WO2020218586A1 - マイクロミラーデバイス - Google Patents
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- G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
Definitions
- This disclosure relates to a micromirror device.
- a micromirror device (also referred to as a microscanner) is known as one of the microelectromechanical systems (MEMS) devices manufactured by using the microfabrication technology of silicon (Si). Since this micromirror device is small and has low power consumption, it is expected to be applied to head-up displays and retinal displays using lasers.
- MEMS microelectromechanical systems
- the screen is covered by drawing a Lissajous waveform by driving sinusoidally on both the horizontal and vertical axes, as opposed to the raster scan method that has been common until now.
- the Lissajous scan method is attracting attention.
- the algorithm of the laser driver is complicated, but the mirror can be miniaturized and a wide angle of view can be realized while suppressing the drive power consumption.
- Japanese Patent No. 6092713 and International Publication No. 2016/052547 a piezoelectric method in which a mirror portion is connected to a pair of semi-annular piezoelectric actuators via a torsion bar and the mirror portion can rotate and vibrate around the torsion bar. Mirror devices are disclosed.
- the piezoelectric films are divided and arranged according to the stress distribution generated in the semi-annular piezoelectric actuator when the mirror portion is vibrated, and the respective piezoelectric films are divided and arranged.
- a method of efficiently driving a mirror by giving a drive signal having an appropriate polarity to each of the above is disclosed.
- Japanese Patent No. 5151065, Japanese Patent No. 4984117, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-41085 propose a piezoelectric drive type optical scanner capable of two-dimensional scanning as a micromirror device.
- the mirror portion is connected to the movable frame via the first connecting portion along the first axis
- the movable frame is connected to the fixed frame surrounding the movable frame via the piezoelectric actuator.
- An optical scanner having a different configuration is disclosed.
- the movable frame and the piezoelectric actuator are connected by a second connecting portion along the second axis orthogonal to the first axis, and the piezoelectric actuator is further connected to the fixed frame by a third connecting portion along the first axis. ing.
- a pair of movable parts are connected to each of the two third connecting parts arranged on the axis with the mirror part sandwiched between them, and a total of four movable parts vibrate the mirror part together with the movable frame around two axes. Therefore, a two-dimensional scanning operation of light is realized.
- a mirror portion a first actuator portion arranged so as to surround the mirror portion and connected to the mirror portion via a first torsion bar extending along a first axis, and a first actuator portion.
- the internal movable frame which is arranged outside the actuator portion of the first torsion bar and is connected to the first actuator on the axis of the first torsion bar, and the internal movable frame which is arranged so as to surround the internal movable frame and via the second torsion bar.
- An optical scanner with a connected second actuator section is disclosed.
- the first actuator applies torque around the first axis to the mirror unit
- the second actuator unit applies torque around the second axis to the mirror unit, thereby realizing a two-dimensional light scanning operation.
- the mirror portion is connected to the first frame device (movable frame) surrounding the mirror portion via the first torsion bar, and the first frame device is the second torsion bar. Is connected to the actuator structure surrounding the first frame device. Further disclosed is a configuration in which the actuator structure is connected to a second frame device surrounding the actuator structure by a third torsion bar.
- the actuator structure is provided with four movable parts symmetrical to the first axis and the second axis, and these four movable parts rotate the mirror part around the centers of the two axes to perform a two-dimensional scanning operation of light. It has been realized.
- Japanese Patent No. 5151065, Japanese Patent No. 4984117, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-41085 two-dimensional scanning is possible with one chip.
- the optical scanners of Japanese Patent No. 5151065, Japanese Patent No. 4984117, and Japanese Patent Application Laid-Open No. 2018-41085 all cause independent rotational movements around two axes, they are in charge of rotation around each axis2.
- At least two rectangular or ring-shaped actuators (or movable frames) are arranged so as to surround the mirror via one torsion bar. Therefore, the overall chip size is increasing.
- the present disclosure has been made in view of the above circumstances, and an object of the present disclosure is to provide a small micromirror device capable of two-dimensional scanning.
- a mirror part having a reflecting surface that reflects light An annular actuator placed around the mirror and A first connection part that connects the mirror part and the actuator so that the mirror part can rotate around the first axis.
- the fixing part provided on the outer circumference of the actuator and It is provided with a second connecting portion that rotatably connects the actuator and the fixing portion around the second axis that intersects the first axis.
- the actuator applies a rotational torque around the first axis to the mirror portion and a rotational torque around the second axis to the mirror portion to rotationally drive the mirror portion around the first axis and the second axis.
- the actuator is a piezoelectric actuator having a piezoelectric element in which a lower electrode, a piezoelectric film, and an upper electrode are laminated on a vibrating plate.
- the absolute value of the principal stress generated in the in-plane direction of the piezoelectric film is the largest in the maximum displacement state when the upper electrode is driven in the first resonance mode in which the mirror portion tilts and vibrates around the first axis.
- the piezoelectric element is composed of a plurality of individual electrode portions separated by a second stress reversal region in which the positive and negative of the principal stress component having the maximum absolute value are inverted, and the piezoelectric element is a plurality of piezoelectric portions defined by each of the plurality of individual electrode portions.
- Micromirror device including. ⁇ 2> The micromirror device according to ⁇ 1>, wherein the first connection portion connects the mirror portion and the actuator on the first axis. ⁇ 3> The micromirror device according to ⁇ 1> or ⁇ 2>, wherein the second connecting portion connects the actuator and the fixing portion on the second axis.
- the upper electrode includes at least eight individual electrode portions as a plurality of individual electrode portions, and the plurality of individual electrode portions are any of ⁇ 1> to ⁇ 3> arranged symmetrically on the first axis and the second axis.
- the micromirror device described in Crab. ⁇ 5> The micromirror device according to any one of ⁇ 1> to ⁇ 4>, wherein a drive circuit for inputting a drive signal to each of a plurality of piezoelectric portions of the actuator is provided.
- the drive circuit drives the mirror portion in the first resonance mode in which the mirror portion tilts and vibrates around the first axis, and drives the mirror portion in the second resonance mode in which the mirror portion tilts and vibrates around the second axis.
- the drive circuit has a drive voltage waveform applied to the piezoelectric part located in the region where the principal stress component having the maximum absolute value becomes positive at the moment when the vibration amplitude becomes maximum when driven in the first resonance mode.
- the drive voltage waveform applied to the piezoelectric part located in the region where the principal stress component with the maximum absolute value is negative is driven in the second resonance mode with the first drive signal having a mutual phase relationship.
- the drive voltage waveform applied to the piezoelectric part located in the region where the principal stress component with the maximum absolute value becomes positive at the moment when the vibration amplitude becomes maximum, and the region where the principal stress component with the maximum absolute value becomes negative The micromirror device according to ⁇ 6>, wherein a drive signal in which a drive voltage waveform applied to the piezoelectric portion is superimposed on a second drive signal having a mutually opposite phase relationship is input.
- FIG. 5 is a simulation diagram of shape displacement in the first resonance mode accompanied by tilt vibration of the mirror portion around the first axis in the micromirror device of the embodiment. It is a figure which shows the in-plane stress distribution generated in the actuator by the shape displacement in the 1st resonance mode shown in FIG. It is a simulation figure of the shape displacement in the 2nd resonance mode with the tilt vibration of the mirror part about the 2nd axis in the micromirror device of 1st Embodiment. It is a figure which shows the in-plane stress distribution generated in the actuator by the shape displacement in the 2nd resonance mode shown in FIG.
- FIG. 1 is a plan view of the micromirror device according to the embodiment.
- FIG. 2 is a diagram showing a cross-sectional structure of a part of the micromirror device.
- FIG. 3 is a perspective view of the structure for the micromirror device as viewed from the upper surface side, and shows a state in which the structure is not provided with the wiring structure.
- FIG. 4 is a perspective view of the structure for the micromirror device of the embodiment as viewed from the bottom surface side.
- FIG. 5 is a plan view of the structure for the micromirror device of the embodiment, and FIG. 6 is a bottom view of the structure for the micromirror device of the embodiment.
- FIG. 7 is a left side view of the structure for the micromirror device.
- FIG. 8 is a front view of the structure of the micromirror device of the embodiment.
- the rear view of the structure of the micromirror device is the same as the front view.
- the micromirror device 1 of the present embodiment includes a mirror portion 12, an annular actuator 14 arranged so as to surround the mirror portion 12, a first connection portion 21 for connecting the mirror portion 12 and the actuator 14, and an actuator 14. It is provided with a fixing portion 20 arranged on the outer periphery of the above, and a second connecting portion 22 for connecting the actuator 14 and the fixing portion 20.
- the size of the micromirror device 1 is generally about 1 mm to 10 mm in length and width, respectively, but it may be smaller or larger than this, and is not particularly limited. Further, the thickness of the actuator is generally about 5 ⁇ m to 0.2 mm, but it is not particularly limited as long as it can be manufactured.
- the mirror unit 12 has a reflecting surface 12a that reflects incident light.
- the reflecting surface 12a is composed of, for example, a metal thin film such as Au (gold) and Al (aluminum) provided on one surface of the mirror portion 12.
- the material and film thickness used for the mirror coating for forming the reflective surface 12a are not particularly limited, and various designs can be made using a known mirror material (high reflectance material).
- a mirror portion 12 having a substantially circular reflecting surface 12a and having a shape similar to that of the reflecting surface 12a in a plan view is illustrated.
- the shape of the mirror portion 12 in a plan view and the shape of the reflecting surface 12a are illustrated. May match or may be different.
- the shapes of the mirror portion 12 and the reflecting surface 12a are not particularly limited. Not limited to the illustrated circle, there can be various shapes such as an ellipse, a square, a rectangle and a polygon.
- the first connection portion 21 connects the mirror portion 12 and the actuator 14, and rotatably supports the mirror portion 12 around the first axis a1.
- the first connecting portion 21 is a pair of rod-shaped members extending outward along the first axis a1 symmetrically from the outer circumference of the mirror portion 12 with the mirror portion 12 interposed therebetween, and the mirror portion 12 and the actuator 14 are connected to each other. Connect on the first axis a1. One end of each of the pair of rod-shaped members constituting the first connecting portion 21 is connected to the outer circumference of the mirror portion 12, and the other end of each is connected to the actuator 14.
- the second connecting portion 22 rotatably supports the actuator 14 and the fixing portion 20 around the second axis a2.
- the second connecting portion 22 is a pair of rod-shaped members extending outward along the second axis a2 from the outer periphery of the actuator 14 symmetrically with the actuator 14 interposed therebetween, and the actuator 14 is connected to the fixing portion 20.
- One end of each of the pair of rod-shaped members constituting the second connecting portion 22 is connected to the outer circumference of the actuator 14, and the other end of each is connected to the fixing portion 20.
- the first axis a1 and the second axis a2 intersect at substantially the center of the mirror portion 12.
- the first axis a1 is in a plane including the reflection surface 12a of the mirror portion 12 when it is stationary.
- the second axis a2 is an axis that intersects the first axis a1 in this plane, and here is an axis that is orthogonal to the first axis a1.
- the first axis a1 and the second axis a2 preferably intersect at the center of the reflecting surface 12a, but the intersecting position may be deviated from the center.
- the normal direction of the reflecting surface 12a when the mirror portion 12 is stationary is the z-axis direction
- the direction parallel to the first axis a1 is the y-axis direction
- the direction parallel to the second axis a2 is the x-axis direction.
- the fixing portion 20 supports the actuator 14 via the second connecting portion 22.
- the actuator 14 supports the mirror portion 12 via the first connecting portion 21.
- the fixed portion 20 is provided with wiring 22, electrode terminals 24, and the like, and may be further provided with an electronic circuit (not shown).
- the fixed portion 20 is a frame member (fixed frame) surrounding the actuator 14.
- the fixing portion 20 is not limited to the frame member as long as the actuator 14 can be supported via the second connecting portion 22, and the first fixing portion and the other that are connected to one of the second connecting portions 22. It may be composed of two members of a second fixing portion to be connected.
- the actuator 14 is an annular member that surrounds the mirror portion 12.
- the actuator 14 causes the mirror portion 12 to apply a rotational torque around the first axis a1 and causes the mirror portion 12 to apply a rotational torque around the second axis a2 to cause the mirror portion 12 to act on the first axis a1 and the first axis a1. It is driven by two-dimensional rotation around the two axes a2.
- the micromirror device 1 can reflect the incident light on the reflecting surface 12a of the mirror unit 12 and perform two-dimensional scanning (two-dimensional scanning).
- the annular shape may be any shape that surrounds the inner region without interruption, and the inner and outer peripheral shapes may not be circular, and may be any shape such as a rectangular shape or a polygonal shape. ..
- the inner and outer circumferences of the actuator are octagonal.
- the mirror unit 12 can be rotated two-dimensionally by one annular actuator 14 surrounding the mirror unit 12.
- the entire device can be miniaturized as compared with the conventional structure provided with two or more actuators (or movable frames).
- the mirror portion 12, the actuator 14, the fixing portion 20, the first connecting portion 21 and the second connecting portion 22 are arranged on the first axis a1 and the second axis a2 in a line-symmetrical structure. ing. With such a symmetrical structure, rotational torque can be efficiently applied to the central mirror portion 12.
- micromirror device 1 for example, by processing a silicon substrate using semiconductor manufacturing technology, elements such as a mirror portion 12, an actuator 14, a fixing portion 20, a first connecting portion 21, and a second connecting portion 22 are formed. It can be manufactured as an integrally configured structure.
- the fixed portion 20 is thicker than the mirror portion 12, the actuator 14, the first connecting portion 21, and the second connecting portion 22 (see FIGS. 3 and 4). That is, the thickness of the mirror portion 12, the actuator 14, the first connecting portion 21, and the second connecting portion is formed to be thinner than the thickness of the fixed portion 20 (thickness in the z direction). As a result, the actuator 14, the connecting portion 21, and the connecting portion 22 have a structure that is easily deformed (for example, bending deformation or twisting deformation).
- the base material portion excluding the reflective surface, the piezoelectric film, the electrodes, the wiring, and the like is referred to as a structure for a micromirror device.
- the portion of this structure excluding the fixing portion 20 is the main body portion in the structure. The basic performance of the micromirror device depends on the shape of the main body portion and does not depend on the shape of the fixed portion 20.
- the actuator 14 is a piezoelectric actuator provided with a piezoelectric element 40.
- the piezoelectric element 40 has a laminated structure in which a lower electrode 31, a piezoelectric film 32, and an upper electrode 33 are laminated in this order on a diaphragm 30 (see FIG. 2).
- the film thickness ratio is different from the actual film thickness ratio for easy visibility.
- the "upper” and “lower” of the upper electrode and the lower electrode do not mean the top and bottom, and of the pair of electrodes sandwiching the piezoelectric film, the electrode provided on the vibrating plate side is sandwiched between the lower electrode and the piezoelectric film.
- the electrode arranged to face the lower electrode is merely referred to as the upper electrode.
- the piezoelectric film is formed when the first stress reversal region in which the positive and negative of the principal stress component having the maximum absolute value is reversed and the mirror portion 12 are driven in the second resonance mode in which tilt vibration is generated around the second axis a2.
- the piezoelectric element 40 is composed of a plurality of individual electrode portions i1 to i8 separated in a second stress inversion region where the positive and negative of the principal stress component having the largest absolute value is inverted.
- a plurality of piezoelectric portions 41 to 48 defined by each of the plurality of individual electrode portions i1 to i8 are included.
- the separation region S of the individual electrode portion in FIG. 1 corresponds to the first stress inversion region and / or the first stress inversion region, and is hereinafter referred to as the stress inversion region S. Each principal stress and stress inversion region will be described later.
- one annular actuator 14 is used by providing the upper electrode 33 with individual electrode portions according to the stress distribution in the first resonance mode and the stress distribution in the second resonance mode. Realizes dimensional drive.
- the upper electrode 33 of the actuator 14 is composed of eight individual electrode portions i1 to i8.
- the individual electrode portions i1 to i8 are formed separately from each other.
- each of the piezoelectric portions 41 to 48 defined by the individual electrode portions i1 to i8 is independently voltage-controlled. Can be done.
- the individual piezoelectric portions 41 to 48 are composed of individual electrode portions i1 to i8, facing lower electrodes 31, and a piezoelectric film 32 sandwiched between the individual electrode portions i1 to i8 and the lower electrode 31.
- the individual electrode portions i1 to i8 and the lower electrode 31 are connected to the drive circuit via the wiring 22 and the electrode terminals 24 (individual codes 1 to 8 and GND).
- FIG. 9 is a block diagram showing an electrical wiring structure between the piezoelectric portions 41 to 48 of the piezoelectric element 40 of the micromirror device 1 in this example and the drive circuit 50.
- the piezoelectric element 40 includes a lower electrode 31, a piezoelectric film 32, and an upper electrode 33.
- the individual electrode portions i1 to i8 of the piezoelectric portions 41 to 48 of the piezoelectric element 40 are connected to the electrode terminals 1 to 8, respectively, and the lower electrode 31 is a common film for all the individual electrode portions and is used for grounding. It is connected to the electrode terminal GND of.
- the piezoelectric film 32 and the lower electrode 31 are formed as a film common to a plurality of piezoelectric portions, but the piezoelectric film 32 or the piezoelectric film 32 and the lower electrode 31 are also formed on the upper electrode 33. It may be separated for each individual electrode portion.
- the micromirror device of the present disclosure can be driven two-dimensionally with only one annular actuator, it has a structure that does not have a movable frame and a second actuator, so that the element volume can be kept small.
- FIG. 10 is a simulation diagram showing how the mirror unit 12 tilts and vibrates around the first axis a1 in the first resonance mode.
- One end x1 in the x-axis direction of the mirror unit 12 is + z around the first axis a1.
- the other end x2 in the x-axis direction is tilted and displaced in the ⁇ z direction.
- the shade of color indicates the amount of displacement.
- the actuator 14 bends and deforms.
- the piezoelectric film of the actuator 14 is referred to as a tensile stress region t1 in which a stress in the tensile direction (hereinafter referred to as tensile stress) ⁇ t is applied, and a stress in the compressive direction (hereinafter referred to as compressive stress).
- tensile stress a stress in the tensile direction
- compressive stress hereinafter referred to as compressive stress
- FIG. 11 shows the state of in-plane stress generated in the piezoelectric film at the moment when the vibration amplitude when driven in the first resonance mode becomes maximum.
- each part is “compressive stress” or “tensile stress” is determined by selecting two principal stresses in a plane substantially orthogonal to the film thickness direction of the piezoelectric film from three principal stress vectors orthogonal to each other. It is determined in the direction of the larger absolute value (the direction of the principal stress component with the largest absolute value).
- the two principal stresses in the plane substantially orthogonal to the film thickness direction are the stresses generated in the xy plane.
- the vector in the outward direction is defined as the tensile direction
- the vector in the inward direction is defined as the compression direction.
- the reason for defining in this way is that in a piezoelectric MEMS device, the dimensions of the actuator portion are generally flat, and the stress in the film thickness direction can be regarded as almost zero.
- “Dimensions are planar” means that the height is sufficiently smaller than the dimensions in the planar direction.
- the plane direction of the above-mentioned “xy plane” corresponds to the "in-plane direction orthogonal to the film thickness direction of the piezoelectric film".
- the stress is defined as a positive tensile stress ⁇ t in which a force is applied in the direction in which the member is pulled, and a negative compressive stress ⁇ c in which a force is applied in the direction of compression.
- the region where the principal stress component with the maximum absolute value is positive means the region where the tensile stress is the main
- the region where the principal stress component with the maximum absolute value is negative means the region where the compressive stress is the main.
- the "stress reversal region in which the positive and negative of the principal stress component having the maximum absolute value is reversed" is a region including the boundary between the tensile stress region and the compressive stress region, and is from tensile stress to compressive stress or compressive stress. It means a region that changes to tensile stress.
- the regions adjacent to each other across the first axis a1 show stresses having different positive and negative stresses.
- one region adjacent to the first axis a1 is a tensile stress region t1
- the other region is a compressive stress region c1.
- the regions adjacent to each other with the second axis a2 sandwiched show stresses having the same sign, but the regions symmetrical with the first axis a1 show stresses having different positive and negative signs.
- the stress distribution in the actuator 14 is axisymmetric with respect to the second axis a2.
- first stress reversal region in which the direction of stress gradually changes, that is, the positive and negative of the principal stress component having the maximum absolute value is reversed.
- first stress reversal lines r1 shown in FIG. 11 is located at the center of the first stress reversal region.
- FIG. 12 is a simulation diagram showing how the mirror unit 12 and the actuator 14 tilt and vibrate around the second axis a2 in the second resonance mode.
- the mirror unit 12 and the actuator 14 are centered on the second axis a2 and the actuator 14 is shown.
- One end y1 in the y-axis direction is tilted in the + z direction, and the other end y2 in the y-axis direction is tilted and displaced in the ⁇ z direction. Similar to FIG. 10, in FIG. 12, the shade of color indicates the amount of displacement.
- the actuator 14 bends and deforms.
- the piezoelectric film of the actuator 14 has a tensile stress region t2 to which a tensile stress is applied and a compressive stress region c2 to which a compressive stress is applied.
- the portion where the tensile stress is generated is shown in light gray, and the portion where the compressive stress is generated is shown in black. It should be noted that the higher the color density is, the larger the stress is.
- the stress generated at each position of the piezoelectric film changes with time according to the vibration.
- FIG. 13 shows the state of in-plane stress generated in the piezoelectric film at the moment when the vibration amplitude when driven in the second resonance mode becomes maximum.
- the regions adjacent to each other across the second axis a2 show stresses having different positive and negative stresses.
- one region adjacent to the second axis a2 is a tensile stress region t2, and the other region is a compressive stress region c2.
- the regions adjacent to each other across the first axis a1 show stresses having the same sign, but the regions symmetric to the second axis a2 show stresses having different positive and negative signs. That is, in the second resonance mode, the stress distribution in the actuator 14 is axisymmetric with respect to the first axis a1.
- each of the six second stress reversal lines r2 shown in FIG. 13 is located at the center of the second stress reversal region.
- the individual electrode portions i1 to i8 of the upper electrode 33 are formed so as to correspond to the division of the piezoelectric film regions t1, t2, c1 and c2 having different stress directions with respect to the stress distribution shown in FIGS. 11 and 13.
- the individual electrode portions are separated by a stress reversal region S including the first stress reversal line r1 or the second stress reversal line r2 (see FIG. 1).
- the upper electrode is separated by eight stress inversion regions S.
- the drive signals around the first axis a1 and the drive signals around the first axis a1 independently of the individual electrode portions i1 to i8, that is, the piezoelectric portions 41 to 48, and the first A drive signal around the two axes a2 can be input.
- each region can be efficiently displaced, and around the first axis and the second axis. It is possible to generate torque.
- the stress distribution during operation by resonance mode vibration (resonance drive)
- parameters such as device dimensions, Young's modulus of material, and device shape are given using known finite element method software, and the mode analysis method is used. Can be analyzed.
- the stress distribution in the piezoelectric film during driving in the resonance mode is analyzed, and based on the analysis result, the upper electrodes are individually assigned according to the classification of the compressive stress region and the tensile stress region in the stress distribution. Divide into electrode parts. Each piezoelectric portion is defined by each individual electrode portion.
- Power for driving is supplied from the drive circuit to each of the piezoelectric units 41 to 48 for driving in the first resonance mode and the second resonance mode.
- the drive signal supplied to the actuator 14 an AC signal or a pulse waveform signal having a frequency that excites resonance can be used. The specific drive signal will be described below together with the drive method.
- the drive circuit inputs a drive signal in which a first drive signal for driving the first resonance mode and a second drive signal for driving the second resonance mode are superimposed on each of the plurality of piezoelectric portions of the piezoelectric element. ..
- the first drive signal includes drive voltage waveforms having opposite phases to each other, and the main one having the maximum absolute value at the moment when the vibration amplitude when the drive voltage waveform of one of the phases is driven in the first resonance mode becomes maximum. It is a signal given to the piezoelectric part located in the region where the stress component is positive, and the drive voltage waveform of the other phase is given to the piezoelectric part located in the region where the principal stress component having the maximum absolute value becomes negative at the above moment. ..
- the second drive signal includes drive voltage waveforms having opposite phases to each other, and the main one having the maximum absolute value at the moment when the vibration amplitude when the drive voltage waveform of one of the phases is driven in the second resonance mode becomes maximum. It is a signal given to the piezoelectric part located in the region where the stress component is positive, and the drive voltage waveform of the other phase is given to the piezoelectric part located in the region where the principal stress component having the maximum absolute value is negative.
- the drive circuit 50 is a region in which the direction of the principal stress component having the maximum absolute value at the moment when the drive amplitude is maximum when driven in the first resonance mode is the same (same sign) as the first drive signal.
- a drive signal waveform having the same phase is applied to the piezoelectric portion located at. That is, a drive signal waveform having the same phase is applied to the piezoelectric portions located in the compressive stress region, and a drive signal waveform having the same phase is applied to the piezoelectric portions located in the tensile stress region.
- the drive circuit is located in a region where the direction of the principal stress component having the maximum absolute value at the moment when the drive amplitude is maximum when driven in the first resonance mode is different (the sign is different) as the first drive signal.
- a drive signal waveform of opposite phase is applied between the piezoelectric portions. That is, drive signal waveforms having opposite phases are applied to the compressive stress region and the tensile stress region.
- the amplitude of the drive signal waveform having the same phase may be the same between the piezoelectric parts, or may be different between the piezoelectric parts.
- the drive circuit 50 is located in a region where the direction of the principal stress component having the maximum absolute value at the moment when the drive amplitude is maximum when driven in the second resonance mode is the same as the second drive signal.
- a drive signal waveform having the same phase is applied to the piezoelectric portion. That is, a drive signal waveform having the same phase is applied to the piezoelectric portions located in the compressive stress region, and a drive signal waveform having the same phase is applied to the piezoelectric portions located in the tensile stress region.
- the drive circuit is located between the pressure portions located in regions where the directions of the principal stress components having the maximum absolute value at the moment when the drive amplitude is maximum when driven in the second resonance mode are different.
- the first resonance mode and the second resonance mode are set by applying a drive signal on which the first drive signal for the first resonance mode and the second drive signal for the second resonance mode are superimposed on each piezoelectric portion. Can be excited at the same time.
- the drive signal is applied to the piezoelectric units 41 to 48 to drive the actuator 14
- the principal stress component having the maximum absolute value among the principal stresses generated in each piezoelectric film at the moment of each vibration is in the positive region.
- a positive voltage is applied to the position piezoelectric part, and a negative voltage is applied to the piezoelectric part located in the region where the principal stress component having the maximum absolute value is negative.
- FIG. 14 is a diagram showing a piezoelectric unit group to which a drive signal having the same phase is input when the first resonance mode is excited, and FIG. 15 shows an example of a drive signal input to each piezoelectric unit group.
- FIG. 16 is a diagram showing a piezoelectric unit group to which a drive signal having the same phase is input when the second resonance mode is excited, and FIG. 17 shows a drive signal input to each piezoelectric unit group.
- the individual electrode portions of the piezoelectric portions of the first group into which drive signals of the same phase are input when the first resonance mode is excited are shown by diagonally downward sloping lines. Further, the individual electrode portions of the piezoelectric portion of the second group to which the drive signal having the opposite phase to that of the first group is input are shown by diagonal lines rising to the right.
- the individual electrode portions i1, i4, i6, and i7 of the first group correspond to the tensile stress region t1 of FIG. 11, and the first drive signal V 1 a for the first resonance mode of the same phase shown in FIG. 15 corresponds to these. Entered.
- the individual electrode portions i2, i3, i5, and i8 of the second group correspond to the compressive stress region c1 of FIG. 11, and the first drive signal V 1 b for the first resonance mode having the same phase is input to these. Will be done.
- the drive signal V 1 a applied to the piezoelectric portion of the first group and the drive signal V 1 b applied to the piezoelectric portion of the second group have the same first frequency f 1. , Signals with opposite phases (phase difference 180 °). By applying such a drive signal, distortion that tilts the actuator 14 around the first axis a1 is generated, and a rotational torque around the first axis a1 is given to the mirror portion 12.
- the first drive signals V 1 a and V 1 b are represented as follows, respectively.
- V 1 a ⁇ 1 V 1 sin (2 ⁇ f 1 t + ⁇ )
- V 1 b ⁇ 1 V 1 sin 2 ⁇ f 1 t
- ⁇ 1 V 1 is the voltage amplitude and t is the time.
- the offset voltage is not considered in the equation.
- V 1 is the basic voltage amplitude value of the first drive signal
- ⁇ 1 is the voltage amplitude correction coefficient for the first drive signal.
- the voltage amplitude given to each individual electrode portion may be the same or different. That is, the value of ⁇ 1 may be different for each piezoelectric part.
- the voltage amplitude may be set according to the magnitude of the stress generated in each individual electrode portion. For example, the larger the magnitude of the stress generated in the individual electrode portion, the larger the voltage amplitude.
- ⁇ 1 is a phase correction coefficient for the first drive signal, which is 1 in the case of V 1 a of the first phase and V 1 b of the second phase which is the opposite phase of the first phase. Is 0.
- the individual electrode portions of the piezoelectric portion of the third group to which the drive signals of the same phase are input when the second resonance mode is excited are shown by diagonally downward sloping lines. Further, the individual electrode portions of the piezoelectric portion of the fourth group to which the drive signal having the opposite phase to that of the third group is input are shown by diagonal lines rising to the right.
- the individual electrode portions i1, i3, i6, and i8 of the third group correspond to the tensile stress region t2 of FIG. 13, and the second drive signal V 2 a for the second resonance mode of the same phase shown in FIG. 17 corresponds to these. Entered.
- the individual electrode portions i2, i4, i5, and i7 of the fourth group correspond to the compressive stress region c2 in FIG. 13, and the second drive signal V 2 b for the second resonance mode having the same phase is input to them.
- the second drive signals V 2 a and V 2 b are signals having the same second frequency f 2 and having opposite phases (phase difference 180 °).
- the second drive signals V 2 a and V 2 b are represented as follows, respectively.
- V 2 a ⁇ 2 V 2 sin (2 ⁇ f 2 t + ⁇ )
- V 2 b ⁇ 2 V 2 sin 2 ⁇ f 2 t
- ⁇ 2 V 2 is the voltage amplitude and t is the time.
- the offset voltage is not considered in the equation.
- V 2 is the basic voltage amplitude value of the second drive signal
- ⁇ 2 is the voltage amplitude correction coefficient for the second drive signal.
- the voltage amplitude given to each individual electrode portion may be the same or different. That is, the value of ⁇ 2 may be different for each piezoelectric part.
- the voltage amplitude may be set according to the magnitude of the stress generated in each individual electrode portion. For example, the larger the magnitude of the stress generated in the individual electrode portion, the larger the voltage amplitude.
- ⁇ 2 is the phase correction coefficient of the second drive signal, which is 1 in the case of V 2 a of the first phase and V 2 b of the second phase which is the opposite phase of the first phase. It is 0.
- a drive signal on which the first drive signal for the first resonance mode and the second drive signal for the second resonance mode are superimposed is applied to each piezoelectric unit.
- the individual electrode portion i1 has V 1 a + V 2 a
- the individual electrode portion i2 has V 1 b + V 2 b
- the individual electrode portion i3 has V 1 b + V 2 a
- the individual electrode portion i4 has V 1 a + V 2 b. It is applied.
- Table 1 shows the combinations applied to each piezoelectric portion, that is, each individual electrode portion.
- the drive signal applied to the individual electrode portions in (where n is 1 to 8) of each piezoelectric portion can be represented by the following general formula (1).
- Vin ⁇ 1 V 1 sin ( 2 ⁇ f 1 t + ⁇ 1 ⁇ ) + ⁇ 2 V 2 sin ( 2 ⁇ f 2 t + ⁇ 2 ⁇ ) (1)
- the first term is the first drive signal for tilting and vibrating around the first axis
- the second term is the second drive signal for tilting and vibrating around the second axis.
- ⁇ 1 and ⁇ 2 are constant, but ⁇ 1 and ⁇ 2 are made different for each individual electrode, and the larger the magnitude of the stress generated in the individual electrode portion, the larger the voltage amplitude. By doing so, it is possible to further increase the drive efficiency and further reduce the power consumption.
- the drive signals corresponding to the directions of the principal stress components having the largest absolute value among the principal stresses generated in the piezoelectric film of the actuator when the micromirror device is driven in the first resonance mode and the second resonance mode are transmitted.
- the drive circuit is configured to input the drive signal to each piezoelectric portion.
- the lower electrodes of the plurality of piezoelectric parts included in each piezoelectric element are common electrodes. Therefore, the lower electrode is grounded and a predetermined drive signal (drive voltage waveform) is input to the upper electrode.
- a predetermined drive signal drive voltage waveform
- either the lower electrode or the upper electrode may be used as the ground electrode as long as a drive signal can be applied between the lower electrode and the upper electrode.
- the resonance mode there is a mode in which the mirror portion 12 is rotated around the axis (tilt vibration), a piston motion in the vertical direction, a twist motion in a plane, and the like.
- tilt vibration tilt vibration
- the mirror unit 12 is driven by using a resonance mode accompanied by tilt vibration.
- the resonance mode in which the mirror unit 12 and the actuator 14 vibrate in opposite phases resonates as compared with the resonance mode in which the mirror unit 12 vibrates in the same phase. Since the Q value of is high and the resonance frequency is high, it is more suitable for scanning at high speed. It is preferable that the mirror portion 12 and the actuator 14 are driven in the lowest order mode among the resonance modes in which the mirror portion 12 and the actuator 14 tilt and vibrate in opposite phases with respect to the circumference of the first axis because a high Q value can be obtained. However, it is not limited to the above mode. The order mode of the resonance mode to be used may be appropriately set.
- the resonance mode in which the actuator 14 and the mirror portion 12 are tilted and vibrated integrally has a lower resonance frequency and is suitable for low-speed operation. It is preferable because it is. However, it is not limited to the above mode.
- the order mode of the resonance mode to be used may be appropriately set.
- the stress distribution generated in the actuator during driving differs depending on which order of resonance mode is used, individual electrode portions are arranged based on the stress distribution in that resonance mode after determining the resonance mode used during driving.
- the lowest-order mode among the resonance modes in which the mirror unit 12 and the actuator 14 tilt and vibrate in opposite phases is set as the first resonance mode, and the frequency side is lower than the first resonance mode.
- the resonance mode having the smallest order among the resonance modes accompanied by tilt vibration is set as the second resonance mode.
- the piezoelectric element provided in the actuator 14 will be described. As described above, the piezoelectric element has a laminated structure of the lower electrode 31, the piezoelectric film 32, and the upper electrode 33.
- the thickness of the lower electrode and the upper electrode is not particularly limited, and is, for example, about 200 nm.
- the thickness of the piezoelectric film is not particularly limited as long as it is 10 ⁇ m or less, and is usually 1 ⁇ m or more, for example, 1 to 5 ⁇ m.
- the method for forming the lower electrode, the upper electrode, and the piezoelectric film is not particularly limited, but the vapor phase growth method is preferable, and the sputtering method is particularly preferable.
- the main component of the lower electrode is not particularly limited, and examples thereof include metals or metal oxides such as Au, Pt, Ir, IrO 2 , RuO 2 , LaNiO 3 , and SrRuO 3 , and combinations thereof.
- the main component of the upper electrode is not particularly limited, and examples thereof include materials exemplified in the lower electrode, electrode materials generally used in semiconductor processes such as Al, Ti, Ta, Cr, and Cu, and combinations thereof. ..
- Examples of the piezoelectric film include those containing one or more types of perovskite-type oxides (P) represented by the following formulas.
- General formula ABO 3 (P) (In the formula, A: an element of A site, and at least one element including Pb.
- B Element of B site, from Ti, Zr, V, Nb, Ta, Sb, Cr, Mo, W, Mn, Sc, Co, Cu, In, Sn, Ga, Zn, Cd, Fe, and Ni. At least one element selected from the group.
- O Oxygen element.
- the standard molar ratio of the A-site element, the B-site element, and the oxygen element is 1: 1: 3, but these molar ratios may deviate from the reference molar ratio within a range in which a perovskite structure can be obtained.
- Examples of the perobskite type oxide represented by the above general formula include lead titanate, lead zirconate titanate (PZT), lead zirconate tit, lead zirconate titanate, lead zirconate titanate lanthanate, and lead zirconate titanate magnesium niobate.
- Lead-containing compounds such as lead zirconate titanate titanate, lead zirconate titanate zinc niobate, and their mixed crystal systems; barium niobate, strontium barium niobate, sodium niobate, potassium niobate, niobate.
- Lead-free compounds such as sodium, potassium niobate, lithium niobate, and bismas ferrite, and mixed crystal systems thereof can be mentioned.
- the piezoelectric film of the present embodiment preferably contains one kind or two or more kinds of perovskite type oxides (PX) represented by the following formula.
- a a (Zr x , T y , M b-x-y ) b O c (PX) (In the formula, A: an element of A site, at least one element including Pb. M is at least one element selected from the group consisting of V, Nb, Ta, and Sb.
- the piezoelectric film made of the perovskite-type oxide represented by the above general formulas (P) and (PX) has a high piezoelectric strain constant (d 31 constant), the piezoelectric actuator provided with such a piezoelectric film has displacement characteristics. Will be excellent.
- the perovskite-type oxide represented by the general formula (PX) has a higher piezoelectric constant than that represented by the general formula (P).
- the piezoelectric actuator provided with the piezoelectric film made of the perovskite-type oxide represented by the general formulas (P) and (PX) has a voltage-displacement characteristic with excellent linearity in the drive voltage range. These piezoelectric materials exhibit good piezoelectric properties in carrying out the techniques of the present disclosure.
- micromirror device according to the embodiment of the present disclosure will be described.
- Example 1 A micromirror device having the configuration shown in FIG. 1 was produced as Example 1 by the following procedure.
- Step 1 A Ti layer is placed on an SOI (Silicon On Insulator) substrate having a laminated structure of a Si handle layer 350 ⁇ m, a silicon oxide (SiO 2 ) box layer 1 ⁇ m, and a Si device layer 100 ⁇ m at a substrate temperature of 350 ° C. by a sputtering method. 30 nm and an Ir layer of 150 nm were formed. The laminated structure of the Ti layer and the Ir layer corresponds to the lower electrode 31 in FIG.
- SOI Silicon On Insulator
- Step 2 A piezoelectric film of 3 ⁇ m was formed on the substrate on which the lower electrodes (Ti / Ir) were laminated and formed, which was obtained above, using a radio frequency (RF) sputtering device.
- RF radio frequency
- the target material for the sputtering film formation for the piezoelectric film a material having a composition of Pb 1.3 ((Zr 0.52 Ti 0.48 ) 0.88 Nb 0.12 ) O 3 was used.
- the film forming pressure was 2.2 mTorr, and the film forming temperature was 450 ° C.
- the obtained piezoelectric film was an Nb-doped PZT thin film to which Nb was added at an atomic composition ratio of 12%.
- Step 3 On the substrate on which the piezoelectric film obtained above was formed, an upper electrode including a plurality of individual electrode portions having a laminated structure of Pt / Ti was formed in a pattern by a lift-off method.
- Step 4 the piezoelectric film and the lower electrode were pattern-etched by inductively coupled plasma (ICP) dry etching.
- ICP inductively coupled plasma
- Step 5 an insulating layer made of SiO 2 is formed on the entire surface by a chemical vapor deposition method (TEOS-CVD: tetraethoxysilane-chemical vapor deposition) using tetraethoxysilane as a raw material, and then by ICP dry etching. The insulating layer was patterned.
- TEOS-CVD tetraethoxysilane-chemical vapor deposition
- Step 6 By the lift-off method, a laminated structure of Au / Ti was formed into a pattern, and a reflective surface of a mirror portion, an electrode pad, and a wiring layer were formed.
- Step 7 The device layer was pattern-etched by a silicon dry etching process to process the shapes of the actuator, the mirror portion, and the fixing member.
- Step 8 the handle layer was deep-drilled reactive ion etching from the back surface of the substrate. Basically, the handle layer was removed leaving a portion to be a fixing member.
- Step 9 the micromirror device 1 shown in FIG. 1 was manufactured by removing the box layer from the back surface by dry etching.
- the reflective surface of the mirror portion is formed in step 6, but the reflective surface may be formed by using a reflective material different from the material of the electrode pad and the wiring layer. In that case, for example, step 6 Subsequently, the reflective surface may be formed by a lift-off method or the like.
- each element of the micromirror device of this embodiment is as follows.
- the diameter of the mirror portion 12 is 2.7 mm
- the length of the first connecting portion 21 along the first axis a1 direction (the length from the outer circumference of the mirror to the inner circumference of the actuator) is 0.77 mm
- the width in the second axis a2 direction is 0. 35 mm
- length of the second connection portion 22 along the second axis a2 direction length from the outer circumference of the actuator to the connection point with the fixed portion 2.0 mm
- width 0.14 mm along the first axis a1 direction did.
- the thickness of the mirror portion 12, the actuator 14, the first connection portion 21, and the second connection portion is equal to the thickness of the device layer.
- the size of the actuator 14 and the connection portion 21 is set so that the frequency of the first resonance mode on the high-speed drive side is 20 kHz, and the second resonance mode is from the first resonance mode.
- the lowest order of the resonance modes accompanied by tilt vibration on the low frequency side was adopted.
- the first drive signal having the first resonance frequency and the second drive signal having the second resonance frequency are superimposed and driven by the drive signal.
- FIG. 1 A plan view of the micromirror device 101 of the reference example is shown in FIG.
- the micromirror device of the reference example was manufactured by the same manufacturing procedure as in the example.
- the micromirror device 101 of the reference example includes a mirror portion 112, an annular first actuator 114 arranged so as to surround the mirror portion 112, an annular second actuator 116 surrounding the first actuator 114, and a fixed portion 120.
- a first connection portion 121, a second connection portion 122, and a third connection portion 123 are provided.
- Each of the actuators 114 and 116 is a piezoelectric actuator provided with a piezoelectric element.
- the first actuator 114 includes a pair of semi-annular actuator portions 114A and 114B each provided with a piezoelectric element, and the first axis is provided by the first connecting portion 121 so that the pair of semi-annular actuator portions 114A and 114B surround the mirror portion 112. It is connected on a1.
- the second actuator 116 includes a pair of semi-annular actuator portions 116A and 116B each provided with a piezoelectric element, and the second connecting portion 122 causes the pair of semi-annular actuator portions 116A and 116B to surround the first actuator portion 114. It is connected on the second axis a2.
- the region indicated by hatching is an individual electrode portion constituting the upper electrode of the piezoelectric element.
- Each of the upper electrodes of the semi-annular actuator portions 114A, 114B, 116A, and 116B is composed of three individual electrode portions, and includes three piezoelectric portions defined by the individual electrode portions.
- the first actuator 114 includes a total of six individual electrode portions ai1 to ai3 and bi1 to bi3.
- the second actuator 116 includes a total of six individual electrode portions ao1 to ao3 and bo1 to bo3.
- the first actuator 114 is in charge of driving the tilt vibration around the first axis a1
- the second actuator 116 is in charge of driving the tilt vibration around the second axis a2.
- FIG. 19 is a simulation diagram of a mirror unit 112 tilting and vibrating around the first axis a1 in the first resonance mode, with the mirror unit 112 centered on the first axis a1 and one end x1 in the x-axis direction in the + z direction. Shows a state in which the other end x2 in the x-axis direction is tilted and displaced in the ⁇ z direction.
- the fixed portion is omitted, and the shade of color indicates the amount of displacement.
- the individual electrode portions of the first semi-annular actuator portions 114A and 114B are among the principal stresses generated in the in-plane direction of the piezoelectric film of the first actuator in the maximum displacement state when the first actuator is driven in the first resonance mode.
- the absolute value is provided according to the sign of the maximum principal stress component, and is separated by the stress reversal region.
- the individual electrode portions of the second semi-annular actuator portions 116A and 116B are among the principal stresses generated in the in-plane direction of the piezoelectric film of the second actuator in the maximum displacement state when the second actuator is driven in the second resonance mode.
- the absolute value is provided according to the sign of the maximum principal stress component, and is separated by the stress reversal region.
- the individual electrode portions driven in the same phase are shown by the same diagonal line.
- the individual electrode portions ai1, ai3, and bi2 shown by the downward slashes correspond to the tensile stress region t1.
- the individual electrode portions ai2, bi1, and bi3 shown by the diagonal lines rising to the right correspond to the compressive stress region c1.
- the first drive signal for the first resonance mode having the opposite phase is applied between the individual electrode portion corresponding to the tensile stress region t1 and the individual electrode portion corresponding to the compressive stress region c1.
- a drive signal was input to each piezoelectric portion of the first actuator 114 in order to tilt and vibrate the mirror portion 112 around the first axis a1.
- the drive signal was input. That is, drive signals having the same high-speed frequency and opposite phases to the individual electrode portions ai1, ai3 and bi2 and the individual electrode portions ai2, bi1 and bi3 were input.
- FIG. 21 is a simulation diagram of the mirror portion 112 and the first actuator 114 tilting and vibrating around the second axis a2 in the second resonance mode, and the mirror portion 112 and the first actuator 114 are centered on the second axis a2.
- One end y1 in the y-axis direction of the first actuator 114 is tilted in the + z direction, and the other end y2 in the y-axis direction is tilted in the ⁇ z direction.
- the shade of color indicates the amount of displacement.
- a drive signal was input to each piezoelectric portion of the second actuator 116 in order to tilt and vibrate the first actuator 114 and the mirror portion 112 around the second axis a2.
- the drive signal was input. That is, drive signals having the same low frequency and opposite phases to the individual electrode portions ao1, ao3 and bo2 and the individual electrode portions ao2, bo1 and bo3 were input.
- the first resonance frequency and the second resonance frequency were measured for the micromirror devices of Examples and Reference Examples. Further, the first drive required for scanning 45 ° around the first axis a1 when driven in the first resonance mode and the second resonance mode using the drive waveforms of the first resonance frequency and the second resonance frequency, respectively.
- the voltage amplitude of the signal and the voltage amplitude of the second drive signal required for scanning 30 ° around the second axis a2 were investigated. The results are shown in Table 1.
- the optical scan angle is measured by a method in which the laser is perpendicularly incident on the reflecting surface of the mirror part of the micromirror device, the length of the scan line is measured using a ruler, etc., and the total angle of the scan is obtained from the geometrical relationship. did.
- the size of the main body of the structure is the length in the x direction x the length in the y direction of the inner circumference of the solid frame.
- the example and the reference example are micromirror devices provided with mirror portions of the same size, but the embodiment was able to reduce the size of the main body of the structure as compared with the reference example.
- the technique of the present disclosure is not limited to the configuration and the manufacturing method of the present embodiment, and the substrate material, electrode material, piezoelectric material, film thickness, film forming conditions, etc. are appropriately selected according to the purpose. be able to.
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Abstract
マイクロミラーデバイス(1)において、ミラー部(12)を囲んで配置された備えたアクチュエータ(14)備える。アクチュエータ(14)は圧電素子(40)を備え、圧電素子(40)の上部電極(33)が、ミラー部に第1軸の周りに傾き変位を生じさせる第1共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、圧電膜(32)の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第1応力反転領域、およびミラー部に第2軸周りに傾き変位を生じさせる第2共振モードで駆動させた場合に圧電膜(32)の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第2応力反転領域で分離された複数の個別電極部(i1~i8)からなり、複数の個別電極部(i1~i8)の各々により規定される複数の圧電部(41~48)を含む。
Description
本開示は、マイクロミラーデバイスに関する。
シリコン(Si)の微細加工技術を用いて作製される微小電気機械システム(Micro Electro Mechanical Systems:MEMS)デバイスの1つとしてマイクロミラーデバイス(マイクロスキャナともいう。)が知られている。このマイクロミラーデバイスは小型かつ低消費電力であることから、レーザーを使ったヘッドアップディスプレイ、網膜ディスプレイなどへの応用が期待されている。
画像表示のための光スキャン方式としては、これまで一般的であったラスタスキャン方式に対し、水平軸および垂直軸の両軸ともに正弦的な駆動を行い、リサージュ波形を描くことによって画面を網羅するリサージュスキャン方式が注目されている。リサージュスキャン方式は、レーザードライバのアルゴリズムは複雑であるが、ミラーを小型化でき、かつ駆動消費電力を抑えながら広い画角を実現することができる。
マイクロミラーの駆動方式は様々であるが、圧電体の変形を利用した圧電駆動方式は、他の方式に比べて発生するトルクが高く、高スキャン角が得られるとして有望視されている。
特許第6092713号公報および国際公開第2016/052547号には、ミラー部がトーションバーを介して1対の半環状圧電アクチュエータと接続され、トーションバーを軸としてミラー部を回転振動可能とした圧電方式のミラーデバイスが開示されている。特許第6092713号公報および国際公開第2016/052547号では、ミラー部を振動させる際に半環状圧電アクチュエータに発生する応力分布に対応して圧電膜を分割配置し、分割配置されたそれぞれの圧電膜にそれぞれ適切な極性の駆動信号を与えることで、効率的にミラーを駆動する方法が開示されている。
しかしながら、特許第6092713号公報および国際公開第2016/052547号に開示されているミラーデバイスは、1軸方向にしかスキャンできないため、1チップでは画像を表示することができない。
他方、特許第5151065号公報、特許第4984117号公報および特開2018-41085号公報には、マイクロミラーデバイスとして2次元スキャンが可能な圧電駆動方式の光スキャナが提案されている。
特許第5151065号公報には、ミラー部が第1軸に沿った第1の接続部を介して可動枠に接続されており、可動枠が可動枠を囲む固定枠に圧電アクチュエータを介して接続された構成の光スキャナが開示されている。可動枠と圧電アクチュエータは第1軸に直交する第2軸に沿った第2の接続部で接続されており、さらに圧電アクチュエータは第1軸に沿った第3の接続部で固定枠に接続されている。ミラー部を挟んで軸上に配置される2つの第3の接続部の各々に1対の可動部が接続され、計4つの可動部により、ミラー部を可動枠ごと2軸周りに振動させることで、光の2次元スキャン動作を実現している。
特許第4984117号公報には、ミラー部と、ミラー部を囲むように配置され、第1軸に沿って延びる第1トーションバーを介してミラー部と接続された第1のアクチュエータ部と、第1のアクチュエータ部の外側に配置され、第1トーションバーの軸上で第1アクチュエータに接続された内部可動枠と、内部可動枠を囲むように配置され、第2トーションバーを介して内部可動枠と接続された第2のアクチュエータ部とを備えた光スキャナが開示されている。第1アクチュエータがミラー部に第1軸周りのトルクを与え、第2のアクチュエータ部がミラー部に第2軸周りのトルクを与えることで、光の2次元スキャン動作を実現している。
特開2018-41085号公報では、ミラー部が第1のトーションバーを介してミラー部を囲む第1のフレーム装置(可動枠)と接続されており、第1のフレーム装置が第2のトーションバーで第1のフレーム装置を囲むアクチュエータ構造体に接続されている。さらにアクチュエータ構造体が第3のトーションバーでアクチュエータ構造体を囲む第2のフレーム装置に接続された構成が開示されている。アクチュエータ構造体には第1軸および第2軸に対称な4つの可動部が備えられており、この4つの可動部によりミラー部が2つの軸中心に回動されて光の2次元スキャン動作を実現している。
特許第5151065号公報、特許第4984117号公報および特開2018-41085号公報によれば、1チップで2次元スキャンが可能である。しかしながら、特許第5151065号公報、特許第4984117号公報および特開2018-41085号公報の光スキャナはいずれも2軸周りで各々に独立した回転運動をさせるため、各軸周りの回転を担当する2つのトーションバーを介して、少なくとも2つの矩形もしくは円環形状のアクチュエータ(あるいは可動枠)を、ミラーを囲うように配置している。そのため、全体のチップサイズが大型化している。
本開示は、上記事情に鑑みてなされたものであって、2次元スキャンが可能であり、かつ小型なマイクロミラーデバイスを提供することを目的とする。
上記の課題を解決するための具体的手段には、以下の態様が含まれる。
<1>
光を反射する反射面を有するミラー部と、
ミラー部を囲んで配置された環状のアクチュエータと、
ミラー部とアクチュエータとを、第1軸周りでミラー部が回動可能に接続する第1接続部と、
アクチュエータの外周に設けられた固定部と、
アクチュエータと固定部とを、第1軸と交差する第2軸周りでアクチュエータが回動可能に接続する第2接続部とを備え、
アクチュエータが、ミラー部に第1軸周りの回転トルクを作用させ、かつ、ミラー部に第2軸周りの回転トルクを作用させることにより、ミラー部を第1軸および第2軸周りに回転駆動するマイクロミラーデバイスであり、
アクチュエータが、振動板上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層された圧電素子を備えた圧電アクチュエータであり、
上部電極が、ミラー部に第1軸周りに傾き振動を生じさせる第1共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第1応力反転領域、およびミラー部に第2軸周りに傾き振動を生じさせる第2共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第2応力反転領域で分離された複数の個別電極部からなり、圧電素子は、複数の個別電極部の各々により規定される複数の圧電部を含むマイクロミラーデバイス。
<2>
第1接続部は、ミラー部とアクチュエータと第1軸上で接続する<1>に記載のマイクロミラーデバイス。
<3>
第2接続部は、アクチュエータと固定部とを第2軸上で接続する<1>または<2>に記載のマイクロミラーデバイス。
<4>
上部電極は、複数の個別電極部として、少なくとも8つの個別電極部を備え、複数の個別電極部は、第1軸および第2軸に対称に配置されている<1>から<3>のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
<5>
アクチュエータの複数の圧電部の各々に駆動信号を入力するための駆動回路を備えた<1>から<4>のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
<6>
駆動回路は、ミラー部を第1軸周りに傾き振動する第1共振モードで駆動し、かつ、ミラー部を第2軸周りに傾き振動する第2共振モードで駆動する駆動信号を複数の圧電部に入力する<5>に記載のマイクロミラーデバイス。
<7>
駆動回路は、駆動信号として、第1共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第1駆動信号と、第2共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第2駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する<6>に記載のマイクロミラーデバイス。
<1>
光を反射する反射面を有するミラー部と、
ミラー部を囲んで配置された環状のアクチュエータと、
ミラー部とアクチュエータとを、第1軸周りでミラー部が回動可能に接続する第1接続部と、
アクチュエータの外周に設けられた固定部と、
アクチュエータと固定部とを、第1軸と交差する第2軸周りでアクチュエータが回動可能に接続する第2接続部とを備え、
アクチュエータが、ミラー部に第1軸周りの回転トルクを作用させ、かつ、ミラー部に第2軸周りの回転トルクを作用させることにより、ミラー部を第1軸および第2軸周りに回転駆動するマイクロミラーデバイスであり、
アクチュエータが、振動板上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層された圧電素子を備えた圧電アクチュエータであり、
上部電極が、ミラー部に第1軸周りに傾き振動を生じさせる第1共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第1応力反転領域、およびミラー部に第2軸周りに傾き振動を生じさせる第2共振モードで駆動させた場合に圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第2応力反転領域で分離された複数の個別電極部からなり、圧電素子は、複数の個別電極部の各々により規定される複数の圧電部を含むマイクロミラーデバイス。
<2>
第1接続部は、ミラー部とアクチュエータと第1軸上で接続する<1>に記載のマイクロミラーデバイス。
<3>
第2接続部は、アクチュエータと固定部とを第2軸上で接続する<1>または<2>に記載のマイクロミラーデバイス。
<4>
上部電極は、複数の個別電極部として、少なくとも8つの個別電極部を備え、複数の個別電極部は、第1軸および第2軸に対称に配置されている<1>から<3>のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
<5>
アクチュエータの複数の圧電部の各々に駆動信号を入力するための駆動回路を備えた<1>から<4>のいずれかに記載のマイクロミラーデバイス。
<6>
駆動回路は、ミラー部を第1軸周りに傾き振動する第1共振モードで駆動し、かつ、ミラー部を第2軸周りに傾き振動する第2共振モードで駆動する駆動信号を複数の圧電部に入力する<5>に記載のマイクロミラーデバイス。
<7>
駆動回路は、駆動信号として、第1共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第1駆動信号と、第2共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第2駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する<6>に記載のマイクロミラーデバイス。
本開示によれば、2次元スキャンが可能であり、かつ小型なマイクロミラーデバイスを提供することができる。
以下、図面を参照して本開示の具体的な実施の態様について説明する。
図1は実施形態に係るマイクロミラーデバイスの平面図である。図2は、マイクロミラーデバイスの一部の断面構造を示す図である。図3は、マイクロミラーデバイス用の構造体を上面側から見た斜視図であり、配線構造を備えていない状態を示す。図4は、実施形態のマイクロミラーデバイス用の構造体を底面側から見た斜視図である。図5は、実施形態のマイクロミラーデバイス用の構造体の平面図であり、図6は、実施形態のマイクロミラーデバイス用の構造体の底面図である。図7は、マイクロミラーデバイス用の構造体の左側面図である。なお、マイクロミラーデバイスの構造体の右側面図は左側面図と同一である。図8は、実施形態のマイクロミラーデバイスの構造体の正面図である。なお、マイクロミラーデバイスの構造体の背面図は正面図と同一である。
本実施形態のマイクロミラーデバイス1は、ミラー部12と、ミラー部12を囲むように配置された環状のアクチュエータ14と、ミラー部12とアクチュエータ14とを接続する第1接続部21と、アクチュエータ14の外周に配置された固定部20と、アクチュエータ14と固定部20とを接続する第2接続部22とを備えている。
マイクロミラーデバイス1のサイズは、例えば、長さおよび幅寸法がそれぞれ1mm~10mm程度が一般的であるが、これよりも小さい構造でも大きい構造でもよく、特に制限されるものではない。また、アクチュエータの厚みについても、5μm~0.2mm程度が一般的であるが、作製できる範囲であればよく、特に制限されるものではない。
ミラー部12は、入射光を反射する反射面12aを有する。反射面12aは、ミラー部12の一面に設けられた、例えば、Au(金)およびAl(アルミニウム)等の金属薄膜から構成される。反射面12aを形成するためのミラーコーティングに用いる材料および膜厚は特に限定されず、公知のミラー材料(高反射率材料)を用いて様々な設計が可能である。
図1においては、略円形の反射面12aを有し、反射面12aと相似形の平面視形状のミラー部12を例示しているが、ミラー部12の平面視形状と、反射面12aの形状は一致していてもよいし、異なっていてもよい。ミラー部12および反射面12aの形状は、特に限定されない。例示した円形に限らず、楕円形、正方形、長方形および多角形など、様々な形状があり得る。
第1接続部21は、ミラー部12とアクチュエータ14とを接続し、ミラー部12を第1軸a1周りで回動可能に支持する。第1接続部21は、ミラー部12を挟んで対称にミラー部12の外周から第1軸a1に沿って外側に延設された1対の棒状部材であり、ミラー部12とアクチュエータ14とを第1軸a1上で接続する。第1接続部21を構成する1対の棒状部材のそれぞれの一端がミラー部12の外周に接続され、それぞれの他端がアクチュエータ14に接続されている。
第2接続部22は、アクチュエータ14と固定部20とを、アクチュエータ14を第2軸a2周りで回動可能に支持する。第2接続部22は、アクチュエータ14を挟んで対称に、アクチュエータ14の外周から第2軸a2に沿って外側に延設された1対の棒状部材であり、アクチュエータ14を固定部20とを第2軸a2上で接続する。第2接続部22を構成する1対の棒状部材のそれぞれの一端がアクチュエータ14の外周に接続され、それぞれの他端が固定部20に接続されている。
上記構成により、本実施形態においては、第1軸a1と第2軸a2とはミラー部12の略中心で交わっている。
ここで、第1軸a1は、ミラー部12の静止時の反射面12aを含む平面内にある。第2軸a2はこの平面内おいて、第1軸a1と交差する軸であり、ここでは第1軸a1と直交する軸である。第1軸a1と第2軸a2は、反射面12aの中心で交差していることが好ましいが、交差位置は中心からずれていても構わない。
各図において、ミラー部12の静止時における反射面12aの法線方向をz軸方向とし、第1軸a1と平行な方向をy軸方向、第2軸a2と平行な方向をx軸方向としている。
固定部20は、第2接続部22を介してアクチュエータ14を支持する。アクチュエータ14は第1接続部21を介してミラー部12を支持している。固定部20には、配線22および電極端子24等が設けられており、さらに図示しない電子回路が設けられていてもよい。
固定部20は、本例においては、アクチュエータ14を囲む枠部材(固定枠)である。固定部20は、第2接続部22を介してアクチュエータ14を支持可能な構成であれば、枠部材に限らず、第2接続部22のうちの一方と接続する第1の固定部と他方と接続する第2の固定部の2つの部材から構成されていてもよい。
アクチュエータ14は、ミラー部12を囲む環状の部材である。アクチュエータ14は、ミラー部12に第1軸a1周りの回転トルクを作用させ、かつ、ミラー部12に第2軸a2周りの回転トルクを作用させることによって、ミラー部12を第1軸a1および第2軸a2周りに2次元回転駆動する。本マイクロミラーデバイス1は、ミラー部12を2次元回転駆動させることにより、ミラー部12の反射面12aへの入射光を反射させて2次元走査(2次元スキャン)させることができる。ここで、環状とは、内側の領域を途切れなく囲む形状であればよく、内周および外周の形状は円形でなくてもよく、矩形状あるいは多角形状など、どのような形状であってもよい。本例では、アクチュエータの内周および外周は八角形状である。
2次元回転駆動の詳細については後述するが、本開示のマイクロミラーデバイスにおいては、ミラー部12を囲む1つの環状のアクチュエータ14によって、ミラー部12を2次元回転させることが可能である。従来の2つ以上のアクチュエータ(あるいは可動枠)を備えた構造と比較してデバイス全体を小型化することができる。
本例のマイクロミラーデバイス1において、ミラー部12、アクチュエータ14、固定部20、第1接続部21および第2接続部22は、第1軸a1および第2軸a2に線対称の構造で配置されている。かかる対称構造によって、中央のミラー部12に対して効率良く回転トルクを作用させることができる。
マイクロミラーデバイス1は、例えば、シリコン基板から半導体製造技術を利用して加工することにより、ミラー部12、アクチュエータ14、固定部20、第1接続部21、および第2接続部22等の要素が一体的に構成された構造物として作製することができる。
なお、固定部20は、ミラー部12、アクチュエータ14、第1接続部21および第2接続部22と比較して厚い(図3および図4参照)。すなわち、ミラー部12、アクチュエータ14、第1接続部21および第2接続部の厚みは、固定部20の厚み(z方向の厚み)と比較して薄く形成されている。これにより、アクチュエータ14、接続部21および接続部22が変形(例えば、曲げ変形あるいは捻れ変形)し易い構造となっている。ミラー部12、アクチュエータ14、および固定部20のうち、反射面、圧電膜、電極および配線等を除く基材部分をマイクロミラーデバイス用の構造体という。また、この構造体のうち、固定部20を除く部分が、構造体中の本体部分である。マイクロミラーデバイスの基本性能はこの本体部分の形状に依存し、固定部20の形状には依存しない。
アクチュエータ14は、圧電素子40を備えた圧電アクチュエータである。圧電素子40は、振動板30上に、下部電極31、圧電膜32および上部電極33が順に積層された積層構造を有する(図2参照。)。なお、図2において、視認容易のため、実際の膜厚比と異なる膜厚比で示している。上部電極および下部電極の「上部」および「下部」は、天地を意味するものではなく、圧電膜を挟む一対の電極のうち、振動板側に設けられている電極を下部電極、圧電膜を挟んで下部電極と対向して配置される電極を上部電極と称しているに過ぎない。
圧電素子40の上部電極33が、ミラー部12に第1軸a1周りに傾き振動を生じさせる第1共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、圧電膜32の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第1応力反転領域、およびミラー部12に第2軸a2周りに傾き振動を生じさせる第2共振モードで駆動させた場合に圧電膜32の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第2応力反転領域で分離された複数の個別電極部i1~i8からなり、圧電素子40は、複数の個別電極部i1~i8の各々により規定される複数の圧電部41~48を含む。図1中の個別電極部の分離領域Sは第1応力反転領域および/または第1応力反転領域に相当、以下において、応力反転領域Sという。各主応力および応力反転領域については後述する。
複数の圧電部41~48への所定の電圧印加に伴って圧電膜の変形によってアクチュエータ14が屈曲変位して駆動力を生じ、第1接続部21に回転トルクを発生させると共に第2接続部22に回転トルクを発生させることができる。本マイクロミラーデバイス1においては、上部電極33を第1共振モード時の応力分布および第2共振モード時の応力分布に応じて個別電極部を備えることで、1つの環状のアクチュエータ14を用いた2次元駆動を実現している。
詳細な個別電極部の配置について説明する。アクチュエータ14の上部電極33は、8個の個別電極部i1~i8からなる。各個別電極部i1~i8は互いに分離して形成されている。上部電極33が複数の個別電極部i1~i8に分離して形成されることによって、各々の個別電極部i1~i8で規定される圧電部41~48の各々を、独立して電圧制御することができる。個々の圧電部41~48は、個別電極部i1~i8と、対向する下部電極31と、個別電極部i1~i8と下部電極31との間に挟まれた圧電膜32により構成される。各個別電極部i1~i8および下部電極31は配線22および電極端子24(個別符号1~8およびGND)を介して駆動回路に接続される。
図9は、本例におけるマイクロミラーデバイス1の圧電素子40の各圧電部41~48と駆動回路50との電気的な配線構造を示すブロック図である。
圧電素子40は、下部電極31、圧電膜32および上部電極33を備えている。圧電素子40の各圧電部41~48の各個別電極部i1~i8はそれぞれ電極端子1~8に接続されており、下部電極31はすべての個別電極部に対して共通膜であり、接地用の電極端子GNDに接続されている。
圧電素子40は、下部電極31、圧電膜32および上部電極33を備えている。圧電素子40の各圧電部41~48の各個別電極部i1~i8はそれぞれ電極端子1~8に接続されており、下部電極31はすべての個別電極部に対して共通膜であり、接地用の電極端子GNDに接続されている。
なお、本実施形態においては、圧電膜32および下部電極31は、複数の圧電部に共通の膜として形成されているが、圧電膜32、あるいは圧電膜32と下部電極31も、上部電極33の個別電極部毎に分離されていてもよい。
本開示のマイクロミラーデバイスは、1つの環状のアクチュエータのみで2次元駆動ができるため、可動枠および第2のアクチュエータを持たない構造であるため、素子体積を小さく抑えることができる。
図10は、第1共振モードでミラー部12が第1軸a1周りに傾き振動する様子を示すシミュレーション図であり、ミラー部12が第1軸a1を中心として、x軸方向の一端x1が+z方向に、x軸方向の他端x2が-z方向に傾き変位した状態を示している。図10において、色の濃淡は変位量を示している。
第1共振モードでミラー部12が第1軸a1周りに傾き振動して図10のように回転変位した状態にある時、アクチュエータ14は撓み変形する。そして、図11に示すように、アクチュエータ14の圧電膜には引張方向の応力(以下において、引張応力という。)σtがかかる引張応力領域t1と、圧縮方向の応力(以下において、圧縮応力という。)σcがかかる圧縮応力領域c1とが生じる。図11においては、引張応力がかかる部分を薄い灰色、圧縮応力がかかる部分を黒色で示している。なお、色密度が高い領域ほど応力が大きいことを示す。なお、圧電膜の各位置に生じる応力は振動に応じて時間変化する。図11は第1共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に圧電膜に生じる面内応力の状態を示している。
各部分が「圧縮応力」であるか「引張応力」であるかは、互いに直交する三つの主応力ベクトルの中から圧電膜の膜厚方向に略直交する平面内の二つの主応力を選び出し、そのうち絶対値が大きい方の方向(絶対値が最大の主応力成分の方向)で定められる。膜厚方向をz軸に取った場合において、膜厚方向の略直交する平面内の二つの主応力とは、x-y平面内に生じる応力である。応力方向の表記方法としては、外に向かう方向のベクトルを引張方向、内に向かう方向のベクトルを圧縮方向と定義する。
このように定義する理由は、概して圧電MEMSデバイスではアクチュエータ部の寸法が平面的であり、膜厚方向の応力がほぼ0とみなせるためである。「寸法が平面的」とは、平面方向の寸法に比べて高さが十分小さいことを意味する。上述した「x-y平面」の面方向が「圧電膜の膜厚方向に直交する面内方向」に相当する。応力は、部材が引っ張られる方向に力が加わる引張応力σtが正、圧縮させる方向に力が加わる圧縮応力σcが負として定義される。すなわち、絶対値が最大の主応力成分が正の領域とは引張応力が主である領域を意味し、絶対値が最大の主応力成分が負の領域とは圧縮応力が主である領域を意味する。また、「絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する応力反転領域」とは、引張応力領域と圧縮応力領域との境界を含む領域であって、引張応力から圧縮応力、もしくは圧縮応力から引張応力に変化する領域を意味する。
図11に示すように、アクチュエータ14の第1軸a1と交差する部分において、第1軸a1を挟んで隣接する領域は正負が異なる応力を示す。図中においては、第1軸a1を挟んで隣接する一方の領域が引張応力領域t1であり、他方の領域が圧縮応力領域c1である。第2軸a2と交差する部分において、第2軸a2を挟んで隣接する領域は同一符号の応力を示すが、第1軸a1に対称な領域は互いに正負が異なる応力を示す。第1共振モードでは、アクチュエータ14における応力分布は第2軸a2を中心に線対称となっている。
圧縮応力領域c1と引張応力領域t1との境界には応力の方向が徐々に変化していく、すなわち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する領域である第1応力反転領域が存在する。図11に示す6本の第1応力反転線r1のそれぞれが、第1応力反転領域の中心に位置する。
図12は、第2共振モードでミラー部12およびアクチュエータ14が第2軸a2周りに傾き振動する様子を示すシミュレーション図であり、ミラー部12およびアクチュエータ14が第2軸a2を中心として、アクチュエータ14のy軸方向の一端y1が+z方向に、y軸方向の他端y2が-z方向に傾き変位した状態を示している。図10と同様に図12において、色の濃淡は変位量を示している。
第2共振モードでミラー部12およびアクチュエータ14が第2軸a2周りに傾き振動して図12に示す回転変位した状態にある時、アクチュエータ14撓み変形する。そして、図13に示すように、アクチュエータ14の圧電膜には引張応力がかかる引張応力領域t2と圧縮応力がかかる圧縮応力領域c2とが生じる。図13においては、図11と同様に、引張応力が生じる部分を薄い灰色、圧縮応力が生じる部分を黒色で示している。なお、色密度が高い領域ほど応力が大きいことを示す。なお、圧電膜の各位置に生じる応力は振動に応じて時間変化する。図13は第2共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に圧電膜に生じる面内応力の状態を示している。
図13に示すように、アクチュエータ14の第2軸a2と交差する部分において、第2軸a2を挟んで隣接する領域は正負が異なる応力を示す。図中においては、図中においては、第2軸a2を挟んで隣接する一方の領域が引張応力領域t2であり、他方の領域が圧縮応力領域c2である。第1軸a1と交差する部分において、第1軸a1を挟んで隣接する領域は同一符号の応力を示すが、第2軸a2に対称な領域は互いに正負が異なる応力を示す。すなわち、第2共振モードでは、アクチュエータ14における応力分布は第1軸a1を中心に線対称となっている。
圧縮応力領域c2と引張応力領域t2との境界には応力の方向が徐々に変化していく、すなわち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する領域である第2応力反転領域が存在する。図13に示す6本の第2応力反転線r2のそれぞれが、第2応力反転領域の中心に位置する。
上部電極33の個別電極部i1~i8は、図11および図13に示す応力分布に関し、応力方向が異なる圧電膜の領域t1、t2、c1、c2の区分けに対応するように形成されている。個別電極部間は、第1応力反転線r1あるいは第2応力反転線r2を含む応力反転領域Sで分離されている(図1参照。)。本構成においては、6本の第1応力反転線r1のうち、第1軸a1上の2本を除く4本の第1応力反転線は第2応力反転線r2と一致しており、結果として、上部電極は8つの応力反転領域Sで分離されている。
このように分離された個別電極部i1~i8を備えたことにより、個別電極部i1~i8のそれぞれに、すなわち、圧電部41~48に独立して第1軸a1周りの駆動信号、および第2軸a2周りの駆動信号を入力することができる。それぞれの領域における第1共振モード時および第2共振モード時の応力に応じて駆動信号を入力することで、各領域を効率的に変位させることができ、第1軸周りおよび第2軸周りにトルクを生じさせることが可能となる。
共振モード振動による動作時(共振駆動時)の応力分布については、公知の有限要素法のソフトウエアを用い、デバイス寸法、材料のヤング率、およびデバイス形状等のパラメータを与え、モード解析法を使って解析することができる。デバイスの設計に際しては、共振モードによる駆動時の圧電膜内の応力分布を解析し、その解析結果を基に、応力分布における圧縮応力領域、引張応力領域の区分に対応させて、上部電極を個別電極部に区分けする。各個別電極部によって各圧電部が規定される。
各圧電部41~48には、第1共振モードおよび第2共振モードで駆動させるための駆動用の電力が駆動回路から供給される。アクチュエータ14に供給する駆動信号として、共振を励起する周波数の交流信号あるいはパルス波形信号を用いることができる。具体的な駆動信号について、駆動方法と共に以下に説明する。
駆動回路は、圧電素子の複数の圧電部の各々に対して、第1共振モードを駆動する第1駆動信号と、第2共振モードを駆動する第2駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する。
第1駆動信号は、互いに逆位相の駆動電圧波形を含み、そのうちの一方の位相の駆動電圧波形を、第1共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に与え、他方の位相の駆動電圧波形を、上記瞬間に絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に与える信号である。
第2駆動信号は、互いに逆位相の駆動電圧波形を含み、そのうちの一方の位相の駆動電圧波形を、第2共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に与え、他方の位相の駆動電圧波形を、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に与える信号である。
従って、駆動回路50は、第1駆動信号として、第1共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が同じ(符号が同じ)である領域に位置する圧電部には同位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が、引張応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が印加される。そして、駆動回路は、第1駆動信号として、第1共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が異なる(符号が異なる)領域に位置する圧電部間には、逆位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域と引張応力領域とでは逆位相の駆動信号波形が印加される。なお、同位相の駆動信号波形における振幅は圧電部同士で同一でもよいし、圧電部間で異なっていてもよい。
また、同時に、駆動回路50は、第2駆動信号として、第2共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が同じである領域に位置する圧電部には同位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が、引張応力領域に位置する圧電部同士には同位相の駆動信号波形が印加される。そして、駆動回路は、第2駆動信号として、第2共振モードで駆動した際の駆動振幅が最大となる瞬間における絶対値が最大の主応力成分の方向が異なる領域に位置する圧力部間には、逆位相の駆動信号波形を印加する。すなわち、圧縮応力領域と引張応力領域とでは逆位相の駆動信号波形が印加される。なお、同位相の駆動信号における振幅は圧電部同士で同一でもよいし、圧電部間で異なっていてもよい。
各圧電部のそれぞれに、第1共振モード用の第1駆動信号および第2共振モード用の第2駆動信号が重畳された駆動信号を印加することにより、第1共振モードおよび第2共振モードを同時に励起することができる。上記駆動信号を各圧電部41~48に与え、アクチュエータ14を駆動させた場合、各振動の瞬間においてそれぞれの圧電膜に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部には正の電圧、絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部には負の電圧をそれぞれ印加することになる。歪の正負に応じた正負の電圧を印加することによって、非常に効率良く圧電力を変位に変換できる。従って、1つの環状のアクチュエータ14のみでミラー部12を2次元駆動することができる。
駆動方法の一例について、具体的に図14~図17を参照して説明する。図14は、第1共振モードを励起する際に同位相の駆動信号が入力される圧電部グループを示す図であり、図15はそれぞれの圧電部グループに入力される駆動信号の一例を示す。図16は、第2共振モードを励起する際に同位相の駆動信号が入力される圧電部グループを示す図であり、図17はそれぞれの圧電部グループに入力される駆動信号を示す。
図14において、第1共振モードを励起する際に、同位相の駆動信号が入力される第1グループの圧電部の個別電極部を右下がり斜線で示す。また、第1グループと逆位相の駆動信号が入力される第2グループの圧電部の個別電極部を右上がり斜線で示す。
第1グループの個別電極部i1、i4、i6、i7は、図11の引張応力領域t1に対応し、これらに図15に示す同位相の第1共振モード用の第1駆動信号V1aが入力される。そして、第2グループの個別電極部i2、i3、i5、i8は、図11の圧縮応力領域c1に対応し、これらには同位相の第1共振モード用の第1駆動信号V1bが入力される。図15に示すように、第1グループの圧電部に印加される駆動信号V1aと第2グループの圧電部に印加される駆動信号V1bとは同一の第1周波数f1であって、互いに逆位相(位相差180°)の信号である。このような駆動信号を印加することにより、アクチュエータ14を第1軸a1周りに傾けるような歪が発生し、ミラー部12に第1軸a1周りの回転トルクが与えられる。
第1駆動信号V1a、V1bはそれぞれ次のように表される。
V1a=α1V1sin(2πf1t+π)
V1b=α1V1sin2πf1t
上記の式中、α1V1は電圧振幅、tは時間である。なお、式においてオフセット電圧は考慮していない。V1は第1駆動信号の基本電圧振幅値、α1は第1駆動信号用の電圧振幅補正係数である。なお、各個別電極部に与えられる電圧振幅は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、圧電部毎でα1の値は異なっていてもよい。各々の個別電極部に生じる応力の大きさに応じて電圧振幅が設定されていてもよい。例えば、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくする、などである。
V1a=α1V1sin(2πf1t+π)
V1b=α1V1sin2πf1t
上記の式中、α1V1は電圧振幅、tは時間である。なお、式においてオフセット電圧は考慮していない。V1は第1駆動信号の基本電圧振幅値、α1は第1駆動信号用の電圧振幅補正係数である。なお、各個別電極部に与えられる電圧振幅は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、圧電部毎でα1の値は異なっていてもよい。各々の個別電極部に生じる応力の大きさに応じて電圧振幅が設定されていてもよい。例えば、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくする、などである。
第1駆動信号V1aおよびV1bをまとめて一般化して示すと、
V1=α1V1sin(2πf1t+β1π)と表すことができる。
ここで、β1は第1駆動信号用の位相補正係数であり、第1の位相のV1aの場合は1、第1の位相の逆位相である第2の位相のV1bの場合は0である。
V1=α1V1sin(2πf1t+β1π)と表すことができる。
ここで、β1は第1駆動信号用の位相補正係数であり、第1の位相のV1aの場合は1、第1の位相の逆位相である第2の位相のV1bの場合は0である。
図16において、第2共振モードを励起する際に、同位相の駆動信号が入力される第3グループの圧電部の個別電極部を右下がり斜線で示す。また、第3グループと逆位相の駆動信号が入力される第4グループの圧電部の個別電極部を右上がり斜線で示す。
第3グループの個別電極部i1、i3、i6、i8は、図13の引張応力領域t2に対応し、これらに図17に示す同位相の第2共振モード用の第2駆動信号V2aが入力される。そして、第4グループの個別電極部i2、i4、i5、i7は、図13の圧縮応力領域c2に対応し、これらに同位相の第2共振モード用の第2駆動信号V2bが入力される。図17に示すように、第2駆動信号V2aとV2bとは同一の第2周波数f2であって、互いに逆位相(位相差180°)の信号である。このような駆動信号を印加することにより、アクチュエータ14を第2軸a2周りに傾けるような歪みが発生し、結果としてミラー部12に第2軸a2周りの回転トルクが与えられる。
第2駆動信号V2a、V2bはそれぞれ次のように表される。
V2a=α2V2sin(2πf2t+π)
V2b=α2V2sin2πf2t
上記の式中、α2V2は電圧振幅、tは時間である。なお、式においてオフセット電圧は考慮していない。V2は第2駆動信号の基本電圧振幅値、α2は第2駆動信号用の電圧振幅補正係数である。なお、各個別電極部に与えられる電圧振幅は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、圧電部毎でα2の値は異なっていてもよい。各々の個別電極部に生じる応力の大きさに応じて電圧振幅が設定されていてもよい。例えば、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくする、などである。
V2a=α2V2sin(2πf2t+π)
V2b=α2V2sin2πf2t
上記の式中、α2V2は電圧振幅、tは時間である。なお、式においてオフセット電圧は考慮していない。V2は第2駆動信号の基本電圧振幅値、α2は第2駆動信号用の電圧振幅補正係数である。なお、各個別電極部に与えられる電圧振幅は、同一であってもよいし、異なっていてもよい。すなわち、圧電部毎でα2の値は異なっていてもよい。各々の個別電極部に生じる応力の大きさに応じて電圧振幅が設定されていてもよい。例えば、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくする、などである。
第2駆動信号V2aおよびV2bをまとめて一般化して示すと、
V2=α2V2sin(2πf2t+β2π)と表すことができる。
ここで、β2は第2駆動信号の位相補正係数であり、第1の位相のV2aの場合は1、第1の位相の逆位相である第2の位相のV2bの場合は0である。
V2=α2V2sin(2πf2t+β2π)と表すことができる。
ここで、β2は第2駆動信号の位相補正係数であり、第1の位相のV2aの場合は1、第1の位相の逆位相である第2の位相のV2bの場合は0である。
圧電部毎に第1共振モード用の第1駆動信号および第2共振モード用の第2駆動信号が重畳された駆動信号が印加される。例えば、個別電極部i1にはV1a+V2a、個別電極部i2にはV1b+V2b、個別電極部i3にはV1b+V2a、個別電極部i4にはV1a+V2bが印加される。各圧電部、すなわち各個別電極部に印加する組み合わせを表1に示す。
なお、各圧電部の個別電極部in(ここでnは1~8)に印加される駆動信号は、下記一般式(1)で表すことができる。
Vin=α1V1sin(2πf1t+β1π)+α2V2sin(2πf2t+β2π) (1)
Vin=α1V1sin(2πf1t+β1π)+α2V2sin(2πf2t+β2π) (1)
式(1)において、第1項は第1軸周りに傾き振動させるための第1駆動信号であり、第2項は第2軸周りに傾き振動させるための第2駆動信号である。
上記表1に示した例では、α1、α2を一定としているが、α1、α2を個別電極ごとに異ならせて、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくすることにより、駆動効率をさらに高め、さらに消費電力を低減することが可能である。
上記表1に示した例では、α1、α2を一定としているが、α1、α2を個別電極ごとに異ならせて、個別電極部に生じる応力の大きさが大きいほど電圧振幅を大きくすることにより、駆動効率をさらに高め、さらに消費電力を低減することが可能である。
以上のように、第1共振モードおよび第2共振モードでマイクロミラーデバイスを駆動する際にアクチュエータの圧電膜に生じる主応力のうち絶対値が最大の主応力成分の方向に応じた駆動信号を各圧電部に印加するように制御することで、非常に効率良く駆動することが可能となる。駆動回路は、各圧電部に上記駆動信号を入力するように構成される。
本実施形態においては、各圧電素子に含まれる複数の圧電部は、下部電極が共通電極となっている。したがって、下部電極を接地して、上部電極に所定の駆動信号(駆動電圧波形)を入力している。しかし、下部電極も個別電極である場合には、下部電極および上部電極間に駆動信号が印加できれば、下部電極、上部電極のどちらを接地電極として用いてもよい。
共振モードとしては、ミラー部12の軸周りの回転(傾き振動)を伴うもの以外に、垂直方向のピストン運動、平面内のねじれ運動などを伴うモードが存在する。しかしながら、本実施形態のマイクロミラーデバイス1では、傾き振動を伴う共振モードを用いてミラー部12を駆動する。
なお、第1軸周りにミラー部12を傾き振動する第1共振モードとしては、ミラー部12とアクチュエータ14とが逆位相で振動する共振モードは同位相で振動する共振モードと比較して共振振動のQ値が高く、さらに共振周波数が高いため、高速でスキャンすることに、より適している。なお、第1軸周りについては、ミラー部12とアクチュエータ14とが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードで駆動することが、高いQ値が得られるため好ましい。
しかしながら、上記モードに限るものではなく。何次モードの共振モードを用いるかは、適宜設定すればよい。
しかしながら、上記モードに限るものではなく。何次モードの共振モードを用いるかは、適宜設定すればよい。
また、第2軸周りにミラーを傾き振動する第2共振モードとしては、アクチュエータ14とミラー部12とが一体的に傾き振動する共振モードを用いる方が共振周波数が低く、低速の動作に適しているため好ましい。
しかしながら、上記モードに限るものではなく。何次モードの共振モードを用いるかは、適宜設定すればよい。
しかしながら、上記モードに限るものではなく。何次モードの共振モードを用いるかは、適宜設定すればよい。
なお、どの次数の共振モードを用いるかによって、駆動時にアクチュエータに生じる応力分布は異なるため、駆動時に用いる共振モードを定めた上で、その共振モードでの応力分布に基づいて、個別電極部を配置する必要がある。本例においては、第1軸周りについては、ミラー部12とアクチュエータ14とが互いに逆位相で傾き振動する共振モードのうち最も低次モードを第1共振モードとし、第1共振モードより低周波数側で傾き振動を伴う共振モードのうち最も次数の小さい共振モードを第2共振モードとしている。
アクチュエータ14に備えられる圧電素子について説明する。既述の通り、圧電素子は下部電極31、圧電膜32および上部電極33の積層体構造を有する。
下部電極および上部電極の厚みには特に制限なく、例えば200nm程度である。圧電膜の厚みは10μm以下であれば特に制限なく、通常1μm以上であり、例えば、1~5μmである。下部電極、上部電極および圧電膜の成膜方法は、特に限定されないが、気相成長法であることが好ましく、特にはスパッタ法によって成膜することが好ましい。
下部電極の主成分は、特に制限はなく、Au、Pt、Ir、IrO2、RuO2、LaNiO3、およびSrRuO3等の金属または金属酸化物、並びに、これらの組合せが挙げられる。
上部電極の主成分は、特に制限なく、下部電極で例示した材料、Al、Ti、Ta、Cr、およびCu等の一般的に半導体プロセスで用いられている電極材料、並びにこれらの組合せが挙げられる。
圧電膜としては、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。
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、および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。)
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、および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、およびこれらの混晶系;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、およびこれらの混晶系が挙げられる。
また、本実施形態の圧電膜は、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(PX)を含むことが好ましい。
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は、V、Nb、Ta、および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。)
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は、V、Nb、Ta、および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)および(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜は、高い圧電歪定数(d31定数)を有するため、かかる圧電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。
また、一般式(P)および(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電膜を備えた圧電アクチュエータは、駆動電圧範囲において、リニアリティの優れた電圧―変位特性を有している。これらの圧電材料は、本開示の技術を実施する上で良好な圧電特性を示すものである。
以下、本開示の実施例のマイクロミラーデバイスについて説明する。
「実施例」
以下の手順により図1に示した構成のマイクロミラーデバイスを実施例1として作製した。
以下の手順により図1に示した構成のマイクロミラーデバイスを実施例1として作製した。
-製造方法-
(工程1)Siハンドル層350μm、シリコン酸化物(SiO2)ボックス層1μm、Siデバイス層100μmの積層構造を持つSOI(Silicon On Insulator)基板上に、スパッタ法で基板温度350℃にてTi層を30nm、Ir層を150nm形成した。Ti層およびIr層の積層構造が図2の下部電極31に相当する。
(工程1)Siハンドル層350μm、シリコン酸化物(SiO2)ボックス層1μm、Siデバイス層100μmの積層構造を持つSOI(Silicon On Insulator)基板上に、スパッタ法で基板温度350℃にてTi層を30nm、Ir層を150nm形成した。Ti層およびIr層の積層構造が図2の下部電極31に相当する。
(工程2)上記で得られた、下部電極(Ti/Ir)が積層形成された基板上に、高周波(RF:radio frequency)スパッタ装置を用いて圧電膜を3μm成膜した。圧電膜用のスパッタ成膜のターゲット材料としてはPb1.3((Zr0.52Ti0.48)0.88Nb0.12)O3の組成のものを用いた。成膜圧力は2.2mTorr、成膜温度は450℃とした。得られた圧電膜は、Nbが原子組成比で12%添加されたNbドープPZT薄膜であった。
(工程3)上記で得られた圧電膜が形成された基板上に、リフトオフ法によってPt/Tiの積層構造による複数の個別電極部を含む上部電極をパターン形成した。
(工程4)その後、誘導結合プラズマ(ICP:inductively coupled plasma)ドライエッチングにより、圧電膜および下部電極をパターンエッチングした。
(工程5)さらに、テトラエトキシシランを原料とした化学気相堆積法(TEOS-CVD:tetraethoxysilane-chemical vapor deposition)法により、SiO2からなる絶縁層を全面に成膜した後、ICPドライエッチングによって絶縁層をパターニングした。
(工程6)リフトオフ法によって、Au/Tiの積層構造をパターン形成し、ミラー部の反射面、電極パッドおよび配線層を形成した。
(工程7)シリコンのドライエッチプロセスによってデバイス層をパターンエッチングし、アクチュエータ、ミラー部および固定部材の形状を加工した。
(工程8)次に、基板の裏面からハンドル層を深堀反応性イオンエッチングした。基本的には、固定部材となる部分を残してハンドル層を除去した。
(工程9)最後に、裏面からボックス層をドライエッチングにより除去することにより、図1に示すマイクロミラーデバイス1を作製した。
上記作製工程においては、ミラー部の反射面を工程6で形成したが、電極パッドおよび配線層の材料とは異なる反射材料を用いて反射面を形成してもよく、その場合は、たとえば工程6に続いて、反射面をリフトオフ法などで形成してもよい。
本実施例のマイクロミラーデバイスの各要素のサイズは以下の通りとした。
ミラー部12の直径2.7mm、第1接続部21の第1軸a1方向に沿った長さ(ミラー外周からアクチュエータ内周までの長さ)0.77mm、第2軸a2方向の幅0.35mm、第2接続部22の第2軸a2方向に沿った長さ(アクチュエータ外周から固定部との接続点までの長さ)2.0mm、第1軸a1方向に沿った幅0.14mmとした。
ミラー部12、アクチュエータ14、第1接続部21および第2接続部の厚みはデバイス層の厚みと等しい。
ミラー部12の直径2.7mm、第1接続部21の第1軸a1方向に沿った長さ(ミラー外周からアクチュエータ内周までの長さ)0.77mm、第2軸a2方向の幅0.35mm、第2接続部22の第2軸a2方向に沿った長さ(アクチュエータ外周から固定部との接続点までの長さ)2.0mm、第1軸a1方向に沿った幅0.14mmとした。
ミラー部12、アクチュエータ14、第1接続部21および第2接続部の厚みはデバイス層の厚みと等しい。
本構成のマイクロミラーデバイスにおいて、高速駆動側の第1共振モードの周波数を20kHzとなるようにアクチュエータ14と接続部21のサイズを設定しており、第2共振モードとしては、第1共振モードより低周波数側で傾き振動を伴う共振モードのうち最も次数の小さい構成とした。
本実施例には、図14~図17を参照して説明した通り、第1共振周波数の第1駆動信号と第2共振周波数の第2駆動信号とを重畳した駆動信号により駆動した。
[参考例]
参考例のマイクロミラーデバイス101の平面図を図18に示す。参考例のマイクロミラーデバイスは、実施例と同様の作製手順で作製した。参考例のマイクロミラーデバイス101は、ミラー部112と、ミラー部112を囲むように配置された環状の第1アクチュエータ114と、第1アクチュエータ114を囲む環状の第2アクチュエータ116と、固定部120と、第1接続部121と、第2接続部122と、第3接続部123とを備えている。それぞれのアクチュエータ114、116は圧電素子を備えた圧電アクチュエータである。
参考例のマイクロミラーデバイス101の平面図を図18に示す。参考例のマイクロミラーデバイスは、実施例と同様の作製手順で作製した。参考例のマイクロミラーデバイス101は、ミラー部112と、ミラー部112を囲むように配置された環状の第1アクチュエータ114と、第1アクチュエータ114を囲む環状の第2アクチュエータ116と、固定部120と、第1接続部121と、第2接続部122と、第3接続部123とを備えている。それぞれのアクチュエータ114、116は圧電素子を備えた圧電アクチュエータである。
第1アクチュエータ114は各々圧電素子を備えた一対の半環状アクチュエータ部114A、114Bを備え、その一対の半環状アクチュエータ部114A、114Bがミラー部112を囲むように第1接続部121によって第1軸a1上で接続されている。第2アクチュエータ116は各々圧電素子を備えた一対の半環状アクチュエータ部116A、116Bを備え、その一対の半環状アクチュエータ部116A、116Bが第1アクチュエータ部114を囲むように、第2接続部122によって第2軸a2上で接続されている。
第1アクチュエータ114および第2アクチュエータ116において、ハッチングで示す領域は、圧電素子の上部電極を構成する個別電極部である。半環状アクチュエータ部114A、114B、116A,116Bのそれぞれの上部電極はそれぞれ3つの個別電極部からなり、これによって規定される3つの圧電部を備える。第1アクチュエータ114は計6個の個別電極部ai1~ai3、bi1~bi3を備えている。第2アクチュエータ116は計6個の個別電極部ao1~ao3、bo1~bo3を備えている。
第1アクチュエータ114は第1軸a1周りの傾き振動の駆動を担当し、第2アクチュエータ116は、第2軸a2周りの傾き振動の駆動をそれぞれ担当する。
図19は、第1共振モードでミラー部112が第1軸a1周りに傾き振動する様子のシミュレーション図であり、ミラー部112が第1軸a1を中心として、x軸方向の一端x1が+z方向に、x軸方向の他端x2が-z方向に傾き変位した状態を示している。図19において、固定部は省略されており、色の濃淡は変位量を示している。
第1半環状アクチュエータ部114Aおよび114Bの個別電極部は、第1共振モードで第1アクチュエータを駆動した場合の最大変位状態において、第1アクチュエータの圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の符号の正負に応じて設けられており、その応力反転領域で分離されている。
第2半環状アクチュエータ部116Aおよび116Bの個別電極部は、第2共振モードで第2アクチュエータを駆動した場合の最大変位状態において、第2アクチュエータの圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の符号の正負に応じて設けられており、その応力反転領域で分離されている。
第2半環状アクチュエータ部116Aおよび116Bの個別電極部は、第2共振モードで第2アクチュエータを駆動した場合の最大変位状態において、第2アクチュエータの圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の符号の正負に応じて設けられており、その応力反転領域で分離されている。
第1アクチュエータ114において、同位相で駆動される個別電極部を同一の斜線で示す。図20において、右下がり斜線で示した個別電極部ai1、ai3、bi2は、引張応力領域t1に対応する。図20において、右上がり斜線で示した個別電極部ai2、bi1、bi3は、圧縮応力領域c1に対応する。引張応力領域t1に対応する個別電極部と、圧縮応力領域c1に対応する個別電極部とで逆位相の第1共振モード用の第1駆動信号を印加する。
図19に示すように、ミラー部112を第1軸a1周りに傾き振動させるために、第1アクチュエータ114の各圧電部に対して駆動信号を入力した。ここでは、右下がり斜線で示す個別電極部ai1、ai3およびbi2に、図15に示すV1a、右上がり斜線で示す個別電極部ai2、bi1およびbi3に、図15に示すV1bの高速駆動信号を入力した。すなわち、個別電極部ai1、ai3およびbi2と個別電極部ai2、bi1およびbi3とには、同一の高速周波数であって、互いに逆位相の駆動信号を入力した。
図21は、第2共振モードでミラー部112および第1アクチュエータ114が第2軸a2周りに傾き振動する様子のシミュレーション図であり、ミラー部112および第1アクチュエータ114が第2軸a2を中心として、第1アクチュエータ114のy軸方向の一端y1が+z方向に、y軸方向の他端y2が-z方向に傾き変位した状態を示している。図19と同様に図21において、色の濃淡は変位量を示している。
図21に示すように、第1アクチュエータ114およびミラー部112を第2軸a2周りに傾き振動させるために、第2アクチュエータ116の各圧電部に対して駆動信号を入力した。ここでは、右下がり斜線で示す個別電極部ao1、ao3およびbo2に、図17に示すV2a、右上がり斜線で示す個別電極部ao2、bo1およびbo3に、図17に示すV2bの低速駆動信号を入力した。すなわち、個別電極部ao1、ao3およびbo2と個別電極部ao2、bo1およびbo3とには、同一の低速周波数であって、互いに逆位相の駆動信号を入力した。
実施例、参考例のマイクロミラーデバイスについて、第1共振周波数および第2共振周波数を測定した。また、それぞれ第1共振周波数および第2共振周波数の駆動波形を用いて第1共振モードおよび第2共振モードで駆動させた場合における第1軸a1周りに45°スキャンさせるために必要な第1駆動信号の電圧振幅、第2軸a2周りに30°スキャンさせるために必要な第2駆動信号の電圧振幅を調べた。結果を表1に示す。光学スキャン角度は、レーザーをマイクロミラーデバイスのミラー部の反射面に垂直入射し、スキャンラインの長さを、定規などを用いて測定し、幾何学的関係からスキャンの全角度を求める方法により測定した。
表1において、構造体の本体部サイズとは、固体枠の内周のx方向長さ×y方向長さである。
実施例と参考例は、同一の大きさのミラー部を備えたマイクロミラーデバイスであるが、実施例は参考例よりも構造体の本体部サイズを小さくすることができた。
なお、本開示の技術の実施に際しては、本実施例の構成および製造方法に限定されず、基板の材料、電極材料、圧電材料、膜厚、成膜条件などは、目的に応じて適宜選択することができる。
2019年4月26日に出願された日本国特許出願2019-086635号の開示はその全体が参照により本明細書に取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
本明細書に記載された全ての文献、特許出願、および技術規格は、個々の文献、特許出願、および技術規格が参照により取り込まれることが具体的かつ個々に記された場合と同程度に、本明細書中に参照により取り込まれる。
Claims (7)
- 光を反射する反射面を有するミラー部と、
前記ミラー部を囲んで配置された環状のアクチュエータと、
前記ミラー部と前記アクチュエータとを、第1軸周りで前記ミラー部が回動可能に接続する第1接続部と、
前記アクチュエータの外周に設けられた固定部と、
前記アクチュエータと前記固定部とを、前記第1軸と交差する第2軸周りで前記アクチュエータが回動可能に接続する第2接続部とを備え、
前記アクチュエータが、前記ミラー部に前記第1軸周りの回転トルクを作用させ、かつ、前記ミラー部に前記第2軸周りの回転トルクを作用させることにより、前記ミラー部を前記第1軸および前記第2軸周りに回転駆動するマイクロミラーデバイスであり、
前記アクチュエータが、振動板上に下部電極、圧電膜および上部電極が積層された圧電素子を備えた圧電アクチュエータであり、
前記上部電極が、前記ミラー部に前記第1軸周りに傾き振動を生じさせる第1共振モードで駆動させた場合の最大変位状態において、前記圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第1応力反転領域、および前記ミラー部に前記第2軸周りに傾き振動を生じさせる第2共振モードで駆動させた場合に前記圧電膜の面内方向に生じる主応力のうち、絶対値が最大の主応力成分の正負が反転する第2応力反転領域で分離された複数の個別電極部からなり、前記圧電素子は、前記複数の個別電極部の各々により規定される複数の圧電部を含むマイクロミラーデバイス。 - 前記第1接続部は、前記ミラー部と前記アクチュエータと前記第1軸上で接続する請求項1に記載のマイクロミラーデバイス。
- 前記第2接続部は、前記アクチュエータと前記固定部とを前記第2軸上で接続する請求項1または2に記載のマイクロミラーデバイス。
- 前記上部電極は、前記複数の個別電極部として、少なくとも8つの個別電極部を備え、前記複数の個別電極部は、前記第1軸および前記第2軸に対称に配置されている請求項1から3のいずれか1項に記載のマイクロミラーデバイス。
- 前記アクチュエータの前記複数の圧電部の各々に駆動信号を入力するための駆動回路を備えた請求項1から4のいずれか1項に記載のマイクロミラーデバイス。
- 前記駆動回路は、前記ミラー部を前記第1軸周りに傾き振動する第1共振モードで駆動し、かつ、前記ミラー部を前記第2軸周りに傾き振動する第2共振モードで駆動する駆動信号を前記複数の圧電部に入力する請求項5に記載のマイクロミラーデバイス。
- 前記駆動回路は、前記駆動信号として、前記第1共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に前記絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、前記絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第1駆動信号と、前記第2共振モードで駆動した際の振動振幅が最大となる瞬間に前記絶対値が最大の主応力成分が正となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形と、前記絶対値が最大の主応力成分が負となる領域に位置する圧電部に印加する駆動電圧波形とが、互いに逆位相の関係にある第2駆動信号とを重畳した駆動信号を入力する請求項6に記載のマイクロミラーデバイス。
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