光走査素子及び画像表示装置
【課題】製造プロセスが簡便で、安定した制御が可能な光走査素子を提供する。
【解決手段】梁部１３ａ，１３ｂは、光を反射するミラー部１４がＸ軸方向の揺動可能なように、ミラー部１４を支持する。アーム部１２ａ，１２ｂは、梁部１３ａ，１３ｂを支持し、駆動されることによりミラー部１４をＸ軸方向に揺動させる。フレーム部１１は、アーム部１２ａ，１２ｂを支持する。駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂのＸ軸方向における一端側に設けられ、変位することによりアーム部１２ａ，１２ｂを駆動する。検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂのＸ軸方向における他端側に設けられ、変位されることによりアーム部１２ａ，１２ｂの駆動を検出する。駆動によるアーム部１２ａ，１２ｂの他端側の振幅は、一端側の振幅より小さい。
【解決手段】梁部１３ａ，１３ｂは、光を反射するミラー部１４がＸ軸方向の揺動可能なように、ミラー部１４を支持する。アーム部１２ａ，１２ｂは、梁部１３ａ，１３ｂを支持し、駆動されることによりミラー部１４をＸ軸方向に揺動させる。フレーム部１１は、アーム部１２ａ，１２ｂを支持する。駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂのＸ軸方向における一端側に設けられ、変位することによりアーム部１２ａ，１２ｂを駆動する。検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂのＸ軸方向における他端側に設けられ、変位されることによりアーム部１２ａ，１２ｂの駆動を検出する。駆動によるアーム部１２ａ，１２ｂの他端側の振幅は、一端側の振幅より小さい。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを反射して走査を行う光走査素子及び画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造技術を発展させた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により、小型に製造され、光ビームを反射して光を二次元的に走査する光走査素子（マイクロスキャナ）が知られている。光走査素子は、画像の情報により輝度調整された光ビームを反射し、画像をスクリーンに投射する画像表示装置等に用いられる。このような画像表示装置は、１軸方向の走査を行う２つの光走査素子、或いは２軸方向の走査を行う１つの光走査素子により、水平方向及び垂直方向の走査を行う。
【０００３】
光走査素子の駆動方式として、コイルと磁石との間のローレンツ力を利用したムービングコイル（ＭＣ）方式や、ムービングマグネット（ＭＭ）方式等の電磁駆動方式（特許文献１参照）、圧電膜の圧電効果を利用した圧電駆動方式（特許文献２参照）、電極間の静電気力を利用した静電駆動方式（非特許文献１参照）等がある。
【０００４】
また、光走査素子の駆動を、フィードバック制御のために検出する方式として、磁気抵抗変化を検出する方式、静電容量変化を検出する方式、ピエゾ抵抗変化を検出する方式、圧電膜の圧電効果を利用した方式等がある。
【０００５】
圧電膜の圧電効果を利用する圧電方式は、駆動、検出の双方において、他の方式と比べて設計、製造プロセスや、画像表示装置としてのシステム構成等が簡便である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１１０００５号公報
【特許文献２】特開２００５−１４８４５９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】河野清彦 他、「静電２軸ＭＥＭＳ光スキャナの絶縁構造」、パナソニック電工技報、Ｖｏｌ．５６ Ｎｏ．３、２００８年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、圧電方式によって、駆動、検出を行う場合、大画面に表示する等、大きな振幅で圧電膜が設けられたアームを駆動すると、検出用の圧電膜も大きく振動することになる。このとき、駆動周波数と、揺動検出用信号電圧の関係には、ヒステリシス（履歴現象）が生じてしまう。
【０００９】
駆動周波数が、低周波数側から共振周波数に近づく場合と、高周波数側から共振周波数に近づく場合で、共振周波数近傍におけるミラーの振れ角は同一にならず、大きなヒステリシスが発生する。このヒステリシスにより、振れ角を最大とするような共振周波数でミラーを駆動させようとすると、非常に複雑な制御が必要となってしまう。
【００１０】
上記問題点を鑑み、本発明は、製造プロセスが簡便で、安定した制御が可能な光走査素子及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光を反射するミラー部（１４）と、ミラー部（１４）が第１の方向の揺動可能なように、ミラー部（１４）を支持する梁部（１３ａ，１３ｂ）と、梁部（１３ａ，１３ｂ）を支持し、駆動されることによりミラー部（１４）を第１の方向に揺動させるアーム部（１２ａ，１２ｂ）と、アーム部（１４）を支持するフレーム部（１１）と、アーム部（１２ａ，１２ｂ）の第１の方向における一端側に設けられ、変位することによりアーム部（１２ａ，１２ｂ）を駆動する駆動用圧電膜（２１ａ，２１ｂ）と、アーム部（１２ａ，１２ｂ）の第１の方向における他端側に設けられ、変位されることによりアーム部（１２ａ，１２ｂ）の駆動を検出する検出用圧電膜（２２ａ，２２ｂ）とを備え、駆動によるアーム部（１２ａ，１２ｂ）の他端側の振幅が、一端側の振幅より小さい光走査素子（１）であることを要旨とする。
【００１２】
また、本発明の第１の態様に係る光走査素子（１）においては、梁部（１３ａ，１３ｂ）は、ミラー部（１４）の第１の方向における中点よりも一端側の位置において、ミラー部（１４）を支持し、フレーム部（１１）は、上面から下面へ貫通する矩形の窓部（１０）を有する枠型形状であり、下面から上層部（３２，３１１）の下面に達するまで窓部（１０）よりも広く開口するキャビティ部（３０）を有し、アーム部（１２ａ，１２ｂ）は、両端を、窓部（１０）の対向する２辺においてそれぞれフレーム部（１１）の上層部に連結されることにより、フレーム部（１１）に支持され、窓部（１０）の他端側の辺と、梁部（１３ａ，１３ｂ）との間の距離（Ｌ２）が、窓部（１０）の一端側の辺と、梁部（１３ａ，１３ｂ）との間の距離（Ｌ１）以上であり上層部（３２，３１１）の下面において、他端側の窓部（１０）の辺と、他端側のキャビティ部（３０）の端部との間の距離（Ｌ４）が、一端側の窓部（１０）の辺と、一端側のキャビティ部（３０）の端部との間の距離（Ｌ３）より大きい。
【００１３】
また、本発明の第１の態様に係る光走査素子（１）においては、フレーム部（１１）が第１の方向と直交する第２の方向の揺動可能なように、フレーム部（１１）支持する外側フレーム部（１１Ａ）を更に備える。
【００１４】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様に係る光走査素子（１）と、ミラー部（１４）に光を出射する光源（５５）と、光源（５５）が出射する光の輝度を、画像情報に応じて変調するように制御する制御部（５０）とを備える画像表示装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、他の駆動方式に比して製造工程が簡便な圧電駆動方式であり、ヒステリシスの発生を抑制し、安定した制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る光走査素子の基本的な構成を説明する模式的な上面図である。（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向から見た断面図である。
【図２】従来の光走査素子の検出電圧の周波数特性を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光走査素子の検出電圧の周波数特性を示す図である。
【図４】従来の光走査素子のミラー部の振れ角を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る光走査素子のミラー部の振れ角を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する、模式的な断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な断面図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な上面図である。（ｂ）は、図１（ａ）のII−II方向から見た断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態の応用例に係る光走査素子の基本的な構成を説明する模式的な上面図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係る光走査素子を備える画像表示装置の基本的な構成を説明する模式的な図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る光走査素子を備える画像表示装置の基本的な構成を説明する模式的なブロック図である。
【図１５】本発明の他の実施の形態に係る光走査素子を備える画像表示装置の基本的な構成を説明する模式的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法の関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１８】
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための素子や装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでなく、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１９】
（光走査素子）
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、図１に示すように、光を反射するミラー部１４と、ミラー部１４がＸ軸方向の揺動可能なように、ミラー部１４を支持する一対の梁部１３ａ，１３ｂと、梁部１３ａ，１３ｂをそれぞれ支持し、それぞれ駆動されることによりミラー部１４をＸ軸方向に揺動させる一対のアーム部１２ａ，１２ｂと、アーム部１２ａ，１２ｂを支持するフレーム部１１と、アーム部１２ａ，１２ｂのＸ軸方向における一端側（図１における左側：以下、「駆動側」という。）にそれぞれ設けられ、変位することによりアーム部１２ａ，１２ｂをそれぞれ駆動する駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂと、アーム部１２ａ，１２ｂのＸ軸方向における他端側（図１における右側：以下、「検出側」という。）にそれぞれ設けられ、変位されることによりアーム部１２ａ，１２ｂの駆動をそれぞれ検出する検出用圧電膜２２ａ，２２ｂとを備える。
【００２０】
フレーム部１１は、例えば、概略として矩形平板状であり、上面から下面に貫通する矩形の窓部１０を有する枠型形状である。フレーム部１１は、下面から上層部（３２，３１１）の下面に達するまで開口するキャビティ部３０を有する。キャビティ部３０は、上層部（３２，３１１）の下面において、窓部１０よりも広く、例えば矩形に開口している。
【００２１】
２本のアーム部１２ａ，１２ｂは、フレーム部１１の、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に平行な２辺からそれぞれＸ軸方向に対向して延伸する平面視帯状の部位であり、窓部１０内に位置する。アーム部１２ａ，１２ｂは、それぞれ両端が、窓部１０のＹ軸方向に平行な対向する２辺において、それぞれフレーム部１１の上層部（３２，３１１）に連結されることにより、フレーム部１１に支持される。
【００２２】
フレーム部の上層部（３２，３１１）の下面の、キャビティ部３０において露出した領域は、アーム部１２ａ，１２ｂの下面と同じ水平レベルの、アーム部１２ａ，１２ｂのザグリ部となる。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、フレーム部１１の上層部（３２，３１１）の下面において、窓部１０の検出側の辺と、キャビティ部３０の検出側の端部との間の距離Ｌ４は、窓部１０の駆動側の辺と、キャビティ部３０の駆動側の端部との間の距離Ｌ３より大きくなっている。すなわち、アーム部１２ａ，１２ｂは、距離Ｌ４である検出側のザグリ幅が、距離Ｌ３である駆動側のザグリ幅より大きくなるように形成されており、駆動時において、アーム部１２ａ，１２ｂは、検出側の振幅が駆動側の振幅より小さい。ザグリ幅の差は、例えばＬ４−Ｌ３＞１０μｍとすることができる。
【００２４】
梁部１３ａ，１３ｂは、それぞれを互いに結ぶ直線が、Ｙ軸方向に平行である。ミラー部１４は、一対の梁部１３ａ，１３ｂを介して、それぞれアーム部１２ａ，１２ｂに連結、支持される。梁部１３ａ，１３ｂは、ミラー部１４のＸ軸方向における、Ｙ軸方向に平行な中心線よりも駆動側においてミラー部１４にそれぞれ連結し、ミラー部１４を支持している。すなわち、ミラー部１４の駆動側の端部から梁部１３ａ，１３ｂまでの距離Ｌ５と、ミラー部１４の検出側の端部から梁部１３ａ，１３ｂまでの距離Ｌ６との関係は、Ｌ５＜Ｌ６となっている。
【００２５】
なお、図１においては、窓部１０の駆動側の１辺から梁部１３ａ，１３ｂの中心までの距離Ｌ１と、窓部１０の検出側の１辺から梁部１３ａ，１３ｂの中心までの距離Ｌ２との関係が、Ｌ１＜Ｌ２となるように描写されているが、例示であり、Ｌ１≦Ｌ２となっていれば良い。
【００２６】
ミラー部１４、梁部１３ａ，１３ｂ、アーム部１２ａ，１２ｂ、フレーム部１１は、例えば、それぞれシリコン（Ｓｉ）等からなる同一のＳＯＩ基板３１からＭＥＭＳ技術により形成可能である。
【００２７】
フレーム部１１、アーム部１２ａ，１２ｂの上面をなす上部には、それぞれ駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂ、検出用圧電膜２２ａ，２２ｂ（以下、総称する場合において単に「圧電膜２１，２２」という。）と絶縁するシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）等の絶縁膜３２が形成されている。
【００２８】
圧電膜２１，２２は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミック、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）等、高い圧電特性を示す圧電体膜２４と、圧電体膜２４の上面に形成された上部電極膜２３と、圧電体膜２４の下面に形成された下部電極膜２５とをそれぞれ備える。
【００２９】
圧電膜２１，２２の圧電体膜２４は、その他、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ビスマスゲルマニウムオキサイド（Ｂｉ12ＧｅＯ20）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）等を使用可能である。
【００３０】
図示を省略しているが、上部電極膜２３は、圧電体膜２４の上面に密着する密着層と、密着層の上面に設けられる上部電極層とから構成される。上部電極膜２３の密着層は、例えば、厚さが約０．０２μｍ程度であり、チタン（Ｔｉ）等からなる。上部電極膜２３の上部電極層は、例えば、厚さが約０．３μｍ程度であり、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等からなる。
【００３１】
圧電膜２１，２２の下部電極膜２５は、圧電膜２１，２２を、フレーム部１１、アーム部１２ａ，１２ｂそれぞれの上面に対して垂直方向（上下方向）に変位するように優先的に配向する配向層と、配向層の下面に設けられ、配向層の配向性を助長する下部電極層とから構成される。下部電極膜２５の配向層は、例えば、厚さが約０．１μｍ程度であり、白金（Ｐｔ）等からなる。下部電極膜２５の下部電極層は、例えば、厚さが約０．０２μｍ程度であり、チタン（Ｔｉ）等からなる。
【００３２】
駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、それぞれ平面視帯状である。駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂの、それぞれ梁部１３ａ，１３ｂとの接合部よりも駆動側の上面から、フレーム部１１の駆動側の上面にかけてそれぞれ設けられる。
【００３３】
駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、上部電極膜２３及び下部電極膜２５から、圧電体膜２４に駆動信号を印加されることによりそれぞれ変位する。駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、それぞれ所定の駆動信号が印加されると、圧電体膜２４の結晶格子が上下方向に引き延ばされると共に、面方向に圧縮される。この応力により、駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、上下方向に撓み、変位して、アーム部１２ａ，１２ｂを駆動する。ミラー部１４は、アーム部１２ａ，１２ｂの駆動により、梁部１３ａ，１３ｂを互いに結ぶ直線と平行な方向（Ｙ軸方向）を回転軸としてＸ軸方向に揺動し、入射された光ビームを反射してＸ軸方向の走査をする。
【００３４】
検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、それぞれ平面視帯状である。検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂのそれぞれ梁部１３ａ，１３ｂとの接合部より検出側の上面から、フレーム部１１の検出側の上面にかけて設けられる。
【００３５】
検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂの駆動によって上下方向に変位され、検出用圧電膜２２ａ，２２ｂそれぞれの上部電極膜２３と下部電極膜２５との間に電圧を発生する。上部電極膜２３と下部電極膜２５との間に発生した電圧を検出電圧Ｖｐｐとして検出することにより、駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂに印加する駆動信号をフィードバック制御できる。
【００３６】
一般に、圧電膜の圧電効果を利用して、駆動、検出を行う光走査素子において、大きな走査角を得るために大きな振幅でアームを駆動すると、検出用の圧電膜も大きく変位することになる。このとき、駆動用圧電膜に印加される駆動信号の周波数が、低周波数側から共振周波数に近づく場合と、高周波数側から共振周波数に近づく場合で、共振周波数近傍における検出信号Ｖｐｐ（ミラーの振れ角に対応）は、同一にならず、駆動信号の周波数と、検出電圧Ｖｐｐとの関係には、図２に示すように大きなヒステリシスが発生する。
【００３７】
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、アーム部１２ａ，１２ｂの検出側の振幅が、駆動側の振幅より小さく、大きな振幅でアーム部１２ａ，１２ｂを駆動しても、検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、ヒステリシスを生じない小さな振幅でしか駆動されなくなる。よって、駆動信号の周波数と、検出電圧Ｖｐｐとの関係には、図３に示すように、ヒステリシスが発生せず、安定した駆動制御が可能となる。
【００３８】
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、アーム部１２ａ，１２ｂの検出側の振幅が、駆動側の振幅より小さいので、梁部１３ａ、１３ｂの振幅も、検出側の端部の振幅が、駆動側の端部の振幅より小さくなる。
【００３９】
仮に、梁部１３ａ，１３ｂが、ミラー部１４のＹ軸方向に沿う中心線上に設けられ、Ｌ５＝Ｌ６の場合、図４に示すように、揺動の回転軸Ｏは、ミラー部１４の中心よりも検出側（図４における右側）となってしまい、ミラー部１４の駆動側の端部の振幅α１は、ミラー部１４の検出側の端部の振幅α２より大きくなってしまう。
【００４０】
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、図１、図５に示すように、梁部１３ａ，１３ｂが、ミラー部１４のＹ軸方向に平行な中心線よりも駆動側においてミラー部１４にそれぞれ連結するので、揺動の回転軸Ｏが、ミラー部１４の中心部に位置していおり、ミラー部１４の駆動側の端部の振幅β１は、ミラー部１４の検出側の端部の振幅β２と等しい。
【００４１】
β１＝β２とするためには、所望の走査角と、アーム部１２ａ，１２ｂの検出側のザグリ幅、駆動側のザグリ幅とを考慮して、ミラー部１４と梁部１３ａ，１３ｂとの連結位置を決定すればよい。例えば、ミラー部１４の振れによる走査角が約±５°程度の場合、Ｌ６−Ｌ５は、約０〜３０μｍ程度とすることができる。例えば、走査角が約３０μｍ程度の場合、Ｌ６−Ｌ５は、約５０〜１５０μｍ程度とすることができる。
【００４２】
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、他の駆動方式に比して消費電力が小さな圧電駆動方式であり、電磁駆動方式のように製造工程が複雑になることなく、静電駆動方式のように駆動力が不足することなく、検出側のアーム部の振れを抑えることにより、共振周波数近傍でのヒステリシスを抑制でき、安定した制御が可能である。
【００４３】
（光走査素子の製造方法）
図１、図６〜図１１を参照して、本発明の実施の形態に係る光走査素子１の製造方法を説明する。なお、以下に述べる光走査素子１の製造方法は、一例であり、これ以外の種々の方法により光走査素子１を製造可能であることは勿論である。
【００４４】
先ず、図６に示すように、シリコン層３１１、埋込絶縁層３１２、支持基板３１３からなるＳＯＩ基板３１の上面、下面に、それぞれ絶縁層３２，３３を形成する。絶縁層３２，３３は、例えば、熱酸化法によりＳＯＩ基板３１の両面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）により形成できる。絶縁層３２，３３は、化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成されても良く、絶縁膜を塗布することにより形成されても良い。シリコン酸化膜等からなる埋込絶縁層３１２は、後工程においてエッチングストッパとして用いられ、例えば、厚さが約１μｍ程度である。ＳＯＩ基板３１の支持基板３１３は、光走査素子１の各部を保持するのに必要な膜厚を有しており、例えば厚さが約５００μｍ程度である。
【００４５】
次に、図７に示すように、フォトリソグラフィ法によりパターン形成された、キャビティ部３０を形成するためのフォトレジスト膜３４をマスクとし、絶縁層３３をエッチングしてパターン形成する。絶縁層３３をパターン形成した後、フォトレジスト膜３４を除去する。
【００４６】
次に、図８に示すように、パターン形成された絶縁層３３をマスクとし、支持基板３１３をウェットエッチングして、キャビティ部３０を形成する。ウェットエッチングは、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等を用いた異方性ウェットエッチングを採用可能である。この為、絶縁層３３は、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ等に耐性がある。なお、キャビティ部３０の形成に際して、フォトレジストを用いたドライエッチングを行う場合、絶縁層３３は製造工程において不要である。
【００４７】
キャビティ部３０は、図８に示すように、支持基板３１３の＜１００＞面に沿ったエッチングにより形成されるので、エッチング深さが深くなるにつれてパターンが小さくなることを考慮してパターン形成される必要がある。エッチングは、埋込絶縁層３１２に達するまで行う。
【００４８】
次に、図９に示すように、埋込絶縁層３１２の露出部分と、マスクとして使用した絶縁層３３を除去する。埋込絶縁層３１２及び絶縁層３３の除去はドライエッチングが好ましい。フッ酸（ＨＦ）系のエッチング液を用いたウェットエッチングを行うと、シリコン層３１１と支持基板３１３との間に、埋込絶縁層３１２の等方性エッチングが進み、アーム部１２ａ，１２ｂ等の設計が困難となる。
【００４９】
次に、図１０に示すように、ＳＯＩ基板３１の上面に、下部電極膜２５となる下部電極層及び配向層、圧電体膜２４、上部電極膜２３となる密着層及び上部電極層を、それぞれ所望の厚さとなるように順に積層する。
【００５０】
次に、図１１に示すように、上部電極膜２３、圧電体膜２４、下部電極膜２５をエッチングによりパターン形成し、圧電膜２１，２２を形成する。説明の簡略化のため図示を省略しているが、圧電膜２１，２２それぞれの上部電極膜２３、下部電極膜２５は、外部への配線がそれぞれ引き出されている。圧電膜２１，２２の形成は、イオンミリング法等により行われる。
【００５１】
次に、図１に示すように、アーム部１２ａ，１２ｂ、梁部１３ａ，１３ｂ、ミラー部１４となる領域を残して、ＳＯＩ基板３１の上層部（３２，３１１）の窓部１０となる領域を、エッチングにより上面から下面へ貫通させて、アーム部１２ａ，１２ｂ、梁部１３ａ，１３ｂ、ミラー部１４が形成され、光走査素子１が完成する。
【００５２】
通常、ＭＥＭＳ作製プロセスにおいて、シリコンウェハの両面にフォトリソグラフィ法によりフォトレジストパターン形成を行う場合、両面のパターン確認が同時にできて、それぞれの位置関係を確認できる両面アライナー露光装置や、両面アライメントステッパ露光装置などが使用される。これらの装置で、ミラー部１４と、梁部１３ａ，１３ｂとの連結部のように、ミラー部１４の中心からずらしたパターンを形成する方法として、正確にミラー部１４の中心部を中心とする対称な位置にアライメントするフォトリソグラフィ用マークを基準にして、露光時に必要となるずらし幅を補正値として入力すればよい。
【００５３】
以上のように、簡便なプロセスによって、ヒステリシスの発生を抑えた、圧電駆動方式の光走査素子を作製することが可能となる。
【００５４】
（応用例）
図１２に示すように、本発明の実施の形態の応用例に係る光走査素子１Ａは、本発明の実施の形態に係る光走査素子１と、光走査素子１がＹ軸方向の揺動可能なように支持する一対の梁部１３Ａａ，１３Ａｂと、梁部１３Ａａ，１３Ａｂをそれぞれ支持し、それぞれ駆動されることにより光走査素子１をＹ軸方向に揺動させる一対のアーム部１２Ａａ，１２Ａｂと、アーム部１２Ａａ，１２Ａｂを支持する外側フレーム部１１Ａと、アーム部１２Ａａ，１２ＡｂのＹ軸方向における一端側にそれぞれ設けられ、変位することによりアーム部１２Ａａ，１２Ａｂをそれぞれ駆動する駆動用圧電膜２１Ａａ，２１Ａｂと、アーム部１２Ａａ，１２ＡｂのＹ軸方向における他端側にそれぞれ設けられ、変位されることによりアーム部１２Ａａ，１２Ａｂの駆動をそれぞれ検出する検出用圧電膜２２Ａａ，２２Ａｂとを備える。
【００５５】
光走査素子１Ａは、光走査素子１をＹ軸方向に揺動可能に支持することにより、ミラー部１４がＸ軸方向、Ｙ軸方向の２軸方向に揺動し、光ビームを反射して２軸方向の走査をすることができる。
【００５６】
本発明の実施の形態の応用例に係る光走査素子１Ａを、光走査素子１と同様の構成として例示したが、例えば、光走査素子１を揺動可能に支持する梁部１３Ａａ，１３Ａｂは、樹脂シート、ワイヤ等、他の支持部材であって良い。また、アーム部１２Ａａ，１２Ａｂを駆動することにより光走査素子１をＹ軸方向に揺動させる駆動用圧電膜２１Ａａ，２１Ａｂは、コイル、磁石を用いた電磁アクチュエータや、電極間の静電気力を用いた静電アクチュエータ等の他のアクチュエータであっても良い。
【００５７】
（画像表示装置）
以下、本発明の実施の形態の応用例に係る光走査素子１Ａを用いて、スクリーンに画像を表示できる画像表示装置５について説明する。画像表示装置５は、図１３に示すように、画像Ｑの情報である画像情報を示す画像信号に応じて輝度が変調され、光源５５から出射されたレーザ光Ｌを、光走査素子１Ａが反射してスクリーンＰを走査し、スクリーンＰ上に画像Ｑを表示する。
【００５８】
図１４に示すように、画像表示装置５の制御部５０は、画像信号５２を入力し、画像信号に含まれる色情報に応じて、光源ドライバ回路５４を介して、光源５５を駆動する。光源ドライバ回路５４は、Ｒ光源ドライバ回路５４Ｒと、Ｇ光源ドライバ回路５４Ｇと、Ｂ光源ドライバ回路５４Ｂとから構成され、それぞれを制御する制御信号を、制御部５０からそれぞれ入力する。光源５５は、赤色レーザ光を出射するＲ光源５５Ｒと、緑色レーザ光を出射するＧ光源５５Ｇと、青色レーザ光を出射するＢ光源５５Ｂとから構成される。Ｒ光源５５Ｒ、Ｇ光源５５Ｇ、Ｂ光源５５Ｂは、Ｒ光源ドライバ回路５４Ｒ、Ｇ光源ドライバ回路５４Ｇ、Ｂ光源ドライバ回路５４Ｂがそれぞれ制御部５０から入力した制御信号に応じてそれぞれ出力する駆動信号を、それぞれ入力し、駆動信号に応じてそれぞれ変調されたレーザ光を出射する。
【００５９】
Ｒ光源５５Ｒ、Ｇ光源５５Ｇ、Ｂ光源５５Ｂがそれぞれ出射したレーザ光は、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズム等の光学素子５６を介して、ミラー５７において反射し、レンズ５８を通過して光走査素子１のミラー部１４に入射する。
【００６０】
制御部５０は、駆動用圧電膜２１，２１Ａにスキャン同期信号５３を印加して、ミラー部１４がＸ軸方向（水平方向）及びＹ軸（垂直方向）の２軸方向の走査を行うように、ミラー部１４を駆動する。
【００６１】
例えば、駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、制御部５０からＸ軸スキャン同期信号５３Ｘを印加され、アーム部１２ａ，１２ｂを駆動する。検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂの駆動による応力歪みが生じ、この応力歪みに生じた電圧を発生する。
【００６２】
同様に、駆動用圧電膜２１Ａａ，２１Ａｂは、制御部５０からＹ軸スキャン同期信号５３Ｙを印加され、アーム部１２Ａａ，１２Ａｂを駆動する。検出用圧電膜２２Ａａ，２２Ａｂは、アーム部１２Ａａ，１２Ａｂの駆動による応力歪みが生じ、この応力歪みに生じた電圧を発生する。
【００６３】
検出用圧電膜２２ａ，２２ｂ、検出用圧電膜２２Ａａ，２２Ａｂにそれぞれ生じた電圧は、駆動検出部２２によりそれぞれ検出され、圧電膜駆動信号５１として制御部５０に入力される。制御部５０は、圧電膜駆動信号５１に応じて、検出用圧電膜２２ａ，２２ｂ、検出用圧電膜２２Ａａ，２２Ａｂにそれぞれ生じた電圧の、それぞれ１８０°反転した逆位相となるようなＸ軸スキャン同期信号５３Ｘ及びＹ軸スキャン同期信号５３Ｙをそれぞれ出力する。制御部５０は、このようなフィードバック制御を行うことにより、光走査素子１を、常に２軸方向それぞれの共振周波数で駆動することができる。
【００６４】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６５】
既に述べた実施の形態においては、画像表示装置は、１軸方向の走査を行う光走査素子を２つ用いて、画像の走査を行うようにしても良い。すなわち、本発明のその他の実施に係る画像表示装置５Ｂは、図１５に示すように、画像Ｑの情報である画像情報を示す画像信号に応じて、制御部５０Ｂにより輝度が変調され、光源５５から出射されたレーザ光Ｌを、Ｘ軸方向の走査を行う光走査素子１が反射して、Ｙ軸方向の走査を行う光走査素子１Ｂが、光走査素子１からの反射光をスクリーンＰに反射することにより、２軸方向の走査をして、スクリーンＰ上に画像Ｑを表示する。図１４に示す画像表示装置５の制御部５０と同様に、光走査素子１、光走査素子１Ｂの駆動制御も、制御部５０Ｂが行えば良い。
【００６６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００６７】
１，１Ａ，１Ｂ…光走査素子
５，５Ｂ…画像表示装置
１０…窓部
１１…フレーム部
１１Ａ…外側フレーム部
１２Ａａ，１２Ａｂ…アーム部
１２ａ，１２ｂ…アーム部
１３ａ，１３ｂ…梁部
１４…ミラー部
２１ａ，２１ｂ，２１Ａａ，２１Ａｂ…駆動用圧電膜
２２ａ，２２ｂ，２２Ａａ，２２Ａｂ…検出用圧電膜
２３…上部電極膜
２４…圧電体膜
２５…下部電極膜
３０…キャビティ部
３１…ＳＯＩ基板
３２，３３…絶縁層
３４…フォトレジスト膜
５０，５０Ｂ…制御部
５１…圧電膜駆動信号
５２…画像信号
５３…スキャン同期信号
５４…光源ドライバ回路
５５…光源
５６…光学素子
５７…ミラー
５８…レンズ
３１１…シリコン層
３１２…埋込絶縁層
３１３…支持基板
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを反射して走査を行う光走査素子及び画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造技術を発展させた微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）技術により、小型に製造され、光ビームを反射して光を二次元的に走査する光走査素子（マイクロスキャナ）が知られている。光走査素子は、画像の情報により輝度調整された光ビームを反射し、画像をスクリーンに投射する画像表示装置等に用いられる。このような画像表示装置は、１軸方向の走査を行う２つの光走査素子、或いは２軸方向の走査を行う１つの光走査素子により、水平方向及び垂直方向の走査を行う。
【０００３】
光走査素子の駆動方式として、コイルと磁石との間のローレンツ力を利用したムービングコイル（ＭＣ）方式や、ムービングマグネット（ＭＭ）方式等の電磁駆動方式（特許文献１参照）、圧電膜の圧電効果を利用した圧電駆動方式（特許文献２参照）、電極間の静電気力を利用した静電駆動方式（非特許文献１参照）等がある。
【０００４】
また、光走査素子の駆動を、フィードバック制御のために検出する方式として、磁気抵抗変化を検出する方式、静電容量変化を検出する方式、ピエゾ抵抗変化を検出する方式、圧電膜の圧電効果を利用した方式等がある。
【０００５】
圧電膜の圧電効果を利用する圧電方式は、駆動、検出の双方において、他の方式と比べて設計、製造プロセスや、画像表示装置としてのシステム構成等が簡便である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００４−１１０００５号公報
【特許文献２】特開２００５−１４８４５９号公報
【非特許文献】
【０００７】
【非特許文献１】河野清彦 他、「静電２軸ＭＥＭＳ光スキャナの絶縁構造」、パナソニック電工技報、Ｖｏｌ．５６ Ｎｏ．３、２００８年９月
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、圧電方式によって、駆動、検出を行う場合、大画面に表示する等、大きな振幅で圧電膜が設けられたアームを駆動すると、検出用の圧電膜も大きく振動することになる。このとき、駆動周波数と、揺動検出用信号電圧の関係には、ヒステリシス（履歴現象）が生じてしまう。
【０００９】
駆動周波数が、低周波数側から共振周波数に近づく場合と、高周波数側から共振周波数に近づく場合で、共振周波数近傍におけるミラーの振れ角は同一にならず、大きなヒステリシスが発生する。このヒステリシスにより、振れ角を最大とするような共振周波数でミラーを駆動させようとすると、非常に複雑な制御が必要となってしまう。
【００１０】
上記問題点を鑑み、本発明は、製造プロセスが簡便で、安定した制御が可能な光走査素子及び画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために、本発明の第１の態様は、光を反射するミラー部（１４）と、ミラー部（１４）が第１の方向の揺動可能なように、ミラー部（１４）を支持する梁部（１３ａ，１３ｂ）と、梁部（１３ａ，１３ｂ）を支持し、駆動されることによりミラー部（１４）を第１の方向に揺動させるアーム部（１２ａ，１２ｂ）と、アーム部（１４）を支持するフレーム部（１１）と、アーム部（１２ａ，１２ｂ）の第１の方向における一端側に設けられ、変位することによりアーム部（１２ａ，１２ｂ）を駆動する駆動用圧電膜（２１ａ，２１ｂ）と、アーム部（１２ａ，１２ｂ）の第１の方向における他端側に設けられ、変位されることによりアーム部（１２ａ，１２ｂ）の駆動を検出する検出用圧電膜（２２ａ，２２ｂ）とを備え、駆動によるアーム部（１２ａ，１２ｂ）の他端側の振幅が、一端側の振幅より小さい光走査素子（１）であることを要旨とする。
【００１２】
また、本発明の第１の態様に係る光走査素子（１）においては、梁部（１３ａ，１３ｂ）は、ミラー部（１４）の第１の方向における中点よりも一端側の位置において、ミラー部（１４）を支持し、フレーム部（１１）は、上面から下面へ貫通する矩形の窓部（１０）を有する枠型形状であり、下面から上層部（３２，３１１）の下面に達するまで窓部（１０）よりも広く開口するキャビティ部（３０）を有し、アーム部（１２ａ，１２ｂ）は、両端を、窓部（１０）の対向する２辺においてそれぞれフレーム部（１１）の上層部に連結されることにより、フレーム部（１１）に支持され、窓部（１０）の他端側の辺と、梁部（１３ａ，１３ｂ）との間の距離（Ｌ２）が、窓部（１０）の一端側の辺と、梁部（１３ａ，１３ｂ）との間の距離（Ｌ１）以上であり上層部（３２，３１１）の下面において、他端側の窓部（１０）の辺と、他端側のキャビティ部（３０）の端部との間の距離（Ｌ４）が、一端側の窓部（１０）の辺と、一端側のキャビティ部（３０）の端部との間の距離（Ｌ３）より大きい。
【００１３】
また、本発明の第１の態様に係る光走査素子（１）においては、フレーム部（１１）が第１の方向と直交する第２の方向の揺動可能なように、フレーム部（１１）支持する外側フレーム部（１１Ａ）を更に備える。
【００１４】
本発明の第２の態様は、本発明の第１の態様に係る光走査素子（１）と、ミラー部（１４）に光を出射する光源（５５）と、光源（５５）が出射する光の輝度を、画像情報に応じて変調するように制御する制御部（５０）とを備える画像表示装置であることを要旨とする。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、他の駆動方式に比して製造工程が簡便な圧電駆動方式であり、ヒステリシスの発生を抑制し、安定した制御が可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る光走査素子の基本的な構成を説明する模式的な上面図である。（ｂ）は、図１（ａ）のＩ−Ｉ方向から見た断面図である。
【図２】従来の光走査素子の検出電圧の周波数特性を示す図である。
【図３】本発明の実施の形態に係る光走査素子の検出電圧の周波数特性を示す図である。
【図４】従来の光走査素子のミラー部の振れ角を説明する図である。
【図５】本発明の実施の形態に係る光走査素子のミラー部の振れ角を説明する図である。
【図６】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する、模式的な断面図である。
【図７】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な断面図である。
【図８】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な断面図である。
【図９】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な断面図である。
【図１０】本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な断面図である。
【図１１】（ａ）は、本発明の実施の形態に係る光走査素子の製造方法を説明する模式的な上面図である。（ｂ）は、図１（ａ）のII−II方向から見た断面図である。
【図１２】本発明の実施の形態の応用例に係る光走査素子の基本的な構成を説明する模式的な上面図である。
【図１３】本発明の実施の形態に係る光走査素子を備える画像表示装置の基本的な構成を説明する模式的な図である。
【図１４】本発明の実施の形態に係る光走査素子を備える画像表示装置の基本的な構成を説明する模式的なブロック図である。
【図１５】本発明の他の実施の形態に係る光走査素子を備える画像表示装置の基本的な構成を説明する模式的な図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。但し、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法の関係、各層の厚みの比率等は、現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１８】
また、以下に示す実施の形態は、本発明の技術的思想を具体化するための素子や装置を例示するものであって、本発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでなく、本発明の技術的思想は、特許請求の範囲に記載された技術的範囲内において、種々の変更を加えることができる。
【００１９】
（光走査素子）
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、図１に示すように、光を反射するミラー部１４と、ミラー部１４がＸ軸方向の揺動可能なように、ミラー部１４を支持する一対の梁部１３ａ，１３ｂと、梁部１３ａ，１３ｂをそれぞれ支持し、それぞれ駆動されることによりミラー部１４をＸ軸方向に揺動させる一対のアーム部１２ａ，１２ｂと、アーム部１２ａ，１２ｂを支持するフレーム部１１と、アーム部１２ａ，１２ｂのＸ軸方向における一端側（図１における左側：以下、「駆動側」という。）にそれぞれ設けられ、変位することによりアーム部１２ａ，１２ｂをそれぞれ駆動する駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂと、アーム部１２ａ，１２ｂのＸ軸方向における他端側（図１における右側：以下、「検出側」という。）にそれぞれ設けられ、変位されることによりアーム部１２ａ，１２ｂの駆動をそれぞれ検出する検出用圧電膜２２ａ，２２ｂとを備える。
【００２０】
フレーム部１１は、例えば、概略として矩形平板状であり、上面から下面に貫通する矩形の窓部１０を有する枠型形状である。フレーム部１１は、下面から上層部（３２，３１１）の下面に達するまで開口するキャビティ部３０を有する。キャビティ部３０は、上層部（３２，３１１）の下面において、窓部１０よりも広く、例えば矩形に開口している。
【００２１】
２本のアーム部１２ａ，１２ｂは、フレーム部１１の、Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に平行な２辺からそれぞれＸ軸方向に対向して延伸する平面視帯状の部位であり、窓部１０内に位置する。アーム部１２ａ，１２ｂは、それぞれ両端が、窓部１０のＹ軸方向に平行な対向する２辺において、それぞれフレーム部１１の上層部（３２，３１１）に連結されることにより、フレーム部１１に支持される。
【００２２】
フレーム部の上層部（３２，３１１）の下面の、キャビティ部３０において露出した領域は、アーム部１２ａ，１２ｂの下面と同じ水平レベルの、アーム部１２ａ，１２ｂのザグリ部となる。
【００２３】
図１（ｂ）に示すように、フレーム部１１の上層部（３２，３１１）の下面において、窓部１０の検出側の辺と、キャビティ部３０の検出側の端部との間の距離Ｌ４は、窓部１０の駆動側の辺と、キャビティ部３０の駆動側の端部との間の距離Ｌ３より大きくなっている。すなわち、アーム部１２ａ，１２ｂは、距離Ｌ４である検出側のザグリ幅が、距離Ｌ３である駆動側のザグリ幅より大きくなるように形成されており、駆動時において、アーム部１２ａ，１２ｂは、検出側の振幅が駆動側の振幅より小さい。ザグリ幅の差は、例えばＬ４−Ｌ３＞１０μｍとすることができる。
【００２４】
梁部１３ａ，１３ｂは、それぞれを互いに結ぶ直線が、Ｙ軸方向に平行である。ミラー部１４は、一対の梁部１３ａ，１３ｂを介して、それぞれアーム部１２ａ，１２ｂに連結、支持される。梁部１３ａ，１３ｂは、ミラー部１４のＸ軸方向における、Ｙ軸方向に平行な中心線よりも駆動側においてミラー部１４にそれぞれ連結し、ミラー部１４を支持している。すなわち、ミラー部１４の駆動側の端部から梁部１３ａ，１３ｂまでの距離Ｌ５と、ミラー部１４の検出側の端部から梁部１３ａ，１３ｂまでの距離Ｌ６との関係は、Ｌ５＜Ｌ６となっている。
【００２５】
なお、図１においては、窓部１０の駆動側の１辺から梁部１３ａ，１３ｂの中心までの距離Ｌ１と、窓部１０の検出側の１辺から梁部１３ａ，１３ｂの中心までの距離Ｌ２との関係が、Ｌ１＜Ｌ２となるように描写されているが、例示であり、Ｌ１≦Ｌ２となっていれば良い。
【００２６】
ミラー部１４、梁部１３ａ，１３ｂ、アーム部１２ａ，１２ｂ、フレーム部１１は、例えば、それぞれシリコン（Ｓｉ）等からなる同一のＳＯＩ基板３１からＭＥＭＳ技術により形成可能である。
【００２７】
フレーム部１１、アーム部１２ａ，１２ｂの上面をなす上部には、それぞれ駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂ、検出用圧電膜２２ａ，２２ｂ（以下、総称する場合において単に「圧電膜２１，２２」という。）と絶縁するシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）等の絶縁膜３２が形成されている。
【００２８】
圧電膜２１，２２は、例えば、ジルコン酸チタン酸鉛（ＰＺＴ）系の圧電セラミック、ニッケル酸ランタン（ＬａＮｉＯ３）等、高い圧電特性を示す圧電体膜２４と、圧電体膜２４の上面に形成された上部電極膜２３と、圧電体膜２４の下面に形成された下部電極膜２５とをそれぞれ備える。
【００２９】
圧電膜２１，２２の圧電体膜２４は、その他、水晶、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ３）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ３）、ビスマスゲルマニウムオキサイド（Ｂｉ12ＧｅＯ20）、ランガサイト（Ｌａ3Ｇａ5ＳｉＯ14）等を使用可能である。
【００３０】
図示を省略しているが、上部電極膜２３は、圧電体膜２４の上面に密着する密着層と、密着層の上面に設けられる上部電極層とから構成される。上部電極膜２３の密着層は、例えば、厚さが約０．０２μｍ程度であり、チタン（Ｔｉ）等からなる。上部電極膜２３の上部電極層は、例えば、厚さが約０．３μｍ程度であり、例えば白金（Ｐｔ）、イリジウム（Ｉｒ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）等からなる。
【００３１】
圧電膜２１，２２の下部電極膜２５は、圧電膜２１，２２を、フレーム部１１、アーム部１２ａ，１２ｂそれぞれの上面に対して垂直方向（上下方向）に変位するように優先的に配向する配向層と、配向層の下面に設けられ、配向層の配向性を助長する下部電極層とから構成される。下部電極膜２５の配向層は、例えば、厚さが約０．１μｍ程度であり、白金（Ｐｔ）等からなる。下部電極膜２５の下部電極層は、例えば、厚さが約０．０２μｍ程度であり、チタン（Ｔｉ）等からなる。
【００３２】
駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、それぞれ平面視帯状である。駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂの、それぞれ梁部１３ａ，１３ｂとの接合部よりも駆動側の上面から、フレーム部１１の駆動側の上面にかけてそれぞれ設けられる。
【００３３】
駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、上部電極膜２３及び下部電極膜２５から、圧電体膜２４に駆動信号を印加されることによりそれぞれ変位する。駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、それぞれ所定の駆動信号が印加されると、圧電体膜２４の結晶格子が上下方向に引き延ばされると共に、面方向に圧縮される。この応力により、駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、上下方向に撓み、変位して、アーム部１２ａ，１２ｂを駆動する。ミラー部１４は、アーム部１２ａ，１２ｂの駆動により、梁部１３ａ，１３ｂを互いに結ぶ直線と平行な方向（Ｙ軸方向）を回転軸としてＸ軸方向に揺動し、入射された光ビームを反射してＸ軸方向の走査をする。
【００３４】
検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、それぞれ平面視帯状である。検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂのそれぞれ梁部１３ａ，１３ｂとの接合部より検出側の上面から、フレーム部１１の検出側の上面にかけて設けられる。
【００３５】
検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂの駆動によって上下方向に変位され、検出用圧電膜２２ａ，２２ｂそれぞれの上部電極膜２３と下部電極膜２５との間に電圧を発生する。上部電極膜２３と下部電極膜２５との間に発生した電圧を検出電圧Ｖｐｐとして検出することにより、駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂに印加する駆動信号をフィードバック制御できる。
【００３６】
一般に、圧電膜の圧電効果を利用して、駆動、検出を行う光走査素子において、大きな走査角を得るために大きな振幅でアームを駆動すると、検出用の圧電膜も大きく変位することになる。このとき、駆動用圧電膜に印加される駆動信号の周波数が、低周波数側から共振周波数に近づく場合と、高周波数側から共振周波数に近づく場合で、共振周波数近傍における検出信号Ｖｐｐ（ミラーの振れ角に対応）は、同一にならず、駆動信号の周波数と、検出電圧Ｖｐｐとの関係には、図２に示すように大きなヒステリシスが発生する。
【００３７】
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、アーム部１２ａ，１２ｂの検出側の振幅が、駆動側の振幅より小さく、大きな振幅でアーム部１２ａ，１２ｂを駆動しても、検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、ヒステリシスを生じない小さな振幅でしか駆動されなくなる。よって、駆動信号の周波数と、検出電圧Ｖｐｐとの関係には、図３に示すように、ヒステリシスが発生せず、安定した駆動制御が可能となる。
【００３８】
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、アーム部１２ａ，１２ｂの検出側の振幅が、駆動側の振幅より小さいので、梁部１３ａ、１３ｂの振幅も、検出側の端部の振幅が、駆動側の端部の振幅より小さくなる。
【００３９】
仮に、梁部１３ａ，１３ｂが、ミラー部１４のＹ軸方向に沿う中心線上に設けられ、Ｌ５＝Ｌ６の場合、図４に示すように、揺動の回転軸Ｏは、ミラー部１４の中心よりも検出側（図４における右側）となってしまい、ミラー部１４の駆動側の端部の振幅α１は、ミラー部１４の検出側の端部の振幅α２より大きくなってしまう。
【００４０】
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、図１、図５に示すように、梁部１３ａ，１３ｂが、ミラー部１４のＹ軸方向に平行な中心線よりも駆動側においてミラー部１４にそれぞれ連結するので、揺動の回転軸Ｏが、ミラー部１４の中心部に位置していおり、ミラー部１４の駆動側の端部の振幅β１は、ミラー部１４の検出側の端部の振幅β２と等しい。
【００４１】
β１＝β２とするためには、所望の走査角と、アーム部１２ａ，１２ｂの検出側のザグリ幅、駆動側のザグリ幅とを考慮して、ミラー部１４と梁部１３ａ，１３ｂとの連結位置を決定すればよい。例えば、ミラー部１４の振れによる走査角が約±５°程度の場合、Ｌ６−Ｌ５は、約０〜３０μｍ程度とすることができる。例えば、走査角が約３０μｍ程度の場合、Ｌ６−Ｌ５は、約５０〜１５０μｍ程度とすることができる。
【００４２】
本発明の実施の形態に係る光走査素子１は、他の駆動方式に比して消費電力が小さな圧電駆動方式であり、電磁駆動方式のように製造工程が複雑になることなく、静電駆動方式のように駆動力が不足することなく、検出側のアーム部の振れを抑えることにより、共振周波数近傍でのヒステリシスを抑制でき、安定した制御が可能である。
【００４３】
（光走査素子の製造方法）
図１、図６〜図１１を参照して、本発明の実施の形態に係る光走査素子１の製造方法を説明する。なお、以下に述べる光走査素子１の製造方法は、一例であり、これ以外の種々の方法により光走査素子１を製造可能であることは勿論である。
【００４４】
先ず、図６に示すように、シリコン層３１１、埋込絶縁層３１２、支持基板３１３からなるＳＯＩ基板３１の上面、下面に、それぞれ絶縁層３２，３３を形成する。絶縁層３２，３３は、例えば、熱酸化法によりＳＯＩ基板３１の両面にシリコン酸化膜（ＳｉＯ２）により形成できる。絶縁層３２，３３は、化学気相成長（ＣＶＤ）法により形成されても良く、絶縁膜を塗布することにより形成されても良い。シリコン酸化膜等からなる埋込絶縁層３１２は、後工程においてエッチングストッパとして用いられ、例えば、厚さが約１μｍ程度である。ＳＯＩ基板３１の支持基板３１３は、光走査素子１の各部を保持するのに必要な膜厚を有しており、例えば厚さが約５００μｍ程度である。
【００４５】
次に、図７に示すように、フォトリソグラフィ法によりパターン形成された、キャビティ部３０を形成するためのフォトレジスト膜３４をマスクとし、絶縁層３３をエッチングしてパターン形成する。絶縁層３３をパターン形成した後、フォトレジスト膜３４を除去する。
【００４６】
次に、図８に示すように、パターン形成された絶縁層３３をマスクとし、支持基板３１３をウェットエッチングして、キャビティ部３０を形成する。ウェットエッチングは、例えば、水酸化テトラメチルアンモニウム（ＴＭＡＨ）、水酸化カリウム（ＫＯＨ）等を用いた異方性ウェットエッチングを採用可能である。この為、絶縁層３３は、ＴＭＡＨ、ＫＯＨ等に耐性がある。なお、キャビティ部３０の形成に際して、フォトレジストを用いたドライエッチングを行う場合、絶縁層３３は製造工程において不要である。
【００４７】
キャビティ部３０は、図８に示すように、支持基板３１３の＜１００＞面に沿ったエッチングにより形成されるので、エッチング深さが深くなるにつれてパターンが小さくなることを考慮してパターン形成される必要がある。エッチングは、埋込絶縁層３１２に達するまで行う。
【００４８】
次に、図９に示すように、埋込絶縁層３１２の露出部分と、マスクとして使用した絶縁層３３を除去する。埋込絶縁層３１２及び絶縁層３３の除去はドライエッチングが好ましい。フッ酸（ＨＦ）系のエッチング液を用いたウェットエッチングを行うと、シリコン層３１１と支持基板３１３との間に、埋込絶縁層３１２の等方性エッチングが進み、アーム部１２ａ，１２ｂ等の設計が困難となる。
【００４９】
次に、図１０に示すように、ＳＯＩ基板３１の上面に、下部電極膜２５となる下部電極層及び配向層、圧電体膜２４、上部電極膜２３となる密着層及び上部電極層を、それぞれ所望の厚さとなるように順に積層する。
【００５０】
次に、図１１に示すように、上部電極膜２３、圧電体膜２４、下部電極膜２５をエッチングによりパターン形成し、圧電膜２１，２２を形成する。説明の簡略化のため図示を省略しているが、圧電膜２１，２２それぞれの上部電極膜２３、下部電極膜２５は、外部への配線がそれぞれ引き出されている。圧電膜２１，２２の形成は、イオンミリング法等により行われる。
【００５１】
次に、図１に示すように、アーム部１２ａ，１２ｂ、梁部１３ａ，１３ｂ、ミラー部１４となる領域を残して、ＳＯＩ基板３１の上層部（３２，３１１）の窓部１０となる領域を、エッチングにより上面から下面へ貫通させて、アーム部１２ａ，１２ｂ、梁部１３ａ，１３ｂ、ミラー部１４が形成され、光走査素子１が完成する。
【００５２】
通常、ＭＥＭＳ作製プロセスにおいて、シリコンウェハの両面にフォトリソグラフィ法によりフォトレジストパターン形成を行う場合、両面のパターン確認が同時にできて、それぞれの位置関係を確認できる両面アライナー露光装置や、両面アライメントステッパ露光装置などが使用される。これらの装置で、ミラー部１４と、梁部１３ａ，１３ｂとの連結部のように、ミラー部１４の中心からずらしたパターンを形成する方法として、正確にミラー部１４の中心部を中心とする対称な位置にアライメントするフォトリソグラフィ用マークを基準にして、露光時に必要となるずらし幅を補正値として入力すればよい。
【００５３】
以上のように、簡便なプロセスによって、ヒステリシスの発生を抑えた、圧電駆動方式の光走査素子を作製することが可能となる。
【００５４】
（応用例）
図１２に示すように、本発明の実施の形態の応用例に係る光走査素子１Ａは、本発明の実施の形態に係る光走査素子１と、光走査素子１がＹ軸方向の揺動可能なように支持する一対の梁部１３Ａａ，１３Ａｂと、梁部１３Ａａ，１３Ａｂをそれぞれ支持し、それぞれ駆動されることにより光走査素子１をＹ軸方向に揺動させる一対のアーム部１２Ａａ，１２Ａｂと、アーム部１２Ａａ，１２Ａｂを支持する外側フレーム部１１Ａと、アーム部１２Ａａ，１２ＡｂのＹ軸方向における一端側にそれぞれ設けられ、変位することによりアーム部１２Ａａ，１２Ａｂをそれぞれ駆動する駆動用圧電膜２１Ａａ，２１Ａｂと、アーム部１２Ａａ，１２ＡｂのＹ軸方向における他端側にそれぞれ設けられ、変位されることによりアーム部１２Ａａ，１２Ａｂの駆動をそれぞれ検出する検出用圧電膜２２Ａａ，２２Ａｂとを備える。
【００５５】
光走査素子１Ａは、光走査素子１をＹ軸方向に揺動可能に支持することにより、ミラー部１４がＸ軸方向、Ｙ軸方向の２軸方向に揺動し、光ビームを反射して２軸方向の走査をすることができる。
【００５６】
本発明の実施の形態の応用例に係る光走査素子１Ａを、光走査素子１と同様の構成として例示したが、例えば、光走査素子１を揺動可能に支持する梁部１３Ａａ，１３Ａｂは、樹脂シート、ワイヤ等、他の支持部材であって良い。また、アーム部１２Ａａ，１２Ａｂを駆動することにより光走査素子１をＹ軸方向に揺動させる駆動用圧電膜２１Ａａ，２１Ａｂは、コイル、磁石を用いた電磁アクチュエータや、電極間の静電気力を用いた静電アクチュエータ等の他のアクチュエータであっても良い。
【００５７】
（画像表示装置）
以下、本発明の実施の形態の応用例に係る光走査素子１Ａを用いて、スクリーンに画像を表示できる画像表示装置５について説明する。画像表示装置５は、図１３に示すように、画像Ｑの情報である画像情報を示す画像信号に応じて輝度が変調され、光源５５から出射されたレーザ光Ｌを、光走査素子１Ａが反射してスクリーンＰを走査し、スクリーンＰ上に画像Ｑを表示する。
【００５８】
図１４に示すように、画像表示装置５の制御部５０は、画像信号５２を入力し、画像信号に含まれる色情報に応じて、光源ドライバ回路５４を介して、光源５５を駆動する。光源ドライバ回路５４は、Ｒ光源ドライバ回路５４Ｒと、Ｇ光源ドライバ回路５４Ｇと、Ｂ光源ドライバ回路５４Ｂとから構成され、それぞれを制御する制御信号を、制御部５０からそれぞれ入力する。光源５５は、赤色レーザ光を出射するＲ光源５５Ｒと、緑色レーザ光を出射するＧ光源５５Ｇと、青色レーザ光を出射するＢ光源５５Ｂとから構成される。Ｒ光源５５Ｒ、Ｇ光源５５Ｇ、Ｂ光源５５Ｂは、Ｒ光源ドライバ回路５４Ｒ、Ｇ光源ドライバ回路５４Ｇ、Ｂ光源ドライバ回路５４Ｂがそれぞれ制御部５０から入力した制御信号に応じてそれぞれ出力する駆動信号を、それぞれ入力し、駆動信号に応じてそれぞれ変調されたレーザ光を出射する。
【００５９】
Ｒ光源５５Ｒ、Ｇ光源５５Ｇ、Ｂ光源５５Ｂがそれぞれ出射したレーザ光は、ダイクロイックミラー、ダイクロイックプリズム等の光学素子５６を介して、ミラー５７において反射し、レンズ５８を通過して光走査素子１のミラー部１４に入射する。
【００６０】
制御部５０は、駆動用圧電膜２１，２１Ａにスキャン同期信号５３を印加して、ミラー部１４がＸ軸方向（水平方向）及びＹ軸（垂直方向）の２軸方向の走査を行うように、ミラー部１４を駆動する。
【００６１】
例えば、駆動用圧電膜２１ａ，２１ｂは、制御部５０からＸ軸スキャン同期信号５３Ｘを印加され、アーム部１２ａ，１２ｂを駆動する。検出用圧電膜２２ａ，２２ｂは、アーム部１２ａ，１２ｂの駆動による応力歪みが生じ、この応力歪みに生じた電圧を発生する。
【００６２】
同様に、駆動用圧電膜２１Ａａ，２１Ａｂは、制御部５０からＹ軸スキャン同期信号５３Ｙを印加され、アーム部１２Ａａ，１２Ａｂを駆動する。検出用圧電膜２２Ａａ，２２Ａｂは、アーム部１２Ａａ，１２Ａｂの駆動による応力歪みが生じ、この応力歪みに生じた電圧を発生する。
【００６３】
検出用圧電膜２２ａ，２２ｂ、検出用圧電膜２２Ａａ，２２Ａｂにそれぞれ生じた電圧は、駆動検出部２２によりそれぞれ検出され、圧電膜駆動信号５１として制御部５０に入力される。制御部５０は、圧電膜駆動信号５１に応じて、検出用圧電膜２２ａ，２２ｂ、検出用圧電膜２２Ａａ，２２Ａｂにそれぞれ生じた電圧の、それぞれ１８０°反転した逆位相となるようなＸ軸スキャン同期信号５３Ｘ及びＹ軸スキャン同期信号５３Ｙをそれぞれ出力する。制御部５０は、このようなフィードバック制御を行うことにより、光走査素子１を、常に２軸方向それぞれの共振周波数で駆動することができる。
【００６４】
（その他の実施の形態）
上記のように、本発明の実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面は本発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
【００６５】
既に述べた実施の形態においては、画像表示装置は、１軸方向の走査を行う光走査素子を２つ用いて、画像の走査を行うようにしても良い。すなわち、本発明のその他の実施に係る画像表示装置５Ｂは、図１５に示すように、画像Ｑの情報である画像情報を示す画像信号に応じて、制御部５０Ｂにより輝度が変調され、光源５５から出射されたレーザ光Ｌを、Ｘ軸方向の走査を行う光走査素子１が反射して、Ｙ軸方向の走査を行う光走査素子１Ｂが、光走査素子１からの反射光をスクリーンＰに反射することにより、２軸方向の走査をして、スクリーンＰ上に画像Ｑを表示する。図１４に示す画像表示装置５の制御部５０と同様に、光走査素子１、光走査素子１Ｂの駆動制御も、制御部５０Ｂが行えば良い。
【００６６】
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
【符号の説明】
【００６７】
１，１Ａ，１Ｂ…光走査素子
５，５Ｂ…画像表示装置
１０…窓部
１１…フレーム部
１１Ａ…外側フレーム部
１２Ａａ，１２Ａｂ…アーム部
１２ａ，１２ｂ…アーム部
１３ａ，１３ｂ…梁部
１４…ミラー部
２１ａ，２１ｂ，２１Ａａ，２１Ａｂ…駆動用圧電膜
２２ａ，２２ｂ，２２Ａａ，２２Ａｂ…検出用圧電膜
２３…上部電極膜
２４…圧電体膜
２５…下部電極膜
３０…キャビティ部
３１…ＳＯＩ基板
３２，３３…絶縁層
３４…フォトレジスト膜
５０，５０Ｂ…制御部
５１…圧電膜駆動信号
５２…画像信号
５３…スキャン同期信号
５４…光源ドライバ回路
５５…光源
５６…光学素子
５７…ミラー
５８…レンズ
３１１…シリコン層
３１２…埋込絶縁層
３１３…支持基板
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を反射するミラー部と、
前記ミラー部が第１の方向の揺動可能なように、前記ミラー部を支持する梁部と、
前記梁部を支持し、駆動されることにより前記ミラー部を前記第１の方向に揺動させるアーム部と、
前記アーム部を支持するフレーム部と、
前記アーム部の前記第１の方向における一端側に設けられ、変位することにより前記アーム部を駆動する駆動用圧電膜と、
前記アーム部の前記第１の方向における他端側に設けられ、変位されることにより前記アーム部の駆動を検出する検出用圧電膜とを備え、
駆動による前記アーム部の前記他端側の振幅が、前記一端側の振幅より小さいことを特徴とする光走査素子。
【請求項２】
前記梁部は、前記ミラー部の前記第１の方向における中点よりも前記一端側の位置において、前記ミラー部を支持し、
前記フレーム部は、上面から下面へ貫通する矩形の窓部を有する枠型形状であり、下面から上層部の下面に達するまで前記窓部よりも広く開口するキャビティ部を有し、
前記アーム部は、両端を、前記窓部の対向する２辺においてそれぞれ前記上層部に連結されることにより、前記フレーム部に支持され、
前記窓部の前記他端側の辺と、前記梁部との間の距離が、前記窓部の前記一端側の辺と、前記梁部との間の距離以上であり、
前記上層部の下面において、前記他端側の前記窓部の辺と、前記他端側の前記キャビティ部の端部との間の距離が、前記一端側の前記窓部の辺と、前記一端側の前記キャビティ部の端部との間の距離より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光走査素子。
【請求項３】
前記フレーム部が前記第１の方向と直交する第２の方向の揺動可能なように、前記フレーム部を支持する外側フレーム部を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査素子と、
前記ミラー部に光を出射する光源と、
前記光源が出射する光の輝度を、画像情報に応じて変調するように制御する制御部と
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【請求項１】
光を反射するミラー部と、
前記ミラー部が第１の方向の揺動可能なように、前記ミラー部を支持する梁部と、
前記梁部を支持し、駆動されることにより前記ミラー部を前記第１の方向に揺動させるアーム部と、
前記アーム部を支持するフレーム部と、
前記アーム部の前記第１の方向における一端側に設けられ、変位することにより前記アーム部を駆動する駆動用圧電膜と、
前記アーム部の前記第１の方向における他端側に設けられ、変位されることにより前記アーム部の駆動を検出する検出用圧電膜とを備え、
駆動による前記アーム部の前記他端側の振幅が、前記一端側の振幅より小さいことを特徴とする光走査素子。
【請求項２】
前記梁部は、前記ミラー部の前記第１の方向における中点よりも前記一端側の位置において、前記ミラー部を支持し、
前記フレーム部は、上面から下面へ貫通する矩形の窓部を有する枠型形状であり、下面から上層部の下面に達するまで前記窓部よりも広く開口するキャビティ部を有し、
前記アーム部は、両端を、前記窓部の対向する２辺においてそれぞれ前記上層部に連結されることにより、前記フレーム部に支持され、
前記窓部の前記他端側の辺と、前記梁部との間の距離が、前記窓部の前記一端側の辺と、前記梁部との間の距離以上であり、
前記上層部の下面において、前記他端側の前記窓部の辺と、前記他端側の前記キャビティ部の端部との間の距離が、前記一端側の前記窓部の辺と、前記一端側の前記キャビティ部の端部との間の距離より大きいことを特徴とする請求項１に記載の光走査素子。
【請求項３】
前記フレーム部が前記第１の方向と直交する第２の方向の揺動可能なように、前記フレーム部を支持する外側フレーム部を更に備えることを特徴とする請求項１又は２に記載の光走査素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査素子と、
前記ミラー部に光を出射する光源と、
前記光源が出射する光の輝度を、画像情報に応じて変調するように制御する制御部と
を備えることを特徴とする画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図１５】
【公開番号】特開２０１２−１６３７９２（Ｐ２０１２−１６３７９２Ａ）
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２４５３２（Ｐ２０１１−２４５３２）
【出願日】平成２３年２月８日（２０１１．２．８）
【出願人】（３０８０３６４０２）株式会社ＪＶＣケンウッド (1,152)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年８月３０日（２０１２．８．３０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月８日（２０１１．２．８）
【出願人】（３０８０３６４０２）株式会社ＪＶＣケンウッド (1,152)
【Ｆターム（参考）】
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