JP2023008577A - 光偏向器 - Google Patents
光偏向器 Download PDFInfo
- Publication number
- JP2023008577A JP2023008577A JP2021112248A JP2021112248A JP2023008577A JP 2023008577 A JP2023008577 A JP 2023008577A JP 2021112248 A JP2021112248 A JP 2021112248A JP 2021112248 A JP2021112248 A JP 2021112248A JP 2023008577 A JP2023008577 A JP 2023008577A
- Authority
- JP
- Japan
- Prior art keywords
- piezoelectric
- inner frame
- optical deflector
- piezoelectric actuator
- piezoelectric cantilever
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
Images
Classifications
-
- B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
- B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
- B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
- B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
-
- G—PHYSICS
- G02—OPTICS
- G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
- G02B26/10—Scanning systems
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Optics & Photonics (AREA)
- Engineering & Computer Science (AREA)
- Computer Hardware Design (AREA)
- Microelectronics & Electronic Packaging (AREA)
- Mechanical Optical Scanning Systems (AREA)
- Micromachines (AREA)
- Mechanical Light Control Or Optical Switches (AREA)
Abstract
【課題】振れ角効率が良く、一次共振周波数が高い、なお且つ、小型軽量の光偏向器を提供する。
【解決手段】第1の圧電アクチュエータ3は、トーションバー5とインナーフレーム6との間に設けられた圧電素子31aにより共振状態で駆動される第1の圧電カンチレバー部32を含み、第2の圧電アクチュエータ4は、インナーフレーム6とアウターフレーム7との間に設けられた圧電素子31cにより非共振状態で駆動される第2の圧電カンチレバー部34を含み、インナーフレーム6は、第1の圧電カンチレバー部32と第2の圧電カンチレバー部34との間で、少なくとも一部が湾曲した形状を有し、第2の圧電カンチレバー部34は、インナーフレーム6の湾曲した形状に沿って、少なくとも一部が湾曲した形状を有する。
【選択図】図1
【解決手段】第1の圧電アクチュエータ3は、トーションバー5とインナーフレーム6との間に設けられた圧電素子31aにより共振状態で駆動される第1の圧電カンチレバー部32を含み、第2の圧電アクチュエータ4は、インナーフレーム6とアウターフレーム7との間に設けられた圧電素子31cにより非共振状態で駆動される第2の圧電カンチレバー部34を含み、インナーフレーム6は、第1の圧電カンチレバー部32と第2の圧電カンチレバー部34との間で、少なくとも一部が湾曲した形状を有し、第2の圧電カンチレバー部34は、インナーフレーム6の湾曲した形状に沿って、少なくとも一部が湾曲した形状を有する。
【選択図】図1
Description
本発明は、光偏向器に関する。
従来、レーザー光等の光ビームを偏向・走査する光偏向器の例として、ガルバノミラーやポリゴンミラーが一般的に用いられている。このうち、ガルバノミラーは、偏光用の平面ミラーを回転軸に取り付け、電気信号に応じて電磁モータを駆動してミラーの回転角を可変にした光偏向器である。このガルバノミラーは、非共振型の光偏向器なので、ノコギリ歯型やランダムな電気信号で駆動できる。一方、ポリゴンミラーは、偏光用の多面ミラーを回転軸に取り付けた光偏向器であり、ガルバノミラーに比べ高速に走査可能である。
しかしながら、ガルバノミラーやポリゴンミラーは、駆動源に電磁モータを使用しているため、小型化や軽量化が困難であり、省スペースを必要とするアプリケーションに使用することが困難である。
これに対して、半導体製造技術を応用してシリコンやガラスを微細加工するマイクロマシニング技術(いわゆるMEMS技術)を用いて、半導体基板上にミラーや弾性体等の機構部品を一体的に形成した光偏向器(マイクロミラーともいう。)が提案されている(例えば、下記特許文献1,2を参照。)。
具体的に、この光偏向器では、支持板上に、圧電体の上部及び下部に電極を有した複数の圧電素子を配置し、この圧電素子の上に弾性体を接続させた圧電アクチュエータを用いている。圧電アクチュエータは、上下電極間に印加される交流電圧により圧電体に上下に直線往復振動を生じさせ、この振動が弾性体を介して反射板へと伝わり、回転支持体を中心として反射板を左右に偏向させる。
このような光偏向器では、その全体が微小な機械構造体で構成されたMEMSデバイスであるため、小型化や軽量化が容易である。さらに、半導体プロセスと同様に1枚のウェハから複数のデバイスを同時に作製できるため、量産が容易でコストを抑えることが可能である。
また、このような光偏向器では、圧電アクチュエータの駆動により発生する微小な力で大きな変位量や偏向角を得るために、共振型の圧電アクチュエータを構成し、ミラー部を固有の共振周波数で駆動させ、この共振駆動によって大きな偏向角を得るのが一般的である。
Q-M. Wang & L. E. Cross;Performance Analysis of Piezoelectric Cantilever Bending Actuators,Ferroelectrics, 215, 187-213, 1998
ところで、上述した光偏向器では、チップサイズがコストに影響することから、デバイス自体をなるべく小さく設計したいといった要求がある。このような要求に対応したデバイス構造の一つとして、水平軸及び鉛直軸の両方を共振させる共振×共振構造が考えられる。
しかしながら、このような共振×共振構造では、水平軸及び垂直軸の両方を共振させる際の駆動周波数をある程度高くする必要があり、スキャナの画質の悪化を招くなどの問題が発生してしまう。また、ノコギリ波で駆動させた際に、リンギングによる縞状のノイズが投影画像に現れるなどの問題がある。
このため、駆動周波数の遅い非共振を用いた非共振×共振のデバイス構造が必要となるが、非共振型の圧電アクチュエータでは、共振型の圧電アクチュエータと比べて、駆動電圧当たりの振れ角効率が悪くなる。
一方、振れ角効率を良くするためには、非共振の圧電アクチュエータのカンチレバーを長くする、若しくは支持体となるSi基板の厚みを薄くする必要がある。通常、アクチュエータの変位量は、カンチレバーの長手方向の長さの2乗に比例して決まる(上記非特許文献1を参照。)。このため、駆動電圧当たりの振れ角効率を良くするためには、カンチレバーの長さを伸ばす必要がある。
しかしながら、カンチレバーを長くすると、一次共振周波数が低くなってしまう。一次共振周波数が低くなると、外部振動の影響を受け易くなり、デバイス自体が破損し易くなる。また、カンチレバーを長くすると、チップサイズが大きくなってしまう。さらに、支持体となるSi基板の厚みを薄くした場合も、一次共振周波数が低くなってしまう。
このように、振れ角効率と一次共振周波数とは、トレードオフの関係にあるため、振れ角効率が良く、一次共振周波数が高い、なお且つ、小型軽量のデバイスを作製することは難しい。
本発明は、このような従来の事情に鑑みて提案されたものであり、振れ角効率が良く、一次共振周波数が高い、なお且つ、小型軽量の光偏向器を提供することを目的とする。
上記目的を達成するために、本発明は以下の手段を提供する。
〔1〕 反射面を含むミラー部と、
前記ミラー部の周囲に位置して、前記ミラー部を第1の中心軸の軸回りに揺動させる第1の圧電アクチュエータと、
前記第1の圧電アクチュエータの周囲に位置して、前記ミラー部を前記第1の中心軸とは直交する第2の中心軸の軸周りに揺動させる第2の圧電アクチュエータと、
前記ミラー部と前記第1の圧電アクチュエータの一端との間を連結するトーションバーと、
前記第1の圧電アクチュエータの他端と前記第2の圧電アクチュエータの一端との間を連結するインナーフレームと、
前記第2の圧電アクチュエータの周囲に位置して、前記第2の圧電アクチュエータの他端と連結されたアウターフレームとを備え、
前記第1の圧電アクチュエータは、前記トーションバーと前記インナーフレームとの間に設けられた圧電素子により共振状態で駆動される第1の圧電カンチレバー部を含み、
前記第2の圧電アクチュエータは、前記インナーフレームと前記アウターフレームとの間に設けられた圧電素子により非共振状態で駆動される第2の圧電カンチレバー部を含み、
前記インナーフレームは、前記第1の圧電カンチレバー部と前記第2の圧電カンチレバー部との間で、少なくとも一部が湾曲した形状を有し、
前記第2の圧電カンチレバー部は、前記インナーフレームの湾曲した形状に沿って、少なくとも一部が湾曲した形状を有することを特徴とする光偏向器。
〔2〕 前記第2の圧電カンチレバー部は、前記インナーフレームの形状に沿った形状を有することを特徴とする前記〔1〕に記載の光偏向器。
〔3〕 前記第2の圧電カンチレバー部は、少なくとも前記インナーフレームの湾曲した形状に沿った部分において、前記インナーフレームとの間隔が一定となっていることを特徴とする前記〔1〕又は〔2〕に記載の光偏向器。
〔4〕 前記第1の圧電カンチレバー部は、前記インナーフレームの形状に沿った形状を有することを特徴とする前記〔1〕~〔3〕の何れか一項に記載の光偏向器。
〔5〕 前記第2の圧電アクチュエータは、前記インナーフレームと前記アウターフレームとの間に一対の前記第2の圧電カンチレバー部が配置された構造を有することを特徴とする前記〔1〕~〔4〕の何れか一項に記載の光偏向器。
〔6〕 前記第2の圧電アクチュエータは、前記第2の圧電カンチレバー部が複数並んで配置されると共に、互いに隣り合う前記第2の圧電カンチレバー部の一端と他端とを、前記第2の中心軸の方向に延在する連結部を介して折り返し連結し、なお且つ、互いに隣り合う前記第2の圧電カンチレバー部の間隔が一定となるミアンダ構造を有することを特徴とする前記〔1〕~〔4〕の何れか一項に記載の光偏向器。
〔1〕 反射面を含むミラー部と、
前記ミラー部の周囲に位置して、前記ミラー部を第1の中心軸の軸回りに揺動させる第1の圧電アクチュエータと、
前記第1の圧電アクチュエータの周囲に位置して、前記ミラー部を前記第1の中心軸とは直交する第2の中心軸の軸周りに揺動させる第2の圧電アクチュエータと、
前記ミラー部と前記第1の圧電アクチュエータの一端との間を連結するトーションバーと、
前記第1の圧電アクチュエータの他端と前記第2の圧電アクチュエータの一端との間を連結するインナーフレームと、
前記第2の圧電アクチュエータの周囲に位置して、前記第2の圧電アクチュエータの他端と連結されたアウターフレームとを備え、
前記第1の圧電アクチュエータは、前記トーションバーと前記インナーフレームとの間に設けられた圧電素子により共振状態で駆動される第1の圧電カンチレバー部を含み、
前記第2の圧電アクチュエータは、前記インナーフレームと前記アウターフレームとの間に設けられた圧電素子により非共振状態で駆動される第2の圧電カンチレバー部を含み、
前記インナーフレームは、前記第1の圧電カンチレバー部と前記第2の圧電カンチレバー部との間で、少なくとも一部が湾曲した形状を有し、
前記第2の圧電カンチレバー部は、前記インナーフレームの湾曲した形状に沿って、少なくとも一部が湾曲した形状を有することを特徴とする光偏向器。
〔2〕 前記第2の圧電カンチレバー部は、前記インナーフレームの形状に沿った形状を有することを特徴とする前記〔1〕に記載の光偏向器。
〔3〕 前記第2の圧電カンチレバー部は、少なくとも前記インナーフレームの湾曲した形状に沿った部分において、前記インナーフレームとの間隔が一定となっていることを特徴とする前記〔1〕又は〔2〕に記載の光偏向器。
〔4〕 前記第1の圧電カンチレバー部は、前記インナーフレームの形状に沿った形状を有することを特徴とする前記〔1〕~〔3〕の何れか一項に記載の光偏向器。
〔5〕 前記第2の圧電アクチュエータは、前記インナーフレームと前記アウターフレームとの間に一対の前記第2の圧電カンチレバー部が配置された構造を有することを特徴とする前記〔1〕~〔4〕の何れか一項に記載の光偏向器。
〔6〕 前記第2の圧電アクチュエータは、前記第2の圧電カンチレバー部が複数並んで配置されると共に、互いに隣り合う前記第2の圧電カンチレバー部の一端と他端とを、前記第2の中心軸の方向に延在する連結部を介して折り返し連結し、なお且つ、互いに隣り合う前記第2の圧電カンチレバー部の間隔が一定となるミアンダ構造を有することを特徴とする前記〔1〕~〔4〕の何れか一項に記載の光偏向器。
以上のように、本発明によれば、振れ角効率良く、一次共振周波数が高い、なお且つ、小型軽量の光偏向器を提供することが可能である。
以下、本発明の実施形態について、図面を参照して詳細に説明する。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
なお、以下の説明で用いる図面においては、各構成要素を見やすくするため、構成要素によって寸法の縮尺を異ならせて示すことがあり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、以下の説明において例示される材料、寸法等は一例であって、本発明はそれらに必ずしも限定されるものではなく、その要旨を変更しない範囲で適宜変更して実施することが可能である。
また、以下に示す図面では、XYZ直交座標系を設定し、X軸方向を光偏向器の平面内における第2の中心軸の方向(横方向)、Y軸方向を光偏向器の平面内において第2の方向と直交する第1の中心軸の方向(縦方向)、Z軸方向を光偏向器の平面内に対して直交する厚み方向(高さ方向)として、それぞれ示すものとする。
(第1の実施形態)
先ず、本発明の第1の実施形態として、例えば図1及び図2に示す光偏向器1について説明する。
先ず、本発明の第1の実施形態として、例えば図1及び図2に示す光偏向器1について説明する。
なお、図1は、光偏向器1の構成を示す平面図である。図2は、光偏向器1の断面構造を示し、(A)は図1中に示す線分A-Aによる光偏向器1の断面図、(B)は、光偏向器1を構成する各層の積層構造を示す断面図である。
本実施形態の光偏向器1は、図1及び図2に示すように、ミラー部2と、ミラー部2の周囲に位置して、ミラー部2を第1の中心軸(本実施形態ではY軸に沿った方向)AYの軸回りに揺動させる第1の圧電アクチュエータ3と、第1の圧電アクチュエータ3の周囲に位置して、ミラー部2を第1の中心軸AYとは直交する第2の中心軸(本実施形態ではX軸に沿った方向)AXの軸周りに揺動させる第2の圧電アクチュエータ4と、ミラー部2と第1の圧電アクチュエータ3との間を連結するトーションバー5と、第1の圧電アクチュエータ3と第2の圧電アクチュエータ4との間を連結するインナーフレーム6と、第2の圧電アクチュエータ4の周囲に位置して、第2の圧電アクチュエータ4と連結されたアウターフレーム7とを備えている。
また、本実施形態の光偏向器1は、MEMS技術を用いて、支持体となる半導体基板の上に、ミラー部2と、第1及び第2の圧電アクチュエータ3,4と、トーションバー5及びインナーフレーム6と、アウターフレーム7とを一体的に形成したマイクロミラーからなる。
例えば、本実施形態の光偏向器1は、支持体となるSi基板11の一面(下面)に、SiO2層12と、Si/SiO2層13とが順に積層され、Si基板11の他面(上面)に、Pt層14と、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)層15と、Pt層16とが順に積層された構造を有している。
このうち、ミラー部2は、Si/SiO2層13、SiO2層12、Si基板11及びPt層14の積層体により構成されている。一方、第1及び第2の圧電アクチュエータ3,4は、Si基板11、Pt層14、PZT層15及びPt層16の積層体により構成されている。一方、トーションバー5及びインナーフレーム6は、Si/SiO2層13、SiO2層12、Si基板11及びPt層14の積層体により構成されているが、Pt層14を省略することも可能である。一方、アウターフレーム7は、Si/SiO2層13、SiO2層12、Si基板11、Pt層14、PZT層15及びPt層16の積層体により構成されている。また、ミラー部2と、第1及び第2の圧電アクチュエータ3,4と、トーションバー5及びインナーフレーム6とを構成するSi/SiO2層13の厚みは、アウターフレーム7を構成するSi/SiO2層13の厚みよりも薄くなっている。
ミラー部2は、反射体となるPt層14により構成された平面視で円形状の反射面2aと、Si基板11、SiO2層12及びSi/SiO2層13により構成されたミラーフレーム2bとを有している。
本実施形態の光偏向器1は、ミラー部2と、この周囲を囲む略矩形枠状のアウターフレーム7との間に空間Kを有している。また、本実施形態の光偏向器1は、ミラー部2を挟んで第2の中心軸AXの方向に対称に配置された一対の第1の圧電アクチュエータ3とミラー部2との間が一対のトーションバー5を介して連結されると共に、ミラー部2を挟んで第2の中心軸AXの方向に対称に配置された一対の第2の圧電アクチュエータ4と一対の第1の圧電アクチュエータ3との間がインナーフレーム6を介して連結された構造を有している。
したがって、本実施形態の光偏向器1では、ミラー部2を挟んで一対のトーションバー5、一対の第1の圧電アクチュエータ3、インナーフレーム6及び一対の第2の圧電アクチュエータ4が、それぞれ対称に配置された構造となっている。
なお、一対の第2の圧電アクチュエータ4とアウターフレーム7との連結位置は、アウターフレーム7の対角方向に対称に配置された構成となっているが、このような構成に必ずしも限定されるものではなく、第1の中心軸AYの方向に対称に配置された構成であってもよい。
一対の第1の圧電アクチュエータ3は、それぞれ平面視で第1の中心軸AYの方向に延在しながら長半円弧状に形成されると共に、互いの両端部が一対のトーションバー5と連結されることによって、ミラー部2の周囲を囲むように全体として長円リング状に形成されている。
一対のトーションバー5は、それぞれ平面視で第1の中心軸AYの方向に延在しながら直線状に形成されると共に、ミラー部2と一対の第1の圧電アクチュエータ3との間を第1の中心軸AYに沿って連結している。
各第1の圧電アクチュエータ3は、駆動用の圧電素子31aと検知用の圧電素子31bとが設けられた第1の圧電カンチレバー部32を有している。
圧電素子31a,31bは、振動板となるSi基板11の上に、下部電極となるPt層14と、圧電体となるPZT層15と、上部電極となるPt層16とを積層することによって構成されている。
駆動用の圧電素子31aは、第1の圧電カンチレバー部32が延在する方向に複数(本実施形態では3つ)並んで配置されている。また、3つの圧電素子31aは、中央の圧電素子31aを挟んで両端の圧電素子31aが第1の中心軸AYの方向に対称に配置されている。
一対の第1の圧電アクチュエータ3の間では、何れか一方の第1の圧電カンチレバー部32に設けられた中央の圧電素子31aと、何れか他方の第1の圧電カンチレバー部32に設けられた両端の圧電素子31aとが一対の接続配線33aを介して電気的に接続されている。
検知用の圧電素子31bは、複数の圧電素子31aと共に、第1の圧電カンチレバー部32が延在する方向の一端側(-Y軸側)に並んで配置されている。
インナーフレーム6は、平面視で第1の中心軸AYの方向に延在しながら長半円弧状に形成されると共に、互いの両端部が一対のトーションバー5と連結されることによって、一対の第1の圧電アクチュエータ3の周囲を囲むように全体として長円リング状に形成されている。
また、インナーフレーム6は、平面視で第1の中心軸AYの方向に延在しながら直線状に形成された一対の連結部6aを介して一対の第1の圧電アクチュエータ3とインナーフレーム6との間を第1の中心軸AYに沿って連結している。
また、インナーフレーム6は、平面視で第2の中心軸AXの方向に延在しながら直線状に形成された一対の連結部6bを介して一対の第1の圧電アクチュエータ3とインナーフレーム6との間を第2の中心軸AXに沿って連結している。
一対の第2の圧電アクチュエータ4は、それぞれ平面視で第1の中心軸AYの方向に延在しながら長半円弧状に形成されると共に、インナーフレーム6とアウターフレーム7との間を連結している。
各第2の圧電アクチュエータ4は、駆動用の圧電素子31cが設けられた第2の圧電カンチレバー部34を有している。すなわち、この第2の圧電アクチュエータ4は、インナーフレーム6とアウターフレーム7との間に一対の第2の圧電カンチレバー部34が配置された構造を有している。
圧電素子31cは、上述した圧電素子31a,31bと同様に、振動板となるSi基板11の上に、下部電極となるPt層14と、圧電体となるPZT層15と、上部電極となるPt層16とを積層することによって構成されている。また、圧電素子31cは、第2の圧電カンチレバー部34が延在する方向の一端側と他端側との間に亘って設けられている。
アウターフレーム7の面上には、圧電素子31a,31b,31cの各々に対応した複数(本実施形態では6つ)の電極パッド35a,35b,35cが設けられている。複数の電極パッド35a,35b,35cは、第2の中心軸AXの方向の両側に位置して、それぞれ第1の中心軸AYの方向に並んで配置されている。
駆動用の圧電素子31aは、一対の接続配線33aと電気的に接続されると共に、一方の連結部6bから一方のインナーフレーム6、一方の第2の圧電アクチュエータ4及びアウターフレーム7の面上において引き回された一対の接続配線33bを介して一対の電極パッド35aと電気的に接続されている。これにより、一対の電極パッド35a、一対の接続配線33b及び一対の接続配線33aを介して圧電素子31aに駆動電圧(例えば正弦波などの交流電圧)を印加することが可能となっている。
検知用の圧電素子31bは、一方の連結部6aから他方のインナーフレーム6、他方の第2の圧電アクチュエータ4及びアウターフレーム7の面上において引き回された一対の接続配線33cを介して一対の電極パッド35bと電気的に接続されている。これにより、第1の圧電カンチレバー部32の変形に伴って圧電素子31bから出力される電圧を一対の接続配線33c及び一対の電極パッド35bを介して検知することが可能となっている。
駆動用の圧電素子31cは、アウターフレーム7の面上において引き回された一対の接続配線33dを介して一対の電極パッド35cと電気的に接続されている。これにより、一対の電極パッド35c及び一対の接続配線33dを介して圧電素子31cに駆動電圧(例えば正弦波などの交流電圧)を印加することが可能となっている。
以上のような構成を有する本実施形態の光偏向器1では、一対の第1の圧電アクチュエータ3の圧電駆動によって、ミラー部2を第1の中心軸AYの軸周りに揺動させることが可能である。
具体的には、駆動用の圧電素子31aに駆動電圧を印加し、第1の圧電カンチレバー部32を屈曲させることで、ミラー部2を第1の中心軸AYの軸周りに揺動させることが可能である。
また、本実施形態の光偏向器1では、第1の圧電アクチュエータ3が共振型の圧電アクチュエータとして、駆動用の圧電素子31aに対して共振周波数付近の駆動電圧を印加する。このとき、検知用の圧電素子31bが第1の圧電カンチレバー部32の屈曲状態を検知しながら、第1の圧電カンチレバー部32が共振するように、駆動用の圧電素子31aに印加される駆動電圧を制御する。これにより、第1の圧電カンチレバー部32(第1の圧電アクチュエータ3)を共振状態で駆動(共振駆動)させながら、ミラー部2をより大きな偏向角で揺動させることが可能である。
一方、本実施形態の光偏向器1では、一対の第2の圧電アクチュエータ4の圧電駆動によって、ミラー部2を第2の中心軸AXの軸周りに揺動させることが可能である。
具体的には、駆動用の圧電素子31cに駆動電圧を印加し、第2の圧電カンチレバー部34を屈曲させることで、ミラー部2を第2の中心軸AXの軸周りに揺動させることが可能である。
また、本実施形態の光偏向器1では、第2の圧電アクチュエータ4が非共振型の圧電アクチュエータとして、第2の圧電カンチレバー部34が共振しない周波数で、駆動用の圧電素子31cに対して駆動電圧を印加する。これにより、第2の圧電カンチレバー部34(第2の圧電アクチュエータ4)を非共振状態で駆動(非共振駆動)させながら、ミラー部2を第2の中心軸AXの軸周りに揺動させることが可能である。
ところで、本実施形態の光偏向器1では、上述したインナーフレーム6の湾曲した形状に沿って、第2の圧電カンチレバー部34(第2の圧電アクチュエータ4)が湾曲した形状を有している。
具体的に、このインナーフレーム6は、直線状に延在した直線領域E1と、この直線領域E1から両端に向かって円弧状に湾曲した曲線領域E2とを有している。第2の圧電カンチレバー部34は、このインナーフレーム6の形状に沿って、直線状に延在した直線領域E3と、この直線領域E3から両端に向かって円弧状に湾曲した曲線領域E4とを有している。
また、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との直線領域E1,E3における間隔W1が一定となり、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との曲線領域E2,E4における間隔W2が一定となっている。さらに、本実施形態では、W1=W2となっている。なお、曲線領域E2,E4においては、インナーフレーム6又は第2の圧電カンチレバー部34の接線に対して垂直な方向の幅を間隔W2としている。
さらに、本実施形態の光偏向器1では、上述したインナーフレーム6の湾曲した形状に沿って、第1の圧電カンチレバー部32(第1の圧電アクチュエータ3)が湾曲した形状を有している。
具体的に、第1の圧電カンチレバー部32は、インナーフレーム6の形状に沿って、直線状に延在した直線領域E5と、この直線領域E5から両端に向かって円弧状に湾曲した曲線領域E6とを有している。
また、インナーフレーム6と第1の圧電カンチレバー部32との直線領域E1,E5における間隔W3が一定となり、インナーフレーム6と第1の圧電カンチレバー部32との曲線領域E2,E6における間隔W4が一定となっている。さらに、本実施形態では、W3=W4となっている。なお、曲線領域E2,E6においては、インナーフレーム6又は第2の圧電カンチレバー部34の接線に対して垂直な方向の幅を間隔W4としている。
本実施形態の光偏向器1では、上述したインナーフレーム6が曲線領域E2を含むことで、インナーフレーム6を直線領域E1のみで構成する場合よりも、応力緩和やチップサイズの縮小化を図ることが可能である。
また、本実施形態の光偏向器1では、上述したインナーフレーム6の湾曲した形状に沿って、第2の圧電カンチレバー部34(第2の圧電アクチュエータ4)が湾曲した形状を有することで、第2の圧電カンチレバー部34の長さを確保しながら、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との曲線領域E2,E4における間隔W2を狭めることができる。
これにより、本実施形態の光偏向器1では、第2の圧電カンチレバー部34(第2の圧電アクチュエータ4)を直線領域E3のみで構成する場合よりも、第2の圧電アクチュエータ4の駆動電圧当たりの振れ角効率を良くし、一次共振周波数を高めることが可能である。また、チップサイズの縮小化を図ることが可能である。
ここで、比較例として、図3に示す光偏向器100について説明する。
なお、図3は、比較例となる光偏向器100の構成を示す平面図である。
なお、図3は、比較例となる光偏向器100の構成を示す平面図である。
光偏向器100は、第2の圧電カンチレバー部34(第2の圧電アクチュエータ4)を直線領域E3のみで構成する以外は、実施例となる光偏向器1と基本的に同じ構成を有している。
したがって、比較例となる光偏向器100は、実施例となる光偏向器1の間隔W2よりも、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との間隔W5を拡げた構成となっている。
次に、実施例となる光偏向器1と、比較例となる光偏向器100とを用いて、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との間隔W2,W5と一次共振周波数との関係をシミュレーションにより求めた。そのシミュレーション結果を図4に示す。
なお、図4は、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との間隔W2,W5と一次共振周波数との関係を示すグラフである。また、図4中に示すプロットの点は、間隔W2と間隔W5との間で、インナーフレーム6に対して第2の圧電カンチレバー部34が離間する方向に間隔とを拡げていったときのシミュレーション結果を示している。
また、本シミュレーションでは、IntelliSense社製のIntelliSuiteを用いている。シミュレーション条件としては、Si基板11を100μm、Si/SiO2層13を10μm、PZT層15を5μmとし、簡易化のため、Pt層14,16及びSiO2層12を省略している。また、光偏向器1の各部の寸法[mm]を図5に示す。
解析方法は、スタティックにてアウターフレーム7をフィックス部としてモーダル解析にて一次共振周波数[Hz]を算出し、ダイナミックにて第2の圧電アクチュエータ4に50Vの駆動電圧を印加した場合のミラー部2の変位量から振れ角(θ)[deg]を算出した。
実施例となる光偏向器1の一次共振周波数、振れ角及びチップサイズを下記表1に示す。
また、比較例となる光偏向器100の一次共振周波数、振れ角及びチップサイズを下記表1に示す。
図4及び表1,2に示すように、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との間隔W2が狭くなるほど、一次共振周波数が向上することがわかる。
具体的に、比較例となる光偏向器100のように、第2の圧電カンチレバー部34(第2の圧電アクチュエータ4)を直線領域E3のみで構成した場合、インナーフレーム6の曲線領域E2と第2の圧電カンチレバー部34との距離が遠くなる。
この場合、一次共振周波数は、第2の圧電アクチュエータ4によってミラー部2を第2の中心軸AXの軸回りに揺動させる動きである。第2の圧電カンチレバー部34の長さを一定とした場合、インナーフレーム6の内側に位置する質量の重心からの距離によって、この第2の圧電カンチレバー部34の変形し易さが変化する。このため、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との距離が短くなると、第2の圧電カンチレバー部34が固くなり、一次共振周波数が向上する。
また、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との間隔W2は、25μm以上とすることが好ましい。間隔W2をこれ以上近づけると、ミラー部2の振れ角が大きくなった際に、インナーフレーム6と第2の圧電アクチュエータ4とが衝突する可能性がある。一方、間隔W2を大きくすると、チップサイズの大型化を招くことなる。また、インナーフレーム6と第2の圧電アクチュエータ4との連結位置が遠くなるため、一次共振周波数が低下してしまう。
なお、アウターフレーム7は、第2の圧電アクチュエータ4の内側に位置する質量よりも大きく、固定される部分である。したがって、アウターフレーム7は、完全固定端と仮定できるため、一次共振周波数には全く寄与しない。また、アウターフレーム7までの距離は、一次共振周波数と触れ角効率には関係がない。
以上のようにして、本実施形態では、振れ角効率が良く、一次共振周波数が高い、なお且つ、小型軽量の光偏向器1を提供することが可能である。
(第2の実施形態)
次に、本発明の第2の実施形態として、例えば図6に示す光偏向器1Aについて説明する。
次に、本発明の第2の実施形態として、例えば図6に示す光偏向器1Aについて説明する。
なお、図6は、光偏向器1Aの構成を示す平面図である。また、以下の説明では、上記光偏向器1と同等の部位については、説明を省略すると共に、図面において同じ符号を付すものとする。
本実施形態の光偏向器1Aは、図6に示す第2の圧電アクチュエータ4Aを備える以外は、上記光偏向器1と基本的に同じ構成を有している。
具体的に、この第2の圧電アクチュエータ4Aは、第2の中心軸AXの方向に向かって第2の圧電カンチレバー部34が複数(本実施形態では3つ)並んで配置されると共に、互いに隣り合う第2の圧電カンチレバー部34の一端と他端とを第2の中心軸AXの方向に延在する連結部34aを介して折り返し連結したミアンダ構造を有している。
また、第2の圧電アクチュエータ4Aでは、互いに隣り合う第2の圧電カンチレバー部34の間隔が一定となっている。さらに、本実施形態では、各第2の圧電カンチレバー部34の長さが同じであり、隣り合う第2の圧電カンチレバー部34の間隔は、直線領域E3でも曲線領域E4でも一定で同じ幅となっている。なお、曲線領域E4における間隔は、第2の圧電カンチレバー部34の接線に対して垂直な方向の幅としている。
以上のような構成を有する本実施形態の光偏向器1Aでは、上記光偏向器1と同様に、インナーフレーム6の湾曲した形状に沿って、複数の第2の圧電カンチレバー部34(第2の圧電アクチュエータ4)が湾曲した形状を有することで、これら複数の第2の圧電カンチレバー部34の長さを確保しながら、インナーフレーム6と第2の圧電カンチレバー部34との曲線領域E2,E4における間隔W2を狭めることができる。
これにより、本実施形態の光偏向器1Aでは、上記光偏向器1と同様に、第2の圧電アクチュエータ4の駆動電圧当たりの振れ角効率を良くし、一次共振周波数を高めることが可能である。また、チップサイズの縮小化を図ることが可能である。
なお、本発明は、上記実施形態のものに必ずしも限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記インナーフレーム6は、上述した直線領域E1と曲線領域E2とを含んだ構成となっているが、その全体が円弧状に湾曲した曲線領域E2のみを含む構成であってもよい。
例えば、上記インナーフレーム6は、上述した直線領域E1と曲線領域E2とを含んだ構成となっているが、その全体が円弧状に湾曲した曲線領域E2のみを含む構成であってもよい。
この場合、第2の圧電カンチレバー部34についても、インナーフレーム6の形状に沿って、その全体が円弧状に湾曲した曲線領域E4のみを含む構成とすればよい。また、第1の圧電カンチレバー部32についても、インナーフレーム6の形状に沿って、その全体が円弧状に湾曲した曲線領域E6のみを含む構成とすればよい。
また、上記インナーフレーム6は、第1の圧電カンチレバー部32と第2の圧電カンチレバー部34との間で、少なくとも一部が湾曲した形状を有する構成であればよく、第2の圧電カンチレバー部34は、このインナーフレーム6の湾曲した形状に沿って、少なくとも一部が湾曲した形状を有する構成であればよい。
1,1A…光偏向器 2…ミラー部 2a…反射面 3…第1の圧電アクチュエータ 4,4A…第2の圧電アクチュエータ 5…トーションバー 6…インナーフレーム 7…アウターフレーム 11…Si基板 12…SiO2層 13…Si/SiO2層 14…Pt層 15…PZT層 16…Pt層 31a,31b,31c…圧電素子 32…第1の圧電カンチレバー部 33a,33b,33c,33d…接続配線 34…第2の圧電カンチレバー部 35a,35b,35c…電極パッド AX…第2の中心軸 AY…第1の中心軸 K…空間
Claims (6)
- 反射面を含むミラー部と、
前記ミラー部の周囲に位置して、前記ミラー部を第1の中心軸の軸回りに揺動させる第1の圧電アクチュエータと、
前記第1の圧電アクチュエータの周囲に位置して、前記ミラー部を前記第1の中心軸とは直交する第2の中心軸の軸周りに揺動させる第2の圧電アクチュエータと、
前記ミラー部と前記第1の圧電アクチュエータの一端との間を連結するトーションバーと、
前記第1の圧電アクチュエータの他端と前記第2の圧電アクチュエータの一端との間を連結するインナーフレームと、
前記第2の圧電アクチュエータの周囲に位置して、前記第2の圧電アクチュエータの他端と連結されたアウターフレームとを備え、
前記第1の圧電アクチュエータは、前記トーションバーと前記インナーフレームとの間に設けられた圧電素子により共振状態で駆動される第1の圧電カンチレバー部を含み、
前記第2の圧電アクチュエータは、前記インナーフレームと前記アウターフレームとの間に設けられた圧電素子により非共振状態で駆動される第2の圧電カンチレバー部を含み、
前記インナーフレームは、前記第1の圧電カンチレバー部と前記第2の圧電カンチレバー部との間で、少なくとも一部が湾曲した形状を有し、
前記第2の圧電カンチレバー部は、前記インナーフレームの湾曲した形状に沿って、少なくとも一部が湾曲した形状を有することを特徴とする光偏向器。 - 前記第2の圧電カンチレバー部は、前記インナーフレームの形状に沿った形状を有することを特徴とする請求項1に記載の光偏向器。
- 前記第2の圧電カンチレバー部は、少なくとも前記インナーフレームの湾曲した形状に沿った部分において、前記インナーフレームとの間隔が一定となっていることを特徴とする請求項1又は2に記載の光偏向器。
- 前記第1の圧電カンチレバー部は、前記インナーフレームの形状に沿った形状を有することを特徴とする請求項1~3の何れか一項に記載の光偏向器。
- 前記第2の圧電アクチュエータは、前記インナーフレームと前記アウターフレームとの間に一対の前記第2の圧電カンチレバー部が配置された構造を有することを特徴とする請求項1~4の何れか一項に記載の光偏向器。
- 前記第2の圧電アクチュエータは、前記第2の圧電カンチレバー部が複数並んで配置されると共に、互いに隣り合う前記第2の圧電カンチレバー部の一端と他端とを、前記第2の中心軸の方向に延在する連結部を介して折り返し連結し、なお且つ、互いに隣り合う前記第2の圧電カンチレバー部の間隔が一定となるミアンダ構造を有することを特徴とする請求項1~4の何れか一項に記載の光偏向器。
Priority Applications (2)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021112248A JP2023008577A (ja) | 2021-07-06 | 2021-07-06 | 光偏向器 |
PCT/JP2022/023814 WO2023281993A1 (ja) | 2021-07-06 | 2022-06-14 | 光偏向器 |
Applications Claiming Priority (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2021112248A JP2023008577A (ja) | 2021-07-06 | 2021-07-06 | 光偏向器 |
Publications (1)
Publication Number | Publication Date |
---|---|
JP2023008577A true JP2023008577A (ja) | 2023-01-19 |
Family
ID=84800601
Family Applications (1)
Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
---|---|---|---|
JP2021112248A Pending JP2023008577A (ja) | 2021-07-06 | 2021-07-06 | 光偏向器 |
Country Status (2)
Country | Link |
---|---|
JP (1) | JP2023008577A (ja) |
WO (1) | WO2023281993A1 (ja) |
Family Cites Families (4)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
IT201600131849A1 (it) * | 2016-12-28 | 2018-06-28 | St Microelectronics Srl | Dispositivo mems con azionamento piezoelettrico, sistema mems proiettivo includente il dispositivo mems e relativo metodo di comando |
JP7297538B2 (ja) * | 2019-06-06 | 2023-06-26 | スタンレー電気株式会社 | 光偏向器及び製造方法 |
JP7363352B2 (ja) * | 2019-10-18 | 2023-10-18 | 株式会社リコー | 可動装置、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置、及び車両 |
JP7354758B2 (ja) * | 2019-10-18 | 2023-10-03 | 株式会社リコー | 可動装置、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置、及び車両 |
-
2021
- 2021-07-06 JP JP2021112248A patent/JP2023008577A/ja active Pending
-
2022
- 2022-06-14 WO PCT/JP2022/023814 patent/WO2023281993A1/ja active Application Filing
Also Published As
Publication number | Publication date |
---|---|
WO2023281993A1 (ja) | 2023-01-12 |
Similar Documents
Publication | Publication Date | Title |
---|---|---|
KR101306847B1 (ko) | 광주사장치 | |
JP4982814B2 (ja) | 光ビーム走査装置 | |
JPWO2013046612A1 (ja) | 光学反射素子 | |
JP5240953B2 (ja) | 光ビーム走査装置 | |
JP5915446B2 (ja) | 光走査装置 | |
JP5853933B2 (ja) | 光走査装置および製造方法 | |
JP2016212221A (ja) | 光走査装置 | |
JP4766353B2 (ja) | 光ビーム走査装置 | |
WO2015145943A1 (ja) | 光走査デバイス | |
JP2009265560A (ja) | 光学反射素子 | |
JP2011069954A (ja) | 光スキャナ | |
WO2023281993A1 (ja) | 光偏向器 | |
JP2010263736A (ja) | 圧電アクチュエータ | |
JP5045470B2 (ja) | 光学反射素子 | |
JP2009223115A (ja) | 光学反射素子 | |
JP2023040532A (ja) | 光偏向器 | |
JP5239382B2 (ja) | 光学反射素子 | |
JP2016081037A (ja) | 光偏向器、2次元画像表示装置、光走査装置及び画像形成装置 | |
JP2013186224A (ja) | 光学反射素子 | |
JP2001272626A (ja) | 光スキャナ | |
JP5045463B2 (ja) | 光学反射素子 | |
JP5045532B2 (ja) | 光学反射素子 | |
JP2010060688A (ja) | 光学反射素子 | |
JP2023010200A (ja) | 光偏向器 | |
JP2009217093A (ja) | 光学反射素子 |