JPH0646207A - 圧電駆動マイクロスキャナ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 本発明は光走査用の圧電駆動マイクロスキャ
ナに関するもので、シリコンプロセスとセラミックス焼
結技術により、小型で、製作の容易な圧電駆動マイクロ
スキャナを提供することを目的とする。 【構成】 圧電駆動マイクロスキャナは、シリコン基板
１に担体材料２と圧電材料４からなるユニモルフを片持
ち梁として固定した構成とする。片持ち梁の変形量を計
測する手段で、圧電アクチュエータのヒシステリシスを
補正し、任意波形で光走査を行う。担体材料２と電極３
を光走査の鏡とすることで、走査時の鏡に歪みを生じな
い特徴を持つ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、レーザ光の走査装置に
おいて、超小型の走査装置を実現できる圧電駆動マイク
ロスキャナに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来レーザ光等の光走査には、機械的に
スキャナミラーを往復運動し光を走査するガルバノメー
タスキャナ、レゾナントスキャナや、スキャナミラーを
回転運動し光を走査するポリゴンミラースキャナ、スキ
ャナミラーの代わりに回折格子を回転するホログラムス
キャナや、電気的に偏向を制御する電気音響偏向器等が
ある。

【０００３】近年、マイクロメカニクスの研究が盛んに
行われるようになってきて、超小型のアクチュエータが
開発され始めたことから、マイクロロボットの実現も遠
い将来の事ではなくなってきた。そうなると、視覚セン
サとしての光制御に関しても小型化を計る必要が生じて
来る。また、光コンピューティングに代表される、光集
積回路を用いた情報処理の分野においても、小型の光制
御装置の開発が望まれている。

【０００４】マイクロスキャナの従来技術は、例えば、
中川亘、静電型シリコンねじり振動子、日本機械学会第
６８期全国大会講演会講演論文集Ｖｏｌ．Ｄ、（１９９
０）Ｐ５１７−５１９や、植田敏嗣、水晶のマイクロマ
シニングによる光スキャナ、ロボティクス・メカトロニ
クス’９０講演会講演論文集、Ｖｏｌ．Ｂ、Ｐ３７９−
３８４に記載されている。

【０００５】以下に、従来のマイクロスキャナについて
説明する。図４は、静電型シリコンねじり振動子の外観
図である。振動子１６は、可動板１７とスパンバウンド
１８と枠１９からなり、厚さ０．３ｍｍのシリコンから
エッチングにより一体に形成している。可動板１７とス
パンバウンド１８の厚さは２０μｍである。シリコン振
動子１６は、電極を形成したガラス基板２０にスペーサ
２１を挟んで接着している。

【０００６】図５は、静電型シリコンねじり振動子の動
作状態を示した断面図である。Ｓ字型のスパンバウンド
１８で支持された可動板１７と電極間に電圧を印加する
と、両者の間に静電力が働き、可動板１７はスパンバウ
ンド１８を軸として回転する。印加電圧を取り去れば可
動板１７はスパンバウンド１８のねじり剛性により元の
位置に復帰する。２つの電極に交互に電圧を印加すれ
ば、スパンバウンド１８のばね定数によって決まる共振
周波数で最大振幅が得られ、静電型レゾナントスキャナ
となる。

【０００７】図６は水晶のマイクロマシニングによる光
スキャナの分解図である。この光スャナは、電磁型レゾ
ナントスキャナである。レゾネータ２２はミラー２３、
トーションスプリング２４、コイルベース２５が水晶一
体構造であり、電磁駆動のためのコイル２６がコイルベ
ース２５にメッキにより形成されている。レゾネータ２
２は、下部をサポート２７で固定し、上部は磁性流体軸
受け２８で支持され、駆動のためのマグネット２９、ヨ
ーク３０ととともにハウシング３１に組み込まれてい
る。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
従来の構成では、以下に示すいくつかの課題を有してい
た。 １）従来の構成のスキャナは基本的にはレゾナントスキ
ャナであり、スパンバウンドまたはトーションスプリン
グのねじりばね定数によって決まる共振周波数での正弦
波振動しかできない。 ２）静電型シリコンねじり振動子においては、ミラー本
体（可動板）とスパンバウンドの接続部分に応力が集中
し、ミラーを歪ませてしまう。 ３）静電型シリコンねじり振動子においては、ミラー駆
動に１００Ｖ程度の高電圧を必要とする。 ４）電磁型はアッセンブリに高い精度を要求され、製作
が困難である。 ５）静電型は、電磁型に比較して製作が容易であるとは
いっても、２５μｍのスペーサを挟んで２０μｍのシリ
コン振動子とガラス基板とを接着するという作業があ
り、組立が難しい。

【０００９】本発明は、上記従来の課題を解決するもの
で、組立が容易で、しかも、低電圧で鏡を歪ませず任意
波形での光走査を可能とする圧電駆動マイクロスキャナ
を提供することを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この目的を達成するため
に本発明の圧電駆動マイクロスキャナは、シリコン基板
上に、担体材料と第１の電極と圧電材料の薄膜と第２の
電極を順次形成しユニモルフ型圧電アクチュエータを構
成する。前記ユニモルフ型圧電アクチュエータの周辺の
一辺をシリコン基板に固定した片持ち梁とするようにシ
リコン基板に空間を形成し、第１及び第２の電極間に電
圧を印加する事で前記ユニモルフ型圧電アクチュエータ
を変形し、前記片持ち梁の角度を制御する。

【００１１】さらに、ユニモルフ型圧電アクチュエータ
を構成する担体材料と第１の電極とを片持ち梁の自由端
側に突き出し、電極を鏡として利用する。

【００１２】また、圧電駆動マイクロスキャナは、片持
ち梁の角度変位を計測する手段を有する。

【００１３】

【作用】本発明はこの構成によって、ユニモルフ型圧電
アクチュエータに電圧を印加すると、圧電材料は電圧に
応じて伸びまたは、収縮の変形を生じ、担体材料と接合
されていることにより、ユニモルフ型圧電アクチュエー
タは上または、下に反る。

【００１４】ユニモルフ型圧電アクチュエータは、片側
をシリコン基板に固定した片持ち梁であり、自由端側に
突き出した第１の電極を利用した鏡で光を走査する。

【００１５】ユニモルフ型圧電アクチュエータに印加す
る電圧の波形を直流から任意波形の交流まで幅広く変化
することにより、任意の方向に光走査が行われる。

【００１６】さらに、片持ち梁の角度変位を計測する手
段により、現在位置を計測する事でフィードバック制御
ができ、ヒステリシスの影響を受けない光走査ができ
る。

【００１７】

【実施例】（実施例１）以下、本発明の第１の実施例に
ついて図面を参照にしながら説明する。

【００１８】図１は本発明の第１の実施例における圧電
駆動マイクロスキャナであり、（ａ）は同外観図、
（ｂ）は同断面図である。１はシリコン基板、２は担体
材料、３は第１の電極、４は圧電材料、５は第２の電
極、６は組み立てられたユニモルフ型圧電アクチュエー
タ、７は空間、８は光である。

【００１９】本実施例ではシリコン基板１の表面に担体
材料２を形成し、さらにその上に、第１の電極３、圧電
材料４、第２の電極５の順で形成している。そして、空
間７をエッチングにより形成し、圧電駆動マイクロスキ
ャナを完成する。

【００２０】図１において、片持ち梁の自由端側には担
体材料２と第１の電極３が突き出しており、鏡として光
８を走査する。

【００２１】本実施例による構成では、担体材料２と、
圧電材料４を接合している。圧電材料４の両面には電極
３、５があり、両電極間に電圧を印加すると、圧電材料
４は電圧に応じて伸びまたは、収縮の変形を生じるが、
担体材料２の長さは一定であるので、ユニモルフ型圧電
アクチュエータ６は上または、下に反る。この時のユニ
モルフ型圧電アクチュエータ６は弧状に反っているの
で、鏡として使用すると反りの方向に集光性を持ってし
まいスキャナとしては使用できない。

【００２２】そこで、本実施例では、ユニモルフ型圧電
アクチュエータ６の自由端側に担体材料２と第１の電極
３を突き出すことにより、第１の電極３を歪みを生じて
いない平面鏡として利用している。

【００２３】担体材料２は、ＣＶＤ法やＰＶＤ法で形成
される薄膜材料であり、これと組み合わせる圧電材料４
も薄膜化できる。圧電材料４は電界により変形するもの
であるので、圧電材料４を薄膜化することにより駆動電
圧は低電圧化が図れる。

【００２４】ユニモルフ型圧電アクチュエータ６は、駆
動電圧に対してわずかのヒステリシスを持つが、直流か
ら交流まで任意に変形させることが可能である。

【００２５】シリコン基板上にシリコンプロセス技術と
セラミックス焼結技術を基にユニモルフ型圧電アクチュ
エータ６を成形するため、アッセンブリが容易である。

【００２６】（実施例２）以下、本発明の第２の実施例
について図面を参照にしながら説明する。図２は本発明
の第２の実施例における圧電駆動マイクロスキャナの断
面図である。

【００２７】図２において、８および９は歪みゲージで
あり、他の構成部品については図１と同様であるので、
同一番号を付してある。

【００２８】歪みゲージ９は、ユニモルフ型圧電アクチ
ュエータ６の変形量を計測するためのものであり、歪み
ゲージ１０は変形を生じていない部位に張りつけられ参
考信号として用いられる。歪みゲージ９、１０でユニモ
ルフ型圧電アクチュエータ６の変形量を計測し、フィー
ドバック制御することでヒステリシスの影響を受けない
光走査を行うことができる。

【００２９】そしてユニモルフ型圧電アクチュエータ６
に印加する電圧の波形を直流から任意波形の交流まで幅
広く変化することにより、任意の方向に光走査が行われ
る。

【００３０】（実施例３）以下、本発明の第３の実施例
について図面を参照にしながら説明する。図３は本発明
の第３の実施例における圧電駆動マイクロスキャナの断
面図である。

【００３１】図３において、１１はシリコン基板、１２
は光学ベース、１３は半導体レーザ、１４は担体材料２
で反射されたレーザ光、１５は半導体位置検出器ＰＳＤ
である。ユニモルフ型圧電アクチュエータ６については
図１と同様である。

【００３２】半導体レーザ１３から出たレーザ光は、担
体材料２の表面で反射し、ＰＳＤ１５にて検出される。
ユニモルフ型圧電アクチュエータ６の傾きにより、反射
レーザ光１４のＰＳＤ１５上に当たる位置が変化する。
したがって、ＰＳＤ１５を用いて位置検出を行い、フィ
ードバック制御を行うことにより、実施例２と同様、ユ
ニモルフ型圧電アクチュエータ６のヒステリシスの影響
を受けずに、任意波形で光走査を行うことができる。

【００３３】本実施例では、ユニモルフ型圧電アクチュ
エータ６としているが、圧電材料３を担体材料２の両面
に形成し、バイモルフ型圧電アクチュエータとしても、
同様の効果を示すことはいうまでもない。

【００３４】

【発明の効果】以上、本発明の圧電駆動マイクロスキャ
ナは、以下の利点を有する。 １）ユニモルフ型圧電アクチュエータは、駆動電圧に対
してわずかのヒステリシスを持って追従し、直流から交
流まで任意に変形させることが可能であり、アクチュエ
ータの変形量を計測し、フィードバック制御することで
ヒステリシスの影響を受けない、任意波形での光走査を
行うことができる。 ２）ミラーを圧電アクチュエータよりも突き出したこと
により、走査時に鏡に歪みを生じない。 ３）ユニモルフ型圧電アクチュエータの厚さが薄いた
め、低電圧でスキャナミラーを走査することができる。 ４）シリコン基板上にシリコンプロセス技術とセラミッ
クス焼結技術を基にユニモルフ型圧電アクチュエータを
成形するため、アッセンブリの作業が簡易化できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例における圧電駆動マイク
ロスキャナの外観図及び断面図

【図２】本発明の第２の実施例における圧電駆動マイク
ロスキャナの断面図

【図３】本発明の第３の実施例における圧電駆動マイク
ロスキャナの断面図

【図４】従来の静電型シリコンねじり振動子の外観図

【図５】従来の静電型シリコンねじり振動子の動作状態
を示した断面図

【図６】従来の水晶のマイクロマシニングによる光スキ
ャナの分解図

【符号の説明】

１ シリコン基板 ２ 担体材料 ３ 第１の電極 ４ 圧電材料 ５ 第２の電極 ６ ユニモルフ型圧電アクチュエータ ７ 空間 ８ 光 ９ 歪みゲージ １０ 歪みゲージ １１ シリコン基板 １２ 光学ベース １３ 半導体レーザ １４ 担体材料２で反射されたレーザ光 １５ 半導体位置検出器ＰＳＤ

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン基板上に、担体材料と第１の電
   極と圧電材料の薄膜と第２の電極を形成しユニモルフ型
   圧電アクチュエータを構成し、前記ユニモルフ型圧電ア
   クチュエータの周辺の一辺をシリコン基板に固定した片
   持ち梁とするようにシリコン基板に空間を形成し、第１
   及び第２の電極間に電圧を印加することにより前記ユニ
   モルフ型圧電アクチュエータを変形し、前記片持ち梁の
   角度を制御し光を偏向する圧電駆動マイクロスキャナ。
2. 【請求項２】 ユニモルフ型圧電アクチュエータを構成
   する担体材料と第１の電極とを片持ち梁の自由端側に突
   き出し、電極を鏡として利用する事を特徴とする請求項
   １記載の圧電駆動マイクロスキャナ。
3. 【請求項３】 片持ち梁の角度変位を計測する手段を有
   することを特徴とする請求項１記載の圧電駆動マイクロ
   スキャナ。