WO2024257561A1 - ミラー装置及び光走査装置 - Google Patents

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WO2024257561A1
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piezoelectric
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圭佑 青島
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Fujifilm Corp
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems

Definitions

  • the technology disclosed herein relates to a mirror device and an optical scanning device.
  • Micromirror devices also known as microscanners
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • Si silicon
  • 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 laser displays includes a mirror section and a drive section having multiple piezoelectric actuators (see, for example, International Publication No. 2022/025012).
  • the mirror section can freely oscillate around a first axis and a second axis that are perpendicular to each other.
  • the drive section oscillates the mirror section around the first axis and the second axis in response to a drive voltage supplied from the outside.
  • the micromirror device also has a fixed frame surrounding the mirror section and the drive section, and multiple metal pads are provided on the fixed frame.
  • the multiple piezoelectric actuators included in the drive section are each connected to the metal pads via metal wiring.
  • the piezoelectric film included in the piezoelectric actuator may be destroyed by the stress caused by the oscillation of the mirror part.
  • the micromirror device is resonantly driven to obtain a high scan angle, the stress becomes large, and the piezoelectric film is prone to destruction such as cracks.
  • the disclosed technology aims to provide a mirror device and an optical scanning device in which multiple piezoelectric actuators are arranged in an appropriate stress range.
  • the mirror device of the present disclosure comprises a mirror section having a reflective surface that reflects incident light, a pair of first support parts that are connected to the mirror section on a first axis in a plane including the reflective surface of the mirror section when stationary and support the mirror section so that it can swing about the first axis, a pair of movable frames that are connected to the pair of first support parts and face each other across the first axis, a pair of second support parts that are connected to the pair of movable frames on a second axis that is in the plane and intersects the first axis and support the mirror section, the pair of first support parts, and the pair of movable frames so that they can swing about the second axis, and a pair of second support parts that are arranged surrounding the pair of movable frames and support the mirror section, the pair of first support parts, and the pair of movable frames so that they can swing about the first axis or the second axis.
  • the device comprises a driving section having multiple piezoelectric actuators facing each other across an axis, a fixed frame arranged to surround the driving section, a pair of connecting sections that are thinner than the fixed frame and extend in the direction of the first axis or the second axis to connect the driving section and the fixed frame, multiple metal pads formed on the fixed frame, and multiple metal wiring that electrically connects the multiple piezoelectric actuators and the multiple metal pads, and the multiple piezoelectric actuators are arranged in a region where the maximum value of the maximum principal stress generated when the mirror section is swung around the first axis or the second axis is 1/120 to 1/8 of the maximum value of the maximum principal stress generated overall.
  • the multiple piezoelectric actuators may be arranged in a region where the maximum value of the maximum principal stress generated when the mirror portion is oscillated around the first axis or the second axis is 1/40 to 1/8 of the maximum value of the maximum principal stress generated overall.
  • the drive unit has a first actuator that is arranged around the pair of movable frames and is composed of a pair of piezoelectric actuators that face each other across a second axis, and a second actuator that is arranged around the first actuator and is composed of a pair of piezoelectric actuators that face each other across the first axis.
  • the contact area where the multiple piezoelectric actuators and the multiple metal wirings come into contact is preferably arranged in an area where the maximum value of the maximum principal stress generated when the mirror portion is oscillated around the first axis or the second axis is 1/15 or less of the maximum value of the maximum principal stress generated overall.
  • Each of the multiple piezoelectric actuators is composed of an upper electrode, a piezoelectric film, and a lower electrode, and each of the multiple metal wirings is preferably connected to the upper electrode or the lower electrode.
  • At least one of the multiple metal wirings is formed from three or more types of metal materials.
  • At least one of the multiple metal wirings is configured by connecting a first wiring formed of Au with a first wiring formed containing Al and Ti.
  • the pair of connecting parts are arranged on the second axis.
  • the optical scanning device disclosed herein is an optical scanning device that includes the mirror device described above and a processor, and the processor provides a drive signal to each of the multiple piezoelectric actuators to cause the mirror portion to oscillate around the first axis and the second axis, respectively.
  • the technology disclosed herein can provide a mirror device and an optical scanning device in which multiple piezoelectric actuators are arranged in an appropriate stress range.
  • 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. FIG. 1 is a perspective view of the appearance of a micromirror device.
  • FIG. 2 is a plan view of the micromirror device as viewed from the light incident side.
  • 5 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 4.
  • 4 is a cross-sectional view showing a state in which the mirror portion has rotated around a first axis.
  • FIG. 5A and 5B are diagrams illustrating an example of a first drive signal and a second drive signal.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration of a piezoelectric sensor.
  • FIG. 1 is a perspective view of the appearance of a micromirror device.
  • FIG. 2 is a plan view of the micromirror device as viewed from the light incident side.
  • 5 is a cross-sectional view
  • FIG. 2 is a plan view showing an example of a layout of metal pads and metal wiring provided in a micromirror device.
  • FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a schematic configuration example of metal wiring.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of signal processing for generating an angle detection signal.
  • 5A and 5B are diagrams illustrating an example of stress distribution when the mirror portion is swung around a first axis.
  • 13 is a diagram showing an example of stress distribution when the mirror portion is swung around a second axis.
  • FIG. 1 shows a schematic diagram of an optical scanning device 10 according to one embodiment.
  • the optical scanning device 10 has a micro mirror device (hereinafter referred to as MMD (Micro Mirror Device)) 2, a light source 3, and a drive control unit 4.
  • MMD Micro Mirror Device
  • the optical scanning device 10 optically scans a scanned surface 5 by reflecting a light beam LB irradiated from the light source 3 by the MMD 2 under the control of the drive control unit 4.
  • the scanned surface 5 is, for example, a screen.
  • the MMD2 is a piezoelectric two-axis drive type micromirror device that can oscillate a mirror section 20 (see FIG. 3) around a first axis a1 and a second axis a2 intersecting 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 is referred to as the Y direction
  • the direction perpendicular to the first axis a1 and the second axis a2 is referred to as the Z direction.
  • the X direction and the Y direction are perpendicular to each other.
  • the MMD2 is an example of a "mirror device" according to the technology disclosed herein.
  • 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 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 a1 and the second axis a2 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 scans the scanned surface 5 so as to draw a Lissajous waveform.
  • This optical scanning method is called a Lissajous scan method.
  • the optical scanning device 10 is applied, for example, to a laser display using a Lissajous scan method.
  • the optical scanning device 10 can be applied to a laser scan display such as AR (Augmented Reality) glasses or VR (Virtual Reality) glasses.
  • 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 programs for 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 deflection angle of the oscillation of the mirror portion 20 of the MMD 2.
  • the CPU 40 controls the light source driver 43 and the MMD driver 44 based on the optical scanning information.
  • the optical scanning information includes the scanning pattern of the light beam LB that scans the scanned surface 5 and the emission timing of the light source 3.
  • the CPU 40 generates angle detection signals representing angles of the mirror section 20 about the first axis a1 and the second axis a2 , based on voltage signals output from each of four piezoelectric sensors 51 to 54 (described later) provided on the MMD 2.
  • the CPU 40 corrects the drive signal based on the generated angle detection signals.
  • Figure 3 is an external perspective view of the MMD2.
  • Figure 4 is a plan view of the MMD2 as seen from the light incident side.
  • Figure 5 is a cross-sectional view taken along line A-A in Figure 4.
  • 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 first actuator 24, a second actuator 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 . Each of the first support parts 21 is connected to the mirror part 20 on the first axis a1 , and supports the mirror part 20 so as to be swingable 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 each of the movable frames 22 are connected to a pair of first support sections 21.
  • the pair of first support parts 21 and the pair of movable frames 22 are connected to each other to surround the mirror part 20.
  • the mirror part 20, the pair of first support parts 21, and the pair of movable frames 22 constitute the movable part 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 .
  • Each of the second support parts 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 that it can swing around the second axis a2 .
  • both ends of each of the second support parts 23 are connected to the first actuator 24.
  • the first actuators 24 are configured with a pair of piezoelectric actuators facing each other across the second axis a2 , and have a shape that is line-symmetrical about the second axis a2 . Also, each of the first actuators 24 has a shape that is line-symmetrical about the first axis a1 .
  • the first actuators 24 are disposed along the outer periphery of the pair of movable frames 22 and the pair of first support parts 21.
  • the piezoelectric actuators constituting the first actuator 24 appear to be separated by the first axis a1 in FIGS. 3 and 4, the two piezoelectric actuators facing each other across the first axis a1 are electrically connected by metal wiring (not shown).
  • the pair of second support parts 23 and the first actuator 24 are connected to each other to surround the movable part 60.
  • the second actuator 25 is composed of a pair of piezoelectric actuators facing each other across the first axis a1 , and has a shape that is line-symmetrical about the first axis a1 .
  • the second actuator 25 also has a shape that is line-symmetrical about the second axis a2 .
  • the second actuator 25 is disposed along the outer periphery of the first actuator 24 and the pair of second support portions 23.
  • the piezoelectric actuators constituting the second actuator 25 appear to be separated near the second axis a2 in Figures 3 and 4, the two piezoelectric actuators facing each other across the second axis a2 are electrically connected by metal wiring (not shown).
  • 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 is also shaped line-symmetrical about the first axis a1 . Each of the first connection portions 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 first axis a1 , and are shaped line-symmetrical about the first axis a1 .
  • Each of the second connection parts 26B extends in the Y direction, and is shaped line-symmetrical about the second axis a2 .
  • Each of the second connection parts 26B is disposed along the second axis a2 , and connects the second actuator 25 and the fixed frame 27 on the second axis a2 .
  • the pair of second connection parts 26B is an example of a "pair of connection parts" according to the technology of the present disclosure.
  • the second actuator 25 and the pair of second connection portions 26B are connected to each other, thereby surrounding the pair of movable portions 60 and the first actuator 24.
  • the first actuator 24 and the second actuator 25 configure a drive section disposed surrounding the pair of movable frames 22.
  • the drive section has a plurality of piezoelectric actuators facing each other across the first axis a1 or the second axis a2 .
  • the fixed frame 27 is a frame-shaped member having a rectangular outer shape, and is symmetrical about the first axis a1 and the second axis a2 .
  • the fixed frame 27 surrounds the outer periphery of the second actuator 25 and the pair of second connection portions 26B. In other words, the fixed frame 27 is disposed surrounding the drive portion.
  • the first actuator 24 causes the movable section 60 to oscillate about the second axis a2 by applying a rotational torque about the second axis a2 to the mirror section 20 and the pair of movable frames 22.
  • the second actuator 25 causes the mirror section 20 to oscillate about the first axis a1 by applying a rotational torque about the first axis a1 to the mirror section 20, the pair of movable frames 22, and the first actuator 24 .
  • each of the first support parts 21 is composed of an oscillation shaft 21A and a pair of connecting parts 21B.
  • the oscillation shaft 21A is a so-called torsion bar that extends in the direction of the first axis a1 .
  • One end of the oscillation shaft 21A is connected to the mirror part 20, and the other end is connected to the pair of connecting parts 21B.
  • the pair of connecting parts 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 of the connecting parts 21B is connected to the oscillation shaft 21A, and the other end is connected to the movable frame 22.
  • Each of the connecting parts 21B has a folded structure. Since each of the connecting parts 21B has elasticity due to the folded structure, it relieves internal stress acting on the oscillation shaft 21A when the mirror part 20 oscillates around the first axis a1 .
  • Each of the second support parts 23 is composed of a swing shaft 23A and a pair of connecting parts 23B.
  • the swing shaft 23A is a so-called torsion bar that extends in the direction of 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 pair of connecting parts 23B.
  • the pair of connecting parts 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 of the connecting parts 23B is connected to the oscillation shaft 23A, and the other end is connected to the first actuator 24.
  • Each of the connecting parts 23B has a folded structure. Since each of the connecting parts 23B has elasticity due to the folded structure, it relieves internal stress acting on the oscillation shaft 23A when the mirror part 20 oscillates around the second axis a2 .
  • a plurality of slits 20B, 20C are formed on the outer side of the reflecting surface 20A along the outer periphery of the reflecting surface 20A.
  • the plurality of slits 20B, 20C are arranged at positions that are line-symmetrical with respect to the first axis a1 and the second axis a2, respectively.
  • the slits 20B, 20C have the effect of suppressing distortion occurring in the reflecting surface 20A due to the oscillation of the mirror section 20.
  • piezoelectric sensors 51 to 54 are provided near the pair of second connection parts 26B as angle sensors for detecting the angle of the mirror part 20.
  • the piezoelectric sensors 51 to 54 are formed of piezoelectric elements, similar to the first actuator 24 and the second actuator 25.
  • the piezoelectric sensors 51 to 54 are in a line-symmetric relationship with respect to the first axis a1 and the second axis a2 .
  • the piezoelectric sensors 51 and 52 are disposed near one of the pair of second connection parts 26B, and the positions and shapes are in a line-symmetric relationship with respect to the second axis a2 .
  • the piezoelectric sensors 53 and 54 are disposed near the other of the pair of second connection parts 26B, and the positions and shapes are in a line-symmetric relationship with respect to the second axis a2 .
  • the piezoelectric sensors 51 and 52 and the piezoelectric sensors 53 and 54 are in a line-symmetric relationship with respect to the first axis a1 .
  • the metal wiring and metal pads for providing drive signals to the first actuator 24 and the second actuator 25 are not shown. Also, the metal wiring and metal pads for acquiring the voltage signals output from the piezoelectric sensors 51 to 54 are not shown. Multiple metal pads are provided on the fixed frame 27. The metal pads are also called electrode pads.
  • 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 pair of first support sections 21, the pair of movable frames 22, the pair of second support sections 23, the first actuator 24, the second actuator 25, the pair of first connection sections 26A, and the pair of second connection sections 26B are formed of 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 of three layers, the first silicon active layer 31, the silicon oxide layer 32, and the second silicon active layer 33.
  • the mirror section 20, the pair of first support sections 21, the pair of movable frames 22, the pair of second support sections 23, the first actuator 24, the second actuator 25, the pair of first connection sections 26A, and the pair of second connection sections 26B are each thinner than the fixed frame 27.
  • thickness refers to the width in the Z direction.
  • the piezoelectric actuator constituting the first actuator 24 is composed of 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 the same configuration as 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 a 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.
  • FIG. 6 shows an example in which one of a pair of piezoelectric actuators constituting the second actuator 25 is expanded and the other is contracted, thereby generating a rotational torque about the first axis a1 in the second actuator 25.
  • one and the other of the pair of piezoelectric actuators are displaced in the opposite directions, causing the mirror section 20 to rotate about the first axis a1 .
  • FIG. 6 also shows an example in which the second actuator 25 is driven in an anti-phase resonance mode (hereinafter referred to as an anti-phase rotation mode) in which the displacement direction of the pair of piezoelectric actuators 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 piezoelectric actuators and the rotation direction of the mirror section 20 are the same direction is called an in-phase rotation mode.
  • the second actuator 25 is driven in the anti-phase rotation mode.
  • 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 a pair of piezoelectric actuators 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 deflection angle ⁇ of the mirror portion 20 about the first axis a1 corresponds to the angle at which the normal N of the reflecting surface 20A is inclined with respect to the Z direction in the YZ plane.
  • the first actuator 24 is driven in an opposite-phase resonant 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 piezoelectric actuators 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. 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
  • Voff1 is the bias voltage
  • fd1 is the drive frequency (hereinafter referred to as the first drive frequency)
  • t is time
  • the mirror section 20 oscillates 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 the bias voltage.
  • fd2 is the drive frequency (hereinafter referred to as the second drive frequency).
  • t is time.
  • ⁇ 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 movable section 60 including the mirror section 20 oscillates around the second axis a2 at a second drive frequency fd2 .
  • 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 greater than the second drive frequency fd2 .
  • FIG. 8 shows a schematic configuration of the piezoelectric sensor 51.
  • the piezoelectric sensor 51 includes a lower electrode 70, a piezoelectric film 71, and an upper electrode 72.
  • the lower electrode 70, the piezoelectric film 71, and the upper electrode 72 are stacked in order on the second silicon active layer 33.
  • the lower electrode 70 and the upper electrode 72 are made of a metal such as gold (Au) or platinum (Pt).
  • the piezoelectric film 71 is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate), which is a piezoelectric material.
  • the upper electrode 72 is covered with an insulating film 73.
  • An opening 73A is formed in the insulating film 73 to expose a portion of the upper electrode 72.
  • Metal wiring 91 made of metal is provided on the insulating film 73.
  • the metal wiring 91 is connected to the upper electrode 72 via the opening 73A.
  • the lower electrode 70 is connected to metal wiring 90 formed on the second silicon active layer 33. A ground potential is applied to the metal wiring 90.
  • the lower electrode 70, the piezoelectric film 71, and the upper electrode 72 are manufactured using the same manufacturing process as the lower electrodes, the piezoelectric film, and the upper electrodes of the piezoelectric actuators that make up the first actuator 24 and the second actuator 25.
  • the piezoelectric film 71 converts the stress applied when the mirror section 20 oscillates into a voltage signal through the piezoelectric effect. As a result, a voltage signal corresponding to the angle of the mirror section 20 is obtained from the upper electrode 72.
  • Piezoelectric sensors 52 to 54 have the same configuration as piezoelectric sensor 51.
  • the piezoelectric actuator also has the same configuration as piezoelectric sensor 51.
  • Figure 9 shows an example of the layout of metal pads and metal wiring provided on MMD2.
  • Figure 9 is a partially enlarged view of the area including piezoelectric sensors 51 and 52.
  • a number of metal pads 80-84 are formed on the fixed frame 27.
  • the metal pad 80 is an electrode pad for applying a ground potential, and is connected to metal wiring 90.
  • the metal wiring 90 is connected to the lower electrodes of the piezoelectric actuators that make up the first actuator 24 and the second actuator 25, and to the lower electrodes of the piezoelectric sensors 51-54.
  • the metal pad 81 is an electrode pad for acquiring a voltage signal from the piezoelectric sensor 51, and is connected to the above-mentioned metal wiring 91.
  • the metal pad 82 is an electrode pad for acquiring a voltage signal from the piezoelectric sensor 52, and is connected to the metal wiring 92.
  • the metal pad 83 is an electrode pad for applying a second drive signal to the first actuator 24, and is connected to a metal wiring 93.
  • the metal wiring 93 is connected to an upper electrode of the piezoelectric actuator that constitutes the first actuator 24. Note that a pair of metal pads 83 are provided on the fixed frame 27 at positions facing each other across the second axis a2 , and both are electrically connected via the metal wiring 93.
  • the metal pad 84 is an electrode pad for supplying a first drive signal to the second actuator 25, and is connected to a metal wiring 94.
  • the metal wiring 94 is connected to the upper electrode of the piezoelectric actuator that constitutes the second actuator 25.
  • the metal wiring 90, 93, and 94 are wired from the fixed frame 27 through the second connection part 26B to the formation area of the second actuator 25. Although not shown in FIG. 9, the metal wiring 90 and 93 are further wired from the second actuator 25 through the first connection part 26A to the formation area of the first actuator 24.
  • Metal wiring 95 and 93D are also formed on the MMD 2.
  • the metal wiring 95 is included in each of the first actuators 24 and connects the upper electrodes of two piezoelectric actuators facing each other across the second axis a2 .
  • the metal wiring 93D is a dummy wiring formed at a position that is linearly symmetrical to the metal wiring 93 with respect to the second axis a2 as the center, and is electrically isolated.
  • placing the piezoelectric actuator in an area where stress is concentrated improves the work efficiency of the piezoelectric film and generates a large rotational torque.
  • placing the piezoelectric actuator in an appropriate stress range is important for improving the performance of the MMD2.
  • MMD2 is mainly made of single crystal silicon
  • the maximum principal stress on the single crystal silicon is 1.2 GPa or less.
  • the maximum principal stress that is the destruction limit for PZT used as the piezoelectric film is about 150 MPa.
  • the appropriate stress range for the stress acting on the piezoelectric film is determined, and it is preferable that the stress range satisfies the relationship 1/120 x B ⁇ A ⁇ 1/8 x B.
  • A is the maximum value of the maximum principal stress occurring in the piezoelectric film.
  • B is the maximum value of the maximum principal stress occurring throughout the MMD2.
  • the principal stress refers to the stress in the direction perpendicular to the plane where the shear stress is zero.
  • the technology disclosed herein is characterized in that the multiple piezoelectric actuators included in the drive unit are arranged in a region where the maximum value of the maximum principal stress generated when the mirror unit 20 is swung around the first axis a1 or the second axis a2 is 1/120 to 1/8 of the maximum value of the maximum principal stress generated in the entire MMD 2. From the viewpoint of the work efficiency of the piezoelectric film, it is more preferable that the multiple piezoelectric actuators included in the drive unit are arranged in a region where the maximum value of the maximum principal stress generated when the mirror unit 20 is swung around the first axis a1 or the second axis a2 is 1/40 to 1/8 of the maximum value of the maximum principal stress generated in the entire MMD 2.
  • the maximum principal stress generated in the pair of first support sections 21, the pair of movable frames 22, the pair of second support sections 23, the pair of first connection sections 26A, the pair of second connection sections 26B, etc. is maximized.
  • the technology disclosed herein is characterized in that the contact areas where the multiple piezoelectric actuators and the multiple metal wirings are in contact are arranged in areas where the maximum value of the maximum principal stress generated when the mirror portion 20 is oscillated around the first axis a1 or the second axis a2 is less than 1/15 of the maximum value of the maximum principal stress generated in the entire MMD2.
  • each of the contact regions CR is disposed in a region where the maximum value of the maximum principal stress generated when the mirror portion 20 is oscillated around the first axis a1 or the second axis a2 is 1/15 or less of the maximum value of the maximum principal stress generated in the entire MMD2. This prevents the contact region CR from being destroyed, and suppresses a decrease in conductivity in the contact region CR.
  • the contact area where the metal wiring 94 and the upper electrode of the piezoelectric actuator come into contact is also arranged in a region where the maximum value of the maximum principal stress generated when the mirror section 20 is oscillated around the first axis a1 or the second axis a2 is 1/15 or less of the maximum value of the maximum principal stress generated in the entire MMD2.
  • FIG. 10 shows a schematic configuration example of the metal wiring 90.
  • the metal wiring 90 is configured by connecting a first wiring 90A and a second wiring 90B. One end of the first wiring 90A is connected to the metal pad 80, and the other end is connected to the second wiring 90B.
  • the first wiring 90A is mainly provided in an area (such as the fixed frame 27) where the stress applied when the mirror section 20 oscillates is small.
  • the second wiring 90B is provided in an area (such as the second connection section 26B) where the stress applied when the mirror section 20 oscillates is large.
  • the first wiring 90A is made of gold (Au)
  • the second wiring 90B is made to contain gold (Al) and titanium (Ti).
  • the second wiring 90B is an amorphous metal containing Al and Ti. That is, the metal wiring 90 is made to contain three types of metal materials. Note that the metal wiring 90 may be made to contain three or more types of metal materials.
  • the metal wirings 93 and 94 are formed by connecting a first wiring and a second wiring, similar to the metal wiring 90.
  • the metal wirings 93 and 94 may be formed by including three or more kinds of metal materials.
  • At least one of the multiple metal wirings is configured by connecting a first wiring formed of Au with a second wiring formed containing Al and Ti.
  • the first wiring is formed integrally with the metal pad by the same metal material as the metal pad.
  • the CPU 40 generates a first angle detection signal S1 representing the angle of the mirror unit 20 around the first axis a1 by subtracting a voltage signal V3 obtained from the upper electrode 72 of the piezoelectric sensor 53 from a voltage signal V1 obtained from the upper electrode 72 of the piezoelectric sensor 51.
  • the CPU 40 also generates a second angle detection signal S2 representing the angle of the mirror unit 20 around the second axis a2 by subtracting a voltage signal V2 obtained from the upper electrode 72 of the piezoelectric sensor 52 from a voltage signal V1 obtained from the upper electrode 72 of the piezoelectric sensor 51.
  • the signal components (detection target components) around the first axis a1 contained in the voltage signal V1 and the voltage signal V3 are in phase with each other.
  • the signal components (noise components) around the second axis a2 contained in the voltage signal V1 and the voltage signal V3 are in phase with each other. Therefore, by subtracting the voltage signal V3 from the voltage signal V1, the detection target components are amplified, and other-axis noise, which is a signal component around an axis other than the detection target, is reduced.
  • the signal components (detection target components) around the second axis a2 contained in the voltage signals V1 and V2 are in phase with each other.
  • the signal components (noise components) around the first axis a1 contained in the voltage signals V1 and V2 are in phase with each other. Therefore, by subtracting the voltage signal V2 from the voltage signal V1, the detection target components are amplified and other-axis noise, which is a signal component around an axis other than the detection target, is reduced.
  • FIG. 12 and 13 show simulation results of stress generated in the MMD 2.
  • Fig. 12 shows an example of stress distribution when the mirror portion 20 is swung around the first axis a1 .
  • Fig. 13 shows an example of stress distribution when the mirror portion 20 is swung around the second axis a2 .
  • the maximum amplitude of the mirror portion 20 is set to 68° in optical full angle.
  • the maximum amplitude of the mirror portion 20 is set to 46° in optical full angle.
  • the stress generated by the oscillation of the mirror portion 20 is concentrated in the areas of the movable frame 22, the second connection portion 26B, etc.
  • the contact region CR by arranging the contact region CR in an area other than the area where the stress is concentrated, it is possible to suppress the decrease in conductivity in the contact region CR.
  • the first angle detection signal S1 is generated by subtracting the voltage signal V3 from the voltage signal V1
  • the second angle detection signal S2 is generated by subtracting the voltage signal V2 from the voltage signal V1.
  • the first angle detection signal S1 and the second angle detection signal S2 can be generated by adding or subtracting the voltage signals V1 to V4.
  • the lower electrodes of a pair of piezoelectric sensors that are in a line-symmetrical relationship with respect to the second axis a2 are connected via electrode wiring as metal wiring.
  • the upper electrodes of a pair of piezoelectric sensors that are in a line-symmetrical relationship with respect to the second axis a2 may be connected via electrode wiring as metal wiring. In this case, it is possible to generate an angle detection signal using a voltage signal obtained from the lower electrodes of the pair of piezoelectric sensors.
  • piezoelectric sensors 51 to 54 are provided, but the number of piezoelectric sensors is not limited to four.
  • the shape and the position of the piezoelectric sensor can be changed as appropriate.
  • the piezoelectric sensor may be provided on the first axis a1 or the second axis a2 .
  • 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).
  • a mirror portion having a reflecting surface that reflects incident light; a pair of first support parts connected to the mirror part on a first axis in a plane including the reflecting surface when the mirror part is stationary and supporting the mirror part so as to be swingable around the first axis; a pair of movable frames connected to the pair of first support portions and facing each other across the first axis; a pair of second support parts that are connected to the pair of movable frames on a second axis that is within the plane and intersects the first axis, and that support the mirror unit, the pair of first support parts, and the pair of movable frames so as to be swingable around the second axis; a drive unit including a plurality of piezoelectric actuators disposed to surround the pair of movable frames and facing each other across the first axis or the second axis; A fixed frame arranged to surround the drive unit; a pair of connection parts that are thinner than the fixed frame and
  • the plurality of piezoelectric actuators are disposed in a region in which a maximum value of a maximum principal stress generated when the mirror portion is oscillated around the first axis or the second axis is 1/40 to 1/8 of a maximum value of a maximum principal stress generated as a whole; 2.
  • the drive unit is a first actuator including a pair of the piezoelectric actuators arranged to surround the pair of movable frames and facing each other across the second axis; a second actuator including a pair of the piezoelectric actuators disposed to surround the first actuator and facing each other across the first axis; 3.
  • the mirror device further comprising: [Additional Note 4] contact regions where the plurality of piezoelectric actuators contact the plurality of metal wirings are disposed in a region in which a maximum value of a maximum principal stress generated when the mirror portion is swung around the first axis or the second axis is 1/15 or less of a maximum value of a maximum principal stress generated as a whole; 4.
  • the mirror device [Additional Note 5] Each of the piezoelectric actuators is composed of an upper electrode, a piezoelectric film, and a lower electrode, Each of the plurality of metal wirings is connected to the upper electrode or the lower electrode. 5.
  • the mirror device according to claim 1 [Additional Note 6] At least one of the plurality of metal wirings is formed containing three or more kinds of metal materials. 6. The mirror device according to claim 1 , [Additional Note 7] At least one of the plurality of metal wirings is configured by connecting a first wiring formed of Au and a first wiring formed containing Al and Ti. 7. The mirror device according to claim 6. [Additional Note 8] The pair of connection portions are disposed on the second axis. 8.
  • the mirror device according to claim 1 [Additional Note 9] A mirror device according to any one of claims 1 to 8, A processor; An optical scanning device comprising: the processor applies a drive signal to each of the plurality of piezoelectric actuators to swing the mirror portion around the first axis and the second axis, respectively; Optical scanning device.

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Abstract

本発明のミラー装置は、ミラー部と、一対の第１支持部と、一対の可動枠（２２）と、一対の第２支持部（２３）と、第１軸又は第２軸（ａ２）を挟んで対向する複数の圧電アクチュエータ（２４，２５）を有する駆動部と、固定枠（２７）と、固定枠（２７）上に形成された複数の金属パッド（８０～８４）と、複数の圧電アクチュエータ（２４，２５）と複数の金属パッド（８０～８４）とを電気的に接続する複数の金属配線（９０～９４）と、を含む。複数の圧電アクチュエータ（２４，２５）は、ミラー部を第１軸又は第２軸（ａ２）周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／１２０以上１／８以下となる領域に配置されている。

Description

ミラー装置及び光走査装置
　本開示の技術は、ミラー装置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、複数の圧電アクチュエータを有する駆動部とを備える（例えば、国際公開第２０２２／０２５０１２号参照）。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。駆動部は、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。
　また、マイクロミラーデバイスには、ミラー部及び駆動部を囲うように固定枠が設けられ、固定枠上に複数の金属パッドが設けられている。駆動部に含まれる複数の圧電アクチュエータは、それぞれ金属パッドと金属配線を介して接続されている。
　ミラー部が揺動した場合、マイクロミラーデバイスの各部には、揺動に応じて応力が生じ、特定の領域に応力が集中する。このため、圧電アクチュエータに含まれる圧電膜は、ミラー部が揺動することによって生じる応力により破壊されることがある。特に、高いスキャン角が得られるようにマイクロミラーデバイスを共振駆動する場合には、応力が大きくなることから、圧電膜にクラック等の破壊が生じやすい。
　そこで、ミラー部の揺動による圧電膜の破壊を抑制するためには、圧電膜にかかる応力が小さくなるように複数の圧電アクチュエータを配置することが好ましい。しかしながら、圧電膜にかかる応力が小さすぎると圧電膜の仕事効率が低下することによりトルクが低下する。このため、適切な応力範囲に複数の圧電アクチュエータを配置することが望まれる。
　本開示の技術は、適切な応力範囲に複数の圧電アクチュエータが配置されたミラー装置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、本開示のミラー装置は、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、一対の第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軸に交差する第２軸上で一対の可動枠に接続され、かつミラー部と一対の第１支持部と一対の可動枠とを第２軸周りに揺動可能に支持する一対の第２支持部と、一対の可動枠を囲んで配置され、第１軸又は第２軸を挟んで対向する複数の圧電アクチュエータを有する駆動部と、駆動部を囲んで配置された固定枠と、固定枠よりも厚みが薄く、第１軸又は第２軸の方向に延伸して駆動部と固定枠とを接続する一対の接続部と、固定枠上に形成された複数の金属パッドと、複数の圧電アクチュエータと複数の金属パッドとを電気的に接続する複数の金属配線と、を備え、複数の圧電アクチュエータは、ミラー部を第１軸又は第２軸周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／１２０以上１／８以下となる領域に配置されている。
　複数の圧電アクチュエータは、ミラー部を第１軸又は第２軸周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／４０以上１／８以下となる領域に配置されていてもよい。
　駆動部は、一対の可動枠を囲んで配置され、第２軸を挟んで対向する一対の圧電アクチュエータで構成された第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、第１軸を挟んで対向する一対の圧電アクチュエータで構成された第２アクチュエータとを有することが好ましい。
　複数の圧電アクチュエータと複数の金属配線とが接触する接触領域は、ミラー部を第１軸又は第２軸周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／１５以下となる領域に配置されていることが好ましい。
　複数の圧電アクチュエータは、それぞれ上部電極、圧電膜、及び下部電極によって構成されており、複数の金属配線の各々は、上部電極又は下部電極に接続されていることが好ましい。
　複数の金属配線のうち少なくとも１つは、３種以上の金属材料を含んで形成されていることが好ましい。
　複数の金属配線のうち少なくとも１つは、Ａｕにより形成された第１配線とＡｌ及びＴｉを含んで形成された第１配線と接続することにより構成されていることが好ましい。
　一対の接続部は、第２軸上に配置されていることが好ましい。
　本開示の光走査装置は、上記のミラー装置と、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、複数の圧電アクチュエータの各々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、適切な応力範囲に複数の圧電アクチュエータが配置されたミラー装置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。 マイクロミラーデバイスの外観斜視図である。 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。 圧電センサの構成を概略的に示す断面図である。 マイクロミラーデバイスに設けられた金属パッド及び金属配線のレイアウトの一例を示す平面図である。 金属配線の構成例を概略的に示す断面図である。 角度検出信号を生成する信号処理の一例を示す図である。 ミラー部を第１軸周りに揺動させた場合における応力分布の一例を示す図である。 ミラー部を第２軸周りに揺動させた場合における応力分布の一例を示す図である。
　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。
　図１は、一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に交差する第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。本実施形態では、Ｘ方向とＹ方向とは直交している。なお、ＭＭＤ２は、本開示の技術に係る「ミラー装置」の一例である。
　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、ＭＭＤ２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。
　また、ＣＰＵ４０は、ＭＭＤ２に設けられた後述する４つの圧電センサ５１～５４の各々から出力される電圧信号に基づいて、ミラー部２０の第１軸ａ１及び第２軸ａ２の周りの角度を表す角度検出信号を生成する。ＣＰＵ４０は、生成した角度検出信号に基づいて、駆動信号を補正する。
　次に、図３～図５を用いて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、第１アクチュエータ２４、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の各々は、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な形状である。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の各々の両端は、一対の第１支持部２１に接続されている。
　一対の第１支持部２１と一対の可動枠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、一対の第１支持部２１、及び一対の可動枠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の各々は、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の各々の両端は、第１アクチュエータ２４に接続されている。
　第１アクチュエータ２４は、第２軸ａ２を挟んで対向する一対の圧電アクチュエータにより構成されており、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アクチュエータ２４は、一対の可動枠２２及び一対の第１支持部２１の外周に沿って配置されている。
　なお、図３及び図４では、第１アクチュエータ２４を構成する圧電アクチュエータが第１軸ａ１を挟んで分離されているように見えるが、第１軸ａ１を挟んで対向する２つの圧電アクチュエータは、不図示の金属配線により電気的に接続されている。
　一対の第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。
　第２アクチュエータ２５は、第１軸ａ１を挟んで対向する一対の圧電アクチュエータにより構成されており、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及び一対の第２支持部２３の外周に沿って配置されている。
　なお、図３及び図４では、第２アクチュエータ２５を構成する圧電アクチュエータが第２軸ａ２付近で分離されているように見えるが、第２軸ａ２を挟んで対向する２つの圧電アクチュエータは、不図示の金属配線により電気的に接続されている。
　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の各々は、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の各々は、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。なお、一対の第２接続部２６Ｂは、本開示の技術に係る「一対の接続部」の一例である。
　第２アクチュエータ２５と一対の第２接続部２６Ｂとは、互いに接続されることにより、一対の可動部６０、及び第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、一対の可動枠２２を囲んで配置された駆動部を構成している。すなわち、駆動部は、第１軸ａ１又は第２軸ａ２を挟んで対向する複数の圧電アクチュエータを有する。
　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及び一対の第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は、ミラー部２０及び一対の可動枠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。第２アクチュエータ２５は、ミラー部２０、一対の可動枠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の各々は、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の方向に延伸した、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、他端が一対の連結部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の各々は、一端が揺動軸２１Ａ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の各々は、折り返し構造を有している。連結部２１Ｂの各々は、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。
　第２支持部２３の各々は、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の方向に延伸した、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、他端が一対の連結部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の各々は、一端が揺動軸２３Ａ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の各々は、折り返し構造を有している。連結部２３Ｂの各々は、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。
　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，２０Ｃ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。
　一対の第２接続部２６Ｂの近傍には、ミラー部２０の角度を検出するための角度センサとして、４つの圧電センサ５１～５４が設けられている。圧電センサ５１～５４は、第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５と同様に、圧電素子により形成されている。圧電センサ５１～５４は、第１軸ａ１及び第２軸ａ２をそれぞれ中心として線対称の関係にある。具体的には、圧電センサ５１，５２は、一対の第２接続部２６Ｂの一方の近傍に配置され、かつ位置及び形状が第２軸ａ２を中心として線対称の関係にある。圧電センサ５３，５４は、一対の第２接続部２６Ｂの他方の近傍に配置され、かつ位置及び形状が第２軸ａ２を中心として線対称の関係にある。圧電センサ５１，５２と圧電センサ５３，５４とは、位置及び形状が第１軸ａ１を中心として線対称の関係にある。
　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金属配線及び金属パッドについては図示を省略している。また、圧電センサ５１～５４から出力される電圧信号を取得するための金属配線及び金属パッドについても図示を省略している。金属パッドは、固定枠２７上に複数設けられる。なお、金属パッドは、電極パッドとも呼ばれる。
　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、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、第１アクチュエータ２４、第２アクチュエータ２５、一対の第１接続部２６Ａ、及び一対の第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、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、第１アクチュエータ２４、第２アクチュエータ２５、一対の第１接続部２６Ａ、及び一対の第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を構成する圧電アクチュエータは、第２シリコン活性層３３上に形成された圧電素子により構成されている。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、第２アクチュエータ２５を構成する一対の圧電アクチュエータの一方を伸張させ、他方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、一対の圧電アクチュエータ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、一対の圧電アクチュエータの変位方向と、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、一対の圧電アクチュエータの変位方向と、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、一対の圧電アクチュエータ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、逆位相の共振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、一対の圧電アクチュエータ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。本実施形態では、第１駆動周波数ｆｄ１は、第２駆動周波数ｆｄ２より大きい。
　図８は、圧電センサ５１の構成を概略的に示す。圧電センサ５１は、下部電極７０、圧電膜７１、及び上部電極７２を含んで構成されている。下部電極７０、圧電膜７１、及び上部電極７２は、第２シリコン活性層３３上に順に積層されている。下部電極７０及び上部電極７２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７１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。
　上部電極７２は、絶縁膜７３で覆われている。絶縁膜７３には、上部電極７２の一部を露出させる開口７３Ａが形成されている。絶縁膜７３上には、金属で形成された金属配線９１が設けられている。金属配線９１は、開口７３Ａを介して上部電極７２に接続されている。下部電極７０は、第２シリコン活性層３３上に形成された金属配線９０に接続されている。金属配線９０には、グランド電位が付与される。
　下部電極７０、圧電膜７１、及び上部電極７２は、第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５を構成する圧電アクチュエータの下部電極、圧電膜、及び上部電極と、同一の製造工程により製造される。
　圧電膜７１は、ミラー部２０が揺動する際に加わる応力を、圧電効果により電圧信号に変換する。この結果、ミラー部２０の角度に応じた電圧信号が上部電極７２から取得される。
　圧電センサ５２～５４は、圧電センサ５１と同様の構成である。圧電アクチュエータも圧電センサ５１と同様の構成である。
　図９は、ＭＭＤ２に設けられた金属パッド及び金属配線のレイアウトの一例を示す。図９は、圧電センサ５１，５２を含む領域の部分拡大図である。
　固定枠２７上には、複数の金属パッド８０～８４が形成されている。金属パッド８０は、グランド電位を付与するための電極パッドであって、金属配線９０が接続されている。金属配線９０は、第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５を構成する圧電アクチュエータの下部電極と、圧電センサ５１～５４の下部電極とに接続されている。
　金属パッド８１は、圧電センサ５１から電圧信号を取得するための電極パッドであって、上述の金属配線９１が接続されている。同様に、金属パッド８２は、圧電センサ５２から電圧信号を取得するための電極パッドであって、金属配線９２が接続されている。
　金属パッド８３は、第１アクチュエータ２４に第２駆動信号を与えるための電極パッドであって、金属配線９３が接続されている。金属配線９３は、第１アクチュエータ２４を構成する圧電アクチュエータの上部電極に接続されている。なお、固定枠２７上には、第２軸ａ２を挟んで対向する位置に一対の金属パッド８３が設けられているが、両者は金属配線９３を介して電気的に接続されている。
　金属パッド８４は、第２アクチュエータ２５に第１駆動信号を与えるための電極パッドであって、金属配線９４が接続されている。金属配線９４は、第２アクチュエータ２５を構成する圧電アクチュエータの上部電極に接続されている。
　金属配線９０，９３，９４は、固定枠２７上から第２接続部２６Ｂを通って、第２アクチュエータ２５の形成領域まで配線されている。また、図９には図示していないが、金属配線９０，９３は、さらに第２アクチュエータ２５から第１接続部２６Ａを通って、第１アクチュエータ２４の形成領域まで配線されている。
　また、ＭＭＤ２には、金属配線９５，９３Ｄが形成されている。金属配線９５は、第１アクチュエータ２４の各々に含まれ、かつ第２軸ａ２を挟んで対向する２つの圧電アクチュエータの上部電極を互いに接続している。金属配線９３Ｄは、第２軸ａ２を中心として金属配線９３と線対称となる位置に形成されたダミー配線であって、電気的に孤立している。
　ＭＭＤ２の駆動時には、圧電アクチュエータを応力が集中する箇所に配置することにより、圧電膜の仕事効率が向上して大きな回転トルクが発生する。しかしながら、圧電膜に応力が掛かりすぎるとクラック等の破壊が生じてしまうため、適切な応力範囲に複数の圧電アクチュエータを配置することがＭＭＤ２の性能を向上させるために重要である。
　上述のようにＭＭＤ２は、主として単結晶シリコンにより形成されているので、ＭＭＤ２の駆動時における破壊を防ぐためには、単結晶シリコンにかかる最大主応力が１．２ＧＰａ以下となる範囲でＭＭＤ２を駆動させることが好ましい。一方、圧電膜として使用されるＰＺＴにおいて破壊限界となる最大主応力は、１５０ＭＰａ程度である。また、圧電膜の仕事効率を考慮すると、ＭＭＤ２の駆動時に圧電膜にかかる最大主応力を１０ＭＰａ以上の範囲とすることが好ましい。
　したがって、ＭＭＤ２を破壊が生じない最大範囲で駆動することを前提として、圧電膜にかかる応力の適切な応力範囲を定めると、その応力範囲は、１／１２０×Ｂ≦Ａ≦１／８×Ｂの関係を満たすことが好ましい。ここで、Ａは、圧電膜に生じる最大主応力の最大値である。Ｂは、ＭＭＤ２の全体に生じる最大主応力の最大値である。なお、主応力とは、せん断応力がゼロになる面に垂直な方向の応力をいう。主応力には、３種類の成分（応力テンソルの固有値）がある。主応力の３種類の成分は、応力値が大きい順に、最大主応力、中間主応力、及び最小主応力と呼ばれる。
　本開示の技術は、駆動部に含まれる複数の圧電アクチュエータが、ミラー部２０を第１軸ａ１又は第２軸ａ２周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、ＭＭＤ２の全体に生じる最大主応力の最大値の１／１２０以上１／８以下となる領域に配置されていることを特徴とする。また、圧電膜の仕事効率の観点からは、駆動部に含まれる複数の圧電アクチュエータが、ミラー部２０を第１軸ａ１又は第２軸ａ２周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、ＭＭＤ２の全体に生じる最大主応力の最大値の１／４０以上１／８以下となる領域に配置されていることがより好ましい。
　本実施形態では、ミラー部２０が第１軸ａ１と第２軸ａ２とのいずれの軸周りに揺動した場合においても、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接続部２６Ａ、一対の第２接続部２６Ｂ等に生じる最大主応力が最大となる。
　また、本開示の技術は、複数の圧電アクチュエータと複数の金属配線とが接触する接触領域が、ミラー部２０を第１軸ａ１又は第２軸ａ２周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、ＭＭＤ２の全体に生じる最大主応力の最大値の１／１５以下の応力が生じる領域に配置されていることを特徴とする。
　図９に示すＣＲは、金属配線９０と圧電アクチュエータの下部電極とが接触する接触領域、金属配線９３と圧電アクチュエータの上部電極とが接触する接触領域、及び金属配線９５と圧電アクチュエータの上部電極とが接触する接触領域を示している。本実施形態では、接触領域ＣＲの各々は、ミラー部２０を第１軸ａ１又は第２軸ａ２周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、ＭＭＤ２の全体に生じる最大主応力の最大値の１／１５以下となる領域に配置されている。これにより、接触領域ＣＲが破壊され、接触領域ＣＲにおける導通性の低下を抑制することができる。
　図示は省略するが、金属配線９４と圧電アクチュエータの上部電極とが接触する接触領域も、ミラー部２０を第１軸ａ１又は第２軸ａ２周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、ＭＭＤ２の全体に生じる最大主応力の最大値の１／１５以下となる領域に配置されている。
　図１０は、金属配線９０の構成例を概略的に示す。金属配線９０は、第１配線９０Ａと第２配線９０Ｂとを接続することにより構成されている。第１配線９０Ａは、一端が金属パッド８０に接続され、他端が第２配線９０Ｂに接続されている。主として、第１配線９０Ａは、ミラー部２０が揺動する際に加わる応力が小さい領域（固定枠２７等）に設けられている。第２配線９０Ｂは、ミラー部２０が揺動する際に加わる応力が大きい領域（第２接続部２６Ｂ等）に設けられている。
　例えば、第１配線９０Ａは、金（Ａｕ）により形成されており、第２配線９０Ｂは、金（Ａｌ）及びチタン（Ｔｉ）を含んで形成されている。例えば、第２配線９０Ｂは、Ａｌ及びＴｉを含むアモルファス金属である。すなわち、金属配線９０は、３種の金属材料を含んで形成されている。なお、金属配線９０は、３種以上の金属材料を含んで形成されていてもよい。
　金属配線９３，９４は、金属配線９０と同様に、第１配線と第２配線とを接続することにより構成されている。金属配線９３，９４は、３種以上の金属材料を含んで形成されていてもよい。
　本開示の技術に係るＭＭＤでは、複数の金属配線のうち少なくとも１つは、Ａｕにより形成された第１配線とＡｌ及びＴｉを含んで形成された第２配線とを接続することにより構成されている。第１配線は、金属パッドと同一の金属材料によって、金属パッドと一体的に形成されている。
　図１１は、ＣＰＵ４０による角度検出信号を生成する信号処理の一例を示す。例えば、ＣＰＵ４０は、圧電センサ５１の上部電極７２から得られる電圧信号Ｖ１から、圧電センサ５３の上部電極７２から得られる電圧信号Ｖ３を減算することにより、第１軸ａ１周りのミラー部２０の角度を表す第１角度検出信号Ｓ１を生成する。また、ＣＰＵ４０は、圧電センサ５１の上部電極７２から得られる電圧信号Ｖ１から、圧電センサ５２の上部電極７２から得られる電圧信号Ｖ２を減算することにより、第２軸ａ２周りのミラー部２０の角度を表す第２角度検出信号Ｓ２を生成する。
　電圧信号Ｖ１と電圧信号Ｖ３とに含まれる第１軸ａ１周りの信号成分（検出対象成分）は互いに位相である。これに対して、電圧信号Ｖ１と電圧信号Ｖ３とに含まれる第２軸ａ２周りの信号成分（ノイズ成分）は同位相である。したがって、電圧信号Ｖ１から電圧信号Ｖ３を減算することにより、検出対象成分が増幅されるとともに、検出対象以外の他の軸周りの信号成分である他軸ノイズが低減される。
　電圧信号Ｖ１と電圧信号Ｖ２とに含まれる第２軸ａ２周りの信号成分（検出対象成分）は互いに位相である。これに対して、電圧信号Ｖ１と電圧信号Ｖ２とに含まれる第１軸ａ１周りの信号成分（ノイズ成分）は同位相である。したがって、電圧信号Ｖ１から電圧信号Ｖ２を減算することにより、検出対象成分が増幅されるとともに、検出対象以外の他の軸周りの信号成分である他軸ノイズが低減される。
　図１２及び図１３は、ＭＭＤ２に生じる応力のシミュレーション結果を示す。図１２は、ミラー部２０を第１軸ａ１周りに揺動させた場合における応力分布の一例を示す。図１３は、ミラー部２０を第２軸ａ２周りに揺動させた場合における応力分布の一例を示す。なお、図１２では、ミラー部２０の最大振幅を光学全角で６８°としている。図１３では、ミラー部２０の最大振幅を光学全角で４６°としている。
　図１２及び図１３に示すように、ミラー部２０が揺動することにより生じる応力は、可動枠２２、第２接続部２６Ｂ等の領域に集中する。図１２及び図１３に示すように、接触領域ＣＲを、応力が集中する領域以外の領域に配置することにより、接触領域ＣＲにおける導通性の低下を抑制することができる。
　なお、上記実施形態に係るＭＭＤ２の構成は一例であり、種々の変形が可能である。
　上記実施形態では、図１１に示すように、電圧信号Ｖ１から電圧信号Ｖ３を減算することにより第１角度検出信号Ｓ１を生成し、電圧信号Ｖ１から電圧信号Ｖ２を減算することにより第２角度検出信号Ｓ２を生成している。これに代えて、電圧信号Ｖ１と電圧信号Ｖ２とを加算することにより第１角度検出信号Ｓ１を生成し、電圧信号Ｖ１から電圧信号Ｖ３を減算することにより第２角度検出信号Ｓ２を生成することも可能である。このように、電圧信号Ｖ１～Ｖ４を加算又は減算することにより、第１角度検出信号Ｓ１及び第２角度検出信号Ｓ２を生成することができる。
　また、上記実施形態では、第２軸ａ２を中心として線対称の関係にある一対の圧電センサの下部電極が、金属配線としての電極配線を介して接続されている。これに代えて、第２軸ａ２を中心として線対称の関係にある一対の圧電センサの上部電極を、金属配線としての電極配線を介して接続してもよい。この場合、一対の圧電センサの下部電極から得られる電圧信号を用いて角度検出信号を生成することが可能である。
　また、上記実施形態では、４つの圧電センサ５１～５４を設けているが、圧電センサの数は４に限定されない。また、圧電センサの形状及び配置する位置は、適宜変更可能である。例えば、第１軸ａ１又は第２軸ａ２上に圧電センサを設けてもよい。
　また、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。
　上記説明によって以下の技術を把握することができる。
　［付記項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、
　一対の前記第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軸に交差する第２軸上で一対の前記可動枠に接続され、かつ前記ミラー部と一対の前記第１支持部と一対の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、
　一対の前記可動枠を囲んで配置され、前記第１軸又は前記第２軸を挟んで対向する複数の圧電アクチュエータを有する駆動部と、
　前記駆動部を囲んで配置された固定枠と、
　前記固定枠よりも厚みが薄く、前記第１軸又は前記第２軸の方向に延伸して前記駆動部と前記固定枠とを接続する一対の接続部と、
　前記固定枠上に形成された複数の金属パッドと、
　複数の前記圧電アクチュエータと複数の前記金属パッドとを電気的に接続する複数の金属配線と、
　を備え、
　複数の前記圧電アクチュエータは、前記ミラー部を前記第１軸又は前記第２軸周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／１２０以上１／８以下となる領域に配置されている、
　ミラー装置。
　［付記項２］
　複数の前記圧電アクチュエータは、前記ミラー部を前記第１軸又は前記第２軸周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／４０以上１／８以下となる領域に配置されている、
　付記項１に記載のミラー装置。
　［付記項３］
　前記駆動部は、
　一対の前記可動枠を囲んで配置され、前記第２軸を挟んで対向する一対の前記圧電アクチュエータで構成された第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、前記第１軸を挟んで対向する一対の前記圧電アクチュエータで構成された第２アクチュエータと、
　を有する付記項１又は付記項２に記載のミラー装置。
　［付記項４］
　複数の前記圧電アクチュエータと複数の前記金属配線とが接触する接触領域は、前記ミラー部を前記第１軸又は前記第２軸周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／１５以下となる領域に配置されている、
　付記項１から付記項３のうちいずれか１項に記載のミラー装置。
　［付記項５］
　複数の前記圧電アクチュエータは、それぞれ上部電極、圧電膜、及び下部電極によって構成されており、
　複数の前記金属配線の各々は、前記上部電極又は前記下部電極に接続されている、
　付記項１から付記項４のうちいずれか１項に記載のミラー装置。
　［付記項６］
　複数の前記金属配線のうち少なくとも１つは、３種以上の金属材料を含んで形成されている、
　付記項１から付記項５のうちいずれか１項に記載のミラー装置。
　［付記項７］
　複数の前記金属配線のうち少なくとも１つは、Ａｕにより形成された第１配線とＡｌ及びＴｉを含んで形成された第１配線と接続することにより構成されている、
　付記項６に記載のミラー装置。
　［付記項８］
　一対の前記接続部は、前記第２軸上に配置されている、
　付記項１から付記項７のうちいずれか１項に記載のミラー装置。
　［付記項９］
　付記項１から付記項８のうちいずれか１項に記載のミラー装置と、
　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、複数の前記圧電アクチュエータの各々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。

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、
    　一対の前記第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軸に交差する第２軸上で一対の前記可動枠に接続され、かつ前記ミラー部と一対の前記第１支持部と一対の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、
    　一対の前記可動枠を囲んで配置され、前記第１軸又は前記第２軸を挟んで対向する複数の圧電アクチュエータを有する駆動部と、
    　前記駆動部を囲んで配置された固定枠と、
    　前記固定枠よりも厚みが薄く、前記第１軸又は前記第２軸の方向に延伸して前記駆動部と前記固定枠とを接続する一対の接続部と、
    　前記固定枠上に形成された複数の金属パッドと、
    　複数の前記圧電アクチュエータと複数の前記金属パッドとを電気的に接続する複数の金属配線と、
    　を備え、
    　複数の前記圧電アクチュエータは、前記ミラー部を前記第１軸又は前記第２軸周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／１２０以上１／８以下となる領域に配置されている、
    　ミラー装置。
  2. 　複数の前記圧電アクチュエータは、前記ミラー部を前記第１軸又は前記第２軸周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／４０以上１／８以下となる領域に配置されている、
    　請求項１に記載のミラー装置。
  3. 　前記駆動部は、
    　一対の前記可動枠を囲んで配置され、前記第２軸を挟んで対向する一対の前記圧電アクチュエータで構成された第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、前記第１軸を挟んで対向する一対の前記圧電アクチュエータで構成された第２アクチュエータと、
    　を有する請求項１記載のミラー装置。
  4. 　複数の前記圧電アクチュエータと複数の前記金属配線とが接触する接触領域は、前記ミラー部を前記第１軸又は前記第２軸周りに揺動させた際に生じる最大主応力の最大値が、全体に生じる最大主応力の最大値の１／１５以下となる領域に配置されている、
    　請求項１に記載のミラー装置。
  5. 　複数の前記圧電アクチュエータは、それぞれ上部電極、圧電膜、及び下部電極によって構成されており、
    　複数の前記金属配線の各々は、前記上部電極又は前記下部電極に接続されている、
    　請求項１に記載のミラー装置。
  6. 　複数の前記金属配線のうち少なくとも１つは、３種以上の金属材料を含んで形成されている、
    　請求項１に記載のミラー装置。
  7. 　複数の前記金属配線のうち少なくとも１つは、Ａｕにより形成された第１配線とＡｌ及びＴｉを含んで形成された第１配線と接続することにより構成されている、
    　請求項６に記載のミラー装置。
  8. 　一対の前記接続部は、前記第２軸上に配置されている、
    　請求項１に記載のミラー装置。
  9. 　請求項１に記載のミラー装置と、
    　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、複数の前記圧電アクチュエータの各々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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US20130194555A1 (en) * 2012-01-27 2013-08-01 Microvision, Inc. Piezoelectric Actuated Device, Method and System
JP7209082B2 (ja) * 2019-04-26 2023-01-19 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイス
JP7237146B2 (ja) * 2019-03-28 2023-03-10 富士フイルム株式会社 マイクロミラーデバイスおよびマイクロミラーデバイスの駆動方法

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