JP4926596B2 - 光偏向器及びその製造方法 - Google Patents
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Description
前記複数の圧電カンチレバーの少なくとも1つは、前記上部電極層の上に設けた絶縁膜と、該絶縁膜の上に設けた電極配線とを有し、該電極配線は当該圧電カンチレバーとは別の圧電カンチレバーの圧電膜上の上部電極層と接続していることを特徴とする。
また、例えば、各圧電カンチレバーの長さ方向が異なるように連結すると、圧電アクチュエータから、各圧電カンチレバーで発生する出力がベクトルとして合成された複数の方向成分を有する出力が得られる。よって、複数の圧電カンチレバーの圧電膜にそれぞれ駆動電圧を印加して、各圧電カンチレバーの屈曲変形を独立に制御することにより、各方向成分を独立に制御して多様な方向の出力を得ることができる。
また、複数の電極は夫々、圧電膜の上面に設けた上部電極層と、前記圧電膜と前記支持体との間に設けた下部電極層とを有し、複数の圧電カンチレバーの少なくとも1つは、前記上部電極層の上に設けた絶縁膜と、該絶縁膜上で当該圧電カンチレバーとは別の圧電カンチレバーの圧電膜上の上部電極層と接続している電極配線とを有するので、電極配線を介して駆動電圧を印加することにより、所定の圧電カンチレバーを屈曲変形させることができる。このとき、電極配線は、上部電極層と圧電膜との2層を形状加工することによって、所定の圧電カンチレバーの上部電極とのみ導通するように他の圧電カンチレバーの上部電極と分離して形成されると共に、電極配線の下層の圧電膜により、下部電極との間で電気的に絶縁(上部電極層と下部電極層との層間絶縁)されるように形成することができる。
よって、上部電極及び圧電体を形成するための上部電極層及び圧電膜を利用して、電極配線用に別の材料を用いることなく、電極配線パターンを形成することができる。しかも、上部電極及び圧電体を形成する際に同時に形成することができるので、別の工程が必要なく簡易な処理で電極配線パターンを形成することができる。
また、層間絶縁膜の開口と上部電極用の電極パッドとを結ぶ上部電極配線を層間絶縁膜の上部に形成するようにしたので、各圧電カンチレバーに対する配線電極を成膜によって設けることができる。
図1に示すように、第1実施形態の光偏向器11は、入射された光を反射するミラー部12と、ミラー部12を駆動する圧電アクチュエータ1と、圧電アクチュエータ1を支持する台座10とを備えている。ミラー部12は矩形形状で、その一辺が圧電アクチュエータ1の先端部a1に連結され、この圧電アクチュエータ1は、その基端部b0が台座10により支持されている。
[第2実施形態]
図3に示すように、第2実施形態の光偏向器123は、入射された光を反射するミラー部124と、ミラー部124を駆動する2つの圧電アクチュエータ112,113と、圧電アクチュエータ112,113を支持する台座122とを備えている。
(1)第1例
図4に、光偏向器123に使用される圧電アクチュエータの第1例として、圧電アクチュエータ41を示す。圧電アクチュエータ41は、4つの圧電カンチレバー42A〜42Dを備えている。また、圧電アクチュエータ41は、圧電カンチレバー42A,42Cに駆動電圧を印加するための第1上部電極47と、圧電カンチレバー42B,42Dに駆動電圧を印加するための第2上部電極48と、第1,第2上部電極47,48の共通の下部電極として用いられる共通下部電極51とを備えている。なお、第1例の圧電アクチュエータ41の基本的な構成は、第1実施形態の圧電アクチュエータ1と同じであるので、詳細な説明は第1実施形態を参照して省略する。
(2)第2例
図6に、光偏向器21に使用される圧電アクチュエータの第2例として、圧電アクチュエータ61を示す。圧電アクチュエータ61は、第1例の圧電アクチュエータ41と同様に、4つの圧電カンチレバー62A〜62Dが連結されたものである。図6には、圧電アクチュエータ61の圧電カンチレバー62A〜62Dの部分が示されている。また、図7には、図6の領域IIの拡大図が示されている。圧電アクチュエータ61は、第1例の圧電アクチュエータ41と基本的な構成は同じで、4つの圧電カンチレバー42A〜42Dの支持体43A〜43Dに係る構成が若干異なるものである。以下の説明では、第1例の圧電アクチュエータ41と同一の構成については第1例と同一の参照符号を用いて説明を省略する。
(3)第3例
図8に、光偏向器21に使用される圧電アクチュエータの第3例として、圧電アクチュエータ71を示す。圧電アクチュエータ71は、第2例の圧電アクチュエータ61において、上部電極層と下部電極層との間で絶縁するための層間絶縁膜を備えたものである。図8には、圧電アクチュエータ71の圧電カンチレバー72A〜72Dの上面図が示されている。また、図9には、図8の圧電アクチュエータ71の斜視図が示されている。この図では、説明のために層間絶縁膜73及び第1,第2上部電極配線76a,76b,77a,77bを分離して図示しているが、実際には、支持体43上に順次重ねられている。なお、以下の説明では、第2例の圧電アクチュエータ61と同一の構成については、同一の参照符号を用いて説明を省略する。
(4)第4例
図11に、光偏向器21に使用される圧電アクチュエータの第4例として、圧電アクチュエータ70を示す。この圧電アクチュエータ70は、第1例の圧電アクチュエータ41において、第3例の圧電アクチュエータ71と同様に、上部電極層と下部電極層との間で絶縁するための層間絶縁膜を備えたものである。図11には、圧電アクチュエータ70の上面図が示されている。なお、以下の説明では、第1例,第3例の圧電アクチュエータ41,71と同一の構成については、同一の参照符号を用いて説明を省略する。
[第3実施形態]
図12に示すように、第3実施形態の光偏向器141は、入射された光を反射するミラー部142と、ミラー部142を駆動する1対の圧電アクチュエータ145,146と、1対の圧電アクチュエータ145,146を支持する台座153とを備えている。
[第4実施形態]
図14に示すように、第4実施形態の光偏向器161は、入射された光を反射するミラー部162と、ミラー部162を駆動する2対の圧電アクチュエータ163〜166と、これらの圧電アクチュエータ163〜166を支持する可動枠171、台座174とを備えている。なお、本実施形態の光偏向器161は、第3実施形態のミラー部142、1対の圧電アクチュエータ145,146を一体的に回転させるための、もう1対の圧電アクチュエータを備えたものである。
[第5実施形態]
図16示すように、第5実施形態の光偏向器181は、入射された光を反射するミラー部182と、ミラー部182をそれぞれトーションバー193a,193bを介して駆動する内側の2対の第2の圧電アクチュエータ183〜186と、これらの第2の圧電アクチュエータ183〜186を支持する可動枠194と、可動枠194を駆動する外側の1対の圧電アクチュエータ187,188と、これらの圧電アクチュエータ187,188を支持する台座197とを備えている。なお、本実施形態は、第4実施形態の光偏向器161において、内側の1対の圧電アクチュエータ163,164の代わりに、2対の第2の圧電アクチュエータ183〜186を備えたものである。
[第6実施形態]
図19示すように、第6実施形態の光偏向器201は、入射された光を反射するミラー部202と、ミラー部202をトーションバー211a,211bを介して駆動する1対の第2の圧電アクチュエータ203,204と、これらの第2の圧電アクチュエータ203,204を支持する可動枠212と、可動枠212を駆動する1対の圧電アクチュエータ205,206と、これらの圧電アクチュエータ205,206を支持する台座215とを備えている。
[第4実施形態の光偏向器の使用例]
図24には、第4実施形態の光偏向器161を複数組み合わせて構成した光偏向器アレイ223と、この光偏向器アレイ223を使用した光スイッチ221を示す。
[第7実施形態]
図25には、第7実施形態における光偏向器の製造方法を示す。この製造方法では、
第5実施形態において前記第1例の圧電アクチュエータ41を使用した場合の光偏向器181が製造される。なお、図25(a)〜(e),図26(f)〜(h)は、光偏向器181の断面を模式的に示している。
[第8実施形態]
図27には、第8実施形態における光偏向器の製造方法を示す。この製造方法では、
第5実施形態において前記第4例の圧電アクチュエータ70を使用した場合の光偏向器181が製造される。なお、図27(a)〜(e),図28(f)〜(j)は、光偏向器181の断面を模式的に示している。
[第9実施形態]
図29に、第9実施形態の光偏向器241を示す。この光偏向器241は、第4実施形態の光偏向器161(図14)に対しミラー部の構成のみ相違するものである。以下では、第4実施形態の光偏向器161と同一の構成については、同一の参照符号を付して説明は省略する。
41…圧電アクチュエータ、42A〜42D…圧電カンチレバー、43,43A〜43D…支持体、44A〜44D…下部電極、45A〜45D…圧電体、46A〜46D…上部電極、47…第1上部電極,48…第2上部電極、49B,49D…第1上部電極配線、50C…第2上部電極配線、51…共通下部電極、52…台座、
61…圧電アクチュエータ、62A〜62D…圧電カンチレバー、64A〜64D…直線部、65A〜65D,66A〜66D…連結部、67a,67b…第1上部電極配線、68a,68b…第2上部電極配線、
70…圧電アクチュエータ、71…圧電アクチュエータ、72A〜72D…圧電カンチレバー、73…層間絶縁膜、74a〜74c…第1開口部、75a〜75c…第2開口部、76a,76b…第1上部電極配線、77a,77b…第2上部電極配線、
112,113…圧電アクチュエータ、112A〜112D,113A〜113D…圧電カンチレバー、118,119,120,121…支持体、116,117…電極セット、116a,117a…第1上部電極、116b,117b…第2上部電極、116c,117c…共通下部電極、122…台座、123…光偏向器、124…ミラー部、125…ミラー部支持体、126…ミラー面反射膜、
131…圧電アクチュエータ、132A…圧電カンチレバー、133,133A…支持体、134,134A…下部電極、135A…圧電体、136,136A…上部電極、137…台座、
141…光偏向器、142…ミラー部、143…ミラー部支持体、144…ミラー面反射膜、145,146…圧電アクチュエータ、145A〜145D,146A〜146D…圧電カンチレバー、147,148,149…支持体、151,152…電極セット、151a,152a…第1上部電極、151b,152b…第2上部電極、151c,152c…共通下部電極、153…台座、
161…光偏向器、162…ミラー部、163〜166…圧電アクチュエータ、167〜170…電極セット、171…可動枠、173…支持体基端部、174…台座、175…画像表示装置、176…レーザ光源、177…ディスプレイ、
181…光偏向器、182…ミラー部、183〜186…第2の圧電アクチュエータ、187,188…圧電アクチュエータ、189,190…内側用電極セット、191,192…外側用電極セット、193a,193b…トーションバー、194…可動枠、196…支持体基端部、197…台座、198…画像表示装置、199…レーザ光源、200…ディスプレイ、
201…光偏向器、202…ミラー部、203,204…第2の圧電アクチュエータ、205,206…圧電アクチュエータ、207a,208a…第1上部電極、207b,207b…第2上部電極、207c,208c…内側用上部電極、207d,208d…共通下部電極、209a,210a…第1上部電極配線、209b,210b…第2上部電極配線、209c,210c…内側用上部電極配線、209d,210d…共通下部電極、211a,211b…トーションバー、212…可動枠、214…支持体基端部、215…台座、216…画像表示装置、217…レーザ光源、218…ハーフミラー、219…ディスプレイ、
221…光スイッチ、223…光偏向器アレイ、224…入力光ファイバ、225…出力光ファイバ、
231…SOI基板、231a…活性層、231b…中間酸化膜層、231c…ハンドリング層、232a,232b…熱酸化シリコン膜、233…下部電極層、234…圧電体層、235…上部電極層、236…反射膜、237…絶縁膜、238…電極配線層、
241…光偏向器、242…ミラー部、243…ミラー部支持体、244…ミラー固定ロッド、245…ミラー。
Claims (13)
- 反射面を有するミラー部と、該ミラー部を駆動する少なくとも1つの圧電アクチュエータとを備えて構成される光偏向器において、
前記圧電アクチュエータは、1枚の支持体及び該支持体上に形成された圧電膜を有し圧電駆動により屈曲変形を行う複数の圧電カンチレバーを含むと共に、該複数の圧電カンチレバーの圧電膜にそれぞれ駆動電圧を印加するための複数の電極を独立に備え、
前記複数の圧電カンチレバーは、各々の屈曲変形を累積するように前記支持体上で端部が機械的に連結されると共に、前記圧電膜が各圧電カンチレバーにそれぞれ独立して設けられ、
前記駆動電圧の印加により各圧電カンチレバーが独立に屈曲変形され、
前記複数の電極は夫々、前記圧電膜の上面に設けた上部電極層と、前記圧電膜と前記支持体との間に設けた下部電極層とを有し、
前記複数の圧電カンチレバーの少なくとも1つは、前記上部電極層の上に設けた絶縁膜と、該絶縁膜の上に設けた電極配線とを有し、該電極配線は当該圧電カンチレバーとは別の圧電カンチレバーの圧電膜上の上部電極層と接続していることを特徴とする光偏向器。 - 請求項1記載の光偏向器において、前記複数の圧電カンチレバーは各々の両端部が隣り合うように並んで配置されて、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように機械的に連結され、
前記複数の電極は、前記隣り合う圧電カンチレバーの圧電体に互いに異なる駆動電圧を印加するための2つの独立した電極であり、
前記駆動電圧の印加により前記隣り合う圧電カンチレバーが互いに逆方向に屈曲変形されることを特徴とする光偏向器。 - 請求項1又は2記載の光偏向器において、前記圧電アクチュエータは、前記ミラー部を挟んで対向するように1対配置され、各圧電アクチュエータの一端が前記ミラー部に連結され、該ミラー部は、該1対の圧電アクチュエータにより第1の軸周りで駆動されることを特徴とする光偏向器。
- 請求項1又は2記載の光偏向器において、
前記ミラー部を囲むように設けられた可動枠と、該可動枠を囲むように設けられた台座とを備え、
前記圧電アクチュエータは、前記ミラー部を挟んで対向するように1対配置され、各圧電アクチュエータの一端が前記ミラー部に連結され、他端は前記可動枠の内側に連結されて支持され、更に別の1対の圧電アクチュエータが、該1対の圧電アクチュエータと異なる方向に該ミラー部及び該可動枠を挟んで対向するように配置され、各圧電アクチュエータの一端が前記可動枠の外側に連結され、他端は前記台座に支持され、
前記ミラー部は、前記1対の圧電アクチュエータにより第1の軸周りで駆動されると共に、前記別の1対の圧電アクチュエータにより駆動される前記可動枠を介して該第1の軸周りと異なる第2の軸周りで駆動されることを特徴とする光偏向器。 - 請求項1〜4のいずれか記載の光偏向器において、前記圧電カンチレバーの圧電体に印加される駆動電圧は直流電圧であることを特徴とする光偏向器。
- 請求項1又は2記載の光偏向器において、前記圧電アクチュエータに加えて、支持体上に形成された圧電体と該圧電体に駆動電圧を印加するための電極とを有して、圧電駆動により屈曲変形を行う1つの圧電カンチレバーを含む第2の圧電アクチュエータを備えることを特徴とする光偏向器。
- 請求項6記載の光偏向器において、前記ミラー部を囲むように設けられた可動枠と、該可動枠を囲むように設けられた台座とを備え、
前記第2の圧電アクチュエータは、前記ミラー部と該ミラー部の両端から外側に伸びた1対のトーションバーとを挟んで対向するように1対又は2対配置され、各第2の圧電アクチュエータの少なくとも一端が該1対のトーションバーに連結され、他端は該可動枠の内側に連結されて支持され、
前記圧電アクチュエータは、前記1対のトーションバーと異なる方向に前記ミラー部及び可動枠を挟んで対向するように1対配置され、各圧電アクチュエータの一端が該可動枠の外側に連結され、他端は前記台座に支持され、
前記ミラー部は、前記1対又は2対の第2の圧電アクチュエータにより第1の軸周りで駆動されると共に、前記1対の圧電アクチュエータにより駆動される前記可動枠を介して該第1の軸周りと異なる第2の軸周りで駆動されることを特徴とする光偏向器。 - 請求項7記載の光偏向器において、前記圧電カンチレバーの圧電体に印加される駆動電圧は交流電圧であることを特徴とする光偏向器。
- 請求項8記載の光偏向器において、前記1対又は2対の第2の圧電アクチュエータのうちの、前記トーションバーの一方の側の圧電アクチュエータの圧電カンチレバーの圧電体に印加される交流電圧と、該トーションバーの他方の側の圧電アクチュエータの圧電カンチレバーの圧電体に印加される交流電圧とは、互いに180度位相が異なることを特徴とする光偏向器。
- 請求項1記載の光偏向器において、前記ミラー部は、前記1枚の支持体上に設けられていることを特徴とする光偏向器。
- 請求項1記載の光偏向器において、前記複数の電極は夫々、前記圧電体の上面に設けた上部電極層と、前記圧電体と前記支持体との間に設けた下部電極層とを有し、各下部電極層は、前記複数の圧電カンチレバーを介して互いに導通していることを特徴とする光偏向器。
- 請求項1記載の光偏向器において、前記絶縁膜は開口部を有し、前記少なくとも1つの圧電カンチレバーの上部電極層と該絶縁膜上の電極配線とが、該開口部を通って接続していることを特徴とする光偏向器。
- 反射面を有するミラー部と、該ミラー部を駆動する複数の圧電アクチュエータとを有し、該圧電アクチュエータは、各々が支持体及び該支持体上に形成された圧電体を有し圧電駆動により屈曲変形を行う1又は複数の圧電カンチレバーを備えた光偏向器の製造方法において、
半導体基板上に金属薄膜からなる下部電極層を形成する下部電極層形成ステップと、
前記下部電極層上に単層の圧電膜を形成する圧電体層形成ステップと、
前記圧電膜上に金属薄膜からなる上部電極層を形成する上部電極層形成ステップと、
前記下部電極層と前記圧電膜と前記上部電極層との形状を加工して、前記圧電アクチュエータの圧電カンチレバーの圧電体と、該圧電体に駆動電圧を印加するための上部電極及び下部電極とを形成すると共に、前記ミラー部の反射面を形成する部分の前記下部電極層と前記圧電膜と前記上部電極層とを除去する形成加工ステップと、
前記上部電極層上で部分的に開口した層間絶縁膜を形成する絶縁膜形成ステップと、
前記開口と上部電極用の電極パッドとを結ぶ上部電極配線を前記層間絶縁膜の上部に形成する電極配線形成ステップと、
前記形成加工ステップで前記下部電極層と前記圧電膜と前記上部電極層とが除去された部分を覆うように金属薄膜を成膜し、該金属薄膜を形状加工することにより前記ミラー部の反射面を形成する反射面形成ステップと、
前記下部電極層と前記圧電膜と前記上部電極層と前記反射面とが形成された前記半導体基板を加工して、少なくとも前記ミラー部と前記複数の圧電カンチレバーの支持体とを一体的に形成する支持体形成ステップとを含み、
前記圧電膜は、前記複数の圧電カンチレバーにそれぞれ独立して設けられることを特徴とする光偏向器の製造方法。
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