JP2014066876A - ミラー駆動装置及びその駆動方法 - Google Patents

ミラー駆動装置及びその駆動方法 Download PDF

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Abstract

【課題】小型で、低い駆動周波数で大きなミラー傾斜角度（回転角）を実現でき、かつ角度センシング機能を搭載したミラー駆動装置及びその駆動方法を提供する。
【解決手段】ミラー部１２を挟んで両側に一対の圧電アクチュエータ部１４，１６が配置され、ミラー部１２の端部１２Ａ，１２Ｂに連結部１８，２０を介して圧電アクチュエータ部１４，１６が接続される。連結部１８，２０は、回転軸２２に垂直な方向を長手方向とする板状部材１９を１本以上含んだ構造を有し、圧電アクチュエータ部１４，１６の駆動によって板状部材１９が厚み方向に撓み変形する板状ヒンジ部として機能する。連結部１８、２０には、共振振動によるミラー部の回転駆動中に連結部に発生する応力を検出するセンサ部２４-ｉ（ｉ=1,2,3,4）が設けられている。
【選択図】図１

Description

本発明はミラー駆動装置に係り、特に、光走査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方法に関する。
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スキャナの構造としては、特許文献１、２などに示されるようなトーションバー方式が一般的である。この方式では、ミラーを支える２本または３本以上のトーションバーがねじられることによってミラーが傾き、光スキャンを行う。特に高いスキャン角度を実現するためには、共振駆動を行う。この場合、ミラーの傾き運動の共振周波数が駆動の周波数と一致するように構造設計される。
また、ＭＥＭＳスキャナの駆動においては、ミラーの角度をモニタリングしたり、共振状態を維持したりする目的で、ミラーの角度をセンシングできる角度センサを設ける構成が知られている。従来のトーションバー方式のＭＥＭＳスキャナに関してトーションバーの根本の部分にピエゾ抵抗効果を用いた角度センサを設ける構成（非特許文献１）や、ピエゾ薄膜の圧電効果を用いた角度センサを用いる構成（非特許文献２）が提案されており、一部が実用化されている。
特開２０１１−１５００５５号公報 特開２００８−４０２４０号公報
JOURNAL OF MICROELECTROMECHANICAL SYSTEMS, VOL. 15, NO. 4, AUGUST2006) T. Iseki et. al., IEEJ Trans2010; 5: 361-368 Koh et. al., OPTICS EXPRESS Vol.19 No.15 (2011) 13812
以上に述べたように、高いスキャン角度を持つＭＥＭＳスキャナを実用化するためには、設計上次の２点を満たすことが望まれる。
（１）構造の共振周波数を駆動周波数と一致させる。
（２）角度センサを実装する。
しかしながら、比較的低い周波数で駆動する用途の場合、構造の共振周波数を低くする必要があり、これをトーションバー方式で設計しようとすると、バネの役割を果たすトー
ションバーを極端に脆弱にせざるを得ないという問題がある。一例として、ＯＣＴなどの光による測定を行いながらスキャンを実施する用途では、４００Ｈｚ（ヘルツ）以下の低周波数駆動が行われる。これをトーションバー方式で実現しようとすると、例えば、厚み５μｍ（マイクロメートル）、幅１０μｍ、長さ６００μｍの寸法でＳｉを加工してトーションバーを形成する必要がある。これは非常に脆弱な構造であるため、製造プロセス中やデバイス駆動中など衝撃などが加わると容易に破壊されてしまうという問題がある。また、トーションバーの長さ寸法が増加することで素子の大型化も招いてしまう。
その一方で、低周波数駆動に適した設計として、ミアンダ状に折りたたんだ板バネ構造（板状ヒンジ）を用いる例も提案されている（非特許文献３）。非特許文献３に示された構造は、複数の板バネをミアンダ状に複数折りたたむように繋ぎ合わせたことによって共振周波数を低く抑えることができる。また、一つ一つの板バネはトーションバーの場合よりも剛性が高い構造となるため、外的振動によって破壊されにくい。
しかしながら、非特許文献３に示された構造では、非特許文献１、２に示された従来の角度センサを適用できず、角度をセンシングすることが難しい。そのため、共振を追随する回路などを組み込むことができず、実用化するのが困難であった。
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、小型で、低い駆動周波数で大きなミラー傾斜角度（回転角）を実現でき、かつ角度センシング機能を搭載したミラー駆動装置及びその駆動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、次の発明を提供する。
（第１態様）：第１態様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、ミラー部を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部と、ミラー部の回転軸から反射面に沿って回転軸に垂直な方向に離れたミラー部の端部に圧電アクチュエータ部の一端を接続させる連結部と、圧電アクチュエータ部の他端を支持する固定部と、を備え、連結部は、反射面に沿って回転軸に垂直な方向を長手方向とする板状部材を１本以上含んだ構造を有し、圧電アクチュエータ部の駆動によって板状部材が厚み方向に撓み変形する板状ヒンジ部であり、連結部には、圧電アクチュエータ部の駆動によって誘起されるミラー部の回転運動を伴う共振振動によるミラー部の回転駆動中に連結部に発生する応力を検出する応力検出部が設けられている。
この態様によれば、ミラー部を両側から挟むように一対の圧電アクチュエータ部が配置される。圧電アクチュエータ部の一端は連結部を介してミラー部の端部に接続され、他端は固定部に支持される。圧電アクチュエータ部を駆動するとミラー部の端部が変位し、慣性トルクにより回転運動の共振が誘起され、大きな回転角（ミラーの傾き角）を得ることができる。この共振によるミラー部の回転駆動中に板状ヒンジ部として機能する連結部の板状部材は厚み方向に撓み（曲がり）変形し、この変形に応じた応力が応力検出部によって検出される。連結部の変形量とミラー部の角度は一定の対応関係があり、また連結部の変形量と連結部にかかる応力にも対応関係があるため、応力検出部を角度センサとして機能させることができる。なお、複数本の板状部材を備える構成の場合、少なくとも１つの板状部材について応力検出部を備えていればよい。
（第２態様）：第１態様に記載のミラー駆動装置において、連結部は、２本以上の板状部材がミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有しており、隣り合って並ぶ板状部材同士が共振振動のときに互いに逆方向に撓み変形する構成とすることができる。
複数本の板状部材をミアンダ状に繋ぎ合わせた構造からなる板状ヒンジ部を採用することにより、共振周波数を低く抑える設計が容易である。また、一つ一つの板状部材は比較的剛性が高い構造とすることが可能であるため、外的振動に破壊されにくい構造となる。
（第３態様）：第２態様に記載のミラー駆動装置において、ミアンダ状に折り返すように並べられた２本以上の板状部材について、ミラー部に近い側から圧電アクチュエータ部の方向に向かって並び順を示す連続番号を与えてそれぞれの板状部材を特定するときに、応力検出部として、奇数番目の板状部材に発生する応力を検出する第１応力検出部と、偶数番目の板状部材に発生する応力を検出する第２応力検出部と、を備える構成とすることが好ましい。
奇数番目の板状部材と偶数番目の板状部材とは、共振駆動中に互いに逆方向の応力が加わるため、これらを組み合わせて検出を行うことで、検出感度の向上や検出精度の向上が可能となる。
（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、応力検出部は、板状部材上に下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された積層構造を有し、圧電体の圧電効果によって応力を電気信号に変換する構造とすることができる。
この態様によれば、板状部材にかかる応力を上部電極と下部電極の間の電圧として検出し、角度センサとして機能させることができる。
（第５態様）：第３態様を採用するときの第４態様に記載のミラー駆動装置において、第１応力検出部及び第２応力検出部の両方からそれぞれ電圧信号が得られ、第１応力検出部から得られる第１検出信号と第２応力検出部から得られる第２検出信号の差分を検出する検出回路を備える構成とすることが好ましい。
特に、互いに逆位相（位相差が１８０°）の第１検出信号、第２検出信号を得て、両者の差分をとることで、検出感度の向上を達成できるとともに、シグナル／ノイズ比（Ｓ／Ｎ比）の向上を達成できる。
（第６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、応力検出部は、板状部材の表面部がピエゾ抵抗効果を示す材料で構成され、ピエゾ抵抗効果を示す材料のピエゾ抵抗効果によって応力を抵抗値の変化に変換する構成とすることができる。
連結部にかかる応力を検出する手段としては、圧電効果を利用する構成に限らず、ピエゾ抵抗効果を利用する構成を採用することができる。
（第７態様）：第６態様に記載のミラー駆動装置において、抵抗値の変化を電圧信号に変換する検出回路を備える構成とすることができる。
ピエゾ抵抗効果を示す材料に電流を流し、抵抗値に応じた電圧の情報を得ることができる。
（第８態様）：第３態様を採用するときの第７態様に記載のミラー駆動装置において、検出回路は、第１応力検出部で構成される第１抵抗と第２応力検出部で構成される第２抵抗とを接続した分圧回路によって電圧信号を得る構成とすることができる。
かかる態様によれば、ピエゾ抵抗効果の温度依存性の影響を除去した検出が可能である
。
（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、圧電アクチュエータ部は、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された圧電ユニモルフカンチレバーで構成されるもの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。圧電駆動方式は、電極間に電圧を印加するだけで駆動できるため、構成が単純で小型化に有益である。
（第１０態様）：第４態様を採用するときの第９態様に記載のミラー駆動装置において、圧電アクチュエータ部及び応力検出部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とすることができる。
かかる態様によれば、圧電アクチュエータ部と応力検出部とを同一のプロセスで作製することが可能である。また、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。基板に圧電体の薄膜を直接成膜し、ドライエンチング若しくはウエットエッチングなどの半導体プロセスで加工することで、デバイスの作製プロセスを簡便にできる。
（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、圧電アクチュエータ部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。
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。）
なお、応力検出部に用いる圧電体についても、圧電アクチュエータ部と同じ圧電材料を用いることができる。
（第１２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、圧電アクチュエータ部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できる。
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。）
Ｎｂ等の元素をドープしたＰＺＴは圧電定数が高いため、小型で大きな変位が得られるデバイスの作製に好適である。なお、応力検出部に用いる圧電体についても、圧電アクチュエータ部と同じ圧電材料を用いることができる。
（第１３態様）：第１２態様に記載のミラー駆動装置において、ペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）は、Ｎｂを含み、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０６以上０．２０
以下であるものとすることが好ましい。
かかる材料は、分極処理を行わなくても良好な圧電特性を示す。したがって、分極処理が不要であり、製造プロセスの簡略化、低コスト化を実現できる。
（第１４態様）：第１態様から第１３態様に記載のミラー駆動装置において、圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体はスパッタリング法で成膜された薄膜とすることができる。
（第１５態様）：第１態様から第１４態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、一対の圧電アクチュエータ部に駆動電圧を供給する駆動回路であって、ミラー部が回転軸を中心に回転運動を行う共振モードの共振周波数fxの付近でミラー部を共振駆動させる駆動電圧を供給する駆動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、回転共振を利用してミラー部を大きな回転角で振動させることができる。
（第１６態様）：第１態様から第１５態様のいずれか１項に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、一対の圧電アクチュエータ部に駆動電圧を印加し、圧電アクチュエータ部を振動させることにより、ミラー部と連結部との接続部分を振動させ、この振動によりミラー部に回転軸周りの回転トルクを与え、ミラー部を共振駆動させるミラー駆動方法。
（第１７態様）：第１６態様に記載のミラー駆動方法において、ミラー部の共振駆動中に応力検出部から得られる検出信号を用いて圧電アクチュエータ部に印加する駆動電圧もしくは駆動周波数を制御する構成とすることができる。
例えば、応力検出部から得られる検出信号に基づいて、圧電アクチュエータ部に供給する駆動電圧の周波数（駆動周波数）、振幅のうち少なくとも一方を制御する構成とすることができる。応力検出部から得られる検出信号を圧電アクチュエータ部の駆動にフィードバックすることにより、安定した共振駆動を実現できる。
本発明によれば、従来のトーションバー方式に比べて、小型で、低い駆動周波数によって大きなミラー傾斜角度（回転角）を実現でき、かつ角度センシング機能を搭載したミラー駆動装置を提供することができる。
第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの斜視図 図１のＭＥＭＳスキャナデバイスをミラー部の反射面側から見た平面図と回路要素を示したブロック構成図とを組み合わせた説明図 圧電アクチュエータ部の断面図 回転共振モードによる駆動時の様子を示す斜視図 図４に示した第１連結部（板状ヒンジ部）をｙ軸の正方向から見た模式図 連結部の応力検出によって得られる角度検出信号の例を示す図 光学スキャン角度と検出電圧の関係を示すグラフ 印加電圧と光学スキャン角度の関係を示すグラフ ＰＺＴ中のＮｂドープ量とアクチュエータ特性・センシング特性の関係をまとめた図表 第２実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの構成を示す平面図 第２実施形態に適用される検出回路の構成例を示す図 第３実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの構成を示す平面図 第３実施形態における回転共振モードによる駆動時の様子を示す斜視図
以下、添付図面に従って本発明の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斜視図である。図２は第１実施形態に係るＭＥＭスキャナデバイスをミラー部の反射面側から見た平面図（上面図）とデバイス駆動及び角度検出のための回路要素を示したブロック構成図とを組み合わせた説明図である。
これらの図面に示したように、本例の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、該ミラー部１２を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部１４、１６と、各圧電アクチュエータ部１４、１６の一方の端部１４Ａ、１６Ａとミラー部１２の端部１２Ａ、１２Ｂとを繋ぐ連結部１８、２０と、圧電アクチュエータ部１４、１６の他方の端部（以下、基端部という。）１４Ｂ、１６Ｂが固定支持される固定フレーム３０（「固定部」に相当）と、を備える。
説明の便宜上、符号１４の圧電アクチュエータ部を「第１圧電アクチュエータ部」、符号１６の圧電アクチュエータ部を「第２圧電アクチュエータ部」という場合がある。また符号１８の連結部を「第１連結部」、符号２０の連結部を「第２連結部」という場合があり、符号１２Ａの端部を「第１端部」、符号１２Ｂの端部を「第２端部」という場合がある。
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１２Ｃ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と各連結部１８、２０との接続部分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。
本発明の実施に際して、ミラー部１２の形状は、特に限定されない。図１及び図２に例示した長方形に限らず、正方形、多角形、円形、楕円形など、様々な形状があり得る。また、ミラー部１２の平面視形状と反射面１２Ｃの形状は一致してもいいし、異なっていてもよい。反射面１２Ｃ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。
本例では、平面視で略長方形の反射面１２Ｃを有するミラー部１２を例示し、非駆動時におけるミラー部１２の長辺方向をｘ方向、これと直交する短辺方向をｙ方向、ｘｙ面に垂直な方向をｚ方向とする直交ｘｙｚ軸を導入して説明する。
ＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、非駆動時において反射面１２Ｃがｚ軸方向に向いたミラー部１２をｙ軸方向の両側から挟むように一対の圧電アクチュエータ部１４、１６が
配置される。各圧電アクチュエータ部１４、１６は、圧電ユニモルフカンチレバー（片持ち梁）構造のアクチュエータであり（図３参照）、逆圧電効果による圧電体の変形によって屈曲変位を行う。すなわち、圧電アクチュエータ部１４、１６はｘ方向の一方の端部（基端部１４Ｂ、１６Ｂ）が固定フレーム３０に固定支持され、反対側の端部１４Ａ、１６Ａはフレーム等に固定されずに、カンチレバー構造によって変位できる非拘束端となっている。
第１圧電アクチュエータ部１４の非拘束側の端部１４Ａは、ミアンダ状に構成された第１連結部１８の一方の端部１８Ａに接続されている。また、第１連結部１８の他方の端部１８Ｂはミラー部１２におけるｘ軸方向に沿った辺の第１端部１２Ａに接続されている。
同様に、第２圧電アクチュエータ部１６の非拘束側の端部１６Ａは、ミアンダ状に構成された第２連結部２０の一方の端部２０Ａに接続されている。また、第２連結部２０の他方の端部２０Ｂはミラー部１２におけるｘ軸方向の第２端部１２Ｂに接続されている。
第１連結部１８及び第２連結部２０がそれぞれ接続されるミラー部１２のｘ軸方向の端部（１２Ａ、１２Ｂ）は、厳密な意味での最端位置であることは要求されず、概ね端部分と把握される範囲（最端位置及びその周辺付近）の部位を含むものである。
本例のＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、第１圧電アクチュエータ部１４及び第２圧電アクチュエータ部１６を駆動してミラー部１２のｘ軸方向端部（１２Ａ、１２Ｂ）を上下に（ミラー部１２の厚み方向に）振動させることにより、ミラー部１２にｙ軸と平行な回転軸２２の周りの回転共振運動を励起し、ミラー部１２を回転駆動させる（図４参照）。回転軸２２は反射面１２Ｃのほぼ中心点を通り、ｙ軸と平行な直線である。このような目的の共振駆動を達成できる範囲で、ミラー中心からｘ軸方向に離れたミラー部１２の端部周辺付近の部位に第１連結部１８及び第２連結部２０が接続される。つまり、第１連結部１８及び第２連結部２０が接続されるミラー部１２の第１端部１２Ａ、第２端部１２Ｂは、回転軸２２から反射面１２Ｃに沿ってｘ軸方向（回転軸２２に垂直な方向）に離れたミラー部１２の端及びその付近周辺の範囲を含む部分である。
第１連結部１８及び第２連結部２０は、ｘ軸方向を長手方向とする平板棒状の薄板部材１９（「板状部材」に相当）が複数本ミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する。本例では、第１連結部１８、第２連結部２０について、それぞれ２本の薄板部材１９を平行に並べてミアンダ状に折り返すように、これら２本の薄板部材１９の端部同士を接続した構造を例示しているが、各連結部（１８、２０）を構成する薄板部材１９の本数は特に制限はなく、１本以上、適宜の本数とすることができる。
第１連結部１８及び第２連結部２０は、それぞれ第１圧電アクチュエータ部１４及び第２圧電アクチュエータ部１６を駆動することによって各薄板部材１９は厚み方向に撓み（曲がり）変形する板状ヒンジ部として機能する。
圧電アクチュエータ部１４、１６を駆動して圧電アクチュエータ部１４の端部１４Ａ、１６Ａを振動させると、ミラー部１２には各圧電アクチュエータ部１４、１６の端部１４Ａ、１６Ａの加速度方向（力がかかる方向）と反対方向の慣性力が働く。この慣性力はミラー部１２を傾ける方向と一致するため、圧電アクチュエータ部１４、１６で発生する力がミラー部１２を傾ける力として効率良く利用される。
このような薄板部材１９を用いた曲げヒンジ構造においては、ミラー回転運動の共振周波数で圧電アクチュエータ部１４、１６を駆動すると、圧電アクチュエータ部１４、１６の変位に伴って連結部１８、２０の各薄板部材１９が撓み（曲がり）、ミラー部１２に慣
性トルクが発生してミラー部１２の回転運動共振を誘発する。
圧電アクチュエータ部１４、１６の変位方向が常にミラー部１２の回転方向とほぼ一致し、すべての力がミラーの回転に用いられるため、トーションバー構造と比較して力の使用効率がはるかに良く、回転角が大きくなってもエネルギーロスが少ないため大きな変位（傾き角）が得られる。
また、ミラー部１２と圧電アクチュエータ部１４、１６とを繋ぐミアンダ状の連結部１８、２０は、各薄板部材１９が少しずつ曲がって変位を蓄積していくため、個々の薄板部材１９にかかる応力が少なく、回転角が高くなっても破壊されにくいという利点がある。
ここでは、説明の便宜上、第１連結部１８及び第２連結部２０を構成する複数本の薄板部材１９について、図１の左から順に、右に向かって（図２の上から下に向かって）、第１薄板部材１９-1、第２薄板部材１９-2、第３薄板部材１９-3、第４薄板部材１９-4と呼ぶ。
すなわち、第１連結部１８は、第１薄板部材１９-1と第２薄板部材１９−2とが繋ぎ合わされて構成される。第２連結部２０は、第３薄板部材１９-3と第４薄板部材１９-4とが繋ぎ合わされて構成される。各薄板部材（１９-i、ただしi=1，2，3，4）には、それぞれ圧電アクチュエータ部（１４、１６）と同様に、下部電極／圧電体／上部電極の積層構造を有するセンサ部２４-i（i=1，2，3，4）が設けられている。
なお、用語の混乱を避けるために、圧電アクチュエータ部（１４、１６）の上部電極を「駆動電極」といい、符号１５、１７で示す。また、センサ部２４-i（i=1，2，3，4）の上部電極を「検出電極」といい、符号２５-i（i=1，2，3，4）で示す。駆動電極１５、１７と検出電極２５-i（i=1，2，3，4）はそれぞれ分離されている。
図中の固定フレーム３０の表面に設けられた符号３１，３２，３３，３４は、検出信号出力用の出力端子である。各出力端子３１〜３４は、それぞれ細い配線５１〜５４を介して、対応する検出電極２５-i（i=1，2，3，4）と接続されている。なお、各配線５１〜５４は、圧電体膜上にパターニングされている。
第１薄板部材１９-1の上面に形成された検出電極２５-1から引き出された配線５１は、第１薄板部材１９-1から第１圧電アクチュエータ部１４の上部電極（駆動電極１５）の傍らを長手方向に沿って引き回され、符号３１で示した出力端子（第1出力端子）に繋がっている。
第２薄板部材１９-2の上面に形成された検出電極２５-2から引き出された配線５２は、第１薄板部材１９-1の検出電極２５-1の傍らを長手方向に沿って引き回されるとともに第１圧電アクチュエータ部１４の上部電極（駆動電極１５）の傍らを長手方向に沿って引き回され、符号３２で示した出力端子（第２出力端子）に繋がっている。
第３薄板部材１９-3の上面に形成された検出電極２５-3から引き出された配線５３は、第４薄板部材１９-4の検出電極２５-4の傍らを長手方向に沿って引き回されるとともに第２圧電アクチュエータ部１６の上部電極（駆動電極１７）の傍らを長手方向に沿って引き回され、符号３３で示した出力端子（第３出力端子）に繋がっている。
第４薄板部材１９-4の上に形成された検出電極２５-4から引き出された配線５４は、第４薄板部材１９-4から第２圧電アクチュエータ部１６の上部電極（駆動電極１７）の傍らを長手方向に沿って引き回され、符号３４で示した出力端子（第４出力端子）に繋がって
いる。
このように、各薄板部材１９-i（i=1，2，3，4）の検出電極２５-i（i=1，2，3，4）は、個別に（独立に）対応する出力端子（３１〜３４）に接続されており、各センサ部２４-i（i=1，2，3，4）から独立に検出信号を得ることができる。なお、下部電極については、複数のセンサ部２４-i（i=1，2，3，4）について共通の電極（一体的に繋がった共通電極）として構成することができる。
図２に示したように、第１圧電アクチュエータ部１４、第２圧電アクチュエータ部１６は、ワイヤーボンディングなどの配線部材を介して駆動回路６２に接続される。またセンサ部２４-i（i=1，2，3，4）の出力端子（３１〜３４）は検出回路６４に接続される。
図３は、圧電ユニモルフカンチレバー構造からなる圧電アクチュエータ部１４、１６の断面構造を示す模式図である。圧電アクチュエータ部１４、１６は、同様の構造であるため、これらを代表して、符号１４の圧電アクチュエータ部の構造を説明する。なお、本発明の実施に際して圧電アクチュエータ部として、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３に示すように、圧電アクチュエータ部１４は、振動板４２上に下部電極４３、圧電体４６、上部電極４８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４３、圧電体４６、上部電極４８の各層を順次に成膜することによって得られる。図３における右端が固定フレーム３０（図１、図２参照）に支持された固定端である。
図３に示す構成において、電極（４３，４８）間に駆動電圧が印加されることで圧電体４６が変形し、この変形に伴い、振動板４２が撓んで、レバー部が上下に動く。図３の破線はレバー部が上方に変位した様子を表している。圧電アクチュエータ部１４、１６は、圧電体４６の逆圧電効果を利用して電気信号を機械的な変位に変換する手段である。
その一方、連結部（１８、２０）に設けられるセンサ部２４-ｉ（i=1，2，3，4）も図３と同様の積層構造を有している。センサ部２４-ｉ（i=1，2，3，4）は、圧電体４６の圧電効果を利用して、機械的な歪み（応力）を電気信号に変換する手段として用いられる。
＜駆動電圧の供給方法について＞
第１実施形態では、一対の圧電アクチュエータ部１４、１６に対して、駆動回路６２から同時に同じ駆動電圧を印加することよって、ミラー部１２の両側の圧電アクチュエータ部１４、１６を同方向に変位させる。このため、一対の圧電アクチュエータ部１４、１６に駆動用の電力を供給する電力供給源として、共通の（同じ）駆動回路６２を用いることができる。圧電アクチュエータ部１４、１６に供給する駆動波形として、共振を励起する周波数の正弦波形信号やパルス波形信号を用いることができる。
＜ＭＥＭＳスキャナデバイス１０の動作について＞
第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０は次のように動作する。
一対の圧電アクチュエータ部１４、１６に、駆動回路６２から同時に同じ駆動電圧を印加すると、圧電アクチュエータ部１４、１６が変位し、これに接続されているミアンダ状の連結部１８、１８が曲がり変形する。そして、連結部１８、１８と接続されているミラー部１２の端部１２Ａ、１２Ｂが上下方向（ｚ軸方向）に変位する。この動きによって、
ミラー部１２に回転トルクを与え、ミラー部１２を回転軸２２周りに回転運動させる。
例えば、正弦波の駆動電圧を圧電アクチュエータ部１４、１６に印加することにより、圧電アクチュエータ部１４、１６を上下に振動させ、ミラー部１２に回転運動を誘起する。共振周波数付近の周波数の駆動電圧を印加して共振駆動させることにより、ミラー部１２は大きな傾き角で振動する。
ミアンダ状の連結部１８、２０は、曲がり変形しやすいため、共振駆動において大きな変位を得るのに効果的である（図４、図５参照）。なお、圧電アクチュエータ部１４、１６に印加する駆動電圧の周波数は、構造体の機械的な共振周波数と厳密に一致させることは必ずしも要求されない。共振が励起される範囲で駆動電圧の周波数の差異が許容される。
この回転共振駆動によってミラー部１２は回転軸２２を中心に大きな回転角で変位し得る。すなわち、圧電アクチュエータ部１４、１６の駆動に応じて、中央のミラー部１２は、回転軸２２を中心として揺動される。ミラー部１２の反射面１２Ｃ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、大きな偏向角で光走査することができる。
＜角度の検出方法について＞
図４及び図５は共振駆動中の連結部（板状ヒンジ部）に係る応力（ρxx成分）を説明するための説明図である。図４は回転共振モードによる駆動時の様子を示す斜視図、図５は図４に示した第１連結部１８をｙ軸の正方向から見た模式図である。なお、図４では固定フレーム３０の記載を省略した。また、デバイス構造の対称性から第２連結部２０の動きも第１連結部１８の動きと同様である。
図４に示したように、共振駆動による動作中、第１連結部１８を構成する薄板部材１９-1、１９-2は互いに逆方向に撓み変形し、それぞれの薄板部材１９-1、１９-2の表面には、互いに逆方向に応力が働く。すなわち、図５に示したように、第１薄板部材１９-1が下に凸となる動き（曲がり変形）をするときには、第２薄板部材１９-2は上に凸となる動きとなる。このとき、第１薄板部材１９-1の表面には圧縮応力がかかり、第２薄板部材１９-2上の表面には引張応力がかかる。
このように、隣り合う第１薄板部材１９-1（ヒンジ１）、第２薄板部材１９-2（ヒンジ２）は互いに逆方向に撓み、第１薄板部材１９-1の曲がりによる角度変位θ１と、第２薄板部材１９-2の曲がりによる角度変位θ２が加算されてミラー部１２の傾き角となる。その結果、ミラー部１２の反射面１２Ｃはｙ軸周りに（θ１＋θ２）の角度で傾く。
このミラー回転運動中に第１薄板部材１９-1、第２薄板部材１９-2に係る応力を圧電効果によってセンサ部２４-1、２４-2の上部-下部電極間の電圧として検出し、角度センサとして機能させる。複数の薄板部材１９-i（i＝1，2，3，4）のうち、少なくとも１つの薄板部材について応力を検知することでミラー部１２の角度を推定することができる。
ただし、図４及び図５で説明したように、互いに逆方向に曲がり変形する薄板部材からそれぞれの応力を検出する構成が好ましい。互いに逆方向に曲がり変形する薄板部材からそれぞれの応力を検出することによって逆位相の検出信号を得ることができ（図６参照）、両者の差分を検出することで、検出感度が２倍になり、かつ、同相のノイズがキャンセルされ、Ｓ／Ｎ比の向上を達成できる。
本実施形態の構造によれば、リニアリティの良好な角度検出が可能である。また、こうして得られる角度検出信号を用いて、ＡＧＣ（Automatic GainControl）回路や位相同期（ＰＬＬ；Phase-locked loop）回路を組み、圧電アクチュエータ部に印加する電圧にフィードバックすることによって、環境温度変化などによって共振周波数が変化しても、スキャン角度を一定に保つことができる。例えば、圧電アクチュエータ部に印加した波形と、センサ部から検出した波形の位相が所定の値になるように、駆動回路にフィードバックをかけ、共振を維持する。
このようなフィードバック制御回路を検出回路６４内に組み込むことができる。また、駆動回路６２、検出回路６４、フィードバック制御回路をまとめて、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）のような集積回路で構成することができる。
＜検出電極の大きさについて＞
図１及び図２に示した例では、薄板部材１９-ｉ（ｉ＝1，2，3，4）の長手方向の長さの略全体にわたって検出電極２５-ｉ（ｉ＝1，2，3，4）を形成しているが、検出電極２５-ｉ（ｉ＝1，2，3，4）の大きさは、図示の例に限定されない。薄板部材１９の応力を検知するという目的の機能を達成できる範囲で薄板部材１９の一部にセンサ部が設けられていればよく、適宜の大きさの検出電極を設計することができる。ただし、検出電極から配線５１〜５４を介して信号を取り出す必要があるため、配線部など後段の寄生容量成分／抵抗成分の影響を相対的に小さくする観点から、センサ部の検出電極の面積は比較的大きい方が望ましい。
＜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。
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。）
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。
一般式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。）
ペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）は、真性ＰＺＴ、あるいはＰＺＴのＢサイトの一部がＭで置換されたものである。被置換イオンの価数よりも高い価数を有する各種ドナーイオンを添加したＰＺＴでは、真性ＰＺＴよりも圧電性能等の特性が向上することが知られている。Ｍは、４価のＺｒ，Ｔｉよりも価数の大きい１種又は２種以上のドナーイオンであることが好ましい。かかるドナーイオンとしては、Ｖ５＋，Ｎｂ５＋，Ｔａ５＋，Ｓｂ５＋，Ｍｏ６＋，及びＷ６＋等が挙げられる。
ｂ−ｘ−ｙは、ペロブスカイト構造を取り得る範囲であれば特に制限されない。例えば、ＭがＮｂである場合、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０５以上０．２５以下であることが好ましく、０．０６以上０．２０以下であることがより好ましい。
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。
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、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アクチュエータ特性、センサ特性を示すものである。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。
本実施形態における圧電体４６の一具体例として、例えば、Ｎｂを原子組成百分率で１２％ドープしたチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）薄膜を用いることができる。スパッタリング法等によって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４６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。
＜成膜方法について＞
圧電体の成膜方法としては気相成長法が好ましい。例えば、スパッタリング法の他、イオンプレーティング法、ＭＯＣＶＤ法（有機金属気相成長法）、ＰＬＤ法（パルスレーザー堆積法）など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長法以外の方法（例えば、ゾルゲル法など）を用いることも考えられる。
後述の実施例１では圧電体４６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。
＜実施例１；具体的な製造方法の一例＞
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。
（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３の下部電極４３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４μｍ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（約0.293Ｐａ）、成膜温度は４５０℃とした。得られたＰＺＴ層は、Ｎｂが原子組成比で１２％添加されたＮｂドープＰＺＴ薄膜であった。
（工程３）上記で得られた基板上に、リフトオフ法によって上部電極としてのＰt／Ｔi層をパターン形成し、ＩＣＰ（inductively coupledplasma；誘導結合プラズマ）ドライエッチングによってＰＺＴ薄膜をパターンエッチした。
（工程４）その後、シリコンのドライエッチプロセスによってデバイス層をパターンエッチングし、裏面からハンドル層を深堀エッチング(Deep RIE；Reactive Ion Etching)した。最後に、裏面からＢｏｘ−ＳｉＯ２層を除去することにより、図１のような構成の圧電ＭＥＭＳスキャナデバイスを作成した。各部寸法は図２中の記号を用いてL1＝１ｍｍ（ミリメートル）、L2＝2ｍｍ、ｗ1＝0.1ｍｍ、ｗ2＝0.4ｍｍとした。
固定フレーム３０は、ハンドル層とデバイス層の両方を利用した構造となっており、厚みが約３６０μｍである。圧電アクチュエータ部および板状ヒンジ部はともにＳｉデバイス層（１０μｍ）／下部電極／ＰＺＴ薄膜／上部電極の積層構造からなっている。
また、圧電アクチュエータ部は、上部-下部電極間に電圧を印加することによって上下に撓み変形する圧電薄膜ユニモルフアクチュエータとして機能する。
圧電アクチュエータ部１４、１６は、Ｓｉデバイス層（１０μｍ）／下部電極／ＰＺＴ薄膜／上部電極の積層構造となっており、圧電薄膜ユニモルフアクチュエータとして機能する。
本実施例１では、ＰＺＴ薄膜をスパッタリング法により基板に直接成膜し、その後ドライエッチング加工することで形成している。このように、圧電体を薄膜化することで作成プロセスを簡便にし、かつ微細なパターニングが可能になる。これによって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。
ただし、本発明の実施に際しての構成は薄膜圧電体に限ったものではく、バルク圧電体を振動板に貼りつけてユニモルフアクチュエータを形成したり、２つの極性の異なる圧電体を貼りあわせてバイモルフアクチュエータとしても良い。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。
＜実施例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの評価＞
上記の手順で作製された実施例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０について、圧電アクチュエータ部（１４，１６）に電位振幅Ｖp-p＝1.2Ｖ（ボルト）の正弦波（サイン波）による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸回りの回転共振運動を誘起させてミラー部の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数ｆx＝154Ｈｚ、機械振れ角＝±22°であった。
次に、共振周波数に一致する周波数でＶp-p＝1.2 Ｖの正弦波を入力して駆動させ、各検出電極２５-１〜２５-4からの信号をロックインアンプによって検出したところ、検出電極２５-１、２５-4からは電位振幅470ｍＶ（ミリボルト）、検出電極２５-2、２５-3か
らは電位振幅490ｍＶの電圧出力が得られ、かつこれらの信号の位相差は１８０°であった（図７参照）。
図６中「Ｖsense1」は検出電極２５-１、２５-4からの信号を示しており、「Ｖsense2」は検出電極２５-2、２５-3からの信号を示している。
また、圧電アクチュエータ部１４、１６に与える駆動電圧を変化させてスキャン角度と検出電圧の関係をプロットしたものを図７に示す。図７において、「Differential」は、差分回路によって２つの電圧信号（Ｖsense1、Ｖsense2）の差分を検出したものを表している。それぞれの検出電極の角度検出能は、以下の通りであった。
Ｖsense1：5.41 ｍＶ/deg
Ｖsense2：5.61 ｍＶ/deg
差分：11 ｍＶ/deg
このように逆位相の検出信号（Ｖsense1、Ｖsense2）から両者の差分を検出し、この差分信号を用いて角度の検出を行うことにより、検出信号のドリフトや同相のノイズが除去され、Ｓ／Ｎ比が向上する。図２に示した検出回路６４には差分回路が組み込まれている。
＜応力を検出する薄板部材の組み合わせについて＞
既に説明したとおり、図１に示したＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、ミラー部１２を挟んで左右対称の構造を有しており、共振駆動時には第１薄板部材１９-1と第４薄板部材１９-2は同等の動きとなり、第２薄板部材１９-2と第３薄板部材１９-3は同等の動きとなる。そして、第１薄板部材１９-1上のセンサ部２４-1と第４薄板部材１９-4上のセンサ部２４-4からは同様の検出信号（図６のＶsense1）が得られる。また、第２薄板部材１９-2上のセンサ部２４-2と第３薄板部材１９-3上のセンサ部２４-3からは同様の検出信号（図６のＶsense2）が得られる。
したがって、互いに逆位相の１組の検出信号（Ｖsense1、Ｖsense2）を得るためには、第１薄板部材１９-1と第２薄板部材１９-2の組み合わせの他、第１薄板部材１９-1と第３薄板部材１９-3の組み合わせ、第２薄板部材１９-2と第４薄板部材１９-4の組み合わせ、第３薄板部材１９-3と第４薄板部材１９-4の組み合わせも可能であり、いずれの組み合わせを採用してもよい。
連結部（１８、２０）を構成する薄板部材１９の本数が変更されても同様であり、逆方向に変位する薄板部材同士を適宜選択して組み合わせることで、逆位相の検出信号が得られる。
ミアンダ状の連結部（１８、２０）を構成する薄板部材の本数をｍ本（ｍは２以上の整数）として一般化して考えると、ｍ本の薄板部材について、ミラー部１２に近い側から外側の圧電アクチュエータ部側へ向かって順次に並び順を示す連続番号ｊ（ｊは整数であり、例えば、ｊ＝1，２，…ｍ）を付与して各薄板部材に識別用の番号を与えたとき、奇数番目の薄板部材と、偶数番目の薄板部材とを組み合わせて、それぞれの応力を検出すればよい。なお、連続番号ｊの初期値は「１」に限らず、「０」でもよく、任意の整数とすることができる。
図１及び図２に示した実施形態はｍ＝２の例であり、ミラー部１２に近い側の第２薄板部材１９-2と第３薄板部材１９-3が「1番目（ｊ＝１）」、第１薄板部材１９-1と第４薄板部材１９-4が「２番目（ｊ＝２）」となる。
奇数番目の薄板部材のうちから選択される少なくとも１つの薄板部材に発生する応力を検出するセンサ部と、偶数番目の薄板部材のうちから選択される少なくとも１つの薄板部材に発生する応力を検出するセンサ部とを備える構成とし、これら両方のセンサ部からそれぞれ信号を検出すればよい。
したがって、必ずしもすべての薄板部材１９-１〜１９-４についてセンサ部を設ける必要性は無く、センシングに使用しないセンサ部を省略する構成も可能である。ただし、ミラー部１２を安定的に共振駆動させる観点から、構造的な対称性を備えていることが好ましい。センシングに使用しない薄板部材に対しても、下部電極／圧電体／上部電極の積層構造を形成しておくことにより、構造的対称性を確保することができる。
＜実施例２＞
実施例２では、ＰＺＴ成膜時のターゲット材料として、Ｐｂ1.3((Ｚｒ0.52 Ｔｉ0.48)Ｏ3の組成のものを用いたこと以外は実施例１と同様の作製方法により、実施例１と同様の構造のＭＥＭＳスキャナデバイスを作製した。得られたデバイスについて、実施例１と同様の動作確認実験を行った。図８に、印加電圧と光学スキャン角度の関係を示した。図８では、実施例１（Ｎｂ１２％ＰＺＴ）の結果も併せて記載した。
図８中の白抜き三角印は、ＮｂをドープしないＰＺＴについて分極処理を実施しないまま測定した結果である。黒塗り三角印はＮｂをドープしないＰＺＴについて、成膜後に分極処理を実施した場合の測定結果である。黒塗り丸印は、Ｎｂを１２％ドープしたＰＺＴ（分極処理無し）を用いた実施例１の測定結果である。
図８に示したように、ＮｂをドープしないＰＺＴの場合、成膜後に分極処理を行わないとアクチュエータ特性（センサ特性）を充分に引き出せない。なお、分極処理に関しては、下部電極をグランドに接続し（接地）、上部電極に−２０Ｖを１分間印加することで行った。その一方で、実施例１のようにＮｂをドープしたＰＺＴを用いると、未分極状態でも、分極処理後のＮｂドープ無しＰＺＴを大きく上回るアクチュエータ特性を示している。
図９に、ＰＺＴ中のＮｂドープ量とアクチュエータ特性・センシング特性の関係をまとめた表を示す。図９において、スキャン角度、角度検出能ともに、未分極の値を用いている。分極処理の必要性の有無に関する判定は、未分極状態のスキャン角度（０．５Ｖｐｐ印加時）が、分極処理後のスキャン角度の０．８以下である場合に「Ｃ」（分極処理が必要）、０．８を上回り０．９以下の場合は「Ａ」（未分極処理で使用可能）、０．９を上回る場合を「ＡＡ」（分極処理不要）とした。
この結果によると、ＰＺＴにＮｂを６％以上ドープすることによって分極処理を行わずに使用することができるため、製造コストを抑えることができる。
また、Ｎｂドープ量が上昇するに従って圧電特性が上がっていくため、Ｎｂドープ量が多いほど、より低い電圧で高いスキャン角度を得ることができ、かつ角度検出の際に高い検出電圧が得られる。
＜実施形態の作用効果について＞
（１）圧電アクチュエータ部１４、１６とミラー部１２の間を、ミアンダ状に折り畳まれた板状ヒンジ構造の連結部１８、２０を介して接続した構造となっており、圧電アクチュエータ部１４、１６によってミラー部１２の端部１２Ａ，１２Ｂを上下に振動させることで慣性トルクが発生し、回転運動共振が励起される。
（２）上記構造を備えたＭＥＭＳスキャナデバイス１０において、連結部１８、２０の薄板部材１９に応力検出部としてのセンサ部２４-i（ｉ＝1，2，3，4）が設けられ、ミラー回転運動中に連結部１８、２０にかかる応力を圧電効果によって電圧信号として検出している。この電圧信号からミラー部１２の角度を把握することができる。
（３）圧電材料として、Ｎｂを６％以上ドープしたＰＺＴを用いることにより、ＰＺＴのアクチュエータ特性、センシング特性の両方の性能を引き出すための分極処理を行う必要がなくなり、プロセスが簡略化され、製造コストを低減させることができる。
（４）４００Ｈｚ以下の低い共振周波数に設計する場合においても、各薄板部材１９の部分の剛性を比較的高く保つことができるので、トーションバー方式と比較して外的振動による破壊が抑えられる。
（５）板状ヒンジ部としての連結部１８、２０をミアンダ状に折りたたむ構造とすることで、駆動中の回転トルクが分散されて、一本一本の薄板部材にかかる応力が小さくなるため、大きなスキャン角度でも安定駆動が可能である。
（６）本実施形態によれば、トーションバーを持たない構造であるのにも関わらず、角度検出が可能である。圧電効果による検出の場合、実用温度範囲では圧電定数が温度の影響をほとんど受けないので、温度による係数変化を補正するための回路などが不要である。このため、簡便な構成で角度を検出できる。
（７）ミラー部１２に近い方から奇数番目の薄板部材に設けた検出電極と、ミラー部に近い方から偶数番目の薄板部材に設けた検出電極からは互いに逆位相の信号が得られるため（図６参照）、これら信号の差分を取ることによって検出感度を２倍にすると同時にＳ／Ｎを上げることができる。
（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。
＜第２実施形態＞
第１実施形態、実施例１，２では板状ヒンジ部として機能する連結部１８、２０に圧電体薄膜を積層し、圧電効果によって応力を電圧に変換する構造を用いたが、板状ヒンジ部の応力を検出する手段はこの例に限らない。例えば、連結部に発生する応力を検出する手段としてピエゾ抵抗効果を利用する形態も可能である。その一例として、シリコン（Ｓｉ）の連結部１８、２０の表面にボロン（ホウ素）ドープを行い、ピエゾ抵抗効果を示すp型Ｓｉ層を形成し、このp型Ｓｉ層の電気抵抗が印加応力によって変化することを利用して応力検出を行う構成を採用してもよい。
図１０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平面図である。図１０中、図１及び図２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１０に示すＭＥＭＳスキャナデバイス１１０は、第１実施形態のセンサ部２４-ｉ（ｉ＝1,2,3,4）に代えて、Ｓｉの表面にボロンドープを行ってｐ型Ｓｉ層としたピエゾ抵抗材料部１２５-i（ｉ＝1,2,3,4）が設けられている。すなわち、Ｓｉ表面の一部にボロンを拡散させてｐ型化したＳｉによって連結部１８、２０を構成し、連結部１８、２０にかかる応力によってｐ型Ｓｉ部の電気抵抗が変化するピエゾ抵抗効果を利用して応力を検出する。
ピエゾ抵抗材料部１２５-i（ｉ＝1,2,3,4）は、「応力検出部」に相当しており、応力が加わると抵抗値が変化する。かかる抵抗値の変化を電圧に変換する回路を用いて電圧信号として検出する。
図１１は、抵抗値の変化を電圧に変換する回路の構成図である。図中のＲ１、Ｒ２は、それぞれ互いに逆方向に変位する薄板部材に設けられたピエゾ抵抗材料部の抵抗を示している。すなわち、Ｒ１は、奇数番目の薄板部材に設けられたピエゾ抵抗材料部の抵抗（例えば、第３薄板部材１９-3に設けられたピエゾ抵抗材料部１２５-3の抵抗）を示し、Ｒ２は、偶数番目の薄板部材に設けられたピエゾ抵抗材料部の抵抗（例えば、第４薄板部材１９-4に設けられたピエゾ抵抗材料部１２５-4の抵抗）を示す。
図示のように、Ｒ１とＲ２を接続した分圧回路が構成され、Ｒ１とＲ２で分圧された電圧信号Ｖoutが得られる。第２実施形態では、このような回路が検出回路６４に組み込まれる。ピエゾ抵抗効果は温度依存性があるが、図１１のような分圧回路を利用することによって、抵抗変化の温度依存成分がキャンセルされる。
なお、第１実施形態で説明したように、圧電薄膜を積層する方式を採用すれば、アクチュエータ部とセンサ部を同じプロセスで一括形成できるため、プロセスが簡便になり、コストを下げることができる。
また、圧電効果は、ピエゾ抵抗効果に比べて温度依存性が小さく、電極間から直接電圧信号を得ることができるため、検出回路の構成も簡単である。
＜第３実施形態＞
図１２は、第３実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス２１０の要部平面図、図１３はその回転共振モードにおける動作状態を示す斜視図である。
これらの図面中、図１及び図２で説明した例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。第３実施形態では、板状ヒンジ部として機能する連結部１８、２０が３本の薄板部材をミアンダ状につなぎ合わせた構造となっている。他の構成は、第１実施形態と同様の構成である。薄板部材の数が多い分、第１実施形態よりも低い共振周波数が得られる。
図１２に示す連結部１８は、薄板部材２１９-１、２１９-２、２１９-３がミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する。また、連結部２０は、薄板部材２１９-4、２１９-5、２１９-6がミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する。
そして、ミラー部１２側に近い方から奇数番目の薄板部材２１９-3、２１９-4に検出電極２２５-3、２２５-4が設けられ、偶数番目の薄板部材２１９-2、２１９-５に検出電極２２５-2、２２５-5が設けられている。なお、図示の簡略化のために、図１２では配線（５１〜５４）や出力端子（３１〜３４）の図示を省略した。
符号２１９-1、２１９-6で示す薄板部材は「奇数番目」に該当するため、検出電極２２５-3、２２５-4に代えて、または、これと併せて、薄板部材２１９-1、２１９-6に検出電極を設ける態様も可能である。
図１２に示した第３実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス２１０においても、第１実施形態と同様に、圧電アクチュエータ部１４、１６の上下駆動によりミラー部１２の端部１２Ａ、１２Ｂを上下に振動させることで、慣性力によりミラー部１２に傾き（回転）運動が誘起され、その共振振動でミラー部１２が大きく傾く（図１３参照）。ミラー部１２と
圧電アクチュエータ部１４、１６の間に蛇行した形状の連結部（ミアンダ状に折りたたんだ板状ヒンジ部）１８、２０を設けることにより、ミラー部１２の傾き角の変位がさらに拡大する。そして、回転駆動中に連結部に発生する応力を検出して、ミラー部１２の角度を把握することができる。
なお、本発明を実施するに際し、連結部１８、２０の構成として、蛇行した（ミアンダ状の）連結部であることは不可欠な要素というわけではなく、板状ヒンジとして機能する１本の薄板部材で連結部を構成する形態も可能である。
＜変形例１＞
上述の実施形態では、圧電アクチュエータ部やセンサ部に用いる圧電材料としてＰＺＴを選択したが、もちろんこの材料に限定する必要はない。例えば、ＢａＴｉＯ３、ＫａＮａＮｂＯ３、ＢｉＦｅＯ３などの非鉛圧電体を用いることも可能であるし、ＡｌＮ、ＺｎＯ２などの非ペロブスカイト圧電体を用いることも可能である。
＜変形例２＞
上述した実施形態における圧電アクチュエータ部（１４、１６）の構成に代えて、複数の圧電カンチレバーを組み合わせた圧電アクチュエータ部を採用することもできる。例えば、ミアンダ状の折り返し構造を持つ圧電カンチレバーを採用することができる。本発明の実施に際して、カンチレバー部の折り返し構造の採否や、折り返し回数（折り畳み数）については、特に限定されない。カンチレバーの折り畳み数を増やすほど、変位量を増大させることが可能である。
板ヒンジ部やカンチレバーの折り畳み数やレバー部の幅等の設計パラメータは全体の共振周波数に影響する。折り畳み数を増やすほど、共振周波数は低下する傾向にある。また、レバー部や板状部材（ヒンジ板）の幅を細くするほど、共振周波数は低下する傾向にある。折り畳み数やレバー部、板状部材（ヒンジ板）の幅などを設計することによって、所望の共振周波数を実現できる。
＜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。
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。
１０…ＭＥＭＳスキャナデバイス、１２…ミラー部、１４…圧電アクチュエータ部（第１圧電アクチュエータ部）、１６…圧電アクチュエータ部（第２圧電アクチュエータ部）、１８…連結部（第１連結部）、１９…薄板部材、２０…連結部（第２連結部）、２２…回転軸、３０…固定フレーム、４２…振動板、４３…下部電極、４６…圧電体、４８…上部電極、６２…駆動回路、６４…検出回路、１１０…ＭＥＭＳスキャナデバイス、２１０…ＭＥＭＳスキャナデバイス

Claims (17)

  1. 光を反射する反射面を有するミラー部と、
    前記ミラー部を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部と、
    前記ミラー部の回転軸から前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向に離れた前記ミラー部の端部に前記圧電アクチュエータ部の一端を接続させる連結部と、
    前記圧電アクチュエータ部の他端を支持する固定部と、
    を備え、
    前記連結部は、前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向を長手方向とする板状部材を１本以上含んだ構造を有し、前記圧電アクチュエータ部の駆動によって前記板状部材が厚み方向に撓み変形する板状ヒンジ部であり、
    前記連結部には、前記圧電アクチュエータ部の駆動によって誘起されるミラー部の回転運動を伴う共振振動によるミラー部の回転駆動中に前記連結部に発生する応力を検出する応力検出部が設けられているミラー駆動装置。
  2. 前記連結部は、２本以上の前記板状部材がミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有しており、隣り合って並ぶ板状部材同士が前記共振振動のときに互いに逆方向に撓み変形する請求項１に記載のミラー駆動装置。
  3. 前記ミアンダ状に折り返すように並べられた前記２本以上の板状部材について、前記ミラー部に近い側から前記圧電アクチュエータ部の方向に向かって並び順を示す連続番号を与えてそれぞれの板状部材を特定するときに、
    前記応力検出部として、
    奇数番目の板状部材に発生する応力を検出する第１応力検出部と、
    偶数番目の板状部材に発生する応力を検出する第２応力検出部と、
    を備える請求項２に記載のミラー駆動装置。
  4. 前記応力検出部は、前記板状部材上に下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された積層構造を有し、前記圧電体の圧電効果によって応力を電気信号に変換する構造である請求項１から３のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
  5. 請求項３を引用するときの請求項４に記載のミラー駆動装置において、
    前記第１応力検出部及び第２応力検出部の両方からそれぞれ電圧信号が得られ、
    前記第１応力検出部から得られる第１検出信号と前記第２応力検出部から得られる第２検出信号の差分を検出する検出回路を備えるミラー駆動装置。
  6. 前記応力検出部は、前記板状部材の表面部がピエゾ抵抗効果を示す材料で構成され、前記ピエゾ抵抗効果を示す前記材料のピエゾ抵抗効果によって応力を抵抗値の変化に変換するものである請求項１から３のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
  7. 前記抵抗値の変化を電圧信号に変換する検出回路を備える請求項６に記載のミラー駆動装置。
  8. 請求項３を引用するときの請求項７に記載のミラー駆動装置において、
    前記検出回路は、前記第１応力検出部で構成される第１抵抗と前記第２応力検出部で構成される第２抵抗とを接続した分圧回路によって電圧信号を得るミラー駆動装置。
  9. 前記圧電アクチュエータ部は、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された圧電ユニモルフカンチレバーで構成されることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
  10. 請求項４を引用するときの請求項９に記載のミラー駆動装置において、
    前記圧電アクチュエータ部及び前記応力検出部に用いられる圧電体は１〜１０μｍ厚の薄膜であり、前記振動板となる基板上に直接成膜された薄膜であるミラー駆動装置。
  11. 前記圧電アクチュエータ部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１０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。）
  12. 前記圧電アクチュエータ部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１０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。）
  13. 前記ペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）は、Ｎｂを含み、Ｎｂ／（Ｚｒ＋Ｔｉ＋Ｎｂ）モル比が０．０６以上０．２０以下である請求項１２に記載のミラー駆動装置。
  14. 前記圧電アクチュエータ部に用いられる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１から１３のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
  15. 前記一対の圧電アクチュエータ部に駆動電圧を供給する駆動回路であって、
    前記ミラー部が前記回転軸を中心に回転運動を行う共振モードの共振周波数fxの付近で前記ミラー部を共振駆動させる駆動電圧を供給する駆動回路を備える請求項１から１４のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
  16. 請求項１から１５のいずれか１項に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、
    前記一対の圧電アクチュエータ部に駆動電圧を印加し、前記圧電アクチュエータ部を振動させることにより、前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、この振動により前記ミラー部に前記回転軸周りの回転トルクを与え、前記ミラー部を共振駆動させることを特徴とするミラー駆動方法。
  17. 前記ミラー部の共振駆動中に前記応力検出部から得られる検出信号を用いて前記圧電アクチュエータ部に印加する前記駆動電圧もしくは駆動周波数を制御する請求項１６に記載のミラー駆動方法。
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