JP2013251373A - 圧電アクチュエータ、それを用いた圧電ミラー素子および電子機器 - Google Patents

Abstract

【課題】変形量の大きな圧電アクチュエータ、それを用いた圧電ミラー素子および電子機器を提供する。
【解決手段】導電性の支持板３と、平板状で、少なくとも一方の主面に導電粒子が焼結した電極４ｃを有する圧電素子４と備えており、支持板３と圧電素子４の電極４ｃを有する側の主面とが接着剤層８により接着されており、一部の前記導電粒子（４ｃ−１）が接着剤層８を貫通して、電極４ｃと支持板３とを電気的に接続している。
【選択図】図１

Description

本発明は、圧電アクチュエータ、およびそれを用いて反射鏡を回転させるミラー素子ならびに電子機器に関するものである。

反射鏡を動かして、反射する光の方向を変えることができるミラー素子は、レーザープリンタ、プロジェクタなどに用いられている。

圧電アクチュエータを用いた圧電ミラー素子としては、反射鏡をトーションバーで回転可能に支えて、トーションバーを支えている支持梁に取りつけた圧電素子を伸縮させることで、トーショバーをねじるように動かすことで、反射鏡を回転させるものが知られている（例えば、特許文献１を参照。）。

特開２００７−２７１７８８号公報

特許文献１に記載されているような圧電ミラー素子では、支持梁に対して、スパッタなどで導電層を形成しているが、製造工程が複雑になる。圧電アクチュエータとして、導電性の支持板に、電極を有する圧電素子を接合する場合を考えると、圧電素子にバンプを形成して接着剤で接合する方法、導電性接着剤で接着する方法があるが、いずれにしても接着剤層の厚さが厚くなることで、圧電アクチュエータの変形量が小さくなってしまう。その結果、圧電ミラー素子としては、ミラーの回転量が小さくなってしまう。

したがって、本発明の目的は、変形量の大きな圧電アクチュエータ、それを用いた圧電ミラー素子および電子機器を提供することにある。

本発明の圧電アクチュエータは、導電性の支持板と、平板状で、少なくとも一方の主面に導電粒子が焼結した電極を有する圧電素子とを備えており、前記支持板と前記圧電素子の前記電極を有する側の主面とが接着剤層により接着されており、一部の前記導電粒子が前記接着剤層を貫通して、前記電極と前記支持板とを電気的に接続していることを特徴とする。

また、本発明の圧電ミラー素子は、２つの前記圧電アクチュエータが、異なる位置に設けられている前記支持板と、光を反射するミラー部と、該ミラー部を支持しており、前記支持板に、２つの前記圧電アクチュエータの間で繋がっているトーションバーと、前記支持板を、２つの前記圧電アクチュエータの外側で固定するフレーム部とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の電子機器は、光源と、前記圧電ミラー素子を含み、前記光源から出る光を、方向を変えながら外部に放射する光学系とを備えていることを特徴とする。

また、本発明の電子機器は、光源と、感光体と、請求項３に記載の圧電ミラー素子を含み、前記光源から出る光で前記感光体を走査する光学系と、前記感光体に静電潜像を形成
するように前記光源および前記光学系を制御する制御部と、前記静電潜像を記録媒体に転写する転写部とを備えていることを特徴とする。

本発明の圧電アクチュエータによれば、接着剤層を薄くしても安定した導通が得られるので、圧電アクチュエータの変形量を大きくできる。

またこれにより、圧電ミラー素子のミラー部の回転角を大きくできる。

（ａ）本発明の一実施形態に係る圧電ミラー素子の平面図であり、（ｂ）は、（ａ）の一部の縦断面図である。

図１（ａ）は、本発明の一実施形態に係る圧電ミラー素子１０の平面図である。図１（ｂ）は、圧電ミラー素子１０の一部で、圧電アクチュエータとして働く部分の縦断面図である。

圧電ミラー素子１０は、光を反射させる反射面を有するミラー部１を備えている。ミラー部１の反射面には、例えばＡｕやＡｌ等の金属薄膜による反射膜が蒸着やスパッタなどにより形成されており、反射率が高くなっている。

ミラー部１の両側には一対のトーションバー２が接続されている。トーションバー２が１対であると、ミラー部１の回転方向が定まり易いので好ましいが、トーションバー２は１つでもかまわない。トーションバー２のミラー部１の反対側は、支持板３の中央部に接続されている。

支持板３は一方方向に長く、トーションバー２が繋がっている中央部の両側に２つの圧電アクチュエータが作り込まれている。圧電アクチュエータ２は、支持板３とその上に積層されている圧電素子４と、その間の接着層８で構成されている。支持板３としては金属などの導電性のあるものが用いられ、圧電素子４に電圧を加えるための、一方の電位とするために使用される。２つの圧電アクチュエータは、支持板３の同じ側に圧電素子４を積層して構成されている。支持板３の両端は、中央が開口したフレーム部１に接合されて固定されている。

ミラー部１の反射面以外の基体部分、トーションバー２、支持板３、フレーム５の一部はサスなどの金属板をエッチングして一体形成されており、厚みは５０〜１００μｍのものを用いる。フレーム部５については、中央部が開口した同型のものを、複数枚を接着積層して、厚みを２００μｍ程度に厚くして、剛性を高くしている。

圧電アクチュエータを構成する圧電素子４は、平板状の圧電セラミックスなどの圧電体４ａの両主面の略全面に対向するように、上部電極４ｂおよび下部電極４ｃが形成されている。圧電素子４は圧電体４ａが複数積層されて、内部も電極が形成されているものを用いてもよい。圧電素子４の厚みは、下部電極４ｃを除いた厚さ（すなわち、上部電極４ｂの上部からの圧電体４ａと下部電極４ｃの界面までの厚さ）で、２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下にすることで、撓み量を大きくでき、ミラー部１の回転角も大きくできる。圧電体４ａとしては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウム等の圧電材料を用いることができる。

上部電極４ｂおよび下部電極４ｃとしては、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｇ、Ｐｄ、Ｃｕなどを単独
で、あるいは組み合わせて使用することができる。少なくとも、支持板４と接着される側の電極である下部電極４ｃは、導電粒子が焼結したものである。上部電極４ｂおよび下部電極４ｃの厚さは、２μｍ以下、好ましくは１μｍ以下とすれば撓み量を大きくできる。また、厚さは０．１μｍ以上、好ましくは０．５μｍ以上にすることで導通が確保しやすくできる。だだし、この厚さは、下部電極４ｃについては、後述の突起４ｃ−１の部分を除いた厚さである。上部電極４ｂにも同様な突起がある場合も、その突起の部分を除いた厚さである。

圧電素子４は接着剤層８を介して支持板３に接着されている。接着剤層８としてはエポキシ系などの樹脂接着剤を用いることができる。下部電極４ｃには下部電極４ｃの一部である導電粒子により突起４ｃ−１が形成されており、下部電極４ｃと支持板３とは、突起４ｃ−１が接着剤層８を貫通していることにより導通している。突起４ｃ−１は、接着された後において、高さ０．５〜２μｍ、直径０．５〜１０μｍ程度であり、焼結した導電粒子１つ、あるいは多くても十数個程度が含まれる。図１（ｂ）のｈは、接着剤層８の厚さであり、接着後の突起４ｃ−１の高さである。

下部電極４ｃがなくても圧電体４ａに電圧を加えることはできるが、間に圧電性のない接着剤層８が入ることになるので、電圧が圧電体４ａに集中しなくなるし、接着剤層８の厚さが撓み特性に大きく影響するようになるので、安定した性能で作成するのが難しくなる。また、撓み量を大きくするためには、接着剤層８は薄くするのが好ましい。接着剤層８の厚さが５μｍであると、厚さが２μｍである場合と比較して、撓み量は２０％以上低下するので、接着剤層８は２μｍ以下であるのが好ましい。接着剤層がより薄くなれば、撓み量はより大きくなるが、２μｍより薄くしてもその効果は比較的小さい。薄くなると接着の信頼性が低下するので、接着剤層８は０．５〜２μｍとするのが好ましい。さらに、下部電極４ｃを設ければ、圧電素子４を分極処理した後、実装する工程にすることができるので、大きな圧電素子素体を作り、それを分極後切断して圧電素子４とすれば、工程を簡略化できる。

接着剤層８を介して導通を取る方法としては、他に導電性接着剤を使用する方法やバンプを作製する方法考えられるが、これらの方法では、薄い接着剤層８で撓み変形を続けた場合に安定した接続を得るのが難しい。

導電性接着剤を使用する場合、導電性は、接着剤中の数μｍのフィラーで実現されるので、安定した導通を得るために、導電性接着剤の層の厚さは５μｍ以上になるので、撓み量が小さくなり、ミラー部１の回転量も小さくなってしまう。

バンプを作製する場合、バンプの平面形状が大きいと薄い接着剤層８で導通を確保するのが難しくなる。また、バンプの高さが５μｍ以上と高いと撓み量が小さくなるので、バンプの高さは低くする必要がある。下部電極４ｃとは別にバンプを作製する場合、スクリーン印刷などの安価な方法では、直径１０μｍ以下、高さ５μｍ以下といったバンプは安定して形成するのが難しい。

そこで、上述のように、下部電極４ｃを、導電粒子が焼結したものとし、一部の導電粒子が突起４ｃ−１となっているようすれば、２μｍ以下の接着剤層８でも、接合の信頼性が向上し、撓み振動させた場合であっても、安定した導通が得られるので、駆動耐久性が向上する。突起４ｃ−１は、例えば、焼成前に、他の導電粒子よりも大きい導電粒子を少量入れておくことで作製できる。また、導電粒子の焼結を進めるガラスなどを、少量かつ大きな粒径で入れることで、そのガラスなどがある部分の周囲で局所的に焼結が進むようにしてもよい。接続信頼性をさらに高くするため、圧電素子４の外周に近い部分の下部電極４ｃの突起４ｃ−１が、下部電極４の中央部より突起４ｃ−１の密度が高いか、突起４
ｃ−１の高さが高いかのいずれか一方、あるいは両方であることが好ましい。このような下部電極４は、突起４ｃ−１となる導電粒子の割合や大きさを変えた電極ペーストを別々に印刷して形成すればよい。

接着積層後の、下部電極４ｃと接着剤層８とを合わせた厚さ、これは突起４ｃ−１を含めた場合の接着積層後の下部電極４の厚さでもある、は４μｍ以下、特に３μｍ以下にすれば、たわみ量を大きくできる。

圧電素子４の上部電極４ｂは、フレーム５あるいは支持板３の上に形成した絶縁層の上に形成した配線（不図示）などにワイヤーボンディングなどで接合される。これにより、この配線と、支持板３との間に電圧を加えれば、圧電素子４が圧電変形する。圧電素子４は厚み方向に分極されており、電圧を加えると、平面方向に伸縮する。支持板３は長さが変わらないので、撓むように変形する。１つの支持板３に設けられている２つの圧電アクチュエータが逆側に撓むように電圧を加えれば、トーションバー２が接続されている付近の支持板はねじれるように変形し、トーションバー２を回転させることで、ミラー部１を回転させることができる。これにより、ミラー部１に入射する光の方向を変えることができる。

さらに、詳細に説明すると、圧電素子４−１〜４−４の上部電極４ｂと下部電極間４ｃには、分極反転が生じない範囲の交流電圧を印加する。圧電素子４−１の長手方向に伸長させる駆動電圧を印加するとともに、この駆動電圧と逆位相の駆動電圧を圧電素子４−２に印加して収縮させることにより、圧電素子４−１側の支持板３は下方に湾曲する一方、圧電素子４−２側の支持板３は上方に湾曲する。同様に、圧電素子４−３および４−４に対しても、それぞれ圧電素子４−１および４−２と同位相の駆動電圧を印加することにより支持板３を下方と上方に湾曲させる。これによりトーションバー２を介してミラー部１には回転トルクが生じて傾くことになる。上記駆動電圧を印加する電圧を逆にすると、ミラー部１は上記傾きとは逆に傾くことになる。このように交流の駆動電圧に追従した上下方向の振動によりミラー部１は所定の角度範囲で揺動振動させることができる。

本実施の形態では支持板３の片面に圧電素子が配置されたユニモルフ構造で説明しているが、支持板３の両面に圧電素子を配置したバイモルフ構造としてもよい。

以上のような圧電ミラー素子は、例えば、以下のようにして作製する。ロールコータ法、スリットコーター法などの一般的なテープ成形法により、圧電性セラミック粉末と有機組成物からなるテープの成形を行ない、焼成後に圧電体４ａとなるグリーンシートを作製する。

グリーンシートを焼成し、焼成後、両面に上部電極４ｂおよび下部電極４ｃとなる、金属の導電粒子を含む電極ペーストをスクリーン印刷して、焼成し、焼き付ける。その後、圧電体４ａを分極し、短冊状に切断して、圧電素子４を作製する。上部電極４ｂおよび下部電極４ｃは、グリーンシートと同時焼成してもよい。少なくとも、下部電極４ｃとなる導電ペーストでは、導電粒子は平均０．１〜０．５μｍ程度であるが、少量の２μｍ程度の導電粒子が含まれており、焼成後の下部電極４には、平均的な下部電極４の表面より０．５〜２μｍ程度の、導電粒子の突起４ｃ−１が形成される。突起４ｃ−１には、少量のガラスを添加して、そのガラスの周囲の導電粒子が焼結し易くすることで形成してもよい。

次に、圧延法等により得られプレートを、フレーム５、支持板３、トーションバー２、ミラー部１と形状になるようエッチングする。フレーム５については、複数のプレートを接着積層して、厚くして、強度を高める。ミラー部１については、反射膜として、Ａｌな
どを蒸着する。

４つの圧電素子４を支持板３上に、接着剤層８を介して接着積層して、圧電ミラー素子１０を得る。この際、接着剤層８の厚さは積層前の突起４ｃ−１の高さよりもの薄くし、突起４ｃ−１が、接着剤層８を貫通して、圧電素子４の下部電極４ｃと支持板３とが、突起４ｃ−１により導通するようにする。加熱し、積層圧力を加えることで、接着剤層８が柔らかくなった状態で突起４ｃ−１が変形して支持板３に当たり、冷えて着剤層８が固くなることで、当たった部分が抑え込まれて、接続が強固になる。この際、他より突起の高さ高かった突起４ｃ−１は大きく変形し、横方向に大きくなり、接続をより強固にする。接続をより強固にするために、接合する際に、超音波振動を加えてもよい。

下部電極４ｃと振動板３を電気的に接続することで、上部電極４ｂと振動板３との間に電圧を加えて、圧電素子４を伸縮させ、圧電ミラー素子１０を駆動することができる。駆動は、支持板３をグランド電位として、これに対して、圧電素子４−１、４−３と、圧電素子４−２、４−４とに逆位相の電圧を加えれば、制御がし易い。

このような圧電ミラー素子は、プロジェクタや、レーザープリンタなどに使用できる。

プロジェクタは、光源と、圧電ミラー素子１０を含む光学系とを備えており、光源から出る光を、方向を変えながら外部に放射する。

レーザープリンタは、光源と、感光体と、圧電ミラー素子１０を含む光学系と、転写部とを備えており、制御部で、光源と光学系を制御して、光源からでる光で感光体を走査して感光体に静電潜像を形成し、転写部で静電潜像にトナーなどを付けて、紙などの記録媒体に転写することで、印刷ができる。

１・・・ミラー部
２・・・トーションバー
３・・・支持板
４・・・圧電素子
４ａ・・・圧電体
４ｂ・・・上部電極
４ｃ・・・下部電極
４ｃ−１・・・導電粒子の突起
５・・・フレーム
８・・・接着剤層
１０・・・圧電ミラー素子

Claims (5)

1. 導電性の支持板と、平板状で、少なくとも一方の主面に導電粒子が焼結した電極を有する圧電素子とを備えており、
   前記支持板と前記圧電素子の前記電極を有する側の主面とが接着剤層により接着されていて、かつ一部の前記導電粒子が前記接着剤層を貫通して、前記電極と前記支持板とを電気的に接続していることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記圧電素子の前記電極を除く厚さが２０μｍ以下であり、前記電極と前記接着剤層とを合わせた厚さが４μｍ以下であることを請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. ２つの請求項１または２に記載の圧電アクチュエータが、異なる位置に設けられている前記支持板と、
   光を反射するミラー部と、
   該ミラー部を支持しており、前記支持板に、２つの前記圧電アクチュエータの間で繋がっているトーションバーと、
   前記支持板を、２つの前記圧電アクチュエータの外側で固定するフレーム部とを備えていることを特徴とする圧電ミラー素子。
4. 光源と、請求項３に記載の圧電ミラー素子を含み、前記光源から出る光を、方向を変えながら外部に放射する光学系とを備えていることを特徴とする電子機器。
5. 光源と、感光体と、請求項３に記載の圧電ミラー素子を含み、前記光源から出る光で前記感光体を走査する光学系と、前記感光体に静電潜像を形成するように前記光源および前記光学系を制御する制御部と、前記静電潜像を記録媒体に転写する転写部とを備えていることを特徴とする電子機器。

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