特許 7562469 マイクロミラーデバイス及び光走査装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】

(24)【登録日】2024-09-27

(45)【発行日】2024-10-07

(54)【発明の名称】マイクロミラーデバイス及び光走査装置

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20240930BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20240930BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 104Z

G02B26/08 E

【請求項の数】 3

(21)【出願番号】P 2021067816

(22)【出願日】2021-04-13

(65)【公開番号】P2022162810

(43)【公開日】2022-10-25

【審査請求日】2024-01-11

(73)【特許権者】

【識別番号】306037311

【氏名又は名称】富士フイルム株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110001519

【氏名又は名称】弁理士法人太陽国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】青島 圭佑

(72)【発明者】

【氏名】岡田 耕

【審査官】堀部 修平

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０２０／０８５０６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０１０／０３５７５９（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２０１８－０４１０８５（ＪＰ，Ａ）

【文献】米国特許出願公開第２０１７／０３４３７９５（ＵＳ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／０３２２７４（ＷＯ，Ａ１）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／０８ － ２６／１２

Ｂ８１Ｂ ３／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射光を反射する反射面が形成されたミラー部を有する可動部と、
前記ミラー部の静止時の前記反射面を含む平面内にある第１軸上で前記可動部と接続され、かつ前記可動部を前記第１軸周りに揺動可能に支持する第１支持部と、
前記第１支持部に接続され、かつ前記第１軸を挟んで対向する一対の第１アクチュエータであって、前記可動部を前記第１軸の周りに揺動させる圧電駆動方式の第１アクチュエータと、
前記平面内であって前記第１軸に直交する第２軸を挟んで対向する一対の第２アクチュエータであって、前記ミラー部を前記第２軸の周りに揺動させる圧電駆動方式の第２アクチュエータと、
前記第２軸上に配置されて前記第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第１接続部と、
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軸上に配置されて前記第２アクチュエータと前記固定枠とを接続する第２接続部と、
を備え、
前記可動部が前記第１軸周りに揺動する際に、前記第１アクチュエータの少なくとも一部が、前記第１軸周りに前記可動部と逆位相で揺動し、
前記可動部の回動角度に対する前記第１アクチュエータの回動角度の比をＲとした場合に、０．１２＜Ｒ＜０．８０を満たし、
前記第１軸周りのＱ値をＱとし、前記第１アクチュエータが変位しないと仮定した場合における前記第１軸周りのＱ値をＱｍとしたとき、Ｑ＞１．２Ｑｍを満たす、
マイクロミラーデバイス。

【請求項2】

前記可動部は、
前記ミラー部の静止時の前記反射面を含む平面内であって前記第１軸に直交する第２軸上で接続され、かつ前記ミラー部を前記第２軸周りに揺動可能に支持する第２支持部と、
前記第２支持部に接続され、前記第２軸を挟んで対向した一対の可動枠と、
を備える請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。

【請求項3】

請求項１又は請求項２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共振させる、
光走査装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

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。

【背景技術】

【0002】

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。

【0003】

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で駆動することにより、より高いスキャン角が得られる。

【0004】

レーザーディスプレイに用いられる一般的なマイクロミラーデバイスは、ミラー部と、圧電方式のアクチュエータとを備える（例えば、特許文献１参照）。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。上述のスキャン角は、ミラー部の振れ角に対応する。

【0005】

レーザーディスプレイの性能指標として解像度と視野角とが挙げられる。解像度と視野角には、マイクロミラーデバイスのミラー部の揺動周波数と振れ角とが関連する。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では、ミラー部を、第１軸及び第２軸の周りに、異なる二種類の周波数で同時に揺動させることにより二次元光走査を行う。ミラー部の振れ角が大きいほど光の走査面積が大きくなり、かつ、より短い光路長でより大きな画像を表示させることができる。

【0006】

ミラー部の振れ角を大きくする最も単純な方法は、アクチュエータの面積を大きくすることにより、駆動トルクを増大させることである。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0007】

【文献】特開２０１７－１３２２８１号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

しかしながら、アクチュエータの面積を大きくすると、マイクロミラーデバイスが大型化するので、レーザーディスプレイのような小型のマイクロミラーデバイスを必要とする装置には適用できなくなる。

【0009】

また、共振駆動を用いるマイクロミラーデバイスでは、以下の理由により、アクチュエータの面積増加に対する振れ角の利得が低いという問題がある。従来技術におけるマイクロミラーデバイスの構成では、アクチュエータの上下運動あるいは曲げ運動によりミラー部の揺動を励起する。このとき、アクチュエータとミラー部は同位相で運動する。この場合、気体中でミラー部を揺動させると、ミラー部が周囲の気体をかき分けることで発生する気流がアクチュエータの運動を阻害することを、本出願人は見出した。特に、共振駆動型のマイクロミラーデバイスの場合、上記の気流が共振時のエネルギー散逸の主要因となるため、ミラー部の振れ角の大幅な低下を招く。

【0010】

本開示の技術は、小型で、かつ気体中においてミラー部の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。

【課題を解決するための手段】

【0011】

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が形成されたミラー部を有する可動部と、ミラー部の静止時の反射面を含む平面内にある第１軸上で可動部と接続され、かつ可動部を第１軸周りに揺動可能に支持する第１支持部と、第１支持部に接続され、かつ第１軸を挟んで対向する一対の第１アクチュエータであって、可動部を第１軸の周りに揺動させる圧電駆動方式の第１アクチュエータと、を備え、可動部が第１軸周りに揺動する際に、第１アクチュエータの少なくとも一部が、第１軸周りに可動部と逆位相で揺動し、可動部の回動角度に対する第１アクチュエータの回動角度の比をＲとした場合に、０＜Ｒ＜１．００を満たす。

【0012】

０．１２＜Ｒ＜０．８０を満たすことが好ましい。

【0013】

可動部は、ミラー部の静止時の反射面を含む平面内であって第１軸に直交する第２軸上で接続され、かつミラー部を第２軸周りに揺動可能に支持する第２支持部と、第２支持部に接続され、第２軸を挟んで対向した一対の可動枠と、を備えることが好ましい。

【0014】

第２軸を挟んで対向する一対の第２アクチュエータであって、ミラー部を第２軸の周りに揺動させる圧電駆動方式の第２アクチュエータと、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第１接続部と、を備えることが好ましい。

【0015】

第２アクチュエータを囲んで配置された固定枠と、第２アクチュエータと固定枠とを接続する第２接続部と、を備えることが好ましい。
を備える請求項４に記載のマイクロミラーデバイス。

【0016】

本開示の光走査装置は、上記いずれか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共振させる。

【発明の効果】

【0017】

本開示の技術によれば、小型で、かつ気体中においてミラー部の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。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】光走査装置の概略図である。

【図2】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。

【図3】マイクロミラーデバイスの外観斜視図である。

【図4】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5】図４のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

【図6】第１アクチュエータの駆動例を示す図である。

【図7】第１駆動信号及び第２駆動信号の一例を示す図である。

【図8】同位相回動モード及び逆位相回動モードについて説明する図である。

【図9】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。

【図10】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。

【図11】シミュレーションで用いた各種パラメータの設定値を示す図である。

【図12】複数のモデルについてのシミュレーション結果を示す図である。

【図13】シミュレーションにより算出された角度比ＲとＱ値との関係を表すグラフである。

【図14】比較例に係るマイクロミラーデバイスの平面図である。

【図15】比較例に係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。

【図16】比較例に係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。

【図17】比較例に係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。

【図18】シミュレーションで用いた各種パラメータの設定値を示す図である。

【図19】同位相ばたつきモードについて説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

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。

【0020】

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Ｌ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。

【0021】

ＭＭＤ２は、第１軸ａ_１と、第１軸ａ_１に直交する第２軸ａ_２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ａ_１と平行な方向をＹ方向、第２軸ａ_２と平行な方向をＸ方向、第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２に直交する方向をＺ方向という。

【0022】

光源３は、光ビームＬ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Ｌを照射することが好ましい。

【0023】

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Ｌ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ａ_１及び第２軸ａ_２の周りに揺動させる。

【0024】

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ａ_１及び第２軸ａ_２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Ｌ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。

【0025】

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。

【0026】

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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

ＭＭＤドライバ４４は、ＣＰＵ４０の制御に従って、ＭＭＤ２に駆動信号を出力する電気回路である。ＭＭＤドライバ４４においては、駆動信号は、ＭＭＤドライバ４４のミラー部２０を揺動させるタイミング、周期、及び振れ角を制御するための駆動電圧である。

【0030】

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Ｌ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。

【0031】

次に、図３～図５を用いてＭＭＤ２の一例を説明する。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。

【0032】

図３に示すように、ＭＭＤ２は、ミラー部２０、一対の支持部２１、一対の可動枠２２、一対の支持部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。支持部２３は、本開示の技術に係る「第１支持部」の一例である。支持部２１は、本開示の技術に係る「第２支持部」の一例である。

【0033】

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ａ_１と第２軸ａ_２との交点を中心とした円形状である。

【0034】

第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２は、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ａ_１に関して線対称であり、かつ第２軸ａ_２に関して線対称である。

【0035】

一対の支持部２１は、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。また、支持部２１の各々は、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。支持部２１は、第２軸ａ_２上でミラー部２０と接続されており、ミラー部２０を第２軸ａ_２周りに揺動可能に支持している。

【0036】

一対の可動枠２２は、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ_２に関して線対称となる形状である。可動枠２２の各々は、第１軸ａ_１に関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の両端はそれぞれ支持部２１に接続されている。

【0037】

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、支持部２１、及び可動枠２２は、可動部６０を構成している。

【0038】

一対の支持部２３は、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。支持部２３の各々は、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。支持部２３は、第１軸ａ_１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１軸ａ_１周りに揺動可能に支持している。また、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。

【0039】

一対の第１アクチュエータ２４は、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ_１に関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２軸ａ_２に関して線対称な形状である。第１アクチュエータ２４は、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。

【0040】

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。

【0041】

一対の第２アクチュエータ２５は、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。また、第２アクチュエータ２５の各々は、第１軸ａ_１に関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。

【0042】

また、第２アクチュエータ２５の各々の中央には、第２接続部２６Ｂが形成されている。なお、図３及び図４では、第２アクチュエータ２５が第２接続部２６Ｂで分離されているように見えるが、第２アクチュエータ２５は、第２接続部２６Ｂに設けられた配線（図示せず）により、第２接続部２６Ｂを挟んで電気的に接続されている。

【0043】

一対の第１接続部２６Ａは、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。また、第１接続部２６Ａの各々は、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。第１接続部２６Ａは、第２軸ａ_２に沿って配置されており、第２軸ａ_２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。

【0044】

一対の第２接続部２６Ｂは、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。また、第２接続部２６Ｂの各々は、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。第２接続部２６Ｂは、第１軸ａ_１に沿って配置されており、第１軸ａ_１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。

【0045】

第２アクチュエータ２５と第２接続部２６Ｂとは、互いに接続されることにより、可動部６０、及び第１アクチュエータ２４を囲んでいる。

【0046】

固定枠２７は、外形が矩形状の枠状部材であって、第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２のそれぞれに関して線対称な形状である。固定枠２７は、第２アクチュエータ２５及び第２接続部２６Ｂの外周を囲んでいる。すなわち、固定枠２７は、第１アクチュエータ２４を囲んで配置されている。また、第２アクチュエータ２５は、固定枠２７の内側に配置されている。

【0047】

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備えた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１軸ａ_１周りの回転トルクを作用させることにより、ミラー部２０を有する可動部６０を第１軸ａ_１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２軸ａ_２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２軸ａ_２周りに揺動させる。

【0048】

図４に示すように、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２軸ａ_２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。

【0049】

一対の連結部２１Ｂは、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。連結部２１Ｂ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は、折り返し構造を有している。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２軸ａ_２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。

【0050】

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１軸ａ_１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。

【0051】

一対の連結部２３Ｂは、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。連結部２３Ｂ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は、折り返し構造を有している。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１軸ａ_１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。

【0052】

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ａ_１及び第２軸ａ_２のそれぞれに関して線対称となる位置に配置されている。スリット２０Ｂは、ミラー部２０が揺動することにより反射面２０Ａに生じる歪を抑制する作用を有する。

【0053】

図３及び図４では、第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５に駆動信号を与えるための配線及び電極パッドについては図示を省略している。電極パッドは、固定枠２７上に複数設けられる。

【0054】

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。

【0055】

ミラー部２０、支持部２１、可動枠２２、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。

【0056】

第１アクチュエータ２４は、第２シリコン活性層３３上に圧電素子２８を有する。圧電素子２８は、第２シリコン活性層３３上に、下部電極５１、圧電膜５２、及び上部電極５３が順に積層された積層構造を有する。なお、上部電極５３上には絶縁膜が設けられるが、図示は省略している。図５には、第２アクチュエータ２５の構成は示されていないが、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。

【0057】

上部電極５３及び下部電極５１は、例えば、金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）等で形成されている。圧電膜５２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５３及び下部電極５１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。

【0058】

上部電極５３には、駆動制御部４から駆動電圧が印加される。下部電極５１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、基準電位（例えば、グランド電位）が付与されている。

【0059】

圧電膜５２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５２は、いわゆる逆圧電効果を発揮する。圧電膜５２は、駆動制御部４から上部電極５３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。

【0060】

図６は、一対の第１アクチュエータ２４の一方の圧電膜５２を伸張させ、他方の圧電膜５２を収縮させることにより、第１アクチュエータ２４に、第１軸ａ_１周りの回転トルクを発生させる例を示している。このように、一対の第１アクチュエータ２４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を有する可動部６０が第１軸ａ_１の周りに回動する。

【0061】

また、図６は、一対の第１アクチュエータ２４の変位方向と、可動部６０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１アクチュエータ２４を駆動した例である。これに対して、一対の第１アクチュエータ２４の変位方向と、可動部６０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１アクチュエータ２４を駆動する。逆位相回動モードでは、可動部６０が第１軸ａ_１周りに揺動する際に、第１アクチュエータ２４の少なくとも一部が、第１軸ａ_１周りに可動部６０と逆位相で揺動する。

【0062】

ミラー部２０の第１軸ａ_１周りの振れ角θｍ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１アクチュエータ２４の一方に印加される駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）と、他方に印加される駆動電圧波形Ｖ_１Ｂ（ｔ）とを含む。駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ_１Ｂ（ｔ）は、互いに逆位相（すなわち位相差１８０°）である。

【0063】

なお、ミラー部２０の第１軸ａ_１周りの振れ角θｍ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。以下、振れ角θｍを、回動角度θｍともいう。図６に示すθａｃは、第１アクチュエータ２４の回動角度を示している。回動角度θａｃは、第１アクチュエータ２４の表面に対する法線が、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。以下、可動部６０の回動角度θｍに対する第１アクチュエータ２４の回動角度θａｃの比を、角度比Ｒという。すなわち、角度比Ｒは、Ｒ＝θａｃ／θｍと表される。

【0064】

第２アクチュエータ２５は、第１アクチュエータ２４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ａ_２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２アクチュエータ２５の一方に印加される駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）と、他方に印加される駆動電圧波形Ｖ_２Ｂ（ｔ）とを含む。駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ_２Ｂ（ｔ）は、互いに逆位相（すなわち位相差１８０°）である。

【0065】

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Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（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Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）を示す。

【0066】

駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）は、それぞれ次のように表される。
Ｖ_１Ａ（ｔ）＝Ｖ_ｏｆｆ１＋Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_ｄ１ｔ）
Ｖ_１Ｂ（ｔ）＝Ｖ_ｏｆｆ１＋Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_ｄ１ｔ＋α）

【0067】

ここで、Ｖ_１は振幅電圧である。Ｖ_ｏｆｆ１はバイアス電圧である。ｆ_ｄ１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Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）の位相差である。本実施形態では、例えば、α＝１８０°とする。

【0068】

駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）が一対の第１アクチュエータ２４に印加されることにより、ミラー部２０は、第１駆動周波数ｆ_ｄ１で第１軸ａ_１周りに揺動する。

【0069】

駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）は、それぞれ次のように表される。
Ｖ_２Ａ（ｔ）＝Ｖ_ｏｆｆ２＋Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_ｄ２ｔ＋φ）
Ｖ_２Ｂ（ｔ）＝Ｖ_ｏｆｆ２＋Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_ｄ２ｔ＋β＋φ）

【0070】

ここで、Ｖ_２は振幅電圧である。Ｖ_ｏｆｆ２はバイアス電圧である。ｆ_ｄ２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Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（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Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）と、駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）との位相差である。また、本実施形態では、例えば、Ｖ_ｏｆｆ１＝Ｖ_ｏｆｆ２＝０Ｖとする。

【0071】

駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）が一対の第２アクチュエータ２５に印加されることにより、ミラー部２０は、第２駆動周波数ｆ_ｄ２で第２軸ａ_２周りに揺動する。

【0072】

第１駆動周波数ｆ_ｄ１は、ミラー部２０の第１軸ａ_１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ｆ_ｄ２は、ミラー部２０の第２軸ａ_２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、ｆ_ｄ１＜ｆ_ｄ２とする。すなわち、ミラー部２０は、第１軸ａ_１周りの揺動周波数が、第２軸ａ_２周りの揺動周波数よりも低い。

【0073】

以上のように構成されたＭＭＤ２において、ミラー部２０を第１軸ａ_１周りに揺動させる際に、逆位相回動モードで第１アクチュエータ２４を駆動するほうが、同位相回動モードで第１アクチュエータ２４を駆動するよりも、気体中においてミラー部２０の振れ角θｍを大きくすることが可能であることを見出した。

【0074】

図８は、同位相回動モードと逆位相回動モードとの差異を説明する。図８（Ａ）は、同位相回動モードを示す。図８（Ｂ）は、逆位相回動モードを示す。大気中で可動部６０が回動すると、可動部６０の端部が周囲の気体をかき分けることにより、気流が発生する。この気流は、渦の発生に起因するものであり、可動部６０の外側に存在する第１アクチュエータ２４に向かう。

【0075】

図８（Ａ）に示すように、同位相回動モードでは、第１アクチュエータ２４は、気流に向かうように回動するので、気流により回動が阻害される。すなわち、同位相回動モードでは、第１アクチュエータ２４の回動を阻害する気流による散逸エネルギーが上昇し、Ｑ値が低下する。Ｑ値とは、共振の鋭さを表す値であり、１周期あたりのエネルギー損失に反比例する。このようにＱ値が低下すると、ミラー部２０の振れ角θｍが低下する。

【0076】

図８（Ｂ）に示すように、逆位相回動モードでは、第１アクチュエータ２４は、気流から遠ざかるように回動するので、気流により回動が阻害されにくい。すなわち、逆位相回動モードでは、第１アクチュエータ２４の回動を阻害する気流による散逸エネルギーが低減し、Ｑ値が向上する。このようにＱ値が向上すると、第１アクチュエータ２４の面積が小さく、駆動トルクが小さい小型のＭＭＤ２であっても、ミラー部２０の振れ角θｍを大きくすることが可能となる。

【0077】

なお、気流による影響は、ミラー部２０を第２軸ａ_２周りに揺動させる場合よりも、ミラー部２０を第１軸ａ_１周りに揺動させる場合のほうが大きい。これは、第２アクチュエータ２５よりも第１アクチュエータ２４のほうが可動部６０に近く、可動部６０で発生した気流の影響を受けやすいためである。

【0078】

また、本出願人は、逆位相回動モードにおいて、上述の角度比Ｒを０＜Ｒ＜１．００の範囲、好ましくは０．１２＜Ｒ＜０．８０の範囲とすることによりＱ値が向上することを、シミュレーションにより見出した。以下、上記構成のＭＭＤ２に基づくシミュレーションを説明する。

【0079】

［振動解析シミュレーション］
図９及び図１０は、ＭＭＤ２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、シミュレーションに用いたパラメータの設定値を示す。本シミュレーションでは、第２アクチュエータ２５を駆動せず、第１アクチュエータ２４のみを駆動する。すなわち、ミラー部２０を第１軸ａ_１周りにのみ揺動させる。

【0080】

また、本シミュレーションでは、ミラー部２０の直径を１．５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを５３０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを１３０μｍとしている。

【0081】

本出願人は、図９に示すパラメータのうちのＷb１，Δ１，Ｌｍ１，Ｗａｃ３，Ｗｂ３，及びΔ８と、第１駆動周波数ｆ_ｄ１とを変数として、有限要素法による共振モード振動解析シミュレーションにより、θｍ＝±１７°における角度比Ｒを算出した。なお、角度比Ｒの正負は、逆位相回動モードの場合に正、同位相回動モードの場合に負となるように定義している。また、本出願人は、大気中におけるＱ値を、半値幅法によって算出した。

【0082】

図１２は、シミュレーション結果を示す。本出願人は、図１２に示すように、前述の変数の値が異なる９個のモデルを作成し、各モデルについて角度比Ｒ及びＱ値を算出した。モデル番号１～８では、第１アクチュエータ２４の駆動モードを逆位相回動モードとしている。モデル番号９では、第１アクチュエータ２４の駆動モードを同位相回動モードとしている。

【0083】

図１３は、シミュレーションにより算出された角度比ＲとＱ値との関係を表すグラフである。図１３によれば、角度比Ｒが０．４～０．６の付近でＱ値が極大となることがわかる。ここで、Ｒ＝０付近のＱ値（約４３０）は、第１アクチュエータ２４の変位が０（すなわちθｍ＝０）である場合である。この場合のＱ値は、アクチュエータが変位しない圧電駆動方式以外の他方式（電磁駆動方式、静電駆動方式など）で、同形状のミラー部を同一周波数帯で揺動させた場合におけるＱ値（以下、Ｑｍと表記する。）と等しいと推測される。

【0084】

したがって、図１３によれば、逆位相回動モードにおいて、Ｑ＞Ｑｍとなるように、角度比Ｒを０＜Ｒ＜１．００の範囲とすることにより、上記他方式と比較して優位性が得られる。さらに、上記他方式に対して一定以上の優位性を得るために、Ｑｍの１．２倍を基準とし、Ｑ＞１．２Ｑｍとなるように、角度比Ｒを０．１２＜Ｒ＜０．８０の範囲とすることが好ましい。

【0085】

このように、逆位相回動モードで第１アクチュエータ２４を駆動することにより、駆動トルクを増大させることを目的として第１アクチュエータ２４の面積を過度に大きくすることなく、Ｑ値を向上させることができる。これにより、ミラー部２０の振れ角θｍを大きくすることができる。

【0086】

［比較例］
次に、比較例として、上記実施形態に係るＭＭＤ２とは各構成要素の形状等が異なるＭＭＤ２Ａを用いたシミュレーションについて説明する。

【0087】

図１４は、比較例に係るＭＭＤ２Ａの構成を示す。図１４において、上記実施形態に係るＭＭＤ２と同一の機能を奏する構成要素には同一の符号を付している。なお、ＭＭＤ２Ａでは、第１接続部２６Ａ及び第２接続部２６Ｂに代えて、接続部２６が設けられている。接続部２６は、第２軸ａ_２上に設けられており、第１アクチュエータ２４を第２アクチュエータ２５に接続するとともに、第２アクチュエータ２５を固定枠２７に接続している。

【0088】

図１５～図１７は、ＭＭＤ２Ａの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図１８は、シミュレーションに用いたパラメータの設定値を示す。本シミュレーションでは、第２アクチュエータ２５を駆動せず、第１アクチュエータ２４のみを駆動する。すなわち、ミラー部２０を第１軸ａ_１周りにのみ揺動させる。

【0089】

図１９に示すように、比較例に係るＭＭＤ２Ａでは、ミラー部２０を有する可動部６０の回動に対し、第１アクチュエータ２４の曲げ運動が同位相で生じる。以下、この駆動モードを、同位相ばたつきモードという。同位相ばたつきモードでは、上述の同位相回動モードと同様に、第１アクチュエータ２４は、気流に向かうように変位するので、気流により曲げ運動が阻害される。すなわち、同位相ばたつきモードでは、第１アクチュエータ２４の曲げ運動を阻害する気流による散逸エネルギーが上昇し、Ｑ値が低下する。

【0090】

比較例において、同位相ばたつきモードでシミュレーションを行った結果、大気中におけるＱ値は「１４４」となった。すなわち、比較例に係る同位相ばたつきモードは、上記実施形態に係る逆位相回動モードに比べてＱ値が低く、他方式に対して優位性が得られない。

【0091】

なお、上記実施形態では、ミラー部を第１軸及び第２軸の周りに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を用いているが、ミラー部を第１軸の周りにのみ揺動させることを可能とする圧電型１軸駆動方式のマイクロミラーデバイスを用いてもよい。

【0092】

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。

【0093】

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。

【符号の説明】

【0094】

３ 光源
４ 駆動制御部
５ 被走査面
１０ 光走査装置
２０ ミラー部
２０Ａ 反射面
２０Ｂ，２０Ｃ スリット
２１，２３ 支持部
２１Ａ 揺動軸
２１Ｂ 連結部
２２ 可動枠
２３Ａ 揺動軸
２３Ｂ 連結部
２４ 第１アクチュエータ
２５ 第２アクチュエータ
２６ 接続部
２６Ａ 第１接続部
２６Ｂ 第２接続部
２７ 固定枠
２８ 圧電素子
３０ ＳＯＩ基板
３１ シリコン活性層
３２ 酸化シリコン層
３３ シリコン活性層
４０ ＣＰＵ
４１ ＲＯＭ
４２ ＲＡＭ
４３ 光源ドライバ
４４ ドライバ
５１ 下部電極
５２ 圧電膜
５３ 上部電極
６０ 可動部
θａｃ 回動角度
θｍ 回動角度
Ｌ 光ビーム
Ｎ 法線
Ｒ 角度比
ａ_１ 第１軸
ａ_２ 第２軸
ｆ_ｄ１ 第１駆動周波数
ｆ_ｄ２ 第２駆動周波数

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】