光偏向器および光偏向器アレイ
【課題】小型化に適した光偏向器を提供する。
【解決手段】光偏向器は、基板１５０と、基板１５０に設けられた一対の駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂと、基板１５０に固定された一対の固定部１０７と、一対の固定部１０７にそれぞれ接続された一対のヒンジ１１０と、一対のヒンジ１１０によって揺動可能に支持された接続部１０５と、接続部１０５に固定された支柱１０２と、支柱１０２に固定された可動板１０１とを有している。可動板１０１は、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに対向するように基板１５０から間隔を置いて支持されている。可動板１０１は、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに対向する第一の面に対向電極を有し、第一の面の反対側の第二の面に反射面１０３を有している。駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂと固定部１０７とヒンジ１１０と接続部１０５は同一の層から形成されている。
【解決手段】光偏向器は、基板１５０と、基板１５０に設けられた一対の駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂと、基板１５０に固定された一対の固定部１０７と、一対の固定部１０７にそれぞれ接続された一対のヒンジ１１０と、一対のヒンジ１１０によって揺動可能に支持された接続部１０５と、接続部１０５に固定された支柱１０２と、支柱１０２に固定された可動板１０１とを有している。可動板１０１は、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに対向するように基板１５０から間隔を置いて支持されている。可動板１０１は、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに対向する第一の面に対向電極を有し、第一の面の反対側の第二の面に反射面１０３を有している。駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂと固定部１０７とヒンジ１１０と接続部１０５は同一の層から形成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光変調または光通信分野の光スイッチに用いる様な光偏向器アレイには、反射面が高いフィルファクターで配列されていることが望まれる。そのような光偏向器アレイを作製するために、個々の光偏向器には、そのアレイ方向において、反射面と反射面の間に光偏向器の構成要素が存在しないような形態であることが求められる。
【０００３】
そのような光偏向器のひとつが米国特許第６，９３４，４３９号明細書に開示されている。この光偏向器では、上面に反射面が設けられた二つの可動板がブレースによってつなげられている。ブレースにはヒンジの一端が接続されており、ヒンジの別の一端は支柱に固定されている。以上より、この光偏向器は、二つの可動板とブレースとがヒンジによって傾斜自在となるように支柱に支持されている形態となっている。
【０００４】
この光偏向器は、ヒンジの幅とブレースの幅の合計が二つの可動板の幅よりも小さいため、反射面が高いフィルファクターとなるように配列可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，９３４，４３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の光偏向器では、二つの可動板の間に存在するブレースとヒンジが反射面として機能しないうえ、二つの可動板がそれぞれ独立に動くことができない。したがって、この光偏向器は、二つの可動板の上面に反射面を設けることができるが、有効な反射面は片方の可動板の上面のみとなるため、小型化に適していない。
【０００７】
本発明は、この点に着目してなされたものであり、その目的は、小型化に適した光偏向器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による光偏向器は、基板と、前記基板に設けられた一対の駆動電極と、前記基板に固定された一対の固定部と、前記一対の固定部にそれぞれ接続された一対の弾性部と、前記一対の弾性部によって揺動可能に支持された接続部と、前記接続部に固定された支柱と、前記支柱に固定された可動板とを有している。前記可動板は、前記駆動電極に対向するように前記基板から間隔を置いて支持され、前記駆動電極に対向する第一の面に対向電極を有し、前記第一の面の反対側の第二の面に反射面を有している。前記駆動電極と前記固定部と前記弾性部と前記接続部は同一の層から形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、小型化に適した光偏向器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態の光偏向器の斜視図である。
【図２】図１に示す線Ｂ−Ｂにおける図１の光偏向器の垂直断面図である。
【図３Ａ】図１の光偏向器の作製方法の最初の工程を示している。
【図３Ｂ】図１の光偏向器の作製方法の図３Ａの工程に続く工程を示している。
【図３Ｃ】図１の光偏向器の作製方法の図３Ｂの工程に続く工程を示している。
【図４Ａ】図１の光偏向器の作製方法の最初の工程を示している。
【図４Ｂ】図１の光偏向器の作製方法の図４Ａの工程に続く工程を示している。
【図４Ｃ】図１の光偏向器の作製方法の図４Ｂの工程に続く工程を示している。
【図５】第２の実施の形態の光偏向器の斜視図である。
【図６】図５の光偏向器の中心付近の拡大図である。
【図７】図５に示す線Ｃ−Ｃにおける図５の光偏向器の垂直断面図である。
【図８】図５に示す可動板２０１と支柱２０２を除いた状態における図５の光偏向器の上面図である。
【図９】第３の実施の形態の１次元光偏向器アレイの斜視図である。
【図１０】図９の１次元光偏向器アレイから単一の光偏向器を取り出して示した斜視図である。
【図１１】図１０に示す可動板を除いた状態における図１０の光偏向器の中心付近の拡大図である。
【図１２】第３の実施の形態の２次元光偏向器アレイの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
＜第１の実施の形態＞
（構成）
図１は、第１の実施の形態の光偏向器の斜視図である。図２は、図１に示す線Ｂ−Ｂにおける図１の光偏向器の垂直断面図である。
【００１３】
図１と図２に示すように、第１の実施の形態の光偏向器は、基板１５０と、基板１５０に設けられた一対の駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂと、基板１５０に固定された一対の固定部１０７と、一対の固定部１０７にそれぞれ接続された一対のヒンジ１１０と、一対のヒンジ１１０によって揺動可能に支持された接続部１０５と、接続部１０５に固定された支柱１０２と、支柱１０２に固定された可動板１０１とを有している。
【００１４】
可動板１０１は、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに対向するように基板１５０から間隔を置いて支持されている。可動板１０１は、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに対向する第一の面に対向電極を有し、第一の面の反対側の第二の面に反射面１０３を有している。可動板１０１は、例えば、単結晶シリコンから構成されており、それ自体が対向電極として機能し得る。反射面１０３は、可動板１０１の上面に金などの金属を成膜することにより設けられる。
【００１５】
支柱１０２は、例えば、可動板１０１と同様に、単結晶シリコンから構成される。
【００１６】
可動板１０１と支柱１０２と接続部１０５は可動部１０６を構成している。接続部１０５はヒンジ１１０を介して固定部１０７に接続されている。ヒンジ１１０は、ねじり軸１４１を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。その結果、可動部１０６は、ヒンジ１１０によって、ねじり軸１４１を軸として傾斜可能に基板１５０に支持されている。
【００１７】
基板１５０は、接続部１０５とヒンジ１１０を取り囲む貫通口１９０を有している。この貫通口１９０は、接続部１０５とヒンジ１１０の可動空間を与える。
【００１８】
固定部１０７とヒンジ１１０と接続部１０５は、同一の層から形成されている。この層は、例えば、単結晶シリコンで構成され、支柱１０２を介して可動板１０１と電気的に接続される。
【００１９】
駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂは、固定部１０７とヒンジ１１０と接続部１０５と同一の層から形成されている。駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂは、ねじり軸１４１を間に挟んでねじり軸１４１の両側に設けられている。なお、図示していないが、例えば、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに電圧を供給するための配線が、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂと同一の層で一体的に形成されている。さらに、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに電圧を供給するための配線は（図示しない）駆動回路に電気的に接続されている。
【００２０】
（駆動原理）
以下に駆動原理を説明する。図１に示すように、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂは、ねじり軸１４１を間に挟んでねじり軸１４１の両側に設置されている。駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂには独立して電圧を印加することができる。可動板１０１は、電気的に接地電位または所定の電位に設定される。駆動電極１２０Ａに電圧を印加すると、可動板１０１と駆動電極１２０Ａの間に静電引力が発生する。したがって、ねじり軸１４１を軸としたトルクがヒンジ１１０にかかり、可動板１０１が駆動電極１２０Ａに近づくように傾斜する。また、駆動電極１２０Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板１０１が駆動電極１２０Ｂに近づくように傾斜する。つまり、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板１０１は、ねじり軸１４１を軸として、電圧が印加された駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００２１】
（作製方法）
以下に作製方法を説明する。図３Ａ〜図３Ｃと図４Ａ〜図４Ｃに、図１に示す光偏向器の作製方法の一例の一連の工程を示す。図３Ａ〜図３Ｃは、図１に示す線Ａ−Ａにおける垂直断面図である。図４Ａ〜図４Ｃは、図１に示す線Ｂ−Ｂにおける垂直断面図である。
【００２２】
本実施の形態の光偏向器は、図３Ａに示すような基板１７１と基板１７２を用いて作製される。ここでは、可動板１０１が形成される基板をミラー基板１７１と呼び、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂが形成される基板をベース基板１７２と呼ぶ。
【００２３】
ミラー基板１７１は、３層ＳＯＩ基板で構成される。３層ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板は、第一の絶縁層１８５と第二の絶縁層１８８で挟まれた中間層１８３がデバイス層１８１と支持層１８７の間に挟まれている形態を有している。第一の絶縁層１８５と第二の絶縁層１８８は酸化シリコンで構成される。また、中間層１８３とデバイス層１８１と支持層１８７は単結晶シリコンで構成される。ベース基板１７２はＳＯＩ基板で構成される。
【００２４】
ＳＯＩ基板は、絶縁層１８６がデバイス層１８２と支持層１８４の間に挟まれている形態を有している。絶縁層１８６は酸化シリコンで構成される。また、デバイス層１８２と支持層１８４は単結晶シリコンで構成される。
【００２５】
図３Ａおよび図４Ａは、ミラー基板１７１のデバイス層１８１および第一の絶縁層１８５と、ベース基板１７２のデバイス層１８２および絶縁層１８６を加工する工程図である。まず、ミラー基板１７１のデバイス層１８１にＭＥＭＳ分野の加工法であるＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）法を適用して支柱１０２を形成する。次に、ミラー基板１７１の第一の絶縁層１８５のうち支柱１０２と接していない領域をエッチングにより取り除く。一方、ベース基板１７２のデバイス層１８２にＤＲＩＥ法を適用して、接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７と駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂとを一括で形成する。続いて、接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７と駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂ付近の領域以外の絶縁層１８６をエッチングにより取り除く。
【００２６】
図３Ｂおよび図４Ｂは、ミラー基板１７１とベース基板１７２を接続する工程図である。図３Ｂおよび図４Ｂに示すように、ミラー基板１７１に形成された支柱１０２の先端とベース基板１７２に形成された接続部１０５を、直接接合法または共晶接合法などの電気的接続がとれる接合法により接合する。これにより、ミラー基板１７１とベース基板１７２が接続される。また、図３Ｂおよび図４Ｂに示す符号１９１，１９２は、この後の工程で除去される除去領域を示している。第一の除去領域１９１は、ベース基板１７２の支持層１８４のうち、接続部１０５およびヒンジ１１０付近の領域である。一方、第二の除去領域１９２は、絶縁層１８６のうち、接続部１０５およびヒンジ１１０付近の領域である。
【００２７】
図３Ｃおよび図４Ｃは、ベース基板１７２の支持層１８４を加工する工程および反射面１０３を形成する工程図である。まず、図３Ｂおよび図４Ｂに示す第一の除去領域１９１をＤＲＩＥ法により取り除く。次に、第二の除去領域１９２をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により取り除いて、接続部１０５およびヒンジ１１０が可動するための貫通口１９０を形成する。続いて、図３Ｂおよび図４Ｂに示すミラー基板の支持層１８７と絶縁層１８８を図３Ｃおよび図４Ｃに示すようにエッチングにより取り除く。続いて、可動板１０１である中間層１８３の上面に金属を蒸着などにより成膜して反射面１０３を形成する。
【００２８】
（作用）
本実施の形態の光偏向器は、可動板１０１の反射面１０３が設けられた面の裏面に支柱１０２を設け、その下端に接続部１０５を介してヒンジ１１０を設けている。つまり従来例とは異なり、可動板の反射面にヒンジがない。したがって、可動板１０１の上面の全面を反射面として機能させることが可能であるため、反射有効面よりも大きな可動板が不要な光偏向器の構成となっている。
【００２９】
また、本実施の形態の光偏向器は、接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７とを同一の層で一体的に形成しているため、接続部１０５またはヒンジ１１０または固定部１０７を形成するための層を別途に追加する必要がない。したがって、光偏向器の作製工程数を最小限に抑えることが可能である。
【００３０】
一般に、ＭＥＭＳ分野の加工法において、層を追加し、その層に構造体を作製するには、層を追加する工程と、層の表面に加工のための保護膜を成膜する工程と、保護膜に構造体の形状を転写する工程と、転写された形状に層を加工する工程と、保護膜を除去する工程といった多数の工程を加える必要があり、光偏向器の作製工程数を大幅に増加させることになる。また、一般に、作製工程数の増加は、寸法のばらつきを助長し、性能のばらつきを引き起こすため、望ましくない。
【００３１】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、ヒンジ１１０の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層、特に、デバイス層である。当業界において、通常、光偏向器のヒンジは、単結晶シリコンの基板を加工して構造体を作製するバルクマイクロマシニング技術あるいは、基板上に堆積した薄膜を加工して構造体を作製するサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される。また一般に、バルクマイクロマシニング技術により作製される構造体はサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される構造体に比べて、例えば、内部残留応力が小さい。内部残留応力が小さいことは構造体に生じる初期歪みが小さいことを意味する。したがって、単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層に作製された本実施の形態のヒンジ１１０は初期歪が少ないため、光偏向器の初期姿勢の安定性に優れる。
【００３２】
また、本実施の形態の光偏向器では、接続部１０５とヒンジ１１０の可動空間を与える貫通口１９０は基板１５０を貫通しているため、支柱１０２と接続部１０５を接合した後に、接続部１０５とヒンジ１１０付近の基板１５０を取り除いて形成することが可能である。したがって、接合時の応力による接続部１０５とヒンジ１１０の破損を防ぐことが可能となる。
【００３３】
さらに、本実施の形態の光偏向器では、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂは接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７と同一の層で一括に作製可能である。つまり、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂを設置するための工程を別途に追加しなくてよい。もちろん、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに電圧を供給するための配線も接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７と同一の層で一括に作製可能である。
【００３４】
（効果）
以上の様に、本実施の形態の光偏向器は、可動板の上面の全面を反射面として機能させることができるため、光偏向器の小型化が実現できるという効果を有する。
【００３５】
また、ヒンジと接続部と固定部を同一の層で一体的に作製することにより、光偏向器作製の工程数を最小限に抑えることが可能であるため、歩留まりの向上を図りやすく、ばらつきが少なく量産性に優れる。
【００３６】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、ヒンジ１１０の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層であるため、初期姿勢の安定性に優れる。
【００３７】
また、本実施の形態の光偏向器では、基板を貫通した空間を設けることで、支柱と接続部を接合した後に接続部とヒンジを基板から解放ことが可能であるため、歩留りが高い量産性に優れる。
【００３８】
さらに、本実施の形態の光偏向器は、特に、可動板と対向するように基板上に駆動電極を設けることで、駆動電極を接続部とヒンジと同一層で一括に作製可能であるため、ばらつきの少ない量産性に優れる。
【００３９】
（バリエーション）
なお、本実施の形態においては可動板１０１の反射面１０３を設ける一面の形状を矩形としたが、その形状は、反射面１０３に入射する光のスポットよりも大きい面積を得ることができればよく、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００４０】
また、支柱１０２の断面形状は、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００４１】
また、本実施の形態においては偏向器の作製にＳＯＩ基板を用いたが、例えば、シリコン、ガラスなど、ＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である基板の一面に、多結晶シリコン、窒化ケイ素、有機物、金属などのＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である材料を堆積した基板を用いることができる。
【００４２】
また、本実施の形態においては可動板１０１と支柱１０２とは別層に作製したが、可動板１０１と支柱１０２とを同一層で作製することが可能である。
【００４３】
また、本実施の形態においてはミラー基板とベース基板を接合する手段として直接接合を用いたが、例えば、共晶接合、陽極接合などのＭＥＭＳ分野で利用されている他の接合方法を用いることが可能である。
【００４４】
また、本実施の形態としては静電駆動の例を示したが、もちろん可動板１０１の一面等に複雑なコイルを形成する必要があるものの電磁駆動方式を採用することも可能であり、もちろん圧電材料をヒンジ１１０上などに設置する必要があるものの圧電駆動方式を採用することも可能である。
【００４５】
＜第２の実施の形態＞
（構成）
図５は、第２の実施の形態の光偏向器の斜視図である。図６は、図５の光偏向器の中心付近の拡大図である。図７は、図５に示す線Ｃ−Ｃにおける図５の光偏向器の垂直断面図である。
【００４６】
図５，６，７に示すように、第２の実施の形態の光偏向器は、基板２５０と、基板２５０に設けられた二対の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂと、基板２５０に固定された一対の固定部２０７と、一対の固定部２０７にそれぞれ接続された一対の第一のヒンジ２１２と、一対の第一のヒンジ２１２によって第一のねじり軸２４２の周りに揺動可能に支持された可動枠２１５と、可動枠２１５にそれぞれ接続された一対の第二のヒンジ２１１と、一対の第二のヒンジ２１１によって第二のねじり軸２４１の周りに揺動可能に支持された接続部２０５と、接続部２０５に固定された支柱２０２と、支柱２０２に固定された可動板２０１とを有している。
【００４７】
可動板２０１は、駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂに対向するように基板２５０から間隔を置いて支持されている。可動板２０１は、駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂに対向する第一の面に対向電極を有し、第一の面の反対側の第二の面に反射面２０３を有している。可動板２０１は、例えば、単結晶シリコンから構成されており、それ自体が対向電極として機能し得る。反射面２０３は、可動板２０１の上面に金などの金属を成膜することにより設けられる。
【００４８】
支柱２０２は、例えば、可動板２０１と同様に、単結晶シリコンから構成される。
【００４９】
可動板２０１と支柱２０２と接続部２０５は可動部２０６を構成している。また、第一のヒンジ２１１と可動枠２１５と第二のヒンジ２１２はジンバル構造体２３０を構成している。接続部２０５はジンバル構造体２３０を介して固定部２０７に接続されている。具体的には、接続部２０５は第一のヒンジ２１１を介して可動枠２１５に接続され、可動枠２１５は第二のヒンジ２１２を介して固定部２０７に接続されている。第一のヒンジ２１１は、ねじり軸２４１を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。またヒンジ２１２は、ねじり軸２４２を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。ねじり軸２４１とねじり軸２４２は例えば互いに直交している。これにより、接続部２０５は、ねじり軸２４１を軸として可動枠２１５に対して傾斜可能である。接続部２０５はまた、可動枠２１５と一緒に、ねじり軸２４２を軸として基板２５０に対して傾斜可能である。したがって、可動板２０１は、ジンバル構造体２３０によって、第一のねじり軸２４１と第二のねじり軸２４２を軸として傾斜可能に基板２５０に支持されている。
【００５０】
基板２５０は、第一のヒンジ２１２と可動枠２１５と第二のヒンジ２１１と接続部２０５を取り囲む貫通口２９０を有している。この貫通口２９０は、ジンバル構造体２３０と接続部２０５の可動空間を与える。
【００５１】
固定部２０７と第一のヒンジ２１２と可動枠２１５と第二のヒンジ２１１と接続部２０５は同一の層から形成されている。この層は、例えば、単結晶シリコンで構成され、支柱２０２を介して可動板２０１と電気的に接続される。
【００５２】
駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂは、固定部２０７と第一のヒンジ２１２と可動枠２１５と第二のヒンジ２１１と接続部２０５は同一の層から形成されている。
【００５３】
基板２５０には、第一の基板平面部２５１と、第二の基板平面部２５２と、第一の基板平面部２５１と第二の基板平面部２５２をつなぐ斜面２５３で構成された段差が設けられている。この段差は、第一の基板平面部２５１と可動板２０１との間隔が、第二の基板平面部２５２と可動板２０１との間隔よりも狭くなるように形成されている。したがって、第一の基板平面部２５１は第二の基板平面部２５２よりも可動板２０１の近くに位置している。第一の基板平面部２５１は、可動板２０１への投影において、可動板２０１の内側に位置している。駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂと固定部２０７は第一の基板平面部２５１上に配置されている。
【００５４】
図８は、図５に示す可動板２０１と支柱２０２を除いた状態における図５の光偏向器の上面図である。図５，６，７に示すように、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂと第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂは、基板２５０の第一の基板平面部２５１上に、ジンバル構造体２３０と同一の層で一括に形成されている。また、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂは可動板２０１と対向するように、ねじり軸２４１を間に挟んでねじり軸２４１の両側に設けられている。同様に、第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂは、可動板２０１と対向するように、ねじり軸２４２を間に挟んでねじり軸２４２の両側に設けられている。
【００５５】
また、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂと第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂは、四つの点２４５’，２４６’，２４７’，２４８’で形成される四角形の内側に設けられている。点２４５’，２４６’は第一のねじり軸２４１上に位置し、点２４７’、２４８’は第二のねじり軸２４２上に位置している。また、点２４５’は、可動板２０１が第一の駆動電極２２１Ａに近づくように傾斜した状態におけるＰｕｌｌ−ｉｎ限界線２４５と第一のねじり軸２４１の交点であり、点２４６’は、可動板２０１が第一の駆動電極２２１Ｂに近づくように傾斜した状態におけるＰｕｌｌ−ｉｎ限界線２４６上と第一のねじり軸２４１の交点である。同様に、点２４７’は、可動板２０１が第一の駆動電極２２２Ａに近づくように傾斜した状態におけるＰｕｌｌ−ｉｎ限界線２４７と第二のねじり軸２４２の交点であり、点２４８’は、可動板２０１が第一の駆動電極２２２Ｂに近づくように傾斜した状態におけるＰｕｌｌ−ｉｎ限界線２４８と第二のねじり軸２４２の交点である。
【００５６】
（駆動原理）
以下に駆動原理を説明する。図５，８に示すように、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂは、第一のねじり軸２４１を間に挟んで第一のねじり軸２４１の両側に設置されている。第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂには独立して電圧を印加することができる。可動板２０１は、電気的に接地電位または所定の電位に設定される。第一の駆動電極２２１Ａに電圧を印加すると、可動板２０１と第一の駆動電極２２１Ａの間に静電引力が発生する。したがって、第一のねじり軸２４１を軸としたトルクが第一のヒンジ２１１にかかり、可動板２０１が駆動電極２２１Ａに近づくように傾斜する。また、第一の駆動電極２２１Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板２０１が駆動電極２２１Ｂに近づくように傾斜する。つまり、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板２０１は、第一のねじり軸２４１を軸として、電圧が印加された駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００５７】
一方、第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂは、第二のねじり軸２４２を間に挟んで第二のねじり軸２４２の両側に設置されている。第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂには独立して電圧を印加することができる。第二の駆動電極２２２Ａに電圧を印加すると、可動板２０１と第二の駆動電極２２２Ａの間に静電引力が発生する。したがって、第二のねじり軸２４２を軸としたトルクが第二のヒンジ２１２にかかり、可動板２０１が駆動電極２２２Ａに近づくように傾斜する。また、第二の駆動電極２２２Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板２０１が駆動電極２２２Ｂに近づくように傾斜する。つまり、第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板２０１は、第二のねじり軸２４２を軸として、電圧が印加された駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００５８】
したがって、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂと第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂに任意の電圧を加えることにより、可動板２０１は、第一のねじり軸２４１および第二のねじり軸２４２の二本の軸を軸として傾斜する。
【００５９】
（作用）
本実施の形態の光偏向器は、可動板２０１の反射面２０３が設けられた面の裏面に支柱２０２を設けているため、ジンバル構造体２３０を支柱２０２の下端に設けることができる。つまり従来例とは異なり、可動板の反射面にジンバル構造体がない。したがって、可動板２０１の上面の全面を反射面として機能させることが可能であるため、反射有効面よりも大きな可動板が不要な光偏向器の構成となっている。
【００６０】
また、本実施の形態の光偏向器は、接続部２０５と第一のヒンジ２１１と可動枠２１５と第二のヒンジ２１２と固定部２０７とを同一の層で一体的に形成しているため、接続部２０５または第一のヒンジ２１１または可動枠２１５または第二のヒンジ２１２または固定部２０７を作製するための層を別途に追加する必要がない。したがって、光偏向器の作製工程数を最小限に抑えることが可能である。
【００６１】
一般に、ＭＥＭＳ分野の加工法において、層を追加し、その層に構造体を作製するには、層を追加する工程と層の表面に加工のための保護膜を成膜する工程と保護膜に構造体の形状を転写する工程と転写された形状に層を加工する工程と保護膜を除去する工程といった多数の工程を加える必要があり、光偏向器の作製工程数を大幅に増加させることになる。また、一般に、作製工程数の増加は、寸法のばらつきを助長し、性能のばらつきを引き起こすため、望ましくない。
【００６２】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、第一のヒンジ２１１および第二のヒンジ２１２の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層、特に、デバイス層である。当業界において、通常、光偏向器のヒンジは、単結晶シリコンの基板を加工して構造体を作製するバルクマイクロマシニング技術あるいは、基板上に堆積した薄膜を加工して構造体を作製するサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される。また一般に、バルクマイクロマシニング技術により作製される構造体はサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される構造体に比べて、例えば、内部残留応力が小さいという特徴を有する。内部残留応力が小さいことは構造体に生じる初期歪みが小さいことを意味する。したがって、単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層に作製された本実施の形態のヒンジ２１１，２１２は初期歪が少ないため、光偏向器の初期姿勢の安定性に優れる。
【００６３】
また、本実施の形態の光偏向器は、第一のねじり軸２４１と第二のねじり軸２４２の２つのねじり軸を軸として傾斜する。可動板を２軸に駆動するためのジンバル構造は、可動板を１軸に駆動するためのヒンジを２組使用する。つまり、一般に、可動板を２軸に駆動するための機構は、可動板を１軸に駆動するための機構よりも寸法が大きく複雑である。本実施の形態の光偏向器は、可動板２０１の反射面２０３が設けられた一面の裏面に支柱２０２を設けているため、ジンバル構造体２３０を支柱２０２の先端に設けることができる。つまり従来例とは異なり、可動板２０１の反射面２０３が設けられている面にジンバル構造体２３０がない。したがって、光偏向器の駆動軸を２軸にしても反射面２０３の面積が減少しない光偏向器の構成となっているのである。
【００６４】
また、本実施の形態の光偏向器では、ジンバル構造体２３０の可動空間を得るために設けられている貫通口２９０は基板２５０を貫通しているため、支柱２０２と接続部２０５を接合した後に、ジンバル構造体２３０付近の基板２５０を取り除くことが可能である。したがって、接合時の応力によるジンバル構造体２３０の破損を防ぐことが可能となる。
【００６５】
さらに、本実施の形態の光偏向器の基板２５０には、可動板２０１と第一の基板平面部２５１との間隔が、可動板２０１と第二の基板平面部２５２との間隔よりも狭くなるような段差が設けられている。基板２５０の中央付近の第一の基板平面部２５１のみを可動板２０１に近づけることにより、可動板２０１の可動空間を確保しながら支柱２０２を短くすることができる。支柱２０２を短くできるため、可動板２０１と支柱２０２とジンバル構造体２３０を含む可動部の重心と回転中心との距離が近くなり、第一のねじり軸２４１および第二のねじり軸２４２まわりの慣性モーメントが小さくなる。第一のねじり軸２４１および第二のねじり軸２４２まわりの慣性モーメントが小さくなるため、可動部のねじり軸まわりの固有振動数が高まる。
【００６６】
（効果）
以上の様に、本実施の形態の光偏向器は、可動板の上面の全面を反射面として機能させることができるため、光偏向器の小型化が実現できるという効果を有する。
【００６７】
また、ヒンジと接続部と可動枠と固定部を同一の層で一体的に作製することにより、光偏向器作製の工程数を最小限に抑えることが可能であるため、歩留まりの向上を図りやすく、ばらつきが少なく量産性に優れる。
【００６８】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、ヒンジ２１１，２１２の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層であるため、初期姿勢の安定性に優れる。
【００６９】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、可動板の下面に支柱を設けているため、ジンバル構造体を支柱の先端に設けることができる。したがって、２軸駆動の光偏向器であっても、小型化が実現できる。
【００７０】
また、本実施の形態の光偏向器では、基板を貫通した空間を設けることで、支柱と接続部を接合した後にジンバル構造体２３０を基板から解放ことが可能であるため、歩留りが高く量産性に優れる。
【００７１】
さらに、本実施の形態の光偏向器は、特に、基板に段差を設けているため支柱を短くできる。したがって、外からの衝撃などの外乱があっても姿勢が変化しにくい安定的な光偏向器を得ることができる。
【００７２】
（バリエーション）
なお、本実施の形態においては可動板２０１の反射面２０３を設ける一面の形状を矩形で示したが、その形状は、反射面２０３に入射する光のスポットよりも大きい面積を得ることができればよく、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００７３】
また、支柱２０２の断面形状は、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００７４】
また、本実施の形態においては偏向器の作製にＳＯＩ基板を用いたが、例えば、シリコン、ガラスなど、ＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である基板の一面に、多結晶シリコン、窒化ケイ素、有機物、金属などのＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である材料を堆積した基板を用いることができる。
【００７５】
また、本実施の形態においては可動板２０１と支柱２０２とは別層に作製したが、可動板２０１と支柱２０２とを同一層で作製することが可能である。
【００７６】
また、本実施の形態においてはミラー基板とベース基板を接合する手段として直接接合を用いたが、例えば、共晶接合、陽極接合などのＭＥＭＳ分野で利用されている他の接合方法を用いることが可能である。
【００７７】
また、本実施の形態としては静電駆動の例を示したが、もちろん可動板２０１の一面等に複雑なコイルを形成する必要があるものの電磁駆動方式を採用することも可能であり、もちろん圧電材料をヒンジなどに設置する必要があるものの圧電駆動方式を採用することも可能である。
【００７８】
また、本実施の形態においては駆動電極の材料として単結晶シリコンを用いたが、例えば、多結晶シリコン、金属などのＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等の加工が可能である導体および半導体材料を用いることができる。駆動電極の材料選定において同一層として形成される固定部と弾性部と接続部への影響を考慮すべきである。特に弾性部の疲労特性や剛性等に留意して設計する必要がある。
【００７９】
また、本実施の形態において、基板２５０は第一の基板平面部２５１と第二の基板平面部２５２と第一の基板平面部２５１と第二の基板平面部２５２をつなぐ斜面２５３を有しているが、もちろん基板平面部と斜面は複数設けることも可能である。
【００８０】
また、斜面２５３の一面と第一の基板平面部２５１とのなす角度は０度から９０度までの任意の角度に設定することができる。
【００８１】
また、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂおよび第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂの可動板２０１と対向する面の形状は、四つの点２４５’，２４６’，２４７’，２４８’とで形成される四角形の内側に配置することができればよく、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００８２】
＜第３の実施の形態＞
（構成）
図９は、第３の実施の形態の１次元光偏向器アレイの斜視図である。図１０は、図９の１次元光偏向器アレイから単一の光偏向器を取り出して示した斜視図である。図１１は、図１０に示す可動板を除いた状態における図１０の光偏向器の中心付近の拡大図である。
【００８３】
図９に示すように、本実施の形態の１次元光偏向器アレイは、１次元的に配列された複数の光偏向器を有している。各光偏向器は、例えば、第２の実施の形態の光偏向器と同様に構成されている。すなわち、各光偏向器は、図１０に示すように、基板３５０と、基板３５０に設けられた二対の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂと、基板３５０に固定された一対の固定部３０７と、一対の固定部３０７にそれぞれ接続された一対の第一のヒンジ３１２と、一対の第一のヒンジ３１２によって第一のねじり軸３４２の周りに揺動可能に支持された可動枠３１５と、可動枠３１５にそれぞれ接続された一対の第二のヒンジ３１１と、一対の第二のヒンジ３１１によって第二のねじり軸３４１の周りに揺動可能に支持された接続部３０５と、接続部３０５に固定された支柱３０２と、支柱３０２に固定された可動板３０１とを有している。
【００８４】
可動板３０１は、駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂに対向するように基板３５０から間隔を置いて支持されている。可動板３０１は、駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂに対向する第一の面に対向電極を有し、第一の面の反対側の第二の面に反射面３０３を有している。可動板３０１は、例えば、単結晶シリコンから構成されており、それ自体が対向電極として機能し得る。反射面３０３は、可動板３０１の上面に金などの金属を成膜することにより設けられる。
【００８５】
支柱３０２は、例えば、可動板３０１と同様に、単結晶シリコンから構成される。
【００８６】
可動板３０１と支柱３０２と接続部３０５は可動部３０６を構成している。また、第一のヒンジ３１１と可動枠３１５と第二のヒンジ３１２はジンバル構造体３３０を構成している。接続部３０５はジンバル構造体３３０を介して固定部３０７に接続されている。具体的には、接続部３０５は第一のヒンジ３１１を介して可動枠３１５に接続され、可動枠３１５は第二のヒンジ３１２を介して固定部３０７に接続されている。第一のヒンジ３１１は、ねじり軸３４１を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。またヒンジ３１２は、ねじり軸３４２を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。ねじり軸３４１とねじり軸３４２は例えば互いに直交している。これにより、接続部３０５は、ねじり軸３４１を軸として可動枠３１５に対して傾斜可能である。接続部３０５はまた、可動枠３１５と一緒に、ねじり軸３４２を軸として基板３５０に対して傾斜可能である。したがって、可動板３０１は、ジンバル構造体３３０によって、第一のねじり軸３４１と第二のねじり軸３４２を軸として傾斜可能に基板３５０に支持されている。
【００８７】
基板３５０は、第一のヒンジ３１２と可動枠３１５と第二のヒンジ３１１と接続部３０５を取り囲む貫通口３９０を有している。この貫通口３９０は、ジンバル構造体３３０と接続部３０５の可動空間を与える。
【００８８】
固定部３０７と第一のヒンジ３１２と可動枠３１５と第二のヒンジ３１１と接続部３０５は同一の層から形成されている。この層は、例えば、単結晶シリコンで構成され、支柱３０２を介して可動板３０１と電気的に接続される。
【００８９】
駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂは、固定部３０７と第一のヒンジ３１２と可動枠３１５と第二のヒンジ３１１と接続部３０５は同一の層から形成されている。
【００９０】
基板３５０には、第一の基板平面部３５１と、第二の基板平面部３５２と、第一の基板平面部３５１と第二の基板平面部３５２をつなぐ斜面３５３で構成された段差が設けられている。この段差は、第一の基板平面部３５１と可動板３０１との間隔が、第二の基板平面部３５２と可動板３０１との間隔よりも狭くなるように形成されている。したがって、第一の基板平面部３５１は第二の基板平面部３５２よりも可動板３０１の近くに位置している。段田を構成する第一の基板平面部３５１と第二の基板平面部３５２と斜面３５３は、ねじり軸３４１に沿って並んでいる。駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂと固定部３０７は第一の基板平面部３５１上に配置されている。
【００９１】
第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂと第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂは、基板３５０の第一の基板平面部３５１上に、ジンバル構造体３３０と同一の層で一括に形成されている。また、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂは可動板３０１と対向するように、ねじり軸３４１を間に挟んでねじり軸３４１の両側に設けられている。同様に、第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂは、可動板３０１と対向するように、ねじり軸３４２を間に挟んでねじり軸３４２の両側に設けられている。また、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂおよび第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂの設置されている範囲は、可動板３０１のへの投影において、可動板３０１の内側に位置している。
【００９２】
図９に示すように、本実施の形態の１次元光偏向器アレイは、可動板３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃが第一のねじり軸３４２に平行な方向に密に配列されている。可動板３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃは第一のねじり軸３４２を軸として傾斜可能である。また、可動板３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃは、それぞれ、第二のねじり軸３４１Ａ，３４１Ｂ，３４１Ｃを軸として傾斜可能である。第二のねじり軸３４１Ａ，３４１Ｂ，３４１Ｃは互いに平行である。
【００９３】
図１２は、第３の実施の形態の２次元光偏向器アレイの斜視図である。この２次元光偏向器アレイは、図９の１次元光偏向器アレイを３アレイ組み合わせて構成されている。図１２に示すように、本実施の形態の２次元光偏向器アレイは、可動板３０１ＡＡ，３０１ＡＢ，３０１ＡＣからなる第一の可動板群と、可動板３０１ＢＡ，３０１ＢＢ，３０１ＢＣからなる第二の可動板群と、可動板３０１ＣＡ，３０１ＣＢ，３０１ＣＣからなる第三の可動板群を有している。すなわち、２次元光偏向器アレイは、２次元的に配列された複数の光偏向器を有している。
【００９４】
第一の可動板群の可動板３０１ＡＡ，３０１ＡＢ，３０１ＡＣは第一のねじり軸３４２Ａに平行な方向に密に配列されている。同様に、第二の可動板群の可動板３０１ＢＡ，３０１ＢＢ，３０１ＢＣは第一のねじり軸３４２Ｂに平行な方向に密に配列され、第三の可動板群の可動板３０１ＣＡ，３０１ＣＢ，３０１ＣＣは第一のねじり軸３４２Ｃに平行な方向に密に配列されている。第一のねじり軸３４２Ａ，３４２Ｂ，３４２Ｃは互いに平行となっている。第一の可動板群と第二の可動板群と第三の可動板群は第二のねじり軸３４１Ａ，３４１Ｂ，３４１Ｃに平行な方向に密に配列されている。
【００９５】
可動板３０１ＡＡ，３０１ＡＢ，３０１ＡＣは第一のねじり軸３４２Ａを軸として傾斜可能である。同様に、可動板３０１ＢＡ，３０１ＢＢ，３０１ＢＣは第一のねじり軸３４２Ｂを軸として傾斜可能であり、可動板３０１ＣＡ，３０１ＣＢ，３０１ＣＣは第一のねじり軸３４２Ｃを軸として傾斜可能である。また、可動板３０１ＡＡ，３０１ＢＡ，３０１ＣＡは、第二のねじり軸３４１Ａを軸として傾斜可能である。同様に、可動板３０１ＡＢ，３０１ＢＢ，３０１ＣＢは、第二のねじり軸３４１Ｂを軸として傾斜可能であり、可動板３０１ＡＣ，３０１ＢＣ，３０１ＣＣは、第二のねじり軸３４１Ｃを軸として傾斜可能である。
【００９６】
（駆動原理）
以下に駆動原理を説明する。図１０，１１に示すように、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂは、第一のねじり軸３４１を間に挟んで第一のねじり軸３４１の両側に設置されている。第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂには独立して電圧を印加することができる。可動板３０１は、電気的に接地電位または所定の電位に設定される。第一の駆動電極３２１Ａに電圧を印加すると、可動板３０１と第一の駆動電極３２１Ａの間に静電引力が発生する。したがって、第一のねじり軸３４１を軸としたトルクが第一のヒンジ３１１にかかり、可動板３０１が駆動電極３２１Ａに近づくように傾斜する。また、第一の駆動電極３２１Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板３０１が駆動電極３２１Ｂに近づくように傾斜する。つまり、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板３０１は、第一のねじり軸３４１を軸として、電圧が印加された駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００９７】
一方、第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂは、第二のねじり軸３４２を間に挟んで第二のねじり軸３４２の両側に設置されている。第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂには独立して電圧を印加することができる。第二の駆動電極３２２Ａに電圧を印加すると、可動板３０１と第二の駆動電極３２２Ａの間に静電引力が発生する。したがって、第二のねじり軸３４２を軸としたトルクが第二のヒンジ３１２にかかり、可動板３０１が駆動電極３２２Ａに近づくように傾斜する。また、第二の駆動電極３２２Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板３０１が駆動電極３２２Ｂに近づくように傾斜する。つまり、第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板３０１は、第二のねじり軸３４２を軸として、電圧が印加された駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００９８】
したがって、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂと第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂに任意の電圧を加えることにより、可動板３０１は、第一のねじり軸３４１および第二のねじり軸３４２の二本の軸を軸として傾斜する。
【００９９】
（作用）
本実施の形態の光偏向器は、可動板３０１の反射面３０３が設けられた面の裏面に支柱３０２を設けているため、ジンバル構造体３３０を支柱３０２の下端に設けることができる。つまり従来例とは異なり、可動板の反射面にジンバル構造体がない。したがって、可動板３０１の上面の全面を反射面として機能させることが可能であるため、反射有効面よりも大きな可動板が不要な光偏向器の構成となっている。
【０１００】
また、本実施の形態の光偏向器は、接続部３０５と第一のヒンジ３１１と可動枠３１５と第二のヒンジ３１２と固定部３０７とを同一の層で一体的に形成しているため、接続部３０５または第一のヒンジ３１１または可動枠３１５または第二のヒンジ３１２または固定部３０７を作製するための層を別途に追加する必要がない。したがって、光偏向器の作製工程数を最小限に抑えることが可能である。
【０１０１】
一般に、ＭＥＭＳ分野の加工法において、層を追加し、その層に構造体を作製するには、層を追加する工程と層の表面に加工のための保護膜を成膜する工程と保護膜に構造体の形状を転写する工程と転写された形状に層を加工する工程と保護膜を除去する工程といった多数の工程を加える必要があり、光偏向器の作製工程数を大幅に増加させることになる。また、一般に、作製工程数の増加は、寸法のばらつきを助長し、性能のばらつきを引き起こすため、望ましくない。
【０１０２】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、第一のヒンジ３１１および第二のヒンジ３１２の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層、特に、デバイス層である。当業界において、通常、光偏向器のヒンジは、単結晶シリコンの基板を加工して構造体を作製するバルクマイクロマシニング技術あるいは、基板上に堆積した薄膜を加工して構造体を作製するサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される。また一般に、バルクマイクロマシニング技術により作製される構造体はサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される構造体に比べて、例えば、内部残留応力が小さいという特徴を有する。内部残留応力が小さいことは構造体に生じる初期歪みが小さいことを意味する。したがって、単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層に作製された本実施の形態のヒンジ３１１，３１２は初期歪が少ないため、光偏向器の初期姿勢の安定性に優れる。
【０１０３】
また、本実施の形態の光偏向器は、可動板３０１の反射面３０３が設けられた面の裏面に支柱３０２を設けているため、ジンバル構造体３３０を支柱３０２の下端に設けることができる。つまり、可動板３０１の上面の全面を反射面３０３として機能させることが可能な構成および隣り合う可動板と可動板の隙間が狭くなるように配列可能な構成を有する。したがって、光偏向器アレイの小型化が狙える。特に、光偏向器を２次元に配列した２次元光偏向器アレイを作製する場合、従来例の光偏向器の構成では、反射面として有効な面積が、可動板上面の面積の約半分となるため、隣り合う反射面と反射面の隙間が狭くなるように２次元に配列することができない。一方、本実施の形態の光偏向器は、隣り合う反射面と反射面の隙間が狭くなるように２次元に配列することが可能な構成となっている。
【０１０４】
さらに、本実施の形態の光偏向器では、基板３５０の中央付近の第一の基板平面部３５１が可動板３０１に近づけられている。また、駆動電極が第一の基板平面部３５１のみに設けられているため、駆動電極と可動板３０１の静電ギャップが狭くなっている。静電ギャップが狭くなったことにより、駆動電極と可動板３０１の間で発生する力が大きくなるため、その分だけ駆動電極の面積を小さくすることが可能になる。したがって、可動板とその可動板と対向する駆動電極の距離に比べて、隣り合う光偏向器と光偏向器のそれぞれの駆動電極間の距離を離すことができるため、本実施の形態の光偏向器は隣り合う光偏向器間の電気的クロストークが低減されるような構成となっているのである。
【０１０５】
（効果）
以上の様に、本実施の形態の光偏向器は、可動板の上面の全面を反射面として機能させることができるため、光偏向器の小型化が実現できるという効果を有する。
【０１０６】
また、ヒンジ３１１，３１２と接続部３０５と可動枠３１５と固定部３０７を同一の層で一体的に作製することにより、光偏向器作製の工程数を最小限に抑えることが可能であるため、歩留まりの向上を図りやすく、ばらつきが少なく量産性に優れる。
【０１０７】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、ヒンジ３１１，３１２の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層であるため、初期姿勢の安定性に優れる。
【０１０８】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、可動板の下面に支柱を設けているため、ジンバル構造体を支柱の先端に設けることができる。したがって、２軸駆動の光偏向器であっても、小型化が実現できる。
【０１０９】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、可動板の上面の全面を反射面として機能させることが可能な構成を有すると同時に隣り合う可動板と可動板の隙間が狭くなるように配列可能な構成を有しているため、光偏向器アレイの小型化が実現できる。
【０１１０】
さらに、本実施の形態の光偏向器は、特に、駆動電極と可動板の静電ギャップが狭くなるように、駆動電極が基板の凸部である第一の基板平面部のみに設けられているため、隣り合う光偏向器間の電気的クロストークが低減される。
【０１１１】
（バリエーション）
なお、本実施の形態においては可動板３０１の反射面３０３を設ける一面の形状を矩形で示したが、その形状は、反射面３０３に入射する光のスポットよりも大きい面積を得ることができればよく、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【０１１２】
また、支柱３０２の断面形状は、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【０１１３】
また、本実施の形態においては偏向器の作製にＳＯＩ基板を用いたが、例えば、シリコン、ガラスなど、ＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である基板の一面に、多結晶シリコン、窒化ケイ素、有機物、金属などのＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である材料を堆積した基板を用いることができる。
【０１１４】
また、本実施の形態においては可動板３０１と支柱３０２とは別層に作製したが、可動板３０１と支柱３０２とを同一層で作製することが可能である。
【０１１５】
また、本実施の形態において、基板３５０は第一の基板平面部３５１と第二の基板平面部３５２と第一の基板平面部３５１と第二の基板平面部３５２をつなぐ斜面３５３を有しているが、もちろん基板平面部と斜面は複数設けることも可能である。
【０１１６】
また、斜面３５３の一面と第一の基板平面部３５１とのなす角度は０度から９０度までの任意の角度に設定することができる。
【０１１７】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの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において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施の形態を適当に組み合わせた実施も含む。
【符号の説明】
【０１１８】
１０１…可動板、１０２…支柱、１０３…反射面、１０５…接続部、１０６…可動部、１０７…固定部、１１０…ヒンジ、１２０Ａ，１２０Ｂ…駆動電極、１４１…ねじり軸、１５０…基板、１７１…ミラー基板、１７２…ベース基板、１８１，１８２…デバイス層、１８３…中間層、１８４，１８７…支持層、１８５，１８６，１８８…絶縁層、１９０…貫通口、１９１，１９２…除去領域、２０１…可動板、２０２…支柱、２０３…反射面、２０５…接続部、２０６…可動部、２０７…固定部、２１１，２１２…ヒンジ、２１５…可動枠、２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂ…駆動電極、２３０…ジンバル構造体、２４１，２４２…ねじり軸、２４５，２４６，２４７，２４８…Ｐｕｌｌ−ｉｎ限界線、２４５’，２４６’，２４７’，２４８’…点、２５０…基板、２５１，２５２…基板平面部、２５３…斜面、２９０…貫通口、３０１，３０１ＡＡ，３０１ＡＢ，３０１ＡＣ，３０１ＢＡ，３０１ＢＢ，３０１ＢＣ，３０１ＣＡ，３０１ＣＢ，３０１ＣＣ…可動板、３０２…支柱、３０３…反射面、３０５…接続部、３０６…可動部、３０７…固定部、３１１，３１２…ヒンジ、３１５…可動枠、３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂ…駆動電極、３３０…ジンバル構造体、３４１，３４１Ａ，３４１Ｂ，３４１Ｃ，３４２，３４２Ａ，３４２Ｂ，３４２Ｃ…ねじり軸、３５０…基板、３５１，３５２…基板平面部、３５３…斜面、３９０…貫通口。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光変調または光通信分野の光スイッチに用いる様な光偏向器アレイには、反射面が高いフィルファクターで配列されていることが望まれる。そのような光偏向器アレイを作製するために、個々の光偏向器には、そのアレイ方向において、反射面と反射面の間に光偏向器の構成要素が存在しないような形態であることが求められる。
【０００３】
そのような光偏向器のひとつが米国特許第６，９３４，４３９号明細書に開示されている。この光偏向器では、上面に反射面が設けられた二つの可動板がブレースによってつなげられている。ブレースにはヒンジの一端が接続されており、ヒンジの別の一端は支柱に固定されている。以上より、この光偏向器は、二つの可動板とブレースとがヒンジによって傾斜自在となるように支柱に支持されている形態となっている。
【０００４】
この光偏向器は、ヒンジの幅とブレースの幅の合計が二つの可動板の幅よりも小さいため、反射面が高いフィルファクターとなるように配列可能となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】米国特許第６，９３４，４３９号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
前述の光偏向器では、二つの可動板の間に存在するブレースとヒンジが反射面として機能しないうえ、二つの可動板がそれぞれ独立に動くことができない。したがって、この光偏向器は、二つの可動板の上面に反射面を設けることができるが、有効な反射面は片方の可動板の上面のみとなるため、小型化に適していない。
【０００７】
本発明は、この点に着目してなされたものであり、その目的は、小型化に適した光偏向器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明による光偏向器は、基板と、前記基板に設けられた一対の駆動電極と、前記基板に固定された一対の固定部と、前記一対の固定部にそれぞれ接続された一対の弾性部と、前記一対の弾性部によって揺動可能に支持された接続部と、前記接続部に固定された支柱と、前記支柱に固定された可動板とを有している。前記可動板は、前記駆動電極に対向するように前記基板から間隔を置いて支持され、前記駆動電極に対向する第一の面に対向電極を有し、前記第一の面の反対側の第二の面に反射面を有している。前記駆動電極と前記固定部と前記弾性部と前記接続部は同一の層から形成されている。
【発明の効果】
【０００９】
本発明によれば、小型化に適した光偏向器が提供される。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】第１の実施の形態の光偏向器の斜視図である。
【図２】図１に示す線Ｂ−Ｂにおける図１の光偏向器の垂直断面図である。
【図３Ａ】図１の光偏向器の作製方法の最初の工程を示している。
【図３Ｂ】図１の光偏向器の作製方法の図３Ａの工程に続く工程を示している。
【図３Ｃ】図１の光偏向器の作製方法の図３Ｂの工程に続く工程を示している。
【図４Ａ】図１の光偏向器の作製方法の最初の工程を示している。
【図４Ｂ】図１の光偏向器の作製方法の図４Ａの工程に続く工程を示している。
【図４Ｃ】図１の光偏向器の作製方法の図４Ｂの工程に続く工程を示している。
【図５】第２の実施の形態の光偏向器の斜視図である。
【図６】図５の光偏向器の中心付近の拡大図である。
【図７】図５に示す線Ｃ−Ｃにおける図５の光偏向器の垂直断面図である。
【図８】図５に示す可動板２０１と支柱２０２を除いた状態における図５の光偏向器の上面図である。
【図９】第３の実施の形態の１次元光偏向器アレイの斜視図である。
【図１０】図９の１次元光偏向器アレイから単一の光偏向器を取り出して示した斜視図である。
【図１１】図１０に示す可動板を除いた状態における図１０の光偏向器の中心付近の拡大図である。
【図１２】第３の実施の形態の２次元光偏向器アレイの斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
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。
【００１２】
＜第１の実施の形態＞
（構成）
図１は、第１の実施の形態の光偏向器の斜視図である。図２は、図１に示す線Ｂ−Ｂにおける図１の光偏向器の垂直断面図である。
【００１３】
図１と図２に示すように、第１の実施の形態の光偏向器は、基板１５０と、基板１５０に設けられた一対の駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂと、基板１５０に固定された一対の固定部１０７と、一対の固定部１０７にそれぞれ接続された一対のヒンジ１１０と、一対のヒンジ１１０によって揺動可能に支持された接続部１０５と、接続部１０５に固定された支柱１０２と、支柱１０２に固定された可動板１０１とを有している。
【００１４】
可動板１０１は、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに対向するように基板１５０から間隔を置いて支持されている。可動板１０１は、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに対向する第一の面に対向電極を有し、第一の面の反対側の第二の面に反射面１０３を有している。可動板１０１は、例えば、単結晶シリコンから構成されており、それ自体が対向電極として機能し得る。反射面１０３は、可動板１０１の上面に金などの金属を成膜することにより設けられる。
【００１５】
支柱１０２は、例えば、可動板１０１と同様に、単結晶シリコンから構成される。
【００１６】
可動板１０１と支柱１０２と接続部１０５は可動部１０６を構成している。接続部１０５はヒンジ１１０を介して固定部１０７に接続されている。ヒンジ１１０は、ねじり軸１４１を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。その結果、可動部１０６は、ヒンジ１１０によって、ねじり軸１４１を軸として傾斜可能に基板１５０に支持されている。
【００１７】
基板１５０は、接続部１０５とヒンジ１１０を取り囲む貫通口１９０を有している。この貫通口１９０は、接続部１０５とヒンジ１１０の可動空間を与える。
【００１８】
固定部１０７とヒンジ１１０と接続部１０５は、同一の層から形成されている。この層は、例えば、単結晶シリコンで構成され、支柱１０２を介して可動板１０１と電気的に接続される。
【００１９】
駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂは、固定部１０７とヒンジ１１０と接続部１０５と同一の層から形成されている。駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂは、ねじり軸１４１を間に挟んでねじり軸１４１の両側に設けられている。なお、図示していないが、例えば、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに電圧を供給するための配線が、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂと同一の層で一体的に形成されている。さらに、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに電圧を供給するための配線は（図示しない）駆動回路に電気的に接続されている。
【００２０】
（駆動原理）
以下に駆動原理を説明する。図１に示すように、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂは、ねじり軸１４１を間に挟んでねじり軸１４１の両側に設置されている。駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂには独立して電圧を印加することができる。可動板１０１は、電気的に接地電位または所定の電位に設定される。駆動電極１２０Ａに電圧を印加すると、可動板１０１と駆動電極１２０Ａの間に静電引力が発生する。したがって、ねじり軸１４１を軸としたトルクがヒンジ１１０にかかり、可動板１０１が駆動電極１２０Ａに近づくように傾斜する。また、駆動電極１２０Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板１０１が駆動電極１２０Ｂに近づくように傾斜する。つまり、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板１０１は、ねじり軸１４１を軸として、電圧が印加された駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００２１】
（作製方法）
以下に作製方法を説明する。図３Ａ〜図３Ｃと図４Ａ〜図４Ｃに、図１に示す光偏向器の作製方法の一例の一連の工程を示す。図３Ａ〜図３Ｃは、図１に示す線Ａ−Ａにおける垂直断面図である。図４Ａ〜図４Ｃは、図１に示す線Ｂ−Ｂにおける垂直断面図である。
【００２２】
本実施の形態の光偏向器は、図３Ａに示すような基板１７１と基板１７２を用いて作製される。ここでは、可動板１０１が形成される基板をミラー基板１７１と呼び、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂが形成される基板をベース基板１７２と呼ぶ。
【００２３】
ミラー基板１７１は、３層ＳＯＩ基板で構成される。３層ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板は、第一の絶縁層１８５と第二の絶縁層１８８で挟まれた中間層１８３がデバイス層１８１と支持層１８７の間に挟まれている形態を有している。第一の絶縁層１８５と第二の絶縁層１８８は酸化シリコンで構成される。また、中間層１８３とデバイス層１８１と支持層１８７は単結晶シリコンで構成される。ベース基板１７２はＳＯＩ基板で構成される。
【００２４】
ＳＯＩ基板は、絶縁層１８６がデバイス層１８２と支持層１８４の間に挟まれている形態を有している。絶縁層１８６は酸化シリコンで構成される。また、デバイス層１８２と支持層１８４は単結晶シリコンで構成される。
【００２５】
図３Ａおよび図４Ａは、ミラー基板１７１のデバイス層１８１および第一の絶縁層１８５と、ベース基板１７２のデバイス層１８２および絶縁層１８６を加工する工程図である。まず、ミラー基板１７１のデバイス層１８１にＭＥＭＳ分野の加工法であるＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）法を適用して支柱１０２を形成する。次に、ミラー基板１７１の第一の絶縁層１８５のうち支柱１０２と接していない領域をエッチングにより取り除く。一方、ベース基板１７２のデバイス層１８２にＤＲＩＥ法を適用して、接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７と駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂとを一括で形成する。続いて、接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７と駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂ付近の領域以外の絶縁層１８６をエッチングにより取り除く。
【００２６】
図３Ｂおよび図４Ｂは、ミラー基板１７１とベース基板１７２を接続する工程図である。図３Ｂおよび図４Ｂに示すように、ミラー基板１７１に形成された支柱１０２の先端とベース基板１７２に形成された接続部１０５を、直接接合法または共晶接合法などの電気的接続がとれる接合法により接合する。これにより、ミラー基板１７１とベース基板１７２が接続される。また、図３Ｂおよび図４Ｂに示す符号１９１，１９２は、この後の工程で除去される除去領域を示している。第一の除去領域１９１は、ベース基板１７２の支持層１８４のうち、接続部１０５およびヒンジ１１０付近の領域である。一方、第二の除去領域１９２は、絶縁層１８６のうち、接続部１０５およびヒンジ１１０付近の領域である。
【００２７】
図３Ｃおよび図４Ｃは、ベース基板１７２の支持層１８４を加工する工程および反射面１０３を形成する工程図である。まず、図３Ｂおよび図４Ｂに示す第一の除去領域１９１をＤＲＩＥ法により取り除く。次に、第二の除去領域１９２をＲＩＥ（Reactive Ion Etching）法により取り除いて、接続部１０５およびヒンジ１１０が可動するための貫通口１９０を形成する。続いて、図３Ｂおよび図４Ｂに示すミラー基板の支持層１８７と絶縁層１８８を図３Ｃおよび図４Ｃに示すようにエッチングにより取り除く。続いて、可動板１０１である中間層１８３の上面に金属を蒸着などにより成膜して反射面１０３を形成する。
【００２８】
（作用）
本実施の形態の光偏向器は、可動板１０１の反射面１０３が設けられた面の裏面に支柱１０２を設け、その下端に接続部１０５を介してヒンジ１１０を設けている。つまり従来例とは異なり、可動板の反射面にヒンジがない。したがって、可動板１０１の上面の全面を反射面として機能させることが可能であるため、反射有効面よりも大きな可動板が不要な光偏向器の構成となっている。
【００２９】
また、本実施の形態の光偏向器は、接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７とを同一の層で一体的に形成しているため、接続部１０５またはヒンジ１１０または固定部１０７を形成するための層を別途に追加する必要がない。したがって、光偏向器の作製工程数を最小限に抑えることが可能である。
【００３０】
一般に、ＭＥＭＳ分野の加工法において、層を追加し、その層に構造体を作製するには、層を追加する工程と、層の表面に加工のための保護膜を成膜する工程と、保護膜に構造体の形状を転写する工程と、転写された形状に層を加工する工程と、保護膜を除去する工程といった多数の工程を加える必要があり、光偏向器の作製工程数を大幅に増加させることになる。また、一般に、作製工程数の増加は、寸法のばらつきを助長し、性能のばらつきを引き起こすため、望ましくない。
【００３１】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、ヒンジ１１０の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層、特に、デバイス層である。当業界において、通常、光偏向器のヒンジは、単結晶シリコンの基板を加工して構造体を作製するバルクマイクロマシニング技術あるいは、基板上に堆積した薄膜を加工して構造体を作製するサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される。また一般に、バルクマイクロマシニング技術により作製される構造体はサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される構造体に比べて、例えば、内部残留応力が小さい。内部残留応力が小さいことは構造体に生じる初期歪みが小さいことを意味する。したがって、単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層に作製された本実施の形態のヒンジ１１０は初期歪が少ないため、光偏向器の初期姿勢の安定性に優れる。
【００３２】
また、本実施の形態の光偏向器では、接続部１０５とヒンジ１１０の可動空間を与える貫通口１９０は基板１５０を貫通しているため、支柱１０２と接続部１０５を接合した後に、接続部１０５とヒンジ１１０付近の基板１５０を取り除いて形成することが可能である。したがって、接合時の応力による接続部１０５とヒンジ１１０の破損を防ぐことが可能となる。
【００３３】
さらに、本実施の形態の光偏向器では、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂは接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７と同一の層で一括に作製可能である。つまり、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂを設置するための工程を別途に追加しなくてよい。もちろん、駆動電極１２０Ａ，１２０Ｂに電圧を供給するための配線も接続部１０５とヒンジ１１０と固定部１０７と同一の層で一括に作製可能である。
【００３４】
（効果）
以上の様に、本実施の形態の光偏向器は、可動板の上面の全面を反射面として機能させることができるため、光偏向器の小型化が実現できるという効果を有する。
【００３５】
また、ヒンジと接続部と固定部を同一の層で一体的に作製することにより、光偏向器作製の工程数を最小限に抑えることが可能であるため、歩留まりの向上を図りやすく、ばらつきが少なく量産性に優れる。
【００３６】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、ヒンジ１１０の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層であるため、初期姿勢の安定性に優れる。
【００３７】
また、本実施の形態の光偏向器では、基板を貫通した空間を設けることで、支柱と接続部を接合した後に接続部とヒンジを基板から解放ことが可能であるため、歩留りが高い量産性に優れる。
【００３８】
さらに、本実施の形態の光偏向器は、特に、可動板と対向するように基板上に駆動電極を設けることで、駆動電極を接続部とヒンジと同一層で一括に作製可能であるため、ばらつきの少ない量産性に優れる。
【００３９】
（バリエーション）
なお、本実施の形態においては可動板１０１の反射面１０３を設ける一面の形状を矩形としたが、その形状は、反射面１０３に入射する光のスポットよりも大きい面積を得ることができればよく、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００４０】
また、支柱１０２の断面形状は、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００４１】
また、本実施の形態においては偏向器の作製にＳＯＩ基板を用いたが、例えば、シリコン、ガラスなど、ＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である基板の一面に、多結晶シリコン、窒化ケイ素、有機物、金属などのＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である材料を堆積した基板を用いることができる。
【００４２】
また、本実施の形態においては可動板１０１と支柱１０２とは別層に作製したが、可動板１０１と支柱１０２とを同一層で作製することが可能である。
【００４３】
また、本実施の形態においてはミラー基板とベース基板を接合する手段として直接接合を用いたが、例えば、共晶接合、陽極接合などのＭＥＭＳ分野で利用されている他の接合方法を用いることが可能である。
【００４４】
また、本実施の形態としては静電駆動の例を示したが、もちろん可動板１０１の一面等に複雑なコイルを形成する必要があるものの電磁駆動方式を採用することも可能であり、もちろん圧電材料をヒンジ１１０上などに設置する必要があるものの圧電駆動方式を採用することも可能である。
【００４５】
＜第２の実施の形態＞
（構成）
図５は、第２の実施の形態の光偏向器の斜視図である。図６は、図５の光偏向器の中心付近の拡大図である。図７は、図５に示す線Ｃ−Ｃにおける図５の光偏向器の垂直断面図である。
【００４６】
図５，６，７に示すように、第２の実施の形態の光偏向器は、基板２５０と、基板２５０に設けられた二対の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂと、基板２５０に固定された一対の固定部２０７と、一対の固定部２０７にそれぞれ接続された一対の第一のヒンジ２１２と、一対の第一のヒンジ２１２によって第一のねじり軸２４２の周りに揺動可能に支持された可動枠２１５と、可動枠２１５にそれぞれ接続された一対の第二のヒンジ２１１と、一対の第二のヒンジ２１１によって第二のねじり軸２４１の周りに揺動可能に支持された接続部２０５と、接続部２０５に固定された支柱２０２と、支柱２０２に固定された可動板２０１とを有している。
【００４７】
可動板２０１は、駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂに対向するように基板２５０から間隔を置いて支持されている。可動板２０１は、駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂに対向する第一の面に対向電極を有し、第一の面の反対側の第二の面に反射面２０３を有している。可動板２０１は、例えば、単結晶シリコンから構成されており、それ自体が対向電極として機能し得る。反射面２０３は、可動板２０１の上面に金などの金属を成膜することにより設けられる。
【００４８】
支柱２０２は、例えば、可動板２０１と同様に、単結晶シリコンから構成される。
【００４９】
可動板２０１と支柱２０２と接続部２０５は可動部２０６を構成している。また、第一のヒンジ２１１と可動枠２１５と第二のヒンジ２１２はジンバル構造体２３０を構成している。接続部２０５はジンバル構造体２３０を介して固定部２０７に接続されている。具体的には、接続部２０５は第一のヒンジ２１１を介して可動枠２１５に接続され、可動枠２１５は第二のヒンジ２１２を介して固定部２０７に接続されている。第一のヒンジ２１１は、ねじり軸２４１を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。またヒンジ２１２は、ねじり軸２４２を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。ねじり軸２４１とねじり軸２４２は例えば互いに直交している。これにより、接続部２０５は、ねじり軸２４１を軸として可動枠２１５に対して傾斜可能である。接続部２０５はまた、可動枠２１５と一緒に、ねじり軸２４２を軸として基板２５０に対して傾斜可能である。したがって、可動板２０１は、ジンバル構造体２３０によって、第一のねじり軸２４１と第二のねじり軸２４２を軸として傾斜可能に基板２５０に支持されている。
【００５０】
基板２５０は、第一のヒンジ２１２と可動枠２１５と第二のヒンジ２１１と接続部２０５を取り囲む貫通口２９０を有している。この貫通口２９０は、ジンバル構造体２３０と接続部２０５の可動空間を与える。
【００５１】
固定部２０７と第一のヒンジ２１２と可動枠２１５と第二のヒンジ２１１と接続部２０５は同一の層から形成されている。この層は、例えば、単結晶シリコンで構成され、支柱２０２を介して可動板２０１と電気的に接続される。
【００５２】
駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂは、固定部２０７と第一のヒンジ２１２と可動枠２１５と第二のヒンジ２１１と接続部２０５は同一の層から形成されている。
【００５３】
基板２５０には、第一の基板平面部２５１と、第二の基板平面部２５２と、第一の基板平面部２５１と第二の基板平面部２５２をつなぐ斜面２５３で構成された段差が設けられている。この段差は、第一の基板平面部２５１と可動板２０１との間隔が、第二の基板平面部２５２と可動板２０１との間隔よりも狭くなるように形成されている。したがって、第一の基板平面部２５１は第二の基板平面部２５２よりも可動板２０１の近くに位置している。第一の基板平面部２５１は、可動板２０１への投影において、可動板２０１の内側に位置している。駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂと固定部２０７は第一の基板平面部２５１上に配置されている。
【００５４】
図８は、図５に示す可動板２０１と支柱２０２を除いた状態における図５の光偏向器の上面図である。図５，６，７に示すように、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂと第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂは、基板２５０の第一の基板平面部２５１上に、ジンバル構造体２３０と同一の層で一括に形成されている。また、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂは可動板２０１と対向するように、ねじり軸２４１を間に挟んでねじり軸２４１の両側に設けられている。同様に、第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂは、可動板２０１と対向するように、ねじり軸２４２を間に挟んでねじり軸２４２の両側に設けられている。
【００５５】
また、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂと第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂは、四つの点２４５’，２４６’，２４７’，２４８’で形成される四角形の内側に設けられている。点２４５’，２４６’は第一のねじり軸２４１上に位置し、点２４７’、２４８’は第二のねじり軸２４２上に位置している。また、点２４５’は、可動板２０１が第一の駆動電極２２１Ａに近づくように傾斜した状態におけるＰｕｌｌ−ｉｎ限界線２４５と第一のねじり軸２４１の交点であり、点２４６’は、可動板２０１が第一の駆動電極２２１Ｂに近づくように傾斜した状態におけるＰｕｌｌ−ｉｎ限界線２４６上と第一のねじり軸２４１の交点である。同様に、点２４７’は、可動板２０１が第一の駆動電極２２２Ａに近づくように傾斜した状態におけるＰｕｌｌ−ｉｎ限界線２４７と第二のねじり軸２４２の交点であり、点２４８’は、可動板２０１が第一の駆動電極２２２Ｂに近づくように傾斜した状態におけるＰｕｌｌ−ｉｎ限界線２４８と第二のねじり軸２４２の交点である。
【００５６】
（駆動原理）
以下に駆動原理を説明する。図５，８に示すように、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂは、第一のねじり軸２４１を間に挟んで第一のねじり軸２４１の両側に設置されている。第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂには独立して電圧を印加することができる。可動板２０１は、電気的に接地電位または所定の電位に設定される。第一の駆動電極２２１Ａに電圧を印加すると、可動板２０１と第一の駆動電極２２１Ａの間に静電引力が発生する。したがって、第一のねじり軸２４１を軸としたトルクが第一のヒンジ２１１にかかり、可動板２０１が駆動電極２２１Ａに近づくように傾斜する。また、第一の駆動電極２２１Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板２０１が駆動電極２２１Ｂに近づくように傾斜する。つまり、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板２０１は、第一のねじり軸２４１を軸として、電圧が印加された駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００５７】
一方、第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂは、第二のねじり軸２４２を間に挟んで第二のねじり軸２４２の両側に設置されている。第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂには独立して電圧を印加することができる。第二の駆動電極２２２Ａに電圧を印加すると、可動板２０１と第二の駆動電極２２２Ａの間に静電引力が発生する。したがって、第二のねじり軸２４２を軸としたトルクが第二のヒンジ２１２にかかり、可動板２０１が駆動電極２２２Ａに近づくように傾斜する。また、第二の駆動電極２２２Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板２０１が駆動電極２２２Ｂに近づくように傾斜する。つまり、第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板２０１は、第二のねじり軸２４２を軸として、電圧が印加された駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００５８】
したがって、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂと第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂに任意の電圧を加えることにより、可動板２０１は、第一のねじり軸２４１および第二のねじり軸２４２の二本の軸を軸として傾斜する。
【００５９】
（作用）
本実施の形態の光偏向器は、可動板２０１の反射面２０３が設けられた面の裏面に支柱２０２を設けているため、ジンバル構造体２３０を支柱２０２の下端に設けることができる。つまり従来例とは異なり、可動板の反射面にジンバル構造体がない。したがって、可動板２０１の上面の全面を反射面として機能させることが可能であるため、反射有効面よりも大きな可動板が不要な光偏向器の構成となっている。
【００６０】
また、本実施の形態の光偏向器は、接続部２０５と第一のヒンジ２１１と可動枠２１５と第二のヒンジ２１２と固定部２０７とを同一の層で一体的に形成しているため、接続部２０５または第一のヒンジ２１１または可動枠２１５または第二のヒンジ２１２または固定部２０７を作製するための層を別途に追加する必要がない。したがって、光偏向器の作製工程数を最小限に抑えることが可能である。
【００６１】
一般に、ＭＥＭＳ分野の加工法において、層を追加し、その層に構造体を作製するには、層を追加する工程と層の表面に加工のための保護膜を成膜する工程と保護膜に構造体の形状を転写する工程と転写された形状に層を加工する工程と保護膜を除去する工程といった多数の工程を加える必要があり、光偏向器の作製工程数を大幅に増加させることになる。また、一般に、作製工程数の増加は、寸法のばらつきを助長し、性能のばらつきを引き起こすため、望ましくない。
【００６２】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、第一のヒンジ２１１および第二のヒンジ２１２の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層、特に、デバイス層である。当業界において、通常、光偏向器のヒンジは、単結晶シリコンの基板を加工して構造体を作製するバルクマイクロマシニング技術あるいは、基板上に堆積した薄膜を加工して構造体を作製するサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される。また一般に、バルクマイクロマシニング技術により作製される構造体はサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される構造体に比べて、例えば、内部残留応力が小さいという特徴を有する。内部残留応力が小さいことは構造体に生じる初期歪みが小さいことを意味する。したがって、単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層に作製された本実施の形態のヒンジ２１１，２１２は初期歪が少ないため、光偏向器の初期姿勢の安定性に優れる。
【００６３】
また、本実施の形態の光偏向器は、第一のねじり軸２４１と第二のねじり軸２４２の２つのねじり軸を軸として傾斜する。可動板を２軸に駆動するためのジンバル構造は、可動板を１軸に駆動するためのヒンジを２組使用する。つまり、一般に、可動板を２軸に駆動するための機構は、可動板を１軸に駆動するための機構よりも寸法が大きく複雑である。本実施の形態の光偏向器は、可動板２０１の反射面２０３が設けられた一面の裏面に支柱２０２を設けているため、ジンバル構造体２３０を支柱２０２の先端に設けることができる。つまり従来例とは異なり、可動板２０１の反射面２０３が設けられている面にジンバル構造体２３０がない。したがって、光偏向器の駆動軸を２軸にしても反射面２０３の面積が減少しない光偏向器の構成となっているのである。
【００６４】
また、本実施の形態の光偏向器では、ジンバル構造体２３０の可動空間を得るために設けられている貫通口２９０は基板２５０を貫通しているため、支柱２０２と接続部２０５を接合した後に、ジンバル構造体２３０付近の基板２５０を取り除くことが可能である。したがって、接合時の応力によるジンバル構造体２３０の破損を防ぐことが可能となる。
【００６５】
さらに、本実施の形態の光偏向器の基板２５０には、可動板２０１と第一の基板平面部２５１との間隔が、可動板２０１と第二の基板平面部２５２との間隔よりも狭くなるような段差が設けられている。基板２５０の中央付近の第一の基板平面部２５１のみを可動板２０１に近づけることにより、可動板２０１の可動空間を確保しながら支柱２０２を短くすることができる。支柱２０２を短くできるため、可動板２０１と支柱２０２とジンバル構造体２３０を含む可動部の重心と回転中心との距離が近くなり、第一のねじり軸２４１および第二のねじり軸２４２まわりの慣性モーメントが小さくなる。第一のねじり軸２４１および第二のねじり軸２４２まわりの慣性モーメントが小さくなるため、可動部のねじり軸まわりの固有振動数が高まる。
【００６６】
（効果）
以上の様に、本実施の形態の光偏向器は、可動板の上面の全面を反射面として機能させることができるため、光偏向器の小型化が実現できるという効果を有する。
【００６７】
また、ヒンジと接続部と可動枠と固定部を同一の層で一体的に作製することにより、光偏向器作製の工程数を最小限に抑えることが可能であるため、歩留まりの向上を図りやすく、ばらつきが少なく量産性に優れる。
【００６８】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、ヒンジ２１１，２１２の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層であるため、初期姿勢の安定性に優れる。
【００６９】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、可動板の下面に支柱を設けているため、ジンバル構造体を支柱の先端に設けることができる。したがって、２軸駆動の光偏向器であっても、小型化が実現できる。
【００７０】
また、本実施の形態の光偏向器では、基板を貫通した空間を設けることで、支柱と接続部を接合した後にジンバル構造体２３０を基板から解放ことが可能であるため、歩留りが高く量産性に優れる。
【００７１】
さらに、本実施の形態の光偏向器は、特に、基板に段差を設けているため支柱を短くできる。したがって、外からの衝撃などの外乱があっても姿勢が変化しにくい安定的な光偏向器を得ることができる。
【００７２】
（バリエーション）
なお、本実施の形態においては可動板２０１の反射面２０３を設ける一面の形状を矩形で示したが、その形状は、反射面２０３に入射する光のスポットよりも大きい面積を得ることができればよく、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００７３】
また、支柱２０２の断面形状は、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００７４】
また、本実施の形態においては偏向器の作製にＳＯＩ基板を用いたが、例えば、シリコン、ガラスなど、ＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である基板の一面に、多結晶シリコン、窒化ケイ素、有機物、金属などのＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である材料を堆積した基板を用いることができる。
【００７５】
また、本実施の形態においては可動板２０１と支柱２０２とは別層に作製したが、可動板２０１と支柱２０２とを同一層で作製することが可能である。
【００７６】
また、本実施の形態においてはミラー基板とベース基板を接合する手段として直接接合を用いたが、例えば、共晶接合、陽極接合などのＭＥＭＳ分野で利用されている他の接合方法を用いることが可能である。
【００７７】
また、本実施の形態としては静電駆動の例を示したが、もちろん可動板２０１の一面等に複雑なコイルを形成する必要があるものの電磁駆動方式を採用することも可能であり、もちろん圧電材料をヒンジなどに設置する必要があるものの圧電駆動方式を採用することも可能である。
【００７８】
また、本実施の形態においては駆動電極の材料として単結晶シリコンを用いたが、例えば、多結晶シリコン、金属などのＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等の加工が可能である導体および半導体材料を用いることができる。駆動電極の材料選定において同一層として形成される固定部と弾性部と接続部への影響を考慮すべきである。特に弾性部の疲労特性や剛性等に留意して設計する必要がある。
【００７９】
また、本実施の形態において、基板２５０は第一の基板平面部２５１と第二の基板平面部２５２と第一の基板平面部２５１と第二の基板平面部２５２をつなぐ斜面２５３を有しているが、もちろん基板平面部と斜面は複数設けることも可能である。
【００８０】
また、斜面２５３の一面と第一の基板平面部２５１とのなす角度は０度から９０度までの任意の角度に設定することができる。
【００８１】
また、第一の駆動電極２２１Ａ，２２１Ｂおよび第二の駆動電極２２２Ａ，２２２Ｂの可動板２０１と対向する面の形状は、四つの点２４５’，２４６’，２４７’，２４８’とで形成される四角形の内側に配置することができればよく、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【００８２】
＜第３の実施の形態＞
（構成）
図９は、第３の実施の形態の１次元光偏向器アレイの斜視図である。図１０は、図９の１次元光偏向器アレイから単一の光偏向器を取り出して示した斜視図である。図１１は、図１０に示す可動板を除いた状態における図１０の光偏向器の中心付近の拡大図である。
【００８３】
図９に示すように、本実施の形態の１次元光偏向器アレイは、１次元的に配列された複数の光偏向器を有している。各光偏向器は、例えば、第２の実施の形態の光偏向器と同様に構成されている。すなわち、各光偏向器は、図１０に示すように、基板３５０と、基板３５０に設けられた二対の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂと、基板３５０に固定された一対の固定部３０７と、一対の固定部３０７にそれぞれ接続された一対の第一のヒンジ３１２と、一対の第一のヒンジ３１２によって第一のねじり軸３４２の周りに揺動可能に支持された可動枠３１５と、可動枠３１５にそれぞれ接続された一対の第二のヒンジ３１１と、一対の第二のヒンジ３１１によって第二のねじり軸３４１の周りに揺動可能に支持された接続部３０５と、接続部３０５に固定された支柱３０２と、支柱３０２に固定された可動板３０１とを有している。
【００８４】
可動板３０１は、駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂに対向するように基板３５０から間隔を置いて支持されている。可動板３０１は、駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂに対向する第一の面に対向電極を有し、第一の面の反対側の第二の面に反射面３０３を有している。可動板３０１は、例えば、単結晶シリコンから構成されており、それ自体が対向電極として機能し得る。反射面３０３は、可動板３０１の上面に金などの金属を成膜することにより設けられる。
【００８５】
支柱３０２は、例えば、可動板３０１と同様に、単結晶シリコンから構成される。
【００８６】
可動板３０１と支柱３０２と接続部３０５は可動部３０６を構成している。また、第一のヒンジ３１１と可動枠３１５と第二のヒンジ３１２はジンバル構造体３３０を構成している。接続部３０５はジンバル構造体３３０を介して固定部３０７に接続されている。具体的には、接続部３０５は第一のヒンジ３１１を介して可動枠３１５に接続され、可動枠３１５は第二のヒンジ３１２を介して固定部３０７に接続されている。第一のヒンジ３１１は、ねじり軸３４１を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。またヒンジ３１２は、ねじり軸３４２を軸としてねじれ変形可能な弾性部いわゆるトーションバーとして機能する。ねじり軸３４１とねじり軸３４２は例えば互いに直交している。これにより、接続部３０５は、ねじり軸３４１を軸として可動枠３１５に対して傾斜可能である。接続部３０５はまた、可動枠３１５と一緒に、ねじり軸３４２を軸として基板３５０に対して傾斜可能である。したがって、可動板３０１は、ジンバル構造体３３０によって、第一のねじり軸３４１と第二のねじり軸３４２を軸として傾斜可能に基板３５０に支持されている。
【００８７】
基板３５０は、第一のヒンジ３１２と可動枠３１５と第二のヒンジ３１１と接続部３０５を取り囲む貫通口３９０を有している。この貫通口３９０は、ジンバル構造体３３０と接続部３０５の可動空間を与える。
【００８８】
固定部３０７と第一のヒンジ３１２と可動枠３１５と第二のヒンジ３１１と接続部３０５は同一の層から形成されている。この層は、例えば、単結晶シリコンで構成され、支柱３０２を介して可動板３０１と電気的に接続される。
【００８９】
駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂは、固定部３０７と第一のヒンジ３１２と可動枠３１５と第二のヒンジ３１１と接続部３０５は同一の層から形成されている。
【００９０】
基板３５０には、第一の基板平面部３５１と、第二の基板平面部３５２と、第一の基板平面部３５１と第二の基板平面部３５２をつなぐ斜面３５３で構成された段差が設けられている。この段差は、第一の基板平面部３５１と可動板３０１との間隔が、第二の基板平面部３５２と可動板３０１との間隔よりも狭くなるように形成されている。したがって、第一の基板平面部３５１は第二の基板平面部３５２よりも可動板３０１の近くに位置している。段田を構成する第一の基板平面部３５１と第二の基板平面部３５２と斜面３５３は、ねじり軸３４１に沿って並んでいる。駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂと固定部３０７は第一の基板平面部３５１上に配置されている。
【００９１】
第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂと第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂは、基板３５０の第一の基板平面部３５１上に、ジンバル構造体３３０と同一の層で一括に形成されている。また、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂは可動板３０１と対向するように、ねじり軸３４１を間に挟んでねじり軸３４１の両側に設けられている。同様に、第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂは、可動板３０１と対向するように、ねじり軸３４２を間に挟んでねじり軸３４２の両側に設けられている。また、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂおよび第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂの設置されている範囲は、可動板３０１のへの投影において、可動板３０１の内側に位置している。
【００９２】
図９に示すように、本実施の形態の１次元光偏向器アレイは、可動板３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃが第一のねじり軸３４２に平行な方向に密に配列されている。可動板３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃは第一のねじり軸３４２を軸として傾斜可能である。また、可動板３０１Ａ，３０１Ｂ，３０１Ｃは、それぞれ、第二のねじり軸３４１Ａ，３４１Ｂ，３４１Ｃを軸として傾斜可能である。第二のねじり軸３４１Ａ，３４１Ｂ，３４１Ｃは互いに平行である。
【００９３】
図１２は、第３の実施の形態の２次元光偏向器アレイの斜視図である。この２次元光偏向器アレイは、図９の１次元光偏向器アレイを３アレイ組み合わせて構成されている。図１２に示すように、本実施の形態の２次元光偏向器アレイは、可動板３０１ＡＡ，３０１ＡＢ，３０１ＡＣからなる第一の可動板群と、可動板３０１ＢＡ，３０１ＢＢ，３０１ＢＣからなる第二の可動板群と、可動板３０１ＣＡ，３０１ＣＢ，３０１ＣＣからなる第三の可動板群を有している。すなわち、２次元光偏向器アレイは、２次元的に配列された複数の光偏向器を有している。
【００９４】
第一の可動板群の可動板３０１ＡＡ，３０１ＡＢ，３０１ＡＣは第一のねじり軸３４２Ａに平行な方向に密に配列されている。同様に、第二の可動板群の可動板３０１ＢＡ，３０１ＢＢ，３０１ＢＣは第一のねじり軸３４２Ｂに平行な方向に密に配列され、第三の可動板群の可動板３０１ＣＡ，３０１ＣＢ，３０１ＣＣは第一のねじり軸３４２Ｃに平行な方向に密に配列されている。第一のねじり軸３４２Ａ，３４２Ｂ，３４２Ｃは互いに平行となっている。第一の可動板群と第二の可動板群と第三の可動板群は第二のねじり軸３４１Ａ，３４１Ｂ，３４１Ｃに平行な方向に密に配列されている。
【００９５】
可動板３０１ＡＡ，３０１ＡＢ，３０１ＡＣは第一のねじり軸３４２Ａを軸として傾斜可能である。同様に、可動板３０１ＢＡ，３０１ＢＢ，３０１ＢＣは第一のねじり軸３４２Ｂを軸として傾斜可能であり、可動板３０１ＣＡ，３０１ＣＢ，３０１ＣＣは第一のねじり軸３４２Ｃを軸として傾斜可能である。また、可動板３０１ＡＡ，３０１ＢＡ，３０１ＣＡは、第二のねじり軸３４１Ａを軸として傾斜可能である。同様に、可動板３０１ＡＢ，３０１ＢＢ，３０１ＣＢは、第二のねじり軸３４１Ｂを軸として傾斜可能であり、可動板３０１ＡＣ，３０１ＢＣ，３０１ＣＣは、第二のねじり軸３４１Ｃを軸として傾斜可能である。
【００９６】
（駆動原理）
以下に駆動原理を説明する。図１０，１１に示すように、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂは、第一のねじり軸３４１を間に挟んで第一のねじり軸３４１の両側に設置されている。第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂには独立して電圧を印加することができる。可動板３０１は、電気的に接地電位または所定の電位に設定される。第一の駆動電極３２１Ａに電圧を印加すると、可動板３０１と第一の駆動電極３２１Ａの間に静電引力が発生する。したがって、第一のねじり軸３４１を軸としたトルクが第一のヒンジ３１１にかかり、可動板３０１が駆動電極３２１Ａに近づくように傾斜する。また、第一の駆動電極３２１Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板３０１が駆動電極３２１Ｂに近づくように傾斜する。つまり、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板３０１は、第一のねじり軸３４１を軸として、電圧が印加された駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００９７】
一方、第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂは、第二のねじり軸３４２を間に挟んで第二のねじり軸３４２の両側に設置されている。第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂには独立して電圧を印加することができる。第二の駆動電極３２２Ａに電圧を印加すると、可動板３０１と第二の駆動電極３２２Ａの間に静電引力が発生する。したがって、第二のねじり軸３４２を軸としたトルクが第二のヒンジ３１２にかかり、可動板３０１が駆動電極３２２Ａに近づくように傾斜する。また、第二の駆動電極３２２Ｂに電圧を印加すると、今度は、逆方向のトルクが発生するため、可動板３０１が駆動電極３２２Ｂに近づくように傾斜する。つまり、第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂのいずれか一方に電圧を印加することにより、可動板３０１は、第二のねじり軸３４２を軸として、電圧が印加された駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂの方に近づくように傾斜する。
【００９８】
したがって、第一の駆動電極３２１Ａ，３２１Ｂと第二の駆動電極３２２Ａ，３２２Ｂに任意の電圧を加えることにより、可動板３０１は、第一のねじり軸３４１および第二のねじり軸３４２の二本の軸を軸として傾斜する。
【００９９】
（作用）
本実施の形態の光偏向器は、可動板３０１の反射面３０３が設けられた面の裏面に支柱３０２を設けているため、ジンバル構造体３３０を支柱３０２の下端に設けることができる。つまり従来例とは異なり、可動板の反射面にジンバル構造体がない。したがって、可動板３０１の上面の全面を反射面として機能させることが可能であるため、反射有効面よりも大きな可動板が不要な光偏向器の構成となっている。
【０１００】
また、本実施の形態の光偏向器は、接続部３０５と第一のヒンジ３１１と可動枠３１５と第二のヒンジ３１２と固定部３０７とを同一の層で一体的に形成しているため、接続部３０５または第一のヒンジ３１１または可動枠３１５または第二のヒンジ３１２または固定部３０７を作製するための層を別途に追加する必要がない。したがって、光偏向器の作製工程数を最小限に抑えることが可能である。
【０１０１】
一般に、ＭＥＭＳ分野の加工法において、層を追加し、その層に構造体を作製するには、層を追加する工程と層の表面に加工のための保護膜を成膜する工程と保護膜に構造体の形状を転写する工程と転写された形状に層を加工する工程と保護膜を除去する工程といった多数の工程を加える必要があり、光偏向器の作製工程数を大幅に増加させることになる。また、一般に、作製工程数の増加は、寸法のばらつきを助長し、性能のばらつきを引き起こすため、望ましくない。
【０１０２】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、第一のヒンジ３１１および第二のヒンジ３１２の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層、特に、デバイス層である。当業界において、通常、光偏向器のヒンジは、単結晶シリコンの基板を加工して構造体を作製するバルクマイクロマシニング技術あるいは、基板上に堆積した薄膜を加工して構造体を作製するサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される。また一般に、バルクマイクロマシニング技術により作製される構造体はサーフェイスマイクロマシニング技術により作製される構造体に比べて、例えば、内部残留応力が小さいという特徴を有する。内部残留応力が小さいことは構造体に生じる初期歪みが小さいことを意味する。したがって、単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層に作製された本実施の形態のヒンジ３１１，３１２は初期歪が少ないため、光偏向器の初期姿勢の安定性に優れる。
【０１０３】
また、本実施の形態の光偏向器は、可動板３０１の反射面３０３が設けられた面の裏面に支柱３０２を設けているため、ジンバル構造体３３０を支柱３０２の下端に設けることができる。つまり、可動板３０１の上面の全面を反射面３０３として機能させることが可能な構成および隣り合う可動板と可動板の隙間が狭くなるように配列可能な構成を有する。したがって、光偏向器アレイの小型化が狙える。特に、光偏向器を２次元に配列した２次元光偏向器アレイを作製する場合、従来例の光偏向器の構成では、反射面として有効な面積が、可動板上面の面積の約半分となるため、隣り合う反射面と反射面の隙間が狭くなるように２次元に配列することができない。一方、本実施の形態の光偏向器は、隣り合う反射面と反射面の隙間が狭くなるように２次元に配列することが可能な構成となっている。
【０１０４】
さらに、本実施の形態の光偏向器では、基板３５０の中央付近の第一の基板平面部３５１が可動板３０１に近づけられている。また、駆動電極が第一の基板平面部３５１のみに設けられているため、駆動電極と可動板３０１の静電ギャップが狭くなっている。静電ギャップが狭くなったことにより、駆動電極と可動板３０１の間で発生する力が大きくなるため、その分だけ駆動電極の面積を小さくすることが可能になる。したがって、可動板とその可動板と対向する駆動電極の距離に比べて、隣り合う光偏向器と光偏向器のそれぞれの駆動電極間の距離を離すことができるため、本実施の形態の光偏向器は隣り合う光偏向器間の電気的クロストークが低減されるような構成となっているのである。
【０１０５】
（効果）
以上の様に、本実施の形態の光偏向器は、可動板の上面の全面を反射面として機能させることができるため、光偏向器の小型化が実現できるという効果を有する。
【０１０６】
また、ヒンジ３１１，３１２と接続部３０５と可動枠３１５と固定部３０７を同一の層で一体的に作製することにより、光偏向器作製の工程数を最小限に抑えることが可能であるため、歩留まりの向上を図りやすく、ばらつきが少なく量産性に優れる。
【０１０７】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、ヒンジ３１１，３１２の部材が単結晶シリコンからなるＳＯＩ基板の一層であるため、初期姿勢の安定性に優れる。
【０１０８】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、可動板の下面に支柱を設けているため、ジンバル構造体を支柱の先端に設けることができる。したがって、２軸駆動の光偏向器であっても、小型化が実現できる。
【０１０９】
また、本実施の形態の光偏向器は、特に、可動板の上面の全面を反射面として機能させることが可能な構成を有すると同時に隣り合う可動板と可動板の隙間が狭くなるように配列可能な構成を有しているため、光偏向器アレイの小型化が実現できる。
【０１１０】
さらに、本実施の形態の光偏向器は、特に、駆動電極と可動板の静電ギャップが狭くなるように、駆動電極が基板の凸部である第一の基板平面部のみに設けられているため、隣り合う光偏向器間の電気的クロストークが低減される。
【０１１１】
（バリエーション）
なお、本実施の形態においては可動板３０１の反射面３０３を設ける一面の形状を矩形で示したが、その形状は、反射面３０３に入射する光のスポットよりも大きい面積を得ることができればよく、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【０１１２】
また、支柱３０２の断面形状は、例えば、多角形、円形などのＭＥＭＳ分野の技術で加工が可能である形状とすることができる。
【０１１３】
また、本実施の形態においては偏向器の作製にＳＯＩ基板を用いたが、例えば、シリコン、ガラスなど、ＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である基板の一面に、多結晶シリコン、窒化ケイ素、有機物、金属などのＭＥＭＳ分野の技術などでエッチング等を含む機械的な加工が可能である材料を堆積した基板を用いることができる。
【０１１４】
また、本実施の形態においては可動板３０１と支柱３０２とは別層に作製したが、可動板３０１と支柱３０２とを同一層で作製することが可能である。
【０１１５】
また、本実施の形態において、基板３５０は第一の基板平面部３５１と第二の基板平面部３５２と第一の基板平面部３５１と第二の基板平面部３５２をつなぐ斜面３５３を有しているが、もちろん基板平面部と斜面は複数設けることも可能である。
【０１１６】
また、斜面３５３の一面と第一の基板平面部３５１とのなす角度は０度から９０度までの任意の角度に設定することができる。
【０１１７】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの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において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施の形態を適当に組み合わせた実施も含む。
【符号の説明】
【０１１８】
１０１…可動板、１０２…支柱、１０３…反射面、１０５…接続部、１０６…可動部、１０７…固定部、１１０…ヒンジ、１２０Ａ，１２０Ｂ…駆動電極、１４１…ねじり軸、１５０…基板、１７１…ミラー基板、１７２…ベース基板、１８１，１８２…デバイス層、１８３…中間層、１８４，１８７…支持層、１８５，１８６，１８８…絶縁層、１９０…貫通口、１９１，１９２…除去領域、２０１…可動板、２０２…支柱、２０３…反射面、２０５…接続部、２０６…可動部、２０７…固定部、２１１，２１２…ヒンジ、２１５…可動枠、２２１Ａ，２２１Ｂ，２２２Ａ，２２２Ｂ…駆動電極、２３０…ジンバル構造体、２４１，２４２…ねじり軸、２４５，２４６，２４７，２４８…Ｐｕｌｌ−ｉｎ限界線、２４５’，２４６’，２４７’，２４８’…点、２５０…基板、２５１，２５２…基板平面部、２５３…斜面、２９０…貫通口、３０１，３０１ＡＡ，３０１ＡＢ，３０１ＡＣ，３０１ＢＡ，３０１ＢＢ，３０１ＢＣ，３０１ＣＡ，３０１ＣＢ，３０１ＣＣ…可動板、３０２…支柱、３０３…反射面、３０５…接続部、３０６…可動部、３０７…固定部、３１１，３１２…ヒンジ、３１５…可動枠、３２１Ａ，３２１Ｂ，３２２Ａ，３２２Ｂ…駆動電極、３３０…ジンバル構造体、３４１，３４１Ａ，３４１Ｂ，３４１Ｃ，３４２，３４２Ａ，３４２Ｂ，３４２Ｃ…ねじり軸、３５０…基板、３５１，３５２…基板平面部、３５３…斜面、３９０…貫通口。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板と、
前記基板に設けられた一対の駆動電極と、
前記基板に固定された一対の固定部と、
前記一対の固定部にそれぞれ接続された一対の弾性部と、
前記一対の弾性部によって揺動可能に支持された接続部と、
前記接続部に固定された支柱と、
前記支柱に固定された可動板とを有し、
前記可動板は、前記駆動電極に対向するように前記基板から間隔を置いて支持され、前記駆動電極に対向する第一の面に対向電極を有し、前記第一の面の反対側の第二の面に反射面を有し、
前記駆動電極と前記固定部と前記弾性部と前記接続部は同一の層から形成されている光偏向器。
【請求項２】
前記基板は、前記接続部と前記弾性部を取り囲む貫通口を有している、請求項１記載の光偏向器。
【請求項３】
基板と、
前記基板に設けられた二対の駆動電極と、
前記基板に固定された一対の固定部と、
前記一対の固定部にそれぞれ接続された一対の第一の弾性部と、
前記一対の第一の弾性部によって第一の軸の周りに揺動可能に支持された可動枠と、
前記可動枠にそれぞれ接続された一対の第二の弾性部と、
前記一対の第二の弾性部によって第二の軸の周りに揺動可能に支持された接続部と、
前記接続部に固定された支柱と、
前記支柱に固定された可動板とを有し、
前記可動板は、前記駆動電極に対向するように前記基板から間隔を置いて支持され、前記駆動電極に対向する第一の面に対向電極を有し、前記第一の面の反対側の第二の面に反射面を有し、
前記駆動電極と前記固定部と前記第一の弾性部と前記可動枠と前記第二の弾性部と前記接続部は同一の層から形成されている、光偏向器。
【請求項４】
前記基板は、前記第一の弾性部と前記可動枠と前記第二の弾性部と前記接続部を取り囲む貫通口を有している、請求項３に記載の光偏向器。
【請求項５】
前記基板は第一の平面部と第二の平面部を有しており、前記第一の平面部は前記第二の平面部よりも前記可動板の近くに位置しており、前記駆動電極と前記固定部は前記第一の平面部上に配置されている、請求項１〜４のいずれかひとつに記載の光偏向器。
【請求項６】
１次元的に配列された複数の光偏向器を有している光偏向器アレイであって、各光偏向器は、請求項１〜５のいずれかひとつに記載の光偏向器で構成されている、光偏向器アレイ。
【請求項７】
２次元的に配列された複数の光偏向器を有している光偏向器アレイであって、各光偏向器は、請求項１〜５のいずれかひとつに記載の光偏向器で構成されている、光偏向器アレイ。
【請求項１】
基板と、
前記基板に設けられた一対の駆動電極と、
前記基板に固定された一対の固定部と、
前記一対の固定部にそれぞれ接続された一対の弾性部と、
前記一対の弾性部によって揺動可能に支持された接続部と、
前記接続部に固定された支柱と、
前記支柱に固定された可動板とを有し、
前記可動板は、前記駆動電極に対向するように前記基板から間隔を置いて支持され、前記駆動電極に対向する第一の面に対向電極を有し、前記第一の面の反対側の第二の面に反射面を有し、
前記駆動電極と前記固定部と前記弾性部と前記接続部は同一の層から形成されている光偏向器。
【請求項２】
前記基板は、前記接続部と前記弾性部を取り囲む貫通口を有している、請求項１記載の光偏向器。
【請求項３】
基板と、
前記基板に設けられた二対の駆動電極と、
前記基板に固定された一対の固定部と、
前記一対の固定部にそれぞれ接続された一対の第一の弾性部と、
前記一対の第一の弾性部によって第一の軸の周りに揺動可能に支持された可動枠と、
前記可動枠にそれぞれ接続された一対の第二の弾性部と、
前記一対の第二の弾性部によって第二の軸の周りに揺動可能に支持された接続部と、
前記接続部に固定された支柱と、
前記支柱に固定された可動板とを有し、
前記可動板は、前記駆動電極に対向するように前記基板から間隔を置いて支持され、前記駆動電極に対向する第一の面に対向電極を有し、前記第一の面の反対側の第二の面に反射面を有し、
前記駆動電極と前記固定部と前記第一の弾性部と前記可動枠と前記第二の弾性部と前記接続部は同一の層から形成されている、光偏向器。
【請求項４】
前記基板は、前記第一の弾性部と前記可動枠と前記第二の弾性部と前記接続部を取り囲む貫通口を有している、請求項３に記載の光偏向器。
【請求項５】
前記基板は第一の平面部と第二の平面部を有しており、前記第一の平面部は前記第二の平面部よりも前記可動板の近くに位置しており、前記駆動電極と前記固定部は前記第一の平面部上に配置されている、請求項１〜４のいずれかひとつに記載の光偏向器。
【請求項６】
１次元的に配列された複数の光偏向器を有している光偏向器アレイであって、各光偏向器は、請求項１〜５のいずれかひとつに記載の光偏向器で構成されている、光偏向器アレイ。
【請求項７】
２次元的に配列された複数の光偏向器を有している光偏向器アレイであって、各光偏向器は、請求項１〜５のいずれかひとつに記載の光偏向器で構成されている、光偏向器アレイ。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図３Ｃ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図４Ｃ】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−６８６７８（Ｐ２０１３−６８６７８Ａ）
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０５３４８（Ｐ２０１１−２０５３４８）
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１８日（２０１３．４．１８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月２０日（２０１１．９．２０）
【出願人】（００００００３７６）オリンパス株式会社 (11,466)
【Ｆターム（参考）】
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