7707212 光走査装置、及びマイクロミラーデバイスの駆動方法

(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】2025-07-04

(45)【発行日】2025-07-14

(54)【発明の名称】光走査装置、及びマイクロミラーデバイスの駆動方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20250707BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20250707BHJP

【ＦＩ】

G02B26/10 C

G02B26/10 104Z

G02B26/08 E

【請求項の数】 8

(21)【出願番号】P 2022578308

(86)(22)【出願日】2022-01-20

(86)【国際出願番号】 JP2022002053

(87)【国際公開番号】W WO2022163501

(87)【国際公開日】2022-08-04

【審査請求日】2024-10-04

(31)【優先権主張番号】P 2021011351

(32)【優先日】2021-01-27

(33)【優先権主張国・地域又は機関】JP

(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】西浦 洋輔

(72)【発明者】

【氏名】直野 崇幸

(72)【発明者】

【氏名】青島 圭佑

【審査官】横井 亜矢子

(56)【参考文献】

【文献】国際公開第２０１８／２３００６５（ＷＯ，Ａ１）

【文献】国際公開第２０２０／０８５０６３（ＷＯ，Ａ１）

【文献】特開２００９－２２３１６５（ＪＰ，Ａ）

【文献】特開２０１２－２０３０７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】韓国公開特許第１０－２０１８－０１１０４００（ＫＲ，Ａ）

(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)

Ｇ０２Ｂ ２６／００－２６／１２

Ｂ８１Ｂ １／００－７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００－９９／００

Ｇ０１Ｓ ７／４８－７／５１，１７／００－１７／９５

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

入射光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部が静止している場合の前記反射面を含む平面内にある第１軸の周りに前記ミラー部を揺動させる第１アクチュエータと、前記平面内において前記第１軸に直交する第２軸の周りに前記ミラー部を揺動させる第２アクチュエータとを備える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アクチュエータに、それぞれ同一の駆動周波数を有する第１駆動信号及び第２駆動信号を与えることにより前記ミラー部を歳差運動させるプロセッサと、
を備える光走査装置であって、
前記マイクロミラーデバイスは、前記第１軸周りの共振周波数をｆ_１とし、前記第２軸周りの共振周波数をｆ_２とした場合、ｆ_２＜ｆ_１の関係を満たし、
前記ミラー部を前記第１軸周り及び前記第２軸周りに同時に駆動した場合に、前記第１軸周りの共振周波数がｆ_１からΔｆだけ変化する特性を有し、
前記駆動周波数をｆ_ｄとした場合に、ｆ_１－Δｆ＜ｆ_ｄ≦ｆ_１の関係を満たす、
光走査装置。

【請求項2】

Δｆ＞０の関係を満たす、
請求項１に記載の光走査装置。

【請求項3】

ｆ_１－Δｆ＜ｆ_ｄ＜ｆ_２の関係を満たす、
請求項２に記載の光走査装置。

【請求項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備えた圧電アクチュエータである、
請求項１から請求項３のうちいずれか１項に記載の光走査装置。

【請求項5】

前記第１アクチュエータは、前記ミラー部を前記第１軸周りで揺動可能に支持する第１支持部を介して前記ミラー部に接続されており、
前記第２アクチュエータは、前記第１アクチュエータを前記第２軸周りで揺動可能に支持する第２支持部を介して前記第１アクチュエータに接続されている、
請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載の光走査装置。

【請求項6】

前記第１支持部及び前記第２支持部は、それぞれトーションバーである、
請求項５に記載の光走査装置。

【請求項7】

前記ミラー部が静止している場合の前記反射面に垂直に光ビームを照射する光源を備える、
請求項１から請求項６のうちいずれか１項に記載の光走査装置。

【請求項8】

入射光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部が静止している場合の前記反射面を含む平面内にある第１軸の周りに前記ミラー部を揺動させる第１アクチュエータと、前記平面内において前記第１軸に直交する第２軸の周りに前記ミラー部を揺動させる第２アクチュエータとを備えるマイクロミラーデバイスの駆動方法であって、
前記マイクロミラーデバイスは、前記第１軸周りの共振周波数をｆ_１とし、前記第２軸周りの共振周波数をｆ_２とした場合、ｆ_２＜ｆ_１の関係を満たし、
前記ミラー部を前記第１軸周り及び前記第２軸周りに同時に駆動した場合に、前記第１軸周りの共振周波数がｆ_１からΔｆだけ変化する特性を有し、
プロセッサが前記第１アクチュエータ及び前記第２アクチュエータに、ｆ_１－Δｆ＜ｆ_ｄ≦ｆ_１の関係を満たす駆動周波数ｆ_ｄを有する第１駆動信号及び第２駆動信号をそれぞれ与えることにより前記ミラー部を歳差運動させる、
マイクロミラーデバイスの駆動方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示の技術は、光走査装置、及びマイクロミラーデバイスの駆動方法に関する。

【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。マイクロミラーデバイスは、光走査装置に設けられた駆動制御部により駆動される。駆動制御部は、マイクロミラーデバイスのミラー部を駆動することにより、ミラー部で反射される光ビームを、対象物に対して２次元走査する。

【0003】

マイクロミラーデバイスによる光走査方式は、従来のポリゴンミラーによる光走査方式と比べて、小型、軽量、かつ低消費電力という点で優れている。このため、マイクロミラーデバイスは、ＬｉＤＡＲ（Light Detection and Ranging）装置、又は走査ビームディスプレイなどへの適用が注目されている。

【0004】

マイクロミラーデバイスの駆動方式には、静電駆動方式、電磁駆動方式、又は圧電駆動方式などがある。圧電駆動方式は、トルクが大きい一方で、デバイス構造及び駆動回路が単純であるため、小型で、かつスキャン角度が大きい。また、マイクロミラーデバイスは、質量、構造、及びばね定数で決まる固有の振動周波数で共振する。マイクロミラーデバイスを、共振周波数で駆動することにより、より大きなスキャン角度が得られる。スキャン角度は、ミラー部の振れ角に対応する。

【0005】

国際公開第２０１８／２３００６５号公報では、ミラー部を歳差運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が提案されている。歳差運動とは、ミラー部の反射面に直交する中心軸が円を描くように振れる運動である。ミラー部を歳差運動させるためには、互いに直交する第１軸及び第２軸のそれぞれの周りにミラー部を、同一の周波数で揺動させる必要がある。このため、国際公開第２０１８／２３００６５号公報では、第１軸周りの共振周波数（以下、第１共振周波数という。）と、第２軸周りの共振周波数（以下、第２共振周波数という。）とを一致させることが提案されている。

【0006】

ミラー部を歳差運動させることにより、ミラー部で反射される光ビームは、円を描くように走査される。この円状の光ビームは、例えば、ＬｉＤＡＲ装置で利用される。

【0007】

また、特開２０１９－１４４４９７号公報では、圧電型２軸駆動方式のマイクロミラーデバイスにおいて、第１軸周りにミラー部を共振駆動する第１アクチュエータと、第２軸周りにミラー部を共振駆動する第２アクチュエータとの間でクロストークが発生することが開示されている。このクロストークは、一方のアクチュエータで生じる振動が、他方のアクチュエータに伝搬することにより、共振振動が励起されることが原因である。

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0008】

国際公開第２０１８／２３００６５号公報に記載のように、第１共振周波数と第２共振周波数とを一致させ、かつ第１及び第２アクチュエータに与える駆動信号の周波数を第１共振周波数及び第２共振周波数に一致させることで、駆動信号に対するミラー部の動作の応答性が向上する。しかし、第１共振周波数と第２共振周波数とを一致させると、特開２０１９－１４４４９７号公報に記載のクロストークが大きくなるという弊害が生じると考えられる。

【0009】

本出願人は、第１アクチュエータがミラー部を第１軸周りに揺動させ、かつ第２アクチュエータがミラー部とともに第１アクチュエータを第２軸周りに揺動させるマイクロミラーデバイスでは、クロストークが生じやすいことを確認している。具体的には、本出願人は、第２軸周りの振れ角に応じて第１共振周波数がシフトすることを確認している。

【0010】

ミラー部を歳差運動させるためには、第１軸周りの振れ角と、第２軸周りの振れ角とを正確に一致させる必要がある。しかし、上記のようなクロストークが発生すると、第２軸周りの振れ角に応じて第１共振周波数がシフトするため、第１軸周りの振れ角が低下してしまう。

【0011】

振れ角を向上させるためには、駆動信号の振幅電圧を大きくすることが考えられる。しかし、駆動信号の振幅電圧を大きくすると、マイクロミラーデバイスを駆動するための駆動回路が大型化し、かつ消費電力が大きくなるという弊害が生じる。

【0012】

本開示の技術は、ミラー部を歳差運動させる場合に、低電力で振れ角を向上させることを可能とする光走査装置、及びマイクロミラーデバイスの駆動方法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】

【0013】

上記目的を達成するために、本開示の光走査装置は、入射光を反射する反射面を有するミラー部と、ミラー部が静止している場合の反射面を含む平面内にある第１軸の周りにミラー部を揺動させる第１アクチュエータと、平面内において第１軸に直交する第２軸の周りにミラー部を揺動させる第２アクチュエータとを備える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アクチュエータに、それぞれ同一の駆動周波数を有する第１駆動信号及び第２駆動信号を与えることによりミラー部を歳差運動させるプロセッサと、を備える光走査装置であって、マイクロミラーデバイスは、第１軸周りの共振周波数をｆ_１とし、第２軸周りの共振周波数をｆ_２とした場合、ｆ_２＜ｆ_１の関係を満たし、駆動周波数をｆ_ｄとした場合に、ｆ_ｄ≦ｆ_１の関係を満たす。

【0014】

ミラー部を第１軸周り及び第２軸周りに同時に駆動した場合に、第１軸周りの共振周波数がｆ_１からΔｆだけ変化する特性を有し、ｆ_１－Δｆ＜ｆ_ｄの関係を満たすことが好ましい。

【0015】

Δｆ＞０の関係を満たすことが好ましい。

【0016】

ｆ_１－Δｆ＜ｆ_ｄ＜ｆ_２の関係を満たすことが好ましい。

【0017】

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備えた圧電アクチュエータであることが好ましい。

【0018】

第１アクチュエータは、ミラー部を第１軸周りで揺動可能に支持する第１支持部を介してミラー部に接続されており、第２アクチュエータは、第１アクチュエータを第２軸周りで揺動可能に支持する第２支持部を介して第１アクチュエータに接続されていることが好ましい。

【0019】

第１支持部及び第２支持部は、それぞれトーションバーであることが好ましい。

【0020】

ミラー部が静止している場合の反射面に垂直に光ビームを照射する光源を備えることが好ましい。

【0021】

本開示のマイクロミラーデバイスの駆動方法は、入射光を反射する反射面を有するミラー部と、ミラー部が静止している場合の反射面を含む平面内にある第１軸の周りにミラー部を揺動させる第１アクチュエータと、平面内において第１軸に直交する第２軸の周りにミラー部を揺動させる第２アクチュエータとを備えるマイクロミラーデバイスの駆動方法であって、マイクロミラーデバイスは、第１軸周りの共振周波数をｆ_１とし、第２軸周りの共振周波数をｆ_２とした場合、ｆ_２＜ｆ_１の関係を満たし、第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに、ｆ_ｄ≦ｆ_１の関係を満たす駆動周波数ｆ_ｄを有する第１駆動信号及び第２駆動信号をそれぞれ与えることによりミラー部を歳差運動させる。

【発明の効果】

【0022】

本開示の技術によれば、ミラー部を歳差運動させる場合に、低電力で振れ角を向上させることを可能とする光走査装置、及びマイクロミラーデバイスの駆動方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【0023】

【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】図４のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。

【図7】逆位相の共振モードで第１アクチュエータを駆動した例を示す図である。

【図8】逆位相の共振モードで第２アクチュエータを駆動した例を示す図である。

【図9】第１アクチュエータ及び第２アクチュエータに与える駆動信号の一例を示す図である。

【図10】最大振れ角の時間変化を説明する図である。

【図11】ミラー部の歳差運動を説明する図である。

【図12】振れ角と駆動周波数との関係を模式的に示す図である。

【図13】最大振れ角に対するシフト量の変化の一例を示す図である。

【図14】駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_ｄ＜ｆ_１－Δｆの範囲内に設定した場合における最大振れ角の計測結果を示す図である。

【図15】駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_１－Δｆ＜ｆ_ｄ＜ｆ_２の範囲内に設定した場合における最大振れ角の計測結果を示す図である。

【図16】駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_ｄ＝ｆ_２と設定した場合における最大振れ角の計測結果を示す図である。

【図17】駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_２＜ｆ_ｄ≦ｆ_１の範囲内に設定した場合における最大振れ角の計測結果を示す図である。

【図18】駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_１＜ｆ_ｄの範囲内に設定した場合における最大振れ角の計測結果を示す図である。

【図19】リブを有するマイクロミラーデバイスを裏面側から見た平面図である。

【図20】図１９のＣ－Ｃ線に沿った断面図である。

【発明を実施するための形態】

【0024】

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。

【0025】

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。

【0026】

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Ｘ方向、第２軸ａ_２と平行な方向をＹ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。

【0027】

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。

【0028】

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。

【0029】

詳しくは後述するが、駆動制御部４は、ミラー部２０を歳差運動させる。ミラー部２０が歳差運動を行うことにより、ミラー部２０で反射される光ビームＬは、被走査面５上において円を描くように走査される。この円状の光ビームＬは、例えば、ＬｉＤＡＲ装置で利用される。

【0030】

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。

【0031】

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不揮発性の記憶装置である。

【0032】

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。

【0033】

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。

【0034】

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にどのように光ビームＬを走査するかを表す情報である。本実施形態では、被走査面５に円を描くように光ビームＬを走査することを表す情報である。なお、例えば、光走査装置１０をＬｉＤＡＲ装置に組み込む場合には、光走査情報には、距離測定用の光ビームＬを照射するタイミング、及び照射範囲等が含まれる。

【0035】

次に、図３～図６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。図６は、図４のＢ－Ｂ線に沿った断面図である。

【0036】

図３及び図４に示すように、ＭＭＤ２は、ミラー部２０、第１アクチュエータ２１、第２アクチュエータ２２、支持枠２３、第１支持部２４、第２支持部２５、及び固定部２６を有する。ＭＭＤ２は、いわゆるＭＥＭＳデバイスである。

【0037】

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は、例えば円形である。

【0038】

第１アクチュエータ２１は、ミラー部２０を囲うように配置されている。支持枠２３は、ミラー部２０及び第１アクチュエータ２１を囲うように配置されている。第２アクチュエータ２２は、ミラー部２０、第１アクチュエータ２１、及び支持枠２３を囲うように配置されている。なお、支持枠２３は、本開示の技術に必須の構成要素ではない。

【0039】

第１支持部２４は、ミラー部２０と第１アクチュエータ２１とを、第１軸ａ_１上で接続し、かつミラー部２０を第１軸ａ_１周りに揺動可能に支持している。第１軸ａ_１は、ミラー部２０が静止している場合の反射面２０Ａを含む平面内にある。例えば、第１支持部２４は、第１軸ａ_１に沿って延伸したトーションバーである。また、第１支持部２４は、第１軸ａ_１上で支持枠２３に接続されている。

【0040】

第２支持部２５は、第１アクチュエータ２１と第２アクチュエータ２２とを、第２軸ａ_２上で接続し、かつミラー部２０及び第１アクチュエータ２１を第２軸ａ_２周りに揺動可能に支持している。第２軸ａ_２は、ミラー部２０が静止している場合の反射面２０Ａを含む平面内において第１軸ａ_１と直交する。また、第２支持部２５は、第２軸ａ_２上で支持枠２３及び固定部２６に接続されている。

【0041】

固定部２６は、第２支持部２５により、第２アクチュエータ２２と接続されている。固定部２６は、外形が矩形状であり、第２アクチュエータ２２を取り囲んでいる。固定部２６のＸ方向及びＹ方向への長さは、それぞれ、例えば１ｍｍ～１０ｍｍ程度である。固定部２６のＺ方向への厚みは、例えば５μｍ～０．２ｍｍ程度である。

【0042】

第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２２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。第１アクチュエータ２１は、ミラー部２０に第１軸ａ_１周りの回転トルクを作用させる。第２アクチュエータ２２は、ミラー部２０及び第１アクチュエータ２１に第２軸ａ_２周りの回転トルクを作用させる。これにより、ミラー部２０は、第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２周りに揺動する。

【0043】

第１アクチュエータ２１は、ＸＹ面内においてミラー部２０を囲む環状の薄板部材である。第１アクチュエータ２１は、一対の第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂで構成されている。第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂは、それぞれ半環状である。第１可動部２１Ａと第２可動部２１Ｂとは、第１軸ａ_１に関して線対称となる形状であり、第１軸ａ_１上で接続されている。

【0044】

支持枠２３は、ＸＹ面内においてミラー部２０及び第１アクチュエータ２１を囲む環状の薄板部材である。

【0045】

第２アクチュエータ２２は、ＸＹ面内においてミラー部２０、第１アクチュエータ２１、及び支持枠２３を囲む環状の薄板部材である。第２アクチュエータ２２は、一対の第１可動部２２Ａ及び第２可動部２２Ｂで構成されている。第１可動部２２Ａ及び第２可動部２２Ｂは、それぞれ半環状である。第１可動部２２Ａと第２可動部２２Ｂとは、第２軸ａ_２に関して線対称となる形状であり、第２軸ａ_２上で接続されている。

【0046】

第１アクチュエータ２１において、第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂには、それぞれ圧電素子２７Ａ及び圧電素子２７Ｂが設けられている。また、第２アクチュエータ２２において、第１可動部２２Ａ及び第２可動部２２Ｂには、それぞれ圧電素子２８Ａ及び圧電素子２８Ｂが設けられている。

【0047】

なお、図３及び図４では、圧電素子２７Ａ，２７Ｂ，２８Ａ，２８Ｂ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、固定部２６上に複数設けられる。

【0048】

図５及び図６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。

【0049】

ミラー部２０、第１アクチュエータ２１、第２アクチュエータ２２、支持枠２３、第１支持部２４、及び第２支持部２５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。固定部２６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。

【0050】

圧電素子２７Ａ，２７Ｂ，２８Ａ，２８Ｂ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。

【0051】

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。

【0052】

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。

【0053】

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２１及び第２アクチュエータ２２を変位させる。

【0054】

図７は、第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂ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２１を駆動した様子を示している。このように、第１可動部２１Ａと第２可動部２１Ｂ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ａ_１の周りに回動する。

【0055】

また、図７は、第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂの変位方向と、ミラー部２０の回動方向とが互いに逆向きである逆位相の共振モードで第１アクチュエータ２１を駆動した例である。図７では、第１可動部２１Ａが－Ｚ方向に変位し、かつ第２可動部２１Ｂが＋Ｚ方向に変位することにより、ミラー部２０が＋Ｙ方向に回動している。なお、第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂ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で第１アクチュエータ２１を駆動してもよい。

【0056】

ミラー部２０の反射面２０Ａの法線Ｎが、ＹＺ平面において傾斜する角度を第１振れ角θ_１という。反射面２０Ａの法線Ｎが＋Ｙ方向に傾斜した場合には、第１振れ角θ_１は正の値をとり、－Ｙ方向に傾斜した場合には、第１振れ角θ_１は負の値をとる。

【0057】

第１振れ角θ_１は、駆動制御部４が第１アクチュエータ２１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、第１可動部２１Ａに印加される駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）と、第２可動部２１Ｂ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。

【0058】

図８は、第１可動部２２Ａ及び第２可動部２２Ｂの変位方向と、ミラー部２０の回動方向とが互いに逆向きである逆位相の共振モードで第２アクチュエータ２２を駆動した例を示している。図８では、第１可動部２２Ａが－Ｚ方向に変位し、かつ第２可動部２２Ｂが＋Ｚ方向に変位することにより、ミラー部２０が＋Ｘ方向に回動している。なお、第１可動部２２Ａ及び第２可動部２２Ｂ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で第２アクチュエータ２２を駆動してもよい。

【0059】

ミラー部２０の反射面２０Ａの法線Ｎが、ＸＺ平面において傾斜する角度を第２振れ角θ_２という。反射面２０Ａの法線Ｎが＋Ｘ方向に傾斜した場合には、第２振れ角θ_２は正の値をとり、－Ｘ方向に傾斜した場合には、第２振れ角θ_２は負の値をとる。

【0060】

第２振れ角θ_２は、駆動制御部４が第２アクチュエータ２２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、第１可動部２２Ａに印加される駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）と、第２可動部２２Ｂ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。

【0061】

図９は、第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２２に与える駆動信号の一例を示す。図９（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９（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。

【0062】

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_ｄｔ）
Ｖ_１Ｂ（ｔ）＝Ｖ_ｏｆｆ１＋Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_ｄｔ＋α）

【0063】

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_ｄは駆動周波数である。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。

【0064】

駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）がそれぞれ第１可動部２１Ａ及び第２可動部２１Ｂに印加されることにより、ミラー部２０が第１軸ａ_１の周りに揺動する（図７参照）。

【0065】

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_ｄｔ＋φ）
Ｖ_２Ｂ（ｔ）＝Ｖ_ｏｆｆ２＋Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_ｄｔ＋β＋φ）

【0066】

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_ｄは駆動周波数である。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。本実施形態では、ミラー部２０を歳差運動させるために、φ＝９０°とする。

【0067】

バイアス電圧Ｖ_ｏｆｆ１及びＶ_ｏｆｆ２は、ミラー部２０が静止した状態を決定する直流電圧である。ミラー部２０が静止した状態において、反射面２０Ａを含む平面は、固定部２６の上面と平行でなくてもよく、固定部２６の上面に対して傾斜していてもよい。

【0068】

駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）がそれぞれ第１可動部２２Ａ及び第２可動部２２Ｂに印加されることにより、ミラー部２０が第２軸ａ_２の周りに揺動する（図８参照）。

【0069】

上記のように、第１駆動信号と第２駆動信号とは、同一の駆動周波数ｆ_ｄを有し、かつ位相差は９０°である。ミラー部２０を歳差運動させるには、図１０に示すように、第１振れ角θ_１の最大振れ角θ_ｍ１と第２振れ角θ_２の最大振れ角θ_ｍ２とが一致するように、振幅電圧Ｖ_１及びＶ_２を適切に設定する必要がある。これは、振幅電圧Ｖ_１と第１振れ角θ_１と、振幅電圧Ｖ_２と第２振れ角θ_２との関係は同一でないためである。なお、本明細書の説明において、「一致」の意味には、完全な一致の意味の他に、設計上及び製造上において許容される誤差を含む略一致の意味も含まれる。

【0070】

以下、第１振れ角θ_１の最大振れ角θ_ｍ１を第１最大振れ角θ_ｍ１という。また、第２振れ角θ_２の最大振れ角θ_ｍ２を第２最大振れ角θ_ｍ２という。さらに、第１最大振れ角θ_ｍ１と第２最大振れ角θ_ｍ２とを区別しない場合には、単に最大振れ角θ_ｍという。

【0071】

また、ミラー部２０を精度よく歳差運動させるためには、駆動周波数ｆ_ｄを適切に設定する必要がある。図１１は、ミラー部２０の歳差運動を示す。歳差運動とは、ミラー部２０の反射面２０Ａの法線Ｎが円を描くように振れる運動である。このように歳差運動を行っているミラー部２０に、光源３から光ビームＬを照射することにより、被走査面５上に円を描くように光ビームＬを走査することができる。

【0072】

図１２は、ミラー部２０の振れ角と駆動周波数ｆ_ｄとの関係の一例を模式的に示す。ミラー部２０は、第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２の周りに固有の振動数で振動する。駆動周波数ｆ_ｄが固有振動数に一致する場合にミラー部２０は共振する。

【0073】

図１２において、ｆ_１は、ミラー部２０の第１軸ａ_１周りの共振周波数（以下、第１共振周波数という。）を表している。ｆ_２は、ミラー部２０の第２軸ａ_２周りの共振周波数（以下、第２共振周波数という。）を表している。第１共振周波数ｆ_１は、ミラー部２０を第２軸ａ_２周りには揺動させずに、第１軸ａ_１周りにのみ揺動させる場合における共振周波数である。第２共振周波数ｆ_２は、ミラー部２０を第１軸ａ_１周りには揺動させずに、第２軸ａ_２周りにのみ揺動させる場合における共振周波数である。

【0074】

ミラー部２０の揺動には、前述の可動部との位相（同位相又は逆位相）に加えて、複数の共振モードが存在する。例えば、第１共振周波数ｆ_１及び第２共振周波数ｆ_２は、それぞれ逆位相で、かつ最も低次（すなわち、最も周波数が低い）の共振モードにおける共振周波数である。

【0075】

駆動周波数ｆ_ｄが第１共振周波数ｆ_１に近いほど、第１振れ角θ_１が大きくなる。また、駆動周波数ｆ_ｄが第２共振周波数ｆ_２に近いほど、第２振れ角θ_２が大きくなる。このため、一般的には、第１共振周波数ｆ_１と第２共振周波数ｆ_２とを一致させ、かつ駆動周波数ｆ_ｄを第１共振周波数ｆ_１及び第２共振周波数ｆ_２と一致させることにより、駆動信号に対する振れ角の応答性を上げることが行われている。第１共振周波数ｆ_１及び第２共振周波数ｆ_２は、ＭＭＤ２の構成要素の慣性モーメント及びばね定数等を設計的に調整することにより、設定することができる。

【0076】

しかし、第１共振周波数ｆ_１と第２共振周波数ｆ_２とを一致させると、クロストークが大きくなるという弊害が生じると考えられる。クロストークは、第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２２のうちの一方で生じる振動が、他方に伝搬することにより、共振振動が励起されることが原因である。第１共振周波数ｆ_１と第２共振周波数ｆ_２とを一致させると、特に、ミラー部２０の最大振れ角θ_ｍが小さい場合、すなわち駆動信号が小さい場合に、クロストークの影響を大きく受ける。

【0077】

本実施形態のＭＭＤ２は、第１アクチュエータ２１がミラー部２０を第１軸ａ_１周りに揺動させ、かつ第２アクチュエータ２２がミラー部２０とともに第１アクチュエータ２１を第２軸ａ_２周りに揺動させる。このように、ミラー部２０を第２軸ａ_２周りに揺動させる場合には、第１アクチュエータ２１も第２軸ａ_２周りに揺動するため、第２軸ａ_２周りの振動成分が第１軸ａ_１に伝搬し、第１アクチュエータ２１の電圧特性の変化及び第１共振周波数ｆ_１に影響を与える。本出願人は、ミラー部２０を第１軸ａ_１周り及び第２軸ａ_２周りに同時に揺動させた場合に、第１共振周波数ｆ_１がシフトすることを確認した。以下、このシフト量をΔｆと表記する。

【0078】

クロストークを避けるためには、第１共振周波数ｆ_１と第２共振周波数ｆ_２とを一致させないことが好ましい。また、第１共振周波数ｆ_１と第２共振周波数ｆ_２との大小関係は、シフト量Δｆを考慮して決定する必要がある。これは、シフト量Δｆが、ミラー部２０の最大振れ角θ_ｍの大きさに依存して変化するためである。

【0079】

図１３は、ミラー部２０の最大振れ角θ_ｍに対するシフト量Δｆの変化の一例を示す。本出願人は、ミラー部２０を歳差運動させて、被走査面５に正円を描くように光ビームＬを走査した場合における最大振れ角θ_ｍに対する第１共振周波数ｆ_１のシフト量Δｆを測定した。被走査面５に走査される円の大きさは、最大振れ角θ_ｍに比例する。

【0080】

図１３に示すように、第１共振周波数ｆ_１のシフト量Δｆは、最大振れ角θ_ｍが大きくなるとともに大きくなることが確認された。ここで、シフト量Δｆは、正の値（すなわちΔｆ＞０）であった。

【0081】

本出願人は、第１共振周波数ｆ_１及び第２共振周波数ｆ_２が「ｆ_２＜ｆ_１」の関係を満たし、かつ駆動周波数ｆ_ｄが「ｆ_ｄ≦ｆ_１」の関係を満たす場合に、低電力で振れ角を向上させること見出した。

【0082】

例えば、光走査装置１０をＬｉＤＡＲ装置に適用する場合には、光ビームＬにより被走査面５上に走査される円の半径（以下、走査半径という。）の制御が行われる。この走査半径は、ミラー部２０の最大振れ角θ_ｍに対応する。また、第１最大振れ角θ_ｍ１は、第１駆動信号の振幅電圧Ｖ_１に依存する。第２最大振れ角θ_ｍ２は、第２駆動信号の振幅電圧Ｖ_２に依存する。十分な大きさの走査半径を得るためには、最大振れ角θ_ｍは、１０°以上であることが好ましい。また、低電力化のために、振幅電圧Ｖ_１及び振幅電圧Ｖ_２はそれぞれ４０Ｖ未満であることが好ましい。

【0083】

以下に、ミラー部２０の最大振れ角θ_ｍと振幅電圧Ｖ_１及びＶ_２との測定結果を示す。本出願人は、駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_ｄ＜ｆ_１－Δｆの範囲内に設定した場合、ｆ_１－Δｆ＜ｆ_ｄ＜ｆ_２の範囲内に設定した場合、ｆ_１＝ｆ_２に設定した場合、ｆ_２＜ｆ_ｄ≦ｆ_１の範囲内に設定した場合、ｆ_１＜ｆ_ｄの範囲内に設定した場合の５つのケースについてそれぞれ最大振れ角θ_ｍを計測した。

【0084】

具体的には、ミラー部２０を歳差運動させて、被走査面５に正円を描くように光ビームＬを走査した場合における円の半径（走査半径）に対する振幅電圧Ｖ_１及びＶ_２との関係を測定した。被走査面５には、１ｍｍ間隔の目盛りが付されており、目盛りを用いた円の形状及びサイズの計測値に基づき、最大振れ角θ_ｍを計測した。なお、本計測で用いたＭＭＤ２は、ｆ_１＝１２３７Ｈｚ、ｆ_２＝１２３０Ｈｚであり、ｆ_２＜ｆ_１の関係を満たすものである。

【0085】

図１４は、駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_ｄ＜ｆ_１－Δｆの範囲内に設定した場合における最大振れ角θ_ｍの計測結果を示す。ここで、ｆ_ｄ＝ｆ_１－２５Ｈｚとした。図１４において、Ｖ_１≧３３Ｖの場合にθ_ｍ１≧１０°となり、Ｖ_２≧５０Ｖの場合にθ_ｍ２≧１０°となることがわかる。

【0086】

図１５は、駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_１－Δｆ＜ｆ_ｄ＜ｆ_２の範囲内に設定した場合における最大振れ角θ_ｍの計測結果を示す。図１５において、Ｖ_１≧１５Ｖの場合にθ_ｍ１≧１０°となり、Ｖ_２≧９Ｖの場合にθ_ｍ２≧１０°となることがわかる。

【0087】

図１６は、駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_ｄ＝ｆ_２と設定した場合における最大振れ角θ_ｍの計測結果を示す。図１６において、Ｖ_１≧２８Ｖの場合にθ_ｍ１≧１０°となり、Ｖ_２≧２９Ｖの場合にθ_ｍ２≧１０°となることがわかる。

【0088】

図１７は、駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_２＜ｆ_ｄ≦ｆ_１の範囲内に設定した場合における最大振れ角θ_ｍの計測結果を示す。図１７において、Ｖ_１≧４０Ｖの場合にθ_ｍ１≧１０°となり、Ｖ_２≧２５Ｖの場合にθ_ｍ２≧１０°となることがわかる。

【0089】

図１８は、駆動周波数ｆ_ｄを、ｆ_１＜ｆ_ｄの範囲内に設定した場合における最大振れ角θ_ｍの計測結果を示す。図１７において、Ｖ_１≧５０Ｖの場合にθ_ｍ１≧１０°となり、Ｖ_２≧３２Ｖの場合にθ_ｍ２≧１０°となることがわかる。

【0090】

以上のように、低電力で振れ角を向上させるためには、駆動周波数ｆ_ｄが「ｆ_ｄ≦ｆ_１」の関係を満たすことが好ましいことがわかる。さらに、駆動周波数ｆ_ｄが「ｆ_１－Δｆ＜ｆ_ｄ＜ｆ_２」の関係を満たすことがより好ましいことがわかる。すなわち、駆動周波数ｆ_ｄは、ｆ_１－Δｆ及びｆ_２から離れすぎることは好ましくはなく、ｆ_１－Δｆとｆ_２との間の範囲内であることが好ましい。

【0091】

［共振周波数の調整］
次に、第１共振周波数ｆ_１と第２共振周波数ｆ_２との関係を調整する方法の一例を説明する。図１９及び図２０に示すＭＭＤ２Ａは、ミラー部２０の裏面側（すなわち、光入射側とは反対側）にリブ６０を有する。図１９は、ＭＭＤ２Ａを裏面側から見た平面図である。図２０は、図１９のＣ－Ｃ線に沿った断面図である。ＭＭＤ２Ａのその他の構成は、上記実施形態に係るＭＭＤ２と同様である。

【0092】

リブ６０は、ミラー部２０の剛性を高めることにより、ミラー部２０の光入射側に形成された反射面２０Ａの平坦性を高める。リブ６０は、第１シリコン活性層３１及び酸化シリコン層３２をエッチング処理によりパターニングすることにより形成されている。

【0093】

図１９に示すように、本例では、リブ６０の平面形状は、中心がミラー部２０の中心に一致した楕円形である。本例では、リブ６０は、短軸が第１軸ａ_１に平行であり、長軸が第２軸ａ_２に平行である。短径Ｄ１の長さを変えることにより、ミラー部２０の第１軸ａ_１周りの慣性モーメントが変化する。また、長径Ｄ２の長さを変えることにより、ミラー部２０の第２軸ａ_２周りの慣性モーメントが変化する。したがって、短径Ｄ１と長径Ｄ２との比率を変えることにより、「ｆ_２＜ｆ_１」の関係を満たすように、第１共振周波数ｆ_１と第２共振周波数ｆ_２との比率を調整することができる。

【0094】

上記実施形態で示したＭＭＤ２及びＭＭＤ２Ａの構成は適宜変更可能である。例えば、上記実施形態では、第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２２を環状としているが、第１アクチュエータ２１及び第２アクチュエータ２２のうちの一方又は両方をミアンダ構造とすることも可能である。また、第１支持部２４及び第２支持部２５として、トーションバー以外の構成の支持部材を用いることも可能である。

【0095】

また、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（例えば、複数のＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）の組み合わせ、及び／又は、ＣＰＵとＦＰＧＡとの組み合わせ）で構成されてもよい。

【0096】

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。

【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】

【図20】