JP2000199870A - Optical scanning device - Google Patents
Optical scanning deviceInfo
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Abstract
(57)【要約】
【課題】 コンパクトな構成で光学調整が簡単な光走査
装置を提供する。
【解決手段】 薄膜形状の片持ち梁105に光導波路1
04と第1の導電性領域103aを有し、片持ち梁10
5内に絶縁層101aを有し、絶縁層101aを挟んで
第2の導電性領域102aが配置されている。片持ち梁
105内の第1の導電性領域103aと第2の導電性領
域102aとの間に生じる静電力と片持ち梁105が変
形から復元する弾性力により、第2の導電性領域102
aを含む構造の形状に沿って薄膜形状の片持ち梁105
を動かすことにより、片持ち梁105の根元に配置され
た光源から片持ち梁105内に配置された光導波路10
4に導入された光ビームを動かす。片持ち梁105の光
導波路104を中心にした反対側にも、前記したのと同
様な構成が対称的に配設されている。
(57) [Problem] To provide an optical scanning device having a compact configuration and easy optical adjustment. SOLUTION: An optical waveguide 1 is provided on a cantilever 105 having a thin film shape.
04 and the first conductive region 103a.
5 has an insulating layer 101a, and a second conductive region 102a is arranged with the insulating layer 101a interposed therebetween. Due to the electrostatic force generated between the first conductive region 103a and the second conductive region 102a in the cantilever 105 and the elastic force of the cantilever 105 restoring from the deformation, the second conductive region 102
a cantilever 105 in the form of a thin film along the shape of the structure including
Is moved from the light source disposed at the base of the cantilever 105 to the optical waveguide 10 disposed within the cantilever 105.
The light beam introduced into 4 is moved. On the opposite side of the optical waveguide 104 of the cantilever 105, the same configuration as described above is symmetrically arranged.
Description
【0001】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は静電力を利用して光
ビームを振らすことが可能な光走査装置に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical scanning device capable of oscillating a light beam using electrostatic force.
【0002】[0002]
【従来の技術】従来、主として使われている光偏向器や
光走査装置には、結晶の超音波による歪を利用した音響
光学式のものや、結晶の電場による屈折率変化を利用し
た電気式のもの、あるいは振動平面鏡(いわゆるガルバ
ノミラー)や回転多面体(いわゆるポリゴンミラー)等
を利用した機械式のもの等がある。中でも、機械式光偏
向器は光の波長によらず等角度偏向が行えるため、多重
波長光源を使用光源にする場合や、波長変動等がある場
合非常に有用になる。これらは、安定した回転速度や高
精度の偏向角を得るために、回転軸を重くしたりロータ
に大型の電磁石を用いたりしている。2. Description of the Related Art Conventionally, optical deflectors and optical scanning devices which are mainly used include an acousto-optic type utilizing distortion of a crystal by ultrasonic waves and an electric type utilizing a refractive index change by an electric field of a crystal. Or a mechanical type using a vibrating plane mirror (so-called galvano mirror) or a rotating polyhedron (so-called polygon mirror). Above all, the mechanical optical deflector can perform equiangular deflection regardless of the wavelength of light, so it is very useful when a multi-wavelength light source is used as a light source or when there is a wavelength fluctuation. In order to obtain a stable rotational speed and a highly accurate deflection angle, these use a heavy rotating shaft or use a large electromagnet for the rotor.
【0003】一方、フォトリソグラフィ技術を用いて、
極めて小型のアクチュエータを作製することが検討され
ている。典型的な微小機械として、マイクロモータ(M.
Mehregany et al.,"Operation of microfabricated har
monic and ordinary side-drive motors",Proceedings
IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop 199
0 p1-8)や、平板上で静電力により駆動するくし型構造
のリニアマイクロアクチュエータ(W.Tang et al.,"Lat
erally driven polysilicon resonant microstructure
s",Sensors and Actuators 20(1989) p25-32)等が考案
されている。これら、微小機械を用いればアレイ化、低
コスト化が容易であり、高精度化が可能となる。On the other hand, using photolithography technology,
Fabrication of an extremely small actuator has been studied. As a typical micromachine, a micromotor (M.
Mehregany et al., "Operation of microfabricated har
monic and ordinary side-drive motors ", Proceedings
IEEE Micro Electro Mechanical Systems Workshop 199
0 p1-8) or a comb-shaped linear microactuator driven by electrostatic force on a flat plate (W. Tang et al., "Lat
erally driven polysilicon resonant microstructure
s ", Sensors and Actuators 20 (1989), p. 25-32. These micro-machines make it easy to form an array, reduce the cost, and achieve high precision.
【0004】機械式光学素子としても、いくつか提案さ
れており、このうち光偏向器として、両持ち梁用で光学
効率の向上やたわみ安定性を考慮した空間光偏向器(ラ
リー・ジェイ・ホーンベック、特開平2−8812号公
報)が知られている。Some mechanical optical elements have been proposed. Among them, as a light deflector, a spatial light deflector (Larry Jay Horn) for a double-supported beam in consideration of improvement of optical efficiency and deflection stability. Beck, JP-A-2-8812) is known.
【0005】図18はこの空間光偏向器の一画素の一部
断面とした斜視図である。図18において、画素はモノ
リシックなシリコンをベースとして、たわみ可能な2つ
の梁により反射面を有する構成となっている。即ちシリ
コン基板91上に絶縁層93を介して絶縁スペーサ9
4、金属丁番層95および金属梁層96が積層されてい
る。つまり金属丁番層95と同層の可撓梁97および可
撓梁971 、金属梁層96と同層の反射面98、および
反射面98の下に空隙を介して反射面98の角度を変え
るための駆動用固定電極99、固定電極991 、固定電
極992 から成っている。例えば固定電極991 に電圧
を印加すると、反射面98と固定電極99 1 の間に静電
気力が発生して可撓梁97、971 がふれてたわみ角が
生じ、反射面98に入射した光はたわみ角の量に応じた
反射角を得て偏向される。このような光偏向器は光を1
方向の軸のみに偏向する構成であり、シリコン基板92
をベースとしたシリコンプロセスによって製造し得る。
従って、比較的低コストに製作することができ、シリコ
ン基板92上に2次元配置してアレイ化することによっ
て静電印刷等のプリンタや投影型のディスプレイ等に応
用することも考えられている。FIG. 18 shows a part of one pixel of this spatial light deflector.
It is the perspective view which made the cross section. In FIG. 18, pixels are mono
Two flexible, based on lithic silicon
Have a reflecting surface by the beams of the above. That is,
The insulating spacer 9 is provided on the control board 91 with the insulating layer 93 interposed therebetween.
4. The metal hinge layer 95 and the metal beam layer 96 are laminated.
You. In other words, the flexible beam 97 on the same layer as the metal hinge layer 95
Flexure beam 971 A reflective surface 98 of the same layer as the metal beam layer 96;
Change the angle of the reflective surface 98 through the air gap under the reflective surface 98
Fixed electrode 99 for driving, fixed electrode 991 , Fixed electricity
Pole 99Two Consists of For example, the fixed electrode 991 To voltage
Is applied, the reflection surface 98 and the fixed electrode 99 1 Electrostatic between
The elastic beams 97, 971 The deflection angle
The light generated and incident on the reflecting surface 98 depends on the amount of the deflection angle.
It is deflected by obtaining a reflection angle. Such an optical deflector deflects light to 1
And the silicon substrate 92
Based silicon process.
Therefore, it can be manufactured at relatively low cost,
By two-dimensionally arranging them on the
For printers such as electrostatic printing and projection displays.
It is also considered to be used.
【0006】図19は従来の光走査装置の構成を示す概
略図である。図19において、レーザ光源803により
発せられた光は振動平面鏡801によって走査される。
そして振動平面鏡801からの光はレンズ804によっ
て集光され、輝点はスクリーン805上で図示矢印方向
に移動して、スキャンが行われる。FIG. 19 is a schematic diagram showing the configuration of a conventional optical scanning device. In FIG. 19, light emitted from a laser light source 803 is scanned by a vibrating plane mirror 801.
The light from the vibrating plane mirror 801 is condensed by the lens 804, and the luminescent spot moves on the screen 805 in the direction of the arrow shown in the figure to perform scanning.
【0007】[0007]
【発明が解決しようとする課題】従来の光偏向器の構造
では、力を受ける部分と光を反射する部分が同じ場所の
ため、回転等の外乱の力を受け易い。同様に力を受ける
部分と反射面が同じため、角度の精密制御が困難であ
る。また、入射方向と反射方向が固定で自由度がない。
さらには、反射面が可動金属電極の一部となっているた
め、捻れ、あるいは使用環境による金属疲労等の経時変
化で偏向角が変化してしまう恐れがある。In the structure of the conventional optical deflector, since the portion receiving the force and the portion reflecting the light are at the same place, they are susceptible to disturbance such as rotation. Similarly, since the portion receiving the force and the reflecting surface are the same, precise control of the angle is difficult. Further, the incident direction and the reflection direction are fixed and have no degree of freedom.
Furthermore, since the reflecting surface is a part of the movable metal electrode, there is a possibility that the deflection angle may change due to a change with time such as twisting or metal fatigue due to the use environment.
【0008】同様に、従来の光走査装置では振動平面鏡
または回転多面鏡の寸法が比較的大きいため、装置が大
型化してしまうという欠点がある。また、正確な走査を
行うためには各素子を厳密な位置関係で配置しなくては
ならず、装置を組み上げる際の光学調整が非常に煩雑で
ある。Similarly, in the conventional optical scanning device, since the size of the vibrating plane mirror or the rotating polygon mirror is relatively large, there is a disadvantage that the size of the device is increased. In addition, in order to perform accurate scanning, each element must be arranged in a strict positional relationship, and optical adjustment when assembling the apparatus is very complicated.
【0009】本発明の目的は、上記従来例の欠点を解消
し、コンパクトな構成で光学調整が簡単な光走査装置を
提供することである。An object of the present invention is to provide an optical scanning device which solves the above-mentioned drawbacks of the conventional example and has a compact configuration and easy optical adjustment.
【0010】[0010]
【課題を解決するための手段】本発明の光走査装置は、
薄膜形状の片持ち梁に光導波路と導電性を有する第1の
導電領域を有し、前記導波路近傍または前記片持ち梁内
に絶縁領域を有し、該絶縁領域を挟んで導電性を有する
第2の導電領域が配置され、前記片持ち梁内の第1の導
電領域と第2の導電領域との間に生じる静電力と前記片
持ち梁が変形から復元する弾性力により、第2の導電領
域を含む構造の形状に沿って薄膜形状の片持ち梁を動か
すことにより、前記片持ち梁の根元に配置された光源か
ら前記片持ち梁内に配置された光導波路に導入された光
ビームを動かすことを特徴とする。An optical scanning device according to the present invention comprises:
A thin film-shaped cantilever has an optical waveguide and a first conductive region having conductivity, has an insulating region near the waveguide or in the cantilever, and has conductivity across the insulating region. A second conductive region is disposed, and an electrostatic force generated between the first conductive region and the second conductive region in the cantilever and an elastic force of the cantilever restoring from deformation cause a second conductive region. By moving a thin-film shaped cantilever along the shape of the structure including the conductive region, a light beam introduced from a light source disposed at the root of the cantilever into an optical waveguide disposed within the cantilever Is characterized by moving.
【0011】本発明の光走査装置には、前記第2の導電
領域を含む構造を2つ有し、これらが前記片持ち梁を挟
んで対峙するものがある。Some optical scanning devices of the present invention have two structures including the second conductive region, and they are opposed to each other with the cantilever interposed therebetween.
【0012】本発明の光走査装置には、前記片持ち梁内
の第1の導電領域と第2の導電領域との間に生じる静電
力が、該片持ち梁の根元の部分から徐々に有効に働くも
の、2つの電極に電圧を加えることにより生じさせるも
の、第2の導電領域に電圧を加えるものがある。In the optical scanning device according to the present invention, the electrostatic force generated between the first conductive region and the second conductive region in the cantilever is gradually effective from the root of the cantilever. , A voltage generated by applying a voltage to the two electrodes, and a voltage applied to the second conductive region.
【0013】本発明の光走査装置では、前記第1の導電
領域の一部または全部が半導体材料からなることが可能
である。[0013] In the optical scanning device according to the present invention, a part or all of the first conductive region can be made of a semiconductor material.
【0014】[0014]
【作用】本発明の光走査装置において用いられるアクチ
ュエータには、薄膜材料・構造を用いて作製されるアク
チュエータが適用される。一般的には、アクチュエータ
の形態としてはカンチレバー(片持ち梁)、両持ち梁、
メンブレン、ヒンジ、モータ、などさまざまな形態が考
えられる。それぞれのアクチュエータの駆動方法として
は、圧電効果を利用したバイモルフやユニモルフ、対抗
電極を用いた静電駆動、熱を利用するバイメタル・形状
記憶合金、電場などにより体積変化を利用するもの、気
体の圧力により変位するもの、などがある。中でも対抗
電極を用いた静電駆動は、薄膜形状のカンチレバ型の光
導波路を変位させ、光を偏向させて用いる場合には余り
力を必要としない点で有利である。The actuator used in the optical scanning device of the present invention is an actuator manufactured using a thin film material / structure. In general, the form of the actuator is a cantilever (cantilever),
Various forms such as a membrane, a hinge, and a motor are conceivable. The driving method of each actuator is bimorph or unimorph using the piezoelectric effect, electrostatic driving using the counter electrode, bimetal / shape memory alloy using heat, one using volume change by electric field, gas pressure That are displaced by Among them, the electrostatic drive using the counter electrode is advantageous in that a thin cantilever-type optical waveguide is displaced to deflect light so that no excessive force is required.
【0015】[0015]
【発明の実施の形態】次に、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。Next, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
【0016】図1は本発明の光走査装置において使用可
能なアクチュエータ10の一例を表す斜視図である。固
定電極11、支持板16、および支持梁13、131 は
Siからなる同一基板(不図示)上に固定されている。
可動電極12、被駆動部14、15、支持板16は、ジ
ョイント19、18、17を介して接続されている。FIG. 1 is a perspective view showing an example of an actuator 10 that can be used in the optical scanning device of the present invention. The fixed electrode 11, the supporting plate 16, and the support beam 13, 13 1 are fixed on the same substrate (not shown) made of Si.
The movable electrode 12, driven parts 14 and 15, and support plate 16 are connected via joints 19, 18 and 17.
【0017】この固定電極11と可動電極12は、マイ
クロメカニクス技術により作製される前述のくし型のリ
ニアマイクロアクチュエータとした。The fixed electrode 11 and the movable electrode 12 are the aforementioned comb-shaped linear microactuators manufactured by micromechanics technology.
【0018】このアクチュエータ10の動作を図2を用
いて説明する。固定電極と可動電極12の間に電圧を印
加することにより、可動電極12は、静電引力により基
板と平行に繰り返し平行動作をする(図2(a)矢印B
方向)。これにともない、被駆動部14、15もジョイ
ント部分で繰り返し折れ曲がり動作を行い(図2(b)
矢印C方向)、基板に平行に発生した力を基板に垂直の
方向に転換する。The operation of the actuator 10 will be described with reference to FIG. By applying a voltage between the fixed electrode and the movable electrode 12, the movable electrode 12 repeatedly performs a parallel operation in parallel with the substrate due to electrostatic attraction (arrow B in FIG. 2A).
direction). Along with this, the driven parts 14 and 15 also repeatedly bend at the joint part (FIG. 2B).
(In the direction of arrow C), the force generated parallel to the substrate is converted to a direction perpendicular to the substrate.
【0019】図3はこのアクチュエータ10を用いた光
偏向器86の斜視図である。図1に示したアクチュエー
タ10の被駆動部14に反射板31を備えている。入射
光32に対し、印加電圧による可動電極12の変位の違
いで被駆動部14の角度が変化し、走査角度θの範囲で
出射光33が走査される構成になっている。FIG. 3 is a perspective view of an optical deflector 86 using the actuator 10. The driven portion 14 of the actuator 10 shown in FIG. With respect to the incident light 32, the angle of the driven part 14 changes due to the difference in displacement of the movable electrode 12 due to the applied voltage, and the emitted light 33 is scanned within the range of the scanning angle θ.
【0020】このように構成された光偏向器86は、駆
動部と反射面が分離されているため、反射面の力を受け
る方向が一義的に決定し、回転等の外乱効果を受けな
い。また、同じ理由により、角度の精密制御も容易にな
る。さらには、電圧印加による角度制御にジョイントが
寄与していないため、ジョイント材を自由に選ぶことが
でき、ばね定数が十分小さく耐久性に優れた高分子膜等
の絶縁物を利用できる。In the optical deflector 86 configured as described above, since the driving section and the reflection surface are separated, the direction in which the force of the reflection surface is received is uniquely determined, and there is no disturbance effect such as rotation. For the same reason, precise control of the angle is also facilitated. Furthermore, since the joint does not contribute to the angle control by voltage application, the joint material can be freely selected, and an insulator such as a polymer film having a sufficiently small spring constant and excellent durability can be used.
【0021】次にこのアクチュエータおよび光偏向器の
作製工程の1例を図4を用いて略説明する。図4は図1
のA−A線断面図である。シリコンからなる基板41に
リンをイオン注入した後、絶縁層として熱酸化膜42を
5000Å形成し、さらにこの上に減圧CVD(LPC
VD)によりシリコン窒化膜43を1500Å作製す
る。この絶縁層の一部を、フォトリソグラフィとエッチ
ングによりパターニングしてコンタクトホール44を形
成する(図4(a))。エッチングはCF4 を反応ガス
として用い、ドライエッチングを行ったが、バッファふ
っ酸等によるウェットエッチングでもかまわない。次い
で、第1リンドーピングポリシリコン層をLPCVDに
より3000Å作製した後、パターニングにより電気シ
ールド部45を形成した(図4(b))。ただし、リン
はポリシリコン形成後、イオン注入法によって注入して
もかまわない。真空スパッタリング法により犠牲層シリ
コン酸化膜46を形成(図4(c))、パターニングし
た後、リンドーピングポリシリコン膜47をLPCVD
により2μm作製する。リンを、イオン注入法によって
注入してもかまわないのは言うまでもない。リンドーピ
ングポリシリコン膜47をパターニングして固定電極、
駆動部、被駆動部、支持板、ジョイントを形成する(図
4(d))。ここではジョイントとしてポリシリコンを
用いたが、もちろん、バネ定数が十分小さいものであれ
ば、他の金属膜を成膜したり、高分子膜を形成しても良
い。ふっ酸水溶液により、犠牲層シリコン酸化膜を除去
することにより図1に示すマイクロアクチュエータ10
を形成する(図4(e))。また、犠牲層を除去する前
に、被駆動部の一部に金属蒸着膜48を成膜し、パター
ニングして反射面を形成することにより、図3に示す光
偏向器86を作製する(図4(f))。Next, an example of a manufacturing process of the actuator and the optical deflector will be briefly described with reference to FIG. FIG. 4 shows FIG.
FIG. 4 is a sectional view taken along line AA of FIG. After phosphorus is ion-implanted into a substrate 41 made of silicon, a thermal oxide film 42 is formed as an insulating layer at a thickness of 5000.degree.
VD), a silicon nitride film 43 is formed at 1500 °. A part of this insulating layer is patterned by photolithography and etching to form a contact hole 44 (FIG. 4A). Dry etching was performed using CF 4 as a reaction gas, but wet etching using buffered hydrofluoric acid or the like may be used. Next, after a first phosphorus-doped polysilicon layer was formed at 3000 LP by LPCVD, an electric shield portion 45 was formed by patterning (FIG. 4B). However, phosphorus may be implanted by ion implantation after the polysilicon is formed. A sacrificial silicon oxide film 46 is formed by a vacuum sputtering method (FIG. 4C), and after patterning, a phosphorus-doped polysilicon film 47 is formed by LPCVD.
To produce 2 μm. It goes without saying that phosphorus may be implanted by an ion implantation method. Patterning the phosphorus-doped polysilicon film 47 to form a fixed electrode,
A drive unit, a driven unit, a support plate, and a joint are formed (FIG. 4D). Here, polysilicon is used as the joint, but of course, another metal film or a polymer film may be formed as long as the spring constant is sufficiently small. The sacrificial layer silicon oxide film is removed by using a hydrofluoric acid aqueous solution to form the microactuator 10 shown in FIG.
Is formed (FIG. 4E). Further, before removing the sacrificial layer, a metal vapor-deposited film 48 is formed on a part of the driven portion, and the reflective surface is formed by patterning, thereby producing the optical deflector 86 shown in FIG. 4 (f)).
【0022】このようにして作製したマイクロアクチュ
エータおよび光偏向器は、小型かつ軽量にさらにはアレ
イ化することもできる。可動電極に備わったビームの長
さ200μm櫛形固定電極の櫛の数11、櫛のギャップ
2μm、被駆動部の長さ50μmとしたところ、0.1
μm/Vの変位を得た。つまり、印加電圧40Vで4μ
mの変位を得、垂直方向に約20μmの変位が達成でき
た。さらにこのアクチュエータを用いて作製した光偏向
器では、図3中に示した方向に走査角度θ=90°〜4
4°の走査を達成した。The microactuator and the optical deflector manufactured in this way can be made compact and lightweight, and can be arrayed. The beam length of the movable electrode is 200 μm. The number of combs of the comb-shaped fixed electrode is 11, the comb gap is 2 μm, and the length of the driven portion is 50 μm.
A displacement of μm / V was obtained. That is, 4 μm at an applied voltage of 40 V
m, and a displacement of about 20 μm was achieved in the vertical direction. Further, in the optical deflector manufactured using this actuator, the scanning angle θ = 90 ° to 4 ° in the direction shown in FIG.
A 4 ° scan was achieved.
【0023】ここでは、Si基板を用いたが、ガラス基
板上に駆動部、固定電極等の構造体を接合する方法を用
いてもよい。Although a Si substrate is used here, a method of bonding a structure such as a driving unit and a fixed electrode on a glass substrate may be used.
【0024】図5はアクチュエータの他の例を表す斜視
図である。可動電極52、被駆動部53、54、固定支
持板55はジョイント58、57、56によって接続さ
れ、可動電極52は支持梁59、591 に支えられてい
る。固定電極51は図1の固定電極11と同様のもので
ある。このアクチュエータも第1のアクチュエータと同
様、固定電極、可動電極はマイクロメカニクス技術を用
いたリニアアクチュエータとした。FIG. 5 is a perspective view showing another example of the actuator. Movable electrode 52, the driven part 53, the fixed supporting plate 55 is connected by a joint 58,57,56, and movable electrode 52 is supported by support beam 59, 59 1. The fixed electrode 51 is similar to the fixed electrode 11 of FIG. As in the case of the first actuator, the fixed electrode and the movable electrode were linear actuators using micromechanics technology.
【0025】作製方法も第1のアクチュエータと同様で
ある。図6は本例のアクチュエータの動作を説明する図
である。図5に示す固定電極51、可動電極52に電圧
を印加することによって、可動電極52が基板(不図
示)と平行方向に変位をする(図6(a)矢印D方
向)。これにより被駆動部14、15も力を受け、基板
と平行かつ可動電極12の変位方向と垂直の方向(図6
(b)矢印E方向)に変位することが可能になった。The manufacturing method is the same as that of the first actuator. FIG. 6 is a diagram for explaining the operation of the actuator of this example. By applying a voltage to the fixed electrode 51 and the movable electrode 52 shown in FIG. 5, the movable electrode 52 is displaced in a direction parallel to a substrate (not shown) (the direction of arrow D in FIG. 6A). As a result, the driven parts 14 and 15 also receive a force, and are parallel to the substrate and perpendicular to the direction of displacement of the movable electrode 12 (FIG. 6).
(B) in the direction of arrow E).
【0026】また、このアクチュエータの被駆動部分に
反射板を形成すれば、第1のアクチュエータと同様、光
偏向器が得られる。If a reflector is formed on the driven portion of the actuator, an optical deflector can be obtained as in the case of the first actuator.
【0027】図7はアクチュエータの第3の例を表す斜
視図である。可動電極72、被駆動部74、75は、ジ
ョイント79、78、77で接続されている。矢印F方
向に水平に回転する可動電極72は8枚ばねのロータで
構成されている。この可動電極72の一端に突起721
が形成され、突起721 は被駆動部73に形成されスリ
ット731 に係合している。これにより、可動電極72
が矢印F方向に回転すると、被駆動部73は矢印G方向
に駆動され、被駆動部74、75を接続するジョイント
78は矢印H方向に往復移動する。ここで示した駆動手
段は、前述のマイクロモータとした。FIG. 7 is a perspective view showing a third example of the actuator. The movable electrode 72 and the driven parts 74 and 75 are connected by joints 79, 78 and 77. The movable electrode 72 that rotates horizontally in the direction of arrow F is formed of an eight-spring rotor. A protrusion 72 1 is provided at one end of the movable electrode 72.
There are formed, the projections 72 1 are engaged with the slits 73 1 are formed on the driven portion 73. Thereby, the movable electrode 72
Is rotated in the direction of arrow F, the driven portion 73 is driven in the direction of arrow G, and the joint 78 connecting the driven portions 74 and 75 reciprocates in the direction of arrow H. The driving means shown here was the micromotor described above.
【0028】本例のアクチュエータはマイクロモータの
回転にともない、被駆動部が第1のアクチュエータと同
様の動きを行う。この構成により、基板面内回転駆動力
を、基板に垂直な変位に変換する。In the actuator of this embodiment, the driven portion performs the same movement as the first actuator in accordance with the rotation of the micromotor. With this configuration, the in-plane rotational driving force is converted into a displacement perpendicular to the substrate.
【0029】本例のアクチュエータの作製方法として
は、マイクロメカニクス技術のマイクロモータを形成す
る技術を用い、マイクロモータ形成過程において同時に
被駆動部を作り込み、さらにジョイントは、第一の実施
例と同様に作り込みアクチュエータを形成した。As a method of manufacturing the actuator of the present embodiment, a micromechanical technology for forming a micromotor is used, and a driven portion is simultaneously formed in the process of forming the micromotor, and a joint is formed in the same manner as in the first embodiment. To form an actuator.
【0030】またここでは、ローターが8枚ばねのマイ
クロモータを用いているが、4枚ばね、6枚ばね、ある
いは多角柱、円柱のマイクロモータでもかまわない。ま
た、アナログ的でなくデジタルに駆動する場合は、マイ
クロステッピングモータを用いても良いことは言うまで
もない。In this embodiment, the rotor uses a micromotor having eight springs, but a four-spring, six-spring, or a polygonal or cylindrical micromotor may be used. When driving digitally instead of analogly, it goes without saying that a microstepping motor may be used.
【0031】このようにして作製したアクチュエータ
は、回転部半径100μm、空隙1.5μm、被可動部
の長さ80μmとし各固定電極に70V印加することに
より回転を始め、可動駆動部は平行方向に80μm繰り
返し往復動作が可能になった。これにともない被駆動部
も力を受け、基板と垂直の方向に80μmの変位を達成
した。また、この第3のアクチュエータを用いて作製し
た光偏向器は、θ=87°〜−90°の走査が達成され
た。The actuator thus manufactured has a rotating part radius of 100 μm, a gap of 1.5 μm, a length of the movable part of 80 μm, and starts to rotate by applying 70 V to each fixed electrode. A reciprocating operation of 80 μm was enabled. In accordance with this, the driven part also received a force, and achieved a displacement of 80 μm in a direction perpendicular to the substrate. Further, the optical deflector manufactured using the third actuator achieved a scan of θ = 87 ° to −90 °.
【0032】図8はアクチュエータの第4の例を表す斜
視図である。可動電極81、被駆動部82、83、8
4、固定支持板85はジョイント78、77、76によ
って接続されている。本例のアクチュエータも第3のア
クチュエータと同様、駆動手段はマイクロメカニクス技
術を用いたマイクロモータとした。FIG. 8 is a perspective view showing a fourth example of the actuator. Movable electrode 81, driven parts 82, 83, 8
4. The fixed support plate 85 is connected by joints 78, 77, 76. Like the third actuator, the actuator of this example is a micromotor using micromechanics technology as the driving means.
【0033】本例のアクチュエータの動作は、マイクロ
モータの回転にともない可動部が第2のアクチュエータ
とほぼ同様の動きを行う。この構成により、基板面内の
回転駆動力基板面に平行にかつ駆動板に垂直の方向に変
位を変換する。In the operation of the actuator of this embodiment, the movable portion performs almost the same operation as the second actuator in accordance with the rotation of the micromotor. With this configuration, the rotational driving force in the substrate plane is converted in a direction parallel to the substrate plane and in a direction perpendicular to the driving plate.
【0034】作製方法も第2、第3のアクチュエータと
同様に作製した。The manufacturing method was similar to that of the second and third actuators.
【0035】なお、図9のように2つあるいはそれ以上
のアクチュエータ101 、102 を一緒に作り込むこと
ができる。As shown in FIG. 9, two or more actuators 10 1 and 10 2 can be formed together.
【0036】光偏向器86は、例えば図10の様にして
1次元ラインを高速走査する、レーザビームスキャナと
して使うことができる。ほかにも、駆動方法と出射方向
を考慮し光スイッチ、光スキャナなど応用に用いること
が可能である。The optical deflector 86 can be used as, for example, a laser beam scanner for scanning a one-dimensional line at a high speed as shown in FIG. In addition, it can be used for applications such as an optical switch and an optical scanner in consideration of a driving method and an emission direction.
【0037】以上、本発明の参考例として、アクチュエ
ータの例と、この内いくつかのアクチュエータを用いた
光偏向器の例について説明したが、どのアクチュエータ
を用いた光偏向器でも同様の効果があるのは言うまでも
ない。使用目的に応じて、アクチュエータの構成を選
び、入射光に対する出射光の方向を選ぶこともできる。
また、ここでは、固定支持板の隣の被駆動部の一部に反
射板を備えたものを示したが、他の被駆動部、あるいは
被駆動部全面に反射板を備えた光偏向器でもかまわな
い。As described above, examples of actuators and examples of optical deflectors using several actuators have been described as reference examples of the present invention. However, optical deflectors using any actuator have similar effects. Needless to say. Depending on the purpose of use, the configuration of the actuator may be selected, and the direction of the outgoing light with respect to the incident light may be selected.
In addition, here, the one provided with the reflection plate in a part of the driven part adjacent to the fixed support plate is shown, but other driven parts or the optical deflector having the reflection plate on the whole driven part may be used. I don't care.
【0038】以下、前記したアクチュエータの構成を参
考にして、本発明の光走査装置の基本構成を説明する。Hereinafter, the basic configuration of the optical scanning device of the present invention will be described with reference to the configuration of the actuator described above.
【0039】図11に示す本発明の光走査装置において
用いられるアクチュエータの基本構成は絶縁性の層10
1aを挟んで、2個の導電性の領域102a、103a
を有する静電容量構造である構造が適用される。一方の
導電性領域103aは、光導波路104と一緒に薄膜形
状の片持ち梁105内に組み込まれている。光導波路1
04は膜の全領域であっても部分的であってもよい。導
電性領域102は片持ち梁105と片側の根元部106
aで接し、先に行くほど細くなっている局面構造を持
つ。先端までの傾斜形状に関しては、局面が連続で局面
構造の接線が片持ち梁105の面と一致していればよ
く、局面の形状連続であれば、どのような形状でもよい
が、好ましくは円弧、楕円の一部、放物線、双曲線であ
れば良い。本発明においては図11に示すように、導電
性領域をもう一組配置することが好ましい。すなわち、
梁内第2の導電性領域103bと、導電性領域102a
と梁105の反対側に絶縁層101bを挟んで導電性領
域102bを設ける。このことにより梁の変位を、梁に
対して対称的に生じさせることができる。しかしながら
導電性領域を一組配置するだけでも十分な機能を発生さ
せることができる。不図示の光源から出射された光は光
導波路104に導入され、図示矢印方向(左から右)へ
進み、光導波路104先端から出射する。The basic structure of the actuator used in the optical scanning device of the present invention shown in FIG.
1a, two conductive regions 102a, 103a
Is applied. One conductive region 103a is incorporated in a thin-film cantilever 105 together with the optical waveguide 104. Optical waveguide 1
04 may be the entire region or a partial region of the film. The conductive region 102 includes a cantilever 105 and a base 106 on one side.
It has a phase structure that touches at a and becomes thinner as it goes further. Regarding the inclined shape up to the tip, it is only necessary that the phase is continuous and the tangent of the phase structure coincides with the surface of the cantilever 105, and any shape may be used as long as the shape of the phase is continuous. , A part of an ellipse, a parabola, or a hyperbola. In the present invention, as shown in FIG. 11, it is preferable to arrange another pair of conductive regions. That is,
The second conductive region 103b in the beam and the conductive region 102a
The conductive region 102b is provided on the opposite side of the beam 105 and the insulating layer 101b. This allows the displacement of the beam to occur symmetrically with respect to the beam. However, a sufficient function can be generated by arranging only one set of conductive regions. Light emitted from a light source (not shown) is introduced into the optical waveguide 104, travels in the direction indicated by the arrow (from left to right), and is emitted from the tip of the optical waveguide 104.
【0040】図11に示す本発明の光走査装置に用いら
れるアクチュエータは、導電性領域102aと導電性領
域103aとに電圧を印加する事により、まず片持ち梁
105の根元106aに強い静電吸引力を生じる。その
ために導電性領域102a、103aの空隙が狭くな
り、梁104が徐々に導電性領域に近づくので、最終的
には梁の先端部が導電領域の局面形状と同様になるよう
に接する。この場合、梁の剛性と局面形状との兼ね合い
で必ずしも同様にならない場合もある。次に印加電圧を
取り去ると、梁はその剛性に従って元の位置に戻る。元
の位置に戻った時点で今度は電圧を導電性領域102
b、103bに印加すると再び静電吸引力が働き、今度
は導電性領域103b、102bが引き合って徐々に近
づき梁の先端部が102bに近づくように動く。電圧印
加、切り替えのタイミングは梁が中央に来たときでも良
いし、ずれた状態でも梁の動きに合わせて印加し、滑ら
かな動きをつくることができる。印加する電圧の種類は
直流、交流、パルスなどの中から選ばれる。最終的には
光が投射される面の形状に合わせてその動きが希望の動
きになるように電圧およびその種類を選択する。図11
の実施態様例では梁の中にある導電性領域103a、1
03bは対称の配置で別のものとしているが、非対称で
あったり、導電性領域が重畳されている、すなわち導電
性領域が一つであってもよい。 本発明の光走査装置に
用いられる導電性領域を構成する材料としては、通常の
金属材料と言われる物は何でも用いられる。例えば、ア
ルミ、鉄、SUS、銅、真ちゅう、金、ニッケル、タン
グステン、クロムなどである。また半導体も用いること
が可能である。例えば、単結晶、非単結晶を問わずS
i、GaAs、ZnSeなどである。また酸化物の導体
も使用可能である。例えば、ITO、SnO2 、ZnO
2 などである。The actuator used in the optical scanning device according to the present invention shown in FIG. 11 applies strong voltage to the conductive region 102a and the conductive region 103a to first apply strong electrostatic attraction to the root 106a of the cantilever 105. Produces power. As a result, the gap between the conductive regions 102a and 103a becomes narrower, and the beam 104 gradually approaches the conductive region, so that the tip of the beam finally comes into contact with the conductive region in a shape similar to that of the conductive region. In this case, it may not always be the same because of the balance between the rigidity of the beam and the shape of the surface. Next, when the applied voltage is removed, the beam returns to its original position according to its rigidity. When returning to the original position, the voltage is applied to the conductive region 102.
When applied to the electrodes b and 103b, an electrostatic attractive force acts again, and then the conductive regions 103b and 102b attract each other and gradually approach to move so that the tip of the beam approaches 102b. The voltage can be applied and switched when the beam is at the center, or even when the beam is shifted, the voltage is applied according to the movement of the beam, and a smooth motion can be created. The type of voltage to be applied is selected from DC, AC, pulse, and the like. Ultimately, the voltage and its type are selected so that the movement becomes a desired movement according to the shape of the surface on which the light is projected. FIG.
In the example embodiment, the conductive regions 103a, 1a
03b is different in a symmetrical arrangement, but may be asymmetric or have conductive regions overlapped, that is, one conductive region. As a material constituting the conductive region used in the optical scanning device of the present invention, any material called a normal metal material is used. For example, aluminum, iron, SUS, copper, brass, gold, nickel, tungsten, chromium, and the like. A semiconductor can also be used. For example, S single crystal or non-single crystal
i, GaAs, ZnSe, and the like. Oxide conductors can also be used. For example, ITO, SnO 2 , ZnO
2 and so on.
【0041】本発明の光走査装置に用いられる絶縁性の
領域を構成する材料としては、例えば、SiO2 、Si
3 N4 、SiOx 、SiONx 、Si:N:H、ガラス
などが用いられる。本発明の光走査装置の構造を作製す
るプロセスに関しては、従来から用いられている部品を
ミリからマイクロメータのオーダに小型化して組み立て
る方法や、好ましくは半導体のプロセス技術や薄膜堆積
・エッチング技術が用いられる。また、膜厚方向に深い
構造を形成するためにはX線を用いたリソグラフィを使
用することも可能である。As a material constituting the insulating region used in the optical scanning device of the present invention, for example, SiO 2 , Si
3 N 4 , SiO x , SiON x , Si: N: H, glass and the like are used. Regarding the process for fabricating the structure of the optical scanning device of the present invention, a method of assembling a conventionally used component by miniaturizing it from the millimeter to the order of micrometer, and preferably a semiconductor process technology and a thin film deposition / etching technology are used. Used. In order to form a deep structure in the film thickness direction, lithography using X-rays can be used.
【0042】本発明の光走査装置において上記アクチュ
エータに接して配置される光源としては、発光ダイオー
ド、半導体レーザなどの発光素子、電子線、白色光源等
が考えられる。中でも半導体レーザはレーザビームプリ
ンタや干渉測定などの計測への応用など実用性が広い。
発光効率および温度特性の良い半導体レーザの構造とし
ては、多重量子井戸構造を採用したものなどがある。半
導体レーザから放出されたレーザ光は一般に拡散するた
め、集光が必要であるが、特に本発明のような微小なカ
ンチレバー近傍に作製された半導体レーザの光を集光す
るには、微小なコリメータレンズが必要である。そのよ
うなマイクロコリメータレンズの作製例としては、フォ
トリソグラフィ技術を用いた物がある("Fabrication o
f activeIntegrated Optical Micro-Encoder" 1991 IEE
E Micro Electro Mechanical Systems Workshop,Procee
dings pp233-238)。As the light source arranged in contact with the actuator in the optical scanning device of the present invention, a light emitting element such as a light emitting diode and a semiconductor laser, an electron beam, a white light source and the like can be considered. Among them, semiconductor lasers have a wide range of practical uses, such as application to measurement such as laser beam printers and interference measurement.
As a structure of a semiconductor laser having good luminous efficiency and temperature characteristics, there is one employing a multiple quantum well structure. Since laser light emitted from a semiconductor laser is generally diffused, it needs to be condensed.In particular, to condense the light of a semiconductor laser fabricated near a micro cantilever as in the present invention, a micro collimator is required. You need a lens. As an example of manufacturing such a microcollimator lens, there is one using photolithography technology ("Fabrication o").
f activeIntegrated Optical Micro-Encoder "1991 IEE
E Micro Electro Mechanical Systems Workshop, Procee
dings pp233-238).
【0043】本発明の光導波路の材料としては、導波さ
せる光に対して透明な誘電体層が用いられ、例えばガラ
ス、石英、SiO2 、SiOx 、SiOx Ny 、Si3
N4、Si:N:H、ZnS、ZnOなどが用いられ
る。光導波路中の光の拡散に対しては、導波路内の膜厚
方向と面内方向に沿って、材料に屈折率の変化をつける
ことにより、光を閉じこめ集光させることが可能であ
る。光源とアクチュエータは一つの基板上に一体に形成
しても良いし、外部の光源から光ファイバなどを用い
て、アクチュエータまで導いても良い。As a material of the optical waveguide of the present invention, a dielectric layer transparent to guided light is used, for example, glass, quartz, SiO 2 , SiO x , SiO x N y , Si 3
N 4 , Si: N: H, ZnS, ZnO and the like are used. Regarding the diffusion of light in the optical waveguide, it is possible to confine and condense light by changing the refractive index of the material along the thickness direction and the in-plane direction in the waveguide. The light source and the actuator may be formed integrally on one substrate, or may be guided from an external light source to the actuator using an optical fiber or the like.
【0044】本発明では上記の梁の先端部にマイクロコ
リメータレンズを形成して梁内の光導波路からでた光を
集光や、平行化することによって、スクリーン上の光ス
ポットの大きさを変化させたり、スクリーンとの距離を
小さくできる。レンズの作製方法は梁を作製してからレ
ンズを接着する方法でも良いし、好ましく光導波路を形
成する際に同じ材料を用いて作製する。レンズの形状は
断面が半円、半楕円、半長円などから選ばれ、梁の先端
の梁とレンズの間に焦点距離調節部を設けても良い。In the present invention, the size of the light spot on the screen is changed by forming a microcollimator lens at the tip of the beam and condensing or collimating the light emitted from the optical waveguide in the beam. Or reduce the distance from the screen. The method of manufacturing the lens may be a method of manufacturing the beam and then bonding the lens, or preferably, the same material is used when forming the optical waveguide. The cross section of the lens is selected from a semi-circle, a semi-ellipse, a semi-ellipse, and the like, and a focal length adjusting unit may be provided between the beam at the tip of the beam and the lens.
【0045】これら、アクチュエータ、光源およびそれ
に付属する部品等を含めた素子を形成する基体として
は、その上部に素子を乗せて支えられる部材であれば何
でもよく、例えばSiウェハーに代表される半導体、ガ
ラス基板等の絶縁体、金属基板等の導体の中から選ば
れ、単結晶、非単結晶、いずれも可能で、場合によって
は高分子ポリマーなどの有機材料も使用可能である。The substrate for forming the element including the actuator, the light source and the parts attached thereto may be any member as long as the element can be supported on the element, for example, a semiconductor represented by a Si wafer, The material is selected from an insulator such as a glass substrate and a conductor such as a metal substrate, and may be a single crystal or a non-single crystal. In some cases, an organic material such as a polymer may be used.
【0046】本発明では、上記のアクチュエータと上記
の光源とを組み合わせて、新規な光走査装置を提供する
物である。また、本発明の光走査装置を同一半導体基板
上に複数作製しそれぞれ独立に動作させることによりス
クリーン上の走査スピードを向上させることも可能であ
る。以下実施例を挙げて本発明の光走査装置を詳細に説
明する。According to the present invention, a novel optical scanning device is provided by combining the above-mentioned actuator and the above-mentioned light source. Further, it is also possible to improve the scanning speed on the screen by manufacturing a plurality of optical scanning devices of the present invention on the same semiconductor substrate and operating them independently. Hereinafter, the optical scanning device of the present invention will be described in detail with reference to examples.
【0047】<実施例1>図12(a)〜(g)に本発
明の第1の実施例の光走査装置の作製方法並びにその構
造を示す。まず図12(a)に示すように、基板201
として単結晶(100)ウェハーの上に下部電極202
としてアルミを20μm蒸着により形成した後、レジス
ト203を塗布してパターニングする。その際レジスト
203のベーギングの条件を調節して、レジストとアル
ミの密着性を制御する。アルミのエッチング液燐酸/硝
酸/酢酸/水の混合液でエッチングするとサイドエッチ
が深さ方向より速く進むため、レジスト203を除くと
図12(b)のような曲面を呈してエッチされ、残り下
部電極202が形成される。その形状は楕円弧の1/8
で下部電極202は基板201との接点で30度の角度
を成す。次にレジスト204を塗布し、上部からドライ
エッチングにより図12(c)の構造のように平坦化を
行う。その上にプラズマCVD法で基板温度100度で
SiNH膜205を形成し、続いて第1の電極206と
してアルミを蒸着にて形成、次に光導波路層207とし
てSiO2 をスパッタ法で堆積し、再び第2の電極20
8としてアルミをその上に形成し、最後にSiNH膜2
09を基板温度100度で堆積する(図12(d))。
図12(d)で堆積した5層の膜を上から順番に、レジ
ストマスクを使ってパターニングする。エッチングには
SiNH、SiO2 はCF 4 のドライエッチング、アル
ミは燐酸/硝酸/酢酸/水の混合液を用いた。その際取
り出し用の電極を同時に作製する(図12(e))。次
に、基板201のSiを裏面からSF6のRIEにより
エッチングし、下部電極202の端部204fを基板2
01のエッチング端部と合わせ込む(図12(f))。<Embodiment 1> FIGS. 12A to 12G show the present invention.
The method of manufacturing the optical scanning device according to the first embodiment
Show the structure. First, as shown in FIG.
Lower electrode 202 on a single crystal (100) wafer
After forming aluminum by 20μm evaporation,
Is applied and patterned. At that time resist
Adjust the bagging conditions of
Controls the adhesion of mi. Aluminum etchant phosphoric acid / nitrate
Side etch when etched with acid / acetic acid / water mixture
Proceeds faster than in the depth direction.
It is etched with a curved surface as shown in FIG.
The unit electrode 202 is formed. Its shape is 1/8 of an elliptical arc
And the lower electrode 202 is at a contact point with the substrate 201 at an angle of 30 degrees.
Make Next, a resist 204 is applied and dried from above.
Flattening by etching as shown in the structure of FIG.
Do. Then, at a substrate temperature of 100 ° C. by plasma CVD,
An SiNH film 205 is formed, followed by a first electrode 206
Then, aluminum is formed by vapor deposition, and then an optical waveguide layer 207 is formed.
T SiOTwo Is deposited by sputtering, and the second electrode 20 is again formed.
Aluminum is formed thereon as 8 and finally the SiNH film 2
09 is deposited at a substrate temperature of 100 ° C. (FIG. 12D).
The five layers of the film deposited in FIG.
Pattern using a strike mask. For etching
SiNH, SiOTwo Is CF Four Dry etching of Al
The mixture used was a mixture of phosphoric acid / nitric acid / acetic acid / water. At that time
An extraction electrode is simultaneously produced (FIG. 12E). Next
Then, the Si of the substrate 201 is removed from the back by RIE of SF6.
After etching, the end 204f of the lower electrode 202 is
01 (FIG. 12F).
【0048】上部電極211に関しては、これまで述べ
たプロセスのうち別途に図12(b)まで作製した基板
210の上部電極211の一部分をエッチングで除去し
て凹部211gを形成した後、基板210の一部をエッ
チング除去して基板210の形状加工を行う(図12
(g))。これは、リード線を梁215に接続できるよ
うにするためである。その後、絶縁層SiNHの上部と
上部電極211の下部とを接合させる。接合に関しては
外部から治具を用いて上部電極211と下部電極202
の先が図12(g)のような構成になった位置で固定す
る方法を用いた。必要の無い部分の基板210をカッテ
ィング除去して図12(g)のようにでき上がる。上記
の方法で作製された片持ち梁型光走査装置の梁215の
長さは20mm、厚さは5μm、幅は5mmである。ま
た梁215の先端と下部電極202との間隔は5mmで
あった。第1の電極206と下部電極202とに電圧5
0Vを加えたところ下部電極202に沿った形状に梁2
15が変形した。次に電圧をパルスに変え、パルス高8
0V、デューティ50、周波数200Hzで印加したと
ころ、梁215が基板201と垂直方向に最大振れ角4
5°で振動した。With respect to the upper electrode 211, a part of the upper electrode 211 of the substrate 210 separately manufactured up to FIG. A part of the substrate 210 is processed by removing a part by etching (FIG. 12).
(G)). This is so that the lead wire can be connected to the beam 215. After that, the upper part of the insulating layer SiNH and the lower part of the upper electrode 211 are joined. Regarding the bonding, the upper electrode 211 and the lower electrode 202 are externally connected by using a jig.
Is fixed at a position where the tip of the end has a configuration as shown in FIG. 12 (g). Unnecessary portions of the substrate 210 are removed by cutting to complete the structure as shown in FIG. The beam 215 of the cantilever optical scanning device manufactured by the above method has a length of 20 mm, a thickness of 5 μm, and a width of 5 mm. The distance between the tip of the beam 215 and the lower electrode 202 was 5 mm. A voltage of 5 is applied between the first electrode 206 and the lower electrode 202.
When 0V was applied, the beam 2 was shaped into a shape along the lower electrode 202.
15 was deformed. Next, the voltage was changed to a pulse, and the pulse height was 8
When a voltage of 0 V, a duty of 50, and a frequency of 200 Hz were applied, the beam 215 was perpendicular to the substrate 201 with a maximum deflection angle of 4 °.
Vibrated at 5 °.
【0049】<実施例2>実施例1の素子構造において
電圧を第1の電極と下部電極、第2の電極と上部電極の
交互にくわえた。まず第1電極と第2電極をアースに落
とし、上部電極と下部電極の間にパルス高±50V、デ
ューティ50、周波数200Hzで印加したところ、梁
が基板と垂直方向に梁の停止の位置から対称に±40度
振れた。本構造の素子の光導波路部分の端部215から
光ファイバを用い、半導体レーザからの発光した光を導
入した。上記の条件で梁を振動させたところ、導入した
光が梁の先端部から放射され、スクリーン上に生じた輝
点をスキャンさせることができた。光源とスクリーンと
の距離を250mmとしたとき、スクリーン上のスキャ
ン長さは250mmであった。<Embodiment 2> In the device structure of Embodiment 1, the voltage was alternately applied between the first electrode and the lower electrode, and between the second electrode and the upper electrode. First, the first electrode and the second electrode were dropped to ground, and a pulse height of ± 50 V, a duty of 50, and a frequency of 200 Hz were applied between the upper electrode and the lower electrode. ± 40 degrees. Light emitted from a semiconductor laser was introduced from the end 215 of the optical waveguide portion of the device having this structure using an optical fiber. When the beam was vibrated under the above conditions, the introduced light was emitted from the tip of the beam, and the bright spot generated on the screen could be scanned. When the distance between the light source and the screen was 250 mm, the scan length on the screen was 250 mm.
【0050】<実施例3>図13に基板に対して平行に
梁315を振動させるタイプの光走査装置の例を示す。
構造はガラス基板301上にアルミ電極302、303
が形成されており、それに接した光導波路308を挟ん
で電極306、307、それを挟んで絶縁層304、3
05からなる梁が部分的に基板301から浮いた状態に
なっている。<Embodiment 3> FIG. 13 shows an example of an optical scanning device of a type in which a beam 315 is vibrated in parallel to a substrate.
The structure is such that aluminum electrodes 302 and 303 are formed on a glass substrate 301.
Are formed, electrodes 306 and 307 are sandwiched by an optical waveguide 308 in contact therewith, and insulating layers 304 and 3 are sandwiched by the electrodes 306 and 307.
05 is partially floating from the substrate 301.
【0051】作製プロセス(図13のXY断面の部分
で)を図14(a)〜(h)に示す。まず基板301上
に犠牲層として梁の可動部分のパターン形状に2μmの
レジスト300を形成した後(図14(a))、厚さ2
0μのアルミ層310を蒸着する(図14(b))。次
にレジストを用いフォトリソで電極形状を作製し、アル
ミ電極302、303、電極306、307とする(図
14(c))。電極のエッチングはCCI4のドライエ
ッチングを用いた。次にリフトオフ用のレジスト311
を20μm塗布した(図14(d))。次に電極30
2、303、306、307上のレジスト311以外の
レジスト311をフォトリソグラフィによりパターニン
グして除去した(図14(e))。続いてプラズマCV
Dで絶縁膜を堆積するが、膜厚方向に屈折率勾配を付け
るため、まずSiH4 /O2 の混合ガスでSiO2 膜3
12を5μm堆積した後、窒素ガスを導入してSiON
膜313を10μm堆積した後、窒素ガスをストップし
て5μmのSiO2 膜314を堆積した(図14
(f))。SiON膜313は後に図14(h)に示す
光導波路308となる。次にリフトオフによりアルミ電
極302、303上の絶縁膜を除去した後、再度レジス
トでカバーしてドライエッチングにより余分な絶縁膜を
取り去り(図14(g))、図13のような素子形状を
作製した。最後に基板と梁の間の犠牲層であるレジスト
300を溶剤で溶かして光導波路308を有する変位可
能な梁315を完成させた(図14(h))。次にそれ
ぞれの電極にボンディングにより引き出し端子を取り付
けた。梁の長さは10mm、梁の高さは20μm、厚さ
は20μmにした。この素子の電極306、307をア
ースにして、電極303、302に200Hz、100
Vの正弦波を印加したところ、梁が基板面と平行方向に
最大振れ角75度で振動した。FIGS. 14A to 14H show the fabrication process (at the XY section in FIG. 13). First, a resist 300 having a thickness of 2 μm is formed on the substrate 301 in a pattern shape of a movable portion of a beam as a sacrificial layer (FIG. 14A).
A 0 μm aluminum layer 310 is deposited (FIG. 14B). Next, an electrode shape is formed by photolithography using a resist to form aluminum electrodes 302 and 303 and electrodes 306 and 307 (FIG. 14C). Dry etching of CCI4 was used for the electrode etching. Next, resist 311 for lift-off
Was applied by 20 μm (FIG. 14D). Next, the electrode 30
The resist 311 other than the resist 311 on 2, 303, 306, and 307 was removed by patterning by photolithography (FIG. 14E). Then plasma CV
D, an insulating film is deposited. First, in order to provide a refractive index gradient in the film thickness direction, first, an SiO 2 film 3 is mixed with a mixed gas of SiH 4 / O 2.
12 is deposited at 5 μm, and nitrogen gas is introduced to form SiON.
After depositing the film 313 at 10 μm, the nitrogen gas was stopped to deposit a 5 μm SiO 2 film 314 (FIG. 14).
(F)). The SiON film 313 will later become the optical waveguide 308 shown in FIG. Next, after removing the insulating film on the aluminum electrodes 302 and 303 by lift-off, the resist film is again covered with a resist, and an unnecessary insulating film is removed by dry etching (FIG. 14 (g)), thereby forming an element shape as shown in FIG. did. Finally, the resist 300, which is a sacrificial layer between the substrate and the beam, was dissolved with a solvent to complete the displaceable beam 315 having the optical waveguide 308 (FIG. 14 (h)). Next, a lead terminal was attached to each electrode by bonding. The length of the beam was 10 mm, the height of the beam was 20 μm, and the thickness was 20 μm. The electrodes 306 and 307 of this element are grounded, and the electrodes 303 and 302 are set to 200 Hz and 100 Hz.
When a sine wave of V was applied, the beam vibrated at a maximum deflection angle of 75 degrees in a direction parallel to the substrate surface.
【0052】<実施例4>光源を導入して光走査を行わ
せるため、図15に示される治具を作製して光ファイバ
520を接続した。治具522は高さ20μmで幅15
mm、長さ5mmのアルミ製で電極502、503を作
製するときに同時に作製する。その後、ファイバ522
の位置決めのために、光導波路の高さ・位置に合わせて
治具にV溝524を作製し、ファイバをV溝524に合
わせて接着する。梁の先端部分にマイクロコリメータレ
ンズ525を作製する。本実施例ではレンズの形状を半
円柱とした。レンズは光導波路508と同時に作製し
た。光源にハロゲンランプを用い光ファイバで導入した
光は光源とスクリーンの距離を200mmとしたとき、
スクリーン上のスキャン長さは250mmであった。Example 4 In order to perform optical scanning by introducing a light source, a jig shown in FIG. 15 was prepared and an optical fiber 520 was connected. The jig 522 has a height of 20 μm and a width of 15 μm.
The electrodes 502 and 503 are made at the same time as the electrodes 502 and 503 made of aluminum having a length of 5 mm and a length of 5 mm. Then, the fiber 522
For positioning, a V-groove 524 is formed on the jig according to the height and position of the optical waveguide, and the fiber is adhered to the V-groove 524. A microcollimator lens 525 is formed at the tip of the beam. In this embodiment, the shape of the lens is a semi-cylindrical column. The lens was manufactured simultaneously with the optical waveguide 508. Light introduced by an optical fiber using a halogen lamp as the light source, when the distance between the light source and the screen is 200 mm,
The scan length on the screen was 250 mm.
【0053】<実施例5>図16に光走査装置の梁の部
分が実施例3と異なる実施例を示す。実施例3と異なる
のは絶縁層の部分で電極602の側面に絶縁層604
を、電極603の側面に絶縁層605を配置した。絶縁
層の材料としては、SiO2 を用い、光導波路と同じプ
ロセス段階で所望の形状にパターニングし、作製する。
この構造では梁の部分に絶縁層がないため軽くなって容
易に動くため、駆動電圧が実施例3に比較して20V低
くなった。<Embodiment 5> FIG. 16 shows an embodiment in which the beams of the optical scanning device are different from those of the third embodiment. The difference from the third embodiment is that the insulating layer 604 is provided on the side surface of the electrode 602 in the insulating layer.
The insulating layer 605 was disposed on the side surface of the electrode 603. As a material of the insulating layer, SiO 2 is used, and is patterned and manufactured in a desired shape at the same process stage as the optical waveguide.
In this structure, since there was no insulating layer in the beam portion, the beam was light and easily moved, so that the driving voltage was lowered by 20 V as compared with the third embodiment.
【0054】<実施例6>本実施例は光源である半導体
レーザと光走査部とを一つの基板上にモノリシックに形
成した光走査装置の例で、概略を図17に示す。作製方
法は、まずn型GaAs基板701上に順次、バッファ
層702としてn型GaAsを1μm、クラッド層70
3としてn型AlGaAsを2μm、n型Al0.4G
a0.6Asを2μm、活性領域704としてノンドー
プGaAs100Å、Al0.2、Ga0.8As30
Åを4回繰り返し最後にGaAs100Å積層して、多
重量子井戸構造の活性領域704を形成した。次にクラ
ッド層705としてP型Al0.4Ga0.8Asを1
5μm、キャップ層706としてGaAsを0.5μm
分子線エピタキシ法によって形成した。続いて電流注入
域を制限するために示すように活性層704の手前約
0.4μmまでエッチングした後、スピンコートにより
ポリイミド707を形成しエッジの頂部分のみエッチン
グして注入域とした。次に配線電極708としてCr−
Auオーミック電極を形成した。さらに拡散のための熱
処理を行った後、共振面を形成するためにGaAs基板
をエッチングする。エッチングはCl2 ガスを用いたR
IBE法で行った。ここでキャビティ長は300μmで
ある。以上の手法により、半導体レーザを作製した。次
に、同一基板上に実施例4と同じ方法で梁、駆動用電
極、マイクロコリメータレンズを形成した。梁内の電極
と駆動用電極に電圧を加えて梁を変位させ、半導体レー
ザからでた光を一次元に走査して200mm離したスク
リーン上の起点を250mmスキャンさせることができ
た。<Embodiment 6> This embodiment is an example of an optical scanning device in which a semiconductor laser as a light source and an optical scanning section are monolithically formed on one substrate, and is schematically shown in FIG. The manufacturing method is as follows. First, an n-type GaAs of 1 μm as a buffer layer 702 and a cladding layer 70 are sequentially formed on an n-type GaAs substrate 701.
3 as n-type AlGaAs 2 μm, n-type Al0.4G
a0.6As 2 μm, non-doped GaAs100 #, Al0.2, Ga0.8As30 as active region 704
Å was repeated four times and finally GaAs100Å was laminated to form an active region 704 having a multiple quantum well structure. Next, as the cladding layer 705, P-type Al0.4Ga0.8As
5 μm, GaAs 0.5 μm as cap layer 706
It was formed by molecular beam epitaxy. Subsequently, as shown in order to limit the current injection area, after etching to about 0.4 μm before the active layer 704, polyimide 707 was formed by spin coating, and only the top part of the edge was etched to form an injection area. Next, Cr-
An Au ohmic electrode was formed. After performing a heat treatment for diffusion, the GaAs substrate is etched to form a resonance surface. Etching is performed using R 2 using Cl 2 gas.
Performed by the IBE method. Here, the cavity length is 300 μm. A semiconductor laser was manufactured by the above method. Next, a beam, a driving electrode, and a microcollimator lens were formed on the same substrate in the same manner as in Example 4. A voltage was applied to the electrodes in the beam and the driving electrodes to displace the beam, and the light emitted from the semiconductor laser was scanned one-dimensionally to scan the starting point on the screen 200 mm away from the screen by 250 mm.
【0055】上記の半導体レーザを光走査部を形成した
基板上に接着剤等で張り合わせることによっても同様の
結果を得ることができた。A similar result could be obtained by bonding the above-mentioned semiconductor laser to the substrate on which the optical scanning portion was formed with an adhesive or the like.
【0056】[0056]
【発明の効果】本発明の光走査装置は、基板上に作製さ
れた光走査素子と同一基板上に作製された光源、または
外部に置かれた光源から導入された光ビームを光走査素
子の梁内の光導波路を変位させることにより、コンパク
トな構成で光学調整が簡単な光走査装置を提供すること
ができる。According to the optical scanning device of the present invention, a light beam introduced from a light source produced on the same substrate as the optical scanning device produced on the substrate or a light source placed outside is used for the optical scanning device. By displacing the optical waveguide in the beam, it is possible to provide an optical scanning device having a compact configuration and easy optical adjustment.
【図1】本発明の光走査装置に使用可能な第1のアクチ
ュエータを説明する斜視図である。FIG. 1 is a perspective view illustrating a first actuator that can be used in an optical scanning device according to the present invention.
【図2】(a),(b)は第1のアクチュエータの動作
を説明する斜視図である。FIGS. 2A and 2B are perspective views illustrating the operation of a first actuator.
【図3】第1のアクチュエータを用いた光偏向器を説明
する斜視図である。FIG. 3 is a perspective view illustrating an optical deflector using a first actuator.
【図4】(a)〜(f)は第1のアクチュエータの略作
製工程図である。FIGS. 4 (a) to (f) are schematic manufacturing process diagrams of a first actuator.
【図5】本発明の光走査装置に使用可能な第2のアクチ
ュエータを説明する斜視図である。FIG. 5 is a perspective view illustrating a second actuator that can be used in the optical scanning device of the present invention.
【図6】(a),(b)は第2のアクチュエータの動作
を説明する上面図である。FIGS. 6A and 6B are top views illustrating the operation of a second actuator.
【図7】本発明の光走査装置に使用可能な第3のアクチ
ュエータを説明する斜視図である。FIG. 7 is a perspective view illustrating a third actuator that can be used in the optical scanning device of the present invention.
【図8】本発明の光走査装置に使用可能な第4のアクチ
ュエータを説明する斜視図である。FIG. 8 is a perspective view illustrating a fourth actuator that can be used in the optical scanning device of the present invention.
【図9】本発明の光走査装置に使用可能な第5のアクチ
ュエータを説明する斜視図である。FIG. 9 is a perspective view illustrating a fifth actuator that can be used in the optical scanning device of the present invention.
【図10】光偏向器の他の例を説明する斜視図である。FIG. 10 is a perspective view illustrating another example of the optical deflector.
【図11】本発明の光走査装置の基本構成斜視図であ
る。FIG. 11 is a perspective view of a basic configuration of an optical scanning device according to the present invention.
【図12】(a)〜(g)は本発明の実施例1および2
による光走査装置のプロセスを示す横断面図である。12 (a) to (g) show Examples 1 and 2 of the present invention.
FIG. 4 is a cross-sectional view showing a process of the optical scanning device according to the first embodiment.
【図13】本発明の実施例3による光走査装置の斜視図
である。FIG. 13 is a perspective view of an optical scanning device according to a third embodiment of the present invention.
【図14】(a)〜(h)は本発明の実施例3による光
走査装置のプロセスを示す図である。FIGS. 14A to 14H are diagrams showing a process of the optical scanning device according to the third embodiment of the present invention.
【図15】本発明の実施例4による光走査装置の斜視図
である。FIG. 15 is a perspective view of an optical scanning device according to Embodiment 4 of the present invention.
【図16】本発明の実施例5による光走査装置の斜視図
である。FIG. 16 is a perspective view of an optical scanning device according to Embodiment 5 of the present invention.
【図17】本発明の実施例6による光走査装置の斜視図
である。FIG. 17 is a perspective view of an optical scanning device according to Embodiment 6 of the present invention.
【図18】従来の光偏向器の斜視図である。FIG. 18 is a perspective view of a conventional optical deflector.
【図19】従来の光走査装置の構成を示す概略図であ
る。FIG. 19 is a schematic diagram showing a configuration of a conventional optical scanning device.
11、41 固定電極 12、22、42、55、62、72 可動電極 13、131 、49、491 支持梁 63、71 駆動板 14、15、43、44、 64、65、73、74、81 被駆動板 16、45、66、75 支持板 17、18、19、 46、47、48、 67、68、69、 76、77、78 ジョイント 31 シリコン基板 32 熱酸化膜 33 シリコン窒化膜 34 コンタクトホール 35 ポリシリコン膜(電気シールド層) 36 シリコン酸化膜(犠牲層) 37 ポリシリコン膜 82 反射板 83 入射光 102、103、202、211、206、 208、302、303、306、307 電極 101、205、209、304、305 絶縁層 104、207、308 光導波路 105 片持ち梁 215、315 梁 201、210、301 基板11 and 41 fixed electrode 12,22,42,55,62,72 movable electrodes 13 1, 49 1 support beams 63,71 drive plate 14,15,43,44, 64,65,73,74, 81 Driven plate 16, 45, 66, 75 Support plate 17, 18, 19, 46, 47, 48, 67, 68, 69, 76, 77, 78 Joint 31 Silicon substrate 32 Thermal oxide film 33 Silicon nitride film 34 Contact Hole 35 polysilicon film (electric shield layer) 36 silicon oxide film (sacrifice layer) 37 polysilicon film 82 reflector 83 incident light 102, 103, 202, 211, 206, 208, 302, 303, 306, 307 electrode 101, 205, 209, 304, 305 Insulating layer 104, 207, 308 Optical waveguide 105 Cantilever 215, 315 Beam 201 210,301 board
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 井阪 和夫 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 伏見 正弘 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 (72)発明者 高木 博嗣 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 村上 智子 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 ──────────────────────────────────────────────────続 き Continued on the front page (72) Inventor Kazuo Isaka 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inc. (72) Inventor Masahiro Fushimi 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Canon Inside (72) Inventor Hiroshi Takagi 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Within Canon Inc. (72) Inventor Tomoko Murakami 3-30-2 Shimomaruko, Ota-ku, Tokyo Inside Canon Inc.
Claims (6)
を有する第1の導電領域を有し、前記導波路近傍または
前記片持ち梁内に絶縁領域を有し、該絶縁領域を挟んで
導電性を有する第2の導電領域が配置され、前記片持ち
梁内の第1の導電領域と第2の導電領域との間に生じる
静電力と前記片持ち梁が変形から復元する弾性力によ
り、第2の導電領域を含む構造の形状に沿って薄膜形状
の片持ち梁を動かすことにより、前記片持ち梁の根元に
配置された光源から前記片持ち梁内に配置された光導波
路に導入された光ビームを動かすことを特徴とする光走
査装置。1. A thin-film cantilever having an optical waveguide and a first conductive region having conductivity, having an insulating region near the waveguide or in the cantilever, and sandwiching the insulating region. A second conductive region having conductivity is disposed, and an electrostatic force generated between the first conductive region and the second conductive region in the cantilever and an elastic force that restores the cantilever from deformation By moving the thin-film-shaped cantilever along the shape of the structure including the second conductive region, a light source disposed at the root of the cantilever is moved to an optical waveguide disposed in the cantilever. An optical scanning device characterized by moving an introduced light beam.
し、これらが前記片持ち梁を挟んで対峙することを特徴
とする請求項1記載の光走査装置。2. The optical scanning device according to claim 1, further comprising two structures including the second conductive region, which are opposed to each other with the cantilever interposed therebetween.
の導電領域との間に生じる静電力が、該片持ち梁の根元
の部分から徐々に有効に働くことを特徴とする請求項1
記載の光走査装置。3. A first conductive region in the cantilever and a second conductive region in the cantilever.
2. An electrostatic force generated between the cantilever and the conductive region gradually works effectively from a root portion of the cantilever.
The optical scanning device according to claim 1.
の導電領域との間に生じる静電力が、2つの電極に電圧
を加えることにより生じさせることを特徴とする請求項
1記載の光走査装置。4. A first conductive region in the cantilever and a second conductive region in the cantilever.
2. The optical scanning device according to claim 1, wherein the electrostatic force generated between the first and second conductive regions is generated by applying a voltage to two electrodes.
半導体材料からなることを特徴とする請求項1記載の光
走査装置。5. The optical scanning device according to claim 1, wherein a part or the whole of the first conductive region is made of a semiconductor material.
の導電領域との間に生じる静電力が、第2の導電領域に
電圧を加えることを特徴とする請求項1記載の光走査装
置。6. A first conductive region in the cantilever and a second conductive region in the cantilever.
2. The optical scanning device according to claim 1, wherein an electrostatic force generated between the first and second conductive regions applies a voltage to the second conductive region.
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|---|---|---|---|
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