(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを反射すると共に反射された光ビームの方向を変更し得る光偏向器であり、
支持体と、
光を反射するための反射面を有する可動板と、
可動板を支持体に対して第一の回転軸の周りに回転可能に支持するための一対の第一の弾性部であり、一対の第一の弾性部は第一の回転軸に沿って可動板を間に挟んで可動板の両側に位置し、その各々は第一の回転軸に沿って延びている一対の弾性部材から構成され、可動板と支持体を連絡している弾性変形し得る一対の第一の弾性部と、
可動板を支持体に対して第一の回転軸に直交する第二の回転軸の周りに回転可能に支持するための一対の第二の弾性部であり、一対の第二の弾性部は第二の回転軸に沿って可動板を間に挟んで可動板の両側に位置し、その各々は第二の回転軸に沿って延びている一対の弾性部材から構成され、可動板と支持体を連絡している弾性変形し得る一対の第二の弾性部と、
支持体と第一の弾性部と可動板を通っている第一の駆動用配線であり、可動板に位置する部分は第一の回転軸に平行に延びている第一の駆動用配線と、
支持体と第二の弾性部と可動板を通っている第二の駆動用配線であり、可動板に位置する部分は第二の回転軸に平行に延びている第二の駆動用配線と、
可動板が位置し得る空間に磁場を形成するための磁場発生手段とを備えている、光偏向器。
【請求項２】
磁場発生手段は、第一の回転軸と第二の回転軸に対して４５°の方向の磁場を発生させる、請求項１に記載の光偏向器。
【請求項３】
第一の駆動用配線の可動板に位置する部分は第一の回転軸に対して線対称に位置しており、第二の駆動用配線の可動板に位置する部分は第二の回転軸に対して線対称に位置している、請求項１または請求項２に記載の光偏向器。
【請求項４】
光偏向器は更に、前述の第一の駆動用配線を複数本備え、前述の第二の駆動用配線を複数本備え、電流を流す駆動用配線を選択するための選択回路とを備えている、請求項１〜請求項３のいずれかひとつに記載の光偏向器。
【請求項５】
弾性部は少なくとも部分的にメッシュ構造を有している、請求項１〜請求項４のいずれかひとつに記載の光偏向器。
【請求項６】
第一の駆動用配線の弾性部に位置する部分はジグザグに延びると共に第一の回転軸に対して線対称に位置しており、第二の駆動用配線の弾性部に位置する部分はジグザグに延びると共に第二の回転軸に対して線対称に位置している、請求項１〜請求項５のいずれかひとつに記載の光偏向器。
【請求項７】
支持体と、
可動板と、
可動板を支持体に対して第一の方向において支持する一対の第一の弾性部であり、一対の第一の弾性部は第一の方向において可動板を間に挟んで可動板の両側に位置し、その各々は第一の方向に延びている一対の弾性部材から構成され、可動板と支持体を連絡している弾性変形し得る一対の第一の弾性部と、
可動板を支持体に対して第一の方向に直交する第二の方向において支持する一対の第二の弾性部であり、一対の第二の弾性部は第二の方向において可動板を間に挟んで可動板の両側に位置し、その各々は第二の方向に延びている一対の弾性部材から構成され、可動板と支持体を連絡している弾性変形し得る一対の第二の弾性部と、
支持体と第一の弾性部と可動板を通っている第一の駆動用配線であり、可動板に位置する部分は第一の方向に平行に延びている第一の駆動用配線と、
支持体と第二の弾性部と可動板を通っている第二の駆動用配線であり、可動板に位置する部分は第二の方向に平行に延びている第二の駆動用配線と、
可動板が位置し得る空間に磁場を形成するための磁場発生手段とを備えている、電磁型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁駆動される光偏向器等の電磁駆動型アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
光スイッチ等に代表される比較的大型のミラーを静的かつアナログ的に駆動する用途に対して、電磁駆動型の光偏向器は、静電駆動型の素子に比較して駆動効率と制御性の点で優れている。
【０００３】
特開平８−３２２２２７号公報はジンバル構造の光偏向器のひとつを開示している。その光偏向器で用いられている偏向ミラー素子を図３０に示す。
【０００４】
図３０に示されるように、この偏向ミラー素子は、内側可動板１１０１と、その外側に配置される外側可動板１１０２と、その外側に配置される支持枠１１０３と、内側可動板１１０１と外側可動板１１０２を接続するヒンジ１１０４と、外側可動板１１０２と支持枠１１０３を接続するヒンジ１１０５とから構成されている。
【０００５】
この偏向ミラー素子は、その外部に設けられた（図示しない）磁石によって形成される平行磁場１１０８の中に配置される。内側可動板１１０１にはコイル１１０６が、外側可動板１１０２にはコイル１１０７が形成されている。コイル１１０６を流れる電流は、平行磁場１１０８の相互作用によって、内側可動板１１０１をヒンジ１１０４の長手軸の周りに回転させる。また、コイル１１０７を流れる電流は、平行磁場１１０８の相互作用によって、外側可動板１１０２をヒンジ１１０５の長手軸の周りに回転させる。
【０００６】
内側可動板１１０１には反射面１１０９が形成されている。コイル１１０６とコイル１１０７に流す電流を制御することにより、内側可動板１１０１を単独であるいは外側可動板１１０２と共に所望の角度に回転させることができる。つまり、内側可動板１１０１の反射面１１０９の方向を制御できる。これにより、反射面１１０９で反射された光ビームの方向を任意に調整できる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、図３０に示されるようなジンバル構造の偏向ミラー素子を有する光偏向器では、内側可動板と外側可動板の各々を静的かつ独立に駆動することが困難である。つまり、各々の回転軸に対応する回転動作間のクロストークが発生する。以下、この困難さについて、言い換えればクロストークの発生について、図３１を用いて説明する。
【０００８】
図３１において、内側可動板１１０１に形成されたコイル１１０６を流れる電流は、二種類の電流成分、電流成分１１１０とその電流成分１１１１とに分解できる。電流成分１１１０は偶力１１１５を発生させ、これは内側可動板１１０１を回転軸１１２０の周りに回転させる。電流成分１１１１は偶力１１１６を発生させ、これはヒンジ１１０４を介して外側可動板１１０２を回転軸１１２１の周りに回転させる。
【０００９】
従って、内側可動板１１０１を駆動するために、コイル１１０６に電流を流すと、それによって外側可動板１１０２も回転されてしまう。このため、内側可動板１１０１と外側可動板１１０２の各々を独立に回転させることは難しい。
【００１０】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、二本の軸の周りに回転される可動板を有する光偏向器及び電磁型アクチュエータにおいて、各々の回転軸に対応する回転動作間のクロストークが低減された光偏向器及び電磁型アクチュエータを提供することである。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明は、光ビームを反射すると共に反射された光ビームの方向を変更し得る光偏向器であり、支持体と、光を反射するための反射面を有する可動板と、可動板を支持体に対して第一の回転軸の周りに回転可能に支持するための一対の第一の弾性部であり、可動板と支持体を連絡している弾性変形し得る一対の第一の弾性部と、可動板を支持体に対して第一の回転軸に直交する第二の回転軸の周りに回転可能に支持するための一対の第二の弾性部であり、可動板と支持体を連絡している弾性変形し得る一対の第二の弾性部と、支持体と第一の弾性部と可動板を通っている第一の駆動用配線であり、可動板に位置する部分は第一の回転軸に平行に延びている第一の駆動用配線と、支持体と第二の弾性部と可動板を通っている第二の駆動用配線であり、可動板に位置する部分は第二の回転軸に平行に延びている第二の駆動用配線と、可動板が位置し得る空間に磁場を形成するための磁場発生手段とを備えている。一対の第一の弾性部は第一の回転軸に沿って可動板を間に挟んで可動板の両側に位置し、その各々は第一の回転軸に沿って延びている一対の弾性部材から構成されている。また、一対の第二の弾性部は第二の回転軸に沿って可動板を間に挟んで可動板の両側に位置し、その各々は第二の回転軸に沿って延びている一対の弾性部材から構成されている。
【００１２】
本発明の光偏向器では、第一の駆動用配線は可動板に位置する部分が第一の回転軸に平行に延びているので、第一の駆動用配線を流れる電流は可動板を第一の回転軸の周りに回転させる力を発生させるが、可動板を第一の回転軸に直交する第二の回転軸の周りに回転させる力は発生させない。同様に、第二の駆動用配線は可動板に位置する部分が第二の回転軸に平行に延びているので、第二の駆動用配線を流れる電流は可動板を第二の回転軸の周りに回転させる力を発生させるが、可動板を第二の回転軸に直交する第一の回転軸の周りに回転させる力は発生させない。
【００１３】
【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。
【００１４】
第一実施形態
本発明の第一実施形態は、実質的に複数の光偏向器の集合と見なせる光偏向器に向けられている。
【００１５】
図１に示されるように、光偏向器１００は、偏向ミラー素子アレイ１０２と、偏向ミラー素子アレイを含む空間に磁場を形成する磁場発生手段とを有している。言い換えれば、平行磁場を発生させる磁場発生手段と、平行磁場中に配置された偏向ミラー素子アレイ１０２とを有している。
【００１６】
偏向ミラー素子アレイ１０２は、複数の偏向ミラー素子１１０、例えば九つの偏向ミラー素子１１０を含んでいる。偏向ミラー素子１１０は、規則的に互いに離れて、例えば格子状に位置している。
【００１７】
磁場発生手段は、例えば、一対の永久磁石１０４で構成されている。永久磁石１０４は、偏向ミラー素子アレイの両側に配置されている。永久磁石は、矩形の偏向ミラー素子アレイ１０２の対角線に沿って位置している。
【００１８】
偏向ミラー素子１１０の各々は、図２に示されるように、可動板１２２と、可動板１２２を取り囲んでいる支持体１１２と、可動板１２２と支持体１１２を連絡している弾性変形し得る一対の第一の弾性部１３２と、可動板１２２と支持体１１２を連絡している弾性変形し得る一対の第二の弾性部１４２とを備えている。
【００１９】
任意の偏向ミラー素子１１０の支持体１１２は、他の偏向ミラー素子１１０の支持体１１２と連続している。言い換えれば、複数の偏向ミラー素子１１０の支持体１１２は、一枚のシリコン基板からエッチング加工によって一体的に形成されている。
【００２０】
可動板１２２は、その片面に、光を反射するための反射面１２４を有している。
【００２１】
第一の弾性部１３２は、可動板１２２を支持体１１２に対して第一の回転軸Ｌ1の周りに回転可能に支持している。第一の弾性部１３２の各々は、第一の回転軸Ｌ1に沿って延びている一対の弾性部材１３４から構成されている。
【００２２】
第二の弾性部１４２は、可動板１２２を支持体１１２に対して第二の回転軸Ｌ2の周りに回転可能に支持している。第二の弾性部１４２の各々は、第二の回転軸Ｌ2に沿って延びている一対の弾性部材１４４から構成されている。
【００２３】
第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2は互いに直交している。磁場発生手段すなわち一対の永久磁石１０４は、第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2に対して４５°の方向を持つ磁場を発生させる。
【００２４】
偏向ミラー素子１１０の各々は、図４に示されるように、さらに、支持体１１２と第一の弾性部１３２と可動板１２２を通っている第一の駆動用配線１５２と、支持体１１２と第二の弾性部１４２と可動板１２２を通っている第二の駆動用配線１６２とを備えている。
【００２５】
第一の駆動用配線１５２の可動板１２２に位置する部分は、第一の回転軸Ｌ1に平行に延びており、第二の駆動用配線１６２の可動板１２２に位置する部分は、第二の回転軸Ｌ2に平行に延びている。従って、第一の駆動用配線１５２の可動板１２２に位置する部分と第二の駆動用配線１６２の可動板１２２に位置する部分は、互いに直交しており、また、永久磁石１０４によって形成された平行磁場１９０に対して４５°の傾きをもって延びている。
【００２６】
さらに、第一の駆動用配線１５２の可動板１２２に位置する部分は、第一の回転軸Ｌ1に対して線対称に位置しており、第二の駆動用配線１６２の可動板１２２に位置する部分は、第二の回転軸Ｌ2に対して線対称に位置している。
【００２７】
第一の駆動用配線１５２は、支持体１１２に設けられた二本の配線、すなわち第一の駆動用配線１５２の外周端と電気的に接続された配線１５４と第一の駆動用配線１５２の内周端と電気的に接続された配線１５６とを介して、偏向器１００の外部にある（図示しない）駆動回路に接続される。同様に、第二の駆動用配線１６２は、支持体１１２に設けられた二本の配線、すなわち第二の駆動用配線１６２の外周端と電気的に接続された配線１６４と第二の駆動用配線１６２の内周端と電気的に接続された配線１６６とを介して、偏向器１００の外部にある（図示しない）駆動回路に接続される。
【００２８】
第一の弾性部１３２を構成する弾性部材１３４は、図５に示されるように、メッシュ構造を有している。これに伴い、第一の駆動用配線１５２の第一の弾性部１３２に位置する部分はジグザグに延びている。さらに、第一の駆動用配線１５２の第一の弾性部１３２の各々の一対の第一の弾性部材１３４に位置する部分は、第一の回転軸Ｌ1に対して線対称に位置している。
【００２９】
同様に、第二の弾性部１４２を構成する弾性部材１４４もメッシュ構造を有している。第二の駆動用配線１６２の第二の弾性部１４２に位置する部分はジグザグに延びている。さらに、第二の駆動用配線１６２の第二の弾性部１４２の各々の一対の第二の弾性部材１４４に位置する部分は、第二の回転軸Ｌ2に対して線対称に位置している。
【００３０】
偏向ミラー素子１１０は、半導体製造技術を応用して、例えばシリコン基板をスタートウエハとして作製される。
【００３１】
図４において、偏向ミラー素子１１０は、材料的には、互いに積層されたシリコン基板２００と第一のポリイミド膜２１０と第一の金属膜２２０と第二のポリイミド膜２３０と第二の金属膜２４０と第三のポリイミド膜２５０とで構成されている。
【００３２】
シリコン基板２００は矩形の部分２０２とそれを取り囲む枠状の部分２０４とを有し、第一のポリイミド膜２１０は矩形の部分２１２とそれを取り囲む枠状の部分２１４とそれらを連絡するメッシュ状の部分２１６とを有し、第一の金属膜２２０は第二の駆動用配線１６２と配線１６４と配線１５６とを含み、第二のポリイミド膜２３０は矩形の部分２３２とそれを取り囲む枠状の部分２３４とを有し、第二の金属膜２４０は第一の駆動用配線１５２と配線１５４と配線１６６とを含み、第三のポリイミド膜２５０は矩形の部分２５２とそれを取り囲む枠状の部分２５４とそれらを連絡するメッシュ状の部分２５６とを有している。
【００３３】
第二のポリイミド膜２３０は第一の金属膜２２０と第二の金属膜２４０を絶縁するための層間絶縁膜を構成している。配線１５６は、第二のポリイミド膜２３０に形成されたビアホール２３６を介して、第一の駆動用配線１５２の内周端と電気的に接続されている。また、配線１６６は、第二のポリイミド膜２３０に形成されたビアホール２３８を介して、第二の駆動用配線１６２の内周端と電気的に接続されている。
【００３４】
シリコン基板２００の矩形の部分２０２は主として可動板１２２を構成し、シリコン基板２００の枠状の部分２０４は主として支持体１１２を構成している。第一のポリイミド膜２１０のメッシュ状の部分２１６と第三のポリイミド膜２５０のメッシュ状の部分２５６は主として第一の弾性部材１３４と第二の弾性部材１４４を構成している。
【００３５】
図６において、第一の駆動用配線１５２に電流を流すと、第一の駆動用配線１５２の可動板１２２に位置する部分２８０と２８１にはそれぞれ同じ大きさで互いに逆向きの電流２８２と２８３が流れる。これらの電流２８２と２８３は、磁場１９０との相互作用により、配線部分２８０と２８１の中央に位置する第一の回転軸Ｌ1の周りの偶力２８４を発生させる。この偶力２８４は、弾性部材１３４と１４４の弾性変形による反発力と釣り合う位置まで、可動板１２２を第一の回転軸Ｌ1の周りに回転させる。可動板１２２の回転角は、第一の駆動用配線１５２を流れる電流の大きさに依存する。
【００３６】
また、第一の駆動用配線１５２の支持体１１２に位置する部分２９０と２９１にも逆向きの電流が流れる。これらの電流は、第一の回転軸Ｌ1と直交する第二の回転軸Ｌ2の周りの偶力２９２を発生させる。しかし、これらの配線部分２９０と２９１は支持体１１２に形成されているため、偶力２９２は可動板１２２の駆動に影響を与えない。
【００３７】
結局、第一の駆動用配線１５２を流れる電流は、第一の駆動用配線１５２の可動板１２２に位置する部分２８０と２８１が第一の回転軸Ｌ1に平行であるため、可動板１２２を第一の回転軸Ｌ1の周りに回転させる駆動力は発生させるが、可動板１２２を第二の回転軸Ｌ2の周りに回転させる駆動力を発生させない。
【００３８】
従って、第一の駆動用配線１５２に流す電流を制御することにより、可動板１２２を第一の回転軸Ｌ1の周りに所望の角度だけ回転させることができる。
【００３９】
これと全く同様に、第二の駆動用配線１６２に流す電流を制御することにより、可動板１２２を第一の回転軸Ｌ1に直交する第二の回転軸Ｌ2の周りに所望の角度だけ回転させることができる。
【００４０】
従って、第一の駆動用配線１５２に流す電流と第二の駆動用配線１６２に流す電流とを制御することによって、可動板１２２を所望の方向に向けることができる。これにより、可動板１２２の反射面１２４で反射される光ビームを所望の方向に方向付けることができる。
【００４１】
本実施形態の光偏向器１００では、一方の駆動用配線に流れる電流は、それに対応する回転軸の周りに可動板を回転させる駆動力は発生させるが、他方の回転軸の周りに可動板を回転させる駆動力は発生させないので、各々の回転軸に対応する回転動作間のクロストークが低減される。
【００４２】
なお、駆動用配線１５２と１５６の弾性部材１３４と１４４に位置する部分は、弾性部材のメッシュ構造に沿ってジグザグに形成されているため、局所的には可動板１２２本来の回転方向とは異なる方向に駆動力が発生する。しかし、この好ましくない駆動力は、ジグザグの折り返し部で隣接する配線要素同士では互いに逆向きであるため、相殺され、上述の回転動作間のクロストークには殆ど影響を及ぼさない。
【００４３】
以下、図７〜図１７を参照しながら、偏向ミラー素子１１０の製造工程を説明する。
【００４４】
まず、図７に示されるように、シリコン基板３０１の一方の面に埋め込みマスク３０２を形成する。以下、シリコン基板３０１に対して埋め込みマスク３０２の形成されている面を表側、それとは反対側の面を裏側と呼称する。
【００４５】
次に、図８と図９に示されるように、埋め込みマスク３０２の表面にシリコン膜３０３を形成した後、シリコン膜３０３の表面にエッチング停止層３０４を、シリコン基板３０１の裏側にシリコンエッチングマスク３０５をそれぞれ形成する。ここで、埋め込みマスク３０２とエッチング停止層３０４とシリコンエッチングマスク３０５には、酸化シリコン膜や窒化シリコン膜等、シリコン基板のエッチングに対して耐性を有する材料が使用される。また、シリコン膜３０３は、他のシリコン基板を接合した後所望の厚さまで研磨する方法や、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板を接合後、接合したＳＯＩ基板の支持基板層と埋め込み酸化膜層をエッチング除去する方法等により形成される。
【００４６】
次に、図１０に示されるように、エッチング停止層３０４の表面に第一のポリイミド膜２１０を形成した後、駆動用配線１６２と配線１５６と１６４を形成する。駆動用配線１６２や配線１５６と１６４には、アルミ等の抵抗率が低く熱伝導率の高い材料が使用されることが望ましい。
【００４７】
次に、図１１に示されるように、第一のポリイミド膜２１０の表側に第二のポリイミド膜２３０を形成した後、このポリイミド膜２３０にビアホール２３６と２３８を形成する。ここで、第二のポリイミド膜２３０からビアホールの部分を除去する際に、図２ほかに示される可動板１２２と支持体１１２の間の領域に相当する部分３１３も同時に除去する。
【００４８】
次に、図１２に示されるように、第二のポリイミド膜２３０の表側に駆動用配線１５２と配線１６６と１５４を形成する。駆動用配線１５２と配線１６６は、図１１の工程で形成したビアホール２３６と２３８によって、配線１５６と駆動用配線１６２にそれぞれ接続される。駆動用配線１５２や配線１６６と１５４にも、駆動用配線１６２や配線１５６と１６４と同様に、抵抗率が低く熱伝導率の高い材料が使用されることが望ましい。
【００４９】
次に、図１３と図１４に示されるように、第二のポリイミド膜２３０の表側に３層目のポリイミド膜２５０を形成した後、その表面にポリイミドエッチングマスク３１５を形成する。ポリイミドエッチングマスク３１５には、ＰＣＶＤ（Plasma Assisted Chemical Vapor Deposition）法によって形成した酸化シリコン膜等、ポリイミド膜や配線材料の耐熱温度より低い温度で成膜可能で、ポリイミド膜のエッチングに耐え、他の構成要素を侵さずに除去可能な材料が使用される。
【００５０】
次に、図１５に示されるように、基板の表側を何らかの方法で保護した状態で、シリコン基板３０１およびシリコン膜３０３を裏側から、シリコンエッチングマスク３０５や埋め込みマスク３０２を介してエッチング停止層３０４が完全に露出するまでエッチングすることにより、支持体１１２と可動板１２２を形成する。このエッチングは、ＴＭＡＨ（Tetramethyl ammonium hydroxide）等のアルカリエッチング液を使用したウエットエッチングや、ＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）法によるドライエッチング等によって行なわれる。
【００５１】
次に、図１６に示すように、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法によってポリイミド膜２１０と２３０と２５０をポリイミドエッチングマスク３１５を介して表側からエッチングすることにより、メッシュ構造の弾性部材１３４と１４４を形成するとともに、給電パッドの部分（図示せず）等を開口する。
【００５２】
最後に、図１７に示されるように、エッチング停止層３０４と埋め込みマスク３０２とシリコンエッチングマスク３０５の露出している部分を除去した後、可動板１２２の裏側に反射面１２４を形成することによって、偏向ミラー素子１１０が完成する。
【００５３】
本実施形態は、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変形や変更が加えられてもよい。
【００５４】
弾性部材１３４と１４４のメッシュ構造の要素構造は、本実施形態では図５に示されるように矩形あるいは菱形であるが、これに限定されるものではなく、他の多角形あるいは円や楕円など、他の任意の形状であってもよい。メッシュ構造は、本実施形態では一種類の要素構造から成っているが、大きさや形状の異なる複数種類の要素構造の組み合わせで構成されてもよい。
【００５５】
また、弾性部材１３４と１４４は、本実施形態では図５に示されるようにその全体がメッシュ構造で構成されているが、これに限定されるものではなく、メッシュ構造を部分的に有する構造であってもよい。つまり、弾性部材１３４と１４４は、図１８に示されるように、メッシュ構造の部分４１２と板状の部分４１４とで構成されてもよい。
【００５６】
また、第二のポリイミド膜２３０の代わりに、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等、他の絶縁材料が使用されてもよい。
【００５７】
また、ポリイミド膜２１０と２３０と２５０は、シリコーン樹脂やパリレン等、他の任意の絶縁性の弾性材料から成る膜に置き換えられてもよい。
【００５８】
また、弾性部材１３４と１４４は、メッシュ構造を有している代わりに、図１９に示されるように、板状の弾性材料４２２と、その内部に形成されたジグザグの配線４２４とで構成されてもよい。さらに配線４２４は直線状に形成されてもよい。
【００５９】
しかしながら、直線状の配線は、弾性部材１３４と１４４の伸び変形すなわち長手軸に沿った変形に対して、塑性変形や断線を起こし易いことを考慮すると、配線４２４はジグザグである方が好ましい。弾性部材１３４と１４４に伸び変形を生じさせる力によって引き起こされるジグザグの配線４２４の変形は曲げ変形となるので、ジグザグの配線４２４は容易に弾性部材１３４と１４４の伸びに追随して変形できる。
【００６０】
ジグザグの配線４２４は、可動板１２２の本来の回転方向とは異なる方向に駆動力を受けるが、この余分な駆動力は、ジグザグの折り返し部に対して隣接する配線要素間では逆向きであり、従って互いに相殺されるので、可動板１２２の各々の回転軸に対応する回転動作間のクロストークに殆ど影響を与えない。
【００６１】
また、弾性部材１３４と１４４は、図２０に示されるように、周期的に屈曲構造を有する弾性材料４３２と、その内部を長手軸方向に関して直線的に延びる配線４３４とで構成されてもよい。この構造においては、配線４３４の幅を比較的大きくできる。これは、配線の抵抗を低減し、これにより消費電力や発熱を低減できるという利点を与える。
【００６２】
また、偏向ミラー素子１１０の駆動回路を偏向器１００の内部、例えば支持体１１２の表面等に形成してもよい。
【００６３】
また、偏向ミラー素子１１０の内部に放熱や冷却のための構造が設けられてもよい。
【００６４】
また、弾性部１３２は一対の弾性部材１３４で構成され、弾性部１４２は一対の弾性部材１４４で構成されているが、弾性部１３２と１４２は、図２１に示されるように、メッシュ構造を有するひとつの弾性部材４４２と、その内部に形成されたその両側の縁近くを通るジグザグの配線あるいは菱形が鎖状に連続する配線４４４とで構成されてもよい。
【００６５】
また、図２において、一対の弾性部材１３４と１４４の内部に形成された配線についても、図５に示されるようなジグザグの配線以外に、図２１に示される配線１４４のように菱形が鎖状に連続する配線としてもよい。
【００６６】
また、図１に示される偏向ミラー素子アレイ１０２のパッケージ等への実装は、例えば、図２２に示されるように、複数の偏向ミラー素子１１０が形成されたチップ４５０の周辺部に、偏向ミラー素子１１０の各々と電気的に接続された給電パッド４５２を形成しておき、これらの給電パッド４５２と、パッケージに形成された（図示しない）端子の間をワイヤー４５４で接続することによって行なわれる。
【００６７】
しかしながら、偏向ミラー素子アレイ１０２の実装は、より好ましくは、図２３に示すように、複数の偏向ミラー素子１１０が形成されたチップ４６０に対して、偏向ミラー素子１１０の各々の側に、それと電気的に接続された給電パッド４６２を形成しておき、図２４に示されるように、これらの給電パッド４６２を、ＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージ４７０にアレイ状に形成された端子４７２にバンプ４７４を介して接続するとよい。
【００６８】
後者の手法は、アレイを構成する素子数が多いためにチップ周辺部に給電パッドを配置するスペースが確保できない場合に有利である。本実施形態の偏向ミラー素子アレイ１０２では、可動板１２２に形成された反射面１２４が、給電パッドの形成される面すなわちパッケージに接着される面の反対側の面に形成されるため、チップ中にスルーホール形成等の特別な加工を必要とすることなく、ＢＧＡパッケージ等アレイ上に配置された端子と接続することができる。
【００６９】
さらに、後者の手法の場合、複数個のチップ４６０を同一パッケージに並べて実装することにより、大規模アレイを容易に実現することが可能である。
【００７０】
また、本実施形態においては、可動板上に反射面を有し、可動板が第一と第二の回転軸の周りに回転可能な光偏向器について説明したが、可動板が上下方向や前後左右方向に移動可能な光偏向器や、可動板上に反射面を有しないもの等、電磁駆動型のアクチュエータであってもよい。
【００７１】
第二実施形態
本発明の第二実施形態は、実質的に複数の光偏向器の集合と見なせる光偏向器に向けられている。
【００７２】
図２５に示されるように、光偏向器５００は、一対の永久磁石５０４から成る、平行磁場を発生させるための磁場発生手段と、平行磁場中に配置された偏向ミラー素子アレイ５０２と、偏向ミラー素子アレイ５０２に対して間隔を置いて向かい合って配置された対向基板５０６とを有している。偏向ミラー素子アレイ５０２と対向基板５０６は複数のスペーサー５０８を介して連結されている。偏向ミラー素子アレイ５０２は、格子状に配列された九つの偏向ミラー素子５１０を含んでいる。
【００７３】
偏向ミラー素子５１０の各々は、図２６に示されるように、可動板５２２と、可動板５２２を取り囲んでいる支持体５１２と、可動板５２２と支持体５１２を連絡している弾性変形し得る一対の第一の弾性部５３２と、可動板５２２と支持体５１２を連絡している弾性変形し得る一対の第二の弾性部５４２とを備えている。
【００７４】
任意の偏向ミラー素子５１０の支持体５１２は、他の偏向ミラー素子５１０の支持体５１２と連続している。言い換えれば、複数の偏向ミラー素子５１０の支持体５１２は、例えば一枚のシリコン基板からエッチング加工によって一体的に形成されている。
【００７５】
可動板５２２は、その片面に、光を反射するための反射面５２４を有している。
【００７６】
第一の弾性部５３２は、可動板５２２を支持体５１２に対して第一の回転軸Ｌ1の周りに回転可能に支持している。第一の弾性部５３２の各々は、第一の回転軸Ｌ1に沿って延びている一対の弾性部材５３４から構成されている。
【００７７】
第二の弾性部５４２は、可動板５２２を支持体５１２に対して第二の回転軸Ｌ2の周りに回転可能に支持している。第二の弾性部５４２の各々は、第二の回転軸Ｌ2に沿って延びている一対の弾性部材５４４から構成されている。
【００７８】
第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2は互いに直交している。磁場発生手段すなわち一対の永久磁石５０４は、第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2に対して４５°の方向を持つ磁場を発生させる。
【００７９】
偏向ミラー素子５１０の各々は、図２６に示されるように、さらに、支持体５１２と第一の弾性部５３２と可動板５２２を通っている複数本の第一の駆動用配線５５２と、支持体５１２と第二の弾性部５４２と可動板５２２を通っている複数本の第二の駆動用配線５６２とを備えている。
【００８０】
複数本の第一の駆動用配線５５２は共に第一の回転軸Ｌ1に沿ってほぼ直線的に延びており、複数本の第二の駆動用配線５６２は共に第二の回転軸Ｌ2に沿ってほぼ直線的に延びている。
【００８１】
第一の駆動用配線５５２の可動板５２２に位置する部分は、第一の回転軸Ｌ1に平行に延びており、第二の駆動用配線５６２の可動板５２２に位置する部分は、第二の回転軸Ｌ2に平行に延びている。従って、第一の駆動用配線５５２の可動板５２２に位置する部分と第二の駆動用配線５６２の可動板５２２に位置する部分は、互いに直交しており、また、永久磁石５０４によって形成された平行磁場５９０に対して４５°の傾きをもって延びている。
【００８２】
さらに、第一の駆動用配線５５２の可動板５２２に位置する部分は、第一の回転軸Ｌ1に対して線対称に位置しており、第二の駆動用配線５６２の可動板５２２に位置する部分は、第二の回転軸Ｌ2に対して線対称に位置している。
【００８３】
第二の駆動用配線５６２の一方の端部は共に、支持体５１２に設けられた配線５６４と電気的に接続されており、他方の端部の各々は、図２７に示されるように、電流を流す第二の駆動用配線５６２を選択するための選択回路５６８を介して、外部装置との電気的接続のための配線５６６と電気的に接続されている。選択回路５６８はスイッチング機能を有しており、例えばＣＭＯＳ回路等のデジタル回路で構成される。同様に、第一の駆動用配線５５２の一方の端部は共に、図２８に示されるように、支持体５１２に設けられた配線５５４と電気的に接続されており、他方の端部は、図示されていないが、選択回路５６８と同様の選択回路を介して、外部装置との電気的接続のための配線と電気的に接続されている。
【００８４】
第一の弾性部５３２を構成する弾性部材５３４は、図２６に示されるように、メッシュ構造を有しており、第一の駆動用配線５５２の第一の弾性部５３２に位置する部分は、図２８に示されるように、ジグザグに延びている。さらに、第一の駆動用配線５５２の第一の弾性部５３２の各々の一対の第一の弾性部材５３４に位置する部分は、第一の回転軸Ｌ1に対して線対称に位置している。
【００８５】
同様に、第二の弾性部５４２を構成する弾性部材５４４もメッシュ構造を有しており、第二の駆動用配線５６２の第二の弾性部５４２に位置する部分はジグザグに延びている。さらに、第二の駆動用配線５６２の第二の弾性部５４２の各々の一対の第二の弾性部材５４４に位置する部分は、第二の回転軸Ｌ2に対して線対称に位置している。
【００８６】
偏向ミラー素子５１０は、半導体製造技術を応用して、例えばシリコン基板をスタートウエハとして作製される。
【００８７】
図２８において、偏向ミラー素子５１０は、材料的には、互いに積層されたシリコン基板６００と第一のポリイミド膜６１０と第一の金属膜６２０と第二のポリイミド膜６３０と第二の金属膜６４０と第三のポリイミド膜６５０とで構成されている。
【００８８】
シリコン基板６００は矩形の部分６０２とそれを取り囲む枠状の部分６０４とを有し、第一のポリイミド膜６１０は矩形の部分６１２とそれを取り囲む枠状の部分６１４とそれらを連絡するメッシュ状の部分６１６とを有し、第一の金属膜６２０は第一の駆動用配線５５２と配線５５４とを含み、第二のポリイミド膜６３０は矩形の部分６３２とそれを取り囲む枠状の部分６３４とを有し、第二の金属膜６４０は第二の駆動用配線５６２と配線５６４とを含み、第三のポリイミド膜６５０は矩形の部分６５２とそれを取り囲む枠状の部分６５４とそれらを連絡するメッシュ状の部分６５６とを有している。
【００８９】
第一のポリイミド膜６１０のメッシュ状の部分６１６と第三のポリイミド膜６５０のメッシュ状の部分６５６は、第一の弾性部材５３４と第二の弾性部材５４４を構成している。
【００９０】
配線５５４の反対側の第一の駆動用配線５５２の端部は、第一のポリイミド膜６１０の枠状の部分６１４に形成されたコンタクトホール６１８を介して、シリコン基板６００の枠状の部分６０４に形成された選択回路と電気的に接続される。また、配線５６４の反対側の第二の駆動用配線５６２の端部は、第一のポリイミド膜６１０の枠状の部分６１４に形成されたコンタクトホール６１８と第二のポリイミド膜６３０の枠状の部分６３４に形成されたコンタクトホール６３８を介して、シリコン基板６００の枠状の部分６０４に形成された選択回路と電気的に接続される。
【００９１】
対向基板５０６は、図２８に示されるように、格子状に配置された四つの電極５７４を有している。四つの電極５７４は第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2とに沿って並んでいる。すなわち、四つの電極５７４は第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2とによって分けられる四つの領域にそれぞれ位置している。これに対応して、可動板５２２は、図２７に示されるように、対向基板５０６の四つの電極５７４に向き合う四つの電極５７２を有している。これらの電極５７２と電極５７４は、可動板５２２の二本の軸の周りの回転角すなわち方向を検出するために、可動板５２２の回転角に応じて変化する静電容量を検出するための四組の対向電極を構成している。
【００９２】
対向基板５０６は更に四つの静電容量検出回路５７６を有し、それらは、図２８に示されるように、静電容量検出のための電極５７４と、外部装置との電気的接続のための配線６６８とにそれぞれ電気的に接続されている。
【００９３】
対向基板５０６は、例えば、シリコン基板６６２をスタートウエハとして半導体製造技術を適用して作製される。静電容量検出回路５７６はシリコン基板６６２にモノリシックに形成されている。電極５７４と配線６６８は酸化シリコン膜等の絶縁膜６６４によってシリコン基板６６２から絶縁されており、絶縁膜６６４に形成されたコンタクトホール６６６を介して静電容量検出回路５７６と電気的に接続されている。電極５７４と配線６６８は酸化シリコン膜等から成るパッシベーション膜６７０によって覆われている。
【００９４】
本実施形態の光偏向器５００においても、第一実施形態と同様に、第一の駆動用配線５５２と第二の駆動用配線５６２に適宜電流を流すことにより、可動板５２２を第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2の周りに所望の角度だけ回転させることができる。可動板５２２の回転角は、選択回路５６８を構成するＣＭＯＳ回路等のデジタル回路によって、駆動電流を流す駆動用配線の本数を変えることによって制御される。これにより、可動板５２２の反射面５２４で反射される光ビームを所望の方向に方向付けることができる。
【００９５】
その際、一方の駆動用配線に流れる電流は、それに対応する回転軸の周りに可動板を回転させる駆動力は生むが、他方の回転軸の周りに可動板を回転させる駆動力は生まないので、各々の回転軸に対応する回転動作間のクロストークが低減される。
【００９６】
これに加えて、互いに対向している可動板５２２の電極５７２と対向基板５０６の電極５７４との間の静電容量をモニターすることにより、可動板５２２の方向あるいは回転角をリアルタイムに検出することができる。
【００９７】
以下、図２９を参照しながら、静電容量に基づく可動板５２２の一本の軸の周りの回転角の検出について説明する。以下に述べる一本の軸の周りの回転角の検出は、互いに直交する第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2に対して独立に適用できる。つまり、第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2の各々に対して、以下に述べる一本の軸の周りの回転角の検出を適用することにより、第一の回転軸Ｌ1と第二の回転軸Ｌ2の周りの可動板５２２の回転角、すなわち、可動板５２２の方向を検出できる。
【００９８】
図２９において、図２９の紙面に垂直な回転軸の周りに可動板５２２が回転すると、回転軸に対して一方の側たとえば左側に位置する一組の対向電極の間隔すなわち電極５７２ａと電極５７４ａの間隔は小さくなり、回転軸に対して反対側すなわち右側に位置する一組の対向電極すなわち電極５７２ｂと電極５７４ｂの間隔は大きくなる。電極間の静電容量は電極の間隔に反比例するため、電極５７２ａと電極５７４ａの間の静電容量を容量検出回路５７６ａで、電極５７２ｂと電極５７４ｂの間の静電容量を容量検出回路５７６ｂで検出し、両者を比較することによって、二組の対向電極の間隔の比、言い換えると可動板５２２の回転角をリアルタイムに検出することができる。
【００９９】
このようにして検出された可動板５２２の回転角の情報を利用して、駆動電流の大きさをフィードバック制御することにより、つまり駆動電流を流す駆動用配線の本数をデジタル的に制御することにより、可動板５２２の回転角を高い精度で制御することができる。
【０１００】
本実施形態の偏向ミラー素子５１０は、第一実施形態とほぼ同様の製造方法により作製される。以下、相違点について述べる。図８に相当する工程の後に、選択回路５６８を形成する。図１０に相当する工程において、第一のポリイミド膜６１０を形成した後、図２８に示されるコンタクトホール６１８を形成する。図１１に相当する工程において、第二のポリイミド膜６３０を形成した後、図２８に示されるコンタクトホール６３８を形成する。図１３に相当する工程において、後に可動板５２２となる部分に電極５７２を形成した後、ポリイミド膜のエッチングマスクを形成する。その後、図１５〜図１７の工程と同様の工程を経ることにより、偏向ミラー素子５１０が完成する。
【０１０１】
このように形成される偏向ミラー素子５１０を有する偏向ミラー素子アレイ５０２は、電極５７４や容量検出回路５７６等が予め形成された対向基板５０６に、電極５７２と電極５７４を互いに向き合わせて、スペーサー５０８を介して接合される。このように作製された構造体が最後に永久磁石５０４と組み合わされて、光偏向器５００が完成される。
【０１０２】
本実施形態も第一実施形態と同様に、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において、様々な変形や変更が加えられてもよい。
【０１０３】
弾性部材５３４と５４４のメッシュ構造の要素構造は、矩形あるいは菱形であるが、これに限定されるものではなく、他の多角形あるいは円や楕円など、他の任意の形状であってもよい。メッシュ構造は、本実施形態では一種類の要素構造から成っているが、大きさや形状の異なる複数種類の要素構造の組み合わせで構成されてもよい。
【０１０４】
また、弾性部材５３４と５４４は、その全体がメッシュ構造で構成されているが、これに限定されるものではなく、メッシュ構造を部分的に有する構造であってもよい。つまり、弾性部材５３４と５４４は、図１８と同様に、メッシュ構造の部分と板状の部分とで構成されてもよい。
【０１０５】
また、第二のポリイミド膜６３０の代わりに、シリコン酸化膜やシリコン窒化膜等、他の絶縁材料が使用されてもよい。
【０１０６】
また、ポリイミド膜６１０と６３０と６５０は、シリコーン樹脂やパリレン等、他の任意の絶縁性の弾性材料から成る膜に置き換えられてもよい。
【０１０７】
また、弾性部材５３４と５４４は、メッシュ構造を有している代わりに、図１９と同様に、板状の弾性材料と、その内部に形成されたジグザグの配線とで構成されてもよい。
【０１０８】
また、弾性部材５３４と５４４は、図２０と同様に、周期的に屈曲構造を有する弾性材料と、その内部を長手軸方向に関して直線的に延びる配線とで構成されてもよい。
【０１０９】
また、弾性部材５３４と５４４は、図２１と同様に、メッシュ構造を有するひとつの弾性部材と、その内部に形成されたその両側の縁近くを通るジグザグの配線あるいは菱形が鎖状に連続する配線とで構成されてもよい。
【０１１０】
また、容量検出回路５７６は、本実施形態では対向基板５０６の内部に形成されているが、可動板５２２や支持体５１２の内部に形成されてもよい。この場合には、対向電極５７４が接地され、対向電極５７２が容量検出回路に接続される。
【０１１１】
【発明の効果】
本発明によれば、一方の駆動用配線に流れる電流は、それに対応する回転軸の周りに可動板を回転させる駆動力は発生させるが、他方の回転軸の周りに可動板を回転させる駆動力は発生させないので、各々の回転軸に対応する回転動作間のクロストークが低減された光偏向器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態による光偏向器を示している。
【図２】図１に示される偏向ミラー素子アレイに含まれるひとつの偏向ミラー素子を拡大して示している。
【図３】図２に示される偏向ミラー素子のＡ−Ｂ線に沿った断面を示している。
【図４】図２に示される偏向ミラー素子の分解斜視図である。
【図５】図２にＶで示された部分の部分断面拡大図である。
【図６】図２に示される偏向ミラー素子の動きを説明するための図である。
【図７】図２に示される偏向ミラー素子の製造における最初の工程を示す斜視図である。
【図８】図２に示される偏向ミラー素子の製造における図７の工程に続く工程を示す斜視図である。
【図９】図８のＣ−Ｄ線に沿った断面を示している。
【図１０】図２に示される偏向ミラー素子の製造における図８と図９の工程に続く工程を示す斜視図である。
【図１１】図２に示される偏向ミラー素子の製造における図１０の工程に続く工程を示す斜視図である。
【図１２】図２に示される偏向ミラー素子の製造における図１１の工程に続く工程を示す斜視図である。
【図１３】図２に示される偏向ミラー素子の製造における図１２の工程に続く工程を示す斜視図である。
【図１４】図１３のＥ−Ｆ線に沿った断面を示している。
【図１５】図２に示される偏向ミラー素子の製造における図１３と図１４の工程に続く工程を示す、図１３のＥ−Ｆ線に沿った断面図である。
【図１６】図２に示される偏向ミラー素子の製造における図１５の工程に続く工程を示す、図１３のＥ−Ｆ線に沿った断面図である。
【図１７】図２に示される偏向ミラー素子の製造における図１６の工程に続く工程を示す、図１３のＥ−Ｆ線に沿った断面図である。
【図１８】図２に示される弾性部の構成要素である弾性部材の変形例を示している。
【図１９】図２に示される弾性部の構成要素である弾性部材の別の変形例を示している。
【図２０】図２に示される弾性部の構成要素である弾性部材の別の変形例を示している。
【図２１】図２に示される一対の弾性部材から成る弾性部の変形例を示している。
【図２２】図１に示される偏向ミラー素子アレイの実装方法を説明するための図である。
【図２３】図１に示される偏向ミラー素子アレイの別の実装方法を説明するための図である。
【図２４】図２３に示される偏向ミラー素子アレイがＢＧＡ（Ball Grid Array）パッケージに実装された様子を示している。
【図２５】本発明の第二実施形態による光偏向器を示している。
【図２６】図２５に示される偏向ミラー素子アレイに含まれるひとつの偏向ミラー素子を拡大して示している。
【図２７】図２６に示される偏向ミラー素子のＧ−Ｈ線に沿った断面を示している。
【図２８】図２６に示される偏向ミラー素子の分解斜視図である。
【図２９】静電容量に基づく可動板の一本の軸の周りの回転角の検出について説明するための図である。
【図３０】光偏向器の従来例で用いられているジンバル構造の偏向ミラー素子を示している。
【図３１】図３０に示されるジンバル構造の偏向ミラー素子を有する光偏向器において発生するクロストークを説明するための図である。
【符号の説明】
１００  光偏向器
１０２  偏向ミラー素子アレイ
１０４  永久磁石
１１０  偏向ミラー素子
１１２  支持体
１２２  可動板
１２４  反射面
１３２  第一の弾性部
１３４  弾性部材
１４２  第二の弾性部
１４４  弾性部材
１５２  第一の駆動用配線
１６２  第二の駆動用配線
【図１】
0003970066.tif 000002
【図２】
0003970066.tif 000003
【図３】
0003970066.tif 000004
【図４】
0003970066.tif 000005
【図５】
0003970066.tif 000006
【図６】
0003970066.tif 000007
【図７】
0003970066.tif 000008
【図８】
0003970066.tif 000009
【図９】
0003970066.tif 000010
【図１０】
0003970066.tif 000011
【図１１】
0003970066.tif 000012
【図１２】
0003970066.tif 000013
【図１３】
0003970066.tif 000014
【図１４】
0003970066.tif 000015
【図１５】
0003970066.tif 000016
【図１６】
0003970066.tif 000017
【図１７】
0003970066.tif 000018
【図１８】
0003970066.tif 000019
【図１９】
0003970066.tif 000020
【図２０】
0003970066.tif 000021
【図２１】
0003970066.tif 000022
【図２２】
0003970066.tif 000023
【図２３】
0003970066.tif 000024
【図２４】
0003970066.tif 000025
【図２５】
0003970066.tif 000026
【図２６】
0003970066.tif 000027
【図２７】
0003970066.tif 000028
【図２８】
0003970066.tif 000029
【図２９】
0003970066.tif 000030
【図３０】
0003970066.tif 000031
【図３１】
0003970066.tif 000032