(57)【要約】【課題】大きなねじり角でも小型で、不要振動の少ない、長寿命のマイクロ構造体、及びその製造方法を提供する。【解決手段】可動板が弾性支持部によって前記支持基板に対してねじり軸を中心にねじり振動自在に支持されているマイクロ構造体であって、凹部が形成される第１の区間の両端が形成されない第２の区間を配置して構成され、第２の区間は、前記可動板、及び前記支持基板と接続していることを特徴とするマイクロ構造体を提供する。【選択図】　　　図１
2004034256.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持基板と可動板からなり、
該可動板が弾性支持部によって前記支持基板に対してねじり軸を中心にねじり振動自在に支持されているマイクロ構造体であって、
前記弾性支持部は、少なくとも１つ以上の凹部を有し、
前記凹部が形成される第１の区間の両端に前記凹部が形成されない第２の区間を配置して構成され、
該第２の区間は、前記可動板、及び前記支持基板と接続していることを特徴とするマイクロ構造体。
【請求項２】
前記ねじり軸方向の長さについて、
前記第１の区間の長さは前記弾性支持部の全長の少なくとも半分以上であることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ構造体。
【請求項３】
前記第１の区間は、
前記ねじり軸方向にそって前記第１の区間の中央へ向かうほど、
前記凹部の深さが大きくなる第３の区間を有し、
該第３の区間は、前記第２の区間とつながっていることを特徴とする請求項１または２の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項４】
前記支持基板、弾性支持部、可動板及び凹部は、
単結晶材料で一体に形成されていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項５】
前記単結晶材料はシリコン単結晶であることを特徴とする請求項４に記載のマイクロ構造体。
【請求項６】
前記弾性支持部は、シリコン結晶面の（１００）等価面と（１１１）等価面で構成されていることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ構造体。
【請求項７】
前記凹部はシリコン結晶面の（１１１）等価面で構成されていることを特徴とする請求項５または６の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項８】
前記第１の区間は、前記ねじり軸と垂直な面について、Ｖ或いはＸ字状の断面を有していることを特徴とする請求項１乃至７の何れか１項に記載のマイクロ構造体。
【請求項９】
請求項１乃至８いずれか１項に記載のマイクロ構造体と、前記支持基板と前記可動板を相対的に駆動する駆動手段と、前記可動板に形成された光を反射する反射面とからなることを特徴とするマイクロ光偏向器。
【請求項１０】
請求項９に記載のマイクロ光偏向器を有することを特徴とする光学機器。
【請求項１１】
光源と、該光源から出射された光を偏向する請求項９に記載のマイクロ光偏向器を少なくとも１つ以上配置したマイクロ光偏向器またはマイクロ光偏向器群とを具備し、該マイクロ光偏向器またはマイクロ光偏向器群により偏向された光の少なくとも一部を画像表示体上に投影することを特徴とする画像表示装置。
【請求項１２】
シリコン基板の両面にマスク層を成膜する工程、前記マスク層のうち第１の面のマスク層を支持基板、弾性支持部、可動板の外形部分を残して除去する工程、前記マスク層のうち前記第１の面とは反対側のマスク層を支持基板、弾性支持部及び可動板の外形部分を残して除去すると共に、前記弾性支持部の凹部の部分のマスク層を除去する工程、前記シリコン基板をアルカリ水溶液に浸漬して異方性エッチング加工を行うことにより、前記シリコン基板を支持基板、弾性支持部及び可動板に分離すると共に、前記弾性支持部に凹部を形成する工程、前記シリコン基板のマスク層を除去する工程、を含むことを特徴とするマイクロ構造体の製造方法。
【請求項１３】
シリコン基板の両面にマスク層を成膜する工程、前記マスク層の両面のマスク層を支持基板、弾性支持部及び可動板の外形部分を残して除去すると共に、前記弾性支持部の凹部の部分のマスク層を除去する工程、前記シリコン基板をアルカリ水溶液に浸漬して異方性エッチング加工を行うことにより、前記シリコン基板を支持基板、弾性支持部及び可動板に分離すると共に、前記弾性支持部に凹部を形成する工程、前記シリコン基板のマスク層を除去する工程、を含むことを特徴とするマイクロ構造体の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、マイクロマシンの分野に関するものである。より詳しくは、ねじり軸中心にねじり振動する部材を有するマイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエータ、マイクロ光偏向器等に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
近年において半導体デバイスの高集積化に代表されるようにマイクロエレクトロニクスの発展に伴い、様々な機器が高機能化と共に小型化されてきている。マイクロマシンデバイス（例えば、ねじり軸中心にねじり振動する部材を有するマイクロ光偏向器、マイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエータ等）を利用した装置も同様で、例えば、光偏向器を用いて光走査を行う、レーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置、バーコードリーダ等の入力デバイスの光取り入れ装置等においても高機能化、小型化がなされ、更に、より一層の小型化によって、例えば、持ち運びに容易な形態とした製品への応用が望まれている。さて、このような携帯型製品への応用を筆頭に、マイクロマシンデバイスには、実用への応用に向けて、一層の小型化に加え、外部振動などのノイズに対するねじり振動の安定性や耐衝撃性、寿命などの高性能化が特に要求されている。
【０００３】
これらの要求に対する提案として、例えば、特開平０９−２３０２７５、１０ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ　（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　’９９）　ｐｐ．１００２−１００５が開示されている。
【０００４】
（第１の従来例）
図１６は、特開平０９−２３０２７５に開示された第一の従来例のマイクロ光偏向器を示す斜視図である。
【０００５】
トーションバネ１００５は、張力で引っ張られた状態で、固定治具１００２によってハウジング１００１に取り付けられている。そして、トーションバネ１００５の中央付近には、磁石付きミラー１００３が、図示しない接着剤にて固定されている。磁石付きミラー１００３は、厚さ０．３ｍｍ、縦３ｍｍ、横６ｍｍのＮｉ−Ｃｏ（ニッケルコバルト）またはＳｍ−Ｃｏ（サマリウムコバルト）からなる。トーションバネ１００５は、超弾性合金（例えばＮｉ−Ｔｉ合金）からなり、中央部の線径は約１４０μｍ、長さが約１０ｍｍである。そして、トーションバネ１００５がハウジング１００１に固定された部分は、無電解メッキ法等により、磁石付きミラー１００３が固定された中央部よりも太くなっている。このハウジングとの固定部分が、ハウジング固定部１０１３とする。
【０００６】
一方、コア１００６には、コイル１００７が、例えば約３００ターン巻きつけられている。コイル１００７は、コア１００６に設けられたネジ孔１００８及びハウジング１００１に設けられた孔１００４を通して、図示しないネジによってハウジング１００１に固定されている。そして、このコイル１００７の巻き線の両端には、パルス電流発生器１００９が接続されており、パルス電流発生器１００９により、例えば３Ｖで１００ｍＡ程度の電流をコイルに流すと、交番磁界が発生し、磁石付きミラー３が振動する。光源１０１１より発射されたレーザー光線１０１０は、磁石付きミラー１００３によって反射され、磁石付きミラー１００３が共振することにより被走査面１０１２に走査される。
【０００７】
ハウジング固定部１０１３は、無電解メッキ法等の皮膜加工により、テーパ状に形成されている。したがって、駆動時のハウジング固定部１０１３への応力集中を緩和することができ、ひいてはトーションバネ１００５の断線防止に作用する。
【０００８】
（第２の従来例）
図１４は、１０ｔｈ　Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ　Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ　ｏｎ　Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ　Ｓｅｎｓｏｒｓ　ａｎｄ　Ａｃｔｕａｔｏｒｓ（Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ　’９９）　ｐｐ．１００２−１００５にて開示された第２の従来例のハードディスクヘッド用ジンバルの上面図である。このジンバルは、ハードディスクヘッド用サスペンションの先端に取り付けられ、磁気ヘッドにロールとピッチの動きを弾性的に許容させるためのものである。ジンバル２０２０は、内側にロールトーションバー２０２２、２０２４で回転自由に支持された支持枠２０３１を有している。また、支持枠２０３１の内側には、ピッチトーションバー２０２６、２０２８で回転自由に支持されたヘッド支持体２０３０が形成されている。ロールトーションバー２０２２、２０２４とピッチトーションバー２０２６、２０２８のねじれの軸（図２９の直交する鎖線参照）は、互いに直交しており、それぞれ、ヘッド支持体２０３０のロールとピッチの動きを担当している。
【０００９】
図１５は、図１４中の切断線２００６における断面図である。図１５に示すように、トーションバー２０２２の断面形状はＴ字形状をしており、また、ジンバル２０２０はリブを有する構造になっている。
【００１０】
図１５に示すように、このＴ字断面を有するトーションバーは、円断面や長方形断面のような断面形状を有するトーションバーと比べて、断面二次極モーメントが小さいわりに、断面二次モーメントが大きいという特徴がある。そのため、比較的ねじれやすい割に、撓みにくいトーションバーを提供できる。つまり、ねじれ方向に十分なコンプライアンスを確保しながら、ねじれの軸に垂直な方向には剛性の高いトーションバーを提供できる。
【００１１】
また、必要なコンプライアンスを得るための長さが短いトーションバーを提供できるため、より小型化できるという利点もある。
【００１２】
こうして、このＴ字断面を有するトーションバーを用いることで、ロール、ピッチ方向に十分なコンプライアンスを持ち、その他の方向には十分な剛性を有し、より小型化が可能なマイクロジンバルを提供できる可能性がある。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、前記第１および第２の従来例は以下にのべる問題があった。
【００１４】
第１の従来例において、トーションバネ１００５は線材であり、その断面形状は、円形である。この様な断面形状のトーションバネを有するマイクロ構造体は、トーションバネが撓みやすいため、外部の振動を拾ったり、トーションバネのねじり軸がぶれてしまい、正確な駆動ができないという問題点があった。
【００１５】
加えて、外部からの衝撃によっても、トーションバネ１００５が撓みやすいため、磁石付きミラー１００３が並進方向（つまり、ねじり軸と垂直方向）へ大きく変位を起こしてトーションバネ１００５が破断してしまう事故を招きやすいという問題点があった。
【００１６】
そのため、この様なマイクロ光偏向器を例えば、光走査型ディスプレイに適用した場合に、外部振動によって像がぶれたり、スポット形状が変化してしまうという問題点があった。また、衝撃によりディスプレイ自体が破損してしまうという問題点もあった。これは、光走査型ディスプレイを持ち運び容易な形態にした場合に、より大きな問題となる。
【００１７】
また、第１の従来例においては、更に、トーションバネ１００５は、磁石付ミラー１００３を支持している支持部分に対して、ハウジング１００１に固定されたハウジング固定部１０１３の線径が大きく形成されている。しかし、ねじり振動によって生じる応力集中は、ハウジング固定部１０１３にも生じるが、ねじり振動はハウジング１００１に対する磁石付ミラー１００３の相対的な運動であるので、トーションバネ１００５の磁石付ミラー１００３を支持している支持部分にも同様に応力集中が生じる。したがって、この第１の従来例の構成によれば、トーションバネ１００５の磁石付ミラー１００３の支持部分への応力集中の緩和ができず、トーションバネ１００５の断線防止の効果は十分に望めないという問題もあった。
【００１８】
最後に、トーションバネ１００５はねじり方向の変位を主に行う部分の断面形状は円形であり、ハウジング固定部１０１３では、そこから更に線径を大きくすることによって断線防止の効果を得ようと意匠されているが、このようなハウジング固定部１０１３の構造により、それを固定するハウジング１００１も大型化しなければならないという問題点があった。特にマイクロ光偏向器を小型にしたい場合には、ハウジング１００１の厚さなどの寸法とトーションバネ１００５の線径は、次第にオーダーが近いものとなるので、より大きな問題となる。
【００１９】
第２の従来例において、Ｔ字断面のトーションバーは、ねじり振動によってねじれたときに、Ｔ字断面のトーションバーの両端の支持部分（例えば、ピッチトーションバー２０２８、２０２６におけるヘッド支持体２０３０の支持部分や、支持枠２０３１の支持部分、または、ロールトーションバー２０２２、２０２４における支持枠２０３１の支持部分や、ジンバル２０２０の支持部分）への応力集中が生じ、トーションバーが破断しやすいという問題があった。したがって、トーションバーの長さを十分に長く設定しない限りは、大きな変位角で駆動させることができない。これにより小型化できないばかりか、トーションバーの長さを長く設定した場合でも、トーションバーが撓みやすくなり、外部からの衝撃により、ヘッド支持体２０３０がねじり軸と垂直方向へ大きく並進運動してしまう。したがって、第２の従来例のハードディスクヘッド用ジンバルをハードディスクに搭載した場合、外部からの振動や衝撃により、記録媒体と接触したり、ヘッド自体が破損するなどして、ハードディスクの故障の原因となる。これは、ハードディスクを持ち運び容易な形態にしたときに、より大きな問題となる。
【００２０】
また、このような応力集中により、破断が生じなくても大きな応力が繰り返し負荷することとなり、トーションバーが繰り返し応力による疲労破壊を早期に起こしやすいという問題点もあった。
【００２１】
本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされたもので、その目的は、大きなねじり角でも小型で、不要振動の少ない、長寿命のマイクロ構造体、及びその製造方法、それを用いた光学機器を提供することにある。
【００２２】
【課題を解決するための手段】
よって本発明は、支持基板と可動板からなり、該可動板が弾性支持部によって前記支持基板に対して、ねじり軸を中心にねじり振動自在に支持されているマイクロ構造体であって、前記弾性支持部は、少なくとも１つ以上の凹部を有し、前記凹部が形成される第１の区間の両端に、前記凹部が形成されない第２の区間を配置して構成され、該第２の区間は、前記可動板、及び前記支持基板と接続していることを特徴とするマイクロ構造体を提供する。
【００２３】
また、本発明は、シリコン基板の両面にマスク層を成膜する工程、前記マスク層のうち第１の面のマスク層を支持基板、弾性支持部、可動板の外形部分を残して除去する工程、前記マスク層のうち前記第１の面とは反対側のマスク層を支持基板、弾性支持部及び可動板の外形部分を残して除去すると共に、前記弾性支持部の凹部の部分のマスク層を除去する工程、前記シリコン基板をアルカリ水溶液に浸漬して異方性エッチング加工を行うことにより、前記シリコン基板を支持基板、弾性支持部及び可動板に分離すると共に、前記弾性支持部に凹部を形成する工程、前記シリコン基板のマスク層を除去する工程、を含むことを特徴とするマイクロ構造体の製造方法を提供する。
【００２４】
また、本発明は、シリコン基板の両面にマスク層を成膜する工程、前記マスク層の両面のマスク層を支持基板、弾性支持部及び可動板の外形部分を残して除去すると共に、前記弾性支持部の凹部の部分のマスク層を除去する工程、前記シリコン基板をアルカリ水溶液に浸漬して異方性エッチング加工を行うことにより、前記シリコン基板を支持基板、弾性支持部及び可動板に分離すると共に、前記弾性支持部に凹部を形成する工程、前記シリコン基板のマスク層を除去する工程、を含むことを特徴とするマイクロ構造体の製造方法を提供する。
【００２５】
【発明の実施の形態】
以下本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。
【００２６】
（第１の実施形態）
（全体の説明、ミラー（可動板部））
図１は、本発明の第１の実施形態のマイクロ光偏向器の構成を示す斜視図である。図１においてマイクロ光偏向器１は支持基板２に可動板６の両端が弾性支持部３で支持された構造となっている。弾性支持部３は可動板６をＣ軸（つまり、ねじり軸）を中心に弾性的にＥ方向にねじれ振動自在に支持するものである。また、弾性支持部３には、図１に示すように、凹部５が形成されている。更に、可動板６の一方の面は反射面４となっていて、可動板６のＥ方向のねじれにより反射面４に入射する入射光を所定変位角偏向するものである。
【００２７】
そしてマイクロ構造体の一例であるマイクロ光偏向器１は、駆動手段を設けることで可動板６をねじり振動させることが出来るのでマイクロ構造体と駆動手段とによりアクチュエーターを提供することが出来る。駆動手段は支持基板と可動板とを相対的に駆動させるもので本実施形態において、は後述するマグネットやコイルである。マグネットやコイルを用いる場合、電磁アクチュエータを提供することが出来る。
【００２８】
（マグネット）
さらに、可動板６には、反射面４が形成される面と反対側（以下裏面と称す）に、永久磁石７、例えばサマリウム−鉄−窒素を含む希土類系の永久磁石、が設置されている。そして、永久磁石７はねじり軸Ｃを挟んで異極に着磁されている。
【００２９】
（一体形成、ミラー基板）
これら支持基板２、可動板６、反射面４、弾性支持部３及び凹部５は、共に半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術により単結晶シリコンで一体的に形成されている。
【００３０】
（コイル基板の説明）
また、永久磁石７と所望の距離をおいて近傍に磁気発生手段であるコイル９が配置されるようにコイル基板８が支持基板２と平行に設置されている。コイル９は図１のようにコイル基板８の面上に、渦巻状に例えば銅を電気メッキすることにより一体形成されている。
【００３１】
（動作）
図２を用いて、本実施形態のマイクロ光偏向器１の動作を説明する。図２は、図１のマイクロ光偏向器１のＡ−Ａ線での断面図である。図２に示すように永久磁石７はねじり軸Ｃを挟んで異極となるように着磁されており、その向きは例えば図示の通りである。コイル９に通電することにより磁束Φが通電する電流の向きに関係して、例えば図２の向きに発生する。永久磁石７の磁極には、この磁束に関係した方向にそれぞれ吸引及び反発力が発生し、ねじり軸Ｃを中心に弾性支持された可動板６にトルクＴが働く。同様にして、コイル９に通電する電流の向きを反対にすれば、反対向きにトルクＴが働く。したがって、図２に示すように、コイル９に通電する電流に応じて、任意の角度、可動板６を駆動することが可能である。
【００３２】
（共振）
更に、コイル９に交流電流を通電することにより、可動板６を連続的にねじり振動させることが可能である。このとき、交流電流の周波数を可動板６の共振周波数とほぼ一致させ、可動板６を共振させると、更に大きな角変位が得られる。
【００３３】
（スケール）
本実施形態のマイクロ光偏向器１は、例えば、可動板６の共振周波数である１９ｋＨｚ、機械的な変位角±１０°で駆動する。支持基板２、可動板６、弾性支持部３は全て等しい厚さ１５０μｍで構成され、可動板６のＢ方向（図１のＡ―Ａ方向）の幅が１．３ｍｍ、ねじり軸方向の長さが１．１ｍｍで実施される。つまり可動板の面の面積は数ｍｍ２程度の面積（特に２ｍｍ２以下の面積）でありこの可動板付き支持基板はマイクロ構造体である。（弾性支持部の詳しい構成の説明）
【００３４】
以下、本発明の特徴である弾性支持部３と凹部５について詳しく説明する。
【００３５】
図３は、支持基板２の裏面からみた斜視図である。
【００３６】
図３に示すように本実施形態では、弾性支持部３に凹部５が形成されている。図１、図３に示したように、弾性支持部３には反射面４の形成される面とその裏面どちらにも凹部５が形成されている。また、可動板６を支持する２本の弾性支持部３は同一の形状である。
【００３７】
そこで、以下では図４（ａ）（ｂ）、図５（ａ）〜（ｄ）を用いて、図３の破線で囲んだ弾性支持部３、凹部５について説明を行う。図４（ａ）は図３の破線で囲んだ弾性支持部３を特に拡大した上面図、図４（ｂ）は図４（ａ）のＳ−Ｓ線での断面図である。また、図５の（ａ）〜（ｄ）は、図４（ａ）（ｂ）に示したＯ−Ｏ線、Ｐ−Ｐ線、Ｑ−Ｑ線、Ｒ−Ｒ線での弾性支持部３の断面をそれぞれ示している。
【００３８】
図４（ａ）に示すように、凹部５は、ねじり軸の軸方向における弾性支持部３の両端、つまり、可動板６と接続する一端と、支持基板２と接続する一端には、形成されない。したがって、弾性支持部３は、凹部５が形成されない区間Ｍに凹部５が形成される区間Ｎが挟まれた構成となっている。
【００３９】
図４（ｂ）は、図４（ａ）のＳ−Ｓ線での断面を示している。本実施形態のマイクロ光偏向器１では、特に、凹部５は、４つのシリコン結晶面の（１１１）等価面で構成されている。そのうち、図４（ａ）（ｂ）に示した傾斜面１１の２つは、反射面及びその裏面の形成される面である（１００）等価面と図示のように、ほぼ５４．７度の角度を成している。この傾斜面１１が形成されている区間を区間Ｎ’、その他の区間Ｎを区間Ｎ’’とする。したがって、本実施形態の光偏光器１では、弾性支持部３は、凹部５が形成されない区間Ｍに凹部５が形成される区間Ｎが挟まれ、さらに、区間Ｎは、傾斜面１１が形成される区間Ｎ’が、区間Ｎ’’を挟む構成となっている。但し、ここで（１１１）等価面、（１００）等価面とは、例えば（１１１）面、（１−１−１）面、（−１−１１）面および、（−１００）面などで示される結晶面のそれぞれ総称である。
【００４０】
（断面形状が変化するという説明）
図５（ａ）は、区間Ｍ（図４Ｏ−Ｏ線）での弾性支部３の断面形状を示している。
【００４１】
一方、図５（ｄ）は区間Ｎ’’（図４Ｒ−Ｒ線）での断面形状を示している。区間Ｎ’’では、凹部５が形成されたことにより、弾性支持部３の断面形状が、Ｘ字状の多角形となる。すなわち、図５（ａ）の区間Ｍにおける断面に比べ、この区間Ｎ’’の断面は、断面２次極モーメントが小さい。
【００４２】
弾性支持部３に凹部５を形成しない場合、図４（ａ）に示した角部１０には、大きな応力集中が生じ、これが弾性支持部３の破断の主要な一因となる。しかし、凹部５形成により、本実施形態の弾性支持部３は区間Ｍから区間Ｎ’’へ断面２次極モーメントが小さくなっているため、区間Ｎにおける単位長さあたりのねじれ角θより、区間Ｍにおけるθの方が小さくなり、角部１０が大きな歪みを受けない。このため、角部１０への応力集中を緩和することができる。
【００４３】
更に、区間Ｎ’’の断面形状は、凹部５が形成されても、ねじり軸と垂直な撓みを生じる方向へは、依然大きな断面２次モーメントを有しており、ねじり振動以外の不要振動や不要変位を生じにくい弾性支持部とすることができる。
【００４４】
さて、図５（ｂ）（ｃ）には、区間Ｎ’（図４Ｐ−Ｐ線、Ｑ−Ｑ線）での断面形状を示している。図４（ｂ）で示したように、区間Ｎ’に形成された傾斜面１１により、この部分の凹部５は区間Ｍ側から区間Ｎ’’側へ向かって深くなるため、図５（ｂ）（ｃ）に示すように、断面形状も区間Ｍから区間Ｎ’’へ徐々に推移するような中間的な多角形形状となる。
【００４５】
したがって、断面２次極モーメントも連続的に変化するため、区間Ｍから区間Ｎ’’への形状変化が急激に生じた場合と比べて、急激な変化点で生じる新たな応力集中を更に緩和することができ、より好ましい形態とすることができる。
【００４６】
このように本実施形態で典型的に区間Ｍ、区間Ｎとして示したように、弾性支持部に凹部を形成することにより、弾性支持部の両端付近に生じる応力集中を緩和し、弾性支持部の破断を防ぎ、マイクロ光偏向器を広偏向角化、長寿命化することができる。加えて、区間Ｎのように、断面２次極モーメントが小さく、断面２次モーメントが比較的大きい断面形状とすることにより、ねじり易く、外部からの振動や衝撃に対して不要振動や変位をねじれ軸に垂直方向に生じないマイクロ光偏向器とすることができる。
【００４７】
このような効果は、本実施形態の弾性支持部、凹部の断面形状のみに限定されるわけではなく、任意の弾性支持部、凹部を用いて本発明の目的を達成することができる。
【００４８】
また、特に本実施形態で典型的に傾斜面１１の形成される区間Ｎ’として示したように、凹部の形成されない区間と凹部の形成される区間との間に、中間的な断面形状が形成されるように、凹部の側壁をねじり軸と垂直な面に対して傾斜させることで、更に応力集中を緩和して、本発明のマイクロ光偏向器を更に好ましい形態とすることができる。
【００４９】
更に、本実施形態のように、単結晶シリコンで一体に支持基板２、可動板６、弾性支持部３、凹部５を形成することにより、機械的なＱ値が大きなマイクロ光偏向器とすることができる。これは、共振駆動したときに投入エネルギーあたりの振動振幅が大きくなることを示しており、本発明のマイクロ光偏向器は、大きな偏向角で、小型・省電力なものとすることができる。
【００５０】
また、本実施形態では、区間Ｎ’’の断面形状をＸ字状の多角形とすることにより、断面２次極モーメントがより小さく、断面２次モーメントがより大きい断面形状とすることができる。更に、ねじり軸Ｃが可動板６の重心位置をほぼ通過する形態とすることができるため、ねじり振動の軸Ｃからのぶれをより少なくすることできる。したがって、本発明のマイクロ光偏向器を更に好ましい形態とすることができる。
【００５１】
また、本実施形態では、弾性支持部と同時に形成される（１００）等価面と（１１１）等価面で構成された可動板６のねじり軸Ｃと垂直な断面形状は、図２に示すように、側壁が陥没状となる多角形である。したがって、可動板の断面が長方形である場合と比べ、慣性モーメントが低減され、同時に剛性は高く保たれるので、マイクロ光偏向器を高速駆動させた場合でも、反射面の変形が少なく、共振周波数を高く設定しても弾性支持部のねじりのバネ定数は低く設定することができるため、少ないトルクで大きな偏向角が得られる。
【００５２】
（製造プロセス）
次に本実施形態の支持基板２、弾性支持部３、可動板６、凹部５の製造方法を図６（ａ）〜（ｅ）、図７（ａ）〜（ｆ）を参照して説明する。図６（ａ）〜（ｅ）、図７（ａ）〜（ｆ）は本実施形態における支持基板２、弾性支持部３、可動板６、凹部５のアルカリ水溶液を用いた異方性エッチングによる製造方法を示す工程図である。特に図６は、図１のＡ−Ａ線の、図７は図４（ａ）のＲ―Ｒ線のそれぞれの断面の各工程の概略図を示している。まず、図６（ａ）に示すように低圧化学気相合成法等により平板状のシリコン基板１０４の両面に窒化シリコンのマスク層１０１を成膜する。
【００５３】
次に、図６（ｂ）に示すように反射面４が形成される面のマスク層１０１を支持基板２、可動板６、弾性支持部３、凹部５の形成予定部分の外形に応じてパターニングする。このパターニングは通常のフォトリソグラフと窒化シリコンを侵食するガス（例えばＣＦ４等）を用いたドライエッチング加工によって行う。また、図６（ｃ）に示すように反射面４が形成されない面に、支持基板２、可動板６、弾性支持部３、凹部５の外形に応じてマスク層１０１をパターニングする。この場合も図６（ｂ）と同様の方法でパターニングを行う。
【００５４】
次いで、図６（ｄ）に示すように単結晶シリコンの結晶面によって腐食する速度が著しく異なるアルカリ水溶液（例えば、水酸化カリウム水溶液、テトラメチルアンモニウムヒドロキシド水溶液等）に所望の時間、浸漬することによって異方性エッチング加工を行い、図６（ｄ）に示すような形状の支持基板２、可動板６を形成する。この時、同時に、弾性支持部３、凹部５も形成する。異方性エッチングでは（１００）等価面でエッチング速度が速く、（１１１）等価面で遅く進むため、シリコン基板１０４の表面と裏面の両面からエッチングを進行させ、マスク層１０１のパターンとシリコンの結晶面との関係によりマスク層１０１で覆われた部分の（１００）面と（１１１）面で囲まれた形状に正確に加工することが可能である。なお、弾性支持部３、凹部５のこの異方性エッチング行程での形成過程の詳細は、図７を用いて詳しく後述する。
【００５５】
次に、図６（ｅ）に示すように窒化シリコンのマスク層１０１を除去し、更に反射面４として高反射率を有する金属（例えば、アルミニウム等）を真空蒸着する。以上の製造方法により、支持基板２、凹部５が形成された可動板６、反射面４、弾性支持部３、及び凹部５が一体に形成される。
【００５６】
その後、サマリウム−鉄−窒素を含む希土類系の粉体を接合材料と混ぜたペースト状の磁性体を可動板６の裏面に形成する。このとき、例えば、シルクスクリーン印刷を用いて可動板６の裏面のみに磁性体を形成できる。最後に、磁場中で加熱処理をした後、着磁（着磁方向は図２を参照）を行って永久磁石７を形成し、図１のマイクロ光偏向器１が完成する。
【００５７】
（製造プロセス（弾性支持部であるトーションバーと凹部の形成過程））
ここで、図７（ａ）〜（ｆ）を用いて、図６（ｄ）に示した異方性エッチング行程での弾性支持部３と凹部５の形成過程を詳しく説明する。
【００５８】
図７（ａ）に示すように、前行程で形成された弾性支持部３と凹部５の形成予定部分の外形に応じたマスク層１０１は、弾性支持部３と可動板６の外形に沿ってＷａの幅を有する開口部１９１が形成されており、また、凹部５の外形に沿ってＷｇの幅を有する開口部１９０が形成されている。
【００５９】
ここで、図７（ｂ）に示すように、例えば、水酸化カリウム水溶液を用いて、シリコン基板１０４の両面からエッチングを行う。前述の通り、（１００）等価面と（１１１）等価面のエッチング速度差により、エッチングはまず、掘り進むにつれて開口部が狭くなるように進行する。
【００６０】
やがて、図７（ｃ）に示すように、Ｗｇの幅を有する開口部１９０においては、シリコン基板１０４の中央に達する前にすべての面が（１１１）等価面になりエッチングがストップするため、Ｖ字状の凹部５が形成される。また、Ｗａの幅を有する開口部１９１においては、基板を貫通するまでエッチングが進行する。図４（ｂ）に示すように、（１１１）等価面は、（１００）等価面に対して、５４．７度の角度を有するため、開口部の幅ｗとＶ字状の凹部５の深さの関係は、ｄ＝ｗ／２ｔａｎ５４．７°である。すなわち、Ｗｇ＜ｔ／ｔａｎ５４．７°、Ｗａ＞ｔ／ｔａｎ５４．７°の関係を満たしている。ここで、ｔはシリコン基板１０４の厚みである。
【００６１】
次に、図７（ｄ）、（ｅ）に示すように開口部１９１の上下からの穴が貫通したあとは、エッチングは側方に進んでいく。
【００６２】
最後に、図７（ｆ）のように、側壁が（１１１）等価面に到達して、エッチングがストップする。したがって、弾性支持部３の側面、及び、可動板６の側面（図６（ｄ）参照）には（１１１）等価面の陥没形状が形成される。また、弾性支持部３の図４Ｒ−Ｒ線での断面形状は、Ｘ字状の多角形に加工される。
【００６３】
このように本実施形態のマイクロ光偏向器１の製造方法によれば、可動板６、弾性支持部３、凹部５のすべての構造を１回のアルカリ異方性エッチングで加工することができるので、非常に安価に大量に製造可能である。また、設計変更等に対してもフォトリソグラフのマスクパターンとエッチング時間の調節で対応可能となるため、マイクロ光偏向器を益々安価に、開発期間を短く製造可能となる。加えて、可動板６、弾性支持部３、及び凹部５の形状は、単結晶シリコンの（１１１）等価面で決定するため、その加工を高精度に行う事が可能である。
【００６４】
（回折格子）
なお、図１では光偏向子として反射面４としたが、反射面４を反射型の回折格子としても可動板６のねじり振動により同様の動作を行うマイクロ光偏向器を構成できる。この場合、入射光に対して偏向光は回折光となるため、１本のビームで複数の偏向光を得ることができる。
【００６５】
（第２の実施形態）
（全体の説明：力学量センサ）
図８は、本発明の第２の実施形態の力学量センサの一例である加速度センサの構成を示す斜視図である。図８において加速度センサ２１は支持基板２に可動板６の両端が弾性支持部３で支持された構造となっている。弾性支持部３は可動板６をＣ軸（つまり、ねじり軸）を中心に弾性的にＥ方向にねじれ振動自在に支持するものである。また、弾性支持部３には、図８に示すように、凹部５が形成されている。なお、図８では図１と同一部分は同一符号を付している。
【００６６】
（検出電極、絶縁性基板の説明）
また、可動板６と所望の距離をおいて近傍に検出電極２１６が対向して配置されるように絶縁性基板２１０が支持基板２と平行に設置されている。なお絶縁性基板２１０は電気的に接地されている。絶縁性基板２１０は、例えば、検出電極２１６を、アルミを真空蒸着し、それを検出電極２１６の外形に沿ってフォトリソグラフ、エッチングを行ってパターニングすることで作製し、シリコン基板である支持基板２と、絶縁性基板２１０とを所望の距離をおいて平行に設置するスペーサ（不図示）を介して接着することができる。
【００６７】
（加速度センサ、静電アクチュエータ、原理）
支持基板２に対して垂直な方向に加速度が作用すると、可動板６に慣性力が作用し、可動板６は、弾性支持部６のねじり軸Ｃ回りにＥ方向に変位する。可動板６がＥ方向に変位すると、検出電極２１６との距離が変化するため、可動板６と検出電極２１６の間の静電容量が変化する。そのため、検出電極２１６と可動板６の間の静電容量を検出することで、加速度を検出することができる。
【００６８】
また、逆に、検出電極２１６の間に電圧を印加すると、可動板６と検出電極２１６の間に静電引力が作用し、可動板６は弾性支持部３のねじり軸Ｃ回りにＥ方向に変位する。つまり、本実施例の加速度センサは、静電アクチュエータとしても使用することができる。
【００６９】
（弾性支持部３、凹部５の詳しい説明）
図９（ａ）（ｂ）、図５（ａ）〜（ｄ）を用いて、図８の破線で囲んだ弾性支持部３、凹部５について説明を行う。
【００７０】
本実施形態の弾性支持部３、凹部５では、第１の実施形態の弾性支持部３、凹部５と同様の効果を有している。第１の実施形態との違いは、弾性支持部３、凹部５の断面形状であり、ここではこの点について説明する。
【００７１】
図９（ａ）は図８の破線で囲んだ弾性支持部３、凹部５を特に拡大した上面図、図９（ｂ）は図９（ａ）のＳ−Ｓ線での断面図である。また、図１０の（ａ）〜（ｄ）は、図９（ａ）（ｂ）に示したＯ−Ｏ線、Ｐ−Ｐ線、Ｑ−Ｑ線、Ｒ−Ｒ線での弾性支持部３の断面をそれぞれ示している。
【００７２】
図９（ａ）に示すように、凹部５は、弾性支持部３の両端付近には形成されず、凹部５が形成されない区間Ｍに凹部５が形成される区間Ｎが挟まれた構成となっている。
【００７３】
図９（ｂ）は、図９（ａ）のＳ−Ｓ線での断面を示している。凹部５は、４つのシリコン結晶面の（１１１）等価面で構成されている。そのうち、図９（ａ）（ｂ）に示した傾斜面１１の２つは、（１００）等価面と図示のように、ほぼ５４．７度の角度を成している。この傾斜面１１が形成されている区間を区間Ｎ’、その他の区間Ｎを区間Ｎ’’とする。したがって、本実施形態では、弾性支持部３は、凹部５が形成されない区間Ｍに凹部５が形成される区間Ｎが挟まれ、さらに、区間Ｎは、傾斜面１１が形成される区間Ｎ’が、区間Ｎ’’を挟む構成となっている。
【００７４】
図１０（ａ）は、区間Ｍ（図９Ｏ−Ｏ線）の弾性支部３の断面形状で、ほぼ台形である。
【００７５】
一方、図１０（ｄ）は区間Ｎ’’（図９Ｒ−Ｒ線）の断面形状で、凹部５が形成されたことにより、弾性支持部３の断面形状が、Ｖ字状の多角形となる。
【００７６】
また、図１０（ｂ）（ｃ）は、区間Ｎ’（図４Ｐ−Ｐ線、Ｑ−Ｑ線）での断面形状を示している。この部分の凹部５は区間Ｍ側から区間Ｎ’’側へ向かって深くなるため、断面形状も区間Ｍから区間Ｎ’’へ徐々に推移するような中間的な多角形形状となる。
【００７７】
すなわち、区間Ｍ、区間Ｎ’、区間Ｎ’’への断面形状の変化により、第１の実施形態での区間Ｍ、区間Ｎ’、区間Ｎ’’への断面形状の変化が持っていたのと同様の効果が得られ、図９（ａ）の角部１０への応力集中を緩和し、ねじり振動以外の不要振動や不要変位を生じにくい弾性支持部とすることができる。
【００７８】
（Ｖ字断面に特別な効果）
本実施形態では、特に、区間Ｎ’’の断面形状がＶ字状の多角形とすることにより、断面２次極モーメントがより小さく、断面２次モーメントがより大きい断面形状とすることができる。したがって、本発明の加速度センサを好ましい形態とすることができる。
【００７９】
（製造プロセス（弾性支持部であるトーションバーと凹部の形成過程））
次に本実施形態の支持基板２、弾性支持部３、可動板６、凹部５の製造方法を図１１（ａ）〜（ｅ）を参照して説明する。図１１（ａ）〜（ｅ）は図９（ａ）（ｂ）のＲ−Ｒ線での断面を特に示しており、弾性支持部３、凹部５の異方性エッチング行程での形成過程を詳しく説明するものである。
【００８０】
まず、図１１（ａ）に示すように、低圧化学気相合成法等により平板状のシリコン基板１０４の両面に窒化シリコンのマスク層１０１を成膜し、弾性支持部３と凹部５の形成予定部分の外形に応じて、マスク層１０１をパターニングする。このパターニングは通常のフォトリソグラフと窒化シリコンを侵食するガス（例えばＣＦ４等）を用いたドライエッチング加工によって行う。形成されるパターンは図示の通り、シリコン基板１０４の上面側、下面側に、それぞれ幅Ｗａと幅Ｗｂ、Ｗｃの開口が形成される。弾性支持部３と可動板６の外形に沿ってＷｂ、Ｗｃの幅を有する開口部１９１が形成されており、また、凹部５の外形に沿ってＷａの幅を有する開口部１９０が形成されている。
【００８１】
ここで、図１１（ｂ）に示すように、例えば、水酸化カリウム水溶液を用いて、シリコン基板１０４の両面からエッチングを行う。前述の通り、（１００）等価面と（１１１）等価面のエッチング速度差により、エッチングはまず、掘り進むにつれて開口部が狭くなるように進行する。
【００８２】
やがて、図１１（ｃ）に示すように、Ｗａの幅を有する開口部１９０においては、シリコン基板１０４の中央に達する前にすべての面が（１１１）等価面になりエッチングがストップするため、Ｖ字状の凹部５が形成される。また、Ｗａの幅を有する開口部１９１においては、基板を貫通するまでエッチングが進行する。前述の通り、（１１１）等価面は、（１００）等価面に対して、５４．７度の角度を有するため、開口部の幅ｗとＶ字状の凹部５の深さの関係は、ｄ＝ｗ／２ｔａｎ５４．７°である。すなわち、Ｗａ＜ｔ／ｔａｎ５４．７°、Ｗｂ、Ｗｃ＞ｔ／ｔａｎ５４．７°の関係を満たしている。ここで、ｔはシリコン基板１０４の厚みである。
【００８３】
次に、図１１（ｄ）に示すように、下面からのエッチングは、シリコン基板１０４を貫通するまで進行し、マスク層１０１でストップする。
【００８４】
この異方性エッチング行程で、弾性支持部３の図９（ａ）（ｂ）Ｒ−Ｒ線での断面形状は、（１００）等価面と（１１１）等価面で囲まれたＶ字状の多角形に加工される。
【００８５】
同時に、支持基板２、可動板６もこのエッチング工程で（１００）面と（１１１）面で囲まれた図８に示す形状に加工される。
【００８６】
最後に図１１（ｅ）に示すように、マスク層１０１を除去し、支持基板２、弾性支持部３、可動板６、凹部５が一体的に形成される。
【００８７】
（第３の実施形態）
図１２は上記マイクロ光偏向器を用いた光学機器の実施形態を示す図である。ここでは光学機器として画像表示装置を示している。図１２において、２０１は第１の実施形態のマイクロ光偏向器を偏向方向が互いに直交するように２個配置したマイクロ光偏向器群２１であり、本実施形態では水平・垂直方向に入射光をラスタスキャンする光スキャナ装置として用いている。２０２はレーザ光源である。２０３はレンズ或いはレンズ群であり、２０４は書き込みレンズまたはレンズ群、２０５は投影面である。レーザ光源２０２から入射したレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けてマイクロ光偏向器群２０１により２次元的に走査する。この走査されたレーザ光は書き込みレンズ２０４により投影面２０５上に画像を形成する。つまり本実施形態の画像表示装置はディスプレイに適用できる。
【００８８】
（第４の実施形態）
図１３は上記マイクロ光偏向器を用いた光学機器の他の実施形態を示す図である。ここでは、光学機器として電子写真方式の画像形成装置を示している。図１３において、２０１は第１の実施形態のマイクロ光偏向器であり、本実施形態では入射光を１次元に走査する光スキャナ装置として用いている。２０２はレーザ光源である。２０３はレンズあるいはレンズ群であり、２０４は書き込みレンズ或いはレンズ郡、２０６は感光体である。レーザ光源から射出されたレーザ光は、光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、マイクロ光偏向器２０１により１次元的に走査する。この走査されたレーザ光は書き込みレンズ２０４により、感光体２０６上へ画像を形成する。
【００８９】
感光体２０６は図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を走査することによりその部分に静電潜像を形成する。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部分にトナー像を形成し、これを例えば図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に画像が形成される。
【００９０】
【発明の効果】
以上説明したように本発明のマイクロ構造体は、弾性支持部に凹部を形成し、弾性支持部を、凹部が形成される区間の両端に、凹部が形成されない区間を配置するような構造とし、この凹部が形成されない区間を、可動板、及び支持基板と接続する構成とすることにより、ねじり駆動の際に弾性支持部と可動板及び支持基板の接合部への応力の集中を緩和することができ、弾性支持部の破断を防ぎ、マイクロ構造体を広変位角化、長寿命化することが可能となる。
【００９１】
更に、前記凹部を形成することにより弾性支持部はねじり易く、可動板を並進振動させる方向（ねじり軸に垂直な方向）へはたわみ難い形態とすることができ、外乱などによる不要振動が少ない、安定なねじり振動で駆動するマイクロ構造体とすることが可能となる。
そのため、大きな変位角でも小型で、不要振動の少ない、長寿命のマイクロ構造体を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施形態のマイクロ光偏向器を示す斜視図である。
【図２】図１のＡ−Ａ線における断面図である。
【図３】図１の支持基板、可動板、弾性支持部、凹部、永久磁石を説明するための斜視図である。
【図４】（ａ）図１の弾性支持部、凹部を説明するための上面図である。（ｂ）図４（ａ）のＳ−Ｓ線における断面図である。
【図５】図４のＯ−Ｏ線、Ｐ−Ｐ線、Ｑ−Ｑ線及びＲ−Ｒ線における断面図である。
【図６】図１の光偏光器の製造方法を説明する図である。
【図７】図６の光偏光器の製造方法における弾性支持部、凹部の形成過程を説明する図である。
【図８】本発明の第２の実施形態の加速度センサを示す斜視図である。
【図９】（ａ）図８の弾性支持部、凹部を説明するための上面図である。（ｂ）図９（ａ）のＳ−Ｓ線における断面図である。
【図１０】図９のＯ−Ｏ線、Ｐ−Ｐ線、Ｑ−Ｑ線及びＲ−Ｒ線における断面図である。
【図１１】図８の加速度センサの製造方法を説明する図である。
【図１２】本発明のマイクロ光偏向器を用いた光学機器の一実施形態を示す図である。
【図１３】本発明のマイクロ光偏向器を用いた光学機器の他の実施形態を示す図である。
【図１４】第２の従来例のハードディスクヘッド用ジンバルを示す図である。
【図１５】図１４の第２の従来例のハードディスク用ジンバルの断面図である。
【図１６】第１の従来例の光偏光器を示す図である。
【符号の説明】
１　マイクロ光偏向器
２　支持基板
３　弾性支持部
４　反射面
５　凹部
６　可動板
７　永久磁石
８　コイル基板
９　コイル
１０　角部
１１　傾斜面
２１　加速度センサ
１０１　マスク層
１０２　アルミ層
１０３　フォトレジスト層
１０４　シリコン基板
１９０　開口部
１９１　開口部
２０１　マイクロ光偏向器群
２０２　レーザ光源
２０３　レンズ
２０４　書き込みレンズ
２０５　投影面
２０６　感光体
２１０　絶縁性基板
２１６　検出電極
１００１　ハウジング
１００２　固定治具
１００３　磁石付きミラー
１００４　孔
１００５　トーションバネ
１００６　コア
１００７　コイル
１００８　ネジ孔
１００９　パルス電流発生器
１０１０　レーザー光線
１０１１　光源
１０１２　被走査面
１０１３　ハウジング固定部
２００６　切断線
２０２０　ジンバル
２０２２　ロールトーションバー
２０２４　ロールトーションバー
２０２６　ピッチトーションバー
２０２８　ピッチトーションバー
２０３０　ヘッド支持体
２０３１　支持枠
【図１】
2004034256.tif 000003
【図２】
2004034256.tif 000004
【図３】
2004034256.tif 000005
【図４】
2004034256.tif 000006
【図５】
2004034256.tif 000007
【図６】
2004034256.tif 000008
【図７】
2004034256.tif 000009
【図８】
2004034256.tif 000010
【図９】
2004034256.tif 000011
【図１０】
2004034256.tif 000012
【図１１】
2004034256.tif 000013
【図１２】
2004034256.tif 000014
【図１３】
2004034256.tif 000015
【図１４】
2004034256.tif 000016
【図１５】
2004034256.tif 000017
【図１６】
2004034256.tif 000018