JP2018072411A - 光偏向器及びこれを用いた光偏向パッケージ - Google Patents

Abstract

【課題】光学窓を有する光偏向パッケージに実装した場合、光学窓の上面からの反射光によるミラーからの偏向光の投射映像への妨害を少なくすることができる光偏向器を提供する。
【解決手段】アウタ圧電アクチュエータ６ｂの各圧電カンチレバー６ｂ−１、６ｂ−２、６ｂ−３、６ｂ−４は、非駆動時においても、屈曲している。従って、非駆動時においてミラー１は基準面を構成するアウタフレーム５に対して傾斜している。非駆動時にアウタ圧電アクチュエータ６ｂを屈曲状態にするために、奇数番目圧電カンチレバー６ｂ−１、６ｂ−３の残留応力と偶数番目圧電カンチレバー６ｂ−２、６ｂ−４の残留応力とを相異ならせる。たとえば、奇数番目圧電カンチレバー６ｂ−１、６ｂ−３の層間絶縁層を圧縮応力発生用の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成し、偶数番目圧電カンチレバー６ｂ−２、６ｂ−４の層間絶縁層を引張応力発生用の窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）で形成する。
【選択図】 図４

Description

本発明はたとえば映像投射装置用の光偏向器及びこれを用いた光偏向パッケージに関する。

近年、ピコプロジェクタ、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）ユニット、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）ユニット等の映像投射装置として光源からの光を光偏向パッケージを用いて偏向させてスクリーン上に映像を投射するものがある。

図９は、従来の光偏向パッケージの分解斜視図（参照：特許文献１の図７の（ｂ））、図１０は図９の光偏向パッケージを用いた映像投射装置の斜視図である。

図９において、光偏向パッケージ１００は、凹部１０１ａが形成された基板１０１と、基板１０１の凹部１０１ａに実装されたマイクロエレクトニクロメカニカルシステム（ＭＥＭＳ）光偏向器１０２と、光偏向器１０２上の基板１０１の凹部１０１ａを封止する平面状ガラスよりなる光学窓１０３とによって構成される。この場合、光学窓１０３は光偏向器１０２の信頼性向上のために存在する。また、光偏向器１０２のミラー１０２ａは非駆動状態（静止状態）で光学窓１０３と平行となっている。

図１０において、光偏向パッケージ１００は光源２００からの光Ｌを偏向してその偏向光Ｌ１をスクリーン３００上で２次元的に走査する。従って、光利用効率が高い。詳細には、光源２００からの光Ｌのうち偏向光Ｌ１は光学窓１０３を通過して光偏向器１０２のミラー１０２ａによって反射され再び光学窓１０３を通過してスクリーン３００上に投射映像Ｆを投射する。尚、図１０の光偏向パッケージ１００において、基板１０１は省略してある。

特開２００９−２２３１６５号公報 特表２０１１−５１７６２６号公報

しかしながら、上述の図１０の映像投射装置においては、光偏向器１０２の非駆動状態（静止状態）のミラー１０２ａと光学窓１０３とは平行とされているので、図１０に示すごとく、光源２００からの光Ｌのうち光学窓１０３の上面での反射光Ｌ２がスクリーン３００の投射映像Ｆのほぼ中心位置に輝点Ｂとして現れ、この結果、この輝点Ｂによって投射画像Ｆが妨害されるという課題がある。

尚、光学窓を基板に対してつまり光偏向器の非駆動状態（静止状態）のミラーに対して傾斜させる光偏向パッケージがある（参照：特許文献２）。これにより、光源からの光のうち偏向光による投射映像から光学窓の上面での反射光を分離させ、従って、投射映像から反射光による輝点を排除し、この結果、反射光の輝点による投射映像への妨害を防止できる。しかしながら、この場合には、光学窓の加工工程及び基板への実装工程が複雑化して製造コストの上昇を招く。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光偏向器は、ミラーと、ミラーを囲む可動インナフレームと、可動インナフレームとミラーとの間に結合され、ミラーを第１の軸回りに揺動させるための第１のアクチュエータと、可動インナフレームを囲む固定アウタフレームと、固定アウタフレームと可動インナフレームとの間に結合され、可動インナフレームを介してミラーを第２の軸回りに揺動させるための第２のアクチュエータとを具備し、非駆動時のミラーは固定アウタフレームに対して傾斜状態となっているものである。

また、本発明に係る光偏向パッケージは、凹部が形成された基板と、基板の凹部に実装された上述の光偏向器と、光偏向器上の基板の凹部を封止するための光学窓とを具備し、光学窓の上面は基板の凹部の底面に対して平行であるものである。

本発明によれば、非駆動時のミラーは固定アウタフレームに対して傾斜しているので、光偏向パッケージに実装した場合には、非駆動時のミラーは光学窓に対して傾斜することになる。従って、映像投射装置に適用した場合、光学窓の上面での反射光は偏向光の投射映像から外れるので、投射映像が上記反射光によって妨害されることはなくなる。

本発明に係る光偏向器の実施の形態を示す斜視図である。 図１の光偏向器の駆動電圧を示すタイミング図である。 図１の駆動時のアウタ圧電アクチュエータを示す斜視図である。 非駆動時のアウタ圧電アクチュエータを示す斜視図であり、（Ａ）は実施の形態の場合を示し、（Ｂ）は従来の場合を示す。 図１の光偏向器の断面図である。 図１の光偏向器の非駆動時のシミュレーション結果を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）は右側面図である。 図１の光偏向器を用いた光偏向パッケージを示す断面図である。 図７の光偏向パッケージを用いた映像投射装置を示す斜視図である。 従来の光偏向パッケージを示す分解斜視図である。 図９の光偏向パッケージを用いた映像投射装置を示す斜視図である。

図１は本発明に係る光偏向器の実施の形態を示す斜視図である。

図１において、２次元光偏向器１０は、表面に光源（図示せず）からのたとえばレーザ光を反射する反射層１ａを有する円形ミラー１と、ミラー１のＸ軸方向に沿って結合された１対のトーションバー２ａ、２ｂと、ミラー１及びトーションバー２ａ、２ｂを囲む可動のインナフレーム（可動支持フレーム）３と、トーションバー２ａ、２ｂ間に結合されインナフレーム３の内側結合部３ａによって支持された半リング状のインナ圧電アクチュエータ４ａと、トーションバー２ａ、２ｂ間に結合されインナフレーム３の内側結合部３ｂによって支持された半リング状のインナ圧電アクチュエータ４ｂとによって構成される。この場合、インナフレーム３はインナ圧電アクチュエータ４ａ、４ｂに沿った円状の内周及び矩形状の外周を有する。インナ圧電アクチュエータ４ａの屈曲方向とインナ圧電アクチュエータ４ｂの屈曲方向とは反対方向であり、この結果、インナ圧電アクチュエータ４ａ、４ｂはミラー１をＸ軸回りに揺動させるためのカンチレバーの作用をする。

また、光偏向器１０は、光偏向器１０の基準面を構成する固定のアウタフレーム（固定支持フレーム）５及びアウタフレーム５の結合部５ａ、５ｂとインナフレーム３の外側結合部３ｃ、３ｄとの間に結合された１対のミアンダ状（蛇腹状）のアウタ圧電アクチュエータ６ａ、６ｂを含む。アウタ圧電アクチュエータ６ａの屈曲方向とアウタ圧電アクチュエータ６ｂの屈曲方向とは同一方向であり、この結果、アウタ圧電アクチュエータ６ａ、６ｂはミラー１をＹ軸回りに揺動させるためのカンチレバーの作用をする。

詳細には、アウタ圧電アクチュエータ６ａはアウタフレーム５の結合部５ａからインナフレーム３の外側結合部３ｃに向って直列にミアンダ状（蛇腹状）に接続されＸ軸方向に並列に配列された圧電カンチレバー６ａ−１、６ａ−２、６ａ−３、６ａ−４を有する。同様に、アウタ圧電アクチュエータ６ｂはアウタフレーム５の結合部５ｂからインナフレーム３の外側結合部３ｄに向って直列にミアンダ状（蛇腹状）に接続されＸ軸方向に並列に配列された圧電カンチレバー６ｂ−１、６ｂ−２、６ｂ−３、６ｂ−４を有する。

インナ圧電アクチュエータ４ａ、４ｂには、図２の（Ａ）、（Ｂ）に示すたとえば共振周波数ｆ_ｘの互いに逆位相の正弦波電圧Ｖ_ｘａ、Ｖ_ｘｂが電極パッドＰを介して印加される。これにより、ミラー１はＸ軸回りに揺動する。

他方、アウタ圧電アクチュエータ６ａ、６ｂには、図２の（Ｃ）、（Ｄ）に示す非共振周波数ｆ_ｙの互いに逆位相の鋸歯波電圧Ｖ_ｙ１、Ｖ_ｙ２が電極パッドＰを介して印加される。具体的には、鋸歯波電圧Ｖ_ｙ１はアウタ圧電アクチュエータ６ａ、６ｂの奇数番目圧電カンチレバー６ａ−１、６ａ−３；６ｂ−１、６ｂ−３に印加され、鋸歯波電圧Ｖ_ｙ２はアウタ圧電アクチュエータ６ａ、６ｂの偶数番目圧電カンチレバー６ａ−２、６ａ−４；６ｂ−２、６ｂ−４に印加される。たとえば図３のアウタ圧電アクチュエータ６ｂに示すごとく、奇数番目圧電カンチレバー６ｂ−１、６ｂ−３は下方向Ｄに屈曲し、偶数番目圧電カンチレバー６ｂ−２、６ｂ−４は上方向Ｕに屈曲する。図示しないアウタ圧電アクチュエータ６ａも同様である。この結果、ミラー１がＹ軸回りに揺動する。

アウタ圧電アクチュエータ６ｂの各圧電カンチレバー６ｂ−１、６ｂ−２、６ｂ−３、６ｂ−４は、非駆動時においても、図４の（Ａ）に示すごとく、屈曲している。尚、アウタ圧電アクチュエータ６ａの圧電カンチレバー６ａ−１、６ａ−２、６ａ−３、６ａ−４も同様である。従って、非駆動時においてミラー１は基準面を構成するアウタフレーム５に対して傾斜している。これにより、後述のごとく、光偏向パッケージに実装されたときに、光偏向器１０からの偏向光による投射映像を光学窓からの反射光から分離できる。これに対し、従来は、図４の（Ｂ）に示すごとく、各圧電カンチレバー６ｂ−１、６ｂ−２、６ｂ−３、６ｂ−４は屈曲していない。このため、光偏向パッケージに実装されたとき、上述のごとく、光偏向器からの偏向光による投射映像と光学窓からの反射光とを分離できない。

非駆動時にアウタ圧電アクチュエータ６ｂを屈曲状態にするために、奇数番目圧電カンチレバー６ｂ−１、６ｂ−３の残留応力と偶数番目圧電カンチレバー６ｂ−２、６ｂ−４の残留応力とを相異ならせる。たとえば、奇数番目圧電カンチレバー６ｂ−１、６ｂ−３の層間絶縁層を圧縮応力発生用の酸化シリコン（ＳｉＯ_２）で形成し、偶数番目圧電カンチレバー６ｂ−２、６ｂ−４の層間絶縁層を引張応力発生用の窒化シリコン（Ｓｉ_３Ｎ_４）で形成する。尚、酸化シリコンと窒化シリコンとを逆にしてもよい。

図１の光偏向器１０の製造方法を図５を参照して説明する。

始めに、単結晶シリコンサポート層（ハンドル層ともいう）５０１、酸化シリコン中間層（埋込層、ボックス層ともいう）５０２及び単結晶シリコン活性層（デバイス層ともいう）５０３よりなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を準備する。次いで、単結晶シリコンサポート層５０１及び単結晶シリコン活性層５０３を熱酸化して酸化シリコン層５０４及び酸化シリコン層５０５を形成する。

次に、酸化シリコン層５０５上に、インナ圧電アクチュエータ４ａ、４ｂ、圧電カンチレバー６ａ−１、６ａ−２、６ａ−３、６ａ−４；６ｂ−１、６ｂ−２、６ｂ−３、６ｂ−４を形成する。すなわち、スパッタリング法による約５０ｎｍのＴｉ及びその上の約１５０ｎｍのＰｔよりなるＴｉ／Ｐｔ下部電極層５０６、アーク放電反応性イオンプレーティング（ＡＤＲＩＰ）法による約３μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）層５０７、及びスパッタリング法による約１５０ｎｍのＴｉ上部電極層５０８を形成する。

次に、上部電極層５０８、ＰＺＴ層５０７をフォトリソグラフィ及びエッチング法によってパターン化し、次いで、下部電極層５０６及び酸化シリコン層５０５をフォトリソグラフィ及びエッチング法によってパターン化する。

次に、プラズマ化学的気相析出（ＰＣＶＤ）法により約５００ｎｍの層間酸化シリコン層５０９を形成する。次いで、層間酸化シリコン層５０９のうち偶数番目圧電カンチレバー６ａ−２、６ａ−４；６ｂ−２、６ｂ−４の領域をフォトリソグラフィ及びドライエッチング法により除去し、当該領域にＰＣＶＤ法により約５００ｎｍの層間窒化シリコン層５０９’を形成する。

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法により層間酸化シリコン層５０９及び層間窒化シリコン層５０９’にコンタクトホールを開孔する。このコンタクトホールはインナ圧電アクチュエータ４ａ、４ｂ、圧電カンチレバー６ａ−１、６ａ−２、６ａ−３、６ａ−４；６ｂ−１、６ｂ−２、６ｂ−３、６ｂ−４及び電極パッドＰに相当する。

次に、フォトリソグラフィ、スパッタリング及びソフトオフ法によりＡｌＣｕ（１％Ｃｕ）よりなる配線層５１０を形成する。配線層５１０はインナ圧電アクチュエータ４ａ、４ｂ及び圧電カンチレバー６ａ−１、６ａ−２、６ａ−３、６ａ−４；６ｂ−１、６ｂ−２、６ｂ−３、６ｂ−４並びにこれらの電極パッドＰの上部電極層３０８間を電気的に接続する。

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法により酸化シリコン層５０４をエッチングし、インナフレーム３、アウタフレーム５及び補強リブ７の領域のみに酸化シリコン層５０４を残す。

次に、酸化シリコン層５０４をエッチングマスクとしてドライエッチング法により単結晶シリコンサポート層５０１をエッチングする。次いで、単結晶シリコンサポート層５０１をエッチングマスクとしてウェットエッチング法により酸化シリコン層５０２をエッチングする。

最後に、蒸着法によりＡｌ反射層５１１を単結晶シリコン活性層５０３上に形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりＡｌ反射層５１１をパターン化し、これにより、光偏向器は完成する。

図６は図１の光偏向器の非駆動時のシミュレーション結果を示し、（Ａ）は斜視図、（Ｂ）はアウタ圧電アクチュエータ６ｂ側からの右側面図である。シミュレーションソフトはOpen EngineeringのOofelie-Multiphysics V4.4（商標）である。

図６に示すように、奇数番目圧電カンチレバー６ａ−１、６ａ−３；６ｂ−１、６ｂ−３はその上部の層間酸化シリコン層５０９の圧縮応力のために上側へ屈曲し、他方、偶数番目圧電カンチレバー６ａ−２、６ａ−４；６ｂ−２、６ｂ−４はその上部の層間窒化シリコン層５０９’の引張応力のために下側へ屈曲する。この結果、ミラー１は非駆動時に基準面を構成するアウタフレーム５に対して傾斜状態となる。従って、ミラー１を揺動させると、ミラー１の揺動中心は非駆動時の傾斜位置となる。

尚、上述の実施の形態においては、奇数番目圧電カンチレバー６ａ−１、６ａ−３；６ｂ−１、６ｂ−３の残留応力たとえば圧縮応力と偶数番目圧電カンチレバー６ａ−２、６ａ−４；６ｂ−２、６ｂ−４の残留応力たとえば引張応力とを使用目的に応じて反対にしてもよい。また、異なる材料の層間絶縁層によって形成して非駆動時のミラー１の傾斜状態を実現しているが、同一材料の層間絶縁層でも製造条件を異ならせることによって実現できる。また、奇数番目圧電カンチレバー６ａ−１、６ａ−３；６ｂ−１、６ｂ−３又は偶数番目圧電カンチレバー６ａ−２、６ａ−４；６ｂ−２、６ｂ−４のいずれか一方のＰＺＴ層を削除し、他方のＰＺＴ層に残留応力を持たせることによっても、ミラー１の非駆動時の傾斜状態を実現できる。但し、この場合、ミラー１の駆動は小さくなる。

図７は図１の光偏向器１０を実装した光偏向パッケージを示す断面図である。

図７の光偏向パッケージ４０においては、たとえば低温同時焼成セラミクス（ＬＴＣＣ）基板２０の凹部２０ａに図１の光偏向器１０をＡｕＳｎ共晶接合層等を用いて実装し、光偏向器１０上のＬＴＣＣ基板２０の凹部２０ａを樹脂接着層等を用いて平面状ガラスよりなる光学窓３０で封止する。光学窓３０の上面はＬＴＣＣ基板２０の凹部２０ａの底面つまり基準面を構成するアウタフレーム（図示せず）と平行となっている。従って、非駆動時において、ミラー１はＬＴＣＣ基板２０の凹部２０ａの底面に対して傾斜状態となる。尚、図７においては、光偏向器１０についてミラー１及び圧電カンチレバーのみを図示してある。

図８は図７の光偏向パッケージ４０を用いた映像投射装置を示す斜視図である。

図８においては、光偏向パッケージ４０は光源５０からの光Ｌを偏向してその偏向光Ｌ１をスクリーン６０上で２次元的に走査する。このとき、非駆動状態（静止状態）のミラー１は光学窓３０に対して傾斜しているので、スクリーン６０の投射映像Ｆの位置は相対的に移動する。図８においては、スクリーン６０の投射映像Ｆの位置は下方へ移動する。他方、光源５０からの光Ｌのうち光学窓３０の上面で反射された反射光Ｌ２はスクリーン６０の投射映像Ｆから相対的上方に存在する。従って、投射画像Ｆから反射光Ｌ２による輝点Ｂは排除され、輝点Ｂによる投射映像Ｆへの妨害はなくなる。

尚、上述の実施の形態においては、光偏向器のＹ軸回りのミラーにミアンダ型圧電アクチュエータを用いているが、Ｘ軸回りのミラー揺動にミアンダ形状圧電アクチュエータを用いることもできる。つまり、図１のトーションバー２ａ、２ｂ及びインナ圧電アクチュエータ４ａ、４ｂの代わりに、インナフレーム３からミラー１に向かって直列にミアンダ状（蛇腹状）に接続されＹ軸方向に並列に配列されたＸ軸回りの複数の圧電カンチレバーを設ける。この場合には、Ｙ軸回りのミアンダ型圧電アクチュエータの代わりに、非駆動時のミラーの傾斜状態をＸ軸回りのミアンダ型圧電アクチュエータで実現することもできる。また、この場合には、スクリーンの投射映像は相対的に光学窓の上面からの反射光に対して左方向又は右方向へ移動する。

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用できる。

本発明は、映像投射装置以外に、レーザプリンタ、レーザレーダ、バーコードリーダ、エリアセンサ、タッチパネル等にも利用できる。

１：ミラー
２ａ、２ｂ：トーションバー
３：インナフレーム
３ａ、３ｂ：内側結合部
３ｃ、３ｄ：外側結合部
４ａ、４ｂ：インナ圧電アクチュエータ
５：アウタフレーム
５ａ、５ｂ：結合部
６ａ、６ｂ：アウタ圧電アクチュエータ
６ａ−１、６ａ−３；６ｂ−１、６ｂ−３：奇数番目圧電カンチレバー
６ａ−２、６ａ−４；６ｂ−２、６ｂ−４：偶数番目圧電カンチレバー
７：補強リブ
１０：光偏向器
２０：ＬＴＣＣ基板
３０：光学窓
４０：光偏向パッケージ
５０：光源
６０：スクリーン
１００：光偏向パッケージ
１０１：基板
１０１ａ：凹部
１０２：光偏向器
１０２ａ：ミラー
１０３：光学窓
２００：光源
３００：スクリーン
５０１：単結晶シリコンサポート層
５０２：酸化シリコン中間層
５０３：単結晶シリコン活性層
５０４：酸化シリコン層
５０５：酸化シリコン層
５０６：Ｔｉ/Ｐｔ下部電極層
５０７：ＰＺＴ層
５０８：Ｔｉ上部電極層
５０９：層間酸化シリコン層
５０９'：層間窒化シリコン層
５１０：配線層
Ｌ：光
Ｌ１：偏向光
Ｌ２：反射光
Ｆ：投射映像
Ｂ：輝点

Claims (9)

1. ミラーと、
   前記ミラーを囲む可動インナフレームと、
   前記可動インナフレームと前記ミラーとの間に結合され、前記ミラーを第１の軸回りに揺動させるための第１のアクチュエータと、
   前記可動インナフレームを囲む固定アウタフレームと、
   前記固定アウタフレームと前記可動インナフレームとの間に結合され、前記可動インナフレームを介して前記ミラーを第２の軸回りに揺動させるための第２のアクチュエータと
   を具備し、
   非駆動時の前記ミラーは前記固定アウタフレームに対して傾斜状態となっている光偏向器。
2. 前記第１、第２のアクチュエータの少なくとも一方はミアンダ形状で直列に接続された複数のカンチレバーを具備し、
   前記複数のカンチレバーを一方端から他方端へ奇数番目カンチレバーと該奇数番目カンチレバー間の偶数番目カンチレバーとに分類し、
   前記奇数番目カンチレバーの残留応力と前記偶数番目カンチレバーの残留応力とは相異なる請求項１に記載の光偏向器。
3. 前記奇数番目カンチレバーの層間絶縁層の材料と前記偶数番目カンチレバーの材料とは相異なる請求項２に記載の光偏向器。
4. 前記奇数番目カンチレバーの層間絶縁層は酸化シリコンよりなり、前記偶数番目カンチレバーの層間絶縁層は窒化シリコンよりなる請求項３に記載の光偏向器。
5. 前記奇数番目カンチレバーの層間絶縁層は窒化シリコンよりなり、前記偶数番目カンチレバーの層間絶縁層は酸化シリコンよりなる請求項３に記載の光偏向器。
6. 前記奇数番目カンチレバーの層間絶縁層と前記偶数番目カンチレバーの層間絶縁層とは製造条件の異なる同一材料よりなる請求項２に記載の光偏向器。
7. 前記奇数番目カンチレバーは圧電層を有する圧電カンチレバーであり、前記偶数番目カンチレバーは圧電層を有しない非圧電カンチレバーである請求項２に記載の光偏向器。
8. 前記奇数番目カンチレバーは圧電層を有しない非圧電カンチレバーであり、前記偶数番目カンチレバーは圧電層を有する圧電カンチレバーである請求項２に記載の光偏向器。
9. 凹部が形成された基板と、
   前記基板の凹部に実装された請求項１〜８のいずれかに記載の光偏向器と、
   前記光偏向器上の前記基板の凹部を封止するための光学窓と
   を具備し、
   前記光学窓の上面は前記基板の凹部の底面に対して平行である光偏向パッケージ。