WO2022102214A1 - 駆動素子および駆動装置 - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a drive element for rotating a movable portion by a piezoelectric drive body and a drive device provided with the drive element, and is suitable for use, for example, when light is scanned by a reflective surface arranged on the movable portion. be.
- MEMS Micro Electro Mechanical System
- this type of driving element by arranging the reflecting surface on the movable portion, the light incident on the reflecting surface can be scanned at a predetermined deflection angle.
- This type of driving element is mounted on an image projection device such as a head-up display or a head-mounted display.
- this type of driving element can also be used in a laser radar or the like that detects an object using a laser beam.
- Patent Document 1 describes a drive element in which a movable portion is rotated by a so-called tuning fork oscillator.
- the piezoelectric drive bodies are arranged on each pair of arm portions extending along the rotation axis.
- an AC voltage having a phase difference of 180 ° (opposite phase) is applied to each of these piezoelectric drives, the pair of arm portions expand and contract in opposite directions.
- the movable portion rotates about the rotation shaft, and the reflective surface arranged on the movable portion rotates accordingly.
- the swing angle of the movable portion per unit voltage is larger. Further, in this configuration, when the drive element is driven, the stress generated by the bending of the arm portion may cause damage to the piezoelectric drive body. This problem becomes more pronounced when the pair of arm portions are flexed more to increase the runout angle.
- the present invention provides a drive element and a drive device capable of further expanding the swing angle of the movable portion and suppressing damage to the piezoelectric drive body due to stress generated during drive. The purpose.
- the drive element includes a base portion, a movable portion separated from the base portion in a direction parallel to the rotation axis, a connection portion connecting the base portion and the movable portion, and the rotation.
- a pair of first arm portions that sandwich the shaft and extend in the first direction parallel to the rotation axis, and a pair of second arm portions that sandwich the rotation shaft and extend in the second direction opposite to the first direction.
- a connecting portion that connects the pair of first arm portions and the pair of second arm portions to the connecting portion, and piezoelectrics arranged at at least one of the pair of first arm portions and the pair of second arm portions. It is equipped with a drive body.
- the drive element by providing the pair of second arm portions, the twist and stress generated in the first arm portion and the second arm portion when the piezoelectric drive body is driven can be suppressed, and further, the piezoelectric drive body can be suppressed. It is possible to increase the swing angle of the movable part when driving. Therefore, it is possible to prevent the piezoelectric drive body from being damaged by the stress generated during driving while increasing the deflection angle of the movable portion.
- the drive element includes a base portion, a movable portion separated from the base portion in a direction parallel to the rotation axis, a connection portion connecting the base portion and the movable portion, and the rotation.
- a pair of arm portions that sandwich a shaft and extend in a first direction parallel to the rotation axis, a pair of balance adjusting portions that sandwich the rotation shaft and extend in a second direction opposite to the first direction, and the pair.
- the arm portion and the pair of balance adjusting portions are connected to the connecting portion, and the piezoelectric drive body arranged on at least one of the pair of arm portions and the pair of balance adjusting portions is provided.
- the drive device includes a drive element according to the second aspect and a drive circuit for supplying a drive voltage to the piezoelectric drive body.
- “extending in the first direction” means that the first arm portion is parallel to the first direction and the first arm portion is tilted by a predetermined angle from the first direction.
- the stretching direction of the arm portion broadly includes a state containing a component in the first direction.
- “extending in the second direction” means that the second arm portion is parallel to the second direction and the second arm portion is tilted by a predetermined angle from the second direction. It broadly includes a state in which the stretching direction contains a component in the second direction.
- FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of a driving element according to an embodiment.
- FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the driving element according to the embodiment.
- FIG. 3 is a diagram showing a waveform of a drive voltage applied to the piezoelectric drive body according to the embodiment.
- 4 (a) and 4 (b) are diagrams showing the drive state of the movable portion when the drive signal is supplied to the piezoelectric drive body, respectively, according to the embodiment.
- FIG. 5 is a diagram showing the dimensions of each part used in the simulation of the stress generated during driving according to the embodiment.
- FIG. 6A is a diagram showing stress distribution simulation results according to the embodiment.
- FIG. 6B is a diagram showing a simulation result of stress distribution according to a comparative example.
- FIG. 7A is a diagram showing a method of setting the condition of verification 2 according to the embodiment.
- FIG. 7B is a graph showing the verification result of the runout angle characteristic of the verification 2 according to the embodiment.
- 8 (a) and 8 (b) are plan views showing other arrangement methods of the piezoelectric drive body according to the first modification, respectively.
- 9 (a) to 9 (c) are plan views showing the configuration of the drive element according to the second modification when only the first drive unit is arranged.
- 10 (a) and 10 (b) are plan views showing the configurations of drive elements according to other modified examples, respectively.
- FIG. 11 is a diagram showing a configuration of a drive device including the drive element of FIG. 10 (b).
- the Y-axis direction is a direction parallel to the rotation axis of the drive element
- the Z-axis direction is a direction perpendicular to the reflection surface arranged in the movable portion.
- FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of the drive element 1
- FIG. 2 is a plan view showing the configuration of the drive element 1.
- FIG. 1 illustrates parts 13, 23 of the base (hereinafter referred to as “bases 12, 13”).
- the drive element 1 includes a first drive unit 10, a second drive unit 20, a movable portion 30, and a reflection surface 40.
- the first drive unit 10 and the second drive unit 20 rotate the movable portion 30 with respect to the rotation shaft R0 by a drive signal supplied from a drive circuit (not shown).
- the reflecting surface 40 is arranged on the upper surface of the movable portion 30, and reflects the incident light in a direction corresponding to the swing angle of the movable portion 30. As a result, the light incident on the reflecting surface 40 (for example, laser light) is scanned as the movable portion 30 rotates.
- the movable portion 30 and the reflecting surface 40 may be formed of the same member.
- the first drive unit 10 includes a pair of first arm portions 11a and 11b, a pair of second arm portions 12a and 12b, a base portion 13, a first connection portion 14, a second connection portion 15, and a connection portion 16a. , 16b and the piezoelectric drive bodies 17a, 17b.
- the first drive unit 10 has a shape symmetrical in the X-axis direction.
- the piezoelectric drive body 17a extends along the upper surfaces of the first arm portion 11a, the second arm portion 12a, and the connecting portion 16a.
- the piezoelectric drive body 17b extends along the upper surfaces of the first arm portion 11b, the second arm portion 12b, and the connecting portion 16b.
- each part of the first drive unit 10 excluding the piezoelectric drive bodies 17a and 17b is constant. However, the thickness of each of these portions does not necessarily have to be constant, and for example, the thickness of the base 13 may be larger than the thickness of the other portions.
- Each part of the first drive unit 10 except for the piezoelectric drive bodies 17a and 17b is integrally formed of, for example, silicon or the like. However, the material constituting each part is not limited to silicon and may be another material. The material constituting each part is preferably a material having high mechanical strength and Young's modulus such as metal, crystal, glass, and resin. As such a material, titanium, stainless steel, Elinvar, brass alloy and the like can be used in addition to silicon.
- the pair of first arm portions 11a and 11b are symmetrically arranged with the rotation axis R0 in between, and extend in the first direction (Y-axis negative direction) parallel to the rotation axis R0.
- the lengths and cross-sectional areas of the first arm portions 11a and 11b are the same as each other.
- the width and thickness of the first arm portions 11a and 11b are uniform over the entire length.
- the cross-sectional shapes of the first arm portions 11a and 11b when cut in a plane parallel to the XX plane are rectangular.
- the first arm portions 11a and 11b are separated from each other by the same distance from the rotation shaft R0 in opposite directions.
- the pair of second arm portions 12a and 12b are symmetrically arranged with the rotation axis R0 in between, and extend in the second direction (Y-axis positive direction) opposite to the first direction (Y-axis negative direction).
- the lengths and cross-sectional areas of the second arm portions 12a and 12b are the same as each other.
- the width and thickness of the second arm portions 12a and 12b are uniform over the entire length.
- the cross-sectional shapes of the second arm portions 12a and 12b when cut in a plane parallel to the XX plane are rectangular.
- the second arm portions 12a and 12b are separated from each other by the same distance from the rotation shaft R0 in opposite directions.
- the first arm portion 11a and the second arm portion 12a on the positive side of the X-axis are arranged in the same linear shape and have the same cross-sectional shape and cross-sectional area.
- the first arm portion 11b and the second arm portion 12b on the negative side of the X-axis are arranged in the same linear shape and have the same cross-sectional shape and cross-sectional area.
- the lengths of the second arm portions 12a and 12b can alleviate the stress and twist generated by the first arm portions 11a and 11b when the movable portion 30 is driven, and can further increase the swing angle of the movable portion 30. Adjusted to length.
- the base 13 is for connecting the first drive unit 10 to an external structural member. That is, the first drive unit 10 is supported by an external structural member via the base 13.
- the base portion 13 and the movable portion 30 are arranged linearly in the Y-axis direction at a predetermined distance.
- the base 13 and the movable portion 30 are connected to each other by the first connecting portion 14 and the second connecting portion 15.
- the second connection portion 15 extends parallel to the Y-axis direction along the rotation axis R0.
- the cross-sectional shape of the second connecting portion 15 when cut in a plane parallel to the XX plane is rectangular.
- the first connecting portion 14 extends in the negative direction of the Y axis from the end of the second connecting portion 15 on the negative side of the Y axis.
- the end of the first connecting portion 14 on the negative side of the Y-axis is connected to the side surface of the movable portion 30.
- the cross-sectional shape of the first connecting portion 14 when cut in a plane parallel to the XX plane is rectangular.
- the width of the first connecting portion 14 in the X-axis direction is several steps smaller than the width of the second connecting portion 15 in the X-axis direction.
- the first connecting portion 14 has a plate-like shape long in the Y-axis direction.
- the second connecting portion 15 does not necessarily have to extend linearly along the rotation axis R0, and may extend in the Y-axis direction while meandering in the X-axis direction, for example.
- the first connecting portion 14 does not necessarily have to extend linearly along the rotation axis R0, and may extend in the Y-axis direction while meandering in the X-axis direction, for example.
- the piezoelectric drive bodies 17a and 17b have a laminated structure in which electrodes are arranged above and below a piezoelectric body having a predetermined thickness.
- the piezoelectric material is made of a piezoelectric material having a high piezoelectric constant, such as lead zirconate titanate (PZT).
- the electrode is made of a material such as platinum (Pt), which has low electrical resistance and high heat resistance.
- the piezoelectric drive bodies 17a and 17b have a layer structure including the piezoelectric body and upper and lower electrodes formed on the upper surfaces of the first arm portions 11a and 11b, the second arm portions 12a and 12b and the connecting portions 16a and 16b by a sputtering method or the like. By doing so, it is arranged on the upper surface of each of these parts.
- the second drive unit 20 includes a pair of first arm portions 21a and 21b, a pair of second arm portions 22a and 22b, a base portion 23, a first connection portion 24, a second connection portion 25, and a connection portion 26a. , 26b and the piezoelectric drive bodies 27a, 27b.
- the second drive unit 20 has a shape symmetrical in the X-axis direction.
- the piezoelectric drive body 27a extends along the upper surfaces of the first arm portion 21a, the second arm portion 22a, and the connecting portion 26a.
- the piezoelectric drive body 27b extends along the upper surfaces of the first arm portion 21b, the second arm portion 22b, and the connecting portion 26b.
- each part of the second drive unit 20 is the same as the configuration of the corresponding part of the first drive unit 10.
- the second drive unit 20 is arranged in the opposite direction to the first drive unit 10 so that the first connection portion 24 extends in the positive direction of the Y axis from the second connection portion 25.
- the first connecting portion 24 extends along the rotation shaft R0. That is, the first connecting portions 14, 24 are arranged on the same straight line.
- the Y-axis positive end of the first connecting portion 24 is connected to the side surface of the movable portion 30.
- the movable portion 30 has a circular shape in a plan view.
- the side surface positions of the movable portion 30 symmetrical with respect to the central axis of the movable portion 30 are connected to the first connection portion 14 of the first drive unit 10 and the first connection portion 24 of the second drive unit 20, respectively. ..
- the thickness of the movable portion 30 is the same as that of the first connecting portions 14 and 24.
- the thickness of the movable portion 30 does not necessarily have to be the same as that of the first connecting portions 14 and 24, and for example, the thickness of the movable portion 30 may be larger than that of the first connecting portions 14 and 24.
- the movable portion 30 is integrally formed with the first connecting portions 14 and 24.
- the reflective surface 40 is configured by forming a reflective film made of a material having a high reflectance on the upper surface of the movable portion 30.
- the material constituting the reflective film can be selected from, for example, a metal such as gold, silver, copper, or aluminum, a metal compound, silicon dioxide, titanium dioxide, or the like.
- the reflective film may be a dielectric multilayer film.
- the reflective surface 40 may be configured by polishing the upper surface of the movable portion 30.
- the reflective surface 40 does not necessarily have to be a flat surface, and may be a concave or convex curved surface.
- the drive element 1 is symmetric in the X-axis direction and symmetric in the Y-axis direction.
- Each part of the drive element 1 excluding the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b and the reflective surface 40 is configured by, for example, cutting out a silicon substrate having a predetermined thickness into the shape shown in FIG. 2 by an etching process.
- the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b and the reflective surface 40 are formed in the corresponding regions by a film forming technique such as a sputtering method. In this way, the drive element 1 shown in FIGS. 1 and 2 is configured.
- FIG. 3 is a diagram showing waveforms of drive voltages applied to the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, and 27b.
- the drive signals S1 and S2 are AC signals having a predetermined frequency that oscillate in the range of + Va and ⁇ Va.
- the periods T of the drive signals S1 and S2 are the same as each other.
- the drive signals S1 and S2 are out of phase by T / 2. That is, the drive signals S1 and S2 are AC voltages having opposite phases to each other.
- the drive signal S1 is supplied to the piezoelectric drive bodies 17a and 27a on the positive side of the X-axis
- the drive signal S2 is supplied to the piezoelectric drive bodies 17b and 27b on the negative side of the X-axis.
- 4 (a) and 4 (b) are diagrams showing the drive state of the movable portion 30 when the drive signals S1 and S2 shown in FIG. 3 are supplied to the corresponding piezoelectric drive bodies, respectively.
- the first arm portions 11a and 21a on the positive side of the X-axis and the second arm portions 12a and 22a and the negative side of the X-axis are respectively.
- the first arm portions 11b and 21b and the second arm portions 12b and 22b repeatedly deform in opposite directions in the Z-axis direction.
- the connecting portions 16a and 26a on the positive side of the X-axis and the connecting portions 16b and 26b on the negative side of the X-axis vibrate in opposite phases, and torque in the same rotational direction is generated around the rotating shaft R0.
- the movable portion 30 vibrates around the rotation shaft R0. In this way, the reflective surface 40 rotates at a predetermined runout angle.
- the first arm portions 11a, 21a and the second arm portions 12a, 22a on the positive side of the X axis are deformed upward, and the first arm portions 11b, 21b and the negative side of the X axis are deformed.
- the second arm portions 12b and 22b are deformed downward.
- torque Ta is generated around the rotation axis R0, and the movable portion 30 rotates clockwise when viewed in the negative direction of the Y axis.
- the drive element 1 resonates at a predetermined resonance frequency, and the movable portion 30 repeatedly rotates clockwise and counterclockwise at a predetermined deflection angle.
- the reflective surface 40 arranged on the movable portion 30 repeatedly rotates clockwise and counterclockwise at a predetermined deflection angle.
- the light (laser light or the like) incident on the reflecting surface 40 is scanned at a predetermined deflection angle.
- FIG. 4 shows a state in which the first drive unit 10, the second drive unit 20, and the movable portion 30 are driven in opposite phases, but the first drive unit 10 and the second drive unit 20 It is also possible to control so that the movable portion 30 and the movable portion 30 are driven in the same phase.
- the deflection angle of the movable portion 30 is as large as possible. This allows the light to be scanned over a wider area. Further, as described above, when the arm portion is bent to vibrate the movable portion 30, the stress (twist) generated in the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b during driving causes the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a. , 27b can be damaged. This problem becomes more remarkable when the pair of first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b is bent more greatly due to the expansion of the runout angle.
- the swing angle of the movable portion 30 can be increased as compared with the conventional configuration in which the pair of second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b are not arranged, and the first arm portions 11a, 11b, The stress (twist) generated in 21a and 21b can be suppressed. As a result, the deflection angle of the movable portion 30 can be further expanded while suppressing damage to the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b due to stress (twisting).
- FIG. 5 is a diagram showing the dimensions of each part used in the simulation.
- the drive element 1 has a shape symmetrical in the Y-axis direction and symmetrical in the X-axis direction in a plan view.
- the thickness of the driving element 1 excluding the piezoelectric driving bodies 17a, 17b, 27a, 27b and the reflecting surface 40 was uniformly set to 50 ⁇ m.
- the stress of each part when an AC voltage having a predetermined frequency and a predetermined amplitude was applied to the piezoelectric drive bodies 17a and 27a and the piezoelectric drive bodies 17b and 27b in opposite phases was obtained by simulation.
- FIG. 6A is a diagram showing a stress distribution simulation result according to an embodiment
- FIG. 6B is a diagram showing a stress distribution simulation result according to a comparative example.
- the simulation results of FIGS. 6A and 6B are grayscaled color images.
- dark blue is set to the color with the lowest stress and red is set to the color with the highest stress.
- the magnitude of stress is displayed step by step.
- B0 to B4 indicate a blue range
- G indicates a green range
- Y indicates a yellow range
- O1 and O2 indicate an orange range
- R indicates a red range.
- the stress is highest in the order of red (highest), orange, yellow, green, and blue (lowest).
- B4 highest
- the stress is higher in the order of O2 (high) and O1 (low). ..
- the stress is high in the portion bent from the first arm portions 11a and 11b to the connecting portions 16a and 16b. Further, it can be seen that the stress distribution is non-uniform in this bent portion, and a strong twist is generated in this bent portion. Further, in the comparative example, the stress is high in substantially the entire range of the connecting portions 16a and 16b. From these facts, in the comparative example, it is presumed that high stress and twist act on the piezoelectric drive body, especially in the bent portion, and the piezoelectric drive body is likely to be damaged. Further, it is presumed that even in the connecting portions 16a and 16b, high stress and twist act on the piezoelectric drive body, and the piezoelectric drive body is likely to be damaged.
- the stress of the portion bent from the first arm portions 11a and 11b and the second arm portions 12a and 12b to the connecting portions 16a and 16b is remarkably small. Further, it can be seen that the stress distribution of the bent portion is not non-uniform, and that the bent portion is not substantially twisted. Further, in the embodiment, the stress is low in substantially the entire range of the connecting portions 16a and 16b. From these facts, it is presumed that in the embodiment, the piezoelectric drive body is not damaged at the bent portion, and the connecting portions 16a and 16b are also unlikely to be damaged. It is presumed that this is because by providing the second arm portions 12a and 12b, the connecting portions 16a and 16b are driven without twisting (driving in a so-called pure bending mode) when the drive unit is driven. Will be done.
- FIG. 7B is a graph showing the verification result of the runout angle characteristic.
- the lengths L2 of the second arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b are set to four types of 1900 ⁇ m, 2000 ⁇ m, 2100 ⁇ m, and 2200 ⁇ m.
- the broken line in FIG. 7B shows the verification result of the runout angle according to the comparative example.
- the vertical axis of FIG. 7B is the runout angle per unit voltage, and is standardized by the runout angle of the comparative example.
- the runout angle characteristic is enhanced as compared with the comparative example.
- the length L2 of the second arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b was set to 2000 ⁇ m, a remarkably high runout angle characteristic of about 1.13 times was obtained as compared with the comparative example.
- the runout angle characteristic of the movable portion 30 can be remarkably enhanced. It could be confirmed. Therefore, in the configuration of the embodiment, by arranging the reflecting surface 40 on the movable portion 30, the scanning range of light can be remarkably expanded.
- the length L2 of the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b which can enhance the runout angle characteristics as compared with the comparative example, is limited to a certain range. .. Therefore, it can be said that the length L2 of the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b needs to be set at least within this range.
- the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b are attached to both the pair of first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the pair of second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b. Have been placed. As a result, a larger torque can be generated, and the swing angle of the movable portion 30 can be expanded more effectively.
- the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b are further arranged in the connecting portions 16a, 16b, 26a, 26b. As a result, a larger torque can be generated, and the runout angle of the movable portion 30 can be expanded even more effectively.
- the lengths of the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b are set so that twisting does not substantially occur in the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b. Is preferable. As a result, it is possible to more reliably prevent the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, and 27b from being damaged by the stress generated during driving.
- the lengths of the second arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b are such that the swing angle of the movable portion 30 when the movable portion 30 is vibrated around the rotation shaft R0 at the target frequency. It is preferably set to the maximum. As a result, the movable portion 30 can be vibrated with a larger deflection angle, and the drive element 1 can be operated most efficiently.
- two drive units of the first drive unit 10 and the second drive unit 20 are arranged in opposite directions with the movable portion 30 interposed therebetween, and the first connection portions 14 and 24 of the drive units are arranged in opposite directions. Is connected to the movable portion 30. In this way, by supporting and driving the movable portion 30 by each drive unit, the movable portion 30 can be stably driven with a larger torque.
- a reflective surface 40 is arranged on the movable portion 30.
- the light incident on the reflecting surface 40 for example, laser light
- the scanning range of the light can be expanded.
- the width of the second connection portions 15 and 25 is set larger than that of the first connection portions 14 and 25.
- the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b, the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b and the connecting portions 16a, 16b, 26a, 26b have the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b.
- the method of arranging the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b is not limited to this.
- 8 (a) and 8 (b) are plan views showing other arrangement methods of the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, and 27b.
- the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b are not arranged on the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b.
- the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b are arranged on the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the connecting portions 16a, 16b, 26a, 26b, and in FIG. 8B, FIG. Piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b are arranged only in the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b.
- the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b function as balancers with respect to the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b. Therefore, during driving, non-uniform and large stress is applied to the portions bent from the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b to the connecting portions 16a, 16b, 26a, 26b. It is suppressed from occurring. Therefore, it is possible to prevent the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, and 27b from being damaged by the stress and twist generated during driving.
- the inventors set the dimensions of each part of the drive element 1 to the dimensions shown in FIG. 5, and then arrange the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b as shown in FIG. 8A to arrange the movable parts.
- the runout characteristics of 30 were verified by experiments. In this verification, the lengths of the second arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b were set to 2000 ⁇ m.
- a runout angle of the movable portion 30 of about 1.07 times that of the above comparative example was obtained. Although this runout angle decreased by about 5% from the runout angle (1.12 times that of the comparative example) of the configuration of the embodiment in the above verification 2, it increased significantly from the runout angle according to the comparative example.
- the second arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b are preferably optimized in length.
- the scanning range of light for example, laser light
- the area of the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b is smaller than that of the configuration example of FIG. 1, so that the power consumption during driving is reduced. Has the advantage of becoming smaller.
- 9 (a) to 9 (c) are plan views showing the configuration of the drive element 1 when only the first drive unit 10 is arranged.
- each part shown in FIGS. 9A to 9C is the same as the configuration of each part of the first drive unit 10 in the above embodiment.
- the movable portion 30 is connected to the first connecting portion 14 only at the end on the positive side of the Y axis.
- the piezoelectric drive bodies 17a and 17b have the first arm portions 11a and 12a, the second arm portions 12a and 12b and the connecting portion 16a as shown in FIG. 9A. , 16b.
- the piezoelectric drive bodies 17a and 17b may be arranged on the first arm portions 11a and 12a and the connecting portions 16a and 16b as shown in FIG. 9B, and the first arm may be arranged as shown in FIG. 9C.
- Piezoelectric drive bodies 17a and 17b may be arranged only in the portions 11a and 12a.
- these configurations also suppress twisting of the first arm portions 11a and 12a as compared with the configurations in which the second arm portions 12a and 12b are omitted from these configurations. It is possible to increase the swing angle of the movable portion 30. Therefore, it is possible to prevent the piezoelectric drive bodies 17a and 17b from being damaged by the twist and stress in the first arm portions 11a and 12a, and it is possible to improve the deflection angle characteristics of the movable portion 30.
- FIGS. 9A, 9B, and 9C have an advantage that the size of the entire driving element 1 can be reduced, and as a result, the driving element 1 can be miniaturized and reduced in cost. There is.
- the lengths of the second arm portions 12a and 12b are set so that the piezoelectric drive bodies 17a and 17b are not damaged by the stress and twist generated during driving and the swing angle of the movable portion 30 at the target frequency is maximized. It is preferable to optimize. As a result, when the reflective surface 40 is arranged on the movable portion 30, the scanning range of light (for example, laser light) can be significantly expanded.
- the scanning range of light for example, laser light
- the shape of the movable portion 30 is circular, but the shape of the movable portion 30 may be another shape such as a square.
- the first connecting portions 14 and 24 extend linearly and are connected to the second connecting portions 15 and 25, but the Y-axis of the first connecting portions 14 and 24 is connected.
- the positive end may be bifurcated and connected to the second connecting portions 15, 25.
- the first connecting portions 14 and 24 do not have to be plate-shaped, and may be, for example, rectangular rod-shaped.
- the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b are arranged side by side in a straight line in the Y-axis direction.
- the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b may be arranged at positions slightly offset in the X-axis direction with respect to the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b.
- the first arm portions 11a, 11b, 21a and 21b were parallel to the rotation axis R0, but the first arm portions 11a, 11b, 21a and 21b were rotated. It may be tilted with respect to the driving axis R0. For example, as the moving portion 30 approaches, the distance between the first arm portions 11a and 11b increases, and the distance between the first arm portions 21a and 21b increases. It may be tilted in the X-axis direction with respect to the rotation axis R0.
- the second arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b may be tilted in at least one of the X-axis direction and the Y-axis direction with respect to the rotation axis R0.
- the stretching direction of the first arm portion may include a component in the first direction parallel to the rotation axis R0, and the stretching direction of the second arm portion includes a component in the second direction opposite to the first direction. You just have to go.
- first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b are not limited to the shapes shown in the above-described embodiments and modifications 1 and 2.
- first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b in a plan view so that the widths of the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b become narrower toward the front.
- the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b may have a trapezoidal shape.
- the deflection angle of the movable portion 30 increases as the weight of the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b is reduced, but on the other hand, the drive element The resonance frequency of 1 is slightly lowered.
- the widths of the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b may be widened in steps, for example, as shown in FIG. 10 (a).
- the ends of the two arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b may be spread out in a rectangular shape.
- the width of the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b may be wider than the width of the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b, and the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm may be wider.
- the thicknesses of the portions 12a, 12b, 22a, and 22b may be different from each other.
- the shapes of the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b are set so that the deflection angle and the resonance frequency of the movable portion 30 can be adjusted to predetermined values. Just do it.
- the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b are connected to the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b and the connecting portions 16a, 16b at the time of driving. It is sufficient to generate a torque centered on the connection portion with and to act as a balance adjusting unit for bringing this torque and the torque generated by the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b into an equilibrium state. As a result, as described above, the twisting that occurs in the connecting portion and the connecting portions 16a and 16b can be suppressed, and the swing angle of the movable portion 30 and the mirror 40 can be increased.
- the drive element 1 has a shape symmetrical in the X-axis direction and the Y-axis direction in the plan view, but in the plan view, the drive element 1 is in the X-axis direction or the Y-axis direction.
- the shape may be slightly asymmetric in the axial direction.
- the drive element 1 according to the second modification may have a shape slightly asymmetric in the X-axis direction.
- the arrangement method of the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b is not limited to the arrangement method shown in the above-described embodiment and the modified examples 1 and 2, and for example, the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, and so on.
- the 27b may be arranged so as to extend linearly from the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b to the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b without being arranged at the connecting portions 26a, 26b. ..
- the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b may be arranged only on the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b.
- the piezoelectric drive bodies 17a are individually attached to the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b (balance adjusting portion). 17b, 18a, 18b, 27a, 27b, 28a, 28b may be arranged. In this case, by controlling the drive operation of each piezoelectric drive body, the torque generated by the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the torque generated by the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b are balanced. May be good.
- the drive device 100 is configured as shown in FIG.
- the drive device 100 includes a drive element 1 shown in FIG. 10 (b), a control circuit 101, and four drive circuits 104.
- FIG. 11 shows only the configurations of the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 18a, 18b, 27a, 27b, 28a, and 28b among the configurations of the drive element 1.
- the control circuit 101 includes a microcomputer and controls the drive circuits 102 to 105 according to a program held in advance.
- the drive circuit 102 supplies drive signals to the piezoelectric drive bodies 17a and 17b under the control of the control circuit 101, and the drive circuit 103 supplies drive signals to the piezoelectric drive bodies 18a and 18b under the control of the control circuit 101.
- the drive circuit 104 supplies drive signals to the piezoelectric drive bodies 27a and 27b under the control of the control circuit 101, and the drive circuit 105 supplies the drive signals to the piezoelectric drive bodies 28a and 28b under the control of the control circuit 101. Supply.
- the drive circuits 102 to 105 together with the first arm portions 11a and 21a and the second arm portions 12a and 22a on the positive side of the X-axis, as described with reference to FIGS. 4A and 4B. , 17a, 17b, 18a, 18b, 27a, 27b, 28a, 28b so that the first arm portions 11b, 21b and the second arm portions 12b, 22b on the negative side of the X-axis are driven in opposite directions. Drive.
- the drive circuits 102 to 105 further include the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b (balance adjusting portion) and the connecting portions 16a, 16b, 26a, 26b.
- Each piezoelectric drive body is driven so as to suppress twisting at the connection portion with the rotation shaft R0, and the movable portion 20 is rotated. That is, in the drive circuits 102 to 105, the torques of the first arm portions 11a, 11b, 21a, 21b and the second arm portions 12a, 12b, 22a, 22b centering on these connecting portions are in equilibrium with each other. Drive each piezoelectric drive so that it approaches. As a result, as described above, the twisting that occurs in the connecting portion and the connecting portions 16a and 16b can be suppressed, and the swing angle of the movable portion 30 and the mirror 40 can be increased.
- the drive control for each piezoelectric drive brings the two torques in opposite directions closer to an equilibrium state, so that the lengths of the second arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b (balance adjustment portion) are long. Is not necessarily set in the preferable range shown in FIG. 7 (a).
- the drive circuits 102 to 11 in FIG. 11 are arranged according to the number of piezoelectric drive bodies arranged in the drive elements 1.
- the number of 105 is changed.
- the drive circuits 102 and 104 drive the piezoelectric drive bodies 17a, 17b, 27a, 27b so as to suppress the twisting at the connection portion, and rotate the movable portion 20 with respect to the rotation shaft R0.
- the lengths of the second arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b do not necessarily have to be set in the preferable range shown in FIG. 7A, as described above. ..
- each part of the drive element 1 are not limited to the dimensions shown in FIG. 5, and can be changed as appropriate.
- the dimensions of the second arm portions 12a, 12b, 22a, and 22b may be optimized accordingly.
- the reflective surface 40 may not be arranged on the movable portion 30, and other members other than the reflective surface 40 may be arranged.
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Abstract
駆動素子(1)は、基部(13)と、基部(13)から回動軸(R0)に平行な方向に離れた可動部(30)と、基部(13)と可動部(30)とを接続する第1接続部(14)および第2接続部(15)と、回動軸(R0)を挟み、回動軸(R0)に平行な第1方向に延びる一対の第1アーム部(11a)、(11b)と、回動軸(R0)を挟み、第1方向と反対の第2方向に延びる一対の第2アーム部(12a)、(12b)と、一対の第1アーム部(11a)、(11b)および一対の第2アーム部(12a)、(12b)を第1接続部(14)および第2接続部(15)に連結する連結部(16a)、(16b)と、一対の第1アーム部(11a)、(11b)および一対の第2アーム部(12a)、(12b)の少なくとも一方に配置された圧電駆動体(17a)、(17b)、(27a)、(27b)と、を備える。
Description
本発明は、圧電駆動体により可動部を回動させる駆動素子および当該駆動素子を備えた駆動装置に関し、たとえば、可動部に配置された反射面によって光を走査させる場合に用いて好適なものである。
近年、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を用いて可動部を回動させる駆動素子が開発されている。この種の駆動素子では、可動部に反射面を配置することにより、反射面に入射する光を所定の振れ角で走査させることができる。この種の駆動素子は、たとえば、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像投影装置に搭載される。この他、レーザ光を用いて物体を検出するレーザレーダ等にも、この種の駆動素子が用いられ得る。
たとえば、以下の特許文献1には、いわゆる音叉振動子により可動部を回動させる方式の駆動素子が記載されている。ここでは、回動軸に沿って延びる一対のアーム部にそれぞれ圧電駆動体が配置される。これら圧電駆動体にそれぞれ位相が180°異なる(逆位相の)交流電圧が印加されることにより、一対のアーム部が互いに逆方向に伸縮する。これにより、回動軸について可動部が回動し、これに伴い、可動部に配置された反射面が回動する。
上記構成の駆動素子では、単位電圧当たりの可動部の振れ角がより大きいことが好ましい。また、この構成では、駆動素子を駆動する際、アーム部の撓みにより生じる応力によって、圧電駆動体に損傷が起こり得る。この問題は、振れ角拡大のために一対のアーム部をより大きく撓ませる場合に、より顕著となる。
かかる課題に鑑み、本発明は、可動部の振れ角をより拡大できるとともに、駆動時に生じる応力によって圧電駆動体に損傷が生じることを抑制することが可能な駆動素子および駆動装置を提供することを目的とする。
本発明の第1の態様に係る駆動素子は、基部と、前記基部から回動軸に平行な方向に離れた可動部と、前記基部と前記可動部とを接続する接続部と、前記回動軸を挟み、前記回動軸に平行な第1方向に延びる一対の第1アーム部と、前記回動軸を挟み、前記第1方向と反対の第2方向に延びる一対の第2アーム部と、前記一対の第1アーム部および前記一対の第2アーム部を前記接続部に連結する連結部と、前記一対の第1アーム部および前記一対の第2アーム部の少なくとも一方に配置された圧電駆動体と、を備える。
本態様に係る駆動素子によれば、一対の第2アーム部を設けることにより、圧電駆動体の駆動時に第1アーム部および第2アーム部に生じる捩れおよび応力を抑制でき、さらに、圧電駆動体の駆動時における可動部の振れ角を拡大できる。よって、可動部の振れ角を拡大しつつ、駆動時に生じる応力により圧電駆動体に損傷が生じることを抑制することができる。
本発明の第2の態様に係る駆動素子は、基部と、前記基部から回動軸に平行な方向に離れた可動部と、前記基部と前記可動部とを接続する接続部と、前記回動軸を挟み、前記回動軸に平行な第1方向に延びる一対のアーム部と、前記回動軸を挟み、前記第1方向と反対の第2方向に延びる一対のバランス調整部と、前記一対のアーム部および前記一対のバランス調整部を前記接続部に連結する連結部と、前記一対のアーム部および前記一対のバランス調整部の少なくとも一方に配置された圧電駆動体と、を備える。
本態様に係る駆動素子によれば、上記第1の態様と同様の効果が奏され得る。
本発明の第3の態様に係る駆動装置は、第2の態様に係る駆動素子と、前記圧電駆動体に駆動電圧を供給する駆動回路と、を備える。
本態様に係る駆動素子によれば、上記第1の態様と同様の効果が奏され得る。
なお、上記態様において、「第1方向に延びる」とは、第1アーム部が第1方向に平行な状態の他、第1アーム部が第1方向から所定角度だけ傾いた状態等、第1アーム部の延伸方向が第1方向の成分を含む状態を広く含むものである。同様に、「第2方向に延びる」とは、第2アーム部が第2方向に平行な状態の他、第2アーム部が第2方向から所定角度だけ傾いた状態等、第2アーム部の延伸方向が第2方向の成分を含む状態を広く含むものである。
以上のとおり、本発明によれば、可動部の振れ角をより拡大できるとともに、駆動時に生じる応力によって圧電駆動体に損傷が生じることを抑制することが可能な駆動素子および駆動装置を提供できる。
本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。
ただし、図面はもっぱら説明のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。
以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。便宜上、各図には互いに直交するX、Y、Z軸が付記されている。Y軸方向は、駆動素子の回動軸に平行な方向であり、Z軸方向は、可動部に配置された反射面に垂直な方向である。
図1は、駆動素子1の構成を示す斜視図、図2は、駆動素子1の構成を示す平面図である。便宜上、図1では、基部の一部13、23(以下、「基部12、13」という)が図示されている。
図1および図2に示すように、駆動素子1は、第1駆動ユニット10と、第2駆動ユニット20と、可動部30と、反射面40とを備える。第1駆動ユニット10および第2駆動ユニット20は、図示しない駆動回路から供給される駆動信号により、可動部30を回動軸R0について回動させる。反射面40は、可動部30の上面に配置され、入射した光を、可動部30の振り角に応じた方向に反射する。これにより、反射面40に入射した光(たとえば、レーザ光)が、可動部30の回動に伴い走査される。 ここで、可動部30と反射面40とは、同一部材で形成してもよい。
第1駆動ユニット10は、一対の第1アーム部11a、11bと、一対の第2アーム部12a、12bと、基部13と、第1接続部14と、第2接続部15と、連結部16a、16bと、圧電駆動体17a、17bとを備える。平面視において、第1駆動ユニット10は、X軸方向に対称な形状である。圧電駆動体17aは、第1アーム部11a、第2アーム部12aおよび連結部16aの各上面に沿って延びている。また、圧電駆動体17bは、第1アーム部11b、第2アーム部12bおよび連結部16bの各上面に沿って延びている。
圧電駆動体17a、17bを除いた第1駆動ユニット10の各部の厚みは一定である。ただし、これら各部の厚みは必ずしも一定でなくともよく、たとえば、基部13の厚みが他の部分の厚みより大きくてもよい。圧電駆動体17a、17bを除いた第1駆動ユニット10の各部は、たとえば、シリコン等によって一体形成される。ただし、各部を構成する材料は、シリコンに限らず、他の材料であってもよい。各部を構成する材料は、金属、結晶体、ガラス、樹脂等の機械的強度およびヤング率が高い材料であることが好ましい。このような材料として、シリコンの他、チタン、ステンレス、エリンバー、黄銅合金等を用いることができる。
一対の第1アーム部11a、11bは、回動軸R0を挟んで対称に配置され、回動軸R0に平行な第1方向(Y軸負方向)に延びている。第1アーム部11a、11bの長さおよび断面積は互いに同じである。第1アーム部11a、11bの幅および厚みは、全長に亘って一様である。X-Z平面に平行な平面で切断したときの第1アーム部11a、11bの断面形状は、矩形である。第1アーム部11a、11bは、回動軸R0から同じ距離だけ互いに反対方向に離れている。
一対の第2アーム部12a、12bは、回動軸R0を挟んで対称に配置され、第1方向(Y軸負方向)と反対の第2方向(Y軸正方向)に延びている。第2アーム部12a、12bの長さおよび断面積は互いに同じである。第2アーム部12a、12bの幅および厚みは、全長に亘って一様である。X-Z平面に平行な平面で切断したときの第2アーム部12a、12bの断面形状は、矩形である。第2アーム部12a、12bは、回動軸R0から同じ距離だけ互いに反対方向に離れている。
X軸正側の第1アーム部11aおよび第2アーム部12aは、同一直線状に並び、且つ、互いに同じ断面形状および断面積を有する。X軸負側の第1アーム部11bおよび第2アーム部12bは、同一直線状に並び、且つ、互いに同じ断面形状および断面積を有する。後述のように、第2アーム部12a、12bの長さは、可動部30の駆動時に第1アーム部11a、11b生じる応力および捩れを緩和でき、且つ、可動部30の振れ角をより拡大できる長さに調整される。
基部13は、第1駆動ユニット10を外部の構造部材に接続するためのものである。すなわち、第1駆動ユニット10は、基部13を介して、外部の構造部材に支持される。基部13と可動部30は、所定の距離をおいて、Y軸方向に直線状に並んでいる。基部13と可動部30は、第1接続部14および第2接続部15によって互いに接続される。
第2接続部15は、回動軸R0に沿って、Y軸方向に平行に延びている。X-Z平面に平行な平面で切断したときの第2接続部15の断面形状は、矩形である。第2接続部15のY軸負側の端部から、Y軸負方向に第1接続部14が延びている。第1接続部14のY軸負側の端部が、可動部30の側面に接続されている。X-Z平面に平行な平面で切断したときの第1接続部14の断面形状は、矩形である。第1接続部14のX軸方向の幅は、第2接続部15のX軸方向の幅に比べて数段小さい。第1接続部14は、Y軸方向に長い板状の形状を有する。
第2接続部15は、必ずしも、回動軸R0に沿って直線状に延びていなくてもよく、たとえば、X軸方向に蛇行しながらY軸方向に延びていてもよい。同様に、第1接続部14は、必ずしも、回動軸R0に沿って直線状に延びていなくてもよく、たとえば、X軸方向に蛇行しながらY軸方向に延びていてもよい。
圧電駆動体17a、17bは、所定厚みの圧電体の上下にそれぞれ電極が配置された積層構造を有する。圧電体は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)等の高い圧電定数を有する圧電材料からなっている。電極は、白金(Pt)等の、電気抵抗が低く、耐熱性が高い材料からなっている。圧電駆動体17a、17bは、圧電体および上下の電極を含む層構造を、スパッタ法等によって、第1アーム部11a、11b、第2アーム部12a、12bおよび連結部16a、16bの上面に形成することにより、これら各部の上面に配置される。
第2駆動ユニット20は、一対の第1アーム部21a、21bと、一対の第2アーム部22a、22bと、基部23と、第1接続部24と、第2接続部25と、連結部26a、26bと、圧電駆動体27a、27bとを備える。平面視において、第2駆動ユニット20は、X軸方向に対称な形状である。圧電駆動体27aは、第1アーム部21a、第2アーム部22aおよび連結部26aの各上面に沿って延びている。また、圧電駆動体27bは、第1アーム部21b、第2アーム部22bおよび連結部26bの各上面に沿って延びている。
第2駆動ユニット20の各部の構成は、第1駆動ユニット10の対応する部分の構成と同様である。第2駆動ユニット20は、第2接続部25から第1接続部24がY軸正方向に延びるように、第1駆動ユニット10と逆向きに配置される。第1接続部24は、回動軸R0に沿って延びている。すなわち、第1接続部14、24は同一直線上に並んでいる。第1接続部24のY軸正側の端部は、可動部30の側面に接続されている。
可動部30は、平面視において円形の形状である。可動部30の中心軸に対して対称な可動部30の側面位置が、それぞれ、第1駆動ユニット10の第1接続部14と、第2駆動ユニット20の第1接続部24に接続されている。可動部30の厚みは、第1接続部14、24と同じである。ただし、可動部30の厚みは、必ずしも、第1接続部14、24と同じでなくてもよく、たとえば、可動部30の厚みが、第1接続部14、24より大きくてもよい。可動部30は、第1接続部14、24と一体形成される。
反射面40は、可動部30の上面に、高反射率の材料からなる反射膜を形成することにより構成される。反射膜を構成する材料は、たとえば、金、銀、銅、アルミニウム等の金属や金属化合物、または、二酸化珪素、二酸化チタン等から選択され得る。反射膜は、誘電体多層膜であってもよい。この他、反射面40は、可動部30の上面を研磨することにより構成されてもよい。反射面40は、必ずしも平面でなくてもよく、凹状または凸状の曲面であってもよい。
平面視において、駆動素子1は、X軸方向に対称で、且つ、Y軸方向に対称である。圧電駆動体17a、17b、27a、27bおよび反射面40を除いた駆動素子1の各部は、たとえば、所定厚みのシリコン基板を、エッチング処理により、図2の形状に切り抜くことにより構成される。圧電駆動体17a、17b、27a、27bおよび反射面40は、スパッタ法等の成膜技術により、対応する領域に形成される。こうして、図1および図2に示す駆動素子1が構成される。
図3は、圧電駆動体17a、17b、27a、27bに印加される駆動電圧の波形を示す図である。
駆動信号S1、S2は、+Vaと-Vaとの範囲を振幅する所定周波数の交流信号である。駆動信号S1、S2の周期Tは、互いに同じである。駆動信号S1、S2は、位相がT/2だけずれている。すなわち、駆動信号S1、S2は、互いに逆位相の交流電圧である。
図1および図2の構成において、X軸正側の圧電駆動体17a、27aには駆動信号S1が供給され、X軸負側の圧電駆動体17b、27bには駆動信号S2が供給される。これにより、可動部30および反射面40が、回動軸R0周りに所定の振れ角で回動する。
図4(a)、(b)は、図3に示す駆動信号S1、S2が、それぞれ、対応する圧電駆動体に供給された場合の、可動部30の駆動状態を示す図である。
図3に示す駆動信号S1、S2が、それぞれ、対応する圧電駆動体に供給されると、X軸正側の第1アーム部11a、21aおよび第2アーム部12a、22aと、X軸負側の第1アーム部11b、21bおよび第2アーム部12b、22bとが、Z軸方向において、互いに逆方向に変形を繰り返す。これにより、X軸正側の連結部16a、26aと、X軸負側の連結部16b、26bとが互いに逆位相で振動し、回動軸R0周りに同じ回転方向のトルクが発生する。このトルクが、第1接続部14、24に伝達することにより、可動部30が、回動軸R0周りに振動する。こうして、反射面40が、所定の振れ角で回動する。
たとえば、図4(a)のタイミングでは、X軸正側の第1アーム部11a、21aおよび第2アーム部12a、22aが上側に変形し、X軸負側の第1アーム部11b、21bおよび第2アーム部12b、22bが下側に変形している。これにより、回動軸R0周りにトルクTaが発生し、Y軸負方向に見て、可動部30が時計方向に回動する。
また、図4(b)のタイミングでは、X軸正側の第1アーム部11a、21aおよび第2アーム部12a、22aが下側に変形し、X軸負側の第1アーム部11b、21bおよび第2アーム部12b、22bが上側に変形している。これにより、回動軸R0周りにトルクTbが発生し、Y軸負方向に見て、可動部30が反時計方向に回動する。
こうして、所定の共振周波数で駆動素子1が共振し、可動部30が所定の振れ角で時計方向および反時計方向に回動を繰り返す。これに伴い、可動部30に配置された反射面40が、所定の振れ角で時計方向および反時計方向に回動を繰り返す。これにより、反射面40に入射する光(レーザ光等)が、所定の振れ角で走査される。
なお、図4には、第1駆動ユニット10および第2駆動ユニット20と可動部30とが逆相で駆動される状態が示されているが、第1駆動ユニット10および第2駆動ユニット20と可動部30とが同相で駆動されるよう制御することも可能である。
ところで、上記のように、駆動素子1が光偏向素子として用いられる場合、可動部30の振れ角はなるべく大きいことが好ましい。これにより、光をより広範囲に走査させることができる。また、上記のように、アーム部を撓ませて可動部30を振動させる場合、駆動時に第1アーム部11a、11b、21a、21bに生じる応力(捩れ)によって、圧電駆動体17a、17b、27a、27bに損傷が起こり得る。この問題は、振れ角拡大のために、一対の第1アーム部11a、11b、21a、21bをより大きく撓ませる場合に、より顕著となる。
これに対し、本実施形態では、上記のように、一対の第1アーム部11a、11b、21a、21bの他に、一対の第2アーム部12a、12b、22a、22が配置され、これら一対の第2アーム部12a、12b、22a、22による作用より、上記2つの課題が同時に解消される。すなわち、本実施形態では、一対の第2アーム部12a、12b、22a、22bが配置されない従来の構成に比べて、可動部30の振れ角を拡大でき、且つ、第1アーム部11a、11b、21a、21bに生じる応力(捩れ)を抑制できる。これにより、応力(捻じれ)による圧電駆動体17a、17b、27a、27bの損傷を抑制しつつ、可動部30の振れ角をより拡大できる。
<検証1>
発明者らは、上記の構成の駆動素子1について、駆動時に各部に生じる応力をシミュレーションにより検証した。また、比較例として、上記構成から第2アーム部12a、12b、22a、22bが省略された構成について、駆動時に各部に生じる応力をシミュレーションにより検証した。
発明者らは、上記の構成の駆動素子1について、駆動時に各部に生じる応力をシミュレーションにより検証した。また、比較例として、上記構成から第2アーム部12a、12b、22a、22bが省略された構成について、駆動時に各部に生じる応力をシミュレーションにより検証した。
図5は、シミュレーションに用いた各部の寸法を示す図である。
上記構成と同様、駆動素子1は、平面視において、Y軸方向に対称且つX軸方向に対称な形状である。検証では、圧電駆動体17a、17b、27a、27bおよび反射面40を除いた駆動素子1の厚みを、50μmに均一に設定した。図5の条件の下、圧電駆動体17a、27aと圧電駆動体17b、27bに、所定周波数且つ所定振幅の交流電圧を逆位相で印加した場合の各部の応力をシミュレーションにより求めた。
図6(a)は、実施形態に係る応力分布シミュレーション結果を示す図であり、図6(b)は、比較例に係る応力分布のシミュレーション結果を示す図である。
図6(a)、(b)のシミュレーション結果は、カラー画像をグレースケール化したものである。実際のカラー画像では、濃い青色が最も応力が低い色に設定され、赤色が最も応力が高い色に設定されている。また、図6(a)、(b)では、応力の大きさが段階的に表示されている。B0~B4は青色の範囲を示し、Gは緑色の範囲、Yは黄色の範囲を示している。O1、O2は、オレンジ色の範囲を示し、Rは赤色の範囲を示している。応力は、赤色(最高)、オレンジ色、黄色、緑色、青色(最低)の順に高い。また、青色の範囲では、B4(最高)、B3、B2、B1、B0(最低)の順で応力が高く、オレンジ色の範囲では、O2(高)、O1(低)の順で応力が高い。
図6(b)に示すように、比較例では、第1アーム部11a、11bから連結部16a、16bに折れ曲がる部分において、応力が高くなっている。また、この折れ曲がり部分において、応力分布が不均一になっており、この折れ曲がり部分に強い捩じれ生じていることが分かる。さらに、比較例では、連結部16a、16bの略全範囲において、応力が高くなっている。これらのことから、比較例では、特に、折れ曲がり部分において、圧電駆動体に高い応力と捩じれが作用し、圧電駆動体に破損が生じやすいと推定される。また、連結部16a、16bにおいても、圧電駆動体に高い応力と捩じれが作用し、圧電駆動体に破損が生じやすいと推定される。
これに対し、実施形態では、図6(a)に示すように、第1アーム部11a、11bおよび第2アーム部12a、12bから連結部16a、16bに折れ曲がる部分の応力は顕著に小さい。また、この折れ曲がり部分の応力分布は不均一となっておらず、この折れ曲がり部分には略捩じれが生じていないことが分かる。さらに、実施形態では、連結部16a、16bの略全範囲において、応力が低くなっている。これらのことから、実施形態では、折れ曲がり部分において、圧電駆動体に破損が生じることはなく、また、連結部16a、16bにおいても、破損が生じにくいと推定される。これは、第2アーム部12a、12bを設けることにより、駆動ユニットの駆動時に、連結部16a、16bには捻れが発生しない駆動(いわゆる純粋なベンディングモードでの駆動)になるためであると推測される。
以上の検証から、実施形態の構成では、一対の第2アーム部12a、12bを配置することにより、駆動時に各部に生じる応力を顕著に抑制できることが確認できた。また、図5に示す寸法条件の下、第2アーム部12a、12bの長さを適正値(ここでは、2000μm)に設定することにより、折れ曲がり部分に捩じれが生じることを防ぎ得ることが確認できた。これにより、実施形態の構成では、駆動時の応力および捩じれによって圧電駆動体に破損が生じることが防がれることが確認できた。
駆動時に、第1アーム部11a、11bおよび第2アーム部12a、12bと連結部16a、16bとの接続部分(上記折れ曲がり部分)や連結部16a、16bに、捩じれによる応力が集中および発生することを抑制するには、この接続部分を中心として生じる第1アーム部11a、11bおよび第2アーム部12a、12bの逆向きのトルク(Y-Z平面に平行なトルク)が互いに均衡状態すればよい。また、このように2つのトルクが調整されることにより、接続部分は、駆動時に、略上下に大きく運動するため、可動部30およびミラー40を大きな振れ角で回動させることができる。
<検証2>
次に、発明者らは、図7(a)に示す第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さL2を変化させた場合の可動部30の振れ角特性を実験により検証した。検証では、長さL2以外の寸法は、図5と同様に設定した。また、上記検証1と同様の比較例についても、振れ角特性を実験により検証した。
次に、発明者らは、図7(a)に示す第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さL2を変化させた場合の可動部30の振れ角特性を実験により検証した。検証では、長さL2以外の寸法は、図5と同様に設定した。また、上記検証1と同様の比較例についても、振れ角特性を実験により検証した。
図7(b)は、振れ角特性の検証結果を示すグラフである。
ここでは、第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さL2が、1900μm、2000μm、2100μm、2200μmの4種類に設定されている。図7(b)中の破線は、比較例に係る振れ角の検証結果を示している。図7(b)の縦軸は、単位電圧当たりの振れ角であり、比較例の振れ角で規格化されている。
図7(b)に示すように、第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さL2を1900~2100μmに設定することにより、比較例に比べて、振れ角特性が高められている。特に、第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さL2を2000μmに設定した場合は、比較例に比べて、1.13倍程度の顕著に高い振れ角特性が得られた。
以上の検証から、実施形態の構成では、第2アーム部12a、12b、22a、22bを配置してその長さを最適化することにより、可動部30の振れ角特性を顕著に高め得ることが確認できた。よって、実施形態の構成において、可動部30に反射面40を配置することにより、光の走査範囲を顕著に広げることができる。
なお、図7(b)を参照すると、比較例に比べて振れ角特性を高め得る第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さL2は、一定の範囲に限られることが推測され得る。よって、第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さL2は、少なくともこの範囲内に設定する必要があると言える。
<実施形態の効果>
本実施形態によれば、以下の効果が奏され得る。
本実施形態によれば、以下の効果が奏され得る。
上記検証1、2に示したように、一対の第2アーム部12a、12b、22a、22bを設けることにより、圧電駆動体17a、17b、27a、27bの駆動時に第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bに生じる捩れおよび応力を抑制でき、さらに、圧電駆動体17a、17b、27a、27bの駆動時における可動部30の振れ角を拡大できる。よって、可動部30の振れ角を拡大しつつ、駆動時に生じる応力により圧電駆動体17a、17b、27a、27bに損傷が生じることを抑制することができる。
図1に示したように、圧電駆動体17a、17b、27a、27bは、一対の第1アーム部11a、11b、21a、21bと一対の第2アーム部12a、12b、22a、22bの両方に配置されている。これにより、より大きなトルクを発生させることができ、可動部30の振れ角をより効果的に拡大できる。
図1に示したように、圧電駆動体17a、17b、27a、27bは、さらに、連結部16a、16b、26a、26bにも配置されている。これにより、より一層大きなトルクを発生させることができ、可動部30の振れ角をより一層効果的に拡大できる。
上記検証1に示したように、第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さは、第1アーム部11a、11b、21a、21bにおいて捩れが実質的に発生しないように設定されることが好ましい。これにより、駆動時に生じる応力により圧電駆動体17a、17b、27a、27bが破損することを、より確実に防ぐことができる。
上記検証2に示したように、第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さは、目標周波数で可動部30を回動軸R0周りに振動させたときの可動部30の振れ角が最大になるように設定されることが好ましい。これにより、より大きな振れ角で可動部30を振動させることができ、駆動素子1を最も効率的に動作させることができる。
図1に示したように、第1駆動ユニット10および第2駆動ユニット20の2つの駆動ユニットが、可動部30を挟んで互いに逆向きに配置され、各駆動ユニットの第1接続部14、24が、可動部30に接続されている。このように、可動部30を各駆動ユニットで支持して駆動することより、可動部30をより大きなトルクで安定的に駆動することができる。
図1に示したように、可動部30には反射面40が配置されている。これにより、反射面40に入射する光(たとえば、レーザ光)をより大きな振れ角で走査させることができ、光の走査範囲を広げることができる。
図1に示したように、第1接続部14、25よりも第2接続部15、25の幅が大きく設定されている。このように第1接続部14、25よりも第2接続部15、25のねじれ剛性を高く設計することで、第1駆動ユニット10および第2駆動ユニット20のもれ振動が基部13、23に伝わりにくくなり、その結果、Q値を大きくすることができる。
<変更例1>
上記実施形態では、第1アーム部11a、11b、21a、21b、第2アーム部12a、12b、22a、22bおよび連結部16a、16b、26a、26bに圧電駆動体17a、17b、27a、27bが配置されたが、圧電駆動体17a、17b、27a、27bの配置方法は、これに限られるものではない。
上記実施形態では、第1アーム部11a、11b、21a、21b、第2アーム部12a、12b、22a、22bおよび連結部16a、16b、26a、26bに圧電駆動体17a、17b、27a、27bが配置されたが、圧電駆動体17a、17b、27a、27bの配置方法は、これに限られるものではない。
図8(a)、(b)は、圧電駆動体17a、17b、27a、27bの他の配置方法を示す平面図である。
図8(a)、(b)の配置方法では、第2アーム部12a、12b、22a、22bに圧電駆動体17a、17b、27a、27bが配置されない。図8(a)では、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび連結部16a、16b、26a、26bに圧電駆動体17a、17b、27a、27bが配置され、図8(b)では、第1アーム部11a、11b、21a、21bのみに圧電駆動体17a、17b、27a、27bが配置される。
これらの配置方法によっても、第2アーム部12a、12b、22a、22bが、第1アーム部11a、11b、21a、21bに対して、バランサとして機能する。このため、駆動時に、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bから連結部16a、16b、26a、26bに折れ曲がる部分に、不均一且つ大きな応力が生じることが抑制される。よって、駆動時に生じる応力および捩じれによって、圧電駆動体17a、17b、27a、27bが破損することを防ぐことができる。
また、図8(a)、(b)の構成では、圧電駆動体17a、17b、27a、27bによって第1アーム部11a、11b、21a、21bが駆動されると、その反動により、第2アーム部12a、12b、22a、22bに上下方向の撓みが生じる。これにより、第1アーム部11a、11b、21a、21bのみならず、第2アーム部12a、12b、22a、22bによってもトルクが生じ、これらのトルクによって、可動部30がより大きく回動する。よって、図8(a)、(b)の構成においても、上記比較例に比べて、可動部30の振れ角を拡大することができる。
発明者らは、駆動素子1の各部の寸法を図5に示した寸法に設定した上で、圧電駆動体17a、17b、27a、27bを図8(a)のように配置して、可動部30の振れ角特性を実験により検証した。この検証では、第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さを、2000μmに設定した。検証結果として、上記比較例の1.07倍程度の可動部30の振れ角が得られた。この振れ角は、上記検証2における実施形態の構成の振れ角(比較例の1.12倍)からは5%ほど低下するものの、上記比較例に係る振れ角からは大幅に増加した。
この検証結果から、上記図8(a)、(b)のように圧電駆動体17a、17b、27a、27bを配置した場合も、第2アーム部12a、12b、22a、22bの作用によって、可動部30の振れ角を顕著に高め得ることが確認できた。
なお、図8(a)、(b)の構成例においても、上記実施形態と同様、第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さを最適化することが好ましい。すなわち、駆動時に生じる応力および捩じれによって圧電駆動体17a、17b、27a、27bが破損することがなく、且つ、目標周波数における可動部30の振れ角が最大となるよう、第2アーム部12a、12b、22a、22bの長さを最適化することが好ましい。これにより、可動部30に反射面40が配置される場合に、光(たとえば、レーザ光)の走査範囲を顕著に広げることができる。
また、上記図8(a)、(b)の構成例では、圧電駆動体17a、17b、27a、27bの面積が、図1の構成例と比較して小さくなることにより、駆動時の消費電力が小さくなるというメリットがある。
<変更例2>
上記実施形態および変更例1では、駆動素子1に第1駆動ユニット10および第2駆動ユニット20が配置されたが、第1駆動ユニット10および第2駆動ユニット20の何れか一方のみが駆動素子1に配置されてもよい。
上記実施形態および変更例1では、駆動素子1に第1駆動ユニット10および第2駆動ユニット20が配置されたが、第1駆動ユニット10および第2駆動ユニット20の何れか一方のみが駆動素子1に配置されてもよい。
図9(a)~図9(c)は、第1駆動ユニット10のみが配置される場合の駆動素子1の構成を示す平面図である。
図9(a)~図9(c)に示す各部の構成は、上記実施形態における第1駆動ユニット10の各部の構成と同様である。可動部30は、Y軸正側の端部においてのみ、第1接続部14に接続される。
この場合も、上記実施形態および変更例1と同様、圧電駆動体17a、17bは、図9(a)のように、第1アーム部11a、12a、第2アーム部12a、12bおよび連結部16a、16bに配置され得る。あるいは、図9(b)のように、第1アーム部11a、12aおよび連結部16a、16bに圧電駆動体17a、17bが配置されてもよく、図9(c)のように、第1アーム部11a、12aのみに圧電駆動体17a、17bが配置されてもよい。
これらの構成によっても、上記実施形態および変更例1と同様、これらの構成から第2アーム部12a、12bが省略された構成に比べて、第1アーム部11a、12aに捩じれが生じることを抑制でき、且つ、可動部30の振れ角を拡大できる。よって、第1アーム部11a、12aにおける捩じれおよび応力により圧電駆動体17a、17bが破損することを防ぐことができ、且つ、可動部30の振れ角特性を高めることができる。
また、図9(a)、(b)、(c)の構成は、駆動素子1全体のサイズを小さくすることが可能であり、その結果、駆動素子1を小型化および低コスト化できるとメリットがある。
なお、これらの構成においても、上記実施形態と同様、第2アーム部12a、12bの長さを最適化することが好ましい。すなわち、駆動時に生じる応力および捩じれによって圧電駆動体17a、17bが破損することがなく、且つ、目標周波数における可動部30の振れ角が最大となるよう、第2アーム部12a、12bの長さを最適化することが好ましい。これにより、可動部30に反射面40が配置される場合に、光(たとえば、レーザ光)の走査範囲を顕著に広げることができる。
<その他の変更例>
上記実施形態および変更例1、2では、可動部30の形状が円形であったが、可動部30の形状は、正方形等の他の形状であってもよい。また、上記実施形態および変更例1、2では、第1接続部14、24が、直線状に延びて第2接続部15、25に接続されたが、第1接続部14、24のY軸正側の端部が二又に分かれて、第2接続部15、25に接続されてもよい。また、第1接続部14、24は、板状でなくてもよく、たとえば、矩形の棒状であってもよい。
上記実施形態および変更例1、2では、可動部30の形状が円形であったが、可動部30の形状は、正方形等の他の形状であってもよい。また、上記実施形態および変更例1、2では、第1接続部14、24が、直線状に延びて第2接続部15、25に接続されたが、第1接続部14、24のY軸正側の端部が二又に分かれて、第2接続部15、25に接続されてもよい。また、第1接続部14、24は、板状でなくてもよく、たとえば、矩形の棒状であってもよい。
また、上記実施形態および変更例1、2では、第1アーム部11a、11b、21a、21bと第2アーム部12a、12b、22a、22bとがY軸方向に直線状に並んで配置されたが、第2アーム部12a、12b、22a、22bが第1アーム部11a、11b、21a、21bに対してX軸方向にややずれた位置に配置されてもよい。
また、上記実施形態および変更例1、2では、第1アーム部11a、11b、21a、21bが回動軸R0に平行であったが、第1アーム部11a、11b、21a、21bが、回動軸R0に対して傾いていてもよい。たとえば、可動部30に近づくにつれて、第1アーム部11a、11b間の距離が広がり、第1アーム部21a、21b間の距離が広がるように、第1アーム部11a、11b、21a、21bが、回動軸R0に対して、X軸方向に傾いていてもよい。同様に、第2アーム部12a、12b、22a、22bが、回動軸R0に対して、X軸方向およびY軸方向の少なくとも一方に傾いていてもよい。第1アーム部の延伸方向は、回動軸R0に平行な第1方向の成分を含んでいればよく、第2アーム部の延伸方向は、第1方向と反対の第2方向の成分を含んでいればよい。
また、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bの形状も、上記実施形態および変更例1、2に示した形状に限られるものではない。たとえば、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bの幅が先に向かうにつれて狭くなるよう、平面視において第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bが台形の形状であってもよい。この形状の場合、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bの軽量化に伴い可動部30の振れ角が大きくなるが、その一方で、駆動素子1の共振周波数がやや低下する。
あるいは、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bの幅がステップ状に広がっていてもよく、たとえば、図10(a)に示すように、第2アーム部12a、12b、22a、22bの端部が矩形状に広がっていてもよい。また、第2アーム部12a、12b、22a、22bの幅が第1アーム部11a、11b、21a、21bの幅より広くてもよく、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bの厚みが互いに相違していてもよい。
第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bの形状は、可動部30の振れ角と共振周波数とを所定の値に調整可能な形状に設定されればよい。第2アーム部12a、12b、22a、22bは、上記のように、駆動時に、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bと連結部16a、16bとの接続部分を中心とするトルクを生じさせて、このトルクと、第1アーム部11a、11b、21a、21bにより生じるトルクとを均衡状態に近づけるためのバランス調整部として作用すればよい。これにより、上記のように、この接続部分および連結部16a、16bに生じる捩じれを抑制でき、且つ、可動部30およびミラー40の振れ角を大きくすることができる。
また、上記実施形態および変更例1では、平面視において、駆動素子1が、X軸方向およびY軸方向に対称な形状であったが、平面視において、駆動素子1が、X軸方向またはY軸方向にやや非対称な形状であってもよい。同様に、変更例2に係る駆動素子1がX軸方向にやや非対称な形状であってもよい。
また、圧電駆動体17a、17b、27a、27bの配置方法は、上記実施形態および変更例1、2に示した配置方法に限定されるものではなく、たとえば、圧電駆動体17a、17b、27a、27bが、連結部26a、26bには配置されずに、第1アーム部11a、11b、21a、21bから第2アーム部12a、12b、22a、22bに直線状に延びるように配置されてもよい。また、第2アーム部12a、12b、22a、22bのみに圧電駆動体17a、17b、27a、27bが配置されてもよい。
あるいは、図10(b)に示すように、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22b(バランス調整部)に、それぞれ個別に圧電駆動体17a、17b、18a、18b、27a、27b、28a、28bが配置されてもよい。この場合、各圧電駆動体の駆動動作を制御することにより、第1アーム部11a、11b、21a、21bにより生じるトルクと第2アーム部12a、12b、22a、22bにより生じるトルクとを均衡させてもよい。
この場合、駆動装置100は、図11のように構成される。駆動装置100は、図10(b)に示した駆動素子1と、制御回路101と、4つの駆動回路104とを備える。便宜上、図11では、駆動素子1の構成のうち、圧電駆動体17a、17b、18a、18b、27a、27b、28a、28bの構成のみが示されている。
制御回路101は、マイクロコンピュータを備え、予め保持するプログラムに従って駆動回路102~105を制御する。駆動回路102は、制御回路101からの制御により、圧電駆動体17a、17bに駆動信号を供給し、駆動回路103は、制御回路101からの制御により、圧電駆動体18a、18bに駆動信号を供給し、駆動回路104は、制御回路101からの制御により、圧電駆動体27a、27bに駆動信号を供給し、駆動回路105は、制御回路101からの制御により、圧電駆動体28a、28bに駆動信号を供給する。
駆動時において、駆動回路102~105は、図4(a)、(b)を参照して説明したように、X軸正側の第1アーム部11a、21aおよび第2アーム部12a、22aと、X軸負側の第1アーム部11b、21bおよび第2アーム部12b、22bとが逆方向に駆動されるよう、圧電駆動体17a、17b、18a、18b、27a、27b、28a、28bを駆動する。このとき、駆動回路102~105は、さらに、第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22b(バランス調整部)と連結部16a、16b、26a、26bとの接続部分における捩じれが抑制されるように各々の圧電駆動体を駆動して、回動軸R0について可動部20を回動させる。すなわち、駆動回路102~105は、これらの接続部分を中心とする第1アーム部11a、11b、21a、21bおよび第2アーム部12a、12b、22a、22bの逆向きのトルクが互いに均衡状態に近づくように、各々の圧電駆動体を駆動する。これにより、上記のように、この接続部分および連結部16a、16bに生じる捩じれを抑制でき、且つ、可動部30およびミラー40の振れ角を大きくすることができる。
なお、この構成では、各圧電駆動体に対する駆動制御により、互いに逆向きの上記2つのトルクが均衡状態に近づけられるため、第2アーム部12a、12b、22a、22b(バランス調整部)の長さは、必ずしも、図7(a)に示した好ましい範囲に設定されていなくてもよい。
なお、駆動装置100が上記実施形態および変更例1、2に示した駆動素子1を含む場合は、これら駆動素子1に配置される圧電駆動体の数に応じて、図11の駆動回路102~105の数が変更される。たとえば、駆動装置100に含まれる駆動素子1が図1の構成である場合、図11の構成から、駆動回路103、105が省略される。この場合も、駆動回路102、104は、上記接続部分における捩じれが抑制されるように圧電駆動体17a、17b、27a、27bを駆動して、回動軸R0について可動部20を回動させる。この構成においても、上記と同様、第2アーム部12a、12b、22a、22b(バランス調整部)の長さは、必ずしも、図7(a)に示した好ましい範囲に設定されていなくてもよい。
また、駆動素子1の各部の寸法も、図5に示した寸法に制限されるものではなく、適宜変更可能である。各部の寸法が変更された場合は、これに応じて、第2アーム部12a、12b、22a、22bの寸法が最適かされればよい。
また、駆動素子1が、光偏向素子以外の素子として用いられる場合、可動部30には、反射面40が配置されなくてもよく、反射面40以外の他の部材が配置されてもよい。
この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。
1 駆動素子
10 第1駆動ユニット
20 第2駆動ユニット
30 可動部
40 反射面
11a、11b、21a、21b 第1アーム部
12a、12b、22a、22b 第2アーム部
13、23 基部
14、24 第1接続部
15、25 第2接続部
16a、16b、26a、26b 連結部
17a、17b、27a、27b 圧電駆動体
100 駆動装置
10 第1駆動ユニット
20 第2駆動ユニット
30 可動部
40 反射面
11a、11b、21a、21b 第1アーム部
12a、12b、22a、22b 第2アーム部
13、23 基部
14、24 第1接続部
15、25 第2接続部
16a、16b、26a、26b 連結部
17a、17b、27a、27b 圧電駆動体
100 駆動装置
Claims (13)
- 基部と、
前記基部から回動軸に平行な方向に離れた可動部と、
前記基部と前記可動部とを接続する接続部と、
前記回動軸を挟み、前記回動軸に平行な第1方向に延びる一対の第1アーム部と、
前記回動軸を挟み、前記第1方向と反対の第2方向に延びる一対の第2アーム部と、
前記一対の第1アーム部および前記一対の第2アーム部を前記接続部に連結する連結部と、
前記一対の第1アーム部および前記一対の第2アーム部の少なくとも一方に配置された圧電駆動体と、を備える、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項1に記載の駆動素子において、
前記圧電駆動体は、前記一対の第1アーム部と前記一対の第2アーム部の両方に配置されている、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項1に記載の駆動素子において、
前記圧電駆動体は、前記一対の第1アーム部に配置され、前記一対の第2アーム部には配置されていない、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項1ないし3の何れか一項に記載の駆動素子において、
前記圧電駆動体は、さらに、前記連結部に配置されている、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項1ないし4の何れか一項に記載の駆動素子において、
少なくとも前記第1アーム部において捩れが実質的に発生しないように、前記第2アーム部の長さが設定されている、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項1ないし5の何れか一項に記載の駆動素子において、
目標周波数で前記可動部を前記回動軸周りに振動させたときの前記可動部の振れ角が最大になるように、前記第2アーム部の長さが設定されている、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項1ないし6の何れか一項に記載の駆動素子において、
前記基部、前記接続部、前記一対の第1アーム部、前記一対の第2アーム部、前記連結部および前記圧電駆動体をそれぞれ備える2つの駆動ユニットが、前記可動部を挟んで互いに逆向きに配置され、
前記各駆動ユニットの前記接続部が、前記可動部に接続されている、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項1ないし7の何れか一項に記載の駆動素子において、
前記可動部に反射面が配置されている、
ことを特徴とする駆動素子。 - 基部と、
前記基部から回動軸に平行な方向に離れた可動部と、
前記基部と前記可動部とを接続する接続部と、
前記回動軸を挟み、前記回動軸に平行な第1方向に延びる一対のアーム部と、
前記回動軸を挟み、前記第1方向と反対の第2方向に延びる一対のバランス調整部と、
前記一対のアーム部および前記一対のバランス調整部を前記接続部に連結する連結部と、
前記一対のアーム部および前記一対のバランス調整部の少なくとも一方に配置された圧電駆動体と、を備える、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項9に記載の駆動素子において、
前記基部、前記接続部、前記一対のアーム部、前記一対のバランス調整部、前記連結部および前記圧電駆動体をそれぞれ備える2つの駆動ユニットが、前記可動部を挟んで互いに逆向きに配置され、
前記各駆動ユニットの前記接続部が、前記可動部に接続されている、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項9または10記載の駆動素子において、
前記可動部に反射面が配置されている、
ことを特徴とする駆動素子。 - 請求項9ないし11の何れか一項に記載の駆動素子と、
前記圧電駆動体に駆動電圧を供給する駆動回路と、を備える、
ことを特徴とする駆動装置。 - 請求項12に記載の駆動装置において、
前記一対のアーム部および前記一対のバランス調整部のそれぞれに個別に前記圧電駆動体が配置され、
前記駆動回路は、前記アーム部および前記バランス調整部と前記連結部との接続部分における捩じれが抑制されるように各々の前記圧電駆動体を駆動して、前記回動軸について前記可動部を回動させる、
ことを特徴とする駆動装置。
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