JP6308700B2 - ミラー駆動装置及びその駆動方法 - Google Patents
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Description
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。
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。
図1は第一実施形態に係るマイクロミラーデバイスの構成を示す平面図である。マイクロミラーデバイス10は、ミラー部12と、ミラー支持部14と、圧電アクチュエータ部16と、固定フレーム18と、を備える。マイクロミラーデバイス10は「ミラー駆動装置」の一形態に相当する。
本例のミラー部12は、平面視で長方形の形状となっている。ただし、発明の実施に際して、ミラー部12の形状は、特に限定されない。図1に例示した長方形に限らず、円形、楕円形、正方形、多角形など、様々な形状があり得る。なお、ミラー部12の平面視形状について長方形、円形、楕円形、正方形、多角形などの表現は、厳密な数学的定義での形状に限らず、全体的な基本形状として概ねそれらの形と把握できる形状であることを意味する。例えば、「四角形」という用語の概念には、四角形の角部が面取りされたもの、角部が丸められたもの、辺の一部又は全部が曲線や折れ線で構成されるもの、若しくは、ミラー部12とミラー支持部14との連結部分に連結上必要な付加的形状が追加されたものなども含まれる。他の形状表現についても同様である。
図1に示すように、圧電アクチュエータ部16は、第一アクチュエータ部30と、第二アクチュエータ部40とを備える。第一アクチュエータ部30及び第二アクチュエータ部40は、回転軸RAに対し、回転軸RAの軸方向と直交するy軸方向の両側に、それぞれが分かれて配置されている。図1における圧電アクチュエータ部16の上側半分が第一アクチュエータ部30であり、下側半分が第二アクチュエータ部40である。すなわち、第一アクチュエータ部30は、回転軸RAからy軸方向に回転軸RAを挟んで両側(図1において上側と下側)に分かれる領域のうち、一方の側に配置され、他方の側に第二アクチュエータ部40が配置されている。y軸方向は、「前記圧電体の膜厚方向に直交する方向であって、かつ前記回転軸の軸方向と直交する直交方向」に相当する。
本例の第一アクチュエータ部30と第二アクチュエータ部40のそれぞれは、平面視で概ね半円弧状のアクチュエータ形状を有し、両者が組み合わされて略円環形状の圧電アクチュエータ部16が構成されている。図1では、真円から僅かに扁平した楕円環状の外観形状を有する圧電アクチュエータ部16を例示しているが、アクチュエータ形状については、図示の例に限定されない。第一アクチュエータ部30と第二アクチュエータ部40のそれぞれは、真円に沿った円弧状のアクチュエータ形状であってもよいし、図1の例よりもさらに扁平率の大きい楕円弧状のアクチュエータ形状であってもよい。ただし、アクチュエータ部の面積が広い方が大きなトルクが出せるため、真円よりも楕円形状の方がより好ましい。
第一アクチュエータ部30は、その上部電極として、一つの第一上部電極部51と、二つの第二上部電極部52A、52Bとを有する。つまり、第一アクチュエータ部30の上部電極は、一方の第一基端部36Aと他方の第一基端部36Bの間をつなぐ梁(ビーム)の部分に該当する可動部38の形状に沿った梁の長手方向に対して、第一上部電極部51と、第二上部電極部52A、52Bとに分かれた電極分割の形態による電極配置構造を有する。第一上部電極部51と第二上部電極部52A、52Bは、互いに独立した(つまり絶縁分離された)電極となっている。
図3は第二実施形態に係るマイクロミラーデバイスの要部の構成を示す平面図である。図3に示すマイクロミラーデバイス110において、図1で説明した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3では固定フレーム18(図1参照)の図示を省略した。マイクロミラーデバイス110は「ミラー駆動装置」の一形態に相当する。
以下の説明では、デバイス形状が単純な第二実施形態の構造を例に説明するが、第一実施形態の構造についても同様の説明が適用される。
次に、圧電アクチュエータ部16の動作について説明する。ここでは、図3に示した第一圧電変換部81と第三圧電変換部103A、103Bについて、第一下部電極部71と第三下部電極部93A、93Bを接地電位とし、第一上部電極部51と第三上部電極部63A、63Bに駆動電圧としての電圧波形V1を印加し、かつ、第二圧電変換部82A、82Bと第四圧電変換部104について、第二上部電極部52A、52Bと第四上部電極部64を接地電位とし、第二下部電極部72A、72Bと第四下部電極部94に駆動電圧としての電圧波形V2を印加して、圧電アクチュエータ部16の駆動を行う例を説明する(図4参照)。
V2=Voff2+V2Asinωt
上記の式中、V1AとV2Aはそれぞれ電圧振幅、ωは角周波数、tは時間である。
図6共振駆動時における第一アクチュエータ部30と第二アクチュエータ部40の圧電体の変位分布を模式的に示した斜視図である。図6では、第一アクチュエータ部30は「+z軸方向」に変位し、第二アクチュエータ部40は「−z軸方向」に変位している様子が示されている。図6中の矢印B1と矢印B2で示した部分はz軸方向のアクチュエータ変位が最も大きくなる部分である。
以下、本発明の実施形態によるマイクロミラーデバイスのミラー駆動方法の例を説明する。
図8は、第一圧電変換部81、第二圧電変換部82A、82B、第三圧電変換部103A、103B及び第四圧電変換部104のすべての電極部を駆動用の電極として用いる例である。上部電極168としての各電極部(51、52A、52B、63A、63B、64)と、下部電極164としての各電極部(71、72A、72B、93A、93B、94)との間に圧電体166が介在する部分がそれぞれ圧電変換部として動作する。本例では、すべての電極部を駆動用の電極(駆動電極)として用い、各圧電変換部がすべて駆動力発生部として機能する。
図9は、第一圧電変換部81、第二圧電変換部82A、82B、第三圧電変換部103A、103B及び第四圧電変換部104のうち一部の電極部を応力検出のためのセンシング(検出)用の電極として用いる例である。第一圧電変換部81、第二圧電変換部82A、82B、第三圧電変換部103A、103B及び第四圧電変換部104のうち少なくとも一つの圧電変換部において、電極対としての上部電極と下部電極の間を電気的開放状態(すなわち、「オープン状態」と同義)に設定すれば、圧電体166の正圧電効果によって発生する電位差を検出することで、駆動中の応力を検出することができる。
図10は、図8で説明した第一上部電極部51と第四下部電極部94のそれぞれをさらに複数の電極に分割した例である。図10では、第一上部電極部51を第一アクチュエータ部30の長さ方向に三つの電極51A、51B、51Cに分割し、第四下部電極部94を第二アクチュエータ部40の長さ方向に三つの電極94A、94B、94Cに分割した例が示されている。
実施例1として以下に示す製造方法により、マイクロミラーデバイスを作製した。
実施例1に係るデバイスの形状の一例として、図11に実施例1の各寸法の具体例を示す。図11に示した各寸法a〜gについて、a=0.05mm、b=1.0mm、c=4.0mm、d=1.32mm、e=2.96mm、f=0.08mm、g=0.48mmである。このとき、スキャンに用いる共振モードの共振周波数は3350Hz周辺である。
実施例1と全く同じ基板(SOI基板)、製造プロセス方法にて、図12に示すような比較例1に係るマイクロミラーデバイスを作製した。
上記の式中、Voff3はオフセット電圧、V3Aは電圧振幅、φは位相差であり、ここではφ=180°である。
実施例1で作製したデバイスと比較例1で作製したデバイスの動作性能を比較する実験を行った。図14は実験対象のデバイスにおける駆動電圧とスキャン角度の関係を示したグラフである。
本実施形態に好適な圧電体としては、下記の一般式(P−1)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。
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。
圧電体の成膜方法としては気相成長法が好ましい。例えば、スパッタリング法の他、イオンプレーティング法、有機金属気相成長法(MOCVD; Metal Organic Chemical Vapor Deposition)、パルスレーザー堆積法(PLD;Pulse Laser Deposition)など、各種の方法を適用し得る。また、気相成長法以外の方法(例えば、ゾルゲル法など)を用いることも考えられる。気相成長法やゾルゲル法などにより基板上に圧電薄膜を直接成膜する構成が好ましい。特に、本実施形態の圧電体166としては、1μm以上10μm以下の膜厚の薄膜であることが好ましい。
上述した実施例1においては、駆動電圧の波形として、互いに同位相の電圧波形が用いられる。電圧波形V1,V2は、同位相(位相差φ=0°)としたが、両者の位相は完全に一致している必要はなく、位相差は0°からある程度シフトしていても良い。例えば、目的とする共振振動以外の成分(ノイズ振動)が生じた場合、これを消去するためにV1、V2間の位相差を0°から少量シフトさせることが有効な場合がある。例えば、位相差が±10度の範囲内であれば、実質的に同位相として把握することができる。
V12=Voff12+V12Asinωt
V21=Voff21+V21Asinωt
V22=Voff22+V22Asinωt
上記の式中、V11A、V12A、V21A、及びV22Aはそれぞれ電圧振幅、ωは角周波数、tは時間である。
図16はデバイスの駆動に用いられる制御系の構成例を示す図である。ここでは、図10で説明したデバイス形態の制御系を例示した。図10で説明したデバイス形態の場合、図16に示すように、駆動用に用いられる第一アクチュエータ部30の第一上部電極部51における電極51A、51C、及び第二下部電極部72A、72B、並びに、第二アクチュエータ部40の第三上部電極部63A、63B、及び第四下部電極部94の電極94A、94Cのそれぞれは、駆動回路310の対応する電圧出力端子に接続される。第一アクチュエータ部30の電極51A、51Cと第二アクチュエータ部40の第三上部電極部63A、63Bには駆動回路310から駆動用の電圧波形V1が供給される。
上述した実施形態によれば、アクチュエータ部の変形時に圧電体内に生じる応力の分布に合わせて電極部が配置されているため、アクチュエータ部を効率よく駆動することができ、従来構成と比較して、より大きなミラー傾斜角を得ることができる。
図17は、第三実施形態に係るマイクロミラーデバイスの要部の構成を示す平面図である。図17に示すマイクロミラーデバイス410において、図1で説明した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17では固定フレーム18(図1参照)の図示を省略した。マイクロミラーデバイス410は「ミラー駆動装置」の一形態に相当する。
上述した実施形態では、第一トーションバー部20と第二トーションバー部22は、ミラー部12の回転軸RAと一致する位置に接続されており、ミラー部12の外側に向かって回転軸RAの軸方向に延設される形態となっている。また、図3では、ミラー部12の回転軸RAと一致する位置に第一トーションバー部20と第二トーションバー部22を接続した例を示したが、トーションバー部の接続位置は厳密に回転軸RAと一致していなくてもよく、また、必ずしも1箇所で接続されている形態に限定されず、複数箇所で接続されていてもよい。
本発明のミラー駆動装置は、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、光干渉断層画像診断装置などに広く適用することができる。また、本発明は、光を反射する用途に限らず、音波を反射する用途のミラーデバイスにも応用できる。
Claims (14)
- 反射面を有するミラー部と、
前記ミラー部に連結され、前記ミラー部を回転軸の周りに回動可能に支持するミラー支持部と、
前記ミラー支持部に連結され、前記ミラー部を前記回転軸の周りに回動させる駆動力を発生させる圧電アクチュエータ部と、
前記圧電アクチュエータ部を支持する固定部と、を備えるミラー駆動装置であって、
前記ミラー支持部として、前記ミラー部を前記回転軸の軸方向の両側から支持する第一ミラー支持部と、第二ミラー支持部とを有し、
前記圧電アクチュエータ部は、振動板、下部電極、圧電体、及び上部電極の順に積層された積層構造を有し、駆動電圧の印加による前記圧電体の逆圧電効果によって変形する圧電ユニモルフアクチュエータである第一アクチュエータ部及び第二アクチュエータ部を備え、
前記第一アクチュエータ部は、前記圧電体の膜厚方向に直交する方向であって、かつ前記回転軸の軸方向と直交する直交方向に前記回転軸を挟む前記回転軸の前記直交方向の両側のうち一方の側に配置され、前記第二アクチュエータ部は前記両側のうち他方の側に配置され、
前記第一アクチュエータ部は、前記第一ミラー支持部及び前記第二ミラー支持部の各々と連結され、前記第二アクチュエータ部は、前記第一ミラー支持部及び前記第二ミラー支持部の各々と連結されており、
前記第一アクチュエータ部と、前記第一ミラー支持部及び前記第二ミラー支持部の各々とを連結する部材である第一接続部を有し、かつ、前記第二アクチュエータ部と、前記第一ミラー支持部及び前記第二ミラー支持部の各々とを連結する部材である第二接続部を有し、
前記第一アクチュエータ部は、前記軸方向の両側の端部にそれぞれ第一基端部を有し、
前記第一アクチュエータ部の前記両側の端部のうち一方の側の第一基端部から、他方の側の第一基端部に至る可動部が前記ミラー部を迂回する形状を有し、
前記第二アクチュエータ部は、前記軸方向の両側の端部にそれぞれ第二基端部を有し、
前記第二アクチュエータ部の前記両側の端部のうち一方の側の第二基端部から、他方の側の第二基端部に至る可動部が前記ミラー部を迂回する形状を有し、
前記第一基端部と前記第二基端部とが分離している構造を備え、
前記第一アクチュエータ部と、前記第一ミラー支持部及び前記第二ミラー支持部の各々との連結部分である第一連結部に対して前記第一アクチュエータ部における前記軸方向の反対側に位置する前記第一基端部が前記固定部に固定された構成によって、前記第一アクチュエータ部が両持ち梁構造で前記固定部に支持され、前記ミラー部の中心から、前記回転軸の前記軸方向に、前記第一連結部、前記第一基端部がこの順で、ミラー部から遠くなる位置関係となっており、
前記第二アクチュエータ部と前記第一ミラー支持部及び前記第二ミラー支持部の各々との連結部分である第二連結部に対して前記第二アクチュエータ部における前記軸方向の反対側に位置する前記第二基端部とが前記固定部に固定された構成によって、前記第二アクチュエータ部が両持ち梁構造で前記固定部に支持され、前記ミラー部の中心から、前記回転軸の前記軸方向に、前記第二連結部、前記第二基端部がこの順で、ミラー部から遠くなる位置関係となっており、
前記第一アクチュエータ部と前記第二アクチュエータ部とを互いに逆方向に撓ませることで前記ミラー支持部を傾き駆動させるものであり、
前記第一アクチュエータ部は、前記上部電極としての第一上部電極部及び第二上部電極部と、前記第一上部電極部及び前記第二上部電極部のそれぞれに対して前記圧電体を挟んで対向する前記下部電極としての第一下部電極部及び第二下部電極部とを有し、かつ、前記第一上部電極部及び前記第一下部電極部を電極対とする第一圧電変換部と、前記第二上部電極部及び前記第二下部電極部を電極対とする第二圧電変換部のそれぞれが、単数又は複数の電極対から構成され、
前記第二アクチュエータ部は、前記上部電極としての第三上部電極部及び第四上部電極部と、前記第三上部電極部及び前記第四上部電極部のそれぞれに対して前記圧電体を挟んで対向する前記下部電極としての第三下部電極部及び第四下部電極部とを有し、かつ、前記第三上部電極部及び前記第三下部電極部を電極対とする第三圧電変換部と、前記第四上部電極部及び前記第四下部電極部を電極対とする第四圧電変換部のそれぞれが、単数又は複数の電極対から構成され、
前記第一圧電変換部、前記第二圧電変換部、前記第三圧電変換部、及び前記第四圧電変換部の配置形態は、前記回転軸の周りの回動による前記ミラー部の傾き変位を伴う共振モード振動において前記圧電体の膜厚方向に直交する面内方向の主応力の応力分布に対応しており、
前記第一圧電変換部及び前記第三圧電変換部の位置に対応する圧電体部分と、前記第二圧電変換部及び前記第四圧電変換部の位置に対応する圧電体部分とは、前記共振モード振動において互いに逆方向の応力が生じる構成であるミラー駆動装置。 - 前記第一圧電変換部、前記第二圧電変換部、前記第三圧電変換部、及び前記第四圧電変換部のそれぞれの電極部は駆動用の電極として用いられ、
かつ、前記第一圧電変換部、前記第二圧電変換部、前記第三圧電変換部、及び前記第四圧電変換部のそれぞれの電極部のうち少なくとも一つの電極部は、複数の電極に分割されており、
前記複数の電極のうち、一部の電極は前記圧電体の変形に伴い圧電効果によって発生する電圧を検出する検出用の電極として用いられる請求項1に記載のミラー駆動装置。 - 前記第一下部電極部、前記第二下部電極部、前記第三下部電極部、及び前記第四下部電極部のうち、少なくとも一つの電極部に圧電駆動のための駆動電圧が印加される請求項1又は2に記載のミラー駆動装置。
- 前記ミラー部、前記ミラー支持部、前記第一アクチュエータ部及び前記第二アクチュエータ部は、非駆動状態での平面視において、前記回転軸を対称軸とする線対称の形態である請求項1から3のいずれか一項に記載のミラー駆動装置。
- 前記ミラー部、前記ミラー支持部、前記第一アクチュエータ部及び前記第二アクチュエータ部は、非駆動状態での平面視において、前記ミラー部の中心を通り、かつ前記回転軸と直交する中心線を対称軸とする線対称の形態である請求項1から4のいずれか一項に記載のミラー駆動装置。
- 前記第一圧電変換部及び前記第三圧電変換部のうち少なくとも一方の上部電極部を構成する電極に駆動用の電圧を供給し、かつ、前記第二圧電変換部及び前記第四圧電変換部のうち少なくとも一方の下部電極部を構成する電極に駆動用の電圧を印加する駆動回路を備え、
前記第一圧電変換部及び前記第三圧電変換部のうち少なくとも一方の上部電極部を構成する電極に印加する駆動電圧と、前記第二圧電変換部及び前記第四圧電変換部のうち少なくとも一方の下部電極部を構成する電極に印加する駆動電圧とが、同位相である請求項1から5のいずれか一項に記載のミラー駆動装置。 - 前記第一圧電変換部、前記第二圧電変換部、前記第三圧電変換部、及び前記第四圧電変換部のそれぞれの上部電極部と下部電極部のうちの一部の電極がフローティング電位に設定され、当該フローティング電位の電極から圧電体の変形に伴い圧電効果によって発生する電圧を検出する検出回路を備える請求項1から6のいずれか一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駆動電圧を供給する駆動回路であって、
前記ミラー部を共振駆動させる駆動電圧の電圧波形を供給する駆動回路を備える請求項1から7のいずれか一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前記圧電体は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請求項1から8のいずれか一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、下記一般式(P−1)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請求項1から9のいずれか一項に記載のミラー駆動装置。
一般式 ABO3・・・(P−1)
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,Mg,Si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、下記一般式(P−2)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請求項1から9のいずれか一項に記載のミラー駆動装置。
一般式 Aa(Zrx,Tiy,Mb−x−y)bOc・・・(P−2)
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。 - 前記ペロブスカイト型酸化物(P−2)は、Nbを含み、Nb/(Zr+Ti+Nb)モル比が0.06以上0.20以下である請求項11に記載のミラー駆動装置。
- 請求項1から12のいずれか一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、
前記第一圧電変換部及び前記第三圧電変換部のうち少なくとも一方の圧電変換部を構成している電極に対して第一駆動電圧を印加し、かつ、
前記第二圧電変換部及び前記第四圧電変換部のうち少なくとも一方の圧電変換部を構成している電極に対して前記第一駆動電圧と同位相の第二駆動電圧を印加することにより、
前記第一アクチュエータ部と第二アクチュエータ部とを互いに逆方向に撓ませるミラー駆動方法。 - 前記第一圧電変換部、前記第二圧電変換部、前記第三圧電変換部、及び前記第四圧電変換部のそれぞれの上部電極部と下部電極部のうちの一部の電極を、圧電体の変形に伴い圧電効果によって発生する電圧を検出する検出電極として用い、
前記ミラー部の駆動中に前記検出電極から検出信号を得る請求項13に記載のミラー駆動方法。
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