JP2016085299A - 二軸光偏向器及びその製造方法 - Google Patents

二軸光偏向器及びその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】 小型で低消費電力を実現し、高速かつ安定した光走査が可能な二軸光偏向器を提供する。【解決手段】 二軸光偏向器２において、第１駆動部は、共振周波数の交流駆動信号を１対の圧電アクチュエータ７ａ、７ｂの一方に正位相、他方に逆位相で供給し、第１トーションバー８ａ、８ｂを介してミラー部６を第１軸線（Ｘ）周りに揺動させる。第２駆動部は、可動枠２ａの裏面の薄膜永久磁石９ａ、９ｂによる静磁場と、コイル配線１２に交流電流が流れることで発生する交番磁界との相互作用により、可動枠２ａを第２軸線（Ｙ）周りに揺動させる。ミラー部６は第１軸線周りに共振状態で揺動し、可動枠２ａは第２軸線周りに非共振状態で揺動することで、ミラー部６からの反射光による２次元走査を可能にする。【選択図】図２

Description

本発明は、圧電駆動方式と電磁駆動方式による二軸光偏向器に関する。
スキャナや小型プロジェクタでレーザ光を走査するため、ミラー部を所定の軸線周りに往復回動させて、光源から入射した光をミラー部で反射させて出射するMEMS型の光偏向器が知られている。
光偏向器を用いてレーザ光を２軸方向に走査して投影画像を得るには、１軸の光偏向器を２つ組合せる方法と、２軸の光偏向器を用いる方法がある。前者は、２つのミラー部で合計２回レーザ光を反射させるため、ミラー部が１つの光偏向器と比較してレーザ光の利用効率が低く、小型化するのも難しい。その結果、近年では、技術的な困難性はあるものの２軸の光偏向器への関心が高まっている。
２軸の光偏向器の方式として、まず、両軸方向とも圧電膜を駆動源とする圧電駆動方式がある。これは、ミラー部の電力効率が極めて高い方式であるが、非共振駆動では十分な走査角が得られないことが課題であった。この課題を解決すべく、発明者らは特許文献１の「複数の圧電カンチレバーを折り返しながら連結した蛇腹構造圧電アクチュエータ」を含む光偏向器を作製し、非共振駆動によっても十分な走査角が得られることを確認した。
特許文献１の光偏向器では、もう一組の圧電アクチュエータの一端が可動枠の内辺に連結され支持されている。この圧電アクチュエータは、発生した回転トルクを他端に連結されたトーションバーに伝え、トーションバーの先端に連結されたミラー部を共振状態で揺動駆動させる。これにより、この光偏向器は、小型かつ簡単な構造で大きな駆動力が得られる。
圧電駆動方式の他には、永久磁石が作る磁場とコイルを流れる電流との間に生じるローレンツ力で駆動する電磁駆動方式がある。この方式では、発生するローレンツ力が大きいので、低周波数の非共振駆動によっても十分な垂直走査角が得られる。しかし、高速に走査するためには大きな電力を供給する必要があり、消費電力の点で課題が残る。
また、特許文献２の光偏向器のように、第１駆動部は圧電駆動方式、第２駆動部は電磁駆動方式で駆動するものもある。第２駆動部はコイルと磁界発生部で構成され、コイルは可動枠の外側（外枠）下面に設けられている。そして、ローレンツ力により外枠がＺ軸方向に運動する。これにより、ミラー部が軸線ＡＸ１周りに揺動されつつ、可動部が軸線ＡＸ２周りに揺動される。
特開２００８−０４０２４０号公報 特開２０１１−０６４９２８号公報
しかしながら、今後、さらに投影画像の解像度を向上させるには、ミラー部の周波数として３０kHz程度の高い数値が要求されるので、共振と非共振の要求仕様の両立が極めて難しい。ミラー部の動的な面変形や、圧電アクチュエータの不要な振動を抑制するためには、光偏向器の機械的な剛性を高める必要があるからである。
特に、上述の蛇腹構造圧電アクチュエータの連結構造は、２軸間の振動モードの干渉が起こり易い構造であるので、このモード干渉を抑制しながら非共振駆動による振れ角を維持することが難しい。共振するミラー部と非共振の蛇腹構造圧電アクチュエータは、構造体の厚みの最適値が異なる点が問題になる。
また、電磁駆動方式と圧電駆動方式の両方で駆動する異種駆動方式は、大きな駆動力を確保するために、可動枠もある程度大きくする必要がある。例えば、パッケージ内に永久磁石を配設する必要があるので、装置の小型化が難しい。
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、小型で低消費電力を実現し、高速かつ安定した光走査が可能な二軸光偏向器を提供することを目的とする。
第１発明は、第１軸線周りに揺動可能で入射光を反射するミラー部と、該ミラー部と連結された１対の第１トーションバーと、該第１トーションバーを介して該ミラー部を揺動させる第１駆動部と、該第１駆動部を含む可動枠を該第１軸線と直交する第２軸線周りに揺動させる第２駆動部とを備えた二軸光偏向器であって、前記第１駆動部は、前記第１軸線に対して対称となる位置に配置され、前記第１トーションバーと連結された１対の圧電アクチュエータを有し、前記ミラー部と前記第１トーションバーの構造で決定する共振周波数の交流駆動信号を、前記１対の圧電アクチュエータの一方に正位相、他方に逆位相で供給することにより前記ミラー部を駆動し、前記第２駆動部は、前記可動枠及び前記ミラー部の裏面に形成された磁化可能膜と、該磁化可能膜と対向する位置に設置されたコイル配線と、前記第２軸線上で該可動枠の外側を包囲する支持枠と連結された１対の第２トーションバーとで構成され、前記可動枠の裏面の磁化可能膜は、前記第２軸線又はこれと平行な直線を境界とする２つの領域に区分され、少なくとも一方の領域が着磁され、前記着磁された磁化可能膜による静磁場と前記コイル配線に交流電流が流れることで発生する交番磁界との相互作用により前記可動枠を駆動し、前記ミラー部が前記第１駆動部により前記第１軸線周りに共振状態で揺動し、前記可動枠が前記第２駆動部により前記第２軸線周りに非共振状態で揺動することで、入射光による２次元走査を可能とすることを特徴とする。
第１発明では、第１駆動部を駆動して第１トーションバーを第１軸線周りに回動させ、第１トーションバーと連結されたミラー部を揺動させる。また、第２駆動部を駆動して第２トーションバーを第２軸線周りに回動させ、第２トーションバーに連結された可動枠を揺動させる。これにより、ミラー部は、入射光を様々な方向に反射させることができる。
第１駆動部は１対の圧電アクチュエータで構成されるが、それぞれの圧電アクチュエータに対し共振周波数の交流駆動信号を逆位相で供給する。これにより、ミラー部は共振状態で安定して揺動する。一方、可動枠は、着磁された磁化可能膜（薄膜永久磁石）による静磁場とコイル配線が作る交番磁界との相互作用により駆動する。可動枠裏面の磁化可能膜は、第２軸線又はこれと平行な直線を境界とする２つの領域に区分され、少なくとも一方の領域が着磁（Ｓ極、Ｎ極を生成）されている。これにより、着磁領域は前記相互作用を受け、可動枠は非共振状態で揺動する。
従って、装置を小型化できると共に、２軸の振動で干渉が起きず、高速かつ安定した走査が可能な二軸光偏向器を実現することができる。
第２発明は、第１発明の二軸光偏光器において、前記ミラー部の裏面の磁化可能膜は、着磁されず該ミラー部の揺動時の面変形を抑制する補強リブとして形成されていることが好ましい。
第２発明では、ミラー部裏面の磁化可能膜は着磁を行わないので、ミラー部は交番磁界による作用を受けない。この磁化可能膜をミラー部の面変形を抑制する補強リブとして形成するが、補強リブは可動枠裏面と同時に生成することができる。また、磁化可能膜を、従来の補強リブの材料であるシリコンより比重が大きく、剛性の高い材料とすることで、薄膜化してもミラー部が揺動するときの光走査が安定する。
第３発明は、第１又は第２発明の二軸光偏光器において、前記可動枠の裏面の磁化可能膜は、前記第２軸線を境界とする２つの領域で磁性が反転するように着磁されていてもよい。
第３発明では、可動枠裏面の磁化可能膜が第２軸線を境界とする２つ領域で磁性が反転するように着磁されているので、磁場による相互作用がより強くなり、大きな回転トルクが生じる。これにより、可動枠の第２軸線周りの揺動を大きくすることができる。
第４発明は、第１又は第２発明の二軸光偏光器において、前記可動枠の裏面の着磁された領域は、前記第２軸線を越えて延在していてもよい。
第４発明では、可動枠裏面の磁化可能膜が第２軸線を越えた反対側の領域（全領域を除く）まで着磁されているので、第１、第３発明とは異なる強さの相互作用を受けて可動枠が非共振状態で揺動する。着磁処理についても、第２軸線上で正確に分割するより容易に行える。
第５発明は、第１〜第４発明の二軸光偏光器において、前記圧電アクチュエータの圧電膜はチタン酸ジルコン酸鉛であり、前記磁化可能膜はNd-Fe-B系薄膜であることが好ましい。
第５発明では、第１駆動部の圧電アクチュエータの圧電膜をチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）とすることで、PZTの安定した振動特性を利用することができる。また、第２駆動部の磁化可能膜はNd-Fe-B系薄膜とするので、永久磁石となったとき磁気吸引力が高く、２軸方向の安定した動作を実現することができる。
第６発明は、第１〜第５発明の二軸光偏光器において、前記コイル配線は、該二軸光偏向器を実装するパッケージの実装表面の配線と該実装表面の下層に埋設される配線の何れか一方、又は前記両配線の組合せで構成されることが好ましい。
第６発明では、コイル配線が二軸光偏向器を実装するパッケージの実装表面、又は実装表面の下層に埋設された配線で構成することで、可動枠の直下かつ至近距離にコイル配線を設置することができる。これにより、装置を小型化できると共に、磁場による作用も大きくなる。コイル配線は、実装表面又は表面下層の配線の組合せで構成されるようにしても同様の効果が得られる。
第７発明は、第１軸線周りに揺動可能で入射光を反射するミラー部と、該ミラー部と連結された１対の第１トーションバーと、該第１トーションバーを介して該ミラー部を揺動させる第１駆動部と、該第１駆動部を含む可動枠を該第１軸線と直交する第２軸線周りに揺動させる第２駆動部とを備えた二軸光偏向器であって、前記第１駆動部は、前記第１軸線に対して対称となる位置に配置され、前記第１トーションバーと連結された１対の圧電アクチュエータを有し、前記ミラー部と前記第１トーションバーの構造で決定する共振周波数の交流駆動信号を、前記１対の圧電アクチュエータの一方に正位相、他方に逆位相で供給することにより前記ミラー部を駆動し、前記第２駆動部は、前記可動枠及び前記ミラー部の裏面に形成された磁化可能膜と、該磁化可能膜と対向し、前記第２軸線と対称の位置に設置された独立した２つのコイル配線と、前記第２軸線上で該可動枠の外側を包囲する支持枠と連結された１対の第２トーションバーとで構成され、前記可動枠の裏面の磁化可能膜は全面にわたって着磁され、前記２つのコイル配線は交流電流が流れることで発生する交番磁界が互いに逆方向となるように形成され、前記着磁された磁化可能膜による静磁場と前記交番磁界との相互作用により前記可動枠を駆動し、前記ミラー部が前記第１駆動部により前記第１軸線周りに共振状態で揺動し、前記可動枠が前記第２駆動部により前記第２軸線周りに非共振状態で揺動することで、入射光による２次元走査を可能とすることを特徴とする。
第７発明では、可動枠裏面の磁化可能膜を全面にわたり着磁する代わりに、独立した２つのコイル配線を第２軸線と対称の位置に設置する。さらに、各コイル配線を、交流電流が流れることで発生する交番磁界が互いに逆方向となるように形成するので、可動枠は第２軸線を境にして逆向きの相互作用を受けて非共振状態で揺動する。これにより、２軸方向の振動で干渉が起きず、高速かつ安定した走査が可能な二軸光偏向器を実現することができる。
第８発明は、第１軸線周りに揺動可能で入射光を反射するミラー部と、該ミラー部と連結された１対の第１トーションバーと、該第１トーションバーを介して該ミラー部を揺動させる第１駆動部と、該第１駆動部を含む可動枠を該第１軸線と直交する第２軸線周りに揺動させる第２駆動部とを備えた二軸光偏向器の製造方法であって、前記ミラー部を製造するミラー部製造工程と、前記第１トーションバーを製造する第１トーションバー製造工程と、前記第１軸線に対して対称となる位置に、前記第１トーションバーと連結される１対の圧電アクチュエータを製造する圧電アクチュエータ製造工程と、前記第２軸線上で前記可動枠の外側を包囲する支持枠と連結される１対の第２トーションバーを製造する第２トーションバー製造工程と、前記可動枠及び前記ミラー部の裏面に磁化可能膜を形成する磁化可能膜形成工程と、前記可動枠の裏面の磁化可能膜に対し、前記第２軸線又はこれと平行な直線を境界とする２つの領域のうち少なくとも一方の領域を着磁する着磁工程と、前記ミラー部の裏面の磁化可能膜を着磁することなく、補強リブとして形成する補強リブ形成工程とを有することを特徴とする。
第８発明の二軸光偏向器の製造方法には、第１軸線に対して対称となる位置に、第１トーションバーと連結される１対の圧電アクチュエータを製造する工程が含まれる。この圧電アクチュエータを駆動することで１対の第１トーションバーを回動させ、ミラー部を第１軸線周りに揺動させることができる。
また、可動枠とミラー部の裏面に磁化可能膜を形成する工程が含まれる。着磁された磁化可能膜（薄膜永久磁石）による静磁場とコイル配線が作る交番磁界との相互作用により１対の第２トーションバーを回動させ、ミラー部を第２軸線周りに揺動させることができる。
可動枠の裏面の磁化可能膜は、第２軸線又はこれと平行な直線を境界とする２つの領域のうち少なくとも一方の領域が着磁されるので、着磁領域のみが前記相互作用を受けて駆動する。なお、２つの領域で着磁方向を反転させれば、両方の領域が前記相互作用を受け、より大きく駆動する。
また、ミラー部裏面の磁化可能膜を着磁すると、ミラー部が前記相互作用の影響を受けてしまうので、この部分の着磁は行わない。磁化可能膜を比重の大きい材料とすることで、膜厚が薄くてもミラー部の面変形を抑えるリブ構造となる。これにより、小型で低消費電力を実現し、高速かつ安定した光走査が可能な軸光偏向器を製造することができる。
光スキャナモジュールの構成図。 （ａ）第１実施形態の二軸光偏向器の表面側の斜視図、（ｂ）パッケージ及びコイル配線の形状を示す図。 二軸光偏向器の裏面側の斜視図。 図２（ａ）のIV−IV線端面図。 磁化可能膜の着磁パターンを説明する図。 （ａ）第２実施形態の二軸光偏向器の表面側の斜視図、（ｂ）パッケージ及びコイル配線の形状を示す図。 図６（ａ）のVII−VII線端面図。 二軸光偏向器の製造工程（１）〜（４）を説明する図。 二軸光偏向器の製造工程（５）〜（８）を説明する図。 二軸光偏向器の製造工程（９）〜（１２）を説明する図。
［第１実施形態］
初めに、図１に本発明の実施形態を含む光スキャナモジュール１を示す。光スキャナモジュール１は、超小型プロジェクタ、バーコードリーダ、車載ヘッドアップディスプレイ等に用いられる部品であり、主に二軸光偏向器２、レーザ光源３及び制御装置５から構成される。
本発明の第１実施形態の二軸光偏向器２は、半導体プロセスやマイクロマシン技術を用いて製造されるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスであり、一定の方向から入射する光を回動するマイクロミラーで反射し、走査光として出射するものである。
二軸光偏向器２の可動枠２ａ内には、ミラー部６、半環状圧電アクチュエータ７ａ、７ｂ（本発明の「圧電アクチュエータ」に相当）、トーションバー８ａ、８ｂ（本発明の「第１トーションバー」に相当）がある。レーザ光源３から入射するレーザ光４ａはミラー部６で反射され、反射光（レーザ光４ｂ）が、例えば、超小型プロジェクタの投影面を走査する。
このとき、制御装置５は、図示しない配線により可動枠２ａ及びレーザ光源３に制御信号を送信している。該制御信号により可動枠２ａの半環状圧電アクチュエータ７ａ、７ｂ（以下、単に圧電アクチュエータ７ａ、７ｂという）が駆動し、これと連結したトーションバー８ａ、８ｂが捩れてミラー部６を回動させる。また、該制御信号により、レーザ光４ａのオン・オフや輝度が制御される。
次に、図２（ａ）に示すように、二軸光偏向器２は、可動枠２ａと支持枠２ｂからなり、支持枠２ｂの中央に可動枠２ａが配設されている。可動枠２ａの両脇には、トーションバー１０ａ、１０ｂ（本発明の「第２トーションバー」に相当）があり、可動枠２ａの外辺と支持枠２ｂの内辺とを結合している。
圧電アクチュエータ７ａ、７ｂは、ミラー部６を外側から包囲する位置に配設されている。また、圧電アクチュエータ７ａ、７ｂは、Ｘ軸上のトーションバー８ａ、８ｂと連結し、Ｙ軸上では可動枠２ａと連結している。圧電アクチュエータ７ａ、７ｂを駆動することにより、ミラー部６が図中のＸ軸（本発明の「第１軸線」に相当）の周りを往復回動する。
トーションバー８ａ、８ｂは、一端がミラー部６、他端が圧電アクチュエータ７ａ、７ｂと結合している。トーションバー８ａ、８ｂをさらに外側に延長して、可動枠２ａと結合させてもよい。このようにすることで、Ｘ軸周りの往復回動が安定する。
後述する電磁駆動方式によりトーションバー１０ａ、１０ｂが捩れると、可動枠２ａがＸ軸と垂直なＹ軸（本発明の「第２軸線」に相当）の周りを往復回動する。この結果、二軸光偏向器２は、レーザ光４ａをミラー部６で反射する際、光を二軸光偏向器２の前方に出射して、２次元の走査をすることができる。
以下、各構成部材の詳細を説明する。まず、ミラー部６は、中心Ｏから表側に延び出す法線をまっすぐ前方（Ｚ軸方向）に向けている。円形のミラー部６は、可動枠２ａの中心に配設され、Ｘ軸上でトーションバー８ａ、８ｂに支持されている。
ミラー部６の反射面は、Au、Pt、Al等の金属薄膜を、例えば、スパッタ法や電子ビーム蒸着法により形成して作る。ミラー部の形状は円形に限られず、楕円形やその他の形状であってもよい。
また、圧電アクチュエータ７ａ、７ｂは、半導体プレーナプロセスにより、圧電性のチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）膜を下部電極及び上部電極で挟み込んだ構造となっている。下部電極、上部電極を介して該圧電膜に電圧を印加することで、圧電アクチュエータ７ａ、７ｂを屈曲変形させ、トーションバー８ａ、８ｂが捩れるという仕組み（圧電駆動方式）である。
圧電アクチュエータ７ａ、７ｂの圧電膜は、Ｘ軸上で周方向に分断されている。可動枠２ａの作製時には、まず、トーションバー８ａ、８ｂの部分を含めた全周に、圧電膜を一様に形成する。その後、エッチングにより分断溝の部分の圧電膜を除去して完成となる。
これにより、圧電アクチュエータ７ａ、７ｂには、個別に駆動電圧を印加可能になる。例えば、圧電アクチュエータ７ａに所定の電圧Ｖ１を印加し、圧電アクチュエータ７ｂにＶ１とは逆位相となる電圧Ｖ２を印加することにより、ミラー部６をＸ軸周りに揺動させることができる。
なお、圧電アクチュエータ７ａ、７ｂは共振状態で振動させるため、前記駆動電圧は交流信号で周期は共振周波数である。また、共振周波数は、圧電アクチュエータ７ａ、７ｂに連結されるトーションバー８ａ、８ｂや、その先にあるミラー部６の重量や構造に影響されるので、その調整が必要となる。
トーションバー８ａ、８ｂの断面形状は、最大捩り破断応力を大きくするため、できる限り正方形（例えば、８０〜１００μｍ）に近い形とする。また、これにより、実用使用できる水平走査の振れ角も従来より向上する。
可動枠２ａの裏面には、薄膜永久磁石９ａ、９ｂが形成されている。詳細は後述するが、薄膜永久磁石９ａ、９ｂは、トーションバー１０ａ、１０ｂをＹ軸周りに往復回動させるため、Ｙ軸を境に磁性を反転させている。
次に、図２（ｂ）は、主に二軸光偏向器２を収納するパッケージを示している。このパッケージ１１は、高温焼成アルミナ積層基板（HTCC；High Temperature Co-fired Ceramics）で構成されるセラミックパッケージである。また、図２（ｂ）は、底面の一部分のみを示している。図２（ａ）の支持枠２ｂ（下面）は、スペーサ１３（実際は四辺）と結合した状態でパッケージ１１の底面に載置される。
また、パッケージ１１の底面下には、コイル配線１２が埋め込まれている。そして、コイル配線１２を流れる電流により磁場が発生するので、薄膜永久磁石９ａ、９ｂとの間で引力又は斥力が生じ、可動枠２ａが揺動する。このように、セラミックパッケージを用いることで周辺回路を多層基板内に作り込むことができ、装置の小型化、低背化が可能になる。
次に、図３に示すように、二軸光偏向器２の可動枠２ａの裏面とミラー部６の裏面（リング状）には、磁化可能膜（Nd2Fe14B）が形成される（図中の着色部分）。従来からある薄膜の永久磁石（CoPt等）は、バルクの永久磁石に比べ磁束密度が極めて小さかったが、Nd2Fe14Bに代表される薄膜ネオジウム磁石は、バルクの永久磁石に劣らない性質を有する。
薄膜永久磁石の製造方法としては、まず、スパッタ法によりシリコンウエハに磁化可能膜を厚さ６〜１０μｍで成膜する。その後、電磁石を用いて磁化可能膜中の磁気モーメントの向きを揃える作業を行うと、Ｓ極、Ｎ極を有する薄膜永久磁石に変化する。図中の薄膜永久磁石９ａ、９ｂは膜厚方向（Ｚ軸方向）に着磁され、磁極は互いに反転している。例えば、薄膜永久磁石９ａの表面側がＮ極の場合、薄膜永久磁石９ｂの表面側はＳ極である。
一方、ミラー部６の裏面の磁化可能膜９ｃに対しては着磁処理を行わない。可動枠２ａの裏面を一括して着磁処理した後、ミラー部６の裏面のみキューリー点まで加熱し、磁気モーメントの向きをバラバラにして、消磁してもよい。これにより、ミラー部６は、交番磁界には反応せず、トーションバー８ａ、８ｂの作用のみを受けることになる。
また、磁化可能膜（Nd2Fe14B）は、比重が７．６であり、シリコンの比重（２．３）の約３倍もある。従来、ミラー部裏面は、シリコン膜を加工して補強リブ構造とし、面変形が起こらないようにしていたが、ここでは、磁化可能膜により同じリブ構造を形成する。
この磁化可能膜は、剛性（ヤング率が約１６０ＧＰ）の点でもシリコン膜と同等の値であるから、シリコン膜の１／３の膜厚にしても同じ効果の補強リブになる。重量のあるバルクの永久磁石を接合する必要がないことから、ミラー部６の共振周波数が低下するおそれもない。
次に、図４（IV-IV線端面図）は、支持枠２ｂがスペーサ１３に支持されている状態で、二軸光偏向器２がパッケージ１１に収められた様子を示している。図示するように、ミラー部６の下面には、着磁されていない磁化可能膜９ｃがあり、補強リブを形成している。また、ミラー部６の両脇には圧電アクチュエータ７ａがあり、図示しないトーションバー８ａ、８ｂでミラー部６と連結されている。
圧電アクチュエータ７ａの両脇には可動枠２ａの外周部がある。図左側の可動枠２ａの下面には、薄膜永久磁石９ａがある。これは、最下面がＮ極となるように着磁されているので、磁場Ｂは常に下向きである。
一方、図右側の可動枠２ａの下面には、薄膜永久磁石９ｂがある。これは、薄膜永久磁石９ａとは逆に、最下面がＳ極となるように着磁されているので、磁場Ｂは常に上向きである。
また、パッケージ１１の底面に埋め込まれたコイル配線１２に交流電流（１Ａ以下でよい）を流すと、コイル配線１２が作る磁場Ｂｃの向きは時間により変化する。例えば、図示するように、電流ｉが図の右向きのとき、磁場Ｂｃは右ネジの向きと同じ上向きとなる。
この場合、コイル配線１２が作る磁場Ｂｃは、上側がＮ極の磁石と同じになるので、薄膜永久磁石９ａとはＮ極同士で反発し、薄膜永久磁石９ｂとはＮ極とＳ極で引き合う。この相互作用により、トーションバー１０ａは、図左側の可動枠２ａが上へ、図右側の可動枠２ａが下へ移動するように捩れ、トーションバー１０ａと同軸のＹ軸周りに可動枠２ａが揺動する。このように、Ｙ軸方向は周波数特性を持たない電磁駆動方式であるので、可動枠２ａは非共振状態で振動する。
なお、着磁処理をしていない磁化可能膜９ｃは、コイル配線１２が作る磁場Ｂｃの影響を受けない。すなわち、ミラー部６は、圧電アクチュエータ７ａ、７ｂの駆動にのみ影響されることになる。
ここで、磁化可能膜の着磁パターンの例を説明する。本実施形態では、Ｙ軸を境に着磁方向を反転させているが、図５（ａ）に示すように、Ｙ軸を境に、可動枠２ａの一方の領域のみ着磁させることもできる。このようにした場合、着磁領域（薄膜永久磁石）９ａ（９ｂ）のみコイルによる磁場の作用を受けることになる。従って、第１実施形態ほどの回転トルクは生じないものの、トーションバーを捩り、可動枠２ａをＹ軸周りに揺動させることができる。
また、図５（ｂ）に示すように、Ｙ軸を越え、Ｙ軸に平行な直線を境界とする領域まで可動枠２ａ’’の裏面を着磁してもよい。このようにした場合でも、着磁領域９ａ（９ｂ）のみコイルによる磁場の作用を受けるが、第１実施形態や図５（ａ）の形態とは異なる態様で可動枠を揺動させることができる。
微細領域の反転着磁には専用のヨークコイルが必要となるが、ここではヨークコイルの位置精度がそれ程高くなくても着磁可能である。従って、Ｙ軸を境に着磁を正確に反転させるより作製が容易になるという利点も生まれる。
一方、図５（ｃ）に示すように、可動枠２ａ’の裏面の着磁を全面一様にした場合、Ｙ軸を境とした何れの領域もコイルから同じ磁場による作用を受けることになり、可動枠２ａ’を揺動させることができなくなる。この場合には、コイル配線を２つ用意することで可動枠２ａ’を揺動させることができる。以下では、図５（ｃ）の可動枠２ａ’を利用した二軸光偏向器について説明する。
［第２実施形態］
図６（ａ）に、本発明の実施形態を含む第２実施形態の二軸光偏向器２’を示す。
ここで、可動枠２ａ’を構成するミラー部６、圧電アクチュエータ７ａ、７ｂ、トーションバー８ａ、８ｂ、支持枠２ｂ及びこれに連結されたトーションバー１０ａ、１０ｂについては、第１実施形態と同じであるから説明を省略する。
ここでは、可動枠２ａ’裏面の磁化可能膜が、上述の図５（ｃ）のように全面着磁されている。薄膜永久磁石９が膜厚方向（Ｚ軸方向）に着磁されている点は第１実施形態と同じだが、Ｙ軸を境に磁性を反転させず、例えば、全面が一様にＮ極となっている。なお、図示していないが、ミラー部６の裏面の磁化可能膜は、第１実施形態と同様に着磁処理を行わない。これにより、コイルの磁場Ｂｃによる作用を受けない。
次に、図６（ｂ）は、二軸光偏向器２’を収納するパッケージを示している。図６（ｂ）は、第２実施形態のパッケージ１１’の底面の一部分のみを示している。ここで、パッケージ１１’の底面下には、Ｙ軸を境に２つのコイル配線１２ａ、１２ｂが埋め込まれている。さらに、コイル配線１２ａ、１２ｂには、逆方向の電流が流れるようにコイルの巻き方向が逆になっている。これにより、可動枠２ａ’は、Ｙ軸を境に逆向きの力を受けるようになる。
なお、コイル配線１２ａ、１２ｂの巻き方向が同じであっても、コイル配線１２ａ、１２ｂで互いに逆向きの電流が流れるような特別の回路を設ければ、同様に動作させることができる。
次に、図７（VII-VII線端面図）は、支持枠２ｂがスペーサ１３に支持されている状態で、二軸光偏向器２’がパッケージ１１’に収められた様子を示している。ミラー部６、圧電アクチュエータ７ａの構成は同じであるが、可動枠２ａ’の裏面は、第１実施形態と相違している。
上述の通り、可動枠２ａ’の裏面は着磁が一様である。ここでは、左右両側で、最下面がＮ極となるように着磁されているので、磁場Ｂは常に下向きである。
また、パッケージ１１’の底面下に埋め込まれたコイル配線１２ａ、１２ｂには交流電流が流れるので、コイル配線１２ａ、１２ｂが作る磁場Ｂｃの向きは時間により変化する。例えば、図示するように、コイル配線１２ａにおいて電流ｉが図の右向きに流れているとき、コイル配線１２ｂにおいて電流ｉが図の左向きに流れる。
このとき、コイル配線１２ａに生じる磁場Ｂｃは上向き、コイル配線１２ｂに生じる磁場Ｂｃは下向きであるから、図左側の薄膜永久磁石９とはＮ極同士で反発し、図右側の薄膜永久磁石９とはＮ極とＳ極で引き合う。この相互作用により、トーションバー１０ａは、図左側が上へ、図右側が下へ移動するように捩れ、トーションバー１０ａと同軸のＹ軸周りに可動枠２ａが揺動する。
最後に、図８Ａ〜８Ｃを参照して、二軸光偏向器の製造工程を説明する。
二軸光偏向器用の基板には、厚みが３００μｍで、両面が研磨されたベアシリコンウエハを用いる。まず、図８Ａに示すように、シリコンウエハの両面に熱酸化膜としてのSiO2（二酸化ケイ素）を１μｍ成膜する（図８Ａの（１））。
続いて、基板の表面側に下部電極膜としてのTi/Pt（チタン／プラチナ）、圧電膜としてのPZT（チタン酸ジルコン酸鉛）、上部電極膜としてのPt（プラチナ）を、スパッタ等のドライプロセスにより形成する（図８Ａの（２））。
その後、基板の表面側の上部電極膜、圧電膜、下部電極膜をフォトリソグラフィー及びドライエッチングにより形成し（図８Ａの（３））、プラズマCVD（化学気相成長）法によりシリコン酸化膜（SiO2）による層間絶縁膜を基板表面の全体に形成する（図８Ａの（４））。
次に、図８Ｂに示すように、シリコン酸化膜に対し、上部電極膜とアルミ配線とを接続するコンタクトホールをフォトリソグラフィー及びドライエッチングにより形成する（図８Ｂの（５））。
続いて、AlCu合金膜をスパッタで成膜し、混酸によりエッチングして配線パターンを形成する（図８Ｂの（６））。さらに、ミラー部を形成するため、Al反射膜をスパッタで成膜し（図８Ｂの（７））、基板の表面側をDeepRIE（深掘り反応性イオンエッチング）法により加工してミラー構造、圧電アクチュエータ、可動枠、第１及び第２トーションバーのもととなる深溝部（Trench）を形成する（図８Ｂの（８））。
次に、図８Ｃに示すように、基板の表面側にワックスを塗布した後、支持ウエハを仮接合する（図８Ｃの（９））。続いて、基板の裏面側をCMP（化学的機械研磨）法により、基板の厚みが４０μｍになるまで研磨、薄化する。このとき、前記深溝部は貫通孔となり、ミラー構造、圧電アクチュエータ、可動枠、第１及び第２トーションバー構造が形成される（図８Ｃの（１０））。
その後、磁化可能膜としてのNd2Fe14Bを、シャドーマスクを介してスパッタで成膜し、可動枠及びミラー部の裏面にパターン形成する（図８Ｃの（１１））。これにより、ミラー部裏面に磁化可能膜による補強リブ構造が形成される。また、可動枠裏面の磁化可能膜を着磁して、薄膜永久磁石とする。
この製造方法では、補強リブをシリコン膜の深掘りエッチングではなく、磁化可能膜のパターン成膜で精度良く形成することができるので、高価なSOI（Silicon On Insulator）ウエハを材料として用いなくても、極めて安定した光走査特性が得られる。また、製造工程が全て半導体プレーナプロセスであるから、安価なベアシリコンウエハを使用でき、製造コストを大幅に抑えることができる。
最後に、素子が作られたウエハを、ガラスやベアシリコンウエハを加工して形成したスペーサ１３に、支持枠２ｂとスペーサ１３の位置合わせをして接合し、仮接合した支持ウエハを剥離して、二軸光偏向器用のウエハが完成する（図８Ｃの（１２））。なお、支持枠２ｂの上面には、図２（ａ）、６（ａ）では図示を省略した電極が示されている。
その後は、素子が作られたウエハをステルスレーザダイシング等により各チップに切り分け、コイル配線を有するパッケージに実装する（図示省略）。なお、パッケージは、表面配線パターン及び内部配線パターンを有する高温焼結アルミナ製のセラミックパッケージを用いる。
上記の工程で完成した二軸光偏向器の光走査特性を評価したところ、水平共振周波数２９kHzの正弦波駆動において水平走査全角として５６度、６０Hzのノコギリ波（９：１デューティ）非共振駆動において垂直走査全角として３２度が得られ、ミラー裏面の補強リブ構造による動的面変形の抑制効果と相まって、ＨＤ解像度のプロジェクション表示に十分対応する結果となった。この時の圧電駆動電圧は１０Ｖ、電磁駆動電圧は３．３Ｖであり、従来の圧電単一駆動方式の二軸光偏向器（〜６０Ｖ）に比べて著しく駆動電圧の低減を実現することができた。
以上のように、上記実施形態の二次元光偏向器は、圧電駆動方式と電磁駆動方式を組合せた異種駆動方式を採用した。特に、電磁駆動方式の第２駆動部は、可動枠裏面の薄膜永久磁石による静磁場とパッケージに埋設されたコイル配線が作る交番磁界の相互作用によりトーションバーを揺動させる。これにより、小型で低消費電力を実現し、高速かつ安定した光走査が可能な二次元光偏向器となる。
上記実施形態は、本発明の一例であり、これ以外にも様々な変形例が考えられる。例えば、実施形態のミラー部６は円形であったが、楕円形や矩形であってもよい。このとき、ミラー部の形状に合わせて、圧電アクチュエータ７ａ、７ｂの形状も変える必要がある。
二軸光偏向器２を収納するパッケージも様々な種類のものを使用することができるが、多層基板を備えたパッケージが好ましい。実装表面のコイル配線と実装表面の下層基板のコイル配線を組合せて長いコイルとすることもできる。このように、パッケージの厚み方向に配線を積層することにより、コイル配線１２の巻線数を増やせば、駆動力を増大させることができる。
１…光スキャナモジュール、２，２’…二軸光偏向器、２ａ，２ａ’…可動枠、２ｂ…支持枠、３…レーザ光源、４ａ…レーザ光（入射光）、４ｂ…レーザ光（反射光）、５…制御装置、６…ミラー部、７ａ，７ｂ…半環状圧電アクチュエータ、８ａ，８ｂ……第１トーションバー、９，９ａ，９ｂ…薄膜永久磁石、９ｃ…磁化可能膜（補強リブ）１０ａ，１０ｂ…第２トーションバー、１１，１１’…パッケージ、１２，１２ａ，１２ｂ…コイル配線、１３…スペーサ

Claims (8)

  1. 第１軸線周りに揺動可能で入射光を反射するミラー部と、該ミラー部と連結された１対の第１トーションバーと、該第１トーションバーを介して該ミラー部を揺動させる第１駆動部と、該第１駆動部を含む可動枠を該第１軸線と直交する第２軸線周りに揺動させる第２駆動部とを備えた二軸光偏向器であって、
    前記第１駆動部は、
    前記第１軸線に対して対称となる位置に配置され、前記第１トーションバーと連結された１対の圧電アクチュエータを有し、
    前記ミラー部と前記第１トーションバーの構造で決定する共振周波数の交流駆動信号を、前記１対の圧電アクチュエータの一方に正位相、他方に逆位相で供給することにより前記ミラー部を駆動し、
    前記第２駆動部は、
    前記可動枠及び前記ミラー部の裏面に形成された磁化可能膜と、該磁化可能膜と対向する位置に設置されたコイル配線と、前記第２軸線上で該可動枠の外側を包囲する支持枠と連結された１対の第２トーションバーとで構成され、
    前記可動枠の裏面の磁化可能膜は、前記第２軸線又はこれと平行な直線を境界とする２つの領域に区分され、少なくとも一方の領域が着磁され、
    前記着磁された磁化可能膜による静磁場と前記コイル配線に交流電流が流れることで発生する交番磁界との相互作用により前記可動枠を駆動し、
    前記ミラー部が前記第１駆動部により前記第１軸線周りに共振状態で揺動し、前記可動枠が前記第２駆動部により前記第２軸線周りに非共振状態で揺動することで、入射光による２次元走査を可能とすることを特徴とする二軸光偏向器。
  2. 請求項１に記載の二軸光偏向器において、
    前記ミラー部の裏面の磁化可能膜は、着磁されず該ミラー部の揺動時の面変形を抑制する補強リブとして形成されていることを特徴とする二軸光偏向器。
  3. 請求項１又は２に記載の二軸光偏向器において、
    前記可動枠の裏面の磁化可能膜は、前記第２軸線を境界とする２つの領域で磁性が反転するように着磁されていることを特徴とする二軸光偏向器。
  4. 請求項１又は２に記載の二軸光偏向器において、
    前記可動枠の裏面の着磁された領域は、前記第２軸線を越えて延在していることを特徴とする二軸光偏向器。
  5. 請求項１〜４の何れか１項に記載の二軸光偏向器において、
    前記圧電アクチュエータの圧電膜はチタン酸ジルコン酸鉛であり、前記磁化可能膜はNd-Fe-B系薄膜であることを特徴とする二軸光偏向器。
  6. 請求項１〜５の何れか１項に記載の二軸光偏向器において、
    前記コイル配線は、該二軸光偏向器を実装するパッケージの実装表面の配線と該実装表面の下層に埋設される配線の何れか一方、又は前記両配線の組合せで構成されることを特徴とする二軸光偏向器。
  7. 第１軸線周りに揺動可能で入射光を反射するミラー部と、該ミラー部と連結された１対の第１トーションバーと、該第１トーションバーを介して該ミラー部を揺動させる第１駆動部と、該第１駆動部を含む可動枠を該第１軸線と直交する第２軸線周りに揺動させる第２駆動部とを備えた二軸光偏向器であって、
    前記第１駆動部は、
    前記第１軸線に対して対称となる位置に配置され、前記第１トーションバーと連結された１対の圧電アクチュエータを有し、
    前記ミラー部と前記第１トーションバーの構造で決定する共振周波数の交流駆動信号を、前記１対の圧電アクチュエータの一方に正位相、他方に逆位相で供給することにより前記ミラー部を駆動し、
    前記第２駆動部は、
    前記可動枠及び前記ミラー部の裏面に形成された磁化可能膜と、該磁化可能膜と対向し、前記第２軸線と対称の位置に設置された独立した２つのコイル配線と、前記第２軸線上で該可動枠の外側を包囲する支持枠と連結された１対の第２トーションバーとで構成され、
    前記可動枠の裏面の磁化可能膜は全面にわたって着磁され、前記２つのコイル配線は交流電流が流れることで発生する交番磁界が互いに逆方向となるように形成され、
    前記着磁された磁化可能膜による静磁場と前記交番磁界との相互作用により前記可動枠を駆動し、
    前記ミラー部が前記第１駆動部により前記第１軸線周りに共振状態で揺動し、前記可動枠が前記第２駆動部により前記第２軸線周りに非共振状態で揺動することで、入射光による２次元走査を可能とすることを特徴とする二軸光偏向器。
  8. 第１軸線周りに揺動可能で入射光を反射するミラー部と、該ミラー部と連結された１対の第１トーションバーと、該第１トーションバーを介して該ミラー部を揺動させる第１駆動部と、該第１駆動部を含む可動枠を該第１軸線と直交する第２軸線周りに揺動させる第２駆動部とを備えた二軸光偏向器の製造方法であって、
    前記ミラー部を製造するミラー部製造工程と、
    前記第１トーションバーを製造する第１トーションバー製造工程と、
    前記第１軸線に対して対称となる位置に、前記第１トーションバーと連結される１対の圧電アクチュエータを製造する圧電アクチュエータ製造工程と、
    前記第２軸線上で前記可動枠の外側を包囲する支持枠と連結される１対の第２トーションバーを製造する第２トーションバー製造工程と、
    前記可動枠及び前記ミラー部の裏面に磁化可能膜を形成する磁化可能膜形成工程と、
    前記可動枠の裏面の磁化可能膜に対し、前記第２軸線又はこれと平行な直線を境界とする２つの領域のうち少なくとも一方の領域を着磁する着磁工程と、
    前記ミラー部の裏面の磁化可能膜を着磁することなく、補強リブとして形成する補強リブ形成工程とを有することを特徴とする二軸光偏向器の製造方法。
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