(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面を有するミラー部と、該ミラー部の端部から外側に延びたトーションバーと、該ミラー部を囲むように設けられた支持部と、一端が該トーションバーに連結され他端が該支持部に連結されて支持された第１の圧電アクチュエータとを備え、該第１の圧電アクチュエータは、支持体上に形成された圧電体に駆動電圧を印加したとき圧電駆動により屈曲変形を行う１つ以上の圧電カンチレバーからなり、該第１の圧電アクチュエータの圧電駆動により該トーションバーを介して該ミラー部を回転駆動させる光偏向器において、
一端が前記トーションバーに連結され他端が前記ミラー部に連結されて支持された第２の圧電アクチュエータを備え、該第２の圧電アクチュエータは、支持体上に形成された圧電体に駆動電圧を印加したとき圧電駆動により屈曲変形を行う１つ以上の圧電カンチレバーからなることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
請求項１記載の光偏向器において、前記ミラー部の回転駆動による前記第２のアクチュエータの圧電カンチレバーの屈曲変形に応じて生じる圧電起電力を検出し、該圧電起電力に基づいて該ミラー部の回転角度を検出する回転角度検出手段を備えることを特徴とする光偏向器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光偏向器において、前記回転角度検出手段により検出された回転角度を用いて、前記ミラー部の回転駆動のパラメータが所定値となるように前記第１の圧電アクチュエータへ印加する駆動電圧を制御する制御手段を備えることを特徴とする光偏向器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか記載の光偏向器において、前記第１の圧電アクチュエータは、前記ミラー部と該ミラー部の両端から外側に延びた１対のトーションバーとを挟んで対向するように１対又は２対配置され、該ミラー部は、該１対又は２対の第１の圧電アクチュエータにより回転振動されることを特徴とする光偏向器。
【請求項５】
請求項４記載の光偏向器において、前記第２の圧電アクチュエータは、前記ミラー部を挟んで対向するように１対又は２対配置され、前記１対又は２対の第１の圧電アクチュエータによる前記ミラー部の回転振動による屈曲変形に応じてそれぞれ圧電起電力を生じ、前記回転角度検出手段は、該圧電起電力に基づいて該ミラー部の回転角度を検出することを特徴とする光偏向器。
【請求項６】
請求項１〜５のいずれか記載の光偏向器において、前記１対又は２対の第１の圧電アクチュエータへ印加される駆動電圧は交流電圧であることを特徴とする光偏向器。
【請求項７】
請求項６記載の光偏向器において、前記１対又は２対の第１の圧電アクチュエータのうちの、前記トーションバーの一方の側の圧電アクチュエータへ印加される第１の交流電圧と、該トーションバーの他方の側の圧電アクチュエータへ印加される第２の交流電圧とは、互いに１８０度位相が異なることを特徴とする光偏向器。
【請求項８】
請求項１〜７のいずれか記載の光偏向器において、前記ミラー部、トーションバー、支持部、及び圧電カンチレバーの支持体は、半導体基板を形状加工して一体的に形成されることを特徴とする光偏向器。
【請求項９】
請求項８記載の光偏向器において、前記圧電カンチレバーの圧電体は、前記半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成されることを特徴とする光偏向器。
【請求項１０】
請求項９記載の光偏向器において、前記ミラー部の反射面及び前記圧電カンチレバーの電極は、前記半導体基板上に直接成膜された金属薄膜と、前記圧電膜上に直接成膜された金属薄膜とを形状加工して形成されることを特徴とする光偏向器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光等の光ビームを偏向・走査する光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体プロセスやマイクロマシン技術を用いたＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスとして、半導体基板上にミラー（反射板）やミラーを回転駆動させる可動部等の機構部品を一体的に形成した光偏向器が提案されている。このような光偏向器において、さらに偏向・走査性能を向上するため、ミラーの駆動状態（例えば偏向角や偏向速度）をより迅速に精度良く制御することが望まれている。このため、ミラーの駆動状態（例えば回転角度）を検出してフィードバック制御することが必要となる。
【０００３】
そこで、ミラーの回転角度を検出する手法として、例えば、光偏向器により偏向・走査されたレーザー光を別体のセンサで検出する手法が挙げられる。ただし、この手法では、システム自体が大きくなってしまう。このため、光偏向器そのものに検出機構を持たせる手法が提案されている（例えば、特許文献１〜３を参照）。
【０００４】
特許文献１の光偏向器では、可動フレーム部の一端が固定部に連結されて支持され、この可動フレーム部で発生したトルクを他端に接合されたトーションバー（弾性梁）に伝え、トーションバーの先に備え付けられたミラー部を回転駆動する構成となっており、ミラーを支持する弾性梁のフレーム側の基端部にピエゾ抵抗素子を組み込み、弾性梁の捩れ角度を検出することでミラーの回転角度を検出する。また、特許文献２の光偏向器は電磁駆動方式であり、磁界の変化を検出するセンサを組み込んで、硬磁性薄膜を有するミラーの角度検出を行う。また、特許文献３の光偏向器は静電駆動方式であり、ミラーと対向電極との間の静電容量を測定することによって角度検出を行う。
【特許文献１】特開２００４−２２６５４８号公報
【特許文献２】特開２０００−２３５１５２号公報
【特許文献３】特開２００６−１８４６０３号公報
【特許文献４】特開２００５−１２７１４７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一方、ミラーの駆動源として圧電アクチュエータを用いた、圧電駆動方式による光偏向器が提案されている（例えば、特許文献４を参照）。この光偏向器では、圧電アクチュエータの一端が枠部（支持部）に連結されて支持され、この圧電アクチュエータが発生したトルクを他端に接合されたトーションバー（弾性梁）に伝え、トーションバーの先に備え付けられたミラー部を回転駆動する構成となっている。この光偏向器は、小型で簡単な構造で大きな駆動力が得られ、作製が容易で量産化がしやすいという利点がある。
【０００６】
この圧電アクチュエータを用いた光偏向器において、ミラー部の回転角度を検出するため、特許文献１のように、ミラーを支持するトーションバーの支持部側の基端部にピエゾ抵抗素子や歪みゲージを組み込み、弾性梁の捩れ角度を検出することでミラーの回転角度を検出することが考えられる。ただし、ピエゾ抵抗素子や歪みゲージを組み込むため、複雑な構造となってしまう。
【０００７】
これに対して、ピエゾ抵抗素子等の代わりに、別体の圧電センサを設けて圧電起電力によって角度変位を検出したり、ミラーを駆動する圧電アクチュエータに、アクチュエータとしての配線とは別にセンサとしての配線を設けることが考えられる。この場合、ミラーの駆動のための圧電アクチュエータを形成する工程を利用して検出機構を形成できる。
【０００８】
しかしながら、トーションバーの捻り変位は変位量が微小のため、良好なＳ／Ｎ比で捻り変位を圧電起電力として測定することは困難である。また、検出のための圧電センサの位置が、光偏向器の圧電アクチュエータと近いので、圧電アクチュエータの駆動信号とのクロストークが問題となる。
【０００９】
本発明は上記背景を鑑みてなされたものであり、圧電アクチュエータを用いた光偏向器において、ミラーの駆動状態を迅速に精度良く検出して制御可能な光偏向器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】
【００１０】
本発明は、反射面を有するミラー部と、該ミラー部の端部から外側に延びたトーションバーと、該ミラー部を囲むように設けられた支持部と、一端が該トーションバーに連結され他端が該支持部に連結されて支持された第１の圧電アクチュエータとを備え、該第１の圧電アクチュエータは、支持体及び該支持体上に形成された圧電体を有して、該圧電体へ駆動電圧を印加することで圧電駆動により屈曲変形を行う１つ以上の圧電カンチレバーを含み、該第１の圧電アクチュエータに駆動電圧を印加することで、該トーションバーを介して該ミラー部を回転駆動させる光偏向器において、一端が前記トーションバーに連結され他端が前記ミラー部に連結されて支持された第２の圧電アクチュエータを備え、該第２の圧電アクチュエータは、支持体上に形成された圧電体に駆動電圧を印加したとき圧電駆動により屈曲変形を行う１つ以上の圧電カンチレバーからなることを特徴とする（第１発明）。
【００１１】
第１発明の光偏向器によれば、ミラー部とトーションバーとの間に第２の圧電アクチュエータが設けられているので、第１の圧電アクチュエータの駆動によりトーションバーを介してミラー部が回転駆動されるとき、第２の圧電アクチュエータにはこれを変形させる力が加えられ、圧電カンチレバーに圧電起電力が発生する。この圧電起電力は、ミラー部の回転駆動の状態を反映したものであるから、この第２の圧電アクチュエータの圧電起電力に基づいて、ミラー部の駆動状態を迅速に精度良く検出したり、ミラー部の駆動状態を制御したりすることが可能となる。また、第２の圧電アクチュエータに駆動電圧を印加して第２の圧電アクチュエータが屈曲変形されると、この屈曲変形はミラー部の回転駆動の状態に直ちに反映されるので、この第２の圧電アクチュエータの屈曲変形に基づいて、ミラー部の駆動状態を制御することが可能となる。このように、第２の圧電アクチュエータを備えることで、ミラーの駆動状態を迅速に精度良く検出して制御することができる。
【００１２】
また、第１発明の光偏向器において、前記ミラー部の回転駆動による前記第２のアクチュエータの圧電カンチレバーの屈曲変形に応じて生じる圧電起電力を検出し、該圧電起電力に基づいて該ミラー部の回転角度を検出する回転角度検出手段を備えることが好ましい（第２発明）。
【００１３】
第２発明の光偏向器によれば、第２の圧電アクチュエータ屈曲変形は、ミラー部の回転駆動の状態を直ちに反映したものとなることから、この屈曲変形により生じる圧電起電力に基づいてミラー部の回転角度を検出することで、ミラー部の回転角度を迅速に精度良く検出することができる。
【００１４】
また、第１又は第２発明の光偏向器において、前記回転角度検出手段により検出された回転角度を用いて、前記ミラー部の回転駆動のパラメータが所定値となるように前記第１の圧電アクチュエータへ印加する駆動電圧を制御する制御手段を備えることが好ましい（第３発明）。
【００１５】
第３発明の光偏向器によれば、回転角度検出手段により、ミラー部の回転角度が迅速に精度良く検出されているので、この回転角度を用いて、ミラー部の回転駆動のパラメータ（例えば、偏向角や偏向速度）が所定値となるように第１のアクチュエータの駆動をフィードバック制御することにより、迅速に精度良く所望の偏向・走査を行うことができる。
【００１６】
また、第１〜第３発明のうちいずれかの光偏向器において、前記第１の圧電アクチュエータは、前記ミラー部と該ミラー部の両端から外側に延びた１対のトーションバーとを挟んで対向するように１対又は２対配置され、該ミラー部は、該１対又は２対の第１の圧電アクチュエータにより回転振動されることが好ましい（第４発明）。
【００１７】
第４発明の光偏向器によれば、１対又は２対の第１の圧電アクチュエータをミラー部及びトーションバーを挟んで対向して配置し、これらの第１の圧電アクチュエータの駆動によりミラー部を１つの軸周りで回転させることができる。これにより、ミラー部を１軸で回転させることができ、小型の光偏向器で、１方向について安定して所望の偏向・走査を効率良く行うことができる。
【００１８】
また、第４発明の光偏向器において、前記第２の圧電アクチュエータは、前記ミラー部を挟んで対向するように１対又は２対配置され、前記１対又は２対の第１の圧電アクチュエータによる前記ミラー部の回転振動による屈曲変形に応じてそれぞれ圧電起電力を生じ、前記回転角度検出手段は、該圧電起電力に基づいて該ミラー部の回転角度を検出することが好ましい（第５発明）。
【００１９】
第５発明の光偏向器によれば、１対又は２対の第２の圧電アクチュエータをミラー部を挟んで対向して配置し、これらの第２の圧電アクチュエータでそれぞれ生じる圧電起電力を用いて、第１の圧電アクチュエータによるミラー部の回転振動の際に、ミラー部の回転角度を安定して検出することができる。
【００２０】
また、第１〜第５発明のいずれかの光偏向器において、前記１対又は２対の第１の圧電アクチュエータへ印加される駆動電圧は交流電圧であることが好ましい（第６発明）。
【００２１】
第６発明の光偏向器によれば、トーションバーを挟んで対向した各対の第１の圧電アクチュエータの駆動により、ミラー部を１軸で回転振動して光走査することができる。そして、この光走査の際に、回転角度検出手段によりミラー部の走査角度が迅速且つ精度良く検出できる。
【００２２】
また、第６発明の光偏向器において、前記１対又は２対の第１の圧電アクチュエータのうちの、前記トーションバーの一方の側の圧電アクチュエータへ印加される第１の交流電圧と、該トーションバーの他方の側の圧電アクチュエータへ印加される第２の交流電圧とは、互いに１８０度位相が異なることが好ましい（第７発明）。
【００２３】
第７発明の光偏向器によれば、トーションバーを挟んで対向した各対の第１及び第２の圧電アクチュエータの圧電カンチレバーを逆位相で屈曲変形させることにより、ミラー部をトーションバーを中心軸として効率良く回転振動させ、光走査を行うことができる。そして、この光走査の際も回転角度検出手段によりミラー部の走査角度が迅速且つ精度良く検出できる。
【００２４】
また、第１〜第７発明のいずれかの光偏向器において、前記ミラー部、トーションバー、支持部、及び圧電カンチレバーの支持体は、半導体基板を形状加工して一体的に形成されることが好ましい（第８発明）。
【００２５】
第８発明の光偏向器によれば、ミラー部、トーションバー、支持部、及び圧電カンチレバーの支持体が形状加工により一体的に形成されるので、別体で形成して接合や接着等の加工法を用いて形成する場合に比べて、接合部材や接着剤等が不要であり、アライメント精度を向上することができ、容易に精度良く形成することができる。また、一体的に形成されることにより光偏向器全体が機械的に連結されることとなるので、別体で形成して連結する場合に比べて、連結部に応力が集中することがなく光偏向器の強度を向上することできる。さらに、半導体基板（例えば単結晶シリコン基板やＳＯＩ基板等のシリコン基板）から形成されるので、半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスを用いて半導体基板の一部を除去加工することで、容易に一体的に形成することができる。
【００２６】
また、第８発明の光偏向器において、前記圧電カンチレバーの圧電体は、前記半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成されることが好ましい（第９発明）。
【００２７】
第９発明の光偏向器によれば、圧電カンチレバーの圧電体は、半導体基板上に直接成膜された単層の圧電膜を形状加工して形成されるので、構造が簡単であり、半導体プレーナプロセスを用いて容易に形成することができる。しかも、支持体と圧電体とを一体的に形成可能であり、支持体と圧電体とを別体で形成して接着する場合に比べて、接着剤が不要であり、アライメント精度が向上し、接着部に応力が集中することがなく圧電アクチュエータの強度を向上することができる。
【００２８】
また、第９発明の光偏向器において、前記ミラー部の反射面及び前記圧電カンチレバーの電極は、前記半導体基板上に直接成膜された金属薄膜と、前記圧電膜上に直接成膜された金属薄膜とを形状加工して形成されることが好ましい（第１０発明）。
【００２９】
第１０発明の光偏向器によれば、ミラー部の反射面及び圧電カンチレバーの電極は、直接成膜された金属薄膜を形状加工して形成されるので、構造が簡単であり、半導体プレーナプロセスを用いて容易に形成することができる。
【００３０】
そして、本発明の光偏向器によれば、半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスを用いて光偏向器全体を一体的に形成することができるので、光偏向器の作製が容易になり、量産や歩留りの向上が可能となる。さらに、この光偏向器をデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、他のデバイスに組み込むことが容易となり、小型化や量産が可能となる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
［第１実施形態］
本発明の第１実施形態について、図１〜図５を参照して説明する。図１は、本実施形態における光偏向器の構成図、図２は、図１の光偏向器における第１の圧電アクチュエータの作動を示す説明図、図３は、図１の光偏向器における第２の圧電アクチュエータの作動を示す説明図、図４は、図１の光偏向器におけるミラー部の回転角度の検出を示すグラフ（第１の圧電アクチュエータの駆動電圧と第２の圧電アクチュエータの出力電圧とミラー部の回転角度との時間変化を示すグラフ）、図５は、図１の光偏向器の製造工程を示す説明図である。
【００３２】
図１に示すように、本実施形態の光偏向器Ａは、入射された光を反射するミラー部１と、ミラー部１に連結されたトーションバー２ａ，２ｂと、ミラー部１をそれぞれトーションバー２ａ，２ｂを介して駆動する２対の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄと、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄを支持する支持部１０と、ミラー部１の回転角度を検出するための２対の第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄとを備えている。
【００３３】
ミラー部１は矩形形状で、その１対の対辺のそれぞれの中心位置から外側に向かって、上記１対のトーションバー２ａ，２ｂが延びている。一方のトーションバー２ａは、その基端部が支持部１０に連結され、先端部がミラー部１に連結されている。トーションバー２ａは、その基端部を挟んで対向した１対の第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃのそれぞれの先端部に連結される一方、先端部を挟んで対向した１対の第２の圧電アクチュエータ９ａ，９ｃのそれぞれの先端部に連結されている。
【００３４】
また、他方のトーションバー２ｂも、その基端部が支持部１０に連結され、先端部がミラー部１に連結されている。このトーションバー２ｂは、その基端部を挟んで対向した１対の第１の圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄのそれぞれの先端部に連結される一方、先端部を挟んで対向した１対の第２の圧電アクチュエータ９ｂ，９ｄのそれぞれの先端部に連結されている。
【００３５】
第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄは、それぞれ、その基端部が支持部１０に連結されて支持されている。支持部１０は、ミラー部１、トーションバー２ａ，２ｂ、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄを囲むように設けられている。第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄは、それぞれ、１つの圧電カンチレバーから構成される。各圧電カンチレバーは、支持体４ａ〜４ｄと下部電極５ａ〜５ｄと圧電体６ａ〜６ｄと上部電極７ａ〜７ｄとを備えている。
【００３６】
また、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄは、それぞれ、その基端部がミラー部１に連結されて支持されている。これらの第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄは、それぞれ、１つの圧電カンチレバーから構成される。各圧電カンチレバーは、それぞれ、支持体４ｅ〜４ｈと下部電極５ｅ〜５ｈと圧電体６ｅ〜６ｈと上部電極７ｅ〜７ｈとを備えている。
【００３７】
また、光偏向器Ａは、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの上部電極７ａ〜７ｄと下部電極５ａ〜５ｄとの間にそれぞれ駆動電圧を印加するための上部電極パッド１１ａ〜１１ｄ及び下部電極パッド１２ａ〜１２ｄと、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの上部電極７ｅ〜７ｈと下部電極５ｅ〜５ｈとの間の圧電起電力を出力するための上部電極パッド１４ａ〜１４ｄ及び下部電極パッド１５ａ〜１５ｄとを、支持部１０上に備えている。
【００３８】
下部電極パッド１２ａ〜１２ｄ，１５ａ〜１５ｄと下部電極５ａ〜５ｈとは、シリコン基板上の金属薄膜（本実施形態では２層の金属薄膜、以下、下部電極層ともいう）を、半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成される。この金属薄膜の材料としては、例えば、１層目（下層）にはチタン（Ｔｉ）を用い、２層目（上層）には白金（Ｐｔ）を用いる。詳細には、下部電極５ａ〜５ｈは、支持体４ａ〜４ｈ上のほぼ全面に形成さている。そして、下部電極パッド１２ａ〜１２ｄは下部電極５ａ〜５ｄに導通され、下部電極パッド１５ａ〜１５ｄは、支持部１０及びトーションバー２ａ，２ｂ上の下部電極層を介して下部電極５ｅ〜５ｈに導通される。
【００３９】
圧電体６ａ〜６ｈは、下部電極層上の１層の圧電膜（以下、圧電体層ともいう）を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより、それぞれ、下部電極５ａ〜５ｈ上に互いに分離して形成されている。この圧電膜の材料としては、例えば、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。詳細には、圧電体６ａ〜６ｈは、支持体４ａ〜４ｈ上のほぼ全面に形成されている。
【００４０】
上部電極パッド１１ａ〜１１ｄ，１４ａ〜１４ｄと上部電極配線１３ａ〜１３ｄと上部電極７ａ〜７ｈとは、圧電体層上の金属薄膜（本実施形態では１層の金属薄膜、以下、上部電極層ともいう）を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成されている。この金属薄膜の材料としては、例えば白金又は金（Ａｕ）が用いられる。詳細には、上部電極７ａ〜７ｈは、圧電体６ａ〜６ｈ上のほぼ全面に形成されている。そして、上部電極パッド１１ａ〜１１ｄは上部電極７ａ〜７ｄに導通され、上部電極パッド１４ａ〜１４ｄは、支持部１０上及びトーションバー２ａ，２ｂ上に形成された上部電極配線１３ａ〜１３ｄを介して上部電極７ｅ〜７ｈに導通される。なお、上部電極配線１３ａ〜１３ｄは、平面的に互いに分離して設けられていると共に、下部電極パッド１２ａ〜１２ｄ，１５ａ〜１５ｄ及び下部電極５ａ〜５ｈと層間絶縁されている。
【００４１】
ミラー部１は、ミラー部支持体１ａと、ミラー部支持体１ａ上に形成されたミラー面反射膜（反射面）１ｂとを備えている。ミラー面反射膜１ｂは、ミラー部支持体１ａ上の金属薄膜（本実施形態では１層の金属薄膜）を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工して形成されている。金属薄膜の材料としては、例えばＡｕ，Ｐｔ，銀（Ａｇ），アルミニウム（Ａｌ）等が用いられる。
【００４２】
また、ミラー部支持体１ａと、トーションバー２ａ，２ｂと、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの支持体４ａ〜４ｄと、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの支持体４ｅ〜４ｈと、支持部１０とは、シリコン基板を形状加工することにより一体的に形成されている。シリコン基板を形状加工する手法としては、フォトリソグラフィ技術やドライエッチング技術等を利用した半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスが用いられる。
【００４３】
ミラー部１と支持部１０との間には空隙１０’が設けられ、ミラー部１が所定角度まで回転可能となっている。ミラー部１は、一体的に形成することで、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄとトーションバー２ａ，２ｂを介して機械的に連結され、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動に応じてミラー部１が回動する。また、ミラー部１は、一体的に形成することで、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄと機械的に連結され、ミラー部１の回動に応じて第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄが屈曲変形する。
【００４４】
さらに、光偏向器Ａは、ミラー部１の偏向・走査を制御する制御回路２０に接続されている。制御回路２０は、その機能として、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動電圧の位相、周波数、振幅、波形等を制御することで、ミラー部１の偏向・走査の位相、周波数、偏向角等を制御する制御手段２２を備えている。さらに、制御回路２０は、その機能として、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄで生じた圧電起電力に基づいてミラー部１の回転角度を検出する回転角度検出手段２１を備えている。そして、制御手段２２は、回転角度検出手段２１により検出された回転角度に基づいて、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄをフィードバック制御する。なお、図１における調整手段２３は、後述の第２実施形態にのみ備える構成であるので、説明は後述する。
【００４５】
次に、本実施形態の光偏向器Ａの作動を説明する。まず、光偏向器Ａでは、制御手段２２により、２対の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄに電圧を印加する。これにより、２対の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄが駆動され、それぞれ、先端部に角度変位を発生する。これらの角度変位により、ミラー部１は、１対のトーションバー２ａ，２ｂと同軸の１軸ｘ１で回転する。
【００４６】
ここで、図２は、本実施形態の光偏向器Ａの第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの、ミラー部１の回転駆動時における駆動状態を示した図である。図２には、図１に示すI−I線端面（矢印方向から見た端面）が模式的に図示されている。図２に示すように、一方の対の第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃに対して、その上部電極７ａ，７ｃと下部電極５ａ，５ｃとの間にそれぞれ互いに逆極性の電圧±Ｖ1を印加して駆動させると、互いに逆方向に屈曲変形する。
【００４７】
これらの屈曲変形により、第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃの基端部は支持部１０に連結されて支持されているので、図２に示すように、先端部は支持部１０（基板）の厚み方向に上下に回動する。第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃに互いに逆極性の電圧±Ｖ1を印加するので、第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃの先端部は互いに逆方向に動く。これにより、トーションバー２ａにねじれ変位が生じて、ミラー部１にトーションバー２ａを中心とした回転トルクが作用する。
【００４８】
同様に、他方の対の第１の圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄに互いに逆極性の電圧±Ｖ1を印加して駆動させることにより、トーションバー２ｂに同じ方向にねじれ変位が生じて、ミラー部１にトーションバー２ｂを中心とした回転トルクが作用する。
【００４９】
よって、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動により、図２の矢印で示したように、ミラー部１にはトーションバー２ａ，２ｂを中心とした回転トルクαが作用する。これにより、ミラー部１は、図１の矢印で示したように、トーションバー２ａ，２ｂを中心軸として１軸ｘ１周りで回転する。
【００５０】
このとき、各対の一方の第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｂには、互いに同位相の第１の交流電圧を印加する。また、各対の他方の第１の圧電アクチュエータ８ｃ，８ｄにも、互いに同位相の第２の交流電圧を印加する。このとき、第１の交流電圧と第２の交流電圧とは、互いに逆位相或いは位相のずれた交流電圧（例えば正弦波）とする。これにより、ミラー部１を回転させて１方向について所定の周波数で所定の偏向角で光走査することができる。このとき、これらの第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄでは、駆動電圧としてトーションバー２ａ，２ｂを含むミラー部１の機械的な共振周波数（第一次共振点）付近の周波数の交流電圧を印加して共振駆動させることで、より大きな偏向角で光走査することができる。なお、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動は、非共振駆動でもよく、印加する電圧は直流電圧でもよい。
【００５１】
これと共に、光偏向器Ａでは、回転角度検出手段２１により、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄに生じた圧電起電力を検出し、この検出された圧電起電力に基づいてミラー部１の回転角度を検出する。
【００５２】
ここで、図３は、本実施形態の光偏向器のミラー部１の回転駆動時における、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの駆動状態を示した図である。図３には、図１に示すII−II線端面（矢印方向から見た端面）が模式的に図示されている。なお、図３中に第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃを破線で示す。図３に示したように、トーションバー２ａが第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃの駆動により回転角度θ１だけ回転したとき、慣性モーメントにより、ミラー部１は回転角度θ２で回転し、一方の対の第２の圧電アクチュエータ９ａ，９ｃは互いに逆方向に屈曲変形する。すなわち、ミラー部１が揺動している場合、ミラー部１の慣性モーメントによって、トーションバー２ａの捻れ角θ1とミラー部１の偏向角θ2には差Δθが生じる。第２の圧電アクチュエータ９ａ，９ｃは、一方をミラー部１に、他方をトーションバー２ａに固定されているため、このΔθによって圧電アクチュエータ９ａ，９ｃに応力が生じ、歪みとなって圧電アクチュエータ９ａ，９ｃを図３のように変形させる。圧電アクチュエータ９ａ，９ｃに設けられた圧電体６ｅ，６ｇは、この歪みによって分極を発生し、上下電極間に電圧を発生する。これらの屈曲変形により生じた圧電起電力は、回転角度検出手段２１に出力される。同様に、トーションバー２ｂが第１の圧電アクチュエータ８ｂ，８ｄの駆動により回転角度θ１だけ回転したとき、ミラー部１は回転角度θ２で回転し、一方の対の第２の圧電アクチュエータ９ｂ，９ｄは互いに逆方向に屈曲変形し、その力に応じた圧電起電力を発生する。これらの圧電起電力に基づいて、ミラー部１の回転角度が検出される。
【００５３】
図４（ａ）に、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動電圧と、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの出力電圧とを示す。図４（ａ）において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。なお、圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの出力電圧は１００倍にして図示している。圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動電圧に対して、圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの出力電圧は、時間Δλだけ遅れた波形となる。このとき、ミラー部１の振幅は、図４（ｂ）に示したようになる。図４（ｂ）において、横軸は時間を示し、縦軸は振幅を示す。このように、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの出力電圧の時間変化は、ミラー部１の振幅の時間変化と同じタイミングとなるので、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの圧電起電力（出力電圧）から、ミラー部１の回転角度がリアルタイムで検出できる。そして、この検出された回転角度に基づいて、制御手段２２により第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動電圧をフィードバック制御することで、偏向・走査性能を向上することができる。
【００５４】
従って、本実施形態の光偏向器Ａによれば、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄを備えることで、ミラー部１の駆動状態を迅速に精度良く検出することができ、検出された駆動状態に基づいてフィードバック制御することで、偏向・走査性能を向上することができる。
［製造工程］
図５には、本実施形態における光偏向器Ａの製造工程を示す。なお、図５（ａ）〜（ｈ）は、光偏向器Ａの断面を模式的に示している。
【００５５】
図５（ａ）に示すように、ミラー部支持体１ａ、トーションバー２ａ，２ｂ、支持体４ａ〜４ｈ、支持部１０を形成する基板としては、ＳＯＩ基板３１を用いている。ＳＯＩ基板３１は、単結晶シリコン（活性層３１ａ、又はＳＯＩ層ともいう）／酸化シリコン（中間酸化膜層３１ｂ）／単結晶シリコン（ハンドリング層３１ｃ）の貼り合わせ基板である。ＳＯＩ基板の各層の厚みは、例えば、活性層３１ａの厚みは5〜100［μm］、中間酸化膜層３１ｂの厚みは0.5〜2［μm］、ハンドリング層３１ｃの厚みは100〜600［μm］である。また、活性層３１ａの表面は光学研磨処理が施されている。
【００５６】
まず、図５（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板３１の表面（活性層３１ａ側）及び裏面（ハンドリング層３１ｃ側）を熱酸化炉（拡散炉）によって酸化し、熱酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂを形成する（熱酸化膜形成ステップ）。熱酸化シリコン膜３２ａ，３２ｂの厚みは、例えば0.1〜1［μm］とする。
【００５７】
次に、図５（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板３１の表面（活性層３１ａ側）に、下部電極層３３、圧電体層３４、上部電極層３５を順次形成する。
【００５８】
まず、下部電極層形成ステップで、ＳＯＩ基板３１の活性層３１ａ側の熱酸化シリコン膜３２ａ上に、２層の金属薄膜からなる下部電極層３３を形成する。下部電極層３３の材料としては、１層目（下層）の金属薄膜にはＴｉを用い、２層目（上層）の金属薄膜にはＰｔを用いる。各金属薄膜は、例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等により成膜する。各金属薄膜の厚みは、例えば１層目のＴｉは30〜100［nm］、２層目のＰｔは100〜300［nm］程度とする。
【００５９】
次に、圧電体層形成ステップで、下部電極層３３上に、１層の圧電膜からなる圧電体層３４を形成する。圧電体層３４の材料としては、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いる。また、圧電膜の厚みは、例えば1〜10［μm］程度とする。圧電膜は、例えば、反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法により成膜する。反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法については、具体的には、本願出願人による特開２００１−２３４３３１号公報、特開２００２−１７７７６５号公報、特開２００３−８１６９４号公報に記載された手法を用いる。
【００６０】
このアーク放電プラズマを利用した反応性イオンプレーティング法は、プラズマガンで真空容器内に発生させた高密度酸素プラズマ中で原料金属を加熱蒸発させ、真空容器内或いは半導体基板上において各金属蒸気と酸素とが反応することにより、半導体基板上に圧電膜を形成するものである。この方法を用いることにより、比較的低い成膜温度においても高速に圧電膜を形成できる。特に、アーク放電反応性イオンプレーティング法による圧電膜を形成する際に、その下地として、例えば化学溶液堆積法（ＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法）によりシード層を形成することで、より優れた圧電特性を有する圧電膜を形成することができる。
【００６１】
なお、圧電膜は、例えばスパッタ法、ゾルゲル法等により成膜してもよい。ただし、反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法を用いることにより、良好な圧電特性（バルクの圧電体と同等の圧電特性）を有する厚みのある膜を成膜することができる。
【００６２】
次に、上部電極層形成ステップで、圧電体層３４上に、１層の金属薄膜からなる上部電極層３５を形成する。上部電極層３５の材料としては、Ｐｔ又はＡｕを用いる。上部電極層３５は、例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着法等により成膜する。上部電極層３５の厚みは、例えば10〜200［nm］程度とする。
【００６３】
次に、図５（ｄ）に示すように、形状加工ステップで、上部電極層３５、圧電体層３４、下部電極層３３の形状を加工して、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ、９ａ〜９ｄの圧電カンチレバーの上部電極７ａ〜７ｈ、圧電体６ａ〜６ｈ、下部電極５ａ〜５ｈを形成する。
【００６４】
具体的には、まず、上部電極層３５上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、上部電極層３５及び圧電体層３４に対して、ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）装置を用いて、ドライエッチングを行う。これにより、上部電極パッド１１ａ〜１１ｄ，１４ａ〜１４ｄ、上部電極７ａ〜７ｈ、及び圧電体６ａ〜６ｈが形成される。また、このとき、これらの上部電極用の電極パッドと所定の圧電カンチレバーの上部電極とを接続するための上部電極配線１３ａ〜１３ｄ（電極配線パターン）も形成される。
【００６５】
同様に、下部電極層３３上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、下部電極層３３に対して、ＲＩＥ装置を用いて、ドライエッチングを行う。これにより、下部電極パッド１２ａ〜１２ｄ，１５ａ〜１５ｄ、及び下部電極５ａ〜５ｈが形成される。
【００６６】
このとき、図５（ｄ）に示すように、下部電極層の形状加工ステップを反射面形成ステップとして兼用し、ミラー部１の位置に対応した下部電極層を、レジスト材料によりマスクしてドライエッチングから保護することで反射膜として残し、ミラー部１のミラー面反射膜１ｂを形成する。
【００６７】
なお、ミラー部１の光反射効率を高めたい場合には、形状加工ステップの後に、改めて反射面形成ステップを行うものとしてもよい。この場合、まず、ＳＯＩ基板３１のＳＯＩ層３１ａ側の全面に、１層の金属薄膜（反射膜）を形成する。反射膜の材料としては、例えばＡｕ，Ｐｔ，Ａｇ，Ａｌ等を用いる。また、反射膜は、例えばスパッタ法、蒸着法を用いて成膜する。反射膜の厚みは、例えば100〜500［nm］程度とする。
【００６８】
次に、反射膜の形状を加工する。具体的には、まず、反射膜上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、反射膜に対して、ＲＩＥ装置を用いてドライエッチングを行う。これにより、ＳＯＩ基板３１の活性層３１ａ側の熱酸化シリコン膜３２ａ上に、ミラー面反射膜１ｂが形成される。
【００６９】
次に、図５（ｅ）〜（ｈ）に示すように、支持体形成ステップで、ミラー部支持体１ａ、トーションバー２ａ，２ｂ、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，９ａ〜９ｄの圧電カンチレバーの支持体４ａ〜４ｈ、及び支持部１０が形成される。
【００７０】
まず、図５（ｅ）に示すように、熱酸化膜３２ｂを除去して、ハードマスクを形成する。詳細には、ＳＯＩ基板３１の表面全体を厚膜レジストで保護しておき、裏面のハンドリング層３１ｃ側の熱酸化シリコン膜３２ｂをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）で除去する。そして、ＳＯＩ基板３１の裏面側のハンドリング層３１ｃ上の全面に、１層のＡｌ薄膜３７を形成する。Ａｌ薄膜３７は、例えばスパッタ法、蒸着法を用いて成膜する。そして、Ａｌ薄膜３７上にフォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングする。次に、パターニングしたレジスト材料をマスクとして、Ａｌ薄膜３７に対してウェットエッチングを行う。これにより、後述の図５（ｇ）のＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma）−ＲＩＥ装置によるドライエッチングに用いるハードマスクが形成される。
【００７１】
次に、図５（ｆ）に示すように、活性層３１ａ（単結晶シリコン）の形状を加工する。まず、フォトリソグラフィ技術を用いてレジスト材料をパターニングし、このパターニングしたレジスト材料をマスクとして、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて、熱酸化膜３２ａ及び活性層３１ａのシリコンの形状を加工する。ＩＣＰ−ＲＩＥ装置は、マイクロマシニング技術で使用されるドライエッチング装置であり、シリコンを垂直に深く掘ることが可能な装置である。
【００７２】
次に、図５（ｇ）に示すように、ハンドリング層３１ｃの形状を加工する。図５（ｅ）で形成したハードマスクを用いて、ＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて、ハンドリング層３１ｃのシリコンを加工する。これにより、トーションバー２ａ，２ｂ及び支持体４ａ〜４ｈの裏側を深く掘り下げ中空状態にする。
【００７３】
次に、図５（ｈ）に示すように、ＳＯＩ基板３１の中間酸化膜層３１ｂをバッファードフッ酸（ＢＨＦ）でウェットエッチングして除去する。これにより、ミラー部１、トーションバー２ａ，２ｂ、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの周囲を部分的にＳＯＩ基板３１から切り離して空隙を形成し、ミラー部１及びトーションバー２ａ，２ｂの回転と、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動と、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの変形とを可能にする。
【００７４】
以上の工程により、光偏向器が作製される。なお、上述の工程を行った後、各デバイスは、ダイシング工程によってＳＯＩ基板３１から個片（チップ）として分離される。そして、各デバイスのチップは、ＴＯ（Transister Outline）型ＣＡＮパッケージにダイボンド及びワイヤーボンドにより実装される。
【００７５】
このように、光偏向器Ａは、半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスを用いて一体的に形成することができるので、作製が容易であり、小型化や量産や歩留まりの向上が可能となる。しかも、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄは、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄを形成する工程を利用して形成することができ、工程数の増加や工程の複雑化を伴わない。さらに、光偏向器Ａをデバイスに組み込む場合に、デバイス全体として半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスを用いて一体的に形成することが可能となるので、光偏向器Ａを他のデバイスに組み込むことが容易となる。
［実施例１−１］
実施例１−１として、本実施形態の光偏向器Ａの駆動特性（回転角度の検出・最大偏向角のフィードバック制御）の試験について説明する。本実施例では、上述の光偏向器Ａを、共振周波数が5［kHz］となるように設計し、上述の製造工程を用いて作製した。このとき、ＳＯＩ基板の各層の厚みは、活性層50［μm］、中間酸化膜層2［μm］、ハンドリング層525［μm］とし、熱酸化シリコン膜の厚みは500［nm］とした。また、下部電極層（Ｔｉ／Ｐｔ）の厚みはＴｉを50［nm］、Ｐｔを＝150［nm］とし、圧電体層の厚みは3［μm］とし、上部電極層（Ｐｔ）の厚みは150［nm］とした。
【００７６】
この光偏向器について、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄにピーク間電圧Ｖpp＝20［V］、周波数5［kHz］の交流電圧を駆動信号として印加した。このとき、回転角度検出手段２１により、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの出力信号として、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動信号から若干の位相遅れを伴った角度変位信号が得られた。そして、この角度変位信号に基づいて、回転角度検出手段２１により、光偏向器の最大偏向角（振れ角）が±5°となることが検出された。これと共に、最大偏向角±5°で回転駆動する際に、光偏向器の偏向角は±0.05°の揺らぎを伴っていることが検出された。また、この光偏向器について、外部環境の温度が変わってミラー部の機械的な共振周波数が動作初期からずれた状態で、最大偏向角±5°で回転駆動する際には、光偏向器の偏向角は±2°の揺らぎを伴っていることが検出された。これらの偏向角の変動（揺らぎ）に対して、検出されたミラー部１の回転角度に基づいて制御手段２２により第1のアクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動信号の強度、位相および周波数をフィードバック制御することにより、それぞれ、偏向角の変動を吸収し、一定の最大偏向角による安定したミラー部１の揺動を維持することができた。
［実施例１−２］
実施例１−２として、本実施形態の光偏向器Ａの駆動特性（回転角度の検出・最大偏向角のフィードバック制御）の試験について説明する。本実施例では、実施例１−１と同様の、共振周波数が5［kHz］となるように設計した光偏向器を複数個作製した。
【００７７】
これらの光偏向器について、それぞれの共振周波数を測定したところ、共振周波数は4.997〜5.003［kHz］の範囲に分布していた。このとき、共振周波数4.997［kHz］および5.003［kHz］の光偏向器に対して、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄにピーク間電圧Ｖpp＝20［V］、周波数5［kHz］の交流電圧を駆動信号として印加したところ、回転角度検出手段２１により、光偏向器の最大偏向角が±4°と検出できた。さらに、検出されたミラー部１の回転角度に基づいて制御手段２２により第1のアクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動信号の強度、位相および周波数をフィードバック制御することにより、作製した全ての光偏向器の最大偏向角を±5°に精度良く合わせることができた。
［実施例１−３］
実施例１−３として、本実施形態の光偏向器Ａの駆動特性（回転角度の検出・フィードバック制御による異常振動の抑制）の試験について説明する。本実施例では、実施例１−１と同様の、共振周波数が5［kHz］となるように設計した光偏向器を作製した。
【００７８】
この光偏向器について、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄにピーク間電圧Ｖpp＝２０［Ｖ］、周波数5［kHz］の交流電圧を駆動信号として印加したところ、回転角度検出手段２１により検出されたミラー部１の回転角度から、光偏向器の最大偏向角が±5°と検出できた。さらに、光偏向器の動作中に周波数5［kHz］、加速度500［G］の外部振動を付加した。このとき、外部振動に対して、検出されたミラー部１の回転角度に基づいて制御手段２２により第1の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動信号の強度、位相および周波数をフィードバック制御して減衰させることで、外部振動によるミラー部1の回転角度の瞬間的な増大（異常振幅増大）を制振することができた。
［第２実施形態］
本発明の第２実施形態について、図６〜７を参照して説明する。図６は、本発明の第２実施形態の光偏向器における第２の圧電アクチュエータの作動を示す説明図、図７は、図６の光偏向器におけるミラー部の回転角度の調整を示すグラフである。なお、本実施形態の光偏向器Ａ’は、第１実施形態の光偏向器と構成は同じであり、作動のみが相違する。
【００７９】
本実施形態の光偏向器Ａ’では、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄは、第１の圧電アクチュエータ８ａの駆動によるミラー部１の回転駆動を補助・調整するために用いられる。光偏向器Ａ’に接続された制御回路２０は、その機能として、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄへ印加する駆動電圧を制御することで、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動によるミラー部１の回転駆動を調整する調整手段２３を備えている。なお、本実施形態では、制御回路２０は回転角度検出手段２１を備えない。
【００８０】
次に、本実施形態の光偏向器Ａ’の作動を説明する。まず、光偏向器Ａ’では、第１実施形態と同様に、制御手段２２により、２対の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄに電圧を印加する。これにより、２対の第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄが駆動され、それぞれ、先端部に角度変位を発生する。これらの角度変位により、トーションバー２ａ，２ｂにねじれ変位が生じて、ミラー部１にトーションバー２ａ，２ｂを中心とした回転トルクαが作用する。
【００８１】
これと共に、本実施形態の光偏向器Ａ’では、調整手段２３により、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄに電圧を印加する。
【００８２】
ここで、図６は、本実施形態の光偏向器Ａ’のミラー部１の回転駆動時における、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの駆動状態を示した図である。図６には、図１に示すII−II線端面（矢印方向から見た端面）が模式的に図示されている。なお、図6中に第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃを破線で示す。図６に示すように、一方の対の第２の圧電アクチュエータ９ａ，９ｃの圧電カンチレバーの上部電極７ｅ，７ｇと下部電極５ｅ，５ｇとの間にそれぞれ互いに逆極性の電圧±Ｖ2を印加して駆動させると、互いに逆方向に屈曲変形する。
【００８３】
これらの屈曲変形により、第２の圧電アクチュエータ９ａ，９ｃの基端部はミラー部１に連結されて支持されているので、図６に示すように、先端部はミラー部１（基板）の厚み方向に上下に回動する。第２の圧電アクチュエータ９ａ，９ｃに互いに逆極性の電圧±Ｖ2を印加するので、第２の圧電アクチュエータ９ａ，９ｃの先端部は互いに逆方向に動く。これにより、トーションバー２ａにねじれ変位が生じて、ミラー部１にトーションバー２ａを中心とした回転トルクが作用する。
【００８４】
同様に、他方の対の第２の圧電アクチュエータ９ｂ，９ｄに互いに逆極性の電圧±Ｖ2を印加して駆動させることにより、トーションバー２ｂに同じ方向にねじれ変位が生じて、ミラー部１にトーションバー２ｂを中心とした回転トルクが作用する。
【００８５】
よって、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄで生じた角度変位により、トーションバー２ａ，２ｂにねじれ変位が生じて、ミラー部１にトーションバー２ａ，２ｂを中心とした回転トルクβが作用する。
【００８６】
よって、ミラー部１は、第１及び第２の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄ，９ａ〜９ｄの駆動により生じたトーションバー２ａ，２ｂのねじれ変位（回転）に応じて、トーションバー２ａ，２ｂを中心軸として１軸ｘ１で回転する。このとき、第２の圧電アクチュエータ９ａ，９ｃは、支持部１０ではなくミラー部１に連結されているため、第１の圧電アクチュエータ８ａ，８ｃで発生した回転トルクαを減少させることなく、付加的に回転トルクβを発生することができる。
【００８７】
このため、トーションバー２ａ，２ｂに加わる回転トルクは第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄと第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄにより発生した回転トルクの和α＋βとなり、ミラー部１の最大偏向角を増大させることができる。さらに、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄと、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄとは、駆動電圧を別々に印加して、独立に制御できる。よって、回転トルクα＋βを所定の値に制御できる。よって、ミラー部１の回転駆動のパラメータやトーションバー２ａ，２ｂの回転駆動のパラメータが所定値となるよう、あるいは所定範囲に制限されるよう、ミラー部１の回転駆動を調整することができる。
【００８８】
このとき、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動では、この駆動によるミラー部１の共振駆動は、慣性モーメントにより、位相がΔλ遅延する。そこで、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの駆動信号の周波数を、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄによるミラー部１の共振周波数と一致させることができる。これにより、それぞれで発生する回転トルクα，βの緩衝を抑制して、最大偏向角を増大することができる。また、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの駆動信号の位相や周波数を調整することで、ミラー部１の回転駆動のパラメータを調整することができる。
【００８９】
図７（ａ）に、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動電圧と、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの駆動電圧とを示す。図７（ａ）において、横軸は時間を示し、縦軸は電圧を示す。第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動電圧に対して、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄの駆動電圧は、位相がΔλ遅延した遅れた波形とする。このとき、ミラー部１の振幅は、図７（ｂ）のようになる。図７（ｂ）において、横軸は時間を示し、縦軸は振幅を示す。このように、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄによる回転駆動に、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄによる回転駆動を付加することで、ミラー部１の振幅（最大偏向角）を増大することができる。
【００９０】
従って、本実施形態の光偏向器Ａ’によれば、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄを備えることで、ミラー部１の駆動状態を迅速に精度良く制御することができ、最大偏向角の増大や、偏向角や偏向速度の迅速且つ精度良い制御により、偏向・走査性能を向上することができる。
［実施例２−１］
実施例２−１として、本実施形態の光偏向器Ａ’の駆動特性（最大偏向角の増大）の試験について説明する。本実施例では、上述の光偏向器を、共振周波数が5［kHz］となるように設計し、上述の作製プロセスで作製した。このとき、ＳＯＩ基板の各層の厚みは、活性層50［μm］、中間酸化膜層2μｍ、ハンドリング層525［μm］とし、熱酸化シリコン膜の厚みは500［nm］とした。また、下部電極層（Ｔｉ／Ｐｔ）の厚みはＴｉを50［nm］、Ｐｔを＝150［nm］とし、圧電体層の厚みは3［μm］とし、上部電極層（Ｐｔ）の厚みは150［nm］とした。
【００９１】
この光偏向器について、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄにピーク間電圧Ｖpp＝20［V］、周波数5［kHz］の交流電圧を第１の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±5°が得られた。このとき、第１の駆動信号に加えて、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄに、ピーク間電圧Ｖpp＝20［V］、周波数5［kHz］、第１の駆動信号に対する位相差Δλ＝π／４の交流電圧を第２の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±8°が得られ、最大偏向角が1.6倍に増大した。
［実施例２−２］
実施例２−２として、本実施形態の光偏向器Ａ’の駆動特性（共振周波数の調整）の試験について説明する。本実施例では、実施例２−１と同様の、共振周波数が5［kHz］となるように設計した光偏向器を複数個作製した。
【００９２】
これらの光偏向器について、それぞれの共振周波数を測定したところ、共振周波数は4.997〜5.003［kHz］の範囲に分布していた。共振周波数5［kHz］の光偏向器に対して、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄにピーク間電圧Ｖpp＝20［V］、周波数5［kHz］の交流電圧を第１の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±5°が得られた。一方、共振周波数4.997［kHz］および5.003［kHz］の光偏向器に対して、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄにピーク間電圧Ｖpp＝20［V］、周波数5［kHz］の交流電圧を第１の駆動信号として印加したところ、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄの駆動周波数とミラー部１の共振周波数のずれの影響で、光偏向器の最大偏向角は±4°に減少した。
【００９３】
このとき、共振周波数4.997［kHz］および5.003［kHz］の光偏向器に対して、それぞれ、第１の駆動信号に加えて、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄに、ピーク間電圧Ｖpp＝20［V］、周波数4.997［kHz］および5.003［kHz］、第１の駆動信号に対する位相差Δλ＝π／４の交流電圧を第２の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±5°が得られた。
［実施例２−３］
実施例２−３として、本実施形態の光偏向器Ａ’の駆動特性（異常振動の抑制）の試験について説明する。本実施例では、実施例２−１と同様の、共振周波数が5［kHz］となるように設計した光偏向器を作製した。
【００９４】
この光偏向器について、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄにピーク間電圧Ｖpp＝２０［Ｖ］、周波数5［kHz］の交流電圧を第１の駆動信号として印加したところ、光偏向器の最大偏向角として±5°が得られた。
【００９５】
この光偏向器の動作中に、周波数5［kHz］、加速度500［G］の外部振動を付加した。このとき、外部振動に対して、第２の圧電アクチュエータ９ａ〜９ｄに、第１の駆動信号から位相がπ／２遅延した第２の駆動信号を印加し、第１の圧電アクチュエータ８ａ〜８ｄによる回転トルクαを減少させるような回転トルクβを加えることで、外部振動によるミラー部１の回転角度の瞬間的な増大（異常振幅増大）を制振することができた。
【００９６】
なお、第１及び第２実施形態の光偏向器は、例えば、投射型ディスプレイ等の画像表示装置、電子写真方式の複写機やレーザプリンタ等の画像形成用の光走査装置、或いはレーザレーダ、バーコードリーダ、エリアセンサ等のセンシング用の光走査装置に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００９７】
【図１】本発明の第１実施形態における光偏向器の構成を示す斜視図。
【図２】図１の光偏向器における第１の圧電アクチュエータの作動を示す説明図。
【図３】図１の光偏向器における第２の圧電アクチュエータの作動を示す説明図。
【図４】図１に示した光偏向器におけるミラー部の回転角度の検出を示すグラフ。
【図５】図１に示した光偏向器の製造工程を示す説明図。
【図６】本発明の第２実施形態の光偏向器における第２の圧電アクチュエータの作動を示す説明図。
【図７】図６の光偏向器におけるミラー部の回転角度の調整を示すグラフ。
【符号の説明】
【００９８】
１…ミラー部、２ａ，２ｂ…トーションバー、４ａ〜４ｈ…支持体、５ａ〜５ｈ…下部電極、６ａ〜６ｄ…圧電体、７ａ〜７ｄ…上部電極、８ａ〜８ｄ…第１の圧電アクチュエータ、９ａ〜９ｄ…第２の圧電アクチュエータ、１０…支持部、１１ａ〜１１ｄ，１４ａ〜１４ｄ…上部電極パッド、１２ａ〜１２ｄ，１５ａ〜１５ｄ…下部電極パッド、１３ａ〜１３ｄ…上部電極配線、２０…制御回路、２１…回転角度検出手段、２２…制御手段、２３…調整手段、
３１…ＳＯＩ基板、３１ａ…活性層、３１ｂ…中間酸化膜層、３１ｃ…ハンドリング層、３２ａ，３２ｂ…熱酸化シリコン膜、３３…下部電極層、３４…圧電体層、３５…上部電極層、３７…Ａｌ薄膜。
【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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