JP5264954B2 - ミラー駆動装置及び方法 - Google Patents
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Description
図1は、第1実施形態に係るMEMSスキャナデバイスとその駆動制御装置の概観図である。同図に示すように、MEMSスキャナデバイス10は、ミラー部12と、該ミラー部12を共振駆動するための第1アクチュエータ20(共振用アクチュエータ)と、共振駆動によるスキャン(共振スキャン)の中心を移動させる非共振駆動を行うための第2アクチュエータ(中心移動用アクチュエータ)30と、を備えている。第1アクチュエータ20は「外側アクチュエータ部」に相当し、第2アクチュエータ30は「内側アクチュエータ部」に相当する。
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
上記一般式で表されるペロブスカイト型酸化物としては、チタン酸鉛、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、ジルコニウム酸鉛、チタン酸鉛ランタン、ジルコン酸チタン酸鉛ランタン、マグネシウムニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、ニッケルニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛、亜鉛ニオブ酸ジルコニウムチタン酸鉛等の鉛含有化合物、及びこれらの混晶系;チタン酸バリウム、チタン酸ストロンチウムバリウム、チタン酸ビスマスナトリウム、チタン酸ビスマスカリウム、ニオブ酸ナトリウム、ニオブ酸カリウム、ニオブ酸リチウム、ビスマスフェライト等の非鉛含有化合物、及びこれらの混晶系が挙げられる。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(PX)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mが、V、Nb、Ta、及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
上述の一般式(P)及び(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数(d31定数)を有するため、かかる圧電体膜を備えた圧電アクチュエータは、変位特性の優れたものとなる。
このMEMSスキャナデバイス10は、以下のように作成した。
次に、上記のように構成されたMEMSスキャナデバイス10の作用について説明する。
上述の実施形態では、外側アクチュエータ部を共振駆動に用い、内側アクチュエータ部を非共振駆動(スキャン中心の移動用)に用いた例を説明したが、内側アクチュエータ部を共振駆動に用い、外側アクチュエータ部を非共振駆動に用いる態様も可能である。
図1〜図7で説明した第1の実施形態では、内側アクチュエータ部に相当する第2アクチュエータ30として、蛇行状の折り返し構造を持つ圧電カンチレバーを採用したが、本発明の実施に際して、レバー部の折り返し構造の採否や、折り返し回数(折り畳み数)については、特に限定されない。また、外側アクチュエータ部について、折り返し構造を採用することも可能である。
また、第1アクチュエータ20と第2アクチュエータ30との接続点、及び第2アクチュエータ30とミラー部12との接続点のうち少なくとも一方の接続点(連結部)では、変形を促す折り返し構造を持つ板状ヒンジ(図8の符号73参照)を介するようにしてもよい。
図8及び図9は、第2実施形態に係るMEMSスキャナデバイスとその駆動制御装置の概観図である。図8及び図9において、図1〜図7で説明した第1の実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。なお、図9は、図8とは異なる方向から見た斜視図となっている。また、図9においては、図8中で符号24、34A、34Bで示した各端子の記載は省略している。
図8では、第3駆動制御装置38A、第4駆動制御装置38Bを別々に設けたが、1台の駆動制御装置から複数種類の駆動電圧を出力する構成も可能である。また、第1実施形態及び第2実施形態においては、各アクチュエータ(20、30、70A、70B)の駆動制御装置(28、38、38A、38B)を説明したが、駆動電圧供給源とその制御手段とは必ずしも一体である必要はない。例えば、振駆動用(Aスキャン用)の駆動電圧を出力する駆動電圧供給源と、非共振駆動用(Bスキャン用又はCスキャン用)の駆動電圧を出力する駆動電圧供給源と、これら駆動電圧供給源を制御する1台の制御装置と、によって同様のシステムを構成することが可能である。
本発明の実施形態として作製されるMEMSスキャナデバイス10、60の大きさや、具体的な形状については、様々な形態があり得る。一例として、図3におけるミラー部12、一対の第2アクチュエータ30、一対の第1アクチュエータ20及び支持部材50を含んだデバイスの大きさは平面視で約3mm×2mm程度である。さらなる小型化も可能であり、1mm×1mm程度のデバイスの作製も可能である。
(1)従来知られている可動フレームなどの複雑な構造を用いずに、スキャン中心の移動や二次元スキャンが可能な圧電マイクロミラーデバイスを提供できる。
(2)同じアクチュエータに、Aスキャン共振用駆動波形(サイン波)と、Bスキャン又はCスキャン用駆動波形とを重畳して印加する構成よりも、耐久性が高い。
(3)接続部(連結部)に板状ヒンジを採用し、ヒンジのベンディングを用いた駆動方法であるため、変位量が大きい。すなわち、大きな偏向角が得られる。
(4)Aスキャンの周波数は、ヒンジの折り畳み数で制御できる。ヒンジの折り畳み数を少なくすると共振周波数が上がり、一層の高速スキャンが可能となる。
(5)支持部材、各アクチュエータ部、ミラー部並びにこれらの接続部をシリコン加工により一体的に形成することができる。
(6)従来のポリゴンミラーやガルバノミラーと比べて小型化が可能であり、耐久性も高い。
本発明は、レーザ光等の光を反射して光の進行方向を変える光学装置として様々な用途に利用できる。例えば、光偏向器、光走査装置、レーザプリンタ、バーコード読取機、表示装置、各種の光学センサ(測距センサ、形状測定センサ)、光通信装置などに広く適用することができる。
上記に詳述した発明の実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書は少なくとも以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、本発明の圧電アクチュエータとして好ましい。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(PX)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mが、V,Nb,Ta,及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。)
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、本発明の圧電アクチュエータとして好ましい。
Claims (11)
- ミラー部と、
前記ミラー部を挟んで両側に配置されており、前記ミラー部に連結され、圧電体の変形によって屈曲変位を行う一対の内側アクチュエータ部と、
前記ミラー部から前記一対の内側アクチュエータ部のさらに外側の両側に配置され、前記内側アクチュエータ部に連結され、圧電体の変形によって屈曲変位を行う一対の外側アクチュエータ部と、
前記外側アクチュエータ部における前記内側アクチュエータ部との連結部とは別の端部に連結され、当該端部を固定部として前記外側アクチュエータを支持する固定支持部と、
前記内側アクチュエータ部に駆動電圧を供給し、前記内側アクチュエータ部を作動させる内側アクチュエータ駆動電圧供給部と、
前記外側アクチュエータ部に駆動電圧を供給し、前記外側アクチュエータ部を作動させる外側アクチュエータ駆動電圧供給部と、を備え、
前記内側アクチュエータ部の一端が前記ミラー部に連結され、他の端部が前記外側アクチュエータ部に連結されており、
前記外側アクチュエータ部は、前記固定支持部との連結部を固定部とするカンチレバー構造であり、
前記内側アクチュエータ部は、前記外側アクチュエータ部との連結部を固定部とするカンチレバー構造であり、
前記内側アクチュエータ駆動電圧供給部及び前記外側アクチュエータ駆動電圧供給部のうち一方の駆動電圧供給部から、対応する前記内側アクチュエータ部又は前記外側アクチュエータ部に対して該アクチュエータ部の共振に伴う前記ミラー部の回転方向の振動を誘起する周波数の駆動電圧が供給され、
当該共振駆動と同時に他方の駆動電圧供給部から、前記内側アクチュエータ部及び前記外側アクチュエータ部のうち前記共振駆動を行うアクチュエータ部とは異なる、対応するアクチュエータ部に対して、共振を励起させずに前記ミラー部を傾けるための駆動電圧が供給されることを特徴とするミラー駆動装置。 - 前記内側アクチュエータ部及び前記外側アクチュエータ部は、いずれも振動板上に下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された構造を持つ圧電ユニモルフ型のアクチュエータであることを特徴とする請求項1に記載のミラー駆動装置。
- 前記内側アクチュエータ部の駆動による前記ミラー部の回転運動の回転軸が、前記外側アクチュエータ部の駆動による前記ミラー部の回転運動の回転軸と平行となるように駆動を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のミラー駆動装置。
- 前記内側アクチュエータ部の駆動による前記ミラー部の回転運動の回転軸が、前記外側アクチュエータ部の駆動による前記ミラー部の回転運動の回転軸と垂直となるように駆動を行うことを特徴とする請求項1又は2に記載のミラー駆動装置。
- 前記ミラー部と前記内側アクチュエータ部との間の連結部、及び前記内側アクチュエータ部と前記外側アクチュエータ部との間の連結部のうち、少なくとも一方の連結部には、当該連結部の変形を促すための折り返し構造が採用されていることを特徴とする請求項1から4のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記圧電体は1〜10μm厚の薄膜であることを特徴とする請求項1から5のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記圧電体は、下記式(P)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項1から6のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
一般式ABO3・・・(P)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
B:Bサイトの元素であり、Ti,Zr,V,Nb,Ta,Sb,Cr,Mo,W,Mn,Sc,Co,Cu,In,Sn,Ga,Zn,Cd,Fe,及びNiからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素。
O:酸素元素。
Aサイト元素とBサイト元素と酸素元素のモル比は1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。) - 下記式(PX)で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物であることを特徴とする請求項1から7のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(PX)
(式中、A:Aサイトの元素であり、Pbを含む少なくとも1種の元素。
Mが、V,Nb,Ta,及びSbからなる群より選ばれた少なくとも1種の元素である。
0<x<b、0<y<b、0≦b−x−y。
a:b:c=1:1:3が標準であるが、これらのモル比はペロブスカイト構造を取り得る範囲内で基準モル比からずれてもよい。) - 前記圧電体は、前記振動板となる基板の上に直接成膜された薄膜であることを特徴とする請求項6から8のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記圧電体は、スパッタリング法で成膜された薄膜であることを特徴とする請求項9に記載のミラー駆動装置。
- ミラー部と、
前記ミラー部を挟んで両側に配置されており、前記ミラー部に連結され、圧電体の変形によって屈曲変位を行う一対の内側アクチュエータ部と、
前記ミラー部から前記一対の内側アクチュエータ部のさらに外側の両側に配置され、前記内側アクチュエータ部に連結され、圧電体の変形によって屈曲変位を行う一対の外側アクチュエータ部と、
前記外側アクチュエータ部における前記内側アクチュエータ部との連結部とは別の端部に連結され、当該端部を固定して前記外側アクチュエータを支持する固定支持部と、を備え、
前記内側アクチュエータ部の一端が前記ミラー部に連結され、他の端部が前記外側アクチュエータ部に連結されてなるミラー駆動装置を制御するための制御方法であって、
前記外側アクチュエータ部は、前記固定支持部との連結部を固定部とするカンチレバー構造であり、
前記内側アクチュエータ部は、前記外側アクチュエータ部との連結部を固定部とするカンチレバー構造であり、
前記内側アクチュエータ部に駆動電圧を供給し、前記内側アクチュエータ部を作動させる内側アクチュエータ駆動電圧供給部と、
前記外側アクチュエータ部に駆動電圧を供給し、前記外側アクチュエータ部を作動させる外側アクチュエータ駆動電圧供給部と、を別々に用意し、
前記内側アクチュエータ駆動電圧供給部及び前記外側アクチュエータ駆動電圧供給部のうち一方の駆動電圧供給部から、対応する前記内側アクチュエータ部又は前記外側アクチュエータ部に対して該アクチュエータ部の共振に伴う前記ミラー部の回転方向の振動を誘起する周波数の駆動電圧を供給し、
当該共振駆動と同時に他方の駆動電圧供給部から、前記内側アクチュエータ部及び前記外側アクチュエータ部のうち前記共振駆動を行うアクチュエータ部とは異なる、対応するアクチュエータ部に対して、共振を励起させずに前記ミラー部を傾けるための駆動電圧を供給することにより、前記ミラー部の動きを制御することを特徴とするミラー駆動方法。
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