JP2007268374A - 振動素子、振動素子の製造方法、光走査装置、画像形成装置及び画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】応力による反りを確実に解消できる構成を備えた振動素子、この振動素子を備えた光走査装置、これらを備えた画像表示装置の提供。
【解決手段】振動部１９ａを振動可能に支持した第１の支持部１９ｄと、振動部１９ａを振動させる駆動層３０を備え、第１の支持部１９ｄを介して振動部１９ａを基板１９ｅに支持した第２の支持部１９ｅ１とを有し、第２の支持部１９ｅ１は、第１の支持部１９ｄに隣る部分に、振動部１９ａの振動軸方向における全幅に亘って凹んだ凹部１９ｆを有し、凹部１９ｆでの断面剛性が他の部分と異なり、特に断面形状が少なくなる分、断面剛性が低くなることにより第２の支持部１９ｅ１に設けられている駆動層３０での応力の影響が第１の支持部１９ｄに及ぶのを防止する。
【選択図】図２

Description

本発明は、例えばレーザ光の走査等に用いる振動素子、特に圧電素子等のアクチュエータにより振動する振動素子、かかる振動素子の製造方法、かかる振動素子を備えた光走査装置、かかる光走査装置を備えた画像形成装置、かかる光走査装置や画像形成装置を備えた画像表示装置に関する。

従来、レーザ光による走査を行う際に用いられるミラーを振動させるための構成として、マイクロマシニング技術を応用して形成したミラー等の振動部を梁により振動可能に支持し、圧電素子などのアクチュエータにより梁を介して振動部を振動させる振動素子が知られている（例えば、特許文献１）。この場合の振動は、梁の軸心を中心として往復回転（揺動）を意味している。

アクチュエータは、圧電素子などのように、それ自身が変形するものの場合、それ自身が伸縮することによって、振動部であるミラーを往復回転させる方向に振動させる駆動力を発生させることが一般的であり、ミラー面である振動部を振動させることで光の走査を可能にしている。

図１１は、振動駆動層として圧電素子を用いてミラー等が用いられる振動部を振動させる構成を説明するための平面図である。

同図においてミラー１００は、第１の支持部に相当するねじり梁１０１の延在方向中央に配置されて平面視においてねじり梁１０１の延在方向と直角な方向、換言すれば、ねじり梁１０１を中心として回転可能に支持されている。

ねじり梁１０１は、延在方向に相当する軸方向端部が２股状に分岐されて基板１０３に一体化されており、その２股状に分岐された部分が相当する第２の支持部１０１Ａには駆動層としての圧電素子１０２が配置されている。

この構成においては、圧電素子１０２への通電切換が行われた際の電歪現象による第２の支持部１０１Ａの一方を交互に屈曲させることによりねじり梁１０１に往復回転を生起させてミラー１００を振動させるようになっている。

このような走査デバイスは、前述した光走査装置や画像表示装置における走査光学系に組み込まれることが知られている（例えば、特許文献１）。
特開２００５−１４８４５９号公報

ところで、マイクロマシニング技術を応用した上記走査デバイスにおいては、アクチュエータ成膜時の残留応力や、アクチュエータが駆動時に発生する応力によって梁部の延在方向（長手方向）に沿って反りが発生することが知られている。

このため、所定周波数により振動させたとしても反りによる走査光の拡散などが原因して光路が変化し、適正な走査光の位置決めが行えなくなるという問題があった。

本発明は、上記従来の振動素子を用いた光走査装置およびこれを装備した画像表示装置における問題に鑑み、応力による反りを確実に解消できる構成を備えた振動素子およびこれを用いることで走査の際の位置決め精度の悪化を防止できる光走査装置、画像表示装置および画像表示装置を提供することにある。

この目的を達成するため請求項１記載の発明は、振動部を振動可能に支持した第１の支持部と、前記振動部を振動させる駆動層を備え、第１の支持部を介して前記振動部を基板に支持した第２の支持部とを有し、前記第２の支持部は、前記第１の支持部に隣る部分に、前記振動部の振動軸方向における全幅に亘って凹んだ凹部を有することを特徴としている。

本発明においては、第１の支持部に隣る部分に振動軸方向全幅にわたり窪んだ凹部が設けられているので、その部分での断面剛性が他の部分と異なり、特に断面形状が少なくなる分、断面剛性が低くなることにより第２の支持部に設けられている駆動層での応力の影響が第１の支持部に及ぶのを防止することができる。

請求項２記載の発明は、前記第１の支持部は前記振動部を挟むように対をなしていることを特徴としている。

本発明においては、第１の支持部が振動部を挟んで対称な配置関係とすることにより振動部での振動が偏倚（振動ムラ）を生じることなく良好に行われる。

請求項３記載の発明は、前記第２の支持部は前記第１の支持部を挟むように対をなしていることを特徴としている。

本発明においては、第１の振動部を第２の振動部を挟むように対をなして配置されているので、支持特性にバランスを持たせて振動部での振動に偏倚などを生じさせないようにして良好な振動が行える。

請求項４記載の発明は、前記凹部は、前記振動軸に垂直な断面における表面が曲面をなしていることを特徴としている。

本発明においては、凹部に曲面が形成されていることにより凹部内での応力集中部をなくすことができる。

請求項５記載の発明は、前記凹部は、前記振動軸に垂直な断面における表面が、前記第２の支持部の延在方向に平行な平面と前記平面の両側において前記平面に対して広角をなす傾斜面とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に特徴としている。

本発明においては、凹部において第２の支持部の延在方向に平行な平面に対して広角をなす傾斜面を有しているので、剛性の異なる範囲を大きく採ることにより振動部への応力歪みの影響を良好に抑えることができる。

請求項６記載の発明は、前記駆動層は、前記第２の支持部の、前記凹部の配置位置に対する非重複位置に形成されていることを特徴としている。

本発明においては、駆動層が凹部と重複しない関係とされているので、駆動層での振動変位が凹部の一部に集中するのを避けて振動部の変形を抑えて振動ムラなどを防止することができる。

請求項７記載の発明は、前記駆動層は、前記第２の支持部の、前記凹部の配置位置の全体を含む位置に形成されていることを特徴としている。

本発明においては、駆動層が第２の支持部における凹部の配置位置全体を含む関係とされているので、駆動層での振動変位が凹部の一部に集中するのを避けて振動部の変形を抑えることができる。

請求項８記載の発明は、前記駆動層は、前記第２の支持部の、前記凹部を有する側の面上に形成されていることを特徴としている。

駆動層が、第２の支持部における凹部を有する面に形成されることにより凹部と駆動層との位置決めが容易に行える。

請求項９記載の発明は、前記駆動層は、前記第２の支持部の、前記凹部を有する側と反対側の面上に形成されていることを特徴としている。

本発明においては、駆動層が第２の支持部における凹部と反対側の面に形成されることにより凹部への応力集中を軽減して振動部での振動を良好に行わせることができる。

請求項１０記載の発明は、前記駆動層が圧電素子であることを特徴としている。

本発明においては、圧電素子を駆動層として用いることにより安定した振動部での振動を行うことができる。

請求項１１記載の発明は、前記凹部はエッチング処理により形成されることを特徴としている。

本発明においては、本発明においては、断面剛性の異なる部分が既存工法を用いるだけで形成できるので、加工コストの上昇を抑えることができる。

請求項１２記載の発明は、前記エッチング処理を含むように前記エッチング処理と並行して行われ、前記第１の支持部と前記第２の支持部とを形成する支持部形成工程を有する製造方法であることを特徴としている。

本発明においては、エッチング処理に並行して支持部形成工程を行うことにより形成工程に要する時間短縮ができ、形成プロセスを簡単な実行することができる。

請求項１３記載の発明は、支持部形成工程の後に前記駆動層を前記第２の支持部上に形成する駆動層形成工程を有する製造方法であることを特徴としている。

本発明においては、駆動層の形成を安定化することができる。

請求項１４記載の発明は、請求項１〜１１のいずれか１項に記載の振動素子を有し、前記振動部が反射面を搖動させることで光束を反射させて走査を行う光走査装置であることを特徴としている。

本発明においては、振動部の変形を防止することにより反射面の振動特性を向上させることができ、光走査の精度を向上することができる。

請求項１５記載の発明は、請求項１４記載の光走査装置を備え、前記光走査装置により、画像信号に応じた光束を走査することで画像を形成する画像形成装置であることを特徴としている。

本発明においては、上述の効果を奏する光走査装置を備え、走査光の位置決め精度を確保することができ、画像形成の精度を向上することができる。

請求項１６記載の発明は、請求項１４記載の光走査装置、又は、請求項１５記載の画像形成装置を備え、前記光走査装置により、画像信号に応じた光束を走査することで画像を形成し、前記画像を投影表示する光走査型画像表示装置であることを特徴としている。

本発明においては、上述の効果を奏する、光走査装置又は画像形成装置を備え、走査光の位置決め精度を向上することができ、画像表示の精度を向上することができる。

請求項１７記載の発明は、前記画像を眼の網膜上に投影表示する網膜走査型画像表示装置であることを特徴としている。

本発明においては、網膜に投影表示する際の走査光の位置決め精度を向上し、良好な画像を表示できる。

請求項１８記載の発明は、観察者の頭部に搭載する頭部搭載型画像表示装置であることを特徴としている。

本発明においては、画像表示の際の走査光の位置決め精度を向上し、良好な画像を表示できる。

本発明によれば、振動部を支持している第１の支持部に対して振動駆動層を有する第２の支持部からの応力の影響を低減できる構成として肉厚が他の部分と異なることにより断面剛性が他の部分と異なる凹部を備えているので、振動部への応力の影響が及ばないようにして振動部での振動特性が悪化するのを防止することが可能となる。

以下に、本発明に好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
［画像表示装置の構成］
以下、本発明に係る画像表示装置の一実施の形態について図面を用いて説明する。まず、本発明に係る画像表示装置の一例である網膜走査型画像表示装置としての網膜走査型ディスプレイ１の構成について図１を用いて説明する。

図１に示すように、網膜走査型ディスプレイ１には、光源ユニット部２が設けられている。光源ユニット部２には、外部からの映像信号が入力されると、それに基づいて映像を合成するための要素となる各信号を発生する映像信号供給回路３が設けられ、この映像信号供給回路３から映像信号４、水平同期信号５、及び、垂直同期信号６が出力される。

光源ユニット部２には、映像信号供給回路３から映像信号４として伝達される赤（Ｒ），緑（Ｇ），青（Ｂ）の各映像信号をもとにそれぞれ強度変調されたレーザ光を出射するように、光源としてのＲレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１を、それぞれ駆動するためのＲレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８が設けられている。

また、光源ユニット部２には、各レーザより出射されたレーザ光をコリメートするように設けられたコリメート光学系１４と、それぞれコリメートされたレーザ光を合波するダイクロイックミラー１５と、合波されたレーザ光を光ファイバ１７に導くファイバ結合光学系１６とが設けられている。

なお、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１として、レーザダイオード等の半導体レーザや固体レーザを利用してもよい。また、本実施形態における光源ユニット部２は、光源としてのＲレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１から出射される光束を画像信号に応じて強度変調する変調手段の一例に相当する。ここで、各光源に半導体レーザを使用した場合は直接強度変調する構成であり、固体レーザを使用する場合は音響光学効果を利用した強度変調器を含んだ構成となる。

また、網膜走査型ディスプレイ１は、光源ユニット部２から伝搬され、出射されたレーザ光を受ける光学系１８と、光学系１８によって導かれたレーザ光を、ガルバノミラー１９ａを利用して水平方向に走査する第１の走査系としての水平走査系１９と、水平走査系１９によって走査されたレーザ光を第２の走査系としての垂直走査系２１に導く第１リレー光学系２０と、水平走査系１９に走査され、第１リレー光学系２０を介して入射されたレーザ光を、ガルバノミラー２１ａを利用して垂直方向に走査する垂直走査系２１と、垂直走査系２１に走査されたレーザ光を観察者の瞳孔２４に導く第２リレー光学系２２とを有している。

第１リレー光学系２０は、凸レンズ４１、４２を有しており、第２リレー光学系２２は、凸レンズ５１、５２を有している。凸レンズ４１と凸レンズ４２とは互いに同じ光学的パワーを備えている。凸レンズ５１と凸レンズ５２とは互いに同じ光学的パワーを備えている。

第１リレー光学系２０は、水平走査系１９のガルバノミラー１９ａと、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａとが共役となるように、また、第２リレー光学系２２は、ガルバノミラー２１ａと、観察者の瞳孔２４とが共役となるように、各々設けられている。

水平走査系１９は、表示すべき画像の１フレームごとに、レーザビームを水平方向に走査する水平走査（１次走査の一例）を行う光学系である。また、水平走査系１９は、水平走査するガルバノミラー１９ａと、そのガルバノミラー１９ａの駆動制御を行う水平走査制御回路１９ｃとを備えている。

これに対し、垂直走査系２１は、水平走査系１９にて水平走査されたレーザビームを垂直方向に垂直走査する垂直走査（２次走査の一例）を行う光学系である。また、垂直走査系２１は、レーザビームを垂直方向に走査するガルバノミラー２１ａと、そのガルバノミラー２１ａの駆動制御を行う垂直走査制御回路２１ｃとを備えている。

よって、水平走査系１９と垂直走査系２１とは互いに交差する方向に走査を行うようになっている。

また、水平走査系１９，垂直走査系２１は、各々映像信号供給回路３に接続され、映像信号供給回路３より出力される水平同期信号５，垂直同期信号６にそれぞれ同期してレーザ光を走査するように構成されている。

本実施形態における水平走査系１９及び垂直走査系２１などは、入射した光束を、１次方向及びその１次方向に略垂直な２次方向に走査させる光走査装置の一例である。

次に、本発明の一実施形態の網膜走査型ディスプレイ１が、外部からの映像信号を受けてから、観察者の網膜上に映像を投影するまでの過程について図１を用いて説明する。

図１に示すように、本実施形態の網膜走査型ディスプレイ１では、光源ユニット部２に設けられた映像信号供給回路３が外部からの映像信号の供給を受けると、映像信号供給回路３は、赤，緑，青の各色のレーザ光出力を制御するためのＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号からなる映像信号４と、水平同期信号５と、垂直同期信号６とを出力する。Ｒレーザドライバ１０，Ｇレーザドライバ９，Ｂレーザドライバ８は各々入力されたＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号に基づいてＲレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１に対してそれぞれの駆動信号を出力する。この駆動信号に基づいて、Ｒレーザ１３，Ｇレーザ１２，Ｂレーザ１１はそれぞれ強度変調されたレーザ光を発生し、各々をコリメート光学系１４に出力する。また、映像信号供給回路３は、後述するガルバノミラー１９ａの駆動状態を示すＢＤ信号（図示せず）に応じて、レーザ光を発生し、各々をコリメート光学系１４に出力するタイミングを制御する。つまり、このような網膜走査型ディスプレイ１（映像信号供給回路３）は、ガルバノミラー１９ａなどに光束を出射させるタイミングを制御することとなる。発生されるレーザ光は、このコリメート光学系１４によってそれぞれが平行光にコリメートされ、さらに、ダイクロイックミラー１５に入射して１つの光束となるよう合波された後、ファイバ結合光学系１６によって光ファイバ１７に入射されるよう導かれる。

光ファイバ１７によって伝搬されたレーザ光は、光ファイバ１７から光学系１８によって導かれて水平走査系１９に出射される。この出射されたレーザ光は、水平走査系１９のガルバノミラー１９ａの反射面としての偏向面１９ｂに入射される。ガルバノミラー１９ａの偏向面１９ｂに入射したレーザ光は水平同期信号５に同期して水平方向に走査されて第１リレー光学系２０を介し、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａの反射面としての偏向面２１ｂに入射する。第１リレー光学系２０ではガルバノミラー１９ａの偏向面１９ｂとガルバノミラー２１ａの偏向面２１ｂとが共役の関係となるように調整されている。ガルバノミラー２１ａは、ガルバノミラー１９ａが水平同期信号５に同期すると同様に垂直同期信号６に同期して、その偏向面２１ｂが入射光の水平方向出射角が変化するように往復振動をしており、このガルバノミラー２１ａによってレーザ光は垂直方向に走査される。水平走査系１９及び垂直走査系２１によって水平方向及び垂直方向に２次元に走査されたレーザ光は、ガルバノミラー２１ａの偏向面２１ｂと、観察者の瞳孔２４とが共役の関係となるように設けられた第２リレー光学系２２により観察者の瞳孔２４へ入射され、網膜上に投影される。観察者はこのように２次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光による画像を認識することができる。尚、水平走査系１９のガルバノミラー１９ａと、垂直走査系２１のガルバノミラー２１ａとは、名称を同じように説明したが、光を走査するようにその反射面（偏向面）が角度変化（搖動、回転など）させられるものであればよく、本実施形態では、その詳細な構成を後で説明するが、駆動層として圧電層が用いられる圧電駆動方式が用いられてガルバノミラー１９ａ、２１ａの振れ角（揺動角）を規定する構成が用いられている。しかし、ガルバノミラー１９ａ、２１ａによる走査のための角度変化（搖動、回転など）を誘起する駆動方式としては、これに限らず、共振タイプ、非共振タイプあるいは電磁駆動や静電駆動なども含まれる。

網膜走査型ディスプレイ１は、観察者の頭部に搭載する、ヘッドマウントディスプレイとも言われる頭部搭載型画像表示装置であって、例えば、めがね形状、ゴーグル形状、ヘルメット形状等の図示しない筐体に搭載され、観察者の頭部に装着されるようになっている。
［各種の光学系の構成］
上述したように、光ファイバ１７から出射されたビームを、２次元に走査しながら観察者の瞳孔２４へ導く各種の光学系の構成について説明する。

ガルバノミラー１９ａは、垂直方向に延びる軸を中心に回動駆動することによって、光学系１８から入射したビーム光を、偏向面１９ｂで反射させることによって、垂直方向に走査して出射し、第１リレー光学系２０に導くこととなる。

ガルバノミラー２１ａは、水平方向に延びる軸を中心に回動駆動することによって、第１リレー光学系から入射したビーム光を、偏向面２１ｂで反射させることによって、水平方向に走査して出射し、第２リレー光学系２２に導くこととなる。

次に本実施形態におけるガルバノミラー１９ａ，２１ａの駆動構造について説明する。
本実施形態では、水平走査系１９、垂直走査系２１をそれぞれガルバノミラー１９ａ、２１ａを備えた光走査装置とする。なお、網膜走査型ディスプレイ１は、この光走査装置により、画像信号に応じたビームを２次元方向に走査することで画像を形成する画像形成装置を備えており、前記画像を眼の網膜上に投影し、画像を表示するものである。

本実施形態に用いられるガルバノミラー１９ａ，２１ａは、マイクロマシニング技術を応用した振動素子と一体化されて用いられる。

図２は、図１に示したガルバノミラー１９ａ，２１ａを振動させるための振動素子３００の構成を示す図である。なお、以下の説明においては、便宜上、図１において符号１９ａで示したガルバノミラーを対象として説明するが、符号２１ａで示したガルバノミラーも同様な構成であることを前置きしておく。

図２（Ａ）は振動素子３００の偏向面１９ｂ側を示しており、図２（Ｂ）はミラー面の反対側となる裏面側を示しており、そして（Ｃ）は（Ｂ）中、符号（Ｃ）で示す方向の矢視断面図である。

図２において振動素子３００は、第１の支持部に相当するねじり梁１９ｄと、基板１９ｅ側でねじり梁１９ｄの延在方向両端部が一体成形されている第２の支持部に相当する梁固定部１９ｅ１とを備えている。

ねじり梁１９ｄには、振動部に相当するガルバノミラー１９ａが延在方向中央に形成されている。このため、ねじり梁１９ｄは、振動部であるガルバノミラー１９ａを挟むようにして対をなしている。

ねじり梁１９ｄは、断面中心を支点として平面視において延在方向と直角な方向、換言すれば、断面中心の回りに往復回転できることで振動部であるガルバノミラー１９ａを振動可能に支持している。

梁固定部１９ｅ１は、ねじり梁１９ｄの基端と一体化されており、ねじり梁１９ｄの基端を挟んでねじり梁１９ｄの延在方向と直角な方向に延長されることにより対をなしている。

梁固定部１９ｅ１は、本実施形態では、ねじり梁１９ｄの基端を含んでねじり梁１９ｄの延在方向と直角な方向に連続して延在する構成とされ、その延在方向両端部が基板１９ｅに一体化されている。

梁固定部１９ｅ１には、ガルバノミラー１９ａにおいて偏向面１９ｂが設けられた側の面と同じ側の面に、ねじり梁１９ｄの基端を挟んで対称位置に振動用駆動層としての圧電素子３０が設けられている。

梁固定部１９ｅ１には、図２（Ｂ）に示すように、ねじり梁１９ｄの基端部の位置を挟んでこれと隣り合う位置に凹部１９ｆが設けられている。

凹部１９ｆは、これが形成されている梁固定部１９ｅ１の断面剛性を他の部分と異ならせる部分であり、特に凹部とすることで他の部分に比較して肉厚が薄くされることにより断面剛性を低くしている。

このため、梁固定部１９ｅ１における圧電素子３０の形成部分で発生する応力の影響を凹部１９ｆにおいて吸収することにより、ねじり梁１９ｄに応力歪みの影響が及ぶのを防止することができるようになっている。

凹部１９ｆは、図２（Ｂ）に示すように、梁固定部１９ｅ１の幅方向に沿って、ねじり梁１９ｄに支持されているガルバノミラー１９ａの振動（往復回転）方向と直角な方向（振動軸方向）における全幅に亘って設けられている。

凹部１９ｆは、図２（Ｃ）に示すように、断面矩形状をなしている。凹部１９ｆは、圧電素子３０が形成されている面と反対側の面に設けられている。圧電素子３０は、上述のように偏向面１９ｂと同じ側に配設されているため、凹部１９ｆは偏向面１９ｂと反対側に配設されているが、圧電素子３０は偏向面と反対側に配設しても良く、この場合には凹部１９ｆは偏向面１９ｂと同じ側に配設される。

図３に示すように、凹部１９ｆの配置は、圧電素子３０が形成されている面と同じ側の面であってもよい。この場合には、凹部１９ｆを基準として圧電素子３０の形成位置を割り出せるので、圧電素子３０の形成位置の位置決めが容易となる。圧電素子３０は偏向面１９ｂと同じ側に配設しても、反対側に配設しても良い。

凹部１９ｆの形態は、振動軸に相当するねじり梁１９ｄに垂直な断面における表面が梁固定部１９ｅ１の延在方向に平行な面とその平行な面の両側において平面に対して広角をなす傾斜面を有する形態、換言すれば、圧電素子３０が設けてある面側に開口した底辺部を有する台形であっても良い。

このような凹部１９ｆの形態においては、凹部１９ｆの底部、換言すれば、薄肉部により得られる剛性の異なる範囲を平面の大きさにより大きく採ることもできるので、振動部への応力歪みの影響を良好に抑えることができる。

このような凹部１９ｆは、後述する工程に示されているように、ウェットエッチングにより形成されるようになっている。

図４は、凹部１９ｆの別の形態を示す図であり、同図に示す凹部１９ｆは、ねじり梁１９ｄに垂直な断面における表面が曲面（曲率半径を有する面）をなしている。本形態では、凹部１９ｆの底面が角部を有する場合がある屈曲面ではなく、略半球状をなす形状とされている。

この形態においては、凹部１９ｆの内部に応力集中が発生しやすい角部が存在しないので、梁固定部１９ｅ１に発生した応力が凹部１９ｆの一部に集中することで薄肉部となっている部分の折損などが発生するのを防止することができる。

図３、図４に示した形態の凹部１９ｆは、図２に示したように、圧電素子３０が形成されている面と反対側の面に設けることができ、この場合には、図５に示すように、凹部１９ｆの配置位置に対する非重複位置となる位置関係あるいは、図６に示すように、凹部１９ｆの配置位置全体を含む位置となる関係が設定されている。

このような位置関係とすることにより、圧電素子３０において生起される屈曲変形が凹部１９ｆの角部などに伝搬されるのを防ぐことで角部での応力集中による折損事故を防止するようになっている。

本実施形態は以上のような構成であるから、圧電素子３０が形成されている箇所に発生した応力の影響による応力歪みが凹部１９ｆでの断面剛性の低さ、換言すれば、弾性変形の程度が異なることにより吸収される状態となり、ねじり梁１９ｄへの応力の影響をなくしてねじり梁１９ｄの反りを解消することができる。これにより、反りなどの変形によって発生する走査光の拡散を防止することが可能となる。

ところで、剛性の異なる部分である凹部１９ｆは、他の部分に比べて撓み剛性が低くなっており、圧電素子３０の歪み変形が伝わりにくく、緩慢な回転振動を引き起こす部分となることも考えられる。

そこで本実施形態では、凹部１９ｆを形成した梁固定部１９ｅ１の残りの薄肉部の肉厚を圧電素子３０による回転振動に時間的遅延が発生しない状態で伝搬させることができる最小限の厚さとされている。

これにより、圧電素子３０の通電を介したねじり梁１９ｄの回転振動は時間的な遅延を生じることなく、かつ所定の周波数を以て行えることになる。

なお、断面剛性が異なる部分として、上記実施の形態においては、断面の肉厚を異ならせる構成を説明したが、例えば、凹部に代えて他の部分と弾性係数が異なる材質部分を接合する構成とすることも可能である。

また、凹部１９ｆの深さは、前述したように圧電素子３０による回転振動が時間的な遅延を生じることなく伝搬されることに加えて、製造装置でのハンドリング時に折損などが発生しない機械的強度を確保できる肉厚が得られる深さに設定されている。これにより、製造時での折損事故の低減と走査時での所定周波数での回転振動を確保することができる。

図７は、振動素子３００の変形例を示す図であり、同図に示す振動素子３００は、ねじり梁１９ｄの形状が異なっている。なお、図７（Ａ）は、圧電素子３０が設けられている側の面を、図７（Ｂ）は圧電素子３０が設けられている側の面の反対側の面を示している。なお、図７においては、圧電素子３０が設けられている側の面に偏向面１９ｂを形成した場合が示されている。

図７においてねじり梁１９ｄの基端部は、２股状に分岐された態様で、ねじり梁１９ｄの延在方向と平行な方向に延設された梁固定部１９ｅ１を介して基板１９ｅに一体成形されている。梁固定部１９ｅ１は、ねじり梁１９ｄの基端と一体化されており、ねじり梁１９ｄの基端を挟む態様で対をなしている。

この場合においても、前述した実施形態と同様に、ねじり梁１９ｄの基端を挟んで対称位置に凹部１９ｆが設けられており、凹部１９ｆの形態は、図３，４に示したような断面形状および図２ないし図６に示した圧電素子３０との配置関係が用いられる。

本実施形態における振動素子３００は、図８に示す工程に基づいて製造される。

図８において、符号（Ａ）で示す工程は、梁固定部１９ｅ１での凹部１９ｆを形成するための工程であり、図９におけるＬ１−Ｌ１断面に相当する断面を示している。図８において、符号（Ｂ）で示す工程は、ガルバノミラー１９ａ、ねじり梁１９ｄ、梁固定部１９ｅ１を形成するための工程であり、図９におけるＬ２−Ｌ２断面に相当する断面を示している。

図８において、梁固定部１９ｅ１での凹部１９ｆを形成する工程とねじり梁１９ｄを形成する工程とは並行して行われるようになっており、梁固定部１９ｅ１での凹部１９ｆの形成工程は次の通りである。

図８において、基板１９ｅとして用いられるシリコン基板７１を対象としてその表面に対する酸化膜７０の成膜処理が行われると（Ａ−１）、レジスト７２の塗布後に図示しないマスクを用いたリソグラフィ処理が実行されてレジスト７２のパターニングが行われ（Ａ−２）、パターニング完了後にレジスト７２をマスクとして酸化膜７０をエッチングする（Ａ−３）。その際、酸化膜７０のエッチングは厚み方向中ほどで停止し、完全に抜けないように、すなわち貫通しないようにする。

レジスト７２の除去後にレジスト７３を塗布する（Ａ−４）。

一方、ねじり梁１９ｄの形成部においても、符号（Ａ−１）〜（Ａ−４）で示した工程が並行して行われ（Ｂ−１〜Ｂ−４）、続いて、図示しないマスクを用いてリソグラフィ処理によりガルバノミラー１９ａ、ねじり梁１９ｄ、梁固定部１９ｅ１に相当する部分以外のレジスト７３が除去される（Ｂ−５）。

これに続き、レジスト７３が除去された部分においてシリコン基板７１の表面が露出するまで酸化膜７０をエッチングする（Ｂ−６）。工程（Ｂ−５）において、露光が行なわれているとき、マスクは、梁固定部１９ｅ１を覆っているので、符号（Ａ−５）で示した工程では、符号（Ａ−４）で示した状態が維持される。よって、工程（Ｂ−６）においてエッチングが行なわれているときも、符号（Ａ−６）で示した工程では、符号（Ａ−４）で示した状態が維持される。

エッチングによりガルバノミラー１９ａ、ねじり梁１９ｄ、梁固定部１９ｅ１の形成部以外の部分においてシリコン基板７１の表面が露出するとレジスト７３が除去される（Ａ−７、Ｂ−７）。

このように、エッチングにより、ガルバノミラー１９ａ、ねじり梁１９ｄ、梁固定部１９ｅ１を残してそれ以外の部分の除去が進行する。またねじり梁１９ｄを形成するための酸化膜７０のエッチング深さと凹部１９ｆを形成するための酸化膜７０のエッチング深さとを異ならせている。

レジスト除去後、シリコン基板７１の表面が露出した部分においてシリコン基板７１のエッチングが行なわれる（Ａ−８、Ｂ−８）。その際、シリコン基板７１のエッチングは厚み方向中ほどで停止し、完全に抜けないように、すなわち貫通しないようにする。

続いて、エッチングによって、酸化膜７０が残っている部分において、凹部１９ｆに対応する部分のシリコン基板７１が露出するまで、酸化膜７０をエッチングする（Ａ−９、Ｂ−９）。

シリコン基板７１の表面が露出している部分においてシリコン基板７１をエッチングし、シリコン基板７１の表面が露出している部分のうち、凹部１９ｆに対応する部分以外の部分ではシリコン基板７１が貫通して酸化膜７０が露出し（Ｂ−１０）、凹部１９ｆに対応する部分では凹部１９ｆを形成する（Ａ−１０）。

この際、凹部１９ｆに対応する部分では、凹部１９ｆが形成されるように、シリコン基板７１のエッチングは厚み方向中ほどで停止し、完全に抜けないように、すなわち貫通しないようにする。

したがって、かかるエッチングによって、エッチング深さにおいて、凹部１９ｆの形成部では、必要な深さが、そしてガルバノミラー１９ａ、ねじり梁１９ｄ、梁固定部１９ｅ１の形成部以外の部分ではシリコン基板７１の厚さ方向に貫通し、凹部１９ｆおよびガルバノミラー１９ａ、ねじり梁１９ｄ、梁固定部１９ｅ１として必要な形態が形成される。

この後、残っている全ての酸化膜７０がエッチングにより除去される。

工程（Ａ−１〜Ａ１１、Ｂ−１〜Ｂ１１）は、第１の支持部であるねじり梁１９ｄと、第２の支持部である梁固定部１９ｅ１とを形成する支持部形成工程となっている。支持部形成工程は、凹部１９ｆを形成するためのエッチング処理（Ａ３、Ａ９、Ａ１０）を含むように、かつエッチング処理と平行して行われる。

図８に示した工程により形成された振動素子３００は、図１０に示す工程により完成品とされる。なお、工程（Ａ１１、Ｂ１１）の後、凹部１９ｆの形成部を除くシリコン基板７１の両面が酸化されている。

図１０には、圧電素子３０が形成されている面と同じ側の面に凹部１９ｆを設ける場合が示されている。なお、図１０において、符号（Ｃ）で示す工程は、図８において符号（Ａ）で示した断面における工程を示し、符号（Ｄ）で示す工程は、図８において符号（Ｂ）で示した断面における工程を示している。

同図において、振動素子３００における凹部１９ｆの開口側が位置する表面には、予め駆動部アッセンブリとして構成されている圧電素子３０が接着などによって接合されて一体化され（Ｃ−１、Ｄ−１）、そして、振動素子３００における圧電素子３０が位置する面と反対側の面には台３０１が接合されて（Ｃ−２、Ｄ−２）、振動素子３００として完成品とされる。

このように、工程（Ｃ−１）は、圧電素子３０を梁固定部１９ｅ１上に形成する駆動層形成工程となっている。駆動層形成工程を支持部形成工程の後に行うことで、圧電素子３０が安定して良好に形成される。

振動素子３００に用いられる圧電素子３０および台３０１の接合部には、エポキシ系の導電性接着剤が用いられる。

振動素子３００は、ねじり梁１９ｄの延在方向中心を境にして対称位置に圧電素子３０が設けられているので、それら圧電素子３０への通電切換によって圧電素子３０での電歪変換を利用してねじり梁２９ｄを往復回転（揺動）振動させることができる。これにより梁１９ｄの長手方向中央に位置するミラー面が回転振動することで走査が可能となる。

しかも、ねじり梁１９ｄの延在方向中心を境にして対称位置に圧電素子３０を設けることで偏倚のない振動を生起させて良好な走査が行えることになる。

ねじり梁１９ｄが回転振動する際には、凹部１９ｆの底部の肉厚が圧電素子３０の屈曲変形を伝搬できる剛性を持たせてあることにより応答遅れを生じるようなことなく円滑な回転振動が行われ、しかも、圧電素子３０側の成膜面に残留する応力による歪みが凹部１９ｆに吸収されることになるので、ねじり梁１９ｄに反りが発生しない状態を維持することができ、これにより、走査時に光の拡散が発生するのを確実に防止することができる。

なお、以上のように、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

上述した実施形態においては、ビームを先に水平走査系１９によって水平方向に走査し、その後に、垂直走査系２１によって垂直方向に走査する構成であったが、これに限らず、ビームを先に垂直走査系によって垂直方向に走査し、その後に、水平走査系によって水平方向に走査する構成であってもよい。

さらに上述した実施形態においては、上述したような振動素子、光走査装置を備え、画像信号に応じて変調された光束を、振動素子、光走査装置によって１次方向及び２次方向に走査することで、画像を形成する画像形成装置を備え、前記画像を眼の網膜上に投影し、画像を表示する網膜走査型ディスプレイ（網膜走査型の画像表示装置の一例）について説明したが、これに限らず、例えば、眼の網膜に画像を直接的に投影しなくても、上述したような振動素子、光走査装置を備え、画像信号に応じて変調された光束を、その振動素子、光走査装置によって１次方向及び２次方向に走査することで画像を形成する画像形成装置を備え、かかる画像をスクリーン上などに投影表示する光走査型の画像表示装置、ディスプレイ等（画像表示装置の一例）に本発明を採用してもよい。

また本発明を適用した振動素子、光走査装置は、レーザプリンタ等の画像形成装置内でレーザビームを走査する振動素子、光走査装置にも応用できる。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

本実施形態における画像表示装置としての網膜走査型の画像表示装置を示す概略構成図である。 本実施形態における振動素子の構成を説明するための図であり、（Ａ）は、ミラー面が形成されている側の面を示す平面図、（Ｂ）はミラー面と反対側の面を示す底面図、（Ｃ）は（Ｂ）中、符号（Ｃ）で示す方向の矢視断面図である。 図２に示した振動素子に形成される凹部の別の形態を示す断面図である。 図２に示した振動素子に形成される凹部のまた別の形態を示す断面図である。 凹部と圧電素子との配置関係を説明するための断面図である。 凹部と圧電素子との別の配置関係を説明するための断面図である。 第２の支持部の変形例を説明するための図であり、（Ａ）は、ミラー面が形成されている側の面を示す平面図、（Ｂ）は、ミラー面と反対側の面を示す底面図である。 本実施形態における振動素子の製造工程を説明するための図である。 図８に示した工程図が振動素子におけるどの部分に対応するかを説明する概略平面図である。 図８に示した工程により製造された振動素子を完成品とするための工程を示す図である。 振動素子の従来例を説明するためのミラー面側を示す図である。

符号の説明

１ 画像表示装置
１９、２１ 光走査装置
１９ａ，２１ａ 振動部
１９ｄ，２１ｄ 第１の支持部に相当するねじり梁
１９ｅ 基板
１９ｅ１ 第２の支持部に相当する梁固定部
１９ｆ 凹部
３０ 駆動層として用いられる圧電素子
３００ 振動素子
Ａ１〜Ａ１１、Ｂ１〜Ｂ１１ 支持部形成工程
Ａ３、Ａ９、Ａ１０ 凹部を形成するエッチング処理
Ｃ−１、Ｄ−１ 駆動層形成工程

Claims (18)

1. 振動部を振動可能に支持した第１の支持部と、
   前記振動部を振動させる駆動層を備え、第１の支持部を介して前記振動部を基板に支持した第２の支持部とを有し、
   前記第２の支持部は、前記第１の支持部に隣る部分に、前記振動部の振動軸方向における全幅に亘って凹んだ凹部を有する振動素子。
2. 前記第１の支持部は前記振動部を挟むように対をなしていることを特徴とする請求項１記載の振動素子。
3. 前記第２の支持部は前記第１の支持部を挟むように対をなしていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の振動素子。
4. 前記凹部は、前記振動軸に垂直な断面における表面が曲面をなしていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動素子。
5. 前記凹部は、前記振動軸に垂直な断面における表面が、前記第２の支持部の延在方向に平行な平面と前記平面の両側において前記平面に対して広角をなす傾斜面とを有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動素子。
6. 前記駆動層は、前記第２の支持部の、前記凹部の配置位置に対する非重複位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動素子。
7. 前記駆動層は、前記第２の支持部の、前記凹部の配置位置の全体を含む位置に形成されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動素子。
8. 前記駆動層は、前記第２の支持部の、前記凹部を有する側の面上に形成されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の振動素子。
9. 前記駆動層は、前記第２の支持部の、前記凹部を有する側と反対側の面上に形成されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の振動素子。
10. 前記駆動層が圧電素子であることを特徴とする請求項１〜９のいずれか１項に記載の振動素子。
11. 前記凹部はエッチング処理により形成されることを特徴とする請求項１〜１０のいずれか１項に記載の振動素子。
12. 請求項１１記載の振動素子の製造方法であって、前記エッチング処理を含むように前記エッチング処理と並行して行われ、前記第１の支持部と前記第２の支持部とを形成する支持部形成工程を有することを特徴とする振動素子の製造方法。
13. 前記支持部形成工程の後に前記駆動層を前記第２の支持部上に形成する駆動層形成工程を有することを特徴とする請求項１２記載の振動素子の製造方法。
14. 請求項１〜１１のいずれか１項に記載の振動素子を有し、前記振動部が反射面を搖動させることで光束を反射させて走査を行う光走査装置。
15. 請求項１４記載の光走査装置を備え、前記光走査装置により、画像信号に応じた光束を走査することで画像を形成する画像形成装置。
16. 請求項１４記載の光走査装置、又は、請求項１５記載の画像形成装置を備え、前記光走査装置により、画像信号に応じた光束を走査することで画像を形成し、前記画像を投影表示する光走査型画像表示装置である画像表示装置。
17. 前記画像を眼の網膜上に投影表示する網膜走査型画像表示装置であることを特徴とする請求項１６記載の画像表示装置。
18. 観察者の頭部に搭載する頭部搭載型画像表示装置であることを特徴とする請求項１６又は請求項１７に記載の画像表示装置。

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