JP7154309B2 - マイクロミラーデバイスおよびマイクロミラーデバイスの駆動方法 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロミラーデバイスおよびマイクロミラーデバイスの駆動方法に関する。

シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術を用いて作製される微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）デバイスの１つとしてマイクロミラーデバイス（マイクロスキャナともいう。）が知られている。マイクロミラーデバイスは、マイクロミラーを駆動させて光の２次元走査を行う光スキャナである。このマイクロミラーデバイスは小型かつ低消費電力であることから、レーザーを使ったヘッドアップディスプレイ、網膜ディスプレイなどへの応用が期待されている。

画像表示のための光スキャン方式としては、これまで一般的であったラスタスキャン方式に対し、水平軸および垂直軸の両軸ともに正弦的な駆動を行い、リサージュ波形を描くことによって画面を網羅するリサージュスキャン方式が注目されている。リサージュスキャン方式によれば、レーザードライバのアルゴリズムは複雑であるが、ミラーを小型化でき、かつ駆動消費電力を抑えながら広い画角を実現することができる。

マイクロミラーの駆動方式は様々であるが、中でも圧電体の変形を利用した圧電駆動方式は、他の方式に比べて発生するトルクが高く、高スキャン角が得られるとして有望視されている。例えば、特許文献１～３には、マイクロミラーデバイスとして圧電駆動方式の光スキャナが提案されている。

特許文献１では、ミラー部がトーションバーを介して可動枠に接続されており、可動枠が圧電アクチュエータを介して固定部に接続された構成の光スキャナが開示されている。圧電アクチュエータを用いてミラー部を可動枠ごと２軸周りに振動させることで、光の２次元スキャン動作を実現している。

特許文献２では、ミラー部とミラー部を囲むように設けられた内部可動枠と、内部可動枠を囲むように設けられた支持体と、第１のトーションバーおよび第１の圧電振動板を含み、ミラー部と内部可動枠とを連結する第１の連結部と、第２のトーションバーおよび第２の圧電振動板を含み、内部可動枠と支持体とを接続する第２の連結部とを備えた光スキャナが開示されている。第１の連結部および第２の連結部がそれぞれに圧電アクチュエータとして第１軸および第２軸周りのトルクを与えることで、光の２次元スキャン動作を実現している。

特許文献３では、ミラー部が第１のトーションバーを介してミラー部を囲む第１のフレーム装置（可動枠）と接続されており、第１のフレーム装置が第２のトーションバーで第１のフレーム装置を囲むアクチュエータ構造体に接続されている。さらにアクチュエータ構造体が第３のトーションバーでアクチュエータを囲む第２のフレーム装置に接続された構成が開示されている。アクチュエータ構造体に第１軸および第２軸に対称な４つのアクチュエータ装置が備えられており、この４つのアクチュエータ装置の駆動によりミラー部が２つの軸中心に回動されて光の２次元スキャン動作を実現している。

特許第５１５１０６５号公報 特許第４９８４１１７号公報 特開２０１８－４１０８５号公報

特許文献１～３の光スキャナはいずれもミラー部と接続された可動枠を備えている。この可動枠を備えることにより、その内側の振動エネルギーを外側に漏らさないようにする、もしくは、外側の振動エネルギーを内側に漏らさないようにする、振動絶縁の効果が得られる。すなわち、可動枠を備えることによって、スキャン時の２つの軸間のクロストークを低減できるというメリットがある。しかしながら、可動枠自体は駆動力を発生できないため、外側に接続された圧電アクチュエータが両軸すべての駆動を担うことになり、エネルギー効率が悪いという問題がある。その結果、圧電アクチュエータを用いた場合の低消費電力というメリットを十分に享受できていなかった。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであって、さらなる低電力化を実現できる圧電駆動方式によるマイクロミラーデバイスおよびマイクロミラーデバイスの駆動方法を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。

＜１＞ 入射光を反射する反射面を有するミラー部と、

上記ミラー部を囲んで配置された環状の第１アクチュエータと、

上記第１アクチュエータを囲んで配置された環状の第２アクチュエータと、

上記ミラー部と上記第１アクチュエータとを、上記ミラー部の静止時の上記反射面を含む平面内にある第１軸上で接続し、かつ上記ミラー部を上記第１軸周りで回動可能に支持する第１接続部と、

上記第１アクチュエータと第２アクチュエータとを、上記ミラー部の静止時の上記反射面を含む平面内であって上記第１軸に直交する第２軸上で接続し、かつ上記第１アクチュエータを上記第２軸周りで回動可能に支持する第２接続部と、

上記第２軸上で、上記第２アクチュエータの外周に接続された第３接続部と、

上記第３接続部が接続され、上記第３接続部を介して上記第２アクチュエータを支持する固定部とを備え、

上記第１アクチュエータおよび上記第２アクチュエータは、それぞれ圧電素子を備えた圧電アクチュエータであり、

上記第１アクチュエータおよび上記第２アクチュエータは、上記ミラー部に上記第１の軸周りの回転トルクを作用させ、かつ、上記ミラー部および第１アクチュエータに上記第２軸周りの回転トルクを作用させることにより、上記ミラー部を上記第１軸および上記第２軸周りに２次元回転駆動するマイクロミラーデバイス。

＜２＞ 上記第１アクチュエータが、半環状の一対の第１可動部を含み、上記第２アクチュエータが、半環状の一対の第２可動部を含み、上記第１接続部が、上記ミラー部と上記一対の第１可動部各々の一端、および上記ミラー部と上記一対の第１可動部各々の他端の各々を上記第１軸上で接続し、上記第２接続部が、上記一対の第１可動部の一方と上記一対の第２可動部各々の一端、および上記一対の第１可動部の他方と上記一対の第２可動部各々の他端の各々を上記第２軸上で接続する＜１＞に記載のマイクロミラーデバイス。

＜３＞ 上記ミラー部が上記第１軸周りに傾き振動し、かつ上記ミラー部と、上記第１アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードで駆動された場合に、

上記ミラー部の変位傾き量｜Ｚｍ／Ｌｍ｜と上記第１アクチュエータの変位傾き量｜Ｚａ_１１／Ｌａ_１１｜の比Ｒ１＝｜Ｚｍ／Ｌｍ｜／｜Ｚａ_１１／Ｌａ_１１｜が、９．４≦Ｒ１≦８７である＜１＞または＜２＞に記載のマイクロミラーデバイス。

＜４＞ 上記比Ｒ１が、１６≦Ｒ１である＜３＞に記載のマイクロミラーデバイス。

＜５＞ 上記ミラー部および上記第１アクチュエータが上記第２軸周りに傾き振動し、かつ上記ミラー部および上記第１アクチュエータと上記第２アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードで駆動された場合に、

上記第１アクチュエータの変位傾き量｜Ｚａ_１２／Ｌａ_１２｜と上記第２アクチュエータの変位傾き量｜Ｚａ_２２／Ｌａ_２２｜の比Ｒ２＝｜Ｚａ_１２／Ｌａ_１２｜／｜Ｚａ_２２／Ｌａ_２２｜が、０．７５≦Ｒ２≦２７である＜１＞から＜４＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。

＜６＞ 上記比Ｒ_２が、２．３≦Ｒ_２である＜５＞に記載のマイクロミラーデバイス。

＜７＞ 上記固定部が、上記ミラー部、上記第１アクチュエータおよび上記第２アクチュエータよりも大きな厚みを有する＜１＞から＜６＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。

＜８＞ 上記第１アクチュエータが、上記固定部と同一の厚みの構造体から成る第１のストッパ部を備えた＜７＞に記載のマイクロミラーデバイス。

＜９＞ 上記第２アクチュエータが、上記固定部と同一の厚みの構造体から成る第２のストッパ部を備えた＜７＞または＜８＞に記載のマイクロミラーデバイス。

＜１０＞ 上記第１アクチュエータおよび上記第２アクチュエータの上記圧電素子に駆動信号を入力するための駆動回路を備えた＜１＞から＜９＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。

＜１１＞ 上記駆動回路が、上記駆動信号として、上記ミラー部を上記第１の軸周りに傾き振動する第１の共振モードで駆動し、かつ、上記ミラー部および上記第１アクチュエータを上記第２軸周りに傾き振動する第２の共振モードで駆動する駆動信号を上記圧電素子に入力する＜１０＞に記載のマイクロミラーデバイス。

＜１２＞ 上記第１の共振モードが、上記ミラー部と上記第１アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードである＜１１＞に記載のマイクロミラーデバイス。

＜１３＞ 上記第２の共振モードが、上記ミラー部および上記第１アクチュエータと上記第２アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードである＜１１＞または＜１２＞に記載のマイクロミラーデバイス。

＜１４＞ ＜１＞から＜１０＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法であって、上記第１アクチュエータの上記圧電素子に第１の周波数の駆動信号波形を入力して、上記ミラー部が、上記第１軸周りに傾き振動する第１の共振モードを励起させ、かつ、上記第２アクチュエータの上記圧電素子に第２の周波数の駆動信号波形を入力して、上記ミラー部および上記第１アクチュエータが、上記第２軸周りに傾き振動する第２の共振モードを励起させるマイクロミラーデバイスの駆動方法。

＜１５＞上記第１の共振モードとして、上記第１アクチュエータに、上記ミラー部と上記第１アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードを励起させる＜１４＞に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法。

＜１６＞上記第２の共振モードとして、上記第２アクチュエータに、上記第１アクチュエータおよび上記ミラー部と上記第２アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードを励起させる＜１４＞または＜１５＞に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法。

本開示によれば、従来よりも低電力化を実現できる、圧電駆動方式によるマイクロミラーデバイスおよびマイクロミラーデバイスの駆動方法を提供することができる。

第１実施形態に係るマイクロミラーデバイスの斜視図である。 ミラー部の反射面側から見た平面図（上面図）である。 図２のIII－III線断面図である。 第１軸周りのミラー部傾き振動を伴う共振モードのマイクロミラーデバイスの形状変位を模式的に示した図である。 第１軸周りのミラー部傾き振動を伴う共振モードのマイクロミラーデバイスの形状変位を模式的に示した図である。 図４のＡ－Ｂ間におけるデバイスの各部位のｚ方向変位を示した図である。 図５のＡ－Ｂ間におけるデバイスの各部位のｚ方向変位を示した図である。 第２軸周りのミラー部傾き振動を伴う共振モード駆動時のマイクロミラーデバイスの形状変位を示した図である。 第２軸周りのミラー部傾き振動を伴う共振モード駆動時のマイクロミラーデバイスの形状変位を示した図である。 図８のＣ－Ｄ間におけるデバイスの各部位のｚ方向変位を示した図である。 図９のＣ－Ｄ間におけるデバイスの各部位のｚ方向変位を示した図である。 マイクロミラーデバイス１０おける第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６に備えられている圧電素子の上部電極の電極配置を示す図である。 図１２の電極１Ａ，１Ｂに加える駆動電圧波形Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂを示す図である。 図１２の電極２Ａ，２Ｂに加える駆動電圧波形Ｖ２Ａ，Ｖ２Ｂを示す図である。 マイクロミラーデバイスに備えられている圧電素子の上部電極の電極配置の設計変更例を示す図である。 図１５の電極１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂに加える駆動電圧波形Ｖ１Ａ，電極１Ｃ，１Ｄ，２Ｃ，２Ｄに加える駆動電圧波形Ｖ１Ｂを示す図である。 図１５の電極１Ａ，１Ｄ，２Ａ，２Ｄに加える駆動電圧波形Ｖ２Ａ，電極１Ｂ，１Ｃ，２Ｂ，２Ｃに加える駆動電圧波形Ｖ２Ｂを示す図である。 設計変更例１のマイクロミラーデバイスの裏面を示す斜視図である。 図１８のマイクロミラーデバイスの第１の共振モード駆動時の傾き状態を示す斜視図およびＢ_１－Ｂ_２線断面図である。 図１８のマイクロミラーデバイスにｚ方向に衝撃が加わった場合の変位を模式的に示す斜視図およびＢ_１－Ｂ_２線断面図である。 設計変更例２のマイクロミラーデバイスの裏面を示す斜視図である。 図２１のマイクロミラーデバイスの第２の共振モード駆動時傾き状態を示す斜視図およびＢ_１－Ｂ_２線断面図である。 図２１のマイクロミラーデバイスにｚ方向に衝撃が加わった場合の変位を模式的に示す斜視図およびＢ_１－Ｂ_２線断面図である。 実施例１のマイクロミラーデバイスの平面図であり、試験例における各部位の寸法を規定する図である。 比較例１のマイクロミラーデバイスの平面図である。 比較例２のマイクロミラーデバイスの平面図である。 実施例１の周波数特性を示すグラフである。 比較例２の周波数特性を示すグラフである。 Ｒ２と消費電力との関係を示すグラフである。 Ｒ１と消費電力との関係を示すグラフである。 実施例２のマイクロミラーデバイスの表面を示す斜視図である。 実施例２のマイクロミラーデバイスの裏面を示す斜視図である。 実施例２のマイクロミラーデバイスの裏面を示す平面図である。

以下、図面を参照して本発明の具体的な実施の態様について説明する。

図１は一実施形態に係るマイクロミラーデバイスの斜視図であり、図２はミラー部の反射面側から見た平面図（上面図）である。また、図３は、図２のIII－III線断面図である。図１および図２に示すように、本実施形態のマイクロミラーデバイス１０は、ミラー部１２と、第１アクチュエータ１４と、第２アクチュエータ１６と、固定部２０と、第１接続部２１と、第２接続部２２と、第３接続部２３とを備えている。マイクロミラーデバイスのサイズとしては、例えば、長さおよび幅寸法が１ｍｍ～１０ｍｍ程度が一般的であるが、これよりも小さい構造でも大きい構造でもよく、特に制限されるものではない。また、可動部（後述する各可動部１４Ａ，１４Ｂ，１６Ａ，１６Ｂ）の厚みについても、５μｍ～０．２ｍｍ程度が一般的であるが、作製できる範囲であればよく、特に制限されるものではない。

ミラー部１２は、入射光を反射する反射面１２ａを有する。反射面１２ａは、ミラー部１２の一面に設けられた、例えば、Ａｕ（金）およびＡｌ（アルミニウム）等の金属薄膜から構成される。反射面１２ａを形成するためのミラーコーティングに用いる材料および膜厚は特に限定されず、公知のミラー材料（高反射率材料）を用いて様々な設計が可能である。

図１および図２においては、楕円形の反射面１２ａを有し、反射面１２ａと相似形の平面視形状のミラー部１２を例示しているが、ミラー部１２の平面視形状と、反射面１２ａの形状は一致していてもよいし、異なっていてもよい。ミラー部１２および反射面１２ａの形状は、特に限定されない。例示した楕円形に限らず、円形、正方形、長方形および多角形など、様々な形状があり得る。

第１アクチュエータ１４は、ミラー部１２を囲んで配置された環状の部材であり、第２アクチュエータ１６は、第１アクチュエータを囲んで配置された環状の部材である。本明細書において、環状とは、内側の領域を途切れなく囲む形状であればよく、内周および外周の形状は円形でなくてもよく、矩形状あるいは多角形状など、どのような形状であってもよい。

第１接続部２１は、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とをミラー部１２の静止時の反射面１２ａを含む平面内にある第１軸ａ_１上で接続し、かつミラー部１２を第１軸ａ_１周りで回動可能に支持する。

第２接続部２２は、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ１６とを、ミラー部１２の静止時の反射面１２ａを含む平面内であって第１軸ａ_１に直交する第２軸ａ_２上で接続し、かつ第１アクチュエータ１４を第２軸ａ_２周りで回動可能に支持する。

第３接続部２３は、第２アクチュエータ１６と固定部２０とを、第２軸ａ_２上で接続する。

固定部２０は、第３接続部２３を介して第２アクチュエータ１６を支持する。

第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６は、それぞれ圧電素子を備えた圧電アクチュエータである。第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６は、ミラー部１２に第１軸ａ_１周りの回転トルクを作用させ、かつ、ミラー部１２および第１アクチュエータ１４に第２軸ａ_２周りの回転トルクを作用させる。これにより、ミラー部１２を第１軸ａ_１および第２軸ａ_２周りに２次元回転駆動する。ミラー部１２に第１軸ａ_１周りの回転トルクを作用させる駆動力は、第１アクチュエータ１４のみで生じさせてもよいし、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６の両者によって生じさせてもよい。また、ミラー部１２および第１アクチュエータ１４に第２軸ａ_２周りの回転トルクを作用させる駆動力は、第２アクチュエータ１６のみで生じさせてもよいし、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６の両者によって生じさせてもよい。

本マイクロミラーデバイス１０は、ミラー部１２を２次元回転駆動させることにより、ミラー部１２の反射面１２ａへの入射光を反射させて２次元走査（２次元スキャン）させることができる。

以下において、説明の便宜上、ミラー部１２の静止時における反射面１２ａの法線方向をｚ軸方向とし、第１軸ａ_１と平行な方向をｘ軸方向、第２軸ａ_２と平行な方向をｙ軸方向とする。

第１アクチュエータ１４は、ｘｙ面内においてミラー部１２を囲む環状の薄板部材である。本例において、第１アクチュエータ１４は、半環状の一対の第１可動部１４Ａ，１４Ｂを含んでいる。また、本例において、第１接続部２１はミラー部１２と一対の第１可動部１４Ａ，１４Ｂ各々の一端１４Ａａ，１４Ｂａ、およびミラー部１２と一対の第１可動部１４Ａ，１４Ｂ各々の他端１４Ａｂ，１４Ｂｂの各々を第１軸ａ_１上で接続している。すなわち、一対の第１可動部１４Ａ，１４Ｂは第１軸ａ_１上で接続されて全体として環状をなすように配置されている。

第２アクチュエータ１６は、ｘｙ面内において第１アクチュエータ１４を囲む環状の薄板部材である。本例において、第２アクチュエータ１６は、半環状の一対の第２可動部１６Ａ，１６Ｂを含んでいる。また、本例において、第２接続部２２は、一対の第１可動部１４Ａ，１４Ｂの一方（ここでは、第１可動部１４Ａ）と一対の第２可動部１６Ａ，１６Ｂ各々の一端１６Ａａ，１６Ｂａ、および一対の第１可動部１４Ａ，１４Ｂの他方（ここでは、第１可動部１４Ｂ）と一対の第２可動部１６Ａ，１６Ｂ各々の他端１６Ａｂ，１６Ｂｂの各々を第２軸ａ_２上で接続している。すなわち、一対の第２可動部１６Ａ，１６Ｂは、第２軸ａ_２上で接続されて全体として環状をなすように配置されている。

第１アクチュエータ１４において、一対の第１可動部１４Ａ，１４Ｂには、それぞれ圧電素子３４Ａ，３４Ｂが備えられている。また、第２アクチュエータ１６において、一対の第２可動部１６Ａ，１６Ｂには、それぞれ圧電素子３６Ａ，３６Ｂが備えられている。

圧電素子３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂは、可動部基材３０上に、下部電極３１、圧電膜３２および上部電極３３が順に積層された積層構造を有する（図３参照。）。図２において、ドットハッチング部は圧電膜３２を示し、斜線ハッチング部は上部電極３３を示しており、上部電極３３上に設けられている絶縁膜３９（図３参照。）は省略している。絶縁膜３９の一部に開口を設けて上部電極３３と接続される電極パッド４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂが設けられている。これらの電極パッド４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂと接続された配線４５および固定部２０に設けられた駆動回路接続用の電極パッド４８を介して、圧電素子３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂに電圧が印加される。また、上部電極３３と同様、各圧電素子の下部電極３１も図示せぬ電極パッドおよび配線によって固定部２０に引き出され、駆動回路の基準電位（一般的には接地電位）に接続される。第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６は、圧電素子３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂへの所定の電圧印加による圧電膜の変形によって各可動部１４Ａ，１４Ｂ，１６Ａ，１６Ｂが屈曲変位して駆動力を生じる。

なお、圧電素子３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂは、各可動部１４Ａ，１４Ｂ，１６Ａ，１６Ｂの表面のほぼ全域に亘って備えられていてもよいし、一部にのみ備えられていてもよい。また、１つの可動部に複数の圧電素子を備えていてもよい。例えば、可動部基材３０の表面のほぼ全域に下部電極３１および圧電膜３２が順に積層され、上部電極３３を複数の領域に分離して形成することによって、複数の圧電素子を形成することができる。後述する所望の共振モードを励起可能であれば、圧電素子の形状および数は限定されない。

第１接続部２１は、ミラー部１２の外側に向かって第１軸ａ_１方向の両側に延設されてミラー部１２と第１アクチュエータ１４とを接続している。第２接続部２２は、第１アクチュエータ１４の外側に向かって第２軸ａ_２方向の両側に延接されて第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ１６とを接続している。第３接続部２３は、第２アクチュエータ１６の外側に向かって第２軸ａ_２方向の両側に延接されて第２アクチュエータ１６と固定部２０とを接続している。すなわち、第３接続部２３と第２接続部２２は同一の軸上に設けられている。ここで、第１軸ａ_１と第２軸ａ_２とはミラー部１２の略中心で交わっている。

第２接続部２２と第３接続部２３とが同じ軸上に設けられていることにより、共振時の非線形性を抑制できる。共振時の非線形性を抑制できるので、光２次元走査の制御が容易になると共に、スキャンの画角（スキャン角度）を十分に大きくすることが可能となる。スキャン角度としては、例えば、水平軸４０°以上、垂直軸３０°以上が望まれる。

固定部２０は、本例においては、第２アクチュエータ１６を囲む枠部材である。固定部２０は、第３の接続部２３を介して第２アクチュエータ１６を支持しており、第２アクチュエータ１６は第２接続部２２を介して第１アクチュエータ１４を支持しており、さらに第１アクチュエータ１４は第１接続部２１を介してミラー部１２を支持しているので、固定部２０は、第２アクチュエータ１６を介して、第１アクチュエータ１４およびミラー部１２を支持する部材として機能する。固定部２０には図示されている配線や電極パッド以外の配線や電子回路が設けられていてもよい。

固定部２０は、第３接続部２３を介して第２アクチュエータ１６を支持可能な構成であれば、枠部材に限らず、第３接続部２３のうちの一方と接続する第１の固定部と他方と接続する第２の固定部の２つの部材から構成されていてもよい。

本例のマイクロミラーデバイス１０において、ミラー部１２、第１アクチュエータ１４、第２アクチュエータ１６、固定部２０および第１～第３接続部２１～２３は、第１軸ａ_１および第２軸ａ_２に線対称の構造で配置されている。かかる対称構造によって、中央のミラー部１２に対して効率良く回転トルクを作用させることができる。

マイクロミラーデバイス１０は、例えば、シリコン基板から半導体製造技術を利用して加工することにより、ミラー部１２、第１アクチュエータ１４、第２アクチュエータ１６、固定部２０および第１～第３の接続部２１～２３等の要素が一体的に構成された構造物として作製することができる。

なお、ミラー部１２、第１アクチュエータ１４、第２アクチュエータ１６および第１～第３の接続部２１～２３の厚さは、固定部２０の厚さ（ｚ方向の厚さ）と比較して薄く形成されている。これにより、第１アクチュエータ１４、第２アクチュエータ１６、第１～第３の接続部２１～２３が変形（曲げ変形や捻れ変形）し易い構造となっている。

マイクロミラーデバイス１０は、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６により、ミラー部１２が、第１軸ａ_１周りに傾き振動する共振モードで駆動され、かつ、ミラー部１２および第１アクチュエータ１４が、第２軸ａ_２周りに傾き振動する共振モードで駆動されることが好ましい。

本開示のマイクロミラーデバイスは、質量増加につながる可動枠を持たない構造であるため、第２軸の回転における慣性モーメントを小さくすることができ、共振周波数を高くできる。例えば、水平軸４０ｋＨｚ以上、垂直軸１０ｋＨｚ以上の駆動周波数を実現することができる。したがって、第１軸および第２軸ともに高速な駆動が可能である。すなわち、水平軸および垂直軸の両軸共に正弦的な駆動を行うリサージュスキャンに好適である。また、第１および第２アクチュエータが共に可動部上に圧電膜が設けられた圧電アクチュエータであり、外付けの駆動機構を要しないので、素子体積を小さく抑えることができる。圧電膜を備えず駆動に寄与しない可動枠を備えていないので、駆動効率が高く、結果として消費電力を抑制することができる。

マイクロミラーデバイス１０における共振モードについて説明する。共振モードとしては、ミラー部１２の軸周りの回転（傾き振動）を伴うもの以外に、垂直方向のピストン運動、平面内のねじれ運動などを伴うモードが存在する。本形態のマイクロミラーデバイス１０では、傾き振動を伴う共振モードを用いてミラー部１２を駆動する。以下に、第１軸ａ_１周りの共振モードおよび第２軸ａ_２周りの共振モードについて順に説明する。

まず、第１軸ａ_１周りのミラー部１２の傾き振動を伴う共振モードについて述べる。

図４は、第１軸ａ_１周りのミラー部１２の傾き振動を伴う共振モードのうち、最も低次のモードにおける、マイクロミラーデバイス１０の形状変位を模式的に示した図である。また、図５は、第１軸ａ_１周りのミラー部１２の傾き振動を伴う共振モードのうち、図４に示したモードの次に低次のモードにおける、マイクロミラーデバイス１０の形状変位を模式的に示した図である。図４および図５において、固定部２０は省略されている。また、静止時（駆動していない状態）の位置を細線で示しており、図中において色が濃いほど静止時からの変位量が大きいことを示している。

図６、図７はそれぞれ図４、図５のＡ－Ｂ間におけるデバイスの各部位のｚ方向変位を示したグラフである。図６および図７において、横軸はミラー静止時におけるｙ方向座標であり、ｚ方向に変位した際の変位を誇張して示している。図６、７は、各部位のミラー静止時におけるｙ方向座標における変位量を模式的に示すものであり、各部材の実際の長さを示すものではない。

図４に示す共振モードの場合、ミラー部１２の第２軸ａ_２上の端部の点Ｍと、ミラー部１２の端部の点Ｍに最も近い第１アクチュエータ１４上の点Ａ_１１の変位の向きは同一である（図６参照）。つまり、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４は同位相で振動している。一方、図５に示す共振モードの場合、点Ｍと点Ａ_１１の変位の向きは互いに逆向きである（図７参照）。つまり、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４は逆位相で振動している。

いずれの共振モードを用いても光スキャンは可能である。しかし、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とが逆位相で振動する共振モードは同位相で振動する共振モードと比較して共振振動のＱ値が高く、さらに共振周波数が高いため、高速でスキャンすることにより適している。例えば、後述の実施例１のマイクロミラーデバイスでは、第１軸周りの同位相の共振モードの共振周波数は３５ｋＨｚであり、Ｑ値は７００であった。これに対し、第１軸周りの逆位相の共振モードの共振周波数は６０ｋＨｚであり、Ｑ値は１９００であった。第１軸周りについては、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モード（これを第１の共振モードという。）で駆動することが、高いＱ値が得られるため好ましい。また、この第１の共振モードにおける点Ａ_１１と点Ｍとの傾き変位量の比Ｒ１を以下の所定の範囲内に収めるように設計することで、低消費電力かつ高い耐久性を持つ構造を得ることができることを本発明者らは見出した。

図７に示すように、第１の共振モードで振動している際の、ミラー部１２の点Ｍのｚ方向への最大変位量をＺｍ、点Ｍからミラー部中心までのｙ方向距離をＬｍ、第１アクチュエータ１４の点Ａ_１１のｚ方向への最大変位量をＺａ_１１、第３接続部２３が固定部２０と接続される位置Ａから点Ａ_１１までのｙ方向距離をＬａ_１１とする。そして、点Ｍの変位傾き量を｜Ｚｍ／Ｌｍ｜、および点Ａ_１１の変位傾き量を｜Ｚａ_１１／Ｌａ_１１｜と定義する。

ミラー部１２と、第１アクチュエータ１４とが第１の共振モードで駆動された場合、点Ｍおよび点Ａ１１の変位傾き量の比Ｒ１＝｜Ｚｍ／Ｌｍ｜／｜Ｚａ_１１／Ｌａ_１１｜が、９．４≦Ｒ１≦８７であることが好ましい。より好ましくは１６≦Ｒ１である。

Ｒ１を増加させる方法としては、例えば、第１アクチュエータ１４の応答周波数を下げる方法が挙げられる。具体的には、第１アクチュエータ１４の慣性モーメントを増大させる、もしくは第１アクチュエータ１４を支持する第２接続部２２を弾性的に柔らかくすることなどが挙げられる。前者の場合、第１アクチュエータ１４の幅、あるいは厚みを増大させるなどが考えられ、後者の場合、第２接続部２２の幅を小さくする、あるいは長さを長くすることなどが有効である。Ｒ１を減少させるには、例えば、上記のＲ１を増加させる方法とは逆に、第１アクチュエータ１４の応答周波数を上げる方法が挙げられ、具体的には、第１アクチュエータ１４の慣性モーメントを減少させる、もしくは第１アクチュエータ１４を支持する第２接続部２２を弾性的に硬くすることなどが挙げられる。

Ｒ１を９．４以上とすることで、空気抵抗の大幅な増加を抑制し、結果として共振時のＱ値を上昇させることができ、消費電力を抑制することができる。さらに、Ｒ１を１６以上とすることで、第１アクチュエータの変位が大きくなりすぎるのを抑制し、構造体に大きな歪みが生じるのを抑制することができる。すなわち、第１アクチュエータの可動部の表面に備えられた圧電膜に過剰に大きな弾性応力が印加されるのを抑制し、駆動耐久性を向上させることができる。他方、Ｒ１を８７以下とすることにより、第１アクチュエータの変位が極端に小さくなるのを抑制し、圧電膜から注入されるエネルギーを有効に利用することができるため、結果として消費電力を抑制することができる。また、Ｒ１を８７以下に抑えることにより、設計上アクチュエータの大型化を抑制し、小型なデバイスを実現することができる。

次に、第２軸周りのミラー部の傾き振動を伴う共振モードについて述べる。

図８は、第２軸ａ_２周りのミラー部１２の傾き振動を伴う共振モードのうち、最も低次のモードにおける、マイクロミラーデバイス１０の形状変位を模式的に示した図である。また、図９は、第２軸ａ_２周りのミラー部１２の傾き振動を伴う共振モードのうち、図８に示したモードの次に低次のモードにおける、マイクロミラーデバイス１０の形状変位を模式的に示した図である。図８、９において、固定部２０は省略されている。また、静止時の位置を破線で示しており、図中において色が濃いほど静止時からの変位量が大きいことを示している。

図１０、図１１はそれぞれ図８、９のＣ－Ｄ間におけるデバイス各部位のｚ方向変位を示したグラフである。図１０および図１１において、横軸はミラー静止時におけるｘ方向座標であり、ｚ方向に変位した際の変位を誇張して示している。図１０、図１１は、各部位のミラー静止時におけるｘ方向座標における変位量を模式的に示すものであり、各部材の実際の長さを示すものではない。

図８に示す共振モードの場合、第１アクチュエータ１４の第１軸ａ_１上の端部の点Ａ_{１ ２}と、第１アクチュエータ１４の端部の点Ａ_１２に最も近い第２アクチュエータ１６上の点Ａ_２の変位の向きは同一である（図１０参照）。つまり、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ１６は同位相で振動している。一方、図９に示す共振モードの場合、点Ａ_１２と点Ａ_２の変位の向きは互いに逆向きである（図１１参照）。つまり、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ１６は逆位相で振動している。

なお、第２軸ａ_２周りには第１アクチュエータ１４とミラー部１２とは一体的に振動している。

いずれの共振モードを用いても光スキャンは可能である。しかし、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ１６とが逆位相で振動する共振モードは同位相で振動する共振モードと比較して共振振動のＱ値が高く、さらに共振周波数が高いため、高速でスキャンすることに適している。例えば、後述の実施例１の構成では、第２軸周りの同位相の共振モードの共振周波数は４．７ｋＨｚであり、Ｑ値は２５０であった。これに対し、第２軸周りの逆位相の共振モードの共振周波数は１１ｋＨｚであり、Ｑ値は９４０であった。従って、第２軸周りについては、第１アクチュエータ１４と第２アクチュエータ１６とが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モード（これを第２の共振モードという。）で駆動することが、高いＱ値が得られるため好ましい。また、さらに、この第２の共振モードにおける点Ａ_１２と点Ａ_２との傾き変位量の比Ｒ２を所定の範囲内に収めるように設計することで、低消費電力かつ高い耐久性を持つ構造が得られることを本発明者らは見出した。

図１１に示すように、第２の共振モードで振動している際の、第１アクチュエータ１４の点Ａ_１２のｚ方向への最大変位量をＺａ_１２、点Ａ_１２からミラー部１２のミラー中心までのｘ方向距離をＬａ_１２、第２アクチュエータ１６の点Ａ_２におけるｚ方向への最大変位量をＺａ_２２、点Ａ_２からミラー部１２のミラー中心までのｘ方向距離をＬａ_２２とする。そして、点Ａ_１２の変位傾き量を｜Ｚａ_１２／Ｌａ_１２｜、および点Ａ_２の変位傾き量を｜Ｚａ_２２／Ｌａ_２２｜と定義する。

ミラー部１２および第１アクチュエータ１４と、第２アクチュエータ１６とが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードで駆動された場合に、両者の比Ｒ２＝｜Ｚａ_１１／Ｌａ_１１｜／｜Ｚａ_２２／Ｌａ_２２｜が、０．７５≦Ｒ２≦２７であることが好ましい。より好ましくは２．３≦Ｒ２である。

Ｒ２を増加させる方法としては、例えば、第２アクチュエータ１６の応答周波数を下げる方法が挙げられる。具体的には、第２アクチュエータ１６の慣性モーメントを増大させる、もしくは第２アクチュエータ１６を支持する第３接続部２３を弾性的に柔らかくすることなどが挙げられる。前者の場合、第２アクチュエータ１６の幅、あるいは厚みを増大させるなどが考えられ、後者の場合、第３接続部２３の幅を小さくする、あるいは長さを長くすることなどが有効である。Ｒ２を減少させるには、例えば、上記のＲ２を増加させる方法とは逆に、第２アクチュエータ１６の応答周波数を上げる方法が挙げられ、具体的には、第２アクチュエータ１６の慣性モーメントを減少させる、もしくは第２アクチュエータ１６を支持する第３接続部２３を弾性的に硬くすることなどが挙げられる。

Ｒ２を０．７５以上とすることで、第２アクチュエータの変位を抑制し、空気抵抗を減少させることができ、結果として共振時のＱ値を上昇させることができ、消費電力を抑制することができる。さらに、Ｒ２を２．３以上とすることで、第２アクチュエータの変位が大きくなりすぎるのを抑制し、構造体に大きな歪みが生じるのを抑制することができる。すなわち、第２アクチュエータの可動部の表面に備えられた圧電膜に過剰に大きな弾性応力が印加されるのを抑制し、駆動耐久性を向上させることができる。他方、Ｒ２を２７以下とすることにより、第２アクチュエータの変位が極端に小さくなるのを抑制し、圧電膜から注入されるエネルギーを有効に利用することができるため、結果として消費電力を抑制することができる。また、Ｒ２を２７以下に抑えることにより、設計上アクチュエータの大型化を抑制し、小型なデバイスを実現することができる。

マイクロミラーデバイス１０は、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６の圧電素子３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂに、第１の共振モードおよび第２の共振モードで駆動させるための駆動用の電力を供給するための図示しない駆動回路および制御回路を備える。駆動回路により第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６に供給する駆動信号として、共振を励起する周波数の交流信号やパルス波形信号を用いることができる。具体的な駆動信号については、駆動方法と共に以下に説明する。

第１軸周りおよび第２軸周りに光スキャンを行うためのマイクロミラーの駆動方法について具体的に説明する。

図１２は、図１～図３に示した実施形態のマイクロミラーデバイス１０おける第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６に備えられている圧電素子３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂの上部電極３３の電極配置を示している。図１２中、斜めハッチングで示す領域が上部電極３３である。本例では、第１アクチュエータ１４において、下部電極３１および圧電膜３２は１対の第１可動部１４Ａ、１４Ｂの一面の略全域に亘って設けられており、上部電極３３が１対の第１可動部の一方１４Ａおよび他方１４Ｂのそれぞれに分割して設けられている。ここでは、第１可動部１４Ａ，１４Ｂ上に設けられている上部電極３３をそれぞれ電極１Ａ，１Ｂと示している。また、第２アクチュエータ１６においては、下部電極３１および圧電膜３２は１対の第２可動部の一方１６Ａおよび他方１６Ｂのそれぞれの略全域に亘って設けられている。第２可動部の一方１６Ａに設けられている下部電極３１および圧電膜３２と、他方１６Ｂに設けられている下部電極３１および圧電膜３２とは、第２軸上ａ_２で分離されている。また上部電極３３は第２可動部の一方１６Ａの圧電膜３２上、および他方１６Ｂの圧電膜３２上にそれぞれ設けられている。第２可動部１６Ａ，１６Ｂ上に設けられている上部電極３３をそれぞれ電極２Ａ，２Ｂと示している。

図１２に示す上部電極１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂを備えた構成において、ミラー部１２を第１軸ａ_１周りおよび第２軸ａ_２周りにそれぞれ傾き振動させて光の２次元スキャンを実現する駆動方法の一例について説明する。

図１３は、ミラー部１２を第１軸ａ_１周りに傾き振動させるために、電極に加える駆動電圧波形（駆動信号）を示す。第１の共振モードを励起するため、電極１Ａ，１Ｂに第１の共振モードに一致した周波数の駆動電圧波形Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂをそれぞれ加える。図１３に示すように、駆動電圧波形Ｖ１ＡとＶ１Ｂとは互いに逆位相（位相差１８０°）である。このような駆動電圧波形を印加することにより、第１アクチュエータ１４が第１軸ａ_１周りに傾くような歪みが発生し、結果としてミラー部１２に第１軸ａ_１周りの回転トルクが与えられる。

駆動電圧波形Ｖ１Ａ、Ｖ１Ｂはそれぞれ次のように表される。

Ｖ１Ａ＝Ｖ_{ｏｆｆ１Ａ}＋Ｖ_Ａ-１Ａsinω_１ｔ

Ｖ１Ｂ＝Ｖ_{ｏｆｆ１Ｂ}＋Ｖ_Ａ-１Ｂsin（ω_１ｔ＋φ）

上記の式中、Ｖ_Ａ-１ＡとＶ_Ａ-１Ｂはそれぞれ電圧振幅、ω_１は第１の共振モードを励起するための角周波数、ｔは時間、φは位相差である。図中では、φ＝１８０°、Ｖ_{Ａ－１ Ａ}＝Ｖ_Ａ－１Ｂ、Ｖ_{ｏｆｆ１Ａ}＝Ｖ_{ｏｆｆ１Ｂ}＝Ｖ_ｏｆｆとしている。

図１４は、ミラー部１２を第２軸ａ_２周りに傾き振動させるために、電極に加える駆動電圧波形を示す。第２の共振モードを励起するため、電極２Ａ，２Ｂに第２の共振モードに一致した周波数の駆動電圧波形Ｖ２Ａ，Ｖ２Ｂをそれぞれ加える。図１４に示すように、駆動電圧波形Ｖ２ＡとＶ２Ｂとは互いに逆位相（位相差１８０°）である。このような電圧波形を印加することで、第２アクチュエータ１６が第２軸ａ_２周りに傾くような歪みが発生し、結果として第１アクチュエータ１４（およびミラー部１２）に第２軸ａ_２周りの回転トルクが印加される。

駆動電圧波形Ｖ２Ａ、Ｖ２Ｂはそれぞれ次のように表される。

Ｖ２Ａ＝Ｖ_{ｏｆｆ２Ａ}＋Ｖ_Ａ-２Ａsinω_２ｔ

Ｖ２Ｂ＝Ｖ_{ｏｆｆ２Ｂ}＋Ｖ_Ａ-２Ｂsin（ω_２ｔ＋φ）

上記の式中、Ｖ_Ａ-２ＡとＶ_Ａ-２Ｂはそれぞれ電圧振幅、ω_２は第２の共振モードを励起するための角周波数、ｔは時間、φは位相差である。図中では、φ＝１８０°、Ｖ_{Ａ－ ２Ａ}＝Ｖ_Ａ－２Ｂ、Ｖ_{ｏｆｆ２Ａ}＝Ｖ_{ｏｆｆ２Ｂ}＝Ｖ_ｏｆｆとしている。

電極１Ａ，１Ｂに駆動電圧波形Ｖ１Ａ，Ｖ２Ａをそれぞれ印加すると同時に、電極２Ａ，２Ｂに駆動電圧波形Ｖ２Ａ,Ｖ２Ｂをそれぞれ印加することにより、第１の共振モードおよび第２の共振モードを同時に励起することができる。このように、第１の共振モードおよび第２の共振モードを同時に励起させた状態で、例えばレーザー光などをミラー部１２に入射させることにより、２次元的に光スキャンを行うことが可能である。

第１の共振モードを励起するための駆動電圧が印加される圧電素子は、第１アクチュエータ上の圧電素子のみに限らない。例えば、第２アクチュエータ上の全てもしくは一部の圧電素子に第１の共振モードに一致した周波数の駆動電圧波形を加えることによっても、第１の共振モードを励起することができる。この場合、第２アクチュエータ上の上部電極を、第１アクチュエータに第１軸周りのトルクを与えるために適切な形状および数に分割すればよい。

同様に、第２の共振モードを励起するための駆動電圧が印加される圧電素子は、第２アクチュエータ１６上の圧電素子のみに限らない。例えば、第１アクチュエータ１４上の全てもしくは一部の圧電素子に第２の共振モードに一致した周波数の駆動電圧波形を加えることによっても、第２の共振モードを励起することができる。この場合、第１アクチュエータ１４上の上部電極３３を、ミラー部１２に第２軸周りのトルクを与えるために適切な形状および数に分割すればよい。

さらに、第１アクチュエータ１４の全てもしくは一部と、第２アクチュエータ１６の全てもしくは一部とに、同時に第１の共振モードの共振周波数に一致した周波数の駆動電圧波形を加えることで、第１の共振モードを励起することもできる。また、第１アクチュエータの全てもしくは一部と、第２アクチュエータの全てもしくは一部とに、同時に第２の共振モードの共振周波数に一致した周波数の駆動電圧波形を加えることで、第２の共振モードを励起することもできる。このような駆動方法を行うための一例の上部電極３３の配置について次に説明する。

図１５に、マイクロミラーデバイス１０の設計変更例の上部電極配置を示す。上部電極配置以外は既述のマイクロミラーデバイス１０と同一の構成である。この例では、第１アクチュエータ１４上の上部電極３３が、電極１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄの４つに分割されている。また、第２アクチュエータ１６上の上部電極３３が、第２可動部の一方１６Ａ上で２つの電極２Ａ，２Ｄに分離され、他方１６Ｂ上で２つの電極２Ｂ，２Ｃに分離され、計４つに分割されている。

図１５に示す電極１Ａ～１Ｄ，２Ａ～２Ｄを備えた構成において、ミラー部１２を第１軸ａ_１周りおよび第２軸ａ_２周りにそれぞれ傾き振動させて光の２次元スキャンを実現する駆動方法の一例について説明する。

図１６は、ミラー部１２を第１軸ａ_１周りに傾き振動させるために、電極に加える駆動電圧波形を示す。第１の共振モードを励起するため、電極１Ａ，１Ｂ，２Ａ，２Ｂに第１の共振モードに一致した周波数の駆動電圧波形Ｖ１Ａを、電極１Ｃ，１Ｄ，２Ｃ，２Ｄに第１の共振モードに一致した周波数の駆動電圧波形Ｖ１Ｂをそれぞれ加える。図１６に示すように、駆動電圧波形Ｖ１ＡとＶ１Ｂとは互いに逆位相（位相差１８０°）である。このような駆動電圧波形を印加することで、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６が第１軸ａ_１周りに傾くような歪みが発生し、結果としてミラー部１２に第１軸ａ_１周りの回転トルクが印加される。駆動電圧波形Ｖ１Ａ，Ｖ１Ｂは、既述の式で表されるが、各電極に与えられる駆動電圧波形の電圧振幅は同一でなくてもよく、異なっていてもよい。例えば、電極１Ａ、１Ｂに印加する駆動電圧波形の電圧振幅と、電極２Ａ，２Ｂに印加する駆動電圧波形の電圧振幅とは異なっていてもよい。

図１７は、ミラー部１２を第２軸ａ_２周りに傾き振動させるために、電極に加える駆動電圧波形を示す。第２の共振モードを励起するため、電極１Ａ，１Ｄ，２Ａ，２Ｄに第２の共振モードに一致した周波数の駆動電圧波形Ｖ２Ａを、電極１Ｂ，１Ｃ，２Ｂ，２Ｃに第２の共振モードに一致した周波数の駆動電圧波形Ｖ２Ｂをそれぞれ加える。図１７に示すように、駆動反圧波形Ｖ２ＡとＶ２Ｂとは互いに逆位相（位相差１８０°）である。このような駆動電圧波形を印加することで、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６が第２軸ａ_２周りに傾くような歪みが発生し、結果として第１アクチュエータ１４（およびミラー部１２）に第２軸ａ_２周りの回転トルクが印加される。駆動電圧波形Ｖ２Ａ，Ｖ２Ｂは、既述の式で表されるが、各電極に与えられる駆動電圧波形の電圧振幅は異なっていてもよい。例えば、電極１Ａ，１Ｄに印加する駆動電圧波形の電圧振幅と、電極２Ａ，２Ｄに印加する駆動電圧波形の電圧振幅は異なっていてもよい。

また、本構成のデバイスにおいても第１の共振モードおよび第２の共振モードを同時に励起することで、２次元的に光スキャンを行うことが可能である。第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６の各電極１Ａ～１Ｄおよび２Ａ～２Ｄに、前述した第１の共振モードを励起するための駆動電圧波形Ｖ１ＡもしくはＶ１Ｂと、第２の共振モードを励起するための駆動電圧波形Ｖ２ＡもしくはＶ２Ｂが重畳された駆動電圧波形を印加することにより、第１および第２の共振モードを同時に励起することができる。

マイクロミラーデバイスにおいては、さらに、第１軸周りのミラー部の傾きをモニタするためのセンサおよび／または第２軸周りのミラー部の傾きをモニタするためのセンサを備えてもよい。

マイクロミラーデバイス１０（図２参照）は、第１アクチュエータ１４の１つの可動部１４Ａの第１接続部２１の接続領域近傍の圧電膜３２上にセンサ電極５１を備えており、第２アクチュエータ１６の１つの可動部１６Ｂの第２接続部２２との接続領域近傍の圧電膜３２上にセンサ電極５２を備えている。アクチュエータ用の圧電素子と下部電極および圧電膜を共用し、上部電極３３を備えていない領域にセンサ電極５１、５２を備えている。本構成によれば、このように、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６に設けられている圧電膜３２の一部を傾きモニタ用のセンサに利用することができる。

上記一実施形態のマイクロミラーデバイス１０のように、第１アクチュエータ１４のほぼ全域に亘って圧電膜３２を備えていれば、その圧電膜３２のうち自由に指定された部分の応力の大きさを電圧に変換してモニタすることができる。第１軸ａ_１周りのミラー部１２の傾きを精度よくモニタしたい場合、角度に応じてねじれる第１接続部２１に最も近い部分（第１アクチュエータ１４との接続領域）の応力をモニタすることにより最も良い精度が得られる。上述の通り、第１アクチュエータ１４の１つの可動部１４Ａの第１接続部２１の接続領域近傍の圧電膜３２上にセンサ電極５１を備えているので、第１軸ａ_１周りスキャンを行う際、第１接続部２１の根元の応力をモニタできるため、精度のよいモニタができる。

センサ電極５１を設けた部分の下部電極３１を接地電位とし、センサ電極５１を解放電位としてその電位を測定することで、センサ部に発生する応力に比例した電圧が得られる。第１接続部２１のねじれ角度とセンサ部の応力は比例するため、ミラー部１２の傾きをモニタすることができる。

同様に、第２軸のミラー部１２の傾き（すなわち、第１アクチュエータ１４の傾き）を精度よくモニタしたい場合、角度に応じて捩れる第２接続部２２に最も近い部分（第２アクチュエータ１６との接続領域）の応力をモニタすることにより最も良い精度が得られる。上述の通り、第２アクチュエータ１６の１つの可動部１６Ｂの第２接続部２２との接続領域近傍の圧電膜３２上にセンサ電極５２を備えているので、第２軸ａ_２周りスキャンを行う際、第２接続部２２の根元の応力をモニタできるため、精度良いモニタができる。

センサ電極５２を設けた部分の下部電極３１を接地電位とし、センサ電極５２を解放電位としてその電位を測定することで、センサ部に発生する応力に比例した電圧が得られる。第２接続部２２のねじれ角度とセンサ部の応力は比例するため、ミラー部１２の傾きをモニタすることができる。

また、マイクロミラーデバイスは、垂直変位に対して強度を向上させるために、第１アクチュエータ１４の裏面に第１のストッパ部を備えていてもよい。図１８は第１アクチュエータ１４の裏面に第１のストッパ部６１を備えた設計変更例のマイクロミラーデバイス１０Ａの裏面を示す斜視図である。ここで、マイクロミラーデバイスにおいて、ミラー部１２の反射面１２ａを含む面が表面、その反対の面が裏面である。

第１のストッパ部６１は、第１アクチュエータ１４の裏面の第２軸ａ_２上に備えられている。第１のストッパ部６１は固定部２０と同じ厚みを有する。なお、１０％以下の厚み誤差は同じと看做す。

図１９はマイクロミラーデバイス１０Ａが、第１の共振モードで駆動されてミラー部１２が第１軸ａ_１を中心として斜めに傾いた状態を示す斜視図（上図）および斜視図におけるＢ_１－Ｂ_２線断面図（下図）である。

マイクロミラーデバイス１０Ａは、基材６０上に固定部２０が接着剤６５により固定されている。第１のストッパ部６１は厚みが固定部２０と同じであるが、接着剤６５の厚み分全体が嵩上げされているためミラー部静止時において、基材６０に接触しない。また、第１の共振モードで駆動され、上述のＲ１＝｜Ｚｍ／Ｌｍ｜／｜Ｚａ_１１／Ｌａ_１１｜が、９．４≦Ｒ１≦８７である場合には、第１軸ａ_１上の部位はほとんど変位しないため、第１のストッパ部６１は基材６０に接触せず、駆動を妨げない。接着剤６５の厚みは、一般的には２０～１００μｍ程度であり、必要に応じて適切な粒径を持つフィラー入り接着剤を用いれば、接着剤の厚みを正確に制御でき、嵩上げ高さを制御可能である。

図２０はマイクロミラーデバイス１０Ａにｚ方向に衝撃が加わった場合にデバイス１０Ａに生じる変位を模式的に示した斜視図（上図）および斜視図におけるＢ_１－Ｂ_２線断面図（下図）である。図２０の上図において衝撃時の変位を濃淡で示している。色が濃いほど変位の大きい部分であることを示す。

外部から垂直方向へのショック振動が生じた場合、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６が大きく垂直変位するが、過剰に変位する前に第１のストッパ部６１が基材６０に衝突するので、過剰変位による応力破壊を防ぐことができる。

マイクロミラーデバイスは、垂直変位に対して強度を向上させるために、第２アクチュエータの裏面に第２のストッパ部を備えていてもよい。図２１は第２アクチュエータ１６の裏面に第２のストッパ部６２を備えた設計変更例のマイクロミラーデバイス１０Ｂの裏面を示す斜視図である。

第２のストッパ部６２は、第２アクチュエータ１６の裏面の第１軸ａ_１上に備えられている。第２のストッパ部６２は固定部２０と同じ厚みを有する。なお、１０％以下の厚み誤差は同じと看做す。

図２２はマイクロミラーデバイス１０Ｂが、第２の共振モードで駆動されて第１アクチュエータ１４およびミラー部１２が第２軸ａ_２を中心として斜めに傾いた状態を示す斜視図（上図）および斜視図におけるＢ_１－Ｂ_２線断面図（下図）である。

マイクロミラーデバイス１０Ｂは、基材６０上に固定部２０が接着剤６５により固定されている。第２のストッパ部６２は厚みが固定部２０と同じであるが、接着剤６５の厚み分全体が嵩上げされているためミラー静止時において、基材６０に接触しない。また、第２の共振モードで駆動され、上述のＲ２＝｜Ｚａ_１２／Ｌａ_１２｜／｜Ｚａ_２２／Ｌａ_{２ ２}｜が、０．７５≦Ｒ２≦２７である場合には、第２アクチュエータ１６の変位は小さく、第２のストッパ部６２は基材６０に接触せず、駆動を妨げない。接着剤６５の厚みは、上記マイクロミラーデバイス１０Ａの場合と同様である。

図２３はマイクロミラーデバイス１０Ｂにｚ方向に衝撃が加わった場合にデバイス１０Ｂに生じる変位を模式的に示した斜視図（上図）および斜視図におけるＢ_１－Ｂ_２線断面図（下図）である。図２３の上図において衝撃時の変位を濃淡で示している。色が濃いほど変位の大きい部分であることを示す。

外部から垂直方向へのショック振動が生じた場合、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６が大きく垂直変位するが、過剰に変位する前に第２のストッパ部６２が基材６０に衝突するので、過剰変位による応力破壊を防ぐことができる。

なお、第１アクチュエータ１４の裏面に第１のストッパ部６１を備え、さらに第２アクチュエータ１６の裏面に第２のストッパ部６２を備えていてもよい。

第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６に備えられる圧電素子について説明する。既述の通り、圧電素子は下部電極、圧電膜および上部電極の積層体構造を有する。

下部電極および上部電極の厚みには特に制限なく、例えば２００ｎｍ程度である。圧電膜の厚みは１０μｍ以下であれば特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば、１～５μｍである。下部電極、上部電極および圧電膜の成膜方法は、特に限定されないが、気相成長法であることが好ましく、特にはスパッタ法によって成膜することが好ましい。

下部電極の主成分は、特に制限はなく、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＬａＮｉＯ_３、およびＳｒＲｕＯ_３等の金属または金属酸化物、並びに、これらの組合せが挙げられる。

上部電極の主成分は、特に制限なく、下部電極で例示した材料、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、およびＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、並びにこれらの組合せが挙げられる。

圧電膜としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。

一般式ＡＢＯ_３ （Ｐ）

（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。Ｏ：酸素元素。Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）

上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。

また、本実施形態の圧電膜は、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）を含むことが好ましい。

Ａ_ａ（Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_ｙ，Ｍ_{ｂ－ｘ－ｙ}）_ｂＯ_ｃ （ＰＸ）

（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。Ｍは、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ－ｘ－ｙ、ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）

上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜は、高い圧電歪定数（ｄ_３１定数）を有するため、かかる圧電膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。なお、一般式（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式（Ｐ）で表されるものよりも圧電定数が高くなる。

また、一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を備えた圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。

以下、本発明の実施例および比較例のマイクロミラーデバイスについて説明する。

＜実施例１；具体的な製造方法の一例＞

実施例１として以下の手順により図１～３に示した構成のマイクロミラーデバイス１０を作製した。

（工程１）Ｓｉハンドル層３５０μｍ、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）ボックス層１μｍ、Ｓｉデバイス層１００μｍの積層構造を持つＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に、スパッタ法で基板温度３５０℃にてＴｉ層を３０ｎｍ、Ｉｒ層を１５０ｎｍ形成した。Ｔｉ層およびＩｒ層の積層構造が図３の下部電極３１に相当する。

（工程２）上記で得られた、下部電極（Ｔｉ／Ｉｒ）が積層形成された基板上に、高周波（ＲＦ：radio frequency）スパッタ装置を用いて圧電膜を３μｍ成膜した。圧電膜用のスパッタ成膜のターゲット材料としてはＰｂ_1.3((Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.48)_0.88Ｎｂ_0.12)Ｏ₃の組成のものを用いた。成膜圧力は２．２ｍＴｏｒｒ、成膜温度は４５０℃とした。得られた圧電膜は、Ｎｂが原子組成比で１２％添加されたＮｂドープＰＺＴ薄膜であった。

（工程３）上記で得られた圧電膜が形成された基板上に、リフトオフ法によってＰｔ／Ｔｉの積層構造による上部電極をパターン形成した。

（工程４）その後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：inductively coupled plasma)ドライエッチングにより、圧電膜および下部電極をパターンエッチングした。

（工程５）さらに、テトラエトキシシランを原料とした化学気相堆積法（ＴＥＯＳ－ＣＶＤ：tetraethoxysilane-chemical vapor deposition)法により、ＳｉＯ_２からなる絶縁層を全面に成膜した後、ＩＣＰドライエッチングによって絶縁層をパターニングした。

（工程６）リフトオフ法によって、Ａｕ/Ｔｉの積層構造をパターン形成し、ミラー部の反射面、電極パッドおよび配線層を形成した。

（工程７）シリコンのドライエッチプロセスによってデバイス層をパターンエッチングし、アクチュエータ、ミラー部および固定部材の形状を加工した。

（工程８）次に、基板の裏面からハンドル層を深堀反応性イオンエッチングした。基本的には、固定部材となる部分を残してハンドル層を除去した。なお、後述するストッパ構造を付加する場合（実施例２）には、第２アクチュエータ裏面にストッパとなる形状を残してハンドル層を除去することにより、固定枠と同じ厚みを持つ厚肉部を形成した。

（工程９）最後に、裏面からボックス層をドライエッチングにより除去することにより、図１～図３で説明したマイクロミラーデバイス１０を作製した。

上記作製工程においては、ミラー部の反射面を工程６で形成したが、電極パッドおよび配線層の材料とは異なる反射材料を用いて反射面を形成してもよく、その場合は、たとえば工程６に続いて、反射面をリフトオフ法などで形成してもよい。

なお、本発明の実施に際しては、本実施例１の構成および製造方法に限定されず、基板の材料、電極材料、圧電材料、膜厚、成膜条件などは、目的に応じて適宜選択することができる。

図２４に、本実施例において第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６の圧電膜３２が設けられている領域を斜線で示す。図２４においては、上部電極、配線等については図示を省略している。また、固定枠についても図示を省略している。なお、本実施例において、各種寸法を図２４に示す通りに規定した。

第１アクチュエータ１４のｘ軸方向（第２軸方向）長さをＸ１、第１アクチュエータ１４のｙ軸方向（第１軸方向）長さをＹ１、第１軸ａ_１上の第１可動部１４Ａ（及び１４Ｂ）のｘ軸方向の幅をＷ１_ｘ、第２軸ａ_２上の第１可動部１４Ａ（及び１４Ｂ）のｙ軸方向の幅をＷ１_ｙとする。

第２アクチュエータ１６のｘ軸方向長さをＸ２、第２アクチュエータ１６のｙ軸方向長さをＹ２、第１軸ａ_１上の第２可動部１６Ａ（及び１６Ｂ）のｘ軸方向の幅をＷ２_ｘ、第２軸ａ_２上の第２可動部１６Ａ（及び１６Ｂ）のｙ軸方向の幅をＷ２_ｙとする。

第２接続部２２のｘ軸方向の長さをＷｃ２_ｘ、ｙ軸方向の幅をＷｃ２_yとする。

実施例１における、各種寸法は次の通りとした。

ミラー形状：直径１．１ｍｍの円形、

第１アクチュエータ寸法：Ｘ１＝２．６７ｍｍ、Ｙ１＝３．７７ｍｍ、Ｗ１_ｘ＝０．６ｍｍ、Ｗ１_ｙ＝０．２５ｍｍ

第２アクチュエータ寸法：Ｘ２＝５．１７ｍｍ、Ｙ２＝５．１７ｍｍ、Ｗ２_ｘ＝０．４５ｍｍ、Ｗ２_ｙ＝０．６ｍｍ

第２接続部：Ｗｃ２_ｘ＝０．８ｍｍ、Ｗｃ２_ｙ＝０．２３８ｍｍ

デバイス層の厚みｔｄ＝０．１ｍｍとした。

ミラー部１２、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６、並びに第１接続部２１、第２接続部２２、および第３接続部２３の厚みはデバイス層の厚みと等しい。

そして、本構成のマイクロミラーデバイスにおいて、第１の共振モードの周波数が約６０ｋＨｚ、第２の共振モードの周波数が約１０ｋＨｚとなるように第１接続部２１および第３接続部２３の寸法は設定した。

実施例１のマイクロミラーデバイスは、第１アクチュエータに第１の駆動電圧波形を与えることで、第１の共振モードを励起し、ミラー部１２を第１軸ａ_１周りに回転運動させる。この場合、第１の駆動電圧波形の周波数は、第１の共振モードの周波数の周辺に保たれる。また、第２アクチュエータに第２の駆動電圧波形を与えることで、第２の共振モードを励起し、第１アクチュエータ１４とミラー部１２をほぼ一体として第２軸ａ_２周りに回転運動させる。ここでも第２の駆動電圧波形の周波数は、第２の共振モードの周波数の周辺に保たれる。これら２つの駆動電圧波形をそれぞれのアクチュエータに同時に印加することで、２次元的に光をスキャンすることが可能である。

［比較例１］

比較例１のマイクロミラーデバイス１１１の正面図を図２５に示す。図２５においても、圧電膜が設けられている領域をドットハッチ部で示し、上部電極、配線および固定枠等について図示を省略している。実施例１と同じ構成要素には同一の符号を付している。なお、各部の形状および寸法は実施例１と同様とした。比較例１のマイクロミラーデバイス１１１は、第１アクチュエータ１１４が圧電膜（すなわち圧電素子）を備えていない点で、実施例１と異なる。比較例１の第１アクチュエータ１１４は、圧電素子を備えていないので、厳密には「アクチュエータ」ではないが、実施例１の第１アクチュエータ１４と対比させるため、便宜上、第１アクチュエータ１１４と称している。

比較例１のマイクロミラーデバイス１１１では、第１の共振モードに一致した周波数の第１の駆動電圧波形と、第２の共振モードに一致した周波数の第２の駆動電圧波形とを、第２アクチュエータ１６に重畳して印加することで、両共振モードを励起し、ミラー部１２を第１軸ａ_１周りに回転運動させると同時に、第１アクチュエータ１１４とミラー部１２をほぼ一体として第２軸ａ_２周りに回転運動させることができる。これにより、光を２次元的にスキャンすることが可能である。

［比較例２］

比較例２のマイクロミラーデバイス１１２の正面図を図２６に示す。図２６においても、圧電膜が設けられている領域をドットハッチ部で示し、上部電極、配線および固定枠等について図示を省略している。比較例１と同じ構成要素には同一の符号を付している。比較例２のマイクロミラーデバイス１１２は、第３接続部１２３が第１軸ａ_１上に存在すること以外は、比較例１と同じ構造である。なお、第３接続部１２３は、図示しない固定部に接続されている。

比較例２のマイクロミラーデバイス１１２は、比較例１と同様の手法により光を２次元的にスキャンすることが可能である。

実施例１、比較例１および比較例２のマイクロミラーデバイスについて、第１の共振モードおよび第２の共振モードで駆動させ、第１軸ａ_１周りに４５°スキャン、第２軸ａ_２周りに３０°スキャンさせるための駆動電圧振幅、消費電力、駆動耐久性、および第２軸周りスキャンの線形性を調べた。結果を表１に示す。

駆動電圧振幅第１の軸周り４５°スキャンとは、第１の共振モードの共振周波数にて駆動した際、第１軸周りの光学スキャン角度４５°を達成するために必要な正弦波の振幅値である。

駆動電圧振幅第２の軸周り３０°スキャンとは、第２の共振モードの共振周波数にて駆動した際、第２軸周りの光学スキャン角度３０°を達成するために必要な正弦波の振幅値である。

なお、光学スキャン角度の測定法としては、レーザーをマイクロミラーデバイスのミラー部の反射面に垂直入射し、スキャンラインの長さを、定規などを用いて測定し、幾何学的関係からスキャンの全角度を求める方法を用いた。

消費電力は以下の手法に基づいて算出した。

駆動電圧波形Ｖとして、Ｖ＝Ｖ_ｏｆｆ＋Ｖ_Ａsinωｔで表わされる正弦波を与えて駆動した。駆動中における各上部電極に流れる電流を電流測定回路で測定した。具体的には、測定したい電極に対して直列に既知の抵抗を接続し、その抵抗の両端の電圧を測定することで各電極に流れる電流を測定した。このとき測定された電流波形Ｉ＝Ｉ_ｏｆｆ＋Ｉ_Ａsin（ωｔ＋φ）と、駆動電圧波形Ｖとから、消費電力Ｗ＝１／２×Ｉ_ＡＶ_Ａcosφを算出した。

駆動耐久性は、上記駆動電圧振幅を持つ正弦波電圧信号にて共振を維持しながら連続駆動を行った際、第１軸周りの光学スキャン角度が３０°以下に減衰する時間および第２軸周りの光学スキャン角度が２０°以下に減衰する時間のうち短い方の時間である。

第２軸周りのスキャンの線形性は、スキャン角度の周波数依存性（周波数特性）を調べることによって評価した。第２の共振モードの共振周波数前後の駆動電圧波形を第２アクチュエータの圧電素子に印加してスキャン角度の周波数依存性を測定した。

図２７は実施例１、図２８は比較例２の周波数特性を示すグラフである。図２７に示すように、実施例１のマイクロミラーデバイスは共振周波数（ここでは、１１．６２ｋＨｚ）を中心に対称なピークを示しており、線形性が良好であることが分かる。一方、図２８に示すように、比較例２のマイクロミラーデバイスは共振ピークが非対称であり、非線形性が強い（線形性が不良）という結果が得られた。

表１に示すように、実施例１の構造は、消費電力、駆動耐久性および線形性の点で比較例１，２の構造よりも優れている。実施例１では、第１アクチュエータ１４が圧電膜（すなわち、圧電素子）を備えており、これによって駆動力を生み出すことができる。一方、比較例１では、第１アクチュエータ１１４が圧電膜を備えていないため、駆動力を生み出すことができない。つまり、第１アクチュエータ１１４は可動枠として機能し単純に質量を増加させるため、実施例１と比較して駆動の効率が悪い。その結果、消費電力が高くなってしまうと考えられる。

比較例２は、第３接続部１２３が第１軸上に存在している。この比較例２のマイクロミラーデバイス１１２を第２軸周りで駆動した結果、図２８に示すように、共振ピークの非対称性が強いことが分かった。比較例２の構造では、第１アクチュエータ１１４およびミラー部１２を第２軸周りに傾き変位させる際の第２アクチュエータ１６の変形形状が複雑になるため、非線形性が強くなると考えられる。

実施例１の構成のマイクロミラーデバイスについて、Ｒ１を変化させた場合の、第２の共振モード（第２軸周り）の駆動特性、およびＲ２を変化させた場合の、第１の共振モード（第１軸周り）の駆動特性について、試験例を用いて説明する。

各Ｒ１，Ｒ２は図２４で定義した各部の寸法を変化させることによって実現した。

＜第２の共振モード特性評価：試験例１～８＞

試験例１～８は、ミラー部１２の形状は直径１．１ｍｍの円形であり、第１アクチュエータ寸法は、Ｗ１＿ｙ＝０．２５ｍｍ，Ｗ１＿ｘ＝０．６ｍｍ，Ｘ１＝２．６７ｍｍ，Ｙ１＝３．７７ｍｍであり、第１の共振モードの共振周波数が約６０ｋＨｚになるように設計した。また、いずれも第２の共振モードの共振周波数は約１０ｋＨｚとなるように設計した。なお、試験例５が実施例１のマイクロミラーデバイスである。各試験例のマイクロミラーデバイスについて、第２アクチュエータと第１アクチュエータおよびミラー部が逆位相で傾き振動する第２の共振モードの共振周波数に一致した周波数の正弦波電圧信号を第２アクチュエータに印加することによって、第２軸周りにミラー部を傾き駆動した。

表２に各試験例の寸法、および試験結果を示す。

駆動電圧振幅とは、第２の共振モードの共振周波数にて駆動した際、第２軸周りの光学スキャン角度３０°を達成するために必要な正弦波の振幅値である。

消費電力とは、第１軸の周りのスキャンは行わず、第２軸周りに３０°の光学スキャン（１次元スキャン）を行った際の消費電力である。消費電力は実施例１と同様の手法により求めた。

駆動耐久性は、上記電圧振幅を持つ正弦波電圧信号にて共振を維持しながら連続駆動を行い、光学スキャン角度が２０°以下に減衰するまでの時間である。

なお、素子面積とは、固定部を含むマイクロミラーデバイスのｘｙ平面の面積である。

図２９は、表２で示す試験例で得られたＲ２と消費電力との関係を示すグラフである。マイクロミラーデバイスに求められる消費電力の大きさはシステムに依存するため、一概に述べられるものではないが、いずれの用途においてもＲ２が０．７５以上２７以下の範囲に収まるようにアクチュエータの寸法を設計することにより、システムの要求する消費電力を下回る値を実現可能である。本試験例では、直径１．１ｍｍのミラーを持つマイクロミラーデバイスにおいて、様々なＲ２を設定して消費電力などを評価した。直径１．０ｍｍ程度のミラーを持つマイクロミラーデバイスは、ウェアラブル端末などの小型のバッテリーを使った駆動モジュールに使用されることが多いため、電池の容量が小さく、低い消費電力が求められる。たとえば、１５０ｍＡｈ程度の容量を持つ小型のリチウムイオン電池を使用してマイクロミラーデバイスによる２次元スキャンを行う場合、全体の消費電力が２０ｍＷ以下であれば、１回の充電でおおむね２４時間以上駆動することができ、コンシューマー製品として最低限の充電頻度を満足させることができる。第１軸、第２軸それぞれの軸周りのスキャンに必要な消費電力をそれぞれ１０ｍＷ以下にすることができれば、これらを同時に駆動して２次元スキャンを行った際に、合計消費電力を２０ｍＷ以下とすることができる。上記試験例によれば、Ｒ２を０．７５以上２７以下になるように設計することにより、第２軸周りのスキャンを行うための消費電力を１０ｍＷ以下に抑えることができるため、好ましいことが分かった。また、Ｒ２を２．３以上に設計することにより、圧電膜にかかる応力を下げることができ、耐久性を向上させることができる。

＜第１の共振モード特性評価：試験例５、試験例９～１９＞

試験例５および試験例９～１９は、ミラー部１２の形状が直径１．１ｍｍの円形であり、第２アクチュエータ１６の寸法は、Ｗ２＿ｙ＝０．６ｍｍ、Ｗ２＿ｘ＝０．４５ｍｍであり、第２の共振モードの共振周波数が約１０ｋＨｚになるように設計した。また、いずれも第１の共振モードの共振周波数は約６０ｋＨｚとなるように設計した。既述の通り、試験例５は実施例１のマイクロミラーデバイスである。試験例のマイクロミラーデバイスについて、第１アクチュエータ１４とミラー部１２が互いに逆位相で傾き振動する第１の共振モードに一致した共振周波数の正弦波電圧信号を、第１アクチュエータに印加することによって、第１軸周りにミラー部を傾き駆動した。

表２に各試験例の寸法、および試験結果を示す。

駆動電圧振幅とは、第１の共振モードの共振周波数にて駆動した際、第１軸周りの光学スキャン角度４５°を達成するために必要な正弦波の振幅値である。

消費電力とは、第２軸の周りのスキャンは行わず、第１軸周りに４５°の光学スキャン（１次元スキャン）を行った際の消費電力である。

駆動耐久性は、上記電圧振幅を持つ正弦波電圧信号にて共振を維持しながら連続駆動を行い、光学スキャン角度が３０°以下に減衰するまでの時間である。

なお、素子面積とは、固定部を含むマイクロミラーデバイスのｘｙ平面の面積である。

図３０は、表３に示す試験例で得られたＲ１と消費電力との関係を示すグラフである。マイクロミラーデバイスに求められる消費電力の大きさはシステムに依存するため、一概に述べられるものではないが、いずれの用途においてもＲ１が９．４以上８７以下の範囲に収まるようにアクチュエータの寸法を設計することにより、システムの要求する消費電力を下回る値を実現可能である。本試験例では、直径１．１ｍｍのミラーを持つマイクロミラーデバイスにおいて、様々なＲ１を設定して消費電力などを評価した。直径１．０ｍｍ程度のミラーを持つマイクロミラーデバイスは、ウェアラブル端末などの小型のバッテリーを使った駆動モジュールに使用されることが多いため、電池の容量が小さく、低い消費電力が求められる。たとえば、１５０ｍＡｈ程度の容量を持つ小型のリチウムイオン電池を使用してマイクロミラーデバイスによる２次元スキャンを行う場合、全体の消費電力が２０ｍＷ以下であれば、１回の充電でおおむね２４時間以上駆動することができ、コンシューマー製品として最低限の充電頻度を満足させることができる。上記試験例によれば、Ｒ１を９．４以上８７以下になるように設計することにより、第１軸周りのスキャンを行うための消費電力を１０ｍＷ以下に抑えることができるため、好ましいことが分かった。また、Ｒ１を１６以上に設計することにより、圧電膜にかかる応力を下げることができ、耐久性を向上させることができる。

試験例のマイクロミラーデバイスでは、ある慣性モーメントをもつ物体を回転駆動させるために効率の良い構造を開示することを目的としているため、すべてミラーサイズを１．１ｍｍに統一した。しかし、もちろんミラーサイズを変更しても、消費電力の絶対値は変化するものの、上述の好ましいＲ１、Ｒ２の範囲に関する理論は適用可能である。

たとえば、ミラーの直径が大きくなると、慣性モーメントが増大し、回転により大きなトルクが必要になる。そのため、原理的に消費電力は増大する。例えば、円板形状のミラーの場合、直径２．０ｍｍのミラーは、直径１．０ｍｍのミラーに比べて、慣性モーメントが８倍となるため、同じスピード、同じ傾き角度で回転運動させるのには、８倍の電力が必要となる。しかしながら、この場合はシステムの要求する消費電力も大きい傾向にある。Ｒ１、Ｒ２を上記に規定する範囲に収めることによって、それぞれのシステムに求められる消費電力の仕様を満たすことができる。

[実施例２]

実施例２として、実施例１のマイクロミラーデバイスにおいて、反射面が設けられている面と反対の面（裏面）にストッパを備えたマイクロミラーデバイスを備えた。ストッパを備えた以外は実施例１と同一構成とした。図３１は実施例２のマイクロミラーデバイスの反射面１２ａ側の面（表面）斜視図であり、図３２は裏面斜視図であり、図３３は裏面からみた平面図である。

本実施例２においては、第１アクチュエータおよび第２アクチュエータの裏面に、ハンドル層をパターニングして形成された厚み０．３５ｍｍ（＝ハンドル層厚み）、直径０．２ｍｍの円柱形状を設け、ストッパ部６１、６２とした。図３２および図３３に示すように、第１アクチュエータ１４の裏面の第２軸ａ_２上に、ミラー中心対称に１対の第１ストッパ部６１を設け、第２アクチュエータ１６の裏面の第１軸ａ_１上に、ミラー中心対称に１対の第２ストッパ部６２を設けた。

＜スキャン試験＞

ストッパ部あり（実施例２）、なし（実施例１）のマイクロミラーデバイスをそれぞれ５０チップ用意し、すべてのチップを基材６０としてのセラミックスパッケージ上に接着剤６５としてエポキシ樹脂を用いてマウント実装した。このとき、エポキシ樹脂として、直径７０μｍのシリコンフィラーを用いた。これにより、実装後のチップはセラミックスパッケージに対してｚ方向に約７０μｍスペーシングされている。

第１の共振モードの共振周波数および第２の共振モードの共振周波数の駆動電圧波形を入力し、光学スキャンを行ったところ、ストッパ部あり、なし共に第１軸ａ_１周りに４５°、第２軸ａ_２周りに３０°のスキャンを行うことができた。

このとき、レーザードップラー法によって第２アクチュエータ１６の変位量が最大値を測定したところ、ストッパ部ありの実施例２における第２アクチュエータ１６の最大変位は４０μｍであり、傾き変位量の比Ｒ２はＲ２＝６．０と算出された。第２アクチュエータ１６の変位量は、フィラーの高さ７０μｍよりも十分小さいため、第２軸ａ_２周りに３０°の光学スキャンを行ってもストッパ部６２がセラミックスパッケージに接触せず、変位が阻害されてないことが分かった。また、第１アクチュエータの最大変位量は１５μｍであり、傾き変位量の比Ｒ１はＲ１＝２８と算出された。第１アクチュエータ１４の変位量も、フィラーの高さ７０μｍよりも十分小さいため、第１軸ａ_１周りに４５°の光学スキャンを行ってもストッパ部６１がセラミックスパッケージに接触せず、変位が阻害されてないことが分かった。

＜衝撃試験＞

ストッパ部あり（実施例２）、なし（実施例１）の両方のチップそれぞれ５０個を、２ｍの高さから鉛直方向に落下させた。ストッパ部なしのチップのうち、破壊したものの数は１０個であった。一方、ストッパ部を設けたチップのうち、破壊したものはなかった。破壊された原因は、いずれも落下時の過剰変位による第３接続部２３および第２接続部２２のいずれかのシリコン構造の破断であった。

実施例２のようにストッパ部６１、６２を備えることにより、衝撃による破壊を抑制することができることが明らかとなった。

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ，１Ｄ，２Ａ，２Ｂ，２Ｃ，２Ｄ 電極

１０ マイクロミラーデバイス

１２ ミラー部

１２ａ 反射面

１４ 第１アクチュエータ

１４Ａ，１４Ｂ 第１可動部

１４Ａａ 第１可動部１４Ａの一端

１４Ａｂ 第１可動部１４Ａの他端

１４Ｂａ 第１可動部１４Ｂの一端

１４Ｂｂ 第１可動部１４Ｂの他端

１６ 第２アクチュエータ

１６Ａ，１６Ｂ 第２可動部１６

Ａａ 第２可動部１６Ａの一端

１６Ａｂ 第２可動部１６Ａの他端

１６Ｂａ 第２可動部１６Ｂの一端

１６Ｂｂ 第２可動部１６Ｂの他端

２０ 固定部

２１ 第１接続部

２２ 第２接続部

２３ 第３接続部

３０ 可動部基材

３１ 下部電極

３２ 圧電膜

３３ 上部電極

３４ 圧電膜

３４Ａ，３４Ｂ，３６Ａ，３６Ｂ 圧電素子

３９ 絶縁膜

４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ 電極パッド

４５ 配線

４８ 電極パッド

５０ センサ部

５１，５２ センサ電極

６０ 基材

６１ 第１のストッパ部

６２ 第２のストッパ部

６５ 接着剤

１１１ 比較例１のマイクロミラーデバイス

１１２ 比較例２のマイクロミラーデバイス

１１４ 第１アクチュエータ（可動枠）

１２３ 第３接続部

Claims (17)

1. 入射光を反射する反射面を有するミラー部と、
   前記ミラー部を囲んで配置された環状の第１アクチュエータと、
   前記第１アクチュエータを囲んで配置された環状の第２アクチュエータと、
   前記ミラー部と前記第１アクチュエータとを、前記ミラー部の静止時の前記反射面を含む平面内にある第１軸上で接続し、かつ前記ミラー部を前記第１軸周りで回動可能に支持する第１接続部と、
   前記第１アクチュエータと第２アクチュエータとを、前記ミラー部の静止時の前記反射面を含む平面内であって前記第１軸に直交する第２軸上で接続し、かつ前記第１アクチュエータを前記第２軸周りで回動可能に支持する第２接続部と、
   前記第２軸上で、前記第２アクチュエータの外周に接続された第３接続部と、
   前記第３接続部が接続され、該第３接続部を介して前記第２アクチュエータを支持する固定部とを備え、
   前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータは、それぞれ圧電素子を備えた圧電アクチュエータであり、
   平面視において、前記ミラー部と前記固定部との間には、前記ミラー部を囲む環状の部材として、前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータのみを備え、
   前記第１アクチュエータは１重の環状であり、
   前記第２アクチュエータは１重の環状であり、
   前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータは、前記ミラー部に前記第１軸周りの回転トルクを作用させ、かつ、前記ミラー部および第１アクチュエータに前記第２軸周りの回転トルクを作用させることにより、前記ミラー部を前記第１軸および前記第２軸周りに２次元回転駆動するマイクロミラーデバイス。
2. 前記第１アクチュエータが、半環状の一対の第１可動部を含み、
   前記第２アクチュエータが、半環状の一対の第２可動部を含み、
   前記第１接続部が、前記ミラー部と前記一対の第１可動部各々の一端、および前記ミラー部と前記一対の第１可動部各々の他端の各々を前記第１軸上で接続し、
   前記第２接続部が、前記一対の第１可動部の一方と前記一対の第２可動部各々の一端、および前記一対の第１可動部の他方と前記一対の第２可動部各々の他端の各々を前記第２軸上で接続する請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
3. 入射光を反射する反射面を有するミラー部と、
   前記ミラー部を囲んで配置された環状の第１アクチュエータと、
   前記第１アクチュエータを囲んで配置された環状の第２アクチュエータと、
   前記ミラー部と前記第１アクチュエータとを、前記ミラー部の静止時の前記反射面を含む平面内にある第１軸上で接続し、かつ前記ミラー部を前記第１軸周りで回動可能に支持する第１接続部と、
   前記第１アクチュエータと第２アクチュエータとを、前記ミラー部の静止時の前記反射面を含む平面内であって前記第１軸に直交する第２軸上で接続し、かつ前記第１アクチュエータを前記第２軸周りで回動可能に支持する第２接続部と、
   前記第２軸上で、前記第２アクチュエータの外周に接続された第３接続部と、
   前記第３接続部が接続され、該第３接続部を介して前記第２アクチュエータを支持する固定部とを備え、
   前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータは、それぞれ圧電素子を備えた圧電アクチュエータであり、
   前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータは、前記ミラー部に前記第１軸周りの回転トルクを作用させ、かつ、前記ミラー部および第１アクチュエータに前記第２軸周りの回転トルクを作用させることにより、前記ミラー部を前記第１軸および前記第２軸周りに２次元回転駆動するマイクロミラーデバイスであって、
   前記ミラー部が前記第１軸周りに傾き振動し、かつ前記ミラー部と、前記第１アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードで駆動された場合であって、
   前記平面における前記第１軸の延びる方向をｘ方向、前記第２軸の延びる方向をｙ方向、前記平面の法線方向をｚ方向とし、前記ミラー部の前記第２軸上の端部の点Ｍの前記ｚ方向への最大変位量をＺｍ、前記点Ｍから前記ミラー部の中心までのｙ方向距離をＬｍ、前記点Ｍに最も近い前記第１アクチュエータの前記第２軸上の点Ａ _１１ の前記ｚ方向への最大変位量をＺａ _１１ 、前記第３接続部が前記固定部と接続される位置Ａから前記点Ａ _１１ までのｙ方向距離をＬａ _１１ とした場合に、
   前記ミラー部の変位傾き量｜Ｚｍ／Ｌｍ｜と前記第１アクチュエータの変位傾き量｜Ｚａ _１１ ／Ｌａ _１１ ｜の比Ｒ１＝｜Ｚｍ／Ｌｍ｜／｜Ｚａ _１１ ／Ｌａ _１１ ｜が、９．４≦Ｒ１≦８７であるマイクロミラーデバイス。
4. 前記ミラー部が前記第１軸周りに傾き振動し、かつ前記ミラー部と、前記第１アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードで駆動された場合であって、
   前記平面における前記第１軸の延びる方向をｘ方向、前記第２軸の延びる方向をｙ方向、前記平面の法線方向をｚ方向とし、前記ミラー部の前記第２軸上の端部の点Ｍの前記ｚ方向への最大変位量をＺｍ、前記点Ｍから前記ミラー部の中心までのｙ方向距離をＬｍ、前記点Ｍに最も近い前記第１アクチュエータの前記第２軸上の点Ａ _１１ の前記ｚ方向への最大変位量をＺａ _１１ 、前記第３接続部が前記固定部と接続される位置Ａから前記点Ａ _１１ までのｙ方向距離をＬａ _１１ とした場合に、
   前記ミラー部の変位傾き量｜Ｚｍ／Ｌｍ｜と前記第１アクチュエータの変位傾き量｜Ｚａ_１１／Ｌａ_１１｜の比Ｒ１＝｜Ｚｍ／Ｌｍ｜／｜Ｚａ_１１／Ｌａ_１１｜が、９．４≦Ｒ１≦８７である請求項１または２に記載のマイクロミラーデバイス。
5. 前記比Ｒ１が
   １６≦Ｒ１である請求項３又は４記載のマイクロミラーデバイス。
6. 前記ミラー部および前記第１アクチュエータが前記第２軸周りに傾き振動し、かつ前記ミラー部および前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードで駆動された場合であって、
   前記平面における前記第１軸の延びる方向をｘ方向、前記第２軸の延びる方向をｙ方向、前記平面の法線方向をｚ方向とし、前記第１アクチュエータの前記第１軸上の端部の点Ａ _１２ の前記ｚ方向への最大変位量をＺａ _１２ 、前記点Ａ _１２ から前記ミラー部の中心までのｘ方向距離をＬａ _１２ 、前記点Ａ１２に最も近い前記第２アクチュエータの前記第１軸上の点Ａ _２ における前記ｚ方向への最大変位量をＺａ _２２ 、前記点Ａ _２ から前記ミラー部の中心までのｘ方向距離をＬａ _２２ とした場合に、
   前記第１アクチュエータの変位傾き量｜Ｚａ_１２／Ｌａ_１２｜と前記第２アクチュエータの変位傾き量｜Ｚａ_２２／Ｌａ_２２｜の比Ｒ２＝｜Ｚａ_１２／Ｌａ_１２｜／｜Ｚａ_２２／Ｌａ_２２｜が、０．７５≦Ｒ２≦２７である請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
7. 前記比Ｒ２が
   ２．３≦Ｒ２である請求項６に記載のマイクロミラーデバイス。
8. 前記固定部が、前記ミラー部、前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータよりも大きな厚みを有する請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
9. 前記第１アクチュエータが、前記固定部と同一の厚みの構造体から成る第１のストッパ部を備えた請求項８に記載のマイクロミラーデバイス。
10. 前記第２アクチュエータが、前記固定部と同一の厚みの構造体から成る第２のストッパ部を備えた請求項８または９に記載のマイクロミラーデバイス。
11. 前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータの前記圧電素子に駆動信号を入力するための駆動回路を備えた請求項１から１０のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
12. 前記駆動回路が、前記ミラー部を前記第１軸周りに傾き振動する第１の共振モードで駆動し、かつ、前記ミラー部および前記第１アクチュエータを前記第２軸周りに傾き振動する第２の共振モードで駆動する駆動信号を前記圧電素子に入力する請求項１１に記載のマイクロミラーデバイス。
13. 前記第１の共振モードが、前記ミラー部と前記第１アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードである請求項１２に記載のマイクロミラーデバイス。
14. 前記第２の共振モードが、前記ミラー部および前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードである請求項１２または１３に記載のマイクロミラーデバイス。
15. 請求項１から１１のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法であって、
    前記第１アクチュエータの前記圧電素子に第１の周波数の駆動信号波形を入力して、前記ミラー部が、前記第１軸周りに傾き振動する第１の共振モードを励起させ、かつ、
    前記第２アクチュエータの前記圧電素子に第２の周波数の駆動信号波形を入力して、前記ミラー部および前記第１アクチュエータが、前記第２軸周りに傾き振動する第２の共振モードを励起させるマイクロミラーデバイスの駆動方法。
16. 前記第１の共振モードとして、前記第１アクチュエータに、前記ミラー部と前記第１アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードを励起させる請求項１５に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法。
17. 前記第２の共振モードとして、前記第２アクチュエータに、前記第１アクチュエータおよび前記ミラー部と前記第２アクチュエータとが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードを励起させる請求項１５または１６に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法。

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