(57)【要約】【課題】アウタアクチュエータの動特性の悪化を抑制できかつインナフレームの破断を防止した２次元光偏向器を提供する。【解決手段】２次元光偏向器は、ミラー１と、インナフレーム２’と、２つの半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂとによって構成されている。ミラー１と半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂとはトーションバー４ａ、４ｂによって連結され、半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂとインナフレーム２’とはフィックス部５ａ、５ｂによって連結されている。アウタフレームとインナフレーム２’との間にミアンダ状圧電アクチュエータを連結する。インナフレーム２’にはチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）よりなる圧電層５０７を長さ方向に部分的に設ける。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラーと、
前記ミラーを囲むインナフレームと、
前記ミラーと前記インナフレームとの間に設けられ、前記ミラーを第１の軸に沿って駆動するためのインナアクチュエータと、
前記ミラーと前記インナアクチュエータとを連結し前記第１の軸に沿って設けられたトーションバーと、
前記インナアクチュエータと前記インナフレームとを連結し前記第１の軸に沿って設けられたフィックス部と、
前記インナフレームを囲むアウタフレームと、
前記アウタフレームの第２の軸に沿った連結部と前記インナフレームの前記第２の軸に沿った外側連結部とを連結して前記インナフレームを前記第２の軸に沿って駆動するためのアウタアクチュエータと
を具備し、
前記インナフレームの前記第２の軸に沿った内側連結部は前記インナアクチュエータに連結され、
前記インナフレームは長さ方向に部分的に圧電層を具備し、インナフレーム共振周波数を高い方向にシフトさせてミラー共振周波数から遠ざけるようにした２次元光偏向器。
【請求項２】
前記圧電層は前記インナフレームの歪集中部に設けられたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）層である請求項１に記載の２次元光偏向器。
【請求項３】
さらに、前記アウタアクチュエータの前記フィックス部の近傍に設けられた圧電センサを具備し、
前記圧電センサの信号線を前記フィックス部上に設けた請求項１又は２に記載の２次元光偏向器。
【請求項４】
前記トーションバーは、前記ミラーを中心に前記第１の軸に沿って一方に延びる第１のトーションバーと、当該一方の方向と反対側に延びる第２のトーションバーとからなり、
前記インナアクチュエータは、前記第１のトーションバーと前記第２のトーションバーとに接続された、前記ミラーを囲む２つの半リング状圧電アクチュエータを具備し、
前記インナフレームの幅が、前記半リング状圧電アクチュエータの幅よりも小さい請求項１〜３のいずれかに記載の２次元光偏向器。
【請求項５】
前記アウタアクチュエータはミアンダ状圧電アクチュエータを具備する請求項１〜４のいずれかに記載の２次元光偏向器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は２次元光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
２次元光偏向器は、光走査器として、ピコプロジェクタ、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、レーザレーダ、バーコードリーダ、エリアセンサ、ヘッドランプ等に適用され、半導体製造プロセス及びマイクロマシン技術を用いて製造されたマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造で構成されている。
【０００３】
図６は第１の従来の２次元光偏向器を示す斜視図である（参照：特許文献１の図５、特許文献２の図３）。図６において、１０は２次元光偏向器、２０は２次元光偏向器１０を制御するための制御ユニット、３０はレーザ光Ｌ１を発生するためのレーザ光源である。Ｌ２はレーザ光Ｌ１の２次元光偏向器１０からの反射光である。
【０００４】
図６において、２次元光偏向器１０は円形のミラー１の水平駆動系及び垂直駆動系よりなる。
【０００５】
水平駆動系は、ミラー１を囲む可動のインナフレーム２と、ミラー１とインナフレーム２との間に設けられ、ミラー１を水平走査軸（Ｙ軸）に沿って駆動するために、インナフレーム２の内側連結部２ａ、２ｂによって支持され、連結された２つの半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ（インナ圧電アクチュエータ）とによって構成されている。また、ミラー１と半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂとはＹ軸に沿ったトーションバー４ａ、４ｂによって連結され、さらに、半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂとインナフレーム２とはＹ軸に沿ったフィックス部５ａ、５ｂによって連結されている。
【０００６】
半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ間には圧電センサ６ａ、６ｂが設けられ、フィックス部５ａ、５ｂは、後述の図７に示すごとく、圧電センサ６ａ、６ｂのセンサ信号線Ｌ６ａ、Ｌ６ｂを通過させるためのものである。尚、センサ信号線Ｌ６ａ、Ｌ６ｂは後述のミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）層とは図示しない絶縁層によって電気的に絶縁されている。これにより、圧電センサ６ａ、６ｂの電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂと半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの電圧ＶＹ1、ＶＹ2とのクロストークを避けることができる。
【０００７】
他方、ミラー１の垂直駆動系は、偏光器の基準面を構成する固定のアウタフレーム７と、ミラー１を垂直走査軸（Ｘ軸）に沿って駆動するためにアウタフレーム７の連結部７ａ、７ｂとインナフレーム２の外側連結部２ｃ、２ｄとの間に連結されたミアンダ状（蛇腹状）圧電アクチュエータ（アウタ圧電アクチュエータ）８ａ、８ｂとによって構成されている。ミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂはアウタフレーム７の連結部７ａ、７ｂとインナフレーム２の外側連結部２ｃ、２ｄとを結ぶＸ軸に対称に設けられているので、ミラー１のＸ軸からのずれを抑制できる。
【０００８】
半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂには、周波数ｆｙの互いに逆位相の正弦波電圧Ｖｙａ、Ｖｙｂが電極パッドＰｙａ、Ｐｙｂを介して印加される。これにより、ミラー１はＹ軸回りに揺動する。このとき、制御ユニット２０は電極パッドＰｓａ、Ｐｓｂを介して得られる圧電センサ６ａ、６ｂのセンサ電圧Ｖｓａ、Ｖｓｂが最大となるように正弦波電圧Ｖｙａ、Ｖｙｂの周波数ｆｙをフィードバック制御して共振周波数ｆｙを実現する。
【０００９】
他方、ミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂには、非共振周波数ｆｘの互いに逆位相の鋸歯波電圧Ｖｘ１、Ｖｘ２が電極パッドＰｘ１ａ、Ｐｘ２ａ；Ｐｘ１ｂ、Ｐｘ２ｂを介して印加される。具体的には、鋸歯波電圧Ｖｘ１はミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂの奇数番目圧電カンチレバー８ａ−１、８ａ−３、８ａ−５；８ｂ−１、８ｂ−３、８ｂ−５に印加され、他方、鋸歯波電圧Ｖｘ２はミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂの偶数番目圧電カンチレバー８ａ−２、８ａ−４；８ｂ−２、８ｂ−４に印加される。従って、たとえば、奇数番目圧電カンチレバー８ａ−１、８ａ−３、８ａ−５；８ｂ−１、８ｂ−３、８ｂ−５は下方向に屈曲し、偶数番目圧電カンチレバー８ａ−２、８ａ−４；８ｂ−２、８ｂ−４は上方向に屈曲する。この結果、ミラー１がＸ軸回りに揺動する。
【００１０】
図６においては、ミラー１のＸ軸回りの揺動によるインナフレーム２の振動を抑制するために、インナフレーム２は上面視で矩形として面積を大きくして質量を大きくしてある。しかし、この場合、インナフレーム２の垂直走査軸（Ｘ軸）回りの慣性モーメントが大きくなり、ミラー１の垂直走査軸（Ｘ軸）回りの振れ角が小さくなる。このため、図７に示す第２の従来の２次元光偏向器のごとく、インナフレーム２は上面視で細くし、垂直走査軸（Ｘ軸）回りの慣性モーメントを小さくすることも提案されている（参照：特許文献３の図１）。この場合、インナフレーム２の幅Ｗはインナ圧電アクチュエータの幅より小さくたとえば１００μｍで一様である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開２０１５−１８４５９２号公報
【特許文献２】特開２０１６−９０５０号公報
【特許文献３】特開２０１７−２０７６３０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
しかしながら、図８の（Ａ）に示すごとく、ミラー１の振れ角αがトーションバー４ａの振れ角βを超えて共振によるΔβが上乗せされた振れ角領域に入ると、トーションバー４ａは半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの変形動作に対して位相遅れを伴いながらフィックス部５ａを介してインナフレーム２の振動γを誘発する。つまり、図８の（Ｂ）に示すごとく、ミラー１の捩り応力Ｓ１は、半リング状圧電アクチュエータ３ａ、３ｂの捩り応力Ｓ２、インナフレーム２の捩り応力Ｓ３として伝播する。
【００１３】
インナフレーム２の幅Ｗは小さく一様であり、かつインナフレーム２は薄く、インナフレーム共振周波数は小さいので、ミラー共振周波数がインナフレーム共振周波数を巻き込むことがあり、この結果、図９の（Ａ）に示すごとく、捩り応力Ｓ３はせん断応力としてインナフレーム２を一様に伝播する。尚、図９の（Ａ）においては、便宜上、インナフレーム２を直線状にしてある。従って、図９の（Ｂ）に示すごとく、インナフレーム２のせん断応力Ｓ３の振動伝播は、単一モードに近く、この結果、インナフレーム２の内側連結部２ａ、２ｂ及び外側連結部２ｃ、２ｄの近傍の振動変位は大きくなる。
【００１４】
インナフレーム２の内側連結部２ａ、２ｂ及び外側連結部２ｃ、２ｄの近傍の大きな振動変位は、図１０の（Ａ）に示すごとく、ミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂを垂直走査軸（Ｘ軸）方向に大きく伸縮させる。この結果、ミラー１の共振によるインナフレーム２の振動がミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂの振動に重畳し、つまり、クロストークし、ミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂの動特性を悪化させるという課題がある。また、ミラー１の共振エネルギーが大きくなると、図１０の（Ｂ）に示すごとく、インナフレーム２の内側連結部２ａ、２ｂ及び外側連結部２ｃ、２ｄの近傍が破断するという課題もある。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上述の課題を解決するために、本発明に係る２次元光偏向器は、ミラーと、ミラーを囲むインナフレームと、ミラーとインナフレームとの間に設けられ、ミラーを第１の軸に沿って駆動するためのインナアクチュエータと、ミラーとインナアクチュエータとを連結し第１の軸に沿って設けられたトーションバーと、インナアクチュエータとインナフレームとを連結し第１の軸に沿って設けられたフィックス部と、インナフレームを囲むアウタフレームと、アウタフレームの第２の軸に沿った連結部とインナフレームの第２の軸に沿った外側連結部とを連結してインナフレームを第２の軸に沿って駆動するためのアウタアクチュエータとを具備し、インナフレームの第２の軸に沿った内側連結部はインナアクチュエータに連結され、インナフレームは長さ方向に部分的にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）層を具備し、インナフレーム共振周波数を高い方向にシフトさせてミラー共振周波数から遠ざけるようにしたものである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明によれば、インナフレーム共振周波数をミラー共振周波数から遠ざかるようにしているので、ミラー共振周波数によるインナフレーム共振周波数の巻き込みが少なくなり、従って、アウタアクチュエータの第２の軸方向の伸縮は抑制できる。この結果、ミラー共振によるインナフレームの振動とアウタアクチュエータの振動とのクロストークは小さくなり、アウタアクチュエータの動特性の悪化を抑制できる。また、ミラーの共振エネルギーが大きくなっても、インナフレームの内側連結部及び外側連結部の近傍の破断を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本発明に係る２次元光偏向器の実施の形態を示す部分上面図である。
【図２】図７の２次元光偏向器のインナフレームの応力分布のシミュレーション結果を示す部分上面図である。
【図３】図１の２次元光偏向器の共振周波数を説明するためのグラフである。
【図４】図１の２次元光偏向器の動作を説明するための図であって、（Ａ）はインナフレームの上面図、（Ｂ）はインナフレームの断面図である。
【図５】図１の２次元光偏向器の製造方法を説明するための断面図である。
【図６】第１の従来の２次元光偏向器を示す斜視図である。
【図７】第２の従来の２次元光偏向器を示す部分上面図である。
【図８】課題を説明するための図７のミラー、半リング状圧電アクチュエータ及びインナフレームを示す図であって、（Ａ）は断面図、（Ｂ）は部分上面図である。
【図９】課題を説明するための図７のインナフレームを示す図であって、（Ａ）は上面図、（Ｂ）は断面図である。
【図１０】課題を説明するための図７の２次元光偏向器を示す図であって、（Ａ）は全体上面図、（Ｂ）は部分上面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
図１は本発明に係る２次元光偏向器の実施の形態を示す部分上面図である。
【００１９】
図１においては、図７のインナフレーム２の代りに、インナフレーム２’を設けてある。インナフレーム２’上には、厚いたとえば３μｍの圧電層５０７（図５参照）を長さ方向に部分的（断続的）に設ける。この場合、製造上、圧電層５０７の下層の酸化シリコン層５０５、下部電極層５０６をも含み、圧電層５０７上の上部電極層５０８、層間酸化シリコン層５０９をも含むが、これらは総じて薄い（図５参照）。特に、圧電層５０７をインナフレーム２’上の図２に示す歪集中部Ｃに対応する場所に設ける。これにより、インナフレーム２’は部分的に硬度が上昇するので、図３に示すごとく、インナフレーム共振周波数ｆＲＩは高い方向にシフトし、従って、インナフレーム共振周波数ｆＲＩは固定のミラー共振周波数ｆＲＭから遠ざかる。この結果、ミラー１の垂直走査軸（Ｘ軸）回りの振れ角の減少を抑制できる。
【００２０】
圧電層５０７の断続的な存在のためにインナフレーム２’の硬度（弾性率）は一様でなく、従って、振動波の帯域幅が拡張されて振動の変位は散逸し、図４の（Ａ）に示すごとく、捩り応力Ｓ３はせん断応力としてインナフレーム２’を徐々に拡大して伝播する。尚、図４の（Ａ）においては、便宜上、インナフレーム２’を直線状にしてある。従って、図４の（Ｂ）に示すごとく、インナフレーム２のせん断応力Ｓ３の振動伝播は、マルチモードとなり、この結果、インナフレーム２’の内側連結部２ａ、２ｂ及び外側連結部２ｃ、２ｄの近傍の振動変位は互いに打ち消し合って小さくなる。また、圧電層の歪集中部Ｃ上の部分的配置によりインナフレーム２’の振動の節をずらすことができ、インナフレーム共振による振動変位の増大を抑制できる。
【００２１】
インナフレーム２’の内側連結部２ａ、２ｂ及び外側連結部２ｃ、２ｄの近傍の振動変位を小さくできるので、ミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂの垂直走査軸（Ｘ軸）方向の伸縮は抑制できる。この結果、ミラー１の共振によるインナフレーム２’の振動とミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂの振動とのクロストークは小さくなり、ミアンダ状圧電アクチュエータ８ａ、８ｂの動特性の悪化を抑制できる。また、ミラー１の共振エネルギーが大きくなっても、インナフレーム２’の内側連結部２ａ、２ｂ及び外側連結部２ｃ、２ｄの近傍の破断を防止できる。
【００２２】
図１の光偏向器１０の製造方法を図５を参照して説明する。
【００２３】
始めに、単結晶シリコンサポート層（ハンドル層ともいう）５０１、酸化シリコン中間層（埋込層、ボックス層ともいう）５０２及び単結晶シリコン活性層（デバイス層ともいう）５０３よりなるＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ−Ｏｎ−Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）構造を準備する。次いで、単結晶シリコンサポート層５０１及び単結晶シリコン活性層５０３を熱酸化して酸化シリコン層５０４及び酸化シリコン層５０５を形成する。
【００２４】
次に、酸化シリコン層５０５上に、インナフレーム２’、圧電カンチレバー８ａ−１、８ａ−２、８ａ−３、８ａ−４、８ａ−５；８ｂ−１、８ｂ−２、８ｂ−３、８ｂ−４、８ｂ−５を形成する。すなわち、スパッタリング法による約５０ｎｍのＴｉ及びその上の約１５０ｎｍのＰｔよりなるＴｉ／Ｐｔ下部電極層５０６、アーク放電反応性イオンプレーティング（ＡＤＲＩＰ）法による約３μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる圧電層５０７、及びスパッタリング法による約１５０ｎｍのＴｉ上部電極層５０８を形成する。すなわち、インナフレーム２’には圧電層５０７が含まれる。
【００２５】
次に、上部電極層５０８、圧電層５０７をフォトリソグラフィ及びエッチング法によってパターン化し、次いで、下部電極層５０６及び酸化シリコン層５０５をフォトリソグラフィ及びエッチング法によってパターン化する。このとき、インナフレーム２’には部分的に圧電層５０７が形成される。但し、圧電層５０７の形成は圧電カンチレバーに形成する圧電層の形成と同時に形成、エッチングの工程を実施する限り、製造プロセスの増加はない。
【００２６】
次に、プラズマ化学的気相析出（ＰＣＶＤ）法により約５００ｎｍの層間酸化シリコン層５０９を形成する。次いで、層間酸化シリコン層５０９のうち偶数番目圧電カンチレバー８ａ−２、８ａ−４；８ｂ−２、８ｂ−４の領域をフォトリソグラフィ及びドライエッチング法により除去し、当該領域にＰＣＶＤ法により約５００ｎｍの層間窒化シリコン層（図示せず）を形成する。
【００２７】
次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法により層間酸化シリコン層５０９にコンタクトホールを開孔する。このコンタクトホールはインナ圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ、圧電センサ６ａ、６ｂ、圧電カンチレバー８ａ−１、８ａ−３、８ａ−５；８ｂ−１、８ｂ−３、８ｂ−５及び電極パッドＰ（Ｐｘ１ａ、…）に相当する。尚、インナフレーム２’上にはコンタクトホールを開孔しない。
【００２８】
次に、フォトリソグラフィ、スパッタリング及びソフトオフ法によりＡｌＣｕ（１％Ｃｕ）よりなる配線層５１０を形成する。配線層５１０はインナ圧電アクチュエータ３ａ、３ｂ、圧電センサ６ａ、６ｂ及び圧電カンチレバー８ａ−１、８ａ−３、８ａ−５；８ｂ−１、８ｂ−３、８ｂ−５の上部電極層５０８並びにこれらの電極パッドＰ（Ｐｘ１ａ、…）の間を電気的に接続する。
【００２９】
同様に、層間窒化シリコン層にコンタクトホールを開孔し、配線層を形成して圧電カンチレバー８ａ−２、８ａ−４；８ｂ−２、８ｂ−４と電極パッドとの間を電気的に接続する。
【００３０】
次に、フォトリソグラフィ及びドライエッチング法により酸化シリコン層５０４をエッチングし、インナフレーム２’、アウタフレーム７及びミラー１の補強リブ１ａの領域のみに酸化シリコン層５０４を残す。
【００３１】
次に、酸化シリコン層５０４をエッチングマスクとしてドライエッチング法により単結晶シリコンサポート層５０１をエッチングする。次いで、単結晶シリコンサポート層５０１をエッチングマスクとしてウェットエッチング法により酸化シリコン層５０２をエッチングする。
【００３２】
最後に、蒸着法によりＡｌ反射層５１１を単結晶シリコン活性層５０３上に形成し、フォトリソグラフィ及びエッチング法によりＡｌ反射層５１１をパターン化し、これにより、２次元光偏向器１０は完成する。この場合、内側連結部２ａ、２ｂ、外側連結部２ｃ、２ｄ、トーションバー４ａ、４ｂ、フィックス部５ａ、５ｂ及び連結部７ａ、７ｂは単結晶シリコン活性層５０３よりなる。
【００３３】
尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更に適用し得る。
【符号の説明】
【００３４】
１０：２次元光偏向器
２０：制御ユニット
３０：レーザ光源
１：ミラー
１ａ：補強リブ
２、２’：インナフレーム
２ａ、２ｂ：内側連結部
２ｃ、２ｄ：外側連結部
３ａ、３ｂ：半リング状圧電アクチュエータ（インナ圧電アクチュエータ）
４ａ、４ｂ：トーションバー
５ａ、５ｂ：フィックス部
６ａ、６ｂ：圧電センサ
７：アウタフレーム
７ａ、７ｂ：連結部
８ａ、８ｂ：ミアンダ状圧電アクチュエータ（アウタ圧電アクチュエータ）
５０７：圧電層
Ｐｘ１ａ、Ｐｘ２ａ、Ｐｘ１ｂ、Ｐｘ２ｂ、Ｐｓａ、Ｐｓｂ：電極パッド
Ｃ：歪集中部
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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