可動構造体及びそれを用いた光走査ミラー
【課題】可動構造体において、外部から衝撃が加わってもヒンジが破損しないようにし、耐衝撃性を高める。
【解決手段】光走査ミラー１は、可動板２と、可動板２の両側部に一端部がそれぞれ接続されており、可動板２の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジ３と、可動板２の周囲を囲むように配され各ヒンジ３の他端部を支持する固定フレーム４と、固定フレーム４に形成されたストッパ部６を備えている。ストッパ部６は、ヒンジ３の側方にヒンジ３に沿うように形成されており、その先端部が、可動板２のヒンジ３が接続された部位に形成された凹部２ｅの内側に位置するように配置されている。可動板２が側方に変位すると、ストッパ部６が凹部２ｅの側縁部に接触し、可動板２の側方への変位が制限され、外部から衝撃が加わってもヒンジ３の破損が防止される。
【解決手段】光走査ミラー１は、可動板２と、可動板２の両側部に一端部がそれぞれ接続されており、可動板２の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジ３と、可動板２の周囲を囲むように配され各ヒンジ３の他端部を支持する固定フレーム４と、固定フレーム４に形成されたストッパ部６を備えている。ストッパ部６は、ヒンジ３の側方にヒンジ３に沿うように形成されており、その先端部が、可動板２のヒンジ３が接続された部位に形成された凹部２ｅの内側に位置するように配置されている。可動板２が側方に変位すると、ストッパ部６が凹部２ｅの側縁部に接触し、可動板２の側方への変位が制限され、外部から衝撃が加わってもヒンジ３の破損が防止される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒンジに軸支され揺動可能に構成された可動板を有する可動構造体とそれを用いた光走査ミラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えばバーコードリーダやプロジェクタ等の光学機器として、ミラー面が設けられた可動板を揺動させて、そのミラー面に入射した光ビーム等をスキャンする光走査ミラーを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。光走査ミラーとしては、例えば、マイクロマシニング技術を用いて成形される可動構造体を有する小型のものが知られている。このような可動構造体は、光走査ミラーとして用いられるときにミラー面が形成される可動板と、可動板を支持する固定フレームとを有している。可動板と固定フレームとは互いにヒンジにより連結されている。可動板は、可動板に駆動力が加えられることにより、ヒンジを捻りながら固定フレームに対し回動し、ヒンジを軸として揺動する。駆動力としては、例えば、可動板と固定フレームとの間に形成された互いに噛み合う一対の櫛歯電極に電圧が印加されて発生する静電力や、圧電効果により発生する力や、電磁力等が用いられる。
【０００３】
ところで、このような光走査ミラーにおいて、小さな駆動電圧で駆動力を発生させ、光を走査するのに必要な振れ角を確保するためには、ヒンジを細くし、ヒンジのねじり方向のばね定数を小さくすればよい。しかしながら、このようにヒンジを細くすると、ヒンジが脆弱になる。そのため、外部から衝撃が加わったときに可動板が変位してヒンジの変形量が大きくなると、ヒンジが破損し、光走査ミラーが動作不能になることがある。
【０００４】
なお、特許文献１には、可動板の傾斜中心となる中央部を支持可能なピボットが形成されたマイクロミラー装置が開示されている。しかしながら、このマイクロミラー装置は、ピボットを、可動板の中央部に対応し、且つ、可動板に近接するように、所定位置に正確に形成する必要がるため、容易に製造しにくいという問題がある。
【特許文献１】特開２００３−５７５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、容易に製造可能であり、且つ、外部から衝撃が加わったときにヒンジの破損が防止され高い耐衝撃性を有する可動構造体及びそれを用いた光走査ミラーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、可動板と、それぞれ前記可動板に一端部が接続され前記可動板の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジと、前記一対のヒンジのそれぞれの他端部が接続されており前記ヒンジを支持するフレーム部とを備え、前記可動板が、前記一対のヒンジをねじりながら前記フレーム部に対して揺動可能に構成されている可動構造体において、前記ヒンジの側方には、当該ヒンジに沿うようにストッパ部が形成されており、前記可動板が側方へ変位するときに当該ストッパ部と可動構造体の他の部位とが接触することにより、前記可動板の側方への変位量が制限されているものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ストッパ部は、前記可動板又はフレーム部に一体に形成されているものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記可動板には、前記ヒンジにより軸支される部位の近傍にヒンジの長手方向に凹むように形成された凹部が設けられており、前記ストッパ部は、前記フレーム部に一体に形成されており、前記ヒンジと前記凹部を形成する可動板の側縁部との間に位置するように形成されているものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項の発明において、前記ストッパ部の角部には、Ｒ面取り形状の面取部が形成されているものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項の発明において、前記ストッパ部は、前記ヒンジ部と同電位になるように構成されているものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項の発明において、前記ストッパ部の少なくとも一部には、当該ストッパ部に接触したものとの間でスティッキングが発生しないように、スティッキング防止膜又は突起部が形成されているものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６記載のいずれか一項に記載の可動構造体を有し、前記可動板の上面に、入射した光を反射するミラー面を設けたものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、例えば外部からの衝撃が可動構造体に加わって可動板が側方に変位しても、ストッパ部が他の部位に接触することにより可動板の側方への変位量が制限される。従って、可動板が大きく変位せず、ヒンジの破損が防止されるので、可動構造体の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパ部は、ヒンジの近傍に配置されているので、可動板がフレーム部に対し傾いているような場合であっても、可動板の側方への変位を効果的に制限することができる。また、従来のようにピボット状の突起等を形成する場合と比較して、ストッパ部の位置や形状の精度が要求される程度は低いので、比較的容易に可動構造体を製造可能である。ストッパ部はヒンジに接触しないので、確実にヒンジの破損を防止することができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、可動板又はフレーム部を構成する部材を加工し可動板又はフレーム部を形成する際にストッパ部を容易に形成することができ、可動構造体をより容易に製造可能である。
【００１５】
請求項３の発明によれば、可動板の変位時に、ストッパ部が凹部の側縁部に接触することにより可動板の変位量を制限することができる。従って、可動板の変位量を制限するための構造をより容易に且つ堅牢に構成することができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、可動板の変位時に可動構造体の他の部位に接触するストッパ部の部位に尖り形状が無くなるので、ストッパ部とストッパ部に接触する部位とが接触したときにこれらの部位に応力が集中しにくくなる。従って、ストッパ部や可動構造体のストッパ部に接触する部位の破損を防止することができる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、可動板が側方へ変位してストッパ部が可動構造体の他の部位に接触しても、静電引力によるスティッキングが発生し可動板が揺動不能になることを防止することができる。
【００１８】
請求項６の発明によれば、可動板が側方へ変位してストッパ部が可動構造体の他の部位に接触しても、スティッキング防止膜又は突起部によりスティッキングの発生が防止され、可動板が揺動不能になることを防止することができる。
【００１９】
請求項７の発明によれば、光走査ミラーの耐衝撃性を向上させ、且つ、光走査ミラーを容易に製造可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）、図２、及び図３は、本実施形態に係る光走査ミラー（可動構造体）の一例を示す。光走査ミラー１は、例えば、バーコードリーダ、外部のスクリーン等に画像を投影するプロジェクタ装置、又は光スイッチ等の光学機器に搭載される小型のものであり、外部の光源等（図示せず）から入射する光ビーム等をスキャンする機能を有している。
【００２１】
先ず、光走査ミラー１の構成について以下に説明する。光走査ミラー１は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板２００をいわゆるマイクロマシニング技術等を用いて加工することにより作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子である。ＳＯＩ基板２００は、例えば、導電性を有する第１シリコン層（活性層）２００ａと第２シリコン層（基板層）２００ｂとをシリコンの酸化膜（ＢＯＸ（Buried OXide）層）２２０を介して接合して成る、３層構成の基板である。酸化膜２２０は絶縁性を有しているので、第１シリコン層２００ａと第２シリコン層２００ｂとは互いに絶縁されている。第１シリコン層２００ａの厚みは、例えば３０μｍ程度であり、第２シリコン層２００ｂの厚みは、例えば４００μｍ程度である。図１（ａ）に示すように、光走査ミラー１は、例えば、上面視で一辺が数ｍｍ程度の略正方形又は略矩形である直方体状の素子である。
【００２２】
光走査ミラー１は、上面視で略矩形形状であり上面にミラー面１０が形成された可動板２と、可動板２の両側部に一端部がそれぞれ接続され、可動板２の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジ３と、可動板２の周囲を囲むように配され各ヒンジ３の他端部を支持する固定フレーム（フレーム部）４と、可動板２の一部の電極２ａ及び固定フレーム４の一部の電極４ａを有する櫛歯電極５と、固定フレーム４に形成されたストッパ部６を備えている。図１（ｂ）に示すように、可動板２の下方には空隙が設けられており、可動板２は、一対のヒンジ３をねじりながら、そのヒンジ３を揺動軸として固定フレーム４に対して揺動可能に、そのヒンジ３を介して支持されている。一対のヒンジ３は、それらが成す軸が、上面視で可動板２の重心位置を通過するように形成されている。ヒンジ３の幅寸法は、例えば、数マイクロメートル乃至数十マイクロメートル程度である。固定フレーム４の上面には、例えば金属膜である電圧印加部１０ａ，１０ｂが形成されている。なお、可動板２やミラー面１０等の形状は、矩形に限られず、円形等、他の形状であってもよい。光走査ミラー１は、例えば、ガラス基板１１０などが固定フレーム４の下面に接合され、回路基板Ｂ等に実装される。
【００２３】
図３に示すように、可動板２及びヒンジ３は、第１シリコン層２００ａに形成されている。ミラー面１０は、例えばアルミニウム製の薄膜であり、可動板２の上面に外部から入射する光ビームを反射可能に形成されている。可動板２は、可動板２に対し垂直でヒンジ３を通る平面に対し略対称形状に形成されており、ヒンジ３回りにスムーズに揺動するように構成されている。
【００２４】
固定フレーム４は、第１シリコン層２００ａ、酸化膜２２０、及び第２シリコン層２００ｂにより構成されている。本実施形態において、固定フレーム４には、例えば、第１シリコン層２００ａを互いに絶縁された３つの部位に分割するように、トレンチ１０１が形成されている。トレンチ１０１は、第１シリコン層２００ａに、第１シリコン層２００ａの上端から下端まで連通し酸化膜２２０に到達するように溝形状に形成された空隙である。トレンチ１０１は第１シリコン層２００ａにのみ形成されているので、固定フレーム４全体は一体に構成されている。トレンチ１０１は、固定フレーム４のうち、一対のヒンジ３とそれぞれ接続される２つの支持部４ｂが他の部位から絶縁されるように、４箇所に形成されている。トレンチ１０１が形成されていることにより、固定フレーム４は、一対のヒンジ３それぞれに接続され可動板２と同電位となり、上面に電圧印加部１０ａが形成された２つの支持部４ｂと、上面にそれぞれ電圧印加部１０ｂが形成された２つの部位とに分割されている。トレンチ１０１は、第１シリコン層２００ａを分離しているので、これらの部位は、互いに絶縁されている。すなわち、図２にそれぞれの部位に模様を付して示すように、可動板２、ヒンジ３、及び固定フレーム４は、互いに絶縁された３つの部位で構成されている。
【００２５】
櫛歯電極５の電極２ａは、可動板２のうちヒンジ３が接続されていない自由端側の側縁部に形成されており、電極４ａは、固定フレーム４のうち当該可動板２の側縁部に対向する部分に形成されている。櫛歯電極５を構成する電極２ａ及び電極４ａは、互いに噛み合うように形成されている。電極２ａ，４ａ間の隙間は、例えば、２μｍ乃至５μｍ程度である。
【００２６】
ストッパ部６は、可動板２の側方、すなわちヒンジ３で構成される揺動軸に略垂直でＳＯＩ基板２００の上面に略平行な方向への変位量を制限するために設けられている。図２に示すように、ストッパ部６は、第１シリコン層２００ａに固定フレーム４に一体に形成されており、ヒンジ３の両側方に、ヒンジ３に沿うように、固定フレーム４から可動板２に向けて突設されている。本実施形態において、可動板２のうちヒンジ３が接続された部位には、固定フレーム４から離れる方向すなわちヒンジ３の長手方向に凹むように形成された凹部２ｅが設けられている。換言すると、ヒンジ３は、可動板２に設けられた凹部２ｅの内側縁部に接続されている。ストッパ部６は、その可動板２に近い先端部が、ヒンジ３と凹部２ｅとを形成する可動板２の側縁部との間に位置するように形成されている。ストッパ部６は、光走査ミラー１に外部から衝撃等が加わっていない平常時において、可動板２の揺動を妨げないようにヒンジ３との間に所定の隙間を有するように形成されている。従って、ヒンジ３がストッパ部６に当接して破損することがない。ストッパ部６は、固定フレーム４のうちヒンジ３が接続された支持部４ｂから突設されており、可動板２、ヒンジ３、及びストッパ部６は互いに同電位となるように構成されている。
【００２７】
図２に示すように、ストッパ部６の先端部近傍部位の角部には、Ｒ面取り形状に形成された面取部６ａが設けられている。また、凹部２ｅのうちストッパ部６に面する部位にある角部にも、Ｒ面取り形状に形成された面取部２ｆが設けられている。ストッパ部６は、ストッパ部６とヒンジ３との間の隙間よりも、ストッパ部６と可動板２の凹部２ｅとの間の隙間のほうが狭くなるように形成されている。なお、ストッパ部６のうち、可動板２に面する部位には、スティッキング防止膜（図示せず）が形成されている。スティッキング防止膜は、例えば、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜や、ＳＡＭ（Self-assembled Monolayer）を、ストッパ部６の可動板２に面する部位に形成させることにより設けられる。
【００２８】
次に、上記のように構成された光走査ミラー１の動作について説明する。光走査ミラー１の可動板２は、櫛歯電極５が所定の駆動周波数で駆動力を発生することにより駆動される。櫛歯電極５は、例えば、支持部４ｂに配された電圧印加部１０ａがグランド電位に接続され、可動板２の電極２ａが基準電位である状態で、電極４ａと同電位となる電圧印加部１０ｂの電位を周期的に変化させて、電極２ａ，４ａ間に所定の駆動周波数の電圧を印加することにより駆動される。櫛歯電極５のうち２つの電極４ａの電位が、同時に所定の駆動電位（例えば、数十ボルト）まで変化することにより、可動板２の両端部に設けられた２つの電極２ａが、それぞれと対向する電極４ａに、静電気力により同時に引き寄せられる。この光走査ミラー１において、櫛歯電極５には、例えば矩形波形状のパルス電圧が印加され、櫛歯電極５による駆動力が周期的に発生するように構成されている。
【００２９】
本実施形態において、光走査ミラー１は、例えば静電力を駆動力として可動板２を揺動させるように構成されている。電極２ａ，４ａの間に周期的に電圧が印加されると、両電極２ａ，４ａ間に互いに引き合う方向に作用する静電引力が発生し、この静電引力が可動板２の自由端部に、可動板２の上面に対し略垂直方向に作用する。すなわち、電圧印加部１０ａ，１０ｂの電位を変更して外部から櫛歯電極５に駆動電圧が印加されると、静電力により、ヒンジ３まわりのトルクが可動板２に発生する。
【００３０】
このような光走査ミラー１において、一般に多くの場合、その成型時に内部応力等が生じることにより、静止状態でも可動板２が水平姿勢ではなく、きわめて僅かであるが傾いている。そのため、静止状態からであっても、櫛歯電極５が駆動されると、可動板２にそれに略垂直な方向の駆動力が加わり、可動板２がヒンジ３を回転軸として回動する。そして、櫛歯電極５の駆動力を、可動板２が電極２ａ，４ａが完全に重なりあうような姿勢となったときに解除すると、可動板２は、その慣性力により、ヒンジ３を捻りながら回動を継続する。そして、可動板２の回動方向への慣性力と、ヒンジ３の復元力とが等しくなると、可動板２のその方向への回動が止まる。このとき、櫛歯電極５が再び駆動され、可動板２は、ヒンジ３の復元力と櫛歯電極５の駆動力により、それまでとは逆の方向への回動を開始する。可動板２は、このような櫛歯電極５の駆動力とヒンジ３の復元力による回動を繰り返して揺動する。櫛歯電極５は、可動板２とヒンジ３により構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数の電圧が印加されて駆動され、可動板２が共振現象を伴って駆動され、その揺動角が大きくなるように構成されている。なお、櫛歯電極５の電圧の印加態様や駆動周波数は、上述に限られるものではなく、例えば、駆動電圧が正弦波形で印加されるように構成されていても、また、電極２ａ，４ａの電位が互いに逆位相で変化するように構成されていてもよい。
【００３１】
ここで、光走査ミラー１は、ストッパ部６が設けられていることにより、ストッパ部６が設けられていない場合と比較して高い耐衝撃性を有している。図４（ａ）、（ｂ）は、光走査ミラー１のうち、ストッパ部６の近傍部位を示す。外部から衝撃等が加わっていない平常時においては、図４（ａ）に示すように、ヒンジ３はほとんど撓んでおらず、ストッパ部６と凹部２ｅの側縁部との間にも空隙がある状態である。このとき、例えば光走査ミラー１に外部からの振動や衝撃等が加わると、図４（ｂ）に示すように、可動板２が、ヒンジ３を変形させながら、平常時よりも側方（図に黒矢印で示す）に向けて変位することがある。さらに変位量が大きくなると、ストッパ部６が凹部２ｅの側縁部に接触するので、可動板２のその方向への変位が妨げられ、それ以上ヒンジ３の変形量が増えなくなる。なお、可動板２が平常時から変位してストッパ部６が凹部２ｅの側縁部に接触するまでの間、ヒンジ３はストッパ部６に接触しない。
【００３２】
なお、光走査ミラー１は、例えば次のようにして製造される。すなわち、先ず、第１シリコン層２００ａに酸化膜２２０を形成して第２シリコン層２００ｂを貼り合わせてＳＯＩ基板２００を作成する。次に、そのＳＯＩ基板２００のうち第１シリコン層２００ａ側に、フォトリゾグラフィやエッチング等、いわゆるバルクマイクロマシニング技術による加工を施すことにより、可動板２、ヒンジ３、固定フレーム４、櫛歯電極５、ストッパ部６となる形状を形成する（第１工程）。このように、バルクマイクロマシニング技術を用いることにより、光走査ミラー１の各部を微細な形状も含めて容易に形成することができる。その後、例えばスパッタリング等の方法を用いることによって、ＳＯＩ基板２００の第１シリコン層２００ａの上面に金属膜を形成する。この金属膜をパターニングすることにより、可動板２の上面にミラー面１０を形成し、固定フレーム４の上面に電圧印加部１０ａ，１０ｂを形成する。
【００３３】
次に、第２シリコン層２００ｂに、同様にバルクマイクロマシニング技術による加工を施し、固定フレーム４となる形状を形成する（第２工程）。第１シリコン層２００ａ、第２シリコン層２００ｂに加工を行った後、酸化膜２２０のエッチングを行う。例えば、光走査ミラー１の下面側からエッチングを行うことにより、固定フレーム４以外の部位の酸化膜２２０が除去される（第３工程）。これにより、可動板２がヒンジ３を介して固定フレーム４に軸支され、固定フレーム４に対し揺動可能な状態になる。上記第１工程乃至第３工程を経ると、ＳＯＩ基板２００に複数の光走査ミラー１が形成される。第３工程の後、ＳＯＩ基板２００上に形成された複数の光走査ミラー１を個々に切り分ける。この一連の工程により、複数の光走査ミラー１を同時に製造し、光走査ミラー１の製造コストを低減させることが可能である。なお、光走査ミラー１の製造工程はこれに限られるものではなく、例えば、レーザ加工や超音波加工等により成形したり、１つずつ成形してもよい。また、第２シリコン層２００ｂの加工を第１シリコン層２００ａの加工に先立ち行うようにしてもよい。
【００３４】
上記説明したように、本実施形態では、ストッパ部６が設けられていることにより、可動板２が大きく変位せず、ヒンジ３の破損が防止されるので、光走査ミラー１の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパ部６は、ヒンジ３の近傍に配置されているので、可動板２が固定フレーム４に対し傾いているような場合であっても、可動板２の側方への変位を効果的に制限することができ、ヒンジ３の破損をより確実に防止することができる。このとき、ストッパ部６はヒンジ３に接触しないので、確実にヒンジ３の破損を防止することができる。なお、可動板２は、ヒンジ３に軸支されているため、ヒンジ３で構成される揺動軸の長手方向には変位しにくい。従って、ＳＯＩ基板２００の上面に平行な面内の方向での可動板２の変位量は、このようにストッパ部６を設けることによりほぼ制限することができ、効果的にヒンジ３の破損を防止することができる。また、可動板２の変位時に、ストッパ部６を凹部２ｅで支えるので、ストッパ部６を支えるための堅牢な構造を容易に構成することができる。さらにまた、ストッパ部６には面取部６ａが設けられ、凹部２ｅの側縁部に接触しうる部位が尖り形状ではなく、同様に、凹部２ｅの側縁部には、面取部２ｆが設けられ、ストッパ部６に接触しうる部位が尖り形状ではない。従って、ストッパ部６と凹部２ｅの側縁部との接触部位に応力が集中しにくくなり、ストッパ部６や可動板２の破損を防止することができる。
【００３５】
また、ストッパ部６と凹部２ｅの側縁部とは、互いに同電位であって、さらに、ストッパ部６のうち凹部２ｅの側縁部に当接しうる部位にはスティッキング防止膜が配されている。従って、ストッパ部６と凹部２ｅとが接触したとき、静電引力によるスティッキングが発生しにくくなり、可動板２が揺動不能になることをより確実に防止することができる。さらにまた、ストッパ部６は、ヒンジ３の側方に、可動板２の揺動を妨げないように、且つ、可動板２が側方に変位したときに可動板２の凹部２ｅに当接するように設ければよく、ストッパ部６の位置決めを高精度に行う必要がないので、比較的容易に光走査ミラー１を製造可能である。特に、本実施形態においては、第１シリコン層２００ａを加工して固定フレーム４を形成する工程において同時にストッパ部６を形成することができるので、ストッパ部６と固定フレーム４との適正な間隔を容易に確保することができ、容易に製造可能である。
【００３６】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る光走査ミラー２１を示す。以下、上述の第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、上述の第１実施形態と相違する部分についてのみ説明する。光走査ミラー２１は、光走査ミラー１の可動板２とは異なる形状の可動板２２を有している。すなわち、図に示すように、可動板２２は、凹部２ｅを有しておらず、ヒンジ３の両側部の、ストッパ部６よりもヒンジ３から離れた位置に、それぞれ固定フレーム４に向けて突出するように形成された当接突起２２ｅを有している。可動板２２のその他の構成、及び光走査ミラー２１の可動板２２以外の構成は、第１実施形態の光走査ミラー１と同様である。この光走査ミラー２１も、第１シリコン層２００ａにバルクマイクロマシニング技術による加工を施すことにより当接突起２２ｅを含む形状を形成し、容易に製造することができる。
【００３７】
図６（ａ）、（ｂ）は、光走査ミラー２１のうちストッパ部６の近傍部位を示す。２つの当接突起２２ｅは、それぞれ、当該当接突起２２ｅよりもヒンジ３に近い位置のストッパ部６の側部に近接するように配置されている。図６（ａ）に示すように、平常時においては、ストッパ部６と当接突起２２ｅとの間の隙間は、ストッパ部６とヒンジ３との間の隙間よりも若干狭くなるように構成されている。また、当接突起２２ｅのうち、ストッパ部６側の角部には、Ｒ面取形状の面取部２２ｆが形成されている。図６（ｂ）に示すように、可動板２２が側方に変位すると、一方のストッパ部６と当接突起２２ｅとが接触し、それ以上可動板２２が変位しない。従って、本実施形態においても、上述の第１実施形態と同様に、ヒンジ３の破損を防止し、光走査ミラー２１の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパ部６はヒンジ３に接触しないので、確実にヒンジ３の破損を防止することができる。ストッパ部６と当接突起２２ｅとは互いに同電位であるので、ストッパ部６と当接突起２２ｅとが接触したときに、スティッキングが発生しにくく、光走査ミラー２１をより確実に動作可能な状態に維持することができる。
【００３８】
図７は、本発明の第３実施形態に係る光走査ミラー４１を示す。光走査ミラー４１は、光走査ミラー１の可動板２に替えて、ヒンジ３に沿うように形成されたストッパ部４６を有する可動板４２を備えている。また、固定フレーム４の支持部４ｂには、当接突起４４ｅが設けられている。当接突起４４ｅは、ヒンジ３の両側部であってストッパ部４６よりもヒンジ３から離れた位置に、それぞれ可動板４２に向けて突出するように形成されている。光走査ミラー４１の可動板４２及び当接突起４４ｅ以外の構成は、第１実施形態の光走査ミラー１と同様である。この光走査ミラー４１も、第１シリコン層２００ａにバルクマイクロマシニング技術による加工を施すことにより、可動板４２及び当接突起４４ｅを含む形状を形成し、容易に製造することができる。
【００３９】
図８（ａ）、（ｂ）は、光走査ミラー４１のうちストッパ部４６の近傍部位を示す。２つの当接突起４４ｅは、それぞれ、当該当接突起４４ｅよりもヒンジ３に近い位置のストッパ部４６の側部に近接するように配置されている。図６（ａ）に示すように、平常時においては、ストッパ部４６と当接突起４４ｅとの間の隙間は、ストッパ部４６とヒンジ３との間の隙間よりも若干狭くなるように構成されている。当接突起４４ｅ及びストッパ部４６には、それぞれ、光走査ミラー１の凹部２ｅについての面取部２ｆ、ストッパ部６についての面取部６ａと同様に、面取部４４ｆ、面取部４６ａが形成されている。図６（ｂ）に示すように、可動板４２が側方に変位すると、一方のストッパ部４６と当接突起４４ｅとが接触し、それ以上可動板４２が変位しない。従って、本実施形態においても、上述の第１実施形態や第２実施形態と同様に、ヒンジ３の破損を防止し、光走査ミラー４１の耐衝撃性を向上させることができる。また、ストッパ部４６はヒンジ３に接触しないので、確実にヒンジ３の破損を防止することができる。さらにまた、当接突起４４ｅには面取部４４ｆが形成されており、ストッパ部４６には面取部４６ａが形成されているので、ストッパ部４６や当接突起４４ｅの破損を防止することができる。
【００４０】
図９は、本発明の第４実施形態に係る光走査ミラーのストッパ部５６の近傍部位を示す。第４実施形態において、光走査ミラーの全体の構成は第１実施形態の光走査ミラー１と同様であるため、説明を省略する。第４実施形態では、スティッキング防止膜が設けられたストッパ部６に替えて、突起部５６ｃが形成されたストッパ部５６が設けられている。突起部５６ｃは、図に示すように、例えば上面視で鋸歯形状を成すように設けられており、ストッパ部５６のうち、可動板２が変位したときに凹部２ｅの側縁部と接触する部位に設けられている。
【００４１】
第４実施形態では、ストッパ部５６に突起部５６ｃが設けられているので、ストッパ部５６と凹部２ｅの側縁部とが接触したとき、互いの接触面積が少なくなる。これにより、ストッパ部５６と凹部２ｅの間で静電引力の影響が小さくなるため、スティッキングの発生が防止される。なお、突起部５６ｃの形状は鋸歯形状に限られるものではない。突起部５６ｃは、ストッパ部５６と凹部２ｅと接触したときにその接触部位に応力が集中しすぎないような形状に形成されるのが望ましい。さらにまた、第４実施形態において、さらに、ストッパ部５６と凹部２ｅの側縁部とが接触しうる部分にスティッキング防止膜を形成してもよく、これにより、スティッキングの発生をより確実に防止することができる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、光走査ミラーは、上記実施形態のような１軸に揺動可能なものではなく、例えば固定フレームに対し揺動可能に軸支された可動フレーム（フレーム部）を有し、可動フレームに対して揺動可能にミラー面が設けられたミラー部が軸支されている２軸ジンバル型のものであってもよい。この場合、ストッパ部を、可動フレームが軸支されるヒンジに沿うように形成することにより、可動フレーム及びミラー部を含む可動板の変位量を制限することができる。同様に、ストッパ部を、ミラー部が軸支されるヒンジに沿うように形成することにより、可動板としてのミラー部の可動フレームに対する変位量を制限することができる。また、光走査ミラーは、ＳＯＩ基板でなく、単一のシリコン基板や金属板から構成されていてもよく、また、可動板を揺動する駆動力は、櫛歯電極間に働く静電力ではなく、平板電極間に働く静電力や、電磁力、電歪力、熱歪力であってもよい。さらにまた、ストッパ部は、可動板やフレーム部に一体に形成されていなくてもよく、可動板やフレーム部とは離れて、可動板の変位量を制限可能に配置されていてもよい。いずれの場合も、ストッパ部を、可動板を軸支するヒンジの側方にヒンジに沿うように形成することにより、可動板の側方への変位を制限することができ、ヒンジの破損を防止し、光走査ミラーの耐衝撃性を向上させることができる。
【００４３】
さらにまた、本発明は、ミラー面を有し光を走査する光走査ミラーに限られず、一対のヒンジにより固定フレームに対し揺動可能に構成された可動板が半導体基板に形成されてなる可動構造体に広く適用可能である。すなわち、ヒンジの側方にヒンジに沿うようにストッパ部を設けることにより、可動構造体の耐衝撃性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る可動構造体である光走査ミラーの上面側を示す斜視図、（ｂ）は同光走査ミラーの下面側を示す斜視図。
【図２】上記光走査ミラーの平面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】（ａ）は上記光走査ミラーのストッパ部近傍部位を示す平面図、（ｂ）は可動板が平常時から変位したときの同部位を示す平面図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光走査ミラーを示す斜視図。
【図６】（ａ）は上記光走査ミラーのストッパ部近傍部位を示す平面図、（ｂ）は可動板が平常時から変位したときの同部位を示す平面図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る光走査ミラーを示す斜視図。
【図８】（ａ）は上記光走査ミラーのストッパ部近傍部位を示す平面図、（ｂ）は可動板が平常時から変位したときの同部位を示す平面図。
【図９】本発明の第４実施形態に係る光走査ミラーのストッパ部近傍部位を示す平面図。
【符号の説明】
【００４５】
１，２１，４１ 光走査ミラー（可動構造体）
２，２２，４２ 可動板
２ｅ 凹部
３ ヒンジ
４ 固定フレーム（フレーム部）
６，４６，５６ ストッパ部
６ａ，４６ａ 面取部
１０ ミラー面
５６ｃ 突起部
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ヒンジに軸支され揺動可能に構成された可動板を有する可動構造体とそれを用いた光走査ミラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、例えばバーコードリーダやプロジェクタ等の光学機器として、ミラー面が設けられた可動板を揺動させて、そのミラー面に入射した光ビーム等をスキャンする光走査ミラーを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照）。光走査ミラーとしては、例えば、マイクロマシニング技術を用いて成形される可動構造体を有する小型のものが知られている。このような可動構造体は、光走査ミラーとして用いられるときにミラー面が形成される可動板と、可動板を支持する固定フレームとを有している。可動板と固定フレームとは互いにヒンジにより連結されている。可動板は、可動板に駆動力が加えられることにより、ヒンジを捻りながら固定フレームに対し回動し、ヒンジを軸として揺動する。駆動力としては、例えば、可動板と固定フレームとの間に形成された互いに噛み合う一対の櫛歯電極に電圧が印加されて発生する静電力や、圧電効果により発生する力や、電磁力等が用いられる。
【０００３】
ところで、このような光走査ミラーにおいて、小さな駆動電圧で駆動力を発生させ、光を走査するのに必要な振れ角を確保するためには、ヒンジを細くし、ヒンジのねじり方向のばね定数を小さくすればよい。しかしながら、このようにヒンジを細くすると、ヒンジが脆弱になる。そのため、外部から衝撃が加わったときに可動板が変位してヒンジの変形量が大きくなると、ヒンジが破損し、光走査ミラーが動作不能になることがある。
【０００４】
なお、特許文献１には、可動板の傾斜中心となる中央部を支持可能なピボットが形成されたマイクロミラー装置が開示されている。しかしながら、このマイクロミラー装置は、ピボットを、可動板の中央部に対応し、且つ、可動板に近接するように、所定位置に正確に形成する必要がるため、容易に製造しにくいという問題がある。
【特許文献１】特開２００３−５７５７５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、容易に製造可能であり、且つ、外部から衝撃が加わったときにヒンジの破損が防止され高い耐衝撃性を有する可動構造体及びそれを用いた光走査ミラーを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、請求項１の発明は、可動板と、それぞれ前記可動板に一端部が接続され前記可動板の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジと、前記一対のヒンジのそれぞれの他端部が接続されており前記ヒンジを支持するフレーム部とを備え、前記可動板が、前記一対のヒンジをねじりながら前記フレーム部に対して揺動可能に構成されている可動構造体において、前記ヒンジの側方には、当該ヒンジに沿うようにストッパ部が形成されており、前記可動板が側方へ変位するときに当該ストッパ部と可動構造体の他の部位とが接触することにより、前記可動板の側方への変位量が制限されているものである。
【０００７】
請求項２の発明は、請求項１の発明において、前記ストッパ部は、前記可動板又はフレーム部に一体に形成されているものである。
【０００８】
請求項３の発明は、請求項２の発明において、前記可動板には、前記ヒンジにより軸支される部位の近傍にヒンジの長手方向に凹むように形成された凹部が設けられており、前記ストッパ部は、前記フレーム部に一体に形成されており、前記ヒンジと前記凹部を形成する可動板の側縁部との間に位置するように形成されているものである。
【０００９】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項の発明において、前記ストッパ部の角部には、Ｒ面取り形状の面取部が形成されているものである。
【００１０】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項の発明において、前記ストッパ部は、前記ヒンジ部と同電位になるように構成されているものである。
【００１１】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項の発明において、前記ストッパ部の少なくとも一部には、当該ストッパ部に接触したものとの間でスティッキングが発生しないように、スティッキング防止膜又は突起部が形成されているものである。
【００１２】
請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６記載のいずれか一項に記載の可動構造体を有し、前記可動板の上面に、入射した光を反射するミラー面を設けたものである。
【発明の効果】
【００１３】
請求項１の発明によれば、例えば外部からの衝撃が可動構造体に加わって可動板が側方に変位しても、ストッパ部が他の部位に接触することにより可動板の側方への変位量が制限される。従って、可動板が大きく変位せず、ヒンジの破損が防止されるので、可動構造体の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパ部は、ヒンジの近傍に配置されているので、可動板がフレーム部に対し傾いているような場合であっても、可動板の側方への変位を効果的に制限することができる。また、従来のようにピボット状の突起等を形成する場合と比較して、ストッパ部の位置や形状の精度が要求される程度は低いので、比較的容易に可動構造体を製造可能である。ストッパ部はヒンジに接触しないので、確実にヒンジの破損を防止することができる。
【００１４】
請求項２の発明によれば、可動板又はフレーム部を構成する部材を加工し可動板又はフレーム部を形成する際にストッパ部を容易に形成することができ、可動構造体をより容易に製造可能である。
【００１５】
請求項３の発明によれば、可動板の変位時に、ストッパ部が凹部の側縁部に接触することにより可動板の変位量を制限することができる。従って、可動板の変位量を制限するための構造をより容易に且つ堅牢に構成することができる。
【００１６】
請求項４の発明によれば、可動板の変位時に可動構造体の他の部位に接触するストッパ部の部位に尖り形状が無くなるので、ストッパ部とストッパ部に接触する部位とが接触したときにこれらの部位に応力が集中しにくくなる。従って、ストッパ部や可動構造体のストッパ部に接触する部位の破損を防止することができる。
【００１７】
請求項５の発明によれば、可動板が側方へ変位してストッパ部が可動構造体の他の部位に接触しても、静電引力によるスティッキングが発生し可動板が揺動不能になることを防止することができる。
【００１８】
請求項６の発明によれば、可動板が側方へ変位してストッパ部が可動構造体の他の部位に接触しても、スティッキング防止膜又は突起部によりスティッキングの発生が防止され、可動板が揺動不能になることを防止することができる。
【００１９】
請求項７の発明によれば、光走査ミラーの耐衝撃性を向上させ、且つ、光走査ミラーを容易に製造可能にすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の第１実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）、図２、及び図３は、本実施形態に係る光走査ミラー（可動構造体）の一例を示す。光走査ミラー１は、例えば、バーコードリーダ、外部のスクリーン等に画像を投影するプロジェクタ装置、又は光スイッチ等の光学機器に搭載される小型のものであり、外部の光源等（図示せず）から入射する光ビーム等をスキャンする機能を有している。
【００２１】
先ず、光走査ミラー１の構成について以下に説明する。光走査ミラー１は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板２００をいわゆるマイクロマシニング技術等を用いて加工することにより作製されたＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）素子である。ＳＯＩ基板２００は、例えば、導電性を有する第１シリコン層（活性層）２００ａと第２シリコン層（基板層）２００ｂとをシリコンの酸化膜（ＢＯＸ（Buried OXide）層）２２０を介して接合して成る、３層構成の基板である。酸化膜２２０は絶縁性を有しているので、第１シリコン層２００ａと第２シリコン層２００ｂとは互いに絶縁されている。第１シリコン層２００ａの厚みは、例えば３０μｍ程度であり、第２シリコン層２００ｂの厚みは、例えば４００μｍ程度である。図１（ａ）に示すように、光走査ミラー１は、例えば、上面視で一辺が数ｍｍ程度の略正方形又は略矩形である直方体状の素子である。
【００２２】
光走査ミラー１は、上面視で略矩形形状であり上面にミラー面１０が形成された可動板２と、可動板２の両側部に一端部がそれぞれ接続され、可動板２の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジ３と、可動板２の周囲を囲むように配され各ヒンジ３の他端部を支持する固定フレーム（フレーム部）４と、可動板２の一部の電極２ａ及び固定フレーム４の一部の電極４ａを有する櫛歯電極５と、固定フレーム４に形成されたストッパ部６を備えている。図１（ｂ）に示すように、可動板２の下方には空隙が設けられており、可動板２は、一対のヒンジ３をねじりながら、そのヒンジ３を揺動軸として固定フレーム４に対して揺動可能に、そのヒンジ３を介して支持されている。一対のヒンジ３は、それらが成す軸が、上面視で可動板２の重心位置を通過するように形成されている。ヒンジ３の幅寸法は、例えば、数マイクロメートル乃至数十マイクロメートル程度である。固定フレーム４の上面には、例えば金属膜である電圧印加部１０ａ，１０ｂが形成されている。なお、可動板２やミラー面１０等の形状は、矩形に限られず、円形等、他の形状であってもよい。光走査ミラー１は、例えば、ガラス基板１１０などが固定フレーム４の下面に接合され、回路基板Ｂ等に実装される。
【００２３】
図３に示すように、可動板２及びヒンジ３は、第１シリコン層２００ａに形成されている。ミラー面１０は、例えばアルミニウム製の薄膜であり、可動板２の上面に外部から入射する光ビームを反射可能に形成されている。可動板２は、可動板２に対し垂直でヒンジ３を通る平面に対し略対称形状に形成されており、ヒンジ３回りにスムーズに揺動するように構成されている。
【００２４】
固定フレーム４は、第１シリコン層２００ａ、酸化膜２２０、及び第２シリコン層２００ｂにより構成されている。本実施形態において、固定フレーム４には、例えば、第１シリコン層２００ａを互いに絶縁された３つの部位に分割するように、トレンチ１０１が形成されている。トレンチ１０１は、第１シリコン層２００ａに、第１シリコン層２００ａの上端から下端まで連通し酸化膜２２０に到達するように溝形状に形成された空隙である。トレンチ１０１は第１シリコン層２００ａにのみ形成されているので、固定フレーム４全体は一体に構成されている。トレンチ１０１は、固定フレーム４のうち、一対のヒンジ３とそれぞれ接続される２つの支持部４ｂが他の部位から絶縁されるように、４箇所に形成されている。トレンチ１０１が形成されていることにより、固定フレーム４は、一対のヒンジ３それぞれに接続され可動板２と同電位となり、上面に電圧印加部１０ａが形成された２つの支持部４ｂと、上面にそれぞれ電圧印加部１０ｂが形成された２つの部位とに分割されている。トレンチ１０１は、第１シリコン層２００ａを分離しているので、これらの部位は、互いに絶縁されている。すなわち、図２にそれぞれの部位に模様を付して示すように、可動板２、ヒンジ３、及び固定フレーム４は、互いに絶縁された３つの部位で構成されている。
【００２５】
櫛歯電極５の電極２ａは、可動板２のうちヒンジ３が接続されていない自由端側の側縁部に形成されており、電極４ａは、固定フレーム４のうち当該可動板２の側縁部に対向する部分に形成されている。櫛歯電極５を構成する電極２ａ及び電極４ａは、互いに噛み合うように形成されている。電極２ａ，４ａ間の隙間は、例えば、２μｍ乃至５μｍ程度である。
【００２６】
ストッパ部６は、可動板２の側方、すなわちヒンジ３で構成される揺動軸に略垂直でＳＯＩ基板２００の上面に略平行な方向への変位量を制限するために設けられている。図２に示すように、ストッパ部６は、第１シリコン層２００ａに固定フレーム４に一体に形成されており、ヒンジ３の両側方に、ヒンジ３に沿うように、固定フレーム４から可動板２に向けて突設されている。本実施形態において、可動板２のうちヒンジ３が接続された部位には、固定フレーム４から離れる方向すなわちヒンジ３の長手方向に凹むように形成された凹部２ｅが設けられている。換言すると、ヒンジ３は、可動板２に設けられた凹部２ｅの内側縁部に接続されている。ストッパ部６は、その可動板２に近い先端部が、ヒンジ３と凹部２ｅとを形成する可動板２の側縁部との間に位置するように形成されている。ストッパ部６は、光走査ミラー１に外部から衝撃等が加わっていない平常時において、可動板２の揺動を妨げないようにヒンジ３との間に所定の隙間を有するように形成されている。従って、ヒンジ３がストッパ部６に当接して破損することがない。ストッパ部６は、固定フレーム４のうちヒンジ３が接続された支持部４ｂから突設されており、可動板２、ヒンジ３、及びストッパ部６は互いに同電位となるように構成されている。
【００２７】
図２に示すように、ストッパ部６の先端部近傍部位の角部には、Ｒ面取り形状に形成された面取部６ａが設けられている。また、凹部２ｅのうちストッパ部６に面する部位にある角部にも、Ｒ面取り形状に形成された面取部２ｆが設けられている。ストッパ部６は、ストッパ部６とヒンジ３との間の隙間よりも、ストッパ部６と可動板２の凹部２ｅとの間の隙間のほうが狭くなるように形成されている。なお、ストッパ部６のうち、可動板２に面する部位には、スティッキング防止膜（図示せず）が形成されている。スティッキング防止膜は、例えば、ＤＬＣ（Diamond Like Carbon）膜や、ＳＡＭ（Self-assembled Monolayer）を、ストッパ部６の可動板２に面する部位に形成させることにより設けられる。
【００２８】
次に、上記のように構成された光走査ミラー１の動作について説明する。光走査ミラー１の可動板２は、櫛歯電極５が所定の駆動周波数で駆動力を発生することにより駆動される。櫛歯電極５は、例えば、支持部４ｂに配された電圧印加部１０ａがグランド電位に接続され、可動板２の電極２ａが基準電位である状態で、電極４ａと同電位となる電圧印加部１０ｂの電位を周期的に変化させて、電極２ａ，４ａ間に所定の駆動周波数の電圧を印加することにより駆動される。櫛歯電極５のうち２つの電極４ａの電位が、同時に所定の駆動電位（例えば、数十ボルト）まで変化することにより、可動板２の両端部に設けられた２つの電極２ａが、それぞれと対向する電極４ａに、静電気力により同時に引き寄せられる。この光走査ミラー１において、櫛歯電極５には、例えば矩形波形状のパルス電圧が印加され、櫛歯電極５による駆動力が周期的に発生するように構成されている。
【００２９】
本実施形態において、光走査ミラー１は、例えば静電力を駆動力として可動板２を揺動させるように構成されている。電極２ａ，４ａの間に周期的に電圧が印加されると、両電極２ａ，４ａ間に互いに引き合う方向に作用する静電引力が発生し、この静電引力が可動板２の自由端部に、可動板２の上面に対し略垂直方向に作用する。すなわち、電圧印加部１０ａ，１０ｂの電位を変更して外部から櫛歯電極５に駆動電圧が印加されると、静電力により、ヒンジ３まわりのトルクが可動板２に発生する。
【００３０】
このような光走査ミラー１において、一般に多くの場合、その成型時に内部応力等が生じることにより、静止状態でも可動板２が水平姿勢ではなく、きわめて僅かであるが傾いている。そのため、静止状態からであっても、櫛歯電極５が駆動されると、可動板２にそれに略垂直な方向の駆動力が加わり、可動板２がヒンジ３を回転軸として回動する。そして、櫛歯電極５の駆動力を、可動板２が電極２ａ，４ａが完全に重なりあうような姿勢となったときに解除すると、可動板２は、その慣性力により、ヒンジ３を捻りながら回動を継続する。そして、可動板２の回動方向への慣性力と、ヒンジ３の復元力とが等しくなると、可動板２のその方向への回動が止まる。このとき、櫛歯電極５が再び駆動され、可動板２は、ヒンジ３の復元力と櫛歯電極５の駆動力により、それまでとは逆の方向への回動を開始する。可動板２は、このような櫛歯電極５の駆動力とヒンジ３の復元力による回動を繰り返して揺動する。櫛歯電極５は、可動板２とヒンジ３により構成される振動系の共振周波数の略２倍の周波数の電圧が印加されて駆動され、可動板２が共振現象を伴って駆動され、その揺動角が大きくなるように構成されている。なお、櫛歯電極５の電圧の印加態様や駆動周波数は、上述に限られるものではなく、例えば、駆動電圧が正弦波形で印加されるように構成されていても、また、電極２ａ，４ａの電位が互いに逆位相で変化するように構成されていてもよい。
【００３１】
ここで、光走査ミラー１は、ストッパ部６が設けられていることにより、ストッパ部６が設けられていない場合と比較して高い耐衝撃性を有している。図４（ａ）、（ｂ）は、光走査ミラー１のうち、ストッパ部６の近傍部位を示す。外部から衝撃等が加わっていない平常時においては、図４（ａ）に示すように、ヒンジ３はほとんど撓んでおらず、ストッパ部６と凹部２ｅの側縁部との間にも空隙がある状態である。このとき、例えば光走査ミラー１に外部からの振動や衝撃等が加わると、図４（ｂ）に示すように、可動板２が、ヒンジ３を変形させながら、平常時よりも側方（図に黒矢印で示す）に向けて変位することがある。さらに変位量が大きくなると、ストッパ部６が凹部２ｅの側縁部に接触するので、可動板２のその方向への変位が妨げられ、それ以上ヒンジ３の変形量が増えなくなる。なお、可動板２が平常時から変位してストッパ部６が凹部２ｅの側縁部に接触するまでの間、ヒンジ３はストッパ部６に接触しない。
【００３２】
なお、光走査ミラー１は、例えば次のようにして製造される。すなわち、先ず、第１シリコン層２００ａに酸化膜２２０を形成して第２シリコン層２００ｂを貼り合わせてＳＯＩ基板２００を作成する。次に、そのＳＯＩ基板２００のうち第１シリコン層２００ａ側に、フォトリゾグラフィやエッチング等、いわゆるバルクマイクロマシニング技術による加工を施すことにより、可動板２、ヒンジ３、固定フレーム４、櫛歯電極５、ストッパ部６となる形状を形成する（第１工程）。このように、バルクマイクロマシニング技術を用いることにより、光走査ミラー１の各部を微細な形状も含めて容易に形成することができる。その後、例えばスパッタリング等の方法を用いることによって、ＳＯＩ基板２００の第１シリコン層２００ａの上面に金属膜を形成する。この金属膜をパターニングすることにより、可動板２の上面にミラー面１０を形成し、固定フレーム４の上面に電圧印加部１０ａ，１０ｂを形成する。
【００３３】
次に、第２シリコン層２００ｂに、同様にバルクマイクロマシニング技術による加工を施し、固定フレーム４となる形状を形成する（第２工程）。第１シリコン層２００ａ、第２シリコン層２００ｂに加工を行った後、酸化膜２２０のエッチングを行う。例えば、光走査ミラー１の下面側からエッチングを行うことにより、固定フレーム４以外の部位の酸化膜２２０が除去される（第３工程）。これにより、可動板２がヒンジ３を介して固定フレーム４に軸支され、固定フレーム４に対し揺動可能な状態になる。上記第１工程乃至第３工程を経ると、ＳＯＩ基板２００に複数の光走査ミラー１が形成される。第３工程の後、ＳＯＩ基板２００上に形成された複数の光走査ミラー１を個々に切り分ける。この一連の工程により、複数の光走査ミラー１を同時に製造し、光走査ミラー１の製造コストを低減させることが可能である。なお、光走査ミラー１の製造工程はこれに限られるものではなく、例えば、レーザ加工や超音波加工等により成形したり、１つずつ成形してもよい。また、第２シリコン層２００ｂの加工を第１シリコン層２００ａの加工に先立ち行うようにしてもよい。
【００３４】
上記説明したように、本実施形態では、ストッパ部６が設けられていることにより、可動板２が大きく変位せず、ヒンジ３の破損が防止されるので、光走査ミラー１の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパ部６は、ヒンジ３の近傍に配置されているので、可動板２が固定フレーム４に対し傾いているような場合であっても、可動板２の側方への変位を効果的に制限することができ、ヒンジ３の破損をより確実に防止することができる。このとき、ストッパ部６はヒンジ３に接触しないので、確実にヒンジ３の破損を防止することができる。なお、可動板２は、ヒンジ３に軸支されているため、ヒンジ３で構成される揺動軸の長手方向には変位しにくい。従って、ＳＯＩ基板２００の上面に平行な面内の方向での可動板２の変位量は、このようにストッパ部６を設けることによりほぼ制限することができ、効果的にヒンジ３の破損を防止することができる。また、可動板２の変位時に、ストッパ部６を凹部２ｅで支えるので、ストッパ部６を支えるための堅牢な構造を容易に構成することができる。さらにまた、ストッパ部６には面取部６ａが設けられ、凹部２ｅの側縁部に接触しうる部位が尖り形状ではなく、同様に、凹部２ｅの側縁部には、面取部２ｆが設けられ、ストッパ部６に接触しうる部位が尖り形状ではない。従って、ストッパ部６と凹部２ｅの側縁部との接触部位に応力が集中しにくくなり、ストッパ部６や可動板２の破損を防止することができる。
【００３５】
また、ストッパ部６と凹部２ｅの側縁部とは、互いに同電位であって、さらに、ストッパ部６のうち凹部２ｅの側縁部に当接しうる部位にはスティッキング防止膜が配されている。従って、ストッパ部６と凹部２ｅとが接触したとき、静電引力によるスティッキングが発生しにくくなり、可動板２が揺動不能になることをより確実に防止することができる。さらにまた、ストッパ部６は、ヒンジ３の側方に、可動板２の揺動を妨げないように、且つ、可動板２が側方に変位したときに可動板２の凹部２ｅに当接するように設ければよく、ストッパ部６の位置決めを高精度に行う必要がないので、比較的容易に光走査ミラー１を製造可能である。特に、本実施形態においては、第１シリコン層２００ａを加工して固定フレーム４を形成する工程において同時にストッパ部６を形成することができるので、ストッパ部６と固定フレーム４との適正な間隔を容易に確保することができ、容易に製造可能である。
【００３６】
次に、本発明の第２実施形態について説明する。図５は、第２実施形態に係る光走査ミラー２１を示す。以下、上述の第１実施形態と同様の構成要素には同一の符号を付し、上述の第１実施形態と相違する部分についてのみ説明する。光走査ミラー２１は、光走査ミラー１の可動板２とは異なる形状の可動板２２を有している。すなわち、図に示すように、可動板２２は、凹部２ｅを有しておらず、ヒンジ３の両側部の、ストッパ部６よりもヒンジ３から離れた位置に、それぞれ固定フレーム４に向けて突出するように形成された当接突起２２ｅを有している。可動板２２のその他の構成、及び光走査ミラー２１の可動板２２以外の構成は、第１実施形態の光走査ミラー１と同様である。この光走査ミラー２１も、第１シリコン層２００ａにバルクマイクロマシニング技術による加工を施すことにより当接突起２２ｅを含む形状を形成し、容易に製造することができる。
【００３７】
図６（ａ）、（ｂ）は、光走査ミラー２１のうちストッパ部６の近傍部位を示す。２つの当接突起２２ｅは、それぞれ、当該当接突起２２ｅよりもヒンジ３に近い位置のストッパ部６の側部に近接するように配置されている。図６（ａ）に示すように、平常時においては、ストッパ部６と当接突起２２ｅとの間の隙間は、ストッパ部６とヒンジ３との間の隙間よりも若干狭くなるように構成されている。また、当接突起２２ｅのうち、ストッパ部６側の角部には、Ｒ面取形状の面取部２２ｆが形成されている。図６（ｂ）に示すように、可動板２２が側方に変位すると、一方のストッパ部６と当接突起２２ｅとが接触し、それ以上可動板２２が変位しない。従って、本実施形態においても、上述の第１実施形態と同様に、ヒンジ３の破損を防止し、光走査ミラー２１の耐衝撃性を向上させることができる。ストッパ部６はヒンジ３に接触しないので、確実にヒンジ３の破損を防止することができる。ストッパ部６と当接突起２２ｅとは互いに同電位であるので、ストッパ部６と当接突起２２ｅとが接触したときに、スティッキングが発生しにくく、光走査ミラー２１をより確実に動作可能な状態に維持することができる。
【００３８】
図７は、本発明の第３実施形態に係る光走査ミラー４１を示す。光走査ミラー４１は、光走査ミラー１の可動板２に替えて、ヒンジ３に沿うように形成されたストッパ部４６を有する可動板４２を備えている。また、固定フレーム４の支持部４ｂには、当接突起４４ｅが設けられている。当接突起４４ｅは、ヒンジ３の両側部であってストッパ部４６よりもヒンジ３から離れた位置に、それぞれ可動板４２に向けて突出するように形成されている。光走査ミラー４１の可動板４２及び当接突起４４ｅ以外の構成は、第１実施形態の光走査ミラー１と同様である。この光走査ミラー４１も、第１シリコン層２００ａにバルクマイクロマシニング技術による加工を施すことにより、可動板４２及び当接突起４４ｅを含む形状を形成し、容易に製造することができる。
【００３９】
図８（ａ）、（ｂ）は、光走査ミラー４１のうちストッパ部４６の近傍部位を示す。２つの当接突起４４ｅは、それぞれ、当該当接突起４４ｅよりもヒンジ３に近い位置のストッパ部４６の側部に近接するように配置されている。図６（ａ）に示すように、平常時においては、ストッパ部４６と当接突起４４ｅとの間の隙間は、ストッパ部４６とヒンジ３との間の隙間よりも若干狭くなるように構成されている。当接突起４４ｅ及びストッパ部４６には、それぞれ、光走査ミラー１の凹部２ｅについての面取部２ｆ、ストッパ部６についての面取部６ａと同様に、面取部４４ｆ、面取部４６ａが形成されている。図６（ｂ）に示すように、可動板４２が側方に変位すると、一方のストッパ部４６と当接突起４４ｅとが接触し、それ以上可動板４２が変位しない。従って、本実施形態においても、上述の第１実施形態や第２実施形態と同様に、ヒンジ３の破損を防止し、光走査ミラー４１の耐衝撃性を向上させることができる。また、ストッパ部４６はヒンジ３に接触しないので、確実にヒンジ３の破損を防止することができる。さらにまた、当接突起４４ｅには面取部４４ｆが形成されており、ストッパ部４６には面取部４６ａが形成されているので、ストッパ部４６や当接突起４４ｅの破損を防止することができる。
【００４０】
図９は、本発明の第４実施形態に係る光走査ミラーのストッパ部５６の近傍部位を示す。第４実施形態において、光走査ミラーの全体の構成は第１実施形態の光走査ミラー１と同様であるため、説明を省略する。第４実施形態では、スティッキング防止膜が設けられたストッパ部６に替えて、突起部５６ｃが形成されたストッパ部５６が設けられている。突起部５６ｃは、図に示すように、例えば上面視で鋸歯形状を成すように設けられており、ストッパ部５６のうち、可動板２が変位したときに凹部２ｅの側縁部と接触する部位に設けられている。
【００４１】
第４実施形態では、ストッパ部５６に突起部５６ｃが設けられているので、ストッパ部５６と凹部２ｅの側縁部とが接触したとき、互いの接触面積が少なくなる。これにより、ストッパ部５６と凹部２ｅの間で静電引力の影響が小さくなるため、スティッキングの発生が防止される。なお、突起部５６ｃの形状は鋸歯形状に限られるものではない。突起部５６ｃは、ストッパ部５６と凹部２ｅと接触したときにその接触部位に応力が集中しすぎないような形状に形成されるのが望ましい。さらにまた、第４実施形態において、さらに、ストッパ部５６と凹部２ｅの側縁部とが接触しうる部分にスティッキング防止膜を形成してもよく、これにより、スティッキングの発生をより確実に防止することができる。
【００４２】
なお、本発明は上記実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、光走査ミラーは、上記実施形態のような１軸に揺動可能なものではなく、例えば固定フレームに対し揺動可能に軸支された可動フレーム（フレーム部）を有し、可動フレームに対して揺動可能にミラー面が設けられたミラー部が軸支されている２軸ジンバル型のものであってもよい。この場合、ストッパ部を、可動フレームが軸支されるヒンジに沿うように形成することにより、可動フレーム及びミラー部を含む可動板の変位量を制限することができる。同様に、ストッパ部を、ミラー部が軸支されるヒンジに沿うように形成することにより、可動板としてのミラー部の可動フレームに対する変位量を制限することができる。また、光走査ミラーは、ＳＯＩ基板でなく、単一のシリコン基板や金属板から構成されていてもよく、また、可動板を揺動する駆動力は、櫛歯電極間に働く静電力ではなく、平板電極間に働く静電力や、電磁力、電歪力、熱歪力であってもよい。さらにまた、ストッパ部は、可動板やフレーム部に一体に形成されていなくてもよく、可動板やフレーム部とは離れて、可動板の変位量を制限可能に配置されていてもよい。いずれの場合も、ストッパ部を、可動板を軸支するヒンジの側方にヒンジに沿うように形成することにより、可動板の側方への変位を制限することができ、ヒンジの破損を防止し、光走査ミラーの耐衝撃性を向上させることができる。
【００４３】
さらにまた、本発明は、ミラー面を有し光を走査する光走査ミラーに限られず、一対のヒンジにより固定フレームに対し揺動可能に構成された可動板が半導体基板に形成されてなる可動構造体に広く適用可能である。すなわち、ヒンジの側方にヒンジに沿うようにストッパ部を設けることにより、可動構造体の耐衝撃性を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】（ａ）は本発明の第１実施形態に係る可動構造体である光走査ミラーの上面側を示す斜視図、（ｂ）は同光走査ミラーの下面側を示す斜視図。
【図２】上記光走査ミラーの平面図。
【図３】図２のＡ−Ａ線断面図。
【図４】（ａ）は上記光走査ミラーのストッパ部近傍部位を示す平面図、（ｂ）は可動板が平常時から変位したときの同部位を示す平面図。
【図５】本発明の第２実施形態に係る光走査ミラーを示す斜視図。
【図６】（ａ）は上記光走査ミラーのストッパ部近傍部位を示す平面図、（ｂ）は可動板が平常時から変位したときの同部位を示す平面図。
【図７】本発明の第３実施形態に係る光走査ミラーを示す斜視図。
【図８】（ａ）は上記光走査ミラーのストッパ部近傍部位を示す平面図、（ｂ）は可動板が平常時から変位したときの同部位を示す平面図。
【図９】本発明の第４実施形態に係る光走査ミラーのストッパ部近傍部位を示す平面図。
【符号の説明】
【００４５】
１，２１，４１ 光走査ミラー（可動構造体）
２，２２，４２ 可動板
２ｅ 凹部
３ ヒンジ
４ 固定フレーム（フレーム部）
６，４６，５６ ストッパ部
６ａ，４６ａ 面取部
１０ ミラー面
５６ｃ 突起部
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動板と、それぞれ前記可動板に一端部が接続され前記可動板の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジと、前記一対のヒンジのそれぞれの他端部が接続されており前記ヒンジを支持するフレーム部とを備え、
前記可動板が、前記一対のヒンジをねじりながら前記フレーム部に対して揺動可能に構成されている可動構造体において、
前記ヒンジの側方には、当該ヒンジに沿うようにストッパ部が形成されており、前記可動板が側方へ変位するときに当該ストッパ部と可動構造体の他の部位とが接触することにより、前記可動板の側方への変位量が制限されていることを特徴とする可動構造体。
【請求項２】
前記ストッパ部は、前記可動板又はフレーム部に一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載の可動構造体。
【請求項３】
前記可動板には、前記ヒンジにより軸支される部位の近傍にヒンジの長手方向に凹むように形成された凹部が設けられており、
前記ストッパ部は、前記フレーム部に一体に形成されており、前記ヒンジと前記凹部を形成する可動板の側縁部との間に位置するように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の可動構造体。
【請求項４】
前記ストッパ部の角部には、Ｒ面取り形状の面取部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の可動構造体。
【請求項５】
前記ストッパ部は、前記可動板が側方へ変位するときに当該ストッパ部に接触する可動構造体の他の部位と同電位になるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の可動構造体。
【請求項６】
前記ストッパ部の少なくとも一部には、当該ストッパ部に接触したものとの間でスティッキングが発生しないように、スティッキング防止膜又は突起部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の可動構造体。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の可動構造体を有し、
前記可動板の上面に、入射した光を反射するミラー面を設けたことを特徴とする光走査ミラー。
【請求項１】
可動板と、それぞれ前記可動板に一端部が接続され前記可動板の１つの揺動軸を構成する一対のヒンジと、前記一対のヒンジのそれぞれの他端部が接続されており前記ヒンジを支持するフレーム部とを備え、
前記可動板が、前記一対のヒンジをねじりながら前記フレーム部に対して揺動可能に構成されている可動構造体において、
前記ヒンジの側方には、当該ヒンジに沿うようにストッパ部が形成されており、前記可動板が側方へ変位するときに当該ストッパ部と可動構造体の他の部位とが接触することにより、前記可動板の側方への変位量が制限されていることを特徴とする可動構造体。
【請求項２】
前記ストッパ部は、前記可動板又はフレーム部に一体に形成されていることを特徴とする請求項１記載の可動構造体。
【請求項３】
前記可動板には、前記ヒンジにより軸支される部位の近傍にヒンジの長手方向に凹むように形成された凹部が設けられており、
前記ストッパ部は、前記フレーム部に一体に形成されており、前記ヒンジと前記凹部を形成する可動板の側縁部との間に位置するように形成されていることを特徴とする請求項２に記載の可動構造体。
【請求項４】
前記ストッパ部の角部には、Ｒ面取り形状の面取部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の可動構造体。
【請求項５】
前記ストッパ部は、前記可動板が側方へ変位するときに当該ストッパ部に接触する可動構造体の他の部位と同電位になるように構成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の可動構造体。
【請求項６】
前記ストッパ部の少なくとも一部には、当該ストッパ部に接触したものとの間でスティッキングが発生しないように、スティッキング防止膜又は突起部が形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の可動構造体。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載の可動構造体を有し、
前記可動板の上面に、入射した光を反射するミラー面を設けたことを特徴とする光走査ミラー。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１０−２６１４７（Ｐ２０１０−２６１４７Ａ）
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−１８５８９３（Ｐ２００８−１８５８９３）
【出願日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年２月４日（２０１０．２．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年７月１７日（２００８．７．１７）
【出願人】（０００００５８３２）パナソニック電工株式会社 (17,916)
【Ｆターム（参考）】
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