JP5400636B2 - Optical deflector and optical apparatus using the same - Google Patents

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本発明は圧電駆動方式の光偏向器及びこれを用いた光学装置に関する。たとえば、光学装置として、レーザプリンタ、バーコードリーダ、プロジェクタ等がある。   The present invention relates to a piezoelectric drive type optical deflector and an optical apparatus using the same. For example, as an optical device, there are a laser printer, a barcode reader, a projector, and the like.

最近、圧電駆動方式の光偏向器として、半導体製造プロセス技術、マイクロエレクトロメカニクスシステム(MEMS)技術を用いて空洞部を有する半導体基板の支持体に、ミラー、ミラーを揺動可能に支持する1対の弾性梁つまりトーションバー、トーションバーに作用する2対の圧電アクチュエータ等を形成したものが知られている(参照:特許文献1、2、3)。この場合、ミラーは支持体の空洞部の中央に位置する矩形反射面を有する。各トーションバーは支持体に連結された基端及びミラーに連結された先端を有する。各圧電アクチュエータはカンチレバーとして作用し、その基端は支持体に固定され、先端はトーションバーに連結されている。従って、圧電アクチュエータに駆動電圧を印加することにより圧電アクチュエータに湾曲変形を生じさせてトーションバーを捩り変形させ、これにより、ミラーが回転する。この結果、ミラーの矩形反射面に入射する光の反射光を1次元的に走査できる。尚、特許文献1、2は2次元光偏向器を開示している。   Recently, as a piezoelectric drive type optical deflector, a semiconductor manufacturing process technology, a micro electromechanical system (MEMS) technology is used to support a semiconductor substrate having a cavity and a mirror and a pair of mirrors that can be oscillated. There are known elastic beams, that is, a torsion bar, and two pairs of piezoelectric actuators acting on the torsion bar (see Patent Documents 1, 2, and 3). In this case, the mirror has a rectangular reflecting surface located at the center of the cavity of the support. Each torsion bar has a proximal end coupled to the support and a distal end coupled to the mirror. Each piezoelectric actuator acts as a cantilever, its proximal end is fixed to the support, and its distal end is connected to a torsion bar. Therefore, applying a driving voltage to the piezoelectric actuator causes the piezoelectric actuator to bend and deform torsionally the torsion bar, thereby rotating the mirror. As a result, the reflected light of the light incident on the rectangular reflecting surface of the mirror can be scanned one-dimensionally. Patent Documents 1 and 2 disclose a two-dimensional optical deflector.

上述の圧電駆動方式の光偏向器においては、ミラーの矩形反射面の角度を検出して振れ角、スキャン速度をフィードバック制御するために、圧電方式の角度検出センサ(以下、圧電センサ)がトーションバーのミラー側付け根に設けられている(参照:特許文献3)。この場合、圧電センサはカンチレバーとして作用し、しかもミラーの側辺に固定され、その基端はトーションバーに連結されているので、ミラーの角度を位相ずれなく検出する。従って、リアルタイムでミラーの揺動をフィードバック制御できる。   In the above-described piezoelectric drive type optical deflector, a piezoelectric type angle detection sensor (hereinafter referred to as a piezoelectric sensor) is a torsion bar in order to detect the angle of the rectangular reflecting surface of the mirror and feedback control the deflection angle and scan speed. (See Patent Document 3). In this case, since the piezoelectric sensor acts as a cantilever and is fixed to the side of the mirror and its base end is connected to the torsion bar, the angle of the mirror is detected without phase shift. Therefore, the mirror swing can be feedback controlled in real time.

特開2005−148459号公報JP 2005-148459 A 特開2008−20701号公報JP 2008-20701 A 特開2009−169325号公報JP 2009-169325 A 特開2001−234331号公報JP 2001-234331 A 特開2002−177765号公報JP 2002-177765 A 特開2003−81694号公報JP 2003-81694 A

上述の従来の圧電駆動方式の光偏向器においては、ミラーと圧電センサとは結合されているので、ミラー及び圧電センサは1つの慣性モーメントとして作用する。従って、ミラー及び圧電センサを大気中で動作させた場合、大気の粘性抵抗等により、圧電アクチュエータからの応力がミラー及び圧電センサにその質量に応じて分散する。   In the conventional piezoelectric drive type optical deflector described above, since the mirror and the piezoelectric sensor are coupled, the mirror and the piezoelectric sensor act as one moment of inertia. Therefore, when the mirror and the piezoelectric sensor are operated in the atmosphere, the stress from the piezoelectric actuator is distributed to the mirror and the piezoelectric sensor according to the mass due to the viscous resistance of the atmosphere.

圧電センサに分散した圧電アクチュエータからの応力は圧電センサにとっては比較的小さい。従って、圧電センサの変位量は圧電アクチュエータの変位量に比較して微小となる。この結果、信号対雑音(S/N)比の良い捩り変位を圧電起電力として検出することは困難であるという課題がある。   The stress from the piezoelectric actuator dispersed in the piezoelectric sensor is relatively small for the piezoelectric sensor. Therefore, the displacement amount of the piezoelectric sensor is minute compared to the displacement amount of the piezoelectric actuator. As a result, there is a problem that it is difficult to detect a torsional displacement having a good signal-to-noise (S / N) ratio as a piezoelectric electromotive force.

尚、ここでの慣性モーメントは1対のトーションバーを結ぶ軸の回りの慣性モーメントで定義する。   Here, the moment of inertia is defined as the moment of inertia around an axis connecting a pair of torsion bars.

上述の課題を解決するために、本発明に係る光偏向器は、空洞部が形成された支持体と、支持体の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、基端が支持体に連結され先端がミラーに連結された弾性梁と、基端が支持体に連結され先端が弾性梁に連結されたアクチュエータと、弾性梁間に連結されかつミラーの外周側にスリットを介して位置しミラーの角度を検出するための圧電センサとを具備し、アクチュエータはミラー及び圧電センサを弾性梁を介して同一方向に回転振動させ、スリットはミラーの回転振動の振動周波数が圧電センサの回転振動の周波数に一致するように設けられているものである。これにより、ミラーと圧電センサとはスリットによって分離されているので、ミラーの慣性モーメントと圧電センサの慣性モーメントとは別個のものとなる。しかも、圧電センサがミラーの外周側にスリットを介して位置する分、圧電センサの慣性モーメントが比較的に大きくなる。 In order to solve the above-described problems, an optical deflector according to the present invention includes a support body in which a cavity portion is formed, a mirror having a reflecting surface located in the cavity portion of the support body, and a base end connected to the support body. An elastic beam having a distal end coupled to the mirror, an actuator having a proximal end coupled to the support and a distal end coupled to the elastic beam, and an elastic beam coupled between the elastic beams and positioned on the outer peripheral side of the mirror via a slit. A piezoelectric sensor for detecting the angle, the actuator causes the mirror and the piezoelectric sensor to rotate and vibrate in the same direction via the elastic beam, and the slit changes the vibration frequency of the mirror to the frequency of rotation of the piezoelectric sensor. It is provided so that it may correspond . Thereby, since the mirror and the piezoelectric sensor are separated by the slit, the moment of inertia of the mirror and the moment of inertia of the piezoelectric sensor are different. In addition, the moment of inertia of the piezoelectric sensor becomes relatively large because the piezoelectric sensor is located on the outer peripheral side of the mirror via the slit.

また、本発明に係る光学装置は、上述の光偏向器と、光偏向器に光を照射するための光源と、光源を駆動するための光源駆動回路と、圧電センサのミラーの角度信号を検出するミラー角度検出回路と、検出されたミラーの角度信号を補正するための補正データを記憶する記憶回路と、検出されたミラーの角度信号を補正データにより補正する制御回路と、補正されたミラーの角度信号によりアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路とを具備するものである。   An optical device according to the present invention detects the angle signal of the above-described optical deflector, a light source for irradiating the optical deflector with light, a light source driving circuit for driving the light source, and a mirror of the piezoelectric sensor. A mirror angle detection circuit that performs correction, a storage circuit that stores correction data for correcting the detected angle signal of the mirror, a control circuit that corrects the detected angle signal of the mirror using the correction data, and a correction mirror An actuator driving circuit for driving the actuator by an angle signal.

本発明によれば、アクチュエータからの応力は慣性モーメントの小さいミラーより慣性モーメントの大きい圧電センサへ多く分散する。   According to the present invention, the stress from the actuator is more distributed to the piezoelectric sensor having a large moment of inertia than the mirror having a small moment of inertia.

圧電センサに分散したアクチュエータの応力は比較的大きい。従って、圧電センサは積極的に変形でき、この結果、圧電センサの変位量を大きくでき、従って、S/N比の高い捩り変位を圧電起電力として検出できる。   The stress of the actuator dispersed in the piezoelectric sensor is relatively large. Accordingly, the piezoelectric sensor can be positively deformed. As a result, the displacement amount of the piezoelectric sensor can be increased, and therefore, a torsional displacement having a high S / N ratio can be detected as the piezoelectric electromotive force.

本発明に係る圧電駆動方式の光偏向器の実施の形態を示す斜視図である。1 is a perspective view showing an embodiment of a piezoelectric drive type optical deflector according to the present invention. FIG. 図1の圧電アクチュエータの変形を説明するための図1のII-II線断面図である。FIG. 2 is a cross-sectional view taken along the line II-II in FIG. 1 for illustrating deformation of the piezoelectric actuator in FIG. 1. 図1のミラー及び圧電センサの変形を説明するための図1のIII-III線断面図である。FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 1 for explaining deformation of the mirror and the piezoelectric sensor in FIG. 1. 図1の圧電アクチュエータの入力電圧、ミラーの角度及び圧電センサの出力電圧を示すタイミング図である。FIG. 2 is a timing diagram illustrating an input voltage, a mirror angle, and an output voltage of a piezoelectric sensor of the piezoelectric actuator of FIG. 1. 図1の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を説明するための図1のV-V線断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV in FIG. 1 for explaining a method of manufacturing the optical deflector of the piezoelectric drive type in FIG. 1. 図1の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を説明するための図1のV-V線断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV in FIG. 1 for explaining a method of manufacturing the optical deflector of the piezoelectric drive type in FIG. 1. 図1の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を説明するための図1のV-V線断面図である。FIG. 5 is a cross-sectional view taken along the line VV in FIG. 1 for explaining a method of manufacturing the optical deflector of the piezoelectric drive type in FIG. 1. 図1の圧電駆動方式の光偏向器を用いた光学装置の例を示す図である。It is a figure which shows the example of the optical apparatus using the optical deflector of the piezoelectric drive system of FIG. 図8の制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。It is a flowchart for demonstrating operation | movement of the control circuit of FIG.

図1は本発明に係る圧電駆動方式の光偏向器の実施の形態を示す斜視図、図2は図1の圧電アクチュエータの変形を説明するための図1のII-II線断面図、図3は図1のミラー及び圧電センサの変形を説明するための図1のIII-III線断面図である。   FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of a piezoelectric drive type optical deflector according to the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along the line II-II of FIG. 1 for explaining the deformation of the piezoelectric actuator of FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line III-III in FIG. 1 for explaining deformation of the mirror and the piezoelectric sensor in FIG. 1.

図1に示すように、圧電駆動方式の光偏向器は、たとえば3mm×3mmのサイズを有し、空部1aが形成された支持体1と、空部1aの中央に位置する半径1mmの円形反射面を有するミラー2と、ミラー2を揺動可能に支持する1対の幅約30μm、長さ約300μmの弾性梁つまりトーションバー3、4と、トーションバー3にカンチレバーとして作用する1対の圧電アクチュエータ5、6と、トーションバー4にカンチレバーとして作用する1対の圧電アクチュエータ7、8と、トーションバー3、4が作用する1対の幅約100μmの圧電センサ9、10とを備えている。圧電センサ9、10は半環状をなしており、トーションバー3、4のミラー2側付け根に連結され、ミラー2の外周側にスリットSLを介して設けられている。圧電センサ9、10は湾曲する必要があるので、厚さは100μm以下にする。また、スリットSLの幅SW(図3に図示)は約10μm〜100μmたとえば20μmである。スリットSLの幅SWが100μmを超えると、圧電センサ9、10とミラー2との位相ずれが大きくなり、検出精度が低下するからである。すなわち、スリットSLの幅SWはミラー2の揺動(回転振動)の振動周波数が圧電センサ9、10の揺動(回転振動)の振動周波数に一致するように設けられており、また、圧電センサ9、10の最大振幅がミラー2の最大振幅より大きくなるように設けられている。 As shown in FIG. 1, the optical deflector of the piezoelectric driving method, for example, have a size of 3 mm × 3 mm, the support 1 empty sinus portion 1a is formed, the radius 1mm located in the center of the air-dong portion 1a A mirror 2 having a circular reflecting surface, a pair of elastic beams having a width of about 30 μm and a length of about 300 μm for supporting the mirror 2 in a swingable manner, ie, torsion bars 3 and 4, and a torsion bar 3 acting as a cantilever 1 A pair of piezoelectric actuators 5, 6, a pair of piezoelectric actuators 7, 8 acting as a cantilever on the torsion bar 4, and a pair of piezoelectric sensors 9, 10 having a width of about 100 μm on which the torsion bars 3, 4 act. ing. The piezoelectric sensors 9 and 10 have a semi-annular shape, are connected to the roots of the torsion bars 3 and 4 on the mirror 2 side, and are provided on the outer peripheral side of the mirror 2 via slits SL . Since the piezoelectric sensors 9 and 10 need to bend, the thickness is 100 μm or less. The width SW of the slit SL (shown in FIG. 3) is about 10 μm to 100 μm, for example 20 μm. This is because if the width SW of the slit SL exceeds 100 μm, the phase shift between the piezoelectric sensors 9 and 10 and the mirror 2 increases, and the detection accuracy decreases. That is, the width SW of the slit SL is provided so that the vibration frequency of the swing (rotational vibration) of the mirror 2 matches the vibration frequency of the swing (rotational vibration) of the piezoelectric sensors 9 and 10. The maximum amplitudes 9 and 10 are set to be larger than the maximum amplitude of the mirror 2.

ミラー2は振動板2a及び反射板として作用する下部電極2b(図3に図示)よりなる。   The mirror 2 comprises a diaphragm 2a and a lower electrode 2b (shown in FIG. 3) that acts as a reflector.

トーションバー3は振動板3a及び下部電極3b(図2に図示)よりなり、また、トーションバー4は振動板4a及び下部電極4b(図示せず)よりなる。   The torsion bar 3 comprises a diaphragm 3a and a lower electrode 3b (shown in FIG. 2), and the torsion bar 4 comprises a diaphragm 4a and a lower electrode 4b (not shown).

圧電アクチュエータ5は圧電ユニモルフ振動板であって、振動板5a、下部電極5b、圧電体層5c及び上部電極5d(図2をも参照)よりなり、また、圧電アクチュエータ6も圧電ユニモルフ振動板であって、振動板6a、下部電極6b、圧電体層6c及び上部電極6d(図2をも参照)よりなる。この場合、上述のごとく、圧電アクチュエータ5、6は対をなし、トーションバー3に作用する。   The piezoelectric actuator 5 is a piezoelectric unimorph diaphragm, and includes a diaphragm 5a, a lower electrode 5b, a piezoelectric layer 5c and an upper electrode 5d (see also FIG. 2), and the piezoelectric actuator 6 is also a piezoelectric unimorph diaphragm. The diaphragm 6a, the lower electrode 6b, the piezoelectric layer 6c, and the upper electrode 6d (see also FIG. 2). In this case, as described above, the piezoelectric actuators 5 and 6 make a pair and act on the torsion bar 3.

圧電アクチュエータ7は圧電ユニモルフ振動板であって、振動板7a、下部電極7b、圧電体層7c及び上部電極7d(7b、7dのみ図示)よりなり、また、圧電アクチュエータ8も圧電ユニモルフ振動板であって、振動板8a、下部電極8b、圧電体層8c及び上部電極8d(8b、8dのみ図示)よりなる。この場合、上述のごとく、圧電アクチュエータ7、8は対をなし、トーションバー4に作用する。   The piezoelectric actuator 7 is a piezoelectric unimorph diaphragm, and includes a diaphragm 7a, a lower electrode 7b, a piezoelectric layer 7c and an upper electrode 7d (only 7b and 7d are shown), and the piezoelectric actuator 8 is also a piezoelectric unimorph diaphragm. The diaphragm 8a, the lower electrode 8b, the piezoelectric layer 8c, and the upper electrode 8d (only 8b and 8d are shown). In this case, as described above, the piezoelectric actuators 7 and 8 make a pair and act on the torsion bar 4.

圧電センサ9は圧電ユニモルフ振動板であって、振動板9a、下部電極9b、圧電体層9c及び上部電極9d(図3をも参照)よりなり、また、圧電センサ10も圧電ユニモルフ振動板であって、振動板10a、下部電極10b、圧電体層10c及び上部電極10d(図3をも参照)よりなる。この場合、上述のごとく、トーションバー3、4が圧電センサ9、10に作用する。   The piezoelectric sensor 9 is a piezoelectric unimorph diaphragm, and includes a diaphragm 9a, a lower electrode 9b, a piezoelectric layer 9c and an upper electrode 9d (see also FIG. 3), and the piezoelectric sensor 10 is also a piezoelectric unimorph diaphragm. The diaphragm 10a, the lower electrode 10b, the piezoelectric layer 10c, and the upper electrode 10d (see also FIG. 3). In this case, as described above, the torsion bars 3 and 4 act on the piezoelectric sensors 9 and 10.

尚、図1、図2、図3においては、下部電極2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b、9b、10bは共通に接続されており、たとえば接地される。   In FIGS. 1, 2 and 3, the lower electrodes 2b, 3b, 4b, 5b, 6b, 7b, 8b, 9b and 10b are connected in common and are grounded, for example.

また、図1、図2、図3には図示しないが、支持体1と振動板2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10aとの間には製造工程においてエッチングストッパとして作用する絶縁層たとえば酸化シリコン層1012(図5、図6、図7に図示)が設けられている。   Although not shown in FIGS. 1, 2 and 3, an etching stopper is provided between the support 1 and the diaphragms 2a, 3a, 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a and 10a in the manufacturing process. A working insulating layer, for example, a silicon oxide layer 1012 (shown in FIGS. 5, 6, and 7) is provided.

さらに、図1、図2、図3には図示しないが、振動板2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10aと下部電極2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b、9b、10bの間は絶縁層たとえば酸化シリコン層1022(図5、図6、図7に図示)によって電気的に絶縁されている。   Further, although not shown in FIGS. 1, 2 and 3, the diaphragms 2a, 3a, 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a, 10a and the lower electrodes 2b, 3b, 4b, 5b, 6b, 7b, 8b, 9b and 10b are electrically insulated by an insulating layer such as a silicon oxide layer 1022 (shown in FIGS. 5, 6 and 7).

図1、図2、図3においては、ミラー2は圧電センサ9、10から分離されかつ円形となった分、慣性モーメントは比較的小さくなる。他方、圧電センサ9、10はミラー2から分離されているがミラー2の外周側に分離して位置した分、慣性モーメントは比較的大きくなる。この結果、圧電アクチュエータ5、6、7、8によるトーションバー3、4の応力はミラー2よりも圧電センサ9、10に多く分散する。従って、ミラー2の中心部の変形が抑制されると共に、圧電センサ9、10が積極的に変形する。   In FIGS. 1, 2 and 3, the mirror 2 is separated from the piezoelectric sensors 9 and 10 and becomes circular, so that the moment of inertia is relatively small. On the other hand, although the piezoelectric sensors 9 and 10 are separated from the mirror 2, the moment of inertia becomes relatively large because the piezoelectric sensors 9 and 10 are separated from the outer peripheral side of the mirror 2. As a result, the stress of the torsion bars 3 and 4 due to the piezoelectric actuators 5, 6, 7 and 8 is more dispersed in the piezoelectric sensors 9 and 10 than in the mirror 2. Accordingly, deformation of the center portion of the mirror 2 is suppressed, and the piezoelectric sensors 9 and 10 are positively deformed.

次に、図1、図2、図3の圧電駆動方式の光偏向器の動作を図4のタイミング図を参照して説明する。尚、下部電極2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b、9b、10bは接地されているものとする。また、下部電極及び上部電極の周辺部はボンディングワイヤのためのパッドの作用をするものとする。   Next, the operation of the piezoelectric drive type optical deflector of FIGS. 1, 2, and 3 will be described with reference to the timing chart of FIG. Note that the lower electrodes 2b, 3b, 4b, 5b, 6b, 7b, 8b, 9b, and 10b are grounded. The lower electrode and the peripheral part of the upper electrode act as pads for bonding wires.

圧電アクチュエータ5、7の上部電極5d、7dの入力電圧として図4の(A)に示す正弦波交流電圧を印加し、圧電アクチュエータ6、8の上部電極6d、8dの入力電圧として図4の(B)に示す正弦波交流電圧を印加する。この場合、図4の(A)に示す正弦波交流電圧と図4の(B)に示す正弦波交流電圧とは180°ずれの逆位相の関係を有する。この結果、図2に示すごとく、圧電アクチュエータ5(7)の圧電体層5c(7c)及び圧電アクチュエータ6(8)の圧電体層6c(8c)が互いに反対側に湾曲し、従って、圧電アクチュエータ5(7)の振動板5a(7a)及び圧電アクチュエータ6(8)の振動板6a(8a)がS字状になって回転振動する。このとき、振動板5a(7a)及び振動板6a(8a)の基端は支持体1に連結されているので、振動板5a(7a)及び振動板6a(8a)の先端は支持体1の厚み方向に上下振動する。この場合、圧電アクチュエータ5(7)の上部電極5d(7d)の入力電圧と圧電アクチュエータ6(8)の上部電極6d(8d)の入力電圧には180°の位相差があるので、振動板5a(7a)の先端が上もしくは下振動するとき、振動板6a(8a)の先端は下もしくは上振動する。従って、トーションバー3(4)が揺動つまり回転振動する。   4A is applied as the input voltage of the upper electrodes 5d and 7d of the piezoelectric actuators 5 and 7, and the input voltage of the upper electrodes 6d and 8d of the piezoelectric actuators 6 and 8 is applied as shown in FIG. A sine wave AC voltage shown in B) is applied. In this case, the sine wave AC voltage shown in FIG. 4A and the sine wave AC voltage shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 2, the piezoelectric layer 5c (7c) of the piezoelectric actuator 5 (7) and the piezoelectric layer 6c (8c) of the piezoelectric actuator 6 (8) are curved to the opposite sides, and accordingly, the piezoelectric actuator The vibration plate 5a (7a) of 5 (7) and the vibration plate 6a (8a) of the piezoelectric actuator 6 (8) are rotated in an S shape. At this time, since the base ends of the diaphragm 5a (7a) and the diaphragm 6a (8a) are connected to the support 1, the tips of the diaphragm 5a (7a) and the diaphragm 6a (8a) are connected to the support 1. Vibrates up and down in the thickness direction. In this case, since there is a phase difference of 180 ° between the input voltage of the upper electrode 5d (7d) of the piezoelectric actuator 5 (7) and the input voltage of the upper electrode 6d (8d) of the piezoelectric actuator 6 (8), the diaphragm 5a When the tip of (7a) vibrates up or down, the tip of diaphragm 6a (8a) vibrates down or up. Accordingly, the torsion bar 3 (4) swings or rotates.

トーションバー3(4)が揺動つまり回転振動すると、図3に示すごとく、ミラー2及び圧電センサ9、10にはトーションバー3(4)を中心とする回転トルクが発生し、ミラー2及び圧電センサ9、10はトーションバー3(4)を中心軸として傾く。この場合、上述のごとく、慣性モーメントの相違から、図3の矢印に示すごとく、圧電センサ9、10はミラー2より大きく揺動つまり回転振動する。つまり、圧電センサ9、10の最大振動幅がミラー2の最大振幅より大きくなっている。しかし、ミラー2の揺動の振動数と圧電センサ9、10の揺動の振動数とは同一に維持されるように、スリットSLのスリット幅SWが設定されている。このとき、振動板5a(7a)及び振動板6a(8a)は交流電圧に追随して上下振動するので、ミラー2及び圧電センサ9、10にはシーソー的な回転トルクが発生し、従って、図4の(C)、(D)に示すごとく、ミラー2の角度は正弦波的に揺動すると共に、圧電センサ9、10の出力も正弦波的に変化する。この場合、ミラー2の角度変化及び圧電センサ9、10の出力はトーションバー3(4)等の介在により図4の(A)に示す圧電アクチュエータ5(7)の上部電極5d(7d)の入力電圧及び図4の(B)に示す圧電アクチュエータ6(8)の上部電極6d(8d)の入力電圧に比べて時間Δtだけ遅れる。   When the torsion bar 3 (4) swings, that is, rotates and oscillates, as shown in FIG. 3, rotational torque about the torsion bar 3 (4) is generated in the mirror 2 and the piezoelectric sensors 9 and 10, and the mirror 2 and piezoelectric The sensors 9 and 10 are inclined with the torsion bar 3 (4) as the central axis. In this case, as described above, due to the difference in the moment of inertia, the piezoelectric sensors 9 and 10 oscillate or rotate more greatly than the mirror 2 as indicated by arrows in FIG. That is, the maximum vibration width of the piezoelectric sensors 9 and 10 is larger than the maximum amplitude of the mirror 2. However, the slit width SW of the slit SL is set so that the oscillation frequency of the mirror 2 and the oscillation frequency of the piezoelectric sensors 9 and 10 are kept the same. At this time, the diaphragm 5a (7a) and the diaphragm 6a (8a) vibrate up and down following the AC voltage, so that a seesaw-like rotational torque is generated in the mirror 2 and the piezoelectric sensors 9, 10. 4 (C) and 4 (D), the angle of the mirror 2 swings sinusoidally and the outputs of the piezoelectric sensors 9 and 10 also change sinusoidally. In this case, the angle change of the mirror 2 and the outputs of the piezoelectric sensors 9 and 10 are input to the upper electrode 5d (7d) of the piezoelectric actuator 5 (7) shown in FIG. Compared to the voltage and the input voltage of the upper electrode 6d (8d) of the piezoelectric actuator 6 (8) shown in FIG.

尚、圧電センサ9、10の振動板9a、10aはミラー2と同期してトーションバー3(4)を中心軸として揺動つまり回転振動する。このとき、圧電センサ9、10は圧電アクチュエータ5、6、7、8の逆の原理で動作する。従って、圧電センサ9、10の振動板9a、10aは同一方向に湾曲するので、圧電センサ9、10圧電体層9c、10cは同一極性の圧電起電力を発生し、この結果、図4の(D)に示すごとく、圧電センサ9、10の出力電圧はミラー2の角度変化と同一位相で同一の正弦波変化する。 The diaphragms 9a and 10a of the piezoelectric sensors 9 and 10 are swung, that is, rotationally oscillated around the torsion bar 3 (4) in synchronization with the mirror 2. At this time, the piezoelectric sensors 9 and 10 operate on the reverse principle of the piezoelectric actuators 5, 6, 7 and 8. Accordingly, since the diaphragms 9a and 10a of the piezoelectric sensors 9 and 10 are curved in the same direction, the piezoelectric layers 9c and 10c of the piezoelectric sensors 9 and 10 generate piezoelectric electromotive forces having the same polarity. As a result, as shown in FIG. As shown in (D), the output voltages of the piezoelectric sensors 9 and 10 change in the same sine wave with the same phase as the angle change of the mirror 2.

このように、本発明においても、従来と同様に、圧電センサ9、10は圧電アクチュエータ5、6、7、8から離れているので、圧電アクチュエータ5、6、7、8の入力電圧とのクロストークはない。また、圧電センサ9、10はミラー2の近傍に設けられているので、圧電センサ9、10はミラー2の揺動振動を位相ずれなく検出でき、従って、ミラー2の振れ角、スキャン速度をリアルタイムで制御できる。   As described above, in the present invention as well, since the piezoelectric sensors 9 and 10 are separated from the piezoelectric actuators 5, 6, 7, and 8, the crossing with the input voltage of the piezoelectric actuators 5, 6, 7 and 8 is performed. There is no talk. Further, since the piezoelectric sensors 9 and 10 are provided in the vicinity of the mirror 2, the piezoelectric sensors 9 and 10 can detect the oscillation vibration of the mirror 2 without phase shift, and accordingly, the deflection angle and scan speed of the mirror 2 can be detected in real time. Can be controlled.

尚、圧電アクチュエータ5(7)の上部電極5d(7d)の入力電圧と圧電アクチュエータ6(8)の上部電極6d(8d)の入力電圧との位相差は180°より少しずれてもよい。   The phase difference between the input voltage of the upper electrode 5d (7d) of the piezoelectric actuator 5 (7) and the input voltage of the upper electrode 6d (8d) of the piezoelectric actuator 6 (8) may be slightly shifted from 180 °.

次に、図1の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を図5、図6、図7を参照して説明する。尚、図5、図6、図7は図1のV-V線断面図である。   1 will be described with reference to FIGS. 5, 6, and 7. FIG. 5, 6, and 7 are cross-sectional views taken along line VV in FIG. 1.

始めに、図5の(A)を参照すると、シリコンオン絶縁体(SOI)基板を準備する。SOI基板は、厚さ約100〜600μmたとえば525μmの単結晶シリコン支持層(ハンドリング層とも言う)1011、厚さ約0.5〜2μmたとえば2μmの中間酸化シリコン層(BOX層とも言う)1012及び厚さ約5〜100μmたとえば50μmの単結晶シリコン活性層1013よりなる。   First, referring to FIG. 5A, a silicon-on-insulator (SOI) substrate is prepared. The SOI substrate has a single crystal silicon support layer (also called a handling layer) 1011 having a thickness of about 100 to 600 μm, for example 525 μm, an intermediate silicon oxide layer (also called a BOX layer) 1012 having a thickness of about 0.5 to 2 μm, for example 2 μm, and a thickness of about It consists of a single crystal silicon active layer 1013 of 5-100 μm, for example 50 μm.

次に、図5の(B)を参照すると、SOI基板を熱酸化して表面及び裏面に厚さ約0.1〜1.0μmたとえば0.5μmの酸化シリコン層1021、1022を形成する。   Next, referring to FIG. 5B, the SOI substrate is thermally oxidized to form silicon oxide layers 1021 and 1022 having a thickness of about 0.1 to 1.0 μm, for example, 0.5 μm on the front and back surfaces.

次に、図5の(C)を参照すると、酸化シリコン層1022上にスパッタリング法、電子ビーム(EB)蒸着法等により厚さ約30〜100μmたとえば50nmのTi及び厚さ約100〜300μmたとえば150nmのPtを順次成膜し、これにより、下部電極層1031を形成する。次いで、下部電極層1031上に反応性アーク放電イオンプレーティング法により厚さ約1〜10μmたとえば3μmのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)よりなる圧電体層1032を成膜する。反応性アーク放電イオンプレーティング法については特許文献4、5、6を参照されたし。次いで、圧電体層1032上にスパッタリング法、EB蒸着法等により厚さ10〜200nmたとえば約150nmのPtよりなる上部電極層1033を成膜する。   Next, referring to FIG. 5C, a thickness of about 30 to 100 μm, for example 50 nm, and a thickness of about 100 to 300 μm, for example, 150 nm are formed on the silicon oxide layer 1022 by sputtering, electron beam (EB) deposition, or the like. The Pt films are sequentially formed, whereby the lower electrode layer 1031 is formed. Next, a piezoelectric layer 1032 made of lead zirconate titanate (PZT) having a thickness of about 1 to 10 μm, for example, 3 μm, is formed on the lower electrode layer 1031 by a reactive arc discharge ion plating method. For the reactive arc discharge ion plating method, see Patent Documents 4, 5, and 6. Next, an upper electrode layer 1033 made of Pt having a thickness of 10 to 200 nm, for example, about 150 nm is formed on the piezoelectric layer 1032 by sputtering, EB vapor deposition, or the like.

次に、図の(A)を参照すると、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて上部電極層1033及び圧電体層1032のパターニングを行う。次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層1031のパターニングを行う。このとき、フォトレジスト層でミラー2の領域の下部電極層1031を覆い、反射層として残存せしめる。尚、ミラー2の光反射率を高めたい場合には、この後に、厚さ約100〜500nmのAl、Auをスパッタリング法、EB蒸着法等によって形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層1031に高反射率の反射層を形成する。 Referring now to FIG. 6 (A), to pattern the upper electrode layer 1033 and the piezoelectric layer 1032 using photolithography and dry etching. Next, the lower electrode layer 1031 is patterned using photolithography and dry etching. At this time, the lower electrode layer 1031 in the region of the mirror 2 is covered with the photoresist layer, and remains as a reflective layer. In order to increase the light reflectivity of the mirror 2, after that, Al and Au having a thickness of about 100 to 500 nm are formed by sputtering, EB evaporation, etc., and the lower part is formed by using photolithography and dry etching. A reflective layer having a high reflectance is formed on the electrode layer 1031.

このようにして、パターニングされた下部電極層1031は下部電極2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b、9b、10bを形成し、パターニングされた圧電体層1032は圧電体層3c、4c、5c、6c、7c、8c、9c、10cを形成し、パターニングされた上部電極層1033は上部電極3d、4d、5d、6d、7d、8d、9d、10dを形成することになる。   Thus, the patterned lower electrode layer 1031 forms the lower electrodes 2b, 3b, 4b, 5b, 6b, 7b, 8b, 9b, 10b, and the patterned piezoelectric layer 1032 is the piezoelectric layers 3c, 4c. 5c, 6c, 7c, 8c, 9c, and 10c are formed, and the patterned upper electrode layer 1033 forms upper electrodes 3d, 4d, 5d, 6d, 7d, 8d, 9d, and 10d.

次に、図6の(B)を参照すると、酸化シリコン層1021を除去し、支持体1に対応する領域に高周波結合プラズマ反応性イオンエッチング(ICP-RIE)法用のハードマスク層104を形成する。つまり、フォトリソグラフィ法により表面に厚膜レジスト層を形成し、この厚膜レジスト層をエッチングマスクとしてバッファードフッ酸(BHF)を用いたウェットエッチング法により酸化シリコン層1021を除去する。次いで、単結晶シリコン支持層1011上にAlをスパッタリング法、EB蒸着法等により形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターニングしてハードマスク層104を形成する。   Next, referring to FIG. 6B, the silicon oxide layer 1021 is removed, and a hard mask layer 104 for high frequency coupled plasma reactive ion etching (ICP-RIE) is formed in a region corresponding to the support 1. To do. That is, a thick resist layer is formed on the surface by photolithography, and the silicon oxide layer 1021 is removed by wet etching using buffered hydrofluoric acid (BHF) using the thick resist layer as an etching mask. Next, Al is formed over the single crystal silicon support layer 1011 by a sputtering method, an EB vapor deposition method, or the like, and patterned by photolithography and an etching method to form the hard mask layer 104.

次に、図6の(C)を参照すると、フォトリソグラフィ法により、パターニングされた下部電極2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b、9b、10b、圧電体層3c、4c、5c、6c、7c、8c、9c、10c、上部電極3d、4d、5d、6d、7d、8d、9d、10dを覆うレジストパターンを形成した後に、ICP-RIE装置において酸化シリコン層1022及び単結晶シリコン活性層1013をエッチング除去する。   Next, referring to FIG. 6C, patterned lower electrodes 2b, 3b, 4b, 5b, 6b, 7b, 8b, 9b, 10b, piezoelectric layers 3c, 4c, 5c, After forming resist patterns covering 6c, 7c, 8c, 9c, 10c and upper electrodes 3d, 4d, 5d, 6d, 7d, 8d, 9d, 10d, silicon oxide layer 1022 and single crystal silicon active in ICP-RIE apparatus Layer 1013 is etched away.

このようにして、パターニングされた単結晶シリコン活性層1013は振動板2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10aを形成することになる。   Thus, the patterned single crystal silicon active layer 1013 forms the diaphragms 2a, 3a, 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a and 10a.

また、同時に、図6の(C)に示すように、ICP-RIE装置において、ハードマスク層104をエッチングマスクとして単結晶シリコン支持層1011を除去して支持体1の空洞部1aを形成する。尚、ハードマスク層104は支持体1に付着したままでも何ら問題はない。   At the same time, as shown in FIG. 6C, in the ICP-RIE apparatus, the single crystal silicon support layer 1011 is removed using the hard mask layer 104 as an etching mask to form the cavity 1 a of the support 1. Note that there is no problem even if the hard mask layer 104 remains attached to the support 1.

さらに、ICP-RIE法は、単結晶シリコンを異方性エッチングするのに適したエッチング法であり、従って、単結晶シリコン支持層1011及び単結晶シリコン活性層1013を垂直にエッチングできる。   Further, the ICP-RIE method is an etching method suitable for anisotropically etching single crystal silicon. Therefore, the single crystal silicon support layer 1011 and the single crystal silicon active layer 1013 can be etched vertically.

最後に、図7を参照すると、バッファードフッ酸(BHF)を用いて中間酸化シリコン層1012をエッチング除去する。これにより、ミラー2の回転、トーションバー3、4の捩り変形、圧電アクチュエータ5、6、7、8の湾曲、圧電センサ9、10の湾曲が可能となる。そして、ダイシング工程によってウエハから各デバイスを個別(チップ)化し、トランジスタアウトライン(TO)型パッケージにダイボンド及びワイヤボンドにより実装される。   Finally, referring to FIG. 7, the intermediate silicon oxide layer 1012 is etched away using buffered hydrofluoric acid (BHF). Thereby, rotation of the mirror 2, torsional deformation of the torsion bars 3 and 4, bending of the piezoelectric actuators 5, 6, 7 and 8, and bending of the piezoelectric sensors 9 and 10 are possible. Then, each device is separated (chip) from the wafer by a dicing process and mounted on a transistor outline (TO) type package by die bonding and wire bonding.

図8は図1の光偏向器を含む光学装置たとえばレーザプリンタを示す図である。   FIG. 8 is a view showing an optical device such as a laser printer including the optical deflector of FIG.

図8においては、図1に示す光偏向器801はレーザ光源802のレーザ光を反射して投射対象物803の走査方向Sに投射する。光偏向器801及びレーザ光源802は制御ユニット804によって制御される。   In FIG. 8, the optical deflector 801 shown in FIG. 1 reflects the laser light from the laser light source 802 and projects it in the scanning direction S of the projection object 803. The optical deflector 801 and the laser light source 802 are controlled by the control unit 804.

制御ユニット804は、光偏向器801の圧電アクチュエータ5(7)、6(8)を駆動するための圧電アクチュエータ駆動回路8041、光偏向器801の圧電センサ9、10の出力つまりミラー角度を検出するミラー角度検出回路8042、レーザ光源802を駆動するレーザ光源駆動回路8043、記憶回路8044及びこれらを制御する制御回路(たとえばマイクロコンピュータ)8045よりなる。   The control unit 804 detects the output of the piezoelectric actuator drive circuit 8041 for driving the piezoelectric actuators 5 (7) and 6 (8) of the optical deflector 801 and the outputs of the piezoelectric sensors 9 and 10 of the optical deflector 801, that is, the mirror angle. It comprises a mirror angle detection circuit 8042, a laser light source drive circuit 8043 for driving the laser light source 802, a storage circuit 8044, and a control circuit (for example, a microcomputer) 8045 for controlling these.

制御回路8045は外部よりデータDを入力し、データDに応じたレーザ変調信号を投射対象物803の走査に同期してレーザ光源802のレーザ光源駆動回路8043に送出する。また、光偏向器801からの圧電センサ出力は実際のミラーの角度に完全に一致していないので、予め測定した角度補正用データをテーブルとして記憶回路8044に予め記憶させておく必要がある。尚、この角度補正用データは光偏向器801のミラーと圧電センサとの間のスリット幅SW等に応じて変化する。   The control circuit 8045 receives data D from the outside, and sends a laser modulation signal corresponding to the data D to the laser light source driving circuit 8043 of the laser light source 802 in synchronization with the scanning of the projection object 803. In addition, since the piezoelectric sensor output from the optical deflector 801 does not completely match the actual mirror angle, it is necessary to previously store the angle correction data measured in advance in the storage circuit 8044 as a table. The angle correction data changes in accordance with the slit width SW between the mirror of the optical deflector 801 and the piezoelectric sensor.

図9は図8の制御回路8045の動作を説明するためのフローチャートである。図8の光学装置において、光偏向器801のミラーの共振周波数が25kHzのときに、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び25kHzとすると、ミラー振れ角(最大偏向角)は±5°であった。このとき、圧電センサの検出ミラー振れ角は目標値±5°に対して±0.05°(1%相当)の変動を有していた。従って、図8の光学装置においては、ミラー振れ角をθ(正の値のみを定義する)とし、その目標値θaimは5°、許容値は0.05°と仮定すれば、ミラー振れ角の許容範囲は4.95°〜5.05°とすることができる。 FIG. 9 is a flowchart for explaining the operation of the control circuit 8045 of FIG. In the optical device of FIG. 8, when the resonance frequency of the mirror of the optical deflector 801 is 25 k Hz, the peak-to-peak voltage V pp and a frequency of the piezoelectric actuator sinusoidal input signal and 20V and 25 kHz, the mirror swing angle ( The maximum deflection angle) was ± 5 °. At this time, the detection mirror deflection angle of the piezoelectric sensor had a variation of ± 0.05 ° (equivalent to 1%) with respect to the target value ± 5 °. Therefore, in the optical apparatus of FIG. 8, assuming that the mirror deflection angle is θ (only a positive value is defined), the target value θ aim is 5 °, and the allowable value is 0.05 °, the mirror deflection angle is allowed. The range can be 4.95 ° to 5.05 °.

始めに、ステップ901にて、ミラー角度検出回路8042よりミラー角度θを検出する。この場合、圧電センサ9、10の同一極性出力を加算してミラー角度とする。   First, in step 901, the mirror angle θ is detected by the mirror angle detection circuit 8042. In this case, outputs of the same polarity from the piezoelectric sensors 9 and 10 are added to obtain a mirror angle.

次に、ステップ902にて、ステップ901で検出されたミラー角度θが前回値θ0より大きいか否かを判別する。つまり、θはミラー振れ角(最大偏向角)か否かを判別する。尚、ミラー振れ角は0°を中心に正負の同一値を有するものと仮定し、正の値のみを考慮する。検出されたミラー角度θがミラー振れ角でないときにはステップ903に進み、前回値θ0をθで置換して901に戻る。ミラー角度θがミラー振れ角であると判別されたときにはステップ904に進む。   Next, in step 902, it is determined whether or not the mirror angle θ detected in step 901 is larger than the previous value θ0. That is, it is determined whether or not θ is a mirror deflection angle (maximum deflection angle). Note that the mirror deflection angle is assumed to have the same positive and negative values centered on 0 °, and only positive values are considered. When the detected mirror angle θ is not the mirror deflection angle, the process proceeds to step 903, the previous value θ 0 is replaced with θ, and the process returns to 901. When it is determined that the mirror angle θ is the mirror deflection angle, the process proceeds to step 904.

ステップ904にて、ステップ902にてミラー振れ角とされたミラー角度を記憶回路8044の角度補正用データを参照して補正することによりミラー振れ角θ’を演算する。   In step 904, the mirror shake angle θ ′ is calculated by correcting the mirror angle determined as the mirror shake angle in step 902 with reference to the angle correction data in the storage circuit 8044.

ステップ905では、ミラー振れ角θ’が目標値5°の許容範囲は4.95°〜5.05°か否かを判別する。この結果、θ’<4.95°であればステップ906に進み、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のパラメータを更新して圧電アクチュエータ駆動回路8041に設定し、ミラー振れ角θ’を大きくするようにフィードバックする。他方、θ’>5.05°であればステップ907に進み、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のパラメータを更新して圧電アクチュエータ駆動回路8041に設定し、ミラー振れ角θ’を小さくするようにフィードバックする。その後、ステップ908に進む。θ’が4.95°≦θ’<5.05°であればステップ908に直接進む。   In step 905, it is determined whether or not the allowable range of the mirror deflection angle θ ′ of the target value 5 ° is 4.95 ° to 5.05 °. As a result, if θ ′ <4.95 °, the process proceeds to step 906, where the parameter of the sine wave input signal of the piezoelectric actuator is updated and set in the piezoelectric actuator drive circuit 8041, and feedback is performed so as to increase the mirror deflection angle θ ′. . On the other hand, if θ ′> 5.05 °, the process proceeds to step 907 where the parameter of the sine wave input signal of the piezoelectric actuator is updated and set in the piezoelectric actuator drive circuit 8041 and fed back so as to reduce the mirror deflection angle θ ′. Thereafter, the process proceeds to step 908. If θ ′ is 4.95 ° ≦ θ ′ <5.05 °, the process proceeds directly to step 908.

ステップ906、907においては、圧電アクチュエータの2つの正弦波入力信号のパラメータ振幅A、位相差φ及び周波数fの少なくとも1つを更新する。たとえば、ステップ906では、
A←A+ΔA(一定値)
φ←φ+Δφ(一定値)
f←f−Δf(一定値)
とし、他方、ステップ907では、
A←A−ΔA(一定値)
φ←φ−Δφ(一定値)
f←f+Δf(一定値)
とする。これにより、ミラー振れ角θ’を目標値5°の許容範囲は4.95°〜5.05°に近づけるようにする。
In steps 906 and 907, at least one of the parameter amplitude A, the phase difference φ, and the frequency f of the two sine wave input signals of the piezoelectric actuator is updated. For example, in step 906,
A ← A + ΔA (constant value)
φ ← φ + Δφ (constant value)
f ← f−Δf (constant value)
On the other hand, in step 907,
A ← A-ΔA (constant value)
φ ← φ−Δφ (constant value)
f ← f + Δf (constant value)
And Thereby, the allowable range of the mirror deflection angle θ ′ with the target value of 5 ° is made close to 4.95 ° to 5.05 °.

ステップ908では、θ0を初期化(=0)してステップ901に戻る。   In step 908, θ0 is initialized (= 0), and the process returns to step 901.

他方、制御回路8045は図9の制御ルーチンと並列に実行する図示しないルーチンにより圧電アクチュエータ駆動回路8041の正弦波入力信号の位相に同期させてデータDに応じてレーザ信号変調してレーザ変調信号が発生する。この結果、レーザ光源駆動回路8043はレーザ変調信号を用いてレーザ光源802を駆動することになる。   On the other hand, the control circuit 8045 performs laser signal modulation according to data D in synchronization with the phase of the sine wave input signal of the piezoelectric actuator drive circuit 8041 by a routine (not shown) executed in parallel with the control routine of FIG. Occur. As a result, the laser light source driving circuit 8043 drives the laser light source 802 using the laser modulation signal.

図9の制御ルーチンの第1の動作例を説明する。動作中に、外部環境の温度がずれてミラーの共振周波数が25kHzからずれ、この結果、圧電センサの検出ミラー振れ角の変動は±2°であった場合を考察する。この場合にも、図9の制御ルーチンにより圧電アクチュエータの正弦波入力信号の振幅、位相差あるいは周波数をフィードバック制御することにより瞬時に上述の変動は±1°と収束した。このように、本発明の圧電センサによりミラー振れ角を精度よく検出することにより光学装置を安定的に動作させることができる。   A first operation example of the control routine of FIG. 9 will be described. Consider a case in which the temperature of the external environment deviates during operation and the resonance frequency of the mirror deviates from 25 kHz. As a result, the fluctuation of the detection mirror deflection angle of the piezoelectric sensor is ± 2 °. Also in this case, the above fluctuations converged to ± 1 ° instantaneously by feedback control of the amplitude, phase difference or frequency of the sine wave input signal of the piezoelectric actuator by the control routine of FIG. Thus, the optical apparatus can be stably operated by accurately detecting the mirror swing angle by the piezoelectric sensor of the present invention.

図9の制御ルーチンの第2の動作例を説明する。図8の光偏向器を複数製造したところ、その1/2のミラーの共振周波数は25kHzであったが、残りのミラーの共振周波数はわずかにずれて24.997〜25.003kHzであった。このとき、共振周波数24.997 kHz、25.003kHzのミラーを有する光偏向器の圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び5kHzとすると、周波数の減少によりミラー振れ角は±4°であった場合を考察する。この場合にも、図9の制御ルーチンにより圧電アクチュエータの正弦波入力信号の振幅、位相差あるいは周波数をフィードバック制御することにより振れ角が±5°となった。このように、ミラー振れ角の維持を動作速度より優先する場合にも、本発明の圧電センサによりミラー振れ角を精度よく検出することにより光学装置を安定的に動作させることができる。 A second operation example of the control routine of FIG. 9 will be described. When a plurality of the optical deflectors shown in FIG. 8 were manufactured, the resonance frequency of half of the mirrors was 25 kHz, but the resonance frequency of the remaining mirrors was slightly shifted to 24.997 to 25.003 kHz. At this time, if the peak-to-peak voltage V pp and the frequency of the sine wave input signal of the piezoelectric actuator of the optical deflector having the mirrors with resonance frequencies of 24.997 kHz and 25.003 kHz are 20 V and 5 kHz, the mirror deflection angle is ± 4 due to the decrease in frequency. Consider the case. Also in this case, the deflection angle becomes ± 5 ° by feedback control of the amplitude, phase difference or frequency of the sine wave input signal of the piezoelectric actuator by the control routine of FIG. As described above, even when maintaining the mirror deflection angle has priority over the operation speed, the optical device can be stably operated by accurately detecting the mirror deflection angle by the piezoelectric sensor of the present invention.

図9の制御ルーチンの第3の動作例を説明する。光偏向器801のミラーの共振周波数が25kHzのときに、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び25kHzとし、この結果、ミラー振れ角が目標値±5°を達しているときに、25kHz、500Gの外部振動を与えた場合を考察する。この場合においても、図9の制御ルーチンにより圧電アクチュエータの正弦波入力信号の振幅、位相差あるいは周波数をフィードバック制御することにより瞬時に上述の外部振動によるミラーの異常振幅増大を制限できた。尚、上述の25kHz、500Gの外部振動は本発明に係るフィードバック制御がなければ、光偏向器のトーションバーとミラーとの接続部は破損した。このように、加速度センサを用いることなく、本発明の圧電センサによりミラー振れ角を精度よく検出することにより光学装置を安定的に動作させることができ、従って、製造コストも低減できる。 A third operation example of the control routine of FIG. 9 will be described. When the resonance frequency of the mirror of the optical deflector 801 is 25 kHz, the peak-to-peak voltage V pp and the frequency of the sine wave input signal of the piezoelectric actuator are 20 V and 25 kHz. As a result, the mirror deflection angle reaches the target value ± 5 °. Let us consider the case of applying external vibration of 25kHz and 500G. Even in this case, the increase in the abnormal amplitude of the mirror due to the external vibration can be instantaneously controlled by feedback control of the amplitude, phase difference or frequency of the sine wave input signal of the piezoelectric actuator by the control routine of FIG. Note that the connection between the torsion bar and the mirror of the optical deflector was damaged without the feedback control according to the present invention for the above-described external vibration of 25 kHz and 500 G. As described above, the optical device can be stably operated by accurately detecting the mirror deflection angle by the piezoelectric sensor of the present invention without using the acceleration sensor, and thus the manufacturing cost can be reduced.

1:支持体
1a:空
2:ミラー
3、4:弾性梁(トーションバー)
5、6、7、8:圧電アクチュエータ
9、10:圧電センサ
2a、3a、4a、5a、6a、7a、8a、9a、10a:振動板
2b、3b、4b、5b、6b、7b、8b、9b、10b:下部電極
3c、4c、5c、6c、7c、8c、9c、10c:圧電体層
3d、4d、5d、6d、7d、8d、9d、10d:上部電極
SW:スリット幅
1011:単結晶シリコン層
1012:中間酸化シリコン層
1013:単結晶シリコン活性層
1021、1022:酸化シリコン層
1031:下部電極層
1032:圧電体層
1033:上部電極層
104:ハードマスク層
SL:スリット
1: support 1a: Check-dong 2: Mirror 3,4: elastic beam (torsion bar)
5, 6, 7, 8: Piezoelectric actuator 9, 10: Piezoelectric sensors 2a, 3a, 4a, 5a, 6a, 7a, 8a, 9a, 10a: Diaphragms 2b, 3b, 4b, 5b, 6b, 7b, 8b, 9b, 10b: Lower electrodes 3c, 4c, 5c, 6c, 7c, 8c, 9c, 10c: Piezoelectric layers 3d, 4d, 5d, 6d, 7d, 8d, 9d, 10d: Upper electrodes
SW: slit width 1011: single crystal silicon layer 1012: intermediate silicon oxide layer 1013: single crystal silicon active layer 1021, 1022: silicon oxide layer 1031: lower electrode layer 1032: piezoelectric layer 1033: upper electrode layer 104: hard mask layer
SL: Slit

Claims (5)

空洞部が形成された支持体と、
該支持体の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、
基端が前記支持体に連結され先端が前記ミラーに連結された弾性梁と、
基端が前記支持体に連結され先端が前記弾性梁に連結されたアクチュエータと、
前記弾性梁に連結されかつ前記ミラーの外周側にスリットを介して位置し前記ミラーの角度を検出するための圧電センサと
を具備し、
前記アクチュエータは前記ミラー及び前記圧電センサを前記弾性梁を介して同一方向に回転振動させ
前記スリットは前記ミラーの回転振動の振動周波数が前記圧電センサの回転振動の周波数に一致するように設けられている光偏向器。
A support formed with a cavity,
A mirror having a reflective surface located within the cavity of the support;
An elastic beam having a proximal end coupled to the support and a distal end coupled to the mirror;
An actuator having a proximal end coupled to the support and a distal end coupled to the elastic beam;
A piezoelectric sensor connected to the elastic beam and positioned on the outer peripheral side of the mirror through a slit to detect the angle of the mirror;
The actuator rotates and vibrates the mirror and the piezoelectric sensor in the same direction via the elastic beam ,
The slit is an optical deflector provided so that the vibration frequency of the rotational vibration of the mirror matches the frequency of the rotational vibration of the piezoelectric sensor.
前記スリットは前記圧電センサの最大振動幅が前記ミラーの最大振動幅より大きくなるように設けられている請求項1に記載の光偏向器。   The optical deflector according to claim 1, wherein the slit is provided so that a maximum vibration width of the piezoelectric sensor is larger than a maximum vibration width of the mirror. 前記アクチュエータは圧電アクチュエータである請求項1に記載の光偏向器。   The optical deflector according to claim 1, wherein the actuator is a piezoelectric actuator. 前記ミラーの反射面は円形であり、前記圧電センサは半環状である請求項1に記載の光偏向器。   The optical deflector according to claim 1, wherein the reflection surface of the mirror is circular, and the piezoelectric sensor is semi-annular. 請求項1〜のいずれか1つに記載の光偏向器と、
該光偏向器に光を照射するための光源と、
該光源を駆動するための光源駆動回路と、
前記圧電センサのミラーの角度信号を検出するミラー角度検出回路と、
該検出されたミラーの角度信号を補正するための補正データを記憶する記憶回路と、
前記検出されたミラーの角度信号を前記補正データにより補正する制御回路と、
該補正されたミラーの角度信号により前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と
を具備する光学装置。
An optical deflector according to any one of claims 1 to 4 ,
A light source for irradiating the light deflector with light;
A light source driving circuit for driving the light source;
A mirror angle detection circuit for detecting an angle signal of a mirror of the piezoelectric sensor;
A storage circuit for storing correction data for correcting the detected angle signal of the mirror;
A control circuit for correcting the detected angle signal of the mirror by the correction data;
And an actuator driving circuit for driving the actuator by the corrected mirror angle signal.
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