(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
多軸駆動可能なマイクロ駆動装置であって、
可動対象部と、前記可動対象部を軸支し、前記可動対象部を挟んで対向するように設けられた少なくとも一対の梁とを備え、
前記梁は、
第一の方向で設けられ、前記可動対象部又はマイクロ駆動装置のフレームのいずれか一方に接続される第一の梁と、
前記第一の梁と異なる方向で設けられ、前記マイクロ駆動装置のフレーム又は前記可動対象部の他方に接続される第二の梁とで構成され、
前記可動対象部は、前記梁が有する一つ又は複数の共振周波数で共振してねじれる又は曲がることによりｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向に回転又は並進することを特徴とするマイクロ駆動装置。
【請求項２】
前記第一の梁と前記第二の梁とが直交して設けられることを特徴とする請求項１記載のマイクロ駆動装置。
【請求項３】
前記第一の梁及び／又は前記第二の梁が複数に分割されていることを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロ駆動装置。
【請求項４】
前記第一の梁と、前記第二の梁とが異なる材料からなることを特徴とする請求項１〜３いずれか１項に記載のマイクロ駆動装置。
【請求項５】
前記第一の梁及び／又は前記第二の梁が備えている複数に分割されている部分の少なくとも１つが、前記分割されている部分の他の部分と異なる材料からなることを特徴とする請求項３又は４に記載のマイクロ駆動装置。
【請求項６】
前記一つ又は複数の共振周波数で加振するための駆動信号が、１つの制御機構により発生されることを特徴とする請求項１〜５いずれか１項に記載のマイクロ駆動装置。
【請求項７】
前記可動対象部がミラーであり、
前記ミラーは、ミラー面内のｘ軸方向及びｙ軸方向に対して回転し、ミラー面の法線方向のｚ軸方向に並進することを特徴とする請求項６記載のマイクロ駆動装置。
【請求項８】
請求項１〜７いずれか１項に記載のマイクロ駆動装置を備えたことを特徴とするマイクロデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】  本発明は、マイクロ駆動装置及びそれを用いたマイクロデバイスに関する。例えば、可動対象部をミラーとする超小型化ミラー駆動装置等に関する。
【背景技術】
【０００２】  ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）は、プロジェクタの光学素子、インクジェットプリンタのヘッド部にある微小ノズル、圧力センサ、加速度センサ、流量センサなどの各種センサに用いられ、これらの各種センサが組み込まれたマイクロデバイスの小型化及び高性能化を図る技術の一つである。【０００３】  このようなマイクロデバイスの例としてＭＥＭＳ光スキャナを図１７に示す。図１７に示すように、例えば、レーザープリンターやファイバースコープ、ヘッドマウントディスプレイ、光スイッチ等に組み込まれるＭＥＭＳ光スキャナ100として、直径１mm程度のミラー101と、ミラー101を駆動するマイクロ駆動装置102とを備えているものが知られている（例えば、非特許文献１参照）。【０００４】  このマイクロ駆動装置102は、電磁駆動方式により２軸に駆動され、枠状の外側可動板103と、外側可動板103を回転可能に半導体基板に軸支する外側梁104と、該外側梁104と軸方向が直交し、内側可動板であるミラー101を回転可能に軸支する内側梁105とを備える２重のジンバル構造を有する駆動装置である。【０００５】  ここで、図１７に示すマイクロ駆動装置102は、外側梁上に形成されたコイルに流した電流と外から印加される磁界とから生じるローレンツ力により、１つの梁が１つの軸を回転するように構成されている。このように２軸駆動可能（２自由度）とするために、ミラー101の外側に外側可動板103が必要となることから、駆動装置が大型化するという問題があった。さらに自由度を追加しようとすると、外側可動板103の外側に可動板及び梁を追加する必要があり、ジンバル構造を用いるマイクロ駆動装置では駆動装置が大型化及び複雑化するという問題点を有していた。【０００６】  そこで、そのような問題点を解決するために、１つの梁で２軸駆動可能な圧電駆動型ＭＥＭＳ光スキャナが提案されている（非特許文献２参照）。この光スキャナに用いられる駆動装置は、ミラーを軸支する１つのＳ型梁が、共振周波数ωBによって曲りを生じ、共振周波数ωTによってねじりを生じるような構造を備えている。しかし、この駆動装置も、さらに自由度を追加した構造については考慮されておらず、この構造のままで３軸駆動可能（３自由度）以上に対応することはできない。【０００７】  その他のマイクロデバイスの例として、特許文献１には、長手方向の両端の片面に圧電素子の層が上下に設けられたユニモルフ構造の支持梁に接続される一対のトーションバーを有し、この一対のトーションバーにより回転振動可能に軸支されるミラーを備える１重のジンバル構造からなる１軸のマイクロミラーが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２０１１−１９１５８９号公報
【非特許文献】
【０００９】
【非特許文献１】Arda D.Yalcinkaya, Hakan Urey, Dean Brown, Tom Montague, and Randy Sprague, “Two-AxisElectromagnetic Microscanner for High Resolution Displays,” Journal of Microelectromechanical Systems, vol. 15, no. 4, pp. 786-793, 2006.
【非特許文献２】Kah How Koh, Takeshi Kobayashi, and Chengkuo Lee, “A 2-D MEMS scanning mirror based on dynamic mixed mode excitation of a piezoelectric PZT thin film S-shaped actuator,” OPTICAL EXPRESS, Vol. 19, No. 15, pp. 13812-13824.
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】  しかしながら、前述した従来のマイクロ駆動装置あるいはマイクロデバイスでは、高機能化するために自由度を追加することが困難であり、仮に追加できたとしても構造が複雑化して大型化してしまう問題があった。【００１１】  本発明は、かかる状況を鑑みてなされたもので、簡易な構造で、多軸駆動が可能な超小型化マイクロ駆動装置及びそれを用いたマイクロデバイスを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
多軸駆動可能なマイクロ駆動装置であって、可動対象部と、前記可動対象部を軸支し、前記可動対象部を挟んで対向するように設けられた少なくとも一対の梁とを備え、前記梁は、第一の方向で設けられ、前記可動対象部又はマイクロ駆動装置のフレームのいずれか一方に接続される第一の梁と、前記第一の梁と異なる方向で設けられ、前記マイクロ駆動装置のフレーム又は前記可動対象部の他方に接続される第二の梁とで構成され、前記可動対象部は、前記梁が有する一つ又は複数の共振周波数で共振してねじれる又は曲がることによりｘ軸、ｙ軸及びｚ軸方向に回転又は並進することを特徴とするマイクロ駆動装置。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、マイクロ駆動装置に要求される自由度の数に応じて、可動対象部を軸支する１方向にのみ一対の梁を設け、上記梁を一つ又は複数の共振周波数で共振して、ねじれる又は曲がることによりｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に回転又は並進するように設計し、多軸駆動が可能となる超小型化マイクロ駆動装置が提供される。また、本発明によれば、ジンバル構造を採用することなく、多軸駆動が可能であり、構造の大型化及び複雑化を回避可能な超小型化マイクロ駆動装置が提供される。さらに、本発明によれば、各自由度に対応する共振周波数を加振できる駆動方式であれば、１つの制御機構で駆動できる超小型化マイクロ駆動装置を提供することができる。これにより、ある軸方向の共振周波数で加振し、それに対応した１軸のみを駆動できるだけでなく、複数の軸方向の共振周波数を重畳した波形で加振することで、同時に多軸を駆動することができる。そして、本発明によれば、第一の梁が、第二の梁に対して、設定可能な共振周波数の範囲を拡大するために設けられる超小型化マイクロ駆動装置が提供される。 
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】マイクロ駆動装置の概略図である。
【図２】単純化モデルの模式図である。
【図３】第一の梁及び第二の梁を有するマイクロ駆動装置の概略図である。
【図４】ｚ軸並進するマイクロ駆動装置の概念図４Ａと、マイクロ駆動装置に印加された周波数とその振幅との関係を示したグラフの図４Ｂである。
【図５】ｘ軸回転するマイクロ駆動装置の概念図５Ａと、マイクロ駆動装置に印加された周波数とその振幅との関係を示したグラフの図５Ｂである。
【図６】ｙ軸回転するマイクロ駆動装置の概念図６Ａと、マイクロ駆動装置に印加された周波数とその振幅との関係を示したグラフの図６Ｂである。
【図７】光スキャナ用マイクロ駆動装置モデルの模式図である。
【図８】光スキャナ用マイクロ駆動装置モデルの模式図である。
【図９】形状パラメータの最適値を算出するフローチャート図である。
【図１０】マイクロ駆動装置の作製方法を示す工程図である。
【図１１】作製した光スキャナ用マイクロ駆動装置のモデル図である。
【図１２】評価実験における測定位置を示す模式図である。
【図１３】共振周波数の変化と、測定点における変位の変化とをプロットした図１３Ａと、共振周波数の変化と測定点ａ及びｂのゲインの変化とをプロットした図１３Ｂである。
【図１４】作製した光スキャナ用マイクロ駆動装置がｘ軸回転していることを示した図である。
【図１５】作製した光スキャナ用マイクロ駆動装置がｚ軸並進していることを示した図である。
【図１６】作製した光スキャナ用マイクロ駆動装置がｙ軸回転していることを示した図である。
【図１７】ジンバル構造の従来型マイクロ駆動装置を有する光スキャナを示した図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】＜実施形態１＞［マイクロ駆動装置の構成］  以下、本発明の実施形態を適宜図面に基づいて説明する。図１は、本発明によるマイクロ駆動装置１の基本構成を模式的に示したモデル図である。マイクロ駆動装置１は、可動対象部３と、この可動対象部３を取り囲むように設けられるフレーム部２と、そのフレーム部２と可動対象部３とを軸支する少なくとも一対の梁４とを備える。この梁４を１方向にのみ設けるとともに、この梁４の形状が有する一つ又は複数の共振周波数で共振して、ねじれる又は曲がることによりｘ軸、ｙ軸、ｚ軸方向に可動対象部３を回転又は並進するように設計することで、多軸駆動が可能となる構成を有している。このマイクロ駆動装置１は、例えば厚さ１〜1000μm程度に薄く形成される。なお、可動対象部３を駆動するための駆動部は省略して示している。
【００１６】［共振周波数によるマイクロ駆動装置の動作背景］  図２は、単純化モデル21の模式図である。なお、単純化モデル21は、マイクロ駆動装置１の技術的特徴を説明するためのモデルである。単純化モデル21は、図２に示すように、１つの軸に対して１つの可動対象部23及び一対の梁24として単純化したモデルである。その際に、この単純化モデル21では、可動対象部23を質点と捉え、梁24の質量は無視するものとする。
【００１７】  この単純化モデル21の共振周波数をエネルギー法により求めると、曲げの共振周波数f1及びねじりの共振周波数f2は、以下の数式により表される。
【００１８】
【数１】
0006496304.tif 000002
【００１９】
【数２】
0006496304.tif 000003
【００２０】  ここで、単純化モデル21では、可動対象部23の質量をmm、慣性モーメントをJm、梁24は両端固定端となっており、梁幅をw、厚さをt、全長をl、ヤング率をE、横弾性係数をG、梁の断面二次モーメントをI、断面二次極モーメントをIpとする。
【００２１】  ここで、E及びGは梁24の材料によって決まる定数あり、可動対象部23の質量mm及び慣性モーメントJmは可動対象部23の形状および材料で決まる定数である。また、梁の断面形状長方形の場合にはI=wt3/12及びIp=wt3/12+tw3/12となる。tが梁のどの部分でも一定であると仮定すると、上記の数式（１）及び（２）は、以下の通り、書き換えることができる。
【００２２】
【数３】
0006496304.tif 000004
【００２３】
【数４】
0006496304.tif 000005
【００２４】  従って、この単純化モデル21では、曲げにおいては全長lが、ねじりにおいては梁幅wがその他パラメータよりも影響が大きくなることがわかる。上記数式（３）及び（４）における梁幅w及び全長lの値を適切に設定することで、曲げとねじりの共振周波数を設計することも可能である。そこで、本発明者らは、このように曲げとねじりの共振周波数を梁の形状によって設計することが可能になると考察した。
【００２５】［マイクロ駆動装置の詳細］  フレーム部２は、可動対象部３を囲むように矩形状に形成される。一辺の略中央に１の梁４が固定され、対向する一辺にも他の梁４が固定され、これら一対の梁４を介して可動対象部３を支持し得るように構成されている。ここでは、一対の梁４がフレーム部２に固定されているが、後で説明する第二の梁がフレーム部２に固定され、第二の梁及び梁４を介して可動対象部３を支持するように構成してもよい。本実施形態では、フレーム部２が矩形状に形成されているが、これに限定されるのではなく、本発明のマイクロ駆動装置を組み込むデバイスの形状に応じて変更でき、例えば円形状であってもよい。
【００２６】  可動対象部３は、梁４がねじれる又は曲がることによって、回転又は並進の動作をする対象である。可動対象部３は、マイクロ駆動装置１の用途に応じて異なる形状及び機能を有する。この可動対象部３は、一対の梁４が当該可動対象部３を挟んで直線に並ぶように、即ち一対の梁４が一方向となるように、梁４の一端が可動対象部３に固定され、梁４の他端がフレーム部２の１辺に固定されることにより、一対の梁４を介してフレーム部２により支持される。
【００２７】  図１において、この可動対象部３の形状は、長方形であるが、特に限定されるものではなく、マイクロ駆動装置１の用途によって、適宜採択することができる。例えば、マイクロ駆動装置１が光スキャナに用いられる場合には、可動対象部３又はその一部が板状又は円状のミラーであってもよい。また、マイクロ駆動装置１の用途によっては、平面的な形状でなく、例えば中央が膨らんだような立体的な形状であってもよい。また、可動対象部３又はその一部がレンズや偏光素子であってもよい。
【００２８】  可動対象部３は、厚さ、長さ、半径等の形状に応じた形状パラメータを有しており、これらの形状パラメータを適宜変更することにより、梁４が有する共振周波数を変化させることができる。また、可動対象部３を形成する材料を変更することによっても、梁４が有する共振周波数を変化させることができる。
【００２９】  梁４は、可動対象部３とフレーム部２の１辺に固定される。梁４は、フレーム部２に固定されるため梁４自体が回転及び並進するのではなく、自由度に対応する共振周波数で共振することで長手方向へのねじれが生じたり、所定の曲りが生じたりする。梁４がこのような動作を行うことにより、可動対象部３を回転及び並進させるように構成されている。そのため、梁４は、可動対象部３を軸支しているように動作し得る。なお、梁４は、フレーム部２に固定されて設けられていればよい。例えば、一対の梁４が可動対象部３を挟んで１方向に、例えばｘ軸方向に沿って直線となるように設けられていてもよい。また例えば、３本の梁４が可動対象部３を中心にして、１２０°間隔で放射状に設けられていてもよい。また例えば、梁４が直線形状ではなく曲線形状をしていてもよい。また例えば、上記フレーム部２の１辺ではなく、隅に固定してフレーム部２の対角線上に設けてもよい。
【００３０】  この梁４は、可動対象部３の動作に応じた複数の共振周波数で共振し得るように、梁幅、長さ、厚さ、分割数及び梁間の形状パラメータを変化させることで、共振周波数の制御が可能となっている。また、梁４の形状は、作製の容易さから基本的に細長い板状であるが、必要となる共振周波数によってはその他の形状であってもよい。なお、梁４は、複数本設けることもできる。形状パラメータの変更として、１本であった梁４を複数本に分けて設けることも含まれる。例えば、梁４が１本の場合の梁幅と複数本の梁幅の合計とが同じになるように梁４を平行に分割することがあり得る。ここで、分割数とは、複数に分割した梁の本数のことであり、梁間とは、梁４を複数本設けた場合における互いの間隔のことである。
【００３１】  このマイクロ駆動装置１は、Si基板から作製され、可動対象部３、フレーム部２及び梁４はSiからなる。好ましくは、SOI（Silicon On Insulator）基板を用いるが、微細加工が可能な材料であれば、他の材料の基板を用いることができる。また、フレーム部２、可動対象部３及び梁４は、それぞれが異なる材料で形成されるように、例えば金属や半導体又は有機物等の他の材料、またはそれらの積層体で形成されたものを使用してもよい。この点については、実施形態３として後述する。
【００３２】＜実施形態２＞［第一の梁及び第二の梁を有するマイクロ駆動装置］  発明者らは、実施形態１で説明したマイクロ駆動装置の梁の具体的な構造として、第一の方向で設けられた第一の梁と第二の方向で設けられた第二の梁を含む構造とし、第一の梁と第二の梁を直交するように配置することで、第一の梁及び第二の梁の梁形状によって、ｘ軸回転、ｙ軸回転及びｚ軸並進のそれぞれの共振周波数を容易に設計することが可能になると考察した。ここで梁形状とは、主に梁幅、長さ、分割数、梁間のことである。
【００３３】  実施形態２は、第一の梁及び第二の梁を有するマイクロ駆動装置である。図３に示すようなマイクロ駆動装置11は、第一の梁14に設けられる少なくとも１つの第二の梁15を備える。この第二の梁15は、第一の梁14に対して直交するように、第一の梁14の可動対象部13側の先端から複数本配置されている。なお、第二の梁15は、少なくとも１本、第一の梁14に固定されて設けられていればよい。また、第二の梁15は、第一の梁14の方向と異なる方向に設けることができ、必ずしも直交する必要はなく、マイクロ駆動装置の用途によっては、例えば第一の梁14の方向に対して45°の角度で配置してもよい。また例えば、第二の梁15が直線形状ではなく曲線形状をしていてもよい。また例えば、第一の梁14と第二の梁15の両方またはどちらか一方が分割されていてもよい。
【００３４】  この第二の梁15は、第一の梁14に固定される共振周波数で共振することで長手方向へのねじれが生じたり、所定の曲がりが生じたりすることで、第一の梁14のねじれ及び曲がりと合わせて、可動対象部３を回転及び並進させるように構成されている。即ち、第二の梁15は、第一の梁14に対して、設定可能な共振周波数の範囲を拡大するために設けられる。
【００３５】  この第二の梁15は、第一の梁14と同様に、可動対象部13の動作に応じた複数の共振周波数で共振し得るように、梁幅、長さ、梁間及び厚さの形状パラメータを変化させることで、共振周波数の制御が可能となっている。また、第二の梁15の形状は、作製の容易さから基本的に細長い板状であるが、必要となる共振周波数によってはその他の形状であってもよい。
【００３６】［共振周波数によるマイクロ駆動装置の動作概要］  ｘ軸方向の回転、ｙ軸方向の回転及びｚ軸方向の並進をすることができるこのマイクロ駆動装置11の動作概要を説明する。図４は、共振周波数とマイクロ駆動装置11との関係を示す概念図（ｚ軸並進）である。図４（Ａ）は、ｚ軸並進するマイクロ駆動装置の概念図であり、図４（Ｂ）は、マイクロ駆動装置に印加された周波数とその振幅との関係を示したグラフである。図４（Ａ）に示すマイクロ駆動装置11は、第二の梁15を第一の梁14に直交するように配置し、第一の梁14及び第二の梁15のそれぞれの形状パラメータを適宜設定することにより、異なる３つの周波数のピークにおいて可動対象部13の振幅が最大となるように設計されている。
【００３７】  図４（Ｂ）に示すように、実線で示された周波数を第一の梁14及び第二の梁15に印加すると、一対の第一の梁14はフレーム部12側から可動対象部13側に向かってｚ軸方向の上側へ曲がるとともに、第二の梁15は第一の梁14付近から離れるに従ってｚ軸方向の上側へ曲がることにより第一の梁14のｚ軸方向の並進動作を補助している。その結果、このマイクロ駆動装置11は、ｚ軸方向への並進が可能となる。
【００３８】  図５は、共振周波数とマイクロ駆動装置11との関係を示す概念図（ｘ軸回転）である。図５（Ａ）は、ｘ軸回転するマイクロ駆動装置の概念図であり、図５（Ｂ）は、マイクロ駆動装置に印加された周波数とその振幅との関係を示したグラフである。図５（Ｂ）に示すように、点線で示された中央の周波数を第一の梁14及び第二の梁15に印加すると、両方の第一の梁14はｘ軸に対して矢印の方向にねじれるとともに、第二の梁15は第一の梁14を中心に回転方向上側が凸状に、回転方向下側が凹状に曲がることにより第一の梁14のｘ軸方向の回転動作を補助している。その結果、このマイクロ駆動装置11は、ｘ軸方向への回転が可能となる。
【００３９】  図６は、共振周波数とマイクロ駆動装置11との関係を示す概念図（ｙ軸回転）である。図６（Ａ）は、ｙ軸回転するマイクロ駆動装置の概念図であり、図６（Ｂ）は、マイクロ駆動装置に印加された周波数とその振幅との関係を示したグラフである。図６（Ｂ）に示すように、一点鎖線で示された最も高い周波数を第一の梁14及び第二の梁15に印加すると、第一の梁14は一方がフレーム部12側から可動対象部13側に向かってz軸方向の上側へ曲がり、もう一方がフレーム部12側から可動対象部13側に向かってz軸方向の下側へ曲がるとともに、第二の梁15はｙ軸方向に対して矢印の方向にねじれることにより、第一の梁14のｙ軸方向の回転動作を補助している。その結果、このマイクロ駆動装置11は、ｙ軸方向への回転が可能となる。
【００４０】  マイクロ駆動装置11においては、第一の梁14と第二の梁15とを直交させる配置にすることにより、第一の梁14と第二の梁15から構成される一対の梁のみで３軸駆動可能（３自由度）、即ちｘ軸方向への回転、ｙ軸方向の回転及びｚ軸方向の並進ができる。しかも、マイクロ駆動装置11は、第一の梁14と第二の梁15とを直交させる配置とし、これらの梁が一つ又は複数の共振周波数で共振して、ねじれる又は曲がるように設計されていることから、１つの制御機構で駆動できる。さらに、マイクロ駆動装置11は、可動対象部13や第一の梁14、第二の梁15の形状パラメータを適切に設定することにより、可動対象部13の各自由度に対する共振周波数を適切に異なるように設計できる。また、マイクロ駆動装置11は、その使用用途や設計、形状に応じた最適な位置に制御機構を設けることができる。これらのことから、本願発明のマイクロ駆動装置は、駆動装置の設計の自由度が向上し、超小型化を図ることもできる。また、本願発明のマイクロ駆動装置は、設計の自由度及び超小型化が図れることで、使用用途も大幅に拡大できる。
【００４１】  以下では、第一の梁と第二の梁とが直交し、ｘ軸方向への回転、ｙ軸方向の回転及びｚ軸方向の並進が可能な実施形態２のマイクロ駆動装置を有する光スキャナの用途を想定し、実際にその用途に適合する形状及び形状パラメータを設定し、光スキャナ用マイクロ駆動装置の作製を行う。
【００４２】［マイクロ駆動装置の形状決定］  ここで、光スキャナのミラー部の面積占有率である開口率を可能な限り高くし、かつ各自由度に対する共振周波数を適切に異なる、即ちそれぞれの共振周波数のピーク間隔を広くして各自由度を独立に制御可能なようにするために、図７及び図８に示す光スキャナ用マイクロ駆動装置51の形状を決定する。図７に示す光スキャナ用マイクロ駆動装置51は、可動対象部であるアルファベットのＩ文字（大文字）形状に形成されたミラー部53と、一対の第一の梁Ｐと、第一の梁Ｐに直交するように設けられた第二の梁Ｑを支持するフレーム部を有している。図８に示す光スキャナ用マイクロ駆動装置51は、図７に示した第一の梁Ｐが２分割された第一の梁Ｐ１及びＰ２となっている。
【００４３】  図８に示す光スキャナ用マイクロ駆動装置51では、第一の梁Ｐ1及び第一の梁Ｐ2の梁幅を梁幅WP（第一の梁Ｐを分割したのでそれぞれ同じ幅となるため）、その第一の梁Ｐ1及び第一の梁Ｐ2の間隔を間隔Ｐ12、ミラー部53を挟んだ一対の第一の梁の長さを合わせた第一の梁の全長を長さlPとする。また、両端固定されている第二の梁Ｑの梁幅をWQとする。本実施形態では、これらの定義された形状パラメータを使用して、光スキャナ用マイクロ駆動装置51の共振周波数の最適化を行う。なお、可動対象部がミラー部53であるとして以下の説明を行うが、例えば可動対象部が他の用途であっても同様の方法で実施可能である。
【００４４】［マイクロ駆動装置の共振周波数最適化方法］  この光スキャナ用マイクロ駆動装置51における共振周波数の最適化方法では、最適に異なる共振周波数が得られる形状パラメータを取得するために、最初に与えられる形状パラメータを変化させながら、有限要素解析法により最終的な形状パラメータを決定する。本実施形態では、有限要素解析法を用いて、形状パラメータを決定したが、これに限られることなく、他の解析方法を用いることもでき、例えば、実際に形状パラメータを変更した光スキャナ用マイクロ駆動装置51を作製して最終的な形状パラメータを決定してもよい。
【００４５】  この光スキャナ用マイクロ駆動装置51の有限要素解析では、計算を簡易化するために、ｘ軸回転及びｙ軸回転の対称性を保ち、さらにデバイス全体の形状を正方形にして、正方形の一辺を1,500μm、ミラー部及び梁の厚さはt=30μmで一定とすることで、第一の梁Ｐの長さlp=1,500μmとなる。
【００４６】  図９は、光スキャナ用マイクロ駆動装置51の有限要素解析において、各自由度に対応する共振周波数を最適に異なるようにする、形状パラメータの最適値を算出するフローチャートである。ここでは、図９に記載のフローチャートの手順に沿って、形状パラメータの選定手順を説明する。
【００４７】  Ｓ61は、マイクロ駆動装置の用途に応じた仕様を確定する仕様確定ステップである。次いで、評価関数導出ステップであるＳ62は、解析中の形状パラメータにより変化する共振周波数を評価する評価関数を決定する。Ｓ63は、仕様を最低限満たしている寸法値を基準として設定（以下、基準寸法値とする）し、上述した評価関数と当該基準寸法値とを初期条件とする初期条件設定ステップである。
【００４８】  Ｓ64は、形状パラメータの中から１つを選択し、選択した形状パラメータのみを基準寸法値から所定間隔で変化させながら、残りの形状パラメータを基準寸法値に固定して、有限要素解析法を用いて各間隔で共振周波数と評価関数値とを算出することを全ての形状パラメータについて行う形状パラメータ変更ステップである。但し、このＳ64では、任意の形状パラメータ値をとることは不可能なので、それぞれの形状パラメータにおいて適切な間隔で値を動かすこととする。
【００４９】  Ｓ65は、各間隔で算出された共振周波数をそれに対応する評価関数値で評価して、各形状パラメータの最適寸法値範囲を算出する最適寸法値範囲算出ステップである。Ｓ66は、算出した各形状パラメータの最適寸法値範囲から適当な値を選び出し、それらを全て掛け合わせて新たな形状パラメータの組み合わせを作成する代表値組み合わせステップである。Ｓ67は、新たな形状パラメータの組み合わせに対して、形状パラメータ変更ステップであるＳ64を実行して、各間隔で算出された共振周波数をそれに対応する評価関数値で評価して、暫定基準寸法値の組み合わせを決定する暫定基準値算出ステップである。
【００５０】  Ｓ68は、Ｓ67で得られる暫定基準寸法値の組み合わせを形状パラメータの新たな基準寸法値とし、基準寸法値と暫定基準寸法値とが一致するまでＳ64〜Ｓ67を繰り返す最適値算出ステップである。なお、１回目のサイクルで、基準寸法値と暫定基準寸法値とが一致すれば再度Ｓ64〜Ｓ67を繰り返す必要はない。最終的に、Ｓ68では、基準寸法値と暫定基準寸法値とが一致すれば、その一致した暫定基準寸法値を最適寸法値と考える。
【００５１】  上述した共振周波数最適化方法により、本実施形態では、光スキャナ用マイクロ駆動装置51に用いる最適化された形状パラメータを、梁幅WQ=80μm、梁幅WP=10μm、長さlP=400μm、間隔Ｐ12=25μmとした。また、これらの形状パラメータを有する光スキャナ用マイクロ駆動装置51では、ｘ軸回転共振周波数fxが4.341kHz、ｙ軸回転共振周波数fyが33.74kHz及びｚ軸並進共振周波数fzが19.68kHzとの結果が得られた。
【００５２】  ＜マイクロ駆動装置の作製方法＞  光スキャナ用マイクロ駆動装置51の作製について、図１０に示す工程図を基に説明する。本実施形態では、可動対象部の３次元の変位を考慮して基板の表と裏とからエッチングする必要があるため、SOI（Silicon On Insulator）の基板を用いている。これは、基板表面と基板裏面との間に設けられたSiO2層がSiエッチング時のストッパーとなり、基板表面に形成される形状を維持したまま、基板裏面からのエッチングが行えるためである。
【００５３】  使用したSOIウエハーは、シリコン層30μm（以下、表面という）、SiO2層２μm及びシリコン層250μm(以下、裏面という)の３層からなる。図１０に示すＳ71では、SOI基板81上に界面活性剤OAP（東京応化工業株式会社）をスピンコーティングにより塗布して乾燥させた後、その上にポジ型フォトレジスト82であるOFPR（東京応化工業株式会社）をスピンコーティングにより塗布した。塗布したポジ型フォトレジスト82には、フォトマスクに描かれた光スキャナ用マイクロ駆動装置51のパターンを紫外線照射により焼き付けた。露光したSOI基板81を現像液に浸すことにより、焼き付けたパターン以外の不要なフォトレジスト82を除去した。
【００５４】  Ｓ72では、焼き付けたパターンを基板のSi上層83に転写するためにSiエッチングをSiO2層84まで行って、Si上層83にパターンを形成した。このSiエッチングは、SF6、酸素及びC4F8を用いたドライエッチングで行った。ここでは、ドライエッチングを用いたが、例えばウェットエッチングを用いてもよい。
【００５５】  Ｓ73では、Si上層83のパターン上の残ったフォトレジスト82を溶剤等を用いて除去した。この溶剤は、フォトレジスト除去として用いられるものであれば種類は問わない。ここでは、アセトン、イソプロパノール及び硫酸過酸化水素水を用いてレジスト除去を行った。
【００５６】  Ｓ74〜Ｓ76では、SOI基板81の裏面側からＳ71〜Ｓ73と同様にして、Si下層85をSiO2層84までSiエッチングして基板裏面側のパターンを形成した。
【００５７】  Ｓ77では、SiO2層を除去した。ここでは、フッ酸水溶液を用いたが、Si層をエッチングせずSiO2層のみをエッチングできればよく、例えばドライエッチングを用いてもよい。図１１に工程図に示されたＳ71〜Ｓ77の各工程を経て作製された実施形態２の光スキャナ用マイクロ駆動装置を示す。
【００５８】［マイクロ駆動装置の評価］（評価方法）  作製した光スキャナ用マイクロ駆動装置の特性を評価するために、このマイクロ駆動装置に加振して、その際の特定点におけるｚ軸方向の変位を測定した。これにより、この光スキャナ用マイクロ駆動装置が仕様通りの共振周波数で３種類のモードを示しているか評価した。
【００５９】  図１２は、光スキャナ用マイクロ駆動装置をｚ軸方向から見た２次元形状の模式図である。図１２に示すように、測定点として３点ａ、ｂ、ｃを設定した。但し、光スキャナ用マイクロ駆動装置の外に測定点ｃを設けたのは、加振した際にマイクロ駆動装置を支える外部の機構も振動するため、その外部の振動を差し引き、加振時における純粋な光スキャナ用マイクロ駆動装置のミラー部の変位を求めるためである。
【００６０】  測定点ａ及びｂの変位の測定により、次のようなことを判断することができる。測定点ａが変位せず測定点ｂが変位している場合には、ミラー部がｘ軸回転していると判断できる。また、測定点ａ及びｂが変位している場合には、ｚ軸並進をしていると判断でき、測定点ａが変位して測定点ｂが変位していない場合には、ｙ軸回転していると判断できる。
【００６１】  測定点における変位の測定では、レーザードップラー振動計（Polytec製，MSA- 500）を使用した。また加振器としてピエゾアクチュエータを用いて光スキャナ用マイクロ駆動装置に加振した。加振時は、20mm角に製作されている光スキャナ用マイクロ駆動装置を支えるために、ピエゾアクチュエータの上にアルミ板を挟んで固定した。レーザードップラー振動計は、指定した範囲で指定した点の個数だけ変位計測が可能であるが、上記した３つの測定点の変位のみ抽出し、それらの共振周波数及び共振モードを計測した。加振時の駆動電圧は、片振幅２Vとした。
【００６２】（評価結果）  作製した光スキャナ用マイクロ駆動装置に対して、上述した評価方法に従って光スキャナ用マイクロ駆動装置としての特性を評価した。図１３（Ａ）に光スキャナ用マイクロ駆動装置に印加された周波数とその変位との関係（周波数−変位グラフ）を示した。図１３（Ｂ）に光スキャナ用マイクロ駆動装置に印加された外部の変位を差し引いて算出した周波数とゲインとの関係（周波数−ゲイングラフ）を示した。
【００６３】  図１３（Ａ）に示された周波数−変位グラフによれば、低い周波数のピークから順に、測定点ｂのみが変位し、測定点ａ及びｂが変位し、測定点ａのみが変位していることが分かる。図１３（Ｂ）に示された周波数−ゲイングラフを検討すると、周波数−変位グラフの最も低いピークに該当する共振周波数近傍では、測定点ｂの変位成分のみが存在している。また、周波数−変位グラフの中央のピークに該当する共振周波数近傍では、測定点ａ及びｂの変位成分が同じ強さで重なっている。
【００６４】  さらに、周波数−変位グラフの最も高いピークに該当する共振周波数近傍では、測定点ｂの変位成分が高い共振周波数も多少存在しているが、ほとんど測定点ａの変位成分であることが分かる。この評価結果に基づいて、各軸の動作に対応する独立した共振周波数を選択した。
【００６５】  次いで、選択した共振周波数で行った光スキャナ用マイクロ駆動装置の駆動の様子を、３Ｄグラフィックスにして図１４〜１６に示した。測定点ｂのみが変位する最も低いピーク付近の2.781kHzの共振周波数を光スキャナ用マイクロ駆動装置に加振すると、図１４に示すようにｘ軸回転モードを示した。この結果は、共振周波数最適化方法で得られたｘ軸回転共振周波数fxと近い周波数でｘ軸回転していることが示されている。
【００６６】  また、測定点ａ及びｂの変位成分が同じ強さで重なっている中央のピーク付近の17.31kHzの共振周波数を光スキャナ用マイクロ駆動装置に加振すると、図１５に示すようにｚ軸並進モードを示した。この結果は、共振周波数最適化方法で得られたｚ軸並進共振周波数fzと近い周波数でｚ軸並進していることを示している。
【００６７】  また、測定点ａのみが変位している最も高いピーク付近の29.50kHzの共振周波数を光スキャナ用マイクロ駆動装置に加振すると、図１６に示すようにｙ軸回転モードを示した。この結果は、共振周波数最適化方法で得られたｙ軸回転共振周波数fyと近い周波数でｙ軸回転していることが示されている。
【００６８】  以上の構成において、本発明のマイクロ駆動装置は、第一の梁Ｐ及び第二の梁Ｑが直交して設けられており、かつ形状パラメータを最適化すると、最適に異なる３つの共振周波数が得られることから、第一の梁Ｐ及び第二の梁Ｑが各共振周波数に応じてねじれる又は曲がることで、可動対象部をｘ軸回転、ｙ軸回転及びｚ軸並進することができる。そのため、本発明のマイクロ駆動装置からなる光スキャナ用マイクロ駆動装置は、簡易な構造により小型化できるとともに、ｚ軸並進によりフォーカス機能を備えることができ、ミラー部をフレーム部の内側において最大限に拡張できる構成のため、開口率を高くすることもできる。
【００６９】＜実施形態３＞    実施形態１及び２では、SOI基板をエッチング加工して、フレーム部、可動対象部、第一の梁及び第二の梁を作製し、これらの構成部材をシリコンとするマイクロ駆動装置について説明した。実施形態３のマイクロ駆動装置では、上記構成部材として異なる材料を使用できるようにし、作製方法としてもエッチング加工だけでなく、蒸着等の積層プロセスを追加することにより、それぞれの構成部材に使用する材料を積層し得るようにしている。構成部材としてこのような材料を用いることにより、材料パラメータを増やすことが可能となり、共振周波数最適化がより望めるようになる。
【００７０】  実施形態３のマイクロ駆動装置に使用可能な材料として、金、銀、アルミニウム等の金属材料、炭素、金属酸化物等の無機材料、及びポリアミド、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂等の有機材料が挙げられる。これらの材料は、微細加工時に使用できる材料であればどの材料を用いてもよい。また、単一の材料で各構成部材を作製するだけでなく、複数の材料を積層したような複合材料を構成部材の材料として用い、各構成部材を作製することもできる。
【００７１】  以上の実施形態１及び２と異なる構成において、実施形態３のマイクロ駆動装置は、フレーム部、可動対象部、第一の梁及び第二の梁のうち少なくとも１つを異なる材料で作製するため、共振周波数を制御できるパラメータが増加する。その結果、各共振周数の間隔を広げることができる。それにより、可動対象部及び第一の梁を有機材料で作製し、フレーム部及び第二の梁を金属又は無機材料で作製したようなマイクロ駆動装置では、例えば、ｘ軸回転の周期を遅くし、ｙ軸回転の周期及びＺ軸並進の周期を非常に速くするようにすることもできる。さらに、実施形態３のマイクロ駆動装置は、複数に分割されている部分を有する第一の梁及び／又は第二の梁を備えるとともに、当該分割されている部分の一の部分が他の部分と異なる材料となるように設計されていてもよい。
【００７２】［マイクロデバイス］  本発明のマイクロ駆動装置を組み込むことで、多軸駆動を実現するマイクロデバイスを作製することが可能となる。マイクロデバイスの使用用途に応じて可動対象部を変更し、必要な自由度に応じて、第一の梁と第二の梁の配置方法及び材料を選定して作製することにより、所望のマイクロデバイスを得ることができる。マイクロデバイスの例としては、可動対象部をミラーとするマイクロミラーに限らず、可動対象部をシャフトやアーム等の機械部品、圧力センサや光学センサ等のセンサとする、多軸駆動するマイクロマシンやマイクロセンサ等が挙げられる。
【００７３】［マイクロ駆動装置用共振周波数決定プログラム］  本発明のマイクロ駆動装置を製造する際に適用した共振周波数最適化方法は、コンピュータ処理によって実現することができる。マイクロ駆動装置の共振周波数の最適化方法をコンピュータに実行させるためのプログラムをＣＰＵがＲＡＭ上に展開し、当該プログラムに従って、上記共振周波数最適化方法をコンピュータが実行することができる。当該プログラムはコンピュータ読み取り可能な記録媒体を用いて、コンピュータにインストールしても良いし、ネットワークを介して他のコンピュータや記録媒体からインストールしても良い。
【００７４】  以上、本発明の実施形態について説明したが、当該実施形態はあくまでも例として提示したに過ぎず、発明の範囲を限定することを意図していない。ここに提示した実施形態は、その他の様々な形態で実施可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置換、変更が可能である。
【産業上の利用可能性】
【００７５】  本願発明のマイクロ駆動装置は、一方向のみに設けられた梁を備え、多軸駆動可能であり、かつ小型化された装置であるため、超小型化、微細化が要求されるマイクロデバイスに適用することができる。このため、本発明のマイクロ駆動装置は、電子機器関連産業の発達に寄与することができる。また、可動対象部がミラーであるマイクロミラー駆動装置は、光センサ等の各種センサに用いられ、MEMS光スキャナ等として採用することができるため、電子光学機器産業の発達に大きく貢献することができる。また、この本願発明によるマイクロ駆動装置を用いた光スキャナをヘッドマウントディスプレイに応用すれば、このヘッドマウントディスプレイは、従来の２次元画像のみならず３次元画像を映し出すことが可能となり、画像技術の向上を図ることができる。
【符号の説明】
【００７６】
１,11  マイクロ駆動装置
２,12  フレーム部
３,13  可動対象部
４  梁
14，Ｐ，Ｐ１，Ｐ２  第一の梁
15，Ｑ  第二の梁
53  ミラー部（可動対象部）
【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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