JP5105526B2 - Optical deflector - Google Patents
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Description
本発明は、レーザ光等の光ビームを偏向・走査する光偏向器に関する。 The present invention relates to an optical deflector that deflects and scans a light beam such as a laser beam.
近年、半導体プロセスやマイクロマシン技術を用いたMEMS(micro electro mechanical systems)デバイスとして、半導体基板上にミラー(反射板)やミラーを回転駆動させる可動部等の機構部品を一体的に形成した光偏向器が提案されている。このような光偏向器において、さらに偏向・走査性能を向上するため、ミラーの駆動状態(例えば偏向角や偏向速度)をより迅速に精度良く制御することが望まれている。このため、ミラーの駆動状態(例えば回転角度)を検出してフィードバック制御することが必要となる。 In recent years, as an MEMS (micro electro mechanical systems) device using a semiconductor process or micromachine technology, an optical deflector in which mechanical parts such as a mirror (reflector) and a movable part for rotating the mirror are integrally formed on a semiconductor substrate. Has been proposed. In such an optical deflector, in order to further improve the deflection / scanning performance, it is desired to control the driving state (for example, deflection angle and deflection speed) of the mirror more quickly and accurately. For this reason, it is necessary to detect the drive state (for example, the rotation angle) of the mirror and perform feedback control.
そこで、ミラーの回転角度を検出する手法として、例えば、光偏向器により偏向・走査されたレーザー光を別体のセンサで検出する手法が挙げられる。ただし、この手法では、システム自体が大きくなってしまう。このため、光偏向器そのものに検出機構を持たせる手法が提案されている(例えば、特許文献1〜3を参照)。
Therefore, as a method for detecting the rotation angle of the mirror, for example, there is a method in which the laser beam deflected and scanned by the optical deflector is detected by a separate sensor. However, with this method, the system itself becomes large. For this reason, a method has been proposed in which the optical deflector itself has a detection mechanism (see, for example,
特許文献1の光偏向器では、可動フレーム部の一端が固定部に連結されて支持され、この可動フレーム部で発生したトルクを他端に接合されたトーションバー(弾性梁)に伝え、トーションバーの先に備え付けられたミラー部を回転駆動する構成となっており、ミラーを支持する弾性梁のフレーム側の基端部にピエゾ抵抗素子を組み込み、弾性梁の捩れ角度を検出することでミラーの回転角度を検出する。また、特許文献2の光偏向器は電磁駆動方式であり、磁界の変化を検出するセンサを組み込んで、硬磁性薄膜を有するミラーの角度検出を行う。また、特許文献3の光偏向器は静電駆動方式であり、ミラーと対向電極との間の静電容量を測定することによって角度検出を行う。
一方、ミラーの駆動源として圧電アクチュエータを用いた、圧電駆動方式による光偏向器が提案されている(例えば、特許文献4を参照)。この光偏向器では、圧電アクチュエータの一端が枠部(支持部)に連結されて支持され、この圧電アクチュエータが発生したトルクを他端に接合されたトーションバー(弾性梁)に伝え、トーションバーの先に備え付けられたミラー部を回転駆動する構成となっている。この光偏向器は、小型で簡単な構造で大きな駆動力が得られ、作製が容易で量産化がしやすいという利点がある。 On the other hand, an optical deflector using a piezoelectric drive system using a piezoelectric actuator as a mirror drive source has been proposed (see, for example, Patent Document 4). In this optical deflector, one end of the piezoelectric actuator is connected to and supported by a frame portion (support portion), and the torque generated by the piezoelectric actuator is transmitted to a torsion bar (elastic beam) joined to the other end. The mirror unit previously provided is rotationally driven. This optical deflector is advantageous in that it has a small and simple structure and can provide a large driving force, is easy to manufacture, and is easily mass-produced.
この圧電アクチュエータを用いた光偏向器において、ミラー部の回転角度を検出するため、特許文献1のように、ミラーを支持するトーションバーの支持部側の基端部にピエゾ抵抗素子や歪みゲージを組み込み、弾性梁の捩れ角度を検出することでミラーの回転角度を検出することが考えられる。ただし、ピエゾ抵抗素子や歪みゲージを組み込むため、複雑な構造となってしまう。
In the optical deflector using this piezoelectric actuator, in order to detect the rotation angle of the mirror part, as in
これに対して、ピエゾ抵抗素子等の代わりに、別体の圧電センサを設けて圧電起電力によって角度変位を検出したり、ミラーを駆動する圧電アクチュエータに、アクチュエータとしての配線とは別にセンサとしての配線を設けることが考えられる。この場合、ミラーの駆動のための圧電アクチュエータを形成する工程を利用して検出機構を形成できる。 On the other hand, instead of a piezoresistive element, etc., a separate piezoelectric sensor is provided to detect angular displacement by piezoelectric electromotive force, or a piezoelectric actuator that drives a mirror can be used as a sensor separately from the wiring as an actuator. It is conceivable to provide wiring. In this case, the detection mechanism can be formed by using a step of forming a piezoelectric actuator for driving the mirror.
しかしながら、トーションバーの捻り変位は変位量が微小のため、良好なS/N比で捻り変位を圧電起電力として測定することは困難である。また、検出のための圧電センサの位置が、光偏向器の圧電アクチュエータと近いので、圧電アクチュエータの駆動信号とのクロストークが問題となる。 However, because the torsional displacement of the torsion bar is very small, it is difficult to measure the torsional displacement as a piezoelectric electromotive force with a good S / N ratio. Further, since the position of the piezoelectric sensor for detection is close to the piezoelectric actuator of the optical deflector, crosstalk with the drive signal of the piezoelectric actuator becomes a problem.
本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、圧電アクチュエータを用いた光偏向器において、ミラーの駆動状態を迅速に精度良く検出して制御可能な光偏向器を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above background, and an object of the present invention is to provide an optical deflector that can detect and control a mirror driving state quickly and accurately in an optical deflector using a piezoelectric actuator. .
本発明は、反射面を有するミラー部と、該ミラー部の端部から外側に延びたトーションバーと、該ミラー部を囲むように設けられた支持部と、一端が該トーションバーに連結され他端が該支持部に連結されて支持された第1の圧電アクチュエータとを備え、該第1の圧電アクチュエータは、支持体及び該支持体上に形成された圧電体を有して、該圧電体へ駆動電圧を印加することで圧電駆動により屈曲変形を行う1つ以上の圧電カンチレバーを含み、該第1の圧電アクチュエータに駆動電圧を印加することで、該トーションバーを介して該ミラー部を回転駆動させる光偏向器において、一端が前記トーションバーに連結され他端が前記ミラー部に連結されて支持された第2の圧電アクチュエータを備え、該第2の圧電アクチュエータは、支持体上に形成された圧電体に駆動電圧を印加したとき圧電駆動により屈曲変形を行う1つ以上の圧電カンチレバーからなることを特徴とする(第1発明)。 The present invention includes a mirror portion having a reflecting surface, a torsion bar extending outward from an end portion of the mirror portion, a support portion provided so as to surround the mirror portion, and one end connected to the torsion bar. A first piezoelectric actuator having an end connected to and supported by the support portion, the first piezoelectric actuator having a support and a piezoelectric body formed on the support, the piezoelectric body Including one or more piezoelectric cantilevers that bend and deform by piezoelectric driving by applying a driving voltage to the first piezoelectric actuator, and rotating the mirror portion via the torsion bar by applying the driving voltage to the first piezoelectric actuator An optical deflector to be driven includes a second piezoelectric actuator having one end connected to the torsion bar and the other end connected to the mirror portion, and the second piezoelectric actuator is supported. Characterized in that it consists of one or more piezoelectric cantilevers which performs bending deformation by the piezoelectric drive when a driving voltage is applied to the piezoelectric body formed on (first invention).
第1発明の光偏向器によれば、ミラー部とトーションバーとの間に第2の圧電アクチュエータが設けられているので、第1の圧電アクチュエータの駆動によりトーションバーを介してミラー部が回転駆動されるとき、第2の圧電アクチュエータにはこれを変形させる力が加えられ、圧電カンチレバーに圧電起電力が発生する。この圧電起電力は、ミラー部の回転駆動の状態を反映したものであるから、この第2の圧電アクチュエータの圧電起電力に基づいて、ミラー部の駆動状態を迅速に精度良く検出したり、ミラー部の駆動状態を制御したりすることが可能となる。また、第2の圧電アクチュエータに駆動電圧を印加して第2の圧電アクチュエータが屈曲変形されると、この屈曲変形はミラー部の回転駆動の状態に直ちに反映されるので、この第2の圧電アクチュエータの屈曲変形に基づいて、ミラー部の駆動状態を制御することが可能となる。このように、第2の圧電アクチュエータを備えることで、ミラーの駆動状態を迅速に精度良く検出して制御することができる。 According to the optical deflector of the first invention, since the second piezoelectric actuator is provided between the mirror portion and the torsion bar, the mirror portion is rotationally driven via the torsion bar by driving the first piezoelectric actuator. When this is done, a force that deforms the second piezoelectric actuator is applied, and a piezoelectric electromotive force is generated in the piezoelectric cantilever. Since this piezoelectric electromotive force reflects the rotational driving state of the mirror part, the driving state of the mirror part can be detected quickly and accurately based on the piezoelectric electromotive force of the second piezoelectric actuator, It is possible to control the driving state of the unit. Further, when the driving voltage is applied to the second piezoelectric actuator and the second piezoelectric actuator is bent and deformed, the bending deformation is immediately reflected in the rotational driving state of the mirror portion. Based on this bending deformation, it becomes possible to control the drive state of the mirror portion. Thus, by providing the second piezoelectric actuator, it is possible to quickly detect and control the driving state of the mirror with high accuracy.
また、第1発明の光偏向器において、前記ミラー部の回転駆動による前記第2のアクチュエータの圧電カンチレバーの屈曲変形に応じて生じる圧電起電力を検出し、該圧電起電力に基づいて該ミラー部の回転角度を検出する回転角度検出手段を備えることが好ましい(第2発明)。 In the optical deflector according to the first aspect of the present invention, a piezoelectric electromotive force generated according to bending deformation of the piezoelectric cantilever of the second actuator due to the rotational drive of the mirror portion is detected, and the mirror portion is based on the piezoelectric electromotive force. It is preferable to include a rotation angle detecting means for detecting the rotation angle of the first (second invention).
第2発明の光偏向器によれば、第2の圧電アクチュエータ屈曲変形は、ミラー部の回転駆動の状態を直ちに反映したものとなることから、この屈曲変形により生じる圧電起電力に基づいてミラー部の回転角度を検出することで、ミラー部の回転角度を迅速に精度良く検出することができる。 According to the optical deflector of the second invention, since the second piezoelectric actuator bending deformation immediately reflects the rotational driving state of the mirror section, the mirror section is based on the piezoelectric electromotive force generated by the bending deformation. By detecting this rotation angle, the rotation angle of the mirror part can be detected quickly and accurately.
また、第1又は第2発明の光偏向器において、前記回転角度検出手段により検出された回転角度を用いて、前記ミラー部の回転駆動のパラメータが所定値となるように前記第1の圧電アクチュエータへ印加する駆動電圧を制御する制御手段を備えることが好ましい(第3発明)。 In the optical deflector according to the first or second invention, the first piezoelectric actuator may be configured such that a rotation driving parameter of the mirror portion is a predetermined value using the rotation angle detected by the rotation angle detecting means. It is preferable to include a control means for controlling the drive voltage applied to the (third invention).
第3発明の光偏向器によれば、回転角度検出手段により、ミラー部の回転角度が迅速に精度良く検出されているので、この回転角度を用いて、ミラー部の回転駆動のパラメータ(例えば、偏向角や偏向速度)が所定値となるように第1のアクチュエータの駆動をフィードバック制御することにより、迅速に精度良く所望の偏向・走査を行うことができる。 According to the optical deflector of the third aspect of the invention, since the rotation angle of the mirror unit is detected quickly and accurately by the rotation angle detection means, the rotation angle of the mirror unit is used to determine the rotation drive parameters (for example, By performing feedback control of the driving of the first actuator so that the deflection angle and the deflection speed are set to predetermined values, desired deflection / scanning can be performed quickly and accurately.
また、第1〜第3発明のうちいずれかの光偏向器において、前記第1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延びた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、該ミラー部は、該1対又は2対の第1の圧電アクチュエータにより回転振動されることが好ましい(第4発明)。 In the optical deflector according to any one of the first to third inventions, the first piezoelectric actuator is opposed to sandwich the mirror portion and a pair of torsion bars extending outward from both ends of the mirror portion. It is preferable that one or two pairs are arranged, and the mirror portion is rotationally oscillated by the one or two pairs of first piezoelectric actuators (fourth invention).
第4発明の光偏向器によれば、1対又は2対の第1の圧電アクチュエータをミラー部及びトーションバーを挟んで対向して配置し、これらの第1の圧電アクチュエータの駆動によりミラー部を1つの軸周りで回転させることができる。これにより、ミラー部を1軸で回転させることができ、小型の光偏向器で、1方向について安定して所望の偏向・走査を効率良く行うことができる。 According to the optical deflector of the fourth invention, one pair or two pairs of the first piezoelectric actuators are arranged to face each other with the mirror part and the torsion bar interposed therebetween, and the mirror part is driven by driving the first piezoelectric actuator. It can be rotated around one axis. As a result, the mirror unit can be rotated about one axis, and desired deflection and scanning can be efficiently performed stably in one direction with a small optical deflector.
また、第4発明の光偏向器において、前記第2の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対又は2対配置され、前記1対又は2対の第1の圧電アクチュエータによる前記ミラー部の回転振動による屈曲変形に応じてそれぞれ圧電起電力を生じ、前記回転角度検出手段は、該圧電起電力に基づいて該ミラー部の回転角度を検出することが好ましい(第5発明)。 In the optical deflector according to the fourth aspect of the present invention, the second piezoelectric actuator is disposed in one or two pairs so as to face each other with the mirror portion interposed therebetween, and is based on the one or two pairs of first piezoelectric actuators. It is preferable that a piezoelectric electromotive force is generated according to bending deformation caused by rotational vibration of the mirror portion, and the rotation angle detecting means detects the rotation angle of the mirror portion based on the piezoelectric electromotive force (fifth invention). .
第5発明の光偏向器によれば、1対又は2対の第2の圧電アクチュエータをミラー部を挟んで対向して配置し、これらの第2の圧電アクチュエータでそれぞれ生じる圧電起電力を用いて、第1の圧電アクチュエータによるミラー部の回転振動の際に、ミラー部の回転角度を安定して検出することができる。 According to the optical deflector of the fifth invention, one pair or two pairs of second piezoelectric actuators are arranged to face each other with the mirror portion interposed therebetween, and the piezoelectric electromotive force generated by each of these second piezoelectric actuators is used. The rotation angle of the mirror portion can be detected stably during the rotational vibration of the mirror portion by the first piezoelectric actuator.
また、第1〜第5発明のいずれかの光偏向器において、前記1対又は2対の第1の圧電アクチュエータへ印加される駆動電圧は交流電圧であることが好ましい(第6発明)。 In the optical deflector according to any one of the first to fifth inventions, the drive voltage applied to the one or two pairs of first piezoelectric actuators is preferably an alternating voltage (sixth invention).
第6発明の光偏向器によれば、トーションバーを挟んで対向した各対の第1の圧電アクチュエータの駆動により、ミラー部を1軸で回転振動して光走査することができる。そして、この光走査の際に、回転角度検出手段によりミラー部の走査角度が迅速且つ精度良く検出できる。 According to the optical deflector of the sixth aspect of the invention, the mirror unit can be oscillated and oscillated about one axis for optical scanning by driving each pair of the first piezoelectric actuators opposed across the torsion bar. During this optical scanning, the scanning angle of the mirror portion can be detected quickly and accurately by the rotation angle detecting means.
また、第6発明の光偏向器において、前記1対又は2対の第1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へ印加される第1の交流電圧と、該トーションバーの他方の側の圧電アクチュエータへ印加される第2の交流電圧とは、互いに180度位相が異なることが好ましい(第7発明)。 In the optical deflector according to the sixth aspect of the invention, the first AC voltage applied to the piezoelectric actuator on one side of the torsion bar of the one or two pairs of first piezoelectric actuators, and the torsion It is preferable that the second AC voltage applied to the piezoelectric actuator on the other side of the bar is 180 degrees out of phase with each other (seventh invention).
第7発明の光偏向器によれば、トーションバーを挟んで対向した各対の第1及び第2の圧電アクチュエータの圧電カンチレバーを逆位相で屈曲変形させることにより、ミラー部をトーションバーを中心軸として効率良く回転振動させ、光走査を行うことができる。そして、この光走査の際も回転角度検出手段によりミラー部の走査角度が迅速且つ精度良く検出できる。 According to the optical deflector of the seventh invention, the mirror portion is centered on the torsion bar by bending and deforming the piezoelectric cantilevers of each pair of the first and second piezoelectric actuators facing each other across the torsion bar in opposite phases. Thus, it is possible to efficiently rotate and vibrate and perform optical scanning. Also during this optical scanning, the rotation angle detecting means can detect the scanning angle of the mirror portion quickly and accurately.
また、第1〜第7発明のいずれかの光偏向器において、前記ミラー部、トーションバー、支持部、及び圧電カンチレバーの支持体は、半導体基板を形状加工して一体的に形成されることが好ましい(第8発明)。 In the optical deflector according to any one of the first to seventh inventions, the mirror part, the torsion bar, the support part, and the support body of the piezoelectric cantilever may be integrally formed by processing a semiconductor substrate. Preferred (8th invention).
第8発明の光偏向器によれば、ミラー部、トーションバー、支持部、及び圧電カンチレバーの支持体が形状加工により一体的に形成されるので、別体で形成して接合や接着等の加工法を用いて形成する場合に比べて、接合部材や接着剤等が不要であり、アライメント精度を向上することができ、容易に精度良く形成することができる。また、一体的に形成されることにより光偏向器全体が機械的に連結されることとなるので、別体で形成して連結する場合に比べて、連結部に応力が集中することがなく光偏向器の強度を向上することできる。さらに、半導体基板(例えば単結晶シリコン基板やSOI基板等のシリコン基板)から形成されるので、半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて半導体基板の一部を除去加工することで、容易に一体的に形成することができる。 According to the optical deflector of the eighth invention, the mirror part, the torsion bar, the support part, and the support body of the piezoelectric cantilever are integrally formed by shape processing. Compared to the case of forming using a method, a bonding member, an adhesive, or the like is unnecessary, and the alignment accuracy can be improved, and the formation can be easily performed with high accuracy. In addition, since the entire optical deflector is mechanically connected by being formed integrally, stress is not concentrated on the connecting portion as compared with the case of forming and connecting separately. The strength of the deflector can be improved. Furthermore, since it is formed from a semiconductor substrate (for example, a silicon substrate such as a single crystal silicon substrate or an SOI substrate), a part of the semiconductor substrate can be easily removed and integrated by using a semiconductor planar process and a MEMS process. Can be formed.
また、第8発明の光偏向器において、前記圧電カンチレバーの圧電体は、前記半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成されることが好ましい(第9発明)。 In the optical deflector of the eighth invention, the piezoelectric body of the piezoelectric cantilever is preferably formed by shaping a single-layer piezoelectric film directly formed on the semiconductor substrate (ninth invention). .
第9発明の光偏向器によれば、圧電カンチレバーの圧電体は、半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成されるので、構造が簡単であり、半導体プレーナプロセスを用いて容易に形成することができる。しかも、支持体と圧電体とを一体的に形成可能であり、支持体と圧電体とを別体で形成して接着する場合に比べて、接着剤が不要であり、アライメント精度が向上し、接着部に応力が集中することがなく圧電アクチュエータの強度を向上することができる。 According to the optical deflector of the ninth invention, since the piezoelectric body of the piezoelectric cantilever is formed by shaping a single-layer piezoelectric film directly formed on the semiconductor substrate, the structure is simple, and the semiconductor planar It can be easily formed using a process. Moreover, the support body and the piezoelectric body can be formed integrally, and no adhesive is required compared to the case where the support body and the piezoelectric body are formed and bonded separately, and the alignment accuracy is improved. It is possible to improve the strength of the piezoelectric actuator without stress concentration on the bonded portion.
また、第9発明の光偏向器において、前記ミラー部の反射面及び前記圧電カンチレバーの電極は、前記半導体基板上に直接成膜された金属薄膜と、前記圧電膜上に直接成膜された金属薄膜とを形状加工して形成されることが好ましい(第10発明)。 In the optical deflector according to the ninth aspect of the invention, the reflecting surface of the mirror part and the electrode of the piezoelectric cantilever are formed of a metal thin film directly formed on the semiconductor substrate and a metal formed directly on the piezoelectric film. Preferably, the thin film is formed by shape processing (the tenth invention).
第10発明の光偏向器によれば、ミラー部の反射面及び圧電カンチレバーの電極は、直接成膜された金属薄膜を形状加工して形成されるので、構造が簡単であり、半導体プレーナプロセスを用いて容易に形成することができる。 According to the optical deflector of the tenth invention, the reflecting surface of the mirror part and the electrode of the piezoelectric cantilever are formed by shaping the metal thin film directly formed, so that the structure is simple and the semiconductor planar process is performed. And can be easily formed.
そして、本発明の光偏向器によれば、半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて光偏向器全体を一体的に形成することができるので、光偏向器の作製が容易になり、量産や歩留りの向上が可能となる。さらに、この光偏向器をデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、他のデバイスに組み込むことが容易となり、小型化や量産が可能となる。 According to the optical deflector of the present invention, since the entire optical deflector can be integrally formed using a semiconductor planar process and a MEMS process, the optical deflector can be easily manufactured, and mass production and yield can be improved. Improvement is possible. Furthermore, when this optical deflector is incorporated into a device, the entire device can be integrally formed using a semiconductor planar process and a MEMS process, so that it can be easily incorporated into other devices, and can be reduced in size and size. Mass production is possible.
[第1実施形態]
本発明の第1実施形態について、図1〜図5を参照して説明する。図1は、本実施形態における光偏向器の構成図、図2は、図1の光偏向器における第1の圧電アクチュエータの作動を示す説明図、図3は、図1の光偏向器における第2の圧電アクチュエータの作動を示す説明図、図4は、図1の光偏向器におけるミラー部の回転角度の検出を示すグラフ(第1の圧電アクチュエータの駆動電圧と第2の圧電アクチュエータの出力電圧とミラー部の回転角度との時間変化を示すグラフ)、図5は、図1の光偏向器の製造工程を示す説明図である。
[First Embodiment]
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 1 is a configuration diagram of an optical deflector according to the present embodiment, FIG. 2 is an explanatory diagram illustrating the operation of a first piezoelectric actuator in the optical deflector of FIG. 1, and FIG. 3 is a first diagram of the optical deflector of FIG. FIG. 4 is a graph showing detection of the rotation angle of the mirror unit in the optical deflector of FIG. 1 (drive voltage of the first piezoelectric actuator and output voltage of the second piezoelectric actuator). FIG. 5 is an explanatory diagram showing a manufacturing process of the optical deflector of FIG. 1.
図1に示すように、本実施形態の光偏向器Aは、入射された光を反射するミラー部1と、ミラー部1に連結されたトーションバー2a,2bと、ミラー部1をそれぞれトーションバー2a,2bを介して駆動する2対の第1の圧電アクチュエータ8a〜8dと、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dを支持する支持部10と、ミラー部1の回転角度を検出するための2対の第2の圧電アクチュエータ9a〜9dとを備えている。
As shown in FIG. 1, the optical deflector A of the present embodiment includes a
ミラー部1は矩形形状で、その1対の対辺のそれぞれの中心位置から外側に向かって、上記1対のトーションバー2a,2bが延びている。一方のトーションバー2aは、その基端部が支持部10に連結され、先端部がミラー部1に連結されている。トーションバー2aは、その基端部を挟んで対向した1対の第1の圧電アクチュエータ8a,8cのそれぞれの先端部に連結される一方、先端部を挟んで対向した1対の第2の圧電アクチュエータ9a,9cのそれぞれの先端部に連結されている。
The
また、他方のトーションバー2bも、その基端部が支持部10に連結され、先端部がミラー部1に連結されている。このトーションバー2bは、その基端部を挟んで対向した1対の第1の圧電アクチュエータ8b,8dのそれぞれの先端部に連結される一方、先端部を挟んで対向した1対の第2の圧電アクチュエータ9b,9dのそれぞれの先端部に連結されている。
Also, the other torsion bar 2 b has a base end portion connected to the
第1の圧電アクチュエータ8a〜8dは、それぞれ、その基端部が支持部10に連結されて支持されている。支持部10は、ミラー部1、トーションバー2a,2b、第1の圧電アクチュエータ8a〜8d、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dを囲むように設けられている。第1の圧電アクチュエータ8a〜8dは、それぞれ、1つの圧電カンチレバーから構成される。各圧電カンチレバーは、支持体4a〜4dと下部電極5a〜5dと圧電体6a〜6dと上部電極7a〜7dとを備えている。
Each of the first
また、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dは、それぞれ、その基端部がミラー部1に連結されて支持されている。これらの第2の圧電アクチュエータ9a〜9dは、それぞれ、1つの圧電カンチレバーから構成される。各圧電カンチレバーは、それぞれ、支持体4e〜4hと下部電極5e〜5hと圧電体6e〜6hと上部電極7e〜7hとを備えている。
Further, the second
また、光偏向器Aは、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの上部電極7a〜7dと下部電極5a〜5dとの間にそれぞれ駆動電圧を印加するための上部電極パッド11a〜11d及び下部電極パッド12a〜12dと、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの上部電極7e〜7hと下部電極5e〜5hとの間の圧電起電力を出力するための上部電極パッド14a〜14d及び下部電極パッド15a〜15dとを、支持部10上に備えている。
The optical deflector A includes upper electrode pads 11a to 11d and lower electrode pads for applying a driving voltage between the upper electrodes 7a to 7d and the lower electrodes 5a to 5d of the first
下部電極パッド12a〜12d,15a〜15dと下部電極5a〜5hとは、シリコン基板上の金属薄膜(本実施形態では2層の金属薄膜、以下、下部電極層ともいう)を、半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成される。この金属薄膜の材料としては、例えば、1層目(下層)にはチタン(Ti)を用い、2層目(上層)には白金(Pt)を用いる。詳細には、下部電極5a〜5hは、支持体4a〜4h上のほぼ全面に形成さている。そして、下部電極パッド12a〜12dは下部電極5a〜5dに導通され、下部電極パッド15a〜15dは、支持部10及びトーションバー2a,2b上の下部電極層を介して下部電極5e〜5hに導通される。
The lower electrode pads 12a to 12d, 15a to 15d and the lower electrodes 5a to 5h are formed of a metal thin film on a silicon substrate (in this embodiment, two metal thin films, hereinafter also referred to as a lower electrode layer) and a semiconductor planar process. It is formed by using and shape processing. As a material of this metal thin film, for example, titanium (Ti) is used for the first layer (lower layer), and platinum (Pt) is used for the second layer (upper layer). Specifically, the lower electrodes 5a to 5h are formed on almost the entire surface of the supports 4a to 4h. The lower electrode pads 12a to 12d are electrically connected to the lower electrodes 5a to 5d, and the lower electrode pads 15a to 15d are electrically connected to the lower electrodes 5e to 5h via the
圧電体6a〜6hは、下部電極層上の1層の圧電膜(以下、圧電体層ともいう)を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより、それぞれ、下部電極5a〜5h上に互いに分離して形成されている。この圧電膜の材料としては、例えば、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が用いられる。詳細には、圧電体6a〜6hは、支持体4a〜4h上のほぼ全面に形成されている。 The piezoelectric bodies 6a to 6h are separated from each other on the lower electrodes 5a to 5h, respectively, by processing a single piezoelectric film (hereinafter also referred to as a piezoelectric layer) on the lower electrode layer using a semiconductor planar process. Is formed. As a material of this piezoelectric film, for example, lead zirconate titanate (PZT) which is a piezoelectric material is used. Specifically, the piezoelectric bodies 6a to 6h are formed on almost the entire surface of the support bodies 4a to 4h.
上部電極パッド11a〜11d,14a〜14dと上部電極配線13a〜13dと上部電極7a〜7hとは、圧電体層上の金属薄膜(本実施形態では1層の金属薄膜、以下、上部電極層ともいう)を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成されている。この金属薄膜の材料としては、例えば白金又は金(Au)が用いられる。詳細には、上部電極7a〜7hは、圧電体6a〜6h上のほぼ全面に形成されている。そして、上部電極パッド11a〜11dは上部電極7a〜7dに導通され、上部電極パッド14a〜14dは、支持部10上及びトーションバー2a,2b上に形成された上部電極配線13a〜13dを介して上部電極7e〜7hに導通される。なお、上部電極配線13a〜13dは、平面的に互いに分離して設けられていると共に、下部電極パッド12a〜12d,15a〜15d及び下部電極5a〜5hと層間絶縁されている。
The upper electrode pads 11a to 11d, 14a to 14d, the upper electrode wirings 13a to 13d, and the upper electrodes 7a to 7h are a metal thin film on the piezoelectric layer (in this embodiment, one metal thin film, hereinafter referred to as the upper electrode layer). Is formed by shape processing using a semiconductor planar process. For example, platinum or gold (Au) is used as the material of the metal thin film. Specifically, the upper electrodes 7a to 7h are formed on almost the entire surface of the piezoelectric bodies 6a to 6h. The upper electrode pads 11a to 11d are electrically connected to the upper electrodes 7a to 7d, and the upper electrode pads 14a to 14d are connected to the
ミラー部1は、ミラー部支持体1aと、ミラー部支持体1a上に形成されたミラー面反射膜(反射面)1bとを備えている。ミラー面反射膜1bは、ミラー部支持体1a上の金属薄膜(本実施形態では1層の金属薄膜)を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工して形成されている。金属薄膜の材料としては、例えばAu,Pt,銀(Ag),アルミニウム(Al)等が用いられる。
The
また、ミラー部支持体1aと、トーションバー2a,2bと、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの支持体4a〜4dと、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの支持体4e〜4hと、支持部10とは、シリコン基板を形状加工することにより一体的に形成されている。シリコン基板を形状加工する手法としては、フォトリソグラフィ技術やドライエッチング技術等を利用した半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスが用いられる。
Further, the mirror part support 1a, the
ミラー部1と支持部10との間には空隙10’が設けられ、ミラー部1が所定角度まで回転可能となっている。ミラー部1は、一体的に形成することで、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dとトーションバー2a,2bを介して機械的に連結され、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動に応じてミラー部1が回動する。また、ミラー部1は、一体的に形成することで、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dと機械的に連結され、ミラー部1の回動に応じて第2の圧電アクチュエータ9a〜9dが屈曲変形する。
A
さらに、光偏向器Aは、ミラー部1の偏向・走査を制御する制御回路20に接続されている。制御回路20は、その機能として、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動電圧の位相、周波数、振幅、波形等を制御することで、ミラー部1の偏向・走査の位相、周波数、偏向角等を制御する制御手段22を備えている。さらに、制御回路20は、その機能として、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dで生じた圧電起電力に基づいてミラー部1の回転角度を検出する回転角度検出手段21を備えている。そして、制御手段22は、回転角度検出手段21により検出された回転角度に基づいて、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dをフィードバック制御する。なお、図1における調整手段23は、後述の第2実施形態にのみ備える構成であるので、説明は後述する。
Further, the optical deflector A is connected to a
次に、本実施形態の光偏向器Aの作動を説明する。まず、光偏向器Aでは、制御手段22により、2対の第1の圧電アクチュエータ8a〜8dに電圧を印加する。これにより、2対の第1の圧電アクチュエータ8a〜8dが駆動され、それぞれ、先端部に角度変位を発生する。これらの角度変位により、ミラー部1は、1対のトーションバー2a,2bと同軸の1軸x1で回転する。
Next, the operation of the optical deflector A of this embodiment will be described. First, in the optical deflector A, the control means 22 applies a voltage to the two pairs of first
ここで、図2は、本実施形態の光偏向器Aの第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの、ミラー部1の回転駆動時における駆動状態を示した図である。図2には、図1に示すI−I線端面(矢印方向から見た端面)が模式的に図示されている。図2に示すように、一方の対の第1の圧電アクチュエータ8a,8cに対して、その上部電極7a,7cと下部電極5a,5cとの間にそれぞれ互いに逆極性の電圧±V1を印加して駆動させると、互いに逆方向に屈曲変形する。
Here, FIG. 2 is a diagram illustrating a driving state of the first
これらの屈曲変形により、第1の圧電アクチュエータ8a,8cの基端部は支持部10に連結されて支持されているので、図2に示すように、先端部は支持部10(基板)の厚み方向に上下に回動する。第1の圧電アクチュエータ8a,8cに互いに逆極性の電圧±V1を印加するので、第1の圧電アクチュエータ8a,8cの先端部は互いに逆方向に動く。これにより、トーションバー2aにねじれ変位が生じて、ミラー部1にトーションバー2aを中心とした回転トルクが作用する。
Due to these bending deformations, the base end portions of the first
同様に、他方の対の第1の圧電アクチュエータ8b,8dに互いに逆極性の電圧±V1を印加して駆動させることにより、トーションバー2bに同じ方向にねじれ変位が生じて、ミラー部1にトーションバー2bを中心とした回転トルクが作用する。
Similarly, when the other pair of first
よって、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動により、図2の矢印で示したように、ミラー部1にはトーションバー2a,2bを中心とした回転トルクαが作用する。これにより、ミラー部1は、図1の矢印で示したように、トーションバー2a,2bを中心軸として1軸x1周りで回転する。
Therefore, by the driving of the first
このとき、各対の一方の第1の圧電アクチュエータ8a,8bには、互いに同位相の第1の交流電圧を印加する。また、各対の他方の第1の圧電アクチュエータ8c,8dにも、互いに同位相の第2の交流電圧を印加する。このとき、第1の交流電圧と第2の交流電圧とは、互いに逆位相或いは位相のずれた交流電圧(例えば正弦波)とする。これにより、ミラー部1を回転させて1方向について所定の周波数で所定の偏向角で光走査することができる。このとき、これらの第1の圧電アクチュエータ8a〜8dでは、駆動電圧としてトーションバー2a,2bを含むミラー部1の機械的な共振周波数(第一次共振点)付近の周波数の交流電圧を印加して共振駆動させることで、より大きな偏向角で光走査することができる。なお、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動は、非共振駆動でもよく、印加する電圧は直流電圧でもよい。
At this time, a first AC voltage having the same phase is applied to one of the pair of first
これと共に、光偏向器Aでは、回転角度検出手段21により、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dに生じた圧電起電力を検出し、この検出された圧電起電力に基づいてミラー部1の回転角度を検出する。
At the same time, in the optical deflector A, the rotation angle detection means 21 detects the piezoelectric electromotive force generated in the second
ここで、図3は、本実施形態の光偏向器のミラー部1の回転駆動時における、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの駆動状態を示した図である。図3には、図1に示すII−II線端面(矢印方向から見た端面)が模式的に図示されている。なお、図3中に第1の圧電アクチュエータ8a,8cを破線で示す。図3に示したように、トーションバー2aが第1の圧電アクチュエータ8a,8cの駆動により回転角度θ1だけ回転したとき、慣性モーメントにより、ミラー部1は回転角度θ2で回転し、一方の対の第2の圧電アクチュエータ9a,9cは互いに逆方向に屈曲変形する。すなわち、ミラー部1が揺動している場合、ミラー部1の慣性モーメントによって、トーションバー2aの捻れ角θ1とミラー部1の偏向角θ2には差Δθが生じる。第2の圧電アクチュエータ9a,9cは、一方をミラー部1に、他方をトーションバー2aに固定されているため、このΔθによって圧電アクチュエータ9a,9cに応力が生じ、歪みとなって圧電アクチュエータ9a,9cを図3のように変形させる。圧電アクチュエータ9a,9cに設けられた圧電体6e,6gは、この歪みによって分極を発生し、上下電極間に電圧を発生する。これらの屈曲変形により生じた圧電起電力は、回転角度検出手段21に出力される。同様に、トーションバー2bが第1の圧電アクチュエータ8b,8dの駆動により回転角度θ1だけ回転したとき、ミラー部1は回転角度θ2で回転し、一方の対の第2の圧電アクチュエータ9b,9dは互いに逆方向に屈曲変形し、その力に応じた圧電起電力を発生する。これらの圧電起電力に基づいて、ミラー部1の回転角度が検出される。
Here, FIG. 3 is a diagram illustrating a driving state of the second
図4(a)に、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動電圧と、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの出力電圧とを示す。図4(a)において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。なお、圧電アクチュエータ9a〜9dの出力電圧は100倍にして図示している。圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動電圧に対して、圧電アクチュエータ9a〜9dの出力電圧は、時間Δλだけ遅れた波形となる。このとき、ミラー部1の振幅は、図4(b)に示したようになる。図4(b)において、横軸は時間を示し、縦軸は振幅を示す。このように、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの出力電圧の時間変化は、ミラー部1の振幅の時間変化と同じタイミングとなるので、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの圧電起電力(出力電圧)から、ミラー部1の回転角度がリアルタイムで検出できる。そして、この検出された回転角度に基づいて、制御手段22により第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動電圧をフィードバック制御することで、偏向・走査性能を向上することができる。
FIG. 4A shows the drive voltages of the first
従って、本実施形態の光偏向器Aによれば、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dを備えることで、ミラー部1の駆動状態を迅速に精度良く検出することができ、検出された駆動状態に基づいてフィードバック制御することで、偏向・走査性能を向上することができる。
[製造工程]
図5には、本実施形態における光偏向器Aの製造工程を示す。なお、図5(a)〜(h)は、光偏向器Aの断面を模式的に示している。
Therefore, according to the optical deflector A of the present embodiment, by providing the second
[Manufacturing process]
In FIG. 5, the manufacturing process of the optical deflector A in this embodiment is shown. 5A to 5H schematically show a cross section of the optical deflector A. FIG.
図5(a)に示すように、ミラー部支持体1a、トーションバー2a,2b、支持体4a〜4h、支持部10を形成する基板としては、SOI基板31を用いている。SOI基板31は、単結晶シリコン(活性層31a、又はSOI層ともいう)/酸化シリコン(中間酸化膜層31b)/単結晶シリコン(ハンドリング層31c)の貼り合わせ基板である。SOI基板の各層の厚みは、例えば、活性層31aの厚みは5〜100[μm]、中間酸化膜層31bの厚みは0.5〜2[μm]、ハンドリング層31cの厚みは100〜600[μm]である。また、活性層31aの表面は光学研磨処理が施されている。
As shown in FIG. 5A, an
まず、図5(b)に示すように、SOI基板31の表面(活性層31a側)及び裏面(ハンドリング層31c側)を熱酸化炉(拡散炉)によって酸化し、熱酸化シリコン膜32a,32bを形成する(熱酸化膜形成ステップ)。熱酸化シリコン膜32a,32bの厚みは、例えば0.1〜1[μm]とする。
First, as shown in FIG. 5B, the front surface (
次に、図5(c)に示すように、SOI基板31の表面(活性層31a側)に、下部電極層33、圧電体層34、上部電極層35を順次形成する。
Next, as shown in FIG. 5C, a
まず、下部電極層形成ステップで、SOI基板31の活性層31a側の熱酸化シリコン膜32a上に、2層の金属薄膜からなる下部電極層33を形成する。下部電極層33の材料としては、1層目(下層)の金属薄膜にはTiを用い、2層目(上層)の金属薄膜にはPtを用いる。各金属薄膜は、例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等により成膜する。各金属薄膜の厚みは、例えば1層目のTiは30〜100[nm]、2層目のPtは100〜300[nm]程度とする。
First, in the lower electrode layer forming step, a
次に、圧電体層形成ステップで、下部電極層33上に、1層の圧電膜からなる圧電体層34を形成する。圧電体層34の材料としては、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)を用いる。また、圧電膜の厚みは、例えば1〜10[μm]程度とする。圧電膜は、例えば、反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法により成膜する。反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法については、具体的には、本願出願人による特開2001−234331号公報、特開2002−177765号公報、特開2003−81694号公報に記載された手法を用いる。
Next, in the piezoelectric layer forming step, a
この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は、プラズマガンで真空容器内に発生させた高密度酸素プラズマ中で原料金属を加熱蒸発させ、真空容器内或いは半導体基板上において各金属蒸気と酸素とが反応することにより、半導体基板上に圧電膜を形成するものである。この方法を用いることにより、比較的低い成膜温度においても高速に圧電膜を形成できる。特に、アーク放電反応性イオンプレーティング法による圧電膜を形成する際に、その下地として、例えば化学溶液堆積法(CSD(Chemical Solution Deposition)法)によりシード層を形成することで、より優れた圧電特性を有する圧電膜を形成することができる。 In this reactive ion plating method using arc discharge plasma, a source metal is heated and evaporated in a high-density oxygen plasma generated in a vacuum vessel by a plasma gun, and each metal vapor and in a vacuum vessel or on a semiconductor substrate are heated. By reacting with oxygen, a piezoelectric film is formed on the semiconductor substrate. By using this method, a piezoelectric film can be formed at high speed even at a relatively low film formation temperature. In particular, when a piezoelectric film is formed by an arc discharge reactive ion plating method, a seed layer is formed as a foundation by, for example, a chemical solution deposition method (CSD (Chemical Solution Deposition) method). A piezoelectric film having characteristics can be formed.
なお、圧電膜は、例えばスパッタ法、ゾルゲル法等により成膜してもよい。ただし、反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法を用いることにより、良好な圧電特性(バルクの圧電体と同等の圧電特性)を有する厚みのある膜を成膜することができる。 The piezoelectric film may be formed by, for example, a sputtering method or a sol-gel method. However, by using an ion plating method using reactive arc discharge, a thick film having excellent piezoelectric characteristics (piezoelectric characteristics equivalent to a bulk piezoelectric body) can be formed.
次に、上部電極層形成ステップで、圧電体層34上に、1層の金属薄膜からなる上部電極層35を形成する。上部電極層35の材料としては、Pt又はAuを用いる。上部電極層35は、例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等により成膜する。上部電極層35の厚みは、例えば10〜200[nm]程度とする。
Next, in the upper electrode layer forming step, an
次に、図5(d)に示すように、形状加工ステップで、上部電極層35、圧電体層34、下部電極層33の形状を加工して、第1及び第2の圧電アクチュエータ8a〜8d、9a〜9dの圧電カンチレバーの上部電極7a〜7h、圧電体6a〜6h、下部電極5a〜5hを形成する。
Next, as shown in FIG. 5D, in the shape processing step, the shapes of the
具体的には、まず、上部電極層35上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、上部電極層35及び圧電体層34に対して、RIE(Reactive Ion Etching)装置を用いて、ドライエッチングを行う。これにより、上部電極パッド11a〜11d,14a〜14d、上部電極7a〜7h、及び圧電体6a〜6hが形成される。また、このとき、これらの上部電極用の電極パッドと所定の圧電カンチレバーの上部電極とを接続するための上部電極配線13a〜13d(電極配線パターン)も形成される。
Specifically, first, a resist material is patterned on the
同様に、下部電極層33上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、下部電極層33に対して、RIE装置を用いて、ドライエッチングを行う。これにより、下部電極パッド12a〜12d,15a〜15d、及び下部電極5a〜5hが形成される。
Similarly, a resist material is patterned on the
このとき、図5(d)に示すように、下部電極層の形状加工ステップを反射面形成ステップとして兼用し、ミラー部1の位置に対応した下部電極層を、レジスト材料によりマスクしてドライエッチングから保護することで反射膜として残し、ミラー部1のミラー面反射膜1bを形成する。
At this time, as shown in FIG. 5D, the shape processing step of the lower electrode layer is also used as a reflecting surface forming step, and the lower electrode layer corresponding to the position of the
なお、ミラー部1の光反射効率を高めたい場合には、形状加工ステップの後に、改めて反射面形成ステップを行うものとしてもよい。この場合、まず、SOI基板31のSOI層31a側の全面に、1層の金属薄膜(反射膜)を形成する。反射膜の材料としては、例えばAu,Pt,Ag,Al等を用いる。また、反射膜は、例えばスパッタ法、蒸着法を用いて成膜する。反射膜の厚みは、例えば100〜500[nm]程度とする。
In addition, when it is desired to increase the light reflection efficiency of the
次に、反射膜の形状を加工する。具体的には、まず、反射膜上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、反射膜に対して、RIE装置を用いてドライエッチングを行う。これにより、SOI基板31の活性層31a側の熱酸化シリコン膜32a上に、ミラー面反射膜1bが形成される。
Next, the shape of the reflective film is processed. Specifically, first, a resist material is patterned on the reflective film using a photolithography technique. Next, using the patterned resist material as a mask, the reflective film is dry-etched using an RIE apparatus. As a result, the mirror
次に、図5(e)〜(h)に示すように、支持体形成ステップで、ミラー部支持体1a、トーションバー2a,2b、第1及び第2の圧電アクチュエータ8a〜8d,9a〜9dの圧電カンチレバーの支持体4a〜4h、及び支持部10が形成される。
Next, as shown in FIGS. 5E to 5H, in the support forming step, the mirror support 1a, the
まず、図5(e)に示すように、熱酸化膜32bを除去して、ハードマスクを形成する。詳細には、SOI基板31の表面全体を厚膜レジストで保護しておき、裏面のハンドリング層31c側の熱酸化シリコン膜32bをバッファードフッ酸(BHF)で除去する。そして、SOI基板31の裏面側のハンドリング層31c上の全面に、1層のAl薄膜37を形成する。Al薄膜37は、例えばスパッタ法、蒸着法を用いて成膜する。そして、Al薄膜37上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、Al薄膜37に対してウェットエッチングを行う。これにより、後述の図5(g)のICP(Inductively Coupled Plasma)−RIE装置によるドライエッチングに用いるハードマスクが形成される。
First, as shown in FIG. 5E, the
次に、図5(f)に示すように、活性層31a(単結晶シリコン)の形状を加工する。まず、フォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングし、このパターニングしたレジスト材料をマスクとして、ICP−RIE装置を用いて、熱酸化膜32a及び活性層31aのシリコンの形状を加工する。ICP−RIE装置は、マイクロマシニング技術で使用されるドライエッチング装置であり、シリコンを垂直に深く掘ることが可能な装置である。
Next, as shown in FIG. 5F, the shape of the
次に、図5(g)に示すように、ハンドリング層31cの形状を加工する。図5(e)で形成したハードマスクを用いて、ICP−RIE装置を用いて、ハンドリング層31cのシリコンを加工する。これにより、トーションバー2a,2b及び支持体4a〜4hの裏側を深く掘り下げ中空状態にする。
Next, as shown in FIG. 5G, the shape of the
次に、図5(h)に示すように、SOI基板31の中間酸化膜層31bをバッファードフッ酸(BHF)でウェットエッチングして除去する。これにより、ミラー部1、トーションバー2a,2b、第1の圧電アクチュエータ8a〜8d、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの周囲を部分的にSOI基板31から切り離して空隙を形成し、ミラー部1及びトーションバー2a,2bの回転と、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動と、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの変形とを可能にする。
Next, as shown in FIG. 5H, the intermediate
以上の工程により、光偏向器が作製される。なお、上述の工程を行った後、各デバイスは、ダイシング工程によってSOI基板31から個片(チップ)として分離される。そして、各デバイスのチップは、TO(Transister Outline)型CANパッケージにダイボンド及びワイヤーボンドにより実装される。
The optical deflector is manufactured through the above steps. In addition, after performing the above-mentioned process, each device is isolate | separated as a piece (chip) from the
このように、光偏向器Aは、半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することができるので、作製が容易であり、小型化や量産や歩留まりの向上が可能となる。しかも、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dは、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dを形成する工程を利用して形成することができ、工程数の増加や工程の複雑化を伴わない。さらに、光偏向器Aをデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、光偏向器Aを他のデバイスに組み込むことが容易となる。
[実施例1−1]
実施例1−1として、本実施形態の光偏向器Aの駆動特性(回転角度の検出・最大偏向角のフィードバック制御)の試験について説明する。本実施例では、上述の光偏向器Aを、共振周波数が5[kHz]となるように設計し、上述の製造工程を用いて作製した。このとき、SOI基板の各層の厚みは、活性層50[μm]、中間酸化膜層2[μm]、ハンドリング層525[μm]とし、熱酸化シリコン膜の厚みは500[nm]とした。また、下部電極層(Ti/Pt)の厚みはTiを50[nm]、Ptを=150[nm]とし、圧電体層の厚みは3[μm]とし、上部電極層(Pt)の厚みは150[nm]とした。
Thus, since the optical deflector A can be integrally formed using a semiconductor planar process and a MEMS process, it can be easily manufactured and can be downsized, mass-produced, and improved in yield. Moreover, the second
[Example 1-1]
As Example 1-1, a test of drive characteristics (rotation angle detection / maximum deflection angle feedback control) of the optical deflector A of the present embodiment will be described. In this example, the above-described optical deflector A was designed so that the resonance frequency was 5 [kHz], and was manufactured using the above-described manufacturing process. At this time, the thickness of each layer of the SOI substrate was an active layer 50 [μm], an intermediate oxide film layer 2 [μm], and a handling layer 525 [μm], and the thickness of the thermally oxidized silicon film was 500 [nm]. The thickness of the lower electrode layer (Ti / Pt) is 50 nm for Ti, 150 nm for Pt, the thickness of the piezoelectric layer is 3 [μm], and the thickness of the upper electrode layer (Pt) is 150 [nm].
この光偏向器について、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dにピーク間電圧Vpp=20[V]、周波数5[kHz]の交流電圧を駆動信号として印加した。このとき、回転角度検出手段21により、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの出力信号として、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動信号から若干の位相遅れを伴った角度変位信号が得られた。そして、この角度変位信号に基づいて、回転角度検出手段21により、光偏向器の最大偏向角(振れ角)が±5°となることが検出された。これと共に、最大偏向角±5°で回転駆動する際に、光偏向器の偏向角は±0.05°の揺らぎを伴っていることが検出された。また、この光偏向器について、外部環境の温度が変わってミラー部の機械的な共振周波数が動作初期からずれた状態で、最大偏向角±5°で回転駆動する際には、光偏向器の偏向角は±2°の揺らぎを伴っていることが検出された。これらの偏向角の変動(揺らぎ)に対して、検出されたミラー部1の回転角度に基づいて制御手段22により第1のアクチュエータ8a〜8dの駆動信号の強度、位相および周波数をフィードバック制御することにより、それぞれ、偏向角の変動を吸収し、一定の最大偏向角による安定したミラー部1の揺動を維持することができた。
[実施例1−2]
実施例1−2として、本実施形態の光偏向器Aの駆動特性(回転角度の検出・最大偏向角のフィードバック制御)の試験について説明する。本実施例では、実施例1−1と同様の、共振周波数が5[kHz]となるように設計した光偏向器を複数個作製した。
For this optical deflector, an AC voltage having a peak-to-peak voltage Vpp = 20 [V] and a frequency of 5 [kHz] was applied to the first
[Example 1-2]
As Example 1-2, a test of drive characteristics (rotation angle detection / maximum deflection angle feedback control) of the optical deflector A of the present embodiment will be described. In this example, a plurality of optical deflectors designed to have a resonance frequency of 5 [kHz] similar to Example 1-1 were produced.
これらの光偏向器について、それぞれの共振周波数を測定したところ、共振周波数は4.997〜5.003[kHz]の範囲に分布していた。このとき、共振周波数4.997[kHz]および5.003[kHz]の光偏向器に対して、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dにピーク間電圧Vpp=20[V]、周波数5[kHz]の交流電圧を駆動信号として印加したところ、回転角度検出手段21により、光偏向器の最大偏向角が±4°と検出できた。さらに、検出されたミラー部1の回転角度に基づいて制御手段22により第1のアクチュエータ8a〜8dの駆動信号の強度、位相および周波数をフィードバック制御することにより、作製した全ての光偏向器の最大偏向角を±5°に精度良く合わせることができた。
[実施例1−3]
実施例1−3として、本実施形態の光偏向器Aの駆動特性(回転角度の検出・フィードバック制御による異常振動の抑制)の試験について説明する。本実施例では、実施例1−1と同様の、共振周波数が5[kHz]となるように設計した光偏向器を作製した。
When the resonance frequencies of these optical deflectors were measured, the resonance frequencies were distributed in the range of 5.997 to 5.003 [kHz]. At this time, an AC voltage having a peak-to-peak voltage Vpp of 20 [V] and a frequency of 5 [kHz] is applied to the first
[Example 1-3]
As Example 1-3, a test of driving characteristics of the optical deflector A of the present embodiment (detection of rotation angle and suppression of abnormal vibration by feedback control) will be described. In this example, an optical deflector designed to have a resonance frequency of 5 [kHz], similar to Example 1-1, was produced.
この光偏向器について、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dにピーク間電圧Vpp=20[V]、周波数5[kHz]の交流電圧を駆動信号として印加したところ、回転角度検出手段21により検出されたミラー部1の回転角度から、光偏向器の最大偏向角が±5°と検出できた。さらに、光偏向器の動作中に周波数5[kHz]、加速度500[G]の外部振動を付加した。このとき、外部振動に対して、検出されたミラー部1の回転角度に基づいて制御手段22により第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動信号の強度、位相および周波数をフィードバック制御して減衰させることで、外部振動によるミラー部1の回転角度の瞬間的な増大(異常振幅増大)を制振することができた。
[第2実施形態]
本発明の第2実施形態について、図6〜7を参照して説明する。図6は、本発明の第2実施形態の光偏向器における第2の圧電アクチュエータの作動を示す説明図、図7は、図6の光偏向器におけるミラー部の回転角度の調整を示すグラフである。なお、本実施形態の光偏向器A’は、第1実施形態の光偏向器と構成は同じであり、作動のみが相違する。
With respect to this optical deflector, an alternating voltage having a peak-to-peak voltage Vpp = 20 [V] and a frequency of 5 [kHz] was applied to the first
[Second Embodiment]
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. 6 is an explanatory view showing the operation of the second piezoelectric actuator in the optical deflector according to the second embodiment of the present invention, and FIG. 7 is a graph showing adjustment of the rotation angle of the mirror portion in the optical deflector of FIG. is there. The optical deflector A ′ of the present embodiment has the same configuration as the optical deflector of the first embodiment, and only the operation is different.
本実施形態の光偏向器A’では、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dは、第1の圧電アクチュエータ8aの駆動によるミラー部1の回転駆動を補助・調整するために用いられる。光偏向器A’に接続された制御回路20は、その機能として、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dへ印加する駆動電圧を制御することで、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動によるミラー部1の回転駆動を調整する調整手段23を備えている。なお、本実施形態では、制御回路20は回転角度検出手段21を備えない。
In the optical deflector A 'of the present embodiment, the second
次に、本実施形態の光偏向器A’の作動を説明する。まず、光偏向器A’では、第1実施形態と同様に、制御手段22により、2対の第1の圧電アクチュエータ8a〜8dに電圧を印加する。これにより、2対の第1の圧電アクチュエータ8a〜8dが駆動され、それぞれ、先端部に角度変位を発生する。これらの角度変位により、トーションバー2a,2bにねじれ変位が生じて、ミラー部1にトーションバー2a,2bを中心とした回転トルクαが作用する。
Next, the operation of the optical deflector A 'according to this embodiment will be described. First, in the optical deflector A ′, a voltage is applied to the two pairs of first
これと共に、本実施形態の光偏向器A’では、調整手段23により、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dに電圧を印加する。
At the same time, in the optical deflector A ′ of the present embodiment, the adjusting means 23 applies a voltage to the second
ここで、図6は、本実施形態の光偏向器A’のミラー部1の回転駆動時における、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの駆動状態を示した図である。図6には、図1に示すII−II線端面(矢印方向から見た端面)が模式的に図示されている。なお、図6中に第1の圧電アクチュエータ8a,8cを破線で示す。図6に示すように、一方の対の第2の圧電アクチュエータ9a,9cの圧電カンチレバーの上部電極7e,7gと下部電極5e,5gとの間にそれぞれ互いに逆極性の電圧±V2を印加して駆動させると、互いに逆方向に屈曲変形する。
Here, FIG. 6 is a diagram illustrating a driving state of the second
これらの屈曲変形により、第2の圧電アクチュエータ9a,9cの基端部はミラー部1に連結されて支持されているので、図6に示すように、先端部はミラー部1(基板)の厚み方向に上下に回動する。第2の圧電アクチュエータ9a,9cに互いに逆極性の電圧±V2を印加するので、第2の圧電アクチュエータ9a,9cの先端部は互いに逆方向に動く。これにより、トーションバー2aにねじれ変位が生じて、ミラー部1にトーションバー2aを中心とした回転トルクが作用する。
Due to these bending deformations, the base end portions of the second
同様に、他方の対の第2の圧電アクチュエータ9b,9dに互いに逆極性の電圧±V2を印加して駆動させることにより、トーションバー2bに同じ方向にねじれ変位が生じて、ミラー部1にトーションバー2bを中心とした回転トルクが作用する。
Similarly, when the other pair of second
よって、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dで生じた角度変位により、トーションバー2a,2bにねじれ変位が生じて、ミラー部1にトーションバー2a,2bを中心とした回転トルクβが作用する。
Therefore, torsional displacement occurs in the
よって、ミラー部1は、第1及び第2の圧電アクチュエータ8a〜8d,9a〜9dの駆動により生じたトーションバー2a,2bのねじれ変位(回転)に応じて、トーションバー2a,2bを中心軸として1軸x1で回転する。このとき、第2の圧電アクチュエータ9a,9cは、支持部10ではなくミラー部1に連結されているため、第1の圧電アクチュエータ8a,8cで発生した回転トルクαを減少させることなく、付加的に回転トルクβを発生することができる。
Therefore, the
このため、トーションバー2a,2bに加わる回転トルクは第1の圧電アクチュエータ8a〜8dと第2の圧電アクチュエータ9a〜9dにより発生した回転トルクの和α+βとなり、ミラー部1の最大偏向角を増大させることができる。さらに、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dと、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dとは、駆動電圧を別々に印加して、独立に制御できる。よって、回転トルクα+βを所定の値に制御できる。よって、ミラー部1の回転駆動のパラメータやトーションバー2a,2bの回転駆動のパラメータが所定値となるよう、あるいは所定範囲に制限されるよう、ミラー部1の回転駆動を調整することができる。
For this reason, the rotational torque applied to the
このとき、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動では、この駆動によるミラー部1の共振駆動は、慣性モーメントにより、位相がΔλ遅延する。そこで、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの駆動信号の周波数を、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dによるミラー部1の共振周波数と一致させることができる。これにより、それぞれで発生する回転トルクα,βの緩衝を抑制して、最大偏向角を増大することができる。また、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの駆動信号の位相や周波数を調整することで、ミラー部1の回転駆動のパラメータを調整することができる。
At this time, in the driving of the first
図7(a)に、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動電圧と、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの駆動電圧とを示す。図7(a)において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動電圧に対して、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dの駆動電圧は、位相がΔλ遅延した遅れた波形とする。このとき、ミラー部1の振幅は、図7(b)のようになる。図7(b)において、横軸は時間を示し、縦軸は振幅を示す。このように、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dによる回転駆動に、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dによる回転駆動を付加することで、ミラー部1の振幅(最大偏向角)を増大することができる。
FIG. 7A shows the drive voltages of the first
従って、本実施形態の光偏向器A’によれば、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dを備えることで、ミラー部1の駆動状態を迅速に精度良く制御することができ、最大偏向角の増大や、偏向角や偏向速度の迅速且つ精度良い制御により、偏向・走査性能を向上することができる。
[実施例2−1]
実施例2−1として、本実施形態の光偏向器A’の駆動特性(最大偏向角の増大)の試験について説明する。本実施例では、上述の光偏向器を、共振周波数が5[kHz]となるように設計し、上述の作製プロセスで作製した。このとき、SOI基板の各層の厚みは、活性層50[μm]、中間酸化膜層2μm、ハンドリング層525[μm]とし、熱酸化シリコン膜の厚みは500[nm]とした。また、下部電極層(Ti/Pt)の厚みはTiを50[nm]、Ptを=150[nm]とし、圧電体層の厚みは3[μm]とし、上部電極層(Pt)の厚みは150[nm]とした。
Therefore, according to the optical deflector A ′ of the present embodiment, by providing the second
[Example 2-1]
As Example 2-1, a test of the drive characteristics (increase in the maximum deflection angle) of the optical deflector A ′ of the present embodiment will be described. In this example, the above-described optical deflector was designed so that the resonance frequency was 5 [kHz], and manufactured by the above-described manufacturing process. At this time, the thickness of each layer of the SOI substrate was an active layer 50 [μm], an intermediate oxide film layer 2 μm, and a handling layer 525 [μm], and the thickness of the thermally oxidized silicon film was 500 [nm]. The thickness of the lower electrode layer (Ti / Pt) is 50 nm for Ti, 150 nm for Pt, the thickness of the piezoelectric layer is 3 [μm], and the thickness of the upper electrode layer (Pt) is 150 [nm].
この光偏向器について、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dにピーク間電圧Vpp=20[V]、周波数5[kHz]の交流電圧を第1の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±5°が得られた。このとき、第1の駆動信号に加えて、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dに、ピーク間電圧Vpp=20[V]、周波数5[kHz]、第1の駆動信号に対する位相差Δλ=π/4の交流電圧を第2の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±8°が得られ、最大偏向角が1.6倍に増大した。
[実施例2−2]
実施例2−2として、本実施形態の光偏向器A’の駆動特性(共振周波数の調整)の試験について説明する。本実施例では、実施例2−1と同様の、共振周波数が5[kHz]となるように設計した光偏向器を複数個作製した。
In this optical deflector, when an AC voltage having a peak-to-peak voltage Vpp = 20 [V] and a frequency of 5 [kHz] is applied as a first drive signal to the first
[Example 2-2]
As Example 2-2, a test of drive characteristics (resonance frequency adjustment) of the optical deflector A ′ of the present embodiment will be described. In this example, a plurality of optical deflectors designed to have a resonance frequency of 5 [kHz], similar to Example 2-1, were produced.
これらの光偏向器について、それぞれの共振周波数を測定したところ、共振周波数は4.997〜5.003[kHz]の範囲に分布していた。共振周波数5[kHz]の光偏向器に対して、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dにピーク間電圧Vpp=20[V]、周波数5[kHz]の交流電圧を第1の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±5°が得られた。一方、共振周波数4.997[kHz]および5.003[kHz]の光偏向器に対して、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dにピーク間電圧Vpp=20[V]、周波数5[kHz]の交流電圧を第1の駆動信号として印加したところ、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dの駆動周波数とミラー部1の共振周波数のずれの影響で、光偏向器の最大偏向角は±4°に減少した。
When the resonance frequencies of these optical deflectors were measured, the resonance frequencies were distributed in the range of 5.997 to 5.003 [kHz]. A peak-to-peak voltage Vpp = 20 [V] and an AC voltage with a frequency of 5 [kHz] were applied as a first drive signal to the first
このとき、共振周波数4.997[kHz]および5.003[kHz]の光偏向器に対して、それぞれ、第1の駆動信号に加えて、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dに、ピーク間電圧Vpp=20[V]、周波数4.997[kHz]および5.003[kHz]、第1の駆動信号に対する位相差Δλ=π/4の交流電圧を第2の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±5°が得られた。
[実施例2−3]
実施例2−3として、本実施形態の光偏向器A’の駆動特性(異常振動の抑制)の試験について説明する。本実施例では、実施例2−1と同様の、共振周波数が5[kHz]となるように設計した光偏向器を作製した。
At this time, for the optical deflectors having resonance frequencies of 5.997 [kHz] and 5.003 [kHz], in addition to the first drive signal, the peak-to-peak voltage Vpp = 20 [ V], frequencies 5.997 [kHz] and 5.003 [kHz], and an AC voltage having a phase difference Δλ = π / 4 with respect to the first drive signal is applied as the second drive signal, the maximum deflection angle of the optical deflector is ± 5 ° was obtained.
[Example 2-3]
As Example 2-3, a test of drive characteristics (suppression of abnormal vibration) of the optical deflector A ′ of the present embodiment will be described. In this example, an optical deflector designed to have a resonance frequency of 5 [kHz], similar to Example 2-1, was produced.
この光偏向器について、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dにピーク間電圧Vpp=20[V]、周波数5[kHz]の交流電圧を第1の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±5°が得られた。
With respect to this optical deflector, when an AC voltage having a peak-to-peak voltage Vpp = 20 [V] and a frequency of 5 [kHz] is applied to the first
この光偏向器の動作中に、周波数5[kHz]、加速度500[G]の外部振動を付加した。このとき、外部振動に対して、第2の圧電アクチュエータ9a〜9dに、第1の駆動信号から位相がπ/2遅延した第2の駆動信号を印加し、第1の圧電アクチュエータ8a〜8dによる回転トルクαを減少させるような回転トルクβを加えることで、外部振動によるミラー部1の回転角度の瞬間的な増大(異常振幅増大)を制振することができた。
During the operation of this optical deflector, external vibration with frequency 5 [kHz] and acceleration 500 [G] was added. At this time, a second drive signal having a phase delayed by π / 2 from the first drive signal is applied to the second
なお、第1及び第2実施形態の光偏向器は、例えば、投射型ディスプレイ等の画像表示装置、電子写真方式の複写機やレーザプリンタ等の画像形成用の光走査装置、或いはレーザレーダ、バーコードリーダ、エリアセンサ等のセンシング用の光走査装置に用いることができる。 The optical deflectors of the first and second embodiments include, for example, an image display device such as a projection display, an optical scanning device for image formation such as an electrophotographic copying machine and a laser printer, a laser radar, a bar It can be used for sensing optical scanning devices such as code readers and area sensors.
1…ミラー部、2a,2b…トーションバー、4a〜4h…支持体、5a〜5h…下部電極、6a〜6d…圧電体、7a〜7d…上部電極、8a〜8d…第1の圧電アクチュエータ、9a〜9d…第2の圧電アクチュエータ、10…支持部、11a〜11d,14a〜14d…上部電極パッド、12a〜12d,15a〜15d…下部電極パッド、13a〜13d…上部電極配線、20…制御回路、21…回転角度検出手段、22…制御手段、23…調整手段、
31…SOI基板、31a…活性層、31b…中間酸化膜層、31c…ハンドリング層、32a,32b…熱酸化シリコン膜、33…下部電極層、34…圧電体層、35…上部電極層、37…Al薄膜。
DESCRIPTION OF
31 ... SOI substrate, 31a ... active layer, 31b ... intermediate oxide film layer, 31c ... handling layer, 32a, 32b ... thermally oxidized silicon film, 33 ... lower electrode layer, 34 ... piezoelectric layer, 35 ... upper electrode layer, 37 ... Al thin film.
Claims (10)
一端が前記トーションバーに連結され他端が前記ミラー部に連結されて支持された第2の圧電アクチュエータを備え、該第2の圧電アクチュエータは、支持体上に形成された圧電体に駆動電圧を印加したとき圧電駆動により屈曲変形を行う1つ以上の圧電カンチレバーからなることを特徴とする光偏向器。 A mirror part having a reflective surface; a torsion bar extending outward from the end of the mirror part; a support part provided so as to surround the mirror part; one end connected to the torsion bar and the other end being the support A first piezoelectric actuator connected to and supported by the unit, and the first piezoelectric actuator is one that performs bending deformation by piezoelectric driving when a driving voltage is applied to the piezoelectric body formed on the supporting body. In the optical deflector comprising the above piezoelectric cantilever and rotating the mirror portion via the torsion bar by the piezoelectric drive of the first piezoelectric actuator,
A second piezoelectric actuator having one end connected to the torsion bar and the other end connected to the mirror portion is supported, and the second piezoelectric actuator applies a drive voltage to the piezoelectric body formed on the support. An optical deflector comprising one or more piezoelectric cantilevers that bend and deform by piezoelectric driving when applied.
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