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JP2014102355A - Optical deflector - Google Patents

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JP2014102355A
JP2014102355A JP2012253730A JP2012253730A JP2014102355A JP 2014102355 A JP2014102355 A JP 2014102355A JP 2012253730 A JP2012253730 A JP 2012253730A JP 2012253730 A JP2012253730 A JP 2012253730A JP 2014102355 A JP2014102355 A JP 2014102355A
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JP
Japan
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optical deflector
actuator
orientation
torsion bar
support
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Pending
Application number
JP2012253730A
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Japanese (ja)
Inventor
Masanao Tani
雅直 谷
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Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Stanley Electric Co Ltd
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Publication date
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical deflector which offers a greater swing angle of a reflective surface without changing dimensions of the optical deflector.SOLUTION: An optical deflector 1 includes a reflective surface 2a for reflecting light and actuators 5 for swinging the reflective surface 2a about a first axis X. Each actuator 5 includes a piezoelectric body 5b to which drive voltage is applied and a rectangular plate-like support body 5a which supports the piezoelectric body 5b and flexurally deforms together with the piezoelectric body 5b. The support body 5a is made of single crystal silicon such that the longitudinal direction thereof is in parallel with a crystal orientation <100> of the support body 5a.

Description

本発明は、圧電体と共に屈曲変形する、単結晶シリコンで形成された支持体によって、反射面を揺動可能に構成された光偏向器に関する。   The present invention relates to an optical deflector configured such that a reflecting surface can be swung by a support body made of single crystal silicon that is bent and deformed together with a piezoelectric body.

従来、光を反射する反射面と、反射面を所定の軸周りに揺動させるアクチュエータとを有する光偏向器が知られている(特許文献1)。この光偏向器では、アクチュエータが、駆動電圧が印加される圧電体と、該圧電体を支持し、該圧電体と共に屈曲変形する長方形板状の支持体とを有する圧電カンチレバーを備えている。   2. Description of the Related Art Conventionally, an optical deflector having a reflecting surface that reflects light and an actuator that swings the reflecting surface around a predetermined axis is known (Patent Document 1). In this optical deflector, the actuator includes a piezoelectric cantilever having a piezoelectric body to which a driving voltage is applied and a rectangular plate-like support body that supports the piezoelectric body and bends and deforms together with the piezoelectric body.

特開2008−20701号公報JP 2008-20701 A

特許文献1に記載されたような光偏向器において、反射面の揺動角度を大きくすることが望まれる場合がある。このような場合には、支持体の変位量を大きくするために、支持体を薄くすることが考えられる。しかしながら、光偏向器を構成する支持体のうち、アクチュエータの支持体だけを薄くすることは困難である。   In the optical deflector described in Patent Document 1, it may be desired to increase the swing angle of the reflecting surface. In such a case, in order to increase the displacement amount of the support, it is conceivable to make the support thin. However, it is difficult to thin only the support of the actuator among the supports constituting the optical deflector.

本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、光偏向器の寸法を変更しなくとも反射面の揺動角度を大きくできる光偏向器を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above points, and an object of the present invention is to provide an optical deflector that can increase the swing angle of the reflecting surface without changing the dimensions of the optical deflector.

本発明は、光を反射する反射面と、前記反射面を所定の軸周りに揺動させるアクチュエータとを有する光偏向器において、前記アクチュエータは、駆動電圧が印加される圧電体と、該圧電体を支持し該圧電体と共に屈曲変形する長方形板状の支持体とを備え、前記支持体は、単結晶シリコンで形成され、その長手方向が、当該支持体の結晶方位の<100>方位と平行になるように形成されていることを特徴とする。   The present invention provides an optical deflector having a reflecting surface for reflecting light and an actuator for swinging the reflecting surface about a predetermined axis, wherein the actuator includes a piezoelectric body to which a driving voltage is applied, and the piezoelectric body. And a rectangular plate-like support that bends and deforms together with the piezoelectric body. The support is made of single crystal silicon, and its longitudinal direction is parallel to the <100> orientation of the crystal orientation of the support. It is formed so that it becomes.

ここで、本発明における結晶方位は、単結晶シリコンにおける結晶方位であるので、所定の方位には、その方位に等価な方位が含まれるものとする。例えば、所定の方位が<100>方位である場合の<100>方位とは、例えば、<010>、<001>、及び<−100>等を含む。   Here, since the crystal orientation in the present invention is the crystal orientation in single crystal silicon, the predetermined orientation includes an orientation equivalent to the orientation. For example, the <100> orientation when the predetermined orientation is the <100> orientation includes, for example, <010>, <001>, <-100>, and the like.

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)の光偏向器を製造する場合、単結晶シリコンで形成されたウエハが用いられる。このとき、ウエハの主面は、エッチング処理を鑑みて(100)面を主面とすることが一般的である。このため、ウエハの主面に沿う結晶方位としては、<110>方位及び<100>方位のいずれかが主となる。   When manufacturing an optical deflector of MEMS (Micro Electro Mechanical Systems), a wafer formed of single crystal silicon is used. At this time, the main surface of the wafer is generally the (100) surface in view of the etching process. For this reason, the crystal orientation along the main surface of the wafer is mainly the <110> orientation or the <100> orientation.

カンチレバーの変位量(屈曲変形の大きさ)は、ヤング率Eに反比例する。すなわち、反射面の揺動角度を大きくするには、カンチレバーの変位量を大きくするために、ヤング率Eが小さいことが望ましい。   The displacement amount of the cantilever (the magnitude of bending deformation) is inversely proportional to the Young's modulus E. That is, in order to increase the swing angle of the reflecting surface, it is desirable that the Young's modulus E is small in order to increase the displacement of the cantilever.

ここで、単結晶シリコンのヤング率Eは、単結晶シリコンの結晶方位が<110>方位のとき約160[GPa]であり、単結晶シリコンの結晶方位が<100>方位のとき約130[GPa]である。従って、支持体の長手方向が、単結晶シリコンの結晶方位の<100>方位に平行となるように当該支持体が形成されることで、単結晶シリコンの結晶方位の<110>方位に平行となるように当該支持体が形成されるものに比べて、支持体の屈曲変形の大きさが大きくなる。   Here, the Young's modulus E of the single crystal silicon is about 160 [GPa] when the crystal orientation of the single crystal silicon is the <110> orientation, and is about 130 [GPa] when the crystal orientation of the single crystal silicon is the <100> orientation. ]. Therefore, by forming the support so that the longitudinal direction of the support is parallel to the <100> orientation of the crystal orientation of the single crystal silicon, it is parallel to the <110> orientation of the crystal orientation of the single crystal silicon. Thus, the magnitude of the bending deformation of the support is larger than that in which the support is formed.

これにより、反射面の揺動角度を大きくできる。このとき、トーションバーの寸法を変更する必要がない。従って、光偏向器の寸法を変更しなくとも反射面の揺動角度を大きくできる。   Thereby, the rocking | fluctuation angle of a reflective surface can be enlarged. At this time, it is not necessary to change the dimensions of the torsion bar. Accordingly, the swing angle of the reflecting surface can be increased without changing the dimensions of the optical deflector.

本発明において、単結晶シリコンで形成され、前記アクチュエータによって長手方向の軸周りに捩られることで、前記反射面を揺動させるトーションバーを備え、前記トーションバーは、前記軸方向が、当該トーションバーの結晶方位の<100>方位と平行になるように形成されていることが好ましい。   In the present invention, the torsion bar is formed of single crystal silicon and is twisted around a longitudinal axis by the actuator to swing the reflecting surface. The torsion bar has the axial direction of the torsion bar. It is preferably formed so as to be parallel to the <100> orientation of the crystal orientation.

ここで、単結晶シリコンのせん断弾性係数Gは、単結晶シリコンの結晶方位が<110>方位のとき約62[GPa]であり、単結晶シリコンの結晶方位が<100>方位のとき約79[GPa]である。トーションバーのばね定数kは、せん断弾性係数Gが大きくなる程、大きくなる。   Here, the shear elastic modulus G of single crystal silicon is about 62 [GPa] when the crystal orientation of the single crystal silicon is <110>, and about 79 [GP] when the crystal orientation of the single crystal silicon is <100>. GPa]. The spring constant k of the torsion bar increases as the shear modulus G increases.

従って、捩り軸の軸方向が、単結晶シリコンの結晶方位の<100>方位に平行となるように、トーションバーが形成されることで、単結晶シリコンの結晶方位の<110>方位に平行となるようにトーションバーが形成されるものに比べて、捩り軸周りのばね定数が大きくなり、ひいては、トーションバーの共振周波数を大きくできる。このとき、トーションバーの寸法を変更する必要がない。従って、光偏向器の寸法を変更することなく、反射面の走査速度を高速にできる。   Therefore, by forming the torsion bar so that the axial direction of the torsion axis is parallel to the <100> orientation of the crystal orientation of the single crystal silicon, it becomes parallel to the <110> orientation of the crystal orientation of the single crystal silicon. Thus, the spring constant around the torsion axis is larger than that in which the torsion bar is formed, and as a result, the resonance frequency of the torsion bar can be increased. At this time, it is not necessary to change the dimensions of the torsion bar. Therefore, the scanning speed of the reflecting surface can be increased without changing the dimensions of the optical deflector.

以上のように、カンチレバーの変位量を大きくした場合であっても、反射面の走査速度を速くできる。   As described above, even when the displacement amount of the cantilever is increased, the scanning speed of the reflecting surface can be increased.

本発明において、前記アクチュエータは、前記圧電体及び前記支持体を複数備え、前記複数の支持体の各々は、両端部が隣り合うように並んで配置され、前記複数の支持体の端部は、各々隣り合う支持体に対し折り返すように端部が連結され、各支持体は、各支持体の並び方向に直交する方向に屈曲変形するように形成されていることが好ましい。これにより、複数の支持体に支持された圧電体に、電圧が印加されたとき、全支持体が連結された経路上において、該支持体の反射面側とは反対側の端部を支点として反射面側の端部に角度変位が発生する。このように、各支持体の角度変位が累積されることで、反射面の揺動角度を大きくできる。   In the present invention, the actuator includes a plurality of the piezoelectric bodies and the support bodies, and each of the plurality of support bodies is arranged side by side so that both ends thereof are adjacent to each other. It is preferable that the end portions are connected so as to be folded back with respect to the adjacent supports, and each support is formed so as to be bent and deformed in a direction perpendicular to the arrangement direction of the supports. As a result, when a voltage is applied to the piezoelectric bodies supported by a plurality of supports, on the path where all the supports are connected, the end of the support opposite to the reflective surface side is used as a fulcrum. Angular displacement occurs at the end of the reflecting surface. Thus, the angular displacement of each support is accumulated, so that the swing angle of the reflecting surface can be increased.

本発明の第1実施形態の光偏向器の構成を示す図。The figure which shows the structure of the optical deflector of 1st Embodiment of this invention. 主面が(100)面のウエハから光偏向器を作成するときの光偏向器のレイアウトを示す図であり、(a)は、オリエンテーションフラットが<110>方位を示すとき、(b)は、オリエンテーションフラットが<100>方位を示すときの図。It is a figure which shows the layout of an optical deflector when producing an optical deflector from a wafer whose main surface is a (100) plane, (a) is when the orientation flat shows <110> orientation, (b) is The figure when an orientation flat shows a <100> azimuth | direction. 図1のIII−III線を矢印の方向で見たときの図であり、(a)は、光偏向器を製造するときにエッチングする前のウエハの積層を簡略的に示す図であり、(b)は、(a)をエッチングした後を簡略的に示す図。FIG. 3 is a diagram when the III-III line in FIG. 1 is viewed in the direction of the arrow, and FIG. 3A is a diagram schematically illustrating a wafer stack before etching when manufacturing an optical deflector; FIG. 5B is a diagram simply showing the state after etching (a). 本発明の第2実施形態の光偏向器の構成を示す図。The figure which shows the structure of the optical deflector of 2nd Embodiment of this invention.

[第1実施形態]
図1を参照して、本発明の第1実施形態の光偏向器について説明する。本実施形態の光偏向器1は、円形の反射面2aを有するミラー部2と、2つのトーションバー3と、枠体4と、4つのアクチュエータ5とを備える。
[First Embodiment]
An optical deflector according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The optical deflector 1 of the present embodiment includes a mirror part 2 having a circular reflecting surface 2a, two torsion bars 3, a frame body 4, and four actuators 5.

ミラー部2は、反射面2aとほぼ同一の大きさの円形に形成される。ミラー部2は、その中心点が、光偏向器1の中心に配置される。ミラー部2は、レーザ光源(図示省略)からの入射光を反射面2aに受け、トーションバー3の軸線の回りの回転角に応じた向きに反射光を出射する。なお、トーションバー3の軸線(長手方向の軸線)は、ミラー部2の回転軸線でもある(以下、この軸線を「第1軸X」という)。2つのトーションバー3は、各々の軸線がミラー部2の同一の直径上となるようにして、ミラー部2の左右両側から先端部をミラー部2の周縁に連結している。   The mirror part 2 is formed in a circular shape having substantially the same size as the reflecting surface 2a. The center of the mirror unit 2 is arranged at the center of the optical deflector 1. The mirror unit 2 receives incident light from a laser light source (not shown) on the reflection surface 2a, and emits the reflected light in a direction according to the rotation angle around the axis of the torsion bar 3. The axis line (longitudinal axis line) of the torsion bar 3 is also the rotation axis line of the mirror unit 2 (hereinafter, this axis line is referred to as “first axis X”). The two torsion bars 3 are connected to the periphery of the mirror part 2 from the left and right sides of the mirror part 2 so that the respective axes are on the same diameter of the mirror part 2.

4つのアクチュエータ5の各々は、単結晶シリコンで略長方形の板状に形成された支持体5aと、該支持体5aの一方の面のほぼ全面に支持された圧電体5bとを備える。   Each of the four actuators 5 includes a support body 5a formed of a single crystal silicon in a substantially rectangular plate shape, and a piezoelectric body 5b supported on substantially the entire surface of one side of the support body 5a.

4つのアクチュエータ5は、ミラー部2の両側(図1の左右側)に2つずつ配置されている。このとき、ミラー部2の右側において、2つのアクチュエータ5は、右側のトーションバー3の基端部の図1の上下にそれぞれ配設され、該トーションバー3の基端部に、先端部を連結している。ミラー部2の左側において、2つのアクチュエータ5は、左側のトーションバー3の基端部の図1の上下にそれぞれ配設され、該トーションバー3の基端部に、先端部を連結している。   Two four actuators 5 are arranged on both sides of the mirror unit 2 (left and right sides in FIG. 1). At this time, on the right side of the mirror part 2, the two actuators 5 are respectively arranged above and below the base end part of the right torsion bar 3 in FIG. 1, and the front end part is connected to the base end part of the torsion bar 3. doing. On the left side of the mirror part 2, the two actuators 5 are respectively arranged above and below the base end part of the left torsion bar 3 in FIG. 1, and the front end part is connected to the base end part of the torsion bar 3. .

枠体4は、矩形状の枠(上辺4uと下辺4dとが平行、及び左辺4lと右辺4rとが平行)として形成されており、ミラー部2、トーションバー3、及びアクチュエータ5を外側から包囲する。アクチュエータ5の基端部は、枠体4の上辺4u部分又は下辺4d部分に連結する。   The frame 4 is formed as a rectangular frame (the upper side 4u and the lower side 4d are parallel and the left side 4l and the right side 4r are parallel), and surrounds the mirror part 2, the torsion bar 3, and the actuator 5 from the outside. To do. The base end portion of the actuator 5 is connected to the upper side 4u portion or the lower side 4d portion of the frame body 4.

トーションバー3は、枠体4の上辺4u及び下辺4dに対して平行に配置されている。また、アクチュエータ5の支持体5a(ひいては、アクチュエータ5)は、枠体4の左辺4l及び右辺4rに対して平行に配置されている。   The torsion bar 3 is arranged in parallel to the upper side 4 u and the lower side 4 d of the frame body 4. Further, the support 5 a (and hence the actuator 5) of the actuator 5 is arranged in parallel to the left side 4 l and the right side 4 r of the frame body 4.

光偏向器1は、以下のようにして、フォトリソグラフィ技術やドライエッチング技術等を利用した半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスが用いられて製造される。まず、図2(a)に示されるような単結晶シリコンのウエハ10上に、図3(a)に示されるように、下部電極層L1、圧電体層L2、及び上部電極層L3等が積層される。そして、エッチング処理等によって、不要な部位が適宜除去されることで、ミラー部2、トーションバー3、枠体4、及びアクチュエータ5が形成される(図3(b)は、図1のIII−III線断面を示している)。このとき、下部電極層L1、圧電体層L2及び上部電極層L3は、アクチュエータ5の部分のみ残されて、他の部分は除去される。   The optical deflector 1 is manufactured using a semiconductor planar process and a MEMS process using a photolithography technique, a dry etching technique, and the like as follows. First, as shown in FIG. 3A, a lower electrode layer L1, a piezoelectric layer L2, an upper electrode layer L3, and the like are laminated on a single crystal silicon wafer 10 as shown in FIG. Is done. Then, unnecessary portions are appropriately removed by an etching process or the like, so that the mirror part 2, the torsion bar 3, the frame body 4, and the actuator 5 are formed (FIG. III section is shown). At this time, the lower electrode layer L1, the piezoelectric layer L2, and the upper electrode layer L3 are left only in the portion of the actuator 5, and other portions are removed.

また、圧電体5b(圧電体層L2がエッチング処理されて残った箇所)へ駆動電圧を印加できるように、上部電極層L3がエッチング処理されて残った箇所(上部電極)t+に導通する配線(図示省略)と、下部電極層L1がエッチング処理されて残った箇所(下部電極)t−に導通する配線(図示省略)が設けられる。   Further, wiring (conducting to the portion (upper electrode) t + remaining after etching the upper electrode layer L3 so that a driving voltage can be applied to the piezoelectric body 5b (location remaining after the piezoelectric layer L2 is etched)). (Not shown) and a wiring (not shown) that is electrically connected to a portion (lower electrode) t− remaining after the etching of the lower electrode layer L1 is provided.

圧電体5bは、上部電極t+に導通する配線と、下部電極t−に導通する配線との間に駆動電圧が印加されると、該印加されたことによる圧電効果によって、支持体5aの長手方向に対して縮小する。これに伴って、圧電体5bを支持している支持体5aが、圧電体5bを支持している側の表面を内側となるように(支持体5aの基端部 図3の上方向に向かって)、該圧電体5bと共に屈曲変形する。以下、このような圧電体5bと支持体5aの屈曲変形を、単にアクチュエータ5の屈曲変形ともいう。   When a driving voltage is applied between the wiring that conducts to the upper electrode t + and the wiring that conducts to the lower electrode t−, the piezoelectric body 5b has a longitudinal direction of the support 5a due to the piezoelectric effect caused by the application. Reduce to. Accordingly, the support 5a supporting the piezoelectric body 5b faces the inner surface of the support 5a supporting the piezoelectric body 5b (the base end of the support 5a is directed upward in FIG. 3). And the piezoelectric body 5b is bent and deformed. Hereinafter, such bending deformation of the piezoelectric body 5 b and the support body 5 a is also simply referred to as bending deformation of the actuator 5.

また、ミラー部2には、ウエハ10上に、金属薄膜(本実施形態では一層の金属薄膜)を半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することで、反射面2aが形成される。   Further, the mirror surface 2 is formed with a reflective surface 2a on the wafer 10 by processing a metal thin film (one metal thin film in this embodiment) using a semiconductor planar process.

トーションバー3と、アクチュエータ5の支持体5aとは、ウエハ10等がエッチングされることで形成されるので、ウエハ10と同じ材料、すなわち、単結晶シリコンで形成される。   The torsion bar 3 and the support 5a of the actuator 5 are formed by etching the wafer 10 and the like, and thus are formed of the same material as the wafer 10, that is, single crystal silicon.

ウエハ10は、単結晶シリコンで形成されている。ウエハ10の主面は、(100)面である。このため、ウエハ10の主面に沿う結晶方位としては、<110>方位及び<100>方位のいずれかが主となる。ウエハ10には、<110>方位を示すようにオリエンテーションフラット11が設けられている(図2(a)参照)。すなわち、オリエンテーションフラット11に対して45度の角度の方向が、<100>方位となる。   The wafer 10 is made of single crystal silicon. The main surface of the wafer 10 is the (100) plane. For this reason, the crystal orientation along the main surface of the wafer 10 is mainly the <110> orientation or the <100> orientation. An orientation flat 11 is provided on the wafer 10 so as to indicate the <110> orientation (see FIG. 2A). That is, the direction at an angle of 45 degrees with respect to the orientation flat 11 is the <100> orientation.

そして、図2(a)に示されるように枠体4の上辺4uがオリエンテーションフラット11に対して45度傾斜するように、ウエハ上に、これから形成される光偏向器1をレイアウトする。これによって、枠体4の上辺4uが、<100>方位と平行になる。上辺4uに平行な方向及び直交する方向は、全て<100>方位となる。このため、上辺4uに平行なトーションバー3の長手方向と、上辺4uに直交するアクチュエータ5の支持体5aの長手方向とは、<100>方位となる。   Then, as shown in FIG. 2A, the optical deflector 1 to be formed is laid out on the wafer so that the upper side 4u of the frame 4 is inclined by 45 degrees with respect to the orientation flat 11. As a result, the upper side 4u of the frame 4 is parallel to the <100> orientation. The direction parallel to the upper side 4u and the direction perpendicular thereto are all <100> orientations. For this reason, the longitudinal direction of the torsion bar 3 parallel to the upper side 4u and the longitudinal direction of the support 5a of the actuator 5 orthogonal to the upper side 4u are the <100> orientation.

なお、図2(b)に示されるように、主面が(100)面のウエハ10に、<100>方位を示すように、オリエンテーションフラット11を設けてもよい。この場合には、枠体4の上辺4uがオリエンテーションフラット11に対して平行となるように、ウエハ10上にこれから形成する光偏向器1をレイアウトすればよい。   As shown in FIG. 2B, an orientation flat 11 may be provided on the wafer 10 whose main surface is the (100) plane so as to indicate the <100> orientation. In this case, the optical deflector 1 to be formed on the wafer 10 may be laid out on the wafer 10 so that the upper side 4u of the frame 4 is parallel to the orientation flat 11.

次に、光偏向器1の作動について説明する。この光偏向器1は、アクチュエータ5の駆動により、トーションバー3が、第1軸X周りに捩られるように構成されている。   Next, the operation of the optical deflector 1 will be described. The optical deflector 1 is configured such that the torsion bar 3 is twisted around the first axis X by driving the actuator 5.

詳細には、4つのアクチュエータ5のうち図1の上側にある2つのアクチュエータ(以下、「上側アクチュエータ」という)5が、枠体4に連結されている基端部に対してトーションバー3に連結されている先端部が屈曲変形すると共に、残りの2つのアクチュエータ(図1の下側にある2つのアクチュエータ。以下、「下側アクチュエータ」という)5が、枠体4に連結されている基端部に対してトーションバー3に連結されている先端部が屈曲変形するように、圧電体5bに駆動電圧が印加される。このとき、上側アクチュエータ5の各々の屈曲変形が同じ大きさとなるように、該上側アクチュエータ5の圧電体5bに駆動電圧が印加される。また、下側アクチュエータ5の各々の屈曲変形が同じ大きさとなるように、該下側アクチュエータ5の圧電体5bに駆動電圧が印加される。   Specifically, of the four actuators 5, two actuators (hereinafter referred to as “upper actuators”) 5 on the upper side in FIG. 1 are connected to the torsion bar 3 with respect to the base end portion connected to the frame body 4. The distal end portion that is bent is deformed and the remaining two actuators (two actuators on the lower side of FIG. 1, hereinafter referred to as “lower actuator”) 5 are connected to the frame body 4. A driving voltage is applied to the piezoelectric body 5b so that the tip connected to the torsion bar 3 is bent and deformed relative to the portion. At this time, a driving voltage is applied to the piezoelectric body 5b of the upper actuator 5 so that the bending deformation of each of the upper actuators 5 has the same magnitude. Further, a drive voltage is applied to the piezoelectric body 5b of the lower actuator 5 so that the bending deformation of each of the lower actuators 5 has the same magnitude.

上側アクチュエータ5の屈曲変形の大きさと、下側アクチュエータ5の屈曲変形の大きさとが異なる場合、トーションバー3が第1軸X周りに捩られて、ミラー部2(ひいては、反射面2a)が第1軸X周りに揺動する。上側アクチュエータ5の屈曲変形の大きさと、下側アクチュエータ5の屈曲変形の大きさとが同じ場合、ミラー部2の揺動角度は、上側アクチュエータ5及び下側アクチュエータ5が屈曲変形していないときのミラー部2の揺動角度と同じになる。このように、上側アクチュエータ5の屈曲変形の大きさと、下側アクチュエータ5の屈曲変形の大きさとに応じて、反射面2aの第1軸X周りの揺動角度を調整することができる。   When the magnitude of the bending deformation of the upper actuator 5 is different from the magnitude of the bending deformation of the lower actuator 5, the torsion bar 3 is twisted around the first axis X, and the mirror portion 2 (and hence the reflecting surface 2a) is Swing around one axis X. When the magnitude of the bending deformation of the upper actuator 5 and the magnitude of the bending deformation of the lower actuator 5 are the same, the swing angle of the mirror portion 2 is the mirror when the upper actuator 5 and the lower actuator 5 are not bent and deformed. It becomes the same as the swing angle of the part 2. Thus, the swing angle of the reflecting surface 2a around the first axis X can be adjusted according to the magnitude of the bending deformation of the upper actuator 5 and the magnitude of the bending deformation of the lower actuator 5.

なお、本実施形態の光偏向器1には、上側アクチュエータ5の圧電体5bに印加する電圧信号と、下側アクチュエータ5の圧電体5bに印加する電圧信号とは、周期性を有し、且つ互いに逆位相となる電圧信号(すなわち互いに180度位相がずれた電圧信号)が印加される。このときの、電圧信号の周波数は、光偏向器1の機械的な共振周波数に設定される。これにより、反射面2aを大きな偏向角で第1軸X周りに揺動できる。   In the optical deflector 1 of the present embodiment, the voltage signal applied to the piezoelectric body 5b of the upper actuator 5 and the voltage signal applied to the piezoelectric body 5b of the lower actuator 5 have periodicity, and Voltage signals having opposite phases to each other (that is, voltage signals that are 180 degrees out of phase with each other) are applied. At this time, the frequency of the voltage signal is set to the mechanical resonance frequency of the optical deflector 1. Thereby, the reflecting surface 2a can be swung around the first axis X with a large deflection angle.

以上のように、トーションバー3は、第1軸(トーションバー3の長手方向の軸)X周りに捩ることで、反射面2aを第1軸X周りに揺動させる。前述したように、トーションバー3の長手方向は、<100>方位となる。ここで、単結晶シリコンのせん断弾性係数Gは、単結晶シリコンの結晶方位が<110>方位のとき約62[GPa]であり、単結晶シリコンの結晶方位が<100>方位のとき約79[GPa]である。トーションバー3のばね定数kは、該トーションバー3のせん断弾性係数Gが大きくなる程、大きくなる。例えば、トーションバー3が本実施形態のように長板形状の場合、該トーションバー3のばね定数kは、次式(1)で表される。   As described above, the torsion bar 3 swings around the first axis X by twisting around the first axis (the longitudinal axis of the torsion bar 3) X. As described above, the longitudinal direction of the torsion bar 3 is the <100> orientation. Here, the shear elastic modulus G of single crystal silicon is about 62 [GPa] when the crystal orientation of the single crystal silicon is <110>, and about 79 [GP] when the crystal orientation of the single crystal silicon is <100>. GPa]. The spring constant k of the torsion bar 3 increases as the shear elastic modulus G of the torsion bar 3 increases. For example, when the torsion bar 3 has a long plate shape as in this embodiment, the spring constant k of the torsion bar 3 is expressed by the following equation (1).

Figure 2014102355
Figure 2014102355

ここで、Gはトーションバー3のせん断弾性係数を示し、wはトーションバー3の幅方向の長さを示し、tはトーションバー3の厚さを示し、Lはトーションバー3の長手方向の長さを示す。   Here, G indicates the shear elastic modulus of the torsion bar 3, w indicates the length in the width direction of the torsion bar 3, t indicates the thickness of the torsion bar 3, and L indicates the length in the longitudinal direction of the torsion bar 3. It shows.

従って、トーションバー3の長手方向の軸Xが、単結晶シリコンの結晶方位の<100>方位に平行となるようにトーションバー3が形成されることで、単結晶シリコンの結晶方位の<110>方位に平行となるようにトーションバー3が形成されるものに比べて、該トーションバー3の長手方向の軸X周りのばね定数kが大きくなり、ひいては、トーションバー3の共振周波数を大きくできる。このとき、トーションバー3の寸法を変更する必要がない。従って、光偏向器の寸法を変更することなく(光偏向器1の大型化を抑制しつつ)、反射面2aの走査速度を高速にできる。   Therefore, the torsion bar 3 is formed so that the longitudinal axis X of the torsion bar 3 is parallel to the <100> orientation of the crystal orientation of the single crystal silicon, so that <110> of the crystal orientation of the single crystal silicon. The spring constant k around the longitudinal axis X of the torsion bar 3 is larger than that in which the torsion bar 3 is formed so as to be parallel to the azimuth, and as a result, the resonance frequency of the torsion bar 3 can be increased. At this time, it is not necessary to change the dimensions of the torsion bar 3. Therefore, the scanning speed of the reflecting surface 2a can be increased without changing the dimensions of the optical deflector (suppressing the enlargement of the optical deflector 1).

また、トーションバー3を捩るときに、アクチュエータ5は、その基端部を起点として先端部が屈曲変形する。このように、アクチュエータ5は、枠体4に支持されたカンチレバーである。カンチレバーの先端部の変位量は、該カンチレバーのヤング率Eに反比例する。例えば、カンチレバー(支持体5a)の基端部に対する先端部の変位量yは、次式(2)で表される。なお、支持体5aは、そのほぼ全面で圧電体5bを支持しているので、支持体5aが屈曲変形するときには、支持体5aのほぼ全面に均等の力が作用する。   Further, when the torsion bar 3 is twisted, the distal end portion of the actuator 5 is bent and deformed starting from the base end portion. Thus, the actuator 5 is a cantilever supported by the frame body 4. The amount of displacement of the tip of the cantilever is inversely proportional to the Young's modulus E of the cantilever. For example, the amount of displacement y of the distal end relative to the proximal end of the cantilever (support 5a) is expressed by the following equation (2). Since the support 5a supports the piezoelectric body 5b on almost the entire surface thereof, when the support 5a is bent and deformed, an equal force acts on almost the entire surface of the support 5a.

Figure 2014102355
Figure 2014102355

ここで、Lは支持体5aの長手方向の長さを示し、qは支持体5aの単位長さ辺りの荷重(圧電体の圧電効果による屈曲変形させる力)を示し、Eは支持体5aのヤング率を示し、Iは支持体5aの断面二次モーメントを示す。   Here, L represents the length of the support 5a in the longitudinal direction, q represents the load per unit length of the support 5a (force for bending deformation due to the piezoelectric effect of the piezoelectric body), and E represents the support 5a. The Young's modulus is shown, and I is the cross-sectional second moment of the support 5a.

単結晶シリコンのヤング率Eは、単結晶シリコンの結晶方位が<110>方位のとき約160[GPa]であり、単結晶シリコンの結晶方位が<100>方位のとき約130[GPa]である。支持体5aの長手方向は、前述したように<100>方位である。従って、単結晶シリコンの結晶方位の<100>方位に平行となるように支持体5aが形成されることで、単結晶シリコンの結晶方位の<110>方位に平行となるように支持体5aが形成されるものに比べて、支持体5aの基端部に対する先端部の屈曲変形の大きさが大きくなる。これにより、反射面2aの揺動角度を大きくできる。   The Young's modulus E of single crystal silicon is about 160 [GPa] when the crystal orientation of the single crystal silicon is <110>, and is about 130 [GPa] when the crystal orientation of the single crystal silicon is <100>. . As described above, the longitudinal direction of the support 5a is the <100> orientation. Therefore, the support 5a is formed so as to be parallel to the <100> orientation of the crystal orientation of the single crystal silicon, so that the support 5a is parallel to the <110> orientation of the crystal orientation of the single crystal silicon. Compared to what is formed, the magnitude of the bending deformation of the distal end portion with respect to the proximal end portion of the support 5a is increased. Thereby, the rocking | fluctuation angle of the reflective surface 2a can be enlarged.

以上のように、トーションバー3の共振周波数を大きくした場合であっても、反射面2aの揺動角度を大きくすることができる(カンチレバー(支持体5a)の変位量を大きくした場合であっても、反射面2aの走査速度を速くできる)。   As described above, even when the resonance frequency of the torsion bar 3 is increased, the swing angle of the reflecting surface 2a can be increased (when the displacement amount of the cantilever (support 5a) is increased). Can also increase the scanning speed of the reflecting surface 2a).

[第2実施形態]
図4を参照して、本発明の第2実施形態の光偏向器について説明する。本実施形態の光偏向器201は、第1実施形態の光偏向器(以下、本実施形態においては「内側偏向部」という)1に加えて、該内側偏向部1を第2軸Y周りに揺動させる一対の外側アクチュエータ205と、外枠204とを備える。
[Second Embodiment]
An optical deflector according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. The optical deflector 201 of the present embodiment includes the inner deflector 1 around the second axis Y in addition to the optical deflector (hereinafter referred to as “inner deflector” in the present embodiment) 1 of the first embodiment. A pair of outer actuators 205 to be swung and an outer frame 204 are provided.

外枠204は、矩形状の枠(上辺204uと下辺204dとが平行、及び左辺204lと右辺204rとが平行)として形成されており、内側偏向部1及び外側アクチュエータ205を外側から包囲する。   The outer frame 204 is formed as a rectangular frame (the upper side 204u and the lower side 204d are parallel, and the left side 204l and the right side 204r are parallel), and surrounds the inner deflection unit 1 and the outer actuator 205 from the outside.

一対の外側アクチュエータ205は、内側偏向部1を挟んで対向して配置されている。一対の外側アクチュエータ205は、その先端部が内側偏向部1の左辺4lの外側に連結されると共に、その基端部が外枠204の左辺204l及び右辺204rの内側に連結される。   The pair of outer actuators 205 are disposed to face each other with the inner deflection unit 1 interposed therebetween. The pair of outer actuators 205 are connected to the outer sides of the left side 4l of the inner deflection unit 1 and the base ends thereof are connected to the inner sides of the left side 204l and the right side 204r of the outer frame 204.

一対の外側アクチュエータ205の各々は、複数の圧電カンチレバー206を備える。なお、本実施形態では、圧電カンチレバー206の数は、4つとしているが、他の数であってもよい。外側アクチュエータ205において、複数の圧電カンチレバー206の各々は、その長さ方向が同じになるように、各圧電カンチレバー206の両端部が隣り合うように、間隔が設けられて並んで配置されている。そして、各圧電カンチレバー206は、隣り合う圧電カンチレバーに対し折り返すように連結されている。このように、外側アクチュエータ205は、複数の圧電カンチレバー206が、蛇腹状(ミアンダ形状)に形成されている。   Each of the pair of outer actuators 205 includes a plurality of piezoelectric cantilevers 206. In the present embodiment, the number of piezoelectric cantilevers 206 is four, but other numbers may be used. In the outer actuator 205, each of the plurality of piezoelectric cantilevers 206 is arranged side by side with an interval so that both end portions of each piezoelectric cantilever 206 are adjacent to each other so that the length directions thereof are the same. Each piezoelectric cantilever 206 is connected so as to be folded back with respect to the adjacent piezoelectric cantilever. Thus, the outer actuator 205 has a plurality of piezoelectric cantilevers 206 formed in a bellows shape (a meander shape).

本実施形態の光偏向器201は、第1実施形態の光偏向器1と同様に、フォトリソグラフィ技術やドライエッチング技術等を利用した半導体プレーナプロセス及びMEMSプロセスが用いられて製造される。すなわち、単結晶シリコンのウエハ10上に、下部電極層L1、圧電体層L2、及び上部電極層L3等が積層された後、エッチング処理等によって、不要な部位が適宜除去されることで、内側偏向部1(ミラー部2、トーションバー3、枠体4、及びアクチュエータ5)、外側アクチュエータ205、及び外枠204が形成される。このとき、下部電極層L1、圧電体層L2及び上部電極層L3は、内側偏向部1のアクチュエータ5、及び外側アクチュエータ205の圧電カンチレバー206の部分のみ残されて、他の部分は除去される。   Similar to the optical deflector 1 of the first embodiment, the optical deflector 201 of the present embodiment is manufactured using a semiconductor planar process and a MEMS process using a photolithography technique, a dry etching technique, and the like. That is, after the lower electrode layer L1, the piezoelectric layer L2, the upper electrode layer L3, and the like are laminated on the single crystal silicon wafer 10, unnecessary portions are appropriately removed by an etching process or the like. A deflection unit 1 (mirror unit 2, torsion bar 3, frame body 4, and actuator 5), outer actuator 205, and outer frame 204 are formed. At this time, the lower electrode layer L1, the piezoelectric layer L2, and the upper electrode layer L3 are left only in the portions of the actuator 5 of the inner deflection unit 1 and the piezoelectric cantilever 206 of the outer actuator 205, and other portions are removed.

そして、アクチュエータ5及び圧電カンチレバー206の圧電体5b(圧電体層L2がエッチング処理されて残った箇所)へ駆動電圧を印加できるように、上部電極層L3がエッチング処理されて残った上部電極t+に導通する配線(図示省略)と、下部電極層L1がエッチング処理されて残った下部電極t−に導通する配線(図示省略)が設けられる。これにより、圧電体5bは、上部電極t+に導通する配線と、下部電極t−に導通する配線との間に駆動電圧が印加されると、該印加されたことによる圧電効果によって、支持体5aの長手方向に対して縮小する。これに伴って、圧電体5bを支持している支持体5aが、圧電体5bを支持している側の表面を内側となるように、該圧電体5bと共に屈曲変形する。   Then, the upper electrode layer L3 is etched and left on the upper electrode t + so that a driving voltage can be applied to the actuator 5 and the piezoelectric body 5b of the piezoelectric cantilever 206 (the portion left after the piezoelectric layer L2 is etched). Conductive wiring (not shown) and wiring (not shown) conductive to the lower electrode t− remaining after etching the lower electrode layer L1 are provided. Thus, when a driving voltage is applied between the wiring that is conductive to the upper electrode t + and the wiring that is conductive to the lower electrode t−, the piezoelectric body 5b is supported by the piezoelectric body 5a due to the applied piezoelectric effect. It shrinks with respect to the longitudinal direction. Along with this, the support body 5a supporting the piezoelectric body 5b is bent and deformed together with the piezoelectric body 5b so that the surface on the side supporting the piezoelectric body 5b becomes the inside.

ここで、以下の説明では、4つの圧電カンチレバー206のうち、外側アクチュエータ205の先端部側から基端部側に向かって数えて、奇数番目の2つの圧電カンチレバーと偶数番目の2つの圧電カンチレバーとを区別する場合には、奇数番目の2つの圧電カンチレバーの符号の末尾に「o」を付与して206oとして表し、偶数番目の2つの圧電カンチレバーの符号の末尾に「e」を付与して206eとして表す。   Here, in the following description, among the four piezoelectric cantilevers 206, the odd-numbered two piezoelectric cantilevers and the even-numbered two piezoelectric cantilevers are counted from the distal end side to the proximal end side of the outer actuator 205. , “O” is added to the end of the odd-numbered two piezoelectric cantilevers and represented as 206o, and “e” is added to the end of the even-numbered two piezoelectric cantilevers. Represent as

光偏向器201は、アクチュエータ5の圧電体5b、奇数番目の圧電カンチレバー206oの圧電体5b、及び偶数番目の圧電カンチレバー206eの圧電体5bの各々は、独立して駆動電圧が印加できるように配線されている。   The optical deflector 201 is wired so that a drive voltage can be applied to each of the piezoelectric body 5b of the actuator 5, the piezoelectric body 5b of the odd-numbered piezoelectric cantilever 206o, and the piezoelectric body 5b of the even-numbered piezoelectric cantilever 206e. Has been.

また、複数の圧電カンチレバー206の各々は、外枠204の上辺204u及び下辺204dに対して直交するように配置されている。また、内側偏向部1は、その枠体4の左辺4l及び右辺4rが、外枠204の上辺204u及び下辺204dと平行に配置されている。このため、複数の圧電カンチレバー206の各々は、内側偏向部1の支持体5aと直交し、且つ内側偏向部1のトーションバー3と平行になる。本実施形態においても、第1実施形態と同様に、ウエハ10は、単結晶シリコンで形成されている。ウエハ10の主面は、(100)面であり、<110>方位を示すようにオリエンテーションフラット11が設けられている。すなわち、オリエンテーションフラット11に対して45度の角度の方向が、<100>方位となる。   Further, each of the plurality of piezoelectric cantilevers 206 is disposed so as to be orthogonal to the upper side 204u and the lower side 204d of the outer frame 204. Further, in the inner deflection unit 1, the left side 4l and the right side 4r of the frame body 4 are arranged in parallel with the upper side 204u and the lower side 204d of the outer frame 204. Therefore, each of the plurality of piezoelectric cantilevers 206 is orthogonal to the support 5 a of the inner deflection unit 1 and is parallel to the torsion bar 3 of the inner deflection unit 1. Also in this embodiment, as in the first embodiment, the wafer 10 is formed of single crystal silicon. The main surface of the wafer 10 is a (100) plane, and an orientation flat 11 is provided so as to indicate the <110> orientation. That is, the direction at an angle of 45 degrees with respect to the orientation flat 11 is the <100> orientation.

そして、外枠204の上辺204uがオリエンテーションフラット11に対して45度傾斜するように、ウエハ10上にこれから形成する光偏向器201をレイアウトする。これによって、外枠204の上辺204uが、<100>方位と平行になる。上辺204uに平行な方向及び直交する方向は、全て<100>方位となる。このため、上辺204uに直交するトーションバー3の長手方向と、上辺204uに平行な「内側偏向部1のアクチュエータ5の支持体5aの長手方向」と、上辺204uに直交する「外側アクチュエータ205の支持体5aの長手方向」とが<100>方位となる。   Then, the optical deflector 201 to be formed on the wafer 10 is laid out so that the upper side 204 u of the outer frame 204 is inclined by 45 degrees with respect to the orientation flat 11. As a result, the upper side 204u of the outer frame 204 becomes parallel to the <100> direction. The direction parallel to the upper side 204u and the direction orthogonal thereto are all <100> orientations. Therefore, the longitudinal direction of the torsion bar 3 orthogonal to the upper side 204u, the “longitudinal direction of the support 5a of the actuator 5 of the inner deflection unit 1” parallel to the upper side 204u, and the “support of the outer actuator 205” orthogonal to the upper side 204u. The “longitudinal direction of the body 5a” is the <100> orientation.

なお、主面が(100)面であり、オリエンテーションフラット11が<100>方位を示すように設けられたウエハ10を用いる場合には、外枠204の上辺204uがオリエンテーションフラット11に対して平行となるように、ウエハ10上にこれから形成する光偏向器201をレイアウトすればよい。   When the wafer 10 is used in which the main surface is the (100) plane and the orientation flat 11 has the <100> orientation, the upper side 204u of the outer frame 204 is parallel to the orientation flat 11. Thus, the optical deflector 201 to be formed on the wafer 10 may be laid out.

次に、光偏向器201の作動について説明する。   Next, the operation of the optical deflector 201 will be described.

この光偏向器201において、内側偏向部1のアクチュエータ5の駆動により、トーションバー3が、第1軸X周りに捩られる。これにより、反射面2aが第1軸X周りに揺動する。この作動の詳細については、第1実施形態と同じであるので、説明を省略する。   In this optical deflector 201, the torsion bar 3 is twisted around the first axis X by driving the actuator 5 of the inner deflection unit 1. Thereby, the reflecting surface 2a swings around the first axis X. The details of this operation are the same as those in the first embodiment, and a description thereof will be omitted.

また、外側アクチュエータ205の駆動により、内側偏向部1が、第2軸Y周りに揺動する。これにより、反射面2aが第2軸Y周りに揺動する。   Further, the inner deflection unit 1 swings around the second axis Y by driving the outer actuator 205. Thereby, the reflecting surface 2a swings around the second axis Y.

詳細には、奇数番目の圧電カンチレバー206oの圧電体5bに、周期性を有する単極性の電圧信号(例えば正弦波又はノコギリ波等に直流成分を加えた信号。以下、「第1電圧信号」という)を印加すると共に、偶数番目の圧電カンチレバー206eの圧電体5bに、第1電圧信号とは、互いに逆位相の電圧信号(すなわち互いに180度位相がずれた電圧信号。以下、「第2電圧信号」という)を印加する。これにより、第1電圧信号の値と第2電圧信号の値が等しいときに、各圧電カンチレバー206の屈曲変形の大きさが等しくなる(以下、この状態を「状態2A」という)。また、第1電圧信号の値が第2電圧信号の値より大きいときに、奇数番目の圧電カンチレバー206oの屈曲変形が、偶数番目の圧電カンチレバー206eの屈曲変形より大きくなる(以下、この状態を「状態2B」という)。また、第1電圧信号の値が第2電圧信号の値より小さいときに、奇数番目の圧電カンチレバー206oの屈曲変形が、偶数番目の圧電カンチレバー206eの屈曲変形より小さくなる(以下、この状態を「状態2C」という)。   Specifically, the piezoelectric body 5b of the odd-numbered piezoelectric cantilever 206o has a periodic unipolar voltage signal (for example, a signal obtained by adding a direct current component to a sine wave or a sawtooth wave. Hereinafter, referred to as a "first voltage signal". ) Is applied to the piezoelectric body 5b of the even-numbered piezoelectric cantilever 206e, and the first voltage signal is a voltage signal that is opposite in phase to the first voltage signal (that is, a voltage signal that is 180 degrees out of phase with each other. Is applied). Accordingly, when the value of the first voltage signal is equal to the value of the second voltage signal, the magnitude of the bending deformation of each piezoelectric cantilever 206 becomes equal (hereinafter, this state is referred to as “state 2A”). When the value of the first voltage signal is larger than the value of the second voltage signal, the bending deformation of the odd-numbered piezoelectric cantilever 206o becomes larger than the bending deformation of the even-numbered piezoelectric cantilever 206e (hereinafter, this state is referred to as “ State 2B)). When the value of the first voltage signal is smaller than the value of the second voltage signal, the bending deformation of the odd-numbered piezoelectric cantilever 206o is smaller than the bending deformation of the even-numbered piezoelectric cantilever 206e (hereinafter, this state is referred to as “ State 2C)).

互いに逆位相の第1電圧信号と第2電圧信号とが、奇数番目の圧電カンチレバー206oの圧電体5bと、偶数番目の圧電カンチレバー206eの圧電体5bとに印加されるので、「状態2B→状態2A→状態2C(→状態2B…)」が繰り返される。このような各圧電カンチレバー206の動きにより、反射面2aは、第2軸Y周りで回転する。   Since the first voltage signal and the second voltage signal having opposite phases are applied to the piezoelectric body 5b of the odd-numbered piezoelectric cantilever 206o and the piezoelectric body 5b of the even-numbered piezoelectric cantilever 206e, “state 2B → state “2A → State 2C (→ State 2B...)” Is repeated. By such movement of each piezoelectric cantilever 206, the reflecting surface 2a rotates around the second axis Y.

また、各圧電カンチレバー206がミアンダ形状に連結されているので、外側アクチュエータ205では、各圧電カンチレバー206の屈曲変形の大きさを累積した大きさの角度変位が発生する。従って、例えば、内側偏向部1のアクチュエータ5に比べて大きな角度変位を得ることができるので、第1電圧信号及び第2電圧信号の周波数を、光偏向器201の機械的な共振周波数としない場合であっても、反射面2aの偏向角が充分な大きさとなる。   Further, since each piezoelectric cantilever 206 is connected in a meander shape, the outer actuator 205 generates an angular displacement having a magnitude obtained by accumulating the magnitude of bending deformation of each piezoelectric cantilever 206. Therefore, for example, a large angular displacement can be obtained as compared with the actuator 5 of the inner deflection unit 1, and therefore, the frequency of the first voltage signal and the second voltage signal is not the mechanical resonance frequency of the optical deflector 201. Even so, the deflection angle of the reflecting surface 2a is sufficiently large.

また、内側偏向部1を第2軸Y周りに揺動する場合には、上述したように周期性を有する電圧信号を印加する必要はなく、直流の電圧信号を印加してもよい。この場合、圧電カンチレバー206で発生する屈曲変形の大きさは、直流電圧の大きさに応じて線形的に変化する。従って、例えば周期性を有する電圧信号を印加して圧電カンチレバーを共振駆動させる場合と異なり、直流電圧の大きさを制御することで外側アクチュエータ205から任意の出力を得ることができる。このように、光偏向器201では、第2軸Y周りに揺動する場合には、駆動電圧として印加した直流電圧の大きさに応じて線形的に偏向角を制御することができるので、任意の速度で任意の偏向角を得ることができる。   Further, when the inner deflection unit 1 is swung around the second axis Y, it is not necessary to apply a voltage signal having periodicity as described above, and a DC voltage signal may be applied. In this case, the magnitude of bending deformation generated in the piezoelectric cantilever 206 changes linearly according to the magnitude of the DC voltage. Therefore, for example, unlike the case where the piezoelectric cantilever is resonantly driven by applying a voltage signal having periodicity, an arbitrary output can be obtained from the outer actuator 205 by controlling the magnitude of the DC voltage. Thus, in the optical deflector 201, when swinging around the second axis Y, the deflection angle can be controlled linearly according to the magnitude of the DC voltage applied as the drive voltage. An arbitrary deflection angle can be obtained at a speed of.

本実施形態の光偏向器201では、第1実施形態の光偏向器1を内側偏向部1として備えているので、内側偏向部1は、第1実施形態の光偏向器1と同じ効果が得られる。   Since the optical deflector 201 of the present embodiment includes the optical deflector 1 of the first embodiment as the inner deflector 1, the inner deflector 1 has the same effect as the optical deflector 1 of the first embodiment. It is done.

また、本実施形態の光偏向器201では、外側アクチュエータ205の各圧電カンチレバー206の支持体5aが、その長手方向が<100>方位となっている。従って、該圧電カンチレバー206の支持体5aの長手方向が<110>方位のものに比べて、支持体5aの基端部に対する先端部の屈曲変形の大きさが大きくなる。これにより、内側偏向部1の第2軸Y周りの揺動角度を大きくできる。   In the optical deflector 201 of this embodiment, the longitudinal direction of the support 5a of each piezoelectric cantilever 206 of the outer actuator 205 is the <100> direction. Therefore, compared to the piezoelectric cantilever 206 in which the longitudinal direction of the support 5a is <110>, the magnitude of the bending deformation of the distal end portion with respect to the proximal end portion of the support 5a is increased. Thereby, the rocking | swiveling angle around the 2nd axis | shaft Y of the inner side deflection | deviation part 1 can be enlarged.

なお、上記第1実施形態及び第2実施形態の光偏向器においては、トーションバー3を捩るためのアクチュエータとして圧電体を用いているが、これに限らず、その他の態様によってトーションバー3を捩るようにアクチュエータを構成してもよい。   In the optical deflectors of the first embodiment and the second embodiment, a piezoelectric body is used as an actuator for twisting the torsion bar 3, but the present invention is not limited to this, and the torsion bar 3 is twisted according to other modes. An actuator may be configured as described above.

また、上記第1実施形態及び第2実施形態の光偏向器においては、トーションバー3によって、反射面2aを第1軸X周りに揺動させているが、これに限らず、その他の態様によって反射面を所定の軸周りに揺動させてもよい。例えば、第2実施形態で示された光偏向器201において、内側偏向部1が反射面を備えるミラー部として構成されていてもよい。この場合には、外側アクチュエータ205が反射面を第2軸Y(所定の軸)周りに揺動する。また、第2実施形態で示された光偏向器201において、内側偏向部1のアクチュエータ5及びトーションバー3の変わりに、外側アクチュエータ205のようなミアンダ形状に構成されたアクチュエータが設けられていてもよい。これにより、該アクチュエータによって反射面2aを第1軸X周りに揺動すると共に、外側アクチュエータ205によって内側偏向部1を第2軸Y周りに揺動することができる。   In the optical deflectors of the first embodiment and the second embodiment, the reflection surface 2a is swung around the first axis X by the torsion bar 3. However, the present invention is not limited to this. The reflecting surface may be swung around a predetermined axis. For example, in the optical deflector 201 shown in the second embodiment, the inner deflection unit 1 may be configured as a mirror unit having a reflection surface. In this case, the outer actuator 205 swings the reflection surface around the second axis Y (predetermined axis). Further, in the optical deflector 201 shown in the second embodiment, an actuator configured in a meander shape such as the outer actuator 205 may be provided instead of the actuator 5 and the torsion bar 3 of the inner deflection unit 1. Good. As a result, the reflecting surface 2 a can be swung around the first axis X by the actuator, and the inner deflection unit 1 can be swung around the second axis Y by the outer actuator 205.

1…光偏向器(第1実施形態)、2a…反射面、3…トーションバー、5…アクチュエータ、5a…支持体、5b…圧電体、X…第1軸(所定の軸、長手方向の軸)、201…光偏向器(第2実施形態)、Y…第2軸(所定の軸)、205…外側アクチュエータ(アクチュエータ)。   DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical deflector (1st Embodiment), 2a ... Reflecting surface, 3 ... Torsion bar, 5 ... Actuator, 5a ... Supporting body, 5b ... Piezoelectric body, X ... 1st axis (predetermined axis, longitudinal axis) ), 201... Optical deflector (second embodiment), Y... Second axis (predetermined axis), 205.

Claims (3)

光を反射する反射面と、前記反射面を所定の軸周りに揺動させるアクチュエータとを有する光偏向器において、
前記アクチュエータは、駆動電圧が印加される圧電体と、該圧電体を支持し該圧電体と共に屈曲変形する長方形板状の支持体とを備え、
前記支持体は、単結晶シリコンで形成され、その長手方向が、当該支持体の結晶方位の<100>方位と平行になるように形成されていることを特徴とする光偏向器。
In an optical deflector having a reflective surface that reflects light and an actuator that swings the reflective surface about a predetermined axis,
The actuator includes a piezoelectric body to which a driving voltage is applied, and a rectangular plate-shaped support body that supports the piezoelectric body and bends and deforms together with the piezoelectric body,
The optical deflector according to claim 1, wherein the support is made of single crystal silicon and has a longitudinal direction parallel to a <100> orientation of a crystal orientation of the support.
請求項1に記載の光偏向器において、
単結晶シリコンで形成され、前記アクチュエータによって長手方向の軸周りに捩られることで、前記反射面を揺動させるトーションバーを備え、
前記トーションバーは、前記軸方向が、当該トーションバーの結晶方位の<100>方位と平行になるように形成されていることを特徴とする光偏向器。
The optical deflector according to claim 1.
A torsion bar that is made of single crystal silicon and is twisted around a longitudinal axis by the actuator to swing the reflecting surface,
The torsion bar is formed so that the axial direction is parallel to the <100> orientation of the crystal orientation of the torsion bar.
請求項1又は2に記載の光偏向器において、
前記アクチュエータは、前記圧電体及び前記支持体を複数備え、
前記複数の支持体の各々は、両端部が隣り合うように並んで配置され、
前記複数の支持体の端部は、各々隣り合う支持体に対し折り返すように端部が連結され、各支持体は、各支持体の並び方向に直交する方向に屈曲変形するように形成されていることを特徴とする光偏向器。
The optical deflector according to claim 1 or 2,
The actuator includes a plurality of the piezoelectric body and the support body,
Each of the plurality of supports is arranged side by side so that both ends are adjacent to each other,
The ends of the plurality of supports are connected to each other so as to be folded back with respect to adjacent supports, and each support is formed to bend and deform in a direction perpendicular to the direction in which the supports are arranged. An optical deflector characterized by comprising:
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