JP5252687B2 - 光偏向器 - Google Patents

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。

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や圧電アクチュエータ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（例えば、特許文献１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連結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を回転駆動する。このような光偏向器は、小型で簡単な構造で大きな駆動力が得られるという利点がある。

特許文献１の光偏向器において、ミラーの駆動源として用いられる圧電アクチュエータは、シリコン等の半導体基板を形状加工して形成される支持体と、この支持体上に形成された圧電体からなる圧電カンチレバーで構成される。このとき、特許文献１の光偏向器では、圧電カンチレバーの支持体、ミラー、トーションバーなど全ての機械的構造は、半導体基板の同一の支持層を形状加工して一体的に形成される。これにより、作製が容易で量産化がしやすい上、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。
特開２００５−１２８１４７号公報

しかしながら、特許文献１の光偏向器において、デバイスの平面サイズを同じとした場合、ミラーの共振周波数と最大偏向角とはトレードオフの関係になる。すなわち、ミラーの共振周波数を高くするためには、ミラー及びトーションバーの剛性を高くする必要があるので、支持層の厚みを厚くする必要がある。一方、支持層の厚みが厚くなると圧電カンチレバーを基本とする圧電アクチュエータの先端変位は減少し、その結果、圧電アクチュエータの駆動力が減少して最大偏向角が小さくなる。そのため、デバイスの平面サイズを増大させずに、高い駆動周波数と大きい最大偏向角とを両立させることは極めて困難であった。

また、ミラーを第１の方向で共振駆動させる圧電アクチュエータと第２の方向で非共振駆動させる圧電アクチュエータとを組み合わせた２次元光偏向器でも、同様に、ミラーの共振周波数を高くするためには支持層の厚みを厚くする必要があるが、支持層の厚みが厚くなると、共振駆動・非共振駆動の圧電アクチュエータの最大偏向角が小さくなる。よって、２次元光偏向器において大きな偏向角を確保しようとすると、共振周波数を高くできず、第１の方向の共振周波数と第２の方向の非共振駆動周波数との間に大きな差をつけることが難しい。このため、この２次元光偏向器を用いて水平方向、垂直方向にラスタスキャンしてディスプレイ上に光を投射して画像を表示する場合に、解像度を高くすることが困難となる。

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、小型で簡単な構造で、高い駆動周波数と大きい最大偏向角とを両立可能な光偏向器を提供することを目的とする。

本発明は、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、該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、該圧電アクチュエータに駆動電圧を印加することで該ミラー部を回転駆動させる光偏向器において、前記圧電カンチレバーの支持体は、厚みが異なる複数の単結晶シリコン層を貼り合わせて構成された半導体基板を構成する複数の単結晶シリコン層のうち少なくとも１つの単結晶シリコン層からなる第１の支持層を形状加工して形成され、前記ミラー部は、前記複数の単結晶シリコン層のうち少なくとも１つの層からなり且つ前記第１の支持層より厚い第２の支持層を形状加工して、前記支持体と一体的に形成されることを特徴とする（第１発明）。

第１発明の光偏向器によれば、ミラー部を駆動する圧電アクチュエータを構成する圧電カンチレバーの支持体は、厚みが異なる複数の単結晶シリコン層を貼り合わせて構成された半導体基板の少なくとも１つの単結晶シリコン層からなる第１の支持層を形状加工して形成され、ミラー部は、半導体基板の第１の支持層より厚い第２の支持層を形状加工して形成される。このように、圧電カンチレバーの支持体とミラー部とを、異なる層を形状加工して形成するので、圧電カンチレバーの支持体については、所望の最大偏向角が得られるような厚さとしつつ、ミラー部は、所望の駆動周波数が得られるような厚さとすることが可能となる。このとき、圧電カンチレバーの支持体とミラー部とは、半導体基板から、半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスを用いて容易に一体的に形成することができる。したがって、この光偏向器によれば、小型で簡単な構造で、高い駆動周波数と大きい最大偏向角とを両立することができる。

また、第１発明の光偏向器によれば、第１の支持層をより薄くすることで、駆動電圧に対する圧電カンチレバーの変位を増大させ、圧電アクチュエータの最大偏向角を増大することができる。そして、第２の支持層をより厚くすることで、ミラー部の剛性を増大させ、ミラー部の回転駆動時における反射面の動的な変形を抑制してミラー部の駆動周波数を増大することができる。

第１発明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、各圧電アクチュエータの少なくとも一端が前記１対のトーションバーに連結され、他端が該ミラー部を囲むように設けられた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から構成され、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該１対のトーションバーを介して回転駆動されることが好ましい（第２発明）。

第２発明の光偏向器によれば、１対又は２対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、１方向について安定して偏向・走査を行うことができる。そして、この１軸の偏向・走査の際に、ミラー部の駆動周波数を高くすると共に、最大偏向角を大きくすることができる。

なお、トーションバー及び支持部は、ミラー部と圧電カンチレバーの支持体と共に、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。

また、第１発明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、他端は該ミラー部を囲むように設けられた可動枠の内側に連結されて支持された第１の圧電アクチュエータと、前記１対のトーションバーと異なる方向に該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、他端は該可動枠を囲むように設けられた支持部に支持された第２の圧電アクチュエータから構成され、前記ミラー部は、前記１対又は２対の第１の圧電アクチュエータにより前記１対のトーションバーを介して第１の軸周りで駆動されると共に、前記１対の第２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が好ましい（第３発明）。

第３発明によれば、１対又は２対の内側の第１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、これらの内側の第１の圧電アクチュエータの駆動によりミラー部を第１の軸周りで回転させることができる。さらに、この回転とは独立且つ両立して、１対ま又は２対の外側の第２の圧電アクチュエータを可動枠を挟んで対向して配置し、これらの外側の第２の圧電アクチュエータの駆動により、可動枠をミラー部及び内側の圧電アクチュエータと一体的に第２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２軸で回転させることができ、光偏向器で、２方向について安定して偏向・走査を行うことができる。そして、この２軸の偏向・走査の際に、ミラー部の駆動周波数を高くすると共に、各方向の最大偏向角を大きくすることができる。また、例えばミラー部を共振駆動とし、可動枠を非共振駆動とする場合に、ミラー部の共振周波数が高くできるので、ミラー部の共振周波数と可動枠の非共振駆動との差を大きくすることができる。

なお、トーションバー、可動部、及び支持部は、ミラー部と圧電カンチレバーの支持体と共に、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。

また、第２又は第３発明の光偏向器において、前記トーションバーは、前記半導体基板の複数の単結晶シリコン層のうち少なくとも１つの単結晶シリコン層からなる、前記第１の支持層と厚さが異なる支持層を形状加工して形成されることが好ましい（第４発明）。なお、前記第３の支持層は、前記第２の支持層と同じであるか、又は、該第２の支持層とは別の、前記第１の支持層よりも厚い層であることが好ましい。

第４発明によれば、圧電カンチレバーの支持体とトーションバーとを、異なる層を形状加工して形成するので、圧電カンチレバーの支持体については、所望の最大偏向角が得られるような厚さとしつつ、トーションバーは、所望の駆動周波数が得られるような厚さとすることが可能となる。これにより、圧電アクチュエータの最大偏向角を増大させつつ、トーションバーの剛性（バネ定数）を増大させ、ミラー部の駆動周波数を増大することができる。したがって、この光偏向器によれば、小型で簡単な構造で、高い駆動周波数と大きい最大偏向角とを両立することができる。

また、第２〜第４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５発明）。

第５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、ミラー部の共振駆動数を高くすると共に、走査角を大きくすることができる。

また、第５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６発明）。

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、この光走査の際に、ミラー部の共振駆動数を高くすると共に、走査角を大きくすることができる。

また、第１〜第６発明のいずれか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ものであることが好ましい（第７発明）。

第７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。

また、第７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８発明）。

第８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、半導体基板上及び圧電膜上にそれぞれ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。

［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、本発明の第１実施形態における光偏向器の構成を示す斜視図、図２は、図１の光偏向器のミラー部支持体及び圧電アクチュエータの圧電カンチレバーの支持体の断面を示す説明図、図３は、図１の光偏向器の第１の圧電アクチュエータの作動を示す説明図、図４は、図１の光偏向器の第２の圧電アクチュエータの作動を示す説明図、図５は、図１に示した光偏向器の製造工程を示す説明図である。なお、図１（ａ）は、本実施形態の光偏向器Ａ１を表面側から見た斜視図であり、図１（ｂ）は、本実施形態の光偏向器Ａ１を裏面側から見た斜視図である。

図１に示すように、本実施形態の光偏向器Ａ１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対の内側の第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を支持する可動枠９と、可動枠９を駆動する１対の外側の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂと、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを支持する支持部１１とを備えている。

図１に示すように、ミラー部１は円形形状で、その両端から外側へ向かって、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、その先端部がミラー部１に連結され、その基端部を挟んで対向した１対の内側の第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ている。また、他方のトーションバー２ｂも、その先端部がミラー部１に連結され、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ている。これらの第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄは、それぞれ、その基端部が、ミラー部２とこれらの第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄとを囲むように設けられた可動枠９の内側に連結されて支持されている。

可動枠９は矩形形状で、トーションバー２ａ，２ｂと直交する方向の１対の両側が、可動枠９を挟んで対向した１対の外側の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの先端部にそれぞれ連結されている。また、これらの第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂは、その基端部が、可動枠９とこれらの１対の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂとを囲むように設けられた支持部１１に連結されて支持されている。

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。

また、一方の第２の圧電アクチュエータ１０ａは、４つの圧電カンチレバー（圧電アクチュエータ１０ａの先端部側から奇数番目の２つの圧電カンチレバー３ｅ，３ｅと、偶数番目の２つの圧電カンチレバー３ｆ，３ｆ）が連結されて構成されている。また、他方の第２の圧電アクチュエータ１０ｂも、４つの圧電カンチレバー（圧電アクチュエータ１０ｂの先端部側から奇数番目の２つの圧電カンチレバー３ｇ，３ｇと、偶数番目の２つの圧電カンチレバー３ｈ，３ｈ）が連結されて構成されている。各圧電カンチレバー３ｅ〜３ｈは、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。

一方の第２の圧電アクチュエータ１０ａにおいて、４つの圧電カンチレバー３ｅ，３ｆは、その長さ方向が同じになるように、各圧電カンチレバー３ｅ，３ｆの両端部が隣り合うように並んで配置されている。そして、各圧電カンチレバー３ｅ，３ｆは、隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように連結されている。詳細には、４つの圧電カンチレバー３ｅ，３ｆの支持体４ｅ，４ｆは、それぞれ、直線部とその両端の連結部とから構成されている。そして、隣り合う圧電カンチレバーの連結部が、それぞれ、Ｕ字状に連結されている。

他方の第２の圧電アクチュエータ１０ｂにおいても、４つの圧電カンチレバー３ｇ，３ｈは、その長さ方向が同じになるように、各圧電カンチレバー３ｇ，３ｈの両端部が隣り合うように並んで配置されている。そして、各圧電カンチレバー３ｇ，３ｈは、隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように連結されている。

また、光偏向器Ａ１は、一方の対の第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃの上部電極７ａ，７ｃと下部電極５ａ，５ｃ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１２ａ及び下部電極パッド１３ａと、他方の対の第１の圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄの上部電極７ｂ，７ｄと下部電極５ｂ，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１２ｂ及び下部電極パッド１３ｂとを、支持部１１上に備えている。また、光偏向器は、１対の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの奇数番目の上部電極７ｅ，７ｇと下部電極５ｅ，５ｇ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１２ｃ，１２ｄと、１対の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの偶数番目の上部電極７ｆ，７ｈと下部電極５ｆ，５ｈ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１２ｅ，１２ｆと、上部電極パッド１２ｃ，１２ｅの共通の下部電極パッド１３ｃと、上部電極パッド１２ｄ，１２ｆの共通の下部電極パッド１３ｄとを、支持部１１上に備えている。

下部電極パッド１３ａ〜１３ｄ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、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの圧電カンチレバーの下部電極５ａ〜５ｄは、支持体４ａ〜４ｄ上のほぼ全面に形成され、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバーの下部電極５ｅ〜５ｈは、それぞれ、支持体（直線部と連結部とを合わせた全体）４ｅ〜４ｈ上のほぼ全面に形成されている。そして、下部電極パッド１３ａ〜１３ｄは、支持部１１上及び可動枠９上の下部電極層を介して、下部電極５ａ〜５ｈに導通される。

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、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの圧電カンチレバーの圧電体６ａ〜６ｄは、支持体４ａ〜４ｄ上のほぼ全面に形成されて、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバーの圧電体６ｅ〜６ｈは、支持体４ｅ〜４ｈのうちの直線部上のほぼ全面に形成されている。

上部電極パッド１２ａ〜１２ｆと、上部電極７ａ〜７ｈと、これらを導通する上部電極配線（図示せず）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、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバーの上部電極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１２ａ，１２ｂは、支持部１１上、支持体４ｅ〜４ｈ上の側部、及び可動枠９上に形成された上部電極配線（図示せず）を介して、上部電極７ａ〜７ｄに導通される。また、上部電極パッド１２ｃ〜１２ｆは、支持部１１上及び支持体４ｅ〜４ｈ上の側部に形成された上部電極配線（図示せず）を介して、上部電極７ｅ〜７ｈに導通される。なお、上部電極配線は、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１３ａ〜１３ｄ及び下部電極５ａ〜５ｈと層間絶縁されている。

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。

また、ミラー部支持体１ａと、トーションバー２ａ，２ｂと、支持体４ａ〜４ｈと、可動枠９と、支持部１１とは、複数の層から構成される半導体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。

ミラー部１と可動枠９との間には空隙９’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。また、可動枠９と支持部１１との間には空隙１１’が設けられ、可動枠９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の駆動に応じて回動する。また、可動枠９は、一体的に形成することで、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂと機械的に連結され、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの駆動に応じて回動する。

ここで、図２に、光偏向器Ａ１の断面を模式的に示す。図２には、ミラー部１、圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂ、支持部１１の断面が示されている。光偏向器において、ミラー部支持体１ａ、トーションバー２ａ，２ｂ、支持体４ａ〜４ｈ、可動枠９、支持部１１を形成する半導体基板としては、ＳＯＩ基板３１を用いている。ＳＯＩ基板３１は、後述の図５（ａ）に示すように、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。

なお、層３２ａは、ＳＯＩ基板３１の表面（活性層３１ａ側）を酸化して形成された熱酸化シリコン膜である。熱酸化シリコン膜３２ａの厚みは、例えば0.1〜1［μm］とする。また、層３３，３４，３５は、ＳＯＩ基板３１の表面（活性層３１ａ側）に直接成膜された下部電極層、圧電体層、上部電極層である。また、層３６は、ＳＯＩ基板３１のハンドリング層３１ｃ上に直接成膜されたミラー面反射膜１ｂである。また、層３７は、ＳＯＩ基板３１の裏面（ハンドリング層３１ｃ側）に直接成膜された１層のＡｌ薄膜である。

このとき、図２に示すように、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｄと、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバー３ｅ〜３ｈの支持体４ｅ〜４ｈは、ＳＯＩ基板３１のうち活性層３１ａ（本発明の第１の支持層）を形状加工して形成される。一方、ミラー部支持体１ａは、ＳＯＩ基板３１のうちハンドリング層３１ｃ（本発明の第２の支持層）を形状加工して形成される。このように、圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｈとミラー部１とを、異なる層を形状加工して形成するので、圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｈの厚さとミラー部１の厚さとを独立して変更できる。

また、トーションバー２ａ，２ｂは、ＳＯＩ基板３１のうち、ミラー部１と同様に、ハンドリング層３１ｃ（第１の支持層と異なる第３の支持層、本実施形態では第２の支持層と同じ）を形状加工して形成される。

そして、第１の支持層３１ａは、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの駆動によるミラー部１のそれぞれの回転駆動で、所望の最大偏向角が得られるような厚さに設計される。また、第２及び第３の支持層３１ｃは、ミラー部１が回転駆動されるときに、所望の駆動周波数（共振周波数）が得られるような厚さに設計される。

また、可動枠９、及び支持部１１は、ＳＯＩ基板３１（活性層３１ａ／中間酸化膜層３１ｂ／ハンドリング層３１ｃ）全体を形状加工して形成される。なお、可動枠９は、支持体４ａ〜４ｈと同様に、ＳＯＩ基板３１のうち活性層３１ａを形状加工して形成してもよい。

さらに、光偏向器Ａ１は、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂ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回路（図示せず）に接続されている。

次に、本実施形態の光偏向器Ａ１の作動を説明する。まず、光偏向器では、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。

ここで、図３は、本実施形態の光偏向器の２対の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動状態を示した図である。図３には、図１に示すI−I線端面（矢印方向に見た端面）が模式的に図示されている。図３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、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。これらの屈曲変形により、図３の矢印で示したように、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。

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。

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。

このとき、内側の各対の一方の第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、内側の各対の他方の第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を回転させて第１の方向（例えば水平方向）について所定の第１周波数で所定の第１偏向角で光走査することができる。このとき、これらの内側の第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。

これと共に、光偏向器では、外側の１対の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに電圧を印加する。具体的には、第２の圧電アクチュエータ１０ａの上部電極パッド１２ｃと共通の下部電極パッド１３ｃとの間に、第３の電圧を印加して、奇数番目の圧電カンチレバー３ｅを駆動させる。これと共に、上部電極パッド１２ｅと共通の下部電極パッド１３ｃとの間に、第４の電圧を印加して、偶数番目の圧電カンチレバー３ｆを駆動させる。

このとき、第３，第４の電圧とは、奇数番目の圧電カンチレバー３ｅと偶数番目の圧電カンチレバー３ｆとの角度変位が逆方向に発生するように印加する。例えば、圧電アクチュエータ１０ａの先端部を上方向に変位させる場合には、奇数番目の圧電カンチレバー３ｅを上方向に変位させ、偶数番目の圧電カンチレバー３ｆを下方向に変位させる。圧電アクチュエータ１０ａの先端部を下方向に変位させるには、その逆にする。

ここで、図４は、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの駆動状態を模式的に示した図である。図４では、第２の圧電アクチュエータ１０ａの先端部を上方向に変位させる場合が例示されている。図４に示すように、第２の圧電アクチュエータ１０ａに電圧を印加して、可動枠側（先端部側）から奇数番目の圧電カンチレバー３ｅを上方向に屈曲変形させると共に、偶数番目の圧電カンチレバー３ｆを下方向に屈曲変形させる。

圧電カンチレバー３ｆ_2は、支持部１１と連結した基端部を支点として、その先端部に下方向の角度変位が発生している。また、圧電カンチレバー３ｅ_2は、圧電カンチレバー３ｆ_2の先端部と連結した基端部を支点として、その先端部に上方向の角度変位が発生している。また、圧電カンチレバー３ｆ_1は、圧電カンチレバー３ｅ_2の先端部と連結した基端部を支点として、その先端部に下方向の角度変位が発生している。また、圧電カンチレバー３ｅ_1は、圧電カンチレバー３ｆ_1の先端部と連結した基端部を支点として、その先端部（可動枠９と連結している）に上方向の角度変位が発生している。このように４つの圧電カンチレバー３ｅ，３ｆを屈曲変形させることで、第２の圧電アクチュエータ１０ａでは、各圧電カンチレバー３ｅ，３ｆの屈曲変形の大きさを加算した大きさの角度変位が発生する。よって、第２の圧電アクチュエータ１０ａによれば、圧電カンチレバーの長さ、ひいては圧電アクチュエータの長さを増大させることなく、小型で大きな出力を得ることができる。

同様に、対向した第２の圧電アクチュエータ１０ｂに第３，第４の電圧を印加して駆動させる。このように、外側の１対の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂが駆動され、それぞれ、先端部に中心軸線が同軸の角度変位を発生する。これらの角度変位により、可動枠９は、第１の軸ｘ１と直交する第２の軸ｘ２周りで回転する。これにより、ミラー部１と可動枠９とが互いの動きに干渉することなく独立に回転される。そして、この可動枠９の回転により、ミラー部１と内側の２対の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄとが一体的に回転し、内側の２対の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動による回転とは独立にミラー部１が回転することになる。

このとき、第３，第４の電圧は、それぞれ互いに逆極性の交流電圧とする。これにより、ミラー部１を回転させて第２の方向（例えば垂直方向）について所定の第２周波数で所定の第２偏向角で光走査することができる。このとき、外側の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂによれば、非共振駆動で大きな出力を得ることができる。よって、ミラー部１、トーションバー２ａ，２ｂ、及び内側の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄを含む可動枠９の機械的な共振周波数（第一次共振点）より小さい周波数の交流電圧を印加して非共振駆動させることで、印加した電圧の大きさに応じた偏向角で安定に光走査することができる。

従って、６つの圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの駆動により、入射されたレーザ光等の光ビームが２方向（例えば水平方向、垂直方向）で独立に光走査される。

このとき、本実施形態によれば、圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｈを、厚みの比較的薄い第１の支持層３１ａを形状加工して形成し、ミラー部支持体１ａ及びトーションバー２ａ，２ｂを、厚みの比較的厚い第２及び第３の支持層３１ｃを形状加工して形成することから、圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの変位量を増大して最大偏向角を大きくすることができる共に、ミラー部１の共振周波数を大きくすることができる。そして、ミラー部１の共振駆動による水平方向の走査周波数を大きくすることで、非共振駆動による垂直方向の走査周波数との周波数比を大きくすることが可能なので、走査線の数を増大して高解像度のディスプレイを実現することができる。
［製造工程］
図５には、本実施形態における光偏向器Ａ１の製造工程を示す。なお、図５（ａ）〜（ｈ）は、光偏向器Ａ１の断面を模式的に示している。

上述のように、ミラー部支持体１ａ、トーションバー２ａ，２ｂ、支持体４ａ〜４ｈ、可動枠９、支持部１０を形成する半導体基板としては、図５（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板３１を用いている。

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０．１〜１μｍとする。

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。

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）の金属薄膜にはチタンを用い、２層目（上層）の金属薄膜には白金を用いる。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。

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。

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。

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。

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。

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、上部電極７ａ〜７ｈ、圧電体６ａ〜６ｈ、下部電極５ａ〜５ｈを形成する。

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１２ａ〜１２ｆ、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（電極配線パターン）も形成される。

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１３ａ〜ｄ、及び下部電極５ａ〜５ｈが形成される。

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、支持体４ａ〜４ｈ、可動枠９、支持部１０が形成される。

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。

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、マイクロマシン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。

さらに、図５（ｆ）に示すように、ＳＯＩ基板３１の表面側のミラー部１に対応する位置のＳＯＩ基板３１の中間酸化膜層３１ｂをＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて除去する。そして、反射面形成ステップで、ミラー部１のミラー面反射膜１ｂが形成される。まず、中間酸化膜層３１ｂを除去して露出したＳＯＩ基板３１のハンドリング層３１ｃ上に、１層の金属薄膜（反射膜）３６を形成する。金属薄膜３６の材料としては、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｌ等を用いる。また、金属薄膜３６は、例えばスパッタ法、蒸着法を用いて成膜する。金属薄膜３６の厚みは、例えば100〜500［nm］程度とする。

次に、金属薄膜３６の形状を加工する。具体的には、まず、金属薄膜３６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、金属薄膜３６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のハンドリング層３１ｃ上に、ミラー面反射膜１ｂが形成される。

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ＳＯＩ基板３１の裏面から加工する。これにより、圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｈの裏側を深く掘り下げ中空状態にする。

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１０ａ，１０ｂ、可動枠９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、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１０ａ，１０ｂの駆動と、ミラー部１、トーションバー２ａ，２ｂ、及び可動枠９の回転とを可能にする。

以上の工程により、光偏向器Ａ１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。

このように、光偏向器Ａ１を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。さらに、光偏向器Ａ１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Ａ１を他のデバイスに組み込むことが容易となる。
［実施例１］
実施例１として、本実施形態の光偏向器Ａ１の駆動特性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15［kHz］となるように設計し、上述の製造工程で作製した。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。

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＝25［V］、周波数15［kHz］の交流電圧を駆動信号として印加し、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂにピーク間電圧Ｖpp＝25［V］、周波数60［Hz］の交流電圧を駆動信号として印加した。第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄは水平軸走査用で共振駆動し、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂは垂直軸走査用で非共振駆動とした。このとき、水平軸で最大偏向角±8°、垂直軸で最大偏向角±6°を得られた。

これに対して、比較例１として、平面構造が同じで、共振周波数が15ｋＨｚとなるように設計し、圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバー３ａ〜３ｄの支持体４ａ〜４ｄ、ミラー部支持体１ａ、トーションバー２ａ，２ｂ、可動枠を全てＳＯＩ基板の同じ支持層（活性層）を形状加工して形成した光偏向器を作製した。この偏向器に同様の駆動信号を印加したところ、水平軸で最大偏向角±5°、垂直軸で最大偏向角±4°となった。

このように、実施例１の光偏向器では、共振周波数を維持しつつ、より最大偏向角を増大させることができた。
［実施例２］
実施例２では、実施例１と同様の光偏向器を、共振周波数が20ｋＨｚとなるように設計し、上述の製造工程で作製した。そして、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄにピーク間電圧Ｖpp＝25［V］、周波数25［kHz］の交流電圧を駆動信号として印加し、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂにピーク間電圧Ｖpp＝25［V］、周波数60［Hz］の交流電圧を駆動信号として印加した。このとき、水平軸で最大偏向角±5°、垂直軸で最大偏向角±4°を得られた。

これに対して、比較例１と同様の作製した比較例２では、同様の駆動信号を印加したところ、水平軸で最大偏向角±3°、垂直軸で最大偏向角±2°となった。

このように、実施例２の光偏向器では、実施例１と同様に、共振周波数を維持しつつ、より最大偏向角を増大させることができた。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態について、図６を参照して説明する。図６は、本発明の第２実施形態における光偏向器Ａ２の構成を示す斜視図である。本実施形態の光偏向器は、ミラー部１のミラー面反射膜１ｂを形成する面のみが第１実施形態と相違する。第１実施形態と同じ構成は、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、ミラー面反射膜（反射面）１ｂは、ミラー部支持体１ａの裏面に、ミラー部支持体１ａの裏面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。金属薄膜の詳細は第１実施形態と同じである。

具体的には、製造工程で、図５（ｅ）において、ＳＯＩ基板３１の裏面側のミラー部１に対応する位置には、Ａｌ薄膜３７のハードマスクは形成しない。そして、図５（ｆ）において、ＳＯＩ基板３１の裏面側のミラー部１に対応する位置の、図５（ｅ）で熱酸化膜３２ｂを除去して露出したＳＯＩ基板３１のハンドリング層３１ｃの裏面上に、１層の金属薄膜（反射膜）３６を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術とドライエッチングにより金属薄膜３６の形状を加工する。これにより、ＳＯＩ基板３１のハンドリング層３１ｃの裏面上に、ミラー面反射膜１ｂが形成される。

さらに、本実施形態の光偏向器を実装する際に、上述の工程を行った後の各デバイスのチップを実装するパッケージには、ダイボンド面及びその下部に、入射光をミラー部１のミラー面反射膜１ｂに導入るための穴または透明な窓が形成されている。そして、ミラー面反射膜１ｂがパッケージに接触しないための段差が設けられている。なお、段差に関しては、中央に穴の開いた適当なスペーサ基板を介して光偏向器Ａ２のチップをパッケージ実装してもよい。他の構成及び作動は、第１実施形態と同じである。

本実施形態によれば、第１実施形態と同様に、圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの変位量を増大して最大偏向角を大きくすることができる共に、ミラー部１の共振周波数を大きくすることができる。
［第３実施形態］
本発明の第３実施形態について、図７を参照して説明する。図７は、本発明の第３実施形態における光偏向器の構成を示す斜視図である。本実施形態の光偏向器Ａ３は、ミラー部のミラー部支持体を形成する支持層のみが第１実施形態と相違する。第１実施形態と同じ構成は、同じ符号を付して説明を省略する。

本実施形態では、ミラー部支持体１ａ’は、ＳＯＩ基板３１全体（活性層３１ａ／中間酸化膜層３１ｂ／ハンドリング層３１ｃの３層、本発明の第２の支持層）を形状加工して形成される。なお、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｄと、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバー３ｅ〜３ｈの支持体４ｅ〜４ｈは、第１実施形態と同様に、ＳＯＩ基板３１のうち活性層３１ａ（本発明の第１の支持層）を形状加工して形成される。

このように、圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｈとミラー部１とを、異なる層を形状加工して形成するので、中間酸化膜層３１ｂ及びハンドリング層３１ｃの厚さを変更することで、圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｈの厚さとミラー部１の厚さとの比率を変更できる。

また、トーションバー２ａ，２ｂは、ＳＯＩ基板３１のうちハンドリング層３１ｃ（第３の支持層、本実施形態では第２の支持層とは別で、第１の支持層よりも厚い層）を形状加工して形成される。

よって、第１実施形態と同様に、第１の支持層３１ａは、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの駆動によるミラー部１のそれぞれの回転駆動で、所望の最大偏向角が得られるような厚さに設計することができる。また、第２の支持層（３１ａ＋３１ｂ＋３１ｃ）及び第３の支持層３１ｃは、ミラー部１が回転駆動されるときに、所望の駆動周波数（共振周波数）が得られるような厚さに設計することができる。

また、可動枠９、及び支持部１１は、ＳＯＩ基板３１全体（活性層３１ａ／中間酸化膜層３１ｂハンドリング層３１ｃ）を形状加工して形成される。なお、可動枠９は、支持体４ａ〜４ｈと同様に、ＳＯＩ基板３１のうち活性層３１ａを形状加工して形成してもよい。

具体的には、製造工程で、図５（ｆ）で、活性層３１ａ（単結晶シリコン）の形状を加工する際に、ＳＯＩ基板３１の表面側のミラー部１に対応する位置はレジスト材料でマスクし、ドライエッチングしない。そして、ＳＯＩ基板３１の熱酸化膜３２ａ上に、１層の金属薄膜（反射膜）３６を形成する。そして、フォトリソグラフィ技術を用いてドライエッチングにより金属薄膜３６の形状を加工する。これにより、ＳＯＩ基板３１の熱酸化膜３２ａの表面上に、ミラー面反射膜１ｂが形成される。そして、図５（ｇ），（ｈ）と同様に、ハンドリング層３１ｃ及び中間酸化膜層３１ｂを形状加工する。他の構成及び作動は、第１実施形態と同じである。

本実施形態によれば、圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｈを、厚みの比較的薄い第１の支持層３１ａを形状加工して形成し、ミラー部支持体１ａを、厚みの比較的厚い第２の支持層（３１ａ＋３１ｂ＋３１ｃ）を形状加工して形成し、トーションバー２ａ，２ｂを、厚みの比較的厚い第３の支持層３１ｃを形状加工して形成することから、第１実施形態と同様に、圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの変位量を増大して最大偏向角を大きくすることができる共に、ミラー部１の共振周波数を大きくすることができる。そして、ミラー部１の共振駆動による水平方向の走査周波数を大きくすることで、非共振駆動による垂直方向の走査周波数との周波数比を大きくすることが可能なので、走査線の数を増大して高解像度のディスプレイを実現することができる。

なお、第１〜第３実施形態の光偏向器では、トーションバーを厚みの比較的厚い第３の支持層を形状加工して形成するものとしたが、例えば、トーションバーを、圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｈと同様に、第１の支持層を形状加工して形成してもよい。

また、第１〜第３実施形態の光偏向器では、ミラー部を回転駆動する内側の第１の圧電アクチュエータと、可動枠を回転駆動する外側の第２の圧電アクチュエータとを備えた２次元の光偏向器としたが、第１の圧電アクチュエータのみを備えた１次元の光偏向器としてもよい。

また、第１〜第３実施形態の光偏向器では、第２の圧電アクチュエータは４つの圧電カンチレバーを連結して構成されるものとしたが、連結する数は任意に変更可能である。また、第２の圧電アクチュエータを、第１の圧電アクチュエータのように１つの圧電カンチレバーからなるものとしてもよい。また、第２の圧電アクチュエータを共振駆動としてもよい。

また、第１〜第３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。

本発明の第１実施形態における光偏向器の構成を示す斜視図。 図１の光偏向器のミラー部支持体及び圧電アクチュエータの圧電カンチレバーの支持体の断面を示す説明図。 図１の光偏向器の第１の圧電アクチュエータの作動を示す説明図。 図１の光偏向器の第２の圧電アクチュエータの作動を示す説明図。 図１の光偏向器の製造工程を示す説明図。 本発明の第２実施形態における光偏向器の構成を示す斜視図。 本発明の第３実施形態における光偏向器の構成を示す斜視図。

符号の説明

１…ミラー部、１ａ，１ａ’…ミラー部支持体、１ｂ…ミラー面反射膜、２ａ，２ｂ…トーションバー、３ａ〜３ｈ…圧電カンチレバー、４ａ〜４ｈ…支持体、５ａ〜５ｈ…下部電極、６ａ〜６ｈ…圧電体、７ａ〜７ｈ…上部電極、８ａ〜８ｄ…第１の圧電アクチュエータ、９…可動枠、１０ａ，１０ｂ…第２の圧電アクチュエータ、１１…支持部、１２ａ〜１２ｆ…上部電極パッド、１３ａ〜１３ｄ…下部電極パッド、
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、３６…反射膜、３７…Ａｌ薄膜。

Claims (8)

1. 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、該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、該圧電アクチュエータに駆動電圧を印加することで該ミラー部を回転駆動させる光偏向器において、
   前記圧電カンチレバーの支持体は、厚みが異なる複数の単結晶シリコン層を貼り合わせて構成された半導体基板の複数の単結晶シリコン層のうち少なくとも１つの単結晶シリコン層からなる第１の支持層を形状加工して形成され、
   前記ミラー部は、前記複数の単結晶シリコン層のうち少なくとも１つの単結晶シリコン層からなり且つ前記第１の支持層より厚い第２の支持層を形状加工して、前記支持体と一体的に形成されることを特徴とする光偏向器。
2. 請求項１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、各圧電アクチュエータの少なくとも一端が前記１対のトーションバーに連結され、他端が該ミラー部を囲むように設けられた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から構成され、
   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該１対のトーションバーを介して回転駆動されることを特徴とする光偏向器。
3. 請求項１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、他端が該ミラー部を囲むように設けられた可動枠の内側に連結されて支持された第１の圧電アクチュエータと、前記１対のトーションバーと異なる方向に該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、他端は該可動枠を囲むように設けられた支持部に支持された第２の圧電アクチュエータから構成され、
   前記ミラー部は、前記１対又は２対の第１の圧電アクチュエータにより前記１対のトーションバーを介して第１の軸周りで駆動されると共に、前記１対の第２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。
4. 請求項２又は３記載の光偏向器において、前記トーションバーは、前記半導体基板の複数の単結晶シリコン層のうち少なくとも１つの単結晶シリコン層からなる、前記第１の支持層と厚さが異なる第３の支持層を形状加工して形成されることを特徴とする光偏向器。
5. 請求項２〜４のうちいずれか記載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。
6. 請求項５記載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に印加される第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に印加される第２の交流電圧とは、互いに１８０度位相が異なることを特徴とする光偏向器。
7. 請求項１〜６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を特徴とする光偏向器。
8. 請求項７記載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を特徴とする光偏向器。

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