JP2002321197A

JP2002321197A - マイクロ構造体、マイクロ力学量センサ、マイクロアクチュエータ、マイクロ光偏向器、光走査型ディスプレイ、及びそれらの製造方法

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Publication number: JP2002321197A
Application number: JP2001279383A
Authority: JP
Inventors: Takahisa Kato; 貴久加藤; Susumu Yasuda; 進安田; Futoshi Hirose; 太廣瀬; Takayuki Yagi; 隆行八木; Hidemasa Mizutani; 英正水谷; Yasuhiro Shimada; 康弘島田
Original assignee: Canon Inc
Current assignee: Canon Inc
Priority date: 2001-02-22
Filing date: 2001-09-14
Publication date: 2002-11-05
Anticipated expiration: 2021-09-14
Also published as: JP4124986B2

Abstract

(57)【要約】【課題】揺動体の平面に対して垂直、平行方向へ撓みに
くいトーションスプリングで揺動自由に支持された揺動
体を有するマイクロ構造体である。【解決手段】基板１２０と平板状の揺動体１３０を有
し、揺動体１３０がトーションスプリング１２８、１２
９によって基板１２０に弾性的に揺動自由に支持されて
いるマイクロ構造体である。トーションスプリング１２
８、１２９は、その長軸に垂直な面の断面形状の少なく
とも一部が、平板状の揺動体１３０の平面に対して傾斜
している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、マイクロマシンな
いしマイクロ構造体の分野に関するものである。より詳
しくは、軸回りに揺動する部材を有するマイクロ力学量
センサ、マイクロアクチュエータ、マイクロ光偏向器等
に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】機械要素を小型化しようとすると、体積
力よりも、表面力の占める割合が大きくなり、摩擦の影
響が通常の大きさの機械よりも大きくなることは良く知
られている。そのため、マイクロマシンの設計において
は、摺動部や回転部を極力少なくするように考慮するの
が一般的である。

【０００３】軸回りに揺動する部材を有する光偏向器の
従来例を説明する。図２３は、米国特許第４３１７６１
１号明細書に開示された光偏向器の斜視図を示してい
る。図２４は、その内部構造を説明するために、上記光
偏向器を分解して表示した図である。また、図２５と図
２６は、それぞれ、図２３の切断線１００３と１００６
におけるシリコン薄板１０２０の断面図を示している。

【０００４】上記光偏向器において、絶縁性材料からな
る基板１０１０には、凹み部１０１２が形成されてい
る。凹み部１０１２の底部には、一対の駆動電極１０１
４、１０１６およびミラー支持部１０３２が配置されて
いる。シリコン薄板１０２０には、トーションバー１０
２２、１０２４とミラー１０３０が一体に形成されてい
る。ミラー１０３０は、表面に光の反射率の高い物質が
コーティングされており、トーションバー１０２２、１
０２４により揺動自由に支持されている。そして、シリ
コン薄板１０２０は、駆動電極１０１４、１０１６と所
定の間隔を保つように基板１０１０上に対抗配置されて
いる。

【０００５】ここで、シリコン薄板１０２０は、電気的
に接地されている。従って、駆動電極１０１４、１０１
６に交互に電圧を印加することで、ミラー１０３０に静
電引力を作用させて、ミラー１０３０をトーションバー
１０２２、１０２４の長軸の回りに揺動させられる。

【０００６】トーションバー１０２２、１０２４の断面
形状は、図２６に示すような台形である。ところが、こ
の様な断面形状のトーションバーを有するマイクロ構造
体は、トーションバーが撓みやすいため、外部の振動を
拾ってしまったり、トーションバーの軸がぶれてしま
い、正確な駆動ができないという問題点があった。

【０００７】そのため、この様な光偏向器を光走査型デ
ィスプレイに適用した場合に、外部振動によって像がぶ
れたり、スポット形状が変化してしまうという問題点が
あった。これは、光走査型ディスプレイを持ち運び容易
な形態にした場合に、より大きな問題となる。

【０００８】そこで、トーションバーを撓みにくくする
ために、次のような構造が提案されている。図２７は、
10th International Conference on Solid-State Senso
rs and Actuators (Transducers ’99) pp.1002-1005に
て開示されたハードディスクヘッド用ジンバルである。
このジンバルは、ハードディスクヘッド用サスペンショ
ンの先端に取り付けられ、磁気ヘッドにロールとピッチ
の動きを弾性的に許容させるためのものである。ジンバ
ル２０２０は、内側にロールトーションバー２０２２、
２０２４で回転自由に支持された支持枠２０３１を有し
ている。また、支持枠２０３１の内側には、ピッチトー
ションバー２０２６、２０２８で回転自由に支持された
ヘッド支持体２０３０が形成されている。ロールトーシ
ョンバー２０２２、２０２４とピッチトーションバー２
０２６、２０２８のねじれの軸（図２７の直交する鎖線
参照）は、互いに直交しており、それぞれ、ヘッド支持
体２０３０のロールとピッチの動きを担当している。

【０００９】図２８は、図２７中の切断線２００６にお
ける断面図である。図２８に示すように、トーションバ
ー２０２２の断面形状はＴ字形状をしており、また、ジ
ンバル２０２０はリブを有する構造になっている。

【００１０】図２９を用いて、本ジンバルの作製工程を
説明する。先ず、型取り用シリコンウエハー２０９１
に、ICP-RIE（誘導結合プラズマ−反応性イオンエッチ
ング）のようなエッチング法を用いて、垂直エッチング
を行う（ａ）。この型取り用シリコンウエハー２０９１
は、再利用が可能である。次に、型取り用シリコンウエ
ハー２０９１の上に、シリコン酸化膜とリン酸化ガラス
からなる犠牲層２０９２を成膜する（ｂ）。続いて、構
造体となるポリシリコン層２０９３を成膜する（ｃ）。
そして、このポリシリコン層２０９３のパターニングを
行う（ｄ）。最後に、犠牲層２０９２を除去し、パター
ニングされたパッド２０９５にエポキシ樹脂２０９４で
ポリシリコン層２０９３を接着する（ｅ）。

【００１１】この様にして作製されたＴ字断面を有する
トーションバーは、円断面や長方形断面のような断面形
状を有するトーションバーと比べて、断面二次極モーメ
ントＪが小さいわりに、断面二次モーメントＩが大きい
という特徴がある。そのため、比較的ねじれやすい割り
に、撓みにくいトーションバーを提供できる。つまり、
ねじれ方向に十分なコンプライアンスを確保しながら、
ねじれの軸に垂直な方向には剛性の高いトーションバー
を提供できる。

【００１２】また、必要なコンプライアンスや許容ねじ
れ角を得るための長さが短いトーションバーを提供でき
るため、より小型化できるという利点もある。

【００１３】こうして、このＴ字断面を有するトーショ
ンバーを用いることで、ロール、ピッチ方向に十分なコ
ンプライアンスを持ち、その他の方向には十分な剛性を
有し、より小型化が可能なマイクロジンバルを提供でき
る。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このマイクロ
構造体には、次のような問題点があった。１．Ｔ字形状断面を有するトーションバーは、捩れたと
きに図２８の２０５０の部分において応力の集中が生じ
るために壊れやすい。２．Ｔ字形状断面を有するトーションバーは、ねじりの
中心と重心軸の中心が一致していない。そのため、揺動
時にねじれの軸に垂直な方向の加振力を生じてしまう。
そのため、駆動時に不要な動きが生じてしまう。３．ポリシリコンは、単結晶シリコンに比べて内部損失
が大きいため、機械的なＱ値が低くなってしまう。その
ため、機械的な共振を利用して駆動する際に、振動振幅
を大きくできない。また、損失が大きいためエネルギー
効率が低い。

【００１５】本発明の目的は、この様な問題点を解決し
た、軸回りに揺動する部材を有するマイクロ力学量セン
サ、マイクロアクチュエータ、マイクロ光偏向器等に適
用できるマイクロマシンないしマイクロ構造体、その製
造方法を提供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】上記問題点を解決するた
めの本発明のマイクロ構造体は、基板と、少なくとも一
つ以上の平板状の揺動体を有し、前記揺動体が１本以上
のトーションスプリングによって前記基板に対して弾性
的に揺動自由に支持されているマイクロ構造体であっ
て、前記トーションスプリングは、その長軸に垂直な面
の断面形状の少なくとも一部が、前記平板状の揺動体の
平面に対して傾斜していることを特徴とする。トーショ
ンスプリングの長軸に垂直な面での断面形状（本明細書
ではトーションスプリングの断面形状或いは横断面形状
とも言う）を、平板状の揺動体の平面（マイクロ光偏向
器ではここに反射面などが形成される）に対して傾斜し
た部分を有するように形成することにより、揺動体の平
面に対して垂直、平行方向へ撓みにくい構造を効果的に
実現できる。

【００１７】この基本構成に基づいて、以下の如きより
具体的な形態が可能である。上記の基本構成では、前記
トーションスプリングのねじり中心軸が前記平板状の揺
動体の重心付近を通る様に容易にできる。トーションス
プリングのねじれの軸中心が揺動体の重心付近を通過す
る構成とすることにより、揺動体を安定にねじり振動可
能となる。トーションスプリングのねじれの軸中心と揺
動体の重心が一致していないと、揺動体のねじり振動に
伴って、この不一致のために、ねじれの軸に垂直な方向
に加振力が加わって不要な振動や変位が生じ易い。した
がって、ねじれの軸中心が揺動体の重心付近を通過する
構成とすることにより、マイクロ光偏向器等のマイクロ
構造体の不要振動を低減できる。

【００１８】前記トーションスプリングの長軸に垂直な
面の断面形状が、そのねじり中心軸を含む面に対して対
称形状を有する様にも容易にできる。トーションスプリ
ングの断面形状を、揺動体の平面に対して傾斜した部分
を有するように形成し、更に、対称とすることにより、
ねじれの軸中心にねじり易く、ねじれの軸に垂直な方向
には更に撓みにくい構造とすることができる。

【００１９】前記トーションスプリングの材質は、好適
にはシリコン単結晶などの単結晶材料からなる。こうす
れば、内部損失を小さくできてエネルギー効率が高い揺
動機構を実現できる。また、素材として単結晶材料を使
用することで、機械的なＱ値の高い構造を実現すること
ができる。単結晶材料としては、入手の容易で機械特性
に優れた（すなわち、比較的軽量でありながら物理的強
度、耐性、寿命に優れた）単結晶シリコンを使用するの
が好適である。（１００）シリコン単結晶基板を用い
て、前記トーションスプリングの傾斜面をシリコン単結
晶の（１１１）面である様にも容易にできる。

【００２０】また、前記単結晶材料が（１００）シリコ
ン単結晶基板であり、トーションスプリングが異方性エ
ッチングで形成されて、その外面を画する該（１００）
基板面に対する斜面が（１１１）面である様にできる。
この際、前記基板或いは揺動体に繋がるトーションスプ
リングの付け根部の外面を画する（１００）基板面に対
する面も、（１１１）面である様にできる。（１１１）
面は高精度且つ滑らかに形成されるので、作製されたト
ーションスプリングは破断し難いものとなる。更に、ト
ーションスプリングの付け根部分の面も（１１１）斜面
とすれば、ここへの応力集中が緩和できて、トーション
スプリングの信頼性を高められる。

【００２１】典型的には、前記基板、揺動体、トーショ
ンスプリングは、共通のシリコン単結晶、水晶などの単
結晶材料基板からエッチングなどで一体的に形成され得
る。

【００２２】トーションスプリングの断面形状として
は、Ｖ或いは逆Ｖ字状、Ｘ字状、ノの字状、ハ或いは逆
ハの字状などの形状がある。Ｖ字状、Ｘ字状、ハの字状
は後述の実施例ではほぼ左右対称になっているが、必要
であれば、左右非対称な断面形状としてもよい。

【００２３】前記トーションスプリングの角部（急峻な
楔部分など）が等方性エッチングで軽く丸くされて、そ
こへの応力集中が緩和されてもよい。

【００２４】前記揺動体を支持する２組以上のトーショ
ンスプリングの断面形状を、夫々揺動体を挟んで対向す
るトーションスプリングについて異なる形状としてもよ
い。このことで、ねじれのコンプライアンスを十分に保
ちながら、ねじれの軸に垂直な方向に更に撓みにくい構
造とすることができる。すなわち、この構造では、揺動
体を挟んで対向する夫々のトーションスプリングの撓み
やすい方向が異なっているため、マイクロ光偏向器等の
マイクロ構造体では不要となる揺動体のこの方向への振
動や変位を低減することができる。

【００２５】更に、揺動体を挟んで対向するトーション
スプリングの断面形状を、該対向するトーションスプリ
ングのねじり中心軸を含む面（この面は、典型的には、
該対向するトーションスプリングのねじり中心軸を含み
該揺動板の平面に平行な面であり、後述する各変形例で
はこうなっている）に対して互いに対称に配置してもよ
い。このことにより、互いのトーションスプリングの撓
みやすい方向を対称に交差させることができる。したが
って、ねじれの軸に垂直方向に撓みにくい構造とするこ
とが効果的にでき、上記対向するトーションスプリング
を異なる形状とする形態の好ましい形態となる。

【００２６】マイクロ構造体の形態としては、前記揺動
体が一つであり、直線に沿って伸びた一つないし一対の
トーションスプリングによって該揺動体が前記基板に対
して弾性的に略該直線の回りに揺動自由に支持されてい
る形態を採り得る。一対のトーションスプリングの形態
は後述の実施例に説明されているが、揺動体が充分軽量
で一つのトーションスプリングで支障なく揺動自由に支
持され得る場合には、こうした形態も用途に応じて使用
できる。

【００２７】他のマイクロ構造体の形態としては、前記
揺動体が複数であり、該複数の揺動体が入れ子式に配置
され、各揺動体が、各直線に沿って伸びた一対のトーシ
ョンスプリングによって、その外側の揺動体或いは前記
基板に対して弾性的に略該各直線の回りに揺動自由に支
持されている形態も採り得る。２つの揺動体が入れ子式
に配置された例は図２７に示されている。必要であれ
ば、３つ以上の揺動体が入れ子式に配置された形態も実
現できる。前記各直線が互いに成す角度は、典型的には
９０度であるが（図２７の例参照）、これも、必要であ
れば９０度以外の角度であってもよい。

【００２８】更なる他のマイクロ構造体の形態として
は、前記揺動体が複数であり、該複数の揺動体がトーシ
ョンスプリングを介在させて直列的に配置され、最も外
側の揺動体が前記基板にトーションスプリングを介在さ
せて支持されている形態も採り得る。例えば、比較的小
質量の揺動体をトーションスプリングを介在させて比較
的大質量の揺動体で挟み、両側の大質量の揺動体をトー
ションスプリングを介在させて基板に繋げ、これら３つ
のトーションスプリングを一直線に沿って伸びる形態と
して、この形態において、大質量の揺動体の駆動で小質
量の揺動体を間接的に駆動する。いずれにせよ、本発明
のマイクロ構造体は、トーションスプリングの断面形状
の少なくとも一部が、平板状の揺動体の平面に対して傾
斜していることに特徴があり、その形態は用途に応じて
種々のものであり得る。

【００２９】更に、上記問題点を解決するための本発明
のマイクロ力学量センサは、上記のマイクロ構造体と、
基板と揺動体の相対変位を検出する変位検出手段を有す
ることを特徴とする。変位検出手段としては、従来公知
のものを使用できて、例えば、静電容量の変化を電圧変
化で検知して基板と揺動体の相対変位を検出するものが
ある。その具体例としては、特開平８−１４５７１７、
特開２０００−６５６６４、特開２０００−２９２４３
４号公報などに開示されている。

【００３０】更に、上記問題点を解決するための本発明
のマイクロアクチュエータは、上記のマイクロ構造体
と、前記揺動体を前記基板に対して相対的に駆動する駆
動手段を有することを特徴とする。前記駆動手段として
は、固定コアと、該固定コア（軟磁性体で形成される）
を周回するコイルと、前記揺動体に接合された可動コア
（軟磁性体或いは硬磁性体の永久磁石で形成されたりす
る。両者では駆動原理が異なり、前者では、軟磁性体の
磁極は決まっておらず、固定コアに磁束が発生する時に
は磁気回路の磁束を切る軟磁性体の断面積の増す方向に
磁束内へ軟磁性体が吸引される駆動力が起こり、磁束消
滅時にはそれから解放されるのに対して、後者では、硬
磁性体の磁極は決まっており、固定コアと可動コアの異
或いは同磁極間の磁力（吸引力或いは反発力）が駆動力
である）からなる電磁アクチュエータであったり、静電
引力を利用するものであったりする。

【００３１】更に、上記問題点を解決するための本発明
のマイクロ光偏向器は、上記のマイクロ構造体と、揺動
体を基板に対して相対的に駆動する駆動手段と、前記揺
動体に設けられた光偏向子を有することを特徴とする。
駆動手段については、上で述べた通りである。光偏向子
としては、光反射面或いは回折格子があり、後者では１
つのビームを複数のビーム（回折光）として偏向するこ
ともできる。

【００３２】更に、上記問題点を解決するための本発明
の光走査型ディスプレイは、上記のマイクロ光偏向器
と、変調可能な光源（半導体レーザなど）と、前記光源
の変調と前記マイクロ光偏向器の揺動体の動作を制御す
る制御手段を有することを特徴とする。

【００３３】更に、上記問題点を解決するための本発明
のマイクロ構造体の製造方法は、（１００）単結晶シリ
コン基板の両面にマスク層を成膜する工程と、前記両面
のマスク層を前記揺動体とトーションスプリングの形態
に応じてパターニングする工程と、前記（１００）シリ
コン基板をアルカリ溶液などを用いて異方性エッチング
する工程を含むことを特徴とする。

【００３４】これらのマイクロ構造体の製造方法におい
て、前記トーションバーの角部を軽く等方性エッチング
して、そこを丸くし、そこへの応力集中を緩和してもよ
い。

【００３５】

【作用】本発明のマイクロ構造体の作用について説明す
る。本発明のマイクロ構造体においては、上述したよう
に、トーションスプリングの断面形状を、揺動体の平面
（マイクロ光偏向器では、ここに反射面などの偏向子が
設けられる）に対して傾斜した部分を有するように形成
することにより、揺動体の平面（マイクロ光偏向器の反
射面）に対して垂直、平行方向へ撓みにくい構造を効果
的に実現することができる。例えば、マイクロ光偏向器
においては、揺動体の反射面の形成されない面（すなわ
ち反射面形成面の反対面や揺動体の側面）にアクチュエ
ータの機能素子（例えば、静電駆動型アクチュエータの
場合は、平行に対向する平板電極）を形成するため、反
射面に対して、垂直、平行方向への不要発生力に起因す
る振動や変位が生じ易い。したがって、トーションスプ
リングの断面形状に傾斜した部分を形成することで、簡
単な構造で該垂直、平行方向の撓みに対する剛性を高く
し、マイクロ光偏向器の不要振動を低減することができ
る。

【００３６】

【発明の実施の形態】以下に、本発明の実施の形態を明
らかにすべく、図面を参照しつつ実施例を説明する。

【００３７】[実施例1]図１は、本発明の実施例１のマ
イクロ光偏向器を説明するための斜視図である。図２
は、内部構造を説明するために、上記マイクロ光偏向器
を分解して示した図である。図３は、本実施例のマイク
ロ光偏向器の動作を説明するための図２の切断線１０９
における断面図である。図４は、本実施例の特徴である
トーションスプリングの構造を説明するための断面図で
あり、図１の切断線１０６におけるシリコン単結晶薄板
１２０の断面を示している。

【００３８】実施例１のマイクロ光偏向器において、ガ
ラス基板１１０には、凹み部１１２が形成されている。
凹み部１１２の底部には、一対の駆動電極１１４、１１
６および三角柱状のミラー支持部１３２が配置されてい
る。ミラー支持部１３２は、可能であれば、無くしても
よい。シリコン単結晶薄板１２０には、バルクマイクロ
マシニング技術により、トーションスプリング１２８、
１２９とミラー１３０が、一体に形成されている。本実
施例の特徴であるトーションスプリング１２８、１２９
は、図４に示すように、断面形状が左右対称なV字形状
になっている。これは、一つの内角が２８９．４°の７
角形であり、ミラー１３０の平面に対して傾斜した２つ
の断面形状部を有する。

【００３９】ミラー１３０は、平板の表面に光の反射率
の高い物質がコーティングされて形成されており、V字
形状のトーションスプリング１２８、１２９によりこの
長軸の回りに揺動自由に支持されている。そして、シリ
コン単結晶薄板１２０は、ミラー１３０が駆動電極１１
４、１１６と所定の間隔を保つようにガラス基板１１０
上に対抗配置されている（図３）。トーションスプリン
グ１２８、１２９の長軸に沿ったミラー１３０の下面は
図３に示す様にミラー支持部１３２の頂線部に接してい
て、該頂線部に沿う揺動軸の回りでミラー１３０が揺動
可能になっている。

【００４０】シリコン単結晶薄板１２０は、電気的に接
地されている。従って、駆動電極１１４、１１６に交互
に電圧を印加することで、ミラー１３０に静電引力を作
用させて上記揺動軸の回りにミラー１３０を揺動させる
ことができる。駆動力は静電引力に限らず、磁気力など
を使うこともできる。この場合は、駆動電極の代わりに
電磁石を設置してミラー１３０の下面に硬磁性体材料の
磁石を固定するなどの構成をとることになる。

【００４１】上記光偏向器の作製法について、図６と図
７を用いて、以下に詳しく述べる。図６（ａ）〜（ｅ）
は図１の切断線１０６における断面を表し、図７（ａ）
〜（ｅ）は、図２の切断線１０９における断面を表して
いる。

【００４２】先ず、図６に沿ってシリコン単結晶薄板１
２０の加工について述べる。

【００４３】１．シリコン単結晶薄板１２０の両面に、
マスク層１５０（例えば、SiO₂や低圧化学気相成長法で
作製した窒化シリコン等）を成膜する。シリコン単結晶
薄板１２０には、（１００）基板を使用する。そして、
フォトリソグラフィ技術で、マスク層１５０のパターニ
ングを行う（ａ）。図６中、基板１２０上面側、下面側
には、それぞれ、幅Ｗ_ａの一つの開口と幅Ｗ_ｂの二つの
開口が形成される。幅Ｗ_ｂの二つの開口の間のストライ
プ状のマスク層１５０は、幅Ｗ_ａの開口の中心線に対応
して伸びている。幅Ｗ_ａはV字形状のトーションスプリ
ング１２８、１２９の最上部開口の幅にほぼ設定され、
幅Ｗ_ｂの二つの開口の間のストライプ状のマスク層１５
０の幅はV字形状のトーションスプリング１２８、１２
９の最底部の幅にほぼ設定される。

【００４４】２．KOHのようなアルカリ溶液である異方
性エッチング溶液を用いて、シリコン単結晶薄板１２０
の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチ
ングは、（１００）面で速く進み、（１１１）面で遅く
進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口
部が狭くなるように進行する（ｂ、ｃ）。このとき、エ
ッチング部の側面は滑らかな（１１１）面となる。

【００４５】３．Ｗ_ｂの幅を有する開口部においては、
基板１２０を貫通するまでエッチングが進行するが、Ｗ
_ａの幅を有する開口部においては、基板１２０を貫通す
る手前でエッチングが止りV字形状のトーションスプリ
ング１２８、１２９の底部が形成される（ｄ）。図５に
示すように、（１１１）面は、（１００）面に対して、
５４．７度の角度を有するため、開口部の幅ｗとV溝の
深さdの関係は、d=w/2・ tan54.7°である。従って、上
記のようにV字形状のトーションスプリング１２８、１
２９が形成される為に、Ｗ_ａ<２t/tan54.7°、Ｗ_ｂ>２t
/tan54.7°の関係を満たしている。ここで、ｔはシリコ
ン単結晶薄板１２０の厚みである。

【００４６】この様に、上面からのエッチングは、基板
１２０の下面に達する前にすべての面が（１１１）面に
なりエッチングがストップするため、V字状の溝が形成
される。下面からのエッチングは、基板１２０を貫通す
るまで進行し、マスク層１５０でストップする。

【００４７】この際、ミラー１３０の回りの他のエッチ
ング貫通部も形成されるように、下面側のマスク層１５
０のパターニングが行われている。また、（１１１）面
は高精度且つ滑らかに形成されるので、作製されたＶ字
形状のトーションスプリング１２８、１２９は破断し難
いものとなる。更に、上記異方性エッチングにより、ト
ーションスプリング１２８、１２９の付け根部分のＶ溝
の面（図２（ａ）に１２８ａ、１２９ａで示す）も図２
（ｂ）に示すように（１１１）斜面となるので、ここへ
の応力集中が緩和できて、トーションスプリングの信頼
性を高め、ミラーの光偏向角を大きくできる。

【００４８】４．上記異方性エッチング後、ガスや酸に
より等方性エッチングを行い、Ｖ溝の急峻な楔部分やト
ーションスプリングの角部の角を丸くしてもよい。こう
すれば、これらの部分への応力集中を緩和できる。

【００４９】５．次に、マスク層１５０を除去する
（ｅ）。６．最後に、ミラー１３０を洗浄し、表面に光反射膜を
成膜する。

【００５０】続いて、図７に沿ってガラス基板１１０の
加工法について述べる。１．ガラス基板１１０の両面にマスク層１５１（レジス
ト等）を成膜する（ａ）。

【００５１】２．マスク層１５１をパターニングする
（ｂ）。三角柱状のミラー支持部１３２と凹み部１１２
がエッチングで形成される様にパターニングする。３．凹み部１１２の深さが２５μｍになるように、エッ
チングを行う（ｃ）。このとき、三角柱状のミラー支持
部１３２が形成される。

【００５２】４．マスク層１５１を除去し、凹み部１１
２に所定のパターンの駆動電極１１４、１１６を形成す
る（ｄ）。

【００５３】５．図１に示すようなマイクロ光偏向器の
形態になるように、シリコン単結晶薄板１２０とガラス
基板１１０を接合する（ｅ）。

【００５４】以上のように、本実施例の製造方法によれ
ば、異方性エッチングを１度行うだけで、Ｖ字形状断面
を有するトーションスプリング１２８、１２９を製造す
ることができる。図４に示すように断面がＶ字形状にな
っている本実施例の光偏向器のトーションスプリング１
２８（１２９）は、従来のＴ字形状断面のトーションバ
ーと同様に、ねじれやすくて、撓みにくい構造となって
いる。また、トーションスプリング１２８、１２９の断
面形状は、平板状の揺動体の平面（ミラー１３０）に対
して傾斜した交差した２つの部分を有するので、揺動体
の平面に対して垂直、平行方向へ撓みにくい構造となっ
ている。更に、本実施例によれば、単結晶シリコンをト
ーションスプリングの素材に使用することで、ポリシリ
コンに比べて機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を実
現できる。

【００５５】更に、本実施例によれば、単結晶材料をト
ーションスプリングの素材に使用することで、より壊れ
にくく、より小型化が可能で、共振駆動したときに振動
振幅が大きくエネルギー効率の高いマイクロ光偏向器を
実現できる。また、本実施例の製造方法を用いること
で、比較的容易に本実施例のマイクロ構造体を製造する
ことができる。

【００５６】上記実施例１の変形例を説明する。図８
（ａ）は、本変形例のマイクロ光偏向器を説明するため
の斜視図である。トーションスプリング６２８、６２９
は基板面およびシリコンの（１１１）面で囲まれたＶ字
状断面或いは逆Ｖ字状断面を有している。反射面の形成
されたミラー６３０及び枠体６２０の側面形状は、シリ
コンの（１１１）面が露出した形状となるが、図８では
簡単のために反射面に対して垂直な側面として描いてあ
る。このことは、他の図でも同様である。

【００５７】本変形例のマイクロ光偏向器は、上記実施
例１と異なり、２組のトーションスプリング６２８、６
２９の断面形状が図８（ｂ）に示す如く異なることを特
徴としている。これにより、ねじれ易く、より撓みにく
い構造を提供することができる。また、ねじれ共振駆動
時に、一方のトーションプリング６２８または６２９の
構造に起因して発生する撓み振動等の不要な運動モード
や外乱による影響を他方のトーションプリング６２９ま
たは６２８の構造で相殺することができ、駆動安定性を
向上させられる。

【００５８】詳細には、図８（ｂ）に示すように、トー
ションスプリング６２８、６２９のＡ−Ａ’断面の形状
とＢ−Ｂ’断面の形状とが互いに基板面（トーションス
プリング６２８、６２９のねじり中心軸を含んでミラー
６３０の平面に平行な面）に対して対称な形状になって
いる。また、ミラー６３０の重心が２組のトーションス
プリング６２８、６２９のねじり回転軸と一致してお
り、さらに、駆動安定性を向上させることができる。

【００５９】本変形例によるマイクロ光偏向器は、実施
例１と同様に、シリコン基板を結晶異方性エッチングを
用いて加工することにより作製する。図６で説明した作
製プロセスを用いればよいが、他方のトーションスプリ
ングを形成する方のマスク層１５０は図６のパターンと
は上下逆にする。この様に、異方性エッチングを１度行
うだけで、偏平断面を有する部分を上下逆に組み合わせ
たトーションスプリング６２８、６２９を容易に製造す
ることができる。

【００６０】本変形例により、プロセスが容易で、２組
のトーションスプリングの断面形状が互いに異なること
により、それぞれのトーションスプリングに起因する駆
動時の外乱等の影響を相殺させられるマイクロ光偏向器
を実現できる。

【００６１】[実施例２]図９は、本発明の実施例２のマ
イクロ光偏向器を説明するための斜視図である。図１０
は、内部構造を説明するために、上記マイクロ光偏向器
を分解して示した図である。図１１は、図９の切断線１
０６におけるシリコン単結晶薄板１２０の断面を示して
いる。図１０の切断線１０９における断面図は図３と同
じである。

【００６２】実施例２のマイクロ光偏向器においても、
ガラス基板１１０には、凹み部１１２が形成されてい
る。凹み部１１２の底部には、一対の駆動電極１１４、
１１６および三角柱状のミラー支持部１３２が配置され
ている。シリコン単結晶薄板１２０には、バルクマイク
ロマシニング技術により、トーションスプリング１２
２、１２４とミラー１３０が、一体に形成されている。
本実施例の特徴であるトーションスプリング１２２、１
２４は、図１１に示すように、断面形状がＸ字形状にな
っている。この形状は、図１１より明らかなように、４
つの内角が１８０度よりも大きい１２角形であり、ま
た、回転対称形状である。更に、ミラー１３０の平面に
対して傾斜した交差した断面形状部を有する。

【００６３】ミラー１３０は、平板の表面に光の反射率
の高い物質がコーティングされて形成されており、Ｘ字
形状のトーションスプリング１２２、１２４によりこの
長軸の回りに揺動自由に支持されている。そして、シリ
コン単結晶薄板１２０は、ミラー１３０が駆動電極１１
４、１１６と所定の間隔を保つようにガラス基板１１０
上に対抗配置されている。トーションスプリング１２
２、１２４の長軸に沿ったミラー１３０の下面はミラー
支持部１３２の頂線部に接していて、該頂線部に沿う揺
動軸の回りでミラー１３０が揺動可能になっている。

【００６４】シリコン単結晶薄板１２０は、電気的に接
地されている。従って、駆動電極１１４、１１６に交互
に電圧を印加することで、ミラー１３０に静電引力を作
用させて上記揺動軸の回りにミラー１３０を揺動させる
ことができる。

【００６５】上記光偏向器の作製法について、図１３を
用いて、以下に詳しく述べる。図７の工程は本実施例で
も用いられる。図１３（ａ）〜（ｇ）は図９の切断線１
０６における断面を表し、図７（ａ）〜（ｅ）は、図１
０の切断線１０９における断面を表している。

【００６６】図１３に沿ってシリコン単結晶薄板１２０
の加工について述べる。

【００６７】１．シリコン単結晶薄板１２０の両面に、
マスク層１５０（例えば、SiO₂や低圧化学気相成長法で
作製した窒化シリコン等）を成膜する。シリコン単結晶
薄板１２０には、（１００）基板を使用する。そして、
フォトリソグラフィ技術で、マスク層１５０のパターニ
ングを行う（ａ）。このパターニングに使用するマスク
パターンを図１２に示す。図１２に示すマスクパターン
は、トーションスプリング１２２、１２４とミラー１３
０の外形に沿ってW_aの幅を有する開口部１９１が形成さ
れており、また、幅W_ｂのトーションスプリングの長手
方向の中心線に沿ってW_gの幅を有する開口部１９０が形
成されている。

【００６８】２．KOHのようなアルカリ溶液である異方
性エッチング溶液を用いて、シリコン単結晶薄板１２０
の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチ
ングは、（１００）面で速く進み、（１１１）面で遅く
進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口
部が狭くなるように進行する（ｂ）。

【００６９】３．W_gの幅を有する開口部１９０において
は、基板１２０の中央に達する前にすべての面が（１１
１）面になりエッチングがストップするため、V字状の
溝（図１１に示す様に、深さd_gで、幅W_gである）が形成
される。また、W_aの幅を有する開口部１９１において
は、基板１２０を貫通するまでエッチングが進行する
（ｃ）。図５に示すように、（１１１）面は、（１０
０）面に対して、５４．７度の角度を有するため、開口
部の幅ｗとV溝の深さｄの関係は、d=w/2・tan54.7°で
ある。従って、ここでは、W_g <２t/tan54.7°、W_a >２t
/tan54.7°の関係を満たしている。ここで、ｔはシリコ
ン単結晶薄板１２０の厚みである。

【００７０】４．開口部１９１の上下からの穴が貫通し
たあとは、エッチングは側方に進んでいく（ｄ、ｅ）。

【００７１】５．（１１１）面に到達して、エッチング
がストップする。このときトーションスプリング１２
２、１２４の断面はＸ字形状になる（ｆ）。図１１に示
す様に、このＸ字断面の側部のV溝の深さはk_bで、幅はt
である。この際、（１１１）面は高精度且つ滑らかに形
成されるので、作製されたＸ字形状のトーションスプリ
ング１２２、１２４は破断し難いものとなる。更に、上
記異方性エッチングにより、トーションスプリング１２
２、１２４の付け根部分のＶ溝の面（図１０（ａ）に１
２２ａ、１２４ａで示す）も図１０（ｂ）に示すように
（１１１）斜面となるので、ここへの応力集中が緩和で
きて、トーションスプリングの信頼性を高め、ミラーの
光偏向角を大きくできる。

【００７２】６．上記異方性エッチング後、ガスや酸に
より等方性エッチングを行い、Ｖ溝の急峻な楔部分やト
ーションスプリングの角部の角を丸くしてもよい。こう
すれば、これらの部分への応力集中を緩和できる。

【００７３】７．次に、マスク層１５０を除去する
（ｇ）。８．最後に、ミラー１３０を洗浄し、表面に光反射膜を
成膜する。

【００７４】ガラス基板１１０の加工法については、図
７に沿って述べた実施例１の説明と同じである。

【００７５】以上のように、本実施例の製造方法によれ
ば、異方性エッチングを１度行うだけで、Ｘ字形状断面
を有するトーションスプリング１２２、１２４を製造す
ることができる。図１１に示すように断面がＸ字形状に
なっている本実施例の光偏向器のトーションスプリング
１２２（１２４）は、断面二次極モーメントＪが小さい
割に、断面二次モーメントＩが大きいという特徴があ
る。また、その横断面形状が回転対称形状なので、揺動
時にねじれの軸に垂直な方向の加振力が生じないマイク
ロ構造体を実現できる。更に、トーションスプリング１
２２、１２４の断面形状は、平板状の揺動体の平面（ミ
ラー１３０）に対して傾斜した交差した部分を有するの
で、揺動体の平面に対して垂直、平行方向へ更に撓みに
くい構造となっている。

【００７６】本実施例によっても、単結晶シリコンをト
ーションスプリングの素材に使用することで、ポリシリ
コンに比べて、より壊れにくく、より小型化が可能で、
共振駆動したときに振動振幅が大きくエネルギー効率の
高い、機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を実現でき
る。

【００７７】また、揺動したときにトーションスプリン
グの軸に垂直な方向に振動しにくいので、精度が高いマ
イクロ光偏向器を実現でき、機械的なQ値が高いために
共振駆動したときに振動振幅が大きく、エネルギー効率
の高いマイクロ光偏向器を実現できる。更に、本実施例
の製造方法を用いることで、比較的容易にＸ字形状の断
面を有するトーションスプリングを製造することができ
る。

【００７８】上記実施例２の変形例を説明する。図１４
（ａ）は、本変形例のマイクロ光偏向器を説明するため
の斜視図である。トーションスプリング７２８、７２９
は、基板面７２０およびシリコンの（１１１）面で囲ま
れた偏平断面を有している。

【００７９】本変形例のマイクロ光偏向器は、上記実施
例２と異なり、２組のトーションスプリング７２８、７
２９の断面形状が異なることを特徴としている。これに
より、ねじり易く、更に撓みにくい構造を提供すること
ができる。また、ねじれ共振駆動時に、一方のトーショ
ンバー構造に起因して発生する撓み振動等の不要な運動
モードや外乱による影響を他方のトーションバー構造で
相殺することができ、駆動安定性を向上させられる。

【００８０】詳細には、図１４（ｂ）に示すように、ト
ーションバー７２８のＡ−Ａ‘断面の形状とトーション
バー７２９のＢ−Ｂ’断面の形状とが互いに基板面７２
０（ミラー７３０の面でもある。より正確には、トーシ
ョンバー７２８、７２９のねじり中心軸を含んでミラー
７３０の平面に平行な面）に対して対称な図形になって
いる。また、２組のトーションバー７２８、７２９の重
心（ミラー７３０の重心でもある）がねじり回転軸と一
致しており、さらに、駆動安定性を向上させることがで
きる。

【００８１】本変形例によるマイクロ光偏向器は、上記
実施例２と同様に、シリコン基板を結晶異方性エッチン
グを用いて加工することにより作製される。図１５は作
製プロセスを示す断面図である。

【００８２】まず、面方位（１００）の単結晶シリコン
基板７２０の両面に低圧化学気相成長法を用いて窒化シ
リコンよりなるマスク層７３１、７３２を形成する（図
１５（ａ）参照）。次に、フォトリソグラフィーおよび
ＣＦ_４ガスを用いたドライエッチング法によりマスク層
７３１、７３２のパターニングを行なう（図１５（ｂ）
参照）。ここでは、基板７２０の上下面でトーションバ
ーの幅の分だけマスク層が残され、これら残されたマス
ク層部分はトーションバーの傾斜に応じて左右にずれて
いる。次に、１００℃に加熱した３０％の水酸化カリウ
ム水溶液を用いてシリコン７２０の結晶異方性エッチン
グを行なう（図１５（ｃ）参照）。さらに、このエッチ
ングを継続することにより基板７２０を貫通させる（図
１５（ｄ）参照）。この際のエッチング方向は図示の通
りである。さらに、上記のエッチングを継続することに
より、側面がＳｉ（１１１）面よりなる板バネ状のトー
ションバー７２８または７２９が形成される（図１５
（ｅ）参照）。ミラー７３０を挟んだ反対側の他方のト
ーションバー７２９または７２８も同時に形成される
が、この部分ではマスク層は図１５とは上下逆にした態
様でパターニングされて異方性エッチングが行われてい
る。

【００８３】ここで、マスク層は除去してもよい。ま
た、反射面の表面に反射膜を成膜してもよい。以上のよ
うに、本変形例の製造方法によれば、異方性エッチング
を１度行うだけで、偏平断面を有するトーションバー７
２８、７２９を組み合わせたトーションスプリングを容
易に製造することができる。

【００８４】本変形例により、次の様なマイクロ光偏向
器を提供することができる。ここでは、２組のトーショ
ンスプリングがそれぞれ一枚の板バネ状という簡単な構
造であり、プロセスが容易であり、２組のトーションス
プリングの断面形状が互いに異なることにより、ねじり
易く更に撓みにくい構造を有し、かつ、それぞれのトー
ションスプリングに起因する駆動時の外乱等の影響を相
殺させることができる。更に、２組のトーションバーの
重心とねじり回転軸とを容易に一致させることができ、
駆動を安定させることが容易にでき、トーションバーに
応力集中部分がなく、破壊しにくい構造になっている。

【００８５】[実施例３]図１６は、本発明の実施例３の
マイクロ光偏向器を説明するための斜視図である。図１
７は、内部構造を説明するために、上記マイクロ光偏向
器を分解して示した図である。図１８は、図１６の切断
線１０６におけるシリコン単結晶薄板１２０の断面を示
し、本実施例の特徴であるトーションスプリングの構造
を説明するための断面図である。図１７の切断線１０９
における断面図は図３と同じである。

【００８６】実施例３のマイクロ光偏向器においても、
ガラス基板１１０には、凹み部１１２が形成されてい
る。凹み部１１２の底部には、一対の駆動電極１１４、
１１６および三角柱状のミラー支持部１３２が配置され
ている。シリコン単結晶薄板１２０には、バルクマイク
ロマシニング技術により、トーションスプリング１２
８、１２９とミラー１３０が、一体に形成されている。
本実施例の特徴であるトーションスプリング１２８、１
２９は、偏平トーションバー１２２、１２３；１２４、
１２５が図１８に示す様に２本ずつ組になって、断面形
状が逆ハの字形状に配置されることで構成されている。

【００８７】ミラー１３０は、平板の表面に光の反射率
の高い物質がコーティングされて形成されており、トー
ションスプリング１２８、１２９により揺動自由に支持
されている。そして、シリコン単結晶薄板１２０は、ミ
ラー１３０が駆動電極１１４、１１６と所定の間隔を保
つようにガラス基板１１０上に対抗配置されている。ト
ーションスプリング１２８、１２９のねじり軸に沿った
ミラー１３０の下面はミラー支持部１３２の頂線部に接
していて、該頂線部に沿う揺動軸の回りでミラー１３０
が揺動可能になっている。

【００８８】シリコン単結晶薄板１２０は、電気的に接
地されている。従って、駆動電極１１４、１１６に交互
に電圧を印加することで、ミラー１３０に静電引力を作
用させて上記揺動軸の回りにミラー１３０を揺動させる
ことができる。これらの構成は上記の実施例１、２と同
じである。

【００８９】本実施例の光偏向器の作製法について、図
１９を用いて、以下に詳しく述べる。図７の工程は本実
施例でも用いられる。図１９（ａ）〜（ｅ）は図１６の
切断線１０６における断面を表し、図７（ａ）〜（ｅ）
は、図１７の切断線１０９における断面を表している。

【００９０】図１９に沿ってシリコン単結晶薄板１２０
の加工について述べる。１．シリコン単結晶薄板１２０の両面に、マスク層１５
０（例えば、SiO₂や低圧化学気相成長法で作製した窒化
シリコン等）を成膜する。シリコン単結晶薄板１２０に
は、（１００）基板を使用する。そして、フォトリソグ
ラフィ技術で、マスク層１５０のパターニングを行う
（ａ）。このマスクパターンは、トーションスプリング
１２８、１２９の部分では、基板１２０上面側と下面側
にそれぞれ幅W_ａと幅W_ｂのストライプ状開口が形成され
ている。幅W_ｂのストライプ状開口はストライプ状マス
ク層１５０を挟んで一対形成され、幅W_ａのストライプ
状開口は該ストライプ状マスク層に対応する上面個所に
１つ形成されている。幅W_ａは２つのトーションバー１
２２、１２３；１２４、１２５の最上部の間隔に設定さ
れ、幅W_ｂの二つの開口の間のストライプ状のマスク層
１５０の幅は２つのトーションバー１２２、１２３；１
２４、１２５の最底部の間隔に設定される。このマスク
パターンでは、ミラー１３０の外形に沿って適当な幅の
開口部も基板１２０上面側に形成されている。

【００９１】２．KOHのようなアルカリ溶液である異方
性エッチング溶液を用いて、シリコン単結晶薄板１２０
の両面からエッチングを行う。シリコンの異方性エッチ
ングは、（１００）面で速く進み、（１１１）面で遅く
進むため、エッチングは、まず、掘り進むにつれて開口
部が狭くなるように進行する（ｂ、ｃ）。

【００９２】３．両面から基板１２０を貫通するまでエ
ッチングが進行し、マスク層１５０でストップする
（ｄ）。図５に示すように、シリコンの（１１１）面
は、（１００）面に対して、５４．７度の角度を有する
ため、開口部の幅ｗとV溝の深さｄの関係は、d=w/2・ta
n54.7°である。従って、基板１２０を貫通するために
は、W_ａ、W_ｂ>２t/tan54.7°の関係を満たす必要があ
る。ここで、ｔはシリコン単結晶薄板１２０の厚みであ
る。

【００９３】この際、（１１１）面は高精度且つ滑らか
に形成されるので、作製された逆ハの字断面形状のトー
ションスプリング１２８、１２９は破断し難いものとな
る。更に、上記異方性エッチングにより、トーションス
プリング１２８、１２９の付け根部分のＶ溝の面（図１
７（ａ）に１２８ａ、１２９ａで示す）も図１７（ｂ）
（図１７（ａ）の切断線１９０におけるシリコン単結晶
薄板１２０の断面図）に示すように（１１１）斜面とな
るので、ここへの応力集中が緩和できて、トーションス
プリングの信頼性を高め、ミラーの光偏向角を大きくで
きる。

【００９４】４．上記異方性エッチング後、ガスや酸に
より等方性エッチングを行い、トーションスプリングの
角部の角を丸くしてもよい。こうすれば、これらの部分
への応力集中を緩和できる。

【００９５】５．次に、マスク層１５０を除去する
（ｅ）。６．最後に、ミラー１３０を洗浄し、表面に光反射膜を
成膜する。

【００９６】ガラス基板１１０の加工法については、図
７に沿って述べた実施例１の説明と同じである。

【００９７】以上のように、本実施例の製造方法によれ
ば、異方性エッチングを１度行うだけで、偏平断面を有
するトーションバー１２２、１２３；１２４、１２５を
逆ハの字形状に組み合わせたトーションスプリング１２
８、１２９を製造することができる。

【００９８】図１８に示すように、本実施例の光偏向器
のトーションスプリング１２８（１２９）においては、
２本の偏平トーションバー１２２（１２４）と１２３
（１２５）が、互いに７０．６°の角度を持って配置さ
れている。つまり、偏平トーションバーの最も撓みやす
い（曲げ剛性が低い）方向が、平行にならないように組
み合わされているため、トーションスプリング全体とし
て、曲げ剛性が高い構造となっている。更に、トーショ
ンスプリング１２８、１２９の断面形状は、平板状の揺
動体の平面（ミラー１３０）に対して傾斜した交差した
２つの部分を有するので、揺動体の平面に対して垂直、
平行方向へ更に撓みにくい構造となっている。

【００９９】本実施例によれば、Ｔ字断面のトーション
バーと異なり、大きな応力集中が生じないので、同じね
じりばね定数、同じ長さのトーションスプリングを考え
たときに、より壊れにくいマイクロ構造体を実現でき
る。また、本実施例によれば、同じ許容ねじり角で考え
ると、Ｔ字断面のトーションバーと比べて、より小型化
が可能なマイクロ構造体を実現できる。更に、単結晶シ
リコンを素材に使用することで、ポリシリコンに比べて
機械的なQ値が大きなマイクロ構造体を実現できる。

【０１００】そして、本実施例によれば、より壊れにく
く、より小型化が可能で、共振駆動したときに振動振幅
が大きいマイクロ光偏向器を実現できる。更に、本実施
例の製造方法を用いることで、比較的容易に本発明のマ
イクロ構造体を製造することができる。

【０１０１】実施例３の変形例を図２０を用いて説明す
る。図２０は、本発明の実施例３の変形例のマイクロ光
偏向器を説明するための斜視図（ａ）及び断面図（ｂ）
である。この変形例では、トーションバーは基板面およ
びシリコンの（１１１）面で囲まれた偏平断面を有して
おり、これが逆ハ及びハの字状に２枚組み合わされてト
ーションスプリング５２８、５２９となっている。図２
０でも、反射面５３０及び枠体５２０の側面形状は、シ
リコンの（１１１）面が露出した形状となるが、簡単の
ために反射面５３０に対して垂直な側面として描いてあ
る。

【０１０２】本変形例のマイクロ光偏向器は、図２０
（ｂ）に示すように、トーションバーのＡ−Ａ’断面の
形状とＢ−Ｂ’断面の形状とが、基板面（より正確に
は、該対向するトーションスプリングのねじり中心軸を
含み反射面５３０に平行な面）に対して互いに対称な形
状になっている。これにより、ねじれ共振駆動時に、一
方のトーションバー構造に起因して発生する撓み振動等
の不要な運動モードや外乱による影響を他方のトーショ
ンバー構造で相殺することができ、駆動安定性を向上さ
せることができる。

【０１０３】本変形例によるマイクロ光偏向器では、上
記実施例３と同様に（他方のトーションバー構造につい
て図１９のマスク層１５０のパターンを変える（上下を
逆にする）のみでよい）、異方性エッチングを１度行う
だけで、偏平断面を有するトーションバーを組み合わせ
たトーションスプリング５２８、５２９を容易に製造す
ることができる。

【０１０４】本変形例においては、プロセスが容易であ
り、２組のトーションスプリングの断面形状が互いに異
なることにより、上述した様にそれぞれのトーションス
プリングに起因する駆動時の外乱等の影響を相殺させる
ことができ、トーションバーに応力集中部分がなく、破
壊しにくい構造となったマイクロ光偏向器を実現するこ
とができる。

【０１０５】[実施例４]図２１は、本発明の実施例４の
マイクロ光偏向器を説明するための概略斜視図を示して
いる。本実施例のマイクロ光偏向器においても、シリコ
ン単結晶薄板には、バルクマイクロマシニング技術によ
り、上記実施例ないし変形例で説明したようなトーショ
ンスプリング（不図示）とミラー３３０が、一体に形成
されている。ミラー３３０の端には、軟磁性体材料から
なる可動コア３４１が固定されている。ミラー３３０
は、表面に光の反射率の高い物質がコーティングされて
おり、トーションスプリングによりその長軸であるねじ
り軸の回りに揺動自在に支持されている。

【０１０６】一方、ガラス基板（不図示）の上には、軟
磁性体材料からなる固定コア３４２が配置されており、
この固定コア３４２をコイル（不図示）が周回してい
る。そして、シリコン単結晶薄板とガラス基板は、可動
コア３４１と固定コア３４２のほぼ平行に対向する面
が、所定の間隔を保つように接合されている。すなわ
ち、ミラー３３０が揺動するときに、これら対向する面
がほぼ平行状態を保ったままその重なり面積（可動コア
３４１が、固定コア３４２に発生した磁束を切る断面
積）が変化する様になっている。可動コア３４１と固定
コア３４２で２つの間隙を含む閉じた直列磁気回路が形
成される。

【０１０７】本実施例の光偏向器の動作について説明す
る。コイルに通電すると、固定コア３４２が励磁され
る。図２１では、固定コア３４２の図中手前側がＮ極
に、奥側がＳ極に励磁されている様子を表している。す
ると、可動コア３４１は、上記対向面の重なり面積が増
す方向（固定コア３４２で発生した磁束路に吸引される
方向）、即ち図２１の矢印の方向に引き付けられる。可
動コア３４１と固定コア３４２は、上記対向面の重なり
面積が増加できる様に非通電時には高さが異なる状態で
配置されているので、トーションスプリングの回りに左
回りの回転モーメントが生じる。ミラー３３０の共振周
波数に合わせてコイルへの通電をＯＮ／ＯＦＦすると、
ミラー３３０がトーションスプリングの回りに共振を起
こす。この状態でミラー３３０に光線を入射すること
で、光の走査を行うことができる。

【０１０８】[実施例５]図２２は、実施例５の光走査型
ディスプレイを説明する図である。Ｘ光偏向器４０１と
Ｙ光偏向器４０２は、上記実施例ないし変形例の光偏向
器と同様のものである。コントローラ４０９は、Ｘ光偏
向器４０１とＹ光偏向器４０２を制御して、レーザ光線
４１０をラスター状に走査し、表示する情報に応じてレ
ーザ発振器４０５を変調することで、スクリーン４０７
上に画像を２次元的に表示する。

【０１０９】本発明の光偏向器を光走査型ディスプレイ
に適用することで、精細な画像を形成できエネルギー効
率が高い光走査型ディスプレイを実現することができ
る。

【０１１０】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
揺動体を支持するトーションスプリングの断面形状を、
平板状の揺動体の平面に対して傾斜した部分を有するよ
うに形成したので、トーションスプリングが揺動体の平
面に対して垂直、平行方向へ撓みにくくなり、揺動体の
正確な揺動運動を可能にしたマイクロ構造体を効果的に
実現できる。また、その材質を単結晶材料にすれば、ね
じれ易く撓みにくいトーションスプリングを持ち機械的
なQ値が大きなマイクロ構造体を提供することができ
る。また、機械的なQ値が高いためにノイズが少なく、
感度の高い、力学量センサを提供できる。また、機械的
なQ値が高いため、共振駆動したときに振幅が大きく、
また、エネルギー効率の高いマイクロアクチュエータを
提供できる。また、機械的なQ値が高いため、共振駆動
したときに振幅が大きく、また、エネルギー効率の高い
マイクロ光偏向器を提供できる。

【０１１１】本発明の光偏向器を光走査型ディスプレイ
に適用することで、精細な画像を形成できる光走査型デ
ィスプレイも提供できる。更に、本発明の製造方法を用
いることで、本発明のマイクロ構造体、マイクロ光偏向
器、マイクロ力学量センサ及びマイクロアクチュエータ
を比較的容易に製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例１の光偏向器を説明するための
斜視図である。

【図２】実施例１の光偏向器を説明するための分解図
（ａ）、及びトーションバーの縦断面図（ｂ）である。

【図３】実施例１等の光偏向器を説明するための断面図
である。

【図４】実施例１の光偏向器を説明するためのトーショ
ンバーの部分の横断面図である。

【図５】シリコンの異方性エッチングを説明する図であ
る。

【図６】実施例１の光偏向器のシリコン単結晶薄板の作
製プロセスを説明する図である。

【図７】実施例１等の光偏向器のガラス基板の作製プロ
セスを説明する図である。

【図８】本発明の実施例１の変形例の光偏向器を説明す
るための斜視図（ａ）、及びトーションスプリングの断
面図（ｂ）である。

【図９】本発明の実施例２の光偏向器を説明するための
斜視図である。

【図１０】実施例２の光偏向器を説明するための分解図
（ａ）、及びトーションスプリングの縦断面図（ｂ）で
ある。

【図１１】実施例２の光偏向器を説明するためのトーシ
ョンスプリングの部分の横断面図である。

【図１２】実施例２の光偏向器を説明するための平面図
である。

【図１３】実施例２の光偏向器のシリコン単結晶薄板の
作製プロセスを説明する図である。

【図１４】本発明の実施例２の変形例の光偏向器を説明
するための斜視図（ａ）、及びトーションスプリングの
断面図（ｂ）である。

【図１５】実施例２の変形例の光偏向器のシリコン単結
晶薄板の作製プロセスを説明する図である。

【図１６】本発明の実施例３の光偏向器を説明するため
の斜視図である。

【図１７】実施例３の光偏向器を説明するための分解図
（ａ）、及びトーションスプリングの縦断面図（ｂ）で
ある。

【図１８】実施例３の光偏向器を説明するためのトーシ
ョンスプリングの部分の横断面図である。

【図１９】実施例３の光偏向器のシリコン単結晶薄板の
作製プロセスを説明する図である。

【図２０】本発明の実施例３の変形例の光偏向器を説明
するための斜視図（ａ）、及びトーションスプリングの
断面図（ｂ）である。

【図２１】実施例４の光偏向器の動作原理を説明する概
略斜視図である。

【図２２】本発明の実施例５の光走査型ディスプレイを
説明する図である。

【図２３】従来の光偏向器を説明するための斜視図であ
る。

【図２４】従来の光偏向器を説明するための分解図であ
る。

【図２５】従来の光偏向器を説明するための断面図であ
る。

【図２６】従来の光偏向器を説明するためのトーション
バーの部分の断面図である。

【図２７】従来のハードディスク用ジンバルを説明する
上面図である。

【図２８】従来のハードディスク用ジンバルを説明する
ための断面図である。

【図２９】従来のハードディスク用ジンバルの作製プロ
セスを説明する図である。

【符号の説明】

１１０ガラス基板１１２凹み部１１４、１１６駆動電極１２０、６２０、７２０シリコン単結晶薄板１２２、１２３、１２４、１２５、１２８、１２９、５
２８、５２９、６２８、６２９、７２８、７２９
トーションスプリング（トーションバー）１２２ａ、１２４ａ、１２８ａ、１２９ａトーシ
ョンスプリングの付け根部の斜面１３０、３３０、６３０、７３０ミラー１３２ミラー支持部１５０、７３１、７３２マスク層１９０、１９１開口部３４１可動コア３４２固定コア４０１Ｘ光偏向器４０２Ｙ光偏向器４０５レーザ発振器４０７スクリーン４０９コントローラ４１０レーザ光線１０１０絶縁性基板１０１４、１０１６駆動電極１０２０シリコン薄板１０２２、１０２４、２００１、２００２トーシ
ョンバー１０３０、２０１１ミラー１０３２ミラー支持部２０２０ジンバル２０２２、２０２４ロールトーションバー２０２６、２０２８ピッチトーションバー２０３０ヘッド支持体２０３１支持枠２０９１型取り用シリコンウェハー２０９２犠牲層２０９３ポリシリコン層２０９４エポキシ樹脂２０９５パッド

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁷ 識別記号ＦＩテーマコート゛(参考）Ｇ０２Ｂ 26/08 Ｇ０２Ｂ 26/10 １０４Ｚ 26/10 １０４ 7/18 Ｚ (72)発明者廣瀬太東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者八木隆行東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者水谷英正東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内 (72)発明者島田康弘東京都大田区下丸子３丁目30番２号キヤノン株式会社内Ｆターム(参考） 2H041 AA12 AB14 AC04 AZ01 AZ08 2H043 AE16 AE18 BB05 BC08 2H045 AB06 AB10 AB16 AB73 2H049 AA06 AA37 AA44 AA50 AA68 AA69

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板と、少なくとも一つ以上の平板状の揺
動体を有し、前記揺動体が１本以上のトーションスプリ
ングによって前記基板に対して弾性的に揺動自由に支持
されているマイクロ構造体において、前記トーションス
プリングは、その長軸に垂直な面の断面形状の少なくと
も一部が、前記平板状の揺動体の平面に対して傾斜して
いることを特徴とするマイクロ構造体。
【請求項２】前記トーションスプリングのねじり中心軸
が前記平板状の揺動体の重心付近を通ることを特徴とす
る請求項１記載のマイクロ構造体。
【請求項３】前記トーションスプリングの長軸に垂直な
面の断面形状が、そのねじり中心軸を含む面に対して対
称形状を有することを特徴とする請求項１または２記載
のマイクロ構造体。
【請求項４】前記トーションスプリングの材質が単結晶
材料からなることを特徴とする請求項１、２または３記
載のマイクロ構造体。
【請求項５】前記単結晶材料がシリコン単結晶であるこ
とを特徴とする請求項４記載のマイクロ構造体。
【請求項６】前記トーションスプリングの傾斜面がシリ
コン単結晶の（１１１）面であることを特徴とする請求
項５記載のマイクロ構造体。
【請求項７】前記基板、揺動体、トーションスプリング
が共通の単結晶材料基板から一体的に形成されているこ
とを特徴とする請求項１乃至６の何れかに記載のマイク
ロ構造体。
【請求項８】前記単結晶材料が（１００）基板であり、
トーションスプリングが異方性エッチングで形成され
て、その外面を画する該（１００）基板面に対する斜面
が（１１１）面であることを特徴とする請求項５、６ま
たは７記載のマイクロ構造体。
【請求項９】前記基板或いは揺動体に繋がるトーション
スプリングの付け根部の外面を画する該（１００）基板
面に対する面が（１１１）面であることを特徴とする請
求項８記載のマイクロ構造体。
【請求項１０】前記トーションスプリングの横断面形状
がＶ或いは逆Ｖ字状、Ｘ字状、ノの字状、またはハ或い
は逆ハの字状であることを特徴とする請求項１乃至９の
何れかに記載のマイクロ構造体。
【請求項１１】前記トーションスプリングの角部が等方
性エッチングで軽く丸くされて、前記トーションスプリ
ングの角部への応力集中が緩和されていることを特徴と
する請求項１乃至１０の何れかに記載のマイクロ構造
体。
【請求項１２】前記揺動体を支持する２組以上のトーシ
ョンスプリングの断面形状を、夫々揺動体を挟んで対向
するトーションスプリングについて異なる形状とするこ
とを特徴とする請求項１乃至１１の何れかに記載のマイ
クロ構造体。
【請求項１３】前記揺動体を挟んで対向するトーション
スプリングの断面形状を、該対向するトーションスプリ
ングのねじり中心軸を含む面に対して互いに対称に配置
することを特徴とする請求項１２記載のマイクロ構造
体。
【請求項１４】該揺動板を挟んで対向するトーションス
プリングの断面形状を、該対向するトーションスプリン
グのねじり中心軸を含み該揺動板の平面に平行な面に対
して互いに対称に配置することを特徴とする請求項１３
記載のマイクロ構造体。
【請求項１５】前記揺動体が一つであり、直線に沿って
伸びた一つないし一対のトーションスプリングによって
該揺動体が前記基板に対して弾性的に略該直線の回りに
揺動自由に支持されていることを特徴とする請求項１乃
至１４の何れかに記載のマイクロ構造体。
【請求項１６】前記揺動体が複数であり、該複数の揺動
体が入れ子式に配置され、各揺動体が、各直線に沿って
伸びた一対のトーションスプリングによって、その外側
の揺動体或いは前記基板に対して弾性的に略該各直線の
回りに揺動自由に支持されていることを特徴とする請求
項１乃至１４の何れかに記載のマイクロ構造体。
【請求項１７】前記各直線が互いに角度を成して伸びて
いることを特徴とする請求項１６記載のマイクロ構造
体。
【請求項１８】前記角度が９０度であることを特徴とす
る請求項１７記載のマイクロ構造体。
【請求項１９】前記揺動体が複数であり、該複数の揺動
体がトーションバーを介在させて直列的に配置され、最
も外側の揺動体が前記基板にトーションバーを介在させ
て支持されていることを特徴とする請求項１乃至１４の
何れかに記載のマイクロ構造体。
【請求項２０】請求項１乃至１９の何れかに記載のマイ
クロ構造体と、前記基板と前記揺動体の相対変位を検出
する変位検出手段を有することを特徴とするマイクロ力
学量センサ。
【請求項２１】請求項１乃至１９の何れかに記載のマイ
クロ構造体と、前記揺動体を前記基板に対して相対的に
駆動する駆動手段を有することを特徴とするマイクロア
クチュエータ。
【請求項２２】前記駆動手段が、固定コアと、該固定コ
アを周回するコイルと、前記揺動体に接合された可動コ
アからなる電磁アクチュエータであることを特徴とする
請求項２１記載のマイクロアクチュエータ。
【請求項２３】請求項１乃至１９の何れかに記載のマイ
クロ構造体と、前記揺動体を前記基板に対して相対的に
駆動する駆動手段と、前記揺動体に設けられた光偏向子
を有することを特徴とするマイクロ光偏向器。
【請求項２４】前記トーションスプリングの長軸に垂直
な面の断面形状の一部が、前記光偏向子の形成される面
に対して傾斜していることを特徴とする請求項２３記載
のマイクロ光偏向器。
【請求項２５】前記駆動手段が、固定コアと、該固定コ
アを周回するコイルと、前記揺動体に接合された可動コ
アからなる電磁アクチュエータであることを特徴とする
請求項２３または２４記載のマイクロ光偏向器。
【請求項２６】前記光偏向子が、光反射面或いは回折格
子であることを特徴とする請求項２３、２４または２５
記載のマイクロ光偏向器。
【請求項２７】請求項２３乃至２６の何れかに記載のマ
イクロ光偏向器と、変調可能な光源と、前記光源の変調
と前記マイクロ光偏向器の揺動体の動作を制御する制御
手段を有することを特徴とする光走査型ディスプレイ。
【請求項２８】請求項８乃至１０の何れかに記載のマイ
クロ構造体の製造方法であって、（１００）単結晶シリ
コン基板の両面にマスク層を成膜する工程と、前記両面
のマスク層を前記揺動体とトーションスプリングの形態
に応じてパターニングする工程と、前記（１００）シリ
コン基板を異方性エッチングする工程を含むことを特徴
とするマイクロ構造体の製造方法。
【請求項２９】前記異方性エッチングをアルカリ溶液を
用いて行うことを特徴とする請求項２８記載のマイクロ
構造体の製造方法。
【請求項３０】前記トーションスプリングの角部を軽く
等方性エッチングして、前記トーションスプリングの角
部を丸くし、前記トーションスプリングの角部への応力
集中を緩和する工程を更に含むことを特徴とする請求項
２８または２９記載のマイクロ構造体の製造方法。