JP4092283B2 - ２次元光スキャナ及び光学装置 - Google Patents

Description

本発明は、光センサやレーザ応用機器などの光走査に用いられる小型で高速に動作する２次元的に光走査可能な２次元光スキャナに関し、特にマイクロマシニングプロセスで一体形成した圧電駆動マイクロ光スキャナに関するものである。

現在、レーザー光等の光ビームを偏向・走査する装置（光スキャナ）は、バーコードリーダー、レーザープリンタ等の光学機器に用いられている。従来、このような光スキャナとしては、多角柱ミラーをモータで回転させて反射光を走査するポリゴンミラーや、平面ミラーを電磁アクチュエータによって回転振動させるガルバノミラーなどがある。このようなモータや電磁アクチュエータで駆動するような機械的構造では、小型化や高速化には限度がある。

また、各部品を組上げるにはある程度のスペースが必要であり、光スキャナを用いた装置全体のサイズが大型化するという問題があった。さらに、２次元的に光を走査させる場合、一般的にポリゴンミラー及びガルバノミラーを２つ組合せたものが用いられるが、正確な２次元光走査を行うためには、それぞれのミラーによる走査方向が互いに直交するように正確に位置決めをして配置する必要があり、光学調整が非常に煩雑であるという問題もあった。

一方、半導体製造技術を応用してシリコンやガラスを微細加工するマイクロマシニング技術を用いて、半導体基板上にミラーや弾性梁等の機構部品を一体形成したマイクロ光スキャナも開発されてきている（例えば、特許文献１、特許文献２参照。）。

図８はこのような光スキャナの一例を示す斜視図である。シリコン基板１０２の上下に上側ガラス基板１０３と下側ガラス基板１０４とが陽極接合された構造になっており、両ガラス基板１０３、１０４の中央には方形状の凹部１０３Ａ、１０４Ａが例えば超音波加工によって形成され、可動ミラー部１０５Ｂの揺動空間を確保している。

また、シリコン基板１０２には、枠状に形成されたフレーム１０５Ａと、このフレーム１０５Ａの内側に軸支されるミラー部１０５Ｂとからなる可動板１０５が形成されている。フレーム１０５Ａは、トーションバー１０６Ａによってシリコン基板１０２に弾性的に支持されている。ミラー部１０５Ｂは、上記トーションバー１０６Ａと軸方向が直交する第２のトーションバー１０６Ｂによってフレーム１０５Ａに弾性的に支持されている。これらのフレーム１０５Ａ、ミラー部１０５Ｂ、及びトーションバー１０６Ａ、１０６Ｂは、シリコン基板１０２のエッチングにより−体的に形成されている。

フレーム１０５Ａ上には絶縁膜を介して平面コイル１０７Ａが形成されており、その両端はシリコン基板１０２の外枠上に設けた電極パッド１０９Ａに電気的に接続されている。同様に、ミラー部１０５Ｂ上にも平面コイル１０７Ｂが反射膜１０８を囲むように形成され、シリコン基板１０２の外枠に設けた電極パッド１０９Ｂに接続されている。上側ガラス基板１０３と下側ガラス基板１０４には、２個ずつ対の永久磁石１１０Ａ〜１１３Ａと１１０Ｂ〜１１３Ｂが図示のように配置されている。

すなわち、永久磁石１１０Ａと１１１Ａの対と、永久磁石１１０Ｂと１１１Ｂの対とによって、フレーム１０５Ａを駆動するための磁界を発生させる。また、永久磁石１１２Ａと１１３Ａの対と、永久磁石１１２Ｂと１１３Ｂとの対によって、フレームの内側のミラー部１０５Ｂを駆動するための磁界を発生させる。

上記の構成で、平面コイル１０７Ａに電流を流すと、先の永久磁石が発生する磁界と作用して、トーションバー１０６Ａを支点としてフレーム１０５Ａが電流方向に応じて回動する。その際、内側のミラー部１０５Ｂもフレーム１０５Ａと一体に回動する。一方、平面コイル１０７Ｂに電流を流すと、トーションバー１０６Ｂを支点としてミラー部１０５Ｂのみが回動する。したがって、２つの平面コイル１０７Ａ、１０７Ｂに同時に電流を流すことにより、ミラー部１０５Ｂを２次元的に回動させることができる。すなわち、レーザー光を２次元的に走査することができる。

図９は上述の光スキャナの他の例を示す斜視図である。この光スキャナは、振動子２０２と圧電素子等の微小振動を発生する小型の駆動源２０６とから構成されている。振動子２０２は、曲げモードθ_Ｂとねじれ変形モードθ_Ｔの２つの弾性変形モードを有する弾性変形部２０３の一端に振動入力部２０４が設けられ、他端にミラー支持部２０８とミラー部２０７とからなるスキャン部２０５が設けられている。

上記の構成では、振動源２０６からの振動によって、弾性変形部２０３が曲げ振動とねじれ振動を起こす。弾性変形部２０３は曲げとねじれのそれぞれに固有の共振振動モードを持っているので、これら２つの共振周波数と等しい周波数の振動を振動源２０６で発生させることにより、振動入力部２０４を通して弾性変形部２０３が上記共振周波数で共振し、スキャン部２０５を曲げ方向（θ_Ｂ）及びねじれ方向（θ_Ｔ）に回動する。これにより、ミラー部２０７に光を照射すると反射光が２次元的に走査される。
特開平０７−１７５００５号公報 特開平０７−１８１４１４号公報

しかしながら、上記のような従来の光スキャナにあっては、小型で２次元走査が可能であるが、それぞれ次のような問題点を抱えている。

図８に示す光スキャナにおいては、光走査の振れ角を大きくしようとすると、上下のガラス基板１０３、１０４とミラー部１０５Ｂの距離を大きくする必要がある。その結果として、永久磁石１１０Ａ、１１０Ｂ；１１１Ａ、１１１Ｂ；１１２Ａ、１１２Ｂ；１１３Ａ、１１３Ｂ各々の間の距離が大きくなり、平面コイル１０７Ａ、１０７Ｂにおける永久磁石の磁界が弱くなる。そのため、フレーム部１０５Ａ及びミラー部１０５Ｂの駆動のためには平面コイル１０７Ａ、１０７Ｂにより大きな電流を流す必要が生じ、偏向角が大きい省電力の光スキャナを構成することができない。また、原理的に永久磁石をミラー部の外側に配置しなければならないのと、ミラー部１０５Ｂの内側に平面コイル１０７Ｂを設けなければならないので、素子全体の外形寸法がどうしても大きくなる。

図９に示す光スキャナにおいては、弾性変形部２０３の曲げモードとねじれモードを同時に励震させることによって２次元光走査を得ているが、曲げモードについてはトーションバー軸を中心とした回動ではないために、ミラー部２０７の中心が常に一定の位置を保持することができず、光走査の精度をあまり高くできない。また、共振周波数以外で駆動を行って光走査することができないため、走査周波数や走査波形が制限されてしまう。さらに、１本の弾性変形部２０３において曲げ振動とねじれ振動を担うために、機械的な応力が弾性変形部２０３に集中して破損しやすいという問題がある。また、振動子２０２と駆動源２０６とを接着して光スキャナを作製するので、マイクロマシニングプロセスで作製した素子に比べると外形寸法が大きくなる。

本発明は、上記のような問題点に鑑みなされたもので、マイクロマシニングプロセスによって一体形成可能であるとともに、小型で２次元走査可能な光スキャナ及び該光スキャナを用いて構成した光学装置を提供することを目的としている。

上記目的を達成するための手段として、本発明の光スキャナは、空洞部を持つ支持体の内側に、反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲み第１のトーションバーを介して該ミラー部を支持する内部可動枠を備えるとともに、前記第１のトーションバーと軸方向が直交する第２のトーションバーを介して前記内部可動枠を前記支持体に軸支し、かつ、一端が前記支持体に保持され他端が前記第２のトーションバーと平行に延びる先端駆動部を介して前記内部可動枠に接続された第２の圧電ユニモルフ振動板と、一端が前記内部可動枠に保持され他端が前記第１のトーションバーと平行に延びる先端駆動部を介して前記ミラー部に接続された第１の圧電ユニモルフ振動板とを備え、前記圧電ユニモルフ振動板は、第１及び第２のトーションバーを挟んで対称に配置した１対あるいは２対の振動板から構成され、各々の振動板に対して位相が統一されていない交流電圧を印加することによって前記内部可動枠及びミラー部に回転トルクを作用させることにより、前記第１及び第２のトーションバーを２軸としてミラー部を回動させて、該ミラー部の反射面に入射する光の反射光を２次元的に走査することを特徴とするものである。

また、本発明の光スキャナは、空洞部を持つ支持体の内側に、反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲み第１のトーションバーを介して該ミラー部を支持する内部可動枠を備えるとともに、前記第１のトーションバーと軸方向が直交する第２のトーションバーを介して前記内部可動枠を前記支持体に軸支し、かつ、一端が前記支持体に保持され他端が前記第２のトーションバーと平行に延びる先端駆動部と前記第２のトーションバーに直交する方向に延びる動力板を介して前記第２のトーションバーに接続された第２の圧電ユニモルフ振動板と、一端が前記内部可動枠に保持され他端が前記第１のトーションバーと平行に延びる先端駆動部と前記第１のトーションバーに直交する方向に延びる動力板を介して前記第１のトーションバーに接続された第１の圧電ユニモルフ振動板とを備え、前記圧電ユニモルフ振動板は、第１及び第２のトーションバーを挟んで対称に配置した１対あるいは２対の振動板から構成され、各々の振動板に対して位相が統一されていない交流電圧を印加することによって前記内部可動枠及びミラー部に回転トルクを作用させることにより、前記第１及び第２のトーションバーを２軸としてミラー部を回動させて、該ミラー部の反射面に入射する光の反射光を２次元的に走査することを特徴とするものである。

また、本発明の光学装置は、上記の光スキャナを備えるようにしたものである。

本発明によれば、マイクロマシニングプロセスによって一体形成可能であるとともに、小型で２次元走査可能な光スキャナ及び該光スキャナを用いて構成した光学装置を実現することができる。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明に係る２次元光スキャナ（光偏向器）の構成を示す平面図、図２及び図３はその側断面図であり、図２は図１におけるＡ−Ａ′線断面、図３は同図におけるＢ−Ｂ′線断面を示している。

シリコン基板から形成した空隙（空洞部）１１′を持つ支持基板（支持体）１１の内側に、可動部分として枠状に形成した内部可動枠３と、内部可動枠３の内側に形成した方形状のミラー部１が備えられており、ミラー部１は反射膜（反射面）２を有し、内部可動枠３に囲われている。また、ミラー部１は、その１対の辺の中心位置から外側へ延びた第１のトーションバー４ａ、４ｂを介して内部可動枠３に弾性的に支持されており、同時に、第１のトーションバー４ａ、４ｂを挟む形で４つの第１の先端駆動部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄによって内部可動枠３に一端を支持された第１の振動板（圧電ユニモルフ振動板）６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄにも、やはり弾性的に支持されている。

内部可動枠３は、第１のトーションバー４ａ、４ｂと直交する方向に、一対の対辺のそれぞれ中心位置において両側から第２のトーションバー１２ａ、１２ｂを介して、支持基板１１に弾性的に支持されている。さらに、第２のトーションバー１２ａ、１２ｂを挟む形で４つの第２の先端駆動部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄによって支持基板１１に一端を支持された第２の振動板（圧電ユニモルフ振動板）１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄにも、やはり弾性的に支持されている。

これらの、ミラー部１、内部可動枠３、第１のトーションバー４ａ、４ｂ、第１の振動板６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ、第２のトーションバー１２ａ、１２ｂ、第２の振動板１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ、第１の先端駆動部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ及び第２の先端駆動部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは、シリコン基板のエッチング加工により一体的に形成されている。また、その加工の際に、ミラー部１及び内部可動枠３が所定の変位角で回動するのに支障のないような空隙１１′も同時に形成される。

ミラー部１の上面には金（Ａｕ）やアルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜による反射膜２が形成されており、入射光の反射率を高めるようになっている。また、図２、図３に示すように、エッチング加工された上記の各構成要素は支持基板１１の厚さに比べて薄くなっており、曲げ変形及び捩れ変形が容易にできる構造になっている。

第１の振動板６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄの上には、第１の下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと、第１の圧電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄと、第１の上部電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄとがそれぞれ積層されて、第１の圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄが形成されている。同様に、第２の振動板１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄの上にも、第２の下部電極１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄと、第２の圧電膜１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄと、第２の上部電極１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄとがそれぞれ積層されて、第２の圧電アクチュエータ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄが形成されている。

そして、下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄと上部電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄとの間に所定の電圧を印加することにより、内部可動枠３と接続する端を支点として、上記圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄの変位により、第１の振動板６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄがユニモルフ的に基板厚み方向に変位する。このとき、先端駆動部５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄも振動板６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄと同じ方向に変位する。同様に、圧電アクチュエータ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄの変位によって、第２の振動板１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄが支持基板１１と接続する端を支点として、基板厚み方向に変位し、これに伴って先端駆動部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄも同じ方向に変位する。

なお、第１の圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ及び第２の圧電アクチュエータ１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄは、シリコン基板のエッチング加工前に、ＣＳＤ、ＭＯＣＶＤ、スパッタ、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等の手法で成膜し、ウェットもしくはドライエッチングによってパターン加工して形成する。

次に、上記構成の２次元光スキャナの動作について説明する。図４は図１におけるＣ−Ｃ′線断面図であり、拡大して示している。

圧電アクチュエータ１８ａ、１８ｂに同位相、圧電アクチュエータ１８ｃ、１８ｄに逆位相あるいは位相のずれた交流電圧（例えば正弦波）を印加して、第２の振動板１４ａ、１４ｂ及び１４ｃ、１４ｄを振動させる。各振動板の一端は支持基板１１に固定・保持されているので、振動板は基板の厚み方向に上下に振動し、第２の先端駆動部も同様に振動する。ただし、先端駆動部１３ａ、１３ｂと１３ｃ、１３ｄの振動には位相差がある。特に、上記印加電圧の位相が逆位相の場合には、先端駆動部１３ａ、１３ｂと１３ｃ、１３ｄの振動方向は正反対になる。

すなわち、先端駆動部１３ａ、１３ｂが上の方向に動くとき、先端駆動部１３ｃ、１３ｄは下の方向に動く。このとき、内部可動枠３には第２のトーションバー１２ａ、１２ｂを中心とした回転トルクが作用し、該トーションバー１２ａ、１２ｂを中心軸として傾く。そして、各先端駆動部が交流電圧に追従して基板上下方向の振動を繰り返すと、上記の原理で内部可動枠３にはシーソー的な回転トルクが作用し、内部可動枠３は所定変位角度まで回転振動を繰り返す。逆位相ではなく位相差がある振動の場合においても、上記と同様に内部可動枠３が回転振動する。図４では振動板１４ｂ、１４ｄ、先端駆動部１３ｂ、１３ｄの動きに連れて内部可動枠３が傾く様子を示している。

上記と同様の原理で、第１の圧電アクチュエータに交流電圧を印加して第１の振動板を振動させることにより、第１のトーションバー４ａ、４ｂを中心軸としてミラー部１が所定角度まで回転振動する。第１及び第２の圧電アクチュエータに同時に交流電圧を印加することにより、内部可動枠３とミラー部１が直交する方向にそれぞれ回転振動するので、ミラー部１の反射面２に入射された光の反射光は２次元的に走査されることになる。

第１の圧電アクチュエータの駆動周波数がミラー部１、第１のトーションバー、第１の先端駆動部とを合わせた構造の機械的な共振周波数と一致もしくは近いときに、ミラー部１の回転振動は最大になり、最大変位角が得られる。また、振動板６の機械的な共振周波数を上記構造体の共振周波数と一致もしくは近くに設定すると、第１の圧電アクチュエータの駆動力が小さくても、ミラー部１の大きな回転角を得ることが可能である。もちろん、回転角は小さくなるものの、第１の圧電アクチュエータの駆動周波数で、ミラー部１を回転振動させることができるのは言うまでもない。

同様に、第２の圧電アクチュエータの駆動周波数が、内部可動枠３、第２のトーションバー、第２の先端駆動部とを合わせた構造の機械的な共振周波数と一致もしくは近いときに、内部可動枠３の回転振動は最大になり、最大変位角が得られる。また、第２の振動板の共振周波数を上記構造体の共振周波数に一致もしくは近くに設定したときに、第２の圧電アクチュエータのエネルギー効率が最も高くなる。必ずしも共振を利用しなくても、第２の圧電アクチュエータの駆動周波数で内部可動枠３を回転振動させることができることも同様である。

ここで、上記の本発明の２次元光スキャナは、ミラー部１と内部可動枠３とをそれぞれ独立した２系統の圧電アクチュエータで駆動するために、駆動周波数の制約がなく、また直交方向の２つの回転振動間の干渉の問題が生じにくい。また、シリコン基板から一体的に形成した構造体の上に圧電膜を直接成膜して圧電アクチュエータを形成するために、素子を小型化しやすく、かつ、シリコン基板を貼り合わせて積層構造にしなくてもよいという利点がある

次に、本発明者は、実際に上述のような２次元光スキャナを作製し、評価実験を行った。以下、これを実施例１及び２として説明する。

（実施例１）
実施例１では図１に示す光偏向器を作製した。作製方法を図５に示す。支持基板１１として厚さ５５２μｍの単結晶シリコン（トップ層）／酸化シリコン（中間酸化膜層）／単結晶シリコン（ベース層）の貼り合わせ基板（ＳＯＩ基板）を用いた。各層の厚みはそれぞれ２５μｍ／２μｍ／５２５μｍであり、トップ層の表面には光学研磨処理を施している。

まず、図５の（Ａ）に示すように、上記ＳＯＩ基板の表面に拡散炉を用いて厚さ５００〜１０００ｎｍの熱酸化シリコン膜を形成した。次に、図５の（Ｂ）に示すように、トップ層側（基板表面）にスパッタ法によってＴｉ及びＰｔをそれぞれの厚みが５０、１５０ｎｍになるように順次成膜して、下部電極を形成した。そして、反応性アーク放電イオンプレーティング法（持開２００１−２３４３３１、特開２００２−１７７７６５、及び特開２００３−８１６９４号公報参照）によって圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）の膜を厚み３μｍで上記Ｐｔの電極上に成膜して、圧電膜を形成した。その後、スパッタ法によってＰｔを厚み１５０ｎｍで上記圧電膜上に成膜して、上部電極を形成した。

次に、図５の（Ｃ）に示すように、基板表面にフォトリソ技術及びドライエッチング技術により、Ｐｔの上部電極のパターニングを行い、上部電極９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ及び１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄを形成した。このとき同時に、上部電極９ａと９ｂを１つにまとめる配線・電極パッド１９ａと、上部電極９ｃと９ｄを１つにまとめる配線・電極パッド１９ｂの形成も行った。

同様に、ＰＺＴの圧電膜もパターニングを行い、圧電膜８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ及び１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄを形成した。さらに、Ｔｉ／Ｐｔの下部電極もパターニングを行い、下部電極７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ及び１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄを形成して、圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ及び１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄを作製した。このとき同時に、下部電極７ａと７ｂを１つにまとめる配線・電極パッド２０ａと、上部電極７ｃと７ｄを１つにまとめる配線・電極パッド２０ｂの形成も行った。

その後、図５の（Ｄ）に示すように、ＡｌあるいはＡｕをスパッタ成膜し、フォトリソ技術とドライエッチング技術を用いて、ミラー部１の上に反射膜２のパターニングを行った。

次に、図５の（Ｅ）に示すように、基板表面全体を厚膜レジストで保護しておき、裏側の上記ベース層表面の熱酸化膜をバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去した後、Ａｌをスパッタ成膜してフォトリソ技術及びウェットエッチング技術によりパターニングし、ＩＣＰ−ＲＩＥのハードマスクを形成した。その後、図５の（Ｆ）に示すように、基板表面の保護レジストを剥離し、再度フォトリソを行ってレジストパターンをマスクにして、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置にてトップ層の熱酸化膜と単結晶シリコンをドライエッチングによって除去加工し、ミラー部１、内部可動枠３、第１のトーションバー、第１の振動板、第２のトーションバー、第２の振動板、第１及び第２の先端駆動部を残して、最終的には支持基板１１の空隙１１′となる溝を形成した。

その後、図５の（Ｇ）に示すように、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置によって裏側からベース層の単結晶シリコンをドライエッチング加工し、支持基板１１の空隙１１′になる深溝を形成した。最後に、図５の（Ｈ）に示すように、中間酸化膜層をＢＨＦを用いて除去し、支持基板１１の空隙１１′を形成して、図１の２次元光スキャナを完成させた。

次に、圧電アクチュエータ１８ａ、１８ｂに同位相の電圧１０Ｖｐｐ、５００Ｈｚの正弦波バイアスを印加し、圧電アクチュエータ１８ｃ、１８ｄに上記位相と逆位相の同じく電圧１０Ｖｐｐ、５００Ｈｚの正弦波バイアスを印加して、内部可動枠３の回転振動を試みた。Ｈｅ−Ｎｅレーザー光をミラー部１上の反射膜２に入射させ、その反射光を所定の距離で配置したスクリーン上で観察することにより、ミラー部１と一体である内部可動枠３の回転振動の回転角を測定したところ、±１０°の回転角が得られた。

このとき、偏向された光走査を経時的に観察したところ、安定した直線性の良い光走査を確認できた。また、圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂに同位相の電圧１０Ｖｐｐ、３０ｋＨｚの正弦波バイアスを印加し、圧電アクチュエータ１０ｃ、１０ｄに上記位相と逆位相の同じく電圧１０Ｖｐｐ、３０ｋＨｚの正弦波バイアスを印加して、ミラー部１の回転振動を試みたところ、±８°の回転角が測定された。

この場合にも、安定した直線性の良い光走査を確認できた。ミラー部１によって偏向された光走査の方向は、上記内部可動枠３の回動によって偏向された光走査の方向とは直交していた。その後、２系統の第１及び第２の圧電アクチュエータに上記の正弦波バイアスをそれぞれ印加することにより、２次元的な光走査を観測した。

直交する２つの方向における回転角は、内部可動枠３及びミラー部１をそれぞれ単独で回動させたときに観測された回転角と同一であった。

このように、本実施例の２次元光スキャナでは、２系統の圧電アクチュエータの駆動周波数をミラー部１及び内部可動枠３の機械的共振周波数にそれぞれ合わせることで、低電圧駆動でも大きな回転角を得られることを確認できた。また、圧電ユニモルフ振動板からの回転トルクの作用点と回転軸とが分離された構造であるため、トーションバーを中心軸とした回転運動のみが励振されて、安定した光走査を行えることを確認できた。

（実施例２）
実施例２では図６に示す光偏向器を作製した。作製方法については実施例１に示すものと基本的に同じであるが、素子構造が若干異なる。実施例１では圧電ユニモルフ振動板による回転トルクを４つの先端駆動部を介してミラー部１及び内部可動枠３に伝達しているが、本実施例では図６に示すように、第１及び第２の先端駆動部がそれぞれミラー部１及び内部可動枠３には接続されず、回転トルクを与えるための第１の動力板２１ａ、２１ｂ及び第２の動力板２２ａ、２２ｂにそれぞれ保持されている。

すなわち、図６の先端駆動部５ａ、５ｃが動力板２１ａに連結し、第１のトーションバー４ａがこの動力板２１ａを介して内部可動枠３に支持されている。同様に、先端駆動部５ｂ、５ｄが動力板２１ｂに連結し、第１のトーションバー４ｂがこの動力板２１ｂを介して内部可動枠３に支持されている。内部可動枠３の支持方法も上記と同様であり、先端駆動部１３ａ、１３ｃが動力板２２ａに連結し、第２のトーションバー１２ａがこの動力板２２ａを介して支持基板１１に支持されており、先端駆動部１３ｂ、１３ｄが動力板２２ｂに連結し、第２のトーションバー１２ｂがこの動力板２２ｂを介して支持基板１１に支持されている。その他の構成は実施例１と同様である。

そして、実施例１と同様に、圧電アクチュエータ１８ａ、１８ｂに同位相の電圧１０Ｖｐｐ、３００Ｈｚの正弦波バイアスを印加し、圧電アクチュエータ１８ｃ、１８ｄに上記位相と逆位相の同じく電圧１０Ｖｐｐ、３００Ｈｚの正弦波バイアスを印加して、内部可動枠３の回転振動を試みたところ、安定した直線性の良い光走査を確認できた。

実施例１と同様に内部可動枠３の回転角を測定したところ、±１２°と実施例１よりも大きな回転角が得られた。これは動力板２２ａ、２２ｂに作用する回転トルクが直接第２のトーションバー１２ａ、１２ｂの捩じり変形に変換されるためにエネルギー効率が向上したためと、実施例１における先端駆動部１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄは回転トルクを作用させるためには効果的であるが、内部可動枠３の回転振動に対しては変位角を抑制する抵抗成分として作用するのに対して、実施例２では回転軸である第２のトーションバー１２ａ、１２ｂ以外にミラー部１と連結している個所がないために、上記抵抗成分が減少したためである。ただし、機械的には実施例１の２次元光スキャナよりも柔らかい構造になったために、内部可動枠３の機械的共振周波数は５００Ｈｚから３００Ｈｚに低下した。

また、圧電アクチュエータ１０ａ、１０ｂに同位相の電圧１０Ｖｐｐ、２０ｋＨｚの正弦波バイアスを印加し、圧電アクチュエータ１０ｃ、１０ｄに上記位相と逆位相の同じく電圧１０Ｖｐｐ、２０ｋＨｚの正弦波バイアスを印加して、ミラー部１の回転振動を試みたところ、±１０°と、やはり実施例１よりも大きな回転角が得られた。この場合にも、上記内部可動枠３の回動による光走査方向と直交する方向に、安定した直線性の良い光走査を確認できた。その後、実施例１と同様に２系統の第１及び第２の圧電アクチュエータに上記の正弦波バイアスをそれぞれ印加することにより、２次元的な光走査を確認した。

このように、実施例２においても、直交する２つの方向における回転角は、内部可動枠３及びミラー部１をそれぞれ単独で回動させたときに観測された回転角と同一であった。また実施例２の２次元光スキャナにおいても、実施例１と同様に２系統の圧電アクチュエータの駆動周波数をミラー部１及び内部可動枠３の機械的共振周波数にそれぞれ合わせることで、低電圧駆動でも大きな回転角を得られることを確認できた。

（実施例３）
次に、図１及び図６に示す２次元光スキャナ（光偏向器）を備えた光学機器（装置）への応用について説明する。図７は光学機器として画像表示装置の場合を例として示す図である。

同図中、３１は図１あるいは図６に示す２次元光スキャナであり、１つの素子で水平・垂直方向に入射光をラスタースキャンすることができる。レーザー光源３２から入射したレーザー光は、光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、集光レンズあるいはレンズ群３３を通過してから２次元光スキャナ３１によって２次元的に走査する。走査されたレーザー光は、投影レンズあるいはレンズ群３４を通して投影面３５上に画像を形成する。

この光学機器では、従来のようにポリゴンミラーやガルバノミラーを直交２軸で使用する場合と異なり、直交方向の光軸合わせをする必要がないので、非常に容易にラスタースキャンを行うことができる。

以上、本発明の実施例について説明したが、本発明ではマイクロマシニングプロセスによって一体形成可能であるとともに、小型で２次元走査可能な光スキャナ及び該光スキャナを用いて構成した光学装置を実現することができる。

すなわち、次のような効果を得ることができる。
（１）支持基板、圧電素子、弾性体及びミラー基板を一体形成可能（接合・接着が不要）である。
（２）圧電振動の影響によるミラーの並進運動を抑制可能である。
（３）圧電素子として支持体に直接成膜した圧電膜を使用するため、Ｓｉウェハ単位での一括加工が可能である。
（４）従来素子よりも小型化、薄型化、軽量化できる。
（５）直交する２軸間の光軸調整が不要である。
（６）直交する２軸間の干渉がなく、各々独立に制御可能である。
（７）素子の小型化により、従来よりも高速動作が可能である。
（８）圧電膜アクチュエータの発生力が大きいために、両軸とも大きな偏向角が得られる。
（９）圧電膜アクチュエータによる直接駆動のため、非共振モードでも動作が可能である。

また、本発明は、レーザー光等の光ビームを偏向・走査する装置全般、電子写真式複写機、レーザービームプリンタ、バーコードリーダー、レーザー光をスキヤニングして映像を投影する表示装置、ヘッドアップディスプレイ（自動車＆民生機器用）、携帯機器用ラスタースキャンディスプレイ、測距センサ、形状測定センサ、光空間通信ユニットなどに広く適用することができる。

本発明は、電子写真方式の複写機やレーザープリンタの感光体への画像形成用の光走査装置、バーコードリーダーの光走査装置、あるいは３次元測距センサ等にも応用が可能である。

本発明に係る２次元光スキャナの構成を示す平面図 図１の２次元光スキャナの側断面図 図１の２次元光スキャナの側断面図 図１のＣ−Ｃ′線断面図 実施例１の作製方法を示す説明図 実施例２の構成を示す平面図 実施例３の構成を示す説明図 従来例を示す斜視図 他の従来例を示す斜視図

符号の説明

１ ミラー部
２ 反射膜（反射面）
３ 内部可動枠
４ａ、４ｂ 第１のトーションバー
５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ 第１の先端駆動部
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 第１の振動板（圧電ユニモルフ振動板）
７ａ、７ｂ、７ｃ、７ｄ 第１の下部電極
８ａ、８ｂ、８ｃ、８ｄ 第１の圧電膜
９ａ、９ｂ、９ｃ、９ｄ 第１の上部電極
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 第１の圧電アクチュエータ
１１ 支持基板（支持体）
１１′ 空隙（空洞部）
１２ａ、１２ｂ 第２のトーションバー
１３ａ、１３ｂ、１３ｃ、１３ｄ 第２の先端駆動部
１４ａ、１４ｂ、１４ｃ、１４ｄ 第２の振動板（圧電ユニモルフ振動板）
１５ａ、１５ｂ、１５ｃ、１５ｄ 第２の下部電極
１６ａ、１６ｂ、１６ｃ、１６ｄ 第２の圧電膜
１７ａ、１７ｂ、１７ｃ、１７ｄ 第２の上部電極
１８ａ、１８ｂ、１８ｃ、１８ｄ 第２の圧電アクチュエータ
３１ ２次元光スキャナ
３２ レーザー光源
３３ レンズ群
３４ レンズ群
３５ 投影面

Claims (7)

1. 空洞部を持つ支持体の内側に、反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲み第１のトーションバーを介して該ミラー部を支持する内部可動枠を備えるとともに、前記第１のトーションバーと軸方向が直交する第２のトーションバーを介して前記内部可動枠を前記支持体に軸支し、かつ、一端が前記支持体に保持され他端が前記第２のトーションバーと平行に延びる先端駆動部を介して前記内部可動枠に接続された第２の圧電ユニモルフ振動板と、一端が前記内部可動枠に保持され他端が前記第１のトーションバーと平行に延びる先端駆動部を介して前記ミラー部に接続された第１の圧電ユニモルフ振動板とを備え、前記圧電ユニモルフ振動板は、第１及び第２のトーションバーを挟んで対称に配置した１対あるいは２対の振動板から構成され、各々の振動板に対して位相が統一されていない交流電圧を印加することによって前記内部可動枠及びミラー部に回転トルクを作用させることにより、前記第１及び第２のトーションバーを２軸としてミラー部を回動させて、該ミラー部の反射面に入射する光の反射光を２次元的に走査することを特徴とする２次元光スキャナ。
2. 空洞部を持つ支持体の内側に、反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を囲み第１のトーションバーを介して該ミラー部を支持する内部可動枠を備えるとともに、前記第１のトーションバーと軸方向が直交する第２のトーションバーを介して前記内部可動枠を前記支持体に軸支し、かつ、一端が前記支持体に保持され他端が前記第２のトーションバーと平行に延びる先端駆動部と前記第２のトーションバーに直交する方向に延びる動力板を介して前記第２のトーションバーに接続された第２の圧電ユニモルフ振動板と、一端が前記内部可動枠に保持され他端が前記第１のトーションバーと平行に延びる先端駆動部と前記第１のトーションバーに直交する方向に延びる動力板を介して前記第１のトーションバーに接続された第１の圧電ユニモルフ振動板とを備え、前記圧電ユニモルフ振動板は、第１及び第２のトーションバーを挟んで対称に配置した１対あるいは２対の振動板から構成され、各々の振動板に対して位相が統一されていない交流電圧を印加することによって前記内部可動枠及びミラー部に回転トルクを作用させることにより、前記第１及び第２のトーションバーを２軸としてミラー部を回動させて、該ミラー部の反射面に入射する光の反射光を２次元的に走査することを特徴とする２次元光スキャナ。
3. 前記交流電圧は、互いに１８０°位相が異なる２つの交流電圧であることを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元光スキャナ。
4. 前記支持体として半導体基板を用い、ミラー部、内部可動枠、トーションバーを含む機械的構成要素を該半導体基板のエッチング加工によって形成し、前記ミラー部上に金属反射膜を形成して反射面としたことを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の２次元光スキャナ。
5. 前記圧電ユニモルフを構成する圧電素子は、支持体上に直接成膜された圧電膜であることを特徴とする請求項１ないし４のいずれかに記載の２次元光スキャナ。
6. 前記圧電膜は、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によって成膜された膜であることを特徴とする請求項５に記載の２次元光スキャナ。
7. 請求項１ないし６のいずれかに記載の２次元光スキャナを備えたことを特徴とする光学装置。

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