JP2003181800A - 圧電型マイクロアクチュエータ及びこれを備えたマイクロミラー - Google Patents

圧電型マイクロアクチュエータ及びこれを備えたマイクロミラー

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JP2003181800A JP2001385615A JP2001385615A JP2003181800A JP 2003181800 A JP2003181800 A JP 2003181800A JP 2001385615 A JP2001385615 A JP 2001385615A JP 2001385615 A JP2001385615 A JP 2001385615A JP 2003181800 A JP2003181800 A JP 2003181800A
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Masaya Horino
正也 堀野
Tadaaki Ishikawa
忠明 石川
Yasuhiro Ito
康博 伊藤
Ryuta Takahashi
龍太 高橋
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Hitachi Ltd
Proterial Ltd
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Hitachi Cable Ltd
Hitachi Ltd
Hitachi Metals Ltd
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    • F21S—NON-PORTABLE LIGHTING DEVICES; SYSTEMS THEREOF; VEHICLE LIGHTING DEVICES SPECIALLY ADAPTED FOR VEHICLE EXTERIORS
    • F21S41/00—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps
    • F21S41/60—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by a variable light distribution
    • F21S41/67—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by a variable light distribution by acting on reflectors
    • F21S41/675—Illuminating devices specially adapted for vehicle exteriors, e.g. headlamps characterised by a variable light distribution by acting on reflectors by moving reflectors

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  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)

Abstract

(57)【要約】 【課題】低い印加電圧にて大きな回転角度を生じ、ま
た、マイクロマシニング技術を応用して容易に実現でき
る圧電型マイクロアクチュエータ及びこれを備えるマイ
クロミラーを提供する。 【解決手段】中間電極２０４の一方の面側に位置する圧
電素子膜２０１ａと中間電極２０４の他方の面側に位置
する圧電素子膜２０１ｂとを分極方向を逆にして配置
し、一方の面側に位置する圧電素子膜２０１ａ及び他方
の面側に位置する圧電素子膜２０１ｂの外側面に、正極
及び負極の電極を交互に配置し、電極に電圧を印加する
ことにより、圧電素子膜の隣り合う直線部１０２ｂで交
互に反対方向に屈曲変形する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】本発明は、低電圧で大きな変
位を発生することができる圧電型マイクロアクチュエー
タ及びそのアクチュエータを備えて駆動されるマイクロ
ミラーに関する。
【０００２】
【従来の技術】短冊状の複数の圧電素子膜を連結部材に
より連結し、蛇行状に形成した圧電型アクチュエータで
あって、隣り合う圧電素子の分極方向が逆向きであり、
また、圧電素子下側の電極、及び上側の電極は、それぞ
れ同電位に設定された圧電型アクチュエータについて、
たとえば特開平７−１２４１０３号公報に開示されてい
る。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】前記従来技術では、隣
り合う圧電素子の分極方向が逆向きであり、また、圧電
素子下側の電極及び上側の電極は、それぞれ同電位に設
定されている。これは予め分極した圧電素子を組み合わ
せているために可能となる構成である。アクチュエータ
をさらに小形化するには、マイクロマシニングにて加工
することが必要となるが、従来技術にはマイクロマシニ
ングに適した圧電型アクチュエータの構造については記
載されていない。
【０００４】また、圧電型アクチュエータを用いてミラ
ーを３次元空間内で自由な方向に向けることができる構
成についても記載されていない。本発明の目的は、低い
印加電圧にて大きな回転角度を生じ、またマイクロマシ
ニング技術を応用して容易に実現できる圧電型マイクロ
アクチュエータを提供することにある。また、上記圧電
型マイクロアクチュエータを備えるマイクロミラーを提
供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る圧電型マイクロアクチュエータの発明の
構成は、折り返し部と直線部とを有し、蛇行して形成さ
れた圧電素子膜を中間電極を介して層状に重ね、前記直
線部で屈曲変形するバイモルフ圧電型マイクロアクチュ
エータにおいて、前記中間電極の一方の面側に位置する
圧電素子膜と前記中間電極の他方の面側に位置する圧電
素子膜とを分極方向を逆にして配置し、前記一方の面側
に位置する圧電素子膜及び前記他方の面側に位置する圧
電素子膜の外側面に、正極及び負極の電極を交互に配置
し、前記電極に電圧を印加することにより、前記圧電素
子膜の隣り合う直線部で交互に反対方向に屈曲変形する
ものである。詳しくは、前記中間電極を、前記他方の面
側に位置する圧電素子膜と同一の層に形成するものであ
る。また、前記一方の面側に位置する圧電素子膜及び前
記他方の面側に位置する圧電素子膜の正極同士及び負極
同士を、前記折り返し部にスルーホールを形成して接続
するものである。
【０００６】上記目的を達成するために本発明に係る圧
電型マイクロアクチュエータの他の発明の構成は、折り
返し部と直線部とを有し、蛇行して形成された圧電素子
膜を中間電極を介して層状に重ね、前記直線部で屈曲変
形するバイモルフ圧電型マイクロアクチュエータにおい
て、前記中間電極は、前記他方の面側に位置する圧電素
子膜と同一の層に形成し、前記中間電極の一方の面側に
位置する圧電素子膜と前記中間電極の他方の面側に位置
する圧電素子膜とを分極方向を逆にして配置し、前記一
方の面側に位置する圧電素子膜及び前記他方の面側に位
置する圧電素子膜の外側面に、正極及び負極の電極を交
互に配置し、前記一方の面側に位置する圧電素子膜及び
前記他方の面側に位置する圧電素子膜の正極同士及び負
極同士を、前記折り返し部にスルーホールを形成して接
続し、前記電極に電圧を印加することにより、前記圧電
素子膜の隣り合う直線部で、交互に反対方向に屈曲変形
するものである。
【０００７】上記目的を達成するために本発明に係るマ
イクロミラーの発明の構成は、折り返し部と直線部とを
有し、蛇行して形成された圧電素子膜を中間電極を介し
て層状に重ね、前記直線部で面方向に屈曲変形するバイ
モルフ圧電型マイクロアクチュエータによって、直交す
る２つの回転軸に角度可変に取り付けられるマイクロミ
ラーにおいて、前記バイモルフ圧電型マイクロアクチュ
エータは、前記中間電極の一方の面側に位置する圧電素
子膜と前記中間電極の他方の面側に位置する圧電素子膜
とを分極方向を逆にして配置し、前記一方の面側に位置
する圧電素子膜及び前記他方の面側に位置する圧電素子
膜の外側面に、正極及び負極の電極を交互に配置し、前
記電極に電圧を印加することにより、前記圧電素子膜の
隣り合う直線部で交互に反対方向に屈曲変形するもので
ある。
【０００８】
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明の圧電型マイクロ
アクチュエータに係る実施例の動作状況を示す斜視図で
ある。同図(a)は圧電型マイクロアクチュエータの動作
前、同図(b)は動作後の斜視図である。１０１は基板、
１０２は圧電型マイクロアクチュエータ、１０３は軸
（自由端）で、この軸１０３はマイクロアクチュエータ
１０２に電圧を印加することによって任意の角度に可変
可能なものであり、後述するミラーが取り付けられる部
分である。
【０００９】蛇行状のマイクロアクチュエータ１０２の
一端は基板１０１（形状は任意）に固定されており、他
端には軸１０３が固定されている。電圧を印加してマイ
クロアクチュエータ１０２を動作させると、折り返し部
１０２ａを除いた直線部１０２ｂが交互に反対方向に面
方向の屈曲変形をする。直線部１０２ｂを折り返し部１
０２ａを利用して複数個接続することによって軸１０３
が回転する角度の変化が加算されて大きくなる。このた
め、低い印加電圧でも軸１０３を大きく回転させること
ができる。
【００１０】図２は、本発明に係る圧電型マイクロアク
チュエータの詳細構造を示す斜視分解図である（図２
は、図１と折り返し部及び直線部の個数、屈曲状態等が
異なっている）。２０１ａ及び２０１ｂは、たとえば公
知のロッシェル塩（ＫＮａＣ4Ｈ4Ｏ6．４Ｈ2Ｏ）、Ｂａ
ＴｉＯ3，Ｐ6ＺｒＯ3などの金属酸化物の粉末を圧縮焼
成した圧電セラミックス等で形成される圧電素子膜、２
０２は本実施例では負極となる電極（−印で示す）、２
０３は同様に正極となる電極（＋印で示す）、２０４は
負極２０２と正極２０３との間の中間電極で、本実施例
ではゼロ電位である。２０５はスルーホールで、圧電素
子膜２０１ａもしくは２０１ｂを貫通して形成されてい
る。２０６は接続線で、スルーホール２０５と負極２０
２もしくは正極２０３とを接続するものである。同様に
２０７は接続線で、スルーホール同士を接続している。
２０８は接続電極で、スルーホール２０５の最下部に設
けられている。２０９は接続線で、中間電極同士を接続
している。２１０、２１１及び２１２は、それぞれ負極
端子、中間電極端子、正極端子である、２１３は基板、
２１４はマイクロアクチュエータ形成後にエッチングな
どによって除去される部分である。
【００１１】この圧電型マイクロアクチュエータは、概
要次のようにして製作される。まず、基板２１３に負極
２０２、正極２０３、負極端子２１０、中間電極端子２
１１、正極端子２１２、接続電極２０８及びこれら端子
と電極とを接続する接続線２０６を形成する。
【００１２】次に、これらの上に圧電素子膜２０１ｂを
重ねる。圧電素子膜２０１ｂの上に、接続電極２０８、
中間電極２０４、中間電極同士の接続線２０９、スルー
ホール２０５、スルーホール同士の接続線２０７を形成
する。その後これらの上に圧電素子膜２０１ａを重ね
る。これら圧電素子膜２０１ａと圧電素子膜２０１ｂと
の分極方向は反対に設定されている。最後に、圧電素子
膜２０１ａの上に、負極２０２、正極２０３、スルーホ
ール２０５、接続線２０６が形成される。
【００１３】図２では、理解を助けるために圧電素子膜
２０１ａ及び２０１ｂを分離して図示しているが、実際
には基板２１３上に順次重ね、エッチングを行って蛇行
状の層を形成する。これらの電極や素子膜を形成した後
で、基板２１３の一部２１４（破線で示す）をエッチン
グにより除去し、圧電型マイクロアクチュエータを動作
可能な状態にする。
【００１４】これらの一連の工程は、マイクロマシニン
グにより行われる。負極２０２及び正極２０３の電極や
接続線２０６などは金属膜をスパッタリングにより堆積
し、フォトリソグラフィーにより形成したエッチングマ
スクを用いてパターニングする。圧電素子膜２０１ａ及
び２０１ｂは、たとえばゾルゲル法を用いて堆積し、フ
ォトリソグラフィーにより形成したエッチングマスクを
用いてパターニングする。また、負極２０２及び正極２
０３の電極及び圧電素子膜２０１ａ及び２０１ｂなどの
エッチングは湿式エッチングでもドライエッチングでも
可能である。また本実施例では、圧電素子膜２０１ａ及
び２０１ｂのエッチングを一層ごとに行ったが、２層の
圧電素子膜及び各種電極を形成したあとに一括して実施
してもよい。基板２１３の一部２１４のエッチングは、
ドライエッチングもしくはウェットエッチングのいずれ
でもよい。
【００１５】圧電素子膜２０１ａ及び圧電素子膜２０１
ｂの分極方向は逆に設定されているので、たとえば中間
電極２０４を介し、この中間電極２０４の一方の面側に
位置する圧電素子膜２０１ａをはさんで反対側の電極が
プラス電位、対応する圧電素子膜２０１ｂをはさんで反
対側の電極がマイナス電位であれば、圧電素子膜２０１
ａ及び２０１ｂのうち一方は伸び、他方は縮むので、バ
イモルフ型の屈曲変形を生じることができる。本実施例
によれば、低い印加電圧にて大きな回転角度を生じる圧
電型マイクロアクチュエータが得られる。また、圧電素
子膜を予め分極したものを交互に並べる必要がなく、マ
イクロマシニング技術を応用して容易に実現できる。
【００１６】図３は、本発明に係るマイクロミラーの構
造を示す斜視図である。３０１、３０２は上記実施例で
説明した圧電型マイクロアクチュエータ、３０３は基
板、３０４は可動フレーム、３０５はミラーである。圧
電型マイクロアクチュエータ３０１は、一端が基板３０
３に固定され、他端が可動フレーム３０４に接続されて
いる。また圧電型マイクロアクチュエータ３０２は、一
端が可動フレーム３０４に固定され、他端がマイクロミ
ラー３０５に接続されている。
【００１７】圧電型マイクロアクチュエータ３０１を動
作させると可動フレーム３０４が傾く。さらに圧電型マ
イクロアクチュエータ３０２を動作させると、可動フレ
ーム３０４に対してミラー３０５が傾く。したがって圧
電型マイクロアクチュエータ３０１、３０２を動作させ
ることにより、ミラー３０５を基板３０３に対して、あ
る範囲内で３次元的に任意の方向に傾けることができ
る。
【００１８】本実施例によるマイクロミラーを多数配列
することにより、たとえば光スキャナ、ディスプレイ素
子や大規模光マトリクススイッチに応用することができ
る。
【００１９】図４は、さらに具体的構造を示す断面図で
ある。３０５ａはミラー、３０５ｂは反射膜、４０１は
ベース、４０２は配線、４０３は駆動電源、４０４は光
ビームである。本実施例では圧電型マイクロアクチュエ
ータ３０２のみが動作している状態を示している。
【００２０】圧電型マイクロアクチュエータ３０１と駆
動電源４０３とは配線４０２によって接続されている。
圧電型マイクロアクチュエータ３０２と駆動電源４０３
とは、圧電型マイクロアクチュエータ３０１及び可動フ
レーム３０４上に形成される図示しない配線を通じて接
続されている。駆動電源４０３を稼動させて圧電型マイ
クロアクチュエータ３０２に電圧をかけることにより、
ミラー３０５ａが回転する。ミラー３０５ａ上には反射
膜３０５ｂが形成されており、光ビーム４０４を任意の
方向に反射することができる。本実施例によれば、３次
元空間内で自由な方向に可動させることができるマイク
ロミラーを実現できる。
【００２１】
【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
以下のような効果が得られる。 （１）低い印加電圧にて大きな回転角度を生じるバイモ
ルフ圧電型マイクロアクチュエータを形成することがで
きる。 （２）マイクロマシニング技術を応用して上記のマイク
ロアクチュエータを容易に実現できる。 （３）３次元空間内で自由な方向に可動させることがで
きるマイクロミラーを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の圧電型マイクロアクチュエータに係る
実施例の動作状況を示す斜視図で、(a)は動作前、(b)は
動作後の斜視図である。
【図２】詳細構造を示す斜視分解図である。
【図３】本発明に係るマイクロミラーの構造を示す斜視
図である。
【図４】さらに具体的構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１０１…基板、１０２…マイクロアクチュエータ、１０
３…軸、２０１ａ及び２０１ｂ…圧電素子膜、２０２、
２０３及び２０４…電極、２０５…スルーホール、２０
６…スルーホールと電極との接続線、２０７…スルーホ
ール同士の接続線、２０８…スルーホールの最下部に設
けられる接続電極、２０９…電極同士の接続線、２１
０、２１１及び２１２…電極、２１３…基板、２１４…
マイクロアクチュエータ形成後に除去される部分、３０
１、３０２…圧電型マイクロアクチュエータ、３０３…
基板、３０４…可動フレーム、３０５…ミラー、３０５
ａ…ミラー、３０５ｂ…反射膜、４０１…ベース、４０
２…配線、４０３…駆動電源、４０４…光ビーム。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.7 識別記号 ＦＩ テーマコート゛(参考） Ｈ０１Ｌ 41/08 Ｕ (72)発明者 堀野 正也 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 石川 忠明 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 伊藤 康博 埼玉県熊谷市三ケ尻5200番地 日立金属株 式会社先端エレクトロニクス研究所内 (72)発明者 高橋 龍太 東京都千代田区大手町一丁目６番１号 日 立電線株式会社内 Ｆターム(参考） 2H041 AA12 AB14 AC08 AZ03 AZ08 2H045 AB73 AB81

Claims (5)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】折り返し部と直線部とを有し、蛇行して形
    成された圧電素子膜を中間電極を介して層状に重ね、前
    記直線部で屈曲変形するバイモルフ圧電型マイクロアク
    チュエータにおいて、 前記中間電極の一方の面側に位置する圧電素子膜と前記
    中間電極の他方の面側に位置する圧電素子膜とを分極方
    向を逆にして配置し、 前記一方の面側に位置する圧電素子膜及び前記他方の面
    側に位置する圧電素子膜の外側面に、正極及び負極の電
    極を交互に配置し、 前記電極に電圧を印加することにより、前記圧電素子膜
    の隣り合う直線部で交互に反対方向に屈曲変形すること
    を特徴とする圧電型マイクロアクチュエータ。
  2. 【請求項２】前記中間電極を、前記他方の面側に位置す
    る圧電素子膜と同一の層に形成することを特徴とする請
    求項１記載の圧電型マイクロアクチュエータ。
  3. 【請求項３】前記一方の面側に位置する圧電素子膜及び
    前記他方の面側に位置する圧電素子膜の正極同士及び負
    極同士を、前記折り返し部にスルーホールを形成して接
    続することを特徴とする請求項１記載の圧電型マイクロ
    アクチュエータ。
  4. 【請求項４】折り返し部と直線部とを有し、蛇行して形
    成された圧電素子膜を中間電極を介して層状に重ね、前
    記直線部で屈曲変形するバイモルフ圧電型マイクロアク
    チュエータにおいて、 前記中間電極を、前記他方の面側に位置する圧電素子膜
    と同一の層に形成し、 前記中間電極の一方の面側に位置する圧電素子膜と前記
    中間電極の他方の面側に位置する圧電素子膜とを分極方
    向を逆にして配置し、 前記一方の面側に位置する圧電素子膜及び前記他方の面
    側に位置する圧電素子膜の外側面に、正極及び負極の電
    極を交互に配置し、 前記一方の面側に位置する圧電素子膜及び前記他方の面
    側に位置する圧電素子膜の正極同士及び負極同士を、前
    記折り返し部にスルーホールを形成して接続し、 前記電極に電圧を印加することにより、前記圧電素子膜
    の隣り合う直線部で、交互に反対方向に屈曲変形するこ
    とを特徴とする圧電型マイクロアクチュエータ。
  5. 【請求項５】折り返し部と直線部とを有し、蛇行して形
    成された圧電素子膜を中間電極を介して層状に重ね、前
    記直線部で面方向に屈曲変形するバイモルフ圧電型マイ
    クロアクチュエータによって、直交する２つの回転軸に
    角度可変に取り付けられるマイクロミラーにおいて、 前記バイモルフ圧電型マイクロアクチュエータは、前記
    中間電極の一方の面側に位置する圧電素子膜と前記中間
    電極の他方の面側に位置する圧電素子膜とを分極方向を
    逆にして配置し、前記一方の面側に位置する圧電素子膜
    及び前記他方の面側に位置する圧電素子膜の外側面に、
    正極及び負極の電極を交互に配置し、前記電極に電圧を
    印加することにより、前記圧電素子膜の隣り合う直線部
    で交互に反対方向に屈曲変形することを特徴とするマイ
    クロミラー。
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