JP2014232176A - Method for manufacturing light deflector, and light deflector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、反射面を揺動可能な光偏向器及びその製造方法に関する。 The present invention relates to an optical deflector capable of swinging a reflecting surface and a method for manufacturing the same.
従来、反射面を有するミラー部と、該ミラー部を駆動するアクチュエータとを備える光偏向器が知られている（特許文献１）。この光偏向器では、アクチュエータは、駆動電圧が印加される圧電体と、該圧電体を支持してこれと共に屈曲変形する支持体とを有する複数の圧電カンチレバーを備える。 2. Description of the Related Art Conventionally, an optical deflector including a mirror unit having a reflecting surface and an actuator that drives the mirror unit is known (Patent Document 1). In this optical deflector, the actuator includes a plurality of piezoelectric cantilevers having a piezoelectric body to which a driving voltage is applied and a support body that supports the piezoelectric body and bends and deforms together with the piezoelectric body.
複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの長手方向が同一となり且つ当該長手方向に直交する方向に並んで配置され、所謂ミアンダ形状に形成されている。 The plurality of piezoelectric cantilevers have the same longitudinal direction of each piezoelectric cantilever and are arranged side by side in a direction orthogonal to the longitudinal direction, and are formed in a so-called meander shape.
複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、一方の圧電カンチレバーである先端側圧電カンチレバーは、一方の端部がミラー部に連結されている。また、先端側圧電カンチレバーは、ミラー部に連結されている側とは反対側の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該反対側の端部と同一側の端部に連結されている。 Of the two piezoelectric cantilevers positioned at the end in the arrangement of the plurality of piezoelectric cantilevers, one end of the tip side piezoelectric cantilever, which is one of the piezoelectric cantilevers, is connected to the mirror portion. In addition, the tip side piezoelectric cantilever has an end opposite to the side connected to the mirror part connected to an end on the same side as the opposite end of the adjacent piezoelectric cantilever.
複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、先端側圧電カンチレバーとは反対側に位置する圧電カンチレバーである基端側圧電カンチレバーは、一方の端部が支持部に連結されている。また、基端側圧電カンチレバーは、支持部に連結されている側とは反対側の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該反対側の端部と同一側の端部に連結されている。 Of the two piezoelectric cantilevers positioned at the end in the arrangement of the plurality of piezoelectric cantilevers, one end of the proximal end cantilever, which is a piezoelectric cantilever positioned on the opposite side of the distal end piezoelectric cantilever, is connected to the support portion. ing. In addition, the proximal end side piezoelectric cantilever has an end opposite to the side connected to the support portion connected to an end on the same side as the opposite end of the adjacent piezoelectric cantilever.
複数の圧電カンチレバーのうち、先端側圧電カンチレバー及び基端側圧電カンチレバーの間に位置する圧電カンチレバーである中間圧電カンチレバーの各々は、一方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーのうち一方の圧電カンチレバーの当該一方の端部と同一側の端部に連結されている。また、中間圧電カンチレバーの各々は、当該圧電カンチレバーの一方の端部とは反対側の端部が、隣り合う他方の圧電カンチレバーの当該反対側の端部と同一側の端部に連結されている。 Among the plurality of piezoelectric cantilevers, each intermediate piezoelectric cantilever that is a piezoelectric cantilever positioned between the distal end side piezoelectric cantilever and the proximal end side piezoelectric cantilever has one end portion of one of the adjacent piezoelectric cantilevers. It is connected to the end on the same side as the one end. Further, each of the intermediate piezoelectric cantilevers has an end opposite to one end of the piezoelectric cantilever connected to an end on the same side as the opposite end of the other adjacent piezoelectric cantilever. .
通常、特許文献１に記載されたような光偏向器において、所謂ミアンダ形状に形成されたアクチュエータを構成する複数の圧電カンチレバーの各々は、幅が同一に形成されている。 Usually, in an optical deflector as described in Patent Document 1, each of a plurality of piezoelectric cantilevers constituting an actuator formed in a so-called meander shape has the same width.
このような光偏向器を用いる光学機器（例えば、ディスプレイ）においては、光偏向器の大きさ及び反射面の揺動周波数（例えば、走査周波数）の各々が、既定値（例えば、反射面の揺動周波数の場合には60[Hz]）であることが求められる。 In an optical apparatus (for example, a display) using such an optical deflector, each of the size of the optical deflector and the oscillation frequency (for example, scanning frequency) of the reflection surface is a predetermined value (for example, the oscillation of the reflection surface). In the case of dynamic frequency, it is required to be 60 [Hz]).
このとき、圧電体に印加される駆動電圧の周波数成分が、アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数を含む場合には、アクチュエータ及びミラー部による構造体が不要に共振してしまい、光偏向器をうまく作動させることができない。このような場合には、アクチュエータを構成する部材の大きさ等を変化させて、アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数を変更することで対処することが考えられる。 At this time, when the frequency component of the drive voltage applied to the piezoelectric body includes the resonance frequency of the structure formed by the actuator and the mirror, the structure formed by the actuator and the mirror is unnecessarily resonated, and the optical deflector Can not work well. In such a case, it can be considered to change the resonance frequency of the structure including the actuator and the mirror unit by changing the size of the member constituting the actuator.
しかしながら、アクチュエータを構成する部材の大きさ等を変化させた場合には、光偏向器の大きさが変化する場合もある。 However, when the size of the members constituting the actuator is changed, the size of the optical deflector may change.
本発明は、以上の点に鑑みてなされたものであり、光偏向器の大きさを変更することなく、アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数を所望の周波数に規定できる光偏向器及びその製造方法を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above points, and an optical deflector capable of defining a resonance frequency of a structure body by an actuator and a mirror unit to a desired frequency without changing the size of the optical deflector, and the optical deflector An object is to provide a manufacturing method.
本発明の光偏向器の製造方法は、反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を所定の軸周りに揺動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを支持する支持部とを備え、前記アクチュエータは、駆動電圧が印加される圧電体と、該圧電体を支持し該圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する複数の圧電カンチレバーを備え、前記複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの長手方向を同一として当該長手方向に直交する方向に並列配置され、前記複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、一方の圧電カンチレバーである先端側圧電カンチレバーは、一方の端部が前記ミラー部に連結され、他方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、前記複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、前記先端側圧電カンチレバーとは反対側に位置する圧電カンチレバーである基端側圧電カンチレバーは、一方の端部が前記支持部に連結され、他方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、前記複数の圧電カンチレバーのうち、前記先端側圧電カンチレバー及び前記基端側圧電カンチレバーの間に位置する圧電カンチレバーである中間圧電カンチレバーが存在する場合には、当該中間圧電カンチレバーの各々は、一方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーのうち一方の圧電カンチレバーの当該一方の端部と同一側の端部に連結され、当該圧電カンチレバーの他方の端部が、隣り合う他方の圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結された光偏向器の製造方法であって、前記複数の圧電カンチレバーの各々の厚さ及び長手方向の長さを維持すると共に、前記アクチュエータの大きさを維持する範囲で、前記複数の圧電カンチレバーの各々の幅を規定することにより、前記アクチュエータ及び前記ミラー部による構造体の共振周波数を規定する共振周波数規定工程を備えることを特徴とする。 An optical deflector manufacturing method of the present invention includes a mirror portion having a reflecting surface, an actuator that swings the mirror portion around a predetermined axis, and a support portion that supports the actuator. A plurality of piezoelectric cantilevers each having a piezoelectric body to which a voltage is applied and a support body that supports the piezoelectric body and bends and deforms together with the piezoelectric body, wherein the piezoelectric cantilevers have the same longitudinal direction of each piezoelectric cantilever Of the two piezoelectric cantilevers arranged in parallel in the direction orthogonal to the longitudinal direction and positioned at the end in the arrangement of the plurality of piezoelectric cantilevers, the tip side piezoelectric cantilever which is one piezoelectric cantilever has one end at the mirror. And the other end is connected to the end of the adjacent piezoelectric cantilever on the same side as the other end. Among the two piezoelectric cantilevers positioned at the end in the arrangement of the piezoelectric cantilevers, the base end side piezoelectric cantilever, which is the piezoelectric cantilever positioned on the opposite side of the distal end side piezoelectric cantilever, has one end connected to the support portion. And the other end of the piezoelectric cantilever is connected to an end on the same side as the other end of the adjacent piezoelectric cantilever, and among the plurality of piezoelectric cantilevers, between the distal end side piezoelectric cantilever and the proximal end side piezoelectric cantilever. When there is an intermediate piezoelectric cantilever that is a piezoelectric cantilever located at one end, each of the intermediate piezoelectric cantilevers has one end on the same side as the one end of one of the adjacent piezoelectric cantilevers The other end of the piezoelectric cantilever is connected to the other end of the other piezoelectric cantilever. A method of manufacturing an optical deflector coupled to an end portion on the same side as the end portion of the plurality of piezoelectric cantilevers, wherein the thickness and length of each of the plurality of piezoelectric cantilevers are maintained, and the size of the actuator is reduced. A resonance frequency defining step of defining a resonance frequency of the structure by the actuator and the mirror unit by defining the width of each of the plurality of piezoelectric cantilevers within a range to be maintained is provided.
本発明において、複数の圧電カンチレバーの各々の幅を変化させると、アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数が変化する。そのため、共振周波数規定工程において、複数の圧電カンチレバーの各々の幅を規定することにより、複数の圧電カンチレバーの連結体であるアクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数を規定することができる。 In the present invention, when the width of each of the plurality of piezoelectric cantilevers is changed, the resonance frequency of the structure formed by the actuator and the mirror portion changes. Therefore, in the resonance frequency defining step, by defining the width of each of the plurality of piezoelectric cantilevers, it is possible to define the resonance frequency of the structure formed by the actuator and the mirror unit, which is a connected body of the plurality of piezoelectric cantilevers.
このとき、圧電カンチレバーの幅は、アクチュエータの大きさを維持する範囲で規定されている。このため、アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数を規定するときに、アクチュエータの大きさが維持されるので、光偏向器の大きさが維持される。 At this time, the width of the piezoelectric cantilever is defined within a range that maintains the size of the actuator. For this reason, the size of the optical deflector is maintained because the size of the actuator is maintained when the resonance frequency of the structure body by the actuator and the mirror portion is defined.
以上のように、光偏向器の大きさを変更することなく、アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数を所望の周波数に規定できる。 As described above, the resonance frequency of the structure formed by the actuator and the mirror unit can be defined as a desired frequency without changing the size of the optical deflector.
本発明において、前記共振周波数規定工程は、前記複数の圧電カンチレバーが連結された経路上において、前記基端側圧電カンチレバーから前記先端側圧電カンチレバーに向かうほど、前記圧電カンチレバーの幅を狭くすることが好ましい。 In the present invention, in the resonance frequency defining step, the width of the piezoelectric cantilever is narrowed toward the distal end side piezoelectric cantilever from the proximal end side piezoelectric cantilever on the path where the plurality of piezoelectric cantilevers are connected. preferable.
アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数は、その重量が軽いほど高くなる。 The resonance frequency of the structure formed by the actuator and the mirror portion increases as the weight decreases.
また、アクチュエータには、複数の圧電カンチレバーが連結された経路（以下、「アクチュエータ連結経路」という）上において基端側圧電カンチレバーに近づくほど、機械的な強度が高いことが要求される。 Further, the actuator is required to have higher mechanical strength as it approaches the proximal-side piezoelectric cantilever on a path where a plurality of piezoelectric cantilevers are connected (hereinafter referred to as “actuator connection path”).
そこで、本発明では、アクチュエータ連結経路上において基端側圧電カンチレバーから先端側圧電カンチレバーに向かうほど、圧電カンチレバーの幅を狭くする。これにより、アクチュエータの重量を軽くして当該アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数を高くしつつ、アクチュエータ連結経路上において基端側圧電カンチレバーに近づくほど、アクチュエータの機械的な強度を高くすることができる。 Therefore, in the present invention, the width of the piezoelectric cantilever is narrowed toward the distal side piezoelectric cantilever from the proximal side piezoelectric cantilever on the actuator connection path. As a result, the mechanical strength of the actuator is increased as it approaches the proximal-side piezoelectric cantilever on the actuator connection path while reducing the weight of the actuator and increasing the resonance frequency of the structure by the actuator and the mirror unit. Can do.
次に、本発明の光偏向器は、反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を所定の軸周りに揺動させるアクチュエータと、前記アクチュエータを支持する支持部とを備え、前記アクチュエータは、駆動電圧が印加される圧電体と、該圧電体を支持し該圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する複数の圧電カンチレバーを備え、前記複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの長手方向を同一として当該長手方向に直交する方向に並列配置され、前記複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、一方の圧電カンチレバーである先端側圧電カンチレバーは、一方の端部が前記ミラー部に連結され、他方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、前記複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、前記先端側圧電カンチレバーとは反対側に位置する圧電カンチレバーである基端側圧電カンチレバーは、一方の端部が前記支持部に連結され、他方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、前記複数の圧電カンチレバーのうち、前記先端側圧電カンチレバー及び前記基端側圧電カンチレバーの間に位置する圧電カンチレバーである中間圧電カンチレバーが存在する場合には、当該中間圧電カンチレバーの各々は、一方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーのうち一方の圧電カンチレバーの当該一方の端部と同一側の端部に連結され、当該圧電カンチレバーの他方の端部が、隣り合う他方の圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、前記複数の圧電カンチレバーの少なくとも一部は、幅が異なっていることを特徴とする。 Next, an optical deflector according to the present invention includes a mirror portion having a reflecting surface, an actuator that swings the mirror portion around a predetermined axis, and a support portion that supports the actuator. A plurality of piezoelectric cantilevers each having a piezoelectric body to which a voltage is applied and a support body that supports the piezoelectric body and bends and deforms together with the piezoelectric body, wherein the piezoelectric cantilevers have the same longitudinal direction of each piezoelectric cantilever Of the two piezoelectric cantilevers arranged in parallel in the direction orthogonal to the longitudinal direction and positioned at the end in the arrangement of the plurality of piezoelectric cantilevers, the tip side piezoelectric cantilever which is one piezoelectric cantilever has one end at the mirror. The other end is connected to an end on the same side as the other end of the adjacent piezoelectric cantilever, Of the two piezoelectric cantilevers positioned at the end in the arrangement of the electric cantilevers, one end of the proximal cantilever, which is a piezoelectric cantilever positioned on the opposite side of the distal piezoelectric cantilever, is connected to the support portion. The other end is connected to the end of the adjacent piezoelectric cantilever on the same side as the other end, and between the plurality of piezoelectric cantilevers, between the distal end side piezoelectric cantilever and the proximal end side piezoelectric cantilever. When there are intermediate piezoelectric cantilevers that are positioned piezoelectric cantilevers, each of the intermediate piezoelectric cantilevers has one end on the same side as the one end of one of the adjacent piezoelectric cantilevers. The other end of the piezoelectric cantilever is connected to the other end of the other piezoelectric cantilever Is connected to the end of the same side as the part, at least a portion of said plurality of piezoelectric cantilever is characterized in that different widths.
本発明によれば、複数の圧電カンチレバーの少なくとも一部は、幅が異なっている。このように、各圧電カンチレバーの幅を所定の範囲内で異ならせることにより、複数の圧電カンチレバーの各々の幅が同一であるアクチュエータとは、共振周波数が異なる光偏向器を構成することができる。 According to the present invention, at least some of the plurality of piezoelectric cantilevers have different widths. Thus, by making the width of each piezoelectric cantilever different within a predetermined range, an optical deflector having a different resonance frequency can be configured with an actuator having the same width of each of the plurality of piezoelectric cantilevers.
本発明において、前記複数の圧電カンチレバーの各々は、前記複数の圧電カンチレバーが連結された経路上において、前記基端側圧電カンチレバーから前記先端側圧電カンチレバーに向かうほど、前記圧電カンチレバーの幅が狭くなっていることが好ましい。 In the present invention, in each of the plurality of piezoelectric cantilevers, the width of the piezoelectric cantilever becomes narrower from the proximal end side piezoelectric cantilever toward the distal end side piezoelectric cantilever on the path where the plurality of piezoelectric cantilevers are connected. It is preferable.
アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数は、その重量が軽いほど高くなる。 The resonance frequency of the structure formed by the actuator and the mirror portion increases as the weight decreases.
また、アクチュエータには、アクチュエータ連結経路上において、基端側圧電カンチレバーに近づくほど機械的な強度が高いことが要求される。 In addition, the actuator is required to have higher mechanical strength as it approaches the proximal end side piezoelectric cantilever on the actuator connection path.
そこで、本発明では、アクチュエータ連結経路上において基端側圧電カンチレバーから先端側圧電カンチレバーに向かうほど、圧電カンチレバーの幅を狭くする。これにより、アクチュエータの重量を軽くして当該アクチュエータ及びミラー部による構造体の共振周波数を高くしつつ、アクチュエータ連結経路上において基端側圧電カンチレバーに近づくほど、アクチュエータの機械的な強度を高くすることができる。 Therefore, in the present invention, the width of the piezoelectric cantilever is narrowed toward the distal side piezoelectric cantilever from the proximal side piezoelectric cantilever on the actuator connection path. As a result, the mechanical strength of the actuator is increased as it approaches the proximal-side piezoelectric cantilever on the actuator connection path while reducing the weight of the actuator and increasing the resonance frequency of the structure by the actuator and the mirror unit. Can do.
以下、本発明の実施形態の光偏向器について説明する。 Hereinafter, an optical deflector according to an embodiment of the present invention will be described.
まず、光偏向器Ａ１の基本的な構成について説明した後（「１．光偏向器の基本的な構成」）、光偏向器Ａ１の作動について説明する（「２．光偏向器の作動」）。その後、光偏向器Ａ１の外側圧電アクチュエータ１０１，１０２（本発明のアクチュエータに相当する）の各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５を規定することにより、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２及びミラー部（後述する１，２ａ，２ｂ，８１，８２及び９から構成される）による構造体の共振周波数を規定する共振周波数規定工程について説明する（「３．圧電カンチレバーの幅の規定」）。 First, after describing the basic configuration of the optical deflector A1 ("1. Basic configuration of the optical deflector"), the operation of the optical deflector A1 will be described ("2. Operation of the optical deflector"). . Thereafter, by defining the widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 (corresponding to the actuator of the present invention) of the optical deflector A1, the outer piezoelectric actuators 101 and 102 and the mirror portion ( A resonance frequency defining step for defining the resonance frequency of the structure according to 1, 2 a, 2 b, 81, 82, and 9, which will be described later, will be described (“3. Definition of width of piezoelectric cantilever”).
「１．光偏向器の基本的な構成」
図１に示すように、本実施形態の光偏向器Ａ１は、反射部１と、反射部１が搭載された可動部９と、反射部１を可動部９に対して第１軸Ｘ１の周りに揺動させるための圧電アクチュエータ（以下、「内側圧電アクチュエータ」という）８１，８２と、反射部１及び可動部９を支持基体１１に対して第２軸Ｘ２（第１軸Ｘ１に直交する軸。但し、第１軸Ｘ１と第２軸Ｘ２とが正確に直交している必要はない。）の周りに揺動させるための圧電アクチュエータ（以下、「外側圧電アクチュエータ」という）１０１，１０２とを備えている。
"1. Basic configuration of optical deflector"
As shown in FIG. 1, the optical deflector A <b> 1 of the present embodiment includes a reflecting portion 1, a movable portion 9 on which the reflecting portion 1 is mounted, and the reflecting portion 1 around the first axis X <b> 1 with respect to the movable portion 9. Piezoelectric actuators (hereinafter referred to as “inner piezoelectric actuators”) 81, 82, and the reflecting portion 1 and the movable portion 9 with respect to the support base 11 on the second axis X2 (axis perpendicular to the first axis X1). However, it is not necessary that the first axis X1 and the second axis X2 are exactly orthogonal to each other.) Piezoelectric actuators (hereinafter referred to as “outer piezoelectric actuators”) 101 and 102 for swinging around I have.
反射部１は、円板状の反射部基体１ａと、この反射部基体１ａ上に入射された光を反射する金属薄膜で形成された反射面１ｂとを備え、反射部基体１ａの直径方向の両端から外側へ向かって延設された１対のトーションバー２ａ，２ｂを介して、可動部９に連結されている。 The reflecting portion 1 includes a disk-shaped reflecting portion base 1a and a reflecting surface 1b formed of a metal thin film that reflects light incident on the reflecting portion base 1a. The reflecting portion 1a has a diameter direction of the reflecting portion base 1a. It is connected to the movable part 9 via a pair of torsion bars 2a, 2b extending outward from both ends.
詳細には、可動部９は方形枠状に形成され、反射部１の周囲を囲むように設けられている。そして、反射部基体１ａから延設されたトーションバー２ａ，２ｂの各々の先端部が、可動部９の内周部に連結されている。 Specifically, the movable portion 9 is formed in a rectangular frame shape and is provided so as to surround the periphery of the reflecting portion 1. And the front-end | tip part of each torsion bar 2a, 2b extended from the reflection part base | substrate 1a is connected with the inner peripheral part of the movable part 9. As shown in FIG.
反射部１を可動部９に対して揺動させる内側圧電アクチュエータ８１，８２は、各々が半円弧形状に形成され、互いに反射部１を囲むように空隙を隔てて配置されている。内側圧電アクチュエータ８１，８２は、各々の一方の端部が一方のトーションバー２ａを挟んで対向して配置され、各々の他方の端部が他方のトーションバー２ｂを挟んで対向して配置されている。 The inner piezoelectric actuators 81 and 82 that swing the reflecting portion 1 with respect to the movable portion 9 are each formed in a semicircular arc shape, and are disposed with a gap so as to surround the reflecting portion 1. The inner piezoelectric actuators 81 and 82 are arranged such that one end of each is opposed to sandwich one torsion bar 2a, and the other end of each is opposed to sandwich the other torsion bar 2b. Yes.
各内側圧電アクチュエータ８１，８２は、圧電駆動によって屈曲変形するように構成された圧電カンチレバーにより構成されている。これにより、各内側圧電アクチュエータ８１，８２が圧電駆動によって屈曲変形することで、トーションバー２ａ，２ｂは、軸心回りに揺動する。これにより、反射部１は、トーションバーの揺動に伴って該トーションバー２ａ，２ｂの軸心となる第１軸Ｘ１の周りに揺動可能となっている。 Each of the inner piezoelectric actuators 81 and 82 is configured by a piezoelectric cantilever configured to bend and deform by piezoelectric driving. As a result, the inner piezoelectric actuators 81 and 82 are bent and deformed by piezoelectric driving, whereby the torsion bars 2a and 2b swing around the axis. Thereby, the reflection part 1 can rock | fluctuate around the 1st axis | shaft X1 used as the axial center of this torsion bar 2a, 2b with rocking | fluctuation of a torsion bar.
支持基体１１は方形枠状に形成され、可動部９の周囲を囲むように設けられている。そして、反射部１及び可動部９を支持基体１１に対して揺動させる一対の外側圧電アクチュエータ１０１，１０２が、支持基体１１の内周部と可動部９の外周部との間で、可動部９を挟んで第２軸Ｘ２の方向に対向するようにして配置されており、これらの外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を介して、可動部９が支持基体１１に支持されている。 The support base 11 is formed in a rectangular frame shape and is provided so as to surround the periphery of the movable portion 9. A pair of outer piezoelectric actuators 101 and 102 that swing the reflecting portion 1 and the movable portion 9 with respect to the support base 11 are provided between the inner peripheral portion of the support base 11 and the outer peripheral portion of the movable portion 9. The movable portion 9 is supported by the support base 11 via the outer piezoelectric actuators 101 and 102 via the outer piezoelectric actuators 101 and 102.
各外側圧電アクチュエータ１０１，１０２は、圧電駆動によって屈曲変形するように各々構成された複数（図示例では５つ）の圧電カンチレバー３１〜３５を連結して構成されている。圧電カンチレバー３１，３５は、その長さが、圧電カンチレバー３２〜３４の長さの半分程度となるように形成されている。 Each of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 is configured by connecting a plurality (five in the illustrated example) of piezoelectric cantilevers 31 to 35 each configured to bend and deform by piezoelectric driving. The piezoelectric cantilevers 31 and 35 are formed so that the length is about half of the length of the piezoelectric cantilevers 32 to 34.
複数の圧電カンチレバー３１〜３５は、支持基体１１の内周部と可動部９の外周部との間で、第２軸Ｘ２と直交する方向に延在して、第２軸Ｘ２の方向に間隔を存して並ぶように配置されると共に、その各圧電カンチレバー３１〜３５が隣り合う圧電カンチレバーに対して折り返されるように連結されている。従って、各外側圧電アクチュエータ１０１，１０２は、第２軸Ｘ２と直交する方向を振幅方向として蛇行するようにして延在している。 The plurality of piezoelectric cantilevers 31 to 35 extend in a direction orthogonal to the second axis X2 between the inner peripheral portion of the support base 11 and the outer peripheral portion of the movable portion 9, and are spaced in the direction of the second axis X2. The piezoelectric cantilevers 31 to 35 are connected so as to be folded with respect to the adjacent piezoelectric cantilevers. Therefore, each outer piezoelectric actuator 101, 102 extends so as to meander with the direction orthogonal to the second axis X2 as the amplitude direction.
換言すると、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各々は、各圧電カンチレバー３１〜３５が所謂ミアンダ形状に形成されている。 In other words, in each of the outer piezoelectric actuators 101 and 102, each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 is formed in a so-called meander shape.
ここで、各圧電カンチレバー３１〜３５の配置において端に位置する２つの圧電カンチレバー３１，３５のうち、一方の圧電カンチレバーを先端側圧電カンチレバー３１といい、他方の圧電カンチレバーを基端側圧電カンチレバー３５という。また、各圧電カンチレバー３１〜３５のうち、先端側圧電カンチレバー３１及び基端側圧電カンチレバー３５の間に位置する圧電カンチレバーを、中間圧電カンチレバー３２〜３４という。 Here, of the two piezoelectric cantilevers 31 and 35 positioned at the ends in the arrangement of the piezoelectric cantilevers 31 to 35, one piezoelectric cantilever is referred to as a distal end side piezoelectric cantilever 31, and the other piezoelectric cantilever is referred to as a proximal end side piezoelectric cantilever 35. That's it. Of the piezoelectric cantilevers 31 to 35, the piezoelectric cantilevers positioned between the distal end side piezoelectric cantilever 31 and the proximal end side piezoelectric cantilever 35 are referred to as intermediate piezoelectric cantilevers 32 to 34.
先端側圧電カンチレバー３１は、一方の端部が可動部９（より詳細には、可動部９の外周部のうち第１軸Ｘ１に平行な辺の、第１軸Ｘ１方向における中央部付近）に連結されている。また、先端側圧電カンチレバー３１は、可動部９に連結されている側とは反対側の端部が、隣り合う圧電カンチレバー３２の当該反対側の端部と同一側の端部に連結されている。 One end of the tip-side piezoelectric cantilever 31 is on the movable portion 9 (more specifically, in the vicinity of the central portion of the outer peripheral portion of the movable portion 9 that is parallel to the first axis X1 in the direction of the first axis X1). It is connected. In addition, the tip side piezoelectric cantilever 31 has an end opposite to the side connected to the movable portion 9 connected to an end on the same side as the opposite end of the adjacent piezoelectric cantilever 32. .
基端側圧電カンチレバー３５は、一方の端部が支持基体１１（より詳細には、支持基体１１の内周部のうち第１軸Ｘ１に平行な辺の、第１軸Ｘ１方向における中央部付近）に連結されている。また、基端側圧電カンチレバー３５は、支持基体１１に連結されている側とは反対側の端部が、隣り合う圧電カンチレバー３４の当該反対側の端部と同一側の端部に連結されている。 The base end side piezoelectric cantilever 35 has one end portion near the center of the support base 11 (more specifically, the side parallel to the first axis X1 in the inner peripheral portion of the support base 11 in the first axis X1 direction). ). Further, the base end side piezoelectric cantilever 35 is connected to the end portion on the same side as the opposite end portion of the adjacent piezoelectric cantilever 34 on the side opposite to the side connected to the support base 11. Yes.
中間圧電カンチレバー３２〜３４の各々は、一方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーのうち一方の圧電カンチレバー（「３１又は３３」，「３２又は３４」，「３３又は３５」）の当該一方の端部と同一側の端部に連結されている。 Each of the intermediate piezoelectric cantilevers 32 to 34 has one end at one end of one piezoelectric cantilever (“31 or 33”, “32 or 34”, “33 or 35”) among adjacent piezoelectric cantilevers. It is connected to the end on the same side as the part.
また、中間圧電カンチレバー３２〜３４の各々は、当該圧電カンチレバーの一方の端部とは反対側の端部が、隣り合う他方の圧電カンチレバー（「３３又は３１」，「３４又は３２」，「３５又は３３」）の当該反対側の端部と同一側の端部に連結されている。 Further, each of the intermediate piezoelectric cantilevers 32 to 34 has an end opposite to one end of the piezoelectric cantilever, and the other adjacent piezoelectric cantilever (“33 or 31”, “34 or 32”, “35”). Or 33 ") is connected to the end on the same side as the opposite end.
外側圧電アクチュエータ１０１，１０２が以上のようなミアンダ形状に構成されることにより、可動部９が、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を介して支持基体１１に支持されると共に、各外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を構成する圧電カンチレバー３１〜３５の屈曲変形によって、支持基体１１に対して第２軸Ｘ２の周りに揺動可能となっている。 By configuring the outer piezoelectric actuators 101 and 102 in the meander shape as described above, the movable portion 9 is supported by the support base 11 via the outer piezoelectric actuators 101 and 102, and each outer piezoelectric actuator 101 and 102 is also supported. Can be swung around the second axis X <b> 2 with respect to the support base 11 by bending deformation of the piezoelectric cantilevers 31 to 35.
以降の説明では、各外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を構成する圧電カンチレバー３１〜３５を各々、可動部９側から順番に１番目、２番目、３番目、４番目、５番目の圧電カンチレバーということがある。また、圧電カンチレバー３１，３３，３５を奇数番目の圧電カンチレバー、圧電カンチレバー３２，３４を偶数番目の圧電カンチレバーということがある。 In the following description, the piezoelectric cantilevers 31 to 35 constituting the outer piezoelectric actuators 101 and 102 are respectively referred to as the first, second, third, fourth, and fifth piezoelectric cantilevers in order from the movable portion 9 side. is there. The piezoelectric cantilevers 31, 33, and 35 may be referred to as odd-numbered piezoelectric cantilevers, and the piezoelectric cantilevers 32 and 34 may be referred to as even-numbered piezoelectric cantilevers.
なお、図示例の光偏向器Ａ１では、各外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を構成する圧電カンチレバー３１〜３５の個数は５個であるが、２個以上であればいずれの個数により各外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を構成するようにしてもよいことはもちろんである。 In the illustrated optical deflector A1, the number of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 constituting each of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 is five. , 102 may be configured.
内側圧電アクチュエータ８１，８２の各々と、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を構成する圧電カンチレバー３１〜３５の各々とは、図２に模式的な断面図で示すように、起歪体（カンチレバー本体）としての支持体４の層上に下部電極５、圧電体６及び上部電極７の層を積層した構造の圧電カンチレバーである。 Each of the inner piezoelectric actuators 81 and 82 and each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 constituting the outer piezoelectric actuators 101 and 102 are formed as a strain generating body (cantilever main body) as shown in a schematic sectional view of FIG. This is a piezoelectric cantilever having a structure in which layers of a lower electrode 5, a piezoelectric body 6, and an upper electrode 7 are laminated on the support 4 layer.
このうち内側圧電アクチュエータ８１，８２の各々と、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を構成する圧電カンチレバー３１〜３５の各々とは、下部電極５と上部電極７との間で圧電体６に駆動電圧を印加することで、圧電体６と共に支持体４が屈曲変形するようになっている。 Among these, each of the inner piezoelectric actuators 81 and 82 and each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 constituting the outer piezoelectric actuators 101 and 102 apply a driving voltage to the piezoelectric body 6 between the lower electrode 5 and the upper electrode 7. By doing so, the support body 4 is bent and deformed together with the piezoelectric body 6.
上記外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の圧電カンチレバー３１〜３５のうち隣り合う圧電カンチレバーの連結部は、その隣り合う圧電カンチレバーの各々の支持体４を一体に連結した部分となっている。当該連結部には、圧電体６及び上部電極７の層は設けられていない。 Of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 of the outer piezoelectric actuators 101 and 102, the connecting portions of the adjacent piezoelectric cantilevers are portions in which the supports 4 of the adjacent piezoelectric cantilevers are integrally connected. The connecting portion is not provided with the layers of the piezoelectric body 6 and the upper electrode 7.
また、図１を参照して、支持基体１１上には、８個の電極パッド１２１〜１２６，１３１，１３２が設けられている。 In addition, referring to FIG. 1, eight electrode pads 121 to 126, 131, 132 are provided on the support base 11.
これらの電極パッド１２１〜１２６，１３１，１３２のうち、２つの電極パッド１３１，１３２が、基準電位点となる電極パッド（以下、「下部電極パッド」という）である。 Of these electrode pads 121 to 126, 131, and 132, two electrode pads 131 and 132 are electrode pads that serve as reference potential points (hereinafter referred to as “lower electrode pads”).
また、以降の説明では、下部電極パッド１３１，１３２以外の６つの電極パッド１２１〜１２６を、上部電極パッドということがある。 In the following description, the six electrode pads 121 to 126 other than the lower electrode pads 131 and 132 may be referred to as upper electrode pads.
電極パッド１２１は、内側圧電アクチュエータ８１の上部電極７と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッドである。電極パッド１２２は、内側圧電アクチュエータ８２の上部電極７と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッドである。 The electrode pad 121 is an upper electrode pad for applying a driving voltage between the upper electrode 7 and the lower electrode 5 of the inner piezoelectric actuator 81. The electrode pad 122 is an upper electrode pad for applying a driving voltage between the upper electrode 7 and the lower electrode 5 of the inner piezoelectric actuator 82.
電極パッド１２３は、外側圧電アクチュエータ１０１の奇数番目の圧電カンチレバー３１，３３，３５の上部電極７と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッドである。電極パッド１２４は、外側圧電アクチュエータ１０１の偶数番目の圧電カンチレバー３２，３４の上部電極７と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッドである。 The electrode pad 123 is an upper electrode pad for applying a drive voltage between the upper electrode 7 and the lower electrode 5 of the odd-numbered piezoelectric cantilevers 31, 33, 35 of the outer piezoelectric actuator 101. The electrode pad 124 is an upper electrode pad for applying a driving voltage between the upper electrode 7 and the lower electrode 5 of the even-numbered piezoelectric cantilevers 32 and 34 of the outer piezoelectric actuator 101.
電極パッド１２５は、外側圧電アクチュエータ１０２の奇数番目の圧電カンチレバー３１，３３，３５の上部電極７と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッドである。電極パッド１２６は、外側圧電アクチュエータ１０２の偶数番目の圧電カンチレバー３２，３４の上部電極７と下部電極５との間に駆動電圧を印加するための上部電極パッドである。 The electrode pad 125 is an upper electrode pad for applying a driving voltage between the upper electrode 7 and the lower electrode 5 of the odd-numbered piezoelectric cantilevers 31, 33, 35 of the outer piezoelectric actuator 102. The electrode pad 126 is an upper electrode pad for applying a driving voltage between the upper electrode 7 and the lower electrode 5 of the even-numbered piezoelectric cantilevers 32 and 34 of the outer piezoelectric actuator 102.
下部電極パッド１３１は、上部電極パッド１２１，１２３，１２４に対して共通の下部電極パッドである。下部電極パッド１３２は、上部電極パッド１２２，１２５，１２６に対して共通の下部電極パッドである。 The lower electrode pad 131 is a lower electrode pad common to the upper electrode pads 121, 123, and 124. The lower electrode pad 132 is a common lower electrode pad for the upper electrode pads 122, 125, and 126.
下部電極５と下部電極パッド１３１，１３２とは、支持体４を構成する半導体基板（例えばシリコン基板）上の金属薄膜（本実施形態では２層の金属薄膜。以下、下部電極層ということがある）を、半導体プレーナプロセスを用いて形状加工することにより形成されている。この金属薄膜の材料としては、例えば、１層目（下層）にはチタン（Ｔｉ）を用い、２層目（上層）には白金（Ｐｔ）が用いられる。 The lower electrode 5 and the lower electrode pads 131 and 132 are a metal thin film (in this embodiment, two metal thin films; hereinafter referred to as a lower electrode layer) on a semiconductor substrate (for example, a silicon substrate) constituting the support 4. ) Is processed by using a semiconductor planar process. As a material of the metal thin film, for example, titanium (Ti) is used for the first layer (lower layer), and platinum (Pt) is used for the second layer (upper layer).
各内側圧電アクチュエータ８１，８２の下部電極５は、該内側圧電アクチュエータ８１，８２の支持体４上のほぼ全面に形成されている。各外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の圧電カンチレバー３１〜３５の下部電極５は、各々、支持体４（直線部（各圧電カンチレバー３１〜３５が延在する部分）と連結部とを合わせた全体）上のほぼ全面に形成されている。 The lower electrodes 5 of the inner piezoelectric actuators 81 and 82 are formed on substantially the entire surface of the support 4 of the inner piezoelectric actuators 81 and 82. The lower electrodes 5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 are respectively on the support body 4 (the entire portion in which the linear portions (portions where the piezoelectric cantilevers 31 to 35 extend) and the connecting portions are combined). It is formed on almost the entire surface.
そして、下部電極パッド１３１，１３２は、支持基体１１上及び可動部９上に形成された下部電極層を介して、各々、内側圧電アクチュエータ８１，８２の下部電極５、及び外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の下部電極５に導通される。 The lower electrode pads 131 and 132 are respectively connected to the lower electrode 5 of the inner piezoelectric actuators 81 and 82 and the outer piezoelectric actuators 101 and 102 via lower electrode layers formed on the support base 11 and the movable portion 9. The lower electrode 5 is conducted.
各内側圧電アクチュエータ８１，８２、及び各外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の圧電カンチレバー３１〜３５の各々の圧電体６は、半導体プレーナプロセスを用いて、下部電極層上の１層の圧電膜（以下、圧電体層ということがある）を形状加工することにより、各々の下部電極５上に互いに分離して形成されている。この圧電膜の材料としては、例えば、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。 Each piezoelectric body 6 of each of the inner piezoelectric actuators 81 and 82 and each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 of each of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 is formed of a single piezoelectric film (hereinafter referred to as a piezoelectric film) on the lower electrode layer using a semiconductor planar process. These are formed separately on each lower electrode 5 by shape processing. As a material of this piezoelectric film, for example, lead zirconate titanate (PZT) which is a piezoelectric material is used.
この場合、各内側圧電アクチュエータ８１，８２の圧電体６は、各内側圧電アクチュエータ８１，８２毎に、下部電極５上のほぼ全面に形成されている。また、各外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の圧電体６は、各圧電カンチレバー３１〜３５の延在部分（直線部）において、下部電極５上のほぼ全面に形成されている。 In this case, the piezoelectric body 6 of each of the inner piezoelectric actuators 81 and 82 is formed on almost the entire surface of the lower electrode 5 for each of the inner piezoelectric actuators 81 and 82. In addition, the piezoelectric body 6 of each of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 is formed on substantially the entire surface of the lower electrode 5 in the extending portion (straight portion) of each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35.
各上部電極７と、上部電極パッド１２１〜１２６と、これらを導通する上部電極配線（図示せず）は、半導体プレーナプロセスを用いて、圧電体層上の金属薄膜（本実施形態では１層の金属薄膜。以下、上部電極層ということがある）を形状加工することにより形成されている。この金属薄膜の材料としては、例えば白金（Ｐｔ）又は金（Ａｕ）が用いられる。 Each upper electrode 7, upper electrode pads 121 to 126, and upper electrode wiring (not shown) that conducts them are formed by a semiconductor planar process using a metal thin film (in this embodiment, one layer) on the piezoelectric layer. It is formed by processing a metal thin film (hereinafter sometimes referred to as an upper electrode layer). For example, platinum (Pt) or gold (Au) is used as the material of the metal thin film.
この場合、内側圧電アクチュエータ８１，８２の上部電極７は、内側圧電アクチュエータ８１，８２毎に、その圧電体６上のほぼ全面に形成されている。外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の上部電極７は、圧電カンチレバー３１〜３５毎に、その圧電体６上のほぼ全面に形成されている。 In this case, the upper electrodes 7 of the inner piezoelectric actuators 81 and 82 are formed on almost the entire surface of the piezoelectric body 6 for each of the inner piezoelectric actuators 81 and 82. The upper electrodes 7 of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 are formed on almost the entire surface of the piezoelectric body 6 for each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35.
そして、電極パッド１２１，１２２は、各々、内側圧電アクチュエータ８１の上部電極７、内側圧電アクチュエータ８２の上部電極７に、上部電極配線（図示せず）を介して導通される。 The electrode pads 121 and 122 are electrically connected to the upper electrode 7 of the inner piezoelectric actuator 81 and the upper electrode 7 of the inner piezoelectric actuator 82 through upper electrode wiring (not shown), respectively.
また、電極パッド１２３〜１２６は、各々、外側圧電アクチュエータ１０１の奇数番目の圧電カンチレバー３１，３３，３５の上部電極７、外側圧電アクチュエータ１０１の偶数番目の圧電カンチレバー３２，３４の上部電極７、外側圧電アクチュエータ１０２の奇数番目の圧電カンチレバー３１，３３，３５の上部電極７、及び外側圧電アクチュエータ１０２の偶数番目の圧電カンチレバー３２，３４の上部電極７の各々に、上部電極配線（図示せず）を介して導通される。 Further, the electrode pads 123 to 126 are respectively the upper electrodes 7 of the odd-numbered piezoelectric cantilevers 31, 33, and 35 of the outer piezoelectric actuator 101, the upper electrodes 7 of the even-numbered piezoelectric cantilevers 32 and 34 of the outer piezoelectric actuator 101, and the outer side. Upper electrode wiring (not shown) is connected to each of the upper electrodes 7 of the odd-numbered piezoelectric cantilevers 31, 33 and 35 of the piezoelectric actuator 102 and the upper electrodes 7 of the even-numbered piezoelectric cantilevers 32 and 34 of the outer piezoelectric actuator 102. Through.
反射部１の反射面１ｂは、半導体プレーナプロセスを用いて、反射部基体１ａ上の金属薄膜（本実施形態では１層の金属薄膜）を形状加工して形成されている。その金属薄膜の材料としては、例えば、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）、銀（Ａｇ）、アルミニウム（Ａｌ）等が用いられる。 The reflecting surface 1b of the reflecting portion 1 is formed by processing a metal thin film (one metal thin film in this embodiment) on the reflecting portion base 1a using a semiconductor planar process. As the material of the metal thin film, for example, gold (Au), platinum (Pt), silver (Ag), aluminum (Al), or the like is used.
また、反射部基体１ａと、トーションバー２ａ，２ｂと、支持体４と、可動部９と、支持基体１１とは、複数の層から構成される半導体基板（シリコン基板）を形状加工することにより一体的に形成されている。半導体基板を形状加工する手法としては、フォトリソグラフィ技術又はドライエッチング技術等を利用した半導体プレーナプロセス及びＭＥＭＳプロセスが用いられる。 Further, the reflecting portion base 1a, the torsion bars 2a and 2b, the support 4, the movable portion 9, and the supporting base 11 are formed by processing a semiconductor substrate (silicon substrate) composed of a plurality of layers. It is integrally formed. As a technique for processing a shape of a semiconductor substrate, a semiconductor planar process and a MEMS process using a photolithography technique or a dry etching technique are used.
更に、光偏向器Ａ１は、反射部１の揺動（偏向及び走査）を制御する制御回路（図示省略）に接続されている。制御回路は、ＣＰＵ、プロセッサ、記憶装置等を含む電子回路ユニットである。制御回路は、内側圧電アクチュエータ８１，８２及び外側圧電アクチュエータ１０１，１０２に印加する駆動電圧を制御する。 Further, the optical deflector A1 is connected to a control circuit (not shown) that controls the swinging (deflection and scanning) of the reflection unit 1. The control circuit is an electronic circuit unit including a CPU, a processor, a storage device, and the like. The control circuit controls drive voltages applied to the inner piezoelectric actuators 81 and 82 and the outer piezoelectric actuators 101 and 102.
本実施形態において、反射部１、トーションバー２ａ，２ｂ、内側圧電アクチュエータ８１，８２、及び可動部９が、本発明におけるミラー部を構成している。外側圧電アクチュエータ１０１，１０２が、本発明における「アクチュエータ」に相当する。外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各圧電カンチレバー３１〜３５の支持体４が、本発明における「支持体」に相当する。第２軸Ｘ２が、本発明における「所定の軸」に相当する。 In the present embodiment, the reflecting portion 1, the torsion bars 2a and 2b, the inner piezoelectric actuators 81 and 82, and the movable portion 9 constitute a mirror portion in the present invention. The outer piezoelectric actuators 101 and 102 correspond to “actuators” in the present invention. The support 4 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 corresponds to the “support” in the present invention. The second axis X2 corresponds to the “predetermined axis” in the present invention.
「２．光偏向器の作動」
次に、本実施形態の光偏向器Ａ１の作動について説明する。
“2. Operation of the optical deflector”
Next, the operation of the optical deflector A1 of this embodiment will be described.
光偏向器Ａ１は、例えば、電子写真の画像形成装置又は走査型ディスプレイ等の画像表示装置に備えられ、反射部１に入射する光を、画像投影面等に対して偏向及び走査する。 The optical deflector A1 is provided in an image display apparatus such as an electrophotographic image forming apparatus or a scanning display, for example, and deflects and scans light incident on the reflection unit 1 with respect to an image projection surface or the like.
この場合、内側圧電アクチュエータ８１，８２を圧電駆動することで反射部１の第１軸Ｘ１周りの揺動が行われ、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を圧電駆動することで反射部１（もしくは、可動部９）の第２軸Ｘ２周りの揺動が行われる。反射部１の第１軸Ｘ１周りの揺動と、第２軸Ｘ２周りの揺動とは、各々、例えば水平方向の偏向及び走査、垂直方向の偏向及び走査のための揺動である。 In this case, the inner piezoelectric actuators 81 and 82 are piezoelectrically driven to swing the reflecting portion 1 around the first axis X1, and the outer piezoelectric actuators 101 and 102 are piezoelectrically driven to reflect the reflecting portion 1 (or moveable). Part 9) is swung around the second axis X2. The swinging around the first axis X1 and the swinging around the second axis X2 of the reflecting unit 1 are, for example, swinging for horizontal deflection and scanning, vertical deflection and scanning, respectively.
反射部１の第１軸Ｘ１周りの揺動は、以下のように行われる。すなわち、制御回路は、内側圧電アクチュエータ８１の上部電極７と下部電極５との間に第１駆動電圧を印加すると共に、内側圧電アクチュエータ８２の上部電極７と下部電極５との間に第２駆動電圧を印加する。 The reflection unit 1 is swung around the first axis X1 as follows. In other words, the control circuit applies a first drive voltage between the upper electrode 7 and the lower electrode 5 of the inner piezoelectric actuator 81 and performs a second drive between the upper electrode 7 and the lower electrode 5 of the inner piezoelectric actuator 82. Apply voltage.
この場合、第１駆動電圧と第２駆動電圧とは、互いに逆位相、或いは位相のずれた所定周波数の周期性信号である（例えば、正弦波等の交流信号、又は該交流電圧に直流成分が加えられてオフセットされた信号）。 In this case, the first drive voltage and the second drive voltage are periodic signals of a predetermined frequency that are opposite in phase or out of phase (for example, an AC signal such as a sine wave, or a DC component in the AC voltage). Signal added and offset).
これにより、内側圧電アクチュエータ８１，８２が、互いに逆方向に屈曲変形するように圧電駆動される。これにより、反射部１は、第１軸Ｘ１周りに揺動し、第１軸Ｘ１周りでの光の偏向及び走査が行われる。 As a result, the inner piezoelectric actuators 81 and 82 are piezoelectrically driven so as to bend and deform in opposite directions. As a result, the reflecting portion 1 swings around the first axis X1, and light deflection and scanning around the first axis X1 are performed.
本実施形態においては、内側圧電アクチュエータ８１，８２を含む反射部１の機械的な共振周波数付近の周波数の電圧信号を、内側圧電アクチュエータ８１，８２に印加して共振駆動させている。 In the present embodiment, a voltage signal having a frequency near the mechanical resonance frequency of the reflector 1 including the inner piezoelectric actuators 81 and 82 is applied to the inner piezoelectric actuators 81 and 82 for resonance driving.
なお、本実施形態においては、第１駆動電圧及び第２駆動電圧の周波数は30[kHz]である。 In the present embodiment, the frequency of the first drive voltage and the second drive voltage is 30 [kHz].
反射部１（もしくは可動部９）の第２軸Ｘ２周りの揺動は、次のように行われる。制御回路は、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各々の奇数番目の圧電カンチレバー３１，３３，３５を圧電駆動するための第３駆動電圧を出力すると共に、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各々の偶数番目の圧電カンチレバー３２，３４を圧電駆動するための第４駆動電圧を出力する。 The reflection unit 1 (or the movable unit 9) swings around the second axis X2 as follows. The control circuit outputs a third drive voltage for piezoelectrically driving the odd-numbered piezoelectric cantilevers 31, 33, and 35 of each of the outer piezoelectric actuators 101 and 102, and also sets the even-numbered of each of the outer piezoelectric actuators 101 and 102. A fourth drive voltage for piezoelectrically driving the piezoelectric cantilevers 32 and 34 is output.
ここで、第３駆動電圧と第４駆動電圧とは、互いに逆位相、或いは位相のずれた所定周波数の周期性信号である。例えば、第３駆動電圧及び第４駆動電圧は、正弦波等の交流信号、又は該交流電圧に直流成分が加えられてオフセットされた信号である。 Here, the third drive voltage and the fourth drive voltage are periodic signals having a predetermined frequency that are opposite to each other or out of phase. For example, the third drive voltage and the fourth drive voltage are AC signals such as sine waves, or signals that are offset by adding a DC component to the AC voltage.
本実施形態では、第３駆動電圧及び第４駆動電圧として、本願出願人が特開２０１２−１８５３１４等に提案したような所定周波数のノコギリ波状の電圧信号を用いている。 In this embodiment, a sawtooth wave voltage signal having a predetermined frequency as proposed by the applicant of the present application in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2012-185314 is used as the third drive voltage and the fourth drive voltage.
詳細には、第３駆動電圧及び第４駆動電圧は、互いに同一周波数で、且つ、互いに逆位相である。そして、第３駆動電圧は、その電圧値が極小値から極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をＴ１ａ、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をＴ１ｂとしたとき、本実施形態では、「Ｔ１ａ：Ｔ１ｂ＝９：１」となるようにＴ１ａ，Ｔ１ｂの比率があらかじめ設定されている。 Specifically, the third drive voltage and the fourth drive voltage have the same frequency and opposite phases. The third drive voltage has a rising time period T1a in which the voltage value increases from the minimum value to the maximum value, and a falling period time in which the voltage value decreases from the maximum value to the next minimum value. In this embodiment, when the width is T1b, the ratio of T1a and T1b is set in advance so that “T1a: T1b = 9: 1”.
また、第４駆動電圧は、第３駆動電圧の波形の逆位相の波形とされている。すなわち、第４駆動電圧は、その電圧値が極小値から極大値まで増加していく立ち上がり期間の時間幅をＴ２ａ、電圧値が極大値から次の極小値まで減少していく立ち下がり期間の時間幅をＴ２ｂとしたとき、「Ｔ２ａ：Ｔ２ｂ＝１：９」となるようにＴ２ａ，Ｔ２ｂの比率があらかじめ設定されている。換言すれば、Ｔ２ａ，Ｔ２ｂの比率は、第１駆動電圧のＴ１ａ，Ｔ１ｂの比率と逆の比率になるように設定されている。 The fourth drive voltage is a waveform having an opposite phase to the waveform of the third drive voltage. That is, the fourth drive voltage has a rise time period T2a in which the voltage value increases from the minimum value to the maximum value, and a fall period time in which the voltage value decreases from the maximum value to the next minimum value. When the width is T2b, the ratio of T2a and T2b is set in advance so that “T2a: T2b = 1: 9”. In other words, the ratio of T2a and T2b is set to be opposite to the ratio of T1a and T1b of the first drive voltage.
また、本実施形態では、第４駆動電圧は、第３駆動電圧に対して非同期の電圧信号とされ、第４駆動電圧の立ち上がり期間の始点のタイミングが、第３駆動電圧の立ち上がり期間の始点よりも多少遅れたタイミングとなるように、第３駆動電圧と第４駆動電圧との位相差が設定されている。 In the present embodiment, the fourth drive voltage is an asynchronous voltage signal with respect to the third drive voltage, and the timing of the start point of the fourth drive voltage rises from the start point of the rise period of the third drive voltage. The phase difference between the third drive voltage and the fourth drive voltage is set so that the timing is slightly delayed.
なお、第４駆動電圧が第３駆動電圧に対して非同期であるということは、第４駆動電圧の電圧値が極小値となるタイミングが、第３駆動電圧の電圧値が極大値となるタイミングと一致しない（すなわち、第４駆動電圧の立ち下がり期間の始点（又は終点）が、第３駆動電圧の立ち上がり期間の始点（又は終点）と一致しない）ことを意味する。 The fact that the fourth drive voltage is asynchronous with respect to the third drive voltage means that the timing when the voltage value of the fourth drive voltage becomes a minimum value and the timing when the voltage value of the third drive voltage becomes a maximum value. This means that they do not match (that is, the start point (or end point) of the falling period of the fourth drive voltage does not match the start point (or end point) of the rise period of the third drive voltage).
外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各々の奇数番目の圧電カンチレバー３１，３３，３５を上記のような第３駆動電圧により圧電駆動した場合には、基本的には、該第３駆動電圧の電圧値の立ち上がり期間において、１番目の圧電カンチレバー３１の先端部（可動部９との連結部分）と、３番目の圧電カンチレバー３３の先端部（２番目の圧電カンチレバー３２との連結部分）と、５番目の圧電カンチレバー３５の先端部（４番目の圧電カンチレバー３４との連結部分）とが、各々の圧電カンチレバー３１，３３，３５の基端部に対して同じ向き（上向き又は下向き）に変位するように、奇数番目の圧電カンチレバー３１，３３，３５が屈曲変形する。 When the odd-numbered piezoelectric cantilevers 31, 33 and 35 of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 are piezoelectrically driven by the third drive voltage as described above, basically, the voltage value of the third drive voltage is In the rising period, the tip of the first piezoelectric cantilever 31 (the connecting portion with the movable portion 9), the tip of the third piezoelectric cantilever 33 (the connecting portion with the second piezoelectric cantilever 32), and the fifth The distal end portion of the piezoelectric cantilever 35 (the connection portion with the fourth piezoelectric cantilever 34) is displaced in the same direction (upward or downward) with respect to the base end portion of each piezoelectric cantilever 31, 33, 35. The odd-numbered piezoelectric cantilevers 31, 33, and 35 are bent and deformed.
また、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各々の偶数番目の圧電カンチレバー３２，３４を上記のような第４駆動電圧により圧電駆動した場合には、基本的には、該第４駆動電圧の電圧値の立ち下がり期間において、２番目の圧電カンチレバー３２の先端部（１番目の圧電カンチレバー３１との連結部分）と、４番目の圧電カンチレバー３４の先端部（３番目の圧電カンチレバー３３との連結部分）とが、各々の圧電カンチレバー３２，３４の基端部に対して、奇数番目の圧電カンチレバー３１，３３，３５の場合と逆向き（下向き又は上向き）に変位するように、偶数番目の圧電カンチレバー３２，３４が屈曲変形する。 When the even-numbered piezoelectric cantilevers 32 and 34 of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 are piezoelectrically driven by the fourth drive voltage as described above, basically, the voltage value of the fourth drive voltage is During the falling period, the tip of the second piezoelectric cantilever 32 (the connecting portion with the first piezoelectric cantilever 31) and the tip of the fourth piezoelectric cantilever 34 (the connecting portion with the third piezoelectric cantilever 33) However, the even-numbered piezoelectric cantilevers 32, 34 are displaced in the opposite direction (downward or upward) with respect to the base ends of the piezoelectric cantilevers 32, 34, respectively, in the odd-numbered piezoelectric cantilevers 31, 33, 35. 34 bends and deforms.
これにより、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２では、各圧電カンチレバー３１〜３５の屈曲変形の大きさを累積した大きさの角度変位が発生する。 Thereby, in the outer piezoelectric actuators 101 and 102, an angular displacement having a magnitude obtained by accumulating the magnitude of the bending deformation of each piezoelectric cantilever 31 to 35 is generated.
なお、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２は、各圧電カンチレバー３１〜３５の屈曲変形の大きさを累積するように構成されている。これにより、第３電圧信号及び第４電圧信号として、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を含む可動部９の機械的な共振周波数（すなわち、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２とミラー部による構造体の共振周波数。なお、「外側圧電アクチュエータ１０１，１０２とミラー部による構造体」とは、反射部１、トーションバー２ａ，２ｂ、内側圧電アクチュエータ８１，８２、可動部９、及び外側圧電アクチュエータ１０１，１０２によって構成された構造体である）ではない非共振周波数の電圧信号、又は直流の電圧信号を用いた場合であっても、充分に光走査可能な偏向角を得ることができる。 The outer piezoelectric actuators 101 and 102 are configured to accumulate the magnitude of bending deformation of the piezoelectric cantilevers 31 to 35. Thereby, as the third voltage signal and the fourth voltage signal, the mechanical resonance frequency of the movable portion 9 including the outer piezoelectric actuators 101 and 102 (that is, the resonance frequency of the structure formed by the outer piezoelectric actuators 101 and 102 and the mirror portion). The “structure formed by the outer piezoelectric actuators 101 and 102 and the mirror portion” includes the reflecting portion 1, the torsion bars 2a and 2b, the inner piezoelectric actuators 81 and 82, the movable portion 9, and the outer piezoelectric actuators 101 and 102. Even when a non-resonant frequency voltage signal or a DC voltage signal that is not a structure is used, it is possible to obtain a deflection angle that allows sufficient optical scanning.
第３電圧信号及び第４電圧信号として、直流電圧を用いた場合には、各圧電カンチレバー３１〜３５は、直流電圧の大きさに応じて線形的に変化する。従って、例えば周期性を有する電圧信号を印加して圧電カンチレバーを共振駆動させる場合と異なり、直流電圧の大きさを制御することで外側圧電アクチュエータ１０１，１０２から任意の出力を得ることができる。 When a DC voltage is used as the third voltage signal and the fourth voltage signal, each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 changes linearly according to the magnitude of the DC voltage. Therefore, for example, unlike the case where the piezoelectric cantilever is driven by resonance by applying a voltage signal having periodicity, an arbitrary output can be obtained from the outer piezoelectric actuators 101 and 102 by controlling the magnitude of the DC voltage.
このように、光偏向器Ａ１では、第２軸Ｘ２周りに揺動する場合には、駆動電圧として印加した直流電圧の大きさに応じて線形的に偏向角を制御することができるので、任意の速度で任意の偏向角を得ることができる。 Thus, in the optical deflector A1, when swinging around the second axis X2, the deflection angle can be controlled linearly in accordance with the magnitude of the DC voltage applied as the drive voltage. An arbitrary deflection angle can be obtained at a speed of.
なお、第３電圧信号及び第４電圧信号として、駆動電圧として外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を含む可動部９の機械的な共振周波数付近の周波数の電圧信号を印加して共振駆動させた場合には、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２には、より大きな偏向角で光走査することができる。 When a voltage signal having a frequency near the mechanical resonance frequency of the movable portion 9 including the outer piezoelectric actuators 101 and 102 is applied as the drive voltage as the third voltage signal and the fourth voltage signal, and resonance drive is performed. The outer piezoelectric actuators 101 and 102 can be optically scanned with a larger deflection angle.
なお、本実施形態においては、第３駆動電圧及び第４駆動電圧の周波数は60[Hz]である。 In the present embodiment, the frequencies of the third drive voltage and the fourth drive voltage are 60 [Hz].
「３．圧電カンチレバーの幅の規定」
第３駆動電圧及び第４駆動電圧に含まれる周波数成分が、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２及びミラー部（１，２ａ，２ｂ，８１，８２及び９から構成される）による構造体（以下、「対象構造体」という）の共振周波数を含む場合には、対象構造体が不要に共振してしまい、光偏向器Ａ１をうまく作動させることができない。
“3. Regulation of width of piezoelectric cantilever”
The frequency component included in the third drive voltage and the fourth drive voltage is a structure (hereinafter referred to as “target”, which is composed of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 and the mirror portion (consisting of 1, 2a, 2b, 81, 82 and 9). If the resonance frequency of the “structure” is included, the target structure resonates unnecessarily, and the optical deflector A1 cannot be operated well.
このため、光偏向器Ａ１を製造するときに、対象構造体の共振周波数が、第３駆動電圧及び第４駆動電圧に含まれる周波数成分（以下、「駆動周波数成分」という）とは異なるように、光偏向器Ａ１を構成することが必要である。 For this reason, when manufacturing the optical deflector A1, the resonance frequency of the target structure is different from the frequency components (hereinafter referred to as “drive frequency components”) included in the third drive voltage and the fourth drive voltage. It is necessary to configure the optical deflector A1.
そこで、光偏向器Ａ１を製造するときの一工程である共振周波数規定工程において、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各圧電カンチレバー３１〜３５の各々の幅を規定することで、駆動周波数成分とは異なる値となるように、対象構造体の共振周波数を規定している。 Therefore, in the resonance frequency defining step, which is one step when manufacturing the optical deflector A1, by defining the width of each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 of the outer piezoelectric actuators 101 and 102, it differs from the drive frequency component. The resonance frequency of the target structure is defined so as to be a value.
図３に示されるように、外側圧電アクチュエータ１０１が、所謂ミアンダ形状となるように、各圧電カンチレバー３１〜３５が配置されている。なお、外側圧電アクチュエータ１０２は図３では示されていないが、外側圧電アクチュエータ１０１と同様の構成である。すなわち、各圧電カンチレバー３１〜３５は、その長手方向が同一となり且つ当該長手方向に直交する方向に並んで配置されている。 As shown in FIG. 3, the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are arranged so that the outer piezoelectric actuator 101 has a so-called meander shape. The outer piezoelectric actuator 102 is not shown in FIG. 3, but has the same configuration as the outer piezoelectric actuator 101. That is, the piezoelectric cantilevers 31 to 35 have the same longitudinal direction and are arranged side by side in a direction perpendicular to the longitudinal direction.
換言すると、各圧電カンチレバー３１〜３５は、その幅方向が同一となるように配置されている。これにより、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５の総和（以下、「総幅長」という）が同一であれば、当該幅Ｗ１〜Ｗ５が如何なる長さであっても、当該圧電カンチレバー３１〜３５の幅方向の長さ（以下、「アクチュエータ幅」という）Wactは同一となる。 In other words, the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are arranged so that their width directions are the same. Accordingly, if the total sum of the widths W1 to W5 (hereinafter referred to as “total width length”) of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 is the same, the piezoelectric cantilever 31 is whatever the width W1 to W5 is. The length in the width direction (hereinafter referred to as “actuator width”) Wact of ˜35 is the same.
従って、本実施形態においては、総幅長が、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５が全て同一のときの総幅長（以下、「基準総幅長」という）と同一となるように、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５を規定している。これにより、アクチュエータ幅Wactを維持することができる。 Therefore, in the present embodiment, the total width length is the same as the total width length (hereinafter referred to as “reference total width length”) when the widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are all the same. The widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are defined. Thereby, the actuator width Wact can be maintained.
なお、総幅長と、「各圧電カンチレバー３１〜３５間の空間の長さＳ１〜Ｓ４（当該空間の、圧電カンチレバー３１〜３５の幅方向の長さ）の総和（以下、「総空間長」という）」とが同一となるように、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５及び上記空間の長さＳ１〜Ｓ４を規定すれば、アクチュエータ幅Wactを維持することができる。 The total width length and the sum of the lengths S1 to S4 of the spaces between the piezoelectric cantilevers 31 to 35 (the lengths of the spaces in the width direction of the piezoelectric cantilevers 31 to 35) (hereinafter referred to as “total space length”). If the widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 and the lengths S1 to S4 of the spaces are defined so that they are the same, the actuator width Wact can be maintained.
すなわち、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５を規定したとき、その総幅長が、基準総幅長と異なる場合には、その差分だけ総空間長を変更することで（総幅長が基準総幅長よりも大きい場合には、総空間長を当該差分だけ減らすように変更し、総幅長が基準総幅長よりも小さい場合には、総空間長を当該差分だけ増やすように変更する）アクチュエータ幅Wactを維持することができる。 That is, when the widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are defined and the total width length is different from the reference total width length, the total space length is changed by the difference (the total width length is If it is larger than the reference total width length, the total space length is changed to decrease by the difference, and if the total width length is smaller than the reference total width length, the total space length is increased by the difference. The actuator width Wact can be maintained.
また、共振周波数規定工程では、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５を変更しているが、各圧電カンチレバー３１〜３５の長さ及び厚さに関しては変更していない。このため、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各圧電カンチレバー３１〜３５の長手方向及び厚さ方向の大きさが維持される。 In the resonance frequency defining step, the widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are changed, but the lengths and thicknesses of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are not changed. For this reason, the magnitude | size of the longitudinal direction and thickness direction of each piezoelectric cantilever 31-35 of the outer side piezoelectric actuator 101,102 is maintained.
このように、各圧電カンチレバー３１〜３５の長さ及び厚さを維持すると共に、アクチュエータ幅Wactを変更しない範囲で、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５を規定することで、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各圧電カンチレバー３１〜３５の長手方向、厚さ方向及び幅方向の大きさ（すなわち、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の外形寸法）を維持できる。 Thus, while maintaining the length and thickness of each piezoelectric cantilever 31-35, and defining the width W1-W5 of each piezoelectric cantilever 31-35 within the range where the actuator width Wact is not changed, the outer piezoelectric actuator The sizes of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 of 101 and 102 in the longitudinal direction, the thickness direction, and the width direction (that is, the outer dimensions of the outer piezoelectric actuators 101 and 102) can be maintained.
更に、各圧電カンチレバー３１〜３５の長さが維持されることで、各圧電カンチレバー３１〜３５の屈曲変形の大きさを累積した大きさの角度変位が維持される。これにより、可動部９の第２軸Ｘ２回りの偏向角を、基本的には維持できる。 Further, by maintaining the length of each piezoelectric cantilever 31 to 35, the angular displacement of the magnitude obtained by accumulating the magnitude of the bending deformation of each piezoelectric cantilever 31 to 35 is maintained. Thereby, the deflection angle around the second axis X2 of the movable part 9 can be basically maintained.
図４を参照して、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５と対象構造体の共振周波数ｆとの関係の具体例について説明する。図４では、各幅Ｗ１〜Ｗ５の単位は「μm」であり、共振周波数ｆの単位は「Hz」である。 A specific example of the relationship between the widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 and the resonance frequency f of the target structure will be described with reference to FIG. In FIG. 4, the unit of each width W1 to W5 is “μm”, and the unit of the resonance frequency f is “Hz”.
「No.6」は、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５が同一（700[μm]）のときの実験結果を示す。このとき、対象構造体の共振周波数ｆは、597.65[Hz]である（以下、この共振周波数を「基準共振周波数ｆｂ」という）。 “No. 6” indicates an experimental result when the widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are the same (700 [μm]). At this time, the resonance frequency f of the target structure is 597.65 [Hz] (hereinafter, this resonance frequency is referred to as “reference resonance frequency fb”).
「No.6」よりも上の「No.1」〜「No.5」は、対象構造体の共振周波数ｆが、基準共振周波数ｆｂよりも高くなったときの実験結果を示す。「No.6」よりも下の「No.7」〜「No.9」は、対象構造体の共振周波数ｆが、基準共振周波数ｆｂよりも低くなったときの実験結果を示す。 “No. 1” to “No. 5” above “No. 6” show experimental results when the resonance frequency f of the target structure is higher than the reference resonance frequency fb. “No. 7” to “No. 9” below “No. 6” indicate experimental results when the resonance frequency f of the target structure is lower than the reference resonance frequency fb.
図４の実験結果より、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５が規定されることで、対象構造体の共振周波数ｆが規定されることが分かる。従って、共振周波数規定工程において、駆動周波数成分とは異なる値となるように、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の各圧電カンチレバー３１〜３５の各々の幅Ｗ１〜Ｗ５を規定することで、対象構造体の不要な共振が発生することを防止できる。 From the experimental result of FIG. 4, it can be seen that the resonance frequency f of the target structure is defined by defining the widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35. Therefore, in the resonance frequency defining step, by defining the widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 so as to be different from the drive frequency component, Unnecessary resonance can be prevented from occurring.
また、光偏向器Ａ１の外側圧電アクチュエータ１０１，１０２を、前述したノコギリ波で駆動する場合においては、以下に記される理由によって、対象構造体の共振周波数ｆが高くなるように、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５が規定されることが望まれる場合がある。 Further, when the outer piezoelectric actuators 101 and 102 of the optical deflector A1 are driven by the sawtooth wave described above, each piezoelectric cantilever is set so that the resonance frequency f of the target structure is increased for the reason described below. It may be desired that the widths W1-W5 of 31-35 be defined.
ノコギリ波には、その周波数を基本周波数として、基本周波数の整数倍の高調波成分が含まれている。ノコギリ波に含まれる高調波成分が、対象構造体の共振周波数ｆに含まれる場合には、対象構造体の不要な共振を防止するために、ノコギリ波から、対象構造体の共振周波数ｆに該当する高調波成分を除去した波形（以下、「高調波除去ノコギリ波」という）を、駆動電圧として採用することが考えられる。 The sawtooth wave includes a harmonic component that is an integral multiple of the fundamental frequency with the frequency as the fundamental frequency. When the harmonic component included in the sawtooth wave is included in the resonance frequency f of the target structure, it corresponds to the resonance frequency f of the target structure from the sawtooth wave in order to prevent unnecessary resonance of the target structure. It is conceivable to employ a waveform from which the harmonic component to be removed is removed (hereinafter referred to as “harmonic-removed sawtooth wave”) as the drive voltage.
しかしながら、ノコギリ波の形状及び対象構造体の共振周波数ｆによっては、高調波除去ノコギリ波の直線部分に大きなノイズが載る場合がある（以下、このような周波数を「ノイズ周波数」という）。この場合、当該ノイズが、可動部９の第２軸Ｘ２回りの揺動に大きな影響を与えてしまう。 However, depending on the shape of the sawtooth wave and the resonance frequency f of the target structure, a large noise may appear on the straight line portion of the harmonic removal sawtooth wave (hereinafter, such a frequency is referred to as “noise frequency”). In this case, the noise greatly affects the swinging of the movable portion 9 about the second axis X2.
このようなノイズは、高調波除去ノコギリ波の高調波成分のうち低めの高調波成分を除去することにより生じる（どの程度低めの高調波成分となるかは、ノコギリ波の形状に応じて変化する）。従って、対象構造体の共振周波数ｆが、ノイズ周波数よりも高い値であることが望まれる。 Such noise is generated by removing lower harmonic components from the harmonic components of the harmonic removal sawtooth wave (how much lower harmonic components will vary depending on the shape of the sawtooth wave) ). Therefore, it is desired that the resonance frequency f of the target structure is higher than the noise frequency.
光偏向器Ａ１の製造時において、例えば、基準共振周波数ｆｂが、ノイズ周波数に該当する場合には、共振周波数規定工程において、対象構造体の共振周波数ｆがノイズ周波数よりも高い値となるように、各圧電カンチレバー３１〜３５の幅Ｗ１〜Ｗ５が規定される。 When the optical deflector A1 is manufactured, for example, when the reference resonance frequency fb corresponds to the noise frequency, the resonance frequency f of the target structure is set to a value higher than the noise frequency in the resonance frequency defining step. The widths W1 to W5 of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are defined.
この場合、各圧電カンチレバー３１〜３５が、当該圧電カンチレバー３１〜３５が連結された経路（以下、「アクチュエータ連結経路」という）上において、基端側圧電カンチレバー３５から先端側圧電カンチレバー３１に向かうほど、圧電カンチレバーの幅が狭くなるように構成されていればよい。 In this case, each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35 is closer to the distal end side piezoelectric cantilever 31 from the proximal end side piezoelectric cantilever 35 on a path (hereinafter referred to as “actuator connection path”) where the piezoelectric cantilevers 31 to 35 are connected. The width of the piezoelectric cantilever only needs to be configured to be narrow.
少なくともこのように構成することにより、以下に示されるように、対象構造体の共振周波数ｆを、基準共振周波数ｆｂよりも高くすることができる（例えば、図４のNo.1、No.2、No.4）。 By configuring at least in this way, the resonance frequency f of the target structure can be made higher than the reference resonance frequency fb as shown below (for example, No. 1, No. 2 in FIG. No.4).
これは、すなわち、対象構造体の共振周波数ｆは、その重量が軽くなるほど高くなる。また、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２には、アクチュエータ連結経路上において、基端側圧電カンチレバー３５に近づくほど機械的な強度が高いことが要求される。 That is, the resonance frequency f of the target structure increases as the weight decreases. Further, the outer piezoelectric actuators 101 and 102 are required to have higher mechanical strength toward the proximal end side piezoelectric cantilever 35 on the actuator connection path.
そこで、アクチュエータ連結経路上において基端側圧電カンチレバー３５から先端側圧電カンチレバー３１に向かうほど、圧電カンチレバーの幅を狭くする。これにより、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２（ひいては、対象構造体）の重量を軽くして、当該対象構造体の共振周波数ｆを高くしつつ、アクチュエータ連結経路上において基端側圧電カンチレバー３５に近づくほど、機械的な外側圧電アクチュエータ１０１，１０２の強度を高くすることができる。 Therefore, the width of the piezoelectric cantilever is narrowed toward the distal side piezoelectric cantilever 31 from the proximal side piezoelectric cantilever 35 on the actuator connection path. As a result, the weight of the outer piezoelectric actuators 101 and 102 (and thus the target structure) is reduced and the resonance frequency f of the target structure is increased, and the closer to the proximal end side piezoelectric cantilever 35 on the actuator connection path, the closer to the base end side piezoelectric cantilever 35. The strength of the mechanical outer piezoelectric actuators 101 and 102 can be increased.
なお、本発明において、「基端側圧電カンチレバーから先端側圧電カンチレバーに向かうほど、圧電カンチレバーの幅を狭くする」とは、各圧電カンチレバー３１〜３５の一部において、隣り合う圧電カンチレバーの幅が同一の場合も含む（例えば、図４において、「No.1のW1とW2」又は「No.1のW4とW5」）。 In the present invention, “the width of the piezoelectric cantilever becomes narrower as it goes from the proximal-side piezoelectric cantilever to the distal-side piezoelectric cantilever” means that the width of adjacent piezoelectric cantilevers is part of each of the piezoelectric cantilevers 31 to 35. The same case is included (for example, “No. 1 W1 and W2” or “No.1 W4 and W5” in FIG. 4).
「４．変形例」
なお、本実施形態においては、先端側圧電カンチレバー３１及び基端側圧電カンチレバー３５と、中間圧電カンチレバー３２〜３４との長さが異なるように形成されている。しかしながら、アクチュエータの態様としては、全てのカンチレバーの長さが同一となるように構成されている態様も取り得る。
“4. Modifications”
In the present embodiment, the distal end side piezoelectric cantilever 31 and the proximal end side piezoelectric cantilever 35 and the intermediate piezoelectric cantilevers 32 to 34 are formed to have different lengths. However, as an aspect of the actuator, an aspect in which all the cantilevers have the same length can be taken.
また、本実施形態では、アクチュエータを、第１軸Ｘ１について線対称な一対の外側圧電アクチュエータ１０１，１０２として構成している。しかしながら、アクチュエータの態様としては、第１軸Ｘ１及び第２軸Ｘ２の交点について点対称な一対の圧電アクチュエータとして構成されている態様も取り得る。 In the present embodiment, the actuator is configured as a pair of outer piezoelectric actuators 101 and 102 that are axisymmetric with respect to the first axis X1. However, as an aspect of the actuator, an aspect configured as a pair of point-symmetric piezoelectric actuators with respect to the intersection of the first axis X1 and the second axis X2 can be taken.
また、アクチュエータの態様としては、本実施形態の外側圧電アクチュエータ１０１，１０２のいずれか片方のみで構成されるような態様も取り得る。 Moreover, as an aspect of an actuator, the aspect comprised only in either one of the outer side piezoelectric actuators 101 and 102 of this embodiment can also be taken.
また、本実施形態では、光偏向器を第１軸Ｘ１及び第２軸Ｘ２の二軸周りで揺動するような態様であるが、これに限らず、光偏向器の態様としては、本実施形態の内側圧電アクチュエータ８１，８２を省略して、一軸（第２軸Ｘ２）周りのみに揺動するような態様も取り得る。この場合、可動部９に対して反射部１が固定されるように構成される。 In this embodiment, the optical deflector is oscillated around two axes of the first axis X1 and the second axis X2. However, the present invention is not limited to this, and the embodiment of the optical deflector is the present embodiment. It is possible to omit the inner piezoelectric actuators 81 and 82 in the form and swing only around one axis (second axis X2). In this case, the reflection unit 1 is configured to be fixed with respect to the movable unit 9.
また、光偏向器の他の態様の例としては、本実施形態の光偏向器Ａ１において、内側圧電アクチュエータ８１，８２が、外側圧電アクチュエータ１０１，１０２のように、複数の圧電カンチレバーがミアンダ形状に形成されて、第１軸Ｘ１回りに揺動されるように構成された態様も挙げられる。 As another example of the optical deflector, in the optical deflector A1 of this embodiment, the inner piezoelectric actuators 81 and 82 are like the outer piezoelectric actuators 101 and 102, and a plurality of piezoelectric cantilevers are in a meander shape. There may be mentioned an embodiment formed and configured to swing around the first axis X1.
この場合には、内側圧電アクチュエータの各圧電カンチレバーの幅を規定することで、反射部１を含む内側圧電アクチュエータの共振周波数を規定できる。 In this case, by defining the width of each piezoelectric cantilever of the inner piezoelectric actuator, the resonance frequency of the inner piezoelectric actuator including the reflecting portion 1 can be defined.
Ａ１…光偏向器、Ｘ２…第２軸（所定の軸）、１ｂ…金属薄膜（反射面）、３１〜３５…圧電カンチレバー、４…支持体、６…圧電体、９…可動部（ミラー部）、１０１，１０２…外側圧電アクチュエータ（アクチュエータ）、１１…支持基体（支持部）、Ｗ１〜Ｗ５…幅。 A1 ... Optical deflector, X2 ... Second axis (predetermined axis), 1b ... Metal thin film (reflection surface), 31-35 ... Piezoelectric cantilever, 4 ... Support, 6 ... Piezoelectric, 9 ... Movable part (mirror part) ), 101, 102... Outer piezoelectric actuator (actuator), 11... Support base (support part), W1 to W5.
Claims (4)
前記ミラー部を所定の軸周りに揺動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを支持する支持部とを備え、
前記アクチュエータは、駆動電圧が印加される圧電体と、該圧電体を支持し該圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する複数の圧電カンチレバーを備え、
前記複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの長手方向を同一として当該長手方向に直交する方向に並列配置され、
前記複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、一方の圧電カンチレバーである先端側圧電カンチレバーは、一方の端部が前記ミラー部に連結され、他方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、
前記複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、前記先端側圧電カンチレバーとは反対側に位置する圧電カンチレバーである基端側圧電カンチレバーは、一方の端部が前記支持部に連結され、他方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、
前記複数の圧電カンチレバーのうち、前記先端側圧電カンチレバー及び前記基端側圧電カンチレバーの間に位置する圧電カンチレバーである中間圧電カンチレバーが存在する場合には、当該中間圧電カンチレバーの各々は、一方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーのうち一方の圧電カンチレバーの当該一方の端部と同一側の端部に連結され、当該圧電カンチレバーの他方の端部が、隣り合う他方の圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結された光偏向器の製造方法であって、
前記複数の圧電カンチレバーの各々の厚さ及び長手方向の長さを維持すると共に、前記アクチュエータの大きさを維持する範囲で、前記複数の圧電カンチレバーの各々の幅を規定することにより、前記アクチュエータ及び前記ミラー部による構造体の共振周波数を規定する共振周波数規定工程を備えることを特徴とする光偏向器の製造方法。 A mirror portion having a reflective surface;
An actuator for swinging the mirror portion around a predetermined axis;
A support portion for supporting the actuator,
The actuator includes a plurality of piezoelectric cantilevers having a piezoelectric body to which a driving voltage is applied and a support body that supports the piezoelectric body and bends and deforms together with the piezoelectric body.
The plurality of piezoelectric cantilevers are arranged in parallel in a direction orthogonal to the longitudinal direction with the same longitudinal direction of each piezoelectric cantilever,
Of the two piezoelectric cantilevers positioned at the ends in the arrangement of the plurality of piezoelectric cantilevers, one end of the piezoelectric cantilever which is one piezoelectric cantilever is connected to the mirror portion, and the other end is adjacent to the other. Connected to the same end as the other end of the matching piezoelectric cantilever,
Of the two piezoelectric cantilevers positioned at the end in the arrangement of the plurality of piezoelectric cantilevers, the proximal end side piezoelectric cantilever which is a piezoelectric cantilever positioned on the side opposite to the distal end side piezoelectric cantilever has one end portion of the support portion. And the other end is connected to the end on the same side as the other end of the adjacent piezoelectric cantilever,
When there is an intermediate piezoelectric cantilever that is a piezoelectric cantilever located between the distal end side piezoelectric cantilever and the proximal end side piezoelectric cantilever among the plurality of piezoelectric cantilevers, each of the intermediate piezoelectric cantilevers has one end. Is connected to an end portion on the same side as the one end portion of one of the adjacent piezoelectric cantilevers, and the other end portion of the piezoelectric cantilever is connected to the other end portion of the other adjacent piezoelectric cantilever. A method of manufacturing an optical deflector coupled to an end portion on the same side as the portion,
By maintaining the thickness and the length in the longitudinal direction of each of the plurality of piezoelectric cantilevers, and defining the width of each of the plurality of piezoelectric cantilevers within a range that maintains the size of the actuator, the actuator and A method of manufacturing an optical deflector, comprising: a resonance frequency defining step for defining a resonance frequency of a structure by the mirror portion.
前記ミラー部を所定の軸周りに揺動させるアクチュエータと、
前記アクチュエータを支持する支持部とを備え、
前記アクチュエータは、駆動電圧が印加される圧電体と、該圧電体を支持し該圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する複数の圧電カンチレバーを備え、
前記複数の圧電カンチレバーは、各圧電カンチレバーの長手方向を同一として当該長手方向に直交する方向に並列配置され、
前記複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、一方の圧電カンチレバーである先端側圧電カンチレバーは、一方の端部が前記ミラー部に連結され、他方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、
前記複数の圧電カンチレバーの配置において端に位置する２つの圧電カンチレバーのうち、前記先端側圧電カンチレバーとは反対側に位置する圧電カンチレバーである基端側圧電カンチレバーは、一方の端部が前記支持部に連結され、他方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、
前記複数の圧電カンチレバーのうち、前記先端側圧電カンチレバー及び前記基端側圧電カンチレバーの間に位置する圧電カンチレバーである中間圧電カンチレバーが存在する場合には、当該中間圧電カンチレバーの各々は、一方の端部が、隣り合う圧電カンチレバーのうち一方の圧電カンチレバーの当該一方の端部と同一側の端部に連結され、当該圧電カンチレバーの他方の端部が、隣り合う他方の圧電カンチレバーの当該他方の端部と同一側の端部に連結され、
前記複数の圧電カンチレバーの少なくとも一部は、幅が異なっていることを特徴とする光偏向器。 A mirror portion having a reflective surface;
An actuator for swinging the mirror portion around a predetermined axis;
A support portion for supporting the actuator,
The actuator includes a plurality of piezoelectric cantilevers having a piezoelectric body to which a driving voltage is applied and a support body that supports the piezoelectric body and bends and deforms together with the piezoelectric body.
The plurality of piezoelectric cantilevers are arranged in parallel in a direction orthogonal to the longitudinal direction with the same longitudinal direction of each piezoelectric cantilever,
Of the two piezoelectric cantilevers positioned at the ends in the arrangement of the plurality of piezoelectric cantilevers, one end of the piezoelectric cantilever which is one piezoelectric cantilever is connected to the mirror portion, and the other end is adjacent to the other. Connected to the same end as the other end of the matching piezoelectric cantilever,
Of the two piezoelectric cantilevers positioned at the end in the arrangement of the plurality of piezoelectric cantilevers, the proximal end side piezoelectric cantilever which is a piezoelectric cantilever positioned on the side opposite to the distal end side piezoelectric cantilever has one end portion of the support portion. And the other end is connected to the end on the same side as the other end of the adjacent piezoelectric cantilever,
When there is an intermediate piezoelectric cantilever that is a piezoelectric cantilever located between the distal end side piezoelectric cantilever and the proximal end side piezoelectric cantilever among the plurality of piezoelectric cantilevers, each of the intermediate piezoelectric cantilevers has one end. Is connected to an end portion on the same side as the one end portion of one of the adjacent piezoelectric cantilevers, and the other end portion of the piezoelectric cantilever is connected to the other end portion of the other adjacent piezoelectric cantilever. Connected to the end on the same side as the
An optical deflector characterized in that at least some of the plurality of piezoelectric cantilevers have different widths.
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