JP2017207630A - Light deflector - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、ミラー部を往復回動させて、入射光をミラー部で反射して出射する光偏向器に関する。 The present invention relates to an optical deflector that reciprocally rotates a mirror part to reflect and emit incident light by the mirror part.
一般的な構造の光偏向器は、ミラー部と、圧電アクチュエータとを備え、圧電アクチュエータがミラー部を所定の軸線の回りに往復回動させる。そして、光源からの入射光をミラー部において反射し、ミラー部の回動角に対応する方向に出射する。 An optical deflector having a general structure includes a mirror portion and a piezoelectric actuator, and the piezoelectric actuator reciprocates and rotates the mirror portion around a predetermined axis. And the incident light from a light source is reflected in a mirror part, and is radiate | emitted in the direction corresponding to the rotation angle of a mirror part.
このような光偏向器は、種々の機器に装備されるとき、各時点の出射方向を正確に制御する必要がある。このため、光偏向器には、軸線の回りのミラー部の回動角を検出するセンサが装備される。 When such an optical deflector is installed in various devices, it is necessary to accurately control the emission direction at each time point. For this reason, the optical deflector is equipped with a sensor for detecting the rotation angle of the mirror portion around the axis.
特許文献1の光偏向器の回動角センサは、圧電センサとして圧電アクチュエータ等の他の圧電素子と一緒に製造され、圧電アクチュエータを介してミラー部を支持する支持部に配置されている。該圧電センサは、ミラー部の往復回動に伴って、圧電アクチュエータから支持部に伝達されて来る振動を検出する。 The rotation angle sensor of the optical deflector of Patent Document 1 is manufactured as a piezoelectric sensor together with other piezoelectric elements such as a piezoelectric actuator, and is disposed on a support portion that supports the mirror portion via the piezoelectric actuator. The piezoelectric sensor detects vibration transmitted from the piezoelectric actuator to the support portion as the mirror portion reciprocates.
特許文献2の光偏向器は、圧電アクチュエータのカンチレバーと、回動角センサとしての圧電センサのカンチレバーとを別々に有する。圧電センサのカンチレバーは、一端が可動支持体に結合し、他端が自由端になっている。圧電センサは、圧電アクチュエータ等の他の圧電素子と一緒に製造され、該圧電センサは、ミラー部の往復回動時のカンチレバーの変形に応じた電圧を出力する。 The optical deflector of Patent Document 2 has a cantilever of a piezoelectric actuator and a cantilever of a piezoelectric sensor as a rotation angle sensor separately. One end of the cantilever of the piezoelectric sensor is coupled to the movable support and the other end is a free end. The piezoelectric sensor is manufactured together with another piezoelectric element such as a piezoelectric actuator, and the piezoelectric sensor outputs a voltage corresponding to the deformation of the cantilever when the mirror portion reciprocally rotates.
特許文献3の光偏向器の回動角センサは、圧電センサとして圧電アクチュエータ等の他の圧電素子と一緒に製造される。該圧電センサは、軸線に対する直交方向の外側からミラー部に結合している。そして、該圧電センサは、軸線の回りにミラー部と一体に往復回動して、圧電層の変形に応じた電圧を出力する。 The rotation angle sensor of the optical deflector of Patent Document 3 is manufactured together with another piezoelectric element such as a piezoelectric actuator as a piezoelectric sensor. The piezoelectric sensor is coupled to the mirror portion from the outside in the direction orthogonal to the axis. The piezoelectric sensor reciprocates integrally with the mirror portion around the axis, and outputs a voltage corresponding to the deformation of the piezoelectric layer.
特許文献1の光偏向器の圧電センサは、ミラー部の往復回動に伴って変位する部位ではなく、固定されている支持部に形成され、ミラー部や圧電アクチュエータの変位部から該支持部に伝達されて来る振動を検出する。したがって、ミラー部の回動角の検出精度が劣るという問題がある。 The piezoelectric sensor of the optical deflector of Patent Document 1 is formed not on a portion that is displaced with the reciprocating rotation of the mirror portion, but on a fixed support portion, and from the mirror portion or the displacement portion of the piezoelectric actuator to the support portion. Detect vibrations transmitted. Therefore, there is a problem that the detection accuracy of the rotation angle of the mirror part is inferior.
特許文献2の光偏向器では、圧電センサは、光偏向器の製造時に、圧電アクチュエータ等の他の圧電素子と一緒に作り込まれる。圧電アクチュエータの圧電層は、圧電アクチュエータの作用力を確保するために、十分な厚みが必要となるので、圧電センサの圧電層も厚くなってしまう。圧電センサは、加速度による圧電膜の変形を電気に変換して出力するので、圧電層が厚いと、変形量が低下して出力が低下する。また、ミラー部の往復回動の周波数が低いときも(例:60Hz)、加速度が低下するので、圧電センサの出力が低下する。したがって、該圧電センサは、ミラー部の往復回動の周波数が低いときには、出力が大幅に低下して、圧電センサのS/N比を十分に確保することが難しいという問題がある。 In the optical deflector of Patent Document 2, the piezoelectric sensor is built together with other piezoelectric elements such as a piezoelectric actuator when the optical deflector is manufactured. Since the piezoelectric layer of the piezoelectric actuator needs to have a sufficient thickness in order to ensure the acting force of the piezoelectric actuator, the piezoelectric layer of the piezoelectric sensor also becomes thick. Since the piezoelectric sensor converts the deformation of the piezoelectric film due to acceleration into electricity and outputs it, if the piezoelectric layer is thick, the amount of deformation decreases and the output decreases. Also, when the frequency of reciprocating rotation of the mirror portion is low (eg, 60 Hz), the acceleration decreases, so the output of the piezoelectric sensor decreases. Therefore, the piezoelectric sensor has a problem that when the frequency of the reciprocating rotation of the mirror portion is low, the output is greatly reduced, and it is difficult to ensure a sufficient S / N ratio of the piezoelectric sensor.
特許文献3の光偏向器の圧電センサは、軸線の回りにミラー部と一体に往復回動するので、ミラー部の回動角の検出精度は高まる。しかしながら、特許文献2の光偏向器の圧電センサと同様に、加速度を圧電層の変形により検出するものなので、ミラー部の往復回動の周波数が低いときの出力が大幅に低下し、圧電センサのS/N比を十分に確保することが難しいという問題がある。 Since the piezoelectric sensor of the optical deflector of Patent Document 3 reciprocally rotates together with the mirror portion around the axis, the detection accuracy of the rotation angle of the mirror portion increases. However, similar to the piezoelectric sensor of the optical deflector of Patent Document 2, since the acceleration is detected by deformation of the piezoelectric layer, the output when the frequency of the reciprocating rotation of the mirror portion is low is greatly reduced. There is a problem that it is difficult to ensure a sufficient S / N ratio.
本発明の目的は、上記問題を克服した光偏向器を提供することである。 An object of the present invention is to provide an optical deflector that overcomes the above problems.
本発明の光偏向器は、
光を反射するミラー部と、
前記ミラー部を支持する可動支持体と、
前記可動支持体を第1軸線の回りに支持する固定支持体と、
前記可動支持体を前記第1軸線の回りに往復回動させる第1アクチュエータと、
前記第1軸線に対する直交方向に前記可動支持体から張出して、前記可動支持体に貼着され、張出し部の変形に応じた電圧を出力する圧電フィルム部材とを備えることを特徴とする。
The optical deflector of the present invention is
A mirror that reflects light;
A movable support for supporting the mirror part;
A fixed support that supports the movable support around a first axis;
A first actuator for reciprocatingly rotating the movable support around the first axis;
And a piezoelectric film member that projects from the movable support in a direction perpendicular to the first axis, is attached to the movable support, and outputs a voltage corresponding to deformation of the projecting portion.
本発明の光偏向器によれば、圧電フィルム部材が、第1軸線に対する直交方向に前記可動支持体から張出して、可動支持体に貼着され、張出し部の変形に応じた電圧を出力する。これにより、圧電フィルム部材の張出し部は、可動支持体と一体に往復回動するので、該張出し部の変形に基づいて高精度のミラー部の回動角を検出することができる。 According to the optical deflector of the present invention, the piezoelectric film member projects from the movable support in the direction orthogonal to the first axis, is adhered to the movable support, and outputs a voltage corresponding to the deformation of the projecting portion. As a result, the overhanging portion of the piezoelectric film member reciprocally rotates integrally with the movable support, so that the rotation angle of the mirror portion can be detected with high accuracy based on the deformation of the overhanging portion.
圧電フィルム部材は、MEMS光偏向器で圧電アクチュエータ等の他の圧電素子と一緒に製造される圧電センサに比して、薄い。これにより、低加速度時も十分な変形量が確保され、可動支持体の往復回動の周波数が低くても、十分なS/N比の出力を確保することができる。 The piezoelectric film member is thinner than a piezoelectric sensor manufactured together with other piezoelectric elements such as a piezoelectric actuator by a MEMS optical deflector. As a result, a sufficient amount of deformation can be ensured even at low acceleration, and an output with a sufficient S / N ratio can be ensured even when the reciprocating frequency of the movable support is low.
本発明の光偏向器において、前記圧電フィルム部材は、複数の圧電フィルムが間に弾性導電フィルムを挟んで積層されている積層構造を有し、該積層構造の両面間の電圧を出力することが好ましい。 In the optical deflector of the present invention, the piezoelectric film member has a laminated structure in which a plurality of piezoelectric films are laminated with an elastic conductive film interposed therebetween, and outputs a voltage between both surfaces of the laminated structure. preferable.
この構成によれば、圧電フィルム部材は、圧電フィルムの複層構造となるので、圧電フィルムが単層構造であるときに比して出力電圧を大幅に増大させることができる。 According to this configuration, since the piezoelectric film member has a multilayer structure of piezoelectric films, the output voltage can be greatly increased as compared with the case where the piezoelectric film has a single layer structure.
本発明の光偏向器において、前記圧電フィルム部材は、前記第1軸線から前記直交方向の反対方向に離れた2つの位置に前記張出し部が形成されるように、前記可動支持体に貼着されていることが好ましい。 In the optical deflector according to the aspect of the invention, the piezoelectric film member is attached to the movable support so that the protruding portion is formed at two positions away from the first axis in the opposite directions of the orthogonal direction. It is preferable.
この構成によれば、各張出し部は光偏向器の表裏方向に逆向きに変形するので、各張出し部からは相互に逆位相の出力を得ることができる。また、各張出し部は、第1軸線から遠いほど、大きな慣性力及び空気粘性抵抗を受けるので、圧電フィルム部材の出力の絶対値は、各圧電フィルム部材と第1軸線との距離に関係する。第1軸線は、基準点から偏倚することがあるが、各側の張出し部からの出力を利用して、第1軸線回りのミラー部の回動角以外の因子の値(例:偏倚量)を検出することも可能になる。 According to this configuration, each overhanging part is deformed in the opposite direction in the front and back direction of the optical deflector, so that outputs of mutually opposite phases can be obtained from the overhanging parts. Moreover, since each overhang | projection part receives a large inertia force and air viscosity resistance, so that it is far from the 1st axis, the absolute value of the output of a piezoelectric film member is related to the distance of each piezoelectric film member and the 1st axis. The first axis may be deviated from the reference point, but the value of a factor other than the rotation angle of the mirror part around the first axis (e.g., amount of deviation) using the output from the overhanging part on each side Can also be detected.
本発明の光偏向器において、前記第1アクチュエータは、前記ミラー部を、前記第1軸線の回りに前記ミラー部の非共振周波数で往復回動させることが好ましい。 In the optical deflector according to the aspect of the invention, it is preferable that the first actuator reciprocally rotates the mirror unit around the first axis at a non-resonant frequency of the mirror unit.
この構成によれば、第1軸線の回りのミラー部の非共振周波数の往復回動、すなわち非共振の低周波数の往復回動にもかかわらず、十分なS/N比の出力を圧電フィルム部材から得ることができる。 According to this configuration, the piezoelectric film member outputs a sufficient S / N ratio despite the non-resonant frequency reciprocating rotation of the mirror portion around the first axis, that is, the non-resonant low-frequency reciprocating rotation. Can be obtained from
本発明の光偏向器において、前記可動支持体に支持された前記ミラー部を、前記第1軸線に直交する第2軸線の回りに前記非共振周波数より高い前記ミラー部の共振周波数で往復回動させる第2アクチュエータを備えることが好ましい。 In the optical deflector of the present invention, the mirror portion supported by the movable support is reciprocally rotated at a resonance frequency of the mirror portion higher than the non-resonance frequency around a second axis perpendicular to the first axis. It is preferable that a second actuator to be provided is provided.
この構成によれば、第1及び第2軸線の回りにミラー部を回動させる二軸式光偏向器において、第1軸線の回りのミラー部の回動角の検出を行うことができる。 According to this configuration, in the biaxial optical deflector that rotates the mirror portion around the first and second axes, the rotation angle of the mirror portion around the first axis can be detected.
図1及び図2において、光偏向器1は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)として製造され、本体2と圧電フィルム部材3とから構成される。圧電フィルム部材3自体は、MEMSにおける部品製造とは別途に圧電フィルム部材3の一般的な製造方法で製造されたものである。圧電フィルム部材3は、MEMSとしての光偏向器1の製造過程の途中で本体2に付加される(図6のSTEP2の圧電シート材46)。 1 and 2, the optical deflector 1 is manufactured as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) and includes a main body 2 and a piezoelectric film member 3. The piezoelectric film member 3 itself is manufactured by a general manufacturing method of the piezoelectric film member 3 separately from the component manufacturing in MEMS. The piezoelectric film member 3 is added to the main body 2 during the manufacturing process of the optical deflector 1 as a MEMS (the piezoelectric sheet material 46 in STEP 2 in FIG. 6).
以下、構成の説明の便宜上、図1及び図2の本体2の正面視での上下左右を、光偏向器1の上下左右と呼ぶことにする。 Hereinafter, for convenience of description of the configuration, the top, bottom, left, and right in the front view of the main body 2 in FIGS. 1 and 2 are referred to as the top, bottom, left and right of the optical deflector 1.
本体2は、概略、ミラー部11、内側圧電アクチュエータ12a,12b、可動枠13、外側圧電アクチュエータ14a,14b、及び固定枠15を含む。 The main body 2 generally includes a mirror portion 11, inner piezoelectric actuators 12a and 12b, a movable frame 13, outer piezoelectric actuators 14a and 14b, and a fixed frame 15.
ミラー部11は、正面視が円形であり、本体2の中心(矩形の固定枠15の対角線の交点)に配設される。説明の便宜上、ミラー部11の表面(ミラー面)上に、中心o、x軸及びy軸を定義する。中心oは円形のミラー部11の中心に設定される。また、ミラー部11の中心oにおける法線の向きにz軸(図3)を定義する。 The mirror unit 11 has a circular shape when viewed from the front, and is disposed at the center of the main body 2 (intersection of diagonal lines of the rectangular fixed frame 15). For convenience of explanation, the center o, the x axis, and the y axis are defined on the surface (mirror surface) of the mirror unit 11. The center o is set at the center of the circular mirror unit 11. Further, the z-axis (FIG. 3) is defined in the direction of the normal line at the center o of the mirror unit 11.
図2において、第1軸線Lx及び第2軸線Lyは、ミラー部11の回転軸線を意味する。第1軸線Lx及び第2軸線Lyは、中心oにおいて相互に直交し、互いに直交方向である本体2の左右方向及び上下方向に延在する。第1軸線Lx及び第2軸線Lyは、本発明の第1軸線及び第2軸線に相当し、ミラー部11は第1軸線Lx及び第2軸線Lyの回りにそれぞれ非共振周波数及び共振周波数で往復回動する。第2軸線Lyとy軸とは一致する。第1軸線Lxとx軸とは、z軸が本体2の厚み方向に平行になった時のみ、一致する。第2軸線Lyの回りのミラー部11の往復回動に伴い、x軸は第1軸線Lxに対する傾斜角度を変化させる。 In FIG. 2, the first axis Lx and the second axis Ly mean the rotation axis of the mirror unit 11. The first axis Lx and the second axis Ly are orthogonal to each other at the center o and extend in the left-right direction and the up-down direction of the main body 2 that are orthogonal to each other. The first axis Lx and the second axis Ly correspond to the first axis and the second axis of the present invention, and the mirror unit 11 reciprocates around the first axis Lx and the second axis Ly at a non-resonant frequency and a resonant frequency, respectively. Rotate. The second axis Ly and the y axis coincide. The first axis Lx and the x axis coincide only when the z axis is parallel to the thickness direction of the main body 2. As the mirror unit 11 reciprocates around the second axis Ly, the x-axis changes the tilt angle with respect to the first axis Lx.
内側圧電アクチュエータ12a,12bは、ミラー部11に対してそれぞれ左側及び右側に配設される。上下の端部において相互に結合し、全体では、ミラー部11を包囲する上下に縦長の楕円環を構成する。可動枠13は、内外周が縦長の楕円輪郭の環状枠として形成され、内周側において内側圧電アクチュエータ12a,12bから構成される楕円環を包囲する。 The inner piezoelectric actuators 12a and 12b are disposed on the left side and the right side with respect to the mirror unit 11, respectively. The upper and lower ends are coupled to each other, and as a whole, a vertically long elliptical ring surrounding the mirror portion 11 is formed. The movable frame 13 is formed as an elliptical frame having an elliptical outline whose inner and outer circumferences are vertically long, and surrounds an elliptical ring composed of the inner piezoelectric actuators 12a and 12b on the inner circumferential side.
トーションバー21a,21bは、ミラー部11からy軸に沿って上下に直線状に突出し、中間部において内側圧電アクチュエータ12a,12bの結合部に結合し、突出端において可動枠13の内周に結合する。第2軸線Lyは、トーションバー21a,21bの中心線に一致するので、第1軸線Lxの回りのミラー部11の回動角の変化に伴い、第2軸線Lyは変位する。 The torsion bars 21a and 21b protrude linearly up and down along the y-axis from the mirror part 11, are coupled to the coupling part of the inner piezoelectric actuators 12a and 12b at the intermediate part, and are coupled to the inner periphery of the movable frame 13 at the projecting end. To do. Since the second axis Ly coincides with the center line of the torsion bars 21a and 21b, the second axis Ly is displaced with a change in the rotation angle of the mirror portion 11 around the first axis Lx.
外側圧電アクチュエータ14a,14bは、矩形の固定枠15の内周側でかつ可動枠13に対してそれぞれ左側及び右側に配設される。外側圧電アクチュエータ14は、ミアンダ配列の複数のカンチレバー23から構成される。 The outer piezoelectric actuators 14 a and 14 b are disposed on the inner peripheral side of the rectangular fixed frame 15 and on the left side and the right side with respect to the movable frame 13, respectively. The outer piezoelectric actuator 14 includes a plurality of cantilevers 23 arranged in a meander arrangement.
具体的には、各カンチレバー23は、長手方向を上下方向に揃えて、左右方向に一列に配列される。複数のカンチレバー23は、全体として直列の結合となるように、上下の端部において左隣り又は右隣りのカンチレバー23に結合している。なお、配列における左右両端のカンチレバー23の長さは、他のカンチレバー23の長さの半分となっており、該左右両端のカンチレバー23は、それぞれ第1軸線Lx上の端部において可動枠13及び固定枠15に結合している。 Specifically, the cantilevers 23 are arranged in a line in the left-right direction with the longitudinal direction aligned in the up-down direction. The plurality of cantilevers 23 are coupled to the left adjacent or right adjacent cantilevers 23 at the upper and lower ends so as to form a series connection as a whole. In addition, the length of the left and right cantilevers 23 in the arrangement is half the length of the other cantilevers 23, and the left and right cantilevers 23 are respectively connected to the movable frame 13 and the end on the first axis Lx. It is coupled to the fixed frame 15.
電極パッド16a,16bは、横長の矩形の固定枠15の左右の側辺部の表面に複数ずつ配設されている。電極パッド16aは、光偏向器1の左半部の電気素子(例:内側圧電アクチュエータ12a及び外側圧電アクチュエータ14a)の電極に導電層や配線を介して接続されている。電極パッド16bは、光偏向器1の右半部の電気素子(例:内側圧電アクチュエータ12b及び外側圧電アクチュエータ14b)の電極に導電層や配線を介して接続されている。 A plurality of electrode pads 16a and 16b are arranged on the surfaces of the left and right side portions of the horizontally long rectangular fixed frame 15, respectively. The electrode pad 16a is connected to the electrodes of the left half electrical element (eg, the inner piezoelectric actuator 12a and the outer piezoelectric actuator 14a) of the optical deflector 1 via a conductive layer or wiring. The electrode pad 16b is connected to the electrodes of the electric elements (eg, the inner piezoelectric actuator 12b and the outer piezoelectric actuator 14b) in the right half part of the optical deflector 1 via a conductive layer or wiring.
圧電フィルム部材3は、縦長の矩形に形成されている。圧電フィルム部材3の長辺は、固定枠15の矩形の内周輪郭の短辺よりわずかに小さく、可動枠13の楕円の外周輪郭の長軸よりも長い。圧電フィルム部材3の短辺は、可動枠13の楕円の外周輪郭の短軸にほぼ等しい。圧電フィルム部材3は、中心に楕円の窓25を有している。窓25は、正面視で内側に内側圧電アクチュエータ12a,12bを収容できる寸法になっている。 The piezoelectric film member 3 is formed in a vertically long rectangle. The long side of the piezoelectric film member 3 is slightly smaller than the short side of the rectangular inner peripheral contour of the fixed frame 15 and longer than the long axis of the elliptical outer peripheral contour of the movable frame 13. The short side of the piezoelectric film member 3 is substantially equal to the short axis of the outer peripheral contour of the ellipse of the movable frame 13. The piezoelectric film member 3 has an elliptical window 25 in the center. The window 25 is dimensioned to accommodate the inner piezoelectric actuators 12a and 12b on the inner side in a front view.
窓25の中心が中心oに一致するように、圧電フィルム部材3は、可動枠13に貼着されている。これにより、圧電フィルム部材3には、その外周の楕円輪郭の長軸方向両端からそれぞれ上及び下に張出す張出し部18a,18b(図2)が形成される。 The piezoelectric film member 3 is adhered to the movable frame 13 so that the center of the window 25 coincides with the center o. Thereby, overhanging portions 18a and 18b (FIG. 2) are formed on the piezoelectric film member 3 so as to project upward and downward from both ends in the major axis direction of the outer periphery of the elliptical contour.
図2の光偏向器1の正面図において、圧電フィルム部材3は、光偏向器1の正面視で、圧電フィルム部材3の内周側の本体2のミラー部11、内側圧電アクチュエータ12a,12b及びトーションバー21a,21bを窓25から露出させつつ、裏面側において可動枠13の表面に貼着される。左右の外側圧電アクチュエータ14a,14bは、光偏向器1の左右方向に圧電フィルム部材3の長辺の外側にあって、圧電フィルム部材3に表面側を覆われることなく、露出している。 In the front view of the optical deflector 1 in FIG. 2, the piezoelectric film member 3 is a front view of the optical deflector 1, and the mirror portion 11, inner piezoelectric actuators 12 a and 12 b of the main body 2 on the inner peripheral side of the piezoelectric film member 3, and The torsion bars 21a and 21b are adhered to the surface of the movable frame 13 on the back surface side while being exposed from the window 25. The left and right outer piezoelectric actuators 14 a and 14 b are outside the long side of the piezoelectric film member 3 in the left-right direction of the optical deflector 1, and are exposed without being covered with the piezoelectric film member 3.
以下、内側圧電アクチュエータ12a,12bを特に区別しないときは、「内側圧電アクチュエータ12」と総称する。外側圧電アクチュエータ14a,14bを特に区別しないときは、「外側圧電アクチュエータ14」と総称する。電極パッド16a,16bを特に区別しないときは、「電極パッド16」と総称する。張出し部18a,18bを特に区別しないときは、「張出し部18」と総称する。トーションバー21a,21bを特に区別しないときは、「トーションバー21」と総称する。 Hereinafter, when the inner piezoelectric actuators 12a and 12b are not particularly distinguished, they are collectively referred to as “inner piezoelectric actuators 12”. When the outer piezoelectric actuators 14a and 14b are not particularly distinguished, they are collectively referred to as “outer piezoelectric actuators 14”. When the electrode pads 16a and 16b are not particularly distinguished, they are collectively referred to as “electrode pads 16”. When the overhang portions 18a and 18b are not particularly distinguished, they are collectively referred to as “the overhang portion 18”. When the torsion bars 21a and 21b are not particularly distinguished, they are collectively referred to as “torsion bar 21”.
光偏向器1の全般的な作用について説明する。光偏向器1は、二次元スキャナとして、映像器や車両用ヘッドライト等に装備される。光偏向器1は、パッケージ内に収納されて、光偏向器1の電極パッド16とパッケージの端子とは、ボンディングワイヤにより接続されている。内側圧電アクチュエータ12及び外側圧電アクチュエータ14には、電極パッド16から印加電圧が供給される。 The general operation of the optical deflector 1 will be described. The optical deflector 1 is equipped as a two-dimensional scanner in an imager, a vehicle headlight, or the like. The optical deflector 1 is housed in a package, and the electrode pad 16 of the optical deflector 1 and the terminal of the package are connected by a bonding wire. An applied voltage is supplied from the electrode pad 16 to the inner piezoelectric actuator 12 and the outer piezoelectric actuator 14.
図示していない光源(例:レーザ光源)からの光(例:レーザ光)が、光偏向器1のミラー部11の中心oに入射する。 Light (for example, laser light) from a light source (for example, laser light source) not shown enters the center o of the mirror unit 11 of the optical deflector 1.
外側圧電アクチュエータ14は、電極パッド16からの駆動電圧により作動して、可動枠13を第1軸線Lxの回りに往復回動させる。外側圧電アクチュエータ14の作動について詳説する。各外側圧電アクチュエータ14は、ミアンダ配列の複数のカンチレバー23から成り、第1軸線Lxに平行な軸線の回りの各カンチレバー23の両端の相対回転量の合計が、第1軸線Lxの回りの可動枠13の回動量に関係するようになっている。したがって、外側圧電アクチュエータ14における固定枠15との結合端側から可動枠13との結合端の方に順番にカンチレバー23に番号を付けると、奇数番のカンチレバー23と偶数番のカンチレバー23とは、印加電圧を逆位相にして、湾曲変形の向きが逆になるように設定される。 The outer piezoelectric actuator 14 is operated by a driving voltage from the electrode pad 16 to reciprocate the movable frame 13 around the first axis Lx. The operation of the outer piezoelectric actuator 14 will be described in detail. Each outer piezoelectric actuator 14 is composed of a plurality of cander levers 23 arranged in a meander arrangement, and the total amount of relative rotation at both ends of each cantilever 23 around an axis parallel to the first axis Lx is a movable frame around the first axis Lx. 13 is related to the amount of rotation. Therefore, when the cantilever 23 is numbered in order from the coupling end side with the fixed frame 15 in the outer piezoelectric actuator 14 to the coupling end with the movable frame 13, the odd-numbered cantilever 23 and the even-numbered cantilever 23 are: The applied voltage is set to the opposite phase, and the direction of the bending deformation is set to be reversed.
各外側圧電アクチュエータ14において、奇数番のカンチレバー23と偶数番のカンチレバー23とに、逆位相の電圧を印加するために、電極パッド16において、奇数番のカンチレバー23の上部電極に印加電圧を供給する電極パッドと偶数番のカンチレバー23の上部電極に印加電圧を供給する電極パッドとを別々にしている。 In each outer piezoelectric actuator 14, an applied voltage is supplied to the upper electrode of the odd-numbered cantilever 23 at the electrode pad 16 in order to apply a reverse phase voltage to the odd-numbered cantilever 23 and the even-numbered cantilever 23. The electrode pad and the electrode pad that supplies the applied voltage to the upper electrode of the even-numbered cantilever 23 are separated.
外側圧電アクチュエータ14による第1軸線Lxの回りの可動枠13の往復回動により、ミラー部11及び可動枠13は第1軸線Lxの回りに一体的に往復回動する。なお、外側圧電アクチュエータ14の駆動電圧の周波数は、ミラー部11の非共振周波数(例:60Hz)に設定され、ミラー部11の共振周波数(例:30kHz)よりはるかに小さい。 The reciprocating rotation of the movable frame 13 around the first axis Lx by the outer piezoelectric actuator 14 causes the mirror unit 11 and the movable frame 13 to reciprocate integrally around the first axis Lx. The frequency of the driving voltage of the outer piezoelectric actuator 14 is set to the non-resonant frequency (eg, 60 Hz) of the mirror unit 11 and is much smaller than the resonant frequency (eg, 30 kHz) of the mirror unit 11.
内側圧電アクチュエータ12は、電極パッド16からの駆動電圧により作動して、トーションバー21を第2軸線Lyの回りに往復回動させる。内側圧電アクチュエータ12の作動について詳説する。内側圧電アクチュエータ12a,12bは、逆位相の駆動電圧を供給されて、トーションバー21を左右両側から光偏向器1の厚み方向に逆向きに変位させ、第2軸線Lyの回りに回転駆動する。内側圧電アクチュエータ12による第2軸線Lyの回りのミラー部11の往復回動の周波数は、第2軸線Lyの回りのミラー部11及びトーションバー21の共振周波数(例:30kHz)に整合される。 The inner piezoelectric actuator 12 is operated by a driving voltage from the electrode pad 16 to reciprocately rotate the torsion bar 21 around the second axis Ly. The operation of the inner piezoelectric actuator 12 will be described in detail. The inner piezoelectric actuators 12a and 12b are supplied with driving voltages having opposite phases, displace the torsion bar 21 in the opposite direction in the thickness direction of the optical deflector 1 from both the left and right sides, and rotate around the second axis Ly. The frequency of the reciprocating rotation of the mirror portion 11 around the second axis Ly by the inner piezoelectric actuator 12 is matched to the resonance frequency (eg, 30 kHz) of the mirror portion 11 and the torsion bar 21 around the second axis Ly.
こうして、ミラー部11は、第2軸線Lyの回りに共振周波数で往復回動しつつ、第1軸線Lxの回りに非共振周波数で往復回動する。この結果、z軸は、上下左右に首振りする。 Thus, the mirror unit 11 reciprocates around the first axis Lx at a non-resonant frequency while reciprocating around the second axis Ly at the resonance frequency. As a result, the z axis swings up, down, left and right.
光源から光偏向器1の入射光は、ミラー部11の中心oに入射する。そして、z軸を間に挟んで反射角=入射角となる反射角でz軸の向きに応じた方向の反射光となって出射する。 Incident light from the light source to the optical deflector 1 enters the center o of the mirror unit 11. Then, the light is emitted as reflected light in a direction corresponding to the direction of the z-axis with a reflection angle = an incident angle with the z-axis interposed therebetween.
次に、図3〜図5を参照して、圧電フィルム部材3について説明する。図3は可動枠に貼着されている圧電フィルム部材3の形状をx軸の方向視で示し、図3Aは可動枠の静止時の形状を示す図、図3Bは可動枠の往復回動時の形状を示す図である。ミラー部11は、可動枠13の内周側にあるので、図3では可動枠13の後ろに隠れて見えない。 Next, the piezoelectric film member 3 will be described with reference to FIGS. FIG. 3 shows the shape of the piezoelectric film member 3 adhered to the movable frame as viewed in the direction of the x-axis, FIG. 3A is a diagram showing the shape of the movable frame when it is stationary, and FIG. FIG. Since the mirror unit 11 is on the inner peripheral side of the movable frame 13, it is not visible behind the movable frame 13 in FIG. 3.
ここで、第1軸線Lxの回りのミラー部11の回動角θを定義する。図3Bにおいて、Hsは、ミラー部11の中心oを通り、本体2の厚み方向に平行な面としての基準面を示している。回動角θは、基準面Hsに対するz軸の交角と定義する。 Here, the rotation angle θ of the mirror unit 11 around the first axis Lx is defined. In FIG. 3B, Hs indicates a reference surface as a surface that passes through the center o of the mirror portion 11 and is parallel to the thickness direction of the main body 2. The rotation angle θ is defined as the intersection angle of the z axis with respect to the reference plane Hs.
図3Bにおいて、Frは可動枠13の回動方向を示す。張出し部18a,18bは、Frとは反対向きに慣性力及び空気の粘性抵抗を受ける。また、上側の張出し部18aと下側の張出し部18bとでは、本体2の厚み方向に張出し部18aのFrと張出し部18bのFrとは逆向きになるので、張出し部18a,18bは本体2の厚み方向に逆方向に変形する。 In FIG. 3B, Fr indicates the rotation direction of the movable frame 13. The overhang portions 18a and 18b receive inertial force and air viscous resistance in the opposite direction to Fr. Further, in the upper overhanging portion 18a and the lower overhanging portion 18b, the Fr of the overhanging portion 18a and the Fr of the overhanging portion 18b are opposite to each other in the thickness direction of the main body 2, so that the overhanging portions 18a and 18b are in the main body 2. Deforms in the opposite direction to the thickness direction.
図4は圧電フィルム部材3をその厚み方向に切ったときの断面図である。図4では圧電フィルム部材3のうち、第1軸線Lxの回りの可動枠13の往復回動に伴って、実際に変形する張出し部18の範囲のみしか図示していないが、圧電フィルム部材3の全体が図4に図示する積層構造を有している。ただし、圧電フィルム部材3のうち、可動枠13の表面に貼着されている部分は、図4のように変形することはない。 FIG. 4 is a cross-sectional view of the piezoelectric film member 3 cut in the thickness direction. In FIG. 4, only the range of the overhang portion 18 that is actually deformed with the reciprocating rotation of the movable frame 13 around the first axis Lx is illustrated in the piezoelectric film member 3. The whole has a laminated structure shown in FIG. However, the portion of the piezoelectric film member 3 that is adhered to the surface of the movable frame 13 is not deformed as shown in FIG.
圧電フィルム部材3は、厚み方向に弾性導電高分子フィルムMpと圧電高分子フィルムMeとを交互に貼り合わせた積層構造から成る。圧電フィルム部材3の出力は、該積層構造の両面間の電圧として生成される。圧電フィルム部材3の厚み方向の両面は弾性導電高分子フィルムMpから成り、圧電高分子フィルムMeは、厚み方向両面において弾性導電高分子フィルムMpにより挟まれている。弾性導電高分子フィルムMpは、厚み方向に隣接する圧電高分子フィルムMeの電極層を兼ねる。 The piezoelectric film member 3 has a laminated structure in which an elastic conductive polymer film Mp and a piezoelectric polymer film Me are alternately bonded in the thickness direction. The output of the piezoelectric film member 3 is generated as a voltage between both surfaces of the laminated structure. Both surfaces in the thickness direction of the piezoelectric film member 3 are made of an elastic conductive polymer film Mp, and the piezoelectric polymer film Me is sandwiched between the elastic conductive polymer films Mp on both surfaces in the thickness direction. The elastic conductive polymer film Mp also serves as an electrode layer of the piezoelectric polymer film Me adjacent in the thickness direction.
図4において、Caは圧電フィルム部材3の厚み方向の中心線を示している。中心線Caは、圧電フィルム部材3の厚み方向の中央に配設される弾性導電高分子フィルムMpに含まれる。弾性導電高分子フィルムMpの役割は、圧電フィルム部材3に対する変形力に対して所定の抵抗力で変形すること、該変形力が解除されたときに、元の形状に戻ること、及び導電性であることである。Cbは張出し部18が厚み方向の変位量が最大となっている位置を示している。中心線Caに対して上側の圧電高分子フィルムMeでは、矢印が示すように、面方向に最大変位量位置Cbから遠ざかる向きに伸ばされる、中心線Caに対して下側の圧電高分子フィルムMeでは、矢印が示すように、面方向に最大変位量位置Cbに近付く向きに伸ばされる、 In FIG. 4, Ca indicates a center line in the thickness direction of the piezoelectric film member 3. The center line Ca is included in the elastic conductive polymer film Mp disposed at the center in the thickness direction of the piezoelectric film member 3. The role of the elastic conductive polymer film Mp is to deform with a predetermined resistance against the deformation force on the piezoelectric film member 3, to return to the original shape when the deformation force is released, and to be conductive. That is. Cb indicates the position where the overhang portion 18 has the maximum amount of displacement in the thickness direction. In the piezoelectric polymer film Me on the upper side with respect to the center line Ca, as indicated by the arrow, the piezoelectric polymer film Me on the lower side with respect to the center line Ca is extended in the surface direction in a direction away from the maximum displacement amount position Cb. Then, as the arrow indicates, the surface is extended in the direction approaching the maximum displacement amount position Cb.
図4の圧電フィルム部材3は、5層の積層構造であり、圧電高分子フィルムMeを2枚有する複層の圧電フィルム部材3となっていることにより、圧電高分子フィルムMeが1枚だけの単層の圧電フィルム部材に比して、同一加速度に対する出力を大幅に増大することができきる。なお、圧電フィルム部材3が複層でなく単層であっても、前述の特許文献1,2の圧電センサよりは大きな出力を得ることができる。 The piezoelectric film member 3 of FIG. 4 has a laminated structure of five layers, and is a multilayer piezoelectric film member 3 having two piezoelectric polymer films Me, so that only one piezoelectric polymer film Me is present. Compared with a single-layer piezoelectric film member, the output for the same acceleration can be greatly increased. Even if the piezoelectric film member 3 is not a multilayer but a single layer, it is possible to obtain a larger output than the piezoelectric sensors disclosed in Patent Documents 1 and 2.
図4の圧電フィルム部材3は、5層の積層構造であり、圧電高分子フィルムMeを2枚有する複層の圧電フィルム部材3となっている。複層の圧電フィルム部材3の代わりに、圧電高分子フィルムMeが1枚だけの単層の圧電フィルム部材3を採用することもできる。しかしながら、2層の圧電高分子フィルムMeの圧電フィルム部材3は、単層の圧電フィルム部材3よりも、同一加速度に対して、変形量は減少するものの、出力は約100倍になる。 The piezoelectric film member 3 in FIG. 4 has a laminated structure of five layers, and is a multilayer piezoelectric film member 3 having two piezoelectric polymer films Me. Instead of the multilayer piezoelectric film member 3, a single-layer piezoelectric film member 3 having only one piezoelectric polymer film Me may be employed. However, the piezoelectric film member 3 of the two-layer piezoelectric polymer film Me has an output about 100 times that of the single-layer piezoelectric film member 3 although the amount of deformation is reduced for the same acceleration.
実施形態の光偏向器1では、張出し部18a,18bから別々に出力を取り出すので、光偏向器1における圧電フィルム部材3は、張出し部18aと張出し部18bとを電気的に分離する必要がある。このため、圧電フィルム部材3には、第2軸線Lyの方向の張出し部18aと張出し部18bとの間に電気分離部としてのスリット(図示せず)が形成されている。 In the optical deflector 1 of the embodiment, outputs are separately taken out from the overhang portions 18a and 18b. Therefore, the piezoelectric film member 3 in the optical deflector 1 needs to electrically separate the overhang portion 18a and the overhang portion 18b. . For this reason, the piezoelectric film member 3 is formed with a slit (not shown) as an electrical separation portion between the overhanging portion 18a and the overhanging portion 18b in the direction of the second axis Ly.
図5は外側圧電アクチュエータ14の駆動電圧と圧電フィルム部材3の出力との関係を示すタイミングチャートである。図5の外側圧電アクチュエータ14の駆動電圧は、前述の奇数番のカンチレバー23の駆動電圧をカンチレバー23の代表として示している。 FIG. 5 is a timing chart showing the relationship between the driving voltage of the outer piezoelectric actuator 14 and the output of the piezoelectric film member 3. The drive voltage of the outer piezoelectric actuator 14 in FIG. 5 shows the drive voltage of the odd-numbered cantilever 23 described above as a representative of the cantilever 23.
外側圧電アクチュエータ14の駆動電圧は、のこぎり波となっている。図5では、図示の簡便化上、のこぎり波は1つしか記載されていないが、光偏向器1を実際に作動させるときの外側圧電アクチュエータ14の駆動電圧は、図5ののこぎり波が一定の周期で繰り返される。 The drive voltage of the outer piezoelectric actuator 14 is a sawtooth wave. In FIG. 5, only one sawtooth wave is shown for simplification of illustration, but the driving voltage of the outer piezoelectric actuator 14 when the optical deflector 1 is actually operated is the same as the sawtooth wave of FIG. Repeated in a cycle.
圧電フィルム部材3の張出し部18a,18bは、第1軸線Lxの回りの可動枠13の往復回動に伴い、図3で説明した慣性力及び空気粘性抵抗をFrとは逆向きに受ける。張出し部18a,18bに対する回動方向Frは、光偏向器1の厚み方向については逆向きとなるので、変形の向きは光偏向器1の厚み方向に逆向きになり、出力は逆位相になる。 The overhang portions 18a and 18b of the piezoelectric film member 3 receive the inertial force and air viscosity resistance described in FIG. 3 in the direction opposite to Fr as the movable frame 13 reciprocates around the first axis Lx. Since the rotation direction Fr with respect to the overhanging portions 18a and 18b is opposite to the thickness direction of the optical deflector 1, the direction of deformation is opposite to the thickness direction of the optical deflector 1, and the output is in reverse phase. .
図5において、t1は、圧電フィルム部材3の出力の立ち上がり時刻、t2は圧電フィルム部材3の出力が最大値となる時刻、t3は圧電フィルム部材3の出力が最小値になる時刻をそれぞれ示している。 In FIG. 5, t1 indicates the rise time of the output of the piezoelectric film member 3, t2 indicates the time when the output of the piezoelectric film member 3 becomes the maximum value, and t3 indicates the time when the output of the piezoelectric film member 3 becomes the minimum value. Yes.
圧電フィルム部材3の出力は、外側圧電アクチュエータ14の駆動電圧が漸増を開始して、カンチレバー23が変形開始する時刻t1と、外側圧電アクチュエータ14の駆動電圧が急低下して、カンチレバー23が逆向きに変形開始する時刻t2とにおいて、顕著な変化が現れる。時刻t1とt2とが判明すれば、時刻t1−t3間の可動枠13の回動角変化パターンは一定であるので、時刻t1−t3間の可動枠13の回動角を算出することができる。また、各時刻t1又はt3と次の周期に係る時刻t1又はt3との時間差からミラー部11の往復回動の周期を検出することができる。 The output of the piezoelectric film member 3 is the time t1 when the driving voltage of the outer piezoelectric actuator 14 starts to gradually increase and the cantilever 23 starts to deform, and the driving voltage of the outer piezoelectric actuator 14 suddenly decreases and the cantilever 23 is reversed. A significant change appears at time t2 when the deformation starts. If the times t1 and t2 are determined, the rotation angle change pattern of the movable frame 13 between the times t1 and t3 is constant, and therefore the rotation angle of the movable frame 13 between the times t1 and t3 can be calculated. . The cycle of the reciprocating rotation of the mirror unit 11 can be detected from the time difference between each time t1 or t3 and the time t1 or t3 related to the next cycle.
図6及び図7は、光偏向器1の製造方法を工程順に示している。 6 and 7 show the manufacturing method of the optical deflector 1 in the order of steps.
図6のSTEP1では、板体40は、下面(裏面)から上面(表面)の方へ順番に下側Si層41、SiO2層42及び上部構造層43が積層された構造を有している。図6では、STEP1の板体40を製造するまでの製造過程を図示していないが、板体40は、ウェハとしてのSOI基板から製造される。SOI基板の下側Si層とその上に積層されるSiO2層が板体40の下側Si層41及びSiO2層42を構成する。 In STEP 1 of FIG. 6, the plate body 40 has a structure in which a lower Si layer 41, a SiO 2 layer 42, and an upper structure layer 43 are laminated in order from the lower surface (back surface) to the upper surface (front surface). . In FIG. 6, the manufacturing process until the plate body 40 of STEP 1 is manufactured is not illustrated, but the plate body 40 is manufactured from an SOI substrate as a wafer. The lower Si layer of the SOI substrate and the SiO 2 layer laminated thereon constitute the lower Si layer 41 and the SiO 2 layer 42 of the plate body 40.
上部構造層43の上部構造層とは、SiO2層42の表面側に形成される任意の積層構造を総称した名称として使用している。各上部構造層43の最下層は、SOI基板における上側Si層から構成されている。上部構造層43は、また、内側圧電アクチュエータ12及び外側圧電アクチュエータ14の形成範囲では、圧電構造を上側Si層の上に含んでいる。圧電構造は、下から順番に下側電極層、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜及び上側電極層を含んでいる。 The upper structure layer of the upper structure layer 43 is used as a generic name for any laminated structure formed on the surface side of the SiO 2 layer 42. The lowermost layer of each upper structure layer 43 is composed of an upper Si layer in the SOI substrate. The upper structure layer 43 also includes a piezoelectric structure on the upper Si layer in the formation range of the inner piezoelectric actuator 12 and the outer piezoelectric actuator 14. The piezoelectric structure includes a lower electrode layer, a PZT (lead zirconate titanate) film, and an upper electrode layer in order from the bottom.
厳密には、板体40の厚み方向に、ミラー部11の形成範囲と内側圧電アクチュエータ12及び外側圧電アクチュエータ14の形成範囲との上面位置が相違するが、わずかであるので、図6及び図7では、同一の上面位置に揃えて、図示している。光偏向器1は、1枚のウェハから複数、同時に製造され、ソーシングにより分離される。 Strictly speaking, in the thickness direction of the plate body 40, the upper surface positions of the formation range of the mirror portion 11 and the formation ranges of the inner piezoelectric actuator 12 and the outer piezoelectric actuator 14 are different, but are slightly small. In the figure, the same upper surface position is shown. A plurality of optical deflectors 1 are manufactured simultaneously from one wafer and separated by sourcing.
STEP1において、Laは光偏向器1の中心線、Lbは、板体40において隣接している光偏向器1の境界線を示す。 In STEP 1, La represents the center line of the optical deflector 1, and Lb represents the boundary line of the adjacent optical deflector 1 in the plate body 40.
STEP2では、板体40の表面側に圧電シート材46が当てられ、さらに、圧電シート材46の表面側に当て板47が当てられる。圧電シート材46及び当て板47は、共にUV(紫外線)を透過する透明な材料から成る。また、圧電シート材46の表面及び裏面(図6ではそれぞれ上面及び下面)には、接着剤が付着している。このため、圧電シート材46は、裏面側において、板体40の表面に貼着され、表面側において当て板47の裏面に貼着する。 In STEP 2, the piezoelectric sheet material 46 is applied to the surface side of the plate body 40, and the contact plate 47 is applied to the surface side of the piezoelectric sheet material 46. Both the piezoelectric sheet material 46 and the contact plate 47 are made of a transparent material that transmits UV (ultraviolet light). In addition, an adhesive is attached to the front and back surfaces (upper and lower surfaces in FIG. 6) of the piezoelectric sheet material 46, respectively. For this reason, the piezoelectric sheet material 46 is adhered to the front surface of the plate body 40 on the back surface side, and is adhered to the back surface of the backing plate 47 on the front surface side.
圧電シート材46には、あらかじめ、圧電フィルム部材3の外周輪郭及び窓25の周輪郭に相当する線に沿って、わずかの力で分離できるように、切れ目が入れてある。圧電フィルム部材3がその外周輪郭の切れ目で残りの部分に対して分離したときに、圧電フィルム部材3が図2のように可動枠13を覆い、かつ窓25の内側にミラー部11及び内側圧電アクチュエータ12に位置するように、圧電シート材46は、板体40上に載置される。 The piezoelectric sheet material 46 is previously cut so that it can be separated with a slight force along a line corresponding to the outer peripheral contour of the piezoelectric film member 3 and the peripheral contour of the window 25. When the piezoelectric film member 3 is separated from the remaining portion at the outer peripheral contour break, the piezoelectric film member 3 covers the movable frame 13 as shown in FIG. The piezoelectric sheet material 46 is placed on the plate body 40 so as to be positioned on the actuator 12.
圧電シート材46の表面側及び裏面側には、接着剤が全面にわたり、塗布されている。単位面積当たりの接着剤の接着力は、裏面側の方が表面側より大きくなるように、設定されている。また、裏面側の接着剤は、UVの照射により接着力を喪失するものであるの対し、表面側の接着剤は、UVを照射されても接着力を喪失しないものが選択されている。接着力及びUV照射に対する性質の相違は、後述の図7のSTEP6,7で述べる。 An adhesive is applied over the entire surface on the front and back sides of the piezoelectric sheet material 46. The adhesive strength of the adhesive per unit area is set so that the back side is larger than the front side. Further, the adhesive on the back side loses the adhesive force when irradiated with UV, whereas the adhesive on the front side is selected so as not to lose the adhesive force even when irradiated with UV. The difference in properties with respect to adhesive force and UV irradiation will be described in STEPs 6 and 7 in FIG.
STEP3では、STEP2の処理を済ませた板体40の表裏を反転する。 In STEP3, the front and back of the plate 40 that has been processed in STEP2 are reversed.
STEP4では、板体40の裏面側をエッチングして、該裏面側に裏側空間49を形成する。該エッチングでは、板体40の裏面側において、裏側空間49における下側Si層41及びSiO2層42が除去される。これにより、本体2の外側圧電アクチュエータ14のカンチレバー23等の運動素子は、表面側では圧電シート材46及び当て板47により結合状態を保持しているが、裏面側では分離状態になる。 In STEP 4, the back side of the plate 40 is etched to form a back side space 49 on the back side. In the etching, the lower Si layer 41 and the SiO 2 layer 42 in the back space 49 are removed on the back surface side of the plate body 40. As a result, the motion elements such as the cantilever 23 of the outer piezoelectric actuator 14 of the main body 2 are held in the coupled state by the piezoelectric sheet material 46 and the contact plate 47 on the front surface side, but are separated on the back surface side.
なお、図6のSTEP4では、図示の簡単化のために、ミラー部11、可動枠13及びトーションバー21は、1つのブロック51としてまとめて図示している。 In STEP 4 of FIG. 6, the mirror unit 11, the movable frame 13, and the torsion bar 21 are collectively illustrated as one block 51 for the sake of simplicity of illustration.
図7のSTEP5では、STEP4のLbの箇所が板体40の裏面側から圧電シート材46の裏面の箇所までソーシングが行われる。STEP5のLcはソーシングにより生じた切れ目を示している。これにより、共通の板体40に製造された複数の光偏向器1は、表面側では圧電シート材46及び当て板47により結合状態を保持しているが、裏面側では分離状態になる。 In STEP 5 of FIG. 7, sourcing is performed from the position Lb of STEP 4 to the position of the back surface of the piezoelectric sheet material 46 from the back surface side of the plate body 40. STEP 5 Lc indicates a break caused by sourcing. As a result, the plurality of optical deflectors 1 manufactured on the common plate 40 are held in the coupled state by the piezoelectric sheet material 46 and the contact plate 47 on the front side, but are separated on the back side.
STEP6では、板体40は、上下を逆転され、STEP3以前の元の上下関係に戻される。これにより、板体40の表面側が上になる。STEP6では、さらに、UV(紫外線)が図示していないマスクパターンを介して当て板47に照射される。UVは、マスクパターンの透光部を通過する。 In STEP6, the plate 40 is turned upside down and returned to the original vertical relationship before STEP3. Thereby, the surface side of the plate 40 is on the top. In STEP 6, UV (ultraviolet light) is further irradiated to the contact plate 47 through a mask pattern (not shown). UV passes through the translucent part of the mask pattern.
この結果、圧電シート材46の表面側及び裏面側の接着剤の層において、マスクパターンのマスクに対応する領域にはUVが照射されず、マスクパターンの透光部に対応する領域にはUVが照射される。マスクパターンのマスクに対応する圧電シート材46の表面側及び裏面側の接着剤の領域は、図1の圧電フィルム部材3の配置領域であり、マスクパターンの透光部に対応する圧電シート材46の表面側及び裏面側の接着剤の領域は、図1の圧電フィルム部材3の配置領域以外の領域である。なお、圧電フィルム部材3の窓25(図1)の部位は、マスクパターンの透光部に対応する圧電シート材46の表面側及び裏面側の接着剤の領域に含まれる。 As a result, in the adhesive layer on the front surface side and the back surface side of the piezoelectric sheet material 46, the region corresponding to the mask of the mask pattern is not irradiated with UV, and the region corresponding to the light transmitting portion of the mask pattern is irradiated with UV. Irradiated. The areas of the adhesive on the front surface side and the back surface side of the piezoelectric sheet material 46 corresponding to the mask of the mask pattern are the arrangement regions of the piezoelectric film member 3 in FIG. 1, and the piezoelectric sheet material 46 corresponding to the light transmitting portion of the mask pattern. The area | region of the adhesive agent of the surface side and back surface side is an area | region other than the arrangement | positioning area | region of the piezoelectric film member 3 of FIG. The portion of the window 25 (FIG. 1) of the piezoelectric film member 3 is included in the adhesive region on the front surface side and the back surface side of the piezoelectric sheet material 46 corresponding to the light-transmitting portion of the mask pattern.
この結果、圧電シート材46の裏面側接着剤は、圧電フィルム部材3に対する貼着力を維持しつつ、その他の板体40の表面に対する貼着力を解除される。一方、圧電シート材46の表面側接着剤は、当初の接着力を維持する。したがって、圧電シート材46の表面側及び裏面側の接着剤は、共に、当初の接着力を維持するが、単位面積当たりの当初の接着力は、圧電シート材46の裏面側の接着剤の方が圧電シート材46の表面側の接着剤より十分に強いので、当て板47を引き上げるときは、圧電シート材46は、当て板47と共に引き上げられることなく、板体40の表面に残る。 As a result, the adhesive on the back surface side of the piezoelectric sheet material 46 is released from the adhesive force to the surface of the other plate body 40 while maintaining the adhesive force to the piezoelectric film member 3. On the other hand, the surface side adhesive of the piezoelectric sheet material 46 maintains the original adhesive force. Accordingly, both the adhesive on the front side and the back side of the piezoelectric sheet material 46 maintain the original adhesive force, but the initial adhesive force per unit area is the same as that of the adhesive on the back side of the piezoelectric sheet material 46. Is sufficiently stronger than the adhesive on the surface side of the piezoelectric sheet material 46, the piezoelectric sheet material 46 remains on the surface of the plate body 40 without being pulled up together with the backing plate 47 when the backing plate 47 is pulled up.
STEP7では、当て板47を板体40から引き上げる。圧電シート材46には、圧電フィルム部材3の輪郭に相当する部位に切れ目が形成されているので、圧電シート材46のうち、圧電フィルム部材3に相当する部分はブロック51の上面に残り、その他の部分は板体40から分離する。なお、STEP7の図において、54は、圧電シート材46のうち、窓25に相当する部分である。該部分54も、当て板47に貼着して、板体40から分離する。 In STEP 7, the contact plate 47 is pulled up from the plate body 40. In the piezoelectric sheet material 46, a cut is formed at a portion corresponding to the contour of the piezoelectric film member 3, so that a portion of the piezoelectric sheet material 46 corresponding to the piezoelectric film member 3 remains on the upper surface of the block 51, and the others This part is separated from the plate 40. In FIG. 7, reference numeral 54 denotes a portion corresponding to the window 25 in the piezoelectric sheet material 46. The portion 54 is also attached to the backing plate 47 and separated from the plate body 40.
また、板体40からの当て板47の引き上げに伴い、板体40は、ソーシングによる切れ目としてLcで分離し、この結果、図2に図示の光偏向器1が完成する。 Further, with the lifting of the contact plate 47 from the plate body 40, the plate body 40 is separated by Lc as a cut by sourcing. As a result, the optical deflector 1 shown in FIG. 2 is completed.
前述したように、上部構造層43は、内側圧電アクチュエータ12及び外側圧電アクチュエータ14の形成範囲において、下から順番に下側電極層、PZT膜及び上側電極層を含んでいる。下側電極層は、光偏向器1においてアース配線として利用されるものであり、連続導電層として、固定枠15から外側圧電アクチュエータ14及び可動枠13を経て内側圧電アクチュエータ12に至っている。そして、該連続導電層は、内側圧電アクチュエータ12及び外側圧電アクチュエータ14において下側電極層としての役割を果たす。該連続導電層は例えばアース電位に設定される。 As described above, the upper structure layer 43 includes the lower electrode layer, the PZT film, and the upper electrode layer in order from the bottom in the formation range of the inner piezoelectric actuator 12 and the outer piezoelectric actuator 14. The lower electrode layer is used as a ground wiring in the optical deflector 1 and extends from the fixed frame 15 to the inner piezoelectric actuator 12 via the outer piezoelectric actuator 14 and the movable frame 13 as a continuous conductive layer. The continuous conductive layer serves as a lower electrode layer in the inner piezoelectric actuator 12 and the outer piezoelectric actuator 14. The continuous conductive layer is set to, for example, a ground potential.
圧電フィルム部材3の表面側及び裏面側の弾性導電高分子フィルムMpは圧電フィルム部材3の1対の出力端子を構成し、裏面側の弾性導電高分子フィルムMpはアース電極として使用され、可動枠13の連続導電層に接続される。これにより、圧電フィルム部材3の1対の出力端子のうち、アース電極の方は、専用の配線を設けることなく、連続導電層を介して固定枠15の所定の電極パッド16に接続され、光偏向器1の配線を簡単化することができる。 The elastic conductive polymer film Mp on the front surface side and the back surface side of the piezoelectric film member 3 constitutes a pair of output terminals of the piezoelectric film member 3, and the elastic conductive polymer film Mp on the back surface side is used as a ground electrode, and a movable frame Connected to 13 continuous conductive layers. As a result, the ground electrode of the pair of output terminals of the piezoelectric film member 3 is connected to the predetermined electrode pad 16 of the fixed frame 15 via the continuous conductive layer without providing a dedicated wiring. Wiring of the deflector 1 can be simplified.
圧電フィルム部材3の具体的な材料及び特性について説明する。圧電高分子フィルムMeは、例えば、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)又はポリ乳酸である。弾性導電高分子フィルムMpは、シリコン及びポリウレタンを含む。圧電高分子フィルムMeの厚みは、40μmである。 Specific materials and characteristics of the piezoelectric film member 3 will be described. The piezoelectric polymer film Me is, for example, polyvinylidene fluoride (PVDF) or polylactic acid. The elastic conductive polymer film Mp includes silicon and polyurethane. The thickness of the piezoelectric polymer film Me is 40 μm.
振動発電素子の性能を評価するために用いられる性能指数(FOM:Figure of Merit)は、(e31,f)2/ε0εrで表される。圧電定数が大きくて比誘電率が小さいほど性能指数は大きくなる。PZT膜の場合カンチレバーの曲げ変位による圧電効果の指標e31,fは-20C/m2程度であり、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)のe31,f、-2.5C/m2よりも大きいが、比誘電率も1200程度と大きい。これに対してPVDFの比誘電率は8.4程度と小さい。したがって、性能指数の値はPZTが0.33に対して、PVDFでは0.74とPVDFの方が2倍強大きい。したがって、PZT/シリコン検出部と圧電高分子検出部が同じだけ変形した場合、圧電フィルム部材3が、圧電高分子フィルムMeが1層のみの単層圧電フィルム部材であっても、検出信号の強度は圧電高分子の方が2倍大きくなる。 A figure of merit (FOM) used for evaluating the performance of the vibration power generation element is represented by (e 31, f ) 2 / ε 0 ε r . The figure of merit increases as the piezoelectric constant increases and the relative permittivity decreases. Index e 31, f when the piezoelectric effect due to bending displacement of the cantilever of the PZT film is about -20C / m 2, e 31, f polyvinylidene fluoride (PVDF), but greater than -2.5C / m 2 Also, the relative dielectric constant is as large as about 1200. On the other hand, the relative dielectric constant of PVDF is as small as about 8.4. Accordingly, the value of the figure of merit is 0.33 for PZT and 0.74 for PVDF, which is twice as large for PVDF. Therefore, when the PZT / silicon detector and the piezoelectric polymer detector are deformed by the same amount, even if the piezoelectric film member 3 is a single-layer piezoelectric film member having only one piezoelectric polymer film Me, the intensity of the detection signal The piezoelectric polymer is twice as large.
さらに、圧電フィルム部材3の構造体がシリコンの場合、アクチュエータと同じ程度(30〜40μm)の厚みでは剛性が強く、60Hz程度の低速駆動では慣性力自体が小さいのであまり変形しないのに対して、単層圧電フィルム部材の場合には、柔軟性があるため、低速駆動においても十分に変形する。したがって、変形量でも有利である。 Furthermore, when the structure of the piezoelectric film member 3 is silicon, the rigidity is strong at the same thickness (30 to 40 μm) as the actuator, and the inertial force itself is small at a low speed drive of about 60 Hz, so that it does not deform much. In the case of a single-layer piezoelectric film member, since it has flexibility, it is sufficiently deformed even at low speed driving. Therefore, the amount of deformation is also advantageous.
一方、圧電フィルム部材3が。圧電高分子フィルムMeが複数の複層圧電フィルム部材であるとき、圧電高分子フィルムMeの材料として、ポリフッ化ビニリデン(PVDF)、弾性導電高分子フィルムMpの材料としてシリコンゴム(SG)を用い、また、厚みは、圧電高分子フィルムMeは40μm、弾性導電高分子フィルムMpは100μmとされる。この結果、複層の圧電フィルム部材3では、全体として厚みが増すので、複層の圧電フィルム部材3の変形量は、例えば単層の圧電フィルム部材3に比して10分の1程度に低下する。しかしながら、圧電高分子フィルムMeが複数層である光偏向器1では、出力は単層構造の約100倍に増加するので、トータルとして出力が単層構造の数倍〜10倍に増大する。 On the other hand, the piezoelectric film member 3. When the piezoelectric polymer film Me is a plurality of multilayer piezoelectric film members, polyvinylidene fluoride (PVDF) is used as the material of the piezoelectric polymer film Me, and silicon rubber (SG) is used as the material of the elastic conductive polymer film Mp. The thickness is 40 μm for the piezoelectric polymer film Me and 100 μm for the elastic conductive polymer film Mp. As a result, the thickness of the multilayer piezoelectric film member 3 increases as a whole, so that the amount of deformation of the multilayer piezoelectric film member 3 is reduced to, for example, about 1/10 of that of the multilayer piezoelectric film member 3. To do. However, in the optical deflector 1 in which the piezoelectric polymer film Me has a plurality of layers, the output increases to about 100 times that of the single layer structure, and thus the output increases to several times to 10 times that of the single layer structure.
本発明は、実施形態に限定されることなく、本発明の技術思想の範囲内で種々に変形例を含む。 The present invention is not limited to the embodiments and includes various modifications within the scope of the technical idea of the present invention.
実施形態における外側圧電アクチュエータ14の駆動電圧は、のこぎり波となっている(図5)。本発明の第1アクチュエータの駆動電圧の波形は、のこぎり波に限定されず、正弦波や三角波とすることも可能である。 The drive voltage of the outer piezoelectric actuator 14 in the embodiment is a sawtooth wave (FIG. 5). The waveform of the driving voltage of the first actuator of the present invention is not limited to the sawtooth wave, and may be a sine wave or a triangular wave.
実施形態の光偏向器1では、ミラー部を支持する可動支持体として可動枠13の形状は楕円環状の枠体となっている。本発明の可動支持体は、枠体でなくてもよいし、線形、円環又は矩形等のその他の形状であってもよい。 In the optical deflector 1 of the embodiment, the shape of the movable frame 13 is an elliptical annular frame as a movable support that supports the mirror portion. The movable support of the present invention may not be a frame, but may be other shapes such as a linear shape, a ring shape, or a rectangular shape.
実施形態の光偏向器1では、固定支持体として固定枠15の形状は矩形である。本発明の固定支持体は、枠体でなくてもよいし、円形や正方形等のその他の形状であってもよい。 In the optical deflector 1 of the embodiment, the shape of the fixed frame 15 as a fixed support is rectangular. The fixed support of the present invention may not be a frame, and may be other shapes such as a circle and a square.
実施形態の光偏向器1では、圧電フィルム部材3は矩形であるが、本発明の圧電フィルム部材は円形や正方形等のその他の形状を採用可能である。 In the optical deflector 1 of the embodiment, the piezoelectric film member 3 is rectangular, but the piezoelectric film member of the present invention can adopt other shapes such as a circle and a square.
実施形態の光偏向器1では、弾性導電フィルムとしての弾性導電高分子フィルムMp及び圧電フィルムとしての圧電高分子フィルムMeは共に高分子であるが、本発明の弾性導電フィルム及び圧電フィルムは必ずしも高分子でなくてもよい。 In the optical deflector 1 of the embodiment, the elastic conductive polymer film Mp as the elastic conductive film and the piezoelectric polymer film Me as the piezoelectric film are both polymers, but the elastic conductive film and the piezoelectric film of the present invention are not necessarily high. It does not have to be a molecule.
実施形態では、圧電フィルム部材3は、第1軸線Lxからその直交方向としての第2軸線Lyの延在方向の反対方向に離れた2つの位置に張出し部18a,18bを有している。本発明の光偏向器では、張出し部は1つだけであってもよい。 In the embodiment, the piezoelectric film member 3 has the overhang portions 18a and 18b at two positions separated from the first axis Lx in the direction opposite to the extending direction of the second axis Ly as its orthogonal direction. In the optical deflector of the present invention, there may be only one overhang portion.
実施形態の光偏向器1では、第1アクチュエータとしての外側圧電アクチュエータ14及び第2アクチュエータとしての内側圧電アクチュエータ12は共に圧電アクチュエータとなっている。しかしながら、本発明の第1アクチュエータ及び第2アクチュエータは、圧電アクチュエータに限定されず、電磁アクチュエータ等を採用することもできる。 In the optical deflector 1 of the embodiment, the outer piezoelectric actuator 14 as the first actuator and the inner piezoelectric actuator 12 as the second actuator are both piezoelectric actuators. However, the first actuator and the second actuator of the present invention are not limited to piezoelectric actuators, and electromagnetic actuators or the like can also be adopted.
実施形態の圧電フィルム部材3は、第1軸線Lxの回りのミラー部11の回動角(図3の回動角θ)のみを検出している。張出し部18a,18bは、光偏向器1の表裏方向に逆向きに変形するので、張出し部18a,18bからは相互に逆位相の出力を得ることができる。また、張出し部18a,18bは、第1軸線Lxから遠いほど、大きな慣性力及び空気粘性抵抗を受けるので、張出し部18a,18bの出力の絶対値は、張出し部18a,18bと第1軸線Lxとの距離に関係する。第1軸線Lxは、基準点から偏倚することがあるが、張出し部18a,18bからの出力の差分を利用して、第1軸線Lxの回りのミラー部11の回動角以外の因子の値(例:基準線に対する第1軸線Lxの偏倚量)を検出することも可能になる。 The piezoelectric film member 3 of the embodiment detects only the rotation angle (rotation angle θ in FIG. 3) of the mirror portion 11 around the first axis Lx. Since the overhang portions 18a and 18b are deformed in opposite directions in the front and back direction of the optical deflector 1, outputs of opposite phases can be obtained from the overhang portions 18a and 18b. Further, since the overhang portions 18a and 18b receive a larger inertia force and air viscosity resistance as they are farther from the first axis Lx, the absolute values of the outputs of the overhang portions 18a and 18b are the same as the overhang portions 18a and 18b and the first axis Lx. And is related to the distance. Although the first axis Lx may deviate from the reference point, the values of factors other than the rotation angle of the mirror unit 11 around the first axis Lx using the difference in output from the overhanging portions 18a and 18b. (Example: The amount of deviation of the first axis Lx with respect to the reference line) can also be detected.
1・・・光偏向器、3・・・圧電フィルム部材、11・・・ミラー部、12a,12b・・・内側圧電アクチュエータ(第2アクチュエータ)、13・・・可動枠(可動支持体)、14a,14a・・・外側圧電アクチュエータ(第1アクチュエータ)、15・・・固定枠(固定支持体)、18a,18b・・・張出し部、Lx・・・第1軸線、Ly・・・第2軸線、Mp・・・弾性導電高分子フィルム(弾性導電フィルム),Me・・・圧電高分子フィルム(圧電フィルム)。 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Optical deflector, 3 ... Piezoelectric film member, 11 ... Mirror part, 12a, 12b ... Inner piezoelectric actuator (2nd actuator), 13 ... Movable frame (movable support body), 14a, 14a ... outer piezoelectric actuator (first actuator), 15 ... fixed frame (fixed support), 18a, 18b ... overhang, Lx ... first axis, Ly ... second Axis, Mp ... elastic conductive polymer film (elastic conductive film), Me ... piezoelectric polymer film (piezoelectric film).
Claims (5)
前記ミラー部を支持する可動支持体と、
前記可動支持体を第1軸線の回りに支持する固定支持体と、
前記可動支持体を前記第1軸線の回りに往復回動させる第1アクチュエータと、
前記第1軸線に対する直交方向に前記可動支持体から張出して、前記可動支持体に貼着され、張出し部の変形に応じた電圧を出力する圧電フィルム部材とを備えることを特徴とする光偏向器。 A mirror that reflects light;
A movable support for supporting the mirror part;
A fixed support that supports the movable support around a first axis;
A first actuator for reciprocatingly rotating the movable support around the first axis;
An optical deflector comprising: a piezoelectric film member that projects from the movable support in a direction orthogonal to the first axis, is attached to the movable support, and outputs a voltage corresponding to deformation of the projecting portion. .
前記圧電フィルム部材は、複数の圧電フィルムが間に弾性導電フィルムを挟んで積層されている積層構造を有し、該積層構造の両面間の電圧を出力することを特徴とする光偏向器。 The optical deflector according to claim 1.
The optical deflector, wherein the piezoelectric film member has a laminated structure in which a plurality of piezoelectric films are laminated with an elastic conductive film interposed therebetween, and outputs a voltage between both surfaces of the laminated structure.
前記圧電フィルム部材は、前記第1軸線から前記直交方向の反対方向に離れた2つの位置に前記張出し部が形成されるように、前記可動支持体に貼着されていることを特徴とする光偏向器。 The optical deflector according to claim 1 or 2,
The piezoelectric film member is affixed to the movable support so that the projecting portion is formed at two positions away from the first axis in opposite directions of the orthogonal direction. Deflector.
前記第1アクチュエータは、前記ミラー部を、前記第1軸線の回りに前記ミラー部の非共振周波数で往復回動させることを特徴とする光偏向器。 The optical deflector according to any one of claims 1 to 3,
The optical actuator according to claim 1, wherein the first actuator reciprocally rotates the mirror portion around the first axis at a non-resonant frequency of the mirror portion.
前記可動支持体に支持された前記ミラー部を、前記第1軸線に直交する第2軸線の回りに前記非共振周波数より高い前記ミラー部の共振周波数で往復回動させる第2アクチュエータを備えることを特徴とする光偏向器。 The optical deflector according to claim 4, wherein
A second actuator that reciprocally rotates the mirror portion supported by the movable support around a second axis perpendicular to the first axis at a resonance frequency of the mirror portion higher than the non-resonance frequency. Characteristic light deflector.
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