WO2021215328A1 - マイクロミラーデバイス - Google Patents

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WO2021215328A1
WO2021215328A1 PCT/JP2021/015447 JP2021015447W WO2021215328A1 WO 2021215328 A1 WO2021215328 A1 WO 2021215328A1 JP 2021015447 W JP2021015447 W JP 2021015447W WO 2021215328 A1 WO2021215328 A1 WO 2021215328A1
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actuator
resonance
axis
frequency
micromirror device
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PCT/JP2021/015447
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Inventor
圭佑 青島
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富士フイルム株式会社
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0858—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by piezoelectric means
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0018—Structures acting upon the moving or flexible element for transforming energy into mechanical movement or vice versa, i.e. actuators, sensors, generators
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B5/00—Optical elements other than lenses
    • G02B5/08—Mirrors
    • G02B5/0808—Mirrors having a single reflecting layer
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/042—Micromirrors, not used as optical switches

Definitions

  • This disclosure relates to a micromirror device.
  • a micromirror device is known as one of the microelectromechanical systems (MEMS) devices manufactured by using the microfabrication technology of silicon (Si). Since this micromirror device is compact and has low power consumption, it is expected to have a wide range of applications from laser displays such as head-up displays and retinal displays using lasers to scanners for optical diagnosis such as optical interference tomography. ..
  • the micromirror device is also called a MEMS scanner or the like because its main application is a scanner that performs optical scanning by displacement of a mirror portion such as a laser display and a scanner for optical diagnosis.
  • the piezoelectric drive method that utilizes the deformation of the piezoelectric element has a higher torque density defined by the magnitude of the torque generated per unit mass of the actuator than other methods. .. Therefore, the piezoelectric drive system has an advantage that a relatively large displacement angle can be obtained as the displacement angle of the mirror portion, although it is small in size, and is therefore promising in applications requiring a large displacement angle.
  • resonance drive that resonates the mirror portion is mainly used.
  • the magnitude of torque of the piezoelectric drive method is a great advantage.
  • a general configuration of a micromirror device applied to a laser display is a mirror portion that is rotatable around two axes, the first axis and the second axis, which are orthogonal to each other, and the above, depending on the piezoelectric drive voltage.
  • a piezoelectric drive type actuator that reciprocates the mirror portion around two axes, the first axis and the second axis, is provided (see JP-A-2017-132281).
  • Resolution is one of the performance indexes of the laser display, and the drive frequency and displacement angle of the mirror part in the micromirror device have a great influence on this.
  • two-dimensional optical scanning is performed by reciprocating the mirror portion of the micromirror device around the first axis and around the second axis at two different drive frequencies.
  • it is common to set the high-speed side to 10 kHz or higher and the low-speed side to 10 to 100 Hz out of the two types of drive frequencies, and basically the drive frequency for rotation on the high-speed side.
  • the larger the displacement angle the better the resolution of the laser display.
  • the drive frequency on the high speed side is often set to a resonance frequency of 10 kHz or more, and the mirror portion is often driven at a large displacement angle by resonance drive.
  • the resonance mode in which the above unnecessary resonance occurs is referred to as an abnormal vibration mode.
  • the abnormal vibration mode is oscillated when the difference frequency between the frequency n times the resonance frequency of the drive mode (n is a natural number) and the resonance frequency of the abnormal vibration mode is small.
  • setting the difference frequency to 500 Hz or higher is a guideline for suppressing abnormal vibration, and as a method for suppressing abnormal vibration, the structure of the micromirror device is restricted from being displaced in the abnormal vibration mode. A method of adding such a structure has been proposed.
  • the addition of an extra structure to the structure reduces the manufacturing stability due to the complexity of the structure.
  • the natural frequency decreases due to the increase in mass of the micromirror device, so that the resonance frequency of the drive mode is significantly reduced.
  • a decrease in the resonance frequency of the drive mode leads to a decrease in the displacement angle of the mirror portion, which is not preferable.
  • a frequency n times the resonance frequency of the drive mode (where n is a natural number). Even when the difference frequency from the resonance frequency of the abnormal vibration mode is 500 Hz or more, the abnormal vibration mode may be oscillated.
  • the present inventor is a first actuator having a first piezoelectric element arranged in an annular shape around the mirror portion, and is connected to the mirror portion and the first piezoelectric element is periodically deformed to cause the mirror portion.
  • the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a micromirror device capable of suppressing abnormal vibration in a micromirror device having the above structure.
  • ⁇ 1> It has a mirror part that has a reflecting surface that reflects incident light, and by rotating the mirror part reciprocating around the two axes of the first axis and the second axis that intersect each other, the direction of the reflecting surface is two-dimensional. It is a micromirror device that changes to A first actuator having a first piezoelectric element arranged in an annular shape around the mirror portion, which is connected to the mirror portion and periodically deforms the first piezoelectric element to rotate the mirror portion around the first axis.
  • the first actuator that reciprocates to It is a second actuator having a second piezoelectric element, and includes a second actuator that reciprocates the mirror portion around the second axis by periodically deforming the second piezoelectric element.
  • the resonance mode in which the mirror portion and the first actuator reciprocate around the first axis in opposite phases, and the resonance frequency of the lowest-order resonance mode is A.
  • the resonance mode in which the mirror portion and the first actuator vibrate in opposite phases in the direction orthogonal to both the first axis and the second axis, and the resonance frequency of the lowest-order resonance mode is A.
  • the resonance mode having a resonance frequency having a frequency smaller than the frequency difference F and having the resonance frequency closest to the frequency difference F is defined as C.
  • the resonance mode having a resonance frequency having a frequency larger than the frequency difference F among the plurality of resonance modes and the resonance frequency of the resonance mode having the resonance frequency closest to the frequency difference F is set to D
  • the difference ⁇ F1 and the difference ⁇ F2 are ⁇ F1 ⁇ 100Hz, ⁇ F2 ⁇ -400Hz
  • the micromirror device according to ⁇ 1> which satisfies the above conditions.
  • ⁇ 3> The micromirror device according to ⁇ 1> or ⁇ 2>, wherein the mirror portion and the first actuator are connected by a first connecting portion extending along the first axis.
  • ⁇ 4> An annular movable frame that surrounds the circumference of the first actuator, It is equipped with a second connection part that connects the movable frame and the first actuator.
  • the micromirror device according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 3>, wherein the second actuator reciprocates around the second axis via a movable frame.
  • the micromirror device according to ⁇ 4>, wherein the second connection portion extends along the first axis.
  • the second actuator includes two or more rectangular plate-shaped portions, and includes a meander structure in which two or more rectangular plate-shaped portions are folded back in a meander shape via a connecting portion, and each of the two or more rectangular plate-shaped portions.
  • the micromirror device according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 5>, which is provided with a second piezoelectric element.
  • ⁇ 7> The micromirror device according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 6>, wherein the resonance frequency A is 10 kHz or more.
  • FIG. 1 is a plan view of the micromirror device 1 according to the embodiment.
  • FIG. 2 is a diagram showing a partial cross-sectional structure of the micromirror device 1.
  • FIG. 3 is a perspective view of the micromirror device 1 as viewed from the upper surface side.
  • FIG. 4 is a perspective view of the micromirror device 1 as viewed from the bottom surface side.
  • the micromirror device 1 of the present embodiment includes a mirror unit 12, a first actuator 14, a first connection unit 21, a movable frame 18, a second connection unit 22, a fixing unit 20, and a second actuator 16.
  • the first actuator 14 is arranged in an annular shape around the mirror portion 12, and has the first piezoelectric elements 41 and 42.
  • the first connecting portion 21 connects the mirror portion 12 and the first actuator 14.
  • the movable frame 18 is arranged in an annular shape around the first actuator 14.
  • the second connecting portion 22 connects the first actuator 14 and the movable frame 18.
  • the fixing portion 20 is arranged on the outer periphery of the movable frame 18.
  • the second actuator 16 has second piezoelectric elements 44 and 46, and is arranged between the movable frame 18 and the fixed portion 20.
  • the second actuator 16 is connected to the first actuator 14 via the movable frame 18 and the second connecting portion 22, and the mirror portion 12 and the first actuator 14 are moved around the second axis via the movable frame 18. Rotate back
  • the first actuator 14 includes a pair of semi-annular actuator portions 14A and 14B, and each includes first piezoelectric elements 41 and 42.
  • the second actuator 16 includes a pair of meander type actuator portions 16A and 16B, and each includes second piezoelectric elements 44 and 46.
  • the first piezoelectric elements 41, 42 and the second piezoelectric elements 44, 46 have a laminated structure in which the lower electrode 31, the piezoelectric film 32, and the upper electrode 33 are laminated in this order on the diaphragm 30 (see FIG. 2). In FIG. 2, for easy visibility, the film thickness of each layer and the ratio of the film thickness are shown with dimensions different from the actual dimensions.
  • the upper electrode 33 and the lower electrode 31 are arranged so as to face each other with the piezoelectric film 32 interposed therebetween in the drawing of FIG. 2, and are arranged on the upper part and the lower part of the piezoelectric film 32, respectively, for convenience of explanation. , “Upper” and “Lower”.
  • the "upper” and “lower” of the upper electrode 33 and the lower electrode 31 do not necessarily mean the upper and lower parts in the actual arrangement.
  • the upper electrode 33 is the lower electrode in the vertical direction. It may be located below 31.
  • the upper electrode 33 and the lower electrode 31 may be arranged so as to face each other in the horizontal direction.
  • the upper part and the lower part are names for convenience, and in the present embodiment, among the pair of electrodes sandwiching the piezoelectric film 32, the electrode provided on the vibrating plate 30 side sandwiches the lower electrode 31 and the piezoelectric film 32.
  • the electrode arranged so as to face the lower electrode 31 is referred to as an upper electrode 33.
  • the meander type actuator portion 16A has a plurality of rectangular plate-shaped portions 61 each provided with a second piezoelectric element 44, and a connecting portion 62 for connecting adjacent rectangular plate-shaped portions 61.
  • the number of rectangular plate-shaped portions 61 is six.
  • the six rectangular plate-shaped portions 61 are arranged side by side in a posture in which the sides in the longitudinal direction are parallel to each other, and one end thereof is connected by the connecting portion 62. Looking at the six rectangular plate-shaped portions 61 as a whole, it seems that the six rectangular plate-shaped portions 61 are folded back via the connecting portion 62.
  • the meander type actuator portion 16A includes a meander structure in which six rectangular plate-shaped portions 61 are folded back in a meander shape via the connecting portion 62 as a whole.
  • the meander type actuator portion 16B has a plurality of rectangular plate-shaped portions 61 each having a second piezoelectric element 46 and a connecting portion 62, and has substantially the same structure as the meander type actuator portion 16A.
  • the piezoelectric film 32 is deformed when a predetermined voltage is applied to the piezoelectric elements 41, 42, 44, and 46, respectively.
  • the first actuator 14 and the second actuator 16 are respectively bent and displaced to generate a driving force. That is, the first actuator 14 reciprocates the mirror portion 12 around the first axis a1 by periodically deforming the first piezoelectric elements 41 and 42, respectively. Further, the second actuator 16 reciprocates the mirror portion 12 around the second axis a2 by periodically deforming the second piezoelectric elements 44 and 46, respectively.
  • the size of the micromirror device 1 is generally, for example, about 1 mm to 10 mm in length and width, respectively, but it may be smaller or larger than this, and is not particularly limited. Further, the thickness of the actuator is generally about 5 ⁇ m to 0.2 mm, but it is not particularly limited as long as it can be manufactured.
  • the first actuator 14 applies a rotational torque around the first axis a1 to the mirror portion 12, and the second actuator 16 exerts a rotational torque around the second axis a2 orthogonal to the first axis a1 on the first actuator 14.
  • the mirror unit 12 is driven to rotate two-dimensionally around the first axis a1 and the second axis a2.
  • the micromirror device 1 can reflect the incident light on the reflecting surface 12a of the mirror unit 12 and perform two-dimensional scanning.
  • the first axis a1 is in a plane including the reflection surface 12a of the mirror unit 12 when it is stationary.
  • the second axis a2 intersects the first axis a1 in this plane.
  • the first axis a1 and the second axis a2 are axes orthogonal to each other.
  • the first axis a1 and the second axis a2 preferably intersect at the center of the reflecting surface 12a, but the intersecting position may be deviated from the center.
  • the normal direction of the reflecting surface 12a when the mirror portion 12 is stationary that is, the direction orthogonal to the first axis a1 and the second axis a2 is defined as the z-axis direction
  • the direction parallel to the first axis a1 is defined as the z-axis direction
  • the x-axis direction and the direction parallel to the second axis a2 are defined as the y-axis direction.
  • the micromirror device 1 drives the mirror unit 12 around the first axis a1 at a drive frequency on the high speed side and around the second axis a2 at a drive frequency on the low speed side.
  • the first actuator 14 is connected to the mirror portion 12 by a first connecting portion 21 extending along the first axis a1. Since the first connecting portion 21 has an elongated shape extending along the first axis a1, the moment of inertia around the first axis a1 is relatively small.
  • Such a structure for transmitting rotational torque to the mirror portion 12 via the first connecting portion 21 is suitable for high-speed driving around the first axis a1 of the mirror portion 12.
  • the drive frequency around the first axis a1 is preferably 10 kHz or higher.
  • the drive frequency for reciprocating the mirror unit 12 around the first axis a1 By setting the drive frequency for reciprocating the mirror unit 12 around the first axis a1 to 10 kHz or more, high-definition image display becomes possible when the micromirror device 1 is applied to a laser display.
  • the meander type actuator portions 16A and 16B of the second actuator 16 function as long leaf springs that connect the first actuator 14 and the fixing portion 20. Therefore, the second actuator 16 has a lower responsiveness but a higher flexibility, and is suitable for driving the first actuator 14 and the mirror portion 12 around the second axis a2 at a low speed. As described above, it is preferable to use the resonance frequency for driving around the first axis a1.
  • the micromirror device 1 has a plurality of resonance modes having different resonance frequencies corresponding to a plurality of natural frequencies.
  • the drive around the first axis a1 is a resonance mode in which the mirror unit 12 and the first actuator 14 reciprocate around the first axis a1 in opposite phases among the plurality of resonance modes, and is the lowest order. It is preferable to use the resonance mode because the drive efficiency is high.
  • the mode in which the mirror unit 12 and the first actuator 14 are reciprocally rotated around the first axis a1 in opposite phases, and the lowest-order resonance mode is hereinafter referred to as a drive mode.
  • a drive mode By driving the mirror unit 12 in this drive mode, a large displacement angle can be realized with a lower drive voltage.
  • the lowest order means that the frequency is the lowest.
  • the plurality of resonance modes of the micromirror device 1 satisfy the following relationship.
  • A be the resonance frequency of the drive mode around the first axis a1. Further, in the resonance mode in which the mirror unit 12 and the first actuator 14 vibrate in opposite phases in the direction orthogonal to both the first axis a1 and the second axis a2 (z-axis direction), the resonance of the lowest order mode.
  • B be the resonance frequency of the mode. Then, the difference AB between the resonance frequency A and the resonance frequency B is defined as the frequency difference F. Further, among the plurality of resonance modes, a resonance mode having a resonance frequency having a frequency smaller than the frequency difference F and having a resonance frequency closest to the frequency difference F is defined as C.
  • D be a resonance mode having a resonance frequency having a frequency larger than the frequency difference F and having a resonance frequency closest to the frequency difference F.
  • the resonance mode of the micromirror device 1 does not exist in the frequency range of more than F-20 Hz and less than F + 150 Hz.
  • the resonance mode of the micromirror device 1 does not exist in the frequency range of more than F-100 Hz and less than F + 400 Hz.
  • the resonance frequency A is larger than the resonance frequency B.
  • an abnormal vibration When an unnecessary resonance occurs in the micromirror device, the vibration accompanying the unnecessary resonance (hereinafter referred to as an abnormal vibration) is superimposed on the reciprocating rotation around the first axis a1 of the mirror unit 12 generated in the drive mode. Due to this abnormal vibration, the scanning line is largely blurred in time with respect to the width direction and the length direction, which causes a problem that normal optical scanning is hindered.
  • the occurrence of abnormal vibration is suppressed, and the mirror unit 12 is reciprocated at a sufficient displacement angle without causing blurring of the scanning line. Can move.
  • micromirror device 1 of the present embodiment is applied to, for example, a laser display, it is possible to realize a very high-definition image display because there is little abnormal vibration.
  • the micromirror device has a structure similar to that of the micromirror device 1, if the plurality of resonance modes do not satisfy the above relationship, the mirror portion 12 is moved around the first axis a1. It was clarified that abnormal vibration occurred when the mirror was driven to the mirror, and reciprocating rotation was not possible at a sufficient displacement angle (see the test example below).
  • FIG. 5 is a diagram for explaining a method of detecting the presence or absence of abnormal vibration.
  • a laser beam L 0 is incident on the mirror portion of the micromirror device 1 from the light source 100 in a state where the micromirror device 1 is installed on a horizontal plane and the mirror portion 12 is driven to reciprocate around the first axis a1. ..
  • the laser light L reflected by the mirror unit 12 is detected by the two-dimensional photodetector PD, and the scanning line SL of the laser light scanned in the y-axis direction is observed.
  • 6A shows the scanning line SL when the abnormal vibration occurs
  • 6B shows the scanning line SL when the abnormal vibration does not occur.
  • the width of the scanning line SL in the x-axis direction is wider than that in the normal scanning line SL, and the scanning amount in the y-axis direction is widened. It has the above length.
  • the scanning line SL greatly deviates in both the x-axis direction and the y-axis direction.
  • the presence or absence of blurring of the scanning line SL based on the width of the scanning line SL in the x-axis direction and the length of the scanning line SL in the y-axis direction, and the presence or absence of blurring of the scanning line SL.
  • the presence or absence of abnormal vibration can be determined by. That is, if there is a blur in the scanning line, it is determined that abnormal vibration has occurred, and if there is no blur in the scanning line, it is determined that no abnormal vibration has occurred.
  • FIG. 7 shows the micromirror device 1A (specifically, test example 9) in which the micromirror device 1A (see FIG. 16) of the test example described later is driven by the mirror unit 12 at the resonance frequency of the drive mode and abnormal vibration occurs.
  • a drive signal of 42 kHz which is the resonance frequency A of the drive mode (first resonance mode (i) in the drawing) in which the mirror unit 12 is reciprocally rotated around the first axis a1
  • the first actuator 14 is transmitted to the first actuator 14.
  • the resonance frequencies of the unnecessary second resonance mode (ii) and third resonance mode (iii) are the drive modes of the first resonance mode (i). It is excited even though it is separated by 10 kHz or more from both the resonance frequency and the frequency of the second harmonic component of the first resonance mode, and the law of abnormal vibration generation described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2013-114015. Does not apply to.
  • a chirp signal having a voltage amplitude of 2 V and an instantaneous frequency of 0 to 100 kHz was input to the first piezoelectric elements 41 and 42 of the first actuator 14, and the laser was used.
  • the displacement due to vibration of the mirror unit 12 and the first actuator 14 generated by the charp signal was measured.
  • the measurement method and the method for specifying the resonance mode will be described in detail in the test examples described later.
  • the resonance frequencies and vibration shapes of the second resonance mode (ii) and the third resonance mode (iii) were identified from the displacements of the mirror unit 12 and the first actuator 14 by the laser Doppler vibrometer.
  • the resonance frequency acquired by using the chirp signal substantially coincides with the resonance frequency shown in the frequency spectrum of FIG. 7, it is specified in what vibration shape each peak in FIG. 7 vibrates in the resonance mode. be able to.
  • the acquired resonance frequency includes the n-fold (n ⁇ 2) of the resonance mode, and it is specified whether the resonance frequency is the resonance mode of the first harmonic or the resonance mode of the n-fold. Can't.
  • the resonance frequency of the resonance mode acquired by the simulation does not completely match the resonance frequency obtained by the measurement of the actual device, but the resonance frequency due to the n-fold wave can be excluded. Therefore, by comparing the resonance frequency acquired by using the chirp signal with the resonance frequency of the resonance mode acquired by the simulation, the resonance frequency that is not the n-fold of the micromirror device 1A and its vibration shape are specified. Can be done.
  • the shape will be described.
  • the third resonance mode (iii) in the frequency spectrum of FIG. 7 looks like one resonance mode corresponding to one resonance frequency, but is actually a plurality of third resonance modes (3rd resonance modes) shown in FIGS. 10 to 14.
  • iii) -1 to the third resonance mode (iii) -5 are included.
  • the plurality of resonance modes (third resonance mode (iii) -1 to third resonance mode (iii) -5) shown in FIGS. 10 to 14 correspond to different resonance frequencies.
  • FIGS. 8 to 14 are simulation diagrams showing the shape of the maximum displacement state of each resonance mode.
  • the amount of displacement is indicated by shading.
  • 0 shown on the displacement scale indicates the position in the stationary state, and the darker the color (closer to black), the larger the displacement in the -z axis direction, and the lighter the color (closer to white), the + z axis. It shows that the displacement in the direction is large.
  • FIG. 8 is a simulation diagram showing a state at the time of maximum displacement when the mirror unit 12 and the first actuator 14 rotate around the first axis a1 (x axis) in opposite phases in the drive mode.
  • FIG. 8 shows a state in which one end y1 in the y-axis direction is tilted and displaced in the + z-axis direction and the other end y2 in the y-axis direction is tilted and displaced in the ⁇ z-axis direction with the first axis a1 as the center.
  • the portion of the semi-annular actuator portion 14A facing the mirror portion 12 y1 centered on the first axis a1 is a semi-annular actuator in the ⁇ z axis direction.
  • the portion of the portion 14B facing the other end y2 of the mirror portion 12 is displaced in the + z-axis direction.
  • FIG. 9 is a simulation diagram in the case of the second resonance mode (ii).
  • the second resonance mode (ii) is a vibration mode in which the first actuator 14 is displaced in the ⁇ z axis direction when the mirror portion 12 is displaced in the + z axis direction as shown in FIG.
  • the third resonance mode (iii) -1 shown in FIG. 10 is a mode in which the mirror unit 12 and the first actuator 14 rotate in the same phase around the second axis a2.
  • the third resonance mode (iii) -2 shown in FIG. 11 is a mode in which the mirror unit 12 and the first actuator 14 rotate in the same phase around the first axis a1.
  • the mirror portion 12 and the first actuator 14 are hardly displaced, and the rectangular plate-shaped portions 61 of the pair of meander type actuator portions 16A and 16B of the second actuator 16 Is a mode in which the first actuator 14 is distorted in the z-axis direction.
  • the pair of meander type actuator units 16A and 16B are displaced in the same phase.
  • the same phase means the rectangular plate-shaped portion 61 arranged at a symmetrical position with the first axis a1 as the axis of symmetry among the plurality of rectangular plate-shaped portions 61 of each of the meander type actuator portions 16A and 16B.
  • the central portions of the rectangular plate-shaped portions 61 arranged at the farthest positions in the y-axis direction from the first axis a1 are in the z-axis direction. It is displaced so that it rises in the same direction.
  • the amount of distortion in the z-axis direction of the rectangular plate-shaped portions 61 of the pair of Munder type actuator portions 16A and 16B is larger as they are closer to the mirror portion 12. It is small, and the farther away from the mirror portion 12 in the y-axis direction, the larger the amount of distortion in the z-axis direction.
  • the mirror portion 12 and the first actuator 14 are hardly displaced, and the rectangular plate-shaped portions of the pair of meander type actuator portions 16A and 16B of the second actuator 16 are formed.
  • the rectangular plate-shaped portion 61 farthest from the mirror portion 12 in the y-axis direction is the mode in which the rectangular plate-shaped portion 61 is most distorted.
  • the third resonance mode (iii) -4 shown in FIG. 13 unlike the third resonance mode (iii) -3 shown in FIG.
  • the pair of meander type actuator units 16A and 16B are displaced in opposite phases.
  • the opposite phase refers to the rectangular plate-shaped portions 61 arranged at symmetrical positions with the first axis a1 as the axis of symmetry among the plurality of rectangular plate-shaped portions 61 of each of the meander type actuator portions 16A and 16B.
  • it means a state in which a displacement in the opposite direction occurs in the z-axis direction.
  • the rectangular plate-shaped portion 61 arranged at the position farthest from the first axis a1 in the y-axis direction is displaced so that the central portion is recessed in the z-axis direction.
  • the rectangular plate-shaped portion 61 arranged at the position farthest from the first axis a1 in the y-axis direction is displaced so that the central portion is raised in the z-axis direction.
  • the mirror portion 12 and the first actuator 14 are hardly displaced, and the rectangular plate-shaped portions of the pair of meander type actuator portions 16A and 16B of the second actuator 16 are formed. Is a mode in which the second axis a2 is distorted in the z-axis direction.
  • the pair of Munder type actuator units 16A and 16B are displaced in the same phase.
  • the third resonance mode (iii) -3 shown in FIG. 12 among the rectangular plate-shaped portions 61 of the meander type actuator portions 16A and 16B, the third rectangular plate-shaped portion from the first actuator 14 side. This is the mode in which the unit 61 is most distorted.
  • abnormal vibration modes such as the second resonance mode (ii) and the third resonance modes (iii) -1 to (iii) -5 occur during driving by the first resonance mode (i), the first resonance mode (i) ).
  • Unnecessary vibration that is, abnormal vibration is superimposed on the reciprocating rotation of the mirror unit 12 around the first axis. Therefore, the scanning line is blurred in the width direction and the length direction, and the desired scanning angle cannot be obtained.
  • the micromirror device 1 of the present disclosure it is possible to suppress the occurrence of the above-mentioned abnormal vibration mode when driving in the first resonance mode (i). As a result, abnormal vibration can be suppressed, the occurrence of blurring of the scanning line can be suppressed, and highly accurate optical scanning can be realized.
  • the natural frequency of the micromirror device 1 is determined by the material, shape and size of the elements constituting the micromirror device 1, and the natural frequency can be changed by adjusting the size of each element. Therefore, the size of each element may be adjusted so that the resonance frequency of the micromirror device 1 satisfies the above relationship.
  • the reference size of each element is determined according to the desired performance of the micromirror device 1. Based on these reference sizes, a simulation for obtaining the natural frequency is performed, and it is examined whether or not the natural frequency obtained by the simulation satisfies the above relational expression. If the above relational expression is not satisfied, the size of one of the elements is changed.
  • the diameter of the mirror portion 12, the length of the first connecting portion 21 along the first axis a1 direction that is, the length from the outer periphery of the mirror portion 12 to the first actuator 14
  • the second of the first connecting portion 21 The width in the axis a2 direction, the length of each of the rectangular plate-shaped portions 61 of the meander type actuator portions 16A and 16B along the first axis a1 direction, the width in the second axis a2 direction, and the first axis a1 of the first actuator 14.
  • One or a plurality of the width in the direction and the width in the second axis a2 direction may be changed.
  • the resonance frequency of the first resonance mode (i) of the micromirror device 1 fluctuates greatly as shown in FIG.
  • the resonance frequency of the second resonance mode (ii) is almost constant. In this way, the resonance frequency of the micromirror device 1 and their relationship can be changed by changing the size of a part of the components.
  • the mirror unit 12 has a reflecting surface 12a that reflects incident light.
  • the reflective surface 12a is composed of, for example, a metal thin film such as Au (gold) and Al (aluminum) provided on one surface of the mirror portion 12.
  • the material and film thickness used for the mirror coating for forming the reflective surface 12a are not particularly limited, and various designs can be made using a known mirror material (high reflectance material).
  • the back surface of the mirror portion 12 has a circular rib along the outer peripheral shape and a second axis a2 in the circular rib in order to maintain the flatness of the reflecting surface. It has three parallel ribs 13.
  • a mirror portion 12 having a substantially circular reflecting surface 12a and having a shape similar to that of the reflecting surface 12a in a plan view is illustrated.
  • the shape of the mirror portion 12 in a plan view and the shape of the reflecting surface 12a are illustrated. May match or may be different.
  • the shapes of the mirror portion 12 and the reflecting surface 12a are not particularly limited. Not limited to the illustrated circle, there can be various shapes such as an ellipse, a square, a rectangle and a polygon.
  • the first connecting portion 21 is composed of a pair of rod-shaped members symmetrically extending outward along the first axis a1 from the outer circumference of the mirror portion 12, and the mirror portion 12 and the first actuator 14 are connected to the first axis a1. Connected above, the mirror portion 12 is rotatably supported around the first axis a1. One end of each of the first connecting portions 21 is connected to the outer circumference of the mirror portion 12, and the other ends of each are connected to the first actuator 14.
  • the first actuator 14 includes a pair of semi-annular actuator portions 14A and 14B provided with the first piezoelectric elements 41 and 42, respectively.
  • the pair of semi-annular actuator portions 14A and 14B are connected on the first axis a1 and are arranged in an annular shape around the mirror portion 12.
  • the annular shape may be a shape that seamlessly surrounds the inner region, and the inner and outer peripheral shapes do not have to be circular, and is a concept including a rectangular shape or a polygonal shape.
  • the second connecting portion 22 is composed of a pair of rod-shaped members symmetrically extended from the outer periphery of the first actuator 14 to the outside along the first axis a1, and the first actuator 14 and the movable frame 18 are first. Connect on axis a1.
  • the second actuator 16 is composed of a pair of meander type actuator portions 16A and 16B arranged between the first actuator 14 and the fixed portion 20.
  • the pair of meander type actuator portions 16A and 16B are arranged symmetrically with respect to the first axis a1 with the movable frame 18, the first actuator 14, and the mirror portion 12 interposed therebetween.
  • the connecting portion 62 provided at one end of the meander type actuator portions 16A and 16B is connected to the outer circumference of the first actuator 14, and the connecting portion 62 provided at the other end is connected to the fixing portion 20.
  • the rectangular plate-shaped portions 61 of the meander type actuator portions 16A and 16B each function as a piezoelectric cantilever.
  • adjacent rectangular plate-shaped portions 61 may be bent in opposite directions.
  • the phase of the voltage waveform applied to these may be shifted by 180 °. In this way, the second actuator 16 can generate rotational torque in the first actuator 14 and the mirror portion 12.
  • the number of rectangular plate-shaped portions 61 is six, but the number of rectangular plate-shaped portions 61 may be one or more and is not limited.
  • the connecting portion provided at one end thereof is connected to the outer circumference of the semi-annular actuator portion 14A or 14B, and the connecting portion provided at the other end is inside the fixing portion 20. It is connected to the circumference and is configured to form a meander shape as a whole by the two connecting portions and the rectangular plate-shaped portion 61.
  • one meander type actuator portion 16A and 16B includes two or more rectangular plate-shaped portions 61, and the rectangular plate-shaped portion 61 includes the rectangular plate-shaped portion 61 from the viewpoint of suppressing warpage of the micromirror device 1 when stationary. It is preferably an even number.
  • the second actuator 16 is composed of a pair of meander type actuator portions 16A and 16B, but as the second actuator 16, the mirror portion 12 and the first actuator 14 are integrally second. As long as it can reciprocate around the shaft a2, it may have a different shape.
  • the movable frame 18 has a function of transmitting the rotational torque of the second actuator 16 to the first actuator 14 and the mirror portion 12.
  • the micromirror device 1 does not include the movable frame 18 and the second connecting portion 22, and the second actuator 16 may be directly connected to the first actuator 14.
  • the fixed portion 20 supports the second actuator 16, and supports the movable frame 18, the first actuator 14, and the mirror portion 12 via the second actuator 16.
  • the fixed portion 20 is provided with wiring, electrode terminals, and the like (not shown). Further, the fixing portion 20 may be further provided with an electronic circuit (not shown).
  • the fixing portion 20 is a frame member that surrounds the second actuator 16.
  • the fixing portion 20 is not limited to the frame member, and is composed of two members, a first fixing portion connected to one of the meander type actuator portions 16A and a second fixing portion connected to the other meander type actuator portion 16B. You may.
  • the mirror portion 12, the first actuator 14, the movable frame 18, the second actuator 16, the fixing portion 20, the first connecting portion 21, and the second connecting portion 22 are aligned with the first axis a1. It is arranged in a symmetrical structure. With such a symmetrical structure, rotational torque can be efficiently applied to the central mirror portion 12.
  • micromirror device 1 for example, by processing a silicon substrate using semiconductor manufacturing technology, elements such as a mirror portion 12, a first actuator 14, a second actuator 16, a fixing portion 20, and a connecting portion 21 are integrated. It can be manufactured as a structure constructed in.
  • the fixed portion 20 is thicker than the mirror portion 12, the first actuator 14, the movable frame 18, the second actuator 16, the first connecting portion 21, and the second connecting portion 22 (see FIGS. 3 and 4). That is, the thicknesses of the mirror portion 12, the first actuator 14, the movable frame 18, the second actuator 16, the first connecting portion 21, and the second connecting portion 22 are compared with the thickness of the fixed portion 20 (thickness in the z-axis direction). It is thinly formed. As a result, the first actuator 14, the second actuator 16, the first connecting portion 21, and the second connecting portion 22 are easily deformed (bending deformation or twisting deformation).
  • the base material portion excluding the reflective surface, the piezoelectric film, the electrodes, the wiring, and the like is referred to as a structure for a micromirror device.
  • the portion of this structure excluding the fixing portion 20 is the main body portion in the structure.
  • the basic performance of the micromirror device 1 depends on the shape of the main body portion and does not depend on the shape of the fixed portion 20.
  • the upper electrodes 33 of the first piezoelectric elements 41 and 42 provided in the pair of semi-annular actuator portions 14A and 14B of the first actuator 14 may each be composed of a plurality of individual electrode portions.
  • the piezoelectric elements 41, 42, 44, and 46 provided in the first actuator 14 and the second actuator 16 will be described. As described above, the piezoelectric elements 41, 42, 44, and 46 have a laminated structure of the lower electrode 31, the piezoelectric film 32, and the upper electrode 33.
  • the thickness of the lower electrode and the upper electrode is not particularly limited, and is, for example, about 200 nm.
  • the thickness of the piezoelectric film is not particularly limited as long as it is 10 ⁇ m or less, and is usually 1 ⁇ m or more, for example, 1 to 5 ⁇ m.
  • the method for forming the lower electrode, the upper electrode, and the piezoelectric film is not particularly limited, but the vapor deposition method is preferable, and the sputtering method is particularly preferable.
  • the main component of the lower electrode is not particularly limited, and examples thereof include metals or metal oxides such as Au, Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 , and SrRuO 3, and combinations thereof.
  • the main component of the upper electrode is not particularly limited, and examples thereof include materials exemplified in the lower electrode, electrode materials generally used in semiconductor processes such as Al, Ti, Ta, Cr, and Cu, and combinations thereof. ..
  • Examples of the piezoelectric film include those containing one or more types of perovskite-type oxides (P) represented by the following formulas.
  • General formula ABO 3 (P) (In the formula, A: an element of A site, and at least one element containing Pb.
  • B Element of B site, from Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and Ni. At least one element selected from the group.
  • O Oxygen element.
  • the standard molar ratio of the A-site element, the B-site element, and the oxygen element is 1: 1: 3, but these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range in which a perovskite structure can be obtained.
  • Examples of the perobskite type oxide represented by the above general formula include lead zirconate titate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate tit, lead zirconate tit lanthanate, lead zirconate titanate lanthanate, and lead zirconate titanate magnesium niobate.
  • Lead-containing compounds such as lead zirconate titanate, lead zirconate titanate, and mixed crystal systems of these; barium niobate, strontium barium niobate, sodium niobate, potassium niobate, niobate.
  • Lead-free compounds such as sodium, potassium niobate, lithium niobate, and bismas ferrite, and mixed crystal systems thereof can be mentioned.
  • the piezoelectric film of the present embodiment preferably contains one kind or two or more kinds of perovskite type oxides (PX) represented by the following formula.
  • A an element of A site, at least one element including Pb.
  • M is at least one element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, and Sb.
  • the piezoelectric film made of the perovskite-type oxide represented by the above general formulas (P) and (PX) has a high piezoelectric strain constant (d 31 constant), the actuator provided with such a piezoelectric film has a displacement characteristic. It will be excellent.
  • the perovskite-type oxide represented by the general formula (PX) has a higher piezoelectric constant than that represented by the general formula (P).
  • the actuator provided with the piezoelectric film made of the perovskite-type oxide represented by the general formulas (P) and (PX) has a voltage-displacement characteristic with excellent linearity in the drive voltage range. These piezoelectric materials exhibit good piezoelectric properties in carrying out the techniques of the present disclosure.
  • Test Examples 1 to 16 were prepared as Examples and Comparative Examples.
  • Test Examples 1 to 12 correspond to Examples, and Test Examples 13 to 16 correspond to Comparative Examples.
  • FIG. 17 is a diagram showing the back surface of the mirror portion 12 surrounded by the broken line A in FIG.
  • Step 1 As a structural substrate , SOI (SOI) having a laminated structure of a back surface silicon oxide (SiO 2 ) layer 1.5 ⁇ m, a Si handle layer 250 ⁇ m, a silicon oxide box layer 1 ⁇ m, a Si device layer 100 ⁇ m, and a surface silicon oxide 1 ⁇ m. Silicon On Insulator) A substrate was used. A Ti layer of 30 nm and an Ir layer of 150 nm were formed on the surface oxide layer 1 ⁇ m of this SOI substrate by a sputtering method at a substrate temperature of 350 ° C. The laminated structure of the Ti layer and the Ir layer corresponds to the lower electrode 31 in FIG.
  • SOI back surface silicon oxide
  • Step 2 A piezoelectric film of 3 ⁇ m was formed on the substrate on which the lower electrodes (Ti / Ir) were laminated and formed, which was obtained above, using a radio frequency (RF) sputtering apparatus.
  • RF radio frequency
  • a target material for sputter film formation for a piezoelectric film a material having a composition of Pb 1.3 ((Zr 0.52 Ti 0.48 ) 0.88 Nb 0.12 ) O 3 was used.
  • the film forming pressure was 2.2 mTorr, and the film forming temperature was 450 ° C.
  • the obtained piezoelectric film was an Nb-doped PZT thin film to which Nb was added in an atomic composition ratio of 12%.
  • Step 3 An upper electrode having a laminated structure of Au / Ir (150 nm / 50 nm) was patterned by a lift-off method on the substrate on which the piezoelectric film obtained above was formed.
  • Step 4 the piezoelectric film and the lower electrode were pattern-etched by inductively coupled plasma (ICP) dry etching.
  • ICP inductively coupled plasma
  • Step 5 an insulating layer made of Al 2 O 3 having a thickness of 0.6 ⁇ m was formed on the entire surface, and then the insulating layer was patterned by ICP dry etching.
  • Step 6 By the lift-off method, a laminated structure of Au / Ti (300 nm / 50 nm) was formed into a pattern, and a reflective surface 12a of the mirror portion 12, an electrode terminal, and a wiring layer were formed.
  • Step 7 The device layer is pattern-etched by a silicon dry etching process, and the first actuator 14, the second actuator 16, the movable frame 18, the mirror portion 12, the first connecting portion 21, the second connecting portion 22, and the fixing portion 20 are patterned. The shape of was processed.
  • Step 8 the handle layer was deep-drilled reactive ion etching from the back surface of the substrate. Basically, the handle layer was removed leaving a portion to be the fixed portion 20.
  • Step 9 Finally, the box layer was removed from the back surface by dry etching to produce the micromirror device shown in FIG.
  • the reflective surface 12a of the mirror portion 12 is formed in step 6, but the reflective surface 12a may be formed by using a reflective material different from the material of the electrode terminal and the wiring layer.
  • the reflective surface 12a may be formed by a lift-off method or the like.
  • the size of each element of the micromirror device 1A of this test example was as shown in FIG.
  • the diameter of the mirror portion 12 is 1.1 mm
  • the length of each of the rectangular plate-shaped portions 61 of the meander type actuator portions 16A and 16B along the x-axis direction (first axis a1 direction) is 6.0 mm
  • the width in the a2 direction) was 0.49 mm
  • the distance between adjacent rectangular plate-shaped portions 61 was 0.04 mm.
  • the outer shape of the fixed portion 20 was 11.4 mm in the axial direction and 8.5 mm in the x-axis direction.
  • the thickness of the mirror portion 12, the first actuator 14, the second actuator 16, and the first connection portion 21 and the second connection portion 22 is equal to the thickness of the device layer.
  • the back surface of the mirror portion 12 is provided with a circular rib along the outer circumference and three parallel ribs 13 in the circular portion.
  • the thickness of the rib 13 was 250 ⁇ m.
  • the width ⁇ bar of the first connecting portion 21 supporting the mirror portion 12 and the width ⁇ frm of the rib 13 of the mirror portion 12 were set to the sizes shown in Table 1, respectively.
  • a laser Doppler vibrometer (MSA-500 MICRO SYSTEM ANALYZER manufactured by Polytec) was used, and a charp signal having a voltage amplitude of 2 V was applied to the first piezoelectric elements 41 and 42 of the first actuator 14.
  • An instantaneous frequency (0 to 100 kHz) was applied to measure the displacement of a plurality of measurement points on the micromirror device 1A. As shown by black circles ( ⁇ ) in FIG. 16, the measurement points are the mirror portion 12, the semi-annular actuator portions 14A and 14B of the first actuator 14, the movable frame 18, and the meander-shaped actuator portion 16A of the second actuator 16.
  • Each of the rectangular plate-shaped portions 61 closest to the movable frame 18 of 16B was set at a plurality of locations.
  • the frequency spectrum of the displacement at each measurement point acquired by the laser Doppler vibrometer was acquired by FFT processing, and the frequency of vibration was obtained from the average spectrum of the frequency spectrum of each measurement point.
  • the vibration shape of each vibration mode was obtained from the phase relationship between each measurement point.
  • the conditions for FT processing were a sampling frequency of 256 Hz, a sampling time of 1024 ms, and a frequency resolution of 0.9766 Hz.
  • the frequency of the resonance mode was identified from the average spectrum of the frequency spectrum of each measurement point.
  • the frequency of the resonance mode having a frequency near F was extracted.
  • the micromirror devices of Test Examples 1 to 16 there were modes of the third resonance mode (iii) -1 to the third resonance mode (iii) -5 as peripheral modes of F.
  • the resonance frequency smaller than F and closest to F was extracted as the resonance frequency C.
  • the resonance frequency larger than F and closest to F was extracted as the resonance frequency D.
  • a scan operation was performed.
  • the voltage amplitude was gradually increased, and the displacement angle of the mirror unit 12 was gradually increased, and the presence or absence of abnormal vibration and the displacement angle of the mirror unit 12 when abnormal vibration was generated were investigated.
  • a visible light laser was vertically incident on the reflecting surface 12a of the mirror portion 12 of the micromirror device, the reflected light was detected by a two-dimensional photodetector, and the presence or absence of abnormal vibration was determined based on the presence or absence of blurring of the scanning line.
  • the maximum displacement angle was set to 15 °, which is the fracture limit angle. If abnormal vibration occurs before the fracture limit is reached, the angle at the time of occurrence is defined as the maximum displacement angle. Further, in Table 1, when the abnormal vibration does not occur up to the destruction limit of the mirror portion 12, it is described as “not generated”, and when the abnormal vibration occurs at an angle smaller than the destruction limit, it is described as "generated”. ing. As an evaluation, A is when the abnormal vibration does not occur up to the fracture limit, B is when the maximum displacement angle is 6 ° or more when abnormal vibration occurs, and C is when the maximum displacement angle is less than 6 °. Evaluated as.
  • a displacement angle of at least ⁇ 6 ° is required. Further, if a displacement angle exceeding ⁇ 12 ° can be obtained, a very high-definition image can be realized.
  • Table 1 shows the size of the components of each example, various frequencies, frequency differences, and evaluation results.
  • ⁇ F2 FD ⁇ -150 Hz.
  • ⁇ F2 was a value larger than ⁇ 150 Hz.
  • FIG. 18 is a graph showing the relationship between ⁇ F1 and the maximum displacement angle for Test Examples 1 to 16.
  • the square ( ⁇ ) marker indicates a test example in which ⁇ F2 is ⁇ 400 Hz or less
  • the diamond-shaped ( ⁇ ) marker indicates a test example in which ⁇ F2 is greater than ⁇ 400 Hz. From FIG. 18, it can be seen that in Test Examples 1 to 7 in which ⁇ F2 is ⁇ 400 Hz or less, the closer ⁇ F1 is to 0, the smaller the abnormal vibration occurs at the displacement angle. In Test Examples 6 and 7 in which ⁇ F1 was 100 Hz or less, a maximum displacement angle of ⁇ 6 ° or more could be achieved, but a maximum displacement angle exceeding ⁇ 12 ° could not be obtained.
  • FIG. 19 is a graph showing the relationship between ⁇ F2 and the maximum displacement angle for Test Examples 1 to 16.
  • the square ( ⁇ ) marker indicates a test example in which ⁇ F1 is 100 Hz or higher
  • the diamond-shaped ( ⁇ ) marker indicates a test example in which ⁇ F1 is less than 100 Hz. From FIG. 19, it can be seen that in Test Examples 1 to 5 and 8 to 16 in which ⁇ F1 is 100 Hz or higher, the closer ⁇ F2 is to 0, the smaller the abnormal vibration occurs at the displacement angle.
  • the technique of the present disclosure is not limited to the configuration and manufacturing method of this test example, and the substrate material, electrode material, piezoelectric material, film thickness, film formation conditions, etc. are appropriately selected according to the purpose. be able to.

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Abstract

本発明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）の周囲に環状に配置された、ミラー部（１２）を第１軸（ａ１）周りに往復回動させる第１アクチュエータ（１４）と、ミラー部（１２）を第２軸（ａ２）周りに往復回動させる第２アクチュエータ（１６）とを備え、ミラー部（１２）と第１アクチュエータ（１４）とを第１軸（ａ１）周りに互いに逆位相で回動する共振モードであって、最も低次の共振モードの共振周波数をＡ、第１軸（ａ１）および第２軸（ａ２）の両方に直交する方向に、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のうち、最も低次の共振モードの共振周波数をＢ、共振周波数Ａと共振周波数Ｂの周波数差分をＦ＝Ａ－Ｂとすると、周波数差分Ｆよりも小さく、周波数差分Ｆに最も近い共振周波数Ｃ、周波数差分Ｆよりも大きく、周波数差分Ｆに最も近い共振周波数Ｄが、Ｆ－Ｃ≧２０Ｈｚ、およびＦ－Ｄ≦－１５０Ｈｚを満たす。

Description

マイクロミラーデバイス
　本開示は、マイクロミラーデバイスに関する。
　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および網膜ディスプレイなどのレーザーディスプレイから、光干渉断層計などの光診断用スキャナなど、幅広い応用が期待されている。マイクロミラーデバイスは、レーザーディスプレイおよび光診断用スキャナなど、ミラー部の変位によって光走査を行うスキャナが主たる用途であることから、ＭＥＭＳスキャナなどとも呼ばれる。
　マイクロミラーデバイスの駆動方式は様々であるが、圧電素子の変形を利用する圧電駆動方式は、他の方式に比べて、アクチュエータの単位質量当たりの発生トルクの大きさで定義されるトルク密度が高い。そのため、圧電駆動方式は、小型でありながら、ミラー部の変位角度として比較的大きな変位角度が得られるメリットがあることから、大きな変位角度が必要な用途において有望視されている。特に、レーザーディスプレイのように大きな変位角度が必要な用途では、ミラー部を共振させる共振駆動が主に用いられている。共振駆動が採用される場合は、圧電駆動方式のトルクの大きさは大きな利点となる。
　レーザーディスプレイに適用されるマイクロミラーデバイスの一般的な構成は、相互に直交する第１軸および第２軸の２つの軸周りで回動自在であるミラー部と、圧電体駆動電圧に応じて上記ミラー部を第１軸および第２軸の２つの軸周りでそれぞれ往復回動させる圧電駆動方式のアクチュエータとを備える（特開２０１７－１３２２８１号公報参照）。
　レーザーディスプレイの性能指標の一つとして解像度が挙げられるが、これにはマイクロミラーデバイスにおけるミラー部の駆動周波数と変位角度が大きく影響する。例えば、一般的なラスタースキャン型レーザーディスプレイでは、マイクロミラーデバイスのミラー部を第１軸周りと第２軸周りに異なる二種類の駆動周波数で往復回動させることで二次元光走査を行う。二次元光走査を行う際には、二種類の駆動周波数のうち高速側を１０ｋＨｚ以上、低速側を１０～１００Ｈｚに設定するのが一般的であり、基本的に高速側の回動における駆動周波数と変位角度が大きいほどレーザーディスプレイの解像度も向上する。上記の観点から、高速側の駆動周波数を１０ｋＨｚ以上の共振周波数に設定し、共振駆動によってミラー部を大きな変位角度で駆動させることが多い。
　上記のようなマイクロミラーデバイスにおいてミラー部を、特定の共振周波数の駆動モードで駆動した場合、その駆動モードの共振周波数とは異なる周波数において不要な共振が生じ、不要な共振に伴う異常振動により正常な光走査が阻害される場合がある。以下において、上記の不要な共振を生じる共振モードを異常振動モードという。
　特開２０１３－１１４０１５号公報においては、駆動モードの共振周波数のｎ倍の周波数（ｎは自然数）と、異常振動モードの共振周波数との差分周波数が小さい場合に当該の異常振動モードが発振されることが報告されている。特開２０１３－１１４０１５号公報においては、差分周波数を５００Ｈｚ以上にすることが異常振動抑制の目安とされ、異常振動の抑制手法として、マイクロミラーデバイスの構造体に、異常振動モードでの変位を制限するような構造を追加する方法が提案されている。
　しかしながら、構造体への余計な構造の追加は、構造の複雑化によって製造安定性が低下する。加えて、マイクロミラーデバイスの質量増加によって固有振動数が低下するため、駆動モードの共振周波数が大幅に低下する。駆動モードの共振周波数の低下はミラー部の変位角度の減少につながるため、好ましくない。
　また、本発明者の検討によれば、特開２０１３－１１４０１５号公報に記載の形状と異なる形状のマイクロミラーデバイスにおいては、駆動モードの共振周波数のｎ倍の周波数（ここで、ｎは自然数である。）と、異常振動モードの共振周波数との差分周波数が５００Ｈｚ以上離れている場合であっても、異常振動モードが発振される場合があった。
　本発明者は、ミラー部の周囲に環状に配置された第１圧電素子を有する第１アクチュエータであって、ミラー部と接続され、かつ、第１圧電素子が周期的に変形することによりミラー部を第１軸周りに往復回動させる第１アクチュエータと、第２圧電素子を有する第２アクチュエータであって、第２圧電素子が周期的に変形することにより、ミラー部を第１軸と直交する第２軸周りに往復回動させる第２アクチュエータとを備えたマイクロミラーデバイスを検討している。
　本開示は、上記事情を鑑みてなされたものであって、上記構造のマイクロミラーデバイスにおいて、異常振動を抑制可能なマイクロミラーデバイス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を有し、ミラー部を互いに交差する第１軸および第２軸の２つの軸周りでそれぞれ往復回動させることにより、反射面の向きを２次元的に変化させるマイクロミラーデバイスであって、
　ミラー部の周囲に環状に配置された第１圧電素子を有する第１アクチュエータであって、ミラー部と接続され、かつ、第１圧電素子が周期的に変形することによりミラー部を第１軸周りに往復回動させる第１アクチュエータと、
　第２圧電素子を有する第２アクチュエータであって、第２圧電素子が周期的に変形することにより、ミラー部を第２軸周りに往復回動させる第２アクチュエータとを備えており、
　共振周波数が異なる複数の共振モードのうち、ミラー部と第１アクチュエータとが第１軸周りに互いに逆位相で往復回動する共振モードであって、最も低次の共振モードの共振周波数をＡとし、
　複数の共振モードのうち、第１軸および第２軸の両方に直交する方向に、ミラー部と第１アクチュエータとが逆位相で振動する共振モードであって、最も低次の共振モードの共振周波数をＢとし、
共振周波数Ａと共振周波数Ｂの差Ａ－Ｂを周波数差分Ｆとし、
複数の共振モードのうち、周波数差分Ｆよりも小さい周波数の共振周波数を有する共振モードであって、周波数差分Ｆに最も近い共振周波数を有する共振モードの共振周波数をＣとし、
複数の共振モードのうち、周波数差分Ｆよりも大きい周波数の共振周波数を有する共振モードであって、周波数差分Ｆに最も近い共振周波数を有する共振モードの共振周波数をＤとした場合において、
周波数差分Ｆと共振周波数Ｃとの差ΔＦ１が、
　ΔＦ１＝Ｆ－Ｃ≧２０Ｈｚ
を満たし、かつ、
周波数差分Ｆと共振周波数Ｄとの差ΔＦ２が、
　ΔＦ２＝Ｆ－Ｄ≦－１５０Ｈｚ
を満たすマイクロミラーデバイス。
＜２＞
　差ΔＦ１および差ΔＦ２が、
　ΔＦ１≧１００Ｈｚ、
　ΔＦ２≦－４００Ｈｚ
を満たす＜１＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜３＞
　ミラー部と第１アクチュエータは、第１軸に沿って延びる第１接続部によって接続されている＜１＞または＜２＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜４＞
　第１アクチュエータの周囲を囲む環状の可動枠と、
　可動枠と第１アクチュエータとを接続する第２接続部を備えており、
　第２アクチュエータは、可動枠を介してミラー部を第２軸周りに往復回動させる＜１＞から＜３＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
＜５＞
　第２接続部は、第１軸に沿って延びている＜４＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜６＞
　第２アクチュエータは、矩形板状部を２本以上備え、２本以上の矩形板状部が連結部を介してミアンダ状に折り返されたミアンダ構造を含み、２本以上の矩形板状部の各々に第２圧電素子を備えている＜１＞から＜５＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
＜７＞
　共振周波数Ａが、１０ｋＨｚ以上である＜１＞から＜６＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
　本開示によれば、異常振動を抑制可能なマイクロミラーデバイスを提供することができる。
実施形態のマイクロミラーデバイスの平面図である。 マイクロミラーデバイスの一部の断面構造を示す図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体を上面側から見た斜視図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体の底面側から見た斜視図である。 異常振動の有無を検出する方法を説明するための図である。 フォトディテクタにより検出された走査線を示す図であり、６Ａは異常振動時の走査線、６Ｂは正常時の走査線を示す。 駆動時に異動振動が生じた場合の周波数スペクトル解析図である。 マイクロミラーデバイスの第１共振モード時の形状変位のシミュレーション図である。 マイクロミラーデバイスの第２共振モード時の形状変位のシミュレーション図である。 マイクロミラーデバイスの第３共振モードの一つである共振モード（（iii）－１モード）時の形状変位のシミュレーション図である。 マイクロミラーデバイスの第３共振モードの一つである共振モード（（iii）－２モード）時の形状変位のシミュレーション図である。 マイクロミラーデバイスの第３共振モードの一つである共振モード（（iii）－３モード）時の形状変位のシミュレーション図である。 マイクロミラーデバイスの第３共振モードの一つである共振モード（（iii）－４モード）時の形状変位のシミュレーション図である。 マイクロミラーデバイスの第３共振モードの一つである共振モード（（iii）－５モード）時の形状変位のシミュレーション図である。 マイクロミラーデバイスの一部要素のサイズ変化に伴う共振振動数の変化を示す図である。 試験例のマイクロミラーデバイスの寸法を示す図である。 試験例のマイクロミラーデバイスのサイズ変更箇所を示す図である。 試験例に関するΔＦ１と最大変位角度との関係を示すグラフである。 試験例に関するΔＦ２と最大変位角度との関係を示すグラフである。
　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。
　図１は実施形態に係るマイクロミラーデバイス１の平面図である。図２は、マイクロミラーデバイス１の一部の断面構造を示す図である。図３は、マイクロミラーデバイス１を上面側から見た斜視図である。図４は、マイクロミラーデバイス１を底面側から見た斜視図である。
　本実施形態のマイクロミラーデバイス１は、ミラー部１２、第１アクチュエータ１４、第１接続部２１、可動枠１８、第２接続部２２、固定部２０、及び第２アクチュエータ１６を備えている。第１アクチュエータ１４は、ミラー部１２の周囲に環状に配置されており、第１圧電素子４１、４２を有する。第１接続部２１は、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とを接続する。可動枠１８は第１アクチュエータ１４の周囲に環状に配置されている。第２接続部２２は、第１アクチュエータ１４と可動枠１８とを接続する。固定部２０は、可動枠１８の外周に配置されている。第２アクチュエータ１６は、第２圧電素子４４、４６を有し、可動枠１８と固定部２０との間に配置されている。本例では、第２アクチュエータ１６は、可動枠１８および第２接続部２２を介して第１アクチュエータ１４と接続され、可動枠１８を介してミラー部１２および第１アクチュエータ１４を第２軸周りに往復回動させる。
　第１アクチュエータ１４は一対の半環状アクチュエータ部１４Ａ、１４Ｂを備え、それぞれに第１圧電素子４１、４２を備えている。また、第２アクチュエータ１６は、一対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂを備え、それぞれに第２圧電素子４４、４６を備えている。第１圧電素子４１、４２および第２圧電素子４４、４６は、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２参照）。なお、図２において、視認容易のため、各層の膜厚及び膜厚の比率については、実際の寸法とは異なる寸法で示している。上部電極３３および下部電極３１は、図２の図面上において、圧電膜３２を挟んで対向して配置されており、かつ、圧電膜３２の上部及び下部にそれぞれ配置されているため、説明の便宜上、「上部」および「下部」という表現をしている。しかしながら、上部電極３３および下部電極３１の「上部」および「下部」は、必ずしも実際の配置における上部及び下部を意味するものではなく、例えば、実際の配置においては上部電極３３が鉛直方向において下部電極３１よりも下方に位置している場合もある。また、実際の配置においては上部電極３３及び下部電極３１が水平方向において対向して配置されている場合もある。このように、上部及び下部は便宜上の呼称であり、本実施形態において、圧電膜３２を挟む一対の電極のうち、振動板３０側に設けられている電極を下部電極３１、圧電膜３２を挟んで下部電極３１と対向して配置される電極を上部電極３３と称する。
　ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａは、各々第２圧電素子４４を備えた複数本の矩形板状部６１と、隣接する矩形板状部６１を連結する連結部６２とを有している。本例では矩形板状部６１は６本である。６本の矩形板状部６１は、それぞれの長手方向の辺が平行になる姿勢で並べて配置されており、一方の端部が連結部６２によって連結されている。６本の矩形板状部６１を全体としてみると、６本の矩形板状部６１が連結部６２を介して折り返されているように見える。このような形状は、あたかも川が蛇行しているような形状であることからミアンダ状と呼ばれ、ミアンダ状の構造はミアンダ構造と呼ばれる。このようにミアンダ型アクチュエータ部１６Ａは、全体として、６本の矩形板状部６１が連結部６２を介してミアンダ状に折り返されたミアンダ構造を含む。ミアンダ型アクチュエータ部１６Ｂは、各々第２圧電素子４６を備えた複数本の矩形板状部６１と、連結部６２とを有しており、ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａとほぼ同様の構造である。
　第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６は、それぞれの圧電素子４１、４２、４４、及び４６に所定の電圧が印加されると圧電膜３２が変形する。第１アクチュエータ１４および第２アクチュエータ１６は、圧電膜３２が変形すると、それぞれ屈曲変位して駆動力を生じる。すなわち、第１アクチュエータ１４は、第１圧電素子４１、４２がそれぞれ周期的に変形することによりミラー部１２を第１軸ａ１周りに往復回動させる。また、第２アクチュエータ１６は、第２圧電素子４４、４６がそれぞれ周期的に変形することにより、ミラー部１２を第２軸ａ２周りに往復回動させる。
　マイクロミラーデバイス１のサイズは、例えば、長さおよび幅寸法がそれぞれ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、アクチュエータの厚みについても、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。
　第１アクチュエータ１４は、ミラー部１２に第１軸ａ１周りの回転トルクを作用させ、第２アクチュエータ１６は、第１アクチュエータ１４に第１軸ａ１と直交する第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。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次元走査させることができる。
　第１軸ａ１は、ミラー部１２の静止時の反射面１２ａを含む平面内にある。第２軸ａ２はこの平面内おいて、第１軸ａ１と交差する。本例においては、ここでは第１軸ａ１と第２軸ａ２は互いに直交する軸である。なお、第１軸ａ１と第２軸ａ２は、反射面１２ａの中心で交差していることが好ましいが、交差位置は中心からずれていても構わない。
　以下、各図において、ミラー部１２の静止時における反射面１２ａの法線方向、すなわち第１軸ａ１および第２軸ａ２に直交する方向をｚ軸方向とし、第１軸ａ１と平行な方向をｘ軸方向、第２軸ａ２と平行な方向をｙ軸方向としている。
　本マイクロミラーデバイス１は、第１軸ａ１周りを高速側の駆動周波数、第２軸ａ２周りを低速側の駆動周波数でそれぞれミラー部１２を駆動する。第１アクチュエータ１４は第１軸ａ１に沿って延びる第１接続部２１によってミラー部１２と接続されている。第１接続部２１は第１軸ａ１に沿って延びた細長形状であるため、第１軸ａ１回りの慣性モーメントが相対的に小さい。このような第１接続部２１を介してミラー部１２に回転トルクを伝達する構造は、ミラー部１２の第１軸ａ１周りの高速駆動に適する。第１軸ａ１周りの駆動周波数としては１０ｋＨｚ以上とすることが好ましい。第１軸ａ１周りにミラー部１２を往復回動させる駆動周波数を１０ｋＨｚ以上とすることで、マイクロミラーデバイス１をレーザーディスプレイに適用した場合に高精細な画像表示が可能となる。第２アクチュエータ１６のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂは、第１アクチュエータ１４と固定部２０とを接続する長い板バネとして機能する。そのため、第２アクチュエータ１６は、応答性が低下する反面、柔軟性は高くなるので、第１アクチュエータ１４およびミラー部１２を第２軸ａ２周りに低速駆動するのに適する。既述の通り第１軸ａ１周りの駆動には共振周波数を用いることが好ましい。
　マイクロミラーデバイス１は、複数の固有振動数に対応する複数の異なる共振周波数の共振モードを有する。第１軸ａ１周りの駆動には、この複数の共振モードのうち、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４が逆位相で第１軸ａ１周りに往復回動させる共振モードであって、最も低次の共振モードを用いることが、駆動効率が高いため好ましい。以下において、このミラー部１２と第１アクチュエータ１４が逆位相で第１軸ａ１周りに往復回動させるモードであって、最も低次の共振モードを以下において駆動モードという。この駆動モードでミラー部１２を駆動することで、大きな変位角度をより低い駆動電圧で実現できる。なお、最も低次とは、最も周波数が低いものであることを意味する。
　本マイクロミラーデバイス１の複数の共振モードは以下の関係を満たす。
　上記の第１軸ａ１周りの駆動モードの共振周波数をＡとする。また、第１軸ａ１および第２軸ａ２の両方に直交する方向（ｚ軸方向）に、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であって最も低次モードの共振モードの共振周波数をＢとする。そして共振周波数Ａと共振周波数Ｂの差Ａ－Ｂを周波数差分Ｆとする。さらに、複数の共振モードのうち、周波数差分Ｆよりも小さい周波数の共振周波数を有する共振モードであって、周波数差分Ｆに最も近い共振周波数を有する共振モードの共振周波数をＣとする。複数の共振モードのうち、周波数差分Ｆよりも大きい周波数の共振周波数を有する共振モードであって、周波数差分Ｆに最も近い共振周波数を有する共振モードの共振周波数をＤとする。
　この場合において、周波数差分Ｆと共振周波数Ｃとの差ΔＦ１が、
　ΔＦ１＝Ｆ－Ｃ≧２０Ｈｚ
であり、かつ、
　周波数差分Ｆと共振周波数Ｄとの差ΔＦ２が、
　ΔＦ２＝Ｆ－Ｄ≦－１５０Ｈｚ
である。
　言い換えると、本マイクロミラーデバイス１においては、Ｆ－２０Ｈｚ超、Ｆ＋１５０Ｈｚ未満の周波数範囲に、マイクロミラーデバイス１の共振モードが存在しない。
　また、ΔＦ１≧１００Ｈｚであることが好ましく、ΔＦ２≦－４００Ｈｚであることが好ましい。すなわち、Ｆ－１００Ｈｚ超、Ｆ＋４００Ｈｚ未満の周波数範囲に、マイクロミラーデバイス１の共振モードが存在しないことが好ましい。
　なお、本構成のマイクロミラーデバイス１においては、共振周波数Ａは、共振周波数Ｂよりも大きい。
　本発明者の検討によると、マイクロミラーデバイス１の共振モードが上記関係式を満たすことにより、駆動モードでミラー部１２を駆動する際に、その駆動モードの共振周波数Ａとは異なる周波数の不要な共振が生じるのを抑制することができる。
　マイクロミラーデバイスにおいて、不要な共振が生じると、この不要な共振に伴う振動（以下において異常振動という。）が、駆動モードで生じるミラー部１２の第１軸ａ１周りの往復回動に重畳され、この異常振動により、走査線が幅方向および長さ方向に対して時間的に大きくブレてしまい、正常な光走査が阻害されるという不具合が生じる。しかし、ΔＦ１＝Ｆ－Ｃ≧２０ＨｚおよびΔＦ２＝Ｆ－Ｄ≦－１５０Ｈｚを満たすことで、異常振動の発生を抑制し、走査線のブレを生じさせず十分な変位角度でミラー部１２を往復回動することができる。また、さらにΔＦ１≧１００ＨｚおよびΔＦ２≦－４００Ｈｚを満たすことで、より大きな変位角度まで、異常振動の発生を抑制することができる。本実施形態のマイクロミラーデバイス１を例えばレーザーディスプレイ等に適用した場合には、異常振動が少ないため、非常に高精細な画像表示を実現できる。
　本発明者の検討によれば、マイクロミラーデバイス１と類似の構造を有するマイクロミラーデバイスであっても、その複数の共振モードが上記関係を満たさない場合は、ミラー部１２を第１軸ａ１周りに駆動した際に異常振動が生じ、十分な変位角度で往復回動ができないことが明らかになった（後記試験例参照）。
　マイクロミラーデバイス１の異常振動の発生の有無は、走査線を観察することにより確認することができる。図５は異常振動の有無を検出する方法を説明するための図である。マイクロミラーデバイス１を水平面上に設置し、ミラー部１２を駆動して第１軸ａ１周りに往復回動させた状態で、マイクロミラーデバイス１のミラー部に光源１００からレーザー光Ｌ０を入射する。ミラー部１２で反射したレーザー光Ｌを二次元フォトディテクタＰＤで検出し、ｙ軸方向に走査されるレーザー光の走査線ＳＬを観察する。
　図６において、６Ａは異常振動が生じている場合の走査線ＳＬを示し、６Ｂは異常振動が生じていない正常時の走査線ＳＬを示している。図６に示すように、異常振動が生じている場合の走査線ＳＬは、正常時の走査線ＳＬと比較して、走査線ＳＬのｘ軸方向の幅が広くなり、ｙ軸方向の走査量以上の長さになっている。このように異常振動が生じている場合は、ｘ軸方向及びｙ軸方向の双方において走査線ＳＬが大きくブレる。従って、ｘ軸方向の走査線ＳＬの幅及びｙ軸方向の走査線ＳＬの長さに基づいて走査線ＳＬのブレの有無を判断することが可能であり、かつ、走査線ＳＬのブレの有無によって異常振動の有無を判断できる。すなわち、走査線にブレがある場合は、異常振動が発生しており、走査線にブレがなければ異常振動は発生していないと判断する。
　ここで、上記実施形態のマイクロミラーデバイス１と類似の形状を有する、後述の試験例のマイクロミラーデバイス１Ａ（図１６参照）について、異常振動が発生した場合に生じる不要な共振モードの一例について説明する。
　図７は、後述の試験例のマイクロミラーデバイス１Ａ（図１６参照）を駆動モードの共振周波数でミラー部１２を駆動し、異常振動が生じたマイクロミラーデバイス１Ａ（具体的には、試験例９）について、マイクロミラーデバイス１Ａにおけるセンサー信号を測定し、ＦＦＴ（Fast Fourier Transform）解析を実施して得た周波数スペクトルである。具体的には、次のようにして周波数スペクトルを得た。マイクロミラーデバイス１Ａについて、ミラー部１２を第１軸ａ１周りに往復回動させる駆動モード（図中において第１共振モード（ｉ））の共振周波数Ａである４２ｋＨｚの駆動信号を第１アクチュエータ１４の第１圧電素子４１、４２に入力した。そして、この共振周波数Ａでミラー部１２を駆動した際のマイクロミラーデバイス１Ａに生じる振動を、マイクロミラーデバイス１Ａに組み込まれた圧電センサ（図示せず）によるセンサー信号として取得し、ＦＦＴ解析した。
　図７に示す周波数スペクトルから第１共振モード（ｉ）の４２ｋＨｚ近傍の駆動モードで駆動しているにも関わらず、約２６ｋＨｚおよび約１６ｋＨｚ辺りに別の共振モードが生じていることが明らかになった。以下において、約２６ｋＨｚに生じる共振モードを第２共振モード(ii)、約１６ｋＨｚに生じた共振モードを第３共振モード（iii）という。なお、従来技術として記載した特開２０１３－１１４０１５号公報においては、駆動モードの共振周波数とそのｎ倍の周波数から５００Ｈｚの範囲に共振モードを有する場合に、異常振動が励起されると述べられている。しかし、マイクロミラーデバイス１Ａにおいては、図７に示すように、この不要な第２共振モード（ii）および第３共振モード（iii）の共振周波数は、駆動モードである第１共振モード（ｉ）の共振周波数および第１共振モードの２倍波成分の周波数のいずれからも１０ｋＨｚ以上離れているにもかかわらず励起されており、特開２０１３－１１４０１５号公報で述べられている異常振動発生の法則には当てはまらない。
　上記駆動モード（第１共振モード（ｉ））およびその２倍波以外の共振モード（第２共振モード（ii）、第３共振モード（iii））について、正確な共振周波数および振動形状を、以下のようにして調べた。
　上記図７の周波数スペクトルを取得した試験例９のマイクロミラーデバイス１Ａに対し、電圧振幅２Ｖ、瞬時周波数０～１００ｋＨｚのチャープ信号を第１アクチュエータ１４の第１圧電素子４１、４２に入力し、レーザードップラー振動計を用い、チャープ信号により生じるミラー部１２および第１アクチュエータ１４の振動による変位を測定した。測定方法および共振モードの特定方法については、後記の試験例で詳説する。レーザードップラー振動計によるミラー部１２および第１アクチュエータ１４の変位から上記第２共振モード（ii）および第３共振モード（iii）の共振周波数および振動形状を同定した。
　さらに、試験例９のマイクロミラーデバイス１Ａについて、市販の有限要素法解析ソフトウェアを用いた共振モード解析シミュレーションを行い、０～１００Ｈｚに生じる共振モードの共振周波数および振動形状を求めた。
　上記のチャープ信号を用いて取得した共振周波数および振動形状と、シミュレーションで得られた共振モードの共振周波数および振動形状との比較から、図７の第２共振モード（ii）および第３共振モード（iii）の周波数および共振モードの振動形状（つまり、どのような種類の振動を伴う共振であるか）を同定した。
　チャープ信号を用いて取得される共振周波数は、図７の周波数スペクトルで示される共振周波数と略一致するので、図７における各ピークがどのような振動形状で振動する共振モードであるかを特定することができる。他方、取得される共振周波数には、共振モードのｎ倍波（ｎ≧２）が含まれ、その共振周波数が１倍波の共振モードのものか、ｎ倍波の共振モードのものかの特定はできない。一方、シミュレーションにより取得された共振モードの共振周波数は実デバイスの測定によって得られた共振周波数とは完全には一致しないが、ｎ倍波による共振周波数を除外することができる。従って、チャープ信号を用いて取得した共振周波数と、シミュレーションにより取得された共振モードの共振周波数とを比較して、マイクロミラーデバイス１Ａのｎ倍波ではない共振周波数とその振動形状とを特定することができる。
　ここで、図８～図１４を用いて、駆動モードである第１共振モード（ｉ）、上記のようにして得られた、第２共振モード（ii）、第３共振モード（iii）の振動形状について説明する。図７の周波数スペクトルにおける第３共振モード（iii）は、１つの共振周波数に対応する１つの共振モードのように見えるが、実際には、図１０～図１４に示す複数の第３共振モード（iii）－１～第３共振モード（iii）－５を含んでいる。図１０～図１４に示す複数の共振モード（第３共振モード（iii）－１～第３共振モード（iii）－５）は、それぞれが異なる共振周波数に対応する。図８～図１４は、各共振モードの最大変位状態の形状を示すシミュレーション図である。図８～図１４において、濃淡により変位量が示されている。図中において変位スケールに示す０は、静止状態の位置を示し、静止状態に対して濃い色（黒に近い）ほど－ｚ軸方向への変位が大きく、薄い色（白に近い）ほど＋ｚ軸方向への変位が大きいことを示している。
　図８は、駆動モードでミラー部１２と第１アクチュエータ１４とが第１軸ａ１（ｘ軸）周りに互いに逆位相で回動する場合の最大変位時の状態を示すシミュレーション図である。図８は、ミラー部１２が第１軸ａ１を中心として、ｙ軸方向の一端ｙ１が＋ｚ軸方向に、ｙ軸方向の他端ｙ２が－ｚ軸方向に傾き変位した状態を示している。また、変位量は非常に小さいが、第１アクチュエータ１４は、第１軸ａ１を中心として、半環状アクチュエータ部１４Ａのミラー部１２の一端ｙ１に対向する部分が－ｚ軸方向に、半環状アクチュエータ部１４Ｂのミラー部１２の他端ｙ２に対向する部分が＋ｚ軸方向に変位している。
　第２共振モード（ii）は、第１軸ａ１（ｘ軸）および第２軸ａ２（ｙ軸）を含む面に直交するｚ軸方向に、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とが逆位相で回動する共振モードであった。図９は、第２共振モード（ii）の場合のシミュレーション図である。第２共振モード（ii）は、図９に示すようにミラー部１２が＋ｚ軸方向に変位している時に、第１アクチュエータ１４が－ｚ軸方向に変位する振動モードである。
　図１０に示す第３共振モード（iii）－１は、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とが、第２軸ａ２周りに同位相に回動するモードである。
　図１１に示す第３共振モード（iii）－２は、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とが、第１軸ａ１周りに同位相で回動するモードである。
　図１２に示す第３共振モード（iii）－３は、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４はほとんど変位せず、第２アクチュエータ１６の１対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂの矩形板状部６１が、第１アクチュエータ１４に対してｚ軸方向に歪むモードである。図１２に示す第３共振モード（iii）－３において、１対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂは同位相に変位する。ここで、同位相とは、ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂのそれぞれが有する複数の矩形板状部６１のうち、第１軸ａ１を対称軸として対称な位置に配置されている矩形板状部６１同士が、ｚ軸方向において同じ向きに変位を生じている状態をいう。例えば、図１２では、１対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂにおいて、第１軸ａ１からｙ軸方向に最も遠い位置に配置されている矩形板状部６１同士は、中央部分がｚ軸方向において同じ向きに盛り上がるように変位している。さらに、図１２に示す第３共振モード（iii）－３において、１対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂのそれぞれの矩形板状部６１は、ミラー部１２に近いほどｚ軸方向の歪み量が小さく、ミラー部１２からｙ軸方向に離れるほどｚ軸方向の歪み量が大きい。
　図１３に示す第３共振モード（iii）－４は、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４は、ほとんど変位せず、第２アクチュエータ１６の１対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂの矩形板状部が、第２軸ａ２を中心にｚ軸方向に歪むモードである。また、図１２に示す第３共振モード（iii）－３と同様に、ミラー部１２からｙ軸方向に最も離れた矩形板状部６１が最も大きく歪むモードである。一方で、図１３に示す第３共振モード（iii）－４は、図１２に示す第３共振モード（iii）－３と異なり、１対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂが逆位相に変位するモードである。ここで、逆位相とはミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂのそれぞれが有する複数の矩形板状部６１のうち、第１軸ａ１を対称軸として対称な位置に配置されている矩形板状部６１同士が、ｚ軸方向において逆向きの変位を生じている状態をいう。例えば、図１３では、ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａにおいて、第１軸ａ１からｙ軸方向に最も遠い位置に配置されている矩形板状部６１は、中央部分がｚ軸方向において凹むように変位する。これに対して、ミアンダ型アクチュエータ部１６Ｂにおいて、第１軸ａ１からｙ軸方向に最も遠い位置に配置されている矩形板状部６１は、中央部分がｚ軸方向において盛り上がるように変位する。
　図１４に示す第３共振モード（iii）－５は、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４は、ほとんど変位せず、第２アクチュエータ１６の１対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂの矩形板状部が、第２軸ａ２を中心にｚ軸方向に歪むモードである。また、図１２に示す第３共振モード（iii）－３と同様に、１対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂが同位相に変位するモードである。但し、図１２に示す第３共振モード（iii）－３の場合とは異なり、ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂそれぞれの矩形板状部６１のうち、第１アクチュエータ１４側から３番目の矩形板状部６１が最も大きく歪むモードである。
　第１共振モード（ｉ）による駆動時に、第２共振モード（ii）および第３共振モード（iii）－１～(iii)－５のような異常振動モードが生じると、第１共振モード（ｉ）によって駆動されるミラー部１２の第１軸周りの往復回動に不要な振動すなわち異常振動が重畳される。そのため、走査線に幅方向および長さ方向にブレが生じて目的のスキャン角度が得られなくなる。
　一方、本開示のマイクロミラーデバイス１によれば、第１共振モード（ｉ）での駆動時に、上記のような異常振動モードが生じるのを抑制することができる。その結果として、異常振動を抑制することができ、走査線のブレの発生を抑制し、精度の高い光走査を実現することができる。
　マイクロミラーデバイス１の固有振動数は、マイクロミラーデバイス１を構成する要素の材料、形状およびサイズによって決定され、各要素のサイズを調整することで固有振動数を変化させることが可能である。従って、マイクロミラーデバイス１の共振周波数が上記関係を満たすように各要素のサイズを調整すればよい。マイクロミラーデバイス１の作製に当たっては、マイクロミラーデバイス１の所望の性能に応じて、各要素の基準サイズを決定する。これらの基準サイズに基づいて、固有振動数を求めるシミュレーションを行い、シミュレーションで求めた固有振動数が上記関係式を満たすか否かを調べる。上記関係式を満たさない場合には、いずれかの要素のサイズを変化させる。例えば、ミラー部１２の直径、第１接続部２１の第１軸ａ１方向に沿った長さ（つまり、ミラー部１２外周から第１アクチュエータ１４までの長さ）、第１接続部２１の第２軸ａ２方向の幅、ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂの各矩形板状部６１の第１軸ａ１方向に沿った長さおよび第２軸ａ２方向の幅、および第１アクチュエータ１４の第１軸ａ１方向の幅と第２軸ａ２方向の幅のうちの１つあるいは複数を変化させればよい。
　例えば、第１接続部２１の幅を±１０μｍの範囲で変化させた場合、図１５に示すように、マイクロミラーデバイス１の第１共振モード（ｉ）の共振周波数が大きく変動する。第１接続部２１の幅が大きいほど、第１共振モード（ｉ）の共振周波数は大きくなる。他方、第２共振モード（ii）の共振周波数はほぼ一定である。このように、構成要素の一部のサイズを変更することでマイクロミラーデバイス１の共振周波数およびそれらの関係を変化させることができる。
　以下、マイクロミラーデバイス１の各要素についての詳細を説明する。
　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。また、本例においては、図４に示すように、ミラー部１２の裏面には反射面の平坦性を保つために、外周形状に沿った円形のリブおよび円形のリブ内に第２軸ａ２に平行な３本のリブ１３を備えている。
　図１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の外周から第１軸ａ１に沿って外側に対称に延設された１対の棒状部材からなり、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とを第１軸ａ１上で接続し、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１アクチュエータ１４は、各々第１圧電素子４１、４２を備えた一対の半環状アクチュエータ部１４Ａ、１４Ｂを含んでいる。一対の半環状アクチュエータ部１４Ａ、１４Ｂは、第１軸ａ１上で接続され、ミラー部１２の周囲に環状に配置されている。
　ここで、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を含む概念である。
　第１軸ａ１を挟んで配置される半環状アクチュエータ部１４Ａと半環状アクチュエータ部１４Ｂとを互いに逆方向に撓ませることで、第１軸ａ１周りにトルクを生じさせることができ、これによって、ミラー部１２を第１軸ａ１周りに回動させる。
　第２接続部２２は、第１アクチュエータ１４の外周から第１軸ａ１に沿って外側に、対称に延設された１対の棒状部材からなり、第１アクチュエータ１４と可動枠１８とを第１軸ａ１上で接続する。
　既述の通り、第２アクチュエータ１６は、第１アクチュエータ１４と固定部２０との間に配置された、一対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂからなる。一対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂは、可動枠１８、第１アクチュエータ１４およびミラー部１２を挟んで第１軸ａ１に対して対称に配置されている。ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ、１６Ｂの一端に備えられた連結部６２が第１アクチュエータ１４の外周に接続され、他端に備えられた連結部６２が固定部２０に接続されている。
　ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂ各々の矩形板状部６１は圧電カンチレバーとして機能する。第２軸周りにトルクを生じさせるためには、隣り合う矩形板状部６１を互いに逆方向にたわませればよい。これにより、それぞれの矩形板状部６１の端部に発生した傾き角度が蓄積され、その和が第１アクチュエータ１４の傾き（＝ミラー部１２の傾き）となる。このため、隣り合う矩形板状部６１の第２圧電素子４４同士、並びに第２圧電素子４６同士には逆方向の応力が発生するように電圧を印加する。具体的には、これらに印加する電圧波形の位相を１８０°シフトさせればよい。このようにして、第２アクチュエータ１６は第１アクチュエータ１４とミラー部１２に回転トルクを発生させることができる。
　本例においては、ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂにおいて、矩形板状部６１を６本としているが、矩形板状部６１の本数は１本以上あればよく、限定されない。矩形板状部６１が１本のみの場合には、その一端に備えられた連結部が半環状アクチュエータ部１４Ａまたは１４Ｂの外周に接続され、他端に備えられた連結部が固定部２０の内周に接続され、２つの連結部と矩形板状部６１とによって、全体としてミアンダ形状をなすように構成される。但し、１つのミアンダ型アクチュエータ部１６Ａと１６Ｂには２本以上の矩形板状部６１を含むことが好ましく、また、マイクロミラーデバイス１の静止時の反りを抑制する観点から矩形板状部６１は偶数であることが好ましい。
　なお、本例においては第２アクチュエータ１６を１対のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂから構成するものとしたが、第２アクチュエータ１６としては、ミラー部１２および第１アクチュエータ１４を一体的に第２軸ａ２に往復回動可能であれば、別の形状であってもよい。
　可動枠１８は、第２アクチュエータ１６による回転トルクを第１アクチュエータ１４およびミラー部１２に伝達する機能を有する。但し、マイクロミラーデバイス１は、可動枠１８および第２接続部２２を備えず、第２アクチュエータ１６は第１アクチュエータ１４に直接接続されていてもよい。
　固定部２０は、第２アクチュエータ１６を支持し、第２アクチュエータ１６を介して、可動枠１８、第１アクチュエータ１４およびミラー部１２を支持する。なお、固定部２０には、図示しない配線および電極端子等が設けられている。また、固定部２０には、さらに図示しない電子回路が設けられていてもよい。
　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、枠部材に限らず、一方のミアンダ型アクチュエータ部１６Ａと接続する第１の固定部と他方のミアンダ型アクチュエータ部１６Ｂ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１において、ミラー部１２、第１アクチュエータ１４、可動枠１８、第２アクチュエータ１６、固定部２０、第１接続部２１および第２接続部２２は、第１軸ａ１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および接続部２１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、固定部２０は、ミラー部１２、第１アクチュエータ１４、可動枠１８、第２アクチュエータ１６、第１接続部２１および第２接続部２２と比較して厚い（図３および図４参照）。すなわち、ミラー部１２、第１アクチュエータ１４、可動枠１８、第２アクチュエータ１６、第１接続部２１および第２接続部２２の厚みは、固定部２０の厚み（ｚ軸方向の厚み）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および第１接続部２１および第２接続部２２が変形（曲げ変形や捻れ変形）し易い構造となっている。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および固定部２０のうち、反射面、圧電膜、電極および配線等を除く基材部分をマイクロミラーデバイス用の構造体という。また、この構造体のうち、固定部２０を除く部分が、構造体中の本体部分である。マイクロミラーデバイス１の基本性能はこの本体部分の形状に依存し、固定部２０の形状には依存しない。
　第１アクチュエータ１４の１対の半環状アクチュエータ部１４Ａ，１４Ｂに備えられている第１圧電素子４１、４２の上部電極３３は、それぞれ複数の個別電極部から構成されていてもよい。
　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４１、４２、４４、４６について説明する。既述の通り、圧電素子４１、４２、４４、４６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、ＩｒＯ２、ＲｕＯ２、ＬａＮｉＯ３、およびＳｒＲｕＯ３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種または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ＡＢＯ３　　　　　（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種または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。
　Ａａ（Ｚｒｘ、Ｔｉｙ、Ｍｂ－ｘ－ｙ）ｂＯｃ　　　（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（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電膜を備えたアクチュエータは、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、本開示の技術を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。
試験例
　以下、本開示の技術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。実施例および比較例として以下の試験例１～１６を作製した。試験例１～１２が実施例、試験例１３～１６が比較例に相当する。
　以下の手順により、図１６に平面図を示すマイクロミラーデバイス１Ａを試験例１～１６として作製した。図１に示したマイクロミラーデバイス１と同等の形状であり、同一の要素には同一の符号を付している。図１７は、図１６中破線Ａで囲むミラー部１２の裏面を示す図である。
－製造方法－
　（工程１）構造用基板として、裏面シリコン酸化物（ＳｉＯ２）層１．５μｍ、Ｓｉハンドル層２５０μｍ、シリコン酸化物ボックス層１μｍ、Ｓｉデバイス層１００μｍ、表面シリコン酸化物１μｍの積層構造のＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いた。このＳＯＩ基板の表面酸化層１μｍ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２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Ｐｂ1.3((Ｚｒ0.52Ｔｉ0.48)0.88Ｎｂ0.12)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Ａｕ／Ｉｒ（１５０ｎｍ／５０ｎｍ）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、０．６μｍ厚のＡｌ２Ｏ３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その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（３００ｎｍ／５０ｎｍ）の積層構造をパターン形成し、ミラー部１２の反射面１２ａ、電極端子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、第１アクチュエータ１４、第２アクチュエータ１６、可動枠１８、ミラー部１２、第１接続部２１、第２接続部２２および固定部２０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２０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１６に示すマイクロミラーデバイスを作製した。
　上記作製工程においては、ミラー部１２の反射面１２ａを工程６で形成したが、電極端子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１２ａ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１２ａをリフトオフ法などで形成してもよい。
　本試験例のマイクロミラーデバイス１Ａの各要素のサイズは図１６に示す通りとした。ミラー部１２の直径１．１ｍｍ、ミアンダ型アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂの各矩形板状部６１のｘ軸方向（第１軸ａ１方向）に沿った長さ６．０ｍｍ、ｙ軸方向（第２軸ａ２方向）の幅０．４９ｍｍ、隣接する矩形板状部６１同士の間隔０．０４ｍｍとした。固定部２０の外形は軸方向１１．４ｍｍ、ｘ軸方向８．５ｍｍとした。また、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および第２接続部２２の厚みはデバイス層の厚みと等しい。但し、ミラー部１２の裏面には図１７に示す通り、外周に沿った円形のリブおよび円形部内に平行な三本のリブ１３が設けられている。リブ１３の厚みは２５０μｍとした。
　なお、各試験例１～１６においては、ミラー部１２を支持する第１接続部２１の幅Δｂａｒおよびミラー部１２のリブ１３の幅Δｆｒｍをそれぞれ表１に示すサイズとした。
　各試験例のマイクロミラーデバイスについて、共振モードの周波数および周波数差と、異常振動発生の有無との相関を調べた。
（各種共振モードの周波数および周波数差）
　各試験例１~１６のマイクロミラーデバイスについて、レーザードップラー振動計（Polytec社製 MSA-500 MICRO SYSTEM ANALYZER）を用い、第１アクチュエータ１４の第１圧電素子４１、４２に電圧振幅２Ｖのチャープ信号（瞬時周波数０～１００ｋＨｚ）を印加して、マイクロミラーデバイス１Ａ上の複数の測定点の変位を測定した。測定点は図１６中において黒丸（●）で示すように、ミラー部１２、第１アクチュエータ１４の半環状アクチュエータ部１４Ａ，１４Ｂ、可動枠１８、および、第２アクチュエータ１６のミアンダ状アクチュエータ部１６Ａ，１６Ｂの可動枠１８に最も近い矩形板状部６１のそれぞれについて複数の箇所に設定した。レーザードップラー振動計により取得された各測定点での変位をＦＦＴ処理により周波数スペクトルを取得し、各測定点の周波数スペクトルの平均スペクトルから振動の周波数を求めた。また、各測定点間の位相関係から各振動モードの振動形状を求めた。ＦＴ処理の条件として、サンプリング周波数２５６Ｈｚ、サンプリング時間１０２４ｍｓ、および周波数分解能０．９７６６Ｈｚとした。なお、共振モードの周波数は、各測定点の周波数スペクトルの平均スペクトルから同定した。
　上記のようにして求めた複数の共振モードのうち、ミラー部１２と第１アクチュエータ１４とが第１軸ａ１（ｘ軸に平行な軸）周りに互いに逆位相で往復回動する共振モードのうち、最も低次である第１共振モード（ｉ）の共振周波数Ａと、第１軸ａ１（ｘ軸）および第２軸ａ２方向（ｙ軸）の両方に直交する方向（ｚ軸方向）に、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のうち、最も低次である第２共振モード（ii）の共振周波数Ｂを抽出した。
　そして、
Ｆ＝Ａ－Ｂ
を算出した。
　また、上記のようにして求めた複数の共振モードの各々の周波数のうち、Ｆ近傍の周波数を有する共振モードの周波数を抽出した。試験例１～１６の各マイクロミラーデバイスについて、Ｆの周辺モードとして、第３共振モード（iii）－１～第３共振モード（iii）－５のモードが存在した。
　さらに、第３共振モード（iii）－１～第３共振モード（iii）－５のうち、Ｆよりも小さく、かつＦに最も近い共振周波数を共振周波数Ｃとして抽出した。また、第３共振モード（iii）－１～第３共振モード（iii）－５のうち、Ｆよりも大きく、かつＦに最も近い共振周波数を共振周波数Ｄとして抽出した。その上で、
　ΔＦ１＝Ｆ－Ｃ
　ΔＦ２＝Ｆ－Ｄ
をそれぞれ算出した。
（評価）
　試験例１１～１６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に第１共振モード（ｉ）の共振周波数Ａの正弦波信号を入力し、ミラー部１２を第１軸周りに回動させる第１軸スキャン動作を行った。電圧振幅を徐々に大きくして、ミラー部１２の変位角度を徐々に大きくし、異常振動の発生の有無、および異常振動が発生した際のミラー部１２の変位角度を調べた。具体的には、可視光レーザーをマイクロミラーデバイスのミラー部１２の反射面１２ａに垂直入射し、反射光を二次元フォトディテクタで検出し、走査線のブレの有無により異常振動の有無を判定した。電圧振幅を徐々に大きくした場合に、異常振動を発生することなく、Ｓｉ破壊応力に達し、ミラー部１２が壊れた試験例については、破壊限界の角度である１５°を最大変位角度とした。また、破壊限界に至る前に異常振動が発生した場合には、その発生時の角度を最大変位角度とした。また、表１中では、ミラー部１２の破壊限界まで異常振動が発生しなかった場合に「発生せず」とし、破壊限界より小さい角度で異常振動が生じた場合には「発生」と表記している。
　また、評価として、破壊限界まで異常振動が発生しなかった場合をＡ、異常振動が発生した場合において、最大変位角度が６°以上であればＢ、最大変位角度が６°未満であればＣとして評価した。マイクロミラーデバイスをレーザーディスプレイに適用する場合、最低でも±６°の変位角度が必要であると考えられる。また、±１２°を超える変位角度が得られれば、非常に高精細な画像を実現できる。
　各例の構成要素のサイズ、各種周波数、周波数差および評価結果を表１に示す。
Figure JPOXMLDOC01-appb-T000001
 
　表１に示すように、評価ＡもしくはＢが得られた試験例１～１２は、ΔＦ１＝Ｆ－Ｃ≧２０Ｈｚ、およびΔＦ２＝Ｆ－Ｄ≦－１５０Ｈｚを満たしている。他方、評価Ｃであった試験例１３～１６は、ΔＦ２が－１５０Ｈｚより大きい値であった。
　図１８は、試験例１～１６について、ΔＦ１と最大変位角度との関係を示すグラフである。図中において、四角形（□）のマーカーはΔＦ２が－４００Ｈｚ以下の試験例を示し、菱形（◆）のマーカーはΔＦ２が－４００Ｈｚより大きい試験例を示す。図１８からΔＦ２が－４００Ｈｚ以下の試験例１～７においては、ΔＦ１が０に近いほど異常振動が小さい変位角度で生じていることが分かる。ΔＦ１が１００Ｈｚ以下である試験例６、７では、±６°以上の最大変位角度を達成できるが、±１２°を超える最大変位角度は得られなかった。
　図１９は、試験例１～１６について、ΔＦ２と最大変位角度との関係を示すグラフである。図中において、四角形（□）のマーカーはΔＦ１が１００Ｈｚ以上である試験例を示し、菱形（◆）のマーカーはΔＦ１が１００Ｈｚ未満の試験例を示す。図１９からΔＦ１が１００Ｈｚ以上の試験例１～５および８～１６においては、ΔＦ２が０に近いほど異常振動が小さい変位角度で生じていることが分かる。既述の通り、ΔＦ２が－１５０Ｈｚより大きい試験例１３～１６は最大変位角度±６°を得られず、ΔＦ２が－１５０Ｈｚ以下であるが、－４００Ｈｚ超である試験例８～１２は、±６°以上の最大変位角度を達成できるが、±１２°を超える最大変位角度は得られなかった。
　一方、図１８および図１９において、破線で囲んだΔＦ１が１００ｚ以上であり、ΔＦ２が－４００Ｈｚ以下である試験例１～５では、破壊限界まで異常振動が生じなかった。
　すなわち、ΔＦ１＝Ｆ－Ｃ≧２０Ｈｚ、およびΔＦ２＝Ｆ－Ｄ≦－１５０Ｈｚを満たすことによって、レーザーディスプレイ用途に適する±６°以上の変位角度を実現することができ、ΔＦ１＝Ｆ－Ｃ≧１００Ｈｚ、およびΔＦ２＝Ｆ－Ｄ≦－４００Ｈｚを満たすことによって、±１２°を超える変位角度を実現できるため、非常に高精細な光走査が可能であるといえる。
　なお、本開示の技術の実施に際しては、本試験例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、膜厚および成膜条件などは、目的に応じて適宜選択することができる。
　２０２０年４月２３日に出願された日本国特許出願２０２０－０７６９２８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 (7)

  1. 　入射光を反射する反射面を有するミラー部を有し、前記ミラー部を互いに交差する第１軸および第２軸の２つの軸周りでそれぞれ往復回動させることにより、前記反射面の向きを２次元的に変化させるマイクロミラーデバイスであって、
    　前記ミラー部の周囲に環状に配置された第１圧電素子を有する第１アクチュエータであって、前記ミラー部と接続され、かつ、前記第１圧電素子が周期的に変形することにより前記ミラー部を前記第１軸周りに往復回動させる第１アクチュエータと、
    　第２圧電素子を有する第２アクチュエータであって、前記第２圧電素子が周期的に変形することにより、前記ミラー部を前記第２軸周りに往復回動させる第２アクチュエータとを備えており、
    　共振周波数が異なる複数の共振モードのうち、前記ミラー部と前記第１アクチュエータとが前記第１軸周りに互いに逆位相で往復回動する共振モードであって、最も低次の共振モードの共振周波数をＡとし、
    　前記複数の共振モードのうち、前記第１軸および前記第２軸の両方に直交する方向に、前記ミラー部と前記第１アクチュエータとが逆位相で振動する共振モードであって、最も低次の共振モードの共振周波数をＢとし、
    前記共振周波数Ａと前記共振周波数Ｂの差Ａ－Ｂを周波数差分Ｆとし、
    前記複数の共振モードのうち、前記周波数差分Ｆよりも小さい周波数の共振周波数を有する共振モードであって、前記周波数差分Ｆに最も近い共振周波数を有する共振モードの共振周波数をＣとし、
    前記複数の共振モードのうち、前記周波数差分Ｆよりも大きい周波数の共振周波数を有する共振モードであって、前記周波数差分Ｆに最も近い共振周波数を有する共振モードの共振周波数Ｄとした場合において、
    前記周波数差分Ｆと前記共振周波数Ｃとの差ΔＦ１が、
    　ΔＦ１＝Ｆ－Ｃ≧２０Ｈｚ
    を満たし、かつ、
    前記周波数差分Ｆと前記共振周波数Ｄとの差ΔＦ２が、
    　ΔＦ２＝Ｆ－Ｄ≦－１５０Ｈｚ
    を満たすマイクロミラーデバイス。
  2. 　前記差ΔＦ１および前記差ΔＦ２が、
    　ΔＦ１≧１００Ｈｚ、
    　ΔＦ２≦－４００Ｈｚ
    を満たす請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
  3. 　前記ミラー部と前記第１アクチュエータは、前記第１軸に沿って延びる第１接続部によって接続されている請求項１または２に記載のマイクロミラーデバイス。
  4. 　前記第１アクチュエータの周囲を囲む環状の可動枠と、
    　前記可動枠と前記第１アクチュエータとを接続する第２接続部を備えており、
    　前記第２アクチュエータは、前記可動枠を介して前記ミラー部を前記第２軸周りに往復回動させる請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
  5. 　前記第２接続部は、前記第１軸に沿って延びている請求項４に記載のマイクロミラーデバイス。
  6. 　前記第２アクチュエータは、矩形板状部を２本以上備え、前記２本以上の矩形板状部が連結部を介してミアンダ状に折り返されたミアンダ構造を含み、前記２本以上の矩形板状部の各々に前記第２圧電素子を備えている請求項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. 　前記共振周波数Ａが、１０ｋＨｚ以上である請求項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。
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