JP7053296B2 - 2D optical deflector - Google Patents

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Description

本発明は２次元光偏向器に関する。 The present invention relates to a two-dimensional optical deflector.

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。 The two-dimensional optical deflector is applied as an optical scanner to a pico projector, a head-mounted display (HMD), a head-up display (HUD), a laser radar, a bar code reader, an area sensor, a head lamp, etc. It consists of a microelectromechanical system (MEMS) structure manufactured using micromachine technology.

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。 FIG. 6 is a perspective view showing a first conventional two-dimensional optical deflector (see: FIG. 5 of Patent Document 1 and FIG. 3 of Patent Document 2). In FIG. 6, 10 is a two-dimensional light deflector, 20 is a control unit for controlling the two-dimensional light deflector 10, and 30 is a laser light source for generating a laser beam L1. L2 is the reflected light from the two-dimensional light deflector 10 of the laser light L1.

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。 In FIG. 6, the two-dimensional optical deflector 10 includes a horizontal drive system and a vertical drive system of a circular mirror 1.

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。 The horizontal drive system is provided between the movable inner frame 2 surrounding the mirror 1 and the mirror 1 and the inner frame 2, and is provided in order to drive the mirror 1 along the horizontal scanning axis (Y axis). It is composed of two semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b (inner piezoelectric actuators) supported and connected by the inner connecting portions 2a and 2b of the above. Further, the mirror 1 and the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b are connected by torsion bars 4a and 4b along the Y-axis, and the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b and the inner frame 2 are connected along the Y-axis. It is connected by the fixing portions 5a and 5b.

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。 Piezoelectric sensors 6a and 6b are provided between the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b, and the fixing portions 5a and 5b have sensor signal lines L 6a and L 6b of the piezoelectric sensors 6a and 6b as shown in FIG. 7 described later. It is for passing. The sensor signal lines L 6a and L 6b are electrically insulated from the lead zirconate titanate (PZT) layer of the meander-like piezoelectric actuators 8a and 8b described later by an insulating layer (not shown). As a result, cross-talk between the voltages V sa and V sb of the piezoelectric sensors 6a and 6b and the voltages V Y1 and V Y2 of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b can be avoided.

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。 On the other hand, the vertical drive system of the mirror 1 includes a fixed outer frame 7 that constitutes a reference plane of the splitter, and a connecting portion 7a of the outer frame 7 for driving the mirror 1 along the vertical scanning axis (X-axis). It is composed of meander-shaped (bellows-shaped) piezoelectric actuators (outer piezoelectric actuators) 8a and 8b connected between 7b and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2. Since the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b are provided symmetrically with respect to the X axis connecting the connecting portions 7a and 7b of the outer frame 7 and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2, the mirror 1 is displaced from the X axis. Can be suppressed.

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。 Sine wave voltages V ya and V yb having opposite phases of frequencies f y are applied to the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b via the electrode pads P ya and P yb . As a result, the mirror 1 swings around the Y axis. At this time, the control unit 20 has a sinusoidal voltage V ya and a frequency f y so that the sensor voltages V sa and V sb of the piezoelectric sensors 6a and 6b obtained via the electrode pads P sa and P sb are maximized. Is feedback-controlled to realize the resonance frequency fy .

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。 On the other hand, to the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b, sawtooth wave voltages V x1 and V x2 having non-resonant frequencies fx opposite to each other are applied via the electrode pads P x1a and P x2a ; P x1b and P x2b . .. Specifically, the sawtooth wave voltage V x1 is applied to the odd-th piezoelectric cantilever 8a-1, 8a-3, 8a-5; 8b-1, 8b-3, 8b-5 of the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b. On the other hand, the sawtooth wave voltage V x2 is applied to the even-order piezoelectric cantilever 8a-2, 8a-4; 8b-2, 8b-4 of the meander-shaped piezoelectric actuators 8a, 8b. Therefore, for example, the odd-numbered piezoelectric cantilever 8a-1, 8a-3, 8a-5; 8b-1, 8b-3, 8b-5 bends downward, and the even-numbered piezoelectric cantilever 8a-2, 8a-4; 8b-2 and 8b-4 bend upward. As a result, the mirror 1 swings around the X axis.

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。 In FIG. 6, in order to suppress the vibration of the inner frame 2 due to the swing of the mirror 1 around the X axis, the inner frame 2 is formed as a rectangle in the top view to increase the area and increase the mass. However, in this case, the moment of inertia around the vertical scanning axis (X-axis) of the inner frame 2 becomes large, and the deflection angle around the vertical scanning axis (X-axis) of the mirror 1 becomes small. Therefore, it has been proposed that the inner frame 2 be made thinner in the top view and the moment of inertia around the vertical scanning axis (X-axis) is made smaller as in the second conventional two-dimensional optical deflector shown in FIG. (Reference: FIG. 1 of Patent Document 3). In this case, the width W of the inner frame 2 is smaller than the width of the inner piezoelectric actuator and is uniform, for example, 100 μm.

特開２０１５－１８４５９２号公報JP-A-2015-184592A 特開２０１６－９０５０号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 2016-9050 特開２０１７－２０７６３０号公報JP-A-2017-207630

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。 However, as shown in FIG. 8A, when the deflection angle α of the mirror 1 exceeds the deflection angle β of the torsion bar 4a and enters the deflection angle region to which Δβ due to resonance is added, the torsion bar 4a has a semi-ring shape. Vibration γ of the inner frame 2 is induced via the fixing portion 5a with a phase delay for the deformation operation of the piezoelectric actuators 3a and 3b. That is, as shown in FIG. 8B, the torsional stress S1 of the mirror 1 propagates as the torsional stress S2 of the semi-ring-shaped piezoelectric actuators 3a and 3b and the torsional stress S3 of the inner frame 2.

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。 Since the width W of the inner frame 2 is small and uniform, the inner frame 2 is thin, and the inner frame resonance frequency is small, the mirror resonance frequency may involve the inner frame resonance frequency, and as a result, (A) in FIG. ), The torsional stress S3 uniformly propagates through the inner frame 2 as a shear stress. In FIG. 9A, the inner frame 2 is linearized for convenience. Therefore, as shown in FIG. 9B, the vibration propagation of the shear stress S3 of the inner frame 2 is close to a single mode, and as a result, the inner connecting portions 2a and 2b and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2 are obtained. The vibration displacement in the vicinity of is large.

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。 As shown in FIG. 10A, the large vibration displacement in the vicinity of the inner connecting portions 2a and 2b and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2 causes the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b to have vertical scanning axes (X-axis). It expands and contracts greatly in the direction. As a result, there is a problem that the vibration of the inner frame 2 due to the resonance of the mirror 1 is superimposed on the vibration of the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b, that is, crosstalk occurs and the dynamic characteristics of the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b are deteriorated. .. Further, when the resonance energy of the mirror 1 becomes large, as shown in FIG. 10B, there is a problem that the vicinity of the inner connecting portions 2a and 2b and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2 is broken.

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の軸周りに揺動するように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１の軸と直交する第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の軸周りに揺動するように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。

In order to solve the above-mentioned problems, the two-dimensional optical deflector according to the present invention is provided between the mirror, the inner frame surrounding the mirror, and the mirror and the inner frame, and swings the mirror around the first axis. An inner actuator for driving to move, a torsion bar provided along the first axis connecting the mirror and the inner actuator, and connecting the inner actuator and the inner frame along the first axis. The provided fixing portion, the outer frame surrounding the inner frame, the connecting portion along the second axis orthogonal to the first axis of the outer frame, and the outer connecting portion along the second axis of the inner frame. It is provided with an outer actuator for connecting and driving the inner frame so as to swing around the second axis, and the inner connecting portion along the second axis of the inner frame is connected to the inner actuator to drive the inner frame. Is partially provided with a lead zirconate titanate (PZT) layer in the length direction, and the inner frame resonance frequency is shifted in a high direction so as to be away from the mirror resonance frequency.

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。 According to the present invention, since the inner frame resonance frequency is kept away from the mirror resonance frequency, the involvement of the inner frame resonance frequency due to the mirror resonance frequency is reduced, and therefore the expansion and contraction of the outer actuator in the second axial direction is suppressed. can. As a result, the crosstalk between the vibration of the inner frame and the vibration of the outer actuator due to the mirror resonance becomes small, and the deterioration of the dynamic characteristics of the outer actuator can be suppressed. Further, even if the resonance energy of the mirror becomes large, it is possible to prevent breakage in the vicinity of the inner connecting portion and the outer connecting portion of the inner frame.

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。It is a partial top view which shows the embodiment of the 2D optical deflector which concerns on this invention. 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。It is a partial top view which shows the simulation result of the stress distribution of the inner frame of the 2D optical deflector of FIG. 7. 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。It is a graph for demonstrating the resonance frequency of the 2D optical deflector of FIG. 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。It is a figure for demonstrating the operation of the 2D optical deflector of FIG. 1, (A) is the top view of the inner frame, (B) is the sectional view of the inner frame. 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。It is sectional drawing for demonstrating the manufacturing method of the 2D optical deflector of FIG. 第１の従来の２次元光偏向器を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the 1st conventional 2D optical deflector. 第２の従来の２次元光偏向器を示す部分上面図である。It is a partial top view which shows the 2nd conventional 2D optical deflectors. 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。7 is a view showing a mirror, a semi-ring-shaped piezoelectric actuator, and an inner frame for explaining a problem, in which FIG. 7A is a cross-sectional view and FIG. 7B is a partial top view. 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。It is a figure which shows the inner frame of FIG. 7 for demonstrating a problem, (A) is a top view, (B) is a sectional view. 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。It is a figure which shows the 2D optical deflector of FIG. 7 for demonstrating a problem, (A) is the whole top view, (B) is a partial top view.

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。 FIG. 1 is a partial top view showing an embodiment of a two-dimensional optical deflector according to the present invention.

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。 In FIG. 1, an inner frame 2'is provided in place of the inner frame 2 of FIG. 7. On the inner frame 2', a thick, for example, 3 μm piezoelectric layer 507 (see FIG. 5) is provided partially (intermittently) in the length direction. In this case, in manufacturing, the silicon oxide layer 505 and the lower electrode layer 506 under the piezoelectric layer 507 are also included, and the upper electrode layer 508 and the interlayer silicon oxide layer 509 on the piezoelectric layer 507 are also included, but these are generally thin ( See FIG. 5). In particular, the piezoelectric layer 507 is provided at a location corresponding to the strain concentration portion C shown in FIG. 2 on the inner frame 2'. As a result, the hardness of the inner frame 2'is partially increased, so that the inner frame resonance frequency f RI shifts in a high direction as shown in FIG. 3, and therefore the inner frame resonance frequency f RI is a fixed mirror resonance frequency. f Move away from RM . As a result, it is possible to suppress a decrease in the runout angle around the vertical scanning axis (X-axis) of the mirror 1.

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。 Due to the intermittent presence of the piezoelectric layer 507, the hardness (elastic modulus) of the inner frame 2'is not uniform, so that the bandwidth of the vibration wave is expanded and the displacement of the vibration is dissipated. ), The torsional stress S3 gradually expands and propagates the inner frame 2'as a shear stress. In FIG. 4A, the inner frame 2'is linearized for convenience. Therefore, as shown in FIG. 4B, the vibration propagation of the shear stress S3 of the inner frame 2 becomes a multimode, and as a result, the inner connecting portions 2a and 2b and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2' Vibration displacements in the vicinity cancel each other out and become smaller. Further, the vibration node of the inner frame 2'can be shifted by the partial arrangement on the strain concentration portion C of the piezoelectric layer, and the increase of the vibration displacement due to the inner frame resonance can be suppressed.

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。 Since the vibration displacement in the vicinity of the inner connecting portions 2a and 2b and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2'can be reduced, expansion and contraction of the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b in the vertical scanning axis (X-axis) direction can be suppressed. As a result, the crosstalk between the vibration of the inner frame 2'due to the resonance of the mirror 1 and the vibration of the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b is reduced, and deterioration of the dynamic characteristics of the meander-shaped piezoelectric actuators 8a and 8b can be suppressed. Further, even if the resonance energy of the mirror 1 becomes large, it is possible to prevent breakage in the vicinity of the inner connecting portions 2a and 2b and the outer connecting portions 2c and 2d of the inner frame 2'.

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。 The manufacturing method of the optical deflector 10 of FIG. 1 will be described with reference to FIG.

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。 First, SOI (Silicon-) consisting of a single crystal silicon support layer (also referred to as a handle layer) 501, a silicon oxide intermediate layer (also referred to as an embedded layer or a box layer) 502 and a single crystal silicon active layer (also referred to as a device layer) 503. On-Insulator) Prepare the structure. Next, the single crystal silicon support layer 501 and the single crystal silicon active layer 503 are thermally oxidized to form the silicon oxide layer 504 and the silicon oxide layer 505.

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。 Next, on the silicon oxide layer 505, the inner frame 2', the piezoelectric cantilever 8a-1, 8a-2, 8a-3, 8a-4, 8a-5; 8b-1, 8b-2, 8b-3, 8b -4, 8b-5 are formed. That is, a Ti / Pt lower electrode layer 506 composed of Ti of about 50 nm by the sputtering method and Pt of about 150 nm above it, and lead zirconate titanate (PZT) of about 3 μm by the arc discharge reactive ion plating (ADRIP) method. A piezoelectric layer 507 made of the material and a Ti upper electrode layer 508 having a diameter of about 150 nm are formed by a sputtering method. That is, the inner frame 2'includes the piezoelectric layer 507.

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。 Next, the upper electrode layer 508 and the piezoelectric layer 507 are patterned by photolithography and etching methods, and then the lower electrode layer 506 and the silicon oxide layer 505 are patterned by photolithography and etching methods. At this time, the piezoelectric layer 507 is partially formed on the inner frame 2'. However, the formation of the piezoelectric layer 507 does not increase the manufacturing process as long as the steps of formation and etching are carried out at the same time as the formation of the piezoelectric layer to be formed on the piezoelectric cantilever.

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。 Next, an interlayer silicon oxide layer 509 having a diameter of about 500 nm is formed by a plasma chemical vapor phase precipitation (PCVD) method. Next, the even-numbered piezoelectric cantilever 8a-2, 8a-4; 8b-2, 8b-4 region of the interlayer silicon oxide layer 509 was removed by photolithography and dry etching, and the region was about 500 nm by the PCVD method. An interlayer silicon nitride layer (not shown) is formed.

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。 Next, a contact hole is opened in the interlayer silicon oxide layer 509 by a photolithography and a dry etching method. This contact hole includes inner piezoelectric actuators 3a and 3b, piezoelectric sensors 6a and 6b, piezoelectric cantilever 8a-1, 8a-3, 8a-5; 8b-1, 8b-3, 8b-5 and electrode pads P (P x1a , ...) is equivalent. No contact hole is opened on the inner frame 2'.

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。 Next, a wiring layer 510 made of AlCu (1% Cu) is formed by photolithography, sputtering and a soft-off method. The wiring layer 510 includes inner piezoelectric actuators 3a and 3b, piezoelectric sensors 6a and 6b, and piezoelectric cantilever levers 8a-1, 8a-3, 8a-5; 8b-1, 8b-3, 8b-5 upper electrode layers 508 and these. Electrically connect between the electrode pads P (P x1a , ...).

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。 Similarly, a contact hole is opened in the interlayer nitrided silicon layer to form a wiring layer, and the piezoelectric cantilever 8a-2, 8a-4; 8b-2, 8b-4 and the electrode pad are electrically connected. ..

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。 Next, the silicon oxide layer 504 is etched by a photolithography and dry etching method to leave the silicon oxide layer 504 only in the regions of the inner frame 2', the outer frame 7 and the reinforcing rib 1a of the mirror 1.

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。 Next, the single crystal silicon support layer 501 is etched by a dry etching method using the silicon oxide layer 504 as an etching mask. Next, the silicon oxide layer 502 is etched by a wet etching method using the single crystal silicon support layer 501 as an etching mask.

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。 Finally, the Al reflective layer 511 is formed on the single crystal silicon active layer 503 by the vapor deposition method, and the Al reflective layer 511 is patterned by the photolithography and the etching method, whereby the two-dimensional optical deflector 10 is completed. In this case, the inner connecting portions 2a and 2b, the outer connecting portions 2c and 2d, the torsion bars 4a and 4b, the fixing portions 5a and 5b, and the connecting portions 7a and 7b are made of a single crystal silicon active layer 503.

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。 It should be noted that the present invention may be applied to any modification of the obvious scope of the embodiments described above.

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
10: Two-dimensional optical deflector 20: Control unit 30: Laser light source 1: Mirror 1a: Reinforcing rib 2, 2': Inner frame 2a, 2b: Inner connecting portion 2c, 2d: Outer connecting portion 3a, 3b: Semi-ring shape Piezoelectric actuator (inner piezoelectric actuator)
4a, 4b: torsion bar 5a, 5b: fixed part 6a, 6b: piezoelectric sensor 7: outer frame 7a, 7b: connecting part 8a, 8b: meander-shaped piezoelectric actuator (outer piezoelectric actuator)
507: Piezoelectric layer P x1a , P x2a , P x1b , P x2b , P sa , P sb : Electrode pad C: Strain concentration portion

Claims (5)

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の軸周りに揺動するように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前記第１の軸と直交する第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の軸周りに揺動するように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。 With a mirror
The inner frame surrounding the mirror and
An inner actuator provided between the mirror and the inner frame for driving the mirror so as to swing around a first axis,
A torsion bar provided along the first axis by connecting the mirror and the inner actuator, and
A fixing portion provided along the first axis by connecting the inner actuator and the inner frame, and
The outer frame that surrounds the inner frame and
The inner frame is formed by connecting the connecting portion along the second axis orthogonal to the first axis of the outer frame and the outer connecting portion along the second axis of the inner frame to form the inner frame. Equipped with an outer actuator for driving to swing around the axis,
The inner connecting portion of the inner frame along the second axis is connected to the inner actuator.
The inner frame is a two-dimensional optical deflector having a piezoelectric layer partially provided in the length direction and shifting the inner frame resonance frequency in a high direction to keep it away from the mirror resonance frequency. 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。 The two-dimensional optical deflector according to claim 1, wherein the piezoelectric layer is a lead zirconate titanate (PZT) layer provided in a strain concentration portion of the inner frame. さらに、前記インナ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。 Further, a piezoelectric sensor provided in the vicinity of the fixed portion of the inner actuator is provided.
The two-dimensional optical deflector according to claim 1 or 2, wherein the signal line of the piezoelectric sensor is provided on the fixed portion. 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。 The torsion bar comprises a first torsion bar extending in one direction along the first axis about the mirror, and a second torsion bar extending in the direction opposite to the one direction.
The inner actuator comprises two semi-ringed piezoelectric actuators surrounding the mirror connected to the first torsion bar and the second torsion bar.
The two-dimensional optical deflector according to any one of claims 1 to 3, wherein the width of the inner frame is smaller than the width of the semi-ring-shaped piezoelectric actuator. 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。 The two-dimensional optical deflector according to any one of claims 1 to 4, wherein the outer actuator includes a meander-shaped piezoelectric actuator.
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