JP6960889B2 - Optical scanning device and its driving method - Google Patents
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Description
本発明は、光走査装置およびその駆動方法に関し、特に、振動板を備えた光走査装置と、その光走査装置の駆動方法とに関するものである。 The present invention relates to an optical scanning device and a method for driving the optical scanning device, and more particularly to an optical scanning device provided with a diaphragm and a method for driving the optical scanning device.
従来、反射板が弾性体を介在させて振動板に接続された光走査装置が知られている。この光走査装置では、振動板を振動させることで、反射板が回転運動をし、反射板に照射された光が走査される。振動板を振動させるため、振動板には圧電素子が配置される。圧電素子では、一の電極と他の電極との間に圧電体が挟み込まれている。 Conventionally, an optical scanning device in which a reflector is connected to a diaphragm with an elastic body interposed therebetween is known. In this optical scanning device, by vibrating the diaphragm, the reflector rotates, and the light emitted to the reflector is scanned. In order to vibrate the diaphragm, a piezoelectric element is arranged on the diaphragm. In the piezoelectric element, the piezoelectric body is sandwiched between one electrode and the other electrode.
この種の光走査装置を開示した特許文献の例として、特許文献1および特許文献2がある。特許文献1では、振動板に配置された圧電素子に180°位相が異なる双極性である交流電圧を印加することによって、反射板を回転運動させる光走査装置が提案されている。特許文献2では、振動板に配置された圧電素子に単極性の一定周波数の電圧を印加することによって、反射板を回転させる光走査装置が提案されている。
圧電素子に双極性の電圧を印加させた場合には、分極疲労を起こしてしまい、特性が劣化することが知られており、長い寿命が要求される光走査装置への用途には適さない(非特許文献1)。一方、圧電素子に単極性の電圧を印加させる場合には、双極性の電圧を印加させる場合と比べて、圧電素子の分極疲労が大幅に低減することが知られている(非特許文献2)。 It is known that when a bipolar voltage is applied to a piezoelectric element, polarization fatigue occurs and the characteristics deteriorate, so it is not suitable for applications in optical scanning devices that require a long life (). Non-patent document 1). On the other hand, it is known that when a unipolar voltage is applied to the piezoelectric element, the polarization fatigue of the piezoelectric element is significantly reduced as compared with the case where a bipolar voltage is applied (Non-Patent Document 2). ..
圧電素子に単極性の電圧を印加させる場合において、圧電体の分極の向きが反転する抗電圧を超える電圧を印加させる場合には、圧電体の分極方向が、抗電圧を超える電圧の印加によって、電圧の印加方向に反転する。このため、入力電圧の極性にかかわらず、振動板の振動方向が一定になり、振動板を上方向または下方向の一方向にしか屈曲させることができないという問題があった。 When a unipolar voltage is applied to the piezoelectric element, when a voltage exceeding the coercive voltage at which the direction of polarization of the piezoelectric body is reversed is applied, the polarization direction of the piezoelectric body is changed by applying a voltage exceeding the coercive voltage. Inverts in the direction of voltage application. Therefore, there is a problem that the vibration direction of the diaphragm becomes constant regardless of the polarity of the input voltage, and the diaphragm can be bent only in one direction in the upward or downward direction.
本発明は、上記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、単極性の電圧を印加させて、振動板を上下双方向に振動させることが可能な光走査装置を提供することであり、他の目的は、そのような光走査装置の駆動方法を提供することである。 The present invention has been made to solve the above problems, and one object of the present invention is to provide an optical scanning device capable of vibrating a diaphragm in both vertical and vertical directions by applying a unipolar voltage. And another purpose is to provide a method of driving such an optical scanning device.
本発明に係る光走査装置は、支持体と、振動板と、第1圧電素子および第2圧電素子と、反射板とを備えている。振動板は、距離を隔てて位置する第1端部と第2端部とを有し、第1端部が支持体に支持されている。第1圧電素子および第2圧電素子は、振動板に配置されている。反射板は、振動板の第2端部に弾性体を介在させて接続され、光を反射する反射面を有する。第1圧電素子は、単極性の第1電圧を印加することで第1モードで駆動する。第2圧電素子は、単極性の第2電圧を印加することで、第1モードとは異なる第2モードで駆動する。第1モードはd 31 モードであり、第2モードはd 33 モードである。第1電圧と第2電圧とを互いに位相をずらして印加することにより、第1圧電素子と第2圧電素子とを時間をずらして駆動させることで、振動板が屈曲して反射板が傾けられる。 The optical scanning device according to the present invention includes a support, a diaphragm, a first piezoelectric element, a second piezoelectric element, and a reflector. The diaphragm has a first end portion and a second end portion located at a distance from each other, and the first end portion is supported by a support. The first piezoelectric element and the second piezoelectric element are arranged on the diaphragm. The reflector is connected to the second end of the diaphragm with an elastic body interposed therebetween, and has a reflecting surface that reflects light. The first piezoelectric element is driven in the first mode by applying a unipolar first voltage. The second piezoelectric element is driven in a second mode different from the first mode by applying a unipolar second voltage. The first mode is d 31 mode and the second mode is d 33 mode. By applying the first voltage and the second voltage out of phase with each other, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are driven at different times, so that the diaphragm is bent and the reflector is tilted. ..
本発明に係る光走査装置の駆動方法は、距離を隔てて対向する第1端部と第2端部とを有し、第1端部が支持体に支持され、第2端部が弾性体を介在させて反射板に接続された振動板と、振動板に配置された、第1モードで駆動する第1圧電素子および第1モードとは異なる第2モードで駆動する第2圧電素子とを有する光走査装置の駆動方法である。第1圧電素子に単極性の第1電圧を印加することにより、第1圧電素子を第1モードで駆動させる。第2圧電素子に単極性の第2電圧を印加することにより、第2圧電素子を第1モードとは異なる第2モードで駆動させる。第1モードはd 31 モードであり、第2モードはd 33 モードである。第1圧電素子と第2圧電素子とを駆動させることで、振動板が屈曲して反射板が傾けられる。第1電圧と第2電圧とを互いに位相をずらして印加することにより、第1圧電素子と第2圧電素子とを時間をずらして駆動させる。 The driving method of the optical scanning device according to the present invention has a first end portion and a second end portion facing each other at a distance, the first end portion is supported by a support, and the second end portion is an elastic body. The diaphragm connected to the reflector with the interposition, and the first piezoelectric element driven in the first mode and the second piezoelectric element driven in the second mode different from the first mode arranged on the diaphragm This is a method of driving an optical scanning device. By applying a unipolar first voltage to the first piezoelectric element, the first piezoelectric element is driven in the first mode. By applying a unipolar second voltage to the second piezoelectric element, the second piezoelectric element is driven in a second mode different from the first mode. The first mode is d 31 mode and the second mode is d 33 mode. By driving the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, the diaphragm is bent and the reflector is tilted. By applying the first voltage and the second voltage out of phase with each other, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are driven with a time lag.
本発明に係る光走査装置によれば、振動板に、第1モードで駆動する第1圧電素子と第1モードとは異なる第2モードで駆動する第2圧電素子とが配置されている。第1圧電素子または第2圧電素子を駆動させることで、振動板を双方向に振動させて、反射板を双方向に傾けることができる。 According to the optical scanning apparatus according to the present invention, a first piezoelectric element driven in the first mode and a second piezoelectric element driven in a second mode different from the first mode are arranged on the diaphragm. By driving the first piezoelectric element or the second piezoelectric element, the diaphragm can be vibrated in both directions and the reflector can be tilted in both directions.
本発明に係る光走査装置の駆動方法によれば、第1圧電素子を単極性の第1電圧によって駆動させ、第2圧電素子を単極性の第2電圧によって駆動させる。第1電圧と第2電圧とを位相をずらして印加し、振動板を屈曲させることで、反射板を傾ける。これにより、光走査装置の振動板を双方向に振動させて反射板を傾けることができる。 According to the driving method of the optical scanning apparatus according to the present invention, the first piezoelectric element is driven by the unipolar first voltage, and the second piezoelectric element is driven by the unipolar second voltage. The reflector is tilted by applying the first voltage and the second voltage out of phase and bending the diaphragm. As a result, the diaphragm of the optical scanning device can be vibrated in both directions to tilt the reflector.
実施の形態1.
実施の形態1に係る光走査装置について説明する。ここでは、説明の便宜上X軸、Y軸およびZ軸を示して構造等を説明する。図1および図2に示すように、X軸およびY軸は互いに直交しており、光走査装置1(支持体3)が配置されている面をX−Y平面とする。Z軸は、そのX−Y平面に直交する。
The optical scanning apparatus according to the first embodiment will be described. Here, for convenience of explanation, the structure and the like will be described by showing the X-axis, the Y-axis, and the Z-axis. As shown in FIGS. 1 and 2, the X-axis and the Y-axis are orthogonal to each other, and the plane on which the optical scanning device 1 (support 3) is arranged is defined as the XY plane. The Z axis is orthogonal to its XY plane.
光走査装置1は、支持体3、振動板5a、振動板5bおよび反射板9を備えている。振動板5aは、X軸方向に距離を隔てて対向する第1端部5aaと第2端部5abとを有する。第1端部5aaが支持体3に接続されている。第2端部5abが、弾性体7aを介して反射板9に接続されている。弾性体7aは、振動板5aの第2端部5abにおけるY軸方向の中央部に接続されている。
The
振動板5bは、X軸方向に距離を隔てて対向する第1端部5baと第2端部5bbとを有する。第1端部5baが支持体3に接続されている。第2端部5bbが、弾性体7bを介して反射板9に接続されている。弾性体7bは、振動板5bの第2端部5bbにおけるY軸方向の中央部に接続されている。反射板9には、反射面11が設けられている。
The
振動板5aには、第1圧電素子13a、13bおよび第2圧電素子21a、21bが配置されている。第1端部5aaの側から第2端部5abの側に向かって、第1圧電素子13a、第2圧電素子21a、第1圧電素子13b、第2圧電素子21bの順に配置されている。振動板5bには、第1圧電素子13c、13dおよび第2圧電素子21c、21dが配置されている。第1端部5baの側から第2端部5bbの側に向かって、第2圧電素子21d、第1圧電素子13d、第2圧電素子21c、第1圧電素子13cの順に配置されている。
The first
図2に示すように、振動板5a(第1圧電素子13a、13b、第2圧電素子21a、21b)、弾性体7a、反射板9、弾性体7b、振動板5b(第1圧電素子13c、13d、第2圧電素子21c、21d)は、仮想線としてのX軸に平行な軸線C1に対して、ほぼ線対称に配置されている。なお、反射板9の平面形状は軸線C1に対して線対称になるように矩形状に形成されているが、反射板9の傾きに伴って反射板に歪みが入らなければ、反射板9の平面形状としては、線対称になる形状にする必要はない。
As shown in FIG. 2, the vibrating
次に、第1圧電素子13a〜13d、第2圧電素子21a〜21dについて説明する。まず、第1圧電素子13a〜13dについて説明する。図3に示すように、第1圧電素子13(13a〜13d)は、下部電極15、圧電体17および上部電極19によって形成されている。下部電極15、圧電体17および上部電極19は、振動板5(5a、5b)の上に積層されている。
Next, the first
圧電体17は、分極処理、または、抗電界を超えるような単極性の電圧を印加することによって、Z軸方向の正方向または負方向へ分極している。圧電体17の下部電極15と上部電極19との間に、単極性の電圧を分極方向と同じ方向へ印加することによって、圧電体17がX軸方向に収縮する。圧電体17のX軸方向の収縮によって、振動板5は、Z軸の負方向に凸となるように屈曲し、振動板5は、支持体3に対してZ軸の正方向に屈曲することになる。この第1圧電素子13の屈曲は、第1モードとしてのd31モードと称されている。
The
図4に示すように、たとえば、圧電体17における下部電極15側が正となり、上部電極19側が負となるように分極している場合には、下部電極15と上部電極19との間に、下部電極15に印加する電圧に対して、上部電極19に印加する電圧が高くなるように電圧を印加することで、圧電体17がX軸方向に収縮して、振動板5が、矢印に示すように、Z軸の負方向に凸となるように屈曲する。
As shown in FIG. 4, for example, when the
なお、圧電体17の分極の向きが、図4に示す向きと逆向きに分極している場合には、下部電極15と上部電極19との間に、下部電極15に印加する電圧に対して、上部電極19に印加する電圧が低くなるように電圧を印加することで、振動板5は、Z軸の負方向に凸となるように屈曲する。したがって、電圧の極性にかかわらず、抗電圧を超える単極性の電圧を印加することで、振動板5は、Z軸の負方向に凸となるように屈曲することになる。
When the direction of polarization of the
次に、第2圧電素子21a〜21dについて説明する。図5に示すように、第2圧電素子21(21a〜21d)は、第1電極23、第2電極25および圧電体27によって形成されている。第1電極23および第2電極25は圧電体27の表面に形成されている。第1電極23と第2電極25とは、間隔を隔てて配置されている。圧電体27は、振動板5の上に形成されている。
Next, the second
圧電体27は、分極処理、または、抗電界を超えるような単極性の電圧を印加することによって、X軸方向の正方向または負方向へ分極している。圧電体27の第1電極23と第2電極25との間に、単極性の電圧を分極方向と同じ方向へ印加することによって、圧電体27がX軸方向に伸長する。圧電体27がX軸方向に伸長によって、振動板5は、Z軸の正方向に凸となるように屈曲する。第2圧電素子21は、第2モードとしてのd33モードで駆動することになる。
The
図6に示すように、たとえば、圧電体27におけるX軸方向の中央部が正となり、X軸方向の端部が負となるように分極している場合には、第1電極23と第2電極25との間に、第2電極25に印加する電圧に対して、第1電極23に印加する電圧が高くなるように電圧を印加することで、圧電体27が、X軸方向に伸長する。圧電体27のX軸方向の伸長によって、振動板5は、矢印に示すように、Z軸の正方向に凸となるように屈曲し、振動板5は、Z軸の負方向に屈曲することになる。
As shown in FIG. 6, for example, when the
なお、圧電体27の分極の向きが、図6に示す向きと逆向きに分極している場合には、第1電極23と第2電極25との間に、第2電極25に印加する電圧に対して、第1電極23に印加する電圧が低くなるように電圧を印加することで、圧電体27が、X軸方向に伸長する。したがって、電圧の極性にかかわらず、抗電圧を超える単極性の電圧を印加することで、振動板5は、Z軸の正方向に凸となるように屈曲することになる。
When the direction of polarization of the
第2圧電素子21における第1電極23と第2電極25とは、たとえば、1μm〜10μm程度の間隔を隔てて圧電体27の表面に配置されている。第1電極23と第2電極25との間に電圧を印加することで、圧電体27のX軸方向の電圧印加が可能になる。図7および図8に示すように、このような第1電極23と第2電極25の電極構造は、典型的には、櫛場型電極構造と称される。第1電極23は、X軸方向に延在する部分と、互いに間隔を隔てて、Y軸方向に延在する部分を有する。第2電極25は、X軸方向に延在する部分と、互いに間隔を隔てて、Y軸方向に延在する部分を有する。Y軸方向に延在する第1電極23の部分とY軸方向に延在する第2電極25の部分とが、X軸方向に互いに間隔を開けて交互に配置されている。
The
光走査装置1の構成要素とされる反射板9、弾性体7、振動板5および支持体3の主たる材料は、シリコンである。これらの構成要素は、SOI(Silicon On Insulator)ウェハをエッチングすることによって、一体に形成されることが望ましい。SOIウェハを用いることで、構成要素のそれぞれの厚みを変えることができる。
The main material of the
たとえば、反射板9の厚さを厚くして,反射板9の歪みを低減する一方、振動板5の厚さを薄くすることで、振動板5の変位を大きくすることが可能になる。半導体プロセスを用いて、それぞれの構成要素を一体に形成することにより、各構成要素を接合または接着の方法を用いて、各構成要素を組み合わせる方法と比較して、アライメント精度が向上し、また、小型化、軽量化も容易になる。
For example, by increasing the thickness of the
反射板9の表面に形成される反射面11は、走査される光の波長に対する反射率が高い金属膜から形成されることが望ましい。たとえば、走査される光が赤外線(IR:Infrared)である場合には、金属膜として、金(Au)膜が好適である。金膜を使用する場合には、金膜とシリコン層との密着性を向上させるために、金膜とシリコン層との間に、密着層を介在させることが望ましい。密着層を含む反射面11の膜構造としては、たとえば、クロム(Cr)膜)/ニッケル(Ni)膜/金(Au)膜、または、チタン(Ti)膜/白金(Pt)膜/金(Au)膜のような膜構造が適している。
It is desirable that the reflecting
また、反射面11が酸化されるおそれが非常に少ないと考えられる場合には、反射面11をアルミニウム(Al)膜によって形成してもよい。反射面11が酸化されるそれが少ない場合とは、たとえば、光走査装置1が、真空封止されている場合がある。また、光走査装置1に対して、窒素等の不活性ガスを充填等する措置が施されている場合等がある。
Further, when it is considered that the
圧電体17、27の材料としては、圧電効果を有するチタン酸ジルコン酸鉛(PZT:Pb(Zr,Ti)O3)、窒化アルミニウム(AlN)、または、ニオブ酸ナトリウムカリウム(KNN:(K,Na)NbO3)等の材料を用いる。これらの材料の中では、圧電定数が大きいとされ、比較的低い電圧で大きな駆動力が得られるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)が好適である。
The materials of the
第1圧電素子13および第2圧電素子21は、SOIウェハ上に形成された第1圧電素子13または第2圧電素子21となる各膜を、ウェットエッチング処理またはドライエッチング処理によりパターニングすることによって形成される。第1圧電素子13または第2圧電素子21となる各膜は、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、スパッタ法、または、CSD(Chemical Solution Deposition)法等によって形成される。
The first
次に、その光走査装置1の製造方法の一例について説明する。ここでは、SOIウェハに、第1圧電素子と第2圧電素子とが同時に形成される。まず、SOIウェハ31(図9参照)を用意する。SOIウェハ31は、初期状態では、シリコン層33、シリコン酸化膜35およびシリコン層37の三層構造とされる(図9参照)。シリコン層37の厚さは、たとえば、2〜200μm程度である。シリコン層33の厚さは、たとえば、100〜1000μm程度である。
Next, an example of the manufacturing method of the
図9に示すように、SOIウェハ31の表面(シリコン層37)に、シリコン酸化膜41が形成され、SOIウェハ31の裏面(シリコン層33)に、シリコン酸化膜39が形成される。シリコン酸化膜41、39の形成方法としては、各種あるが、膜質がよく、SOIウェハ31の表面と裏面とに同時に形成することが可能な熱酸化法が好適である。
As shown in FIG. 9, a
次に、図10に示すように、シリコン酸化膜41の表面に、金属膜43が形成される。金属膜43は、第1圧電素子の下部電極となる膜である。次に、その金属膜43を覆うように、スパッタ法、または、CSD法によって、圧電膜45が形成される。圧電膜45は、第1圧電素子および第2圧電素子の圧電体となる膜である。次に、その圧電膜45を覆うように、金属膜47が形成される。金属膜47は、第1圧電素子の上部電極となる膜である。また、金属膜47は、第2圧電素子の第1電極および第2電極となる膜である。
Next, as shown in FIG. 10, a
金属膜43、47としては、圧電素子に一般的に使用されるチタン(Ti)膜と白金(Pt)膜との積層膜が望ましい。電極として十分な導電性を有し、下地等との良好な密着性が確保することができる膜であれば、他の積層膜を適用してもよい。また、分極疲労を低減する効果があるとされる酸化ストロンチウム(SrO)膜等の酸化電極膜を、金属膜43、47と圧電膜45との間に介在させてもよい。
As the
次に、図11に示すように、金属膜47がパターニングされる。金属膜47は、第1圧電素子の上部電極が形成される領域と、第2圧電素子の第1電極および第2電極が形成される領域とを残すようにパターニングされる。金属膜47のパターニングには、レジスト膜を保護膜として利用したフォトリソグラフィー技術が好適である。金属膜47のエッチング処理には、反応性イオンエッチング(RIE:Reactive Ion Etching)、または、エッチャントを使用したウェットエッチング処理が利用される。
Next, as shown in FIG. 11, the
いずれのエッチング処理においても、金属膜47と下地の膜とで、十分なエッチング選択比が得られる条件を設定する必要がある。たとえば、圧電膜45としてのPZT膜の表面に形成された金属膜47としてのチタン膜と白金膜との積層膜を、反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素(Cl2)/アルゴン(Ar)系のガスが好適である。金属膜47のパターニング後、レジスト膜が除去される。レジスト膜の除去には、酸素(O2)アッシング処理等が使用される。
In any of the etching treatments, it is necessary to set conditions for obtaining a sufficient etching selectivity between the
次に、図12に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、圧電膜45がパターニングされる。圧電膜45は、第1圧電素子の圧電体が形成される領域と、第2圧電素子の圧電体が形成される領域とを残すように形成される。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。
Next, as shown in FIG. 12, the
エッチング処理では、圧電膜45と下地の膜とで、十分なエッチング選択比が得られる条件を設定する必要がある。たとえば、金属膜43としてのチタン膜と白金膜との積層膜の表面に形成された圧電膜45としてのPZT膜を、反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、Cl2/BCl2/CH4系のガスが好適である。圧電膜45のパターニング後、酸素(O2)アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。
In the etching process, it is necessary to set conditions for obtaining a sufficient etching selection ratio between the
次に、図13に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、金属膜43がパターニングされる。金属膜43は、第1圧電素子の下部電極が形成される領域と、第2圧電素子が形成される領域とを残すようにパターニングされる。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。
Next, as shown in FIG. 13, the
エッチング処理では、金属膜43と下地の膜とで、十分なエッチング選択比が得られる条件を設定する必要がある。シリコン酸化膜41の表面に形成された金属膜43としてのチタン膜と白金膜との積層膜を、反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素(Cl2)/アルゴン(Ar)系のガスが好適である。金属膜43のパターニング後、酸素(O2)アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。
In the etching process, it is necessary to set conditions for obtaining a sufficient etching selection ratio between the
次に、反射板9に反射面11が形成され、その後、反射板9、弾性体7、振動板5および支持体3が形成される。
Next, the
図14に示すように、反射板が形成される領域に、反射面となる金属膜49がパターニングされる。まず、SOIウェハを覆うように、たとえば、スパッタ法または真空蒸着法等によって、金属膜49が形成される。このとき、下地の膜との密着性を図るために、クロム(Cr)膜またはニッケル(Ni)膜等の密着層を、金属膜49と下地の膜との間に介在させてもよい。次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、金属膜49がパターニングされる。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。金属膜49のパターニング後、酸素(O2)アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。
As shown in FIG. 14, a
次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、シリコン層37の表面に形成されたシリコン酸化膜41がパターニングされる。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。シリコン酸化膜41は、次の工程において、シリコン層37にエッチング処理が行われる領域に位置する部分が除去される。シリコン酸化膜41を反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素(Cl2)系のガスが好適である。
Next, the
次に、図15に示すように、シリコン酸化膜41をパターニングするレジスト膜と、残されたシリコン酸化膜41とをエッチングマスク(保護膜)として、シリコン層37にエッチング処理が行われる。エッチング処理としては、高いアスペクト比をもってエッチング処理が可能なボッシュ法による深堀エッチング(DRIE:Deep Reactive Ion Etching)処理が望ましい。エッチング処理は、シリコン酸化膜35が露出するまで行われる。エッチング処理の後、酸素(O2)アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。
Next, as shown in FIG. 15, the
次に、光走査装置の裏面側になる部分に加工が行われる。フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、シリコン層33の表面に形成されたシリコン酸化膜39がパターニングされる。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。シリコン酸化膜39は、次の工程において、シリコン層33にエッチング処理が行われる領域に位置する部分が除去される。シリコン酸化膜39を反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素(Cl2)系のガスが好適である。
Next, processing is performed on the portion on the back surface side of the optical scanning device. The
次に、図16に示すように、シリコン酸化膜39をパターニングするレジスト膜と、残されたシリコン酸化膜39とをエッチングマスク(保護膜)として、シリコン層33にエッチング処理が行われる。エッチング処理としては、ボッシュ法による深堀エッチング(DRIE)処理が望ましい。エッチング処理は、シリコン酸化膜35が露出するまで行われる。
Next, as shown in FIG. 16, the
引き続き、露出したシリコン酸化膜35にエッチング処理を行うことで、シリコン酸化膜35が除去される。シリコン酸化膜35のエッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。シリコン酸化膜39を反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素(Cl2)系のガスが好適である。その後、ダイシングによって、支持体となるSOIウェハ31の部分を所望のサイズに切り出すことによって、光走査装置が完成する。
Subsequently, the exposed
次に、光走査装置の駆動方法について説明する。第1圧電素子13と第2圧電素子21とに対して、分極方向と同一方向に単極性の一定の周期を有する電圧が、たとえば、逆位相で印加されるか、または、位相をずらして印加される。そのような電圧の一例として、正弦波の半波のグラフを図17に示す。グラフの横軸は位相であり、縦軸は電圧である。図17に示すように、第1圧電素子13に印加される電圧は実線で示されている。第2圧電素子21に印加される電圧は、点線で示されている。すなわち、第1圧電素子13に印加される電圧と第2圧電素子21に印加される電圧とは、それぞれ極性が同じで、位相が180度ずれている。
Next, a method of driving the optical scanning device will be described. A voltage having a unipolar constant period in the same direction as the polarization direction is applied to the first
第1圧電素子13の圧電体17が、たとえば、図4に示される分極状態である場合には、下部電極15を基準電位として、上部電極19に、正の正弦波の半波の波形を有する電圧が印加されることになる。図4に示すように、この電圧が印加されることで、第1圧電素子13では、圧電体17がX軸方向に収縮する。圧電体17が収縮することによって、振動板5は、Z軸の負方向に凸となるように屈曲し、振動板5は、支持体3に対してZ軸の正方向に屈曲することになる。
When the
一方、第2圧電素子21の圧電体27が、たとえば、図6に示される分極状態である場合には、第2電極25を基準電位として、第1電極23に、正の正弦波の半波の波形を有する電圧が印加されることになる。図6に示すように、この電圧が印加されることで、第2圧電素子21では、圧電体27がX軸方向に伸長する。圧電体27が伸長することによって、振動板5は、Z軸の正方向に凸となるように屈曲し、振動板5は、支持体3に対してZ軸の負方向に屈曲することになる。
On the other hand, when the
こうして、第1圧電素子13に電圧を印加している状態では、振動板5は、支持体3からZ軸の正方向に向かって屈曲することになる(d31モード)。一方、第2圧電素子21に電圧を印加している状態では、振動板5は、支持体3からZ軸の負方向に向かって屈曲することになる(d33モード)。第1圧電素子13に印加する電圧と、第2圧電素子21に印加する電圧とを、交互に印加することで、振動板5をZ軸の正方向と負方向とに屈曲させることができる。
In this way, when the voltage is applied to the first
振動板5が屈曲した状態の一例として、振動板5aが支持体3からZ軸の正方向側に屈曲し、振動板5bが支持体3からZ軸の負方向側に屈曲した状態を、図18に示す。振動板5aでは、第1圧電素子13a、13bがd31モードであり、第2圧電素子21a、21bには電圧が印加されていない状態である。振動板5bでは、第2圧電素子21c、21dがd33モードであり、第1圧電素子13c、13dには電圧が印加されていない状態である。
As an example of the state in which the
この場合には、振動板5aの第2端部5abが上に向き、振動板5bの第2端部5bbが下に向くように屈曲する。振動板5a、5bに弾性体7a、7bを介在させて接続された反射板9は、振動板5a、5bの屈曲によって、支持体3(X−Y平面)に対して傾けられることになる。
In this case, the second end portion 5ab of the
次に、振動板5が屈曲した状態の他の例として、振動板5aが支持体3からZ軸の負方向側に屈曲し、振動板5bが支持体3からZ軸の正方向側に屈曲した状態を、図19に示す。図19に示す振動板5a、5bの状態は、図18に示す振動板5a、5bの状態から、正弦波の周期の半分の時間が経過後の状態に対応する。振動板5aでは、第2圧電素子21a、21bがd33モードであり、第1圧電素子13a、13bには電圧が印加されていない状態である。振動板5bでは、第1圧電素子13c、13dがd31モードであり、第2圧電素子21c、21dには電圧が印加されていない状態である。
Next, as another example of the state in which the
この場合には、振動板5aの第2端部5abが下に向き、振動板5bの第2端部5bbが上に向くように屈曲する。振動板5a、5bに弾性体7a、7bを介在させて接続された反射板9は、振動板5a、5bの屈曲によって、支持体3(X−Y平面)に対して傾けられることになる。
In this case, the second end portion 5ab of the
図20に示すように、第1圧電素子13および第2圧電素子21へ電圧を周期的(図17参照)に印加することで、反射板9は、Y軸に平行で反射板9のX軸方向の中央部を通る軸線C2(仮想線)を回転軸として回転することになる。反射板9の反射面11に照射された光は、反射面11において反射される。その反射面11が形成された反射板9が回転運動をすることで、反射面11の回転に伴って反射光が走査される。
As shown in FIG. 20, by periodically applying a voltage to the first
上述した光走査装置1では、振動板5a(5b)に第1圧電素子13a、13b(13c、13d)と第2圧電素子21a、21b(21c、21d)が配置されている。第1圧電素子13a、13b(13c、13d)と第2圧電素子21a、21b(21c、21d)とは、互いに逆方向に屈曲する(d33モード、d31モード)。その第1圧電素子13a、13b(13c、13d)と第2圧電素子21a、21b(21c、21d)とに対して、単極性の電圧を交互に印加することで、振動板5a(5b)を支持体3に対して、上下双方向(Z軸方向)に屈曲させて、反射板9を回転させることができる。
In the
また、単極性の電圧を印加することで、双極性の電圧を印加させて振動板を上下双方向に屈曲させる場合と比べて、圧電体の分極疲労を低減することができ、光走査装置の長寿命化に寄与することができる。 Further, by applying a unipolar voltage, it is possible to reduce the polarization fatigue of the piezoelectric body as compared with the case where the diaphragm is bent in both the upper and lower directions by applying a bipolar voltage. It can contribute to extending the service life.
さらに、振動板5a、5b、弾性体7a、7bおよび反射板9は、第1圧電素子13a〜13dおよび第2圧電素子21a〜21dを含めて、軸線C1に対して、ほぼ線対称に配置されている(図2参照)。これにより、第1圧電素子13a〜13dおよび第2圧電素子21a〜21dの駆動に際して、弾性体7a、7bおよび反射板9等にねじれを生じさせることなく、反射板9を回転させることができる。
Further, the
実施の形態2.
実施の形態2に係る光走査装置について説明する。
The optical scanning apparatus according to the second embodiment will be described.
図21および図22に示すように、光走査装置1では、振動板5a、弾性体7a、反射板9、弾性体7bおよび振動板5bは、X軸に平行な軸線C1(仮想線)に対して、ほぼ線対称に配置されている。振動板5aには、第1圧電素子13a、13bと第2圧電素子21aとが配置されている。第2圧電素子21aは、軸線C1を跨ぐ態様で軸線C1に対して線対称に配置されている。第1圧電素子13aと第1圧電素子13bは、第2圧電素子21aを挟み込む態様で、軸線C1に対して線対称に配置されている。
As shown in FIGS. 21 and 22, in the
振動板5bには、第1圧電素子13c、13dと第2圧電素子21bとが配置されている。第2圧電素子21bは、軸線C1を跨ぐ態様で軸線C1に対して線対称に配置されている。第1圧電素子13cと第1圧電素子13dは、第2圧電素子21bを挟み込む態様で、軸線C1に対して線対称に配置されている。なお、これ以外の構成については、図1および図2に示す光走査装置1と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。
The first
次に、上述した光走査装置1の製造方法について説明する。上述した光走査装置1では、振動板5に配置される第1圧電素子13および第2圧電素子21のパターンが、前述した光走査装置1(図1および図2参照)の振動板5に配置される第1圧電素子13および第2圧電素子21のパターンと異なっている。このため、図11に示す工程において、第1圧電素子13および第2圧電素子21のパターンを変更するだけで、前述した製造工程と実質的に同じ製造工程によって製造することができる。
Next, the manufacturing method of the
次に、光走査装置の駆動方法について説明する。第1圧電素子13a、13b(13c、13d)に電圧を印加している状態では、振動板5a(5b)は、支持体3からZ軸の正方向に向かって屈曲することになる(d31モード)。一方、第2圧電素子21a(21b)に電圧を印加している状態では、振動板5a(5b)は、支持体3からZ軸の負方向に向かって屈曲することになる(d33モード)。第1圧電素子13に印加する電圧と、第2圧電素子21に印加する電圧とを、交互に印加することで、振動板5をZ軸の正方向と負方向とに屈曲させることができる。
Next, a method of driving the optical scanning device will be described. When a voltage is applied to the first
上述した光走査装置1では、振動板5の屈曲に対して反射板9等の歪を低減することができる。これについて、比較例に係る光走査装置と比べて説明する。なお、説明の便宜上、実施の形態に係る光走査装置1と同一部材については同じ参照符号を付して説明する。
In the above-mentioned
図23および図24に示すように、比較例に係る光走査装置1では、振動板5aに、第1圧電素子13aと第2圧電素子21aとが、軸線C1に対して非対称に配置されている。また、振動板5bに、第1圧電素子13bと第2圧電素子21bとが、軸線C1に対して非対称に配置されている。
As shown in FIGS. 23 and 24, in the
第1圧電素子13a(13b)に電圧を印加している状態では、振動板5a(5b)は、支持体3からZ軸の正方向に向かって屈曲することになる(d31モード)。一方、第2圧電素子21a(21b)に電圧を印加している状態では、振動板5a(5b)は、支持体3からZ軸の負方向に向かって屈曲することになる(d33モード)。第1圧電素子13に印加する電圧と、第2圧電素子21に印加する電圧とを、交互に印加することで、振動板5は、Z軸の正方向と負方向とに屈曲する。
When a voltage is applied to the first
第1圧電素子13a(13b)と第2圧電素子21a(21b)とが、軸線C1に対して非対称に配置されているため、振動板5では、軸線C1に対してY軸正方向側およびY軸負方向側のいずれかに位置する振動板の部分が屈曲しようとする。このため、弾性体7と反射板9にはねじれが生じることになる。反射板9にねじれが生じることで、反射面11に歪みが生じ、所望の光走査を行うことができないことがある。
Since the first
比較例に対して実施の形態2に係る光走査装置1では、振動板5aに、第1圧電素子13a、第1圧電素子13bおよび第2圧電素子21aが、軸線C1に対して線対称に配置されている。また、振動板5bに、第1圧電素子13c、第1圧電素子13dおよび第2圧電素子21bが、軸線C1に対して線対称に配置されている。このため、振動板5a、5bの屈曲に対して、弾性体7と反射板9にねじれが生じることが抑えられて、反射面11が歪むのを低減することができる。
In the
なお、各実施の形態において説明した光走査装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。 The optical scanning devices described in each embodiment can be combined in various ways as needed.
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。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許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。 The embodiments disclosed this time are examples and are not limited thereto. The present invention is shown by the scope of claims, not the scope described above, and is intended to include all modifications in the sense and scope equivalent to the scope of claims.
本発明は、振動板を備えた光走査装置に有効に利用される。 The present invention is effectively used in an optical scanning device provided with a diaphragm.
1 光走査装置、3 支持体、5 振動板、5a 振動板、5aa 第1端部、5ab 第2端部、5b 振動板、5ba 第1端部、5bb 第2端部、7 弾性体、7a 弾性体、7b 弾性体、9 反射板、11 反射面、13 第1圧電素子、13a、13b 第1圧電素子、13c、13d 第1圧電素子、15 下部電極、17 圧電体、19 上部電極、21 第2圧電素子、21a、21b 第2圧電素子、21c、21d 第2圧電素子、23 第1電極、25 第2電極、27 圧電体、31 SOIウェハ、33 シリコン層、35 シリコン酸化膜、37 シリコン層、39、41 シリコン酸化膜、43 金属膜、45 圧電膜、47、49 金属膜、C1、C2 軸線。 1 Optical scanning device, 3 Support, 5 Vibrating plate, 5a Vibrating plate, 5aa 1st end, 5ab 2nd end, 5b Vibrating plate, 5ba 1st end, 5bb 2nd end, 7 Elastic body, 7a Elastic body, 7b Elastic body, 9 Reflector, 11 Reflective surface, 13 First piezoelectric element, 13a, 13b First piezoelectric element, 13c, 13d First piezoelectric element, 15 Lower electrode, 17 Piezoelectric, 19 Upper electrode, 21 2nd piezo element, 21a, 21b 2nd piezo element, 21c, 21d 2nd piezo element, 23 1st electrode, 25 2nd electrode, 27 piezoelectric body, 31 SOI wafer, 33 silicon layer, 35 silicon oxide film, 37 silicon Layers, 39, 41 silicon oxide film, 43 metal film, 45 piezoelectric film, 47, 49 metal film, C1, C2 axes.
Claims (7)
距離を隔てて位置する第1端部と第2端部とを有し、前記第1端部が前記支持体に支持された振動板と、
前記振動板に配置された、第1圧電素子および第2圧電素子と、
前記振動板の前記第2端部に弾性体を介在させて接続され、光を反射する反射面を有する反射板と
を備え、
前記第1圧電素子は、単極性の第1電圧を印加することで第1モードで駆動し、
前記第2圧電素子は、単極性の第2電圧を印加することで、前記第1モードとは異なる第2モードで駆動し、
前記第1モードはd 31 モードであり、
前記第2モードはd 33 モードであり、
前記第1電圧と前記第2電圧とを互いに位相をずらして印加することにより、前記第1圧電素子と前記第2圧電素子とを時間をずらして駆動させることで、前記振動板が屈曲して前記反射板が傾けられる、光走査装置。 With the support
A diaphragm having a first end portion and a second end portion located at a distance from each other and the first end portion being supported by the support body.
The first piezoelectric element and the second piezoelectric element arranged on the diaphragm,
It is provided with a reflector which is connected to the second end of the diaphragm with an elastic body interposed therebetween and has a reflecting surface for reflecting light.
The first piezoelectric element is driven in the first mode by applying a unipolar first voltage.
The second piezoelectric element is driven in a second mode different from the first mode by applying a unipolar second voltage.
The first mode is d 31 mode.
The second mode is the d 33 mode.
By applying the first voltage and the second voltage out of phase with each other, the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are driven with different times, so that the vibrating plate is bent. An optical scanning device in which the reflector is tilted.
前記第1圧電素子と前記第2圧電素子とは、前記第1方向に間隔を開けて配置された、請求項2記載の光走査装置。 Each of the first piezoelectric element and the second piezoelectric element extends in a second direction intersecting the first direction.
The optical scanning apparatus according to claim 2 , wherein the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are arranged at intervals in the first direction.
前記第1圧電素子は、前記第2圧電素子を挟んで、前記仮想線に対して線対称に配置された、請求項2記載の光走査装置。 The second piezoelectric element is arranged so as to straddle the virtual line.
The optical scanning apparatus according to claim 2 , wherein the first piezoelectric element is arranged line-symmetrically with respect to the virtual line with the second piezoelectric element interposed therebetween.
前記振動板に配置された第1圧電素子および第2圧電素子と
を有する光走査装置の駆動方法であって、
前記第1圧電素子に単極性の第1電圧を印加することにより、前記第1圧電素子を第1モードで駆動させ、
前記第2圧電素子に単極性の第2電圧を印加することにより、前記第2圧電素子を前記第1モードとは異なる第2モードで駆動させ、
前記第1モードはd 31 モードであり、
前記第2モードはd 33 モードであり、
前記第1圧電素子と前記第2圧電素子とを駆動させることで、前記振動板が屈曲して前記反射板が傾けられ、
前記第1電圧と前記第2電圧とを互いに位相をずらして印加することにより、前記第1圧電素子と前記第2圧電素子とを時間をずらして駆動させる、光走査装置の駆動方法。 It has a first end and a second end located at a distance, the first end is supported by a support, and the second end is connected to a reflector with an elastic body interposed therebetween. With the diaphragm,
A method for driving an optical scanning device having a first piezoelectric element and a second piezoelectric element arranged on the diaphragm.
By applying a unipolar first voltage to the first piezoelectric element, the first piezoelectric element is driven in the first mode.
By applying a unipolar second voltage to the second piezoelectric element, the second piezoelectric element is driven in a second mode different from the first mode.
The first mode is d 31 mode.
The second mode is the d 33 mode.
By driving the first piezoelectric element and the second piezoelectric element, the diaphragm is bent and the reflector is tilted.
A method for driving an optical scanning device, in which the first piezoelectric element and the second piezoelectric element are driven by shifting the phases of the first voltage and the second voltage.
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