(57)【要約】【課題】本発明は、二軸の光学反射素子において、小さな駆動電圧を圧電振動板に与えることで所定の揺動運動を実現できる小型の光学反射素子を実現することを目的とする。【解決手段】凹部１３を有する第一の枠体１４と、第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂと、第二の枠体１７と、第二のアクチュエータ部１９Ａ、１９Ｂと、光学反射部２０を備え、第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂは少なくとも長手方向に第一の圧電振動部２１Ａ、２１Ｂを有し、第二のアクチュエータ部１９Ａ、１９Ｂは少なくとも長手方向に第二の圧電振動部２６Ａ、２６Ｂを有し、第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂと第二のアクチュエータ部１９Ａ、１９Ｂの駆動軸が直交する構成としたものである。【選択図】図１
2009093120.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
凹部を有する第一の枠体と、
前記第一の枠体に一端が支持されたミアンダ形状の第一のアクチュエータ部と、
前記第一のアクチュエータ部の他端に支持された第二の枠体と、
前記第二の枠体に一端が支持されたミアンダ形状の第二のアクチュエータ部と、
前記第二のアクチュエータ部の端部に支持された光学反射部を備え、
前記第一のアクチュエータ部は少なくとも長手方向に第一の圧電振動部を有し、
前記第二のアクチュエータ部は少なくとも長手方向に第二の圧電振動部を有し、
前記第一のアクチュエータ部と第二のアクチュエータ部の駆動軸が直交する構成とした光学反射素子。
【請求項２】
第一の圧電振動部および第二の圧電振動部は下部電極層、圧電体層、上部電極層、拘束層からなる積層体とした請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項３】
第一のアクチュエータ部の上部電極層には第二のアクチュエータ部の上部電極層に接続する電極パターンを有した請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項４】
第一の枠体の主成分をシリコンとした請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項５】
第一の枠体の主成分をガラスまたは石英とした請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項６】
拘束層を酸化珪素または窒化珪素を主成分として含む請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項７】
拘束層の厚みを２μｍ以上とした請求項６に記載の光学反射素子。
【請求項８】
第一の枠体の凹部の深さを２００μｍ以上とした請求項１に記載の光学反射素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ光を用いた光学反射投射装置等に用いられる光学反射素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、この種の光学反射素子は、図７に示すように枠体５１と、この枠体５１に間隙５２で分離されるとともに間隙５２の内側に設けられた支軸５３により枠体５１に支持された枠体５４と、枠体５４に間隙５５で分離されるとともに間隙５５の内側に設けられた支軸５６により枠体５４に支持された光学反射部５７と、枠体５１にその一端を接続されるとともに、その他端を支軸５３に接続された圧電振動板５９と、枠体５４にその一端を接続されるとともに、その他端を支軸５６に接続された圧電振動板６０とを備え、支軸５６は支軸５３にその軸方向が直交するよう設け、支軸５３を中心として枠体５４が、支軸５６を中心として光学反射部５７が揺動運動をすることにより、光学反射部５７に入射する光の反射光を２次元的に走査する構成を実現していた。また、この光学反射素子は図８に示したように半導体レーザ光源等を組み合わせてプロジェクタなどのディスプレイに応用されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
そして、このような光学反射素子の応用例としてスクリーン上に映像を表示するプロジェクタ装置があり、このプロジェクタ装置の原理は、図８に示すように枠体５１にＸ軸方向の揺動運動をさせるとともに、枠体５１に支持された枠体５４にＹ軸方向の揺動運動をさせることによって、枠体５４に支持された光学反射部５７にＸＹ軸の二軸方向の揺動運動をさせることにより、レーザ６２から入射するとともに光学反射部５７により反射された光をスクリーン５８上に２次元的に走査させる事ができ、その結果としてスクリーン５８上に光学反射像を結像させることができる。
【特許文献１】特開２００５−１４８４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、前記従来の構成である光学反射素子では、小型化が難しいことが問題となっていた。
【０００５】
すなわち、前記従来の構成においては、圧電振動板を所定の角度に曲げるためには、圧電振動板の長さを確保する必要が有り、その結果として小型化が難しいことが問題となっていた。
【０００６】
本発明は、圧電振動を利用した光学反射素子において、所定の大きさの振幅を持つ揺動運動を構成させる小型の光学反射素子を実現することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
前記従来の課題を解決するために、本発明は、凹部を有する第一の枠体と、第一の枠体に一端が支持されたミアンダ形状の第一のアクチュエータ部と、第一のアクチュエータ部の他端に支持された第二の枠体と、第二の枠体に一端が支持されたミアンダ形状の第二のアクチュエータ部と、第二のアクチュエータ部の端部に支持された光学反射部を備え、第一のアクチュエータ部は少なくとも長手方向に第一の圧電振動部を有し、第二のアクチュエータ部は少なくとも長手方向に第二の圧電振動部を有し、第一のアクチュエータ部と第二のアクチュエータ部の駆動軸が直交する構成とするものである。
【発明の効果】
【０００８】
この構成により、本発明の光学反射素子は、凹みを設けた枠体の内部に変位量を大きくとることができるミアンダ形状の薄型圧電アクチュエータ構造を実現していることから、長手方向の振動板の長さを低減しても、一枚あたりの長手方向の振動板の曲げ角度を大きくすることが可能となり、光学反射素子の小型化を実現することができるとともに、小さな駆動電圧を圧電振動板に与えることで光学反射部に所定の大きさの振幅を持つ揺動運動をさせることができ、光学反射部に入射する光の反射光を効率よく二次元的に走査できる光学反射素子を実現することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００９】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における光学反射素子について、図面を参照しながら説明する。図１は本実施の形態１における光学反射素子の斜視図であり、図２は図１のＡＡ部における断面図である。
【００１０】
図１および図２に示すように、本実施の形態１における光学反射素子は、所定の深さを有する凹部１３を形成した第一の枠体１４と、この凹部１３の内部空間に間隙１５で分離されるとともに、凹部１３の内部空間に配置したミアンダ形状を有する第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂにより支持された第二の枠体１７を設けている。
【００１１】
このとき、凹部１３の深さはそれぞれの振動部が揺動したとき、揺動することによってそれぞれの振動部の一部が凹部１３の底面に接触しない距離を確保しておくことが不可欠である。そして、通常のプロジェクタなどに用いる光学ミラーに用いるときの触れ角は光学ミラーの形状によっても異なってくるが、小型化を前提とするならば±５〜６度程度とされており、このような触れ角で光学ミラーを揺動させるためには、凹部１３の深さは２００μｍ以上が好ましい。この凹部１３の深さは長手方向の梁の長さが２ｍｍ以下で光学反射部２０の振れ角が±６度のときであっても凹部１３の底面に揺動部の一部が接触することのない光学反射素子とすることができる。
【００１２】
また、前記第二の枠体１７の内側には、間隙１８で分離されるとともに、この間隙１８の内側に設けたミアンダ形状を有する第二のアクチュエータ部１９Ａ、１９Ｂによって支持された光学反射部２０とを備えている。
【００１３】
そして、第一のアクチュエータ部１６Ａは矩形状の圧電振動部２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ、２５Ａを交互に接合されたミアンダ形状を有し、第一のアクチュエータ部１６Ｂは圧電振動部２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂ、２４Ｂ、２５Ｂからなるミアンダ形状を有し、第二のアクチュエータ部１９Ａは圧電振動部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａからなるミアンダ形状を有し、第二のアクチュエータ部１９Ｂは圧電振動部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂからなるミアンダ形状をそれぞれ有している。
【００１４】
ここで、第一のアクチュエータ部１６Ａを例にとってミアンダ形状のアクチュエータ構造の構成について詳細に説明する。
【００１５】
例えば、図１に示したように圧電振動部２２Ａ、２３Ａ、２４Ａおよび２５Ａは、全て圧電振動部２１Ａに対して略平行方向に配置しており、圧電振動部２１Ａの一端は圧電振動部２２Ａの一端と、圧電振動部２２Ａの他端は圧電振動部２３Ａの一端と、圧電振動部２３Ａの他端は圧電振動部２４Ａの一端と、圧電振動部２４Ａの他端は圧電振動部２５Ａの一端と接続させて、ミアンダ形状を有する第一のアクチュエータ部１６Ａを構成している。このような形状を有する第一のアクチュエータ部１６Ａは一例であり、所望の揺動角に必要な形状を適宜選択して設計することができる。従って、少なくとも複数の圧電振動部をミアンダ形状に配置することによってその機能を発揮することが可能である。
【００１６】
そして、図２に示すように前記第一のアクチュエータ部１６Ａの断面は下部電極層３２、圧電体層３３、上部電極層３４および拘束層３５からなる薄膜積層体として構成している。この断面構造の基本的な構成は第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂ、第二のアクチュエータ部１９Ａ、１９Ｂおよび第二の枠体１７において同様の構成としている。
【００１７】
また、略平行方向に配置した圧電振動部２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ，２４Ａおよび２５Ａの長手方向のみに振動することが好ましいことから、それぞれの折れ曲がりの接合部では変位しないように圧電体層３３を除去する、あるいは圧電体層３３に電位が印加されないような電極パターン設計をすることによって一軸方向のみに高精度に変位する圧電アクチュエータ素子を実現することができる。具体的には、折れ曲がりの接合部では上部電極層３４の電極面積を最小にし、電気的接続のための電極パターンとすることが好ましい。
【００１８】
さらに、拘束層３５は剛性を有していることが好ましく、振動特性と機械的強度を考慮したときに拘束層３５は不可欠であり、この拘束層３５が梁構造の主体となるものである。
【００１９】
また、第一の枠体１４はシリコンなどの剛性と加工性に優れた材料を用いることが好ましく、この第一の枠体１４にて第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂの一端を接合支持している。この第一の枠体１４の枠部上面には下部電極層３２、圧電体層３３、上部電極層３４および拘束層３５からなる積層体の一部を接合しているが、第一の枠体１４の枠外周部に接合した前記積層体は第一の枠体１４と一体化して作用している。これによって、第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂの振動の支持部となる一端を第一の枠体１４に強固に固定することができる。
【００２０】
なお、前記積層体は少なくとも第一の枠体１４に接合された支持部のみに形成すれば良い。
【００２１】
また、第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂを作製するとき、フォトリソ技術を用いて形成できることから、薄膜の積層体からなるそれぞれのミアンダ形状の間隙を最小寸法で形成することができるとともに、シリコンウエハなどを基板として用いることができるため、生産性に優れた構成とすることができる。
【００２２】
また、圧電振動部２２Ｂ、２３Ｂ、２４Ｂ、２５Ｂは全て圧電振動部２１Ｂに対して略平行方向に配置しており、圧電振動部２１Ｂの一端は圧電振動部２２Ｂの一端と、圧電振動部２２Ｂの他端は圧電振動部２３Ｂの一端と、圧電振動部２３Ｂの他端は圧電振動部２４Ｂの一端と、圧電振動部２４Ｂの他端は圧電振動部２５Ｂの一端と接続支持させている。
【００２３】
また、第二のアクチュエータ部１９Ａを構成する圧電振動部２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａは全て第一のアクチュエータ部１６Ａの圧電振動部２１Ａに対して略垂直方向に配置しており、圧電振動部２６Ａの一端は圧電振動部２７Ａの一端と、圧電振動部２７Ａの他端は圧電振動部２８Ａの一端と、圧電振動部２８Ａの他端は圧電振動部２９Ａの一端と、圧電振動部２９Ａの他端は光学反射部２０の一端と接続させて第二のアクチュエータ部１９Ａを構成している。
【００２４】
同様に、圧電振動部２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂは全て圧電振動部２１Ｂに対して略垂直方向に配置しており、圧電振動部２６Ｂの一端は圧電振動部２７Ｂの一端と、圧電振動部２７Ｂの他端は圧電振動部２８Ｂの一端と、圧電振動部２８Ｂの他端は圧電振動部２９Ｂの一端と、圧電振動部２９Ｂの他端は光学反射部２０の一端と接続させて第二のアクチュエータ部１９Ｂを構成している。
【００２５】
また、図３は図１のＢ部の拡大斜視図であり、図３に示すように圧電振動部２１Ａ、２２Ａおよび２３Ａはその上面に上部電極として作用する電極パターン３０をフォトリソ技術などを用いて形成するとともに、第二のアクチュエータ部１９Ａの上部電極へ配線するための電極パターン３１を形成しており、図１に示した端子電極３０Ａ、３１Ａにそれぞれ電気的に接続されている。この端子電極３０Ａ、３１Ａおよび３２Ａは接続の端子を示している。
【００２６】
そして、これら圧電振動部２１Ａ、２２Ａ、２３Ａは、図２の断面図に示すように共通の拘束層３５を最上面に形成しており、この拘束層３５の下側に上部電極層３４、圧電体層３３および下部電極層３２の順に形成した積層体を構成している。なお、下部電極３２は図１に示す電極３２Ａに電気的に接続されている。
【００２７】
次に、本実施の形態１における光学反射素子の動作原理について説明する。
【００２８】
まず、図１に示す端子電極３０Ａ、３１Ａにそれぞれ交流電圧を加えるとともに、端子電極３２Ａは接地状態にする。
【００２９】
そうすると、図４に示すように、ある時点において、圧電振動部２１Ａは下方に凸面が、圧電振動部２２Ａは上方に凸面が、圧電振動部２３Ａは下方に凸面が、圧電振動部２４Ａは上方に凸面が、圧電振動部２５Ａは下方に凸面が、圧電振動部２６Ａは上方に凸面がくるように湾曲する。そして、電極パターン３０、３１には交流電圧を加えているため、単位時間経過後にはその極性が反転し、それに伴い圧電振動部２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ、２５Ａ、２６Ａは図５に示すように図４と逆方向に湾曲する。
【００３０】
同様に、第一、第二のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂ、１９Ａ、１９Ｂにおいても、隣り合う圧電振動部の曲げ方向が互い違いとなり、交流電圧の極性が反転する度にその曲げ方向が反転する構成としている。
【００３１】
このような構成により、本実施の形態１における光学反射素子は、第一、第二のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂ、１９Ａ、１９Ｂ内において、ミアンダ形状の圧電振動素子とすることによって、隣り合う長手形状の振動部の湾曲方向がそれぞれ互い違いとなることから、その曲げ角度が振動部の数だけ加算されることとなり、その結果として、振動部の長さを低減しても、所定の角度の曲げを第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂ、および第二のアクチュエータ部１９Ａ、１９Ｂ内において得ることができ、二軸に揺動させることができる小型の光学反射素子２０を実現することができる。
【００３２】
また、第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂおよび第二のアクチュエータ部１９Ａ、１９Ｂは拘束層３５を支持基材とし、下部電極３２、圧電体層３３および上部電極層３４からなる薄膜積層体とすることによって、非常に薄型の振動部を形成することができるため、低電圧で駆動できるとともに変位量の大きなアクチュエータ構造を実現できる。これによって、生産性に優れるとともに小型化を実現できる光学反射素子を提供することができる。
【００３３】
次に、本実施の形態１における光学反射素子の製造方法について図面を用いて説明する。
【００３４】
図６（ａ）〜図６（ｅ）は本実施の形態１における光学反射素子の製造方法を説明するための工程の断面図である。
【００３５】
まず始めに、図６（ａ）に示すようにシリコン基板３６を準備し、その上にスパッタリング法または蒸着法などの薄膜プロセスを用いて白金電極からなる下部電極層３２ａを形成している。このとき、シリコン基板３６の厚みは厚くても良い。それによって、ウエハ形状の大きなシリコン基板３６を用いることができるとともに、反りなどが少ないことから、より高精度な光学反射デバイスを効率よく作製することができる。
【００３６】
その後、この下部電極層３２ａの上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料を用いてスパッタリング法などによって圧電体層３３ａを形成する。このとき、圧電体層３３ａと下部電極層３２ａとの間に配向制御層としてＰｂとＴｉを含む酸化物誘電体を用いることが好ましく、ＰＬＭＴからなる配向制御層を形成することがより好ましい。これによって、圧電体層３３ａの結晶配向性がより高まり、圧電特性に優れた圧電アクチュエータ素子を実現することができる。
【００３７】
次に、この圧電体層３３ａの上にチタン／金よりなる上部電極層３４ａを形成している。このとき、金電極の下層のチタンはＰＺＴ薄膜との密着力を高めるために形成しており、チタンの他にクロムなどの金属を用いることができる。これによって、圧電体層３３ａとの密着性に優れ、かつ、金電極とは強固な拡散層を形成していることから密着強度を高めた薄膜積層体を形成することができる。そして、このときの白金電極の厚みは０．２μｍ、ＰＺＴ薄膜は３．５μｍ、およびチタン電極は０．０１μｍとし、金電極は０．３μｍで形成している。
【００３８】
次に、図６（ｂ）に示すようにフォトリソ技術を用いて上部電極層３４ａをエッチングすることによってパターン形成された上部電極層３４を形成している。このときの、エッチング液としてはヨウ素／ヨウ化カリウム混合溶液と水酸化アンモニウム、過酸化水素混合溶液からなるエッチング液を用いて所定の電極パターンを形成した。
【００３９】
次に、図６（ｃ）に示すように拘束層３５ａとしてケイ酸エチル（ＴＥＯＳ）を用いてＣＶＤ法によって二酸化珪素薄膜を製膜している。この拘束層３５ａは振動部の重要な支持基材の作用を有しているものであり、この拘束層３５ａとして用いる材料としては強度、信頼性の観点から、二酸化珪素を含む酸化珪素、窒化珪素などの絶縁性を有する無機酸化物が好ましい。そして、生産性を考慮すると前記酸化珪素または窒化珪素を用いることが好ましい。
【００４０】
また、この拘束層３５ａの製造方法としてはスパッタ法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法または無電解めっき法などの薄膜形成技術を用いることができる。
【００４１】
そして、この拘束層３５ａは振動部の支持基材として形成しており、エッチングによって後工程でパターン化された拘束層３５の厚みは２μｍ以上でその効果を大きく発揮させることができる。
【００４２】
そして、圧電体層３３の特性を考慮すると、拘束層３５は図２に示した順序の積層体とすることが好ましい。
【００４３】
次に、図６（ｄ）に示すように下部電極層３２ａ、圧電体層３３ａおよび拘束層３５ａをエッチングする。これに用いるエッチング方法としてはドライエッチング法とウエットエッチング法のいずれかの方法あるいはこれらを組み合わせた方法などを用いることができる。
【００４４】
一例として、ドライエッチング法であればフルオロカーボン系のエッチングガス、あるいはＳＦ6ガスなどを用いることができる。まず、拘束層３５ａをドライエッチングによってエッチングし、パターン化された拘束層３５を形成する。そのときのエッチングガスとしてはフルオロカーボン系のエッチングガスを用いることができる。その後、圧電体層３３ａを沸酸、硝酸、酢酸および過酸化水素の混合溶液からなるエッチング液を用いてウエットエッチングを行うことによってパターン化された圧電体層３３を形成する。その後、さらに、ドライエッチングによって下部電極層３２ａをエッチングすることによってパターン化された下部電極層３２を形成するとともに間隙１５、１８を形成することによって、ミアンダ形状の振動部を形成することができる。
【００４５】
また、ドライエッチングの場合、エッチングを促進するＳＦ6ガスとエッチングを抑制するＣ4Ｆ8ガスなどを用いて、より直線的にエッチングをすることが好ましい。そして、エッチングの際には、前記ガスを用いた混合ガスを用いること、あるいは交互に前記ガスを切り替えてドライエッチングを行うことによるエッチング方法が可能であり、これらの方法を寸法形状に合わせて適宜選択してエッチングすることが可能である。
【００４６】
次に、図６（ｅ）に示すようにＸｅＦ2ガスを用いてシリコン基板３６をドライエッチングすることによって凹部１３を形成する。これによって、第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂ、第二の枠体１７、第二のアクチュエータ部１９Ａ、１９Ｂの下面に存在するシリコンを全て除去し、薄膜で構成された積層体とし、第一の枠体１４にて支持された第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂ、第二の枠体１７、第二のアクチュエータ部１９Ａ、１９Ｂからなる光学反射部２０の振動駆動部を形成する。
【００４７】
ただし、第一の枠体１４の外周部に存在する下部電極層３２、圧電体層３３、上部電極層３４および拘束層３５は第一の枠体１４への接合をより完全なものとできることから、第一の枠体１４の一部として形成している。
【００４８】
このような工程を経ることによって、図１に示した光学反射素子を作製することができる。このような構成とすることによって第一のアクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂの振動子としての振動の支持点を高精度に作製することができるとともに、信頼性の高い振動駆動部を有した光学反射素子を作製することができる。
【００４９】
また、光学反射部２０は拘束層３５の下面側にある上部電極層３４として形成した金電極などを反射膜として利用することができる。さらに、拘束層３５の上に新たな反射膜を形成しても良い。この反射膜としては反射率の高い金属膜を用いることが好ましい。
【産業上の利用可能性】
【００５０】
本発明の光学反射素子は、小さな駆動電圧を圧電振動板に与えることで光学反射部に所定の揺動運動をさせる構成を実現することができ、プロジェクタ、レーザプリンター等の各種電子機器において有用である。
【図面の簡単な説明】
【００５１】
【図１】本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図
【図２】同図１のＡＡ部における断面図
【図３】図１のＢ部拡大斜視図
【図４】同光学反射素子の動作原理を示す側面図
【図５】同側面図
【図６】同製造方法を説明するための工程の断面図
【図７】従来の光学反射素子の上面図
【図８】従来の光学反射素子の応用例の模式図
【符号の説明】
【００５２】
１３  凹部
１４  第一の枠体
１５  間隙
１６Ａ、１６Ｂ  第一のアクチュエータ部
１７  第二の枠体
１８  間隙
１９Ａ、１９Ｂ  第二のアクチュエータ部
２０  光学反射部
２１Ａ、２２Ａ、２３Ａ、２４Ａ、２５Ａ、２６Ａ、２７Ａ、２８Ａ、２９Ａ  圧電振動部
２１Ｂ、２２Ｂ、２３Ｂ、２４Ｂ、２５Ｂ、２６Ｂ、２７Ｂ、２８Ｂ、２９Ｂ  圧電振動部
３０、３１  電極パターン
３０Ａ、３０Ｂ、３１Ａ、３２Ａ  端子電極
３２  下部電極層
３３  圧電体層
３４  上部電極層
３５  拘束層
３６  シリコン基板
【図１】
2009093120.tif 000003
【図２】
2009093120.tif 000004
【図３】
2009093120.tif 000005
【図４】
2009093120.tif 000006
【図５】
2009093120.tif 000007
【図６】
2009093120.tif 000008
【図７】
2009093120.tif 000009
【図８】
2009093120.tif 000010