JP2023039221A - マイクロミラーデバイス及び光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】軸間クロストークによる共振周波数のシフトを抑制することを可能とするマイクロミラーデバイス及び光走査装置を提供する。【解決手段】マイクロミラーデバイスは、ミラー部と、ミラー部を第１軸周りに揺動可能に支持する第１支持部と、第１軸を挟んで対向した一対の可動枠と、可動部を第２軸周りに揺動可能に支持する第２支持部と、可動部を囲んで配置され、第２軸上において第２支持部との間に空隙が存在する駆動部と、第２支持部と駆動部とを連結する連結部と、固定枠とを備え、ミラー部が第１軸周りに回動して回動角度の絶対値が０度よりも大きくなった状態で、第１軸に直交し、かつ第２軸を含む平面において、第２支持部の表面上にあって第２支持部の各端点を含む直線と第２軸との交点と、静止時における第２支持部のミラー部側の端部との距離をＡとし、第２支持部の第２軸方向への全長をＬとした場合に、２／３＜Ａ／Ｌの関係を満たす。【選択図】図８

Description

本開示の技術は、マイクロミラーデバイス及び光走査装置に関する。

シリコン（Ｓｉ）の微細加工技術を用いて作製される微小電気機械システム（Micro Electro Mechanical Systems：ＭＥＭＳ）デバイスの１つとしてマイクロミラーデバイス（マイクロスキャナともいう。）が知られている。このマイクロミラーデバイスは小型かつ低消費電力であることから、レーザーディスプレイ、レーザープロジェクタ、光干渉断層計などへの幅広い応用が期待されている。

マイクロミラーデバイスの駆動方式は様々であるが、圧電体の変形を利用した圧電駆動方式は、他の方式に比べて発生するトルクが高く、高スキャン角が得られるとして有望視されている。特に、レーザーディスプレイのように高いスキャン角が必要な場合には、圧電駆動方式のマイクロミラーデバイスを共振駆動することにより、より高いスキャン角が得られる。

レーザーディスプレイに用いられる一般的なマイクロミラーデバイスは、ミラー部と、圧電方式のアクチュエータとを備える（例えば、特許文献１，２参照）。ミラー部は、互いに直交する第１軸及び第２軸の周りに揺動自在である。アクチュエータは、外部から供給される駆動電圧に応じて、ミラー部を、第１軸及び第２軸の周りに揺動させる。上述のスキャン角は、ミラー部の振れ角に対応する。

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

特開２０１７－１３２２８１号公報 国際公開第２００９／０４１３４２号

一般的にマイクロミラーデバイスを共振駆動すると、第１軸及び第２軸のうち一方の軸周りのミラー部の揺動が他方の軸周りのミラー部の揺動に影響を及ぼす軸間クロストークが発生する。具体的には、一方の軸周りの回動角度の大きさに応じて、他方の軸周りの共振周波数がシフトする。これにより、２次元光走査の安定性が著しく低下してしまう。

例えば、一方の軸周りの駆動周波数を掃引して駆動周波数を共振周波数に近づけることでミラー部の振れ角を大きくしようとした際に、他の軸周りのミラー部の振れ角が、軸間クロストークによって生じる共振周波数のシフトによって大きく変化する。このとき、他の軸周りのミラー部の振れ角の変化が、駆動周波数を掃引した側の軸周りの共振周波数のシフトを引き起こしてしまう。すなわち、軸間クロストークによって一種のフィードバック現象が生じる。

このように、軸間クロストークによる共振周波数のシフト量が大きい場合には、駆動周波数を掃引したとしても、上記フィードバック現象により駆動周波数を共振周波数に合わせることができず、ミラー部の振れ角を大きくすることができないという問題がある。

本開示の技術は、軸間クロストークによる共振周波数のシフトを抑制することを可能とするマイクロミラーデバイス及び光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本開示のマイクロミラーデバイスは、入射光を反射する反射面が形成されたミラー部と、ミラー部の静止時の反射面を含む平面内にある第１軸上でミラー部と接続され、かつミラー部を第１軸周りに揺動可能に支持する第１支持部と、第１支持部に接続され、第１軸を挟んで対向した一対の可動枠と、ミラー部の静止時の反射面を含む平面内であって第１軸に直交する第２軸上で可動枠に接続され、かつ、ミラー部、第１支持部、及び可動枠を含む可動部を第２軸周りに揺動可能に支持する第２支持部と、可動部を囲んで配置され、第２軸上において第２支持部との間に空隙が存在する駆動部と、第２支持部と駆動部とを連結する連結部と、駆動部に接続され、かつ駆動部を囲んで配置された固定枠と、を備え、ミラー部が第１軸周りに回動して回動角度の絶対値が０度よりも大きくなった状態で、第１軸に直交し、かつ第２軸を含む平面において、第２支持部の表面上にあって第２支持部の各端点を含む直線と第２軸との交点と、静止時における第２支持部のミラー部側の端部との距離をＡとし、第２支持部の第２軸方向への全長をＬとした場合に、２／３＜Ａ／Ｌの関係を満たす。

駆動部は、圧電素子を有することが好ましい。

駆動部は、第２軸を挟んで対向し、かつ圧電素子を有する一対の第１アクチュエータと、第１アクチュエータを囲んで配置され、第１軸を挟んで対向し、かつ圧電素子を有する一対の第２アクチュエータと、を備えることが好ましい。

第２アクチュエータは、ミラー部を第１軸周りに揺動させ、第１アクチュエータは、可動部を第２軸周りに揺動させることが好ましい。

距離Ａ及び全長Ｌが、２／３＜Ａ／Ｌ＜６／５の関係を満たすことが好ましい。

本開示の光走査装置は、上記のうちいずれかのマイクロミラーデバイスと、駆動部を駆動するプロセッサと、を備える光走査装置であって、プロセッサは、駆動部に駆動信号を与えることにより、ミラー部を、第１軸及び第２軸の周りにそれぞれ揺動させる。

本開示の技術によれば、軸間クロストークによる共振周波数のシフトを抑制することを可能とするマイクロミラーデバイス及び光走査装置を提供することができる。

光走査装置の概略図である。 駆動制御部のハードウェア構成の一例を示すブロック図である。 マイクロミラーデバイスの外観斜視図である。 マイクロミラーデバイスを光入射側から見た平面図である。 図４のＡ－Ａ線に沿った断面図である。 ミラー部が第１軸周りに回動した状態を示す断面図である。 第１駆動信号及び第２駆動信号の一例を示す図である。 ミラー部が第１軸周りに回動する場合における第２支持部の変位を模式的に示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 マイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 パラメータの具体的な設定値を示す図である。 変形例に係るマイクロミラーデバイスの平面図である。 変形例に係るマイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 変形例に係るマイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 変形例に係るマイクロミラーデバイスの構成要素の寸法に関するパラメータを示す図である。 パラメータの具体的な設定値を示す図である。 各サンプルについての実験結果を示す図である。 比率Ａ／Ｌｂ１に対する共振周波数のシフト量の依存性を示すグラフである。 比率Ａ／Ｌｂ１に対する消費電力の依存性を示すグラフである。 シミュレーション結果を示す図である。

添付図面に従って本開示の技術に係る実施形態の一例について説明する。

図１は、一実施形態に係る光走査装置１０を概略的に示す。光走査装置１０は、マイクロミラーデバイス（以下、ＭＭＤ（Micro Mirror Device）という。）２と、光源３と、駆動制御部４とを有する。光走査装置１０は、駆動制御部４の制御に従って、光源３から照射された光ビーム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。

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。

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。

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。

詳しくは後述するが、駆動制御部４は、ミラー部２０を第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２の周りにそれぞれ共振させることにより、ミラー部２０で反射される光ビームＬは、被走査面５上においてリサージュ波形を描くように走査される。この光走査方式は、リサージュスキャン方式と呼ばれる。

光走査装置１０は、例えば、リサージュスキャン方式のレーザーディスプレイに適用される。具体的には、光走査装置１０は、ＡＲ（Augmented Reality）グラス又はＶＲ（Virtual Reality）グラス等のレーザースキャンディスプレイに適用可能である。

図２は、駆動制御部４のハードウェア構成の一例を示す。駆動制御部４は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）４０、ＲＯＭ（Read Only Memory）４１、ＲＡＭ（Random Access Memory）４２、光源ドライバ４３、及びＭＭＤドライバ４４を有する。ＣＰＵ４０は、ＲＯＭ４１等の記憶装置からプログラム及びデータをＲＡＭ４２に読み出して処理を実行することにより、駆動制御部４の全体の機能を実現する演算装置である。ＣＰＵ４０は、本開示の技術に係るプロセッサの一例である。

ＲＯＭ４１は、不揮発性の記憶装置であり、ＣＰＵ４０が処理を実行するためのプログラム、及び前述の光走査情報等のデータを記憶している。ＲＡＭ４２は、プログラム及びデータを一時的に保持する揮発性の記憶装置である。

光源ドライバ４３は、ＣＰＵ４０の制御に従って、光源３に駆動信号を出力する電気回路である。光源ドライバ４３においては、駆動信号は、光源３の照射タイミング及び照射強度を制御するための駆動電圧である。

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

ＣＰＵ４０は、光走査情報に基づいて光源ドライバ４３及びＭＭＤドライバ４４を制御する。光走査情報は、被走査面５に走査する光ビームＬの走査パターンと、光源３の発光タイミングとを含む情報である。

次に、図３～図５を用いて第１実施形態に係るＭＭＤ２の構成を説明する。図３は、ＭＭＤ２の外観斜視図である。図４は、ＭＭＤ２を光入射側から見た平面図である。図５は、図４のＡ－Ａ線に沿った断面図である。

図３に示すように、ＭＭＤ２は、ミラー部２０、一対の第１支持部２１、一対の可動枠２２、一対の第２支持部２３、一対の第１アクチュエータ２４、一対の第２アクチュエータ２５、一対の第１接続部２６Ａ、一対の第２接続部２６Ｂ、及び固定枠２７を有する。ＭＭＤ２は、いわゆるＭＥＭＳスキャナである。

ミラー部２０は、入射光を反射する反射面２０Ａを有する。反射面２０Ａは、ミラー部２０の一面に設けられた、例えば、金（Ａｕ）又はアルミニウム（Ａｌ）等の金属薄膜で形成されている。反射面２０Ａの形状は、例えば、第１軸ａ_１と第２軸ａ_２との交点を中心とした円形状である。

第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２は、例えば、ミラー部２０が静止した静止時において反射面２０Ａを含む平面内に存在する。ＭＭＤ２の平面形状は、矩形状であって、第１軸ａ_１に関して線対称であり、かつ第２軸ａ_２に関して線対称である。

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

一対の可動枠２２は、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ_１に関して線対称となる形状である。可動枠２２の各々は、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。また、可動枠２２の各々は、ミラー部２０の外周に沿って湾曲している。可動枠２２の両端はそれぞれ第１支持部２１に接続されている。

第１支持部２１と可動枠２２とは、互いに接続されることにより、ミラー部２０を囲んでいる。なお、ミラー部２０、第１支持部２１、及び可動枠２２は、可動部６０を構成している。

一対の第２支持部２３は、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。第２支持部２３の各々は、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。第２支持部２３は、第２軸ａ_２上で可動枠２２に接続されており、ミラー部２０を有する可動部６０を、第２軸ａ_２周りに揺動可能に支持している。また、第２支持部２３の両端はそれぞれ第１アクチュエータ２４に接続されている。

一対の第１アクチュエータ２４は、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。また、第１アクチュエータ２４は、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。第１アクチュエータ２４は、可動枠２２及び第１支持部２１の外周に沿って形成されている。第１アクチュエータ２４は、圧電素子を備えた圧電駆動方式のアクチュエータである。

なお、図３及び図４では、第１アクチュエータ２４が第１軸ａ_１の付近で分離されているように見えるが、第１アクチュエータ２４は、不図示の配線により、第１軸ａ_１を挟んで電気的に接続されている。

第２支持部２３と第１アクチュエータ２４とは、互いに接続されることにより、可動部６０を囲んでいる。

一対の第２アクチュエータ２５は、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。また、第２アクチュエータ２５は、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。第２アクチュエータ２５は、第１アクチュエータ２４及び第２支持部２３の外周に沿って形成されている。第２アクチュエータ２５は、圧電素子を備えた圧電駆動方式のアクチュエータである。

なお、図３及び図４では、第２アクチュエータ２５が第２軸ａ_２付近で分離されているように見えるが、第２アクチュエータ２５は、不図示の配線により、第２軸ａ_２を挟んで電気的に接続されている。

一対の第１接続部２６Ａは、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。また、第１接続部２６Ａの各々は、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。第１接続部２６Ａは、第１軸ａ_１に沿って配置されており、第１軸ａ_１上で、第１アクチュエータ２４と第２アクチュエータ２５とを接続している。

一対の第２接続部２６Ｂは、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。また、第２接続部２６Ｂの各々は、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。第２接続部２６Ｂは、第２軸ａ_２に沿って配置されており、第２軸ａ_２上で、第２アクチュエータ２５と固定枠２７とを接続している。

第２アクチュエータ２５と第２接続部２６Ｂとは、互いに接続されることにより、可動部６０、及び第１アクチュエータ２４を囲んでいる。第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５は、可動部６０を囲んで配置された駆動部を構成している。

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

第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５は、それぞれ圧電素子を有する圧電アクチュエータである。一対の第１アクチュエータ２４は、ミラー部２０及び可動枠２２に第２軸ａ_２周りの回転トルクを作用させることにより、可動部６０を第２軸ａ_２周りに揺動させる。一対の第２アクチュエータ２５は、ミラー部２０、可動枠２２、及び第１アクチュエータ２４に第１軸ａ_１周りの回転トルクを作用させることにより、ミラー部２０を第１軸ａ_１周りに揺動させる。

図４に示すように、第１支持部２１は、揺動軸２１Ａと、一対の連結部２１Ｂとで構成されている。揺動軸２１Ａは、第１軸ａ_１に沿って延伸した、いわゆるトーションバーである。揺動軸２１Ａは、一端がミラー部２０に接続されており、他端が連結部２１Ｂに接続されている。

第１軸ａ_１上において、第１支持部２１と駆動部との間には空間的な隔たり（以下、空隙という。）Ｇ１が存在する。

一対の連結部２１Ｂは、第１軸ａ_１を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第１軸ａ_１に関して線対称な形状である。連結部２１Ｂは、一端が揺動軸２１Ａに接続されており、他端が可動枠２２に接続されている。連結部２１Ｂは、折り返し構造を有している。連結部２１Ｂは、折り返し構造により弾性を有するため、ミラー部２０が第１軸ａ_１周りに揺動する際に、揺動軸２１Ａにかかる内部応力を緩和する。

第２支持部２３は、揺動軸２３Ａと、一対の連結部２３Ｂとで構成されている。揺動軸２３Ａは、第２軸ａ_２に沿って延伸した、いわゆるトーションバーである。揺動軸２３Ａは、一端が可動枠２２に接続されており、他端が連結部２３Ｂに接続されている。

第２軸ａ_２上において、第２支持部２３と駆動部との間には空隙Ｇ２が存在する。

一対の連結部２３Ｂは、第２軸ａ_２を挟んで対向する位置に配置されており、かつ、第２軸ａ_２に関して線対称な形状である。連結部２３Ｂは、一端が揺動軸２３Ａに接続されており、他端が第１アクチュエータ２４に接続されている。連結部２３Ｂは、折り返し構造を有している。連結部２３Ｂは、折り返し構造により弾性を有するため、ミラー部２０が第２軸ａ_２周りに揺動する際に、揺動軸２３Ａにかかる内部応力を緩和する。

また、ミラー部２０には、反射面２０Ａの外側に、反射面２０Ａの外周に沿って複数のスリット２０Ｂ，２０Ｃが形成されている。複数のスリット２０Ｂ，２０Ｃは、第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２のそれぞれに関して線対称となる位置に配置されている。スリット２０Ｂは、ミラー部２０が揺動することにより反射面２０Ａに生じる歪を抑制する作用を有する。

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

図５に示すように、ＭＭＤ２は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板３０をエッチング処理することにより形成されている。ＳＯＩ基板３０は、単結晶シリコンからなる第１シリコン活性層３１の上に、酸化シリコン層３２が設けられ、酸化シリコン層３２の上に単結晶シリコンからなる第２シリコン活性層３３が設けられた基板である。

ミラー部２０、第１支持部２１、可動枠２２、第２支持部２３、第１アクチュエータ２４、第２アクチュエータ２５、第１接続部２６Ａ、及び第２接続部２６Ｂは、ＳＯＩ基板３０からエッチング処理により第１シリコン活性層３１及び酸化シリコン層３２を除去することで残存した第２シリコン活性層３３により形成されている。第２シリコン活性層３３は、弾性を有する弾性部として機能する。固定枠２７は、第１シリコン活性層３１、酸化シリコン層３２、及び第２シリコン活性層３３の３層で形成されている。

第１アクチュエータ２４は、第２シリコン活性層３３上に形成された圧電素子（図示せず）を含む。圧電素子は、第２シリコン活性層３３上に、下部電極、圧電膜、及び上部電極が順に積層された積層構造を有する。第２アクチュエータ２５は、第１アクチュエータ２４と同様の構成である。

上部電極及び下部電極は、例えば、金（Ａｕ）又は白金（Ｐｔ）等で形成されている。圧電膜は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）で形成されている。上部電極及び下部電極は、配線及び電極パッドを介して、前述の駆動制御部４に電気的に接続されている。

上部電極には、駆動制御部４から駆動電圧が印加される。下部電極は、配線及び電極パッドを介して駆動制御部４に接続され、基準電位（例えば、グランド電位）が付与されている。

圧電膜は、分極方向に正又は負の電圧が印加されると、印加電圧に比例した変形（例えば、伸縮）が生じる。すなわち、圧電膜は、いわゆる逆圧電効果を発揮する。圧電膜は、駆動制御部４から上部電極に駆動電圧が印加されることにより逆圧電効果を発揮して、第１アクチュエータ２４及び第２アクチュエータ２５を変位させる。

図６は、一対の第２アクチュエータ２５の一方の圧電膜を伸張させ、他方の圧電膜を収縮させることにより、第２アクチュエータ２５に、第１軸ａ_１周りの回転トルクを発生させる例を示している。このように、一対の第２アクチュエータ２５の一方と他方とが互いに逆方向に変位することにより、ミラー部２０が第１軸ａ_１の周りに回動する。

また、図６は、一対の第２アクチュエータ２５の変位方向と、ミラー部２０の回動方向とが互いに逆方向である逆位相の共振モード（以下、逆位相回動モードという。）で、第２アクチュエータ２５を駆動した例である。これに対して、一対の第２アクチュエータ２５の変位方向と、ミラー部２０の回動方向とが同じ方向である同位相の共振モードを、同位相回動モードという。本実施形態では、逆位相回動モードで第２アクチュエータ２５を駆動する。

ミラー部２０の第１軸ａ_１周りの振れ角θは、駆動制御部４が第２アクチュエータ２５に与える駆動信号（以下、第１駆動信号という。）により制御される。第１駆動信号は、例えば正弦波の交流電圧である。第１駆動信号は、一対の第２アクチュエータ２５の一方に印加される駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）と、他方に印加される駆動電圧波形Ｖ_１Ｂ（ｔ）とを含む。駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ_１Ｂ（ｔ）は、互いに逆位相（すなわち位相差１８０°）である。

なお、ミラー部２０の第１軸ａ_１周りの振れ角θは、反射面２０Ａの法線Ｎが、ＹＺ平面においてＺ方向に対して傾斜する角度に対応する。以下、振れ角θを、回動角度θともいう。

第１アクチュエータ２４は、第２アクチュエータ２５と同様に、逆位相の共振モードで駆動される。ミラー部２０の第２軸ａ_２周りの振れ角は、駆動制御部４が第１アクチュエータ２４に与える駆動信号（以下、第２駆動信号という。）により制御される。第２駆動信号は、例えば正弦波の交流電圧である。第２駆動信号は、一対の第２アクチュエータ２５の一方に印加される駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）と、他方に印加される駆動電圧波形Ｖ_２Ｂ（ｔ）とを含む。駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）と駆動電圧波形Ｖ_２Ｂ（ｔ）は、互いに逆位相（すなわち位相差１８０°）である。

図７は、第１駆動信号及び第２駆動信号の一例を示す。図７（Ａ）は、第１駆動信号に含まれる駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）を示す。図７（Ｂ）は、第２駆動信号に含まれる駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）を示す。

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

ここで、Ｖ_１は振幅電圧である。Ｖ_ｏｆｆ１はバイアス電圧である。ｆ_ｄ１は駆動周波数（以下、第１駆動周波数という。）である。ｔは時間である。αは、駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）の位相差である。本実施形態では、例えば、α＝１８０°とする。

駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）が一対の第２アクチュエータ２５に印加されることにより、ミラー部２０は、第１駆動周波数ｆ_ｄ１で第１軸ａ_１周りに揺動する。

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

ここで、Ｖ_２は振幅電圧である。Ｖ_ｏｆｆ２はバイアス電圧である。ｆ_ｄ２は駆動周波数（以下、第２駆動周波数という。）である。ｔは時間である。βは、駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）の位相差である。本実施形態では、例えば、β＝１８０°とする。また、φは、駆動電圧波形Ｖ_１Ａ（ｔ）及びＶ_１Ｂ（ｔ）と、駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）との位相差である。また、本実施形態では、例えば、Ｖ_ｏｆｆ１＝Ｖ_ｏｆｆ２＝０Ｖとする。

駆動電圧波形Ｖ_２Ａ（ｔ）及びＶ_２Ｂ（ｔ）が一対の第１アクチュエータ２４に印加されることにより、ミラー部２０を含む可動部６０は、第２駆動周波数ｆ_ｄ２で第２軸ａ_２周りに揺動する。

第１駆動周波数ｆ_ｄ１は、ミラー部２０の第１軸ａ_１周りの共振周波数に一致するように設定される。第２駆動周波数ｆ_ｄ２は、ミラー部２０の第２軸ａ_２周りの共振周波数に一致するように設定される。本実施形態では、第１駆動周波数ｆ_ｄ１は、第２駆動周波数ｆ_ｄ２より大きい。

以上のように構成されたＭＭＤ２を、第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２の周りに２次元駆動した場合、可動部６０が第２軸ａ_２周りに揺動する際に働く遠心力が、ミラー部２０の第１軸ａ_１周りの揺動を助ける働きをする。この遠心力によるポテンシャルエネルギーは、ミラー部２０の揺動時に保存される弾性エネルギーと運動エネルギーとの総量に影響を与える。この結果、ミラー部２０の揺動におけるばね定数が変化して軸間クロストークが発生することにより、共振周波数がシフトする。

本出願人は、ミラー部２０が第１軸ａ_１周りに回動して回動角度θの絶対値が０度よりも大きくなった状態で、第２支持部２３の変位が所定の条件を満たす場合に、軸間クロストークによる共振周波数のシフトが抑制されることを見出した。

第２支持部２３の変位が所定の条件を満たす場合には、可動部６０のミラー部２０以外の部分の変位量が増加する。これにより、ＭＭＤ２全体における弾性エネルギーと運動エネルギーとの総量が増加する。これにより、上記遠心力によるポテンシャルエネルギーが全体のエネルギーに与える影響が相対的に小さくなり、軸間クロストークによる共振周波数のシフトが抑制される。

図８は、ミラー部２０が第１軸ａ_１周りに回動する場合における第２支持部２３の変位を模式的に示す。図８（Ａ）は、ミラー部２０が静止しており、回動角度θが０度の状態を示す。図８（Ｂ）は、ミラー部２０が第１軸ａ_１周りに回動して回動角度θの絶対値が０度よりも大きくなった状態を示す。

図８は、第１軸ａ_１に直交し、かつ第２軸ａ_２を含む平面でＭＭＤ２を切断した断面図を示す。図８（Ｂ）に示す直線α及び交点Ｃは、ＭＭＤ２の断面に含まれる。具体的には、直線αは、第２支持部２３の表面上にあって第２支持部２３の各端点を含む直線である。交点Ｃは、直線αと第２軸ａ_２とが交わる点である。

静止時の第２支持部２３の第２軸ａ_２方向への全長をＬｂ１とする。また、第２軸ａ_２方向において、静止時の第２支持部２３のミラー部２０側の端部から交点Ｃまでの距離をＡとする。本出願人は、後述する実験により、距離Ａが全長Ｌｂ１の２／３倍よりも大きい場合（すなわち２／３×Ｌｂ１＜Ａの場合）に、軸間クロストークによる共振周波数のシフトが抑制されることを見出した。

後述する実験では、本出願人は、ＭＭＤ２について、距離Ａが異なる複数のサンプルを作製し、各サンプルを駆動することにより軸間クロストークによる共振周波数のシフト量を計測した。具体的には、各サンプルを、第１軸ａ_１周りに１次元駆動した場合における第１軸ａ_１周りの共振周波数（以下、第１共振周波数ｆｒ１という。）と、第１軸ａ_１及び第２軸ａ_２の周りに２次元駆動した場合における第１軸ａ_１周りの共振周波数（以下、第２共振周波数ｆｒ２という。）とを計測した。そして、軸間クロストークによる共振周波数のシフト量Δｆｒを、第１共振周波数ｆｒ１と第２共振周波数ｆｒ２との差を算出することにより求めた。

図９及び図１０は、実験に用いたサンプルの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図１１は、パラメータの具体的な設定値を示す。

また、ミラー部２０の直径を１．５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを４３０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを６０μｍ、酸化シリコン層３２の厚みを４０μｍとした。また、固定枠２７の一辺の長さを５．２ｍｍとした。

本出願人は、図１１に示すパラメータのうちＸａｃ２及びＹａｃ２を変数とした。すなわち、本出願人は、サンプルごとにＸａｃ２及びＹａｃ２の長さを変えることにより、距離Ａが異なる複数のサンプルを作製した。

［変形例］
また、本出願人は、変形例として、上記実施形態に係るＭＭＤ２とは各構成要素の形状等が異なるＭＭＤ２Ａについてサンプルを作製した。

図１２は、変形例に係るＭＭＤ２Ａの構成を示す。図１２において、上記実施形態に係るＭＭＤ２と同一の機能を奏する構成要素には同一の符号を付している。なお、ＭＭＤ２Ａでは、第１接続部２６Ａ及び第２接続部２６Ｂに代えて、接続部２６が設けられている。接続部２６は、第１軸ａ_１上に設けられており、第１アクチュエータ２４を第２アクチュエータ２５に接続するとともに、第２アクチュエータ２５を固定枠２７に接続している。

図１３～図１５は、ＭＭＤ２Ａの各構成要素の幅及び長さ等に関するパラメータを示す。図１６は、パラメータの具体的な設定値を示す。

また、変形例では、ミラー部２０の直径を１．５ｍｍ、ＳＯＩ基板３０の厚みを３５０μｍ、第２シリコン活性層３３の厚みを６０μｍ、酸化シリコン層３２の厚みを６５μｍとした。また、固定枠２７の一辺の長さを５．２ｍｍとした。

［実験結果］
上記実施形態と変形例について、真空チャンバ内で各サンプルを駆動して第１共振周波数ｆｒ１及び第２共振周波数ｆｒ２を計測した。具体的には、駆動時のミラー部２０にレーザ光を照射しながら、駆動周波数を掃引し、反射光の広がり角度が最も大きくなる駆動周波数を共振周波数として計測した。また、反射光の広がり角度からミラー部２０の振れ角を算出した。

図１７は、各サンプルについての第１共振周波数ｆｒ１及び第２共振周波数ｆｒ２の計測結果を示す。サンプル番号１は、変形例に係るＭＭＤ２Ａについて作製したサンプルを示す。サンプル番号２～９は、実施形態に係るＭＭＤ２について作製したサンプルを示す。サンプル番号２～９は、Ｘａｃ２及びＹａｃ２の長さが異なる。

第１共振周波数ｆｒ１は、第１軸ａ_１周りのミラー部２０の振れ角が±１．２５度の場合における１次元駆動時の共振周波数である。第２共振周波数ｆｒ２は、第１軸ａ_１周りのミラー部２０の振れ角が±１．２５度で、かつ第２軸ａ_２周りのミラー部２０の振れ角が±１１．５度の場合における２次元駆動時の共振周波数である。共振周波数のシフト量Δｆｒは、第２共振周波数ｆｒ２から第１共振周波数ｆｒ１を減算した値である。

また、各サンプルについてレーザードップラー振動計を用いて距離Ａを計測した。そして、計測した距離Ａを用いて、第２支持部２３の全長Ｌｂ１に対する距離Ａの比率Ａ／Ｌｂ１を算出した。

ＡＲグラス用レーザーディスプレイへの応用を考えた場合、２次元駆動時の各軸周りのミラー部２０の振れ角の適正値は、第１軸ａ_１周りが±１７度であり、第２軸ａ_２周りが±１１．５度である。そこで、各サンプルについて、振れ角が適正値を保ちながら、６０秒以上安定して２次元駆動が可能であったか否かを判定した。「ＯＫ」は、６０秒以上の安定した２次元駆動が可能であったことを表す。「ＮＧ」は、６０秒以上の安定した２次元駆動が可能でなかったことを表す。

また、各サンプルの消費電力を、第１軸ａ_１周りの１次元駆動で共振させた状態で、電流プローブを用いて計測した。このとき、第１軸ａ_１周りのミラー部２０の振れ角は±１７度であった。

図１７に示す実験結果によれば、比率Ａ／Ｌｂ１が大きいほど、共振周波数のシフト量Δｆｒが小さくなることが分かる。なお、シフト量Δｆｒが小さいとは、シフト量Δｆｒの絶対値が小さいことを意味する。また、比率Ａ／Ｌｂ１が２／３より大きければ（約０．６６より大きければ）、２次元駆動が安定化し、ＡＲグラス用レーザーディスプレイへの応用の観点で優位性が得られることが分かる。図１８は、比率Ａ／Ｌｂ１に対する共振周波数のシフト量Δｆｒの依存性を示すグラフである。

図１９は、比率Ａ／Ｌｂ１に対する消費電力の依存性を示すグラフである。一般的なレーザーディスプレイ用途では消費電力は小さい方が望ましい。目安として、１次元駆動時における消費電力が８０ｍＷ以下であれば、レーザーディスプレイ用途としての優位性をある程度確保することができる。したがって、比率Ａ／Ｌｂ１が６／５以下（１．２以下）であれば、消費電力が８０ｍＷ以下となり、消費電力の観点である程度の優位性を確保することができることが分かる。

すなわち、比率Ａ／Ｌｂ１は、２／３＜Ａ／Ｌｂ１の関係を満たすことが好ましい。さらに、比率Ａ／Ｌｂ１は、２／３＜Ａ／Ｌｂ１＜６／５の関係を満たすことが好ましい。

図２０は、シミュレーション結果を示す。図２０（Ａ）～（Ｃ）は、Ｘａｃ２及びＹａｃ２の長さが異なる。交点Ｃは、第２支持部２３の変位がゼロの点に対応する。Ｘａｃ２及びＹａｃ２の長さに応じて、交点Ｃの位置が変化（すなわち距離Ａが変化）することが分かる。また、シミュレーションにおいても、比率Ａ／Ｌｂ１が大きいほど、共振周波数のシフト量Δｆｒが小さくなることが確認された。

なお、上記実施形態において、駆動制御部４のハードウェア構成は種々の変形が可能である。駆動制御部４の処理部は、１つのプロセッサで構成されてもよいし、同種または異種の２つ以上のプロセッサの組み合わせで構成されてもよい。プロセッサには、ＣＰＵ、プログラマブルロジックデバイス（Programmable Logic Device:ＰＬＤ）、専用電気回路等が含まれる。ＣＰＵは、周知のとおりソフトウエア（プログラム）を実行して各種の処理部として機能する汎用的なプロセッサである。ＰＬＤは、ＦＰＧＡ（Field Programmable Gate Array）等の、製造後に回路構成を変更可能なプロセッサである。専用電気回路は、ＡＳＩＣ（Application Specific Integrated Circuit）等の特定の処理を実行させるために専用に設計された回路構成を有するプロセッサである。

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。

２，２Ａ マイクロミラーデバイス
３ 光源
４ 駆動制御部
５ 被走査面
１０ 光走査装置
２０ ミラー部
２０Ａ 反射面
２０Ｂ，２０Ｃ スリット
２１ 第１支持部
２１Ａ 揺動軸
２１Ｂ 連結部
２２ 可動枠
２３ 第２支持部
２３Ａ 揺動軸
２３Ｂ 連結部
２４ 第１アクチュエータ
２５ 第２アクチュエータ
２６ 接続部
２６Ａ 第１接続部
２６Ｂ 第２接続部
２７ 固定枠
３０ ＳＯＩ基板
３１ 第１シリコン活性層
３２ 酸化シリコン層
３３ 第２シリコン活性層
４０ ＣＰＵ
４１ ＲＯＭ
４２ ＲＡＭ
４３ 光源ドライバ
４４ ドライバ
６０ 可動部
Δｆｒ シフト量
α 直線
θ 回動角度
Ａ 距離
Ｃ 交点
Ｇ１，Ｇ２ 空隙
Ｌ 光ビーム
Ｎ 法線
ａ_１ 第１軸
ａ_２ 第２軸

Claims (6)

1. 入射光を反射する反射面が形成されたミラー部と、
   前記ミラー部の静止時の前記反射面を含む平面内にある第１軸上で前記ミラー部と接続され、かつ前記ミラー部を前記第１軸周りに揺動可能に支持する第１支持部と、
   前記第１支持部に接続され、前記第１軸を挟んで対向した一対の可動枠と、
   前記ミラー部の静止時の前記反射面を含む平面内であって前記第１軸に直交する第２軸上で前記可動枠に接続され、かつ、前記ミラー部、前記第１支持部、及び前記可動枠を含む可動部を前記第２軸周りに揺動可能に支持する第２支持部と、
   前記可動部を囲んで配置され、前記第２軸上において前記第２支持部との間に空隙が存在する駆動部と、
   前記第２支持部と前記駆動部とを連結する連結部と、
   前記駆動部に接続され、かつ前記駆動部を囲んで配置された固定枠と、
   を備え、
   前記ミラー部が前記第１軸周りに回動して回動角度の絶対値が０度よりも大きくなった状態で、
   前記第１軸に直交し、かつ前記第２軸を含む平面において、前記第２支持部の表面上にあって前記第２支持部の各端点を含む直線と前記第２軸との交点と、静止時における前記第２支持部の前記ミラー部側の端部との距離をＡとし、前記第２支持部の前記第２軸方向への全長をＬとした場合に、２／３＜Ａ／Ｌの関係を満たす、
   マイクロミラーデバイス。
2. 前記駆動部は、圧電素子を有する、
   請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
3. 前記駆動部は、
   前記第２軸を挟んで対向し、かつ圧電素子を有する一対の第１アクチュエータと、
   前記第１アクチュエータを囲んで配置され、前記第１軸を挟んで対向し、かつ圧電素子を有する一対の第２アクチュエータと、
   を備える請求項１に記載のマイクロミラーデバイス。
4. 前記第２アクチュエータは、前記ミラー部を前記第１軸周りに揺動させ、
   前記第１アクチュエータは、前記可動部を前記第２軸周りに揺動させる、
   請求項３に記載のマイクロミラーデバイス。
5. 距離Ａ及び全長Ｌが、２／３＜Ａ／Ｌ＜６／５の関係を満たす、
   請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイス。
6. 請求項１から請求項４のうちいずれか１項に記載のマイクロミラーデバイスと、
   前記駆動部を駆動するプロセッサと、
   を備える光走査装置であって、
   前記プロセッサは、前記駆動部に駆動信号を与えることにより、前記ミラー部を、前記第１軸及び前記第２軸の周りにそれぞれ揺動させる、
   光走査装置。

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