JP5524254B2 - ミラー駆動装置及びその制御方法 - Google Patents
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Description
・垂直方向の外部振動が生じると、慣性力によって、ミラーの角度変位が生じてしまう。
・十分な変位を得るために多数のカンチレバーを折り畳んでいるため、共振周波数が低く、外乱の影響を受けやすい。
・ミラーの中心がデバイスの中心と一致していないため、内視鏡のような円筒形のチューブ内にミラー中心が配置されるようにMEMSを設置する場合は、およそ倍のスペースを必要とする。
[1]共振を利用しないMEMSスキャナは、一般に振れ角が小さい。
[5]回転可動板を用いて2つの軸周りで駆動する「ジンバル方式」の場合、素子サイズが大型化してしまう。
図1は第1実施形態に係るMEMSスキャナデバイスの平面図であり、図2は図1の部分拡大図である。また、図3は図1のデバイス構造を模式的に示した図である。これらの図面に示したように、本実施形態に係るMEMSスキャナデバイス10(「ミラー駆動装置」に相当)は、ミラー部12と、このミラー部12の周囲を取り囲むように配置された2つのアクチュエータ14、24と、これらアクチュエータ14、24を支持する固定枠30と、を備える。ミラー部12の対角位置にはミラー支持部15、25が形成されており、各アクチュエータ14、24の一方の端部はミラー支持部15、25に接続され、他方の端部は符号31、32で示す固定部に固定されている。
(1)x軸周りのミラー回転について
まず、x軸周りの回転について説明する。図5に示す第1アクチュエータ14の圧電カンチレバー16-1,16-2に対して、互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動電圧が印加される。また、第2アクチュエータ24の圧電カンチレバー26-1、26-2に対しても、互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動電圧が印加される。さらに、第1アクチュエータの圧電カンチレバー16-1と第2アクチュエータ24の圧電カンチレバー26-1も互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動され、第1アクチュエータ14の圧電カンチレバー16-2と第2アクチュエータ24の圧電カンチレバー26-2も互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動される。つまり、第1アクチュエータ14と第2アクチュエータ24は互いに逆方向の変位を行い、ミラー部12の対角をそれぞれ逆方向に変位させることによってミラー部12を傾かせる。
次にy軸周りの回転について説明する。図9に示す第1アクチュエータ14の圧電カンチレバー17-1,17-2に対して、互いに逆方向の屈曲変位を行うように駆動電圧が印加される。また、第2アクチュエータ24の圧電カンチレバー27-1、27-2に対しても、互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動電圧が印加される。さらに、第1アクチュエータ14の圧電カンチレバー17-1と第2アクチュエータ24の圧電カンチレバー27-1は互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動され、第1アクチュエータ14の圧電カンチレバー17-2と第2アクチュエータ24の圧電カンチレバー27-2も互いに逆方向の屈曲変位が起こるように駆動される。つまり、第1アクチュエータ14と第2アクチュエータ24は互いに逆方向の変位を行い、ミラー部12の対角をそれぞれ逆方向に変位させることによってミラーを傾かせる。
図13は、第1アクチュエータ14及び第2アクチュエータ24に駆動電圧を供給する駆動回路の構成例を示した図である。第1アクチュエータ14を構成する各圧電カンチレバー16-1、16-2、17-1、17-2の上部電極はそれぞれドライバ回路102の対応する端子に接続される。また、第2アクチュエータ24を構成する各圧電カンチレバーの26-1、26-2、27-1、27-2の上部電極はそれぞれドライバ回路102の対応する端子に接続される。また、各圧電カンチレバーの下部電極はドライバ回路102の共通端子(V0端子、例えば、GND端子)に接続される。
本実施形態に好適な圧電体としては、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。
(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,及び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。
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、及びこれらの混晶系;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、及びこれらの混晶系が挙げられる。
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が、V、Nb、Ta、及び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)及び(PX)で表されるペロブスカイト型酸化物からなる圧電体膜は、高い圧電歪定数(d31定数)を有するため、かかる圧電体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。
実施例1として以下の手順によりMEMSスキャナデバイス10を作製した。
第1実施形態では、1つのアクチュエータが4つのカンチレバーで構成されているが、1つのアクチュエータを構成するカンチレバーの個数は、本例に限らず、さらに個数を増やしてもよい。ただし、カンチレバーを増やすと共振周波数が増加して外乱に弱くなる傾向にあるため、必要な設計に応じて(使用環境などを考慮した共振周波数の設計に応じて)、カンチレバーの組み合わせ個数を選択する必要がある。また、後に述べる同方向屈曲変位の相殺(残留応力による初期撓みやDCオフセットによる同一方向の変位の相殺)という観点から、各アクチュエータの固定部と、ミラー支持部とは近傍となるように、複数の圧電カンチレバーを折り畳んで繋ぎ合わせることが必要である。
図16は、初期撓みやオフセット駆動などによって、全てのカンチレバーに同方向の屈曲変位が生じた際の変形状況の例を示した斜視図である。ここでは、第1実施形態に係るMEMSスキャナデバイス10の全てのカンチレバーについて、レバー部が下に凸に撓む屈曲変位が生じている状況を示している。既に説明したように、ミラー部12を取り囲んで配置される2つのアクチュエータ14、24はそれぞれ、複数の圧電カンチレバーを折り畳むように連結した構造を有し、各アクチュエータの固定部(31,32)と、ミラー支持部(15,25)が近傍になるように、カンチレバーが折り畳まれるように接続されている。このような構造により、同方向の屈曲変位はほぼキャンセルされ、ミラー部12に傾き変位は生じない。これは、DCオフセット印加の波形を入力した場合や、圧電薄膜の形成時の残留応力による初期撓みがカンチレバーに生じた際に、ミラーの傾き変位影響がないことを示している。
ここで本実施形態のMEMSスキャナデバイス10の共振モードによる動きについて説明する。第1実施形態で説明した構造の共振モードによる動きを図17,図18に図示する。図17は一次共振モード、図18は二次共振モードの図である。一次共振モード(共振周波数f1とする)は、ミラー部12が垂直方向(z軸方向)に並進運動するモードである。二次共振モード(共振周波数f2とする)は、ミラー部が回転運動するモードである。
図19は、第2実施形態に係るMEMSスキャナデバイスの構成を示す模式図である。図19中、図1〜図3で説明した第1実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
比較例として、図20のような構造のデバイスを作成した。図20に示した構造は、図26に示したデバイス構造(特許文献1の図3に開示されたデバイス構造)によるものである。このMEMSスキャナデバイス310は、ミラー部312の片側の側面部にy軸回転用アクチュエータ部314と、x軸回転用アクチュエータ部316とをつなぎ合わせて配置した構造となっている。各アクチュエータ部(314,316)は、複数の圧電カンチレバーを折り畳むように連結した構造を有する。
第1実施形態、第2実施形態及び比較例の構造において、デバイスの寸法を変化させたときの駆動特性、共振特性を調べた結果を図21に示した。ここでは、内視鏡用途での特性評価を行った。内視鏡用途の要求仕様は以下のとおりであり、4つの仕様項目を全て満たした場合は「AA」、3つのみ満たした場合は「A」、2つのみ満たした場合は「B」、1つ以下の場合は「C」として評価した。
[1]素子サイズが3×3mmよりも小さいこと。これは、直径5ミリ(5mmφ)の内視鏡プローブに入る大きさとして要求される。
(1)圧電性能が高いNbドープPZTと、圧電カンチレバーを折り畳む構造を併用することによって、少ない折り畳み数で高い振れ角を得ることができる。これによって共振周波数が高くなり、高速応答が可能となり、かつ外乱振動による影響を大幅に抑えることができる。
ミラー部12の形状としては、矩形以外でもよく、例えば、図22、図23に示すような形状も可能である。これらの図面に例示したように、ミラー支持部15,25以外の対角の角部を丸めたり(図22)、角部を切り落としたり(図23)する形状を採用することによって、ミラー部の軽量化を行ってもよい。このように、矩形よりも軽い形状にすることによって、共振周波数をある程度上昇させることができる。
図24は、第3実施形態に係るMEMSスキャナデバイス200の構成を模式的に示した平面図である。図24中、図1〜3で説明した第1実施形態の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付した。第1実施形態及び第2実施形態では、回転軸として互いに直交するx軸、y軸を例示したが、2つの回転軸は必ずしも直交する必要はなく、例えば、図24のように第1軸と第2軸は適宜の角度で交差する(非平行の)軸とすることができる。すなわち、図24のように、第2軸回転用アクチュエータ要素211、212を構成する圧電カンチレバー16-1、16-2、26-1、26-2と第1軸回転用アクチュエータ要素221、222を構成する圧電カンチレバー17-1、17-2、27-1、27-2の長手方向を直交させずに、カンチレバー同士を接続させれば、直交しない2軸(第1軸、第2軸)の周りでのミラー部12の回転が可能である。
一つのアクチュエータに含まれる折り畳み圧電カンチレバーの数はいくつでもよいが、アクチュエータの固定部とミラー支持部とが近傍となるように折り畳む必要がある。例えば、図25のように、折り畳み数を変更することができる。図25において、図19の構成と同一又は類似する要素には同一の符号を付し、その説明は省略する。
本発明は、レーザー光等の光を反射して光の進行方向を変える光学装置として様々な用途に利用できる。例えば、光偏向器、光走査装置、レーザープリンタ、バーコード読取機、表示装置、各種の光学センサ(測距センサ、形状測定センサ)、光通信装置、レーザープロジェクタ、OCT画像診断装置などに広く適用することができる。
上記に詳述した発明の実施形態についての記載から把握されるとおり、本明細書は少なくとも以下に示す発明を含む多様な技術思想の開示を含んでいる。
(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。
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。)
(第8態様):第1態様から第6態様のいずれか1項に記載のミラー駆動装置において、第1アクチュエータ及び第2アクチュエータに用いられる圧電体は、下記式(PX)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とすることが好ましい。
(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が、V,Nb,Ta,及び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。
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。)
かかる圧電体は良好な圧電特性を有し、圧電アクチュエータ部として好ましいものである。良好な圧電特性を持つ材料を用いることで、カンチレバーの折り畳み数が少なくても大きな振れ角が得られるため、共振周波数を高く設計できる。これにより高速応答が可能となり、外乱振動による影響を大幅に抑えることができる。
Claims (15)
- 光を反射する反射面を有するミラー部と、
前記ミラー部の対角部分に形成されたミラー支持部と、
前記ミラー部の周囲を取り囲んで配置された第1アクチュエータ及び第2アクチュエータと、を備え、
前記第1アクチュエータ及び前記第2アクチュエータのそれぞれは、長手方向が第1軸の方向に向いた複数の第1圧電カンチレバーと、長手方向が前記第1軸と非平行の第2軸の方向に向いた複数の第2圧電カンチレバーとが折り畳まれるように連結された構造を有し、各アクチュエータの一方の端部は前記ミラー支持部を介して前記ミラー部に接続され、他方の端部は前記一方の端部が連結されている前記ミラー支持部の近傍で固定部に接続されている構造を有し、
前記一方の端部が連結されている前記ミラー支持部と前記他方の端部が接続されている前記固定部とは、前記複数の第1圧電カンチレバーから構成される第2軸回転用アクチュエータ要素の第2軸方向の幅寸法の範囲内で前記近傍となるように、前記複数の第1圧電カンチレバーと複数の第2圧電カンチレバーとが折り畳まれるように連結された構造を有するミラー駆動装置。 - 前記第1圧電カンチレバー及び前記第2圧電カンチレバーは、それぞれ圧電体に電圧を印加することによる圧電変形によって屈曲変位を行うものであり、前記複数の第1圧電カンチレバーは前記ミラー部を前記第2軸の周りに回転させる第2軸回転用アクチュエータ要素として機能し、前記複数の第2圧電カンチレバーは前記ミラー部を前記第1軸の周りに回転させる第1軸回転用アクチュエータ要素として機能する請求項1に記載のミラー駆動装置。
- 前記複数の第1圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーは互いに逆方向の屈曲変位が発生するように駆動され、
前記複数の第2圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーは互いに逆方向の屈曲変位が発生するように駆動され、
かつ、前記第1アクチュエータと前記第2アクチュエータは、それぞれが接続されている各ミラー支持部に対して互いに逆方向の角度変位を伝えるように駆動される請求項1又は2に記載のミラー駆動装置。 - 前記第1圧電カンチレバー及び前記第2圧電カンチレバーに対して駆動電圧を供給する駆動電圧供給回路であって、
前記複数の第1圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、
前記複数の第2圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、
かつ、前記第1アクチュエータと前記第2アクチュエータのそれぞれが接続されている各ミラー支持部に対して、前記第1アクチュエータ及び第2アクチュエータが互いに逆方向の角度変位を伝えるように、前記複数の第1圧電カンチレバー及び前記複数の第2圧電カンチレバーの各カンチレバーに駆動電圧を供給する駆動電圧供給回路を備える請求項1から3のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。 - 前記第1圧電カンチレバー及び前記第2圧電カンチレバーは、振動板、下部電極、圧電体、上部電極の順に積層された積層構造を持つユニモルフカンチレバー構造を有している請求項1から4のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記第1アクチュエータ及び第2アクチュエータに用いられる圧電体は、下記式(P)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である請求項1から5のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
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,及び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。) - 前記第1アクチュエータ及び第2アクチュエータに用いられる圧電体は、下記式(PX)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である請求項1から5のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
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が、V,Nb,Ta,及び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。) - 前記第1アクチュエータ及び第2アクチュエータに用いられる圧電体は、1〜10μm厚の薄膜であり、振動板となる基板上に直接成膜された薄膜である請求項1から7のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記圧電体は、スパッタリング法で成膜された薄膜である請求項8に記載のミラー駆動装置。
- 前記第1圧電カンチレバー及び前記第2圧電カンチレバーのそれぞれの上部電極に加える駆動電圧は、プラス側の抗電界以下の電圧である請求項1から9のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 最も低い共振周波数が300Hz以上である請求項1から10のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記第1アクチュエータと前記第2アクチュエータのぞれぞれは、2つの第1圧電カンチレバーと2つの第2圧電カンチレバーとが連結された構造である請求項1から11のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記ミラー部は、前記ミラー支持部が形成されていない角部を有し、前記ミラー支持部が形成される角部と隣り合う角部は前記ミラー支持部が形成されていない角部となる構造を有する請求項1から12のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 前記ミラー部は、アクチュエータとして駆動力を発生させる機能を有していない請求項1から12のいずれか1項に記載のミラー駆動装置。
- 請求項1から14のいずれか1項に記載のミラー駆動装置の制御方法であって、
前記複数の第1圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、
前記複数の第2圧電カンチレバーのうち隣り合うカンチレバーに対して互いに逆方向の屈曲変位を発生させ、それぞれのカンチレバー端における角度変位が加算されて前記ミラー支持部に伝えられ、かつ前記第1アクチュエータと前記第2アクチュエータが互いに逆方向の角度変位をそれぞれのミラー支持部に伝えるように、各アクチュエータの前記第1圧電カンチレバー及び前記第2圧電カンチレバーに対して駆動電圧を供給する制御を行うミラー駆動装置の制御方法。
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