JP5414187B2 - 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、画像表示装置の一形態として、光偏向器を用いて光源からの光を偏向してスクリーンに投影し、スクリーン上に画像を映し出すようにしたプロジェクションディスプレイが提案されている。光偏向器としては、例えば、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挙げられる（例えば、特許文献１参照）。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。

上述のようなプロジェクションディスプレイにおいて、ランプに比べて光源の寿命が長く、エネルギー利用効率が高く、光の三原色の色純度も高い、半導体レーザ等のレーザ光源を光源として用いる技術が提案されている。しかし、光源としてレーザ光源を用いた場合、スペックルノイズ（粒状の干渉パターン）が生じて画質が劣化するという問題がある。スペックルノイズは、レーザ光源からの位相が揃ったコヒーレント光がランダムな位相面（物体面）によって散乱されることにより、物体面の隣接する領域からの乱れた波面が観察面上で干渉することで生じる現象であり、粒状の強度分布として観察面上に現れる。レーザ光源を用いたプロジェクションディスプレイにおいては、このようなスペックルノイズが、物体面であるスクリーンと、観察面である観察者の目（網膜）との間で生じると、観察者が画像の劣化を認識することになる。このため、スペックルノイズを低減するために様々な技術が提案されている（例えば、特許文献２，３参照）。

特許文献２の画像表示装置では、偏光分布変換手段により、入射レーザ光の偏光状態を空間的に変化させることでスペックルのイズを低減させる。具体的には、この画像表示装置は、光源から出射され空間変調器にて変調された光により画像を表示するものであり、偏光分布変換手段によって、空間変調器の隣接する画素に入射される光の偏光方向が互いに直交するように、光源から出射された光の空間的な偏光分布を変換する。直交する偏光同士は干渉しないため、表示された画像の中で、空間変調器の隣接する画素に対応した領域同士の干渉によるスペックルノイズが抑制される。

これに対して、特許文献３の画像表示装置では、入射レーザ光の偏光状態を変えるのではなく、光路上に微小光路差（映像に影響は与えない程度、すなわち、回折角が十分に小さくなる程度に分布した光路差）を与える光学部品を配置し、光路差分布が時間的に変動するように光学部品を駆動手段で振動または回転させることにより、発生したスペックルパターンを混合・平均化してスクリーン上に見えるスペックルノイズを低減させている。
特開２００５−１４８４５９号公報 特開２００２−６２５８２号公報 特開２００４−１３８６６９号公報

しかしながら、特許文献２，３の装置では、光偏向器とは別体で、光学系にスペックルノイズを低減するための光学素子や駆動機構を追加する必要がある。すなわち、特許文献２の手法では、偏光分布変換手段が必要となると共に、偏光分布変換手段の偏光要素のサイズ以上にレーザ光の径を拡げる必要が生じてしまい、そのために追加のレンズが必要となったり、光学系のサイズが大きくなったりしてしまう。また、特許文献３の手法では、光路長を変えるための光学部品と、光学部品を振動または回転させる駆動機構とを設ける必要がある。このように、特許文献２，３のような手法では、部品点数の増大、システムとしてのサイズの増大、消費電力の増大、騒音の増大、および光学アライメントの煩雑さ等の問題が生じていた。

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、レーザ光源等の光源からの光を走査して画像を表示する際に生じるスペックルノイズを低減することができる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とで構成され、
前記第２の圧電アクチュエータは複数の圧電カンチレバーで構成され、各圧電カンチレバーは、前記可動枠と前記支持部との間で互いに隣り合うように並んで配置され、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように各圧電カンチレバーの端部が機械的に連結され、
前記ミラー部は、前記第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の軸周りで回転駆動され、
前記第２の圧電アクチュエータの隣り合う２つの圧電カンチレバーの一方には、前記ミラー部を前記第１の軸周りと異なる第２の軸周りで回転駆動させる回転駆動用の電圧成分と、前記第２の圧電アクチュエータの並進駆動モードの共振周波数で前記ミラー部を前記第２の軸と平行な面内方向に並進駆動させる並進駆動用の電圧成分とを重畳した電圧を印加し、前記第２の圧電アクチュエータの隣り合う２つの圧電カンチレバーの他方には、前記回転駆動用の電圧成分と異なる位相を有し前記ミラー部を前記第２の軸周りで回転駆動させる回転駆動用の電圧成分と、前記並進駆動用の電圧成分と同じ位相を有し前記第２の圧電アクチュエータの並進駆動モードの共振周波数で前記ミラー部を前記第２の軸と平行な面内方向に並進駆動させる並進駆動用の電圧成分とを重畳した電圧を印加することにより、前記第２の圧電アクチュエータの隣り合う２つの圧電カンチレバーが互いに逆方向に屈曲変形することで駆動される前記可動枠を介して、前記第２の軸周りで回転駆動されると共に、該第２の圧電アクチュエータの隣り合う２つの圧電カンチレバーが互いに同方向に並進変位するように共振振動させることにより、前記第２の軸と平行な面内方向に並進駆動されることを特徴とする（第１発明）。

上記第１発明の光偏向器によれば、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第１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、この光偏向器を用いて光源からの光を走査してスクリーン上に投影し、画像を表示可能である。

このとき、２軸の回転駆動と共に、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第１の圧電アクチュエータと一体的に並進駆動させる。この並進駆動によって、光偏向器により走査される光の位相を変動させて、光が投影されるスクリーン上の画像における隣接画素間の可干渉性を低減することができ、スクリーン上の画像におけるスペックルノイズを低減することができる。このように、第２の圧電アクチュエータを回転駆動と並進駆動とに併用することで、スペックルノイズを低減するための新たな構成を備える必要がなく、小型で簡単な構造の光偏向器で、スペックルノイズを低減することができる。

また、前記第２の圧電アクチュエータは複数の圧電カンチレバーから構成され、各圧電カンチレバーは、前記可動枠と前記支持部との間で互いに隣り合うように並んで配置され、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように各圧電カンチレバーの端部が機械的に連結されている。

すなわち、第２の圧電アクチュエータの各圧電カンチレバーは、両端部が隣り合うように並んで配置され、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように機械的に連結されているので、第２の圧電アクチュエータの出力（例えば、圧電アクチュエータ全体の先端部で出力されるトルク又は変位）は、各圧電カンチレバーで発生する出力を重ね合わせたものとなる。

例えば、光偏向器の垂直方向（第２の圧電アクチュエータの回転駆動方向）では、隣り合う２つの圧電カンチレバー全体として発生する出力（角度変位）は、２つの圧電カンチレバーが互いに逆方向に屈曲変形した場合に、各圧電カンチレバーで発生した出力の大きさを加算した大きさとなる。
また、例えば、光偏向器の面内方向（第２の圧電アクチュエータの並進駆動方向）では、隣り合う２つの圧電カンチレバー全体として発生する出力（並進変位）は、２つの圧電カンチレバーが互いに同方向に並進変位した場合に、各圧電カンチレバーで発生した出力の大きさを加算した大きさとなる。
これによれば、回転駆動用の電圧成分の周波数に応じてミラー部を第２の軸周りで回転振動させることができると共に、並進駆動用の電圧成分の周波数に応じてミラー部を第２の軸と平行な面内方向に並進振動させることができる。

よって、第２の圧電アクチュエータにより、各圧電カンチレバーで発生する出力が加算された大きな出力を得ることができると共に、光偏向器の垂直方向の出力と面内方向の出力とを得ることができる。これにより、第２の圧電アクチュエータにより、ミラー部の回転駆動と並進駆動とを両立することができる。

上記第１発明の光偏向器において、該光偏向器への入射光及び該光偏向器からの反射光を透過させ、且つ該透過される光に面内で光路差を生じさせる光学窓を備えたパッケージの内部に実装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、ミラー部の並進駆動により、光偏向器からの反射光が光学窓を透過する位置が変動するので、光路差分布が変動することとなる。よって、ミラー部の並進駆動による位相の変動に加えて、光路差分布が変動することとなるので、走査光が投影されるスクリーン上の画像における隣接画素間の可干渉性をより低減することができる。しかも、光偏向器が実装されるパッケージの光学窓を、光路差を生じさせる構成とすることで、光学系に別体で光学素子を設ける場合に比べて、光学的なアライメントが不要であると共に、コンパクトな光学系を維持することができる。

或いは、第１発明の光偏向器において、該光偏向器への入射光及び該光偏向器からの反射光を透過させ、且つ該透過される光の偏光状態を面内で変調する光学窓を備えたパッケージの内部に実装されることが好ましい（第３発明）。

第３発明の光偏向器によれば、ミラー部の並進駆動により、光偏向器からの反射光が光学窓を透過する位置が変動するので、面内で偏光状態が変動することとなる。よって、ミラー部の並進駆動による位相の変動に加えて、面内で偏光状態が変動することとなるので、走査光が投影されるスクリーン上の画像における隣接画素間の可干渉性をより低減することができる。しかも、光偏向器が実装されるパッケージの光学窓を、偏光状態を変調する構成とすることで、光学系に別体で光学素子を設ける場合に比べて、光学的なアライメントが不要であると共に、コンパクトな光学系を維持することができる。

また、第１〜第３発明のいずれかの光偏向器において、前記第１及び第２の圧電アクチュエータへ印加される駆動電圧は周期的に変動する電圧であることが好ましい（第４発明）。ここで、周期的に変動する電圧とは、交流電圧、又は周期的に大きさが変動する直流電圧である。駆動電圧の波形としては、正弦波、三角波、矩形波、鋸波、又はこれらの組み合わせ等を、用途に応じて任意に選択することができる。さらに、駆動電圧は、任意のオフセット電圧を有するものでもよい。

第４発明の光偏向器によれば、第１の圧電アクチュエータと第２の圧電アクチュエータとをそれぞれ駆動して、ミラー部を２軸で回転振動して２次元的に光走査することができる。このとき、第１の圧電アクチュエータの共振駆動により、比較的高い走査周波数において低電圧で大きな偏向角の走査を行うことができると共に、この走査と独立且つ両立して、第２の圧電アクチュエータの非共振駆動により、任意の走査周波数で、すなわち、比較的低い走査周波数でも、大きな偏向角の走査を行うことができる。これにより、水平方向の高速の走査と垂直方向の低速の走査とを独立に且つ両立させて行うことができるので、ミラー部に入射された光を２次元的に効率良くラスタスキャンすることができる。さらに、外側の第２の圧電アクチュエータを駆動して、回転振動と共に、面内で並進振動させることができる。この並進振動により、位相を変動させてスペックルノイズを低減することができる。

また、第４発明の光偏向器において、前記第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り、該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。

また、第１〜第５発明のいずれかの光偏向器において、前記ミラー部、前記トーションバー、前記可動枠、及び前記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前記支持部と一体的に形成されることが好ましい（第６発明）。

第６発明の光偏向器によれば、ミラー部、トーションバー、支持部、可動枠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。

上記第６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。

上記第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、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。

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。

［第１実施形態］
本発明の第１実施形態について、図１〜図６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の光偏向器の第２の圧電アクチュエータの回転駆動を示す説明図、図３は、図１の光偏向器の第２の圧電アクチュエータの並進駆動を示す説明図、図４は、図１の光偏向器の第２の圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を示すグラフ、図５は、図１の光偏向器の製造工程を示す説明図、図６は、図１の光偏向器を使用した画像表示装置の構成を示す説明図である。

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、その直径線分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、後述の並進駆動が可能な間隔で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。

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、後述の並進駆動が可能な間隔で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５ａ〜５ｈと下部電極パッド１３ａ〜１３ｄ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、半導体プレーナプロセスを用いて下部電極層上の１層の圧電膜（以下、圧電体層ともいう）を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７ａ〜７ｈと、上部電極パッド１２ａ〜１２ｆと、これらを導通する上部電極配線（図示せず）は、半導体プレーナプロセスを用いて、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（Ｐｔ）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、半導体プレーナプロセスを用いて、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及び並進する。

さらに、光偏向器Ａ１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の第１の軸ｘ１周りでの偏向・走査（回転駆動）の位相、周波数、偏向角等を制御する第１制御手段２１と、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂへ印加する駆動電圧の位相、周波数、振幅、波形等を制御することで、ミラー部１の第２の軸ｘ２周りでの偏向・走査（回転駆動）及び並進駆動の位相、周波数、偏向角、変位量等を制御する第２制御手段２２とを備えている。このとき、第２制御手段２２は、駆動電圧として、後述のようにミラー部１の回転駆動用の電圧成分Ｐ2と並進駆動用の電圧成分Ｐ3とを重畳した電圧を用いる。

次に、本実施形態の光偏向器Ａ１の作動を説明する。まず、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄによる第１の軸周りの回転駆動について説明する。光偏向器Ａ１では、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との間にそれぞれ第１の電圧、第２の電圧を印加して駆動させると、互いに逆方向に屈曲変形する。なお、第１の電圧と第２の電圧とは、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。これらの屈曲変形により、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。同様に、他方の対の第１の圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄにそれぞれ第１の電圧、第２の電圧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、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を中心軸として第１の軸ｘ１周りで回転する。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Ａ１では、外側の１対の第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに駆動電圧を印加する。具体的には、第２の圧電アクチュエータ１０ａでは、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。同様に、対向した第２の圧電アクチュエータ１０ｂに第５，第６の電圧を印加して圧電カンチレバー３ｇ，３ｈを駆動させる。

このとき、第３，第４の電圧の回転駆動用の電圧成分（Ｐ2又は−Ｐ2）は、第２の圧電アクチュエータ１０ａの垂直方向について、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、第２の圧電アクチュエータ１０ａの先端部を上方向（図１に示す方向Ｕ）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。第２の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。第２の圧電アクチュエータ１０ｂに対する第５，第６の電圧の回転駆動用の電圧成分（Ｐ2又は−Ｐ2）についても同様である。

ここで、図２は、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの垂直方向についての駆動状態を模式的に示した図である。図２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。なお、以下では適宜、可動枠９側からｉ番目の圧電カンチレバーについて（ｉ）と付記して説明する（ｉ＝１〜４）。

図２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９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。このとき、圧電カンチレバー３ｆ（４）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（３）は、圧電カンチレバー３ｆ（４）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（２）は、圧電カンチレバー３ｅ（３）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（２）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。これにより、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。

また、第３，第４の電圧の並進駆動用の電圧成分（Ｐ3又は−Ｐ3）は、光偏向器Ａ１の面内方向について、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との並進変位が同方向に発生するように印加する。例えば、第２の圧電アクチュエータ１０ａの先端部を右方向（図１に示す方向Ｒ）に変位させる場合には、奇数番目の圧電カンチレバー３ｅも、偶数番目の圧電カンチレバー３ｆも、右方向に変位させる。第２の圧電アクチュエータ１０ａの先端部を左方向に変位させるには、その逆にする。第５，第６の電圧の並進駆動用の電圧成分（Ｐ3又は−Ｐ3）についても同様である。

ここで、図３は、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの面内方向についての駆動状態を模式的に示した図である。図３（ａ）は、ミラー部１を右方向に並進駆動させた状態を示し、図３（ｂ）は、ミラー部１を左方向に並進駆動させた状態を示す。
図３（ａ）の場合、第２の圧電アクチュエータ１０ａの圧電カンチレバー３ｅ，３ｆでは、それぞれ矢印で示したように、その基端部を支点として、その先端部に右方向の角度変位が発生している。これにより、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右方向の並進変位が発生する。
また、もう１つの第２の圧電アクチュエータ１０ｂの圧電カンチレバー３ｇ，３ｈでも、それぞれ矢印で示したように、その基端部を支点として、その先端部に右方向の角度変位が発生している。これにより、第２の圧電アクチュエータ１０ｂでは、各圧電カンチレバー３ｇ，３ｈの屈曲変形の大きさを加算した大きさの右方向の並進変位が発生する。
これらの並進変位により、図中に白抜き矢印で示したように、ミラー部１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と可動枠９が一体的に右方向に並進する。

このように、第３〜第６の電圧の駆動により、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂが駆動され、それぞれ、圧電カンチレバーに中心軸線が同軸の角度変位を発生すると共に、中心軸線に平行な並進変位を発生する。
まず、上記の角度変位により、可動枠９は、図１の矢印で示したように、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と第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄとが一体的に回転し、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。
また、上記の角度変位による回転と同時に、並進変位により、図１の矢印で示したように、ミラー部１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と可動枠９とが、一体的に第２の軸ｘ２に平行に並進する。これにより、ミラー部１を所定の第３周波数で所定の変位量（例えば、50［μm］以上）で並進振動することができる。

ここで、図４は、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに印加する駆動電圧の一例を示すグラフである。図４において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。図４中、実線で回転駆動用の電圧成分Ｐ2を示し、１点鎖線で回転駆動用の電圧成分Ｐ2と並進駆動用の電圧成分Ｐ3とを重畳した電圧を示す。
回転駆動用の電圧成分Ｐ2は、振幅Ｖ2、周波数Ｆ2（例えば60Ｈｚ）の単極（ユニポーラ）の鋸波であり、並進駆動用の電圧成分Ｐ3は、振幅Ｖ3、周波数Ｆ3（例えば300Ｈｚ）の正弦波である（Ｆ2＜Ｆ3，Ｖ2＞Ｖ3）。第３〜第６の電圧は、これらの電圧成分Ｐ2，Ｐ3を重畳したものとなる。具体的には、例えば、第３〜第６の電圧は、回転駆動用の電圧成分Ｐ2又は−Ｐ2と並進駆動用の電圧成分Ｐ3又は−Ｐ3とをそれぞれ重畳した（Ｐ2＋Ｐ3）、（−Ｐ2＋Ｐ3）、（Ｐ2−Ｐ3）、（−Ｐ2−Ｐ3）の交流電圧とする。なお、電圧成分Ｐ2，Ｐ3の重畳のパターンは、これに限らない。
本実施形態では、第３の電圧と第４の電圧とは、回転駆動用の電圧成分が逆極性（例えば、Ｐ2に対して−Ｐ2）となるように印加されるものとしているが、第３の電圧と第４の電圧とで、回転駆動用の電圧成分Ｐ2が互いに位相がずれるように印加されるようにしてもよい。また、第３の電圧と第４の電圧とは、並進駆動用の電圧成分が同じ位相（例えば、Ｐ3に対してＰ3）となるように印加されるものとしている。第５の電圧と第６の電圧との関係も同様である。

このとき、回転駆動用の電圧成分Ｐ2としては、ミラー部１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とを含む可動枠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周期的に変動する電圧を印加して非共振振動させることで、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。また、並進駆動用の電圧成分Ｐ3としては、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの並進駆動モードの共振周波数付近の周波数の交流電圧（例えば正弦波）を印加して共振振動させることで、より大きな変位量で並進振動させることができる。なお、並進駆動用の電圧成分Ｐ3の周波数Ｆ3としては、例えば、この並進振動によるフリッカーノイズの発生が抑制されるよう、人間の目がフリッカーノイズを感じない程度に大きな周波数が用いられる。

本実施形態によれば、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，１０ａ，１０ｂの回転駆動により、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）で独立に走査されるので、入射された光ビームを水平方向、垂直方向にラスタスキャンしてスクリーン上に投影して画像を表示することができる。これと共に、本実施形態によれば、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの並進駆動により、ミラー部１を並進振動することができる。これにより、ミラー部１で走査される光の位相を変動させることができるので、光偏向器Ａ１により走査光が投影されるスクリーン上の画像における隣接画素間の可干渉性を低減し、スクリーン上の画像におけるスペックルノイズを低減することができる。
［製造工程］
図５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１１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0.1〜1［μm］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（Ｔｉ）を用い、２層目（上層）の金属薄膜には白金（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。

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〜１３ｄ、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１１及びミラー面反射膜１ｂ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の熱酸化シリコン膜３１ａ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の回転及び並進とを可能にする。

以上の工程により、光偏向器Ａ１が作製される。光偏向器Ａ１のデバイスサイズは、例えば6×4〜10×6［mm］程度とする。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、例えばＬＴＣＣ（Low Temperature Co-fired Ceramics）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に振幅電圧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に振幅電圧Ｖpp＝20［V］、周波数60［Hz］の鋸波電圧（回転駆動用の電圧成分）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とし、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±6.5°、垂直軸で最大偏向角±4.5°を得られた。さらに、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂに、回転駆動用の電圧成分に、振幅電圧Vpp=5［V］、周波数300［Hz］の交流電圧（並進駆動用の電圧成分）を重畳して駆動信号として印加した。なお、この並進駆動用の駆動周波数は、作製した光偏向器の素子デザインによって定まる並進駆動の共振周波数と一致するものとした。このとき、第２の圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂは回転振動しながら同時に並進振動し始めた。そして、本実施例では、並進振動の振幅として50［μm］が観測された。

図６は、本実施形態の光偏向器Ａ１を使用した画像表示装置５１を示す。この画像表示装置５１は、光偏向器Ａ１と、レーザ光源５２と、ハーフミラー（ビームスプリッター）５３と、スクリーン５４とを備えている。レーザ光源５２、ハーフミラー５３、スクリーン５４は所定の位置に固定されている。レーザ光源５２から出力されたレーザ光は、所定の強度変調を受けて集光用のレンズ又はレンズ群（図示せず）を通過して、ハーフミラー５３を通り、光偏向器Ａ１のミラー部１に入射される。入射されたレーザ光は、ミラー部１の偏向角に応じた所定の方向に偏向され、ハーフミラー５３で分岐された光がスクリーン５４上に投影され、画像を形成する。光偏向器Ａ１は、入射されたレーザ光を水平方向、垂直方向にラスタスキャンし、スクリーン５４上の水平方向Ｈ、垂直方向Ｖの長方形の領域を走査して画像を表示する。

このとき、並進駆動用の電圧成分を駆動信号として印加する前後で、スクリーン５４上の画像のスペックルノイズを目視で比較したところ、１０人中７人によりスペックルノイズの低減が認識された。なお、並進駆動用の電圧成分を駆動信号として印加する前後で、フリッカーノイズの違いは認識されなかった。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態について、図７〜図８を参照して説明する。図７は、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、図８は、図７の光偏向器のパッケージの光学窓の構成を示す図である。本実施形態の光偏向器は、第１実施形態の光偏向器を実装するパッケージの光学窓を、該光学窓を透過する光に面内で光路差を生じさせる構成としたものである。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。

図７に示すように、本実施形態では、光偏向器Ａ１の各デバイスのチップは、パッケージ（例えばＬＴＣＣパッケージ）１０１にダイボンド及びワイヤーボンドにより実装される。パッケージ１０１の上部には、入射光をミラー部１のミラー面反射膜１ｂに導入するための透明な光学窓１０２ａが形成されている。この光学窓１０２ａの中央部には、図８に示すように部分的に光学多層膜を成膜した千鳥格子上のパターンが形成されており、このパターンによって光偏向器Ａ１に入射するレーザ光の光路に微小な差がつくことになる。なお、図８中、白抜きの部分（ａ１）は光学多層膜を成膜していない部分であり、点描を付した部分（ａ２）は光学多層膜を成膜した部分である。光学多層膜の素材としては、例えば、高屈折率の素材として、ＴｉＯ₂，Ｔａ₂Ｏ₅，Ｎｂ₂Ｏ₅等を用い、低屈折率の素材として、ＳｉＯ₂等を用いることができる。また、光学多層膜の膜厚は、例えば、100［nm］／１層とし、全膜厚が2〜5［μm］とする。また、パターンの格子サイズは、例えば、各格子が3〜5［μm］角とする。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、第１実施形態と同様に、ミラー部１を並進振動することで、光偏向器Ａ１により走査光が投影されるスクリーン上の画像における隣接画素間の可干渉性を低減し、スクリーン上の画像におけるスペックルノイズを低減することができる。さらに、本実施形態では、ミラー部１の並進駆動により、走査光が光学窓１０２ａを透過する位置が変動し、光路差分布が変動することとなるので、走査光が投影されるスクリーン上の画像における隣接画素間の可干渉性をより低減することができる。しかも、光偏向器Ａ１が実装されるパッケージの光学窓１０２ａを、光路差を生じさせる構成とすることで、光学的なアライメントが不要であると共に、コンパクトな光学系を維持することができる。

なお、本実施形態では、光学窓１０２ａのパターンを、光学多層膜の有無によって形成したが、例えば、屈折率の大きな材料を用いた単層膜の有無によってパターンを形成してもよく、成膜ではなく、光学窓の表面に微小な凹凸を形成することでパターンを形成してもよい。
［実施例２］
実施例２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、実施例１と同様に設計した光偏向器を作製し、実施例１と同様に交流電圧を印加した。そして、この光偏向器を上述の光学窓１０２ａを備えたパッケージ１０１の内部に実装した。本実施例では、並進駆動用の電圧成分を駆動信号として印加する前後で、スクリーン５４上の画像のスペックルノイズを目視で比較したところ、１０人中９人によりスペックルノイズの低減が認識された。
［第３実施形態］
図９は、本発明の第３実施形態における光偏向器のパッケージの光学窓の構成を示す図である。本実施形態の光偏向器は、第２実施形態の光偏向器を実装するパッケージの光学窓を、該光学窓を透過する光の偏光状態を面内で変調する構成としたものである。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。

本実施形態において、この光学窓１０２ｂの中央部には、透過光を４方向に変調する偏光素子ｂ１〜ｂ４から成る平面偏光素子が配置されており、この平面偏光素子によって光偏向器Ａ１に入射して走査されるレーザ光の偏向状態を空間的に変化させる。偏光素子ｂ１〜ｂ４のグレーティングは、例えば、200［nm］程度のピッチとする。また、偏光素子ｂ１〜ｂ４の素子サイズは、例えば、3〜5［μm］角とする。他の構成及び作動は、第２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、ミラー部１を並進振動することで、光偏向器Ａ１により走査光が投影されるスクリーン上の画像における隣接画素間の可干渉性を低減し、スクリーン上の画像におけるスペックルノイズを低減することができる。さらに、本実施形態では、ミラー部１の並進駆動により、光が光学窓１０２ｂの平面偏光素子を透過する位置が変動し、偏向状態が変動することとなるので、走査光が投影されるスクリーン上の画像における隣接画素間の可干渉性をより低減することができる。しかも、光偏向器Ａ１が実装されるパッケージの光学窓１０２ａを、偏向状態を変調する構成１０２ｂとすることで、光学的なアライメントが不要であると共に、コンパクトな光学系を維持することができる。
［実施例３］
実施例３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、実施例１と同様に設計した光偏向器を作製し、実施例１と同様に交流電圧を印加した。そして、この光偏向器を上述の光学窓１０２ｂを備えたパッケージ１０１の内部に実装した。本実施例では、並進駆動用の電圧成分を駆動信号として印加する前後で、スクリーン５４上の画像のスペックルノイズを目視で比較したところ、１０人中９人によりスペックルノイズの低減が認識された。

なお、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、投影型ディスプレイ等の画像表示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の光偏向器の第２の圧電アクチュエータの回転駆動を示す説明図。 図１の光偏向器の第２の圧電アクチュエータの並進駆動を示す説明図。 図１の光偏向器の第２の圧電アクチュエータに印加する駆動電圧の一例を示すグラフ。 図１の光偏向器の製造工程を示す説明図。 図１の光偏向器を使用した画像表示装置の構成を示す説明図。 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。 図７の光偏向器のパッケージの光学窓の構成を示す図。 本発明の第３実施形態における光偏向器のパッケージの光学窓の構成を示す斜視図。

符号の説明

１…ミラー部、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、
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、
１０１…パッケージ、１０２ａ，１０２ｂ…光学窓。

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該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とで構成され、
   前記第２の圧電アクチュエータは複数の圧電カンチレバーで構成され、各圧電カンチレバーは、前記可動枠と前記支持体との間で互いに隣り合うように並んで配置され、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように各圧電カンチレバーの端部が機械的に連結され、
   前記ミラー部は、前記第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の軸周りで回転駆動され、
   前記第２の圧電アクチュエータの隣り合う２つの圧電カンチレバーの一方には、前記ミラー部を前記第１の軸周りと異なる第２の軸周りで回転駆動させる回転駆動用の電圧成分（Ｐ2又は−Ｐ2）と、前記第２の圧電アクチュエータの並進駆動モードの共振周波数で前記ミラー部を前記第２の軸と平行な面内方向に並進駆動させる並進駆動用の電圧成分（Ｐ3又は−Ｐ3）とを重畳した電圧（Ｐ2＋Ｐ3又は−Ｐ2−Ｐ3）を印加し、前記第２の圧電アクチュエータの隣り合う２つの圧電カンチレバーの他方には、前記回転駆動用の電圧成分と異なる位相を有し前記ミラー部を前記第２の軸周りで回転駆動させる回転駆動用の電圧成分（−Ｐ2又はＰ2）と、前記並進駆動用の電圧成分と同じ位相を有し前記第２の圧電アクチュエータの並進駆動モードの共振周波数で前記ミラー部を前記第２の軸と平行な面内方向に並進駆動させる並進駆動用の電圧成分（Ｐ3又は−Ｐ3）とを重畳した電圧（−Ｐ2＋Ｐ3又はＰ2−Ｐ3）を印加することにより、前記第２の圧電アクチュエータの隣り合う２つの圧電カンチレバーが互いに逆方向に屈曲変形することで駆動される前記可動枠を介して、前記第２の軸周りで回転駆動されると共に、該第２の圧電アクチュエータの隣り合う２つの圧電カンチレバーが互いに同方向に並進変位するように共振振動させることにより、前記第２の軸と平行な面内方向に並進駆動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、該光偏向器への入射光及び該光偏向器からの反射光を透過させ、且つ該透過される光に面内で光路差を生じさせる光学窓を備えたパッケージの内部に実装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、該光偏向器への入射光及び該光偏向器からの反射光を透過させ、且つ該透過される光の偏光状態を面内で変調する光学窓を備えたパッケージの内部に実装されることを特徴とする光偏向器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項記載の光偏向器において、前記第１及び第２の圧電アクチュエータへ印加される駆動電圧は周期的に変動する電圧であることを特徴とする光偏向器。
5. 請求項４記載の光偏向器において、前記第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り、該１対又は２対の第１の圧電アクチュエータのうち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を特徴とする光偏向器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の光偏向器において、前記ミラー部、前記トーションバー、前記可動枠、及び前記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前記支持部と一体的に形成されることを特徴とする光偏向器。
7. 請求項６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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