光偏向器及びこれを用いた光学装置
【課題】従来の光偏向器においては、ミラーの角度検出センサとしての圧電センサがミラーの側辺に固定されていたために、ミラーに分散する応力が比較的大きくてミラーの変形を招き、他方、圧電センサに分散する応力は比較的小さく、従って、圧電センサの変位量は小さく、圧電センサの圧電起電力は小さかった。
【解決手段】ミラー２は円形反射面を有し、支持体１の空洞部１ａ内に位置する。１対のトーションバー３、４はミラー２を揺動可能に支持する。トーションバー３に作用する圧電アクチュエータ５、６を設け、トーションバー４に作用する圧電アクチュエータ７、８を設ける。半環状の圧電センサ９、１０はミラー２の外周側にスリットを介してトーションバー３、４のミラー２側付け根に連結される。
【解決手段】ミラー２は円形反射面を有し、支持体１の空洞部１ａ内に位置する。１対のトーションバー３、４はミラー２を揺動可能に支持する。トーションバー３に作用する圧電アクチュエータ５、６を設け、トーションバー４に作用する圧電アクチュエータ７、８を設ける。半環状の圧電センサ９、１０はミラー２の外周側にスリットを介してトーションバー３、４のミラー２側付け根に連結される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電駆動方式の光偏向器及びこれを用いた光学装置に関する。たとえば、光学装置として、レーザプリンタ、バーコードリーダ、プロジェクタ等がある。
【背景技術】
【０００２】
最近、圧電駆動方式の光偏向器として、半導体製造プロセス技術、マイクロエレクトロメカニクスシステム（MEMS）技術を用いて空洞部を有する半導体基板の支持体に、ミラー、ミラーを揺動可能に支持する１対の弾性梁つまりトーションバー、トーションバーに作用する２対の圧電アクチュエータ等を形成したものが知られている（参照：特許文献１、２、３）。この場合、ミラーは支持体の空洞部の中央に位置する矩形反射面を有する。各トーションバーは支持体に連結された基端及びミラーに連結された先端を有する。各圧電アクチュエータはカンチレバーとして作用し、その基端は支持体に固定され、先端はトーションバーに連結されている。従って、圧電アクチュエータに駆動電圧を印加することにより圧電アクチュエータに湾曲変形を生じさせてトーションバーを捩り変形させ、これにより、ミラーが回転する。この結果、ミラーの矩形反射面に入射する光の反射光を１次元的に走査できる。尚、特許文献１、２は２次元光偏向器を開示している。
【０００３】
上述の圧電駆動方式の光偏向器においては、ミラーの矩形反射面の角度を検出して振れ角、スキャン速度をフィードバック制御するために、圧電方式の角度検出センサ（以下、圧電センサ）がトーションバーのミラー側付け根に設けられている（参照：特許文献３）。この場合、圧電センサはカンチレバーとして作用し、しかもミラーの側辺に固定され、その基端はトーションバーに連結されているので、ミラーの角度を位相ずれなく検出する。従って、リアルタイムでミラーの揺動をフィードバック制御できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４８４５９号公報
【特許文献２】特開２００８−２０７０１号公報
【特許文献３】特開２００９−１６９３２５号公報
【特許文献４】特開２００１−２３４３３１号公報
【特許文献５】特開２００２−１７７７６５号公報
【特許文献６】特開２００３−８１６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来の圧電駆動方式の光偏向器においては、ミラーと圧電センサとは結合されているので、ミラー及び圧電センサは１つの慣性モーメントとして作用する。従って、ミラー及び圧電センサを大気中で動作させた場合、大気の粘性抵抗等により、圧電アクチュエータからの応力がミラー及び圧電センサにその質量に応じて分散する。
【０００６】
圧電センサに分散した圧電アクチュエータからの応力は圧電センサにとっては比較的小さい。従って、圧電センサの変位量は圧電アクチュエータの変位量に比較して微小となる。この結果、信号対雑音（S/N）比の良い捩り変位を圧電起電力として検出することは困難であるという課題がある。
【０００７】
尚、ここでの慣性モーメントは１対のトーションバーを結ぶ軸の回りの慣性モーメントで定義する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光偏向器は、空洞部が形成された支持体と、支持体の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、基端が支持体に連結され先端がミラーに連結された弾性梁と、基端が支持体に連結され先端が弾性梁に連結されたアクチュエータと、弾性梁間に連結されかつミラーの外周側にスリットを介して位置しミラーの角度を検出するための圧電センサとを具備し、アクチュエータはミラー及び圧電センサを弾性梁を介して同一方向に回転振動させるものである。これにより、ミラーと圧電センサとはスリットによって分離されているので、ミラーの慣性モーメントと圧電センサの慣性モーメントとは別個のものとなる。しかも、圧電センサがミラーの外周側にスリットを介して位置する分、圧電センサの慣性モーメントが比較的に大きくなる。
【０００９】
また、本発明に係る光学装置は、上述の光偏向器と、光偏向器に光を照射するための光源と、光源を駆動するための光源駆動回路と、圧電センサのミラーの角度信号を検出するミラー角度検出回路と、検出されたミラーの角度信号を補正するための補正データを記憶する記憶回路と、検出されたミラーの角度信号を補正データにより補正する制御回路と、補正されたミラーの角度信号によりアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路とを具備するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、アクチュエータからの応力は慣性モーメントの小さいミラーより慣性モーメントの大きい圧電センサへ多く分散する。
【００１１】
圧電センサに分散したアクチュエータの応力は比較的大きい。従って、圧電センサは積極的に変形でき、この結果、圧電センサの変位量を大きくでき、従って、S/N比の高い捩り変位を圧電起電力として検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る圧電駆動方式の光偏向器の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１の圧電アクチュエータの変形を説明するための図１のII-II線断面図である。
【図３】図１のミラー及び圧電センサの変形を説明するための図１のIII-III線断面図である。
【図４】図１の圧電アクチュエータの入力電圧、ミラーの角度及び圧電センサの出力電圧を示すタイミング図である。
【図５】図１の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を説明するための図１のV-V線断面図である。
【図６】図１の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を説明するための図１のV-V線断面図である。
【図７】図１の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を説明するための図１のV-V線断面図である。
【図８】図１の圧電駆動方式の光偏向器を用いた光学装置の例を示す図である。
【図９】図８の制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明に係る圧電駆動方式の光偏向器の実施の形態を示す斜視図、図２は図１の圧電アクチュエータの変形を説明するための図１のII-II線断面図、図３は図１のミラー及び圧電センサの変形を説明するための図１のIII-III線断面図である。
【００１４】
図１に示すように、圧電駆動方式の光偏向器は、たとえば3mm×3mmのサイズを有し、空胴部１ａが形成された支持体１と、空胴部１ａの中央に位置する半径1mmの円形反射面を有するミラー２と、ミラー２を揺動可能に支持する１対の幅約30μm、長さ約300μmの弾性梁つまりトーションバー３、４と、トーションバー３にカンチレバーとして作用する１対の圧電アクチュエータ５、６と、トーションバー４にカンチレバーとして作用する１対の圧電アクチュエータ７、８と、トーションバー３、４が作用する１対の幅約100μmの圧電センサ９、１０とを備えている。圧電センサ９、１０は半環状をなしており、トーションバー３、４のミラー２側付け根に連結され、ミラー２の外周側にスリットを介して設けられている。圧電センサ９、１０は湾曲する必要があるので、厚さは100μm以下にする。また、スリットSLの幅SW（図３に図示）は約10μm〜100μmたとえば20μmである。スリットSLの幅SWが100μmを超えると、圧電センサ９、１０とミラー２との位相ずれが大きくなり、検出精度が低下するからである。すなわち、スリットSLの幅SWはミラー２の揺動（回転振動）の振動周波数が圧電センサ９、１０の揺動（回転振動）の振動周波数に一致するように設けられており、また、圧電センサ９、１０の最大振幅がミラー２の最大振幅より大きくなるように設けられている。
【００１５】
ミラー２は振動板２ａ及び反射板として作用する下部電極２ｂ（図３に図示）よりなる。
【００１６】
トーションバー３は振動板３ａ及び下部電極３ｂ（図２に図示）よりなり、また、トーションバー４は振動板４ａ及び下部電極４ｂ（図示せず）よりなる。
【００１７】
圧電アクチュエータ５は圧電ユニモルフ振動板であって、振動板５ａ、下部電極５ｂ、圧電体層５ｃ及び上部電極５ｄ（図２をも参照）よりなり、また、圧電アクチュエータ６も圧電ユニモルフ振動板であって、振動板６ａ、下部電極６ｂ、圧電体層６ｃ及び上部電極６ｄ（図２をも参照）よりなる。この場合、上述のごとく、圧電アクチュエータ５、６は対をなし、トーションバー３に作用する。
【００１８】
圧電アクチュエータ７は圧電ユニモルフ振動板であって、振動板７ａ、下部電極７ｂ、圧電体層７ｃ及び上部電極７ｄ（７ｂ、７ｄのみ図示）よりなり、また、圧電アクチュエータ８も圧電ユニモルフ振動板であって、振動板８ａ、下部電極８ｂ、圧電体層８ｃ及び上部電極８ｄ（８ｂ、８ｄのみ図示）よりなる。この場合、上述のごとく、圧電アクチュエータ７、８は対をなし、トーションバー４に作用する。
【００１９】
圧電センサ９は圧電ユニモルフ振動板であって、振動板９ａ、下部電極９ｂ、圧電体層９ｃ及び上部電極９ｄ（図３をも参照）よりなり、また、圧電センサ１０も圧電ユニモルフ振動板であって、振動板１０ａ、下部電極１０ｂ、圧電体層１０ｃ及び上部電極１０ｄ（図３をも参照）よりなる。この場合、上述のごとく、トーションバー３、４が圧電センサ９、１０に作用する。
【００２０】
尚、図１、図２、図３においては、下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂは共通に接続されており、たとえば接地される。
【００２１】
また、図１、図２、図３には図示しないが、支持体１と振動板２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａとの間には製造工程においてエッチングストッパとして作用する絶縁層たとえば酸化シリコン層１０１２（図５、図６、図７に図示）が設けられている。
【００２２】
さらに、図１、図２、図３には図示しないが、振動板２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａと下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂの間は絶縁層たとえば酸化シリコン層１０２２（図５、図６、図７に図示）によって電気的に絶縁されている。
【００２３】
図１、図２、図３においては、ミラー２は圧電センサ９、１０から分離されかつ円形となった分、慣性モーメントは比較的小さくなる。他方、圧電センサ９、１０はミラー２から分離されているがミラー２の外周側に分離して位置した分、慣性モーメントは比較的大きくなる。この結果、圧電アクチュエータ５、６、７、８によるトーションバー３、４の応力はミラー２よりも圧電センサ９、１０に多く分散する。従って、ミラー２の中心部の変形が抑制されると共に、圧電センサ９、１０が積極的に変形する。
【００２４】
次に、図１、図２、図３の圧電駆動方式の光偏向器の動作を図４のタイミング図を参照して説明する。尚、下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂは接地されているものとする。また、下部電極及び上部電極の周辺部はボンディングワイヤのためのパッドの作用をするものとする。
【００２５】
圧電アクチュエータ５、７の上部電極５ｄ、７ｄの入力電圧として図４の（Ａ）に示す正弦波交流電圧を印加し、圧電アクチュエータ６、８の上部電極６ｄ、８ｄの入力電圧として図４の（Ｂ）に示す正弦波交流電圧を印加する。この場合、図４の（Ａ）に示す正弦波交流電圧と図４の（Ｂ）に示す正弦波交流電圧とは180°ずれの逆位相の関係を有する。この結果、図２に示すごとく、圧電アクチュエータ５（７）の圧電体層５ｃ（７ｃ）及び圧電アクチュエータ６（８）の圧電体層６ｃ（８ｃ）が互いに反対側に湾曲し、従って、圧電アクチュエータ５（７）の振動板５ａ（７ａ）及び圧電アクチュエータ６（８）の振動板６ａ（８ａ）がＳ字状になって回転振動する。このとき、振動板５ａ（７ａ）及び振動板６ａ（８ａ）の基端は支持体１に連結されているので、振動板５ａ（７ａ）及び振動板６ａ（８ａ）の先端は支持体１の厚み方向に上下振動する。この場合、圧電アクチュエータ５（７）の上部電極５ｄ（７ｄ）の入力電圧と圧電アクチュエータ６（８）の上部電極６ｄ（８ｄ）の入力電圧には180°の位相差があるので、振動板５ａ（７ａ）の先端が上もしくは下振動するとき、振動板６ａ（８ａ）の先端は下もしくは上振動する。従って、トーションバー３（４）が揺動つまり回転振動する。
【００２６】
トーションバー３（４）が揺動つまり回転振動すると、図３に示すごとく、ミラー２及び圧電センサ９、１０にはトーションバー３（４）を中心とする回転トルクが発生し、ミラー２及び圧電センサ９、１０はトーションバー３（４）を中心軸として傾く。この場合、上述のごとく、慣性モーメントの相違から、図３の矢印に示すごとく、圧電センサ９、１０はミラー２より大きく揺動つまり回転振動する。つまり、圧電センサ９、１０の最大振動幅がミラー２の最大振幅より大きくなっている。しかし、ミラー２の揺動の振動数と圧電センサ９、１０の揺動の振動数とは同一に維持されるように、スリットSLのスリット幅SWが設定されている。このとき、振動板５ａ（７ａ）及び振動板６ａ（８ａ）は交流電圧に追随して上下振動するので、ミラー２及び圧電センサ９、１０にはシーソー的な回転トルクが発生し、従って、図４の（Ｃ）、（Ｄ）に示すごとく、ミラー２の角度は正弦波的に揺動すると共に、圧電センサ９、１０の出力も正弦波的に変化する。この場合、ミラー２の角度変化及び圧電センサ９、１０の出力はトーションバー３（４）等の介在により図４の（Ａ）に示す圧電アクチュエータ５（７）の上部電極５ｄ（７ｄ）の入力電圧及び図４の（Ｂ）に示す圧電アクチュエータ６（８）の上部電極６ｄ（８ｄ）の入力電圧に比べて時間Δｔだけ遅れる。
【００２７】
尚、圧電センサ９、１０の振動板９ａ、１０ａはミラー２と同期してトーションバー３（４）を中心軸として揺動つまり回転振動する。このとき、圧電センサ９、１０は圧電アクチュエータ５、６、７、８の逆の原理で動作する。従って、圧電センサ９、１０の振動板９ａ、１０ａは同一方向に湾曲するので、圧電センサ９、１０圧電体層９ｃ、１０ｃは同一極性の圧電起電力を発生し、この結果、図４の（Ｄ）に示すごとく、圧電センサ９、１０の出力電圧はミラー２の角度変化と同一位相で同一の正弦波変化する。
【００２８】
このように、本発明においても、従来と同様に、圧電センサ９、１０は圧電アクチュエータ５、６、７、８から離れているので、圧電アクチュエータ５、６、７、８の入力電圧とのクロストークはない。また、圧電センサ９、１０はミラー２の近傍に設けられているので、圧電センサ９、１０はミラー２の揺動振動を位相ずれなく検出でき、従って、ミラー２の振れ角、スキャン速度をリアルタイムで制御できる。
【００２９】
尚、圧電アクチュエータ５（７）の上部電極５ｄ（７ｄ）の入力電圧と圧電アクチュエータ６（８）の上部電極６ｄ（８ｄ）の入力電圧との位相差は180°より少しずれてもよい。
【００３０】
次に、図１の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を図５、図６、図７を参照して説明する。尚、図５、図６、図７は図１のV-V線断面図である。
【００３１】
始めに、図５の（Ａ）を参照すると、シリコンオン絶縁体（SOI）基板を準備する。SOI基板は、厚さ約100〜600μmたとえば525μmの単結晶シリコン支持層（ハンドリング層とも言う）１０１１、厚さ約0.5〜2μmたとえば2μmの中間酸化シリコン層（BOX層とも言う）１０１２及び厚さ約5〜100μmたとえば50μmの単結晶シリコン活性層１０１３よりなる。
【００３２】
次に、図５の（Ｂ）を参照すると、SOI基板を熱酸化して表面及び裏面に厚さ約0.1〜1.0μmたとえば0.5μmの酸化シリコン層１０２１、１０２２を形成する。
【００３３】
次に、図５の（Ｃ）を参照すると、酸化シリコン層１０２２上にスパッタリング法、電子ビーム（EB）蒸着法等により厚さ約30〜100μmたとえば50nmのTi及び厚さ約100〜300μmたとえば150nmのPtを順次成膜し、これにより、下部電極層１０３１を形成する。次いで、下部電極層１０３１上に反応性アーク放電イオンプレーティング法により厚さ約1〜10μmたとえば3μmのチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）よりなる圧電体層１０３２を成膜する。反応性アーク放電イオンプレーティング法については特許文献４、５、６を参照されたし。次いで、圧電体層１０３２上にスパッタリング法、EB蒸着法等により厚さ10〜200nmたとえば約150nmのPtよりなる上部電極層１０３３を成膜する。
【００３４】
次に、図５の（Ａ）を参照すると、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて上部電極層１０３３及び圧電体層１０３２のパターニングを行う。次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層１０３１のパターニングを行う。このとき、フォトレジスト層でミラー２の領域の下部電極層１０３１を覆い、反射層として残存せしめる。尚、ミラー２の光反射率を高めたい場合には、この後に、厚さ約100〜500nmのAl、Auをスパッタリング法、EB蒸着法等によって形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層１０３１に高反射率の反射層を形成する。
【００３５】
このようにして、パターニングされた下部電極層１０３１は下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂを形成し、パターニングされた圧電体層１０３２は圧電体層３ｃ、４ｃ、５ｃ、６ｃ、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃを形成し、パターニングされた上部電極層１０３３は上部電極３ｄ、４ｄ、５ｄ、６ｄ、７ｄ、８ｄ、９ｄ、１０ｄを形成することになる。
【００３６】
次に、図６の（Ｂ）を参照すると、酸化シリコン層１０２１を除去し、支持体１に対応する領域に高周波結合プラズマ反応性イオンエッチング（ICP-RIE）法用のハードマスク層１０４を形成する。つまり、フォトリソグラフィ法により表面に厚膜レジスト層を形成し、この厚膜レジスト層をエッチングマスクとしてバッファードフッ酸（BHF）を用いたウェットエッチング法により酸化シリコン層１０２１を除去する。次いで、単結晶シリコン支持層１０１１上にAlをスパッタリング法、EB蒸着法等により形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターニングしてハードマスク層１０４を形成する。
【００３７】
次に、図６の（Ｃ）を参照すると、フォトリソグラフィ法により、パターニングされた下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ、圧電体層３ｃ、４ｃ、５ｃ、６ｃ、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃ、上部電極３ｄ、４ｄ、５ｄ、６ｄ、７ｄ、８ｄ、９ｄ、１０ｄを覆うレジストパターンを形成した後に、ICP-RIE装置において酸化シリコン層１０２２及び単結晶シリコン活性層１０１３をエッチング除去する。
【００３８】
このようにして、パターニングされた単結晶シリコン活性層１０１３は振動板２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａを形成することになる。
【００３９】
また、同時に、図６の（Ｃ）に示すように、ICP-RIE装置において、ハードマスク層１０４をエッチングマスクとして単結晶シリコン支持層１０１１を除去して支持体１の空洞部１ａを形成する。尚、ハードマスク層１０４は支持体１に付着したままでも何ら問題はない。
【００４０】
さらに、ICP-RIE法は、単結晶シリコンを異方性エッチングするのに適したエッチング法であり、従って、単結晶シリコン支持層１０１１及び単結晶シリコン活性層１０１３を垂直にエッチングできる。
【００４１】
最後に、図７を参照すると、バッファードフッ酸（BHF）を用いて中間酸化シリコン層１０１２をエッチング除去する。これにより、ミラー２の回転、トーションバー３、４の捩り変形、圧電アクチュエータ５、６、７、８の湾曲、圧電センサ９、１０の湾曲が可能となる。そして、ダイシング工程によってウエハから各デバイスを個別（チップ）化し、トランジスタアウトライン（TO）型パッケージにダイボンド及びワイヤボンドにより実装される。
【００４２】
図８は図１の光偏向器を含む光学装置たとえばレーザプリンタを示す図である。
【００４３】
図８においては、図１に示す光偏向器８０１はレーザ光源８０２のレーザ光を反射して投射対象物８０３の走査方向Sに投射する。光偏向器８０１及びレーザ光源８０２は制御ユニット８０４によって制御される。
【００４４】
制御ユニット８０４は、光偏向器８０１の圧電アクチュエータ５（７）、６（８）を駆動するための圧電アクチュエータ駆動回路８０４１、光偏向器８０１の圧電センサ９、１０の出力つまりミラー角度を検出するミラー角度検出回路８０４２、レーザ光源８０２を駆動するレーザ光源駆動回路８０４３、記憶回路８０４４及びこれらを制御する制御回路（たとえばマイクロコンピュータ）８０４５よりなる。
【００４５】
制御回路８０４５は外部よりデータDを入力し、データDに応じたレーザ変調信号を投射対象物８０３の走査に同期してレーザ光源８０２のレーザ光源駆動回路８０４３に送出する。また、光偏向器８０１からの圧電センサ出力は実際のミラーの角度に完全に一致していないので、予め測定した角度補正用データをテーブルとして記憶回路８０４４に予め記憶させておく必要がある。尚、この角度補正用データは光偏向器８０１のミラーと圧電センサとの間のスリット幅SW等に応じて変化する。
【００４６】
図９は図８の制御回路８０４５の動作を説明するためのフローチャートである。図８の光学装置において、光偏向器８０１のミラーの共振周波数が25KHzのときに、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び25kHzとすると、ミラー振れ角（最大偏向角）は±5°であった。このとき、圧電センサの検出ミラー振れ角は目標値±5°に対して±0.05°(1%相当)の変動を有していた。従って、図８の光学装置においては、ミラー振れ角をθ（正の値のみを定義する）とし、その目標値θaimは5°、許容値は0.05°と仮定すれば、ミラー振れ角の許容範囲は4.95°〜5.05°とすることができる。
【００４７】
始めに、ステップ９０１にて、ミラー角度検出回路８０４２よりミラー角度θを検出する。この場合、圧電センサ９、１０の同一極性出力を加算してミラー角度とする。
【００４８】
次に、ステップ９０２にて、ステップ９０１で検出されたミラー角度θが前回値θ0より大きいか否かを判別する。つまり、θはミラー振れ角（最大偏向角）か否かを判別する。尚、ミラー振れ角は0°を中心に正負の同一値を有するものと仮定し、正の値のみを考慮する。検出されたミラー角度θがミラー振れ角でないときにはステップ９０３に進み、前回値θ0をθで置換して９０１に戻る。ミラー角度θがミラー振れ角であると判別されたときにはステップ９０４に進む。
【００４９】
ステップ９０４にて、ステップ９０２にてミラー振れ角とされたミラー角度を記憶回路８０４４の角度補正用データを参照して補正することによりミラー振れ角θ’を演算する。
【００５０】
ステップ９０５では、ミラー振れ角θ’が目標値5°の許容範囲は4.95°〜5.05°か否かを判別する。この結果、θ’<4.95°であればステップ９０６に進み、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のパラメータを更新して圧電アクチュエータ駆動回路８０４１に設定し、ミラー振れ角θ’を大きくするようにフィードバックする。他方、θ’>5.05°であればステップ９０７に進み、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のパラメータを更新して圧電アクチュエータ駆動回路８０４１に設定し、ミラー振れ角θ’を小さくするようにフィードバックする。その後、ステップ９０８に進む。θ’が4.95°≦θ’＜5.05°であればステップ９０８に直接進む。
【００５１】
ステップ９０６、９０７においては、圧電アクチュエータの２つの正弦波入力信号のパラメータ振幅A、位相差φ及び周波数ｆの少なくとも１つを更新する。たとえば、ステップ９０６では、
Ａ←Ａ＋ΔＡ（一定値）
φ←φ＋Δφ（一定値）
ｆ←ｆ−Δｆ（一定値）
とし、他方、ステップ９０７では、
Ａ←Ａ−ΔＡ（一定値）
φ←φ−Δφ（一定値）
ｆ←ｆ＋Δｆ（一定値）
とする。これにより、ミラー振れ角θ’を目標値5°の許容範囲は4.95°〜5.05°に近づけるようにする。
【００５２】
ステップ９０８では、θ0を初期化（=0）してステップ９０１に戻る。
【００５３】
他方、制御回路８０４５は図９の制御ルーチンと並列に実行する図示しないルーチンにより圧電アクチュエータ駆動回路８０４１の正弦波入力信号の位相に同期させてデータDに応じてレーザ信号変調してレーザ変調信号が発生する。この結果、レーザ光源駆動回路８０４３はレーザ変調信号を用いてレーザ光源８０２を駆動することになる。
【００５４】
図９の制御ルーチンの第１の動作例を説明する。動作中に、外部環境の温度がずれてミラーの共振周波数が25kHzからずれ、この結果、圧電センサの検出ミラー振れ角の変動は±2°であった場合を考察する。この場合にも、図９の制御ルーチンにより圧電アクチュエータの正弦波入力信号の振幅、位相差あるいは周波数をフィードバック制御することにより瞬時に上述の変動は±1°と収束した。このように、本発明の圧電センサによりミラー振れ角を精度よく検出することにより光学装置を安定的に動作させることができる。
【００５５】
図９の制御ルーチンの第２の動作例を説明する。図８の光偏向器を複数製造したところ、その1/2のミラーの共振周波数は25kHzであったが、残りのミラーの共振周波数はわずかにずれて24.997〜25.003kHzであった。このとき、共振周波数24.997 kHz、25.003kHzのミラーを有する光偏向器の圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び5kHzとすると、周波数の減少によりミラー振れ角は±4°であった場合を考察する。この場合にも、図９の制御ルーチンにより圧電アクチュエータの正弦波入力信号の振幅、位相差あるいは周波数をフィードバック制御することにより振れ角が±5°となった。このように、ミラー振れ角の維持を動作速度より優先する場合にも、本発明の圧電センサによりミラー振れ角を精度よく検出することにより光学装置を安定的に動作させることができる。
【００５６】
図９の制御ルーチンの第３の動作例を説明する。光偏向器８０１のミラーの共振周波数が25kHzのときに、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び25kHzとし、この結果、ミラー振れ角が目標値±5°を達しているときに、25kHz、500Gの外部振動を与えた場合を考察する。この場合においても、図９の制御ルーチンにより圧電アクチュエータの正弦波入力信号の振幅、位相差あるいは周波数をフィードバック制御することにより瞬時に上述の外部振動によるミラーの異常振幅増大を制限できた。尚、上述の25kHz、500Gの外部振動は本発明に係るフィードバック制御がなければ、光偏向器のトーションバーとミラーとの接続部は破損した。このように、加速度センサを用いることなく、本発明の圧電センサによりミラー振れ角を精度よく検出することにより光学装置を安定的に動作させることができ、従って、製造コストも低減できる。
【符号の説明】
【００５７】
１：支持体
１ａ：空胴部
２：ミラー
３、４：弾性梁（トーションバー）
５、６、７、８：圧電アクチュエータ
９、１０：圧電センサ
２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａ：振動板
２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ：下部電極
３ｃ、４ｃ、５ｃ、６ｃ、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃ：圧電体層
３ｄ、４ｄ、５ｄ、６ｄ、７ｄ、８ｄ、９ｄ、１０ｄ：上部電極
SW：スリット幅
１０１１：単結晶シリコン層
１０１２：中間酸化シリコン層
１０１３：単結晶シリコン活性層
１０２１、１０２２：酸化シリコン層
１０３１：下部電極層
１０３２：圧電体層
１０３３：上部電極層
１０４：ハードマスク層
SL：スリット
【技術分野】
【０００１】
本発明は圧電駆動方式の光偏向器及びこれを用いた光学装置に関する。たとえば、光学装置として、レーザプリンタ、バーコードリーダ、プロジェクタ等がある。
【背景技術】
【０００２】
最近、圧電駆動方式の光偏向器として、半導体製造プロセス技術、マイクロエレクトロメカニクスシステム（MEMS）技術を用いて空洞部を有する半導体基板の支持体に、ミラー、ミラーを揺動可能に支持する１対の弾性梁つまりトーションバー、トーションバーに作用する２対の圧電アクチュエータ等を形成したものが知られている（参照：特許文献１、２、３）。この場合、ミラーは支持体の空洞部の中央に位置する矩形反射面を有する。各トーションバーは支持体に連結された基端及びミラーに連結された先端を有する。各圧電アクチュエータはカンチレバーとして作用し、その基端は支持体に固定され、先端はトーションバーに連結されている。従って、圧電アクチュエータに駆動電圧を印加することにより圧電アクチュエータに湾曲変形を生じさせてトーションバーを捩り変形させ、これにより、ミラーが回転する。この結果、ミラーの矩形反射面に入射する光の反射光を１次元的に走査できる。尚、特許文献１、２は２次元光偏向器を開示している。
【０００３】
上述の圧電駆動方式の光偏向器においては、ミラーの矩形反射面の角度を検出して振れ角、スキャン速度をフィードバック制御するために、圧電方式の角度検出センサ（以下、圧電センサ）がトーションバーのミラー側付け根に設けられている（参照：特許文献３）。この場合、圧電センサはカンチレバーとして作用し、しかもミラーの側辺に固定され、その基端はトーションバーに連結されているので、ミラーの角度を位相ずれなく検出する。従って、リアルタイムでミラーの揺動をフィードバック制御できる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００５−１４８４５９号公報
【特許文献２】特開２００８−２０７０１号公報
【特許文献３】特開２００９−１６９３２５号公報
【特許文献４】特開２００１−２３４３３１号公報
【特許文献５】特開２００２−１７７７６５号公報
【特許文献６】特開２００３−８１６９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述の従来の圧電駆動方式の光偏向器においては、ミラーと圧電センサとは結合されているので、ミラー及び圧電センサは１つの慣性モーメントとして作用する。従って、ミラー及び圧電センサを大気中で動作させた場合、大気の粘性抵抗等により、圧電アクチュエータからの応力がミラー及び圧電センサにその質量に応じて分散する。
【０００６】
圧電センサに分散した圧電アクチュエータからの応力は圧電センサにとっては比較的小さい。従って、圧電センサの変位量は圧電アクチュエータの変位量に比較して微小となる。この結果、信号対雑音（S/N）比の良い捩り変位を圧電起電力として検出することは困難であるという課題がある。
【０００７】
尚、ここでの慣性モーメントは１対のトーションバーを結ぶ軸の回りの慣性モーメントで定義する。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上述の課題を解決するために、本発明に係る光偏向器は、空洞部が形成された支持体と、支持体の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、基端が支持体に連結され先端がミラーに連結された弾性梁と、基端が支持体に連結され先端が弾性梁に連結されたアクチュエータと、弾性梁間に連結されかつミラーの外周側にスリットを介して位置しミラーの角度を検出するための圧電センサとを具備し、アクチュエータはミラー及び圧電センサを弾性梁を介して同一方向に回転振動させるものである。これにより、ミラーと圧電センサとはスリットによって分離されているので、ミラーの慣性モーメントと圧電センサの慣性モーメントとは別個のものとなる。しかも、圧電センサがミラーの外周側にスリットを介して位置する分、圧電センサの慣性モーメントが比較的に大きくなる。
【０００９】
また、本発明に係る光学装置は、上述の光偏向器と、光偏向器に光を照射するための光源と、光源を駆動するための光源駆動回路と、圧電センサのミラーの角度信号を検出するミラー角度検出回路と、検出されたミラーの角度信号を補正するための補正データを記憶する記憶回路と、検出されたミラーの角度信号を補正データにより補正する制御回路と、補正されたミラーの角度信号によりアクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路とを具備するものである。
【発明の効果】
【００１０】
本発明によれば、アクチュエータからの応力は慣性モーメントの小さいミラーより慣性モーメントの大きい圧電センサへ多く分散する。
【００１１】
圧電センサに分散したアクチュエータの応力は比較的大きい。従って、圧電センサは積極的に変形でき、この結果、圧電センサの変位量を大きくでき、従って、S/N比の高い捩り変位を圧電起電力として検出できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明に係る圧電駆動方式の光偏向器の実施の形態を示す斜視図である。
【図２】図１の圧電アクチュエータの変形を説明するための図１のII-II線断面図である。
【図３】図１のミラー及び圧電センサの変形を説明するための図１のIII-III線断面図である。
【図４】図１の圧電アクチュエータの入力電圧、ミラーの角度及び圧電センサの出力電圧を示すタイミング図である。
【図５】図１の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を説明するための図１のV-V線断面図である。
【図６】図１の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を説明するための図１のV-V線断面図である。
【図７】図１の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を説明するための図１のV-V線断面図である。
【図８】図１の圧電駆動方式の光偏向器を用いた光学装置の例を示す図である。
【図９】図８の制御回路の動作を説明するためのフローチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
図１は本発明に係る圧電駆動方式の光偏向器の実施の形態を示す斜視図、図２は図１の圧電アクチュエータの変形を説明するための図１のII-II線断面図、図３は図１のミラー及び圧電センサの変形を説明するための図１のIII-III線断面図である。
【００１４】
図１に示すように、圧電駆動方式の光偏向器は、たとえば3mm×3mmのサイズを有し、空胴部１ａが形成された支持体１と、空胴部１ａの中央に位置する半径1mmの円形反射面を有するミラー２と、ミラー２を揺動可能に支持する１対の幅約30μm、長さ約300μmの弾性梁つまりトーションバー３、４と、トーションバー３にカンチレバーとして作用する１対の圧電アクチュエータ５、６と、トーションバー４にカンチレバーとして作用する１対の圧電アクチュエータ７、８と、トーションバー３、４が作用する１対の幅約100μmの圧電センサ９、１０とを備えている。圧電センサ９、１０は半環状をなしており、トーションバー３、４のミラー２側付け根に連結され、ミラー２の外周側にスリットを介して設けられている。圧電センサ９、１０は湾曲する必要があるので、厚さは100μm以下にする。また、スリットSLの幅SW（図３に図示）は約10μm〜100μmたとえば20μmである。スリットSLの幅SWが100μmを超えると、圧電センサ９、１０とミラー２との位相ずれが大きくなり、検出精度が低下するからである。すなわち、スリットSLの幅SWはミラー２の揺動（回転振動）の振動周波数が圧電センサ９、１０の揺動（回転振動）の振動周波数に一致するように設けられており、また、圧電センサ９、１０の最大振幅がミラー２の最大振幅より大きくなるように設けられている。
【００１５】
ミラー２は振動板２ａ及び反射板として作用する下部電極２ｂ（図３に図示）よりなる。
【００１６】
トーションバー３は振動板３ａ及び下部電極３ｂ（図２に図示）よりなり、また、トーションバー４は振動板４ａ及び下部電極４ｂ（図示せず）よりなる。
【００１７】
圧電アクチュエータ５は圧電ユニモルフ振動板であって、振動板５ａ、下部電極５ｂ、圧電体層５ｃ及び上部電極５ｄ（図２をも参照）よりなり、また、圧電アクチュエータ６も圧電ユニモルフ振動板であって、振動板６ａ、下部電極６ｂ、圧電体層６ｃ及び上部電極６ｄ（図２をも参照）よりなる。この場合、上述のごとく、圧電アクチュエータ５、６は対をなし、トーションバー３に作用する。
【００１８】
圧電アクチュエータ７は圧電ユニモルフ振動板であって、振動板７ａ、下部電極７ｂ、圧電体層７ｃ及び上部電極７ｄ（７ｂ、７ｄのみ図示）よりなり、また、圧電アクチュエータ８も圧電ユニモルフ振動板であって、振動板８ａ、下部電極８ｂ、圧電体層８ｃ及び上部電極８ｄ（８ｂ、８ｄのみ図示）よりなる。この場合、上述のごとく、圧電アクチュエータ７、８は対をなし、トーションバー４に作用する。
【００１９】
圧電センサ９は圧電ユニモルフ振動板であって、振動板９ａ、下部電極９ｂ、圧電体層９ｃ及び上部電極９ｄ（図３をも参照）よりなり、また、圧電センサ１０も圧電ユニモルフ振動板であって、振動板１０ａ、下部電極１０ｂ、圧電体層１０ｃ及び上部電極１０ｄ（図３をも参照）よりなる。この場合、上述のごとく、トーションバー３、４が圧電センサ９、１０に作用する。
【００２０】
尚、図１、図２、図３においては、下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂは共通に接続されており、たとえば接地される。
【００２１】
また、図１、図２、図３には図示しないが、支持体１と振動板２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａとの間には製造工程においてエッチングストッパとして作用する絶縁層たとえば酸化シリコン層１０１２（図５、図６、図７に図示）が設けられている。
【００２２】
さらに、図１、図２、図３には図示しないが、振動板２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａと下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂの間は絶縁層たとえば酸化シリコン層１０２２（図５、図６、図７に図示）によって電気的に絶縁されている。
【００２３】
図１、図２、図３においては、ミラー２は圧電センサ９、１０から分離されかつ円形となった分、慣性モーメントは比較的小さくなる。他方、圧電センサ９、１０はミラー２から分離されているがミラー２の外周側に分離して位置した分、慣性モーメントは比較的大きくなる。この結果、圧電アクチュエータ５、６、７、８によるトーションバー３、４の応力はミラー２よりも圧電センサ９、１０に多く分散する。従って、ミラー２の中心部の変形が抑制されると共に、圧電センサ９、１０が積極的に変形する。
【００２４】
次に、図１、図２、図３の圧電駆動方式の光偏向器の動作を図４のタイミング図を参照して説明する。尚、下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂは接地されているものとする。また、下部電極及び上部電極の周辺部はボンディングワイヤのためのパッドの作用をするものとする。
【００２５】
圧電アクチュエータ５、７の上部電極５ｄ、７ｄの入力電圧として図４の（Ａ）に示す正弦波交流電圧を印加し、圧電アクチュエータ６、８の上部電極６ｄ、８ｄの入力電圧として図４の（Ｂ）に示す正弦波交流電圧を印加する。この場合、図４の（Ａ）に示す正弦波交流電圧と図４の（Ｂ）に示す正弦波交流電圧とは180°ずれの逆位相の関係を有する。この結果、図２に示すごとく、圧電アクチュエータ５（７）の圧電体層５ｃ（７ｃ）及び圧電アクチュエータ６（８）の圧電体層６ｃ（８ｃ）が互いに反対側に湾曲し、従って、圧電アクチュエータ５（７）の振動板５ａ（７ａ）及び圧電アクチュエータ６（８）の振動板６ａ（８ａ）がＳ字状になって回転振動する。このとき、振動板５ａ（７ａ）及び振動板６ａ（８ａ）の基端は支持体１に連結されているので、振動板５ａ（７ａ）及び振動板６ａ（８ａ）の先端は支持体１の厚み方向に上下振動する。この場合、圧電アクチュエータ５（７）の上部電極５ｄ（７ｄ）の入力電圧と圧電アクチュエータ６（８）の上部電極６ｄ（８ｄ）の入力電圧には180°の位相差があるので、振動板５ａ（７ａ）の先端が上もしくは下振動するとき、振動板６ａ（８ａ）の先端は下もしくは上振動する。従って、トーションバー３（４）が揺動つまり回転振動する。
【００２６】
トーションバー３（４）が揺動つまり回転振動すると、図３に示すごとく、ミラー２及び圧電センサ９、１０にはトーションバー３（４）を中心とする回転トルクが発生し、ミラー２及び圧電センサ９、１０はトーションバー３（４）を中心軸として傾く。この場合、上述のごとく、慣性モーメントの相違から、図３の矢印に示すごとく、圧電センサ９、１０はミラー２より大きく揺動つまり回転振動する。つまり、圧電センサ９、１０の最大振動幅がミラー２の最大振幅より大きくなっている。しかし、ミラー２の揺動の振動数と圧電センサ９、１０の揺動の振動数とは同一に維持されるように、スリットSLのスリット幅SWが設定されている。このとき、振動板５ａ（７ａ）及び振動板６ａ（８ａ）は交流電圧に追随して上下振動するので、ミラー２及び圧電センサ９、１０にはシーソー的な回転トルクが発生し、従って、図４の（Ｃ）、（Ｄ）に示すごとく、ミラー２の角度は正弦波的に揺動すると共に、圧電センサ９、１０の出力も正弦波的に変化する。この場合、ミラー２の角度変化及び圧電センサ９、１０の出力はトーションバー３（４）等の介在により図４の（Ａ）に示す圧電アクチュエータ５（７）の上部電極５ｄ（７ｄ）の入力電圧及び図４の（Ｂ）に示す圧電アクチュエータ６（８）の上部電極６ｄ（８ｄ）の入力電圧に比べて時間Δｔだけ遅れる。
【００２７】
尚、圧電センサ９、１０の振動板９ａ、１０ａはミラー２と同期してトーションバー３（４）を中心軸として揺動つまり回転振動する。このとき、圧電センサ９、１０は圧電アクチュエータ５、６、７、８の逆の原理で動作する。従って、圧電センサ９、１０の振動板９ａ、１０ａは同一方向に湾曲するので、圧電センサ９、１０圧電体層９ｃ、１０ｃは同一極性の圧電起電力を発生し、この結果、図４の（Ｄ）に示すごとく、圧電センサ９、１０の出力電圧はミラー２の角度変化と同一位相で同一の正弦波変化する。
【００２８】
このように、本発明においても、従来と同様に、圧電センサ９、１０は圧電アクチュエータ５、６、７、８から離れているので、圧電アクチュエータ５、６、７、８の入力電圧とのクロストークはない。また、圧電センサ９、１０はミラー２の近傍に設けられているので、圧電センサ９、１０はミラー２の揺動振動を位相ずれなく検出でき、従って、ミラー２の振れ角、スキャン速度をリアルタイムで制御できる。
【００２９】
尚、圧電アクチュエータ５（７）の上部電極５ｄ（７ｄ）の入力電圧と圧電アクチュエータ６（８）の上部電極６ｄ（８ｄ）の入力電圧との位相差は180°より少しずれてもよい。
【００３０】
次に、図１の圧電駆動方式の光偏向器の製造方法を図５、図６、図７を参照して説明する。尚、図５、図６、図７は図１のV-V線断面図である。
【００３１】
始めに、図５の（Ａ）を参照すると、シリコンオン絶縁体（SOI）基板を準備する。SOI基板は、厚さ約100〜600μmたとえば525μmの単結晶シリコン支持層（ハンドリング層とも言う）１０１１、厚さ約0.5〜2μmたとえば2μmの中間酸化シリコン層（BOX層とも言う）１０１２及び厚さ約5〜100μmたとえば50μmの単結晶シリコン活性層１０１３よりなる。
【００３２】
次に、図５の（Ｂ）を参照すると、SOI基板を熱酸化して表面及び裏面に厚さ約0.1〜1.0μmたとえば0.5μmの酸化シリコン層１０２１、１０２２を形成する。
【００３３】
次に、図５の（Ｃ）を参照すると、酸化シリコン層１０２２上にスパッタリング法、電子ビーム（EB）蒸着法等により厚さ約30〜100μmたとえば50nmのTi及び厚さ約100〜300μmたとえば150nmのPtを順次成膜し、これにより、下部電極層１０３１を形成する。次いで、下部電極層１０３１上に反応性アーク放電イオンプレーティング法により厚さ約1〜10μmたとえば3μmのチタン酸ジルコン酸鉛（PZT）よりなる圧電体層１０３２を成膜する。反応性アーク放電イオンプレーティング法については特許文献４、５、６を参照されたし。次いで、圧電体層１０３２上にスパッタリング法、EB蒸着法等により厚さ10〜200nmたとえば約150nmのPtよりなる上部電極層１０３３を成膜する。
【００３４】
次に、図５の（Ａ）を参照すると、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて上部電極層１０３３及び圧電体層１０３２のパターニングを行う。次いで、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層１０３１のパターニングを行う。このとき、フォトレジスト層でミラー２の領域の下部電極層１０３１を覆い、反射層として残存せしめる。尚、ミラー２の光反射率を高めたい場合には、この後に、厚さ約100〜500nmのAl、Auをスパッタリング法、EB蒸着法等によって形成し、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法を用いて下部電極層１０３１に高反射率の反射層を形成する。
【００３５】
このようにして、パターニングされた下部電極層１０３１は下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂを形成し、パターニングされた圧電体層１０３２は圧電体層３ｃ、４ｃ、５ｃ、６ｃ、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃを形成し、パターニングされた上部電極層１０３３は上部電極３ｄ、４ｄ、５ｄ、６ｄ、７ｄ、８ｄ、９ｄ、１０ｄを形成することになる。
【００３６】
次に、図６の（Ｂ）を参照すると、酸化シリコン層１０２１を除去し、支持体１に対応する領域に高周波結合プラズマ反応性イオンエッチング（ICP-RIE）法用のハードマスク層１０４を形成する。つまり、フォトリソグラフィ法により表面に厚膜レジスト層を形成し、この厚膜レジスト層をエッチングマスクとしてバッファードフッ酸（BHF）を用いたウェットエッチング法により酸化シリコン層１０２１を除去する。次いで、単結晶シリコン支持層１０１１上にAlをスパッタリング法、EB蒸着法等により形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりパターニングしてハードマスク層１０４を形成する。
【００３７】
次に、図６の（Ｃ）を参照すると、フォトリソグラフィ法により、パターニングされた下部電極２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ、圧電体層３ｃ、４ｃ、５ｃ、６ｃ、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃ、上部電極３ｄ、４ｄ、５ｄ、６ｄ、７ｄ、８ｄ、９ｄ、１０ｄを覆うレジストパターンを形成した後に、ICP-RIE装置において酸化シリコン層１０２２及び単結晶シリコン活性層１０１３をエッチング除去する。
【００３８】
このようにして、パターニングされた単結晶シリコン活性層１０１３は振動板２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａを形成することになる。
【００３９】
また、同時に、図６の（Ｃ）に示すように、ICP-RIE装置において、ハードマスク層１０４をエッチングマスクとして単結晶シリコン支持層１０１１を除去して支持体１の空洞部１ａを形成する。尚、ハードマスク層１０４は支持体１に付着したままでも何ら問題はない。
【００４０】
さらに、ICP-RIE法は、単結晶シリコンを異方性エッチングするのに適したエッチング法であり、従って、単結晶シリコン支持層１０１１及び単結晶シリコン活性層１０１３を垂直にエッチングできる。
【００４１】
最後に、図７を参照すると、バッファードフッ酸（BHF）を用いて中間酸化シリコン層１０１２をエッチング除去する。これにより、ミラー２の回転、トーションバー３、４の捩り変形、圧電アクチュエータ５、６、７、８の湾曲、圧電センサ９、１０の湾曲が可能となる。そして、ダイシング工程によってウエハから各デバイスを個別（チップ）化し、トランジスタアウトライン（TO）型パッケージにダイボンド及びワイヤボンドにより実装される。
【００４２】
図８は図１の光偏向器を含む光学装置たとえばレーザプリンタを示す図である。
【００４３】
図８においては、図１に示す光偏向器８０１はレーザ光源８０２のレーザ光を反射して投射対象物８０３の走査方向Sに投射する。光偏向器８０１及びレーザ光源８０２は制御ユニット８０４によって制御される。
【００４４】
制御ユニット８０４は、光偏向器８０１の圧電アクチュエータ５（７）、６（８）を駆動するための圧電アクチュエータ駆動回路８０４１、光偏向器８０１の圧電センサ９、１０の出力つまりミラー角度を検出するミラー角度検出回路８０４２、レーザ光源８０２を駆動するレーザ光源駆動回路８０４３、記憶回路８０４４及びこれらを制御する制御回路（たとえばマイクロコンピュータ）８０４５よりなる。
【００４５】
制御回路８０４５は外部よりデータDを入力し、データDに応じたレーザ変調信号を投射対象物８０３の走査に同期してレーザ光源８０２のレーザ光源駆動回路８０４３に送出する。また、光偏向器８０１からの圧電センサ出力は実際のミラーの角度に完全に一致していないので、予め測定した角度補正用データをテーブルとして記憶回路８０４４に予め記憶させておく必要がある。尚、この角度補正用データは光偏向器８０１のミラーと圧電センサとの間のスリット幅SW等に応じて変化する。
【００４６】
図９は図８の制御回路８０４５の動作を説明するためのフローチャートである。図８の光学装置において、光偏向器８０１のミラーの共振周波数が25KHzのときに、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び25kHzとすると、ミラー振れ角（最大偏向角）は±5°であった。このとき、圧電センサの検出ミラー振れ角は目標値±5°に対して±0.05°(1%相当)の変動を有していた。従って、図８の光学装置においては、ミラー振れ角をθ（正の値のみを定義する）とし、その目標値θaimは5°、許容値は0.05°と仮定すれば、ミラー振れ角の許容範囲は4.95°〜5.05°とすることができる。
【００４７】
始めに、ステップ９０１にて、ミラー角度検出回路８０４２よりミラー角度θを検出する。この場合、圧電センサ９、１０の同一極性出力を加算してミラー角度とする。
【００４８】
次に、ステップ９０２にて、ステップ９０１で検出されたミラー角度θが前回値θ0より大きいか否かを判別する。つまり、θはミラー振れ角（最大偏向角）か否かを判別する。尚、ミラー振れ角は0°を中心に正負の同一値を有するものと仮定し、正の値のみを考慮する。検出されたミラー角度θがミラー振れ角でないときにはステップ９０３に進み、前回値θ0をθで置換して９０１に戻る。ミラー角度θがミラー振れ角であると判別されたときにはステップ９０４に進む。
【００４９】
ステップ９０４にて、ステップ９０２にてミラー振れ角とされたミラー角度を記憶回路８０４４の角度補正用データを参照して補正することによりミラー振れ角θ’を演算する。
【００５０】
ステップ９０５では、ミラー振れ角θ’が目標値5°の許容範囲は4.95°〜5.05°か否かを判別する。この結果、θ’<4.95°であればステップ９０６に進み、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のパラメータを更新して圧電アクチュエータ駆動回路８０４１に設定し、ミラー振れ角θ’を大きくするようにフィードバックする。他方、θ’>5.05°であればステップ９０７に進み、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のパラメータを更新して圧電アクチュエータ駆動回路８０４１に設定し、ミラー振れ角θ’を小さくするようにフィードバックする。その後、ステップ９０８に進む。θ’が4.95°≦θ’＜5.05°であればステップ９０８に直接進む。
【００５１】
ステップ９０６、９０７においては、圧電アクチュエータの２つの正弦波入力信号のパラメータ振幅A、位相差φ及び周波数ｆの少なくとも１つを更新する。たとえば、ステップ９０６では、
Ａ←Ａ＋ΔＡ（一定値）
φ←φ＋Δφ（一定値）
ｆ←ｆ−Δｆ（一定値）
とし、他方、ステップ９０７では、
Ａ←Ａ−ΔＡ（一定値）
φ←φ−Δφ（一定値）
ｆ←ｆ＋Δｆ（一定値）
とする。これにより、ミラー振れ角θ’を目標値5°の許容範囲は4.95°〜5.05°に近づけるようにする。
【００５２】
ステップ９０８では、θ0を初期化（=0）してステップ９０１に戻る。
【００５３】
他方、制御回路８０４５は図９の制御ルーチンと並列に実行する図示しないルーチンにより圧電アクチュエータ駆動回路８０４１の正弦波入力信号の位相に同期させてデータDに応じてレーザ信号変調してレーザ変調信号が発生する。この結果、レーザ光源駆動回路８０４３はレーザ変調信号を用いてレーザ光源８０２を駆動することになる。
【００５４】
図９の制御ルーチンの第１の動作例を説明する。動作中に、外部環境の温度がずれてミラーの共振周波数が25kHzからずれ、この結果、圧電センサの検出ミラー振れ角の変動は±2°であった場合を考察する。この場合にも、図９の制御ルーチンにより圧電アクチュエータの正弦波入力信号の振幅、位相差あるいは周波数をフィードバック制御することにより瞬時に上述の変動は±1°と収束した。このように、本発明の圧電センサによりミラー振れ角を精度よく検出することにより光学装置を安定的に動作させることができる。
【００５５】
図９の制御ルーチンの第２の動作例を説明する。図８の光偏向器を複数製造したところ、その1/2のミラーの共振周波数は25kHzであったが、残りのミラーの共振周波数はわずかにずれて24.997〜25.003kHzであった。このとき、共振周波数24.997 kHz、25.003kHzのミラーを有する光偏向器の圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び5kHzとすると、周波数の減少によりミラー振れ角は±4°であった場合を考察する。この場合にも、図９の制御ルーチンにより圧電アクチュエータの正弦波入力信号の振幅、位相差あるいは周波数をフィードバック制御することにより振れ角が±5°となった。このように、ミラー振れ角の維持を動作速度より優先する場合にも、本発明の圧電センサによりミラー振れ角を精度よく検出することにより光学装置を安定的に動作させることができる。
【００５６】
図９の制御ルーチンの第３の動作例を説明する。光偏向器８０１のミラーの共振周波数が25kHzのときに、圧電アクチュエータの正弦波入力信号のピーク間電圧Vp-p及び周波数を20V及び25kHzとし、この結果、ミラー振れ角が目標値±5°を達しているときに、25kHz、500Gの外部振動を与えた場合を考察する。この場合においても、図９の制御ルーチンにより圧電アクチュエータの正弦波入力信号の振幅、位相差あるいは周波数をフィードバック制御することにより瞬時に上述の外部振動によるミラーの異常振幅増大を制限できた。尚、上述の25kHz、500Gの外部振動は本発明に係るフィードバック制御がなければ、光偏向器のトーションバーとミラーとの接続部は破損した。このように、加速度センサを用いることなく、本発明の圧電センサによりミラー振れ角を精度よく検出することにより光学装置を安定的に動作させることができ、従って、製造コストも低減できる。
【符号の説明】
【００５７】
１：支持体
１ａ：空胴部
２：ミラー
３、４：弾性梁（トーションバー）
５、６、７、８：圧電アクチュエータ
９、１０：圧電センサ
２ａ、３ａ、４ａ、５ａ、６ａ、７ａ、８ａ、９ａ、１０ａ：振動板
２ｂ、３ｂ、４ｂ、５ｂ、６ｂ、７ｂ、８ｂ、９ｂ、１０ｂ：下部電極
３ｃ、４ｃ、５ｃ、６ｃ、７ｃ、８ｃ、９ｃ、１０ｃ：圧電体層
３ｄ、４ｄ、５ｄ、６ｄ、７ｄ、８ｄ、９ｄ、１０ｄ：上部電極
SW：スリット幅
１０１１：単結晶シリコン層
１０１２：中間酸化シリコン層
１０１３：単結晶シリコン活性層
１０２１、１０２２：酸化シリコン層
１０３１：下部電極層
１０３２：圧電体層
１０３３：上部電極層
１０４：ハードマスク層
SL：スリット
【特許請求の範囲】
【請求項１】
空洞部が形成された支持体と、
該支持体の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、
基端が前記支持体に連結され先端が前記ミラーに連結された弾性梁と、
基端が前記支持体に連結され先端が前記弾性梁に連結されたアクチュエータと、
前記弾性梁に連結されかつ前記ミラーの外周側にスリットを介して位置し前記ミラーの角度を検出するための圧電センサと
を具備し、
前記アクチュエータは前記ミラー及び前記圧電センサを前記弾性梁を介して同一方向に回転振動させる光偏向器。
【請求項２】
前記スリットは前記ミラーの回転振動の振動周波数が前記圧電センサの回転振動の周波数に一致するように設けられている請求項１に記載の光偏向器。
【請求項３】
前記スリットは前記圧電センサの最大振動幅が前記ミラーの最大振動幅より大きくなるように設けられている請求項１に記載の光偏向器。
【請求項４】
前記アクチュエータは圧電アクチュエータである請求項１に記載の光偏向器。
【請求項５】
前記ミラーの反射面は円形であり、前記圧電センサは半環状である請求項１に記載の光偏向器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の光偏向器と、
該光偏向器に光を照射するための光源と、
該光源を駆動するための光源駆動回路と、
前記圧電センサのミラーの角度信号を検出するミラー角度検出回路と、
該検出されたミラーの角度信号を補正するための補正データを記憶する記憶回路と、
前記検出されたミラーの角度信号を前記補正データにより補正する制御回路と、
該補正されたミラーの角度信号により前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と
を具備する光学装置。
【請求項１】
空洞部が形成された支持体と、
該支持体の空洞部内に位置する反射面を有するミラーと、
基端が前記支持体に連結され先端が前記ミラーに連結された弾性梁と、
基端が前記支持体に連結され先端が前記弾性梁に連結されたアクチュエータと、
前記弾性梁に連結されかつ前記ミラーの外周側にスリットを介して位置し前記ミラーの角度を検出するための圧電センサと
を具備し、
前記アクチュエータは前記ミラー及び前記圧電センサを前記弾性梁を介して同一方向に回転振動させる光偏向器。
【請求項２】
前記スリットは前記ミラーの回転振動の振動周波数が前記圧電センサの回転振動の周波数に一致するように設けられている請求項１に記載の光偏向器。
【請求項３】
前記スリットは前記圧電センサの最大振動幅が前記ミラーの最大振動幅より大きくなるように設けられている請求項１に記載の光偏向器。
【請求項４】
前記アクチュエータは圧電アクチュエータである請求項１に記載の光偏向器。
【請求項５】
前記ミラーの反射面は円形であり、前記圧電センサは半環状である請求項１に記載の光偏向器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか１つに記載の光偏向器と、
該光偏向器に光を照射するための光源と、
該光源を駆動するための光源駆動回路と、
前記圧電センサのミラーの角度信号を検出するミラー角度検出回路と、
該検出されたミラーの角度信号を補正するための補正データを記憶する記憶回路と、
前記検出されたミラーの角度信号を前記補正データにより補正する制御回路と、
該補正されたミラーの角度信号により前記アクチュエータを駆動するアクチュエータ駆動回路と
を具備する光学装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【公開番号】特開２０１１−１５００５５（Ｐ２０１１−１５００５５Ａ）
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−９８４４（Ｐ２０１０−９８４４）
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年８月４日（２０１１．８．４）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１月２０日（２０１０．１．２０）
【出願人】（０００００２３０３）スタンレー電気株式会社 (2,684)
【Ｆターム（参考）】
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