KR20110014587A - 미앤더형 진동자, 이를 이용한 광학 반사 소자 및 이를 이용한 화상 투영 장치 - Google Patents

미앤더형 진동자, 이를 이용한 광학 반사 소자 및 이를 이용한 화상 투영 장치 Download PDF

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KR20110014587A
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Abstract

소정 방향으로 꺽여져 연결된 복수의 진동판과, 진동판 상에 순서대로 적층된 하부 전극, 압전체, 상부 전극을 가지는 압전 액츄에이터로 구성되는 미앤더형 진동자로, 압전 액츄에이터를 진동판 상에 있어서 1개 걸러 배치하고 있다. 이에 따라 본 발명은, 소자를 소형화해도, 전극의 설치가 용이해지고, 결과적으로 생산성을 높일 수 있다.

Description

미앤더형 진동자, 이를 이용한 광학 반사 소자 및 이를 이용한 화상 투영 장치{MEANDERING OSCILLATOR, OPTICAL REFLECTING ELEMENT USING MEANDERING OSCILLATOR, AND IMAGE PROJECTION DEVICE USING MEANDERING OSCILLATOR}
본 발명은, 각종 액츄에이터에 이용되는 미앤더형 진동자와 이를 이용한 광학 반사 소자 및 이를 이용한 화상 투영 장치에 관한 것이다.
도 9에 종래의 미앤더형 진동자의 일예를 나타낸다. 이 미앤더형 진동자는, 꺽여져 연결된 복수의 진동판(1A∼1F)과, 이들 진동판(1A∼1F) 상에 각각 배치된 압전 액츄에이터(2)를 구비하고 있다. 이 압전 액츄에이터(2)는, 하부 전극, 압전체, 상부 전극으로 이루어지고, 이 상부 전극은, 인접하는 압전 액츄에이터(2)의 상부 전극과는 전기적으로 독립하여 형성되어 있다. 그리고 이들 상부 전극에 각각 역위상의 전압을 인가함으로써, 인접하는 진동판(1A∼1F)을 180도 다른 방향으로 굴곡 진동시키는 것이다. 이와 같이 역방향으로 굴곡 진동시킴으로써, 이 미앤더형 진동자의 회전축을 중심으로 변위를 축적시킬 수 있어, 큰 구동력을 얻을 수 있다.
특허 문헌 1 : 일본국 특허공개 2008-035600호공보
종래의 미앤더형 진동자에서는, 소형화에 따라, 생산성이 낮아진다고 하는 과제가 있다.
그 이유는, 개개의 진동판(1A∼1F)에 각각 압전 액츄에이터(2)를 배치했기 때문이다. 따라서 인접하는 진동판(1A∼1F)을 역위상으로 구동시키고자 하면, 1개의 진동판(1A∼1F)에는, 적어도 상부 전극 및 인접하는 압전 액츄에이터의 배선을 배치할 필요가 있고, 이들을 미세한 진동판(1A∼1F) 상에 형성하는 것은 곤란하다. 그리고 이 문제는, 소자가 소형화할수록 현저해진다.
본 발명은, 복수의 진동판 상에 있어서, 이들 진동판의 1개 걸러 압전 액츄에이터를 구비한 것으로 한다.
이에 따라 상부 전극수를 줄일 수 있어, 소자가 소형화해도, 전극의 설치가 용이해진다. 그리고 그 결과, 생산성을 높일 수 있다.
도 1은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 광학 반사 소자의 사시도이다.
도 2A는 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 광학 반사 소자의 주요부 확대 사시도이다.
도 2B는 도 2A의 2B―2B선 단면도이다.
도 3은 본 발명의 실시의 형태 1에 있어서의 광학 반사 소자의 동작 상태를 나타내는 모식도이다.
도 4A는 실시의 형태 2에 있어서의 광학 반사 소자의 주요부 확대 사시도이다.
도 4B는 도 4A의 4B―4B선 단면도이다.
도 5는 본 발명의 실시의 형태 3에 있어서의 광학 반사 소자의 사시도이다.
도 6은 본 발명의 실시의 형태 4에 있어서의 광학 반사 소자의 평면도이다.
도 7은 도 6의 7―7선 단면도이다.
도 8은 본 발명의 실시의 형태 4에 있어서의 광학 반사 소자의 동작 상태를 나타내는 모식도이다.
도 9는 종래의 광학 반사 소자의 사시도이다.
도 10은 본 발명의 광학 반사 소자를 이용한 화상 투영 장치의 블록도이다.
(실시의 형태 1)
이하 본 발명의 실시의 형태 1에서는, 미앤더형 진동자를 이용한 광학 반사 소자에 대해서 설명한다.
도 1에 나타내는 바와같이, 이 광학 반사 소자는, 미러부(3)와, 이 미러부(3)를 통하여 대향함과 더불어, 이 미러부(3)에 각각의 일단이 연결된 쌍의 미앤더형 진동자(4)와, 이들 미앤더형 진동자(4)의 타단과 연결되고, 이들 미앤더형 진동자(4) 및 미러부(3)의 외주를 둘러싸는 지지체(5)를 구비하고 있다. 그리고 이 미앤더형 진동자(4)는, 그 회전축(6)을 중심으로 하여 소정 방향으로, 180도 꺽여지도록 연결된 복수의 진동판(7A∼7E)으로 이루어진다. 이들 진동판(7A∼7E) 상에는, 이들의 1개 걸러 압전 액츄에이터(8)가 배치되어 있다. 또한 도 1에서는 압전 액츄에이터(8)의 배선을 생략하여 나타내고, 이 배선에 대해서는 도 2A를 이용하여 후술한다.
또한 본 실시의 형태에서는, 이 압전 액츄에이터(8)는, 도 2B에 나타내는 바와같이, 하부 전극(9), 압전체(10), 상부 전극(11)이 순서대로 적층된 것이다.
또한 본 실시의 형태에서는, 도 2A, 도 2B에 나타내는 바와같이, 1개의 미앤더형 진동자(4)에 대해, 연속된 1개의 상부 전극(11)과 그 배선(12)이 복수의 진동판(7C∼7E)(도 1의 7A, 7B도 포함한다)에 공통으로 설치되어 있다.
즉 도 2B에 있어서, 진동판(7D)에는 폭이 넓은 상부 전극(11)이 형성되고, 진동판(7D)과 인접하는 진동판(7C, 7E)에는, 이 상부 전극(11)보다 폭이 좁은 배선(12)이 형성되어 있다.
그리고 도 1에 나타내는 바와같이, 본 실시의 형태에서는, 배선(12)이 배치된 진동판(7A, 7C, 7E)에는 압전 액츄에이터(8)가 형성되지 않고, 이들 진동판(7A, 7C, 7E)은, 압전 액츄에이터(8)가 형성된 진동판(7B, 7D)과 교대로 배치되어 있다.
다음에 본 실시의 형태에 있어서의 광학 반사 소자의 부재의 조성에 대해서 이하에 설명한다.
이 광학 반사 소자의 기재(도 2B의 13)로는, 금속, 유리 또는 세라믹 기판 등의 탄성, 기계적 강도 및 높은 영률(Young’s modulus)을 가지는 재료로 구성하는 것이 생산성의 관점에서 바람직하고, 예를 들면, 금속, 수정, 유리, 석영 또는 세라믹 재료를 이용하는 것이 기계적 특성과 입수성의 관점에서 바람직하다. 또한, 실리콘, 티탄, 스테인리스, 엘린바, 황구리 합금 등의 금속을 이용하면, 진동 특성, 가공성이 뛰어난 광학 반사 소자를 실현할 수 있다.
그리고, 압전체(10)에 이용하는 압전체 재료로는, 티탄산지르콘산연(PZT) 등의 높은 압전 정수를 가지는 압전체(10)의 재료가 바람직하다.
이 경우, 하부 전극(9)으로서 백금을 이용함으로써, 압전체(10)의 결정성을 향상시킬 수 있다. 상부 전극(11)으로는, 티탄/금 등을 들 수 있다.
본 실시의 형태에 있어서의 광학 반사 소자의 제조 방법에 대해서 설명한다. 우선 처음에, 도 2B에 나타내는 기재(13)로서, 두께가 약 0.5㎜의 실리콘 기판 상에 이산화규소 등의 절연막(14)을 형성한다. 그리고 이 절연막(14) 상에 스퍼터링법 또는 증착법 등의 박막 프로세스를 이용하여 하부 전극(9)을 적층한다. 이 때, 실리콘 기판의 두께는 바꾸어도 된다. 두께를 바꿈으로써, 고유 주파수를 조정할 수 있다.
그 후, 이 하부 전극(9) 상에 스퍼터링법 등에 의해 압전체(10)의 층을 형성한다. 이 때, 압전체(10)와 하부 전극(9)의 사이에는, 배향 제어층으로서 Pb와 Ti를 포함하는 산화물 유전체를 이용하는 것이 바람직하고, 란탄마그네슘 첨가 티탄(PLMT)으로 이루어지는 배향 제어층을 형성하는 것이 보다 바람직하다. 이에 따라, 압전체(10)의 결정 배향성이 보다 높아져, 압전 특성이 뛰어난 압전 액츄에이터(8)를 형성할 수 있다.
다음에, 이 압전체(10) 상에 상부 전극(11) 혹은 그 배선(12)이 되는 티탄/금막을 형성하고 있다. 이 때, 금의 막의 하층의 티탄막은 PZT 박막 등의 압전체(10)와의 밀착력을 높이기 위해서 형성되어 있고, 티탄 외에 크롬 등의 금속을 이용할 수 있다. 이에 따라, 압전체(10)와의 밀착성이 뛰어나고, 또한, 금 전극과는 강고한 확산층을 형성하고 있으므로, 밀착 강도가 높은 압전 액츄에이터(8)를 형성할 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 백금의 하부 전극(9)의 두께는 0.2㎛, 압전체(10)는 3.5㎛, 및 상부 전극(11)의 티탄 부분은 0.01㎛로 하고, 금 전극 부분은 0.3㎛로 형성하고 있다.
다음에, 하부 전극(9), 압전체(10), 상부 전극(11) 및 그 배선(12)을, 포토리소그래피 기술을 이용하여 에칭하고, 패터닝한다.
상부 전극(11) 및 그 배선(12)의 에칭액으로는 요오드/요오드화칼륨 혼합 용액과 수산화암모늄, 과산화수소 혼합 용액으로 이루어지는 에칭액을 이용하여 소정의 전극 패턴을 형성한다.
또한, 하부 전극(9), 압전체(10)에 이용하는 에칭 방법으로는, 드라이 에칭법과 웨트 에칭법 중 어느 하나의 방법, 혹은 이들을 조합한 방법 등을 이용할 수 있다.
일예로서, 드라이 에칭법이면 풀루오로카본계의 에칭 가스, 혹은 SF6 가스 등을 이용할 수 있다.
그 외, 압전체(10)의 층을, 비산, 질산, 아세트산 및 과산화수소의 혼합 용액을 이용하여 웨트 에칭하고, 패터닝한 후, 다시, 드라이 에칭에 의해 하부 전극(9)을 에칭하여 패터닝하는 방법이 있다.
다음에, XeF2 가스를 이용하여 실리콘 기판을 등방적으로 드라이 에칭함으로써 불필요한 실리콘 부분을 제거하고, 기재(13)를 패터닝하면, 도 1에 나타내는 것과 같은 형상의 광학 반사 소자를 형성할 수 있다.
또한, 실리콘 기판을 보다 고정밀도로 에칭하는 경우는, 실리콘의 이방성을 이용한 드라이 에칭이 바람직하다. 이 경우는, 에칭을 촉진하는 SF6 가스와 에칭을 억제하는 C4F8 가스의 혼합 가스를 이용하거나, 혹은 이들 가스를 교대로 전환함으로써, 보다 직선적으로 에칭할 수 있다.
이상과 같은 제조 방법에 따라, 소형이고, 고정밀의 광학 반사 소자를 일괄하여 효율적으로 제작할 수 있다.
본 실시의 형태에서는, 미러부(3), 미앤더형 진동자(4), 지지체(5)의 기재(13)를, 동일 기재(13)로부터 일체 형성함으로써, 안정된 진동 특성과, 생산성이 뛰어난 광학 반사 소자를 실현할 수 있다.
또한, 미러부(3)는 기재(13)의 표면을 경면 연마함에 의해서도 형성할 수 있는데, 광의 반사 특성이 뛰어난 금이나 알루미늄의 금속 박막을 미러막으로서 형성할 수도 있다. 본 실시의 형태에서는, 상부 전극(11)으로서 금을 이용했으므로, 이 금의 막을 그대로 미러막으로서 이용할 수 있어, 생산 효율도 높아진다.
본 실시의 형태에 있어서의 광학 반사 소자의 동작에 대해서 하기에 설명한다. 우선, 도 2B에 나타내는 미앤더형 진동자(4)의 하부 전극(9)을 접지 상태로 하고, 상부 전극(11)에는, 이 광학 반사 소자의 공진 주파수에 상당하는 주파수의 교류 전압을 입력한다.
그러면 어느 시점에 있어서, 도 2A에 나타내는 폭이 넓은 상부 전극(11)이 배치되어 있는 진동판(7D)은, 하부 전극(9)과 상부 전극(11)의 사이에 끼워진 압전체(10)에 전압이 인가되어, 아래로 볼록, 혹은 위로 볼록하게 만곡하도록 변위한다.
이 때, 인접하는 진동판(7C, 7E)에는, 폭이 좁은 배선(12)이 배치되어 있으므로, 압전체(10)에는 전압이 대부분 인가되지 않는다. 따라서 이 진동판(7C, 7E)은, 공진의 원리에 의해, 인접하는 진동판(7D)과 대칭적 구동을 한다. 즉 진동판(7C, 7E)은, 인접하는 진동판(7D)과는 180도 다른 방향으로 변위 구동한다.
그리고 또한 그 인접하는 폭이 넓은 상부 전극(11)이 배치된 진동판(도 1의 7B)에는, 전압이 인가되고, 전술의 인접하는 진동판(7C)과는 180도 다른 방향으로 변위한다.
이와 같이 본 실시의 형태에서는, 1개의 상부 전극(11)에서도 인접하는 진동판(7A∼7E)이 180도 다른 방향으로 변위하기 때문에, 도 3에 나타내는 바와같이, 미앤더형 진동자(4)는, 진동판(7A∼7E)의 수가 증가함에 따라, 그 회전축(도 1의 6) 주위에 변위가 축적되어, 1개의 상부 전극(11)에서도 크게 변위한다.
또한 본 실시의 형태에서는, 교류 전압을 인가하여 공진시키기 때문에, 단위시간마다 만곡하는 방향이 반대로 되어, 변위량도 배증한다.
그리고 본 실시의 형태에서는, 도 1에 나타내는 바와같이, 미앤더형 진동자(4)의 단부에 미러부(3)를 연결시키고 있으므로, 이 미앤더형 진동자(4)의 진동 에너지가 미러부(3)에 전파됨으로써, 미러부(3)를 그 회전축(6)을 중심으로 회전시킬 수 있다.
본 실시의 형태에서는, 미러부(3)는 1개의 회전축(6)을 중심으로 회전하기 때문에, 이 미러부(3)에 광을 조사하면, 광을 한방향으로 주사시킬 수 있어, 예를 들면 레이저 프린터 등에 이용할 수 있다.
본 실시의 형태에 있어서의 효과를 이하에 설명한다.
본 실시의 형태에서는, 소형의 광학 반사 소자의 생산성을 향상시킬 수 있다.
즉, 도 9에 나타내는 바와같이, 종래의 미앤더형 진동자는, 인접하는 진동판(1A∼1F)을 역위상으로 구동하기 때문에, 개개의 진동판(1A∼1F)에 각각 압전 액츄에이터(2)를 설치하고, 독립된 상부 전극을 설치하고 있다. 따라서 진동판(1A∼1F) 상에는, 적어도 구동용의 상부 전극과, 인접하는 압전 액츄에이터(2)의 배선이 각각 설치되게 된다. 따라서, 상부 전극이나 배선의 스페이스가 좁아지고, 또한 이들 상부 전극, 배선간의 전기적 절연성을 확보하는 것이 곤란하여, 생산 효율이 저하한다고 하는 과제가 있었다. 그리고 이 과제는, 미앤더형 진동자의 소형화에 따라 현저해진다.
이에 대해 본 실시의 형태에서는, 도 1에 나타내는 바와같이, 복수의 진동판(7A∼7E) 상에 있어서, 이들의 1개 걸러 압전 액츄에이터(8)를 배치하고 있다. 따라서, 1개의 상부 전극(11)에 인접하는 진동판(7A∼7E)을 역위상으로 구동시킬 수 있음과 더불어, 소자 상에 설치하는 전극수를 줄일 수 있다. 즉 본 실시의 형태에서는, 1개의 진동판(7A∼7E)에는, 적어도 상부 전극(11) 혹은 그 배선(12)의 어느 한쪽을 교대로 설치함으로써 구동시킬 수 있다.
따라서 광학 반사 소자가 소형화하고, 미앤더형 진동자(4)도 소형화해도, 전극의 설치가 용이해지고, 결과적으로 생산성을 높일 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 미러부(3)는 2개의 미앤더형 진동자(4)로 지지체(5)에 지지된 양팔보 구조이므로, 불필요한 진동의 발생을 억제할 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 미앤더형 진동자(4)의 일단을, 미러부(3)의 단부와 연결함으로써, 지렛대의 원리로 미러부(3)의 진폭을 크게 할 수 있다.
또한 도 1에 나타내는 바와같이, 미앤더형 진동자(4)의 타단을, 그 회전축(6) 상에서 지지체(5)와 연결하면, 불필요한 진동의 발생을 억제하는 효과가 있다. 즉, 이 회전축(6)은 미앤더형 진동자(4)의 회전 중심이며, 변위가 대부분 없기 때문에, 이 영역에서 지지함으로써 안정되게 지지할 수 있다.
또한, 상기 실시의 형태에서는, 쌍의 미앤더형 진동자(4)의 모두 상술의 압전 액츄에이터(8)를 배치했는데, 공진 구동시키는 경우는, 쌍의 미앤더형 진동자(4) 중, 한쪽의 미앤더형 진동자(4)에만 이 압전 액츄에이터(8)를 배치해도 된다.
이 경우는, 압전 액츄에이터(8)가 배치된 한쪽의 미앤더형 진동자(4)로부터, 미러부(3)를 통하여 진동이 전파하고, 다른쪽의 미앤더형 진동자(4)도 동일하게 공진 구동시킬 수 있다.
또한 이 경우는, 다른쪽의 미앤더형 진동자(4)에는, 압전 액츄에이터(8)의 상부 전극(11) 대신에 모니터 전극(도시하지 않음)을 배치해도 된다. 이 모니터 전극은, 상부 전극(11)과 마찬가지로, 폭 넓게 형성하고, 이 모니터 전극이 배치된 진동판과 인접하는 진동판 상에는 폭이 좁은 배선을 설치하고, 빼낼 수 있다.
그리고 이 모니터 전극은, 이것이 형성되어 있는 미앤더형 진동자(4)의 압전체(10)의 변위를 전기 신호로서 검지할 수 있고, 이 전기 신호는, 피드백 회로를 통하여 다른쪽의 미앤더형 진동자(4)의 상부 전극(11)에 입력할 수 있다.
이에 따라 설계 오차나 외부 환경 요인에 의해 미앤더형 진동자(4)의 공진 주파수에 변동이 있어도, 구동을 확인하면서 원하는 전기 신호를 인가할 수 있어, 광학 반사 소자를 고정밀도로 자려 구동시킬 수 있다.
(실시의 형태 2)
본 실시의 형태와 실시의 형태 1의 차이는, 도 4A에 나타내는 바와같이, 미앤더형 진동자(4)상에 상부 전극(11)과 모니터 전극(15)을 교대로 배치한 점이다.
본 실시의 형태에서는, 이 모니터 전극(15)은, 도 4B에 나타내는 바와같이, 상부 전극(11)과 마찬가지로 압전체(10) 상에 적층되어 있다. 그리고 진동판(7C, 7E) 상에 있어서, 이 모니터 전극(15)은, 폭 넓게 형성되고, 인접하는 진동판(7D) 상에는, 그 배선(16)이 폭 좁게 형성되어 있다.
즉 본 실시의 형태에서는, 폭이 넓은 상부 전극(11)이 배치되어 있는 진동판(7D)에는 모니터 전극(15)의 배선(16)이 배치되고, 상부 전극(11)의 배선(12)이 배치되어 있는 진동판(7C, 7E)에는 폭 넓은 모니터 전극(15)이 형성되어 있다. 이 모니터 전극(15)은, 압전체(10)의 변위를 전기 신호로서 검지할 수 있다. 그리고 상부 전극(11)과 모니터 전극(15)을 복수의 진동판상(7C∼7E) 상에 있어서 교대로 배치함으로써, 모니터 전극(15)에서 검지한 전기 신호는, 이 상부 전극(11)에 인가하는 전기 신호와는 역위상이 된다. 따라서, 이 신호를, 피드백 회로를 통하여 상부 전극(11)에 입력하면, 미앤더형 진동자(4)를 고정밀도로 자려 구동시킬 수 있다.
또한 종래의 광학 반사 소자에서는, 미앤더형 진동자에 모니터 전극을 설치하고자 하면, 복수의 진동판에 적어도 상부 전극을 1개와 배선을 1개, 및 모니터 전극을 1개의 합계 3개의 전극을 설치할 필요가 있고, 상부 전극이나 모니터 전극 및 각 배선의 스페이스가 좁아짐과 더불어, 이들의 전기적 절연성을 확보하는 것이 어려워, 생산이 곤란해진다.
이에 대해 본 실시의 형태에서는, 도 1에 나타내는 실시의 형태 1과 마찬가지로 압전 액츄에이터(8)는 1개 걸러 배치되어 있으므로, 1개의 미앤더형 진동자(4)에 설치하는 전극수는, 모니터 전극(15)과 상부 전극(11)과 합해 2개면 된다. 따라서 전극수의 증대를 억제할 수 있어, 소형의 광학 반사 소자의 생산성을 향상시킬 수 있다.
그 외 실시의 형태 1과 동일한 구성 및 효과에 대해서는 설명을 생략한다.
(실시의 형태 3)
본 실시의 형태와 실시의 형태 1의 주된 차이는, 제1과 제2의 미앤더형 진동자에 의해 광학 반사 소자를 2축 구동시키고 있는 점이다.
즉 본 실시의 형태의 광학 반사 소자는, 도 5에 나타내는 바와같이, 미러부(3)와, 미앤더형 진동자(4)(제1의 미앤더형 진동자)와, 프레임체(17)와, 미앤더형 진동자(18)(제2의 미앤더형 진동자)와, 지시쌍(19)을 구비하고 있다.
상세하게는, 광학 반사 소자는, 미러부(3)를 통하여 대향함과 더불어, 미러부(3)와 각각 일단이 연결된 한쌍의 미앤더형 진동자(4)(제1의 미앤더형 진동자)와, 미앤더형 진동자(4)의 각각의 타단과 연결되고, 미앤더형 진동자(4) 및 미러부(3)의 외주를 둘러싸는 프레임체(17)를 구비하고 있다. 광학 반사 소자는, 또한, 프레임체(17)를 통하여 대향함과 더불어, 이 프레임체(17)와 각각의 일단이 연결된 한쌍의 미앤더형 진동자(18)(제2의 미앤더형 진동자)와, 미앤더형 진동자(18)의 각각의 타단과 연결되고, 미앤더형 진동자(18) 및 프레임체(17)의 외주를 둘러싸는 프레임형상의 지지체(19)를 구비하고 있다. 또한, 본 실시의 형태에 있어서, 미앤더형 진동자(4)는 실시의 형태 1에 있어서의 미앤더형 진동자(4)와 동일한 구성으로 하고, 압전 액츄에이터(8)의 구조, 배치 위치도 동일한 구성으로 했다.
그리고 본 실시의 형태에서는, 미앤더형 진동자(4)의 회전축(6)과 미앤더형 진동자(18)의 회전축(20)은 직교하는 관계에 있고, 이에 따라 미러부(3)로부터 반사하는 광을 수평 방향, 및 수직 방향으로 주사할 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 미앤더형 진동자(4)의 회전축(6)과 미앤더형 진동자(18)의 회전축(20)은, 미러부(3)의 중심에서 교차하고 있다. 따라서, 이 미러부(3)의 중심은 부동점이 되고, 이 부동 부분에 광을 입사하면, 입사광과 반사광의 광로 길이가 일정하게 되어, 고정밀의 화상을 투영할 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 미앤더형 진동자(4)의 상부 전극의 배선(도 2A의 12)을, 프레임체(17) 및 미앤더형 진동자(18) 상에 설치하면서 지지체(19) 상의 접속 단자(21)로 빼내고 있다.
또한 미앤더형 진동자(18)는, 미앤더형 진동자(4)와 마찬가지로, 이 미앤더형 진동자(18)를 구성하는 복수의 진동판(22A∼22E) 상에 있어서, 이들의 1개 걸러 압전 액츄에이터(23)를 구비하고 있다. 또한 미앤더형 진동자(18)의 상부 전극은, 지지체(19) 상의 접속 단자(24)로 빼내고 있다.
본 실시의 형태에서는, 미앤더형 진동자(4, 18)에 있어서, 각각, 전극수를 줄일 수 있다. 따라서, 소자가 소형화해도 전극의 설치가 용이해지고, 결과적으로 광학 반사 소자의 생산성을 높일 수 있다.
특히 본 실시의 형태와 같이 2축 구동의 경우, 미앤더형 진동자(18)에, 안쪽의 미앤더형 진동자(4)의 압전 액츄에이터(8)의 상부 전극의 배선을 설치하여, 광학 반사 소자가 소형화할수록 스페이스가 부족하고, 또한 상부 전극이나 배선간의 전기적 절연성의 확보가 곤란해진다. 따라서 본 실시의 형태와 같이, 미앤더형 진동자(4)와 미앤더형 진동자(18)가 각각 1개의 상부 전극으로 구동할 수 있으면, 설치하는 전극의 수도 줄어, 생산성 향상에 기여한다.
또한 압전 액츄에이터(8, 23)는, 각각 복수의 진동판(도 1의 7A∼7E), (22A∼22E) 상에 있어 1개 걸러 배치함으로써, 어느것이나 인접하는 진동판을 역위상으로 구동시킬 수 있으므로, 큰 변위를 얻을 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에 있어서도, 쌍의 미앤더형 진동자(4)의 어느 한쪽, 및 쌍의 미앤더형 진동자(18)의 어느 한쪽은, 압전 액츄에이터(8, 23)의 상부 전극 대신에 모니터 전극을 배치해도 된다. 압전 액츄에이터(8, 23)가 설치되어 있는 쪽의 미앤더형 진동자(4, 18)를 공진 구동시키면, 그 진동 에너지가 전파하여, 모니터 전극이 설치되어 있는 쪽의 미앤더형 진동자(4, 18)도 공진 구동시킬 수 있기 때문이다.
그 외 실시의 형태 1과 동일한 구성 및 효과에 대해서는 설명을 생략한다.
(실시의 형태 4)
본 실시의 형태와 실시의 형태 1의 주된 차이는, 광학 반사 소자를 2축 구동시키고 있는 점이다.
도 6에 나타내는 바와같이 본 실시의 형태에 있어서의 광학 반사 소자는, 미러부(3)와, 이 미러부(3)를 통하여 대향함과 더불어, 이 미러부(3)와 각각의 제1의 지지부(25)로 연결된, 한쌍의 음차형 압전 진동자(26)와, 이들 음차형 압전 진동자(26)의 진동 중심(27)과 각각 제2의 지지부(28)로 연결되고, 한쌍의 음차형 압전 진동자(26)의 외주를 둘러싸는 프레임체(17)와, 이 프레임체(17)을 통하여 대향함과 더불어, 이 프레임체(17)와 각각 한쪽의 단부가 연결된, 한쌍의 미앤더형 진동자(29)와, 이들 미앤더형 진동자(29)의 각각의 다른쪽의 단부가 연결되고, 이들 미앤더형 진동자(29)와 프레임체(17)의 외주 전체를 둘러싸는 프레임형상의 지지체(19)를 구비하고 있다.
그리고 대향하는 미앤더형 진동자(29)는, 음차형 압전 진동자(26)의 회전축(30)에 대해서 좌우 대칭으로 설치되고, 각각의 일단이 프레임체(17)의 모서리와 접속되고, 타단은 이 미앤더형 진동자(29)의 회전축(31) 상에 있어서, 지지체(19)와 접속되어 있다. 또한 이 미앤더형 진동자(29)는, 각각 음차형 압전 진동자(29)의 회전축(30)과 평행한 진동판(32A∼32E)을 복수 가지고, 반복 사행하고 있다. 그리고 이들 진동판(32A∼32E) 상에 있어서, 1개 걸러, 즉 진동판(32A, 32C, 32E) 상에는, 각각 압전 액츄에이터(33)를 설치하고 있다. 이 압전 액츄에이터(33)의 조성은, 실시의 형태 1의 미앤더형 진동자(4)의 압전 액츄에이터(8)와 동일하게 했다.
그리고 음차형 압전 진동자(26)는, 각각 제1의 지지부(25)의 양측에, 회전축(30)과 거의 평행한 제1의 아암(34)과 제2의 아암(35)을 가지고 있다. 이 제1의 아암(34), 제2의 아암(35) 상에는 각각 압전 액츄에이터(36, 37)를 설치하고 있다.
도 7에, 도 6의 7―7선 단면도를 나타낸다. 전술의 압전 액츄에이터(33, 36, 37)는, 도 7에 나타내는 바와같이 하부 전극(9), 압전체(10) 및 상부 전극(38, 39, 40)으로 이루어진다. 또한, 본 실시의 형태에서는, 하부 전극(9) 및 압전체(10)는 음차형 압전 진동자(26)와 미앤더형 진동자(29)로 공통으로 형성하고, 상부 전극(38, 39, 40)은 각각 전기적으로 독립하도록 형성했다.
또한 도 6에 나타내는 바와같이, 본 실시의 형태에서는, 음차형 압전 진동자(26)의 회전축(30)과 미앤더형 진동자(29)의 회전축(31)은 직교하는 관계에 있고, 이러한 진동에 의해 미러부(3)를 수직 방향, 수평 방향으로 여진시킬 수 있다.
그리고 본 실시의 형태에서는, 제1의 지지부(25)와 제2의 지지부(28)는 음차형 압전 진동자(26)의 회전축(30) 상에 설치했다.
또한 본 실시의 형태에서는, 음차형 압전 진동자(26)의 공진 주파수와, 미러부(3)와 제1의 지지부(25)로 구성된 비틀림 진동자의 공진 주파수가 대략 동일한 주파수가 되도록 진동 설계함으로써, 음차형 압전 진동자(26)를 공진 구동시키면, 비틀림 진동자도 공진시킬 수 있어, 효율적으로 미러부(3)를 반복 회전 진동시킬 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 미앤더형 진동자(29)에도 그 공진 주파수의 신호를 인가하고, 공진 구동시킴으로써, 복수의 진동판(32A∼32E)에서 진폭이 축적하여, 효율적으로 프레임체(17)를 반복 회전 진동시킬 수 있다. 또한 진동자를 미앤더형으로 함으로써 공진기 길이를 크게 할 수 있어, 낮은 주파수로 구동할 수 있다.
또한, 제1의 아암(34), 제2의 아암(35) 및 이들 연결부(41)의 폭이나, 미앤더형 진동자(29)를 각각 등폭으로 함으로써, 광학 반사 소자에 발생하는 불필요한 진동 모드를 저감시킬 수 있다.
또한 음차형 압전 진동자(26)를 U자 형상으로 함으로써도 불필요한 진동 모드를 억제할 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서, 도 7에 나타내는 제3 미앤더형 진동자의 진동판(32A, 32C, 32E)에 형성한 압전 액츄에이터(33)의 상부 전극(38)은, 배선(42)을 통하여 도 6의 접속 단자(43)에 접속시켰다. 또한 도 7에 나타내는 제1의 아암(34)에 형성한 압전 액츄에이터(36)의 상부 전극(39)은, 배선(44)을 통하여 도 6의 접속 단자(45)에 접속시켰다. 또한 도 7에 나타내는 제2의 아암(35)에 형성한 압전 액츄에이터(37)의 상부 전극(40)은, 배선(46)을 통하여 접속 단자(47)에 접속시켰다. 이에 따라 제1의 아암(34)과 제2의 아암(35)에 양음 반대의 전기 신호를, 미앤더형 진동자(29)에 그 공진 주파수의 전기 신호를, 각각의 압전 액츄에이터(33, 36, 37)에 인가할 수 있다.
다음에, 이러한 구성으로 이루어지는 광학 반사 소자의 동작 원리에 대해서 설명한다.
도 7에 나타내는 하부 전극(9)과 상부 전극(39, 40)의 사이에 교류의 구동 전압을 인가하면, 압전체(10)층이 면방향으로 신장·축소하고, 제1의 아암(34)과 제2의 아암(35)이 기재(13)에 대해서 수직 방향으로 굴곡 진동한다.
이 때, 제1의 아암(34)과 제2의 아암(35)에 형성한 각각의 압전 액츄에이터(36, 37)에, 양음 반대의 구동 신호를 인가하면, 도 8에 나타내는 바와같이, 제1의 아암(34)과 제2의 아암(35)을, 위상이 180도 다른 방향(화살표 48, 49 방향)으로, 즉 역방향으로 굴곡 진동시킬 수 있다. 여기서 본 실시의 형태에서는, 제1, 제2의 아암(34, 35)은, 그 선단을 자유단으로 하는 외팔보 구조이므로, 크게 굴곡 진동시킬 수 있다.
그리고, 이 제1의 아암(34)과 제2의 아암(35)의 진동 에너지는, 음차형 압전 진동자(26)의 연결부(41)에 전파된다. 이에 따라, 음차형 압전 진동자(26)는, 그 진동 중심(27)을 통과하는 직선을 회전축(30)으로 하고, 이 회전축(30)을 중심으로, 소정의 주파수로 반복 회전 진동(비틀림 진동)을 한다.
다음에, 이 반복 회전 진동의 진동 에너지가, 연결부(41)에 접합된 제1의 지지부(25)에 전달되고, 제1의 지지부(25)와 미러부(3)로 구성되는 비틀림 진동자가, 그 회전축(30)을 중심으로 화살표 50방향으로 비틀림 진동을 일으키게 된다. 이에 따라, 미러부(3)에 그 회전축(30)을 축 중심으로 하여 반복 회전 진동을 일으킨다. 이 때, 음차형 압전 진동자(26)의 반복 회전 진동의 방향과, 제1의 지지부(25) 및 미러부(3)로 구성되는 비틀림 진동자의 반복 회전 진동의 방향은 위상이 180도 다른 반대 방향으로 진동하게 된다.
또한 도 6에 나타내는 미앤더형 진동자(29)는, 도 7의 하부 전극(9)과 상부 전극(38)간에 전압을 인가하면, 인접하는 진동판(32A∼32E)이 역위상으로 변위 구동하고, 미앤더형 진동자(29) 전체적으로는, 그 회전축(도 6의 31)을 중심으로 변위가 축적하여, 큰 변위가 얻어진다. 또한 교류 전압을 인가함으로써, 단위시간마다 이 변위의 극성이 바뀌어, 반복 회전 진동을 일으킨다.
그리고 이 미앤더형 진동자(29)로부터의 진동 에너지로 프레임체(17)의 단부를 수직 방향으로 진동시키고, 프레임체(17)를 미앤더형 진동자(29)의 회전축(31)을 중심으로 반복 회전 진동시킬 수 있다.
그리고 이와 같이 프레임체(17)가 진동하면, 이 프레임체(17)에 지지되어 있는 미러부(3)도, 미앤더형 진동자(29)의 회전축(31)을 중심으로 반복 회전 진동시킬 수 있다.
그리고 미러부(3)에 예를 들면 레이저 광원 또는 LED 광원 등에서 발생시킨 광선을 입력하고, 진동하는 미러부(3)에서 반사시킴으로써, 스크린 상에 광선을 주사할 수 있다. 또한 본 실시의 형태에서는, 음차형 압전 진동자(26)와 미앤더형 진동자(29)의 회전축(30, 31)이 직교하므로, 미러부(3)로부터 출사시킨 광을 스크린 상의 수직, 수평 방향으로 주사할 수 있다.
본 실시의 형태에서는, 실시의 형태 1과 마찬가지로, 광학 반사 소자의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한, 본 실시의 형태에서는, 음차형 압전 진동자(26)와 미앤더형 진동자(29)를 조합함으로써, 2축 구동의 광학 반사 소자에 있어서, 진동의 주파수비를 크게 할 수 있다.
즉, 한쪽의 회전축(30)을 중심으로 하는 반복 회전 진동은, 음차형 압전 진동자(26)에 의해, 높은 주파수로 구동할 수 있음과 더불어, 다른쪽의 회전축(31)을 중심으로 하는 반복 회전 진동은, 빔 길이가 큰 미앤더형 진동자(29)의 미앤더 빔으로 구동하여, 낮은 주파수로 구동시킬 수 있기 때문이다.
그리고 그 결과, 2축 구동의 광학 반사 소자에 있어서, 주파수비를 크게 할 수 있다.
특히 화상을 투영하는 경우, 화상의 분해능을 높이기 위해서는, 스크린의 수평 방향으로의 주사 속도를, 수직 방향으로의 주사 속도보다 크게 하는 것이 바람직하다.
본 실시의 형태에서는, 수직 방향으로 광을 주사시키기 위한 진동자를 미앤더형 진동자(29)로 함으로써, 소형의 소자 내에서도 용이하게 빔 길이를 길게 설계할 수 있어, 2축 구동의 광학 반사 소자의 주파수비를 크게 할 수 있는 것이다.
또한 본 실시의 형태에서는, 안쪽에 배치되고, 보다 사이즈도 작아지는 진동자는, 음차형으로 함으로써, 간단하고 쉬운 패턴이 되어 생산 효율이 높아진다.
또한, 음차형 압전 진동자(26)는, 음차형으로 함으로써, 아암의 선단이 자유단이 되기 때문에, 소형이어도 미러부(3)의 흔들림 각도를 효율적으로 크게 할 수 있다. 또한, 음차형 압전 진동자(26)를 높은 주파수로 구동시키고자 하면, 진폭이 작아지기 때문에, 이와 같이 효율적으로 진폭을 얻을 수 있으면, 고정밀도의 광학 반사 소자를 실현할 수 있다.
또한 진동원을, 높은 Q값을 가지는 음차형으로 함으로써, 작은 에너지로 큰 진동 에너지를 얻을 수 있어, 소자의 소형화에도 기여한다.
또한 이들 음차형 압전 진동자(26), 미앤더형 진동자(29)의 진동 설계를 함으로써, 출력광의 반사 각도를 크게 변화시킬 수 있어, 레이저 광선 등의 입력광을 소정의 설계치가 되도록 스위프(sweep)할 수 있는 광학 반사 소자를 실현할 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 미러부(3)를 그 양측으로부터 한쌍의 음차형 압전 진동자(26)로 둘러싸고, 이들 음차형 압전 진동자(26)의 외주를 프레임체(17)로 둘러싸고, 이 프레임체(17)를 그 양측으로부터 한쌍의 미앤더형 진동자(29)로 둘러싸고, 이들 미앤더형 진동자(29)의 외주를 지지체(19)로 둘러싸는 구성이므로, 소자의 면적을 유효하게 활용할 수 있어, 소자를 소형화할 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 제1, 제2의 아암(34, 35)은 각각 직선 형상이기 때문에, 가공도 용이하다.
또한 본 실시의 형태에서는, 미러부(3)의 양측에, 대칭적으로 음차형 압전 진동자(26)를 배치하고 있으므로, 미러부(3)를 안정되게 좌우 대칭으로 여진시킬 수 있어, 미러부(3)의 중심이 부동점이 되어 광을 안정되게 주사할 수 있다.
또한 미러부(3)는, 그 양단이 제1의 지지부(25)로 지지되어 있는 양팔보 구조이므로, 미러부(3)의 불필요한 공진을 억제하고, 또한 외란 진동에 의한 영향도 저감할 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 프레임체(17)의 양측에, 대칭적으로 미앤더형 진동자(29)를 배치하고 있으므로, 프레임체(17)의 중심을 부동점으로 하여 여진시킬 수 있다.
또한 프레임체(17)는, 그 양단이 미앤더형 진동자(29)로 지지되어 있는 양팔보 구조이므로, 프레임체(17)의 불필요한 공진을 억제하고, 외란 진동에 의한 영향도 저감할 수 있다.
또한, 상기 실시의 형태에서는, 제1의 아암(34)과 제2의 아암(35)의 쌍방에 압전 액츄에이터(36, 37)를 형성했는데, 적어도 어느 한쪽에만 압전 액츄에이터(36, 37)를 형성해도 된다. 이는 음차형 압전 진동자(26)의 특성을 이용한 것이며, 어느 한쪽의 아암이 진동하면, 연결부(41)를 통하여 다른쪽의 아암에 운동 에너지가 전파하고, 이 다른쪽의 아암도 역위상으로 여진시킬 수 있기 때문이다. 이에 따라 도 7에 나타내는 상부 전극(39 혹은 40) 중 어느 한쪽이 불필요하게 되어, 전극수가 저감하고, 광학 반사 소자의 생산성을 향상시킬 수 있다.
또한 본 실시의 형태에서는, 음차형 압전 진동자(26), 미앤더형 진동자(29) 모두, 압전 액츄에이터(33, 36, 37)는 이들의 한쪽면에만 형성했는데, 양면에 형성해도 된다. 또한, 음차형 압전 진동자(26)는, 미앤더형 진동자(29)보다도 면적이 작고, 구동력이 약하기 때문에, 음차형 압전 진동자(26)만, 기재(13)의 양면에 압전 액츄에이터를 형성해도 된다.
또한, 제1의 지지부(25), 제2의 지지부(28)의 각각의 단면 형상을 원형상으로 하면, 비틀림 진동의 진동 모드가 안정되어, 불필요한 공진도 억제할 수 있어, 외란 진동에 영향받지 않는 광학 반사 소자를 실현할 수 있다.
또한 음차형 압전 진동자(26)의 제1의 아암(34), 제2의 아암(35), 미앤더형 진동자(29)의 진동판(32A∼32E)에 각각 모니터 전극(도시하지 않음)을 배치해도 된다.
그 외 실시의 형태 1과 동일한 구성 및 효과에 대해서는, 설명을 생략한다.
도 10에 미앤더형 진동자를 광학 반사 소자로서 이용한 화상 투영 장치(100)의 블록도를 나타낸다. 화상 투영 장치(100)는, 101의 구동 회로가 미앤더형 진동자에 의한 광학 반사 소자(102)를 구동한다. 광학 반사 소자(102)는 광원(103)으로부터 방사되는 광선(104)의 주사를 1축 혹은 2축 방향으로 고정밀도로 제어한다. 이에 따라, 헤드 업 디스플레이(HDU), 헤드 마운트 디스플레이(HMD), 마이크로 프로젝터 등의 화상 투영 장치에 유용하다.
본 발명은, 광학 반사 소자를 소형화할 수 있다는 효과를 가지고, 광원을 구비한 전자 사진 방식의 복사기, 레이져 프린트, 레이저 노광기, 광학 스캐너 등의 용도에도 유용하다.
<산업상의 이용 가능성>
본 발명은, 광학 반사 소자에 관해서 소형화할 수 있다는 효과를 가지고, 특히 광원을 구비한 전자 사진 방식의 복사기, 레이져 프린트, 레이저 노광기나 화상 투영 장치, 광학 스캐너 용도에 유용하다.
3 : 미러부 4 : 미앤더형 진동자
5 : 지지체 6 : 회전축
7A, 7B, 7C, 7D, 7E : 진동판 8 : 압전 액츄에이터
9 : 하부 전극 10 : 압전체
11 : 상부 전극 12 : 배선
13 : 기재 14 : 절연막
15 : 모니터 전극 16 : 배선
17 : 프레임체 18 : 미앤더형 진동자
19 : 지지체 20 : 회전축
21 : 접속 단자
22A, 22B, 22C, 22D, 22E : 진동판
23 : 압전 액츄에이터 24 : 접속 단자
25 : 제1의 지지부 26 : 음차형 압전 진동자
27 : 진동 중심 28 : 제2의 지지부
29 : 미앤더형 진동자 30 : 회전축
31 : 회전축
32A, 32B, 32C, 32D, 32E : 진동판
33 : 압전 액츄에이터 34 : 제1의 아암
35 : 제2의 아암 36 : 압전 액츄에이터
37 : 압전 액츄에이터 38 : 상부 전극
39 : 상부 전극 40 : 상부 전극
41 : 연결부 42 : 배선
43 : 접속 단자 44 : 배선
45 : 접속 단자 46 : 배선
47 : 접속 단자 48,49 : 화살표
50 : 화살표

Claims (10)

  1. 소정 방향으로 꺽여져 연결된 복수의 진동판과, 상기 진동판 상에 배치된 압전 액츄에이터를 구비한 미앤더형 진동자로서,
    상기 압전 액츄에이터는, 상기 진동판 상에 순서대로 적층된 하부 전극, 압전체, 상부 전극을 가지고,
    상기 압전 액츄에이터는, 상기 진동판 상에 1개 걸러 배치되어 있는 것을 특징으로 하는 미앤더형 진동자.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터가 설치된 진동판에 인접하는 진동판 상에는, 상기 상부 전극의 배선이 배치되어 있는 미앤더형 진동자.
  3. 청구항 1에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터가 설치된 진동판에 인접하는 진동판 상에는, 모니터 전극이 배치된 미앤더형 진동자.
  4. 청구항 3에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터가 설치된 진동판에 인접하는 진동판 상에, 상기 모니터 전극과 상기 상부 전극의 배선이 배치되어 있는 미앤더형 진동자.
  5. 청구항 1에 기재된 미앤더형 진동자의 단부에, 미러부가 연결된 광학 반사 소자.
  6. 미러부와 일단이 연결된 청구항 1에 기재된 제1의 미앤더형 진동자와,
    상기 제1의 미앤더형 진동자의 타단과 연결되고, 상기 제1의 미앤더형 진동자 및 상기 미러부의 외주를 둘러싸는 프레임체와, 상기 프레임체와 일단이 연결된 청구항 1에 기재된 제2의 미앤더형 진동자와,
    상기 제2의 미앤더형 진동자의 타단과 연결된 지지체를 구비한 광학 반사 소자.
  7. 미러부와, 상기 미러부와 제1의 지지부로 연결된 음차형 압전 진동자와,
    상기 음차형 압전 진동자의 진동 중심과 제2의 지지부로 연결되고, 상기 음차형 압전 진동자 및 상기 미러부의 외주를 둘러싸는 프레임체와,
    상기 프레임체와 일단이 연결된 청구항 1에 기재된 미앤더형 진동자와,
    상기 미앤더형 진동자의 타단과 연결된 지지체를 구비한 광학 반사 소자.
  8. 청구항 6에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터가 설치된 진동판에 인접하는 진동판 상에는, 상기 상부 전극의 배선이 배치되어 있는 광학 반사 소자.
  9. 청구항 6에 있어서,
    상기 압전 액츄에이터가 설치된 진동판에 인접하는 진동판 상에는, 모니터 전극이 배치된 광학 반사 소자.
  10. 청구항 1에 기재된 미앤더형 진동자와,
    상기 미앤더형 진동자를 구동하는 구동 회로와,
    상기 미앤더형 진동자에 의해 제어되는 광원을 구비한 화상 투영 장치.
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