JP6827601B1

JP6827601B1 - 光反射装置およびそれを備えた測距装置

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Publication number: JP6827601B1
Application number: JP2020551607A
Authority: JP
Inventors: 善明平田; 伸顕紺野; 佳敬梶山
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp
Priority date: 2020-02-19
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2021-02-10
Anticipated expiration: 2040-02-19
Also published as: JPWO2021166096A1; WO2021166096A1

Abstract

光反射装置（１）は、反射面（７）を有する反射体（３）と支持体部（２１）と捻じれ駆動梁（１７）と駆動部（２３）とを備えている。捻じれ駆動梁（１７）は、シリコン層（５ａ）と周波数特性調整膜（３１）とを含む。シリコン層（５ａ）の一方の表面上に、絶縁膜（１３）を介在させて金属配線（２５）が形成されている。金属配線（２５）を覆うように、絶縁膜（１５）が形成されている。周波数特性調整膜（３１）は、絶縁膜（１５）に接するように形成されている。

Description

本開示は、光反射装置およびそれを備えた測距装置に関する。

レーザ距離センサまたは光スキャナ等の光走査を行う光反射装置では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を適用したＭＥＭＳミラーが用いられている。そのＭＥＭＳミラーを駆動させるのに、電磁力、静電力または圧電効果を利用したＭＥＭＳミラーがある。ＭＥＭＳミラーを捻じれ支持梁（捻じれ駆動梁）の回りに捻じれ駆動させることによって、光の走査が行われる。

このとき、捻じれ駆動の周波数を、ＭＥＭＳミラーの固有の周波数に合わせた共振周波数に設定した光反射装置が知られている。捻じれ駆動の周波数を共振周波数に設定することで、ＭＥＭＳミラーの捻じれ駆動に伴う変位を大きくすることができる。この種の光反射装置を開示した特許文献の一例として、特許文献１がある。

特許文献１では、シリコン基板を加工することによって形成されたミラーを、圧電素子によって、共振周波数に近い周波数をもって捻じれ駆動梁の回りに捻じれ駆動させる光反射装置が提案されている。

特開２０１１−０１３２７７号公報

共振周波数または共振周波数に近い周波数で駆動するＭＥＭＳミラーでは、捻じれ駆動梁の捻じれ変位に非線形性が存在すると、ＭＥＭＳミラーの走査角度に依存して共振周波数が高周波側にシフトすることがある。

共振周波数が高周波側にシフトすると、共振周波数付近でＭＥＭＳミラーの変位が急激に変化するハードスプリング効果と呼ばれる非線形振動が発生する。強いハードスプリング効果では、高い周波数に向かって駆動周波数を掃引するアップ掃引と低い周波数に向かって駆動周波数を掃引するダウン掃引とで、捻じれ角が最大値となる駆動周波数のピーク周波数がシフトするヒステリシス現象が発生する。

ハードスプリング効果が存在すると、共振周波数付近においてＭＥＭＳミラーの駆動特性が急激に変化するため、安定した共振駆動を行うことが難しくなる。

本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、ハードスプリング効果が低減される光反射装置を提供することであり、他の目的は、そのような光反射装置を備えた測距装置を提供することである。

本開示に係る一の光反射装置は、反射体と支持体部と梁部と駆動部とを有する。反射体は、反射面を有する。支持体部は、反射体と距離を隔てて配置されている。梁部は、反射体と支持体部とを接続する。駆動部は、支持体部に対して、梁部を軸として、反射体を捻じれ駆動させる。梁部は、梁本体と周波数特性調整膜とを備えている。周波数特性調整膜は、梁本体に形成され、捻じれ駆動の周波数の非線形特性を調整する。梁本体が有する、周波数の非線形特性に起因するハードスプリング効果を、捻じれ駆動によって周波数特性調整膜に発生する、非線形特性の捻じれバネ定数に起因するソフトスプリング効果によって補償する。

本開示に係る他の光反射装置は、反射体と支持体部と梁部と駆動部とを有する。反射体は、反射面を有する。支持体部は、反射体と距離を隔てて配置されている。梁部は、反射体と支持体部とを接続する。駆動部は、支持体部に対して、梁部を軸として、反射体を捻じれ駆動させる。反射体が静止した状態における反射体の重心位置を第１位置とすると、梁部は、捻じれ駆動により、重心位置が、第１位置から反射面と交差する方向に離れた第２位置に変位する態様で、反射体を面外変位させる。面外変位の面外共振周波数は、捻じれ共振周波数以下である。

本開示に係る測距装置は、上記の光反射装置を備えた測距装置である。

本開示に係る一の光反射装置および他の光反射装置によれば、非線形性が低減された光反射装置が得られる。
本開示に係る測距装置によれば、上記の光反射装置を備えていることで、精度の高い距離の測定を行うことができる。

実施の形態１に係る光反射装置を示す斜視図である。同実施の形態において、図１に示される断面線ＩＩ−ＩＩにおける断面図である。同実施の形態において、図１に示される断面線ＩＩＩ−ＩＩＩにおける断面図である。同実施の形態において、図３に示される枠ＩＶ内の部分断面図である。同実施の形態において、光反射装置の製造方法の一工程を示す、一部断面を含む斜視図である。同実施の形態において、図５に示される枠ＶＩ内の部分断面斜視図である。同実施の形態において、図５に示す工程の後に行われる工程を示す斜視図である。同実施の形態において、図７に示す工程の後に行われる工程を示す斜視図である。同実施の形態において、図８に示す工程の後に行われる工程を示す斜視図である。同実施の形態において、図９に示される断面線Ｘ−Ｘにおける断面図である。同実施の形態において、図９に示される断面線ＸＩ−ＸＩにおける断面図である。同実施の形態において、図９に示す工程の後に行われる工程を示す斜視図である。同実施の形態において、図１２に示される断面線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩにおける断面図である。同実施の形態において、図１２に示される断面線ＸＩＶ−ＸＩＶにおける断面図である。同実施の形態において、図１２に示す工程の後に行われる工程を示す、図１２に示される断面線ＸＩＩＩ−ＸＩＩＩに対応する断面線における断面図である。同実施の形態において、図１２に示す工程の後に行われる工程を示す、図１２に示される断面線ＸＩＶ−ＸＩＶに対応する断面線における断面図である。同実施の形態において、非線形性を有していない光反射装置の駆動周波数と捻じれ角との関係を示すグラフである。周波数特性調整膜が形成されていない比較例としての光反射装置の駆動周波数と捻じれ角との関係を示すグラフである。周波数特性調整膜が形成されていない比較例としての光反射装置の静的な捻じれ角とトルクとの関係を示すグラフである。同実施の形態において、周波数特性調整膜の捻じれ角とヤング率との関係を示すグラフである。同実施の形態において、非線形性を有していない光反射装置の捻じれ駆動梁に周波数特性調整膜を形成した光反射装置における駆動周波数と捻じれ角との関係を示すグラフである。同実施の形態において、捻じれバネ定数変化と捻じれ角が最大値となるピーク周波数変化との関係を示すグラフである。同実施の形態において、図２２に示すグラフのポイントＰ１における駆動周波数と捻じれ角との関係を示すグラフである。同実施の形態において、図２２に示すグラフのポイントＰ２における駆動周波数と捻じれ角との関係を示すグラフである。同実施の形態において、図２２に示すグラフのポイントＰ３における駆動周波数と捻じれ角との関係を示すグラフである。実施の形態２に係る光反射装置における捻じれ駆動梁とその周辺の構造を示す第１の部分斜視図である。同実施の形態において、光反射装置における捻じれ駆動梁とその周辺の構造を示す第２の部分斜視図である。実施の形態３に係る光反射装置を示す斜視図である。同実施の形態において、反射体の動作を説明するための、図２８に示す断面線ＸＸＩＸ−ＸＸＩＸにおける第１の断面図である。同実施の形態において、反射体の動作を説明するための、図２８に示す断面線ＸＸＩＸ−ＸＸＩＸにおける第２の断面図である。同実施の形態において、捻じれ共振周波数に対する面外共振周波数の比と、捻じれ角が最大値となるピーク周波数変化との関係を示すグラフである。同実施の形態において、図３１に示すグラフのポイントＰ１における駆動周波数と捻じれ角との関係を示すグラフである。同実施の形態において、図３１に示すグラフのポイントＰ２における駆動周波数と捻じれ角との関係を示すグラフである。同実施の形態において、図３１に示すグラフのポイントＰ３における駆動周波数と捻じれ角との関係を示すグラフである。実施の形態４に係る、光反射装置を備えた測距装置の構成の一例を示すブロック図である。同実施の形態において、光反射装置を備えた測距装置の構成の他の例を示すブロック図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る光反射装置について説明する。図１に示すように、光反射装置１は、反射面７を有するＭＥＭＳミラーとしての反射体３と、支持体部２１と、梁部としての捻じれ駆動梁１７と、駆動部２３とを備えている。支持体部２１は、反射体３と距離を隔てて、反射体３を取り囲むように配置されている。捻じれ駆動梁１７は、反射体３と支持体部２１との間を接続する。駆動部２３は、たとえば、電磁駆動であり、反射体３に形成された電磁駆動コイル２７と、磁界２９とを含む。駆動部２３により、捻じれ駆動梁１７を軸として、反射体３は支持体部２１に対して捻じれ駆動する。

捻じれ駆動梁１７の構造について具体的に説明する。後述するように、光反射装置１は、シリコン基板の上に絶縁膜を介在させてシリコン層が形成されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を加工することによって形成されている。図２に示すように、捻じれ駆動梁１７は、梁本体および第１半導体層第１部としてのシリコン層５ａと、周波数特性調整膜３１とを含む。

シリコン層５ａの一方の表面上に、絶縁膜１３を介在させて金属配線２５が形成されている。シリコン層５ａの他方の表面上には、絶縁膜９が位置する。金属配線２５を覆うように、絶縁膜１５が形成されている。周波数特性調整膜３１は、絶縁膜１５に接するように形成されている。周波数特性調整膜３１は、金属配線２５と電気的に絶縁されている。

後述するように、周波数特性調整膜３１は、反射体３（捻じれ駆動梁１７）のハードスプリング効果を低減するための膜である。周波数特性調整膜３１は、塑性変形を有する材料から形成されており、たとえば、有機材料または金属材料から形成されている。典型的な金属材料としては、たとえば、アルミニウム、銅、ニッケル、金、アルミニウム合金、銅合金、ニッケル合金、または、金合金等がある。これらの金属材料は、半導体装置の製造工程において、使用頻度の高い材料とされる。

次に、反射体３の構造について具体的に説明する。図３および図４に示すように、反射体３は、基板本体としてのミラー支持層１１ｂと、第１半導体層第２部としてのシリコン層５ｂと、反射面７とを含む。シリコン層５ｂの一方の表面上に、絶縁膜１３を介在させて電磁駆動コイル２７が形成されている。電磁駆動コイル２７は、電気抵抗が低い、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等から形成されている。電磁駆動コイル２７は、シリコン層５ｂの外周に沿って配置されている。電磁駆動コイル２７を覆うように、絶縁膜１５が形成されている。

反射面７は、反射率の高い、たとえば、金膜から形成されている。反射面７となる金膜は、絶縁膜１５の表面に接するように形成されている。反射面７は、電磁駆動コイル２７によって囲まれた領域内に配置されている。ミラー支持層１１ｂは、シリコン層５ｂの他方の表面上に絶縁膜９を介在させて位置する。

上述した光反射装置１では、たとえば、永久磁石等（図示せず）により磁界２９を印可し、電磁駆動コイル２７に所望の周波数の交流電流を流すことで電磁駆動コイル２７に生じる電磁力によって、反射体３にトルクが与えられる。交流電流の周波数として、反射体３が有する捻じれ駆動の固有の周波数（振動数）とほぼ一致する周波数が設定される。磁界２９は、電磁駆動コイル２７を流れる電流の方向と交差する方向に印可される。トルクが与えられた反射体３は、捻じれ駆動梁１７を軸として、支持体部２１に対して捻じれ駆動する。反射体３が捻じれ駆動することで、反射面７に入射した光が走査されることになる。

次に、上述した光反射装置１の製造方法の一例について説明する。図５および図６に示すように、シリコン基板１１上に絶縁膜９を介在させてシリコン層５が形成されたＳＯＩ基板５１を用意する。そのシリコン層５４の表面を覆うように、たとえば、シリコン酸化膜等の絶縁膜１３を形成する。絶縁膜１３を覆うように、たとえば、アルミニウム膜（図示せず）を形成する。

そのアルミニウム膜に写真製版処理とエッチング処理を施すことにより、反射体が形成されることになる領域に、電磁駆動コイル２７を形成する。また、捻じれ駆動梁が形成されることになる領域に、電磁駆動コイル２７と電気的に接続される金属配線２５を形成する。次に、電磁駆動コイル２７および金属配線２５を覆うように、たとえば、シリコン酸化膜等の絶縁膜１５を形成する。

次に、図７に示すように、絶縁膜１５を覆うように、たとえば、アルミニウム等の周波数特性調整膜となる膜５７を形成する。次に、その周波数特性調整膜となる膜５７に写真製版処理およびエッチング処理を施す。これにより、図８に示すように、捻じれ駆動梁が形成されることになる領域に、周波数特性調整膜３１が形成される。

次に、反射体等をパターニングする写真製版処理およびエッチング処理が行われる。まず、図９、図１０および図１１に示すように、反射体３となる領域、捻じれ駆動梁１７となる領域および支持体部２１となる領域以外の領域に位置するシリコン層５の部分が除去される。このとき、絶縁膜９がエッチングストッパ膜とされる。これにより、シリコン層５ａ、５ｂ、５ｃがそれぞれパターニングされる。

次に、図１２、図１３および図１４に示すように、露出した絶縁膜９の部分とその直下に位置するシリコン基板１１の部分を除去する。これにより、シリコン基板１１ａ、ミラー支持層１１ｂおよびシリコン基板１１ｃがそれぞれパターニングされる。

次に、図１５に示すように、捻じれ駆動梁となる領域に位置するシリコン基板１１の部分（シリコン基板１１ａ）を除去する。また、図１６に示すように、反射体となる領域に位置するミラー支持層１１ｂの一部を除去する。こうして、図１等に示す光反射装置１の主要部分が完成する。

上述した光反射装置１では、周波数特性調整膜３１が形成されていることで、捻じれ駆動梁１７のハードスプリング効果を低減することができる。このことについて説明する。

まず、非線形性を有していない理想的な光反射装置について説明する。図１７に、そのような光反射装置における反射体の捻じれ角度と駆動周波数との関係を示す。横軸は駆動周波数であり、電磁駆動コイル２７に印可する電流の周波数である。縦軸は反射体３の捻じれ角である。反射体３が有する捻じれ駆動の固有の周波数（振動数）と一致する駆動周波数を捻じれ共振周波数ｆ_ｄとする。

図１７に示すように、駆動周波数の変化に対して、反射体の捻じれ角は捻じれ共振周波数ｆ_ｄにおいて最大となる。また、周波数の低い側から高い側へ、駆動周波数を掃引（アップ掃引）した場合の駆動周波数と捻じれ角との関係と、周波数の高い側から低い側へ、駆動周波数を掃引（ダウン掃引）した場合の駆動周波数と捻じれ角との関係とはほぼ同じ関係になり、ヒステリシスは発生していないことがわかる。

次に、比較例として、周波数特性調整膜が形成されていない光反射装置について説明する。このような光反射装置は、図１等に示される光反射装置１において、周波数特性調整膜３１が形成されていない光反射装置に対応する。図１８に、そのような光反射装置における反射体の捻じれ角度と駆動周波数との関係を示す。

図１８に示すように、駆動周波数の変化に対して、反射体の捻じれ角の最大値を与える駆動周波数は、捻じれ共振周波数ｆ_ｄよりも高い周波数側にシフトしていることがわかる。これは、周波数特性調整膜が形成されていない光反射装置では、ハードスプリング効果が生じていることを意味する。

非線形性が強い場合には、駆動周波数をアップ掃引した場合における捻じれ角の最大値を与える駆動周波数と、駆動周波数をダウン掃引した場合における捻じれ角の最大値を与える駆動周波数とにはずれがあり、ヒステリシスが発生していることがわかる。

このような駆動周波数特性を有する光反射装置の反射体では、捻じれ角が最大となる駆動周波数の近傍において、捻じれ角が跳躍しやすくなる。このため、光反射装置として、安定した動作が困難になる。

ハードスプリング効果は、捻じれ駆動梁１７の静的な変位と、トルクの非線形性に起因する。図１９に、捻じれ駆動梁の捻じれ角θとトルクτとの相関を示す。非線形性を有していない捻じれ駆動梁では、捻じれ角θに対して、トルクτは、τ＝ｋ_θ・θ（ｋ_θ：捻じれバネ定数）で与えられ、比例関係となる。一方、非線形性を有する捻じれ駆動梁では、トルクτは、τ＝ｋ_θ・θ＋βθ^３（β：非線形係数）で与えられ、βの値が大きくなると非線形性が増大する。

捻じれ駆動梁の幅と厚みの比率を同じとすれば、非線形係数βの値は小さくなり、非線形性が抑えられるが、捻じれ駆動梁の長さを長く設定する必要がある。このため、反射体を含む光反射装置の面積が増大することになり、１枚のウェハ（ＳＯＩ基板）から製造することができる光反射装置の数が減ってしまい、光反射装置の生産コストが上昇することになる。

比較例に係る光反射装置に対して、実施の形態１に係る光反射装置１では、捻じれ駆動梁１７には周波数特性調整膜３１が形成されている。上述したように、周波数特性調整膜３１は、たとえば、有機材料または金属材料等の塑性変形を有する材料から形成されている。

図２０に、周波数特性調整膜３１（捻じれ駆動梁１７）の捻じれ角θとヤング率との相関を示す。図２０に示すように、捻じれ角θが小さい場合には、周波数特性調整膜３１は、弾性変形をし、周波数特性調整膜３１のヤング率は、一定である。捻じれ角θが、閾値θｔｈよりも大きくなり弾性限界を超えると、周波数特性調整膜３１のヤング率は減少する。なお、図２０では、説明の簡略化のため、ヤング率はθに比例して減少するグラフが示されているが、実際には、周波数特性調整膜３１の組成、材質等に依存して非線形的に減少する。

図２０に示すように、周波数特性調整膜３１（捻じれ駆動梁１７または反射体３）の捻じれ角θが閾値θｔｈよりも大きい場合には、周波数特性調整膜３１のヤング率は低下するため、反射体３（捻じれ駆動梁１７）の捻じれバネ定数は、初期値（捻じれ角θが閾値θｔｈよりも小さい場合の捻じれバネ定数）と比較して低下する。

図２１に、非線形性を有していない反射体の捻じれ駆動梁に周波数特性調整膜を形成した場合における、駆動周波数と捻じれ角との関係を示す。この場合、捻じれ角θを閾値θｔｈよりも大きく変化させる。図２１に示すように、捻じれ角の最大値を示す駆動周波数は、共振周波数ｆ_ｄよりも低周波側にシフトしていることがわかる。これは、ソフトスプリング効果が発生していることを示す。

また、周波数をアップ掃引した場合の捻じれ角の最大値よりも、周波数をダウン掃引した場合の捻じれ角の最大値の方が大きく、周波数のアップ掃引した場合とダウン掃引した場合とで、ヒステリシスが生じていることがわかる。ソフトスプリング効果は、図２０に示す周波数特性調整膜３１のヤング率の変化に起因する。

スプリング効果について、より詳しく説明する。図２２に、捻じれバネ定数変化の絶対値とピーク周波数変化との関係を示す。捻じれバネ定数変化とは、元の捻じれバネ定数に対する、捻じれバネ定数と元の捻じれバネ定数との差を比で表したものである。元の捻じれバネ定数とは、微小変位におけるソフトスプリング効果を有し、ハードスプリング効果を有していない捻じれ駆動梁の捻じれバネ定数である。ピーク周波数変化とは、捻じれ角の最大値を与える駆動周波数の変化を、共振周波数ｆ_ｄに対する比で表したものである。

捻じれバネ定数変化が１％（ポイントＰ１）の場合における、駆動周波数と捻じれ角との関係を図２３に示す。捻じれバネ定数変化が、５％（ポイントＰ２）の場合における、駆動周波数と捻じれ角との関係を図２４に示す。捻じれバネ定数変化が１０％（ポイントＰ３）の場合における、駆動周波数と捻じれ角との関係を図２５に示す。周波数特性調整膜を形成する光反射装置として、ハードスプリング効果を有していない周波数特性（図１７参照）を有する光反射装置（反射体）を対象とした。横軸の捻じれバネ定数変化における捻じれバネ定数ｋ_θは、次の式（１）、

と仮定した。

ここで、ｋ_θ０は元の捻じれバネ定数である。ａは、捻じれバネ定数減少係数であり、ａ＜０である。上述（図２０）したように、捻じれバネ定数ｋ_θは、弾性限界（捻じれ角θｔｈ）まで一定であり、弾性限界を超えると非線形的に減少するが、ここでは、説明の簡略化のために、線形的に減少すると仮定する。捻じれ角の最大値をθｐとすると、図２２に示すグラフの横軸（捻じれバネ定数変化率）は、次の式（２）、

によって表され、元の捻じれバネ定数に対する、捻じれ角の最大値（ピーク周波数における捻じれ角）と元の捻じれバネ定数との差の比である。図２２におけるポイントＰ１、ポイントＰ２およびポイントＰ３に示されるように、捻じれバネ定数変化が大きくなると、捻じれ角度の最大値を与えるピーク周波数変化が大きくなることがわかる。特に、図２５に示すように、ピーク周波数変化が大きくなると、ヒステレシスが発生することがわかる。

実施の形態１に係る光反射装置１では、反射体３（捻じれ駆動梁１７）が有するハードスプリング効果が、捻じれ駆動梁１７に周波数特性調整膜３１を形成することで発生するソフトスプリング効果によって補償される。これにより、光反射装置１として、非線形性の少ない周波数特性を有することができる。

ハードスプリング効果を決定する捻じれ駆動梁の非線形係数βは、捻じれに対する捻じれ駆動梁等の非線形性に起因するため、シミュレーションによって非線形係数βを見積もることができる。一方、図２０に示される、周波数特性調整膜の、捻じれ角とヤング率との関係は、シミュレーションにより見積もることはできないが、引張試験等による応力−歪み曲線から実測することが可能である。

このことから、シミュレーションによって見積もることが可能な捻じれ駆動梁の静特性τ＝ｋ_θ＋βθ^３（β：非線形係数）におけるβθ^３項を、周波数特性調整膜３１が有するヤング率によって相殺するように、周波数特性調整膜３１の材質および膜厚等によって調整する。

周波数特性調整膜３１は、捻じれバネ定数に寄与する割合が多いほど、周波数特性調整膜３１としての効果が高くなる。たとえば、光反射装置１を構成するシリコン（Ｓｉ）のヤング率を１９０ＧＰａとし、周波数特性調整膜３１として、ヤング率７７ＧＰａ、膜厚３μｍのアルミニウム薄膜とする。

この場合、周波数特性調整膜３１が捻じれバネ定数に寄与する割合は、シリコンの厚さが１００μｍの場合には１％になり、シリコンの厚さが３０μｍの場合には４％になり、シリコンの厚さが２０μｍの場合には６％になる。したがって、シリコンの厚さが薄い方が、周波数特性調整膜が有するソフトスプリング効果によるハードスプリング効果の相殺効果は有効になる。

なお、上述した光反射装置１では、駆動部２３として電磁駆動を例に挙げたが、駆動部２３としては電磁駆動に限られず、たとえば、静電駆動または圧電駆動でもよい。このような駆動部を適用した場合でも、共振周波数に近い周波数で駆動させる反射体では、周波数特性調整膜が有するソフトスプリング効果によってハードスプリング効果を相殺させて、非線形性を抑制することができる。

また、上述した光反射装置１では、周波数特性調整膜３１は、金属配線２５とは別部材として電気的に絶縁されて形成されているが、金属配線２５に周波数特性調整膜３１としての機能をもたせてもよい。この場合、金属配線２５は、電磁駆動コイル２７に電気的に接続される配線としての機能を有することから、金属配線２５には、断線しないことが求められる。

さらに、周波数特性調整膜３１は、捻じれ駆動梁１７の上面の全面を覆うように形成されている場合を例に挙げたが、後述するように、捻じれ駆動梁１７の一部に形成されていてもよい。また、周波数特性調整膜３１は、上面以外の表面に部分的に形成されていてもよい。なお、周波数特性調整膜３１が、捻じれ駆動梁１７の全体を覆うように形成されて、ハードスプリング効果の補償が過剰となり、ソフトスプリング効果が発生するような場合には、周波数特性調整膜の形状によって調整することができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る光反射装置について説明する。ここでは、周波数特性調整膜の形成パターンのバリエーションについて説明する。

（第１例）
図２６に示すように、第１例に係る光反射装置１における捻じれ駆動梁１７の上面では、周波数特性調整膜３１が形成されている第１領域３３と、周波数特性調整膜が形成されていない第２領域３５とが配置されている。

上述した光反射装置１では、前述した一連の製造工程の後、反射体３の周波数特性を測定する。その測定結果に基づいて、たとえば、レーザ等によって周波数特性調整膜３１の一部を除去することによって、周波数特性をより精密に調整することができる。周波数特性がより精密に調整されることで、反射体３を捻じれ駆動させる際の非線形性をより確実に低減することができる。

（第２例）
図２７に示すように、第２例に係る光反射装置１における捻じれ駆動梁１７の上面では、周波数特性調整膜３１が第１膜厚をもって形成されている第３領域３７と、周波数特性調整膜３１が第１膜厚よりも厚い第２膜厚をもって形成されている第４領域３９とが配置されている。

上述した光反射装置１では、前述した一連の製造工程の後、反射体３の周波数特性を測定する。その測定結果に基づいて、たとえば、レーザＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）または配線描画等によって周波数特性調整膜３１を追加堆積させることによって、周波数特性をより精密に調整することができる。周波数特性がより精密に調整されることで、反射体３を捻じれ駆動させる際の非線形性をより確実に低減することができる。

実施の形態２に係る光反射装置１では、たとえば、反射体を形成した後の検査工程において、反射体の周波数特性の非線形性が、規定値を大きく上回り、安定した走査が困難になるような場合に、周波数特性調整膜の膜厚等を調整することによって、光反射装置１の歩留まりを向上させることができる。

実施の形態３．
実施の形態３に係る光反射装置について説明する。ここでは、反射体の面外変位に伴うソフトスプリング効果によって、ハードスプリング効果を補償する光反射装置について説明する。

図２８に示すように、光反射装置１における捻じれ駆動梁１７には、周波数特性調整膜は、特に、形成されていない。捻じれ駆動梁１７を軸として支持体部２１に対して反射体３が捻じれ駆動する際に、反射体３は、面外方向に変位する。

ここで、図２９に示すように、反射体３が静止した状態における反射体３の重心位置Ｇを第１位置（原点Ｏ）とする。そうすると、面外変位とは、図３０に示すように、反射体３を支持する捻じれ駆動梁１７の捻じれによって、反射体３の重心位置Ｇが、第１位置（原点Ｏ）から、反射面７と交差する方向に離れた第２位置に変位（ｒ変位：ベクトル）することをいう。

反射体３の面外剛性は、捻じれ駆動梁１７の長さの３乗に反比例し、捻じれ剛性は、捻じれ駆動梁１７の長さの１乗に反比例する。このため、捻じれ駆動梁１７の長さを長くすることで、反射体３の面外剛性を低く設計することができる。反射体３の面外方向変位（ｒ変位）によって、反射体３の周波数特性は、ソフトスプリング効果を有することになる。以下、ソフトスプリング効果が出現することについて説明する。

反射体３の重心位置Ｇは、次の（式３）、

によって表される。原点Ｏと捻じれ駆動梁１７の回転中心との距離をｂとし、反射体３の質量をＭとし、原点Ｏの回りの慣性モーメントをＩとすると、反射体３の運動エネルギーＴは、次の（式４）、

によって表される。

捻じれ駆動梁１７の面外方向のバネ定数をｋ_ｚとし、捻じれ駆動梁１７の回転方向のバネ定数をｋ_θとし、重力加速度をｇとすると、ポテンシャルエネルギーＤは、次の（式５）、

によって表される。

そうすると、ラグラジアンは、次の（式６）、

によって表される。

解析力学の手法を用い、ラグラジアンに基づいてθに関する方程式を導出する。粘性抵抗係数をＣ、電磁力によるトルクをτとすると、次の（式７）、

が得られる。

式（６）と式（７）とから、次の式（８）、

が導出される。

式（８）において、ｓｉｎθは、次の式（９）、

によって近似される。ここで、θ^３の係数をβ_２とすると、β_２＝−Ｍｇｒ／３！となる。θ^３の係数が正では、反射体３にはハードスプリング効果が発生する。θ^３の係数が負では、反射体３にはソフトスプリング効果が発生する。この場合、β_２＜０となるため、反射体３にはソフトスプリング効果が発生する。β_２は、面外変位（ｒ：ベクトル）に比例する。このため、捻じれ駆動梁１７の面外剛性が低いほど、ソフトスプリング効果は大きくなる。

ハードスプリング効果は、捻じれ駆動梁１７の非線形項βによって決まる。このため、非線形項βが、係数β_２（＝−Ｍｇｒ／３！）によって打ち消されるように、捻じれ駆動梁１７のディメンジョンを設定することで、反射体３の捻じれ駆動として、非線形性の少ない周波数特性を得ることができる。

図３１に、（式８）の解析結果を示す。ハードスプリング効果を有していない反射体を備えた光反射装置を解析の対象とした。横軸は、面外共振周波数（ｆ_ｏｐ）と捻じれ共振周波数（ｆ_ｄ）との比（ｆ_ｏｐ／ｆ_ｄ）である。縦軸は、共振周波数に対する捻じれ角の最大値を与えるピーク周波数の変化を比で表したものである。

比の値が４５％（ポイントＰ１）における駆動周波数と捻じれ角との関係を、図３２に示す。比の値が３５％（ポイントＰ２）における駆動周波数と捻じれ角との関係を、図３３に示す。比の値が２５％（ポイントＰ３）における駆動周波数と捻じれ角との関係を、図３４に示す。

図３２、図３３および図３４に示すように、面外共振周波数（ｆ_ｏｐ）が低くなるほど、ピーク周波数のシフト（周波数変化）は大きくなり、周波数変化が大きくなると、ヒステリシスが発生することがわかる。図３１に示されるように、面外共振周波数（ｆ_ｏｐ）は、少なくとも捻じれ共振周波数以下でなければ、ソフトスプリング効果は発生しない。

上述した光反射装置１では、反射体３のハードスプリング効果（図１８参照）を、反射体の面外変位によるソフトスプリング効果によって補償することで、反射体３を捻じれ駆動させる際の非線形性を低減することができる。

なお、ハードスプリング効果を決定する捻じれ駆動梁１７の非線形係数βは、シミュレーションによって見積もることができる。また、反射体３の面外変位に伴うソフトスプリング効果の係数β_２も、シミュレーションによって見積もることができる。このため、実施の形態３に係る光反射装置１の反射体３の周波数特性の調整は、設計段階において設定することが可能である。ただし、反射体３の面外変位に伴って、捻じれ変位の周波数特性を調整するため、上述した光反射装置１は、反射体３の面外変位が許容される用途に限られる。

また、上述した光反射装置１では、必要に応じて、周波数特性調整膜３１（図２９および図３０の二点鎖線参照）を形成させてもよい。反射体３の面外変位に伴うソフトスプリング効果に、周波数特性調整膜３１によるソフトスプリング効果が加えられて、より効果的に反射体３のハードスプリング効果を補償することができる。

実施の形態４．
ここでは、光反射装置を備えた測距装置について説明する。図３５に示すように、測距装置６１は、筐体７１内に、実施の形態１〜３において説明した光反射装置１に加えて、光源６３、ビームスプリッタ６５、光検出器６７および演算部６９を備えている。光源６３は、光反射装置１におけるＭＥＭＳミラーとしての反射体３（図１等参照）に、出射光として光ビームを照射する。ビームスプリッタ６５は、光源６３と光反射装置１との間に配置されている。演算部６９は、光検出器６７において検出された入射光と、出射光とを比較する。

光源６３として、たとえば、レーザ光源を適用することができる。レーザ光源からは、たとえば、波長８７０ｎｍ〜１５００ｎｍのレーザ光が出射される。光検出器６７は、光源６３から反射体３を経て物体（図示せず）に照射され、その物体で反射したレーザ光を、反射体３を経てビームスプリッタ６５の反射面で反射させて、検出することができる位置に配置されている。

次に、上述した測距装置６１の動作について説明する。光源６３から出射したレーザ光は、出射光ＯＬとして、ビームスプリッタ６５を透過して光反射装置１の反射体３で反射し、筐体７１に設けられた窓７３を透過して測距装置６１の外部に出射される。このとき、出射光ＯＬは、反射体３の捻じれ駆動に対応した反射角に基づいて、走査する態様で出射される。出射光ＯＬは、出射光ＯＬの走査範囲内に位置する物体（図示せず）に照射される。物体に照射された出射光ＯＬ（レーザ光）は、物体で反射される。物体で反射されたレーザ光の一部は、入射光ＩＬとして、窓７３を透過して反射体３で反射し、ビームスプリッタ６５の反射面から光検出器６７に入射する。

光源６３から出射する出射光ＯＬと光検出器６７によって検出される入射光ＩＬとを演算部６９において比較することで、測距装置６１から物体までの距離を測定することができる。たとえば、出射光ＯＬをパルス状に出射すると、物体で反射されて入射する入射光ＩＬもパルス状になる。このとき、出射光ＯＬのパルスと入射光ＩＬのパルスとの時間差を計測することによって、測距装置６１から物体までの距離を、演算部６９において算出することができる。特に、光反射装置１では、ハードスプリング効果が抑制されていることで、精度の高い距離の測定を行うことができる。

また、走査しながら出射光ＯＬを二次元的に出射することで、出射光ＯＬの出射方向に関する情報と入射光ＩＬの情報とを合わせることによって、測距装置６１の周辺に位置する物体を、距離画像として取得することができる。

（変形例）
上述した測距装置６１では、光源６３から出射して物体に照射される出射光ＯＬの光学系と、物体で反射して光検出器６７で検出される入射光ＩＬの光学系とを、共通の光学系とした場合について説明した。測距装置としては、出射光ＯＬの光学系と入射光の光学系とを分けるようにしてもよい。

図３６に示すように、変形例に係る測距装置６１では、光源６３から出射したレーザ光は、出射光ＯＬとして、光反射装置１の反射体３で反射し、筐体７１に設けられた一の窓７３を透過して測距装置６１の外部に出射される。出射光ＯＬは、出射光ＯＬの走査範囲内に位置する物体（図示せず）に照射される。物体に照射された出射光ＯＬ（レーザ光）は、物体で反射される。物体で反射されたレーザ光の一部は、入射光ＩＬとして、他の窓７３を透過して光検出器６７に入射する。

変形例に係る測距装置６１によれば、出射光ＯＬの光学系と入射光の光学系とが分けられていることで、レーザ光の経路に依らず、出射光ＯＬの情報と入射光ＩＬの情報とを比較することで、測距装置６１から物体までの距離を精度よく測定することができる。また、走査しながら出射光ＯＬを二次元的に出射することで、出射光ＯＬの出射方向に関する情報と入射光ＩＬの情報とを合わせることによって、測距装置６１の周辺に位置する物体を、距離画像として取得することができる。

なお、各実施の形態において説明した光反射装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本開示は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本開示は、ハードスプリング効果が発現する光反射装置に有効に利用される。

１反射装置、３反射体、５、５ａ、５ｂ、５ｃシリコン層、７反射面、９、１３、１５絶縁膜、１１、１１ａ、１１ｃシリコン基板、１１ｂミラー支持層、１７捻じれ駆動梁、１９捻じれ駆動梁固定部、２１支持体部、２３駆動部、２５金属配線、２７電磁駆動コイル、２９磁界、３１周波数特性調整膜、３３第１領域、３５第２領域、３７第３領域、３９第４領域、５１ＳＯＩ基板、５２シリコン基板、５３絶縁膜、５４シリコン層、５７周波数特性調整膜となる膜、６１測距装置、６３光源、６５ビームスプリッタ、６７光検出器、６９演算部、７１筺体、７３窓、Ｏ原点、Ｇ重心。

Claims

反射面を有する反射体と、
前記反射体と距離を隔てて配置された支持体部と、
前記反射体と前記支持体部とを接続する梁部と、
前記支持体部に対して、前記梁部を軸として、前記反射体を捻じれ駆動させる駆動部と
を有し、
前記梁部は、
梁本体と、
前記梁本体に形成され、前記捻じれ駆動の周波数の非線形特性を調整する周波数特性調整膜と
を備え、
前記梁本体が有する、前記周波数の非線形特性に起因するハードスプリング効果を、前記捻じれ駆動によって前記周波数特性調整膜に発生する、非線形特性の捻じれバネ定数に起因するソフトスプリング効果によって補償する、光反射装置。
前記周波数特性調整膜では、前記捻じれ駆動の捻じれ角が、前記周波数特性調整膜の弾性限界を超える前記捻じれ角にあり、前記周波数特性調整膜の前記捻じれバネ定数が前記捻じれ角に依存して変化する状態において、前記ソフトスプリング効果が発生する、請求項１記載の光反射装置。
前記梁本体は、第１半導体層第１部から形成され、
前記反射体は、
基板本体と、
前記基板本体の上に絶縁膜を介在させて形成された第１半導体層第２部と
を含む、請求項１または２に記載の光反射装置。
前記周波数特性調整膜は、アルミニウム、銅、ニッケルおよび金のいずれかの金属および前記金属を含む合金のいずれかによって形成された、請求項１〜３のいずれか１項に記載の光反射装置。
前記梁本体では、
前記周波数特性調整膜が形成された第１領域と、
前記周波数特性調整膜が形成されていない第２領域と
が配置された、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光反射装置。
前記梁本体では、
第１膜厚を有する前記周波数特性調整膜が形成された第３領域と、
前記第１膜厚よりも厚い第２膜厚を有する前記周波数特性調整膜が形成された第４領域と
が配置された、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光反射装置。
前記周波数特性調整膜は、前記梁本体において、前記反射体の前記反射面が位置する側に配置された、請求項１〜６のいずれか１項に記載の光反射装置。
前記駆動部は、
前記反射体に形成された電磁駆動コイルと、
前記梁部に沿って形成され、前記電磁駆動コイルに電気的に接続されて前記電磁駆動コイルに駆動電流を供給する配線と
を含み、
前記周波数特性調整膜は、前記配線を含む、請求項１〜７のいずれか１項に記載の光反射装置。
前記反射体が静止した状態における前記反射体の重心位置を第１位置とすると、
前記梁部は、前記捻じれ駆動により、前記重心位置が、前記第１位置から前記反射面と交差する方向に離れた第２位置に変位する態様で、前記反射体を面外変位させる、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光反射装置。
前記面外変位の面外共振周波数は、捻じれ共振周波数以下である、請求項９記載の光反射装置。
反射面を有する反射体と、
前記反射体と距離を隔てて配置された支持体部と、
前記反射体と前記支持体部とを接続する梁部と、
前記支持体部に対して、前記梁部を軸として、前記反射体を捻じれ駆動させる駆動部と
を備え、
前記反射体が静止した状態における前記反射体の重心位置を第１位置とすると、
前記梁部は、前記捻じれ駆動により、前記重心位置が、前記第１位置から前記反射面と交差する方向に離れた第２位置に変位する態様で、前記反射体を面外変位させ、
前記面外変位の面外共振周波数は、捻じれ共振周波数以下である、光反射装置。
前記梁部は、梁本体を含み、
前記梁本体は、第１半導体層第１部から形成され
前記反射体は、
基板本体と、
前記基板本体の上に絶縁膜を介在させて形成された第１半導体層第２部と
を含む、請求項１１記載の光反射装置。
前記梁部は、前記梁本体に形成され、前記捻じれ駆動の周波数を調整する周波数特性調整膜を備えた、請求項１２記載の光反射装置。
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の光反射装置を備えた、測距装置。