JP5391600B2 - 振動ミラー素子 - Google Patents
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Description
この発明は、振動ミラー素子に関し、特に、圧電膜を用いて振動する可動部を備える振動ミラー素子に関する。
従来、圧電膜を用いて振動する可動部を備える振動ミラー素子が知られている（たとえば、特許文献１〜４参照）。
上記特許文献１には、ミラーが設けられたミラー部と、圧電素子が取り付けられる振動入力部と、ミラー部と振動入力部との間に設けられた弾性変形部とが一体的に形成された金属製のプレートと、振動入力部に取り付けられる圧電素子とを備える光スキャナが開示されている。この光スキャナは、圧電素子から共振周波数と等しい振動をプレートに入力することにより、弾性変形部が振動してミラーが設けられたミラー部を振動させるように構成されている。上記特許文献１による光スキャナでは、ミラー部を弾性変形部および振動入力部により片持ち梁状に支持するとともに、この片持ち梁の先端部に相当するミラー部を振動させることにより、ミラーからの反射光を走査させるように構成されている。
上記特許文献２には、基板と、圧電膜を上部電極および下部電極により挟み込んだ平板形状の圧電素子と、圧電素子の表面上に形成されたミラー層と、基板上に設けられるとともに圧電素子の一方の端部を下方から支持する支持部とを備えるミラー素子が開示されている。このミラー素子の基板上に形成された支持部の内部には、接続端子が形成されている。そして、圧電素子の下部電極と接続端子とは、支持部の内部に形成されたコンジット（導管）を介して電気的に接続されている。なお、上記特許文献２には、ミラー素子の基板の材料については記載されていない。
また、上記特許文献３には、中央に配置されるミラー部およびミラー部の両端を揺動可能に支持するねじり梁を一体的に形成したシリコン基板と、シリコン基板が取り付けられる台座と、ミラー部を揺動させるための４つの圧電素子とを備えた振動素子が開示されている。この振動素子のねじり梁は、一方端でミラー部の端部を支持するとともに、他方端は長手方向に二股に分かれてシリコン基板の枠部と連結している。このねじり梁の二股状の部分（他方端近傍）に圧電素子がそれぞれ配置されている。上記特許文献３による振動素子では、ミラー部の両端を支持する一対のねじり梁の二股に分岐した他方端近傍のそれぞれに合計４つの圧電素子が設けられ、これらの圧電素子への通電切替によってミラー部を揺動させるように構成されている。また、この圧電素子は、圧電層を上部電極および下部電極により挟み込んだ構造を有している。
また、上記特許文献４には、金電極およびチタン電極が上下面にそれぞれ形成された圧電基板と、圧電基板の保持部分を有するシリコン基板とを備えた片持ち梁形状の圧電素子が開示されている。この圧電素子では、圧電基板の下面側に溝が形成されている。圧電基板の下面側に形成された金電極およびチタン電極は、圧電基板の溝内に引き出し部分が形成されることによって、圧電素子の外部まで引き出されるように構成されている。
しかしながら、上記特許文献１に記載の光スキャナでは、ミラー部を片持ち梁状に支持して振動させる構造のため、片持ち梁の端部に相当するミラー部を支持する弾性変形部に応力が集中することにより疲労破壊が生じ易いので、長期駆動時の信頼性が低いという問題点がある。
また、上記特許文献２に記載のミラー素子では、圧電膜を挟み込む下部電極を電気的に接続させるために、圧電素子を支持する支持部の内部に接続端子およびコンジットを形成する必要がある。このため、下部電極と外部との電気的接続を行うための構造が複雑になるという問題点がある。
また、上記特許文献３に記載の振動素子では、シリコン基板の一部であるねじり梁のそれぞれの他方端に圧電素子を配置しているため、それぞれの圧電素子の上部電極だけでなく、下部電極を電気的に接続するための配線パターンなどを形成する必要がある。このため、下部電極と外部との電気的接続を行うための構造が複雑になるという問題点がある。
また、上記特許文献４に記載の圧電素子では、圧電基板に下面側の電極を引き出すための溝を形成するとともに、金電極およびチタン電極の引き出し部分を圧電基板の溝の内部に形成しなければならない。このため、下面側の電極と外部との電気的接続を行うための構造が複雑になるという問題点がある。
この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、長期駆動時の信頼性を向上させるとともに、下部電極と外部との電気的接続が容易な振動ミラー素子を提供することである。
この発明の一の局面による振動ミラー素子は、ベース部材と、ミラー部と、ミラー部を両側から揺動可能に支持するとともに下部電極として機能する可動部と、可動部を支持するとともにベース部材に取り付けられる取り付け部とが一体的に形成された金属からなる基板と、基板の可動部上に設けられるとともに、周期的な電圧が印加されることによりミラー部を振動させる圧電膜と、圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、圧電膜上に設けられた上部電極から電力が供給されているとともに、圧電膜が配置された基板の下部電極は、ベース部材の上面に形成された接続端子部を介して接地され、基板は、正膨張係数を有する金属材料により形成され、ベース部材は、負膨張係数材料により形成されている。
この一の局面による振動ミラー素子では、上記のように、金属からなる基板に、ミラー部と、ミラー部を両側から揺動可能に支持する可動部とを一体的に形成することによって、片持ち梁構造と異なり、両側からミラー部を支持することができるので、可動部への応力集中を緩和することができる。また、基板にたとえばチタンなどの金属を用いることによって、脆性材料であるシリコン基板などを用いる場合と比較して、基板自体の強度を向上させることができる。これにより、長期駆動時の信頼性および衝撃に対する強度を向上させることができる。また、基板の可動部を、可動部上に設けられた圧電膜の下部電極として機能するように構成することによって、基板の任意の部分に対して電極配線を接続すればよいので、外部との電気的接続を容易にすることができる。また、基板は、正膨張係数を有する金属材料により形成され、ベース部材は、負膨張係数材料により形成されている。このように構成すれば、駆動時に熱膨張によって基板の内部応力状態が変化して共振周波数が変動してしまう場合に、基板が取り付けられた負膨張係数材料からなるベース部材が収縮変形を起こすことにより、正膨張係数を有する基板の熱膨張による内部応力状態の変化を打ち消すことができるので、温度変化に対して振動ミラー素子の共振周波数が変動するのを抑制することができる。
上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、基板は、チタンまたはチタン合金により形成されている。このように構成すれば、強度、耐衝撃性および疲労強度に優れるとともに、電極材料としても利用可能なチタンまたはチタン合金により基板を形成することができるので、振動ミラー素子の信頼性および強度を向上させることができる。
上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、取り付け部は、可動部およびミラー部を取り囲むように枠状に形成されている。このように構成すれば、圧電膜の下部電極として機能する基板の可動部と一体的に形成される取り付け部が枠状に形成されるので、枠状の取り付け部に対してどの方向からでも配線を接続することができる。これにより、外部との電気的接続をより容易に行うことができる。
この場合において、好ましくは、可動部は、ミラー部に一方端が接続される一対の回動軸部と、一対の回動軸部の他方端にそれぞれ接続され、一対の回動軸部に対して略直交するように延びるとともに、２つの圧電膜が所定の間隔を隔てて一直線状にそれぞれ配置される一対の変形部とを含む。このように構成すれば、一直線状に２つの圧電膜が配置されるので、２つの圧電膜に互いに位相の異なる電圧を印加することにより、圧電膜が配置された変形部に沿って互いに方向の異なるたわみ変形を生じさせることができる。これにより、そのたわみ変形を容易に回動軸部の回動に変換することができる。
上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、金属からなる基板の取り付け部は、ベース部材に半田接合により取り付けられている。このように構成すれば、基板をベース部材に半田接合によって取り付けるだけで下部電極とベース部とを電気的に接続することができる。これにより、ベース部に対して電気的接続を行えば、外部との電気的接続をより容易に行うことができる。
この場合において、好ましくは、圧電膜は鉛、チタンおよびジルコニウムを主成分とする酸化物により形成され、金属からなる基板と圧電膜との間には、ペロブスカイト構造を有するとともにジルコニウムを含まない材料からなる中間層が形成されている。このように構成すれば、下部電極として機能する基板と圧電膜との間に中間層が形成されることにより、下部電極上に直接鉛（Ｐｂ）、チタン（Ｔｉ）およびジルコニウム（Ｚｒ）を主成分とする酸化物を成膜する場合にジルコニウムが酸化物となり、成膜した表面に析出して結晶の成長を阻害するのを抑制することができる。これにより、欠陥の少ない圧電膜（鉛、チタンおよびジルコニウムを主成分とする酸化物）を成膜することができるので、圧電膜の特性が低下するのを抑制することができる。なお、鉛、チタンおよびジルコニウムを主成分とする酸化物の例としては、チタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３：ＰＺＴ）などが挙げられる。
以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態による振動素子の全体構成を示した斜視図である。また、図２〜図４は、図１に示した本発明の一実施形態による振動ミラー素子の詳細な構成を示した図である。まず、図１〜図４を参照して、本発明の一実施形態による振動ミラー素子１００の構成について説明する。
本発明の一実施形態による振動ミラー素子１００は、図１に示すように、ベース部材１０と、基板２０と、基板２０上に配置された４つの圧電素子３０ａ〜３０ｄとから構成されている。
振動ミラー素子１００のベース部材１０は、図２に示すように、中央部に開口部１１が形成された枠状形状を有する。また、図３に示すように、ベース部材１０は、平面的に見て四角形状を有する。このベース部材１０は、基板２０の後述する取り付け部２３が所定の取り付け領域（図２の一点鎖線の内側領域）に取り付けられることによって、基板２０を固定する役割を果たす。ベース部材１０の開口部１１は、平面的に見て四角形状を有するとともに、ベース部材１０の上面に配置される基板２０の後述するミラー部２１および可動部２２が配置される領域と対応する領域に形成されている。すなわち、基板２０のミラー部２１および可動部２２が、ベース部材１０の開口部１１上に配置されるように構成されている。
また、図２に示すように、ベース部材１０の表面には、接合部１３の１つと電気的に接続された接続端子部１２が形成されている。接合部１３は、平面的に見て、基板２０の取り付け部２３と重なる領域（図２の一点鎖線の内側領域）に４箇所形成されている。基板２０は、取り付け部２３がそれぞれの接合部１３に半田接合によって取り付けられることにより、ベース部材１０に固定されるように構成されている。
また、本実施形態では、ベース部材１０は、負膨張係数材料により形成されている。ここで、負膨張係数材料とは、熱膨張係数が負の値を有する材料をいい、たとえばタングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ２）や、シリコン酸化物（Ｌｉ２−Ａｌ２Ｏ３−ｎＳｉＯ２）などの複合酸化物である。なお、ここに例示した負膨張係数材料は、それぞれ絶縁性を有する。これらの負膨張係数材料により形成されたベース部材１０は、絶縁性を有するとともに、温度上昇に伴って収縮するように構成されている。これにより、ベース部材１０は、正の膨張係数を有する材料からなる基板２０が取り付けられた場合に、駆動時の温度上昇による基板２０の熱膨張を収縮変形により打ち消すことができるように構成されている。
振動ミラー素子１００の基板２０は、図３に示すように、ミラー部２１と、ミラー部２１をＸ方向の両側から揺動可能に支持するＨ字形状の可動部２２と、取り付け部２３とから構成されている。また、基板２０において、取り付け部２３の内側のミラー部２１および可動部２２が形成されていない領域には、開口部２６ａ〜２６ｄが設けられている。
また、本実施形態では、基板２０は、正の膨張係数を有するチタン（Ｔｉ）により形成されている。また、基板２０は、可動部２２上に配置された圧電素子３０ａ〜３０ｄを構成する圧電膜３２（図４参照）の下部電極として機能するように構成されている。これにより、圧電素子３０ａ〜３０ｄの下部電極への配線処理を、基板２０の任意の部分に対して行うことができるように構成されている。
本実施形態では、基板２０は、枠状の取り付け部２３がベース部材１０に形成された接合部１３と半田接合により取り付けられることによって、ベース部材１０に形成された接続端子部１２と電気的に接続されるように構成されている。これにより、基板２０をベース部材１０に取り付けるだけで圧電素子３０ａ〜３０ｄの下部電極との配線処理を行うことが可能なように構成されている。なお、図１に示すように、この基板２０は、接続端子部１２を介して接地されるように構成されている。なお、基板２０の表面には、圧電素子３０ａ〜３０ｄの特性向上およびミラー部２１の反射性向上のために、後述する白金（Ｐｔ）層３４（図４参照）が全面に成膜されている。
基板２０のミラー部２１は、平面的に見て、円形の平板形状を有している。図３に示すように、このミラー部２１は、中心を通るＸ方向の軸線上の両端部を可動部２２の後述する回動軸部２４ａおよび２４ｂよって揺動可能に支持されている。圧電素子３０ａ〜３０ｄに周期的な電圧が印加されることによって可動部２２が振動すると、ミラー部２１は、この可動部２２の振動によって回動軸部２４ａおよび２４ｂを回動軸として共振振動を行うように構成されている。この際、ミラー部２１にレーザー光などを照射すると、ミラー部２１の回動角度に応じて反射光の反射角度も変化する。これにより、振動ミラー素子１００は、ミラー部２１に照射されたレーザー光などの反射光を走査させる機能を有する。
また、本実施形態では、基板２０の可動部２２は、平面的に見て、ミラー部２１を中心としたＨ字形状を有する。すなわち、可動部２２は、ミラー部２１に一方端が接続される一対の回動軸部２４ａおよび２４ｂと、一対の回動軸部２４ａおよび２４ｂの他方端にそれぞれ接続され、一対の回動軸部２４ａおよび２４ｂに対して略直行するようにＹ方向に延びる一対の変形部２５ａおよび２５ｂとを含んでいる。また、Ｙ方向に延びる一対の変形部２５ａおよび２５ｂの両端は、枠状の取り付け部２３のＹ方向に対向する辺にそれぞれ接続されている。したがって、可動部２２の一対の変形部２５ａおよび２５ｂは、それぞれＹ方向の両端を枠状の取り付け部２３によって支持されている。また、可動部２２の中央に配置されるミラー部２１は、揺動軸方向（Ｘ方向）の両端から回動軸部２４ａおよび２４ｂによって支持されている。
また、可動部２２の変形部２５ａおよび２５ｂのそれぞれには、後述する圧電膜３２を含む２つの圧電素子３０ａ〜３０ｄが所定の間隔を隔てて一直線状にそれぞれ配置されている。具体的には、可動部２２の変形部２５ａには、回動軸部２４ａの形成された中央部を挟んで長手方向（Ｙ方向）の両側に、それぞれ変形部２５ａの延びる方向（Ｙ方向）に沿って一直線状に板状の圧電素子３０ａおよび３０ｃが配置されている。同様に、変形部２５ｂにも、回動軸部２４ｂの形成された中央部を挟んで長手方向（Ｙ方向）の両側に、それぞれ変形部２５ｂの延びる方向（Ｙ方向）に沿って一直線状に板状の圧電素子３０ｂおよび３０ｄが配置されている。したがって、可動部２２には、一対の変形部２５ａおよび２５ｂに合計４つの圧電素子３０ａ〜３０ｄが配置されている。ここで、圧電素子３０ａ〜３０ｄは、電圧印加によってＹ方向に伸縮するように構成されている。そして、変形部２５ａおよび２５ｂは、圧電素子３０ａ〜３０ｄの伸縮によって、それぞれの圧電素子３０ａ〜３０ｄの形成された領域を凸形状（伸張時）または凹形状（収縮時）に湾曲させる。これにより、変形部２５ａおよび２５ｂの湾曲により回動軸部２４ａおよび２４ｂの形成された中央部を所定の角度に傾けることによって、回動軸部２４ａおよび２４ｂに支持されたミラー部２１を揺動させるように構成されている。
また、基板２０の取り付け部２３は、ミラー部２１および可動部２２の形成される領域を取り囲むように、枠状に形成されている。このように、取り付け部２３を枠状に形成することにより、基板２０全体の剛性を高めて取り扱いを容易にするとともに、圧電素子３０ａ〜３０ｄの下部電極として機能する基板２０の電気的接続を容易にすることが可能なように構成されている。この取り付け部２３は、図２に示すように、内周部がベース部材１０の開口部１１と略同じ形状を有するように形成されている。そして、図２に示すように、枠状に形成された取り付け部２３の下面の全面が、ベース部材１０の上面の所定の取り付け領域（図２の一点鎖線の内側領域）と当接するように構成されている。
また、図３に示すように、基板２０が取り付け部２３でベース部材１０に取り付けられた状態で、取り付け部２３の内側のミラー部２１および可動部２２が形成されている領域の下方にはベース部材１０の開口部１１が配置されるように構成されている。これにより、駆動時に、ミラー部２１および可動部２２とベース部材１０が干渉することなく、振動ミラー素子１００を駆動させることができるように構成されている。
また、図４に示すように、変形部２５ａに形成された圧電素子３０ａおよび３０ｃのそれぞれは、基板２０の表面に形成された白金層３４上に中間層３１、圧電膜３２および上部電極３３から構成されている。これらの圧電素子３０ａ〜３０ｄは、ＰＺＴからなる圧電膜３２が膜厚方向（Ｚ方向）に分極されることによって、上部電極３３と、下部電極である基板２０および白金層３４とによって電圧を印加されると、Ｙ方向に伸縮するように構成されている。なお、ＰＺＴは、本発明の「鉛、チタンおよびジルコニウムを主成分とする酸化物」の一例である。また、圧電素子３０ａ〜３０ｄはそれぞれ、同一構造および同一形状を有する。以下、圧電素子３０ａを例にとって説明する。
ここで、本実施形態では、圧電素子３０ａの中間層３１は、ジルコニウム（Ｚｒ）を含まないペロブスカイト構造の結晶構造を有する材料から形成されている。この中間層３１には、たとえばチタン酸鉛ランタン（（Ｐｂ，Ｌａ）ＴｉＯ３（＝ＰＬＴ））、チタン酸鉛（ＰｂＴｉＯ３）、チタン酸ストロンチウム（ＳｒＴｉＯ３）およびルテニウム酸ストロンチウム（ＳｒＲｕＯ３）などを用いることができる。この中間層３１を白金層３４とＰＺＴからなる圧電膜３２との間に形成することによって、白金層３４と圧電膜３２との界面においてジルコニウムが酸化物となって析出し、ＰＺＴからなる圧電膜３２の結晶の成長を阻害するのを抑制するように構成されている。この中間層３１は、数十ｎｍ以上約１００ｎｍ以下の厚みを有するように構成されている。
また、本実施形態では、中間層３１の上面には、ＰＺＴからなる圧電膜３２が形成されている。この圧電膜３２は、２μｍ〜３μｍ程度の厚みを有するように構成されている。そして、圧電膜３２の上面には、上部電極３３が成膜されている。この上部電極３３は、たとえば、クロム（Ｃｒ）、白金（Ｐｔ）、アルミニウム（Ａｌ）および金（Ａｕ）などからなる。また、この上部電極３３の膜厚は、約１００ｎｍ以上約５００ｎｍ以下となるように構成されている。
また、白金層３４は、基板２０の表面上に全面に渡って形成されている。したがって、この白金層は３４、基板２０の圧電素子３０ａ〜３０ｄの形成される領域以外の部分にも形成されている。白金層３４は、ミラー部２１の表面において、ミラー表面の反射特性を向上させる機能を有する。一方、圧電素子３０ａ〜３０ｄの形成される領域においては、基板２０とともに圧電膜３２の下部電極として機能する。すなわち、圧電素子３０ａ〜３０ｄのそれぞれは、白金層３４および基板２０からなる共通の下部電極を有するように構成されている。また、白金層３４の膜厚は、上部電極３３と同様に約１００ｎｍ以上約５００ｎｍ以下となるように構成されている。
以上のように、圧電素子３０ａは、中間層３１上に成膜された圧電膜３２を上部電極３３および下部電極である基板２０および白金層３４により挟み込んだ積層構造を有する。
図５〜７は、図１に示した一実施形態による振動ミラー素子の駆動方法を説明するための図である。次に、図１および図５〜図７を参照して、本発明の一実施形態による振動ミラー素子１００の駆動動作を説明する。
まず、図５に示すように、圧電素子３０ａ〜３０ｄのそれぞれの上部電極３３は、外部電源と接続され（図１参照）、振動ミラー素子１００の共振周波数と略等しい周波数の正弦波状の電圧を印加される。ここで、図１に示すように、４つの圧電素子３０ａ〜３０ｄのうち、Ｙ１方向側に配置される圧電素子３０ａおよび３０ｂは、それぞれ同位相の電圧（図５参照）が印加される。そして、Ｙ２方向側に配置される圧電素子３０ｃおよび３０ｄに対しては、Ｙ１方向側に配置される圧電素子３０ａおよび３０ｂとは逆位相の電圧（図５参照）が印加されるように構成されている。また、基板２０は、４つの圧電素子３０ａ〜３０ｄに共通の下部電極として機能し、接地されている。このため、圧電素子３０ａ〜３０ｄの伸縮による変形部２５ａおよび２５ｂの変形は、Ｘ方向から見て一致する。
ここで、図５に示すように、変形部２５ａに配置される圧電素子３０ａおよび３０ｃに、互いに逆位相の入力電圧が印加されたとする。このとき、図６に示すように、Ｙ１方向側の圧電素子３０ａに負の電圧が印加されると、圧電素子３０ａはＹ方向に縮んで変形部２５ａの圧電素子３０ａが形成された部分を凹形状に撓ませる。一方、Ｙ２方向側の圧電素子３０ｃには逆位相の正の電圧が印加されて、圧電素子３０ｃがＹ方向に伸びるように変位する。これにより、変形部２５ａの圧電素子３０ｃが形成された部分は、圧電素子３０ｃの伸張によって凸形状に撓む。ここで、変形部２５ｂも同様に変形するので、変形部２５ａおよび２５ｂは、中央部からＹ１方向側が相対的に低く（Ｚ２方向側）なり、Ｙ２方向側が相対的に高く（Ｚ１方向側）なるように変形する。これにより、変形部２５ａおよび２５ｂの中央部に形成された回動軸部２４ａおよび２４ｂは、Ｑ１方向に傾くこととなるので、回動軸部２４ａおよび２４ｂに支持されたミラー部２１がＱ１方向へ回動する。
逆に、図７に示すように、Ｙ１方向側の圧電素子３０ａに正の電圧が印加され、Ｙ２方向側の圧電素子３０ｃに負の電圧が印加される場合には、変形部２５ａの圧電素子３０ａが形成された部分が、圧電素子３０ａの伸張によって凸形状に撓むとともに、変形部２５ａの圧電素子３０ｃが形成された部分が圧電素子３０ｃの収縮により凹形状に撓む。ここで、変形部２５ｂも同様に変形するので、変形部２５ａおよび２５ｂは、中央部からＹ１方向側が相対的に高く（Ｚ１方向側）なり、Ｙ２方向側が相対的に低く（Ｚ２方向側）なるように変形する。これにより、変形部２５ａおよび２５ｂの中央部に形成された回動軸部２４ａおよび２４ｂは、Ｑ２方向に傾くこととなるので、回動軸部２４ａおよび２４ｂに支持されたミラー部２１がＱ２方向へ回動する。
上記のように、回動軸部２４ａおよび２４ｂの形成される変形部２５ａおよび２５ｂの中央部を挟んでＹ１方向側の圧電素子３０ａおよび３０ｂと、Ｙ２方向側の圧電素子３０ｃおよび３０ｄとに互いに逆位相の入力電圧を、振動ミラー素子１００の共振周波数と略等しい周波数で印加することにより、ミラー部２１が所定の角度で揺動を繰り返す共振振動を行う。
図８〜図１２は、図１に示した一実施形態による振動ミラー素子の製造プロセスを説明するための図である。次に、図２、図３および図８〜図１２を参照して、本発明の一実施形態による振動ミラー素子１００の製造プロセスについて説明する。
まず、図８に示すように、チタン薄板を基板２０の形状にエッチングすることにより、基板２０を形成する。ここで、チタン薄板の厚みは、約５μｍ以上約１００μｍ以下とすることができる。このエッチングにより、図３に示すように、ミラー部２１と、回動軸部２４ａ、２４ｂおよび変形部２５ａ、２５ｂを有する可動部２２と、取り付け部２３とが一体的に形成された基板２０が得られる。
次に、図９に示すように、基板２０上の全面に、スパッタリングや蒸着などの方法により白金層３４を成膜する。
次に、圧電素子３０ａ〜３０ｄを形成する。まず、図１０に示すように、変形部２５ａおよび２５ｂの所定の領域に中間層３１を成膜する。この際、圧電素子３０ａ〜３０ｄの形成領域をパターニングしたメタルマスクを用い、スパッタリングにより中間層３１を形成する。
次に、図１１に示すように、中間層３１上に、ＰＺＴからなる圧電膜３２を成膜する。圧電膜３２は、中間層３１と同様に、圧電素子３０ａ〜３０ｄの形成領域をパターニングしたメタルマスクを用い、スパッタリングにより形成される。
そして、図１２に示すように、圧電膜３２上に、上部電極３３を成膜する。上部電極３３も同様に、圧電素子３０ａ〜３０ｄの形成領域をパターニングしたメタルマスクを用い、スパッタリングにより形成される。
以上により、基板２０の変形部２５ａおよび２５ｂ上の所定領域に圧電素子３０ａ〜３０ｄが形成される。その後、図２に示すように、基板２０の取り付け部２３をリフロー方式による半田接合によってベース部材１０に取り付ける。ここで、半田接合は、ベース部材１０上の４つの接合部１３において行う。また、これにより、圧電膜３２の下部電極としての基板２０が接続端子部１２と電気的に接続される。
このようにして、本発明の一実施形態による振動ミラー素子１００が形成される。
本実施形態では、上記のように、チタンからなる基板２０に、ミラー部２１と、ミラー部２１を両側から揺動可能に支持する可動部２２とを一体的に形成することによって、片持ち梁構造と異なり、両側からミラー部２１を支持することができるので、可動部２２への応力集中を緩和することができる。また、基板２０にチタンを用いることによって、脆性材料であるシリコン基板などを用いる場合と比較して、基板２０自体の強度を向上させることができる。これにより、長期駆動時の信頼性および衝撃に対する強度を向上させることができる。また、基板２０の可動部２２を、可動部２２上に設けられた圧電素子３０ａ〜３０ｄのそれぞれの圧電膜３２の下部電極として機能するように構成することによって、基板２０の任意の部分に対して電極配線を接続すればよいので、外部との電気的接続を容易にすることができる。
本実施形態では、上記のように、基板２０を、チタンにより形成することによって、強度、耐衝撃性および疲労強度に優れるとともに、電極材料としても利用可能なチタンにより基板２０を形成することができるので、振動ミラー素子１００の信頼性および強度を向上させることができる。
本実施形態では、上記のように、取り付け部２３を、可動部２２およびミラー部２１を取り囲むように枠状に形成することによって、圧電膜３２の下部電極として機能する基板２０の可動部２２と一体的に形成される取り付け部２３が枠状に形成されるので、枠状の取り付け部２３に対してどの方向からでも配線を接続することができる。これにより、外部との電気的接続をより容易に行うことができる。
本実施形態では、上記のように、可動部２２は、ミラー部２１に一方端が接続される一対の回動軸部２４ａおよび２４ｂと、一対の回動軸部２４ａおよび２４ｂの他方端にそれぞれ接続され、一対の回動軸部２４ａおよび２４ｂに対して略直交するようにＹ方向に延びるとともに、２つの圧電膜３２が所定の間隔を隔てて一直線状にそれぞれ配置される一対の変形部２５ａおよび２５ｂとを含むことによって、一直線状に２つの圧電膜３２が配置されるので、２つの圧電膜３２に互いに逆位相の電圧を印加することにより、圧電膜３２が配置された一直線状の変形部２５ａおよび２５ｂに沿って互いに逆方向のたわみ変形を生じさせることができる。これにより、そのたわみ変形を容易に回動軸部２４ａおよび２４ｂの回動に変換することができる。
本実施形態では、上記のように、チタンからなる基板２０の取り付け部２３を、ベース部材１０に半田接合により取り付けることにより、基板２０をベース部材１０に半田接合によって取り付けるだけで圧電素子３０ａ〜３０ｄの下部電極とベース部１０とを電気的に接続することができる。これにより、ベース部１０に対して電気的接続を行えば、外部との電気的接続をより容易に行うことができる。
本実施形態では、上記のように、基板２０を、正膨張係数を有する金属材料により形成するとともに、ベース部材１０を、負膨張係数材料により形成することによって、駆動時に熱膨張によって基板２０の内部応力状態が変化して共振周波数が変動してしまう場合に、基板２０が取り付けられた負膨張係数材料からなるベース部材１０が収縮変形を起こすことにより、正膨張係数を有する基板２０の熱膨張による内部応力状態の変化を打ち消すことができるので、温度変化に対して振動ミラー素子１００の共振周波数が変動するのを抑制することができる。
本実施形態では、上記のように、圧電膜３２はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）により形成され、チタンからなる基板２０と圧電膜３２との間に、ペロブスカイト構造を有するとともにジルコニウムを含まない材料からなる中間層３１を形成することによって、下部電極として機能する基板２０と圧電膜３２との間に中間層３１が形成されることにより、下部電極（基板２０および白金層３４）上に直接チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を成膜する場合にジルコニウム（Ｚｒ）が酸化物となり、成膜した表面に析出してＰＺＴの結晶の成長を阻害するのを抑制することができる。これにより、欠陥の少ない圧電膜３２（ＰＺＴ）を成膜することができるので、圧電膜３２の特性が低下するのを抑制することができる。
なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。
たとえば、上記実施形態では、基板２０が、チタンからなる例を示したが、本発明はこれに限らず、基板をチタン合金およびチタン以外の金属から形成してもよい。
また、上記実施形態では、圧電膜３２の下部電極として機能する基板２０の表面には、白金層３４が形成されている例を示したが、本発明はこれに限らず、白金層は基板上に形成されていなくともよい。したがって、基板上に直接圧電膜が形成されていてもよい。
また、上記実施形態では、圧電膜３２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）により形成されている例を示したが、本発明はこれに限らず、圧電膜は、ＰＺＴ以外の鉛、チタンおよびジルコニウムを主成分とした酸化物からなる圧電材料や、他の圧電材料により形成されていてもよい。たとえば、圧電膜には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛（（Ｐｂ，Ｌａ）（Ｚｒ，Ｔｉ）Ｏ３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ３）などの圧電材料を用いてもよい。
また、上記実施形態では、ベース部材１０は、負膨張係数材料であるタングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ２）や、シリコン酸化物（Ｌｉ２−Ａｌ２Ｏ３−ｎＳｉＯ２）などの複合酸化物により形成されている例を示したが、本発明はこれに限らず、ベース部材は、負膨張係数材料以外の材料により形成されていてもよい。たとえば、プラスチック類材料によりベース部材を形成してもよい。この場合、安価で加工し易いプラスチック類材料を用いることにより、低コスト化を図ることが可能である。
また、上記実施形態では、ベース部材１０は、絶縁性材料であるタングステン酸ジルコニウム（ＺｒＷ２Ｏ２）や、シリコン酸化物（Ｌｉ２−Ａｌ２Ｏ３−ｎＳｉＯ２）などの複合酸化物により形成されている例を示したが、本発明はこれに限らず、ベース部材は、金属などの導電性材料により形成されていてもよい。たとえば、チタンによりベース部材を形成した場合、基板をベース部材に半田接合によって取り付けるだけで電気的に接続することができる。これにより、外部との電気的接続をより容易に行うことができる。
また、上記実施形態では、基板２０は、チタン薄板からエッチングにより形成される例を示したが、本発明はこれに限らず、基板は、サンドブラスト、プレス成型、レーザー加工などのエッチング以外の方法により形成してもよい。基板は、所定の形状に形成することが可能であれば加工方法は問わない。基板に用いられる材料に適した方法により形成すればよい。
また、上記実施形態では、中間層３１、圧電膜３２および上部電極３３は、変形部２５ａおよび２５ｂの圧電素子３０ａ〜３０ｂの形成領域をパターニングしたメタルマスクを用い、スパッタリングにより形成する例を示したが、本発明はこれに限らず、ＣＶＤ法、ゾルゲル法など、スパッタリング以外の方法により形成されてもよい。
また、上記実施形態では、白金層３４と圧電膜３２との間にジルコニウム（Ｚｒ）を含まないペロブスカイト構造の結晶構造を有する材料からなる中間層３１が形成されている例を示したが、本発明はこれに限らず、中間層３１を形成することなく直接白金層上に圧電膜を形成してもよい。
また、上記実施形態では、基板２０の可動部２２は、平面的に見て、ミラー部２１を中心としたＨ字形状を有する例を示したが、本発明はこれに限らず、可動部は、Ｈ字形状を有する必要はない。たとえば、可動部２２をミラー部２１のＹ方向の両側から揺動可能に支持するように構成してもよい。このようなミラー部を揺動可能に保持する構造は種々の構造が考えられるが、可動部は、ミラー部を揺動軸に沿って両側から揺動可能に支持するように構成されていればよい。
また、上記実施形態では、基板２０は、取り付け部２３の下面とベース部材１０の接合部１３とを半田接合することによってベース部材１０に取り付けられるように構成されている例を示したが、本発明はこれに限らず、基板は、接着剤などによりベース部材に取り付けられるように構成されていてもよい。
また、上記実施形態では、基板２０は、枠状の取り付け部２３がベース部材１０に形成された接合部１３と半田接合により取り付けられることによって、ベース部材１０に形成された接続端子部１２と電気的に接続されるように構成されている例を示したが、本発明はこれに限らず、基板を接続端子部１２と電気的に接続する方法は、他の方法を用いてもよい。基板２０には枠状の取り付け部２３が形成されているので、この取り付け部２３の任意の位置から直接接続端子部１２に対して配線パターンを形成してもよい。
また、上記実施形態では、基板２０の取り付け部２３は、ミラー部２１および可動部２２の形成される領域を取り囲むように、枠状に形成されている例を示したが、本発明はこれに限らず、取り付け部は、枠状に形成されていなくともよい。たとえば、取り付け部は、一対の変形部２５ａおよび２５ｂのそれぞれの端部を連結するように形成されていてもよいし、変形部２５ａおよび２５ｂを長手方向（Ｙ方向）に延長したような形状で形成されていてもよい。
また、上記実施形態では、ミラー部２１は、平面的に見て、円形の平板形状を有している例を示したが、本発明はこれに限らず、ミラー部は、平面的に見て、正方形形状や長方形形状を有していてもよい。
１０ ベース部材
２０ 基板
２１ ミラー部
２２ 可動部
２３ 取り付け部
２４ａ、２４ｂ 回動軸部
２５ａ、２５ｂ 変形部
３２ 圧電膜
３１ 中間層
１００ 振動ミラー素子
２０ 基板
２１ ミラー部
２２ 可動部
２３ 取り付け部
２４ａ、２４ｂ 回動軸部
２５ａ、２５ｂ 変形部
３２ 圧電膜
３１ 中間層
１００ 振動ミラー素子
Claims (6)
- ベース部材と、
ミラー部と、前記ミラー部を両側から揺動可能に支持するとともに下部電極として機能する可動部と、前記可動部を支持するとともに前記ベース部材に取り付けられる取り付け部とが一体的に形成された金属からなる基板と、
前記基板の前記可動部上に設けられるとともに、周期的な電圧が印加されることにより前記ミラー部を振動させる圧電膜と、
前記圧電膜上に設けられた上部電極とを備え、
前記圧電膜上に設けられた前記上部電極から電力が供給されているとともに、前記圧電膜が配置された前記基板の前記下部電極は、前記ベース部材の上面に形成された接続端子部を介して接地され、
前記基板は、正膨張係数を有する金属材料により形成され、
前記ベース部材は、負膨張係数材料により形成されている、振動ミラー素子。 - 前記基板は、チタンまたはチタン合金により形成されている、請求項１に記載の振動ミラー素子。
- 前記取り付け部は、前記可動部および前記ミラー部を取り囲むように枠状に形成されている、請求項１または２に記載の振動ミラー素子。
- 前記可動部は、前記ミラー部に一方端が接続される一対の回動軸部と、前記一対の回動軸部の他方端にそれぞれ接続され、前記一対の回動軸部に対して略直交するように延びるとともに、２つの前記圧電膜が所定の間隔を隔てて一直線状にそれぞれ配置される一対の変形部とを含む、請求項３に記載の振動ミラー素子。
- 前記金属からなる基板の前記取り付け部は、前記ベース部材に半田接合により取り付けられている、請求項１〜４のいずれか１項に記載の振動ミラー素子。
- 前記圧電膜は鉛、チタンおよびジルコニウムを主成分とする酸化物により形成され、
前記金属からなる基板と前記圧電膜との間には、ペロブスカイト構造を有するとともにジルコニウムを含まない材料からなる中間層が形成されている、請求項１〜５のいずれか１項に記載の振動ミラー素子。
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