WO2024070417A1 - マイクロミラーデバイス及び光走査装置 - Google Patents

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WO2024070417A1
WO2024070417A1 PCT/JP2023/031288 JP2023031288W WO2024070417A1 WO 2024070417 A1 WO2024070417 A1 WO 2024070417A1 JP 2023031288 W JP2023031288 W JP 2023031288W WO 2024070417 A1 WO2024070417 A1 WO 2024070417A1
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WO
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axis
actuator
mirror
pair
movable frame
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PCT/JP2023/031288
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English (en)
French (fr)
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圭佑 青島
崇幸 直野
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富士フイルム株式会社
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    • B06—GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS IN GENERAL
    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
    • B06B1/06—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy operating with piezoelectric effect or with electrostriction
    • 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
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01S—RADIO DIRECTION-FINDING; RADIO NAVIGATION; DETERMINING DISTANCE OR VELOCITY BY USE OF RADIO WAVES; LOCATING OR PRESENCE-DETECTING BY USE OF THE REFLECTION OR RERADIATION OF RADIO WAVES; ANALOGOUS ARRANGEMENTS USING OTHER WAVES
    • G01S7/00—Details of systems according to groups G01S13/00, G01S15/00, G01S17/00
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    • G01S7/481—Constructional features, e.g. arrangements of optical elements
    • G—PHYSICS
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    • 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
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    • 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 disclosed herein relates to a micromirror device and an optical scanning device.
  • Micromirror devices also known as microscanners
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Si silicon
  • LiDAR Light Detection and Ranging
  • the piezoelectric drive method which uses the deformation of a piezoelectric body, is considered promising for achieving a large scan angle because it generates a larger rotational torque than other methods.
  • a larger scan angle can be achieved by resonantly driving a piezoelectric micromirror device.
  • a typical micromirror device includes a mirror section and a piezoelectric actuator (see, for example, JP 2017-132281 A).
  • the mirror section can freely oscillate around a first axis and a second axis that are perpendicular to each other.
  • the actuator is a drive section that oscillates the mirror section around the first axis and the second axis in response to a drive voltage supplied from the outside. For example, the mirror section performs precession by oscillating around the first axis and the second axis.
  • Performance indicators for distance measurement by a LiDAR device include detection distance, resolution, and detection range. These performance indicators are greatly influenced by the diameter of the mirror, operating frequency, and deflection angle.
  • the scanned light is reflected by the target object and the returning light is reflected by the mirror and directed to the light receiving element, so the larger the diameter of the mirror, the greater the amount of reflected returning light and the greater the detection distance.
  • the higher the operating frequency the greater the resolution.
  • the operating frequency refers to the rotation frequency of the mirror that performs precession.
  • the oscillation frequency of the mirror part about the first axis and the oscillation frequency about the second axis must be approximately the same.
  • the moment of inertia of the gimbal structure creates a difference in the resonance frequency around the first axis and the second axis. This difference becomes greater the larger the gimbal structure.
  • the gimbal structure itself becomes significantly distorted when the mirror part rotates, resulting in a significant reduction in the resonance frequency and the oscillation angle.
  • the technology disclosed herein aims to provide a micromirror device and optical scanning device that enable the diameter, operating frequency, and deflection angle of the mirror portion to be increased.
  • the micromirror device of the present disclosure comprises a mirror section having a reflective surface that reflects incident light, a pair of first support sections connected to the mirror section on a first axis in a plane including the reflective surface of the mirror section when stationary and supporting the mirror section so that it can swing about the first axis, a pair of movable frames connected to the first support sections and facing each other across the first axis, a pair of second support sections connected to the movable frame on a second axis in the plane and perpendicular to the first axis and supporting the mirror section, the first support sections and the movable frame so that they can swing about the second axis, and a pair of first actuators connected to the second support sections and facing each other across the second axis.
  • the movable frame having a reinforcing structure that is linearly symmetrical with respect to the first axis and does not contact the boundary between the movable frame and the first support part, and the first connecting parts and the second connecting parts each have a shape linearly symmetrical with respect to the first axis and support the first actuator and the second actuator so that they can swing about the first axis.
  • the combined thickness of the movable frame and reinforcing structure be the same as the thickness of the fixed frame.
  • the reinforcing structure is preferably provided on the back side of the movable frame.
  • first actuator and the second actuator each have a piezoelectric element.
  • the first support part has a shape that is linearly symmetrical about the first axis, and has a first oscillation axis arranged on the first axis, and a pair of first connecting parts arranged at positions facing each other across the first axis, and it is preferable that the first oscillation axis has one end connected to the mirror part and the other end connected to the first connecting parts, and that the first connecting parts have one end connected to the outer end of the first oscillation axis on the first axis and the other end connected to the movable frame.
  • the first connecting portion extends from the outer end on the first axis of the first oscillation shaft in a direction toward the mirror portion, bends toward the outer periphery in a region adjacent to the mirror portion, and bends again in a region adjacent to the first actuator to be connected to the movable frame.
  • the second support part has a shape that is linearly symmetrical about the second axis, and has a second oscillating shaft arranged on the second axis and a pair of second connecting parts arranged at positions facing each other across the second axis, and it is preferable that the second oscillating shaft has one end connected to the movable frame and the other end connected to the second connecting parts, and that the second connecting parts are connected to the outer end of the second oscillating shaft on the second axis and the other end connected to the first actuator.
  • the second connecting portion extends from the outer end on the second axis of the second oscillation shaft in a direction toward the mirror portion, bends toward the outer periphery in a region adjacent to the movable frame, and is connected to the first actuator in a region adjacent to the second actuator.
  • the optical scanning device disclosed herein is an optical scanning device that includes the above-mentioned micromirror device and a processor that drives the first actuator and the second actuator, and the processor provides drive signals to the first actuator and the second actuator to cause the mirror portion to oscillate around the first axis and the second axis, respectively.
  • the technology disclosed herein can provide a micromirror device and optical scanning device that can increase the diameter of the mirror portion, the operating frequency, and the deflection angle.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an optical scanning device.
  • 2 is a block diagram showing an example of a hardware configuration of a drive control unit.
  • FIG. 1 is a plan view of a micromirror device according to a first embodiment, as viewed from the light incident side. 1 is a perspective view of the micromirror device according to the first embodiment, as viewed from the rear surface side. 4 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 3.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating an example of a first drive signal and a second drive signal.
  • FIG. 13 is a diagram showing a state in which a mirror portion performs precession.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 1 is a plan view of a micromirror device according to a first embodiment, as viewed from the light incident side. 1 is a perspective view of the micromirror device according to the first embodiment, as viewed from the rear surface side.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 11 is a diagram showing specific setting values of parameters.
  • FIG. 11 is a plan view of a micromirror device according to a second embodiment, as viewed from the light incident side.
  • FIG. 11 is a perspective view of the micromirror device according to the second embodiment, as viewed from the rear surface side.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 11 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, as viewed from the light incident side.
  • FIG. 2 is a perspective view of a micromirror device according to a first comparative example, as viewed from the rear surface side.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 11 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. 11 is a perspective view of a micromirror device according to a second comparative example, as viewed from the rear surface side.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 1 is a perspective view of a micromirror device according to a first comparative example, as viewed from the rear surface side.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 2 is a diagram showing dimensional parameters of components of a micromirror device.
  • FIG. 11 is a diagram showing specific setting values of parameters.
  • FIG. 11 is a stress distribution diagram showing the distribution of stress near the boundary portion generated by simulation.
  • FIG. 11 is a diagram showing experimental results according to the above-mentioned embodiments and comparative examples.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of an optical scanning device 10 according to a first embodiment.
  • the optical scanning device 10 includes a micro mirror device (hereinafter, referred to as MMD) 2, a light source 3, and a drive controller 4.
  • MMD micro mirror device
  • the optical scanning device 10 is mounted on, for example, a LiDAR device.
  • the optical scanning device 10 under the control of the drive control unit 4, reflects the light beam LB emitted from the light source 3 by the MMD 2, thereby scanning the light beam LB so as to trace a helical trajectory.
  • This helical trajectory includes a spiral trajectory with a variable radius and a circular trajectory with a constant radius.
  • the MMD2 is a piezoelectric two-axis drive micromirror device that can oscillate a mirror section 20 (see FIG. 3) around a first axis a1 and a second axis a2 perpendicular to the first axis a1 .
  • the direction parallel to the first axis a1 is referred to as the X direction
  • the direction parallel to the second axis a2 as the Y direction
  • the direction perpendicular to the first axis a1 and the second axis a2 as the Z direction.
  • the light source 3 is, for example, a laser device that emits laser light as the light beam LB. It is preferable that the light source 3 irradiates the light beam LB perpendicularly to the reflecting 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.
  • 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 oscillates the mirror unit 20 around the first axis a1 and the second axis a2 based on the input drive signal.
  • the drive control unit 4 rotates the mirror unit 20 by resonating the mirror unit 20 about the first axis a1 and the second axis a2 .
  • the light beam LB reflected by the mirror unit 20 is scanned so as to trace a helical trajectory. This light scanning method is called a helical scan method.
  • the optical scanning device 10 can be applied to, for example, a LiDAR device.
  • This LiDAR device is mounted on a low-speed moving object such as a drone.
  • the returning light that returns when the scanned light beam LB is reflected by the target object is reflected by the mirror section 20 and directed to a light receiving element (not shown). Therefore, the larger the diameter of the mirror section 20, the greater the amount of reflected returning light, and the greater the detection distance of distance measurement by the LiDAR device.
  • FIG. 2 shows an example of the hardware configuration of the drive control unit 4.
  • the drive control unit 4 has 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 a calculation device that realizes the overall function of the drive control unit 4 by reading programs and data from a storage device such as the ROM 41 into the RAM 42 and executing processing.
  • the CPU 40 is an example of a processor related to the technology disclosed herein.
  • ROM 41 is a non-volatile storage device that stores data such as programs for the CPU 40 to execute processes.
  • 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, operating frequency, and deflection angle of the mirror portion 20 of the MMD driver 44.
  • Fig. 3 is a plan view of the MMD 2 as viewed from the light incident side.
  • Fig. 4 is a perspective view of the MMD 2 as viewed from the back side.
  • Fig. 5 is a cross-sectional view that shows a schematic cross section taken along line A-A in Fig. 3.
  • the MMD 2 has 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, a pair of first connection sections 26A, a pair of second connection sections 26B, and a fixed frame 27.
  • the MMD 2 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 thin metal 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 .
  • the first axis a1 and the second axis a2 exist in a plane including the reflecting surface 20A when the mirror unit 20 is stationary, for example.
  • the planar shape of the MMD 2 is rectangular and is line-symmetric about the first axis a1 and line-symmetric about the second axis a2 .
  • the pair of first support parts 21 are disposed at positions facing each other across the second axis a2 , and are shaped line-symmetrical about the second axis a2 . Each of the first support parts 21 is also shaped line-symmetrical about the first axis a1 .
  • the first support parts 21 are connected to the mirror part 20 on the first axis a1 , and support the mirror part 20 so that it can swing about the first axis a1 .
  • the pair of movable frames 22 are disposed at positions facing each other across a first axis a1 , and have shapes that are line-symmetrical about the first axis a1 .
  • Each of the movable frames 22 has a shape that is line-symmetrical about a 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.
  • 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 positions facing each other across the first axis a1 , and are shaped line-symmetrical about the first axis a1 .
  • Each of the second support parts 23 is shaped line-symmetrical about the second axis a2 .
  • the second support parts 23 are connected to the movable frame 22 on the second axis a2 , and support the movable part 60 having the mirror part 20 so that it can swing about the second axis a2 .
  • both ends of the second support parts 23 are connected to the first actuators 24.
  • the pair of first actuators 24 are disposed at positions facing each other across the second axis a2 , and have shapes that are line-symmetrical about the second axis a2 .
  • the first actuators 24 also have shapes that are line-symmetrical about the first axis a1 .
  • the first actuators 24 are formed along the outer peripheries of the movable frame 22 and the first support portion 21.
  • the first actuators 24 are piezoelectric actuators equipped with piezoelectric elements.
  • the first actuators 24 are electrically connected to each other via wiring (not shown) across the first axis a1 .
  • the pair of first actuators 24 arranged across the second axis a2 are electrically isolated from each other.
  • the second support part 23 and the first actuator 24 are connected to each other to surround the movable part 60.
  • the pair of second actuators 25 are disposed at positions facing each other across the first axis a1 , and are shaped line-symmetrical about the first axis a1 .
  • the second actuators 25 are also shaped line-symmetrical about the second axis a2 .
  • the second actuators 25 are formed along the outer peripheries of the first actuators 24 and the second support portion 23.
  • the second actuators 25 are piezoelectric actuators equipped with piezoelectric elements.
  • the pair of second actuators 25 arranged on either side of the first axis a1 are electrically separated from each other.
  • the pair of first connection portions 26A are disposed at positions facing each other across the second axis a2 , and are shaped line-symmetrical about the second axis a2 .
  • Each of the first connection portions 26A extends in the X direction, and is shaped line-symmetrical about the first axis a1 .
  • the first connection portion 26A is disposed 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 connection parts 26B are disposed at positions facing each other across the second axis a2 , and are shaped line-symmetrical about the second axis a2 .
  • Each of the second connection parts 26B extends in the X direction, and is shaped line-symmetrical about the first axis a1 .
  • the second connection part 26B is disposed along the second axis a2 , and connects the second actuator 25 and the fixed frame 27 on the first axis a1 .
  • the second actuator 25 is disposed surrounding the first actuator 24.
  • the first actuator 24 and the second actuator 25 constitute a drive section disposed surrounding the movable frame 22.
  • the first connection section 26A and the second connection section 26B support the first actuator 24 and the second actuator 25 so as to be swingable around the first axis a1 .
  • the fixed frame 27 is a frame-shaped member having a rectangular outer shape, and is shaped symmetrical about the first axis a1 and the second axis a2 .
  • the fixed frame 27 is disposed to surround the second actuator 25.
  • the first actuators 24 and the second actuators 25 are piezoelectric actuators each having a piezoelectric element.
  • the pair of first actuators 24 apply a rotational torque about the second axis a2 to the mirror section 20 and the movable frame 22, thereby causing the movable section 60 to swing about the second axis a2 .
  • the pair of second actuators 25 apply a rotational torque about the first axis a1 to the mirror section 20, the movable frame 22, and the first actuators 24, thereby causing the mirror section 20 to swing about the first axis a1 .
  • the first support portion 21 is composed of an oscillation shaft 21A and a pair of connecting portions 21B.
  • the oscillation shaft 21A is a so-called torsion bar that extends along the first axis a1 .
  • One end of the oscillation shaft 21A is connected to the mirror portion 20, and the other end is connected to the connecting portions 21B.
  • the pair of connecting portions 21B are disposed at positions facing each other across the first axis a1 , and are shaped to be line-symmetrical about the first axis a1 .
  • One end of each connecting portion 21B is connected to the outer end portion on the first axis a1 of the oscillation shaft 21A, and the other end is connected to the movable frame 22.
  • the connecting portion 21B has a folded structure (so-called meander structure).
  • the connecting portion 21B extends from the outer end portion on the first axis a1 of the oscillation shaft 21A in a direction toward the mirror portion 20, and is bent in the outer peripheral direction in a region adjacent to the mirror portion 20. Furthermore, the connecting portion 21B extends in the outer peripheral direction and is bent in a region adjacent to the first actuator 24.
  • the connecting portion 21B extends in a direction toward the mirror portion 20 and is connected to the movable frame 22. That is, the connecting portion 21B has two bent portions B. In this way, since the connecting portion 21B has elasticity due to the folded structure, it relieves the internal stress applied to the oscillation shaft 21A when the mirror portion 20 oscillates around the first axis a1 .
  • the oscillation shaft 21A and the connecting portion 21B correspond to the "first oscillation shaft” and the "first connecting portion” according to the technology of the present disclosure, respectively.
  • the second support portion 23 is composed of 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 portions 23B.
  • the pair of connecting portions 23B are disposed at positions facing each other across the second axis a2 , and are shaped to be line-symmetrical about the second axis a2 .
  • One end of each connecting portion 23B is connected to the outer end portion on the second axis a2 of the oscillation shaft 23A, and the other end is connected to the first actuator 24.
  • the connecting portion 23B has a folded structure.
  • the connecting portion 23B extends from the outer end portion on the second axis a2 of the oscillation shaft 23A in a direction toward the mirror unit 20, and is bent in the outer circumferential direction in a region adjacent to the movable frame 22. Furthermore, the connecting portion 23B extends in the outer circumferential direction and is connected to the first actuator 24 in a region adjacent to the second actuator 25. That is, the connecting portion 23B has one bent portion B. In this way, since the connecting portion 23B has elasticity due to the folded structure, it relieves the internal stress applied to the oscillation shaft 23A when the mirror unit 20 oscillates around the second axis a2 .
  • the oscillation shaft 23A and the connecting portion 23B respectively correspond to the "second oscillation shaft” and the "second connecting portion” according to the technology of the present disclosure.
  • the mirror unit 20 is supported by the gimbal structure including the movable frame 22 so as to be swingable around the first axis a1 and the second axis a2 .
  • wiring and electrode pads for supplying drive signals to the first actuator 24 and the second actuator 25 are omitted.
  • Multiple electrode pads are provided on the fixed frame 27.
  • a rib 50 is provided on the back surface 20B of the mirror section 20.
  • the back surface 20B is the surface opposite to the reflecting surface 20A.
  • the rib 50 has a ring-shaped structure concentric with the mirror section 20.
  • the rib 50 is provided mainly for the purpose of bringing the resonant frequency around the first axis a1 of the mirror section 20 closer to the resonant frequency around the second axis a2 .
  • the shape of the rib 50 is substantially circular.
  • a reinforcing structure 51 is provided on the back surface side of the movable frame 22.
  • the back surface of the movable frame 22 is the surface on the same side as the back surface 20B of the mirror section 20.
  • two reinforcing structures 51 are provided on the back surface of each of the pair of movable frames 22.
  • the four reinforcing structures 51 are shaped to be line-symmetrical with respect to the first axis a1 and the second axis a2 , respectively.
  • Each of the reinforcing structures 51 is disposed between the second support section 23 and the first support section 21 on the back surface of the movable frame 22. However, each of the reinforcing structures 51 does not extend to the boundary section K between the movable frame 22 and the first support section 21, and does not contact the boundary section K.
  • the MMD 2 is formed, for example, by etching an SOI (Silicon On Insulator) substrate 30.
  • SOI substrate 30 is a substrate in which 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.
  • 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 formed from the second silicon active layer 33 remaining after removing the first silicon active layer 31 and the silicon oxide layer 32 from the SOI substrate 30 by etching.
  • the second silicon active layer 33 functions as an elastic section having elasticity.
  • the fixed frame 27 is formed from three layers, the first silicon active layer 31, the silicon oxide layer 32, and the 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 each thinner than the fixed frame 27. In this disclosure, thickness refers to the width in the Z direction.
  • the rib 50 is formed by etching the first silicon active layer 31 and the silicon oxide layer 32.
  • the reinforcing structure 51 is formed by etching the first silicon active layer 31 and the silicon oxide layer 32.
  • the thickness of the rib 50 and the thickness of the reinforcing structure 51 are the same.
  • the combined thickness of the movable frame 22 and the reinforcing structure 51 is the same as the thickness of the fixed frame 27.
  • the first actuator 24 includes a piezoelectric element formed on the second silicon active layer 33.
  • the piezoelectric element has a layered structure in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are layered 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 formed of a metal such as gold (Au) or platinum (Pt).
  • the piezoelectric film is formed of a piezoelectric material such as PZT (lead zirconate titanate).
  • the lower electrode and the upper electrode are electrically connected to the drive control unit 4 via wiring and electrode pads.
  • the lower electrode is connected to the drive control unit 4 via wiring and an electrode pad, and is supplied with ground potential. A drive voltage is applied to the upper electrode from the drive control unit 4.
  • the piezoelectric film When a positive or negative voltage is applied to the piezoelectric film in the polarization direction, the film undergoes deformation (e.g., expansion and contraction) proportional to the applied voltage. In other words, the piezoelectric film exhibits the so-called inverse piezoelectric effect.
  • the piezoelectric film When a drive voltage is applied to the upper electrode from the drive control unit 4, the piezoelectric film exhibits the inverse piezoelectric effect, displacing the first actuator 24 and the second actuator 25.
  • the second actuators 25 are driven in an anti-phase resonance mode (hereinafter referred to as the 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.
  • the anti-phase rotation mode an anti-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 opposite to each other.
  • the deflection angle of the mirror section 20 around the first axis a1 is controlled by a drive signal (hereinafter referred to as the first drive signal) that the drive control section 4 provides 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) are in opposite phase to each other (i.e., a phase difference of 180°).
  • the first actuator 24 is driven in an opposite phase rotation mode, similar to the second actuator 25.
  • 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 provides 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 phase to each other (i.e., a phase difference of 180°).
  • FIG. 6A and 6B show examples of the first and second drive signals, where Fig. 6A shows drive voltage waveforms V 1A (t) and V 1B (t) included in the first drive signal, and Fig. 6B shows drive voltage waveforms V 2A (t) and V 2B (t) included in the second drive signal.
  • V1A (t) A1 (t)sin( 2 ⁇ fd1t )
  • V1B (t) A1 (t)sin( 2 ⁇ fd1t + ⁇ )
  • t is time.
  • fd1 is a drive frequency (hereinafter referred to as a first drive frequency).
  • A1 (t) is an amplitude voltage that changes according to time t.
  • the phase difference between the drive voltage waveform V1A (t) and the drive voltage waveform V1B (t) is ⁇ (i.e., 180°).
  • V2A (t) A2 (t)sin( 2 ⁇ fd2t + ⁇ )
  • V2B (t) A2 (t)sin( 2 ⁇ fd2t + ⁇ + ⁇ )
  • fd2 is the drive frequency (hereinafter referred to as the second drive frequency).
  • A2 (t) is an amplitude voltage that changes according to time t.
  • the phase difference between the drive voltage waveform V2A (t) and the drive voltage waveform V2B (t) is ⁇ (i.e., 180°).
  • ⁇ is the phase difference between the drive voltage waveforms V1A (t) and V1B (t) and the drive voltage waveforms V2A (t) and V2B (t).
  • the first drive frequency fd1 is set to match the resonance frequency about the first axis a1 of the mirror section 20.
  • the second drive frequency fd2 is set to match the resonance frequency about the second axis a2 of the mirror section 20.
  • the first drive frequency fd1 is approximately equal to the second drive frequency fd2 .
  • the trajectory of the light beam LB reflected by the mirror section 20 becomes a spiral trajectory with a changing radius.
  • the amplitude voltages A1 (t) and A2 (t) are set to constant values independent of time t, the trajectory of the light beam LB reflected by the mirror section 20 becomes a circular trajectory with a constant radius.
  • Figure 7 shows how the mirror section 20 undergoes precession. If the deflection angle of the mirror section 20 is ⁇ , then the scan angle (full angle) ⁇ of the light beam LB is four times the deflection angle ⁇ .
  • the deflection angle ⁇ is the angle that the normal N of the reflecting surface 20A makes with the Z direction.
  • the spring constant (i.e., rigidity) of the movable frame 22 constituting the gimbal structure increases, and the mass of the gimbal structure increases. Furthermore, the increase in mass of the gimbal structure increases the resonance Q value.
  • the diameter of the mirror section 20 increases the moment of inertia of the mirror, decreasing the resonant frequency and the deflection angle ⁇ .
  • the distortion of the movable frame 22 is reduced and the decrease in the resonant frequency and deflection angle ⁇ is suppressed, making it possible to increase the diameter of the mirror section 20.
  • the diameter, operating frequency, and deflection angle ⁇ of the mirror section 20 can be increased, improving the detection distance, resolution, and detection range as performance indicators of distance measurement by the LiDAR device.
  • the reinforcing structure 51 is not in contact with the boundary section K, so that the concentration of stress at the boundary section K is suppressed, and structural destruction at the boundary section K is suppressed.
  • Figures 8 and 9 show parameters related to the width, length, etc. of each component of the sample used in the experiment.
  • Figure 10 shows the specific setting values of the parameters.
  • the diameter of the mirror section 20 was 5 mm, the thickness of the SOI substrate 30 was 430 ⁇ m, and the thickness of the second silicon active layer 33 was 80 ⁇ m.
  • the diameter of the mirror section 20 was larger than the diameter of the mirror section of an MMD used in AR (Augmented Reality) glasses, etc.
  • Fig. 11 is a plan view of an MMD 2A according to the second embodiment as viewed from the light incident side.
  • Fig. 12 is a perspective view of an MMD 2A according to the second embodiment as viewed from the back side.
  • the MMD 2A differs from the MMD 2 according to the first embodiment in the configurations of the first support portion 21, the second support portion 23, and the reinforcing structure 51.
  • the first support section 21 is composed of an oscillation shaft 21A and a pair of connecting sections 21B.
  • the connecting sections 21B do not have a bent section B.
  • One end of the connecting sections 21B is connected to the outer end section on the first axis a1 of the oscillation shaft 21A, and the other end is connected to the movable frame 22.
  • the connecting sections 21B extend from the outer end section on the first axis a1 of the oscillation shaft 21A in a direction toward the mirror section 20, and are connected to the movable frame 22 in a region adjacent to the mirror section 20.
  • the second support portion 23 does not have a connecting portion 23B, and is composed only of an oscillation shaft 23A extending along the second axis a2 .
  • One end of the oscillation shaft 23A is connected to the movable frame 22, and the other end is connected to the first actuator 24 in a region adjacent to the second actuator 25.
  • one reinforcing structure 51 is provided on each of the pair of movable frames 22. Unlike the first embodiment, the reinforcing structure 51 also extends to the area adjacent to the second support portion 23 of the movable frame 22. However, similar to the first embodiment, the reinforcing structure 51 does not contact the boundary portion K between the movable frame 22 and the first support portion 21.
  • Figures 13 and 14 show parameters related to the width, length, etc. of each component of the sample used in the experiment.
  • Figure 15 shows the specific setting values of the parameters.
  • the diameter of the mirror portion 20 was 5 mm, the thickness of the SOI substrate 30 was 430 ⁇ m, and the thickness of the second silicon active layer 33 was 80 ⁇ m.
  • Fig. 16 is a plan view of the MMD 2B according to the first comparative example as seen from the light incident side.
  • Fig. 17 is a perspective view of the MMD 2B according to the first comparative example as seen from the back side.
  • the MMD 2B differs from the configuration of the MMD 2 according to the first embodiment only in that the reinforcing structure 51 is not provided on the movable frame 22.
  • Figures 18 and 19 show parameters related to the width, length, etc. of each component of the sample used in the experiment.
  • Figure 20 shows the specific setting values of the parameters.
  • the diameter of the mirror portion 20 was 5 mm, the thickness of the SOI substrate 30 was 430 ⁇ m, and the thickness of the second silicon active layer 33 was 80 ⁇ m.
  • the piezoelectric film was broken in less than 200 hours. In other words, the continuous drive time was less than 200 hours.
  • FIG. 21 is a plan view of the MMD 2C according to the second comparative example seen from the light incident side.
  • FIG. 22 is a perspective view of the MMD 2C according to the second comparative example seen from the back side.
  • the MMD 2C differs from the configuration of the MMD 2A according to the second embodiment in that the reinforcing structure 51 provided on the movable frame 22 extends to the boundary K between the movable frame 22 and the first support part 21 and contacts the boundary K.
  • the rib 50 is stadium-shaped in order to bring the resonance frequency around the first axis a1 and the resonance frequency around the second axis a2 closer to each other.
  • the rib 50 is longer in the X direction than in the Y direction.
  • Figures 23 and 24 show parameters related to the width, length, etc. of each component of the sample used in the experiment.
  • Figure 25 shows the specific setting values of the parameters.
  • the diameter of the mirror portion 20 was 5 mm, the thickness of the SOI substrate 30 was 430 ⁇ m, and the thickness of the second silicon active layer 33 was 80 ⁇ m.
  • 26 is a stress distribution diagram generated by simulation, showing the distribution of stress near the boundary K. According to this stress distribution diagram, it can be seen that when the mirror part 20 is made to precess, the stress generated by the mirror part 20 swinging around the first axis a1 is concentrated at the boundary K between the end part of the reinforcing structure 51 and the first support part 21. It is believed that the concentration of this stress causes structural destruction at the boundary K.
  • [summary] 27 shows the experimental results for each of the above-mentioned embodiments and each of the comparative examples.
  • LiDAR it is one index that ⁇ 40° can be achieved in helical scanning.
  • the continuous driving time is 1000 hours or more.
  • the reinforcing structure 51 is not provided on the movable frame 22, so the rigidity of the gimbal structure is low.
  • a reinforcing structure 51 is provided on the movable frame 22, and the reinforcing structure 51 is in contact with the boundary portion K.
  • the processing unit of the drive control unit 4 may be configured with one processor, or may be configured with a combination of two or more processors of the same or different types.
  • Processors include CPUs, programmable logic devices (PLDs), dedicated electrical circuits, etc.
  • 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 manufacture.
  • a dedicated electrical circuit is a processor having a circuit configuration designed specifically to execute specific processing, such as an ASIC (Application Specific Integrated Circuit).

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Abstract

マイクロミラーデバイスは、ミラー部、一対の第１支持部、一対の可動枠、一対の第２支持部、駆動部、固定枠、一対の第１接続部、及び一対の第２接続部を備える。可動枠は、第１軸に対して線対称であって、可動枠と第１支持部との境界部に接していない補強構造を有しており、第１接続部及び第２接続部は、それぞれ第１軸に線対称な形状であって、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを第１軸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。
　近年、ドローン等の低速移動体における自己の位置検出装置として、３６０度の全方位に光を走査するＬｉＤＡＲ（Light Detection And Ranging）装置の需要が高まっている。さらに、ヘリカルスキャンを可能とするマイクロミラーデバイスを有する光走査装置を搭載したＬｉＤＡＲ装置に注目が集まっている。
　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回転トルクが大きいことから、大きなスキャン角が得られるとして有望視されている。また、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、より大きなスキャン角が得られる。
　一般的なマイクロミラーデバイスは、ミラー部と、圧電駆動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。例えば、ミラー部は、第１軸及び第２軸の周りに揺動することにより歳差運動を行う。
　ＬｉＤＡＲ装置による測距の性能指標として、検出距離、分解能、及び検出範囲が挙げられる。これらの性能指標には、ミラー部の直径、動作周波数、及び振れ角が大きく影響する。ＬｉＤＡＲ装置では、走査した光が対象物で反射されることにより戻ってくる戻り光をミラー部で反射して受光素子に導くので、ミラー部の直径が大きいほど戻り光の反射量が大きくなり、検出距離が大きくなる。また、動作周波数が大きいほど分解能が大きくなる。さらに、ミラー部の振れ角が大きいほどスキャン角が大きいので、検出範囲が大きくなる。なお、動作周波数とは、歳差運動を行うミラー部の回動周波数をいう。
　しかしながら、原則としてミラー部の直径を大きくするとミラーの慣性モーメントが増大するため、共振周波数が小さくなり、振れ角は小さくなってしまう。すなわち、原則としてミラー部の直径を大きくすると、動作周波数及び振れ角が小さくなり、ＬｉＤＡＲ装置の分解能及び検出範囲が低下する。
　また、ヘリカルスキャンを行うためには、ミラー部の第１軸周りの揺動周波数と第２軸周りの揺動周波数とがほぼ一致していなければならない。しかしながら、マイクロミラーデバイスは、いわゆるジンバル構造によりミラー部を支持しているので、ジンバル構造の慣性モーメントによって、第１軸周りと第２軸周りとで共振周波数に差異が生じてしまう。この差異は、ジンバル構造が大きいほど大きくなる。一方で、細いジンバル構造では、ミラー部の回動時にジンバル構造自体が大きく歪んでしまい、共振周波数及び振れ角が大きく低下してしまう。
　本開示の技術は、ミラー部の直径、動作周波数、及び振れ角を大きく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、かつ第２軸を挟んで対向した一対の第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軸を挟んで対向した一対の第２アクチュエータと、第２アクチュエータを囲んで配置された固定枠と、第１アクチュエータと第２アクチュエータとを接続する一対の第１接続部と、第２アクチュエータと固定枠とを接続する一対の第２接続部と、を備え、可動枠は、第１軸に対して線対称であって、可動枠と第１支持部との境界部に接していない補強構造を有しており、第１接続部及び第２接続部は、それぞれ第１軸に線対称な形状であって、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータを第１軸周りに揺動可能に支持している。
　可動枠と補強構造とを併せた厚みは、固定枠の厚みと同一であることが好ましい。
　補強構造は、可動枠の裏面側に設けられていることが好ましい。
　第１アクチュエータ及び第２アクチュエータは、それぞれ圧電素子を有することが好ましい。
　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連結部とを有し、第１揺動軸は、一端がミラー部に接続されて他端が第１連結部に接続されており、第１連結部は、一端が第１揺動軸の第１軸上の外端部に接続されて他端が可動枠に接続され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、第１アクチュエータ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連結部に接続されており、第２連結部は、第２揺動軸の第２軸上の外端部に接続されて他端が第１アクチュエータに接続されていることが好ましい。
　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外周方向に屈曲し、第２アクチュエータに隣接する領域で第１アクチュエータに接続されていることが好ましい。
　本開示の光走査装置は、上記のマイクロミラーデバイスと、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータ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、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータ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、ミラー部の直径、動作周波数、及び振れ角を大きく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を光入射側から見た平面図である。 第１実施形態に係るマイクロミラーデバイスを裏面側から見た斜視図である。 図３のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 第１駆動信号及び第２駆動信号の一例を示す図である。 ミラー部が歳差運動を行う様子を示す図である。 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。 第２実施形態に係るマイクロミラーデバイスを裏面側から見た斜視図である。 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。 第１比較例に係るマイクロミラーデバイスを裏面側から見た斜視図である。 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。 第２比較例に係るマイクロミラーデバイスを裏面側から見た斜視図である。 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。 シミュレーションにより生成した境界部付近の応力の分布を示す応力分布図である。 上記各実施形態及び各比較例に係る実験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、例えば、ＬｉＤＡＲ装置に搭載される。
　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、ヘリカル軌道を描くように光ビームＬＢを走査する。このヘリカル軌道には、動径が変化するスパイラル状の軌道と、動径が一定の円状の軌道とが含まれる。
　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を回動させる。ミラー部２０で反射される光ビームＬＢは、ヘリカル軌道を描くように走査される。この光走査方式は、ヘリカルスキャン方式と呼ばれる。
　光走査装置１０は、例えば、ＬｉＤＡＲ装置に適用可能である。このＬｉＤＡＲ装置は、ドローン等の低速移動体に搭載される。ＬｉＤＡＲ装置では、走査した光ビームＬＢが対象物で反射されることにより戻ってくる戻り光をミラー部２０で反射して受光素子（図示せず）に導く。このため、ミラー部２０の直径が大きいほど戻り光の反射量が大きくなり、ＬｉＤＡＲ装置による測距の検出距離が大きくなる。
　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、動作周波数、及び振れ角を制御するための駆動電圧である。
　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を光入射側から見た平面図である。図４は、ＭＭＤ２を裏面側から見た斜視図である。図５は、図３のＡ－Ａ線に沿った断面を概略的に示す断面図である。
　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、Ｘ方向に延伸しており、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２接続部２６Ｂの各々は、Ｘ方向に延伸しており、かつ第１軸ａ１を中心として線対称な形状である。第２接続部２６Ｂは、第２軸ａ２に沿って配置されており、第１軸ａ１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アクチュエータ２５は、第１アクチュエータ２４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、可動枠２２を囲んで配置された駆動部を構成している。第１接続部２６Ａ及び第２接続部２６Ｂは、第１アクチュエータ２４と第２アクチュエータ２５とを第１軸ａ１周りに揺動可能に支持している。
　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。
　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（いわゆるミアンダ構造）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ている。さらに、連結部２１Ｂは、外周方向に延伸し、第１アクチュエータ２４に隣接する領域で屈曲している。そして、連結部２１Ｂは、ミラー部２０に向かう方向に延伸して可動枠２２に接続されている。すなわち、連結部２１Ｂは、２つの屈曲部Ｂを有する。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に隣接する領域で外周方向に屈曲している。さらに、連結部２３Ｂは、外周方向に延伸し、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。すなわち、連結部２３Ｂは、１つの屈曲部Ｂを有する。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。
　以上のように、ミラー部２０は、可動枠２２を含むジンバル構造により、第１軸ａ１周り及び第２軸ａ２周りに揺動可能に支持されている。
　図３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４に示すように、ミラー部２０の裏面２０Ｂにはリブ５０が設けられている。裏面２０Ｂは、反射面２０Ａとは反対側の面である。リブ５０は、ミラー部２０と同心の環状構造を有する。リブ５０は、主として、ミラー部２０の第１軸ａ１周りの共振周波数と第２軸ａ２周りの共振周波数とを近づけることを目的として設けられている。本実施形態では、リブ５０の形状は、ほぼ円形である。
　また、可動枠２２の裏面側には、補強構造５１が設けられている。可動枠２２の裏面とは、ミラー部２０の裏面２０Ｂと同じ側の面である。本実施形態では、一対の可動枠２２の各々の裏面に、２つの補強構造５１が設けられている。４つの補強構造５１は、第１軸ａ１及び第２軸ａ２をそれぞれ中心とした線対称な形状である。補強構造５１の各々は、可動枠２２の裏面において、第２支持部２３と第１支持部２１との間に配置されている。但し、補強構造５１の各々は、可動枠２２と第１支持部２１との境界部Ｋまでは延伸しておらず、境界部Ｋには接していない。
　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。
　リブ５０は、第１シリコン活性層３１及び酸化シリコン層３２をエッチングすることにより形成されている。同様に、補強構造５１は、第１シリコン活性層３１及び酸化シリコン層３２をエッチングすることにより形成されている。リブ５０の厚みと補強構造５１の厚みとは同一である。また、可動枠２２と補強構造５１とを併せた厚みは、固定枠２７の厚みと同一である。
　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。
　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周りの回転トルクが生じる。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。
　本実施形態では、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を駆動する。
　ミラー部２０の第１軸ａ１周りの振れ角は、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。
　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６は、第１駆動信号及び第２駆動信号の一例を示す。図６（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６（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）＝Ａ１（ｔ）ｓｉｎ（２πｆｄ１ｔ）
　Ｖ１Ｂ（ｔ）＝Ａ１（ｔ）ｓｉｎ（２πｆｄ１ｔ＋π）
　ここで、ｔは時間である。ｆｄ１は駆動周波数（以下、第１駆動周波数という。）である。Ａ１（ｔ）は、振幅電圧であって時間ｔに応じて変化する。駆動電圧波形Ｖ１Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ１Ｂ（ｔ）との位相差は、π（すなわち１８０°）である。
　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が第１軸ａ１周りに周期Ｔ１（＝１／ｆｄ１）で揺動する。
　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）＝Ａ２（ｔ）ｓｉｎ（２πｆｄ２ｔ＋φ）
　Ｖ２Ｂ（ｔ）＝Ａ２（ｔ）ｓｉｎ（２πｆｄ２ｔ＋π＋φ）
　ここで、ｆｄ２は駆動周波数（以下、第２駆動周波数という。）である。Ａ２（ｔ）は、振幅電圧であって時間ｔに応じて変化する。駆動電圧波形Ｖ２Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ２Ｂ（ｔ）との位相差は、π（すなわち１８０°）である。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。本実施形態では、ミラー部２０に歳差運動を行わせるために、φ＝π／２（すなわち９０°）とする。
　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。第１駆動周波数ｆｄ１は、第２駆動周波数ｆｄ２とほぼ等しい。
　振幅電圧Ａ１（ｔ）及びＡ２（ｔ）を時間ｔに対して線形に変化させることにより、ミラー部２０により反射される光ビームＬＢの軌道は、動径が変化するスパイラル状の軌道となる。振幅電圧Ａ１（ｔ）及びＡ２（ｔ）を時間ｔに依存しない一定値とすることにより、ミラー部２０により反射される光ビームＬＢの軌道は、動径が一定の円状の軌道となる。
　図７は、ミラー部２０が歳差運動を行う様子を示す。ミラー部２０の振れ角をθとすると、光ビームＬＢのスキャン角（全角）αは、振れ角θの４倍となる。振れ角θとは、反射面２０Ａの法線ＮがＺ方向に対してなす角度をいう。
　上記のように、可動枠２２に補強構造５１を設けることにより、ジンバル構造を構成する可動枠２２のバネ定数（すなわち剛性）が大きくなり、かつ、ジンバル構造の質量が増加する。また、ジンバル構造の質量が増加することにより共振Ｑ値が大きくなる。
　原則としてミラー部２０の直径を大きくするとミラーの慣性モーメントが増大するため、共振周波数が小さくなり、振れ角θは小さくなる。しかし、本実施形態では、可動枠２２に補強構造５１を設けることにより、可動枠２２の歪が低減して共振周波数及び振れ角θの低下が抑制されるので、ミラー部２０の直径を大きくすることが可能となる。すなわち、本実施形態によれば、ミラー部２０の直径、動作周波数、及び振れ角θを大きくすることができ、ＬｉＤＡＲ装置による測距の性能指標としての検出距離、分解能、及び検出範囲が向上する。
　また、詳しくは後述するが、ミラー部２０が歳差運動を行う場合に、可動枠２２と第１支持部２１との境界部Ｋに応力が集中するが、本実施形態では、補強構造５１が境界部Ｋに接していないので、境界部Ｋへの応力の集中が抑制され、境界部Ｋにおける構造破壊が抑制される。
　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５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを４３０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを８０μｍとした。なお、ミラー部２０の直径は、ＡＲ（Augmented Reality）グラス等に用いられるＭＭＤのミラー部の直径よりも大きい。また、本実験では、ｆｄ１＝１４７５Ｈｚ及びｆｄ２＝１４４５Ｈｚとした。
　本実験では、大気中においてミラー部２０を第２軸ａ２周りに逆位相回動モードで共振駆動し、α＝４０°に必要な駆動電圧（すなわち振幅電圧）を確認した。実験の結果、α＝４０°に必要な駆動電圧は、２３Ｖであった。
　また、ミラー部２０をα＝４０°で正円を描くように歳差運動させ、動作開始からＭＭＤ２に故障が生じるまでの時間（以下、連続駆動可能時間という。）を確認した。実験の結果、ＭＭＤ２を１０００時間動作させても破壊が生じなかった。すなわち、連続駆動可能時間は、１０００時間以上であった。
　［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。図１２は、第２実施形態に係るＭＭＤ２Ａを裏面側から見た斜視図である。ＭＭＤ２Ａは、第１支持部２１、第２支持部２３、及び補強構造５１の構成が第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。連結部２１Ｂは、第１実施形態と異なり、屈曲部Ｂを有していない。連結部２１Ｂは、一端が揺動軸２１Ａの第１軸ａ１上の外端部に接続されており、他端が可動枠２２に接続されている。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。
　本実施形態では、第２支持部２３は、連結部２３Ｂを有しておらず、第２軸ａ２に沿って延伸した揺動軸２３Ａのみで構成されている。揺動軸２３Ａは、一端が可動枠２２に接続されており、他端が第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。
　本実施形態では、一対の可動枠２２の各々に１つずつ補強構造５１が設けられている。補強構造５１は、第１実施形態と異なり、可動枠２２の第２支持部２３に隣接する領域にも延伸している。但し、補強構造５１は、第１実施形態と同様に、可動枠２２と第１支持部２１との境界部Ｋには接していない。
　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を実施した。図１３及び図１４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１５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５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを４３０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを８０μｍとした。また、本実験では、ｆｄ１＝１５１３Ｈｚ及びｆｄ２＝１４８３Ｈｚとした。
　実験の結果、大気中においてミラー部２０を第２軸ａ２周りに逆位相回動モードで共振駆動した場合にα＝４０°に必要な駆動電圧は、１３Ｖであった。また、ミラー部２０をα＝４０°で正円を描くように歳差運動させた場合に、１０００時間未満でＭＭＤ２Ａに故障は生じなかった。すなわち、連続駆動可能時間は１０００時間以上であった。
　［第１比較例］
　次に、第１比較例について説明する。図１６は、第１比較例に係るＭＭＤ２Ｂを光入射側から見た平面図である。図１７は、第１比較例に係るＭＭＤ２Ｂを裏面側から見た斜視図である。ＭＭＤ２Ｂは、可動枠２２に補強構造５１が設けられていない点のみが第１実施形態に係るＭＭＤ２の構成と異なる。
　本出願人は、第１比較例に係るＭＭＤ２Ｂについても上記と同様の実験を実施した。図１８及び図１９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２０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５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを４３０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを８０μｍとした。また、本実験では、ｆｄ１＝１４４３Ｈｚ及びｆｄ２＝１４４６Ｈｚとした。
　実験の結果、大気中においてミラー部２０を第２軸ａ２周りに逆位相回動モードで共振駆動した場合にα＝４０°に必要な駆動電圧は、３８Ｖであった。また、ミラー部２０をα＝４０°で正円を描くように歳差運動させた場合に、２００時間未満で圧電膜に破壊が生じた。すなわち、連続駆動可能時間は２００時間未満であった。
　［第２比較例］
　次に、第２比較例について説明する。図２１は、第２比較例に係るＭＭＤ２Ｃを光入射側から見た平面図である。図２２は、第２比較例に係るＭＭＤ２Ｃを裏面側から見た斜視図である。ＭＭＤ２Ｃは、可動枠２２に設けられた補強構造５１が、可動枠２２と第１支持部２１との境界部Ｋまで延伸して境界部Ｋに接している点が第２実施形態に係るＭＭＤ２Ａの構成と異なる。また、第２比較例では、第１軸ａ１周りの共振周波数と第２軸ａ２周りの共振周波数とを近づけるために、リブ５０をスタジアム形状としている。リブ５０は、Ｙ方向よりもＸ方向のほうが長い。
　本出願人は、第１比較例に係るＭＭＤ２Ｂについても上記と同様の実験を実施した。図２３及び図２４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２５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５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを４３０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを８０μｍとした。また、本実験では、ｆｄ１＝１４８７Ｈｚ及びｆｄ２＝１４５７Ｈｚとした。
　実験の結果、大気中においてミラー部２０を第２軸ａ２周りに逆位相回動モードで共振駆動した場合にα＝４０°に必要な駆動電圧は、１６Ｖであった。また、ミラー部２０をα＝４０°で正円を描くように歳差運動させた場合に、２０時間未満で、可動枠２２と第１支持部２１との境界部Ｋに構造破壊が生じた。すなわち、連続駆動可能時間は２０時間未満であった。
　図２６は、シミュレーションにより生成した境界部Ｋ付近の応力の分布を示す応力分布図である。この応力分布図によれば、ミラー部２０を歳差運動させた場合に、ミラー部２０が第１軸ａ１周りに揺動することによって生じる応力が、補強構造５１の端部と第１支持部２１との境界部Ｋに集中することが分かる。この応力の集中により、境界部Ｋに構造破壊が生じると考えられる。
　［まとめ］
　図２７は、上記各実施形態及び各比較例に係る実験結果を示す。ＬｉＤＡＲの用途では、ヘリカルスキャンにおいてα≧４０°を達成可能であることが１つの指標である。また、ＬｉＤＡＲの用途では、連続駆動可能時間が１０００時間以上であることが１つの指標である。
　第１比較例では、可動枠２２に補強構造５１が設けられていないので、ジンバル構造の剛性が低い。このため、α＝４０°に必要な駆動電圧は大きく３８Ｖであった。このように大きな駆動電圧を駆動部に印加すると、消費電力が大きくなるだけでなく、連続駆動時により圧電膜に電気的な破壊が生じる確率が高まる。第１比較例では、駆動電圧を３８Ｖとしてミラー部２０をα＝４０°で正円を描くように歳差運動させた場合に、２００時間未満で圧電膜に破壊が生じた。すなわち、連続駆動可能時間は２００時間未満であった。
　第２比較例では、可動枠２２に補強構造５１が設けられているので、ジンバル構造の剛性が高い。このため、α＝４０°に必要な駆動電圧は低く１６Ｖであった。但し、第２比較例では、補強構造５１が可動枠２２と第１支持部２１との境界部Ｋに接しているので、ミラー部２０をα＝４０°で正円を描くように歳差運動させた場合に、２０時間未満で、境界部Ｋに構造破壊が生じた。すなわち、連続駆動可能時間は２０時間未満であった。
　これに対して、第１実施形態及び第２実施形態では、可動枠２２に補強構造５１が設けられており、かつ補強構造５１が境界部Ｋに接している。これにより、第１実施形態及び第２実施形態では、α＝４０°に必要な駆動電圧は低く、かつミラー部２０をα＝４０°で正円を描くように歳差運動させた場合における連続駆動可能時間は１０００時間以上であった。
　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 (9)

  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、かつ前記第２軸を挟んで対向した一対の第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軸を挟んで対向した一対の第２アクチュエータと、
    　前記第２アクチュエータを囲んで配置された固定枠と、
    　前記第１アクチュエータと前記第２アクチュエータとを接続する一対の第１接続部と、
    　前記第２アクチュエータと前記固定枠とを接続する一対の第２接続部と、
    　を備え、
    　前記可動枠は、前記第１軸に対して線対称であって、前記可動枠と前記第１支持部との境界部に接していない補強構造を有しており、
    　前記第１接続部及び前記第２接続部は、それぞれ前記第１軸に線対称な形状であって、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータを前記第１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. 　前記可動枠と前記補強構造とを併せた厚みは、前記固定枠の厚みと同一である
    　請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
  3. 　前記補強構造は、前記可動枠の裏面側に設けられている
    　請求項２に記載のマイクロミラーデバイス。
  4. 　前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータは、それぞれ圧電素子を有する
    　請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
  5. 　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連結部とを有し、
    　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連結部に接続されており、
    　前記第１連結部は、一端が前記第１揺動軸の前記第１軸上の外端部に接続されて他端が前記可動枠に接続されている
    　請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
  6. 　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、前記第１アクチュエータ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５に記載のマイクロミラーデバイス。
  7. 　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連結部に接続されており、
    　前記第２連結部は、前記第２揺動軸の前記第２軸上の外端部に接続されて他端が前記第１アクチュエータに接続されている
    　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外周方向に屈曲し、前記第２アクチュエータに隣接する領域で前記第１アクチュエータに接続されている
    　請求項７に記載のマイクロミラーデバイス。
  9. 　請求項１に記載のマイクロミラーデバイスと、
    　前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータ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、前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータ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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