JP5471946B2

JP5471946B2 - 振動ミラー素子

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Publication number: JP5471946B2
Application number: JP2010173265A
Authority: JP
Inventors: 学村山; 尚樹井上
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2010-08-02
Filing date: 2010-08-02
Publication date: 2014-04-16
Anticipated expiration: 2030-08-02
Also published as: US20120026567A1; US8432596B2; JP2012032679A; EP2416199A1

Description

この発明は、振動ミラー素子に関し、特に、自由端が軸部に接続される駆動部を備える振動ミラー素子に関する。

従来、自由端が軸部に接続される駆動部を備える振動ミラー素子が知られている（たとえば、特許文献１参照）。

上記特許文献１には、第１の方向（Ｘ方向）に延びる軸線回りに揺動可能なミラー部と、ミラー部に接続され、ミラー部と共に軸線回りに揺動可能な内枠体と、内枠体に接続される軸部と、自由端と固定端とを含むミアンダ形振動子（駆動部）と、外枠体とを備える光学反射素子（振動ミラー素子）が開示されている。上記特許文献１の光学反射素子では、ミアンダ形振動子は、第１の方向と直交する第２の方向（Ｙ方向）に延びる複数の圧電アクチュエータを含んでおり、変形することによってミラー部を揺動させるように構成されている。また、ミアンダ形振動子の自由端は、Ｘ方向におけるミラー部側で、かつ、Ｙ方向の一方側において、軸部を介して内枠体と接続されている。また、ミアンダ形振動子の固定端は、Ｘ方向におけるミラー部とは反対側で、かつ、Ｙ方向の略中央において、外枠体に固定されている。

特開２００９−１９２９６７号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の光学反射素子では、ミアンダ形振動子の固定端はＸ方向においてミラー部とは反対側で外枠体に固定されているため、固定端がミラー部からＸ方向（軸線の延びる方向）に遠ざかる分、Ｘ方向（軸線の延びる方向）に光学反射素子が大型化しやすいという問題点がある。また、ミアンダ形振動子の自由端はＹ方向（軸線と直交する方向）の一方側において軸部と接続されている一方、ミアンダ形振動子の固定端はＹ方向（軸線と直交する方向）の略中央において支持部に固定されているため、自由端と固定端とがＹ方向（軸線と直交する方向）に離間している。このため、複数の圧電アクチュエータが未駆動の状態で鉛直方向（Ｘ方向およびＹ方向と直交する方向）に凹状または凸状に変形している場合に、自由端と固定端とのＹ方向の離間に起因して、自由端が固定端に対して傾斜するという不都合がある。したがって、ミアンダ形振動子が未駆動の状態において、自由端に接続されたミラー部が固定端に対して傾斜するという問題点もある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、大型化するのを抑制するとともに、駆動部が未駆動の状態において、ミラー部が固定端に対して傾斜するのを抑制することが可能な振動ミラー素子を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

この発明の一の局面による振動ミラー素子は、軸線回りに揺動可能なミラー部と、自由端と固定端とを含み、変形することによってミラー部を揺動させるための駆動部と、ミラー部と駆動部との間に軸線に沿って延びるように設けられ、ミラー部を揺動可能に支持する軸部とを備え、駆動部は、ミラー部の軸線と直交する方向に延びるように設けられ、軸線と直交する方向に折り返す構造を有しており、駆動部の自由端は軸部に接続されるとともに、駆動部の固定端は駆動部のミラー部側で、かつ、軸部と自由端との接続部分の近傍で固定されている。

この発明の一の局面による振動ミラー素子では、上記のように、駆動部の固定端を駆動部のミラー部側で固定することによって、固定端がミラー部から遠ざかるのが抑制され、ミラー部と駆動部との間やミラー部の周囲などにおいて固定端を固定することができる。これにより、軸線の延びる方向に振動ミラー素子が大型化するのを抑制することができる。また、駆動部の固定端を軸部の近傍で固定することによって、自由端と固定端とが離間するのを抑制することができる。これにより、自由端が固定端に対して傾斜するのを抑制することができるので、駆動部が未駆動の状態において、自由端に接続されたミラー部が固定端に対して傾斜するのを抑制することができる。

上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、固定端を固定するとともに、ミラー部と駆動部との間に配置された固定端支持部分を含む固定部をさらに備え、軸線の延びる方向における固定端支持部分の長さは、軸線の延びる方向における軸部の長さよりも小さい。このように構成すれば、軸線の延びる方向において固定端支持部分の長さが軸部の長さよりも小さいので、固定端支持部分をミラー部と駆動部との間に容易に配置することができる。また、固定端支持部分をミラー部と駆動部との間に配置することによって、軸線の延びる方向に振動ミラー素子が大型化するのを抑制することができる。

上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、駆動部は、軸線と直交する方向に延びるように設けられ、変形する第１駆動部および第２駆動部をさらに含み、第１駆動部は、自由端を有し、第２駆動部は、固定端を有し、第１駆動部の自由端の端面と第２駆動部の固定端の端面とは、軸線と直交する方向に互いに対向するように構成されている。このように構成すれば、駆動部の固定端を、自由端に接続される軸部の近傍に容易に配置することができる。また、第１駆動部の自由端の端面と第２駆動部の固定端の端面とを互いに対向するように構成することによって、第１駆動部の位置と第２駆動部の位置とが、軸線の延びる方向において大きくずれるのを抑制することができる。これにより、軸線の延びる方向に振動ミラー素子が大型化するのを抑制することができる。

上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、駆動部および軸部の各々は、軸線の延びる方向におけるミラー部の両側に、ミラー部を挟むように一対設けられている。このように、駆動部および軸部がミラー部を挟むように一対設けられている場合においても、一対の駆動部の各々の固定端をミラー部側で固定することによって、軸線の延びる方向に振動ミラー素子が大型化するのを抑制することができる。

上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、駆動部は、軸線と直交する方向に延びるように設けられ、変形する第３駆動部および第４駆動部と、第３駆動部と第４駆動部とを接続する接続部分とをさらに含み、接続部分の厚みは、第３駆動部の厚みおよび第４駆動部の厚み以上である。このように構成すれば、接続部分が変形したり傾斜したりするのを抑制することができるので、変形した第３駆動部または第４駆動部における傾斜を略維持した状態で、第４駆動部または第３駆動部を傾斜するように変形させることができる。これにより、第３駆動部における傾斜と第４駆動部における傾斜とを累積させることができるので、駆動部全体をより大きく変形させることができる。この結果、ミラー部をより大きな傾斜で揺動させることができる。

本発明の一実施形態による振動ミラー素子の構造を示した斜視図である。本発明の一実施形態による振動ミラー素子の構造を示した平面図である。図２の６００−６００線に沿った振動ミラー素子の拡大断面図である。図２の６１０−６１０線に沿った振動ミラー素子の拡大断面図である。図２の６２０−６２０線に沿った振動ミラー素子の拡大断面図である。図２の６３０−６３０線に沿った振動ミラー素子の拡大断面図である。図２の６４０−６４０線に沿った振動ミラー素子の拡大断面図である。本発明の一実施形態による振動ミラー素子の圧電素子層の拡大断面図である。本発明の一実施形態による振動ミラー素子がＢ１側に傾斜した状態を示した斜視図である。図９のＣ側から見た、本発明の一実施形態による振動ミラー素子がＢ１側に傾斜した状態を示した側面図である。図９のＤ側から見た、本発明の一実施形態による振動ミラー素子がＢ１側に傾斜した状態を示した側面図である。0 本発明の一実施形態による振動ミラー素子がＢ２側に傾斜した状態を示した斜視図である。図２の６２０−６２０線に沿った振動ミラー素子の製造プロセスを説明するための断面図である。図２の６２０−６２０線に沿った振動ミラー素子の製造プロセスを説明するための断面図である。本発明の一実施形態の変形例による振動ミラー素子の構造を示した平面図である。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

まず、図１〜図８を参照して、本発明の一実施形態による振動ミラー素子１００の構成について説明する。

本発明の一実施形態による振動ミラー素子１００は、図１および図２に示すように、後述するミラー１１を用いて所定の平面内の一方向（Ａ１方向およびＡ２方向）に光を走査するためのＡ方向光走査部１０と、ミラー１１を用いてＡ１方向およびＡ２方向と直交するＢ１方向およびＢ２方向に光を走査するためのＢ方向光走査部２０と、Ａ方向光走査部１０とＢ方向光走査部２０とを接続する回動軸３０および３１と、Ｂ方向光走査部２０を固定するための固定部３２および３３とを備えている。

また、Ａ方向光走査部１０は、ミラー１１を軸線３００回りにＡ１方向およびＡ２方向に揺動させるように構成されており、Ｂ方向光走査部２０は、Ａ方向光走査部１０（ミラー１１）を軸線４００回りにＢ１方向およびＢ２方向に揺動させるように構成されている。また、Ａ方向光走査部１０、Ｂ方向光走査部２０、回動軸３０および３１ならびに固定部３２および３３は、図１に示すように、共通のＳｉ基板１上に一体的に形成されている。なお、Ａ方向光走査部１０は、本発明の「ミラー部」の一例である。

また、振動ミラー素子１００は、図示しないプロジェクタなどの２次元に光を走査する機器に組み込まれ、Ａ方向光走査部１０によりＡ１方向およびＡ２方向に光を走査するとともに、Ｂ方向光走査部２０によりＢ１方向およびＢ２方向に光を走査するように構成されている。また、Ａ方向光走査部１０は、約３０ｋＨｚの共振周波数で共振駆動するように構成されている一方、Ｂ方向光走査部２０は、約６０Ｈｚの周波数で非共振駆動するように構成されている。ここで、Ｂ方向光走査部２０を非共振駆動するように構成することによって、振動ミラー素子１００の周囲の温度変化に起因した共振周波数の変化が存在しないので、後述するミラー１１を安定的に駆動させることが可能である。

また、Ａ方向光走査部１０は、図１および図２に示すように、ミラー１１と、ミラー１１と接続され、ねじり変形可能なトーションバー１２ａおよび１２ｂと、トーションバー１２ａおよび１２ｂとそれぞれ接続され、傾斜可能なバー１３ａおよび１３ｂと、バー１３ａおよび１３ｂと接続される内側駆動部１４ａおよび１４ｂと、内側駆動部１４ａおよび１４ｂを固定する固定部１５ａおよび１５ｂと、固定部１５ａおよび１５ｂと接続される枠体１６とを含む。この枠体１６は、図２に示すように、平面的に見て、ミラー１１と、トーションバー１２ａおよび１２ｂと、バー１３ａおよび１３ｂと、内側駆動部１４ａおよび１４ｂと、固定部１５ａおよび１５ｂとを取り囲むように形成されている。

また、ミラー１１とトーションバー１２ａおよび１２ｂとは、共振によってバー１３ａおよび１３ｂの傾斜以上に傾斜されるように構成されている。また、振動ミラー素子１００がＡ１方向およびＡ２方向に光を走査する際の軸線３００およびＢ１方向およびＢ２方向に光を走査する際の軸線４００は、共にミラー１１の中心Ｒを通るように構成されている。

また、図３に示すように、Ａ方向光走査部１０の内側駆動部１４ａおよび１４ｂにおいては、Ｓｉ基板１の上面上（Ｚ１側）に圧電素子層２が形成されている。これにより、図１に示すように、内側駆動部１４ａおよび１４ｂは、電圧が印加されることによって、それぞれ、固定部１５ａおよび１５ｂを固定端として、Ｚ方向に凹形状または凸形状に変形するように構成されている。この内側駆動部１４ａと内側駆動部１４ｂとを互いに逆方向に変形させることによって、ミラー１１を軸線３００（図２参照）回りにＡ１方向またはＡ２方向に傾斜させることが可能なように構成されている。この変形動作を繰り返すことによって、Ａ方向光走査部１０は、ミラー１１を軸線３００回りに揺動させて光を走査させるように構成されている。なお、圧電素子層２の詳しい内容については後述する。

また、図３に示すように、Ａ方向光走査部１０の枠体１６においては、Ｓｉ基板１の下面上（Ｚ２側）に、ＳｉＯ_２層３と、Ｓｉ層４と、マスク層５とがＺ１側からＺ２側に向かってこの順に設けられている。これにより、枠体１６の鉛直方向（Ｚ方向）の厚みＷ１は、内側駆動部１４ａおよび１４ｂの鉛直方向の厚みＷ２よりも大きいとともに、ミラー１１、トーションバー１２ａおよび１２ｂ（図１参照）、バー１３ａおよび１３ｂ（図１参照）ならびに固定部１５ａおよび１５ｂ（図１参照）の鉛直方向の厚みＷ３よりも大きい。

また、図２に示すように、回動軸３０および３１は、共に軸線４００上に、軸線４００に沿ってＸ方向に延びるように形成されている。また、回動軸３０は、Ｘ２側において、Ａ方向光走査部１０の枠体１６と接続されているとともに、Ｘ１側において、Ｂ方向光走査部２０の後述する駆動ユニット４０と接続されている。また、回動軸３１は、Ｘ１側において、Ａ方向光走査部１０の枠体１６と接続されているとともに、Ｘ２側において、Ｂ方向光走査部２０の後述する駆動ユニット５０と接続されている。すなわち、回動軸３０および３１は、共に、Ｂ方向光走査部２０によって、Ａ方向光走査部１０（ミラー１１）を軸線４００回りにＢ１方向およびＢ２方向に揺動させる際の軸として形成されている。なお、回動軸３０および３１は、本発明の「軸部」の一例である。

また、Ｂ方向光走査部２０は、図２に示すように、Ａ方向光走査部１０のＸ１側に形成された駆動ユニット４０と、Ａ方向光走査部１０のＸ２側に形成された駆動ユニット５０とを含む。すなわち、駆動ユニット４０と駆動ユニット５０とは、Ｘ方向において、Ａ方向光走査部１０を挟み込むように配置されている。なお、駆動ユニット４０および５０は、本発明の「駆動部」の一例である。

また、駆動ユニット４０は、５つの駆動部分４１、４２、４３、４４および４５と、４つの連結支持部４６、４７、４８および４９とを含んでいる。また、駆動ユニット５０は、５つの駆動部分５１、５２、５３、５４および５５と、４つの連結支持部５６、５７、５８および５９とを含んでいる。ここで、駆動部分４１、４２、４３、４４および４５と、駆動部分５１、５２、５３、５４および５５とは、電圧が印加されることによって変形するように構成されている一方、連結支持部４６、４７、４８および４９と、連結支持部５６、５７、５８および５９とは、ほぼ変形しないように構成されている。

また、本実施形態では、駆動ユニット４０は、固定部３２と接続されているとともに、駆動ユニット５０は、固定部３３と接続されている。また、固定部３２は、Ａ方向光走査部１０の枠体１６と駆動ユニット４０との間に配置される支持部分３２ａと、Ａ方向光走査部１０のＹ１側に配置される本体部３２ｂとを含む。また、固定部３３は、Ａ方向光走査部１０の枠体１６と駆動ユニット５０との間に配置される支持部分３３ａと、Ａ方向光走査部１０のＹ２側に配置される本体部３３ｂとを含む。また、固定部３２の本体部３２ｂと固定部３３の本体部３３ｂとは、Ｙ方向において、Ａ方向光走査部１０を挟み込むように配置されている。なお、支持部分３２ａおよび３３ａは、本発明の「固定端支持部分」の一例である。

ここで、図２に示すように、Ａ方向光走査部１０のＸ１側に形成された駆動ユニット４０とＸ２側に形成された駆動ユニット５０とは、互いに同様の構成を有するとともに、ミラー１１の中心Ｒを中心として、略点対称の関係を有するように構成されている。すなわち、駆動ユニット５０の駆動部分５１、５２、５３、５４および５５ならびに連結支持部５６、５７、５８および５９は、ミラー１１の中心Ｒを中心として１８０度回転されることによって、それぞれ、駆動部分４１、４２、４３、４４および４５ならびに連結支持部４６、４７、４８および４９と略重なるような位置関係に配置されている。

また、Ａ方向光走査部１０のＸ１側に形成された回動軸３０とＸ２側に形成された回動軸３１とは、互いに同様の構成を有するとともに、ミラー１１の中心Ｒを中心として、略点対称の関係を有するように構成されている。さらに、Ａ方向光走査部１０のＹ１側に形成された固定部３２とＹ２側に形成された固定部３３とも、互いに同様の構成を有するとともに、ミラー１１の中心Ｒを中心として、略点対称の関係を有するように構成されている。

したがって、これ以降は、駆動ユニット４０と、駆動ユニット４０に接続される回動軸３０および固定部３２との構成について説明する。

駆動ユニット４０の駆動部分４１、４２、４３、４４および４５は、共に軸線４００に直交するＹ方向に延びるように形成されている。また、連結支持部４６、４７、４８および４９は、共に軸線４００に沿ったＸ方向に延びるように形成されている。なお、駆動部分４１、４２、４３、４４および４５は、本発明の「第３駆動部」および「第４駆動部」の一例である。

また、駆動ユニット４０は、５つの駆動部分４１、４２、４３、４４および４５が４つの連結支持部４６、４７、４８および４９により各々が接続されることによって、１本の駆動部になるように構成されている。これにより、駆動ユニット４０の一方端部となる駆動部分４１のＹ１側の端部が自由端Ｓ１になるとともに、駆動ユニット４０の他方端部となる駆動部分４５のＹ２側の端部が固定端Ｓ２になるように構成されている。なお、駆動部分４１は、本発明の「第１駆動部」の一例であり、駆動部分４５は、本発明の「第２駆動部」の一例である。

駆動ユニット４０の具体的な構成としては、図２に示すように、駆動部分４１と駆動部分４５とは、Ｙ方向から見て略重なるように配置されているとともに、駆動部分４１と駆動部分４５とは、Ｙ方向に所定の間隔を隔てて形成されている。また、駆動部分４１および４５のＡ方向光走査部１０とは反対側（Ｘ１側）には、駆動部分４１および４５側（Ｘ２側）から順に、Ｘ１側に向かって駆動部分４２、４３および４４がＸ方向に所定の間隔を隔てて形成されている。

また、駆動ユニット４０のＡ方向光走査部１０側（Ｘ２側）に形成された駆動部分４１は、駆動ユニット４０のＹ方向の略中央からＹ２側の端部からまで延びるように形成されている。この駆動部分４１は、Ｙ１側の自由端Ｓ１において回動軸３０のＸ１側と接続されるとともに、Ｙ２側の端部Ｓ３において、連結支持部４６のＸ２側と接続されている。

また、駆動部分４１および４５と駆動部分４４とに挟まれた駆動部分４２および４３は、共に、駆動ユニット４０のＹ１側の端部からＹ２側の端部近傍まで延びように形成されている。この駆動部分４２は、Ｙ２側の端部Ｓ４において連結支持部４６のＸ１側と接続されるとともに、Ｙ１側の端部Ｓ５において、連結支持部４７のＸ２側と接続されている。また、駆動部分４３は、Ｙ１側の端部Ｓ６において連結支持部４７のＸ１側と接続されるとともに、Ｙ２側の端部Ｓ７において、連結支持部４８のＸ２側と接続されている。

また、駆動ユニット４０のＡ方向光走査部１０とは反対側（Ｘ１側）に形成された駆動部分４４は、駆動ユニット４０のＹ１側の端部からＹ２側の端部まで延びるように形成されている。この駆動部分４４は、Ｙ２側の端部Ｓ８において連結支持部４８のＸ１側と接続されるとともに、Ｙ１側の端部Ｓ９において、連結支持部４９のＸ１側と接続されている。

また、駆動ユニット４０のＡ方向光走査部１０側（Ｘ２側）に形成された駆動部分４５は、駆動ユニット４０のＹ１側の端部からＹ方向の略中央近傍まで延びるように形成されている。また、駆動部分４５は、Ｙ１側の端部Ｓ１０において、連結支持部４９のＸ２側と接続されるとともに、Ｙ２側の固定端Ｓ２において、駆動ユニット４０のＸ２側に形成された固定部３２の支持部分３２ａと接続されている。すなわち、駆動ユニット４０の固定端Ｓ２は、支持部分３２ａによって、Ａ方向光走査部１０側（Ｘ２側）で、かつ、Ｙ方向の略中央近傍に位置する回動軸３０の近傍で固定されている。

ここで、本実施形態では、上記したように、駆動ユニット４０の自由端Ｓ１と固定端Ｓ２とは、共に、駆動ユニット４０のＡ方向光走査部１０側（Ｘ２側）に形成されている。また、駆動部分４１の自由端Ｓ１におけるＹ１側の端面と、駆動部分４５の固定端Ｓ２におけるＹ２側の端面とは、Ｙ方向から見て、互いに略重なるように配置されている。すなわち、駆動ユニット４０の自由端Ｓ１におけるＹ１側の端面と固定端Ｓ２におけるＹ２側の端面とは、Ｙ方向に互いに対向するように配置されている。

また、本実施形態では、図２に示すように、固定部３２の支持部分３２ａにおけるのＸ方向の長さＬ１は、回動軸３０におけるＸ方向の長さＬ２よりも小さくなるように構成されている。具体的には、支持部分３２ａのＡ方向光走査部１０側（Ｘ２側）の側面から固定端Ｓ２のＸ１側までの長さＬ１は、枠体１６と回動軸３０との接続部分から自由端Ｓ１のＸ１側までの長さＬ２よりも小さくなるように構成されている。

また、図３〜図７に示すように、駆動部分４１〜４５においては、Ａ方向光走査部１０の内側駆動部１４ａおよび１４ｂと同様に、Ｓｉ基板１の上面上（Ｚ１側）に圧電素子層２が形成されている。すなわち、駆動部分４１〜４５は、電圧が印加されることによって、Ｚ方向に凹形状または凸形状に変形するように構成されている。

また、本実施形態では、回動軸３０（図３参照）、連結支持部４６〜４９（図４〜図６参照）ならびに固定部３２（図５および図６参照）においては、Ａ方向光走査部１０の枠体１６と同様に、Ｓｉ基板１の下面上（Ｚ２側）に、ＳｉＯ_２層３と、Ｓｉ層４と、マスク層５とがＺ１側からＺ２側に向かって設けられている。これにより、回動軸３０、連結支持部４６〜４９ならびに固定部３２の鉛直方向（Ｚ方向）の鉛直方向の厚みＷ１は、駆動部分４１〜４５（自由端Ｓ１、固定端Ｓ２および端部Ｓ３〜Ｓ１０の部分を除く）の鉛直方向の厚みＷ２よりも大きい。

また、回動軸３０の一部である自由端Ｓ１（図３参照）、支持部分３２ａ一部である固定端Ｓ２（図７参照）および連結支持部４６、４７、４８および４９の一部である端部Ｓ３〜Ｓ１０（図４〜図６参照）においては、Ｓｉ基板１の上面上（Ｚ１側）に圧電素子層２が形成されているとともに、Ｓｉ基板１の下面上（Ｚ２側）に、ＳｉＯ_２層３と、Ｓｉ層４と、マスク層５とがＺ１側からＺ２側に向かって設けられている。これにより、自由端Ｓ１、固定端Ｓ２および端部Ｓ３〜Ｓ１０の鉛直方向の厚みＷ４は、駆動部分４１〜４５（自由端Ｓ１、固定端Ｓ２および端部Ｓ３〜Ｓ１０の部分を除く）の鉛直方向の厚みＷ２よりも大きい。なお、連結支持部４６、４７、４８および４９は、本発明の「接続部分」の一例である。

また、圧電素子層２は、図８に示すように、Ｓｉ基板１側（Ｚ２側）から、下部電極２０と圧電体２１と上部電極２２とが積層された構造を有している。なお、下部電極２０は、ＴｉまたはＰｔなどからなり、Ｓｉ基板１の上面の全面に形成されている。これにより、圧電素子層２の下部電極２０への配線処理をＳｉ基板１の任意の部分に対して行うことが可能である。なお、下部電極２０の鉛直方向の厚みはＳｉ基板１に対して十分に小さいので、図８以外の図面では、Ｓｉ基板１の上面に形成されている下部電極２０の図示を省略している。

また、圧電体２１は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、膜厚方向（Ｚ方向）に分極されることによって、電圧を印加されると伸縮するように構成されている。また、上部電極２２は、Ａｌ、Ｃｒ、Ｃｕ、ＡｕまたはＰｔなどの導電性のある金属材料からなる。

また、駆動ユニット４０では、駆動部分４１〜４５は、電圧が印加されることにより変形して駆動するように構成されている。また、駆動部分４１、４３および４５に印加される電圧と駆動部分４２および４４に印加される電圧とが互いに逆の位相になるように構成されている。

ここで、駆動ユニット４０の駆動部分４５は、図１および図２に示すように、固定端Ｓ２と自由端となる端部Ｓ１０とを有する片持ち梁状の構造を有している。これにより、駆動部分４５が駆動する際には、駆動部分４５が反るように変形することにより、端部Ｓ１０をＺ方向（図１参照）に変位させて傾斜させるように構成されている。この際、固定端Ｓ２は、駆動部分４５が駆動する際においても変位しない。これにより、端部Ｓ１０は、固定端Ｓ２に対して傾斜するように構成されている。また、駆動部分４５と駆動部分４４とを接続する連結支持部４９は、略変形しないように構成されているので、端部Ｓ１０の傾斜を維持した状態で端部Ｓ９を支持するように構成されている。

また、駆動部分４４は、固定端となる端部Ｓ９と自由端となる端部Ｓ８とを有する片持ち梁状の構造を有している。これにより、端部Ｓ８は、端部Ｓ９に対して傾斜される。そして、連結支持部４８は、端部Ｓ８の傾斜を維持した状態で端部Ｓ７を支持するように構成されている。

また、駆動部分４３は、固定端となる端部Ｓ７と自由端となる端部Ｓ６とを有する片持ち梁状の構造を有している。これにより、端部Ｓ７は、端部Ｓ６に対して傾斜するように構成されている。そして、連結支持部４７は、端部Ｓ６の傾斜を維持した状態で端部Ｓ５を支持するように構成されている。

また、駆動部分４２は、固定端となる端部Ｓ５と自由端となる端部Ｓ４とを有する片持ち梁状の構造を有している。これにより、端部Ｓ５は、端部Ｓ４に対して傾斜するように構成されている。そして、連結支持部４６は、端部Ｓ４の傾斜を維持した状態で端部Ｓ３を支持するように構成されている。

また、駆動部分４１は、固定端となる端部Ｓ３と自由端Ｓ１とを有する片持ち梁状の構造を有している。これにより、自由端Ｓ１は、端部Ｓ３に対して傾斜するように構成されている。この結果、自由端Ｓ１は、駆動部分４１〜４５の傾斜が累積された状態で、回動軸３０およびＡ方向光走査部１０を傾斜させるように構成されている。

なお、本実施形態におけるＢ方向光走査部２０においては、駆動ユニット４０の駆動部分４１、４３および４５と、駆動ユニット５０の駆動部分５２および５４とには、同じ位相の電圧が印加されるように構成されている。一方、駆動ユニット４０の駆動部分４２および４４と、駆動ユニット５０の駆動部分５１、５３および５５とには、同じ位相の電圧が印加されるように構成されている。さらに、駆動部分４１、４３、４５、５２および５４に印加される電圧と、駆動部分４２、４４、５１、５３および５５に印加される電圧とは、互いに逆の位相になるように構成されている。この結果、駆動ユニット４０と駆動ユニット５０とは、互いに逆の駆動をするように構成されている。

ここで、駆動ユニット４０と駆動ユニット５０とは、ミラー１１の中心Ｒを中心として、互いに略点対称の関係を有するように構成されていることによって、駆動ユニット４０に接続された回動軸３０と、駆動ユニット５０に接続された回動軸３１とを、共に軸線４００回りの同一の方向に傾斜させることが可能である。これにより、回動軸３０および３１に接続されたＡ方向光走査部１０を軸線４００回りにＢ１方向またはＢ２方向（図１参照）に回動させることが可能なように構成されている。

次に、図１、図２および図９〜図１２を参照して、本発明の一実施形態による振動ミラー素子１００のＢ方向光走査部２０の駆動動作を説明する。

図１および図２に示すような駆動ユニット４０および５０が非駆動状態であることにより水平に保たれている状態から、図９に示すように、駆動ユニット４０の駆動部分４１、４３および４５と、駆動ユニット５０の駆動部分５２および５４とに、圧電素子層２の上面側（Ｚ１側）が下面側（Ｚ２側）よりも収縮されるような電圧を印加する。一方、駆動ユニット４０の駆動部分４２および４４と、駆動ユニット５０の駆動部分５１、５３および５５とに、駆動部分４１、４３、４５、５２および５４に印加された電圧とは逆の位相である圧電素子層２の下面側（Ｚ２側）が上面側（Ｚ１側）よりも収縮されるような電圧を印加する。

これにより、図１０に示すように、駆動ユニット４０において、駆動部分４１、４３および４５は、それぞれ、自由端Ｓ１、端部Ｓ６および端部Ｓ１０が、端部Ｓ３、端部Ｓ７および固定端Ｓ２に対して上方（Ｚ１側）に傾斜するように変形される。一方、駆動部分４２および４４は、それぞれ、端部Ｓ４および端部Ｓ８が、端部Ｓ５および端部Ｓ９に対して下方（Ｚ２側）に傾斜される。この結果、自由端Ｓ１に接続された回動軸３０は、駆動部分４１〜４５の傾斜が累積された状態で、Ａ方向光走査部１０をＹ１側がＹ２側よりも上方（Ｚ１側）に位置するように傾斜させる。

また、図１１に示すように、駆動ユニット５０は、駆動ユニット４０と逆の駆動をすることによって、回動軸３１は、駆動部分５１〜５５の傾斜が累積された状態で、Ａ方向光走査部１０をＹ１側がＹ２側よりも上方（Ｚ１側）に位置するように傾斜させる。これらにより、Ａ方向光走査部１０は、軸線４００回りにＢ１方向に回動される。

また、図１および図２に示すような駆動ユニット４０および５０が非駆動状態であることにより水平に保たれている状態から、図１２に示すように、駆動ユニット４０の駆動部分４１、４３および４５と、駆動ユニット５０の駆動部分５２および５４とに、圧電素子層２の下面側（Ｚ２側）が上面側（Ｚ１側）よりも収縮されるような電圧を印加する。一方、駆動ユニット４０の駆動部分４２および４４と、駆動ユニット５０の駆動部分５１、５３および５５とに、駆動部分４１、４３、４５、５２および５４に印加された電圧とは逆の位相である圧電素子層２の上面側（Ｚ１側）が下面側（Ｚ２側）よりも収縮されるような電圧を印加する。

これにより、駆動ユニット４０が図９および図１０の状態とは逆になるように駆動されることによって、回動軸３０は、駆動部分４１〜４５の傾斜が累積された状態で、Ａ方向光走査部１０をＹ１側がＹ２側よりも下方（Ｚ１側）に位置するように傾斜させる。また、駆動ユニット５０は、駆動ユニット４０と逆の駆動をすることによって、回動軸３１は、駆動部分５１〜５５の傾斜が累積された状態で、Ａ方向光走査部１０をＹ１側がＹ２側よりも下方（Ｚ１側）に位置するように傾斜させる。これらにより、Ａ方向光走査部１０は、軸線４００回りにＢ２方向に回動される。

これら一連の駆動が繰り返されることによって、Ａ方向光走査部１０は、駆動ユニット４０および５０により軸線４００回りに揺動される。なお、Ｂ方向光走査部２０の駆動と同時に、Ａ方向光走査部１０を駆動させることによって、ミラー１１を軸線４００回りに揺動させつつ、軸線３００回りに揺動させることが可能である。

次に、図８、図１３および図１４を参照して、本発明の一実施形態による振動ミラー素子１００の製造工程について説明する。

まず、図１３に示すように、Ｓｉ基板１の下面（Ｚ２側）上にＳｉＯ_２層３と、Ｓｉ層４とがこの順に設けられた母基板を準備する。そして、母基板の上面上（Ｚ１側）の全面に、スパッタなどにより下部電極２０および圧電体２１（図８参照）を順次形成する。そして、内側駆動部１４ａおよび１４ｂ（図３参照）と、駆動部分４１（図３参照）、４２、４３、４４、４５、５１、５２、５３、５４および５５（図３参照）とに対応する圧電体２１の上面上に、蒸着などにより上部電極２２（図８参照）を形成する。このようにして、内側駆動部１４ａおよび１４ｂと、駆動部分４１〜４５と、駆動部５１〜５５とに圧電素子層２（図３〜図７参照）が形成される。

そして、内側駆動部１４ａおよび１４ｂと、駆動部分４１〜４５と、駆動部５１〜５５とに対応する位置にフォトリソグラフィによりレジストパターン（図示せず）を形成した後、そのレジストパターンをマスクとしてウェットエッチングなどを行うことにより、内側駆動部１４ａおよび１４ｂと、駆動部分４１〜４５と、駆動部５１〜５５とに対応する位置以外の位置に形成された圧電体２１を除去する。その後、母基板（Ｓｉ層４）の下面上（Ｚ２側）の枠体１６、回動軸３０および３１、連結支持部４６〜４９、連結支持部５６〜５９ならびに固定部３２および３３に対応する位置に、蒸着などによりＡｌ、ＣｒまたはＣｕなどからなるマスク層５を形成する。

そして、振動ミラー素子１００に対応する位置にフォトリソグラフィによりレジストパターン（図示せず）を形成した後、そのレジストパターンをマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、振動ミラー素子１００に対応する位置以外の位置に形成された下部電極２０を除去する。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、振動ミラー素子１００に対応する位置以外の位置に形成されたＳｉ基板１を除去する。

そして、図１４に示すように、マスク層５をマスクとして、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、枠体１６、回動軸３０および３１、連結支持部４６〜４９、連結支持部５６〜５９ならびに固定部３２および３３に対応する位置以外の位置に形成されたＳｉ層４を除去する。この際、駆動ユニット４０の自由端Ｓ１、固定端Ｓ２および端部Ｓ３〜Ｓ１０に対応する位置と、駆動ユニット５０における自由端、固定端および端部に対応する位置とに形成されたＳｉ層４は除去しない。その後、反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）などにより、振動ミラー素子１００に対応する位置以外の位置に形成されたＳｉＯ_２層３を除去する。これにより、図８に示す振動ミラー素子１００が形成される。

本実施形態では、上記のように、駆動ユニット４０の固定端Ｓ２を、支持部分３２ａによりＡ方向光走査部１０側（Ｘ２側）で固定することによって、固定端Ｓ２がＡ方向光走査部１０から遠ざかるのが抑制され、Ａ方向光走査部１０と駆動ユニット４０との間やＡ方向光走査部１０の周囲などにおいて固定端Ｓ２を固定することができる。これにより、軸線４００の延びる方向（Ｘ方向）に振動ミラー素子１００が大型化するのを抑制することができる。また、駆動ユニット４０の固定端Ｓ２をＹ方向の略中央近傍に位置する回動軸３０の近傍で固定することによって、自由端Ｓ１と固定端Ｓ２とが離間するのを抑制することができる。これにより、自由端Ｓ１が固定端Ｓ２に対して傾斜するのを抑制することができるので、駆動ユニット４０が未駆動の状態において、自由端Ｓ１に接続されたＡ方向光走査部１０が固定端Ｓ２に対して傾斜するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、支持部分３２ａのＸ方向における長さＬ１が、回動軸３０のＸ方向における長さＬ２よりも小さいことによって、支持部分３２ａを、Ａ方向光走査部１０と駆動ユニット４０との間に容易に配置することができる。また、支持部分３２ａをＡ方向光走査部１０と駆動ユニット４０との間に配置することによって、Ｘ方向に振動ミラー素子１００が大型化するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、駆動部分４１の自由端Ｓ１におけるＹ１側の端面と、駆動部分４５の固定端Ｓ２におけるＹ２側の端面とを、Ｙ方向から見て、互いに略重なるように配置することによって、固定端Ｓ２を、駆動ユニット４０のＡ方向光走査部１０側（Ｘ２側）で、かつ、自由端Ｓ１に接続される回動軸３０の近傍に容易に配置することができる。また、自由端Ｓ１におけるＹ１側の端面と固定端Ｓ２におけるＹ２側の端面とを互いに対向させることによって、駆動部分４１の位置と駆動部分４５の位置とが、Ｘ方向において大きくずれるのを抑制することができる。これにより、Ｘ方向に振動ミラー素子１００が大型化するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、駆動ユニット４０および回動軸３０をＡ方向光走査部１０のＸ１側に形成するとともに、駆動ユニット５０および回動軸３１をＡ方向光走査部１０のＸ２側に形成されている場合においても、上記のように駆動ユニット４０および５０の各々の固定端をＡ方向光走査部１０側（Ｘ２側）で固定することによって、Ｘ方向に振動ミラー素子１００が大型化するのを抑制することができる。

また、本実施形態では、上記のように、連結支持部４６〜４９の鉛直方向（Ｚ方向）の厚みＷ１を、駆動部分４１〜４５の鉛直方向の厚みＷ２よりも大きくするとともに、自由端Ｓ１、固定端Ｓ２および端部Ｓ３〜Ｓ１０の鉛直方向の厚みＷ４を、駆動部分４１〜４５の鉛直方向の厚みＷ２よりも大きくすることによって、連結支持部４６〜４９が変形したり傾斜したりするのを抑制することができるので、変形した駆動部分４２〜４５における傾斜を略維持した状態で、接続された駆動部分４１〜４４をそれぞれ傾斜するように変形させることができる。これにより、駆動部分４１〜４５における傾斜を累積させることができるので、駆動ユニット４０全体をより大きく変形させることができる。この結果、Ａ方向光走査部１０をより大きな傾斜で揺動させることができる。また、連結支持部４６〜４９の鉛直方向（Ｚ方向）の厚みＷ１を大きくすることによって、連結支持部４６〜４９の合成を維持しつつ、連結支持部４６〜４９における軸線４００と直交する方向（Ｙ方向）の長さを小さくすることができる。これにより、駆動部分４１〜４５をよりＹ方向に長くすることができるので、各々の駆動部分４１〜４５における駆動力を大きくすることができる。この結果、Ａ方向光走査部１０をより傾斜させることができる。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、互いに同様の構成を有する駆動ユニット４０と駆動ユニット５０とが、ミラー１１の中心Ｒを中心として、略点対称の関係を有するように構成するとともに、固定部３２と固定部３３とが、互いに同様の構成を有するミラー１１の中心Ｒを中心として、略点対称の関係を有するように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。

たとえば、図１５に示す本実施形態の変形例における振動ミラー素子２００のように、互いに同様の構成を有する駆動ユニット４０と駆動ユニット２５０とを、ミラー１１の中心Ｒを通りＹ方向に延びる対称軸５００を境に線対称の関係を有するように構成してもよい。その際、駆動ユニット４０の固定端Ｓ２と駆動ユニット２５０の固定端Ｓ２２とを固定する固定部２３２をＡ方向光走査部１０のＹ方向における一方側（Ｙ１側）に設けてもよい。これにより、Ａ方向光走査部１０のＹ２側に別途固定部を設ける必要がない。具体的な構成としては、振動ミラー素子２００のＹ１側に形成された固定部２３２は、対称軸５００を境に線対称の関係を有するように構成されているとともに、Ｙ１側に形成された本体部２３２ｂのＸ方向の両端部に、それぞれ、支持部分２３２ａおよび２３２ｃが設けられている。駆動ユニット４０側（Ｘ１側）に形成された支持部分２３２ａは、回動軸３０の近傍で駆動ユニット４０の固定端Ｓ２を固定するように構成されている。また、駆動ユニット２５０側（Ｘ２側）に形成された支持部分２３２ｃは、回動軸３１の近傍で駆動ユニット２５０の固定端Ｓ２２を固定するように構成されている。これにより、Ｘ方向に振動ミラー素子２００が大型化するのを抑制することが可能であるとともに、駆動ユニット４０および２５０が未駆動の状態において、Ａ方向光走査部１０が固定端Ｓ２およびＳ２２に対して傾斜するのを抑制することが可能である。

また、上記実施形態では、駆動ユニット４０（５０）と、回転軸３０（３１）と、固定部３２（３３）とを、それぞれ、Ａ方向光走査部１０を挟み込むように一対ずつ形成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、駆動ユニットと回転軸と固定部とを１つずつ形成してもよい。

また、上記実施形態では、駆動部分４１の自由端Ｓ１におけるＹ１側の端面と、駆動部分４５の固定端Ｓ２におけるＹ２側の端面とを、Ｙ方向から見て、互いに略重なるように配置した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、自由端における端面の一部と、固定端における端面の一部とを、Ｙ方向から見て、互いに略重なるように配置してもよい。すなわち、自由端における端面と固定端における端面とが、Ｙ方向から見て、互いに対向していればよい。

また、上記実施形態では、圧電体２１がチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、圧電体は、ＰＺＴ以外の鉛、チタンおよびジルコニウムを主成分とした酸化物からなる圧電材料や、他の圧電材料により形成されていてもよい。具体的には、圧電体は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛（（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）などの圧電材料により形成されていてもよい。

また、上記実施形態では、駆動ユニット４０を、５つの駆動部分４１、４２、４３、４４および４５が４つの連結支持部４６、４７、４８および４９により各々が接続されることによって、１本の駆動部になるように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、駆動ユニットは、自由端と固定端とが共に駆動ユニットのＡ方向光走査部側に形成されていればよく、たとえば、駆動ユニットは、３つの駆動部分が２つの連結支持部により各々が接続されることによって構成されていてもよい。

また、上記実施形態では、連結支持部４６〜４９の鉛直方向（Ｚ方向）の厚みＷ１を、駆動部分４１〜４５（自由端Ｓ１、固定端Ｓ２および端部Ｓ３〜Ｓ１０の部分を除く）の鉛直方向の厚みＷ２よりも大きくするとともに、自由端Ｓ１、固定端Ｓ２および端部Ｓ３〜Ｓ１０の鉛直方向の厚みＷ４を、駆動部分４１〜４５（自由端Ｓ１、固定端Ｓ２および端部Ｓ３〜Ｓ１０の部分を除く）の鉛直方向の厚みＷ２よりも大きくした例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、駆動部分の鉛直方向の厚みを、端部の鉛直方向の厚みと略等しくしてもよい。

また、上記実施形態では、内側駆動部１４ａおよび１４ｂと駆動部分４１〜４５と、駆動部５１〜５５とが、下部電極２０と圧電体２１と上部電極２２とが積層された構造を有する圧電素子層２を含む例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、内側駆動部および駆動部分は、圧電素子以外の駆動装置によって駆動するように構成されてもよい。たとえば、電極に挟まれたエラストマからなる駆動装置としてもよい。この際、電極間に電圧を印加することにより、電極同士が引き合うことによって、エラストマが圧縮されて駆動装置が変形するように構成される。

また、上記実施形態では、振動ミラー素子１００が、Ａ方向光走査部１０とＢ方向光走査部２０とを含むことによって、２次元に光を走査するように構成した例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、Ａ方向光走査部をミラーのみからなり、内側駆動部を有さない構成にすることによって、振動ミラー素子を１次元にのみ光を走査するように構成してもよい。

１０Ａ方向光走査部（ミラー部）
３０、３１回動軸（軸部）
３２、３３、２３２固定部
３２ａ、３３ａ、２３２ａ、２３２ｃ支持部分（固定端支持部分）
４０、５０、２５０駆動ユニット（駆動部）
４１駆動部分（第１駆動部、第３駆動部、第４駆動部）
４２、４３、４４駆動部分（第３駆動部、第４駆動部）
４５駆動部分（第２駆動部、第３駆動部、第４駆動部）
４６、４７、４８、４９連結支持部（接続部分）
Ｓ１自由端
Ｓ２、Ｓ２２固定端
４００軸線

Claims

軸線回りに揺動可能なミラー部と、
自由端と固定端とを含み、変形することによって前記ミラー部を揺動させるための駆動部と、
前記ミラー部と前記駆動部との間に前記軸線に沿って延びるように設けられ、前記ミラー部を揺動可能に支持する軸部とを備え、
前記駆動部は、前記ミラー部の軸線と直交する方向に延びるように設けられ、前記軸線と直交する方向に折り返す構造を有しており、
前記駆動部の自由端は前記軸部に接続されるとともに、前記駆動部の固定端は前記駆動部のミラー部側で、かつ、前記軸部と前記自由端との接続部分の近傍で固定されている、振動ミラー素子。
前記固定端を固定するとともに、前記ミラー部と前記駆動部との間に配置された固定端支持部分を含む固定部をさらに備え、
前記軸線の延びる方向における前記固定端支持部分の長さは、前記軸線の延びる方向における前記軸部の長さよりも小さい、請求項１に記載の振動ミラー素子。
前記駆動部は、前記軸線と直交する方向に延びるように設けられ、変形する第１駆動部および第２駆動部をさらに含み、
前記第１駆動部は、前記自由端を有し、前記第２駆動部は、前記固定端を有し、
前記第１駆動部の自由端の端面と前記第２駆動部の固定端の端面とは、前記軸線と直交する方向に互いに対向するように構成されている、請求項１または２に記載の振動ミラー素子。
前記駆動部および前記軸部の各々は、前記軸線の延びる方向における前記ミラー部の両側に、前記ミラー部を挟むように一対設けられている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動ミラー素子。
前記駆動部は、前記軸線と直交する方向に延びるように設けられ、変形する第３駆動部および第４駆動部と、前記第３駆動部と前記第４駆動部とを接続する接続部分をさらに含み、
前記接続部分の厚みは、前記第３駆動部の厚みおよび前記第４駆動部の厚み以上である、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動ミラー素子。