JP6990960B2

JP6990960B2 - 2D optical deflector

Info

Publication number: JP6990960B2
Application number: JP2018021884A
Authority: JP
Inventors: 誠櫻井; 孝明小山; 友隆浅利
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2018-02-09
Filing date: 2018-02-09
Publication date: 2022-01-12
Anticipated expiration: 2038-02-09
Also published as: JP2019139057A

Description

本発明は２次元光偏向器に関する。 The present invention relates to a two-dimensional optical deflector.

２次元光偏向器は、光走査器として、ピコプロジェクタ、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、レーザレーダ、バーコードリーダ、エリアセンサ、ヘッドランプ等に適用され、半導体製造プロセス及びマイクロマシン技術を用いて製造されたマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造で構成されている。 The two-dimensional optical deflector is applied as an optical scanner to a pico projector, a head-mounted display (HMD), a head-up display (HUD), a laser radar, a barcode reader, an area sensor, a head lamp, etc. It consists of a microelectromechanical system (MEMS) structure manufactured using micromachine technology.

図９は従来の２次元光偏向器を示す斜視図である（参照：特許文献１の図５、特許文献２の図３）。図９において、１０は２次元光偏向器、２０は２次元光偏向器１０を制御するための制御ユニット、３０はレーザ光Ｌ１を発生するためのレーザ光源である。Ｌ２はレーザ光Ｌ１の２次元光偏向器１０からの反射光である。 FIG. 9 is a perspective view showing a conventional two-dimensional optical deflector (see: FIG. 5 of Patent Document 1 and FIG. 3 of Patent Document 2). In FIG. 9, 10 is a two-dimensional light deflector, 20 is a control unit for controlling the two-dimensional light deflector 10, and 30 is a laser light source for generating a laser beam L1. L2 is the reflected light from the two-dimensional light deflector 10 of the laser beam L1.

図９において、２次元光偏向器１０は円形または楕円形のミラー１の水平駆動系及び垂直駆動系よりなる。 In FIG. 9, the two-dimensional optical deflector 10 comprises a horizontal drive system and a vertical drive system of a circular or elliptical mirror 1.

水平駆動系は、ミラー１を囲む可動のインナフレーム２と、ミラー１とインナフレーム２との間に設けられ、ミラー１を水平走査軸（Ｙ軸）に沿って駆動するために、インナフレーム２の内側連結部２ａ、２ｂによって支持され、連結された２つの半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ（インナ圧電アクチュエータ）とによって構成されている。また、ミラー１と半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂとはＹ軸に沿ったトーションバー４ａ、４ｂによって連結され、さらに、半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂとインナフレーム２とはＹ軸に沿ったフィックス部５ａ、５ｂによって連結されている。 The horizontal drive system is provided between the movable inner frame 2 surrounding the mirror 1 and the mirror 1 and the inner frame 2, and is provided in order to drive the mirror 1 along the horizontal scanning axis (Y axis). It is composed of two semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b (inner piezoelectric actuators) supported and connected by the inner connecting portions 2a and 2b of the above. Further, the mirror 1 and the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b are connected by torsion bars 4a and 4b along the Y-axis, and the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b and the inner frame 2 are connected along the Y-axis. It is connected by the fixing portions 5a and 5b.

半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ間には圧電センサ６ａ、６ｂが設けられ、フィックス部５ａ、５ｂは、後述の図１０に示すごとく、圧電センサ６ａ、６ｂのセンサ信号線Ｌ_６ａ、Ｌ_６ｂを通過させるためのものである。尚、センサ信号線Ｌ_６ａ、Ｌ_６ｂは後述のミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）層とは図示しない絶縁層によって電気的に絶縁されている。これにより、圧電センサ６ａ、６ｂの電圧Ｖ_ｓａ、Ｖ_ｓｂと半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの電圧Ｖ_Ｙ1、Ｖ_Ｙ2とのクロストークを避けることができる。 Piezoelectric sensors 6a and 6b are provided between the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b, and the fixing portions 5a and 5b have sensor signal lines L _6a and L _6b of the piezoelectric sensors 6a and 6b as shown in FIG. 10 described later. It is for passing. The sensor signal lines L _6a and L _6b are electrically insulated from the lead zirconate titanate (PZT) layer of the meander-like piezoelectric actuators 8a and 8b described later by an insulating layer (not shown). As a result, crosstalk between the voltages V _sa and V _sb of the piezoelectric sensors 6a and 6b and the voltages V _Y1 and V _Y2 of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b can be avoided.

他方、ミラー１の垂直駆動系は、偏光器の基準面を構成する固定のアウタフレーム７と、ミラー１を垂直走査軸（Ｘ軸）に沿って駆動するためにアウタフレーム７の連結部７ａ、７ｂとインナフレーム２の外側連結部２ｃ、２ｄとの間に連結されたミアンダ状（蛇腹状）圧電アクチュエータ（アウタ圧電アクチュエータ）８ａ、８ｂとによって構成されている。ミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂはアウタフレーム７の連結部７ａ、７ｂとインナフレーム２の外側連結部２ｃ、２ｄとを結ぶＸ軸に対称に設けられているので、ミラー１のＸ軸からのずれを抑制できる。 On the other hand, the vertical drive system of the mirror 1 includes a fixed outer frame 7 that constitutes a reference plane of the splitter, and a connecting portion 7a of the outer frame 7 for driving the mirror 1 along the vertical scanning axis (X-axis). It is composed of meander-shaped (bellows-shaped) piezoelectric actuators (outer piezoelectric actuators) 8a and 8b connected between 7b and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2. Since the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b are provided symmetrically with respect to the X axis connecting the connecting portions 7a and 7b of the outer frame 7 and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2, the mirror 1 is displaced from the X axis. Can be suppressed.

半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂには、周波数ｆ_ｙの互いに逆位相の正弦波電圧Ｖ_ｙａ、Ｖ_ｙｂが電極パッドＰ_ｙａ、Ｐ_ｙｂを介して印加される。これにより、ミラー１はＹ軸回りに揺動する。このとき、制御ユニット２０は電極パッドＰ_ｓａ、Ｐ_ｓｂを介して得られる圧電センサ６ａ、６ｂのセンサ電圧Ｖ_ｓａ、Ｖ_ｓｂが最大となるように正弦波電圧Ｖ_ｙａ、Ｖ_ｙｂの周波数ｆ_ｙをフィードバック制御して共振周波数ｆ_ｙを実現する。 A sinusoidal voltage V _ya and V _yb having frequencies fy opposite to each other are applied to the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b _{via the electrode pads P ya} _and P _yb . As a result, the mirror 1 swings around the Y axis. At this time, the control unit 20 has a _sinusoidal voltage V _ya and a frequency f _y so that the sensor voltages V _sa and V _sb of the piezoelectric sensors 6a and 6b obtained via the electrode pads P _sa and P _sb are maximized. Is feedback-controlled to realize the resonance frequency _fy .

他方、ミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂには、非共振周波数ｆ_ｘの互いに逆位相の鋸歯波電圧Ｖ_ｘ１、Ｖ_ｘ２が電極パッドＰ_ｘ１ａ、Ｐ_ｘ２ａ；Ｐ_ｘ１ｂ、Ｐ_ｘ２ｂを介して印加される。具体的には、鋸歯波電圧Ｖ_ｘ１はミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂの奇数番目圧電カンチレバー８ａ－１、８ａ－３、８ａ－５；８ｂ－１、８ｂ－３、８ｂ－５に印加され、他方、鋸歯波電圧Ｖ_ｘ２はミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂの偶数番目圧電カンチレバー８ａ－２、８ａ－４；８ｂ－２、８ｂ－４に印加される。従って、たとえば、奇数番目圧電カンチレバー８ａ－１、８ａ－３、８ａ－５；８ｂ－１、８ｂ－３、８ｂ－５は下方向に屈曲し、偶数番目圧電カンチレバー８ａ－２、８ａ－４；８ｂ－２、８ｂ－４は上方向に屈曲する。この結果、ミラー１がＸ軸回りに揺動する。 On the other hand, to the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b, sawtooth wave voltages V _x1 and V _x2 having non-resonant frequencies _{fx opposite to each other are applied via the electrode pads P x1a} _and P _x2a ; P _x1b and P _x2b . .. Specifically, the sawtooth wave voltage V _x1 is applied to the odd-th piezoelectric cantilever 8a-1, 8a-3, 8a-5; 8b-1, 8b-3, 8b-5 of the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b. On the other hand, the sawtooth wave voltage V _x2 is applied to the even-order piezoelectric cantilever 8a-2, 8a-4; 8b-2, 8b-4 of the meander-shaped piezoelectric actuators 8a, 8b. Therefore, for example, the odd-numbered piezoelectric cantilever 8a-1, 8a-3, 8a-5; 8b-1, 8b-3, 8b-5 bends downward, and the even-numbered piezoelectric cantilever 8a-2, 8a-4; 8b-2 and 8b-4 bend upward. As a result, the mirror 1 swings around the X axis.

図９においては、ミラー１のＸ軸回りの揺動によるインナフレーム２の振動を抑制するために、インナフレーム２は上面視で矩形として面積を大きくして質量を大きくしてある。しかし、この場合、インナフレーム２の垂直走査軸（Ｘ軸）回りの慣性モーメントが大きくなり、ミラー１の垂直走査軸（Ｘ軸）回りの振れ角が小さくなる。このため、図１０に示すごとく、インナフレーム２は上面視で細くし、垂直走査軸（Ｘ軸）回りの慣性モーメントを小さくすることが提案されている（参照：特許文献３の図１）。この場合、インナフレーム２の幅は半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの幅より小さくたとえば１０００μｍで一様である。 In FIG. 9, in order to suppress the vibration of the inner frame 2 due to the vibration of the mirror 1 around the X axis, the inner frame 2 is formed as a rectangle in the top view to increase the area and increase the mass. However, in this case, the moment of inertia around the vertical scanning axis (X-axis) of the inner frame 2 becomes large, and the deflection angle around the vertical scanning axis (X-axis) of the mirror 1 becomes small. Therefore, as shown in FIG. 10, it has been proposed that the inner frame 2 be made thinner in a top view to reduce the moment of inertia about the vertical scanning axis (X-axis) (see FIG. 1 of Patent Document 3). In this case, the width of the inner frame 2 is smaller than the width of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b and is uniform, for example, 1000 μm.

特開２０１５－１８４５９２号公報JP-A-2015-184592A 特開２０１６－９０５０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-9050 特開２０１７－２０７６３０号公報JP-A-2017-207630

しかしながら、図１１の（Ａ）に示すごとく、ミラー１の振れ角αがトーションバー４ａの振れ角βを超えて共振によるΔβが上乗せされた振れ角領域に入ると、トーションバー４ａは半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの変形動作に対して位相遅れを伴いながらフィックス部５ａを介してインナフレーム２の振動γを誘発する。つまり、図１１の（Ｂ）に示すごとく、ミラー１の捩り応力Ｓ１は、半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの捩り応力Ｓ２、インナフレーム２の捩り応力Ｓ３として伝播する。 However, as shown in FIG. 11A, when the deflection angle α of the mirror 1 exceeds the deflection angle β of the torsion bar 4a and enters the deflection angle region to which Δβ due to resonance is added, the torsion bar 4a has a semi-ring shape. Vibration γ of the inner frame 2 is induced via the fixing portion 5a with a phase delay for the deformation operation of the piezoelectric actuators 3a and 3b. That is, as shown in FIG. 11B, the torsional stress S1 of the mirror 1 propagates as the torsional stress S2 of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b and the torsional stress S3 of the inner frame 2.

たとえば、トーションバー４ａ、４ｂの幅Ｗ１及びフィックス部５ａ、５ｂの幅Ｗ２を同一の１０００μｍとすると、図１２に示すごとく、トーションバー４ａ、４ｂの幅Ｗ１及びフィックス部５ａ、５ｂの幅Ｗ２が大きいためにフィックス部５ａ、５ｂからインナフレーム２に伝播される回転トルクは大きくなる。従って、インナフレーム２の振動と半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの振動とは位相遅れなく同相となり、ミラー１の振動もインナフレーム２に対して同相となる。この結果、ミラー１のアウタフレーム７に対する振れ角効率は小さくなるという課題がある。 For example, assuming that the width W1 of the torsion bars 4a and 4b and the width W2 of the fixing portions 5a and 5b are the same 1000 μm, the widths W1 of the torsion bars 4a and 4b and the width W2 of the fixing portions 5a and 5b are as shown in FIG. Since it is large, the rotational torque propagated from the fixing portions 5a and 5b to the inner frame 2 becomes large. Therefore, the vibration of the inner frame 2 and the vibration of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b are in phase without phase delay, and the vibration of the mirror 1 is also in phase with respect to the inner frame 2. As a result, there is a problem that the runout angle efficiency of the mirror 1 with respect to the outer frame 7 becomes small.

上述の課題を解決するために、本発明に係る２次元光偏向器は、ミラーと、ミラーを囲むインナフレームと、ミラーとインナフレームとの間に設けられ、ミラーを第１の軸に沿って駆動するためのインナアクチュエータと、ミラーとインナアクチュエータとを連結し第１の軸に沿って設けられたトーションバーと、インナアクチュエータとインナフレームとを連結し第１の軸に沿って設けられたフィックス部と、インナフレームを囲むアウタフレームと、アウタフレームの第２の軸に沿った連結部とインナフレームの第２の軸に沿った外側連結部とを連結してインナフレームを第２の軸に沿って駆動するためのアウタアクチュエータとを具備する２次元光偏向器において、トーションバーの幅及びフィックス部の幅は、２次元光偏向器が動作したときにミラーの振動とインナフレームの振動とがほぼ逆相となるように、定められたことを特徴とするものである。 In order to solve the above-mentioned problems, the two-dimensional optical deflector according to the present invention is provided between the mirror, the inner frame surrounding the mirror, and the mirror and the inner frame, and the mirror is placed along the first axis. An inner actuator for driving, a torsion bar that connects the mirror and the inner actuator and is provided along the first axis, and a fix that connects the inner actuator and the inner frame and is provided along the first axis. The inner frame becomes the second axis by connecting the portion, the outer frame surrounding the inner frame, the connecting portion along the second axis of the outer frame, and the outer connecting portion along the second axis of the inner frame. In a two-dimensional optical deflector provided with an outer actuator for driving along, the width of the torsion bar and the width of the fixed portion are such that the vibration of the mirror and the vibration of the inner frame when the two-dimensional optical deflector operates. It is characterized by being determined so that it is almost in the opposite phase.

本発明によれば、ミラーの振動とインナフレームの振動とがほぼ逆相となるので、ミラーの振れ角効率を大きくすることができる。 According to the present invention, the vibration of the mirror and the vibration of the inner frame have substantially opposite phases, so that the deflection angle efficiency of the mirror can be increased.

本発明に係る２次元光偏向器の実施の形態を示す部分上面図である。It is a partial top view which shows the embodiment of the 2D optical deflector which concerns on this invention. 図１の２次元光偏向器の動作を説明するための部分上面図である。It is a partial top view for demonstrating the operation of the 2D optical deflector of FIG. 図１の２次元光偏向器の動作を説明するための部分断面図である。It is a partial cross-sectional view for demonstrating the operation of the 2D optical deflector of FIG. 図１の２次元光偏向器の動作を示す表である。It is a table which shows the operation of the 2D optical deflector of FIG. Ｗ１’＝１３０μｍ、Ｗ２’＝１３０μｍの場合の図１の２次元光偏向器の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of the 2D optical deflector of FIG. 1 in the case of W1'= 130 μm and W2'= 130 μm. Ｗ１’＝１３０μｍ、Ｗ２’＝１５０μｍの場合の図１の２次元光偏向器の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of the 2D optical deflector of FIG. 1 in the case of W1'= 130 μm and W2'= 150 μm. Ｗ１’＝１０００μｍ、Ｗ２’＝１０００μｍの場合の図１の２次元光偏向器の動作を説明するためのタイミング図である。It is a timing diagram for demonstrating the operation of the 2D optical deflector of FIG. 1 in the case of W1'= 1000 μm and W2'= 1000 μm. 図１の２次元光偏向器の製造方法を説明するための断面図である。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the 2D optical deflector of FIG. 従来の２次元光偏向器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the conventional 2D optical deflector. 図９の改良例を示す部分上面図である。It is a partial top view which shows the improvement example of FIG. 課題を説明するための図１０のミラー、半リング状圧電アクチュエータ及びインナフレームを示す図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は部分上面図である。10 is a view showing a mirror, a semi-ring-shaped piezoelectric actuator, and an inner frame for explaining a problem, in which FIG. 10A is a cross-sectional view and FIG. 10B is a partial top view. 課題を説明するための図１０の部分断面図である。FIG. 10 is a partial cross-sectional view of FIG. 10 for explaining the problem.

図１は本発明に係る２次元光偏向器の実施の形態を示す部分上面図である。 FIG. 1 is a partial top view showing an embodiment of a two-dimensional optical deflector according to the present invention.

図１においては、図１０のトーションバー４ａ、４ｂの代りに、幅Ｗ１’（図２参照）を有するトーションバー４ａ’、４ｂ’を設け、また、図１０のフィックス部５ａ、５ｂの代りに幅Ｗ２’（図２参照）を有するフィックス部５ａ’、５ｂ’を設けてある。幅Ｗ１’、Ｗ２’は１０００μｍより十分小さい。従って、図２に示すごとく、ミラー１の捩り応力Ｓ１’は、幅Ｗ１’の小さいトーションバー４ａ’、４ｂ’により位相遅れで半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの捩り応力Ｓ２’として伝播し、さらに、幅Ｗ２’の小さいフィックス部５ａ’、５ｂ’により位相遅れでインナフレーム２の捩り応力Ｓ３’として伝播する。また、ミラー１、インナフレーム２、半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ、ミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂおよびアウタフレーム７等は、図１０の２次元光偏向器と同じである。すなわち、インナフレーム２は上面視で細い幅とし、垂直走査軸（Ｘ軸）回りの慣性モーメントを小さくするために、たとえば１０００μｍで一様の円環形状である。また、半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ（第１のインナアクチュエータ、第２のインナアクチュエータ）の間には、Ｙ軸を挟んで第１のセンサ６ａおよび第２のセンサ６ｂを設けている。 In FIG. 1, instead of the torsion bars 4a and 4b of FIG. 10, torsion bars 4a'and 4b' having a width W1'(see FIG. 2) are provided, and instead of the fixed portions 5a and 5b of FIG. Fix portions 5a'and 5b' having a width W2'(see FIG. 2) are provided. The widths W1'and W2' are sufficiently smaller than 1000 μm. Therefore, as shown in FIG. 2, the torsional stress S1'of the mirror 1 propagates as the torsional stress S2'of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b with a phase delay due to the torsion bars 4a'and 4b' having a small width W1'. Further, it propagates as a torsional stress S3'of the inner frame 2 with a phase delay due to the small fixing portions 5a' and 5b'with a width W2'. Further, the mirror 1, the inner frame 2, the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b, the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b, the outer frame 7 and the like are the same as those of the two-dimensional optical deflector of FIG. That is, the inner frame 2 has a narrow width when viewed from above, and has a uniform annulus shape, for example, 1000 μm in order to reduce the moment of inertia around the vertical scanning axis (X axis). Further, a first sensor 6a and a second sensor 6b are provided between the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b (first inner actuator and second inner actuator) with a Y-axis interposed therebetween.

たとえば、トーションバー４ａ’、４ｂ’の幅Ｗ１’を１３０μｍとし、フィックス部５ａ’、５ｂ’の幅Ｗ２’を１３０～３００μｍとすると、図３に示すごとく、トーションバー４ａ’、４ｂ’の幅Ｗ１’及びフィックス部５ａ’、５ｂ’の幅Ｗ２’が小さいためにインナフレーム２に伝播される回転トルクは小さくなる。従って、インナフレーム２の振動と半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの振動とは位相遅れして逆相とすることができ、この場合、ミラー１の振動もインナフレーム２に対して逆相となる。この結果、ミラー１のアウタフレーム７に対する振れ角効率は大きくなる。 For example, assuming that the width W1'of the torsion bars 4a' and 4b'is 130 μm and the width W2'of the fixing portions 5a' and 5b' is 130 to 300 μm, the widths of the torsion bars 4a' and 4b' are as shown in FIG. Since the width W2'of W1'and the fixing portions 5a' and 5b'is small, the rotational torque propagated to the inner frame 2 becomes small. Therefore, the vibration of the inner frame 2 and the vibration of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b can be out of phase with each other, and in this case, the vibration of the mirror 1 is also out of phase with respect to the inner frame 2. .. As a result, the runout angle efficiency of the mirror 1 with respect to the outer frame 7 is increased.

図４はトーションバー４ａ’、４ｂ’の幅Ｗ１’（μｍ）、フィックス部５ａ’、５ｂ’の幅Ｗ２’（μｍ）とアウタフレーム７に対するミラー１の振れ角（ｄｅｇ／Ｖ）との関係を示す表である。 FIG. 4 shows the relationship between the width W1'(μm) of the torsion bars 4a' and 4b', the width W2'(μm) of the fixing portions 5a' and 5b', and the deflection angle (deg / V) of the mirror 1 with respect to the outer frame 7. It is a table showing.

図４に示すように、トーションバー４ａ’、４ｂ’の幅Ｗ１’が約１３０μｍのときには、フィックス部５ａ’、５ｂ’の幅Ｗ２’が約１３０～３００μｍのときに、アウタフレーム７に対するミラー１の振れ角は０．６４～０．６５４と大きくなる。これは後述の図５、図６に示すごとく、ミラー１の振動とインナフレーム２の振動とがほぼ逆位相となるためである（図３参照）。また、図４に示すように、トーションバー４ａ’、４ｂ’の幅Ｗ１’が約１３０μｍのときでも、フィックス部５ａ’、５ｂ’の幅Ｗ２’が約７０μｍとなると、アウタフレーム７に対するミラー１の振れ角はやや小さくなる。従って、フィックス部５ａ’、５ｂ’の幅は、少なくとも５０μｍ以上とすることが好ましい。これはミラー１の振動とインナフレーム２の振動との逆相が少し崩れるためである。また、この場合に、フィックス部５ａ’、５ｂ’の幅Ｗ２’が約７０μｍになると、フィックス部５ａ’、５ｂ’が破損し易くなる。他方、図４に示すように、トーションバー４ａ’、４ｂ’の幅Ｗ１’が共に１０００μｍのときには、つまり、図１１のＷ１＝Ｗ２＝１０００μｍのときには、アウタフレーム７に対するミラー１の振れ角は０．４１２と小さくなる。これは後述の図７に示すごとく、ミラー１の振動とインナフレーム２の振動とが同相となるためである（図１２参照）。 As shown in FIG. 4, when the width W1'of the torsion bars 4a' and 4b' is about 130 μm, the mirror 1 with respect to the outer frame 7 is when the width W2'of the fixed portions 5a' and 5b' is about 130 to 300 μm. The runout angle is as large as 0.64 to 0.654. This is because, as shown in FIGS. 5 and 6 described later, the vibration of the mirror 1 and the vibration of the inner frame 2 have substantially opposite phases (see FIG. 3). Further, as shown in FIG. 4, even when the width W1'of the torsion bars 4a' and 4b'is about 130 μm, when the width W2'of the fixed portions 5a' and 5b'is about 70 μm, the mirror 1 with respect to the outer frame 7 The deflection angle of is slightly smaller. Therefore, the width of the fixing portions 5a ′ and 5b ′ is preferably at least 50 μm or more. This is because the reverse phase of the vibration of the mirror 1 and the vibration of the inner frame 2 collapses a little. Further, in this case, when the width W2'of the fixed portions 5a' and 5b'is about 70 μm, the fixed portions 5a' and 5b' are likely to be damaged. On the other hand, as shown in FIG. 4, when the widths W1'of the torsion bars 4a' and 4b' are both 1000 μm, that is, when W1 = W2 = 1000 μm in FIG. 11, the deflection angle of the mirror 1 with respect to the outer frame 7 is 0. It becomes as small as .412. This is because the vibration of the mirror 1 and the vibration of the inner frame 2 are in phase with each other as shown in FIG. 7 described later (see FIG. 12).

トーションバー４ａ’、４ｂ’の幅Ｗ１’が１３０μｍかつフィックス部５ａ’、５ｂ’の幅Ｗ２’が１３０μｍの場合について図５を参照して説明する。 A case where the width W1'of the torsion bars 4a' and 4b'is 130 μm and the width W2'of the fixed portions 5a' and 5b' is 130 μm will be described with reference to FIG.

図５の（Ａ）に示すごとく、アウタフレーム７に対する半リング状ＰＺＴアクチュエータ３ａ、３ｂの振れ角が変化すると、ミラー１のアウタフレーム７に対する振れ角が図５の（Ｂ）に示すごとく同相で変化する。このとき、インナフレーム２のミラー１に対する振れ角は図５の（Ｂ）に示すごとく逆相で変化する。この結果、ミラー１の振れ角とインナフレーム２の振れ角とが逆相で変化する。 As shown in FIG. 5A, when the deflection angle of the semi-ring PZT actuators 3a and 3b with respect to the outer frame 7 changes, the deflection angle of the mirror 1 with respect to the outer frame 7 becomes in phase as shown in FIG. 5B. Change. At this time, the deflection angle of the inner frame 2 with respect to the mirror 1 changes in the opposite phase as shown in FIG. 5 (B). As a result, the runout angle of the mirror 1 and the runout angle of the inner frame 2 change in opposite phases.

トーションバー４ａ’、４ｂ’の幅Ｗ１’が１３０μｍかつフィックス部５ａ’、５ｂ’の幅Ｗ２’が３００μｍの場合について図６を参照して説明する。なお、図６において振動の波形は、簡素化して示している。 A case where the width W1'of the torsion bars 4a' and 4b'is 130 μm and the width W2'of the fixed portions 5a' and 5b' is 300 μm will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the vibration waveform is shown in a simplified manner.

図６の（Ａ）に示すごとく、アウタフレーム７に対する半リング状ＰＺＴアクチュエータ３ａ、３ｂの振れ角が変化すると、ミラー１のアウタフレーム７に対する振れ角が図６の（Ｂ）に示すごとく逆相で変化する。このとき、インナフレーム２のミラー１に対する振れ角は図６の（Ｂ）に示すごとく同相で変化する。この結果、ミラー１の振れ角とインナフレーム２の振れ角とが逆相で変化する。 As shown in FIG. 6A, when the deflection angle of the semi-ring PZT actuators 3a and 3b with respect to the outer frame 7 changes, the deflection angle of the mirror 1 with respect to the outer frame 7 has the opposite phase as shown in FIG. 6B. It changes with. At this time, the deflection angle of the inner frame 2 with respect to the mirror 1 changes in phase as shown in FIG. 6B. As a result, the runout angle of the mirror 1 and the runout angle of the inner frame 2 change in opposite phases.

トーションバー４ａ’、４ｂ’の幅Ｗ１’が１０００μｍかつフィックス部５ａ’、５ｂ’の幅Ｗ２’が１０００μｍの場合について図７を参照して説明する。 A case where the width W1'of the torsion bars 4a' and 4b'is 1000 μm and the width W2'of the fixed portions 5a' and 5b' is 1000 μm will be described with reference to FIG. 7.

図７の（Ａ）に示すごとく、アウタフレーム７に対する半リング状ＰＺＴアクチュエータ３ａ、３ｂの振れ角が変化すると、ミラー１のアウタフレーム７に対する振れ角が図７の（Ｂ）に示すごとく同相で変化する。このとき、インナフレーム２のミラー１に対する振れ角も図７の（Ｂ）に示すごとく同相で変化する。この結果、ミラー１の振れ角とインナフレーム２の振れ角とが同相で変化する。 As shown in FIG. 7A, when the deflection angle of the semi-ring PZT actuators 3a and 3b with respect to the outer frame 7 changes, the deflection angle of the mirror 1 with respect to the outer frame 7 becomes in phase as shown in FIG. 7B. Change. At this time, the deflection angle of the inner frame 2 with respect to the mirror 1 also changes in phase as shown in FIG. 7 (B). As a result, the runout angle of the mirror 1 and the runout angle of the inner frame 2 change in phase.

図１の光偏向器１０の製造方法を図８を参照して説明する。 The manufacturing method of the optical deflector 10 of FIG. 1 will be described with reference to FIG.

始めに、単結晶シリコンサポート層（ハンドル層ともいう）８０１、酸化シリコン中間層（埋込層、ボックス層ともいう）８０２及び単結晶シリコン活性層（デバイス層ともいう）８０３よりなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ－Ｏｎ－Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を準備する。次いで、単結晶シリコンサポート層８０１及び単結晶シリコン活性層８０３を熱酸化して酸化シリコン層８０４及び酸化シリコン層８０５を形成する。 First, SOI (Silicon-) consisting of a single crystal silicon support layer (also referred to as a handle layer) 801 and a silicon oxide intermediate layer (also referred to as an embedded layer or a box layer) 802 and a single crystal silicon active layer (also referred to as a device layer) 803. On-Insulator) Prepare the structure. Next, the single crystal silicon support layer 801 and the single crystal silicon active layer 803 are thermally oxidized to form the silicon oxide layer 804 and the silicon oxide layer 805.

次に、酸化シリコン層８０５上に、インナフレーム２、圧電カンチレバー８ａ－１、８ａ－２、８ａ－３、８ａ－４、８ａ－５；８ｂ－１、８ｂ－２、８ｂ－３、８ｂ－４、８ｂ－５を形成する。すなわち、スパッタリング法による約５０ｎｍのＴｉ及びその上の約１５０ｎｍのＰｔよりなるＴｉ／Ｐｔ下部電極層８０６、アーク放電反応性イオンプレーティング（ＡＤＲＩＰ）法による約３μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）層８０７、及びスパッタリング法による約１５０ｎｍのＴｉ上部電極層８０８を形成する。 Next, on the silicon oxide layer 805, the inner frame 2, the piezoelectric cantilever 8a-1, 8a-2, 8a-3, 8a-4, 8a-5; 8b-1, 8b-2, 8b-3, 8b- Form 4, 8b-5. That is, a Ti / Pt lower electrode layer 806 composed of Ti of about 50 nm by the sputtering method and Pt of about 150 nm above it, and lead zirconate titanate (PZT) of about 3 μm by the arc discharge reactive ion plating (ADRIP) method. A layer 807 and a Ti upper electrode layer 808 having a diameter of about 150 nm are formed by a sputtering method.

次に、上部電極層８０８、ＰＺＴ層８０７をフォトリソグラフィ及びエッチング法によってパターン化し、次いで、下部電極層８０６及び酸化シリコン層８０５をフォトリソグラフィ及びエッチング法によってパターン化する。 Next, the upper electrode layer 808 and the PZT layer 807 are patterned by photolithography and etching methods, and then the lower electrode layer 806 and the silicon oxide layer 805 are patterned by photolithography and etching methods.

次に、プラズマ化学的気相析出（ＰＣＶＤ）法により約５００ｎｍの層間酸化シリコン層８０９を形成する。次いで、層間酸化シリコン層８０９のうち偶数番目圧電カンチレバー８ａ－２、８ａ－４；８ｂ－２、８ｂ－４の領域をフォトリソグラフィ及びドライエッチング法により除去し、当該領域にＰＣＶＤ法により約５００ｎｍの層間窒化シリコン層（図示せず）を形成する。 Next, an interlayer silicon oxide layer 809 having a diameter of about 500 nm is formed by a plasma chemical vapor phase precipitation (PCVD) method. Next, the even-numbered piezoelectric cantilever 8a-2, 8a-4; 8b-2, 8b-4 region of the interlayer silicon oxide layer 809 was removed by photolithography and dry etching, and the region was about 500 nm by the PCVD method. An interlayer silicon nitride layer (not shown) is formed.

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法により層間酸化シリコン層８０９にコンタクトホールを開孔する。このコンタクトホールはインナ圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ、圧電センサ６ａ、６ｂ、圧電カンチレバー８ａ－１、８ａ－３、８ａ－５；８ｂ－１、８ｂ－３、８ｂ－５及び電極パッドＰ（Ｐ_ｘ１ａ、…）に相当する。 Next, a contact hole is opened in the interlayer silicon oxide layer 809 by a photolithography and a dry etching method. This contact hole includes inner piezoelectric actuators 3a and 3b, piezoelectric sensors 6a and 6b, piezoelectric cantilever 8a-1, 8a-3, 8a-5; 8b-1, 8b-3, 8b-5 and electrode pads P (P _x1a , ...) is equivalent.

次に、フォトリソグラフィ、スパッタリング及びソフトオフ法によりＡｌＣｕ（１％Ｃｕ）よりなる配線層８１０を形成する。配線層８１０はインナ圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ、圧電センサ６ａ、６ｂ及び圧電カンチレバー８ａ－１、８ａ－３、８ａ－５；８ｂ－１、８ｂ－３、８ｂ－５の上部電極層８０８並びにこれらの電極パッドＰ（Ｐ_ｘ１ａ、…）間を電気的に接続する。 Next, a wiring layer 810 made of AlCu (1% Cu) is formed by photolithography, sputtering and a soft-off method. The wiring layer 810 includes inner piezoelectric actuators 3a and 3b, piezoelectric sensors 6a and 6b, and piezoelectric cantilever 8a-1, 8a-3, 8a-5; 8b-1, 8b-3, 8b-5 upper electrode layers 808 and these. Electrically connect the electrode pads P (P _x1a , ...).

同様に、層間窒化シリコン層にコンタクトホールを開孔し、配線層を形成し、圧電カンチレバー８ａ－２、８ａ－４；８ｂ－２、８ｂ－４と電極パッドとの間を電気的に接続する。 Similarly, a contact hole is opened in the interlayer silicon nitride layer to form a wiring layer, and the piezoelectric cantilever 8a-2, 8a-4; 8b-2, 8b-4 and the electrode pad are electrically connected. ..

次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法により酸化シリコン層８０４をエッチングし、インナフレーム２、アウタフレーム７及びミラー１の補強リブ１ａの領域のみに酸化シリコン層８０４を残す。 Next, the silicon oxide layer 804 is etched by a photolithography and dry etching method, and the silicon oxide layer 804 is left only in the region of the inner frame 2, the outer frame 7, and the reinforcing rib 1a of the mirror 1.

次に、酸化シリコン層８０４をエッチングマスクとしてドライエッチング法により単結晶シリコンサポート層８０１をエッチングする。次いで、単結晶シリコンサポート層８０１をエッチングマスクとしてウェットエッチング法により酸化シリコン層８０２をエッチングする。 Next, the single crystal silicon support layer 801 is etched by a dry etching method using the silicon oxide layer 804 as an etching mask. Next, the silicon oxide layer 802 is etched by a wet etching method using the single crystal silicon support layer 801 as an etching mask.

最後に、蒸着法によりＡｌ反射層８１１を単結晶シリコン活性層８０３上に形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりＡｌ反射層８１１をパターン化し、これにより、２次元光偏向器１０は完成する。この場合、内側連結部２ａ、２ｂ、外側連結部２ｃ、２ｄ、トーションバー４ａ’、４ｂ’、フィックス部５ａ’、５ｂ’及び連結部７ａ、７ｂは単結晶シリコン活性層８０３よりなる。 Finally, the Al reflective layer 811 is formed on the single crystal silicon active layer 803 by the vapor deposition method, and the Al reflective layer 811 is patterned by the photolithography and etching methods, whereby the two-dimensional optical deflector 10 is completed. In this case, the inner connecting portions 2a and 2b, the outer connecting portions 2c and 2d, the torsion bars 4a'4b', the fixing portions 5a' and 5b', and the connecting portions 7a and 7b are made of a single crystal silicon active layer 803.

尚、上述の実施形態において、半リング状圧電アクチュエータ３ａ，３ｂの形状は、円形状のミラー１の外縁に相似する半円形からフィックス部５ａ，５ｂと上辺および下辺にて接続し、内側連結部２ａ、２ｂと左辺および右辺にて接続する八角形に近似する形状としている。これにより、インナ圧電アクチュエータを円形状とした場合に比べて長く形成することができるので、ミラー１の振り角を大きくすることができるからである。また、インナフレーム２の幅は、剛性が確保できる範囲で半リング状圧電アクチュエータ３ａ，３ｂの幅よりも細くする。細幅とすることでＸ軸を中心として揺動する際に可動部の大きさを小さく（軽量化）することができる。 In the above-described embodiment, the shapes of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b are connected from the semicircular shape similar to the outer edge of the circular mirror 1 to the fixing portions 5a and 5b at the upper and lower sides, and the inner connecting portion. The shape is similar to an octagon that connects 2a and 2b on the left and right sides. This is because the inner piezoelectric actuator can be formed longer than the case where the inner piezoelectric actuator has a circular shape, so that the swing angle of the mirror 1 can be increased. Further, the width of the inner frame 2 is made narrower than the width of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b within a range in which rigidity can be ensured. By making the width narrow, the size of the movable portion can be reduced (lightened) when swinging around the X axis.

また、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更に適用し得る。 The invention may also be applied to any modification of the obvious scope of the embodiments described above.

１０：２次元光偏向器
２０：制御ユニット
３０：レーザ光源
１：ミラー
１ａ：補強リブ
２：インナフレーム
２ａ、２ｂ：内側連結部
２ｃ、２ｄ：外側連結部
３ａ、３ｂ：半リング状圧電アクチュエータ（インナ圧電アクチュエータ）
４ａ、４ｂ；４ａ’、４ｂ’：トーションバー
５ａ、５ｂ；５ａ’、５ｂ’：フィックス部
６ａ、６ｂ：圧電センサ
７：アウタフレーム
７ａ、７ｂ：連結部
８ａ、８ｂ：ミアンダ状圧電アクチュエータ（アウタ圧電アクチュエータ）
Ｐ_ｘ１ａ、Ｐ_ｘ２ａ、Ｐ_ｘ１ｂ、Ｐ_ｘ２ｂ、Ｐ_ｓａ、Ｐ_ｓｂ：電極パッド
10: Two-dimensional optical deflector 20: Control unit 30: Laser light source 1: Mirror 1a: Reinforcing rib 2: Inner frame 2a, 2b: Inner connecting portion 2c, 2d: Outer connecting portion 3a, 3b: Semi-ring-shaped piezoelectric actuator ( Inner Piezoelectric Actuator)
4a, 4b; 4a', 4b': torsion bar 5a, 5b; 5a', 5b': fix part 6a, 6b: piezoelectric sensor 7: outer frame 7a, 7b: connecting part 8a, 8b: meander-shaped piezoelectric actuator (outer) Piezoelectric actuator)
P _x1a , P _x2a , P _x1b , P _x2b , P _sa , P _sb : Electrode pad

Claims

With a mirror
The inner frame surrounding the mirror and
An inner actuator provided between the mirror and the inner frame for driving the mirror along the first axis,
A torsion bar provided along the first axis by connecting the mirror and the inner actuator, and
A fixing portion provided along the first axis by connecting the inner actuator and the inner frame, and
The outer frame that surrounds the inner frame and
To connect the connecting portion along the second axis of the outer frame and the outer connecting portion along the second axis of the inner frame to drive the inner frame along the second axis. In a two-dimensional optical deflector equipped with an outer actuator,
The width of the torsion bar and the width of the fixing portion are characterized in that the vibration of the mirror and the vibration of the inner frame are set to be substantially opposite to each other when the two-dimensional optical deflector is operated. Two-dimensional optical deflector.

The two-dimensional optical deflector according to claim 1, wherein the width of the fixing portion is larger than the width of the torsion bar.

The two-dimensional optical deflector according to claim 1, wherein the torsion bar has a width of about 130 μm and the fixed portion has a width of about 130 to 300 μm.

Further, a piezoelectric sensor provided in the vicinity of the fixed portion of the inner actuator is provided.
The two-dimensional optical deflector according to any one of claims 1 to 3, wherein the signal line of the piezoelectric sensor is provided on the fixed portion.

The inner actuator comprises two connected semi-ringed piezoelectric actuators.
The two-dimensional optical deflector according to any one of claims 1 to 4, wherein the outer actuator includes a meander-shaped piezoelectric actuator.

With a mirror
The inner frame surrounding the mirror and
An inner actuator provided between the mirror and the inner frame for driving the mirror along the first axis,
A torsion bar provided along the first axis by connecting the mirror and the inner actuator, and
A fixing portion provided along the first axis by connecting the inner actuator and the inner frame, and
The outer frame that surrounds the inner frame and
To connect the connecting portion along the second axis of the outer frame and the outer connecting portion along the second axis of the inner frame to drive the inner frame along the second axis. A two-dimensional optical deflector with an outer actuator,
A control unit for controlling the two-dimensional optical deflector is provided .
The inner actuator includes a first inner actuator and a first sensor provided on one side of the torsion bar, and a second inner actuator and a second sensor provided on the other side.
The control unit applies drive signals of opposite phases to the first inner actuator and the second inner actuator, and receives sensor signals from the first sensor and the second sensor to perform feedback control. Carry out,
The width of the torsion bar is about 130 μm, and the width of the fixed portion is about 130 to 300 μm .
A two-dimensional optical deflector in which the vibration of the mirror and the vibration of the inner frame are substantially opposite in phase when the two-dimensional optical deflector operates.

The two-dimensional optical deflection device according to claim 6 , wherein the width of the inner frame is smaller than the width of the inner actuator.