WO2020195385A1

WO2020195385A1 - 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

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Publication number: WO2020195385A1
Application number: PCT/JP2020/006638
Authority: WO
Inventors: 崇幸直野
Original assignee: 富士フイルム株式会社
Priority date: 2019-03-28
Filing date: 2020-02-19
Publication date: 2020-10-01
Also published as: EP3950572A1; JP7237146B2; EP3950572A4; JPWO2020195385A1; US20210405350A1; CN113574007A

Abstract

マイクロミラーデバイスにおいて、振動板上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層された圧電素子を備えた圧電アクチュエータである第１および第２アクチュエータを備える。各々の圧電素子は、各々の上部電極が、ミラー部に第１軸の周りに傾き変位を生じさせる第１共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第１応力反転領域、およびミラー部に第２軸周りに傾き変位を生じさせる第２共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第２応力反転領域で分離された複数の個別電極部からなり、複数の個別電極部の各々により規定される複数の圧電部を含む。

Description

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

　本開示は、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。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は、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、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。

　特許第６０９２７１３号公報および国際公開第２０１６／０５２５４７号には、ミラー部がトーションバーを介して１対の半環状圧電アクチュエータと接続され、トーションバーを軸としてミラー部を回転振動可能とした圧電方式のミラーデバイスが開示されている。特許第６０９２７１３号公報および国際公開第２０１６／０５２５４７号では、ミラー部を振動させる際に半環状圧電アクチュエータに発生する応力分布に対応して圧電膜を分割配置し、分割配置されたそれぞれの圧電膜にそれぞれ適切な極性の駆動信号を与えることで、効率的にミラーを駆動する方法が開示されている。

　しかしながら、特許第６０９２７１３号公報および国際公開第２０１６／０５２５４７号に開示されているミラーデバイスは、１軸方向にしかスキャンできないため、１チップでは画像を表示することができない。特許第６０９２７１３号公報および国際公開第２０１６／０５２５４７号に開示されているミラーデバイスを用いて２軸スキャン（２次元スキャン）を実現するには他の１軸方向への変位を実現するための別のデバイスと組み合わせる必要となり、システムが大型化してしまうという問題がある。

　他方、特許第５１５１０６５号公報、特許第４９８４１１７号公報および特開２０１８－０４１０８５号公報には、マイクロミラーデバイスとして２次元スキャンが可能な圧電駆動方式の光スキャナが提案されている。

　特許第５１５１０６５号公報には、ミラー部が第１軸に沿った第１の接続部を介して可動枠に接続されており、可動枠が可動枠を囲む固定枠に圧電アクチュエータを介して接続された構成の光スキャナが開示されている。可動枠と圧電アクチュエータは第１軸に直交する第２軸に沿った第２の接続部で接続されており、さらに圧電アクチュエータは第１軸に沿った第３の接続部で固定枠に接続されている。ミラー部を挟んで軸上に配置される２つの第３の接続部の各々に１対の可動部が接続され、計４つの可動部により、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。

　特許第４９８４１１７号公報には、ミラー部と、ミラー部を囲むように配置され、第１軸に沿って延びる第１トーションバーを介してミラー部と接続された第１のアクチュエータ部と、第１のアクチュエータ部の外側に配置され、第１トーションバーの軸上で第１アクチュエータに接続された内部可動枠と、内部可動枠を囲むように配置され、第２トーションバーを介して内部可動枠と接続された第２アクチュエータ部とを備えた光スキャナが開示されている。第１アクチュエータがミラー部に第１軸周りのトルクを与え、第２アクチュエータがミラー部に第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。

　特開２０１８－４１０８５号公報では、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構造体を囲む第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は第１軸および第２軸に対称な４つの可動部が備えられており、この４つの可動部によりミラー部が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号公報および特開２０１８－０４１０８５号公報によれば、１チップで２次元スキャンが可能である。特許第５１５１０６５号公報、特許第４９８４１１７号公報および特開２０１８－０４１０８５号公報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、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い。

　高精細な画像を表示する実用的なシステムを実現するためには、１チップで２次元スキャンが可能であることに加え、両スキャン軸ともに高い駆動周波数と広いスキャン角度を両立する必要がある。そのためには、より効率的に動力をミラーに伝えるアクチュエータ構造が必須となる。既述の通り、特許第５１５１０６５号公報、特許第４９８４１１７号公報および特開２０１８－０４１０８５号公報の構成では、効率化が十分ではなかった。

　本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであって、２次元スキャンが可能であり、かつ駆動効率のよい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、
　ミラー部の外側に設けられた第１アクチュエータと、
　第１アクチュエータの外側に設けられた第２アクチュエータと、
　ミラー部と第１アクチュエータとを接続し、ミラー部を第１軸上で回動可能に支持する第１接続部と、
　第１アクチュエータと第２アクチュエータとを接続し、第１アクチュエータを第１軸と交差する第２軸上で回動可能に支持する第２接続部と、
　第２アクチュエータの外周に設けられた固定部に第２アクチュエータを回動可能に接続する第３接続部とを備え、
　第１アクチュエータおよび第２アクチュエータが、ミラー部に第１軸周りの回転トルクを作用させ、かつ、ミラー部および第１アクチュエータに第２軸周りの回転トルクを作用させることにより、ミラー部を第１軸および第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り、
　第１アクチュエータおよび第２アクチュエータの各々が、振動板上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層された圧電素子を備えた圧電アクチュエータであり、
　各々の圧電素子は、各々の上部電極が、ミラー部に第１軸の周りに傾き変位を生じさせる第１共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第１応力反転領域、およびミラー部に第２軸周りに傾き変位を生じさせる第２共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる主応力にうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第２応力反転領域で分離された複数の個別電極部からなり、複数の個別電極部の各々により規定される複数の圧電部を含むマイクロミラーデバイス。
＜２＞
　第３接続部が、第２軸上で第２アクチュエータの外周に接続された＜１＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜３＞
　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、
　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、
　第１接続部が、ミラー部と一対の第１可動部各々の一端、およびミラー部と一対の第１可動部各々の他端の各々を第１軸上で接続し、
　第２接続部が、一対の第１可動部の一方と一対の第２可動部各々の一端、および一対の第１可動部の他方と一対の第２可動部各々の他端の各々を第２軸上で接続する＜１＞または＜２＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜４＞
　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、
　第１接続部が、ミラー部と一対の第１可動部各々の一端、およびミラー部と一対の第１可動部各々の他端の各々を第１軸上で接続し、
　第２アクチュエータが、板状の一対の第２可動部と、板状の一対の第３可動部とを含み、
　第２接続部が、一対の第１可動部の一方と一対の第２可動部各々の一端、および一対の第１可動部の他方と第３可動部各々の一端の各々を第２軸上で接続する＜１＞または＜２＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜５＞
　第１アクチュエータおよび第２アクチュエータの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＜４＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
＜６＞
　駆動回路は、ミラー部を第１軸周りに傾き振動する第１共振モードで駆動し、かつ、ミラー部および第１アクチュエータを第２軸周りに傾き振動する第２共振モードで駆動する駆動信号を第１アクチュエータおよび第２アクチュエータ各々の圧電素子に入力する＜５＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜７＞
　駆動回路は、各々の圧電素子の複数の圧電部の各々に対して、第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが互いに逆位相の関係にある第１駆動信号と、第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第２駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する＜６＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜８＞
　駆動回路は、駆動信号として、複数の圧電部の各々に対して、各々の配置に応じて、下記式（１）で表される駆動信号Ｖｘｙを印加する、
Ｖｘｙ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋β_１π）＋α_２Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ＋β_２π）　（１）
ここで、ｘｙは複数の圧電部の各々を特定する符号であり、Ｖ_１、Ｖ_２、α_１、α_２、β_１、β_２、ｆ_１、ｆ_２、ｔは、各々の圧電部毎で設定される値であって、
Ｖ_１：第１駆動信号の基本電圧振幅値
Ｖ_２：第２駆動信号の基本電圧振幅値
α_１：第１駆動信号用の電圧振幅補正係数
α_２：第２駆動信号用の電圧振幅補正係数
β_１：第１駆動信号用の位相補正係数
β_２：第２駆動信号用の位相補正係数
ｆ_１：第１駆動信号の周波数
ｆ_２：第２駆動信号の周波数
ｔ：時間
である、＜６＞または＜７＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜９＞
　駆動回路は、第１共振モードで駆動した際の絶対値が最大の主応力成分の絶対値が大きい領域に位置する圧電部ほど補正係数α_１の値を大きくし、第２共振モードで駆動した際の絶対値が最大の主応力成分の絶対値が大きい領域に位置する圧電部ほど補正係数α_２の値を大きくした駆動信号Ｖｘｙを印加する＜８＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜１０＞
　第１共振モードが、ミラー部と第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＜６＞から＜９＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
＜１１＞
　第２共振モードが、ミラー部および第１アクチュエータと第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＜６＞から＜１０＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
＜１２＞
　＜１＞から＜６＞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、
　第１アクチュエータおよび第２アクチュエータの各々の圧電素子に駆動信号を印加して、ミラー部を第１軸周りに傾き振動する第１共振モードを励起し、かつ、ミラー部および第１アクチュエータを第２軸周りに傾き振動する第２共振モードを励起するマイクロミラーデバイスの駆動方法。
＜１３＞
　各々の圧電素子の複数の圧電部の各々に対して、駆動信号として、第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第１駆動信号と、第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第２駆動信号とを重畳した駆動信号を印加する＜１２＞に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法。
＜１４＞
　駆動信号として、複数の圧電部の各々に対して、各々の配置に応じて、下記式（１）で表される駆動信号Ｖｘｙを印加する、
Ｖｘｙ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋β_１π）＋α_２Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ＋β_２π）　（１）
ここで、ｘｙは複数の圧電部の各々を特定する符号であり、Ｖ_１、Ｖ_２、α_１、α_２、β_１、β_２、ｆ_１、ｆ_２、ｔは、各々の圧電部毎で設定される値であって、
Ｖ_１：第１駆動信号の基本電圧振幅値
Ｖ_２：第２駆動信号の基本電圧振幅値
α_１：第１駆動信号用の電圧振幅補正係数
α_２：第２駆動信号用の電圧振幅補正係数
β_１：第１駆動信号用の位相補正係数
β_２：第２駆動信号用の位相補正係数
ｆ_１：第１駆動信号の周波数
ｆ_２：第２駆動信号の周波数
ｔ　：時間
である、＜１２＞または＜１３＞に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法。
＜１５＞
　駆動信号Ｖｘｙにおいて、第１共振モードで駆動した際の絶対値が最大の主応力成分の絶対値が大きい領域に位置する圧電部ほど補正係数α_１の値を大きくし、第２共振モードで駆動した際の絶対値が最大の主応力成分の絶対値が大きい領域に位置する圧電部ほど補正係数α_２の値を大きくする＜１４＞に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法。
＜１６＞
　第１共振モードとして、ミラー部と第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＜１２＞から＜１５＞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。
＜１７＞
　第２共振モードとして、第１アクチュエータおよびミラー部と第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＜１２＞から＜１６＞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。

　本開示によれば、２次元スキャンが可能であり、かつ駆動効率のよい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実施形態のマイクロミラーデバイスの斜視図である。第１実施形態のマイクロミラーデバイスをミラー部の反射面側から見た平面図であり、圧電膜の形成領域を示す図である。第１実施形態のマイクロミラーデバイスをミラー部の反射面側から見た平面図であり、上部電極の個別電極部配置を示す図である。図３のＡ－Ｂ線端面図である。第１実施形態のマイクロミラーデバイスにおける、第１軸周りのミラー部傾き振動を伴う第１共振モード時の形状変位を模式的に示した図である。図５に示す第１共振モード時の形状変位によって第１アクチュエータおよび第２アクチュエータに生じる面内応力分布を示す図である。第１実施形態のマイクロミラーデバイスにおける、第２軸周りのミラー部傾き振動を伴う第２共振モード時の形状変位を模式的に示した図である。図７に示す第２共振モード時の形状変位によって第１アクチュエータおよび第２アクチュエータに生じる面内応力分布を示す図である。第１軸周りの駆動時の電圧印加について説明するための図である。第１軸周りの駆動時の印加駆動信号（電圧波形）を示す図である。第２軸周りの駆動時の電圧印加について説明するための図である。第２軸周りの駆動時の印加駆動信号（電圧波形）を示す図である。第２実施形態のマイクロミラーデバイスをミラー部の反射面側から見た平面図であり、圧電膜の形成領域を示す図である。第２実施形態のマイクロミラーデバイスをミラー部の反射面側から見た平面図であり、上部電極の個別電極部配置を示す図である。第２実施形態のマイクロミラーデバイスにおける、第１軸周りのミラー部傾き振動を伴う第１共振モード時の形状変位を模式的に示した図である。図１５に示す第１共振モード時の形状変位によって第１アクチュエータおよび第２アクチュエータに生じる面内応力分布を示す図である。第２実施形態のマイクロミラーデバイスにおける、第２軸周りのミラー部傾き振動を伴う第２共振モード時の形状変位を模式的に示した図である。図１７に示す第２共振モード時の形状変位によって第１アクチュエータおよび第２アクチュエータに生じる面内応力分布を示す図である。第１軸周りの駆動時の駆動方法について説明するための図である。第２軸周りの駆動時の駆動方法について説明するための図である。マイクロミラーデバイスの設計変更例を示す図である。実施例１のマイクロミラーデバイスの各部位の寸法を規定する図である。参考例１のマイクロミラーデバイスの上部電極における個別電極部の配置を示す図である。参考例１のマイクロミラーデバイスの第１軸周りの駆動時の駆動方法について説明するための図である。参考例１のマイクロミラーデバイスの第２軸周りの駆動時の駆動方法について説明するための図である。参考例２のマイクロミラーデバイスの上部電極における個別電極部の配置を示す図である。参考例２のマイクロミラーデバイスの第１軸周りの駆動時の駆動方法について説明するための図である。参考例２のマイクロミラーデバイスの第２軸周りの駆動時の駆動方法について説明するための図である。

　以下、図面を参照して本開示の具体的な実施の態様について説明する。

　［第１実施形態］
　図１は第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。図２および図３はミラー部の反射面側から見た平面図であり、図２は圧電膜形成領域を示し、図３は上部電極形成領域を示す図である。また、図４は、図３のＡ－Ｂ線端面図である。図１～図３に示すように、本実施形態のマイクロミラーデバイス１は、ミラー部１２と、ミラー部１２の外側に設けられた第１アクチュエータ１４と、第１アクチュエータ１４の外側に設けられた第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、公知のミラー材料すなわち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、略円形の反射面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。例示した円形に限らず、楕円形、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接続部２１は、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とを接続し、ミラー部１２を第１軸ａ１周りで回動可能に支持する。第１接続部２１は、ミラー部１２を挟んで対称にミラー部１２の外周から第１軸ａ１に沿って外側に延設された１対の棒状部材である。第１接続部２１を構成する１対の棒状部材のそれぞれの一端がミラー部１２の外周に接続され、それぞれの他端が第１アクチュエータ１４に接続されている。

　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、第１軸ａ１と交差する第２軸ａ２上で接続し、第１アクチュエータ１４を第２軸ａ２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を挟んで対称に、第１アクチュエータ１４の外周から第２軸ａ２に沿って外側に延設された１対の棒状部材である。第２接続部２２を構成する１対の棒状部材のそれぞれの一端が第１アクチュエータ１４の外周に接続され、それぞれの他端が第２アクチュエータ１６に接続されている。

　第３接続部２３は、第２アクチュエータ１６と固定部２０とを接続し、第２アクチュエータ１６を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を挟んで対称に、第２アクチュエータ１６の外周から第２軸ａ２に沿って外側に延設された１対の棒状部材である。第３接続部２３を構成する１対の棒状部材のそれぞれの一端が第２アクチュエータの外周に接続され、それぞれの他端が固定部２０に接続されている。

　上記構成により、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ａ１と第２軸ａ２とはミラー部１２の略中心で交わっている。

　なお、第３接続部は第１軸ａ１に沿って設けられて、第２アクチュエータ１６と固定部２０とを第１軸上で接続する態様であってもよい。但し、第２接続部２２と第３接続部２３とが同じ第２軸ａ２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ため、より好ましい。この場合、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（すなわち、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、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２アクチュータ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を間接的に支持する部材として機能する。また、固定部２０には、図示しない配線および電子回路などが備えられる。

　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。

　詳細は後述するが、第１アクチュエータ１４は、ミラー部１２の外側に配置され、ミラー部１２に第１軸周りの回転トルクを生じさせることが可能であれば、その形状は問わない。本実施形態において、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る。

　同様に、第２アクチュエータ１６は、第１アクチュエータ１４に外周に配置され、ミラー部１２および第１アクチュエータ１４に第２軸周りの回転トルクを生じさせることが可能であれば、その形状は問わない。本実施形態においては、第２アクチュエータ１６は第１アクチュエータ１４を囲んで配置された環状の部材である。

　ここで、外側とは、相対的な意味で用いられており、デバイス内の任意の位置からみてミラー部の中心から離れる側を外側と定義し、同様に、任意の位置からみてミラー部の中心に向かう側を内側と定義する。
　また、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。本例では、第１および第２アクチュエータは環状としているが、アクチュエータの形状は環状に限るものではない。

　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ａ１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ａ２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ａ１および第２軸ａ２周りに２次元回転駆動する。ミラー部１２に第１軸ａ１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のみで生じさせることも可能であるが、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ａ２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１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ａ１と平行な方向をｙ軸方向、第２軸ａ２と平行な方向をｘ軸方向とする。

　第１アクチュエータ１４は、ｘ－ｙ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、図２に示すように、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ａ１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ａ１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、ｘ－ｙ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、図２に示すように、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ａ２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ａ２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。

　本例のマイクロミラーデバイス１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ａ１および第２軸ａ２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１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（例えば、曲げ変形および捻れ変形など）し易い構造となっている。

　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。第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６においては、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可動部が屈曲変位して駆動力を生じる。

　マイクロミラーデバイス１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ａ１周りに傾き振動する第１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ａ２周りに傾き振動する第２位共振モードで駆動される。マイクロミラーデバイス１は、第１共振モードによる駆動と、第２共振モードによる駆動とを組み合わせることで、ミラー部１２を第１軸および第２軸周りに傾き振動させて光の２次元スキャンを行うことができる。

　圧電素子３４Ａ、３４Ｂ、３６Ａ、３６Ｂは、可動部基材である振動板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４参照。）。図２において、濃色ハッチング部は圧電膜３２を示す。すなわち、図２は、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６における圧電膜３２の形成領域を示している。また、図３において、濃色ハッチング部は圧電膜３２、淡色ハッチング部は上部電極３３を示している。すなわち、図３は、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６における上部電極３３の形成領域を示している。ここで、上部電極および下部電極の「上部」および「下部」は、天地を意味するものではなく、圧電膜を挟む一対の電極のうち、振動板側に設けられている電極を下部電極、圧電膜を挟んで下部電極と対向して配置される電極を上部電極と称しているに過ぎない。

　なお、本実施形態においては、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るが、各可動部において、一部にのみ備えられていてもよい。

　第１アクチュエータ１４の第１可動部１４Ａにおける圧電素子３４Ａの上部電極３３は、６個の個別電極部ｉ７、ｉ８、ｉ９、ｉ１０、ｉ１１、ｉ１２からなる。各個別電極部ｉ７～ｉ１２は互いに分離して形成されている。同様に、第１アクチュエータ１４の可動部１４Ｂにおける圧電素子３４Ｂの上部電極３３は、６個の個別電極部ｉ１、ｉ２、ｉ３、ｉ４、ｉ５、ｉ６からなる。各個別電極部ｉ１～ｉ６は互いに分離して形成されている。

　第２アクチュエータ１６の可動部１６Ａにおける圧電素子３６Ａの上部電極３３は、４個の個別電極部ｏ１、ｏ２、ｏ７、ｏ８からなる。各個別電極部ｏ１、ｏ２、ｏ７、ｏ８は互いに分離して形成されている。同様に、第２アクチュエータ１６の可動部１６Ｂにおける圧電素子３６Ｂの上部電極３３は、４個の個別電極部ｏ３、ｏ４、ｏ５、ｏ６からなる。各上部個別電極部ｏ３～ｏ６は互いに分離して形成されている。

　個別電極部ｉ１～ｉ１２、ｏ１～ｏ８は、ミラー部１２に第１軸ａ１の周りに傾き振動を生じさせる第１共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第１応力反転領域ｓ１、およびミラー部に第２軸周りに傾き変位を生じさせる第２共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第２応力反転領域ｓ２で分離されている。上部電極が複数の個別電極部に分離して形成されることによって、各々の個別電極部で規定される圧電部毎に、独立して電圧の制御が可能となっている。個別電極部と、対向する下部電極と、個別電極部と下部電極との間に挟まれた圧電膜により圧電部が構成される。各個別電極部ｉ１～ｉ１２、ｏ１～ｏ８および下部電極３１は各々図示しない電極パッドおよび配線を介して駆動回路に接続される。各主応力および応力反転領域については後述する。

　なお、本実施形態においては、圧電膜３２および下部電極３１は、複数の圧電部に共通の膜として形成されているが、圧電膜３２、あるいは圧電膜３２と下部電極３１も、上部電極３３の個別電極部毎に分離されていてもよい。

　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、すなわち圧電膜を備えず駆動に寄与しない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圧電素子を備え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。圧電素子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、消費電力を抑制することができる。

　図５は、第１共振モードでミラー部１２が第１軸ａ１周りに傾き振動する様子を模式的に示す図であり、ミラー部１２が第１軸ａ１を中心として、ｘ軸方向の一端ｘ１が＋ｚ方向に、ｘ軸方向の他端ｘ２が－ｚ方向に傾き変位した状態を示している。図５において、色の濃淡は変位量を示している。

　第１共振モードでミラー部１２が第１軸ａ１周りに傾き振動して図５のように傾き変位した状態にある時、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６は撓み変形する。そして、図６に示すように、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６の圧電膜には引張方向の応力（以下において、引張応力という。）σｔがかかる引張応力領域ｔ１と、圧縮方向の応力（以下において、圧縮応力という。）σｃがかかる圧縮応力領域ｃ１とが生じる。図６においては、引張応力がかかる部分を薄い灰色、圧縮応力がかかる部分を黒色で示している。なお、色密度が高い領域ほど応力が大きいことを示す。なお、圧電膜の各位置に生じる応力は振動に応じて時間変化する。図６は第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に圧電膜に生じる面内応力の状態を示している。

　各部分が「圧縮応力」であるか「引張応力」であるかは、互いに直交する三つの主応力ベクトルの中から圧電膜の膜厚方向に略直交する平面内の二つの主応力を選び出し、そのうち絶対値が大きい方の方向（すなわち、絶対値が最大の主応力成分の方向）で定められる。膜厚方向をｚ軸に取った場合において、膜厚方向の略直交する平面内の二つの主応力とは、ｘ－ｙ平面内に生じる応力である。応力方向の表記方法としては、外に向かう方向のベクトルを引張方向、内に向かう方向のベクトルを圧縮方向と定義する。

　このように定義する理由は、概して圧電ＭＥＭＳデバイスではアクチュエータ部の寸法が平面的であり、膜厚方向の応力がほぼ０とみなせるためである。「寸法が平面的」とは、平面方向の寸法に比べて高さが十分小さいことを意味する。上述した「ｘ－ｙ平面」の面方向が「圧電膜の膜厚方向に直交する面内方向」に相当する。応力は、部材が引っ張られる方向に力が加わる引張応力σｔが正、圧縮させる方向に力が加わる圧縮応力σｃが負として定義される。すなわち、絶対値が最大の主応力成分が正の領域とは引張応力が主である領域を意味し、絶対値が最大の主応力成分が負の領域とは圧縮応力が主である領域を意味する。また、「絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する応力反転領域」とは、引張応力領域と圧縮応力領域との境界を含む領域であって、引張応力から圧縮応力、もしくは圧縮応力から引張応力に変化する領域を意味する。

　図６に示すように、第１アクチュエータ１４の一方の可動部１４Ａの一端１４Ａａを含む領域および他端１４Ａｂを含む領域がそれぞれ引張応力領域ｔ１であり、２つの引張応力領域ｔ１の間の第２軸ａ２と交差する中央領域は圧縮応力領域ｃ１である。第１アクチュエータ１４の他方の可動部１４Ｂの一端１４Ｂａを含む領域および他端１４Ｂｂを含む領域がそれぞれ圧縮応力領域ｃ１であり、２つの圧縮応力領域ｃ１の間の第２軸ａ２と交差する中央領域は引張応力領域ｔ１である。第１共振モードでは、第１アクチュエータ１４における応力分布は第２軸ａ２を中心に線対称となっている。

　また、第２アクチュエータ１６の一方の可動部１６Ａおよび他方の可動部１６Ｂにおいては、第１軸ａ１を挟んで紙面右側が引張応力領域ｔ１であり、紙面左側が圧縮応力領域ｃ１である。第１共振モードでは、第２アクチュエータ１６における応力分布は第２軸ａ２を中心に線対称となっている。

　圧縮応力領域ｃ１と引張応力領域ｔ１との境界には応力の方向が徐々に変化していく、すなわち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する領域である第１の応力反転領域が存在する。図６に示す応力反転線ｒ１は、第１の応力反転領域の中心に位置する。

　図７は、第２共振モードでミラー部１２および第１アクチュエータ１４が第２軸ａ２周りに傾き振動する様子を模式的に示す図であり、ミラー部１２および第１アクチュエータ１４が第２軸ａ２を中心として、第１アクチュエータ１４のｙ軸方向の一端ｙ１が＋ｚ方向に、ｙ軸方向の他端ｙ２が－ｚ方向に傾き変位した状態を示している。図５と同様に図７において、色の濃淡は変位量を示している。

　第２共振モードでミラー部１２および第１アクチュエータ１４が第２軸ａ２周りに傾き振動して図７の傾き変位した状態にある時、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６は撓み変形する。そして、図８に示すように、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６の圧電膜には引張応力がかかる引張応力領域ｔ２と圧縮応力がかかる圧縮応力領域ｃ２とが生じる。図８においては、図６と同様に、引張応力が生じる部分を薄い灰色、圧縮応力が生じる部分を黒色で示している。なお、色密度が高い領域ほど応力が大きいことを示す。なお、圧電膜の各位置に生じる応力は振動に応じて時間変化する。図８は第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に圧電膜に生じる面内応力の状態を示している。

　図８に示すように、第１アクチュエータ１４の一方の可動部１４Ａおよび他方の可動部１４Ｂの隣接する各々の一端１４Ａａおよび１４Ｂａを含む領域が引張応力領域ｔ２、他端１４Ａｂおよび１４Ｂｂを含む領域が圧縮応力領域ｃ２である。また、一方の可動部１４Ａおよび他方の可動部１４Ｂの各々端部間の部分が第２軸ａ２を境に紙面上側が圧縮応力領域ｃ２、紙面下側が引張応力領域ｔ２である。第２共振モードでは、第１アクチュエータ１４における応力分布は第１軸ａ１を中心に線対称となっている。

　また、第２アクチュエータ１６の一方の可動部１６Ａの一端１６Ａａを含むｙ方向に延びる領域および他端１６Ａｂを含むｙ方向に延びる領域が引張応力領域ｔ２であり、２つの引張応力領域ｔ２の間の第１軸ａ１と交差する中央領域は圧縮応力領域ｃ２である。第２アクチュエータ１６の他方の可動部１６Ｂの一端１６Ｂａを含むｙ方向に延びる領域および他端１６Ｂｂを含むｙ方向に延びる領域が圧縮応力領域ｃ２であり、２つの圧縮応力領域ｃ２の間の第１軸ａ１と交差する中央領域は引張応力領域ｔ２である。第２共振モードでは、第２アクチュエータ１６における応力分布は第１軸ａ１を中心に線対称となっている。

　圧縮応力領域ｃ２と引張応力領域ｔ２との境界には応力の方向が徐々に変化していく、すなわち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する領域である第２応力反転領域が存在する。図８に示す応力反転線ｒ２は、第２の応力反転領域の中心に位置する。

　上部電極の個別電極部は、図６および図８に示す応力分布に関し、応力方向が異なる圧電膜の領域ｔ１、ｔ２、ｃ１、ｃ２の区分けに対応するように形成されている。個別電極部間は、応力反転線ｒ１を含む第１応力反転領域ｓ１および応力反転線ｒ２を含む第２応力反転領域ｓ２で分離されている（図３参照。）。

　共振モード振動による動作時（共振駆動時）の応力分布については、公知の有限要素法のソフトウエアを用い、デバイス寸法、材料のヤング率、およびデバイス形状等のパラメータを与え、モード解析法を使って解析することができる。デバイスの設計に際しては、共振モードによる駆動時の圧電膜内の応力分布を解析し、その解析結果を基に、応力分布における圧縮応力領域、引張応力領域の区分に対応させて、上部電極を個別電極部に区分けする。各個別電極部によって各圧電部が規定される。

　第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６において、発生応力方向が異なる部分に対応させて圧電部を配置することにより、それぞれに適切な駆動信号を入力させることができるので、効率良く圧電力を変位に変換できる。

　各圧電部には、第１共振モードおよび第２共振モードで駆動させるための駆動用の電力が駆動回路から供給される。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または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、駆動方法と共に以下に説明する。

　駆動回路は、圧電素子の前記複数の圧電部の各々に対して、第１共振モードを駆動する第１駆動信号と、第２共振モードを駆動する第２駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する。

　第１駆動信号は、互いに逆位相の駆動電圧波形を含み、そのうちの一方の位相の駆動電圧波形を、第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に与え、他方の位相の駆動電圧波形を、上記瞬間に絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に与える信号である。

　第２駆動信号は、互いに逆位相の駆動電圧波形を含み、そのうちの一方の位相の駆動電圧波形を、第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に与え、他方の位相の駆動電圧波形を、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に与える信号である。

　従って、駆動回路は、第１駆動信号として、第１共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が同じ（すなわち、符号が同じ）である領域に位置する圧電部には同位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が、引張応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が印加される。そして、駆動回路は、第１駆動信号として、第１共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が異なる（すなわち、符号が異なる）領域に位置する圧電部間には、逆位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域と引張応力領域とでは逆位相の駆動信号波形が印加される。なお、同位相の駆動信号波形における振幅は圧電部同士で同一でもよいし、圧電部間で異なっていてもよい。

　また、同時に、駆動回路は、第２駆動信号として、第２共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が同じである領域に位置する圧電部には同位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が、引張応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が印加される。そして、駆動回路は、第２駆動信号として、第２共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が異なる領域に位置する圧力部間には、逆位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域と引張応力領域とでは逆位相の駆動信号波形が印加される。なお、同位相の駆動信号における振幅は圧電部同士で同一でもよいし、圧電部間で異なっていてもよい。

　各圧電部のそれぞれに、第１共振モード用の第１駆動信号および第２共振モード用の第２駆動信号が重畳された駆動信号を印加することにより、第１共振モードおよび第２共振モードを同時に励起することができる。上記駆動信号を各圧電部に与え、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６を駆動させた場合、各振動の瞬間においてそれぞれの圧電膜に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部には正の電圧、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部には負の電圧をそれぞれ印加することになる。歪の正負に応じた正負の電圧を印加することによって、非常に効率良く圧電力を変位に変換できる。従って、消費電力を大幅に抑制することが可能となる。

　駆動方法の一例について、具体的に図９～図１２を参照して説明する。図９は、第１共振モードを励起する際に同位相の駆動信号が入力される圧電部グループを示す図であり、図１０はそれぞれの圧電部グループに入力される駆動信号の一例を示す。図１１は、第２共振モードを励起する際に同位相の駆動信号が入力される圧電部グループを示す図であり、図１２はそれぞれの圧電部グループに入力される駆動信号を示す。

　図９において、第１共振モードを励起する際に、同位相の駆動信号が入力される第１グループの圧電部の個別電極部を右下がり斜線で示す。また、第１グループと逆位相の駆動信号が入力される第２グループの圧電部の個別電極部を右上がり斜線で示す。

　第１グループの個別電極部ｉ１、ｉ２、ｉ５、ｉ６、ｉ９、ｉ１０、およびｏ５、ｏ６、ｏ７、ｏ８は、図６の圧縮応力領域ｃ１に対応し、これらに図１０に示す同位相の第１共振モード用の第１駆動信号Ｖ_１ａが入力される。そして、第２グループの個別電極部ｉ３、ｉ４、ｉ７、ｉ８、ｉ１１、ｉ１２、およびｏ１、ｏ２、ｏ３、ｏ４は、図６の引張応力領域ｔ１に対応し、これらには同位相の第１共振モード用の第１駆動信号Ｖ_１ｂが入力される。図１０に示すように、第１グループの圧電部に印加される駆動信号Ｖ_１ａと第２グループの圧電部に印加される駆動信号Ｖ_１ｂとは同一の第１周波数ｆ_１であって、互いに逆位相（位相差１８０°）の信号である。このような駆動信号を印加することにより、第１アクチュエータ１４を第１軸ａ１周りに傾けるような歪が発生し、ミラー部１２に第１軸ａ１周りの回転トルクが与えられる。

　第１駆動信号Ｖ_１ａ、Ｖ_１ｂはそれぞれ次のように表される。
　Ｖ_１ａ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋π）
　Ｖ_１ｂ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ２πｆ_１ｔ
　上記の式中、α_１Ｖ_１は電圧振幅、ｔは時間である。なお、式においてオフセット電圧は考慮していない。Ｖ_１は第１駆動信号の基本電圧振幅値、α_１は第１駆動信号用の電圧振幅補正係数である。なお、各個別電極部に与えられる電圧振幅は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、圧電部毎でα_１の値は異なっていてもよい。各々の個別電極部に生じる応力の大きさに応じて電圧振幅が設定されていてもよい。例えば、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくする、などである。

　第１駆動信号Ｖ_１ａおよびＶ_１ｂをまとめて一般化して示すと、
　Ｖ_１＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋β_１π）と表すことができる。
　ここで、β_１は第１駆動信号用の位相補正係数であり、第１の位相のＶ_１ａの場合は１、第１の位相の逆位相である第２の位相のＶ_１ｂの場合は０である。

　図１１において、第２共振モードを励起する際に、同位相の駆動信号が入力される第３グループの圧電部の個別電極部を右下がり斜線で示す。また、第３グループと逆位相の駆動信号が入力される第４グループの圧電部の個別電極部を右上がり斜線で示す。

　第３グループの個別電極部ｉ２、ｉ３、ｉ６、ｉ７、ｉ１０、ｉ１１、およびｏ１、ｏ３、ｏ６、ｏ８は、図８の圧縮応力領域ｃ２に対応し、これらに図１２に示す同位相の第２共振モード用の第２駆動信号Ｖ_２ａが入力される。そして、第４グループの個別電極部ｉ１、ｉ４、ｉ５、ｉ８、ｉ９、ｉ１２、およびｏ２、ｏ４、ｏ５、ｏ７は、図８の引張応力領域ｔ２に対応し、これらに同位相の第２共振モード用の第２駆動信号Ｖ_２ｂが入力される。図１２に示すように、第２駆動信号Ｖ_２ａとＶ_２ｂとは同一の第２周波数ｆ_２であって、互いに逆位相（位相差１８０°）の信号である。このような駆動信号を印加することにより、第１アクチュエータ１４を第２軸ａ２周りに傾けるような歪みが発生し、結果としてミラー部１２に第２軸ａ２周りの回転トルクが与えられる。

　第２駆動信号Ｖ_２ａ、Ｖ_２ａはそれぞれ次のように表される。
　Ｖ_２ａ＝α_２Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ＋π）
　Ｖ_２ｂ＝α_２Ｖ_２ｓｉｎ２πｆ_２ｔ
　上記の式中、α_２Ｖ_２は電圧振幅、ｔは時間である。なお、式においてオフセット電圧は考慮していない。Ｖ_２は第２駆動信号の基本電圧振幅値、α_２は第２駆動信号用の電圧振幅補正係数である。なお、各個別電極部に与えられる電圧振幅は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、圧電部毎でα_２の値は異なっていてもよい。各々の個別電極部に生じる応力の大きさに応じて電圧振幅が設定されていてもよい。例えば、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくする、などである。

　第２駆動信号Ｖ_２ａおよびＶ_２ｂをまとめて一般化して示すと、
　Ｖ_２＝α_２Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ＋β_２π）と表すことができる。
　ここで、β_２は第２駆動信号の位相補正係数であり、第１の位相のＶ_２ａの場合は１、第１の位相の逆位相である第２の位相のＶ_２ｂの場合は０である。

　圧電部毎に第１共振モード用の第１駆動信号および第２共振モード用の第２駆動信号が重畳された駆動信号が印加される。例えば、個別電極部ｉ１にはＶ_１ａ＋Ｖ_２ｂ、個別電極部ｉ２にはＶ_１ａ＋Ｖ_２ａ、個別電極部ｉ３にはＶ_１ｂ＋Ｖ_２ａ、個別電極部ｉ４にはＶ_１ｂ＋Ｖ_２ｂが印加される。各圧電部に印加する組み合わせを表１に示す。

　なお、各圧電部ｘｙに印加される駆動信号は、下記一般式（１）で表すことができる。
Ｖｘｙ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋β_１π）＋α_２Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ＋β_２π）　（１）
ここで、ｘｙはどのアクチュエータのどの箇所の個別電極部であるかを特定する符号である。図３に示す個別電極部の配置の場合、ｘ＝ｉ、ｏであり、ｘ＝ｉの場合、ｙ＝１～１２、ｘ＝ｏの場合、ｙ＝１～８である。

　式（１）において、第１項は第１軸周りに傾き振動させるための第１駆動信号であり、第２項は第２軸周りに傾き振動させるための第２駆動信号である。
　上記表１に示した例では、α_１、α_２を一定としているが、α_１、α_２を個別電極ごとに異ならせて、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくすることにより、駆動効率をさらに高め、さらに消費電力を低減することが可能である。

　以上のように、第１共振モードおよび第２共振モードでマイクロミラーデバイスを駆動する際に第１アクチュエータおよび第２アクチュエータの各々の圧電膜に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分の方向に応じた駆動信号を各圧電部に印加するように制御することで、非常に効率良く駆動することが可能となる。駆動回路は、各圧電部に上記駆動信号を入力するように構成される。

　本実施形態においては、各圧電素子に含まれる複数の圧電部は、下部電極が共通電極となっている。したがって、下部電極を接地して、上部電極に所定の駆動信号（駆動電圧波形）を入力している。しかし、下部電極も個別電極である場合には、下部電極および上部電極間に駆動信号が印加できれば、下部電極、上部電極のどちらを接地電極として用いてもよい。

　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。しかしながら、本実施形態のマイクロミラーデバイス１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。

　なお、第１軸周りにミラー部１２を傾き振動する第１共振モードとしては、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で駆動することが、高いＱ値が得られるため好ましい。
　しかしながら、上記モードに限るものではなく。何次モードの共振モードを用いるかは、適宜設定すればよい。

　また、第２軸周りに第１アクチュエータ１４とミラー部１２とを一体的に傾き振動させる第２共振モードとしては、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軸周りについても、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することが、高いＱ値が得られるため好ましい。
　しかしながら、上記モードに限るものではなく。何次モードの共振モードを用いるかは、適宜設定すればよい。

　なお、どの次数の共振モードを用いるかによって、駆動時に第１アクチュエータおよび第２アクチュエータにおける応力分布は異なるため、駆動時に用いる共振モードを定めた上で、その共振モードでの応力分布に基づいて、個別電極部を配置する必要がある。本例においては、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を第１共振モードとし、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を第２共振モードとしている。

　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３１、圧電膜３２および上部電極３３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、および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、およびこれらの混晶系；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、およ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、および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）および（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）および（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、本開示を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。

　［第２実施形態］
　図１３および図１４は第２実施形態に係るマイクロミラーデバイス２をミラー部の反射面側から見た平面図であり、図１３は濃色ハッチング部によって圧電膜形成領域を示し、図１４は淡色ハッチング部によって上部電極形成領域を示す図である。第１の実施形態のマイクロミラーデバイス１と同等の要素には同一の符号を付し、詳細な説明は省略する。

　本実施形態のマイクロミラーデバイス２は、第１の実施形態のマイクロミラーデバイス１と第２アクチュエータの形状が異なる。第１の実施形態において、第２アクチュエータ１６は、第１アクチュエータ１４を囲んで配置された環状の部材であったが、本実施形態の第２アクチュエータ５０は、第１軸ａ１を中心として線対称に、第１アクチュエータ１４の外側に配置された第２可動部５２Ａ、５２Ｂおよび第３可動部５３Ａ、５３Ｂを備えている。

　図１３および図１４に示すように、第２アクチュエータ５０は、板状の一対の第２可動部５２Ａ、５２Ｂおよび板状の一対の第３可動部５３Ａ、５３Ｂを含む。そして、第２接続部２２は一対の第１可動部１４Ａ、１４Ｂの一方１４Ａと一対の第３可動部５３Ａ、５３Ｂの一端５３Ａａ、５３Ｂａを第２軸ａ２上で接続し、一対の第１可動部１４Ａ、１４Ｂの他方１４Ｂと一対の第２可動部５２Ａ、５２Ｂの一端５２Ａａ、５２Ｂａを第２軸ａ２上で接続する。本実施形態において、第２可動部５２Ａ、５２Ｂ、および第３可動部５３Ａ、５３Ｂは第２軸ａ２上で固定された片持ち梁として機能する。

　第２アクチュエータ５０の第２可動部５２Ａ、５２Ｂおよび第３可動部５３Ａ、５３Ｂの各々には圧電素子６２Ａ、６２Ｂ、６３Ａ、６３Ｂが備えられており、圧電アクチュエータとして機能する。圧電アクチュエータの構成は、第１実施形態の場合と同様であり、可動部基材である振動板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１４に示すように、第１アクチュエータ１４の第１可動部１４Ａおよび第１可動部１４Ｂにおける個別電極部ｉ１～ｉ１２の配置は第１実施形態の場合と同様である。

　一方、図１４に示すように、第２アクチュエータ５０の第２可動部５２Ａにおける圧電素子６２Ａの上部電極３３は２個の個別電極部ｏ１、ｏ２からなる。同様に、第２アクチュエータ５０の第２可動部５２Ｂにおける圧電素子６２Ｂの上部電極３３は、２個の個別電極部ｏ３、ｏ４からなる。
　第２アクチュエータ５０の第３可動部５３Ａにおける圧電素子６３Ａの上部電極３３は２個の個別電極部ｏ７、ｏ８からなる。同様に、第２アクチュエータ５０の第３可動部５３Ｂにおける圧電素子６３Ｂの上部電極３３は、２個の個別電極部ｏ５、ｏ６からなる。

　個別電極部ｉ１～ｉ１２、ｏ１～ｏ８は、ミラー部１２に第１軸ａ１の周りに傾き振動を生じさせる第１共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第１応力反転領域ｓ１、およびミラー部に第２軸ａ２周りに傾き変位を生じさせる第２共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第２応力反転領域ｓ２で分離されている。

　図１５は、第１共振モードでミラー部１２が第１軸ａ１周りに傾き振動する様子を模式的に示す図であり、ミラー部１２が第１軸ａ１を中心として、ｘ軸方向の一端ｘ１が＋ｚ方向に、ｘ軸方向の他端ｘ２が－ｚ方向に傾き変位した状態を示している。図１５において、色の濃淡は変位量を示している。

　第１共振モードでミラー部１２が第１軸ａ１周りに傾き振動して図１５のように傾き変位した状態にある時、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ５０は撓み変形する。そして、図１６に示すように、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ５０の圧電膜には引張応力がかかる引張応力領域ｔ１と圧縮応力がかかる圧縮応力領域ｃ１とが生じる。図１６においては、引張応力がかかる部分を薄い灰色、圧縮応力がかかる部分を黒色で示している。なお、色密度が高い領域ほど応力が大きいことを示す。なお、図１６は第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に圧電膜に生じる面内応力の状態を示している。

　図１６に示すように、第１アクチュエータ１４の第１可動部１４Ａにおいて、第１軸ａ１を挟んで第２可動部１４Ｂと隣接する一端１４Ａａを含む領域および他端１４Ａｂを含む領域が引張応力領域ｔ１であり、２つの引張応力領域ｔ１の間の第２軸ａ２を含む中央領域は圧縮応力領域ｃ１である。第１アクチュエータ１４の第２可動部１４Ｂにおいて、第１軸ａ１を挟んで第１可動部１４Ａと隣接する一端１４Ｂａを含む領域および他端１４Ｂｂを含む領域が圧縮応力領域ｃ１であり、２つの圧縮応力領域ｃ１の間の第２軸ａ２を含む中央領域は引張応力領域ｔ１である。第１共振モードでは、第１アクチュエータ１４における応力分布は第２軸ａ２を中心に線対称となっている。

　また、第２アクチュエータ５０の一方の第２可動部５２Ａおよび他方の第２可動部５２Ｂにおいては、第２軸ａ２上で接続される一端５２Ａａおよび５２Ｂａを含む領域が引張応力領域ｔ１であり、他端５２Ａｂを含む領域および５２Ｂｂを含む領域が圧縮応力領域ｃ１である。第２アクチュエータ５０の一方の第３可動部５３Ａおよび他方の第３可動部５３Ｂにおいては、第２軸ａ２上で接続される一端５３Ａａおよび５３Ｂａを含む領域が圧縮応力領域ｃ１であり、他端５３Ａｂを含む領域および５３Ｂｂを含む領域が引張応力領域ｔ１である。第１共振モードでは、第２アクチュエータ５０における応力分布は第２軸ａ２を中心に線対称となっている。

　圧縮応力領域ｃ１と引張応力領域ｔ１との境界には応力の方向が徐々に変化していく、すなわち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する領域である第１応力反転領域が存在する。図１６に示す応力反転線ｒ１は、第１応力反転領域の中心に位置する。

　図１７は、第２共振モードでミラー部１２および第１アクチュエータ５０が第２軸ａ２周りに傾き振動する様子を模式的に示す図であり、ミラー部１２および第１アクチュエータ１４が第２軸ａ２を中心として、第１アクチュエータ１４のｙ軸方向の一端ｙ１が＋ｚ方向に、ｙ軸方向の他端ｙ２が－ｚ方向に傾き変位した状態を示している。図１５と同様に図１７において、色の濃淡は変位量を示している。

　第２共振モードでミラー部１２および第１アクチュエータ１４が第２軸ａ２周りに傾き振動して図１７の傾き変位した状態にある時、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ５０は撓み変形する。そして、図１８に示すように、第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ５０の圧電膜には引張応力がかかる引張応力領域ｔ２と圧縮応力がかかる圧縮応力領域ｃ２とが生じる。図１８においては、図１６と同様に、引張応力が生じる部分を薄い灰色、圧縮応力が生じる部分を黒色で示している。なお、色密度が高い領域ほど応力が大きいことを示す。なお、図１８は第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に圧電膜に生じる面内応力の状態を示している。

　図１８に示すように、第１アクチュエータ１４の第１可動部１４Ａおよび第１可動部１４Ｂの一方の第１接続部で接続される各々の一端１４Ａａおよび１４Ｂａを含む領域が圧縮応力領域ｃ２、他方の第１接続部で接続される各々の他端１４Ａｂおよび１４Ｂｂを含む領域が引張応力領域ｔ２である。また、第１可動部１４Ａおよび第１可動部１４Ｂの各々の端部領域間の部分が第２軸ａ２を境に紙面上側が引張応力領域ｔ２、紙面下側が圧縮応力領域ｃ２である。第２共振モードでは、第１アクチュエータ１４における応力分布は第１軸ａ１を中心に線対称となっている。

　また、第２アクチュエータ５０の第２可動部５２Ａは圧縮応力領域ｃ２、第２可動部５２Ｂは引張応力領域ｔ２であり、第３可動部５３Ａは圧縮応力領域ｃ２、第３可動部５３Ｂは引張応力領域ｔ２である。第２共振モードでは、第２アクチュエータ５０における応力分布も第１軸ａ１を中心に線対称となっている。

　圧縮応力領域ｃ２と引張応力領域ｔ２との境界には応力の方向が徐々に変化していく、すなわち、絶対値が最大の主応力成分が正から負に変化する領域である第２の変化領域が存在する。図１８において、応力反転線ｒ２は第２の変化領域の中心に位置する。

　上部電極の個別電極部は、図１６および図１８に示す応力分布に対応して、応力方向が異なる圧電膜の領域ｔ１、ｃ１、ｔ２、ｃ２の区分けに対応するように形成されている。個別電極部間は、応力反転線ｒ１を含む第１応力反転領域ｓ１、および、応力反転線ｒ２を含む第２応力反転領域ｓ２で分離されている（図１４参照。）。

　このように、アクチュエータの形状が異なると共振モード振動による動作時の応力分布は異なるが、それぞれの応力分布に応じて個別電極部を形成すればよい。第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６において、発生応力方向が異なる部分に対応させて圧電部を配置することにより、それぞれに適切な駆動信号を入力させることができるので、効率良く圧電力を変位に変換できる。

　本実施形態の構成においても、駆動時には、上記のように分割された圧電部の配置形態において、ミラー部を第１軸周りに傾き振動させる第１共振モード時に生じる応力が同じ応力方向の領域に対応する圧電部には同位相の駆動電圧を印加する。すなわち、圧縮応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動電圧を、引張応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動電圧を印加する。そして、異なる応力方向の領域に対応する圧力部間では、異なる駆動信号を印加する。

　これによって、絶対値が最大の主応力成分が正の領域に対して正の電圧、絶対値が最大の主応力成分が負の領域に対して負の電圧を印加することにより、非常に効率良く圧電力を変位に変換できる。すなわち、消費電力を大幅に抑制することが可能となる。

　駆動方法の一例について、具体的に図１９～図２０を参照して説明する。図１９は、第１共振モードを励起する際に同位相の駆動信号が入力される圧電部グループを示す図であり、図２０は、第２共振モードを励起する際に同位相の駆動信号が入力される圧電部グループを示す図である。なお、駆動信号は図１０、１２に示した第１実施形態の場合と同様である。

　図１９において、第１共振モードを励起する際に、同位相の駆動信号が入力される第１グループの圧電部の個別電極部を右下がり斜線で示す。また、第１グループと逆位相の駆動信号が入力される第２グループの圧電部の個別電極部を右上がり斜線で示す。

　第１グループの個別電極部ｉ１、ｉ２、ｉ５、ｉ６、ｉ９、ｉ１０、およびｏ１、ｏ４、ｏ６、ｏ７は、図１６の圧縮応力領域ｃ１に対応し、これらに図１０に示す同位相の第１共振モード用の第１駆動信号Ｖ_１ａが入力される。そして、第２グループの個別電極部ｉ３、ｉ４、ｉ７、ｉ８、ｉ１１、ｉ１２、およびｏ２、ｏ３、ｏ５、ｏ８は、図１６の引張応力領域ｔ１に対応し、これらに同位相の第１共振モード用の第１駆動信号Ｖ_１ｂが入力される。図１０に示すように、第１グループの圧電部に印加される駆動信号Ｖ_１ａと第２グループの圧電部に印加される駆動信号Ｖ_１ｂとは同一の第１周波数ｆ_１であって、互いに逆位相（位相差１８０°）の信号である。このような駆動信号を印加することにより、第１アクチュエータ１４を第１軸ａ１周りに傾けるような歪が発生し、結果としてミラー部１２に第１軸ａ１周りの回転トルクが与えられる。

　図２０において、第２共振モードを励起する際に、同位相の駆動信号が入力される第３グループの圧電部の個別電極部を右下がり斜線で示す。また、第３グループと逆位相の駆動信号が入力される第４グループの圧電部の個別電極部を右上がり斜線で示す。

　第３グループの個別電極部ｉ１、ｉ４、ｉ５、ｉ８、ｉ９、ｉ１２、およびｏ１、ｏ２、ｏ７、ｏ８は、図１８の圧縮応力領域ｃ２に対応し、これらに図１２に示す同位相の第２共振モード用の第２駆動信号Ｖ_２ａが入力される。そして、第４グループの個別電極部ｉ２、ｉ３、ｉ６、ｉ７、ｉ１０、ｉ１１、およびｏ３、ｏ４、ｏ５、ｏ６は、図１８の引張応力領域ｔ２に対応し、これらに同位相の第２共振モード用駆動信号Ｖ_２ｂが入力される。図１２に示すように、駆動信号Ｖ_２ａとＶ_２ｂとは同一の第２周波数ｆ_２であって、互いに逆位相（位相差１８０°）の信号である。このような駆動信号を印加することにより、第１アクチュエータ１４を第２軸ａ２周りに傾けるような歪みが発生し、結果としてミラー部に第２軸ａ２周りの回転トルクが与えられる。

　各圧電部に印加する組み合わせを表２に示す。

　なお、本実施形態のマイクロミラーデバイス２においても、各圧電部ｘｙに印加する駆動信号は一般式（１）で表すことができる。この場合にもα１、α２は圧電部毎で異なっていてもよい。個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくすることにより、駆動効率をさらに高め、さらに消費電力を低減することが可能である。

　［設計変更例］
　なお、本開示のマイクロミラーデバイスにおいて、第１アクチュエータおよび第２アクチュエータ並びに第１～第３接続部の形状は、第１および第２の実施形態のものに限定されない。既述の通り、第１アクチュエータは、ミラー部を第１軸周りに傾き振動可能な形状および配置であればよく、第２アクチュエータは、ミラー部および第１アクチュエータを一体的に第２軸周りに傾き振動可能な形状および配置であればよい。

　例えば、図２１に設計変更例のマイクロミラーデバイスの平面模式図を示す。図２１において、ハッチング領域は圧電膜を備えた領域を示す。第１アクチュエータ１１４は、２つの半環状の第１可動部１１４Ａおよび１１４Ｂを備え、第１の接続部１２１は、第１可動部１１４Ａおよび第１可動部１１４Ｂとの接続部で二股に別れした部分を有している。
　第２アクチュエータ１５０は、第１軸ａ１を中心として線対称に、第１アクチュエータ１１４の外側に配置された第２可動部１５２Ａ、１５２Ｂ、および第３可動部１５３Ａ、１５３Ｂを備える。

　図２１に示すように、第２アクチュエータ１５０は、Ｌ字状の一対の第２可動部１５２Ａ、１５２ＢおよびＬ字状の一対の第３可動部１５３Ａ、１５３Ｂを含む。そして、第２接続部１２２は一対の第１可動部の一方１１４Ａと一対の第２可動部１５２Ａ、１５２Ｂの一端１５２Ａａ、１５２Ｂａを第２軸ａ２上で接続し、１対の第１可動部の他方１１４Ｂと一対の第３可動部１５３Ａ、１５３Ｂの一端１５３Ａａ、１５３Ｂａを第２軸ａ２上で接続する。

　第２アクチュエータ１５０の第２可動部１５２Ａ、１５２Ｂおよび第３可動部１５３Ａ、１５３Ｂは、第２接続部１２２に接続する一端を含みｙ方向の延びる部分と、そのｙ方向の他端からｘ方向の延びる部分とからなるＬ字状である。ｙ方向に延びる部分はｘ方向に延びる部分と比較して細く、この領域には、圧電素子を備えられていない。ｘ方向に延びる部分はｙ方向に延びる部分と比較して幅広く、この領域にのみ圧電素子１６２Ａ、１６２Ｂ、１６３Ａ、１６３Ｂが備えられている。

　また、固定部１２０と第２アクチュエータ５０とを接続する第３接続部１２３は、第２軸ａ２を挟んで並列配置された１対の棒状部材が、第２アクチュエータを挟んで２組対向して配置されている。

　なお、各圧電素子の上部電極は、上記各実施形態の場合と同様に、ミラー部に第１軸の周りに傾き変位を生じさせる第１共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分が正から負へと変化する第１変化領域、およびミラー部に第２軸周りに傾き変位を生じさせる第２共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分が正から負へと変化する第２変化領域で分離された、図示していない複数の個別電極部から構成されていればよい。

　このように、本開示においては、ミラー部の外側に設けられた第１アクチュエータと、第１アクチュエータの外側に設けられた第２アクチュエータとの形状は特に限定されるものではない。ミラー部、第１アクチュエータ、第２アクチュエータおよびそれらの接続部の構成に応じて、第１共振モードおよび第２共振モードの駆動時に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分の方向に対応した個別電極部を備えれば、高い変換効率の駆動信号を入力することが可能となり、消費電力を効果的に抑制することができる。

　以下、本開示の実施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」
　以下の手順により図１～４に示した構成のマイクロミラーデバイスを実施例１として作製した。

－製造方法－
　（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４の下部電極３１に相当する。

　（工程２）上記で得られた、Ｔｉ／Ｉｒ下部電極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の積層構造による複数の個別電極部を含む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。

　（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４で説明したマイクロミラーデバイス１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、本開示の実施に際しては、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。

　本実施例のマイクロミラーデバイスにおける各種寸法を図２２に示すように規定した。第１アクチュエータ１４のｘ軸方向（第２軸方向）長さをＸ１、ｙ軸方向（第１軸方向）長さをＹ１、ｘ軸方向の幅をＷ１_ｘ、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、ｙ軸方向長さをＹ２、ｘ軸方向の幅をＷ２_ｘと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共振モードの周波数が約６０ｋＨｚ、第２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。

　共振モード振動による動作時（共振駆動時）の応力分布については、公知の有限要素法のソフトウエアを用い、上記のデバイス寸法、材料のヤング率、デバイス形状等のパラメータを与え、モード解析法を使って解析した。第１共振モードおよび第２共振モードそれぞれの場合の応力分布を求め（図６、８参照）、この応力分布に応じて上部電極を個別電極部に区分けした。ここでは、図３に示した電極分布配置とした。

［実施例１－１］
　上記実施例１のマイクロミラーデバイスの各圧電部に対して、第１共振モードに一致した周波数の第１駆動信号に、第２共振モードに一致した周波数の第２駆動信号を重畳させた駆動信号を印加した。
式（１）で表される電圧Ｖｘｙを印加した。
Ｖｘｙ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋β_１π）＋α_２Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ＋β_２π）　（１）
ここで、ｘｙは複数の圧電部の各々を特定する符号であり、Ｖ_１、Ｖ_２、α_１、α_２、β_１、β_２、ｆ_１、ｆ_２、ｔは、各々の圧電部毎で設定される値であって、
Ｖ_１：第１駆動信号の基本電圧振幅値
Ｖ_２：第２駆動信号の基本電圧振幅値
α_１：第１駆動信号用の電圧振幅補正係数
α_２：第２駆動信号用の電圧振幅補正係数
β_１：第１駆動信号用の位相補正係数
β_２：第２駆動信号用の位相補正係数
ｆ_１：第１駆動信号の周波数
ｆ_２：第２駆動信号の周波数
ｔ　：時間
である。

　各圧電部（各個別電極部）に印加する電圧の補正係数は表３に示す通りとした。

　本実施例１－１では補正係数α_１、α_２はすべて共通の１とした。すなわち、第１駆動信号の電圧振幅はすべての圧電部で共通とし、第２駆動信号の電圧振幅はすべての圧電部で共通とした。

［実施例１－２］
　上記実施例１のマイクロミラーデバイスの各圧電部に対して、上記（１）式において、各圧電部に印加する電圧の補正係数を表４に示す通りとした。表４に示すように、本実施例１－２では補正係数α_１、α_２を圧電部の位置毎で変化させた。

　表５は、第１共振モードおよび第２共振モードのそれぞれの駆動時においてミラー部が最大変位した場合に、第１および第２アクチュエータに生じる絶対値が最大の主応力成分について、各個別電極部に対応する領域毎の規格化した平均面内応力を示す。本実施例１－２においては、表５に示す各個別電極部領域に生じる平均面内応力の大きさに応じて、各個別電極部における補正係数α_１、β_１およびα_２、β_２を定めた（表４参照）。

［参考例１］
　参考例１のマイクロミラーデバイス１０１の正面図を図２３に示す。参考例１のマイクロミラーデバイス１０１は、上部電極の個別電極部の配置のみ実施例１と異なる。実施例１と同じ構成要素には同一の符号を付している。参考例１のマイクロミラーデバイスは、実施例１と同様の作製手順で作製した。参考例１において、第１アクチュエータ１４は第１軸周りの傾き振動の駆動のみ、第２アクチュエータ１６は、第２軸周りの傾き振動の駆動のみをそれぞれ担当するように構成した。第１アクチュエータ１４の１対の第１可動部１４Ａ、１４Ｂは計６個の個別電極部ｉ１～ｉ６を備えている。個別電極部ｉ１～ｉ６は、図６に示した、第１共振モードにおいて、第１アクチュエータに生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負に応じて設けられ、第１応力反転領域ｓ１のみで分離されている。第２アクチュエータ１６において、１対の第２可動部１６Ａ、１６Ｂは計６個の個別電極部ｏ１～ｏ６を備えている。個別電極部ｏ１～ｏ６は、図８に示した、第２共振モードおいて、第２アクチュエータ１６に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負に応じて設けられ、第２応力反転領域ｓ２のみで分離されている。

　図２４に、第１共振モードを励起する際に、第１アクチュエータ１４において、同位相で駆動される個別電極部を同一の斜線で示す。図２４において、右上がり斜線で示した個別電極部ｉ２、ｉ４、ｉ６は、図６の引張応力領域ｔ１に対応する。図２４において、右下がり斜線で示した個別電極部ｉ１、ｉ３、ｉ５は、図６の圧縮応力領域ｃ１に対応する。引張応力領域ｔ１に対応する個別電極部と、圧縮応力領域ｃ１に対応する個別電極部とで逆位相の第１共振モード用の第１駆動信号を印加する。
　第１共振モードを励起するために用いるのは第１アクチュエータ１４のみであり、第２アクチュエータ１６は用いない。

　一方、図２５に、第２共振モードを励起する際に、第２アクチュエータ１６において、同位相で駆動される個別電極部を同一斜線で示す。図２５において、右上がり斜線で示した個別電極部ｏ２、ｏ４、ｏ６は、図８の引張応力領域ｔ２に対応する。図２５において、右下がり斜線で示した個別電極部ｏ１、ｏ３、ｏ５は、図８の圧縮応力領域ｃ２に対応する。引張応力領域ｔ２に対応する個別電極部と、圧縮応力領域ｃ２に対応する個別電極部とで逆位相の第２共振モード用の第２駆動信号を印加する。
　第２共振モードを励起するために用いるのは第２アクチュエータ１６のみであり、第１アクチュエータ１４は用いない。

　すなわち、参考例１においては、第１アクチュエータの圧電素子の上部電極に対しては、第１駆動信号のみ、第２アクチュエータの圧電素子の上部電極に対しては、第２駆動信号のみを入力した。本例において、式（１）の各パラメータを表６に示すように設定した。これによって、第１および第２共振モードを励起し、ミラー部１２を第１軸ａ１周りに回転運動させると同時に、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ａ２周りに回転運動させた。

　実施例１－１、１－２および参考例１のマイクロミラーデバイスについて、第１共振モードおよび第２共振モードで駆動させ、第１軸ａ１周りに４５°スキャンさせるために必要な駆動電圧振幅、第２軸ａ２周りに３０°スキャンさせるために必要な第１駆動信号の基本電圧振幅値Ｖ_１、第２駆動信号の基本電圧振幅値Ｖ_２、および消費電力を調べた。結果を表７に示す。光学スキャン角度は、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により測定した。

　消費電力は以下の手法に基づいて算出することができる。
　駆動電圧波形Ｖは、Ｖ＝Ｖ_ｏｆｆ＋Ｖ_Ａｓｉｎωｔで表わされる正弦波である。この駆動電圧波形を印加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する。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する。このとき測定される電流波形Ｉ＝Ｉ_ｏｆｆ＋Ｉ_Ａｓｉｎ（ωｔ＋φ）と、駆動電圧波形Ｖとから、消費電力Ｗ＝Ｖ_ｏｆｆ×Ｉ_ｏｆｆ＋１／２×Ｉ_ＡＶ_Ａｃｏｓφを算出する。なお、第１項はリーク電流による消費電力であるが、品質の良い圧電膜であればＩ_ｏｆｆ＞１μＡ以下であるため、無視できるほど小さい。従って、ほぼ第２項を計算することで消費電力を見積もることができる。この手法に基づいて、各圧電部における消費電力を算出して、すべての圧電部について積算することで消費電力を算出した。

　表７に示すように、本実施例１－１および実施例１－２は参考例１と比較して、電圧振幅を大幅に小さくすることができ、結果として消費電力を抑制することができることが明らかである。特に、実施例１－２のように、絶対値が最大の主応力成分の大きさに応じて圧電部へ印加する電圧振幅を変化させることで、より顕著に消費電力を抑制することができた。

［実施例２］
　実施例２として、図１３、１４を用いて説明した第２実施形態のマイクロミラーデバイスを作製した。作製手順は上記実施例１と同様とした。第２アクチュエータが、２つの部材から構成されている点で実施例１のデバイスと異なるが、同様に有限要素法のソフトウエアを用いてモード解析によって、第１共振モードおよび第２共振モードそれぞれの場合の応力分布を求め（図１６、１８参照）、上部電極を個別電極部に区分けした。ここでは、図１４に示した電極分布配置とした。

　実施例２のマイクロミラーデバイスの各圧電部に対して、実施例１の場合と同様に、式（１）で表される駆動信号を印加した。各圧電部に印加する駆動信号における補正係数は表８に示す通りとした。

　本実施例２では補正係数α_１、α_２はすべて共通の１とした。すなわち、第１駆動信号の電圧振幅はすべての圧電部で共通とし、第２駆動信号の電圧振幅はすべての圧電部で共通とした。

［参考例２］
　参考例２のマイクロミラーデバイス１０２の正面図を図２６に示す。参考例２のマイクロミラーデバイス１０２は、上部電極の個別電極部の配置のみ実施例２と異なる。実施例２と同じ構成要素には同一の符号を付している。参考例２のマイクロミラーデバイスは、実施例２と同様の作製手順で作製した。参考例２においては、第１アクチュエータは第１軸周りの傾き振動の駆動のみ、第２アクチュエータは、第２軸周りの傾き振動の駆動のみをそれぞれ担当するように構成した。第１アクチュエータ１４の１対の第１可動部１４Ａ、１４Ｂは、計６個の個別電極部ｉ１～ｉ６を備えている。個別電極部ｉ１～ｉ６は、図１６に示した、第１共振モードにおいて、第１アクチュエータに生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の符号の正負に応じて設けられており、第１応力反転領域ｓ１のみで分離されている。第２アクチュエータ５０の１対の第２可動部および１対の第３可動部は各々の可動部に１個ずつ、計４個の個別電極部ｏ１～ｏ４を備えている。個別電極部ｏ１～ｏ４は、図１８に示した、第２共振モードおいて、第２アクチュエータに生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の符号の正負に応じて設けられており、第２応力反転領域ｓ２のみ分離されている。

　図２７に、第１共振モードを励起する際に、第１アクチュエータ１４において、同位相で駆動される個別電極部を同一の斜線で示す。図２７において、右上がり斜線で示した個別電極部ｉ２、ｉ４、ｉ６は、図１６の引張応力領域ｔ１に対応する。図２７において、右下がり斜線で示した個別電極部ｉ１、ｉ３、ｉ５は、図１６の圧縮応力領域ｃ１に対応する。引張応力領域ｔ１に対応する個別電極部と、圧縮応力領域ｃ１に対応する個別電極部とで逆位相の第１共振モード用の第１駆動信号を印加する。
　第１共振モードを励起するために用いるのは第１アクチュエータ１４のみであり、第２アクチュエータ５０は用いない。

　一方、図２８に、第２共振モードを励起する際に、第２アクチュエータ５０において、同位相で駆動される個別電極部を同一斜線で示す。図２８において、右上がり斜線で示した個別電極部ｏ２、ｏ３は、図１８の引張応力領域ｔ２に対応する。図２８において、右下がり斜線で示した個別電極部ｏ１、ｏ４は、図１８の圧縮応力領域ｃ２に対応する。引張応力領域ｔ２に対応する個別電極部と、圧縮応力領域ｃ２に対応する個別電極部とで逆位相の第２共振モード用の第２駆動信号を印加する。
　第２共振モードを励起するために用いるのは第２アクチュエータ５０のみであり、第１アクチュエータ１４は用いない。

　すなわち、参考例２においては、第１アクチュエータ１４の圧電素子の上部電極に対しては、第１駆動信号のみ、第２アクチュエータ１６の圧電素子の上部電極に対しては、第２駆動信号のみを入力した。本例において、式（１）の各パラメータを表９に示すように設定した。これによって、第１および第２共振モードを励起し、ミラー部１２を第１軸ａ１周りに回転運動させると同時に、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ａ２周りに回転運動させた。

　実施例２および参考例２のマイクロミラーデバイスについて、実施例１および参考例１の場合と同様に第１共振モードおよび第２共振モードで駆動させ、第１軸ａ１周りに４５°スキャンさせるために必要な駆動電圧振幅、第２軸ａ２周りに３０°スキャンさせるために必要な第１駆動信号の基本電圧振幅値Ｖ_１、第２駆動信号の基本電圧振幅値Ｖ_２、および消費電力を調べた。結果を表１０に示す。

　表１０に示すように、本実施例２は参考例２と比較して、電圧振幅を大幅に小さくすることができ、結果として消費電力を抑制することができることが明らかである。

　２０１９年３月２８日に出願された日本出願特願２０１９－０６３６５９号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
　本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims

　入射光を反射する反射面を有するミラー部と、
　前記ミラー部の外側に設けられた第１アクチュエータと、
　前記第１アクチュエータの外側に設けられた第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接続し、前記ミラー部を第１軸上で回動可能に支持する第１接続部と、
　前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとを接続し、前記第１アクチュエータを前記第１軸と交差する第２軸上で回動可能に支持する第２接続部と、
　前記第２アクチュエータの外周に設けられた固定部に前記第２アクチュエータを回動可能に接続する第３接続部とを備え、
　前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータが、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アクチュエータの各々が、振動板上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層された圧電素子を備えた圧電アクチュエータであり、
　前記各々の圧電素子は、各々の前記上部電極が、前記ミラー部に前記第１軸の周りに傾き変位を生じさせる第１共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、前記圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第１応力反転領域、および前記ミラー部に前記第２軸周りに傾き変位を生じさせる第２共振モードで駆動させた場合に前記圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第２応力反転領域で分離された複数の個別電極部からなり、前記複数の個別電極部の各々により規定される複数の圧電部を含むマイクロミラーデバイス。
　前記第３接続部が、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請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
　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または２に記載のマイクロミラーデバイス。
　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アクチュエータが、板状の一対の第２可動部と、板状の一対の第３可動部とを含み、
　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第３可動部各々の一端の各々を前記第２軸上で接続する請求項１または２に記載のマイクロミラーデバイス。
　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４のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
　前記駆動回路は、前記ミラー部を前記第１軸周りに傾き振動する第１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共振モードで駆動する駆動信号を前記第１アクチュエータおよび前記第２アクチュエータ各々の前記圧電素子に入力する請求項５に記載のマイクロミラーデバイス。
　前記駆動回路は、前記各々の圧電素子の前記複数の圧電部の各々に対して、前記第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に前記絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、前記絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第１駆動信号と、前記第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に前記絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、前記絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第２駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する請求項６に記載のマイクロミラーデバイス。
　前記駆動回路は、前記駆動信号として、前記複数の圧電部の各々に対して、各々の配置に応じて、下記式（１）で表される駆動信号Ｖｘｙを印加する、
Ｖｘｙ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋β_１π）＋α_２Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ＋β_２π）　（１）
ここで、ｘｙは複数の圧電部の各々を特定する符号であり、Ｖ_１、Ｖ_２、α_１、α_２、β_１、β_２、ｆ_１、ｆ_２、ｔは、各々の圧電部毎で設定される値であって、
Ｖ_１：第１駆動信号の基本電圧振幅値
Ｖ_２：第２駆動信号の基本電圧振幅値
α_１：第１駆動信号用の電圧振幅補正係数
α_２：第２駆動信号用の電圧振幅補正係数
β_１：第１駆動信号用の位相補正係数
β_２：第２駆動信号用の位相補正係数
ｆ_１：第１駆動信号の周波数
ｆ_２：第２駆動信号の周波数
ｔ　：時間
である、請求項６または７に記載のマイクロミラーデバイス。
　前記駆動回路は、前記第１共振モードで駆動した際の前記絶対値が最大の主応力成分の絶対値が大きい領域に位置する圧電部ほど補正係数α_１の値を大きくし、前記第２共振モードで駆動した際の前記絶対値が最大の主応力成分の絶対値が大きい領域に位置する圧電部ほど補正係数α_２の値を大きくした前記駆動信号Ｖｘｙを印加する請求項８に記載のマイクロミラーデバイス。
　前記第１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６から９のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
　前記第２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６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。
　請求項１から６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アクチュエータおよび前記第２アクチュエータの各々の前記圧電素子に駆動信号を印加して、前記ミラー部を前記第１軸周りに傾き振動する第１共振モードを励起し、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共振モードを励起するマイクロミラーデバイスの駆動方法。
　前記各々の圧電素子の前記複数の圧電部の各々に対して、前記駆動信号として、前記第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に前記絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、前記絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第１駆動信号と、前記第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に前記絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、前記絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第２駆動信号とを重畳した駆動信号を印加する請求項１２に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法。
　前記駆動信号として、前記複数の圧電部の各々に対して、各々の配置に応じて、下記式（１）で表される駆動信号Ｖｘｙを印加する、
Ｖｘｙ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋β_１π）＋α_２Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ＋β_２π）　（１）
ここで、ｘｙは複数の圧電部の各々を特定する符号であり、Ｖ_１、Ｖ_２、α_１、α_２、β_１、β_２、ｆ_１、ｆ_２、ｔは、各々の圧電部毎で設定される値であって、
Ｖ_１：第１駆動信号の基本電圧振幅値
Ｖ_２：第２駆動信号の基本電圧振幅値
α_１：第１駆動信号用の電圧振幅補正係数
α_２：第２駆動信号用の電圧振幅補正係数
β_１：第１駆動信号用の位相補正係数
β_２：第２駆動信号用の位相補正係数
ｆ_１：第１駆動信号の周波数
ｆ_２：第２駆動信号の周波数
ｔ　：時間
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の駆動方法。
　前記駆動信号Ｖｘｙにおいて、前記第１共振モードで駆動した際の前記絶対値が最大の主応力成分の絶対値が大きい領域に位置する圧電部ほど補正係数α_１の値を大きくし、前記第２共振モードで駆動した際の前記絶対値が最大の主応力成分の絶対値が大きい領域に位置する圧電部ほど補正係数α_２の値を大きくする請求項１４に記載のマイクロミラーデバイスの駆動方法。
　前記第１共振モードとして、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１２から１５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。
　前記第２共振モードとして、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１２から１６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。