JP4984117B2 - ２次元光スキャナ、それを用いた光学装置および２次元光スキャナの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、スキャナおよびそれを用いた光学装置に関し、特に２次元光スキャナ、それを用いた光学装置および２次元光スキャナの製造方法に関する。

レーザ光等の光ビームを走査する装置（光スキャナ）は、バーコードリーダー、レーザプリンタ等の光学機器に用いられている。現在、光スキャナの小型化、より正確な動作等が求められている。

特開２００５−１４８４５９号公報には、マイクロマシニングプロセスによって一体形成可能であると共に、空洞部を持つ支持体の内側に、ミラー部と内部可動枠といった可動部を備え、トーションバーを介して支持され、ミラー部と内部可動枠とを２軸で揺動させて二次元走査する光スキャナおよびそれを用いた光学装置が提案されている。

特開２００５−１４８４５９号公報

光スキャナに求められる性能として、ミラー部の稼動スピードや偏向角が挙げられる。これらは、光スキャナを用いる光学機器の仕様によって決まってくる。ラインスキャン方式による画像形成には、遅い走査と速い走査の組み合わせが必要であるため、各軸を駆動する際に印加する交流電圧の周波数比をより大きくすることが求められている。

周波数比を大きくするためには、ミラー部、内部可動枠といった可動部の密度や、幅、長さ、厚みといった形状、トーションバーの形状等を適宜設計する必要がある。

一般的にマイクロマシンで使われているアクチュエータ方式として、静電アクチュエータや電磁アクチュエータがある。これらの方式は、発生するエネルギーが小さく、重いものを動かすことは困難である。そのため、ミラー部の質量を軽くする設計を行うことがある。

しかし、光スキャナを用いる光学機器の光源によって、ミラー部の大きさは決まってくるため、ミラー部の小型化には限りがある。

また、周波数比を大きくするために内部可動枠の長さ、幅といったサイズを大きくすると、駆動時のエアダンピング効果が増大し、偏向角が減少するといった不具合が起きる。このようなことが起きないように、動作安定性の向上も求められている。

これらのことを満足するようにミラー等可動部の設計は行われるため、可動部の設計の自由度はあまり大きくない。

本発明の目的は、２つの駆動電圧の周波数比が高く、動作安定性が高い２次元光スキャナ、それを用いた光学装置および２次元光スキャナの製造方法を提供することである。

本発明の一観点によれば、共通基板と該共通基板上に形成された反射膜とを有するミラー部と、前記共通基板とその下に接続された構造体とを含んで形成され、前記ミラー部を内包する開口を有する内部可動枠と、前記共通基板とその下に接続されたベース層とを含んで形成され、前記内部可動枠を内包する開口を有する支持体と、前記共通基板を含んで形成され、第１の軸上で前記ミラー部を回動可能に支持する一対の第１のトーションバーと、前記第１のトーションバー両側に接続され、前記第１のトーションバー両側に圧電素子を有し、前記第１のトーションバーに回動トルクを印加する第１の圧電振動板とを含み、前記ミラー部と前記内部可動枠とを連結する第１の連結部と、前記共通基板を含んで形成され、前記第１の軸と交差する第２の軸上で前記内部可動枠を回動可能に支持する一対の第２のトーションバーと、前記第２のトーションバー両側に接続され、前記第２のトーションバー両側に圧電素子を有し、前記第２のトーションバーに回動トルクを印加する第２の圧電振動板とを含み、前記内部可動枠と前記支持体とを連結する第２の連結部とを有する２次元光スキャナが提供される。

本発明の他の観点によれば、共通基板と該共通基板上に形成された反射膜とを有するミラー部と、前記共通基板とその下に接続された構造体とを含んで形成され、前記ミラー部を内包する開口を有する内部可動枠と、前記共通基板とその下に接続されたベース層とを含んで形成され、前記内部可動枠を内包する開口を有する支持体と、前記共通基板を含んで形成され、第１の軸上で前記ミラー部を回動可能に支持する一対の第１のトーションバーと、前記第１のトーションバー両側に接続され、その表面上に圧電素子を有し、前記第１のトーションバーに回動トルクを印加する第１の圧電振動板とを含み、前記ミラー部と前記内部可動枠とを連結する第１の連結部と、前記共通基板を含んで形成され、前記第１の軸と交差する第２の軸上で前記内部可動枠を回動可能に支持する一対の第２のトーションバーと、前記第２のトーションバー両側に接続され、その表面上に圧電素子を有し、前記第２のトーションバーに回動トルクを印加する第２の圧電振動板とを含み、前記内部可動枠と前記支持体とを連結する第２の連結部とを有する２次元光スキャナの製造方法であって、前記構造体および前記支持体を形成するために、支持体作製用マスクおよび構造体作製用マスクをエッチングマスクとして、前記共通基板の下に接続されたベース層をエッチングする工程と、前記支持体作製用マスクをエッチングマスクとして前記ベース層をエッチングする工程とを含む２次元光スキャナの製造方法が提供される。

内部可動枠の下部に構造体を設けたことにより、内部可動枠の共振周波数を調整できる。また、内部可動枠の剛性および慣性質量が上がり、機械的強度および動作安定性が向上する。

図１を参照して、第１の実施例による２次元光スキャナ１０１について説明する。図１に、２次元光スキャナ１０１の斜視図を示す。図１に示すように、２次元スキャナ１０１には、中央に矩形のミラー部が形成されている。ミラー部は、表面に酸化膜が形成されたシリコン（Ｓｉ）層からなる可動基板３と、その上部に形成された金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜による反射膜３ｍとを含んで構成されている。反射膜３ｍは、入射光の反射率を高める。

一対の第１のトーションバー４ａ、４ｂが、ミラー部を通過するひとつの軸上に配置され、可動基板３を各々の一端で軸支する。第１のトーションバー４ａ、４ｂの他端には、ミラー部を囲む矩形枠状の内部可動枠２が接続されている。

第１の圧電振動板５ａ、５ｄ（および５ｂ、５ｃ）が、内部可動枠２の第１のトーションバーと平行な辺２Ｌと第１のトーションバー４ａ（および４ｂ）とを接続する。第１の振動板５ａ、５ｄ（および５ｂ、５ｃ）の表面上で、第１のトーションバー４ａ（および４ｂ）の両側には、圧電素子８ａ、８ｄ（および８ｂ、８ｃ）がそれぞれ積層されている。図１中の構成では、圧電素子８ａ〜８ｄは、第１の圧電振動板の表面から内部可動枠２の表面の一部にかけて形成されており、内部可動枠２の表面上に引き出し電極を有している。

第１のトーションバー４ａ、４ｂと軸方向が交差する一対の第２のトーションバー６ａ、６ｂが、各々の一端で内部可動枠２を軸支する。図１中の構成では、第１のトーションバーと第２のトーションバーは直交する。

矩形開口を有する支持体１が、第２のトーションバーの６ａ、６ｂの他端に接続され、内部可動枠２を囲む。

第２の圧電振動板７ａ、７ｄ（および７ｂ、７ｃ）が、支持体１の第２のトーションバーと平行な辺１Ｌと第２のトーションバー６ａ（および６ｂ）とを接続する。第２の圧電振動板７ａ（および７ｂ）の表面上で、第２のトーションバー６ａ（および６ｂ）の両側には、圧電素子９ａ、９ｄ（および９ｂ、９ｃ）がそれぞれ積層されている。図１中の構成では、圧電素子９ａ〜９ｄは、第２の圧電振動板の表面から支持体１の表面の一部にかけて形成されており、支持体１の表面上に引き出し電極を有している。

これらの、内部可動枠２、可動基板３、第１のトーションバー４ａ、４ｂ、第１の圧電振動板５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、第２のトーションバー６ａ、６ｂ、第２の圧電振動板７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、表面に酸化膜を有するシリコンからなる共通基板をエッチング加工することにより形成されている。また、この加工の際に、ミラー部および内部可動枠２が所定の角度で揺動するのに支障のないような空隙も形成される。上記の各構成要素２、３、４ａ、４ｂ、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、６ａ、６ｂ、７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄは、支持体１の厚さに比べて薄くなっており、曲げ変形及び捩れ変形が容易にできる構造になっている。ただし、内部可動枠２は、共通基板の下にＳｉからなる構造体２Ｍが形成されており、機械的な剛性を向上させている。この構造体２Ｍは厚さの調整が可能である。

２次元スキャナ１０１の構成を言い換えて説明する。２次元スキャナ１０１は、中央に矩形のミラー部が配置され、ミラー部を囲んで矩形枠状の内部可動枠２が配置される。内部可動枠２の外側にさらに内部可動枠２を囲む矩形枠状の支持体１が配置される。一対の第１のトーションバー４ａ、４ｂが第１の軸上でミラー部と内部可動枠２とを接続し、第２のトーションバー６ａ、６ｂが内部可動枠２と支持体１とを第１の軸と交差する第２の軸上で接続する。第１の圧電振動板５ａ〜５ｄが、第１のトーションバーと、内部可動枠２中の第１のトーションバーと平行な辺とを接続する。第２の圧電振動板５ａ〜５ｄが、第２のトーションバーと、支持体１中の第２のトーションバーと平行な辺とを接続する。第１および第２の圧電振動板の表面には圧電素子８ａ〜８ｄおよび９ａ〜９ｄが形成されている。なお、第１のトーションバー、第１の圧電振動板および圧電素子８ａ〜８ｄをまとめて第１の連結部と呼び、第２のトーションバー、第２の圧電振動板および圧電素子９ａ〜９ｄをまとめて第２の連結部と呼ぶ。

図２に、図１の一点鎖線Ａ１−Ａ１における断面図を示し、第１の実施例における２次元光スキャナの製造方法について説明する。

図２（Ａ）に示すように、母体となる基板として、単結晶シリコン層（トップ層）１ｂ／酸化シリコン層（中間酸化膜層）１ｃ／単結晶シリコン層（ベース層）１ｄの張り合わせ基板であるＳＯＩ基板を用いる。各層の厚さはそれぞれ６０μｍ／２μｍ／４５０μｍであり、前記トップ層の表面は光学研磨処理が施されている。

図２（Ａ）に示すように、まず、ＳＯＩ基板の単結晶シリコン層１ｂの表面に、拡散炉によって厚さ５００〜１０００ｎｍの熱酸化シリコン膜１ａを形成する。なお、トップ層１ｂと熱酸化シリコン膜１ａを併せて共通基板１ｃｏｍと定義する。

図２（Ａ）に示すように、熱酸化シリコン膜１ａの表面にスパッタ法によって、まず密着層としてのチタン（Ｔｉ）を厚さ５０ｎｍ成膜する。次に白金（Ｐｔ）を厚さ１５０ｎｍ成膜し、下部電極１０ｍ１を形成する。

図２（Ａ）に示すように、反応性アーク放電イオンプレーティング法（持開２００１−２３４３３１、特開２００２−１７７７６５、及び特開２００３−８１６９４号公報「発明を実施するための最良の形態」参照）によって圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の膜を厚さ３μｍで下部電極１０ｍ１上に成膜し、圧電膜１０ｐを形成する。その後、スパッタ法によってＰｔを厚さ１５０ｎｍで圧電膜１０ｐ上に成膜して上部電極１０ｍ２を形成する。

続いて、図２（Ｂ−１）に示すように、フォトリソグラフィー技術およびドライエッチング技術により、上部電極１０ｍ２、圧電膜１０ｐ、下部電極１０ｍ１のパターンニングを行い、圧電素子８ｃおよび８ｄを形成する。

図２（Ｂ−１）に示すように、ＡｕあるいはＡｌをスパッタ成膜し、フォトリソグラフィー技術とドライエッチング技術により、反射膜３ｍを形成する。

図２（Ｂ−２）に、図２（Ｂ−１）に示す段階での２次元光スキャナ１０１の平面図を示す。図２（Ｂ−２）に示すように、圧電素子８ｃおよび８ｄを形成するのと同じ段階で、圧電素子８ｃおよび８ｄと同様の方法で圧電素子８ａ、８ｂ、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄも形成する。

次に、図２（Ｃ）に示すように、基板表面全体を厚膜レジストで保護しておき、裏側のベース層１ｄ表面の熱酸化膜１ｅをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した後、Ａｌをスパッタ成膜してフォトリソグラフィー技術およびウェットエッチング技術によりパターニングし、ハードマスク１ｆを形成する。

図２（Ｃ）に示すように、基板表面の保護レジストを剥離し、再度フォトリソグラフィーによって形成したレジストパターンをマスクにして、ＩＣＰ−ＲＩＥ（誘導結合プラズマ反応性イオンエッチング）装置にて共通基板１ｃｏｍをドライエッチングにより除去加工し、ミラー部、内部可動枠、第１および第２のトーションバー、第１および第２の圧電振動板となる部分を残して、最終的には開口となる溝１ｇを共通基板１ｃｏｍに形成する。

その後、図２（Ｄ−１）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置によって基板裏側からベース層である単結晶シリコン層１ｄをドライエッチング加工し、開口を形成する。この際、内部可動枠２の共通基板１ｃｏｍの下に酸化シリコン層１ｃおよびシリコン層１ｄからなる構造体２ｍ１を残すために、エッチングを２ステップに分けて行う。即ち、第１ステップのエッチングでは、支持体１となる基板の下にハードマスクを、内部可動枠２となる基板の下にレジストマスクを取り付けておき、支持体１および内部可動枠２となる基板以外がエッチングされるようにする。所定の厚さがエッチングされた段階で、第２のステップとして、内部可動枠２となる基板の下部のレジストマスクをレジストリムーバーにより除去し、支持体１となる基板以外のエッチングを行う。こうして、共通基板１ｃｏｍと所望の厚さの構造体２ｍ１からなる内部可動枠２を形成できる。

最後に、中間酸化膜層１ｃをＢＨＦを用いて除去し、支持体１の開口を形成して、図１の２次元光スキャナ１０１が完成する。なお、レジストマスクの代わりにハードマスク１ｆと異なるエッチング特性のハードマスクを用いても良い。また、内部可動枠２の構造体２ｍ１を支持体１よりも薄くしなくても良い場合は、２ステップのエッチングの代わりに、両方に同じハードマスクを用いて１ステップのエッチングを行うことができる。

図２（Ｄ−２）に、完成段階の図１中一点鎖線Ａ２−Ａ２における断面図を示す。図２（Ｄ−２）に示すように、第１のトーションバー４ａ、４ｂを通過する一点鎖線Ａ２−Ａ２における断面を見ると、第１のトーションバー５ａ、５ｂが可動基板３と内部可動枠２とを接続している。

図２（Ｅ−１）に、完成段階の図１中一点鎖線Ｂ１−Ｂ１における断面図を示す。図２（Ｅ−１）に示すように、第１の圧電振動板５ｂ、５ｃが両端で内部可動枠２に接続されている。また、第１の圧電振動板５ｂ、５ｃの上部には、圧電素子８ｂ、８ｃが内部可動枠２に一部重なる状態で形成されている。この一部重なる部分において、外部電源に接続するための引き出し電極が設けられている。内部可動枠２と支持体１との間には、第２の圧電振動板７ａ、７ｂがあり、それぞれ上部には圧電素子９ａ、９ｂが形成されている。

図２（Ｅ−２）に、完成段階の図１中一点鎖線Ｂ２−Ｂ２における断面図を示す。図２（Ｅ−２）に示すように、第２のトーションバー６ａ、６ｂを通過する一点鎖線Ａ２−Ａ２における断面を見ると、第２のトーションバー６ａ、６ｂが内部可動枠２と支持体１とを接続している。

なお、図２（Ｅ−１）および（Ｅ−２）の点線で示した部分２ｍ２は、内部可動枠２の構造体として残しても良いし、除去しても良い。図２（Ｄ−１）および（Ｄ−２）中の内部可動枠２における構造体２ｍ１は、内部可動枠２の揺動に大きく影響するが、構造体２ｍ２については構造体２ｍ１ほどの影響は与えないからである。

図３、図４を参照して、この２次元光スキャナ１０１の動作について説明する。図３に、２次元スキャナ１０１および駆動回路の結線（単線）を模式的に表した平面図を示す。図３に示すように、それぞれの圧電素子に直流でバイアスされた交流電圧（ここでは単に交流電圧と呼ぶ場合もある。なお、交流電圧そのものでも良い）を印加する。圧電素子８ａ、８ｂに、同位相の交流電圧（例えば正弦波）Ｖ_Ｘ１を印加し、圧電素子８ｃ、８ｄに、Ｖ_Ｘ１とは位相のずれた（好ましくは逆位相）の交流電圧Ｖ_Ｘ２を印加する。一方、圧電素子９ａ、９ｂに、同位相の交流電圧（例えば正弦波）Ｖ_Ｙ１を印加し、圧電素子９ｃ、９ｄに、Ｖ_Ｙ１とは位相のずれた（好ましくは逆位相）の交流電圧Ｖ_Ｙ２を印加する。

図３で示すように、圧電素子８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄの上下電極間に所定の電圧を印加することにより、第１の圧電振動板５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄが内部可動枠２と接続する端を支点として基板の厚さ方向に振動する。同様に、圧電素子９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄの上下電極間に所定の電圧を印加することにより、第２の圧電振動板７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄも基板の厚さ方向に振動する。

図４（Ａ）に、図３中一点鎖線Ｃ１−Ｃ１における断面図を示し、圧電振動板の振動について詳述する。圧電素子９ａ、９ｂ（図中９ｂ）および圧電素子９ｃ、９ｄ（図中９ｃ）に上記の交流電圧Ｖ_Ｙ１およびＶ_Ｙ２を印加すると、電圧の大きさに応じて、圧電素子がその長さ方向に収縮する。圧電素子が収縮しても、各振動板の長さは変わらず、両端は支持体１に保持されているので、圧電振動板は圧電素子側に引っ張り上げられる。印加電圧の最大値においてその変位量は最大となる。印加電圧の大きさが最大値から０Ｖに向かうに従って圧電素子は元の長さに戻っていき、それに伴って圧電振動板が下に押し下げられる。印加電圧が０Ｖのとき、圧電素子および圧電振動板は元に戻る。ここで、弾性によるオーバーシュートがある。こうして、交流電圧を印加することにより、圧電振動板は基板の厚さ方向（図中上下）に振動する。特に、圧電素子９ａ、９ｂにかける電圧と圧電素子９ｃ、９ｄにかける電圧の位相が逆位相の場合には、圧電素子９ａ、９ｂと圧電素子９ｃ、９ｄの振動方向はトーションバー６ａ、６ｂ（図中６ｂ）を中心として逆になる。

このとき、内部可動枠２にはトーションバー６ａ、６ｂ（図中６ｂ）を通じて回転トルクが作用し、内部可動枠２はトーションバー６ａ、６ｂ（図中６ｂ）を通るＹ１軸を中心軸として傾く。例えば、圧電素子９ｂが伸び、圧電素子９ｃが縮んでいる場合、トーションバー付近の圧電振動板は、図４（Ａ）に示すように、右下がりの状態となる。このときトーションバー６ｂを通じて、内部可動枠２も右下がりになる。一方、圧電素子９ｂが縮み、圧電素子９ｃが伸びている場合、内部可動枠２は左下がりになる。上記の交流電圧を印加し続けると、内部可動枠２にはシーソー的な回転トルクが作用し、内部可動枠２はＹ１軸の回りに所定の角度の揺動（回動と言うこともできる）を繰り返す。なお、圧電素子に印加する交流電圧９ａ、９ｂと９ｃ、９ｄとが逆位相でない場合にも、このような揺動は可能である。

図４（Ｂ）に、図３中一点鎖線Ｃ２−Ｃ２における断面図を示す。同様の原理で圧電素子８ａ〜８ｄ（図中８ｂ、８ｃ）に交流電圧Ｖ_Ｘ１、Ｖ_Ｘ２を印加して振動板５ａ〜５ｄ（図中５ｂ、５ｃ）を振動させることにより、第１のトーションバー４ａ、４ｂ（図中４ａ）を通るＸ１軸の回りにミラー部が所定角度で揺動する。圧電素子８ａ〜８ｄおよび圧電素子９ａ〜９ｄに所定の交流電圧を印加することにより、内部可動枠２とミラー部は互いに交差するＹ１軸、Ｘ１軸の回りで揺動するので、ミラー部表面の反射膜３ｍに入射する光の反射光は２次元的に走査される。

圧電素子８ａ〜８ｄの駆動周波数が、ミラー部の機械的な共振周波数ｆ１と一致または近いときに、ミラー部の揺動角度は最大となる。同様に、圧電素子９ａ〜９ｄの駆動周波数が、内部可動枠２、ミラー部、トーションバー４ａ、４ｂおよび第１の振動板５ａ〜５ｄを合わせた構成物体の機械的な共振周波数ｆ２と一致または近いときに、内部可動枠２の揺動角度は最大となる。

２次元光スキャナ１０１は、外形寸法が同じであっても、内部可動枠２の下部に形成された構造体２ｍ１（振動の中心から離れた方の構造体）および２ｍ２（振動の中心に近い方の構造体）の質量を製造段階で調整できる。一般的にマイクロマシンで使われているアクチュエータ方式としての静電アクチュエータや電磁アクチュエータの場合は、発生するエネルギーが小さく、質量の大きな物体を動かすことは困難であるが、圧電アクチュエータは、発生するエネルギーが他方式に比べて大きいため、質量の大きな物体を動かすことが可能である。これにより、構造体２ｍ１および２ｍ２の質量を適宜決めることが可能であり、この質量を変化させることにより、ｆ１に対する共振周波数ｆ２の比率を調整することが可能になる。この周波数比を大きくし、ミラー部と内部可動枠２とをそれぞれ独立した２系統の駆動系で駆動することで、２つの揺動の干渉を低減した動作安定性の高い光走査を実現することができる。なお、慣性モーメントの関係で、共振周波数ｆ２に対する影響は構造体２ｍ１の方が構造体２ｍ２よりも大きいことから、構造体２ｍ２はなくても良い。

次に、上記の２次元光スキャナ１０１を用いて、以下の動作試験を行った。なお、エアダンピング効果を増大させないサイズで、構造体２Ｍがない場合に５００Ｈｚ程度であった構成物体の共振周波数ｆ２を、構造体２Ｍを内部可動枠２に設けることで、６０Ｈｚにまで下げることができた。圧電素子９ａ、９ｂに同位相の電圧１０Ｖ_ＰＰ、６０Ｈｚのバイアスされた正弦波を印加し、圧電素子９ｃ、９ｄに、圧電素子９ａ、９ｂに印加するのと逆位相の電圧１０Ｖ_ＰＰ、６０Ｈｚのバイアスされた正弦波を印加して内部可動枠２の揺動を試みた。Ｈｅ−Ｎｅ（ヘリウムネオン）レーザ光をミラー部の反射膜３ｍに入射させ、その反射光を所定の距離に配置したスクリーン上で観察することにより、ミラー部に接続された内部可動枠２の揺動の揺動角度を測定したところ、±１０°の揺動角度が得られた。この時、光走査を経時的に観察したところ、直線性の良い光走査を確認できた。

一方、圧電素子８ａ、８ｂに同位相の電圧１０Ｖ_ｐｐ、３０ｋＨｚのバイアスされた正弦波を印加し、圧電素子８ｃ、８ｄに、圧電素子８ａ、８ｂに印加するのと逆位相の電圧１０Ｖ_ｐｐ、３０ｋＨｚのバイアスされた正弦波を印加して、ミラー部の揺動を試みたところ、±８°の揺動角度が測定された。この場合にも、直線性の良い光走査を確認できた。ミラー部による光走査の方向は、内部可動枠２の揺動による光走査の方向とは直交していた。

２系統の圧電素子８ａ〜８ｄおよび９ａ〜９ｄにそれぞれ上記のような制御された正弦波を印加することで、内部可動枠２とミラー部を、互いに直交する方向の軸及び上記の揺動角度で揺動させることができ、２次元的な光走査を実現できた。

なお、機械的共振周波数の帯域は、ｆ１については５ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、ｆ２については５０〜５００Ｈｚ程度が望ましい。

次に、図５を参照して、第２の実施例による２次元光スキャナについて説明する。図５に、第２の実施例による２次元光スキャナ２０１の平面図を示す。２次元光スキャナ２０１の製造方法は、第１の実施例による２次元光スキャナ１０１の製造方法に対応しており、違いは完成品の形状だけである。２次元光スキャナ２０１も、ＳＯＩ基板のエッチング加工により形成された各構成部分と、圧電振動板の表面に形成された圧電素子で構成され、各構成要素はシリコン層と酸化シリコン膜からなる共通基板を含んでいる。揺動のための空隙を設けることや、可動部分を曲げ変形や捩れ変形が容易な薄さに加工する点も第１の実施例と同様である。以下、主に２次元光スキャナ２０１の形状について説明する。

図５に示すように、２次元スキャナ２０１は、中央に、表面に反射膜を有する円形状のミラー部１３が形成されている。

ミラー部１３の中心を通る軸Ｙ２上の第１のトーションバー１４ａ、１４ｂが各々の一端でミラー部１３を軸支している。第１のトーションバー１４ａ、１４ｂの両側において、半円環状の第１の圧電振動板１５ａ、１５ｂが接続され、ミラー部１３を囲むように配置されている。第１の圧電振動板１５ａ、１５ｂの表面上には、半円環状の圧電素子が形成されている。

第１の圧電振動板１５ａ、１５ｂの周囲には、第１の圧電振動板１５ａ、１５ｂにＹ２軸と交差するＸ２軸上で接続された、円環状の内部可動枠１２が形成されている。言い換えると、第１の圧電振動板は、それぞれの中間部分を内部可動枠１２に接続されている。

Ｘ２軸上の第２のトーションバー１６ａ、１６ｂの一端が、内部可動枠１２を軸支している。

支持体１１が、第２のトーションバー１６ａ、１６ｂの他端に接続されている。

支持体１１と内部可動枠の間には、半円環状の第２の圧電振動板１７ａ、１７ｂが配置され、内部可動枠１２を囲んでいる。第２の圧電振動板１７ａ、１７ｂは、第２のトーションバー１６ａ、１６ｂと支持体１１とをＹ２軸上において接続している。言い換えると、第２の圧電振動板は、それぞれの中間部分を支持体１１に接続されている。また、第２の圧電振動板１７ａ、１７ｂの表面上には、半円環状の圧電素子が形成されている。

なお、図５中の構成では、Ｘ２軸とＹ２軸は直交する。

第１の圧電振動板１５ａ（および１５ｂ）上の圧電素子は、支持体１１上に形成された引き出し電極１５ａｐ（および１５ｂｐ）と配線で接続されており、引き出し電極を通じて外部から電圧を供給することができる。第２の圧電振動板１７ａ（および１７ｂ）上の圧電素子についても、支持体１１上に形成された引き出し電極１７ａｐ（および１７ｂｐ）を通じて外部から電圧を供給することができる。

第２のトーションバー１６ａ、１６ｂは、後述する内部可動枠１２の揺動を行い易くするために、支持体１１および内部可動枠１２の一部に加工を施し、回転軸を長くしている。同様に、第１のトーションバー１４ａ、１４ｂについても、ミラー部１３を加工することにより、その回転軸長さを長くすることができる。また、第１のトーションバーは、ミラー部１３と内部可動枠１２とを接続する構造でも良い。

なお、第１の実施例と同様に、第１のトーションバー、第１の圧電振動板および圧電素子８ａ〜８ｄをまとめて第１の連結部と呼び、第２のトーションバー、第２の圧電振動板および圧電素子９ａ〜９ｄをまとめて第２の連結部と呼ぶことができる。

２次元スキャナ２０１の構成を言い換えて説明する。中心のミラー部１３を内部可動枠１２が取り囲み、内部可動枠１２を支持体１１が取り囲む。ミラー部１３と内部可動枠１２とを第１の連結部が連結し、内部可動枠１２と支持体１１とを第２の連結部が連結する。この関係は、第１、第２の実施例に共通である。

２次元光スキャナ２０１の動作について説明する。図５に示す配線（単線）により、第２の圧電振動板１７ａ（および１７ｂ）の圧電素子に互いに位相の異なる（逆位相が好ましい）交流電圧Ｖ_Ｘ３（およびＶ_Ｘ４）を印加すると、圧電素子がその円周方向に収縮する。圧電素子が収縮しても、各圧電振動板の長さは変わらず、一部は支持体１１に保持されているので、圧電振動板は圧電素子側に引っ張り上げられる。電圧が小さくなると、収縮していた圧電素子は元の長さに戻ろうとする。それに伴い、圧電振動板も元に戻ろうとする。印加電圧が０Ｖにあると、多少のオーバーシュートはあるが、圧電振動板は元の位置に戻る。こうして、バイアスされた交流電圧を印加することにより、圧電振動板がその厚さ方向に振動する。特に、圧電振動板１７ａ、１７ｂの圧電素子にかける電圧の位相が逆位相の場合には、圧電振動板１７ａ（および１７ｂ）の振動方向はトーションバー１６ａ（および１６ｂ）を中心として逆になる。

このとき、内部可動枠１２にはトーションバー１６ａ、１６ｂを通じて回転トルクが作用し、内部可動枠１２はトーションバー１６ａ、１６ｂを中心軸として傾く。交流電圧Ｖ_Ｘ３、Ｖ_Ｘ４を印加し続けると、内部可動枠１２にはシーソー的な回転トルクが作用し、内部可動枠１２はＸ２軸回りに所定の角度で揺動する。なお、圧電素子にかける交流電圧が１６ａと１６ｂとで逆位相でない場合にも、このような揺動は可能である。

同様の原理で第１の圧電振動板１５ａ、１５ｂ上の圧電素子に交流電圧を印加して圧電振動板１５ａ、１５ｂを振動させることにより、第１のトーションバー１４ａ、１４ｂを通るＹ２軸（Ｘ２軸と交差）回りにミラー部１３が所定角度で揺動する。第１の圧電振動板１５ａ、１５ｂおよび第２の圧電振動板１７ａ、１７ｂの圧電素子に所定の交流電圧を印加することにより、内部可動枠１２とミラー部１３は互いに交差するＸ２軸、Ｙ２軸回りをそれぞれ揺動するので、ミラー部１３表面の反射膜に入射する光の反射光は２次元的に走査される。

第１の圧電振動板１５ａ、１５ｂの圧電素子の駆動周波数が、ミラー部１３の機械的な共振周波数ｆ３と一致または近いときに、ミラー部１３の揺動角度は最大となる。同様に、第１の圧電振動板１７ａ、１７ｂの圧電素子の駆動周波数が、内部可動枠１２、ミラー部１３、第１のトーションバー１４ａ、１４ｂ、第１の圧電振動板１５ａ、１５ｂを合わせた構成物体の機械的な共振周波数ｆ４と一致または近いときに、内部可動枠２の揺動角度は最大となる。

２次元光スキャナ２０１は、第１の実施例による２次元スキャナ１０１と同様に、外形寸法が同じであっても、内部可動枠２の共通基板の下部に形成された構造体の質量を製造段階で調整できる。この質量を変化させることにより、ｆ３に対する共振周波数ｆ４の比率を調整することが可能である。機械的共振周波数の帯域は、ｆ３については５ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、ｆ４については５０〜５００Ｈｚ程度が望ましい。また、その構造体により、内部可動枠１２の機械的剛性、動作安定性を向上させている点も第１の実施例と同様である。

また、それぞれの構成物体を円形状、円環状もしくは半円環状に形成することにより、２次元光スキャナを小型化することができる。なお、２次元光スキャナ２０１を構成する各部の形状は楕円形状、楕円環状、楕円弧状もしくは馬蹄形状（これらを略円形状、略円環状もしくは略半円環状と呼ぶ）であっても良い。

上記のように、第１ないし第２の実施例による２次元光スキャナは、ミラーの駆動周波数はそのままに、内部可動枠の駆動周波数を任意に調整することが可能である。加えて、ミラー部の最適デザイン（幅、長さ、厚み）を維持しながらデバイスを構成できるため、ミラー部を偏向角の大きく取れる駆動性の良い形状とすることが可能となる。これにより、ミラー部の最適デザインを維持しつつ、２軸走査の駆動電圧の周波数比を高くすることが可能となる。

さらに、上記実施例において、内部可動枠に形成する構造体は、新たな構造物を取り付けるのではなく、ＳＯＩ基板を有効に利用し、任意の形状として内部可動枠に残すことによって構成している。したがって、マスクのデザインの追加変更のみで構造体を作製できるので、製造プロセスを煩雑化させることなく、２次元光スキャナを作製することが可能である。

図６を参照して、２次元光スキャナ１０１ないし２次元光スキャナ２０１を備えた光学機器（装置）への応用について説明する。図６に、第１ないし第２の実施例による２次元光スキャナを用いた画像表示装置の例を示す。

図６中、３０１は図１あるいは図５に示す２次元光スキャナであり、１つの素子で水平・垂直方向に入射光をラスタースキャンすることができる。レーザ光源３０２から入射したレーザ光は、光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、集光レンズあるいはレンズ群３０３を通過してから２次元光スキャナ３０１によって２次元的に走査される。走査されたレーザ光は、投影レンズあるいはレンズ群３０４を通して投影面３０５上に画像を形成する。

この光学機器では、従来のようにポリゴンミラーやガルバノミラーを直交２軸で使用する場合と異なり、直交方向の光軸合わせをする必要がないので、容易にラスタースキャンを行うことができる。

また、第１ないし第２の実施例による２次元光スキャナは、レーザ光等の光ビームを偏向・走査する装置全般、電子写真式複写機、レーザビームプリンタ、バーコードリーダー、レーザ光をスキヤニングして映像を投影する表示装置、ヘッドアップディスプレイ（自動車＆民生機器用）、携帯機器用ラスタースキャンディスプレイ、測距センサ、形状測定センサ、光空間通信ユニットなどに広く適用することができる。

以上実施例に沿って本発明を説明したが、本発明はこれらに制限されるものではない。例えば、種々の変更、改良、組み合わせ等が可能なことは当業者に自明であろう。

図１は、第１の実施例による２次元光スキャナの斜視図である。 図２は、第１の実施例による２次元光スキャナの製造工程を表した断面図および平面図である。 図３は第１の実施例による２次元光スキャナの結線を表した平面図である。 図４は、図３の一点鎖線Ｃ１−Ｃ１およびＣ２−Ｃ２の断面における２次元光スキャナの動作を表した断面図である。 図５は、第２の実施例による２次元光スキャナの平面図である。 図６は、第１ないし第２の実施例による２次元光スキャナを用いた画像表示装置の例である。

符号の説明

１、１１ 支持体
１ａ、１ｅ 熱酸化膜
１ｂ、１ｄ 単結晶シリコン層
１ｃ 酸化シリコン層
１ｆ ハードマスク
１ｇ 溝
１ｃｏｍ 共通基板
１Ｌ 辺
２、１２ 内部可動枠
２Ｍ、２ｍ１、２ｍ２ 構造体
３ 可動基板
３ｍ 反射膜
４ａ、４ｂ、１４ａ、１４ｂ 第１のトーションバー
６ａ、６ｂ、１６ａ、１６ｂ 第２のトーションバー
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ、１５ａ、１５ｂ 第１の圧電振動板
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ、１７ａ、１７ｂ 第２の圧電振動板
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ、９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 圧電素子
１０ｍ１ 下部電極
１０ｍ２ 上部電極
１０ｐ 圧電膜
１３ ミラー部
１５ａｐ、１５ｂｐ、１７ａｐ、１７ｂｐ 引き出し電極
１０１、２０１、３０１ ２次元光スキャナ
３０２ レーザ光源
３０３、３０４ レンズ群
３０５ 投影面

Claims (13)

1. 共通基板と該共通基板上に形成された反射膜とを有するミラー部と、
   前記共通基板とその下に接続された構造体とを含んで形成され、前記ミラー部を内包する開口を有する内部可動枠と、
   前記共通基板とその下に接続されたベース層とを含んで形成され、前記内部可動枠を内包する開口を有する支持体と、
   前記共通基板を含んで形成され、第１の軸上で前記ミラー部を回動可能に支持する一対の第１のトーションバーと、前記第１のトーションバー両側に接続され、その表面上に圧電素子を有し、前記第１のトーションバーに回動トルクを印加する第１の圧電振動板とを含み、前記ミラー部と前記内部可動枠とを連結する第１の連結部と、
   前記共通基板を含んで形成され、前記第１の軸と交差する第２の軸上で前記内部可動枠を回動可能に支持する一対の第２のトーションバーと、前記第２のトーションバー両側に接続され、その表面上に圧電素子を有し、前記第２のトーションバーに回動トルクを印加する第２の圧電振動板とを含み、前記内部可動枠と前記支持体とを連結する第２の連結部と
   を有する２次元光スキャナ。
2. 前記第１の圧電振動板が、前記第１のトーションバーと前記内部可動枠とを接続し、
   前記第２の圧電振動板が、前記第２のトーションバーと前記支持体とを接続する請求項１に記載の２次元光スキャナ。
3. 前記ミラー部が、第１の対向辺と第２の対向辺とを有する形状を有し、
   前記内部可動枠が、前記第１の対向辺と略平行な第１の対向枠部と前記第２の対向辺と略平行な第２の対向枠部とを有する形状を有し、
   前記支持体が、前記第１の対向枠部と略平行な第１の対向開口辺と前記第２の対向枠部と略平行な第２の対向開口辺とを有する開口を有し、
   前記第１のトーションバーが、前記第１の対向辺と前記第１の対向枠部とを接続し、
   前記第２のトーションバーが、前記第２の対向枠部と前記第２の対向開口辺とを接続し、
   前記第１の圧電振動板が、前記第１のトーションバーと前記第２の対向枠部とを接続し、
   前記第２の圧電振動板が、前記第２のトーションバーと前記第１の対向開口辺とを接続する請求項２に記載の２次元光スキャナ。
4. 前記第１の圧電振動板が、前記一対の第１のトーションバー同士を接続し、
   前記第２の圧電振動板が、前記第２のトーションバー同士を接続する請求項１に記載の２次元光スキャナ。
5. 前記ミラー部が、略円形の形状を有し、
   前記内部可動枠が、略円環の形状を有し、
   前記支持体が、前記内部可動枠を内包する略円形の開口を有し、
   前記第１の圧電振動板が、前記ミラー部を囲む一対の略半円環状の形状を有し、
   前記第２の圧電振動板が、前記内部可動枠を囲む一対の略半円環状の形状を有する請求項４に記載の２次元光スキャナ。
6. 前記第１の圧電振動板が、その中間点で前記内部可動枠に接続され、
   前記第２の圧電振動板が、その中間点で前記支持体に接続される請求項５に記載の２次元光スキャナ。
7. 前記第１の圧電振動板の表面上に形成された圧電素子に対し、前記第１のトーションバーの内側に軸支された構成物体の機械的共振周波数もしくはそれに近い周波数の電圧であって、該第１のトーションバーを挟む圧電素子間で互いに位相が異なる電圧を印加するとともに、
   前記第２の圧電振動板の表面上に形成された圧電素子に対し、前記第２のトーションバーの内側に軸支された構成物体の機械的共振周波数もしくはそれに近い周波数の電圧であって、該第２のトーションバーを挟む圧電素子間で互いに位相が異なる電圧を印加する
   ことによって、前記内部可動枠及びミラー部に回転トルクを与え、前記第１および第２のトーションバーをそれぞれ通る軸の回りを所定角度で揺動させる請求項１〜６のいずれか１項に記載の２次元光スキャナ。
8. 前記互いに位相が異なる電圧の位相差が１８０°である請求項７に記載の２次元光スキャナ。
9. 前記第１の圧電振動板の表面上に形成された圧電素子に印加する交流電圧の周波数が５ｋＨｚ〜３０ｋＨｚ、前記第２の圧電振動板の表面上に形成された圧電素子に印加する交流電圧の周波数が５０Ｈｚ〜５００Ｈｚである請求項７または８に記載の２次元光スキャナ。
10. 前記第１および第２の圧電振動板の表面上に形成された圧電素子が、ＳＯＩ基板上に直接積層された下部電極／圧電膜／上部電極を含む請求項１〜９のいずれか１項に記載の２次元光スキャナ。
11. 前記圧電膜が、アーク放電プラズマを利用した反応性イオンプレーティング法によって成膜された膜である請求項１０に記載の２次元光スキャナ。
12. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の２次元光スキャナを用いた光学装置。
13. 共通基板と該共通基板上に形成された反射膜とを有するミラー部と、
    前記共通基板とその下に接続された構造体とを含んで形成され、前記ミラー部を内包する開口を有する内部可動枠と、
    前記共通基板とその下に接続されたベース層とを含んで形成され、前記内部可動枠を内包する開口を有する支持体と、
    前記共通基板を含んで形成され、第１の軸上で前記ミラー部を回動可能に支持する一対の第１のトーションバーと、前記第１のトーションバー両側に接続され、その表面上に圧電素子を有し、前記第１のトーションバーに回動トルクを印加する第１の圧電振動板とを含み、前記ミラー部と前記内部可動枠とを連結する第１の連結部と、
    前記共通基板を含んで形成され、前記第１の軸と交差する第２の軸上で前記内部可動枠を回動可能に支持する一対の第２のトーションバーと、前記第２のトーションバー両側に接続され、その表面上に圧電素子を有し、前記第２のトーションバーに回動トルクを印加する第２の圧電振動板とを含み、前記内部可動枠と前記支持体とを連結する第２の連結部と
    を有する２次元光スキャナの製造方法であって、
    前記構造体および前記支持体を形成するために、
    支持体作製用マスクおよび構造体作製用マスクをエッチングマスクとして、前記共通基板の下に接続されたベース層をエッチングする工程と、
    前記支持体作製用マスクをエッチングマスクとして前記ベース層をエッチングする工程と
    を含む２次元光スキャナの製造方法。

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