JP2018010276A - 圧電アクチュエータ、光偏向器及び画像投影装置 - Google Patents

Abstract

【課題】所望の動力性能を安定して得ることができる圧電アクチュエータを提供する。【解決手段】圧電アクチュエータ（第１圧電駆動部や第２圧電駆動部）は、第１及び第２の部材に一端及び他端がそれぞれ接続されたカンチレバー（梁）と、少なくともカンチレバー上に設けられた下部電極２１０（第１の電極）と、下部電極２１０上に設けられた圧電部２２０（圧電体）と、該圧電部２２０上に設けられた上部電極２３０（第２の電極）と、を備え、下部電極２１０は、第１及び第２の部材の少なくとも一方上に突出している。この場合、所望の動力性能を安定して得ることが可能な圧電アクチュエータを提供できる。【選択図】図１３

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、光偏向器及び画像投影装置に関する。

近年、圧電体を含む圧電アクチュエータの開発が盛んに行われている。

例えば、特許文献１には、部材に端部が接続された梁上に第１の電極、圧電体、第２の電極がこの順に設けられた圧電アクチュエータが開示されている。

しかしながら、特許文献１に開示されている圧電アクチュエータ等の従来の圧電アクチュエータでは、所望の動力性能を安定して得ることに関して改善の余地があった。

本発明は、部材に端部が接続された梁と、少なくとも前記梁上に設けられた第１の電極と、前記第１の電極上に設けられた圧電体と、前記圧電体上に設けられた第２の電極と、を備え、前記第１の電極は、前記部材上に突出していることを特徴とする圧電アクチュエータである。

本発明によれば、所望の動力性能を安定して得ることができる。

光走査システムの一例の概略図である。 光走査システムの一例のハードウェア構成図である。 制御装置の一例の機能ブロック図である。 光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。 ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。 ヘッドアップディスプレイ装置の一例の概略図である。 光書込装置を搭載した画像形成装置の一例の概略図である。 光書込装置の一例の概略図である。 レーザレーダ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。 レーザレーダ装置の一例の概略図である。 パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。 可動装置の一例を＋Ｚ方向から見たときの平面図である。 図１２のＰ−Ｐ’断面図である。図１３（ａ）及び図１３（ｂ）はそれぞれ比較例１、２を示し、図１３（ｃ）は本実施形態の一実施例を示す。 図１２のＱ−Ｑ’断面図である。 図１２のＲ−Ｒ’断面図である。図１５（ａ）及び図１５（ｂ）はそれぞれ比較例１、２を示し、図１５（ｃ）は本実施形態の一実施例を示す。 図１２のＳ領域の上面図である。図１６（ａ）及び図１６（ｂ）はそれぞれ比較例１、２を示し、図１６（ｃ）は本実施形態の一実施例を示す。 図１２のＴ領域の上面図である。図１７（ａ）及び図１７（ｂ）はそれぞれ比較例１、２を示し、図１７（ｃ）は本実施形態の一実施例を示す。 図１８（ａ）〜図１８（ｄ）は、それぞれ可動装置の第２駆動部１３０ｂの変形動作を説明するための模式図（その１〜その４）である。 図１９（ａ）は可動装置の圧電駆動部群Ａに印加される駆動電圧Ａの波形の一例であり、図１９（ｂ）は可動装置の圧電駆動部群Ｂに印加される駆動電圧Ｂの波形の一例であり、図１９（ｃ）は図１９（ａ）の駆動電圧の波形と図１９（ｂ）の駆動電圧の波形を重ね合わせた図である。 可動装置の第２圧電駆動部１３１ｂ〜１３１ｅ、第２支持部１４１ｂｃ〜１４１ｄｅのねじれの変形を模式的に表した模式図である。 ２軸の光偏向器による光走査軌跡を模式的に表した模式図である。 可動装置の反射ミラーの共振ピークを模式的に表した模式図である。 可動装置の反射ミラーの共振ピークを示す図である。実線が本実施形態の一実施例を示し、破線が従来例を示す。 本発明が適用される可動装置の一例である。 本発明が適用される光偏向用の可動装置の一例である。 本発明が適用される光偏向用の可動装置の一例である。 本発明が適用される光偏向用の可動装置の一例である。 図２８（ａ）及び図２８（ｂ）は、第１圧電駆動部の変形例（その１及びその２）について説明するための図である。 図２９（ａ）及び図２９（ｂ）は、第１圧電駆動部の変形例（その３及びその４）について説明するための図である。 第１圧電駆動部の変形例（その５）について説明するための図である。 図３１（ａ）及び図３１（ｂ）は、第２圧電駆動部の変形例（その１及びその２）について説明するための図である。 図３２（ａ）及び図３２（ｂ）は、第２圧電駆動部の変形例（その３及びその４）について説明するための図である。 第１圧電駆動部の変形例（その６）について説明するための図である。 第１圧電駆動部の変形例（その６）に対する比較例について説明するための図である。

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。

［光走査システム］
まず、本実施形態の制御装置を適用した光走査システムについて、図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
図１には、光走査システムの一例の概略図が示されている。
図１に示すように、光走査システム１０は、制御装置１１の制御に従って光源装置１２から照射された光を可動装置１３の有する反射面１４により偏向して被走査面１５を光走査するシステムである。

光走査システム１０は、制御装置１１，光源装置１２、反射面１４を有する可動装置１３により構成される。

制御装置１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）およびＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等を備えた電子回路ユニットである。可動装置１３は、例えば反射面１４を有し、反射面１４を可動可能なＭＥＭＳ（Micro Electromechanical Systems）デバイスである。光源装置１２は、例えばレーザを照射するレーザ装置である。なお、被走査面１５は、例えばスクリーンである。

制御装置１１は、取得した光走査情報に基づいて光源装置１２および可動装置１３の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置１２および可動装置１３に駆動信号を出力する。
光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて反射面１４を１軸方向または２軸方向の少なくともいずれかに可動させる。

これにより、例えば、光走査情報の一例である画像情報に基づいた制御装置１１の制御によって、可動装置１３の反射面１４を所定の範囲で２軸方向に往復可動させ、反射面１４に入射する光源装置１２からの照射光をある１軸周りに偏向して光走査することにより、被走査面１５に任意の画像を投影することができる。
なお、可動装置の詳細および本実施形態の制御装置による制御の詳細については後述する。

次に、光走査システム１０一例のハードウェア構成について図２を用いて説明する。
図２は、光走査システム１０の一例のハードウェア構成図である。
図２に示すように、光走査システム１０は、制御装置１１、光源装置１２および可動装置１３を備え、それぞれが電気的に接続されている。
このうち、制御装置１１は、ＣＰＵ２０、ＲＡＭ２１（Random Access Memory）、ＲＯＭ２２（Read Only Memory）、ＦＰＧＡ２３、外部Ｉ／Ｆ２４、光源装置ドライバ２５、可動装置ドライバ２６を備えている。

ＣＰＵ２０は、ＲＯＭ２２等の記憶装置からプログラムやデータをＲＡＭ２１上に読み出し、処理を実行して、制御装置１１の全体の制御や機能を実現する演算装置である。

ＲＡＭ２１は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の記憶装置である。

ＲＯＭ２２は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の記憶装置であり、ＣＰＵ２０が光走査システム１０の各機能を制御するために実行する処理用プログラムやデータを記憶している。

ＦＰＧＡ２３は、ＣＰＵ２０の処理に従って、光源装置ドライバ２５および可動装置ドライバ２６に適した制御信号を出力する回路である。

外部Ｉ／Ｆ２４は、例えば外部装置やネットワーク等とのインタフェースである。外部装置には、例えば、ＰＣ（Personal Computer）等の上位装置、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、ＳＳＤ等の記憶装置が含まれる。また、ネットワークは、例えば自動車のＣＡＮ(Controller Area Network)やＬＡＮ（Local Area Network）、インターネット等である。外部Ｉ／Ｆ２４は、外部装置との接続または通信を可能にする構成であればよく、外部装置ごとに外部Ｉ／Ｆ２４が用意されてもよい。

光源装置トライバは、入力された制御信号に従って光源装置１２に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。

可動装置ドライバ２６は、入力された制御信号に従って可動装置１３に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。

制御装置１１において、ＣＰＵ２０は、外部Ｉ／Ｆ２４を介して外部装置やネットワークから光走査情報を取得する。なお、ＣＰＵ２０が光走査情報を取得することができる構成であればよく、制御装置１１内のＲＯＭ２２やＦＰＧＡ２３に光走査情報を格納する構成としてもよいし、制御装置１１内に新たにＳＳＤ等の記憶装置を設けて、その記憶装置に光走査情報を格納する構成としてもよい。

ここで、光走査情報とは、被走査面１５にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、光走査により画像を表示する場合は、光走査情報は画像データである。また、例えば、光走査により光書込みを行う場合は、光走査情報は書込み順や書込み箇所を示した書込みデータである。他にも、例えば、光走査により物体認識を行う場合は、光走査情報は物体認識用の光を照射するタイミングと照射範囲を示す照射データである。

本実施形態に係る制御装置１１は、ＣＰＵ２０の命令および図２に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。

次に、光走査システム１０の制御装置１１の機能構成について図３を用いて説明する。図３は、光走査システムの制御装置の一例の機能ブロック図である。

図３に示すように、制御装置１１は、機能として制御部３０と駆動信号出力部３１とを有する。

制御部３０は、例えばＣＰＵ２０、ＦＰＧＡ２３等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部３１に出力する。例えば、制御部３０は、外部装置等から画像データを光走査情報として取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部３１に出力する。
駆動信号出力部３１は、光源装置１２ドライバ２５、可動装置１３ドライバ２６等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置１２または可動装置１３に駆動信号を出力する。

駆動信号は、光源装置１２または可動装置１３の駆動を制御するための信号である。例えば、光源装置１２においては、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば、可動装置１３においては、可動装置１３の有する反射面１４を可動させるタイミングおよび可動範囲を制御する駆動電圧である。

次に、光走査システム１０が被走査面１５を光走査する処理について図４を用いて説明する。図４は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。

ステップＳ１１において、制御部３０は、外部装置等から光走査情報を取得する。
ステップＳ１２において、制御部３０は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を駆動信号出力部３１に出力する。
ステップＳ１３において、駆動信号出力部３１は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置１２および可動装置１３に出力する。
ステップ１４において、光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて反射面１４の可動を行う。光源装置１２および可動装置１３の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。

なお、上記光走査システム１０では、１つの制御装置１１が光源装置１２および可動装置１３を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の制御装置および可動装置用の制御装置と、別体に設けてもよい。

また、上記光走査システム１０では、一つの制御装置１１に光源装置１２および可動装置１３の制御部３０の機能および駆動信号出力部３１の機能を設けているが、これらの機能は別体として存在していてもよく、例えば制御部３０を有した制御装置１１とは別に駆動信号出力部３１を有した駆動信号出力装置を設ける構成としてもよい。なお、上記光走査システム１０のうち、反射面１４を有した可動装置１３と制御装置１１により、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。

［画像投影装置］
次に、本実施形態の制御装置を適用した画像投影装置について、図５および図６を用いて詳細に説明する。

図５は、画像投影装置の一例であるヘッドアップディスプレイ装置５００を搭載した自動車４００の実施形態に係る概略図である。また、図６はヘッドアップディスプレイ装置５００の一例の概略図である。

画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置であり、例えばヘッドアップディスプレイ装置である。

図５に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、例えば、自動車４００のウインドシールド（フロントガラス４０１等）の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置５００から発せられる投射光Ｌがフロントガラス４０１で反射され、ユーザーである観察者（運転者４０２）に向かう。これにより、運転者４０２は、ヘッドアップディスプレイ装置５００によって投影された画像等を虚像として視認することができる。なお、ウインドシールドの内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。

図６に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、赤色、緑色、青色のレーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂからレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、各レーザ光源に対して設けられるコリメータレンズ５０２，５０３，５０４と、２つのダイクロイックミラー５０５，５０６と、光量調整部５０７と、から構成される入射光学系を経た後、反射面１４を有する可動装置１３にて偏向される。そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー５０９と、中間スクリーン５１０と、投射ミラー５１１とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置５００では、レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂ、コリメータレンズ５０２，５０３，５０４、ダイクロイックミラー５０５，５０６は、光源ユニット５３０として光学ハウジングによってユニット化されている。

上記ヘッドアップディスプレイ装置５００は、中間スクリーン５１０に表示される中間像を自動車４００のフロントガラス４０１に投射することで、その中間像を運転者４０２に虚像として視認させる。

レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂから発せられる各色レーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ５０２，５０３，５０４で略平行光とされ、２つのダイクロイックミラー５０５，５０６により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部５０７で光量が調整された後、反射面１４を有する可動装置１３によって二次元走査される。可動装置１３で二次元走査された投射光Ｌは、自由曲面ミラー５０９で反射されて歪みを補正された後、中間スクリーン５１０に集光され、中間像を表示する。中間スクリーン５１０は、マイクロレンズが二次元配置されたマイクロレンズアレイで構成されており、中間スクリーン５１０に入射してくる投射光Ｌをマイクロレンズ単位で拡大する。

可動装置１３は、反射面１４を２軸方向に往復可動させ、反射面１４に入射する投射光Ｌを二次元走査する。この可動装置１３の駆動制御は、レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂの発光タイミングに同期して行われる。

以上、画像投影装置の一例としてのヘッドアップディスプレイ装置５００の説明をしたが、画像投影装置は、反射面１４を有した可動装置１３により光走査を行うことで画像を投影する装置であればよい。例えば、机等に置かれ、表示スクリーン上に画像を投影するプロジェクタや、観測者の頭部等に装着される装着部材に搭載され、装着部材が有する反射透過スクリーンに投影、または眼球をスクリーンとして画像を投影するヘッドマウントディスプレイ装置等にも、同様に適用することができる。

また、画像投影装置は、車両や装着部材だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。

［光書込装置］
次に、本実施形態の制御装置１１を適用した光走査装置としての光書込装置について図７および図８を用いて詳細に説明する。

図７は、光書込装置６００を組み込んだ画像形成装置の一例である。また、図８は、光書込装置の一例の概略図である。

図７に示すように、上記光書込装置６００は、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタ６５０等に代表される画像形成装置の構成部材として使用される。画像形成装置において光書込装置６００は、１本または複数本のレーザビームで被走査面１５である感光体ドラムを光走査することにより、感光体ドラムに光書込を行う。

図８に示すように、光書込装置６００において、レーザ素子などの光源装置１２からのレーザ光は、コリメータレンズなどの結像光学系６０１を経た後、反射面１４を有する可動装置１３により１軸方向または２軸方向に偏向される。そして、可動装置１３で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ６０２ａと第二レンズ６０２ｂ、反射ミラー部６０２ｃからなる走査光学系６０２を経て、被走査面１５（例えば感光体ドラムや感光紙）に照射し、光書込みを行う。走査光学系６０２は、被走査面１５にスポット状に光ビームを結像する。また、光源装置１２および反射面１４を有する可動装置１３は、制御装置１１の制御に基づき駆動する。

このように上記光書込装置６００は、レーザ光によるプリンタ機能を有する画像形成装置の構成部材として使用することができる。また、走査光学系を異ならせて１軸方向だけでなく２軸方向に光走査可能にすることで、レーザ光をサーマルメディアに偏向して光走査し、加熱することで印字するレーザラベル装置等の画像形成装置の構成部材として使用することができる。

上記光書込装置に適用される反射面１４を有した可動装置１３は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、光書込装置の省電力化に有利である。また、可動装置１３の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、光書込装置の静粛性の改善に有利である。光書込装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また可動装置１３の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である。

［物体認識装置］
次に、上記本実施形態の制御装置を適用した物体認識装置について、図９および図１０を用いて詳細に説明する。

図９は、物体認識装置の一例であるレーザレーダ装置を搭載した自動車の概略図である。また、図１０はレーザレーダ装置の一例の概略図である。レーザレーダ装置は、ライダ（ＬＩＤＡＲ：ＬＩｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）装置とも呼ばれる。

物体認識装置は、対象方向の物体を認識する装置であり、例えばレーザレーダ装置である。

図９に示すように、レーザレーダ装置７００は、例えば自動車７０１に搭載され、対象方向を光走査して、対象方向に存在する被対象物７０２からの反射光を受光することで、被対象物７０２を認識する。

図１０に示すように、光源装置１２から出射されたレーザ光は、発散光を略平行光とする光学系であるコリメートレンズ７０３と、平面ミラー７０４とから構成される入射光学系を経て、反射面１４を有する可動装置１３で１軸もしくは２軸方向に走査される。そして、投光光学系である投光レンズ７０５等を経て装置前方の被対象物７０２に照射される。光源装置１２および可動装置１３は、制御装置１１により駆動を制御される。被対象物７０２で反射された反射光は、光検出器７０９により光検出される。すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ７０６等を経て撮像素子７０７により受光され、撮像素子７０７は検出信号を信号処理装置７０８に出力する。信号処理回路７０８は、入力された検出信号に２値化やノイズ処理等の所定の処理を行い、結果を測距回路７１０に出力する。

測距回路７１０は、光源装置１２がレーザ光を発光したタイミングと、光検出器７０９でレーザ光を受光したタイミングとの時間差、または受光した撮像素子７０７の画素ごとの位相差によって、被対象物７０２の有無を認識し、さらに被対象物７０２との距離情報を算出する。

反射面１４を有する可動装置１３は多面鏡に比べて破損しづらく、小型であるため、耐久性の高い小型のレーダ装置を提供することができる。このようなレーダレーダ装置は、例えば車両、航空機、船舶、ロボット等に取り付けられ、所定範囲を光走査して障害物の有無や障害物までの距離を認識することができる。

上記物体認識装置では、一例としてのレーザレーダ装置７００の説明をしたが、物体認識装置は、反射面１４を有した可動装置１３を制御装置１１で制御することにより光走査を行い、光検出器により反射光を受光することで被対象物７０２を認識する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。

例えば、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、光走査により得た距離情報から形状等の物体情報を算出して認識し、３次元データとして出力する３次元スキャナの構成部材などにも同様に適用することができる。

［パッケージング］
次に、本実施形態の制御装置により制御される可動装置のパッケージングについて図１１を用いて説明する。

図１１は、パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。

図１１に示すように、可動装置１３は、パッケージ部材８０２の内側に配置される取付部材８０２に取り付けられ、パッケージ部材の一部を透過部材８０３で覆われて、密閉されることでパッケージングされる。さらに、パッケージ内は窒素等の不活性ガスが密封されている。これにより、可動装置１３の酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。

以上に説明した光偏向システム、光走査システム、画像投射装置、光書込装置、物体認識装置に使用される可動装置の詳細および本実施形態の詳細について、図１２〜図２３を用いて説明する。

［可動装置］
まず、可動装置について図１２〜図１４を用いて説明する。

図１２は、２軸方向に光偏向可能な片持ちタイプの可動装置の平面図である。図１３（ｃ）は、図１２のＰ−Ｐ’断面図である。図１４は図１２のＱ−Ｑ’断面図である。

図１２に示すように、可動装置１３は、入射した光を反射するミラー部１０１と、ミラー部に接続され、ミラー部１０１をＹ軸に平行な第１軸周りに駆動する第１駆動部１１０ａ、１１０ｂと、ミラー部１０１および第１駆動部１１０ａ、１１０ｂを支持する第１支持部１２０と、第１支持部１２０に接続され、ミラー部１０１、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂおよび第１支持部１２０をＸ軸に平行な第２軸周りに駆動する第２駆動部１３０ａ、１３０ｂと、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂを支持する第２支持部１５０と、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂおよび第２駆動部１３０ａ、１３０ｂおよび制御装置１１に電気的に接続される電極接続部１６０と、を有する。

可動装置１３は、例えば、１枚のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板をエッチング処理等により成形し、成形した基板上に反射面１４や第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂ、第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆ、１３２ａ〜１３２ｆ、電極接続部１６０等を形成することで、各構成部が一体的に形成されている。なお、上記の各構成部の形成は、ＳＯＩ基板の成形後に行ってもよいし、ＳＯＩ基板の成形中に行ってもよい。

ＳＯＩ基板は、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる第１のシリコン層の上に酸化シリコン層１７２が設けられ、その酸化シリコン層１７２の上にさらに単結晶シリコンからなる第２のシリコン層が設けられている基板である。以降、第１のシリコン層をシリコン支持層１７１、第２のシリコン層をシリコン活性層１７３とする。なお、シリコン活性層１７３を焼結して使用するのが好ましい。この場合、シリコン活性層１７３の表面に薄い酸化シリコン層が形成され、電極との短絡を抑制することができる。

シリコン活性層１７３は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に対してＺ軸方向への厚みが小さいため、シリコン活性層１７３のみで構成された部材は、弾性を有する弾性部としての機能を備える。

なお、ＳＯＩ基板は、必ず平面状である必要はなく、曲率等を有していてもよい。また、エッチング処理等により一体的に成形でき、部分的に弾性を持たせることができる基板であれば可動装置１３の形成に用いられる部材はＳＯＩ基板に限られない。

ミラー部１０１は、例えば、円形状のミラー部基体１０２と、ミラー部基体の＋Ｚ側の面上に形成された反射面１４とから構成される。ミラー部基体１０２は、例えば、シリコン活性層１７３から構成される。反射面１４は、例えば、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成される。

第１駆動部１１０ａ、１１０ｂは、ミラー部基体１０２に一端が接続し、第１軸方向にそれぞれ延びてミラー部１０１を可動可能に支持する２つのトーションバー１１１ａ、１１２ｂと、一端がトーションバーに接続され、他端が第１支持部１２０の内周部に接続される第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂと、から構成される。

図１３（ｃ）に示されるように、トーションバー１１１ａ、１１１ｂはシリコン活性層１７３から構成される。また、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂは、カンチレバーとして機能する弾性部であるシリコン活性層１７３の＋Ｚ側の面上に下部電極２１０、圧電部２２０、上部電極２３０の順に形成されて構成される。上部電極２３０および下部電極２１０は、例えば金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、ＩｒＯ_２（二酸化イリジウム）、ＳＲ０（ＳｒＲｕＯ_３：ストロンチウムルテニウムオキサイド）等から構成される。圧電部２２０は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。

図１２に戻り、第１支持部１２０は、例えば、シリコン支持層１７１、酸化シリコン層１７２、シリコン活性層１７３から構成され、ミラー部１０１を囲うように形成された矩形形状の支持体である。

第２駆動部１３０ａ、１３０ｂは、例えば、折り返すように連結された複数の第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆ、１３２ａ〜１３２ｆから構成されており、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂの一端は第１支持部１２０の外周部に接続され、他端は第２支持部１５０の内周部に接続されている。このとき、第２駆動部１３０ａと第１支持部１２０の接続箇所および第２駆動部１３０ｂと第１支持部１２０の接続箇所、さらに第２駆動部１３０ａと第２支持部１５０の接続箇所および第２駆動部１３０ｂと第２支持部１５０の接続箇所は、反射面１４の中心に対して点対称となっている。

図１４に示されるように、第２圧電駆動部１３０ａ、１３０ｂは、カンチレバーとして機能する弾性部であるシリコン活性層１７３の＋Ｚ側の面上に下部電極２１０、圧電部２２０、上部電極２３０の順に形成されて構成される。上部電極２３０および下部電極２１０は、例えば金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等から構成される。圧電部２２０は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。

図１２に戻り、第２支持部１５０は、例えば、シリコン支持層１７１、酸化シリコン層１７２、シリコン活性層１７３から構成され、ミラー部１０１、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ、第１支持部１２０、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂを囲うように形成された矩形の支持体である。

電極接続部１６０は、例えば、第２支持部１５０の＋Ｚ側の面上に形成され、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂ、第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆ、１３２ａ〜１３２ｆの各上部電極２３０および各下部電極２１０，および制御装置１１にアルミニウム（Ａｌ）等の電極配線を介して電気的に接続されている。なお、上部電極２３０または下部電極２１０は、それぞれが電極接続部と直接接続されていてもよいし、電極同士を接続する等により間接的に接続されていてもよい。

なお、本実施形態では、圧電部２２０が弾性部であるシリコン活性層１７３の一面（＋Ｚ側の面）のみに形成された場合を一例として説明したが、弾性部の他の面（例えば−Ｚ側の面）に設けても良いし、弾性部の一面および他面の双方に設けても良い。

また、ミラー部を第１軸周りまたは第２軸周りに駆動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されない。例えば、トーションバー１１１ａ、１１１ｂや第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが曲率を有した形状を有していてもよい。

さらに、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂの上部電極２３０の＋Ｚ側の面上、第１支持部の＋Ｚ側の面上、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂの上部電極２３０の＋Ｚ側の面上、第２支持部の＋Ｚ側の面上の少なくともいずれかに酸化シリコン膜からなる絶縁層が形成されていてもよい。このとき、絶縁層の上に電極配線を設け、また、上部電極２３０または下部電極２１０と電極配線とが接続される接続スポットのみ、開口部として部分的に絶縁層を除去または絶縁層を形成しないことにより、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂおよび電極配線の設計自由度をあげ、さらに電極同士の接触による短絡を抑制することができる。また、酸化シリコン膜は、反射防止材としていの機能も備える。

［制御装置の制御の詳細］
次に、可動装置の第１駆動部および第２駆動部を駆動させる制御装置の制御の詳細について説明する。

第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂが有する圧電部２２０は、分極方向に正または負の電圧が印加されると印加電圧の電位に比例した変形（例えば、伸縮）が生じ、いわゆる逆圧電効果を発揮する。第１駆動部１１０ａ，１１０ｂ，第２駆動部１３０ａ、１３０ｂは、上記の逆圧電効果を利用してミラー部１０１を可動させる。

このとき、ミラー部１０１の反射面１４に入射した光束が偏向される角度（偏向角度）を振れ角と呼ぶ。この振れ角は、圧電部に電圧が印加されていないときをゼロとし、その角度よりも偏向角度が大きい場合を正の振れ角、小さい場合を負の振れ角とする。

まず、第１駆動部を駆動させる制御装置の制御について説明する。
第１駆動部１１０ａ、１１０ｂでは、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが有する圧電部２２０に、上部電極２３０および下部電極２１０を介して駆動電圧が並列に印加されると、それぞれの圧電部２２０が変形する。この圧電部２２０の変形による作用により、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが屈曲変形する。その結果、２つのトーションバー１１１ａ、１１１ｂのねじれを介してミラー部１０１に第１軸周りの駆動力が作用し、ミラー部１０１が第１軸周りに可動する。第１駆動部１１０ａ、１１０ｂに印加される駆動電圧は、制御装置１１によって制御される。

そこで、制御装置１１によって、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂが有する第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂに所定の正弦波形の駆動電圧を並行して印加することで、ミラー部１０１を、第１軸周りに所定の正弦波形の駆動電圧の周期で可動させることができる。

特に、例えば、正弦波形電圧の周波数がトーションバー１１１ａ、１１１ｂの共振周波数と同程度である約２０ｋＨｚに設定された場合、トーションバー１１１ａ、１１１ｂのねじれによる機械的共振が生じるのを利用して、ミラー部１０１を約２０ｋＨｚで共振振動させることができる。

［可動装置の詳細］
図１３（ａ）は、本実施形態の図１２のＰ−Ｐ´断面図である図１３（ｃ）に対応する比較例１の断面図である。図１３（ｂ）は、本実施形態の図１３（ｃ）に対応する比較例２の断面図である。ここでは、便宜上、比較例１、２において、本実施形態の可動装置１３と同一の構成及び機能を有する部材には、可動装置１３と同一の符号を付している。

図１３（ａ）に示される比較例１では、第１圧電駆動部１１２ｂにおいて下部電極２１０及び圧電部２２０が第１支持部１２０とトーションバー１１１ｂとの間のシリコン活性層１７３上に形成されている。同様に、比較例１では、第１圧電駆動部１１２ａにおいても下部電極２１０及び圧電部２２０が第１支持部１２０とトーションバー１１１ｂの間のシリコン活性層１７３上に形成されている。

図１３（ｂ）に示される比較例２では、第１圧電駆動部１１２ｂにおいて下部電極２１０、圧電部２２０及び上部電極２３０が、第１支持部１２０とトーションバー１１１ｂとの間のシリコン活性層１７３上及び第１支持部１２０のシリコン活性層１７３上に形成されている。すなわち、比較例２では、第１圧電駆動部１１２ｂの下部電極２１０、圧電部２２０及び上部電極２３０が第１支持部１２０上に突出している。同様に、比較例２では、第１圧電駆動部１１２ａの下部電極２１０、圧電部２２０及び上部電極２３０が第１支持部１２０上に突出している。

図１３（ｃ）に示される本実施形態では、第１圧電駆動部１１２ｂにおいて下部電極２１０及び圧電部２２０が、第１支持部１２０とトーションバー１１１ｂとの間のシリコン活性層１７３上及び第１支持部１２０のシリコン活性層１７３上に形成されている。すなわち、本実施形態では、第１圧電駆動部１１２ｂの下部電極２１０及び圧電部２２０が第１支持部１２０上に突出している。図１３（ｃ）において下部電極２１０の第１支持部１２０上の部分（以下では「下部電極突出部１」とも呼ぶ）に符号２１１を付し、圧電部２２０の第１支持部１２０上の部分（以下では「圧電部突出部１」とも呼ぶ）に符号２２１を付している。同様に、本実施形態では、第１圧電駆動部１１２ｂの下部電極２１０及び圧電部２２０が第１支持部１２０上に突出している。

ここで、比較例１、２、本実施形態のいずれにおいても、電極接続部１６０に一端が接続される配線の他端を下部電極２１０に接続するためのコンタクトホールや切り欠き部を第１圧電駆動部に形成する必要がある。

図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は、それぞれ比較例１、２、本実施形態の図１２におけるＳ領域（符号Ｓが付された破線で囲まれた領域）の上面図である。ここでは、便宜上、比較例１、２において、本実施形態の可動装置１３と同一の構成及び機能を有する部材には、可動装置１３と同一の符号を付している。

比較例１では、第１支持部１２０とトーションバーとの間のシリコン活性層１７３上の上部電極２３０及び圧電部２２０の一部を例えばエッチングにより除去して上記コンタクトホールや切り欠き部を形成することになる（図１６（ａ）参照）。しかし、この場合、第１圧電駆動部の駆動力が低下することが懸念される。

比較例２では、第１支持部１２０のシリコン活性層１７３上の上部電極２３０及び圧電部２２０の一部を例えばエッチングにより除去して上記コンタクトホールや切り欠き部を形成することができる（図１６（ｂ）参照）。しかし、この場合、上部電極２３０、圧電部２２０及び下部電極２１０から成る駆動源が第１支持部１２０上にあるため、上部電極２３０と下部電極２１０の間に電圧が印加されたときに圧電部２２０の駆動力が第１支持部１２０に作用し、不要な励起振動が発生することが懸念される。

本実施形態では、第１支持部１２０のシリコン活性層１７３上の圧電部２２０（圧電部突出部１）の一部を例えばエッチングにより除去して下部電極突出部１上に上記コンタクトホールや切り欠き部を形成することができる（図１６（ｃ）参照）。この場合、比較例１のような駆動力の低下や、比較例２のような不要な励起振動の発生を、抑制することができる。なお、図１６（ｃ）では、下部電極突出部１や圧電部突出部１の形状は、矩形とされているが、矩形以外の多角形等の他の形状であっても良い。

図１５（ｃ）は本実施形態の図１２のＲ−Ｒ´断面図である。図１５（ａ）は比較例１の図１５（ｃ）に対応する断面図であり、図１５（ｂ）は比較例２の図１５（ｃ）に対応する断面図である。ここでは、便宜上、比較例１、２において、本実施形態の可動装置１３と同一の構成及び機能を有する部材には、可動装置１３と同一の符号を付している。

図１５に示されるように、各第２圧電駆動部は、カンチレバーとして機能する弾性部であるシリコン活性層１７３の＋Ｚ側の面上に下部電極２１０、圧電部２２０、上部電極２３０の順に形成されて構成される。第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆ、１３２ａ〜１３２ｆを折り返し状に接続する連結部１４１ａｂ〜１４１ｅｆ、１４２ａｂ〜１４２ｅｆは例えば、シリコン活性層１７３で形成される。なお、シリコン支持層、酸化シリコン層により構成されていてもよい。

図１５（ａ）に示される比較例１では、第２圧電駆動部１３１ｃにおいて下部電極２１０及び圧電部２２０が対応する２つの連結部１４１ｂｃ、１４１ｃｄ間のシリコン活性層１７３上に形成されている。同様に、比較例１では、他の第２圧電駆動部においても下部電極２１０及び圧電部２２０が対応する２つの連結部間のシリコン活性層１７３上に形成されている。

図１５（ｂ）に示される比較例２では、第２圧電駆動部１３１ｃにおいて下部電極２１０、圧電部２２０及び上部電極２３０が対応する２つの連結部１４１ｂｃ、１４１ｃｄ間のシリコン活性層１７３上及び連結部１４１ｂｃのシリコン活性層１７３上及び連結部１４１ｃｄのシリコン活性層１７３上に形成されている。すなわち、比較例２では、第２圧電駆動部１３１ｃの下部電極２１０、圧電部２２０及び上部電極２３０が対応する２つの連結部１４１ｂｃ、１４１ｃｄ上に突出している。同様に、比較例２では、他の第２圧電駆動部の下部電極２１０、圧電部２２０及び上部電極２３０が対応する２つの連結部上に突出している。

図１５（ｃ）に示される本実施形態では、第２圧電駆動部１３１ｃにおいて下部電極２１０及び圧電部２２０が、対応する２つの連結部１４１ｂｃ、１４１ｃｄ間のシリコン活性層１７３上及び連結部１４１ｂｃのシリコン活性層１７３上及び連結部１４１ｃｄのシリコン活性層１７３上に形成されている。すなわち、本実施形態では、第２圧電駆動部１３１ｃの下部電極２１０及び圧電部２２０が対応する２つの連結部１４１ｂｃ、１４１ｃｄ上に突出している。図１５（ｃ）において下部電極２１０の連結部上の部分（「以下では下部電極突出部２」とも呼ぶ）に符号２１１を付し、圧電部２２０の連結部上の部分（「以下では圧電部突出部２」とも呼ぶ）に符号２２１を付している。同様に、比較例３では、他の第２圧電駆動部の下部電極２１０及び圧電部２２０が対応する２つの連結部上に突出している。

ここで、比較例１、２、本実施形態のいずれにおいても、電極接続部１６０に一端が接続される配線の他端を下部電極２１０に接続するためのコンタクトホールや切り欠き部を第２圧電駆動部に、形成する必要がある。

図１６（ａ）〜図１６（ｃ）は、それぞれ比較例１、２、本実施形態の図１２におけるＴ領域（符号Ｔが付された破線で囲まれた領域）の上面図である。ここでは、便宜上、比較例１、２において、本実施形態の可動装置１３と同一の構成及び機能を有する部材には、可動装置１３と同一の符号を付している。

比較例１では、２つの連結部間のシリコン活性層１７３上の上部電極２３０及び圧電部２２０の一部を除去して上記コンタクトホールや切り欠き部を形成することになる（図１７（ａ）参照）。しかし、この場合、第２圧電駆動部の駆動力が低下することが懸念される。

比較例２では、２つの連結部のシリコン活性層１７３上の上部電極２３０及び圧電部２２０の一部を除去して上記コンタクトホールや切り欠き部を形成することができる（図１７（ｂ）参照）。しかし、この場合、上部電極２３０、圧電部２２０及び下部電極２１０から成る駆動源が各連結部上にあるため、上部電極２３０と下部電極２１０の間に電圧が印加されたときに圧電部２２０の駆動力が該連結部に作用し、不要な励起振動が発生することが懸念される。

本実施形態では、２つの連結部のシリコン活性層１７３上の圧電部２２０（圧電部突出部２）の一部を除去して下部電極突出部２上に上記コンタクトホールや切り欠き部を形成することができる（図１７（ｃ）参照）。この場合、比較例１のような駆動力の低下や、比較例２のような不要な励起振動の発生を、抑制することができる。なお、図１７（ｃ）では、下部電極突出部２や圧電部突出部２の形状は、矩形とされているが、矩形以外の多角形等の他の形状であっても良い。なお、図１７において、上部電極２３０に接続される配線は省略されている。

なお、第１圧電駆動部の上部電極２３０の＋Ｚ側の面上、第１支持部の＋Ｚ側の面上、第２圧電駆動部の上部電極２３０の＋Ｚ側の面上、連結部の＋Ｚ側の面上、第３支持部の＋Ｚ側の面上の少なくとも１つに酸化シリコン膜からなる絶縁層が形成されていてもよい。このとき、絶縁層の上に電極配線を設け、また、上部電極２３０または下部電極２１０と電極配線とが接続される接続スポットのみ、開口部として部分的に絶縁層を除去または絶縁層を形成しないことにより、第１圧電駆動部、第２圧電駆動部および電極配線の設計自由度をあげ、さらに電極同士の接触による短絡を抑制することができる。絶縁層としての酸化シリコン膜は、反射防止材としての機能も備える。

なお、本実施形態では、圧電部２２０が弾性部であるシリコン活性層１７３の一面（＋Ｚ側の面）のみに形成された場合を一例として説明したが、弾性部の他の面（例えば−Ｚ側の面）に設けても良いし、弾性部の一面および他面の双方に設けても良い。

また、ミラー部を第１軸周りまたは第２軸周りに駆動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されない。例えば、トーションバー１１１ａ、１１１ｂや第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが曲率を有した形状を有していてもよい。

［可動装置の動作と作用・効果の詳細］
次に、可動装置１３の第１圧電駆動部および第２圧電駆動部の駆動方法、回動状態、作用・効果について説明する。

第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂが有する圧電部２２０は、分極方向に正または負の電圧が印加されると印加電圧の電位に比例した変形（例えば、伸縮）が生じ、いわゆる逆圧電効果を発揮する。第１駆動部１１０ａ，１１０ｂ、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂは、上記の逆圧電効果を利用することで圧電部２２０に連動して第１圧電駆動部、第２圧電駆動部のＺ方向層構造に含まれるシリコン活性層１７３が変形伸縮する。これによりミラー部１０１を可動させる。

第１圧電駆動部は反射ミラーが図１２におけるＹ軸周りに往復回転動作することを実現する。これを第１軸周りの回転とする。第１駆動部１１０ａ、１１０ｂでは、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが有する圧電部２２０に、上部電極２３０および下部電極２１０を介して駆動電圧が並列に印加されると、それぞれの圧電部２２０が変形する。この圧電部２２０の変形による作用により、第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが屈曲変形する。その結果、２つのトーションバー１１１ａ、１１１ｂのねじれを介してミラー部１０１に第１軸周りの駆動力が作用し、ミラー部１０１が第１軸周りに可動する。第１駆動部１１０ａ、１１０ｂに印加される駆動電圧は正弦波とされることが多く、このときミラー部１０１は共振動作により正弦波形の駆動電圧の周期で回動される。

特に、例えば、正弦波形電圧の周波数がトーションバー１１１ａ、１１１ｂの共振周波数と同程度である約２０ｋＨｚに設定された場合、トーションバー１１１ａ、１１１ｂのねじれによる機械的共振が生じるのを利用して、ミラー部１０１を約２０ｋＨｚで共振振動させることができる。

第１駆動部１１０ａ、１１０ｂが駆動され、ミラー部１０１が回動される際、第１支持部１２０は第１圧電駆動部の固定端の役割となる。第１支持部１２０は第２圧電駆動部と連続する層を有するため、第１圧電駆動部の駆動源が第１支持部１２０上に存在することは望ましくない。これは、第１支持部１２０のシリコン活性層１７３は第２圧電駆動部のシリコン活性層１７３と連続しているためである。２軸動作の際、第１圧電駆動部の振動は第２圧電駆動部の振動に対しての振動クロストークとなる。

図１８は、可動装置１３の第２駆動部１３０ｂの駆動を模式的に表した模式図である。破線で表されているのはミラー部１０１、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ、第１支持部１２０を含み第２軸周りに可動する系（以下では「第２軸周り可動系」とも呼ぶ）である。

図１８（ａ）に示すように、第２駆動部１３０ｂに駆動電圧が印加されていない状態では、第２駆動部１３０ｂによる振れ角はゼロである。

図１２の第２駆動部１３０ａが有する複数の第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆのうち、最もミラー部１０１に距離が近い第２圧電駆動部（１３１ａ）から数えて偶数番目の第２圧電駆動部、すなわち第２圧電駆動部１３１ｂ、１３１ｄ、１３１ｆを圧電駆動部群Ａとする。また、さらに第２駆動部１３０ｂが有する複数の第２圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｆのうち、最もミラー部１０１に距離が近い第２圧電駆動部（１３２ａ）から数えて奇数番目の第２圧電駆動部、すなわち第２圧電駆動部１３２ａ、１３２ｃ、１３２ｅを同様に圧電駆動部群Ａとする。圧電駆動部群Ａは、駆動電圧が並行に印加されると、図１８（ｂ）に示すように、圧電駆動部群Ａが同一方向に屈曲変形し、ミラー部１０１が−Ｚ方向に第２軸周りに可動する。

また、第２駆動部１３０ａが有する複数の第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆのうち、最もミラー部１０１に距離が近い第２圧電駆動部（１３１ａ）から数えて奇数番目の第２圧電駆動部、すなわち第２圧電駆動部１３１ａ、１３１ｃ、１３１ｅを圧電駆動部群Ｂとする。また、さらに第２駆動部１３０ｂが有する複数の第２圧電駆動部１３２ａ〜１３２ｆのうち、最もミラー部に距離が近い第２圧電駆動部（１３２ａ）から数えて偶数番目の第２圧電駆動部、すなわち、１３２ｂ、１３２ｄ、１３２ｆを同様に圧電駆動部群Ｂとする。圧電駆動部群Ｂは、駆動電圧が並行に印加されると、図１８（ｄ）に示すように、圧電駆動部群Ｂが同一方向に屈曲変形し、ミラー部１０１が＋Ｚ方向に第２軸周りに可動する。

図１８（ｂ）、図１８（ｄ）に示すように、第２駆動部１３０ａまたは第２駆動部１３０ｂでは、圧電駆動部群Ａが有する複数の圧電部２２０または圧電駆動部群Ｂが有する複数の圧電部２２０を同時に屈曲変形させることにより、屈曲変形による可動量を累積させ、ミラー部１０１によるＸ軸周りの振れ角を大きくすることができる。これを第２軸周りの回転とする。例えば、図１２に示すように、第２駆動部１３０ａ、１３０ｂが、第１支持部１２０の中心点に対して第１支持部１２０に点対称で接続されている。そのため、圧電駆動部群Ａに駆動電圧を印加すると、第２駆動部１３０ａでは第１支持部１２０と第２駆動部１３０ａの接続部に＋Ｚ方向に動かす駆動力が生じ、第２駆動部１３０ｂでは第１支持部１２０と第２駆動部１３０ｂの接続部に−Ｚ方向に動かす駆動力が生じ、可動量が累積されてミラー部１０１による第２軸周りの振れ角を大きくすることができる。

また、図１８（ｃ）に示すように、電圧印加による圧電駆動部群Ａによるミラー部１０１の可動量と電圧印加による圧電駆動群Ｂによるミラー部１０１の可動量が釣り合っている時は、振れ角はゼロとなる。

図１８（ｂ）〜図１８（ｄ）を連続的に繰り返すように第２圧電駆動部に駆動電圧を印加することにより、ミラー部１０１を第２軸周りに駆動させることができる。この場合、構造固有の共振周波数での動作に限定されない駆動が可能になる。

第２圧電駆動部に印加される駆動電圧としては、圧電駆動部群Ａに印加される駆動電圧（以下、駆動電圧Ａ）と圧電駆動部群Ｂに印加される駆動電圧（以下、駆動電圧Ｂ）がある。

図１９（ａ）は、可動装置１３の圧電駆動部群Ａに印加される駆動電圧Ａの波形の一例である。図１９（ｂ）は、可動装置１３の圧電駆動部群Ｂに印加される駆動電圧の波形Ｂの一例である。図１９（ｃ）は、駆動電圧Ａの波形と駆動電圧Ｂの波形を重ね合わせた図である。

図１９（ａ）に示すように、圧電駆動部群Ａに印加される駆動電圧Ａは、例えば、ノコギリ波状の波形の駆動電圧であり、周波数は、例えば６０ＨＺである。また、駆動電圧Ａの波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をＴｒＡ、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をＴｆＡとしたとき、例えば、ＴｒＡ：ＴｆＡ＝９：１となる比率があらかじめ設定されている。このとき、一周期に対するＴｒＡの比率を駆動電圧Ａのシンメトリという。

図１９（ｂ）に示すように、圧電駆動部群Ｂに印加される駆動電圧Ｂは、例えば、ノコギリ波状の波形の駆動電圧であり、周波数は、例えば６０ＨＺである。また、駆動電圧Ｂの波形は、電圧値が極小値から次の極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をＴｒＢ、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をＴｆＢとしたとき、例えば、ＴｆＢ：ＴｒＢ＝９：１となる比率があらかじめ設定されている。このとき、一周期に対するＴｆＢの比率を駆動電圧Ｂのシンメトリという。また、図１９（ｃ）に示すように、例えば、駆動電圧Ａの波形の周期ＴＡと駆動電圧Ｂの波形の周期ＴＢは、同一となるように設定されている。

なお、上記の駆動電圧Ａおよび駆動電圧Ｂのノコギリ波状の波形は、正弦波の重ね合わせによって生成される。また、本実施形態では、駆動電圧Ａ、Ｂとしてノコギリ波状の波形の駆動電圧を用いているが、これに限らず、ノコギリ波状の波形の頂点を丸くした波形の駆動電圧や、ノコギリ波状の波形の直線領域を曲線とした波形の駆動電圧など、可動装置のデバイス特性に応じて波形を変えることも可能である。

前述のとおり、第２駆動部は複数のカンチレバーを同時に屈曲変形させることにより、屈曲変形による可動量を累積させ、さらに圧電駆動部群Ａと圧電駆動部群Ｂに入力する駆動信号波形を制御することで所望の振れ角が得られる非共振駆動が可能である。

しかし、第２駆動部も構造それ自体が有する固有の共振周波数を有している。特に、例えば、Ｙ軸を回転軸として第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆ、１３２ａ〜１３２ｆの各カンチレバーがねじれる振動モードである。図２０に示されるように、第２圧電駆動部を構成するシリコン活性層の各カンチレバーがＹ軸を中心にねじれる挙動である。この動きは、第２圧電駆動部の支持端としての役割を果たす連結部１４１ａｂ〜１４１ｅｆ、１４２ａｂ〜１４２ｅｆが＋Ｚ方向に振動することで強まる。

第２駆動部のねじれ振動モードは、Ｙ軸周りの回動、つまり第１駆動部による第１軸周りの回動に重畳し、これが２軸動作の振動クロストークとなる。

図２１に示すように、第１駆動部と第２駆動部を同時に動作させることで、ミラー部１０１が反射した光は２次元の走査軌跡を描き、図１で示されるような光走査装置を実現することが可能になる。より高性能な光偏向器としての可動装置を設計するにあたり、ミラー部１０１による振れ角はより電圧に対して高い感度を有し、大振れ角が可能であることが望ましい。一方で、前述の２軸動作時におけるクロストークに関する問題はミラー部による振れ角を大きくするほど顕著になる。結果として、意図しない走査線揺らぎによる画質低下、照射光の光軸ずれ、環境振動に対する脆弱性等の悪影響を招く。高品質、高信頼性の光偏向器、光走査装置、画像投影装置、光書込装置、画像形成装置、物体認識装置を実現するには、第１駆動部ならびに第２駆動部において意図する動き以外の振動成分を低減することが望ましい。

第１圧電駆動部や第２圧電駆動部において、圧電部は上部電極と下部電極で挟まれ、これが駆動源となる。そして駆動源に電気配線を接続することで圧電アクチュエータとしての機能を実現する。このとき、圧電部２２０、上部電極２３０、下部電極２１０で構成される駆動源は大面積であることが望ましい一方で、本来駆動部の支持枠にあたる部材において駆動源が存在することは、第１駆動部ならびに第２駆動部における意図しない振動の誘起とそれにともなう振動クロストークを発生させうる。

図２２に第１駆動部によるミラー部１０１の回転に対応した共振感度のピークと、第２駆動部におけるねじれ振動によるクロストークピークの模式図を示す。ｆｍが第１駆動部を駆動させた際のミラー部１０１による振れ角を縦軸として観測した共振周波数、ｆｄは第２駆動部を駆動させた際のねじれ振動による振動クロストークを、ミラー部１０１による振れ角を縦軸として観測した共振周波数である。

図２２に示すような振動モードと周波数が存在するとき、従来例の光偏向器と、本実施形態の光偏向器としての可動装置１３の共振ピークを比較したのが図２３である。図２３は図２２と同様、ミラー部による振れ角の共振周波数特性を示している。実線が本実施形態の一実施例における共振振れ角の周波数依存性、破線が従来例における共振振れ角の周波数依存性である。本実施形態の一実施例においては、ｆｄのピーク値が低減し、光偏向器の２軸動作時に発生する振動クロストークを低減することができた。

図２３に示されるような結果が得られることで、光偏向器は互いに独立した二次元方向の回動動作を確保でき、また駆動部の圧電カンチレバー領域を最大限活用することができる。

以上説明した本実施形態の圧電アクチュエータ（第１圧電駆動部や第２圧電駆動部）は、第１及び第２の部材に一端及び他端がそれぞれ接続されたカンチレバー（梁）と、少なくともカンチレバー上に設けられた下部電極２１０（第１の電極）と、下部電極２１０上に設けられた圧電部２２０（圧電体）と、該圧電部２２０上に設けられた上部電極２３０（第２の電極）と、を備え、下部電極２１０は、第１及び第２の部材の少なくとも一方上に突出している。第１及び第２の部材としては、例えばトーションバー１１１ａ、１１１ｂ、第１支持部１２０、連結部、第２支持部１５０が挙げられる。

この場合、下部電極２１０、圧電部２２０及び上部電極２３０から成る駆動源を第１及び第２の部材上に設けることなく、第１及び第２の部材の少なくとも一方上に突出した下部電極２１０に配線を接続することができる。

これにより、不要な励起振動の発生を抑制でき、かつ所望の駆動力を得ることができる。

結果として、本実施形態の圧電アクチュエータによれば、所望の動力性能（駆動性能）を安定して得ることができる。

また、圧電部２２０は、第１及び第２の部材の少なくとも一方上に突出しており、第２の電極は、第１及び第２の部材の少なくとも一方上に突出していない。

また、下部電極２１０の突出部（下部電極突出部）には、圧電部２２０の突出部（圧電部突出部）が設けられていない領域があり、該領域に配線が接続されることが好ましい。

また、上部電極２３０と下部電極２１０と圧電部２２０は、非相似の形状である。

また、圧電部２２０のカンチレバー上に設けられている部分は、圧電部２２０の突出部（圧電部突出部）よりも大きい。

また、下部電極２１０のカンチレバー上に設けられている部分は、下部電極２１０の突出部（下部電極突出部）よりも大きい。

また、カンチレバーに、該カンチレバーの振動を検知するための振動センサが設けられることが好ましい。この振動センサは、本実施形態の圧電アクチュエータと同様の構成によって実現することができる。

本実施形態の圧電アクチュエータは、光偏向器や振動センサのみならず、圧電効果を利用する機器全般に適用可能である。

また、本実施形態の圧電アクチュエータと、該圧電アクチュエータのカンチレバーの一端に接続されたトーションバーと、カンチレバーの他端を支持する支持部１２０と、トーションバーに接続されたミラー部１０１と、を備える可動装置１３によれば、所望の振れ角が得られ、かつ動作信頼性の高い光偏向器を実現できる。

また、全体として蛇行構造（ミアンダ形状）を形成するように連結部を介してカンチレバー同士が接続された複数の本実施形態の圧電アクチュエータを含む駆動系と、該駆動系の一端に接続される、ミラー部１０１を含む第２軸周り可動系（可動系）と、駆動系の他端を支持する第２支持部１５０と、を備える可動装置１３によれば、所望の振れ角が得られ、かつ動作信頼性の高い光偏向器を実現できる。

また、可動系は、ミラー部１０１に接続されたトーションバーと、トーションバーにカンチレバーの一端が接続された本実施形態の圧電アクチュエータと、カンチレバーの他端を支持する支持部１２０と、を更に含むことが好ましい。この場合、所望の振れ角が得られ、かつ動作信頼性の高い２軸光偏向器を実現できる。

また、本実施形態の光走査装置（例えば光書込装置６００）は、光により対象物を走査する光走査装置であって、光源装置１２と、該光源装置１２からの光を偏向する光偏向素子としての可動装置１３と、を備えている。
この場合、光により対象物を安定して精度良く走査することができる。

また、本実施形態の画像形成装置としてのレーザプリンタ６５０は、感光体ドラム（像担持体）と、該感光体ドラムの表面である被走査面１５を光により走査する光書込装置６００と、を備えている。
この場合、被走査面１５に形成される画像の品質を向上できる。

なお、上記光書込装置６００は、感光体ドラムを複数備えるカラープリンタやカラー複写機等の画像形成装置にも適用可能である。このようなカラー対応の画像形成装置には、例えば複数の感光体ドラムに対応して複数の可動装置１３を設けても良い。

また、本実施形態の画像投影装置としてのヘッドアップディスプレイ装置５００は、光源装置１２及び可動装置１３を含む光走査装置からの光が照射され画像が形成される中間スクリーン５１０と、該中間スクリーン５１０を介した画像を形成する光を投射する投射ミラー５１１（光学系）と、を備えている。
この場合、投影画像の品質を向上できる。

また、本実施形態の物体認識装置（レーザレーダ装置）は、光源装置１２及び可動装置１３を有する光走査装置を含む投光系と、該投光系から投光され被対象物７０２（物体）で反射もしくは散乱された光を受光する受光系と、を備えている。
この場合、被対象物７０２を安定して精度良く認識できる。

また、本実施形態の画像投影装置及び物体認識装置の少なくとも一方と、該少なくとも一方が搭載される移動体と、を備える移動体装置を実現することもできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、上述した実施形態は本発明の一適用例を示したものである。本発明は、上述した実施形態そのままに限定されるものではなく、実施段階ではその要旨を逸脱しない範囲で様々な変形や変更を加えて具体化することができる。

例えば、光源装置１２及び可動装置１３を含む光走査装置からの光を熱可逆記録媒体（例えばリライタブルラベル）に照射することにより該熱可逆記録媒体を光走査して画像の記録及び消去の少なくとも一方を行っても良い。

このような画像の記録や消去を行う装置は、熱可逆記録媒体を対象物とする画像書換装置や画像記録装置や画像消去装置として用いることができる。
この場合、熱可逆記録媒体に対して安定して精度良く画像の記録や消去を行うことができる。

また、光源装置１２及び可動装置１３を含む光走査装置からの光を眼底に照射することにより該眼底を光走査し、該眼底で反射もしくは散乱された光を解析手段で解析しても良い。

このように眼底に光（例えば弱い赤外線）を照射し戻ってきた光を解析することで、網膜の断層を描き出すことができる。このような装置は「光干渉断層計」と呼ばれ、加齢黄斑変性症や黄斑浮腫、黄斑円孔の診断や、緑内障における視神経繊維の状態を調べる際に用いられる。

また、上記実施形態では、可動装置１３は図１２に示されるように、トーションバー１１１ａ、１１１ｂから＋Ｘ方向に向かって第１圧電駆動部１１２ａ、１１２ｂが延びる片持ちタイプの可動装置を用いているが、電圧印加された圧電部を可動させる構成であれば、これに限られない。例えば、図２４に示される例のように、圧電アクチュエータとしての駆動部２４０の梁の一端部が固定端としての支持部２５０に接続される可動装置を用いても良い。また、図２５に示すように、トーションバー２１１ａ、２１１ｂから＋Ｘ方向に向かって延びる駆動部２４１ａ、２４１ｂおよび−Ｘ方向に向かって延びる駆動部２４１ｃ、２４１ｄを有する両持ちタイプの可動装置を用いてもよい。また、１軸周りのみに反射面を可動させる場合は、図２６に示すように、可動部２６０に反射面１４を設ける構成としてもよい。また、図２７に示すように、ミラー部１０１、第１駆動部１１０ａ、１１０ｂ、支持部１２０によって１軸周りのみに反射面１４を可動させる可動装置を用いても良い。

また、ミラー部１０１は、ミラー部基体１０２の−Ｚ側の面にミラー部補強用のリブが形成されていてもよい。リブは、例えば、シリコン支持層１７１および酸化シリコン層１７２から構成され、可動によって生じる反射面１４の歪みを抑制することができる。

なお、上記実施形態では、不要な励起振動を抑制するために第１支持部１２０上や連結部上に圧電体と該圧電体を挟む２つの電極を含む駆動源が設けられることを回避したが、このような駆動源がトーションバー上に設けられる場合も不要な励起振動が発生することが懸念される。

しかし、トーションバー上に下部電極２１０及び圧電部２２０の少なくとも一方のみが突出していても、トーションバー上に駆動源が構成されないため、差し支えない。

また、上記実施形態では、第１圧電駆動部において、下部電極２１０及び圧電部２２０が支持部１２０上にのみ突出しているが、これに加えて、例えば図２８（ａ）に示されるように下部電極２１０及び圧電部２２０がトーションバー上にも突出していても良いし、例えば図２８（ｂ）に示されるように、下部電極２１０のみがトーションバー上に突出していても良い。

また、上記実施形態では、第１圧電駆動部において、下部電極２１０及び圧電部２２０が支持部１２０上にのみ突出しているが、これに代えて、例えば図２９（ａ）に示されるように下部電極２１０のみが支持部１２０上にのみ突出していても良いし、例えば図２９（ｂ）に示されるように下部電極２１０のみが支持部１２０及びトーションバー上に突出していても良い。

また、上記実施形態では、第１圧電駆動部において、下部電極２１０及び圧電部２２０が支持部１２０上にのみ突出しているが、これに代えて、例えば図３０に示されるように下部電極２１０のみが支持部１２０上に突出し、かつ下部電極２１０及び圧電部２２０がトーションバー上に突出していても良い。

また、上記実施形態では、第２圧電駆動部において、下部電極２１０及び圧電部２２０が両側の２つの連結部上に突出しているが、これに代えて、例えば図３１（ａ）に示されるように下部電極２１０のみが両側の連結部上に突出していても良いし、例えば図３１（ｂ）に示されるように下部電極２１０のみが片側の連結部上にのみ突出していても良い。

また、上記実施形態では、第２圧電駆動部において、下部電極２１０及び圧電部２２０が両側の２つの連結部上に突出しているが、これに代えて、例えば図３２（ａ）に示されるように下部電極２１０及び圧電部２２０が片側の連結部上にのみ突出していても良いし、例えば図３２（ｂ）に示されるように下部電極２１０が両側の連結部上に突出し、かつ圧電部２２０が片側の連結部上にのみ突出していても良い。

さらに、図３３に示されるように、第１圧電駆動部の下部電極及び圧電部が第１支持部上に突出するように設けても良い。この際、図３３のように、第２軸に関して線対称となるように下部電極及び圧電部を第１支持部上に突出させることが好ましい。この場合、歪みが生じる位置について第２軸からの距離に差がないのでつり合いが保たれ、ミラー部の回転軸としての第１軸に対して垂直な第２軸の周りの回転成分による励振がミラー部に発生するのを抑制できる。なお、図３３において、下部電極のみを第１の支持部上に突出させても良い。

一方、図３４に示される比較例のように、第２軸に関して非対称となるように下部電極及び圧電部を第１支持部上に突出させると、歪みが生じる位置について第２軸からの距離に差があるのでつり合いがくずれ、第２軸の周りの回転成分による励振がミラー部に発生し易くなる。

以上に、発明者らが、上記実施形態を発案するに至った思考プロセスを説明する。

近年、半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術によって製造される小型の光偏向ミラーが開発されている。この光偏向ミラーは、シリコンやガラスを微細加工して製造されるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスとして、基板上に反射面を設けた可動部や弾性梁状部を一体形成してなり、光ビームを偏向・走査する。

このような光偏向ミラーには、ミラーの駆動用の梁状弾性部材に薄膜化した圧電材料を重ね合わせた圧電アクチュエータ式のものがある。この構成においては、圧電効果による圧電材料の伸縮が梁となる支持体に伝わり、この梁が上下に振動することによって反射面が回動する。

光偏向ミラーを互いに直交する第１軸（水平方向）と第２軸（垂直方向）との２軸を中心として回動させることにより２次元光走査が可能となり、水平方向の光走査は機械的な共振周波数を使用する共振駆動を用い、垂直方向の光走査に関しては、非共振駆動を用いることが通例となっている。

このとき、非共振駆動を実現する振動梁は、通例として、複数の折り返し部と、複数の連結部とを有し、連続した複数の折り返し形状から実質的に成るミアンダ形状とされることが多い。

このようなミアンダ形状の連結部の屈曲変位を重畳させる際、振動梁に掛かる大きな応力が原因となり、圧電膜上部全面にある電極がストレスマイグレーションを起こし、断線するという課題があった。特に、連結部の上下振動等によって折り返し部の内周の中点近傍にねじれ応力が掛かり、連結部の曲がり変形等によって曲率変化点近傍に曲げ応力が掛かる。そのため、折り返し部の内周の中点近傍または曲率変化点近傍に設けられた圧電膜または電極には特に大きな応力が掛かるという問題があった。

そこで、特許文献１（ＷＯ２０１２−１１１３３２号公報）では、ミアンダ構造における、複数の折り返し部のそれぞれの内周の中点とその近傍または複数の折り返し形状のそれぞれの内周の曲率が変化する曲率変化点とその近傍の少なくとも一方に圧電膜が存在しない不存在領域が設けることで上記課題を解消することができるとしている。

しかしながら、特許文献１に開示されたような従来の光偏向器は、曲率変化点近傍に圧電膜が存在しない領域を設けることで、電極デザインの自由度低下に伴う形状の複雑化が発生する。

結果として、特許文献１では、光偏向器の設計自由度の低下、電極デザインの複雑化にともなう意図しない走査線揺らぎによる画質低下、照射光の光軸ずれ、環境振動に対する脆弱性等の悪影響を招くという課題があった。

そこで、発明者らは、このような課題を解決するために、電極形状を簡略化しつつ、可動装置の動作中に励起され得る不要な励起振動を低減でき、ミラー部の回動動作の安定性を向上させることができる可動装置（光偏向器）を実現すべく、上記実施形態を発案した。

１２…光源装置、１３…可動装置（光偏向器）、１０１…ミラー部、１１１ａ、１１１ｂ…トーションバー、１１２ａ、１１２ｂ…第１圧電駆動部（圧電アクチュエータ）、１２０…第１支持部（支持部）、１３１ａ〜１３１ｆ、１３２ａ〜１３２ｆ…第２圧電駆動部（圧電アクチュエータ）、１４１ａｂ〜１４１ｅｆ、１４２ａｂ〜１４２ｅｆ…連結部、１５０…第２支持部（別の支持部）、２１０…下部電極（第１の電極）、２１１…下部電極突出部（第１の電極の突出部）、２２０…圧電部（圧電体）、２２１…圧電部突出部（圧電体の突出部）、２３０…上部電極（第２の電極）、５００…ヘッドアップディスプレイ装置（画像投射装置）、６００…光書込装置、６５０…レーザプリンタ（画像形成装置）、７００…レーザレーダ装置（物体認識装置）。

ＷＯ２０１２−１１１３３２号公報

Claims (11)

1. 部材に端部が接続された梁と、
   少なくとも前記梁上に設けられた第１の電極と、
   前記第１の電極上に設けられた圧電体と、
   前記圧電体上に設けられた第２の電極と、を備え、
   前記第１の電極は、前記部材上に突出していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記圧電体は、前記部材上に突出しており、
   前記第２の電極は、前記部材上に突出していないことを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記第１の電極の前記部材上に突出する突出部には、前記圧電体の前記部材上に突出する突出部が設けられていない領域があり、
   前記領域に配線が接続されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記第１の電極と前記圧電体は、非相似の形状であることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記圧電体の前記梁上に設けられている部分は、前記圧電体の突出部よりも大きいことを特徴とする請求項２〜４のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記第１の電極の前記梁上に設けられている部分は、前記第１の電極の突出部よりも大きいことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
7. 請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、
   前記圧電アクチュエータの梁の一端部に接続されたトーションバーと、
   前記梁の他端部に接続された支持部と、
   前記トーションバーに接続されたミラー部と、を備える光偏向器。
8. 前記ミラー部は、前記圧電アクチュエータの駆動により前記トーションバーの軸周りに回転運動を行い、
   前記圧電アクチュエータは、前記軸に直交し、かつ前記ミラー部の中心を通る軸に対して線対称となるように前記第１の電極が前記支持部上に突出していることを特徴とする請求項７に記載の光偏向器。
9. 全体として蛇行構造を形成するように連結部を介して前記梁同士が接続された複数の請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータを含む駆動系と、
   前記駆動系の一端に接続される、ミラー部を含む可動系と、
   前記駆動系の他端を支持する支持部と、を備える光偏向器。
10. 前記可動系は、
    前記ミラー部に接続されたトーションバーと、
    前記トーションバーに前記梁の一端部が接続された請求項１〜６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータと、
    前記梁の他端部に接続された別の支持部と、を更に含むことを特徴とする請求項９に記載の光偏向器。
11. 光源装置と、
    前記光源装置からの光を偏向する請求項７〜１０のいずれか一項に記載の光偏向器と、
    前記光偏向器を介した光が照射され画像が形成されるスクリーンと、
    前記スクリーンを介した光を投射する光学系と、を備える画像投影装置。
    

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