JP5487960B2 - 振動ミラー素子および振動ミラー素子の製造方法 - Google Patents

振動ミラー素子および振動ミラー素子の製造方法 Download PDF

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Description

この発明は、振動ミラー素子および振動ミラー素子の製造方法に関し、特に、駆動部を備える振動ミラー素子および駆動部を備える振動ミラー素子の製造方法に関する。
従来、駆動部を備える振動ミラー素子および駆動部を備える振動ミラー素子の製造方法が知られている(たとえば、特許文献1および2参照)。
上記特許文献1には、X方向に沿って配置された一対の駆動部と、この一対の駆動部の間にX方向において挟み込まれるように配置され、一対の駆動部によって回動されるミラー部と、X方向およびY方向(X方向と同一面内で直交する方向)に沿って一対の駆動部とミラー部とを取り囲むように配置されたフレームとが共通の基板上に形成された光偏向器が開示されている。この光偏向器の一対の駆動部の各々の一方端部は、それぞれ、X方向の一方側および他方側においてミラー部と接続されている。また、一対の駆動部の各々の他方端部は、X方向のミラー部とは反対側に位置するフレームによって固定されている。また、一対の駆動部の各々は、Y方向に延びる個々の圧電アクチュエータがX方向に複数並べられた状態で配置されており、複数の圧電アクチュエータの各々の端部において互いに折り返された状態で連続的に接続されている。なお、この光偏向器は、ミラー部の厚みおよびフレームの厚みが一対の駆動部の厚みよりも大きくなるとともに、一対の駆動部の厚みが略一定になるように、一対の駆動部に対応する部分をミラー部およびフレームよりも所定の高さ(厚み)分除去することによって形成されている。
また、上記特許文献2には、反射板と、反射板のX方向の両側に一対ずつ配置され、Y方向(X方向と同一面内で直交する方向)に延びる4つの振動板と、X方向の一方側に配置された一対の振動板の各々の一方端部と反射板のX方向の一方側とを接続する一方側弾性支持部と、X方向の他方側に配置された一対の振動板の各々の一方端部と反射板のX方向の他方側とを接続する他方側弾性支持部とを備える光偏向器が開示されている。この光偏向器では、振動板を容易に変形させるために、4つの振動板の厚みが一方側弾性支持部の厚みおよび他方側弾性支持部の厚みよりも小さくなるように構成されている。また、一方側弾性支持部と他方側弾性支持部とは、共にX方向に延びるように形成されることにより、ねじり変形を利用して反射板を傾斜させるように構成されている。これにより、反射板をY方向に延びる回動中心回りに回動させることが可能なように構成されている。
特開2009−223165号公報 特開2008−257226号公報
しかしながら、上記特許文献1に記載の光偏向器では、駆動部において圧電アクチュエータが設けられている領域と、圧電アクチュエータが設けられていない領域(支持部)とがX方向に交互に配置されるように構成した場合には、駆動部の厚みが略一定であることに起因して、圧電アクチュエータが設けられていない領域における剛性(外力に対する変形量)と圧電アクチュエータが設けられている領域における剛性とが略同一になると考えられる。ここで、圧電アクチュエータが設けられている領域における剛性は、圧電アクチュエータが容易に変形するために低い方が好ましいため、圧電アクチュエータが設けられている領域の厚みと略同一の厚みを有する圧電アクチュエータが設けられていない領域における剛性は、圧電アクチュエータが設けられている領域における剛性と同様に低いと考えられる。このため、圧電アクチュエータが設けられていない領域において、剛性が低いことに起因して、駆動部およびミラー部の自重による撓み変形が生じやすいという問題点がある。
また、上記特許文献2に記載の光偏向器では、反射板を傾斜させるためには、一方側弾性支持部と他方側弾性支持部とが共にねじり変形する必要があるため、一方側弾性支持部と他方側弾性支持部との剛性を共に低くする必要があると考えられる。したがって、一方側弾性支持部と他方側弾性支持部とをY方向に延びるように構成した場合に、一方側弾性支持部と他方側弾性支持部において、剛性が低いことに起因して、反射板および一対の振動板の自重による撓み変形が生じやすいという問題点があると考えられる。
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、支持部において撓み変形が生じるのを抑制することが可能な振動ミラー素子および振動ミラー素子の製造方法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
この発明の第1の局面による振動ミラー素子は、ミラー部と、第1方向の一方側に位置する一方接続部を含み、第1方向に沿って直線状に延びるとともに、変形可能な駆動部と、駆動部の一方接続部と第1方向の一方側に位置する一方端部側で接続され、第1方向に沿って直線状に延びる支持部とを備え、支持部は、ミラー部と第1方向の他方側に位置する他方端部側で接続されるミラー支持部を含み、支持部の厚みは、駆動部の厚みよりも大きい。
この発明の第1の局面による振動ミラー素子では、上記のように、支持部の厚みを駆動部の厚みよりも大きくすることによって、支持部に接続されている駆動部などの自重が支持部に加えられた場合においても、支持部の厚みが駆動部の厚みよりも大きい分、支持部の剛性を高くすることができるので、支持部において撓み変形が生じるのを抑制することができる。また、支持部の厚みを駆動部の厚みよりも大きくすることによって、支持部の剛性を確保しつつ支持部の幅を小さくすることができるので、振動ミラー素子全体のサイズを小さくすることができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、駆動部を変形させながら駆動する際に、支持部は、駆動部の一方接続部における傾斜を維持するように構成されている。このように構成すれば、駆動部が変形することによって生じる支持部の傾斜を維持することができる。すなわち、ミラー部が支持部に接続されている場合には、維持されている支持部の傾斜に基づいて、ミラー部を傾斜させることができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、支持部の第1方向に直交する第2方向における幅は、駆動部の第2方向における幅以下である。このように構成すれば、支持部の幅が駆動部の幅よりも大きい状態で振動ミラー素子を構成する場合と比較して、支持部の厚みを駆動部の厚みよりも大きくして支持部の剛性を確保しつつ、振動ミラー素子全体の第2方向におけるサイズを小さくすることができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、ミラー支持部、ミラー部を傾斜させた状態で支持することが可能なように構成されている。このように構成すれば、容易に、ミラー支持部によってミラー部を傾斜させた状態を維持することができる。
上記第1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、第1方向における一方接続部と反対側に固定端を有する片持ち梁状の第1駆動部と、第1方向における一方接続部と反対側に他方接続部を有する第2駆動部とを含み、支持部は、第1駆動部の一方接続部と第1方向の一方側に位置する一方端部側で接続されるとともに、第2駆動部の他方接続部と第1方向の他方側に位置する他方端部側で接続される第1連結支持部を含み、第1連結支持部の厚みは、第1駆動部の厚みおよび第2駆動部の厚みよりも大きい。このように構成すれば、片持ち梁状の第1駆動部および第2駆動部と、第1駆動部および第2駆動部と接続される第1連結支持部とによって構成される振動ミラー素子において、第1連結支持部の厚みが第1駆動部の厚みおよび第2駆動部の厚みよりも大きい分、第1連結支持部の剛性を高くすることができるので、第1連結支持部において撓み変形が生じるのを抑制することができる。
この場合、好ましくは、第1連結支持部の第1方向に直交する第2方向における幅は、第1駆動部の第2方向における幅以下で、かつ、第2駆動部の第2方向における幅以下である。このように構成すれば、第1連結支持部の幅が第1駆動部の幅および第2駆動部の幅よりも大きい状態で振動ミラー素子を構成する場合と比較して、第1駆動部および第2駆動部と接続される第1連結支持部の厚みを第1駆動部および第2駆動部の厚みよりも大きくして第1連結支持部の剛性を確保しつつ、振動ミラー素子全体の第2方向におけるサイズを小さくすることができる。
上記第1連結支持部の厚みが第1駆動部の厚みおよび第2駆動部の厚みよりも大きい振動ミラー素子において、好ましくは、ミラー支持部、ミラー部を傾斜させた状態で支持することが可能なように構成されており、ミラー支持部は、第2駆動部の一方接続部と一方端部側で接続されるように構成されており、ミラー支持部の厚みは、第1駆動部の厚みおよび第2駆動部の厚みよりも大きい。このように構成すれば、ミラー部および第2駆動部と接続されるミラー支持部を含む振動ミラー素子において、ミラー支持部の厚みが第1駆動部の厚みおよび第2駆動部の厚みよりも大きい分、ミラー支持部の剛性を高くすることができるので、ミラー支持部において撓み変形が生じるのを抑制することができる。
上記第1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、支持部およびミラー部は、一体的に形成されている。このように構成すれば、駆動部、支持部およびミラー部が一体的に形成されている状態から駆動部が形成されている部分を所定の高さ(厚み)分除去することによって、容易に、支持部の厚みを駆動部の厚みよりも大きい振動ミラー素子を形成することができる。また、駆動部、支持部およびミラー部において、互いの接続を別途行う必要がないので、振動ミラー素子の製造工程を短くすることができる。
上記ミラー支持部が第2駆動部の一方接続部と一方端部側で接続される振動ミラー素子において、好ましくは、第2駆動部は、複数設けられており、支持部は、第2駆動部の一方接続部と第1方向の一方側に位置する一方端部側で接続されるとともに、一方端部側で接続された第2駆動部とは異なる第2駆動部の他方接続部と第1方向の他方側に位置する他方端部側で接続される第2連結支持部を含み、第2駆動部と第2連結支持部とが、第1方向に直交する第2方向に沿ってミラー支持部側から第1連結支持部側に向かって第2駆動部と第2連結支持部とが交互に並べられるように配置された状態で、隣接したものが互いに順次第1方向の一方側および他方側のいずれか一方側で交互に折り返されるように接続されることにより、ミラー支持部から第1連結支持部まで連続的に接続されることによって、ミラー支持部から第1駆動部まで連続的に接続されている。このように構成すれば、第1駆動部と第1連結支持部との接続部分における変位に基づいて、第2駆動部を駆動させることができるとともに、第1駆動部側の第2駆動部と第2連結支持部との接続部分における変位に基づいて、ミラー支持部側の第2駆動部を駆動させることができるので、ミラー支持部における傾斜角度をより大きくすることができる。これにより、ミラー部の傾斜角度をより大きくすることができる。
上記第1の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、ミラー部は、第1回動中心回りに回動するように構成されており、ミラー部は、ミラーと、ミラーの面内方向において第1回動中心と直交する第2回動中心回りにミラーを回動させるミラー部側駆動部とを含む。このように構成すれば、ミラーにおいて光を正確に反射させることが可能であるとともに、2次元的に光を走査することが可能な振動ミラー素子を得ることができる。
この場合、好ましくは、駆動部は、第1周波数に基づいて、ミラー部を第1回動中心回りに回動させるように構成されており、ミラー部側駆動部は、第1周波数よりも大きい第2周波数に基づいて、ミラーを第2回動中心回りに回動させるように構成されている。このように構成すれば、ミラー部が第1回動中心回りよりも第2回動中心回りにより速く回動して2次元的に光を走査することができる。
この発明の第2の局面による振動ミラー素子の製造方法は、ミラー部と、第1方向の一方側に位置する一方接続部を含み、第1方向に沿って直線状に延びるとともに、変形可能な駆動部と、駆動部の一方接続部と第1方向の一方側に位置する一方端部側で接続され、第1方向に沿って直線状に延びる支持部とを備え、支持部、ミラー部と第1方向の他方側に位置する他方端部側で接続されるミラー支持部を含む振動ミラー素子の製造方法であって、ミラー部と駆動部と支持部とを含む振動ミラー素子部分を同一の基板に形成する工程と、基板の駆動部に対応する部分を所定の高さ分除去することによって、支持部の厚みを駆動部の厚みよりも大きくする工程とを備える。
この発明の第2の局面による振動ミラー素子の製造方法では、上記のように、支持部の厚みを駆動部の厚みよりも大きくする工程を備えることによって、支持部に接続されている駆動部などの自重が支持部に加えられた場合においても、支持部の厚みが駆動部の厚みよりも大きい分、支持部の剛性を高くすることができるので、支持部において撓み変形が生じるのが抑制された振動ミラー素子を得ることができる。
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に示した振動ミラー素子をE方向(F方向)から見た側面図である。 図2に示した振動ミラー素子の1000−1000線に沿った拡大断面図である。 図2に示した振動ミラー素子の2000−2000線に沿った拡大断面図である。 図2に示した振動ミラー素子の3000−3000線に沿った拡大断面図である。 図2に示した振動ミラー素子の4000−4000線に沿った拡大断面図である。 図2に示した振動ミラー素子の5000−5000線に沿った拡大断面図である。 本発明の一実施形態による振動ミラー素子の駆動部の上面側を示した拡大断面図である。 本発明の一実施形態による振動ミラー素子の連結支持部およびミラー支持部の上面側を示した拡大断面図である。 本発明の一実施形態による振動ミラー素子がB1側に所定の傾斜角度で傾斜した状態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が所定の傾斜角度で傾斜した状態を示した側面図である。 本発明の一実施形態による振動ミラー素子が所定の傾斜角度で傾斜した状態を示した側面図である。 本発明の一実施形態による振動ミラー素子がB2側に所定の傾斜角度で傾斜した状態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製造工程を示した断面図である。 本発明の一実施形態による振動ミラー素子の製造工程を示した断面図である。 本発明の一実施形態による振動ミラー素子の製造工程を示した断面図である。 本発明の一実施形態の第1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。 本発明の一実施形態の第2変形例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の第3変形例による振動ミラー素子の構造を示した斜視図である。
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10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〜図3に示すように、後述するミラー11を用いてX方向に光を走査するためのX方向光走査部10と、ミラー11を用いてX方向と直交するY方向に光を走査するためのY方向光走査部30とを備えている。また、X方向光走査部10およびY方向光走査部30は、図4〜図8に示すように、約0.1mmの厚みt1を有する共通のSi基板1上に一体的に形成されている。なお、X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光を走査する機器に組み込まれ、X方向光走査部10によりX方向に光を走査するとともに、Y方向光走査部30によりY方向に光を走査するように構成されている。また、X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、Y方向光走査部30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、Y方向光走査部30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。なお、約30kHzの共振周波数は、本発明の「第2周波数」の一例であり、約60Hzの周波数は、本発明の「第1周波数」の一例である。
また、X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12および13と、トーションバー12と接続され、傾斜可能なバー14と、トーションバー13と接続され、傾斜可能なバー15と、バー14および15と接続される内側駆動部16および17と、内側駆動部16および17を固定する固定部18および19と、枠体20とを含む。また、図2に示すように、枠体20(X方向光走査部10)は、Y方向に約5mmの長さL1を有するとともに、X方向に約4mmの長さL2を有する。なお、内側駆動部16および17は、本発明の「ミラー部側駆動部」の一例である。
また、図4および図8に示すように、枠体20を除くX方向光走査部10は、Z方向に約0.1mmの厚みt1を有する一方、枠体20は、t1よりも大きい約0.5mmの厚みt2を有する。なお、枠体20は、約0.1mmの厚みt1を有するSi基板1と、Si基板1の下面(Z2側)に形成された薄いSiO層2と、SiO層2の下面に形成された約0.4mmの厚みを有する下部Si層3とから構成されている。
また、図2に示すように、ミラー11とトーションバー12および13とは、共振によってバー14および15の傾斜角度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X方向に光を走査する際の回動中心R1およびY方向に光を走査する際の回動中心R2は、共にミラー11の中心R3を通るように構成されている。このミラー11の中心R3は、X方向光走査部10のX方向およびY方向の中央に位置するように構成されている。なお、回動中心R1は、本発明の「第2回動中心」の一例であり、回動中心R2は、本発明の「第1回動中心」の一例である。また、Y方向は、本発明の「第1方向」の一例であり、X方向は、本発明の「第2方向」の一例である。
また、図1に示すように、内側駆動部16および17は、それぞれ、固定部18および19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16と内側駆動部17とを互いに逆方向に変形させることによって、ミラー11を回動中心R1(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。また、この変形動作を繰り返すことによって、X方向光走査部10は、ミラー11を回動中心R1回りにA方向に振動させてX方向に光を走査させるように構成されている。なお、内側駆動部16および17は、図4に示すように、Si基板1の上面(Z1側の面)に、圧電アクチュエータ60が形成された構造を有している。なお、圧電アクチュエータ60の構造については後述する。
また、Y方向光走査部30は、図2に示すように、X方向光走査部10のX1側に形成された駆動ユニット40と、X方向光走査部10のX2側に形成された駆動ユニット50とを備える。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、X方向光走査部10を挟み込むように配置されている。
また、駆動ユニット40では、X方向に沿ってX1側からX2側に向かって、駆動部41、連結支持部42、駆動部43、連結支持部44、駆動部45およびミラー支持部46がこの順に並べられて配置されている。また、駆動ユニット50では、X方向に沿ってX2側からX1側に向かって、駆動部51、連結支持部52、駆動部53、連結支持部54、駆動部55およびミラー支持部56がこの順に並べられて配置されている。また、駆動部41、連結支持部42、駆動部43、連結支持部44、駆動部45およびミラー支持部46は、Y方向に直線状に延びるように形成されているとともに、駆動部51、連結支持部52、駆動部53、連結支持部54、駆動部55およびミラー支持部56は、Y方向に直線状に延びるように形成されている。なお、駆動部41および51は、共に本発明の「第1駆動部」の一例であり、駆動部43、45、53および55は、共に本発明の「第2駆動部」の一例である。また、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とは、共に本発明の「支持部」の一例である。
ここで、本実施形態では、図4、図6および図7に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55は、共にZ方向に約0.1mmの厚みt1を有する一方、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46(図6参照)および56(図7参照)とは、共に約0.5mmの厚みt2を有する。すなわち、連結支持部42、44、52および54のZ方向の厚みt2とミラー支持部46および56のZ方向の厚みt2とは略同一になるとともに、駆動部41、43、45、51、53および55のZ方向の厚みt1は略同一になるように構成されている。また、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのZ方向の厚みt2(約0.5mm)は、駆動部41、43、45、51、53および55のZ方向の厚みt1(約0.1mm)よりも大きくなるように構成されている。
また、図8に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55は、共に枠体20を除くX方向光走査部10と略同一のZ方向の厚みt1を有するとともに、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46(図6参照)および56(図7参照)とは、枠体20と略同一のZ方向の厚みt2を有するように構成されている。また、図3および図4に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55は、X方向(図4参照)およびY方向(図3参照)の全体に渡って略同一のZ方向の厚みt1(図4参照)を有するように構成されているとともに、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とは、X方向(図4、図6および図7参照)およびY方向(図3参照)の全体に渡って略同一のZ方向の厚みt2を有するように構成されている。
また、本実施形態では、図2に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55は、Y方向に約12mmの長さL3を有するとともに、X方向に約0.4mmの幅W1を有する。また、連結支持部42、44、52および54は、Y方向に約12mmの長さL3を有するとともに、X方向に約0.3mmの幅W2を有する。また、ミラー支持部46および56は、Y方向に約3.5mmの長さL4を有するとともに、X方向に約0.3mmの幅W2を有する。すなわち、連結支持部42、44、52および54のX方向の幅W2とミラー支持部46および56のX方向の幅W2とは略同一になるとともに、駆動部41、43、45、51、53および55のX方向の幅W1は略同一になるように構成されている。また、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのX方向の幅W2(約0.3mm)は、駆動部41、43、45、51、53および55のX方向の幅W1(約0.4mm)よりも小さくなるように構成されている。
また、ミラー11の中心R3を通る回動中心R2は、駆動部41、43、45、51、53および55の非駆動状態において、駆動部41、43、45、51、53および55と、連結支持部42、44、52および54とのY方向の略中央を通るように構成されている。また、駆動ユニット40と駆動ユニット50とは、ミラー11の中心R3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。
具体的には、図2に示すように、駆動ユニット40の駆動部41のY1側の端部41aは、図示しない外枠体によって固定されている。すなわち、駆動部41は、Y1側の端部41aを固定端とするとともに、Y2側の端部41bを自由端とする片持ち梁状の構造を有している。これにより、駆動部41が駆動する際には、駆動部41が反るように変形することにより、端部41b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、固定端である端部41aは、駆動部41が駆動する際においても変位しない。これにより、固定端である端部41aにおける接線C0(図3参照)に対して、自由端である端部41bにおける接線C1(図3参照)は、第1の傾斜角度で傾斜するように構成されている。なお、本実施形態では、接線C0は、水平面上に位置するように構成されている。
また、駆動部41のY2側の端部41bの近傍には、接続部41cが設けられている。駆動部41は、接続部41cにおいて連結支持部42のY2側の端部42aの近傍の接続部42bと接続されている。また、連結支持部42は、駆動部41の駆動状態において、駆動部41の端部41bがZ方向(図1参照)に変位した状態であっても、略撓まないように構成されている。これにより、連結支持部42は、駆動部41の駆動状態において、自由端である駆動部41の端部41bにおける接線C1上に位置することによって、固定端である駆動部41の端部41aにおける接線C0に対して、第1の傾斜角度で傾斜するように構成されている。すなわち、連結支持部42は、駆動部41の端部41b(接続部41c)における傾斜を維持するように構成されている。なお、接続部41cは、本発明の「一方接続部」の一例であり、端部42aは、本発明の「一方端部」の一例である。
また、連結支持部42のY1側の端部42cの近傍には、接続部42dが設けられている。連結支持部42は、接続部42dにおいて駆動部43のY1側の端部43aの近傍の接続部43bと接続されている。なお、連結支持部42は略撓まないことにより、接続部42dは接線C1(図3参照)上に位置するように構成されている。これにより、接続部42dにおいて接続されている駆動部43の接続部43b(端部43a)は、接線C1上に位置しているとともに、接線C0(図3参照)に対して第1の傾斜角度で傾斜するように構成されている。なお、端部42cは、本発明の「他方端部」の一例であり、接続部43bは、本発明の「他方接続部」の一例である。
また、連結支持部42の接続部42dにおいて接続されている駆動部43は、Y1側の接続部43b(端部43a)を基準として変形するように構成されている。これにより、駆動部43が駆動する際には、駆動部43が反るように変形することにより、端部43cをZ方向(図1参照)に変位させて連結支持部42に対して傾斜させるように構成されている。これにより、基準となる端部43aにおける接線C1(図3参照)に対して、端部43cにおける接線C2(図3参照)は、第2の傾斜角度で傾斜するように構成されている。
また、図2に示すように、駆動部43のY2側の端部43cの近傍には、接続部43dが設けられている。駆動部43は、接続部43dにおいて連結支持部44のY2側の端部44aの近傍の接続部44bと接続されている。また、連結支持部44は、駆動部43の駆動状態において、駆動部43の端部43cがZ方向(図1参照)に変位した状態であっても、略撓まないように構成されている。これにより、連結支持部44は、駆動部43の駆動状態において、駆動部43の端部43cにおける接線C2上に位置することによって、基準となる端部43aにおける接線C1に対して、第2の傾斜角度で傾斜するように構成されている。すなわち、連結支持部44は、駆動部43の端部43c(接続部43d)における傾斜を維持するように構成されている。なお、接続部43dは、本発明の「一方接続部」の一例であり、端部44aは、本発明の「一方端部」の一例である。
また、連結支持部44のY1側の端部44cの近傍には、接続部44dが設けられている。連結支持部44は、接続部44dにおいて駆動部45のY1側の端部45aの近傍の接続部45bと接続されている。なお、連結支持部44は略撓まないことにより、接続部44dは接線C2(図3参照)上に位置するように構成されている。これにより、接続部44dにおいて接続されている駆動部45の接続部45b(端部45a)は、接線C2上に位置しているとともに、接線C1(図3参照)に対して第2の傾斜角度で傾斜するように構成されている。なお、端部44cは、本発明の「他方端部」の一例であり、接続部45bは、本発明の「他方接続部」の一例である。
また、連結支持部44の接続部44dにおいて接続されている駆動部45は、Y1側の接続部45b(端部45a)を基準として変形するように構成されている。これにより、駆動部45が駆動する際には、駆動部45が反るように変形することにより、端部45cをZ方向(図1参照)に変位させて連結支持部44に対して傾斜させるように構成されている。これにより、基準となる端部45aにおける接線C2(図3参照)に対して、端部45cにおける接線C3(図3参照)は、第3の傾斜角度で傾斜するように構成されている。
また、図2に示すように、駆動部45のY2側の端部45cの近傍には、接続部45dが設けられている。駆動部45は、接続部45dにおいてミラー支持部46のY2側の端部46aの近傍の接続部46bと接続されている。また、ミラー支持部46は、駆動部45の駆動状態において、駆動部45の端部45cがZ方向(図1参照)に変位した状態であっても、略撓まないように構成されている。これにより、ミラー支持部46は、駆動部45の駆動状態において、駆動部45の端部45cにおける接線C3上に位置することによって、基準となる端部45aにおける接線C2に対して、第3の傾斜角度で傾斜するように構成されている。すなわち、ミラー支持部46は、駆動部45の端部45c(接続部45d)における傾斜を維持するように構成されている。この結果、ミラー支持部46は、接線C0(水平面上に位置:図3参照)に対して、第1の傾斜角度と第2の傾斜角度と第3の傾斜角度とを略合計した第4の傾斜角度でB1側またはB2側(図1参照)に傾斜するように構成されている。なお、接続部45dは、本発明の「一方接続部」の一例であり、端部46aは、本発明の「一方端部」の一例である。
また、ミラー支持部46は、Y1側の端部46cにおいて、X方向光走査部10の枠体20のY2側の側面のX1側の端部近傍で接続されている。これらにより、駆動ユニット40では、X2側のミラー支持部46からX1側の駆動部41に向かって、隣接したものが互いに順次Y1側の端部近傍またはY2側の端部近傍で交互に折り返されるように接続されることによって、ミラー支持部46から駆動部41まで連続的に接続された状態として構成されている。なお、端部46cは、本発明の「他方端部」の一例である。
また、図2に示すように、駆動ユニット50の駆動部51のY2側の端部51aは、図示しない外枠体によって固定されている。すなわち、駆動部51は、Y2側の端部51aを固定端とするとともに、Y1側の端部51bを自由端とする片持ち梁状の構造を有している。これにより、駆動部51が駆動する際には、駆動部51が反るように変形することにより、端部51b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、固定端である端部51aは、駆動部51が駆動する際においても変位しない。これにより、固定端である端部51aにおける接線D0(図3参照)に対して、自由端である端部51bにおける接線D1(図3参照)は、第5の傾斜角度で傾斜するように構成されている。なお、本実施形態では、接線D0は、水平面上に位置するように構成されている。
また、駆動部51のY1側の端部51bの近傍には、接続部51cが設けられている。駆動部51は、接続部51cにおいて連結支持部52のY1側の端部52aの近傍の接続部52bと接続されている。また、連結支持部52は、駆動部51の駆動状態において、駆動部51の端部51bがZ方向(図1参照)に変位した状態であっても、略撓まないように構成されている。これにより、連結支持部52は、駆動部51の駆動状態において、自由端である駆動部51の端部51bにおける接線D1上に位置することによって、固定端である駆動部51の端部51aにおける接線D0に対して、第5の傾斜角度で傾斜するように構成されている。すなわち、連結支持部52は、駆動部51の端部51b(接続部51c)における傾斜を維持するように構成されている。なお、接続部51cは、本発明の「一方接続部」の一例であり、端部52aは、本発明の「一方端部」の一例である。
また、連結支持部52のY2側の端部52cの近傍には、接続部52dが設けられている。連結支持部52は、接続部52dにおいて駆動部53のY2側の端部53aの近傍の接続部53bと接続されている。なお、連結支持部52は略撓まないことにより、接続部52dは接線D1(図3参照)上に位置するように構成されている。これにより、接続部52dにおいて接続されている駆動部53の接続部53b(端部53a)は、接線D1上に位置しているとともに、接線D0(図3参照)に対して第5の傾斜角度で傾斜するように構成されている。なお、端部52cは、本発明の「他方端部」の一例であり、接続部53bは、本発明の「他方接続部」の一例である。
また、連結支持部52の接続部52dにおいて接続されている駆動部53は、Y2側の接続部53b(端部53a)を基準として変形するように構成されている。これにより、駆動部53が駆動する際には、駆動部53が反るように変形することにより、端部53cをZ方向(図1参照)に変位させて連結支持部52に対して傾斜させるように構成されている。これにより、基準となる端部53aにおける接線D1(図3参照)に対して、端部53cにおける接線D2(図3参照)は、第6の傾斜角度で傾斜するように構成されている。
また、図2に示すように、駆動部53のY1側の端部53cの近傍には、接続部53dが設けられている。駆動部53は、接続部53dにおいて連結支持部54のY1側の端部54aの近傍の接続部54bと接続されている。また、連結支持部54は、駆動部53の駆動状態において、駆動部53の端部53cがZ方向(図1参照)に変位した状態であっても、略撓まないように構成されている。これにより、連結支持部54は、駆動部53の駆動状態において、駆動部53の端部53cにおける接線D2上に位置することによって、基準となる端部53aにおける接線D1に対して、第6の傾斜角度で傾斜するように構成されている。すなわち、連結支持部54は、駆動部53の端部53c(接続部53d)における傾斜を維持するように構成されている。なお、接続部53dは、本発明の「一方接続部」の一例であり、端部54aは、本発明の「一方端部」の一例である。
また、連結支持部54のY2側の端部54cの近傍には、接続部54dが設けられている。連結支持部54は、接続部54dにおいて駆動部55のY2側の端部55aの近傍の接続部55bと接続されている。なお、連結支持部54は略撓まないことにより、接続部54dは接線D2(図3参照)上に位置するように構成されている。これにより、接続部54dにおいて接続されている駆動部55の接続部55b(端部55a)は、接線D2上に位置しているとともに、接線D1(図3参照)に対して第6の傾斜角度で傾斜するように構成されている。なお、端部54cは、本発明の「他方端部」の一例であり、接続部55bは、本発明の「他方接続部」の一例である。
また、連結支持部54の接続部54dにおいて接続されている駆動部55は、Y2側の接続部55b(端部55a)を基準として変形するように構成されている。これにより、駆動部55が駆動する際には、駆動部55が反るように変形することにより、端部55cをZ方向(図1参照)に変位させて連結支持部54に対して傾斜させるように構成されている。これにより、基準となる端部55aにおける接線D2(図3参照)に対して、端部55cにおける接線D3(図3参照)は、第7の傾斜角度で傾斜するように構成されている。
また、図2に示すように、駆動部55のY1側の端部55cの近傍には、接続部55dが設けられている。駆動部55は、接続部55dにおいてミラー支持部56のY1側の端部56aの近傍の接続部56bと接続されている。また、ミラー支持部56は、駆動部55の駆動状態において、駆動部55の端部55cがZ方向(図1参照)に変位した状態であっても、略撓まないように構成されている。これにより、ミラー支持部56は、駆動部55の駆動状態において、駆動部55の端部55cにおける接線D3上に位置することによって、基準となる端部55aにおける接線D2に対して、第7の傾斜角度で傾斜するように構成されている。すなわち、ミラー支持部56は、駆動部55の端部55c(接続部55d)における傾斜を維持するように構成されている。この結果、ミラー支持部56は、接線D0(水平面上に位置:図3参照)に対して、第5の傾斜角度と第6の傾斜角度と第7の傾斜角度とを略合計した第8の傾斜角度でB1側またはB2側(図1参照)に傾斜するように構成されている。なお、接続部55dは、本発明の「一方接続部」の一例であり、端部56aは、本発明の「一方端部」の一例である。
また、ミラー支持部56は、Y2側の端部56cにおいて、X方向光走査部10の枠体20のY1側の側面のX2側の端部近傍で接続されている。これらにより、駆動ユニット50では、X1側のミラー支持部56からX2側の駆動部51に向かって、隣接したものが互いに順次Y1側の端部近傍またはY2側の端部近傍で交互に折り返されるように接続されることによって、ミラー支持部56から駆動部51まで連続的に接続された状態として構成されている。なお、端部56cは、本発明の「他方端部」の一例である。
また、駆動部41、43、45、51、53および55の非駆動状態において、X方向光走査部10およびY方向光走査部30(駆動ユニット40および50)は、駆動部41のY1側の端部(固定端)41aと、駆動部51のY2側の端部(固定端)51aとを通る平面(水平面)と略平行に配置されている。
また、駆動部41、43、45、51、53および55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とともに、駆動部41、43および45に印加される電圧と駆動部51、53および55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。また、駆動部41、43、45、51、53および55の各々に電圧が印加されて変形されながら駆動する際に、駆動ユニット40と駆動ユニット50とが略点対称の関係を有することによって、ミラー支持部46とミラー支持部56との傾斜の度合いは略同程度になるように構成されている。さらに、駆動部41、43および45に印加される電圧と駆動部51、53および55に印加される電圧とが互いに逆の位相であることによって、ミラー支持部46の接線C0(水平面上に位置)に対する第4の傾斜角度と、ミラー支持部56の接線D0(水平面上に位置)に対する第8の傾斜角度とは水平面に対して対称になるように構成されている。すなわち、ミラー支持部56の水平面に対する第8の傾斜角度は、ミラー支持部46の水平面に対する第4の傾斜角度の向きとは逆の向きであるとともに、大きさ(スカラー量)は略同じになるように構成されている。
また、X方向光走査部10は、X方向光走査部10の枠体20のY2側の側面のX1側の端部近傍でミラー支持部46と接続されている一方、枠体20のY1側の側面のX2側の端部近傍でミラー支持部56と接続されていることによって、枠体20のY1側の側面がY2側の側面よりも上方(Z1側)または下方(Z2側)に位置することによりB方向(図1参照)に傾斜するように構成されている。この結果、X方向光走査部10は、接線C3およびD3を含む平面上に位置する状態で、ミラー支持部46および56によって傾斜した状態で支持されるように構成されている。なお、Y方向光走査部30の具体的な駆動動作に関しては後述する。
また、図4〜図8に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55は、Si基板1の上面(Z1側の面)上に、圧電アクチュエータ60とポリイミドからなる絶縁層70と配線部80とがこの順に積層された構造を有している。なお、配線部80は、Al、Cr、Cu、AuまたはPtなどの導電性を有する金属材料からなる。また、配線部80は、図4および図8に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55のX方向の略中央に形成されているとともに、図5に示すように、Y方向に延びるように形成されている。
また、圧電アクチュエータ60は、図9に示すように、Si基板1側(Z2側)から、下部電極61と圧電体62と上部電極63とが積層された構造を有している。なお、下部電極61は、TiまたはPtなどからなり、Si基板1の上面に形成されている。これにより、圧電アクチュエータ60の下部電極61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なように構成されている。なお、圧電アクチュエータ60の厚みはSi基板1に対して十分に小さいので、図3、図12および図13では、駆動部41、43、45、51、53および55に形成されている圧電アクチュエータ60の図示を省略している。また、下部電極61の厚みは十分に小さいので、図9、図10および図15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61の図示を省略している。
また、圧電体62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63は、Al、Cr、Cu、AuまたはPtなどの導電性を有する金属材料からなる。
また、図5および図9に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55の上面上に形成された絶縁層70の所定の位置には、配線部80と上部電極63とを接続するための配線穴70aが形成されている。また、配線穴70aの内部に位置する配線部80と上部電極63とが接続されることによって、上部電極63と配線部80とが電気的に接続されるように構成されている。
また、図10に示すように、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とは、Si基板1の上面(Z1側の面)上に、下部電極61と圧電体62と絶縁層70と配線部80とがこの順に積層された構造を有している。なお、配線部80は、図4および図6〜図8に示すように、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46(図6参照)およびミラー支持部56(図7参照)のX方向の略中央に形成されているとともに、Y方向に延びるように形成されている。
また、図6および図7に示すように、Y1側の接続部とY2側の接続部とにおいて、支持部(連結支持部およびミラー支持部)の上面(Z1側の面)上の配線部80と駆動部の上面上の配線部80とが互いに接続されている。具体的には、図6に示すように、Y2側(図2参照)では、駆動部41の接続部41cと連結支持部42の接続部42bとの上面上において、配線部80が互いに接続され、駆動部43の接続部43dと連結支持部44の接続部44bとの上面上において、配線部80が互いに接続されているとともに、駆動部45の接続部45dとミラー支持部46の接続部46bとの上面上において、配線部80が互いに接続されている。また、Y2側では、連結支持部52の接続部52dと駆動部53の接続部53bとの上面上において、配線部80が互いに接続されているとともに、連結支持部54の接続部54dと駆動部55の接続部55bとの上面上において、配線部80が互いに接続されている。
また、図7に示すように、Y1側(図2参照)では、連結支持部42の接続部42dと駆動部43の接続部43bとの上面上において、配線部80が互いに接続されているとともに、連結支持部44の接続部44dと駆動部45の接続部45bとの上面上において、配線部80が互いに接続されている。また、Y1側では、駆動部51の接続部51cと連結支持部52の接続部52bとの上面上において、配線部80が互いに接続され、駆動部53の接続部53dと連結支持部54の接続部54bとの上面上において、配線部80が互いに接続されているとともに、駆動部55の接続部55dとミラー支持部56の接続部56bとの上面上において、配線部80が互いに接続されている。これらにより、駆動ユニット40(駆動部41、43および45)は、駆動ユニット40の上面上に形成された配線部80により互いに同一の電圧が印加されるように構成されているとともに、駆動ユニット50(駆動部51、53および55)は、駆動ユニット50の上面上に形成された配線部80により互いに同一の電圧が印加されるように構成されている。
また、ミラー支持部46の上面上に形成された配線部80を介して、X方向光走査部10の内側駆動部16と電気的に接続することによって、ミラー支持部46の上面上に形成された配線部80を用いて内側駆動部16に電圧を印加することが可能なように構成されている。同様に、ミラー支持部56の上面上に形成された配線部80を介して、X方向光走査部10の内側駆動部17と電気的に接続することによって、ミラー支持部56の上面上に形成された配線部80を用いて内側駆動部17に電圧を印加することが可能なように構成されている。なお、配線部80の厚みは十分に小さいので、図1〜図3および図11〜図14では、駆動部41、43、45、51、53および55と連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とに形成されている配線部80の図示を省略している。
次に、図1、図3および図11〜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Y方向光走査部30の駆動動作を説明する。
図1および図3に示すような駆動部41、43、45、51、53および55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11に示すように、駆動ユニット40の駆動部41、43および45に、圧電アクチュエータ60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50の駆動部51、53および55に、駆動部41、43および45に印加された電圧とは逆の位相である圧電アクチュエータ60の下面側が上面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12に示すように、駆動部41、43および45では、それぞれ、Y2側の端部41b、43cおよび45cがY1側の端部41a、43aおよび45aよりも上方(Z1側)に位置することにより、駆動部41、43および45は上方に反るように変形される。この際、駆動部41の端部41bは、接線C0に対してZ1側に第1の傾斜角度θ1を有してB1側へ傾斜する。また、駆動部43の端部43cは、接線C1に対してZ1側に第2の傾斜角度θ2を有してB1側へ傾斜する。また、駆動部45の端部45cは、接線C2に対してZ1側に第3の傾斜角度θ3を有してB1側へ傾斜する。この結果、ミラー支持部46は、接線C0(水平面上に位置)に対して、Z1側に第1の傾斜角度θ1と第2の傾斜角度θ2と第3の傾斜角度θ3とを合計した第4の傾斜角度θ4(=θ1+θ2+θ3)を有してB1側へ傾斜する。
一方、図13に示すように、駆動部51、53および55では、それぞれ、Y1側の端部51b、53cおよび55cがY2側の端部51a、53aおよび55aよりも下方(Z2側)に位置することにより、駆動部51、53および55は下方に反るように変形される。この際、駆動部51の端部51bは、接線D0に対してZ2側に第5の傾斜角度θ5を有してB1側へ傾斜する。また、駆動部53の端部53cは、接線D1に対してZ2側に第6の傾斜角度θ6を有してB1側へ傾斜する。また、駆動部55の端部55cは、接線D2に対してZ2側に第7の傾斜角度θ7を有してB1側へ傾斜する。この結果、ミラー支持部56は、接線D0(水平面上に位置)に対して、Z2側に第5の傾斜角度θ5と第6の傾斜角度θ6と第7の傾斜角度θ7とを合計した第8の傾斜角度θ8(=θ5+θ6+θ7)を有してB1側へ傾斜する。
ここで、第1の傾斜角度θ1と第5の傾斜角度θ5とは略同一であり、第2の傾斜角度θ2と第6の傾斜角度θ6とは略同一であるとともに、第3の傾斜角度θ3と第7の傾斜角度θ7とは略同一である。したがって、第4の傾斜角度θ4(=θ1+θ2+θ3)と第8の傾斜角度θ8(=θ5+θ6+θ7)とは、略同一になるように構成されている。
この結果、図11に示すように、ミラー支持部46は、接線C0(図12参照)に対して、Z1側に第4の傾斜角度θ4(図12参照)を保った状態で、かつ、ミラー支持部46自身は撓まない状態でB1側に傾斜される。一方、ミラー支持部56は、接線D0(図13参照)に対して、Z2側に第8の傾斜角度θ8(=θ4)(図13参照)を保った状態で、かつ、ミラー支持部56自身は撓まない状態でB1側に傾斜される。これにより、ミラー支持部46にX1側で、かつ、Y2側で支持されているとともに、ミラー支持部56にX2側で、かつ、Y1側で支持されているX方向光走査部10(ミラー11)は、接線C0およびD0を含む水平面に対してB1側に傾斜される。この際、X方向光走査部10とミラー支持部46とミラー支持部56とは、B1側に傾斜した状態で略同一平面内に位置する。
また、図14に示すように、駆動ユニット40の駆動部41、43および45に、圧電アクチュエータ60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50の駆動部51、53および55に、駆動部41、43および45に印加された電圧とは逆の位相である圧電アクチュエータ60の上面側が下面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13に示すように、駆動部41、43および45では、それぞれ、Y2側の端部41b、43cおよび45cがY1側の端部41a、43aおよび45aよりも下方(Z2側)に位置することにより、駆動部41、43および45は下方に反るように変形される。この際、駆動部41の端部41bは、接線C0に対してZ2側に第1の傾斜角度θ1を有してB2側へ傾斜する。また、駆動部43の端部43cは、接線C1に対してZ2側に第2の傾斜角度θ2を有してB2側へ傾斜する。また、駆動部45の端部45cは、接線C2に対してZ2側に第3の傾斜角度θ3を有してB2側へ傾斜する。この結果、ミラー支持部46は、接線C0(水平面上に位置)に対して、Z2側に第1の傾斜角度θ1と第2の傾斜角度θ2と第3の傾斜角度θ3とを合計した第4の傾斜角度θ4(=θ1+θ2+θ3)を有してB2側へ傾斜する。
一方、図12に示すように、駆動部51、53および55では、それぞれ、Y1側の端部51b、53cおよび55cがY2側の端部51a、53aおよび55aよりも上方(Z1側)に位置することにより、駆動部51、53および55は上方に反るように変形される。この際、駆動部51の端部51bは、接線D0に対してZ1側に第5の傾斜角度θ5を有してB2側へ傾斜する。また、駆動部53の端部53cは、接線D1に対してZ1側に第6の傾斜角度θ6を有してB2側へ傾斜する。また、駆動部55の端部55cは、接線D2に対してZ1側に第7の傾斜角度θ7を有してB2側へ傾斜する。この結果、ミラー支持部56は、接線D0(水平面上に位置)に対して、Z1側に第5の傾斜角度θ5と第6の傾斜角度θ6と第7の傾斜角度θ7とを合計した第8の傾斜角度θ8(=θ5+θ6+θ7)を有してB2側へ傾斜する。ここで、上記したように、第4の傾斜角度θ4と第8の傾斜角度θ8とは、略同一になるように構成されている。
この結果、図14に示すように、ミラー支持部46は、接線C0(図13参照)に対して、Z2側に第4の傾斜角度θ4(図13参照)を保った状態で、かつ、ミラー支持部46自身は撓まない状態でB2側に傾斜される。一方、ミラー支持部56は、接線D0(図12参照)に対して、Z1側に第8の傾斜角度θ8(=θ4)(図12参照)を保った状態で、かつ、ミラー支持部56自身は撓まない状態でB2側に傾斜される。これにより、X方向光走査部10(ミラー11)は、接線C0およびD0を含む水平面に対して傾斜角度θ4でB2側に傾斜される。この際、X方向光走査部10とミラー支持部46とミラー支持部56とは、B2側に傾斜した状態で略同一平面内に位置する。
さらに、Y方向光走査部30の駆動部41、43、45、51、53および55には、約60Hzの周波数で圧電アクチュエータ60の上面側(Z1側)が下面側(Z2側)よりも収縮される状態と、下面側が上面側よりも収縮される状態とが繰り返されるように非共振駆動するように電圧が印加される。これにより、X方向光走査部10(ミラー11)は、図11のようにB1側に傾斜される状態と、図14のようにB2側に傾斜される状態とが繰り返される。これにより、Y方向光走査部30は、ミラー11を回動中心R2回りにB方向に傾斜させて図示しないY方向に光を走査させる。
次に、図2、図8〜図10および図15〜図17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。なお、図15は、駆動部41、43、45、51、53および55の上面側を示した拡大断面図であり、図16および図17は、図2に示した5000−5000線に沿った断面図である。
まず、図15に示すように、Si基板1と、Si基板1の下面(Z2側)に形成されたSiO層2(図16参照)と、SiO層2の下面に形成された下部Si層3(図16参照)とを有するSOI基板4(図16参照)を準備する。そして、SOI基板4の上面(Si基板1のZ1側の表面)上の全面に、スパッタなどにより下部電極61および圧電体62を順次形成する。そして、内側駆動部16および17と、駆動部41、43、45、51、53および55とに対応する圧電体62の上面上に、蒸着などにより上部電極63を形成する。このようにして、内側駆動部16および17と、駆動部41、43、45、51、53および55とに圧電アクチュエータ60が形成される。
その後、図16に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55に対応する上部電極63の上面上に対応する位置、連結支持部42、44、52および54に対応する圧電体62の上面上に対応する位置およびミラー支持部46および56に対応する圧電体62の上面上に対応する位置以外の位置に、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、駆動部41、43、45、51、53および55に対応する上部電極63の上面上と、連結支持部42、44、52および54に対応する圧電体62の上面上と、ミラー支持部46および56に対応する圧電体62の上面上とに、共に絶縁層70を形成する。この際、図15に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55の上面上の所定の位置に、配線部80と上部電極63とを接続するための配線穴70aも同時に形成する。
そして、図9および図10に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55と、連結支持部42、44、52および54と、ミラー支持部46および56とに対応する絶縁層70の上面上とに、蒸着などにより配線部80を形成する。この際、図9に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55の配線穴70a内部に配線部80が位置することによって、配線部80と上部電極63とが電気的に接続される。
そして、図16に示すように、内側駆動部16および17と、駆動部41、43、45、51、53および55と、連結支持部42、44、52および54と、ミラー支持部46および56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16および17と、駆動部41、43、45、51、53および55と、連結支持部42、44、52および54と、ミラー支持部46および56とに対応する位置以外の位置に形成された圧電体62を除去する。その後、SOI基板4の下面(下部Si層3のZ2側の表面)の枠体20および図示しない外枠体と、連結支持部42、44、52および54と、ミラー支持部46および56とに対応する位置に、蒸着などによりAl、Cr、Cu、AuまたはPtなどからなるマスクパターン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ウェットエッチングなどを行うことにより、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61(図15参照)を除去する。これにより、振動ミラー素子100を形成するSi基板1の上面(Z1側の表面)上にのみ下部電極61が形成される。
その後、図17に示すように、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、マスクパターン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20に対応する位置、図示しない外枠体に対応する位置、連結支持部42、44、52および54に対応する位置およびミラー支持部46および56に対応する位置以外の位置に形成された下部Si層3を除去する。これにより、駆動部41、43、45、51、53および55に対応する位置において、下部Si層3のZ方向の厚みである約0.4mm(t2−t1)分除去することによって、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのZ方向の厚みt2が、駆動部41、43、45、51、53および55のZ方向の厚みt1よりも大きくなる。
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SiO層2を除去する。この際、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのX方向の幅W2(図2参照)が、駆動部41、43、45、51、53および55のX方向の幅W1(図2参照)よりも小さくなるように各々が形成される。これにより、図8に示すように、駆動部41、43、45、51、53および55と、連結支持部42、44、52および54と、ミラー支持部46および56とがSi基板1上に一体的に形成された振動ミラー素子100が形成される。
本実施形態では、上記のように、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのZ方向の厚みt2を、駆動部41、43、45、51、53および55のZ方向の厚みt1よりも大きくすることによって、支持部(連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56)に接続されている駆動部(駆動部41、43、45、51、53および55)やX方向光走査部10(ミラー11)などの自重が連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とに加えられた場合においても、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのZ方向の厚みt2が駆動部41、43、45、51、53および55のZ方向の厚みt1よりも大きい分、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56との各々の剛性を高くすることができるので、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とにおいて撓み変形が生じるのを抑制することができる。また、連結支持部42、44、52および54のZ方向の厚みt2とミラー支持部46および56のZ方向の厚みt2とを略同一にすることによって、連結支持部42、44、52および54の厚みとミラー支持部46および56の厚みとを異ならせる場合と比べて、より容易に、振動ミラー素子100を形成することができる。
また、本実施形態では、上記のように、連結支持部42(52)が、駆動部41(51)の端部41b(51b)(接続部41c(51c))における傾斜を維持し、連結支持部44(54)が、駆動部43(53)の端部43c(53c)(接続部43d(53c))における傾斜を維持するとともに、ミラー支持部46(56)が、駆動部45(55)の端部45c(55c)(接続部45d(55d))における傾斜を維持するように構成することによって、駆動部41、43および45(51、53および55)が変形することによって生じる連結支持部42および44(52および54)とミラー支持部46(56)との傾斜を維持した状態で、維持されている連結支持部42および44(52および54)とミラー支持部46(56)との傾斜に基づいて、X方向光走査部10(ミラー11)を傾斜させることができる。
また、本実施形態では、上記のように、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのX方向の幅W2が、駆動部41、43、45、51、53および55のX方向の幅W1よりも小さくなるように構成することによって、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのX方向の幅W2が、駆動部41、43、45、51、53および55のX方向の幅W1よりも大きい状態で振動ミラー素子100を構成する場合と比較して、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのZ方向の厚みt2を駆動部41、43、45、51、53および55のZ方向の厚みt1よりも大きくして連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56の剛性を確保しつつ、振動ミラー素子100全体のX方向におけるサイズを小さくすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、略撓まないミラー支持部46を、Y1側の端部46cにおいて、X方向光走査部10の枠体20のY2側の側面のX1側の端部近傍で接続するとともに、略撓まないミラー支持部56を、Y2側の端部56cにおいて、X方向光走査部10の枠体20のY1側の側面のX2側の端部近傍で接続することによって、容易に、ミラー支持部46および56によってX方向光走査部10(ミラー11)を傾斜させた状態を維持することができる。
また、本実施形態では、上記のように、駆動ユニット40および50(Y方向光走査部30)と、X方向光走査部10とを、共通のSi基板1上に一体的に形成することによって、駆動部41、43、45、51、53および55と、連結支持部42、44、52および54と、X方向光走査部10とが一体的に形成されている状態から、駆動部41、43、45、51、53および55が形成されている部分を所定の高さ(t2−t1)分除去することによって、容易に、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とZ方向の厚みt2を駆動部41、43、45、51、53および55のZ方向の厚みt1よりも大きい振動ミラー素子100を形成することができる。また、互いの接続を別途行う必要がないので、振動ミラー素子100の製造工程を簡素化することができる。
また、本実施形態では、上記のように、駆動ユニット40では、X2側のミラー支持部46からX1側の駆動部41に向かって、隣接したものが互いに順次Y1側またはY2側で交互に折り返されるように接続されることによって、ミラー支持部46から駆動部41まで連続的に接続されるとともに、駆動ユニット50では、X1側のミラー支持部56からX2側の駆動部51に向かって、隣接したものが互いに順次Y1側またはY2側で交互に折り返されるように接続されることによって、ミラー支持部56から駆動部51まで連続的に接続されるように構成することによって、駆動部41の端部41b(接続部41c)における変位に基づいて、駆動部43を駆動させることができるとともに、駆動部43の端部43c(接続部43d)における変位に基づいて、駆動部45を駆動させることができる。また、駆動部51の端部51b(接続部51c)における変位に基づいて、駆動部53を駆動させることができるとともに、駆動部53の端部53c(接続部53d)における変位に基づいて、駆動部55を駆動させることができる。これにより、ミラー支持部46および56における傾斜角度をより大きくすることができるので、X方向光走査部10(ミラー11)の傾斜角度をより大きくすることができる。
また、本実施形態では、上記のように、X方向光走査部10に、ミラー11と、回動中心R1回りにミラー11を回動させる内側駆動部16および17とを設けることによって、ミラー11において回転中心R2回りに光を精度よく反射させることが可能であるとともに、回転中心R1回りの回動と回動中心R2回りの回動とによって、2次元的に光を走査することができる。
また、本実施形態では、上記のように、X方向光走査部10を、約30kHzの共振周波数で共振駆動するように構成する一方、Y方向光走査部30を、約60Hzの周波数で非共振駆動するように構成することによって、X方向光走査部10が回動中心R2回りよりも回動中心R1回りにより大きな周波数で回動するように構成された状態で2次元的に光を走査することができる。
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、振動ミラー素子100がX方向光走査部10とY方向光走査部30とを備え、ミラー11をA方向およびB方向(2次元的)に回動させた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図18に示す第1変形例における振動ミラー素子200のように、X方向光走査部を備えずに、Y方向光走査部230とミラー211とを備えるように構成することによって、本実施形態のB方向(図1参照)に(1次元的)のみ回動させるように構成してもよい。この際、ミラー211は、X1側で、かつ、Y2側において駆動ユニット240のミラー支持部246のY1側の端部246dと接続されているとともに、X2側で、かつ、Y1側において駆動ユニット250のミラー支持部256のY2側の端部256dと接続されている。これにより、ミラー211をB方向に傾斜可能なように構成されている。この際、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部246および256とのZ方向(図1参照)の厚みは、駆動部41、43、45、51、53および55のZ方向の厚みよりも大きくなるように構成されている。なお、ミラー211は、本発明の「ミラー部」の一例であり、ミラー支持部246および256は、本発明の「支持部」の一例である。
また、上記実施形態では、駆動ユニット40に、駆動部41、連結支持部42、駆動部43、連結支持部44、駆動部45およびミラー支持部46が設けられているとともに、駆動ユニット50に、駆動部51、連結支持部52、駆動部53、連結支持部54、駆動部55およびミラー支持部56が設けられている例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図19に示す第2変形例における振動ミラー素子300のように、駆動ユニット40に、駆動部341およびミラー支持部346のみを設けるとともに、駆動ユニット50に、駆動部351およびミラー支持部356のみを設けるように構成してもよい。この際、駆動部341は、接続部341cにおいてミラー支持部346の接続部346bと接続されているとともに、駆動部351は、接続部351cにおいてミラー支持部356の接続部356bと接続されている。この際、ミラー支持部346および356のZ方向の厚みは、駆動部341および351のZ方向の厚みよりも大きくなるように構成されている。なお、駆動部341および351は、本発明の「第1駆動部」の一例であり、ミラー支持部346および356は、本発明の「支持部」の一例である。また、接続部341cおよび351cは、本発明の「一方接続部」の一例である。
また、上記実施形態では、Y方向光走査部30において、X方向光走査部10のX1側に駆動ユニット40を設けるとともに、X方向光走査部10のX2側に駆動ユニット50を設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。たとえば、図20に示す第3変形例における振動ミラー素子400のように、Y方向光走査部430において、X方向光走査部10のX2側に駆動ユニットを設けずに、X方向光走査部10のX1側にのみ駆動ユニット40を設けるように構成してもよい。
また、上記実施形態では、駆動ユニット40の駆動部41(第1駆動部)とミラー支持部46との間に2つの連結支持部42および44と2つの第2駆動部(駆動部43および45)とを設けるとともに、駆動ユニット50の駆動部51(第1駆動部)とミラー支持部56との間に2つの連結支持部52および54と2つの第2駆動部(駆動部53および55)とを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、第1駆動部およびミラー支持部との間に、連結支持部および第2駆動部を各々1つまたは3つ以上設けてもよい。この際、連結支持部およびミラー支持部の厚みは、第1駆動部および第2駆動部の厚みよりも大きい必要がある。また、連結支持部の数が増加した場合であっても、連結支持部の厚みを大きくすることにより連結支持部の剛性を維持した状態で連結支持部の幅を小さくすることが可能であるので、振動ミラー素子全体のサイズを小さくすることが可能である。
また、上記実施形態では、駆動部41、43、45、51、53および55に対応する位置において、下部Si層3のZ方向の厚みである約0.4mm(t2−t1)分除去することによって、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのZ方向の厚みt2を、駆動部41、43、45、51、53および55のZ方向の厚みt1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。たとえば、支持部(連結支持部およびミラー支持部)に対応する部分に別部材を接着等することによって、支持部の厚みを駆動部の厚みよりも大きくしてもよい。また、駆動部に対応する位置において、すべての下部Si層を除去せずに下部Si層の一部だけを厚み方向に除去することによって、支持部の厚みを駆動部の厚みよりも大きくしてもよい。
また、上記実施形態では、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とのX方向の幅W2(約0.3mm)を、駆動部41、43、45、51、53および55のX方向の幅W1(約0.4mm)よりも小さく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、支持部(連結支持部およびミラー支持部)の幅と駆動部の幅とが同じ大きさになるように構成してもよい。
また、上記実施形態では、連結支持部42、44、52および54とミラー支持部46および56とを、X方向およびY方向の全体に渡って略同一のZ方向の厚みt2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。本発明では、支持部(連結支持部およびミラー支持部)の厚みは、X方向およびY方向の全体に渡って略同一でなくてもよい。たとえば、駆動部の一方接続部付近の厚みを大きくすることによって確実に傾斜を維持することが可能なように構成してもよい。この際、支持部の厚みは駆動部の厚みよりも大きい必要がある。
また、上記実施形態では、圧電体62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、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)、ニオブ酸カリウム(KNbO)、ニオブ酸ナトリウム(NaNbO)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においてミラー支持部46から駆動部41まで連続的に接続されているとともに、駆動ユニット50においてミラー支持部56から駆動部51まで連続的に接続されている例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、ミラー支持部から第1駆動部まで連続的に接続されなくてもよい。この際、連結支持部およびミラー支持部の厚みは、第1駆動部および第2駆動部の厚みよりも大きい必要がある。
また、上記実施形態では、駆動ユニット40に2つの連結支持部42および44と2つの第2駆動部(駆動部43および45)とを設けるとともに、駆動ユニット50に2つの連結支持部52および54と2つの第2駆動部(駆動部53および55)とを設けた例を示したが、本発明はこれに限られない。本発明では、駆動ユニットに設けられる連結支持部の個数と第2駆動部の個数とは異なっていてもよい。この際、連結支持部およびミラー支持部の厚みは、第1駆動部および第2駆動部の厚みよりも大きい必要がある。
また、上記実施形態では、Y方向光走査部30が約60Hzの周波数で非共振駆動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、Y方向光走査部が共振駆動するように構成してもよい。なお、Y方向光走査部は、約30Hz以上約120Hz以下の周波数で非共振駆動するのが好ましい。
また、上記実施形態では、駆動ユニット40および50(Y方向光走査部30)と、X方向光走査部10とを、共通のSi基板1上に一体的に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、Y方向光走査部およびX方向光走査部を一体的に形成しなくてもよいし、駆動ユニットの駆動部、連結支持部およびミラー支持部を一体的に形成しなくてもよい。たとえば、駆動部、連結支持部およびミラー支持部を別途作成した後に、互いに接合することによって、Y方向光走査部を形成してもよい。
また、上記実施形態では、内側駆動部16および17と駆動部41、43、45、51、53および55とが、下部電極61と圧電体62と上部電極63とが積層された構造を有する圧電アクチュエータ60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は、圧電アクチュエータ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。
10 X方向光走査部(ミラー部)
11 ミラー
16、17 内側駆動部(ミラー部側駆動部)
41、51、341、351 駆動部(第1駆動部)
41a、51a、341a、351a 端部(固定端)
41c、43d、45d、51c、53d、55d、341c、351c 接続部(一方接続部)
42、44、52、54 連結支持部(支持部)
42a、44a、46a、52a、54a、56a、346a、356a 端部(一方端部)
42c、44c、46c、52c、54c、56c、346c、356c 端部(他方端部)
43、45、53、55 駆動部(第2駆動部)
43b、45b、53b、55b 接続部(他方接続部)
46、56、246、256、346、356 ミラー支持部(支持部)
100、200、300、400 振動ミラー素子
211 ミラー(ミラー部)
R1 回動中心(第2回動中心)
R2 回動中心(第1回動中心)

Claims (12)

  1. ミラー部と、
    第1方向の一方側に位置する一方接続部を含み、前記第1方向に沿って直線状に延びるとともに、変形可能な駆動部と、
    前記駆動部の一方接続部と前記第1方向の一方側に位置する一方端部側で接続され、前記第1方向に沿って直線状に延びる支持部とを備え、
    前記支持部は、前記ミラー部と前記第1方向の他方側に位置する他方端部側で接続されるミラー支持部を含み、
    前記支持部の厚みは、前記駆動部の厚みよりも大きい、振動ミラー素子。
  2. 前記駆動部を変形させながら駆動する際に、前記支持部は、前記駆動部の一方接続部における傾斜を維持するように構成されている、請求項1に記載の振動ミラー素子。
  3. 前記支持部の前記第1方向に直交する第2方向における幅は、前記駆動部の前記第2方向における幅以下である、請求項1または2に記載の振動ミラー素子。
  4. 前記ミラー支持部は、前記ミラー部を傾斜させた状態で支持することが可能なように構成されている、請求項1〜3のいずれか1項に記載の振動ミラー素子。
  5. 前記駆動部は、前記第1方向における前記一方接続部と反対側に固定端を有する片持ち梁状の第1駆動部と、前記第1方向における前記一方接続部と反対側に他方接続部を有する第2駆動部とを含み、
    前記支持部は、前記第1駆動部の一方接続部と前記第1方向の一方側に位置する一方端部側で接続されるとともに、前記第2駆動部の他方接続部と前記第1方向の他方側に位置する他方端部側で接続される第1連結支持部を含み、
    前記第1連結支持部の厚みは、前記第1駆動部の厚みおよび前記第2駆動部の厚みよりも大きい、請求項1〜4のいずれか1項に記載の振動ミラー素子。
  6. 前記第1連結支持部の前記第1方向に直交する第2方向における幅は、前記第1駆動部の前記第2方向における幅以下で、かつ、前記第2駆動部の前記第2方向における幅以下である、請求項5に記載の振動ミラー素子。
  7. 前記ミラー支持部は、前記ミラー部を傾斜させた状態で支持することが可能なように構成されており、
    前記ミラー支持部は、前記第2駆動部の一方接続部と一方端部側で接続されるように構成されており、
    前記ミラー支持部の厚みは、前記第1駆動部の厚みおよび前記第2駆動部の厚みよりも大きい、請求項5または6に記載の振動ミラー素子。
  8. 前記駆動部、前記支持部および前記ミラー部は、一体的に形成されている、請求項1〜7のいずれか1項に記載の振動ミラー素子。
  9. 前記第2駆動部は、複数設けられており、
    前記支持部は、前記第2駆動部の一方接続部と前記第1方向の一方側に位置する一方端部側で接続されるとともに、前記一方端部側で接続された前記第2駆動部とは異なる前記第2駆動部の他方接続部と前記第1方向の他方側に位置する他方端部側で接続される第2連結支持部を含み、
    前記第2駆動部と前記第2連結支持部とが、前記第1方向に直交する第2方向に沿って前記ミラー支持部側から前記第1連結支持部側に向かって前記第2駆動部と前記第2連結支持部とが交互に並べられるように配置された状態で、隣接したものが互いに順次前記第1方向の一方側および他方側のいずれか一方側で交互に折り返されるように接続されることにより、前記ミラー支持部から前記第1連結支持部まで連続的に接続されることによって、前記ミラー支持部から前記第1駆動部まで連続的に接続されている、請求項7に記載の振動ミラー素子。
  10. 前記ミラー部は、第1回動中心回りに回動するように構成されており、
    前記ミラー部は、ミラーと、前記ミラーの面内方向において前記第1回動中心と直交する第2回動中心回りに前記ミラーを回動させるミラー部側駆動部とを含む、請求項1〜9のいずれか1項に記載の振動ミラー素子。
  11. 前記駆動部は、第1周波数に基づいて、前記ミラー部を前記第1回動中心回りに回動させるように構成されており、
    前記ミラー部側駆動部は、前記第1周波数よりも大きい第2周波数に基づいて、前記ミラーを前記第2回動中心回りに回動させるように構成されている、請求項10に記載の振動ミラー素子。
  12. ミラー部と、
    第1方向の一方側に位置する一方接続部を含み、前記第1方向に沿って直線状に延びるとともに、変形可能な駆動部と、
    前記駆動部の一方接続部と前記第1方向の一方側に位置する一方端部側で接続され、前記第1方向に沿って直線状に延びる支持部とを備え
    前記支持部、前記ミラー部と前記第1方向の他方側に位置する他方端部側で接続されるミラー支持部を含む振動ミラー素子の製造方法であって、
    前記ミラー部と前記駆動部と前記支持部とを含む振動ミラー素子部分を同一の基板に形成する工程と、
    前記基板の前記駆動部に対応する部分を所定の高さ分除去することによって、前記支持部の厚みを前記駆動部の厚みよりも大きくする工程とを備える、振動ミラー素子の製造方法。
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