JP2017032916A - 光スキャナー、光スキャナーの製造方法、画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ - Google Patents

光スキャナー、光スキャナーの製造方法、画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイ Download PDF

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Abstract

【課題】接合強度が高く、優れた機械的強度を有する光スキャナー、光スキャナーの製造方法、画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイを提供する。【解決手段】光スキャナー３は、Ｓｉ層４１と、Ｓｉ層４３と、これらの間にあるＳｉＯ２層４２と、を有し、Ｓｉ層４１から形成された可動部３１および軸部３２１、３２２と、Ｓｉ層４２から形成され、可動部３１と離間して配置された保持部３４と、ＳｉＯ２層４２から形成され、可動部３１と保持部３４とを連結する連結部３６と、保持部３４の上面に設けられ、光を反射する光反射部３５と、を備え、可動部３１と連結部３６とが直接接合によって接合されている。【選択図】図５

Description

本発明は、光スキャナー、光スキャナーの製造方法、画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイに関するものである。
例えば、特許文献１には、光を２次元走査する光スキャナーが開示されている。特許文献１の光スキャナーは、フレームと、フレームに対して第１軸まわりに揺動可能な枠状の外側駆動部と、外側駆動部の内側に設けられ、外側駆動部に対して第１軸と直交する第２軸まわりに揺動可能な内側駆動部と、連結ビームを介して内側駆動部に固定され、ミラー面を有するステージと、を有する。そして、外側駆動部を第１軸まわりに揺動させつつ、内側駆動部第２軸まわりに揺動させることで、ミラー面で反射した光を２次元走査することができるようになっている。
特開２００９−７５５８７号公報
しかしながら、特許文献１のような構成では、ステージと連結ビームとを例えば接着剤のような固定材料を用いて接合しなければならないため、ステージの接合強度が不足してしまう。
本発明の目的は、接合強度が高く、優れた機械的強度を有する光スキャナー、光スキャナーの製造方法、画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイを提供することにある。
このような目的は、下記の発明により達成される。
本発明の光スキャナーは、第１のＳｉ層と、
第１のＳｉＯ２層と、
第２のＳｉ層と、を有し、
前記第１のＳｉ層、前記第１のＳｉＯ２層および前記第２のＳｉ層は、前記第１のＳｉ層、前記第１のＳｉＯ２層、前記第２のＳｉ層の順に積層された層構造をなし、
前記第２のＳｉ層は、可動部および前記可動部を揺動軸まわりに揺動可能に支持する軸部を含み、
前記第１のＳｉ層は、保持部を含み、
前記第１のＳｉＯ２層は、前記可動部と前記保持部とを連結する連結部を含み、
前記保持部の前記連結部が設けられる面と反対の面側に設けられ、光を反射する光反射部と、を備え、
前記可動部と前記連結部とが直接接合によって接合されていることを特徴とする。
これにより、可動部と連結部との接合強度を高めることができ、優れた機械的強度を有する光スキャナーとなる。
本発明の光スキャナーでは、前記可動部の板厚方向からの平面視で、
前記保持部は、前記軸部の少なくとも一部と重なっていることが好ましい。
これにより、保持部を大きくすることができ、その分、光反射部を大きくすることができる。
本発明の光スキャナーでは、前記保持部の前記連結部が設けられる面に設けられ、前記第１のＳｉＯ２層から形成された第１の部分を有し、
前記可動部の板厚方向からの平面視で、
前記第１の部分は、前記軸部と重なる領域に溝部を有していることが好ましい。
これにより、第１の部分によって保持部を補強することができる。
本発明の光スキャナーでは、前記第１のＳｉ層の前記第１のＳｉＯ２層が設けられる面と反対側に設けられた第２のＳｉＯ２層を有し、
前記保持部と前記光反射部との間に設けられ、前記第２のＳｉＯ２層から形成された第２の部分を有することが好ましい。
これにより、第２の部分によって保持部を補強することができる。また、補強部を材料が同じ第１の部分と第２の部分とで挟み込むことにより、熱膨張に起因する補強部の撓みを低減することができる。
本発明の光スキャナーでは、前記第２のＳｉ層から形成され、前記軸部を支持する支持部を有することが好ましい。
これにより、軸部を介して可動部を支持することができる。
本発明の光スキャナーでは、前記第１のＳｉ層から形成され、前記保持部の板厚方向からの平面視で、前記保持部の少なくとも一部を囲むように設けられ、前記支持部に接合された支持部構造体を有することが好ましい。
これにより、支持部構造体によって支持部を補強することができる。
本発明の光スキャナーでは、前記支持部構造体の前記支持部が設けられる面と反対側の面には、前記光の反射を低減する反射低減膜が設けられていることが好ましい。
これにより、迷光を低減することができる。
本発明の光スキャナーでは、前記保持部と前記支持部構造体との離間距離は、前記可動部と前記支持部の離間距離よりも小さいことが好ましい。
これにより、迷光をより効果的に低減することができる。
本発明の光スキャナーの製造方法は、可動部と、
前記可動部を揺動軸まわりに揺動可能に支持する軸部と、
前記可動部と前記可動部の厚さ方向に離間して配置された保持部と、
前記可動部と前記保持部の間に位置し、前記可動部と前記保持部とを連結する連結部と、
前記保持部の前記可動部が設けられる面と反対の面側に設けられ、光を反射する光反射部と、を備える光スキャナーの製造方法であって、
第１のＳｉ層および第１のＳｉＯ２層が積層された第１の基板を用意し、前記第１のＳｉＯ２層から前記連結部を形成する工程と、
第２のＳｉ層を有する第２の基板を用意し、前記第１の基板の前記連結部と前記第２の基板の前記第２のＳｉ層とを直接接合する工程と、
前記第２のＳｉ層を前記第１の基板が設けられる面と反対の面側からパターニングすることで、前記可動部および前記軸部を形成する工程と、
前記第１のＳｉ層を前記第２の基板が設けられる面と反対の面側からパターニングすることで、前記保持部を形成する工程と、
前記保持部に前記光反射部を配置する工程と、を有することを特徴とする。
これにより、可動部と連結部との接合強度を高めることができ、優れた機械的強度を有する光スキャナーとなる。
本発明の光スキャナーの製造方法では、前記第１の基板は、前記第１のＳｉ層の前記第１のＳｉＯ２層が設けられる面と反対側の面に設けられた第２のＳｉＯ２層を有し、
前記保持部を形成する工程では、前記第２のＳｉＯ２層から形成されたマスクを介してパターニングすることが好ましい。
これにより、保持部の形成が容易となる。
本発明の光スキャナーの製造方法は、可動部と、
前記可動部を揺動軸まわりに揺動可能に支持する軸部と、
前記可動部と前記可動部の厚さ方向に離間して配置された保持部と、
前記可動部と前記保持部の間に位置し、前記可動部と前記保持部とを連結する連結部と、
前記保持部の前記連結部が設けられる面と反対側に設けられ、光を反射する光反射部と、備える光スキャナーの製造方法であって、
第１のＳｉ層と、第２のＳｉ層と、前記第１のＳｉ層と前記第２のＳｉ層の間に設けられた第１のＳｉＯ２層とを有し、前記第１のＳｉＯ２層から前記連結部が形成されているＳＯＩ基板を用意する工程と、
前記第２のＳｉ層を前記第１のＳｉ層が設けられる面と反対の面側からパターニングすることで、前記可動部および前記軸部を形成する工程と、
前記第１のＳｉ層を前記第２のＳｉ層が設けられる面と反対の面側からパターニングすることで、前記保持部を形成する工程と、
前記保持部に前記光反射部を配置する工程と、を有することを特徴とする。
これにより、可動部と連結部との接合強度を高めることができ、優れた機械的強度を有する光スキャナーとなる。
本発明の画像表示装置は、本発明の光スキャナーを有することを特徴とする。
これにより、信頼性の高い画像表示装置が得られる。
本発明のヘッドマウントディスプレイは、本発明の光スキャナーと、
前記光スキャナーを搭載し、観察者の頭部に装着されるフレームと、を有することを特徴とする。
これにより、信頼性の高いヘッドマウントディスプレイが得られる。
本発明の第１実施形態に係る画像表示装置の構成図である。 図１に示す画像表示装置が備える光スキャナーの斜視図である。 光スキャナーの上面図である。 光スキャナーの部分省略上面図である。 図３中のＡ−Ａ線断面図である。 図３中のＢ−Ｂ線断面図である。 光スキャナーが有するセンサー部を示す平面図である。 光スキャナーの製造方法を示すフローチャートである。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 本発明の第２実施形態に係る光スキャナーの製造方法を示すフローチャートである。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 光スキャナーの製造方法を示す断面図である。 本発明の画像表示装置を適用したヘッドアップディスプレイを示す斜視図である。 本発明のヘッドマウントプディスプレイを示す斜視図である。
以下、本発明の光スキャナー、光スキャナーの製造方法、画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイの好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明の第１実施形態に係る画像表示装置について説明する。
図１は、本発明の第１実施形態に係る画像表示装置の構成図である。図２は、図１に示す画像表示装置が備える光スキャナーの斜視図である。図３は、光スキャナーの上面図である。図４は、光スキャナーの部分省略上面図である。図５は、図３中のＡ−Ａ線断面図である。図６は、図３中のＢ−Ｂ線断面図である。図７は、光スキャナーが有するセンサー部を示す平面図である。図８は、光スキャナーの製造方法を示すフローチャートである。図９ないし図１７は、それぞれ、光スキャナーの製造方法を示す断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図５中の上側を「上」とも言い、下側を「下」とも言う。
図１に示す画像表示装置１は、スクリーン、壁面などの対象物１０に描画用のレーザーＬＬを二次元的に走査することにより画像を表示する装置である。
このような画像表示装置１は、描画用のレーザーＬＬを出射する光源ユニット２と、光源ユニット２から出射されたレーザーＬＬを走査する２つの光スキャナー３と、を有する。また、２つの光スキャナー３は、レーザーＬＬの走査方向（後述する軸Ｊ１）が直交するように配置されている。そして、例えば、一方の光スキャナー３がレーザーＬＬを水平方向に走査し、他方の光スキャナー３が水平方向に走査されたレーザーＬＬを垂直方向に走査することで、対象物１０に二次元画像を表示するようになっている。
なお、以下では、レーザーＬＬを水平方向に走査する光スキャナー３を「水平走査用光スキャナー３’」とも言い、レーザーＬＬを垂直方向に走査する光スキャナー３を「垂直走査用光スキャナー３”」とも言う。
≪光源ユニット≫
光源ユニット２は、図１に示すように、赤色、緑色、青色、各色のレーザー光源２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを有する光源部と、レーザー光源２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂを駆動する駆動回路２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂと、レーザー光源２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂから出射されたレーザー光を平行光化するコリメータレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂと、光合成部２３と、集光レンズ２６と、を有する。
レーザー光源２１Ｒは、赤色光を射出するものであり、レーザー光源２１Ｇは、緑色光を射出するものであり、レーザー光源２１Ｂは、青色光を射出するものである。このような３色の光を用いることで、フルカラーの画像を表示することができる。なお、レーザー光源２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂとしては、特に限定されないが、例えば、レーザーダイオード、ＬＥＤ等を用いることができる。
駆動回路２２Ｒは、レーザー光源２１Ｒを駆動し、駆動回路２２Ｇは、レーザー光源２１Ｇを駆動し、駆動回路２２Ｂは、レーザー光源２１Ｂを駆動する。これら駆動回路２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂは、図示しない制御部によって独立して駆動が制御される。駆動回路２２Ｒ、２２Ｇ、２２Ｂにより駆動されたレーザー光源２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂから射出された３つのレーザー光は、それぞれ、コリメータレンズ２４Ｒ、２４Ｇ、２４Ｂによって平行光化されて光合成部２３に入射する。
光合成部２３は、レーザー光源２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂからの光を合成する。光合成部２３は、３つのダイクロイックミラー２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂを有する。ダイクロイックミラー２３Ｒは、赤色光を反射する機能を有し、ダイクロイックミラー２３Ｇは、赤色光を透過させるとともに緑色光を反射する機能を有し、ダイクロイックミラー２３Ｂは、赤色光および緑色光を透過させると共に青色光を反射する機能を有する。
このようなダイクロイックミラー２３Ｒ、２３Ｇ、２３Ｂを用いることで、レーザー光源２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂからの赤色光、緑色光および青色光の３色のレーザー光を合成することができる。そして、制御部によってレーザー光源２１Ｒ、２１Ｇ、２１Ｂからの光の強度をそれぞれ独立して変調することで、所定の色の描画用のレーザーＬＬ（光）が生成される。このようにして生成されたレーザーＬＬは、集光レンズ２６によって所望のＮＡ（開口数）に変更された後、光スキャナー３に導かれる。
以上、光源ユニット２について説明したが、この光源ユニット２の構成としては、レーザーＬＬを生成することができれば、本実施形態の構成に限定されない。
≪光スキャナー≫
光スキャナー３は、図２に示すように、軸（揺動軸）Ｊ１まわりに揺動可能な光反射面３５１を有し、この光反射面３５１でレーザーＬＬを反射することで、レーザーＬＬを走査するようになっている。以下、このような光スキャナー３について詳細に説明する。なお、以下では、静止状態の光反射面３５１の法線方向（図５中の矢印方向）から見た平面視を単に「平面視」とも言う。
光スキャナー３は、図２ないし図５に示すように、可動部３１と、可動部３１を軸Ｊ１まわりに揺動（回動）可能に支持する軸部３２１、３２２と、軸部３２１、３２２を支持する支持部３３と、可動部３１の上面側に可動部３１と離間して配置された保持部３４と、保持部３４に保持された光反射部３５と、可動部３１と保持部３４との間に配置され、可動部３１と保持部３４とを連結する連結部３６と、保持部３４の周囲に配置された支持部構造体３７と、を有する構造体３０と、可動部３１を軸Ｊ１まわりに揺動させる駆動部３８と、可動部３１の軸Ｊ１まわりの揺動角度（傾き）を検知するセンサー部３９と、を有する。
可動部３１は、板状をなしている。このような可動部３１の平面視での形状は、特に限定されないが、本実施形態では円形となっている。
軸部３２１、３２２は、可動部３１に対して互いに反対側に配置されている。また、軸部３２１、３２２は、それぞれ、軸Ｊ１に沿って延在し、その一端部が可動部３１に接続され、他端部が支持部３３に接続されている。これら軸部３２１、３２２は、可動部３１を軸Ｊ１まわりに揺動可能に支持し、可動部３１の軸Ｊ１まわりの揺動に伴って捩れ変形する。なお、軸部３２１、３２２の形状は、可動部３１を軸Ｊ１まわりに揺動可能に支持することができれば、本実施形態の形状に限定されない。
支持部３３は、枠状をなし、可動部３１（光反射部３５）の平面視で、可動部３１および軸部３２１、３２２を囲むように配置されている。言い換えると、支持部３３の内側に、可動部３１および軸部３２１、３２２が配置されている。そして、支持部３３は、軸部３２１、３２２と接続され、軸部３２１、３２２を支持している。このような支持部３３を設けることで、可動部３１を安定して支持することができ、可動部３１をスムーズに軸Ｊ１まわりに揺動させることができる。なお、支持部３３の形状は、特に限定されず、例えば、軸部３２１を支持する部分と、軸部３２２を支持する部分とが分離していてもよい。また、支持部３３は、可動部３１および軸部３２１、３２２よりも厚く形成されていてもよい。
保持部３４は、図５に示すように、可動部３１および軸部３２１、３２２に対して板厚方向に離間すると共に、図４に示すように、平面視で、軸部３２１、３２２の一部と重なって設けられている。このような保持部３４は、光反射部３５を保持する機能を有する。
光反射部３５は、図５に示すように、保持部３４の上面側（連結部３６が設けられる面と反対側の面側）に位置し、保持部３４に保持されている（本実施形態では、上部層３４９を介して保持部３４に保持されている）。また、光反射部３５は、光反射性を有し、その表面がレーザーＬＬを反射する光反射面３５１となっている。そのため、光反射面３５１に入射したレーザーＬＬは、光反射面３５１で反射され、光反射面３５１の姿勢に応じた方向へ走査される。このような光反射部３５は、例えば、アルミニウム等の金属膜によって構成することができる。
このように、保持部３４を設けて、保持部３４に光反射部３５を配置することで、次のような効果を発揮することができる。すなわち、このような構成にすれば、可動部３１に光反射部３５を設ける必要がなくなるため、可動部３１を小さくでき、その分、軸部３２１、３２２の間の距離を短くすることができる。そのため、光スキャナー３を小型化することができる。また、保持部３４が軸部３２１、３２２に対して板厚方向にずれている（板厚方向に離間している）ため、軸部３２１、３２２の捩じれ変形を阻害することなく、保持部３４を大きくすることができ、その分、光反射面３５１を大きくすることができる。このように、保持部３４を設けることで、光反射面３５１を大きくしつつ、光スキャナー３の小型化を図ることができる。
また、図６に示すように、保持部３４の下面（連結部３６が設けられる面）には、連結部３６との接合領域を除くようにして下部層（第１の部分）３４８が設けられている。このような下部層３４８は、例えば、保持部３４の機械的強度を補強する補強部として機能する。また、下部層３４８の下面（可動部３１側の面）であって、平面視で軸部３２１、３２２と重なる領域には、保持部３４側へ凹む溝部（貫通孔）３４８ａが設けられている。この溝部３４８ａは、軸部３２１、３２２との接触を防ぐための逃げ部として機能する。このように、下部層３４８を設けることで、光スキャナー３の円滑な駆動を阻害することなく、保持部３４の機械的強度を高めることができる。
なお、ここでは、保持部３４側へ凹む溝部３４８ａを貫通孔としたが、軸部３２１、３２２と下層部３４８との接触を防ぐことができればよく、下部層３４８の厚さが薄くなっている状態でもよい。また、連結部３６との接合領域を除くようにして下部層３４８が設けられているとしたが、軸部３２１、３２２と下層部３４８との接触を防ぐことができればよく、下層部３４８と連結部３６とは一部で繋がっていても良い。なお、溝部３４８ａが貫通孔である場合、溝部３４８ａの底面は保持部３４を構成するＳｉ層４３となっている。
また、図５および図６に示すように、保持部３４の上面には上部層（第２の部分）３４９が設けられている。すなわち、上部層３４９は、保持部３４と光反射部３５との間に位置し、また、下部層３４８とで保持部３４を挟み込むようにして設けられている。このような上部層３４９は、例えば、保持部３４の機械的強度を補強する補強部として機能する。また、後述する製造方法でも説明するように、上部層３４９は、保持部３４をパターニングする際のマスクとしても機能する。
また、このような上部層３４９は、上述した下部層３４８と同じ材料で構成されていることが好ましい。言い換えると、可動部３１、連結部３６、保持部３４の順に積層構造をなしている。これにより、下部層３４８と上部層３４９の熱膨張率（線膨張係数）が等しくなり、これら下部層３４８と上部層３４９とで保持部３４を挟み込むことで、熱膨張時の保持部３４の撓みや反りを効果的に低減することができる。そのため、光反射面３５１の撓みや反りも低減され、優れた光走査性を発揮することができる。なお、上部層３４９は、さらに、下部層３４８とほぼ同じ厚さを有することが好ましい。これにより、上記の効果がより顕著となる。なお、本実施形態では、後述するように、上部層３４９および下部層３４８は、ＳｉＯ２で構成されている。
連結部３６は、図５に示すように、柱状をなしており、可動部３１と保持部３４の間に配置されている。そして、このような連結部３６を介して可動部３１と保持部３４とが連結されている。特に、光スキャナー３では、後述する製造方法でも説明するように、連結部３６と可動部３１とが直接接合で接合されている。これにより、例えば、接着剤を用いて接合した場合と比較して、連結部３６と可動部３１との接合強度を高めることができる。そのため、機械的強度に優れた光スキャナー３となる。
支持部構造体３７は、図５および図６に示すように、保持部３４の周囲を囲むように配置され、支持部３３に接合されている。このような支持部構造体３７は、支持部３３の機械的強度を補強する補強部としての機能を有する。また、支持部構造体３７の上面（支持部３３と反対側の面）には、レーザーＬＬの反射を低減する反射防止膜（反射低減膜）３７１が設けられている。そのため、レーザーＬＬの一部が支持部構造体３７で反射されて迷光となることを低減することができる。なお、反射防止膜３７１としては、特に限定されないが、例えば、Ｃｒ膜やブラックレジストを用いることができる。
特に、本実施形態では、図５および図６に示すように、支持部構造体３７の上面が、上部層３４９の上面とほぼ面一となっている（すなわち、同一面内に位置している）。そのため、レーザーＬＬが保持部３４や支持部構造体３７の側面に入射され難くなり、保持部３４や支持部構造体３７の側面でレーザーＬＬが反射されることで発生する迷光を効果的に抑えることができる。
さらには、平面視で、保持部３４と支持部構造体３７との離間距離Ｄ１および可動部３１と支持部３３との離間距離Ｄ２が、Ｄ１＜Ｄ２の関係を満足している。このような関係を満足することで、保持部３４と支持部構造体３７の隙間Ｓを小さくすることができ、隙間Ｓを介してレーザーＬＬが軸部３２１、３２２に入射され難くなる。そのため、軸部３２１、３２２でレーザーＬＬが反射されることで発生する迷光を効果的に抑えることができる。また、隙間Ｓを小さくすることで、仮に、軸部３２１、３２２でレーザーＬＬが反射されて迷光となってしまっても、この迷光を保持部３４および支持部構造体３７と軸部３２１、３２２との間の空間Ｓ２内に閉じ込めることができる点でも有効である。
以上、構造体３０について説明したが、このような構造体３０（ただし、光反射部３５および反射防止膜３７１を除く。）は、図５および図６に示すように、下側からＳｉ層（第２のＳｉ層）４１、ＳｉＯ２層（第１のＳｉＯ２層）４２、Ｓｉ層（第１のＳｉ層）４３およびＳｉＯ２層（第２のＳｉＯ２層）４４が順に積層された積層体４０をパターニングすることで形成されている。
具体的には、可動部３１、軸部３２１、３２２および支持部３３は、Ｓｉ層４１から形成され、保持部３４は、Ｓｉ層４３から形成され、連結部３６および下部層３４８は、ＳｉＯ２層４２から形成され、上部層３４９は、ＳｉＯ２層４４から形成され、支持部構造体３７は、ＳｉＯ２層４２、Ｓｉ層４３およびＳｉＯ２層４４から形成されている。このように、構造体３０を積層体４０から形成することで、構造体３０をより簡単にかつ精度よく形成することができる。
駆動部３８は、図５および図６に示すように、可動部３１の下面に設けられた永久磁石３８１と、永久磁石３８１に対向配置され、永久磁石３８１に作用する磁界を発生させるコイル３８２と、を有する。また、永久磁石３８１は、平面視にて、軸Ｊ１の一方側にＳ極が位置し、他方側にＮ極が位置するように配置されている。このような永久磁石３８１としては、例えば、ネオジム磁石、フェライト磁石、サマリウムコバルト磁石、アルニコ磁石、ボンド磁石等を好適に用いることができる。このような駆動部３８では、コイル３８２に交番電圧を印加することで、可動部３１（光反射部３５）を軸Ｊ１まわりに揺動させることができる。
ここで、２つの光スキャナー３のうちの水平走査用光スキャナー３’については、可動部３１を共振駆動で揺動させることが好ましい。これにより、可動部３１の軸Ｊ１まわりの揺動角を大きくすることができる。なお、共振駆動の周波数としては、特に限定されないが、例えば、１０〜４０ｋＨｚ程度であるのが好ましい。一方、垂直走査用光スキャナー３”については、可動部３１を非共振駆動させることが好ましい。非共振駆動の周波数としては、特に限定されないが、例えば、３０〜１２０Ｈｚ程度（６０Ｈｚ程度）であるのが好ましい。
センサー部３９は、軸部３２１の下面であって、支持部３３との接続部に設けられている。このように、センサー部３９を軸部３２１の下面（支持部構造体３７の反対側）に設けることで、センサー部３９の形成が容易となる。
また、センサー部３９は、図７に示すように、４つのピエゾ抵抗部３９１、３９２、３９３、３９４を有するブリッジ回路を備えている。このようなブリッジ回路からは、軸部３２１の捩じれ変形に伴って変化するピエゾ抵抗部３９１、３９２、３９３、３９４の抵抗値に応じた信号が出力され、この出力から軸部３２１の捩じれ量を検知することができ、さらに、軸部３２１の捩じれ量から可動部３１の軸Ｊ１まわりの揺動角度を検知することができる。なお、各ピエゾ抵抗部３９１、３９２、３９３、３９４は、Ｓｉ層４１にリン、ボロン等のＳｉに対する不純物をドープ（拡散または注入）することで形成することができる。なお、センサー部３９として４つのピエゾ抵抗部でブリッジ回路を形成する例を示したが、センサー部３９としては、ねじれ量を検知することができればよく、この構成に限定されるものではない。
以上、光スキャナー３の構造について説明した。
次に、光スキャナー３（構造体３０）の製造方法について図８ないし図１７に基づいて説明する。光スキャナー３（構造体３０）の製造方法は、図８に示すように、連結部形成工程と、基板接合工程と、パターニング工程と、を有する。
≪連結部形成工程≫
まず、図９に示すように、ＳｉＯ２層（第１のＳｉＯ２層）４２、Ｓｉ層（第１のＳｉ層）４３およびＳｉＯ２層（第２のＳｉＯ２層）４４がこの順に積層された第１の基板４０Ａを用意する（工程１）。なお、第１の基板４０Ａとしては、例えば、Ｓｉ層４３からなる基板を用意して、このＳｉ層４３の両面を熱酸化させることでＳｉＯ２層４２、４４を形成したものを用いることができる。
次に、図１０に示すように、ＳｉＯ２層４２をエッチング（ウェットエッチング、ドライエッチング等）によりパターニングすることで、連結部３６、下部層３４８を形成する（工程２）。次に、図１１に示すように、ＳｉＯ２層４４をエッチングによりパターニングすることで、上部層３４９と支持部構造体３７の一部を形成する（工程３）。次に、図１２に示すように、上部層３４９上にＡｌ膜を成膜することで光反射部３５を形成し、支持部構造体３７上にＣｒ膜を成膜することで反射防止膜３７１を形成する（工程４）。
なお、工程２および工程３の順番は、特に限定されず、例えば、工程２と工程３の順番を逆にして行ってもよいし、同時に行ってもよい。また、工程４の順番もこれに限定されず、例えば、本実施形態よりも後（例えば、基板接合工程中またはその後、パターニング工程中またはその後）に行ってもよい。
ここで、連結部形成工程において、Ｓｉ層４３をパターニングしないのは、Ｓｉ層４３をパターニングすることによって第１の基板４０Ａ（保持部３４と支持部構造体３７）がばらばらになってしまうのを防止するためである。このようにすることで、後の工程をスムーズに行うことができるようになる。
≪基板接合工程≫
まず、図１３に示すように、Ｓｉ層４１からなる第２の基板４０Ｂを用意する（工程５）。
次に、図１４に示すように、Ｓｉ層４１とＳｉＯ２層４２とが接触するように第１の基板４０Ａと第２の基板４０Ｂを重ね合わせる。そして、これらを加熱することで、第１の基板４０Ａと第２の基板４０Ｂとを直接接合する（工程６）。ここで、直接接合とは、Ｓｉ層４１とＳｉＯ２層４２とを（−Ｓｉ−Ｏ−Ｓｉ−）の共有結合で結合することを言う。
直接接合を行う工程は例えば以下の通りである。まず、酸などの化学薬品と純水を用いて第１の基板４０Ａと第２の基板４０Ｂの洗浄と表面処理を行う。この表面処理により、第１の基板４０Ａと第２の基板４０Ｂの表面は多数の水酸基が形成された状態となる。次に、親水化処理した第１の基板４０Ａと第２の基板４０Ｂの表面同士を重ね合わせて接合する。この時の接合は、第１の基板４０Ａと第２の基板４０Ｂの表面同士がお互いに引きつけ合うことにより生じる。この段階での接合は、第１の基板４０Ａと第２の基板４０Ｂ表面の水酸基間の水素結合により形成されている状態のため接合強度は弱い。次に、Ｓｉ層４１とＳｉＯ２層４２とを共有結合によって結合するために１０００℃程度で熱処理を行うことで直接接合が完了する。
また、直接接合に先立って、プラズマ照射によってＳｉ層４１の表面を活性化しておくことが好ましい。これにより、プラズマ表面活性化接合を用いることができ、加熱温度を低く抑えることができる（例えば、２００℃程度）。そのため、第１、第２の基板４０Ａ、４０Ｂの破損を低減することができる。
次に、図１５に示すように、Ｓｉ層４１の下面であって、軸部３２１の支持部３３との接続部にあたる部分にリン、ボロン等をドープしてピエゾ抵抗部３９１、３９２、３９３、３９４を形成し、センサー部３９を設ける（工程７）。なお、この工程７の順番は、特に限定されず、例えば、工程６に先立って行ってもよいし、本実施形態よりも後に行ってもよい。
≪パターニング工程≫
まず、図１６に示すように、Ｓｉ層４１の下面に可動部３１、軸部３２１、３２２および支持部３３の平面視形状に対応するマスクＭ１を形成し、このマスクＭ１を介して（すなわち、第１の基板４０Ａが設けられる面と反対の面から）Ｓｉ層４１をエッチングによりパターニングする（工程８）。これにより、Ｓｉ層４１から可動部３１、軸部３２１、３２２および支持部３３が形成される。
次に、図１７に示すように、ＳｉＯ２層４４をマスクＭ２として用い、このマスクＭ２（ＳｉＯ２層４４）を介して（すなわち、第２の基板４０Ｂが設けられる面と反対の面から）Ｓｉ層４３をエッチングによりパターニングする（工程９）。これにより、Ｓｉ層４３から保持部３４および支持部構造体３７が形成される。この際、必要に応じて、光反射部３５や反射防止膜３７１を保護しておく。なお、工程８および工程９の順番は、特に限定されず、例えば、工程８と工程９の順番を逆にして行ってもよいし、同時に行ってもよい。
以上により、構造体３０が得られる。そして、さらに、可動部３１の下面に永久磁石３８１を設け、永久磁石３８１と対向するようにコイル３８２を配置することで、光スキャナー３が得られる。
このような製造方法によれば、Ｓｉ層４１とＳｉＯ２層４２とを直接接合するため、Ｓｉ層４１とＳｉＯ２層４２との接合強度、すなわち、可動部３１と連結部３６との接合強度や支持部３３と支持部構造体３７との接合強度をより高めることができる。そのため、機械的強度に優れた光スキャナー３を製造することができる。
＜第２実施形態＞
次に、本発明の第２実施形態に係る画像表示装置について説明する。
図１８は、本発明の第２実施形態に係る光スキャナーの製造方法を示すフローチャートである。図１９ないし図２４は、それぞれ、光スキャナーの製造方法を示す断面図である。
以下、第２実施形態の画像表示装置について、前述した実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本発明の第２実施形態の画像表示装置は、光スキャナーの製造方法が異なること以外は、前述した第１実施形態と同様である。なお、前述した実施形態と同様の構成には、同一符号を付してある。
光スキャナー３の製造方法は、図１８に示すように、ＳＯＩ基板用意工程と、パターニング工程と、を有する。
≪ＳＯＩ基板用意工程≫
まず、図１９に示すように、Ｓｉ層４１、ＳｉＯ２層４２、Ｓｉ層４３およびＳｉＯ２層４４がこの順に積層され、ＳｉＯ２層４２に連結部３６および下部層３４８が形成されたＳＯＩ基板４０Ｃを用意する（工程１）。このように、ＳＯＩ基板の内部に既にパターン（キャビティ加工）が施されているものは、一般的に「キャビティＳＯＩ基板」と呼ばれ、周知の技術で製造可能である。例えば、まず、Ｓｉ層４３を用意し、Ｓｉ層４３の両面を熱酸化することでＳｉＯ２層４２、４４を形成する。次に、ＳｉＯ２層４２をパターニング（キャビティ加工）することで、ＳｉＯ２層４２から連結部３６および下部層３４８を形成する。次に、Ｓｉ層４１を用意して、その表面を活性化してＳｉＯ２層４２と直接接合することで、上述したＳＯＩ基板４０Ｃが得られる。
≪パターニング工程≫
まず、図２０に示すように、ＳｉＯ２層４４をパターニングすることで、上部層３４９と支持部構造体３７の一部を形成する（工程２）。次に、図２１に示すように、上部層３４９（保持部３４）上にＡｌ膜を成膜することで光反射部３５を配置し、支持部構造体３７上にＣｒ膜を成膜することで反射防止膜３７１を配置する（工程３）。
次に、図２２に示すように、Ｓｉ層４１の下面であって、軸部３２１の支持部３３との接続部にあたる部分にリン、ボロン等をドープしてピエゾ抵抗部３９１、３９２、３９３、３９４を形成し、センサー部３９を設ける（工程４）。なお、この工程４の順番は、特に限定されず、本実施形態よりも前に行ってよいし、後に行ってもよい。
次に、図２３に示すように、Ｓｉ層４１の下面に可動部３１、軸部３２１、３２２および支持部３３の平面視形状に対応するマスクＭ１を形成し、このマスクＭ１を介して（すなわち、Ｓｉ層４３が設けられる面と反対の面から）Ｓｉ層４１をエッチングによりパターニングする（工程５）。これにより、Ｓｉ層４１から可動部３１、軸部３２１、３２２および支持部３３が形成される。
次に、図２４に示すように、ＳｉＯ２層４４をマスクＭ２として用い、このマスクＭ２を介してＳｉ層４３をエッチングによりパターニングする（工程６）。これにより、Ｓｉ層４３から保持部３４および支持部構造体３７が形成される。なお、工程５および工程６の順番は、特に限定されず、例えば、工程５と工程６の順番を逆にして行ってもよいし、同時に行ってもよい。
以上により、構造体３０が得られる。また、さらに、可動部３１の下面に永久磁石３８１を設け、永久磁石３８１と対向するようにコイル３８２を配置することで、光スキャナー３が得られる。
このような製造方法によれば、Ｓｉ層４１とＳｉＯ２層４２とを直接接合するため、Ｓｉ層４１とＳｉＯ２層４２との接合強度、すなわち、可動部３１と連結部３６との接合強度や支持部３３と支持部構造体３７との接合強度をより高めることができる。そのため、機械的強度に優れた光スキャナー３を製造することができる。
このような第２実施形態によっても、前述した第１実施形態と同様の効果を発揮することができる。
＜第３実施形態＞
次に、本発明の第３実施形態に係るヘッドアップディスプレイについて説明する。
図２５は、本発明の画像表示装置を適用したヘッドアップディスプレイを示す斜視図である。
図２５に示すように、ヘッドアップディスプレイシステム２００では、画像表示装置１は、自動車のダッシュボードに、ヘッドアップディスプレイ２１０を構成するよう搭載されている。このヘッドアップディスプレイ２１０により、フロントガラス２２０に、例えば、目的地までの案内表示、時刻、方位、速度、外気温、天候等の所定の画像を表示することができる。なお、ヘッドアップディスプレイシステム２００は、自動車に限らず、例えば、航空機、船舶等にも適用することができる。
＜第４実施形態＞
次に、本発明の第４実施形態に係るヘッドマウントディスプレイについて説明する。
図２６は、本発明のヘッドマウントディスプレイを示す斜視図である。
図２６に示すように、ヘッドマウントディスプレイ３００は、観察者の頭部に装着されるフレーム３１０と、フレーム３１０に搭載された画像表示装置１とを有する。そして、画像表示装置１により、フレーム３１０の本来レンズである部位に設けられた表示部（光反射層）３２０に、一方の目で視認される所定の画像を表示する。
表示部３２０は、透明であってもよく、また、不透明であってもよい。表示部３２０が透明な場合は、現実世界からの情報（景色）に画像表示装置１からの情報を重ねて使用することができる。また、表示部３２０は、入射した光の少なくとも一部を反射すればよく、例えば、ホログラム素子、ハーフミラーなどを用いることができる。
以上、本発明の光スキャナー、光スキャナーの製造方法、画像表示装置およびヘッドマウントディスプレイを、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に他の任意の構成物が付加されていてもよい。
また、前述した実施形態では、光スキャナーとしてレーザーを１次元（軸Ｊ１まわり）に走査可能な構成について説明したが、光スキャナーの構成としては、これに限定されない。例えば、光スキャナーは、所謂「ジンバル型」をなし、第１の軸と第１の軸に直交する第２の軸の両軸まわりに揺動可能であり、光を二次元的に走査可能な構成となっていてもよい。
１…画像表示装置、１０…対象物、２…光源ユニット、３…光スキャナー、３’…水平走査用光スキャナー、３”…垂直走査用光スキャナー、２１Ｂ、２１Ｇ、２１Ｒ…レーザー光源、２２Ｂ、２２Ｇ、２２Ｒ…駆動回路、２３…光合成部、２３Ｂ、２３Ｇ、２３Ｒ…ダイクロイックミラー、２４Ｂ、２４Ｇ、２４Ｒ…コリメータレンズ、２６…集光レンズ、３０…構造体、３１…可動部、３２１…軸部、３２２…軸部、３３…支持部、３４…保持部、３４８…下部層、３４８ａ…溝部、３４９…上部層、３５…光反射部、３５１…光反射面、３６…連結部、３７…支持部構造体、３７１…反射防止膜、３８…駆動部、３８１…永久磁石、３８２…コイル、３９…センサー部、３９１、３９２、３９３、３９４…ピエゾ抵抗部、４０…積層体、４０Ａ…第１の基板、４０Ｂ…第２の基板、４０Ｃ…ＳＯＩ基板、４１…Ｓｉ層、４２…ＳｉＯ２層、４３…Ｓｉ層、４４…ＳｉＯ２層、２００…ヘッドアップディスプレイシステム、２１０…ヘッドアップディスプレイ、２２０…フロントガラス、３００…ヘッドマウントディスプレイ、３１０…フレーム、３２０…表示部、Ｄ１、Ｄ２…離間距離、Ｊ１…軸、ＬＬ…レーザー、Ｍ１、Ｍ２…マスク、Ｓ…隙間、Ｓ２…空間

Claims (13)

  1. 第１のＳｉ層と、
    第１のＳｉＯ２層と、
    第２のＳｉ層と、を有し、
    前記第１のＳｉ層、前記第１のＳｉＯ２層および前記第２のＳｉ層は、前記第１のＳｉ層、前記第１のＳｉＯ２層、前記第２のＳｉ層の順に積層された層構造をなし、
    前記第２のＳｉ層は、可動部および前記可動部を揺動軸まわりに揺動可能に支持する軸部を含み、
    前記第１のＳｉ層は、保持部を含み、
    前記第１のＳｉＯ２層は、前記可動部と前記保持部とを連結する連結部を含み、
    前記保持部の前記連結部が設けられる面と反対の面側に設けられ、光を反射する光反射部と、を備え、
    前記可動部と前記連結部とが直接接合によって接合されていることを特徴とする光スキャナー。
  2. 前記可動部の板厚方向からの平面視で、
    前記保持部は、前記軸部の少なくとも一部と重なっている請求項１に記載の光スキャナー。
  3. 前記保持部の前記連結部が設けられる面に設けられ、前記第１のＳｉＯ２層から形成された第１の部分を有し、
    前記可動部の板厚方向からの平面視で、
    前記第１の部分は、前記軸部と重なる領域に溝部を有している請求項１または２に記載の光スキャナー。
  4. 前記第１のＳｉ層の前記第１のＳｉＯ２層が設けられる面と反対側に設けられた第２のＳｉＯ２層を有し、
    前記保持部と前記光反射部との間に設けられ、前記第２のＳｉＯ２層から形成された第２の部分を有する請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光スキャナー。
  5. 前記第２のＳｉ層から形成され、前記軸部を支持する支持部を有する請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光スキャナー。
  6. 前記第１のＳｉ層から形成され、前記保持部の板厚方向からの平面視で、前記保持部の少なくとも一部を囲むように設けられ、前記支持部に接合された支持部構造体を有する請求項１ないし５のいずれか１項に記載の光スキャナー。
  7. 前記支持部構造体の前記支持部が設けられる面と反対側の面には、前記光の反射を低減する反射低減膜が設けられている請求項６に記載の光スキャナー。
  8. 前記保持部と前記支持部構造体との離間距離は、前記可動部と前記支持部の離間距離よりも小さい請求項７に記載の光スキャナー。
  9. 可動部と、
    前記可動部を揺動軸まわりに揺動可能に支持する軸部と、
    前記可動部と前記可動部の厚さ方向に離間して配置された保持部と、
    前記可動部と前記保持部の間に位置し、前記可動部と前記保持部とを連結する連結部と、
    前記保持部の前記可動部が設けられる面と反対の面側に設けられ、光を反射する光反射部と、を備える光スキャナーの製造方法であって、
    第１のＳｉ層および第１のＳｉＯ２層が積層された第１の基板を用意し、前記第１のＳｉＯ２層から前記連結部を形成する工程と、
    第２のＳｉ層を有する第２の基板を用意し、前記第１の基板の前記連結部と前記第２の基板の前記第２のＳｉ層とを直接接合する工程と、
    前記第２のＳｉ層を前記第１の基板が設けられる面と反対の面側からパターニングすることで、前記可動部および前記軸部を形成する工程と、
    前記第１のＳｉ層を前記第２の基板が設けられる面と反対の面側からパターニングすることで、前記保持部を形成する工程と、
    前記保持部に前記光反射部を配置する工程と、を有することを特徴とする光スキャナーの製造方法。
  10. 前記第１の基板は、前記第１のＳｉ層の前記第１のＳｉＯ２層が設けられる面と反対側の面に設けられた第２のＳｉＯ２層を有し、
    前記保持部を形成する工程では、前記第２のＳｉＯ２層から形成されたマスクを介してパターニングする請求項９に記載の光スキャナーの製造方法。
  11. 可動部と、
    前記可動部を揺動軸まわりに揺動可能に支持する軸部と、
    前記可動部と前記可動部の厚さ方向に離間して配置された保持部と、
    前記可動部と前記保持部の間に位置し、前記可動部と前記保持部とを連結する連結部と、
    前記保持部の前記連結部が設けられる面と反対側に設けられ、光を反射する光反射部と、備える光スキャナーの製造方法であって、
    第１のＳｉ層と、第２のＳｉ層と、前記第１のＳｉ層と前記第２のＳｉ層の間に設けられた第１のＳｉＯ２層とを有し、前記第１のＳｉＯ２層から前記連結部が形成されているＳＯＩ基板を用意する工程と、
    前記第２のＳｉ層を前記第１のＳｉ層が設けられる面と反対の面側からパターニングすることで、前記可動部および前記軸部を形成する工程と、
    前記第１のＳｉ層を前記第２のＳｉ層が設けられる面と反対の面側からパターニングすることで、前記保持部を形成する工程と、
    前記保持部に前記光反射部を配置する工程と、を有することを特徴とする光スキャナーの製造方法。
  12. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光スキャナーを有することを特徴とする画像表示装置。
  13. 請求項１ないし８のいずれか１項に記載の光スキャナーと、
    前記光スキャナーを搭載し、観察者の頭部に装着されるフレームと、を有することを特徴とするヘッドマウントディスプレイ。
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