JP2021089305A - ミラーデバイス - Google Patents
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Abstract
Description
振れ角θを大きくする為には慣性モーメントを小さくする必要がある。つまり振れ角の大きさは可動部の重量に反比例し、長距離化と広角化の両立には不向きな構造であるため、いずれか一方を重視した構造とせざるを得ないという問題があった。
なお、図は模式的なものであり、機能又は構造を概念的に説明するものである。また、図中、同一符号の部分は、各々同一又はこれに相当するものである。
図1は、実施の形態1のミラーデバイスの部分分解斜視図、図2に可動部のA1−A2における断面図を示す。図1および図2に示すようにミラーデバイスは、可動部1とトーションバー2と支持基板3とが一体に構成されている。支持基板3は、枠形状になっている。この枠の形状の支持基板3の内側には、可動部1が設けられている。可動部1の主面は、反射層4により全面を覆われている。反射層4の下層に設けられる駆動コイル5は、電気配線6と電気的に接続されている。支持基板3の周辺には磁界発生部7が設けられ、駆動コイル5に電流を流すことで生じるローレンツ力により、トーションバー2で支持された可動部1が揺動する。
まず、図3Aに示すようにSOI基板(Silicon On Insulator)を用意する。このSOI基板は、シリコンから成る保持基板11の表面に、酸化シリコンから成るBOX層12(Buried Oxide)とシリコンから成る活性層13とが順に接着された構造を有するものである。BOX層12は、図4Cに示すSOI基板裏面加工時のハードマスクの役割を果たす。各膜厚については、例えば、保持基板11は500μm、BOX層12は1μm、活性層13は60μmとしている。なお、図3Aから図3Dおよび図4Aから図4Cの図は、寸法に拘らず、構成を概略的に表している。
駆動コイル5の間のスペース10が大きく、次工程で形成する平滑化層9の厚みが小さい場合、駆動コイル5ターン間を埋めた平滑化層9に数十nm〜数百nmの凹部が生じる。そのため駆動コイル5の間のスペース10は小さい方が好ましい。例えば駆動コイル5の厚みを3μm、平滑化層9の厚みを4μm形成したとき、駆動コイル5の間のスペース10を5μmから4μmに変更することで、凹部は0.03μm程度浅くなる。
ミラーデバイスを駆動した際に、ねじり変形により発生する応力は、トーションバー2の中心付近、および可動部1とトーションバー2との結合部の隅付近で高い値を示している。なお、トーションバー2の中心付近に見られる高い値は、主としてせん断応力によるものであり、可動部1とトーションバー2との結合部の隅付近に見られる高い値は主として引張応力によるものである。この応力の大きさは、ミラーデバイスの振れ角、あるいは平滑化層9に使用する材料および膜厚によってある程度は変化する。一般的にこの種のミラーデバイスは長時間繰り返し運動を行うため、これらの箇所には応力が繰り返し作用する。その結果、応力の集中する箇所に平滑化層9を形成している場合には平滑化層9にクラックが生じ、さらにはミラーデバイスの駆動に悪影響を与える恐れがある。特に、実施の形態1に示しているように、可動部1の中央まで駆動コイル5を設け、駆動コイル5の巻回間の凹凸を平滑化層9で埋めこむことによって、可動部1の表面を平坦状にする場合、わずかではあるが重量が増加するため、ねじり変形による応力について配慮する必要がある。実施の形態2では、実施の形態1における可動部1とトーションバー2との結合部の隅付近を応力集中箇所として、応力集中による不具合に対応している。
図5は、可動部1とトーションバー2との結合部付近の応力集中箇所16に対応するため、可動部1に反射層4と平滑化層9とを設けない領域を設定していることを示している。また図6は、可動部1とトーションバー2との結合部の隅付近の応力集中箇所16に相当する領域の平滑化層9に複数のスリット17を形成していることを示している。図6に示したスリット17は、幅をLiDARに用いるレーザー波長より小さい形状をしている。このようにすることで、光は回折限界により、光の送信及び受光時の回折を低減できる。図5に示すように応力集中箇所16に平滑化層9を形成しないようにすることによって応力集中による歪が緩和される。すなわち、平滑化層9および反射層4が設けられていない領域を設けることによって応力による膜剥がれ防止、ミラーの反り軽減による光学特性の向上を得ることができる。また、図6に示すように、応力集中箇所16の平滑化層9に複数のスリット17を設けることによって応力集中を緩和することができる。
実施の形態3の一例を図7に示す。図7は、トーションバー2の主面と、支持基板3の主面に被覆層18を備えた構造をしている。実施の形態3では実施の形態1に対してトーションバー2と支持基板3に形成された電気配線6(図5および6に示している)を被覆層18で被覆することでミラーデバイスの光学特性と耐環境性を向上させる。
被覆層18は、例えば図4B、図4Cで示したように、平滑化層9または反射層4を形成した後に作製する。
被覆層18は、反射層4の周辺の構成物の中で相対的に表面積の大きな、支持基板3および支持基板3に形成された電気配線6の表面に、反射層4と比較して反射率の低い被膜を形成することで、不要な光の反射を低減し、ミラーデバイスの光学特性を向上させることができる。すなわち、図4Cに示すように、可動部1の領域aと、トーションバー2の領域bと、支持基板3の領域cとを作成した状態では、駆動コイル5への電気配線がむき出しになる。この電気配線の反射率は、反射層4の反射率と同様に高く、電気配線の反射を誤検出する原因になり得る。このため、高い反射率の構成物を被覆層18によって覆うように構成している。被覆層18として、例えば反射率の低いカーボンブラックを反射層4以外の箇所に形成することによって、反射層4の識別を正確に行うことができ、ミラーデバイスの光学特性を向上させることができる。なお、被覆層18を限られた領域の表面にのみ設ける場合には、マスクを用いて、被覆する領域を設定することができる。
実施の形態4の一例を図9に示す。図9は、ミラーデバイスの主面を示した平面図である。実施の形態4のミラーデバイスは、支持基板3が、中間フレーム22と外側フレーム30とによって構成され、可動部1は第1のトーションバーとしての内側トーションバー20によって中間フレーム22に接続され、中間フレーム22は第2のトーションバーとしての外側トーションバー23によって外側フレーム30に接続されている。すなわち、母材8の上に内側駆動コイル19と平滑化層9と反射層4が順に形成された可動部1を内側トーションバー20で中間フレーム22に支持し、内側トーションバー20の他端は、第2の駆動コイルとしての外側駆動コイル21が設けられた中間フレーム22の内周に接続され、中間フレーム22の外周は、内側トーションバー20と交差する向きに設けられた外側トーションバー23によって支持され、外側トーションバー23の他端は支持基板3の外側フレーム30に接続された構造をしている。
実施の形態4のミラーデバイスの構造に実施の形態2に示した応力集中への対応を組み合わせることができる。例えば、実施の形態2の図5の構成と実施の形態4の図9の構成とを組み合わせて、図10に示すように、可動部1と内側トーションバー20との結合部付近の応力集中箇所16に反射層を設けないように構成する。または、実施の形態2の図6の構成と実施の形態4の図9の構成とを組み合わせて、図11に示すように、可動部1と内側トーションバー20との結合部付近の応力集中箇所16にスリットを設ける構成とすることができる。
さらに、実施の形態4のミラーデバイスの構造に実施の形態3に示した被覆層18の構成を組み合わせて、応力集中する箇所に被覆層18を形成しない領域を設けることができる。また、図12に示すように、可動部1、内側トーションバー20、中間フレーム22、外側トーションバー23、外側フレーム30において、応力集中する箇所に、スリット17を設け、反射層4以外の部分を被覆層18によって覆うように構成することによって、実施の形態3と実施の形態4による効果を達成することができる。
実施の形態5の一例を図13に示す。図13は、可動部1の断面図である。実施の形態5は、実施の形態1から3に示した駆動コイル5または実施の形態4で示した内側駆動コイル19が形成されていない可動部1の中央部に駆動コイル5または内側駆動コイル19と接続されていないダミー箇所26を備えた構造をしている。実施の形態1における製造方法で説明したように、駆動コイル5の間のスペース10が大きい場合には、平滑化層9に生じる凹部が大きくなる。
実施の形態6の一例を図14に示す。図14は、ミラーデバイスの裏面、すなわち、反射層4が形成されている面とは反対の面の形状を示している。図14では可動部1の裏面に複数の肉抜き箇所27を形成している。これにより実施の形態6は実施の形態1に対して軽量化でき、また肉抜き箇所27を設けない箇所を作ることにより反りが生じにくいミラーデバイス構造とすることができる。可動部1の裏面に形成する肉抜き箇所27は、例えば図4Cに示した工程、すなわち裏面形状を加工する工程で同時に形成できる。また実施の形態4に示したミラーデバイスにおいて、中間フレーム22に肉抜き箇所27を形成してもよい。これにより、中間フレーム22を軽量化でき、ミラーデバイスの第2軸側の振れ角を大きくすることができる。中間フレーム22の裏面に形成する肉抜き箇所27も例えば、図4Cに示した工程、すなわち裏面形状を加工する工程で同時に行うことで形成できる。形成する肉抜き箇所27は、例えば帯状,マトリクス状,ハニカム状など様々なパターンで作製される。
従って、例示されていない無数の変形例が、本願明細書に開示される技術の範囲内において想定される。例えば、少なくとも1つの構成要素を変形する場合、追加する場合または省略する場合、さらには、少なくとも1つの構成要素を抽出し、他の実施の形態の構成要素と組み合わせる場合が含まれるものとする。
6 電気配線、7 磁界発生部、8 母材、9 平滑化層、10 スペース、
11 保持基板、12 BOX層、13 活性層、14 第1の酸化膜、
15 第2の酸化膜、16 応力集中箇所、17 スリット、18 被覆層、
19 内側駆動コイル、20 内側トーションバー、21 外側駆動コイル、
22 中間フレーム、23 外側トーションバー、24 第1の電気配線、
25 第2の電気配線、26 ダミー箇所、27 肉抜き箇所、30 外側フレーム
Claims (15)
- 枠形状の支持基板、前記支持基板の枠形状の内側に設けられた可動部、前記支持基板と前記可動部との間に設けられ、前記可動部を前記支持基板に接続する第1のトーションバー、前記可動部の主面の周縁に複数巻設された第1の駆動コイル、前記第1の駆動コイルを含む前記可動部の表面に設けられ、前記駆動コイルの巻回間を埋め込み、前記可動部の表面を平坦状にする平滑化層、および前記平滑化層の表面に設けられ光を反射する反射層を備えたことを特徴とするミラーデバイス。
- 前記反射層は、前記可動部と前記第1のトーションバーとの接続部の応力集中箇所を除く前記可動部の表面の領域に設けられていることを特徴とする請求項1に記載のミラーデバイス。
- 前記可動部における前記第1のトーションバーとの接続部の応力集中箇所にスリットが設けられていることを特徴とする請求項1または2に記載のミラーデバイス。
- 前記第1のトーションバーの応力集中箇所にスリットが設けられていることを特徴とする請求項1から3のいずれか1項に記載のミラーデバイス。
- 前記支持基板の表面に、光の反射率が前記反射層よりも低い被覆層を備えたことを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のミラーデバイス。
- 前記被覆層の光の反射率は、前記被覆層が覆う構成物の反射率よりも低いことを特徴とする請求項5に記載のミラーデバイス。
- 前記被覆層は、前記可動部と前記第1のトーションバーとの接続部の応力集中箇所を除く前記可動部の表面の領域に設けられていることを特徴とする請求項5または6に記載のミラーデバイス。
- 前記可動部の表面に埋め込み部材が設けられ、前記埋め込み部材を含めて前記可動部の表面が前記平滑化層によって平坦状にされていることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のミラーデバイス。
- 前記可動部の、前記反射層が設けられた面とは反対の面に1つ以上の肉抜き箇所が存在することを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のミラーデバイス。
- 前記支持基板が、前記可動部を支持する中間フレームと前記中間フレームの外側に設けられた外側フレームとによって構成され、前記中間フレームと前記外側フレームとの間が、前記第1のトーションバーに対して交差する方向の第2のトーションバーによって接続され、前記中間フレームの主面の周縁に第2の駆動コイルを複数巻設されていることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載のミラーデバイス。
- 前記中間フレーム、前記外側フレームの少なくとも1つの表面に、光の反射率が前記反射層よりも低い被覆層を備えたことを特徴とする請求項10に記載のミラーデバイス。
- 前記被覆層が、前記中間フレームと前記第1のトーションバーとの接続部の応力集中箇所を除く前記中間フレームの表面の領域に設けられていることを特徴とする請求項11に記載のミラーデバイス。
- 前記中間フレームと前記第2のトーションバーとの接続部の応力集中箇所および前記外側フレームと前記第2のトーションバーとの接続部の応力集中箇所の少なくとも一方の応力集中箇所にスリットが設けられていることを特徴とする請求項11または12に記載のミラーデバイス。
- 前記第2のトーションバーの応力集中箇所にスリットが設けられていることを特徴とする請求項11から13のいずれか1項に記載のミラーデバイス。
- 前記中間フレームの、前記反射層が設けられた面とは反対側の面に1つ以上の肉抜き箇所が存在することを特徴とする請求項10から14のいずれか1項に記載のミラーデバイス。
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