CN106164741B - 微驱动装置和使用其的微型器件 - Google Patents

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Abstract

一种能够多轴驱动的微驱动装置(1)，其特征在于，具备可动对象部(3)、和枢轴支承上述可动对象部、且仅在1个方向上设置的至少一对的梁(4)，可动对象部(3)通过上述梁(4)以其所具有的一个或多个共振频率共振进行发生扭曲或弯曲，从而在x轴、y轴和z轴方向转动或并行，能够同时避免构造的大型化和构造的复杂化。

Description

微驱动装置和使用其的微型器件
技术领域
本发明涉及微驱动装置和使用该微驱动装置的微型器件。涉及例如可动对象部为反射镜的超小型反射镜驱动装置等。
背景技术
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)用于放映机的光学元件、喷墨打印机的打印头部所具有的微小喷嘴、压敏传感器、加速传感器、流量传感器等各种传感器，是实现组装了这些各种传感器的微型器件的小型化和高性能化的技术之一。
作为这样的微型器件的示例，在图17中表示MEMS光扫描仪。如图17所示，例如，作为激光打印机、纤维镜、头戴式显示器、光开关等中组装的MEMS光扫描仪100，已知具备直径1mm左右的反射镜101、和驱动反射镜101的微驱动装置102的光扫描仪(例如，参照非专利文献1)。
该微驱动装置102是具有双重万向构造的驱动装置，该驱动装置具备：利用电驱动方式在2轴上驱动的、框状的外侧可动板103；将外侧可动板103以能够转动的方式在半导体基板上枢轴支承的外侧梁104；和轴方向与该外侧梁104正交、将作为内侧可动板的反射镜101以能够转动的方式枢轴支承的内侧梁105。
在此，图17所示的微驱动装置102构成为，利用由外侧梁上形成的线圈中流通的电流和从外部施加的磁场所产生的洛伦兹力，1个梁绕着1个轴转动。为了如上所述能够实现2轴驱动(2个自由度)，在反射镜101的外侧需要外侧可动板103，因而存在驱动装置大型化的问题。在希望进一步追加自由度时，需要在外侧可动板103的外侧追加可动板和梁，在使用万向构造的微驱动装置中，存在驱动装置大型化和复杂化的问题。
因此，为了解决该问题，提出了能够利用1个梁实现双轴驱动的压电驱动型MEMS光扫描仪(参照非专利文献2)。该光扫描仪所使用的驱动装置具备枢轴支承反射镜的1个S型梁因共振频率ωB产生弯曲、因共振频率ωT产生扭曲的构造。但是，该驱动装置也未考虑到进一步追加自由度的构造，直接利用该构造无法实现3轴以上的驱动(3个自由度)。
作为其他的微型器件的示例，在专利文献1中提出了一种由单重万向构造构成的单轴的微反射镜，该微反射镜在长边方向的两端的单面具有压电元件的层上下设置的与单层压电片构造(Unimorph)的支持梁连接的一对扭杆，具备利用这一对扭杆以能够转动振动的方式枢轴支承的反射镜。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本特开2011－191589号公报
非专利文献
非专利文献1：Arda D.Yalcinkaya,Hakan Urey,Dean Brown,Tom Montague,andRandy Sprague,“Two-AxisElectromagnetic Microscanner for High ResolutionDisplays,”Journal of Microelectromechanical Systems,vol.15,no.4,pp.786-793,2006.
非专利文献2：Kah How Koh,Takeshi Kobayashi,and Chengkuo Lee,“A 2-DMEMS scanning mirror based on dynamic mixed mode excitation of apiezoelectric PZT thin film S-shaped actuator,”OPTICAL EXPRESS,Vol.19,No.15,pp.13812-13824.
发明内容
发明要解决的技术问题
但是，在上述的现有微驱动装置或微型器件中，难以为了实现高功能化而追加自由度，即便能够追加，也存在构造复杂化、大型化的为问题。
本发明是鉴于上述状況而完成的，其目的在于提供一种构造简易、能够实现多轴驱动的超小型微驱动装置和使用该微驱动装置的微型器件。
用于解决技术问题的手段
一种微驱动装置，其为能够实现多轴驱动的微驱动装置，其具备：可动对象部；和枢轴支承上述可动对象部、且仅在1个方向设置的至少一对梁，上述可动对象部，通过上述梁以其所具有的一个或多个共振频率进行共振并发生扭曲或弯曲，从而在x轴、y轴和z轴方向转动或并行。
发明效果
根据本发明，提供一种能够实现多轴驱动的超小型微驱动装置，其以如下方式设计：对应于微驱动装置所需求的自由度的数目，仅在枢轴支承可动对象部的1个方向上设置一对梁，使上述梁以一个或多个共振频率共振，发生扭曲或弯曲，从而在x轴、y轴、z轴方向转动或并行。并且，根据本发明，提供一种超小型微驱动装置，能够实现多轴驱动而无需采用万向构造，能够避免构造的大型化和复杂化。并且，根据本发明，能够提供一种超小型微驱动装置，在为能够施加与各自由度相对应的共振频率的驱动方式时，能够利用1个控制机构驱动。由此，以某轴方向的共振频率振动，不仅能够驱动与其对应的单轴，通过以将多个轴方向的共振频率重叠的波形施加振动，能够同时进行多轴驱动。
附图说明
图1是微驱动装置的概略图。
图2是简化模型的示意图。
图3是具有第一梁和第二梁的微驱动装置的概略图。
图4是z轴并行的微驱动装置的概念图4A、和表示施加于微驱动装置的频率与其振幅的关系的曲线的图4B。
图5是x轴转动的微驱动装置的概念图5A、和表示施加于微驱动装置的频率与其振幅的关系的曲线的图5B。
图6是y轴转动的微驱动装置的概念图6A、和表示施加于微驱动装置的频率与其振幅的关系的曲线的图6B。
图7是光扫描仪用微驱动装置模型的示意图。
图8是光扫描仪用微驱动装置模型的示意图。
图9是算出形状参数的最佳值的流程图。
图10是表示微驱动装置的制作方法的工序图。
图11是制得的光扫描仪用微驱动装置的模型图。
图12是表示评价实验的测定位置的示意图。
图13是描绘共振频率的变化与测定点的位移变化的图13A、和描绘共振频率的变化与测定点a和b的增量变化的图13B。
图14是表示制得的光扫描仪用微驱动装置发生x轴转动的图。
图15是表示制得的光扫描仪用微驱动装置发生z轴并行的图。
图16是表示制得的光扫描仪用微驱动装置发生y轴转动的图。
图17是表示具有万向构造的现有型微驱动装置的光扫描仪的图。
具体实施方式
＜实施方式1＞
[微驱动装置的构成]
下面，适当地基于附图对本发明的实施方式进行说明。图1是示意性地表示本发明的微驱动装置1的基本构成的模型图。微驱动装置1具备：可动对象部3、以包围该可动对象部3的方式设置的框架部2、和枢轴支承该框架部2和可动对象部3的至少一对的梁4。将该梁4仅设置在1个方向，并且以该梁4的形状所具有的一个或多个共振频率共振，发生扭曲或弯曲，使可动对象部3在x轴、y轴、z轴方向转动或并行，通过这样设计，具有能够实现多轴驱动的构成。该微驱动装置1形成得较薄，例如为1～1000μm左右的厚度。其中，用于驱动可动对象部3的驱动部省略图示。
[利用共振频率的微驱动装置的动作背景]
图2是简化模型21的示意图。其中，简化模型21是用于说明微驱动装置1的技术特征的模型。如图2所示，简化模型21是对于1个轴作为1个可动对象部23和一对梁24进行简化的模型。此时，在该简化模型21中，将可动对象部23理解为质点，忽略梁24的质量。
利用能量法求取该简化模型21的共振频率时，弯曲的共振频率f1和扭曲的共振频率f2由以下的数学式表示。
在此，在简化模型21中，可动对象部23的质量为mm、惯性力矩为Jm、梁24为两端固定端，将梁幅度设为w、厚度设为t、全长设为l、杨氏模量设为E、横向弹性系数设为G、梁的截面二次力矩设为I、截面的二次极矩设为Ip。
这里，E和G是由梁24的材料决定的常数，可动对象部23的质量mm和惯性力矩Jm是由可动对象部23的形状和材料决定的常数。另外，在梁的截面形状为长方形的情况下，I＝wt3/12，并且Ip＝wt3/12+tw3/12。假定t在梁的任意部分均恒定时，上述数学式(1)和(2)如下所述进行改写。
因此可知，在该简化模型21中，在弯曲时全长l的影响比其他参数大，在扭曲时梁幅度w的影响比其他参数大。也能够通过适当地设定上述数学式(3)和(4)中的梁幅度w和全长l的值来设计弯曲和扭曲的共振频率。因此，本发明的发明人研究得知能够通过这样利用梁的形状来设计弯曲和扭曲的共振频率。
[微驱动装置的详细状况]
框架部2以包围可动对象部3的方式形成为矩形。在一边的大致中央部位固定有1个梁4，相对的一边也固定有另一个梁4，以通过这一对梁4支承可动对象部3的方式构成。在此，一对梁4固定于框架部2，但是也可以是后述说明的第二梁固定于框架部2，以通过第二梁和梁4支承可动对象部3的方式构成。在本实施方式中，框架部2形成为矩形，但并不限定于此，可以对应于组装本发明的微驱动装置的器件的形状进行变更，例如可以为圆形。
可动对象部3是因梁4扭曲或弯曲而进行转动或并行的动作的对象。可动对象部3对应于微驱动装置1的用途而具有不同的形状和功能。该可动对象部3，以一对梁4夹着该可动对象部3直线排列的方式、即一对梁4为一个方向的方式，梁4的一端固定于可动对象部3，梁4的另一端固定于框架部2的1边，可动对象部3经由一对梁4由框架部2支承。
在图1中，该可动对象部3的形状为长方形，但并没有特别限定，可以根据微驱动装置1的用途适当选择。例如，在微驱动装置1被应用于光扫描仪时，可动对象部3或或其一部分可以为板状或圆状的反射镜。并且，根据微驱动装置1的用途，可以不为平面的形状，例如可以为中央鼓起的立体的形状。另外，可动对象部3或其一部分也可以为透镜或偏光元件。
可动对象部3具有与厚度、长度、半径等形状相对应的形状参数。、通过适当变更这些形状参数，能够使梁4所具有的共振频率发生变化。另外，通过变更形成可动对象部3的材料，也能够使梁4所具有的共振频率发生变化。
梁4固定于可动对象部3和框架部2的1边。由于梁4固定于框架部2，所以梁4本身不进行转动和并行，而是以与自由度相对应的共振频率进行共振，由此发生长边方向上的扭曲，或者发生规定的弯曲。由于梁4进行这样的动作，以使可动对象部3发生转动和并行的方式构成。因此，梁4能够以枢轴支承可动对象部3的方式动作。其中，梁4只要固定设置于框架部2即可。例如，一对梁4可以夹着可动对象部3、沿着1个方向、例如沿着x轴方向呈直线状设置。另外，例如也可以是3根梁4以可动对象部3为中心、以120°间隔呈放射状设置。另外，例如梁4还可以形成曲线形状而非直线形状。另外，例如也可以不设置在上述框架部2的1边，而是固定在隅角部而设置在框架部2的对角线上。
通过改变该梁4的梁幅度、长度、厚度、分割数和梁间隔的形状参数，使得能够以与可动对象部3的动作相对应的多个共振频率共振，从而实现共振频率的控制。另外，关于梁4的形状，从制作容易的观点出发，基本上为细长的板状，但根据所需要的共振频率也可以为其他的形状。并且，梁4也可以设置多根。作为形状参数的变更，也包括将1根的梁4分成多根设置。例如，可以以梁4为1根时的梁幅度与多根的梁幅度的合计相同的方式，将梁4平行地分割。在此，分割数是分割成多个时梁的根数，梁间隔是设置多个梁4时彼此之间的间隔。
该微驱动装置1由Si基板制作，可动对象部3、框架部2和梁4由Si形成。优选使用SOI(Silicon On Insulator：绝缘硅)基板，但只要是能够实现微细加工的材料即可，可以使用其他材料的基板。另外，框架部2、可动对象部3和梁4可以各自由不同的材料形成，例如可以使用由金属、半导体或有机物等其他的材料、或者它们的叠层体形成的部件。关于这一点，后面在实施方式3中说明。
＜实施方式2＞
[具有第一梁和第二梁的微驱动装置]
本发明的发明人研究得到，作为实施方式1中说明的微驱动装置的梁的具体的构造，制成包括第一方向上设置的第一梁和第二方向上设置的第二梁的构造，通过将第一梁和第二梁以正交的方式配置，能够利用第一梁和第二梁的梁形状容易地设计x轴转动、y轴转动和z轴并行的各自的共振频率。这里，梁形状主要是梁幅度、长度、分割数、梁间隔。
实施方式2是具备第一梁和第二梁的微驱动装置。图3所示的微驱动装置11具备设置于第一梁14的至少1个的第二梁15。该第二梁15以与第一梁14正交的方式，从第一梁14的可动对象部13侧的前端配置多根。其中，第二梁15的至少1根固定于第一梁14设置即可。并且，第二梁15可以设置于与第一梁14的方向不同的方向，并不一定必须正交，可以根据微驱动装置的用途，例如以相对于第一梁14的方向呈45°的角度配置。另外，例如第二梁15可以形成为曲线形状而非直线形状。另外，例如第一梁14和第二梁15的双方或者任一方可以被分割。
该第二梁15以如下方式构成：以固定于第一梁14的共振频率共振，从而在长度方向上发生扭曲、或者发生规定的弯曲，与第一梁14的扭曲和弯曲相结合，使可动对象部3转动或并行。即，第二梁15为了扩大能够设定的共振频率的范围内相对于第一梁14而设置。
该第二梁15与第一梁14同样，能够通过改变梁幅度、长度、梁间隔和厚度的形状参数，使得能够以与可动对象部13的动作相对应的多个共振频率共振，由此能够实现共振频率的控制。另外，关于第二梁15的形状，从制作容易的观点出发，基本上为细长的板状，但根据所需要的共振频率也可以为其他的形状。
[利用共振频率的微驱动装置的动作概要]
对能够进行x轴方向的转动、y轴方向的转动和z轴方向的并行的该微驱动装置11的动作概要进行说明。图4是表示共振频率与微驱动装置11的关系的概念图(z轴并行)。图4A是z轴并行的微驱动装置的概念图，图4B是表示施加于微驱动装置的频率与其振幅的关系的曲线。图4A所示的微驱动装置11，通过将第二梁15以与第一梁14正交的方式配置、并适当设计第一梁14和第二梁15各自的形状参数，以不同的3个频率的峰中可动对象部13的振幅最大的方式设计。
如图4B所示，在第一梁14和第二梁15上施加实线所示的频率时，一对第一梁14从框架部12侧朝向可动对象部13侧向z轴方向的上侧弯曲，并且第二梁15随着从第一梁14附近远离而向z轴方向的上侧弯曲，从而辅助第一梁14的z轴方向的并行动作。其结果，该微驱动装置11能够实现向z轴方向的并行。
图5是表示共振频率与微驱动装置11的关系的概念图(x轴转动)。图5A是x轴转动的微驱动装置的概念图，图5B是表示施加于微驱动装置的频率与其振幅的关系的曲线。如图5B所示，在第一梁14和第二梁15上施加虚线所示的中央频率时，双方的第一梁14相对于x轴向箭头方向扭曲，第二梁15以第一梁14为中心以转动方向上侧形成凸状、转动方向下侧形成凹状的方式弯曲，从而辅助第一梁14的x轴方向的转动动作。结果，该微驱动装置11能够实现向x轴方向的转动。
图6是表示共振频率与微驱动装置11的关系的概念图(y轴转动)。图6A是y轴转动的微驱动装置的概念图，图6B是表示施加于微驱动装置的频率与其振幅的关系的曲线。如图6B所示，向第一梁14和第二梁15施加点划线所示的最高频率时，第一梁14的一个从框架部12侧朝向可动对象部13侧向z轴方向的上侧弯曲，另一个从框架部12侧朝向可动对象部13侧向z轴方向的下侧弯曲，并且第二梁15相对于y轴方向向箭头方向扭曲，从而辅助第一梁14的y轴方向的转动动作。结果，该微驱动装置11能够实现向y轴方向的转动。
在微驱动装置11中，通过将第一梁14和第二梁15正交配置，能够仅利用由第一梁14和第二梁15构成的一对梁实现3轴驱动(3个自由度)，即实现向x轴方向的转动、y轴方向的转动和z轴方向的并行。并且，微驱动装置11以第一梁14和第二梁15正交配置、这些梁以一个或多个共振频率共振而发生扭曲或弯曲的方式设计，因而能够利用1个控制机构进行驱动。并且，微驱动装置11中，通过适当地设定可动对象部13和第一梁14、第二梁15的形状参数，能够以相对于可动对象部13的各自由度的共振频率存在适度差异的方式设计。并且，微驱动装置11中，可以将控制机构设置在与其使用用途和设计、形状相对应的最佳位置。综上所述，本发明的微驱动装置中，驱动装置的设计的自由度提高，也能够实现超小型化。并且，本发明的微驱动装置能够实现设计的自由度和超小型化，因而其使用用途也大幅扩展。
下面，设想具备第一梁和第二梁正交、能够实现向x轴方向的转动、y轴方向的转动和z轴方向的并行的实施方式2的微驱动装置的光扫描仪的用途，实际地设定适合其用途的形状和形状参数，进行光扫描仪用微驱动装置的制作。
[微驱动装置的形状确定]
在此，为了尽可能地提高光扫描仪的反射镜部的面积占有率即开口率，并且使对于各自由度的共振频率有适度差异，即，为了能够加宽各个共振频率的峰间隔、独立地控制各自由度，确定图7和图8所示的光扫描仪用微驱动装置51的形状。图7所示的光扫描仪用微驱动装置51具备：作为可动对象部的形成为字母I(大写字母)形状的反射镜部53；和支承一对第一梁P和与第一梁P正交设置的第二梁Q的框架部。图8所示的光扫描仪用微驱动装置51中，图7所示的第一梁P成为被分割成2份的第一梁P1和P2。
在图8所示的光扫描仪用微驱动装置51中，将第一梁P1和第一梁P2的梁幅度设为梁幅度WP(由于将第一梁P进行了分割，分别为相同的幅度)、将该第一梁P1和第一梁P2的间隔设为间隔P12、将夹着反射镜部53的一对第一梁的长度相加的第一梁的总长设为长度lp。并且，将两端固定的第二梁Q的梁幅度设为WQ。在本实施方式中，使用它们的定义的形状参数，进行光扫描仪用微驱动装置51的共振频率的最优化。其中，可动对象部作为反射镜部53进行以下的说明，但是例如可动对象部在其他用途时也能够以同样的方法实施。
[微驱动装置的共振频率最优化方法]
在该光扫描仪用微驱动装置51的共振频率的最优化方法中，为了获得能够得到具有适当差异的共振频率的形状参数，改变最初设置的形状参数，并且利用有限元分析法确定最终的形状参数。在本实施方式中，利用有限元分析法确定形状参数，但并不限定于此，也能够利用其他的解析方法，例如，可以实际地制作改变了形状参数的光扫描仪用微驱动装置51，确定最终的形状参数。
在该光扫描仪用微驱动装置51的有限元分析中，为了简化计算，保持x轴转动和y轴转动的对称性，并使器件整体的形状为正方形，将正方形的一边固定为1,500μm，反射镜部和梁的厚度固定为t＝30μm，由此第二梁Q的长度lQ＝1,500μm。
图9是在光扫描仪用微驱动装置51的有限元分析中以与各自由度相对应的共振频率存在适度差异的方式算出形状参数的最佳值的流程图。在此，按照图9所示的流程图的步骤，对形状参数的确定顺序进行说明。
S61是确定与微驱动装置的用途相对应的规格的方式确定步骤。接着，评价函数导出步骤S62中，确定评价函数，用于评价因解析中的形状参数而发生变化的共振频率。S63是初始条件设定步骤，将最低限度满足规格的尺寸值作为基准进行设定(以下称为基准尺寸值)，将上述的评价函数和该基准尺寸值作为初始条件。
S64是形状参数变更步骤，对于所有的形状参数，从形状参数之中选自1个，仅使所选择的形状参数从基准尺寸值以规定间隔变化，将其余的形状参数固定为基准尺寸值，利用有限元分析法，以各间隔算出共振频率和评价函数值。其中，在该S64中，取任意的形状参数值是不可能的，因此在各个形状参数中使值以适当的间隔变动。
S65是最佳尺寸值范围算出步骤，对以各间隔算出的共振频率以与其相对应的评价函数值进行评价，算出各形状参数的最佳尺寸值范围。S66是代表值组合步骤，从算出的各形状参数的最佳尺寸值范围中选出适当的值，将它们全部相乘，制作新的形状参数的组合。S67是暂定基准值算出步骤，对于新的形状参数的组合，执行形状参数变更步骤S64，对由各间隔算出的共振频率以与其相对应的评价函数值进行评价，确定暂定基准尺寸值的组合。
S68是最佳值算出步骤，将S67中的暂定基准尺寸值的组合作为形状参数的新的基准尺寸值，反复进行S64～S67直至基准尺寸值与暂定基准尺寸值一致。其中，如果在第1个循环中基准尺寸值与暂定基准尺寸值一致，就不必在此反复进行S64～S67。最终，在S68中，如果基准尺寸值与暂定基准尺寸值一致，就可以将该一致的暂定基准尺寸值认为是最佳尺寸值。
通过上述的共振频率最佳化方法，在本实施方式中，光扫描仪用微驱动装置51所使用的最优化的形状参数设定为如下值：梁幅度WQ＝80μm、梁幅度WP＝10μm、长度lp＝400μm、间隔P12＝25μm。另外，在具有这些形状参数的光扫描仪用微驱动装置51中，能够获得x轴转动共振频率fx为4.341kHz、y轴转动共振频率fy为33.74kHz、z轴并行共振频率fz为19.68kHz的结果。
＜微驱动装置的制作方法＞
基于图10所示的工序图对光扫描仪用微驱动装置51的制作进行说明。在本实施方式中，考虑可动对象部的三维的位移需要从基板的正面和背面进行蚀刻，所以使用SOI(绝缘体上硅Silicon On Insulator)的基板。这是由于设置在基板正面与基板背面之间的SiO2层成为Si蚀刻时的阻隔层，在维持形成于基板表面的形状的状态下能够从基板背面进行蚀刻的缘故。
所使用的SOI晶片由硅层30μm(以下称为表面)、SiO2层2μm和硅层250μm(以下称为背面)3层构成。在图10所示的S71中，通过旋涂在SOI基板81上涂敷表面活性剂OAP(东京应化工业株式会社)并使其干燥，之后，通过旋涂在其上涂布作为正型(positive type)光刻剂82的OFPR(东京应化工业株式会社)。利用紫外线照射，在涂布的阳型光刻剂82上烧上在光刻掩模上描绘的光扫描仪用微驱动装置51的图案。将曝光后的SOI基板81浸渍在显影液中，将烧上的图案以外的不需要的光刻剂82除去。
在S72中，为了将烧上的图案转印到基板的Si上层83，进行Si蚀刻直到SiO2层84，在Si上层83形成图案。该Si蚀刻利用使用SF6、氧和C4F8的干式蚀刻进行。这里使用干式蚀刻，但是例如也可以使用湿式蚀刻。
在S73中，利用溶剂等将Si上层83的图案上残留的光刻剂82除去。该溶剂只要是能够用于光刻剂除去的溶剂即可，种类没有限定。在此，使用丙酮、异丙醇和硫酸双氧水进行蚀刻除去。
在S74～S76中，从SOI基板81的背面侧与S71～S73同样操作。对Si下层85进行Si蚀刻直至SiO2层84，形成基板背面侧的图案。
在S77中，将SiO2层除去。在此，使用氢氟酸水溶液，但是只要是仅蚀刻SiO2层而不蚀刻Si层即可，例如可以采用干式蚀刻。图11表示经过工序图所示的S71～S77的各工序制得的实施方式2的光扫描仪用微驱动装置。
[微驱动装置的评价]
(评价方法)
为了评价制得的光扫描仪用微驱动装置的特性，对该微驱动装置施加振动，测定此时特定点的z轴方向的位移。由此，评价该光扫描仪用微驱动装置是否以按照规格的共振频率显示3种模式。
图12是从z轴方向观察光扫描仪用微驱动装置的二维形状的示意图。如图12所示，设定a、b、c这3点作为测定点。其中，在光扫描仪用微驱动装置之外设置测定点c是由于在施加振动时支承微驱动装置的外部的机构也发生振动，因而除去其外部的振动，求出施加振动时单纯的光扫描仪用微驱动装置的反射镜部的位移的缘故。
通过测定测定点a和b的位移，能够判断以下事项。在测定点a未发生位移而测定点b发生位移的情况下，能够判断反射镜部发生x轴转动。另外，在测定点a和b发生位移的情况下，能够判断发生z轴并行；在测定点a发生位移而测定点b未发生位移的情况下，能够判断发生y轴转动。
在测定点的位移的测定中，使用激光多普勒振动计(Polytec制，MSA-500)。并且，使用压电驱动器作为激振器，向光扫描仪用微驱动装置施加振动。施加振动时，为了支承制成20mm见方的光扫描仪用微驱动装置，在压电驱动器之上夹入铝板固定。激光多普勒振动计能够在指定的范围内测量指定个数的点的位移，仅选取上述的3个测定点的位移，计量它们的共振频率和共振模式。施加振动时的驱动电压的单振幅为2V。
(评价结果)
对于制得的光扫描仪用微驱动装置，按照上述的评价方法评价作为光扫描仪用微驱动装置的特性。图13A表示施加于光扫描仪用微驱动装置的频率与其位移的关系(频率－位移曲线)。图13B表示去除施加于光扫描仪用微驱动装置的外部的位移而算出的频率与增量的关系(频率－增量曲线)。
根据图13A所示的频率－位移曲线可知，从频率低的峰起依次为，仅测定点b发生位移、测定点a和b发生位移、仅测定点a发生位移。对图13B所示的频率－增量进行研究，在频率－位移曲线的相当于最低的峰的共振频率附近，仅存在测定点b的位移成分。另外，在频率－位移曲线的相当于中央的峰的共振频率附近，测定点a和b的位移成分以相同的强度重合。
并且，在频率－位移曲线的相当于最高的峰的共振频率附近，虽然也存在少许测定点b的位移成分高的共振频率，但是基本上是测定点a的位移成分。基于该评价结果，选择与各轴的动作相对应的独立的共振频率。
接着，将以所选择的共振频率进行的光扫描仪用微驱动装置的驱动方式3D作图，示于图14～16。将仅测定点b发生位移的最低的峰附近的2.781kHz的共振频率施加于光扫描仪用微驱动装置时，如图14所示显示x轴转动模式。该结果表明以接近由共振频率最优化方法得到的x轴转动共振频率fx的频率进行x轴转动。
另外，将测定点a和b的位移成分以相同的强度重合的中央的峰附近的17.31kHz的共振频率施加于光扫描仪用微驱动装置时，如图15所示显示z轴并行模式。其结果表明以接近由共振频率最优化方法得到的z轴并行共振频率fz的频率进行z轴并行。
另外，将仅测定点a发生位移的最高的峰附近的29.50kHz的共振频率施加于光扫描仪用微驱动装置时，如图16所示，表示y轴转动模式。该结果表明以接近由共振频率最优化方法得到的y轴转动共振频率fy的频率进行y轴转动。
在以上的构成中，本发明的微驱动装置中，将第一梁P和第二梁Q正交设置、并且将形状参数最优化时，能够获得适合的不同的3个共振频率，因而第一梁P和第二梁Q对应于各共振频率发生扭曲或弯曲，从而能够使可动对象部发生x轴转动、y轴转动和z轴并行。因此，由本发明的微驱动装置构成的光扫描仪用微驱动装置，因构造简便能够实现小型化，并且因z轴并行能够具备聚焦功能，由于为能够使反射镜部在框架部的内侧最大限度扩张的结构，因而能够提高开口率。
＜实施方式3＞
在实施方式1和2中，对SOI基板进行蚀刻加工，制作框架部、可动对象部、第一梁和第二梁，使这些构成部件为硅，对具备如上特征的微驱动装置进行说明。在实施方式3的微驱动装置中，作为上述构成部件，能够使用不同的材料，作为制作方法，不仅进行蚀刻加工，再追加蒸镀等的叠层工艺，从而将各个构成部件所使用的材料叠层。通过使用这样的材料作为构成部件，能够增加材料参数，共振频率最优化更加有望。
作为实施方式3的微驱动装置能够使用的材料，可以列举金、银、铝等的金属材料、炭、金属氧化物等的无机材料、以及聚酰胺、环氧树脂、有机硅树脂等的有机材料。这些材料只要是能够在微细加工时使用的材料，可以使用任意的材料。另外，不仅可以制作有单一的材料制作各构成部件，也可以将多种材料叠层而成的复合材料用作构成部件的材料，制作各构成部件。
在与以上的实施方式1和2不同的构成中，实施方式3的微驱动装置中，框架部、可动对象部、第一梁和第二梁中的至少1个由不同的材料制作，因而能够控制共振频率的参数增加。结果，能够扩大各共振周数的间隔。由此，在由有机材料制作可动对象部和第一梁、由金属或无机材料制作框架部和第二梁的微驱动装置中，例如，还能够减缓x轴转动的周期、特别地加快y轴转动的周期和Z轴并行的周期。并且，实施方式3的微驱动装置具备具有被分割为多个的部分的第一梁和/或第二梁，并且以该被分割的部分的一部分的材料与其他部分不同的方式设计。
[微型器件]
通过装入本发明的微驱动装置，能够制作可实现多轴驱动的微型器件。通过根据微型器件的使用用途变更可动对象部、对应于需要的自由度选择第一梁和第二梁的配置方法以及材料进行制作，从此能够得到预期的微型器件。作为微型器件的示例，不仅限于可动对象部为反射镜的微型反射镜，可以列举可动对象部为轴或臂等的机械部件、压敏传感器或光学传感器等的传感器的多轴驱动的微型器械或微型传感器等。
[确定微驱动装置用共振频率的程序]
制造本发明的微驱动装置时应用的共振频率最优化方法能够由计算机处理来实现。CPU将用于在计算机上运行的微驱动装置的共振频率的最优化方法的程序在RAM上展开，按照该程序，计算机能够执行上述共振频率最优化方法。该程序可以使用计算机能够读取的存储介质安装在计算机上，也可以借助网络从其他的计算机或存储介质安装。
以上，对本发明的实施方式进行了说明，但该实施方式终究也是只例示，并不用来限定发明的范围。这里例示的实施方式能够以其他的各种方式实施，只要在不脱离发明的要点的范围内，能够进行各种的省略、置换、变更。
产业上的可利用性
本发明的微驱动装置具备仅在一个方向设置的梁，能够实现多轴驱动，并且是小型化的装置，因而能够应用于需求超小型化、微细化的微型器件。因此，本发明的微驱动装置能够有助于电子机器相关产业的发展。并且，可动对象部为反射镜的微型反射镜驱动装置能够用于光传感器等的各种传感器，作为MEMS光扫描仪等利用，因而能够对电子光学机器产业的发展作为巨大贡献。另外，将使用本发明的微驱动装置的光扫描仪应用于头戴式显示器时，该头戴式显示器不仅能够映出现有的二维图像，还能够映出三维图像，能够实现图像技术的提高。
符号说明
1、11：微驱动装置；2、12：框架部；3、13：可动对象部；4：梁；14：第一梁；15：第二梁。

Claims (28)

1.一种能够多轴驱动的微驱动装置，其特征在于：
具备可动对象部、和枢轴支承所述可动对象部、且仅在1个方向上设置的至少一对梁，
所述可动对象部，通过所述梁以其所具有的一个或多个共振频率进行共振并发生扭曲或弯曲，从而在x轴、y轴和z轴方向上转动或并行，
所述梁由在第一方向上设置且与所述可动对象部连接的第一梁、和在与所述第一梁不同的方向上设置且与微驱动装置的框架连接的第二梁构成。
2.如权利要求1所述的微驱动装置，其特征在于：
用于以所述一个或多个共振频率施加振动的驱动信号由1个控制机构产生。
3.如权利要求1所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
4.如权利要求2所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
5.如权利要求1所述的微驱动装置，其特征在于：
所述第一梁和所述第二梁正交而设置。
6.如权利要求1所述的微驱动装置，其特征在于：
所述第一梁和/或所述第二梁被分割成多个。
7.如权利要求1所述的微驱动装置，其特征在于：
所述第一梁和所述第二梁由不同的材料构成。
8.如权利要求5所述的微驱动装置，其特征在于：
所述第一梁和/或所述第二梁被分割成多个。
9.如权利要求5所述的微驱动装置，其特征在于：
所述第一梁和所述第二梁由不同的材料构成。
10.如权利要求5所述的微驱动装置，其特征在于：
用于以所述一个或多个共振频率施加振动的驱动信号由1个控制机构产生。
11.如权利要求5所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
12.如权利要求10所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
13.如权利要求6所述的微驱动装置，其特征在于：
所述第一梁和所述第二梁由不同的材料构成。
14.如权利要求6所述的微驱动装置，其特征在于：
所述第一梁和/或所述第二梁所具备的被分割成多个的部分的至少一个部分，由与所述被分割的部分的其他部分不同的材料构成。
15.如权利要求6所述的微驱动装置，其特征在于：
用于以所述一个或多个共振频率施加振动的驱动信号由1个控制机构产生。
16.如权利要求6所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
17.如权利要求15所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
18.如权利要求7所述的微驱动装置，其特征在于：
所述第一梁和/或所述第二梁所具备的被分割成多个的部分的至少一个部分，由与所述被分割的部分的其他部分不同的材料构成。
19.如权利要求7所述的微驱动装置，其特征在于：
用于以所述一个或多个共振频率施加振动的驱动信号由1个控制机构产生。
20.如权利要求7所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
21.如权利要求19所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
22.如权利要求14所述的微驱动装置，其特征在于：
用于以所述一个或多个共振频率施加振动的驱动信号由1个控制机构产生。
23.如权利要求14所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
24.如权利要求22所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
25.如权利要求18所述的微驱动装置，其特征在于：
用于以所述一个或多个共振频率施加振动的驱动信号由1个控制机构产生。
26.如权利要求18所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
27.如权利要求25所述的微驱动装置，其特征在于：
所述可动对象部是反射镜，
所述反射镜相对于镜面内的x轴方向和y轴方向转动，在镜面的法线方向的z轴方向上并行。
28.一种微型器件，其特征在于：
具备权利要求1～27中任一项所述的微驱动装置。
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