(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射膜を有する可動板と、前記可動板を揺動可能に支持する弾性部材と、前記弾性部材を支持する支持部と、前記可動板に設けられた電気要素である駆動コイルとを備えたミラー揺動体と、前記ミラー揺動体の外部に設けられ、前記駆動コイルと共同して前記可動板を揺動させる磁界発生手段とから構成される光偏向器に用いられる光偏向器用のミラー揺動体において、前記可動板は、前記反射膜を有する第一部分と、前記駆動コイルを有する第二部分とを有しており、前記第一部分と前記第二部分は前記可動板の厚さ方向に互いに向き合って直接的に接して配置されており、前記第一部分は前記反射膜が形成された反射面形成面を有し、かつ、前記反射面形成面の輪郭形状を端面とする立体であり、前記第二部分は前記駆動コイルが形成された電気要素形成面を有し、かつ、前記電気要素形成面の輪郭形状を端面とする立体であり、揺動時の前記可動板の慣性モーメントを低減させるために、前記反射面形成面は前記電気要素形成面よりも小さい面積を有しており、従って前記第一部分の体積が前記第二部分の体積よりも小さい光偏向器用のミラー揺動体。
【請求項２】
前記第一部分の反射面形成面は、前記第二部分の電気要素形成面の形状に対して、前記反射面形成面の側から見て、その輪郭形状がほぼ内接する形状を有している、請求項１に記載のミラー揺動体。
【請求項３】
前記第一部分の反射面形成面の輪郭形状が、楕円形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のミラー揺動体。
【請求項４】
前記第一部分の反射面形成面の輪郭形状が、１２角形であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のミラー揺動体。
【請求項５】
前記可動板が、単結晶シリコン基板より形成されている請求項３または請求項４に記載のミラー揺動体。
【請求項６】
前記可動板が、２層の単結晶シリコン層とその中間の絶縁層からなるＳＯＩ基板より形成されており、一方のシリコン層と絶縁層に同形状に前記第一部分が形成され、他方のシリコン層に前記第二部分が形成され、更に弾性部材は前記第二部分が形成されたシリコン層から形成されていることを特徴とする請求項３または請求項４に記載のミラー揺動体。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、光偏向器に用いられるミラー揺動体に関する。より詳しくは、反射面を有する揺動可能に支持された可動ミラーを有しており、可動ミラーを揺動して反射面の向きを変えることにより、反射面で反射される光ビームの方向を変える光偏向器に用いられるミラー揺動体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
小型化可能な光偏向器として、マイクロマシニング技術を利用してミラー、弾性部材、駆動手段などを一体に形成したものが開示されている。一般に高速動作が可能な光偏向器はその共振周波数に一致した駆動周波数で駆動する方式が用いられるが、共振周波数はミラーが形成された可動部の慣性モーメントに反比例し、これを支持する弾性部材の剛性に比例する。一方、偏向角は駆動力に比例し、弾性部材の剛性に反比例する。以上より、小さい力で大きな偏向角を得る(駆動効率を上げる)ためには、可動板の慣性モーメントを低減することが有効であることがわかる。
【０００３】
特開平１０−６２７０９号は、楕円形の可動ミラーを有するガルバノミラー装置を開示している。一般に用いられる光ビームは円形の断面形状を有しているため、可動ミラーへの投影形状は円形または楕円形となる。特開平１０−６２７０９号のガルバノミラー装置は、この点に着目して成されたもので、可動ミラーの形状を、長方形ではなく、楕円形として、慣性モーメントを低減することにより、駆動効率の向上を図っている。楕円形の可動ミラーは、長方形の可動ミラーに比べて、約６０％に低減された慣性モーメントを有する。
【０００４】
また、可動ミラーの慣性モーメントは、その形状を変えずとも、その厚さを低減することによっても低減される。マイクロマシン技術により作製されるディジタルマイクロミラーデバイス(ＤＭＤ)は、アレイ状に集積された１０数μｍ角のミラーを有している。そのミラーは、Ａｌの薄膜で形成されており、極めて小さい慣性モーメントを有しており、従って高速で動作可能である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
特開平１０−６２７０９号に開示されているガルバノミラー装置は、可動ミラーの慣性モーメントの低減に伴い、可動ミラーを揺動させるための駆動用電極の面積も低減している。可動ミラーの裏面全面が駆動電極であると仮定して、楕円形電極による中立時駆動トルクは、長方形電極による中立時駆動トルクの約６６％となる。中立時駆動トルクの低減は慣性モーメントの低減より減少率が小さいため、駆動効率は総合的に改善されているが、大幅な改善とは言えない。
【０００６】
一方、可動ミラーの厚さの低減は、可動ミラー自身の剛性の低下を引き起こす。ミラーを薄くするとミラー自身の剛性が低下するという課題があった。前述ＤＭＤでは、ミラーの大きさが１５μｍ角程度と小さいので大きな問題とはならないが、数ｍｍ角程度の大きさのミラーでは、ミラーの厚さの過度の低減は、動的平面度の悪化につながる。
【０００７】
本発明は、以上の課題に鑑みてなされたものであり、その目的は、光学性能が維持されながら可動部分の慣性モーメントが低減された光偏向器用のミラー揺動体を提供することである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、反射膜を有する可動板と、前記可動板を揺動可能に支持する弾性部材と、前記弾性部材を支持する支持部と、前記可動板に設けられた電気要素である駆動コイルとを備えたミラー揺動体と、前記ミラー揺動体の外部に設けられ、前記駆動コイルと共同して前記可動板を揺動させる磁界発生手段とから構成される光偏向器に用いられる光偏向器用のミラー揺動体において、前記可動板は、前記反射膜を有する第一部分と、前記駆動コイルを有する第二部分とを有しており、前記第一部分と前記第二部分は前記可動板の厚さ方向に互いに向き合って直接的に接して配置されており、前記第一部分は前記反射膜が形成された反射面形成面を有し、かつ、前記反射面形成面の輪郭形状を端面とする立体であり、前記第二部分は前記駆動コイルが形成された電気要素形成面を有し、かつ、前記電気要素形成面の輪郭形状を端面とする立体であり、揺動時の前記可動板の慣性モーメントを低減させるために、前記反射面形成面は前記電気要素形成面よりも小さい面積を有しており、従って前記第一部分の体積が前記第二部分の体積よりも小さい。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００１１】
第一の実施の形態
まず、第一の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００１２】
図１〜図３に示されるように、ミラー揺動体１００は、可動板１１０と、反射面を有する可動板１１０を揺動可能に支持するための一対の弾性部材であるトーションバー１２２，１２４と、トーションバー１２２，１２４を保持する支持部材１２６，１２８とを備えている。一対のトーションバー１２２，１２４は、矩形の断面を有し、可動板１１０から両側に対称的に延びている。従って、可動板１１０は、支持部材１２６，１２８に対して、トーションバー１２２，１２４の内部を通る揺動軸の周りに、揺動可能に支持されている。
【００１３】
可動板１１０は、反射面を有する第一部分１１２と、ミラー揺動体１００を駆動するための駆動手段の一部を構成する電気要素を有する第二部分１１４とを有している。第一部分１１２は、反射面が形成された反射面形成面１１６を有し、第一部分１１２の側面は反射面形成面１１６に直交している。第二部分１１４は、電気要素が形成された電気要素形成面１１８を有しており、第二部分１１４の側面は電気要素形成面１１８に直交している。反射面形成面１１６は電気要素形成面１１８よりも小さい面積を有している。
【００１４】
駆動手段の電気要素は、ミラー揺動体１００の駆動方式に応じて異なり、例えば、電磁駆動方式の駆動手段においては、可動板１１０の縁を周回する駆動コイルであり、静電駆動方式の駆動手段においては、可動板１１０のほぼ全面に広がる一対の駆動電極である。また、反射面は、反射面形成面１１６そのものであっても、反射面形成面１１６に形成された反射膜の表面であってもよい。
【００１５】
図２に良く示されるように、電気要素形成面１１８は長方形の形状あるいは輪郭を有しており、反射面形成面１１６は楕円形の形状あるいは輪郭を有している。反射面形成面１１６の楕円形は、特に好ましくは、電気要素形成面１１８の長方形にほぼ内接する形状あるいは輪郭を有している。
【００１６】
可動板１１０とトーションバー１２２，１２４と支持部材１２６，１２８は同じ厚さを有している。また、トーションバー１２２，１２４と可動板１１０の接続部分およびトーションバー１２２，１２４と支持部材１２６，１２８の接続部分の凹状角部には、応力の集中を防ぐために、丸み(Ｒ)が付与されている。
【００１７】
このようなミラー揺動体１００は、例えば、半導体プロセスを利用して、単結晶シリコン基板からモノリシックに形成される。単結晶シリコンは、高い剛性を有し、材料の内部減衰が少ないため、共振駆動用のトーションバー１２２，１２４の材料に適しており、外部部材に接着される支持部材１２６，１２８の材料にも適している。
【００１８】
前述したように、可動板１１０に設けられる電気要素は、ミラー揺動体１００の駆動方式に応じて異なる。電磁駆動方式に対応したミラー揺動体１００Ａを図４に示す。また、このミラー揺動体１００Ａを用いた電磁駆動型の光偏向器を図５に示す。これらの図は、可動板１１０に設けられる電気要素である駆動コイルのレイアウトを模式的に示しており、駆動コイルその他を保護する絶縁膜等の図示は省略してある。
【００１９】
図４と図５に示されるように、ミラー揺動体１００Ａは、可動板１１０の周縁部を周回する駆動コイル１３２を備えている。駆動コイル１３２の一方の端部は、トーションバー１２２を延び、支持部材１２６に設けられた電極パッド１３４に電気的に接続されている。また、駆動コイル１３２の他方の端部は、可動板１１０の周縁部を周回する部分を飛び越え、トーションバー１２４を延びており、支持部材１２６に設けられた電極パッド１３６を電気的に接続されている。
【００２０】
さらに、可動板１１０は、図４に示されるように、駆動コイル１３２の内側を周回する速度検出コイル１４２を備えている。(図５では、速度検出コイル１４２の図示は省略されている。)速度検出コイル１４２の一方の端部は、トーションバー１２２を延び、支持部材１２６に設けられた電極パッド１４４に電気的に接続されている。速度検出コイル１４２の一方の端部は、可動板１１０の周縁部を周回する部分を飛び越え、トーションバー１２４を延びており、支持部材１２６に設けられた電極パッド１４６を電気的に接続している。
【００２１】
図５に示されるように、電磁駆動型の光偏向器は、図４に示されるミラー揺動体１００Ａと、一対の永久磁石１５２，１５４とを備えている。一対の永久磁石１５２，１５４は、可動板１１０の両側の近くに、揺動軸にほぼ平行に配置されている。永久磁石１５２，１５４の着磁方向は、互いに同じ向きで、静止状態の可動板１１０の電気要素形成面にほぼ平行である。永久磁石１５２，１５４は、可動板１１０の両側部分に位置する駆動コイル１３２の部分に対して、可動板１１０の電気要素形成面内の方向で、揺動軸にほぼ直交する方向の磁界を発生させる。
【００２２】
支持部材１２６，１２８上の二個の電極パッド１３４，１３６への交流電圧の印加に応じて、駆動コイル１３２には交流電流が流れる。駆動コイル１３２の永久磁石１５２，１５４に近い部分を流れる電流は、永久磁石１５２，１５４によって発生された磁界との相互作用によりローレンツ力を受ける。その結果、可動板１１０は、板厚方向に、交流電圧の印加に対応して、周期的に方向が切り替わる偶力を受ける。このため、可動板１１０は、二本のトーションバー１２２，１２４の長手方向に延びる揺動軸の周りで、揺動すなわち振動する。その結果、可動板１１０に設けられた反射面で反射される光ビームは、一定の角度幅で周期的に偏向される。
【００２３】
また、静電駆動方式に対応したミラー揺動体１００Ｂを図６に示す。また、このミラー揺動体１００Ｂを用いた静電駆動型の光偏向器を図７に示す。これらの図は、可動板１１０に設けられる電気要素である駆動電極のレイアウトを模式的に示しており、駆動電極その他を保護する絶縁膜等の図示は省略してある。
【００２４】
図６と図７に示されるように、ミラー揺動体１００Ｂの可動板１１０は、一対の駆動電極１６２，１７２を備えている。一対の駆動電極１６２，１７２は、同じ形状を有し、揺動軸に対して対称に配置され、電気要素形成面１１８のほぼ全体に広がっている。駆動電極１６２は、トーションバー１２２を延びる配線１６４を介して、支持部材１２６に設けられた電極パッド１６６に電気的に接続されている。また、駆動電極１７２は、トーションバー１２４を延びる配線１７４を介して、支持部材１２８に設けられた電極パッド１７６に電気的に接続されている。
【００２５】
図７に示されるように、静電駆動型の光偏向器は、図６に示されるミラー揺動体１００Ｂと、可動板１１０に設けられた駆動電極１６２，１７２に向き合って配置された固定電極１８２とを備えている。固定電極１８２は、図示しない部材に固定されており、一定の向きに支持されている。
【００２６】
固定電極１８２は、例えば、グラウンド電位に保たれ、駆動電極１６２，１７２には、それぞれ対応する電極パッド１６６，１７６を介して、所定の電位が交互に印加される。これにより、駆動電極１６２，１７２は、固定電極１８２との間の電位差に応じた静電引力を受ける。その結果、可動板１１０は、板厚方向に、電位の交互の印加に対応して、周期的に方向が切り替わる偶力を受ける。このため、可動板１１０は、二本のトーションバー１２２，１２４の長手方向に延びる揺動軸の周りで、揺動すなわち振動する。その結果、可動板１１０に設けられた反射面で反射される光ビームは、一定の角度幅で周期的に偏向される。
【００２７】
ミラー揺動体１００は、半導体プロセスを利用して作製される。以下、図８を参照して、ミラー揺動体１００の製造方法について説明する。図８に示される各工程は、図２のIII−III線に沿う断面で描かれている。
【００２８】
工程１(図８(ａ))：スタートウエハとして、両面研磨された単結晶シリコン基板１９０を用意する。単結晶シリコン基板１９０の例えば下面１９４(前述の電気要素形成面１１８に相当する)に、駆動手段の一部を構成する電気要素、例えば、駆動コイルや駆動電極を形成する。このような電気要素は、フォトリソグラフィ技術により、例えば、金属薄膜の成膜・パターニングや絶縁膜の成膜などの工程を経て形成される。
【００２９】
工程２(図８(ｂ))：単結晶シリコン基板１９０を、電気要素の形成された下面１９４の側から、可動板１１０の第二部分１１４とトーションバー１２２，１２４と支持部材１２６，１２８に対応する形状に、所定の深さエッチングする。エッチングは、エッチング側面がほぼ基板の上面１９２と下面１９４に対して垂直になるように、例えばＩＣＰ(誘導結合プラズマ)を利用したＲＩＥ(反応性イオンエッチング)により行なわれる。エッチングの深さは、例えばエッチング時間でコントロールされる。
【００３０】
工程３(図８(ｃ))：単結晶シリコン基板１９０を、上面１９２の側から、可動板１１０の第一部分１１２とトーションバー１２２，１２４と支持部材１２６，１２８に対応する形状に、エッチングする。このエッチングも例えばＩＣＰ−ＲＩＥにより行なわれる。エッチングマスクのパターニングは、下面１９４に形成されたパターンに正確にアライメント(位置合わせ)される必要がある。この工程の結果、可動板１１０とトーションバー１２２，１２４と支持部材１２６，１２８を有する構造体が形成される。この構造体では、可動板１１０はトーションバー１２２，１２４によってのみ支持部材１２６，１２８と接続されている。
【００３１】
工程４(図８(ｄ))：単結晶シリコン基板１９０の上面１９２に対して、可動板１１０の第一部分１１２に相当する部分に反射膜を形成する。
【００３２】
通常、一枚のウエハには、前述の構造体が多数並べられて製作される。最後に、ダイシングにより、個々の構造体を切り離して、図１〜図３に示されるミラー揺動体１００が得られる。
【００３３】
このように、ミラー揺動体１００は、半導体プロセスを利用してモノリシックに形成されるため、その後の組立作業は不要であり、超小型に安価に大量生産することができる。また、寸法精度が非常に高く、従って特性のばらつきがきわめて少ない。
【００３４】
前述したように、ミラー揺動体１００は、可動板１１０の第一部分１１２の反射面形成面１１６は楕円形の形状あるいは輪郭を有し、可動板１１０の第二部分１１４の電気要素形成面１１８が長方形の形状あるいは輪郭を有しており、特に好ましい可動板１１０では、反射面形成面１１６は、電気要素形成面１１８の輪郭の長方形にほぼ内接する楕円形の輪郭を有している。
【００３５】
このような形状的な特徴により、このミラー揺動体１００の可動板１１０は、実際に必要な大きさの反射面を確保しながらも、慣性モーメントが低減されている。以下、この点に関して詳しく説明する。
【００３６】
通常、光偏向器には、円形の断面を持つ光ビームが、光偏向器の反射面に斜めに入射される。このため、反射面に形成される光ビームのスポットは一般に楕円形になる。従って、光ビームを反射する機能だけに注目すれば、反射面を持つ可動板の形状は、長方形である必要はなく、楕円形が好ましい。
【００３７】
以下、長方形の可動板と楕円形の可動板の諸特性について考察する。
【００３８】
まず、長方形の可動板と楕円形の可動板の慣性モーメントの違いについて考察する。続く考察では、厚み方向は単位厚さとして無視し、材料密度をρとする。
長方形の可動板の重心周りの慣性モーメントＩrは、長方形の長辺の長さをａ、短辺の長さをｂとすると、次式(１)で表される。
【００３９】
【数１】
0004602542.tif 000002
【００４０】
一方、楕円形の可動板の重心周りの慣性モーメントＩeは、楕円形の長軸の長さをａ、短軸の長さをｂとすると、次式(２)で表される。
【００４１】
【数２】
0004602542.tif 000003
【００４２】
従って、両者の比は、次式(３)で与えられる。
【００４３】
【数３】
0004602542.tif 000004
【００４４】
式(３)から、楕円形の可動板の慣性モーメントは、長方形の可動板の慣性モーメントの約６０％であることが分かる。つまり、可動板の慣性モーメントは、その形状を長方形から楕円形に変更することにより、約６０％に低減される。これは、従来技術の項で説明した通りである。
【００４５】
次に、長方形の可動板と楕円形の可動板の駆動力の違いについて考察する。
【００４６】
まず、図７に示される静電駆動方式における駆動力の違いについて説明する。
続く考察では、可動板は中立位置にあるものとし、空気の誘電率をε、電極間の間隔をＳ、印加電圧をＶとし、揺動軸に対して片側の全面積(可動板の面積の半分)が電極として寄与すると仮定する。長方形の可動板の中立位置における発生トルクＴrは、次式(４)で表される。
【００４７】
【数４】
0004602542.tif 000005
【００４８】
一方、楕円形の可動板の中立位置における発生トルクＴeは、次式(５)で表される。
【００４９】
【数５】
0004602542.tif 000006
【００５０】
従って、両者の比は、次式(６)で与えられる。
【００５１】
【数６】
0004602542.tif 000007
【００５２】
式(６)から、楕円形の可動板の駆動トルクは、長方形の可動板の駆動トルクの約６６．７％であることが分かる。つまり、可動板の駆動トルクは、その形状を長方形から楕円形に変更することにより、約６６．７％に低下してしまう。結局、慣性モーメントの低減に伴って駆動トルクも低減するため、慣性モーメントの低減の利点の一部が失われていると言える。
【００５３】
長方形の可動板の(駆動トルク/慣性モーメント)の値に対する楕円形の可動板の(駆動トルク/慣性モーメント)の値は、可動板の形状を長方形から楕円形に変更したことによる総合的な駆動効率改善の効果を表す指標となる。長方形の可動板の(駆動トルク/慣性モーメント)の値を１とすると、楕円形の可動板の(駆動トルク/慣性モーメント)の値は１．１３となる。
【００５４】
続いて、図５に示される電磁駆動方式における駆動力の違いについて説明する。続く考察では、駆動コイルは可動板の周縁に設けられていると仮定する。磁束密度が一様であると仮定すると、駆動トルクはコイルが囲む面積に比例する。長方形の可動板の中立位置における発生トルクは、比例定数Ｋを用いて、次式(７)で表される。
【００５５】
【数７】
0004602542.tif 000008
【００５６】
楕円形の可動板の中立位置における発生トルクは、比例定数Ｋを用いて、次式(８)で表される。
【００５７】
【数８】
0004602542.tif 000009
【００５８】
従って、両者の比は、次式(９)で与えられる。
【００５９】
【数９】
0004602542.tif 000010
【００６０】
式(９)から、楕円形の可動板の駆動トルクは、長方形の可動板の駆動トルクの約７８．５％であることが分かる。つまり、可動板の駆動トルクは、その形状を長方形から楕円形に変更することにより、約７８．５％に低下してしまう。
【００６１】
また、可動板の形状を長方形から楕円形に変更したことによる総合的な駆動効率改善の効果を表す指標である(駆動トルク/慣性モーメント)の値に関しては、長方形の可動板の(駆動トルク/慣性モーメント)の値を１とすると、楕円形の可動板の(駆動トルク/慣性モーメント)の値は１．３１となる。
【００６２】
この値は前述の静電駆動方式よりも良いが、実際の電磁駆動方式では、磁束密度は一様でなく、一般に可動板の周縁近くで強く、内側に近づくにつれて弱くなるため、楕円形の可動板の駆動トルクは前述の計算式の値よりも小さくなると予想される。
【００６３】
本実施形態のミラー揺動体１００では、前述したように、可動板１１０は、反射面を有する第一部分１１２と、電気要素を有する第二部分１１４とを有しており、第一部分１１２の反射面形成面１１６の輪郭は楕円形であり、第二部分１１４の電気要素形成面１１８の輪郭は長方形である。従って、ミラー揺動体１００は、可動板１１０の第一部分１１２において、楕円形の可動板と同様に光ビームの反射に寄与しない不要な部分を省くことによる慣性モーメントの低減の利益を得ながらも、第二部分１１４において、長方形の可動板と同じ広さの電気要素形成面１１８を確保しており、駆動トルクの低下の不利益を得ない。
【００６４】
この可動板１１０の慣性モーメントＩは、全体の厚さにおいて第二部分と同様の輪郭(長方形)を有する場合の慣性モーメントをＩr'、第一部分１１２の厚さを可動板１１０の厚さのｘ％とすると、次式(１０)で表される。
【００６５】
【数１０】
0004602542.tif 000011
【００６６】
可動板１１０の(駆動トルク/慣性モーメント)の値は、この逆数となる。１．３１の値を与えるｘは約５９である。従って、電磁駆動方式においては、可動板１１０は、第一部分１１２が全体の約６０％の厚さを有していれば、楕円形の可動板と同じ駆動効率を与える。実際には、磁束密度分布が一様でないため、楕円形の可動板の(駆動トルク/慣性モーメント)の値は１．３１より小さいことが予想されるため、第一部分１１２の厚さが可動板１１０の厚さの５０％程度であれば、楕円形の可動板と差がないことが予想される。駆動効率は第一部分１１２の厚さが増すにつれて更に向上する。可動板１１０は、静電駆動方式においては、電磁駆動方式よりも高い駆動効率を与える。
【００６７】
以上の説明から分かるように、本実施形態のミラー揺動体１００は、可動板１１０が、反射面を有する楕円形の第一部分１１２と、駆動用の電気要素を有する長方形の第二部分１１４とで構成されているので、光ビームの反射に実際に必要な大きさの反射面を維持しながら、可動板の慣性モーメントの低減を達成している。このようなミラー揺動体は、駆動効率の高い光偏向器の提供に貢献する。
【００６８】
本実施形態のミラー揺動体１００は、発明の要旨を逸脱しない範囲の中において、様々な変形や修正が可能である。駆動手段の一部を構成する電気要素は、図４〜図７に示されるものに限定されるものではなく、駆動コイルのレイアウトや駆動電極の形状等は適宜変更されてもよい。可動板の支持形態は、両持ち支持に限定されるものではなく、他の支持形態、例えば片持ち支持であってもよい。弾性部材は、トーションバーに限定されるものではなく、たわみバネなどであってもよい。可動板の揺動は、一方向に限定されるものではなく、二方向であってもよい。
【００６９】
また、作製方法においては、電気要素形成面側の加工と反射面形成面側の加工は逆の順序で行なわれてもよい。また、スタートウエハは、単結晶シリコン基板に限定されるものでなく、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)基板等が用いられてもよい。ＳＯＩ基板の使用においては、中間絶縁層であるシリコン酸化膜を各面からのエッチングの停止層として利用できる。
【００７０】
さらに、ミラー揺動体１００の作製方法は、半導体プロセスを使用したものに限定されるものではない。ミラー揺動体１００は、例えば図９に示されるように、楕円形の可動板１１１０とトーションバー１１２０，１１３０と支持部材１１４０，１１５０を有する構造体１１００と、長方形の可動板１２１０とトーションバー１２２０，１２３０と支持部材１２４０，１２５０を有する構造体１２００とを貼り合わせることによって作製されてもよい。
【００７１】
第二の実施の形態
次に、第二の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００７２】
図１０〜図１２に示されるように、ミラー揺動体２００は、可動板２１０と、反射面を有する可動板２１０を揺動可能に支持するための一対の弾性部材であるトーションバー２２２，２２４と、トーションバー２２２，２２４を保持する支持部材２２６，２２８とを備えている。一対のトーションバー２２２，２２４は、矩形の断面を有し、可動板２１０から両側に対称的に延びている。従って、可動板２１０は、支持部材２２６，２２８に対して、トーションバー２２２，２２４の内部を通る揺動軸の周りに、揺動可能に支持されている。
【００７３】
可動板２１０は、反射面を有する第一部分２１２と、ミラー揺動体２００を駆動するための駆動手段の一部を構成する電気要素を有する第二部分２１４とを有している。反射面は、第一実施形態で説明したように、反射面形成面２１６そのものであっても、反射面形成面２１６に形成された反射膜の表面であってもよい。また、電気要素形成面２１８には、第一実施形態で説明したように、駆動コイルや駆動電極などの駆動用の電気要素が形成されている。
【００７４】
第一部分２１２は、反射面が形成された反射面形成面２１６を有し、第一部分２１２の側面は反射面形成面２１６に直交している。第二部分２１４は、電気要素が形成された電気要素形成面２１８を有しており、第二部分２１４の側面は電気要素形成面２１８に直交している。反射面形成面２１６は電気要素形成面２１８よりも小さい面積を有している。
【００７５】
図１１に良く示されるように、電気要素形成面２１８は長方形の形状あるいは輪郭を有しており、反射面形成面２１６は楕円形の形状あるいは輪郭を有している。反射面形成面２１６の楕円形は、電気要素形成面２１８の長方形に内接する楕円形よりも若干小さくなっている。また、トーションバー２２２，２２４と可動板２１０の接続部分およびトーションバー２２２，２２４と支持部材２２６，２２８の接続部分の凹状角部には、応力の集中を防ぐために、丸み(Ｒ)が付与されている。
【００７６】
図１２に良く示されるように、可動板２１０と支持部材２２６，２２８は同じ厚さを有し、トーションバー２２２，２２４は可動板２１０と支持部材２２６，２２８に比較して薄い厚さを有している。別の言い方をすれば、支持部材２２６，２２８は、それぞれ、反射面側の第一部分２３２，２４２と、電気要素側の第二部分２３４，２４４とを有しており、可動板２１０の第二部分２１４とトーションバー２２２，２２４と支持部材２２６，２２８の第二部分２３４，２４４は同じ厚さを有している。
【００７７】
このようなミラー揺動体２００は、例えば、半導体プロセスを利用して、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)基板からモノリシックに形成され、トーションバー２２２，２２４は、中間絶縁層の一方の側のシリコン層つまり反射面が形成される側のシリコン層に対して形成される。
【００７８】
このミラー揺動体２００では、可動板２１０は、その第一部分２１２が第二部分２１４よりも小さいため、図１２に示されるように、第一部分２１２と第二部分２１４の段差を有し、この段差はトーションバー２２２，２２４の近くに位置している。同様に、支持部材２２６，２２８は第一部分２３２，２４２と第二部分２３４，２４４の段差を有し、これらの段差はトーションバー２２２，２２４の近くに位置している。
【００７９】
ＩＣＰ−ＲＩＥによるシリコンの加工では、エッチング側面はウエハ表面にほぼ垂直に形成されるので、段差は、図１３(ａ)に示されるように、ほぼ９０°の凹状角部を有する。このような９０°の凹状角部には、応力集中が起こり易く、トーションバーの変形時に破断の原因になるおそれがあるので、段差の凹状角部は、図１３(ｂ)に示されるように、丸み(Ｒ)が付与されると更に好ましい。このような丸み(Ｒ)の付与は必ずしも容易ではないが、例えば反射面形成面側のシリコンエッチングの条件を変えることにより、垂直壁付近のエッチングレートのみ低下するようなプロセスを取り入れることにより達成することができる。
【００８０】
ミラー揺動体２００は、半導体プロセスを利用して作製される。以下、図１４を参照して、ミラー揺動体２００の製造方法について説明する。図１４に示される各工程は、図１１のXII−XII線に沿う断面で描かれている。
【００８１】
工程１(図１４(ａ))：スタートウエハとして、両面研磨されたＳＯＩ基板２５０を用意する。ＳＯＩ基板２５０は第一のシリコン層２５２と第二のシリコン層２５４を有し、両者は中間絶縁層２５６を介して接合されている。第二のシリコン層２５４に対して、駆動手段の一部を構成する電気要素、例えば、駆動コイルや駆動電極を形成する。このような電気要素は、フォトリソグラフィ技術により、例えば、金属薄膜の成膜・パターニングや絶縁膜の成膜などの工程を経て形成される。
【００８２】
工程２(図１４(ｂ))：第二のシリコン層２５４を、可動板２１０の第二部分２１４とトーションバー２２２，２２４と支持部材２２６，２２８に対応する形状に、例えばＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングする。エッチングは、中間絶縁層である酸化シリコン層２５６で停止する。
【００８３】
工程３(図１４(ｃ))：第一のシリコン層２５２を、可動板２１０の第一部分２１２と支持部材２２６，２２８に対応する形状に、例えばＩＣＰ−ＲＩＥによりエッチングする。エッチングマスクのパターニングは、第二のシリコン層２５４に形成されたパターンに正確にアライメント(位置合わせ)される必要があるが、楕円形の可動板２１０の第一部分２１２は長方形の可動板２１０の第二部分２１４に内接する楕円形よりも一回り小さいので、要求される精度は第一実施形態よりも低い。エッチングは、中間絶縁層である酸化シリコン層２５６で停止する。望ましくは、エッチングの停止直前に、図１３(ｂ)に示されるように、凹状角部に丸み(Ｒ)を付与する。
【００８４】
工程４(図１４(ｄ))：酸化シリコン層２５６の露出している部分をエッチングにより除去する。この工程の結果、可動板２１０とトーションバー２２２，２２４と支持部材２２６，２２８を有する構造体が形成される。この構造体では、可動板２１０はトーションバー２２２，２２４によってのみ支持部材２２６，２２８と接続されている。さらに、第一のシリコン層２５２に対して、可動板２１０の第一部分２１２に相当する部分に反射膜を形成する。
【００８５】
通常、一枚のウエハには、前述の構造体が多数並べられて製作される。最後に、ダイシングにより、個々の構造体を切り離して、図１０〜図１２に示されるミラー揺動体２００が得られる。
【００８６】
このように、ミラー揺動体２００は、半導体プロセスを利用してモノリシックに形成されるため、その後の組立作業は不要であり、超小型に安価に大量生産することができる。また、寸法精度が非常に高く、従って特性のばらつきがきわめて少ない。
【００８７】
本実施形態のミラー揺動体２００においても、可動板２１０が、反射面を有する楕円形の第一部分２１２と、駆動用の電気要素を有する長方形の第二部分２１４とで構成されているので、第一実施形態と同様に、光ビームの反射に実際に必要な大きさの反射面を維持しながら、可動板の慣性モーメントの低減を達成している。
【００８８】
本実施形態のミラー揺動体２００は、発明の要旨を逸脱しない範囲の中において、様々な変形や修正が可能である。電気要素や可動板の支持形態や弾性部材の機能等に関しては、第一実施形態と同様の変形が成されてもよい。
【００８９】
また、作製方法に関して、スタートウエハに単結晶シリコン基板を用い、可動板や支持部材に比べて薄いトーションバーはエッチング深さを時間で制御することにより形成されてもよい。
【００９０】
さらに、ミラー揺動体２００の作製方法は、半導体プロセスを使用したものに限定されるものではない。ミラー揺動体２００は、例えば図１５に示されるように、長方形の可動板１３１０とトーションバー１３２０，１３３０と支持部材１３４０，１３５０を有する構造体１３００に、反射面を有する楕円形のミラー部材１３６０を貼り付けることによって作製されてもよい。
【００９１】
第三の実施の形態
次に、第三の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【００９２】
図１６と図１７に示されるように、ミラー揺動体３００は、第二実施形態のミラー揺動体２００に似た構造体であり、可動板３１０と、反射面を有する可動板３１０を揺動可能に支持するための一対の弾性部材であるトーションバー３２２，３２４と、トーションバー３２２，３２４を保持する支持部材３２６，３２８とを備えている。一対のトーションバー３２２，３２４は、矩形の断面を有し、可動板３１０から両側に対称的に延びている。
【００９３】
可動板３１０は、反射面を有する第一部分３１２と、ミラー揺動体３００を駆動するための駆動手段の一部を構成する電気要素を有する第二部分３１４とを有している。第一部分３１２は、反射面が形成された反射面形成面３１６を有し、第一部分３１２の側面は反射面形成面３１６に対して傾斜している。第二部分３１４は、電気要素が形成された電気要素形成面３１８を有しており、第二部分３１４の側面は電気要素形成面３１８に直交している。
【００９４】
電気要素形成面３１８は長方形の形状を有しており、反射面形成面３１６は十二角形の形状を有し、これに対応して第一部分３１２の底面(第二部分３１４との境界の輪郭)も十二角形を有している。第一部分３１２の底面の十二角形は、反射面形成面３１６の十二角形よりも一回り大きく、電気要素形成面３１８の長方形に内接する楕円形よりも若干小さい。
【００９５】
また、支持部材３２６，３２８は、それぞれ、反射面側の第一部分３３２，３４２と、電気要素側の第二部分３３４，３４４とを有しており、第一部分３３２，３４２は傾斜した側面を有している。
【００９６】
このようなミラー揺動体３００は、第二実施形態と同様に、例えば、半導体プロセスを利用して、ＳＯＩ(Silicon-on-Insulator)基板からモノリシックに形成される。ただし、可動板３１０の第一部分３１２と、支持部材３２６，３２８の第一部分３３２，３４２と第二部分３３４，３４４は、中間絶縁層の一方の側のシリコン層に対して、ウェットエッチングを行なうことにより形成される。それ以外の工程は、第二実施形態と同様である。
【００９７】
可動板３１０の第一部分３１２と支持部材３２６，３２８の第一部分３３２，３４２の材料となるシリコンには、(１００)の面方位を持つ単結晶シリコンが使用される。このような単結晶シリコンの表面に酸化シリコンや窒化シリコン等の長方形のマスクを形成し、ＴＭＡＨやＫＯＨ等のアルカリ性のエッチャントでウエットエッチングを行なうと、エッチング側面に(１１１)面が斜面として現れる形でエッチングが進行する。ただし、長方形のマスクの各コーナでは、より高次でエッチングレートが速い面のエッチングが進行し、例えば(３１１)面などが現れる。
【００９８】
このようなウェットエッチングの結果、図１６と図１７に示されるように、傾斜した側面を持つ可動板３１０の第一部分３１２と傾斜した側面を持つ支持部材３２６，３２８の第一部分３３２，３４２が形成される。
【００９９】
本実施形態においても、可動板３１０は、図１８(ａ)に示されるように、トーションバー３２２，３２４の近くに、第一部分３１２と第二部分３１４の段差を有する。支持部材３２６，３２８も、同様に、トーションバー３２２，３２４の近くに、第一部分３３２，３４２と第二部分３３４，３４４の段差を有する。このような段差は、鈍角の凹状角部を有するので、応力集中は比較的発生し難いが、図１８(ｂ)に示されるように、丸み(Ｒ)が付与されると更に好ましい。このような丸み(Ｒ)の付与は必ずしも容易ではないが、例えば上述したシリコンのウエットエッチング工程の終了間際に、エッチャントに添加剤を加えたり、別のエッチャントを使用したりする変更を加えて、エッチング特性を変化させることにより程度可能となる。
【０１００】
本実施形態のミラー揺動体３００においても、可動板３１０が、反射面を有する楕円形の第一部分３１２と、駆動用の電気要素を有する長方形の第二部分３１４とで構成されているので、第一実施形態や第二実施形態と同様に、光ビームの反射に実際に必要な大きさの反射面を維持しながら、可動板の慣性モーメントの低減を達成している。これにより、駆動効率の高い光偏向器が提供されるようになる。
【０１０１】
また、ミラー揺動体３００は、可動板３１０の第一部分３１２と支持部材３２６，３２８の第一部分３３２，３４２がウェットエッチングによって形成されるので、第一実施形態や第二実施形態に比べて、加工コストが低減される。
【０１０２】
本実施形態のミラー揺動体３００は、発明の要旨を逸脱しない範囲の中において、様々な変形や修正が可能である。電気要素や可動板の支持形態や弾性部材の機能等に関しては、第一実施形態と同様の変形が成されてもよい。また、半導体プロセスを用いない作製方法も適用可能であるが、反射面形成面の形状を十二角形にする利点は特にない。
【０１０３】
第四の実施の形態
次に、第四の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【０１０４】
図１９〜図２１に示されるように、ミラー揺動体４００は、第三実施形態のミラー揺動体３００に類似した構造体であり、可動板４１０と、反射面を有する可動板４１０を揺動可能に支持するための一対の弾性部材であるトーションバー４２２，４２４と、トーションバー４２２，４２４を保持する支持部材４２６，４２８とを備えている。一対のトーションバー４２２，４２４は、台形の断面を有し、可動板４１０から両側に対称的に延びている。
【０１０５】
可動板４１０は、反射面を有する第一部分４１２と、ミラー揺動体４００を駆動するための駆動手段の一部を構成する電気要素を有する第二部分４１４とを有している。第一部分４１２は、反射面が形成された反射面形成面４１６を有し、第一部分４１２の側面は反射面形成面４１６に対して傾斜している。第二部分４１４は、電気要素が形成された電気要素形成面４１８を有しており、第二部分４１４の側面は電気要素形成面４１８に対して傾斜している。
【０１０６】
電気要素形成面４１８は長方形の形状を有しており、反射面形成面４１６は十二角形の形状を有し、これに対応して第一部分４１２の底面(第二部分４１４との境界の輪郭)も十二角形を有している。第一部分４１２の底面の十二角形は、反射面形成面４１６の十二角形よりも一回り大きく、電気要素形成面４１８の長方形に内接する楕円形よりも若干小さい。
【０１０７】
また、支持部材４２６，４２８は、それぞれ、反射面側の第一部分４３２，４４２と、電気要素側の第二部分４３４，４４４とを有しており、第一部分４３２，４４２と第二部分４３４，４４４は共に傾斜した側面を有している。
【０１０８】
このようなミラー揺動体４００は、第二実施形態と同様に、例えば、半導体プロセスを利用して、ＳＯＩ基板からモノリシックに形成される。ただし、使用するＳＯＩ基板の二つのシリコン層は共に、(１００)の面方位を持つ単結晶シリコンであり、可動板４１０とトーションバー４２２，４２４と支持部材４２６，４２８は共に、ウェットエッチングによるシリコン加工を行なうことで形成される。
【０１０９】
ウェットエッチングの進行は、第三実施形態で説明した通りであるが、可動板４１０の長方形の第二部分４１４の加工においては、予めエッチングマスクに補償パターンと呼ばれるパターンを入れておき、可動板４１０の反射面側の第一部分４１２のように角部が速くエッチングされるのを防ぐことによって、可動板４１０の第二部分４１４は直角の角部を持つように形成される。
【０１１０】
ウェットエッチングの使用の結果、図１９〜図２１に示されるように、傾斜した側面を持つ可動板４１０と、台形の断面を持つトーションバー４２２，４２４と、傾斜した側面を持つ支持部材４２６，４２８とを備えているミラー揺動体４００が形成される。
【０１１１】
本実施形態のミラー揺動体４００においても、第一〜第二実施形態と同様に、光ビームの反射に実際に必要な大きさの反射面を維持しながら、可動板の慣性モーメントの低減を達成している。これにより、駆動効率の高い光偏向器が提供されるようになる。
【０１１２】
また、ミラー揺動体４００は、可動板４１０とトーションバー４２２，４２４と支持部材４２６，４２８を形成するためのシリコンの加工がすべてウェットエッチングによって行なわれるので、第三実施形態に比べて、加工コストが更に低減される。
【０１１３】
第五の実施の形態
次に、第五の実施の形態について図面を参照しながら説明する。
【０１１４】
図２２と図２３に示されるように、ミラー揺動体５００は、反射面５０８を有する可動板５１０と、可動板５１０を揺動可能に支持するための一対の弾性部材であるトーションバー５２２，５２４と、トーションバー５２２，５２４を保持する支持部材５２６，５２８とを備えている。一対のトーションバー５２２，５２４は、可動板５１０から両側に対称的に延びている。
【０１１５】
可動板５１０は、反射面５０８が形成された反射面形成面５１６と、電気要素が形成された電気要素形成面５１８と、その内部に形成された多数の空洞部５３２とを有している。可動板５１０は、好ましくは、剛性を補強するためのリブ構造を有している。リブ構造は、例えば、図示されるように、空洞部５３２を矩形に画定する格子状に延びる格子壁５３４であるが、空洞部５３２を六角形に画定するハニカム構造であってもよい。格子壁５３４は、多数のスリット５３６を有しており、各空洞部５３２は、これらのスリット５３６を介して、外部空間と連絡されている。このような空洞部５３２と外部空間の連絡は、これがないと外部の温度と空洞部５３２の温度の違いによって引き起こされる反射面の変形を抑える。
【０１１６】
図２２に示される光偏向器は、静電駆動型であり、可動板５１０に設けられた電気要素は、図２２では見えないが、電気要素形成面５１８のほぼ全体に広がる駆動電極であり、これらは、これに向き合う固定電極５５０と共働して、ミラー揺動体５００を駆動するための駆動手段を構成している。電気要素形成面５１８に形成された駆動電極は、それぞれ、コンタクトホール５４２，５４４を介して、トーションバー５２２，５２４を通る配線５４６，５４８と電気的に接続されており、配線５４６，５４８を介して図示しない外部装置から駆動電圧が適宜印加される。
【０１１７】
次に、可動板５１０の断面構造およびコンタクトホール５４２，５４４の構造について図２４を参照しながら説明する。
【０１１８】
図２４に示されるように、可動板５１０は、三つの単結晶シリコン層５６２，５６４，５６６を有しており、これらの層間は、それぞれ、例えば厚さ約０．１μｍの熱酸化膜５６８，５７０によって、互いに電気的に絶縁されている。最も下側の単結晶シリコン層５６２は、抵抗率の高いＦＺタイプのシリコン(ＦＺ−Ｓｉ)であり、例えば約１μｍの厚さを有している。
【０１１９】
中間の単結晶シリコン層５６４は、例えば、ＣＺタイプのシリコン(ＣＺ−Ｓｉ)で、約８μｍの厚さを有している。単結晶シリコン層５６４は、選択的除去により形成された複数の穴を有しており、これらの穴が空洞部５３２を構成する。
【０１２０】
最も上側の単結晶シリコン層５６６は、例えば、ＣＺ−Ｓｉで、約１μｍの厚さを有している。この単結晶シリコン層５６６は、単結晶シリコン層５６４に形成された空洞部５３２を画定する穴を覆っている。
【０１２１】
また、中間の単結晶シリコン層５６４と上側の単結晶シリコン層５６６は、コンタクトホール５４２，５４４に相当する部分に形成された、傾斜した側面を持つ角錐台形状の開口を有している。
【０１２２】
上側の単結晶シリコン層５６６とコンタクトホール５４２，５４４の表面は、下側の単結晶シリコン層５６２との電気的接続部分を除いて、絶縁膜５７２によって覆われている。絶縁膜５７２の表面に、Ａｌ等の金属を成膜しパターニングすることにより、コンタクトホール５４２，５４４を介して、下側の単結晶シリコン層５６２と電気的に接続された配線５４６，５４８が形成されている。
【０１２３】
下側の単結晶シリコン層５６２は、ＦＺ−Ｓｉであり、高い抵抗を有しているため、二つのコンタクトホール５４２，５４４の間に印加される電位差を維持することができる。このため、単結晶シリコン層５６２は、物質的には連続体であるが、実質的に、第一実施形態において図７を参照して説明した互いに電気的に分離されている一対の駆動電極１６２，１６４と同等に機能する。
【０１２４】
続いて、図２５を参照しながら、ミラー揺動体５００の製造方法について説明する。図２５に示される各工程は、図２２のXXIII−XXIII線に沿う断面で描かれている。
【０１２５】
工程１(図２５(ａ))：(１００)の面方位を持つシリコンウエハである支持体ウエハ５８０を用意し、その上面に例えば８０μｍ程度の深さのギャップ５８２を形成する。この構造体に、前述の下側の単結晶シリコン層５６２となるＦＺ−Ｓｉウエハ５８４を接合する。接合後、研磨やエッチング等により、ＦＺ−Ｓｉウエハ５８４を例えば１μｍ程度の厚さに薄くする。
【０１２６】
工程２(図２５(ｂ))：前述の中間の単結晶シリコン層５６４となるＣＺ−Ｓｉウエハ５８６を用意し、これに前述の熱酸化膜５６８となる例えば０．１μｍの厚さの熱酸化膜(図示せず)を形成する。このようなＣＺ−Ｓｉウエハ５８６を、ＦＺ−Ｓｉウエハ５８４に接合し、接合後、研磨やエッチング等により８μｍ程度まで薄くする。その後、ｌＣＰ−ＲＩＥなどにより、可動板５１０の輪郭を画定する溝５８８と、空洞部５３２を画定する複数の穴５９０とを形成する。その際、穴５９０を区切る隔壁には、前述したように空洞部５３２を外部空間と連絡するためのスリット５３６となる切り欠きが一緒に形成される。
【０１２７】
工程３(図２５(ｃ))：前述の上側の単結晶シリコン層５６６となるＣＺ−Ｓｉウエハ５９２を用意し、これに前述の熱酸化膜５７０となる例えば０．１μｍの厚さの熱酸化膜(図示せず)を形成する。このようなＣＺ−Ｓｉウエハ５９２を、ＣＺ−Ｓｉウエハ５８６に接合し、接合後、研磨やエッチング等により１μｍ程度まで薄くする。その後、ＣＺ−Ｓｉウエハ５９２を、ｌＣＰ−ＲＩＥなどにより、可動板５１０の形状にエッチングする。さらに、コンタクトホールを形成する部分に、ＴＭＡＨ等を使用したウエットエッチングにより、ＣＺ−Ｓｉウエハ５８６とＣＺ−Ｓｉウエハ５９２を貫通する角錐台形状の開口５９４を形成する。
【０１２８】
工程４(図２５(ｄ))：溝５８８によって分離されたＣＺ−Ｓｉウエハ５９２を跨ぐトーションバー５９８を窒化シリコンやポリイミド等で形成する。さらに、角錐台形状の開口５９４を介してＦＺ−Ｓｉウエハ５８４と電気的に接続された配線をＡｌ等で形成する。配線は、例えば、可動板上に広い面積を持つように形成され、この部分が反射面を兼ねてもよい。また、反射面は、研磨されたシリコンの表面で構成されてもよい。最後に、等方性のシリコンエッチングを利用して、溝５８８の底面として露出しているＦＺ−Ｓｉウエハ５８４を除去することにより、ミラー揺動体５００が得られる。この構造体において、支持体ウエハ５８０をグラウンド電位にして、支持体ウエハ５８０のギャップ５８２の底面を、前述の固定電極５５０として機能させてもよい。
【０１２９】
本実施形態のミラー揺動体５００は、可動板５１０がその内部に形成された空洞部５３２を有していることにより、可動板の慣性モーメントの低減を達成している。リブ構造をハニカム構造とした概算によれば、中実構造の長方形の可動板の半分程度に慣性モーメントを低減することが可能である。勿論、可動板５１０の反射面形成面５１６と電気要素形成面５１８は共に、中実構造の長方形の可動板に比べて減少してはいない。従って、ミラー揺動体５００は、反射面の大きさや駆動トルクを維持したまま、可動板の慣性モーメントの低減を達成している。
【０１３０】
本実施形態のミラー揺動体５００は、発明の要旨を逸脱しない範囲の中において、様々な変形や修正が可能である。例えば、上述の実施形態では、弾性部材であるトーションバー５２２，５２４は、最上層のＣＺ−Ｓｉウエハ５９２の上に成膜された薄膜で作られているが、最上層のＣＺ−Ｓｉウエハ５９２のエッチングの際に部分的に残すことによりＣＺ−Ｓｉウエハ５９２で作られてもよく、さらに必要であれば、中間層のＣＺ−Ｓｉウエハ５８６や最下層のＦＺ−Ｓｉウエハ５８４と組み合わせて作られてもよい。
【０１３１】
図２６は、本実施形態の変形例であるミラー揺動体５００Ａを用いた光偏向器を示している。このミラー揺動体５００Ａでは、図２６に示されるように、可動板５１０の下側の単結晶シリコン層５６２は、抵抗率の低いＣＺタイプのシリコン(ＣＺ−Ｓｉ)であり、スリット５３８によって空間的に分離されている。
【０１３２】
図２２に示される光偏向器では、可動板５１０は、これに向き合って配置される固定電極５５０との電位差によって駆動されるが、駆動電極として機能する可動板５１０の下側の単結晶シリコン層５６２が抵抗率の高いＦＺ−Ｓｉであるため、固定電極５５０に対して大きい電位差を有する部分は、コンタクトホール５４２，５４４の近くに限られ、そこから比較的遠い部分は、ほとんど駆動力に貢献しない。
【０１３３】
図２６に示されるように、ミラー揺動体５００Ａを用いた光偏向器では、駆動電極として機能する可動板５１０の下側の単結晶シリコン層５６２が抵抗率の低いＣＺ−Ｓｉであり、スリット５３８で分離された単結晶シリコン層５６２の片側全体が同電位となり、可動板５１０の駆動力に寄与するので、駆動力が格段に向上する。
【０１３４】
また、シリコンの機械強度は、それに含まれる格子間酸素濃度が高いほど増大することが知られている(阿部孝夫著、シリコン結晶とドーピング(丸善(株))Ｐ３２)。ＣＺ−Ｓｉは、ＦＺ−Ｓｉに比べて格子間酸素濃度が極めて高い。従って、ミラー揺動体５００Ａは、図２２に示されるミラー揺動体５００に比べて、高い衝撃耐性を有している。
【０１３５】
図２７は、本実施形態の別の変形例であるミラー揺動体５００Ｂを用いた光偏向器を示している。このミラー揺動体５００Ｂでは、図２７に示されるように、駆動電極５５２，５５４は、反射面５０８が形成された反射面形成面５１６に設けられている。また、固定電極５５６，５５８は、それぞれ、駆動電極５５２，５５４と向き合うように、支持部材５２６，５２８に固定されている。
【０１３６】
このようなミラー揺動体５００Ｂを用いた光偏向器では、駆動電極５５２，５５４が反射面形成面５１６に設けられているため、必然的に面積が小さくなるぶん駆動力は低下するが、可動板５１０に空洞部５３２を設けた利点である可動板５１０の慣性モーメントの低減は達成されている。また、駆動電極と反射面を兼用するように、電極を反射面形成面のほぼ全面に形成し、駆動力を確保することも可能である。
【０１３７】
本実施形態では、静電駆動方式の光偏向器に対応した駆動電極を有するミラー揺動体５００のみを図示して説明したが、ミラー揺動体は、電磁駆動方式の光偏向器に対応するように、駆動コイルを有していてもよい。
【０１３８】
図２８と図２９は、本実施形態の更に別の変形例であるミラー揺動体６００を示している。ミラー揺動体６００は、基本的に本実施形態のミラー揺動体５００をジンバル構造に拡張したものである。
【０１３９】
図２８と図２９に示されるように、ミラー揺動体６００は、楕円形の可動板６１０と、可動板６１０を揺動可能に支持するための第一の一対のトーションバー６２２，６２４と、第一の一対のトーションバー６２２，６２４を保持する可動枠６２６と、可動枠６２６を揺動可能に支持するための第二の一対のトーションバー６２８，６３０と、第二の一対のトーションバー６２８，６３０を保持する支持部材６３２，６３４とを備えている。第一のトーションバー６２２，６２４と、第二のトーションバー６２８，６３０は、互いに直交する方向に延びている。また、可動板６１０と可動枠６２６は共に、ハニカム構造によって画定された六角形の複数の空洞部を有している。
【０１４０】
このミラー揺動体６００では、可動部分である可動板６１０と可動枠６２６が共に空洞部を有していることにより、それらの慣性モーメントの低減が達成されている。可動板６１０と可動枠６２６に形成される駆動電極は、図２６に関する変形例で説明したように、スリットによって分離された抵抗率の低いＣＺタイプのシリコンによって構成されているとよい。
【０１４１】
さらに、本実施形態のミラー揺動体は、基本的にウエハ接合により空洞部を有する可動板を形成しているので、半導体プロセスを使用せずに、適当に機械加工された板状部品を積層して作製されてもよい。
【０１４２】
これまで、いくつかの実施の形態について図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。
【０１４３】
従って、本発明の光偏向器について、以下のことが言える。
【０１４４】
１．一方の面に光反射部材、もう一方の面に駆動力発生部材が形成された可動板、弾性部材、支持部材を有し、前記可動板に作用する駆動力によって前記弾性部材が変形し、可動板が揺動することにより光反射部材に照射された光の反射光を偏向する光偏向器において、前記可動板は前記駆動力発生部材が設けられた面の面積よりも、前記光反射部材が設けられた面の面積の方が小さくなるよう構成されていることを特徴とする光偏向器。
【０１４５】
(作用効果)駆動力を維持した状態で、可動板の慣性モーメントを低減できるため、駆動効率の向上が可能である。
【０１４６】
２．前記反射部材が設けられた面の形状は、前記駆動力発生部材が設けられた面の形状に内接する形状であることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
【０１４７】
(作用効果)光偏向に必要な反射面積を確保し、かつ可動板の慣性モーメントを必要最小限におさえることができる。
【０１４８】
３．前記反射部材が設けられた面の輪郭形状が楕円形であることを特徴とする第１項に記載の光偏向器。
【０１４９】
(作用効果)楕円形にすることにより、光学的性能を保ったままで可動板の慣性モーメントを最小にすることが可能となる。
【０１５０】
４．可動板が単結晶シリコン基板により形成されている第１項または第３項に記載の光偏向器。
【０１５１】
(作用効果)単結晶シリコン基板とその加工技術を利用することにより、比較的安価な精密加工によって光偏向器を製造することが可能となる。
【０１５２】
５．前記光反射部材が設けられた面の輪郭形状が１２角形であることを特徴とする第１項に記載の光偏向器。
【０１５３】
(作用効果)可動板に(１００)シリコンウエハを使用し、反射手段が設けられた面を結晶異方性を利用したウエットエッチングで加工することが可能であるため、再現性の良い精密な加工が低コストで可能となる。
【０１５４】
６．単結晶シリコン基板が、２層の単結晶シリコン層とその中間の絶縁層からなることを特徴とする第５項に記載の光偏向器。
【０１５５】
(作用効果)可動板を両面から加工する際に、加工深さの決定が容易にできる。
【０１５６】
７．前記２層の単結晶シリコン層の少なくとも１層の表面が(１００)面であり、この層に結晶異方性を利用したウエットエッチングにより略楕円形状および/または略長方形形状を形成することを特徴とする第６項に記載の光偏向器。
【０１５７】
(作用効果)再現性の良い精密な加工が低コストで可能となる。
【０１５８】
８．前記２層の単結晶シリコン層の少なくとも１層にドライエッチングにより略楕円形状および/または略長方形形状を形成することを特徴とする第４項または第５項に記載の光偏向器。
【０１５９】
(作用効果)ドライエッチングを利用することにより、任意の形状を精密に加工できる。
【０１６０】
９．前記２層の単結晶シリコン層のうち、どちらか一層にのみ弾性部材が形成されていることを特徴とする第１項ないし第８項のいずれかひとつに記載の光偏向器。
【０１６１】
(作用効果)両面から加工する際の位置含わせ誤差が、その性能にほとんど影響しない光偏向器を得ることが可能となる。
【０１６２】
１０．前記可動板の輪郭面において、前記２層の単結晶シリコン層の境界部にコーナーＲが形成されていることを特徴とする第１項ないし第８項のいずれかひとつに記載の光偏向器。
【０１６３】
(作用効果)２層の単結晶シリコン層の境界部に応力が集中しにくい光偏向器が得られ、信頼性が向上する。
【０１６４】
１１．前記駆力発生部材が電極であることを特徴とする第１項ないし第８項のいずれかひとつに記載の光偏向器。
【０１６５】
(作用効果)静電駆動方式を取ることにより、駆動発生部材を小型化することができる。
【０１６６】
１２．前記駆動力発生部材が可動コイルであることを特徴とする第１項ないし第８項のいずれかひとつに記載の光偏向器。
【０１６７】
(作用効果)可動コイル方式により、大きな駆動トルクが低電圧で得られる。
【０１６８】
１３．可動板の一方の面に前記駆動力発生部を設ける工程と、前記可動板の前記駆動力発生部材側の面を略長方形に加工する工程と、前記可動板の他方の面に光反射部材を設ける工程と、前記可動の前記光反射部材側の面を前記略長方形にほぼ内接する形状に加工する工程を含むことを特徴とする光偏向器の製造方法。
【０１６９】
(作用効果)駆動力を維持した状態で、可動板の慣性モーメントを低減し、駆動効率を向上させた光偏向器を製造することができる。
【０１７０】
１４．反射部材が形成された可動板、弾性部材、支持部材を有し、前記可動板に作用する駆動力によって前記弾性部材が変形し、可動板が揺動することにより光反射手段に照射された光の反射光を偏向する光偏向器において、可動板内部に空洞が設けられていることを特徴とする光偏向器。
【０１７１】
(作用効果)駆動力を維持した状態で、可動板の慣性モーメントを更に大きく低減し、駆動効率を更に向上させることが可能となる。
【０１７２】
１５．可動板内部に、さらに補強用リブ構造が設けられていることを特徴とする第１４項に記載の光偏向器。
【０１７３】
(作用効果)可動板の剛性を損なうことなく、慣性モーメントを低減することが可能となる。
【０１７４】
１６．可動板内部に設けられた補強用リブ構造がハニカム構造であることを特徴とする第１５項に記載の光偏向器。
【０１７５】
(作用効果)可動板慣性低減に対する剛性維持の効果を最適にすることが可能となる。
【０１７６】
１７．可動板内部に設けられた前記補強用リブ構造に通気孔が設けられていることを特徴とする第１５項に記載の光偏向器。
【０１７７】
(作用効果)製造工程で発生する可動板内外の圧力差をなくし、不要な可動板変形を防止することができる。
【０１７８】
【発明の効果】
本発明によれば、光学性能を維持しながら可動部分の慣性モーメントの低減が達成された光偏向器用のミラー揺動体が提供される。このようなミラー揺動体は、これを用いた光偏向器の駆動効率の改善に貢献する。
【図面の簡単な説明】
【図１】第一の実施の形態によるミラー揺動体の斜視図である。
【図２】図１に示されるミラー揺動体の反射ミラー側から見た平面図である。
【図３】図２のIII−III線に沿ったミラー揺動体の断面図である。
【図４】電磁駆動用の電気要素である駆動コイルを有するミラー揺動体の平面図である。
【図５】図４に示されるミラー揺動体と一対の永久磁石とを含んでいる電磁駆動型の光偏向器の斜視図である。
【図６】静電駆動用の電気要素である駆動電極を有するミラー揺動体の平面図である。
【図７】図６に示されるミラー揺動体と固定電極とを含んでいる静電駆動型の光偏向器の斜視図である。
【図８】図１のミラー揺動体を作製するための一連の工程を示しており、各工程は図２のIII−III線に沿ったミラー揺動体の断面で描かれている。
【図９】図１のミラー揺動体を作製するための別の手法を示してている。
【図１０】第二の実施の形態によるミラー揺動体の斜視図である。
【図１１】図１０に示されるミラー揺動体の反射ミラー側から見た平面図である。
【図１２】図１１のXII−XII線に沿ったミラー揺動体の断面図である。
【図１３】図１２に示される可動板と弾性部材の接続部分を拡大して示している。
【図１４】図１０のミラー揺動体を作製するための一連の工程を示しており、各工程は図１１のXII−XII線に沿ったミラー揺動体の断面で描かれている。
【図１５】図１１のミラー揺動体を作製するための別の手法を示してている。
【図１６】第三の実施の形態によるミラー揺動体の反射ミラー側から見た平面図である。
【図１７】図１６のXVII−XVII線に沿ったミラー揺動体の断面図である。
【図１８】図１６に示される可動板と弾性部材の接続部分を拡大して示している。
【図１９】第四の実施の形態によるミラー揺動体の反射ミラー側から見た平面図である。
【図２０】図１９のXX−XX線に沿ったミラー揺動体の断面図である。
【図２１】図１９に示されるミラー揺動体の裏側から見た平面図である。
【図２２】第五の実施の形態によるミラー揺動体を用いた光偏向器の斜視図である。
【図２３】図２２のXXIII−XXIII線に沿ったミラー揺動体の断面図である。
【図２４】図２２と図２３に示されるミラー揺動体おけるコンタクトホールの周辺部分を拡大して示す断面図である。
【図２５】図２２のミラー揺動体を作製するための一連の工程を示しており、各工程は図２２のXXIII−XXIII線に沿ったミラー揺動体の断面で描かれている。
【図２６】第五の実施の形態の変形例であるミラー揺動体を用いた光偏向器を示している。
【図２７】第五の実施の形態の別の変形例であるミラー揺動体を用いた光偏向器を示している。
【図２８】第五の実施の形態の更に別の変形例であるミラー揺動体を用いた光偏向器を示している。
【図２９】図２８のIXXX−IXXX線に沿ったミラー揺動体の断面図である。
【符号の説明】
１００  ミラー揺動体
１１２  第一部分
１１４  第二部分
１１６  反射面形成面
１１８  電気要素形成面
１１０  可動板
１２２，１２４  トーションバー
１２６，１２８  支持部材
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
0004602542.tif 000027
【図１７】
0004602542.tif 000028
【図１８】
0004602542.tif 000029
【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８】
0004602542.tif 000039
【図２９】
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