(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ベースシリコン層（１３）、シリコン酸化膜層（１２）、ＳＯＩ層（１１）からなるＳＯＩウエハにおいて、
前記ＳＯＩ層（１１）に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第１領域（１０８）に形成され、第１中心軸周りに回転振動するように、第１弾性変形部材（１０５）によって前記シリコン酸化膜層（１２）を介して前記ベースシリコン層（１３）に結合された振動子領域（１１４）と、
前記ＳＯＩ層（１１）に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第１領域（１０８）に形成され、駆動信号により静電的又は電磁的な力で前記振動子領域（１１４）を前記第１中心軸周りに周期的に所定の第１周波数で回転振動させる加振手段（１０９，１１０）と、
前記ＳＯＩ層（１１）に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁され、前記第１領域（１０８）の近傍に配置された第２領域（３１）に形成された第２中心軸周りに回転振動するように第２０弾性変形部材（３６）によって、前記シリコン酸化膜層（１２）を介して前記ベースシリコン層（１３）に結合され、前記加振手段（１０９，１１０）で前記振動子領域（１１４）を回転振動させる前記所定の第１周波数と同じ第２固有周波数を有する振動検出子（３２．４２）と、
前記振動検出子（３２．４２）が前記第２固有周波数で第２中心軸周りに回転振動する際の前記第２中心軸周りの回転角度を検出する角度検出手段（３０，４０）と、
を備え、
前記第１弾性変形部材（１０５）及び前記第２０弾性変形部材（３６）は、
回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで前記捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、
前記振動子領域（１１４）及び前記振動検出子（３２．４２）は、板状に形成され、
前記加振手段（１０９，１１０）は、前記振動子領域（１１４）に設けられ、櫛歯状に形成された第１櫛歯状電極部（１１０）と、前記第１領域（１０８）に設けられ、前記第１櫛歯状電極部（１１０）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第２櫛歯状電極部（１０９）とを有し、前記第２櫛歯状電極部（１０９）に周期的な電気信号を入力することにより、前記振動子領域（１１４）に周期的外力を作用させて、前記振動子領域（１１４）を前記第１中心軸周りに回転振動させ、
前記角度検出手段（３０，４０）は、
前記振動検出子（３２．４２）に設けられ、櫛歯状に形成された第３櫛歯状電極部（３４，４４）と、前記第２領域（３１）に設けられ、前記第３櫛歯状電極部（３４，４４）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第４櫛歯状電極部（３５、４５）とを有し、前記第３櫛歯状電極部（３４，４４）と前記第４櫛歯状電極部（３５、４５）との間の静電容量の変化に基づいて、前記第２弾性変形部材（１０６）の捻り振動の振幅の角度を検出することを特徴とする振動装置。
【請求項２】
ベースシリコン層（１３）、シリコン酸化膜層（１２）、ＳＯＩ層（１１）からなるＳＯＩウエハにおいて、
前記ＳＯＩ層（１１）に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第１領域（１０８）に形成され、振動子が、前記シリコン酸化膜層（１２）を介してベースシリコン層（１３）に機械的に結合され、駆動信号により主走査軸及び前記主走査軸に交差する副走査軸周りに回転振動する二次元振動部（１００）と、
前記ＳＯＩ層（１１）において、前記第１領域（１０８）の近傍に形成され、トレンチ溝により電気的に絶縁された第２領域（３１）に、第２０中心軸周りに回転振動するように第２０弾性変形部材（３６）によって、前記シリコン酸化膜層（１２）を介してベースシリコン層（１３）に結合され、前記二次元振動部（１００）が前記主走査軸周りに回転振動する際の第１０周波数と同じ第２０固有周波数を有する第２０振動検出子（３２）と、
前記第２０振動検出子（３２）及び前記第２領域（３１）は、トレンチ溝により電気的に絶縁された第３領域（３７）に設置され、前記第２０振動検出子（３２）が前記第２０固有周波数で第２０中心軸周りに回転振動する際の前記第２０中心軸周りの回転角度を検出する第２０角度検出部（３０）と、
前記ＳＯＩ層（１１）において、前記第１領域（１０８）の近傍に形成され、トレンチ溝により電気的に絶縁された第４領域（４１）に、第３０中心軸周りに回転振動するように第３０弾性変形部材（４６）によって前記シリコン酸化膜層（１２）を介してベースシリコン層（１３）に結合され、前記二次元振動部（１００）が、前記副走査軸周りに回転振動する際の第２０周波数と同じ第３０固有周波数を有する第３０振動検出子（４２）と、
前記第３０振動検出子（４２）及び前記第４領域（４１）はトレンチ溝により電気的に絶縁された第５領域（４７）に設置され、前記第３０振動検出子（４２）が前記第３０固有周波数で第３０中心軸周りに回転振動する際の前記第３０中心軸周りの回転角度を検出する第３０角度検出部（４０）と、
を備えたことを特徴とする振動装置
【請求項３】
請求項２に記載の二次元振動装置において、
前記第２０振動検出子（３２）及び前記第３０振動検出子（４２）は、板状に形成され、
前記第２０角度検出部（３０）は、
前記第２０振動検出子（３２）に設けられ、櫛歯状に形成された第２０櫛歯状電極部（３４）と、前記第２領域（３１）に設けられ、前記第２０櫛歯状電極部（３４）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第２１櫛歯状電極部（３５）とを有し、前記第２０櫛歯状電極部（３４）と前記第２１櫛歯状電極部（３５）との間の静電容量の変化に基づいて、前記第２０弾性変形部材（３６）の捻り振動の振幅の角度を検出し、
前記第３０角度検出部（４０）は、
前記第３０振動検出子（４２）に設けられ、櫛歯状に形成された第３０櫛歯状電極部（４４）と、前記第４領域（４１）に設けられ、前記第３０櫛歯状電極部（４４）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第３１櫛歯状電極部（４５）とを有し、前記第３０櫛歯状電極部（４４）と前記第３１櫛歯状電極部（４５）との間の静電容量の変化に基づいて、前記第３０弾性変形部材（４６）の捻り振動の振幅の角度を検出することを特徴とする二次元振動装置。
【請求項４】
請求項２又は請求項３に記載の二次元振動装置において、
前記二次元振動部（１００）は、
板状に形成された振動子（１０４）と、
前記振動子（１０４）に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第２剛体部材（１０３）と、
前記第２剛体部材（１０３）に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第１剛体部材（１０２）と、
前記第１剛体部材（１０２）に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第０剛体部材（１０１）と、
前記振動子（１０４）と前記第２剛体部材（１０３）とを連結させるとともに、前記振動子（１０４）と前記第２剛体部材（１０３）との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、前記振動子（１０４）の重心を通る主走査軸を回転軸として、前記振動子（１０４）を振動させる第３弾性変形部材（１０７）と、
前記第２剛体部材（１０３）と前記第１剛体部材（１０２）とを連結させるとともに、前記第２剛体部材（１０３）と前記第１剛体部材（１０２）との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、前記振動子（１０４）と前記第２剛体部材（１０３）との重心を通る副走査軸を回転軸として、前記第２剛体部材（１０３）を捻り振動させる第２弾性変形部材（１０６）と、
前記第１剛体部材（１０２）と前記第０剛体部材（１０１）とを連結させるとともに、前記第１剛体部材（１０２）と前記第０剛体部材（１０１）との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、前記振動子（１０４）と前記第２剛体部材（１０３）と前記第１剛体部材（１０２）との重心を通る主走査軸を回転軸として、前記第１剛体部材（１０２）を振動させる第１弾性変形部材（１０５）と
を備え、
前記振動子（１４４）、前記第２剛体部材（１０３）、前記第１剛体部材（１０２）、前記第３弾性変形部材（１０７）、前記第２弾性変形部材（１０６）及び前記第１弾性変形部材（１０５）が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で振動する３自由度連成振動系を構成し、
さらに、前記第０剛体部材（１０１）に設けられ、櫛歯状に形成された第０櫛歯状電極部（１０９）と、前記第１剛体部材（１０２）に設けられ、前記第０櫛歯状電極部（１０９）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第１櫛歯状電極部（１１０）とを有し、前記第０櫛歯状電極部（１０９）に周期的な電気信号を入力することにより、前記３自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第１外力作用手段（１０９，１１０）と、
前記振動子（１０４）及び前記第２剛体部材（１０３）の振動の振幅の角度が、前記第１剛体部材（１０２）の振動の振幅の角度に対して十分大きく、
前記第１剛体部材（１０２）の振動の振幅が、前記第１剛体部材（１０２）の板厚に略等しくなるように構成されることを特徴とする二次元振動装置。
【請求項５】
請求項４に記載の二次元振動装置において、
前記第３弾性変形部材（１０７）は、
前記振動子（１０４）と前記第２剛体部材（１０３）との間に回転トルクが作用するとき捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで前記捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体であって、前記振動子（１０４）の重心を通る第３中心軸を回転軸として、前記振動子（１０４）を捻り振動させ、
第２弾性変形部材（１０６）は、
前記第２剛体部材（１０３）と前記第１剛体部材（１０２）との間に回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで前記捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体であって、前記振動子（１０４）と前記第２剛体部材（１０３）との重心を通る副走査軸を回転軸として、前記第２剛体部材（１０３）を捻り振動させ、
第１弾性変形部材（１０５）は、
前記第１剛体部材（１０２）と前記第０剛体部材（１０１）との間に回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで前記捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体であって、前記振動子（１０４）と前記第２剛体部材（１０３）と前記第１剛体部材（１０２）との重心を通る主走査軸を回転軸として、前記第１剛体部材（１０２）を捻り振動させ、
前記振動子（１０４）、前記第２剛体部材（１０３）、前記第１剛体部材（１０２）、前記第３弾性変形部材（１０７）、前記第２弾性変形部材（１０６）及び前記第１弾性変形部材（１０５）が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捻り振動する３自由度連成振動系を構成し、
前記第１外力作用手段（１０９，１１０）により第０櫛歯状電極部（１０９）に周期的な電気信号を入力したときに、前記振動子（１０４）及び前記第２剛体部材（１０３）の捻り振動の振幅の角度が、前記第１剛体部材（１０２）の捻り振動の振幅の角度より大きく、
前記第１剛体部材（１０２）の捻り振動の振幅が、前記第１剛体部材（１０２）の板厚に略等しくなるように構成されることを特徴とする二次元振動装置。
【請求項６】
請求項４又は請求項５に記載の二次元振動装置において、
前記第１外力作用手段（１０９，１１０）は、
前記第１剛体部材（１０２）が１周期振動する間に、複数箇所で前記第０櫛歯状電極部（１０９）と前記第１櫛歯状電極部（１１０）とが噛み合うように、前記複数箇所に前記第０櫛歯状電極部（１０９）及び前記第１櫛歯状電極部（１１０）が設けられ、
前記複数箇所に設けられた前記第０櫛歯状電極部（１０９）には、それぞれ異なる周波数の電気信号が入力されることを特徴とする二次元振動装置。
【請求項７】
請求項３〜請求項６のいずれか１項に記載の二次元振動装置において、
前記周期的な電気信号は、少なくとも２種類の周波数が重畳されており、
前記第１外力作用手段（１０９，１１０）は、
前記少なくとも２種類の周波数の位相差を検出し、該検出された位相差に基づいて、上記重畳されている少なくとも２種類の周波数の位相差を調整するように構成される
ことを特徴とする二次元振動装置。
【請求項８】
請求項１に記載の振動装置において、
前記板状に形成した前記振動子（１０４）の表面を反射面とすることを特徴とする光走査装置。
【請求項９】
請求項３〜請求項７のいずれか１項に記載の二次元振動装置において、
前記板状に形成した前記振動子（１０４）の表面を反射面とすることを特徴とする二次元光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、振動装置及び光ビームの走査を行う光走査装置、特に、振動子を二次元面で振動させる二次元振動蔵置及び光ビームを二次元面で走査を行う二次元走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、ＳＯＩウエハを加工して製造する、３自由度捻り振動系を櫛歯で加振して共振させる二次元ＭＥＭＳスキャナがあった（例えば、特許文献１参照）。
この二次元ＭＥＭＳスキャナは、いわゆるジンバル機構を構成しており、軸周りに捻れるＹ走査軸を介してＳＯＩウエハに固定された外ジンバルと、軸周りに捻れるＸ走査軸を介して外ジンバルに固定されたミラーを備えている。
【０００３】
さらに、ＳＯＩウエハと外ジンバル及び外ジンバルとミラーは、互いに噛みあう櫛歯電極を有しており、それらの櫛歯電極に駆動信号を印加することにより、ミラーをＸ軸及びＹ軸周りに振動させて、二次元走査を行うようになっている。
【０００４】
また、ミラーの角度変位をリアルタイムで検出するため、ＳＯＩウエハ及び外ジンバルに形成した絶縁膜を介して形成したアルミ電極（振動検出子）で外ジンバル角度検出をしている（例えば、特許文献２参照）。
【０００５】
このような二次元ＭＥＭＳスキャナでは、櫛歯電極に駆動信号を印加すると、振動検出子（アルミ電極）で検出される容量も振動に伴って変化する。この容量の変化量を計測することにより、角度を知ることができる。この、容量変化量に着目した場合、ジンバル角度は、
角度＝Ａｓｉｎ（ωｔ）    ［ωは角周波数２πｆ］
で振動している。
【０００６】
容量の変化量は角度の変化量に従うため、角度の微分である、角度変化＝Ａωｃｏｓ（ωｔ）で変化しているので、容量の変化量を計測することにより、外ジンバルの角度を検出することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００８−１２９０６９号公報
【特許文献２】特願２００９−３５２２３４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上述した二次元ＭＥＭＳスキャナでは、外ジンバルの振動子や振動検出子は、駆動電極や接地電極を形成するため、ＳＯＩウエハに形成された溝（トレンチ）により電気的に分離されている。しかし、振動検出子は駆動電極に対してシリコン酸化膜層を介して形成されており、また、駆動電極には数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚ程度の周波数の高い信号が印加されるため、駆動電極と振動検出子は容量結合しており、二次元スキャナの振動子に加わる駆動信号による電気的ノイズが、振動検出子に混入してしまうという問題があった。
【０００９】
また、外ジンバルは、外ジンバル自身が駆動される周波数と、Ｘ走査軸を介して外ジンバルに固定されているミラーが駆動される周波数の２種類の周波数ｆ１とｆ２が重畳した振動をしている。
【００１０】
この場合、前述のように、外ジンバルの角度変化を振動検出子の容量変化により検出すると、角度変化すなわち容量変化の大きさは角周波数に比例しているので、周波数が高いほど大きい値が得られるが、逆に周波数が低いと、容量変化の大きさが小さくなり、Ｓ／Ｎ比が悪化する。
【００１１】
二次元ＭＥＭＳスキャナの場合、２種類の周波数で振動し、２つの周波数が離れている程スキャンパターンの密度が高分解能になるため、１桁程周波数を離すのが望ましい。そのため、低周波数側は高周波数側に比べて、容量変化量が小さくなり、角度の検出が難しくなるという問題があった。
【００１２】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたもので、振動子の振動角度を簡易な構造で正確に検出し、検出した角度に基づいて正確な加振や走査を行うことができる加振及び走査技術を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
この欄においては、発明に対する理解を容易にするため、必要に応じて「発明を実施するための形態」欄において用いた符号を付すが、この符号によって請求の範囲を限定することを意味するものではない。
【００１４】
上記「発明が解決しようとする課題」において述べた問題を解決するためになされた請求項１に記載の振動装置は、ベースシリコン層（１３）、シリコン酸化膜層（１２）、ＳＯＩ層（１１）からなるＳＯＩウエハにおいて、振動子領域（１１４）、加振手段（１０９，１１０）と、振動検出子（３２，４２）、角度検出手段（３０，４０）を備えている。
【００１５】
振動子領域（１１４）は、ＳＯＩ層（１１）に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第１領域に形成され、第１中心軸周りに回転振動するように、第１弾性変形部材（１０５）によってシリコン酸化膜層（１２）を介してベースシリコン層（１３）に結合されている。
【００１６】
加振手段（１０９，１１０）は、ＳＯＩ層（１１）に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第１領域（１０８）に形成され、駆動信号により静電的又は電磁的な力で振動子領域（１１４）を第１中心軸周りに周期的に所定の第１周波数で回転振動させる。
【００１７】
振動検出子（３２，４２）は、ＳＯＩ層（１１）に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁され、第１領域の近傍に配置された第２領域（３１）に形成された第２中心軸周りに回転振動するように第２０弾性変形部材（３６）によって、シリコン酸化膜層（１２）を介してベースシリコン層（１３）に結合され、加振手段で振動子領域（１１４）を回転振動させる所定の第１周波数と同じ第２固有周波数を有する。
【００１８】
角度検出手段（３０，４０）は、振動検出子（３２，４２）が第２固有周波数で第２中心軸周りに回転振動する際の第２中心軸周りの回転角度を検出する。
このような、振動装置では、ベースシリコン層（１３）、シリコン酸化膜層（１２）、ＳＯＩ層（１１）からなるＳＯＩウエハにおいて、ＳＯＩ層（１１）に形成された振動子領域（１１４）が、加振手段（１０９，１１０）によって周期的に所定の第１周波数で第１中心軸周りに回転振動する。
【００１９】
ここで、振動子領域（１１４）は、ＳＯＩ層（１１）に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第１領域（１０８）に形成され、第１中心軸周りに回転振動するように、第１弾性変形部材（１０５）によってシリコン酸化膜層（１２）を介してベースシリコン層（１３）に結合されているので、振動子領域（１１４）はＳＯＩ層（１１）に対して空間的に浮いた状態となっている。
【００２０】
また、加振手段（１０９，１１０）は、ＳＯＩ層（１１）に形成されたトレンチ溝により空間的に浮いた状態で、静電的又は電磁的な力により振動子領域（１１４）を第１中心軸周りに所定の第１周波数で回転振動させる。
【００２１】
また、振動検出子（３２，４２）は、トレンチ溝が形成されているＳＯＩ層（１１）と同じＳＯＩ層（１１）において、第１領域（１０８）の近傍に配置された第２領域（３１）に第２０弾性変形部材（３６）によってシリコン酸化膜層（１２）を介してベースシリコン層（１３）に結合されている。さらに、振動検出子（３２，４２）は、振動子領域（１１４）を回転振動させる所定の第１周波数と同じ第２固有周波数の固有振動を有している。
【００２２】
このように、振動検出子（３２，４２）は、振動子領域（１１４）の近傍に位置し、かつ第１弾性変形部材（１０５）、第２弾性変形部（１０６）及びベースシリコン層（１３）によって振動子領域（１１４）に機械的に結合（機械的弱結合）され、振動子領域（１１４）が回転振動する第１周波数と同じ第２固有周波数を有している。
【００２３】
したがって、振動子領域（１１４）を所定の第１周波数で振動させると、振動子領域（１１４）に機械的弱結合している振動検出子（３２，４２）も所定の第１周波数に共振するので、振動子領域（１１４）の回転振動に同期して第２中心軸周りに回転振動する。
【００２４】
そこで、振動検出子（３２，４２）の第２中心軸周りの回転角度を角度検出手段（３０，４０）で検出することにより、振動子領域（１１４）の回転角度を検出することができる。
このとき、加振手段（１０９，１１０）と角度検出手段（３０，４０）とは、第１弾性変形部材（１０５）、第２０弾性変形部材（３６）及びＳＯＩ層（１１）により電気的に分離(絶縁）されているので、加振手段（１０９，１１０）を回転振動させる駆動信号によって発生するノイズが検出手段に混入することがない。したがって、ノイズによって振動子領域（１１４）の回転角度の検出精度が劣化することがない。
【００２５】
また、以上に説明した振動装置は、第１中心軸に加速度が加わった場合や第１中心軸に垂直方向の角速度の変化があった場合、加振手段（１０９，１１０）で回転振動させている振動子領域（１１４）の振動周波数に変化が現れる。したがって、その周波数の変化を角度検出手段（３０，４０）で検出することができるので、加速度や角速度を計測することができる。
【００２６】
ここで、「第１領域の近傍」とは、振動子領域（１１４）が第１中心軸周りに回転振動したときに、その振動が第１弾性変形部材（１０５）によってベースシリコン層（１３）、第２０弾性変形部材（３６）を介して振動検出子（３２，４２）に伝達され、伝達された振動により、振動検出子（３２，４２）が共振することができる距離よりも近い領域を意味している。
【００２７】
また、第１弾性変形部材（１０５）及び第２０弾性変形部材（３６）を、回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで前記捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体で構成し、振動子領域（１１４）及び振動検出子（３２，４２）を、板状に形成する。
【００２８】
また、加振手段（１０９，１１０）を、振動子領域（１１４）に設けられ、櫛歯状に形成された第１櫛歯状電極部（１１０）と、第１領域（１０８）に設けられ、第１櫛歯状電極部（１１０）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第２櫛歯状電極部（１０９）とを備えるようにする。
【００２９】
そして、第２櫛歯状電極部（１０９）に周期的な電気信号を入力することにより、振動子領域（１１４）に周期的外力を作用させて、振動子領域（１１４）を第１中心軸周りに回転振動させる。
角度検出手段（３０，４０）は、振動検出子（３２，４２）に設けられ、櫛歯状に形成された第３櫛歯状電極部（３４，４４）と、第２領域（３１）に設けられ、第３櫛歯状電極部（３４，４４）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第４櫛歯状電極部（３５，４５）とを備えるようにする。
【００３０】
そして、第３櫛歯状電極部（３４，４４）と第４櫛歯状電極部（３５，４５）との間の静電容量の変化に基づいて、第２０弾性変形部材（３６）の捻り振動の振幅の角度を検出する。
このような、振動装置では、第１弾性変形部材（１０５）及び第２０弾性変形部材（３６）を、回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体、いわゆるトーションバーで容易に構成することができる。
【００３１】
また、加振手段（１０９，１１０）及び角度検出手段（３０，４０）を、相互に噛み合い可能な一対の櫛歯状電極（第１及び第２櫛歯状電極部（１１０，１０９）、第３及び第４櫛歯状電極部（２４，４４，２５，４５））で構成することができる。相互に噛み合い可能な一対の櫛歯状電極を形成することは従来の半導体加工技術で容易に実現することができ、また、構成も簡易であるので、振動装置を小型化することができる。
【００３２】
請求項２に記載の二次元振動装置（１０）は、ベースシリコン層（１３）、シリコン酸化膜層（１２）、ＳＯＩ層（１１）からなるＳＯＩウエハにおいて、二次元振動部（１００）、第２０振動検出子（３２）、第２０角度検出手段（３０）、第３０振動検出子（４２）及び第３０角度検出手段（４０）を備えている。
【００３３】
二次元振動部（１００）は、ＳＯＩ層に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第１領域（１０８）に形成され、振動子（１０４）が、シリコン酸化膜を介してベースシリコン層に機械的に結合され、駆動信号により主走査軸及び主走査軸に交差する副走査軸周りに回転振動する。
【００３４】
第２０振動検出子（３２）は、ＳＯＩ層（１１）において、第１領域（１０８）の近傍に形成され、トレンチ溝により電気的に絶縁された第２領域（３１）に、第２０中心軸周りに回転振動するように第２０弾性変形部材（３６）によって、シリコン酸化膜を介してベースシリコン層（１３）に結合され、二次元振動部（１００）が主走査軸周りに回転振動する際の第１０周波数と同じ第２０固有周波数を有する。
【００３５】
第２０振動検出子（３２）及び第２領域（３１）は、トレンチ溝により電気的に絶縁された第３領域（３７）に設置され、第２０角度検出部（３０）は、第２０振動検出子（３２）が第２０固有周波数で第２０中心軸周りに回転振動する際の第２０中心軸周りの回転角度を検出するように構成されている。
【００３６】
第３０振動検出子（４２）は、ＳＯＩ層（１１）において、第１領域（１０８）の近傍に形成され、トレンチ溝により電気的に絶縁された第４領域（４１）に、第３０中心軸周りに回転振動するように第３０弾性変形部材（４６）によってベースシリコン層（１３）に結合され、二次元振動部（１００）が、副走査軸周りに回転振動する際の第２０周波数と同じ第３０固有周波数を有する。
【００３７】
第３０振動検出子（４２）及び第４領域（４１）はトレンチ溝により電気的に絶縁された第５領域（４７）に設置され、第３０角度検出部（４０）は、第３０振動検出子（４２）が第３０固有周波数で第３０中心軸周りに回転振動する際の第３０中心軸周りの回転角度を検出するように構成されている。
【００３８】
このような、二次元振動装置（１０）は、ＳＯＩ層（１１）に形成された第１領域（１０８）に形成され、主走査軸及びそれに交差する副走査軸周りに回転振動する。つまり、二次元振動部（１００）は、いわゆるジンバル機構を構成している。
【００３９】
ここで、二次元振動部（１００）は、シリコン酸化膜を介してベースシリコン層（１３）に機械的に結合されている。また、第２０振動検出子（３２）は、第１領域（１０８）の近傍に形成され、二次元振動部（１００）が回転振動する際の第１０周波数と同じ周波数の第２０固有振動を有している。
【００４０】
このように、第２０振動検出子（３２）は、二次元振動部（１００）の近傍に位置し、かつベースシリコン層（１３）に機械的に結合（機械的弱結合）され、可動部が回転振動する周波数（第１０周波数）と同じ第２０固有周波数を有している。
【００４１】
したがって、二次元振動部（１００）が第１０周波数で振動すると、二次元振動部（１００）に機械的弱結合している第２０振動検出子（３２）も第１０周波数（第２０固有周波数）で共振するので、二次元振動部（１００）の回転振動に同期して第２０中心軸周りに回転振動する。
【００４２】
そこで、第２０振動検出子（３２）の第２０中心軸周りの回転角度を第２０角度検出手段（３０）で検出することにより、可動部の回転角度を検出することができる。
このとき、二次元振動部（１００）と第２０振動検出子（３２）は、トレンチ溝により電気的に絶縁され、第２０角度検出手段（３０）は、第２０振動検出子（３２）及び第２領域（３１）にとトレンチ溝により電気的に絶縁されている。
【００４３】
したがって、二次元振動部（１００）の駆動信号が第２０角度検出手段（３０）に混入することがないので、駆動信号がノイズとなって二次元振動部（１００）の回転角度の検出精度が劣化させることがない。したがって、二次元振動部（１００）の主走査軸周りの回転角度を正確に検出することができる。
【００４４】
同様に、二次元振動部（１００）の副走査軸周りの回転振動も第３０振動検出子（４２）に伝えられ、第３０振動検出子（４２）が第３０固有周波数（第２０周波数）で共振する。
したがって、第３０振動検出子（４２）の第３０中心軸周りの回転角度を第３０角度検出手段（４０）で検出することにより、二次元振動部（１００）の駆動信号のノイズの影響を受けることなく、二次元振動部（１００）の回転角度を正確に検出することができる。
【００４５】
ここで、「第１領域（１０８）の近傍」とは、可動部が主走査軸周りに回転振動したとき及び二次元振動部（１００）が副走査軸周りに回転振動したときに、その振動が機械的弱結合によってベースシリコンに伝達され、伝達された振動により、第２０振動検出子（３２）及び第３０振動検出子（４２）が共振することができる距離よりも近い領域を意味している。
【００４６】
また、請求項３に記載のように、第２０振動検出子（３２）及び４０振動検出子を板状に形成する。
また、第２０角度検出部（３０）を、第２０振動検出子（３２）に設けられ、櫛歯状に形成された第２０櫛歯状電極部（３４）と、第２領域（３１）に設けられ、第２０櫛歯状電極部（３４）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第２１櫛歯状電極部（３５）とを有するように構成する。
【００４７】
そして、第２０櫛歯状電極部（３４）と第２１櫛歯状電極部（３５）との間の静電容量の変化に基づいて、第２０弾性変形部材（３６）の捻り振動の振幅の角度を検出する。
さらに、第３０角度検出部（４０）を、第３０振動検出子（４２）に設けられ、櫛歯状に形成された第３０櫛歯状電極部（４４）と、第４領域（４１）に設けられ、第３０櫛歯状電極部（４４）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第３１櫛歯状電極部（４５）とを有するように構成する。
【００４８】
そして、第３０櫛歯状電極部（４４）と第３１櫛歯状電極部（４５）との間の静電容量の変化に基づいて、第３０弾性変形部材（４６）の捻り振動の振幅の角度を検出するようにする。
【００４９】
このようにすると、第２０角度検出部（３０）及び第３０角度検出部（４０）を、相互に噛み合い可能な一対の櫛歯状電極（第２０櫛歯状電極部（３４）及び第２１櫛歯状
電極部（３５）、第３０及び第３１櫛歯状電極部（４５））で構成することができる。相互に噛み合い可能な一対の櫛歯状電極を形成することは従来の半導体加工技術で容易に実現することができ、また、構成も簡易であるので、振動装置を小型化することができる。
【００５０】
また、二次元振動部（１００）は、請求項４に記載のように、３自由度連成振動系を構成するようにするとよい。
すなわち、板状に形成された振動子（１０４）と、振動子（１０４）に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第２剛体部材（１０３）と、第２剛体部材（１０３）に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第１剛体部材（１０２）と、第１剛体部材（１０２）に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第０剛体部材（１０１）と、振動子（１０４）と第２剛体部材（１０３）とを連結させるとともに、振動子（１０４）と第２剛体部材（１０３）との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、振動子（１０４）の重心を通る主走査軸を回転軸として、振動子（１０４）を振動させる第３弾性変形部材（１０７）と、第２剛体部材（１０３）と第１剛体部材（１０２）とを連結させるとともに、第２剛体部材（１０３）と第１剛体部材（１０２）との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、振動子（１０４）と第２剛体部材（１０３）との重心を通る副走査軸を回転軸として、第２剛体部材（１０３）を振動させる第２弾性変形部材（１０６）と、第１剛体部材（１０２）と第０剛体部材（１０１）とを連結させるとともに、第１剛体部材（１０２）と第０剛体部材（１０１）との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、振動子（１０４）と第２剛体部材（１０３）と第１剛体部材（１０２）との重心を通る主走査軸を回転軸として、第１剛体部材（１０２）を振動させる第１弾性変形部材（１０５）と、を備え、振動子（１０４）、第２剛体部材（１０３）、第１剛体部材（１０２）、第３弾性変形部材（１０７）、第２弾性変形部材（１０６）及び第１弾性変形部材（１０５）が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で振動する３自由度連成振動系を構成し、さらに、第０剛体部材（１０１）に設けられ、櫛歯状に形成された第０櫛歯状電極部（１０９）と、第１剛体部材（１０２）に設けられ、第０櫛歯状電極部（１０９）と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第１櫛歯状電極部（１１０）とを有し、第０櫛歯状電極部（１０９）に周期的な電気信号を入力することにより、３自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第１外力作用手段（１０９，１１０）と、振動子（１０４）及び第２剛体部材（１０３）の振動の振幅の角度が、前記第１剛体部材（１０２）の振動の振幅の角度より大きく、第１剛体部材（１０２）の振動の振幅が、第１剛体部材（１０２）の板厚に略等しくなるように構成されるようにするのである。
【００５１】
このような二次元振動部（１００）とすると、振動子（１０４）、第２剛体部材（１０３）、第１剛体部材（１０２）、第３弾性変形部材（１０７）、第２弾性変形部材（１０６）及び第１弾性変形部材（１０５）が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で振動する３自由度連成振動系を構成する。
【００５２】
このため、二次元振動部（１００）は、第０剛体部材（１０１）を固定端として、第１中心軸，第２中心軸，第３中心軸に対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子（１０４）となる。
【００５３】
この３自由度捻り振動子（１０４）は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。以下、これら３つの振動モードをそれぞれ、振動モード１、振動モード２、振動モード３という。
【００５４】
そして第１外力作用手段（１０９，１１０）は、第０櫛歯状電極部（１０９）に周期的な電気信号を入力することにより、第０櫛歯状電極部（１０９）と第１櫛歯状電極部（１１０）との間に静電気力が発生させ、３自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。
【００５５】
そして、第１外力作用手段（１０９，１１０）により、振動モード１、振動モード２、振動モード３の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００５６】
このため、振動モード１と振動モード２とを同時に励振させることにより、振動モード３を主走査方向（主走査軸周り）、振動モード２を副走査方向（副走査軸周り）として、二次元的に振動子（１０４）を振動させることができる。
【００５７】
さらに、請求項５に記載のように、第３弾性変形部材（１０７）を、振動子（１０４）と第２剛体部材（１０３）との間に回転トルクが作用するとき捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体であって、振動子（１０４）の重心を通る第３中心軸を回転軸として、振動子（１０４）を捻り振動させるものとする。
【００５８】
また、第２弾性変形部材（１０６）を、第２剛体部材（１０３）と第１剛体部材（１０２）との間に回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体であって、振動子（１０４）と第２剛体部材（１０３）との重心を通る副走査軸を回転軸として、第２剛体部材（１０３）を捻り振動さるものとする。
【００５９】
また、第１弾性変形部材（１０５）を、第１剛体部材（１０２）と第０剛体部材（１０１）との間に回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体であって、振動子（１０４）と第２剛体部材（１０３）と第１剛体部材（１０２）との重心を通る主走査軸を回転軸として、第１剛体部材（１０２）を捻り振動させるものとする。
【００６０】
このようにして、弾性変形部材として回転トルクで捻れる弾性体、いわゆるトーションバーを用いると、容易かつ小型に３自由度連成振動系を構成することができるので、二次元振動装置（１０）を容易に小型化することができる。
【００６１】
また、本発明の二次元振動装置（１０）において、第１外力発生手段は、請求項６に記載のように、第１剛体部材（１０２）が１周期振動する間に、複数箇所で第０櫛歯状電極部（１０９）と第１櫛歯状電極部（１１０）とが噛み合うように、複数箇所に第０櫛歯状電極部（１０９）及び第１櫛歯状電極部（１１０）が設けられ、複数箇所に設けられた第０櫛歯状電極部（１０９）には、それぞれ異なる周波数の電気信号が入力されるようにしてもよい。
【００６２】
このように構成された本発明の二次元振動装置（１０）によれば、１つの第０櫛歯状電極部（１０９）に入力される電気信号のピーク電圧を低く抑えることができるため、過大電圧による絶縁破壊を回避することができる。
【００６３】
また、本発明の二次元振動装置（１０）において、周期的な電気信号に少なくとも２種類の周波数が重畳されている場合には、請求項７に記載のように、第１外力作用手段（１０９，１１０）が、前記第２０角度検出手段（３０）及び前記第３０角度検出手段（４０）により、少なくとも２種類の周波数の位相差を検出し、検出された位相差に基づいて、重畳されている少なくとも２種類の周波数の位相差を調整するように構成されるようにす
るとよい。
【００６４】
このように構成された本発明の二次元振動装置（１０）によれば、重畳されている少なくとも２種類の周波数の位相差を一定に制御することができる。
請求項８に記載の発明は、請求項１に記載の振動装置において、板状に形成した振動子（１０４）の表面側を反射面とする走査装置である。
【００６５】
このような走査装置では、振動子（１０４）の駆動信号によるノイズによって第２振動検出子による角度検出の正確さが劣化しない、つまり、正確な角度検出ができるので、例えば、検出した角度をフィードバックして振動子（１０４）の駆動を行えば、精度のよい光走査が可能となる。
【００６６】
請求項１０に記載の発明は、請求項３〜請求項７のいずれか１項に記載の二次元振動装置（１０）において、板状に形成した振動子（１０４）の表面を反射面とする二次元走査装置である。
【００６７】
このような二次元走査装置では、可動部及び振動子（１０４）の駆動信号によるノイズによって第２０振動検出子（３２）及び第３０振動検出子（４２）による角度検出の正確さが劣化しない、つまり、正確な二次元の角度検出ができるので、例えば、検出した角度をフィードバックして、可動部及び振動子（１０４）の駆動を行えば、精度のよい二次元面での光走査が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００６８】
【図１】二次元光走査装置１０の概略の構成を示す平面図である。
【図２】二次元光走査装置１０の断面の構造を示す断面図である。
【図３】２次元光走査装置１０の領域Ｒ１，Ｒ２の拡大図である。
【図４】第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０の拡大図である。
【図５】第１実施形態における二次元光走査装置１０において、第２０振動検出子３２及び第３０振動検出子４２に振動が伝わるメカニズムを示す図である。
【図６】駆動回路２００の概略の構成を示すブロック図である。
【図７】振幅検出部２０３で検出される信号の波形を示す図である。
【図８】正規化角度及び正規化櫛歯部間対向面積Ｈの位相角特性を示す図である。
【図９】ＣＶ変換回路２３１の概略の構成を示す回路図である。
【図１０】二次元光走査部３００の構成を示す平面図である。
【図１１】第２実施形態における二次元光走査装置１０において、第２０振動検出子３２及び第３０振動検出子４２に振動が伝わるメカニズムを示す図である。
【図１２】第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０を二次元光走査部１００の左右に配置した場合の概略の構成を示す平面図である。
【図１３】第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０を水平方向に振動する検出用振動子を用いた場合の二次元操作部１００の概略の構成を示す平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００６９】
以下、本発明が適用された実施形態について図面を用いて説明する。なお、本発明の実施の形態は、下記の実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採りうる。
［第１実施形態］
図１は、本発明が適用された二次元光走査装置１０の概略の構成を示す平面図であり、図２は二次元光走査装置１０の断面の構造を示す断面図であり、図３は、図１における領域Ｒ１及びＲ２の拡大図である。
【００７０】
（二次元光走査部１００の構成）
二次元光走査部１００は、ＳＯＩ(Silicon  On  Insulator)ウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものである。ＳＯＩウエハは、図２に示すように、３層構造となっており、本第１実施形態では、厚さ５０μｍのＳＯＩ層１１、厚さ２μｍのシリコン酸化膜層１２、厚さ４００μｍのベースシリコン層１３とからなっている。
【００７１】
二次元光走査部１００は、図１に示すように、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成された円形状のミラー部１０４と、ＳＯＩ層表面からシリコン酸化膜層までトレンチエッチングを行うことで形成された溝（以下、トレンチ溝という）１０３ａ及びトレンチ溝１０３ｂによってミラー部１０４に対して所定の隙間を介して設けられた八角形状の第２フレーム１０３と、トレンチ溝１０２ａ及びトレンチ溝１０２ｂによって第２フレーム１０３に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第１フレーム１０２と、トレンチ溝１０１ａによって第１フレーム１０２に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第０フレーム１０１と、を備えている。
【００７２】
また、ミラー部１０４、第２フレーム１０３、及び第１フレーム１０２が形成されている領域には、裏面からベースシリコン層１３とシリコン酸化膜層１２とをエッチング除去することで凹部となる第１領域１０８が形成されている（図１及び図２参照）。
【００７３】
すなわち、ミラー部１０４、第２フレーム１０３、及び第１フレーム１０２は、ＳＯＩ層１１で構成されている。
さらに、ミラー部１０４と第２フレーム１０３との間は、トレンチ溝１０３ａ及びトレンチ溝１０３ｂによって第２フレーム１０３に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層１０７（以下、第３捻りバネ１０７という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。
【００７４】
これら２つの第３捻りバネ１０７は、ミラー部１０４の重心を通る中心軸ｋ上に設けられている。これにより、ミラー部１０４は、中心軸ｋを回転軸として、捻り振動可能に構成される。
【００７５】
同様に、第２フレーム１０３と第１フレーム１０２との間は、トレンチ溝１０２ａ及びトレンチ溝１０２ｂによって第１フレーム１０２に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層１０６（以下、第２捻りバネ１０６という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。
【００７６】
これら２つの第２捻りバネ１０６は、ミラー部１０４と第２フレーム１０３との重心を通る中心軸ｊ上に設けられている。これにより、第１フレーム１０２は、中心軸ｊを回転軸として、捻り振動可能に構成される。
【００７７】
また、第１フレーム１０２と第０フレーム１０１との間は、トレンチ溝１０１ａによって第０フレーム１０１に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層１０５（以下、第１捻りバネ１０５という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。
【００７８】
これら２つの第１捻りバネ１０５は、ミラー部１０４と第２フレーム１０３と第１フレーム１０２との重心を通る中心軸ｉ上に設けられている。これにより、第１フレーム１０２は、中心軸ｉを回転軸として、捻り振動可能に構成される。
【００７９】
なお、第０フレーム１０１には、第１フレーム１０２と連結されていない側の第１捻りバネ１０５の端部１０５ａが連結される連結部１１３が形成されている。この連結部１１３は、トレンチ溝１０１ａによって、第０フレーム１０１のその他の領域と電気的に絶縁されたＳＯＩ層により構成されている。
【００８０】
したがって、連結部１１３と第１フレーム１０２とは第１捻りバネ１０５を介して電気的に接続されている。同様に、第１フレーム１０２と第２フレーム１０３とは第２捻りバネ１０６を介して、第２フレーム１０３とミラー部１０４とは第３捻りバネ１０７を介して電気的に接続されている。
【００８１】
また、第１捻りバネ１０５、第２捻りバネ１０６、及び第３捻りバネ１０７は、回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生するように構成されている。
【００８２】
したがって、第０フレーム１０１が固定されることにより、ミラー部１０４、第２フレーム１０３、及び第１フレーム１０２は３自由度構造を構成する。
以下、第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、ミラー部１０４、第１捻りバネ１０５、第２捻りバネ１０６、第３捻りバネ１０７、及び連結部１１３をまとめて振動子領域１１４という。
【００８３】
また、第１フレーム１０２の左側端縁１０２ｃ及び右側端縁１０２ｄには、図３（ａ），（ｂ）に示すように、櫛歯状に形成された櫛歯部１１２（図３（ａ）参照）及び櫛歯部１１０（図３（ｂ）参照）が設けられている。
【００８４】
そして、第０フレーム１０１には、第１フレーム１０２の櫛歯部１１２及び櫛歯部１１０と対向する位置にそれぞれ、櫛歯部１１２と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部１１１（図３（ａ）参照）、及び櫛歯部１１０と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部１０９（図３（ｂ）参照）が設けられている。
【００８５】
以下、櫛歯部１１０及び櫛歯部１１２をまとめて可動側櫛歯部、櫛歯部１０９及び櫛歯部１１１をまとめて固定側櫛歯部ともいう。
また、連結部１１３には端子部１１５が設けられる。この端子部１１５は、連結部１１３のＳＯＩ層上に形成されたシリコン酸化膜（図２中のシリコン酸化膜２１を参照）をエッチング処理により除去してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内にアルミ薄膜を堆積することにより形成される（図２中のアルミ薄膜２２を参照）。この端子部１１５を介して電圧を印加することにより、振動子領域１１４のＳＯＩ層全体を等電位にすることができる。
【００８６】
また、トレンチ溝１１６によって分離形成された領域１１７のＳＯＩ層上にはシリコン酸化膜が形成されており、このシリコン酸化膜上に、櫛歯部１０９の表面上まで覆ってアルミ薄膜１１８が形成されている（図２中のアルミ薄膜２３を参照）。このアルミ薄膜１１８に電圧を印加することで、櫛歯部１０９の表面に電圧を印加することができる。
【００８７】
また、領域１１７には端子部１１９が設けられている。これにより、端子部１１９を介して電圧を印加することにより、櫛歯部１０９のＳＯＩ層にも電圧を印加することができる。そして、この領域１１７に、周期的な電圧を印加することにより、振動子領域１１４に加振力を印加することができる。
【００８８】
なお、ここでは、端子部とは、ＳＯＩ層上に形成されたシリコン酸化膜（図２中のシリコン酸化膜２１を参照）をエッチング処理により除去してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内にアルミ薄膜を堆積することにより形成されるものを指すものとする（図２中のアルミ薄膜２２を参照）。
【００８９】
（二次元光走査部の作動）
次に、二次元光走査部１００の作動原理を説明する。
二次元光走査部１００は、第０フレーム１０１を固定端として、中心軸ｉ，ｊ，ｋに対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子になっている。
【００９０】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。以下、これら３つの振動モードをそれぞれ、振動モード１、振動モード２、振動モード３という。
【００９１】
なお、櫛歯部１０９に電圧を印加すると、櫛歯部１１０との間に静電気力が発生する。また、第１フレーム１０２が１周期振動する間に櫛歯部１１０は櫛歯部１０９に２回最接近する。
【００９２】
このため、共振周波数の２倍に近い周期的静電気力が加われば、３自由度捻り振動子を共振状態にできる（以下、共振状態にするための加振力を周期的加振力という）。また、櫛歯部１１０が櫛歯部１０９に最接近するごとに、周期的加振力を作用させることができる。
【００９３】
そして、振動モード１、振動モード２、振動モード３の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００９４】
ここで、例えば、
振動モード１の共振周波数ｆ１を１０００Ｈｚ、
振動モード２の共振周波数ｆ２を５０００Ｈｚ、
振動モード３の共振周波数ｆ３を４００００Ｈｚ、
振動モード１における第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、ミラー部１０４の振幅比ｒ１を「１：−２０：０．５」、
振動モード２における第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、ミラー部１０４の振幅比ｒ２を「１：０．０１：−５０」、
振動モード３における第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、ミラー部１０４の振幅比ｒ３を「１：０．０２：−０．０３」、
として設計した場合の、３自由度捻り振動子の作動を説明する。
【００９５】
なお、各振動モードにおける振幅比は、左から第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、ミラー部１０４の順で記述している。例えば、上記の振幅比ｒ１は、第１フレーム１０２の振幅が「１」とすると、第２フレーム１０３の振幅が「−２０」、ミラー部１０４の振幅が「０．５」となることを示す。
【００９６】
また、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は０度又は１８０度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が０度の場合は符号を「＋」、１８０度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比ｒ１は、第１フレーム１０２とミラー部１０４との位相角の差が０度となり、第１フレーム１０２と第２フレーム１０３との位相角の差が１８０度となることを示す。
【００９７】
そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード１では、主に第２フレーム１０３と、第２フレーム１０３に繋がったミラー部１０４とが１０００Ｈｚで大きく捻り振動する。また、振動モード２では、主にミラー部１０４が５０００Ｈｚで大きく捻り振動する。
【００９８】
このため、ミラー部１０４の鏡面部分２４（図２参照）でレーザ光を反射させるとともに、振動モード１と振動モード２とを同時に励振させることにより、振動モード２を主走査方向（５０００Ｈｚ）、振動モード１を副走査方向（１０００Ｈｚ）として、二次元的にレーザ光を走査することができる。
【００９９】
なお、各振動モードの共振周波数と振幅比は、３自由度捻り振動子の運動方程式を導出して、固有値と固有ベクトルを計算することにより求めることができる。固有値が共振周波数に相当し、各固有値に対する固有ベクトルが振幅比に相当する。所望の固有値と固有ベクトルが得られるように、各フレームの慣性モーメントと各捻りバネのバネ定数を設計すればよい。
【０１００】
そして、二次元光走査部１００では、ミラー部１０４及び第２フレーム１０３の捻り振動の振幅の角度が、第１フレーム１０２の捻り振動の振幅の角度に対して十分大きく、第１フレーム１０２の捻り振動の振幅が、第１フレーム１０２の板厚に略等しくなるように設計されている。
【０１０１】
（角度検出部の構成）
次に、図１、図２、図３及び図４に基づき、第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０について説明する。図４は、第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０の拡大図である。
【０１０２】
第２０角度検出部３０は、図１に示すように、ＳＯＩウエハにおいて、第１領域１０８の近傍に、裏面からベースシリコン層１３とシリコン酸化膜層１２とをエッチング除去することで凹部となるように形成された第２領域３１に設けられており、図４（ａ）に示すように、第２０振動検出子３２と第２０角度検出器３３とを備えている。
【０１０３】
第２０振動検出子３２は、図４（ａ）に示すように、矩形の板状に形成され、第２０中心軸周りに回転振動するように第２０弾性変形部材３６によってＳＯＩウエハに結合され、ミラー部１０４が主走査軸（中心軸ｋ）周りに回転振動する際の第１０周波数（ｆ２）と同じ第２０固有周波数（ｆ２）を有している。
【０１０４】
また、第２０角度検出器３３は、第２０振動検出子３２及び第２領域３１に、トレンチ溝３２ａにより空間的に分離して設置され、第２０振動検出子３２が第２０固有周波数（ｆ１）で第２０中心軸周りに回転振動する際の第２０中心軸周りの回転角度を検出する。
【０１０５】
具体的には、図４（ａ）に示すように、第２０角度検出器３３は、第２０振動検出子３２の左右端部に設けられ、櫛歯状に形成された櫛歯部３４と、櫛歯部３４と噛み合い可能な櫛歯状に形成された櫛歯部３５とを有し、櫛歯部３４と櫛歯部３５との間の静電容量の変化に基づいて、第２０弾性変形部材３６の捻り振動の振幅の角度を検出する。
【０１０６】
また、図４（ａ）に示すように、トレンチ溝３２ａによって分離形成された第３領域３７のＳＯＩ層上にはシリコン酸化膜（図２中のシリコン酸化膜２１を参照）が形成されており、このシリコン酸化膜上に、櫛歯部３５の表面上まで覆ってアルミ薄膜が形成されている（図２中のアルミ薄膜２３を参照）。このアルミ薄膜を電極３８として、櫛歯部３５と櫛歯部３４との間の静電容量を検出することができる。
【０１０７】
また、トレンチ溝３２ａによって分離形成された第３領域３７には端子部３９が設けられており、この端子部３９を接地することにより、第３領域３７のＳＯＩ層を接地電位に保持することができる。
【０１０８】
第３０角度検出部４０は、図１に示すように、ＳＯＩウエハにおいて、第１領域１０８の近傍に、第２０角度検出部３０は、図１に示すように、ＳＯＩウエハにおいて、第１領域１０８の近傍に、裏面からベースシリコン層１３とシリコン酸化膜層１２とをエッチング除去することで凹部となるように形成された第４領域４１に設けられており、図４（ｂ）に示すように、第３０振動検出子４２と第３０角度検出器４３とを備えている。
【０１０９】
第３０振動検出子４２は、図４（ｂ）に示すように、矩形の板状に形成され、第３０中心軸周りに回転振動するように第３０弾性変形部材４６によってＳＯＩウエハに結合され、ミラー部１０４が副走査軸（中心軸ｊ）周りに回転振動する際の第２０周波数（ｆ１）と同じ第３０固有周波数（ｆ１）を有している。
【０１１０】
また、第３０角度検出器４３は、第３０振動検出子４２及び第４領域４１に、トレンチ溝４２ａにより空間的に分離して設置され、第３０振動検出子４２が第３０固有周波数（ｆ２）で第３０中心軸周りに回転振動する際の第３０中心軸周りの回転角度を検出する。
【０１１１】
具体的には、図４（ｂ）に示すように、第３０振動検出子４２に設けられ、櫛歯状に形成された櫛歯部４４と、櫛歯部４４と噛み合い可能な櫛歯状に形成された櫛歯部４５とを有し、櫛歯部４４と櫛歯部４５との間の静電容量の変化に基づいて、第３０弾性変形部材４６の捻り振動の振幅の角度を検出する。
【０１１２】
また、図４（ｂ）に示すように、トレンチ溝４２ａによって分離形成された第５領域４７のＳＯＩ層上にはシリコン酸化膜（図２中のシリコン酸化膜２１を参照）が形成されており、このシリコン酸化膜上に、櫛歯部４５の表面上まで覆ってアルミ薄膜が形成されている（図２中のアルミ薄膜２３を参照）。このアルミ薄膜を電極４８として、櫛歯部４５と櫛歯部４４との間の静電容量を検出することができる。
【０１１３】
また、トレンチ溝４２ａによって分離形成された第５領域４７には端子部４９が設けられており、この端子部４９を接地することにより、第５領域４７のＳＯＩ層を接地電位に保持することができる。
【０１１４】
（振動検出子に振動が伝わるメカニズムの説明）
ここで、図５に基づき、二次元光走査装置１０において、ミラー部１０４（振動子）から第２０振動検出子３２及び第３０振動検出子４２に振動が伝わるメカニズムについて説明する。
【０１１５】
なお、第３０振動検出子４２に振動が伝わるメカニズムは、第２０振動検出子３２に振動が伝わるメカニズムと同じであるので、第２０振動検出子３２について説明し、第３０振動検出子４２についての説明は省略する。
【０１１６】
二次元光走査部１００のミラー部１０４（振動子）が振動すると、ミラー部１０４の固定端部分である連結部１１３にはモーメントが作用する。このモーメントは、ＳＩＯ層１１及びベースシリコン層１３にも作用し、図５（ａ）に示すように、ＳｉＯ層１１及びベースシリコン層１３を回転させるような作用を有する波状の振動（弾性波）が起こる。
【０１１７】
この弾性波は、第２０振動検出子３２の部分にも伝播し、第２０振動検出子３２は図５（ａ）に示すように回転力状の加振力を受ける。これにより、この弾性波の周波数が第２０振動検出子３２の固有周波数に近ければ、第２０振動検出子３２は捻り共振をする。
【０１１８】
このように弾性波が伝達する様子を図５（ａ）〜（ｃ）に示している。図５（ａ）は、弾性波の位相角が−９０度の場合を示しており、図５（ｂ）は、位相角が０度の場合、図５（ｃ）は、位相角が９０度の場合を示している。
【０１１９】
なお、図５（ａ）〜図５（ｃ）では、弾性波の様子を分かりやすくするため、波を誇張して表現しているが、実際の変形は微少である。
また、図５中で明らかなように、駆動されているミラー部１０４と第２０振動検出子３２は、トレンチで空間的に分離されており、絶縁体であるＳｉＯ層１１上に形成されているため、互いに電気的に分離されている。これにより、電気的ノイズの周り込みを抑制したＳ／Ｎ日の高い検出が可能となる。
【０１２０】
（駆動回路）
次に、二次元光走査部１００を駆動する駆動回路２００の構成を図６に基づき説明する。図６は、駆動回路２００の概略の構成を示すブロック図である。
【０１２１】
駆動回路２００は、図６に示すように、レーザ光を発生するレーザ光発生部２０１と、二次元光走査部１００を振動させるための電気信号（駆動信号）を発生させる信号発生部２０２と、二次元光走査部１００の振動振幅を検出する振幅検出部２０３と、振幅検出部２０３により検出された振幅に基づいてレーザ光発生部２０１及び信号発生部２０２を制御する制御回路２０４とから構成される。
【０１２２】
これらのうちレーザ光発生部２０１は、レーザ光の発光源となる半導体レーザ２１１を、制御回路２０４からの指示に基づいて半導体レーザ２１１に駆動信号を伝えるレーザ駆動回路２１２とから構成される。
【０１２３】
また信号発生部２０２は、振動モード１を励振する周波数の電気信号（以下、モード１励振信号ＲＳ１という）及び振動モード２を励振する周波数の電気信号（以下、モード２励振信号ＲＳ２という）を発生する信号発生器２２１と、信号発生器２２１から入力される２つの周波数の電気信号（モード１励振信号ＲＳ１及びモード２励振信号ＲＳ２）を加算する加算器２２２と、加算器２２２により加算された電気信号を増幅して二次元光走査部１００へ出力する増幅器２２３と、増幅器２２３により増幅された電気信号の電流値が過大になった場合にこの電気信号が二次元光走査部１００に入力するのを遮断する過大電流遮断回路２２４とから構成される。
【０１２４】
なお、過大電流遮断回路２２４は、櫛歯部１０９，１１０，１１１，１１２の破損を防止するために設けられている。すなわち、櫛歯部同士は数ミクロンという極めて小さい空隙で対向しているため、過大な電流が流入すると局所的な発熱で破壊する危険性がある。
【０１２５】
また、操作上の手違い、電波ノイズ、雷等で急激な電位差が発生すると、そのような事故の可能性がある。そして、過大な電流が流入する直前には、定常値より異常に大きい電流が櫛歯間で発生する。そこで、異常電流が検出されたら直ちに回路を遮断することにより、櫛歯部の破損を未然に防止する。
【０１２６】
このように構成された信号発生部２０２によって、振動モード１及び振動モード２の周波数が重畳された加振力（図７（ａ）参照）が第１フレーム１０２に与えられる。以下、振動モード１の周波数を振動モード周波数ｆ１、振動モード２の周波数を振動モード周波数ｆ２という。
【０１２７】
これにより、図７（ｂ）に示すように、第１フレーム１０２が振動モード周波数ｆ１、ｆ２で加振され（振動波形ＳＤ１参照）、第２フレーム１０３が振動モード周波数ｆ１で振動する（振動波形ＳＤ２参照）とともに、ミラー部１０４が振動モード周波数ｆ２で振動する（振動波形ＳＤ３参照）。
【０１２８】
また振幅検出部２０３は、櫛歯部間の静電容量変化を電圧信号に変換するＣＶ変換回路２３１と、ＣＶ変換回路２３１により変換された電圧信号（図７（ｃ）参照）を振動モード周波数ｆ１の電気信号（図８（ａ）参照。以下、モード１検出信号ＭＫ１という）と振動モード周波数ｆ２の電気信号（図８（ｂ）参照。以下、モード２検出信号ＭＫ２という）とに分離する周波数分離フィルタ２３２と、モード１検出信号ＭＫ１の振動振幅に比例した直流電圧に変換し、信号発生器２２１へ出力する整流回路２３３と、モード２検出信号ＭＫ２の振動振幅に比例した直流電圧に変換し、信号発生器２２１へ出力する整流回路２３４と、モード１検出信号ＭＫ１とモード２検出信号ＭＫ２との位相差を測定してこの位相差を示す位相差信号を信号発生器２２１へ出力する位相差測定回路２３５と、モード１検出信号ＭＫ１をパルス信号に変換し、制御回路２０４へ出力する２値化回路２３６と、モード２検出信号ＭＫ２をパルス信号に変換し、制御回路２０４へ出力する２値化回路２３７とから構成される。
【０１２９】
このように構成された振幅検出部２０３から出力される信号に基づいて、信号発生部２０２は、信号発生器２２１のゲインの調整と、モード１励振信号ＲＳ１とモード２励振信号ＲＳ２との間の位相差の調整を行う。
【０１３０】
具体的には、信号発生器２２１は、整流回路２３３及び整流回路２３４から入力される直流電圧が一定値になるように、信号発生器２２１のゲインを自動調整する。これにより、第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３の振動振幅を一定に制御することができる。
【０１３１】
また信号発生器２２１は、位相差測定回路２３５から入力される位相差信号により示される位相差が一定となるように、モード１励振信号ＲＳ１とモード２励振信号ＲＳ２との間の位相差を自動調整する。これにより、第１フレーム１０２の振動と第２フレーム１０３の振動との間の位相差を一定に制御することができる。
【０１３２】
また、振幅検出部２０３から出力される上記パルス信号に基づいて、制御回路２０４は、二次元光走査部１００の振動のタイミングに合わせて、半導体レーザ２１１、レーザ駆動回路２１２及び光変調器（不図示）を駆動させて、画像生成を行うことができる。
【０１３３】
このように構成された二次元光走査部１００では、ミラー部１０４、第２フレーム１０３、第１フレーム１０２、第３捻りバネ１０７、第２捻りバネ１０６及び第１捻りバネ１０５が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捻り振動する３自由度連成振動系を構成する。
【０１３４】
また、櫛歯部１０９に周期的な電気信号を入力することにより、櫛歯部１０９と櫛歯部１１０との間に静電気力を発生させ、３自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。
【０１３５】
また、第２０振動検出子３２に設けられた櫛歯部３４と、第２領域３１に設けられた櫛歯部３５との間の静電容量の変化に基づいて、第１フレーム１０２の捻り振動の振幅の角度を検出する（図３，４参照）。
【０１３６】
また、第３０振動検出子４２に設けられた櫛歯部４４と、第４領域４１に設けられた櫛歯部４５との間の静電容量の変化に基づいて、第２フレーム１０３の捻り振動の振幅の角度を検出する（図３，４参照）。
【０１３７】
そして、二次元光走査部１００は３自由度連成振動系を構成しているため、ミラー部１０４及び第２フレーム１０３の捻り振動の振幅の角度が、第１フレーム１０２の捻り振動の振幅の角度に対して十分大きくなるように構成されている。
【０１３８】
本実施形態では、振動モード１における振幅比ｒ１は「１：−２０：０．５」である。すなわち、第１フレーム１０２の振幅を「１」とすると第２フレーム１０３の振幅は「２０」であり、第２フレーム１０３の捻り振動の振幅の角度が、第１フレーム１０２の捻り振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
【０１３９】
また、振動モード２における振幅比ｒ２は「１：０．０１：−５０」である。すなわち、第１フレーム１０２の振幅を「１」とするとミラー部１０４の振幅は「５０」であり、ミラー部１０４の捻り振動の振幅の角度が、第１フレーム１０２の捻り振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
【０１４０】
そして、第１フレーム１０２の捻り振動の振幅が、第１フレーム１０２の板厚に略等しくなるように構成されている。このため、低電圧で大きい加振力を得ることができる。
（ＣＶ変換回路の説明）
ここで、櫛歯部３４，３５間の静電容量の変化を電圧信号に変換するＣＶ変換回路２３１について図９に基づいて詳細に説明する。なお、第３０振動検出子４２の角度を検出するためのＣＶ変換回路２３１は、第２０振動検出子３２の角度を検出する回路と同じ構成であるので、第２０振動検出子３２について説明し、第３０振動検出子４２についての説明は省略する。
【０１４１】
第２０振動検出子３２の角度を電圧に変換するためには、図９に示すＣＶ変換回路２３１が必要である。なお、静電容量の変化の検出はアルミ電極でもＳＯＩ櫛歯でも可能であるが、ＳＯＩ櫛歯は、第２０振動検出子がどちらに回転しても静電容量が減少するため、第２０振動検出子３２の回転方向の検出ができない。そのため、静電容量は小さいが、アルミ電極での検出が望ましい。
【０１４２】
本第１実施形態では、図４の端子部３９ａ，３９ｂＬ，３９ｂＲでの検出メカニズムを図９で説明する。
第２０振動検出子３２が回転すると、端子部３９ｂＬ，３９ｂＲでは位相角が１８０度ずれている。したがって、端子部３９ｂＬ側で静電容量が増加する場合は、端子部３９ｂＲ側では静電容量は減少する。この作用を利用して、Ｓ／Ｎ比を大きくして、ゲインを大きくするために図９に示すように反転増幅回路を２系統と作動増幅回路を用いる。
【０１４３】
静電容量を検出するためには、電荷の変化を起こさせる必要があるため、端子部３９ａには、直流電圧ＶL，ＶRを印加しておく。この印加電圧は高い方が、アルミ電極に蓄えられる電荷量が多くなるため、電荷変化量も大きくなり、好ましいが、高すぎると放電破壊を招き、また、回路コストがアップするため、数十Ｖ程度が適当である。
【０１４４】
第２０振動検出子３２が回転すると、静電容量が変化する（図９中、可変容量記号５０で示す）。静電容量が増加する場合は電荷が増加し、静電容量が減少する場合は電荷が減少する。これによりオペアンプの端子間電圧に差が生じ、これを反転増幅回路で増幅することにより、電圧信号ＶoutLを得ることができる。
【０１４５】
ここで、静電容量はフェムト単位の小さな値であるので、抵抗Ｒ１Lを１０ＧΩ程度の高い抵抗値にし、低ノイズのオペアンプを利用することで、高い増幅比（ゲイン）を得ることができ、微少な静電容量変化を検出することができる。
【０１４６】
同様の作用で、ＶoutRも得ることができる。前述したように、ＶoutLとＶoutRとは位相が１８０度ずれているため、図９中に示すように作動増幅回路を用いることで、Ｖout＝ＲO2×（ＶoutR−ＶoutL）／ＲD1により、更に高い増幅比（ゲイン）を得ることができる。
【０１４７】
以上のようなＣＶ変換回路によって、第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０はミラー部１０４、第２フレーム１０３の角度を検出することができる。
以下に、この理由を説明する。
【０１４８】
第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０は、二次元光走査部１００と、ベースシリコン層１３を共有している。そのため二次元光走査部１００の振動は、ベースシリコン層１３に伝導し、さらにこの振動は、第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０に伝導する。
【０１４９】
その結果、二次元光走査部１００がｆ１およびｆ２で振動すると、第２０角度検出部３０の第２０振動検出子３２は伝導してきた振動のｆ２成分により加振され、周波数ｆ２で捻り共振し、第３０角度検出部４０の第３０振動検出子４２は伝導してきた振動のｆ１成分により加振され、捻り共振する。
【０１５０】
第２０振動検出子３２及び第３０振動検出子４２の角度振幅は伝導してくる振動のｆ２成分、ｆ１成分に比例し、その大きさは、二次元光走査部１００の振動のｆ２成分、ｆ１成分に比例するため、結果的に、第２０振動検出子３２及び第３０振動検出子４２の角度振幅を検出することにより、二次元光走査部１００の角度振幅を測定することができる。
【０１５１】
第２０角度検出部３０、第３０角度検出部４０の角度振幅が電気信号に変換される仕組みについて、第２０角度検出部３０を例にして説明する。
第２０角度検出部３０の第２０振動検出子３２は捻り振動しているので、第２０振動検出子３２の角度変位量θ1は、サイン関数で表現できる。そして第２０振動検出子３２の振幅角を「Ａ」、周波数を「ｆ」とすると、角度変位量θ1は、下記式１で表される。なお、式１における「ｔ」は時間を表す。
【０１５２】
θ1＝Ａ・ｓｉｎ（２πｆｔ）  ・・・式１
ここで、θ1をＡで割り正規化角度とすると、 「２πｆｔ」は０〜 ２πラジアンまでの変化を繰り返す。すなわち、角度で表すと０度〜３６０度までの変化を繰り返すので、位相角で表現することができる。したがって、正規化角度は、「正規化角度＝ｓｉｎ（位相角）」と表すことができる。
【０１５３】
なお、第２０振動検出子３２は中心軸を回転軸として捻り振動しているので、櫛歯部３４及び櫛歯部３５も中心軸ｉを回転中心とする円運動をしている。そして、第２０振動検出子３２の板厚に対して回転半径が十分大きければ近似的に直線運動をみなすことができる。そこで、計算の簡単化のため、櫛歯部３４及び櫛歯部３５は板厚方向へ直線運動するものと近似して、以下の計算を行う。
【０１５４】
ここで、櫛歯部間の静電力は、櫛歯部間の静電容量に依存する。一般に平行平板間の静電容量Ｃは、下記式２で表される。なお、式２における「ε」は真空の誘電率、「Ｓ」は対向面積、「ｄ」は対向距離を表す。
【０１５５】
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ  ・・・式２
そして、櫛歯部３４、３５については、真空の誘電率εと対向距離ｄが不変であり、櫛歯部３４及び櫛歯部３５の運動により対向面積Ｓが変化する。
【０１５６】
また、櫛歯の板厚を「ｗ」、櫛歯部同士が対向する部分の長さを「Ｌ」とすると、対向面積Ｓは、下記式３で表される。
Ｓ＝Ｌ×ｗ  ・・・式３
さらに、櫛歯部３４及び櫛歯部３５は板厚方向へ直線運動するので、櫛歯部３４及び櫛歯部３５の移動量を「x」とすると、対向面積Ｓは、下記式４、式５で表される。
【０１５７】
Ｓ＝Ｌ｛ｗ−Ａｂｓ（２ｘ）｝  （「０≦ｘ≦ｗ」のとき）（なお、Ａｂｓ（ｆ（ｘ））は絶対値を表す)  ・・・式４
Ｓ＝０，  （「ｗ＜ｘ」のとき）    ・・・式５
ここで、式５は、櫛歯部の対向面の重なる部分がないときの対向面積Ｓを表す。
【０１５８】
なお、式２及び式５によれば、「ｗ＜ｘ」のときに静電容量Ｃが「０」になるが、実際には、櫛歯部同士の重なり部分がなくなっても静電容量は「０」にはならない。しかし、ここでは、計算の簡略化のために「０」とする。
【０１５９】
次に、対向面積Ｓと、「ｘ＝０」のときの対向面積Ｓ（以下、最大対向面積Ｓmaxという）との比Ｈ（以下、正規化櫛歯部間対向面積Ｈという）は、下記式６、式７で表される。
【０１６０】
Ｈ＝Ｓ／Ｓｍａｘ＝  Ｌ｛ｗ−Ａｂｓ（２ｘ）｝／（Ｌｗ）＝  ｛ｗ−Ａｂｓ（２ｘ）｝／  ｗ＝１−Ａｂｓ（２ｘ）／ｗ  （「０≦ｘ≦ｗ」のとき）  ・・・式６
Ｈ＝０，  （「ｗ＜ｘ」のとき）    ・・・式７
また、上述のように、櫛歯部３４が直線振動していると近似して計算している。このため、移動量ｘはサイン関数で表される。ここで、サイン運動の振幅を櫛歯の厚さの倍数ａで表すと、移動量ｘは、下記式８で表される。
【０１６１】
ｘ＝ａｗｓｉｎθ    ・・・式８
したがって、正規化櫛歯部間対向面積Ｈは、下記式９、式１０で表される。
Ｈ＝１−Ａｂｓ（２ａｗｓｉｎθ）／ｗ    （「０≦ｘ≦ｗ」のとき）  ・・・式９
Ｈ＝０，  （「ｗ＜ｘ」のとき）    ・・・式１０
したがって、櫛歯部の移動量ｘに従って、角度変位量を検出することができる。
【０１６２】
二次元光走査装置１０では、第２０振動検出子３２が、二次元光走査部１００の近傍に位置し、かつベースシリコン層１３によって機械的に結合（機械的弱結合）され、可動部が回転振動する周波数ｆ２（第１０周波数）と同じ第２０固有周波数ｆ２を有している。
【０１６３】
したがって、二次元光走査部１００が第１０周波数ｆ２で振動すると、二次元光走査部１００に機械的弱結合している第２０振動検出子３２も第１０周波数ｆ２（第２０固有周波数）で共振するので、ミラー部１０４の回転振動に同期して第２０中心軸周りに回転振動する。
【０１６４】
そこで、第２０振動検出子３２の第２０中心軸周りの回転角度を第２０角度検出部３０で検出することにより、可動部の回転角度を検出することができる。
このとき、二次元光走査部１００と第２０振動検出子３２は、トレンチ溝３２ａ、４２ａ、１０１ａ等により電気的に分離され、第２０角度検出部３０は、二次元光走査部１００に対して空間的に分離して配置されている。
【０１６５】
したがって、二次元光走査部１００の駆動信号が第２０角度検出部３０に混入することがないので、駆動信号がノイズとなって二次元光走査部１００の回転角度の検出精度が劣化させることがない。したがって、二次元光走査部１００の主走査軸周りの回転角度を正確に検出することができる。
【０１６６】
同様に、二次元光走査部１００の副走査軸周りの回転振動も第３０振動検出子４２に伝えられ、第３０振動検出子４２が第３０固有周波数ｆ１（第２０周波数）で共振する。
したがって、第３０振動検出子４２の第３０中心軸周りの回転角度を第３０角度検出部４０で検出することにより、二次元光走査部１００の駆動信号からのノイズの影響を受けることなく、二次元光走査部１００の回転角度を正確に検出することができる。
【０１６７】
ここで、「二次元光走査部１００の近傍」とは、可動部が主走査軸周りに回転振動したとき及び二次元光走査部１００が副走査軸周りに回転振動したときに、その振動が機械的弱結合によってベースシリコン層に伝達され、伝達された振動により、第２０振動検出子３２及び第３０振動検出子４２が共振することができる距離よりも近い領域を意味している。
【０１６８】
［第２実施形態］
以下に本発明の第２実施形態について図面に基づき説明する。
図１０は、本発明が適用された第２実施形態の二次元光走査部３００の構成を示す平面図である。第１実施形態では、捻り振動型の振動子（ミラー部１０４）及びその振動子の角度検出手段について説明したが、第２実施形態で説明する平面内振動型振動子でも本発明を実施できる。
【０１６９】
なお、第２実施形態の説明において、第１実施形態における構成品と同じものには同じ符号を付してその説明を省略する。
二次元光走査部３００は、第１実施形態における二次元光走査部１００と同様に、ＳＯＩウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものであり、第１実施形態の二次元光走査装置１０と異なる点を以下の（ア）〜（オ）に示す。
【０１７０】
（ア）二次元光走査部１００において、中心軸ｉ上に設けられている第１捻りバネ１０５の代わりに、第１フレーム１０２の図１０中で中心軸ｉと平行な両枠の端部外側に４つのバネ３０５を設ける。
【０１７１】
（イ）二次元光走査部１００において、中心軸ｊ上に設けられている第２捻りバネ１０６の代わりに、第２フレーム１０３の図１０中で中心軸ｊと平行な両枠の端部外側に４つのバネ３０６を設ける。
【０１７２】
（ウ）二次元光走査部１００において、中心軸ｋ上に設けられている第３捻りバネ１０７の代わりに、ミラー部１０４の図１０中で中心軸ｋと平行な両端部外側に４つのバネ３０７を設ける。
【０１７３】
（エ）第２０角度検出部３０において、第２０中心軸上に設けられている第２０弾性変形部材３６の代わりに、第２０振動検出子３２の第２０中心軸と平行な両端部外側に４つのバネ３３６を設ける。
【０１７４】
（オ）第３０角度検出部４０において、第３０中心軸上に設けられている第３０弾性変形部材４６の代わりに、第３０振動検出子４２の第３０中心軸と平行な両端部外側に４つのバネ３４６を設ける。
【０１７５】
このように、捻り型振動子の代わりに平面内振動型振動子とした二次元光走査部３００においても、第１実施形態の二次元光走査部１００と同じように、第１フレーム１０２は、中心軸ｉ方向に直線振動し、第２フレーム１０３は、中心軸ｊ方向に直線振動し、ミラー部１０４は、中心軸ｋ方向に直線振動する。
【０１７６】
さらに、第２０角度検出部３０では、第２０振動検出子３２は、第２０中心軸方向に直線振動し、第３０角度検出部４０では、第３０振動検出子４２は、第３０中心軸方向に直線振動する。
【０１７７】
このように、第２実施形態では、ミラー部１０４（振動子）は、左右方向に直線運動をしている。つまり、ベースシリコン層１３は、図１１（ａ）〜（ｃ）に矢印で示すように、左右方向の周期的な加振力を受けており、ベースシリコン層１３は、図１１（ａ）〜（ｃ）中に示すようになせん断状の変形を受けている。これにより、第２０振動検出子３２及び第３０振動検出子４２は、横方向の加振力を受け共振し、振動を検出することができる。
【０１７８】
なお、本第２実施形態の場合、検出用櫛歯のＳＯＩ櫛歯は十分な厚さが確保できるため、大きい静電容量が確保でき、Ｓ／Ｎ比の高い信号を得ることができる。
したがって、第２実施形態における二次元光走査部３００においても、第１実施形態の二次元光走査部１００と同じ効果を得ることができる。
【０１７９】
なお、第２実施形態においては、第１実施形態とは異なり、第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０を二次元光走査部１００の図１０中左右に配置しているが、第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０が二次元光走査部３００の近傍にあれば、変位を検出することができるため、第１実施形態の二次元光走査部１００と同様の効果が得られる。
【０１８０】
［その他の実施形態］
（１）上記実施形態では、二次元光走査装置１０としたが、一次元振動装置としてもよい。つまり、第１フレーム１０２をフレーム構造とせず、板状の振動子とし、中心軸ｉ方向に直線振動するようにする。また、第２０角度検出部３０のみを残し、第３０角度検出部４０を削除する。
【０１８１】
このようにすると、中心軸ｉ方向に加速度が加わった場合や中心軸ｉに垂直方向の角速度の変化があった場合、振動子の振動周波数に変化が現れ、その変化を第２０角度検出部３０で検出することができるので、加速度や角速度を計測することができる。
【０１８２】
（２）第２実施形態においても述べたが、図１２に示すように、第１実施形態において、第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０を二次元光走査部１００の図１２中左右に配置してもよい。このようにしても、第２０角度検出部３０及び第３０角度検出部４０が二次元光走査部１００の近傍にあれば、角度を検出することができるため、第１実施形態と同様の効果が得られる。
【０１８３】
（３）図５中に破線矢印で示すように、第２０振動検出子３２，及び第３０振動検出子４２は、回転方向の加振力だけでなく、左右方向の加振力も受けている。そこで、図１３に示すように、水平方向に振動する検出用振動子を用いることも可能である。
【０１８４】
前述のように、水平方向に振動する検出用振動子では、ＳＯＩ櫛歯を利用できるため、大きい静電容量を確保でき、Ｓ／Ｎ比の高い検出が可能となる。
【符号の説明】
【０１８５】
１０…二次元光走査装置、１１…ＳＯＩ層、１２…シリコン酸化膜層、１３…ベースシリコン層、２１…シリコン酸化膜、２２，２３…アルミ薄膜、２４…鏡面部分、３０…第２０角度検出部、３１…第２領域、３２…第２０振動検出子、３２ａ…トレンチ溝、３３…第２０角度検出器、３４，３５…櫛歯部、３６…第２０弾性変形部材、３７…第３領域、３８…電極、３９，３９ａ，３９ｂＬ，３９ｂＲ…端子部、４０…第３０角度検出部、４１…第４領域、４２…第３０振動検出子、４２ａ…トレンチ溝、４３…第３０角度検出器、４４，４５…櫛歯部、４６…第３０弾性変形部材、４７…第５領域、４８…電極、４９，４９ａ，４９ｂＬ，４９ｂＲ…端子部、５０…可変容量記号、１００…二次元光走査部、１０１…第０フレーム、１０１ａ…トレンチ溝、１０２…第１フレーム、１０２ａ，１０２ｂ…トレンチ溝、１０２ｃ…左側端縁、１０２ｄ…右側端縁、１０３…第２フレーム、１０３ａ，１０３ｂ…トレンチ溝、１０４…ミラー部、１０５…第１捻りバネ（ＳＯＩ層）、１０５ａ…端部、１０６…第２捻りバネ（ＳＯＩ層）、１０７…第３捻りバネ（ＳＯＩ層）、１０８…第１領域、１０９，１１０，１１１，１１２…櫛歯部、１１３…連結部、１１４…振動子領域、１１５…端子部、１１６…トレンチ溝、１１７…領域、１１８…アルミ薄膜、１１９…端子部、２００…駆動回路、２０１…レーザ光発生部、２０２…信号発生部、２０３…振幅検出部、２０４…制御回路、２１１…半導体レーザ、２１２…レーザ駆動回路、２２１…信号発生器、２２２…加算器、２２３…増幅器、２２４…過大電流遮断回路、２３１…ＣＶ変換回路、２３２…周波数分離フィルタ、２３３…整流回路、２３４…整流回路、２３５…位相差測定回路、２３６…２値化回路、２３７…２値化回路、３００…二次元光走査部、３０５，３０６，３０７，３３６，３４６…バネ。
【図１】
0005521691.tif 000002
【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図９】
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【図１１】
0005521691.tif 000007
【図１２】
0005521691.tif 000008
【図３】
0005521691.tif 000009
【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図１０】
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【図１３】
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