JP2009086050A - 光圧電変換素子、アクチュエータ、センサー、光走査装置及び光走査型表示装置 - Google Patents

光圧電変換素子、アクチュエータ、センサー、光走査装置及び光走査型表示装置 Download PDF

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Abstract

【課題】信頼性を向上させるために密閉容器に封入する等の手段を講じることなく高温多湿の環境下においても劣化を低減させた圧電変換素子を実現する。
【解決手段】可動部と可動部に連結する固定部5を備える基体と、基体の表面に形成される下部電極12と、下部電極12の上に形成される圧電体10と、圧電体10の上部表面に形成される上部電極11とから構成され、電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換を行う圧電変換素子7において、少なくとも上部電極11の外部に露出する表面は撥水性薄膜16により覆われる構成とした。
【選択図】図1

Description

本発明は、圧電体を使用した圧電変換素子に係り、特に圧電素子の表面に保護層を設けて劣化を防止した圧電素子に関する。
従来から、固定部と可動部からなる基体にPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)やBaTiO(チタン酸バリウム)からなる圧電素子を固定した光走査装置が知られている。図7(a)は、この種の光走査装置の模式的外観図であり、図7(b)は、1つの圧電素子107の領域の断面図である(特許文献1を参照)。図7(a)において、光走査装置100は、光を反射する反射面が形成された反射部101と、この反射部101を両側から支持するバネ部102、102と、反射部101の周囲を取り囲む形状を有する固定枠105と、バネ部102と固定枠105との間を連結する2つの二股形状の梁部103、103と、2つの梁部103に設置された4つの圧電素子107とを備える光走査部と、中央部に凹部が形成され、光走査部の固定枠105と接合して光走査部を保持する筐体109により構成されている。
固定枠105の表面には電極端子106が形成されており、圧電素子107に形成された図示しない電極と配線104により電気的に接続されている。梁部103の2つの圧電素子107に互いに逆相の交番電圧を印加することにより、2つの梁部103は交互に上下方向に振動する。この振動によりバネ部102には回転トルクが与えられ、反射部101はバネ部102を揺動軸として揺動する。これにより、反射部101に入射した光束は、所定の周期の走査光束に変換される。
図7(b)は、圧電素子107が設置されている領域の模式的な部分断面図である。バネ部102及び梁部103からなる可動部は、固定枠105に連結している。圧電素子107は、圧電体110が上部電極111と下部電極112により挟まれる構造を有している。圧電素子107は、可動部の梁部103と固定枠105との間に跨って設置されている。固定枠105の上面には電極端子106が形成され、圧電素子の上部電極111と金線からなる配線104により電気的に接続されている。圧電素子107は、上部電極111と下部電極112との間に交番電圧を印加することにより、可動部である梁部103が上下に振動する。
ところで、この種の光走査装置100においては、圧電素子107を長時間駆動すると上部電極111が変色してくる。更に継続して駆動すると、圧電体110上の上部電極111が圧電体110から剥がれる、或いは上部電極111が断線する、という劣化現象が現れることが知られている。図7(c)は上部電極111の表面に変色した変色領域113が発生した状態を表す。圧電素子107を可動部の駆動源として使用している場合に、変色領域113が発生すると、圧電体110に十分に電圧が印加されず、反射部101の揺動の振幅が減少する。必要な振幅を得るために、圧電素子107の上部電極111と下部電極112に与える電圧を上昇させる。その結果、消費電力が増大する。また、供給電力が増大するので、劣化が更に進み、上部電極111や圧電体110の剥離、上部電極111の断線、或いは圧電体110内部でショート等が発生して破損に至る。
また、圧電素子107を反射部101の位置センサーとして使用することができる。2つの梁部103のうち、一方の梁部103に設置した圧電素子107を梁部103の駆動源として使用し、他方の梁部103に設置した圧電素子107を反射部101の位置センサーとして使用する。このようにすれば、光走査部の外部に主走査書き出しタイミングを検出するためのBD(beam detect)センサーを設置する必要がなく、光走査装置100をコンパクトに構成することが出来る利点がある。圧電素子107を位置センサーとして使用する場合は、圧電体110の上部電極111と下部電極112の間に発生する電圧波形を検出する。検出された電圧波形から、走査レーザー光により表示画像を描画する際の書き出しタイミングが決定される。この書き出しタイミングの精度が低下すると、表示画像にゆがみが生じるなど表示品質が劣化する。
位置センサーとして圧電素子107を長時間使用すると、上記駆動源として使用した場合と同様に、上部電極111に変色領域113が発生する。上部電極111に変色領域が発生すると、位置センサーとしての圧電素子107の検出精度が低下する。その結果、表示品質が劣化した。表示品質を劣化させないためには、圧電素子107の位置検出精度を例えば10−4/1周期の時間オーダー以下とすることが要求される。
上記劣化現象の一つの原因として、電極表面から水分が浸入して圧電体110内の結晶粒界に電流パスが形成されることが挙げられている。電流パスの生成により、その部分が発熱して電極表面が変色し、更に時間が経過すると電極や圧電体が剥離することが考えられている。そこで、圧電素子107の全露出面を封止樹脂により覆う、或いは、圧電素子107を含む光走査装置100、或いは光走査装置全体を密閉する容器に収納し、内部を真空にする、或いは内部を不活性ガスにより置換する等の対策を講ずることができる。
特開2005−181477号公報
しかしながら、圧電素子の露出面の全面に樹脂を塗布して封止することは、可動部上の圧電体の質量を変化させることになり、反射部の揺動の周期を変化させる原因となった。質量の影響を除去するために樹脂の膜圧を薄くすると防湿効果が低減し、十分な信頼性が得られない、という課題があった。また、真空封止や不活性ガス封止を行うためには新たに封止用パッケージを付加し、更に真空引きの工程が必要となり、光走査装置の容積が増大し、製造コストを上昇させる要因になる、という課題があった。
本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段を講じた。
請求項1に係る発明においては、可動部と前記可動部に連結する固定部を備える基体と、前記基体の表面に形成される下部電極と、前記下部電極の上に形成される圧電体と、前記圧電体の上部表面に形成される上部電極とから構成され、電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換を行う圧電変換素子において、少なくとも前記上部電極の外部に露出する表面は撥水性の薄膜により覆われていることを特徴とする圧電変換素子とした。
請求項2に係る発明においては、前記撥水性の薄膜は、前記圧電体の外部に露出する表面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電変換素子とした。
請求項3に係る発明においては、前記撥水性の薄膜は、シラン化合物、シリコーン剤、フルオロシリコン系樹脂、フッソ系樹脂、変成エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリジクロロパラキシリレン樹脂のいずれかを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電変換素子とした。
請求項4に係る発明においては、前記撥水性の薄膜は、膜厚が1マイクロメートルを超えないことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電変換素子とした。
請求項5に係る発明においては、請求項1〜4のいずれか1項に記載した圧電変換素子を使用したアクチュエータとした。
請求項6に係る発明においては、請求項1〜4のいずれか1項に記載した圧電変換素子を使用した、振動又は応力を検知するためのセンサーとした。
請求項7に係る発明においては、請求項5に記載したアクチュエータを使用した光走査装置であって、前記可動部は、光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を支持するバネ部と、前記バネ部を保持し前記固定部に連結する梁部を備え、前記下部電極と前記上部電極との間に交番電圧を与えることにより、前記ミラー部に振動又は揺動が生じて前記ミラー部から反射される反射光が走査される光走査装置とした。
請求項8に係る発明においては、請求項7に記載した光走査装置を備え、前記光走査装置によって画像信号に応じた光を2次元方向に走査して画像を形成表示する光走査型表示装置とした。
請求項1、5〜8の発明においては、圧電変換素子を構成する上部電極と下部電極のうち、少なくとも上部電極の外部に露出する表面は撥水性の薄膜により覆われている。これにより、上部電極の表面は水に対する濡れ性が低く、電極層に水分が浸入することを防止することができるので、電極層やその下の圧電体の劣化を防止することができる、という利点を有する。
請求項2の発明においては、撥水性の薄膜は、前記圧電体の外部に露出する表面全面を覆うように形成されている。これにより、上部電極の表面及び圧電体の表面の全露出面が撥水性の薄膜により覆われている。これにより、上部電極の他に圧電体の表面からも水分が浸入しないので、圧電体に水分が浸入することによる劣化現象をより効果的に抑制することができる、という利点を有する。
請求項3の発明においては、撥水性の薄膜は、シラン化合物、シリコーン剤、フルオロシリコン系樹脂、フッソ系樹脂、変成エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリジクロロパラキシリレン樹脂のいずれかを含むようにした。その結果、これらの材料はいずれも撥水性の材料であり、しかも膜厚を薄くしても水分の浸入を防ぐことができる、という利点を有する。
請求項4の発明においては、撥水性の薄膜は、膜厚が1マイクロメートルを超えないようにした。これにより、圧電素子の可動部の質量の増加を低減させることができ、可動部の振動周期や振幅に影響を与えることがない、という利点を有する。
以下、図面を用いて本発明について詳細に説明する。
図1は、本発明の実施形態に係る圧電変換素子7を用いた光走査装置15を構成した状態を説明するための説明図である。図1(a)は、光走査装置15の模式的な斜視図であり、図1(b)及び図1(c)は、圧電変換素子7の領域の模式的な部分断面図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
まず、図1(a)を用いて光走査装置15について説明する。光走査装置15は、入射光を反射して走査光に変換する反射部1と、この反射部を支持するバネ部2、2’、このバネ部2、2’を保持する梁部3、3’と、梁部3、3’に連結し、反射部1の周囲を囲うような形状を有する固定部5と、梁部3、3’と固定部5とに跨って設置される圧電変換素子7とから構成されている。圧電変換素子7は、上部電極11と下部電極12により圧電体10を挟む構造を有している。なお、実際に使用する際には固定部5の下部に筐体を設置するが、図1においては省略している。
ここで、反射部1、バネ部2、2’及び梁部3、3’により可動部が構成され、この可動部と固定部5により基体が構成されている。また、反射部1の表面には図示しない反射面が形成されている。圧電体10、10’は、固定部5に設置された領域から梁部3、3’の二股形状に沿って2本の棒状突起部を備えている。圧電体10の上部表面には上部電極11が形成されている。上部電極11の固定部5の領域には電極端子6、6’が形成されている。この電極端子6、6’はワイヤーボンディングにより外部と電気的に接続可能に構成されている。圧電体10の下部には下部電極12が形成され、圧電体10の外部まで延在して形成されている。
圧電変換素子7を、反射部1を揺動させるための駆動源として使用する場合は、二股形状を有する梁部3の一方の圧電体10を挟む上部電極11と下部電極12との間に交番電圧を印加し、他方の圧電体10を挟む上部電極11と下部電極12との間に上記交番電圧と極性を反転した交番電圧を印加する。これにより、梁部3の二股部は交互に上下振動を起こし、バネ部2に回転トルクを与え、反射部1を揺動させる。圧電変換素子7’を揺動する反射部1の位置センサーとして使用する場合には、圧電体10’の上部電極11’と下部電極12’間に発生する電圧を検出する。このように、圧電変換素子7’を電気的エネルギーから機械的エネルギーに変換するアクチュエータとして使用することも、機械的エネルギーから電気的エネルギーに変換する位置センサーとして使用することもできる。
図1(b)は、本発明の実施形態に係る圧電変換素子7を表す模式的な縦断面図である。梁部3と固定部5は連結している。梁部3と固定部5に跨って下部電極12が形成されている。その上に圧電体10が積層して形成され、その上に上部電極11が積層して形成されている。上部電極11の外部に露出する表面は、撥水性薄膜16により覆われている。上部電極11の表面が撥水性薄膜16により覆われることにより、外部から上部電極11内に侵入する水分を遮断することができる。
撥水性薄膜16として、フロロ系シランやシランカップリング剤、シリル化剤、シラザンなどの各種シラン化合物やシリコーン剤を使用することができる。また、繊維等の撥水加工処理に用いられている、ジメチルポリシロキサンやメチルハイドロジェンシロキサン等を使用することができる。シランカップリング剤は、金属系やセラミックスの表面処理に用いられており、一般式をR−Si(OR‘)3により表される。R官能基としては、アミノプロピル基、グリシドキシ基、メタクリロキシ基、N−フェニルアミノプロピル基、メルカト基、ビニル基、その他であり、R’はメチル基又はエチル基である。親水基となるシラノール基は水酸基を有し、R−Si(OR‘)3+3H2O→R−Si(OH)3+3R‘OHにより表される。シラノール基は自己縮合によって高分子化すると同時に、表面に存在するOH基と酸塩基反応により化学結合を行う。一方、官能基Rは、表層に親油基として配列するため撥水性を示す。
また、ベース膜の限定はないが、撥水性が高いフルオロシリコン系の撥水性薄膜や樹脂膜、或いはフラクタル構造を利用した無機膜を使用することができる。また、防湿性を考慮して、透湿性の低い樹脂により薄膜を堆積させることもできる。フッ素系樹脂としてPTFE、FEP、また、編成エポシキ系、ポリイミド系樹脂、ポリジクロロパラキシリレン樹脂を使用することができる。
なお、撥水性薄膜16は、厚さを10μm以下とする。より好ましくは1μm以下とする。圧電変換素子7の可動部である梁部3の領域においては、上部電極11の表面を覆う撥水性薄膜16は厚さを薄くして質量を小さくする必要がある。圧電体10の振動の大きさや振動波数を変化させないようにするためである。圧電体10をアクチュエータとして使用する場合も、センサーとして使用する場合も同じである。撥水性薄膜16を単分子膜とすれば、撥水性薄膜16による可動部の質量増加を無視することができる。撥水性薄膜16は、上部電極11の表面側や圧電体10の表面側に水酸基を、外側表面に官能基Rが配列するように形成する。これにより、撥水性薄膜16を極めて薄く形成することができる。
図1(c)は、本発明に係る光変換素子の他の実施形態を表す模式的な縦断面図である。本実施形態においては、撥水性薄膜16を上部電極11に加えて圧電体10の外部に露出する表面の全面を覆うように形成した。上部電極11が形成されていない圧電体10の露出面から水分が浸入し、上部電極11と下部電極12の間の圧電体10に侵入して、電流通路を形成することを防止することができる。そのため、より長期間信頼性を確保することができる。
なお、上記実施形態においては、撥水性薄膜16を上部電極11の露出表面や圧電体10の露出表面に形成したが、その他の固定部5の表面や凹部8の表面に形成した下部電極12の表面に形成してもよい。また、撥水性薄膜16の厚さを極めて薄くして、可動部の振動周期や振幅に影響を与えることがない場合には、バネ部2や梁部3の外側表面を覆うように形成してもよい。表面を水分やその他不純物による腐食から保護することができる。
次に、本発明に係る光変換素子及びこの光変換素子を用いた光走査装置の製造方法について説明する。図2(a)〜(f)は、図1示す光走査装置15の製造工程を表し、図1(a)の部分XX’の断面形状を工程順に表している。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図2(a)は、表面にシリコン酸化膜からなるマスク21、22、23を形成したシリコン単結晶基板20の模式的な縦断面図である。シリコン単結晶基板20を用意し、酸素雰囲気中において熱酸化を行ってシリコン酸化膜を形成する。次に、フォトレジストを表面及び裏面に塗布し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、所定領域のシリコン酸化膜を除去してマスク21、22、23を形成する。マスク21の領域が固定部5の外周部となる領域であり、裏面のマスク22の領域が固定部5の外周部及び固定部5の凹部27からなる領域であり、裏面のマスク23の領域が二股状の梁部3となる領域である。
図2(b)は、シリコン単結晶基板20をエッチング除去した後に熱酸化によりシリコン酸化膜25を形成した状態を表している。KOH等を用いてウエットエッチング工程により、図2(a)に示すマスク21、22、23が形成されていない領域のシリコン単結晶基板20を両面からエッチング除去する。次に、熱酸化によりシリコン酸化膜25を全面に形成した。この状態においては、中央部24はシリコン単結晶基板20が完全に除去され、反射部1、バネ部2が中央の二股形状の梁部3により支持されている。シリコン単結晶基板20はその結晶方位により、エッチングの段差部は所定角の傾斜を有する。
図2(c)は、シリコン単結晶基板20の表面に下部電極12を形成した状態を表している。スパッタリング法又は電子ビーム蒸着法により白金(Pt)とチタン(Ti)を順に約0.1μmの厚さに堆積する。次に、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、下部電極12のパターンを形成する。この状態では、圧電体10が積層されるべき領域とシリコン単結晶基板20の凹部27の領域に下部電極12が形成される。
図2(d)は、メタルマスク26を介して圧電体10を堆積している状態を表している。PZTからなる粉体をAD(エアロゾル・デポジッション)法により梁部3及び図示しない固定部5の所定領域に1μm〜10μmの厚さに堆積する。圧電体10は堆積後に必要に応じて熱処理を行う。
図2(e)は、上部電極11を形成した状態を表している。スパッタリング法又は電子ビーム蒸着法により金(Au)を約0.1μmの厚さに堆積する。次に、フォトリソグラフィ及びエッチング工程によりパターニングを行い、圧電体10の表面に所定形状の上部電極11を形成する。上記図2(d)と同様に、メタルマスクを用いて金を所定形状に堆積してもよい。メタルマスクを用いて形成すれば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程を省略することができる。次に、圧電体10をキュリー温度に加熱し、上部電極11と下部電極12との間に電界を印加して、圧電体10に分極処理を施す。
図2(f)は、上部電極11及び圧電体10の露出面の全面に撥水性薄膜16を形成した状態を表している。撥水性薄膜16はシランカップリング剤を滴下して乾燥させて形成した。撥水性薄膜16の膜圧は1μm以下とした。この後、固定部5を筐体に接合して光走査装置15とするが、図2では省略した。
なお、上記の製造方法は、本発明の圧電変換素子7及びこれを用いた光走査装置15の一製造方法である。可動部としての反射部1、バネ部2、梁部3及び固定部5からなる基体をシリコン単結晶基板20としたが、これに代えて、ガラス基板や金属基板を使用することができる。また、圧電体10としてPZTを使用したが、これに代えてチタン酸バリウム等の強誘電体を使用することができる。また、圧電体10をAD法により堆積したが、これに変えて、バルク状圧電体に下部電極12及び上部電極11のパターンを形成し、このバルク状圧電体を切り出して梁部3及び固定部5からなる基体上に接着固定してもよい。また、撥水性薄膜16をスプレー等により吹き付けて形成することができる。
次に、本発明による撥水性薄膜16を上部電極11及び圧電体10の露出面の全面に形成したときの効果について、撥水性薄膜16を形成しない場合と比較して説明する。
図3は、圧電変換素子7を使用した光走査装置15を駆動して、圧電変換素子7の信頼性を評価する評価方法を説明するための説明図である。図3(a)は、光走査装置15を駆動して入射光束30を走査光束32に変換している状態を表している。光走査装置15は、一方の側の圧電変換素子7aを、反射部1を揺動させるアクチュエータとして使用し、他方の側の圧電変換素子7bを、反射部1の位置を検出する位置センサーとして使用している。
駆動回路33は圧電変換素子7aに交番電圧を与えて反射部1を揺動させる。入射光束30はレンズ31により集光されて反射部1に入射し、走査光束32として出射される。走査光束32は反射部1の揺動に応じて角度θ(t)方向に走査される。この反射部1の揺動を走査光束32の最大振れ角方向に設置した2つのBDセンサー34a、34bによって検出する。従って、BDセンサー34a、34bは反射部1の振幅と揺動周期を検出することができる。BDセンサー34a、34bからのBDセンサー信号は、反射部1の位置を表す基準信号としてタイムインターバルアナライザ38に出力される。
また、2つのBDセンサー34a、34bからのBDセンサー信号は、駆動回路33にフィードバックされる。駆動回路33は、BDセンサー信号に基づいて走査光束32の振幅が一定となるように制御する。例えば、走査光束32の振幅が所定値に達しない場合には、圧電変換素子7aを駆動する駆動電圧を増加させて、反射部1の揺動の触れ角を大きくするように制御する。
圧電変換素子7bは可動部の振動を電圧に変換して圧電変換信号を生成する。検出回路35は、圧電変換信号を入力して、アンプ36により増幅し、0V比較器37により0電位を設定してタイムインターバルアナライザ38に出力する。圧電変換素子7bが可動部の揺動を電圧に正しく変換することができれば、この圧電変換信号から反射部1の揺動位置を正確に検出することができる。圧電変換信号が反射部1の揺動を正確に反映していれば、圧電変換信号を主走査のタイミング信号として利用することができる。その場合は、BDセンサーを設置する必要がなくなり、部品点数を減少させ、光走査装置15の容積も小さくすることが出来る。そこで、タイムインターバルアナライザ38を使用して圧電変換信号とBDセンサー信号とを比較した。
図3(b)は、タイムインターバルアナライザ38により検出される時間差ΔTを説明するための図である。上のグラフがBDセンサー信号の受光強度対時間を表しており、下のグラフが圧電変換信号の強度対時間を表している。BDセンサー信号は反射部1の物理的な位置を表し、受光強度が最大のときが最大振幅の位置となる。圧電変換信号は圧電体の歪が最大のとき、即ち揺動の触れ角が最大のときに出力電圧が最大となる。従って、BDセンサー信号の最大時と圧電信号の最大時との間の時間差ΔTが圧電変換素子の位置検出精度となり、時間差Δtが小さい程、反射部1の位置を正確に検出していることを意味する。
図4は、本発明に係る撥水性薄膜16を上部電極11と圧電体10の露出面に形成したときの圧電変換素子7の信頼性試験結果を表している。図4(a)は、圧電変換素子7を光走査装置15のアクチュエータとして駆動したとき、図4(b)は、圧電変換素子7を位置センサーとして駆動したときの信頼性試験の結果を表している。撥水性薄膜16としてフッ素系コーティングを上部電極11の表面に約0.5μm堆積した。コーティングは、キシレン溶媒に樹脂固形分3%のコーティング溶液を用いて行った。この撥水性薄膜16は、水との接触角が100°以上となることを確認した。各試験は5サンプル用い、温度40℃、湿度60%Rhの環境下で行った。なお、後に詳細に説明するが、撥水性薄膜16を形成しない場合には、この環境下において劣化が最も大きくなった。
図4(a)に示すように、圧電変換素子7を光走査装置15のアクチュエータとして駆動した場合に、上部電極11には変色やはがれ等の電極破損が現れなかった。スタートから48時間後の駆動電圧はスタート時から2V以内の増加に留まり、消費電力の増加も低レベルに抑えることができた。また、72時間後においても、上部電極11の変色や破損が発生せず、反射部1の揺動に問題が生じなかった。
図4(b)に示すように、圧電変換素子7を光走査装置15の位置センサーとして駆動した場合に、上部電極11には変色やはがれ等の電極破損が現れなかった。スタートから48時間後の位置検出精度を表す時間差ΔTは2ns(ナノ秒:10−9sec)以下となった。これはスタート時と変わらず、検出誤差の範囲内である。
図5は、上部電極11の表面に撥水性薄膜16を形成しないときの、圧電変換素子7の信頼性試験の結果を表す比較例である。図5(a)が、圧電変換素子7を光走査装置15のアクチュエータとして駆動したとき、図5(b)が、圧電変換素子7を光走査装置15の位置センサーとして駆動したときの信頼性試験の結果を表している。
図5(a)に示すように、アクチュエータとしての信頼性試験は5サンプルを使用し、サンプルAは温度40℃、湿度40%Rh、サンプルBは温度25℃、湿度40%Rh、サンプルCは温度40℃、湿度60%Rh、サンプルEは温度10℃、湿度40%Rh、サンプルFは温度10℃、湿度30%Rhの環境下で行った。サンプルBは通常の大気と同等の環境である。その結果、電極破損はサンプルA、B、Cで発生したが、温度10℃の低温雰囲気中では発生しなかった。48時間後の駆動電圧は、高温多湿環境下のサンプルA、Cにおいて16V〜20V上昇し、通常の大気雰囲気と同等のサンプルBにおいても10V以上駆動電圧が上昇した。これは、電極破損が発生したために圧電変換素子7のエネルギー変換効率が低下して反射部1の振幅が縮小し、これを補うために駆動回路33が駆動電圧を上昇させたためである。また、72時間後には、サンプルA、Bはスキャナ破損が発生した。
図5(b)に示すように、位置センサーとしての信頼性試験は5サンプル使用し、サンプルGは温度40℃、湿度40%Rh、サンプルHは温度25℃、湿度40%Rh、サンプルIは温度40℃、湿度60%Rh、サンプルJは温度10℃、湿度40%Rh、サンプルKは温度10℃、湿度30%Rhの雰囲気中で行った。その結果、電極破損は湿度40%Rh以上のサンプルG、H、I、Jで発生した。48時間後の時間差ΔTは、高温多湿のサンプルG、Iにおいて40ns以上となり、顕著となった。また、大気中と同等の環境下のサンプルHや低温下のサンプルJでも17nsとなり、反射部1の位置検出手段として使用することが困難なレベルとなった。
以上結果より、上部電極11の破損は大気中の水分と密接に関係していることが理解できる。図5(c)は、各温度における飽和水蒸気量の変化を表している。横軸が温度℃を表し、縦軸が単位体積(1m)当たりの水分量(g)を表している。温度が上昇するに従い、大気中の水分量は上昇する。上記比較結果と照らし合わせると、圧電変換素子7の劣化は、大気中の水分量が増加するに従い、促進されることが推測できる。このことからも、撥水性薄膜16を上部電極11の表面を覆うことは、圧電変換素子7に浸入する水分を阻止し、信頼性が顕著に向上した、と考えることができる。
図6は、本発明に係る圧電変換素子7を用いた光走査装置15を光走査型表示装置40に適用した実施形態を表すブロック図である。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
図6において、光走査型表示装置40は観察者の眼球58の網膜60上に映像を直接結像する。青色の光を発光するBレーザー47、緑色の光を発光するGレーザー48及び赤色に光を発光するRレーザー49から出射した映像光はコリメート光学系50により平行光となり、ダイクロイックミラー51により合成され、結合光学系52により集光されて光ファイバー59に導入される。光ファイバー59から出射した映像光は上記図1から図3を用いて説明した光走査装置15の反射部1に照射される。反射部1は水平走査駆動回路54により駆動されて揺動振動し、反射光を水平走査する。水平走査された映像光はリレー光学系55を介してガルバノミラー61に照射される。ガルバノミラー61は磁界により鏡面が揺動して反射光を垂直方向に走査する。ガルバノミラー61から反射した映像光は第2のリレー光学系63を介して眼球58の網膜60の上に結像される。
映像信号供給回路43は映像信号を入力して青(B)色、緑(G)色及び赤(R)色に対応する画像信号をBレーザー駆動回路44、Gレーザー駆動回路45及びRレーザー駆動回路46のそれぞれに出力する。Bレーザー47はBレーザー駆動回路44からの駆動信号に基づいて光強度が変調されたB色のレーザー光を出射する。Gレーザー48及びRレーザー49も同様に各画像信号に基づいて光強度が変調された各色のレーザー光を出射する。
映像信号供給回路43は画像信号に同期した同期信号を水平走査駆動回路54及び垂直走査駆動回路56に出力する。水平同期信号回路41は水平走査駆動回路に水平同期信号を出力し、垂直同期信号回路42は垂直走査駆動回路56に垂直同期信号を出力する。水平走査駆動回路54は光走査装置15に駆動信号を出力して反射部1を揺動振動させる。この場合の揺動は反射部1の共振振動に基づく。フォトセンサー65は水平走査駆動回路54により水平走査された光の一部を受光して電気信号に変換し、BD信号検出回路57に出力する。BD信号検出回路57は水平走査のタイミングを検出して映像信号供給回路43にタイミング信号を出力し、映像信号供給回路43は入力したタイミング信号により映像信号の開始タイミングを正確に決定する。
光走査装置15を構成する圧電変換素子7は、上部電極11の上に撥水性薄膜16により覆われている。その結果、高温多湿環境下においても、駆動電圧が上昇することはなく、高い信頼性を有している。なお、本実施形態においては、フォトセンサー65をBDセンサーとして使用している。これに変えて、本発明に係る圧電変換素子7をBDセンサーとして使用することができる。これにより、フォトセンサー65を除去することができるので、部品点数を減らし、コスト低減に寄与することができる。
なお、上記光走査型表示装置40において、垂直走査をガルバノミラー61としたが、これに上記光走査装置15を用いることができる。垂直走査の周波数は例えば60Hz程度と低くなる。従って、ミラー部の揺動は、共振振動を利用しないで電気信号による捩れ角制御により行う。
また、図6においては光走査装置15を網膜走査型の表示装置として適用した例を説明したが、第2のリレー光学系63を投射レンズ系に変更し、眼球58に変えて投影スクリーンあるいは建物の壁などとすれば、投射型の光走査型表示装置とすることができる。図6の実施の形態においてはRGBフルカラーの表示装置であるが、例えば1色又は2色のレーザー光源を走査して大画面用の光走査型表示装置を得ることができる。
本発明の実施形態に係る圧電変換素子を用いた光走査装置の説明図である。 本発明の実施形態に係る圧電変換素子を用いた光走査装置の製造工程を表す図である。 圧電変換素子の信頼性を評価する評価方法を説明するための説明図である。 本発明の実施形態に係る圧電変換素子の信頼性試験結果を表している。 比較サンプルとしての従来圧電変換素子の信頼性試験結果を表している。 本発明の実施形態に係る光走査型表示装置を表すブロック図である。 従来公知の光走査装置の模式的な外観図である。
符号の説明
1 反射部
2 バネ部
3 梁部
4 リード線
5 固定部
6 電極端子
7 圧電変換素子
10 圧電体
11 上部電極
12 下部電極
15 光走査装置
16 撥水性薄膜

Claims (8)

  1. 可動部と前記可動部に連結する固定部を備える基体と、前記基体の表面に形成される下部電極と、前記下部電極の上に形成される圧電体と、前記圧電体の上部表面に形成される上部電極とから構成され、電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換を行う圧電変換素子において、
    少なくとも前記上部電極の外部に露出する表面は撥水性の薄膜により覆われていることを特徴とする圧電変換素子。
  2. 前記撥水性の薄膜は、前記圧電体の外部に露出する表面を覆うように形成されていることを特徴とする請求項1に記載の圧電変換素子。
  3. 前記撥水性の薄膜は、シラン化合物、シリコーン剤、フルオロシリコン系樹脂、フッソ系樹脂、変成エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリジクロロパラキシリレン樹脂のいずれかを含むことを特徴とする請求項1又は2に記載の圧電変換素子。
  4. 前記撥水性の薄膜は、膜厚が1マイクロメートルを超えないことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の圧電変換素子。
  5. 請求項1〜4のいずれか1項に記載した圧電変換素子を使用したアクチュエータ。
  6. 請求項1〜4のいずれか1項に記載した圧電変換素子を使用した、振動又は応力を検知するためのセンサー。
  7. 請求項5に記載したアクチュエータを使用した光走査装置であって、
    前記可動部は、光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を支持するバネ部と、前記バネ部を保持し前記固定部に連結する梁部を備え、前記下部電極と前記上部電極との間に交番電圧を与えることにより、前記ミラー部に振動又は揺動が生じて前記ミラー部から反射される反射光が走査される光走査装置。
  8. 請求項7に記載した光走査装置を備え、前記光走査装置によって画像信号に応じた光を2次元方向に走査して画像を形成表示する光走査型表示装置。
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