KR101478205B1 - 압전 액츄에이터 및 압전 액츄에이터를 구비한 광주사장치 - Google Patents

압전 액츄에이터 및 압전 액츄에이터를 구비한 광주사장치 Download PDF

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미쓰미덴기가부시기가이샤
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Abstract

압전 액츄에이터는 구동대상물을 축주위로 틸트구동시킨다. 상기 압전 액츄에이터는 상기 축의 양측에 배치된 추부와 상기 축과 교차하여 연장하고 상기 추부를 연결하는 연결부로 상기 구동대상물을 평면적으로 둘러싸는 고리형구조를 가지고, 상기 구동대상물이 연결되어 상기 구동대상물을 연결지지하는 가동프레임과, 탄성체에 압전박막이 성막된 구조를 가지고, 상기 가동프레임보다 외측에 배치되어 상기 가동프레임의 상기 연결부에 상기 축주위의 틸트력을 부여하도록 연결된 구동비임을 구비한다.

Description

압전 액츄에이터 및 압전 액츄에이터를 구비한 광주사장치{PIEZOELECTRIC ACTUATOR AND OPTICAL SCAN DEVICE WITH PIEZOELECTRIC ACTUATOR}
본 발명은 압전 액츄에이터 및 압전 액츄에이터를 구비한 광주사장치에 관한 것으로, 특히, 구동대상물을 축주위로 틸트구동시키는 압전 액츄에이터 및 압전 액츄에이터를 구비한 광주사장치에 관한 것이다.
종래부터, 압전 유니몰프 진동판, 압전 유니몰프 진동판의 일단을 고정하여 지지하는 공동부를 가진 지지체, 압전 유니몰프 진동판에 접속된 탄성체, 탄성체에 접속되어 탄성체를 통하여 유니몰프 진동판의 구동에 의해 공동부내에서 회전진동하는 반사판을 구비함과 동시에 이들 모두를 일체로 형성한 광편광기가 알려져 있다(예를 들어, 특허문헌 1 참조).
일본공개특허공보 제2005－128147호
그러나, 특허문헌 1에 기재된 구성에서는 공진진동을 이용하여 반사판을 15kHz, 20kHz의 레벨로 고속구동시키는 경우밖에 고려되어 있지 않고, 예를 들어, 반사판을 60Hz정도의 저속으로 구동시키고 싶은 경우에는, 공진시키면 저속구동시키지 못하고, 또한 비공진으로 하면 충분한 반사판의 회전변위를 얻을 수 없다고 하는 문제가 있었다.
본 발명은 이러한 과제를 감안하여 이루어진 것으로서, 안정적으로 저속구동시킬 수 있는 압전 액츄에이터 및 상기 압전 액츄에이터를 구비한 광주사장치를 제공하는 것을 목적으로 한다.
상기의 과제를 해결하기 위하여, 본 발명의 압전 액츄에이터는 구동대상물을 축주위로 틸트구동시키는 압전 액츄에이터로서, 상기 축의 양측에 배치된 추부와 상기 축과 교차하여 연장하고 상기 추부를 연결하는 연결부로 상기 구동대상물을 평면적으로 둘러싸는 고리형구조를 가지고, 상기 구동대상물이 연결되어 상기 구동대상물을 연결지지하는 가동프레임과, 탄성체에 압전박막이 성막된 구조를 가지고, 상기 가동프레임보다 외측에 배치되고, 상기 가동프레임의 상기 연결부에 상기 축주위의 틸트력을 부여하도록 연결된 구동비임을 포함하는 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면 구동대상물을 안정적으로 저속 틸트구동시킬 수 있다.
도 1은 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 단면 구성을 나타낸 도면이다.
도 2a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터를 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터를 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 2c는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터를 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 3a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 3b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 4a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 4b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 5a는 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5b는 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 도면이다.
도 5c는 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 도면이다.
도 6a는 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터의 분해도이다.
도 6b는 상방규제부재의 확대사시도이다.
도 6c는 하방규제부재의 확대사시도이다.
도 7a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 미엔더스프링의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 미엔더스프링의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 7c는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 미엔더스프링의 기능을 설명하기 위한 도면이다.
도 8a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터를 X축주위로 틸트구동시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 8b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터를 Y축주위로 틸트구동시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 9a는 각 공진 구동주파수에서의 최대응력과 틸트각감도를 나타낸 도면이다.
도 9b는 각 공진 구동주파수에서의 최대응력과 틸트각감도를 나타낸 도면이다.
도 10은 2축 틸트구동에서 간섭이 발생하지 않는 이유를 설명하기 위한 도면이다.
도 11a는 비교참고예로서 가동프레임에 연결부를 설치하지 않은 압전 액츄에이터의 동작상태를 나타낸 도면이다.
도 11b는 비교참고예로서 가동프레임에 연결부를 설치하지 않은 압전 액츄에이터의 동작상태를 나타낸 도면이다.
도 12a는 고속구동부의 최적설계를 실시하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12b는 고속구동부의 최적설계를 실시하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 12c는 고속구동부의 최적설계를 실시하는 방법을 설명하기 위한 도면이다.
도 13a는 스프링연결부의 길이가 극소값을 가지는 이유를 설명하기 위한 도면이다.
도 13b는 스프링연결부의 길이가 극소값을 가지는 이유를 설명하기 위한 도면이다.
도 13c는 스프링연결부의 길이가 극소값을 가지는 이유를 설명하기 위한 도면이다.
도 14는 제 1 스프링간의 거리 및 스프링연결부의 길이를 파라미터로 한 경우의 틸트각감도의 특성을 나타낸 도면이다.
도 15는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 배선길이를 짧게 하는 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 16은 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 평면 구성예를 나타낸 확대도이다.
도 17은 추부돌기 및 돌기의 배치 구성을 설명하기 위한 도면이다.
도 18은 실시예의 압전 액츄에이터의 단면 구성의 일례를 나타낸 도면이다.
도 19는 미엔더스프링의 주변을 포함하는 확대도이다.
도 20a는 충돌시의 미엔더스프링의 형상과 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 20b는 충돌시의 미엔더스프링의 형상과 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 20c는 충돌시의 미엔더스프링의 형상과 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 21a는 충돌시의 미엔더스프링의 형상과 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 21b는 충돌시의 미엔더스프링의 형상과 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 21c는 충돌시의 미엔더스프링의 형상과 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 21d는 충돌시의 미엔더스프링의 형상과 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 22a는 비교참고예로서 직선적인 스프링을 설치한 경우의 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 22b는 비교참고예로서 직선적인 스프링을 설치한 경우의 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 22c는 비교참고예로서 직선적인 스프링을 설치한 경우의 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 23은 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터의 전체 구성을 나타낸 도면이다.
도 24a는 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터의 구동변형상태를 나타낸 도면이다.
도 24b는 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터의 구동변형상태를 나타낸 도면이다.
도 25a는 실시예 3에 의한 압전 액츄에이터의 고속구동부의 구성을 나타낸 도면이다.
도 25b는 실시예 3에 의한 압전 액츄에이터의 틸트각감도의 변화특성을 나타낸 도면이다.
도 25c는 실시예 3에 의한 압전 액츄에이터의 최대주응력의 변화특성을 나타낸 도면이다.
도 26a는 실시예 4에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 26b는 실시예 4에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 26c는 실시예 4에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 27a는 실시예 5에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 27b는 실시예 5에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 27c는 실시예 5에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 28a는 실시예 6에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 28b는 실시예 6에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 28c는 실시예 6에 의한 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 사시도이다.
도 29는 본 발명의 실시예 7의 프로젝터(300)의 구성을 나타낸 도면이다.
본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 첨부된 도면을 참조하여 설명한다.
도 1은 본 발명의 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 단면 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에서 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터는 반도체웨이퍼(10)와 구동원(20)을 구비한다. 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터는, 예를 들어, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) 기술을 이용하여 반도체웨이퍼(10)를 가공함으로써 제작할 수 있다. 도 1에서는 이러한 반도체웨이퍼(10)를 이용하여 압전 액츄에이터를 구성한 경우의 예에 대하여 설명한다.
반도체웨이퍼(10)는 실리콘기판(11), SiO2(12, 14) 및 Si활성층(13)을 구비한다. 반도체웨이퍼(10)로서는, 예를 들어, SOI (Silicon On Insulator) 기판이 이용되어도 된다. SOI 기판은 실리콘기판(11)의 사이에 절연막인 SiO2(12)가 형성된 기판으로서, 실리콘기판(11)을 심굴형 반응성 이온에칭 등으로 깎았을 경우에 깎기가 종료된 지점의 저면에 SiO2가 형성되어 있으므로 심굴형 에칭가공을 용이하게 실시할 수 있다.
SiO2(12), Si활성층(13) 및 SiO2(14)에 의해 비임(15)을 형성한다. 비임(15) 부분에서 구동대상물을 지지하거나 구동력을 전달하는 동작을 한다. 실리콘기판(11) 부분은, 예를 들어, 외측의 고정프레임으로서 이용된다.
또한, 반도체웨이퍼(10)는, 예를 들어, 전체가 300~500〔㎛〕의 두께인 반도체웨이퍼(10)가 이용되어도 된다. 예를 들어, 반도체웨이퍼(10)가 350〔㎛〕인 때에 Si활성층(13)이 30〔㎛〕, SiO2 (12, 14)가 0.5〔㎛〕정도로 비임(15)이 합계 31〔㎛〕정도이어도 되고, 반도체웨이퍼(10)의 1/10 정도의 두께로 구성되어도 된다.
구동원(20)은 본실시예에 의한 압전 액츄에이터에서 구동력을 발생시키는 동력원이다. 본실시예에 의한 압전 액츄에이터에서는 구동원(20)으로서 여러 가지 수단을 이용할 수 있지만, 실시예 1에서는 구동원(20)으로서 압전소자(21)를 사용한 경우를 예로 들어 설명한다. 압전소자(21)는 압전박막(22)에 인가된 전압을 힘으로 변환하는 수동소자이다. 본실시예에 의한 압전 액츄에이터에 있어서, 압전소자(21)는 전압이 인가됨으로써 그 길이가 신축함으로써 장착된 비임(15)을 구동시킨다. 압전박막(22)은 여러 가지 압전체를 적용하여도 되지만, 예를 들어, PZT 박막(티탄산 지르콘산납)이 이용되어도 된다. 압전소자(21)는, 예를 들어, 비임(15)이 약 30〔㎛〕인 때에 2〔㎛〕정도의 두께로 형성되어도 된다.
압전소자(21)는 상부전극(23)과 하부전극(24)을 구비한다. 상부전극(23) 및 하부전극(24)은 압전박막(22)에 전압을 인가하기 위한 전극이며, 상부전극(23) 및 하부전극(24)에 전압이 인가됨으로써 압전박막(22)이 신축하여 비임(15)을 구동시킨다.
도 2a~도 2c는 압전소자(21)가 비임(15)에 휨진동을 발생시키는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터를 구동하는 방법을 설명하기 위한 도면이다. 도 2a는 실리콘으로 구성되는 비임(15)과 압전소자(21)의 부분을 모식적으로 나타낸 측면도이다. 도 2a에 나타낸 바와 같이, Si활성층(13) 등으로 구성되는 비임(15) 위에 압전소자(21)가 박막상에 장착되어 있다.
도 2b는 압전소자(21)가 수축변형한 상태를 나타낸 도면이다. 도 2b에 나타낸 바와 같이, 압전소자(21)가 수축하면 비임(15)은 아래로 볼록한 부분이 상방으로 휘어지는 것 같은 형상이 된다.
도 2c는 압전소자(21)가 신장변형한 상태를 나타낸 도면이다. 도 2c에 나타낸 바와 같이, 압전소자(21)가 신장하면 비임(15)은 위로 볼록한 부분이 하방으로 휘어지는 것 같은 형상이 된다.
도 2b와 도 2c에 나타낸 바와 같이, 압전소자(21)는 인가하는 전압의 극성 또는 위상에 따라 위로 휘어지거나 아래로 휘어진다. 본실시예에 의한 압전 액츄에이터에서는, 예를 들어, 이와 같은 압전소자(21)의 성질을 이용하여 압전소자(21)를 구동원(20)으로 하여 구동대상을 구동시킨다.
도 2b와 도 2c에서 설명한 바와 같이, 도 2a와 같은 비임(15) 위에 압전박막(22)이 성막되고 압전소자(21)가 형성된 구조는 구동원(20)의 수축 또는 신장에 의해 진동력을 발생시켜 구동대상물에 틸트력(경동력)을 부여하는 것이 가능하다는 점에서 「구동비임」이라고 부르기로 한다.
도 3a와 도 3b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 전체 구성을 나타낸 사시도이다. 도 3a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 상면 사시도이고, 도 3b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 하면 사시도이다.
도 3a에서 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터는 구동대상물(30), 탄성연결부재(40), 제 2 구동비임(50), 가동프레임(70), 미엔더스프링(80), 제 1 구동비임(90) 및 고정프레임(100)을 구비한다. 또한, 실시예 1에서는 제 1 구동비임(90)과 제 2 구동비임(50)을 구비하고, 압전 액츄에이터를 2축 구동형으로 한 예를 들어 설명하지만, 압전 액츄에이터를 1축의 저속구동형으로서 구성하는 경우에는 제 1 구동비임(90)만을 구비하면 된다. 따라서, 제 2 구동비임(50)은 필요에 따라 설치하면 된다.
압전 액츄에이터의 상면은 중앙부의 표면에 구동대상물(30)이 배치되고, 제 1 구동비임(90) 및 제 2 구동비임(50)의 표면이 압전소자(21)로 이루어지는 구동원(20)으로 덮여있다는 점 이외에는 모두 SiO2(14)로 덮인 Si활성층(13)으로 구성된다.
구동대상물(30)로서는 틸트구동시키는 여러 가지 대상물이 적용되어도 되지만, 예를 들어, 미러가 구동대상물(30)이어도 된다. 미러의 틸트구동은 프로젝터나 프린터용 스캐너 등에 이용될 수 있다.
구동대상물(30)의 중심을 지나도록 X축과 Y축이 설정되어 있다. X축(제1의 축)은 본실시예에 의한 압전 액츄에이터를 저속구동의 1축 액츄에이터로서 사용하는 경우의 틸트축이다. Y축(제2의 축)은 본실시예에 의한 압전 액츄에이터를 X축의 축주위로 저속구동 및 Y축의 주위로 고속구동하는 2축형 압전 액츄에이터로서 사용하는 경우의 고속구동측의 틸트축이다. 또한, 구동대상물(30)을 Y축의 축주위로 고속구동만 시키는 경우에는 고속구동의 1축형 압전 액츄에이터로서 구성하는 것도 가능하다.
또한, 본실시예에 의한 압전 액츄에이터를 X축의 축주위로 구동대상물(30)을 1축 구동시키는 압전 액츄에이터로서 이용하는 경우에는, 구동대상물(30), 탄성연결부재(40) 및 제 2 구동비임(50)을 일체로 하여 X축의 축주위로 틸트구동시키게 된다. 이 경우에는 구동대상물(30), 탄성연결부재(40) 및 제 2 구동비임(50)을 일체로 하여 구동대상물(60)로 생각하여도 된다.
가동프레임(70)은 구동대상물(30, 60)이 연결되어 구동대상물(30, 60)을 연결지지함과 함께, 제 1 구동비임(90)으로부터의 틸트력을 구동대상물(30, 60)에 전달하기 위한 부재이다.
도 3b에 나타낸 바와 같이, 가동프레임(70)은 고정프레임(100)과 마찬가지로, 도 1에서 설명한 Si 지지층(11)으로 두껍게 구성된다. 따라서, 가동프레임(70)은 비임(15)으로서 구성되는 부분보다 무겁게 구성된다. 또한, 가동프레임(70)은 X축의 양측에는 넓은 면적으로 크게 추(weight)부(71)로서 형성되고, Y축의 양측은 추부(71)를 연결하는 연결부(72)로서 형성된다. 이로써, X축의 축주위의 틸트운동에 대해서는 부여된 틸트력을 추부(71)의 무게에 의해 저속화할 수 있다. 즉, 제 1 구동비임(90)에 의해 부여되는 틸트력이 원하는 틸트력보다 큰 경우더라도 구동력을 저감시켜 원하는 저속구동을 할 수 있다.
다시 도 3a을 참조한다. 도 3a에서는 가동프레임(70)의 연결부(72)가 도시되어 있지 않지만, 도 3b에서 설명한 바와 같이, 제 2 구동비임(50)은 가동프레임(70)의 연결부(72)에 연결된 구성으로 되어 있다.
미엔더스프링(사행스프링, 80)은 제 1 구동비임(90)에 의해 발생한 틸트력을 가동프레임(70)에 전달하기 위한 부재이다. 미엔더스프링(80)은 비임(15)의 구조를 가지므로 탄성이 있고, 제 1 구동비임(90)으로부터 전달된 틸트력을 흡수해 저감할 수 있다. 또한, 미엔더스프링(80)은 간격을 두고 사행하는(꾸불꾸불한) 형상을 가져 탄성이 더욱 증가되는 형상으로 되어 있으므로, 단순한 직선적인 비임(15)보다 큰폭으로 탄성을 증가시킬 수 있다. 미엔더스프링(80)도 제 1 구동비임(90)에서 발생한 틸트력을 저감시키면서 가동프레임(70)의 연결부(72)에 전달한다.
제 1 구동비임(90)은, 도 2a~도 2c에서 설명한 바와 같이, 압전소자(21)를 구동원(20)으로서 구비하고, 상방 또는 하방으로 휘어지는 변형을 교대로 반복하는 것으로, 틸트진동하는 틸트력을 발생시키는 구동력 발생수단이다. 제 1 구동비임(90)은 X축의 연장방향의 양측에서 가동프레임(70)을 사이에 두도록 배치됨과 함께 X축에 수직인 방향으로 연장하고 있다. 즉, X축과 제 1 구동비임(90)에 의해 H 문자를 그리도록 배치되어 있다. 또한, 제 1 구동비임(90)은 X축에서 분단되도록 별체인 제 1 구동비임(90)이 X축의 양측으로 배치되어 있다. 그리고, X축을 기준으로 하여 같은 측에 있는 제 1 구동비임(90)에 동일 방향으로 변위하는 전압이 인가되고, X축을 기준으로 하여 반대측에 있는 제 1 구동비임(90)에는 서로 역방향으로 변위하는 전압이 인가되는 전극 및 배선 구성으로 되어 있다. 이로써, X축을 경계로 하여 한쪽은 상방으로 휘어지고 다른쪽은 하방으로 휘어지도록 변형되므로, 미엔더스프링(80)을 틸트시키는 구동력을 발생시킬 수 있다.
제 1 구동비임(90)의 진동은 공진진동이다. 공진진동은 진동에너지가 크고 큰 틸트각감도를 발생시킬 수 있지만, 진동 주파수가 높기 때문에 저속구동에 그대로 이용하는 것이 일반적으로는 곤란하다. 그러나, 본실시예에 의한 압전 액츄에이터에서는 큰 탄성을 갖는 미엔더스프링(80)과 추부(71)를 구비한 가동프레임(70)을 통하여 구동대상물(30, 60)에 틸트력을 전달하므로 주파수를 충분히 저하시켜 저속구동시킬 수 있다.
또한, 본실시예에 의한 압전 액츄에이터는 구동대상물(30)을 2축 구동시키는 경우에는, 제 2 구동비임(50)에 대해서도 공진진동에 의해 틸트력을 발생시킨다. 제 2 구동비임(50)은 Y축의 축주위로 구동대상물(30)을 고속구동하면 되므로, 공진에 의해 고속진동을 발생시켜 탄성연결부재(40)를 통하여 응력의 저감을 꾀하면서도 진동을 전달시켜 직접적으로 구동대상물(30)에 틸트력을 부여하도록 구성되어 있다.
이하, 본실시예에 의한 압전 액츄에이터를 2축 구동형으로서 구성하고 있는 경우에는, X축의 축주위로 60Hz로 ±9deg의 틸트각으로 틸트하고, Y축의 축주위로 30kHz로 ±12deg의 틸트각으로 틸트구동하는 압력 액츄에이터를 구성한 경우의 예를 들어 설명하는 것으로 한다.
다음으로, 도 4a와 도 4b를 이용하여 본실시예에 의한 압전 액츄에이터의 세부 구조에 대하여 설명한다. 도 4a와 도 4b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 세부 구성을 나타낸 도면이다. 도 4a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 구동대상물(30)과 제 1 구동비임(90)의 사이의 세부 구성을 나타낸 도면이다.
도 4a에서 구동대상물(30)으로서 미러(31)가 이용되고, 미러(31)와 제 2 구동비임(50)을 연결하는 탄성연결부재(40)의 세부 구성과, 가동프레임(70)의 추부(71)와 고정프레임(100)의 사이의 세부 구성과, 제 1 구동비임(90)과 가동프레임(70)의 연결부(72)의 연결관계의 세부 구성이 나타나 있다.
도 4a에서 미러(31)의 주변은 30kHz로 공진구동하는 고속구동부(55)의 구조를 나타내고 있다. 고속구동부(55)는 제 2 구동비임(50)과 탄성연결부재(40)를 포함한다. 미러(31)와 제 2 구동비임(50)을 연결하는 탄성연결부재(40)는 미러(31)에 연결된 부분이 2개로 분리된 2개의 스프링에 의한 구조로 되어 있다. 탄성연결부재(40)는, 도 1에서 설명한 바와 같이, 비임(15)으로서 얇게 형성됨과 동시에 형상적으로도 직선상의 얇은 비임(15)으로서 형성되어 있으므로 탄성체로서 구성된다.
또한, 추부(71)와 고정프레임(100)의 사이의 고정프레임(100)측에는 돌기(101, 102)가 형성되어 있다. 또한, 돌기(101, 102)의 각각과 대향하여 추부(71)에는 추부돌기(73, 74)가 형성되어 있다. 이들에 의해 추부(71)의 수평방향의 가동범위를 규제할 수 있다. 돌기(101)는 세로방향(Y축방향)의 추부(71)의 가동범위를 규제하고, 돌기(102)는 횡방향(X축방향)의 추부(71)의 가동범위를 규제하고 있다. 즉, 돌기(101)가 존재하지 않으면 추부(71)와 고정프레임(100)의 간극의 크기만큼 추부(71)가 이동할 수 있으므로, 외적충격에 의해 미엔더스프링(80) 등에 큰 힘이 가해져 파손을 초래할 염려가 있지만, 돌기(101)를 형성함으로써 파손의 위험성을 저감시킬 수 있다. 이와 마찬가지로, 돌기(102)가 존재하지 않으면 추부(71)는 외력에 의한 충격에 의해 구동원(90)에 충돌하여 파손을 초래할 염려가 있지만, 돌기(102)를 형성함으로써 파손을 방지할 수 있다.
또한, 도 4a에서 고정프레임(100)의 표면에 고속구동부용 배선단자(103)와 전극배선(104)이 형성되어 있다. 고속구동부용 배선단자(103)는 고속구동부(55)의 제 2 구동비임(50)의 전극(23, 24)에 전력을 공급하기 위한 배선단자이고, 전극배선(104)은 이와 동일한 목적의 배선이다. 제 2 구동비임(50)은 구동대상물(30) 부근의 중앙영역에 있으므로, 제 2 구동비임(50)에 전력을 공급하기 위해서는 외측에 있는 고정프레임(100), 제 1 구동비임(90), 미엔더스프링(80)을 통하여 전력을 공급할 수 밖에 없지만, 본실시예에 의한 압전 액츄에이터는 제 1 구동비임(90)이 간소한 형상이므로 전극배선(104)의 회선을 작게하여 소비전력을 저감시킬 수 있다. 한편, 이 점의 자세한 것에 대해서는 후술한다.
도 4b는 미엔더스프링 주변의 확대도이다. 도 4b에 나타낸 바와 같이, 구동원(90)은 X축을 따라 공극(91)을 가지고, X축의 양측에서 상이한 변형을 실시할 수 있도록 되어 있다. 그리고, 미엔더스프링(80)은 공극(91)에 걸치도록 하여 X축의 양측 2개의 구동원(90)의 양방에 연결되어 있다. 이로써, 구동원(90)은 X축을 경계로 하여 앞측과 뒤측에서 연직 상하방향으로 반대의 반전변형을 함으로써 교대로 진동하는 틸트력을 미엔더스프링(80)에 가할 수 있고, 구동대상물(30, 60)을 틸트구동할 수 있다. 또한, 도 4b에는 압전 액츄에이터 전체중 좌측 단부만이 도시되어 있지만, 우측 단부도 구동원(90)에 동일한 틸트구동을 실시하게 함으로써 좌우양측(X축상의 플러스마이너스 양측)에서 틸트력을 부여하여 구동대상물(30, 60)을 틸트구동시킬 수 있다.
또한, 미엔더스프링(80)의 스프링구조는 인접하는 스프링부와의 거리 모두가균등하지는 않은 부등간격의 스프링구조를 가지고 있다. 이 점에 대한 자세한 것은 후술한다.
또한, 미엔더스프링(80)을 따라 전극배선(104)이 설치되어 있다. 미엔더스프링(80)의 접혀진 횟수가 적고 전체 길이가 짧으므로, 전극배선(104)을 저저항으로서 구성할 수 있고 소비전력을 향상시킬 수 있다. 이 점에 대해서도 자세한 것은 후술한다.
도 5a~도 5c는 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터의 구성을 나타낸 도면이다. 도 5a는 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터(200)의 전체 구성의 일례를 나타낸 사시도이고, 도 5b는 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터(200)의 중앙 단면사시도의 일례이며, 도 5c는 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터(200)의 중앙 단면도이다.
도 5a에 도시된 바와 같이, 본실시예에 따른 패키징된 압전 액츄에이터(200)는 압전 액츄에이터(110)가 패키지(140)에 수용되고 상면을 봉지유리(150)로 봉지하여 구성된다. 본실시예에 의한 압전 액츄에이터(110)는, 예를 들어, 진공봉지 또는 Ar나 N2에 의해 봉지유리(150)를 이용하여 가스봉지가 행하여 진다. 구동대상물(30)이 미러(31)인 경우 봉지유리(150)를 투과하여 미러(31)에 광이 조사되고, 조사된 광을 반사하여 틸트에 의해 스캔시킴으로써, 프로젝터나 스캐너용의 패키징된 압전 액츄에이터(200)로서 구성할 수 있다.
도 5b에서 패키징된 압전 액츄에이터(200)는 패키지(140)내에 하방규제부재(130)가 수용되고, 그 위에 압전 액츄에이터(110)가 수용되고, 이 압전 액츄에이터(110)의 상방에 상방규제부재(120)가 형성되고, 그 위가 봉지유리(150)로 봉지되어 있다. 하방규제부재(130)는 중앙부에 접착제저장부(131)를 구비하여 접착제를 저장하여 패키지(140)와의 접착고정이 가능하게 구성되어 있다.
도 5c에서 압전 액츄에이터(110)의 하방에는 하방규제부재(130), 상방에는 상방규제부재(120)가 형성되고, 하방으로부터 패키지(140)가 전체를 수용함과 동시에 상면에 봉지유리(150)가 형성된 단면 구성이 도시되어 있다. 또한, 하방규제부재(130)의 중앙부에는 접착제저장부(131)가 형성되어 있다.
압전 액츄에이터(110)의 가동범위는 상방은 상방규제부재(120)에 의해 규제되고, 하방은 하방규제부재(130)에 의해 규제된다. 이로써, 패키징된 압전 액츄에이터(200)가 낙하 등에 의해 큰 충격을 받은 경우에도 압전 액츄에이터(110)의 급격한 이동을 규제하여 파손을 방지할 수 있다.
도 6a~도 6c는 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터(200)의 분해도이다. 도 6a는 패키징된 압전 액츄에이터(200)의 전체 분해도이다. 도 6a에서 압전 액츄에이터(110)의 상방에는 상방규제부재(120), 하방에는 하방규제부재(130)가 형성되고, 하방으로부터 전체를 패키지(140)가 수용하고, 상면을 봉지유리(150)가 덮는 구성으로 되어 있다.
패키지(140)는 중앙부에 오목부(141)를 구비하고, 오목부(141) 외측의 평탄부(142)에 압전 액츄에이터(110)의 고정프레임(100)을 재치하는 구성으로 되어 있다. 또한, 평탄부(142)의 X축상에는 하방규제부재(130)를 재치하는 재치부(143)가 형성되어 있다. 도 4a와 도 4b에 있어서 설명한 바와 같이, 본실시예에 따른 패키징된 압전 액츄에이터(200)는 압전 액츄에이터(110) 자체의 수평방향의 가동범위를 규제하는 돌기(101, 102)를 구비하고 있다. 또한, 연직방향으로는 압전 액츄에이터(110)의 고정프레임(100)에 장착되는 상방규제부재(120) 및 패키지(140)에 장착되는 하방규제부재(130)를 구비하고 있다. 따라서, 본실시예에 따른 패키징된 압전 액츄에이터(200)는 수평 2방향 및 연직 2방향으로 각각 가동프레임(70)의 가동범위를 규제하는 구성을 구비하고 있어 낙하 등의 충격에 강한 구성으로 되어 있다.
도 6b는 상방규제부재(120)의 확대사시도이고, 도 6c는 하방규제부재(130)의 확대사시도이다. 상방규제부재(120)는 압전 액츄에이터(110)의 고정프레임(100)상에 재치하도록 구성되고 있고, 하방규제부재(130)는 패키지(140)의 중앙 양측의 재치부(143)에 재치하여 매달리도록 펜던트부(132)를 가지고 있다. 또한, 하방규제부재(130)의 중앙부에 접착제저장부(131)를 갖는다는 점은 도 5a~도 5c에서 설명한 바와 같다.
이와 같이, 상방규제부재(120) 및 하방규제부재(130)는 압전 액츄에이터(110) 또는 패키지(140) 등에 재치함으로써 용이하게 형성할 수 있고 상하방향으로의 충격에 강한 압전 액츄에이터(110)를 실현할 수 있는 구성으로 되어 있다.
다음으로, 도 3a~도 4b에서 설명한 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 개개의 구성에 있어서 그 구성이 달성하는 기능에 대하여 상세히 설명한다.
먼저, 도 7a~도 7c를 이용하여 미엔더스프링(80)의 기능에 대하여 설명한다. 도 7a~도 7c는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 미엔더스프링(80)의 기능에 대하여 설명하기 위한 도면이다. 도 7a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 전체 구성을 나타낸 사시도이며, 도 7b는 비교참고예로서 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 미엔더스프링(80)을 직선적인 비임(15)에 의한 연결부재(180)로 한 경우의 전체 구성을 나타낸 도면이다. 또한, 도 7c는 도 7a에 나타낸 미엔더스프링(80)을 가지는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)와 도 7b에 나타낸 미엔더스프링(80)을 가지지 않고 연결부재(180)를 갖는 압전 액츄에이터의 특성의 비교를 나타낸 도면이다.
도 7c에서 상단이 도 7a의 미엔더스프링을 갖는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 특성을 나타내고, 하단이 도 7b의 미엔더스프링(80)을 가지지 않는 비교참고예의 압전 액츄에이터의 특성을 나타내고 있다. 양자를 비교하면 틸트각감도는 모두 2.21Deg/V로 동일하지만, 공진주파수가 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)는 60Hz인데 반해, 비교참고예의 압전 액츄에이터는 200Hz로 되어 있다. 즉, 미엔더스프링(80)은 공진주파수를 저감시키는 효과가 있다고 생각된다.
또한, 도 7c에서 최대응력을 비교하면, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)가 0.08GPa인데 반해, 비교참고예의 압전 액츄에이터는 0.35GPa로서 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)보다 높아지고 있다. 이러한 점으로부터, 미엔더스프링(80)은 최대응력을 저감하고 응력집중을 방지하는 효과가 있다고 생각된다.
이상을 정리하면, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)가 갖는 미엔더스프링(80)은 틸트각감도에는 어떤 영향을 주지 않지만, 공진주파수를 저하시켜 응력집중을 방지하는 효과가 있다. 이와 같이, 구동원(90)과 가동프레임(70)의 사이에 미엔더스프링(80)을 설치함으로써 공진주파수를 낮추고 최대응력을 저감할 수 있다.
다음으로, 도 3a와 도 3b에서 설명한 가동프레임(70)의 추부(71)에 대하여 설명한다. 도 3b에 도시된 바와 같이, 가동프레임(70)은 X축의 양측으로 X축을 사이에 두도록 추부(71)를 구비하고, 추부(71)가 Y축을 사이에 두는 연결부(72)로 연결된 형상을 가진다. 그리고 추부(71)를 포함하는 가동프레임(70)은 모두 도 1에서 설명한 Si 지지층(11)으로 형성되어 있다. 추부(71)는 도 7a~도 7c에서 설명한 미엔더스프링(80)과 마찬가지로 구동원(90)에서 발생한 틸트력의 진동주파수를 저하시키는 기능을 갖는다. 추부(71)의 면적을 보다 크게 하거나 또는 Si 지지층(11)의 두께를 보다 두껍게 하면, 추부(71)의 질량이 증가해 공진주파수를 보다 대폭 저하시킬 수 있다.
한편, 압전 액츄에이터(110)에는 통상 소형이고 공간이 절약되도록 구성하는 요청이 있는 경우가 많으므로, 추부(71)를 포함하는 가동프레임(70)의 형상은 미엔더스프링(80)의 형상도 감안한 후에 양자에서 원하는 저속의 주파수가 얻어지도록 조정하도록 하면 된다. 예를 들어, X축방향으로 구동대상물(30)을 저속의 60Hz로 구동하는 경우에는, 구동원(90)이 발생시키는 공진진동의 주파수를 저하시켜 60Hz의 주파수가 얻어지도록 미엔더스프링(80)과 추부(71)를 조정하여 구성하면 된다.
이와 같이, 미엔더스프링과 추부(71)라고 하는 2개의 공진주파수 저하수단을 구비함으로써, 구동원(90)을 공진진동시켜도 확실하게 원하는 저주파수 진동을 얻을 수 있다.
다음으로, 도 8a~도 11b를 이용하여 가동프레임(70)의 다른 기능에 대하여 설명한다. 도 8a과 도 8b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)를 2축으로 구성하고, 각 축주위로서 틸트동작시킨 상태를 나타낸 도면이다. 도 8a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)를 X축의 축주위로 틸트구동시킨 상태를 나타낸 도면이고, 도 8b는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)를 Y축의 축주위로 틸트구동시킨 상태를 나타낸 도면이다.
도 8a에서 구동대상물(30)은 X축의 축주위로 틸트구동하고 있지만, 탄성연결부재(40)는 어떠한 변형을 일으키지 않고 Y축으로 아무런 진동을 전달하지 않는 상태로 되어 있다. 이와 마찬가지로, 도 8b에서 구동대상물(30)은 Y축의 축주위로 틸트구동하고 있지만, 미엔더스프링(80)은 어떠한 변형을 일으키지 않고 X축으로 아무런 진동을 전달하지 않는 상태로 되어 있다.
이와 같이, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)를 2축형으로서 구성한 경우, X축 주위의 저속구동과 Y축 주위의 고속구동은 서로의 구동계에 진동을 주지 않는 독립진동계로 되어 있다. 또한, 실시예 1에서는 X축의 축주위의 틸트를 60Hz로 구동시키고 Y축의 축주위의 틸트를 30kHz로 구동시키고 있지만, 구동주파수의 설정을 용도에 따라 여러 가지로 변경하여도 마찬가지의 독립진동계로서 구성할 수 있다.
도 9a와 도 9b는 각 공진 구동주파수의 인접 공진주파수에서의 최대응력과 틸트각감도를 나타낸 도면이다. 도 9a는 X축 주위의 60Hz구동에 있어서의 공진진동주파수의 인접 공진주파수에서의 최대응력과 틸트각감도를 나타낸 도면이다. 통상적으로 어느 공진주파수로 구동대상물(30)을 구동하는 경우, 공진주파수의 5배 범위내의 공진주파수의 배수의 값에서 고주파성분이 실리지 않으면 진동에 간섭이 생기지 않는다고 알려져 있다. 따라서, 60Hz의 공진주파수로 구동대상물(30)을 구동하는 경우에는, 60Hz의 배수인 120Hz, 180Hz, 240Hz, 300Hz의 주파수에서 고주파성분이 나타나지 않으면 된다. 도 9a에서는 60Hz~300Hz의 범위의 상기 주파수값에서 틸트각감도 특성의 피크와 같은 것이 존재하지 않는다. 또한, 최대응력은 상술한 바와 같이 0.5GPa이하이면 문제없는 값이라고 할 수 있는데, 도 9a에서는 최대응력이 0.2Gpa를 넘지 않으므로 문제없는 특성으로 되어 있다. 따라서, 도 9a로부터 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 X축 주위의 틸트구동은 Y축의 틸트와 간섭을 일으키지 않고, 또한 강도적으로도 문제가 없는 구성이라는 것을 알 수 있다.
도 9b는 Y축 주위의 30kHz 구동에 있어서의 공진진동 주파수의 인접 공진주파수에서의 최대응력과 틸트각감도를 나타낸 도면이다. 도 9b에서 30kHz 부근에서 틸트각감도가 피크를 가지고 최대응력도 피크를 가지고 있다. 틸트각감도의 특성에서는 30kHz이외의 영역에서 피크는 발생하고 있지 않고, 또한, 최대응력도 피크치인 0.5GPa보다 작은 값인 0.49Gpa로 되어 있다. 따라서, 도 9b로부터 Y축의 축주위의 틸트구동에서도 X축의 틸트구동과의 간섭은 발생하지 않고, 강도적으로도 문제가 없는 구성이라는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 본실시예에 의한 압전 액츄에이터(110)는 X축과 Y축의 틸트에 있어서 간섭을 일으키지 않는 독립진동계임과 동시에 강도적으로도 문제가 없는 구성으로 되어 있다.
도 10은 X축 주위의 틸트구동과 Y축 주위의 틸트구동에서 간섭이 발생하지 않는 이유를 설명하기 위한 도면이다. 도 10에 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 하면측의 전체 구성의 일례의 사시도가 나타나 있지만, 가동프레임(70)의 형상에 주목하면, 가동프레임(70)은 구동대상물(30)을 주위에서 평면적으로 둘러싸는 고리형구조를 가지고 있다. 그리고, Y축 주위의 틸트운동은 가동프레임(70)의 프레임내에서 완결하는 구성으로 되어 있고, X축 주위의 틸트운동은 가동프레임(70)의 연결부(72)에 틸트력을 부여해 완결하도록 구성되어 있다. 또한, 가동프레임(70)은 Si 지지층(11)으로 형성되어 있고, 강성을 갖는 부재로 구성되어 있다.
즉, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)에서는 30kHz 공진구동부인 제 2 구동원(50)과 탄성연결부재(40) 및 구동대상물(30)을 내포하는 가동프레임(70)을 고리형구조로 함으로써, 구조적으로 강고해지고 30kHz 공진시의 진동을 미엔더스프링(80) 및 구동원(90)에 전달시키지 않는 효과가 있다. 또한, 반대로 60Hz 공진구동부인 구동원(90)으로부터 제 2 구동원(50) 및 탄성연결부재(40)으로의 진동전파도 방해하고 있다. 따라서, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)는 각각의 구동원(50, 90)이 진동적으로 독립하고 간섭의 발생이 억제되는 구조로 되어 있다.
도 11a와 도 11b는 비교참고예로서 가동프레임(70)에서 연결부(80)를 없애고, 가동프레임(70)을 고리형구조가 아닌 추부(71)만이 X축의 양측에 존재하는 구성으로 한 압전 액츄에이터의 동작상태를 나타낸 도면이다. 도 11a는 60Hz 공진구동시의 동작상태를 나타내고, 도 11b는 30kHz 공진구동시의 동작상태를 나타낸 도면이다.
도 11a에서는 구동축과 수직인 탄성연결부재(40)가 공진하고 있는지 아닌지는 명확히 도시되어 있지 않지만, 도 11b에서는 구동축이 아닌 미엔더스프링(80)에 변형이 생겨 구동축인 Y축과 수직인 미엔더스프링(80)에서 공진하고 있는 것이 도시되어 있다. 이와 같이, 가동프레임(70)이 고리형구조가 아니고, 미엔더스프링(80)과 고속구동부(55)의 제 2 구동비임(50)의 사이에 Si 지지층(11)의 연결부(72)가 존재하지 않으면 30kHz 구동시에 미엔더스프링(80)이 공진하여 X축의 틸트구동과 Y축의 틸트구동의 사이에 간섭이 발생한다는 것을 알 수 있다.
다음으로, 도 12a~도 16을 이용하여 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 저소비전력 구조에 대하여 설명한다. 본실시예에 의한 압전 액츄에이터(110)에서는 틸트각감도의 향상, 배선길이를 짧게 하여 저저항화, 전극면적을 작게 하는 등에 의해 저소비전력 구조로 하고 있다.
먼저, 도 12a~도 14를 이용하여 Y축 주위의 고속구동부(55)의 틸트각감도 향상과 최대응력을 저감하는 구성에 대하여 설명한다.
도 12a~도 12c는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 고속구동부(55)의 형상의 최적설계를 실시하는 방법을 나타낸 도면이다. 도 12a는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터의 고속구동부(55)의 평면 구성을 나타낸 도면이다. 도 1에 있어서 설명한 바와 같이, 압전 액츄에이터(110)는 반도체웨이퍼(10) 등에 의해 구성되어도 되지만, Si의 비틀림모드에 의한 동적인 파단응력은 2GPa 정도이다. D－RIE(Deep Reactive Ion Etching, 심굴형 반응성 이온에칭)에 의한 가공변질층을 고려하면 파단응력은 1.5GPa 정도가 된다. 나아가, 반복응력의 인가를 고려하면 최대응력을 0.5GPa이하로 설계할 필요가 있다. 또한, 틸트각감도는 12deg/V이상을 목표값으로 한다.
도 12a에서 압전 액츄에이터(110)의 고속구동부(55)는 탄성연결부재(40)와 제 2 구동비임(50)을 구비한다. 탄성연결부재(40)는 제 1 스프링(41), 제 2 스프링(42) 및 스프링연결부(43)를 갖는다. 구동대상물(30)은 제 1 스프링(41), 스프링연결부(43) 및 제 2 스프링(42)를 통하여 제 2 구동비임(50)에 연결되어 있다.
도 12a~도 12c에 있어서 각 파라미터를 이하와 같이 정하는 것으로 한다. 제 1 스프링(41) 및 제 2 스프링(42)의 폭은 모두 0.06mm로 한다. 스프링 폭을 변경함으로써 공진주파수를 크게 변경할 수 있다. 또한, 제 1 스프링(41)간 거리를 A, 제1/제2스프링간 거리(스프링연결부(43)의 길이)를 B, 제 1 스프링(41) 및 제 2 스프링(42)의 X축방향의 가장 외측으로부터 Y축까지의 거리를 C로 하면, C를 가변으로 함으로써 공진주파수를 일정한 30kHz로 조정할 수 있다. 또한, 제 1 스프링(41)과 구동대상물(30)의 연결지점(45)의 R반경을 R1로 하면 R1=A/2로 설정한다. 이와 마찬가지로, 스프링연결부(43)의 내측의 R반경을 R2로 하면 R2=B/2로 설정한다. 이와 같은 조건하에서 틸트각감도가 최대가 되는 파라미터 A, B를 산출한다. 또한, 구동대상물(30)은 Y축의 축주위로 ±12deg 기울이는 조건에서 파라미터 A, B를 산출한다.
도 12b는 도 12a의 조건하에서 구동대상물(30)을 ±12deg 틸트시키는 경우에, 2개의 제 1 스프링(41)간 거리(A)와 스프링연결부(43)의 길이(B)를 파라미터로 했을 때 최대응력의 변화특성을 나타낸 도면이다. 도 12b에서 가로축은 스프링연결부(43)의 길이(B)〔mm〕, 세로축은 최대응력〔GPa〕를 나타내고 있다.
도 12b에 A의 값이 작을수록 최대응력이 작은 것이 나타나 있다. 또한, 응력(σ)이 극소가 되는 스프링연결부(43)의 길이(B)를 Bmin으로 하면, 거리(A)와 길이(Bmin)의 관계는 하기의 식(1)으로 나타내어진다.
[식 1]
Figure 112012006150098-pct00001
상기의 식(1)은 각 특성곡선의 극소값을 연결하여 얻어진 관계식이다.
도 13a~도 13c는 스프링연결부(43)의 길이(B)가 극소값을 가지는 이유를 설명하기 위한 도면이다. 식(1)로부터 A=0.3mm의 곡선에 있어서의 극소값은 Bmin=(－0.2)*0.3＋0.28=0.22≒0.2이다. 도 13a~도 13c에는 A=0.3mm의 경우에 B의 값을 변화시킨 응력분포도를 나타내고 있다.
도 13a는 B=0.1mm의 경우의 액츄에이터의 응력분포를 나타낸 도면이다. 도 13a는 B＜Bmin=0.2mm인 경우의 응력분포를 나타내고 있고, 이 경우 제 2 스프링(42)에 응력이 집중하고 있다.
도 13b는 B=0.3mm인 경우의 액츄에이터의 응력분포를 나타낸 도면이다. 도 13b는 B＞Bmin=0.2mm의 경우의 응력분포를 나타내고 있고, 이 경우 제 1 스프링(41)에 응력이 집중하고 있다.
도 13c는, B=0.2mm인 경우의 액츄에이터의 응력분포를 나타낸 도면이다. 도 13c는 B=Bmin=0.2mm인 경우의 응력분포를 나타내고 있고, 이 경우 제 1 스프링(41)과 제 2 스프링(42)의 중간부근의 스프링연결부(43)의 위치에 응력이 집중한다.
도 12a에 나타낸 구성에 있어서, 제 1 스프링(41) 및 제 2 스프링(42)의 폭은 0.06mm로, 이들을 연결하고 있는 스프링연결부(43)보다 좁고 비틀림부를 포함하게 된다. 따라서, 스프링연결부(43)의 길이를 짧게 하면 제 2 스프링(42)의 비틀림부에 응력이 집중하고, 스프링연결부(43)의 길이를 길게 하면, 제 1 스프링(41)의 비틀림부에 응력이 집중하지만, 스프링연결부(43)의 길이를 중간길이로 함으로써 스프링연결부(43)에 응력집중부를 이동시킬 수 있다. 폭이 넓고, 큰 비틀림부를 포함하지 않는 스프링연결부(43)에 응력집중부를 이동 시킴으로써, 구동대상물(30)을 ±12deg 틸트시켰을 때의 응력을 저감시켜 극소값을 갖도록 할 수 있다.
다시 도 12b를 참조한다. 도 12b의 변화특성에 있어서 응력이 한계값인 5GPa 이하를 나타낸 것은 A=0.1mm, A=0.03mm 및 A=0.005mm의 곡선의 일부 범위이다. 즉, 도 12b에서 나타낸 특성곡선에 있어서 A＜0.2mm로서 B가 소정범위내의 영역인 경우이다. 한편, A≥0.2mm인 특성곡선에 있어서는, B의 값에 관계없이 최대응력은 0.5GPa를 나타내고 있다.
여기서, A＜0.2mm인 특성곡선에 있어서, 응력이 한계값인 0.5GPa와 교차하는 B의 값이 작은 쪽의 관계식은 하기의 식(2)으로 나타내어진다.
[식 2]
Figure 112012006150098-pct00002
또한, 각 특성곡선이 응력이 0.5GPa에서 교차하는 B의 값이 큰 쪽의 관계식은 하기의 식(3)으로 나타내어진다.
[식 3]
Figure 112012006150098-pct00003
따라서, 응력이 한계값인 0.5GPa 이하를 나타내는 것은 상기의 식(1)을 만족하는 Bmin뿐만 아니라, 하기의 식(4)으로 나타내어지는 범위이다.
[식 4]
Figure 112012006150098-pct00004
도 12c는 상기의 식(1)~(4)의 관계식을 만족하는 영역을 나타낸 도면이다. 도 12c에서 가로축은 제 1 스프링(41)간의 거리(A)〔mm〕, 세로축은 스프링연결부(43)의 길이(B)〔mm〕를 나타내고 있다. 도 12c에서 식(4)를 만족하는 범위가 사선으로 도시되어 있고, 영역의 경계선인 식(2)과 식(3)의 사이에 식(1)이 나타나 있다. 응력저감의 관점에서 보면 식(1)을 만족하는 A, B의 조합이 최적이지만, 식(4)로 나타내지는 범위내에 들어가 있으면 설계상 문제없다고 할 수 있다. 따라서, 식(4)를 만족하는 사선의 범위내에서 제 1 스프링(41)간의 거리(A) 및 스프링연결부(43)의 길이(B)를 정하면 된다는 것을 알 수 있다.
도 14는 제 1 스프링(41)간 거리(A) 및 스프링연결부(43)의 길이(B)를 파라미터로 한 경우의 틸트각감도의 특성을 나타낸 도면이다. 도 14에서 가로축은 스프링연결부(43)의 길이(B)〔mm〕, 세로축은 틸트각감도〔deg/V〕를 나타내고 있다.
도 14에서 A, B의 값이 모두 클수록 틸트각감도가 커지는 것이 나타나 있다. 따라서, 도 12c에서 산출한 최대응력이 0.5GPa이하인 범위에서 틸트각감도가 최대가 되는 A, B의 값이 최적인 파라미터 설정이 된다.
이 범위에서 생각하면, A=0.03mm, B=0.35mm가 최적인 값이 된다. 이 때, 다른 값은 제 1 스프링(41)의 각각과 제 2 스프링(42)의 폭은 모두 0.06mm, C=1.2mm, R1=0.015mm, R2=0.175mm가 된다. 이 경우의 특성은 틸트각감도가 3.58deg/V이며, ±12deg의 틸트각으로 틸트시키기 위한 전압이 0－6.5 V, 최대응력이 0.49Gpa이 된다.
종래에는 틸트각 각도가 12deg/V였으므로, ±12deg의 틸트각으로 틸트시키기 위한 전압은 0－20V였다. 본실시예에 의한 압전 액츄에이터(110)에 의하면, 감도향상에 의해 고속구동부(55)의 소비전력이 1/9.5로 감소한다.
도 15는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 배선길이를 짧게 하는 구성을 설명하기 위한 도면이다. 일반적으로 2축형 압전 액츄에이터의 경우, 고속구동을 하는 구동원(20)은 구동대상물(30) 부근에 형성되고, 저속구동을 하는 구동원은 고속구동을 하는 구동원(20)보다 외측에 형성되는 경우가 많다. 이 경우, 고속구동을 하는 구동원(20)의 전극(23, 24)으로의 전원공급을 위한 배선은 외측의 저속구동을 하는 제 1 구동비임(90)에 따라 설치되는 경우가 많다.
본실시예에 의한 압전 액츄에이터(110)는 저속구동을 몇번이나 되풀이한 구동비임의 비공진구동에 의해 틸트구동을 축적하여 가는 방식이 아니고, 공진구동을 하고 주파수를 미엔더스프링(80)이나 추부(71)에 의해 저하시켜 저속구동을 하는 방식을 채용하고 있다. 따라서, 저속구동을 하는 제 1 구동비임(90)은 복잡한 폴딩백(folding-back) 구조를 가지지 않고, 고정프레임(100)의 근처에 2개(4피스) 존재할 뿐이다. 따라서, 중앙부에 존재하는 30kHz 구동부(40, 50)에 전원을 공급함에 있어 폴딩백 구조에 따른 복잡한 배선의 우회가 필요치 않고 짧은 배선으로 전원을 공급할 수 있다.
도 15에 도시된 바와 같이, 고정프레임(100)에는 고속구동용 배선단자(103)가 4개소 형성되어 있다. 도 4a와 도 4b에 있어서 설명한 바와 같이, 전체로서 외측에 2열만 존재하는 제 1 구동비임(90)을 따라 배선하면, 매우 짧은 배선으로 30kHz 공진부의 제 2 구동비임(50)에 도달할 수 있고, 짧은 배선으로 30kHz 공진부용의 전원공급배선을 배치할 수 있다. 이로써, 종래보다 배선길이가 1/10로 감소하고, 배선저항의 저하에 의해 소비전력을 저감할 수 있다.
또한, 저속구동을 하는 제 1 구동비임(90)도 상술한 바와 같이 폴딩백 구조가 아닌 2개의 제 1 구동비임(90)만이 외측에 배치된 구조이므로, 구동원(20)의 면적은 대폭 감소한 구성으로 되어 있다. 구동원(20)의 면적 감소와 상기 서술한 틸트각감도의 향상(종래 0.8deg/V→본실시예 2.2deg/V)에 의해 저속구동을 하는 제 1 구동비임(90)의 소비전력을 1/15정도로 저감할 수 있다.
또한, 고속구동을 하는 제 2 구동비임(50)의 구동원(20)의 면적은 종래의 고속구동을 하는 구동원(20)의 면적과 같으므로, 역시 틸트각감도의 향상과 배선저항 저감의 상승효과에 의해 제 2 구동비임(50)의 소비전력을 1/20정도로 할 수 있다.
나아가 저속구동의 구동원으로서 비공진 구동을 하고 틸트구동의 변위를 축적하여 가는 방식이라면, 몇겹에 걸친 폴딩백 구조가 포함되므로 좁은 간격의 Line/Space부가 많이 존재하게 된다. 이와 같은 폴딩백 구조는 제조도 곤란하여 제조수율이 저하하는 경향이 있다. 한편, 본실시예에 의한 압전 액츄에이터(110)에서는 저속구동을 하는 제 1 구동비임(90)에 복잡한 폴딩백 구조가 포함되지 않기 때문에, 제조가 용이하고 제조수율이 향상된다는 이점도 있다. 예를 들어, 폴딩백 구조에서 50%의 제조수율인 경우에, 본실시예에 의한 압전 액츄에이터에 의하면 95%이상의 수율을 실현할 수 있다.
다음으로, 도 16~도 22c를 이용하여 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 낙하충격에 강한 구조에 대하여 설명한다. 먼저, 도 16~도 18을 이용하여 가동프레임(70)과 고정프레임(100)의 충격대책으로 되는 구성에 대하여 설명한다.
도 16은 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 평면 구성의 일례를 나타낸 좌측 안쪽의 확대도이다. 도 16에서 고정프레임(100)과 가동프레임(70)의 추부(71)에 주목하면, 추부(71)에는 추부돌기(73, 74)가 형성되고, 고정프레임(100)에는 돌기(101, 102)가 형성되며, 추부돌기(73)와 돌기(101), 추부돌기 (74)와 돌기(102)가 각각 대향하도록 구성되어 있다. 이들 추부돌기(73, 74) 및 고정프레임(100)의 돌기(101, 102)는 압전 액츄에이터(110)에 낙하 등에 의해 충격이 가해졌을 때에 가동프레임(70)의 X축방향 및 Y축방향의 가동범위를 규제하고 압전 액츄에이터(110)의 파손을 방지하는 역할을 한다. 본실시예에의한 압전 액츄에이터(110)에서는 추부돌기(73, 74)와 돌기(101, 102)의 간격도 적절한 간격으로 설정하고 있으므로 이 점에 대하여 설명한다.
도 16에서 추부(71)가 X축을 중심으로 ±9deg 기울면, X축의 양측의 추부(71)는 Y축방향에 있어서 약 0.05mm 고정프레임(100)에 접근한다. 여기서, 0.02mm의 마진을 형성하여 추부돌기(73)와 돌기(101)의 간격(D)를 D=0.07mm로 설정하였다. 또한, X축방향의 추부돌기(74)와 돌기(102)의 간격(E)은 Si 지지층(11)의 500㎛정도의 두께를 에칭하는데 필요한 최소폭으로 설정하여 E=0.035mm로 설정하였다. 이렇게 설정함으로써, 통상적인 틸트구동에서는 X축의 축주위로 틸트하여도 추부돌기(72)와 돌기(101)가 접촉하지 않고 정상적으로 동작하고, 또한, 낙하 등에 의한 충격력이 가해졌을 때에는 최소한의 간격(D, E)으로 확실하게 가동프레임(70)의 급격한 이동을 멈추게 하여 압전 액츄에이터(110)의 파손을 방지할 수 있다.
도 17은 추부돌기(73, 74) 및 돌기(101, 102)의 배치 구성을 설명하기 위한 도면이다. 도 17에는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)의 하면의 사시도가 나타나 있다. 도 17에서 가동프레임(70)의 연결부(72)와 추부돌기(73)의 배치에 주목하면 Y축방향으로 연장하는 연결부(72)의 연장선상에 추부돌기(73)가 형성되고, 추부돌기(73)에 대향하는 외측에 돌기(101)가 형성되어 있다. 따라서, Y축방향으로의 이동에 대해서는 연결부(72)의 연장선상의 충격에 강한 부분으로 힘을 받게 되고, 충격에 대한 가동프레임(70)의 내성도 높은 구성으로 되어 있다. 이와 마찬가지로, X축방향에 대해서도 추부(71)의 구동대상물(30)에 가까운 오목부형상을 갖는 부분이 아니라, 추부(72)가 X방향으로 연장한 외측 부분에 추부돌기(74) 및 돌기(102)를 형성하고 있어, X축방향에 대해서도 충격에 강한 구성으로 되어 있다.
도 18은 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터(110)의 X축에서 자른 단면 구성의 일례를 나타낸 도면이다. 도 18에서 압전 액츄에이터(110)를 X축을 중심으로 ±9deg 틸트시키면, 추부(71)는 약 0.15mm 상방규제부재(120) 및 하방규제부재(130)에 접근한다. 따라서, 상하모두 0.05mm의 마진을 마련하여 상방간격(F) 및 하방간격(G)를 모두 F=G=0.2mm로 설정하였다. 이로써, 통상적인 틸트동작에는 영향을 주지 않고 낙하 등의 충격으로부터 압전 액츄에이터(110)를 확실하게 보호할 수 있다.
다음으로 도 19~도 22c를 이용하여 미엔더스프링(80)의 충격대책이 되는 구성에 대하여 설명한다. 도 19는 미엔더스프링(80)의 주변을 포함하는 확대도이다.
도 19에 미엔더스프링(80)이 도시되어 있지만, 미엔더스프링(80)에는 고속측의 제 2 구동비임(50)의 구동원(20)에 전원을 공급하기 위하여 전극배선(104)이 2개 형성되어 있다. 따라서, 전극배선(104)의 폭이 0.02mm인 경우에 미엔더스프링(80)의 스프링폭을 0.07mm(라인0.02mm×2＋스페이스0.01mm)로 했다.
또한, 도 19에서 미엔더스프링(80)의 인접하는 스프링의 간격을 외측으로부터 내측을 향해 H, I, J로서 나타냄과 동시에 미엔더스프링(80)의 X축방향의 길이를 K로 한다. 도 19에서 인접하는 스프링 간격 H, I, J는 H＜J＜I의 관계이고 등간격이 아니다. 이하에서는 이 인접하는 스프링 간격 H, I, J의 설정방법의 일례에 대하여 설명한다.
도 20a~도 21d는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)에 X, Y, Z방향으로 음해법(implicit method)에 의해 충격가속도를 인가한 때의 응력분포를 나타낸 도면이다.
도 20a~도 20c는 X=＋0.07mm, Y=＋0.035mm, Z=＋0.02mm로 각각의 규제부(101, 102, 120, 130)에 충돌시켰을 때의 미엔더스프링(80)의 형상 및 응력분포를 나타낸 도면이다. 도 20a는 압전 액츄에이터(110)의 전체변형도이고, 도 20b는 좌측 미엔더스프링(80)의 확대도이고, 도 20c는 우측 미엔더스프링(80)의 확대도이다.
여기서, 파단응력은 1.5GPa이며 낙하충격에서는 반복하여 응력이 인가되는 것은 아니므로, 안전계수를 곱해 최대응력이 1.0GPa 이하가 되도록 설계하면 낙하충격에 충분히 견딜 수 있는 설계가 된다. 또한, 압전 액츄에이터(110)는 도 16 및 도 18에서 설명한 간격(D)는 X축에 대해 대칭, 간격(E)는 Y축에 대해 대칭이며, 미엔더스프링(80)도 Y축에 대해 좌우대칭인 것으로 한다.
도 20a로부터 ＋Y방향으로 큰 응력이 인가되어 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 20b로부터 좌측 미엔더스프링(80)은 인접스프링간격(H)이 좁아지고, 인접스프링간격(I)가 벌어져 스프링형상이 변형되어 있다는 것을 알 수 있다. 미엔더스프링(80)의 최대응력이 인접스프링간격(I)의 연결부에 가해진다는 것도 도 20b에 나타나 있다. 또한, 도 20c로부터 우측 미엔더스프링(80)은 인접스프링간격(H, J)이 좁아지고 인접스프링간격(I)이 벌어지도록 스프링형상이 변형되어 있다는 것을 알 수 있다. 여기서, 최대응력값은 0.66GPa였다.
도 21a~도 21d는 X=－0.07 mm, Y=－0.035mm, Z=＋0.2mm로 각각의 규제부(101, 102, 120, 130)에 충돌시켰을 때의 미엔더스프링(80)의 형상과 응력분포를 나타낸 도면이다. 도 21a는 압전 액츄에이터(110)의 전체 변형도이고, 도 21b는 좌측 미엔더스프링(80)의 확대도이다. 또한, 도 21c는 탄성연결부재(40)의 확대도이고, 도 21d는 우측 미엔더스프링(80)의 확대도이다.
도 21b로부터 좌측 미엔더스프링(80)은 인접스프링간격(H, I, J)이 넓어져 있다는 것을 알 수 있다. 또한, 도 21b에서 인접스프링간격(H, I, J)중에서도 인접스프링간격(I)이 가장 넓게 변형되어 있다는 것을 알 수 있다.
도 21c로부터 탄성연결부재(40)에는 제 2 스프링(42)과 가동프레임(70)의 추부(71)의 연결부분에 최대응력이 발생되어 있다 것을 알 수 있다. 발생한 최대응력은 0.76GPa이다. 1.0 GPa이하의 값이므로 문제없는 수치이다.
도 21d로부터 우측 미엔더스프링(80)은 인접스프링간격(H, I)이 좁아져 있다는 것을 알 수 있다.
도 20a~도 21d에 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)에 가속도를 인가한 때의 응력분포를 나타내었지만, 그 경우의 발생응력은 0.1GPa이하였다. 즉, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)는 낙하충격 가속도의 인가에 의해 구동대상물(30)과 고속구동부(55) 및 가동프레임(70)이 X, Y, Z방향으로 최대로 변위하여도 발생하는 응력은 1.0GPa이하가 된다.
또한, 이 경우 미엔더스프링(80)의 인접하는 스프링끼리가 접촉하지 않도록 변형시의 인접스프링간격(H, I, J)이 0.05mm이상 확보할 수 있도록 하였다. 그 결과, 도 19에 도시된 바와 같이 미엔더스프링(80)의 인접스프링간격이 부등간격이 되었다. 즉, 인접스프링간격(H, J)을 가장 간격이 넓은 인접스프링간격(I)에 맞추어 등간격으로 하면, 미엔더스프링(80)의 전체길이(K)가 커져 압전 액츄에이터(110) 전체 사이즈가 커진다. 따라서, 인접스프링간격을 좁게하여도 되는 부분은 좁게하여 미엔더스프링(80)을 구성함으로써 미엔더스프링(80)의 인접스프링간격은 부등간격이 되었다.
다음으로, 비교참고예로서 미엔더스프링(80)을 스프링형상이 아닌 단순한 탄성체 비임으로 한 경우의 변형 및 응력분포에 대하여 설명한다.
도 22a~도 22c는 비교참고예로서 미엔더스프링(80)을 설치하지 않고 탄성체 비임의 직선적인 스프링(180)으로 제 1 구동비임(90)과 가동프레임(70)을 연결한 경우의 응력분포를 나타낸 도면이다. 도 22a는 전체 변형도이고, 도 22b는 좌측 직선적인 스프링(180)의 확대도이고, 도 22c는 우측 직선적인 스프링(180)의 확대도이다. 또한, 비교참고예의 압전 액츄에이터에는 X=＋0.07mm, Y=＋0.035mm, Z=＋0.2mm의 변위를 가하고 있다.
도 22b에서 직선적인 스프링(180)의 거의 전체가 1GPa를 초과하여 죄어져있다. 또한, 도 22c의 우측 직선적인 스프링(180)에서는 제 1 구동비임(90)의 외측 연결부에서 최대응력이 발생하고 있다. 이 때, 최대응력은 4.13GPa이며, 1.0GPa를 크게 초과하고 있다. 따라서, 비교참고예의 압전 액츄에이터에서는 낙하충격 가속도의 인가에 의해 가동프레임(70) 및 이에 연결된 고속구동부(55) 및 구동대상물(30)이 X, Y, Z방향으로 최대 변위한 때에는, 발생하는 응력이 1.0GPa를 초과하여 파손되어 버리는 것을 알 수 있다.
이상으로부터 미엔더스프링(80)에는 도 7a~도 7c에서 설명한 공진주파수를 저하시켜 응력집중을 방지하는 작용효과 외에 낙하충격에 의해 발생하는 응력을 분산시켜 압전 액츄에이터(110)의 파손을 방지하는 효과가 있다는 것을 알 수 있다.
이와 같이, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)에 의하면, 저속구동용 제 1 구동비임(90)을 외측 2개(4피스)의 간소한 구성으로 하고, 제 1 구동비임(90)을 공진구동시켜 미엔더스프링(80) 및 가동프레임(70)의 추부(71)에서 주파수를 저속구동의 주파수까지 낮춤과 동시에 가동프레임(70)의 내부에 제 2 구동비임(50)을 형성함으로써 2축에서 간섭을 일으키지 않는 독립진동계의 압전 액츄에이터(110)로서 구성할 수 있다. 또한, 배선(104)의 길이와 구동원(20)의 면적을 저감시킴으로써 저소비전력화를 도모할 수 있다. 나아가, 고정프레임(100)에 돌기(101, 102)를 형성하고, 가동프레임(70)의 추부(71)에 추부돌기(73, 74)를 형성하여 X, Y방향의 가동범위를 규제함과 동시에 상방규제부재(120) 및 하방규제부재(130)을 형성하여 상하방향의 가동범위도 규제하여 낙하에 의한 충격이 발생해도 파손되기 어려운 구성으로 하고 있다. 또한, 미엔더스프링(80)은 낙하충격에 의한 응력을 저감시키는 기능을 가지므로 낙하내성을 더욱 높일 수 있다.
도 23은 본 발명의 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)의 전체 구성의 일례를 나타낸 사시도이다. 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)는 구동대상물(30), 탄성연결부재(40), 제 2 구동비임(50), 가동프레임(70), 미엔더스프링(80), 제 1 구동비임(92) 및 고정프레임(100)을 구비하는 점은 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(100)와 같다. 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)는 저속구동을 하는 제 1 구동비임(92)이 폴딩백 구조를 갖는다는 점만 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)와 상이하다. 그 밖의 구성요소에 대해서는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)와 마찬가지이므로 동일한 참조부호를 부여하고 그 설명을 생략한다.
실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)에서는 저속구동의 제 1 구동비임(92)으로서 폴딩백(folding-back) 구조의 제 1 구동비임(92)를 이용하지만, 제 1 구동비임(92)은 비공진으로 변위를 축적하는 방식이 아니고, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)와 마찬가지로 공진구동을 한다. 도 23에서는 구동대상물(30)에 가까운 내측의 제 1 구동비임(92)이 고정프레임(100)에 연결되고, 인접하는 제 1 구동비임(92)의 단부끼리가 순차적으로 연결되는 폴딩백 구조이며, 내측의 제 1 구동비임(92)로부터 외측의 제 1 구동비임(92)에 틸트력이 전달됨에 따라 변위가 축적되어 1개의 제 1 구동비임(92)보다 큰 틸트각을 얻을 수 있는 구성으로 되어 있다. 도 23에서는 3개의 제 1 구동비임(92)으로 1개의 구동비임군(93)을 구성하고 있다.
이와 같이 저속구동용의 제 1 구동비임(92)을 폴딩백 구조로 하여 복수의 제 1 구동비임(92)으로 구동비임군(93)을 구성함으로써 틸트각감도를 향상시키는 것이 가능해진다. 구체적으로는, 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)의 틸트각감도는 4.4deg/V이고, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(111)의 약 2배의 틸트각감도를 얻을 수 있었다. 또한, 최대응력도 3MPa정도의 크기로서 문제가 없는 범위내였다.
도 24a와 도 24b는 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)의 구동시의 변형 상태를 나타낸 도면이다. 도 24a는 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)를 X축의 축주위로 저속구동시킨 상태를 나타낸 변형도이고, 도 24b는 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)를 Y축의 축주위로 고속구동시킨 상태를 나타낸 변형도이다.
도 24a에서 X축의 축주위로 가동프레임(70) 및 구동대상물(30)이 틸트하고있지만, 가동프레임(70)내의 탄성연결부재(40)의 제 1 스프링은 공진하지 않고, X축주위의 틸트구동과 Y축주위의 틸트구동이 간섭하지 않는 것을 나타내고 있다.
도 24b에서 Y축의 축주위로 구동대상물(30)이 틸트하고 있지만, 제 1 구동비임(92)은 공진하지 않고, Y축주위의 틸트구동과 X축주위의 틸트구동이 간섭을 일으키지 않는 것을 나타내고 있다.
이와 같이, 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)는 2축의 압전 액츄에이터(111)로서 구성한 경우에도 서로의 구동축의 축주위의 틸트구동이 다른 한편의 축주위의 틸트구동에 간섭을 주지 않도록 구성되어 있다.
또한, 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)는 제 1 구동비임(92)이 폴딩백 구조를 가지므로 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)보다 제조공정이 약간 복잡해지지만, 폴딩백 구조의 단수(段數)가 적으므로 소비전력이 대폭 상승하거나 제조수율이 대폭 나빠지거나 하는 일은 적을 것이다. 이 점에서 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)는 저속구동에 비공진의 구동비임을 사용한 압전 액츄에이터와 비교하면 소비전력이나 제조수율의 면에서 이점이 있다.
따라서, 틸트각감도를 중시하고 싶은 경우에는 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)를 채용하고, 소비전력의 저감이나 제조수율의 향상을 중시하고 싶은 경우에는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)를 채용하는 등과 같이, 용도 에 따라 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)와 실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)를 구분하여 사용할 수 있다.
실시예 2에 의한 압전 액츄에이터(111)에 의하면 틸트각감도를 더욱 향상시킬 수 있다.
도 25a~도 25c는 본 발명의 실시예 3에 의한 압전 액츄에이터(112)의 변경 부분을 설명하기 위한 도면이다. 실시예 3에 의한 압전 액츄에이터(112)는 고속구동부(55)에서의 틸트각감도 향상과 최대응력을 저감시키는 구성을 가진다.
도 25a는 실시예 3에 의한 압전 액츄에이터(112)의 고속구동부(55)의 평면 구성을 나타낸 도면이다. 실시예 3에 의한 압전 액츄에이터(112)는 고속구동부(55)의 탄성연결부재(40)가 제 1 스프링(44)의 1개로 되어 있다는 점에서, 제 1 스프링(41)이 2개로 구성된 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)와 상이하다. 그 밖의 구성요소에 대해서는 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)와 마찬가지이므로 도시 및 설명을 생략한다. 또한, 실시예 1에 의한 압전 액츄에이터(110)와 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 교부하고 그 설명을 생략한다.
실시예 3에 의한 압전 액츄에이터(112)에서는 틸트각감도의 향상과 최대응력을 저감시키도록 고속구동부(55)에 있어서의 파라미터를 설정한다.
도 25a에서 제 1 스프링(44)의 폭을 A로 하고, 제 2 스프링(42)의 폭을 제 1 스프링(44)의 폭(A)의 1/2인 A/2로 설정한다. 또한, 스프링연결부(43)의 길이를 B, 제 1 스프링(44) 및 제 2 스프링(42)의 외측단부로부터 X축까지의 거리를 C로 한다. 그리고, 제 1 스프링(44) 및 스프링연결부(43)의 X축까지의 거리(C)를 가변으로 함으로써 공진주파수를 일정한 30kHz로 설정한다. 또한, 스프링연결부(43)는 전체로 4개소 존재하지만, 모두 공통의 값으로 설정한다. 또한, 구동대상물(30)과 제 1 스프링(44)의 연결지점(46)의 R반경을 R1=0.15mm, 스프링연결부(43)의 내측의 R반경을 R2=B/2로 설정한다. 그리고, 제 1 스프링(44)의 폭(A) 및 스프링연결부(43)의 길이(B)를 파라미터로 하여 변화시켜 틸트각감도와 최대응력의 최적값을 검토하였다.
도 25b는 구동대상물(30)을 ±12deg의 틸트각으로 틸트시키는 경우의 제 1 스프링(44)의 폭(A) 및 스프링연결부(43)의 길이(B)의 변화에 대한 틸트각감도〔deg/V〕의 변화특성을 나타낸 도면이다. 도 25b에서, A=0.12mm인 경우에 가장 틸트각감도가 높고, 또한, 0.4 mm＜B＜0.6mm인 B=0.5mm부근의 값에서 틸트각감도가 최대인 특성이 나타나 있다.
도 25c는 제 1 스프링(44)의 폭(A) 및 지지비임측 연결부(54)의 길이(B)의 변화에 대한 최대주응력의 변화특성을 나타낸 도면이다. 최대응력은 0.5GPa이하이면 액츄에이터의 내성으로서는 문제가 없는 수치이다. 도 25c에서 A＞0.1mm인 경우에 최대응력은 0.5GPa이하로 되어 있다. 또한, A=0.14mm 또는 A=0.12mm의 경우로서, 0.4 mm＜B＜0.6mm인 B=0.5mm부근에서 최대주응력이 최소로 되는 특성이 나타나 있다.
따라서, 틸트각감도가 높고, 최대응력이 작은 형상이며, 비교적 소형의 것으로서, 예를 들어, A=0.12mm, B=0.5mm, C=1.4 mm, R1=0.15mm, R2=0.25mm의 형상을 채용하면 된다. 이 경우, 틸트각감도는 4.50deg/V, ±12deg의 틸트각으로 틸트시키기 위한 전압은 0－3.5V, 최대응력은 0.38Gpa로 할 수 있고, 최대응력이 작고 틸트각감도가 높은 양호한 특성으로 할 수 있다.
이와 같이, 실시예 3에 의한 압전 액츄에이터(112)에 의하면 고속구동부(55)의 틸트각감도를 향상시켜 최대응력을 저감시킬 수 있다.
도 26a~도 26c는 본 발명의 실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(201)의 구성의 일례를 나타낸 사시도이다. 도 26a는 실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(201)의 전체사시도의 일례이며, 도 26b는 실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(201)의 분해 사시도의 일례이며, 도 26c는 실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(201)의 단면사시도이다.
도 26a에서 패키지(140)내에 압전 액츄에이터(110)가 수용되어 상면이 봉지유리(150)로 덮여있다는 점은 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터(200)과 같다.
실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(201)는 상하방향의 가동범위를 규제하는 부재가 상방규제부재와 하방규제부재가 일체화된 상하방향규제부재(133)인 점에서, 상방규제부재(120)와 하방규제부재(130)가 각각 별개로 형성된 실시예 1에 의한 패키징된 압전 액츄에이터(200)와 상이하다. 또한, 그 밖의 구성요소는 실시예 1과 마찬가지이므로, 실시예 1과 동일한 참조부호를 교부하고 그 설명을 생략하는 것으로 한다.
도 26b에 상하방향규제부재(133)의 사시도가 나타나 있고, 상하방향규제부재(133)는 상방규제부(134)와 하방규제부(135)를 가진다. 하방규제부(135)는 패키지(140)상에 재치되어 수용되고, 상방규제부(134)가 미엔더스프링(80)을 사이에 두도록 상방으로 연장하여 존재하여 압전 액츄에이터(110)의 상방의 이동을 규제한다.
도 26c에는 실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(201)의 단면 구성이 나타나 있다. 하방규제부(135)는 중앙부가 떠 있어 압전 액츄에이터(110)의 하방 가동범위를 규제하고 있다. 또한, 압전 액츄에이터(110)의 미엔더스프링(80)의 양측 간극으로부터 압전 액츄에이터(110)의 상방으로 상방규제부(134)가 압전 액츄에이터(110)를 관통하도록 연장하고, 키형상의 부분으로 압전 액츄에이터(110)의 상방 가동범위를 규제하고 있다.
이와 같이, 실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(201)에 의하면 상방규제와 하방규제의 양기능을 갖는 1개의 상하방향규제부재(133)를 사용함으로써, 상하의 쌍방의 압전 액츄에이터(201)의 가동범위를 규제할 수 있다. 이로써, 조립이 용이한 간소한 구성으로 낙하 등의 충격에 의한 파손을 방지할 수 있다.
도 27a~도 27c는 본 발명의 실시예 5의 패키징된 압전 액츄에이터(202)의 구성을 나타낸 사시도이다. 도 27a는 실시예 5의 패키징된 압전 액츄에이터(202)의 전체 구성의 일례를 나타낸 사시도이고, 도 27b는 실시예 5의 패키징된 압전 액츄에이터(202)의 분해 사시도의 일례이며, 도 27c는 실시예 5의 패키징된 압전 액츄에이터(202)의 단면구성 사시도이다.
도 27a와 도 27b에 나타낸 바와 같이, 실시예 5의 패키징된 압전 액츄에이터(202)에서도 패키지(140)에 압전 액츄에이터(110)가 수용되고 상면이 봉지유리(150)로 덮여 있는 구성은 실시예 1 및 실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(200)와 같다. 따라서, 실시예 1과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 교부하고 그 설명을 생략한다.
도 27a~도 27c에 나타낸 바와 같이, 실시예 5의 패키징된 압전 액츄에이터(202)에서는 상하방향규제부재(136)가 패키지(140)가 아닌 가동프레임(70)에 장착된다는 점에서, 실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(201)와 상이하다. 예를 들어, 가동프레임(70)의 미엔더스프링(80)과의 사이 지점에 상하방향규제부재(136)을 형성하면 통상적인 틸트구동을 방해하지 않고 상하의 가동프레임만을 규제할 수 있다. 도 27b에 나타낸 바와 같이, 상하방향규제부재(136)가 상방규제부(137)와 하방규제부(138)를 가진다는 점은 실시예 4의 패키징된 압전 액츄에이터(201)와 같다.
도 27b와 도 27c에 나타낸 바와 같이, 실시예 5의 패키징된 압전 액츄에이터(202)에 의하면, 작은 상하방향규제부재(136)를 이용하여 압전 액츄에이터(110)의 낙하대책을 실시할 수 있고, 전체를 작게 구성하면서 낙하대책을 적절히 실시할 수 있다.
도 28a~도 28c는 본 발명의 실시예 6의 패키징된 압전 액츄에이터(203)의 구성을 나타낸 사시도이다. 도 28a는 실시예 6의 패키징된 압전 액츄에이터(203)의 전체 구성의 일례를 나타낸 사시도이고, 도 28b는 실시예 6의 패키징된 압전 액츄에이터(203)의 분해 사시도의 일례이며, 도 28c는 실시예 6의 패키징된 압전 액츄에이터(203)의 단면구성 사시도이다.
도 28a와 도 28b에 나타낸 바와 같이, 실시예 6의 패키징된 압전 액츄에이터(203)에서도 패키지(140)에 압전 액츄에이터(110)이 수용되고, 상면을 봉지유리(150)가 덮고 있는 구성은 실시예 1, 4 및 5의 패키징된 압전 액츄에이터(200)과 같다. 따라서, 실시예 1, 4 및 5과 동일한 구성요소에 대해서는 동일한 참조부호를 교부하고 그 설명을 생략한다.
도 28b에 나타낸 바와 같이, 실시예 6의 패키징된 압전 액츄에이터(203)는 봉지유리(150)에 장착하는 상방규제부재(121)와 패키지(140)에 장착하는 하방규제부재(139)를 구비하는 점에서, 실시예 1, 4 및 5의 패키징된 압전 액츄에이터(203)와 상이하다. 이와 같이, 상방규제부재(121)는 봉지유리(150)에 장착하도록 구성하여도 된다.
또한, 도 28b와 도 28c에 나타낸 바와 같이, 상방규제부재(121) 및 하방규제부재(139)의 양쪽 모두 두께가 있는 직선상 부재로서, 간소한 구성이므로 규제부재(121, 139)의 가공은 매우 용이하다.
이와 같이, 실시예 6의 패키징된 압전 액츄에이터(203)에 의하면 간소한 구성으로 가공이 용이한 상방규제부재(121) 및 하방규제부재(139)를 사용함으로써 확실하게 낙하방지대책을 실시할 수 있다.
도 29는 본 발명의 실시예 7의 광주사장치, 예를 들어, 프로젝터(300)의 구성을 나타낸 도면이다. 실시예 7에서는 실시예 1~6에서 설명한 압전 액츄에이터(110~112, 200~203)를 프로젝터(300)에 적용한 예에 대하여 설명한다.
도 29에서 실시예 7의 프로젝터(300)는 압전미러(205), 레이저다이오드(210), 콜리메이터 렌즈(220), 편광빔 스플리터(230), 1/4파장판(240), CPU(Central Processing Unit, 중앙처리장치, 250), 레이저다이오드 드라이버IC(Integrated Circuit, 집적회로, 260), 압전미러 드라이버IC(270)를 구비한다. 또한, 도 29에서 관련된 구성요소로서 스크린(310)이 나타나 있다.
프로젝터(300)는 스크린(310)에 영상을 투영하여 비추는 장치이다. 본실시예에 의한 압전 액츄에이터(110~112, 200~203)는 2축 구동의 압전미러(205)로서 구성되고 프로젝터(300)에 적용될 수 있다.
레이저다이오드(210)는 레이저광을 조사하는 광원이다. 레이저다이오드(210)로부터 조사되는 레이저광은 발산광이어도 된다.
콜리메이터 렌즈(220)는 발산광을 평행광으로 변환하는 수단이다. 레이저다이오드(210)로부터 발산광이 입사되어도 콜리메이터 렌즈(220)에 의해 레이저광의 성분을 조정할 수 있다.
편광빔 스플리터(230)는 P편광(또는 S편광)을 반사하고, S편광(또는 P편광)을 투과하는 편광막이 형성되어 있는 빔분리수단이다. 여기서, P편광은 광입사면내에서 진동하는 광성분이고, S편광은 광입사면에 수직으로 진동하는 광성분이다. 즉, 편광빔 스플리터(230)는 P편광 및 S편광의 어느 하나를 반사하고 나머지 하나를 투과한다.
따라서, 콜리메이터 렌즈(220)로부터의 평행광(P편광)은 편광빔 스플리터(230)에 의해 2축 압전미러(205)측으로 전반사된다. 편광빔 스플리터(230)는 광을 압전미러(205)의 방향으로 유도하는 도광수단으로서 기능한다.
1/4파장판(240)은 광에 π／2(90도)의 위상차를 발생시키는 위상차 발생수단이다. 1/4파장판(240)은 직선편광을 원편광으로 변환함과 동시에, 원편광을 직선편광으로 변환한다. 또한, 1/4파장판(240)은 편광빔 스플리터(230)와 일체적으로 구성되어도 된다.
편광빔 스플리터(230)에서 반사된 레이저광은 편광빔 스플리터(230)에 일체 구성된 1/4파장판(240)을 투과하여 압전미러(205)를 향한다.
압전미러(205)는 미러(31)를 2축 구동시키고 1/4파장판(240)으로부터의 레이저광을 반사한다. 압전미러(205)에서 반사된 레이저광은 다시 1/4파장판(240)을 투과하여 S편광으로 변환되고, 편광빔 스플리터(230)을 투과하여 스크린(310)에 조사된다.
CPU(250)는 레이저다이오드 드라이버IC(260) 및 압전미러 드라이버IC(270)를 제어하는 수단이다. 레이저다이오드 드라이버IC(260)는 레이저다이오드(210)를 구동하는 수단이다. 압전미러 드라이버IC(270)는 압전미러(205)를 구동하는 수단이다.
CPU(250)는 레이저다이오드 드라이버IC(260)를 제어하고 레이저다이오드(210)를 구동한다. 또한, CPU(250)는 압전미러 드라이버IC(270)를 제어하고, 압전미러(205)의 X축주위, Y축주위의 틸트동작을 제어한다. 압전미러(205)가 틸트동작함으로써, 압전미러(205)의 미러(31)에서 반사된 광을 스크린(310)상에 주사시켜 스크린(310)상에 영상이 형성된다.
이와 같이, 본실시예에 의한 압전 액츄에이터(110~112, 200~204)는 프로젝터(300)용 압전미러(205)로서 바람직하게 적용할 수 있고, 전력을 절약하면서 안정적으로 미러(31)를 2축 구동시켜 영상을 투영할 수 있다.
지금까지 본 발명의 바람직한 실시예에 대해 상세히 해설했지만 본 발명은 상기 서술한 실시예에 제한되는 것은 아니고, 본 발명의 범위를 일탈하지 않고 상기 서술한 실시예에 여러 가지의 변형 및 치환을 부가할 수 있다.
특히, 실시예 1~실시예 7에서는, 2축형 압전 액츄에이터(110, 111, 112, 200, 201, 202, 203, 205)에 대하여 설명했지만, 실시예 1에서 설명한 바와 같이 저속구동 또는 고속구동만을 실시하는 1축형 압전 액츄에이터에도 적용할 수 있다. 또한, 2축형 압전 액츄에이터이어도 고속구동 또는 저속구동의 1축에 대하여만 본실시예에 의한 압전 액츄에이터(110~112, 200~203, 205)의 구성 및 기능을 적용하여도 된다.
본 발명은 미러 등의 구동대상물을 틸트구동시켜 광선 등을 주사하는 소형 액츄에이터 및 압전 액츄에이터를 구비하는 프로젝터, 스캐너 등에 이용할 수 있다.
본국제출원은 2009년 9월 4일에 출원된 일본특허출원 제2009－205313호에 근거하여 우선권을 주장하는 것으로, 일본특허출원 제2009－205313호의 모든 내용을 본국제출원에 원용한다.

Claims (14)

  1. 구동대상물을 축주위로 틸트구동시키는 압전 액츄에이터로서,
    상기 구동대상물을 평면적으로 둘러싸는 동시에, 상기 구동대상물이 연결되어 상기 구동대상물을 연결지지하는 가동프레임과,
    탄성체에 압전박막이 성막된 구조를 가지고, 상기 가동프레임보다 외측, 또한 상기 구동대상물의 양측에 배치되며, 상기 구동대상물에 제1의 축 주위의 틸트력을 부여하도록 연결된 제 1 구동비임과,
    탄성체에 압전박막이 성막된 구조를 가지고, 상기 가동프레임보다 내측, 또한 상기 구동대상물의 양측에 배치되며, 상기 구동대상물에 상기 제1의 축과 다른 제2의 축 주위의 틸트력을 부여하도록 연결된 제 2 구동비임을 포함하고,
    상기 제 1 구동비임은, 상기 제1의 축 방향의 양측으로부터 상기 가동프레임 및 제 2 구동비임을 사이에 두도록, 상기 제1의 축에 수직인 방향으로 연장하여 복수 배치되고,
    복수의 상기 제 1 구동비임이 서로 역방향으로 변위하는 전압이 상기 압전박막에 인가되며,
    상기 제 1 구동비임 및 제 2 구동비임은, 상기 제1의 축 상에 존재하는 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가동프레임 및 상기 제 1 구동비임 및 상기 제 2 구동비임을 평면적으로 둘러싸는 고정프레임을 포함하고,
    상기 가동프레임은 상기 고정프레임과 같은 두께로 형성되며, 상기 제 1 구동비임 및 상기 제 2 구동비임은 상기 고정프레임보다 얇게 형성된 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  3. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 제 1 구동비임은, 인접하는 비임의 변위 방향이 역방향이 되도록, 상기 제1의 축 방향으로 나란하게 복수로 배치되며, 단부(端部)끼리가 접속된 폴딩백(folding-back) 구조인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  4. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구동대상물과 상기 제 2 구동비임은, 비임구조의 탄성체를 포함하는 탄성연결부재로 연결된 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  5. 제 1 항 또는 제 2 항에 있어서,
    상기 구동대상물은, 미러인 것을 특징으로 하는 압전 액츄에이터.
  6. 제 5 항에 기재된 압전 액츄에이터와,
    광을 발사하는 광원과,
    상기 광원으로부터 발사된 상기 광을 상기 압전 액츄에이터에 유도하는 도광수단을 구비하고,
    상기 압전 액츄에이터의 미러를 틸트구동시킴으로써, 상기 미러에 의해 반사된 상기 광을 주사시키는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
  7. 제 6 항에 있어서,
    상기 광을 스크린상에 주사시켜, 상기 스크린상에 영상을 형성하는 것을 특징으로 하는 광주사장치.
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