JP7601961B2 - マイクロミラーデバイス - Google Patents

Description

本開示は、マイクロミラーデバイスに関する。

シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術を用いて作製される微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）デバイスの１つとしてマイクロミラーデバイス（マイクロスキャナともいう。）が知られている。このマイクロミラーデバイスは小型かつ低消費電力であることから、レーザーを使ったヘッドアップディスプレイ、網膜ディスプレイなどへの応用が期待されている。

画像表示のための光スキャン方式としては、これまで一般的であったラスタスキャン方式に対し、水平軸および垂直軸の両軸ともに正弦的な駆動を行い、リサージュ波形を描くことによって画面を網羅するリサージュスキャン方式が注目されている。リサージュスキャン方式は、レーザードライバのアルゴリズムは複雑であるが、ミラーを小型化でき、かつ駆動消費電力を抑えながら広い画角を実現することができる。

マイクロミラー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。

特許第６０９２７１３号公報および国際公開第２０１６／０５２５４７号には、ミラー部がトーションバーを介して１対の半環状圧電アクチュエータと接続され、トーションバーを軸としてミラー部を回転振動可能とした圧電方式のミラーデバイスが開示されている。特許第６０９２７１３号公報および国際公開第２０１６／０５２５４７号では、ミラー部を振動させる際に半環状圧電アクチュエータに発生する応力分布に対応して圧電膜を分割配置し、分割配置されたそれぞれの圧電膜にそれぞれ適切な極性の駆動信号を与えることで、効率的にミラーを駆動する方法が開示されている。

しかしながら、特許第６０９２７１３号公報および国際公開第２０１６／０５２５４７号に開示されているミラーデバイスは、１軸方向にしかスキャンできないため、１チップでは画像を表示することができない。

他方、特許第５１５１０６５号公報、特許第４９８４１１７号公報および特開２０１８－４１０８５号公報には、マイクロミラーデバイスとして２次元スキャンが可能な圧電駆動方式の光スキャナが提案されている。

特許第５１５１０６５号公報には、ミラー部が第１軸に沿った第１の接続部を介して可動枠に接続されており、可動枠が可動枠を囲む固定枠に圧電アクチュエータを介して接続された構成の光スキャナが開示されている。可動枠と圧電アクチュエータは第１軸に直交する第２軸に沿った第２の接続部で接続されており、さらに圧電アクチュエータは第１軸に沿った第３の接続部で固定枠に接続されている。ミラー部を挟んで軸上に配置される２つの第３の接続部の各々に１対の可動部が接続され、計４つの可動部により、ミラー部を可動枠ごと２軸周りに振動させることで、光の２次元スキャン動作を実現している。

特許第４９８４１１７号公報には、ミラー部と、ミラー部を囲むように配置され、第１軸に沿って延びる第１トーションバーを介してミラー部と接続された第１のアクチュエータ部と、第１のアクチュエータ部の外側に配置され、第１トーションバーの軸上で第１アクチュエータに接続された内部可動枠と、内部可動枠を囲むように配置され、第２トーションバーを介して内部可動枠と接続された第２のアクチュエータ部とを備えた光スキャナが開示されている。第１アクチュエータがミラー部に第１軸周りのトルクを与え、第２のアクチュエータ部がミラー部に第２軸周りのトルクを与えることで、光の２次元スキャン動作を実現している。

特開２０１８－４１０８５号公報では、ミラー部が第１のトーションバーを介してミラー部を囲む第１のフレーム装置（可動枠）と接続されており、第１のフレーム装置が第２のトーションバーで第１のフレーム装置を囲むアクチュエータ構造体に接続されている。さらにアクチュエータ構造体が第３のトーションバーでアクチュエータ構造体を囲む第２のフレーム装置に接続された構成が開示されている。アクチュエータ構造体には第１軸および第２軸に対称な４つの可動部が備えられており、この４つの可動部によりミラー部が２つの軸中心に回動されて光の２次元スキャン動作を実現している。

特許第５１５１０６５号公報、特許第４９８４１１７号公報および特開２０１８－４１０８５号公報によれば、１チップで２次元スキャンが可能である。しかしながら、特許第５１５１０６５号公報、特許第４９８４１１７号公報および特開２０１８－４１０８５号公報の光スキャナはいずれも２軸周りで各々に独立した回転運動をさせるため、各軸周りの回転を担当する２つのトーションバーを介して、少なくとも２つの矩形もしくは円環形状のアクチュエータ（あるいは可動枠）を、ミラーを囲うように配置している。そのため、全体のチップサイズが大型化している。

本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであって、２次元スキャンが可能であり、かつ小型なマイクロミラーデバイスを提供することを目的とする。

上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
＜１＞
光を反射する反射面を有するミラー部と、
ミラー部を囲んで配置された環状のアクチュエータと、
ミラー部とアクチュエータとを、第１軸周りでミラー部が回動可能に接続する第１接続部と、
アクチュエータの外周に設けられた固定部と、
アクチュエータと固定部とを、第１軸と交差する第２軸周りでアクチュエータが回動可能に接続する第２接続部とを備え、
アクチュエータが、ミラー部に第１軸周りの回転トルクを作用させ、かつ、ミラー部に第２軸周りの回転トルクを作用させることにより、ミラー部を第１軸および第２軸周りに回転駆動するマイクロミラーデバイスであり、
アクチュエータが、振動板上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層された圧電素子を備えた圧電アクチュエータであり、
上部電極が、ミラー部に第１軸周りに傾き振動を生じさせる第１共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第１応力反転領域、およびミラー部に第２軸周りに傾き振動を生じさせる第２共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第２応力反転領域で分離された複数の個別電極部からなり、圧電素子は、複数の個別電極部の各々により規定される複数の圧電部を含むマイクロミラーデバイス。
＜２＞
第１接続部は、ミラー部とアクチュエータと第１軸上で接続する＜１＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜３＞
第２接続部は、アクチュエータと固定部とを第２軸上で接続する＜１＞または＜２＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜４＞
上部電極は、複数の個別電極部として、少なくとも８つの個別電極部を備え、複数の個別電極部は、第１軸および第２軸に対称に配置されている＜１＞から＜３＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
＜５＞
アクチュエータの複数の圧電部の各々に駆動信号を入力するための駆動回路を備えた＜１＞から＜４＞のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
＜６＞
駆動回路は、ミラー部を第１軸周りに傾き振動する第１共振モードで駆動し、かつ、ミラー部を第２軸周りに傾き振動する第２共振モードで駆動する駆動信号を複数の圧電部に入力する＜５＞に記載のマイクロミラーデバイス。
＜７＞
駆動回路は、駆動信号として、第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第１駆動信号と、第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第２駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する＜６＞に記載のマイクロミラーデバイス。

本開示によれば、２次元スキャンが可能であり、かつ小型なマイクロミラーデバイスを提供することができる。

実施形態のマイクロミラーデバイスの平面図である。 マイクロミラーデバイスの一部の断面構造を示す図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体を上面側から見た斜視図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体の底面側から見た斜視図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体の平面図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体の底面図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体の左側面図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体の正面図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスの駆動回路との接続を模式的に示した図である。 実施形態のマイクロミラーデバイスにおける、第１軸周りのミラー部傾き振動を伴う第１共振モード時の形状変位のシミュレーション図である。 図１０に示す第１共振モード時の形状変位によってアクチュエータに生じる面内応力分布を示す図である。 第１実施形態のマイクロミラーデバイスにおける、第２軸周りのミラー部傾き振動を伴う第２共振モード時の形状変位のシミュレーション図である。 図１２に示す第２共振モード時の形状変位によってアクチュエータに生じる面内応力分布を示す図である。 第１軸周りの駆動時の電圧印加について説明するための図である。 第１軸周りの駆動時の印加駆動信号（電圧波形）を示す図である。 第２軸周りの駆動時の電圧印加について説明するための図である。 第２軸周りの駆動時の印加駆動信号（電圧波形）を示す図である。 参考例のマイクロミラーデバイスの平面図である。 参考例のマイクロミラーデバイスにおける、第１軸周りのミラー部傾き振動を伴う第１共振モード時の形状変位のシミュレーション図である。 参考例のマイクロミラーデバイスの第１軸周りの駆動時の駆動方法について説明するための図である。 参考例のマイクロミラーデバイスにおける、第２軸周りのミラー部傾き振動を伴う第２共振モード時の形状変位のシミュレーション図である。 参考例のマイクロミラーデバイスの第２軸周りの駆動時の駆動方法について説明するための図である。

以下、図面を参照して本開示の具体的な実施の態様について説明する。

図１は実施形態に係るマイクロミラーデバイスの平面図である。図２は、マイクロミラーデバイスの一部の断面構造を示す図である。図３は、マイクロミラーデバイス用の構造体を上面側から見た斜視図であり、配線構造を備えていない状態を示す。図４は、実施形態のマイクロミラーデバイス用の構造体を底面側から見た斜視図である。図５は、実施形態のマイクロミラーデバイス用の構造体の平面図であり、図６は、実施形態のマイクロミラーデバイス用の構造体の底面図である。図７は、マイクロミラーデバイス用の構造体の左側面図である。なお、マイクロミラーデバイスの構造体の右側面図は左側面図と同一である。図８は、実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体の正面図である。なお、マイクロミラーデバイスの構造体の背面図は正面図と同一である。

本実施形態のマイクロミラーデバイス１は、ミラー部１２と、ミラー部１２を囲むように配置された環状のアクチュエータ１４と、ミラー部１２とアクチュエータ１４とを接続する第１接続部２１と、アクチュエータ１４の外周に配置された固定部２０と、アクチュエータ１４と固定部２０とを接続する第２接続部２２とを備えている。

マイクロミラーデバイス１のサイズは、例えば、長さおよび幅寸法がそれぞれ１ｍｍ～１０ｍｍ程度が一般的であるが、これよりも小さい構造でも大きい構造でもよく、特に制限されるものではない。また、アクチュエータの厚みについても、５μｍ～０．２ｍｍ程度が一般的であるが、作製できる範囲であればよく、特に制限されるものではない。

ミラー部１２は、入射光を反射する反射面１２ａを有する。反射面１２ａは、ミラー部１２の一面に設けられた、例えば、Ａｕ（金）およびＡｌ（アルミニウム）等の金属薄膜から構成される。反射面１２ａを形成するためのミラーコーティングに用いる材料および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。

図１においては、略円形の反射面１２ａを有し、反射面１２ａと相似形の平面視形状のミラー部１２を例示しているが、ミラー部１２の平面視形状と、反射面１２ａの形状は一致していてもよいし、異なっていてもよい。ミラー部１２および反射面１２ａの形状は、特に限定されない。例示した円形に限らず、楕円形、正方形、長方形および多角形など、様々な形状があり得る。

第１接続部２１は、ミラー部１２とアクチュエータ１４とを接続し、ミラー部１２を第１軸ａ１周りで回動可能に支持する。第１接続部２１は、ミラー部１２を挟んで対称にミラー部１２の外周から第１軸ａ１に沿って外側に延設された１対の棒状部材であり、ミラー部１２とアクチュエータ１４とを第１軸ａ１上で接続する。第１接続部２１を構成する１対の棒状部材のそれぞれの一端がミラー部１２の外周に接続され、それぞれの他端がアクチュエータ１４に接続されている。

第２接続部２２は、アクチュエータ１４と固定部２０とを、アクチュエータ１４を第２軸ａ２周りで回動可能に支持する。第２接続部２２は、アクチュエータ１４を挟んで対称に、アクチュエータ１４の外周から第２軸ａ２に沿って外側に延設された１対の棒状部材であり、アクチュエータ１４を固定部２０とを第２軸ａ２上で接続する。第２接続部２２を構成する１対の棒状部材のそれぞれの一端がアクチュエータ１４の外周に接続され、それぞれの他端が固定部２０に接続されている。

上記構成により、本実施形態においては、第１軸ａ１と第２軸ａ２とはミラー部１２の略中心で交わっている。

ここで、第１軸ａ１は、ミラー部１２の静止時の反射面１２ａを含む平面内にある。第２軸ａ２はこの平面内おいて、第１軸ａ１と交差する軸であり、ここでは第１軸ａ１と直交する軸である。第１軸ａ１と第２軸ａ２は、反射面１２ａの中心で交差していることが好ましいが、交差位置は中心からずれていても構わない。

各図において、ミラー部１２の静止時における反射面１２ａの法線方向をｚ軸方向とし、第１軸ａ１と平行な方向をｙ軸方向、第２軸ａ２と平行な方向をｘ軸方向としている。

固定部２０は、第２接続部２２を介してアクチュエータ１４を支持する。アクチュエータ１４は第１接続部２１を介してミラー部１２を支持している。固定部２０には、配線２２および電極端子２４等が設けられており、さらに図示しない電子回路が設けられていてもよい。

固定部２０は、本例においては、アクチュエータ１４を囲む枠部材（固定枠）である。固定部２０は、第２接続部２２を介してアクチュエータ１４を支持可能な構成であれば、枠部材に限らず、第２接続部２２のうちの一方と接続する第１の固定部と他方と接続する第２の固定部の２つの部材から構成されていてもよい。

アクチュエータ１４は、ミラー部１２を囲む環状の部材である。アクチュエータ１４は、ミラー部１２に第１軸ａ１周りの回転トルクを作用させ、かつ、ミラー部１２に第２軸ａ２周りの回転トルクを作用させることによって、ミラー部１２を第１軸ａ１および第２軸ａ２周りに２次元回転駆動する。本マイクロミラーデバイス１は、ミラー部１２を２次元回転駆動させることにより、ミラー部１２の反射面１２ａへの入射光を反射させて２次元走査（２次元スキャン）させることができる。ここで、環状とは、内側の領域を途切れなく囲む形状であればよく、内周および外周の形状は円形でなくてもよく、矩形状あるいは多角形状など、どのような形状であってもよい。本例では、アクチュエータの内周および外周は八角形状である。

２次元回転駆動の詳細については後述するが、本開示のマイクロミラーデバイスにおいては、ミラー部１２を囲む１つの環状のアクチュエータ１４によって、ミラー部１２を２次元回転させることが可能である。従来の２つ以上のアクチュエータ（あるいは可動枠）を備えた構造と比較してデバイス全体を小型化することができる。

本例のマイクロミラーデバイス１において、ミラー部１２、アクチュエータ１４、固定部２０、第１接続部２１および第２接続部２２は、第１軸ａ１および第２軸ａ２に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。

マイクロミラーデバイス１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、ミラー部１２、アクチュエータ１４、固定部２０、第１接続部２１、および第２接続部２２等の要素が一体的に構成された構造物として作製することができる。

なお、固定部２０は、ミラー部１２、アクチュエータ１４、第１接続部２１および第２接続部２２と比較して厚い（図３および図４参照）。すなわち、ミラー部１２、アクチュエータ１４、第１接続部２１および第２接続部の厚みは、固定部２０の厚み（ｚ方向の厚み）と比較して薄く形成されている。これにより、アクチュエータ１４、接続部２１および接続部２２が変形（例えば、曲げ変形あるいは捻れ変形）し易い構造となっている。ミラー部１２、アクチュエータ１４、および固定部２０のうち、反射面、圧電膜、電極および配線等を除く基材部分をマイクロミラーデバイス用の構造体という。また、この構造体のうち、固定部２０を除く部分が、構造体中の本体部分である。マイクロミラーデバイスの基本性能はこの本体部分の形状に依存し、固定部２０の形状には依存しない。

アクチュエータ１４は、圧電素子４０を備えた圧電アクチュエータである。圧電素子４０は、振動板３０上に、下部電極３１、圧電膜３２および上部電極３３が順に積層された積層構造を有する（図２参照。）。なお、図２において、視認容易のため、実際の膜厚比と異なる膜厚比で示している。上部電極および下部電極の「上部」および「下部」は、天地を意味するものではなく、圧電膜を挟む一対の電極のうち、振動板側に設けられている電極を下部電極、圧電膜を挟んで下部電極と対向して配置される電極を上部電極と称しているに過ぎない。

圧電素子４０の上部電極３３が、ミラー部１２に第１軸ａ１周りに傾き振動を生じさせる第１共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、圧電膜３２の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第１応力反転領域、およびミラー部１２に第２軸ａ２周りに傾き振動を生じさせる第２共振モードで駆動させた場合に圧電膜３２の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第２応力反転領域で分離された複数の個別電極部ｉ１～ｉ８からなり、圧電素子４０は、複数の個別電極部ｉ１～ｉ８の各々により規定される複数の圧電部４１～４８を含む。図１中の個別電極部の分離領域Ｓは第１応力反転領域および／または第１応力反転領域に相当、以下において、応力反転領域Ｓという。各主応力および応力反転領域については後述する。

複数の圧電部４１～４８への所定の電圧印加に伴って圧電膜の変形によってアクチュエータ１４が屈曲変位して駆動力を生じ、第１接続部２１に回転トルクを発生させると共に第２接続部２２に回転トルクを発生させることができる。本マイクロミラーデバイス１においては、上部電極３３を第１共振モード時の応力分布および第２共振モード時の応力分布に応じて個別電極部を備えることで、１つの環状のアクチュエータ１４を用いた２次元駆動を実現している。

詳細な個別電極部の配置について説明する。アクチュエータ１４の上部電極３３は、８個の個別電極部ｉ１～ｉ８からなる。各個別電極部ｉ１～ｉ８は互いに分離して形成されている。上部電極３３が複数の個別電極部ｉ１～ｉ８に分離して形成されることによって、各々の個別電極部ｉ１～ｉ８で規定される圧電部４１～４８の各々を、独立して電圧制御することができる。個々の圧電部４１～４８は、個別電極部ｉ１～ｉ８と、対向する下部電極３１と、個別電極部ｉ１～ｉ８と下部電極３１との間に挟まれた圧電膜３２により構成される。各個別電極部ｉ１～ｉ８および下部電極３１は配線２２および電極端子２４（個別符号１～８およびＧＮＤ）を介して駆動回路に接続される。

図９は、本例におけるマイクロミラーデバイス１の圧電素子４０の各圧電部４１～４８と駆動回路５０との電気的な配線構造を示すブロック図である。
圧電素子４０は、下部電極３１、圧電膜３２および上部電極３３を備えている。圧電素子４０の各圧電部４１～４８の各個別電極部ｉ１～ｉ８はそれぞれ電極端子１～８に接続されており、下部電極３１はすべての個別電極部に対して共通膜であり、接地用の電極端子ＧＮＤに接続されている。

なお、本実施形態においては、圧電膜３２および下部電極３１は、複数の圧電部に共通の膜として形成されているが、圧電膜３２、あるいは圧電膜３２と下部電極３１も、上部電極３３の個別電極部毎に分離されていてもよい。

本開示のマイクロミラーデバイスは、１つの環状のアクチュエータのみで２次元駆動ができるため、可動枠および第２のアクチュエータを持たない構造であるため、素子体積を小さく抑えることができる。

図１０は、第１共振モードでミラー部１２が第１軸ａ１周りに傾き振動する様子を示すシミュレーション図であり、ミラー部１２が第１軸ａ１を中心として、ｘ軸方向の一端ｘ１が＋ｚ方向に、ｘ軸方向の他端ｘ２が－ｚ方向に傾き変位した状態を示している。図１０において、色の濃淡は変位量を示している。

第１共振モードでミラー部１２が第１軸ａ１周りに傾き振動して図１０のように回転変位した状態にある時、アクチュエータ１４は撓み変形する。そして、図１１に示すように、アクチュエータ１４の圧電膜には引張方向の応力（以下において、引張応力という。）σｔがかかる引張応力領域ｔ１と、圧縮方向の応力（以下において、圧縮応力という。）σｃがかかる圧縮応力領域ｃ１とが生じる。図１１においては、引張応力がかかる部分を薄い灰色、圧縮応力がかかる部分を黒色で示している。なお、色密度が高い領域ほど応力が大きいことを示す。なお、圧電膜の各位置に生じる応力は振動に応じて時間変化する。図１１は第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に圧電膜に生じる面内応力の状態を示している。

各部分が「圧縮応力」であるか「引張応力」であるかは、互いに直交する三つの主応力ベクトルの中から圧電膜の膜厚方向に略直交する平面内の二つの主応力を選び出し、そのうち絶対値が大きい方の方向（絶対値が最大の主応力成分の方向）で定められる。膜厚方向をｚ軸に取った場合において、膜厚方向の略直交する平面内の二つの主応力とは、ｘ－ｙ平面内に生じる応力である。応力方向の表記方法としては、外に向かう方向のベクトルを引張方向、内に向かう方向のベクトルを圧縮方向と定義する。

このように定義する理由は、概して圧電ＭＥＭＳデバイスではアクチュエータ部の寸法が平面的であり、膜厚方向の応力がほぼ０とみなせるためである。「寸法が平面的」とは、平面方向の寸法に比べて高さが十分小さいことを意味する。上述した「ｘ－ｙ平面」の面方向が「圧電膜の膜厚方向に直交する面内方向」に相当する。応力は、部材が引っ張られる方向に力が加わる引張応力σｔが正、圧縮させる方向に力が加わる圧縮応力σｃが負として定義される。すなわち、絶対値が最大の主応力成分が正の領域とは引張応力が主である領域を意味し、絶対値が最大の主応力成分が負の領域とは圧縮応力が主である領域を意味する。また、「絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する応力反転領域」とは、引張応力領域と圧縮応力領域との境界を含む領域であって、引張応力から圧縮応力、もしくは圧縮応力から引張応力に変化する領域を意味する。

図１１に示すように、アクチュエータ１４の第１軸ａ１と交差する部分において、第１軸ａ１を挟んで隣接する領域は正負が異なる応力を示す。図中においては、第１軸ａ１を挟んで隣接する一方の領域が引張応力領域ｔ１であり、他方の領域が圧縮応力領域ｃ１である。第２軸ａ２と交差する部分において、第２軸ａ２を挟んで隣接する領域は同一符号の応力を示すが、第１軸ａ１に対称な領域は互いに正負が異なる応力を示す。第１共振モードでは、アクチュエータ１４における応力分布は第２軸ａ２を中心に線対称となっている。

圧縮応力領域ｃ１と引張応力領域ｔ１との境界には応力の方向が徐々に変化していく、すなわち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する領域である第１応力反転領域が存在する。図１１に示す６本の第１応力反転線ｒ１のそれぞれが、第１応力反転領域の中心に位置する。

図１２は、第２共振モードでミラー部１２およびアクチュエータ１４が第２軸ａ２周りに傾き振動する様子を示すシミュレーション図であり、ミラー部１２およびアクチュエータ１４が第２軸ａ２を中心として、アクチュエータ１４のｙ軸方向の一端ｙ１が＋ｚ方向に、ｙ軸方向の他端ｙ２が－ｚ方向に傾き変位した状態を示している。図１０と同様に図１２において、色の濃淡は変位量を示している。

第２共振モードでミラー部１２およびアクチュエータ１４が第２軸ａ２周りに傾き振動して図１２に示す回転変位した状態にある時、アクチュエータ１４撓み変形する。そして、図１３に示すように、アクチュエータ１４の圧電膜には引張応力がかかる引張応力領域ｔ２と圧縮応力がかかる圧縮応力領域ｃ２とが生じる。図１３においては、図１１と同様に、引張応力が生じる部分を薄い灰色、圧縮応力が生じる部分を黒色で示している。なお、色密度が高い領域ほど応力が大きいことを示す。なお、圧電膜の各位置に生じる応力は振動に応じて時間変化する。図１３は第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に圧電膜に生じる面内応力の状態を示している。

図１３に示すように、アクチュエータ１４の第２軸ａ２と交差する部分において、第２軸ａ２を挟んで隣接する領域は正負が異なる応力を示す。図中においては、図中においては、第２軸ａ２を挟んで隣接する一方の領域が引張応力領域ｔ２であり、他方の領域が圧縮応力領域ｃ２である。第１軸ａ１と交差する部分において、第１軸ａ１を挟んで隣接する領域は同一符号の応力を示すが、第２軸ａ２に対称な領域は互いに正負が異なる応力を示す。すなわち、第２共振モードでは、アクチュエータ１４における応力分布は第１軸ａ１を中心に線対称となっている。

圧縮応力領域ｃ２と引張応力領域ｔ２との境界には応力の方向が徐々に変化していく、すなわち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する領域である第２応力反転領域が存在する。図１３に示す６本の第２応力反転線ｒ２のそれぞれが、第２応力反転領域の中心に位置する。

上部電極３３の個別電極部ｉ１～ｉ８は、図１１および図１３に示す応力分布に関し、応力方向が異なる圧電膜の領域ｔ１、ｔ２、ｃ１、ｃ２の区分けに対応するように形成されている。個別電極部間は、第１応力反転線ｒ１あるいは第２応力反転線ｒ２を含む応力反転領域Ｓで分離されている（図１参照。）。本構成においては、６本の第１応力反転線ｒ１のうち、第１軸ａ１上の２本を除く４本の第１応力反転線は第２応力反転線ｒ２と一致しており、結果として、上部電極は８つの応力反転領域Ｓで分離されている。

このように分離された個別電極部ｉ１～ｉ８を備えたことにより、個別電極部ｉ１～ｉ８のそれぞれに、すなわち、圧電部４１～４８に独立して第１軸ａ１周りの駆動信号、および第２軸ａ２周りの駆動信号を入力することができる。それぞれの領域における第１共振モード時および第２共振モード時の応力に応じて駆動信号を入力することで、各領域を効率的に変位させることができ、第１軸周りおよび第２軸周りにトルクを生じさせることが可能となる。

共振モード振動による動作時（共振駆動時）の応力分布については、公知の有限要素法のソフトウエアを用い、デバイス寸法、材料のヤング率、およびデバイス形状等のパラメータを与え、モード解析法を使って解析することができる。デバイスの設計に際しては、共振モードによる駆動時の圧電膜内の応力分布を解析し、その解析結果を基に、応力分布における圧縮応力領域、引張応力領域の区分に対応させて、上部電極を個別電極部に区分けする。各個別電極部によって各圧電部が規定される。

各圧電部４１～４８には、第１共振モードおよび第２共振モードで駆動させるための駆動用の電力が駆動回路から供給される。アクチュエータ１４に供給する駆動信号として、共振を励起する周波数の交流信号あるいはパルス波形信号を用いることができる。具体的な駆動信号について、駆動方法と共に以下に説明する。

駆動回路は、圧電素子の複数の圧電部の各々に対して、第１共振モードを駆動する第１駆動信号と、第２共振モードを駆動する第２駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する。

第１駆動信号は、互いに逆位相の駆動電圧波形を含み、そのうちの一方の位相の駆動電圧波形を、第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に与え、他方の位相の駆動電圧波形を、上記瞬間に絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に与える信号である。

第２駆動信号は、互いに逆位相の駆動電圧波形を含み、そのうちの一方の位相の駆動電圧波形を、第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に与え、他方の位相の駆動電圧波形を、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に与える信号である。

従って、駆動回路５０は、第１駆動信号として、第１共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が同じ（符号が同じ）である領域に位置する圧電部には同位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が、引張応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が印加される。そして、駆動回路は、第１駆動信号として、第１共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が異なる（符号が異なる）領域に位置する圧電部間には、逆位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域と引張応力領域とでは逆位相の駆動信号波形が印加される。なお、同位相の駆動信号波形における振幅は圧電部同士で同一でもよいし、圧電部間で異なっていてもよい。

また、同時に、駆動回路５０は、第２駆動信号として、第２共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が同じである領域に位置する圧電部には同位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が、引張応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が印加される。そして、駆動回路は、第２駆動信号として、第２共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が異なる領域に位置する圧力部間には、逆位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域と引張応力領域とでは逆位相の駆動信号波形が印加される。なお、同位相の駆動信号における振幅は圧電部同士で同一でもよいし、圧電部間で異なっていてもよい。

各圧電部のそれぞれに、第１共振モード用の第１駆動信号および第２共振モード用の第２駆動信号が重畳された駆動信号を印加することにより、第１共振モードおよび第２共振モードを同時に励起することができる。上記駆動信号を各圧電部４１～４８に与え、アクチュエータ１４を駆動させた場合、各振動の瞬間においてそれぞれの圧電膜に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部には正の電圧、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部には負の電圧をそれぞれ印加することになる。歪の正負に応じた正負の電圧を印加することによって、非常に効率良く圧電力を変位に変換できる。従って、１つの環状のアクチュエータ１４のみでミラー部１２を２次元駆動することができる。

駆動方法の一例について、具体的に図１４～図１７を参照して説明する。図１４は、第１共振モードを励起する際に同位相の駆動信号が入力される圧電部グループを示す図であり、図１５はそれぞれの圧電部グループに入力される駆動信号の一例を示す。図１６は、第２共振モードを励起する際に同位相の駆動信号が入力される圧電部グループを示す図であり、図１７はそれぞれの圧電部グループに入力される駆動信号を示す。

図１４において、第１共振モードを励起する際に、同位相の駆動信号が入力される第１グループの圧電部の個別電極部を右下がり斜線で示す。また、第１グループと逆位相の駆動信号が入力される第２グループの圧電部の個別電極部を右上がり斜線で示す。

第１グループの個別電極部ｉ１、ｉ４、ｉ６、ｉ７は、図１１の引張応力領域ｔ１に対応し、これらに図１５に示す同位相の第１共振モード用の第１駆動信号Ｖ_１ａが入力される。そして、第２グループの個別電極部ｉ２、ｉ３、ｉ５、ｉ８は、図１１の圧縮応力領域ｃ１に対応し、これらには同位相の第１共振モード用の第１駆動信号Ｖ_１ｂが入力される。図１５に示すように、第１グループの圧電部に印加される駆動信号Ｖ_１ａと第２グループの圧電部に印加される駆動信号Ｖ_１ｂとは同一の第１周波数ｆ_１であって、互いに逆位相（位相差１８０°）の信号である。このような駆動信号を印加することにより、アクチュエータ１４を第１軸ａ１周りに傾けるような歪が発生し、ミラー部１２に第１軸ａ１周りの回転トルクが与えられる。

第１駆動信号Ｖ_１ａ、Ｖ_１ｂはそれぞれ次のように表される。
Ｖ_１ａ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ（２πｆ_１ｔ＋π）
Ｖ_１ｂ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ２πｆ_１ｔ
上記の式中、α_１Ｖ_１は電圧振幅、ｔは時間である。なお、式においてオフセット電圧は考慮していない。Ｖ_１は第１駆動信号の基本電圧振幅値、α_１は第１駆動信号用の電圧振幅補正係数である。なお、各個別電極部に与えられる電圧振幅は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、圧電部毎でα_１の値は異なっていてもよい。各々の個別電極部に生じる応力の大きさに応じて電圧振幅が設定されていてもよい。例えば、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくする、などである。

第１駆動信号Ｖ_１ａおよびＶ_１ｂをまとめて一般化して示すと、
Ｖ_１＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ(２πｆ_１ｔ＋β_１π)と表すことができる。
ここで、β_１は第１駆動信号用の位相補正係数であり、第１の位相のＶ_１ａの場合は１、第１の位相の逆位相である第２の位相のＶ_１ｂの場合は０である。

図１６において、第２共振モードを励起する際に、同位相の駆動信号が入力される第３グループの圧電部の個別電極部を右下がり斜線で示す。また、第３グループと逆位相の駆動信号が入力される第４グループの圧電部の個別電極部を右上がり斜線で示す。

第３グループの個別電極部ｉ１、ｉ３、ｉ６、ｉ８は、図１３の引張応力領域ｔ２に対応し、これらに図１７に示す同位相の第２共振モード用の第２駆動信号Ｖ_２ａが入力される。そして、第４グループの個別電極部ｉ２、ｉ４、ｉ５、ｉ７は、図１３の圧縮応力領域ｃ２に対応し、これらに同位相の第２共振モード用の第２駆動信号Ｖ_２ｂが入力される。図１７に示すように、第２駆動信号Ｖ_２ａとＶ_２ｂとは同一の第２周波数ｆ_２であって、互いに逆位相（位相差１８０°）の信号である。このような駆動信号を印加することにより、アクチュエータ１４を第２軸ａ２周りに傾けるような歪みが発生し、結果としてミラー部１２に第２軸ａ２周りの回転トルクが与えられる。

第２駆動信号Ｖ_２ａ、Ｖ_２ｂはそれぞれ次のように表される。
Ｖ_２ａ＝α_２Ｖ_２ｓｉｎ（２πｆ_２ｔ＋π）
Ｖ_２ｂ＝α_２Ｖ_２ｓｉｎ２πｆ_２ｔ
上記の式中、α_２Ｖ_２は電圧振幅、ｔは時間である。なお、式においてオフセット電圧は考慮していない。Ｖ_２は第２駆動信号の基本電圧振幅値、α_２は第２駆動信号用の電圧振幅補正係数である。なお、各個別電極部に与えられる電圧振幅は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、圧電部毎でα_２の値は異なっていてもよい。各々の個別電極部に生じる応力の大きさに応じて電圧振幅が設定されていてもよい。例えば、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくする、などである。

第２駆動信号Ｖ_２ａおよびＶ_２ｂをまとめて一般化して示すと、
Ｖ_２＝α_２Ｖ_２ｓｉｎ(２πｆ_２ｔ＋β_２π)と表すことができる。
ここで、β_２は第２駆動信号の位相補正係数であり、第１の位相のＶ_２ａの場合は１、第１の位相の逆位相である第２の位相のＶ_２ｂの場合は０である。

圧電部毎に第１共振モード用の第１駆動信号および第２共振モード用の第２駆動信号が重畳された駆動信号が印加される。例えば、個別電極部ｉ１にはＶ_１ａ＋Ｖ_２ａ、個別電極部ｉ２にはＶ_１ｂ＋Ｖ_２ｂ、個別電極部ｉ３にはＶ_１ｂ＋Ｖ_２ａ、個別電極部ｉ４にはＶ_１ａ＋Ｖ_２ｂが印加される。各圧電部、すなわち各個別電極部に印加する組み合わせを表１に示す。

なお、各圧電部の個別電極部ｉｎ（ここでｎは１～８）に印加される駆動信号は、下記一般式（１）で表すことができる。
Ｖｉｎ＝α_１Ｖ_１ｓｉｎ(２πｆ_１ｔ＋β_１π)＋α_２Ｖ_２ｓｉｎ(２πｆ_２ｔ＋β_２π) （１）

式（１）において、第１項は第１軸周りに傾き振動させるための第１駆動信号であり、第２項は第２軸周りに傾き振動させるための第２駆動信号である。
上記表１に示した例では、α_１、α_２を一定としているが、α_１、α_２を個別電極ごとに異ならせて、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくすることにより、駆動効率をさらに高め、さらに消費電力を低減することが可能である。

以上のように、第１共振モードおよび第２共振モードでマイクロミラーデバイスを駆動する際にアクチュエータの圧電膜に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分の方向に応じた駆動信号を各圧電部に印加するように制御することで、非常に効率良く駆動することが可能となる。駆動回路は、各圧電部に上記駆動信号を入力するように構成される。

本実施形態においては、各圧電素子に含まれる複数の圧電部は、下部電極が共通電極となっている。したがって、下部電極を接地して、上部電極に所定の駆動信号（駆動電圧波形）を入力している。しかし、下部電極も個別電極である場合には、下部電極および上部電極間に駆動信号が印加できれば、下部電極、上部電極のどちらを接地電極として用いてもよい。

共振モードとしては、ミラー部１２の軸周りの回転（傾き振動）を伴うもの以外に、垂直方向のピストン運動、平面内のねじれ運動などを伴うモードが存在する。しかしながら、本実施形態のマイクロミラーデバイス１では、傾き振動を伴う共振モードを用いてミラー部１２を駆動する。

なお、第１軸周りにミラー部１２を傾き振動する第１共振モードとしては、ミラー部１２とアクチュエータ１４とが逆位相で振動する共振モードは同位相で振動する共振モードと比較して共振振動のＱ値が高く、さらに共振周波数が高いため、高速でスキャンすることに、より適している。なお、第１軸周りについては、ミラー部１２とアクチュエータ１４とが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードで駆動することが、高いＱ値が得られるため好ましい。
しかしながら、上記モードに限るものではなく。何次モードの共振モードを用いるかは、適宜設定すればよい。

また、第２軸周りにミラーを傾き振動する第２共振モードとしては、アクチュエータ１４とミラー部１２とが一体的に傾き振動する共振モードを用いる方が共振周波数が低く、低速の動作に適しているため好ましい。
しかしながら、上記モードに限るものではなく。何次モードの共振モードを用いるかは、適宜設定すればよい。

なお、どの次数の共振モードを用いるかによって、駆動時にアクチュエータに生じる応力分布は異なるため、駆動時に用いる共振モードを定めた上で、その共振モードでの応力分布に基づいて、個別電極部を配置する必要がある。本例においては、第１軸周りについては、ミラー部１２とアクチュエータ１４とが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードを第１共振モードとし、第１共振モードより低周波数側で傾き振動を伴う共振モードのうち最も次数の小さい共振モードを第２共振モードとしている。

アクチュエータ１４に備えられる圧電素子について説明する。既述の通り、圧電素子は下部電極３１、圧電膜３２および上部電極３３の積層体構造を有する。

下部電極および上部電極の厚みには特に制限なく、例えば２００ｎｍ程度である。圧電膜の厚みは１０μｍ以下であれば特に制限なく、通常１μｍ以上であり、例えば、１～５μｍである。下部電極、上部電極および圧電膜の成膜方法は、特に限定されないが、気相成長法であることが好ましく、特にはスパッタ法によって成膜することが好ましい。

下部電極の主成分は、特に制限はなく、Ａｕ、Ｐｔ、Ｉｒ、ＩｒＯ_２、ＲｕＯ_２、ＬａＮｉＯ_３、およびＳｒＲｕＯ_３等の金属または金属酸化物、並びに、これらの組合せが挙げられる。

上部電極の主成分は、特に制限なく、下部電極で例示した材料、Ａｌ、Ｔｉ、Ｔａ、Ｃｒ、およびＣｕ等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、並びにこれらの組合せが挙げられる。

圧電膜としては、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。
一般式ＡＢＯ_３ （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、および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、およびこれらの混晶系；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、およびこれらの混晶系が挙げられる。

また、本実施形態の圧電膜は、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。
Ａ_ａ（Ｚｒ_ｘ、Ｔｉ_ｙ、Ｍ_{ｂ－ｘ－ｙ}）_ｂＯ_ｃ （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は、Ｖ、Ｎｂ、Ｔａ、および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）および（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜は、高い圧電歪定数（ｄ_３１定数）を有するため、かかる圧電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。

また、一般式（Ｐ）および（ＰＸ）で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電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、本開示の技術を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。

以下、本開示の実施例のマイクロミラーデバイスについて説明する。

「実施例」
以下の手順により図１に示した構成のマイクロミラーデバイスを実施例１として作製した。

－製造方法－
（工程１）Ｓｉハンドル層３５０μｍ、シリコン酸化物（ＳｉＯ_２）ボックス層１μｍ、Ｓｉデバイス層１００μｍの積層構造を持つ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層を１５０ｎｍ形成した。Ｔｉ層およびＩｒ層の積層構造が図２の下部電極３１に相当する。

（工程２）上記で得られた、下部電極（Ｔｉ／Ｉｒ）が積層形成された基板上に、高周波（ＲＦ：radio frequency）スパッタ装置を用いて圧電膜を３μｍ成膜した。圧電膜用のスパッタ成膜のターゲット材料としてはＰｂ_1.3((Ｚｒ_0.52Ｔｉ_0.48)_0.88Ｎｂ_0.12)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。得られた圧電膜は、Ｎｂが原子組成比で１２％添加されたＮｂドープＰＺＴ薄膜であった。

（工程３）上記で得られた圧電膜が形成された基板上に、リフトオフ法によってＰｔ／Ｔｉの積層構造による複数の個別電極部を含む上部電極をパターン形成した。

（工程４）その後、誘導結合プラズマ（ＩＣＰ：inductively coupled plasma)ドライエッチングにより、圧電膜および下部電極をパターンエッチングした。

（工程５）さらに、テトラエトキシシランを原料とした化学気相堆積法（ＴＥＯＳ－ＣＶＤ：tetraethoxysilane-chemical vapor deposition)法により、ＳｉＯ_２からなる絶縁層を全面に成膜した後、ＩＣＰドライエッチングによって絶縁層をパターニングした。

（工程６）リフトオフ法によって、Ａｕ/Ｔｉの積層構造をパターン形成し、ミラー部の反射面、電極パッドおよび配線層を形成した。

（工程７）シリコンのドライエッチプロセスによってデバイス層をパターンエッチングし、アクチュエータ、ミラー部および固定部材の形状を加工した。

（工程８）次に、基板の裏面からハンドル層を深堀反応性イオンエッチングした。基本的には、固定部材となる部分を残してハンドル層を除去した。

（工程９）最後に、裏面からボックス層をドライエッチングにより除去することにより、図１に示すマイクロミラーデバイス１を作製した。

上記作製工程においては、ミラー部の反射面を工程６で形成したが、電極パッドおよび配線層の材料とは異なる反射材料を用いて反射面を形成してもよく、その場合は、たとえば工程６に続いて、反射面をリフトオフ法などで形成してもよい。

本実施例のマイクロミラーデバイスの各要素のサイズは以下の通りとした。
ミラー部１２の直径２．７ｍｍ、第１接続部２１の第１軸ａ１方向に沿った長さ（ミラー外周からアクチュエータ内周までの長さ）０．７７ｍｍ、第２軸ａ２方向の幅０．３５ｍｍ、第２接続部２２の第２軸ａ２方向に沿った長さ（アクチュエータ外周から固定部との接続点までの長さ）２．０ｍｍ、第１軸ａ１方向に沿った幅０．１４ｍｍとした。
ミラー部１２、アクチュエータ１４、第１接続部２１および第２接続部の厚みはデバイス層の厚みと等しい。

本構成のマイクロミラーデバイスにおいて、高速駆動側の第１共振モードの周波数を２０ｋＨｚとなるようにアクチュエータ１４と接続部２１のサイズを設定しており、第２共振モードとしては、第１共振モードより低周波数側で傾き振動を伴う共振モードのうち最も次数の小さい構成とした。

本実施例には、図１４～図１７を参照して説明した通り、第１共振周波数の第１駆動信号と第２共振周波数の第２駆動信号とを重畳した駆動信号により駆動した。

[参考例］
参考例のマイクロミラーデバイス１０１の平面図を図１８に示す。参考例のマイクロミラーデバイスは、実施例と同様の作製手順で作製した。参考例のマイクロミラーデバイス１０１は、ミラー部１１２と、ミラー部１１２を囲むように配置された環状の第１アクチュエータ１１４と、第１アクチュエータ１１４を囲む環状の第２アクチュエータ１１６と、固定部１２０と、第１接続部１２１と、第２接続部１２２と、第３接続部１２３とを備えている。それぞれのアクチュエータ１１４、１１６は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１１４は各々圧電素子を備えた一対の半環状アクチュエータ部１１４Ａ、１１４Ｂを備え、その一対の半環状アクチュエータ部１１４Ａ、１１４Ｂがミラー部１１２を囲むように第１接続部１２１によって第１軸ａ１上で接続されている。第２アクチュエータ１１６は各々圧電素子を備えた一対の半環状アクチュエータ部１１６Ａ、１１６Ｂを備え、その一対の半環状アクチュエータ部１１６Ａ、１１６Ｂが第１アクチュエータ部１１４を囲むように、第２接続部１２２によって第２軸ａ２上で接続されている。

第１アクチュエータ１１４および第２アクチュエータ１１６において、ハッチングで示す領域は、圧電素子の上部電極を構成する個別電極部である。半環状アクチュエータ部１１４Ａ、１１４Ｂ、１１６Ａ，１１６Ｂのそれぞれの上部電極はそれぞれ３つの個別電極部からなり、これによって規定される３つの圧電部を備える。第１アクチュエータ１１４は計６個の個別電極部ａｉ１～ａｉ３、ｂｉ１～ｂｉ３を備えている。第２アクチュエータ１１６は計６個の個別電極部ａｏ１～ａｏ３、ｂｏ１～ｂｏ３を備えている。

第１アクチュエータ１１４は第１軸ａ１周りの傾き振動の駆動を担当し、第２アクチュエータ１１６は、第２軸ａ２周りの傾き振動の駆動をそれぞれ担当する。

図１９は、第１共振モードでミラー部１１２が第１軸ａ１周りに傾き振動する様子のシミュレーション図であり、ミラー部１１２が第１軸ａ１を中心として、ｘ軸方向の一端ｘ１が＋ｚ方向に、ｘ軸方向の他端ｘ２が－ｚ方向に傾き変位した状態を示している。図１９において、固定部は省略されており、色の濃淡は変位量を示している。

第１半環状アクチュエータ部１１４Ａおよび１１４Ｂの個別電極部は、第１共振モードで第１アクチュエータを駆動した場合の最大変位状態において、第１アクチュエータの圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の符号の正負に応じて設けられており、その応力反転領域で分離されている。
第２半環状アクチュエータ部１１６Ａおよび１１６Ｂの個別電極部は、第２共振モードで第２アクチュエータを駆動した場合の最大変位状態において、第２アクチュエータの圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の符号の正負に応じて設けられており、その応力反転領域で分離されている。

第１アクチュエータ１１４において、同位相で駆動される個別電極部を同一の斜線で示す。図２０において、右下がり斜線で示した個別電極部ａｉ１、ａｉ３、ｂｉ２は、引張応力領域ｔ１に対応する。図２０において、右上がり斜線で示した個別電極部ａｉ２、ｂｉ１、ｂｉ３は、圧縮応力領域ｃ１に対応する。引張応力領域ｔ１に対応する個別電極部と、圧縮応力領域ｃ１に対応する個別電極部とで逆位相の第１共振モード用の第１駆動信号を印加する。

図１９に示すように、ミラー部１１２を第１軸ａ１周りに傾き振動させるために、第１アクチュエータ１１４の各圧電部に対して駆動信号を入力した。ここでは、右下がり斜線で示す個別電極部ａｉ１、ａｉ３およびｂｉ２に、図１５に示すＶ_１ａ、右上がり斜線で示す個別電極部ａｉ２、ｂｉ１およびｂｉ３に、図１５に示すＶ_１ｂの高速駆動信号を入力した。すなわち、個別電極部ａｉ１、ａｉ３およびｂｉ２と個別電極部ａｉ２、ｂｉ１およびｂｉ３とには、同一の高速周波数であって、互いに逆位相の駆動信号を入力した。

図２１は、第２共振モードでミラー部１１２および第１アクチュエータ１１４が第２軸ａ２周りに傾き振動する様子のシミュレーション図であり、ミラー部１１２および第１アクチュエータ１１４が第２軸ａ２を中心として、第１アクチュエータ１１４のｙ軸方向の一端ｙ１が＋ｚ方向に、ｙ軸方向の他端ｙ２が－ｚ方向に傾き変位した状態を示している。図１９と同様に図２１において、色の濃淡は変位量を示している。

図２１に示すように、第１アクチュエータ１１４およびミラー部１１２を第２軸ａ２周りに傾き振動させるために、第２アクチュエータ１１６の各圧電部に対して駆動信号を入力した。ここでは、右下がり斜線で示す個別電極部ａｏ１、ａｏ３およびｂｏ２に、図１７に示すＶ_２ａ、右上がり斜線で示す個別電極部ａｏ２、ｂｏ１およびｂｏ３に、図１７に示すＶ_２ｂの低速駆動信号を入力した。すなわち、個別電極部ａｏ１、ａｏ３およびｂｏ２と個別電極部ａｏ２、ｂｏ１およびｂｏ３とには、同一の低速周波数であって、互いに逆位相の駆動信号を入力した。

実施例、参考例のマイクロミラーデバイスについて、第１共振周波数および第２共振周波数を測定した。また、それぞれ第１共振周波数および第２共振周波数の駆動波形を用いて第１共振モードおよび第２共振モードで駆動させた場合における第１軸ａ１周りに４５°スキャンさせるために必要な第１駆動信号の電圧振幅、第２軸ａ２周りに３０°スキャンさせるために必要な第２駆動信号の電圧振幅を調べた。結果を表１に示す。光学スキャン角度は、レーザーをマイクロミラーデバイスのミラー部の反射面に垂直入射し、スキャンラインの長さを、定規などを用いて測定し、幾何学的関係からスキャンの全角度を求める方法により測定した。

表１において、構造体の本体部サイズとは、固体枠の内周のｘ方向長さ×ｙ方向長さである。

実施例と参考例は、同一の大きさのミラー部を備えたマイクロミラーデバイスであるが、実施例は参考例よりも構造体の本体部サイズを小さくすることができた。

なお、本開示の技術の実施に際しては、本実施例の構成および製造方法に限定されず、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。

２０１９年４月２６日に出願された日本国特許出願２０１９－０８６６３５号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。

Claims (7)

1. 光を反射する反射面を有するミラー部と、
   前記ミラー部を囲んで配置された環状のアクチュエータと、
   前記ミラー部と前記アクチュエータとを、第１軸周りで前記ミラー部が回動可能に接続する第１接続部と、
   前記アクチュエータの外周に設けられた固定部と、
   前記アクチュエータと前記固定部とを、前記第１軸と交差する第２軸周りで前記アクチュエータが回動可能に接続する第２接続部とを備え、
   前記アクチュエータが、前記ミラー部に前記第１軸周りの回転トルクを作用させることにより、前記第１軸周りに傾き振動を生じさせる第１共振モードで前記ミラー部を回転駆動し、かつ、前記ミラー部に前記第２軸周りの回転トルクを作用させることにより、前記第２軸周りに傾き振動を生じさせる第２共振モードで前記ミラー部を回転駆動するマイクロミラーデバイスであり、
   前記アクチュエータは、振動板上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層された圧電素子を備え、さらに、前記上部電極は、分離された複数の個別電極部からなり、かつ、前記圧電素子は、前記複数の個別電極部の各々により規定される複数の圧電部を含む圧電アクチュエータであり、
   前記第１共振モードで回転駆動させた場合の最大変位状態において、前記圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する全ての第１応力反転領域、および前記第２共振モードで回転駆動させた場合の前記圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する全ての第２応力反転領域であって、有限要素法のソフトウエアを用い、デバイス寸法、材料のヤング率、およびデバイス形状のパラメータを与え、モード解析法を使って導出された、全ての第１応力反転領域および全ての第２応力反転領域において、前記上部電極における前記複数の個別電極部が分離されているマイクロミラーデバイス。
2. 前記第１接続部は、前記ミラー部と前記アクチュエータと前記第１軸上で接続する請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
3. 前記第２接続部は、前記アクチュエータと前記固定部とを前記第２軸上で接続する請求項１または２に記載のマイクロミラーデバイス。
4. 前記上部電極は、前記複数の個別電極部として、少なくとも８つの個別電極部を備え、前記複数の個別電極部は、前記第１軸および前記第２軸に対称に配置されている請求項１から３のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
5. 前記アクチュエータの前記複数の圧電部の各々に駆動信号を入力するための駆動回路を備えた請求項１から４のいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
6. 前記駆動回路は、前記第１軸周りに傾き振動を生じさせる前記第１共振モードで前記ミラー部を駆動し、かつ、前記第２軸周りに傾き振動を生じさせる前記第２共振モードで前記ミラー部を駆動する駆動信号を前記複数の圧電部に入力する請求項５に記載のマイクロミラーデバイス。
7. 前記駆動回路は、前記駆動信号として、前記第１共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に前記絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、前記絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に
   印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第１駆動信号と、前記第２共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に前記絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、前記絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第２駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する請求項６に記載のマイクロミラーデバイス。