JP3308569B2

JP3308569B2 - 光走査装置

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Publication number: JP3308569B2
Application number: JP24378591A
Authority: JP
Inventors: 好紀太田
Original assignee: Olympus Optic Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 1991-09-24
Filing date: 1991-09-24
Publication date: 2002-07-29
Anticipated expiration: 2017-07-29
Also published as: JPH0583487A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えばバーコードリー
ダのような種々の光学装置に利用される光走査装置に係
り、特にその小型化並びに高精度化に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、光走査装置、並びにこれを応用し
た光プリンタ，ファクシミリ，バーコードリーダ，等の
光学装置は、光学部品の小型，高精度製造技術、並びに
実装技術の向上により小型化，軽量化，低価格化が図ら
れ、一般に広く普及している。例えば、バーコードリー
ダは、商品固有の識別コードを表示するバーコードをレ
ーザ光あるいはＬＥＤ光で読み取る装置であり、販売時
点で経営に必要な情報を収集・分析し、商品管理や在庫
管理に役立てることができる。このバーコードリーダ
は、大きく分類して、ペン式，タッチ式，定置式の３つ
に分かれる。

【０００３】例えば、定置式バーコードリーダでは、レ
ーザ装置で発生したレーザ光を、レンズ等の光収束素子
で集光し、さらに光偏向器により偏向して、バーコード
上を走査する。そして、バーコードからの反射光の強度
は、そのバーコードに応じた変調を受けるため、この反
射光を集光素子で集光して光検出器で電気信号に変換す
ると、この信号はバーコードに対応したものとなる。こ
の電気信号を信号波形整形回路で波形整形した後、シン
ボル復調回路でバーコードに応じた数字に変換して出力
するようになっている。

【０００４】このような構成の定置式バーコードリーダ
を構成する光学部品の中で、例えばレーザ装置のレーザ
光源としてＨｅ−Ｎｅレーザが用いられているが、近
年、半導体レーザの短波長化，高出力化が進んでいるた
め、近い将来には、高出力可視光半導体レーザで置き換
えが可能となると思われる。

【０００５】これに対して、光偏向器として実用されて
いるのは、回転多面鏡（ポリゴンミラー），ガルバノミ
ラー，ホログラフィックスキャナ，等の機械的スキャナ
である。超精密切削加工機の導入で低価格化、小型化が
進んでいるとはいえ可動鏡，集光レンズ系がバーコード
リーダ装置の小型化を阻害する要因となっている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】定置式バーコードリー
ダは高速で、しかも離れた所のバーコードを読むので、
大型スーパーマーケットのレジやＦＡに於ける自動読み
取りラインに設置するのに適しているが、価格が高く、
設置場所が大きいという欠点を有している。光源の小型
化が半導体レーザの実用化で達成される可能性が強い一
方で、機械式偏向器の小型化が強く望まれている。

【０００７】また、将来のバーコードリーダの小型化を
考えた場合、現在の空間を伝播する方式の光源，レンズ
系，回転鏡の光学系ではなく、光を平面内に閉じ込める
光導波路型光学系の方が望ましいとも言える。

【０００８】本発明は、上記の点に鑑みてなされたもの
で、光偏向器をマイクロマシーニングで製作し、半導体
レーザ光源，光走査手段，集光系，受光素子のいくつか
を平面上に集積し、以て小型且つ高精度な光走査装置を
提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めに、本発明の光走査装置は、光源と、該光源からの光
を偏向出射して被写体を走査する光偏向出射部と、上記
被写体からの反射光を検出する光検出器とを具備するも
のであって、特に、少なくとも前記光偏向出射部と光検
出器とを同一の半導体基板上に一体的に形成してなるこ
とを特徴としている。

【００１０】そして、特に光偏向出射部としては、前記
半導体基板の凹部に形成されるトーションバーと、該ト
ーションバーと対向する一対の電極を備えたもの、前記
半導体基板の凹部に形成されるトーションバーと、該ト
ーションバー上に形成される一対の電極と、前記トーシ
ョンバーと対向する電極とを備えるもの、導波路とグレ
ーティングを有するカンチレバーを備えるもの、形状記
憶合金と薄膜ヒータとを備えるトーションバーでなるも
の、前記半導体基板の凹部に形成される導電性と反射率
を有するトーションバーと、該トーションバーと対向す
る電極とを有するもの、前記半導体基板の凹部に形成さ
れるトーションバーと、該トーションバー上に形成され
る強誘電体と、該強誘電体上に形成される櫛型電極とか
らなるもの、等が用いられる。

【００１１】

【作用】即ち、本発明の光走査装置は、光源と、該光源
からの光を偏向出射して被写体を走査する光偏向出射部
と、上記被写体からの反射光を検出する光検出器との
内、少なくとも前記光偏向出射部と光検出器とをマイク
ロマシーニングによって同一の半導体基板上に一体的に
形成するようにしている。

【００１２】つまり、本発明の光走査装置では、シリコ
ン基板等の半導体結晶基板上に、光偏向を行うために、
角度を変えることのできるマイクロ平面反射鏡，あるい
は湾曲率を変えることのできる反射鏡，等の光偏向器で
偏向されたレーザ光でバーコード等の被写体上を走査
し、その反射光を同一半導体基板上に形成された受光素
子で検出するようにしている。

【００１３】ここで重要になるのは、シリコン基板上に
光走査を行うための微小反射鏡を形成する技術である
が、それにはシリコンの結晶異方性エッチングを用いて
高濃度ｐ型層がエッチング停止層となること、パターン
方向を＜１１０＞方向からずらすことでサイドエッチが
進むこと等の異方性エッチングの特性を利用する。

【００１４】反射鏡となるシリコン層を高濃度ｐ型層
（以下ｐ⁺⁺層）とし、この層のパターン方向を＜１００
＞方向とする。結晶異方性エッチングでは、（１１１）
面が最もエッチング速度の遅い面であるが、（１００）
結晶を用いｐ⁺⁺層のパターン方向を＜１００＞に選ぶこ
とで、ｐ⁺⁺層の下のシリコン結晶がサイドエッチングさ
れるため、長時間エッチング後には、ｐ⁺⁺層をシリコン
基板から浮遊させることができ、可動ミラーとして用い
ることができる。

【００１５】また、基板の直接接合等で形成されたシリ
コン／ＳｉＯ₂／シリコン構造からなるＳＯＩ基板を用
いても、異方性エッチングとＳｉＯ₂犠牲層を除去する
ことで基板から遊離した可動ミラーとなるシリコン層を
得ることができる。

【００１６】このようにして得られたシリコン反射鏡を
シリコン基板と薄膜ビームで接続する構造（トーション
バー）とし、反射鏡を静電駆動により振動させ光偏向出
射器とする。この光偏向出射器は、表面反射型の光偏向
器、端面（側面）出射型の光出射器として使え、光出射
器では光導波路を同一基板上に集積でき、この場合には
グレーティング素子を使うことで、平面上でレーザ光の
集束等の光機能を行うことができ、光学部品点数の低
減、光軸合わせ不用な光偏向出射器となる。

【００１７】さらに、反射鏡を有するシリコン基板上に
受光素子としてラインセンサを集積し、機械的な光偏向
とバーコードからの反射強度パターンの検出とを同一基
板で行うものとしている。

【００１８】従って、小型な光偏向出射器が利用できる
ため、光走査装置自体も小型化が可能となり、また光偏
向出射器と光検出器とを同一基板上に一体的に形成して
いるため、両者の位置合わせ等の煩わしさを省くととも
に高精度な位置合わせが可能となり、高精度な検出が可
能となる。

【００１９】

【実施例】以下、図面を参照して、本発明の実施例を説
明する。

【００２０】図１は、本発明の第１の実施例に係る光走
査装置の適用されたバーコードリーダの構成を示す斜視
図であり、図２はこのバーコードリーダのブロック構成
図である。

【００２１】これらの図に於いて、１１はレーザ装置と
しての半導体レーザ、１２はレーザ光１３を集光し、コ
リメートするための光集束素子としての光学系、１４は
数μｍφに絞られたレーザ光、１５は光偏向出射器とし
ての光偏向器、１６は光偏向器１５から被写体としての
バーコード１７へ向かう偏向光、１８はバーコード１７
からの反射光、１９は集光素子としての集光レンズ、２
０は集光レンズ１９により集束される光、２１は光検出
器としての光検出用ラインセンサである。少なくとも、
光偏向器１５と受光用ラインセンサ２１は同一シリコン
基板２２上に集積することができ、バーコードリーダの
光学システムの簡素化，小型軽量化，組立て容易化，高
精度化，等の利点がある。

【００２２】また、２３は受光用ラインセンサ２１で光
電変換された電気信号を波形整形する信号波形整形回
路、２４は波形整形された電気信号をバーコードに応じ
た数字に変換するシンボル復調回路である。

【００２３】図３は、上記第１の実施例の光走査装置に
於いて利用されるマイクロマシーニングで製作された微
小な光偏向器１５としての静電駆動トーションバー型光
偏向器の構成を示す図で、（Ａ）は平面図、（Ｂ）及び
（Ｃ）はそれぞれ（Ａ）中のＢ−Ｂ線及びＣ−Ｃ線断面
図である。

【００２４】これらの図に於いて、２２は結晶面（１０
０）を有するｎ型シリコン基板であり、２５（２５ａ，
２５ｂ）は高濃度ｐ型埋込み層（以下ｐ⁺⁺埋込み層）、
２６はｎ型エピタキシャル層、２７は高濃度ｐ型拡散層
（以下ｐ⁺⁺拡散層）、２８はシリコン熱酸化膜（ＳｉＯ
₂）等の絶縁膜、２９（２９ａ，２９ｂ，２９ｃ）はＡ
ｕ／Ｃｒ金属膜、３０はｐ型拡散層である。

【００２５】ｐ型拡散層３０は、コンタクトホール３１
を介してＡｕ／Ｃｒ金属膜２９（２９ａ，２９ｂ）と電
気的にオーミック接続されている。ｐ型拡散層３０はｐ
⁺⁺埋込み層２５（２５ａ，２５ｂ）に達している。これ
ら２つのｐ⁺⁺埋込み層２５ａ，２５ｂは互いに電気的に
分離しており、電極２９ａ，２９ｂを介して独立に電気
的にバイアスすることができる。

【００２６】電極２９ｃは、ｐ⁺⁺拡散層とはＳｉＯ₂膜
２８を介して絶縁された第３の金属電極であり、反射鏡
としての役割を果たす。この第３電極２９ｃは、ｐ⁺⁺埋
込み層２５ａ，２５ｂとの間に静電引力で吸引される。
即ち、通常、第３電極２９ｃは接地され、第１，第２電
極２９ａ，２９ｂに交互に負電圧を印加することで、第
３電極面の角度を変えることができる。この電圧印加の
ための電圧制御回路３２が、これらの第１乃至第３電極
２９ａ，２９ｂ，２９ｃに接続されている。また、第３
電極２９ｃの下のｐ⁺⁺拡散層２７は、基板２２から遊離
しており、絶縁膜２８を介して基板２２と接続され、ト
ーションバーを構成している。

【００２７】図４の（Ａ）乃至（Ｆ）は、図３の静電駆
動トーションバー型光偏向器の製作法の概要を説明する
ための図３の（Ａ）のＢ−Ｂ線断面に相当するものであ
る。これらの図は、図面の簡略化のために、断面を示す
ハッチングを省略してある。先ず、図４の（Ａ）に示す
ように、結晶面（１００）のｎ型シリコン基板２２に、
図３のｐ⁺⁺埋込み層２５ａ，２５ｂに相当する位置に、
ｐ⁺⁺拡散層を形成する。これは、後述する図４の（Ｆ）
に示す工程で、トーションバーを基板２２から分離する
ためにシリコン異方性エッチングを行う時、停止層とし
ての役目を果たすように、不純物濃度を７×１０¹⁹ｃｍ
^-3以上に選ぶ。次に、図４の（Ｂ）に示すように、ｎ型
エピタキシャル層２６を成長させ、表面からｐ⁺⁺埋込み
層２５ａ，２５ｂに到達するｐ⁺ 拡散層３０を形成す
る。

【００２８】次に、図４の（Ｃ）に示すように、ｐ⁺ 拡
散層３０の間に、トーションバーを構成するｐ⁺⁺拡散層
２７を形成する。この時、ｐ⁺⁺拡散層２７のパターン
は、図３の（Ａ）に示すように四角形とし、四辺の方向
を＜１００＞方向にする。これは、後述する図４の
（Ｆ）に示す分離工程で、ｐ⁺⁺拡散層２７の下のｎ型エ
ピタキシャル層２６をサイドエッチングにより除去する
ためである。

【００２９】次に、図４の（Ｄ）に示すように、基板表
側と裏側に絶縁膜、例えば熱酸化膜２８を形成し、ｐ⁺
拡散層３０内にコンタクトホール３１を形成し、３００
℃程度に加熱した状態で、Ｃｒを５００オングストロー
ム程度蒸着し、これに続いてＡｕを３０００オングスト
ローム程度連続的に蒸着する。そして、基板加熱を行い
ながらＣｒを真空蒸着することで、ｐ⁺ 拡散層３０と電
気的にオーミックコンタクトをとることができる。

【００３０】次に、図４の（Ｅ）に示すように、Ａｕ／
Ｃｒを図３の（Ａ）の電極２９ａ，２９ｂ，２９ｃのよ
うにホトリソグラフィーでパターン形成し、続いてＳｉ
Ｏ₂２８をホトリソグラフイーで加工し、トーションバ
ーを分離するため窓開けを行う。この窓３３のパターン
の内側は、ｐ⁺⁺拡散層２７（図３の（Ａ）の電極２９
ｃ）と同じとし、外側は＜１１０＞方向で、ｐ⁺ 拡散層
３０とｐ⁺⁺拡散層２７の間にとる。続いて、裏面絶縁膜
２８に分離用の窓開けを行う。

【００３１】次に、図４の（Ｆ）に示すように、シリコ
ン異方性エッチング液にてトーションバーを基板から分
離する。異方性エッチングには、エチレンジアミン，ピ
ロカテコール，水の混合液（ＥＰＷ液）やＫＯＨ溶液等
を用いる。ＥＰＷ液は、ＳｉＯ₂，Ｓｉ₃Ｎ₄，Ａｕ／
Ｃｒをほとんどエッチングせず、またｐ型不純物濃度７
×１０¹⁹ｃｍ^-3の拡散層２７ではエッチング速度が急激
に低下するため、長時間の異方性エッチングにより、ｐ
⁺⁺拡散層２７の下のｎ型エピタキシャル層２６はサイド
エッチと裏面からのエッチングにより除去される。ま
た、ｐ⁺⁺拡散層２７を支持し、基板と接続する絶縁膜２
８の下のエピタキシャル層は、（１１１）面が徐々にサ
イドエッチされることと、裏面からのエッチングにより
除去される。なお、上記製作法で、絶縁膜２８として
は、熱酸化膜，ＣＶＤＳｉＯ₂，ＣＶＤＳｉ₃Ｎ₄，あ
るいはそれらの多層膜のいずれでもよい。

【００３２】図５の（Ａ）乃至（Ｃ）は、図３に示した
トーションバー型光偏向器の動作の概要を説明するため
の図である。これらの図に於いても、簡略化のために、
断面を示すハッチングを省略してある。

【００３３】即ち、図５の（Ａ）に示すように、電圧制
御回路３２により、第１電極２９ａ，第２電極２９ｂ，
第３電極２９ｃともに接地された状態では、この光偏向
器に垂直に入射する光３４は、第３電極２９ｃ表面に構
成された反射面３５で垂直に反射される。

【００３４】また、電圧制御回路３２により、図５の
（Ｂ）に示すように、第１電極２９ａに負電圧を印加
し、第２電極２９ｂ，第３電極２９ｃを接地すると、第
１電極２９ａ（ｐ⁺⁺埋込み層２５ａ）と第３電極２９ｃ
の間には静電引力が働き、トーションバーは図中の右下
に傾く。この時、反射面３５はθ_iだけ傾き、光偏向器
に垂直に入射する光３４は、反射角θ_r（＝θ_i）で反
射され、入射光は２θ_iだけ偏向される。

【００３５】また、図５の（Ｃ）に示すように、電圧制
御回路３２により、第１電極２９ａ，第３電極２９ｃを
接地し、第２電極２９ｂに負電圧を印加すると、トーシ
ョンバーは図中の左下に傾く。この時、反射面３５はθ
_iだけ傾き、同様にして入射光３４は２θ_iだけ偏向さ
れる。ここで、第１電極２９ａ、第２電極２９ｂに加え
る負電圧の大きさを変えることで、反射鏡の角度を変え
ることができる。

【００３６】また、第１電極２９ａと第２電極２９ｂに
加える負電圧を交互に切り換えることで、反射鏡を図５
の（Ｂ）に示す状態と、同図の（Ｃ）に示す状態との間
で、連続的に振動させることができ、特に印加電圧の周
波数をトーションバーの共振周波数に設定することで大
きな偏向角で反射鏡を振動させることができる。ここ
で、印加電圧は矩形波、正弦波のいずれでも良い。但
し、スムーズな振動となるように、電圧制御回路３２
は、印加電圧を制御することが必要である。つまり、図
５の（Ａ）乃至（Ｃ）に示す状態を適宜とるように制御
することにより、光走査することができる。

【００３７】図６の（Ａ）及び（Ｂ）は、本発明の第２
実施例として、図１の光走査装置に利用可能な光偏向器
の別の構成を示す平面図及び断面図である。なお、図６
の（Ｂ）に於いては、図面の簡単化のために、断面を示
すハッチングを省略してある。

【００３８】この光偏向器は、多結晶シリコン膜と絶縁
膜を形成した第１のシリコン基板上に、第２のシリコン
基板を直接接合し、異方性エッチングにより反射鏡とな
るトーションバーを形成することを特徴とするものであ
る。

【００３９】即ち、これらの図に於いて、２２は高濃度
ｐ型シリコン基板（不純物濃度７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上）
あるいは表面に７×１０¹⁹ｃｍ^-3以上のｐ型拡散層を有
するｐ型シリコン基板である。３６はｎ型あるいはｐ型
シリコンエピタキシャル層、３７は熱酸化膜、３８は窒
化シリコン（Ｓｉ₃Ｎ₄）膜、３９は結晶シリコン、４
０（４０ａ，４０ｂ，４０ｃ）及び４１はＡｕ／Ｃｒ金
属膜である。なお、結晶シリコン３９は、極力低不純物
濃度のものが望ましく、１０¹⁴ｃｍ^-3以下の不純物濃度
とする。第１シリコン基板２２，第２シリコン基板３９
とも結晶面は（１００）面であり、両基板の＜１１０＞
方向を一致させて張り合わせてある。

【００４０】反射鏡はトーションバーのシリコン３９上
に形成したＡｕ／Ｃｒ面４１でありＡｕ／Ｃｒ金属膜４
０ａ，４０ｂはそれぞれ第１電極，第２電極として働
き、またｐ型シリコン基板２２（Ａｕ／Ｃｒ金属膜４０
ｃ）は第３電極となる。

【００４１】反射鏡の角度を変える条件は、第３電極と
なるシリコン基板２２を接地した状態で、第１電極４０
ａに正あるいは負の電圧（この時、第２電極４０ｂは接
地）を印加する第１の条件と、第２電極４０ｂに正ある
いは負の電圧（この時、第１電極４０ａは接地）を印加
する第２の条件の２つの場合がある。第１の条件では反
射鏡は図中の左下に傾き、第２の条件では反射鏡は右下
に傾く。これらの電圧印加制御は、電圧制御回路３２に
より行なわれる。このように、印加条件を適宜制御する
ことにより、光走査を実行できる。

【００４２】図７の（Ａ）乃至（Ｋ）は、図６の光偏向
器の製作法を説明するための断面図であり、これらの図
に於いても簡略化のために断面を示すハッチングを一部
省略してある。

【００４３】図７の（Ａ）に於いて、２２は、高濃度ｐ
型基板あるいは、高濃度ｐ型拡散層を有するｐ型シリコ
ン基板（第１シリコン基板）である。３６は第１シリコ
ン基板２２上に成長したｎ型あるいはｐ型エピタキシャ
ル層である（以下、このエピタキシャル層３６を含む第
１シリコン基板を第１基板と呼ぶ）。

【００４４】次に、図７の（Ｂ）に示すように、第１基
板２２上に、多結晶シリコン４２を２０００オングスト
ローム程度堆積し、多結晶シリコン４２の表面に熱酸化
によりＳｉＯ₂４３を５００オングストローム程度形成
し、この上にＳｉ₃Ｎ₄４４を１０００オングストロー
ム程度の膜厚に堆積する。

【００４５】次に、図７の（Ｃ）に示すように、ホトリ
ソグラフィーによりＳｉ₃Ｎ₄４４，ＳｉＯ₂４３，多
結晶シリコン４２を順次エッチングし、図６の（Ａ）中
の参照番号４５に相当する矩形パターンを形成する。こ
の矩形パターン４５の四辺の方向は＜１１０＞方向にす
る。

【００４６】次に、図７の（Ｄ）に示すように、選択酸
化により、Ｓｉ₃Ｎ₄４４で覆われた以外の第１シリコ
ン基板上に熱酸化によりＳｉＯ₂３７を形成する。熱酸
化膜３７表面の高さが、参照番号４３の熱酸化膜とほぼ
同じ高さ（数１００オングストローム以下の差）になる
ように、熱酸化膜３７の厚みを選ぶ。次に、図７の
（Ｅ）に示すように、Ｓｉ₃Ｎ₄４４を除去し、再度Ｓ
ｉ₃Ｎ₄３８を３０００オングストローム程度堆積す
る。

【００４７】次に、図７の（Ｆ）に示すように、ホトリ
ソグラフィーによりＳｉ₃Ｎ₄３８をエッチングし、多
結晶シリコン４２のない領域と、トーションバーを構成
する第２シリコン基板３９を支持する領域とに、Ｓｉ₃
Ｎ₄３８を残す。

【００４８】次に、図７の（Ｇ）に示すように、結晶面
（１００）を有する第２シリコン基板３９を、第２シリ
コン基板３９の＜１１０＞方向と第１シリコン基板２２
の＜１１０＞方向とが一致するように位置合わせした
後、熱処理あるいは陽極接合により張り合わせる。第２
シリコン基板３９を研磨し数μｍ〜１０μｍ程度まで薄
くした後、熱酸化膜あるいは堆積酸化膜等の絶縁膜３７
を形成する。そして、絶縁膜３７上、及び第１シリコン
基板２２の裏面に、Ａｕ／Ｃｒ金属膜４０を蒸着する。

【００４９】次に、図７の（Ｈ）に示すように、絶縁膜
３７上のＡｕ／Ｃｒ金属膜４０をフォトリソグラフィー
により、図６の（Ａ）中の参照番号４０ａ，４０ｂ，４
１のようにパターン形成する。続いて、ＳｉＯ₂３７を
トーションバーの反射板の形状（図６の（Ａ）中の参照
番号４６の形状）にパターン形成する。次に、図７の
（Ｉ）に示すように、絶縁膜３７をマスクにしてシリコ
ン異方性エッチング液で第２シリコン基板３９をエッチ
ングする。次に、図７の（Ｊ）に示すように、Ｓｉ₃Ｎ
₄３８をマスクにして、ＳｉＯ₂４３をエッチングで除
去し、多結晶シリコン４２を露出させる。

【００５０】そして、図７の（Ｋ）に示すように、シリ
コン異方性エッチング液で多結晶シリコン４２及びその
下の第１基板のエピタキシャル層３６をエッチングす
る。多結晶シリコン４２は結晶シリコンに比べ極めて速
くエッチングされるため、サイドエッジが急速に進み、
その下層のエピタキシャル層３６の（１００）表面が露
出し、エピタキシャル層３６の異方性エッチングが開始
する。多結晶シリコン４２は＜１１０＞方向にパターン
形成されるため、エピタキシャル層３６の異方性エッチ
ング中（１１１）面４７が露出し、この面でエッチング
は見かけ上停止する。また、エピタキシャル層３６が除
去されｐ++基板２２が露出すると、基板不純物濃度が７
×１０¹⁹ｃｍ^-3以上に設定してあるので、エッチングは
これ以上進まない。

【００５１】以上の製法の中で、図７の（Ｈ）に示した
エピタキシャル層３６の異方性エッチングの工程で、ト
ーションバーを構成する第２シリコン基板３９下部が
（１００）面となるため、この異方性エッチングで第２
シリコン基板３９が裏面側からエッチングされる危険が
ある。これを防ぐために、例えば図７の（Ｇ）に示した
工程で、第１基板２２と第２基板３９を直接接合する時
に、第２基板表面に熱酸化膜を形成した状態で両基板を
張り付け、図７の（Ｈ）に示した異方性エッチング工程
で第２基板３９をエッチング後に、図７の（Ｉ）に示し
た工程に於ける熱酸化膜の除去を、ＲＩＥ等のドライエ
ッチングで行い、第２基板３９下部４８に付着している
熱酸化膜を保護した状態で多結晶シリコン４２を露出さ
せるように一部工程を変更すれば良い。

【００５２】なお、本実施例では、トーションバーの第
２シリコン基板３９上に形成したＡｕ／Ｃｒ面４１を反
射鏡として利用しているが、トーションバーの第２シリ
コン基板３９上に形成した他のＡｕ／Ｃｒ面４０ａ，４
０ｂを反射鏡として利用することもできる。

【００５３】また、第２シリコン基板３９の側面の斜面
を反射鏡として利用することもできる。図８は本発明の
第３の実施例として、そのような光偏向器を利用した光
走査装置の適用されたバーコードリーダの構成を示す図
である。

【００５４】即ち、同図に於いて、２２は導波路４９が
形成されたシリコン基板、１１はレーザ装置としての半
導体レーザである。この半導体レーザ１１は、シリコン
基板２２に形成された凹部内に配置され、そのレーザ活
性層が導波路４９の導波層と位置合わせされている。１
３は導波路４９を伝播するレーザ光、１２は集光・コリ
メート機能を有する光集束素子としての導波路型デバイ
ス、１４は数μｍφに絞り込まれたレーザ光、１５は光
偏向出射器としての前記第２の実施例を利用した側面反
射型光偏向器、１６は偏向されたレーザ光、１７は被写
体としてのバーコード、１８はバーコードからの反射
光、１９は集光素子としての集光レンズ、２０は集光さ
れたレーザ光、２１は光検出器としての光検出用ライン
センサである。

【００５５】本第３の実施例では、半導体レーザ１１、
光導波路４９及び導波路型デバイス１２、光偏向器１
５、光検出用ラインセンサ２１が、同一シリコン基板２
２上に集積されているので、一層の小型化、組立ての簡
略化，高精度化を達成できる。

【００５６】図９の（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の第４
実施例を示す図で、第３の実施例の光偏向器に代わる他
の光偏向出射器としての光出射器の構成を示している。
本第４の実施例は、導波路構造を有し、出射用のグレー
ティングを有するカンチレバーを備えることを特徴とし
ている。

【００５７】即ち、２２はｐ⁺⁺シリコン基板、５０はｎ
型あるいはｐ型シリコンエピタキシャル層、５１は導波
路構造を有するカンチレバーである。導波路の構造は、
図９の（Ｂ）中に示すように、基板５２上にバッファ層
５３，第１クラッド層５４，導波層５５，第２クラッド
層５６，バッファ層５７，金属層５８の多層膜からな
る。最上層の金属膜５８は、カンチレバー５１と基板２
２（電極４０ｃ）の間に電圧を印加するための電極であ
る。

【００５８】１２は光集束素子としてのフレネルレンズ
で、半導体レーザ１１から端面結合で導波層５５に入射
した光をコリメートする役目をする。平行光となったレ
ーザ光１４は、カンチレバー５１上の集光グレーティン
グ５９で垂直あるいは斜め方向に出射され、空間に集光
する。

【００５９】なお、グレーティング５９が形成されてい
る領域には、光吸収を防ぐため、金属層５８は除去して
おく。即ち、グレーティング５９は、金属層５８の除去
された窓６０内に形成される。また、グレーティング５
９は、導波層５５と第２クラッド層５６の間に形成す
る。さらに、カンチレバー５１の裏面には、グレーティ
ング５９部が変位しないように、支持部としてｐ⁺⁺層６
１が設けられている。

【００６０】カンチレバー５１は、それを構成する材
料，長さ，厚み，等で決まる共振周波数を有している。
図９の（Ｂ）及び（Ｃ）に示すように、金属層５８と基
板２２（電極４０ｃ）の間に交流電圧６２を印加し、静
電引力でカンチレバー５１を励振し、その励振周波数を
カンチレバー５１の共振周波数付近に設定することで大
きな振動変位を得ることができる。但し、交流電圧６２
は、スムースなスキャンを行い得るように、前述の他の
実施例と同様に、電圧制御回路によって制御される。

【００６１】このような構成の光出射器の製法は、先
ず、前述の第１の実施例に於けるトーションバーの製造
と同様にしてカンチレバー５１を形成する（但し、異方
性エッチングは基板表面からのみ行なう）。その後、導
波層５５上に高屈折率のＳｉ₃Ｎ₄層形成後、フレネル
レンズ１２、グレーティング５９の加工工程後に第２ク
ラッド層５６以降の堆積を行う。図１０の（Ａ）乃至
（Ｃ）は、本発明の第５の実施例として、図１の構成の
光走査装置に利用可能な光偏向出射器のさらに別の構成
を示す図である。

【００６２】本第５の実施例は、トーションバー上に形
状記憶合金６３と薄膜ヒータ６４を集積し、薄膜ヒータ
６４に通電して形状記憶合金６３を加熱することで形状
変化を起こさせ、入射光を偏向射出させるようにしたこ
とを特徴としている。

【００６３】即ち、これらの図に於いて、２２は基板、
６５は絶縁膜、６３は形状記憶合金、６４は薄膜ヒータ
である。形状記憶合金６３と薄膜ヒータ６４間は絶縁さ
れているものとする（図では省略）。形状記憶合金６３
は絶縁膜６５で基板２２に接続されている。

【００６４】図１０の（Ｂ）は、薄膜ヒータ６４に通電
していない時の状態で、形状記憶合金６３は平坦であ
り、光偏向器に垂直入射した光６６は、偏向されずに反
射される。

【００６５】図１０の（Ｃ）は、薄膜ヒータ６４に通電
し、形状記憶合金６３を加熱した状態を示す図で、この
時の温度で形状記憶合金６３は湾曲するようにしてあ
る。この時、光偏向器に垂直入射した光６６は、形状記
憶合金６３の曲率に応じて図中の参照番号６７で示すよ
うな方向に偏向される。従って、図１０の（Ｂ）と
（Ｃ）に示すような状態を繰り返すことで、光走査する
ことができる。

【００６６】図１１の（Ａ）乃至（Ｄ）は、本発明の第
６の実施例として、図１の構成の光走査装置に利用可能
な光偏向出射器のさらに別の構成を示す図で、本第６の
実施例は、導電性のある弾性体を静電電力で振動させ、
反射鏡の曲率を変えて、光偏向させるものである。

【００６７】これらの図に於いて、２２は高濃度ｐ型基
板、６８はｎ型あるいはｐ型エピタキシャル層、６９は
絶縁性弾性体、７０は導電性のある弾性体であり、通常
金属膜を利用しても良い。導電性弾性体（以下金属薄
膜）７０は、凹部のある基板２２に橋渡しされた梁の形
状に加工されており、金属薄膜７０の下には絶縁性弾性
体６９がある。

【００６８】金属薄膜７０とｐ⁺⁺基板２２の間に交流電
圧７１を印加し、静電引力によって基板凹部７２上の弾
性体を振動させる。弾性体の材料と厚み、長さ等で決ま
る梁の共振周波数で励振することで、弾性体に大きな変
位を与えることができる。図１１の（Ｂ）は、弾性体が
平坦の状態で、光偏向器に垂直入射した光７３は偏向さ
れずに反射される。

【００６９】図１１の（Ｃ）及び（Ｄ）はそれぞれ弾性
体が下に凸、上に凸に変位した様子を示したもので、入
射光７３はそれぞれ、参照番号７４，７５で示される方
向に反射される。この図１１の（Ｃ）と（Ｄ）で示され
る状態を繰り返すことで、光走査を行うことができる。
この場合も勿論、不図示の電圧制御回路により交流電圧
７１が制御される。

【００７０】図１２の（Ａ）乃至（Ｃ）は、本発明の第
７の実施例として、図１の構成の光走査装置に利用可能
な光偏向出射器のさらに別の構成を示す図で、本第７の
実施例は、強誘電体の電歪効果を利用して光走査を行う
ものである。

【００７１】図１２の（Ａ）は本光偏向器の外観図であ
り、（Ｂ）及び（Ｃ）はＢ−Ｂ線断面図である。２２は
結晶面（１００）のシリコン基板であり、７６は絶縁
膜、７７は強誘電体、７８は強誘電体７７を駆動するた
めの櫛型電極である。

【００７２】強誘電体７７は、絶縁膜７６を介して基板
２２に接続され、櫛型電極７８からの引き出し線が、絶
縁膜上を通って基板上のコンタクトパッド７９に接続さ
れている。櫛型電極７８に交流電圧８０を印加すること
で、強誘電体７７には横方向に圧縮応力が加わり、収縮
力が働く。このトーションバーの共振周波数に駆動電圧
を設定することで、トーションバーに大きな湾曲を生じ
させることができ、図１２の（Ｂ）及び（Ｃ）に示すよ
うに、入射光８１を図示８２，８３の方向へ偏向するこ
とができる。勿論、前述の他の実施例と同様に、不図示
の電圧制御回路により交流電圧８０が制御される。その
他、種々の構成のマイクロマシーニングによる光偏向出
射器が本発明に適用可能である。

【００７３】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明によれば、
光偏向出射器をシリコンマイクロマシーニングで製作す
るため、それを利用する光走査装置の小型軽量化が達成
でき、また、光偏向出射器と光検出器とを同一半導体基
板上に集積したため、本発明の光走査装置を適用して例
えばバーコードリーダ等の光学装置を構成する時の部品
点数の低減、組立ての容易さ、全体の小型化、並びに検
出精度の高精度化を達成できる。

【００７４】さらに、半導体レーザを光源とし、端面結
合により光導波路に光を導入することで導波路型デバイ
スで集光コリメート機能を行え、導波路を形成したシリ
コン基板上で光偏向させた後出射され、バーコードから
の反射光を同一シリコン基板上に形成した光検出器で受
光できるので、バーコードリーダシステムの多くの構成
要素をモノリシック化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例に係る光走査装置の適用
されたバーコードリーダの構成を示す斜視図である。

【図２】図１のバーコードリーダのブロック構成図であ
る。

【図３】（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ第１の実施例の光
走査装置に於いて利用されるマイクロマシーニングで製
作された微小な光偏向出射器としての静電駆動トーショ
ンバー型光偏向器の構成を示す図で、（Ａ）は平面図、
（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ（Ａ）中のＢ−Ｂ線及びＣ
−Ｃ線断面図である。

【図４】（Ａ）乃至（Ｆ）はそれぞれ第１の実施例に於
ける静電駆動トーションバー型光偏向器の製作法の概要
を説明するための断面図である。

【図５】（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ第１の実施例に於
けるトーションバー型光偏向器の動作の概要を説明する
ための図である。

【図６】（Ａ）及び（Ｂ）はそれぞれ本発明の第２実施
例として、図１の光走査装置に利用可能な光偏向器の別
の構成を示す平面図及び断面図である。

【図７】（Ａ）乃至（Ｋ）はそれぞれ第２の実施例に於
ける光偏向器の製作法を説明するための断面図である。

【図８】本発明の第３の実施例として第２の実施例に於
ける光偏向器を利用した光走査装置の適用されたバーコ
ードリーダの構成を示す斜視図である。

【図９】（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ本発明の第４実施
例を示す図で、（Ａ）は光偏向出射器としての光出射器
の構成を示い斜視図であり、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞ
れ動作を説明するための断面図である。

【図１０】（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ本発明の第５の
実施例を示す図で、（Ａ）は図１の構成の光走査装置に
利用可能な光偏向出射器のさらに別の構成を示す図であ
り、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ動作を説明するための
断面図である。

【図１１】（Ａ）乃至（Ｄ）はそれぞれ本発明の第６の
実施例を示す図で、（Ａ）は図１の構成の光走査装置に
利用可能な光偏向出射器のさらに別の構成を示す図であ
り、（Ｂ）乃至（Ｄ）はそれぞれ動作を説明するための
断面図である。

【図１２】（Ａ）乃至（Ｃ）はそれぞれ本発明の第７の
実施例を示す図で、（Ａ）は図１の構成の光走査装置に
利用可能な光偏向出射器のさらに別の構成を示す図であ
り、（Ｂ）及び（Ｃ）はそれぞれ動作を説明するための
断面図である。

【符号の説明】

１１…レーザ装置、１２…光集束素子、１５…光偏向出
射器、１７…バーコード、１９…集光素子、２１…光検
出器、２２…シリコン基板。

フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H04N 1/04 - 1/207 G02B 26/00 - 26/12 G06K 7/00 - 7/14

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】光源と、該光源からの光を偏向出射して
被写体を走査する光偏向出射部と、上記被写体からの反
射光を検出する光検出器とを具備する光走査装置に於い
て、少なくとも前記光偏向出射部と光検出器とを同一の半導
体基板上に一体的に形成してなることを特徴とする光走
査装置。
【請求項２】前記光偏向出射部は、前記半導体基板の
凹部に形成されるトーションバーと、該トーションバー
と対向する一対の電極を備えることを特徴とする請求項
１記載の光走査装置。
【請求項３】前記光偏向出射部は、前記半導体基板の
凹部に形成されるトーションバーと、該トーションバー
上に形成される一対の電極と、前記トーションバーと対
向する電極とを備えることを特徴とする請求項１記載の
光走査装置。
【請求項４】前記光偏向出射部は、導波路とグレーテ
ィングを有するカンチレバーを備えることを特徴とする
請求項１記載の光走査装置。
【請求項５】前記光偏向出射部は、形状記憶合金と薄
膜ヒータとを備えるトーションバーであることを特徴と
する請求項１記載の光走査装置。
【請求項６】前記光偏向出射部は、前記半導体基板の
凹部に形成される導電性と反射率を有するトーションバ
ーと、該トーションバーと対向する電極とを有すること
を特徴とする請求項１記載の光走査装置。
【請求項７】前記光偏向出射部は、前記半導体基板の
凹部に形成されるトーションバーと、該トーションバー
上に形成される強誘電体と、該強誘電体上に形成される
櫛型電極とからなることを特徴とする請求項１記載の光
走査装置。