JP2014127681A - Polarization method of piezoelectric rotation angle sensor - Google Patents

Polarization method of piezoelectric rotation angle sensor Download PDF

Info

Publication number
JP2014127681A
JP2014127681A JP2012285516A JP2012285516A JP2014127681A JP 2014127681 A JP2014127681 A JP 2014127681A JP 2012285516 A JP2012285516 A JP 2012285516A JP 2012285516 A JP2012285516 A JP 2012285516A JP 2014127681 A JP2014127681 A JP 2014127681A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
piezoelectric
rotation angle
angle sensor
polarization
electrode layer
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Granted
Application number
JP2012285516A
Other languages
Japanese (ja)
Other versions
JP6099392B2 (en
Inventor
Takanori Aimono
孝憲 四十物
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Stanley Electric Co Ltd
Original Assignee
Stanley Electric Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Stanley Electric Co Ltd filed Critical Stanley Electric Co Ltd
Priority to JP2012285516A priority Critical patent/JP6099392B2/en
Publication of JP2014127681A publication Critical patent/JP2014127681A/en
Application granted granted Critical
Publication of JP6099392B2 publication Critical patent/JP6099392B2/en
Active legal-status Critical Current
Anticipated expiration legal-status Critical

Links

Landscapes

  • Measurement Of Length, Angles, Or The Like Using Electric Or Magnetic Means (AREA)
  • Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a polarization method for increasing output of a piezoelectric rotation angle sensor in a light deflector.SOLUTION: The light deflector includes a piezoelectric actuator for rotating a mirror part combined with a rectangular frame around a prescribed axial line, and the piezoelectric rotation angle sensor for outputting a voltage corresponding to the amount of expansion and contraction of a substrate layer 26 while having a lower electrode layer 29, a piezoelectric film layer 30, and an upper electrode layer 31 laminated in this order from the lower side on the substrate layer 26. The directions of electric fields facing the lower electrode layer 29 and the upper electrode layer 31 are set as positive and negative directions respectively, a positive polarization process and a negative polarization process for separately impressing polarization processing voltages generated by electric fields of positive and negative directions, the absolute value of which is larger than that of the coercive electric field of the piezoelectric film layer 30, between both electrode layers 29, 30 are alternately implemented so as to include the positive polarization process at least twice and the negative polarization process at least once.

Description

本発明は、光偏向器における圧電式回転角センサの分極方法に関する。   The present invention relates to a polarization method of a piezoelectric rotation angle sensor in an optical deflector.

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用して製造する圧電駆動方式の光偏向器が知られている。例えば、特許文献1,2に示された光偏向器は、一定の方向から入射する光を反射するミラー部と、矩形枠からなる支持体と、ミラー部を所定軸線の回りに回動可能に支持体に結合する結合部と、ミラー部の回転角を検出する圧電式回転角センサと備える。   2. Description of the Related Art A piezoelectric drive type optical deflector manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology is known. For example, the optical deflectors disclosed in Patent Documents 1 and 2 enable a mirror unit that reflects light incident from a certain direction, a support made of a rectangular frame, and the mirror unit to be rotatable about a predetermined axis. A coupling unit coupled to the support and a piezoelectric rotation angle sensor for detecting the rotation angle of the mirror unit are provided.

特許文献1の光偏向器では、圧電式回転角センサは、ミラー部の周縁部をスリットを介して包囲するように形成されるとともに、ミラー部と共に共通のトーションバーを介して支持体に結合している。   In the optical deflector of Patent Document 1, the piezoelectric rotation angle sensor is formed so as to surround the peripheral portion of the mirror portion via a slit, and is coupled to the support body together with the mirror portion via a common torsion bar. ing.

特許文献2の光偏向器では、ミラー部は、トーションバー及びカンチレバー型のアクチュエータを介して支持体に結合し、圧電式回転角センサは、該アクチュエータのトーションバー側の端部に配設されている。   In the optical deflector of Patent Document 2, the mirror unit is coupled to the support via a torsion bar and a cantilever actuator, and the piezoelectric rotation angle sensor is disposed at the end of the actuator on the torsion bar side. Yes.

上記の光偏向器において、圧電式回転角センサの出力を増大させるためには、圧電式回転角センサに用いられている強誘電体に対して分極処理を行って、該強誘電体の双極子モーメントの向きを揃えることが有効である。   In the above optical deflector, in order to increase the output of the piezoelectric rotation angle sensor, the ferroelectric used in the piezoelectric rotation angle sensor is subjected to polarization treatment, and the ferroelectric dipole It is effective to align the direction of the moment.

特開2011−150055号公報JP 2011-150055 A 特開2010−197994号公報JP 2010-197994 A

そこで、光偏向器における圧電式回転角センサの強誘電体からなる圧電膜層に対して行う分極方法として、抗電界より大きい電界が圧電膜層に生じる一方向の直流電圧を、圧電膜層に数分間印加することが考えられる。   Therefore, as a polarization method for the piezoelectric film layer made of the ferroelectric of the piezoelectric rotation angle sensor in the optical deflector, a unidirectional DC voltage generated in the piezoelectric film layer with an electric field larger than the coercive electric field is applied to the piezoelectric film layer. It is conceivable to apply for several minutes.

しかしながら、単純に一方向直流電圧を数分間印加するだけでは、圧電センサの出力増大量に限界があり、これをさらに増大させる技術が要望されるところである。   However, simply applying a unidirectional DC voltage for several minutes has a limit in the amount of increase in output of the piezoelectric sensor, and a technique for further increasing this is desired.

本発明の目的は、光偏向器における圧電式回転角センサの出力をさらに増大させる分極方法を提供することである。   An object of the present invention is to provide a polarization method that further increases the output of a piezoelectric rotation angle sensor in an optical deflector.

本発明の圧電式回転角センサの分極方法は、一定の方向から入射する光を反射するミラー部と、支持体と、前記ミラー部を所定軸線の回りに回動可能に前記支持体に結合し、前記ミラー部の回転角に応じて伸縮する伸縮面を有する結合部と、前記ミラー部を前記所定軸線の回りに回動させる圧電アクチュエータと、前記結合部の伸縮面に下から順番に積層される下部電極層、圧電膜層及び上部電極層を有し、前記伸縮面の伸縮量に応じた電圧を電極間電圧として出力する圧電式回転角センサとを備える光偏向器における前記圧電式回転角センサの分極方法であって、前記圧電膜層の厚さ方向において前記下部電極層及び前記上部電極層へ向く電界の向きをそれぞれ正及び負の向きとしたときに、絶対値が前記圧電膜層の抗電界の絶対値より大きい正及び負の向きの電界が生じる分極処理電圧を両電極層の間にそれぞれ印加する正分極処理と負分極処理とを、正分極処理は少なくとも2回、負分極処理は少なくとも1回含むように、交互に実施することを特徴とする。   The polarization method of the piezoelectric rotation angle sensor according to the present invention includes a mirror part that reflects light incident from a certain direction, a support, and the mirror part coupled to the support so as to be rotatable about a predetermined axis. A coupling portion having an expansion / contraction surface that expands / contracts according to a rotation angle of the mirror portion, a piezoelectric actuator that rotates the mirror portion around the predetermined axis, and an expansion / contraction surface of the coupling portion that are stacked in order from the bottom. The piezoelectric rotation angle in an optical deflector comprising a lower electrode layer, a piezoelectric film layer, and an upper electrode layer, and a piezoelectric rotation angle sensor that outputs a voltage corresponding to the amount of expansion / contraction of the expansion / contraction surface as an inter-electrode voltage. A polarization method of a sensor, wherein an absolute value of the piezoelectric film layer is obtained when a direction of an electric field directed to the lower electrode layer and the upper electrode layer is set to a positive direction and a negative direction in a thickness direction of the piezoelectric film layer, respectively. Greater than absolute value of coercive electric field A positive polarization process and a negative polarization process in which a polarization voltage that generates a positive and negative electric field is applied between the electrode layers, respectively, so that the positive polarization process includes at least twice and the negative polarization process includes at least one time. Further, the present invention is characterized by being alternately performed.

本発明によれば、上記構成の光偏向器において圧電式回転角センサの圧電層に対し、正分極処理は少なくとも2回、負分極処理は少なくとも1回含むように、正負の分極処理を交互に実施することにより、圧電式回転角センサの出力をさらに増大させることができる。   According to the present invention, in the optical deflector configured as described above, the positive and negative polarization processes are alternately performed so that the piezoelectric layer of the piezoelectric rotation angle sensor includes the positive polarization process at least twice and the negative polarization process at least once. By implementing, the output of the piezoelectric rotation angle sensor can be further increased.

この圧電式回転角センサの分極方法では、分極処理は正分極処理で終了することができる。   In the polarization method of the piezoelectric rotation angle sensor, the polarization process can be terminated by the positive polarization process.

この分極方法によれば、分極処理を正分極処理で終了することにより、分極処理を負分極処理で終了するときよりも、圧電式回転角センサの出力を増大することができる。   According to this polarization method, the output of the piezoelectric rotation angle sensor can be increased by ending the polarization process with the positive polarization process, compared to when ending the polarization process with the negative polarization process.

この圧電式回転角センサの分極方法では、前記圧電アクチュエータは、前記結合部を構成するとともに、基板層上の下部電極層、圧電膜層及び上部電極層を分断する分断溝により、基端側のアクチュエータ部と先端側の非アクチュエータ部とに分断され、前記非アクチュエータ部における下部電極層、圧電膜層及び上部電極層は、前記圧電式回転角センサの下部電極層、圧電膜層及び上部電極層を構成し、前記非アクチュエータ部における前記基板層の、前記圧電式回転角センサ側の面は、前記伸縮面を構成することができる。   In the polarization method of the piezoelectric rotation angle sensor, the piezoelectric actuator constitutes the coupling portion, and a dividing groove that divides the lower electrode layer, the piezoelectric film layer, and the upper electrode layer on the substrate layer provides a proximal end side. The lower electrode layer, the piezoelectric film layer, and the upper electrode layer in the non-actuator part are divided into an actuator part and a non-actuator part on the tip side, and the lower electrode layer, the piezoelectric film layer, and the upper electrode layer of the piezoelectric rotation angle sensor The surface on the piezoelectric rotation angle sensor side of the substrate layer in the non-actuator portion can constitute the stretchable surface.

この分極方法によれば、基板層が、圧電アクチュエータにおいて分断溝の下側を経て基端側のアクチュエータ部と先端側の非アクチュエータ部とに共通に形成され、伸縮面は、非アクチュエータ部における基板層の、アクチュエータ部の下部電極層と同じ側の面とされるので、圧電式回転角センサは、アクチュエータ部における基板層の伸縮に対する追従性の高い伸縮面の伸縮を検出することになり、出力精度が向上する。   According to this polarization method, the substrate layer is formed in common to the actuator portion on the proximal end side and the non-actuator portion on the distal end side through the lower side of the dividing groove in the piezoelectric actuator, and the stretchable surface is the substrate in the non-actuator portion. Since the layer is on the same side as the lower electrode layer of the actuator unit, the piezoelectric rotation angle sensor detects the expansion and contraction of the expansion and contraction surface with high followability to the expansion and contraction of the substrate layer in the actuator unit. Accuracy is improved.

光スキャナの構成図。The block diagram of an optical scanner. センサ付き圧電アクチュエータ及びその近辺範囲の主要部の拡大図。The enlarged view of the principal part of the piezoelectric actuator with a sensor, and its vicinity range. 図2のIII−III矢視断面図。III-III arrow sectional drawing of FIG. 図2のIV−IV矢視断面図。FIG. 4 is a cross-sectional view taken along arrow IV-IV in FIG. 2. 図2のV−V矢視断面図。VV arrow sectional drawing of FIG. 圧電式回転角センサの構造と共に正分極及び負分極を説明する図。The figure explaining positive polarization and negative polarization with the structure of a piezoelectric rotation angle sensor. 圧電式回転角センサの圧電膜層の材料として選択されているPZTの電界強度−分極量のヒステリシス曲線を示す図。The figure which shows the hysteresis curve of the electric field strength-polarization amount of PZT selected as a material of the piezoelectric film layer of a piezoelectric rotation angle sensor. 圧電式回転角センサの圧電膜層の無分極状態におけるミラー部の振れ角と圧電式回転角センサの出力との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the deflection angle of a mirror part in the non-polarization state of the piezoelectric film layer of a piezoelectric rotation angle sensor, and the output of a piezoelectric rotation angle sensor. 圧電式回転角センサに対して正分極処理と負分極処理とを交互に繰り返して実施したときの圧電式回転角センサの出力電圧比の変化を調べた図。The figure which investigated the change of the output voltage ratio of a piezoelectric rotation angle sensor when a positive polarization process and a negative polarization process were alternately repeated with respect to a piezoelectric rotation angle sensor.

図1を参照して、光偏向器1の構成について説明する。光偏向器1は、MEMS技術を利用して製造される。光偏向器1は、一定の方向から入射する光としてレーザ光源90からの入射光91に対して、反射角度を一定の周波数で増減させることにより走査光としての反射光92を出射する。   The configuration of the optical deflector 1 will be described with reference to FIG. The optical deflector 1 is manufactured using MEMS technology. The optical deflector 1 emits reflected light 92 as scanning light by increasing or decreasing a reflection angle at a constant frequency with respect to incident light 91 from the laser light source 90 as light incident from a certain direction.

制御部95は、光偏向器1からセンサ領域7の検出信号を含む各種入力信号を受けて、入力信号に基づいて直線状の圧電アクチュエータ5,8を制御する。制御部95は、さらに、レーザ光源90のオンとオフ、及び場合によってはレーザ光源90の光量も制御し、これにより、走査光の配向パターンを調整することもできる。光偏向器1、レーザ光源90及び制御部95を含む部分は、光スキャナ96として、例えば、プロジェクタ、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザヘッドランプ、又はヘッドアップディスプレイ等に装備される。   The control unit 95 receives various input signals including the detection signal of the sensor region 7 from the optical deflector 1 and controls the linear piezoelectric actuators 5 and 8 based on the input signals. The control unit 95 further controls on / off of the laser light source 90 and, in some cases, the amount of light of the laser light source 90, thereby adjusting the alignment pattern of the scanning light. A portion including the optical deflector 1, the laser light source 90, and the control unit 95 is equipped as an optical scanner 96 in, for example, a projector, a barcode reader, a laser printer, a laser headlamp, or a head-up display.

説明の便宜上、光偏向器1について、上下左右を定義する。光偏向器1の上下左右を、図1の光偏向器1の正面視における上下左右とする。なお、光偏向器1について説明の便宜上定義した上下左右は、光偏向器1の現実の使用における上下左右を規定するものではない。また、光偏向器1は、現実の使用において、垂直(鉛直)に立てて使用されることに限らず、水平面や垂直面に対し傾斜して使用されてもよい。   For convenience of explanation, the top, bottom, left and right of the optical deflector 1 are defined. The top, bottom, left and right of the optical deflector 1 are the top, bottom, left and right in the front view of the optical deflector 1 of FIG. Note that the vertical and horizontal directions defined for the convenience of description of the optical deflector 1 do not define the vertical and horizontal directions in the actual use of the optical deflector 1. Further, the optical deflector 1 is not limited to being used in a vertical (vertical) position in actual use, but may be used while being inclined with respect to a horizontal plane or a vertical plane.

光偏向器1は、ミラー部2、2つのトーションバー3、矩形枠4、1つの圧電アクチュエータ5、及び3つの圧電アクチュエータ8を備え、円形のミラー部2は、光偏向器1の中心に配置され、レーザ光源90からの入射光91を表側(光偏向器1の正面側及び背面側をそれぞれ「表側」及び「裏側」と呼ぶことにする。)のミラー面に受け、トーションバー3の軸線の回りの回転角に応じた向きに反射光92を出射する。なお、トーションバー3の軸線は、ミラー部2の回転軸線でもある。2つのトーションバー3は、それらの軸線がミラー部2の同一の直径上に揃えられて、ミラー部2の左右両側から先端部をミラー部2の周縁に結合している。   The optical deflector 1 includes a mirror unit 2, two torsion bars 3, a rectangular frame 4, one piezoelectric actuator 5, and three piezoelectric actuators 8, and the circular mirror unit 2 is disposed at the center of the optical deflector 1. The incident light 91 from the laser light source 90 is received by the mirror surface on the front side (the front side and the back side of the optical deflector 1 are referred to as “front side” and “back side”, respectively), and the axis of the torsion bar 3 The reflected light 92 is emitted in a direction corresponding to the rotation angle around the. The axis of the torsion bar 3 is also the rotation axis of the mirror unit 2. The two torsion bars 3 have their axes aligned on the same diameter of the mirror part 2, and the tip part is coupled to the periphery of the mirror part 2 from the left and right sides of the mirror part 2.

ミラー部2の右側において、圧電アクチュエータ5,8は、右側のトーションバー3の基端部の上下にそれぞれ配設され、右側のトーションバー3の基端部に先端側を結合している。ミラー部2の左側において、2つの圧電アクチュエータ8は、左側のトーションバー3の基端部の上下にそれぞれ配設され、左側のトーションバー3の基端部に先端側を結合している。   On the right side of the mirror portion 2, the piezoelectric actuators 5 and 8 are respectively disposed above and below the base end portion of the right torsion bar 3, and the front end side is coupled to the base end portion of the right torsion bar 3. On the left side of the mirror portion 2, the two piezoelectric actuators 8 are respectively disposed above and below the base end portion of the left torsion bar 3, and the front end side is coupled to the base end portion of the left torsion bar 3.

圧電アクチュエータ5は、基端側のアクチュエータ部6aと先端側の非アクチュエータ部6bとを有する。圧電アクチュエータ5と圧電アクチュエータ8との構造上の相違点は、圧電アクチュエータ5は非アクチュエータ部6bを有するのに対し、圧電アクチュエータ8は、非アクチュエータ部6bは有さず、全体をアクチュエータ部としている点である。   The piezoelectric actuator 5 has a proximal-side actuator portion 6a and a distal-side non-actuator portion 6b. The structural difference between the piezoelectric actuator 5 and the piezoelectric actuator 8 is that the piezoelectric actuator 5 has a non-actuator portion 6b, whereas the piezoelectric actuator 8 does not have a non-actuator portion 6b, and the whole is an actuator portion. Is a point.

圧電アクチュエータ5は、その先端側範囲を占める非アクチュエータ部6bの表側がセンサ領域7とされ、非アクチュエータ部6bでは、圧電アクチュエータとしての機能が喪失され、代わりに圧電センサとして機能することである。   The piezoelectric actuator 5 is configured such that the front side of the non-actuator portion 6b occupying the front end side area is a sensor region 7, and the non-actuator portion 6b loses its function as a piezoelectric actuator and functions as a piezoelectric sensor instead.

矩形枠4は、ミラー部2、トーションバー3、圧電アクチュエータ5,8を外側から包囲する。圧電アクチュエータ5,8は、先端部においてトーションバー3の基端部に結合し、基端部において矩形枠4の上辺部分又は下辺部分に結合する。トーションバー3及び圧電アクチュエータ5,8は、ミラー部2を所定軸線の回りに回動可能に、支持体としての矩形枠4に結合する結合部に相当する。   The rectangular frame 4 surrounds the mirror part 2, the torsion bar 3, and the piezoelectric actuators 5 and 8 from the outside. The piezoelectric actuators 5 and 8 are coupled to the proximal end portion of the torsion bar 3 at the distal end portion, and coupled to the upper side portion or the lower side portion of the rectangular frame 4 at the proximal end portion. The torsion bar 3 and the piezoelectric actuators 5 and 8 correspond to a coupling unit that couples the mirror unit 2 to a rectangular frame 4 as a support so as to be rotatable around a predetermined axis.

図2〜図5を参照して、圧電アクチュエータ5の構造をその周辺部と共に説明する。説明の便宜上、圧電アクチュエータ5について長さ方向、幅方向及び厚さ方向を定義する。圧電アクチュエータ5の長さ方向は、圧電アクチュエータ5の先端側と基端側との間において圧電アクチュエータ5の中心線に沿う方向(図2において上下方向)とする。   The structure of the piezoelectric actuator 5 will be described with reference to FIGS. For convenience of explanation, the length direction, the width direction, and the thickness direction of the piezoelectric actuator 5 are defined. The length direction of the piezoelectric actuator 5 is a direction (vertical direction in FIG. 2) along the center line of the piezoelectric actuator 5 between the distal end side and the proximal end side of the piezoelectric actuator 5.

圧電アクチュエータ5の厚さ方向は、光偏向器1を表側−裏側間を貫く方向(図2において紙面に対して直角方向)とする。圧電アクチュエータ5の幅方向は、長さ方向と厚さ方向との両方向に対して直角の方向(図2において左右方向)とする。圧電アクチュエータ5の厚さ方向は、光偏向器1をMEMS技術により製造したときの各層の積層方向に一致する。   The thickness direction of the piezoelectric actuator 5 is a direction that penetrates the optical deflector 1 between the front side and the back side (perpendicular to the paper surface in FIG. 2). The width direction of the piezoelectric actuator 5 is a direction (left and right direction in FIG. 2) perpendicular to both the length direction and the thickness direction. The thickness direction of the piezoelectric actuator 5 coincides with the stacking direction of each layer when the optical deflector 1 is manufactured by the MEMS technology.

ここで、圧電アクチュエータ5の長さ(先端−基端間の寸法)をLaと定義し、圧電アクチュエータ5の幅をWaと定義する。   Here, the length (dimension between the tip end and the base end) of the piezoelectric actuator 5 is defined as La, and the width of the piezoelectric actuator 5 is defined as Wa.

図2において、非アクチュエータ部6bは、圧電アクチュエータ5の先端部を占める。非アクチュエータ部6bは、長さ方向において、圧電アクチュエータ5の先端と、該先端から基端の方へLa/3離れた位置との間にあって、長さをLa/3未満にされている。   In FIG. 2, the non-actuator portion 6 b occupies the tip portion of the piezoelectric actuator 5. The non-actuator portion 6b is between the distal end of the piezoelectric actuator 5 and a position separated by La / 3 from the distal end toward the proximal end in the length direction, and has a length less than La / 3.

説明の便宜上、圧電アクチュエータ5を幅方向に5等分割したときの各区分幅がWa/5である各区分に対し圧電アクチュエータ5の内側から順番に番号1〜5を付ける。素子部101〜103は、非アクチュエータ部6bにおいて番号1〜3の区分にそれぞれ配置される。導線部111〜113は、圧電アクチュエータ5におけるアクチュエータ部6aの表面において番号1〜3の区分に配線され、一端においてそれぞれ素子部101〜103に接続され、他端において圧電アクチュエータ5の基端に達し、さらに、矩形枠4又はその他の支持枠(図示せず)の対応電極パッド(図示せず)に接続されている。   For convenience of explanation, numbers 1 to 5 are assigned in order from the inside of the piezoelectric actuator 5 to the respective sections whose width is Wa / 5 when the piezoelectric actuator 5 is divided into five equal parts in the width direction. The element parts 101-103 are each arrange | positioned to the division of the numbers 1-3 in the non-actuator part 6b. The conducting wire portions 111 to 113 are wired in sections 1 to 3 on the surface of the actuator portion 6a of the piezoelectric actuator 5, connected to the element portions 101 to 103 at one end, and reach the base end of the piezoelectric actuator 5 at the other end. Furthermore, it is connected to a corresponding electrode pad (not shown) of the rectangular frame 4 or other support frame (not shown).

なお、厳密には、Waは、圧電アクチュエータ5において圧電アクチュエータとして機能する部分の幅であり(後述の図4において基板層26の幅ではなく、下部電極層29〜上部電極層31の幅)、圧電アクチュエータ5の幅よりは少し狭くなる。   Strictly speaking, Wa is the width of the portion that functions as the piezoelectric actuator in the piezoelectric actuator 5 (not the width of the substrate layer 26 in FIG. 4 described later, but the width of the lower electrode layer 29 to the upper electrode layer 31). It becomes a little narrower than the width of the piezoelectric actuator 5.

素子部101〜103のうち圧電式回転角センサとして選択されるのは素子部102となる。素子部102に対して両側の素子部101,103は、電磁シールドとして作用するグランド部とされる。なお、素子部102に代えて、素子部101を圧電式回転角センサとして選択することもできる。   Among the element units 101 to 103, the element unit 102 is selected as the piezoelectric rotation angle sensor. The element portions 101 and 103 on both sides of the element portion 102 are ground portions that act as electromagnetic shields. In addition, it can replace with the element part 102 and the element part 101 can also be selected as a piezoelectric rotation angle sensor.

素子部101又は102を圧電式回転角センサとして選択する理由は、発明者らの実験結果に基づく(詳細は、本出願人の特願2012−199364参照)。その実験によれば、番号1〜5の区画にセンサNo.1〜No.5をそれぞれ配設し、センサNo.1〜No.5の出力を疑似的に調べたところ、センサNo.3〜No.5の出力は、実際の共振周波数を再現できていないことが分かった。したがって、センサNo.1〜No.5の出力を合計すると、単純な圧電センサ出力は増大するが、センサNo.3〜No.5のように、実際の共振周波数を再現できていない出力成分を合計出力が含むことになるので、共振周波数のピーク位置にずれが生じることが分かった。したがって、素子部101又は102が圧電式回転角センサとして利用することが有利である。なお、素子部101及び102の出力の合計を圧電式回転角センサの出力として利用してもよい。   The reason why the element unit 101 or 102 is selected as the piezoelectric rotation angle sensor is based on the results of experiments by the inventors (for details, refer to Japanese Patent Application No. 2012-199364 of the present applicant). According to the experiment, the sensor No. 1-No. 5 and sensor No. 5 respectively. 1-No. As a result of a pseudo examination of the output of sensor 5, sensor No. 3-No. It was found that the output of 5 could not reproduce the actual resonance frequency. Therefore, sensor No. 1-No. When the outputs of 5 are added, the output of a simple piezoelectric sensor increases. 3-No. As shown in FIG. 5, since the total output includes an output component that cannot reproduce the actual resonance frequency, it has been found that a shift occurs in the peak position of the resonance frequency. Therefore, it is advantageous that the element unit 101 or 102 is used as a piezoelectric rotation angle sensor. The total output of the element units 101 and 102 may be used as the output of the piezoelectric rotation angle sensor.

なお、素子部101〜103の長さを短縮するときには、素子部101〜103の一端の位置はトーションバー3との結合端の位置に固定し、他端の位置は長さに応じて可変とし、他端を一端の方へ近づけるようにして、長さを短縮させる。素子部101〜103の圧電センサは、他端側より、トーションバー3に近い一端側の方の部位ほど出力成分が大きいからである。   When shortening the length of the element parts 101 to 103, the position of one end of the element parts 101 to 103 is fixed to the position of the coupling end with the torsion bar 3, and the position of the other end is variable according to the length. The length is shortened by bringing the other end closer to one end. This is because the piezoelectric components of the element units 101 to 103 have a larger output component in a portion closer to one end side closer to the torsion bar 3 than the other end side.

圧電アクチュエータ5の出力を確保するために、素子部101〜103の長さについて、圧電アクチュエータ5の長さのLa/3未満とするが、圧電式回転角センサの出力は、長さが短くなるほど、低下するので、許容値以上の最小出力を確保するために、素子部101〜103はLa/6(=La/(3×2))以上が好ましい。   In order to ensure the output of the piezoelectric actuator 5, the length of the element portions 101 to 103 is set to be less than La / 3 of the length of the piezoelectric actuator 5, but the output of the piezoelectric rotation angle sensor decreases as the length decreases. Therefore, in order to secure a minimum output exceeding the allowable value, the element units 101 to 103 are preferably La / 6 (= La / (3 × 2)) or more.

図3は、図2のIII−III矢視断面図であり、圧電アクチュエータ5の機能層をそのまま残してセンサ領域7を形成したときの構造を示している。圧電アクチュエータ5は、圧電アクチュエータ8として製造された後、後述の図5の分断溝12の形成により基端側のアクチュエータ部6aと先端側の非アクチュエータ部6bとに区分される。非アクチュエータ部6bは、さらに、その後、エッチングされることにより、複数の素子部101〜103が幅方向に相互に分離されて形成される。   FIG. 3 is a cross-sectional view taken along the line III-III in FIG. 2 and shows the structure when the sensor region 7 is formed while leaving the functional layer of the piezoelectric actuator 5 as it is. After being manufactured as the piezoelectric actuator 8, the piezoelectric actuator 5 is divided into an actuator portion 6a on the proximal end side and a non-actuator portion 6b on the distal end side by forming a dividing groove 12 in FIG. The non-actuator part 6b is further etched to form a plurality of element parts 101 to 103 separated from each other in the width direction.

圧電アクチュエータ5は、後述の図5の分断溝12の形成前の構造として、下層から上層へ順番に、Si(ケイ素:40μm)の基板層26、SiO2(二酸化ケイ素:500nm)の熱酸化膜層27、Ti(チタン:50nm。Tiに代えてTiOxでも可)の下部電極密着層28、Pt(プラチナ:150nm)の下部電極層29、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛:3μm)の圧電膜層30、Pt(プラチナ:150nm)の上部電極層31、Ti(チタン:50nm)の層間絶縁膜密着層32、SiO2(二酸化ケイ素:500nm)の層間絶縁膜層33を有する。なお、圧電膜層30の成膜の仕方として、例えばADPR(Arc Discharged Reactive Ion Plating)が採用される。下部電極密着層28及び上部層間絶縁膜密着層32は、Ptの層とSiO2の層との密着性を改善するために、両者の間に介在するものである。 The piezoelectric actuator 5 has a structure before formation of a dividing groove 12 in FIG. 5 described later, in order from a lower layer to an upper layer, a substrate layer 26 of Si (silicon: 40 μm), a thermal oxide film of SiO 2 (silicon dioxide: 500 nm). Layer 27, Ti (titanium: 50 nm, TiO x instead of Ti) lower electrode adhesion layer 28, Pt (platinum: 150 nm) lower electrode layer 29, PZT (lead zirconate titanate: 3 μm) piezoelectric film It has a layer 30, an upper electrode layer 31 of Pt (platinum: 150 nm), an interlayer insulating film adhesion layer 32 of Ti (titanium: 50 nm), and an interlayer insulating film layer 33 of SiO 2 (silicon dioxide: 500 nm). For example, ADPR (Arc Discharged Reactive Ion Plating) is adopted as a method of forming the piezoelectric film layer 30. The lower electrode adhesion layer 28 and the upper interlayer insulating film adhesion layer 32 are interposed between the two in order to improve the adhesion between the Pt layer and the SiO 2 layer.

素子部101〜103は、Al(アルミニウム:500nm)又はAu(金:500nm)から成り、層間絶縁膜層33に穿設されたコンタクトホールを介して、層間絶縁膜層33の下の上部電極層31に接触している。   The element portions 101 to 103 are made of Al (aluminum: 500 nm) or Au (gold: 500 nm), and the upper electrode layer below the interlayer insulating film layer 33 through a contact hole formed in the interlayer insulating film layer 33. 31 is in contact.

素子部101〜103は、構造が同一であるが、素子部101,103は、導線部111,113を介してグランドに接続され、素子部102のみが導線部112を介して制御部95の入力端子へ接続される。この結果、素子部102のみが圧電式回転角センサとして機能する。   Although the element units 101 to 103 have the same structure, the element units 101 and 103 are connected to the ground via the conductor parts 111 and 113, and only the element part 102 is input to the control unit 95 via the conductor part 112. Connected to the terminal. As a result, only the element unit 102 functions as a piezoelectric rotation angle sensor.

図4は、図2のIV−IV矢視断面図であり、導線部111〜113は、素子部101〜103と同様に、Al(アルミニウム:500nm)又はAu(金:500nm)から成り、層間絶縁膜層33の表面上に形成される。   4 is a cross-sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 2, and the conductive wire portions 111 to 113 are made of Al (aluminum: 500 nm) or Au (gold: 500 nm), similar to the element portions 101 to 103, and It is formed on the surface of the insulating film layer 33.

図2のV−V矢視断面図としての図5において、破線Hはトーションバー3と圧電アクチュエータ5又は8との境界線を示している。分断溝12は、圧電アクチュエータ5の長さ方向所定位置において、幅方向に延在する。圧電アクチュエータ5の圧電膜層30、上部電極層31及び層間絶縁膜密着層32は、分断溝12によりアクチュエータ部6aと非アクチュエータ部6bとに分断される。   In FIG. 5 as a cross-sectional view taken along the line V-V in FIG. 2, a broken line H indicates a boundary line between the torsion bar 3 and the piezoelectric actuator 5 or 8. The dividing groove 12 extends in the width direction at a predetermined position in the length direction of the piezoelectric actuator 5. The piezoelectric film layer 30, the upper electrode layer 31, and the interlayer insulating film adhesion layer 32 of the piezoelectric actuator 5 are divided into the actuator portion 6a and the non-actuator portion 6b by the dividing groove 12.

分断溝12には、その側壁及び底壁を這うように、Alの層が接続線として計3本形成されている。この3本の接続線は、非アクチュエータ部6bの素子部101〜103とアクチュエータ部6aの導線部111〜113とを相互に接続する。   In the dividing groove 12, a total of three Al layers are formed as connecting lines so as to cover the side wall and the bottom wall. The three connection lines connect the element parts 101 to 103 of the non-actuator part 6b and the conductor parts 111 to 113 of the actuator part 6a to each other.

次に、図6を参照して、圧電式回転角センサ50の構造及び分極処理について説明する。図6において、圧電式回転角センサ50は、圧電式回転角センサとして選択した素子部102を意味する。なお、前述したように、素子部102のみに代えて、素子部101のみ、又は素子部101,102の両方を圧電式回転角センサとして選択してもよいことになっている。その場合、図6の構造は、圧電式回転角センサとして選択された素子部101、又は素子部101,102を意味する。   Next, the structure and polarization processing of the piezoelectric rotation angle sensor 50 will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the piezoelectric rotation angle sensor 50 means the element unit 102 selected as the piezoelectric rotation angle sensor. As described above, instead of only the element unit 102, only the element unit 101 or both of the element units 101 and 102 may be selected as the piezoelectric rotation angle sensor. In this case, the structure of FIG. 6 means the element unit 101 or the element units 101 and 102 selected as the piezoelectric rotation angle sensor.

前述の図3〜図5の熱酸化膜層27、下部電極密着層28及び層間絶縁膜密着層32は、圧電式回転角センサ50の機能において主要要素でないため、図6では、図示の簡略化上、省略している。実際の圧電式回転角センサ50には、熱酸化膜層27、下部電極密着層28及び層間絶縁膜密着層32も存在する。圧電式回転角センサ50の下部電極層29は、アクチュエータ部6aの下部電極層29でもあって、グランドに接続されているので、下部電極層29の電圧は0である。   Since the thermal oxide film layer 27, the lower electrode adhesion layer 28, and the interlayer insulating film adhesion layer 32 in FIGS. 3 to 5 are not main elements in the function of the piezoelectric rotation angle sensor 50, FIG. Above, omitted. The actual piezoelectric rotation angle sensor 50 also includes a thermal oxide film layer 27, a lower electrode adhesion layer 28, and an interlayer insulating film adhesion layer 32. Since the lower electrode layer 29 of the piezoelectric rotation angle sensor 50 is also the lower electrode layer 29 of the actuator unit 6a and is connected to the ground, the voltage of the lower electrode layer 29 is zero.

圧電膜層30の分極処理では、上部電極層31に電圧が矩形枠4の表面側の電極パッド(図示せず)を介して印加される。なお、上部電極層31は、分極処理後は、圧電式回転角センサ50の出力部となり、ミラー部2の回転角度に応じた電圧が出力される。   In the polarization process of the piezoelectric film layer 30, a voltage is applied to the upper electrode layer 31 via an electrode pad (not shown) on the surface side of the rectangular frame 4. The upper electrode layer 31 becomes an output unit of the piezoelectric rotation angle sensor 50 after the polarization process, and a voltage corresponding to the rotation angle of the mirror unit 2 is output.

図6(a)に示すように、圧電式回転角センサ50において、上部電極層31に正電圧が印加されたときは、圧電膜層30の各PZT分子51は、正極及び負極をそれぞれ下部電極層29側及び上部電極層31側へ向ける。図6(b)に示すように、圧電式回転角センサ50において、上部電極層31に負電圧が印加されたときは、圧電膜層30の各PZT分子51は、正極及び負極をそれぞれ上部電極層31側及び下部電極層29側へ向ける。   As shown in FIG. 6A, in the piezoelectric rotation angle sensor 50, when a positive voltage is applied to the upper electrode layer 31, each PZT molecule 51 of the piezoelectric film layer 30 has a positive electrode and a negative electrode respectively connected to the lower electrode. It faces toward the layer 29 side and the upper electrode layer 31 side. As shown in FIG. 6B, in the piezoelectric rotation angle sensor 50, when a negative voltage is applied to the upper electrode layer 31, each PZT molecule 51 of the piezoelectric film layer 30 has a positive electrode and a negative electrode respectively connected to the upper electrode. It faces toward the layer 31 side and the lower electrode layer 29 side.

図6(a)のように、圧電膜層30における上部電極層31から下部電極層29への電界向きを正と定義し、図6(b)のように、圧電膜層30における下部電極層29から上部電極層31への電界の向きを負とする。さらに、図6(a)のように、圧電膜層30に正の電界を生じさせる分極処理を正分極処理と呼び、図6(b)のように、圧電膜層30に負の電界を生じさせる分極処理を負分極処理と呼ぶことにする。   The electric field direction from the upper electrode layer 31 to the lower electrode layer 29 in the piezoelectric film layer 30 is defined as positive as shown in FIG. 6A, and the lower electrode layer in the piezoelectric film layer 30 as shown in FIG. The direction of the electric field from 29 to the upper electrode layer 31 is negative. Furthermore, a polarization process that generates a positive electric field in the piezoelectric film layer 30 as shown in FIG. 6A is called a positive polarization process, and a negative electric field is generated in the piezoelectric film layer 30 as shown in FIG. 6B. The polarization process to be performed is called negative polarization process.

上記構成の圧電式回転角センサ50の具体的な分極処理を説明する前に、圧電式回転角センサ50のセンサ機能について概略的に説明する。   Before describing specific polarization processing of the piezoelectric rotation angle sensor 50 having the above-described configuration, the sensor function of the piezoelectric rotation angle sensor 50 will be schematically described.

光スキャナ96(図1)の作動中、圧電アクチュエータ5及び圧電アクチュエータ8は、上部電極層31に正側のみで(負側のみであっても可。ユニポーラ駆動)所定周波数で増減する三角波形、矩形波形又は正弦波形の分極処理電圧を印加される。これにより、圧電アクチュエータ5のアクチュエータ部6a及び圧電アクチュエータ8の全体において、圧電膜層30が圧電アクチュエータ5及び圧電アクチュエータ8をその長さ方向に縮小及び縮小解除されて、圧電アクチュエータ5及び圧電アクチュエータ8は、先端部をトーションバー3の軸線回りに該所定周波数で回動させる。   During the operation of the optical scanner 96 (FIG. 1), the piezoelectric actuator 5 and the piezoelectric actuator 8 have a triangular waveform that increases and decreases at a predetermined frequency only on the positive side of the upper electrode layer 31 (only on the negative side. Unipolar drive) A polarization voltage having a rectangular waveform or a sine waveform is applied. As a result, in the entire actuator portion 6a and the piezoelectric actuator 8 of the piezoelectric actuator 5, the piezoelectric film layer 30 is contracted and released in the length direction of the piezoelectric actuator 5 and the piezoelectric actuator 8, and the piezoelectric actuator 5 and the piezoelectric actuator 8 are thus released. Rotates the tip portion around the axis of the torsion bar 3 at the predetermined frequency.

各トーションバー3は、基端部において、該基端部の両側に結合している圧電アクチュエータ5又は8から軸線回りに往復回動する駆動力を受けて往復回動し、これに伴い、ミラー部2はトーションバー3の軸線回りに該所定周波数で往復回動する。   Each torsion bar 3 is reciprocally rotated at the base end portion by receiving a driving force reciprocally rotating around the axis from the piezoelectric actuator 5 or 8 coupled to both sides of the base end portion. The portion 2 reciprocates around the axis of the torsion bar 3 at the predetermined frequency.

一方、圧電アクチュエータ5の非アクチュエータ部6bにおいて、基板層26の下部電極層29側の面は、伸縮面として伸縮し(厳密にはユニポーラ駆動であるので、縮み量を0以上の範囲で増減し)、圧電式回転角センサ50の圧電膜層30は、これに伴い、圧電アクチュエータ5の長さ方向へ伸縮し、圧電式回転角センサ50の上部電極層31には、ミラー部2の回動角に応じた電圧が出力される。この電圧は、圧電式回転角センサ50の出力として制御部95へ送られる。   On the other hand, in the non-actuator portion 6b of the piezoelectric actuator 5, the surface on the lower electrode layer 29 side of the substrate layer 26 expands and contracts as an expansion / contraction surface (strictly speaking, since it is unipolar drive, the amount of contraction is increased or decreased within a range of 0 or more. ), The piezoelectric film layer 30 of the piezoelectric rotation angle sensor 50 expands and contracts in the length direction of the piezoelectric actuator 5, and the mirror electrode 2 rotates on the upper electrode layer 31 of the piezoelectric rotation angle sensor 50. A voltage corresponding to the corner is output. This voltage is sent to the control unit 95 as an output of the piezoelectric rotation angle sensor 50.

次に、図7を参照して、圧電膜層30の材料の抗電界について説明する。図7は該材料についての電界のヒステリシスを示している。図7において、横軸の電界強度の正負は、図6(a)及び(b)における電界の向きに一致させている。抗電界は、正側と負側とに1つずつ存在し、抗電界Ec,−Ecの絶対値は、共に5V/μmである。飽和分極量(=±約5μC/cm2)の絶対値は約40V/mである。 Next, the coercive electric field of the material of the piezoelectric film layer 30 will be described with reference to FIG. FIG. 7 shows the electric field hysteresis for the material. In FIG. 7, the positive / negative of the electric field strength on the horizontal axis is matched with the direction of the electric field in FIGS. 6 (a) and 6 (b). One coercive electric field exists on the positive side and one on the negative side, and the absolute values of the coercive electric fields Ec and -Ec are both 5 V / μm. The absolute value of the saturation polarization amount (= ± about 5 μC / cm 2 ) is about 40 V / m.

図8を参照して、圧電式回転角センサ50を、圧電膜層30の分極処理無しで使用したときのミラー部2の振動周波数とミラー部2の振れ角及び圧電式回転角センサ50の出力との関係について説明する。振れ角(=回動角)は、ミラー部2が真正面を向いたときを0°とし、真正面に対して一方及び他方の振れ角を正及び負とし、トーションバー3の軸線の回りのミラー部2の振れ角の絶対値で示している。   Referring to FIG. 8, when the piezoelectric rotation angle sensor 50 is used without the polarization treatment of the piezoelectric film layer 30, the vibration frequency of the mirror unit 2, the deflection angle of the mirror unit 2, and the output of the piezoelectric rotation angle sensor 50. Will be described. The deflection angle (= rotation angle) is 0 ° when the mirror portion 2 is facing directly in front, the deflection angle of one and the other with respect to the true front is positive and negative, and the mirror portion around the axis of the torsion bar 3 The absolute value of the deflection angle of 2 is shown.

ミラー部2の振れ角は、ミラー部2、トーションバー3、圧電アクチュエータ5,8の質量と、トーションバー3、圧電アクチュエータ5,8の剛性等により決まる共振周波数(図8では、共振周波数=15.889kHz)で最大(図8では、最大振れ角=約5°)となり、共振周波数から離れるに連れて急速に減少する。圧電式回転角センサ50の出力は、ミラー部2の振れ角にほぼ比例し、ほぼミラー部2の共振周波数において最大(図8では、最大出力電圧=約125mV)になる。図8における縦軸で示している圧電式回転角センサ50の出力電圧は、各周波数における最大振れ角時の圧電式回転角センサ50の出力電圧であり、換言すると、各周波数における圧電式回転角センサ50の最大出力電圧となる。   The deflection angle of the mirror unit 2 is a resonance frequency determined by the mass of the mirror unit 2, the torsion bar 3 and the piezoelectric actuators 5 and 8, the rigidity of the torsion bar 3 and the piezoelectric actuators 5 and 8, etc. (resonance frequency = 15 in FIG. 8). .889 kHz) (maximum deflection angle = about 5 ° in FIG. 8), and decreases rapidly with distance from the resonance frequency. The output of the piezoelectric rotation angle sensor 50 is substantially proportional to the deflection angle of the mirror unit 2 and is maximum at the resonance frequency of the mirror unit 2 (maximum output voltage = about 125 mV in FIG. 8). The output voltage of the piezoelectric rotation angle sensor 50 indicated by the vertical axis in FIG. 8 is the output voltage of the piezoelectric rotation angle sensor 50 at the maximum deflection angle at each frequency, in other words, the piezoelectric rotation angle at each frequency. This is the maximum output voltage of the sensor 50.

圧電膜層30の分極処理がなされていないとき、図8示すように、圧電式回転角センサ50の出力電圧は低い。共振周波数から十分に離れた周波数における圧電式回転角センサ50の出力電圧をノイズ電圧とすると、図8では、ノイズ電圧=24mVであり、S/N比=125/24=5.2となる。   When the piezoelectric film layer 30 is not polarized, the output voltage of the piezoelectric rotation angle sensor 50 is low as shown in FIG. If the output voltage of the piezoelectric rotation angle sensor 50 at a frequency sufficiently away from the resonance frequency is a noise voltage, in FIG. 8, the noise voltage = 24 mV, and the S / N ratio = 125/24 = 5.2.

図9を参照して、光偏向器1における圧電式回転角センサ50の分極方法について、説明する。図9において、横軸は累積分極サイクル数、縦軸は、0.5刻みの累積分極サイクル数における圧電式回転角センサ50の出力電圧比(共振周波数時の出力電圧比)を示している。   With reference to FIG. 9, the polarization method of the piezoelectric rotation angle sensor 50 in the optical deflector 1 will be described. In FIG. 9, the horizontal axis represents the cumulative polarization cycle number, and the vertical axis represents the output voltage ratio (output voltage ratio at the resonance frequency) of the piezoelectric rotation angle sensor 50 at the cumulative polarization cycle number in increments of 0.5.

各半サイクルは、正分極処理又は負分極処理(図6)の1回の実行に相当する。1サイクルは、正及び負の分極処理の順番は問わず、1回の正分極処理と1回の負分極処理との組の実行に相当する。圧電式回転角センサ50のサンプルに対して、正分極処理と負分極処理とを交互に実行していき、各半サイクルごとの圧電式回転角センサ50の出力電圧比を調べて、図9の対応位置にマークを付けて、”◆”のマーク同士及び”■”のマーク同士をそれぞれ順番に実線及び破線で結んだものが図9の各特性線となっている。   Each half cycle corresponds to one execution of the positive polarization process or the negative polarization process (FIG. 6). One cycle corresponds to the execution of a set of one positive polarization process and one negative polarization process regardless of the order of the positive and negative polarization processes. A positive polarization process and a negative polarization process are alternately performed on the sample of the piezoelectric rotation angle sensor 50, and the output voltage ratio of the piezoelectric rotation angle sensor 50 for each half cycle is examined. Each characteristic line in FIG. 9 is obtained by placing marks at corresponding positions and connecting the marks “♦” and the marks “■” sequentially with a solid line and a broken line.

図9において、実線の特性は、”◆”のマーク同士を順番に結んであり、各サイクルにおいて最初の半サイクルでは正分極処理を実行し、後の半サイクルでは負分極処理を実行したときの実験結果を示している。破線は、”■”のマーク同士を順番に結んであり、各サイクルにおいて最初の半サイクルでは負分極処理を実行し、後の半サイクルでは正分極処理を実行したときの実験結果を示している。   In FIG. 9, the characteristic of the solid line is that the marks “♦” are connected in order, and in each cycle, the positive polarization process is executed in the first half cycle, and the negative polarization process is executed in the subsequent half cycle. Experimental results are shown. The broken line connects the “■” marks in order. In each cycle, the negative polarization process is executed in the first half cycle, and the positive polarization process is executed in the subsequent half cycle. .

図9において、実線及び破線の起点としての累積分極サイクル数=0では、”◆”のマークと”■”のマークとが重なっており、該起点は、圧電式回転角センサ50のサンプルに対して1回も分極処理を実施していない状態、すなわち圧電膜層30が図8の無分極状態にある時を意味する。図9において、縦軸を圧電式回転角センサ50の出力電圧でなく、出力電圧比により正規化した理由は、圧電式回転角センサ50の出力電圧は、圧電式回転角センサ50のサンプルごとにばらつきが比較的大きいのに対し、出力電圧比は、圧電式回転角センサ50のサンプルごとのばらつきが小さいので、分極方法の効果を一般的に示すことができるからである。   In FIG. 9, when the cumulative number of polarization cycles = 0 as the starting point of the solid line and the broken line, the mark “◆” and the mark “■” overlap, and the starting point is relative to the sample of the piezoelectric rotation angle sensor 50. This means that the polarization process has not been performed once, that is, the piezoelectric film layer 30 is in the non-polarized state of FIG. In FIG. 9, the reason why the vertical axis is normalized not by the output voltage of the piezoelectric rotation angle sensor 50 but by the output voltage ratio is that the output voltage of the piezoelectric rotation angle sensor 50 is different for each sample of the piezoelectric rotation angle sensor 50. This is because, although the variation is relatively large, the output voltage ratio has a small variation for each sample of the piezoelectric rotation angle sensor 50, so that the effect of the polarization method can be generally shown.

各分極処理は、発明者が手動で機器を操作して、圧電式回転角センサ50の上部電極層31に、正分極処理では正の電圧を、また、負分極処理では負の電圧を印加することにより実施した。印加電圧は、正及び負の分極処理において、それぞれ圧電膜層30に+及び−の抗電界Ecのほぼ1.7倍以上の電界がかかる電圧、換言すると、それぞれ符号が同一で絶対値が抗電界の絶対値|±Ec|のほぼ1.7倍以上である電界がかかる電圧とした。印加時間は、正分極処理及び負分極処理共に約3秒とした。   In each polarization process, the inventor manually operates the apparatus to apply a positive voltage to the upper electrode layer 31 of the piezoelectric rotation angle sensor 50 in the positive polarization process and a negative voltage in the negative polarization process. Was carried out. The applied voltage is a voltage at which an electric field of approximately 1.7 times or more of the coercive electric field Ec of + and − is applied to the piezoelectric film layer 30 in the positive and negative polarization processes, in other words, the sign is the same and the absolute value is the resistance. The voltage applied was an electric field that was approximately 1.7 times or more of the absolute value of the electric field | ± Ec |. The application time was about 3 seconds for both the positive polarization treatment and the negative polarization treatment.

図9の実験グラフから次のことが判明した。   The following was found from the experimental graph of FIG.

(a)少なくとも正分極処理、負分極処理、正分極処理を順番に実施する3つの半サイクルの連続を分極処理に含ませれば、累積サイクル数に関係なく、圧電式回転角センサ50の出力電圧比について、1回の負分極処理のみ、1回の正分極処理のみ、又は1サイクルの分極処理のみで終了したときの圧電式回転角センサ50の出力電圧比(=1)に対して増大が認められる。   (A) If the polarization process includes at least three consecutive half cycles of performing at least the positive polarization process, the negative polarization process, and the positive polarization process in order, the output voltage of the piezoelectric rotation angle sensor 50 The ratio is increased with respect to the output voltage ratio (= 1) of the piezoelectric rotation angle sensor 50 when the process is completed by only one negative polarization process, only one positive polarization process, or only one cycle of polarization process. Is recognized.

(b)累積分極サイクル数=1より後の各サイクルでは、実線の実験結果と破線の実験結果のいずれも、圧電式回転角センサ50の出力電圧比は、正分極処理の終了時の方が負分極処理の終了時よりも高い。すなわち、実線の実験結果では、圧電式回転角センサ50の出力電圧比は、累積分極サイクル数=1.5の時の方が累積分極サイクル数=2の時よりも高い。また、破線の実験結果では、圧電式回転角センサ50の出力電圧比は、累積分極サイクル数=2の時の方が累積分極サイクル数=1.5の時よりも高い。 (B) In each cycle after the cumulative number of polarization cycles = 1, the output voltage ratio of the piezoelectric rotation angle sensor 50 is higher at the end of the positive polarization process in both the solid line experimental results and the broken line experimental results. It is higher than at the end of the negative polarization process. That is, in the solid line experimental results, the output voltage ratio of the piezoelectric rotation angle sensor 50 is higher when the cumulative polarization cycle number = 1.5 than when the cumulative polarization cycle number = 2. Further, in the experimental result indicated by the broken line, the output voltage ratio of the piezoelectric rotation angle sensor 50 is higher when the cumulative polarization cycle number = 2 than when the cumulative polarization cycle number = 1.5.

上記(a)及び(b)の知見に基づいて、光偏向器1の圧電式回転角センサ50の分極処理では、正分極処理から開始して、累積分極サイクル数=1.5となる分極処理を実施した。   Based on the knowledge of (a) and (b) above, in the polarization processing of the piezoelectric rotation angle sensor 50 of the optical deflector 1, the polarization processing starts from the positive polarization processing and the cumulative number of polarization cycles becomes 1.5. Carried out.

これにより、ミラー部2の往復回動中における圧電アクチュエータ5の長さ方向伸縮量に対する圧電式回転角センサ50の出力電圧の変化は、すなわちミラー部2の回動角の変化に対する圧電式回転角センサ50の出力電圧の変化は、通常の分極処理による圧電式回転角センサ50よりも増大させることができる。したがって、ミラー部2の共振振動中の圧電式回転角センサ50の出力のS/N比も、通常の分極処理による圧電式回転角センサ50のものによりも増大させることができる。   Thereby, the change in the output voltage of the piezoelectric rotation angle sensor 50 with respect to the lengthwise expansion / contraction amount of the piezoelectric actuator 5 during the reciprocating rotation of the mirror unit 2, that is, the piezoelectric rotation angle with respect to the change in the rotation angle of the mirror unit 2. The change in the output voltage of the sensor 50 can be increased as compared with the piezoelectric rotation angle sensor 50 by a normal polarization process. Therefore, the S / N ratio of the output of the piezoelectric rotation angle sensor 50 during the resonance vibration of the mirror unit 2 can be increased more than that of the piezoelectric rotation angle sensor 50 by the normal polarization process.

なお、光偏向器1の圧電式回転角センサ50の分極処理において、負分極処理から開始して、累積分極サイクル数=2となる分極処理を実施したり、累積分極サイクル数=2.5以上でかつ累積分極サイクル数を正分極処理で終了したりしても、圧電式回転角センサ50の出力及びS/N比を、通常の分極処理による圧電式回転角センサ50のものによりも増大させることができる。   In the polarization process of the piezoelectric rotation angle sensor 50 of the optical deflector 1, the polarization process starting from the negative polarization process and the cumulative polarization cycle number = 2 is performed, or the cumulative polarization cycle number = 2.5 or more. In addition, even if the cumulative number of polarization cycles is terminated by the positive polarization process, the output and the S / N ratio of the piezoelectric rotation angle sensor 50 are increased more than those of the piezoelectric rotation angle sensor 50 by the normal polarization process. be able to.

本発明を実施形態について説明したが、本発明は、実施形態に限定されることなく、種々に変形して実施可能である。   Although the present invention has been described with respect to the embodiments, the present invention is not limited to the embodiments, and can be implemented with various modifications.

実施形態の光偏向器1では、ミラー部2は、1つの軸線の回りにしか回転しないので、圧電式回転角センサ50も1つしか装備されないが、ミラー部が相互に直角の2つの軸線の回りに回転可能に支持され、各軸線回りの回動角の検出ごとに、圧電式回転角センサが装備されるときは、本発明は、どの圧電式回転角センサの分極方法にも適用することができる。   In the optical deflector 1 of the embodiment, since the mirror unit 2 rotates only around one axis, only one piezoelectric rotation angle sensor 50 is provided, but the mirror unit has two axes perpendicular to each other. When a piezoelectric rotation angle sensor is provided for each rotation angle detected around each axis, the present invention is applicable to any piezoelectric rotation angle sensor polarization method. Can do.

実施形態では、圧電アクチュエータ5,8の上部電極層31にユニポーラの正の電圧を印加して、圧電アクチュエータ5,8を駆動することになっているが、上部電極層31にユニポーラの負の電圧を印加して、圧電アクチュエータ5,8を駆動することも可能である。その場合、圧電式回転角センサ50の上部電極層31には、負の電圧が出力される。   In the embodiment, the unipolar positive voltage is applied to the upper electrode layers 31 of the piezoelectric actuators 5 and 8 to drive the piezoelectric actuators 5 and 8, but the unipolar negative voltage is applied to the upper electrode layers 31. Can be applied to drive the piezoelectric actuators 5 and 8. In that case, a negative voltage is output to the upper electrode layer 31 of the piezoelectric rotation angle sensor 50.

1・・・光偏向器、2・・・ミラー部、3・・・トーションバー(結合部)、4・・・矩形枠(支持体)、5・・・圧電アクチュエータ、8・・・圧電アクチュエータ、26・・・基板層、29・・・下部電極層、30・・・圧電膜層、31・・・上部電極層、50・・・圧電式回転角センサ。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical deflector, 2 ... Mirror part, 3 ... Torsion bar (connection part), 4 ... Rectangular frame (support body), 5 ... Piezoelectric actuator, 8 ... Piezoelectric actuator , 26 ... substrate layer, 29 ... lower electrode layer, 30 ... piezoelectric film layer, 31 ... upper electrode layer, 50 ... piezoelectric rotation angle sensor.

Claims (3)

一定の方向から入射する光を反射するミラー部と、
支持体と、
前記ミラー部を所定軸線の回りに回動可能に前記支持体に結合し、前記ミラー部の回転角に応じて伸縮する伸縮面を有する結合部と、
前記ミラー部を前記所定軸線の回りに回動させる圧電アクチュエータと、
前記結合部の伸縮面に下から順番に積層される下部電極層、圧電膜層及び上部電極層を有し、前記伸縮面の伸縮量に応じた電圧を電極間電圧として出力する圧電式回転角センサとを備える光偏向器における前記圧電式回転角センサの分極方法であって、
前記圧電膜層の厚さ方向において前記下部電極層及び前記上部電極層へ向く電界の向きをそれぞれ正及び負の向きとしたときに、絶対値が前記圧電膜層の抗電界の絶対値より大きい正及び負の向きの電界が生じる分極処理電圧を両電極層の間にそれぞれ印加する正分極処理と負分極処理とを、正分極処理は少なくとも2回、負分極処理は少なくとも1回含むように、交互に実施することを特徴とする圧電式回転角センサの分極方法。
A mirror that reflects light incident from a certain direction;
A support;
A coupling portion having a telescopic surface that couples the mirror portion to the support so as to be rotatable around a predetermined axis, and expands and contracts according to a rotation angle of the mirror portion;
A piezoelectric actuator for rotating the mirror portion around the predetermined axis;
A piezoelectric rotation angle that has a lower electrode layer, a piezoelectric film layer, and an upper electrode layer that are sequentially stacked on the expansion / contraction surface of the coupling portion, and outputs a voltage corresponding to the expansion / contraction amount of the expansion / contraction surface as an inter-electrode voltage. A polarization method of the piezoelectric rotation angle sensor in an optical deflector comprising a sensor,
The absolute value is larger than the absolute value of the coercive electric field of the piezoelectric film layer when the directions of the electric fields directed to the lower electrode layer and the upper electrode layer in the thickness direction of the piezoelectric film layer are respectively positive and negative. A positive polarization process and a negative polarization process in which a polarization voltage that generates an electric field in the positive and negative directions is applied between the electrode layers, respectively, so that the positive polarization process is included at least twice and the negative polarization process is included at least once. The method of polarization of a piezoelectric rotation angle sensor, which is performed alternately.
請求項1記載の圧電式回転角センサの分極方法において、
分極処理は正分極処理で終了することを特徴とする圧電式回転角センサの分極方法。
In the polarization method of the piezoelectric rotation angle sensor according to claim 1,
A polarization method for a piezoelectric rotation angle sensor, characterized in that the polarization process ends with a positive polarization process.
請求項1又は2記載の圧電式回転角センサの分極方法において、
前記圧電アクチュエータは、前記結合部を構成するとともに、基板層上の下部電極層、圧電膜層及び上部電極層を分断する分断溝により、基端側のアクチュエータ部と先端側の非アクチュエータ部とに分断され、
前記非アクチュエータ部における下部電極層、圧電膜層及び上部電極層は、前記圧電式回転角センサの下部電極層、圧電膜層及び上部電極層を構成し、
前記非アクチュエータ部における前記基板層の、前記圧電式回転角センサ側の面は、前記伸縮面を構成することを特徴とする圧電式回転角センサの分極方法。
In the polarization method of the piezoelectric rotation angle sensor according to claim 1 or 2,
The piezoelectric actuator constitutes the coupling portion and is divided into a proximal-side actuator portion and a distal-side non-actuator portion by a dividing groove for dividing the lower electrode layer, the piezoelectric film layer, and the upper electrode layer on the substrate layer. Divided,
The lower electrode layer, the piezoelectric film layer, and the upper electrode layer in the non-actuator portion constitute the lower electrode layer, the piezoelectric film layer, and the upper electrode layer of the piezoelectric rotation angle sensor,
A polarization method of a piezoelectric rotation angle sensor, wherein a surface of the substrate layer in the non-actuator portion on the piezoelectric rotation angle sensor side constitutes the expansion / contraction surface.
JP2012285516A 2012-12-27 2012-12-27 Polarization method of piezoelectric rotation angle sensor Active JP6099392B2 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012285516A JP6099392B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Polarization method of piezoelectric rotation angle sensor

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
JP2012285516A JP6099392B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Polarization method of piezoelectric rotation angle sensor

Publications (2)

Publication Number Publication Date
JP2014127681A true JP2014127681A (en) 2014-07-07
JP6099392B2 JP6099392B2 (en) 2017-03-22

Family

ID=51406925

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
JP2012285516A Active JP6099392B2 (en) 2012-12-27 2012-12-27 Polarization method of piezoelectric rotation angle sensor

Country Status (1)

Country Link
JP (1) JP6099392B2 (en)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014225531A (en) * 2013-05-15 2014-12-04 株式会社リコー Electronic device, and method of manufacturing the same

Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4356424A (en) * 1980-11-24 1982-10-26 Eastman Kodak Company Pseudo-AC method of nonuniformly poling a body of polymeric piezoelectric material and flexure elements produced thereby
JPH04273186A (en) * 1991-02-27 1992-09-29 Murata Mfg Co Ltd Polarization method of block-like piezoelectric
DE19521148A1 (en) * 1995-06-09 1996-12-12 Univ Karlsruhe Device for polarizing ferroelectric materials and other polar materials comprises a source for producing and electrical voltage, and electrodes one of which is made from a plate-, film- or layer-like ferroelectric
JP2003298137A (en) * 2002-04-05 2003-10-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Method and device for manufacturing piezoelectric functional component
JP2007258597A (en) * 2006-03-24 2007-10-04 Tdk Corp Method for polarizing piezoelectric element
JP2010161374A (en) * 2009-01-12 2010-07-22 Delphi Technologies Inc Method of polarizing ferroelectric material
JP2010197994A (en) * 2009-01-30 2010-09-09 Ricoh Co Ltd Deflecting mirror, optical scanning device, image forming apparatus and image projecting apparatus

Patent Citations (7)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4356424A (en) * 1980-11-24 1982-10-26 Eastman Kodak Company Pseudo-AC method of nonuniformly poling a body of polymeric piezoelectric material and flexure elements produced thereby
JPH04273186A (en) * 1991-02-27 1992-09-29 Murata Mfg Co Ltd Polarization method of block-like piezoelectric
DE19521148A1 (en) * 1995-06-09 1996-12-12 Univ Karlsruhe Device for polarizing ferroelectric materials and other polar materials comprises a source for producing and electrical voltage, and electrodes one of which is made from a plate-, film- or layer-like ferroelectric
JP2003298137A (en) * 2002-04-05 2003-10-17 Matsushita Electric Ind Co Ltd Method and device for manufacturing piezoelectric functional component
JP2007258597A (en) * 2006-03-24 2007-10-04 Tdk Corp Method for polarizing piezoelectric element
JP2010161374A (en) * 2009-01-12 2010-07-22 Delphi Technologies Inc Method of polarizing ferroelectric material
JP2010197994A (en) * 2009-01-30 2010-09-09 Ricoh Co Ltd Deflecting mirror, optical scanning device, image forming apparatus and image projecting apparatus

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2014225531A (en) * 2013-05-15 2014-12-04 株式会社リコー Electronic device, and method of manufacturing the same

Also Published As

Publication number Publication date
JP6099392B2 (en) 2017-03-22

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US8941905B2 (en) Optical deflector
US10371940B2 (en) Mirror driving device and driving method thereof
JP5890115B2 (en) Optical deflector
US10281716B2 (en) Mirror driving device and driving method thereof
US7605966B2 (en) Optical deflector
US9581810B2 (en) Piezoelectric actuator and optical scanning apparatus having a plurality of piezoelectric layers
JP5816002B2 (en) Optical deflector
JP2013200337A (en) Light deflector
JP5666955B2 (en) Optical deflector
JP6149516B2 (en) Optical scanning device, optical scanning control device, and optical scanning unit
US10411182B2 (en) Drive apparatus
US9097897B2 (en) Optical deflector including narrow piezoelectric sensor element between torsion bar and piezoelectric actuator
US20150270477A1 (en) Actuator
JP2009169325A (en) Optical deflector
JP5105527B2 (en) Optical deflector
JP5779472B2 (en) Optical deflector
CN110095859A (en) The manufacturing method of light scanning apparatus and light scanning apparatus
JPH11242180A (en) Optical scanner
JP6099392B2 (en) Polarization method of piezoelectric rotation angle sensor
JP2017102412A (en) Optical deflector
CN109960028A (en) Light scanning apparatus
US20170003500A1 (en) Drive apparatus
JP6092595B2 (en) Optical deflector
JP2014178387A (en) Optical deflection module
JP5864311B2 (en) Optical deflector

Legal Events

Date Code Title Description
A621 Written request for application examination

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A621

Effective date: 20151110

A977 Report on retrieval

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A971007

Effective date: 20160930

A131 Notification of reasons for refusal

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A131

Effective date: 20161004

A521 Request for written amendment filed

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A523

Effective date: 20161129

TRDD Decision of grant or rejection written
A01 Written decision to grant a patent or to grant a registration (utility model)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A01

Effective date: 20170131

A61 First payment of annual fees (during grant procedure)

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: A61

Effective date: 20170221

R150 Certificate of patent or registration of utility model

Ref document number: 6099392

Country of ref document: JP

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R150

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250

R250 Receipt of annual fees

Free format text: JAPANESE INTERMEDIATE CODE: R250