JP2021018294A - 微小電気機械システムミラー - Google Patents

Abstract

【課題】圧電アクチュエータに対して検出素子を併設する構造としても、ミラーの角度検知精度を良好にすることができるＭＥＭＳミラーを提供する。【解決手段】第１支持梁４０と第２支持梁５０との間にスリット８０を形成し、第１支持梁４０のＸ軸方向における変形に伴って第２支持梁５０もＸ軸方向において変形してしまうことが抑制されるようにする。これにより、検出素子５１で不要な信号成分が検知されないようにでき、ミラー１２の角度検知精度を良好にすることが可能となる。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電膜への通電に基づいて駆動される圧電駆動型の微小電気機械システム（以下、ＭＥＭＳという）ミラーに関するものである。

従来、特許文献１に、圧電駆動型のＭＥＭＳミラーとして、ミラーと可動枠とをミラーからＹ軸方向に伸びる接続部を介して接続すると共に、可動枠のＸ軸方向両側を蛇行状梁部にて連結した光偏向ミラーが開示されている。この光偏向ミラーは、蛇行状梁部のうちＹ軸方向に伸びる部分それぞれに、Ｙ軸方向に沿って圧電アクチュエータに相当する駆動用圧電部材と検出素子に相当する検出用圧電部材とを併設した構造とされている。このような構造において、駆動用圧電部材へ通電を行うことで蛇行状梁部を変形させ、Ｘ軸周りにミラーおよび可動枠を変位させ、駆動用圧電部材に併設された検出用圧電部材にて蛇行状梁部の変形量に応じた検出信号を出力させる。この検出信号に基づいて、光偏向ミラーは、蛇行状梁部の変形量を検出し、ミラーの角度制御が行われるようになっている。

特許第６３９８５９９号公報

しかしながら、駆動用圧電部材は、Ｘ軸周りにミラーおよび可動枠を変位させる際に、駆動用圧電部材の長手方向、つまりＹ軸方向に変形するだけでなく、その垂直方向、つまりＸ軸方向にも変形する。このため、駆動用圧電部材のＸ軸方向の変形がそれに併設された検出用圧電部材にも伝わり、本来はＹ軸方向の変形のみを検出したいのにもかかわらず、異なる方向の変形まで検出してしまう。これにより、不要な信号成分が検知され、Ｓ／Ｎ比が悪化し、ミラーの角度制御の際の角度検知精度の悪化を招いてしまう。

本発明は上記点に鑑みて、圧電アクチュエータに対して検出素子を併設する構造としても、ミラーの角度検知精度を良好にすることができるＭＥＭＳミラーを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載のＭＥＭＳミラーは、光ビームを反射する反射面を構成するミラー（１２）を有する反射部（１０）と、反射部に対する一方向の両側に備えられ、反射部を反射面の平面上における一方向に平行な軸周りに揺動可能とする第１支持梁（４０）、および、第１支持梁との間にスリット（８０）を形成しつつ、反射面の平面上における一方向と垂直な方向の両端において第１支持梁と接続されて一体化された第２支持梁（５０）と、第１支持梁および第２支持梁を介して、反射部を支持する支持部（６０）と、第１支持梁に備えられ、圧電作用によって第１支持梁を変形させる圧電アクチュエータ（４１）と、第２支持梁に備えられ、第１支持梁の変形に伴う第２支持梁の変形量に応じた検出信号を出力する検出素子（５１）と、を有している。

このように、第１支持梁と第２支持梁との間にスリットを形成し、ミラーを揺動させる方向に対して垂直な方向における第１支持梁の変形に伴って第２支持梁が変形してしまうことが抑制されるようにしている。これにより、検出素子で不要な信号成分が検知されないようにでき、ミラーの角度検知精度を良好にすることが可能となる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態にかかるＭＥＭＳミラーの正面図である。 図１のＭＥＭＳミラーのＸ軸線上での断面図である。 図１中の第１支持梁および第２支持梁の拡大図である。 第１支持梁および第２支持梁に加えられる応力の様子を示した図である。 図４Ａ中のIVB−IVB断面図である。 図４Ａ中のIVC−IVC断面図である。 第２実施形態で説明する検出素子のレイアウトを示した図である。 検出素子の回路図である。 ピエゾ抵抗係数の方位依存性を示した図である。 長方形状にレイアウトされたピエゾ抵抗に対して長手方向に電流を流す場合の様子を示した図である。 応力変化に対するピエゾ抵抗の抵抗変化率の関係を示した図である。 ミラーの傾斜角度に対する第１〜第４ピエゾ抵抗の抵抗変化率の変化を示した図である。 ホイートストーンブリッジ回路を構成した場合の第１、第４ピエゾ抵抗の抵抗変化率と第２、第３ピエゾ抵抗の抵抗変化率の差分を示した図である。 第２実施形態の変形例で説明する検出素子のレイアウトを示した図である。 第３実施形態で説明する第１支持梁および第２支持梁を裏面側から見たときの図である。 第２支持梁のＹ軸線上での断面図である。 第４実施形態にかかるＭＥＭＳミラーの正面図である。 第５実施形態にかかるＭＥＭＳミラーの正面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
第１実施形態にかかるＭＥＭＳミラーについて説明する。本実施形態のＭＥＭＳミラーは、例えばＭＥＭＳスキャナ装置、すなわちマイクロレーザをＭＥＭＳミラーで反射させて障害物の検知を行うレーザスキャナ装置などに適用される。以下、本実施形態にかかるＭＥＭＳミラーについて、図１〜図３および図４Ａ〜図４Ｃを参照して説明する。

図１および図２に示す本実施形態のＭＥＭＳミラー１００は、反射部１０と、第１、第２接続部２０、３０と、第１、第２支持梁４０、５０と、支持部６０などを有した構成とされている。ＭＥＭＳミラー１００は、図示しない制御部によって駆動され、反射部１０の角度が変位させられることで反射光の方向を変化させるようになっている。

なお、図１は断面図ではないが、図を見やすくするために、後述する圧電アクチュエータ４１、検出素子５１などについてはハッチングを施してある。

反射部１０、第１、第２接続部２０、３０、第１、第２支持梁４０、５０および支持部６０は、図２に示すように板状の基板７０を用いて形成されており、その上にミラー１２などを形成することでＭＥＭＳミラー１００が構成されている。例えば、基板７０としては、デバイス層７１、埋め込み酸化層（以下、ＢＯＸ（Buried Oxideの略）層という）７２、ハンドル層７３が順に積層された構造のＳＯＩ（Silicon on Insulatorの略）基板が用いられている。デバイス層７１は例えばＳｉ等で構成され、ＢＯＸ層７２はＳｉＯ_２等で構成され、ハンドル層７３はＳｉ等で構成される。そして、基板７０のうちのハンドル層７３およびＢＯＸ層７２が部分的に除去されて部分的に薄膜化され、さらにデバイス層７１がパターニングされることで反射部１０、第１、第２接続部２０、３０、第１、第２支持梁４０、５０および支持部６０が形作られている。

例えば、反射部１０、第１、第２接続部２０、３０、第１、第２支持梁４０、５０と対応する位置において、ハンドル層およびＢＯＸ層が部分的に除去されており、これらが薄膜化されている。そして、反射部１０が第１接続部２０を介して第１支持梁４０および第２支持梁５０に接続され、さらに第１支持梁４０および第２支持梁５０が第２接続部３０を介して支持部６０に接続された構造とされている。

反射部１０は、ＭＥＭＳミラー１００に照射された光ビームを反射させるものであり、基部１１と、ミラー１２とを備える。基部１１は、デバイス層７１を本実施形態では四角形状にパターニングすることにより形成された部分である。基部１１の上面に、ミラー１２が形成されている。ミラー１２は、例えば銀、金、アルミニウムなどで構成されており、表面を反射面として光ビームを反射する。

図１中に示したように、反射部１０が変位していない状態におけるミラー１２の反射面の平面における一方向をＸ方向、反射部１０の平面におけるＸ方向に垂直な方向をＹ方向とする。反射部１０は、反射部１０のうちの紙面下方位置の両側で第１接続部２０に接続されており、第１接続部２０を介して第１支持梁４０および第２支持梁５０に接続されている。

第１支持梁４０および第２支持梁５０は、反射部１０の両側においてＹ軸方向に沿って伸びている。具体的には、第１支持梁４０および第２支持梁５０は、第１接続部２０から紙面上方に向けて延設されている。第１支持梁４０は反射部１０から所定距離離れて配置され、第２支持梁５０は第１支持梁４０を挟んで反射部１０の反対側に備えられている。第１支持梁４０と第２支持梁５０とはＹ軸方向の両端において一体化されているが、これらの間にはスリット８０が形成されている。スリット８０は、Ｙ軸方向に沿って形成されており、後述する検出素子５１よりも長い寸法で第１支持梁４０と第２支持梁５０との間を仕切っている。

また、本実施形態では、図３に示すように、第１支持梁４０のＸ軸方向の寸法となる幅Ｗ１に対して第２支持梁５０のＸ軸方向の寸法となる幅Ｗ２の方が小さくなるようにしている。

なお、第１支持梁４０と第２支持梁５０とは、スリット８０よりもＹ軸方向の両端側において連結されて一体化されている。

また、第１支持梁４０と第２支持梁５０とは、Ｙ軸方向における第１接続部２０と反対側の端部において第２接続部３０に接続され、第２接続部３０を介して支持部６０に接続されている。具体的には、第２接続部３０は、第２支持梁５０に接続されており、第１支持梁４０は第２支持梁５０を介して第２接続部３０に接続されている。

さらに、第１支持梁４０には、圧電アクチュエータ４１が形成されている。圧電アクチュエータ４１は、Ｙ軸方向を長手方向とする長方形状とされている。第１支持梁４０のうち圧電アクチュエータ４１が形成された部分が駆動部となって、圧電アクチュエータ４１への通電が行われた際に、圧電アクチュエータ４１の圧電作用に基づいて駆動部が変形させられるようになっている。本実施形態の場合、圧電アクチュエータ４１は、Ｙ軸方向において、第１支持梁４０および第２支持梁５０が第１接続部２０と接続されている部位から第２接続部３０と接続されている部位まで形成されている。

なお、圧電アクチュエータ４１については従来と同様の構造であるため、詳細構造については省略するが、例えば圧電膜を上部電極と下部電極とで挟んだ構造とされ、両電極間に電圧を印加することで圧電膜による圧電作用に基づいて変形するという動作を行う。両電極に対して通電を行うための配線については図示していないが、第１支持梁４０や第２支持梁５０のうち紙面上方の位置から第２接続部３０を通じて支持部６０に至るように引き出されている。そして、支持部６０に形成された図示しないパッドやボンディングワイヤなどを通じて、図示しない制御部から両電極への通電が行えるようになっている。

一方、第２支持梁５０には、検出素子５１が備えられている。検出素子５１は、例えばピエゾ素子によって構成されており、第２支持梁５０の変形量に応じた検出信号を出力する。圧電アクチュエータ４１によって第１支持梁４０が変形させられた場合、第１支持梁４０の変形量に応じて第２支持梁５０が変形して検出素子５１に圧縮応力が加えられ、その圧縮応力に応じた検出信号が検出素子５１から出力される。例えば、検出素子５１をピエゾ素子によって構成する場合、第２支持梁５０の変形量に応じてピエゾ素子の抵抗値が変化する。このため、検出素子５１に対して所定電圧を印加したときの電圧値、もしくは検出素子５１に対して所定電流を供給したときの電流値を検出信号として用いることができる。この検出信号に基づいて、第２支持梁５０の変形量が検出される。第２支持梁５０は、圧電アクチュエータ４１の圧電作用に基づく第１支持梁４０の変形と同位相で変形させられるようになっており、その同位相の変形による歪みが検出素子５１に印加されるようになっている。このため、第２支持梁５０の変形量は第１支持梁４０の変形量に相当する。また、第１支持梁４０の変形量に基づいてミラー１２の反射面の傾斜角度が決まるため、図示しない制御部に検出素子５１の検出信号が入力されると、制御部にて、この検出信号に基づいてミラー１２の反射面の傾斜角度が検出されるようになっている。

本実施形態の場合、検出素子５１を第２支持梁５０の中央位置に形成しており、検出素子５１から第２支持梁５０のうちの中央部での変形量に応じた検出信号が出力されるようにしているが、検出素子５１の形成位置については任意である。また、検出素子５１への通電を行うための配線については図示していないが、第２支持梁５０のうち紙面上方の位置から第２接続部３０を通じて支持部６０に至るように引き出されている。そして、支持部６０に形成された図示しないパッドやボンディングワイヤなどを通じて、図示しない制御部から検出素子５１への通電が行えるようになっている。

本実施形態では支持部６０は、長方形枠体形状とされた固定枠である。この支持部６０にはＢＯＸ層７２およびハンドル層７３が残されていて高い剛性を有した構造とされており、この支持部６０にて支持されて、反射部１０、第１、第２接続部２０、３０、第１、第２支持梁４０、５０が変位させられるようになっている。

以上のように構成されたＭＥＭＳミラー１００では、図示しない制御部から圧電アクチュエータ４１に対して通電を行って第１支持梁４０を振動させる。これにより、反射部１０をＸ軸周りに揺動させることができ、反射部１０の角度が変位させられる。したがって、ミラー１２に向けて照射される光の反射角度を反射部１０の揺動に応じて変化させられる。このとき、第１支持梁４０の変形によって、第１支持梁４０と一体とされている第２支持梁５０も変形させられる。このため、第２支持梁５０に備えられた検出素子５１の検出信号が変化することから、制御部において検出素子５１の検出信号に基づいて第２支持梁５０の変形量、換言すればミラー１２の反射面の傾斜角度が検出される。これに基づいて、制御部が圧電アクチュエータ４１への通電量をフィードバック制御することでミラー１２の角度制御を行うことが可能となる。

このような動作を行うに際し、第１支持梁４０と第２支持梁５０との間にスリット８０を形成しているため、第２支持梁５０に備えられた検出素子５１によって精度良くミラー１２の反射面の傾斜角度を検出できる。この理由について説明する。

図４Ａおよび図４Ｂに矢印で示すように、圧電アクチュエータ４１が圧電作用によってＹ軸方向において圧縮させられると、この方向において第１支持梁４０が変形させられ、それに伴って、第２支持梁５０も同方向に変形させられることになる。また、図４Ｃに矢印で示すように、検出素子５１が圧電作用によってＸ軸方向にも圧縮させられ、第１支持梁４０についてはＸ軸方向にも変形させられる。しかしながら、第１支持梁４０と第２支持梁５０との間にスリット８０が形成されていることから、第１支持梁４０がＸ軸方向において変形させられても、第２支持梁５０についてはその変形の影響を受けず、Ｘ軸方向での変形が殆ど生じない。

このため、検出素子５１の検出信号には、第２支持梁５０のＹ軸方向での変形に応じた変化が現れ、Ｘ軸方向の変化に起因する変化は現れない。よって、不要な信号成分が検知されないようにでき、Ｓ／Ｎ比の悪化を抑制できて、ミラー１２の角度検知精度を向上することが可能となる。

また、本実施形態では、第１支持梁４０のＸ軸方向の寸法となる幅Ｗ１に対して第２支持梁５０のＸ軸方向の寸法となる幅Ｗ２の方が小さくなるようにしている。

幅Ｗ２が大きくなると、第１支持梁４０がＸ軸方向に変形した際に、第１支持梁４０と第２支持梁５０との連結部から応力が回り込む可能性がある。これに対して、本実施形態のように幅Ｗ２を幅Ｗ１よりも狭くすると、第１支持梁４０がＸ軸方向に変形した際に、第１支持梁４０と第２支持梁５０との連結部から応力が回り込むことが抑制される。したがって、より不要な信号成分が発生することが抑制される。これにより、よりミラー１２の角度検知精度を良好にすることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態では、第１支持梁４０と第２支持梁５０との間にスリット８０を形成し、第１支持梁４０のＸ軸方向における変形に伴って第２支持梁５０もＸ軸方向において変形してしまうことが抑制されるようにしている。これにより、検出素子５１で不要な信号成分が検知されないようにでき、ミラー１２の角度検知精度を良好にすることが可能となる。

（第２実施形態）
第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して検出素子５１の構成をより好ましい形態とするものであり、その他については第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分について主に説明する。

本実施形態では、検出素子５１をピエゾ抵抗によるホイートストーンブリッジ回路によって構成している。例えば、デバイス層７１を表面が（１００）面のＳｉ基板によって構成し、デバイス層７１に対してｐ型不純物などをイオン注入して形成したイオン注入層によりピエゾ抵抗を構成している。

具体的には、図５に示すように、第２支持梁５０の中央位置において、四角形状に第１〜第４ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４を配置しており、＜１１０＞方向に配向されている。第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３については長手方向が［−１１０］方向、第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４については長手方向が［１１０］方向となるようにデバイス層７１の面方位を設定してある。そして、図６に示される回路構成とされている。すなわち、第１ピエゾ抵抗Ｒ１と第２ピエゾ抵抗Ｒ２との間が電流供給点、第３ピエゾ抵抗Ｒ３と第４ピエゾ抵抗Ｒ４との間が接地電位点とされている。そして、第１ピエゾ抵抗Ｒ１と第４ピエゾ抵抗Ｒ４の中点電位と第２ピエゾ抵抗Ｒ２と第３ピエゾ抵抗Ｒ３の中点電位の電位差Ｖが検出信号として出力される。

ピエゾ抵抗係数の方位依存性は図７のように表され、［１１０］方向と［−１１０］方向において高い感度を得ることが可能となる。このため、第１〜第４ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の長手方向を［１１０］方向と［−１１０］方向にすることで、高い感度が得られるようになっている。なお、結晶の方位を示す場合、本来ならば所望の数字の上にバー（−）を付すべきであるが、電子出願に基づく表現上の制限が存在するため、本明細書においては、所望の数字の前にバーを付すものとする。

このようにホイートストーンブリッジ回路によって検出素子５１を構成した場合、第２支持梁５０がＹ軸方向に変形し圧縮応力が加えられたときに、図６中に矢印で示したように、第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３は抵抗値が高く、第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４は抵抗値が低くなる。したがって、検出信号として現れる電位差Ｖは、電流供給点に供給される電流をＩとし、第１〜第４ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値をＲ１〜Ｒ４で表すと、次式で表される。このため、電位差Ｖを検出信号として、第２支持梁５０の変形量、換言すればミラー１２の反射面の傾斜角度を検出することが可能となる。

ここで、図８に示すように、長方形状にレイアウトされたピエゾ抵抗に対して長手方向に電流を流す場合について検討する。この場合、電流方向に対する直交方向の歪みを横歪σｔ、電流方向に対する平行方向の歪みを縦歪σｌとすると、ピエゾ抵抗の抵抗値Ｒに対する抵抗値変化ΔＲは、次式で表される。なお、πｌは電流方向に対する平行方向でのピエゾ係数、πｔは電流方向に対する垂直方向でのピエゾ係数である。

第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３についてはＸ軸方向を長手方向として形成されていることから、Ｘ軸方向の変形が生じると、縦歪σｌが大きな値となり、数式２の右辺第１項が大きな値となって、抵抗値変化ΔＲに現れる。第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４については、Ｘ軸方向の変形が生じると、横歪σｔが大きな値となり、数式２の右辺第２項が大きな値となって、抵抗値変化ΔＲに現れる。

これに対して、本実施形態においても、第１支持梁４０と第２支持梁５０との間にスリット８０を形成し、第１支持梁４０のＸ軸方向における変形に伴って第２支持梁５０もＸ軸方向において変形してしまうことが抑制されるようにしている。このため、Ｘ軸方向の変形については無視でき、Ｙ軸方向の横歪をσｙで表すとすると、第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３の抵抗値変化ΔＲ１、ΔＲ３は数式３で表され、第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４の抵抗値変化ΔＲ２、ΔＲ４は数式４で表される。したがって、Ｙ軸方向の変形のみに起因して抵抗値変化ΔＲ１〜ΔＲ４が表されることになり、検出素子５１で不要な信号成分が検知されないようにできて、ミラー１２の角度検知精度を良好にすることが可能となる。

また、ピエゾ抵抗には非直線性誤差（以下：ＮＬ（Non-linearity）という）がある。ＮＬは、数式５のように表される。

この数式中、Ｘｍｉｎは、応力が最小値のときの応力値、Ｙｍｉｎは、Ｘｍｉｎのときの抵抗変化率であり、本実施形態で言えば、圧電アクチュエータ４１への通電を行っていないときの値を意味している。Ｘｍａｘは、応力が最大値のときの応力値、Ｙｍａｘは、Ｘｍａｘのときの抵抗変化率であり、本実施形態で言えば、圧電アクチュエータ４１への通電量を最大として最も第１支持梁４０を変化させたときの値を意味している。

ＮＬについては、正の特性になる場合と負の特性になる場合があり、図９に示すように、正の特性になる場合、応力の変化量に対する抵抗変化率の変化量は、応力が小さいときには負の特性の場合よりも大きいが、応力が大きくなるほど小さくなる。逆に、負の特性になる場合、応力の変化量に対する抵抗変化率の変化量は、応力が小さいときには正の特性の場合よりも小さいが、応力が大きくなるほど大きくなる。そして、応力がＸ１（ただしＸｍｉｎ＜Ｘ１＜Ｘｍａｘ）のときの抵抗変化率Ｙ１は、ＮＬが正の特性となる場合の方が負の特性になる場合よりも大きな値になる。

これを本実施形態のホイートストーンブリッジ回路で構成した検出素子５１に当てはめてみると、第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３についてはＮＬが負の特性、第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４についてはＮＬが正の特性を有している。また、第２支持梁５０の変形量が大きくなってミラー１２の反射面の傾斜角度が大きくなるほど、第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３については抵抗値が増加し、逆に第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４については抵抗値が減少する。この関係は、図１０Ａのように表される。そして、検出信号は数式１よりＲ１、Ｒ３とＲ２、Ｒ４の差分となるため、直線性を有した特性になる。このため、図１０Ｂに示すように、ホイートストーンブリッジ回路の出力となる検出素子５１の検出信号はミラー１２の反射面の傾斜角度に対して線形的に変化するものとなって、ＮＬの影響をキャンセルすることが可能となる。

以上説明したように、本実施形態のように検出素子５１をホイートストーンブリッジ回路で構成した場合であっても、Ｘ軸方向の変形の影響を受けないようにできる。このため、検出素子５１で不要な信号成分が検知されないようにでき、ミラー１２の角度検知精度を良好にすることが可能となる。

また、ホイートストーンブリッジ回路を構成する第１〜第４ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４について、直列接続されている各ブリッジの抵抗同士のＮＬが正の特性と負の特性の組み合わせとなるようにしている。このため、ホイートストーンブリッジ回路の出力としてはＮＬの影響をキャンセルすることができる。したがって、ホイートストーンブリッジ回路の出力となる検出素子５１の検出信号はミラー１２の反射面の傾斜角度に対して線形的に変化するものとなってＮＬの影響をキャンセルでき、よりミラー１２の角度検知精度を良好にできる。

（第２実施形態の変形例）
上記第２実施形態において、第１〜第４ピエゾ抵抗Ｒ１〜Ｒ４の配置場所については任意に設定可能である。

例えば、図１１に示すように、第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３については第２支持梁５０のうちのＹ軸方向の両端それぞれに配置し、第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４については第２支持梁５０のＹ軸方向の中央に配置したレイアウトとすることができる。

第２支持梁５０は、Ｙ軸方向の中央では歪みやすいため発生する応力が大きくなるが、Ｙ軸方向の両端位置では第１支持梁４０と連結されていて歪みにくいため発生する応力が小さくなる。このため、第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３に印加される応力が第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４に印加される応力よりも小さくなる。

このように、第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３と第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４の配置場所を異ならせ、発生する応力が異なるようにすることができる。このようにすれば、横歪によって抵抗値変化率を変化させる第１、第３ピエゾ抵抗Ｒ１、Ｒ３の横歪の応力と、縦歪によって抵抗値変化率を変化させる第２、第４ピエゾ抵抗Ｒ２、Ｒ４の縦歪の応力との比を最適比とすることが可能となる。これにより、よりＮＬを的確にキャンセルすることが可能となり、さらにミラー１２の角度検知精度を良好にできる。

（第３実施形態）
第３実施形態について説明する。本実施形態は、第１、第２実施形態に対して補強構造を備えるようにしたものであり、その他については第１、第２実施形態と同様であるため、第１、第２実施形態と異なる部分について主に説明する。

本実施形態では、図１２Ａおよび図１２Ｂに示すように、第１支持梁４０と第２支持梁５０とを連結している部分、すなわち第１支持梁４０や第２支持梁５０におけるＹ軸方向の両端位置に、補強部９０を備えている。補強部９０は、第１支持梁４０や第２支持梁５０のうちのＹ軸方向の両端位置をそれより内側に位置する部分よりも相対的に厚くすることで、強度を高くして撓みにくくするものである。補強部９０は、第１支持梁４０や第２支持梁５０の裏面側に配置されている。上記したように、基板７０をＳＯＩ基板によって構成する場合、補強部９０の部分において、ＢＯＸ層７２およびハンドル層７３が残されることで補強部９０を構成することができる。

このように、補強部９０を備えると、補強部９０の内側の薄くなった部分を駆動部として、駆動部は圧電アクチュエータ４１への通電に基づいて撓み易く、補強部９０では撓みにくくなる。これにより、より第１支持梁４０と第２支持梁５０との連結部においてＸ軸方向に変形することが抑制され、さらに不要な信号成分が発生することが抑制される。これにより、よりミラー１２の角度検知精度を良好にすることが可能となる。

また、このような補強部９０を備える場合、図１２Ａに示すように、圧電アクチュエータ４１の両端が両補強部９０と重なり、圧電アクチュエータ４１によって両補強部９０が架橋される形で形成されるようにすると好ましい。このようにすれば、カンチレバーにおける固定端として働き、第１支持梁４０および第２支持梁５０をより大きく変形させることができ、ひいてはミラー１２の変位をより大きくすることができる 。

（第４実施形態）
第４実施形態について説明する。本実施形態は、第１〜第３実施形態に対してより走査角を拡大できる構造としたものであり、その他については第１〜第３実施形態と同様であるため、第１〜第３実施形態と異なる部分について主に説明する。

図１３に示すように、本実施形態では、反射部１０と第１支持梁４０および第２支持梁５０との間に、第３支持梁１１０および第４支持梁１２０を備えた構造としている。第３支持梁１１０は第１支持梁４０と同様の構成とされ、圧電アクチュエータ４１と同様の圧電アクチュエータ１１１を備えている。第４支持梁１２０は第２支持梁５０と同様の構成とされ、検出素子５１と同様の検出素子１２１を備えている。第３支持梁１１０と第４支持梁１２０とは、Ｙ軸方向の両端において連結されて一体化されており、かつ、第３支持梁１１０と第４支持梁１２０との間にスリット１３０が形成された構造とされている。

第３支持梁１１０および第４支持梁１２０は、Ｙ軸方向の一端となる紙面上方において互いに接続されており、第３接続部１４０を介して反射部１０に接続されている。また、第１支持梁４０および第２支持梁５０と第３支持梁１１０および第４支持梁１２０とは、Ｙ軸方向の他端となる紙面下方において互いに接続されている。そして、第１支持梁４０および第２支持梁５０は、Ｙ軸方向の一端となる紙面上方において支持部６０に接続されている。

このような構成において、第１支持梁４０に備えられた圧電アクチュエータ４１と第３支持梁１１０に備えられた圧電アクチュエータ１１１を逆位相で駆動する。このようにすれば、反射部１０をＸ軸周りにより大きく揺動させられ、ミラー１２の反射面の走査角を拡大することが可能となる。このような構成のＭＥＭＳミラーにおいても、第１支持梁４０と第２支持梁５０との間にスリット８０を備えると共に、第３支持梁１１０と第４支持梁１２０との間にスリット１３０を備えることで、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

（第５実施形態）
第５実施形態について説明する。本実施形態は、第１〜第３実施形態に対して反射部１０をＸ軸周りだけでなくＹ軸周りにも揺動させられる構造としたものであり、その他については第１〜第３実施形態と同様であるため、第１〜第３実施形態と異なる部分について主に説明する。

図１４に示すように、本実施形態では、反射部１０に対してＹ軸方向の両側に第３支持梁１５０および第４支持梁１６０を備えた構造とし、第３支持梁１５０および第４支持梁１６０を一体化した構造としつつ、これらの間にスリット１７０を形成している。さらに、反射部１０が第３支持梁１５０および第４支持梁１６０を介してその周囲を囲む枠体部１８０に連結され、枠体部１８０が第１接続部２０を介して第１支持梁４０および第２支持梁５０に連結されている。

より詳しくは、第３支持梁１５０および第４支持梁１６０は、反射部１０に対するＹ軸方向の両側においてＸ軸方向に沿って伸びており、Ｘ軸方向の両端において一体化されている。そして、Ｘ軸方向の一端となる紙面右側において、第３接続部１９０を介して反射部１０と第３支持梁１５０および第４支持梁１６０とが接続され、他端となる紙面左側において第３支持梁１５０および第４支持梁１６０と枠体部１８０とが第４接続部２００を介して連結されている。枠体部１８０は、四角形の枠体形状で構成されており、Ｙ軸方向の一端となる紙面下方において、第１接続部２０を介して第１支持梁４０および第２支持梁５０に連結されている。

また、第３支持梁１５０は第１支持梁４０と同様の構成とされ、圧電アクチュエータ４１と同様の圧電アクチュエータ１５１を備えている。第４支持梁１６０は第２支持梁５０と同様の構成とされ、検出素子５１と同様の検出素子１６１を備えている。

このように構成されたＭＥＭＳミラーは、第１支持梁４０に備えられた圧電アクチュエータ４１への通電を行うことで、枠体部１８０と共に反射部１０と第３支持梁１５０および第４支持梁１６０をＸ軸周りに揺動させる。また、第３支持梁１５０に備えられた圧電アクチュエータ１５１への通電を行うことで、反射部１０をＹ軸周りに揺動させる。したがって、反射部１０を二軸走査することができる。

このような構成のＭＥＭＳミラーにおいても、第１支持梁４０と第２支持梁５０との間にスリット８０を備えると共に、第３支持梁１５０と第４支持梁１６０との間にスリット１７０を備えることで、上記各実施形態と同様の効果が得られる。

（他の実施形態）
本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、上記実施形態で説明した各種材料については一例を示したに過ぎず、他の材料を用いて圧電アクチュエータや検出素子を構成しても良い。また、圧電アクチュエータと検出素子を備えた支持梁の構造の一例を示したが、支持梁の数や形成位置などについても任意である。また、第４実施形態と第５実施形態を組み合わせるなど、実施形態相互間において適宜組み合わせが可能である。

１０ 反射部
１２ ミラー

Claims (8)

1. 光ビームを反射する反射面を構成するミラー（１２）を有する反射部（１０）と、
   前記反射部に対する一方向の両側に備えられ、前記反射部を前記反射面の平面上における前記一方向に平行な軸周りに揺動可能とする第１支持梁（４０）、および、前記第１支持梁との間にスリット（８０）を形成しつつ、前記反射面の平面上における前記一方向と垂直な方向の両端において前記第１支持梁と接続されて一体化された第２支持梁（５０）と、
   前記第１支持梁および前記第２支持梁を介して、前記反射部を支持する支持部（６０）と、
   前記第１支持梁に備えられ、圧電作用によって前記第１支持梁を変形させる圧電アクチュエータ（４１）と、
   前記第２支持梁に備えられ、前記第１支持梁の変形に伴う前記第２支持梁の変形量に応じた検出信号を出力する検出素子（５１）と、を有している微小電気機械システムミラー。
2. 前記第１支持梁および前記第２支持梁における前記一方向と垂直な方向の両端位置に、前記第１支持梁および前記第２支持梁における前記両端位置より内側に位置する部分よりも厚くする補強部（９０）が備えられ、
   前記圧電アクチュエータの両端が前記第１支持梁および前記第２支持梁における前記両端位置それぞれの前記補強部と重なっている、請求項１に記載の微小電気機械システムミラー。
3. 前記一方向において、前記第１支持梁の幅（Ｗ１）よりも前記第２支持梁の幅（Ｗ２）の方が小さくされている、請求項１または２に記載の微小電気機械システムミラー。
4. 前記第２支持梁は（１００）面のシリコン基板によって構成されており、前記検出素子は、前記シリコン基板に形成されたイオン注入層によるピエゾ抵抗（Ｒ１〜Ｒ４）によって構成され、該ピエゾ抵抗が＜１１０＞方向に配向させられている、請求項１ないし３のいずれか１つに記載の微小電気機械システムミラー。
5. 前記圧電アクチュエータによって前記第１支持梁が変形させられると、前記第２支持梁が変形して圧縮応力が前記検出素子に加えられるようになっており、
   前記ピエゾ抵抗は、第１ピエゾ抵抗（Ｒ１）、第２ピエゾ抵抗（Ｒ２）、第３ピエゾ抵抗（Ｒ３）および第４ピエゾ抵抗（Ｒ４）を含み、
   前記検出素子は、前記第１ピエゾ抵抗と前記第２ピエゾ抵抗との間が電流供給点とされると共に、前記第３ピエゾ抵抗と前記第４ピエゾ抵抗との間が接地電位点とされ、前記第１ピエゾ抵抗と前記第４ピエゾ抵抗との中点電位と前記第２ピエゾ抵抗と前記第３ピエゾ抵抗との中点電位との電位差が前記検出信号とされるホイートストーンブリッジ回路によって構成されており、
   前記第２支持梁のうち前記一方向での変形を横歪、前記一方向に対して垂直な方向での変形を縦歪として、前記第１ピエゾ抵抗および前記第３ピエゾ抵抗には横歪が印加され、前記第２ピエゾ抵抗および前記第４ピエゾ抵抗には縦歪が印加される、請求項４に記載の微小電気機械システムミラー。
6. 前記第２支持梁が変形させられたときに、前記第１ピエゾ抵抗および前記第３ピエゾ抵抗に加えられる応力の方が前記第２ピエゾ抵抗および前記第４ピエゾ抵抗に加えられる応力よりも小さくなっている、請求項５に記載の微小電気機械システムミラー。
7. 前記一方向における前記反射部の両側において、前記反射部と前記第１支持梁および前記第２支持梁との間に配置され、前記反射部を前記一方向に平行な軸周りに揺動可能とする第３支持梁（１１０）、および、前記第３支持梁との間にスリット（１３０）を形成しつつ、前記反射面の平面上における前記一方向の垂直方向の両端において前記第３支持梁と接続されて一体化された第４支持梁（１２０）と、
   前記第３支持梁に備えられ、圧電作用によって前記第３支持梁を変形させる圧電アクチュエータ（１１１）と、
   前記第４支持梁に備えられ、前記第３支持梁の変形に伴う前記第４支持梁の変形量に応じた検出信号を出力する検出素子（１２１）と、を有し、
   前記第１支持梁に備えられた前記圧電アクチュエータと前記第３支持梁に備えられた前記圧電アクチュエータとが逆位相で駆動される、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の微小電気機械システムミラー。
8. 前記反射面の平面上における前記一方向の垂直方向において前記反射部の両側に配置され、
   前記反射部を前記垂直方向に平行な軸周りに揺動可能とする第３支持梁（１５０）、および、前記第３支持梁との間にスリット（１７０）を形成しつつ、前記一方向の両端において前記第３支持梁と接続されて一体化された第４支持梁（１６０）と、
   前記第３支持梁に備えられ、圧電作用によって前記第３支持梁を変形させる圧電アクチュエータ（１５１）と、
   前記第４支持梁に備えられ、前記第３支持梁の変形に伴う前記第４支持梁の変形量に応じた検出信号を出力する検出素子（１６１）と、を有し、
   前記反射部は、前記第３支持梁および前記第４支持梁を介して、前記第１支持梁および前記第２支持梁に接続されている、請求項１ないし６のいずれか１つに記載の微小電気機械システムミラー。

Images