JP2019132906A - 光走査装置及び光走査装置の製造方法 - Google Patents

光走査装置及び光走査装置の製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】光走査装置において圧電センサの出力を増大させてＳ／Ｎ比を改善すること。【解決手段】本発明の光走査装置は、光反射面を有するミラーと、前記ミラーを支持するミラー支持部と、前記ミラー支持部の両側に配置されて前記ミラー支持部を揺動可能に接続される一対の駆動梁と、前記駆動梁に設けられ、複数の圧電薄膜の積層体を含み、前記ミラー支持部を揺動させる駆動源と、前記駆動梁あるいは前記駆動源に連結する連結梁に形成され、前記複数の圧電薄膜より少ない層数の圧電薄膜を含む圧電センサとを有する。【選択図】図６

Description

本発明は、光走査装置及び光走査装置の製造方法に関する。
従来から、駆動梁によりミラー部を回転軸回りに回転させて光を走査する光走査装置が知られている。このような光走査装置において、圧電薄膜を用いた圧電素子は駆動梁の駆動源や圧電センサとして用いられる。圧電素子は逆圧電効果を利用して駆動源として用いられ、駆動梁を駆動する。また、圧電素子は圧電効果を利用して圧電センサとして用いられ、駆動梁の変位や駆動状態を感知する。
圧電センサは、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーの傾き角度や駆動信号に対するミラー面傾き方向の位相差、または水平および垂直の共振周波数やそれらの変動などの信号を出力し、制御回路でのフィードバック制御に用いる。駆動源として圧電素子を用いる場合は、圧電素子である駆動源と圧電センサとを同時に形成できるので工程的に都合がいい。
中部電極の上下に下層圧電薄膜及び上層圧電薄膜を積層し、その上下に下部電極及び上部電極を形成した多層構造を有する圧電素子が用いられている。駆動源として多層構造の圧電素子を用いると、駆動電圧効率が上がり、低電圧駆動が可能になるため、耐電圧起因の素子破損がなくなる利点がある。また、昇圧ＩＣまたは回路の負担低減になる利点がある。
圧電センサとしても多層構造の圧電素子を用いることができる。駆動源として多層構造の圧電素子が用いられる場合、駆動効率向上のため下層及び上層の圧電薄膜は並列接続して用いられる。一方、圧電センサが形成される領域は狭小面であり、並列接続するための配線が困難であり、下層及び上層圧電薄膜は直列接続して用いられる。この場合、例えば見かけ上の圧電薄膜の厚さが直列接続していない場合の２倍になっていることから、センサ出力電圧は直列接続していない場合の１／２になっている。
特許文献１には、圧電アクチュエータの先端部のＰＺＴ圧電膜を、該圧電アクチュエータの他の部分のＰＺＴ圧電膜より薄く形成した、光偏向器が開示されている。
特開２０１５−１６９７４５号公報
しかしながら、上記の光走査装置において圧電センサの出力を増大させてＳ／Ｎ比を改善することが求められていた。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、光走査装置において圧電センサの出力を増大させてＳ／Ｎ比を改善することを目的とする。
本発明の一態様に係る光走査装置（１０００）は、光反射面を有するミラー（１１０）と、前記ミラーを支持するミラー支持部（１２０）と、前記ミラー支持部の両側に配置されて前記ミラー支持部を揺動可能に接続される一対の駆動梁（１５０Ａ、１５０Ｂ、１７０Ａ、１７０Ｂ）と、前記駆動梁に設けられ、複数の圧電薄膜の積層体を含み、前記ミラー支持部を揺動させる駆動源（１５１Ａ、１５１Ｂ、１７１Ａ，１７１Ｂ）と、前記駆動梁あるいは前記駆動源に連結する連結梁（１４０Ａ、１４０Ｂ）に形成され、前記複数の圧電薄膜より少ない層数の圧電薄膜を含む圧電センサ（１９１、１９２、１９５、１９６）とを有する。
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
開示の技術によれば、光走査装置において圧電センサの出力を増大させてＳ／Ｎ比を改善することができる。
実施の形態に係る光走査装置の一例を示す斜視図（その１）である。 実施の形態に係る光走査装置の一例を示す斜視図（その２）である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す上面側の斜視図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す要部を拡大した上面側の平面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部のシミュレーションによる応力分布図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部を示す断面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
〈光走査装置〉
まず、実施の形態に係る光走査装置について説明する。図１及び図２は、実施の形態に係る光走査装置の一例を示す斜視図であり、図１はパッケージカバーを取り外した状態の光走査装置を示し、図２はパッケージカバーを取り付けた状態の光走査装置を示している。
図１及び図２に示されるように、光走査装置１０００は、光走査部１００と、光走査部１００を搭載するセラミックパッケージ２００と、セラミックパッケージ２００上に配されて光走査部１００を覆うパッケージカバー３００とを有する。光走査装置１０００は、セラミックパッケージ２００の下側に、基板や制御回路等を備えてもよい。
光走査装置１０００において、パッケージカバー３００の略中央部には光反射面を有するミラー１１０の近傍を露出する開口部３００Ａが設けられている。開口部３００Ａは、ミラー１１０へのレーザ入射光Ｌｉ及びミラー１１０からのレーザ出射光Ｌｏ（走査光）を遮らない形状とされている。
なお、開口部３００Ａにおいて、レーザ入射光Ｌｉが通る側は、レーザ出射光Ｌｏが通る側よりも小さく開口されている。すなわち、レーザ入射光Ｌｉ側が略半円形状に狭く開口しているのに対し、レーザ出射光Ｌｏ側は略矩形状に広く開口している。これは、レーザ入射光Ｌｉは一定の方向から入射するのでその方向のみを開口すればよいのに対し、レーザ出射光Ｌｏは２次元に走査されるため、２次元に走査されるレーザ出射光Ｌｏを遮らないように、走査される全範囲を開口する必要があるためである。
〈光走査部〉
次に、光走査装置１０００の光走査部１００について説明する。図３は、実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す上面側の斜視図である。
図３に示されるように、光走査部１００は、ミラー１１０を揺動させて光源から照射されるレーザ入射光を走査する部分である。光走査部１００は、例えば圧電素子によりミラー１１０を駆動させるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等である。
光走査部１００は、ミラー１１０と、ミラー支持部１２０と、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂと、連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂと、可動枠１６０と、垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂと、固定枠１８０とを有する。ミラー支持部１２０の上面にミラー１１０が支持されている。本実施の形態においては、ミラー支持部１２０と、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂと、連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂと、可動枠１６０をまとめて、ミラー１１０を支持するミラー支持体１６１と称する。
ミラー支持体１６１の両側に、ミラー支持体１６１に接続される一対の垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂが配置されている。ミラー支持体１６１と垂直駆動梁１７０Ａは、ミラー支持体接続部Ａ１１により接続される。固定枠１８０と垂直駆動梁１７０Ａは、固定枠接続部Ａ１２により接続される。ミラー支持体１６１と垂直駆動梁１７０Ｂは、ミラー支持体接続部Ａ１３により接続される。固定枠１８０と垂直駆動梁１７０Ｂは、固定枠接続部Ａ１４により接続される。垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂの詳細については後述する。
また、ミラー１１０を支持するミラー支持部１２０の両側に、ミラー支持部１２０に接続される一対の水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂが配置されている。また、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ、連結梁１４０Ａ、１４０Ｂ、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂ、ミラー支持部１２０及びミラー１１０は、可動枠１６０によって外側から支持されている。即ち、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの一方の側は可動枠１６０の内周に接続され、支持されている。水平駆動梁１５０Ａの他方の側は内周側に延びて連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと連結している。水平駆動梁１５０Ｂの他方の側も同様に、内周側に延びて連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと連結している。連結梁１４０Ａ、１４０Ｂは、水平回転軸Ｈ方向に延びる捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂに接続されており、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂは水平回転軸Ｈ方向の両側からミラー支持部１２０を支持している。上記のように、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂの延びる水平回転軸Ｈ方向と直交する方向に、ミラー１１０及びミラー支持部１２０を挟むように、対をなして設けられている。水平回転軸Ｈ方向については後述する。
水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、それぞれ水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂを有する。また、垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、それぞれ垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂを有する。水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ、垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、ミラー１１０を上下又は左右に揺動してレーザ光を走査するアクチュエータとして機能する。
水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの上面には、水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂがそれぞれ形成されている。水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂは、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの上面に形成された圧電素子の薄膜（以下「圧電薄膜」ともいう。）と、圧電薄膜に接続する第１電極と第２電極とを含む。水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂの詳細は後述する。水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂは、第１電極と第２電極に印加する駆動電圧の極性に応じて伸長したり縮小したりする。
このため、水平駆動梁１５０Ａと水平駆動梁１５０Ｂに逆位相となる正弦波の駆動電圧を印加すれば、ミラー１１０の左側と右側で水平駆動梁１５０Ａと水平駆動梁１５０Ｂとが上下反対側に交互に振動する。これにより、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂを揺動軸又は回転軸として、ミラー１１０を水平回転軸Ｈの軸周りに揺動させることができる。ミラー１１０が捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂの軸周りに揺動する方向を水平方向と呼び、ミラー１１０の光反射面の中心Ｃを通る上記の揺動軸を水平回転軸Ｈという。例えば水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂによる水平駆動には、共振振動が用いられ、高速にミラー１１０を揺動駆動することができる。
ミラー支持部１２０には、ミラー１１０の円周に沿うようにスリット１２２が形成されている。スリット１２２により、ミラー支持部１２０を軽量化しつつ捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂによる捻れをミラー１１０へ伝達することができる。
また、垂直駆動梁１７０Ａは、水平回転軸Ｈ方向に延在する複数の矩形状の垂直梁を有し、隣接する垂直梁の端部同士が連結され、全体としてジグザグ状（蛇腹状）の形状を有する。
例えば、ミラー支持体１６１側から数えて１番目の垂直梁の端部と２番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｘ１により連結されている。又、２番目の垂直梁の端部と３番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｘ２により連結されている。又、３番目の垂直梁の端部と４番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｘ３により連結されている。又、４番目の垂直梁の端部と５番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｘ４により連結されている。又、５番目の垂直梁の端部と６番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｘ５により連結されている。なお、図３では、各折り返し部を、便宜上、梨地模様で示している。
垂直駆動梁１７０Ｂも同様に、水平回転軸Ｈ方向に延在する複数の矩形状の垂直梁を有し、隣接する垂直梁の端部同士が連結され、全体としてジグザグ状（蛇腹状）の形状を有する。
例えば、ミラー支持体１６１側から数えて１番目の垂直梁の端部と２番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｙ１により連結されている。又、２番目の垂直梁の端部と３番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｙ２により連結されている。又、３番目の垂直梁の端部と４番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｙ３により連結されている。又、４番目の垂直梁の端部と５番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｙ４により連結されている。又、５番目の垂直梁の端部と６番目の垂直梁の端部とが折り返し部１７１Ｙ５により連結されている。上記と同様に、各折り返し部を、便宜上、梨地模様で示している。
垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂの上面には、それぞれ曲線部を含まない矩形単位である垂直梁ごとに垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂが形成されている。垂直駆動源１７１Ａは、垂直駆動梁１７０Ａの上面に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜に接続する第１電極と第２電極とを含む。垂直駆動源１７１Ｂは、垂直駆動梁１７０Ｂの上面に形成された圧電薄膜と、圧電薄膜に接続する第１電極と第２電極とを含む。垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂの詳細は後述する。
垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、垂直梁ごとに隣接している垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂ同士で、駆動波形の中央値を基準に上下反転した波形の駆動電圧を印加することにより、隣接する垂直梁を上方向に反らせ、各垂直梁の上下動の蓄積をミラー支持体１６１に伝達する。例えば、駆動波形は鋸波形とすることができる。垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、この動作によりミラー１１０及びミラー支持体１６１が水平回転軸Ｈの方向と直交する方向に揺動され、この揺動する方向を垂直方向と呼び、ミラー１１０の光反射面の中心Ｃを通る上記の揺動軸を垂直回転軸Ｖという。例えば垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂによる垂直駆動には、非共振振動を用いることができる。
例えば、垂直駆動源１７１Ａは、垂直駆動梁１７０Ａを構成する１番目から６番目の各垂直梁の上にそれぞれ形成された６つの垂直駆動源１７１Ａ１、１７１Ａ２、１７１Ａ３、１７１Ａ４、１７１Ａ５及び１７１Ａ６を含む。また、垂直駆動源１７１Ｂは、垂直駆動梁１７０Ｂを構成する１番目から６番目の各垂直梁の上にそれぞれ形成された６つの垂直駆動源１７１Ｂ１、１７１Ｂ２、１７１Ｂ３、１７１Ｂ４、１７１Ｂ５及び１７１Ｂ６を含む。この場合、垂直駆動源１７１Ａ１、１７１Ｂ１、１７１Ａ３、１７１Ｂ３、１７１Ａ５、１７１Ｂ５を同波形、垂直駆動源１７１Ａ２、１７１Ｂ２、１７１Ａ４、１７１Ｂ４、１７１Ａ６及び１７１Ｂ６を前者と駆動波形の中央値を基準に上下反転した波形で駆動することで、ミラー１１０及びミラー支持体１６１を垂直方向へ揺動できる。
水平駆動源１５１Ａの上部電極及び下部電極に駆動電圧を印加する駆動配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ａに含まれる所定の端子と接続されている。水平駆動源１５１Ｂの上部電極及び下部電極に駆動電圧を印加する駆動配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ｂに含まれる所定の端子と接続されている。また、垂直駆動源１７１Ａの上部電極及び下部電極に駆動電圧を印加する駆動配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ａに含まれる所定の端子と接続されている。垂直駆動源１７１Ｂの上部電極及び下部電極に駆動電圧を印加する駆動配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ｂに含まれる所定の端子と接続されている。
また、光走査部１００は、水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂに駆動電圧が印加されてミラー１１０が水平方向に揺動している状態におけるミラー１１０の水平方向の傾き具合（水平方向の振角）を検出する水平振角センサとして、圧電センサ１９１、１９２を有する。圧電センサ１９１は連結梁１４０Ａに設けられ、圧電センサ１９２は連結梁１４０Ｂに設けられている。
また、光走査部１００は、垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂに駆動電圧が印加されてミラー１１０が垂直方向に揺動している状態におけるミラー１１０の垂直方向の傾き具合（垂直方向の振角）を検出する垂直振角センサとして、圧電センサ１９５、１９６を有する。圧電センサ１９５は垂直駆動梁１７０Ａを構成する垂直梁の一つに設けられており、圧電センサ１９６は垂直駆動梁１７０Ｂを構成する垂直梁の一つに設けられている。
圧電センサ１９１は、ミラー１１０の水平方向の傾き具合に伴い、捻れ梁１３０Ａから伝達される連結梁１４０Ａの変位に対応する電流値を出力する。圧電センサ１９２は、ミラー１１０の水平方向の傾き具合に伴い、捻れ梁１３０Ｂから伝達される連結梁１４０Ｂの変位に対応する電流値を出力する。圧電センサ１９５は、ミラー１１０の垂直方向の傾き具合に伴い、垂直駆動梁１７０Ａのうち圧電センサ１９５が設けられた垂直梁の変位に対応する電流値を出力する。圧電センサ１９６は、ミラー１１０の垂直方向の傾き具合に伴い、垂直駆動梁１７０Ｂのうち圧電センサ１９６が設けられた垂直梁の変位に対応する電流値を出力する。
実施の形態では、圧電センサ１９１、１９２の出力を用いてミラー１１０の水平方向の傾き具合を検出し、圧電センサ１９５、１９６の出力を用いてミラー１１０の垂直方向の傾き具合を検出する。なお、各圧電センサから出力される電流値からミラー１１０の傾き具合の検出を行う傾き検出部が光走査部１００の外部に設けられていてもよい。又、傾き検出部の検出結果に基づき水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂ、垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂに供給する駆動電圧を制御する駆動制御部が光走査部１００の外部に設けられていてもよい。
圧電センサ１９１、１９２、１９５、１９６は、圧電薄膜と、圧電薄膜に接続する第１電極と及び第２電極とを含む。圧電センサの詳細は後述する。実施の形態では、各圧電センサの出力は、第１電極と第２電極とに接続されたセンサ配線の電流値となる。
圧電センサ１９１の第１電極及び第２電極から引き出されたセンサ配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ｂに含まれる所定の端子と接続されている。圧電センサ１９５の第１電極及び第２電極から引き出されたセンサ配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ａに含まれる所定の端子と接続されている。また、圧電センサ１９２の第１電極及び第２電極から引き出されたセンサ配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ｂに含まれる所定の端子と接続されている。圧電センサ１９６の第１電極及び第２電極から引き出されたセンサ配線は、固定枠１８０に設けられた端子群１９０Ｂに含まれる所定の端子と接続されている。
光走査部１００は、例えば支持層、埋め込み（ＢＯＸ：Buried Oxide）層及び活性層を有するＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて形成することができる。例えば、可動枠１６０と、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの裏面に設けられたリブ、及び垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂの裏面に設けられたリブ等は、支持層からパターン形成された部材である。また、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂと垂直駆動梁１７０Ａ，１７０Ｂ等は、活性層及びＢＯＸ層、または、活性層からパターン形成された部材である。
図４は実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す要部を拡大した上面側の平面図である。図３の連結梁１４０Ｂ近傍部を拡大した図に相当する。ミラー１１０を支持するミラー支持部１２０に捻れ梁１３０Ｂが接続されている。捻れ梁１３０Ｂには、連結梁１４０Ｂを介して水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂが接続されている。水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂには、水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂが形成されている。連結梁１４０Ｂには圧電センサ１９２が形成されている。
水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂは、ＳＯＩ基板の活性層の表面に、熱酸化膜を介して、下部電極、下層圧電薄膜、中部電極、上層圧電薄膜、及び上部電極を積層して形成されている。ここで、下部電極と上部電極は接地（ＧＮＤ）され、中部電極に水平駆動梁を駆動するための信号が入力される。即ち、下部電極、下層圧電薄膜、及び中部電極が１つの圧電素子を構成し、中部電極、上層圧電薄膜、及び上部電極が他の圧電素子を構成し、これらの圧電素子が並列に接続されている。圧電薄膜が単層の構成である場合、即ち、圧電素子が１つの構成である場合より、水平駆動部の駆動効率を向上させることができる。垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂとしても、同様の構成である。２つの圧電素子を並列接続した構成として駆動効率を向上させることができ、これにより低電圧駆動が可能になり、耐電圧起因の素子破損を抑制し、昇圧ＩＣまたは回路の負担を低減できる。
上記の下部電極、下層圧電薄膜、中部電極、上層圧電薄膜、及び上部電極を積層した構成の圧電素子を圧電センサ１９２として用いると、圧電センサ１９２と水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂ及び垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂを同時に形成することができる。しかし、連結梁１４０Ｂは非常に小さい梁であり、圧電センサ１９２が形成される領域は狭小面Ｓとなっている。狭小面Ｓは、水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂ及び垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂが形成される領域よりも狭い。このため、圧電センサ１９２においては、水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂ及び垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂと同様の配線を行うことが困難である。即ち、下部電極、下層圧電薄膜、及び中部電極からなる圧電素子と、中部電極、上層圧電薄膜、及び上部電極からなる圧電素子を並列に接続することが困難となっている。そこで、下部電極は接地（ＧＮＤ）され、中部電極は非接続（浮遊状態）とされ、上部電極からセンサ信号が取り出される構成として用いられる。即ち、下部電極、下層圧電薄膜、及び中部電極が１つの圧電素子を構成し、中部電極、上層圧電薄膜、及び上部電極が他の圧電素子を構成し、これらの２つの圧電素子が直列に接続されている構成として用いられる。この場合、例えば見かけ上の圧電薄膜の厚さが直列接続していない場合の２倍になっていることから、センサ出力電圧は直列接続していない場合の１／２になっている。
本実施の形態に係る光走査装置においては、圧電センサ１９２として用いられる圧電素子として、下部電極、圧電薄膜、及び上部電極を積層した構成が用いられる。ここで、圧電センサ１９２の上部電極は、上記の２つの圧電素子が直列に接続されている構成における中部電極となる箇所に位置する電極である。圧電センサ１９２の圧電薄膜は、上記の２つの圧電素子が直列に接続されている構成における下層圧電薄膜となる箇所に位置する電極である。２つの圧電素子が直列に接続されている構成と比較して、圧電薄膜の厚さを１／２に薄化することができ、圧電センサの出力を２倍に高めることができる。圧電センサ１９２以外の圧電センサ１９１、１９５、１９６についても同様である。
図５は、実施の形態に係る光走査装置の光走査部のシミュレーションによる応力分布図である。図４中の狭小部Ｓに相当する部分である。シミュレーションは、水平駆動源に所定の駆動電圧を印加して水平駆動しているときの狭小面Ｓに発生する応力を求めた。図５では、グラデーションが濃いほど応力が大きく、薄いほど応力が小さいことを示している。捻れ梁１３０Ｂの部分は応力が大きい。即ち、捻れ梁１３０Ｂから最も離れている角部の応力が最も小さい。圧電センサ１９２の領域は、図５に図示されている中で最も応力が低い部分に準ずる、小さい応力となっていた。
図６は、本実施の形態に係る光走査装置の光走査部を示す断面図である。ＳＯＩ基板１０に形成された、垂直駆動源領域ＲＡ、水平駆動源領域ＲＢ、及び圧電センサ領域ＲＣの圧電素子を示している。ＳＯＩ基板１０のＭＥＭＳ構造は図６には示されていない。垂直駆動源領域ＲＡ、水平駆動源領域ＲＢ、及び圧電センサ領域ＲＣにおいて、ＳＯＩ基板１０の上に、熱酸化膜１１、下部電極１２が形成されている。垂直駆動源領域ＲＡにおいて、下部電極１２の上層に、下層圧電薄膜１３Ａ、中部電極１４Ａ、上層圧電薄膜１５Ａ、上部電極１６Ａ、被覆膜（カウンタ膜）１７Ａが積層されている。上層圧電薄膜１５Ａ、上部電極１６Ａ、被覆膜（カウンタ膜）１７Ａの一部が除去されており、中部電極１４Ａが露出して端子１４ＡＴとして用いられる。下部電極１２と上部電極１６Ａが接地（ＧＮＤ）され、中部電極１４Ａに垂直駆動信号ＶＶが印加される。
水平駆動源領域ＲＢにおいて、下部電極１２の上層に、下層圧電薄膜１３Ｂ、中部電極１４Ｂ、上層圧電薄膜１５Ｂ、上部電極１６Ｂが積層されている。上層圧電薄膜１５Ｂ、上部電極１６Ｂの一部が除去されており、中部電極１４Ｂが露出して端子１４ＢＴとして用いられる。下部電極１２と及び上部電極１６Ｂが接地（ＧＮＤ）され、中部電極１４Ｂに水平駆動信号ＶＨが印加される。
圧電センサ領域ＲＣにおいて、下部電極１２の上層に、圧電薄膜１３Ｃ、上部電極１４Ｃが積層されている。下部電極１２が接地（ＧＮＤ）され、上部電極１４Ｃからセンサ信号ＳＥが出力される。
下層圧電薄膜１３Ａ、１３Ｂ、圧電薄膜１３Ｃ、上層圧電薄膜１５Ａ、１５Ｂとしては、鉛系材料であるＰｂ（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ３（チタン酸ジルコン酸鉛：所謂ＰＺＴ）を用いることができる。この場合、ＰＺＴに、Ｌａ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ３、Ｎｄ２Ｏ５、Ｔａ２Ｏ５、ＷＯ３等の添加物を添加してもよい。また、圧電材料として、例えば、非鉛系材料であるＢａＴｉＯ３系、ＫＮｂＯ３−ＮａＮｂＯ３−ＬｉＮｂＯ３系、（Ｂｉ１／２Ｎａ１／２）ＴｉＯ３系非鉛圧電セラミックス等を用いてもよい。下部電極１２、中部電極１４Ａ、１４Ｂ、上部電極１４Ｃ、上部電極１６Ａ、１６Ｂは、導電材料からなる導電層であり、例えば、ＬａＮｉＯ３／Ｐｔ／ＬａＮｉＯ３をこの順番で積層した積層膜を用いることができる。この場合、各ＬａＮｉＯ３の厚さは、例えば、１０〜１００ｎｍ程度とすることができる。又、Ｐｔの厚さは、例えば、５０〜２００ｎｍ程度とすることができる。これ以外の電極の構成としては、例えば、Ａｕ、Ｐｔ等の金属、ＬａＮｉＯ３、ＳｒＲｕＯ３、ＩｒＯ３等の金属酸化物、これらの組み合わせを挙げることができる。また、被覆膜（カウンタ膜）１７Ａは、ＴｉＷ（チタンタングステン）などからなる。
圧電薄膜は強誘電体であり、圧電薄膜を電極で挟む構造はコンデンサと等価であるため、圧電センサとして用いられる圧電センサの発生電荷Ｑは容量Ｃに比例する。
Ｑ＝ＣＶ （１）
上記の式（１）より、容量が大きいほど発生電荷は大きくなる。一方、発生電荷Ｑは外部からセンサに加わる応力σに比例する。
Ｑ＝ａ×σ （ａは比例定数） （２）
上記の式（１）、（２）から、次式が得られる。
ＣＶ∝σ （３）
上記の式（１）〜（３）より、容量Ｃが大きいか、外部印加応力σが大きいほど発生電荷Ｑが大きく、センサの出力は増加する。センサへの外部印加応力σを大きくすると、素子破損リスクが高くなる。従って、不用意に外部印加応力σを大きくすることはできない。よって、発生電荷Ｑを大きくするためには、容量Ｃを大きくする必要がある。圧電薄膜の誘電率をε、センサの面積をＳ、圧電薄膜の膜厚をｄとすると、容量Ｃは次式のように表される。
Ｃ＝ε×Ｓ／ｄ （４）
上記の式（４）より、容量Ｃを増加させるためには、以下の方法が考えられる。
（Ａ）圧電薄膜の膜材料の誘電率εを高くする。圧電薄膜材料は、駆動源として低電圧・大変位のｄ定数が高い材料を用いるが、一般にｄ定数が高い材料は誘電率εが高く、駆動源と兼用している圧電薄膜では、さらに圧電薄膜材料の誘電率εを高くするのは困難である。
（Ｂ）圧電センサ面積Ｓを大きくする。面積を大きくすることも容量Ｃを大きくする手段である。しかし、センサ面には応力分布があり、小応力部に圧電センサが配されると、面積を大きくすることで圧電センサの歪みが面積内で相殺され、実素子では発生電荷Ｑが期待通りに大きくならない。本実施の形態では、図５に示されるように、圧電センサは小応力部に設けられているので、圧電センサ面積Ｓを大きくして容量Ｃを大きくするのは難しいと考えられる。
（Ｃ）圧電薄膜の厚みｄを小さくする。圧電薄膜の厚みｄは容量Ｃと反比例の関係にあり、圧電薄膜の厚みｄの減少により、容量Ｃが大きくなる。
上記のように、圧電薄膜を圧電センサとして用いる場合、圧電薄膜の厚みｄを薄くすることで容量Ｃが増加し、センサ出力が増加する。これにより、センサ信号のＳ／Ｎ比を改善することができる。本実施の形態の光走査装置の圧電センサにおける圧電薄膜の厚みｄは、２つの圧電素子を直列に接続する場合の１／２に相当する。これにより、容量Ｃは２倍になり、センサ出力を２倍に高め、Ｓ／Ｎ比を改善することができる。
〈光走査装置の製造方法〉
図７は本実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。まず、例えば、垂直駆動源領域ＲＡ、水平駆動源領域ＲＢ、及び圧電センサ領域ＲＣにおいて、ＳＯＩ基板１０の表面に熱酸化膜１１を形成し、熱酸化膜１１の上層に、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition）法により下部電極１２を形成し、さらにＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法により下層圧電薄膜１３を形成する。下層圧電薄膜１３の上層に、ＰＶＤ法により中部電極１４を形成し、さらにＣＳＤ法により上層圧電薄膜１５を形成する。上層圧電薄膜１５の上層に、ＰＶＤ法により上部電極１６と被覆膜（カウンタ膜）１７を形成する。下層圧電薄膜１３、上層圧電薄膜１５はＰＺＴ等の圧電薄膜である。下部電極１２、中部電極１４、上部電極１６は導電材料からなる導電層である。
図８は本実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。例えば、フォトリソグラフィー工程によりフォトレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）等のドライエッチング処理を行うことで、端子１４ＡＴとなる部分を除く垂直駆動源領域ＲＡにおいて被覆膜（カウンタ膜）１７Ａを残して、他の部分の被覆膜（カウンタ膜）１７を除去する。
図９は本実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。例えば、フォトリソグラフィー工程によりフォトレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ等のドライエッチング処理を行うことで、端子１４ＡＴとなる部分を除く垂直駆動源領域ＲＡと端子１４ＢＴを除く水平駆動源領域ＲＢにおいて、上部電極１６Ａ、１６Ｂを残して、他の部分の上部電極１６を除去する。
図１０は本実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。例えば、フォトリソグラフィー工程によりフォトレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ等のドライエッチング処理を行うことで、端子１４ＡＴとなる部分を除く垂直駆動源領域ＲＡと端子１４ＢＴを除く水平駆動源領域ＲＢにおいて、上層圧電薄膜１５Ａ、１５Ｂを残して、他の部分の上層圧電薄膜１５を除去する。
図１１は本実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。例えば、フォトリソグラフィー工程によりフォトレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ等のドライエッチング処理を行うことで、垂直駆動源領域ＲＡ、水平駆動源領域ＲＢ及び圧電センサ領域ＲＣ以外の中部電極１４を除去する。この結果、垂直駆動源領域ＲＡ、水平駆動源領域ＲＢで中部電極１４Ａ、１４Ｂが残される。圧電センサ領域ＲＣでは、上部電極１６と上層圧電薄膜１５は除去されており、残された電極を上部電極１４Ｃと称する。
図１２は本実施の形態に係る光走査装置の光走査部の製造方法の工程の一例を示す断面図である。例えば、フォトリソグラフィー工程によりフォトレジスト膜をパターン形成し、ＲＩＥ等のドライエッチング処理を行うことで、垂直駆動源領域ＲＡ、水平駆動源領域ＲＢ及び圧電センサ領域ＲＣ以外の下層圧電薄膜１３を除去する。この結果、垂直駆動源領域ＲＡ、水平駆動源領域ＲＢで下層圧電薄膜１３Ａ、１３Ｂが残される。圧電センサ領域ＲＣでは、上部電極１６と上層圧電薄膜１５は除去されており、残された下層圧電薄膜を圧電薄膜１３Ｃと称する。
上記のようにして、図６に示される構成の圧電素子を有する光走査装置を製造することができる。上記の光走査装置の製造方法によれば、センサ出力を２倍に高め、Ｓ／Ｎ比を改善することができる光走査装置を製造することができる。圧電センサ領域ＲＣにおいて上層圧電薄膜と上部電極を残して、２つの圧電素子が直列に接続されている構成とする場合と比べて、製造工程を増加させずに実現することができる。
以上、好ましい実施の形態について説明したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。上記の実施の形態では、駆動梁の駆動源として２層の圧電薄膜が積層した積層体を用い、圧電センサとして単層の圧電薄膜を用いているが、これに限定されず、圧電センサの圧電薄膜の層数が駆動源の圧電薄膜の層数より少なければよい。
１０ ＳＯＩ基板
１１ 熱酸化膜
１２ 下部電極
１３、１３Ａ，１３Ｂ 下層圧電薄膜
１３Ｃ 圧電薄膜
１４、１４Ａ，１４Ｂ 中部電極
１４ＡＴ、１４ＢＴ 端子
１４Ｃ 上部電極
１５、１５Ａ、１５Ｂ 上層圧電薄膜
１６，１６Ａ、１６Ｂ 上部電極
１７、１７Ａ 被覆膜（カウンタ膜）
１００ 光走査部
１１０ ミラー
１２０ ミラー支持部
１２２ スリット
１３０Ａ、１３０Ｂ 捻れ梁
１４０Ａ、１４０Ｂ 連結梁
１５０Ａ、１５０Ｂ 水平駆動梁
１５１Ａ、１５１Ｂ 水平駆動源
１６０ 可動枠
１６１ ミラー支持体
１７０Ａ、１７０Ｂ 垂直駆動梁
１７１Ａ、１７１Ｂ 垂直駆動源
１７１Ａ１、１７１Ａ２、１７１Ａ３、１７１Ａ４、１７１Ａ５、１７１Ａ６ 垂直駆動源
１７１Ｂ１、１７１Ｂ２、１７１Ｂ３，１７１Ｂ４，１７１Ｂ５，１７１Ｂ６ 垂直駆動源
１７１Ｘ１、１７１Ｘ２、１７１Ｘ３、１７１Ｘ４、１７１Ｘ５ 折り返し部
１７１Ｙ１、１７１Ｙ２、１７１Ｙ３、１７１Ｙ４、１７１Ｙ５ 折り返し部
１８０ 固定枠
１９０Ａ、１９０Ｂ 端子群
１９１、１９２、１９５、１９６ 圧電センサ
２００ セラミックパッケージ
３００ パッケージカバー
３００Ａ 開口部
１０００ 光走査装置

Claims (9)

  1. 光反射面を有するミラーと、
    前記ミラーを支持するミラー支持部と、
    前記ミラー支持部の両側に配置されて前記ミラー支持部を揺動可能に接続される一対の駆動梁と、
    前記駆動梁に設けられ、複数の圧電薄膜の積層体を含み、前記ミラー支持部を揺動させる駆動源と、
    前記駆動梁あるいは前記駆動源に連結する連結梁に形成され、前記複数の圧電薄膜より少ない層数の圧電薄膜を含む圧電センサと
    を有する光走査装置。
  2. 前記ミラー支持部の外周に設けられた可動枠と、
    前記ミラー支持部に接続されて前記ミラー支持部を揺動可能にする捻れ梁と、をさらに有し、
    前記駆動梁として、前記ミラー支持部の両側に配置されて前記可動枠の内周に接続し、かつ、連結梁を介して前記捻れ梁に接続された一対の第１の駆動梁を有し、
    前記圧電センサとして、前記連結梁に形成された第１の圧電センサを有する
    請求項１に記載の光走査装置。
  3. 前記ミラー支持部の外周に設けられた可動枠を有し、
    前記駆動梁として、前記ミラー支持部の両側に配置されて前記可動枠の外周及び固定枠に接続された一対の第２の駆動梁を有し、
    前記圧電センサとして、前記第２の駆動梁に形成された第２の圧電センサを有する
    請求項１に記載の光走査装置。
  4. 前記駆動梁として、前記ミラー支持部の両側に配置されて前記可動枠の外周及び固定枠に接続された一対の第２の駆動梁を有し、
    前記圧電センサとして、前記第２の駆動梁に形成された第２の圧電センサを有する
    請求項２に記載の光走査装置。
  5. 前記第２の駆動梁は、所定の軸に垂直な方向に延在する複数の梁を有し、隣接する前記梁の端部同士が連結されて全体としてジグザグ状の形状である
    請求項４に記載の光走査装置。
  6. 光反射面を有するミラーと、前記ミラーを支持するミラー支持部と、前記ミラー支持部の両側に配置されて前記ミラー支持部を揺動可能に接続される一対の駆動梁と、前記駆動梁に設けられ、複数の圧電薄膜の積層体を含み、前記ミラー支持部を揺動させる駆動源と、前記駆動梁あるいは前記駆動源に連結する連結梁に形成され、前記複数の圧電薄膜より少ない層数の圧電薄膜を含む圧電センサとを有する光走査装置を製造するために、
    支持層、埋め込み層及び活性層を有するＳＯＩ基板の駆動源形成領域及び圧電センサ形成領域において、第１導電層、第１圧電薄膜、第２導電層、第２圧電薄膜、及び第３導電層を、順に積層する工程と、
    前記圧電センサ形成領域において、前記第３導電層及び前記第２圧電薄膜を除去して、前記第１導電層、前記第１圧電薄膜、及び前記第２導電層が積層してなる圧電センサを形成する工程と、
    前記駆動源形成領域において、前記駆動源形成領域の一部における前記第３導電層及び前記第２圧電薄膜を除去して駆動源端子を形成し、第１導電層、第１圧電薄膜、第２導電層、第２圧電薄膜、及び第３導電層が積層してなる駆動源を形成する工程と
    を有する光走査装置の製造方法。
  7. 前記光走査装置が、前記ミラー支持部の外周に設けられた可動枠と、前記ミラー支持部に接続されて前記ミラー支持部を揺動可能にする捻れ梁と、をさらに有し、前記駆動梁として、前記ミラー支持部の両側に配置されて前記可動枠の内周に接続し、かつ、連結梁を介して前記捻れ梁に接続された一対の第１の駆動梁を有し、
    前記圧電センサ形成領域において、前記第３導電層及び前記第２圧電薄膜を除去して、前記第１導電層、前記第１圧電薄膜、及び前記第２導電層が積層してなる圧電センサを形成する工程により、前記連結梁に第１の圧電センサを形成する
    請求項６に記載の光走査装置の製造方法。
  8. 前記光走査装置が、前記ミラー支持部の外周に設けられた可動枠を有し、前記駆動梁として、前記ミラー支持部の両側に配置されて前記可動枠の外周及び固定枠に接続された一対の第２の駆動梁を有し、
    前記圧電センサ形成領域において、前記第３導電層及び前記第２圧電薄膜を除去して、前記第１導電層、前記第１圧電薄膜、及び前記第２導電層が積層してなる圧電センサを形成する工程により、前記第２の駆動梁に第２の圧電センサを形成する
    請求項６に記載の光走査装置の製造方法。
  9. 前記光走査装置が、前記駆動梁として、前記ミラー支持部の両側に配置されて前記可動枠の外周及び固定枠に接続された一対の第２の駆動梁を有し、
    前記圧電センサ形成領域において、前記第３導電層及び前記第２圧電薄膜を除去して、前記第１導電層、前記第１圧電薄膜、及び前記第２導電層が積層してなる圧電センサを形成する工程により、前記第２の駆動梁に第２の圧電センサを形成する
    請求項７に記載の光走査装置の製造方法。
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