WO2024062856A1 - マイクロミラーデバイス及び光走査装置 - Google Patents

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WO2024062856A1
WO2024062856A1 PCT/JP2023/031287 JP2023031287W WO2024062856A1 WO 2024062856 A1 WO2024062856 A1 WO 2024062856A1 JP 2023031287 W JP2023031287 W JP 2023031287W WO 2024062856 A1 WO2024062856 A1 WO 2024062856A1
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WO
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axis
mirror
movable frame
pair
micromirror device
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Application number
PCT/JP2023/031287
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English (en)
French (fr)
Inventor
圭佑 青島
Original Assignee
富士フイルム株式会社
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    • 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
    • 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
    • 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
    • G02B26/10—Scanning systems

Definitions

  • the technology of the present disclosure relates to a micromirror device and an optical scanning device.
  • a micromirror device (also referred to as a microscanner) is known as one of the microelectromechanical systems (MEMS) devices produced using silicon (Si) microfabrication technology. Because this micromirror device is small and has low power consumption, it is expected to have a wide range of applications such as laser displays, laser projectors, and optical coherence tomography.
  • MEMS microelectromechanical systems
  • the piezoelectric drive method which uses the deformation of a piezoelectric material, is considered promising as it generates a higher torque than other methods and can achieve a wide scan angle.
  • a wide scan angle is required, such as in a laser display, a higher scan angle can be achieved by resonantly driving a piezoelectric drive micromirror device.
  • a typical micromirror device used in a laser display includes a mirror part and a piezoelectric actuator (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2017-132281).
  • the mirror portion is swingable around a first axis and a second axis that are orthogonal to each other.
  • the actuator is a drive unit that swings the mirror unit around a first axis and a second axis in response to a drive voltage supplied from the outside.
  • the performance indexes of laser displays include resolution and viewing angle.
  • the oscillation frequency and deflection angle of the mirror section have a large effect on the resolution and viewing angle.
  • two-dimensional optical scanning is performed by simultaneously oscillating the mirror section around the first axis and the second axis at different frequencies.
  • the larger the deflection angle of the mirror section the larger the scanning area of the light becomes, and a larger image can be displayed with a shorter optical path length.
  • the simplest method is to increase the drive torque by increasing the area of the drive section.
  • increasing the area of the drive section leads to an increase in the size of the micromirror device, which goes against the miniaturization required for micromirror devices for laser display applications.
  • the deflection angle of the mirror section is often improved by adjusting the resonance mode.
  • the gain of the deflection angle with respect to the voltage applied to the drive section is large.
  • this anti-phase resonance mode a large stress is applied to the swing axis, so it is not easy to increase the swing angle from the viewpoint of durability.
  • An object of the technology of the present disclosure is to provide a micromirror device and an optical scanning device that can achieve a large deflection angle without increasing the area of the drive unit.
  • the micromirror device of the present disclosure includes a mirror section having a reflective surface that reflects incident light, and a mirror section that is arranged on a first axis within a plane that includes the reflective surface when the mirror section is at rest.
  • first support parts connected to the mirror part and supporting the mirror part so as to be able to swing around the first axis
  • a pair of movable frames connected to the first support parts and facing each other across the first axis
  • a pair of second supports that are connected to the movable frame on a second axis perpendicular to the first axis and that support the mirror part, the first support part, and the movable frame so as to be swingable about the second axis
  • drive part connected to the second support part and arranged surrounding the movable frame
  • a fixed frame arranged surrounding the drive part
  • a pair of connection parts connecting the drive part and the fixed frame.
  • the first support part has a line-symmetrical shape about the first axis
  • the second support part has a line-symmetrical shape about the second axis, and is arranged on the second axis. It has a second swing shaft and a pair of second connecting parts disposed at opposing positions with the second shaft in between, and the second swing shaft has one end connected to the movable frame and the other end connected to the second
  • the second connecting portion extends from the outer end on the second axis of the second swing shaft in the direction toward the mirror portion, and is connected to the driving portion in an area adjacent to the movable frame.
  • the connecting portion has a line-symmetrical shape with respect to the second axis, and supports the driving portion so as to be swingable around the second axis.
  • the driving section includes a pair of first actuators connected to the second support section, facing each other across the second shaft, and having a piezoelectric element, and a pair of first actuators arranged surrounding the first actuator and facing each other across the first shaft.
  • first actuators connected to the second support section, facing each other across the second shaft, and having a piezoelectric element
  • first actuators arranged surrounding the first actuator and facing each other across the first shaft.
  • second actuators each having a piezoelectric element.
  • the connecting part is arranged on the second axis.
  • the first support part has a shape that is line symmetrical about the first axis, and includes a first swing axis disposed on the first axis, and a pair of swing shafts disposed at opposing positions with the first axis interposed therebetween. It is preferable to have one connecting portion.
  • One end of the first swing shaft is connected to the mirror section, and the other end is connected to the first connecting section, and the first connecting section extends from the outer end on the first axis of the first swing shaft toward the mirror section.
  • the movable frame be connected to the movable frame by extending in the direction, bending in the outer circumferential direction in a region adjacent to the mirror portion, and bending again in a region adjacent to the drive portion.
  • One end of the first swing shaft is connected to the mirror section, and the other end is connected to the first connecting section, and the first connecting section extends from the outer end on the first axis of the first swing shaft toward the mirror section. It is preferable that the movable frame extends in the direction and is connected to the movable frame in a region adjacent to the mirror part.
  • the first connecting portion protrudes from the portion connected to the movable frame in the direction of the first axis to the outer end on the first axis of the first swing shaft.
  • the first connecting portion is bent outward from the outer end of the first shaft of the first swing shaft, forms an annular region in a region adjacent to the movable frame, and further extends from the annular region to the first shaft. It is preferable that the movable frame be connected to the movable frame by extending along the drive part in a region adjacent to the drive part.
  • the pair of first connecting parts are connected in a region adjacent to the driving part.
  • An optical scanning device of the present disclosure is an optical scanning device including the micromirror device described above and a processor that drives a drive section, wherein the processor moves the mirror section along a first axis by applying a drive signal to the drive section. and around the second axis, respectively.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an optical scanning device.
  • FIG. 3 is a block diagram showing an example of the hardware configuration of a drive control section.
  • FIG. 1 is an external perspective view of a micromirror device according to a first embodiment.
  • 1 is a plan view of a micromirror device according to a first embodiment, as viewed from the light incident side.
  • 5 is a sectional view taken along line AA in FIG. 4.
  • FIG. FIG. 3 is a cross-sectional view showing a state in which the mirror portion is rotated around a first axis. It is a figure showing an example of a 1st drive signal and a 2nd drive signal.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 1 is an external perspective view of a micromirror device according to a first embodiment.
  • 1 is a plan view of a micromirror device according to a first embodiment, as viewed from the light incident side.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 11 is a diagram showing specific setting values of parameters.
  • FIG. 7 is a plan view of a micromirror device according to a second embodiment, viewed from the light incident side.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing specific setting values of parameters.
  • FIG. 7 is a plan view of a micromirror device according to a third embodiment viewed from the light incident side.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 11 is a diagram showing specific setting values of parameters.
  • FIG. 7 is a plan view of a micromirror device according to a second embodiment, viewed from the light incident side.
  • FIG. 3 is a diagram showing
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing specific setting values of parameters.
  • FIG. 7 is a plan view of a micromirror device according to a fourth embodiment, viewed from the light incident side.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing specific setting values of parameters.
  • FIG. 7 is a plan view of a micromirror device according to a fifth embodiment viewed from the light incident side.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing specific setting values of parameters.
  • FIG. 2 is a plan view of a micromirror device according to a first comparative example, viewed from the light incident side.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing specific setting values of parameters.
  • FIG. 11 is a plan view of a micromirror device according to a second comparative example, as viewed from the light incident side.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing parameters related to dimensions of components of a micromirror device.
  • FIG. 3 is a diagram showing specific setting values of parameters. It is a figure showing the result of experiment and simulation
  • FIG. 1 schematically shows an optical scanning device 10 according to a first embodiment.
  • the optical scanning device 10 includes a micromirror device (hereinafter referred to as MMD (Micro Mirror Device)) 2, a light source 3, and a drive control section 4.
  • MMD Micro Mirror Device
  • the optical scanning device 10 optically scans the surface to be scanned 5 by reflecting the light beam LB emitted from the light source 3 by the MMD 2 under the control of the drive control section 4 .
  • the scanned surface 5 is, for example, a screen.
  • the MMD 2 is a piezoelectric two-axis drive device that allows the mirror unit 20 (see FIG. 3 ) to swing around a first axis a1 and a second axis a2 perpendicular to the first axis a1.
  • This is a micromirror device based on the method.
  • the direction parallel to the first axis a1 will be referred to as the X direction
  • the direction parallel to the second axis a2 will be referred to as the Y direction
  • the direction perpendicular to the first axis a1 and the second axis a2 will be referred to as the Z direction.
  • the light source 3 is a laser device that emits, for example, a laser beam as the light beam LB. It is preferable that the light source 3 irradiates the light beam LB perpendicularly to the reflective surface 20A (see FIG. 3) of the mirror section 20 when the mirror section 20 of the MMD 2 is stationary.
  • the drive control unit 4 outputs drive signals to the light source 3 and the MMD 2 based on the optical scanning information.
  • the light source 3 generates a light beam LB based on the input drive signal and irradiates the MMD 2 with the light beam LB.
  • the MMD 2 swings the mirror unit 20 around the first axis a 1 and the second axis a 2 based on the input drive signal.
  • the drive control unit 4 causes the mirror unit 20 to resonate around the first axis a1 and the second axis a2 , so that the light beam LB reflected by the mirror unit 20 is
  • the surface 5 is scanned to draw a Lissajous waveform.
  • This optical scanning method is called a Lissajous scan method.
  • the optical scanning device 10 is applied to, for example, a Lissajous scan type laser display. Specifically, the optical scanning device 10 is applicable to laser scan displays such as AR (Augmented Reality) glasses or VR (Virtual Reality) glasses.
  • AR Augmented Reality
  • VR Virtual Reality
  • FIG. 2 shows an example of the hardware configuration of the drive control section 4.
  • the drive control unit 4 includes a CPU (Central Processing Unit) 40, a ROM (Read Only Memory) 41, a RAM (Random Access Memory) 42, a light source driver 43, and an MMD driver 44.
  • the CPU 40 is an arithmetic device that realizes the overall functions of the drive control section 4 by reading programs and data from a storage device such as a ROM 41 into the RAM 42 and executing processing.
  • the CPU 40 is an example of a processor according to the technology of the present disclosure.
  • ROM 41 is a non-volatile storage device that stores programs for the CPU 40 to execute processes, and data such as the optical scanning information described above.
  • RAM 42 is a volatile storage device that temporarily holds programs and data.
  • the light source driver 43 is an electric circuit that outputs a drive signal to the light source 3 under the control of the CPU 40.
  • the drive signal is a drive voltage for controlling the irradiation timing and irradiation intensity of the light source 3.
  • the MMD driver 44 is an electric circuit that outputs a drive signal to the MMD 2 under the control of the CPU 40.
  • the drive signal is a drive voltage for controlling the timing, period, and swing angle of swinging the mirror section 20 of the MMD driver 44.
  • the CPU 40 controls the light source driver 43 and the MMD driver 44 based on the optical scanning information.
  • the optical scanning information is information including the scanning pattern of the light beam LB that scans the scanned surface 5 and the light emission timing of the light source 3.
  • FIG. 3 is an external perspective view of the MMD 2.
  • FIG. 4 is a plan view of the MMD 2 viewed from the light incident side.
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 4.
  • the MMD 2 includes a mirror section 20, a pair of first support sections 21, a pair of movable frames 22, a pair of second support sections 23, a pair of first actuators 24, a pair of second actuators 25, It has a pair of first connection parts 26A, a pair of second connection parts 26B, and a fixed frame 27.
  • MMD2 is a so-called MEMS scanner.
  • the mirror section 20 has a reflective surface 20A that reflects incident light.
  • the reflective surface 20A is formed of a metal thin film, such as gold (Au) or aluminum (Al), provided on one surface of the mirror section 20.
  • the shape of the reflective surface 20A is, for example, a circular shape centered on the intersection of the first axis a1 and the second axis a2 .
  • first axis a 1 and the second axis a 2 exist within a plane including the reflective surface 20A when the mirror section 20 is at rest.
  • the planar shape of the MMD 2 is rectangular, and is line symmetrical about the first axis a1 and line symmetrical about the second axis a2 .
  • the pair of first support parts 21 are disposed at opposing positions with the second axis a2 in between, and have a shape that is line symmetrical about the second axis a2 . Moreover, each of the first support parts 21 has a line-symmetrical shape with respect to the first axis a1 .
  • the first support section 21 is connected to the mirror section 20 on the first axis a1 , and supports the mirror section 20 so as to be swingable around the first axis a1 .
  • the pair of movable frames 22 are disposed at opposing positions with the first axis a1 in between, and have a shape that is line symmetrical about the first axis a1 .
  • Each of the movable frames 22 has a line-symmetrical shape about the second axis a2 .
  • each of the movable frames 22 is curved along the outer periphery of the mirror section 20. Both ends of the movable frame 22 are connected to the first support section 21, respectively.
  • the first support section 21 and the movable frame 22 are connected to each other to surround the mirror section 20.
  • the mirror section 20, the first support section 21, and the movable frame 22 constitute the movable section 60.
  • the pair of second support parts 23 are disposed at opposing positions with the first axis a1 in between, and have a shape that is line symmetrical about the first axis a1 .
  • Each of the second support parts 23 has a shape that is line symmetrical about the second axis a2 .
  • the second support part 23 is connected to the movable frame 22 on the second axis a2 , and supports the movable part 60 having the mirror part 20 so as to be swingable around the second axis a2 . Further, both ends of the second support section 23 are connected to the first actuator 24, respectively.
  • the pair of first actuators 24 are disposed at opposing positions with the second axis a2 in between, and have a line-symmetrical shape with the second axis a2 as the center. Further, the first actuator 24 has a line-symmetrical shape with respect to the first axis a1 .
  • the first actuator 24 is formed along the outer periphery of the movable frame 22 and the first support section 21 .
  • the first actuator 24 is a piezoelectric drive type actuator including a piezoelectric element.
  • first actuator 24 is electrically connected across the first axis a1 by wiring (not shown).
  • a pair of first actuators 24 arranged with the second axis a2 in between are electrically separated.
  • the second support part 23 and the first actuator 24 surround the movable part 60 by being connected to each other.
  • the pair of second actuators 25 are disposed at opposing positions with the first axis a1 in between, and have a line-symmetrical shape with the first axis a1 as the center. Further, the second actuator 25 has a line-symmetrical shape with respect to the second axis a2 .
  • the second actuator 25 is formed along the outer periphery of the first actuator 24 and the second support portion 23 .
  • the second actuator 25 is a piezoelectric drive type actuator including a piezoelectric element.
  • the second actuator 25 is electrically connected with the second axis a2 in between by wiring (not shown).
  • a pair of second actuators 25 placed on both sides of the first axis a1 are electrically separated.
  • the pair of first connecting portions 26A are disposed at opposing positions with the second axis a2 in between, and have a line-symmetrical shape with the second axis a2 as the center. Furthermore, each of the first connecting portions 26A has a line-symmetrical shape with respect to the first axis a1 .
  • the first connecting portion 26A is arranged along the first axis a1 , and connects the first actuator 24 and the second actuator 25 on the first axis a1 .
  • the pair of second connecting portions 26B are disposed at opposing positions with the first axis a1 in between, and have a shape that is line symmetrical about the first axis a1 . Further, each of the second connecting portions 26B extends in the Y direction, and has a line-symmetrical shape with the second axis a2 as the center.
  • the second connecting portion 26B is arranged along the second axis a2 , and connects the second actuator 25 and the fixed frame 27 on the second axis a2 .
  • the second connecting portion 26B supports the second actuator 25 so as to be swingable around the second axis a2 .
  • the second connection portion 26B corresponds to a “connection portion” according to the technology of the present disclosure.
  • the second actuator 25 surrounds the first actuator 24.
  • the first actuator 24 and the second actuator 25 constitute a driving section arranged surrounding the movable frame 22.
  • the fixed frame 27 is a frame-like member having a rectangular outer shape, and has a line-symmetrical shape with respect to the first axis a1 and the second axis a2, respectively.
  • the fixed frame 27 surrounds the second actuator 25 and the second connecting portion 26B. That is, the fixed frame 27 is arranged to surround the drive section.
  • the first actuator 24 and the second actuator 25 are piezoelectric actuators each having a piezoelectric element.
  • the pair of first actuators 24 causes the movable part 60 to swing around the second axis a2 by applying a rotational torque around the second axis a2 to the mirror part 20 and the movable frame 22 .
  • the pair of second actuators 25 swing the mirror part 20 around the first axis a1 by applying rotational torque around the first axis a1 to the mirror part 20, the movable frame 22, and the first actuator 24 .
  • the first support section 21 includes a swing shaft 21A and a pair of connecting sections 21B.
  • the swing shaft 21A is a so-called torsion bar that extends along the first axis a1 .
  • One end of the swing shaft 21A is connected to the mirror section 20, and the other end is connected to the connecting section 21B.
  • the pair of connecting portions 21B are disposed at opposing positions with the first axis a1 in between, and have a line-symmetrical shape with the first axis a1 as the center.
  • the connecting portion 21B has one end connected to the outer end E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A, and the other end connected to the movable frame 22.
  • the connecting portion 21B has a folded structure. Specifically, the connecting portion 21B extends in the direction toward the mirror portion 20 from the outer end portion E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A, and is bent in the outer circumferential direction in a region adjacent to the mirror portion 20. , is bent again in a region adjacent to the first actuator 24 and connected to the movable frame 22.
  • the connecting portion 21B since the connecting portion 21B has elasticity due to the folded structure, it relieves the internal stress applied to the swing axis 21A when the mirror portion 20 swings around the first axis a1 .
  • the swing shaft 21A and the connecting portion 21B respectively correspond to a “first swing shaft” and a “first connecting portion” according to the technology of the present disclosure.
  • the second support portion 23 includes a swing shaft 23A and a pair of connecting portions 23B.
  • the swing shaft 23A is a so-called torsion bar that extends along the second axis a2 .
  • One end of the swing shaft 23A is connected to the movable frame 22, and the other end is connected to the connecting portion 23B.
  • the pair of connecting portions 23B are disposed at opposing positions with the second axis a2 in between, and have a line-symmetrical shape with the second axis a2 as the center.
  • the connecting portion 23B has one end connected to the outer end E2 on the second axis a2 of the swing shaft 23A, and the other end connected to the first actuator 24.
  • the connecting portion 23B has a folded structure. Specifically, the connecting portion 23B extends from the outer end E2 on the second axis a2 of the swing shaft 23A in the direction toward the mirror portion 20, and connects to the first actuator 24 in an area adjacent to the movable frame 22. It is connected.
  • the connecting portion 23B since the connecting portion 23B has elasticity due to the folded structure, it relieves the internal stress applied to the swing axis 23A when the mirror portion 20 swings around the second axis a2.
  • the swing shaft 23A and the connecting portion 23B respectively correspond to a “second swing shaft” and a “second connecting portion” according to the technology of the present disclosure.
  • a plurality of slits 20B and 20C are formed outside the reflective surface 20A along the outer periphery of the reflective surface 20A.
  • the plurality of slits 20B and 20C are arranged at positions that are symmetrical about the first axis a1 and the second axis a2, respectively.
  • the slit 20B has the function of suppressing distortion that occurs on the reflective surface 20A due to the rocking of the mirror section 20.
  • FIGS. 3 and 4 wiring and electrode pads for applying drive signals to the first actuator 24 and the second actuator 25 are not shown.
  • a plurality of electrode pads are provided on the fixed frame 27.
  • the MMD 2 is formed by etching an SOI (Silicon On Insulator) substrate 30, for example.
  • SOI Silicon On Insulator
  • a silicon oxide layer 32 is provided on a first silicon active layer 31 made of single crystal silicon, and a second silicon active layer 33 made of single crystal silicon is provided on the silicon oxide layer 32. It is a board.
  • the mirror part 20, the first support part 21, the movable frame 22, the second support part 23, the first actuator 24, the second actuator 25, the first connection part 26A, and the second connection part 26B are etched from the SOI substrate 30. It is formed by the second silicon active layer 33 that remains after removing the first silicon active layer 31 and the silicon oxide layer 32.
  • the second silicon active layer 33 functions as an elastic portion having elasticity.
  • the fixed frame 27 is formed of three layers: a first silicon active layer 31 , a silicon oxide layer 32 , and a second silicon active layer 33 . That is, the mirror section 20, the first support section 21, the movable frame 22, the second support section 23, the first actuator 24, the second actuator 25, the first connection section 26A, and the second connection section 26B are connected to the fixed frame 27, respectively. It is thinner than. In the present disclosure, thickness refers to width in the Z direction.
  • the first actuator 24 includes a piezoelectric element (not shown) formed on the second silicon active layer 33.
  • the piezoelectric element has a laminated structure in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are laminated in this order on the second silicon active layer 33.
  • the second actuator 25 has a similar configuration to the first actuator 24.
  • the lower electrode and the upper electrode are made of metal such as gold (Au) or platinum (Pt), for example.
  • the piezoelectric film is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate), which is a piezoelectric material.
  • the lower electrode and the upper electrode are electrically connected to the aforementioned drive control section 4 via wiring and electrode pads.
  • the lower electrode is connected to the drive control unit 4 via wiring and electrode pads, and is given a ground potential.
  • a drive voltage is applied to the upper electrode from the drive control section 4.
  • the piezoelectric film When a positive or negative voltage is applied to the piezoelectric film in the polarization direction, deformation (for example, expansion and contraction) occurs in proportion to the applied voltage. That is, the piezoelectric film exhibits a so-called inverse piezoelectric effect.
  • the piezoelectric film exhibits an inverse piezoelectric effect when a drive voltage is applied to the upper electrode from the drive control unit 4, thereby displacing the first actuator 24 and the second actuator 25.
  • FIG. 6 shows an example in which rotational torque about the first axis a1 is generated in the second actuator 25 by expanding one piezoelectric film of the pair of second actuators 25 and contracting the other piezoelectric film. ing. In this way, one and the other of the pair of second actuators 25 are displaced in mutually opposite directions, thereby causing the mirror portion 20 to rotate around the first axis a1 .
  • FIG. 6 shows an anti-phase resonance mode (hereinafter referred to as an anti-phase rotation mode) in which the displacement direction of the pair of second actuators 25 and the rotation direction of the mirror section 20 are opposite to each other.
  • an anti-phase rotation mode in which the displacement direction of the pair of second actuators 25 and the rotation direction of the mirror section 20 are opposite to each other.
  • an in-phase resonance mode in which the displacement direction of the pair of second actuators 25 and the rotation direction of the mirror section 20 are in the same direction is referred to as an in-phase rotation mode.
  • the second actuator 25 is driven in anti-phase rotation mode.
  • the deflection angle ⁇ of the mirror unit 20 around the first axis a1 is controlled by a drive signal (hereinafter referred to as a first drive signal) that the drive control unit 4 gives to the second actuator 25.
  • the first drive signal is, for example, a sinusoidal AC voltage.
  • the first drive signal includes a drive voltage waveform V 1A (t) applied to one of the pair of second actuators 25 and a drive voltage waveform V 1B (t) applied to the other.
  • the drive voltage waveform V 1A (t) and the drive voltage waveform V 1B (t) have opposite phases to each other (that is, a phase difference of 180°).
  • the deflection angle ⁇ around the first axis a1 of the mirror portion 20 corresponds to the angle at which the normal N to the reflective surface 20A is inclined with respect to the Z direction in the YZ plane.
  • the first actuator 24, like the second actuator 25, is driven in the opposite phase rotation mode.
  • the deflection angle of the mirror section 20 around the second axis a2 is controlled by a drive signal (hereinafter referred to as a second drive signal) that the drive control section 4 gives to the first actuator 24.
  • the second drive signal is, for example, a sinusoidal AC voltage.
  • the second drive signal includes a drive voltage waveform V 2A (t) applied to one of the pair of first actuators 24 and a drive voltage waveform V 2B (t) applied to the other.
  • the drive voltage waveform V 2A (t) and the drive voltage waveform V 2B (t) are in opposite phases (that is, a phase difference of 180°).
  • FIG. 7A and 7B show examples of the first and second drive signals, where Fig. 7A shows drive voltage waveforms V 1A (t) and V 1B (t) included in the first drive signal, and Fig. 7B shows drive voltage waveforms V 2A (t) and V 2B (t) included in the second drive signal.
  • V 1A (t) and V 1B (t) are respectively expressed as follows.
  • V 1A (t) V off1 +V 1 sin(2 ⁇ f d1 t)
  • V 1B (t) V off1 +V 1 sin(2 ⁇ f d1 t+ ⁇ )
  • V1 is the amplitude voltage.
  • V off1 is a bias voltage.
  • f d1 is a drive frequency (hereinafter referred to as a first drive frequency).
  • t is time.
  • the mirror section 20 swings around the first axis a 1 at the first drive frequency f d1 . .
  • V 2A (t) and V 2B (t) are respectively expressed as follows.
  • V 2A (t) V off2 +V 2 sin(2 ⁇ f d2 t+ ⁇ )
  • V 2B (t) V off2 +V 2 sin(2 ⁇ f d2 t+ ⁇ + ⁇ )
  • V2 is the amplitude voltage.
  • Voff2 is a bias voltage.
  • f d2 is a drive frequency (hereinafter referred to as a second drive frequency).
  • t is time.
  • the movable part 60 including the mirror part 20 moves along the second axis a 2 at the second driving frequency f d2 . Rock around.
  • the first drive frequency f d1 is set to match the resonance frequency around the first axis a 1 of the mirror section 20 .
  • the second driving frequency f d2 is set to match the resonance frequency around the second axis a 2 of the mirror section 20 .
  • the first drive frequency f d1 is greater than the second drive frequency f d2 .
  • the applicant has discovered that by configuring the MMD 2 as described above, a large deflection angle can be achieved in the anti-phase rotation mode without increasing the area of the drive section. Furthermore, in the MMD 2, the first support part 21 and the second support part 23 are separated from the drive part at the outer ends E1 and E2, respectively, so that stress is prevented from concentrating in one place during drive. . As a result, Si structure destruction of the first support portion 21 and the second support portion 23 is suppressed, and a large deflection angle can be achieved.
  • the applicant prepared a sample of MMD2 and conducted an experiment. 8 and 9 show parameters related to the width, length, etc. of each component of the sample used in the experiment. FIG. 10 shows specific setting values of parameters.
  • the diameter of the mirror portion 20 was 1.5 mm
  • the thickness of the SOI substrate 30 was 430 ⁇ m
  • the thickness of the second silicon active layer 33 was 100 ⁇ m.
  • the length of one side of the fixed frame 27 was set to 5.5 mm.
  • FIG. 11 is a plan view of the MMD 2A according to the second embodiment viewed from the light incident side.
  • the MMD 2A differs from the MMD 2 according to the first embodiment only in the configuration of the first support portion 21.
  • the first support section 21 includes a swing shaft 21A and a pair of connecting sections 21B.
  • One end of the swing shaft 21A is connected to the mirror section 20, and the other end is connected to the connecting section 21B.
  • the connecting portion 21B has one end connected to the outer end E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A, and the other end connected to the movable frame 22.
  • the connecting portion 21B does not have a folded structure. That is, the connecting portion 21B extends from the outer end E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A in the direction toward the mirror portion 20, and is connected to the movable frame 22 in an area adjacent to the mirror portion 20. .
  • FIG. 15 is a plan view of the MMD 2B according to the third embodiment viewed from the light incident side.
  • the MMD 2B differs from the MMD 2 according to the first embodiment only in the configuration of the first support section 21.
  • the first support section 21 includes a swing shaft 21A and a pair of connecting sections 21B.
  • One end of the swing shaft 21A is connected to the mirror section 20, and the other end is connected to the connecting section 21B.
  • the connecting portion 21B has one end connected to the outer end E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A, and the other end connected to the movable frame 22.
  • the connecting portion 21B has a folded structure.
  • the connecting portion 21B extends from the outer end E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A in the direction toward the mirror portion 20, and is adjacent to the mirror portion 20.
  • the movable frame 22 is connected to the movable frame 22 by being bent in the outer circumferential direction in a region adjacent to the first actuator 24 and bent again in a region adjacent to the first actuator 24 .
  • the connecting portion 21B of the present embodiment has the point that it protrudes from the portion connected to the movable frame 22 in the direction of the first axis a1 to the outer end E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A. This is different from the connecting portion 21B of the first embodiment.
  • the symbol P indicates a region where the connecting portion 21B protrudes in the direction of the first axis a1 .
  • 16 and 17 show parameters related to the width, length, etc. of each component of the sample used in the experiment.
  • FIG. 18 shows specific setting values of parameters.
  • FIG. 19 is a plan view of the MMD 2C according to the fourth embodiment viewed from the light incident side.
  • the MMD 2C differs from the MMD 2 according to the first embodiment only in the configuration of the first support section 21.
  • the first support section 21 includes a swing shaft 21A and a pair of connecting sections 21B.
  • One end of the swing shaft 21A is connected to the mirror section 20, and the other end is connected to the connecting section 21B.
  • the connecting portion 21B has one end connected to the outer end E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A, and the other end connected to the movable frame 22.
  • the connecting portion 21B has a folded structure.
  • the connecting portion 21B is bent in the outward direction (i.e., in the second axis a2 direction) from the outer end E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A.
  • the area adjacent to the movable frame 22 forms an annular area C.
  • the connecting portion 21B extends from the annular region C along the first axis a1 , extends along the driving portion in a region adjacent to the driving portion, and is connected to the movable frame 22.
  • FIG. 23 is a plan view of the MMD 2D according to the fifth embodiment viewed from the light incident side.
  • the MMD 2D differs from the MMD 2 according to the first embodiment only in the configuration of the first support portion 21.
  • the first support section 21 includes a swing shaft 21A and a pair of connecting sections 21B.
  • One end of the swing shaft 21A is connected to the mirror section 20, and the other end is connected to the connecting section 21B.
  • the connecting portion 21B has one end connected to the outer end E1 on the first axis a1 of the swing shaft 21A, and the other end connected to the movable frame 22.
  • the connecting portion 21B has a folded structure.
  • the first support section 21 has a pair of connecting sections 21B connected in a region adjacent to the drive section.
  • the first support part 21 of this embodiment has the same configuration as the first support part 21 of the fourth embodiment except that the pair of connecting parts 21B are connected.
  • the applicant also conducted experiments and simulations similar to those described above regarding the MMD2D according to the fifth embodiment.
  • 24 and 25 show parameters related to the width, length, etc. of each component of the sample used in the experiment.
  • FIG. 26 shows specific setting values of parameters.
  • Fig. 27 is a plan view of an MMD 2E according to the first comparative example seen from the light incident side.
  • the MMD 2E differs from the MMD 2 according to the first embodiment in that the first support section 21 and the second support section 23 do not have a folded structure, and the first support section 21 and the second support section 23 are directly connected to the driving section.
  • the first support section 21 is connected to the fixed frame 27 via a connection section 26 on the second axis a2.
  • the movable frame 22 is not provided, and the first actuator 24 is arranged to surround the second actuator 25.
  • FIG. 28 shows parameters related to the width, length, etc. of each component of the sample used in the experiment.
  • FIG. 29 shows specific setting values of parameters.
  • the diameter of the mirror portion 20 was 1.5 mm, the thickness of the SOI substrate 30 was 430 ⁇ m, and the thickness of the second silicon active layer 33 was 100 ⁇ m.
  • the lengths of the fixing frame 27 in the X and Y directions were 6.2 mm and 8.6 mm, respectively.
  • FIG. 30 is a plan view of the MMD 2F according to the second comparative example, viewed from the light incidence side.
  • the first support part 21 and the second support part 23 have a folded structure, but the structure of the second support part 23 is different from the MMD 2 according to the first embodiment.
  • the connecting portion 23B of the second support portion 23 extends from the outer end E2 on the second axis a2 of the swing shaft 23A in the direction toward the mirror portion 20, and is adjacent to the movable frame 22. It is bent in the region and extends in the direction toward the second actuator 25 .
  • the connecting portion 23B is connected to the first actuator 24 in a region adjacent to the second actuator 25. Further, in the second comparative example, the first actuator 24 is connected to the second actuator 25 and the fixed frame 27 via the connecting portion 26 on the first axis a1 .
  • 31 to 33 show parameters related to the width, length, etc. of each component of the sample used in the experiment.
  • FIG. 34 shows specific setting values of parameters.
  • the diameter of the mirror portion 20 was 1.5 mm
  • the thickness of the SOI substrate 30 was 350 ⁇ m
  • the thickness of the second silicon active layer 33 was 60 ⁇ m.
  • the length of one side of the fixed frame 27 was set to 6.1 mm.
  • FIG. 35 shows the results of experiments and simulations related to each of the above embodiments and comparative examples.
  • the mirror section 20 and the first actuator 24 swing in the same phase rather than in opposite phases.
  • the processing section of the drive control section 4 may be configured with one processor, or may be configured with a combination of two or more processors of the same type or different types.
  • the processor includes a CPU, a programmable logic device (PLD), a dedicated electric circuit, and the like.
  • a CPU is a general-purpose processor that executes software (programs) and functions as various processing units.
  • a PLD is a processor such as an FPGA (Field Programmable Gate Array) whose circuit configuration can be changed after manufacturing.
  • the dedicated electric circuit is a processor, such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit), that has a circuit configuration specifically designed to execute a specific process.

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Abstract

本発明のマイクロミラーデバイス（２）は、ミラー部（２０）、一対の第１支持部（２１）、一対の可動枠（２２）、一対の第２支持部（２３）、駆動部、固定枠（２７）、及び一対の接続部（２６Ｂ）を備える。第１支持部（２１）は、第１軸（ａ１）を中心として線対称な形状である。第２支持部（２３）は、第２軸（ａ２）を中心として線対称な形状であって、第２軸（ａ２）に配置された第２揺動軸（２３Ａ）と、第２軸（ａ２）を挟んで対向する位置に配置された一対の第２連結部（２３Ｂ）とを有する。第２揺動軸（２３Ａ）は一端が可動枠（２２）に接続されて他端が第２連結部（２３Ｂ）に接続され、第２連結部（２３Ｂ）は、第２揺動軸（２３Ａ）の第２軸（ａ２）上の外端部からミラー部に向かう方向に延伸し、可動枠（２２）に隣接する領域で駆動部に接続されている。接続部（２６Ｂ）は、第２軸（ａ２）を中心として線対称な形状であって、駆動部を第２軸（ａ２）周りに揺動可能に支持している。

Description

マイクロミラーデバイス及び光走査装置
　本開示の技術は、マイクロミラーデバイス及び光走査装置に関する。
　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、レーザーディスプレイ、レーザープロジェクタ、光干渉断層計などへの幅広い応用が期待されている。
　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。特に、レーザーディスプレイのように高いスキャン角が必要な場合には、圧電駆動方式のマイクロミラーデバイスを共振駆動することにより、より高いスキャン角が得られる。
　レーザーディスプレイに用いられる一般的なマイクロミラーデバイスは、ミラー部と、圧電方式のアクチュエータとを備える（例えば、特開２０１７－１３２２８１号公報参照）。ミラー部は、互いに直交する第１軸及び第２軸の周りに揺動自在である。アクチュエータは、外部から供給される駆動電圧に応じて、ミラー部を、第１軸及び第２軸の周りに揺動させる駆動部である。
　レーザーディスプレイの性能指標として解像度と視野角とが挙げられる。解像度及び視野角には、ミラー部の揺動周波数と振れ角とが大きく影響する。例えば、リサージュスキャン型のレーザーディスプレイでは、ミラー部を、第１軸及び第２軸の周りにそれぞれ異なる周波数で同時に揺動させることで二次元光走査を行う。このとき、ミラー部の振れ角が大きいほど光の走査面積が大きくなり、より短い光路長でより大きな画像を表示することができる。
　ミラー部の振れ角を大きくするためには、駆動部の面積を大きくして駆動トルクを増大させるのが最も単純な方法である。しかしながら、駆動部の面積を大きくすることは、マイクロミラーデバイスの大型化につながり、レーザーディスプレイ用途のマイクロミラーデバイスに要求される小型化に反してしまう。
　この問題を解決するために、共振駆動を用いるマイクロミラーデバイスでは、共振モードを調整することによりミラー部の振れ角を向上させることが多い。例えば、ミラー部と駆動部を互いに逆位相で揺動させる共振モードは、駆動部への印加電圧に対する振れ角の利得が大きい。しかし、この逆位相の共振モードでは揺動軸に大きな応力がかかるため、耐久性の観点から振れ角を大きくすることは容易でない。
　本開示の技術は、駆動部の面積を大きくすることなく、大きな振れ角を実現することを可能とするマイクロミラーデバイス及び光走査装置を提供することを目的とする。
　上記目的を達成するために、本開示のマイクロミラーデバイスは、入射光を反射する反射面を有するミラー部と、ミラー部の静止時における反射面を含む平面内にある第１軸上でミラー部と接続され、かつミラー部を第１軸周りに揺動可能に支持する一対の第１支持部と、第１支持部に接続され、第１軸を挟んで対向した一対の可動枠と、平面内であって第１軸に直交する第２軸上で可動枠に接続され、かつミラー部と第１支持部と可動枠とを第２軸周りに揺動可能に支持する一対の第２支持部と、第２支持部に接続され、かつ可動枠を囲んで配置された駆動部と、駆動部を囲んで配置された固定枠と、駆動部と固定枠とを接続する一対の接続部と、を備え、第１支持部は、第１軸を中心として線対称な形状であり、第２支持部は、第２軸を中心として線対称な形状であって、第２軸に配置された第２揺動軸と、第２軸を挟んで対向する位置に配置された一対の第２連結部とを有し、第２揺動軸は一端が可動枠に接続されて他端が第２連結部に接続され、第２連結部は、第２揺動軸の第２軸上の外端部からミラー部に向かう方向に延伸し、可動枠に隣接する領域で駆動部に接続されており、接続部は、第２軸を中心として線対称な形状であって、駆動部を第２軸周りに揺動可能に支持している。
　駆動部は、第２支持部に接続され、かつ第２軸を挟んで対向し、圧電素子を有する一対の第１アクチュエータと、第１アクチュエータを囲んで配置され、かつ第１軸を挟んで対向し、圧電素子を有する一対の第２アクチュエータと、を備えることが好ましい。
　接続部は、第２軸上に配置されていることが好ましい。
　第１支持部は、第１軸を中心として線対称な形状であって、第１軸に配置された第１揺動軸と、第１軸を挟んで対向する位置に配置された一対の第１連結部とを有することが好ましい。
　第１揺動軸は一端がミラー部に接続されて他端が第１連結部に接続され、第１連結部は、第１揺動軸の第１軸上の外端部からミラー部に向かう方向に延伸し、ミラー部に隣接する領域で外周方向に屈曲し、駆動部に隣接する領域で再び屈曲して可動枠に接続されていることが好ましい。
　第１揺動軸は一端がミラー部に接続されて他端が第１連結部に接続され、第１連結部は、第１揺動軸の第１軸上の外端部からミラー部に向かう方向に延伸し、ミラー部に隣接する領域で可動枠に接続されていることが好ましい。
　第１連結部は、可動枠に接続された部分から第１軸の方向に、第１揺動軸の第１軸上の外端部までせり出していることが好ましい。
　第１連結部は、第１揺動軸の第１軸の外端部から外側方向に屈曲しており、可動枠に隣接する領域で環状領域を形成しており、さらに環状領域から第１軸に沿って延伸し、駆動部に隣接する領域で駆動部に沿って延伸して可動枠に接続されていることが好ましい。
　一対の第１連結部は、駆動部に隣接する領域で接続されていることが好ましい。
　本開示の光走査装置は、上記マイクロミラーデバイスと、駆動部を駆動するプロセッサと、を備える光走査装置であって、プロセッサは、駆動部に駆動信号を与えることにより、ミラー部を第１軸及び第２軸の周りにそれぞれ揺動させる。
　本開示の技術によれば、駆動部の面積を大きくすることなく、大きな振れ角を実現することを可能とするマイクロミラーデバイス及び光走査装置を提供することができる。
光走査装置の概略図である。 駆動制御部のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 第１実施形態に係るマイクロミラーデバイスの外観斜視図である。 第１実施形態に係るマイクロミラーデバイスを光入射側から見た平面図である。 図４のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 ミラー部が第１軸周りに回動した状態を示す断面図である。 第１駆動信号及び第２駆動信号の一例を示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 パラメータの具体的な設定値を示す図である。 第２実施形態に係るマイクロミラーデバイスを光入射側から見た平面図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 パラメータの具体的な設定値を示す図である。 第３実施形態に係るマイクロミラーデバイスを光入射側から見た平面図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 パラメータの具体的な設定値を示す図である。 第４実施形態に係るマイクロミラーデバイスを光入射側から見た平面図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 パラメータの具体的な設定値を示す図である。 第５実施形態に係るマイクロミラーデバイスを光入射側から見た平面図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 パラメータの具体的な設定値を示す図である。 第１比較例に係るマイクロミラーデバイスを光入射側から見た平面図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 パラメータの具体的な設定値を示す図である。 第２比較例に係るマイクロミラーデバイスを光入射側から見た平面図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 パラメータの具体的な設定値を示す図である。 各実施形態及び各比較例に係る実験及びシミュレーションの結果を示す図である。
　添付図面に従って本開示の技術に係る実施形態の一例について説明する。
　［第１実施形態］
　図１は、第１実施形態に係る光走査装置１０を概略的に示す。光走査装置１０は、マイクロミラーデバイス（以下、ＭＭＤ（Micro Mirror Device）という。）２と、光源３と、駆動制御部４とを有する。光走査装置１０は、駆動制御部４の制御に従って、光源３から照射された光ビームＬＢをＭＭＤ２により反射することにより被走査面５を光走査する。被走査面５は、例えばスクリーンである。
　ＭＭＤ２は、第１軸ａ１と、第１軸ａ１に直交する第２軸ａ２との周りに、ミラー部２０（図３参照）を揺動させることを可能とする圧電型２軸駆動方式のマイクロミラーデバイスである。以下、第１軸ａ１と平行な方向をＸ方向、第２軸ａ２と平行な方向をＹ方向、第１軸ａ１及び第２軸ａ２に直交する方向をＺ方向という。
　光源３は、光ビームＬＢとして、例えばレーザ光を発するレーザ装置である。光源３は、ＭＭＤ２のミラー部２０が静止した状態において、ミラー部２０が備える反射面２０Ａ（図３参照）に垂直に光ビームＬＢを照射することが好ましい。
　駆動制御部４は、光走査情報に基づいて光源３及びＭＭＤ２に駆動信号を出力する。光源３は、入力された駆動信号に基づいて光ビームＬＢを発生してＭＭＤ２に照射する。ＭＭＤ２は、入力された駆動信号に基づいて、ミラー部２０を第１軸ａ１及び第２軸ａ２の周りに揺動させる。
　詳しくは後述するが、駆動制御部４は、ミラー部２０を第１軸ａ１及び第２軸ａ２の周りにそれぞれ共振させることにより、ミラー部２０で反射される光ビームＬＢは、被走査面５上においてリサージュ波形を描くように走査される。この光走査方式は、リサージュスキャン方式と呼ばれる。
　光走査装置１０は、例えば、リサージュスキャン方式のレーザーディスプレイに適用される。具体的には、光走査装置１０は、ＡＲ（Augmented Reality）グラス又はＶＲ（Virtual Reality）グラス等のレーザースキャンディスプレイに適用可能である。
　図２は、駆動制御部４のハードウェア構成の一例を示す。駆動制御部４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０、ＲＯＭ（Read Only Memory）４１、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２、光源ドライバ４３、及びＭＭＤドライバ４４を有する。ＣＰＵ４０は、ＲＯＭ４１等の記憶装置からプログラム及びデータをＲＡＭ４２に読み出して処理を実行することにより、駆動制御部４の全体の機能を実現する演算装置である。ＣＰＵ４０は、本開示の技術に係るプロセッサの一例である。
　ＲＯＭ４１は、不揮発性の記憶装置であり、ＣＰＵ４０が処理を実行するためのプログラム、及び前述の光走査情報等のデータを記憶している。ＲＡＭ４２は、プログラム及びデータを一時的に保持する揮発性の記憶装置である。
　光源ドライバ４３は、ＣＰＵ４０の制御に従って、光源３に駆動信号を出力する電気回路である。光源ドライバ４３においては、駆動信号は、光源３の照射タイミング及び照射強度を制御するための駆動電圧である。
　ＭＭＤドライバ４４は、ＣＰＵ４０の制御に従って、ＭＭＤ２に駆動信号を出力する電気回路である。ＭＭＤドライバ４４においては、駆動信号は、ＭＭＤドライバ４４のミラー部２０を揺動させるタイミング、周期、及び振れ角を制御するための駆動電圧である。
　ＣＰＵ４０は、光走査情報に基づいて光源ドライバ４３及びＭＭＤドライバ４４を制御する。光走査情報は、被走査面５に走査する光ビームＬＢの走査パターンと、光源３の発光タイミングとを含む情報である。
　次に、図３～図５を用いて第１実施形態に係るＭＭＤ２の構成を説明する。図３は、ＭＭＤ２の外観斜視図である。図４は、ＭＭＤ２を光入射側から見た平面図である。図５は、図４のＡ－Ａ線に沿った断面図である。
　図３に示すように、ＭＭＤ２は、ミラー部２０、一対の第１支持部２１、一対の可動枠２２、一対の第２支持部２３、一対の第１アクチュエータ２４、一対の第２アクチュエータ２５、一対の第１接続部２６Ａ、一対の第２接続部２６Ｂ、及び固定枠２７を有する。ＭＭＤ２は、いわゆるＭＥＭＳスキャナである。
　ミラー部２０は、入射光を反射する反射面２０Ａを有する。反射面２０Ａは、ミラー部２０の一面に設けられた、例えば、金（Ａｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜で形成されている。反射面２０Ａの形状は、例えば、第１軸ａ１と第２軸ａ２との交点を中心とした円形状である。
　第１軸ａ１及び第２軸ａ２は、例えば、ミラー部２０が静止した静止時において反射面２０Ａを含む平面内に存在する。ＭＭＤ２の平面形状は、矩形状であって、第１軸ａ１を中心として線対称であり、かつ第２軸ａ２を中心として線対称である。
　一対の第１支持部２１は、第２軸ａ２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ２を中心として線対称な形状である。また、第１支持部２１の各々は、第１軸ａ１を中心として線対称な形状である。第１支持部２１は、第１軸ａ１上でミラー部２０と接続されており、ミラー部２０を第１軸ａ１周りに揺動可能に支持している。
　一対の可動枠２２は、第１軸ａ１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ１を中心として線対称となる形状である。可動枠２２の各々は、第２軸ａ２を中心として線対称な形状である。また、可動枠２２の各々は、ミラー部２０の外周に沿って湾曲している。可動枠２２の両端はそれぞれ第１支持部２１に接続されている。
　第１支持部２１と可動枠２２とは、互いに接続されることにより、ミラー部２０を囲んでいる。なお、ミラー部２０、第１支持部２１、及び可動枠２２は、可動部６０を構成している。
　一対の第２支持部２３は、第１軸ａ１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ１を中心として線対称な形状である。第２支持部２３の各々は、第２軸ａ２を中心として線対称な形状である。第２支持部２３は、第２軸ａ２上で可動枠２２に接続されており、ミラー部２０を有する可動部６０を、第２軸ａ２周りに揺動可能に支持している。また、第２支持部２３の両端はそれぞれ第１アクチュエータ２４に接続されている。
　一対の第１アクチュエータ２４は、第２軸ａ２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ２を中心として線対称な形状である。また、第１アクチュエータ２４は、第１軸ａ１を中心として線対称な形状である。第１アクチュエータ２４は、可動枠２２及び第１支持部２１の外周に沿って形成されている。第１アクチュエータ２４は、圧電素子を備えた圧電駆動方式のアクチュエータである。
　なお、第１アクチュエータ２４は、不図示の配線により、第１軸ａ１を挟んで電気的に接続されている。第２軸ａ２を挟んで配置された一対の第１アクチュエータ２４は、電気的に分離している。
　第２支持部２３と第１アクチュエータ２４とは、互いに接続されることにより、可動部６０を囲んでいる。
　一対の第２アクチュエータ２５は、第１軸ａ１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ１を中心として線対称な形状である。また、第２アクチュエータ２５は、第２軸ａ２を中心として線対称な形状である。第２アクチュエータ２５は、第１アクチュエータ２４及び第２支持部２３の外周に沿って形成されている。第２アクチュエータ２５は、圧電素子を備えた圧電駆動方式のアクチュエータである。
　なお、第２アクチュエータ２５は、不図示の配線により、第２軸ａ２を挟んで電気的に接続されている。第１軸ａ１を挟んで配置された一対の第２アクチュエータ２５は、電気的に分離している。
　一対の第１接続部２６Ａは、第２軸ａ２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ２を中心として線対称な形状である。また、第１接続部２６Ａの各々は、第１軸ａ１を中心として線対称な形状である。第１接続部２６Ａは、第１軸ａ１に沿って配置されており、第１軸ａ１上で、第１アクチュエータ２４と第２アクチュエータ２５とを接続している。
　一対の第２接続部２６Ｂは、第１軸ａ１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ１を中心として線対称な形状である。また、第２接続部２６Ｂの各々は、Ｙ方向に延伸しており、かつ第２軸ａ２を中心として線対称な形状である。第２接続部２６Ｂは、第２軸ａ２に沿って配置されており、第２軸ａ２上で、第２アクチュエータ２５と固定枠２７とを接続している。第２接続部２６Ｂは、第２アクチュエータ２５を第２軸ａ２周りに揺動可能に支持している。第２接続部２６Ｂは、本開示の技術に係る「接続部」に対応する。
　第２アクチュエータ２５は、第１アクチュエータ２４を囲んでいる。第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５は、可動枠２２を囲んで配置された駆動部を構成している。
　固定枠２７は、外形が矩形状の枠状部材であって、第１軸ａ１及び第２軸ａ２をそれぞれ中心として線対称な形状である。固定枠２７は、第２アクチュエータ２５及び第２接続部２６Ｂの外周を囲んでいる。すなわち、固定枠２７は、駆動部を囲んで配置されている。
　第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５は、それぞれ圧電素子を有する圧電アクチュエータである。一対の第１アクチュエータ２４は、ミラー部２０及び可動枠２２に第２軸ａ２周りの回転トルクを作用させることにより、可動部６０を第２軸ａ２周りに揺動させる。一対の第２アクチュエータ２５は、ミラー部２０、可動枠２２、及び第１アクチュエータ２４に第１軸ａ１周りの回転トルクを作用させることにより、ミラー部２０を第１軸ａ１周りに揺動させる。
　図４に示すように、第１支持部２１は、揺動軸２１Ａと、一対の連結部２１Ｂとで構成されている。揺動軸２１Ａは、第１軸ａ１に沿って延伸した、いわゆるトーションバーである。揺動軸２１Ａは、一端がミラー部２０に接続されており、他端が連結部２１Ｂに接続されている。
　一対の連結部２１Ｂは、第１軸ａ１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ１を中心として線対称な形状である。連結部２１Ｂは、一端が揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１に接続されており、他端が可動枠２２に接続されている。連結部２１Ｂは、折り返し構造を有している。具体的には、連結部２１Ｂは、揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１からミラー部２０に向かう方向に延伸し、ミラー部２０に隣接する領域で外周方向に屈曲し、第１アクチュエータ２４に隣接する領域で再び屈曲して可動枠２２に接続されている。このように、連結部２１Ｂは、折り返し構造により弾性を有するため、ミラー部２０が第１軸ａ１周りに揺動する際に、揺動軸２１Ａにかかる内部応力を緩和する。なお、揺動軸２１Ａ及び連結部２１Ｂは、本開示の技術に係る「第１揺動軸」及び「第１連結部」にそれぞれ対応する。
　第２支持部２３は、揺動軸２３Ａと、一対の連結部２３Ｂとで構成されている。揺動軸２３Ａは、第２軸ａ２に沿って延伸した、いわゆるトーションバーである。揺動軸２３Ａは、一端が可動枠２２に接続されており、他端が連結部２３Ｂに接続されている。
　一対の連結部２３Ｂは、第２軸ａ２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ２を中心として線対称な形状である。連結部２３Ｂは、一端が揺動軸２３Ａの第２軸ａ２上の外端部Ｅ２に接続されており、他端が第１アクチュエータ２４に接続されている。連結部２３Ｂは、折り返し構造を有している。具体的には、連結部２３Ｂは、揺動軸２３Ａの第２軸ａ２上の外端部Ｅ２からミラー部２０に向かう方向に延伸し、可動枠２２に隣接する領域で第１アクチュエータ２４に接続されている。このように、連結部２３Ｂは、折り返し構造により弾性を有するため、ミラー部２０が第２軸ａ２周りに揺動する際に、揺動軸２３Ａにかかる内部応力を緩和する。なお、揺動軸２３Ａ及び連結部２３Ｂは、本開示の技術に係る「第２揺動軸」及び「第２連結部」にそれぞれ対応する。
　また、ミラー部２０には、反射面２０Ａの外側に、反射面２０Ａの外周に沿って複数のスリット２０Ｂ，２０Ｃが形成されている。複数のスリット２０Ｂ，２０Ｃは、第１軸ａ１及び第２軸ａ２をそれぞれ中心として線対称となる位置に配置されている。スリット２０Ｂは、ミラー部２０が揺動することにより反射面２０Ａに生じる歪を抑制する作用を有する。
　図３及び図４では、第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５に駆動信号を与えるための配線及び電極パッドについては図示を省略している。電極パッドは、固定枠２７上に複数設けられる。
　図５に示すように、ＭＭＤ２は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３０をエッチング処理することにより形成されている。ＳＯＩ基板３０は、単結晶シリコンからなる第１シリコン活性層３１の上に、酸化シリコン層３２が設けられ、酸化シリコン層３２の上に単結晶シリコンからなる第２シリコン活性層３３が設けられた基板である。
　ミラー部２０、第１支持部２１、可動枠２２、第２支持部２３、第１アクチュエータ２４、第２アクチュエータ２５、第１接続部２６Ａ、及び第２接続部２６Ｂは、ＳＯＩ基板３０からエッチング処理により第１シリコン活性層３１及び酸化シリコン層３２を除去することで残存した第２シリコン活性層３３により形成されている。第２シリコン活性層３３は、弾性を有する弾性部として機能する。固定枠２７は、第１シリコン活性層３１、酸化シリコン層３２、及び第２シリコン活性層３３の３層で形成されている。すなわち、ミラー部２０、第１支持部２１、可動枠２２、第２支持部２３、第１アクチュエータ２４、第２アクチュエータ２５、第１接続部２６Ａ、及び第２接続部２６Ｂは、それぞれ固定枠２７よりも厚みが薄い。本開示において、厚みとは、Ｚ方向への幅をいう。
　第１アクチュエータ２４は、第２シリコン活性層３３上に形成された圧電素子（図示せず）を含む。圧電素子は、第２シリコン活性層３３上に、下部電極、圧電膜、及び上部電極が順に積層された積層構造を有する。第２アクチュエータ２５は、第１アクチュエータ２４と同様の構成である。
　下部電極及び上部電極は、例えば、金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）等の金属で形成されている。圧電膜は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で形成されている。下部電極及び上部電極は、配線及び電極パッドを介して、前述の駆動制御部４に電気的に接続されている。
　下部電極は、配線及び電極パッドを介して駆動制御部４に接続され、グランド電位が付与される。上部電極には、駆動制御部４から駆動電圧が印加される。
　圧電膜は、分極方向に正又は負の電圧が印加されると、印加電圧に比例した変形（例えば、伸縮）が生じる。すなわち、圧電膜は、いわゆる逆圧電効果を発揮する。圧電膜は、駆動制御部４から上部電極に駆動電圧が印加されることにより逆圧電効果を発揮して、第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５を変位させる。
　図６は、一対の第２アクチュエータ２５の一方の圧電膜を伸張させ、他方の圧電膜を収縮させることにより、第２アクチュエータ２５に、第１軸ａ１周りの回転トルクを発生させる例を示している。このように、一対の第２アクチュエータ２５の一方と他方とが互いに逆方向に変位することにより、ミラー部２０が第１軸ａ１の周りに回動する。
　また、図６は、一対の第２アクチュエータ２５の変位方向と、ミラー部２０の回動方向とが互いに逆方向である逆位相の共振モード（以下、逆位相回動モードという。）で、第２アクチュエータ２５を駆動した例である。これに対して、一対の第２アクチュエータ２５の変位方向と、ミラー部２０の回動方向とが同じ方向である同位相の共振モードを、同位相回動モードという。本実施形態では、逆位相回動モードで第２アクチュエータ２５を駆動する。
　ミラー部２０の第１軸ａ１周りの振れ角θは、駆動制御部４が第２アクチュエータ２５に与える駆動信号（以下、第１駆動信号という。）により制御される。第１駆動信号は、例えば正弦波の交流電圧である。第１駆動信号は、一対の第２アクチュエータ２５の一方に印加される駆動電圧波形Ｖ１Ａ（ｔ）と、他方に印加される駆動電圧波形Ｖ１Ｂ（ｔ）とを含む。駆動電圧波形Ｖ１Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ１Ｂ（ｔ）は、互いに逆位相（すなわち位相差１８０°）である。
　なお、ミラー部２０の第１軸ａ１周りの振れ角θは、反射面２０Ａの法線Ｎが、ＹＺ平面においてＺ方向に対して傾斜する角度に対応する。
　第１アクチュエータ２４は、第２アクチュエータ２５と同様に、逆位相回動モードで駆動される。ミラー部２０の第２軸ａ２周りの振れ角は、駆動制御部４が第１アクチュエータ２４に与える駆動信号（以下、第２駆動信号という。）により制御される。第２駆動信号は、例えば正弦波の交流電圧である。第２駆動信号は、一対の第１アクチュエータ２４の一方に印加される駆動電圧波形Ｖ２Ａ（ｔ）と、他方に印加される駆動電圧波形Ｖ２Ｂ（ｔ）とを含む。駆動電圧波形Ｖ２Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ２Ｂ（ｔ）は、互いに逆位相（すなわち位相差１８０°）である。
　図７は、第１駆動信号及び第２駆動信号の一例を示す。図７（Ａ）は、第１駆動信号に含まれる駆動電圧波形Ｖ１Ａ（ｔ）及びＶ１Ｂ（ｔ）を示す。図７（Ｂ）は、第２駆動信号に含まれる駆動電圧波形Ｖ２Ａ（ｔ）及びＶ２Ｂ（ｔ）を示す。
　駆動電圧波形Ｖ１Ａ（ｔ）及びＶ１Ｂ（ｔ）は、それぞれ次のように表される。
　Ｖ１Ａ（ｔ）＝Ｖｏｆｆ１＋Ｖ１ｓｉｎ（２πｆｄ１ｔ）
　Ｖ１Ｂ（ｔ）＝Ｖｏｆｆ１＋Ｖ１ｓｉｎ（２πｆｄ１ｔ＋α）
　ここで、Ｖ１は振幅電圧である。Ｖｏｆｆ１はバイアス電圧である。ｆｄ１は駆動周波数（以下、第１駆動周波数という。）である。ｔは時間である。αは、駆動電圧波形Ｖ１Ａ（ｔ）及びＶ１Ｂ（ｔ）の位相差である。本実施形態では、例えば、α＝１８０°とする。
　駆動電圧波形Ｖ１Ａ（ｔ）及びＶ１Ｂ（ｔ）が一対の第２アクチュエータ２５に印加されることにより、ミラー部２０は、第１駆動周波数ｆｄ１で第１軸ａ１周りに揺動する。
　駆動電圧波形Ｖ２Ａ（ｔ）及びＶ２Ｂ（ｔ）は、それぞれ次のように表される。
　Ｖ２Ａ（ｔ）＝Ｖｏｆｆ２＋Ｖ２ｓｉｎ（２πｆｄ２ｔ＋φ）
　Ｖ２Ｂ（ｔ）＝Ｖｏｆｆ２＋Ｖ２ｓｉｎ（２πｆｄ２ｔ＋β＋φ）
　ここで、Ｖ２は振幅電圧である。Ｖｏｆｆ２はバイアス電圧である。ｆｄ２は駆動周波数（以下、第２駆動周波数という。）である。ｔは時間である。βは、駆動電圧波形Ｖ２Ａ（ｔ）及びＶ２Ｂ（ｔ）の位相差である。本実施形態では、例えば、β＝１８０°とする。また、φは、駆動電圧波形Ｖ１Ａ（ｔ）及びＶ１Ｂ（ｔ）と、駆動電圧波形Ｖ２Ａ（ｔ）及びＶ２Ｂ（ｔ）との位相差である。また、本実施形態では、例えば、Ｖｏｆｆ１＝Ｖｏｆｆ２＝０Ｖとする。
　駆動電圧波形Ｖ２Ａ（ｔ）及びＶ２Ｂ（ｔ）が一対の第１アクチュエータ２４に印加されることにより、ミラー部２０を含む可動部６０は、第２駆動周波数ｆｄ２で第２軸ａ２周りに揺動する。
　第１駆動周波数ｆｄ１は、ミラー部２０の第１軸ａ１周りの共振周波数に一致するように設定される。第２駆動周波数ｆｄ２は、ミラー部２０の第２軸ａ２周りの共振周波数に一致するように設定される。例えば、第１駆動周波数ｆｄ１は、第２駆動周波数ｆｄ２より大きい。
　出願人は、以上のようにＭＭＤ２を構成することにより、逆位相回動モードによって、駆動部の面積を大きくすることなく、大きな振れ角を実現することができることを見出した。また、ＭＭＤ２では、第１支持部２１及び第２支持部２３は、それぞれ外端部Ｅ１，Ｅ２において駆動部から分離しているので、駆動時に一か所に応力が集中することが抑制される。これにより、第１支持部２１及び第２支持部２３がＳｉ構造破壊を起こすことが抑制され、大きな振れ角を実現することができる。
　上記の効果を検証するために、本出願人は、ＭＭＤ２のサンプルを作製して実験を行った。図８及び図９は、実験に用いたサンプルの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図１０は、パラメータの具体的な設定値を示す。
　また、ミラー部２０の直径を１．５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを４３０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを１００μｍとした。また、固定枠２７の一辺の長さを５．５ｍｍとした。
　本実験では、真空中（５０Ｐａ未満）においてミラー部２０を第２軸ａ２周りに逆位相回動モードで共振駆動し、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧（すなわち振幅電圧Ｖ２）を確認した。θ＝１１．２５°は、光ビームＬＢの走査角（全角）では４５°に対応する。実験の結果、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は、３．８Ｖであった。
　また、有限要素法による共振モード解析シミュレーションを実施した。具体的には、ミラー部２０を第２軸ａ２周りに逆位相回動モードで共振駆動し、θ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力を算出した。このミーゼス応力の算出値は、１．７９Ｇｐａであった。
　［第２実施形態］
　次に、第２実施形態について説明する。図１１は、第２実施形態に係るＭＭＤ２Ａを光入射側から見た平面図である。ＭＭＤ２Ａは、第１支持部２１の構成のみが第１実施形態に係るＭＭＤ２と異なる。
　本実施形態では、第１支持部２１は、揺動軸２１Ａと、一対の連結部２１Ｂとで構成されている。揺動軸２１Ａは、一端がミラー部２０に接続されており、他端が連結部２１Ｂに接続されている。連結部２１Ｂは、一端が揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１に接続されており、他端が可動枠２２に接続されている。本実施形態では、連結部２１Ｂは、折り返し構造を有していない。すなわち、連結部２１Ｂは、揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１からミラー部２０に向かう方向に延伸し、ミラー部２０に隣接する領域で可動枠２２に接続されている。
　本出願人は、第２実施形態に係るＭＭＤ２Ａについても上記と同様の実験及びシミュレーションを実施した。図１２及び図１３は、実験に用いたサンプルの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図１４は、パラメータの具体的な設定値を示す。
　実験の結果、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は、３．７Ｖであった。また、共振モード解析シミュレーションの結果、θ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力の算出値は、１．７７Ｇｐａであった。
　［第３実施形態］
　次に、第３実施形態について説明する。図１５は、第３実施形態に係るＭＭＤ２Ｂを光入射側から見た平面図である。ＭＭＤ２Ｂは、第１支持部２１の構成のみが第１実施形態に係るＭＭＤ２と異なる。
　本実施形態では、第１支持部２１は、揺動軸２１Ａと、一対の連結部２１Ｂとで構成されている。揺動軸２１Ａは、一端がミラー部２０に接続されており、他端が連結部２１Ｂに接続されている。連結部２１Ｂは、一端が揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１に接続されており、他端が可動枠２２に接続されている。本実施形態では、連結部２１Ｂは、折り返し構造を有している。
　具体的には、第１実施形態と同様に、連結部２１Ｂは、揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１からミラー部２０に向かう方向に延伸し、ミラー部２０に隣接する領域で外周方向に屈曲し、第１アクチュエータ２４に隣接する領域で再び屈曲して可動枠２２に接続されている。本実施形態の連結部２１Ｂは、可動枠２２に接続された部分から第１軸ａ１の方向に、揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１までせり出している点が第１実施形態の連結部２１Ｂと異なる。符号Ｐは、連結部２１Ｂが第１軸ａ１の方向にせり出した領域を示している。
　本出願人は、第３実施形態に係るＭＭＤ２Ｂについても上記と同様の実験及びシミュレーションを実施した。図１６及び図１７は、実験に用いたサンプルの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図１８は、パラメータの具体的な設定値を示す。
　実験の結果、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は、３．５Ｖであった。また、共振モード解析シミュレーションの結果、θ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力の算出値は、１．７７Ｇｐａであった。
　［第４実施形態］
　次に、第４実施形態について説明する。図１９は、第４実施形態に係るＭＭＤ２Ｃを光入射側から見た平面図である。ＭＭＤ２Ｃは、第１支持部２１の構成のみが第１実施形態に係るＭＭＤ２と異なる。
　本実施形態では、第１支持部２１は、揺動軸２１Ａと、一対の連結部２１Ｂとで構成されている。揺動軸２１Ａは、一端がミラー部２０に接続されており、他端が連結部２１Ｂに接続されている。連結部２１Ｂは、一端が揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１に接続されており、他端が可動枠２２に接続されている。本実施形態では、連結部２１Ｂは、折り返し構造を有している。
　具体的には、第１実施形態と同様に、連結部２１Ｂは、揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１から外側方向（すなわち第２軸ａ２方向）に屈曲しており、可動枠２２に隣接する領域で環状領域Ｃを形成している。また、連結部２１Ｂは、環状領域Ｃから第１軸ａ１に沿って延伸し、駆動部に隣接する領域で駆動部に沿って延伸して可動枠２２に接続されている。
　本出願人は、第４実施形態に係るＭＭＤ２Ｃについても上記と同様の実験及びシミュレーションを実施した。図２０及び図２１は、実験に用いたサンプルの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図２２は、パラメータの具体的な設定値を示す。
　実験の結果、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は、３．８Ｖであった。また、共振モード解析シミュレーションの結果、θ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力の算出値は、１．７９Ｇｐａであった。
　［第５実施形態］
　次に、第５実施形態について説明する。図２３は、第５実施形態に係るＭＭＤ２Ｄを光入射側から見た平面図である。ＭＭＤ２Ｄは、第１支持部２１の構成のみが第１実施形態に係るＭＭＤ２と異なる。
　本実施形態では、第１支持部２１は、揺動軸２１Ａと、一対の連結部２１Ｂとで構成されている。揺動軸２１Ａは、一端がミラー部２０に接続されており、他端が連結部２１Ｂに接続されている。連結部２１Ｂは、一端が揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部Ｅ１に接続されており、他端が可動枠２２に接続されている。本実施形態では、連結部２１Ｂは、折り返し構造を有している。
　本実施形態では、第１支持部２１は、第４実施形態の構成に加えて、一対の連結部２１Ｂが、駆動部に隣接する領域で接続されている。本実施形態の第１支持部２１は、一対の連結部２１Ｂが接続されていること以外については、第４実施形態の第１支持部２１と同様の構成である。
　本出願人は、第５実施形態に係るＭＭＤ２Ｄについても上記と同様の実験及びシミュレーションを実施した。図２４及び図２５は、実験に用いたサンプルの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図２６は、パラメータの具体的な設定値を示す。
　実験の結果、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は、３．８Ｖであった。また、共振モード解析シミュレーションの結果、θ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力の算出値は、１．８０Ｇｐａであった。
　［第１比較例］
　次に、第１比較例について説明する。図２７は、第１比較例に係るＭＭＤ２Ｅを光入射側から見た平面図である。ＭＭＤ２Ｅは、第１支持部２１及び第２支持部２３が折り返し構造を有しておらず、第１支持部２１及び第２支持部２３が駆動部に直接接続されている点が第１実施形態に係るＭＭＤ２と異なる。また、第１比較例では、第１支持部２１は、第２軸ａ２上において接続部２６を介して固定枠２７に接続されている。さらに、第１比較例では、可動枠２２が設けられておらず、第１アクチュエータ２４は、第２アクチュエータ２５を囲うように配置されている。
　本出願人は、第１比較例に係るＭＭＤ２Ｅについても上記と同様の実験及びシミュレーションを実施した。図２８は、実験に用いたサンプルの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図２９は、パラメータの具体的な設定値を示す。
　また、ミラー部２０の直径を１．５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを４３０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを１００μｍとした。また、固定枠２７のＸ方向及びＹ方向の長さを、それぞれ６．２ｍｍ及び８．６ｍｍとした。
　実験の結果、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は、３．２Ｖであった。また、共振モード解析シミュレーションの結果、θ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力の算出値は、２．１５５Ｇｐａであった。
　［第２比較例］
　次に、第２比較例について説明する。図３０は、第２比較例に係るＭＭＤ２Ｆを光入射側から見た平面図である。ＭＭＤ２Ｆは、第１支持部２１及び第２支持部２３が折り返し構造を有しているが、第２支持部２３の構造が第１実施形態に係るＭＭＤ２と異なる。第２比較例では、第２支持部２３の連結部２３Ｂは、揺動軸２３Ａの第２軸ａ２上の外端部Ｅ２からミラー部２０に向かう方向に延伸し、可動枠２２に隣接する領域で屈曲して第２アクチュエータ２５に向かう方向に延伸している。そして、連結部２３Ｂは、第２アクチュエータ２５に隣接する領域で、第１アクチュエータ２４に接続されている。また、第２比較例では、第１アクチュエータ２４は、第１軸ａ１上において接続部２６を介して第２アクチュエータ２５と固定枠２７とに接続されている。
　本出願人は、第２比較例に係るＭＭＤ２Ｆについても上記と同様の実験及びシミュレーションを実施した。図３１～図３３は、実験に用いたサンプルの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図３４は、パラメータの具体的な設定値を示す。
　また、ミラー部２０の直径を１．５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを３５０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを６０μｍとした。また、固定枠２７の一辺の長さを６．１ｍｍとした。
　なお、第２比較例に係るＭＭＤ２Ｆの構成では、ミラー部２０を第２軸ａ２周りに逆位相回動モードで共振駆動することができないため、ミラー部２０を第２軸ａ２周りに同位相回動モードで共振駆動した。
　実験の結果、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は、１８Ｖであった。また、共振モード解析シミュレーションの結果、θ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力の算出値は、１．２２５Ｇｐａであった。
　［まとめ］
　図３５は、上記各実施形態及び各比較例に係る実験及びシミュレーションの結果を示す。レーザーディスプレイの用途において、θ＝１１．２５°（すなわち光学全角４５°）は、ＭＭＤをＡＲグラスに搭載可能なレベルにまで光学系を小さくすることを可能とする１つの指標である。ＡＲグラス等でＭＭＤを長時間駆動する場合の消費電力を考えると、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は、１０Ｖ未満であることが望ましい。また、揺動軸２３Ａの構造破壊を防止するために、θ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力は、２ＧＰａ未満であることが望ましい。
　第１比較例では、第２支持部２３が折り返し構造を有しておらず、駆動部に直接接続されているので、ミラー部２０と第１アクチュエータ２４とが逆位相で揺動する際に第２支持部２３が大きく捻られて、大きな応力が生じる。第１比較例では、θ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力は２ＧＰａ以上となるため、第２支持部２３が構造破壊する危険性が高い。
　第２比較例では、ミラー部２０と第１アクチュエータ２４とは、逆位相ではなく同位相で揺動する。この場合、共振時における第２支持部２３のＳｉ構造内での内部エネルギ損失が大きくなるため、真空下においてもＱ値が改善せず、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は１０Ｖ以上となる。消費電力を考えると駆動電圧を１０Ｖ未満に抑えることが好ましいが、駆動電圧を１０Ｖ未満とすると、第２比較例では、十分に大きな振れ角を実現することはできない。
　このように、第１比較例及び第２比較例では、デバイスサイズが大きく、駆動部の面積が大きいにもかかわらず、大きな振れ角を実現することはできない。これに対して、上記各実施形態では、θ＝１１．２５°に必要な駆動電圧は１０Ｖ未満であって、かつθ＝１１．２５°時に第２支持部２３にかかるミーゼス応力は２ＧＰａ未満であるので、駆動部の面積を大きくすることなく、大きな振れ角を実現することができる。
　なお、上記実施形態において、駆動制御部４のハードウェア構成は種々の変形が可能である。駆動制御部４の処理部は、１つのプロセッサで構成されてもよいし、同種または異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせで構成されてもよい。プロセッサには、ＣＰＵ、プログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device:ＰＬＤ）、専用電気回路等が含まれる。ＣＰＵは、周知のとおりソフトウエア（プログラム）を実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサである。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の、製造後に回路構成を変更可能なプロセッサである。専用電気回路は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである。
　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 (10)

  1. 　入射光を反射する反射面を有するミラー部と、
    　前記ミラー部の静止時における前記反射面を含む平面内にある第１軸上で前記ミラー部と接続され、かつ前記ミラー部を前記第１軸周りに揺動可能に支持する一対の第１支持部と、
    　前記第１支持部に接続され、前記第１軸を挟んで対向した一対の可動枠と、
    　前記平面内であって前記第１軸に直交する第２軸上で前記可動枠に接続され、かつ前記ミラー部と前記第１支持部と前記可動枠とを前記第２軸周りに揺動可能に支持する一対の第２支持部と、
    　前記第２支持部に接続され、かつ前記可動枠を囲んで配置された駆動部と、
    　前記駆動部を囲んで配置された固定枠と、
    　前記駆動部と前記固定枠とを接続する一対の接続部と、
    　を備え、
    　前記第１支持部は、前記第１軸を中心として線対称な形状であり、
    　前記第２支持部は、前記第２軸を中心として線対称な形状であって、前記第２軸に配置された第２揺動軸と、前記第２軸を挟んで対向する位置に配置された一対の第２連結部とを有し、
    　前記第２揺動軸は一端が前記可動枠に接続されて他端が前記第２連結部に接続され、
    　前記第２連結部は、前記第２揺動軸の前記第２軸上の外端部から前記ミラー部に向かう方向に延伸し、前記可動枠に隣接する領域で前記駆動部に接続されており、
    　前記接続部は、前記第２軸を中心として線対称な形状であって、前記駆動部を前記第２軸周りに揺動可能に支持している、
    　マイクロミラーデバイス。
  2. 　前記駆動部は、
    　前記第２支持部に接続され、かつ前記第２軸を挟んで対向し、圧電素子を有する一対の第１アクチュエータと、
    　前記第１アクチュエータを囲んで配置され、かつ前記第１軸を挟んで対向し、圧電素子を有する一対の第２アクチュエータと、
    　を備える
    　請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
  3. 　前記接続部は、前記第２軸上に配置されている
    　請求項２に記載のマイクロミラーデバイス。
  4. 　前記第１支持部は、前記第１軸を中心として線対称な形状であって、前記第１軸に配置された第１揺動軸と、前記第１軸を挟んで対向する位置に配置された一対の第１連結部とを有する
    　請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
  5. 　前記第１揺動軸は一端が前記ミラー部に接続されて他端が前記第１連結部に接続され、
    　前記第１連結部は、前記第１揺動軸の前記第１軸上の外端部から前記ミラー部に向かう方向に延伸し、前記ミラー部に隣接する領域で外周方向に屈曲し、前記駆動部に隣接する領域で再び屈曲して前記可動枠に接続されている
    　請求項４に記載のマイクロミラーデバイス。
  6. 　前記第１揺動軸は一端が前記ミラー部に接続されて他端が前記第１連結部に接続され、
    　前記第１連結部は、前記第１揺動軸の前記第１軸上の外端部から前記ミラー部に向かう方向に延伸し、前記ミラー部に隣接する領域で前記可動枠に接続されている
    　請求項４に記載のマイクロミラーデバイス。
  7. 　前記第１連結部は、前記可動枠に接続された部分から前記第１軸の方向に、前記第１揺動軸の前記第１軸上の外端部までせり出している
    　請求項５に記載のマイクロミラーデバイス。
  8. 　前記第１連結部は、前記第１揺動軸の前記第１軸の外端部から外側方向に屈曲しており、前記可動枠に隣接する領域で環状領域を形成しており、さらに前記環状領域から前記第１軸に沿って延伸し、前記駆動部に隣接する領域で前記駆動部に沿って延伸して前記可動枠に接続されている
    　請求項４に記載のマイクロミラーデバイス。
  9. 　一対の前記第１連結部は、前記駆動部に隣接する領域で接続されている
    　請求項８に記載のマイクロミラーデバイス。
  10. 　請求項１に記載のマイクロミラーデバイスと、
    　前記駆動部を駆動するプロセッサと、
    　を備える光走査装置であって、
    　前記プロセッサは、前記駆動部に駆動信号を与えることにより、前記ミラー部を前記第１軸及び前記第２軸の周りにそれぞれ揺動させる
    　光走査装置。
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Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022030146A1 (ja) * 2020-08-04 2022-02-10 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイス及び光走査装置
WO2022049954A1 (ja) * 2020-09-04 2022-03-10 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイス及び光走査装置
JP2023039221A (ja) * 2021-09-08 2023-03-20 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイス及び光走査装置
JP2023039222A (ja) * 2021-09-08 2023-03-20 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイス及び光走査装置

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
WO2022030146A1 (ja) * 2020-08-04 2022-02-10 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイス及び光走査装置
WO2022049954A1 (ja) * 2020-09-04 2022-03-10 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイス及び光走査装置
JP2023039221A (ja) * 2021-09-08 2023-03-20 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイス及び光走査装置
JP2023039222A (ja) * 2021-09-08 2023-03-20 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイス及び光走査装置

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