JP2013167681A - ミラー駆動装置及びその制御方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】大きな角度変位を得ると共に、初期撓み等による影響を抑制し、高速応答、外乱影響の抑制、素子サイズの小型化を達成する。
【解決手段】反射面(12B)を有するミラー部(12)と、ミラー部(12)の対角部分に形成されたミラー支持部（15,25）と、ミラー部(12)の周囲を取り囲んで配置された第１アクチュエータ(14)及び第２アクチュエータ（24）と、を備える。第１アクチュエータ（14）及び第２アクチュエータ(24)のそれぞれは、長手方向が第１軸の方向に向いた複数の第１圧電カンチレバー(16-1，16-2，26-1，26-2)と、長手方向が第２軸の方向に向いた複数の第２圧電カンチレバー（17-1,17-2,27-1,27-2）とが折り畳まれるように連結された構造を有し、各アクチュエータの一方の端部はミラー支持部（15,25）を介してミラー部に接続され、他方の端部はミラー支持部（15,25）の近傍で固定部（31,32）に接続されている。
【選択図】図１
【解決手段】反射面(12B)を有するミラー部(12)と、ミラー部(12)の対角部分に形成されたミラー支持部（15,25）と、ミラー部(12)の周囲を取り囲んで配置された第１アクチュエータ(14)及び第２アクチュエータ（24）と、を備える。第１アクチュエータ（14）及び第２アクチュエータ(24)のそれぞれは、長手方向が第１軸の方向に向いた複数の第１圧電カンチレバー(16-1，16-2，26-1，26-2)と、長手方向が第２軸の方向に向いた複数の第２圧電カンチレバー（17-1,17-2,27-1,27-2）とが折り畳まれるように連結された構造を有し、各アクチュエータの一方の端部はミラー支持部（15,25）を介してミラー部に接続され、他方の端部はミラー支持部（15,25）の近傍で固定部（31,32）に接続されている。
【選択図】図１
Description
本発明はミラー駆動装置及びその制御方法に係り、特に、光走査などに用いる光偏向器に好適なマイクロミラーデバイスの構造及びその駆動制御技術に関する。
シリコン（Ｓi）の微細加工技術を用いて作製されたマイクロスキャナ（以下、「ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナ」という。）は、従来の光走査モジュールであるポリゴンミラーなどと比べて小型かつ低消費電力であることが特徴である。このためＭＥＭＳスキャナは、レーザープロジェクタから光干渉断層計（ＯＣＴ；Optical Coherence Tomography）のような光診断用スキャナなど、幅広い応用が期待されている。
ＭＥＭＳスキャナの駆動方式は様々であるが、その中でも圧電体の変形を利用した圧電駆動方式は、他の方式に比べて単位面積あたりのトルクが大きく、かつ駆動回路も単純であるため、小型で大きなスキャン角度が得られる方式として有望視されている。
しかしながら、共振を用いない圧電アクチュエータは変位が小さいという問題がある。例えば、ＯＣＴなどの内視鏡光診断の分野では、測定対象上におけるスキャン長が最低１ｍｍ以上であることが求められる（非特許文献１参照）。例えば、直径５ミリ（５ｍｍφ）の内視鏡プローブ内に内蔵されるＭＥＭＳスキャナがプローブ外０．５ｍｍのポイントをラジアルスキャンする場合、１ｍｍ以上スキャンするためには最低２０°以上の光学振れ角が必要となる。このような大きな光学振れ角は、圧電ユニモルフカンチレバー単体では実現が難しく、工夫を必要とする。
ミラーを大きく傾けるための手段として、例えば、カンチレバー自体を複数折り畳んだミアンダ状とし、ミラー部を挟みこむような構造で、かつ可動板を用いたジンバル構造とすることで非共振の二次元（２−Ｄ）駆動を実現する構造が提案されている（非特許文献２参照）。この方式では、圧電カンチレバーを折り畳み、交互に逆方向の曲げを誘起するように駆動することによって変位を拡大させ、共振を用いなくてもミラーを大きく傾けることができる。
しかしながら、この構造は、圧電カンチレバーを多く折り畳めばそれだけ大きな回転角が得られるが、同時にミラーの回転運動および並進運動の共振周波数が下がっていく。これは以下の問題を引き起こす。
（１）環境振動によってミラーの共振が容易に励起されてしまう。
（２）三角波・ノコギリ波でミラーを回転駆動した際、回転運動の共振振動（サイン波成分）が重畳し、駆動応答波形が変化してしまう。
特に（１）の問題は、車載用途や内視鏡用途などの環境振動が多く入る用途の場合において、スキャン中の光路長変動、スポットの位置ずれを引き起こすため、実際の使用では致命的な問題となる。
また、ジンバル構造を採用したことでデバイスサイズが大型化してしまうため、一般にデバイスサイズ３×３ｍｍ以下が求められる内視鏡用途への適用は難しい。デバイスの小型化の観点から、ジンバル構造を採用しない非共振の２次元（２−Ｄ）スキャナが望まれている。非特許文献３では、ジンバル構造を用いない熱バイモルフ型の非共振２次元（２−Ｄ）ＭＥＭＳスキャナが試作されている。
しかし、非特許文献３に記載された構造では、例えばｘ軸周りでミラーを回転駆動させるときに、駆動に関与していない他の軸のアクチュエータによる反力が働くため、駆動の効率が著しく落ちる。
一方、特許文献１には、図２６のような構造が提案されている。この図２６は、特許文献１における図３として開示されたものを引用した。上述で述べたような隣りあうアクチュエータが逆方向の屈曲変位を行い、変位角を蓄積してミラーに伝えるものであり、かつ直交する２つの軸方向の周りで屈曲回転するカンチレバーをそれぞれ複数有していることで、これらの軸周りでの２次元回転が可能である。この構造によるとある軸周りで回転する際に、それ以外の軸周りでの駆動を司るアクチュエータによる反力は生じず、力を有効に利用できる。
しかし、図２６に示す構造には以下のような問題がある。
・垂直方向の外部振動が生じると、慣性力によって、ミラーの角度変位が生じてしまう。
・十分な変位を得るために多数のカンチレバーを折り畳んでいるため、共振周波数が低く、外乱の影響を受けやすい。
・ミラーの中心がデバイスの中心と一致していないため、内視鏡のような円筒形のチューブ内にミラー中心が配置されるようにＭＥＭＳを設置する場合は、およそ倍のスペースを必要とする。
・垂直方向の外部振動が生じると、慣性力によって、ミラーの角度変位が生じてしまう。
・十分な変位を得るために多数のカンチレバーを折り畳んでいるため、共振周波数が低く、外乱の影響を受けやすい。
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上述のように、従来のＭＥＭＳスキャナには、次のような課題がある。
＜振れ角に関する課題＞
［１］共振を利用しないＭＥＭＳスキャナは、一般に振れ角が小さい。
［１］共振を利用しないＭＥＭＳスキャナは、一般に振れ角が小さい。
［２］圧電カンチレバーを折りたたむなどして振れ角を大きくしようとすると共振周波数が下がり、応答速度が落ちるとともに外乱振動によるノイズが飛躍的に大きくなる。
［３］また、スパッタ法などの薄膜製造技術を用いてＰＺＴ薄膜を形成し、圧電アクチュエータを製造する場合、ＰＺＴ薄膜の残留応力によってアクチュエータの初期反りが生じ、それによってミラーに初期傾きが生じてしまう。特に、圧電性能が高いNbドープPZTを用いる場合、残留応力が高いためにこの問題は顕著である。
［４］圧電アクチュエータを作動させる際に、ＰＺＴの分極反転を防ぐためにＤＣオフセットを印加した駆動を行うと、ミラーの回転角度にオフセットが生じてしまう。特に、圧電性能が高いNbドープPZTを用いる場合、分極反転電界が小さいためにＤＣオフセット電圧の印加は必須であり、この問題は深刻である。
＜２次元駆動に関する課題＞
［５］回転可動板を用いて２つの軸周りで駆動する「ジンバル方式」の場合、素子サイズが大型化してしまう。
［５］回転可動板を用いて２つの軸周りで駆動する「ジンバル方式」の場合、素子サイズが大型化してしまう。
［６］ジンバル構造を用いない従来の構造の場合、ｘ軸周り回転用アクチュエータによってミラーをｘ軸周りで回転させると、y軸周りで回転させるためのアクチュエータも変形してしまい、反発力を受ける。このため、ジンバル方式に比べて振れ角が落ちる。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、上述の課題を解決することができるミラー駆動装置及びその制御方法を提供することを目的とする。
前記目的を達成するために本発明に係るミラー駆動装置は、光を反射する反射面を有するミラー部と、ミラー部の対角部分に形成されたミラー支持部と、ミラー部の周囲を取り囲んで配置された第１アクチュエータ及び第２アクチュエータと、を備え、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータのそれぞれは、長手方向が第１軸の方向に向いた複数の第１圧電カンチレバーと、長手方向が第１軸と非平行の第２軸の方向に向いた複数の第２圧電カンチレバーとが折り畳まれるように連結された構造を有し、各アクチュエータの一方の端部はミラー支持部を介してミラー部に接続され、他方の端部は一方の端部が連結されているミラー支持部の近傍で固定部に接続されている。
他の発明態様については、明細書及び図面の記載により明らかにする。
本発明によれば、複数の圧電カンチレバーの組み合わせによって大きな振れ角でミラー部を傾けることができる。また、圧電定数が高いNbドープPZTなど、良好な圧電特性を持つ材料を用いると、比較的少ない折り畳み数で大きな振れ角が得られるため、共振周波数を高く設計できる。これにより高速応答が可能となり、外乱振動による影響を大幅に抑えることができる。さらに、圧電体の残留応力による初期撓みやオフセット駆動などによって全ての圧電カンチレバーに同方向の撓みが生じても、これらの変位は全体的にキャンセルされ、ミラー部の振れ角および垂直変位に影響を与えない。また、本発明によれば、アクチュエータ・ミラーをほぼ最密に配置できるため、素子サイズの小型化を実現できる。
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について詳説する。
〔第１実施形態〕
図１は第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの平面図であり、図２は図１の部分拡大図である。また、図３は図１のデバイス構造を模式的に示した図である。これらの図面に示したように、本実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０（「ミラー駆動装置」に相当）は、ミラー部１２と、このミラー部１２の周囲を取り囲むように配置された２つのアクチュエータ１４、２４と、これらアクチュエータ１４、２４を支持する固定枠３０と、を備える。ミラー部１２の対角位置にはミラー支持部１５、２５が形成されており、各アクチュエータ１４、２４の一方の端部はミラー支持部１５、２５に接続され、他方の端部は符号３１、３２で示す固定部に固定されている。
図１は第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの平面図であり、図２は図１の部分拡大図である。また、図３は図１のデバイス構造を模式的に示した図である。これらの図面に示したように、本実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０（「ミラー駆動装置」に相当）は、ミラー部１２と、このミラー部１２の周囲を取り囲むように配置された２つのアクチュエータ１４、２４と、これらアクチュエータ１４、２４を支持する固定枠３０と、を備える。ミラー部１２の対角位置にはミラー支持部１５、２５が形成されており、各アクチュエータ１４、２４の一方の端部はミラー支持部１５、２５に接続され、他方の端部は符号３１、３２で示す固定部に固定されている。
本例のミラー部１２は、図示のように平面視で略矩形であり、光を反射する反射面１２Ｂとなるミラー面（ミラー部１２の上面）には、入射光の反射率を高めるために、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミ）等の金属薄膜が形成されている。ミラーコーティングに用いる材料や膜厚は特に限定されず、公知のミラー材料（高反射率材料）を用いて様々な設計が可能である。
ミラー部１２の形状について「矩形」とは厳密な矩形（四角形）に限らず、全体的な基本形状として概ね矩形と把握できる形状であることを意味する。例えば、矩形の角部が面取りされたもの、角部が丸められたもの、辺の一部又は全部が曲線や折れ線で構成されるもの、ミラー部１２とアクチュエータ１４、２４との接続部分（符号１５、２５で示すミラー支持部）に連結上必要な付加的形状が追加されたものなども含まれる。図１では最も単純な例として、平面視で正方形のミラー部１２を例示するが、ミラー部１２の形状は図示の例に限定されない。また、ミラー部１２の平面視形状と反射面１２Ｂの形状は一致してもいいし、異なっていてもよい。反射面１２Ｂはミラー部１２における上面の面積範囲内で形成することができる。
ミラー部１２は、一対の対角の頂点付近（図１において左下の頂点付近と右上の頂点付近）でミラー支持部１５、２５を介してアクチュエータ１４、２４の連結されている。
ミラー部１２を駆動するためのアクチュエータ１４、１５は、矩形のミラー部１２における一対の対角の頂点付近（図１において左下の頂点付近と右上の頂点付近）でミラー支持部１５、２５を介してアクチュエータ１４、２４の連結されている。なお、ミラー支持部１５、２５の形成位置は、目的の作用効果が達成できる範囲でミラー部１２の対角位置付近であればよく、必ずしも厳密な意味での「対角」の頂点位置に限定されるものではない。
図１において、ミラー部１２の左辺及び上辺に沿ってＬ字形に配置されるアクチュエータ（符号１４）を「第１アクチュエータ」と呼び、ミラー部１２の右辺及び下辺に沿ってＬ字形に配置されるアクチュエータ（符号２４）を「第２アクチュエータ」と呼ぶ。また、図１中、紙面の水平方向（横方向）にｘ軸をとり、ｙ軸を垂直方向（紙面の縦方向）にとる。また、紙面（ｘｙ平面）に対して垂直な方向にｚ軸をとる。このような直交３軸（ｘｙｚ軸）を導入してデバイス構造やその動作を説明する。ｙ軸が「第１軸」に相当し、ｘ軸が「第２軸」に相当する。
第１アクチュエータ１４は、複数の圧電カンチレバー（本例では４つの圧電カンチレバー１６-１，１６-２，１７-１，１７-２）を折り畳むようにつなぎ合わせて構成されている。第１アクチュエータ１４を構成する複数の圧電カンチレバー（１６-１，１６-２，１７-１，１７-２）のうち、長手方向をｙ軸方向に向けてｘ方向に位置を変えて並ぶように配置された複数の（ここでは２本の）圧電カンチレバー１６-１，１６-２（「第１圧電カンチレバー」に相当）は、ミラー部１２をｘ軸周りで回転させるための駆動に用いられる。
また、長手方向をｘ軸方向に向けてｙ方向に位置を変えて並ぶように配置された複数の（ここでは２本の）圧電カンチレバー１７-１，１７-２（「第２圧電カンチレバー」に相当）は、ミラー部１２をｙ軸周りで回転させるための駆動に用いられる。
すなわち、第１アクチュエータ１４は、ミラー部１２をｘ軸周りで回転させるための複数の圧電カンチレバー１６-１、１６-２と、ミラー部１２をｙ軸周りで回転させるための複数の圧電カンチレバー１７-１、１７-２から構成される。ｘ軸回転用の複数の圧電カンチレバー１６-１、１６-２は、それぞれの長手方向がｙ軸方向に向き、これら複数の圧電カンチレバー１６-１、１６-２がミラー部１２の第１辺（図１中で左辺）の外側においてｘ軸方向に隣り合うように並んで配置される。複数の圧電カンチレバー１６-１、１６-２によってｘ軸回転用アクチュエータ要素（「第２軸回転用アクチュエータ要素」に相当）が構成される。
ｙ軸回転用の複数の圧電カンチレバー１７-１、１７-２は、それぞれの長手方向がｘ軸方向に向き、これら複数の圧電カンチレバー１７-１、１７-２がミラー部１２の第２辺（図１中で上辺）の外側においてｙ軸方向に隣り合うように並んで配置される。複数の圧電カンチレバー１７-１、１７-２によってｙ軸回転用アクチュエータ要素（「第１軸回転用アクチュエータ要素」に相当）が構成される。
ｙ軸回転用の複数の圧電カンチレバー１７-１、１７-２は、一方の端部同士（図１において左側の端部同士）が接続されており、ｘ軸方向に折り返すよう連結されている（図２参照）。圧電カンチレバー１７-１、１７-２の折り返し連結部１８と反対側の各圧電カンチレバー１７-１、１７−２の端部は、それぞれ連結部１９-１，１９-２を介してｘ軸回転用の圧電カンチレバー１６-１、１６-２の端部に接続されており、ｙ軸回転用の圧電カンチレバー１７-１，１７-２と、ｘ軸回転用の圧電カンチレバー１６-１，１６-２はＬ字形に（直角に折り曲がる形態で）互いに連結される。
ｘ軸回転用の複数の圧電カンチレバー１６-１、１６-２のうち、ミラー部１２に近い方の圧電カンチレバー１６-２の一端（ｙ軸回転用の圧電カンチレバー１７-２との連結部１９-２と反対側の端部）は、図１においてミラー部１２の左下角部の付近でミラー支持部１５を介してミラー部１２に連結されている。
また、ｘ軸回転用の複数の圧電カンチレバー１６-１、１６-２のうち、ミラー部１２から遠い方の圧電カンチレバー１６−１の基端部（ｙ軸回転用の圧電カンチレバー１７-１との連結部１９-１と反対側の端部）は、図１においてミラー部１２の左下角部の近くで、すなわち、ミラー支持部１５の近傍で固定枠３０の第１固定部３１に固定されている。
第１固定部３１から見ると、当該第１固定部３１に圧電カンチレバー１６-１の基端部が支持され、長手方向をｙ軸方向に向けた圧電カンチレバー１６-１の先端部に圧電カンチレバー１７-１がｘ軸方向に長手方向を向けて接続されている。この圧電カンチレバー１７-１の先に圧電カンチレバー１７-２がｘ軸方向に折り返すように連結され、さらに、圧電カンチレバー１７-２の先に圧電カンチレバー１６-２がｙ軸方向に折り畳むように接続される。最終的に圧電カンチレバー１６-２の先端がミラー部１２の角部付近（図１においてミラー部１２の左下角部の近く）でミラー部１２と連結され、ミラー支持部１５によってミラー部１２が支持されている。
このように複数本の圧電カンチレバー１６-１，１７-１，１７-２，１６-２を折り畳むような構造で順次繋ぎ合わせ、第１アクチュエータ１４の第１固定部３１とミラー支持部１５が非常に近くになるような構造にする。
圧電カンチレバーの残留応力による初期撓み、オフセット駆動などの影響をキャンセルするためには、第１固定部３１とミラー支持部１５の距離は、なるべく近いほど好ましい。ただし、第１アクチュエータ１４の構造的な制約から、両者の位置を一致させることはできない。図１の場合、第１固定部３１とミラー支持部１５の距離は、圧電カンチレバー１６-２の短手方向の幅寸法（ｗ）程度離れることになる（図３参照）。また、第１固定部３１として、図３中の圧電カンチレバー１６-１の下端面に代えて、当該圧電カンチレバー１６-１の下端部の左側面部分を固定する態様も考えられるため、この場合は、固定部とミラー支持部１５の距離は、２つの圧電カンチレバー１６-１、１６-２からなるｘ軸回転用アクチュエータ要素のｘ軸方向の幅寸法（ｗＡ）程度離れることになる。
このような観点から、第１固定部３１とミラー支持部１５の近傍の程度は、複数の圧電カンチレバー１６-１、１６-２からなるｘ軸回転用アクチュエータ要素のｘ軸方向の幅寸法（ｗＡ）の範囲内は許容されるものとなる。
第２アクチュエータ２４は第１アクチュエータ１４と同様の構造であり、第２アクチュエータ２４と第１アクチュエータ１４は、ミラー部１２を挟んで対角の位置関係で配置される。すなわち、第２アクチュエータ２４は、複数の圧電カンチレバー（本例では４つの圧電カンチレバー２６-１，２６-２，２７-１，２７-２）をつなぎ合わせて構成されている。第２アクチュエータ２４は、ミラー部１２をｘ軸周りで回転させるための複数の圧電カンチレバー２６-１，２６-２（「第１圧電カンチレバー」に相当）と、ミラー部１２をｙ軸周りで回転させるための複数の圧電カンチレバー２７-１，２７-２（「第２圧電カンチレバー」に相当）から構成される。ｘ軸回転用の複数の圧電カンチレバー２６-１、２６-２は、それぞれの長手方向がｙ軸方向に向き、これら複数の圧電カンチレバー２６-１、２６-２がミラー部１２の第３辺（図１中で右辺）の外側においてｘ軸方向に隣り合うように並んで配置される。複数の圧電カンチレバー２６-１、２６-２によってｘ軸回転用アクチュエータ要素（「第２軸回転用アクチュエータ要素」に相当）が構成される。
ｙ軸回転用の複数の圧電カンチレバー２７-１、２７-２は、それぞれの長手方向がｘ軸方向に向き、これら複数の圧電カンチレバー２７-１、２７-２がミラー部１２の第４辺（図１中で下辺）の外側においてｙ軸方向に隣り合うように並んで配置される。複数の圧電カンチレバー２７-１、２７-２によってｙ軸回転用アクチュエータ要素（「第１軸回転用アクチュエータ要素」に相当）が構成される。
ｙ軸回転用の複数の圧電カンチレバー２７-１，２７-２は、一方の端部同士が接続されており、ｘ軸方向に折り返すよう連結されている。圧電カンチレバー２７−１，２７−２の折り返し連結部２８と反対側の各圧電カンチレバー２７-１、２７−２の端部は、それぞれ連結部２９−１，２９−２を介してｘ軸回転用の圧電カンチレバー２６-１，２６-２の端部に接続されており、ｙ軸回転用の圧電カンチレバー２７-１，２７-２と、ｘ軸回転用の圧電カンチレバー２６-１，２６-２はＬ字形に（直角に折り曲がる形態で）互いに連結される。
ｘ軸回転用の複数の圧電カンチレバー２６-１，２６-２のうち、ミラー部１２に近い方の圧電カンチレバー２６-２の一端（ｙ軸回転用の圧電カンチレバー２７-２との連結部２９-２と反対側の端部）は、図１においてミラー部１２の右上角部の付近でミラー支持部２５を介してミラー部１２に連結されている。
また、ｘ軸回転用の複数の圧電カンチレバー２６-１，２６-２のうち、ミラー部１２から遠い方の圧電カンチレバー２６-１の基端部（ｙ軸回転用の圧電カンチレバー２７-１との連結部２９-１と反対側の端部）は、図１においてミラー部１２の右上角部の近くで、すなわち、ミラー支持部２５の近くで固定枠３０の第２固定部３２に固定されている。
第２固定部３２から見ると、当該第２固定部３２に圧電カンチレバー２６-１の基端部が固定され、長手方向をｙ軸方向に向けた圧電カンチレバー２６-１の先端部に圧電カンチレバー２７-１がｘ軸方向に長手方向を向けて接続されている。この圧電カンチレバー２７-１の先に圧電カンチレバー２７-２がｘ軸方向に折り返すように連結され、さらに、圧電カンチレバー２７-２の先に圧電カンチレバー１６-２がｙ軸方向に折り畳むように接続される。最終的に圧電カンチレバー２６-２の先端がミラー部１２の角部付近（図１においてミラー部１２の右上角部の近く）でミラー支持部２５を介してミラー部１２と連結されている。このように複数本の圧電カンチレバー２６-１，２７-１，２７-２，２６-２を折り返すような構造で順次繋ぎ合わせ、第２アクチュエータ２４の第２固定部３２とミラー支持部２５が非常に近くになるような構造にする。第２固定部３２とミラー支持部２５の近傍の程度については、第１固定部３１とミラー支持部１５の位置関係と同様である。
図１において、符号４１，４２，４３，４４は、第１アクチュエータ１４を構成する各圧電カンチレバー１６-１，１６-２、１７-１，１７-２に駆動電圧を供給するためのドライブパッド（駆動電力供給端子）である。図１では図示を省略しているが、各ドライブパッド４１，４２，４３，４４は、細い配線５１，５２，５３，５４を介して、対応する圧電カンチレバー１６-１，１６-２、１７-１，１７-２の上部電極と接続されている。
また、符号６１，６２，６３，６４は、第２アクチュエータ２４を構成する圧電カンチレバー２６-１，２６-２、２７-１，２７-２に駆動電圧を供給するためのドライブパッドである。図１では図示を省略しているが、各ドライブパッド６１，６２，６３，６４は、細い配線７１，７２，７３，７４を介して、対応する圧電カンチレバー２６-１，２６-２、２７-１，２７-２の上部電極と接続されている。
参考のために、図１の圧電カンチレバー１７-１，１７-２の連結部１８付近の拡大図を図２に示した。圧電カンチレバー１７-２の上部電極から引き出された配線５３は、連結部１８から圧電カンチレバー１７-１の縁に沿って引き回され、図１の連結部１９-１、圧電カンチレバー１６-１を経由してドライブパッド４３に繋がっている。また、圧電カンチレバー１６-２の上部電極から引き出された配線５４は、図１の連結部１９-２から圧電カンチレバー１７-２の縁に沿って引き回され、連結部１８、圧電カンチレバー１７-１、連結部１９-１、圧電カンチレバー１６-１を経由してドライブパッド４４に繋がっている。
このように、各圧電カンチレバーの上部電極は、個別に（独立に）対応するドライブパット（４１〜４４，６１〜６４）に接続されており、各圧電カンチレバーを独立に駆動制御することができる。なお、各カンチレバーの下部電極については、複数のカンチレバーについて共通の（一体的に繋がった）電極として構成することができる。
図４は、圧電カンチレバーの断面構造を示す模式図である。各圧電カンチレバー１６-１，１６-２、１７-１、１７-２、２６-１、２６-２、２７-１、２７-２は、同様の構造であるため、これらを代表して、符号８０を付して圧電カンチレバーの構造を説明する。本例の圧電カンチレバー８０は、圧電ユニモルフカンチレバー構造からなる。なお、本発明の実施に際して、ユニモルフカンチレバー以外の構造を用いても良い。例えば、電極を挟んで圧電体を２層積層したバイモルフカンチレバーを用いても良い。
図４に示すように、圧電カンチレバー８０は、振動板８２上に下部電極８３、圧電体８６、上部電極８８が積層形成された構造を有する。このような積層構造体は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板上に、下部電極８３、圧電体８６、上部電極８８の各層を順次に成膜することによって得られる。図４における右端（符号９０）が圧電カンチレバー８０の固定端となる支持部（固定部）である。図４に示す構成において、電極（８３，８８）間に駆動電圧が印加されることで圧電体８６が変形し、この変形に伴い、振動板８２が撓んで、レバー部が上下に動く。図４の破線はレバー部が上方に変位した様子を表している。
なお、図１で示した圧電カンチレバー１６-１についての固定部９０は、図１で説明した第１固定部３１に相当する。圧電カンチレバー１７-１についての固定部９０は、連結部１９-１に相当し、圧電カンチレバー１７-２についての固定部９０は図１で説明した連結部１８に相当する。圧電カンチレバー１６-２についての固定部９０は図１で説明した連結部１９-２に相当する。圧電カンチレバー２６-１についての固定部９０は図１で説明した第２固定部３２に相当する。圧電カンチレバー２７-１についての固定部９０は、連結部２９-１に相当し、圧電カンチレバー２７-２についての固定部９０は図１で説明した連結部２８に相当する。圧電カンチレバー２６-２についての固定部９０は図１で説明した連結部２９-２に相当する。
＜ミラー部の回転動作の説明＞
（１）ｘ軸周りのミラー回転について
まず、ｘ軸周りの回転について説明する。図５に示す第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１６-１，１６-２に対して、互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動電圧が印加される。また、第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２６-１、２６-２に対しても、互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動電圧が印加される。さらに、第１アクチュエータの圧電カンチレバー１６-１と第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２６-１も互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動され、第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１６-２と第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２６-２も互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動される。つまり、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ２４は互いに逆方向の変位を行い、ミラー部１２の対角をそれぞれ逆方向に変位させることによってミラー部１２を傾かせる。
（１）ｘ軸周りのミラー回転について
まず、ｘ軸周りの回転について説明する。図５に示す第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１６-１，１６-２に対して、互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動電圧が印加される。また、第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２６-１、２６-２に対しても、互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動電圧が印加される。さらに、第１アクチュエータの圧電カンチレバー１６-１と第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２６-１も互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動され、第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１６-２と第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２６-２も互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動される。つまり、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ２４は互いに逆方向の変位を行い、ミラー部１２の対角をそれぞれ逆方向に変位させることによってミラー部１２を傾かせる。
図５中のＡ−Ｂ線の切断面をｘ軸の正方向から見た模式図を図６に示し、図５中のＡ'-Ｂ'線の切断面をｘ軸の正方向から見た模式図を図７に示す。
図６に示したように、隣り合う圧電カンチレバー１６-１，１６-２に対して互いに逆方向の屈曲変位を生じさせるように駆動電圧を印加することで、各圧電カンチレバー１６-１、１６-２の先端における角度変位θが加算されてミラー支持部１５に伝えられる。同様に、図７に示したように、隣り合う圧電カンチレバー２６-１，２６-２に対して互いに逆方向の屈曲変位を生じさせるように駆動電圧を印加することで、各圧電カンチレバー２６-１、２６-２の先端における角度変位θが加算されてミラー支持部２５に伝えられる。
また、図６、図７に示したように、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ２４は互いに逆方向の角度変位をそれぞれのミラー支持部１５、２５に伝えるように駆動される。その結果としてミラー部１２はｘ軸周りに２θの角度で傾く。参考のために、図８に、ミラー部１２をｘ軸周りに回転させて傾けた様子を示す斜視図を示した。
（２）ｙ軸周りのミラー回転について
次にｙ軸周りの回転について説明する。図９に示す第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１７-１，１７-２に対して、互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動電圧が印加される。また、第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２７-１、２７-２に対しても、互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動電圧が印加される。さらに、第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１７-１と第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２７-１は互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動され、第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１７-２と第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２７-２も互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動される。つまり、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ２４は互いに逆方向の変位を行い、ミラー部１２の対角をそれぞれ逆方向に変位させることによってミラーを傾かせる。
次にｙ軸周りの回転について説明する。図９に示す第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１７-１，１７-２に対して、互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動電圧が印加される。また、第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２７-１、２７-２に対しても、互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動電圧が印加される。さらに、第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１７-１と第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２７-１は互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動され、第１アクチュエータ１４の圧電カンチレバー１７-２と第２アクチュエータ２４の圧電カンチレバー２７-２も互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動される。つまり、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ２４は互いに逆方向の変位を行い、ミラー部１２の対角をそれぞれ逆方向に変位させることによってミラーを傾かせる。
図９中のＡ−Ｂ線の切断面をｙ軸の負方向から見た模式図を図１０に示し、図９中のＡ'-Ｂ'線の切断面をｙ軸の負方向から見た模式図を図１１に示す。
図１０に示したように、隣り合う圧電カンチレバー１７-１，１７-２に対して互いに逆方向の屈曲変位を生じさせるように駆動電圧を印加することで、各圧電カンチレバー１７-１、１７-２の先端における角度変位θが加算されてミラー支持部１５に伝えられる。同様に、図１１に示したように、隣り合う圧電カンチレバー２７-１，２７-２に対して互いに逆方向の屈曲変位を生じさせるように駆動電圧を印加することで、各圧電カンチレバー２７-１、２７-２の先端における角度変位θが加算されてミラー支持部２５に伝えられる。
また、図１０、図１１に示したように、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ２４は互いに逆方向の角度変位をそれぞれのミラー支持部１５、２５に伝えるように駆動される。その結果としてミラー部１２はｙ軸周りに２θの角度で傾く。参考のために、図１２に、ミラー部１２をｙ軸周りに回転させて傾けた様子を示す斜視図を示した。
図６〜図９で説明したｘ軸周りの回転駆動と、図１０〜図１２で説明したｙ軸周りの回転駆動とを組み合わせることで、ミラー部１２を様々な方向に傾けることができ、２次元スキャンが可能である。ミラー部１２に入射した光（例えば、図示せぬレーザ光源から発せられたレーザ光）はミラー部１２の傾き（角度）に応じて反射され、反射光の進行方向（反射光の照射位置）が変わる。本実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０によれば、大きな光振れ角で光走査することができる。
＜駆動電圧の供給手段について＞
図１３は、第１アクチュエータ１４及び第２アクチュエータ２４に駆動電圧を供給する駆動回路の構成例を示した図である。第１アクチュエータ１４を構成する各圧電カンチレバー１６-１、１６-２、１７-１、１７-２の上部電極はそれぞれドライバ回路１０２の対応する端子に接続される。また、第２アクチュエータ２４を構成する各圧電カンチレバーの２６-１、２６-２、２７-１、２７-２の上部電極はそれぞれドライバ回路１０２の対応する端子に接続される。また、各圧電カンチレバーの下部電極はドライバ回路１０２の共通端子（Ｖ０端子、例えば、ＧＮＤ端子）に接続される。
図１３は、第１アクチュエータ１４及び第２アクチュエータ２４に駆動電圧を供給する駆動回路の構成例を示した図である。第１アクチュエータ１４を構成する各圧電カンチレバー１６-１、１６-２、１７-１、１７-２の上部電極はそれぞれドライバ回路１０２の対応する端子に接続される。また、第２アクチュエータ２４を構成する各圧電カンチレバーの２６-１、２６-２、２７-１、２７-２の上部電極はそれぞれドライバ回路１０２の対応する端子に接続される。また、各圧電カンチレバーの下部電極はドライバ回路１０２の共通端子（Ｖ０端子、例えば、ＧＮＤ端子）に接続される。
各圧電カンチレバーの上部電極に印加される電圧Ｖ１１〜Ｖ２４と、下部電極との電位差に応じてそれぞれの圧電カンチレバーの圧電体８６が圧電変形し、カンチレバーが屈曲変位する。このように、各圧電カンチレバーに対して、個別に（独立に）駆動電圧を供給できる構成を採用してもよいし、駆動時に同じ駆動電圧が同位相で供給される複数のカンチレバーの端子同士をまとめてもよい。
制御回路１０４は、ドライバ回路１０２に対して制御信号を送り、各圧電カンチレバー（１６-１、１６-２、１７-１、１７-２、２６-１、２６-２、２７-１、２７-２）への駆動電圧の印加を制御する。
各圧電カンチレバーに供給する駆動波形は特に限定されない。例えば、正弦波の駆動電圧を供給してもよし、パルス波形信号を用いることもできる。図１３に示したドライバ回路１０２、又は、ドライバ回路１０２と制御回路１０４の組み合わせが「駆動電圧供給回路」に相当する。
＜圧電材料について＞
本実施形態に好適な圧電体としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。
本実施形態に好適な圧電体としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
また、本実施形態の圧電体膜は、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）を含むことが好ましい。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０＜ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。なお、一般式（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式（Ｐ）で表されるものよりも圧電定数が高くなる。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０＜ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。なお、一般式（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式（Ｐ）で表されるものよりも圧電定数が高くなる。
また、一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。
本実施形態における圧電体８６の一具体例として、例えば、Ｎbを１２％ドープしたＰＺＴ薄膜を用いることができる。スパッタリング法によってＮbを１２％ドープしたＰＺＴを成膜することにより、圧電定数ｄ３１＝２５０ｐｍ／Ｖという高い圧電特性を持つ薄膜を安定的に作製できる。
なお、バルクの圧電体を基板に接合し、研磨してもよいが、この方法では圧電体を薄膜化するのが難しい（研磨では限界15μｍ程度である）ために変位量が小さくなる上に、研磨中における破壊などによる歩留まりが小さいといった問題がある。このようなことを鑑みると、気相成長法やゾルゲル法などにより基板上に圧電薄膜を直接成膜する構成が好ましい。特に、本実施形態の圧電体８６としては、１μｍ以上１０μｍ以下の厚さの薄膜であることが好ましい。後述する例では、圧電体８６として、スパッタリング法によって成膜された４μｍ厚のＰＺＴ薄膜を使用しているが、これに限定されるものではない。
図１４は、本実施形態に用いた圧電体膜（膜厚４μｍ）のＰｒ−Ｅヒステリシス特性を示したものである。ここでは、Ｎｂをドープした変性ＰＺＴ膜を用いた。なお、図１４の横軸は「駆動電圧（単位：ボルト［Ｖ］）となっているが、電圧を膜厚で除算すると電界になる。抗電界はＰｒ−Ｅヒステリシス特性のグラフにて、残留分極がゼロとなる点であり、本例における圧電体膜の抗電界は正電界側（Ｅc＋）が約３５ｋＶ／ｃｍ、負電界側（Ｅc−）が約７．５ｋＶ／ｃｍである。図１４中のＶc＋は正電界側の抗電界（Ｅc＋）に対応した電圧（抗電界Ｅc＋と膜厚の積）、Ｖc−は負電界側の抗電界（Ｅc−）に対応した電圧（抗電界Ｅc−と膜厚の積）である。
本実施形態で用いるＰＺＴＮ膜は、スパッタリング法等の気相成長により成膜されたものであり、当該膜のＰｒ−Ｅヒステリシスは図１４のように、正電界側に偏った、すなわちｙ軸に対して非対称なものである。負電界側の抗電界Ｅc−の絶対値と正電界側の抗電界Ｅc＋の絶対値が異なり、｜Ｅc＋｜＞｜Ｅc−｜の関係がある。このように正電界側に偏った非対称Ｐｒ−Ｅヒステリシスを有する圧電体膜では、正電界を印加した場合は抗電界Ｅc＋が大きいため分極されにくく、負電界を印加した場合は抗電界Ｅc−の絶対値が小さいため分極されやすい。
つまり、抗電界値の絶対値が小さい側の極性の電界印加（この場合、マイナス駆動）により駆動させることにより、大きな圧電性能を得ることができる。
なお、本実施形態では、正電界側に偏ったＰｒ−Ｅヒステリシスを有する圧電体を例に説明するが、負電界側に偏ったＰｒ−Ｅヒステリシスを有する圧電体においてもその符号が異なるだけで同様の作用効果を得ることができる。
図１５は、図１４のＰｒ−Ｅヒステリシス特性を有する圧電体膜を備えた圧電アクチュエータを駆動した場合の駆動電圧と変位の関係を示す図である。図１５では、ダイアフラム型の圧電アクチュエータを作成して、「電界―変位ヒステリシス特性」を調べたものである。ここでは、下部電極を基準電位（グランド）として、駆動電圧の正負符号を定義した。なお、非駆動時における当該圧電アクチュエータにおける圧電体膜の分極状態は、上部電極側が＋、下部電極側が−である（分極ベクトルが上向き）。また、変位量については、振動板が下に凸の方向に変位する量を「＋方向」の変位、上に凸の方向に変位する量を「−方向」の変位と定義した。
駆動電圧としてマイナスの電圧を印加する場合に注目すると、０Ｖからマイナス電圧の絶対値を大きくしていく（図１４の左側の負電界側）と、印加電圧の絶対値の増加に応じて、略リニアな関係（比例関係）で変位量が増加していく。ここでは、振動板が下に凸の方向に変位する量を「＋方向」の変位量とした。また、逆に、印加するマイナス電圧の絶対値を次第に小さくしていくと、印加電圧の絶対値の減少に応じて、上記同様の比例関係で変位量が減少していく。図示のとおり、負電界側において殆ど履歴がなく、かつ、リニアリティの高いものとなっている（図１５中の符号Ａで示す領域）。なお、図１５において、履歴によるリニアリティの誤差は１％以下である。
さらに、マイナス電圧から０Ｖを超えてプラス電圧に転じても、しばらくはリニアな領域がある（図１５中の符号Ｂで示す領域）。すなわち、正電界側において、駆動電圧が０〜約１０Ｖの範囲は、印加電圧（電界）の強さに略比例して、逆方向の変位量が得られる。このように、プラス電圧を印加したとき、逆方向（上に凸の方向）に変位するリニア領域がある。
先に述べた負電界側のリニア領域（図１５中の符号Ａ）と、この正電界側のリニア領域（図１５中の符号Ｂ）が連続しており、負電圧側と正電圧側とにまたがる連続した範囲で略比例の関係となるリニア領域（領域Ａ＋Ｂの区間）が形成される。このように負電界側のリニア領域（符号Ａ）から連続する正電界側のリニア領域（符号Ｂの領域）が存在する。このような特性を持つ圧電薄膜を用いたアクチュエータを安定的に利用するため、上部電極に加える駆動電圧は、＋側の抗電界以下であることが好ましい。また、抗電界を超える電圧を印加すると、逆方向に分極が反転してしまうため、これを防ぐために、例えば、マイナス方向にオフセットＤＣ電圧を印加し、このオフセットＤＣ電圧を基準にして抗電界以下の範囲でプラス／マイナスの電圧を掛けることが好ましい。
＜実施例１；ＭＥＭＳスキャナデバイスの製造方法の一例＞
実施例１として以下の手順によりＭＥＭＳスキャナデバイス１０を作製した。
実施例１として以下の手順によりＭＥＭＳスキャナデバイス１０を作製した。
（工程１）ハンドル層３５０μｍ、ボックス層１μｍ、デバイス層１０μｍのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に、スパッタ法で基板温度３５０℃にて、Ｔｉ層を３０ｎｍ、Ｉｒ電極層を１５０ｎｍ形成した。これらＴｉ層及びＩｒ電極層が図４の下部電極８３に相当する。
（工程２）上記得られた基板上に、高周波（ＲＦ；radio frequency）スパッタ装置を用いてＰＺＴ層を２μｍ成膜した。成膜ガスは９７．５％Ａｒと２．５％Ｏ２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてはＰｂ1.3((Ｚｒ0.52 Ｔｉ0.48)0.88 Ｎｂ0.12)Ｏ3の組成のものを用いた。成膜圧力は２．２ｍTorr、成膜温度は４５０℃とした。
（工程３）上記で得られた基板を、シリコン加工プロセスに基づいて加工し、図１〜図３のような構成のＭＥＭＳスキャナデバイスを作成した。上部電極は、Ｐt／Ｔi層をリフトオフ法によってパターニングし、ＰＺＴ／Ｉｒのパターニング及びＳｉのパターニングは、ＩＣＰ（inductively coupled plasma；誘導結合プラズマ）ドライエッチングによって行った。
なお、圧電カンチレバーは、バルクセラミックの研磨・貼り付けプロセスを用いて作成することも可能である。ただし、スパッタリング法に代表される直接成膜プロセスでＰＺＴ薄膜を形成した方が、歩留まりやコストの面で有利である。
本発明の実施に際しては、上記の実施例１に限定されず、基板の材料、電極材料、圧電材料、膜厚、成膜条件などは、目的に応じて適宜選択することができる。
＜変形例１＞
第１実施形態では、１つのアクチュエータが４つのカンチレバーで構成されているが、１つのアクチュエータを構成するカンチレバーの個数は、本例に限らず、さらに個数を増やしてもよい。ただし、カンチレバーを増やすと共振周波数が増加して外乱に弱くなる傾向にあるため、必要な設計に応じて（使用環境などを考慮した共振周波数の設計に応じて）、カンチレバーの組み合わせ個数を選択する必要がある。また、後に述べる同方向屈曲変位の相殺（残留応力による初期撓みやＤＣオフセットによる同一方向の変位の相殺）という観点から、各アクチュエータの固定部と、ミラー支持部とは近傍となるように、複数の圧電カンチレバーを折り畳んで繋ぎ合わせることが必要である。
第１実施形態では、１つのアクチュエータが４つのカンチレバーで構成されているが、１つのアクチュエータを構成するカンチレバーの個数は、本例に限らず、さらに個数を増やしてもよい。ただし、カンチレバーを増やすと共振周波数が増加して外乱に弱くなる傾向にあるため、必要な設計に応じて（使用環境などを考慮した共振周波数の設計に応じて）、カンチレバーの組み合わせ個数を選択する必要がある。また、後に述べる同方向屈曲変位の相殺（残留応力による初期撓みやＤＣオフセットによる同一方向の変位の相殺）という観点から、各アクチュエータの固定部と、ミラー支持部とは近傍となるように、複数の圧電カンチレバーを折り畳んで繋ぎ合わせることが必要である。
（同方向の屈曲変位の相殺について）
図１６は、初期撓みやオフセット駆動などによって、全てのカンチレバーに同方向の屈曲変位が生じた際の変形状況の例を示した斜視図である。ここでは、第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０の全てのカンチレバーについて、レバー部が下に凸に撓む屈曲変位が生じている状況を示している。既に説明したように、ミラー部１２を取り囲んで配置される２つのアクチュエータ１４、２４はそれぞれ、複数の圧電カンチレバーを折り畳むように連結した構造を有し、各アクチュエータの固定部（３１，３２）と、ミラー支持部（１５，２５）が近傍になるように、カンチレバーが折り畳まれるように接続されている。このような構造により、同方向の屈曲変位はほぼキャンセルされ、ミラー部１２に傾き変位は生じない。これは、ＤＣオフセット印加の波形を入力した場合や、圧電薄膜の形成時の残留応力による初期撓みがカンチレバーに生じた際に、ミラーの傾き変位影響がないことを示している。
図１６は、初期撓みやオフセット駆動などによって、全てのカンチレバーに同方向の屈曲変位が生じた際の変形状況の例を示した斜視図である。ここでは、第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０の全てのカンチレバーについて、レバー部が下に凸に撓む屈曲変位が生じている状況を示している。既に説明したように、ミラー部１２を取り囲んで配置される２つのアクチュエータ１４、２４はそれぞれ、複数の圧電カンチレバーを折り畳むように連結した構造を有し、各アクチュエータの固定部（３１，３２）と、ミラー支持部（１５，２５）が近傍になるように、カンチレバーが折り畳まれるように接続されている。このような構造により、同方向の屈曲変位はほぼキャンセルされ、ミラー部１２に傾き変位は生じない。これは、ＤＣオフセット印加の波形を入力した場合や、圧電薄膜の形成時の残留応力による初期撓みがカンチレバーに生じた際に、ミラーの傾き変位影響がないことを示している。
ＮｂドープＰＺＴは、ノンドープＰＺＴ（真性ＰＺＴ）に比べて約２倍の圧電定数を有しており（一例として、ＮｂドープPZTのｄ３１圧電定数は約２５０ｐｍ／Ｖ）、大きな変位を生じさせることができるが、分極反転が起こりやすく抗電界が低い（この点については、「Solid State Communications 149 (2009) 1799 1802）を参照）。このため、ＮｂドープＰＺＴを駆動させるためには、ＤＣオフセットを印加した交流波形を入力し、逆方向の抗電界を超えないように工夫される。また、ＮｂドープＰＺＴは、ノンドープＰＺＴに比べて高い残留応力を示し、初期撓みが大きい。
以上のことから、第１実施形態で説明した構造は、変位量の大きいＮｂドープＰＺＴを用いるのに都合のよい構造である。
（共振モードについて）
ここで本実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス１０の共振モードによる動きについて説明する。第１実施形態で説明した構造の共振モードによる動きを図１７，図１８に図示する。図１７は一次共振モード、図１８は二次共振モードの図である。一次共振モード（共振周波数ｆ１とする）は、ミラー部１２が垂直方向（ｚ軸方向）に並進運動するモードである。二次共振モード（共振周波数ｆ２とする）は、ミラー部が回転運動するモードである。
ここで本実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス１０の共振モードによる動きについて説明する。第１実施形態で説明した構造の共振モードによる動きを図１７，図１８に図示する。図１７は一次共振モード、図１８は二次共振モードの図である。一次共振モード（共振周波数ｆ１とする）は、ミラー部１２が垂直方向（ｚ軸方向）に並進運動するモードである。二次共振モード（共振周波数ｆ２とする）は、ミラー部が回転運動するモードである。
ミラー部１２の傾き運動の応答速度は、二次共振モードの共振周波数（ｆ２）が上限となる。また、一次共振モードに見られるようなミラー部１２の並進運動が外乱振動によって励振されると、光路長にばらつきを生じる原因となるため、実際の使用においては、目的の用途環境における外乱振動の周波数よりもｆ１が十分高くなるようにデバイスの設計を行う。例えば、一般的に自動車用途においては、共振周波数が５００Ｈｚ以上となるように設計される。また、内視鏡の内部に設置されるスキャナ（内視鏡内光スキャナ）などの用途においては、外乱は主に人の手の振動によるものと考えられるため、自動車用途よりも低い周波数でよく、例えば、約３００Ｈｚ以上で設計するのが望ましい。なお、外部からの振動に対する応答は、共振周波数の２乗に反比例するため、共振周波数は高ければ高いほど外乱振動に対して安定となる。
〔第２実施形態〕
図１９は、第２実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの構成を示す模式図である。図１９中、図１〜図３で説明した第１実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図１９は、第２実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの構成を示す模式図である。図１９中、図１〜図３で説明した第１実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
図１９に示した構造は、図３の構造と比較して、第１アクチュエータ１４及び第２アクチュエータ２４における圧電カンチレバーの接続順序が変更されている。図１９に示すように、この第１アクチュエータ１４におけるｘ軸回転用の圧電カンチレバー１６-１、１６-２が連結部１９-３を介してｙ軸方向に折り返すように接続され、圧電カンチレバー１６-２とｙ軸回転用の圧電カンチレバー１７-１とが連結部１９-４を介して接続され、圧電カンチレバー１７-２の一端がミラー支持部１５を介してミラー部１２に接続されている。
同様に、第２アクチュエータ２４におけるｘ軸回転用の圧電カンチレバー２６-１、２６-２が連結部２９-３を介してｙ軸方向に折り返すように接続され、圧電カンチレバー２６-２とｙ軸回転用の圧電カンチレバー２７-１とが連結部２９-４を介して接続され、圧電カンチレバー２７-２の一端がミラー支持部２５を介してミラー部１２に接続されている。このような形態であっても、第１実施形態と同様のミラー駆動動作が可能である。
第２実施例として第２実施形態（図１９）の構造のＭＥＭＳスキャナデバイスを、第１実施例と同様の製造方法によって作成した。
〔比較例〕
比較例として、図２０のような構造のデバイスを作成した。図２０に示した構造は、図２６に示したデバイス構造（特許文献１の図３に開示されたデバイス構造）によるものである。このＭＥＭＳスキャナデバイス３１０は、ミラー部３１２の片側の側面部にｙ軸回転用アクチュエータ部３１４と、ｘ軸回転用アクチュエータ部３１６とをつなぎ合わせて配置した構造となっている。各アクチュエータ部（３１４，３１６）は、複数の圧電カンチレバーを折り畳むように連結した構造を有する。
比較例として、図２０のような構造のデバイスを作成した。図２０に示した構造は、図２６に示したデバイス構造（特許文献１の図３に開示されたデバイス構造）によるものである。このＭＥＭＳスキャナデバイス３１０は、ミラー部３１２の片側の側面部にｙ軸回転用アクチュエータ部３１４と、ｘ軸回転用アクチュエータ部３１６とをつなぎ合わせて配置した構造となっている。各アクチュエータ部（３１４，３１６）は、複数の圧電カンチレバーを折り畳むように連結した構造を有する。
図２０のような構造は、アクチュエータの固定部３３１とミラー支持部１１５とが遠く離れているため、カンチレバーの初期撓み等により、ミラー部３１２に初期傾きが発生している。素子サイズは全体で横３ｍｍ×縦２ｍｍとなっているが、ミラー部３１２がデバイスの端に位置しているため、例えば、円筒の中心にミラー部を配置して使う内視鏡用途などでは、必要な空間がデバイスサイズの２倍程度になってしまう。さらに、図２０の構造ではｙ軸周りの回転によってミラーの中心が移動するという問題がある。
＜デバイスの評価結果のまとめ＞
第１実施形態、第２実施形態及び比較例の構造において、デバイスの寸法を変化させたときの駆動特性、共振特性を調べた結果を図２１に示した。ここでは、内視鏡用途での特性評価を行った。内視鏡用途の要求仕様は以下のとおりであり、４つの仕様項目を全て満たした場合は「ＡＡ」、３つのみ満たした場合は「Ａ」、２つのみ満たした場合は「Ｂ」、１つ以下の場合は「Ｃ」として評価した。
第１実施形態、第２実施形態及び比較例の構造において、デバイスの寸法を変化させたときの駆動特性、共振特性を調べた結果を図２１に示した。ここでは、内視鏡用途での特性評価を行った。内視鏡用途の要求仕様は以下のとおりであり、４つの仕様項目を全て満たした場合は「ＡＡ」、３つのみ満たした場合は「Ａ」、２つのみ満たした場合は「Ｂ」、１つ以下の場合は「Ｃ」として評価した。
（要求仕様）
［１］素子サイズが３×３ｍｍよりも小さいこと。これは、直径５ミリ（５ｍｍφ）の内視鏡プローブに入る大きさとして要求される。
［１］素子サイズが３×３ｍｍよりも小さいこと。これは、直径５ミリ（５ｍｍφ）の内視鏡プローブに入る大きさとして要求される。
［２］±１０Ｖの駆動電圧（電位差）の印加による光学振れ角が２０°を超えるものであること。
［３］共振周波数が３００Ｈｚよりも高いものであること。
［４］ミラーの初期角度が２°よりも小さいこと。
なお、図２１の表中におけるパラメータＬは、平面視で正方形のミラー部１２の１辺の長さを表す（図３、図２０参照）。パラメータｔは圧電薄膜の厚みを表す。パラメータｗは圧電カンチレバーの太さ（短手方向の幅）を表す。
表中の比較例における「※」は、比較例の構造は、ミラー中心からデバイス端までの距離が最大で２．３ｍｍ離れているため、実際にデバイスを格納（収容）するのに要する空間は４ｍｍ以上となり、「５ｍｍφの内視鏡プローブ」に収納するという観点から仕様を満たさないと評価した。
高い圧電定数を持つＮｂドープＰＺＴと、第１実施形態、第２実施形態で説明した構造とを組み合わせることで、カンチレバーの折り畳み数を抑えつつ高い角度変位を実現できる。カンチレバーの折り畳み数が減ることと、ミラーの対角を支持する２つのアクチュエータを採用することで、素子が小型化すると同時に高い共振周波数が得られ、外乱に強い構造となる。
＜本発明の実施形態による利点＞
（１）圧電性能が高いＮｂドープＰＺＴと、圧電カンチレバーを折り畳む構造を併用することによって、少ない折り畳み数で高い振れ角を得ることができる。これによって共振周波数が高くなり、高速応答が可能となり、かつ外乱振動による影響を大幅に抑えることができる。
（１）圧電性能が高いＮｂドープＰＺＴと、圧電カンチレバーを折り畳む構造を併用することによって、少ない折り畳み数で高い振れ角を得ることができる。これによって共振周波数が高くなり、高速応答が可能となり、かつ外乱振動による影響を大幅に抑えることができる。
（２）ミラー部１２を取り囲むように配置された２つのアクチュエータ１４，２４がミラー部１２の略対角端付近を支持するため、ミラーに垂直な方向の外乱振動が起こっても、ミラーに対してモーメントがかからないのでミラーは回転しない。
（３）各アクチュエータ１４，２４を構成するそれぞれ４つの圧電カンチレバーは、アクチュエータの固定部（３１、３２）と、ミラー部１２との接続部（ミラー支持部１５，２５）が近傍に来るように折り畳まれて接続されている。このため、圧電薄膜の初期撓みやＤＣオフセット駆動によって全てのカンチレバーに同位相の撓みが生じても、ミラー部１２との接続部（ミラー支持部１５，２５）においては、変位がすべてキャンセルされ、ミラーの振れ角に影響を与えない。
（４）ジンバル構造ではなく、ミラー以外の部分はすべてアクチュエータとして駆動力を有しているため空間の利用効率が良く、素子サイズが小さい。また、駆動軸のアクチュエータの動きを他軸のアクチュエータが阻害しないため、力の利用効率が良い。
（５）ミラー部を中心にして、その周囲を囲むように第１アクチュエータ１４、第２アクチュエータ２４が配置され、ミラー中心軸に対し、略１８０度回転対称（２回対称）の形状であるため、内視鏡用途などにも好適であり、外部からの振動に対してミラーが傾き難い。
（６）固定部、圧電アクチュエータ部、ミラー部並びにこれらの接続部（連結部）等をシリコン加工により一体的に形成することができる。
（７）従来のポリゴンミラーやガルバノミラーと比べて小型化が可能であり、耐久性も高い。
（８）実施例１、２で説明したように、基板上にＰＺＴ薄膜を直接成膜し、これをドライエッチング加工することでＭＥＭＳスキャナデバイスを形成することができる。このように、圧電体を薄膜化することでより細かいパターニングを容易に行うことができるため、歩留まりが大幅に向上するとともにデバイスのさらなる小型化に対応することができる。
＜ミラー部の形状について＞
ミラー部１２の形状としては、矩形以外でもよく、例えば、図２２、図２３に示すような形状も可能である。これらの図面に例示したように、ミラー支持部１５，２５以外の対角の角部を丸めたり（図２２）、角部を切り落としたり（図２３）する形状を採用することによって、ミラー部の軽量化を行ってもよい。このように、矩形よりも軽い形状にすることによって、共振周波数をある程度上昇させることができる。
ミラー部１２の形状としては、矩形以外でもよく、例えば、図２２、図２３に示すような形状も可能である。これらの図面に例示したように、ミラー支持部１５，２５以外の対角の角部を丸めたり（図２２）、角部を切り落としたり（図２３）する形状を採用することによって、ミラー部の軽量化を行ってもよい。このように、矩形よりも軽い形状にすることによって、共振周波数をある程度上昇させることができる。
ただし、直交する２軸（ｘ軸とｙ軸）の周りで駆動する場合は、アクチュエータとミラーとの接合部であるミラー支持部１５，２５は、ミラーを矩形形状としたきの対角に近いことが望ましい。
＜２軸の回転軸について＞
図２４は、第３実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス２００の構成を模式的に示した平面図である。図２４中、図１〜３で説明した第１実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付した。第１実施形態及び第２実施形態では、回転軸として互いに直交するｘ軸、ｙ軸を例示したが、２つの回転軸は必ずしも直交する必要はなく、例えば、図２４のように第１軸と第２軸は適宜の角度で交差する（非平行の）軸とすることができる。すなわち、図２４のように、第２軸回転用アクチュエータ要素２１１、２１２を構成する圧電カンチレバー１６-１、１６-２、２６-１、２６-２と第１軸回転用アクチュータ要素２２１、２２２を構成する圧電カンチレバー１７-１、１７-２、２７-１、２７-２の長手方向を直交させずに、カンチレバー同士を接続させれば、直交しない２軸（第１軸、第２軸）の周りでのミラー部１２の回転が可能である。
図２４は、第３実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス２００の構成を模式的に示した平面図である。図２４中、図１〜３で説明した第１実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付した。第１実施形態及び第２実施形態では、回転軸として互いに直交するｘ軸、ｙ軸を例示したが、２つの回転軸は必ずしも直交する必要はなく、例えば、図２４のように第１軸と第２軸は適宜の角度で交差する（非平行の）軸とすることができる。すなわち、図２４のように、第２軸回転用アクチュエータ要素２１１、２１２を構成する圧電カンチレバー１６-１、１６-２、２６-１、２６-２と第１軸回転用アクチュータ要素２２１、２２２を構成する圧電カンチレバー１７-１、１７-２、２７-１、２７-２の長手方向を直交させずに、カンチレバー同士を接続させれば、直交しない２軸（第１軸、第２軸）の周りでのミラー部１２の回転が可能である。
ただし、第１実施形態や第２実施形態で説明したように、互いに直交する２軸周り（ｘ軸、ｙ軸）でミラーを回転させることができれば、回転軸は合成できるので、x-ｙ平面内の全ての軸周りでの回転が可能である。
＜圧電カンチレバーの折り畳み数について＞
一つのアクチュエータに含まれる折り畳み圧電カンチレバーの数はいくつでもよいが、アクチュエータの固定部とミラー支持部とが近傍となるように折り畳む必要がある。例えば、図２５のように、折り畳み数を変更することができる。図２５において、図１９の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
一つのアクチュエータに含まれる折り畳み圧電カンチレバーの数はいくつでもよいが、アクチュエータの固定部とミラー支持部とが近傍となるように折り畳む必要がある。例えば、図２５のように、折り畳み数を変更することができる。図２５において、図１９の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
アクチュエータの固定部（３１，３２）とミラー支持部（１５，２５）とが近傍になるようにカンチレバーを折り畳むためには、ｘ軸（第２軸）回転用アクチュエータ要素を構成する圧電カンチレバーの数と、ｙ軸（第１軸）回転用アクチュエータ要素を構成する圧電カンチレバーの数が、それぞれ偶数個であればよい。ｘ軸（第２軸）回転用アクチュエータ要素を構成する圧電カンチレバーの数と、ｙ軸（第１軸）回転用アクチュエータ要素を構成する圧電カンチレバーの数は、必ずしも一致する必要はない。
圧電カンチレバーの数が多いと、変位角度は大きくなる一方で共振周波数が低下してしまうため、必要な角度と共振周波数に応じて折り畳み数を決める必要がある。外乱振動の影響を受けにくい共振周波数の目安は３００Ｈｚ以上である。圧電定数が高いＮｂドープＰＺＴを用いれば、比較的少ない圧電カンチレバーの数で大きな変位が得られるので、共振周波数も高めることができる。
第１実施形態及び第２実施形態で説明したように、ｘ軸（第２軸）回転用アクチュエータ要素を構成する圧電カンチレバーの数と、ｙ軸（第１軸）回転用アクチュエータ要素を構成する圧電カンチレバーの数をそれぞれ２本ずつとする構成が最も簡単な構成である。
＜応用例＞
本発明は、レーザー光等の光を反射して光の進行方向を変える光学装置として様々な用途に利用できる。例えば、光偏向器、光走査装置、レーザープリンタ、バーコード読取機、表示装置、各種の光学センサ（測距センサ、形状測定センサ）、光通信装置、レーザープロジェクタ、ＯＣＴ画像診断装置などに広く適用することができる。
本発明は、レーザー光等の光を反射して光の進行方向を変える光学装置として様々な用途に利用できる。例えば、光偏向器、光走査装置、レーザープリンタ、バーコード読取機、表示装置、各種の光学センサ（測距センサ、形状測定センサ）、光通信装置、レーザープロジェクタ、ＯＣＴ画像診断装置などに広く適用することができる。
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。
＜開示する発明の態様について＞
上記に詳述した発明の実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書は少なくとも以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
上記に詳述した発明の実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書は少なくとも以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
（第１態様）：光を反射する反射面を有するミラー部と、ミラー部の対角部分に形成されたミラー支持部と、ミラー部の周囲を取り囲んで配置された第１アクチュエータ及び第２アクチュエータと、を備え、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータのそれぞれは、長手方向が第１軸の方向に向いた複数の第１圧電カンチレバーと、長手方向が第１軸と非平行の第２軸の方向に向いた複数の第２圧電カンチレバーとが折り畳まれるように連結された構造を有し、各アクチュエータの一方の端部はミラー支持部を介してミラー部に接続され、他方の端部は前記一方の端部が連結されているミラー支持部の近傍で固定部に接続されているミラー駆動装置。
かかる態様によれば、複数の圧電カンチレバーの変位を累積することによって大きな振れ角でミラー部を傾けることができる。
さらに、アクチュエータを構成する圧電体の残留応力による初期撓みやオフセット駆動などによって全ての圧電カンチレバーに同方向の撓みが生じても、これらの変位は相殺され、ミラー部の振れ角に殆ど影響を与えない。また、本発明によれば、空間の利用効率がよく、素子サイズの小型化を実現できる。
（第２態様）：第１態様に記載のミラー駆動装置において、一方の端部が連結されているミラー支持部と他方の端部が接続されている固定部は、複数の第１圧電カンチレバーから構成される第２軸回転用アクチュエータ要素の第２軸方向の幅寸法の範囲内で近傍となるように、前記複数の第１圧電カンチレバーと複数の第２圧電カンチレバーとが折り畳まれるように連結された構造を有する構成とすることができる。
固定部とミラー支持部はできるだけ近い位置になることが望ましいが、複数の圧電カンチレバーを組み合わせてなるアクチュエータの構造的制約などから、近傍の範囲にはある程度の許容範囲がある。
（第３態様）：第１態様又は第２態様に記載のミラー駆動装置において、第１圧電カンチレバー及び第２圧電カンチレバーは、それぞれ圧電体に電圧を印加することによる圧電変形によって屈曲変位を行うものであり、複数の第１圧電カンチレバーはミラー部を第２軸の周りに回転させる第２軸回転用アクチュエータ要素として機能し、複数の第２圧電カンチレバーはミラー部を第１軸の周りに回転させる第１軸回転用アクチュエータ要素として機能する構成とすることができる。
（第４態様）：第１態様から第３態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、複数の第１圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーは互いに逆方向の屈曲変位が発生するように駆動され、複数の第２圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーは互いに逆方向の屈曲変位が発生するように駆動され、かつ、第１アクチュエータと第２アクチュエータは、それぞれが接続されている各ミラー支持部に対して互いに逆方向の角度変位を伝えるように駆動される構成とすることができる。
このような態様により、各カンチレバーの変位が加算され、大きな角度変位を得ることができる。
（第５態様）：第１態様から第４態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、第１圧電カンチレバー及び第２圧電カンチレバーに対して駆動電圧を供給する駆動電圧供給回路であって、複数の第１圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、複数の第２圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、かつ、第１アクチュエータと第２アクチュエータのそれぞれが接続されている各ミラー支持部に対して、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータが互いに逆方向の角度変位を伝えるように、複数の第１圧電カンチレバー及び複数の第２圧電カンチレバーの各カンチレバーに駆動電圧を供給する駆動電圧供給回路を備える構成とすることができる。
かかる態様によれば、共振を利用しなくても大きな変位を得ることが可能である。
（第６態様）：第１態様から第５態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、第１圧電カンチレバー及び第２圧電カンチレバーは、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された積層構造を持つユニモルフカンチレバー構造を有している構成とすることができる。
圧電カンチレバーは、ユニモルフ構造に限らず、バイモルフ構造も可能であるが、ユニモルフ構造が最も簡単な構成である。
（第７態様）：第１態様から第６態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに用いられる圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物とすることができる。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
（第８態様）：第１態様から第６態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに用いられる圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物とすることが好ましい。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
（第８態様）：第１態様から第６態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに用いられる圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物とすることが好ましい。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０＜ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ部として好ましいものである。良好な圧電特性を持つ材料を用いることで、カンチレバーの折り畳み数が少なくても大きな振れ角が得られるため、共振周波数を高く設計できる。これにより高速応答が可能となり、外乱振動による影響を大幅に抑えることができる。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ部として好ましいものである。良好な圧電特性を持つ材料を用いることで、カンチレバーの折り畳み数が少なくても大きな振れ角が得られるため、共振周波数を高く設計できる。これにより高速応答が可能となり、外乱振動による影響を大幅に抑えることができる。
（第９態様）：第１態様から第８態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに用いられる圧電体は、１〜１０μｍ厚の薄膜であり、振動板となる基板上に直接成膜された薄膜である構成とすることができる。
薄膜圧電体を用いて圧電アクチュエータを構成することが好ましい。スパッタリング法に代表される気相成長法やゾルゲル法などの直接成膜法を用いることにより、所要の圧電性能を持つ圧電体薄膜を得ることができる。
（第１０態様）：第９態様に記載のミラー駆動装置において、前記圧電体は、スパッタリング法で成膜された薄膜である構成とすることができる。
（第１１態様）：第１態様から第１０態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、第１圧電カンチレバー及び第２圧電カンチレバーのそれぞれの上部電極に加える駆動電圧は、プラス側の抗電界以下の電圧である構成とすることが好ましい。
これにより、圧電体の分極反転を回避して、安定した駆動が可能である。
（第１２態様）：第１態様から第１１態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、最も低い共振周波数が３００Ｈｚ以上である構成とすることが好ましい。
これにより、外乱による振動の影響を受けにくい構成となる。
（第１３態様）：第１態様から第１２態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、第１アクチュエータと前記第２アクチュエータのぞれぞれは、２つの第１圧電カンチレバーと２つの第２圧電カンチレバーとが連結された構造とすることができる。
かかる態様は、最も単純な構成であり、しかも共振周波数を高い値に設計することが可能である。
（第１４態様）：第１態様から第１３態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置の制御方法であって、複数の第１圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、複数の第２圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、それぞれのカンチレバー端における角度変位が加算されてミラー支持部に伝えられ、かつ第１アクチュエータと第２アクチュエータが互いに逆方向の角度変位をそれぞれのミラー支持部に伝えるように、各アクチュエータの第１圧電カンチレバー及び第２圧電カンチレバーに対して駆動電圧を供給する制御を行うミラー駆動装置の制御方法。
１０…ＭＥＭＳスキャナデバイス、１２…ミラー部、１２Ｂ…反射面、１４…第１アクチュエータ、１５…ミラー支持部、１６-１，１６-２…圧電カンチレバー（第１圧電カンチレバー）、１７-１，１７-２…圧電カンチレバー（第２圧電カンチレバー）、１８…連結部、２４…第２アクチュエータ、２５…ミラー支持部、２６-１，２６-２…圧電カンチレバー（第１圧電カンチレバー）、２７-１，２７-２…圧電カンチレバー（第２圧電カンチレバー）、２８…連結部、３０…固定枠、３１…第１固定部、３２…第２固定部、８０…圧電カンチレバー、８２…振動板、８３…下部電極、８６…圧電体、８８…上部電極、９０…固定部、１０２…ドライバ回路、１０４…制御回路、２１１,２１２…第２軸回転用アクチュエータ要素、２２１，２２２…第１軸回転用アクチュエータ要素
Claims (14)
- 光を反射する反射面を有するミラー部と、
前記ミラー部の対角部分に形成されたミラー支持部と、
前記ミラー部の周囲を取り囲んで配置された第１アクチュエータ及び第２アクチュエータと、を備え、
前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータのそれぞれは、長手方向が第１軸の方向に向いた複数の第１圧電カンチレバーと、長手方向が前記第１軸と非平行の第２軸の方向に向いた複数の第２圧電カンチレバーとが折り畳まれるように連結された構造を有し、各アクチュエータの一方の端部は前記ミラー支持部を介して前記ミラー部に接続され、他方の端部は前記一方の端部が連結されている前記ミラー支持部の近傍で固定部に接続されているミラー駆動装置。 - 前記一方の端部が連結されている前記ミラー支持部と前記他方の端部が接続されている前記固定部は、前記複数の第１圧電カンチレバーから構成される第２軸回転用アクチュエータ要素の第２軸方向の幅寸法の範囲内で近傍となるように、前記複数の第１圧電カンチレバーと複数の第２圧電カンチレバーとが折り畳まれるように連結された構造を有する請求項１に記載のミラー駆動装置。
- 前記第１圧電カンチレバー及び前記第２圧電カンチレバーは、それぞれ圧電体に電圧を印加することによる圧電変形によって屈曲変位を行うものであり、前記複数の第１圧電カンチレバーは前記ミラー部を前記第２軸の周りに回転させる第２軸回転用アクチュエータ要素として機能し、前記複数の第２圧電カンチレバーは前記ミラー部を前記第１軸の周りに回転させる第１軸回転用アクチュエータ要素として機能する請求項１又は２に記載のミラー駆動装置。
- 前記複数の第１圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーは互いに逆方向の屈曲変位が発生するように駆動され、
前記複数の第２圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーは互いに逆方向の屈曲変位が発生するように駆動され、
かつ、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータは、それぞれが接続されている各ミラー支持部に対して互いに逆方向の角度変位を伝えるように駆動される請求項１から３のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。 - 前記第１圧電カンチレバー及び前記第２圧電カンチレバーに対して駆動電圧を供給する駆動電圧供給回路であって、
前記複数の第１圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、
前記複数の第２圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、
かつ、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータのそれぞれが接続されている各ミラー支持部に対して、前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータが互いに逆方向の角度変位を伝えるように、前記複数の第１圧電カンチレバー及び前記複数の第２圧電カンチレバーの各カンチレバーに駆動電圧を供給する駆動電圧供給回路を備える請求項１から４のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。 - 前記第１圧電カンチレバー及び前記第２圧電カンチレバーは、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された積層構造を持つユニモルフカンチレバー構造を有している請求項１から５のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
- 前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに用いられる圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物である請求項１から６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。） - 前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに用いられる圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物である請求項１から６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０＜ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。） - 前記第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに用いられる圧電体は、１〜１０μｍ厚の薄膜であり、振動板となる基板上に直接成膜された薄膜である請求項１から８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
- 前記圧電体は、スパッタリング法で成膜された薄膜である請求項９に記載のミラー駆動装置。
- 前記第１圧電カンチレバー及び前記第２圧電カンチレバーのそれぞれの上部電極に加える駆動電圧は、プラス側の抗電界以下の電圧である請求項１から１０のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
- 最も低い共振周波数が３００Ｈｚ以上である請求項１から１１のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
- 前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータのぞれぞれは、２つの第１圧電カンチレバーと２つの第２圧電カンチレバーとが連結された構造である請求項１から１２のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
- 請求項１から１３のいずれか１項に記載のミラー駆動装置の制御方法であって、
前記複数の第１圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、
前記複数の第２圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、
それぞれのカンチレバー端における角度変位が加算されて前記ミラー支持部に伝えられ、かつ前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータが互いに逆方向の角度変位をそれぞれのミラー支持部に伝えるように、各アクチュエータの前記第１圧電カンチレバー及び前記第２圧電カンチレバーに対して駆動電圧を供給する制御を行うミラー駆動装置の制御方法。
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