JP6960889B2

JP6960889B2 - 光走査装置およびその駆動方法

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Publication number: JP6960889B2
Application number: JP2018142320A
Authority: JP
Inventors: 佳敬梶山; 健介神田
Original assignee: Mitsubishi Electric Corp; University of Hyogo
Current assignee: Mitsubishi Electric Corp; University of Hyogo
Priority date: 2018-07-30
Filing date: 2018-07-30
Publication date: 2021-11-05
Anticipated expiration: 2038-07-30
Also published as: JP2020020865A

Description

本発明は、光走査装置およびその駆動方法に関し、特に、振動板を備えた光走査装置と、その光走査装置の駆動方法とに関するものである。

従来、反射板が弾性体を介在させて振動板に接続された光走査装置が知られている。この光走査装置では、振動板を振動させることで、反射板が回転運動をし、反射板に照射された光が走査される。振動板を振動させるため、振動板には圧電素子が配置される。圧電素子では、一の電極と他の電極との間に圧電体が挟み込まれている。

この種の光走査装置を開示した特許文献の例として、特許文献１および特許文献２がある。特許文献１では、振動板に配置された圧電素子に１８０°位相が異なる双極性である交流電圧を印加することによって、反射板を回転運動させる光走査装置が提案されている。特許文献２では、振動板に配置された圧電素子に単極性の一定周波数の電圧を印加することによって、反射板を回転させる光走査装置が提案されている。

圧電素子に双極性の電圧を印加させた場合には、分極疲労を起こしてしまい、特性が劣化することが知られており、長い寿命が要求される光走査装置への用途には適さない（非特許文献１）。一方、圧電素子に単極性の電圧を印加させる場合には、双極性の電圧を印加させる場合と比べて、圧電素子の分極疲労が大幅に低減することが知られている（非特許文献２）。

特開２００５−１２８１４７号公報特開２０１４−１０３３６０号公報

Lou, X. J. "Polarization fatigue in ferroelectric thin films and related materials." Journal of Applied Physics 105.2 (2009):024101. Lou, X. J., and J. Wang. "Bipolar and unipolar electrical fatigue in ferroelectric lead zirconate titanate thin films: An experimental comparison study." Journal of Applied Physics 108.3 (2010):034104.

圧電素子に単極性の電圧を印加させる場合において、圧電体の分極の向きが反転する抗電圧を超える電圧を印加させる場合には、圧電体の分極方向が、抗電圧を超える電圧の印加によって、電圧の印加方向に反転する。このため、入力電圧の極性にかかわらず、振動板の振動方向が一定になり、振動板を上方向または下方向の一方向にしか屈曲させることができないという問題があった。

本発明は、上記問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、単極性の電圧を印加させて、振動板を上下双方向に振動させることが可能な光走査装置を提供することであり、他の目的は、そのような光走査装置の駆動方法を提供することである。

本発明に係る光走査装置は、支持体と、振動板と、第１圧電素子および第２圧電素子と、反射板とを備えている。振動板は、距離を隔てて位置する第１端部と第２端部とを有し、第１端部が支持体に支持されている。第１圧電素子および第２圧電素子は、振動板に配置されている。反射板は、振動板の第２端部に弾性体を介在させて接続され、光を反射する反射面を有する。第１圧電素子は、単極性の第１電圧を印加することで第１モードで駆動する。第２圧電素子は、単極性の第２電圧を印加することで、第１モードとは異なる第２モードで駆動する。第１モードはｄ _３１モードであり、第２モードはｄ _３３モードである。第１電圧と第２電圧とを互いに位相をずらして印加することにより、第１圧電素子と第２圧電素子とを時間をずらして駆動させることで、振動板が屈曲して反射板が傾けられる。

本発明に係る光走査装置の駆動方法は、距離を隔てて対向する第１端部と第２端部とを有し、第１端部が支持体に支持され、第２端部が弾性体を介在させて反射板に接続された振動板と、振動板に配置された、第１モードで駆動する第１圧電素子および第１モードとは異なる第２モードで駆動する第２圧電素子とを有する光走査装置の駆動方法である。第１圧電素子に単極性の第１電圧を印加することにより、第１圧電素子を第１モードで駆動させる。第２圧電素子に単極性の第２電圧を印加することにより、第２圧電素子を第１モードとは異なる第２モードで駆動させる。第１モードはｄ _３１モードであり、第２モードはｄ _３３モードである。第１圧電素子と第２圧電素子とを駆動させることで、振動板が屈曲して反射板が傾けられる。第１電圧と第２電圧とを互いに位相をずらして印加することにより、第１圧電素子と第２圧電素子とを時間をずらして駆動させる。

本発明に係る光走査装置によれば、振動板に、第１モードで駆動する第１圧電素子と第１モードとは異なる第２モードで駆動する第２圧電素子とが配置されている。第１圧電素子または第２圧電素子を駆動させることで、振動板を双方向に振動させて、反射板を双方向に傾けることができる。

本発明に係る光走査装置の駆動方法によれば、第１圧電素子を単極性の第１電圧によって駆動させ、第２圧電素子を単極性の第２電圧によって駆動させる。第１電圧と第２電圧とを位相をずらして印加し、振動板を屈曲させることで、反射板を傾ける。これにより、光走査装置の振動板を双方向に振動させて反射板を傾けることができる。

本発明の実施の形態１に係る光走査装置の斜視図である。同実施の形態において、光走査装置の平面図である。同実施の形態において、第１圧電素子の部分断面図である。同実施の形態において、第１圧電素子の駆動のメカニズムの一例を説明するための部分断面図である。同実施の形態において、第２圧電素子の部分断面図である。同実施の形態において、第２圧電素子の駆動のメカニズムの一例を説明するための部分断面図である。同実施の形態において、第２圧電素子の電極の配置パターンの一例を示す斜視図である。同実施の形態において、第２圧電素子の電極の配置パターンの一例を示す平面図である。同実施の形態において、光走査装置の製造方法の一工程を示す断面図である。同実施の形態において、図９に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。同実施の形態において、図１０に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。同実施の形態において、図１１に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。同実施の形態において、図１２に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。同実施の形態において、図１３に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。同実施の形態において、図１４に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。同実施の形態において、図１５に示す工程の後に行われる工程を示す断面図である。同実施の形態において、第１圧電素子および第２圧電素子に印加する単極性の電圧の波形の一例を示すグラフである。同実施の形態において、振動板の屈曲態様の一例を模式的に示す断面図である。同実施の形態において、振動板の屈曲態様の他の例を模式的に示す断面図である。同実施の形態において、振動板の屈曲に伴う反射板の傾きを説明するための斜視図である。本発明の実施の形態２に係る光走査装置の斜視図である。同実施の形態において、光走査装置の平面図である。比較例に係る光走査装置の斜視図である。比較例に係る光走査装置の平面図である。

実施の形態１．
実施の形態１に係る光走査装置について説明する。ここでは、説明の便宜上Ｘ軸、Ｙ軸およびＺ軸を示して構造等を説明する。図１および図２に示すように、Ｘ軸およびＹ軸は互いに直交しており、光走査装置１（支持体３）が配置されている面をＸ−Ｙ平面とする。Ｚ軸は、そのＸ−Ｙ平面に直交する。

光走査装置１は、支持体３、振動板５ａ、振動板５ｂおよび反射板９を備えている。振動板５ａは、Ｘ軸方向に距離を隔てて対向する第１端部５ａａと第２端部５ａｂとを有する。第１端部５ａａが支持体３に接続されている。第２端部５ａｂが、弾性体７ａを介して反射板９に接続されている。弾性体７ａは、振動板５ａの第２端部５ａｂにおけるＹ軸方向の中央部に接続されている。

振動板５ｂは、Ｘ軸方向に距離を隔てて対向する第１端部５ｂａと第２端部５ｂｂとを有する。第１端部５ｂａが支持体３に接続されている。第２端部５ｂｂが、弾性体７ｂを介して反射板９に接続されている。弾性体７ｂは、振動板５ｂの第２端部５ｂｂにおけるＹ軸方向の中央部に接続されている。反射板９には、反射面１１が設けられている。

振動板５ａには、第１圧電素子１３ａ、１３ｂおよび第２圧電素子２１ａ、２１ｂが配置されている。第１端部５ａａの側から第２端部５ａｂの側に向かって、第１圧電素子１３ａ、第２圧電素子２１ａ、第１圧電素子１３ｂ、第２圧電素子２１ｂの順に配置されている。振動板５ｂには、第１圧電素子１３ｃ、１３ｄおよび第２圧電素子２１ｃ、２１ｄが配置されている。第１端部５ｂａの側から第２端部５ｂｂの側に向かって、第２圧電素子２１ｄ、第１圧電素子１３ｄ、第２圧電素子２１ｃ、第１圧電素子１３ｃの順に配置されている。

図２に示すように、振動板５ａ（第１圧電素子１３ａ、１３ｂ、第２圧電素子２１ａ、２１ｂ）、弾性体７ａ、反射板９、弾性体７ｂ、振動板５ｂ（第１圧電素子１３ｃ、１３ｄ、第２圧電素子２１ｃ、２１ｄ）は、仮想線としてのＸ軸に平行な軸線Ｃ１に対して、ほぼ線対称に配置されている。なお、反射板９の平面形状は軸線Ｃ１に対して線対称になるように矩形状に形成されているが、反射板９の傾きに伴って反射板に歪みが入らなければ、反射板９の平面形状としては、線対称になる形状にする必要はない。

次に、第１圧電素子１３ａ〜１３ｄ、第２圧電素子２１ａ〜２１ｄについて説明する。まず、第１圧電素子１３ａ〜１３ｄについて説明する。図３に示すように、第１圧電素子１３（１３ａ〜１３ｄ）は、下部電極１５、圧電体１７および上部電極１９によって形成されている。下部電極１５、圧電体１７および上部電極１９は、振動板５（５ａ、５ｂ）の上に積層されている。

圧電体１７は、分極処理、または、抗電界を超えるような単極性の電圧を印加することによって、Ｚ軸方向の正方向または負方向へ分極している。圧電体１７の下部電極１５と上部電極１９との間に、単極性の電圧を分極方向と同じ方向へ印加することによって、圧電体１７がＸ軸方向に収縮する。圧電体１７のＸ軸方向の収縮によって、振動板５は、Ｚ軸の負方向に凸となるように屈曲し、振動板５は、支持体３に対してＺ軸の正方向に屈曲することになる。この第１圧電素子１３の屈曲は、第１モードとしてのｄ_３１モードと称されている。

図４に示すように、たとえば、圧電体１７における下部電極１５側が正となり、上部電極１９側が負となるように分極している場合には、下部電極１５と上部電極１９との間に、下部電極１５に印加する電圧に対して、上部電極１９に印加する電圧が高くなるように電圧を印加することで、圧電体１７がＸ軸方向に収縮して、振動板５が、矢印に示すように、Ｚ軸の負方向に凸となるように屈曲する。

なお、圧電体１７の分極の向きが、図４に示す向きと逆向きに分極している場合には、下部電極１５と上部電極１９との間に、下部電極１５に印加する電圧に対して、上部電極１９に印加する電圧が低くなるように電圧を印加することで、振動板５は、Ｚ軸の負方向に凸となるように屈曲する。したがって、電圧の極性にかかわらず、抗電圧を超える単極性の電圧を印加することで、振動板５は、Ｚ軸の負方向に凸となるように屈曲することになる。

次に、第２圧電素子２１ａ〜２１ｄについて説明する。図５に示すように、第２圧電素子２１（２１ａ〜２１ｄ）は、第１電極２３、第２電極２５および圧電体２７によって形成されている。第１電極２３および第２電極２５は圧電体２７の表面に形成されている。第１電極２３と第２電極２５とは、間隔を隔てて配置されている。圧電体２７は、振動板５の上に形成されている。

圧電体２７は、分極処理、または、抗電界を超えるような単極性の電圧を印加することによって、Ｘ軸方向の正方向または負方向へ分極している。圧電体２７の第１電極２３と第２電極２５との間に、単極性の電圧を分極方向と同じ方向へ印加することによって、圧電体２７がＸ軸方向に伸長する。圧電体２７がＸ軸方向に伸長によって、振動板５は、Ｚ軸の正方向に凸となるように屈曲する。第２圧電素子２１は、第２モードとしてのｄ_３３モードで駆動することになる。

図６に示すように、たとえば、圧電体２７におけるＸ軸方向の中央部が正となり、Ｘ軸方向の端部が負となるように分極している場合には、第１電極２３と第２電極２５との間に、第２電極２５に印加する電圧に対して、第１電極２３に印加する電圧が高くなるように電圧を印加することで、圧電体２７が、Ｘ軸方向に伸長する。圧電体２７のＸ軸方向の伸長によって、振動板５は、矢印に示すように、Ｚ軸の正方向に凸となるように屈曲し、振動板５は、Ｚ軸の負方向に屈曲することになる。

なお、圧電体２７の分極の向きが、図６に示す向きと逆向きに分極している場合には、第１電極２３と第２電極２５との間に、第２電極２５に印加する電圧に対して、第１電極２３に印加する電圧が低くなるように電圧を印加することで、圧電体２７が、Ｘ軸方向に伸長する。したがって、電圧の極性にかかわらず、抗電圧を超える単極性の電圧を印加することで、振動板５は、Ｚ軸の正方向に凸となるように屈曲することになる。

第２圧電素子２１における第１電極２３と第２電極２５とは、たとえば、１μｍ〜１０μｍ程度の間隔を隔てて圧電体２７の表面に配置されている。第１電極２３と第２電極２５との間に電圧を印加することで、圧電体２７のＸ軸方向の電圧印加が可能になる。図７および図８に示すように、このような第１電極２３と第２電極２５の電極構造は、典型的には、櫛場型電極構造と称される。第１電極２３は、Ｘ軸方向に延在する部分と、互いに間隔を隔てて、Ｙ軸方向に延在する部分を有する。第２電極２５は、Ｘ軸方向に延在する部分と、互いに間隔を隔てて、Ｙ軸方向に延在する部分を有する。Ｙ軸方向に延在する第１電極２３の部分とＹ軸方向に延在する第２電極２５の部分とが、Ｘ軸方向に互いに間隔を開けて交互に配置されている。

光走査装置１の構成要素とされる反射板９、弾性体７、振動板５および支持体３の主たる材料は、シリコンである。これらの構成要素は、ＳＯＩ(Silicon On Insulator）ウェハをエッチングすることによって、一体に形成されることが望ましい。ＳＯＩウェハを用いることで、構成要素のそれぞれの厚みを変えることができる。

たとえば、反射板９の厚さを厚くして，反射板９の歪みを低減する一方、振動板５の厚さを薄くすることで、振動板５の変位を大きくすることが可能になる。半導体プロセスを用いて、それぞれの構成要素を一体に形成することにより、各構成要素を接合または接着の方法を用いて、各構成要素を組み合わせる方法と比較して、アライメント精度が向上し、また、小型化、軽量化も容易になる。

反射板９の表面に形成される反射面１１は、走査される光の波長に対する反射率が高い金属膜から形成されることが望ましい。たとえば、走査される光が赤外線（ＩＲ：Infrared）である場合には、金属膜として、金（Ａｕ）膜が好適である。金膜を使用する場合には、金膜とシリコン層との密着性を向上させるために、金膜とシリコン層との間に、密着層を介在させることが望ましい。密着層を含む反射面１１の膜構造としては、たとえば、クロム（Ｃｒ）膜）／ニッケル（Ｎｉ）膜／金（Ａｕ）膜、または、チタン（Ｔｉ）膜／白金（Ｐｔ）膜／金（Ａｕ）膜のような膜構造が適している。

また、反射面１１が酸化されるおそれが非常に少ないと考えられる場合には、反射面１１をアルミニウム（Ａｌ）膜によって形成してもよい。反射面１１が酸化されるそれが少ない場合とは、たとえば、光走査装置１が、真空封止されている場合がある。また、光走査装置１に対して、窒素等の不活性ガスを充填等する措置が施されている場合等がある。

圧電体１７、２７の材料としては、圧電効果を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ：Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ_３）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、または、ニオブ酸ナトリウムカリウム（ＫＮＮ：（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ_３）等の材料を用いる。これらの材料の中では、圧電定数が大きいとされ、比較的低い電圧で大きな駆動力が得られるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が好適である。

第１圧電素子１３および第２圧電素子２１は、ＳＯＩウェハ上に形成された第１圧電素子１３または第２圧電素子２１となる各膜を、ウェットエッチング処理またはドライエッチング処理によりパターニングすることによって形成される。第１圧電素子１３または第２圧電素子２１となる各膜は、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、スパッタ法、または、ＣＳＤ（Chemical Solution Deposition）法等によって形成される。

次に、その光走査装置１の製造方法の一例について説明する。ここでは、ＳＯＩウェハに、第１圧電素子と第２圧電素子とが同時に形成される。まず、ＳＯＩウェハ３１（図９参照）を用意する。ＳＯＩウェハ３１は、初期状態では、シリコン層３３、シリコン酸化膜３５およびシリコン層３７の三層構造とされる（図９参照）。シリコン層３７の厚さは、たとえば、２〜２００μｍ程度である。シリコン層３３の厚さは、たとえば、１００〜１０００μｍ程度である。

図９に示すように、ＳＯＩウェハ３１の表面（シリコン層３７）に、シリコン酸化膜４１が形成され、ＳＯＩウェハ３１の裏面（シリコン層３３）に、シリコン酸化膜３９が形成される。シリコン酸化膜４１、３９の形成方法としては、各種あるが、膜質がよく、ＳＯＩウェハ３１の表面と裏面とに同時に形成することが可能な熱酸化法が好適である。

次に、図１０に示すように、シリコン酸化膜４１の表面に、金属膜４３が形成される。金属膜４３は、第１圧電素子の下部電極となる膜である。次に、その金属膜４３を覆うように、スパッタ法、または、ＣＳＤ法によって、圧電膜４５が形成される。圧電膜４５は、第１圧電素子および第２圧電素子の圧電体となる膜である。次に、その圧電膜４５を覆うように、金属膜４７が形成される。金属膜４７は、第１圧電素子の上部電極となる膜である。また、金属膜４７は、第２圧電素子の第１電極および第２電極となる膜である。

金属膜４３、４７としては、圧電素子に一般的に使用されるチタン（Ｔｉ）膜と白金（Ｐｔ）膜との積層膜が望ましい。電極として十分な導電性を有し、下地等との良好な密着性が確保することができる膜であれば、他の積層膜を適用してもよい。また、分極疲労を低減する効果があるとされる酸化ストロンチウム（ＳｒＯ）膜等の酸化電極膜を、金属膜４３、４７と圧電膜４５との間に介在させてもよい。

次に、図１１に示すように、金属膜４７がパターニングされる。金属膜４７は、第１圧電素子の上部電極が形成される領域と、第２圧電素子の第１電極および第２電極が形成される領域とを残すようにパターニングされる。金属膜４７のパターニングには、レジスト膜を保護膜として利用したフォトリソグラフィー技術が好適である。金属膜４７のエッチング処理には、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ：Reactive Ion Etching）、または、エッチャントを使用したウェットエッチング処理が利用される。

いずれのエッチング処理においても、金属膜４７と下地の膜とで、十分なエッチング選択比が得られる条件を設定する必要がある。たとえば、圧電膜４５としてのＰＺＴ膜の表面に形成された金属膜４７としてのチタン膜と白金膜との積層膜を、反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素（Ｃｌ_２）／アルゴン（Ａｒ）系のガスが好適である。金属膜４７のパターニング後、レジスト膜が除去される。レジスト膜の除去には、酸素（Ｏ_２）アッシング処理等が使用される。

次に、図１２に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、圧電膜４５がパターニングされる。圧電膜４５は、第１圧電素子の圧電体が形成される領域と、第２圧電素子の圧電体が形成される領域とを残すように形成される。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。

エッチング処理では、圧電膜４５と下地の膜とで、十分なエッチング選択比が得られる条件を設定する必要がある。たとえば、金属膜４３としてのチタン膜と白金膜との積層膜の表面に形成された圧電膜４５としてのＰＺＴ膜を、反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、Ｃｌ_２／ＢＣｌ_２／ＣＨ_４系のガスが好適である。圧電膜４５のパターニング後、酸素（Ｏ_２）アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。

次に、図１３に示すように、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、金属膜４３がパターニングされる。金属膜４３は、第１圧電素子の下部電極が形成される領域と、第２圧電素子が形成される領域とを残すようにパターニングされる。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。

エッチング処理では、金属膜４３と下地の膜とで、十分なエッチング選択比が得られる条件を設定する必要がある。シリコン酸化膜４１の表面に形成された金属膜４３としてのチタン膜と白金膜との積層膜を、反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素（Ｃｌ_２）／アルゴン（Ａｒ）系のガスが好適である。金属膜４３のパターニング後、酸素（Ｏ_２）アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。

次に、反射板９に反射面１１が形成され、その後、反射板９、弾性体７、振動板５および支持体３が形成される。

図１４に示すように、反射板が形成される領域に、反射面となる金属膜４９がパターニングされる。まず、ＳＯＩウェハを覆うように、たとえば、スパッタ法または真空蒸着法等によって、金属膜４９が形成される。このとき、下地の膜との密着性を図るために、クロム（Ｃｒ）膜またはニッケル（Ｎｉ）膜等の密着層を、金属膜４９と下地の膜との間に介在させてもよい。次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、金属膜４９がパターニングされる。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。金属膜４９のパターニング後、酸素（Ｏ_２）アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。

次に、フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、シリコン層３７の表面に形成されたシリコン酸化膜４１がパターニングされる。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。シリコン酸化膜４１は、次の工程において、シリコン層３７にエッチング処理が行われる領域に位置する部分が除去される。シリコン酸化膜４１を反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素（Ｃｌ_２）系のガスが好適である。

次に、図１５に示すように、シリコン酸化膜４１をパターニングするレジスト膜と、残されたシリコン酸化膜４１とをエッチングマスク（保護膜）として、シリコン層３７にエッチング処理が行われる。エッチング処理としては、高いアスペクト比をもってエッチング処理が可能なボッシュ法による深堀エッチング（ＤＲＩＥ：Deep Reactive Ion Etching）処理が望ましい。エッチング処理は、シリコン酸化膜３５が露出するまで行われる。エッチング処理の後、酸素（Ｏ_２）アッシング処理等によってレジスト膜が除去される。

次に、光走査装置の裏面側になる部分に加工が行われる。フォトリソグラフィー技術とエッチング処理とによって、シリコン層３３の表面に形成されたシリコン酸化膜３９がパターニングされる。エッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。シリコン酸化膜３９は、次の工程において、シリコン層３３にエッチング処理が行われる領域に位置する部分が除去される。シリコン酸化膜３９を反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素（Ｃｌ_２）系のガスが好適である。

次に、図１６に示すように、シリコン酸化膜３９をパターニングするレジスト膜と、残されたシリコン酸化膜３９とをエッチングマスク（保護膜）として、シリコン層３３にエッチング処理が行われる。エッチング処理としては、ボッシュ法による深堀エッチング（ＤＲＩＥ）処理が望ましい。エッチング処理は、シリコン酸化膜３５が露出するまで行われる。

引き続き、露出したシリコン酸化膜３５にエッチング処理を行うことで、シリコン酸化膜３５が除去される。シリコン酸化膜３５のエッチング処理として、反応性イオンエッチング処理またはウェットエッチング処理が利用される。シリコン酸化膜３９を反応性イオンエッチング処理によってパターニングする場合には、塩素（Ｃｌ_２）系のガスが好適である。その後、ダイシングによって、支持体となるＳＯＩウェハ３１の部分を所望のサイズに切り出すことによって、光走査装置が完成する。

次に、光走査装置の駆動方法について説明する。第１圧電素子１３と第２圧電素子２１とに対して、分極方向と同一方向に単極性の一定の周期を有する電圧が、たとえば、逆位相で印加されるか、または、位相をずらして印加される。そのような電圧の一例として、正弦波の半波のグラフを図１７に示す。グラフの横軸は位相であり、縦軸は電圧である。図１７に示すように、第１圧電素子１３に印加される電圧は実線で示されている。第２圧電素子２１に印加される電圧は、点線で示されている。すなわち、第１圧電素子１３に印加される電圧と第２圧電素子２１に印加される電圧とは、それぞれ極性が同じで、位相が１８０度ずれている。

第１圧電素子１３の圧電体１７が、たとえば、図４に示される分極状態である場合には、下部電極１５を基準電位として、上部電極１９に、正の正弦波の半波の波形を有する電圧が印加されることになる。図４に示すように、この電圧が印加されることで、第１圧電素子１３では、圧電体１７がＸ軸方向に収縮する。圧電体１７が収縮することによって、振動板５は、Ｚ軸の負方向に凸となるように屈曲し、振動板５は、支持体３に対してＺ軸の正方向に屈曲することになる。

一方、第２圧電素子２１の圧電体２７が、たとえば、図６に示される分極状態である場合には、第２電極２５を基準電位として、第１電極２３に、正の正弦波の半波の波形を有する電圧が印加されることになる。図６に示すように、この電圧が印加されることで、第２圧電素子２１では、圧電体２７がＸ軸方向に伸長する。圧電体２７が伸長することによって、振動板５は、Ｚ軸の正方向に凸となるように屈曲し、振動板５は、支持体３に対してＺ軸の負方向に屈曲することになる。

こうして、第１圧電素子１３に電圧を印加している状態では、振動板５は、支持体３からＺ軸の正方向に向かって屈曲することになる（ｄ_３１モード）。一方、第２圧電素子２１に電圧を印加している状態では、振動板５は、支持体３からＺ軸の負方向に向かって屈曲することになる（ｄ_３３モード）。第１圧電素子１３に印加する電圧と、第２圧電素子２１に印加する電圧とを、交互に印加することで、振動板５をＺ軸の正方向と負方向とに屈曲させることができる。

振動板５が屈曲した状態の一例として、振動板５ａが支持体３からＺ軸の正方向側に屈曲し、振動板５ｂが支持体３からＺ軸の負方向側に屈曲した状態を、図１８に示す。振動板５ａでは、第１圧電素子１３ａ、１３ｂがｄ_３１モードであり、第２圧電素子２１ａ、２１ｂには電圧が印加されていない状態である。振動板５ｂでは、第２圧電素子２１ｃ、２１ｄがｄ_３３モードであり、第１圧電素子１３ｃ、１３ｄには電圧が印加されていない状態である。

この場合には、振動板５ａの第２端部５ａｂが上に向き、振動板５ｂの第２端部５ｂｂが下に向くように屈曲する。振動板５ａ、５ｂに弾性体７ａ、７ｂを介在させて接続された反射板９は、振動板５ａ、５ｂの屈曲によって、支持体３（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾けられることになる。

次に、振動板５が屈曲した状態の他の例として、振動板５ａが支持体３からＺ軸の負方向側に屈曲し、振動板５ｂが支持体３からＺ軸の正方向側に屈曲した状態を、図１９に示す。図１９に示す振動板５ａ、５ｂの状態は、図１８に示す振動板５ａ、５ｂの状態から、正弦波の周期の半分の時間が経過後の状態に対応する。振動板５ａでは、第２圧電素子２１ａ、２１ｂがｄ_３３モードであり、第１圧電素子１３ａ、１３ｂには電圧が印加されていない状態である。振動板５ｂでは、第１圧電素子１３ｃ、１３ｄがｄ３１モードであり、第２圧電素子２１ｃ、２１ｄには電圧が印加されていない状態である。

この場合には、振動板５ａの第２端部５ａｂが下に向き、振動板５ｂの第２端部５ｂｂが上に向くように屈曲する。振動板５ａ、５ｂに弾性体７ａ、７ｂを介在させて接続された反射板９は、振動板５ａ、５ｂの屈曲によって、支持体３（Ｘ−Ｙ平面）に対して傾けられることになる。

図２０に示すように、第１圧電素子１３および第２圧電素子２１へ電圧を周期的（図１７参照）に印加することで、反射板９は、Ｙ軸に平行で反射板９のＸ軸方向の中央部を通る軸線Ｃ２（仮想線）を回転軸として回転することになる。反射板９の反射面１１に照射された光は、反射面１１において反射される。その反射面１１が形成された反射板９が回転運動をすることで、反射面１１の回転に伴って反射光が走査される。

上述した光走査装置１では、振動板５ａ（５ｂ）に第１圧電素子１３ａ、１３ｂ（１３ｃ、１３ｄ）と第２圧電素子２１ａ、２１ｂ（２１ｃ、２１ｄ）が配置されている。第１圧電素子１３ａ、１３ｂ（１３ｃ、１３ｄ）と第２圧電素子２１ａ、２１ｂ（２１ｃ、２１ｄ）とは、互いに逆方向に屈曲する（ｄ_３３モード、ｄ_３１モード）。その第１圧電素子１３ａ、１３ｂ（１３ｃ、１３ｄ）と第２圧電素子２１ａ、２１ｂ（２１ｃ、２１ｄ）とに対して、単極性の電圧を交互に印加することで、振動板５ａ（５ｂ）を支持体３に対して、上下双方向（Ｚ軸方向）に屈曲させて、反射板９を回転させることができる。

また、単極性の電圧を印加することで、双極性の電圧を印加させて振動板を上下双方向に屈曲させる場合と比べて、圧電体の分極疲労を低減することができ、光走査装置の長寿命化に寄与することができる。

さらに、振動板５ａ、５ｂ、弾性体７ａ、７ｂおよび反射板９は、第１圧電素子１３ａ〜１３ｄおよび第２圧電素子２１ａ〜２１ｄを含めて、軸線Ｃ１に対して、ほぼ線対称に配置されている（図２参照）。これにより、第１圧電素子１３ａ〜１３ｄおよび第２圧電素子２１ａ〜２１ｄの駆動に際して、弾性体７ａ、７ｂおよび反射板９等にねじれを生じさせることなく、反射板９を回転させることができる。

実施の形態２．
実施の形態２に係る光走査装置について説明する。

図２１および図２２に示すように、光走査装置１では、振動板５ａ、弾性体７ａ、反射板９、弾性体７ｂおよび振動板５ｂは、Ｘ軸に平行な軸線Ｃ１（仮想線）に対して、ほぼ線対称に配置されている。振動板５ａには、第１圧電素子１３ａ、１３ｂと第２圧電素子２１ａとが配置されている。第２圧電素子２１ａは、軸線Ｃ１を跨ぐ態様で軸線Ｃ１に対して線対称に配置されている。第１圧電素子１３ａと第１圧電素子１３ｂは、第２圧電素子２１ａを挟み込む態様で、軸線Ｃ１に対して線対称に配置されている。

振動板５ｂには、第１圧電素子１３ｃ、１３ｄと第２圧電素子２１ｂとが配置されている。第２圧電素子２１ｂは、軸線Ｃ１を跨ぐ態様で軸線Ｃ１に対して線対称に配置されている。第１圧電素子１３ｃと第１圧電素子１３ｄは、第２圧電素子２１ｂを挟み込む態様で、軸線Ｃ１に対して線対称に配置されている。なお、これ以外の構成については、図１および図２に示す光走査装置１と同様なので、同一部材には同一符号を付し、必要である場合を除きその説明を繰り返さないこととする。

次に、上述した光走査装置１の製造方法について説明する。上述した光走査装置１では、振動板５に配置される第１圧電素子１３および第２圧電素子２１のパターンが、前述した光走査装置１（図１および図２参照）の振動板５に配置される第１圧電素子１３および第２圧電素子２１のパターンと異なっている。このため、図１１に示す工程において、第１圧電素子１３および第２圧電素子２１のパターンを変更するだけで、前述した製造工程と実質的に同じ製造工程によって製造することができる。

次に、光走査装置の駆動方法について説明する。第１圧電素子１３ａ、１３ｂ（１３ｃ、１３ｄ）に電圧を印加している状態では、振動板５ａ（５ｂ）は、支持体３からＺ軸の正方向に向かって屈曲することになる（ｄ_３１モード）。一方、第２圧電素子２１ａ（２１ｂ）に電圧を印加している状態では、振動板５ａ（５ｂ）は、支持体３からＺ軸の負方向に向かって屈曲することになる（ｄ_３３モード）。第１圧電素子１３に印加する電圧と、第２圧電素子２１に印加する電圧とを、交互に印加することで、振動板５をＺ軸の正方向と負方向とに屈曲させることができる。

上述した光走査装置１では、振動板５の屈曲に対して反射板９等の歪を低減することができる。これについて、比較例に係る光走査装置と比べて説明する。なお、説明の便宜上、実施の形態に係る光走査装置１と同一部材については同じ参照符号を付して説明する。

図２３および図２４に示すように、比較例に係る光走査装置１では、振動板５ａに、第１圧電素子１３ａと第２圧電素子２１ａとが、軸線Ｃ１に対して非対称に配置されている。また、振動板５ｂに、第１圧電素子１３ｂと第２圧電素子２１ｂとが、軸線Ｃ１に対して非対称に配置されている。

第１圧電素子１３ａ（１３ｂ）に電圧を印加している状態では、振動板５ａ（５ｂ）は、支持体３からＺ軸の正方向に向かって屈曲することになる（ｄ_３１モード）。一方、第２圧電素子２１ａ（２１ｂ）に電圧を印加している状態では、振動板５ａ（５ｂ）は、支持体３からＺ軸の負方向に向かって屈曲することになる（ｄ_３３モード）。第１圧電素子１３に印加する電圧と、第２圧電素子２１に印加する電圧とを、交互に印加することで、振動板５は、Ｚ軸の正方向と負方向とに屈曲する。

第１圧電素子１３ａ（１３ｂ）と第２圧電素子２１ａ（２１ｂ）とが、軸線Ｃ１に対して非対称に配置されているため、振動板５では、軸線Ｃ１に対してＹ軸正方向側およびＹ軸負方向側のいずれかに位置する振動板の部分が屈曲しようとする。このため、弾性体７と反射板９にはねじれが生じることになる。反射板９にねじれが生じることで、反射面１１に歪みが生じ、所望の光走査を行うことができないことがある。

比較例に対して実施の形態２に係る光走査装置１では、振動板５ａに、第１圧電素子１３ａ、第１圧電素子１３ｂおよび第２圧電素子２１ａが、軸線Ｃ１に対して線対称に配置されている。また、振動板５ｂに、第１圧電素子１３ｃ、第１圧電素子１３ｄおよび第２圧電素子２１ｂが、軸線Ｃ１に対して線対称に配置されている。このため、振動板５ａ、５ｂの屈曲に対して、弾性体７と反射板９にねじれが生じることが抑えられて、反射面１１が歪むのを低減することができる。

なお、各実施の形態において説明した光走査装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。

今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本発明は上記で説明した範囲ではなく、特許請求の範囲によって示され、特許請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。

本発明は、振動板を備えた光走査装置に有効に利用される。

１光走査装置、３支持体、５振動板、５ａ振動板、５ａａ第１端部、５ａｂ第２端部、５ｂ振動板、５ｂａ第１端部、５ｂｂ第２端部、７弾性体、７ａ弾性体、７ｂ弾性体、９反射板、１１反射面、１３第１圧電素子、１３ａ、１３ｂ第１圧電素子、１３ｃ、１３ｄ第１圧電素子、１５下部電極、１７圧電体、１９上部電極、２１第２圧電素子、２１ａ、２１ｂ第２圧電素子、２１ｃ、２１ｄ第２圧電素子、２３第１電極、２５第２電極、２７圧電体、３１ＳＯＩウェハ、３３シリコン層、３５シリコン酸化膜、３７シリコン層、３９、４１シリコン酸化膜、４３金属膜、４５圧電膜、４７、４９金属膜、Ｃ１、Ｃ２軸線。

Claims

支持体と、
距離を隔てて位置する第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が前記支持体に支持された振動板と、
前記振動板に配置された、第１圧電素子および第２圧電素子と、
前記振動板の前記第２端部に弾性体を介在させて接続され、光を反射する反射面を有する反射板と
を備え、
前記第１圧電素子は、単極性の第１電圧を印加することで第１モードで駆動し、
前記第２圧電素子は、単極性の第２電圧を印加することで、前記第１モードとは異なる第２モードで駆動し、
前記第１モードはｄ _３１モードであり、
前記第２モードはｄ _３３モードであり、
前記第１電圧と前記第２電圧とを互いに位相をずらして印加することにより、前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とを時間をずらして駆動させることで、前記振動板が屈曲して前記反射板が傾けられる、光走査装置。
前記振動板、前記第１圧電素子、前記第２圧電素子および前記弾性体は、第１方向に延在する仮想線に対して線対称に配置された、請求項１記載の光走査装置。
前記第１圧電素子および前記第２圧電素子のそれぞれは、前記第１方向と交差する第２方向に延在し、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とは、前記第１方向に間隔を開けて配置された、請求項２記載の光走査装置。
前記第２圧電素子は、前記仮想線を跨ぐように配置され、
前記第１圧電素子は、前記第２圧電素子を挟んで、前記仮想線に対して線対称に配置された、請求項２記載の光走査装置。
前記支持体、前記振動板、前記弾性体および前記反射板は、シリコン層から形成された、請求項１記載の光走査装置。
距離を隔てて位置する第１端部と第２端部とを有し、前記第１端部が支持体に支持され、前記第２端部が弾性体を介在させて反射板に接続された振動板と、
前記振動板に配置された第１圧電素子および第２圧電素子と
を有する光走査装置の駆動方法であって、
前記第１圧電素子に単極性の第１電圧を印加することにより、前記第１圧電素子を第１モードで駆動させ、
前記第２圧電素子に単極性の第２電圧を印加することにより、前記第２圧電素子を前記第１モードとは異なる第２モードで駆動させ、
前記第１モードはｄ _３１モードであり、
前記第２モードはｄ _３３モードであり、
前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とを駆動させることで、前記振動板が屈曲して前記反射板が傾けられ、
前記第１電圧と前記第２電圧とを互いに位相をずらして印加することにより、前記第１圧電素子と前記第２圧電素子とを時間をずらして駆動させる、光走査装置の駆動方法。
前記第１電圧と前記第２電圧とは、それぞれ周期性の波形を有する、請求項６記載の光走査装置の駆動方法。