JP6092589B2

JP6092589B2 - 光偏向器

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Publication number: JP6092589B2
Application number: JP2012253729A
Authority: JP
Inventors: 雅直谷
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-11-19
Filing date: 2012-11-19
Publication date: 2017-03-08
Anticipated expiration: 2032-11-19
Also published as: JP2014102354A

Description

本発明は、単結晶シリコンで形成されたトーションバーによって、反射面を揺動可能な光偏向器に関する。

従来、光を反射する反射面と、単結晶シリコンで形成されたトーションバーと、トーションバーをその長手方向の軸周りに捩ることで、反射面を所定の軸周りに揺動させるアクチュエータとを有する光偏向器が知られている（特許文献１）。

特開２００８−２０７０１号公報

特許文献１に記載されたような光偏向器において、反射面の走査速度を大きくすることが望まれる場合がある。このような場合には、トーションバーの共振周波数を大きくするため、トーションバーの長手方向の軸周りのばね定数を大きくすること、例えば、トーションバーの厚さを大きくする等、トーションバーの寸法を変更することが考えられる。しかしながら、寸法の変更により、光偏向器が大型化してしまう場合がある。

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、光偏向器の大型化を抑制しつつ、反射面の走査速度を高速にできる光偏向器を提供することを目的とする。

本発明は、光を反射する反射面と、単結晶シリコンで形成されたトーションバーと、前記トーションバーをその長手方向の軸としての第１軸の周りに捩ることで、前記反射面を前記第１軸の周りに揺動させる第１アクチュエータとを有する光偏向器において、前記反射面と前記トーションバーと前記第１アクチュエータとを包囲し、前記第１アクチュエータを介して前記トーションバーに連結している第１枠体と、前記第１枠体を包囲する第２枠体と、前記第１枠体を前記第２枠体に連結する唯一の連結部材として前記第１枠体と前記第２枠体との間に介在する共に、前記反射面を前記第１軸とは別の第２軸の周りに揺動させる第２アクチュエータとを備え、前記第１アクチュエータは、駆動電圧が印加される第１圧電体と、該第１圧電体を支持し該第１圧電体と共に屈曲変形する第１支持体とを備え、前記第２アクチュエータは、長手方向を前記第１軸に平行に揃えてミアンダ形状に連結されている複数の圧電カンチレバーを有し、前記第２アクチュエータの各圧電カンチレバーは、駆動電圧が印加される第２圧電体と、該第２圧電体を支持し該第２圧電体と共に屈曲変形する第２支持体とを備え、
前記トーションバーは、前記第１軸方向が、当該トーションバーの結晶方位の＜１００＞方位と平行になるように形成され、前記第２支持体は、単結晶シリコンで形成されると共に、長方形板状に形成され、その長手方向が、当該第２支持体の結晶方位の＜１００＞方位と平行になるように形成されていることを特徴とする。

ここで、本発明における結晶方位は、単結晶シリコンにおける結晶方位であるので、所定の方位には、その方位に等価な方位が含まれるものとする。例えば、所定の方位が＜１００＞方位である場合の＜１００＞方位とは、例えば、＜０１０＞、＜００１＞、及び＜−１００＞等を含む。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）の光偏向器を製造する場合、単結晶シリコンで形成されたウエハが用いられる。このとき、ウエハの主面は、エッチング処理を鑑みて（１００）面を主面とすることが一般的である。このため、ウエハの主面に沿う結晶方位としては、＜１１０＞方位及び＜１００＞方位のいずれかが主となる。

ここで、単結晶シリコンのせん断弾性係数Ｇは、単結晶シリコンの結晶方位が＜１１０＞方位のとき約62[GPa]であり、単結晶シリコンの結晶方位が＜１００＞方位のとき約79[GPa]である。トーションバーのばね定数ｋは、せん断弾性係数Ｇが大きくなる程、大きくなる。

従って、トーションバーの長手方向の軸方向が、単結晶シリコンの結晶方位の＜１００＞方位に平行となるように、トーションバーが形成されることで、単結晶シリコンの結晶方位の＜１１０＞方位に平行となるようにトーションバーが形成されるものに比べて、該トーションバーの長手方向の軸周りのばね定数が大きくなり、ひいては、トーションバーの共振周波数を大きくできる。このとき、トーションバーの寸法を変更する必要がない。従って、光偏向器の大型化を抑制しつつ、反射面の走査速度を高速にできる。

第２アクチュエータは、長方形板状に形成された第２支持体を備える。このようなカンチレバーの先端部の変位量は、ヤング率Ｅに反比例する。

ここで、単結晶シリコンのヤング率Ｅは、単結晶シリコンの結晶方位が＜１１０＞方位のとき約160[GPa]であり、単結晶シリコンの結晶方位が＜１００＞方位のとき約130[GPa]である。従って、第２支持体の長手方向が、単結晶シリコンの結晶方位の＜１００＞方位に平行となるように当該第２支持体が形成されることで、単結晶シリコンの結晶方位の＜１１０＞方位に平行となるように当該支持体が形成されるものに比べて、第２支持体の屈曲変形の大きさが大きくなる。これにより、第２軸周りの反射面の揺動角度を大きくできる。

以上のように、第１軸周りのトーションバーの共振周波数を大きくしつつ、第２軸周りの反射面の揺動角度を大きくすることができる。

本発明の第１実施形態の光偏向器の構成を示す図。主面が（１００）面のウエハから光偏向器を作成するときの光偏向器のレイアウトを示す図であり、（ａ）は、オリエンテーションフラットが＜１１０＞方位を示すとき、（ｂ）は、オリエンテーションフラットが＜１００＞方位を示すときの図。図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線を矢印の方向で見たときの図であり、（ａ）は、光偏向器を製造するときにエッチングする前のウエハの積層を簡略的に示す図であり、（ｂ）は、（ａ）をエッチングした後を簡略的に示す図。本発明の第２実施形態の光偏向器の構成を示す図。

［第１実施形態］
図１を参照して、本発明の第１実施形態の光偏向器について説明する。本実施形態の光偏向器１は、円形の反射面２ａを有するミラー部２と、２つのトーションバー３と、枠体４と、４つのアクチュエータ５とを備える。

ミラー部２は、反射面２ａとほぼ同一の大きさの円形に形成される。ミラー部２は、その中心点が、光偏向器１の中心に配置される。ミラー部２は、レーザ光源（図示省略）からの入射光を反射面２ａに受け、トーションバー３の軸線の回りの回転角に応じた向きに反射光を出射する。なお、トーションバー３の軸線（長手方向の軸線）は、ミラー部２の回転軸線でもある（以下、この軸線を「第１軸Ｘ」という）。２つのトーションバー３は、各々の軸線がミラー部２の同一の直径上となるようにして、ミラー部２の左右両側から先端部をミラー部２の周縁に連結している。

４つのアクチュエータ５の各々は、単結晶シリコンで略長方形の板状に形成された支持体５ａと、該支持体５ａの一方の面のほぼ全面に支持された圧電体５ｂとを備える。

４つのアクチュエータ５は、ミラー部２の両側（図１の左右側）に２つずつ配置されている。このとき、ミラー部２の右側において、２つのアクチュエータ５は、右側のトーションバー３の基端部の図１の上下にそれぞれ配設され、該トーションバー３の基端部に、先端部を連結している。ミラー部２の左側において、２つのアクチュエータ５は、左側のトーションバー３の基端部の図１の上下にそれぞれ配設され、該トーションバー３の基端部に、先端部を連結している。

枠体４は、矩形状の枠（上辺４ｕと下辺４ｄとが平行、及び左辺４ｌと右辺４ｒとが平行）として形成されており、ミラー部２、トーションバー３、及びアクチュエータ５を外側から包囲する。アクチュエータ５の基端部は、枠体４の上辺４ｕ部分又は下辺４ｄ部分に連結する。

トーションバー３は、枠体４の上辺４ｕ及び下辺４ｄに対して平行に配置されている。また、アクチュエータ５の支持体５ａ（ひいては、アクチュエータ５）は、枠体４の左辺４ｌ及び右辺４ｒに対して平行に配置されている。

光偏向器１は、以下のようにして、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て製造される。まず、図２（ａ）に示されるような単結晶シリコンのウエハ１０上に、図３（ａ）に示されるように、下部電極層Ｌ１、圧電体層Ｌ２、及び上部電極層Ｌ３等が積層される。そして、エッチング処理等によって、不要な部位が適宜除去されることで、ミラー部２、トーションバー３、枠体４、及びアクチュエータ５が形成される（図３（ｂ）は、図１のＩＩＩ−ＩＩＩ線断面を示している）。このとき、下部電極層Ｌ１、圧電体層Ｌ２及び上部電極層Ｌ３は、アクチュエータ５の部分のみ残されて、他の部分は除去される。

また、圧電体５ｂ（圧電体層Ｌ２がエッチング処理されて残った箇所）へ駆動電圧を印加できるように、上部電極層Ｌ３がエッチング処理されて残った箇所（上部電極）ｔ＋に導通する配線（図示省略）と、下部電極層Ｌ１がエッチング処理されて残った箇所（下部電極）ｔ−に導通する配線（図示省略）が設けられる。

圧電体５ｂは、上部電極ｔ＋に導通する配線と、下部電極ｔ−に導通する配線との間に駆動電圧が印加されると、該印加されたことによる圧電効果によって、支持体５ａの長手方向に対して縮小する。これに伴って、圧電体５ｂを支持している支持体５ａが、圧電体５ｂを支持している側の表面を内側となるように（支持体５ａの基端部図３の上方向に向かって）、該圧電体５ｂと共に屈曲変形する。以下、このような圧電体５ｂと支持体５ａの屈曲変形を、単にアクチュエータ５の屈曲変形ともいう。

また、ミラー部２には、ウエハ１０上に、金属薄膜（本実施形態では一層の金属薄膜）を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することで、反射面２ａが形成される。

トーションバー３と、アクチュエータ５の支持体５ａとは、ウエハ１０等がエッチングされることで形成されるので、ウエハ１０と同じ材料、すなわち、単結晶シリコンで形成される。

ウエハ１０は、単結晶シリコンで形成されている。ウエハ１０の主面は、（１００）面である。このため、ウエハ１０の主面に沿う結晶方位としては、＜１１０＞方位及び＜１００＞方位のいずれかが主となる。ウエハ１０には、＜１１０＞方位を示すようにオリエンテーションフラット１１が設けられている（図２（ａ）参照）。すなわち、オリエンテーションフラット１１に対して４５度の角度の方向が、＜１００＞方位となる。

そして、図２（ａ）に示されるように枠体４の上辺４ｕがオリエンテーションフラット１１に対して４５度傾斜するように、ウエハ上に、これから形成される光偏向器１をレイアウトする。これによって、枠体４の上辺４ｕが、＜１００＞方位と平行になる。上辺４ｕに平行な方向及び直交する方向は、全て＜１００＞方位となる。このため、上辺４ｕに平行なトーションバー３の長手方向と、上辺４ｕに直交するアクチュエータ５の支持体５ａの長手方向とは、＜１００＞方位となる。

なお、図２（ｂ）に示されるように、主面が（１００）面のウエハ１０に、＜１００＞方位を示すように、オリエンテーションフラット１１を設けてもよい。この場合には、枠体４の上辺４ｕがオリエンテーションフラット１１に対して平行となるように、ウエハ１０上にこれから形成する光偏向器１をレイアウトすればよい。

次に、光偏向器１の作動について説明する。この光偏向器１は、アクチュエータ５の駆動により、トーションバー３が、第１軸Ｘ周りに捩られるように構成されている。

詳細には、４つのアクチュエータ５のうち図１の上側にある２つのアクチュエータ（以下、「上側アクチュエータ」という）５が、枠体４に連結されている基端部に対してトーションバー３に連結されている先端部が屈曲変形すると共に、残りの２つのアクチュエータ（図１の下側にある２つのアクチュエータ。以下、「下側アクチュエータ」という）５が、枠体４に連結されている基端部に対してトーションバー３に連結されている先端部が屈曲変形するように、圧電体５ｂに駆動電圧が印加される。このとき、上側アクチュエータ５の各々の屈曲変形が同じ大きさとなるように、該上側アクチュエータ５の圧電体５ｂに駆動電圧が印加される。また、下側アクチュエータ５の各々の屈曲変形が同じ大きさとなるように、該下側アクチュエータ５の圧電体５ｂに駆動電圧が印加される。

上側アクチュエータ５の屈曲変形の大きさと、下側アクチュエータ５の屈曲変形の大きさとが異なる場合、トーションバー３が第１軸Ｘ周りに捩られて、ミラー部２（ひいては、反射面２ａ）が第１軸Ｘ周りに揺動する。上側アクチュエータ５の屈曲変形の大きさと、下側アクチュエータ５の屈曲変形の大きさとが同じ場合、ミラー部２の揺動角度は、上側アクチュエータ５及び下側アクチュエータ５が屈曲変形していないときのミラー部２の揺動角度と同じになる。このように、上側アクチュエータ５の屈曲変形の大きさと、下側アクチュエータ５の屈曲変形の大きさとに応じて、反射面２ａの第１軸Ｘ周りの揺動角度を調整することができる。

なお、本実施形態の光偏向器１には、上側アクチュエータ５の圧電体５ｂに印加する電圧信号と、下側アクチュエータ５の圧電体５ｂに印加する電圧信号とは、周期性を有し、且つ互いに逆位相となる電圧信号（すなわち互いに１８０度位相がずれた電圧信号）が印加される。このときの、電圧信号の周波数は、光偏向器１の機械的な共振周波数に設定される。これにより、反射面２ａを大きな偏向角で第１軸Ｘ周りに揺動できる。

以上のように、トーションバー３は、第１軸（トーションバー３の長手方向の軸）Ｘ周りに捩ることで、反射面２ａを第１軸Ｘ周りに揺動させる。前述したように、トーションバー３の長手方向は、＜１００＞方位となる。ここで、単結晶シリコンのせん断弾性係数Ｇは、単結晶シリコンの結晶方位が＜１１０＞方位のとき約62[GPa]であり、単結晶シリコンの結晶方位が＜１００＞方位のとき約79[GPa]である。トーションバー３のばね定数ｋは、該トーションバー３のせん断弾性係数Ｇが大きくなる程、大きくなる。例えば、トーションバー３が本実施形態のように長板形状の場合、該トーションバー３のばね定数ｋは、次式（１）で表される。

ここで、Ｇはトーションバー３のせん断弾性係数を示し、ｗはトーションバー３の幅方向の長さを示し、ｔはトーションバー３の厚さを示し、Ｌはトーションバー３の長手方向の長さを示す。

従って、トーションバー３の長手方向の軸Ｘが、単結晶シリコンの結晶方位の＜１００＞方位に平行となるようにトーションバー３が形成されることで、単結晶シリコンの結晶方位の＜１１０＞方位に平行となるようにトーションバー３が形成されるものに比べて、該トーションバー３の長手方向の軸Ｘ周りのばね定数ｋが大きくなり、ひいては、トーションバー３の共振周波数を大きくできる。このとき、トーションバー３の寸法を変更する必要がない。従って、光偏向器の寸法を変更することなく（光偏向器１の大型化を抑制しつつ）、反射面２ａの走査速度を高速にできる。

また、トーションバー３を捩るときに、アクチュエータ５は、その基端部を起点として先端部が屈曲変形する。このように、アクチュエータ５は、枠体４に支持されたカンチレバーである。カンチレバーの先端部の変位量は、該カンチレバーのヤング率Ｅに反比例する。例えば、カンチレバー（支持体５ａ）の基端部に対する先端部の変位量ｙは、次式（２）で表される。なお、支持体５ａは、そのほぼ全面で圧電体５ｂを支持しているので、支持体５ａが屈曲変形するときには、支持体５ａのほぼ全面に均等の力が作用する。

ここで、Ｌは支持体５ａの長手方向の長さを示し、ｑは支持体５ａの単位長さ辺りの荷重（圧電体の圧電効果による屈曲変形させる力）を示し、Ｅは支持体５ａのヤング率を示し、Ｉは支持体５ａの断面二次モーメントを示す。

単結晶シリコンのヤング率Ｅは、単結晶シリコンの結晶方位が＜１１０＞方位のとき約160[GPa]であり、単結晶シリコンの結晶方位が＜１００＞方位のとき約130[GPa]である。支持体５ａの長手方向は、前述したように＜１００＞方位である。従って、単結晶シリコンの結晶方位の＜１００＞方位に平行となるように支持体５ａが形成されることで、単結晶シリコンの結晶方位の＜１１０＞方位に平行となるように支持体５ａが形成されるものに比べて、支持体５ａの基端部に対する先端部の屈曲変形の大きさが大きくなる。これにより、反射面２ａの揺動角度を大きくできる。

以上のように、トーションバー３の共振周波数を大きくした場合であっても、反射面２ａの揺動角度を大きくすることができる（カンチレバー（支持体５ａ）の変位量を大きくした場合であっても、反射面２ａの走査速度を速くできる）。

［第２実施形態］
図４を参照して、本発明の第２実施形態の光偏向器について説明する。本実施形態の光偏向器２０１は、第１実施形態の光偏向器（以下、本実施形態においては「内側偏向部」という）１に加えて、該内側偏向部１を第２軸Ｙ周りに揺動させる一対の外側アクチュエータ２０５と、外枠２０４とを備える。

外枠２０４は、矩形状の枠（上辺２０４ｕと下辺２０４ｄとが平行、及び左辺２０４ｌと右辺２０４ｒとが平行）として形成されており、内側偏向部１及び外側アクチュエータ２０５を外側から包囲する。

一対の外側アクチュエータ２０５は、内側偏向部１を挟んで対向して配置されている。一対の外側アクチュエータ２０５は、その先端部が内側偏向部１の左辺４ｌの外側に連結されると共に、その基端部が外枠２０４の左辺２０４ｌ及び右辺２０４ｒの内側に連結される。

一対の外側アクチュエータ２０５の各々は、複数の圧電カンチレバー２０６を備える。なお、本実施形態では、圧電カンチレバー２０６の数は、４つとしているが、他の数であってもよい。外側アクチュエータ２０５において、複数の圧電カンチレバー２０６の各々は、その長さ方向が同じになるように、各圧電カンチレバー２０６の両端部が隣り合うように、間隔が設けられて並んで配置されている。そして、各圧電カンチレバー２０６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。このように、外側アクチュエータ２０５は、複数の圧電カンチレバー２０６が、蛇腹状（ミアンダ形状）に形成されている。

本実施形態の光偏向器２０１は、第１実施形態の光偏向器１と同様に、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て製造される。すなわち、単結晶シリコンのウエハ１０上に、下部電極層Ｌ１、圧電体層Ｌ２、及び上部電極層Ｌ３等が積層された後、エッチング処理等によって、不要な部位が適宜除去されることで、内側偏向部１（ミラー部２、トーションバー３、枠体４、及びアクチュエータ５）、外側アクチュエータ２０５、及び外枠２０４が形成される。このとき、下部電極層Ｌ１、圧電体層Ｌ２及び上部電極層Ｌ３は、内側偏向部１のアクチュエータ５、及び外側アクチュエータ２０５の圧電カンチレバー２０６の部分のみ残されて、他の部分は除去される。

そして、アクチュエータ５及び圧電カンチレバー２０６の圧電体５ｂ（圧電体層Ｌ２がエッチング処理されて残った箇所）へ駆動電圧を印加できるように、上部電極層Ｌ３がエッチング処理されて残った上部電極ｔ＋に導通する配線（図示省略）と、下部電極層Ｌ１がエッチング処理されて残った下部電極ｔ−に導通する配線（図示省略）が設けられる。これにより、圧電体５ｂは、上部電極ｔ＋に導通する配線と、下部電極ｔ−に導通する配線との間に駆動電圧が印加されると、該印加されたことによる圧電効果によって、支持体５ａの長手方向に対して縮小する。これに伴って、圧電体５ｂを支持している支持体５ａが、圧電体５ｂを支持している側の表面を内側となるように、該圧電体５ｂと共に屈曲変形する。

ここで、以下の説明では、４つの圧電カンチレバー２０６のうち、外側アクチュエータ２０５の先端部側から基端部側に向かって数えて、奇数番目の２つの圧電カンチレバーと偶数番目の２つの圧電カンチレバーとを区別する場合には、奇数番目の２つの圧電カンチレバーの符号の末尾に「ｏ」を付与して２０６ｏとして表し、偶数番目の２つの圧電カンチレバーの符号の末尾に「ｅ」を付与して２０６ｅとして表す。

光偏向器２０１は、アクチュエータ５の圧電体５ｂ、奇数番目の圧電カンチレバー２０６ｏの圧電体５ｂ、及び偶数番目の圧電カンチレバー２０６ｅの圧電体５ｂの各々は、独立して駆動電圧が印加できるように配線されている。

また、複数の圧電カンチレバー２０６の各々は、外枠２０４の上辺２０４ｕ及び下辺２０４ｄに対して直交するように配置されている。また、内側偏向部１は、その枠体４の左辺４ｌ及び右辺４ｒが、外枠２０４の上辺２０４ｕ及び下辺２０４ｄと平行に配置されている。このため、複数の圧電カンチレバー２０６の各々は、内側偏向部１の支持体５ａと直交し、且つ内側偏向部１のトーションバー３と平行になる。本実施形態においても、第１実施形態と同様に、ウエハ１０は、単結晶シリコンで形成されている。ウエハ１０の主面は、（１００）面であり、＜１１０＞方位を示すようにオリエンテーションフラット１１が設けられている。すなわち、オリエンテーションフラット１１に対して４５度の角度の方向が、＜１００＞方位となる。

そして、外枠２０４の上辺２０４ｕがオリエンテーションフラット１１に対して４５度傾斜するように、ウエハ１０上にこれから形成する光偏向器２０１をレイアウトする。これによって、外枠２０４の上辺２０４ｕが、＜１００＞方位と平行になる。上辺２０４ｕに平行な方向及び直交する方向は、全て＜１００＞方位となる。このため、上辺２０４ｕに直交するトーションバー３の長手方向と、上辺２０４ｕに平行な「内側偏向部１のアクチュエータ５の支持体５ａの長手方向」と、上辺２０４ｕに直交する「外側アクチュエータ２０５の支持体５ａの長手方向」とが＜１００＞方位となる。

なお、主面が（１００）面であり、オリエンテーションフラット１１が＜１００＞方位を示すように設けられたウエハ１０を用いる場合には、外枠２０４の上辺２０４ｕがオリエンテーションフラット１１に対して平行となるように、ウエハ１０上にこれから形成する光偏向器２０１をレイアウトすればよい。

次に、光偏向器２０１の作動について説明する。

この光偏向器２０１において、内側偏向部１のアクチュエータ５の駆動により、トーションバー３が、第１軸Ｘ周りに捩られる。これにより、反射面２ａが第１軸Ｘ周りに揺動する。この作動の詳細については、第１実施形態と同じであるので、説明を省略する。

また、外側アクチュエータ２０５の駆動により、内側偏向部１が、第２軸Ｙ周りに揺動する。これにより、反射面２ａが第２軸Ｙ周りに揺動する。

詳細には、奇数番目の圧電カンチレバー２０６ｏの圧電体５ｂに、周期性を有する単極性の電圧信号（例えば正弦波又はノコギリ波等に直流成分を加えた信号。以下、「第１電圧信号」という）を印加すると共に、偶数番目の圧電カンチレバー２０６ｅの圧電体５ｂに、第１電圧信号とは、互いに逆位相の電圧信号（すなわち互いに１８０度位相がずれた電圧信号。以下、「第２電圧信号」という）を印加する。これにより、第１電圧信号の値と第２電圧信号の値が等しいときに、各圧電カンチレバー２０６の屈曲変形の大きさが等しくなる（以下、この状態を「状態２Ａ」という）。また、第１電圧信号の値が第２電圧信号の値より大きいときに、奇数番目の圧電カンチレバー２０６ｏの屈曲変形が、偶数番目の圧電カンチレバー２０６ｅの屈曲変形より大きくなる（以下、この状態を「状態２Ｂ」という）。また、第１電圧信号の値が第２電圧信号の値より小さいときに、奇数番目の圧電カンチレバー２０６ｏの屈曲変形が、偶数番目の圧電カンチレバー２０６ｅの屈曲変形より小さくなる（以下、この状態を「状態２Ｃ」という）。

互いに逆位相の第１電圧信号と第２電圧信号とが、奇数番目の圧電カンチレバー２０６ｏの圧電体５ｂと、偶数番目の圧電カンチレバー２０６ｅの圧電体５ｂとに印加されるので、「状態２Ｂ→状態２Ａ→状態２Ｃ（→状態２Ｂ…）」が繰り返される。このような各圧電カンチレバー２０６の動きにより、反射面２ａは、第２軸Ｙ周りで回転する。

また、各圧電カンチレバー２０６がミアンダ形状に連結されているので、外側アクチュエータ２０５では、各圧電カンチレバー２０６の屈曲変形の大きさを累積した大きさの角度変位が発生する。従って、例えば、内側偏向部１のアクチュエータ５に比べて大きな角度変位を得ることができるので、第１電圧信号及び第２電圧信号の周波数を、光偏向器２０１の機械的な共振周波数としない場合であっても、反射面２ａの偏向角が充分な大きさとなる。

また、内側偏向部１を第２軸Ｙ周りに揺動する場合には、上述したように周期性を有する電圧信号を印加する必要はなく、直流の電圧信号を印加してもよい。この場合、圧電カンチレバー２０６で発生する屈曲変形の大きさは、直流電圧の大きさに応じて線形的に変化する。従って、例えば周期性を有する電圧信号を印加して圧電カンチレバーを共振駆動させる場合と異なり、直流電圧の大きさを制御することで外側アクチュエータ２０５から任意の出力を得ることができる。このように、光偏向器２０１では、第２軸Ｙ周りに揺動する場合には、駆動電圧として印加した直流電圧の大きさに応じて線形的に偏向角を制御することができるので、任意の速度で任意の偏向角を得ることができる。

本実施形態の光偏向器２０１では、第１実施形態の光偏向器１を内側偏向部１として備えているので、内側偏向部１は、第１実施形態の光偏向器１と同じ効果が得られる。

また、本実施形態の光偏向器２０１では、外側アクチュエータ２０５の各圧電カンチレバー２０６の支持体５ａが、その長手方向が＜１００＞方位となっている。従って、該圧電カンチレバー２０６の支持体５ａの長手方向が＜１１０＞方位のものに比べて、支持体５ａの基端部に対する先端部の屈曲変形の大きさが大きくなる。これにより、内側偏向部１の第２軸Ｙ周りの揺動角度を大きくできる。

なお、上記第１実施形態及び第２実施形態の光偏向器においては、トーションバー３を捩るためのアクチュエータとして圧電体を用いているが、これに限らず、その他の態様によってトーションバー３を捩るようにアクチュエータを構成してもよい。

１…光偏向器（第１実施形態）、２ａ…反射面、３…トーションバー、５…アクチュエータ、５ａ…支持体、５ｂ…圧電体、Ｘ…第１軸（所定の軸、長手方向の軸）、２０１…光偏向器（第２実施形態）、Ｙ…第２軸（所定の軸）、２０５…外側アクチュエータ（アクチュエータ）。

Claims

光を反射する反射面と、単結晶シリコンで形成されたトーションバーと、前記トーションバーをその長手方向の軸としての第１軸の周りに捩ることで、前記反射面を前記第１軸の周りに揺動させる第１アクチュエータとを有する光偏向器において、
前記反射面と前記トーションバーと前記第１アクチュエータとを包囲し、前記第１アクチュエータを介して前記トーションバーに連結している第１枠体と、
前記第１枠体を包囲する第２枠体と、
前記第１枠体を前記第２枠体に連結する唯一の連結部材として前記第１枠体と前記第２枠体との間に介在する共に、前記反射面を前記第１軸とは別の第２軸の周りに揺動させる第２アクチュエータとを備え、
前記第１アクチュエータは、駆動電圧が印加される第１圧電体と、該第１圧電体を支持し該第１圧電体と共に屈曲変形する第１支持体とを備え、
前記第２アクチュエータは、長手方向を前記第１軸に平行に揃えてミアンダ形状に連結されている複数の圧電カンチレバーを有し、
前記第２アクチュエータの各圧電カンチレバーは、駆動電圧が印加される第２圧電体と、該第２圧電体を支持し該第２圧電体と共に屈曲変形する第２支持体とを備え、
前記トーションバーは、前記第１軸方向が、当該トーションバーの結晶方位の＜１００＞方位と平行になるように形成され、
前記第２支持体は、単結晶シリコンで形成されると共に、長方形板状に形成され、その長手方向が、当該第２支持体の結晶方位の＜１００＞方位と平行になるように形成されていることを特徴とする光偏向器。