JP4092283B2 - Two-dimensional optical scanner and optical device - Google Patents
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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。 The present invention relates to a small and high-speed two-dimensional optical scanner that can be used for optical scanning, such as optical sensors and laser-applied equipment, and more particularly, a piezoelectric-driven micro optical scanner integrally formed by a micromachining process. It is about.
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。 Currently, an apparatus (optical scanner) that deflects and scans a light beam such as a laser beam is used in an optical device such as a barcode reader or a laser printer. Conventionally, as such an optical scanner, there are a polygon mirror that scans reflected light by rotating a polygonal column mirror by a motor, and a galvano mirror that rotates a plane mirror by an electromagnetic actuator. In such a mechanical structure that is driven by a motor or electromagnetic actuator, there is a limit to miniaturization and high speed.
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。 Moreover, a certain amount of space is required to assemble each component, and there is a problem that the size of the entire apparatus using the optical scanner is increased. Furthermore, when scanning light two-dimensionally, a combination of two polygon mirrors and galvanometer mirrors is generally used. However, in order to perform accurate two-dimensional light scanning, the scanning direction of each mirror is different. There is also a problem that it is necessary to accurately position and arrange them so as to be orthogonal to each other, and optical adjustment is very complicated.
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。)。
On the other hand, a micro optical scanner in which mechanical parts such as a mirror and an elastic beam are integrally formed on a semiconductor substrate using a micromachining technique for finely processing silicon or glass by applying a semiconductor manufacturing technique has been developed (for example, ,
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。
FIG. 8 is a perspective view showing an example of such an optical scanner. The
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。
In addition, a
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。
A
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。
That is, a magnetic field for
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。
With the above configuration, when a current is passed through the
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θBとねじれ変形モードθT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。
FIG. 9 is a perspective view showing another example of the above-described optical scanner. This optical scanner includes a
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(θB)及びねじれ方向(θT)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。
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。 However, the conventional optical scanner as described above is small and can perform two-dimensional scanning, but has the following problems.
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。
In the optical scanner shown in FIG. 8, in order to increase the deflection angle of optical scanning, it is necessary to increase the distance between the upper and
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。
In the optical scanner shown in FIG. 9, two-dimensional light scanning is obtained by simultaneously exciting the bending mode and the torsion mode of the
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。 The present invention has been made in view of the above problems, and provides an optical scanner that can be integrally formed by a micromachining process and that is small and capable of two-dimensional scanning, and an optical device configured using the optical scanner. The purpose is to do.
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。 As a means for achieving the above object, an optical scanner of the present invention includes a mirror part having a reflecting surface inside a support having a cavity part, and the mirror part surrounding the mirror part via a first torsion bar. The inner movable frame is supported on the support body via a second torsion bar whose axial direction is orthogonal to the first torsion bar, and one end is supported by the first movable torsion bar. A second piezoelectric unimorph diaphragm that is held by the body and connected to the internal movable frame via a tip drive section that extends in parallel with the second torsion bar, and one end that is held by the internal movable frame and a first piezoelectric unimorph diaphragm end is connected to the mirror portion through the distal driving portion extending parallel to said first torsion bar, the piezoelectric unimorph vibrating plate, the first and second torsion It consists diaphragm pair or two pairs arranged symmetrically about the over rotation torque to the inner movable frame and the mirror unit by a phase for each of the vibration plate to apply an AC voltage not unified By rotating the mirror unit about the first and second torsion bars as two axes, the reflected light incident on the reflecting surface of the mirror unit is scanned two-dimensionally. It is what.
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。 Further, the optical scanner of the present invention includes a mirror part having a reflecting surface inside a support having a hollow part, and an internal movable frame that surrounds the mirror part and supports the mirror part via a first torsion bar. The inner movable frame is pivotally supported on the support via a second torsion bar whose axial direction is orthogonal to the first torsion bar, and one end is held by the support and the other end is the A second piezoelectric unimorph diaphragm connected to the second torsion bar via a tip drive section extending in parallel with the second torsion bar and a power plate extending in a direction perpendicular to the second torsion bar; Is held by the internal movable frame and the other end of the first torsion bar extends through a tip drive unit extending in parallel with the first torsion bar and a power plate extending in a direction perpendicular to the first torsion bar. A first piezoelectric unimorph diaphragm connected to the piezoelectric unimorph diaphragm, the piezoelectric unimorph diaphragm including a pair of diaphragms arranged symmetrically with respect to the first and second torsion bars, By applying an alternating voltage whose phase is not unified to the diaphragm, a rotational torque is applied to the inner movable frame and the mirror part, whereby the mirror part is formed with the first and second torsion bars as two axes. The reflected light of the light incident on the reflecting surface of the mirror portion is scanned two-dimensionally by rotating .
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。 An optical device according to the present invention includes the above-described optical scanner.
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。 According to the present invention, it is possible to realize an optical scanner that can be integrally formed by a micromachining process and that is small and capable of two-dimensional scanning, and an optical device configured using the optical scanner.
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。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a two-dimensional optical scanner (optical deflector) according to the present invention, FIGS. 2 and 3 are side sectional views thereof, and FIG. 2 is a sectional view taken along line AA ′ in FIG. 3 shows a cross section taken along line BB 'in FIG.
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。
An internal
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。
The inner
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。
These
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。
A
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。
On the
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。
Then, by applying a predetermined voltage between the
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。
Note that the first
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。 Next, the operation of the two-dimensional optical scanner having the above configuration will be described. FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the line CC 'in FIG.
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。
The
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。
That is, when the
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。
Based on the same principle as described above, by applying an AC voltage to the first piezoelectric actuator to vibrate the first diaphragm, the
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。
When the driving frequency of the first piezoelectric actuator is equal to or close to the mechanical resonance frequency of the combined structure of the
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。
Similarly, when the driving frequency of the second piezoelectric actuator matches or is close to the mechanical resonance frequency of the structure in which the internal
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
Here, since the above-described two-dimensional optical scanner of the present invention drives the
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。 Next, the present inventor actually produced the above-described two-dimensional optical scanner and conducted an evaluation experiment. Hereinafter, this will be described as Examples 1 and 2.
(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。
Example 1
In Example 1, the optical deflector shown in FIG. 1 was produced. The manufacturing method is shown in FIG. As the
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。 First, as shown in FIG. 5A, a thermal silicon oxide film having a thickness of 500 to 1000 nm was formed on the surface of the SOI substrate using a diffusion furnace. Next, as shown in FIG. 5B, Ti and Pt are sequentially formed on the top layer side (substrate surface) by sputtering so that the respective thicknesses become 50 and 150 nm, thereby forming the lower electrode. did. A film of lead zirconate titanate (PZT), which is a piezoelectric material, is formed by a reactive arc discharge ion plating method (see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2001-234331, Japanese Patent Laid-Open No. 2002-177765, and Japanese Patent Laid-Open No. 2003-81694). A film was formed on the Pt electrode at 3 μm to form a piezoelectric film. Thereafter, Pt was deposited on the piezoelectric film with a thickness of 150 nm by sputtering to form an upper electrode.
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。
Next, as shown in FIG. 5C, patterning of the upper electrode of Pt is performed on the substrate surface by a photolithography technique and a dry etching technique, and the
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。
Similarly, PZT piezoelectric films were also patterned to form
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。
Thereafter, as shown in FIG. 5D, Al or Au was formed by sputtering, and the
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。
Next, as shown in FIG. 5E, the entire substrate surface is protected with a thick film resist, and the thermal oxide film on the base layer surface on the back side is removed with buffered hydrofluoric acid (BHF). Al was sputtered and patterned by photolithography and wet etching techniques to form an ICP-RIE hard mask. Thereafter, as shown in FIG. 5F, the protective resist on the surface of the substrate is peeled off, and photolithography is performed again, using the resist pattern as a mask, and the top layer thermal oxide film and single crystal silicon are formed using an ICP-RIE apparatus. Is removed by dry etching, and the
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。
Thereafter, as shown in FIG. 5G, the single crystal silicon of the base layer was dry-etched from the back side by an ICP-RIE apparatus to form a deep groove to be a
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。
Next, a sine wave bias with a voltage of 10 Vpp and 500 Hz having the same phase is applied to the
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。
At this time, when the deflected optical scanning was observed over time, stable optical scanning with good linearity could be confirmed. Further, a sine wave bias having a voltage of 10 Vpp and 30 kHz having the same phase is applied to the
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。
Also in this case, stable optical scanning with good linearity could be confirmed. The direction of optical scanning deflected by the
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。
The rotation angles in the two orthogonal directions were the same as the rotation angles observed when the inner
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。
As described above, in the two-dimensional optical scanner according to the present embodiment, a large rotation angle can be obtained even in low voltage driving by matching the driving frequency of the two piezoelectric actuators with the mechanical resonance frequency of the
(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。
(Example 2)
In Example 2, the optical deflector shown in FIG. 6 was produced. The manufacturing method is basically the same as that shown in Example 1, but the element structure is slightly different. In the first embodiment, the rotational torque generated by the piezoelectric unimorph diaphragm is transmitted to the
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。
6 are connected to the
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。
Similarly to the first embodiment, a sine wave bias having a voltage of 10 Vpp and 300 Hz having the same phase is applied to the
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。
When the rotation angle of the internal
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。
Further, a sine wave bias having a voltage of 10 Vpp and 20 kHz having the same phase is applied to the
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。
Thus, also in Example 2, the rotation angles in the two orthogonal directions were the same as the rotation angles observed when the internal
(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。
(Example 3)
Next, application to an optical apparatus (apparatus) including the two-dimensional optical scanner (optical deflector) shown in FIGS. 1 and 6 will be described. FIG. 7 is a diagram illustrating an example of an image display device as an optical apparatus.
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。
In the figure,
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。 Unlike the conventional case where a polygon mirror or a galvanometer mirror is used with two orthogonal axes, this optical apparatus does not need to align the optical axes in the orthogonal direction, and can perform raster scanning very easily.
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。 As described above, the embodiments of the present invention have been described. In the present invention, an optical scanner which can be integrally formed by a micromachining process and which can be two-dimensionally scanned and an optical apparatus configured using the optical scanner are realized. Can do.
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。
That is, the following effects can be obtained.
(1) The support substrate, the piezoelectric element, the elastic body, and the mirror substrate can be integrally formed (no need for bonding / bonding).
(2) The translational movement of the mirror due to the influence of piezoelectric vibration can be suppressed.
(3) Since a piezoelectric film directly formed on the support is used as the piezoelectric element, batch processing in units of Si wafers is possible.
(4) Smaller, thinner, and lighter than conventional elements.
(5) Optical axis adjustment between two orthogonal axes is unnecessary.
(6) There is no interference between two orthogonal axes, and each can be controlled independently.
(7) Due to the miniaturization of the element, higher speed operation is possible than before.
(8) Since the generated force of the piezoelectric film actuator is large, a large deflection angle can be obtained for both axes.
(9) Since the piezoelectric film actuator is directly driven, the operation is possible even in the non-resonant mode.
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。 The present invention also relates to a general apparatus that deflects and scans a light beam such as a laser beam, an electrophotographic copying machine, a laser beam printer, a barcode reader, a display device that scans a laser beam and projects an image, and a head-up display. (For automobiles and consumer devices), raster scan displays for portable devices, distance measuring sensors, shape measuring sensors, optical space communication units, and the like.
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。 The present invention can also be applied to an optical scanning device for forming an image on a photoconductor of an electrophotographic copying machine or a laser printer, an optical scanning device of a barcode reader, or a three-dimensional distance measuring sensor.
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
1 Mirror
3 Internal
7a, 7b, 7c, 7d 1st
11 'gap (cavity)
12a, 12b
15a, 15b, 15c, 15d Second
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