(57)【要約】【課題】光偏向素子において加工性を損なわずに可動領域の拡大と高速化の両立を可能とする。【解決手段】本光偏向素子は、反射面を備える可動部を回動させて、前記反射面へ入射する光を偏向する光偏向素子であって、前記可動部は、第１層及び第２層で構成され、前記第１層は前記反射面を有し、該反射面を除く前記第１層の全てが炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンド、或いはそれらを主材料とする化合物の何れかのみで構成されている。【選択図】図１５
2020148973.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射面を備える可動部を回動させて、前記反射面へ入射する光を偏向する光偏向素子であって、
前記可動部は、第１層及び第２層で構成され、
前記第１層は前記反射面を有し、該反射面を除く前記第１層の全てが炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンド、或いはそれらを主材料とする化合物の何れかのみで構成されている光偏向素子。
【請求項２】
前記第２層は前記反射面を補強するリブが形成され、シリコンまたは酸化膜付シリコンの何れかで構成されている、請求項１に記載の光偏向素子。
【請求項３】
前記可動部に接続され、前記可動部を第１軸の周りに駆動する第１駆動部と、
前記可動部及び前記第１駆動部を支持する第１支持部と、を有する請求項１又は２に記載の光偏向素子。
【請求項４】
前記第１支持部に接続され、前記可動部及び前記第１支持部を前記第１軸と垂直方向の第２軸の周りに駆動する第２駆動部と、
前記第２駆動部を支持する第２支持部と、を有する請求項３に記載の光偏向素子。
【請求項５】
前記第１支持部及び前記第２支持部は、シリコン層、又はシリコン層上に酸化シリコン層が形成された積層部、を有する請求項４に記載の光偏向素子。
【請求項６】
前記可動部、前記第１支持部、及び前記第２支持部は、破壊靭性が３ＭＰａ／√ｍ以上７ＭＰａ／√ｍ以下、弾性限界が５２５ＭＰａ以上２９３０ＭＰａ以下、ヤング率が２１０ＧＰａ以上１０５０ＧＰａ以下である請求項５に記載の光偏向素子。
【請求項７】
前記可動部の両側で前記可動部を支持する一対の蛇行梁部を有し、
各々の前記蛇行梁部の一端が支持基板に固定され、他端が前記可動部に連結され、
前記反射面が１軸の光走査を行う請求項１又は２に記載の光偏向素子。
【請求項８】
前記蛇行梁部及び前記支持基板は、シリコン層、又はシリコン層上に酸化シリコン層が形成された積層部、を有する請求項７に記載の光偏向素子。
【請求項９】
前記可動部、前記蛇行梁部、及び前記支持基板は、破壊靭性が３ＭＰａ／√ｍ以上７ＭＰａ／√ｍ以下、弾性限界が５２５ＭＰａ以上２９３０ＭＰａ以下、ヤング率が２１０ＧＰａ以上１０５０ＧＰａ以下である請求項８に記載の光偏向素子。
【請求項１０】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の光偏向素子を有する光偏向システム。
【請求項１１】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の光偏向素子を有する光走査システム。
【請求項１２】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の光偏向素子を有する画像投影装置。
【請求項１３】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の光偏向素子を有するヘッドアップディスプレイ。
【請求項１４】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の光偏向素子を有するレーザヘッドランプ。
【請求項１５】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の光偏向素子を有するヘッドマウントディスプレイ。
【請求項１６】
請求項１乃至９の何れか一項に記載の光偏向素子を有する物体認識装置。
【請求項１７】
請求項１３に記載のヘッドアップディスプレイ、請求項１４に記載のレーザヘッドランプ、及び請求項１６に記載の物体認識装置の少なくとも１つを有する移動体。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光偏向素子、光偏向システム、光走査システム、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置、及び移動体に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術の発達に伴い、シリコンやガラスを微細加工して製造される光偏向素子としてＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスの開発が進んでいる。
【０００３】
ＭＥＭＳデバイスの一例としては、可動部と軸部をジルコニウム（Ｚｒ）、アルミニウム（Ａｌ）、イットリウム（Ｙ）の何れかの酸化物で形成または被覆する構成を有するヘッドマウントディスプレイが挙げられる（例えば、特許文献１参照）。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、ＭＥＭＳデバイスでは、性能を更に向上させるため、可動部を大きく、かつ速く動かすことを求められる場合が多い。しかし、可動部を大きく動かそうとすると、可動部に変位に相応して応力が集中することが懸念され、また共振を用いて速く動かそうとすると大きく可動させることが困難である。
【０００５】
例えば、梁部に金属材料を用いたＭＥＭＳミラーでは、その材料特性から振れ角の拡大は実現可能だが、高速化を実現するためには共振周波数を高周波化させるために梁厚を厚膜化しなければならなかった。数十μｍ厚の金属をパターン加工するには、半導体プロセスで多用されるドライエッチングでは難しく、レーザ加工や寸法制御の難しいウェットエッチングで行うしかない。
【０００６】
また、金属は比較的融点が低いものが多く、熱膨張係数もシリコンと比べると大きいため、ＭＥＭＳ形成のための半導体プロセス中にできるだけ温度負荷がかからない特殊なプロセスを使わなければならない。このように、金属材料はプロセス面の問題があった。一方、ミラーを支える梁部に異なる材料の層を追加する手法においては、動作周波数の操作は可能だが、振れ角の観点から梁部の主材料であるシリコンの機械特性に依存し、振れ角の拡大はできなかった。以上のように、加工性を損なわずに振れ角（可動領域）の拡大と高速化の両立は困難であるという問題があった。
【０００７】
上記のヘッドマウントディスプレイでも、梁部に破壊強度が大きい材料を用いているが、可動領域の拡大と高速化の両立はできていない。
【０００８】
本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、光偏向素子において加工性を損なわずに可動領域の拡大と高速化の両立を可能にすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本光偏向素子は、反射面を備える可動部を回動させて、前記反射面へ入射する光を偏向する光偏向素子であって、前記可動部は、第１層及び第２層で構成され、前記第１層は前記反射面を有し、該反射面を除く前記第１層の全てが炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンド、或いはそれらを主材料とする化合物の何れかのみで構成されている。
【発明の効果】
【００１０】
開示の技術によれば、光偏向素子において加工性を損なわずに可動領域の拡大と高速化の両立を可能にできる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】光走査システムの一例の概略図である。
【図２】光走査システムの一例のハードウェア構成図である。
【図３】制御装置の一例の機能ブロック図である。
【図４】光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。
【図５】ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。
【図６】ヘッドアップディスプレイ装置の一例の概略図である。
【図７】光書込装置を搭載した画像形成装置の一例の概略図である。
【図８】光書込装置の一例の概略図である。
【図９】ライダ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。
【図１０】ライダ装置の一例の概略図である。
【図１１】レーザヘッドランプの構成の一例を説明する概略図である。
【図１２】ヘッドマウントディスプレイの構成の一例を示す概略斜視図である。
【図１３】ヘッドマウントディスプレイの構成の一部の一例を示す図である。
【図１４】パッケージングされた可動装置の一例を示す概略図である。
【図１５】第１実施形態に係る可動装置を例示する平面図である。
【図１６】図１５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。
【図１７】図１５のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【図１８】可動装置のシミュレーションについて説明する図（その１）である。
【図１９】可動装置のシミュレーションについて説明する図（その２）である。
【図２０】可動装置のシミュレーションについて説明する図（その３）である。
【図２１】可動装置のシミュレーションについて説明する図（その４）である。
【図２２】可動装置のシミュレーションについて説明する図（その５）である。
【図２３】可動装置のシミュレーションについて説明する図（その６）である。
【図２４】第２実施形態に係る可動装置を例示する平面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。
【００１３】
［光走査システム］
まず、本実施形態の可動装置を適用した光走査システムについて、図１〜図４に基づいて詳細に説明する。
【００１４】
図１には、光走査システムの一例の概略図が示されている。図１に示すように、光走査システム１０は、制御装置１１の制御に従って光源装置１２から照射された光を可動装置１３の有する反射面１４により偏向して被走査面１５を光走査するシステムである。
【００１５】
光走査システム１０は、制御装置１１、光源装置１２、反射面１４を有する可動装置１３により構成される。
【００１６】
制御装置１１は、例えばＣＰＵ（Central Processing Unit）やＦＰＧＡ（Field-Programmable Gate Array）等を備えた電子回路ユニットである。可動装置１３は、例えば反射面１４を有し、反射面１４を可動可能なＭＥＭＳ（Micro Electromechanical Systems）デバイスである。光源装置１２は、例えばレーザを照射するレーザ装置である。なお、被走査面１５は、例えばスクリーンである。
【００１７】
制御装置１１は、取得した光走査情報に基づいて光源装置１２および可動装置１３の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置１２および可動装置１３に駆動信号を出力する。
【００１８】
光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて反射面１４を１軸方向または２軸方向の少なくともいずれかに可動させる。
【００１９】
これにより、例えば、光走査情報の一例である画像情報に基づいた制御装置１１の制御によって、可動装置１３の反射面１４を所定の範囲で２軸方向に往復可動させ、反射面１４に入射する光源装置１２からの照射光をある１軸周りに偏向して光走査することにより、被走査面１５に任意の画像を投影することができる。なお、本実施形態の可動装置の詳細および制御装置による制御の詳細については後述する。
【００２０】
次に、光走査システム１０一例のハードウェア構成について図２を用いて説明する。図２は、光走査システム１０の一例のハードウェア構成図である。図２に示すように、光走査システム１０は、制御装置１１、光源装置１２および可動装置１３を備え、それぞれが電気的に接続されている。このうち、制御装置１１は、ＣＰＵ２０、ＲＡＭ２１（Random Access Memory）、ＲＯＭ２２（Read Only Memory）、ＦＰＧＡ２３、外部Ｉ／Ｆ２４、光源装置ドライバ２５、可動装置ドライバ２６を備えている。
【００２１】
ＣＰＵ２０は、ＲＯＭ２２等の記憶装置からプログラムやデータをＲＡＭ２１上に読み出し、処理を実行して、制御装置１１の全体の制御や機能を実現する演算装置である。
【００２２】
ＲＡＭ２１は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の記憶装置である。
【００２３】
ＲＯＭ２２は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の記憶装置であり、ＣＰＵ２０が光走査システム１０の各機能を制御するために実行する処理用プログラムやデータを記憶している。
【００２４】
ＦＰＧＡ２３は、ＣＰＵ２０の処理に従って、光源装置ドライバ２５および可動装置ドライバ２６に適した制御信号を出力する回路である。
【００２５】
外部Ｉ／Ｆ２４は、例えば外部装置やネットワーク等とのインタフェースである。外部装置には、例えば、ＰＣ（Personal Computer）等の上位装置、ＵＳＢメモリ、ＳＤカード、ＣＤ、ＤＶＤ、ＨＤＤ、ＳＳＤ等の記憶装置が含まれる。また、ネットワークは、例えば自動車のＣＡＮ(Controller Area Network)やＬＡＮ（Local Area Network）、インターネット等である。外部Ｉ／Ｆ２４は、外部装置との接続または通信を可能にする構成であればよく、外部装置ごとに外部Ｉ／Ｆ２４が用意されてもよい。
【００２６】
光源装置ドライバは、入力された制御信号に従って光源装置１２に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
【００２７】
可動装置ドライバ２６は、入力された制御信号に従って可動装置１３に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。
【００２８】
制御装置１１において、ＣＰＵ２０は、外部Ｉ／Ｆ２４を介して外部装置やネットワークから光走査情報を取得する。なお、ＣＰＵ２０が光走査情報を取得することができる構成であればよく、制御装置１１内のＲＯＭ２２やＦＰＧＡ２３に光走査情報を格納する構成としてもよいし、制御装置１１内に新たにＳＳＤ等の記憶装置を設けて、その記憶装置に光走査情報を格納する構成としてもよい。
【００２９】
ここで、光走査情報とは、被走査面１５にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、光走査により画像を表示する場合は、光走査情報は画像データである。また、例えば、光走査により光書込みを行う場合は、光走査情報は書込み順や書込み箇所を示した書込みデータである。他にも、例えば、光走査により物体認識を行う場合は、光走査情報は物体認識用の光を照射するタイミングと照射範囲を示す照射データである。
【００３０】
制御装置１１は、ＣＰＵ２０の命令および図２に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。
【００３１】
次に、光走査システム１０の制御装置１１の機能構成について図３を用いて説明する。図３は、光走査システムの制御装置の一例の機能ブロック図である。
【００３２】
図３に示すように、制御装置１１は、機能として制御部３０と駆動信号出力部３１とを有する。
【００３３】
制御部３０は、例えばＣＰＵ２０、ＦＰＧＡ２３等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部３１に出力する。例えば、制御部３０は、外部装置等から画像データを光走査情報として取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部３１に出力する。
【００３４】
駆動信号出力部３１は、光源装置ドライバ２５、可動装置ドライバ２６等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置１２または可動装置１３に駆動信号を出力する。駆動信号は、光源装置１２または可動装置１３の駆動を制御するための信号である。例えば、光源装置１２においては、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば、可動装置１３においては、可動装置１３の有する反射面１４を可動させるタイミングおよび可動範囲を制御する駆動電圧である。
【００３５】
次に、光走査システム１０が被走査面１５を光走査する処理について図４を用いて説明する。図４は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。
【００３６】
ステップＳ１１において、制御部３０は、外部装置等から光走査情報を取得する。
【００３７】
ステップＳ１２において、制御部３０は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を駆動信号出力部３１に出力する。
【００３８】
ステップＳ１３において、駆動信号出力部３１は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置１２および可動装置１３に出力する。
【００３９】
ステップＳ１４において、光源装置１２は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置１３は、入力された駆動信号に基づいて反射面１４の可動を行う。光源装置１２および可動装置１３の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。
【００４０】
なお、上記光走査システム１０では、１つの制御装置１１が光源装置１２および可動装置１３を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の制御装置および可動装置用の制御装置と、別体に設けてもよい。
【００４１】
また、上記光走査システム１０では、１つの制御装置１１に光源装置１２および可動装置１３の制御部３０の機能および駆動信号出力部３１の機能を設けているが、これらの機能は別体として存在していてもよく、例えば制御部３０を有した制御装置１１とは別に駆動信号出力部３１を有した駆動信号出力装置を設ける構成としてもよい。なお、上記光走査システム１０のうち、反射面１４を有した可動装置１３と制御装置１１により、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。
【００４２】
［画像投影装置］
次に、本実施形態の可動装置を適用した画像投影装置について、図５および図６を用いて詳細に説明する。
【００４３】
図５は、画像投影装置の一例であるヘッドアップディスプレイ装置５００を搭載した自動車４００の実施形態に係る概略図である。また、図６はヘッドアップディスプレイ装置５００の一例の概略図である。
【００４４】
画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置であり、例えばヘッドアップディスプレイ装置である。
【００４５】
図５に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、例えば、自動車４００のウインドシールド（フロントガラス４０１等）の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置５００から発せられる投射光Ｌがフロントガラス４０１で反射され、ユーザーである観察者（運転者４０２）に向かう。これにより、運転者４０２は、ヘッドアップディスプレイ装置５００によって投影された画像等を虚像として視認することができる。なお、ウインドシールドの内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。
【００４６】
図６に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、赤色、緑色、青色のレーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂからレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、各レーザ光源に対して設けられるコリメータレンズ５０２，５０３，５０４と、２つのダイクロイックミラー５０５，５０６と、光量調整部５０７と、から構成される入射光学系を経た後、反射面１４を有する可動装置１３にて偏向される。そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー５０９と、中間スクリーン５１０と、投射ミラー５１１とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置５００では、レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂ、コリメータレンズ５０２，５０３，５０４、ダイクロイックミラー５０５，５０６は、光源ユニット５３０として光学ハウジングによってユニット化されている。
【００４７】
上記ヘッドアップディスプレイ装置５００は、中間スクリーン５１０に表示される中間像を自動車４００のフロントガラス４０１に投射することで、その中間像を運転者４０２に虚像として視認させる。
【００４８】
レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂから発せられる各色レーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ５０２，５０３，５０４で略平行光とされ、２つのダイクロイックミラー５０５，５０６により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部５０７で光量が調整された後、反射面１４を有する可動装置１３によって二次元走査される。可動装置１３で二次元走査された投射光Ｌは、自由曲面ミラー５０９で反射されて歪みを補正された後、中間スクリーン５１０に集光され、中間像を表示する。中間スクリーン５１０は、マイクロレンズが二次元配置されたマイクロレンズアレイで構成されており、中間スクリーン５１０に入射してくる投射光Ｌをマイクロレンズ単位で拡大する。
【００４９】
可動装置１３は、反射面１４を２軸方向に往復可動させ、反射面１４に入射する投射光Ｌを二次元走査する。この可動装置１３の駆動制御は、レーザ光源５０１Ｒ，５０１Ｇ，５０１Ｂの発光タイミングに同期して行われる。
【００５０】
以上、画像投影装置の一例としてのヘッドアップディスプレイ装置５００の説明をしたが、画像投影装置は、反射面１４を有した可動装置１３により光走査を行うことで画像を投影する装置であればよい。例えば、机等に置かれ、表示スクリーン上に画像を投影するプロジェクタや、観測者の頭部等に装着される装着部材に搭載され、装着部材が有する反射透過スクリーンに投影、または眼球をスクリーンとして画像を投影するヘッドマウントディスプレイ装置等にも、同様に適用することができる。
【００５１】
また、画像投影装置は、車両や装着部材だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。
【００５２】
尚、ヘッドアップディスプレイ装置５００は、特許請求の範囲に記載の「ヘッドアップディスプレイ」の一例である。また自動車４００は、特許請求の範囲に記載の「車両」の一例である。
【００５３】
［光書込装置］
次に、本実施形態の可動装置１３を適用した光書込装置について図７および図８を用いて詳細に説明する。
【００５４】
図７は、光書込装置６００を組み込んだ画像形成装置の一例である。また、図８は、光書込装置の一例の概略図である。
【００５５】
図７に示すように、上記光書込装置６００は、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタ６５０等に代表される画像形成装置の構成部材として使用される。画像形成装置において光書込装置６００は、１本または複数本のレーザビームで被走査面１５である感光体ドラムを光走査することにより、感光体ドラムに光書込を行う。
【００５６】
図８に示すように、光書込装置６００において、レーザ素子などの光源装置１２からのレーザ光は、コリメータレンズなどの結像光学系６０１を経た後、反射面１４を有する可動装置１３により１軸方向または２軸方向に偏向される。そして、可動装置１３で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ６０２ａと第二レンズ６０２ｂ、反射ミラー部６０２ｃからなる走査光学系６０２を経て、被走査面１５（例えば感光体ドラムや感光紙）に照射し、光書込みを行う。走査光学系６０２は、被走査面１５にスポット状に光ビームを結像する。また、光源装置１２および反射面１４を有する可動装置１３は、制御装置１１の制御に基づき駆動する。
【００５７】
このように上記光書込装置６００は、レーザ光によるプリンタ機能を有する画像形成装置の構成部材として使用することができる。また、走査光学系を異ならせて１軸方向だけでなく２軸方向に光走査可能にすることで、レーザ光をサーマルメディアに偏向して光走査し、加熱することで印字するレーザラベル装置等の画像形成装置の構成部材として使用することができる。
【００５８】
上記光書込装置に適用される反射面１４を有した可動装置１３は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、光書込装置の省電力化に有利である。また、可動装置１３の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、光書込装置の静粛性の改善に有利である。光書込装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また可動装置１３の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である。
【００５９】
［物体認識装置］
次に、上記本実施形態の可動装置を適用した物体認識装置について、図９および図１０を用いて詳細に説明する。
【００６０】
図９は、物体認識装置の一例であるライダ（ＬｉＤＡＲ；Laser  Imaging  Detection  and  Ranging）装置を搭載した自動車の概略図である。また、図１０はライダ装置の一例の概略図である。
【００６１】
物体認識装置は、対象方向の物体を認識する装置であり、例えばライダ装置である。
【００６２】
図９に示すように、ライダ装置７００は、例えば自動車７０１に搭載され、対象方向を光走査して、対象方向に存在する被対象物７０２からの反射光を受光することで、被対象物７０２を認識する。
【００６３】
図１０に示すように、光源装置１２から出射されたレーザ光は、発散光を略平行光とする光学系であるコリメータレンズ７０３と、平面ミラー７０４とから構成される入射光学系を経て、反射面１４を有する可動装置１３で１軸もしくは２軸方向に走査される。そして、投光光学系である投光レンズ７０５等を経て装置前方の被対象物７０２に照射される。光源装置１２および可動装置１３は、制御装置１１により駆動を制御される。被対象物７０２で反射された反射光は、光検出器７０９により光検出される。すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ７０６等を経て撮像素子７０７により受光され、撮像素子７０７は検出信号を信号処理回路７０８に出力する。信号処理回路７０８は、入力された検出信号に２値化やノイズ処理等の所定の処理を行い、結果を測距回路７１０に出力する。
【００６４】
測距回路７１０は、光源装置１２がレーザ光を発光したタイミングと、光検出器７０９でレーザ光を受光したタイミングとの時間差、または受光した撮像素子７０７の画素ごとの位相差によって、被対象物７０２の有無を認識し、さらに被対象物７０２との距離情報を算出する。
【００６５】
反射面１４を有する可動装置１３は多面鏡に比べて破損しづらく、小型であるため、耐久性の高い小型のレーダ装置を提供することができる。このようなライダ装置は、例えば車両に取り付けられ、所定範囲を光走査して障害物の有無や障害物までの距離を認識することができる。
【００６６】
ライダ装置は、車両だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。
【００６７】
上記物体認識装置では、一例としてのライダ装置７００の説明をしたが、物体認識装置は、反射面１４を有した可動装置１３を制御装置１１で制御することにより光走査を行い、光検出器により反射光を受光することで被対象物７０２を認識する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。
【００６８】
例えば、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、光走査により得た距離情報から形状等の物体情報を算出して認識し、３次元データとして出力する３次元スキャナの構成部材などにも同様に適用することができる。
【００６９】
［レーザヘッドランプ］
次に、上記本実施形態の可動装置を自動車のヘッドライトに適用したレーザヘッドランプ５０について、図１１ を用いて説明する。図１１は、レーザヘッドランプ５０の構成の一例を説明する概略図である。
【００７０】
レーザヘッドランプ５０は、制御装置１１と、光源装置１２ｂと、反射面１４を有する可動装置１３と、ミラー５１と、透明板５２とを有する。
【００７１】
光源装置１２ｂは、青色のレーザ光を発する光源である。光源装置１２ｂから発せられた光は、可動装置１３に入射し、反射面１４にて反射される。可動装置１３は、制御装置１１からの信号に基づき、反射面をＸＹ方向に可動し、光源装置１２ｂからの青色のレーザ光をＸＹ方向に二次元走査する。
【００７２】
可動装置１３による走査光は、ミラー５１で反射され、透明板５２に入射する。透明板５２は、表面又は裏面を黄色の蛍光体により被覆されている。ミラー５１からの青色のレーザ光は、透明板５２における黄色の蛍光体の被覆を通過する際に、ヘッドライトの色として法定される範囲の白色に変化する。これにより自動車の前方は、透明板５２からの白色光で照明される。
【００７３】
可動装置１３による走査光は、透明板５２の蛍光体を通過する際に所定の散乱をする。これにより自動車前方の照明対象における眩しさは緩和される。
【００７４】
可動装置１３を自動車のヘッドライトに適用する場合、光源装置１２ｂ及び蛍光体の色は、それぞれ青及び黄色に限定されない。例えば、光源装置１２ｂを近紫外線とし、透明板５２を、光の三原色の青色、緑色及び赤色の各蛍光体を均一に混ぜたもので被覆してもよい。この場合でも、透明板５２を通過する光を白色に変換でき、自動車の前方を白色光で照明することができる。
【００７５】
なお、レーザヘッドランプ５０は、車両だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。
【００７６】
［ヘッドマウントディスプレイ］
次に、上記本実施形態の可動装置を適用したヘッドマウントディスプレイ６０について、図１２〜１３を用いて説明する。ここでヘッドマウントディスプレイ６０は、人間の頭部に装着可能な頭部装着型ディスプレイで、例えば、眼鏡に類する形状とすることができる。ヘッドマウントディスプレイを、以降ではＨＭＤと省略して示す。
【００７７】
図１２は、ＨＭＤ６０の外観を例示する斜視図である。図１２において、ＨＭＤ６０は、左右に１組ずつ略対称に設けられたフロント６０ａ、及びテンプル６０ｂにより構成されている。フロント６０ａは、例えば、導光板６１により構成することができ、光学系や制御装置等は、テンプル６０ｂに内蔵することができる。
【００７８】
図１３は、ＨＭＤ６０の構成を部分的に例示する図である。なお、図１３では、左眼用の構成を例示しているが、ＨＭＤ６０は右眼用としても同様の構成を有している。
【００７９】
ＨＭＤ６０は、制御装置１１と、光源ユニット５３０と、光量調整部５０７と、反射面１４を有する可動装置１３と、導光板６１と、ハーフミラー６２とを有している。
【００８０】
光源ユニット５３０は、上述したように、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、及び５０１Ｂと、コリメータレンズ５０２、５０３、及び５０４と、ダイクロイックミラー５０５、及び５０６とを、光学ハウジングによってユニット化したものである。光源ユニット５３０において、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、及び５０１Ｂからの三色のレーザ光は、ダイクロイックミラー５０５及び５０６で合成される。光源ユニット５３０からは、合成された平行光が発せられる。
【００８１】
光源ユニット５３０からの光は、光量調整部５０７により光量調整された後、可動装置１３に入射する。可動装置１３は、制御装置１１からの信号に基づき、反射面１４をＸＹ方向に可動し、光源ユニット５３０からの光を二次元走査する。この可動装置１３の駆動制御は、レーザ光源５０１Ｒ、５０１Ｇ、５０１Ｂの発光タイミングに同期して行われ、走査光によりカラー画像が形成される。
【００８２】
可動装置１３による走査光は、導光板６１に入射する。導光板６１は、走査光を内壁面で反射させながらハーフミラー６２に導光する。導光板６１は、走査光の波長に対して透過性を有する樹脂等により形成されている。
【００８３】
ハーフミラー６２は、導光板６１からの光をＨＭＤ６０の背面側に反射し、ＨＭＤ６０の装着者６３の眼の方向に出射する。ハーフミラー６２は、例えば、自由曲面形状を有している。走査光による画像は、ハーフミラー６２での反射により、装着者６３の網膜に結像する。或いは、ハーフミラー６２での反射と眼球における水晶体のレンズ効果とにより、装着者６３の網膜に結像する。またハーフミラー６２での反射により、画像は空間歪が補正される。装着者６３は、ＸＹ方向に走査される光で形成される画像を、観察することができる。
【００８４】
６２はハーフミラーであるため、装着者６３には、外界からの光による像と走査光による画像が重畳して観察される。ハーフミラー６２に代えてミラーを設けることで、外界からの光をなくし、走査光による画像のみを観察できる構成としてもよい。
【００８５】
［パッケージング］
次に、本実施形態の可動装置のパッケージングについて図１４を用いて説明する。
【００８６】
図１４は、パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。
【００８７】
図１４に示すように、可動装置１３は、パッケージ部材８０１の内側に配置される取付部材８０２に取り付けられ、パッケージ部材８０１の一部を透過部材８０３で覆われて、密閉されることでパッケージングされる。さらに、パッケージ内は窒素等の不活性ガスが密封されている。これにより、可動装置１３の酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。
【００８８】
以上に説明した光偏向システム、光走査システム、画像投影装置、光書込装置、物体認識装置、レーザヘッドランプ、及びヘッドマウントディスプレイに使用される本実施形態の可動装置の詳細について、以下で図面を参照しながら説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
【００８９】
実施形態の説明では、第１軸を回動の中心とした光走査を副走査とし、第２軸を回動の中心とした光走査を主走査とする。また実施形態の用語における回動、揺動、可動は同義であるとする。さらに、矢印により示した方向のうち、Ｘ方向は第１軸と平行な方向、Ｙ方向は第２軸と平行な方向、Ｚ方向はＸＹ平面と直交する方向とする。なお、Ｚ方向は「積層方向」の一例である。
【００９０】
［第１実施形態］
〈可動装置の構造〉
図１５は、第１実施形態に係る可動装置を例示する平面図である。図１６は、図１５のＡ−Ａ線に沿う断面図である。図１７は、図１５のＢ−Ｂ線に沿う断面図である。
【００９１】
図１５に示す可動装置１３は、反射面を備える可動部を共振振動により回動させて、反射面へ入射する光を２軸方向（第１軸及び第２軸の周り）に偏向する片持ちタイプの光偏向素子である。
【００９２】
可動装置１３は、主走査方向に相当する第１軸の周りのミラー部１０１の回動と、副走査方向に相当する第２軸の周りのミラー部１０１の回動とを可能にする構造を備えている。すなわち、可動装置１３は、ミラー部１０１が２軸方向に回転することにより、入射する光を２軸方向に走査しながら偏向可能である。以下、可動装置１３の構造について詳説する。
【００９３】
可動装置１３は、入射した光を反射するミラー部１０１と、可動部であるミラー部１０１に接続されミラー部１０１をＹ軸に平行な第１軸の周りに駆動する第１駆動部１１０ａ及び１１０ｂと、ミラー部１０１並びに第１駆動部１１０ａ及び１１０ｂを支持する第１支持部１２０と、第１支持部１２０に接続されミラー部１０１及び第１支持部１２０をＸ軸に平行な（第１軸と垂直方向の）第２軸の周りに駆動する第２駆動部１３０ａ及び１３０ｂと、第２駆動部１３０ａ及び１３０ｂを支持する第２支持部１４０と、第１駆動部１１０ａ及び１１０ｂ並びに第２駆動部１３０ａ及び１３０ｂと電気的に接続される電極接続部１５０と、を有する。
【００９４】
可動装置１３は、例えば、サファイア／シリコン構造からなるＳＯＳ（Ｓａｐｐｈｉｒｅ Ｏｎ Ｓｉｌｉｃｏｎ）基板をエッチング処理等により成形し、成形した基板上に反射面１４や第１圧電駆動部１１２ａ及び１１２ｂ、第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆ及び１３２ａ〜１３２ｆ、電極接続部１５０等を形成することで、各構成部が一体的に形成されている。なお、上記の各構成部の形成は、ＳＯＳ基板の成形後に行ってもよいし、ＳＯＳ基板の成形中に行ってもよい。
【００９５】
ＳＯＳ基板は、単結晶シリコン（Ｓｉ）からなる第１のシリコン層の上に酸化シリコン層が設けられ、その酸化シリコン層の上に更にサファイアからなる活性層が設けられた基板である。以降、第１のシリコン層を支持層１６１、サファイア活性層を活性層１６３とする。なお、酸化シリコン層１６２はなくても構わない。
【００９６】
活性層１６３は、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３、アルミナ、サファイア）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ダイヤモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）等を含む破壊靭性と弾性限界とヤング率がシリコンに比べて大きい材料であれば、サファイアに限られない。また、活性層１６３は、Ｘ軸方向またはＹ軸方向に対してＺ軸方向への厚みが小さいため、活性層１６３のみで構成された部材は、弾性を有する弾性部としての機能を備える。
【００９７】
なお、ＳＯＳ基板は、必ず平面状である必要はなく、曲率等を有していてもよい。また、エッチング処理等により一体的に成型でき、部分的に弾性を持たせることができ、活性層１６３の材料が上述のように破壊靭性と弾性限界とヤング率がシリコンに比べて大きい材料であれば可動装置１３の形成に用いられる部材はＳＯＳ基板に限らない。
【００９８】
ミラー部１０１は、可動部であり、例えば、円形状のミラー部基体１０２と、ミラー部基体１０２の＋Ｚ側の面上に形成された反射面１４とから構成される。ミラー部基体１０２は、活性層１６３から構成される。反射面１４は、例えば、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成される。
【００９９】
また、ミラー部１０１は、ミラー部基体１０２の−Ｚ側の面にミラー部補強用のリブが形成されていてもよい。リブは、支持層１６１及び酸化シリコン層１６２、または支持層１６１のみから構成され、可動によって生じる反射面１４の歪みを抑制できる。
【０１００】
第１駆動部１１０ａ及び１１０ｂは、ミラー部基体１０２に一端が接続し、第１軸方向にそれぞれ延びてミラー部１０１を可動可能に支持する２つのトーションバー１１１ａ及び１１１ｂと、一端がトーションバー１１１ａまたは１１１ｂに接続され、他端が第１支持部１２０の内周部に接続される第１圧電駆動部１１２ａ及び１１２ｂを含む。
【０１０１】
図１６に示すように、トーションバー１１１ａ及び１１１ｂは活性層１６３から構成される。また、第１圧電駆動部１１２ａ及び１１２ｂは、弾性部である活性層１６３の＋Ｚ側の面上に下部電極２０１、圧電部２０２、上部電極２０３の順に形成される。上部電極２０３及び下部電極２０１は、例えば金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等から構成される。圧電部２０２は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。
【０１０２】
図１５に戻り、第１支持部１２０は、例えば、支持層１６１、酸化シリコン層１６２、及び活性層１６３の３層、或いは支持層１６１及び活性層１６３の２層から構成され、ミラー部１０１を囲うように形成された矩形形状の支持体である。
【０１０３】
第２駆動部１３０ａ及び１３０ｂは、例えば、折り返すように連結された複数の第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆ及び１３２ａ〜１３２ｆから構成されている。第２駆動部１３０ａ及び１３０ｂの一端は第１支持部１２０の外周部に接続され、他端は第２支持部１４０の内周部に接続されている。
【０１０４】
このとき、第２駆動部１３０ａと第１支持部１２０の接続箇所及び第２駆動部１３０ｂと第１支持部１２０の接続箇所、更に第２駆動部１３０ａと第２支持部１４０の接続箇所、及び第２駆動部１３０ｂと第２支持部１４０の接続箇所は、反射面１４の中心に対して点対称となっている。
【０１０５】
ここで、第２圧電駆動部１３１ｂ、１３１ｄ、及び１３１ｆ、並びに１３２ａ、１３２ｃ、及び１３２ｅは圧電駆動部群１７０Ａを構成する。圧電駆動部群１７０Ａは、駆動電圧が各圧電部に対して同時に印加されると、同一方向に屈曲変形する。この変形を回動力として、ミラー部１０１が第１軸の周りに回動する。
【０１０６】
また、第２圧電駆動部１３１ａ、１３１ｃ、及び１３１ｅ、並びに１３２ｂ、１３２ｄ、及び１３２ｆは圧電駆動部群１７０Ｂを構成する。圧電駆動部群１７０Ｂは、駆動電圧が各圧電部に対して同時に印加されると、同一方向に屈曲変形する。この変形を回動力として、可動部１１０が、圧電駆動部群１７０Ａによる回動とは逆方向に第１軸の周りに回動する。
【０１０７】
図１７に示すように、第２駆動部１３０ａ及び１３０ｂは、弾性部である活性層１６３の＋Ｚ側の面上に下部電極２０１、圧電部２０２、上部電極２０３の順に形成される。上部電極２０３及び下部電極２０１は、例えば金（Ａｕ）または白金（Ｐｔ）等から構成される。圧電部２０２は、例えば、圧電材料であるＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。
【０１０８】
図１５に戻り、第２支持部１４０は、例えば、支持層１６１、酸化シリコン層１６２、及び活性層１６３の３層、或いは支持層１６１及び活性層１６３の２層から構成され、ミラー部１０１、第１駆動部１１０ａ及び１１０ｂ、第１支持部１２０、並びに第２駆動部１３０ａ及び１３０ｂを囲うように形成された矩形の支持体である。
【０１０９】
電極接続部１５０は、例えば、第２支持部１４０の＋Ｚ側の面上に形成され、第１圧電駆動部１１２ａ及び１１２ｂ、第２圧電駆動部１３１ａ〜１３１ｆの各上部電極２０３及び各下部電極２０１を、アルミニウム（Ａｌ）等の電極配線を介して、制御装置１１と電気的に接続するための部分である。なお、上部電極２０３または下部電極２０１は、それぞれが電極接続部１５０と直接接続されていてもよいし、電極同士を接続する等により間接的に接続されていてもよい。
【０１１０】
なお、本実施形態では、圧電部２０２が弾性部である活性層１６３の一面（＋Ｚ側の面）のみに形成された場合を一例として説明した。しかし、圧電部２０２を弾性部の他面（例えば−Ｚ側の面）に設けても良いし、圧電部２０２を弾性部の一面及び他面の双方に設けても良い。
【０１１１】
また、ミラー部１０１を第１軸の周りまたは第２軸の周りに駆動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されない。例えば、トーションバー１１１ａ及び１１１ｂや第１圧電駆動部１１２ａ及び１１２ｂが曲率を有した形状を有していてもよい。
【０１１２】
更に、第１駆動部１１０ａ及び１１０ｂの上部電極２０３の＋Ｚ側の面上、第１支持部１２０の＋Ｚ側の面上、第２駆動部１３０ａ及び１３０ｂの上部電極２０３の＋Ｚ側の面上、第２支持部１４０の＋Ｚ側の面上の少なくとも何れかに酸化シリコン層からなる絶縁層が形成されていてもよい。
【０１１３】
このとき、絶縁層の上に電極配線を設け、また、上部電極２０３または下部電極２０１と電極配線とが接続される接続スポットのみ、開口部として部分的に絶縁層を除去または絶縁層を形成しないことにより、第１駆動部１１０ａ及び１１０ｂ、第２駆動部１３０ａ及び１３０ｂ、並びに電極配線の設計自由度をあげ、更に電極同士の接触による短絡を抑制できる。また、酸化シリコン層は、反射防止材としていの機能も備える。
【０１１４】
〈シミュレーション〉
ミラー部１０１のＸ軸方向の可動領域、つまりミラー振れ角と、動作速度のシミュレーションによる解析結果を示す。なお、本実施形態において、駆動は共振によって行うため、動作速度は共振周波数に対応する。
【０１１５】
説明を容易にするため、図１８〜図２０のような可動装置のモデル１を用いて解析した。モデル１は、活性層２と支持層３と駆動のための圧電体部６を有する。活性層２は、可動ミラー部４と、可動ミラー部４を可動可能に支持する２つの梁部（トーションバー）５と、振動板部７とを備えている。なお、活性層２は本発明に係る第１層の代表的な一例であり、支持層３は本発明に係る第２層の代表的な一例である。
【０１１６】
可動ミラー部４、梁部５、及び振動板部７が活性層２として一体となっているため、梁部５の材料のみをかえたときに生じる可動ミラー部４と梁部５、または振動板部７と可動ミラー部４の密着性の課題は生じない。支持層３は可動ミラー部４を補強するリブ８からなる。
【０１１７】
活性層２の材料に関して、可動ミラー部４の駆動は共振によって行うため、共振周波数が大きければ高速駆動が可能である。一般的に、梁の共振周波数ｆは式（１）で表される。
【０１１８】
【数１】
2020148973.tif 000003
式（１）において、Ｌは梁の長さ［ｍ］、Ｅはヤング率［Ｎ／ｍ２］、ρは密度［ｋｇ/ｍ３］、Ａは断面積［ｍ２］、Ｉは断面二次モーメント［ｍ４］、ｋｎは境界条件やモード等によって決まる定数である。
【０１１９】
断面二次モーメントＩは、例えば断面が幅ｂ、厚さｈの長方形のとき、式（２）で表される。
【０１２０】
【数２】
2020148973.tif 000004
式（１）から、高速駆動、つまり共振周波数を大きくするためにはヤング率は大きく、密度は小さい材料が望ましい。一方、振れ角はできるだけ大きくしたいため、大きな力まで耐えられるよう破壊靭性、弾性限界、曲げ強度は大きい材料が好ましく、ヤング率は小さい材料が好ましい。
【０１２１】
ヤング率の観点から、共振周波数と振れ角はトレードオフの関係にあるが、加工性を考慮すると活性層２の厚さはできるだけ薄くしたい。活性層２の厚さが薄いと式（１）及び式（２）より共振周波数が低くなってしまうため、ヤング率の高い材料を選定する。
【０１２２】
以上をまとめると、活性層２の材料として好ましいのは、現在一般的な材料であるシリコンよりも破壊靭性、弾性限界、ヤング率が大きい材料で、できれば密度が小さく半導体プロセス親和性のある材料である。このような材料としては、例えば、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）、ダイヤモンド、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）などが望ましい。
【０１２３】
これらの材料は、難エッチング材料のものが多く、厚膜のエッチングは困難であるが、ヤング率が高いため式（１）及び式（２）から薄膜でも高共振周波数が実現可能である。そのため、加工性の課題も最小限に抑えられる。
【０１２４】
支持層３の材料としては加工性や熱伝導などのプロセス面を考慮して、シリコン、または酸化膜付シリコンなどが望ましい。
【０１２５】
図２１〜図２３及び表１〜４を参照しながら、具体的な加工性と動作周波数・振れ角のシミュレーション結果について説明する。
【０１２６】
モデル１において、可動ミラー部４の直径を１ｍｍ、梁部５の長さを５００μｍ、幅を５０μｍまたは１００μｍ、圧電体部６の厚さを２μｍ、リブ８の厚さを２００μｍとする。
【０１２７】
活性層２の材料をシリコン（基準）または炭化ケイ素（ＳｉＣ）またはアルミナ（Ａｌ２Ｏ３、酸化アルミニウムの多結晶または非晶質体）またはサファイア（Ａｌ２Ｏ３、酸化アルミニウムの単結晶体）、窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）またはジルコニア（ＺｒＯ２、酸化ジルコニウム）、ダイヤモンドの７種類と、支持層３の材料をシリコン、圧電体部６をＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）とした場合についてＡＮＳＹＳ（解析ソフトウェア）を用いてシミュレーションする。
【０１２８】
各活性層材料の物性値を表１にまとめた。なお、ヤング率、ポアソン比についてはシリコン以外の材料は等方性材料として扱った。シリコン以外の材料はシリコンより破壊靭性と弾性限界とヤング率が高い材料である。
【０１２９】
【表１】
2020148973.tif 000005
【０１３０】
加工性について説明する。寸法精度が容易なドライエッチング可能な材料が好ましい。炭化ケイ素、窒化ケイ素はフッ素系ガス、アルミナ、サファイア、ジルコニアは塩素系ガス、ダイヤモンドは酸素ガスでドライエッチングの実績がある。炭化ケイ素、サファイアはドライエッチングで数十μｍの深掘りの実績もある。
【０１３１】
また、梁幅を５０μｍまたは１００μｍとしたときの各材料における共振周波数の活性層膜厚依存性は図２１及び図２２のようになる。それぞれの活性層材料において、例えば３２ｋＨｚの共振周波数を実現可能な膜厚を求めると、表２のように、梁幅が５０μｍのときはシリコン：１０８μｍ、炭化ケイ素：５６μｍ、アルミナ：６７μｍ、サファイア：５８μｍ、窒化ケイ素：７７μｍ、ダイヤモンド：３４μｍで、梁幅１００μｍのときはシリコン：５２μｍ、炭化ケイ素：３４μｍ、アルミナ：３７μｍ、サファイア：３５μｍ、窒化ケイ素：４１μｍ、ジルコニア：５８μｍ、ダイヤモンド：２４μｍと、ジルコニア以外の材料は、シリコンより薄い膜厚で３２ｋＨｚ共振が実現可能なことがわかる。ジルコニアは、密度が大きい分Ｓｉよりも厚くしなければならない。
【０１３２】
【表２】
2020148973.tif 000006
【０１３３】
動作速度について説明する。同じ構造、例えば梁幅５０μｍ、活性層２の厚さが４０μｍのとき、または梁幅１００μｍ、活性層２の厚さが４０μｍのときの各材料の共振周波数は表３のようになる。梁幅５０μｍ、活性層２の厚さが４０μｍのときは、シリコン：１５．４ｋＨｚ、炭化ケイ素：２４．７ｋＨｚ、アルミナ：２２．１ｋＨｚ、サファイア：２４．２ｋＨｚ、窒化ケイ素：２０．２ｋＨｚ、ジルコニア：１４．２ｋＨｚ、ダイヤモンド３７．８ｋＨｚ、梁幅１００μｍ、活性層２の厚さが４０μｍのときは、シリコン：２４．０ｋＨｚ、炭化ケイ素：３９．４ｋＨｚ、アルミナ：３５．２ｋＨｚ、サファイア：３８．２ｋＨｚ、窒化ケイ素：３１．９ｋＨｚ、ジルコニア：２２．４ｋＨｚ、ダイヤモンド４３．１ｋＨｚで、ジルコニア以外の材料はシリコンより高速駆動が可能である。
【０１３４】
【表３】
2020148973.tif 000007
【０１３５】
振れ角に関して説明する。モデル１において、振動板部７の±Ｙ方向の端と可動ミラー部４の中心を拘束した状態を想定し、可動ミラー部４の一端に集中荷重を−Ｚ方向に印加する。可動ミラー部４の±Ｚ方向の変位量から式（３）を用いて振れ角θを算出する。
【０１３６】
【数３】
2020148973.tif 000008
式（３）において、Ｚはミラー端のＺ方向の変位量、Ｌはミラー直径である（図２３）。
【０１３７】
印加する集中荷重を変化させていき、梁部５にかかる第１主応力の最大値が、活性層２の材料の最大応力と一致したときの振れ角を最大振れ角と定義する。最大応力は、活性層２と支持層３どちらもＳｉとしたモデルを基準として、実績をもとに破壊靭性や弾性限界の文献値に係数を掛け合わせて求めた仮想の破壊応力である。
【０１３８】
以上のような手法で、高速駆動が可能な構造、例えば表３のような３２ｋＨｚ共振構造における最大振れ角を各活性層材料について求めると、表４のようになる。梁幅が５０μｍのときはシリコン：９．３°、炭化ケイ素：１９．８°、アルミナ：１７．５°、サファイア：２２．０°、窒化ケイ素：２２．１°、ダイヤモンド：５５．６°で、梁幅１００μｍのときはシリコン：７．８°、炭化ケイ素：１５．５°、アルミナ：１９．７°、サファイア：１７．１°、窒化ケイ素：１６．５°、ジルコニア：２４．４°、ダイヤモンド：８２．７°と、３２ｋＨｚ共振構造においてどの材料もシリコンより約２倍またはそれ以上の振れ角を実現可能である。
【０１３９】
【表４】
2020148973.tif 000009
【０１４０】
以上のように、反射面を除く活性層２の全てが、シリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンドの何れかのみで構成されていることが好ましい。又、支持層３はシリコンで構成されていることが好ましい。
【０１４１】
この場合、炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ダイヤモンドはシリコンよりも薄膜で高速駆動が可能でかつシリコンより振れ角も大きい、つまり加工性の問題を最小限にしてシリコンより高速駆動と大きな振れ角の実現が可能である。ジルコニアについては、密度が大きい分高速駆動に厚膜が必要になり、エッチング時間が長くなるが、シリコンより大きく可動できる。
【０１４２】
すなわち、反射面を除く活性層２の全てが上記材料の何れかのみで構成されていることで、特許文献１に記載の耐衝撃性向上とは異なり、共振周波数の高周波化と振れ角の拡大という特許文献１に記載のない効果を奏する。
【０１４３】
以上では、図１５の第２軸方向において活性層１６３の材料をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料にすることでシリコンより高速かつ可動領域を大きくできるというシミュレーション結果を示したが、図１５の第１軸方向においても共振で駆動する場合は同様のことが言える。よって、活性層１６３の材料をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料にすることで２軸方向の高速化と可動領域の拡大が可能となる。
【０１４４】
また、以上では純粋な炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンドについてのシミュレーション結果を示した。しかし、それらを主材料とする化合物であり、かつシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率であれば、可動装置１３に採用可能である。ここで、主材料とは、主要となる材料を指し、元材料の破壊靭性または弾性限界またはヤング率を損なわないように他材料を添加して形成した材料である。
【０１４５】
上記化合物の具体例としては、ケイ素／炭化ケイ素複合材料、ルビー、ムライト、スピネル、サイアロン、キュービックジルコニア、ジルコン、多結晶ダイヤモンド、サーメット等が挙げられる。
【０１４６】
ケイ素／炭化ケイ素複合材料は、破壊靭性が３ＭＰａ／√ｍ、弾性限界が３００〜４２０ＭＰａ、ヤング率が２８０〜３５０ＧＰａである。ルビーは、破壊靭性が５ＭＰａ／√ｍ、弾性限界が６８９ＭＰａ、ヤング率が４７０ＧＰａである。ムライトは、破壊靭性が７ＭＰａ／√ｍ、弾性限界が２８０ＭＰａ、ヤング率が２１０ＧＰａである。
【０１４７】
スピネルは、破壊靭性が１．７ＭＰａ／√ｍ、弾性限界が４００ＭＰａ、ヤング率が４４０ＧＰａである。サイアロンは、破壊靭性が６〜７ＭＰａ／√ｍ、弾性限界が９８０〜１２００ＭＰａ、ヤング率が３００〜３３０ＧＰａである。キュービックジルコニアは、破壊靭性が７ＭＰａ／√ｍ、弾性限界が７１１ＭＰａ、ヤング率が２１０ＧＰａである。
【０１４８】
ジルコンは、破壊靭性が２．６ＭＰａ／√ｍ、弾性限界が３２０ＭＰａ、ヤング率が３３０ＧＰａである。多結晶ダイヤモンドは、破壊靭性が９．５ＭＰａ／√ｍ、弾性限界が１１００〜２６００ＭＰａ、ヤング率が７７６〜９２０ＧＰａである。サーメットは、破壊靭性が４４０ＭＰａ／√ｍ、弾性限界が１４７０ＭＰａ、ヤング率が４４０ＧＰａである。
【０１４９】
なお、ミラー部１０１、第１支持部１２０、及び第２支持部１４０は、破壊靭性が３ＭＰａ／√ｍ以上７ＭＰａ／√ｍ以下、弾性限界が５２５ＭＰａ以上２９３０ＭＰａ以下、ヤング率が２１０ＧＰａ以上１０５０ＧＰａ以下であることが好ましい。これらの要件を満足することで、高周波数化ができ、また、触れ角拡大ができる。更に、この条件を満足することにより、可動部が可動することで発生する反射ミラー面の動的面変形を抑制することができる。
【０１５０】
このように、反射面を除く活性層２の全てが、シリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンド、或いはそれらを主材料とする化合物の何れかのみで構成されていることで、２軸方向の高速化と可動領域の拡大が可能となる。
【０１５１】
［第２実施形態］
第２実施形態では、第１実施形態とは異なる可動装置の例を示す。なお、第２実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
【０１５２】
図２４は、第２実施形態に係る可動装置を例示する平面図である。図２４に示す可動装置１３Ａは、１軸方向のみに光偏向可能な光偏向素子である。可動装置１３Ａは、例えば光スキャナであり、より具体的には例えばＭＥＭＳスキャナである。
【０１５３】
可動装置１３Ａは、反射ミラー１４５を有する可動部１４４と、可動部１４４の両側で可動部１４４を支持する一対の蛇行梁部１４６とを有する。各蛇行梁部１４６は、一端が支持基板１４３に固定され、他端は可動部１４４に連結されている。
【０１５４】
蛇行梁部１４６及び支持基板１４３は、シリコン層、又はシリコン層上に酸化シリコン層が形成された積層部、を有することが好ましい。
【０１５５】
各蛇行梁部１４６は、第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂが交互に配置され、複数の折り返し部を介して蛇行（ミアンダ）パターンを形成している。隣接する第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂには、互いに逆位相の電圧信号が印加され、蛇行梁部１４６にＺ方向への反りが発生する。
【０１５６】
隣接する第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂでは、撓みの方向が逆になる。逆方向の撓みが累積されて、反射ミラー１４５を備えた可動部１４４が、回転軸Ａを回転中心として、往復回動する。すなわち、可動装置１３Ａにおいて、反射ミラー１４５は１軸（Ｘ方向）の光走査を行う。
【０１５７】
回転軸Ａを回転中心としたミラー共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第１圧電部材１４７ａと第２圧電部材１４７ｂに印加することで、低電圧で大きな回転角度を得ることができる。
【０１５８】
第２実施形態に関しても、共振で駆動する場合は第１実施形態に係る可動装置１３と同様のことが言える。すなわち、可動装置１３Ａにおいて、支持基板１４３、可動部１４４、蛇行梁部１４６の材料をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料にすることでシリコンより高速かつ可動領域を大きくできる。
【０１５９】
なお、可動部１４４、蛇行梁部１４６、及び支持基板１４３は、破壊靭性が３ＭＰａ／√ｍ以上７ＭＰａ／√ｍ以下、弾性限界が５２５ＭＰａ以上２９３０ＭＰａ以下、ヤング率が２１０ＧＰａ以上１０５０ＧＰａ以下であることが好ましい。これらの要件を満足することで、高周波数化ができ、また、触れ角拡大ができる。更に、この条件を満足することにより、可動部が可動することで発生する反射ミラー面の動的面変形を抑制することができる。
【０１６０】
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
【０１６１】
例えば、振動型ジャイロスコープ（角速度センサ）において、可動部をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料で形成してもよい。これにより、振動型ジャイロスコープ（角速度センサ）において、高ヤング率であることにより高Ｑ値を実現でき、シリコンより高感度、高Ｓ／Ｎが実現できるのに加え、高破壊靭性、高弾性限界であることにより、可動部の耐衝撃性を高めることが可能である。
【０１６２】
また、可動部をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料で形成することで高速化と大きな可動領域を両立できるだけでなく、耐衝撃性や可動部の動的変形を抑制できる等の効果もある。
【符号の説明】
【０１６３】
１  モデル
２  活性層
３  支持層
４  可動ミラー部
５  梁部（トーションバー）
６  圧電体部
７  振動板部
８  補強するリブ
１０  光走査システム
１１  制御装置
１２、１２ｂ  光源装置
１３、１３Ａ  可動装置
１４  反射面
１５  被走査面
２５  光源装置ドライバ
２６  可動装置ドライバ
３０  制御部
３１  駆動信号出力部
５０  レーザヘッドランプ
５１  ミラー
５２  透明板
６０  ヘッドマウントディスプレイ
６０ａ  フロント
６０ｂ  テンプル
６１  導光板
６２  ハーフミラー
６３  装着者
１０１  ミラー部
１０２  ミラー部基体
１１０ａ、１１０ｂ  第１駆動部
１１１ａ、１１１ｂ  トーションバー
１１２ａ、１１２ｂ  第１圧電駆動部
１２０  第１支持部
１３０ａ、１３０ｂ  第２駆動部
１３１ａ〜１３１ｆ及び１３２ａ〜１３２ｆ  第２圧電駆動部
１４０  第２支持部
１４４  可動部
１４５  反射ミラー
１４６  蛇行梁部
１４３  支持基板
１４７ａ  第１圧電部材
１４７ｂ  第２圧電部材
１５０  電極接続部
１６１  支持層
１６２  酸化シリコン層
１６３  活性層
１７０Ａ、１７０Ｂ  圧電駆動部群
２０１  下部電極
２０２  圧電部
２０３  上部電極
４００  自動車
５００  ヘッドアップディスプレイ装置
６５０  レーザプリンタ
７００  ライダ装置
７０２  被対象物
８０１  パッケージ部材
８０２  取付部材
８０３  透過部材
【先行技術文献】
【特許文献】
【０１６４】
【特許文献１】特開２０１７−１０２２３２号公報
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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