(57)【要約】【課題】ミラー部を高速、且つ、大振幅で動かすこと可能な安価なチルトミラー素子を提供する。【解決手段】ミラー面２ａにおいて光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部２と、ミラー部２の外周部に形成された支持フレーム部３と、支持フレーム部３に対しミラー部２を移動及び位置保持するねじれヒンジ部４と、ミラー部２の側壁部分とこの側壁部分と対向する支持フレーム部３の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部２を揺動する可動コム電極５ａ及び固定コム電極５ｂと、ミラー面２ａと対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部２との間に発生する静電力を利用してミラー部２を揺動する一対の平板固定電極８ａ，８ｂとを備える。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラー面において光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部と、
前記ミラー部の外周部に形成された支持フレーム部と、
前記支持フレーム部に対し前記ミラー部を移動及び位置保持する連結部と、
前記ミラー部の側壁部分と当該側壁部分と対向する支持フレーム部の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部を揺動するコム電極と、
前記ミラー面と対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部との間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動する一対の平板固定電極と
を備えることを特徴とするチルトミラー素子。
【請求項２】
請求項１に記載のチルトミラー素子であって、前記ミラー部、前記支持フレーム部、前記連結部、及び前記コム電極はＳＯＩウエハを用いて一体で形成されていることを特徴とするチルトミラー素子。
【請求項３】
ミラー面において光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部と、ミラー部の外周部に形成された支持フレーム部と、支持フレーム部に対しミラー部を移動及び位置保持する連結部と、ミラー部の側壁部分と当該側壁部分と対向する支持フレーム部の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部を揺動するコム電極と、ミラー部と対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部との間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動する一対の平板固定電極とを備えるチルトミラー素子の駆動方法であって、
前記ミラー部と前記平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を開始するステップと、
前記ミラー部側のコム電極と前記支持フレーム部側のコム電極間に発生する静電力と共に、ミラー部と前記平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を加速するステップと
を有することを特徴とするチルトミラー素子の駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光通信分野やバーコードリーダ，レーザリーダ，エリアセンサ，投写型ディスプレイ，光スイッチ等の光学機器分野に適用して好適な、光ビームの光路を切り替えるチルトミラー素子及びその駆動方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、静電ギャップクロージング式のアクチュエータを備えるチルトミラー素子として、可動電極として構成されたミラー部に対向させて一対の固定平板電極を設け、電圧が印加されるのに応じて電極間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動させることにより光ビームを偏向するものが知られている（特許文献１を参照）。また、静電垂直コム式のアクチュエータを備えるチルトミラー素子として、ミラー部の外周部の一部分とこの一部分に対向する基板面にそれぞれ可動コム（櫛歯）電極と固定コム電極を設け、電極に電圧が印加されるのに応じて電極間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動させることにより光ビームを偏向するものが知られている（特許文献２を参照）。
【特許文献１】特開昭６０−５７０５１号公報（図２参照）
【特許文献２】特許第３０１１１４４号公報（図３参照）
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
ところで、静電ギャップクロージング式のアクチュエータを備えるチルトミラー素子では、電極間に発生する静電力は電極間の距離の２乗にほぼ反比例するために、この距離が長いとミラー部を揺動させるトルクが小さくなる。このため、ミラー部を大振幅で揺動可能にするためには、電極間の距離は短いことが望ましい。しかしながら、電極間の距離が短い場合には、ミラー部を揺動させた際に電極同士が接触してしまう可能性がある。このような背景から、従来のチルトミラー素子の構成によれば、電極同士が接触しない範囲で電極間の距離を設計しなければならないために、ミラー部を高速、且つ、大振幅で動かすことは困難であった。
【０００４】
一方、静電垂直コム式のアクチュエータを備えるチルトミラー素子では、初期状態において可動コム電極と固定コム電極とが同一平面上で完全に重なり合っていると、静電力によってはミラー部に対して直交する力が発生しないために、ミラー部の揺動を開始させることができない。従って、ミラー部の揺動を開始させるためには、可動コム電極と固定コム電極が異なる平面上に位置するような段差構造を形成し、電極間に電圧を印加することにより発生する吸引力によってミラー部の揺動を開始させる必要がある。
【０００５】
しかしながら、可動コム電極と固定コム電極の位置を合わせて上記のような段差構造を正確に製造するプロセスは大変複雑であるために、特に電極が微細である場合には、歩留まりが大幅に低下し、デバイス価格が高くなる可能性がある。また、ミラー部の変位量が大きくなって可動コム電極と固定コム電極とが全く重ならなくなると電極間に静電力がほとんど働かなくなるために、アクチュエータの一動作周期における平均的なトルクの大きさには限界があり、ミラー部を高速、且つ、大振幅で動かすことは困難である。
【０００６】
本発明は、上述した実情に鑑みて提案されたものであり、その目的は、ミラー部を高速、且つ、大振幅で動かすことが可能な安価なチルトミラー素子及びその駆動方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上述の課題を解決するために、本発明に係るチルトミラー素子は、ミラー面において光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部と、ミラー部の外周部に形成された支持フレーム部と、支持フレーム部に対しミラー部を移動及び位置保持する連結部と、ミラー部の側壁部分と側壁部分と対向する支持フレーム部の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部を揺動するコム電極と、ミラー面と対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部との間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動する一対の平板固定電極とを備える。
【０００８】
また、本発明に係るチルトミラー素子の駆動方法は、ミラー面において光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部と、ミラー部の外周部に形成された支持フレーム部と、支持フレーム部に対しミラー部を移動及び位置保持する連結部と、ミラー部の側壁部分と側壁部分と対向する支持フレーム部の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部を揺動するコム電極と、ミラー面と対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部との間に発生する静電力を利用してミラー部を揺動する一対の平板固定電極とを備えるチルトミラー素子の駆動方法であって、ミラー部と平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を開始するステップと、ミラー部側のコム電極と支持フレーム部側のコム電極間に発生する静電力と共に、ミラー部と平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を加速するステップを有する。
【発明の効果】
【０００９】
本発明に係るチルトミラー素子及びその駆動方法によれば、ミラー部と一対の平板固定電極間に発生する静電力を利用することによりミラー部の揺動を開始できるので、従来のチルトミラー素子のようなコム電極の段差構造を形成する必要がなく、チルトミラー素子を安価に製造することができる。
【００１０】
また、本発明に係るチルトミラー素子及びその駆動方法によれば、ミラー部側のコム電極と支持フレーム部側のコム電極間に発生する静電力とミラー部と一対の平板固定電極間に発生する静電力を併用することによりミラー部の揺動を加速することができるので、ミラー面を高速、且つ、大振幅で動かすことができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１１】
以下、図面を参照して、本発明の実施形態となるチルトミラー素子の構成及びその駆動方法について説明する。
【００１２】
〔チルトミラー素子の構成〕
始めに、図１乃至図３を参照して、本発明の実施形態となるチルトミラー素子１の構成について説明する。なお、図１，図２，及び図３はそれぞれチルトミラー素子１の鳥瞰図，上面図，及び図２に示すＡ矢印方向から見た側面図を示す。
【００１３】
本発明の実施形態となるチルトミラー素子１は、図１に示すように、金やアルミニウムからなるミラー面２ａにおいて光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部２と、ミラー部２の外周部に形成された支持フレーム部３と、支持フレーム部３に対しミラー部２を移動及び位置保持するねじれヒンジ部４とを備える。また、ねじれヒンジ部４と接続していないミラー部２の側壁部分とこの側壁部分と対向する支持フレーム部３の側壁部分とにはそれぞれ、可動コム電極５ａと固定コム電極５ｂが互いに噛み合うように形成されている。
【００１４】
支持フレーム部３とねじれヒンジ部４の上面には、図１，２に示すように、可動コム電極５ａ及び固定コム電極５ｂに電圧を印加することが可能なようにそれぞれ電極パッド６ａ，６ｃ及び電極パッド６ｂが設けられている。なお、支持フレーム部３とねじれヒンジ部４の間には絶縁分離ギャップ７が形成され、支持フレーム部３とねじれヒンジ部４間の絶縁性が確保されている。
【００１５】
支持フレーム部３の下面には、図１，３に示すように、上面に一対の平板固定電極８ａ，８ｂが形成されたガラス基板９が接合されいる。さらに、支持フレーム部３の下面には窓部が形成され、可動コム電極５ａと一対の平板固定電極８ａ，８ｂ間に発生した静電力によってミラー部２を揺動させることが可能なようにミラー部２の裏面が露出されている（図８参照）。
【００１６】
なお、本実施形態では、ミラー部２，支持フレーム部３，ねじれヒンジ部４，可動コム電極５ａ，及び固定コム電極５ｂは、図１に示すように、下部Ｓｉ基板１０ａと上部Ｓｉ基板１０ｂによってＳｉ酸化膜１１を挟持したＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを用いて一体で形成されている。
【００１７】
〔チルトミラー素子の製造方法〕
次に、図４乃至図９を参照して、上記チルトミラー素子１の製造方法について説明する。
【００１８】
上記チルトミラー素子１を製造する際は、始めに、フォトリソグラフィ工程及びＳｉ酸化膜１１をストッパとしたＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）エッチング工程によってＳＯＩウエハの上部Ｓｉ基板１０ｂをパターニングすることにより、図４（ａ），（ｂ）に示すように、ミラー部２，支持フレーム部３，ねじれヒンジ部４，可動コム電極５ａ，固定コム電極５ｂ，及び絶縁分離ギャップ７を一体形成する。
【００１９】
なお、上部Ｓｉ基板１０ｂの膜厚は必要とされるねじれヒンジ部４のバネ定数やミラー面２ａの平坦性を考慮して決定する。また、下部Ｓｉ基板１０ａの膜厚はミラー部２の振れ角や可動コム電極５ａと一対の平板固定電極８ａ，８ｂにより形成される静電ギャップクロージング・アクチュエータのトルク及びプロセス中の基板の機械的強度を考慮して決定する。具体的には、本実施形態では、ＳＯＩウエハの下部Ｓｉ基板１０ａ，Ｓｉ酸化膜１１，及び上部Ｓｉ基板１０ｂの膜厚はそれぞれ、３００，２，３０［μｍ］とした。
【００２０】
次に、上部Ｓｉ基板１０ｂ表面上に金やアルミニウム等の反射膜をスパッタ法により堆積させた後、フォトリソグラフィ工程により反射膜をパターニングすることにより図５（ａ），（ｂ）に示すようにミラー面２ａと電極パッド６ａ，６ｂ，６ｃを形成する。次に、フォトリソグラフィ工程と下部Ｓｉ基板１０ａのＫＯＨエッチング処理によって、図６（ａ），（ｂ）に示すようにミラー部２，ねじれヒンジ部４，可動コム電極５ａ，及び固定コム電極５ｂの位置に対応する下部Ｓｉ基板１０ａを除去する。
【００２１】
次に、後述する工程において支持フレーム部３とガラス基板９を接合した際に、ガラス基板９上の一対の平板固定電極８ａ，８ｂが下部Ｓｉ基板１０ａと重なることによって支持フレーム部３とガラス基板９とが密着しなくなるのを防止するために、図７（ａ），（ｂ）に示すように、フォトリソグラフィ工程とエッチング処理によって一対の平板固定電極８ａ，８ｂに対応する位置の下部Ｓｉ基板１０ａを除去することにより切り欠き部２１を形成する。なお、切り欠き部２１の深さは、一対の平板固定電極８ａ，８ｂの厚さより大きければよいが、本実施形態では１０［μｍ］とした。
【００２２】
次に、図８に示すように、ミラー部２，ねじれヒンジ部４，可動コム電極５ａ，及び固定コム電極５ｂの位置に対応する酸化膜１１を稀フッ酸によって除去することにより、ミラー部２とねじれヒンジ部４が可動できるようにする。なお、この処理の際、図８に示すように、ミラー部２に対応する位置に開口部を有するマスクを用いてミラー部２の裏面にも表面と同様に反射膜２２を形成し、ミラー部２の平坦性を向上させるようにしてもよい。
【００２３】
次に、ガラス基板９の上面に金等の金属を堆積させた後、フォトリソグラフィ工程によって堆積させた金属をパターニングすることにより、図９（ａ），（ｂ）に示すようにガラス基板９の上面に一対の平板固定電極８ａ，８ｂを形成する。なお、ガラス基板９は上面を酸化膜で被覆することにより絶縁性を持たせたシリコン基板であってもよい。そして最後に、一対の平板固定電極８ａ，８ｂがミラー部２とねじれヒンジ部４と対向する位置になるように調整しながら支持フレーム部３とガラス基板９を陽極接合法等により接合する。これにより、チルトミラー素子１の製造工程は完了する。
【００２４】
なお、本実施形態では、１つのチルトミラー素子１を含むチップを１単位として図示したが、実際には支持フレーム部３とガラス基板９の接合工程の前又は直後まではチップを複数含んだウエハの状態で製造工程を実施するものとする。そして、製造工程が完了したタイミングでダイシングでチップを個別に分離し、既に接合済みであれば所望のチルトミラー素子１が得られる。またそうでなければ、チップをガラス基板９と接合することによりチルトミラー素子１が得られる。
【００２５】
〔チルトミラー素子の駆動方法〕
最後に、図１０，１１を参照して、上記チルトミラー素子１の駆動方法について説明する。
【００２６】
上記チルトミラー素子１では、初期状態時（図１１に示す時刻Ｔ＜時刻Ｔ１）は、ミラー部２（可動コム電極５ａ）と固定コム電極５ｂとは同一平面上にあるために、可動コム電極５ａと固定コム電極５ｂに電圧を加えてもミラー部２と同一平面内の静電力しか発生せず、力のバランスによってミラー部２は動かない。そしてこの状態の時に、ミラー部２と平板固定電極８ｂ間に電圧を加えると（時刻Ｔ１＜時刻Ｔ＜０）、ミラー部２と平板固定電極間８ｂに発生する静電力によって図１０（ａ）に示すようにミラー部２は揺動を開始する。
【００２７】
ミラー部２が揺動を開始すると次に、ミラー部２と固定コム電極５ｂ間に電圧を加えると（時刻Ｔ２＜時刻Ｔ＜時刻Ｔ３）、可動コム電極５ａと固定コム電極５ｂ間に発生する静電力によって可動コム電極５ａと固定コム電極５ｂが引き合うことにより、平面垂直方向にミラー部２を動かす力が発生し、図１０（ｂ）に示すようにミラー部２は起動時とは逆方向に回転を開始する。なお、この静電力は、ミラー部２と支持フレーム部３が平行になるまでミラー部２の回転を加速するが、ミラー部２は慣性によって図１０（ｃ）に示す平衡状態をすぎても回転を続ける。
【００２８】
次に、ミラー部２と平板固定電極８ａとの間に電圧を印加すると（時刻Ｔ３＜時刻Ｔ＜時刻Ｔ４）、静電力によって回転力が増大し、これとねじれヒンジ部４のバネ力とが釣り合ったタイミングで振れ角は図１０（ｄ）に示すように極大となる。次に、ミラー部２はねじれヒンジ部４のバネ力で逆方向に回転して再び平衡状態へと戻っていくが、この時図１０（ｅ）に示すように（時刻Ｔ５＜時刻Ｔ＜時刻Ｔ６）、再びミラー部２と固定コム電極５ｂ間に電圧を加えることにより、ミラー部２の回転が加速される。そして平衡状態をすぎてからミラー部２の振れ角が極大値をとるまでは、図１０（ｆ）に示すように（時刻Ｔ６＜時刻Ｔ＜時刻Ｔ７）、再びミラー部２と平板固定電極８ｂとの間に電圧を印加する。
【００２９】
その後は、図１０（ｇ）に示すようにミラー部２はバネ力によって逆方向に回転して再び図１０（ｂ）に示す状態に戻るので、同様の方向によりミラー部２と固定コム電極５ｂ間に電圧を加えることにより回転を快速する。以上のように、各電極への電圧供給パターンを繰り返し行うことにより、ミラー部２を継続的に揺動させることができる。特にこの繰り返しの周波数をミラーの機械的共振周波数と一致させることにより、ミラー部２の振れの振幅を大きくすることができる。
【００３０】
以上の説明から明らかなように、本発明の実施形態となるチルトミラー素子１は、ミラー面２ａにおいて光ビームを反射することにより光ビームの光路を切り替えるミラー部２と、ミラー部２の外周部に形成された支持フレーム部３と、支持フレーム部３に対しミラー部２を移動及び位置保持するねじれヒンジ部４と、ミラー部２の側壁部分とこの側壁部分と対向する支持フレーム部３の側壁部分とに噛み合うように設けられ、電圧が印加されることにより発生する静電力を利用してミラー部２を揺動する可動コム電極５ａ及び固定コム電極５ｂと、ミラー面２ａと対向する位置に設けられ、電圧が印加されることによりミラー部２との間に発生する静電力を利用してミラー部２を揺動する一対の平板固定電極８ａ，８ｂとを備える。
【００３１】
すなわち、本発明の実施形態となるチルトミラー素子１は、可動コム電極５ａと固定コム電極５ｂからなる静電垂直コム式のアクチュエータと、ミラー部２と一対の平板固定電極８ａ，８ｂとからなる静電ギャップクロージング式のアクチュエータを備える。そして、このようなチルトミラー素子１によれば、初期始動時は、静電ギャップクロージング式のアクチュエータを用いることにより、可動コム電極５ａと固定コム電極５ｂとが同一平面上に完全に重なり合って段差のない構造であっても、ミラー部２の揺動を開始させることができる。また、定常動作時は、静電垂直コム式のアクチュエータと静電ギャップクロージング式のアクチュエータをミラー部２の角度に応じて相補的駆動することにより、平均的に高いトルクを発生でき、ミラー部２を高速、且つ、大振幅で動かすことができる。
【００３２】
また、本発明の実施形態となるチルトミラー素子１によれば、ミラー部２、支持フレーム部３、ねじれヒンジ部４、可動コム電極５ａ、及び固定コム電極５ｂはＳＯＩウエハを用いて一体で形成されているので、電極の寸法精度やミラー部２の平坦性が良好になり、チルトミラー素子１を生産性高く、安価に製造することができる。なお、本実施形態では、ＳＯＩウエハを用いたが、ミラー部２、ねじれヒンジ部４、可動コム電極５ａ、及び固定コム電極５ｂの部分にシリコン酸化膜上に体積させたポリシリコン膜を用いてもよい。
【００３３】
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
【図面の簡単な説明】
【００３４】
【図１】本発明の実施形態となるチルトミラー素子の構成を示す鳥瞰図である。
【図２】本発明の実施形態となるチルトミラー素子の構成を示す上面図である。
【図３】図２に示すＡ矢印方向から見たチルトミラー素子の側面図である。
【図４】図１に示すチルトミラー素子の製造方法を説明するための支持フレーム部の上面図及びＡ矢印方向から見た側面図である。
【図５】図１に示すチルトミラー素子の製造方法を説明するための支持フレーム部の上面図及びＡ矢印方向から見た側面図である。
【図６】図１に示すチルトミラー素子の製造方法を説明するための支持フレーム部の下面図及びＡ矢印方向から見た側面図である。
【図７】図１に示すチルトミラー素子の製造方法を説明するための支持フレーム部の下面図及びＢ矢印方向から見た側面図である。
【図８】図１に示すチルトミラー素子の製造方法を説明するための支持フレーム部の下面図である。
【図９】図１に示すチルトミラー素子の製造方法を説明するためのガラス基板の上面図及びＡ矢印方向から見た側面図である。
【図１０】図１に示すチルトミラー素子の駆動方法を説明するための電圧印加パターンを示す図である。
【図１１】図１に示すチルトミラー素子の駆動方法を説明するための電圧印加タイミングを示す図である。
【符号の説明】
【００３５】
１：チルトミラー素子
２：ミラー部
２ａ：ミラー面
３：支持フレーム部
４：ねじれヒンジ部
５ａ：可動コム電極
５ｂ：固定コム電極
６ａ，６ｂ，６ｃ：電極パッド
７：絶縁分離ギャップ
８ａ，８ｂ：平板固定電極
９：ガラス基板
１０ａ：下部Ｓｉ基板
１０ｂ：上部Ｓｉ基板
１１：Ｓｉ酸化膜
【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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