JP5323155B2 - ミラー駆動装置及びその駆動方法並びに製造方法 - Google Patents
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Description
一般的な圧電MEMSスキャナでは、回転軸に沿ったトーションバー(ねじり棒)をミラーに接続し、トーションバーを複数本の圧電カンチレバーによってねじる構造が採用されているものが多い(特許文献1〜3参照)。図14は特許文献1の「図7」に記載されている構造である。同図における符号01がミラー部、02aと02bがトーションバー、03a〜03dが圧電カンチレバーである。
上記トーションバー構造の課題を解決するものとして、図16に示すような構造のMEMSスキャナデバイス410が考えられる。これは、方形のミラー部412の端部412Aに薄板の連結部416を介して圧電カンチレバー414を接続した構造である。圧電カンチレバー414の基端414B部分は固定支持部材としての固定部430に固定されている。圧電カンチレバー414の上下駆動によりミラー部412の端部412Aを上下に振動させることで、慣性力によりミラー部412に傾き運動が誘起される。このような構造を「曲げヒンジ構造」と呼ぶこととする。
非特許文献1で提案されている構造は、上述した曲げヒンジ構造に近い構造ではあるが、共振駆動を用いないタイプであり、カンチレバー自体を複数折り畳んだミアンダ状とし、ミラーを両側から挟みこむ構造である。この方式では、圧電カンチレバーを折り畳み、交互に逆方向の曲げを誘起するように駆動することによって変位を拡大させ、共振を用いなくてもミラーを大きく傾けることができる。
図1は第1実施形態に係るMEMSスキャナデバイスの斜視図であり、図2はミラー部の反射面側から見た平面図(上面図)である。これらの図面に示したように、本例のMEMSスキャナデバイス10は、ミラー部12と、該ミラー部12を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部14と、ミラー部12の端部12Aに圧電アクチュエータ部14の一端(14A)を接続させる連結部16と、ミラー部12の回転軸18と略一致する位置でミラー部12に接続されたトーションバー20と、このトーションバー20の一端を支持するトーションバー支持部22と、圧電アクチュエータ部14の基端14B及びトーションバー支持部22の基端22Bを固定支持する固定部30と、を備える。
第1実施形態は、一対の圧電アクチュエータ部14に対して、同時に同じ駆動電圧を印加することよって、ミラー部12の両側の圧電アクチュエータ部14を同方向に変位させる。このため、一対の圧電アクチュエータ部14に駆動用の電力を供給する電力供給源として、共通の(同じ)駆動回路及び制御回路を用いることができる。圧電アクチュエータ部14に供給する駆動波形として、共振を励起する周波数の交流信号やパルス波形信号を用いることができる。
第1実施形態に係るMEMSスキャナデバイス10は次のように動作する。
本実施形態に好適な圧電体としては、下記式で表される1種又は2種以上のペロブスカイト型酸化物(P)を含むものが挙げられる。
(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。
(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。なお、一般式(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物の方が一般式(P)で表されるものよりも圧電定数が高くなる。
実施例1として以下の手順によりMEMSスキャナデバイス10を作製した。
上記の手順で作製された実施例1に係るMEMSスキャナデバイス10について、圧電アクチュエータ部14に電位振幅Vp-p=0.5Vの正弦波(サイン波)による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸回りの回転共振運動を誘起させてミラー部の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数fx=198Hz、機械振れ角=±22°であった(図11参照)。
図6及び図7は第2実施形態に係るMEMSスキャナデバイスの要部を示す斜視図である。図6は回転モードによる動きを説明する斜視図、図7は並進モードによる動きを説明する斜視図である。図6及び図7において、図1〜図5で説明した構成と同一または類似する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。また、図6及び図7では固定部30の記載を省略した。
実施例2として、実施例1と同様のプロセスにより第2実施形態のMEMSスキャナデバイス60を作製した。この実施例2に係るMEMSスキャナデバイス60の圧電アクチュエータ部14に、電位振幅Vp-p=0.5Vの正弦波による駆動電圧を印加し、ミラーの回転軸回りの回転共振運動を誘起させて(図6参照)、ミラー部12の機械振れ角をレーザーのスキャン角度で測定したところ、共振周波数fx=180Hz、機械振れ角=±24°であった(図11参照)。
実施例1と同様の方法でSOI基板を用い、図8のようなMEMSスキャナデバイス310を作成した。この比較例1に係るMEMSスキャナデバイス310は、図14で説明したトーションバー構造に該当するものである。図8のMEMSスキャナデバイス310は、ミラー部312を挟んで両側に、ミラー部312の回転中心に接続されるトーションバー314が設けられ、各トーションバー314に対して2つの圧電アクチュエータ部316、318が接続されている。
実施例1と同様の方法でSOI基板を用い、図16のようなMEMSスキャナデバイス410を作成した。この比較例2に係るMEMSスキャナデバイス410は、「曲げヒンジ構造」に該当するものであり、第1実施形態及び第2実施形態と比較して、垂直並進運動抑制部32たるトーションバー20とトーションバー支持部22(又は62)の要素を取り除いた構造である。
実施例1、2と比較例1、2の評価(測定)結果を対比してまとめた表を図11に示した。実施例1、2で説明したような構成とすることで、大きい変位のミラー傾き角を得ることができ、環境振動や駆動振動からのミラー部の垂直並進運動の励振も大幅に抑えることができる。
図12は、第3実施形態に係るMEMSスキャナデバイス70の構成を示す平面図である。図12において、図1〜図5で説明した構成と同一または類似する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。第3実施形態は、ミアンダ状圧電カンチレバー構造による圧電アクチュエータ部74と垂直並進運動抑制部32とを組み合わせた構造となっている。
図13は、第4実施形態に係るMEMSスキャナデバイス80の構成を示す平面図である。図13において、図1〜5、図12で説明した構成と同一又は類似する部材には同一の符号を付し、その説明は省略する。
隣り合う圧電カンチレバー要素77を互いに逆方向に曲げ駆動させる手段として、隣り合う圧電カンチレバー要素77に対して互いに逆極性の駆動電圧を印加する構成とすることができる。
(1)圧電カンチレバーの変位方向が常にミラーの回転方向にほぼ一致するため、カンチレバーの力がほぼすべてミラーの回転に用いられる。力の利用効率がよく、従来のトーションバー構造と比較して大幅に回転角が大きくなる。
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、70、80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1及び図2におけるミラー部12、圧電アクチュエータ部14、及び固定部30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。
第1実施形態から第4実施形態は、垂直移動抑制構造として、ミラー部12の両側にそれぞれ一本のトーションバー20を接続し、このトーションバー20によってミラー回転中心を支持しているが、ミラー回転軸を安定に支持する方法はこれに限ったものではなく、例えば回転軸に軸対称に配置された複数のバーでミラーを支持する構成を採用してもよい。
本発明は、レーザー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、レーザープリンタ、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、レーザープロジェクタ、OCT画像診断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、圧電アクチュエータ部として好ましいものである。
(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。
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、圧電アクチュエータ部として好ましいものである。
Claims (21)
- 光を反射する反射面を有するミラー部と、
前記ミラー部を挟んで両側に配置される一対の圧電アクチュエータ部と、
前記ミラー部の回転軸から前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向に離れた前記ミラー部の端部に前記圧電アクチュエータ部の一端を接続させる連結部と、
前記圧電アクチュエータ部の他端を支持する固定部と、
前記固定部に一端が接続され、他端が前記ミラー部に接続されており、前記ミラー部の回転軸が前記反射面の垂直方向に並進運動することを抑制する垂直移動抑制構造と、
を備えることを特徴とするミラー駆動装置。 - 前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置、若しくは前記ミラー部上の回転軸に対して軸対称である複数の位置と、前記固定部とを接続する構造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。
- 前記垂直移動抑制構造は、前記ミラー部上の回転軸と一致する位置に接続され、当該ミラー部から外側に向かって前記回転軸の軸方向に延設されるトーションバーと、
前記トーションバーに接続されるとともに前記固定部に接続され、前記トーションバーを支持するトーションバー支持部と、
を有する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。 - 前記トーションバー支持部は、前記固定部と同等の厚みを有していることを特徴とする請求項3に記載のミラー駆動装置。
- 前記トーションバー支持部は、前記固定部の厚みよりも薄い薄板構造であることを特徴とする請求項3に記載のミラー駆動装置。
- 前記連結部は、前記反射面に沿って前記回転軸に垂直な方向を長手方向とする薄板部材が1本以上ミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有す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。
- 前記圧電アクチュエータ部は、1つ又は複数の圧電カンチレバーによって構成され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。
- 前記圧電アクチュエータ部は、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された圧電ユニモルフカンチレバーで構成され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。
- 前記圧電アクチュエータ部を変位させることによって前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、前記ミラー部に前記回転軸回りの回転運動を誘起させることを特徴とする請求項1から8のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記圧電アクチュエータ部は、複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有しており、隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動されることを特徴とする請求項1から9のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記ミラー部が前記回転軸を中心に回転運動を行う共振モードの共振周波数fxの付近で前記ミラー部を共振駆動させることを特徴とする請求項1から10のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記ミラー部が前記反射面の垂直方向に並進運動する共振モードの共振周波数fyが200Hzよりも高い値であることを特徴とする請求項1から11のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数fyと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数fxとの比fy/fxが1.1以上であることを特徴とする請求項1から12のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記ミラー部の前記並進運動の共振周波数fyと、前記ミラー部の前記回転軸を中心とする回転運動の共振周波数fxとの比fy/fxが2.0以上であることを特徴とする請求項1から13のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は1〜10μm厚の薄膜であり、振動板となる基板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1から14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15に記載のミラー駆動装置。
- 前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、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16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。) - 前記圧電アクチュエータ部に用いられる圧電体は、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17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。) - 請求項1から18のいずれか1項に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、
前記一対の圧電アクチュエータ部に駆動電圧を印加し、前記圧電アクチュエータ部を屈曲変位させることにより、前記ミラー部と前記連結部との接続部分を振動させ、この振動により前記ミラー部に前記回転軸回りの回転トルクを与え、前記ミラー部を回転駆動させることを特徴とするミラー駆動方法。 - 請求項10に記載のミラー駆動装置におけるミラー駆動方法であって、
前記複数の圧電カンチレバーがミアンダ状に折り返すように並べられた構造を有する前記圧電アクチュエータ部において隣り合う圧電カンチレバー同士が互いに逆方向の屈曲変位を行うように、各圧電カンチレバーに駆動電圧を印加し、
これら複数の圧電カンチレバーの変位を累積させて前記ミラー部を非共振で回転駆動させることを特徴とするミラー駆動方法。 - 請求項1から18のいずれか1項に記載のミラー駆動装置の製造方法であって、
SOI基板上に、前記圧電アクチュエータ部の下部電極を形成する工程と、
前記下部電極が形成された前記SOI基板上に圧電体薄膜を成膜する工程と、
前記圧電体薄膜に上部電極を形成する工程と、
シリコンのドライエッチプロセスによって前記SOI基板を加工することにより、前記ミラー部、前記連結部、前記圧電アクチュエータ部、前記垂直移動抑制構造及び前記固定部の形状を形成する工程と、
を含むことを特徴とするミラー駆動装置の製造方法。
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