JP6301017B2 - ミラー駆動装置およびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明はミラー駆動装置、ミラー駆動装置の制御方法およびミラー駆動装置の製造方法に関し、特に情報通信または距離計測に用いる、入射光の反射方向および焦点位置を変化させるためのミラー駆動装置に関する。
従来より、ミラーを支持する梁の曲げ変形によりミラーの姿勢および変位を変化させ、ミラーに入射した光の反射する方向および焦点位置を変化させるミラー駆動装置が知られている。たとえば国際公開第2003/062899号(特許文献1)においては、ミラー素子、薄膜圧電体、電極および弾性体からなる圧電素子が基板上に形成された光スイッチが開示されている。ここでは電極に電圧を印加することにより薄膜圧電体をたわみ変形させ、これに伴うミラー素子の回転軸周り回転を利用してミラー素子を駆動させている。
国際公開第2003/062899号
国際公開第2003/062899号の光スイッチにおいては、ひずみ吸収部により、ミラー素子と弾性体とが接続されている。当該光スイッチは、複数の薄膜圧電体のそれぞれに異なる電圧を印加してミラー素子を駆動させている。この場合、特に薄膜圧電体を載置する梁とミラー素子とがMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術などにより一体の部材として形成されれば、光スイッチの駆動時にミラー素子に応力が加わりやすくなり、ミラー素子の平面度が低下する可能性が危惧される。これは上記梁とミラー素子との間に配置され両者を接続するひずみ吸収部の作用によるものである。ミラー素子の平面度が低下すれば、ミラー素子における反射光の特性を低下させる可能性がある。
本発明は以上の問題に鑑みなされたものであり、その目的は、たとえ圧電材料を載置する梁とミラー素子とが一体として形成されても、当該梁とミラー素子との間の応力を低減し、ミラー素子の平面度の低下を抑制することが可能なミラー駆動装置、ミラー駆動装置の制御方法およびミラー駆動装置の製造方法を提供することである。
本発明のミラー駆動装置は、反射体と、1対の梁部とを備えている。反射体は入射光を反射可能である。1対の梁部は平面視において反射体を挟むように反射体と連なっている。1対の梁部は、反射体を挟むように反射体に直接連なる1対の第1の梁と、1対の第1の梁における反射体と反対側に連結される1対の第2の梁とを含む。1対の第1の梁の主表面上には、圧電材料を介して複数の電極が互いに間隔をあけて並べられる。1対の第1の梁は、主表面に交差する方向に沿って互いに逆方向に変位させることが可能である。反射体と1対の第1の梁とが直接連なる第1の境界部は、主表面に交差する方向に変位させることが可能であり、1対の第1の梁の幅は反射体の幅より小さい。1対の第2の梁は、1対の第1の梁と1対の第2の梁とを結び第2の梁の主表面に沿う方向に変位可能である。複数の電極のうち反射体に近い側の第1の電極と、第1の電極と隣り合う第2の電極とに互いに符号が反対の電圧を印加可能である。電圧による圧電材料の変形を利用して反射体が、反射体と1対の第1の梁との境界部とを結ぶ直線に対して直交する軸周りに傾斜可能である。1対の第1の梁のうち一方の第1の梁における第1の電極と、1対の第1の梁のうち一方とは異なる他方の第1の梁における第1の電極とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加される。1対の第1の梁のうち一方の第1の梁における第2の電極と、1対の第1の梁のうち他方の第1の梁における第2の電極とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加される。1対の第1の梁と、1対の第2の梁とを含む列が複数配置される。複数の列に含まれる第1の列および第2の列は、平面視において互いに交差するように配置されている。
本発明のミラー駆動装置の製造方法は、まず入射光を反射可能な反射体が形成される。平面視において反射体を挟むように反射体と連なる1対の梁部が形成される。1対の梁部は、反射体を挟むように反射体に直接連なる1対の第1の梁と、1対の第1の梁における反射体と反対側に連結される1対の第2の梁とを含む。1対の第1の梁の主表面上には、圧電材料を介して複数の電極が互いに間隔をあけて並べられるように形成される。1対の第1の梁は、主表面に交差する方向に沿って互いに逆方向に変位させることが可能である。反射体と1対の第1の梁とが直接連なる第1の境界部は、主表面に交差する方向に変位させることが可能であり、1対の第1の梁の幅は反射体の幅より小さい。1対の第2の梁は、1対の第1の梁と1対の第2の梁とを結び第2の梁の主表面に沿う方向に変位可能である。複数の電極のうち反射体に近い側の第1の電極と、第1の電極と隣り合う第2の電極とに互いに符号が反対の電圧を印加可能である。電圧による圧電材料の変形を利用して反射体が、反射体と1対の第1の梁との境界部とを結ぶ直線に対して直交する軸周りに傾斜可能である。1対の第1の梁のうち一方の第1の梁における第1の電極と、1対の第1の梁のうち一方とは異なる他方の第1の梁における第1の電極とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加される。1対の第1の梁のうち一方の第1の梁における第2の電極と、1対の第1の梁のうち他方の第1の梁における第2の電極とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加される。1対の第1の梁と、1対の第2の梁とを含む列が複数配置される。複数の列に含まれる第1の列および第2の列は、平面視において互いに交差するように配置されている。
本発明によれば、反射体に近い第1の梁がその主表面に交差する方向に変位可能であり、第2の梁が第1の梁と第2の梁とを結ぶ第2の梁の主表面に沿う方向に変位可能である。このため反射体とそれに接続される第1の梁との間の応力を低減させ、反射体の平面度の低下を抑制することができる。
実施の形態1の第1例のミラー駆動装置の全体構成を示す斜視図である。 実施の形態1の第1例のミラー駆動装置の全体構成を示す概略平面図である。 図2のIII−III線に沿う部分の概略断面図である。 図2中の点線で囲まれた領域IVの概略拡大平面図であり、特に上側電極の平面形状の第1例、および第2の梁の平面形状の第1例を示す概略拡大平面図である。 第2の梁の平面形状の、図4とは異なる第2例を示す概略拡大平面図である。 第2の梁の平面形状の、図4とは異なる第3例を示す概略拡大平面図である。 上側電極の平面形状の、図4とは異なる第2例を示す概略拡大平面図である。 実施の形態1のミラー駆動装置の製造方法の第1工程を示す概略断面図である。 実施の形態1のミラー駆動装置の製造方法の第2工程を示す概略断面図である。 実施の形態1のミラー駆動装置の製造方法の第3工程を示す概略断面図である。 実施の形態1のミラー駆動装置の製造方法の第4工程を示す概略断面図である。 実施の形態1のミラー駆動装置の製造方法の第5工程を示す概略断面図である。 実施の形態1のミラー駆動装置の製造方法の第6工程を示す概略断面図である。 実施の形態1のミラー駆動装置の製造方法の第7工程を示す概略断面図である。 図2から1つの圧電素子の部分を抜き取った概略拡大断面図である。 図15の圧電素子の上側電極に正の電圧が印加されたときの変形の態様を示す概略拡大断面図である。 図15の圧電素子の上側電極に負の電圧が印加されたときの変形の態様を示す概略拡大断面図である。 図2から一方の第1の梁部の全体における梁の部分の、圧電素子への電圧印加による変形の態様を抜き取った概略拡大図である。 図2からミラー部および双方の第1の梁部の全体における梁の部分の、圧電素子への電圧印加による変形の態様を抜き取った概略拡大図である。 図19におけるミラー部および第1の梁部の各部の寸法およびX方向に対する傾斜角度を示す概略拡大図である。 梁長さに対する反射ミラー半径の寸法の割合と、梁の第1の境界部における角度の誤差を最小にする係数αとの関係を示すグラフである。 実施の形態1の第2例のミラー駆動装置の全体構成を示す概略平面図である。 実施の形態2の第1例のミラー駆動装置の全体構成を示す概略平面図である。 実施の形態2の第2例のミラー駆動装置の全体構成を示す概略平面図である。
以下、本発明の実施の形態について図に基づいて説明する。
実施の形態1.
まず本実施の形態の第1例のミラー駆動装置の構成について図1〜図4を用いて説明する。なお、説明の便宜のため、X方向、Y方向、Z方向が導入されている。また図1においては見やすくする観点から他の図に比べて梁のY方向の幅を広く示している。図1〜図4において、X方向は反射ミラー部Mと第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2とを結ぶ方向であり、第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2の延在する方向である。Y方向は平面視においてX方向と直交する方向すなわち第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2の延在方向に交差する方向である。Z方向は第1の梁部BL1において第1の梁11BL1の上に電極12BL1,14BL1および圧電膜13BL1が積層される方向である。
図1、図2および図3を参照して、本実施の形態の第1例におけるミラー駆動装置100は、反射ミラー部Mと、1対の第1の梁部BL1,BR1(1対の梁部)と、1対の第2の梁部BL2,BR2(1対の梁部)とを主に有している。1対の第1の梁部のうちの一方である第1の梁部BL1は、反射ミラー部Mに対して図1、図2および図3のX方向左側に隣り合うように存在し、1対の第1の梁部のうちの他方である第1の梁部BR1は、反射ミラー部Mに対して図1、図2および図3のX方向右側に隣り合うように存在する。同様に、1対の第2の梁部のうちの一方である第2の梁部BL2は、第1の梁部BL1に対して図1、図2および図3のX方向左側すなわち反射ミラー部Mから遠い側に存在し、1対の第1の梁部のうちの他方である第2の梁部BR2は、第1の梁部BR1に対して図1、図2および図3のX方向右側すなわち反射ミラー部Mから遠い側に存在する。
反射ミラー部Mと、1対の第1の梁部BL1,BR1と、1対の第2の梁部BL2,BR2とのそれぞれは、梁11と、下側電極12と、圧電膜13と、上側電極14とにより構成されている。まず梁11、下側電極12、圧電膜13および上側電極14のそれぞれの配置態様について説明する。
梁11は、X方向に関する図1、図2および図3のX方向左側の端部である左方端ELおよびX方向右側の端部である右方端ERにより支持され、左方端ELおよび右方端ERの間をX方向に直線状に延びる部材である。ここでは反射ミラー部Mにおける梁11を反射ミラー11Mとし、1対の第1の梁部BL1,BR1のそれぞれにおける梁11をそれぞれ第1の梁11BL1,11BR1とし、1対の第2の梁部BL2,BR2のそれぞれにおける梁11をそれぞれ第2の梁11BL2,11BR2としている。したがって梁11は、反射ミラー11Mと、1対の第1の梁11BL1,11BR1と、1対の第2の梁11BL2,11BR2とにより構成されている。
このうち反射ミラー部Mの反射ミラー11Mは、一般のミラーと同様に入射光を反射可能な反射体として形成されている。下側電極12は、1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれの主表面上に形成されている薄膜状の電極であり、たとえば平面視において矩形状を有している。なお第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれの主表面とは、第1の梁11BL1,11BR1の表面のうち、XY平面に沿いZ方向上側を向く表面を意味する。第1の梁11BL1の主表面上の下側電極12は下側電極12BL1であり、第1の梁11BR1の主表面上の下側電極12は下側電極12BR1である。すなわち下側電極12は、第1の梁部BL1の下側電極12BL1と、第2の梁部BL2の下側電極12BR1とを含んでいる。
圧電膜13は、下側電極12BL1,12BR1のそれぞれのZ方向上方を向く主表面上に、下側電極12BL1,12BR1に重なるように形成されている薄膜状の部材であり、たとえば平面視において矩形状を有している。下側電極12BL1の主表面上の圧電膜13は圧電膜13BL1,13BL2である。圧電膜13BL1は圧電膜13BL2よりも反射ミラー部Mに近い側に配置され、圧電膜13BL1と圧電膜13BL2とは互いに間隔をあけて配置されている。下側電極12BR1の主表面上の圧電膜13は圧電膜13BR1,13BR2である。圧電膜13BR1は圧電膜13BR2よりも反射ミラー部Mに近い側に配置され、圧電膜13BR1と圧電膜13BR2とは互いに間隔をあけて配置されている。すなわち圧電膜13は、第1の梁部BL1における1対の圧電膜13BL1,13BL2と、第1の梁部BR1における1対の圧電膜13BR1,13BR2とを含んでいる。
上側電極14は、圧電膜13BL1,13BL2,13BR1,13BR2のそれぞれのZ方向上方を向く主表面上に重なるように形成されている薄膜状の電極であり、たとえば平面視において矩形状を有している。圧電膜13BL1,13BL2,13BR1,13BR2のそれぞれの真上に形成される上側電極14は、それぞれ上側電極14BL1,14BL2,14BR1,14BR2である。したがって上側電極14BL1と上側電極14BL2とは互いに間隔をあけて配置されており、上側電極14BR1と上側電極14BR2とは互いに間隔をあけて配置されている。すなわち上側電極14は、第1の梁部BL1における1対の上側電極14BL1,14BL2と、第1の梁部BR1における1対の上側電極14BR1,14BR2とを含んでいる。
また上側電極14BL1,14BL2,14BR1,14BR2と同一材料により同時に形成された同一の層として、反射ミラー部Mの梁11に相当する反射ミラー11MのZ方向上方を向く主表面上には反射膜14Mが形成されている。反射膜14Mは反射ミラー11Mのミラーとして入射光を反射させる機能をより高めるために、反射ミラー11MのZ方向上側の主表面上に形成されている。
次に上記とは視点を変えて、反射ミラー部Mと、1対の第1の梁部BL1,BR1と、1対の第2の梁部BL2,BR2とのそれぞれの構成について説明する。
再度図2および図3を参照して、X方向に関する中央部に配置される反射ミラー部Mにおいては、梁11の一部としての反射ミラー11Mと、その主表面上の反射膜14Mとがこの順に積層されている。反射ミラー11Mおよび反射膜14Mは、平面視においてたとえば円形を有している。
第1の梁部BL1が反射ミラー部MのX方向左側に配置されることから、第1の梁11BL1は、平面視において反射ミラー11Mから見た一方向すなわちX方向左側に連なっている。第1の梁部BL1には、梁11の一部としての第1の梁11BL1と、下側電極12BL1と、1対の圧電膜13BL1,13BL2と、1対の上側電極14BL1,14BL2とがこの順に積層されている。圧電膜13BL1と圧電膜13BL2との双方が下側電極12BL1上に積層されている。圧電膜13BL1上にこれとほぼ同じ形状および面積の上側電極14BL1が、圧電膜13BL2上にこれとほぼ同じ形状および面積の上側電極14BL2が、それぞれ積層される。したがって上側電極14BL1,14BL2の面積は下側電極12BL1の面積の約半分となっている。
また第1の梁部BR1が反射ミラー部MのX方向右側に配置されることから、第1の梁11BR1は、平面視において反射ミラー11Mから見た上記一方向と反対側の他方向すなわちX方向右側に連なっている。第1の梁部BR1には、梁11の一部としての第1の梁11BR1と、下側電極12BR1と、1対の圧電膜13BR1,13BR2と、1対の上側電極14BR1,14BR2とがこの順に積層されている。各電極等の形状および面積の関係は、第1の梁部BL1における上記の対応する各電極等と同様である。このように、平面視において、X方向について反射ミラー膜11Mを挟むように、反射ミラー膜11Mと連なる1対の梁部、すなわち第1の梁部BL1および第1の梁部BR1、ならびに第2の梁部BL2および第2の梁部BR2が備えられている。
このように1対の第1の梁11BL1,11BR1が形成されている。第1の梁11BL1の主表面上には、圧電材料としての圧電膜13BL1,13BL2を介して複数の電極としての上側電極14BL1,14BL2が互いに間隔をあけて並べられている。なおここでは複数の電極として2つの上側電極14BL1,14BL2が形成されているが、これに限らず3つ以上の上側電極14が形成されてもよい。また同様に、第1の梁11BR1の主表面上には、圧電材料としての圧電膜13BR1,13BR2を介して複数の電極としての上側電極14BR1,14BR2が互いに間隔をあけて並べられている。第1の梁11BR1上にも3つ以上の上側電極14が形成されてもよい。
第2の梁部BL2が第1の梁部BL1のX方向左側に、第2の梁部BR2が第1の梁部BR1のX方向右側に配置されることから、1対の第2の梁11BL2,11BR2は、平面視において1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれの、反射ミラー11Mとは反対側に連なっている。すなわち第2の梁11BL2は第1の梁11BL1の反射ミラー部Mから遠い側であるX方向左側に連なっており、第2の梁11BR2は第1の梁11BR1の反射ミラー部Mから遠い側であるX方向右側に連なっている。
このように、反射ミラー膜11Mと連なる1対の梁部は、反射ミラー膜11Mを挟むように反射ミラー膜11Mに直接連なる1対の第1の梁11BL1,11BR1と、1対の第1の梁11BL1,11BR1における反射ミラー膜11Mと反対側に連結される1対の第2の梁11BL2,11BR2とを含む。
ここで梁11は通常、反射ミラー11Mと、1対の第1の梁11BL1,11BR1と、1対の第2の梁11BL2,11BR2とがすべて一体として連なっており、梁11は単一の部材により構成されているが、そのような場合に限られない。すなわちここで「平面視において反射ミラー11Mから見た一方向に連なる第1の梁11BL1」と表記する場合、反射ミラー11Mとそれに隣接する第1の梁11BL1とは一体の梁11として形成されてもよいし、互いに別の梁11として配置されそれらが接続された態様であってもよいことを意味する。「平面視において反射ミラー11Mから見た他方向に連なる第1の梁11BR1」についても同様である。
第2の梁部BL2は、梁11の一部としての第2の梁11BL2により形成されている。また第2の梁部BR2は、梁11の一部としての第2の梁11BR2により形成されている。図4を参照して、たとえば第2の梁11BL2は、これを平面視したときに、その一部の領域であるたとえばX方向の中央部において、他の領域よりもY方向に関する幅が狭くなるようにくびれたH字形状を有していることが好ましいが、このような態様に限られない。たとえば図5を参照して、第2の梁11BL2は、Y方向負側に片持ち梁を2つ設けたような平面形状であってもよい。すなわち第2の梁11BL2のX方向一方側および他方側において1対、他の領域よりもY方向負側に延びた領域としての片持ち梁が存在している。あるいはたとえば図6を参照して、第2の梁11BL2は、Y方向正側および負側の双方に片持ち梁を2つずつ設け、これらが第1の梁11BL1のX方向延長上の第2の梁11BL2の部分を挟み込むような平面形状であってもよい。以上の図4〜図6に示す態様は第2の梁11BR1に限らず、第2の梁11BR2についても同様である。
また図4においては上側電極14BL1,14BL2はX方向に延びる矩形の平面形状を有している。しかし上側電極14BL1,14BL2の平面形状はこれに限られない。たとえば図7を参照して、上側電極14BL1,14BL2は梁11の延在するX方向に沿って延びつつY方向に関して複数回折り返してその延在方向が反転するように屈曲した平面形状を有していてもよい。このようにすれば、梁11が変形したときに下側電極12および上側電極14に生じる、梁11の長手方向すなわちX方向の応力を緩和することができ、金属材料の疲労による断線等を防ぐことができる。このことはミラー駆動装置100の確実な動作に寄与する。このことは上側電極14BL1,14BL2に限らず、上側電極14BR1,14BR2についても同様である。
左方端ELおよび右方端ERのそれぞれは、ミラー駆動装置100全体のX方向に関する左方および右方の端部に配置されている。左方端ELおよび右方端ERは、梁11などからなるミラー駆動装置100全体をそのX方向の両端側から固定する固定部としての役割を有している。左方端ELはX方向に関して第2の梁部BL2(第2の梁11BL2)の反射ミラー11Mとは反対側に連なっており、右方端ERはX方向に関して第2の梁部BR2(第2の梁11BR2)の反射ミラー11Mとは反対側に連なっている。図2〜図4においては具体的な図示が省略されているが、左方端ELおよび右方端ERのそれぞれについても、梁11の一部の領域を含むように(すなわち第1および第2の梁11BL1,11BL2などと一体の部材としての領域を含むように)形成されていてもよいし、梁11などとは別の部材として形成されてもよい。
ミラー駆動装置100においては、1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれは、下側電極12、圧電膜13、上側電極14が積層されたXY平面に沿う主表面に交差する方向、すなわちZ方向に沿う方向に変位させることが可能となっている。つまり1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれは、XZ平面内にて変形することが可能となっている。また1対の第1の梁11BL1,11BR1のうち一方をZ方向上側に、他方をZ方向下側に変位させることが可能である。すなわち1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれを、上側電極14が積層されたXY平面に沿う主表面に交差するZ方向に関して互いに異なる方向に変位させることが可能である。つまり、1対の第1の梁11BL1,11BR1を主表面に交差するZ方向に沿って互いに逆方向に変位させることができ、たとえば第1の梁11BL1をZ方向上側に、第1の梁11BR1をZ方向下側に変位させることができる。
一方、1対の第2の梁11BL2,11BR2のそれぞれは、1対の第1の梁11BL1,11BR1と1対の第2の梁11BL2,11BR2とを結びかつ第2の梁11BL2,11BR2の主表面に沿う方向すなわちX方向に沿う方向に変位可能である。つまり第2の梁11BL2,11BR2については、Z方向には(誤差による微動を除き)積極的に変位可能な構成とはなっていない。
平面視において反射ミラー11Mと1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれとは第1の境界部CL1,CR1において直接連なっている。ここで連なっているとは上記のように、反射ミラー11Mと第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれとが一体の梁11として形成されてもよく、またこれらが別の梁11が接続された態様として繋がれてもよいことを意味する。また直接連なるとは、反射ミラー11Mと第1の梁11BL1,11BR1との間には何も配置されず両領域が互いに隣り合うように連続していることを意味する。
第1の境界部CL1,CR1は、第1の梁11BL1,11BR1の圧電膜13BL1,13BL2などが形成される主表面に交差する方向すなわちZ方向に沿う方向に変位可能である。すなわち第1の境界部CL1,CR1は1対の第1の梁11BL1,11BR1の変位に追随して変位可能である。
また1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれと、1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれに隣接する1対の第2の梁11BL2,11BR2のそれぞれとの境界としての第2の境界部CL2は、1対の第1の梁11BL1,11BR1と1対の第2の梁11BL2,11BR2とを結びかつ第2の梁11BL2,11BR2の主表面に沿う方向すなわちX方向に沿う方向に変位可能である。つまり第2の境界部CL2については、Z方向には(誤差による微動を除き)積極的に変位可能な構成とはなっていない。
次に、ミラー駆動装置100の各部材の構成材料、および電気的な接続態様について説明する。
梁11はたとえば導電性のない単結晶シリコンにより形成されている。ただし梁11は、圧電膜13への電界印加による伸縮を梁11の曲げとして用いることができる任意の弾性体材料とすることができる。下側電極12はたとえば白金の薄膜により形成されている。白金は圧電膜13の構成材料の成膜の下地を構成する材料として適している。圧電膜13は圧電材料としてのチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)により形成されている。また上側電極14および反射膜14Mはたとえば金の薄膜により形成されている。金は光に対して高い反射率を有する。このため金は反射ミラー11Mでの光の反射率をより高めるための反射膜14Mの材料として適している。ただし下側電極12および上側電極14はこれに限らず、圧電膜13に電圧を印加可能な任意の材料とすることができる。
下側電極12BL1と上側電極14BL1,14BL2とは、積層方向に関してこれらの間に挟まれる圧電膜13BL1,13BL2により互いに電気的に絶縁されている。また下側電極12BR1と上側電極14BR1,14BR2とは、積層方向に関してこれらの間に挟まれる圧電膜13BR1,13BR2により互いに電気的に絶縁されている。またこれらの各電極からの配線の引出しについては図2〜図4に示されていないが、各電極からミラー駆動装置100の外部の電源に電気的に接続することができる。また図2〜図4に具体的に示されていないが、下側電極12BL1と下側電極12BR1とは引出し配線にて接続された外部の電源により互いに電気的に接続され、これらの下側電極12BL1,12BR1の電位が基準電位となる。
なお下側電極12BL1と下側電極12BR1とは電気的に絶縁されていてもよいが、これらは電気的に接続されていてもよい。
次に、図8〜図14を用いて、上記のミラー駆動装置100の製造方法について説明する。
図8を参照して、たとえばシリコンの単結晶からなるシリコン層10と、シリコン酸化膜からなるシリコン酸化膜層15と、シリコンの単結晶からなるシリコン層11Sとがこの順に積層されたSOI(Silicon on Insulator)基板20が準備される。
図9を参照して、上記SOI基板20のZ方向に関する最上層であるシリコン層11Sの、シリコン酸化膜層15と対向する側とは反対側すなわち上側を向く主表面上に、通常の写真製版技術(成膜およびパターニング)およびエッチングにより、下側電極12すなわち下側電極12BL1,12BR1の薄膜パターンが形成される。下側電極12BL1,12BR1は、第1の梁部BL1となるべき領域および第1の梁部BR1となるべき領域に形成される。これにより、第1の梁部BL1,BR1が形成され、その第1の梁部BL1のシリコン層11Sは、そのX方向中央部が反射ミラー11Mとして形成され、反射ミラー部Mとなるべき領域として区画される。言い換えれば、図8および図9の工程により、入射光を反射可能な反射ミラー11Mが形成される。またシリコン層11Sの反射ミラー11Mから見た一方向およびそれと反対側の他方向に連なる1対の第1の梁11BL1,11BR1として形成される。
図10を参照して、下側電極12BL1,12BR1のZ方向上側を向く主表面上に、通常の写真製版技術およびエッチングにより、圧電膜13すなわち圧電膜13BL1,13BL2,13BR1,13BR2の薄膜パターンが形成される。
図11を参照して、圧電膜13BL1,13BL2,13BR1,13BR2の各パターンと平面的にほぼ完全に一致して重なるように、上側電極14としての上側電極14BL2,14BR1,14BR2の薄膜パターンが形成される。これにより、1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれの主表面上に、圧電膜13を介して複数(たとえば2つずつ)の電極14BL1,14BL2,14BR1,14BR2が互いに間隔をあけて並べられるように形成される。
またこれと同時に、特に反射ミラー部Mとなるべき領域においては、シリコン層11S上に、上側電極14BL1などと同一の層としての反射膜14Mの薄膜パターンが形成される。これにより、反射膜14Mが形成される領域の真下の梁11の部分は反射ミラー11Mとして形成され、反射ミラー部Mが形成される。
図12を参照して、SOI基板20の特にシリコン層11Sを部分的にパターニングおよびエッチングすることにより、たとえば図4に示すような第2の梁部BL2,BR2の第2の梁11BL2,11BR2の形状が形成される。シリコン層11Sの部分的なエッチングは、たとえばICP−RIE(Inductive Coupled Plasma Reactive Ion Etching)と呼ばれる誘導結合型反応性イオンエッチングによりなされることが好ましい。この第2の梁11BL2,11BR2の形状が形成される領域として、第2の梁部BL2,BR2が形成される。これは平面視において1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれの反射ミラー11Mとは反対側に連なる1対の第2の梁11BL2,11BR2として形成される。また梁11は、各領域の境界部としての第1の境界部CL1,CR1および第2の境界部CL2,CR2を含むこととなる。
以上の各工程に示すように、第1の梁部BL1,BR1となるべき領域および反射ミラー部Mとなるべき領域と、この第2の梁部BL2,BR2となるべき領域の範囲が明確に区画されることにより、反射ミラー部M,第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2のそれぞれが形成される。言い換えれば、平面視において、X方向について反射ミラー膜11Mを挟むように、反射ミラー膜11Mと連なる1対の梁部、すなわち第1の梁部BL1および第1の梁部BR1、ならびに第2の梁部BL2および第2の梁部BR2が形成される。1対の梁部は、反射ミラー膜11Mを挟むように反射ミラー膜11Mに直接連なる1対の第1の梁11BL1,11BR1と、1対の第1の梁11BL1,11BR1における反射ミラー膜11Mと反対側に連結される1対の第2の梁11BL2,11BR2とを含む。またSOI基板の最上層としてのシリコン層11Sは梁11として形成される。なお第2の梁部BL2,BR2のX方向外側すなわちX方向端部側には左方端ELおよび右方端ERが形成されてもよく、図12〜図14においてはこれらが形成されたものとして図示されている。
図13を参照して、たとえばICP−RIEにより、反射ミラー部M、第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2のシリコン層10が除去される。これにより、梁11の全体が左方端ELおよび右方端ERのたとえばシリコン層10により支持される。
図14を参照して、たとえばCF4と呼ばれる四フッ化炭素ガスを用いたドライエッチングにより、反射ミラー部M、第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2のシリコン酸化膜層15が除去される。
なお、最終的には図2に示すように、平面視において反射ミラー11Mを含む反射ミラー部Mはたとえば円形に形成されるが、それ以外の第1および第2の梁部BL1,BL2などは細長くなるように形成される。このため図示されないが、たとえば図12、図13および図14の工程においては、図2のような平面形状を形成するように、不要な領域のSOI基板20が除去される加工がなされる。以上により、図2〜図4に示すミラー駆動装置100が形成される。
以上のように本実施の形態のミラー駆動装置100は、たとえばシリコン基板上に成膜、パターニング、エッチングなどの工程を繰り返し行なういわゆる半導体微細加工技術またはMEMSデバイス技術の適用により形成することができる。また以上の製造方法を採用することにより、本実施の形態のミラー駆動装置100は、反射ミラー部Mの反射ミラー11M、ならびに第1の梁部BL1,BR1における第1の梁11BL1,11BR1および第2の梁部BL2,BR2における第2の梁11BL2,11BR2はすべて一体の梁11として形成される。
次に、本実施の形態のミラー駆動装置100の動作および制御方法を説明した上で、本実施の形態の作用効果について説明する。まず図15〜図17を用いて、本実施の形態のミラー駆動装置100を構成する圧電素子の動作原理について説明する。
図15を参照して、以下の図15〜図17においては一例として第1の梁部BL1における第1の梁11BL1および下側電極12BL1のX方向右側約半分、およびその真上の圧電膜13BL1および上側電極14BL1が積層された領域を抜き取り、この領域の変形等の動作原理について説明する。
ミラー駆動装置100の第1の梁部BL1においては、下側電極12BL1と上側電極14BL1とが圧電膜13BL1を介して互いにZ方向に関して対向するように設けられており、これにより圧電素子を構成している。同様に下側電極12BL1と上側電極14BL2とが圧電膜13BL2を介して対向する圧電素子と、下側電極12BR1と上側電極14BR1とが圧電膜13BR1を介して対向する圧電素子と、下側電極12BR1と上側電極14BR2とが圧電膜13BR2を介して対向する圧電素子とが形成されている。
これらの圧電素子はいずれも、圧電膜13を上下方向から挟む1対の電極12,14間に電圧を印加することにより、圧電膜13に電界を印加することができる。したがって図15の下側電極12BL1と上側電極14BL1との間に電圧を印加すれば、これらに挟まれた圧電膜13BL1には膜厚方向すなわちZ方向に電界が印加される。これにより圧電膜13BL1は、その電界の方向に応じてその主表面に沿う方向すなわちXY平面に沿う方向に伸縮する。これにより圧電膜13BL1は、圧電膜13BL1と互いに積層された配置関係にある第1の梁11BL1の部分を反らせるように変形する。
図16を参照して、たとえば上側電極14BL1に正の電圧、下側電極12BL1に負の電圧が印加された場合、それらの間の圧電膜13BL1にはZ方向下向きの電界が印加される。このとき、圧電膜13BL1がそのXY平面に沿う主表面に沿って伸びようと変形すれば、その真下の第1の梁11BL1はZ方向上側に凸の形状となるように反る。その結果、積層される圧電素子の全体がZ方向上側に凸の形状となるように反る。
図17を参照して、たとえば上側電極14BL1に負の電圧、下側電極12BL1に正の電圧が印加された場合、それらの間の圧電膜13BL1にはZ方向上向きの電界が印加される。このとき、圧電膜13BL1がそのXY平面に沿う主表面に沿って縮もうと変形すれば、その真下の第1の梁11BL1はZ方向下側に凸の形状となるように反る。その結果、積層される圧電素子の全体がZ方向下側に凸の形状となるように反る。このように圧電素子においては、圧電膜13に印加される電界の方向に応じてその伸縮の態様が互いに反対となる。このため、上側電極14に印加する電圧の正負に応じて圧電膜13の反りの方向を変え、上側電極14に印加する電圧の大きさに応じて圧電膜13の反りの曲率を変えることができる。すなわち、上側電極14と下側電極12との間の電圧の正負および大きさによりその真下の梁11の変形の態様を制御することができる。
このような圧電素子の変形の性質を利用して、ミラー駆動装置100の反射ミラー11Mを含む反射ミラー部Mの傾斜角度および変位などが変化するように制御される。次に図18〜図21を用いて、上記の圧電素子を用いたミラー駆動装置100の制御方法について説明する。
図18〜図20においては第1の梁部BL1などの各領域における梁11について考え、梁11の変形は基本的にその真上に積層される圧電膜13の変形に追随するものとする。図18を参照して、第1の梁部BL1において上側電極14BL1が配置される領域とそれに隣接する上側電極14BL2が配置される領域との双方に注目する。
ミラー駆動装置100の実際の駆動時には、第1の梁部BL1に複数(2つ)並ぶ上側電極14BL1,14BL2のうち、反射ミラー11Mに近い側の第1の電極としての上側電極14BL1と、上側電極14BL1と隣り合う第2の電極としての上側電極14BL2とに、互いに符号が反対の電圧が印加される。具体的には、下側電極12BL1(図15参照)の電位を基準電位とし、それに対して上側電極14BL1に印加される電圧を正の電圧+V1を印加し、上側電極14BL2に印加される電圧を上側電極14BL1とは符号が反対である負の電圧−V2とする。なお|V1|>|V2|とする。
図18に模式的に示すように、上側電極14BL1を含む圧電素子の部分においては第1の梁11BL1はZ方向上側に凸となるように変形し、上側電極14BL2を含む圧電素子の部分においては第1の梁11BL1はZ方向下側に凸となるように変形する。上側電極14BL1を含む圧電素子の部分の曲率半径をR1とし、上側電極14BL2を含む圧電素子の部分の曲率半径をR2とすれば、R2>R1となる。このため、上側電極14BL1の真下の第1の梁11BL1の部分の方が上側電極14BL2の真下の第1の梁11BL1の部分よりも反りが大きくなっているといえる。
上側電極14BL1と上側電極14BL2とはX方向に沿う長さがほぼ等しい。このため曲率半径R1,R2と、梁11の反りによりX方向に延びるように形成される円弧の中心角θ1,θ2とは互いに反比例の関係となる。
曲率半径R1が曲率半径R2よりも小さくなることから、上側電極14BL1側の梁11のX方向右側の端部は図18中のZ方向の基準位置(Z=0)よりも上側の座標位置(Z>0)にて、Z方向下側を向くように傾斜した態様となる。この上側電極14BL1側の梁のX方向右側の端部である第1の境界部CL1は反射ミラー部Mの反射ミラー11Mに連なるため、上記の第1の境界部CL1での梁11の傾斜に倣うように反射ミラー11MはX方向右側がZ方向下側を向くように回転変位が生じ、傾斜することになる。このように、ミラー制御装置100においては、圧電素子に加える電圧による圧電膜13の変形を利用して反射ミラー11Mを傾斜させる。
図18においては第1の梁部BL1の第1の梁11BL1のみを考慮したが、次に図19を用いて、ミラー駆動装置100の反射ミラー部Mおよび第1の梁部BR1、第2の梁部BL2,BR2も含めて考慮した場合の圧電素子への電圧印加および各領域の変形傾斜について説明する。
図19を参照して、1対の第1の梁11BL1,11BR1のうちの第1の梁11BL1における第1の電極としての上側電極14BL1と、それとは反対側の第1の梁11BR1における第1の電極としての上側電極14BR1とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加される。また1対の第1の梁11BL1,11BR1のうちの第1の梁11BR1における第2の電極としての上側電極14BL2と、それとは反対側の第1の梁11BR1における第2の電極としての上側電極14BR2とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加される。すなわち、上側電極14BL1には図18と同様に正の電圧+V1が印加されるが、上側電極14BR1にはそれと絶対値が同じであるが符号が逆である負の電圧−V1が印加される。また上側電極14BL2には図18と同様に負の電圧−V2が印加されるが、上側電極14BR2にはそれと絶対値が同じであるが符号が逆である正の電圧+V2が印加される。
このとき、図19に模式的に示すように、上側電極14BR1を含む圧電素子の部分においては第1の梁11BR1はZ方向下側に凸となるように変形し、上側電極14BR2を含む圧電素子の部分においては第1の梁11BR1はZ方向上側に凸となるように変形する。上側電極14BR1を含む圧電素子の部分の曲率半径をR1とし、上側電極14BL2を含む圧電素子の部分の曲率半径をR2とすれば、第1の梁11BL1と同様にR2>R1となる。このため上側電極14BR1側の梁11のX方向左側の端部は図19中のZ方向の基準位置(Z=0)よりも下側の座標位置(Z<0)にて、Z方向上側を向くように傾斜した態様となる。この上側電極14BR1側の梁のX方向左側の端部である第1の境界部CR1は反射ミラー部Mの反射ミラー11Mに連なるため、上記の第1の境界部CR1での梁11の傾斜に倣うように反射ミラー11MはX方向左側がZ方向上側を向くように回転変位が生じ、傾斜することになる。
そして第1の梁11BL1と第2の梁11BL2との第2の境界部CL2、および第1の梁11BR1と第2の梁11BR2との第2の境界部CR2において梁11は基準座標位置(Z=0)に位置し、第2の梁11BL2,11BR2はその全体がZ=0の位置を維持している。
以上より、図19の梁11の全体は、反射ミラー11MのX方向中央部におけるY座標が0の位置のY軸を中心として点対称の位置に配置されるように変形する。また図19の梁11は、反射ミラー部M、第1の梁部BL1,BR1および第1の境界部CL1,CR1においてはZ方向に変位可能であるが、第2の境界部CL2,CR2および第2の梁部BL2,BR2においてはZ=0に位置し、Z方向に変位しないようになっている。
たとえば図8〜図14に示すように反射ミラー部Mと第1の梁部BL1,BR1との梁11が一体に形成された場合、梁11の形成工程をより単純化させることができる。しかしこの場合、これら各領域間の梁11が別の部材である場合に比べて、梁11はミラー駆動装置100を構成する他の部材からの応力の影響を受けやすくなる。この梁11が、仮に反射ミラー11Mと第1の梁11BL1,11BR1との第1の境界部CL1,CR1において、Z方向に変位せずXY方向のみに変位可能な構成である場合には、反射ミラー11Mの平面度を低下させる懸念がある。これは第1の梁11BL1,11BR1および第1の境界部CL1,CR1が圧電素子の駆動時の梁11の変形によりZ方向に移動できない場合、梁11はY軸周りのモーメントを受け、反射ミラー11Mを変形させることに起因する。
そこで本実施の形態のミラー駆動装置100においては、1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれは、梁11の主表面に交差するZ方向に沿って変位可能となっている。また第1の境界部CL1,CR1についても同様に、梁11の主表面に交差するZ方向に変位可能となっている。これにより、梁11が上記のようなY軸周りのモーメントを受け、反射ミラー11Mを変形させる可能性を低減することができる。
また第1の梁11BL1は図19のZ方向上側に、第1の梁11BR1は図19のZ方向下側に変位するため、これら1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれがZ方向に関する互いに異なる方向(逆方向)に変位可能となっている。このため、図19のようにたとえば第1の境界部CL1と第1の境界部CR1とにおける第1の梁11BL1,11BR1をともに右下がりとなるように傾斜させることができる。これにより、これらの第1の境界部CL1,CR1の間に挟まれた反射ミラー11Mが図19における直線状すなわち平面状を保つ態様とすることができ、反射ミラー11Mの平面度の低下を抑制することができる。
一方、仮に第2の梁11BL2,11BR2なども含む梁11の全体がZ方向に移動可能であれば、固定部である左方端ELおよび右方端ERにて支持される梁11が第1の梁11BL1などにおいてZ方向に変位することに伴うX方向の変位をキャンセルするための領域が存在し得なくなり不都合が生じる。そこで本実施の形態のミラー駆動装置100においては、1対の第2の梁11BL2,11BR2のそれぞれは、1対の第1の梁11BL1,11BR1と1対の第2の梁11BL2,11BR2のそれぞれとを結び第2の梁11BL2,11BR2の主表面に沿う方向すなわちX方向に沿って変位可能となっている。また第2の境界部CL2,CR2も同様にX方向に沿って変位可能となっている。これらの領域はZ方向にはほとんど変位しない。このため、第1の梁11BL1,11BR1のZ方向の変形によりX方向の長さの変化を吸収し相殺させることができる。
X方向に変位可能でありZ方向に変位しない第2の梁11BL2,11BR2が、第1の梁11BL1,11BR1の反射ミラー11Mとは反対側に連なっている。言い換えれば第2の梁11BL2,11BR2などは、反射ミラー11Mから見て第1の梁11BL1,11BR1などより遠い側に配置される。このようにX方向(のみ)に変位する部分は反射ミラー11Mから離れているため第2の梁11BL2,11BR2および第2の境界部CL2,CR2がX方向のみに変位したとしても、梁11がその影響を受けてY軸周りのモーメントを生じさせ、反射ミラー11Mを変形させる可能性を低減することができる。
以上のように第1の梁11BL1,11BR1および第1の境界部CL1,CR1はZ方向に変位可能であり、第2の梁11BL2,11BR2および第2の境界部CL2,CR2はX方向(のみ)に変位可能である図19の態様とすることができる理由は、上記の圧電素子への電圧印加による変曲方向の制御にある。すなわち再度図19を参照して、第1の梁部BL1における反射ミラー11Mに近い側の上側電極14BL1と、第1の梁部BR1における反射ミラー11Mに近い側の上側電極14BR1とには絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加されるためである。これにより上側電極14BL1と上側電極14BR1との一方をZ方向上側に凸に、他方をZ方向下側に凸に変形させることができ、かつ両者の湾曲する曲率をほぼ等しくすることができる。このため1対の第1の境界部CL1,CR1のうち一方をZ=0の上側に、他方をZ=0の下側に、Y=0に対して点対称となるように変位させ、かつ両者ともたとえばX方向に関する右下がりになるよう傾斜させることができる。したがって1対の第1の境界部CL1,CR1の間に挟まれる反射ミラー11Mを湾曲などの変形しないように傾斜させることができる。
ここでの反射ミラー11Mの傾斜は、圧電素子に電圧が印加されれば、たとえ梁11をY軸方向から支持する部材がなくてもY軸周りの回転変位を与えることができることにより可能となる。
また第1の梁部BL1において、反射ミラー11Mに近い側の上側電極14BL1と上側電極14BL2とに互いに符号が反対の電圧が印加されるため、上側電極14BL1と上側電極14BL2との一方をZ方向上側に凸に、他方をZ方向下側に凸に変形させることができる。このためたとえ第1の境界部CL1においてZ座標が0でなく梁11がZ方向に関して傾斜したとしても、第2の境界部CL2においてはZ座標が0となるように梁11を変曲させることができる。この変曲する点は、Z方向に関する湾曲の方向が逆転する、上側電極14BL1と上側電極14BL2との境界部に当たる。このようにすれば、第2の境界部CL2、およびそこより反射ミラー11Mから離れた側の第2の梁11BL2はZ座標を0に保ちながらX方向(のみ)に変位させることが可能となる。
ここで、上記のミラー駆動装置100の制御方法において、さらに確実に反射ミラー11Mの平面度の低下を抑制するための制御方法について説明する。
上記のように上側電極14BL1,14BL2,14BR1,14BR2への電圧印加を制御することにより、反射ミラー11Mの姿勢すなわち傾斜方向および傾斜角度を制御することができる。ここで、反射ミラー11Mの傾斜と、第1の梁部BL1と反射ミラー11Mとの第1の境界部CL1における傾斜とに注目する。なお以下においては第1の梁部BL1と反射ミラー11Mとの第1の境界部CL1について考察するが、第1の梁部BR1と反射ミラー11Mとの第1の境界部CR1についても基本的に同様である。
図20は図19のうち第1の梁部BL1および反射ミラー部Mを抜き取ったものである。図20を参照して、梁11のうち特に第1の境界部CL1に生じる応力を0にするためには、以下の(式1)および(式2)の関係が成り立てばよい。すなわち第1の梁11BL1の反射ミラー11Mとの第1の境界部CL1のZ方向の座標Zbと、反射ミラー11Mの第1の境界部CL1側における端部のZ方向の座標Zmと、反射ミラー11MのX方向に関する半径rと、反射ミラー11MのX軸に対する傾斜角度θmと、第1の梁11BL1の第1の境界部CL1におけるX軸に対する傾斜角度θbとの間に、
Zb=Zm=rtanθm・・・・・・・(式1)
θb=θm=θ1−θ2・・・・・・・(式2)
が成り立つ。
ここで(式2)中のθ1は、第1の梁部BL1における上側電極14BL1に印加される電圧による上側電極14BL1と平面的に重なる領域により形成される円弧の中心角であり、図18中の角度θ1に対応する。また(式2)中のθ2は、第1の梁部BL1における上側電極14BL2に印加される電圧による上側電極14BL2と平面的に重なる領域により形成される円弧の中心角であり、図18中の角度θ2に対応する。
上記の関係を充たすθ1およびθ2を設定することができれば、上記第1の境界部CL1に生じる応力を0にすることができる。しかしこのようなθ1およびθ2の解は複数存在するため、実用上の問題として、以下の2つの条件1)および2)を前提として考える。
1)上側電極14BL1のX方向の寸法と、上側電極14BL2のX方向の寸法とは等しい。2)角度θ1と角度θ2との間には以下の(式3)に示す関係が成り立つように、すなわち両角度の割合は測定されるミラー駆動装置100により決まる一定値となるよう維持される。具体的には、αを定数として、θ1とθ2との間に
θ1=α・θ2・・・・・・・(式3)
が成り立つ。(式3)の関係が成り立つように、圧電素子の圧電膜13BL1,13BL2に電界が印加される。
図21を参照して、このグラフの横軸は、梁長さすなわち特に第1の梁11BL1のX方向の長さに対する、ミラー半径すなわち反射ミラー11MのX方向に沿う半径rの値(図20参照)の割合を示している。またこのグラフの縦軸は、それぞれの第1の梁11BL1および反射ミラー11MのX方向寸法条件に対する、角度の誤差を最小にする係数αの値を示している。すなわち各ミラー駆動装置100の第1の梁11BL1のX方向の寸法に対する反射ミラー11MのX方向の寸法の割合に応じて、ZbとZmとの誤差の量が最も小さくなるように、言い換えれば第1の境界部CL1に生じる応力が0となるように求められたαの値を示している。このグラフを参照することにより、αの値が求められる。
第1の梁部BL1の変形による円弧の中心角θ1,θ2は、上側電極14BL1,14BL2への印加電圧に依存する(図18参照)。このため図21の横軸の第1の梁11BL1のX方向長さに対する反射ミラー11Mの半径rの値の割合に応じて、図18の印加電圧|V1|と|V2|との比を設定することにより、第1の境界部CL1および反射ミラー11Mに発生する応力を十分に低減することができ、反射ミラー11Mの平面度の低下を抑制することができる。すなわち第1の境界部CL1においては第1の梁11BL1と反射ミラー11Mとが同じ角度で傾斜しながら連なることにより、第1の境界部CL1における応力の発生を抑制し、反射ミラー11Mの平面度の低下を抑制することができる。
その他、各部材の寸法により求まる定数αの値が決まれば、θbを設定しかつ第1の梁11BL1のX方向長さが決まることにより、(式2)からθmの値が決まり、これを(式1)に代入することによりZbの値が定まる。またθmが決まればこれとrの値とを(式1)に代入することによりZbの値を求めることもできる。一例として、傾斜角度θmが±10°の範囲において、このときの反射ミラー11Mの半径rからZmに対するZbの誤差の割合を求めれば、0.2%以下となる。具体的には、たとえば反射ミラー11Mの半径rが500μmであれば、Z方向の変位の誤差は0.1μm以下となる。このことから、実用上、Zmに対するZbの値の誤差は十分に小さくなる。このため第1の境界部CL1および反射ミラー11Mに発生する応力は十分に低減でき、反射ミラー11Mの平面度の低下を抑制することができる。
なお図18〜図20においては反射ミラー11Mが右下がりとなるように傾斜した例を示しているが、逆に反射ミラー11Mが左下がりとなるように傾斜した場合においても上記と同様に説明できる。
その他の本実施の形態の作用効果を以下に列挙する。まず本実施の形態のミラー駆動装置100は、駆動時に第1の境界部CL1,CR1および反射ミラー11Mへの応力発生を抑制することができるため、反射ミラー11Mの変形を抑制することを目的とした反射ミラー11Mの剛性向上を不要とすることができる。
また以上の特徴を有するミラー駆動装置100は、上記図8〜図14に示す製造方法を適用することにより、容易に形成可能である。特に、反射ミラー部M、第1の梁部BL1および第2の梁部BL2の各領域の梁11を一体としてのSOI基板20のシリコン層11Sから、各領域においてZ方向厚みがほぼ等しくなるように形成することができる。このため、たとえば反射ミラー11Mのみを他の領域の梁11よりも厚く形成したり、別途厚く形成したミラー部の構成部材を接合したりする必要がなく、より容易に梁11を形成することができる。
またミラー駆動装置100においては、たとえば第1の梁11BL1上の圧電膜13が、複数(2つ)の圧電膜13BL1と圧電膜13BL2とに分割されている。このように圧電膜13を複数に分割することにより、分割された各領域での圧電素子への電圧印加に伴う分極の影響を相互に与えにくくすることができる。このため圧電素子への電圧印加により、分割された各領域でより高精度に第1の梁11BL1を変形させることができ、反射ミラー11Mの姿勢をより高精度に制御することができる。
次に本実施の形態の第2例のミラー駆動装置の構成について図22を用いて説明する。図22を参照して、本実施の形態の第2例におけるミラー駆動装置101は、基本的に第1例のミラー駆動装置100と同様の構成を有するため、ミラー駆動装置100と同一の構成要素に対応するものについてはミラー駆動装置100と同様の参照符号を付している。また第2例において第1例と態様等が同様である箇所については、ここでは説明を繰り返さない。
図22のミラー駆動装置101においては、第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2が、平面視において円形の反射ミラー11M(反射膜14M)の円周方向に沿って延びている。この点においてミラー駆動装置101は、第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2が平面視において円形の反射ミラー11M(反射膜14M)の径方向に沿って直線状すなわち放射状に延びているミラー駆動装置100と構成上異なっている。
ミラー駆動装置101においては、1対の第1の梁のうちの一方である第1の梁11BL1は反射ミラー11Mから見た一方向すなわちX方向左側に連なっており、他方の第1の梁11BR1は上記一方向とは反対側の他方向すなわちX方向右側に連なっている。また第2の梁11BL2が第1の梁11BL1から見て反射ミラー11Mとは反対側に連なっており、第2の梁11BR2が第1の梁11BR1から見て反射ミラー11Mとは反対側に連なっている。また第1の梁11BL1の主表面上には図示されない圧電膜を介して上側電極14BL1,14BL2が、第1の梁11BR1の主表面上には図示されない圧電膜を介して上側電極14BR1,14BR2が、互いに間隔をあけて並べられている。上側電極14BL1,14BL2なども第1の梁11BL1などと同様に、反射ミラー11Mの円周方向に沿って延びている。
ミラー駆動装置101の基本的な動作は、ミラー駆動装置100と同様に考えることができる。すなわち1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれは、上側電極14が積層されたXY平面に沿う主表面に交差するZ方向に関して互いに異なる方向(逆方向)に変位させることが可能である。一方、1対の第2の梁11BL2,11BR2のそれぞれは、1対の第1の梁11BL1,11BR1と1対の第2の梁11BL2,11BR2とを結びかつ第2の梁11BL2,11BR2の主表面に沿う方向すなわち反射ミラー11Mの円周方向に沿う方向に変位可能である。また反射ミラー11Mと1対の第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれとは第1の境界部CL1,CR1において直接連なっており、第1の境界部CL1,CR1は第1の梁11BL1,11BR1の主表面に交差するZ方向に変位可能である。一方、第1の梁11BL1,11BR1のそれぞれと第2の梁11BL2,11BR2のそれぞれとの第2の境界部CL2,CR2はこれらの第2の梁11BL2,11BR2の主表面に沿う方向、すなわち上記円周方向に沿って変位可能である。
以上のように、ミラー駆動装置101は、第1および第2の梁部BL1,BL2,BR1,BR2の延びる方向およびその平面形状においてミラー駆動装置100と異なるが、それ以外の各部材の構成上および動作上の特徴については基本的にミラー駆動装置100と同様である。このためミラー駆動装置101の作用効果は、基本的にミラー駆動装置100の作用効果と同様である。ただしミラー駆動装置101においては第1および第2の梁部が反射ミラー11Mの外周部に近い領域に、当該外周部に沿って延びている。このようにすれば、ミラー駆動装置101全体の平面視におけるサイズを、ミラー駆動装置100に比べて小型化することができる。
また本実施の形態のように、各梁部を円周方向に沿うように延在させることにより、第1の境界部CL1,CR1に隣接する領域における大きな応力の発生を抑制することができる。これにより、反射ミラー11Mの平面度の低下を抑制することができる。
実施の形態2.
まず本実施の形態の第1例のミラー駆動装置の構成について図23を用いて説明する。図23を参照して、本実施の形態の第1例におけるミラー駆動装置200は、基本的に実施の形態1のミラー駆動装置100,101と同様の構成を有するため、ミラー駆動装置100,101と同一の構成要素に対応するものについてはミラー駆動装置100,101と同様の参照符号を付している。またミラー駆動装置200においてミラー駆動装置100,101と態様等が同様である箇所については、ここでは説明を繰り返さない。
図23のミラー駆動装置200は、第1および第2の梁部として反射ミラー部Mから平面視においてX方向に延びる第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2のみならず、反射ミラー部Mから平面視においてY方向に延びる第1の梁部BU1,BD1および第2の梁部BU2,BD2を有している。つまりミラー駆動装置200は、ミラー駆動装置101の構成に加え、1対の第1の梁部BU1,BD1(1対の梁部)と、1対の第2の梁部BU2,BD2(1対の梁部)とをさらに有している。
ミラー駆動装置200においてX方向に延びる第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2のそれぞれの構成上および動作上の特徴は、実施の形態1のミラー駆動装置100の該当部分と同様である。またミラー駆動装置200においてY方向に延びる第1の梁部BU1,BD1と第2の梁部BU2,BD2のそれぞれの構成上および動作上の特徴は、第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2のそれぞれの構成上および動作上の特徴と同様である。
すなわち、一部図示されないが、第1の梁部BU1は第1の梁部BL1と同様の態様を有する第1の梁11BU1と、下側電極と、圧電膜と、上側電極14BU1,14BU2を有している。同様に第1の梁部BD1は第1の梁部BR1と同様の態様を有する第1の梁11BD1と、下側電極と、圧電膜と、上側電極14BD1,14BD2を有している。また第2の梁部BU2は第2の梁部BL2と同様の態様を有する第2の梁11BU2を有し、第2の梁部BD2は第2の梁部BR2と同様の態様を有する第2の梁11BD2を有している。
1対の第1の梁のうちの一方である第1の梁11BU1は反射ミラー11Mから見た一方向すなわちY方向上側に連なっており、他方の第1の梁11BD1は上記一方向とは反対側の他方向すなわちY方向下側に連なっている。また第2の梁11BU2が第1の梁11BU1から見て反射ミラー11Mとは反対側に連なっており、第2の梁11BD2が第1の梁11BD1から見て反射ミラー11Mとは反対側に連なっている。
梁11において、反射ミラー11Mと第1の梁11BU1とは第1の境界部CU1において直接連なっており、反射ミラー11Mと第1の梁11BD1とは第1の境界部CD1において直接連なっている。また梁11において、第1の梁11BU1と第2の梁11BU2とは第2の境界部CU2において直接連なっており、第1の梁11BD1と第2の梁11BD2とは第2の境界部CD2において直接連なっている。
第1の梁11BU1,11BD1および第1の境界部CU1,CD1は、主表面に交差する方向すなわちZ方向に関して、互いに異なる方向(逆方向)に変位可能である。また第2の梁11BU2,11BD2および第2の境界部CU2,CD2は、第1の梁11BU1,11BD1と第2の梁11BU2,11BD2とを結び第2の梁11BU2,11BD2の主表面に沿うY方向に沿って変位可能である。
このように、本実施の形態においては、1対の第1の梁と、1対の第2の梁とを含む列が複数配置される。具体的には、1対の第1の梁11BL1,11BR1および1対の第2の梁11BL2,11BR2を含む第1の列と、1対の第1の梁11BU1,11BD1および1対の第2の梁11BU2,11BD2を含む第2の列の2つの列を含んでいる。なおこのような列の数は任意である。上記第1の列はX方向に直線状に延びており、上記第2の列はY方向に直線状に延びていることから、第1の列と第2の列とは平面視において互いに交差(たとえば直交)している。
本実施の形態のミラー駆動装置200を用いれば、X方向に延びる第1および第2の梁部BL1,BR1へのY軸周りのモーメントによる反射ミラー11Mの変形を抑制するとともに、Y方向に延びる第1および第2の梁部BU1,BD1へのX軸周りのモーメントによる反射ミラー11Mの変形を抑制することができる。また上側電極14BU1,14BU2,14BD1,14BD2への電圧印加は、上側電極14BL1,14BL2,14BR1,14BR2への電圧印加と独立に制御することができる。このためY軸周りの反射ミラー11Mの変位と、X軸周りの反射ミラー11Mの変位とを独立に制御することができ、反射ミラー11Mの姿勢をY軸周り方向およびX軸周り方向の双方に自在に変更することができる。これにより、入射光に対する光の反射方向を実施の形態1よりもいっそう自由に変更することができる。
次に本実施の形態の第2例のミラー駆動装置の構成について図24を用いて説明する。図24を参照して、本実施の形態の第2例におけるミラー駆動装置201は、基本的に第1例のミラー駆動装置200と同様の構成を有するため、ミラー駆動装置200と同一の構成要素に対応するものについてはミラー駆動装置200と同様の参照符号を付している。また第2例において第1例と態様等が同様である箇所については、ここでは説明を繰り返さない。
図24のミラー駆動装置201においては、第1の梁部BL1,BR1,BU1,BD1および第2の梁部BL2,BR2,BU2,BD2が、平面視において円形の反射ミラー11M(反射膜14M)の円周方向に沿って延びている。この点においてミラー駆動装置201は、第1の梁部BL1,BR1,BU1,BD1および第2の梁部BL2,BR2,BU2,BD2が平面視において円形の反射ミラー11M(反射膜14M)の径方向に沿って直線状すなわち放射状に延びているミラー駆動装置200と構成上異なっている。
ミラー駆動装置201の第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2については基本的に実施の形態1のミラー駆動装置101と同様であるため詳細説明を省略する。またミラー駆動装置201の第1の梁部BU1,BD1および第2の梁部BU2,BD2についても基本的に第1の梁部BL1,BR1および第2の梁部BL2,BR2と同様である。
上記のように、ミラー駆動装置101の円周方向に延びる各梁部の構成および動作上の特徴が基本的にミラー駆動装置100の直線状に延びる各梁部の構成および動作上の特徴と同じである。そのことと同様に、ミラー駆動装置201の円周方向に延びる第1の梁部BU1,BD1および第2の梁部BU2,BD2の構成および動作上の特徴は、基本的にミラー駆動装置200の直線状に延びる第1の梁部BU1,BD1および第2の梁部BU2,BD2の構成および動作上の特徴と同じである。このためミラー駆動装置201の第1の梁部BU1,BD1および第2の梁部BU2,BD2の構成および動作上の特徴についての詳細説明を省略する。
ミラー駆動装置201は、基本的にミラー駆動装置101の作用効果とミラー駆動装置200の作用効果との双方を奏するものとなる。すなわち入射光に対する光の反射方向を実施の形態1よりもいっそう自由に変更することができるとともに、ミラー駆動装置201全体を小型化させつつ、反射ミラー11Mの平面度の低下を抑制することができる。
以上に述べた各実施の形態(に含まれる各例)に記載した特徴を、技術的に矛盾のない範囲で適宜組み合わせるように適用してもよい。
今回開示された実施の形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は上記した説明ではなくて請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれることが意図される。
10,11S シリコン層、11 梁、11BL1,11BR1,11BU1,11BD1 第1の梁、11BL2,11BR2,11BU2,11BD2 第2の梁、11M 反射ミラー、12,12BL1,12BR1 下側電極、13,13BL1,13BL2,13BR1,13BR2 圧電膜、14,14BL1,14BL2,14BR1,14BR2,14BU1,14BU2,14BD1,14BD2 上側電極、14M 反射膜、15 シリコン酸化膜層、20 SOI基板、100,101,200,201 ミラー駆動装置、BL1,BR1,BU1,BD1 第1の梁部、BL2,BR2,BU2,BD2 第2の梁部、CL1,CR1,CU1,CD1 第1の境界部、CL2,CR2,CU2,CD2 第2の境界部、EL 左方端、ER 右方端、M 反射ミラー部。

Claims (5)

  1. 入射光を反射可能な反射体と、
    平面視において前記反射体を挟むように前記反射体と連なる1対の梁部とを備え、
    前記1対の梁部は、前記反射体を挟むように前記反射体に直接連なる1対の第1の梁と、前記1対の第1の梁における前記反射体と反対側に連結される1対の第2の梁とを含み、
    前記1対の第1の梁の主表面上には、圧電材料を介して複数の電極が互いに間隔をあけて並べられ、
    前記1対の第1の梁は、前記主表面に交差する方向に沿って互いに逆方向に変位させることが可能であり、
    前記反射体と前記1対の第1の梁とが直接連なる第1の境界部は、前記主表面に交差する方向に変位させることが可能であり、前記1対の第1の梁の幅は前記反射体の幅より小さく
    前記1対の第2の梁は、前記1対の第1の梁と前記1対の第2の梁とを結び前記第2の梁の主表面に沿う方向に変位可能であり、
    複数の前記電極のうち前記反射体に近い側の第1の電極と、前記第1の電極と隣り合う第2の電極とに互いに符号が反対の電圧を印加可能であり、
    前記電圧による前記圧電材料の変形を利用して前記反射体が、前記反射体と前記1対の第1の梁との前記第1の境界部とを結ぶ直線に対して直交する軸周りに傾斜可能であり、
    前記1対の第1の梁のうち一方の前記第1の梁における前記第1の電極と、前記1対の第1の梁のうち前記一方とは異なる他方の前記第1の梁における前記第1の電極とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加され、
    前記1対の第1の梁のうち前記一方の前記第1の梁における前記第2の電極と、前記1対の第1の梁のうち前記他方の前記第1の梁における前記第2の電極とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加され、
    前記1対の第1の梁と、前記1対の第2の梁とを含む列が複数配置され、
    前記複数の列に含まれる第1の列および第2の列は、平面視において互いに交差するように配置されている、ミラー駆動装置。
  2. 前記反射体と前記1対の第1の梁とは前記第1の境界部において直接連なっており、
    前記第1の境界部は前記1対の第1の梁の変位に追随して変位可能である、請求項1に記載のミラー駆動装置。
  3. 前記反射体を傾斜させるために、前記第1の電極に印加される電圧による前記第1の電極と平面的に重なる領域により形成される円弧の中心角θ1と、前記第2の電極に印加される電圧による前記第2の電極と平面的に重なる領域により形成される円弧の中心角θ2との間に
    θ1=α・θ2
    の関係が成り立つように前記圧電材料に電界が印加可能な構成であり、
    前記αの値は、前記1対の第1の梁のそれぞれの寸法に対する前記反射体の寸法の割合に応じて、前記反射体と前記1対の第1の梁との並ぶ方向の寸法条件に対して角度の誤差を最小にする係数として決定される、請求項1または2に記載のミラー駆動装置。
  4. 入射光を反射可能な反射体を形成する工程と、
    平面視において前記反射体を挟むように前記反射体と連なる1対の梁部を形成する工程とを備え、
    前記1対の梁部は、前記反射体を挟むように前記反射体に直接連なる1対の第1の梁と、前記1対の第1の梁における前記反射体と反対側に連結される1対の第2の梁とを含み、
    前記1対の第1の梁の主表面上には、圧電材料を介して複数の電極が互いに間隔をあけて並べられるように形成され、
    前記1対の第1の梁は、前記主表面に交差する方向に沿って互いに逆方向に変位させることが可能であり、
    前記反射体と前記1対の第1の梁とが直接連なる第1の境界部は、前記主表面に交差する方向に変位させることが可能であり、前記1対の第1の梁の幅は前記反射体の幅より小さく
    前記1対の第2の梁は、前記1対の第1の梁と前記1対の第2の梁とを結び前記第2の梁の主表面に沿う方向に変位可能であり、
    複数の前記電極のうち前記反射体に近い側の第1の電極と、前記第1の電極と隣り合う第2の電極とに互いに符号が反対の電圧を印加可能であり、
    前記電圧による前記圧電材料の変形を利用して前記反射体が、前記反射体と前記1対の第1の梁との前記第1の境界部とを結ぶ直線に対して直交する軸周りに傾斜可能であり、
    前記1対の第1の梁のうち一方の前記第1の梁における前記第1の電極と、前記1対の第1の梁のうち前記一方とは異なる他方の前記第1の梁における前記第1の電極とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加され、
    前記1対の第1の梁のうち前記一方の前記第1の梁における前記第2の電極と、前記1対の第1の梁のうち前記他方の前記第1の梁における前記第2の電極とには、絶対値が同じで符号が互いに反対の電圧が印加され、
    前記1対の第1の梁と、前記1対の第2の梁とを含む列が複数配置され、
    前記複数の列に含まれる第1の列および第2の列は、平面視において互いに交差するように配置されている、ミラー駆動装置の製造方法。
  5. 前記反射体、前記第1および第2の梁は一体として形成される、請求項に記載のミラー駆動装置の製造方法。
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