光走査素子及びその製造方法
【課題】 金属基板に形成した圧電膜の特性を向上させることが可能で、かつ、ミラーの反射性能を低下させない光走査素子及びその製造方法を提供すること。
【解決方法】 金属基板に形成された、ミラー２と、ミラー２を保持するヒンジ部１と、ヒンジ部１を保持する金属フレーム３と、ヒンジ部１に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、振動部はヒンジ部１から離れた金属フレーム３上に形成された圧電膜１０と上部電極４とからなり、圧電膜１０が金属基板に形成された窪み５の中に形成されている。圧電膜を形成した後、熱処理を施し、その後、圧電膜が形成された側の面に鏡面研磨が施されている。
【解決方法】 金属基板に形成された、ミラー２と、ミラー２を保持するヒンジ部１と、ヒンジ部１を保持する金属フレーム３と、ヒンジ部１に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、振動部はヒンジ部１から離れた金属フレーム３上に形成された圧電膜１０と上部電極４とからなり、圧電膜１０が金属基板に形成された窪み５の中に形成されている。圧電膜を形成した後、熱処理を施し、その後、圧電膜が形成された側の面に鏡面研磨が施されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に設けた圧電膜を振動源として、ミラーを保持するヒンジ部を捩り振動させることによりミラー面の角度を変化させて光を走査する光走査素子及びその製造方法に関し、特に金属基板を用いた光走査素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザー光等の光ビームを走査する光走査装置（光スキャナー）は、バーコードリーダー、レーザープリンタ、レーザーディスプレイやプロジェクタ等の光学機器、あるいは赤外線カメラ等の入力デバイスの光取り入れ装置として用いられている。この種の光スキャナーとして、非特許文献１などに示されるように、シリコンのマイクロマシニング技術を用いて作製されたヒンジ部に支持された微小ミラーを、ミラーの近傍に設けた駆動手段による静電力や電磁力、またはヒンジ部の近傍に設けた圧電膜による振動により揺動させる構成の光走査素子を用いたものが開発されている。一般に、光走査素子のミラーはヒンジ部により支持されており、ヒンジ部の捩り振動を利用してミラーを揺動させる構造である。このため、ヒンジ部をシリコン単結晶のような脆性材料で作製した場合、捩り振動の振幅を大きくするとヒンジ部が破壊しやすいという課題がある。そこで、上記の光走査素子の場合、捩り振動によるミラーの光学走査角は±７°〜±１２°、一般には、±２０°程度で使用されている。
【０００３】
一方、ミラーとヒンジ部を駆動する圧電膜をヒンジ部から離れた基板上に配置し、圧電膜により発生させた基板の板波を利用してヒンジ部を捩り振動させる光走査素子が特許文献１および２に記載されている。図７はその従来の光走査素子の原理と構成の一例を示す斜視図である。ステンレス基板６により、金属フレーム２０と、ヒンジ部２１と、ヒンジ部２１によって支持されたミラー２２とが形成されており、ヒンジ部２１から離れた金属フレーム２０上に形成された圧電膜１０の上下面に電圧を印加することにより圧電膜を振動させ、その振動が板波として金属フレーム２０を伝播し、ヒンジ部２１で支持されたミラー２２を揺動させることができる。この時、金属フレーム２０の構造から決まる振動とヒンジ部２１に支持されたミラー２２の捩り振動が共振によりその振幅が最大になるような振動モードを選択し、その共振周波数の近傍で駆動させることによりミラー２２の揺動角を大きくし、大きな光学走査角での走査が可能な構成となっている。
【０００４】
特許文献１および２に記載の技術を用い、金属基板によりヒンジ部とミラー及びフレームを構成し、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により圧電膜を形成して構成された光走査素子が非特許文献２に示されている。金属は脆性材料ではないため大きな走査角でも破壊しにくく、非特許文献２の光走査素子では±８０°の光学走査角が可能であることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９３１１６号公報
【特許文献２】特開２０１０−４４２３４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】黒田和夫／山本和久編「レーザーディスプレー」オプトロニクス社、平成２２年２月１８日、ｐ２６１−２６４
【非特許文献２】「プロジェクションディスプレーなどの心臓部である光走査素子を新たに開発」、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２２年２月９日、産業技術総合研究所プレリリース、［平成２２年８月１８日検索］、インターネット＜http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2010/pr20100209/pr20100209.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、金属基板上に化学溶液法やＡＤ法などの方法で圧電膜を形成して構成された光走査素子では、圧電膜の結晶化や結晶性を向上させるために形成後の熱処理が必要になる。通常、この熱処理は大気中で行う必要があり、このため金属基板の表面が酸化され、ミラーの表面も酸化されてしまう。そこでミラーの表面粗さが大きくなり乱反射しやすくなるため、光スキャナーの輝度やスポットの解像度が低下してしまうという課題がある。
【０００８】
特に、ＡＤ法で形成した圧電膜の特性向上には８００〜１０００℃程度の高温での熱処理が有効であるが、上記理由から、高温での熱処理により圧電膜の特性は向上するもののミラーの反射性能を劣化させてしまうという課題があった。
【０００９】
そこで本発明の課題は、金属基板に形成した圧電膜の特性を向上させることが可能で、かつ、ミラーの反射性能を低下させない光走査素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明による光走査素子は、金属基板に形成された、ミラーと、前記ミラーを保持するヒンジ部と、前記ヒンジ部に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、前記振動部は前記金属基板上に形成された圧電膜と電極とからなる光走査素子において、前記圧電膜は前記金属基板に形成された窪みの中に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による光走査素子の製造方法は、前記金属基板の一部にハーフエッチング加工により前記窪みを形成する工程と、前記窪みの中、又は前記金属基板上の全面に前記圧電膜をエアロゾルデポジション法により形成する工程と、その後、熱処理を施す工程と、さらに、前記金属基板の前記圧電膜が形成された側の面を鏡面研磨する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
上記のように、本発明の光走査素子の製造方法では、金属基板上の圧電膜を形成する場所にハーフエッチング加工などにより窪み部を形成しておく。窪み部の形成方法はハーフエッチング以外の方法としてエッチングなどで貫通孔を形成した金属箔を金属板に拡散接合や、ロウ付けなどで接合する方法により形成しても構わない。その窪みの部分に圧電膜を形成し、熱処理を行う。窪みに圧電膜を形成するため、圧電膜の形成にはＡＤ法を用いるのが望ましい。その後、金属基板全体に鏡面研磨を施した後、ミラー部分、ヒンジ部、フレームなどの光走査素子としての構造をプレス加工やエッチング加工などにより形成する。さらに圧電膜上に電圧印加用の上部電極を形成し、ミラー部には反射膜としてアルミニウム（Ａｌ）を蒸着することで光走査素子を作製する。上部電極や反射膜の形成は外形加工前に行っても構わない。この構成は、金属基板を圧電膜を駆動するための下部電極として使用することが可能な構造であり、６００℃程度の温度での熱処理まで有効である。６００℃よりも高い温度で熱処理すると金属基板、特にステンレス基板では圧電膜の成分とステンレスの成分が拡散反応し圧電膜の特性が低下してしまう。
【００１３】
そのため、６００℃よりも高温で熱処理する場合は、金属基板としてＡｌを含有する金属を使用することが望ましい。具体的には鉄、クロム（Ｃｒ）を主成分とし、Ａｌを３〜８％程度含有しているステンレスを基板として用いる。この場合、上記と同様に圧電膜を形成する箇所にハーフエッチング加工などにより窪みを形成する。次にその基板を大気中にて熱処理を行い基板表面に酸化アルミニウムの皮膜を形成する。この酸化アルミニウム層が熱処理による圧電膜とステンレス基板との間の成分の拡散を防止する。また、窒化処理により窒化アルミニウム層を形成しても同様の効果を得ることができる。その窪みに形成された酸化または窒化皮膜上に下部電極層を形成し、下部電極層上の一部に圧電膜を形成し熱処理を行う。熱処理温度は６００℃以上であってもよく、１１００℃以下が望ましい。その後、基板全体に鏡面研磨を施し、光走査素子としての構造をプレス加工やエッチング加工などにより形成する。上部電極、ミラーの反射膜の形成も上記と同様である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、金属基板上に形成した圧電膜の熱処理による特性改善のための熱処理温度を広い範囲で選択することが可能になり、かつミラー面の表面粗さを劣化させることがないため高性能な光走査素子を提供することができる。また、基板表面に鏡面研磨を施すことにより金属基板と圧電膜の表面の高さが揃った構造とすることにより段差のない電極配線の形成が可能になり、信頼性を向上させることができるという効果も有する。さらに、従来の製造方法のように、ミラー部分、ヒンジ部、フレームなどの光走査素子としての構造を形成した後に熱処理を施すと、基板に反りや撓みが発生し、ヒンジ部の変形などが発生しやすいが、本発明によれば、光走査素子としての構造を形成する加工をほぼ最終工程で行うことができるため、上記の問題の発生を防ぐことができる。
【００１５】
以上のように、本発明によれば、金属基板に形成した圧電膜の特性を向上させることが可能で、かつ、ミラーの反射性能を低下させない光走査素子及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による光走査素子の第１の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面図。
【図２】本発明による光走査素子の製造方法の第１の実施の形態を説明するための製造工程図。図２（ａ）は、ステンレス基板を示す図。図２（ｂ）は、ハーフエッチング加工した状態を示す図。図２（ｃ）は、圧電膜を形成した状態を示す図。図２（ｄ）は、熱処理を施した状態を示す図。図２（ｅ）は、鏡面研磨した状態を示す図。図２（ｆ）は、外形エッチング形成した状態を示す図。図２（ｇ）は、上部電極を形成した状態を示す図。
【図３】本発明による光走査素子の第２の実施の形態を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）はＢ−Ｂ断面図。
【図４】本発明による光走査素子の製造方法の第２の実施の形態を説明するための製造工程図。図４（ａ）は、ステンレス基板を示す図。図４（ｂ）は、ハーフエッチング加工した状態を示す図。図４（ｃ）は、熱処理を施した状態を示す図。図４（ｄ）は、下部電極を形成した状態を示す図。図４（ｅ）は、圧電膜を形成した状態を示す図。図４（ｆ）は、熱処理を施した状態を示す図。図４（ｇ）は、鏡面研磨した状態を示す図。図４（ｈ）は、外形エッチング形成した状態を示す図。図４（ｉ）は、上部電極を形成した状態を示す図。
【図５】基本的な光走査素子の外形形状を示す平面図。
【図６】実施例の窪みの位置および形状を示す平面図。
【図７】従来の光走査素子の原理と構成の一例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明による光走査素子の第１の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１において、本実施の形態による光走査素子は従来の光走査素子と同様に、金属基板に形成された、ミラー２と、ミラー２を保持するヒンジ部１と、ヒンジ部１を保持する金属フレーム３と、ヒンジ部１に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、振動部はヒンジ部１から離れた金属フレーム３上に形成された圧電膜１０と上部電極４とからなる。但し、本実施の形態の光走査素子においては、圧電膜１０が金属基板に形成された窪み５の中に形成されていることが従来とは異なっている。
【００１８】
図２は本発明による光走査素子の製造方法の第１の実施の形態を説明するための製造工程図である。図２（ａ）は、ステンレス基板を示す図、図２（ｂ）は、ハーフエッチング加工した状態を示す図、図２（ｃ）は、圧電膜を形成した状態を示す図、図２（ｄ）は、熱処理を施した状態を示す図、図２（ｅ）は、鏡面研磨した状態を示す図、図２（ｆ）は、外形エッチング形成した状態を示す図、図２（ｇ）は、上部電極を形成した状態を示す図である。それぞれの工程図において、上方の図が平面図、下方の図が断面図である。本実施の形態の製造方法は、図２に示すように、ステンレス基板６の一部にハーフエッチング加工により窪み５を形成する工程と、窪み５の中に圧電膜１０をＡＤ法により形成する工程と、その後、熱処理を施す工程と、その後、ステンレス基板６の圧電膜１０が形成された側の面を鏡面研磨する工程とを有している。さらに、エッチング加工により、ミラー２等が所定の寸法になるように素子の形状を得る工程と、次に、圧電膜１０上に上部電極４をスパッタ法等で形成する工程を有している。
【００１９】
図２に基づき、本実施の形態の工程の手順を説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、厚さが数十〜数百μｍのステンレス基板６を準備し、次に、図２（ｂ）に示すように、振動部となる部分を含む領域に数ｍｍ×数〜十数ｍｍの外形で深さ数〜百数十μｍの窪み５をハーフエッチング加工により形成する。次に、図２（ｃ）、図２（ｄ）に示すように、この窪み５にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系やチタン酸バリウム（ＢＴ）系などの圧電セラミック材料からなる圧電膜１０をＡＤ法によって数〜数十μｍの厚さで形成する。この場合、窪みの形状や深さ、圧電膜の厚さなどは、完成後の基板およびヒンジ部の振動が共振状態となるような周波数の板波の振動を励振できるような値に設計することが望ましい。この圧電膜１０を形成後、大気中で５００〜６００℃の温度で熱処理を行う。その後、図２（ｄ）に示すように、ステンレス基板６全体に鏡面研磨を施した後、図２（ｆ）に示すように、エッチング加工によりヒンジ部１、ミラー２、金属フレーム３などが所定の寸法となるように加工を施し、光走査素子の形状を得る。その後、図２（ｇ）に示すように、圧電膜１０上に上部電極４として金属膜をスパッタ法などで形成し、フォトリソグラフィなどの手段により振動部となる部分、電極引出し部分などのパターンを作製する。ミラーには反射膜としてＡｌ膜などを蒸着する。最後に１００〜２００℃程度の温度でステンレス基板６を下部電極として上部電極４との間に数十Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い完成する。
【００２０】
図３は本発明による光走査素子の第２の実施の形態を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図３において、本実施の形態による光走査素子は第１の実施の形態の光走査素子と同様に、金属基板に形成された、ミラー１２と、ミラー１２を保持するヒンジ部１１と、ヒンジ部１１を保持する金属フレーム１３と、ヒンジ部１１に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、振動部はヒンジ部１１から離れた金属フレーム１３上に形成された圧電膜１０と上部電極１４とからなる。本実施の形態の光走査素子においても、第１の実施の形態の光走査素子と同様に、圧電膜１０が金属基板に形成された窪み１５の中に形成されている。
【００２１】
但し、本実施の形態の光走査素子においては、金属基板として鉄（Ｆｅ）、Ｃｒを主成分とし、Ａｌを３〜８％程度含有しているステンレス基板などを用い、窪み１５を形成した後に、その基板を大気中にて熱処理を行うことにより基板表面に酸化アルミニウム皮膜１７が形成されている。この皮膜は窒化処理により形成された窒化アルミニウム皮膜であってもよい。この酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムの皮膜が高温での熱処理による圧電膜１０と基板との間の成分の拡散を防止する。これにより、圧電膜１０の熱処理温度を６００℃以上とすることができ、圧電膜の特性をより向上させることができる。窪み１５に形成された酸化アルミニウム皮膜１７上には下部電極１８が形成されている。圧電膜の熱処理後、基板全体に鏡面研磨が施されている。
【００２２】
図４は本発明による光走査素子の製造方法の第２の実施の形態を説明するための製造工程図である。図４（ａ）は、ステンレス基板を示す図、図４（ｂ）は、ハーフエッチング加工した状態を示す図、４（ｃ）は、熱処理を施した状態を示す図、４（ｄ）は、下部電極を形成した状態を示す図、４（ｅ）は、圧電膜を形成した状態を示す図、４（ｆ）は、熱処理を施した状態を示す図、４（ｇ）は、鏡面研磨した状態を示す図、４（ｈ）は、外形エッチング形成した状態を示す図、４（ｉ）は、上部電極を形成した状態を示す図である。それぞれの工程図において、上方の図が平面図、下方の図が断面図である。本実施の形態の製造方法は、図４に示すように、ステンレス基板６の一部にハーフエッチング加工により窪み１５を形成する工程と、窪み１５の中に圧電膜１０をＡＤ法により形成する工程と、その後、熱処理を施す工程と、その後、ステンレス基板６の圧電膜１０が形成された側の面を鏡面研磨する工程とを有している。さらに、エッチング加工により、ミラー等が所定の寸法になるように素子の形状を得る工程と、次に、圧電膜１０上に上部電極４をスパッタ法等で形成する工程を有している。
【００２３】
図４に基づき、本実施の形態の工程の手順を説明する。先ず、図４（ａ）に示すように、百μｍのステンレス基板６を準備し、次に、図４（ｂ）示すように、振動部となる部分を含む領域に数ｍｍ×数〜十数ｍｍの外形で深さ数〜百数十μｍの窪み１５をハーフエッチング加工により形成する。次に図４（ｃ）示すように、この窪み１５を形成したステンレス基板を大気中８００〜１２００℃で熱処理を行う。この熱処理によりステンレス基板の表面全体のＡｌが酸化され酸化アルミニウム皮膜１７が形成される。次に、図４（ｄ）に示すように、窪み１５の酸化アルミニウム皮膜１７上に下部電極として白金（Ｐｔ）などの金属膜をスパッタ法などで形成する。次に、図４（ｅ）、図４（ｆ）示すように、この窪み１５の下部電極１８の引出し部分以外の部分に圧電膜１０をＡＤ法によって数〜数十μｍの厚さで形成する。この圧電膜１０を形成後、大気中で６００〜１１００℃の温度で熱処理を行う。その後、図４（ｇ）に示すように、ステンレス基板６全体に鏡面研磨を施した後、図４（ｈ）に示すように、エッチング加工によりヒンジ部１１、ミラー１２、金属フレーム１３などが所定の寸法となるように加工を施し、光走査素子の形状を得る。その後、図４（ｉ）に示すように、圧電膜１０上に上部電極１４として金属膜をスパッタ法などで形成し、フォトリソグラフィなどの手段により振動部となる部分、電極引出し部分などのパターンを作製する。ミラーには反射膜としてＡｌ膜などを蒸着する。最後に１００〜２００℃程度の温度で下部電極１８と上部電極１４との間に数十Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い完成する。
【００２４】
次に、本発明の効果を確認するため、上記の第１の実施の形態および第２の実施の形態の光走査素子の実施例、および従来の構造の光走査素子の比較例を作製し、評価を行った結果について説明する。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
第１の実施の形態の光走査素子の実施例を説明する。図２に示した第１の実施の形態の製造方法で作製した。金属基板の素材として厚さが５０μｍで、材料組成がＦｅを主成分としＡｌ５％、Ｃｒ２０％の比率のステンレス鋼を用いた。図５は基本的な光走査素子の外形形状を示す平面図である。図６は本実施例の窪みの位置および形状を示す平面図である。図５、図６における各部寸法は、ａ＝４．０ｍｍ、ｂ＝３．０ｍｍ、ｃ＝４．５ｍｍ、ｄ＝２．０ｍｍ、ｅ＝０．５ｍｍ、ｆ＝０．５ｍｍ、ｇ＝０．３ｍｍ、ｈ＝１．０ｍｍである。ステンレス基板に図６に示すような２．５ｍｍ×５．０ｍｍの外形で深さ約１０μｍの窪み５をエッチング加工により形成した。この窪み５にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミック材料をＡＤ法によって厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜形成後、大気中６００℃で熱処理を行った。その後基板全体に鏡面研磨を施し、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部１とミラー２、金属フレーム３を作製した。その後、圧電膜上に上部電極として金（Ａｕ）膜をスパッタ法で形成した。基板と上部電極との間に１５０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い完成した。
【００２６】
（実施例２）
第２の実施の形態の光走査素子の実施例を説明する。図４に示した第２の実施の形態の製造工程で作製した。金属基板の素材としては、実施例１と同じ厚さおよび組成のステンレス鋼を用いた。基本的な光走査素子の外形形状も実施例１と同じ図５の形状であり、窪みの形状および位置も実施例１と同様に図６に示す形状である。次にこの窪みを形成したステンレス基板を大気中１０００℃で熱処理を行った。この熱処理によりステンレス基板の表面のＡｌが酸化され酸化皮膜が形成された。窪みの皮膜上に図４の製造工程に示したように下部電極としてＰｔをスパッタ法で形成した。その下部電極上にＰＺＴ系圧電材料をＡＤ法により厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜形成後、大気中８５０℃で熱処理を行った。その後基板全体に鏡面研磨を施し、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。圧電膜の下部電極と上部電極との間に１５０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、実施例２の光走査素子が完成した。
【００２７】
（実施例３）
本実施例の基本的な構造は実施例２と同じである。但し圧電膜の材料が実施例２とは異なっている。金属基板の素材としては、実施例２と同じ厚さおよび組成のステンレス鋼を用いた。基本的な光走査素子の外形形状も実施例２と同じ図５の形状であり、窪みの形状および位置も実施例２と同様に図６に示す形状である。次にこの窪みを形成したステンレス基板を実施例２と同様に大気中１０００℃で熱処理を行い、この熱処理によりステンレス基板の表面のＡｌが酸化され酸化皮膜が形成された。窪みの酸化皮膜上に下部電極としてＰｔをスパッタ法で形成した。本実施例においては、その下部電極上にチタン酸バリウム（ＢＴ）系圧電セラミック材料をＡＤ法により厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜形成後、大気中１０００℃で熱処理を行った。その後基板全体に鏡面研磨を施し、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。圧電膜の下部電極と上部電極との間に１８０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、実施例３の光学走査素子が完成した。
【００２８】
（比較例１）
比較例１の光走査素子の金属基板の素材、ヒンジ部、ミラー、金属フレームの外形形状、および圧電膜の材料は実施例１と同じである。但し、本比較例においては、窪みは形成されていない。また、ステンレス基板全体に鏡面研磨を施した後、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミック材料をＡＤ法によって厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜形成後、大気中６００℃で熱処理を行った。その後、実施例１と同様に圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。ステンレス基板を下部電極として上部電極との間に１５０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、比較例１の光走査素子を完成させた。
【００２９】
（比較例２）
比較例２の光走査素子の金属基板の素材、ヒンジ部、ミラー、金属フレームの外形形状、および圧電膜の材料は実施例２と同じである。但し、本比較例においては、窪みは形成されていない。また、ステンレス基板全体に鏡面研磨を施した後、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、これを大気中１０００℃で熱処理を行った。この熱処理によりステンレス基板の表面のＡｌが酸化され酸化皮膜が形成された。この酸化皮膜上に下部電極としてＰｔをスパッタ法で形成し、その下部電極上にＰＺＴ系圧電材料をＡＤ法により厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜を形成後、大気中８５０℃で熱処理を行った。その後、圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。下部電極と上部電極との間に１５０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、比較例２の光走査素子を完成させた。
【００３０】
（比較例３）
比較例３の光走査素子の金属基板の素材、ヒンジ部、ミラー、金属フレームの外形形状、および圧電膜の材料は実施例３と同じである。但し、本比較例においては、窪みは形成されていない。また、ステンレス基板全体に鏡面研磨を施した後、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、これを大気中１０００℃で熱処理を行った。この熱処理によりステンレス基板の表面のＡｌが酸化され酸化皮膜が形成された。この酸化皮膜上に下部電極としてＰｔをスパッタ法で形成し、その下部電極上にＢＴ系圧電材料をＡＤ法により厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜を形成後、大気中１０００℃で熱処理を行った。その後、圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。下部電極と上部電極との間に８０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、比較例３の光走査素子を完成させた。
【００３１】
上記の実施例および比較例の光走査素子の特性評価を行った。評価は圧電膜に電圧を正弦波で０−４０Ｖ印加し、ミラーに照射したレーザー光の反射スポットの走査角とスポットのぼやけ具合により光走査素子の良否を判定した。この結果、比較例１では光走査素子としての動作は確認されたが反射スポットに多少ぼやけが確認された。比較例２、３では、圧電膜形成後の熱処理によりヒンジ部に撓みや変形が確認され、光走査素子としての動作が確認されない結果となった。またミラー面の表面粗さも大きくなっており光走査素子として適用が困難な状態になっていることが確認された。一方、実施例１、２、３ではいずれの素子でも光走査素子として適用可能な動作が確認された。
【００３２】
以上のように、本発明により、圧電膜の特性を向上させ、かつ、ミラーの反射性能を低下させない光走査素子が得られることを確認できた。
【００３３】
なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、ミラーやヒンジ部、金属フレームの形状、大きさ、圧電膜からなる振動部分の位置や形状、大きさ、金属基板の形状、大きさ、厚さなど、公知の光走査素子と同様に、目的とする光走査角、光スポット形状、走査速度などに応じて最適な構成とするよう設計でき、それに合わせて窪みの形状、深さ、圧電膜の厚さなどを最適に設計できる。また、本発明の製造方法においては、圧電膜は窪みの中だけでなく、金属基板の表面全体に形成して、後の鏡面研磨の時に窪み以外の部分の圧電膜を除去しても良い。
【符号の説明】
【００３４】
１、１１、２１ ヒンジ部
２、１２、２２ ミラー
３、１３、２０ 金属フレーム
４、１４ 上部電極
５、１５ 窪み
６ ステンレス基板
１０ 圧電膜
１７ 酸化アルミニウム皮膜
１８ 下部電極
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板上に設けた圧電膜を振動源として、ミラーを保持するヒンジ部を捩り振動させることによりミラー面の角度を変化させて光を走査する光走査素子及びその製造方法に関し、特に金属基板を用いた光走査素子及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、レーザー光等の光ビームを走査する光走査装置（光スキャナー）は、バーコードリーダー、レーザープリンタ、レーザーディスプレイやプロジェクタ等の光学機器、あるいは赤外線カメラ等の入力デバイスの光取り入れ装置として用いられている。この種の光スキャナーとして、非特許文献１などに示されるように、シリコンのマイクロマシニング技術を用いて作製されたヒンジ部に支持された微小ミラーを、ミラーの近傍に設けた駆動手段による静電力や電磁力、またはヒンジ部の近傍に設けた圧電膜による振動により揺動させる構成の光走査素子を用いたものが開発されている。一般に、光走査素子のミラーはヒンジ部により支持されており、ヒンジ部の捩り振動を利用してミラーを揺動させる構造である。このため、ヒンジ部をシリコン単結晶のような脆性材料で作製した場合、捩り振動の振幅を大きくするとヒンジ部が破壊しやすいという課題がある。そこで、上記の光走査素子の場合、捩り振動によるミラーの光学走査角は±７°〜±１２°、一般には、±２０°程度で使用されている。
【０００３】
一方、ミラーとヒンジ部を駆動する圧電膜をヒンジ部から離れた基板上に配置し、圧電膜により発生させた基板の板波を利用してヒンジ部を捩り振動させる光走査素子が特許文献１および２に記載されている。図７はその従来の光走査素子の原理と構成の一例を示す斜視図である。ステンレス基板６により、金属フレーム２０と、ヒンジ部２１と、ヒンジ部２１によって支持されたミラー２２とが形成されており、ヒンジ部２１から離れた金属フレーム２０上に形成された圧電膜１０の上下面に電圧を印加することにより圧電膜を振動させ、その振動が板波として金属フレーム２０を伝播し、ヒンジ部２１で支持されたミラー２２を揺動させることができる。この時、金属フレーム２０の構造から決まる振動とヒンジ部２１に支持されたミラー２２の捩り振動が共振によりその振幅が最大になるような振動モードを選択し、その共振周波数の近傍で駆動させることによりミラー２２の揺動角を大きくし、大きな光学走査角での走査が可能な構成となっている。
【０００４】
特許文献１および２に記載の技術を用い、金属基板によりヒンジ部とミラー及びフレームを構成し、エアロゾルデポジション法（ＡＤ法）により圧電膜を形成して構成された光走査素子が非特許文献２に示されている。金属は脆性材料ではないため大きな走査角でも破壊しにくく、非特許文献２の光走査素子では±８０°の光学走査角が可能であることが示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００６−２９３１１６号公報
【特許文献２】特開２０１０−４４２３４号公報
【非特許文献】
【０００６】
【非特許文献１】黒田和夫／山本和久編「レーザーディスプレー」オプトロニクス社、平成２２年２月１８日、ｐ２６１−２６４
【非特許文献２】「プロジェクションディスプレーなどの心臓部である光走査素子を新たに開発」、［ｏｎｌｉｎｅ］、平成２２年２月９日、産業技術総合研究所プレリリース、［平成２２年８月１８日検索］、インターネット＜http://www.aist.go.jp/aist_j/press_release/pr2010/pr20100209/pr20100209.html＞
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
一般的に、金属基板上に化学溶液法やＡＤ法などの方法で圧電膜を形成して構成された光走査素子では、圧電膜の結晶化や結晶性を向上させるために形成後の熱処理が必要になる。通常、この熱処理は大気中で行う必要があり、このため金属基板の表面が酸化され、ミラーの表面も酸化されてしまう。そこでミラーの表面粗さが大きくなり乱反射しやすくなるため、光スキャナーの輝度やスポットの解像度が低下してしまうという課題がある。
【０００８】
特に、ＡＤ法で形成した圧電膜の特性向上には８００〜１０００℃程度の高温での熱処理が有効であるが、上記理由から、高温での熱処理により圧電膜の特性は向上するもののミラーの反射性能を劣化させてしまうという課題があった。
【０００９】
そこで本発明の課題は、金属基板に形成した圧電膜の特性を向上させることが可能で、かつ、ミラーの反射性能を低下させない光走査素子及びその製造方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するために、本発明による光走査素子は、金属基板に形成された、ミラーと、前記ミラーを保持するヒンジ部と、前記ヒンジ部に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、前記振動部は前記金属基板上に形成された圧電膜と電極とからなる光走査素子において、前記圧電膜は前記金属基板に形成された窪みの中に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
また、本発明による光走査素子の製造方法は、前記金属基板の一部にハーフエッチング加工により前記窪みを形成する工程と、前記窪みの中、又は前記金属基板上の全面に前記圧電膜をエアロゾルデポジション法により形成する工程と、その後、熱処理を施す工程と、さらに、前記金属基板の前記圧電膜が形成された側の面を鏡面研磨する工程とを有することを特徴とする。
【００１２】
上記のように、本発明の光走査素子の製造方法では、金属基板上の圧電膜を形成する場所にハーフエッチング加工などにより窪み部を形成しておく。窪み部の形成方法はハーフエッチング以外の方法としてエッチングなどで貫通孔を形成した金属箔を金属板に拡散接合や、ロウ付けなどで接合する方法により形成しても構わない。その窪みの部分に圧電膜を形成し、熱処理を行う。窪みに圧電膜を形成するため、圧電膜の形成にはＡＤ法を用いるのが望ましい。その後、金属基板全体に鏡面研磨を施した後、ミラー部分、ヒンジ部、フレームなどの光走査素子としての構造をプレス加工やエッチング加工などにより形成する。さらに圧電膜上に電圧印加用の上部電極を形成し、ミラー部には反射膜としてアルミニウム（Ａｌ）を蒸着することで光走査素子を作製する。上部電極や反射膜の形成は外形加工前に行っても構わない。この構成は、金属基板を圧電膜を駆動するための下部電極として使用することが可能な構造であり、６００℃程度の温度での熱処理まで有効である。６００℃よりも高い温度で熱処理すると金属基板、特にステンレス基板では圧電膜の成分とステンレスの成分が拡散反応し圧電膜の特性が低下してしまう。
【００１３】
そのため、６００℃よりも高温で熱処理する場合は、金属基板としてＡｌを含有する金属を使用することが望ましい。具体的には鉄、クロム（Ｃｒ）を主成分とし、Ａｌを３〜８％程度含有しているステンレスを基板として用いる。この場合、上記と同様に圧電膜を形成する箇所にハーフエッチング加工などにより窪みを形成する。次にその基板を大気中にて熱処理を行い基板表面に酸化アルミニウムの皮膜を形成する。この酸化アルミニウム層が熱処理による圧電膜とステンレス基板との間の成分の拡散を防止する。また、窒化処理により窒化アルミニウム層を形成しても同様の効果を得ることができる。その窪みに形成された酸化または窒化皮膜上に下部電極層を形成し、下部電極層上の一部に圧電膜を形成し熱処理を行う。熱処理温度は６００℃以上であってもよく、１１００℃以下が望ましい。その後、基板全体に鏡面研磨を施し、光走査素子としての構造をプレス加工やエッチング加工などにより形成する。上部電極、ミラーの反射膜の形成も上記と同様である。
【発明の効果】
【００１４】
本発明では、金属基板上に形成した圧電膜の熱処理による特性改善のための熱処理温度を広い範囲で選択することが可能になり、かつミラー面の表面粗さを劣化させることがないため高性能な光走査素子を提供することができる。また、基板表面に鏡面研磨を施すことにより金属基板と圧電膜の表面の高さが揃った構造とすることにより段差のない電極配線の形成が可能になり、信頼性を向上させることができるという効果も有する。さらに、従来の製造方法のように、ミラー部分、ヒンジ部、フレームなどの光走査素子としての構造を形成した後に熱処理を施すと、基板に反りや撓みが発生し、ヒンジ部の変形などが発生しやすいが、本発明によれば、光走査素子としての構造を形成する加工をほぼ最終工程で行うことができるため、上記の問題の発生を防ぐことができる。
【００１５】
以上のように、本発明によれば、金属基板に形成した圧電膜の特性を向上させることが可能で、かつ、ミラーの反射性能を低下させない光走査素子及びその製造方法が得られる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本発明による光走査素子の第１の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）はＡ−Ａ断面図。
【図２】本発明による光走査素子の製造方法の第１の実施の形態を説明するための製造工程図。図２（ａ）は、ステンレス基板を示す図。図２（ｂ）は、ハーフエッチング加工した状態を示す図。図２（ｃ）は、圧電膜を形成した状態を示す図。図２（ｄ）は、熱処理を施した状態を示す図。図２（ｅ）は、鏡面研磨した状態を示す図。図２（ｆ）は、外形エッチング形成した状態を示す図。図２（ｇ）は、上部電極を形成した状態を示す図。
【図３】本発明による光走査素子の第２の実施の形態を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）はＢ−Ｂ断面図。
【図４】本発明による光走査素子の製造方法の第２の実施の形態を説明するための製造工程図。図４（ａ）は、ステンレス基板を示す図。図４（ｂ）は、ハーフエッチング加工した状態を示す図。図４（ｃ）は、熱処理を施した状態を示す図。図４（ｄ）は、下部電極を形成した状態を示す図。図４（ｅ）は、圧電膜を形成した状態を示す図。図４（ｆ）は、熱処理を施した状態を示す図。図４（ｇ）は、鏡面研磨した状態を示す図。図４（ｈ）は、外形エッチング形成した状態を示す図。図４（ｉ）は、上部電極を形成した状態を示す図。
【図５】基本的な光走査素子の外形形状を示す平面図。
【図６】実施例の窪みの位置および形状を示す平面図。
【図７】従来の光走査素子の原理と構成の一例を示す斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明による光走査素子の第１の実施の形態を示す図であり、図１（ａ）は平面図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ−Ａ断面図である。図１において、本実施の形態による光走査素子は従来の光走査素子と同様に、金属基板に形成された、ミラー２と、ミラー２を保持するヒンジ部１と、ヒンジ部１を保持する金属フレーム３と、ヒンジ部１に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、振動部はヒンジ部１から離れた金属フレーム３上に形成された圧電膜１０と上部電極４とからなる。但し、本実施の形態の光走査素子においては、圧電膜１０が金属基板に形成された窪み５の中に形成されていることが従来とは異なっている。
【００１８】
図２は本発明による光走査素子の製造方法の第１の実施の形態を説明するための製造工程図である。図２（ａ）は、ステンレス基板を示す図、図２（ｂ）は、ハーフエッチング加工した状態を示す図、図２（ｃ）は、圧電膜を形成した状態を示す図、図２（ｄ）は、熱処理を施した状態を示す図、図２（ｅ）は、鏡面研磨した状態を示す図、図２（ｆ）は、外形エッチング形成した状態を示す図、図２（ｇ）は、上部電極を形成した状態を示す図である。それぞれの工程図において、上方の図が平面図、下方の図が断面図である。本実施の形態の製造方法は、図２に示すように、ステンレス基板６の一部にハーフエッチング加工により窪み５を形成する工程と、窪み５の中に圧電膜１０をＡＤ法により形成する工程と、その後、熱処理を施す工程と、その後、ステンレス基板６の圧電膜１０が形成された側の面を鏡面研磨する工程とを有している。さらに、エッチング加工により、ミラー２等が所定の寸法になるように素子の形状を得る工程と、次に、圧電膜１０上に上部電極４をスパッタ法等で形成する工程を有している。
【００１９】
図２に基づき、本実施の形態の工程の手順を説明する。先ず、図２（ａ）に示すように、厚さが数十〜数百μｍのステンレス基板６を準備し、次に、図２（ｂ）に示すように、振動部となる部分を含む領域に数ｍｍ×数〜十数ｍｍの外形で深さ数〜百数十μｍの窪み５をハーフエッチング加工により形成する。次に、図２（ｃ）、図２（ｄ）に示すように、この窪み５にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系やチタン酸バリウム（ＢＴ）系などの圧電セラミック材料からなる圧電膜１０をＡＤ法によって数〜数十μｍの厚さで形成する。この場合、窪みの形状や深さ、圧電膜の厚さなどは、完成後の基板およびヒンジ部の振動が共振状態となるような周波数の板波の振動を励振できるような値に設計することが望ましい。この圧電膜１０を形成後、大気中で５００〜６００℃の温度で熱処理を行う。その後、図２（ｄ）に示すように、ステンレス基板６全体に鏡面研磨を施した後、図２（ｆ）に示すように、エッチング加工によりヒンジ部１、ミラー２、金属フレーム３などが所定の寸法となるように加工を施し、光走査素子の形状を得る。その後、図２（ｇ）に示すように、圧電膜１０上に上部電極４として金属膜をスパッタ法などで形成し、フォトリソグラフィなどの手段により振動部となる部分、電極引出し部分などのパターンを作製する。ミラーには反射膜としてＡｌ膜などを蒸着する。最後に１００〜２００℃程度の温度でステンレス基板６を下部電極として上部電極４との間に数十Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い完成する。
【００２０】
図３は本発明による光走査素子の第２の実施の形態を示す図であり、図３（ａ）は平面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。図３において、本実施の形態による光走査素子は第１の実施の形態の光走査素子と同様に、金属基板に形成された、ミラー１２と、ミラー１２を保持するヒンジ部１１と、ヒンジ部１１を保持する金属フレーム１３と、ヒンジ部１１に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、振動部はヒンジ部１１から離れた金属フレーム１３上に形成された圧電膜１０と上部電極１４とからなる。本実施の形態の光走査素子においても、第１の実施の形態の光走査素子と同様に、圧電膜１０が金属基板に形成された窪み１５の中に形成されている。
【００２１】
但し、本実施の形態の光走査素子においては、金属基板として鉄（Ｆｅ）、Ｃｒを主成分とし、Ａｌを３〜８％程度含有しているステンレス基板などを用い、窪み１５を形成した後に、その基板を大気中にて熱処理を行うことにより基板表面に酸化アルミニウム皮膜１７が形成されている。この皮膜は窒化処理により形成された窒化アルミニウム皮膜であってもよい。この酸化アルミニウムまたは窒化アルミニウムの皮膜が高温での熱処理による圧電膜１０と基板との間の成分の拡散を防止する。これにより、圧電膜１０の熱処理温度を６００℃以上とすることができ、圧電膜の特性をより向上させることができる。窪み１５に形成された酸化アルミニウム皮膜１７上には下部電極１８が形成されている。圧電膜の熱処理後、基板全体に鏡面研磨が施されている。
【００２２】
図４は本発明による光走査素子の製造方法の第２の実施の形態を説明するための製造工程図である。図４（ａ）は、ステンレス基板を示す図、図４（ｂ）は、ハーフエッチング加工した状態を示す図、４（ｃ）は、熱処理を施した状態を示す図、４（ｄ）は、下部電極を形成した状態を示す図、４（ｅ）は、圧電膜を形成した状態を示す図、４（ｆ）は、熱処理を施した状態を示す図、４（ｇ）は、鏡面研磨した状態を示す図、４（ｈ）は、外形エッチング形成した状態を示す図、４（ｉ）は、上部電極を形成した状態を示す図である。それぞれの工程図において、上方の図が平面図、下方の図が断面図である。本実施の形態の製造方法は、図４に示すように、ステンレス基板６の一部にハーフエッチング加工により窪み１５を形成する工程と、窪み１５の中に圧電膜１０をＡＤ法により形成する工程と、その後、熱処理を施す工程と、その後、ステンレス基板６の圧電膜１０が形成された側の面を鏡面研磨する工程とを有している。さらに、エッチング加工により、ミラー等が所定の寸法になるように素子の形状を得る工程と、次に、圧電膜１０上に上部電極４をスパッタ法等で形成する工程を有している。
【００２３】
図４に基づき、本実施の形態の工程の手順を説明する。先ず、図４（ａ）に示すように、百μｍのステンレス基板６を準備し、次に、図４（ｂ）示すように、振動部となる部分を含む領域に数ｍｍ×数〜十数ｍｍの外形で深さ数〜百数十μｍの窪み１５をハーフエッチング加工により形成する。次に図４（ｃ）示すように、この窪み１５を形成したステンレス基板を大気中８００〜１２００℃で熱処理を行う。この熱処理によりステンレス基板の表面全体のＡｌが酸化され酸化アルミニウム皮膜１７が形成される。次に、図４（ｄ）に示すように、窪み１５の酸化アルミニウム皮膜１７上に下部電極として白金（Ｐｔ）などの金属膜をスパッタ法などで形成する。次に、図４（ｅ）、図４（ｆ）示すように、この窪み１５の下部電極１８の引出し部分以外の部分に圧電膜１０をＡＤ法によって数〜数十μｍの厚さで形成する。この圧電膜１０を形成後、大気中で６００〜１１００℃の温度で熱処理を行う。その後、図４（ｇ）に示すように、ステンレス基板６全体に鏡面研磨を施した後、図４（ｈ）に示すように、エッチング加工によりヒンジ部１１、ミラー１２、金属フレーム１３などが所定の寸法となるように加工を施し、光走査素子の形状を得る。その後、図４（ｉ）に示すように、圧電膜１０上に上部電極１４として金属膜をスパッタ法などで形成し、フォトリソグラフィなどの手段により振動部となる部分、電極引出し部分などのパターンを作製する。ミラーには反射膜としてＡｌ膜などを蒸着する。最後に１００〜２００℃程度の温度で下部電極１８と上部電極１４との間に数十Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い完成する。
【００２４】
次に、本発明の効果を確認するため、上記の第１の実施の形態および第２の実施の形態の光走査素子の実施例、および従来の構造の光走査素子の比較例を作製し、評価を行った結果について説明する。
【実施例】
【００２５】
（実施例１）
第１の実施の形態の光走査素子の実施例を説明する。図２に示した第１の実施の形態の製造方法で作製した。金属基板の素材として厚さが５０μｍで、材料組成がＦｅを主成分としＡｌ５％、Ｃｒ２０％の比率のステンレス鋼を用いた。図５は基本的な光走査素子の外形形状を示す平面図である。図６は本実施例の窪みの位置および形状を示す平面図である。図５、図６における各部寸法は、ａ＝４．０ｍｍ、ｂ＝３．０ｍｍ、ｃ＝４．５ｍｍ、ｄ＝２．０ｍｍ、ｅ＝０．５ｍｍ、ｆ＝０．５ｍｍ、ｇ＝０．３ｍｍ、ｈ＝１．０ｍｍである。ステンレス基板に図６に示すような２．５ｍｍ×５．０ｍｍの外形で深さ約１０μｍの窪み５をエッチング加工により形成した。この窪み５にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミック材料をＡＤ法によって厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜形成後、大気中６００℃で熱処理を行った。その後基板全体に鏡面研磨を施し、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部１とミラー２、金属フレーム３を作製した。その後、圧電膜上に上部電極として金（Ａｕ）膜をスパッタ法で形成した。基板と上部電極との間に１５０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い完成した。
【００２６】
（実施例２）
第２の実施の形態の光走査素子の実施例を説明する。図４に示した第２の実施の形態の製造工程で作製した。金属基板の素材としては、実施例１と同じ厚さおよび組成のステンレス鋼を用いた。基本的な光走査素子の外形形状も実施例１と同じ図５の形状であり、窪みの形状および位置も実施例１と同様に図６に示す形状である。次にこの窪みを形成したステンレス基板を大気中１０００℃で熱処理を行った。この熱処理によりステンレス基板の表面のＡｌが酸化され酸化皮膜が形成された。窪みの皮膜上に図４の製造工程に示したように下部電極としてＰｔをスパッタ法で形成した。その下部電極上にＰＺＴ系圧電材料をＡＤ法により厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜形成後、大気中８５０℃で熱処理を行った。その後基板全体に鏡面研磨を施し、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。圧電膜の下部電極と上部電極との間に１５０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、実施例２の光走査素子が完成した。
【００２７】
（実施例３）
本実施例の基本的な構造は実施例２と同じである。但し圧電膜の材料が実施例２とは異なっている。金属基板の素材としては、実施例２と同じ厚さおよび組成のステンレス鋼を用いた。基本的な光走査素子の外形形状も実施例２と同じ図５の形状であり、窪みの形状および位置も実施例２と同様に図６に示す形状である。次にこの窪みを形成したステンレス基板を実施例２と同様に大気中１０００℃で熱処理を行い、この熱処理によりステンレス基板の表面のＡｌが酸化され酸化皮膜が形成された。窪みの酸化皮膜上に下部電極としてＰｔをスパッタ法で形成した。本実施例においては、その下部電極上にチタン酸バリウム（ＢＴ）系圧電セラミック材料をＡＤ法により厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜形成後、大気中１０００℃で熱処理を行った。その後基板全体に鏡面研磨を施し、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。圧電膜の下部電極と上部電極との間に１８０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、実施例３の光学走査素子が完成した。
【００２８】
（比較例１）
比較例１の光走査素子の金属基板の素材、ヒンジ部、ミラー、金属フレームの外形形状、および圧電膜の材料は実施例１と同じである。但し、本比較例においては、窪みは形成されていない。また、ステンレス基板全体に鏡面研磨を施した後、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミック材料をＡＤ法によって厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜形成後、大気中６００℃で熱処理を行った。その後、実施例１と同様に圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。ステンレス基板を下部電極として上部電極との間に１５０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、比較例１の光走査素子を完成させた。
【００２９】
（比較例２）
比較例２の光走査素子の金属基板の素材、ヒンジ部、ミラー、金属フレームの外形形状、および圧電膜の材料は実施例２と同じである。但し、本比較例においては、窪みは形成されていない。また、ステンレス基板全体に鏡面研磨を施した後、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、これを大気中１０００℃で熱処理を行った。この熱処理によりステンレス基板の表面のＡｌが酸化され酸化皮膜が形成された。この酸化皮膜上に下部電極としてＰｔをスパッタ法で形成し、その下部電極上にＰＺＴ系圧電材料をＡＤ法により厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜を形成後、大気中８５０℃で熱処理を行った。その後、圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。下部電極と上部電極との間に１５０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、比較例２の光走査素子を完成させた。
【００３０】
（比較例３）
比較例３の光走査素子の金属基板の素材、ヒンジ部、ミラー、金属フレームの外形形状、および圧電膜の材料は実施例３と同じである。但し、本比較例においては、窪みは形成されていない。また、ステンレス基板全体に鏡面研磨を施した後、エッチングにより図６に示す寸法となるように外形加工を施し、ヒンジ部とミラー、金属フレームを作製した。その後、これを大気中１０００℃で熱処理を行った。この熱処理によりステンレス基板の表面のＡｌが酸化され酸化皮膜が形成された。この酸化皮膜上に下部電極としてＰｔをスパッタ法で形成し、その下部電極上にＢＴ系圧電材料をＡＤ法により厚さ約１０μｍ形成した。この圧電膜を形成後、大気中１０００℃で熱処理を行った。その後、圧電膜上に上部電極としてＡｕ膜をスパッタ法で形成した。下部電極と上部電極との間に８０℃で６０Ｖの電圧を印加して圧電膜の分極処理を行い、比較例３の光走査素子を完成させた。
【００３１】
上記の実施例および比較例の光走査素子の特性評価を行った。評価は圧電膜に電圧を正弦波で０−４０Ｖ印加し、ミラーに照射したレーザー光の反射スポットの走査角とスポットのぼやけ具合により光走査素子の良否を判定した。この結果、比較例１では光走査素子としての動作は確認されたが反射スポットに多少ぼやけが確認された。比較例２、３では、圧電膜形成後の熱処理によりヒンジ部に撓みや変形が確認され、光走査素子としての動作が確認されない結果となった。またミラー面の表面粗さも大きくなっており光走査素子として適用が困難な状態になっていることが確認された。一方、実施例１、２、３ではいずれの素子でも光走査素子として適用可能な動作が確認された。
【００３２】
以上のように、本発明により、圧電膜の特性を向上させ、かつ、ミラーの反射性能を低下させない光走査素子が得られることを確認できた。
【００３３】
なお、本発明は上記の実施の形態や実施例に限定されるものではないことはいうまでもなく、目的や用途に応じて設計変更可能である。例えば、ミラーやヒンジ部、金属フレームの形状、大きさ、圧電膜からなる振動部分の位置や形状、大きさ、金属基板の形状、大きさ、厚さなど、公知の光走査素子と同様に、目的とする光走査角、光スポット形状、走査速度などに応じて最適な構成とするよう設計でき、それに合わせて窪みの形状、深さ、圧電膜の厚さなどを最適に設計できる。また、本発明の製造方法においては、圧電膜は窪みの中だけでなく、金属基板の表面全体に形成して、後の鏡面研磨の時に窪み以外の部分の圧電膜を除去しても良い。
【符号の説明】
【００３４】
１、１１、２１ ヒンジ部
２、１２、２２ ミラー
３、１３、２０ 金属フレーム
４、１４ 上部電極
５、１５ 窪み
６ ステンレス基板
１０ 圧電膜
１７ 酸化アルミニウム皮膜
１８ 下部電極
【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属基板に形成された、ミラーと、前記ミラーを保持するヒンジ部と、前記ヒンジ部に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、前記振動部は前記金属基板上に形成された圧電膜と電極とからなる光走査素子において、前記圧電膜は前記金属基板に形成された窪みの中に形成されていることを特徴とする光走査素子。
【請求項２】
前記金属基板の一部にハーフエッチング加工により前記窪みを形成する工程と、前記窪みの中、又は前記金属基板上の全面に前記圧電膜をエアロゾルデポジション法により形成する工程と、その後、熱処理を施す工程と、さらに、前記金属基板の前記圧電膜が形成された側の面を鏡面研磨する工程とを有することを特徴とする請求項１記載の光走査素子の製造方法。
【請求項１】
金属基板に形成された、ミラーと、前記ミラーを保持するヒンジ部と、前記ヒンジ部に捩れ振動を生じさせる振動部とを有し、前記振動部は前記金属基板上に形成された圧電膜と電極とからなる光走査素子において、前記圧電膜は前記金属基板に形成された窪みの中に形成されていることを特徴とする光走査素子。
【請求項２】
前記金属基板の一部にハーフエッチング加工により前記窪みを形成する工程と、前記窪みの中、又は前記金属基板上の全面に前記圧電膜をエアロゾルデポジション法により形成する工程と、その後、熱処理を施す工程と、さらに、前記金属基板の前記圧電膜が形成された側の面を鏡面研磨する工程とを有することを特徴とする請求項１記載の光走査素子の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２０１２−４７９９４（Ｐ２０１２−４７９９４Ａ）
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−１９０４０４（Ｐ２０１０−１９０４０４）
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年３月８日（２０１２．３．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年８月２７日（２０１０．８．２７）
【出願人】（０００１３４２５７）ＮＥＣトーキン株式会社 (1,832)
【Ｆターム（参考）】
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