JP2010148265A - ミアンダ形振動子およびこれを用いた光学反射素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明はミアンダ形振動子の駆動効率を向上させることを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため本発明は、複数の振動板１１上には、それぞれドライブ素子１５が設けられ、これらのドライブ素子１５は、振動板１１の一方の端部側であって、隣接する振動板１１上に設けられたドライブ素子１５とは反対の端部側に片寄って配置されたものとした。これにより本発明は、ミアンダ形振動子全体としてはつづら折り状となるように駆動し、従来と比べてエネルギーロスの少ない自然な動作モードとなる。そしてその結果、高い駆動効率を実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、各種アクチュエータに用いられるミアンダ形振動子とこれを用いた光学反射素子に関するものである。

図１０に従来の光学反射素子１を示す。

この光学反射素子１は、ミラー部２と、このミラー部２と連結された、ミアンダ形の振動子３を備えている。

また振動子３は、その中心軸Ｓ１を中心に折り返し連結された複数の振動板４を有する。そしてこれらの複数の振動板４上には、それぞれ下部電極、圧電体、上部電極が順に積層された二つのドライブ素子５Ａ、５Ｂが交互に配置されている。

ここでこれらのドライブ素子５Ａ、５Ｂに逆位相の電圧を印加すると、図１１に示すように、複数の振動板４は逆位相に撓み振動し、振動子３全体では中心軸Ｓ１を中心に変位角が梁数に応じて蓄積するように駆動する。

そしてこの振動子３の変位によって、ミラー部２を、中心軸Ｓ１を中心に反復回転させることができる。

なおこのような反復回転するミラー部２に光を照射すれば、その反射光がスクリーン上の平面に走査され、スクリーン上に画像等を投影することができる。

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１、特許文献２が知られている。
特開２００８−０４０２４０号公報 特開２００３−１８１８００号公報

近年、振動子３の駆動効率を高めることが求められている。

その理由は、振動子３の駆動効率を高めることで、この振動子３を用いた素子の特性を向上できるからである。

すなわち、例えば前述の光学反射素子１に高駆動効率の振動子３を用いると、ミラー部２を効率よく大きく振幅させることができる。したがって、ミラー部２の走査角を広げることができ、投影する画像サイズを拡大できるなど、結果として光学反射素子１の特性を高めることができる。

そこで本発明は、振動子の駆動効率を高めることを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、折り返し連結された複数の振動板を備え、これらの複数の振動板上には、それぞれ下部電極、圧電体、上部電極が順に積層された第一ドライブ素子が設けられ、これらの第一ドライブ素子は、振動板の一方の端部側であって、隣接する振動板上に設けられた第一ドライブ素子とは反対の端部側に片寄って配置されたものとした。

これにより本発明は、従来のミアンダ形の振動子３よりも駆動効率を向上させることができる。

その理由は、ミアンダ形振動子を、エネルギーロスの少ない動作モードで駆動できるからと考えられる。

すなわち本発明は、それぞれの第一ドライブ素子に電圧を印加すると、複数の振動板が交互に向きを変えて傾斜し、ミアンダ形振動子全体としてはつづら折り状となるように駆動する。そしてこの駆動時の構造は、このミアンダ形振動子の一端を持ち上げた時にこのミアンダ形振動子が重力に従って変形する構造と近似し、従来と比べてエネルギーロスの少ない自然な動作モードとなる。そしてその結果、高い駆動効率を実現できると考えられる。

（実施の形態１）
以下本発明の実施の形態１では、ミアンダ形振動子６を用いた光学反射素子７について説明する。

図１に示すように、この光学反射素子７は、ミラー部８と、このミラー部８を介して対向すると共に、このミラー部８の向い合う角部にそれぞれの一端が連結された対のミアンダ形振動子６と、これらのミアンダ形振動子６の他端と連結され、これらのミアンダ形振動子６およびミラー部８の外周を囲う枠状の支持体９とを備えている。

そしてこの対のミアンダ形振動子６は、その中心軸Ｓ１とミラー部８の重心１０で直交する直線に対し、線対称に形成されている。

またこれらのミアンダ形振動子６は、その中心軸Ｓ１を中心に、同一平面上で１８０度折り返すように連結された複数の振動板１１からなる。なお、本実施の形態において、ミアンダ形（ｍｅａｎｄｅｒ形）とは、同一平面上で蛇行した蛇腹形状を指す。

そしてこれらの振動板１１上には、それぞれ図２に示すように、下部電極１２、圧電体１３、上部電極１４が順に積層されたドライブ素子１５が設けられ、図１に示すように、これらのドライブ素子１５は、中心軸Ｓ１よりも振動板１１の一方の端部側であって、隣接する振動板１１上に設けられたドライブ素子１５とは反対の端部側に片寄って配置されている。なお、ドライブ素子１５の上部電極１４間は、細く形成された配線１６で接続されている。

次に本実施の形態における光学反射素子７の部材の組成について以下に説明する。

この光学反射素子７の基材（図２の１７）としては、金属、ガラスまたはセラミック基板などの弾性、機械的強度および高いヤング率を有する材料で構成することが生産性の観点から好ましく、例えば、金属、水晶、ガラス、石英またはセラミック材料を用いることが機械的特性と入手性の観点から好ましい。さらに、シリコン、チタン、ステンレス、エリンバー、黄銅合金などの金属を用いれば、振動特性、加工性に優れた光学反射素子７を実現できる。

そして、圧電体１３に用いる圧電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高い圧電定数を有する圧電体材料が好ましい。

この場合、下部電極１２として白金を用いることにより、圧電体１３の結晶性を向上させることが出来る。上部電極１４としては、チタン／金等が挙げられる。

本実施の形態における光学反射素子７の製造方法について説明する。

まず始めに、図２に示す基材１７として、厚みが約０．５ｍｍのシリコン基板等を準備し、シリコン基板上に二酸化ケイ素などの絶縁膜１８を形成する。そしてこの絶縁膜１８上にスパッタリング法または蒸着法などの薄膜プロセスを用いて下部電極１２を積層する。このとき、シリコン基板の厚みは変えても良い。厚みを変えることにより、固有周波数を調整できる。

その後、この下部電極１２の上にスパッタリング法などによって圧電体１３の層を形成する。このとき、圧電体１３と下部電極１２との間には、配向制御層としてＰｂとＴｉを含む酸化物誘電体を用いることが好ましく、ＰＬＭＴからなる配向制御層を形成することがより好ましい。これによって、圧電体１３の結晶配向性がより高まり、圧電特性に優れた圧電アクチュエータを形成できる。

次に、この圧電体１３の上に上部電極１４あるいはその配線１６となるチタン／金膜を形成している。

このとき、金の膜の下層のチタン膜はＰＺＴ薄膜などの圧電体１３との密着力を高めるために形成しており、チタンの他にクロムなどの金属を用いることができる。これによって、圧電体１３との密着性に優れ、かつ、金電極とは強固な拡散層を形成していることから、密着強度の高い圧電アクチュエータを形成することができる。

なお、本実施の形態では、白金の下部電極１２の厚みは０．２μｍ、圧電体１３は３．５μｍ、および上部電極１４のチタン部分は０．０１μｍとし、金電極部分は０．３μｍで形成している。

次に、下部電極１２、圧電体１３、上部電極１４およびその配線１６、フォトリソ技術を用いてエッチングし、パターンニングする。

このとき、上部電極１４およびその配線１６のエッチング液としてはヨウ素／ヨウ化カリウム混合溶液と水酸化アンモニウム、過酸化水素混合溶液からなるエッチング液を用いて所定の電極パターンを形成した。

また、下部電極１２、圧電体１３に用いるエッチング方法としては、ドライエッチング法とウエットエッチング法のいずれかの方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などを用いることができる。

一例として、ドライエッチング法であればフルオロカーボン系のエッチングガス、あるいはＳＦ_６ガスなどを用いることができる。

その他、圧電体１３の層を、沸酸、硝酸、酢酸および過酸化水素の混合溶液を用いてウエットエッチングし、パターニングし、その後、さらに、ドライエッチングによって下部電極１２をエッチングしてパターニングする方法がある。

次に、ＸｅＦ_２ガスを用いてシリコン基板を等方的にドライエッチングすることによって不必要なシリコン部分を除去し、基材１７をパターニングすれば、図１に示すような形状の光学反射素子７を形成することができる。

なお、シリコン基板をより高精度にエッチングする場合は、シリコンの異方性を利用したドライエッチングが好ましい。この場合は、エッチングを促進するＳＦ_６ガスとエッチングを抑制するＣ_４Ｆ_８ガスの混合ガスを用いるか、あるいはこれらのガスを交互に切り替えることにより、より直線的にエッチングできる。

以上のような製造方法によって、小型で、高精度な光学反射素子７を一括して効率よく作製することができる。

本実施の形態では、ミラー部８、ミアンダ形振動子６、支持体９の基材１７を、同一基材から一体形成とすることによって、安定した振動特性と、生産性に優れた光学反射素子７を実現することができる。

なお、ミラー部８は基材１７の表面を鏡面研磨することによっても形成できるが、光の反射特性に優れた金やアルミニウムの金属薄膜をミラー膜として形成することもできる。本実施の形態では、上部電極１４として金を用いた為、この金の膜をそのままミラー膜として用いることができ、生産効率も高まる。

本実施の形態における光学反射素子７の動作について下記に説明する。

まず、図２に示すミアンダ形振動子６の下部電極１２を接地状態にし、上部電極１４には、この光学反射素子７の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を入力する。

するとある時点において、振動板１１のドライブ素子１５が配置された側は、下部電極１２と上部電極１４との間に挟まれた圧電体１３に電圧が印加され、図３に示すように、下に凸（又は上に凸）に湾曲するように変位し、他端側は上に凸（又は下に凸）に湾曲するように変位する。すなわち一つの振動板１１が、Ｓ字カーブを描くように、その一端と他端とが逆位相に変位する。

さらに隣接する振動板１１は、この振動板１１とは逆位相に変位する。

したがって、これらの振動板１１が連結された状態で動作すると、図４（ａ）に示すように、複数の振動板１１が、交互に向きを変えて傾斜するように駆動する。そしてミアンダ形振動子６全体としては、ミラー部８と連結された端部から支持体９と連結された端部に向ってつづら折り構造となるように駆動する。

なお、図１に示す上部電極１４の配線１６は幅が狭いため、圧電体１３には電圧が殆ど印加されず、振動板１１の変位には寄与しない。

また本実施の形態では、交流電圧を印加し共振させるため、図４（ａ）（ｂ）に示すように、単位時間毎に駆動する方向が逆になり、変位量も倍増する。

そして本実施の形態では、図１に示すように、このミアンダ形振動子６をミラー部８の対向する角部に連結させているため、この角部を両端とするミラー部８の一辺が素子平面に対して垂直方向に上下駆動し、ミラー部８をそのほぼ中心にある重心１０を不動点とし、中心軸Ｓ１を中心に反復回転させることができる。

このように本実施の形態では、ミラー部８は一つの中心軸Ｓ１を中心に回動するため、このミラー部８に光を照射すれば、光を一方向に走査させることができ、例えばレーザプリンタ等に利用できる。

本実施の形態における効果を以下に説明する。

図５に示すように本実施の形態のミアンダ形振動子６は、図１１に示すような中心軸Ｓ１を中心に変位角を蓄積させる従来の振動子３よりも、共振周波数域で高い信号強度を示した（図５のＢ−Ａ差）。これは本実施の形態におけるミアンダ形振動子６が、高い機械的共振先鋭度を有し、駆動効率が向上していることを示している。

その理由は、本実施の形態におけるミアンダ形振動子６が、従来のミアンダ形振動子３の動作モードと比較して自然な動作モードで駆動するからと考えられる。

すなわち従来のミアンダ形の振動子３は、図１１に示すように、振動板４を交互に逆位相に撓み振動させ、中心軸Ｓ１を中心に変位角を梁数に応じて蓄積させる動作モードを用いているのに対し、本実施の形態では、複数の振動板１１がそれぞれ緩やかなＳ字カーブを描き、図４（ａ）（ｂ）に示すように交互に向きを変えて傾斜して、振動子全体としてはつづら折り状となるように駆動させている。

そしてこの本実施の形態における駆動の動作モードは、このミアンダ形振動子６の一端を持ち上げた時にこのミアンダ形振動子６が重力に従って変形する構造と近似し、従来の動作モードと比べてエネルギーロスの少ない自然な動作モードとなる。そしてその結果、高い駆動効率を実現できると考えられる。

また本実施の形態では、ドライブ素子１５が少なくてもよく、シンプルな構成で動作可能であるため、微細で複雑形状のミアンダ形振動子６に引き回す電極（配線１６）数が少なくて済む。したがって生産効率が高まるとともに、電極間に印加される電気信号の相互干渉を抑制し、高精度な駆動を実現できる。

（実施の形態２）
実施の形態１では振動板１１の一方の端部側のみドライブ素子１５を配置し、電圧を印加したが、本実施の形態では、図６に示すように、さらに中心軸Ｓ１よりも他方の端部側に片寄るように、ドライブ素子１９を配置したものである。

すなわち本実施の形態では、一の振動板１１上において、一端にはドライブ素子１５が、他端にはドライブ素子１９が配置されている。

そしてこのドライブ素子１９も、下部電極、圧電体、上部電極が順に積層されたものである。なお、図２に示すドライブ素子１５の上部電極１４とドライブ素子１９の上部電極とは、電気的に独立している。

本実施の形態では、例えばドライブ素子１５には＋位相の電圧を印加する場合は、ドライブ素子１９に−位相の電圧を印加するなど、ドライブ素子１５、１９にそれぞれが逆位相の電圧を印加することによって、実施の形態１と同様に、振動板１１の一端側と他端側とを逆位相に駆動させるとともに、隣接する振動板１１を逆位相に駆動させる動作モードを実現できる。また両端側に電圧を印加することによって、振動板１１をより効率よくＳ字カーブを描くように変位させることができる。

（実施の形態３）
本実施の形態では、図７に示すように、実施の形態１と同様に振動板１１の一方の端部にドライブ素子１５を配置し、中心軸Ｓ１よりも他方の端部側に片寄るようにモニタ素子２０を配置したものである。

すなわち本実施の形態では、一の振動板１１上において、一端側にはドライブ素子１５、他端側にはモニタ素子２０が配置されている。

そしてこのモニタ素子２０は、下部電極、圧電体、上部電極が順に積層されたものであり、このモニタ素子２０の上部電極と図２に示すドライブ素子１５の上部電極１４とは電気的に独立している。

本実施の形態では、実施の形態１と同様に、ドライブ素子１５に電圧を印加すると、ドライブ素子１５が配置された一方の端部側と他端側とが逆位相に振動する。そして他端側の変位をモニタ素子２０が電気信号として検出し、この電気信号はフィードバック回路を介してドライブ素子１５の上部電極１４に再び入力される。

これにより本実施の形態では、設計誤差や外部環境要因によりミアンダ形振動子６の共振周波数に変動があっても、駆動を確かめながら所望の電気信号を印加することができ、光学反射素子７を高精度に自励駆動させることが出来る。

（実施の形態４）
本実施の形態では、図８に示すように、対のミアンダ形振動子６の内一方のミアンダ形振動子６は、実施の形態１と同様に、ドライブ素子１５が、振動板１１の一方の端部側であって、隣接する振動板１１上に設けられたドライブ素子１５とは反対の端部側に片寄って配置されている。

そして他方のミアンダ形振動子６には、モニタ素子２０が、中心軸Ｓ１よりも振動板１１の一方の端部側であって、隣接する振動板１１上に設けられたモニタ素子２０とは反対の端部側に片寄って配置されている。

そして本実施の形態では、ドライブ素子１５に、ミアンダ形振動子６に固有の共振周波数の電気信号を印加することによって、共振の原理により、一対のミアンダ形振動子６はこの中心軸Ｓ１とミラー部の重心１０で直交する直線に対して線対称的に駆動する。したがって本実施の形態でも、実施の形態１と同様に、いずれのミアンダ形振動子６も、振動板１１の一端側と他端側とを逆位相に駆動させるとともに、隣接する振動板１１を逆位相に駆動させる高効率な動作モードを実現できる。

また本実施の形態では、それぞれのミアンダ形振動子６には、ドライブ素子１５またはモニタ素子２０のいずれか一方を配置すれば、基本的には対のミアンダ形振動子６のいずれも同様の特性を有することが出来るので、微細で複雑形状なミアンダ形振動子６に引き回す電極（配線）数を少なくすることができる。したがって、生産効率が高まるとともに、ドライブ素子１５とモニタ素子２０の上部電極間にリーク電流が流れたり、あるいは容量結合したりすることを抑制でき、高精度な駆動を実現できる。

更に本実施の形態では、ドライブ素子１５とモニタ素子２０の配置位置は、ミラー部８の重心１０に対してほぼ点対称となるように、すなわち反対側の端部に配置した。

これにより本実施の形態では、モニタ素子２０が検出する電気信号とドライブ素子１５に印加する電気信号とが逆位相となる。したがって、モニタ素子２０から出力された電気信号は、フィードバック回路で反転することなく、回路設計がより簡易となる。

（実施の形態５）
上記実施の形態１〜４では、ミラー部８が一の中心軸Ｓ１を中心に反復回転する光学反射素子７のみを例に挙げたが、このミアンダ形振動子６は、例えば図９に示すように、二つの直交する中心軸Ｓ１、Ｓ２を中心に反復回転する光学反射素子２１にも応用できる。

本実施の形態の光学反射素子２１は、ミアンダ形振動子６が可動枠（支持体９）と連結され、さらにこの可動枠９とそれぞれ連結された一対のミアンダ形振動子２２と、これらのミアンダ形振動子２２を支持する支持体２３とを備えている。

一対のミアンダ形振動子２２は、ミアンダ形振動子６の中心軸Ｓ１とミラー部８の重心で直交する中心軸Ｓ２を備え、この一対のミアンダ形振動子２２は、ミアンダ形振動子６の中心軸Ｓ１に対して線対称な関係にある。

そしてミアンダ形振動子２２は、可動枠９の対向する角部に連結されている。またミアンダ形振動子２２は、同一平面上で折り返し連結された複数の振動板２４を備え、これらの複数の振動板２４上には、実施の形態１〜４に挙げるミアンダ形振動子６と同様に、それぞれ下部電極、圧電体、上部電極が順に積層されたドライブ素子（図示せず）が設けられ、これらのドライブ素子は、振動板２４の一方の端部側であって、隣接する振動板２４上に設けられたドライブ素子とは反対の端部側に片寄って配置されたものである。

これにより本実施の形態では、ミアンダ形振動子２２も、各振動板２４の一端側と他端側とを逆位相に駆動させるとともに、隣接する振動板２４を逆位相に駆動させる高効率な動作モードを実現できる。

なお、本実施の形態では、ミアンダ形振動子６とミアンダ形振動子２２をいずれも同様の動作モードで駆動したが、例えばミアンダ形振動子６あるいはミアンダ形振動子２２のいずれか一方のみ振動板１１または２４の一端側と他端側とを逆位相に駆動させるとともに、隣接する振動板１１または２４を逆位相に駆動させる高効率な動作モードとし、他方は従来と同様の中心軸Ｓ１またはＳ２を中心に変位を蓄積させる動作モードとしてもよい。

更に本実施の形態では、二軸を駆動させるために第一、第二ミアンダ形振動子６、２２を組み合わせたが、例えばミアンダ形振動子６、ミアンダ形振動子２２のいずれか一方は音叉形の振動子やトーションバー形の振動子など、異なる構造または駆動方式の振動子としてもよい。

また上記実施の形態１〜５では、ミアンダ形振動子６をミラー部８と連結させ、光学反射素子７として用いたが、例えばＲＦスイッチ（高周波スイッチ）や発光素子と連結され、スポット照明の位置制御に用いられる光学素子、その他アクチュエータ等にも応用できる。

本発明は、ミアンダ形振動子の駆動効率を高めることができるため、走査角の大きい光学反射素子や、変位量の大きいＲＦスイッチなどに有用である。

本発明の実施の形態１における光学反射素子の上面図 同光学反射素子の振動板の断面図（図１のＹ１断面） 同光学反射素子の振動板の動作を示す斜視図 （ａ）同光学反射素子の動作を示す模式断面図（図１のＸ１断面）、（ｂ）同光学反射素子の動作を示す模式断面図（図１のＸ１断面） 同光学反射素子のミアンダ形振動子と従来のミアンダ形振動子の駆動効率を示す図 本発明の実施の形態２における光学反射素子の上面図 本発明の実施の形態３における光学反射素子の上面図 本発明の実施の形態４における光学反射素子の上面図 本発明の実施の形態５における光学反射素子の斜視図 従来の同光学反射素子の斜視図 従来の光学反射素子の動作を示す断面図

符号の説明

６ （第一）ミアンダ形振動子
７ 光学反射素子
８ ミラー部
９ 支持体
１０ 重心
１１ 振動板
１２ 下部電極
１３ 圧電体
１４ 上部電極
１５ （第一）ドライブ素子
１６ 配線
１７ 基材
１８ 絶縁膜
１９ （第二）ドライブ素子
２０ モニタ素子
２１ 光学反射素子
２２ （第二）ミアンダ形振動子
２３ 支持体
２４ 振動板

Claims (5)

1. 折り返し連結された複数の振動板を備え、
   これらの複数の振動板上には、それぞれ下部電極、圧電体、上部電極が順に積層された第一ドライブ素子が設けられ、
   これらの第一ドライブ素子は、
   前記振動板の一方の端部側であって、
   隣接する振動板上に設けられた第一ドライブ素子とは反対の端部側に片寄って配置されたミアンダ形振動子。
2. 前記複数の振動板上には、それぞれ下部電極、圧電体、上部電極が順に積層された第二ドライブ素子が設けられ、
   これらの第二ドライブ素子は、
   それぞれの振動板上であって、前記第一ドライブ素子とは反対の端部側に片寄って配置された請求項１に記載のミアンダ形振動子。
3. 前記複数の振動板上には、それぞれ下部電極、圧電体、上部電極が順に積層されたモニタ素子が設けられ、
   これらのモニタ素子は、
   それぞれの振動板上であって、前記第一ドライブ素子とは反対の端部側に片寄って配置された請求項１に記載のミアンダ形振動子。
4. ミアンダ形振動子と、
   このミアンダ形振動子の一端と連結されたミラー部とを備え、
   前記ミアンダ形振動子は、
   折り返し連結された複数の振動板を備え、
   これらの複数の振動板上には、それぞれ下部電極、圧電体、上部電極が順に積層された第一ドライブ素子が設けられ、
   これらの第一ドライブ素子は、
   前記振動板の一方の端部側であって、
   隣接する振動板上に設けられた第一ドライブ素子とは反対の端部側に片寄って配置されている光学反射素子。
5. 前記複数の振動板を、それぞれがＳ字カーブを描き、隣接する振動板と交互に向きを変えて傾斜するように変位させることで、前記ミアンダ形振動子をつづら折状に駆動させ、
   前記ミラー部を回動駆動させる請求項４に記載の光学反射素子。

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