ミラー駆動装置及びその駆動方法並びに製造方法
【課題】圧電アクチュエータの力を効率よく利用してミラーの回転方向に大きな変位を得るとともに、垂直方向の並進運動を大幅に抑制する。
【解決手段】ミラー部（12）を挟んで両側に一対の圧電アクチュエータ部（14）が配置される。圧電アクチュエータ部（14）の一端（14A）は連結部（16）を介してミラー部（12）の端部（12A）に接続され、圧電アクチュエータ部（14）の他端（14B）は固定部（30）に固定支持される。また、ミラー部（12）は、垂直方向への並進運動する抑制する垂直移動抑制構造(32)を介して固定部（30）に接続されている。回転軸（18）付近に接続されるトーションバー（20）とトーションバー（20）の基端部を支持するトーションバー支持部（22）とにより垂直移動抑制構造（32）を構成できる。
【解決手段】ミラー部（12）を挟んで両側に一対の圧電アクチュエータ部（14）が配置される。圧電アクチュエータ部（14）の一端（14A）は連結部（16）を介してミラー部（12）の端部（12A）に接続され、圧電アクチュエータ部（14）の他端（14B）は固定部（30）に固定支持される。また、ミラー部（12）は、垂直方向への並進運動する抑制する垂直移動抑制構造(32)を介して固定部（30）に接続されている。回転軸（18）付近に接続されるトーションバー（20）とトーションバー（20）の基端部を支持するトーションバー支持部（22）とにより垂直移動抑制構造（32）を構成できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明はミラー駆動装置に係り、特に、光走査に用いる光偏向器に好適なマイクロミラーデバイスの構造及びその駆動方法、並びに製造技術に関する。
【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たマイクロスキャナ（以下、「ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナ」という。）は、従来の光走査モジュールであるポリゴンミラーなどと比べて小型かつ低消費電力であることが特徴である。このためＭＥＭＳスキャナは、レーザープロジェクタから光干渉断層計（ＯＣＴ；Optical Coherence Tomography）のような光診断用スキャナなど、幅広い応用が期待されている。
【０００３】
ＭＥＭＳスキャナの駆動方式は様々であるが、その中でも圧電体の変形を利用した圧電駆動方式は、トルクが大きい一方でデバイス構造、駆動回路が単純であるため、小型で大きなスキャン角度が得られる方式として有望視されている。以下に一般的な圧電マイクロミラー（圧電ＭＥＭＳスキャナ）の構造について説明する。
【０００４】
＜トーションバー構造＞
一般的な圧電ＭＥＭＳスキャナでは、回転軸に沿ったトーションバー（ねじり棒）をミラーに接続し、トーションバーを複数本の圧電カンチレバーによってねじる構造が採用されているものが多い（特許文献１〜３参照）。図１４は特許文献１の「図７」に記載されている構造である。同図における符号０１がミラー部、０２ａと０２ｂがトーションバー、０３ａ〜０３ｄが圧電カンチレバーである。
【０００５】
図１４のトーションバーを軸方向から見た模式断面図を図１５に示す。ここでは、符号０２ｂのトーションバーを示すが、他方のトーションバー０２ａについても同様である。図１５に示すとおり、この構造ではトーションバー０２ｂを挟んだ２本の圧電カンチレバー０３ｂ、０３ｄがそれぞれ上下逆方向に変位してトーションバー０２ｂをねじるように駆動される。
【０００６】
トーションバー駆動方式は、圧電カンチレバーによるすべての力がミラーの回転には使われず、力の利用効率が悪いという問題がある。すなわち、ある回転軸でねじれるトーションバーを捻る純粋なトルクは、ねじり軸周りの偶力（Ａ方向のベクトル成分）によってもたらされる。しかし、図１５のような圧電カンチレバー０３ｂ、０３ｄによるねじりの動きは、カンチレバーの変位量が増大するに伴って、力の作用方向がねじり軸周りの偶力から外れていく。
【０００７】
トーションバー０２ｂをねじるために必要な偶力成分は図１５中のＡで示したベクトル方向である。このＡ方向の偶力成分は、カンチレバーの力（図中Ｃで示したベクトル）のＡ方向成分として得られる。カンチレバーの力（Ｃ方向ベクトル）は、レバー先端部が曲がる方向、つまり、先端部の面に垂直な方向であるため、カンチレバーの変位が大きくなるほど、トーションバーのねじりに寄与する偶力成分（Ａ方向成分）は小さくなり、ねじりに関係しない余計な力の成分（図中Ｂで示す引っ張り方向の成分）が大きくなる。このため、圧電カンチレバーとして大きな曲げ変位が得られても、その変位がトーションバーのねじり量、すなわちミラー部の傾き量に効率良く反映できないという欠点がある。
【０００８】
上述のように、トーションバー構造は、圧電カンチレバーでトーションバーをねじると、回転軸と垂直方向に引っ張る力（Ｂ方向のベクトル成分）が発生し、これが力学的なエネルギーロスとなって回転角の低下を招く。このエネルギーロスは回転角が高くなるほど大きくなるため、トーションバーを用いた構造で大きな回転角度を得るのは非常に難しかった。
【０００９】
＜曲げヒンジ構造＞
上記トーションバー構造の課題を解決するものとして、図１６に示すような構造のＭＥＭＳスキャナデバイス４１０が考えられる。これは、方形のミラー部４１２の端部４１２Ａに薄板の連結部４１６を介して圧電カンチレバー４１４を接続した構造である。圧電カンチレバー４１４の基端４１４Ｂ部分は固定支持部材としての固定部４３０に固定されている。圧電カンチレバー４１４の上下駆動によりミラー部４１２の端部４１２Ａを上下に振動させることで、慣性力によりミラー部４１２に傾き運動が誘起される。このような構造を「曲げヒンジ構造」と呼ぶこととする。
【００１０】
曲げヒンジ構造は、ミラー部４１２の端部４１２Ａの振動により、傾き（回転）方向の共振を誘起し、その共振振動でミラーを傾けるものであり、ミラー部４１２と圧電カンチレバー４１４の間に蛇行した形状の連結部（ミアンダ状に折りたたんだヒンジ）４１６を設けることにより、ミラー部４１２の傾き角の変位がさらに拡大する。ただし、蛇行した（ミアンダ状の）連結部４１６は不可欠な要素というわけではなく、ミラー部４１２の端部に直接圧電カンチレバーを接続する構成も可能である。
【００１１】
図１７に曲げヒンジ構造による動作の模式図を示した。同図では説明を簡単にするために、ミラー部４１２の端部に圧電カンチレバー４１４を直接接続した構成を示した。図１７において、圧電カンチレバー４１４の加速度方向（力がかかる方向）は矢印Ｄで示す下向き、ミラー部４１２にかかる慣性力が働く方向は、その反対方向（矢印Ｅ方向）である。つまり、この慣性力は純粋にミラー部４１２を傾ける方向と一致しており、余計な力の成分が発生しない。したがって、圧電カンチレバー４１４で発生する力がミラー部４１２を傾ける力として効率良く利用される。
【００１２】
この曲げヒンジ構造においては、ミラー回転運動の共振周波数で圧電カンチレバー４１４を駆動すると、図１８に示すように、カンチレバーの変位に伴ってヒンジ（連結部４１６）が曲がり、ミラー部４１２に慣性トルクが発生してミラー部４１２の回転運動共振を誘発する。
【００１３】
図１７で説明したとおり、圧電カンチレバー４１４の変位方向が常にミラー部４１２の回転方向にほぼ一致し、すべての力がミラーの回転に用いられる。そのため、トーションバー構造よりも力の使用効率がはるかに良く、回転角が大きくなってもエネルギーロスが少ないため大変位が得られる。また、ミラー部４１２と圧電カンチレバー４１４との接続部に図１６のようなミアンダ状の連結部４１６を採用した場合、ミアンダ状の複数の曲げヒンジが少しずつ曲がって変位を蓄積していくため、個々のヒンジにかかる応力が少なく、回転角が高くなっても破壊されにくいという利点がある。
【００１４】
＜ミアンダ状圧電カンチレバー構造＞
非特許文献１で提案されている構造は、上述した曲げヒンジ構造に近い構造ではあるが、共振駆動を用いないタイプであり、カンチレバー自体を複数折り畳んだミアンダ状とし、ミラーを両側から挟みこむ構造である。この方式では、圧電カンチレバーを折り畳み、交互に逆方向の曲げを誘起するように駆動することによって変位を拡大させ、共振を用いなくてもミラーを大きく傾けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−２５７２２６号公報
【特許文献２】特開２００９−１６９０８９号公報
【特許文献３】特開２００５−１７７８７６号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】M. Tani, M. Akamatsu, Y. Yasuda, H. Toshiyoshi., ‘A two-axis piezoelectric tilting micro mirror witha newly developed PZT-meandering actuator’ in 'MicroElectro Mechanical Systems, 2007. MEMS. IEEE 20thInternational Conference (2007) pp. 699 -702.）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述のように、曲げヒンジ構造やミアンダ状圧電カンチレバー構造は、トーションバー構造に比べて力を効率的に伝え、大きな変位が得られるという利点がある。しかし、これらの構造では、図１９に示すような、ミラー反射面に垂直な方向の並進運動が起こりやすいという欠点がある。具体的には以下の２点にまとめられる。
【００１８】
（１）構造上、ミラー面に対しての垂直方向並進運動のバネ定数が小さく、共振周波数が低いため、環境振動によって並進運動共振が容易に励起されてしまう。
【００１９】
（２）構造上、ミラーの回転運動と並進運動の共振周波数が非常に近くなるため、回転運動を共振駆動する場合、その駆動の振動で並進運動方向にも共振してしまう。
【００２０】
これらの問題は、回転角を大きくしようとして曲げヒンジを柔らかくしたり、圧電カンチレバーの折り畳み数を増やすほど顕著になる。駆動中にミラーが垂直方向に並進運動すると、スキャン中の光路長変動、焦点ズレ、スポットの位置ズレ等を引き起こすため、実際の使用では致命的な問題となる。
【００２１】
また、曲げヒンジ構造やミアンダ状圧電カンチレバー構造は、トーションバーのようなミラーの回転軸を保つ構造が存在しないため、回転中心がミラーの中心部と一致しないという問題もある。
【００２２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、圧電アクチュエータの力を効率よく利用してミラーの回転方向に大きな変位を得ることができるとともに、ミラーの垂直方向並進運動を大幅に抑制することができるミラー駆動装置及びその駆動方法並びに製造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】
【００２３】
前記目的を達成するために本発明に係るミラー駆動装置は、光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部と、前記ミラー部の回転軸から前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向に離れた前記ミラー部の端部に前記圧電アクチュエータ部の一端を接続させる連結部と、前記圧電アクチュエータ部の他端を支持する固定部と、前記固定部に一端が接続され、他端が前記ミラー部に接続されており、前記ミラー部の回転軸が前記反射面の垂直方向に並進運動することを抑制する垂直移動抑制構造と、を備える。
【００２４】
この発明によれば、圧電アクチュエータ部の一端は連結部を介してミラー部の端部に接続され、他端は固定部に固定支持される。圧電アクチュエータ部を駆動すると連結部を介してミラー部の端部が振られ、ミラー部に回転トルクが与えられる。これにより、ミラー部は回転軸の周りに回転運動し、反射面が傾く。
【００２５】
圧電アクチュエータ部の屈曲変位による力の方向は、ミラー部を回転させる方向と概ね一致するため、圧電アクチュエータ部が発生する力を効率よく回転運動に利用することができ、大きな回転角（ミラーの傾き角）を得ることができる。また、ミラー部は垂直移動抑制構造を介して固定部に接続されているため、ミラー部の垂直方向への並進運動が抑制される。
【００２６】
他の発明態様については、明細書及び図面の記載により明らかにする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、圧電アクチュエータ部の力を効率よく利用し、大きな回転角でミラー部を回転運動させることができるとともに、ミラー部の垂直方向の並進運動を大幅に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの斜視図
【図２】図１のＭＥＭＳスキャナデバイスをミラー部の反射面側から見た平面図
【図３】圧電アクチュエータ部（カンチレバー部）の断面図
【図４】共振駆動時における回転モードの動作を説明するための斜視図
【図５】並進モードの動作を説明するための斜視図
【図６】第２実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスにおける回転モードの動作を説明するための要部斜視図
【図７】第２実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスにおける並進モードの動作を説明するための要部斜視図
【図８】比較例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの要部構成を示す斜視図
【図９】比較例１の構成における回転モードの動作の説明図
【図１０】比較例１の構成における並進モードの動作の説明図
【図１１】実施例１，２と比較例１，２の測定結果をまとめた図表
【図１２】第３実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの構成を示す平面図
【図１３】第４実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの構成を示す平面図
【図１４】従来のトーションバー構造を示す斜視図
【図１５】従来のトーションバー構造の動作を示す模式断面図
【図１６】比較例２に係る従来の曲げヒンジ構造を示す斜視図
【図１７】曲げヒンジ構造による動作を説明するための模式図
【図１８】比較例２の構成における回転モードの動作の説明図
【図１９】比較例２の構成における並進モードの動作の説明図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について詳説する。
【００３０】
〔第１実施形態〕
図１は第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの斜視図であり、図２はミラー部の反射面側から見た平面図（上面図）である。これらの図面に示したように、本例のＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、ミラー部１２と、該ミラー部１２を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部１４と、ミラー部１２の端部１２Ａに圧電アクチュエータ部１４の一端（１４Ａ）を接続させる連結部１６と、ミラー部１２の回転軸１８と略一致する位置でミラー部１２に接続されたトーションバー２０と、このトーションバー２０の一端を支持するトーションバー支持部２２と、圧電アクチュエータ部１４の基端１４Ｂ及びトーションバー支持部２２の基端２２Ｂを固定支持する固定部３０と、を備える。
【００３１】
光の反射面となるミラー部１２の上面（符号１２Ｂ）には、入射光の反射率を高めるために、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミ）等の金属薄膜が形成されている。ミラーコーティングに用いる材料や膜厚は特に限定されず、公知のミラー材料（高反射率材料）を用いて様々な設計が可能である。
【００３２】
本例では、略長方形の反射面１２Ｂを有するミラー部１２を例示し、非駆動時における反射面１２Ｂの長辺方向をｘ方向、これと直交する短辺方向をｙ方向、ｘｙ面に垂直な方向をｚ方向とする直交ｘｙｚ軸を導入して説明する。なお、本発明の実施に際して、ミラー部１２の形状は、特に限定されない。図１及び図２に例示した長方形に限らず、正方形、多角形、円形、楕円形など、様々な形状があり得る。
【００３３】
ＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、非駆動時において反射面１２Ｂがｚ方向に向いたミラー部１２をｙ方向の両側から挟むように一対の圧電アクチュエータ部１４が配置される。圧電アクチュエータ部１４は、圧電ユニモルフカンチレバー（片持ち梁）構造のアクチュエータであり（図３参照）、圧電体の変形によって屈曲変位を行う。すなわち、圧電アクチュエータ部１４はｘ方向の一方の端部（基端１４Ｂ）が固定部３０に固定支持され、反対側の端部１４Ａは固定部３０に固定されずに、カンチレバー構造によって変位できる非拘束端となっている。
【００３４】
圧電アクチュエータ部１４の非拘束側の１４Ａは、ミアンダ状に構成された連結部１６の一端１６Ａに接続されている。また、連結部１６の他端１６Ｂはミラー部１２における長手方向（ｘ軸方向）の一方の端部１２Ａに接続されている。
【００３５】
連結部１６が接続されるミラー部１２の長手方向の端部１２Ａは、厳密な意味での最端位置であることは要求されず、概ね端部分と把握される範囲（最端位置及びその周辺付近）の部位を含むものである。連結部１６を介してミラー部１２に接続される圧電アクチュエータ部１４を変位させることによってミラー部１２に回転トルクを与え、回転軸１８の周りに回転運動させるという作用を達成できるように、回転軸１８からｘ軸方向に離れたミラー部１２の端部付近に連結部１６が接続される。
【００３６】
連結部１６は、ミラー部１２のｘ軸方向を長手方向とする複数本の平板棒状の薄板部材１７がミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する。図２では、３本の薄板部材１７を平行に並べてミアンダ状に折り返すように薄板部材１７の端部同士を接続した構成を例示しているが、薄板部材１７の本数は１本以上、適宜の本数とすることができる。
【００３７】
トーションバー２０は、ミラー部１２上の回転軸１８と一致する位置に接続されており、ミラー部１２の外側に向かって回転軸１８の軸方向に延設される形態となっている。ここでは、ミラー部１２上の回転軸１８と一致する位置にトーションバー２０を接続した例を示しているが、トーションバー２０の接続位置は厳密に回転軸１８と一致していなくてもよく、また、必ずしも１箇所で接続されている形態に限定されず、複数箇所で接続されていてもよい。
【００３８】
例えば、ミラー部１２の長手方向の略中央部分（設計上の真の中央点に限らずその周辺近傍）が回転軸１８となる場合に、回転軸１８と略一致する位置の一箇所にトーションバーを接続し、これを支持する態様の他、当該略中央部分と把握される範囲内で回転軸１８の位置を挟んで軸対称に２箇所以上の位置でトーションバーを接続する構造も可能である。
【００３９】
トーションバー支持部２２は、固定部３０と同程度の厚みを有し、トーションバー２０の一端を固定支持する部材である。トーションバー２０とトーションバー支持部２２との組み合わせがミラー部１２のｚ方向並進運動を抑制する垂直並進運動抑制部３２（「垂直移動抑制構造」に相当）として機能する。図２に示したとおり、この垂直並進運動抑制部３２は、平面視で見た場合、ミラー部１２とミアンダ状の連結部１６との間に配置される。
【００４０】
ＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、ミラー部１２を中心にしてその両側に、トーションバー２０、トーションバー支持部２２、連結部１６、圧電アクチュエータ部１４の各要素が線対称の構造で配置されている。かかる対称構造によって、中央のミラー部１２に対して効率良く回転トルクを作用させることができる。
【００４１】
詳細は後述するが、ミラー部１２は、一対の圧電アクチュエータ部１４を駆動することによって、ｙ軸方向と平行な回転軸１８の周りに回転運動が誘起され、反射面１２Ｂが傾く。また、ミラー部１２は、トーションバー２０とトーションバー支持部２２とによって、ｚ方向（垂直方向）への並進運動が抑制される。
【００４２】
このような構成からなるＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、例えば、シリコン基板から半導体製造技術を利用して加工することにより、固定部３０、ミラー部１２、圧電アクチュエータ部１４、連結部１６、トーションバー２０、トーションバー支持部２２等の要素が一体的に構成された構造物として作成することができる。
【００４３】
なお、固定支持部材として機能する固定部３０及びトーションバー支持部２２の厚さ（ｚ方向の厚さ）に比べて、圧電アクチュエータ部１４、ミアンダ状の連結部１６及びトーションバー２０の厚さは、薄く形成されている。これにより、圧電アクチュエータ部１４、ミアンダ状の連結部１６、トーションバー２０が変形（曲げ変形や捻れ変形）し易い構造となっている。
【００４４】
図３は、圧電ユニモルフカンチレバー構造からなる圧電アクチュエータ部１４の断面構造を示す模式図である。なお、本発明の実施に際して圧電アクチュエータとして、ユニモルフカンチレバー以外の構造を用いても良い。例えば、電極を挟んで圧電体を２層積層したバイモルフカンチレバーを用いても良い。
【００４５】
図３に示すように、圧電アクチュエータ部１４は、振動板４２上に下部電極４３、圧電体４６、上部電極４８が積層形成された構造を有する。このような積層構造体は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板上に、下部電極４３、圧電体４６、上部電極４８の各層を順次に成膜することによって得られる。図３における右端が固定部３０（図１、図２参照）に支持された固定端である。
【００４６】
図３に示す構成において、電極（４３，４８）間に駆動電圧が印加されることで圧電体４６が変形し、この変形に伴い、振動板４２が撓んで、レバー部が上下に動く。図３の破線はレバー部が上方に変位した様子を表している。
【００４７】
＜駆動電圧の供給方法について＞
第１実施形態は、一対の圧電アクチュエータ部１４に対して、同時に同じ駆動電圧を印加することよって、ミラー部１２の両側の圧電アクチュエータ部１４を同方向に変位させる。このため、一対の圧電アクチュエータ部１４に駆動用の電力を供給する電力供給源として、共通の（同じ）駆動回路及び制御回路を用いることができる。圧電アクチュエータ部１４に供給する駆動波形として、共振を励起する周波数の交流信号やパルス波形信号を用いることができる。
【００４８】
＜ＭＥＭＳスキャナデバイス１０の動作について＞
第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０は次のように動作する。
【００４９】
一対の圧電アクチュエータ部１４に、不図示の駆動制御回路から同時に同じ駆動電圧を印加すると、圧電アクチュエータ部１４が変位し、これに接続されているミアンダ状の連結部１６が曲がり変形する。そして、連結部１６と接続されているミラー部１２の端部１２Ａが上下方向（Ｚ方向）に変位する。この動きによって、ミラー部１２に回転トルクを与え、ミラー部１２を回転軸１８周りに回転運動させる。
【００５０】
例えば、正弦波の駆動電圧を圧電アクチュエータ部１４に印加することにより、圧電アクチュエータ部１４を上下に振動させ、ミラー部１２に回転運動を誘起する。共振周波数付近の周波数の駆動電圧を印加して共振駆動させることにより、ミラー部１２は大きな傾き角で振動する。ミアンダ状の連結部１６は、曲がり変形しやすいため、共振駆動において大きな変位を得るのに効果的である（図４参照）。なお、圧電アクチュエータ部１４に印加する駆動電圧の周波数は、構造体の機械的な共振周波数と厳密に一致させることは必ずしも要求されない。共振が励起される範囲で駆動電圧の周波数の差異が許容される。
【００５１】
一方、ミラー部１２の長手方向の略中心部（回転軸１８付近）を保持するトーションバー２０は、ミラー部１２の回転運動に対しては容易にねじれるが、ミラー部１２が垂直方向（Ｚ方向）に並進移動しようとすると、張力によって強い反発力を示し、ミラー部１２の並進運動を阻害（抑制）する役割を果たす。すなわち、トーションバー２０及びトーションバー支持部２２からなる垂直並進運動抑制部３２は、ミラー部１２の回転軸１８を一定の位置に維持しようとする作用を有し、これによりミラー部１２の垂直並進運動（Ｚ方向の並進移動）が抑制される（図５参照）。
【００５２】
図４は回転共振モードによる駆動時の様子を示す斜視図、図５は並進モードの動きを示す斜視図である。なお、図４及び図５では固定部３０の記載を省略した。図４に示したように、回転共振駆動によってミラー部１２は大きな回転角で変位しうる。一方、並進モードについては、トーションバー２０及びトーションバー支持部２２の作用によってミラー部１２のＺ方向への運動が抑制される。
【００５３】
上述のように、圧電アクチュエータ部１４の駆動に応じて、中央のミラー部１２は、Ｙ軸方向に平行な回転軸１８として揺動される。ミラー部１２に入射した光（例えば、図示せぬレーザ光源から発せられたレーザ光）はミラー部１２の傾き（角度）に応じて反射され、反射光の進行方向（反射光の照射位置）が変わる。本実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０によれば、Ｚ方向へのミラー部１２の並進移動を防止しつつ、大きな偏向角で光走査することができる。
【００５４】
<<圧電材料について>>
本実施形態に好適な圧電体としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。
【００５５】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
【００５６】
また、本実施形態の圧電体膜は、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）を含むことが好ましい。
【００５７】
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。なお、一般式（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式（Ｐ）で表されるものよりも圧電定数が高くなる。
【００５８】
また、一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。
【００５９】
本実施形態における圧電体４６の一具体例として、例えば、Ｎbを１２％ドープしたＰＺＴ薄膜を用いることができる。スパッタリング法によってＮbを１２％ドープしたＰＺＴを成膜することにより、圧電定数ｄ３１＝２５０ｐｍ／Ｖという高い圧電特性を持つ薄膜を安定的に作製できる。
【００６０】
なお、バルクの圧電体を基板に接合してもよいが、加工の難易度を考えると、気相成長法やゾルゲル法などにより基板上に圧電薄膜を直接成膜する構成が好ましい。特に、本実施形態の圧電体４６としては、１μｍ以上１０μｍ以下の厚さの薄膜であることが好ましい。後述する実施例では、圧電体４６として、スパッタリング法によって成膜された４μｍ厚のＰＺＴ薄膜を使用しているが、これに限定されるものではない。
【００６１】
＜実施例１；具体的な製造方法の一例＞
実施例１として以下の手順によりＭＥＭＳスキャナデバイス１０を作製した。
【００６２】
（工程１）ハンドル層３５０μｍ、ボックス層１μｍ、デバイス層１０μｍのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に、スパッタ法で基板温度３５０℃にて、Ｔｉ層を３０ｎｍ、Ｉｒ電極層を１５０ｎｍ形成した。これらＴｉ層及びＩｒ電極層が図３の下部電極４３に相当する。
【００６３】
（工程２）上記得られた基板上に、高周波（ＲＦ；radio frequency）スパッタ装置を用いてＰＺＴ層を４μｍ成膜した。成膜ガスは９７．５％Ａｒと２．５％Ｏ２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてはＰｂ1.3((Ｚｒ0.52 Ｔｉ0.48)0.88 Ｎｂ0.12)Ｏ3の組成のものを用いた。成膜圧力は２．２ｍTorr、成膜温度は４５０℃とした。
【００６４】
（工程３）上記で得られた基板上に、リフトオフ法によって上部電極としてのＰt／Ｔi層をパターン形成し、ＩＣＰ（inductively coupledplasma；誘導結合プラズマ）ドラインエッチングによってＰＺＴ薄膜をパターンエッチした。
【００６５】
（工程４）その後、シリコンのドライエッチプロセスによって加工を行い、図１〜図３で説明したＭＥＭＳスキャナデバイス１０を作成した。
【００６６】
固定部３０及びトーションバー支持部２２は、ハンドル層とデバイス層の両方を利用した構造となっており、厚みが約３７０μmである。
【００６７】
トーションバー支持部２２はトーションバー２０の一端を固定する役割を担っている。また、固定部３０は圧電カンチレバーの一端（符号１４Ｂ）及びトーションバー支持部２２の一端（符号２２Ｂ）を固定する役割を担っている。圧電アクチュエータ部１４は、Ｓｉデバイス層（１０μｍ）／下部電極／ＰＺＴ薄膜／上部電極の積層構造となっており、圧電薄膜ユニモルフアクチュエータとして機能する。
【００６８】
なお、本発明の実施に際しては、上記の実施例１に限定されず、基板の材料、電極材料、圧電材料、膜厚、成膜条件などは、目的に応じて適宜選択することができる。
【００６９】
＜実施例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの評価＞
上記の手順で作製された実施例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０について、圧電アクチュエータ部１４に電位振幅Ｖp-p＝0.5Ｖの正弦波（サイン波）による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸回りの回転共振運動を誘起させてミラー部の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数ｆx＝198Ｈｚ、機械振れ角＝±22°であった（図１１参照）。
【００７０】
その一方、ミラー部が垂直方向（ｚ方向）に並進運動するモードの共振周波数をｆyとし、レーザードップラー測定によって計測したところ、ｆy＝2100Ｈｚであり、ｆxに比べて１０倍以上高かった。
【００７１】
この実施例１によれば、並進モードの共振周波数ｆyの値が十分高く、かつ駆動周波数である回転モードの共振周波数ｆxと十分離れていることから、環境振動からも、また、駆動振動からも、ミラー部の垂直方向振動が励起されにくく、安定して回転運動のみをすることが分かる。
【００７２】
なお、環境振動の周波数については、例えば自動車用途の場合、ある振動モードが環境振動からの励起を受けないためには、当該振動の共振周波数が200Ｈｚ以上であることが求められる。自動車用途に限らず、一般的に、機器の持ち歩きや手動操作など、外乱による振動は低い周波数であることから、200Ｈｚ以上という基準を採用することにより、広範囲の用途に適用できる。すなわち、並進モードの共振周波数ｆyが200Ｈｚを超える値であれば、環境振動（外乱）による並進運動の発生を防止することができる。
【００７３】
また、駆動振動からの影響については、駆動振動の周波数と、当該並進モードの振動共振周波数との差が大きければ、駆動振動によって並進モードの共振が励起されにくくなる。
【００７４】
駆動振動の周波数は、回転モードの共振周波数ｆｘと同等かこれに近い周波数であることから、実質的には、並進モードの共振周波数ｆｙが駆動振動の共振周波数（回転モードの共振周波数ｆｘ）の１．１倍以上であれば、駆動振動による並進モードの励起を十分に無視することができる。
【００７５】
すなわち、回転モードの共振周波数ｆxと並進モードの共振周波数ｆyの比ｆy／ｆxが１．１以上となることが好ましい。駆動振動による並進モードの励起を抑えるためには、ｆyとｆxとの差が大きいほど好ましいため、両者の比ｆy／ｆxが２以上となる条件を満たすことがより好ましい。
【００７６】
実施例１の場合、ｆy／ｆxが１０以上となるため、駆動振動による並進モードの励起は無視できる程度に極めて小さいものである。
【００７７】
〔第２実施形態〕
図６及び図７は第２実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの要部を示す斜視図である。図６は回転モードによる動きを説明する斜視図、図７は並進モードによる動きを説明する斜視図である。図６及び図７において、図１〜図５で説明した構成と同一または類似する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。また、図６及び図７では固定部３０の記載を省略した。
【００７８】
第２実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス６０は、第１実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス１０におけるトーションバー支持部２２に代えて、薄板構造のトーションバー支持部６２が採用されている点で第１実施形態と相違する。その他の構成は、第１実施形態と同様の構造であり、製造方法についても、実施例１と同様のプロセスで作製できる。
【００７９】
トーションバー支持部６２の基端６２Ｂは、図示せぬ固定部３０に固定支持される。トーションバー２０とトーションバー支持部６２の組み合わせが垂直並進運動抑制部３２を構成する。トーションバー支持部６２の厚みや形状を適宜設計することにより、所望の剛性、共振周波数に調整することができる。また、当該トーションバー支持部をＳｉ薄板/下部電極/圧電膜/上部電極と積層されたユニモルフ構造にすることにより、ミラーの中心軸に直接変位を与え、アクティブに垂直変位を制御することもできる。
【００８０】
＜実施例２＞
実施例２として、実施例１と同様のプロセスにより第２実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス６０を作製した。この実施例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス６０の圧電アクチュエータ部１４に、電位振幅Ｖp-p＝0.5Ｖの正弦波による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸回りの回転共振運動を誘起させて（図６参照）、ミラー部１２の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数ｆx＝180Ｈｚ、機械振れ角＝±24°であった（図１１参照）。
【００８１】
一方、ミラー部１２が垂直方向に並進運動するモード（図７参照）の共振周波数をｆyとし、レーザードップラー測定によって計測したところ、ｆy＝500 Ｈｚであり、ｆxに比べて2.8倍高かった。
【００８２】
実施例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス６０の並進モードの共振周波数ｆyは、200Ｈｚよりも高いため、環境振動による影響を受けにくいものである。また、実施例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス６０の並進モードの共振周波数ｆyと、回転モードの共振周波数ｆｘの比ｆy／ｆxは２倍を超えており、駆動振動による並進モードの励起の影響も抑制される。
【００８３】
さらに、実施例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス６０は、トーションバー支持部６２が薄板で構成されているため、トーションバー２０にかかる応力が実施例１に比べて低く、駆動によるトーションバーの破壊を防ぐことができる。
【００８４】
＜比較例１＞
実施例１と同様の方法でＳＯＩ基板を用い、図８のようなＭＥＭＳスキャナデバイス３１０を作成した。この比較例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイス３１０は、図１４で説明したトーションバー構造に該当するものである。図８のＭＥＭＳスキャナデバイス３１０は、ミラー部３１２を挟んで両側に、ミラー部３１２の回転中心に接続されるトーションバー３１４が設けられ、各トーションバー３１４に対して２つの圧電アクチュエータ部３１６、３１８が接続されている。
【００８５】
圧電アクチュエータ部３１６、３１８は、それぞれ圧電ユニモルフカンチレバー（片持ち梁）構造のアクチュエータであり、圧電アクチュエータ部３１６、３１８の端部３１６Ｂ、３１８Ｂは、図示せぬ固定支持部材（固定部）に固定されている。
【００８６】
各トーションバー３１４を挟んで両側に連結されている２つの圧電アクチュエータ部３１６、３１８を互いに逆方向に駆動してトーションバー３１４をねじることにより、ミラー部３１２の回転運動を引き起こす。
【００８７】
図９は比較例１の構成における回転モードの駆動時の様子を示す斜視図であり、図１０は比較例１の構成における並進モードの動きの説明図である。
【００８８】
比較例１の構造において、圧電アクチュエータ部３１６、３１８に電位振幅Ｖp-p＝0.5Ｖの正弦波による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸回りの回転共振運動を誘起させてミラー部の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数ｆx＝200 Ｈｚ、機械振れ角＝±2.5°であった。
【００８９】
この方式では、振れ角が小さく、十分なスキャン角度が得られないことが分かる。また、この方式では高い変位角度を得ようとするとトーションバー３１４を細く、及び／又は長くする必要があり、ハンドリングによって容易に破壊してしまうという問題もある。
【００９０】
また、比較例１の構成について、ミラー部が垂直方向に並進運動するモード（図１０参照）の共振周波数をｆyとし、レーザードップラー測定によって計測したところ、ｆy＝98Ｈｚであった。比較例１は、環境振動の影響によって並進モードの励起が起こりやすく、並進モードの振動振幅も大きいものである。
【００９１】
＜比較例２＞
実施例１と同様の方法でＳＯＩ基板を用い、図１６のようなＭＥＭＳスキャナデバイス４１０を作成した。この比較例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス４１０は、「曲げヒンジ構造」に該当するものであり、第１実施形態及び第２実施形態と比較して、垂直並進運動抑制部３２たるトーションバー２０とトーションバー支持部２２（又は６２）の要素を取り除いた構造である。
【００９２】
比較例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス４１０の圧電アクチュエータ（圧電カンチレバー４１４）に電位振幅Ｖp-p＝0.5Ｖの正弦波による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸周りの回転共振運動（図１８参照）を誘起させてミラー部の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数ｆx＝190Ｈz、機械振れ角＝±25°であった（図１１参照）。一方、ミラー部が垂直方向に並進運動するモード（図１９参照）の共振周波数をｆyとし、レーザードップラー測定によって計測したところ、ｆy＝200 Ｈｚであり、ｆxに対して1.05倍と非常に近い値であることが分かった。
【００９３】
比較例２は、スキャン角度としては十分な大きさを得ることができるものの、ｆyの値が200Ｈｚと比較的低いことから、回転運動中に環境振動の影響でミラー部が大きく垂直方向に動いてしまう可能性がある。また、ｆyが、駆動周波数であるｆxと非常に近いことから、駆動振動によってもミラー部の垂直方向振動が励起され易いという問題がある。実用上においては、ミラー部が垂直方向に変位すると、光路長の変化や焦点位置の変化を生み出してしまうため、垂直並進移動が発生しやすい光偏光器（ミラーデバイス）は実用に耐えない。
【００９４】
＜測定結果のまとめ＞
実施例１、２と比較例１、２の評価（測定）結果を対比してまとめた表を図１１に示した。実施例１、２で説明したような構成とすることで、大きい変位のミラー傾き角を得ることができ、環境振動や駆動振動からのミラー部の垂直並進運動の励振も大幅に抑えることができる。
【００９５】
〔第３実施形態〕
図１２は、第３実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス７０の構成を示す平面図である。図１２において、図１〜図５で説明した構成と同一または類似する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。第３実施形態は、ミアンダ状圧電カンチレバー構造による圧電アクチュエータ部７４と垂直並進運動抑制部３２とを組み合わせた構造となっている。
【００９６】
図１２における圧電アクチュエータ部７４のうち、斜線で示した部分が振動板／下部電極／圧電体／上部電極の積層構造を持つ圧電カンチレバー要素７７である。
【００９７】
圧電アクチュエータ部７４は、複数本の圧電カンチレバー要素７７が平行に並べられ、ミアンダ状に折り返すように隣り合う圧電カンチレバー要素７７の端部同士を接続した構成となっている。本例で５本の圧電カンチレバー要素７７を接続した構成を例示しているが、圧電カンチレバー要素７７の本数は２本以上、適宜の本数とすることができる。
【００９８】
圧電アクチュエータ部７４の一端７４Ａは、連結部７６を介してミラー部１２の長手方向の端部１２Ａに接続され、他端７４Ｂは固定部３０に固定支持されている。
【００９９】
このような構造において、圧電アクチュエータ部７４における隣り合う圧電カンチレバー要素７７を交互に逆方向の曲げを誘起するように駆動することによって、各圧電カンチレバー要素７７の変位が累積され、変位量が拡大される。この構造は、共振を用いなくてもミラー部１２を大きく傾けることができる。
【０１００】
また、トーションバー２０とトーションバー支持部２２の構成によって回転軸１８付近が支持されているため、ミラー部１２の並進運動が抑制される。
【０１０１】
＜第４の実施形態＞
図１３は、第４実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス８０の構成を示す平面図である。図１３において、図１〜５、図１２で説明した構成と同一又は類似する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１０２】
第４実施形態は、ミアンダ状圧電カンチレバー構造と曲げヒンジ構造、並びに垂直並進運動抑制部とを組み合わせた構造となっている。
【０１０３】
図１２で説明した連結部７６の構成に代えて、図１で説明したミアンダ状の連結部１６を採用することができる。図１３に示す第４実施形態によれば、圧電アクチュエータ部７４における隣り合う圧電カンチレバー要素７７について、互いに逆方向に曲げ駆動させる。これにより、共振を用いなくても圧電アクチュエータ部７４の変位を拡大し、ミラー部の端を上下（ミラーの厚み方向）に振動させ、回転を誘起させることができる。
【０１０４】
なお、第３及び第４実施形態では、圧電アクチュエータ部７４として、蛇行状の折り返し構造を持つ圧電カンチレバーを採用したが、本発明の実施に際して、レバー部の折り返し構造の採否や、折り返し回数（折り畳み数）については、特に限定されない。カンチレバーの折り畳み数を増やすほど、変位量を増大させることが可能である。
【０１０５】
第３及び第４実施形態において、共振振駆動によるミラー部の回転運動の誘起も可能である。カンチレバーの折り畳み数やレバー部の幅等は全体の共振周波数に影響する。折り畳み数を増やすほど、共振周波数は低下する傾向にある。また、レバー部の幅を細くするほど、共振周波数は低下する傾向にある。折り畳み数やレバー部の幅などを設計することによって、所望の共振周波数を実現できる。
【０１０６】
＜ミアンダ状圧電カンチレバー構造の駆動電圧の供給方法について＞
隣り合う圧電カンチレバー要素７７を互いに逆方向に曲げ駆動させる手段として、隣り合う圧電カンチレバー要素７７に対して互いに逆極性の駆動電圧を印加する構成とすることができる。
【０１０７】
或いはまた、隣り合う圧電カンチレバー要素７７の圧電体の分極方向を異ならせる（逆方向に分極させる）ことにより、同一極性の駆動電圧の印加によって逆方向に曲げ駆動を実現することができる。
【０１０８】
圧電カンチレバー要素７７に供給する駆動波形としては、共振を励起しないＤＣ電圧信号を用いる態様、共振を励起しない周波数の交流信号やパルス波形信号を用いる態様、共振を励起する周波数の交流信号やパルス波形信号を用いる態様を採用し得る。
【０１０９】
＜第１〜第４実施形態の作用効果＞
（１）圧電カンチレバーの変位方向が常にミラーの回転方向にほぼ一致するため、カンチレバーの力がほぼすべてミラーの回転に用いられる。力の利用効率がよく、従来のトーションバー構造と比較して大幅に回転角が大きくなる。
【０１１０】
（２）ミラーの回転軸付近を支持するトーションバーを設けたことにより、ミラーがｚ方向（垂直方向）に大きく変位する並進モードの影響をほぼ無くすことができる。これによって、高いスキャン角度の実現と、外乱に伴う光路長変化等の抑制を両立できる。
【０１１１】
（３）垂直並進運動抑制部３２を構成するトーションバー部分にピエゾ抵抗効果のある薄膜を配置することにより、トーションバー２０の応力を直接検知することができる。この応力検知機能により、駆動中のミラーの角度を正確に測定することができる。
【０１１２】
（４）ねじりヒンジ剛性を挙げることによって、高い共振周波数で駆動するＭＥＭＳスキャナを設計することができる。
【０１１３】
（５）固定部、圧電アクチュエータ部、ミラー部並びにこれらの接続部（連結部）等をシリコン加工により一体的に形成することができる。
【０１１４】
（６）従来のポリゴンミラーやガルバノミラーと比べて小型化が可能であり、耐久性も高い。
【０１１５】
（７）実施例１、２で説明したように、基板上にＰＺＴ薄膜を直接成膜し、これをドライエッチング加工することでＭＥＭＳスキャナデバイスを形成することができる。このように、圧電体を薄膜化することでより細かいパターニングを容易に行うことができるため、歩留まりが大幅に向上するとともにデバイスのさらなる小型化に対応することができる。
【０１１６】
ただし、本発明の実施に際しては、薄膜圧電体に限ったものではく、バルク圧電体を振動板に貼りつけてユニモルフアクチュエータを形成したり、２つの極性の異なる圧電体を貼りあわせてバイモルフアクチュエータとしても良い。
【０１１７】
＜デバイスサイズの一例＞
本発明の実施形態として作製されるＭＥＭＳスキャナデバイス１０、６０、７０、８０の大きさや、具体的な形状については、様々な形態があり得る。一例として、図１及び図２におけるミラー部１２、圧電アクチュエータ部１４、及び固定部３０を含んだデバイスの大きさは平面視で約３ｍｍ×２ｍｍ程度である。さらなる小型化も可能であり、１ｍｍ×１ｍｍ程度のデバイスの作製も可能である。
【０１１８】
＜変形例＞
第１実施形態から第４実施形態は、垂直移動抑制構造として、ミラー部１２の両側にそれぞれ一本のトーションバー２０を接続し、このトーションバー２０によってミラー回転中心を支持しているが、ミラー回転軸を安定に支持する方法はこれに限ったものではなく、例えば回転軸に軸対称に配置された複数のバーでミラーを支持する構成を採用してもよい。
【０１１９】
＜応用例＞
本発明は、レーザー光等の光を反射して光の進行方向を変える光学装置として様々な用途に利用できる。例えば、光偏向器、光走査装置、レーザープリンタ、バーコード読取機、表示装置、各種の光学センサ（測距センサ、形状測定センサ）、光通信装置、レーザープロジェクタ、ＯＣＴ画像診断装置などに広く適用することができる。
【０１２０】
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。
【０１２１】
＜開示する発明の態様について＞
上記に詳述した発明の実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書は少なくとも以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
【０１２２】
（発明１）：光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部と、前記ミラー部の回転軸から前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向に離れた前記ミラー部の端部に前記圧電アクチュエータ部の一端を接続させる連結部と、前記圧電アクチュエータ部の他端を支持する固定部と、前記固定部に一端が接続され、他端が前記ミラー部に接続されており、前記ミラー部の回転軸が前記反射面の垂直方向に並進運動することを抑制する垂直移動抑制構造と、を備えるミラー駆動装置。
【０１２３】
この発明によれば、ミラー部を両側から挟むように一対の圧電アクチュエータ部が配置される。圧電アクチュエータ部の一端は連結部を介してミラー部の端付近に接続され、他端は固定部に支持される。圧電アクチュエータ部を駆動してアクチュエータを変位させることによって、ミラー部の端部が変位し、これによりミラー部の回転軸の回りに回転トルクが与えられ、ミラー部を回転駆動させることができる。
【０１２４】
このような構造は、圧電アクチュエータ部の変位方向がミラー部の回転方向に概ね一致するため、圧電アクチュエータ部の力を効率よく回転運動に利用することができ、大きな回転角（ミラーの傾き角）を得ることができる。また、本発明におけるミラー部は垂直移動抑制構造を介して固定部に接続されているため、回転軸を一定の位置に保つことができ、ミラー部の垂直方向への並進運動が抑制される。
【０１２５】
（発明２）：発明１に記載のミラー駆動装置において、前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置、若しくは前記ミラー部上の回転軸に対して軸対称である複数の位置と、前記固定部とを接続する構造とすることが好ましい。
【０１２６】
ミラー部の垂直方向の並進運動を効果的に抑制するには、ミラー部の回転軸の付近を支持する構成が好ましい。回転軸の位置と概ね一致する位置でミラー部と垂直移動抑制構造とを接続する構成の他、回転軸に対して軸対称となる複数の位置でミラー部と垂直移動抑制構造とを接続する構成も採用し得る。
【０１２７】
（発明３）：発明１又は２に記載のミラー駆動装置において、前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置に接続され、当該ミラー部から外側に向かって前記回転軸の軸方向に延設されるトーションバーと、前記トーションバーに接続されるとともに前記固定部に接続され、前記トーションバーを支持するトーションバー支持部と、を有する構成とすることができる。
【０１２８】
垂直移動抑制構造の具体的態様として、回転軸の付近に接続されるトーションバーと、トーションバーを固定部に接続するトーションバー支持部とを含んだ構造を採用することができる。トーションバーは、ミラー部の垂直方向の並進運動を張力によって抑制する。
【０１２９】
（発明４）：発明３に記載のミラー駆動装置において、前記トーションバー支持部は、前記固定部と同等の厚みを有している構成とすることができる。
【０１３０】
かかる態様によれば、並進運動の共振周波数を高い値にすることができる。これにより、環境振動や駆動振動からのミラー部の垂直運動の励振を大幅に抑えることができる。
【０１３１】
（発明５）：発明３に記載のミラー駆動装置において、前記トーションバー支持部は、前記固定部の厚みよりも薄い薄板構造とすることができる。
【０１３２】
トーションバー支持部の厚みを適宜設計することで、トーションバーにかかる応力を調整することができる。トーションバー支持部の厚みを薄くするほど、トーションバーにかかる応力を低下させることができ、駆動によるトーションバーの破壊を防止することができる。また、トーションバー支持部の厚みを調整することで並進モードも共振周波数を調整することができる。
【０１３３】
（発明６）：発明１から５のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記連結部は、前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向を長手方向とする薄板部材が１本以上ミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有するものとすることができる。
【０１３４】
このような構成によれば、連結部が変位しやすくなり、回転角度を大きくすることができる。
【０１３５】
（発明７）：発明１から６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部は、１つ又は複数の圧電カンチレバーによって構成することができる。
【０１３６】
圧電アクチュエータ部は、１つの圧電カンチレバーで構成されていてもよいし、複数の圧電カンチレバーをミアンダ状につなぎ合わせた構成とすることができる。
【０１３７】
（発明８）：発明１から７のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部は、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された圧電ユニモルフカンチレバーで構成することができる。
【０１３８】
圧電アクチュエータ部としては、ユニモルフ構造に限らず、バイモルフ構造も可能であるが、ユニモルフ構造が最も簡単な構成である。
【０１３９】
（発明９）：発明１から８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部を変位させることによって前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、前記ミラー部に前記回転軸周りの回転運動を誘起させることができる。
【０１４０】
ミラー部の端部を振動させることで、慣性力によってミラー部に回転トルクが与えられ、回転運動が誘起される。
【０１４１】
（発明１０）：発明１から９のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部は、複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有しており、隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動される構成とすることができる。
【０１４２】
かかる態様によれば、共振を利用しなくても大きな変位を得ることが可能である。
【０１４３】
（発明１１）：発明１から１０のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記ミラー部が前記回転軸を中心に回転運動を行う共振モードの共振周波数ｆxの付近で前記ミラー部を共振駆動させる構成とすることができる。
【０１４４】
かかる態様によれば、回転共振を利用してミラー部を大きな回転角で振動させることができるとともに、垂直方向の並進運動を抑制することができる。
【０１４５】
（発明１２）：発明１から１１のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記ミラー部が前記反射面の垂直方向に並進運動する共振モードの共振周波数ｆyが２００Ｈｚよりも高い値であることが好ましい。
【０１４６】
かかる態様によれば、環境振動による並進運動の誘発を抑制することができる。また、並進モードの共振周波数ｆyが高い値になるほど、並進モードの振動振幅は小さくなる。
【０１４７】
（発明１３）：発明１から１２のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数ｆｙと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数ｆxとの比ｆy／ｆxが１．１以上であることが好ましい。
【０１４８】
かかる態様によれば、駆動周波数の影響による並進運動の誘発を抑制することができる。
【０１４９】
（発明１４）：発明１から１３のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数ｆyと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数ｆxとの比ｆy／ｆxが２．０以上であることが好ましい。
【０１５０】
ｆxに対してｆyが２倍以上となる条件を満たすと、共振駆動による駆動周波数と並進モードの共振周波数との差が十分に大きくなるため、並進運動の誘発を実質的に十分無視することができるレベルに抑制することができる。
【０１５１】
（発明１５）：発明１から１４のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は１〜１０μｍ厚の薄膜であり、振動板となる基板上に直接成膜された薄膜とすることができる。
【０１５２】
薄膜圧電体を用いて圧電アクチュエータを構成することが好ましい。スパッタリング法に代表される気相成長法やゾルゲル法などの直接成膜法を用いることにより、所要の圧電性能を持つ圧電体薄膜を得ることができる。
【０１５３】
（発明１６）：発明１５に記載のミラー駆動装置において、前記圧電体は、スパッタリング法で成膜された薄膜とすることができる。
【０１５４】
（発明１７）：発明１から１６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。
【０１５５】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ部として好ましいものである。
【０１５６】
（発明１８）：発明１から１７のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。
【０１５７】
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ部として好ましいものである。
【０１５８】
（発明１９）：発明１から１８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、前記一対の圧電アクチュエータ部に駆動電圧を印加し、前記圧電アクチュエータ部を屈曲変位させることにより、前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、この振動により前記ミラー部に前記回転軸回りの回転トルクを与え、前記ミラー部を回転駆動させるミラー駆動方法。
【０１５９】
（発明２０）：発明１０に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、前記複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する前記圧電アクチュエータ部において隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように、各圧電カンチレバーに駆動電圧を印加し、これら複数の圧電カンチレバーの変位を累積させて前記ミラー部を非共振で回転駆動させるミラー駆動方法。
【０１６０】
このミラー駆動方法は、ミアンダ状圧電カンチレバー構造を有する圧電アクチュエータ部を非共振で駆動する態様である。
【０１６１】
（発明２１）発明１から１８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置の製造方法であって、ＳＯＩ基板上に、前記圧電アクチュエータ部の下部電極を形成する工程と、前記下部電極が形成された前記ＳＯＩ基板上に圧電体薄膜を成膜する工程と、前記圧電体薄膜に上部電極を形成する工程と、シリコンのドライエッチプロセスによって前記ＳＯＩ基板を加工することにより、前記ミラー部、前記連結部、前記圧電アクチュエータ部、前記垂直移動抑制構造及び前記固定部の形状を形成する工程と、を含むことをミラー駆動装置の製造方法。
【符号の説明】
【０１６２】
１０…ＭＥＭＳスキャナデバイス、１２…ミラー部、１４…圧電アクチュエータ部、１６…連結部、１７…薄板部材、１８…回転軸、２０…トーションバー、２２…トーションバー支持部、３０…固定部、３２…垂直並進運動抑制部、４２…振動板、４３…下部電極、６…圧電体、４８…上部電極、６０，７０，８０…ＭＥＭＳスキャナデバイス、６２…トーションバー支持部、７４…圧電アクチュエータ部、７６…連結部、７７…圧電カンチレバー要素
【技術分野】
【０００１】
本発明はミラー駆動装置に係り、特に、光走査に用いる光偏向器に好適なマイクロミラーデバイスの構造及びその駆動方法、並びに製造技術に関する。
【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たマイクロスキャナ（以下、「ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）スキャナ」という。）は、従来の光走査モジュールであるポリゴンミラーなどと比べて小型かつ低消費電力であることが特徴である。このためＭＥＭＳスキャナは、レーザープロジェクタから光干渉断層計（ＯＣＴ；Optical Coherence Tomography）のような光診断用スキャナなど、幅広い応用が期待されている。
【０００３】
ＭＥＭＳスキャナの駆動方式は様々であるが、その中でも圧電体の変形を利用した圧電駆動方式は、トルクが大きい一方でデバイス構造、駆動回路が単純であるため、小型で大きなスキャン角度が得られる方式として有望視されている。以下に一般的な圧電マイクロミラー（圧電ＭＥＭＳスキャナ）の構造について説明する。
【０００４】
＜トーションバー構造＞
一般的な圧電ＭＥＭＳスキャナでは、回転軸に沿ったトーションバー（ねじり棒）をミラーに接続し、トーションバーを複数本の圧電カンチレバーによってねじる構造が採用されているものが多い（特許文献１〜３参照）。図１４は特許文献１の「図７」に記載されている構造である。同図における符号０１がミラー部、０２ａと０２ｂがトーションバー、０３ａ〜０３ｄが圧電カンチレバーである。
【０００５】
図１４のトーションバーを軸方向から見た模式断面図を図１５に示す。ここでは、符号０２ｂのトーションバーを示すが、他方のトーションバー０２ａについても同様である。図１５に示すとおり、この構造ではトーションバー０２ｂを挟んだ２本の圧電カンチレバー０３ｂ、０３ｄがそれぞれ上下逆方向に変位してトーションバー０２ｂをねじるように駆動される。
【０００６】
トーションバー駆動方式は、圧電カンチレバーによるすべての力がミラーの回転には使われず、力の利用効率が悪いという問題がある。すなわち、ある回転軸でねじれるトーションバーを捻る純粋なトルクは、ねじり軸周りの偶力（Ａ方向のベクトル成分）によってもたらされる。しかし、図１５のような圧電カンチレバー０３ｂ、０３ｄによるねじりの動きは、カンチレバーの変位量が増大するに伴って、力の作用方向がねじり軸周りの偶力から外れていく。
【０００７】
トーションバー０２ｂをねじるために必要な偶力成分は図１５中のＡで示したベクトル方向である。このＡ方向の偶力成分は、カンチレバーの力（図中Ｃで示したベクトル）のＡ方向成分として得られる。カンチレバーの力（Ｃ方向ベクトル）は、レバー先端部が曲がる方向、つまり、先端部の面に垂直な方向であるため、カンチレバーの変位が大きくなるほど、トーションバーのねじりに寄与する偶力成分（Ａ方向成分）は小さくなり、ねじりに関係しない余計な力の成分（図中Ｂで示す引っ張り方向の成分）が大きくなる。このため、圧電カンチレバーとして大きな曲げ変位が得られても、その変位がトーションバーのねじり量、すなわちミラー部の傾き量に効率良く反映できないという欠点がある。
【０００８】
上述のように、トーションバー構造は、圧電カンチレバーでトーションバーをねじると、回転軸と垂直方向に引っ張る力（Ｂ方向のベクトル成分）が発生し、これが力学的なエネルギーロスとなって回転角の低下を招く。このエネルギーロスは回転角が高くなるほど大きくなるため、トーションバーを用いた構造で大きな回転角度を得るのは非常に難しかった。
【０００９】
＜曲げヒンジ構造＞
上記トーションバー構造の課題を解決するものとして、図１６に示すような構造のＭＥＭＳスキャナデバイス４１０が考えられる。これは、方形のミラー部４１２の端部４１２Ａに薄板の連結部４１６を介して圧電カンチレバー４１４を接続した構造である。圧電カンチレバー４１４の基端４１４Ｂ部分は固定支持部材としての固定部４３０に固定されている。圧電カンチレバー４１４の上下駆動によりミラー部４１２の端部４１２Ａを上下に振動させることで、慣性力によりミラー部４１２に傾き運動が誘起される。このような構造を「曲げヒンジ構造」と呼ぶこととする。
【００１０】
曲げヒンジ構造は、ミラー部４１２の端部４１２Ａの振動により、傾き（回転）方向の共振を誘起し、その共振振動でミラーを傾けるものであり、ミラー部４１２と圧電カンチレバー４１４の間に蛇行した形状の連結部（ミアンダ状に折りたたんだヒンジ）４１６を設けることにより、ミラー部４１２の傾き角の変位がさらに拡大する。ただし、蛇行した（ミアンダ状の）連結部４１６は不可欠な要素というわけではなく、ミラー部４１２の端部に直接圧電カンチレバーを接続する構成も可能である。
【００１１】
図１７に曲げヒンジ構造による動作の模式図を示した。同図では説明を簡単にするために、ミラー部４１２の端部に圧電カンチレバー４１４を直接接続した構成を示した。図１７において、圧電カンチレバー４１４の加速度方向（力がかかる方向）は矢印Ｄで示す下向き、ミラー部４１２にかかる慣性力が働く方向は、その反対方向（矢印Ｅ方向）である。つまり、この慣性力は純粋にミラー部４１２を傾ける方向と一致しており、余計な力の成分が発生しない。したがって、圧電カンチレバー４１４で発生する力がミラー部４１２を傾ける力として効率良く利用される。
【００１２】
この曲げヒンジ構造においては、ミラー回転運動の共振周波数で圧電カンチレバー４１４を駆動すると、図１８に示すように、カンチレバーの変位に伴ってヒンジ（連結部４１６）が曲がり、ミラー部４１２に慣性トルクが発生してミラー部４１２の回転運動共振を誘発する。
【００１３】
図１７で説明したとおり、圧電カンチレバー４１４の変位方向が常にミラー部４１２の回転方向にほぼ一致し、すべての力がミラーの回転に用いられる。そのため、トーションバー構造よりも力の使用効率がはるかに良く、回転角が大きくなってもエネルギーロスが少ないため大変位が得られる。また、ミラー部４１２と圧電カンチレバー４１４との接続部に図１６のようなミアンダ状の連結部４１６を採用した場合、ミアンダ状の複数の曲げヒンジが少しずつ曲がって変位を蓄積していくため、個々のヒンジにかかる応力が少なく、回転角が高くなっても破壊されにくいという利点がある。
【００１４】
＜ミアンダ状圧電カンチレバー構造＞
非特許文献１で提案されている構造は、上述した曲げヒンジ構造に近い構造ではあるが、共振駆動を用いないタイプであり、カンチレバー自体を複数折り畳んだミアンダ状とし、ミラーを両側から挟みこむ構造である。この方式では、圧電カンチレバーを折り畳み、交互に逆方向の曲げを誘起するように駆動することによって変位を拡大させ、共振を用いなくてもミラーを大きく傾けることができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１５】
【特許文献１】特開２００８−２５７２２６号公報
【特許文献２】特開２００９−１６９０８９号公報
【特許文献３】特開２００５−１７７８７６号公報
【非特許文献】
【００１６】
【非特許文献１】M. Tani, M. Akamatsu, Y. Yasuda, H. Toshiyoshi., ‘A two-axis piezoelectric tilting micro mirror witha newly developed PZT-meandering actuator’ in 'MicroElectro Mechanical Systems, 2007. MEMS. IEEE 20thInternational Conference (2007) pp. 699 -702.）
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
上述のように、曲げヒンジ構造やミアンダ状圧電カンチレバー構造は、トーションバー構造に比べて力を効率的に伝え、大きな変位が得られるという利点がある。しかし、これらの構造では、図１９に示すような、ミラー反射面に垂直な方向の並進運動が起こりやすいという欠点がある。具体的には以下の２点にまとめられる。
【００１８】
（１）構造上、ミラー面に対しての垂直方向並進運動のバネ定数が小さく、共振周波数が低いため、環境振動によって並進運動共振が容易に励起されてしまう。
【００１９】
（２）構造上、ミラーの回転運動と並進運動の共振周波数が非常に近くなるため、回転運動を共振駆動する場合、その駆動の振動で並進運動方向にも共振してしまう。
【００２０】
これらの問題は、回転角を大きくしようとして曲げヒンジを柔らかくしたり、圧電カンチレバーの折り畳み数を増やすほど顕著になる。駆動中にミラーが垂直方向に並進運動すると、スキャン中の光路長変動、焦点ズレ、スポットの位置ズレ等を引き起こすため、実際の使用では致命的な問題となる。
【００２１】
また、曲げヒンジ構造やミアンダ状圧電カンチレバー構造は、トーションバーのようなミラーの回転軸を保つ構造が存在しないため、回転中心がミラーの中心部と一致しないという問題もある。
【００２２】
本発明はこのような事情に鑑みてなされたもので、圧電アクチュエータの力を効率よく利用してミラーの回転方向に大きな変位を得ることができるとともに、ミラーの垂直方向並進運動を大幅に抑制することができるミラー駆動装置及びその駆動方法並びに製造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】
【００２３】
前記目的を達成するために本発明に係るミラー駆動装置は、光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部と、前記ミラー部の回転軸から前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向に離れた前記ミラー部の端部に前記圧電アクチュエータ部の一端を接続させる連結部と、前記圧電アクチュエータ部の他端を支持する固定部と、前記固定部に一端が接続され、他端が前記ミラー部に接続されており、前記ミラー部の回転軸が前記反射面の垂直方向に並進運動することを抑制する垂直移動抑制構造と、を備える。
【００２４】
この発明によれば、圧電アクチュエータ部の一端は連結部を介してミラー部の端部に接続され、他端は固定部に固定支持される。圧電アクチュエータ部を駆動すると連結部を介してミラー部の端部が振られ、ミラー部に回転トルクが与えられる。これにより、ミラー部は回転軸の周りに回転運動し、反射面が傾く。
【００２５】
圧電アクチュエータ部の屈曲変位による力の方向は、ミラー部を回転させる方向と概ね一致するため、圧電アクチュエータ部が発生する力を効率よく回転運動に利用することができ、大きな回転角（ミラーの傾き角）を得ることができる。また、ミラー部は垂直移動抑制構造を介して固定部に接続されているため、ミラー部の垂直方向への並進運動が抑制される。
【００２６】
他の発明態様については、明細書及び図面の記載により明らかにする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明によれば、圧電アクチュエータ部の力を効率よく利用し、大きな回転角でミラー部を回転運動させることができるとともに、ミラー部の垂直方向の並進運動を大幅に抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの斜視図
【図２】図１のＭＥＭＳスキャナデバイスをミラー部の反射面側から見た平面図
【図３】圧電アクチュエータ部（カンチレバー部）の断面図
【図４】共振駆動時における回転モードの動作を説明するための斜視図
【図５】並進モードの動作を説明するための斜視図
【図６】第２実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスにおける回転モードの動作を説明するための要部斜視図
【図７】第２実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスにおける並進モードの動作を説明するための要部斜視図
【図８】比較例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの要部構成を示す斜視図
【図９】比較例１の構成における回転モードの動作の説明図
【図１０】比較例１の構成における並進モードの動作の説明図
【図１１】実施例１，２と比較例１，２の測定結果をまとめた図表
【図１２】第３実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの構成を示す平面図
【図１３】第４実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの構成を示す平面図
【図１４】従来のトーションバー構造を示す斜視図
【図１５】従来のトーションバー構造の動作を示す模式断面図
【図１６】比較例２に係る従来の曲げヒンジ構造を示す斜視図
【図１７】曲げヒンジ構造による動作を説明するための模式図
【図１８】比較例２の構成における回転モードの動作の説明図
【図１９】比較例２の構成における並進モードの動作の説明図
【発明を実施するための形態】
【００２９】
以下、添付図面に従って本発明の好ましい実施形態について詳説する。
【００３０】
〔第１実施形態〕
図１は第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの斜視図であり、図２はミラー部の反射面側から見た平面図（上面図）である。これらの図面に示したように、本例のＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、ミラー部１２と、該ミラー部１２を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部１４と、ミラー部１２の端部１２Ａに圧電アクチュエータ部１４の一端（１４Ａ）を接続させる連結部１６と、ミラー部１２の回転軸１８と略一致する位置でミラー部１２に接続されたトーションバー２０と、このトーションバー２０の一端を支持するトーションバー支持部２２と、圧電アクチュエータ部１４の基端１４Ｂ及びトーションバー支持部２２の基端２２Ｂを固定支持する固定部３０と、を備える。
【００３１】
光の反射面となるミラー部１２の上面（符号１２Ｂ）には、入射光の反射率を高めるために、Ａｕ（金）やＡｌ（アルミ）等の金属薄膜が形成されている。ミラーコーティングに用いる材料や膜厚は特に限定されず、公知のミラー材料（高反射率材料）を用いて様々な設計が可能である。
【００３２】
本例では、略長方形の反射面１２Ｂを有するミラー部１２を例示し、非駆動時における反射面１２Ｂの長辺方向をｘ方向、これと直交する短辺方向をｙ方向、ｘｙ面に垂直な方向をｚ方向とする直交ｘｙｚ軸を導入して説明する。なお、本発明の実施に際して、ミラー部１２の形状は、特に限定されない。図１及び図２に例示した長方形に限らず、正方形、多角形、円形、楕円形など、様々な形状があり得る。
【００３３】
ＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、非駆動時において反射面１２Ｂがｚ方向に向いたミラー部１２をｙ方向の両側から挟むように一対の圧電アクチュエータ部１４が配置される。圧電アクチュエータ部１４は、圧電ユニモルフカンチレバー（片持ち梁）構造のアクチュエータであり（図３参照）、圧電体の変形によって屈曲変位を行う。すなわち、圧電アクチュエータ部１４はｘ方向の一方の端部（基端１４Ｂ）が固定部３０に固定支持され、反対側の端部１４Ａは固定部３０に固定されずに、カンチレバー構造によって変位できる非拘束端となっている。
【００３４】
圧電アクチュエータ部１４の非拘束側の１４Ａは、ミアンダ状に構成された連結部１６の一端１６Ａに接続されている。また、連結部１６の他端１６Ｂはミラー部１２における長手方向（ｘ軸方向）の一方の端部１２Ａに接続されている。
【００３５】
連結部１６が接続されるミラー部１２の長手方向の端部１２Ａは、厳密な意味での最端位置であることは要求されず、概ね端部分と把握される範囲（最端位置及びその周辺付近）の部位を含むものである。連結部１６を介してミラー部１２に接続される圧電アクチュエータ部１４を変位させることによってミラー部１２に回転トルクを与え、回転軸１８の周りに回転運動させるという作用を達成できるように、回転軸１８からｘ軸方向に離れたミラー部１２の端部付近に連結部１６が接続される。
【００３６】
連結部１６は、ミラー部１２のｘ軸方向を長手方向とする複数本の平板棒状の薄板部材１７がミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する。図２では、３本の薄板部材１７を平行に並べてミアンダ状に折り返すように薄板部材１７の端部同士を接続した構成を例示しているが、薄板部材１７の本数は１本以上、適宜の本数とすることができる。
【００３７】
トーションバー２０は、ミラー部１２上の回転軸１８と一致する位置に接続されており、ミラー部１２の外側に向かって回転軸１８の軸方向に延設される形態となっている。ここでは、ミラー部１２上の回転軸１８と一致する位置にトーションバー２０を接続した例を示しているが、トーションバー２０の接続位置は厳密に回転軸１８と一致していなくてもよく、また、必ずしも１箇所で接続されている形態に限定されず、複数箇所で接続されていてもよい。
【００３８】
例えば、ミラー部１２の長手方向の略中央部分（設計上の真の中央点に限らずその周辺近傍）が回転軸１８となる場合に、回転軸１８と略一致する位置の一箇所にトーションバーを接続し、これを支持する態様の他、当該略中央部分と把握される範囲内で回転軸１８の位置を挟んで軸対称に２箇所以上の位置でトーションバーを接続する構造も可能である。
【００３９】
トーションバー支持部２２は、固定部３０と同程度の厚みを有し、トーションバー２０の一端を固定支持する部材である。トーションバー２０とトーションバー支持部２２との組み合わせがミラー部１２のｚ方向並進運動を抑制する垂直並進運動抑制部３２（「垂直移動抑制構造」に相当）として機能する。図２に示したとおり、この垂直並進運動抑制部３２は、平面視で見た場合、ミラー部１２とミアンダ状の連結部１６との間に配置される。
【００４０】
ＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、ミラー部１２を中心にしてその両側に、トーションバー２０、トーションバー支持部２２、連結部１６、圧電アクチュエータ部１４の各要素が線対称の構造で配置されている。かかる対称構造によって、中央のミラー部１２に対して効率良く回転トルクを作用させることができる。
【００４１】
詳細は後述するが、ミラー部１２は、一対の圧電アクチュエータ部１４を駆動することによって、ｙ軸方向と平行な回転軸１８の周りに回転運動が誘起され、反射面１２Ｂが傾く。また、ミラー部１２は、トーションバー２０とトーションバー支持部２２とによって、ｚ方向（垂直方向）への並進運動が抑制される。
【００４２】
このような構成からなるＭＥＭＳスキャナデバイス１０は、例えば、シリコン基板から半導体製造技術を利用して加工することにより、固定部３０、ミラー部１２、圧電アクチュエータ部１４、連結部１６、トーションバー２０、トーションバー支持部２２等の要素が一体的に構成された構造物として作成することができる。
【００４３】
なお、固定支持部材として機能する固定部３０及びトーションバー支持部２２の厚さ（ｚ方向の厚さ）に比べて、圧電アクチュエータ部１４、ミアンダ状の連結部１６及びトーションバー２０の厚さは、薄く形成されている。これにより、圧電アクチュエータ部１４、ミアンダ状の連結部１６、トーションバー２０が変形（曲げ変形や捻れ変形）し易い構造となっている。
【００４４】
図３は、圧電ユニモルフカンチレバー構造からなる圧電アクチュエータ部１４の断面構造を示す模式図である。なお、本発明の実施に際して圧電アクチュエータとして、ユニモルフカンチレバー以外の構造を用いても良い。例えば、電極を挟んで圧電体を２層積層したバイモルフカンチレバーを用いても良い。
【００４５】
図３に示すように、圧電アクチュエータ部１４は、振動板４２上に下部電極４３、圧電体４６、上部電極４８が積層形成された構造を有する。このような積層構造体は、例えば、シリコン（Ｓｉ）基板上に、下部電極４３、圧電体４６、上部電極４８の各層を順次に成膜することによって得られる。図３における右端が固定部３０（図１、図２参照）に支持された固定端である。
【００４６】
図３に示す構成において、電極（４３，４８）間に駆動電圧が印加されることで圧電体４６が変形し、この変形に伴い、振動板４２が撓んで、レバー部が上下に動く。図３の破線はレバー部が上方に変位した様子を表している。
【００４７】
＜駆動電圧の供給方法について＞
第１実施形態は、一対の圧電アクチュエータ部１４に対して、同時に同じ駆動電圧を印加することよって、ミラー部１２の両側の圧電アクチュエータ部１４を同方向に変位させる。このため、一対の圧電アクチュエータ部１４に駆動用の電力を供給する電力供給源として、共通の（同じ）駆動回路及び制御回路を用いることができる。圧電アクチュエータ部１４に供給する駆動波形として、共振を励起する周波数の交流信号やパルス波形信号を用いることができる。
【００４８】
＜ＭＥＭＳスキャナデバイス１０の動作について＞
第１実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０は次のように動作する。
【００４９】
一対の圧電アクチュエータ部１４に、不図示の駆動制御回路から同時に同じ駆動電圧を印加すると、圧電アクチュエータ部１４が変位し、これに接続されているミアンダ状の連結部１６が曲がり変形する。そして、連結部１６と接続されているミラー部１２の端部１２Ａが上下方向（Ｚ方向）に変位する。この動きによって、ミラー部１２に回転トルクを与え、ミラー部１２を回転軸１８周りに回転運動させる。
【００５０】
例えば、正弦波の駆動電圧を圧電アクチュエータ部１４に印加することにより、圧電アクチュエータ部１４を上下に振動させ、ミラー部１２に回転運動を誘起する。共振周波数付近の周波数の駆動電圧を印加して共振駆動させることにより、ミラー部１２は大きな傾き角で振動する。ミアンダ状の連結部１６は、曲がり変形しやすいため、共振駆動において大きな変位を得るのに効果的である（図４参照）。なお、圧電アクチュエータ部１４に印加する駆動電圧の周波数は、構造体の機械的な共振周波数と厳密に一致させることは必ずしも要求されない。共振が励起される範囲で駆動電圧の周波数の差異が許容される。
【００５１】
一方、ミラー部１２の長手方向の略中心部（回転軸１８付近）を保持するトーションバー２０は、ミラー部１２の回転運動に対しては容易にねじれるが、ミラー部１２が垂直方向（Ｚ方向）に並進移動しようとすると、張力によって強い反発力を示し、ミラー部１２の並進運動を阻害（抑制）する役割を果たす。すなわち、トーションバー２０及びトーションバー支持部２２からなる垂直並進運動抑制部３２は、ミラー部１２の回転軸１８を一定の位置に維持しようとする作用を有し、これによりミラー部１２の垂直並進運動（Ｚ方向の並進移動）が抑制される（図５参照）。
【００５２】
図４は回転共振モードによる駆動時の様子を示す斜視図、図５は並進モードの動きを示す斜視図である。なお、図４及び図５では固定部３０の記載を省略した。図４に示したように、回転共振駆動によってミラー部１２は大きな回転角で変位しうる。一方、並進モードについては、トーションバー２０及びトーションバー支持部２２の作用によってミラー部１２のＺ方向への運動が抑制される。
【００５３】
上述のように、圧電アクチュエータ部１４の駆動に応じて、中央のミラー部１２は、Ｙ軸方向に平行な回転軸１８として揺動される。ミラー部１２に入射した光（例えば、図示せぬレーザ光源から発せられたレーザ光）はミラー部１２の傾き（角度）に応じて反射され、反射光の進行方向（反射光の照射位置）が変わる。本実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０によれば、Ｚ方向へのミラー部１２の並進移動を防止しつつ、大きな偏向角で光走査することができる。
【００５４】
<<圧電材料について>>
本実施形態に好適な圧電体としては、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（Ｐ）を含むものが挙げられる。
【００５５】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系；チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
【００５６】
また、本実施形態の圧電体膜は、下記式で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物（ＰＸ）を含むことが好ましい。
【００５７】
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
上述の一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数（ｄ３１定数）を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。なお、一般式（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式（Ｐ）で表されるものよりも圧電定数が高くなる。
【００５８】
また、一般式（Ｐ）及び（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本発明を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。
【００５９】
本実施形態における圧電体４６の一具体例として、例えば、Ｎbを１２％ドープしたＰＺＴ薄膜を用いることができる。スパッタリング法によってＮbを１２％ドープしたＰＺＴを成膜することにより、圧電定数ｄ３１＝２５０ｐｍ／Ｖという高い圧電特性を持つ薄膜を安定的に作製できる。
【００６０】
なお、バルクの圧電体を基板に接合してもよいが、加工の難易度を考えると、気相成長法やゾルゲル法などにより基板上に圧電薄膜を直接成膜する構成が好ましい。特に、本実施形態の圧電体４６としては、１μｍ以上１０μｍ以下の厚さの薄膜であることが好ましい。後述する実施例では、圧電体４６として、スパッタリング法によって成膜された４μｍ厚のＰＺＴ薄膜を使用しているが、これに限定されるものではない。
【００６１】
＜実施例１；具体的な製造方法の一例＞
実施例１として以下の手順によりＭＥＭＳスキャナデバイス１０を作製した。
【００６２】
（工程１）ハンドル層３５０μｍ、ボックス層１μｍ、デバイス層１０μｍのＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板上に、スパッタ法で基板温度３５０℃にて、Ｔｉ層を３０ｎｍ、Ｉｒ電極層を１５０ｎｍ形成した。これらＴｉ層及びＩｒ電極層が図３の下部電極４３に相当する。
【００６３】
（工程２）上記得られた基板上に、高周波（ＲＦ；radio frequency）スパッタ装置を用いてＰＺＴ層を４μｍ成膜した。成膜ガスは９７．５％Ａｒと２．５％Ｏ２の混合ガスを用い、ターゲット材料としてはＰｂ1.3((Ｚｒ0.52 Ｔｉ0.48)0.88 Ｎｂ0.12)Ｏ3の組成のものを用いた。成膜圧力は２．２ｍTorr、成膜温度は４５０℃とした。
【００６４】
（工程３）上記で得られた基板上に、リフトオフ法によって上部電極としてのＰt／Ｔi層をパターン形成し、ＩＣＰ（inductively coupledplasma；誘導結合プラズマ）ドラインエッチングによってＰＺＴ薄膜をパターンエッチした。
【００６５】
（工程４）その後、シリコンのドライエッチプロセスによって加工を行い、図１〜図３で説明したＭＥＭＳスキャナデバイス１０を作成した。
【００６６】
固定部３０及びトーションバー支持部２２は、ハンドル層とデバイス層の両方を利用した構造となっており、厚みが約３７０μmである。
【００６７】
トーションバー支持部２２はトーションバー２０の一端を固定する役割を担っている。また、固定部３０は圧電カンチレバーの一端（符号１４Ｂ）及びトーションバー支持部２２の一端（符号２２Ｂ）を固定する役割を担っている。圧電アクチュエータ部１４は、Ｓｉデバイス層（１０μｍ）／下部電極／ＰＺＴ薄膜／上部電極の積層構造となっており、圧電薄膜ユニモルフアクチュエータとして機能する。
【００６８】
なお、本発明の実施に際しては、上記の実施例１に限定されず、基板の材料、電極材料、圧電材料、膜厚、成膜条件などは、目的に応じて適宜選択することができる。
【００６９】
＜実施例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの評価＞
上記の手順で作製された実施例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイス１０について、圧電アクチュエータ部１４に電位振幅Ｖp-p＝0.5Ｖの正弦波（サイン波）による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸回りの回転共振運動を誘起させてミラー部の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数ｆx＝198Ｈｚ、機械振れ角＝±22°であった（図１１参照）。
【００７０】
その一方、ミラー部が垂直方向（ｚ方向）に並進運動するモードの共振周波数をｆyとし、レーザードップラー測定によって計測したところ、ｆy＝2100Ｈｚであり、ｆxに比べて１０倍以上高かった。
【００７１】
この実施例１によれば、並進モードの共振周波数ｆyの値が十分高く、かつ駆動周波数である回転モードの共振周波数ｆxと十分離れていることから、環境振動からも、また、駆動振動からも、ミラー部の垂直方向振動が励起されにくく、安定して回転運動のみをすることが分かる。
【００７２】
なお、環境振動の周波数については、例えば自動車用途の場合、ある振動モードが環境振動からの励起を受けないためには、当該振動の共振周波数が200Ｈｚ以上であることが求められる。自動車用途に限らず、一般的に、機器の持ち歩きや手動操作など、外乱による振動は低い周波数であることから、200Ｈｚ以上という基準を採用することにより、広範囲の用途に適用できる。すなわち、並進モードの共振周波数ｆyが200Ｈｚを超える値であれば、環境振動（外乱）による並進運動の発生を防止することができる。
【００７３】
また、駆動振動からの影響については、駆動振動の周波数と、当該並進モードの振動共振周波数との差が大きければ、駆動振動によって並進モードの共振が励起されにくくなる。
【００７４】
駆動振動の周波数は、回転モードの共振周波数ｆｘと同等かこれに近い周波数であることから、実質的には、並進モードの共振周波数ｆｙが駆動振動の共振周波数（回転モードの共振周波数ｆｘ）の１．１倍以上であれば、駆動振動による並進モードの励起を十分に無視することができる。
【００７５】
すなわち、回転モードの共振周波数ｆxと並進モードの共振周波数ｆyの比ｆy／ｆxが１．１以上となることが好ましい。駆動振動による並進モードの励起を抑えるためには、ｆyとｆxとの差が大きいほど好ましいため、両者の比ｆy／ｆxが２以上となる条件を満たすことがより好ましい。
【００７６】
実施例１の場合、ｆy／ｆxが１０以上となるため、駆動振動による並進モードの励起は無視できる程度に極めて小さいものである。
【００７７】
〔第２実施形態〕
図６及び図７は第２実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイスの要部を示す斜視図である。図６は回転モードによる動きを説明する斜視図、図７は並進モードによる動きを説明する斜視図である。図６及び図７において、図１〜図５で説明した構成と同一または類似する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。また、図６及び図７では固定部３０の記載を省略した。
【００７８】
第２実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス６０は、第１実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス１０におけるトーションバー支持部２２に代えて、薄板構造のトーションバー支持部６２が採用されている点で第１実施形態と相違する。その他の構成は、第１実施形態と同様の構造であり、製造方法についても、実施例１と同様のプロセスで作製できる。
【００７９】
トーションバー支持部６２の基端６２Ｂは、図示せぬ固定部３０に固定支持される。トーションバー２０とトーションバー支持部６２の組み合わせが垂直並進運動抑制部３２を構成する。トーションバー支持部６２の厚みや形状を適宜設計することにより、所望の剛性、共振周波数に調整することができる。また、当該トーションバー支持部をＳｉ薄板/下部電極/圧電膜/上部電極と積層されたユニモルフ構造にすることにより、ミラーの中心軸に直接変位を与え、アクティブに垂直変位を制御することもできる。
【００８０】
＜実施例２＞
実施例２として、実施例１と同様のプロセスにより第２実施形態のＭＥＭＳスキャナデバイス６０を作製した。この実施例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス６０の圧電アクチュエータ部１４に、電位振幅Ｖp-p＝0.5Ｖの正弦波による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸回りの回転共振運動を誘起させて（図６参照）、ミラー部１２の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数ｆx＝180Ｈｚ、機械振れ角＝±24°であった（図１１参照）。
【００８１】
一方、ミラー部１２が垂直方向に並進運動するモード（図７参照）の共振周波数をｆyとし、レーザードップラー測定によって計測したところ、ｆy＝500 Ｈｚであり、ｆxに比べて2.8倍高かった。
【００８２】
実施例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス６０の並進モードの共振周波数ｆyは、200Ｈｚよりも高いため、環境振動による影響を受けにくいものである。また、実施例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス６０の並進モードの共振周波数ｆyと、回転モードの共振周波数ｆｘの比ｆy／ｆxは２倍を超えており、駆動振動による並進モードの励起の影響も抑制される。
【００８３】
さらに、実施例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス６０は、トーションバー支持部６２が薄板で構成されているため、トーションバー２０にかかる応力が実施例１に比べて低く、駆動によるトーションバーの破壊を防ぐことができる。
【００８４】
＜比較例１＞
実施例１と同様の方法でＳＯＩ基板を用い、図８のようなＭＥＭＳスキャナデバイス３１０を作成した。この比較例１に係るＭＥＭＳスキャナデバイス３１０は、図１４で説明したトーションバー構造に該当するものである。図８のＭＥＭＳスキャナデバイス３１０は、ミラー部３１２を挟んで両側に、ミラー部３１２の回転中心に接続されるトーションバー３１４が設けられ、各トーションバー３１４に対して２つの圧電アクチュエータ部３１６、３１８が接続されている。
【００８５】
圧電アクチュエータ部３１６、３１８は、それぞれ圧電ユニモルフカンチレバー（片持ち梁）構造のアクチュエータであり、圧電アクチュエータ部３１６、３１８の端部３１６Ｂ、３１８Ｂは、図示せぬ固定支持部材（固定部）に固定されている。
【００８６】
各トーションバー３１４を挟んで両側に連結されている２つの圧電アクチュエータ部３１６、３１８を互いに逆方向に駆動してトーションバー３１４をねじることにより、ミラー部３１２の回転運動を引き起こす。
【００８７】
図９は比較例１の構成における回転モードの駆動時の様子を示す斜視図であり、図１０は比較例１の構成における並進モードの動きの説明図である。
【００８８】
比較例１の構造において、圧電アクチュエータ部３１６、３１８に電位振幅Ｖp-p＝0.5Ｖの正弦波による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸回りの回転共振運動を誘起させてミラー部の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数ｆx＝200 Ｈｚ、機械振れ角＝±2.5°であった。
【００８９】
この方式では、振れ角が小さく、十分なスキャン角度が得られないことが分かる。また、この方式では高い変位角度を得ようとするとトーションバー３１４を細く、及び／又は長くする必要があり、ハンドリングによって容易に破壊してしまうという問題もある。
【００９０】
また、比較例１の構成について、ミラー部が垂直方向に並進運動するモード（図１０参照）の共振周波数をｆyとし、レーザードップラー測定によって計測したところ、ｆy＝98Ｈｚであった。比較例１は、環境振動の影響によって並進モードの励起が起こりやすく、並進モードの振動振幅も大きいものである。
【００９１】
＜比較例２＞
実施例１と同様の方法でＳＯＩ基板を用い、図１６のようなＭＥＭＳスキャナデバイス４１０を作成した。この比較例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス４１０は、「曲げヒンジ構造」に該当するものであり、第１実施形態及び第２実施形態と比較して、垂直並進運動抑制部３２たるトーションバー２０とトーションバー支持部２２（又は６２）の要素を取り除いた構造である。
【００９２】
比較例２に係るＭＥＭＳスキャナデバイス４１０の圧電アクチュエータ（圧電カンチレバー４１４）に電位振幅Ｖp-p＝0.5Ｖの正弦波による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸周りの回転共振運動（図１８参照）を誘起させてミラー部の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数ｆx＝190Ｈz、機械振れ角＝±25°であった（図１１参照）。一方、ミラー部が垂直方向に並進運動するモード（図１９参照）の共振周波数をｆyとし、レーザードップラー測定によって計測したところ、ｆy＝200 Ｈｚであり、ｆxに対して1.05倍と非常に近い値であることが分かった。
【００９３】
比較例２は、スキャン角度としては十分な大きさを得ることができるものの、ｆyの値が200Ｈｚと比較的低いことから、回転運動中に環境振動の影響でミラー部が大きく垂直方向に動いてしまう可能性がある。また、ｆyが、駆動周波数であるｆxと非常に近いことから、駆動振動によってもミラー部の垂直方向振動が励起され易いという問題がある。実用上においては、ミラー部が垂直方向に変位すると、光路長の変化や焦点位置の変化を生み出してしまうため、垂直並進移動が発生しやすい光偏光器（ミラーデバイス）は実用に耐えない。
【００９４】
＜測定結果のまとめ＞
実施例１、２と比較例１、２の評価（測定）結果を対比してまとめた表を図１１に示した。実施例１、２で説明したような構成とすることで、大きい変位のミラー傾き角を得ることができ、環境振動や駆動振動からのミラー部の垂直並進運動の励振も大幅に抑えることができる。
【００９５】
〔第３実施形態〕
図１２は、第３実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス７０の構成を示す平面図である。図１２において、図１〜図５で説明した構成と同一または類似する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。第３実施形態は、ミアンダ状圧電カンチレバー構造による圧電アクチュエータ部７４と垂直並進運動抑制部３２とを組み合わせた構造となっている。
【００９６】
図１２における圧電アクチュエータ部７４のうち、斜線で示した部分が振動板／下部電極／圧電体／上部電極の積層構造を持つ圧電カンチレバー要素７７である。
【００９７】
圧電アクチュエータ部７４は、複数本の圧電カンチレバー要素７７が平行に並べられ、ミアンダ状に折り返すように隣り合う圧電カンチレバー要素７７の端部同士を接続した構成となっている。本例で５本の圧電カンチレバー要素７７を接続した構成を例示しているが、圧電カンチレバー要素７７の本数は２本以上、適宜の本数とすることができる。
【００９８】
圧電アクチュエータ部７４の一端７４Ａは、連結部７６を介してミラー部１２の長手方向の端部１２Ａに接続され、他端７４Ｂは固定部３０に固定支持されている。
【００９９】
このような構造において、圧電アクチュエータ部７４における隣り合う圧電カンチレバー要素７７を交互に逆方向の曲げを誘起するように駆動することによって、各圧電カンチレバー要素７７の変位が累積され、変位量が拡大される。この構造は、共振を用いなくてもミラー部１２を大きく傾けることができる。
【０１００】
また、トーションバー２０とトーションバー支持部２２の構成によって回転軸１８付近が支持されているため、ミラー部１２の並進運動が抑制される。
【０１０１】
＜第４の実施形態＞
図１３は、第４実施形態に係るＭＥＭＳスキャナデバイス８０の構成を示す平面図である。図１３において、図１〜５、図１２で説明した構成と同一又は類似する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。
【０１０２】
第４実施形態は、ミアンダ状圧電カンチレバー構造と曲げヒンジ構造、並びに垂直並進運動抑制部とを組み合わせた構造となっている。
【０１０３】
図１２で説明した連結部７６の構成に代えて、図１で説明したミアンダ状の連結部１６を採用することができる。図１３に示す第４実施形態によれば、圧電アクチュエータ部７４における隣り合う圧電カンチレバー要素７７について、互いに逆方向に曲げ駆動させる。これにより、共振を用いなくても圧電アクチュエータ部７４の変位を拡大し、ミラー部の端を上下（ミラーの厚み方向）に振動させ、回転を誘起させることができる。
【０１０４】
なお、第３及び第４実施形態では、圧電アクチュエータ部７４として、蛇行状の折り返し構造を持つ圧電カンチレバーを採用したが、本発明の実施に際して、レバー部の折り返し構造の採否や、折り返し回数（折り畳み数）については、特に限定されない。カンチレバーの折り畳み数を増やすほど、変位量を増大させることが可能である。
【０１０５】
第３及び第４実施形態において、共振振駆動によるミラー部の回転運動の誘起も可能である。カンチレバーの折り畳み数やレバー部の幅等は全体の共振周波数に影響する。折り畳み数を増やすほど、共振周波数は低下する傾向にある。また、レバー部の幅を細くするほど、共振周波数は低下する傾向にある。折り畳み数やレバー部の幅などを設計することによって、所望の共振周波数を実現できる。
【０１０６】
＜ミアンダ状圧電カンチレバー構造の駆動電圧の供給方法について＞
隣り合う圧電カンチレバー要素７７を互いに逆方向に曲げ駆動させる手段として、隣り合う圧電カンチレバー要素７７に対して互いに逆極性の駆動電圧を印加する構成とすることができる。
【０１０７】
或いはまた、隣り合う圧電カンチレバー要素７７の圧電体の分極方向を異ならせる（逆方向に分極させる）ことにより、同一極性の駆動電圧の印加によって逆方向に曲げ駆動を実現することができる。
【０１０８】
圧電カンチレバー要素７７に供給する駆動波形としては、共振を励起しないＤＣ電圧信号を用いる態様、共振を励起しない周波数の交流信号やパルス波形信号を用いる態様、共振を励起する周波数の交流信号やパルス波形信号を用いる態様を採用し得る。
【０１０９】
＜第１〜第４実施形態の作用効果＞
（１）圧電カンチレバーの変位方向が常にミラーの回転方向にほぼ一致するため、カンチレバーの力がほぼすべてミラーの回転に用いられる。力の利用効率がよく、従来のトーションバー構造と比較して大幅に回転角が大きくなる。
【０１１０】
（２）ミラーの回転軸付近を支持するトーションバーを設けたことにより、ミラーがｚ方向（垂直方向）に大きく変位する並進モードの影響をほぼ無くすことができる。これによって、高いスキャン角度の実現と、外乱に伴う光路長変化等の抑制を両立できる。
【０１１１】
（３）垂直並進運動抑制部３２を構成するトーションバー部分にピエゾ抵抗効果のある薄膜を配置することにより、トーションバー２０の応力を直接検知することができる。この応力検知機能により、駆動中のミラーの角度を正確に測定することができる。
【０１１２】
（４）ねじりヒンジ剛性を挙げることによって、高い共振周波数で駆動するＭＥＭＳスキャナを設計することができる。
【０１１３】
（５）固定部、圧電アクチュエータ部、ミラー部並びにこれらの接続部（連結部）等をシリコン加工により一体的に形成することができる。
【０１１４】
（６）従来のポリゴンミラーやガルバノミラーと比べて小型化が可能であり、耐久性も高い。
【０１１５】
（７）実施例１、２で説明したように、基板上にＰＺＴ薄膜を直接成膜し、これをドライエッチング加工することでＭＥＭＳスキャナデバイスを形成することができる。このように、圧電体を薄膜化することでより細かいパターニングを容易に行うことができるため、歩留まりが大幅に向上するとともにデバイスのさらなる小型化に対応することができる。
【０１１６】
ただし、本発明の実施に際しては、薄膜圧電体に限ったものではく、バルク圧電体を振動板に貼りつけてユニモルフアクチュエータを形成したり、２つの極性の異なる圧電体を貼りあわせてバイモルフアクチュエータとしても良い。
【０１１７】
＜デバイスサイズの一例＞
本発明の実施形態として作製されるＭＥＭＳスキャナデバイス１０、６０、７０、８０の大きさや、具体的な形状については、様々な形態があり得る。一例として、図１及び図２におけるミラー部１２、圧電アクチュエータ部１４、及び固定部３０を含んだデバイスの大きさは平面視で約３ｍｍ×２ｍｍ程度である。さらなる小型化も可能であり、１ｍｍ×１ｍｍ程度のデバイスの作製も可能である。
【０１１８】
＜変形例＞
第１実施形態から第４実施形態は、垂直移動抑制構造として、ミラー部１２の両側にそれぞれ一本のトーションバー２０を接続し、このトーションバー２０によってミラー回転中心を支持しているが、ミラー回転軸を安定に支持する方法はこれに限ったものではなく、例えば回転軸に軸対称に配置された複数のバーでミラーを支持する構成を採用してもよい。
【０１１９】
＜応用例＞
本発明は、レーザー光等の光を反射して光の進行方向を変える光学装置として様々な用途に利用できる。例えば、光偏向器、光走査装置、レーザープリンタ、バーコード読取機、表示装置、各種の光学センサ（測距センサ、形状測定センサ）、光通信装置、レーザープロジェクタ、ＯＣＴ画像診断装置などに広く適用することができる。
【０１２０】
なお、本発明は以上説明した実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的思想内で当該分野の通常の知識を有するものにより、多くの変形が可能である。
【０１２１】
＜開示する発明の態様について＞
上記に詳述した発明の実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書は少なくとも以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
【０１２２】
（発明１）：光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部と、前記ミラー部の回転軸から前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向に離れた前記ミラー部の端部に前記圧電アクチュエータ部の一端を接続させる連結部と、前記圧電アクチュエータ部の他端を支持する固定部と、前記固定部に一端が接続され、他端が前記ミラー部に接続されており、前記ミラー部の回転軸が前記反射面の垂直方向に並進運動することを抑制する垂直移動抑制構造と、を備えるミラー駆動装置。
【０１２３】
この発明によれば、ミラー部を両側から挟むように一対の圧電アクチュエータ部が配置される。圧電アクチュエータ部の一端は連結部を介してミラー部の端付近に接続され、他端は固定部に支持される。圧電アクチュエータ部を駆動してアクチュエータを変位させることによって、ミラー部の端部が変位し、これによりミラー部の回転軸の回りに回転トルクが与えられ、ミラー部を回転駆動させることができる。
【０１２４】
このような構造は、圧電アクチュエータ部の変位方向がミラー部の回転方向に概ね一致するため、圧電アクチュエータ部の力を効率よく回転運動に利用することができ、大きな回転角（ミラーの傾き角）を得ることができる。また、本発明におけるミラー部は垂直移動抑制構造を介して固定部に接続されているため、回転軸を一定の位置に保つことができ、ミラー部の垂直方向への並進運動が抑制される。
【０１２５】
（発明２）：発明１に記載のミラー駆動装置において、前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置、若しくは前記ミラー部上の回転軸に対して軸対称である複数の位置と、前記固定部とを接続する構造とすることが好ましい。
【０１２６】
ミラー部の垂直方向の並進運動を効果的に抑制するには、ミラー部の回転軸の付近を支持する構成が好ましい。回転軸の位置と概ね一致する位置でミラー部と垂直移動抑制構造とを接続する構成の他、回転軸に対して軸対称となる複数の位置でミラー部と垂直移動抑制構造とを接続する構成も採用し得る。
【０１２７】
（発明３）：発明１又は２に記載のミラー駆動装置において、前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置に接続され、当該ミラー部から外側に向かって前記回転軸の軸方向に延設されるトーションバーと、前記トーションバーに接続されるとともに前記固定部に接続され、前記トーションバーを支持するトーションバー支持部と、を有する構成とすることができる。
【０１２８】
垂直移動抑制構造の具体的態様として、回転軸の付近に接続されるトーションバーと、トーションバーを固定部に接続するトーションバー支持部とを含んだ構造を採用することができる。トーションバーは、ミラー部の垂直方向の並進運動を張力によって抑制する。
【０１２９】
（発明４）：発明３に記載のミラー駆動装置において、前記トーションバー支持部は、前記固定部と同等の厚みを有している構成とすることができる。
【０１３０】
かかる態様によれば、並進運動の共振周波数を高い値にすることができる。これにより、環境振動や駆動振動からのミラー部の垂直運動の励振を大幅に抑えることができる。
【０１３１】
（発明５）：発明３に記載のミラー駆動装置において、前記トーションバー支持部は、前記固定部の厚みよりも薄い薄板構造とすることができる。
【０１３２】
トーションバー支持部の厚みを適宜設計することで、トーションバーにかかる応力を調整することができる。トーションバー支持部の厚みを薄くするほど、トーションバーにかかる応力を低下させることができ、駆動によるトーションバーの破壊を防止することができる。また、トーションバー支持部の厚みを調整することで並進モードも共振周波数を調整することができる。
【０１３３】
（発明６）：発明１から５のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記連結部は、前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向を長手方向とする薄板部材が１本以上ミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有するものとすることができる。
【０１３４】
このような構成によれば、連結部が変位しやすくなり、回転角度を大きくすることができる。
【０１３５】
（発明７）：発明１から６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部は、１つ又は複数の圧電カンチレバーによって構成することができる。
【０１３６】
圧電アクチュエータ部は、１つの圧電カンチレバーで構成されていてもよいし、複数の圧電カンチレバーをミアンダ状につなぎ合わせた構成とすることができる。
【０１３７】
（発明８）：発明１から７のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部は、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された圧電ユニモルフカンチレバーで構成することができる。
【０１３８】
圧電アクチュエータ部としては、ユニモルフ構造に限らず、バイモルフ構造も可能であるが、ユニモルフ構造が最も簡単な構成である。
【０１３９】
（発明９）：発明１から８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部を変位させることによって前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、前記ミラー部に前記回転軸周りの回転運動を誘起させることができる。
【０１４０】
ミラー部の端部を振動させることで、慣性力によってミラー部に回転トルクが与えられ、回転運動が誘起される。
【０１４１】
（発明１０）：発明１から９のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部は、複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有しており、隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動される構成とすることができる。
【０１４２】
かかる態様によれば、共振を利用しなくても大きな変位を得ることが可能である。
【０１４３】
（発明１１）：発明１から１０のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記ミラー部が前記回転軸を中心に回転運動を行う共振モードの共振周波数ｆxの付近で前記ミラー部を共振駆動させる構成とすることができる。
【０１４４】
かかる態様によれば、回転共振を利用してミラー部を大きな回転角で振動させることができるとともに、垂直方向の並進運動を抑制することができる。
【０１４５】
（発明１２）：発明１から１１のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記ミラー部が前記反射面の垂直方向に並進運動する共振モードの共振周波数ｆyが２００Ｈｚよりも高い値であることが好ましい。
【０１４６】
かかる態様によれば、環境振動による並進運動の誘発を抑制することができる。また、並進モードの共振周波数ｆyが高い値になるほど、並進モードの振動振幅は小さくなる。
【０１４７】
（発明１３）：発明１から１２のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数ｆｙと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数ｆxとの比ｆy／ｆxが１．１以上であることが好ましい。
【０１４８】
かかる態様によれば、駆動周波数の影響による並進運動の誘発を抑制することができる。
【０１４９】
（発明１４）：発明１から１３のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数ｆyと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数ｆxとの比ｆy／ｆxが２．０以上であることが好ましい。
【０１５０】
ｆxに対してｆyが２倍以上となる条件を満たすと、共振駆動による駆動周波数と並進モードの共振周波数との差が十分に大きくなるため、並進運動の誘発を実質的に十分無視することができるレベルに抑制することができる。
【０１５１】
（発明１５）：発明１から１４のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は１〜１０μｍ厚の薄膜であり、振動板となる基板上に直接成膜された薄膜とすることができる。
【０１５２】
薄膜圧電体を用いて圧電アクチュエータを構成することが好ましい。スパッタリング法に代表される気相成長法やゾルゲル法などの直接成膜法を用いることにより、所要の圧電性能を持つ圧電体薄膜を得ることができる。
【０１５３】
（発明１６）：発明１５に記載のミラー駆動装置において、前記圧電体は、スパッタリング法で成膜された薄膜とすることができる。
【０１５４】
（発明１７）：発明１から１６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。
【０１５５】
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ部として好ましいものである。
【０１５６】
（発明１８）：発明１から１７のいずれか１項に記載のミラー駆動装置において、前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることが好ましい。
【０１５７】
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ部として好ましいものである。
【０１５８】
（発明１９）：発明１から１８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、前記一対の圧電アクチュエータ部に駆動電圧を印加し、前記圧電アクチュエータ部を屈曲変位させることにより、前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、この振動により前記ミラー部に前記回転軸回りの回転トルクを与え、前記ミラー部を回転駆動させるミラー駆動方法。
【０１５９】
（発明２０）：発明１０に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、前記複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する前記圧電アクチュエータ部において隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように、各圧電カンチレバーに駆動電圧を印加し、これら複数の圧電カンチレバーの変位を累積させて前記ミラー部を非共振で回転駆動させるミラー駆動方法。
【０１６０】
このミラー駆動方法は、ミアンダ状圧電カンチレバー構造を有する圧電アクチュエータ部を非共振で駆動する態様である。
【０１６１】
（発明２１）発明１から１８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置の製造方法であって、ＳＯＩ基板上に、前記圧電アクチュエータ部の下部電極を形成する工程と、前記下部電極が形成された前記ＳＯＩ基板上に圧電体薄膜を成膜する工程と、前記圧電体薄膜に上部電極を形成する工程と、シリコンのドライエッチプロセスによって前記ＳＯＩ基板を加工することにより、前記ミラー部、前記連結部、前記圧電アクチュエータ部、前記垂直移動抑制構造及び前記固定部の形状を形成する工程と、を含むことをミラー駆動装置の製造方法。
【符号の説明】
【０１６２】
１０…ＭＥＭＳスキャナデバイス、１２…ミラー部、１４…圧電アクチュエータ部、１６…連結部、１７…薄板部材、１８…回転軸、２０…トーションバー、２２…トーションバー支持部、３０…固定部、３２…垂直並進運動抑制部、４２…振動板、４３…下部電極、６…圧電体、４８…上部電極、６０，７０，８０…ＭＥＭＳスキャナデバイス、６２…トーションバー支持部、７４…圧電アクチュエータ部、７６…連結部、７７…圧電カンチレバー要素
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を反射する反射面を有するミラー部と、
前記ミラー部を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部と、
前記ミラー部の回転軸から前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向に離れた前記ミラー部の端部に前記圧電アクチュエータ部の一端を接続させる連結部と、
前記圧電アクチュエータ部の他端を支持する固定部と、
前記固定部に一端が接続され、他端が前記ミラー部に接続されており、前記ミラー部の回転軸が前記反射面の垂直方向に並進運動することを抑制する垂直移動抑制構造と、
を備えることを特徴とするミラー駆動装置。
【請求項２】
前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置、若しくは前記ミラー部上の回転軸に対して軸対称である複数の位置と、前記固定部とを接続する構造であることを特徴とする請求項１に記載のミラー駆動装置。
【請求項３】
前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置に接続され、当該ミラー部から外側に向かって前記回転軸の軸方向に延設されるトーションバーと、
前記トーションバーに接続されるとともに前記固定部に接続され、前記トーションバーを支持するトーションバー支持部と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のミラー駆動装置。
【請求項４】
前記トーションバー支持部は、前記固定部と同等の厚みを有していることを特徴とする請求項３に記載のミラー駆動装置。
【請求項５】
前記トーションバー支持部は、前記固定部の厚みよりも薄い薄板構造であることを特徴とする請求項３に記載のミラー駆動装置。
【請求項６】
前記連結部は、前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向を長手方向とする薄板部材が１本以上ミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項７】
前記圧電アクチュエータ部は、１つ又は複数の圧電カンチレバーによって構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項８】
前記圧電アクチュエータ部は、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された圧電ユニモルフカンチレバーで構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項９】
前記圧電アクチュエータ部を変位させることによって前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、前記ミラー部に前記回転軸周りの回転運動を誘起させることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１０】
前記圧電アクチュエータ部は、複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有しており、隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１１】
前記ミラー部が前記回転軸を中心に回転運動を行う共振モードの共振周波数ｆxの付近で前記ミラー部を共振駆動させることを特徴とする請求項１から１０のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１２】
前記ミラー部が前記反射面の垂直方向に並進運動する共振モードの共振周波数ｆyが２００Ｈｚよりも高い値であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１３】
前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数ｆyと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数ｆxとの比ｆy／ｆxが１．１以上であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１４】
前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数ｆyと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数ｆxとの比ｆy／ｆxが２．０以上であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１５】
前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は１〜１０μｍ厚の薄膜であり、振動板となる基板上に直接成膜された薄膜であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１６】
前記圧電体は、スパッタリング法で成膜された薄膜であることを特徴とする請求項１５に記載のミラー駆動装置。
【請求項１７】
前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【請求項１８】
前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、
前記一対の圧電アクチュエータ部に駆動電圧を印加し、前記圧電アクチュエータ部を屈曲変位させることにより、前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、この振動により前記ミラー部に前記回転軸回りの回転トルクを与え、前記ミラー部を回転駆動させることを特徴とするミラー駆動方法。
【請求項２０】
請求項１０に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、
前記複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する前記圧電アクチュエータ部において隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように、各圧電カンチレバーに駆動電圧を印加し、
これら複数の圧電カンチレバーの変位を累積させて前記ミラー部を非共振で回転駆動させることを特徴とするミラー駆動方法。
【請求項２１】
請求項１から１８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置の製造方法であって、
ＳＯＩ基板上に、前記圧電アクチュエータ部の下部電極を形成する工程と、
前記下部電極が形成された前記ＳＯＩ基板上に圧電体薄膜を成膜する工程と、
前記圧電体薄膜に上部電極を形成する工程と、
シリコンのドライエッチプロセスによって前記ＳＯＩ基板を加工することにより、前記ミラー部、前記連結部、前記圧電アクチュエータ部、前記垂直移動抑制構造及び前記固定部の形状を形成する工程と、
を含むことを特徴とするミラー駆動装置の製造方法。
【請求項１】
光を反射する反射面を有するミラー部と、
前記ミラー部を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部と、
前記ミラー部の回転軸から前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向に離れた前記ミラー部の端部に前記圧電アクチュエータ部の一端を接続させる連結部と、
前記圧電アクチュエータ部の他端を支持する固定部と、
前記固定部に一端が接続され、他端が前記ミラー部に接続されており、前記ミラー部の回転軸が前記反射面の垂直方向に並進運動することを抑制する垂直移動抑制構造と、
を備えることを特徴とするミラー駆動装置。
【請求項２】
前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置、若しくは前記ミラー部上の回転軸に対して軸対称である複数の位置と、前記固定部とを接続する構造であることを特徴とする請求項１に記載のミラー駆動装置。
【請求項３】
前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置に接続され、当該ミラー部から外側に向かって前記回転軸の軸方向に延設されるトーションバーと、
前記トーションバーに接続されるとともに前記固定部に接続され、前記トーションバーを支持するトーションバー支持部と、
を有することを特徴とする請求項１又は２に記載のミラー駆動装置。
【請求項４】
前記トーションバー支持部は、前記固定部と同等の厚みを有していることを特徴とする請求項３に記載のミラー駆動装置。
【請求項５】
前記トーションバー支持部は、前記固定部の厚みよりも薄い薄板構造であることを特徴とする請求項３に記載のミラー駆動装置。
【請求項６】
前記連結部は、前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向を長手方向とする薄板部材が１本以上ミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有することを特徴とする請求項１から５のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項７】
前記圧電アクチュエータ部は、１つ又は複数の圧電カンチレバーによって構成されることを特徴とする請求項１から６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項８】
前記圧電アクチュエータ部は、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された圧電ユニモルフカンチレバーで構成されることを特徴とする請求項１から７のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項９】
前記圧電アクチュエータ部を変位させることによって前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、前記ミラー部に前記回転軸周りの回転運動を誘起させることを特徴とする請求項１から８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１０】
前記圧電アクチュエータ部は、複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有しており、隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動されることを特徴とする請求項１から９のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１１】
前記ミラー部が前記回転軸を中心に回転運動を行う共振モードの共振周波数ｆxの付近で前記ミラー部を共振駆動させることを特徴とする請求項１から１０のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１２】
前記ミラー部が前記反射面の垂直方向に並進運動する共振モードの共振周波数ｆyが２００Ｈｚよりも高い値であることを特徴とする請求項１から１１のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１３】
前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数ｆyと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数ｆxとの比ｆy／ｆxが１．１以上であることを特徴とする請求項１から１２のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１４】
前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数ｆyと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数ｆxとの比ｆy／ｆxが２．０以上であることを特徴とする請求項１から１３のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１５】
前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は１〜１０μｍ厚の薄膜であり、振動板となる基板上に直接成膜された薄膜であることを特徴とする請求項１から１４のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
【請求項１６】
前記圧電体は、スパッタリング法で成膜された薄膜であることを特徴とする請求項１５に記載のミラー駆動装置。
【請求項１７】
前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（Ｐ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１から１６のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
一般式ＡＢＯ３・・・（Ｐ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｂ：Ｂサイトの元素であり、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｓｂ，Ｃｒ，Ｍｏ，Ｗ，Ｍｎ，Ｓｃ，Ｃｏ，Ｃｕ，Ｉｎ，Ｓｎ，Ｇａ，Ｚｎ，Ｃｄ，Ｆｅ，及びＮｉからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素。
Ｏ：酸素元素。
Ａサイト元素とＢサイト元素と酸素元素のモル比は１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【請求項１８】
前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、下記式（ＰＸ）で表される１種又は２種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項１から１７のいずれか１項に記載のミラー駆動装置。
Ａａ（Ｚｒｘ，Ｔｉｙ，Ｍｂ−ｘ−ｙ）ｂＯｃ・・・（ＰＸ）
（式中、Ａ：Ａサイトの元素であり、Ｐｂを含む少なくとも１種の元素。
Ｍが、Ｖ，Ｎｂ，Ｔａ，及びＳｂからなる群より選ばれた少なくとも１種の元素である。
０＜ｘ＜ｂ、０＜ｙ＜ｂ、０≦ｂ−ｘ−ｙ。
ａ：ｂ：ｃ＝１：１：３が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。）
【請求項１９】
請求項１から１８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、
前記一対の圧電アクチュエータ部に駆動電圧を印加し、前記圧電アクチュエータ部を屈曲変位させることにより、前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、この振動により前記ミラー部に前記回転軸回りの回転トルクを与え、前記ミラー部を回転駆動させることを特徴とするミラー駆動方法。
【請求項２０】
請求項１０に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、
前記複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する前記圧電アクチュエータ部において隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように、各圧電カンチレバーに駆動電圧を印加し、
これら複数の圧電カンチレバーの変位を累積させて前記ミラー部を非共振で回転駆動させることを特徴とするミラー駆動方法。
【請求項２１】
請求項１から１８のいずれか１項に記載のミラー駆動装置の製造方法であって、
ＳＯＩ基板上に、前記圧電アクチュエータ部の下部電極を形成する工程と、
前記下部電極が形成された前記ＳＯＩ基板上に圧電体薄膜を成膜する工程と、
前記圧電体薄膜に上部電極を形成する工程と、
シリコンのドライエッチプロセスによって前記ＳＯＩ基板を加工することにより、前記ミラー部、前記連結部、前記圧電アクチュエータ部、前記垂直移動抑制構造及び前記固定部の形状を形成する工程と、
を含むことを特徴とするミラー駆動装置の製造方法。
【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】
【公開番号】特開２０１３−５７８１９（Ｐ２０１３−５７８１９Ａ）
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１９６２９５（Ｐ２０１１−１９６２９５）
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年３月２８日（２０１３．３．２８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【出願人】（３０６０３７３１１）富士フイルム株式会社 (25,513)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]