JP2017156453A - 可変焦点ミラーおよび光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】特性のばらつきを抑制できる可変焦点ミラーおよび光走査装置を提供する。【解決手段】可変焦点ミラーであって、裏面に開口する凹部１４が形成され、凹部１４が形成された部分の厚みが凹部１４の外側の厚みよりも小さくされた板状の基部１と、基部１のうち凹部１４が形成された部分の表面側に形成された第１圧電素子２と、第１圧電素子２に対して基部１とは反対側に形成された反射面４１と、基部１のうち凹部１４が形成された部分の表面側から凹部１４の外側の部分の表面側に至るように、第１圧電素子２と離された状態で形成された第２圧電素子３と、を備え、第１圧電素子２の膜応力および第２圧電素子３の膜応力は、共に引張方向の膜応力とされているか、または、共に圧縮方向の膜応力とされている。【選択図】図１

Description

本発明は、可変焦点ミラーおよび光走査装置に関するものである。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）型光走査装置は、ミラーと、ミラーを両持ち支持する支持梁とを備え、支持梁の軸周りにミラーを回転させることにより光ビームの走査を行うものである。

光走査装置の中には、屈曲することで反射光の焦点位置を変化させる遠近焦点ＭＥＭＳミラーを備えたものがある。例えば特許文献１では、圧電素子の上に反射面を形成し、圧電素子への電圧の印加により、圧電素子と共に反射面を屈曲させて反射光の焦点位置を変化させる可変焦点型光学装置が提案されている。

特開２０１４−２１５３９９号公報

反射光の焦点位置は反射面の曲率によって変化し、反射面の曲率は圧電素子への印加電圧によって変化する。そのため、このような可変焦点型光学装置において、反射光の焦点位置を精度よく制御し、精度の高い走査をするためには、圧電素子への印加電圧に対する反射面の曲率の特性にばらつきが少ないことが重要である。

本発明は上記点に鑑みて、特性のばらつきを抑制できる可変焦点ミラーおよび光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、可変焦点ミラーであって、裏面に開口する凹部（１４）が形成され、凹部が形成された部分の厚みが凹部の外側の厚みよりも小さくされた板状の基部（１）と、基部のうち凹部が形成された部分の表面側に形成された第１圧電素子（２）と、第１圧電素子に対して基部とは反対側に形成された反射面（４１）と、基部のうち凹部が形成された部分の表面側から凹部の外側の部分の表面側に至るように、第１圧電素子と離された状態で形成された第２圧電素子（３）と、を備え、第１圧電素子の膜応力および第２圧電素子の膜応力は、共に引張方向の膜応力とされているか、または、共に圧縮方向の膜応力とされている。

このような構成では、温度変化等により第１圧電素子の膜応力が変化した場合、第２圧電素子の膜応力も同様に変化し、第１圧電素子の膜応力による反射面の変形を抑制するように、基部のうち第２圧電素子が形成された部分が変形する。したがって、温度変化等による反射面の変形を抑制し、特性のばらつきを抑制することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかる可変焦点ミラーの平面図である。 図１のII−II断面図である。 圧電素子への印加電圧と反射面の曲率との関係を示すグラフである。 可変焦点ミラーの動作を示す断面図である。 第１実施形態の変形例の断面図であって、図２に相当する図である。 第２実施形態にかかる可変焦点ミラーの平面図である。 第３実施形態にかかる可変焦点ミラーの平面図である。 第４実施形態にかかる可変焦点ミラーの平面図である。 第４実施形態の変形例の平面図である。 第５実施形態にかかる可変焦点ミラーの平面図である。 ２つの圧電素子への印加電圧を示すタイムチャートである。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について説明する。本実施形態の可変焦点ミラーは、図１、図２に示すように、板状の基部１と、圧電素子２と、圧電素子３と、反射部４と、絶縁膜５と、配線６とを備えている。なお、図１は断面図ではないが、図を見やすくするために、圧電素子２、圧電素子３、反射部４にハッチングを施してある。また、図１では絶縁膜５の図示を省略している。

図２に示すように、本実施形態では、基部１は、活性層１１、犠牲層１２、支持層１３が順に積層された構造のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板にて構成されている。活性層１１、支持層１３は例えばＳｉで構成され、犠牲層１２は例えばＳｉＯ_２で構成される。

基部１の裏面側には、犠牲層１２および支持層１３を除去することによって、支持層１３の裏面に開口する凹部１４が形成されており、基部１のうち凹部１４が形成された部分の厚みは凹部１４の外側の部分の厚みよりも小さくされている。

圧電素子２は、基部１のうち凹部１４が形成された部分の表面側に形成されている。具体的には、圧電素子２は、絶縁層２１、下部電極２２、圧電膜２３、上部電極２４が、活性層１１の表面に順に積層されて構成されている。圧電素子２は、第１圧電素子に相当する。

圧電素子３は、基部１のうち凹部１４が形成された部分の表面側から凹部１４の外側の部分の表面側に至るように、圧電素子２と離された状態で形成されている。圧電素子３は、絶縁層３１、下部電極３２、圧電膜３３、上部電極３４が、活性層１１の表面に順に積層されて構成されている。圧電素子３は、第２圧電素子に相当する。

本実施形態では、絶縁層２１、３１はＳｉＯ_２で構成されており、下部電極２２、３２はＳＲＯ／Ｐｔ／Ｔｉの積層構造で構成されている。また、圧電膜２３、３３はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で構成されており、上部電極２４、３４はＴｉ／Ａｕ／Ｔｉの積層構造で構成されている。

本実施形態では、圧電素子３の膜応力の方向は、圧電素子２の膜応力の方向と等しくされている。すなわち、圧電素子２の膜応力および圧電素子３の膜応力は、共に引張方向の膜応力とされているか、または、共に圧縮方向の膜応力とされている。本実施形態では、圧電素子２と圧電素子３とを同じ材料で構成することにより、圧電素子３の膜応力の方向が、圧電素子２の膜応力の方向と等しくされている。

反射部４は、圧電素子２に対して基部１とは反対側に形成されている。具体的には、図２に示すように、活性層１１、圧電素子２、圧電素子３の表面に絶縁膜５が形成されており、圧電素子２の上部に形成された絶縁膜５の表面に、薄膜が形成されており、反射部４は、この薄膜で構成されている。反射部４は、圧電素子２とは反対側の表面である反射面４１において光ビームを反射させるものであり、例えばＡｇで構成される。絶縁膜５は、例えばＳｉＯ_２で構成される。

図１に示すように、本実施形態では、反射面４１は、円形状とされており、圧電素子２および凹部１４は、上面形状が円形状とされており、圧電素子３は、上面形状が円周状とされている。そして、反射面４１の面内方向において、圧電素子２の上面、圧電素子３の上面、凹部１４の上面の中心は、反射面４１の中心と同じ位置にある。

図２に示すように、絶縁膜５のうち、圧電素子２の上部に位置し、かつ、反射部４から離れた部分には、上部電極２４を露出させる開口部５１が形成されている。また、絶縁膜５の表面には、配線６が形成されている。上部電極２４は、開口部５１において配線６に接続されており、配線６を通して外部の回路に接続されている。また、絶縁膜５には、下部電極２２を露出させる図示しない開口部が形成されている。下部電極２２は、この開口部において配線６に接続されており、配線６を通して外部の回路に接続されている。配線６は、例えばＡｌで構成される。

このような可変焦点ミラーは、フォトリソグラフィおよびエッチングにより活性層１１の表面に圧電素子２、３、絶縁膜５、反射部４、配線６を形成し、犠牲層１２および支持層１３の一部を除去して凹部１４を形成することで製造される。なお、本実施形態では、圧電素子２と圧電素子３は同一のプロセスで形成される。

本実施形態の可変焦点ミラーは、図示しない光源および図示しない光走査装置と共に使用される。具体的には、図示しない光源から可変焦点ミラーに光ビームが照射されると、光ビームは反射面４１で反射され、図示しない光走査装置に照射される。図示しない光走査装置は、梁によって両持ち支持されて揺動可能とされたミラーを備えており、揺動するミラーに光ビームが照射され、反射されることにより、光ビームの走査が行われる。

このとき、圧電素子２の下部電極２２、上部電極２４に電圧が印加されると、圧電膜２３が変形し、反射面４１が屈曲する。これにより、反射光の焦点位置が変化する。

反射光の焦点位置は反射面４１の曲率によって変化し、反射面４１の曲率は圧電素子２への印加電圧によって変化する。そのため、反射光の焦点位置を精度よく制御し、精度の高い走査をするためには、圧電素子２への印加電圧に対する反射面４１の曲率の特性にばらつきが少ないことが重要である。

具体的には、図３の実線で示すように、圧電素子２への印加電圧が大きいほど反射面４１の曲率が大きくなることに基づいて、電圧が印加されていない状態での曲率が例えば２．０ｍ^−１以下となり、電圧が印加されている状態での曲率が例えば１０．０ｍ^−１以上となるような特性が求められる。

しかし、反射面４１は、圧電素子２への電圧の印加に加えて、圧電素子２の膜応力によっても変形する。例えば、圧電素子２の成膜時の温度と、可変焦点ミラーの使用時の環境温度との差によって、圧電素子２に引張方向の膜応力が生じ、活性層１１および反射面４１が支持層１３の側に向かって凸となるように変形する。すなわち、反射面４１の曲率が増加する。

すると、図３の一点鎖線で示すように、圧電素子２への印加電圧に対する反射面４１の曲率の特性が変化し、圧電素子２に電圧が印加されていない状態での曲率が２．０ｍ^−１よりも大きくなる可能性がある。

このように、圧電素子２の膜応力によって、圧電素子２への印加電圧に対する反射面４１の曲率の特性にばらつきが生じる場合がある。

これに対し、本実施形態では、圧電素子３が、基部１のうち凹部１４が形成された部分の表面側から凹部１４の外側の部分の表面側に至るように、圧電素子２と離された状態で形成されている。そして、圧電素子３の膜応力の方向は、圧電素子２の膜応力の方向と等しくされている。

そのため、圧電素子２に膜応力が生じる環境では、圧電素子３にも圧電素子２と同じ方向の膜応力が生じる。例えば圧電素子２に引張方向の膜応力が生じた場合、圧電素子３にも引張方向の膜応力が生じる。すると、図４に示すように、圧電素子３と、圧電素子３の下部の活性層１１とが、支持層１３の側に向かって凸となるように変形する。

基部１のうち凹部１４の外側に位置する部分は、凹部１４が形成された部分よりも厚みが大きくされて変形しにくくなっている。そのため、圧電素子３の変形により、活性層１１のうち凹部１４と圧電素子３とに挟まれた部分が、支持層１３および圧電素子２とは反対側に変位する。これにより、活性層１１のうち圧電素子２が形成された部分を半径方向の外側に引っ張る力が働き、圧電素子２の膜応力による反射面４１の曲率の増加が抑制される。

また、本実施形態では、圧電素子２と圧電素子３とが同一のプロセスで形成されているので、成膜温度等によって圧電素子２の膜応力にばらつきが生じた場合、圧電素子３の膜応力にも同様のばらつきが生じる。したがって、この場合にも、圧電素子３の膜応力により、圧電素子２の膜応力による反射面４１の曲率の増加を抑制することができる。

また、環境温度の変化によって圧電素子２の膜応力が変化した場合、圧電素子３の膜応力も同様に変化する。したがって、この場合にも、圧電素子３の膜応力により、圧電素子２の膜応力による反射面４１の曲率の増加を抑制することができる。

以上説明したように、本実施形態では、圧電素子２の膜応力による反射面４１の屈曲を圧電素子３の膜応力によって抑制することにより、可変焦点ミラーの特性のばらつきを抑制することができる。また、これにより、可変焦点ミラーの精度を向上させることができる。

なお、この効果を高めるために、圧電素子３の幅が大きいことが好ましい。具体的には、図２に示すように、凹部１４の半径をｌ_１、圧電素子３のうち凹部１４に対応する部分の半径方向の幅をｌ_２としたとき、ｌ_２がｌ_１の１５％以上であることが好ましい。

また、ＳｉＯ_２で構成された絶縁膜５は圧縮方向の膜応力を有しているので、活性層１１の表面に絶縁膜５が形成されていると、圧電素子３の引張方向の膜応力により活性層１１が変形することで得られる効果が抑制される。そのため、活性層１１の表面に形成する絶縁膜５を少なくすることが好ましい。

例えば、図５に示すように、絶縁膜５に、基部１のうち圧電素子２と圧電素子３との間に位置する部分を露出させる開口部５２を形成することが好ましい。なお、図５に示す変形例では、絶縁膜５のうち配線６の下方に位置する部分には開口部５２は形成されず、配線６と活性層１１等との電気的な絶縁が維持されている。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して圧電素子３の形状を変更したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図６に示すように、本実施形態の圧電素子３には、基部１の活性層１１の表面を露出させて、基部１の表面のうち凹部１４の内側に対応する部分と凹部１４の外側に位置する部分とを連結する切欠部３５が形成されている。なお、図６は断面図ではないが、図を見やすくするために、圧電素子２、圧電素子３、反射部４にハッチングを施してある。また、図６では絶縁膜５の図示を省略している。

切欠部３５の表面には絶縁膜５が形成されており、配線６は、切欠部３５の上に形成された絶縁膜５の表面を通るように形成されている。

圧電素子３の上部を通るように配線６を形成した場合、配線６は、絶縁膜５の凹部１４に対応する位置の底部から頂部に至る部分、および、頂部から凹部１４の外側に対応する位置の底部に至る部分において屈曲した形状となり、耐久性が低くなる。そのため、活性層１１の変形に伴って、配線６が破壊される可能性がある。なお、絶縁膜５のうち活性層１１の表面に形成された部分を底部、上部電極３４の表面に形成された部分を頂部とする。

これに対し本実施形態では、配線６が切欠部３５を通るように形成されているので、配線６の屈曲が抑制され、配線６の耐久性が向上する。これにより、配線６の破壊を抑制し、可変焦点ミラーの信頼性を向上させることができる。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態に対して圧電素子２の形状を変更したものであり、その他については第２実施形態と同様であるため、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図７に示すように、本実施形態の圧電素子２は、切欠部３５を通って凹部１４の外側に延設されている。そして、開口部５１は絶縁膜５のうち凹部１４の外側に位置する部分に形成されており、上部電極２４と配線６とは凹部１４の外側で接続されている。また、下部電極２２を露出させる図示しない開口部は、絶縁膜５のうち凹部１４の外側に位置する部分に形成されており、下部電極２２と配線６とは凹部１４の外側で接続されている。なお、図７は断面図ではないが、図を見やすくするために、圧電素子２、圧電素子３、反射部４にハッチングを施してある。また、図７では絶縁膜５の図示を省略している。

基部１のうち凹部１４の外側にある部分は、凹部１４が形成された部分よりも厚みが大きく変形しにくい。そのため、上記のように、上部電極２４および下部電極２２と配線６とを凹部１４の外側で接続することにより、上部電極２４および下部電極２２と配線６との接続部の耐久性が向上する。これにより、活性層１１の変形に伴う上部電極２４および下部電極２２と配線６との接続不良を抑制し、可変焦点ミラーの信頼性を向上させることができる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対してセンサを追加したものであり、その他については第３実施形態と同様であるため、第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図８に示すように、本実施形態の可変焦点ミラーは、歪みゲージ７と、配線８とを備えている。なお、図８は断面図ではないが、図を見やすくするために、圧電素子２、圧電素子３、反射部４にハッチングを施してある。また、図８では絶縁膜５の図示を省略している。

歪みゲージ７は、反射面４１の曲率を検出するセンサである。歪みゲージ７は、基部１のうち凹部１４が形成された部分の表面に半導体不純物をイオン注入することにより形成されている。

本実施形態の圧電素子３には、２つの切欠部３５が形成されている。２つの切欠部３５は、圧電素子２を挟むように形成されており、圧電素子３の上面形状は反射部４１の中心に対して点対称とされている。一方の切欠部３５には、第２実施形態と同様に圧電素子２の延設部が配置されており、他方の切欠部３５の上に形成された絶縁膜５の表面には、配線８が形成されている。

配線８は、歪みゲージ７と外部の回路とを接続する配線であり、例えばＡｌで構成される。絶縁膜５は、活性層１１、圧電素子２、３の表面に加えて歪みゲージ７の表面にも形成されており、絶縁膜５には、歪みゲージ７の表面を露出させる図示しない開口部が形成されている。配線８は、この開口部において歪みゲージ７に接続されており、この開口部から切欠部３５を通り圧電素子３の外側に至るように形成されている。

このような構成では、活性層１１および反射面４１の屈曲に伴い、歪みゲージ７が変形し、歪みゲージ７の抵抗値が変化する。そして、この抵抗値の変化を配線８を通して読み取ることにより、反射面４１の曲率を検出することができる。

凹部１４が形成された部分に歪みゲージ７を配置した本実施形態においても、圧電素子３に切欠部３５を形成し、切欠部３５を通るように歪みゲージ７と外部の回路とを接続する配線８を形成することにより、第２実施形態と同様に配線８の耐久性を向上させ、可変焦点ミラーの信頼性を向上させることができる。

なお、反射面４１の中心を通り基部１の厚み方向に平行な平面における反射部４の断面形状が、この平面の角度によって大きく変化することを抑制するために、圧電素子３の上面形状が反射面４１の中心に対して回転対称であることが好ましい。

例えば、圧電素子３に切欠部３５が形成される場合、本実施形態のように反射部４の両側に２つの切欠部３５を形成することにより、圧電素子３の上面形状を点対称とすることが好ましい。また、図９に示すように、基部１の表面に平行でかつ互いに垂直な２つの方向において反射部４の両側に切欠部３５を形成し、圧電素子３を４つに分割することにより、圧電素子３の上面形状を４回対称とすることがより好ましい。なお、図９は断面図ではないが、図を見やすくするために、圧電素子２、圧電素子３、反射部４にハッチングを施してある。また、図９では絶縁膜５の図示を省略している。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して配線を追加したものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

図１０に示すように、本実施形態の可変焦点ミラーは、配線９を備えている。なお、図１０は断面図ではないが、図を見やすくするために、圧電素子２、圧電素子３、反射部４にハッチングを施してある。また、図１０では絶縁膜５の図示を省略している。配線９は、圧電素子３を外部の回路に接続し、圧電素子３への電圧の印加を可能とする配線であり、例えばＡｌで構成される。

本実施形態では、図１１に示すように、圧電素子３に電圧が印加される。すなわち、圧電素子２への印加電圧がオンであるときには圧電素子３への印加電圧はオフとされ、圧電素子２への印加電圧がオフであるときには圧電素子３への印加電圧はオンとされる。

これにより、反射面４１を平坦にするために圧電素子２への印加電圧がオフされたときには、圧電素子３への印加電圧がオンされて、活性層１１のうち圧電素子２が形成された部分を半径方向の外側に引っ張る力が増加する。そして、圧電素子２の膜応力による反射面４１の曲率の増加がさらに抑制される。

また、反射面４１を屈曲させるために圧電素子２への印加電圧がオンされたときには、圧電素子３への印加電圧がオフされて、活性層１１のうち圧電素子２が形成された部分を半径方向の外側に引っ張る力が減少し、反射面４１の曲率が増加しやすくなる。

このように、本実施形態では、配線９を通して圧電素子３に電圧を印加することにより、特性のばらつきをさらに抑制することができる。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記第１実施形態では、圧電素子２と圧電素子３とを同一のプロセスで形成したが、圧電素子２と圧電素子３とを別のプロセスで形成してもよい。また、圧電素子２と圧電素子３とを別の材料で構成してもよい。

また、反射面４１の形状、圧電素子２の上面形状、凹部１４の上面形状を、円形状以外の形状としてもよく、これらの形状を例えば四角形状としてもよい。また、圧電素子３の上面形状を、円周状以外の形状としてもよい。

また、上記第１〜第５実施形態の可変焦点ミラーを、光ビームの走査を行う光走査装置に適用してもよい。具体的には、基部１の表面に平行な一方向において基部１の両側に支持梁を延設し、基部１を両持ち支持すると共に一方向に平行な軸周りに揺動可能とし、支持梁を共振振動させることにより、反射部４を一方向に平行な軸周りに揺動させてもよい。

１ 基部
１４ 凹部
２ 圧電素子
３ 圧電素子
４１ 反射面

Claims (11)

1. 可変焦点ミラーであって、
   裏面に開口する凹部（１４）が形成され、前記凹部が形成された部分の厚みが前記凹部の外側の厚みよりも小さくされた板状の基部（１）と、
   前記基部のうち前記凹部が形成された部分の表面側に形成された第１圧電素子（２）と、
   前記第１圧電素子に対して前記基部とは反対側に形成された反射面（４１）と、
   前記基部のうち前記凹部が形成された部分の表面側から前記凹部の外側の部分の表面側に至るように、前記第１圧電素子と離された状態で形成された第２圧電素子（３）と、を備え、
   前記第１圧電素子の膜応力および前記第２圧電素子の膜応力は、共に引張方向の膜応力とされているか、または、共に圧縮方向の膜応力とされている可変焦点ミラー。
2. 前記反射面は、円形状とされており、
   前記第１圧電素子および前記凹部は、上面形状が円形状とされており、
   前記反射面の面内方向において、前記第１圧電素子の上面、および、前記凹部の上面の中心は、前記反射面の中心と同じ位置にある請求項１に記載の可変焦点ミラー。
3. 前記第２圧電素子は、上面形状が前記反射面の中心に対して点対称となるように形成されている請求項２に記載の可変焦点ミラー。
4. 前記第２圧電素子は、上面形状が円周状とされており、
   前記反射面の面内方向において、前記第２圧電素子の上面の中心は、前記反射面の中心と同じ位置にあり、
   前記第２圧電素子のうち前記凹部に対応する部分の半径方向の幅は、前記凹部の半径の１５％以上である請求項２または３に記載の可変焦点ミラー。
5. 前記第２圧電素子には、前記基部の表面を露出させて、前記基部の表面のうち前記凹部の内側に対応する部分と前記凹部の外側に対応する部分とを連結する切欠部（３５）が形成されている請求項１ないし４のいずれか１つに記載の可変焦点ミラー。
6. 前記切欠部に、前記第１圧電素子と外部の回路とを接続する配線（６）が置かれている請求項５に記載の可変焦点ミラー。
7. 前記第１圧電素子は、前記切欠部を通って前記凹部の外側に延設されている請求項５に記載の可変焦点ミラー。
8. 前記基部の表面に形成され、前記反射面の曲率を検出する歪みゲージ（７）を備え、
   前記切欠部に、前記歪みゲージと外部の回路とを接続する配線（８）が置かれている請求項５ないし７のいずれか１つに記載の可変焦点ミラー。
9. 前記第２圧電素子と外部の回路とを接続する配線（９）を備える請求項１ないし８のいずれか１つに記載の可変焦点ミラー。
10. 前記第１圧電素子および前記第２圧電素子の表面に形成された絶縁膜（５）を備え、
    前記絶縁膜には、前記基部のうち前記第１圧電素子と前記第２圧電素子との間に位置する部分を露出させる開口部（５２）が形成されている請求項１ないし９のいずれか１つに記載の可変焦点ミラー。
11. 請求項１ないし１０のいずれか１つに記載の可変焦点ミラーを備え、
    前記基部は、前記基部の表面に平行な軸周りに揺動可能とされている光走査装置。

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