KR101264136B1 - 가동 구조체을 사용한 마이크로 미러 소자 - Google Patents

Abstract

본 발명은 가동 구조체에 있어서, 경첩부의 비틀림 강성(torsional rigidity)을 억제하면서 인장 강성과 휨 강성을 등을 높여, 가동판의 요동(搖動) 동작의 안정성을 높이는 것을 과제로 한다. 본 발명에 의하면, 한쌍의 지주부(3a) 및 이 한쌍의 지주부(3a)에 놓여져 있는 크로스피스(3b)에 의해, 개방부(3c, open section)를 가지는 사다리 형상의 경첩부(3)를 형성하고, 가동판(2)을 회동 가능하게 지지한다. 경첩부(3)의 개방부(3c)에 의해 경첩부(3)의 회동축 주위의 비틀림 강성을 억제하면서 인장 강성과 휨 강성을 등을 높인다.

Description

가동 구조체을 사용한 마이크로 미러 소자{MICRO-MIRROR DEVICE USING A MOVING STRUCTURE}

본 발명은, 경첩부에 의해 축 지지된 가동판(可動板)을 회전축 주위에 요동(搖動)시키는 가동 구조체와, 상기 가동 구조체를 사용하여 광을 주사(走査)하는 광 주사용 마이크로 미러 소자에 관한 것이다.

종래부터, 예를 들면, 바코드 리더나 프로젝터 등의 광학 기기에는, 미러가 설치된 가동판을 요동시켜, 그 미러에 입사된 광빔을 원하는 방향으로 반사시켜 광빔을 주사시키는 마이크로 미러 소자가 탑재되어 있는 것이 있다. 이와 같은 마이크로 미러 소자는, 이른바 마이크로머시닝(micromachining) 기술을 이용하여 성형되는 소형 가동 구조체를 탑재한 것이며, 가동판은, 주위의 프레임부에 지지된 한쌍의 빔형의 경첩부에 의해 유지되어 있다. 가동판은, 예를 들면, 자력이나 정전기력 등의 구동력을 받아, 경첩부를 회전축으로 하여 경첩부를 비틀면서 요동한다.

그런데, 전술한 바와 같은 가동 구조체에 있어서, 가동판의 진동 모드는, 도 4에 나타낸 바와 같이, 「비틀림 모드」, 「면내 평행이동 모드」, 「면내 회전 모드」, 「면외 평행이동 모드」 및 「면외 회전 모드」의 5종류가 존재한다. 광빔을 정확하게 주사시키기 위해서는, 가동판의 자세를 정확하게 제어할 필요가 있으므로, 가동판의 요동 동작의 응답성과 안정성을 높일 필요가 있다. 가동판의 요동 동작의 응답성을 높이기 위해서는, 「비틀림 모드」의 공진(共振) 주파수를 일정 레벨 이하로 설정하여 경첩부를 설계할 필요가 있고, 경첩부의 비틀림 강성(torsional rigidity)을 저하시키는 형상에 대하여 다양한 검토가 이루어지고 있다.

예를 들면, 특허 문헌 1에는, 경첩부의 단면 형상을 「X자 형상」으로 형성하는 기술을 나타내고 있다. 또한, 특허 문헌 2에는, 서로 공간을 사이에 두고 경사지게 대향 배치된 2개의 지주(支柱)에 의해 경첩부를 형성하는 기술을 나타내고 있다.

일본 특허출원 공개번호 2002-321196호 공보 일본 특허출원 공개번호 2003-15064호 공보

전술한 가동판의 요동 동작의 안정성을 높이기 위해서는, 「면내 평행이동 모드」, 「면내 회전 모드」, 「면외 평행이동 모드」 및 「면외 회전 모드」의 공진 주파수를 높이는 것이 유효하며, 그러므로 경첩부의 인장 강성이나 휨 강성을 충분히 높여 둘 필요가 있다. 그러나, 상기 특허 문헌 2에 나타낸 기술에 있어서는, 경첩부의 비틀림 강성을 억제할 수 있는 반면, 인장 강성과 휨 강성도 동시에 저하되어, 가동판의 요동 동작의 안정성을 높일 수 없다. 또한, 특허 문헌 1에 나타낸 경첩부는 그 제조 공정이 복잡해지고, 또한 가공 정밀도 상의 문제로 인해 설계 목표대로의 강성 특성을 얻기가 곤란하기 때문에, 대량 생산을 전제로 한 바코드 리더나 프로젝터 등의 광학 기기에는 적합하지 않다.

본 발명은, 전술한 문제점을 감안하여 이루어진 것이며, 원하는 강성 특성을 가지는 경첩부를 간소한 공정으로 제조 가능하도록 하여, 광학 기기 등의 화질 향상 등을 염가로 도모할 수 있는 가동 구조체를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기 목적을 달성하기 위하여, 제1 태양의 발명은, 가동판과, 상기 가동판을 요동 가능하게 축 지지하는 빔형의 경첩부와, 상기 경첩부를 지지하는 프레임부를 구비한 가동 구조체에 있어서, 상기 경첩부는, 한쌍의 지주부와, 이 한쌍의 지주부 사이에 가로 놓여져 있는 크로스피스(crosspieces)를 가지는 사다리 형상으로서, 상기 한쌍의 지주부는, 평면에서 볼 때 서로 평행하게 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.

제2 태양의 발명은, 제1 태양의 발명에 기재된 가동 구조체에 있어서, 상기 한쌍의 지주부는, 평면에서 볼 때 서로 평행하게 배치되어 있는 변을 가지지 않는 것을 특징으로 한다.

제3 태양의 발명은, 제1 및 제2 태양의 발명 중 하나의 가동 구조체에 있어서, 상기 한쌍의 지주부 및 상기 크로스피스는, 상기 가동판과 두께 방향의 상면 및 하면이 각각 동일 평면 내에 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

제4 태양의 발명은, 제1 내지 제3 태양의 발명 중 하나의 가동 구조체에 있어서, 상기 크로스피스는, 상기 지주부에 대하여 수직으로 배치되어 있지 않은 것을 특징으로 한다.

제5 태양의 발명은, 제1 내지 제4 태양의 발명 중 하나의 가동 구조체에 있어서, 상기 경첩부는, 상기 가동판과 결합되는 제1 단부(端部)와, 상기 프레임부와 결합되는 제2 단부를 가지고, 상기 제1 단부와 상기 가동판과의 결합 코너부 및 상기 제2 단부와 상기 프레임부와의 결합 코너부에는 필릿(fillet)이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

제6 태양의 발명은, 제1 내지 제5 태양의 발명 중 하나의 가동 구조체에 있어서, 상기 지주부와 상기 크로스피스와의 결합 코너부에는, 필릿이 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

제7 태양의 발명은, 제1 내지 제6 태양의 발명 중 하나의 가동 구조체에 있어서, 상기 경첩부는, 쌍을 이루는 크로스피스를 가지고, 쌍을 이루는 2개의 크로스피스는, 한쌍의 지주부 사이에서 서로 교차하여 결합되어 있는 것을 특징으로 한다.

제8 태양의 발명은, 제7 태양의 발명의 가동 구조체에 있어서, 상기 경첩부는, 복수 쌍의 크로스피스를 가지고, 쌍을 이루는 2개의 크로스피스는, 쌍마다 상이한 각도로 교차하는 것을 특징으로 한다.

제9 태양의 발명은, 제1 내지 제6 태앙의 발명 중 하나의 가동 구조체에 있어서, 상기 한쌍의 지주부는, 곡선으로 형성되어 있는 것을 특징으로 한다.

제10 태양의 발명은, 제9 태양의 발명의 가동 구조체에 있어서, 상기 곡선은 현수 곡선(catenary curve)인 것을 특징으로 한다.

제11 태양의 발명은 제1 내지 제10 태양의 발명 중 하나에 기재된 가동 구조체를 구비하고, 상기 가동판은, 광을 반사하는 미러를 가지고, 상기 가동판의 일부 및 거기에 대향하는 프레임부에는, 가동판을 요동 구동시키기 위한 전극이 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 소자이다.

제12 태양의 발명은, 제3 태양의 발명의 가동 구조체를 구비하고, 상기 가동판은, 광을 반사하는 미러를 가지고, 상기 가동판의 일부 및 거기에 대향하는 프레임부에는, 가동판을 요동 구동시키기 위한 전극이 상기 가동판에 대하여 수직이면서 서로 평행하게 설치되어 있는 것을 특징으로 하는 마이크로 미러 소자이다.

제1 태양의 발명에 의하면, 경첩부가 사다리 형상으로 형성되어 있으므로, 경첩부의 비틀림 강성을 사다리의 개방(open)된 구조에 의해 억제하면서, 경첩부의 인장 강성이나 휨 강성을 지주부와 크로스피스에 의해 충분히 높일 수 있게 된다. 이로써, 가동판의 요동 동작의 응답성과 안정성을 높일 수 있게 되어, 염가로 용이하게 광학 기기 등의 화질 향상 등을 도모할 수 있다. 또한, 한쌍의 지주부가 서로 평행하게 배치되어 있지 않으므로, 경첩부의 휨 강성을 중점적으로 높일 수 있고, 예를 들면, 가동판의 면내 평행이동 모드나 면내 회전 모드의 진동을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

제2 태양의 발명에 의하면, 한쌍의 지주부는, 평면에서 볼 때 서로 평행으로 배치되어 있는 변을 갖지 않기 때문에, 제1 태양의 발명와 마찬가지로, 경첩부의 휨 강성을 중점적으로 높일 수 있고, 예를 들면, 가동판의 면내 평행이동 모드나 면내 회전 모드의 진동을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

제3 태양의 발명에 의하면, 한쌍의 지주부 및 크로스피스는, 가동판과 동일한 평면에 형성되어 있으므로, 가동판의 주변부를 드라이 에칭 등에 의해 제거할 때 동시에 지주부 및 크로스피스를 형성할 수 있다. 이로써, 종래부터 있었던 통상적인 가동 구조체와 동등한 간소한 공정으로 제1 또는 제2 태양의 발명의 가동 구조체를 얻을 수 있고, 또한 광학 기기 등의 화질 향상 등을 염가로 도모할 수 있다.

제4 태양의 발명에 의하면, 지주부에 대하여 크로스피스가 수직으로 배치되어 있지 않으므로, 경첩부의 인장 강성을 중점적으로 높일 수 있어, 비틀림 모드 이외의 가동판의 진동을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

제5 태양의 발명에 의하면, 경첩부의 제1 단부 및 제2 단부에는 필릿이 형성되어 있으므로, 제1 단부 및 제2 단부에 관한 응력을 분산시킬 수 있다. 이로써, 장기간에 걸쳐 가동 구조체를 사용하는 경우에, 제1 단부 및 제2 단부에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 경첩부의 내구성을 높일 수 있다.

제6 태양의 발명에 의하면, 지주부와 크로스피스와의 결합 코너부에는, 필릿이 형성되어 있으므로, 상기 결합 코너부에 걸리는 응력을 분산시킬 수 있다. 이로써, 장기간에 걸쳐 가동 구조체를 사용하는 경우에, 상기 결합 코너부에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 경첩부의 내구성을 더욱 높일 수 있다.

제7 태양의 발명에 의하면, 쌍을 이루는 2개의 크로스피스가, 한쌍의 지주부의 사이에서 서로 교차하여 결합되어 있으므로, 원하는 휨 강성 및 비틀림 강성을 가지도록 경첩부의 설계 자유도를 높일 수 있으므로, 예를 들면, 가동판의 면내 평행이동 모드나 면내 회전 모드의 진동을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

제8 태양의 발명에 의하면, 경첩부는, 복수 쌍의 크로스피스를 가지고, 쌍을 이루는 2개의 크로스피스는, 쌍마다 상이한 각도로 교차하므로, 경첩부의 휨 강성 및 비틀림 강성의 분포를 자유롭게 설정할 수 있개 되어, 경첩부의 설계 자유도를 더욱 높일 수 있다. 이로써, 예를 들면, 가동판의 면내 평행이동 모드나 면내 회전 모드의 진동을 더 한층 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

제9 태양의 발명에 의하면, 지주부가 곡선으로 형성되어 있으므로, 지주부에 걸리는 응력의 분포를 자유롭게 설정할 수 있게 되어, 경첩부의 내구성을 더욱 높일 수 있다.

제10 태양의 발명에 의하면, 지주부가 현수 곡선으로 형성되어 있으므로, 지주부에 걸리는 응력을, 더욱 균일하게 분포시킬 수 있고, 경첩부의 내구성을 더 한층 높일 수 있다.

제11 태양의 발명에 의하면, 미러의 요동 동작의 응답성과 안정성이 우수한 마이크로 미러 소자를 용이하게 또한 염가로 얻을 수 있다.

제12 태양의 발명에 의하면, 한쌍의 지주부 및 크로스피스는 가동판과 동일한 평면에 형성되고, 또한 가동판을 요동 구동시키기 위한 전극이 가동판에 대하여 수직이면서, 서로 평행하게 설치되어 있으므로, 가동판의 주변부와 사다리 형상의 경첩부 중에서 개방된 부분을 드라이 에칭 등에 의해 동일 공정으로 제거함으로써, 전극과 사다리 형상의 경첩부를 동시에 형성할 수 있다. 이로써, 미러의 요동 동작의 응답성과 안정성이 우수한 마이크로 미러 소자를 더욱 용이하게, 또한 염가로 얻을 수 있다.

도 1은 본 발명의 제1 실시예에 따른 가동 구조체를 사용한 마이크로 미러 소자의 일례를 나타낸 사시도이다.
도 2는 상기 미러 소자를 하면 측으로부터 본 사시도이다.
도 3은 상기 미러 소자의 평면도이다.
도 4는 가동판의 진동 모드와 시뮬레이션에 의해 산출된 공진 주파수를 나타낸 도면이다.
도 5는 경첩부를 확대하여 나타낸 평면도이다.
도 6은 경첩부의 변형예를 나타낸 평면도이다.
도 7은 경첩부의 다른 변형예를 나타낸 평면도이다.
도 8은 경첩부의 또 다른 변형예를 나타낸 평면도이다.
도 9는 경첩부의 또 다른 변형예를 나타낸 평면도이다.
도 10은 경첩부의 또 다른 변형예를 나타낸 평면도이다.

이하, 본 발명의 제1 실시예에 따른 가동 구조체를 사용한 광 주사용 마이크로 미러 소자에 대하여 도면을 참조하여 설명한다. 도 1, 도 2, 및 도 3은, 본 실시예에 따른 마이크로 미러 소자의 일례를 나타낸다. 마이크로 미러 소자(이하, 미러 소자라고 칭함)(1)는, 이른바 마이크로머시닝 기술을 이용한 제조 방법으로 실리콘층을 가공함으로써 구성된, 소형의 가동 구조체에 의해 구성되어 있다. 이 미러 소자(1)는, 예를 들면, 바코드 리더, 외부 스크린 등에 화상을 투영하는 프로젝터 장치, 또는 광 스위치 등의 광학 기기에 탑재되는 것이며, 외부의 광원 등(도시하지 않음)으로부터 입사되는 광빔 등을 주사하는 기능을 가지고 있다.

미러 소자(1)는, 도전성을 가지는 제1 실리콘층(11a)과 제2 실리콘층(11b)을, 절연성을 가지는 실리콘의 산화막(절연막)(11c)을 통하여 접합하여 이루어지는 3층의 SOI(Silicon on Insulator) 기판(11)으로 구성되어 있다. SOI 기판(11)의 두께는, 예를 들면, 약 400[㎛]이며, 제1 실리콘층(11a)과 산화막(11c)의 두께는, 각각, 예를 들면, 약 수십[㎛], 약 수[㎛]이다. 이 미러 소자(1)는, 상면에서 보았을 때, 예를 들면, 한 변이 약 4[mm]인 대략 정사각형의 직육면체형 소자이며, 예를 들면, 유리 기판 상에 배치되어 광학 기기 등에 탑재된다.

제1 실리콘층(11a)에는, 예를 들면, 직사각형 형상으로 형성된 가동판(2)과, 가동판(2)의 양 측부에 각각 서로 동일한 축이 되도록 배치된 한쌍의 빔형의 경첩부(3)와, 각각의 경첩부(3) 중 가동판(2)이 설치되어 있는 부위와는 반대측의 선단부를 유지하는 프레임부(4)가 일체로 형성되어 있다. 도 2에 나타낸 바와 같이, 산화막(11c) 및 제2 실리콘층(11b) 중 가동판(2)의 하방의 부위에는, 공간(40)이 형성되어 있고, 가동판(2)은, 경첩부(3)에 축 지지되고 요동 가능하게, 프레임부(4)에 유지되어 있다. 미러 소자(1)는, 구동되고 있지 않은 정지 상태에 있을 때, 가동판(2), 경첩부(3), 및 프레임부(4)의 상면이, 대략 수평으로 배열되도록 구성되어 있다.

프레임부(4)는, 가동판(2)을 에워싸도록 배치되어 있다. 가동판(2)과 프레임부(4)에는, 가동판(2)의 구동력을 발생시키는 수직 컴(comb)(빗살 전극)(5)이 형성되어 있다. 프레임부(4)의 상면에는, 수직 컴(5)에 구동 전압을 인가하기 위한 전극 패드(7a, 7b)가 배치되어 있다.

가동판(2)의 양 측부의 대략 중앙부에는, 경첩부(3)의 일단이 각각 접속되어 있다. 2개의 경첩부(3)는, 가동판(2)에 대하여 대략 대칭으로 형성되어 있고, 가동판(2)을 양호한 밸런스로 유지하고 있다. 가동판(2)의 중심은, 2개의 경첩부(3)가 나란히 이루는 축의 근방에 위치하고 있다. 그러므로, 가동판(2)은, 수직 컴(5)에 구동되어 요동할 때, 경첩부(3)를 비틀면서 경첩부(3)를 회전축으로 하여 회전 운동하고, 밸런스를 유지하면서 요동 가능하다. 가동판(2)의 상면에는, 예를 들면, 외부로부터 입사되는 광빔 등을 반사하기 위한 직사각형 형상의 미러 막(미러)(2a)이 형성되어 있다. 미러 막(2a)은, 미러 소자(1)와 함께 사용되는 광원의 종류 등에 따라 선택된, 예를 들면, 알루미늄이나 금 등의 금속막이다. 그리고, 가동판(2)이나 미러 막(2a)의 형상은, 직사각형으로 한정되지 않고, 예를 들면, 원형이나 타원형 등이라도 된다.

프레임부(4)는, 경첩부(3)를 지지하는 지지부(4a)와, 가동판(2) 중 그 요동 시에 자유단으로 되는 2개의 측단부를 각각 에워싸도록 배치되고, 수직 컴(5)이 형성되어 있는 2개의 고정 전극부(4b)를 가지고 있다. 지지부(4a)와 고정 전극부(4b)는, 예를 들면, 서로의 경계부의 실리콘층(11a)이 제거되어 형성된 절연홈(9)에 의해, 서로 전기적으로 절연되어 있다. 지지부(4a)와 고정 전극부(4b)에는, 각각, 전극 패드(7a, 7b)가 형성되어 있고, 전극 패드(7a, 7b)의 전위를 변경함으로써, 지지부(4a)와 각각의 고정 전극부(4b)의 전위를 서로 독립적으로 변경할 수 있도록 구성되어 있다. 이 전극 패드(7a, 7b)는, 예를 들면, 미러 막(2a)과 동일한 금속막에 의해 형성되어 있다.

수직 컴(5)은, 가동판(2)의 요동 시에 자유단으로 되는 측단부에 형성된 복수개의 빗살로 이루어지는 전극(2b)과, 고정 전극부(4b) 중 가동판(2)의 측단부에 대향하는 부위에 형성된 복수개의 빗살로 이루어지는 전극(4d)을 가지고 있다. 수직 컴(5)은, 이 전극(2b, 4d)이, 예를 들면, 수[㎛]의 간격으로 서로 맞물리도록 배치되어 구성되어 있다. 즉, 전극(2b)과 전극(4d)은, 가동판(2)에 대하여 수직이면서, 서로 평행하게 설치되어 있다.

전극(2b)은, 지지부(4a), 경첩부(3), 및 가동판(2)을 통하여 전극 패드(7a)와 도통(導通)되어 있다. 한편, 전극(4d)은, 고정 전극부(4b)를 통하여 전극 패드(7b)와 도통되어 있다. 가동판(2)이 프레임부(4)에 대하여 약간 경사진 자세, 즉, 전극(2b)과 전극(4d)이 가동판(2)에 수직인 방향으로 어긋난 상태로 각각의 전극(2b, 4d) 사이에 전압이 인가되면, 각각의 전극(2b, 4d) 사이에 정전기력에 의한 서로 끌어당기는 힘이 발생하고, 경첩부(3)에 축 지지된 가동판(2)이 회전 구동된다. 즉, 수직 컴(5)에 인가되는 구동 전압에 의해 발생하는 정전기력이, 가동판(2)의 측단부에, 가동판(2)에 대하여 대략 수직으로 작용함으로써, 가동판(2)에 경첩부(3)를 회전축으로 하는 정전 토크(electrostatic torque)가 가해져, 가동판(2)이 요동 구동된다.

다음으로, 전술한 바와 같이 구성된 미러 소자(1)의 동작에 대하여 설명한다. 미러 소자(1)의 가동판(2)은, 수직 컴(5)이 소정의 구동 주파수로 구동력을 발생시킴으로써 구동된다. 수직 컴(5)은, 예를 들면, 지지부(4a)에 배치된 전극 패드(7a)가 그라운드 전위에 접속되고, 가동판(2)의 전극(2b)이 기준 전위인 상태로, 고정 전극부(4b)에 배치된 전극 패드(7b)의 전위를 주기적으로 변화시켜, 전극(2b, 4d) 사이에 소정의 구동 주파수의 전압이 인가되어 구동된다. 수직 컴(5) 중 2개의 전극(4d)의 전위가, 동시에 소정의 구동 전위(예를 들면, 수십 볼트)까지 변화함으로써, 가동판(2)의 양 단부에 설치된 2개의 전극(2b)이, 각각과 대향하는 전극(4d)에, 정전기력에 의해 동시에 끌려서 접근한다. 이 미러 소자(1)에 있어서, 수직 컴(5)에는, 예를 들면, 직사각형파 형상의 펄스 전압이 인가되어, 수직 컴(5)에 의한 구동력이 주기적으로 발생하도록 구성되어 있다. 그리고, 본 실시예에 있어서, 제2 실리콘층(11b)이나 그라운드 전위에 접속되어 있고, 가동판(2), 경첩부(3)가 함께 동일한 전위로 된 상태로 구동된다.

가동판(2)은, 일반적으로 대부분의 경우, 그 성형 시에 내부 응력 등이 생기는 것에 의해, 정지 상태에서도 가동판(2)이 수평 자세가 아니라, 아주 약간이지만 경사져 있다. 그러므로, 정지 상태라고 하더라도, 수직 컴(5)이 구동되면, 가동판(2)에 거기에 대략 수직인 방향의 구동력이 더해져, 가동판(2)이 경첩부(3)를 회전축으로 하여 회동(回動)한다. 그리고, 수직 컴(5)의 구동력을, 가동판(2)이 전극(2b, 4d)이 완전히 서로 중첩된 자세가 되었을 때 해제하면, 가동판(2)은, 그 관성력에 의해, 경첩부(3)를 비틀면서 회동을 계속한다. 그리고, 가동판(2)의 회동 방향으로의 관성력과 경첩부(3)의 복원력이 같아졌을 때, 가동판(2)의 그 방향으로의 회동이 멈춘다. 이 때, 수직 컴(5)이 다시 구동되고, 가동판(2)은, 경첩부(3)의 복원력과 수직 컴(5)의 구동력에 의해, 지금까지와는 반대 방향으로의 회동을 개시한다. 가동판(2)은, 이와 같은 수직 컴(5)의 구동력과 경첩부(3)의 복원력에 의한 회동을 반복하여 요동한다. 수직 컴(5)은, 가동판(2)과 경첩부(3)에 의해 구성되는 진동계의 공진 주파수의 대략 2배의 주파수의 전압이 인가되어 구동되고, 가동판(2)이 공진 현상을 수반하여 구동되고, 그 요동각이 커지도록 구성되어 있다. 그리고, 수직 컴(5)의 전압의 인가 태양이나 구동 주파수는, 전술한 바로 한정되지 않고, 예를 들면, 구동 전압이 정현파형으로 인가되도록 구성되어 있어도 되고, 또한, 전극(2b, 4d)의 전위가 서로 역위상으로 변화하도록 구성되어 있어도 된다.

도 4는, 수직 컴(5)에 의해 구동되는 가동판(2)의 진동 모드와 시뮬레이션에 의해 산출된 공진 주파수를 나타내고 있다. 가동판(2)은, 경첩부(3)에 의해 프레임부(4)에 걸려서 걸쳐져 있으므로, 경첩부(3)의 회동축 주위의 비틀림 변형에 의한 회동(「비틀림 모드 진동」)뿐만 아니라, 경첩부(3)의 신축 변형이나 휨 변형에 의해 도 4에 나타낸, 「면내 평행이동 모드」, 「면내 회전 모드」, 「면외 평행이동 모드」 및 「면외 회전 모드」로 진동한다.

이미 설명한 바와 같이, 광빔을 정확하게 주사하기 위해서는, 가동판(2)의 자세를 정확하게 제어할 필요가 있으므로, 가동판(2)의 요동 동작의 응답성과 안정성을 높일 필요가 있다. 가동판(2)의 요동 동작의 응답성을 높이기 위해서는, 「비틀림 모드」의 공진 주파수를 일정 레벨 이하로 설정하여 경첩부(3)를 설계할 필요가 있으며, 여기에는 경첩부(3)의 비틀림 강성(torsional rigidity)을 저하시키는 것이 효과적이다. 한편, 가동판(2)의 요동 동작의 안정성을 높이기 위해서는, 「면내 평행이동 모드」, 「면내 회전 모드」, 「면외 평행이동 모드」 및 「면외 회전 모드」의 공진 주파수를 높일 필요가 있고, 그러므로 경첩부(3)의 인장 강성이나 휨 강성을 충분히 높여 두는 것이 효과적이다. 그런데, 일반적으로 경첩부(3)의 인장 강성이나 휨 강성을 높이고자 하면, 경첩부(3)의 회동축 주위의 비틀림 강성도 부수적으로 높아지므로, 가동판(2)의 요동 동작의 응답성이 저하된다.

이에, 본 미러 소자(1)에 있어서는, 도 1 내지 도 3에 나타낸 바와 같이 경첩부(3)(도 4에서는 사다리 경첩으로 함)에 개방부(3c)를 가지는 사다리 형상으로 형성함으로써, 경첩부(3)의 비틀림 강성을 종래부터 존재하는 통상적인 봉 형상의 경첩(도 4에 있어서 스트레이트 경첩으로 함)과 동등하게 확보하면서, 경첩부(3)의 인장 강성이나 휨 강성을 높이고 있다.

도 5는, 경첩부(3)를 확대하여 나타내고 있다. 경첩부(3)는, 평행하게 배치된 한쌍의 지주부(3a)와, 한쌍의 지주부(3a)에 가로 놓여져 있는 크로스피스(3b)를 가지고, 정면에서 볼 때 사다리 형상으로 되도록, 지주부(3a) 및 크로스피스(3b)가 가동판(2)과 동일한 평면내에 형성되어 있다. 지주부(3a)는, 예를 들면, 폭 치수가 수[㎛], 두께 치수[제1 실리콘층(11a)의 두께 치수에 상당]가 수십[㎛], 길이 치수가 수백[㎛]로 형성되어 있다. 지주부(3a)의 간격은, 예를 들면, 수[㎛]로 되어 있다. 크로스피스(3b)는, 복수개 설치되고, 각각 지주부(3a)에 대하여 수직으로 설치되어 있다.

경첩부(3)에 있어서는, 지주부(3a)와 크로스피스(3b)에 의해 에워싸인 공간이 개방부(3c)로 되어, 경첩부(3)의 비틀림 강성을 억제한다. 즉, 개방부(3c)의 존재에 의해, 경첩부(3)는, 특히 비틀림 방향으로 변형되기 쉬운 강성 특성을 가지게 된다. 한편, 간격을 두고 설치된 한쌍의 지지부(3a)와 이들을 결합시키는 크로스피스(3b)에 의해 경첩부(3)의 강성 특성은, 인장 방향이나 굽힘 방향으로 쉽게 변형되지 않게 된다. 이와 같은 강성 특성을 고려하면서 지주부(3a) 및 크로스피스(3b)를 적절하게 설계함으로써, 도 4에 나타낸 바와 같이, 「비틀림 모드」의 공진 주파수를 스트레이트 경첩과 동등하게 확보하면서, 「면내 평행이동 모드」, 「면내 회전 모드」, 「면외 평행이동 모드」 및 「면외 회전 모드」의 공진 주파수를 높일 수 있게 된다. 도 4에 나타내는 계산에 의하면, 특히 「면내 평행이동 모드」, 「면내 회전 모드」의 공진 주파수를 비약적으로 높일 수 있어, 가동판(2)의 불필요한 진동을 억제하는 효과를 기대할 수 있다.

경첩부(3)는, 제1 단부(31)에 있어서 가동판(2)과 결합되고, 제2 단부(32)에 있어서 가동판(2)과 결합되어 있다. 제1 단부(31) 및 제2 단부(32)에는, 예를 들면, 곡률 반경이 5∼10 [㎛]의 필릿(33)이 형성되어 있다. 또한, 지주부(3a)와 크로스피스(3b)와의 결합부에는, 예를 들면, 곡률 반경 수[㎛]의 필릿(34)이 형성되어 있다. 필릿(33, 34)은, 원호형상(R타입 형상)으로 한정되지 않고, 직선 형상(C타입 형상)일 수도 있다.

다음으로, 미러 소자(1)의 제조 공정에 대하여 설명한다. 먼저, 제1 실리콘층(11a)에, 포트리소그래피나 에칭 등, 이른바 벌크 마이크로머시닝(Bulk Micromachining) 기술에 의한 가공을 행함으로써, 가동판(2), 경첩부(3), 프레임부(4), 수직 컴(5)이 되는 형상을 형성한다(제1 공정). 이 때, 경첩부(3)가 부분적으로 관통되어 개방부(중간 관통부)(3c)가 형성된다. 그리고, 예를 들면, 스퍼터링 등의 방법을 이용함으로써, SOI 기판(11)의 실리콘층(11a)의 상면에 금속막을 형성한다. 이 금속막을 패터닝함으로써, 각각의 가동판(2)의 상면에 미러 막(2a)을 형성하고, 각각의 프레임부(4)의 상면에 전극 패드(7a, 7b)를 형성한다.

다음으로, 제2 실리콘층(11b)에, 마찬가지로 벌크 마이크로머시닝 기술에 의한 가공을 행하여, 프레임부(4)가 되는 형상을 형성한다(제2 공정). 제1 실리콘층(11a), 제2 실리콘층(11b)에 가공을 행한 후, 산화막(11c)의 에칭을 행한다. 예를 들면, 미러 소자(1)의 하면 측으로부터 에칭을 행함으로써, 프레임부(4) 이외의 부위의 산화막(11c)이 제거된다(제3 공정). 이로써, 경첩부(3)가 변형 가능하며 가동판(2)이 요동 가능한 상태로 된다.

제1 공정 내지 제3 공정을 거치면, SOI 기판(11)에 복수개의 미러 소자(1)가 형성된다. 제3 공정 후에, SOI 기판(11) 상에 형성된 복수개의 미러 소자(1)를 하나하나 분리한다. 이 일련의 공정에 의해, 복수개의 미러 소자(1)를 동시에 제조하여, 미러 소자(1)의 제조 비용을 저감시킬 수 있다. 그리고, 미러 소자(1)의 제조 공정은 이에 한정되지 않고, 예를 들면, 레이저 가공이나 초음파 가공 등에 의해 성형하거나, 1개씩 성형해도 된다.

이상과 같은 미러 소자(1)에 의하면, 경첩부(3)이 개방부(3c)를 가지는 사다리 형상으로 형성되어 있으므로, 경첩부(3)의 비틀림 강성을 개방된 구조에 의해 억제하면서, 경첩부(3)의 인장 강성이나 휨 강성을 지주부(3a)와 크로스피스(3b)에 의해 충분히 높일 수 있게 된다. 이로써, 가동판(2)의 요동 동작의 응답성과 안정성을 높일 수 있게 되어, 미러의 요동 동작의 응답성과 안정성이 우수한 미러 소자(1)를 용이하게 또한 염가로 얻을 수 있어, 광학 기기 등의 화질 향상 등을 도모할 수 있다. 또한, 한쌍의 지주부(3a) 및 크로스피스(3b)는, 가동판(2)과 동일한 평면에 형성되어 있으므로, 가동판(2)의 주변부를 드라이 에칭 등에 의해 제거할 때 동시에 개방부(3c)의 제1 실리콘층(11a)을 제거함으로써, 지주부(3a) 및 크로스피스(3b)를 용이하게 형성할 수 있다. 이로써, 종래부터 존재하는 통상의 미러 소자와 동등하면서도 간소한 공정으로 미러 소자(1)를 얻을 수 있고, 또한 광학 기기 등의 화질 향상 등을 염가로 도모할 수 있다.

또한, 경첩부(3)의 제1 단부(31) 및 제2 단부(32)에는 필릿(33)이 형성되어 있으므로, 제1 단부(31) 및 제2 단부(32)에 걸리는 응력을 분산시킬 수 있다. 이로써, 장기간에 걸쳐 가동 구조체를 사용하는 경우에, 제1 단부(31) 및 제2 단부(32)에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 경첩부(3)의 내구성을 높일 수 있다. 마찬가지로, 지주부(3a)와 크로스피스(3b)와의 결합부에는, 필릿(34)이 형성되어 있으므로, 상기 결합부에 거리는 응력을 분산시킬 수 있다. 이로써, 장기간에 걸쳐 가동 구조체를 사용하는 경우에, 상기 결합부에 있어서의 균열의 발생을 억제할 수 있어, 경첩부(3)의 내구성을 더욱 높일 수 있다.

그리고, 본 발명은 상기 실시예의 구성으로 한정되는 것이 아니고, 발명의 취지를 변경시키지 않는 범위 내에서 적절하게 다양하게 변형이 가능하다. 예를 들면, 도 6에 나타낸 바와 같이, 한쌍의 지주부(3a)와 지주부(3a')는, 평면에서 볼 때 서로 평행하게 배치하지 않도록 구성해도 된다. 도 6의 (a)는 제1 단부(31)에 있어서의 한쌍의 지주부(3a)와 지주부(3a')의 간격을 제2 단부(32)에 있어서의 간격보다 좁게 설정한 실시예를, 도 6의 (b)는 제1 단부(31)에 있어서의 한쌍의 지주부(3a)와 지주부(3a')의 간격을 제2 단부(32)에 있어서의 간격보다 넓게 설정한 실시예를 각각 나타내고 있다. 도 6에 있어서는, 지주(3a)는 평면에서 볼 때의 변 L1 및 변 L2를 가지고, 지주(3a')는 평면에서 볼 때의 변 L3 및 변 L4를 가지고 있다. 그리고, 한쪽 지주(3a)의 변 L1, 변 L2는, 다른 쪽 지주(3a')의 변 L3, 변 L4와는 평면에서 볼 때 서로 평행하지 않다. 즉, 한쪽 지주(3a)에는, 다른 쪽 지주(3a')의 변 L3, 변 L4와 평면에서 볼 때 평행한 변은 없다. 그리고, 도 6 중, 지주(3a)에 있어서의 변 L1과 변 L2는, 평면에서 볼 때 서로 평행하게 구성되어 있지만, 평행이 아닐 수도 있다. 지주(3a')에 있어서의 변 L3, 변 L4에 대해서도 마찬가지이다. 또한, 도 1 및 도 2에 있어서는, 각진 단면의 지주를 도시하고 있지만, 경첩부(3)를 구성하는 지주는 둥근 단면일 수도 있고, 이 경우에도, 평면에서 볼 때의 변 L1, 변 L2와 변 L3, 변 L4의 관계는 변하지 않는다. 도 6에 나타낸 실시예에 의하면, 한쌍의 지주부(3a)와 지주부(3a')가 서로 평행하게 배치되어 있지 않으므로, 경첩부(3)의 휨 강성을 중점적으로 높일 수 있고, 예를 들면, 가동판(2)의 면내 평행이동 모드나 면내 회전 모드의 진동을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

또한, 예를 들면, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같이, 크로스피스(3b)는 지주부(3a)에 대하여 수직으로 배치되지 않도록 구성해도 된다. 도 7의 (a)는 각각의 크로스피스(3b)를 평행하게 배치한 실시예를, 도 7의 (b)는 각각의 크로스피스(3b)를 지주부(3a)에 수직인 가상축에 대하여 대상으로 배치한 실시예를 각각 나타내고 있다. 또한, 도 8은 쌍이 되는 2개의 크로스피스(3b)를 중앙부에서 서로 교차·결합시킨 실시예를 나타내고 있다. 도 7 및 도 8에 나타낸 실시예에 의하면, 지주부(3a)에 대하여 크로스피스(3b)가 수직으로 배치되어 있지 않으므로, 경첩부(3)의 인장 강성을 중점적으로 높일 수 있고, 비틀림 모드 이외의 가동판(2)의 진동을 효과적으로 억제할 수 있게 된다. 또한, 도 7 및 도 8에 나타낸 바와 같은 크로스피스(3b)의 구성을, 상기 도 6에 나타낸 지주부(3a)와 지주부(3a')의 구성에 조합시켜, 경첩부(3)를 형성해도 된다.

또한, 예를 들면, 도 9에 나타낸 바와 같이, 한쌍의 지주부(3a, 3a')와, 복수 쌍의 크로스피스(3d, 3d', 3e, 3e'···)에 의해 경첩부(3)를 구성해도 된다(도 9는 크로스피스가 2쌍인 경첩부를 나타내고 있다). 쌍을 이루는 크로스피스(3d)와 크로스피스(3d')는, 지주부(3a)와 지주부(3a') 사이에서 서로 교차하여 결합되어 있다. 또한, 쌍을 이루는 크로스피스(3e)와 크로스피스(3e')도, 지주부(3a)와 지주부(3a') 사이에서 서로 교차하여 결합되어 있다. 또한, 크로스피스(3d)와 크로스피스(3d')가 교차하는 각도 α는, 크로스피스(3e)와 크로스피스(3e')가 교차하는 각도 β와 상이하도록 설정되어 있다. 도 9에 나타낸 실시예에 의하면, 원하는 휨 강성 및 비틀림 강성을 가지도록 경첩부(3)의 설계 자유도를 높일 수 있으므로, 예를 들면, 가동판(2)의 면내 평행이동 모드나 면내 회전 모드의 진동을 효과적으로 억제할 수 있게 된다.

또한, 예를 들면, 도 10에 나타낸 바와 같이, 한쌍의 지주부(3a, 3a')를 곡선에 의해 형성해도 된다. 특히 도 10에 있어서는, 지주부(3a, 3a')는 현수 곡선(catenary curve)으로 형성되어 있다. 도 10에 나타낸 실시예에 의하면, 지주부(3a, 3a')에 걸리는 응력을 더욱 균일하게 분포시킬 수 있어, 경첩부(3)의 내구성을 더욱 높일 수 있다. 그리고, 도 10에 나타낸 지주부(3a, 3a')와 도 9에 나타낸 복수 쌍의 크로스피스(3d, 3d', 3e, 3e'···)에 의해 경첩부(3)를 구성해도 된다.

또한, 예를 들면, 경첩부나, 수직 컴을 구성하는 전극 등은, 제2 실리콘층에 형성되어 있어도 되고, 또는 SOI 기판이 아닌 단일의 실리콘 기판으로 구성되어 있어도 되고, 또는 다른 반도체나 금속판으로 구성되어 있어도 된다. 또한, 가동 구조체는, 수직 컴 대신, 수평 컴이나, 가동판의 평면에 대향하도록 배치되는 구동 전극 등을 가지고, 이들이 발생시키는 정전력을 구동력으로 하여 가동판을 구동 가능하게 구성되어 있어도 된다. 그리고, 가동 구조체는, 예를 들면, 자력이나 전기응력, 열응력 등에 의해 가동판을 구동하도록 한 구동 구조를 가지고 있어도 된다. 본 발명은, 광 주사 미러 소자의 구조에 적용되는 것에 한정되지 않고, 가동판을 요동 가능하게 경첩부에서 축 지지하여 이루어지는 가동 구조체, 예를 들면, 가속도 센서 등의 구조에 널리 적용 가능하다.

1: 광 주사 미러 소자(가동 구조체) 2: 가동판
2a: 미러 막(미러) 3: 경첩부
4: 프레임부 5: 수직 컴(빗살 전극)
3a, 3a': 지주부 3b, 3b': 크로스피스
3d, 3d': 크로스피스 3e, 3e': 크로스피스

Claims (6)

1. 가동판(可動板)과, 상기 가동판을 요동(搖動) 가능하게 축 지지하는 빔형의 경첩부와, 상기 경첩부를 지지하는 프레임부를 구비하고, 상기 경첩부는, 한쌍의 지주부(支柱部)와, 상기 한쌍의 지주부 사이에 가로 놓여져 있는 크로스피스(crosspieces)를 가지는 사다리 형상이며, 상기 한쌍의 지주부는 평면에서 볼 때 서로 평행하지 않게 배치되어 있는, 가동 구조체;
   상기 가동판에 설치되어 광을 반사하는 미러; 및
   상기 가동판의 일부 및 그것에 대향하는 프레임부에 설치되어 상기 가동판을 요동 구동시키기 위한 전극
   을 포함하는 마이크로 미러 소자.
2. 제1항에 있어서,
   상기 한쌍의 지주부는, 평면에서 볼 때 서로 평행하게 배치되어 있는 변을 가지고 있지 않은, 마이크로 미러 소자.
3. 제1항 또는 제2항에 있어서,
   상기 한쌍의 지주부 및 상기 크로스피스는, 상기 가동판과는 두께 방향의 상면 및 하면이 각각 동일한 평면 내에 형성되어 있는, 마이크로 미러 소자.
4. 삭제
5. 삭제
6. 삭제

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