JP2011061881A - 圧電アクチュエータ及びこれを用いた光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、安定して低速駆動を行うことができる圧電アクチュエータ及びこれを用いた光走査装置を提供することを目的とする。
【解決手段】駆動対象物３０、３１を軸Ｘ周りに傾動駆動させる圧電アクチュエータ１１０、１１１、１１２であって、
前記軸Ｘの両側に配置された錘部７１と、前記軸Ｘと交差して延在し、前記錘部７１を連結する連結部７２とで前記駆動対象物３０、３１を平面的に囲む環状構造を有し、前記駆動対象物３０、３１が連結されて前記駆動対象物３０、３１を連結支持する可動枠７０と、
弾性体１５に圧電薄膜２２が成膜された構造を有し、前記可動枠７０の外側に配置され、該可動枠７０の前記連結部７２に前記軸Ｘ周りの傾動力を付与するように連結された駆動梁９０と、を含むことを特徴とする。
【選択図】図３

Description

本発明は、圧電アクチュエータ及びこれを用いた光走査装置に関し、特に、駆動対象物を軸周りに傾動駆動させる圧電アクチュエータ及びこれを用いた光走査装置に関する。

従来から、圧電ユニモルフ振動板と、圧電ユニモルフ振動板の一端を固定して支持する空洞部を有した支持体と、圧電ユニモルフ振動板に接続された弾性体と、弾性体に接続され、弾性体を介してユニモルフ振動板の駆動により空洞部内で回転振動する反射板とを有するとともに、それら総てを一体形成した光偏光器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２００５−１２８１４７号公報

しかしながら、上述の特許文献１に記載の構成では、共振振動を利用して、反射板を１５ｋＨｚ、２０ｋＨｚというレベルで高速駆動させる場合しか考慮されておらず、例えば、反射板を６０Ｈｚ程度の低速で駆動させたい要求がある場合には、共振させると低速駆動を行うことができず、また非共振とすると、十分な反射板の回転変位を得ることができないという問題があった。

そこで、本発明は、安定して低速駆動を行うことができる圧電アクチュエータ及びこれを用いた光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、第１の発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）は、駆動対象物（３０、３１）を軸（Ｘ）周りに傾動駆動させる圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）であって、
前記軸（Ｘ）の両側に配置された錘部（７１）と、前記軸（Ｘ）と交差して延在し、前記錘部（７１）を連結する連結部（７２）とで前記駆動対象物（３０、３１）を平面的に囲む環状構造を有し、前記駆動対象物（３０、３１）が連結されて前記駆動対象物（３０、３１）を連結支持する可動枠（７０）と、
弾性体（１５）に圧電薄膜（２２）が成膜された構造を有し、前記可動枠（７０）より外側に配置され、前記可動枠（７０）の前記連結部（７２）に前記軸（Ｘ）周りの傾動力を付与するように連結された駆動梁（９０）と、を含むことを特徴とする。

これにより、錘部を有する可動枠に傾動力を付与することにより、駆動力の共振周波数を錘部で十分に低速化することができるとともに、可動枠が駆動対象物を囲む環状構造であるので、環状構造の内部で発生した振動との干渉を起こすことなく、軸周りの駆動力を確実に駆動対象物に伝達することができる。

第２の発明は、第１の発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記駆動梁（９０）は、軸（Ｘ）方向の両側から前記可動枠（７０）を挟むように、前記軸（Ｘ）に垂直な方向に延在して配置され、前記軸（Ｘ）の両側の対となる前記駆動梁（９０）が互いに逆方向に変位する電圧が印加されることを特徴とする。

これにより、簡素な構成の駆動梁を用いて可動枠に傾動力を確実に付与することができる。

第３の発明は、第１又は第２の発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記駆動梁（９０）と前記連結部（７２）とは、隣接する梁（１５）が間隔を有して蛇行する蛇行ばね（８０）で連結されたことを特徴とする。

これにより、共振周波数を低下させ、所望の低速周波数で駆動対象物を傾動駆動させることができる。

第４の発明は、第３の発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記蛇行ばね（８０）の隣接する間隔（Ｈ、Ｉ、Ｊ）は、前記蛇行ばね（８０）に加わる応力分布に応じて定められ、応力の大きく加わる箇所の間隔（Ｈ、Ｉ、Ｊ）が、応力が小さく加わる箇所の間隔よりも広い不等間隔であることを特徴とする。

これにより、応力を考慮して蛇行ばねの隣接間隔を設定することができ、最大振幅や外力による衝撃が加わった場合であっても、隣接する蛇行ばね同士の接触により破損を招くことを防止することができるとともに、応力の小さい部分では省スペース化を図ることができる。

第５の発明は、第４の発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記蛇行ばね（８０）の隣接する間隔（Ｈ、Ｉ、Ｊ）は、前記蛇行ばね（８０）の前記可動枠（７０）に連結された箇所及び前記駆動梁（９０）に連結された箇所に最も近い蛇行部分（Ｈ）が、前記蛇行ばねの中央側の箇所の蛇行部分（Ｉ、Ｊ）よりも狭いことを特徴とする。

これにより、一方が固定物に連結されており、応力による影響が少ない連結部付近は狭い間隔で、応力による影響が大きい中央部は広い間隔で構成することにより、応力対策と省スペース化の双方に対応することができる。

第６の発明は、第１〜５のいずれかの発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記駆動梁（９０）は、共振駆動されることを特徴とする。

これにより、小さな駆動梁で十分な傾動力を得ることができるとともに、低速化を図る構成で共振周波数を十分に下げた周波数で駆動対象を傾動駆動することができる。

第７の発明は、第１〜６のいずれかの発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記可動枠（７０）及び前記駆動梁（９０）を平面的に囲む固定枠（１００）を有し、
前記可動枠（７０）は、前記固定枠（１００）と同じ厚さで形成され、
前記駆動梁（９０）は、前記固定枠（１００）よりも薄く形成されたことを特徴とする。

これにより、可動枠に十分な重さを与え、錘としての機能を十分に果たさせるとともに、固定枠で可動枠及び駆動梁を十分に保護することができる。

第８の発明は、第７の発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記固定枠（１００）には、前記可動枠（７０）の水平方向の可動範囲を規制する突起（１０１、１０２）が設けられていることを特徴とする。

これにより、落下等により衝撃が加わった場合でも、破損を防ぐことができる。

第９の発明は、第１〜８のいずれかの発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記駆動対象物（３０、３１）は、前記可動枠（７０）の前記連結部（７２）に、弾性体（１５）に圧電薄膜（２２）が成膜された構造の第２の駆動梁（５０）を介して連結され、
該第２の駆動梁（５０）は、前記軸（Ｘ）と異なる第２の軸（Ｙ）周りに前記駆動対象物（３０、３１）を傾動させることを特徴とする。

これにより、２軸で駆動対象物を傾動駆動することができるとともに、駆動対象物に対して直接的に傾動力を付与する第２の軸周りの傾動力と、可動枠を介して傾動力を付与する軸周りの傾動力の相互干渉を防ぐことができ、双方の傾動運動を適切に行わせることができる。

第１０の発明は、第９の発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記駆動対象物（３０、３１）と前記第２の駆動梁（５０）とは、梁構造の弾性体（１５）を含む弾性連結部材（４０）で連結されたことを特徴とする。

これにより、第２の軸周りの傾動運動も、応力を低減して安定した状態で駆動させることができる。

第１１の発明は、第１〜１０のいずれかの発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記可動枠（７０）の上下方向の可動範囲を規制する上下方向規制部品（１２０、１２１、１３０、１３３、１３６、１３９）を更に備えたことを特徴とする。

これにより、落下等の衝撃による破損を、上下方向の運動に対しても防ぐことができる。

第１２の発明は、第１〜１１のいずれかの発明に係る圧電アクチュエータ（１１０、１１１、１１２）において、
前記駆動対象物（３０、３１）は、ミラー（３１）であることを特徴とする。

これにより、プロジェクタ、スキャナ等に圧電アクチュエータを利用することができる。

第１３の発明に係る光走査装置は、第１２の発明に係る圧電アクチュエータと、
光を発射する光源と、
該光源から発射された前記光を前記圧電アクチュエータに導く導光手段とを備え、
前記圧電アクチュエータのミラーを傾動駆動させることにより、該ミラーにより反射された前記光を走査させることを特徴とする。

これにより、省電力で安定した動作を行う光走査装置を提供することができる。

第１４の発明は、第１３の発明に係る光走査装置において、
前記光をスクリーン上に走査させ、該スクリーン上に映像を形成することを特徴とする。

これにより、省電力で安定した動作を行うプロジェクタ等の光走査装置を提供することができる。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例に過ぎず、図示の態様に限定されるものではない。

本発明によれば、駆動対象物を安定して低速傾動駆動させることができる。

実施例１に係る圧電アクチュエータの断面構成の一例を示した図である。 実施例１に係る圧電アクチュエータを駆動する方法の説明図である。図２（Ａ）は、梁１５と圧電素子２１の部分を示した側面図の一例である。図２（Ｂ）は、圧電素子２１が収縮変形した状態の一例を示した図である。図２（Ｃ）は、圧電素子２１が伸長変形した状態の一例を示した図である。 実施例1に係る圧電アクチュエータの全体構成の一例を示した斜視図である。図３（Ａ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータの上面斜視図である。図３（Ｂ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータの下面斜視図である。 実施例１に係る圧電アクチュエータの詳細構成を示した図である。図４（Ａ）は、駆動対象物３０と駆動梁９０との間の詳細構成を示した図である。図４（Ｂ）は、蛇行ばね周辺の拡大図である。 実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータの構成の一例を示した図である。図５（Ａ）は、圧電アクチュエータ２００の全体構成の一例を示す斜視図である。図５（Ｂ）は、圧電アクチュエータ２００の中央断面斜視図の一例である。図５（Ｃ）は、圧電アクチュエータ２００の中央断面図の一例である。 実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００の分解図の一例である。図６（Ａ）は、圧電アクチュエータ２００の全体分解図の一例である。図６（Ｂ）は、上方規制部材１２０の拡大斜視図である。図６（Ｃ）は、下方規制部材１３０の拡大斜視図である。 実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の蛇行ばね８０の機能説明図である。図７（Ａ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の全体構成の一例を示した斜視図である。図７（Ｂ）は、比較参考例に係る圧電アクチュエータ１１０の全体構成例を示した図である。図７（Ｃ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０と比較参考例に係る圧電アクチュエータの特性比較図である。 実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０を２軸の各軸周りで傾動動作させたときの状態を示した図である。図８（Ａ）は、圧電アクチュエータ１１０をＸ軸周りに傾動駆動させた状態の一例を示した図である。図８（Ｂ）は、圧電アクチュエータ１１０をＹ軸周りに傾動駆動させた状態の一例を示した図である。 各共振駆動周波数での最大応力と傾角感度の一例を示した図である。図９（Ａ）は、６０Ｈｚ共振駆動における最大応力と傾角感度の一例を示した図である。図９（Ｂ）は、３０ｋＨｚ共振駆動における最大応力と傾角感度の一例を示した図である。 ２軸の傾動駆動で干渉が発生しない理由を説明するための図である。 比較参考例として、可動枠７０から連結部８０を無くした圧電アクチュエータの動作状態の一例を示した図である。図１１（Ａ）は、６０Ｈｚ共振駆動時の動作状態を示した図である。図１１（Ｂ）は、３０ｋＨｚ共振駆動時の動作状態を示した図である。 高速駆動部５５の最適設計を行う方法の一例を示した図である。図１２（Ａ）は、高速駆動部５５の平面構成の一例を示した図である。図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）の条件下での最大応力の変化特性を示した図である。 ばね連結部４３の長さＢが、極小値を持つ理由を説明するための図である。図１３（Ａ）は、Ｂ＝０．１ｍｍの場合のアクチュエータの応力分布を示した図である。図１３（Ｂ）は、Ｂ＝０．３ｍｍの場合のアクチュエータの応力分布を示した図である。図１３（Ｃ）は、Ｂ＝０．２ｍｍの場合のアクチュエータの応力分布を示した図である。 第１ばね４１間の距離Ａ及びばね連結部４３の長さＢをパラメータとした場合の傾角感度の特性を示した図である。 実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の配線長の短くする構成の説明図である。 実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の平面構成例を示す拡大図である。 錘部突起７３、７４及び突起１０１、１０２の配置構成の説明図である。 実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の断面構成の一例を示す図である。 蛇行ばね８０の周辺を含む拡大図の一例である。 衝突時の蛇行ばね８０の形状及び応力分布の一例を示した図である。図２０（Ａ）は、圧電アクチュエータ１１０の全体変形図である。図２０（Ｂ）は、左側の蛇行ばね８０の拡大図である。図２０（Ｃ）は、右側の蛇行ばね８０の拡大図である。 衝突時の蛇行ばね８０の形状と応力分布の一例を示した図である。図２１（Ａ）は、圧電アクチュエータ１１０の全体変形図である。図２１（Ｂ）は、左側の蛇行ばね８０の拡大図である。図２１（Ｃ）は、弾性連結部４０の拡大図である。図２１（Ｄ）は、右側の蛇行ばね８０の拡大図である。 比較参考例として、蛇行ばね８０ではなく直線的なばね１８０を設けた場合の応力分布の一例を示した図である。図２２（Ａ）は、全体変形図である。図２２（Ｂ）は、左側の直線的なばね１８０の拡大図である。図２２（Ｃ）は、右側の直線的なばね１８０の拡大図である。 実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１の全体構成の一例を示す図である。 実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１の駆動変形状態を示した図の一例である。図２４（Ａ）は、圧電アクチュエータ１１１の低速駆動状態を示した変形図である。図２４（Ｂ）は、圧電アクチュエータ１１１の高速駆動状態を示した変形図である。 実施例３に係る圧電アクチュエータ１１２の変更部分を説明する図である。図２５（Ａ）は、圧電アクチュエータ１１２の高速駆動部５５の平面構成図の一例である。図２５（Ｂ）は、傾角感度〔ｄｅｇ／Ｖ〕の変化特性を示した図である。図２５（Ｃ）は、最大主応力の変化特性を示した図である。 実施例４に係る圧電アクチュエータ２０１の構成の一例を示す斜視図である。図２６（Ａ）は、圧電アクチュエータ２０１の全体斜視図の一例である。図２６（Ｂ）は、圧電アクチュエータ２０１の分解斜視図の一例である。図２６（Ｃ）は、圧電アクチュエータ２０１の断面斜視図の一例である。 実施例５に係る圧電アクチュエータ２０２の構成の一例を示した斜視図である。図２７（Ａ）は、圧電アクチュエータ２０２の全体構成の一例を示す斜視図である。図２７（Ｂ）は、圧電アクチュエータ２０２の分解斜視図の一例である。図２７（Ｃ）は、圧電アクチュエータ２０２の断面構成斜視図の一例である。 実施例６に係る圧電アクチュエータ２０３の構成の一例を示した斜視図である。図２８（Ａ）は、圧電アクチュエータ２０３の全体構成の一例を示す斜視図である。図２８（Ｂ）は、圧電アクチュエータ２０３の分解斜視図の一例である。図２８（Ｃ）は、圧電アクチュエータ２０３の断面構成斜視図の一例である。 本発明の実施例７に係るプロジェクタ３００の構成の一例を示した図である。

以下、図面を参照して、本発明を実施するための形態の説明を行う。

図１は、本発明の実施例１に係る圧電アクチュエータの断面構成の一例を示した図である。図１において、実施例１に係る圧電アクチュエータは、半導体ウェハ１０と、駆動源２０とを有する。実施例１に係る圧電アクチュエータは、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して、半導体ウェハ１０を加工することにより、作製することができる。図１においては、そのような半導体ウェハ１０を用いて圧電アクチュエータを構成した場合の例について説明する。

半導体ウェハ１０は、シリコン基板１１と、ＳｉＯ_２１２、１４と、Ｓｉ活性層１３とを備える。半導体ウェハ１０は、例えば、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板が用いられてもよい。ＳＯＩ基板は、シリコン基板１１の間に、絶縁膜のＳｉＯ_２１２が形成された基板であり、シリコン基板１１を深掘り反応性イオンエッチング等で削った場合に、削り終点の底面にＳｉＯ_２が形成されているので、深掘りエッチング加工を容易に行うことができる。

ＳｉＯ_２１２、Ｓｉ活性層１３及びＳｉＯ_２１４で、梁１５を形成する。梁１５の部分で、駆動対象物を支持したり、駆動力を伝達したりする動作を行う。シリコン基板１１の部分は、例えば、外側の固定枠として利用される。

なお、半導体ウェハ１０は、例えば、全体で３００〜５００〔μｍ〕の厚さの半導体ウェハ１０が用いられてよい。例えば、半導体ウェハ１０が３５０〔μｍ〕のときに、Ｓｉ活性層１３が３０〔μｍ〕、ＳｉＯ_２１２、１４が０．５〔μｍ〕程度で、梁１５が合計３１〔μｍ〕程度であってよく、半導体ウェハ１０の１／１０程度の厚さで構成されてもよい。

駆動源２０は、本実施例に係る圧電アクチュエータにおいて、駆動力を発生させる動力源である。本実施例に係る圧電アクチュエータにおいては、駆動源２０として種々の手段を用いることができるが、実施例１においては、駆動源２０として圧電素子２１を用いた場合を例に挙げて説明する。圧電素子２１は、圧電体２２に印加された電圧を力に変換する受動素子である。本実施例に係る圧電アクチュエータにおいては、圧電素子２１は、電圧が印加されることにより、その長さが伸縮することにより、装着された梁１５を駆動させる。圧電体２２は、種々の圧電体２２を適用してよいが、例えば、ＰＺＴ薄膜（チタン酸ジルコン酸鉛）が用いられてもよい。圧電素子２１は、例えば、梁１５が約３０〔μｍ〕であったときに、２〔μｍ〕程度の厚さで形成されてもよい。

圧電素子２１は、上部電極２３と、下部電極２４とを備える。上部電極２３及び下部電極２４は、圧電体２２に電圧を印加するための電極であり、上部電極２３及び下部電極２４に電圧が印加されることにより、圧電体２２が伸縮し、梁１５を駆動させる。

図２は、圧電素子２１が、梁１５に曲げ振動を発生させて実施例１に係る圧電アクチュエータを駆動する方法について説明するための図である。図２（Ａ）は、シリコンから構成される梁１５と圧電素子２１の部分を模式的に示した側面図の一例である。図２（Ａ）に示すように、Ｓｉ活性層１３等から構成される梁１５の上に、圧電素子２１が薄膜状に装着されている。

図２（Ｂ）は、圧電素子２１が収縮変形した状態の一例を示した図である。図２（Ｂ）に示すように、圧電素子２１が収縮すると、梁１５は、下に凸の上方に反るような形状となる。

図２（Ｃ）は、圧電素子２１が伸長変形した状態の一例を示した図である。図２（Ｃ）に示すように、圧電素子２１が伸長すると、梁１５は、上に凸の下方に反るような形状となる。

図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、圧電素子２１は、印加する電圧の極性又は位相により、上に反ったり下に沿ったりする。本実施例に係る圧電アクチュエータでは、例えば、このような圧電素子２１の性質を利用して、圧電素子２１を駆動源２０として、駆動対象を駆動する。

図２（Ｂ）、（Ｃ）において説明したように、図２（Ａ）のような、梁１５の上に圧電薄膜２２が成膜されて圧電素子２１が設けられた構造は、駆動源２０の収縮又は伸長により振動力を発生させ、駆動対象物に傾動力を付与することが可能であるから、駆動梁と呼ぶこととする。

図３は、実施例1に係る圧電アクチュエータの全体構成の一例を示した斜視図である。図３（Ａ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータの上面斜視図であり、図３（Ｂ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータの下面斜視図である。

図３（Ａ）において、実施例１に係る圧電アクチュエータは、駆動対象物３０と、弾性連結部材４０と、第２の駆動梁５０と、可動枠７０と、蛇行ばね８０と、駆動梁９０と、固定枠１００とを有する。なお、実施例１においては、駆動梁９０と、第２の駆動梁５０とを備え、圧電アクチュエータを２軸駆動型とした例を挙げて説明するが、圧電アクチュエータを１軸の低速駆動型として構成する場合には、駆動梁９０のみを備えていればよい。よって、第２の駆動梁５０は、必要に応じて設けられてよい。

圧電アクチュエータの上面は、中央部の表面に駆動対象物３０が配置され、駆動梁９０及び第２の駆動梁５０の表面が圧電素子２１からなる駆動源２０で覆われている以外は、総てＳｉＯ_２１４で覆われたＳｉ活性層１３で構成される。

駆動対象物３０は、傾動駆動させる種々の対象物が適用されてよいが、例えば、ミラーが駆動対象物３０であってもよい。ミラーの傾動駆動は、プロジェクタやプリンタ用のスキャナ等に利用され得る。

駆動対象物３０の中心を通り、Ｘ軸とＹ軸が設定されている。Ｘ軸は、本実施例に係る圧電アクチュエータを低速駆動の1軸アクチュエータとして用いるときの傾動軸である。Ｙ軸は、本実施例に係る圧電アクチュエータを、Ｘ軸の軸周りに低速駆動、Ｙ軸の周りに高速駆動する２軸型の圧電アクチュエータとして用いる場合の高速駆動側の傾動軸である。また、駆動対象物３０をＹ軸の軸周りに高速駆動のみ行わせる場合には、高速駆動の１軸型圧電アクチュエータとして構成することも可能である。

なお、本実施例に係る圧電アクチュエータを、Ｘ軸の軸周りに駆動対象物３０を１軸駆動させる圧電アクチュエータとして利用する場合には、駆動対象物３０、弾性連結部材４０及び第２の駆動梁５０を一体としてＸ軸の軸周りに傾動駆動させることになる。この場合には、駆動対象物３０、弾性連結部材４０及び第２の駆動梁５０を一体として駆動対象物６０と考えてもよい。

可動枠７０は、駆動対象物３０、６０が連結されて、駆動対象物３０、６０を連結支持するとともに、駆動梁９０からの傾動力を駆動対象物３０、６０に伝達するための部材である。

図３（Ｂ）に示すように、可動枠７０は、固定枠１００と同様に、図１において説明したＳｉ支持層１１で厚く構成される。よって、可動枠７０は、梁１５として構成される部分よりも重く構成される。また、可動枠７０は、Ｘ軸の両側には、広い面積で大きく錘（おもり）部７１として形成され、Ｙ軸の両側は、錘部７１を連結する連結部７２として形成される。これにより、Ｘ軸の軸周りの傾動運動に対しては、付与された傾動力を錘部７１の重さにより低速化することができる。つまり、駆動梁９０により付与される傾動力が所望の傾動力より大きい場合であっても、駆動力を低減させ、所望の低速駆動を行わせることができる。

図３（Ａ）に戻る。図３（Ａ）においては、可動枠７０の連結部７２が隠れているが、図３（Ｂ）で説明したように、第２の駆動梁５０は、可動枠７０の連結部７２に連結された構成となっている。

蛇行ばね８０は、駆動梁９０により発生した傾動力を可動枠７０に伝達するための部材である。蛇行ばね８０は、梁１５の構造を有するので、弾性を有し、駆動梁９０から伝達された傾動力を吸収して低減することができる。また、蛇行ばね８０は、間隔を有して蛇行した形状を有し、更に弾性を増す形状となっているので、単なる直線的な梁１５よりも大幅に弾性を増すことができる。蛇行ばね８０によっても、駆動梁９０で発生した傾動力を低減させつつ可動枠７０の連結部７２に伝達する。

駆動梁９０は、図２において説明したように、圧電素子２１を駆動源２０として備え、上方又は下方に反る変形を交互に繰り返すことにより、傾動振動する傾動力を発生させる駆動力発生手段である。駆動梁９０は、Ｘ軸の延在方向の両側から、可動枠７０を挟むようにして配置されるとともに、Ｘ軸に垂直な方向に延在している。つまり、Ｘ軸と駆動梁９０でＨの文字を描くように配置されている。また、駆動梁９０は、Ｘ軸で分断されるように、別体の駆動梁９０がＸ軸の両側に配置されている。そして、Ｘ軸に関して同じ側にある駆動梁９０に、同一方向に変位する電圧が印加され、Ｘ軸に関して反対側にある駆動梁９０には、それとは逆方向に変位する電圧が印加される電極及び配線構成となっている。これにより、Ｘ軸を境界として、一方の側は上方に反り、他方の側は下方に反るような変形をするので、蛇行ばね８０を傾動させるような駆動力を発生させることができる。

駆動梁９０の振動は、共振振動である。共振振動は、振動エネルギーが大きく、大きな傾角感度を発生させることができるが、振動の周波数が高いので、低速駆動にそのまま利用するのが、一般的には困難である。しかしながら、本実施例に係る圧電アクチュエータにおいては、大きな弾性を有する蛇行ばね８０と、錘部７１を有する可動枠７０を介して駆動対象物３０、６０に傾動力を伝達するため、周波数を十分に低下させて低速駆動することが可能である。

また、本実施例に係るアクチュエータは、駆動対象物３０を２軸駆動させる場合には、第２の駆動梁５０についても、共振振動により傾動力を発生させる。第２の駆動梁５０は、Ｙ軸の軸周りに、駆動対象物３０を高速駆動すればよいので、共振により高速振動を発生させ、弾性連結部材４０を介して応力の低減を図りつつ振動を伝達させ、直接的に駆動対象物３０に傾動力を付与するような構成となっている。

以下、本実施例に係る圧力アクチュエータを２軸駆動型として構成している場合には、Ｘ軸の軸周りに６０Ｈｚで±９ｄｅｇの傾角で傾動し、Ｙ軸の軸周りに３０ｋＨｚで±１２ｄｅｇの傾角で傾動駆動する圧力アクチュエータを構成した場合の例を挙げて説明するものとする。

次に、図４を用いて、本実施例に係る圧電アクチュエータの詳細構造について説明する。図４は、実施例１に係る圧電アクチュエータの詳細構成を示した図である。図４（Ａ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータの駆動対象物３０と駆動梁９０との間の詳細構成を示した図である。

図４（Ａ）において、駆動対象物３０としてミラー３１が用いられ、ミラー３１と第２の駆動梁５０とを連結する弾性連結部材４０の構成の詳細と、可動枠７０の錘部７１と固定枠１００との間の詳細と、駆動梁９０と可動枠７０の連結部７２との連結関係の詳細とが示されている。

図４（Ａ）において、ミラー３１周辺は、３０ｋＨｚで共振駆動する高速駆動部５５の構造を示している。高速駆動部５５は、第２の駆動梁５０と、弾性連結部材４０とを含む。ミラー３１と第２の駆動梁５０を連結する弾性連結部材４０は、ミラー３１に連結された部分が２つに分離した２本のばねによる構造となっている。弾性連結部材４０は、図１において説明したように、梁１５として薄く形成されるとともに、形状的にも直線上の細い梁１５として形成されているので、弾性体として構成される。

また、錘部７１と固定枠１００との間の固定枠１００側には、突起１０１、１０２が形成されている。また、突起１０１、１０２の各々と対向して、錘部７１には、錘部突起７３、７４が形成されている。これらにより、錘部７１の水平方向の可動範囲を規制することができる。突起１０１は、縦方向（Ｙ軸方向）の錘部７１の可動範囲を規制し、突起１０２は、横方向（Ｘ軸方向）の錘部７１の可動範囲を規制している。つまり、突起１０１が存在しないと、錘部７１と固定枠１００の隙間の大きさ分、錘部７１が移動し得るので、外的衝撃により蛇行ばね８０等に大きな力が加わり、破損を招くおそれがあるが、突起１０１を設けることにより、破損の危険性を低減させることができる。同様に、突起１０２が存在しないと、錘部７１は、外力による衝撃により、駆動源９０に衝突して破損を招くおそれがあるが、突起１０２を設けることにより、破損を防ぐことができる。

また、図４（Ａ）において、固定枠１００の表面に、高速駆動部用配線端子１０３と、電極配線１０４が設けられている。高速駆動部用配線端子１０３は、高速駆動部５５の第２の駆動梁５０の電極２３、２４に電力を供給するための配線端子であり、電極配線１０４は、同様の目的の配線である。第２の駆動梁５０は、駆動対象物３０付近の中央領域にあるため、第２の駆動梁５０に電力を供給するためには、外側にある固定枠１００、駆動梁９０、蛇行ばね８０を介して電力を供給せざるを得ないが、本実施例に係る圧電アクチュエータは、駆動梁９０が簡素な形状であるので、電極配線１０４の引き回しを小さくして、消費電力を低減させることができる。なお、この点については、詳細は後述する。

図４（Ｂ）は、蛇行ばね周辺の拡大図である。図４（Ｂ）に示すように、駆動源９０は、Ｘ軸に沿って空隙９１を有し、Ｘ軸の両側で、異なる変形を行うことができるようになっている。そして、蛇行ばね８０は、空隙９１を跨ぐようにして、Ｘ軸の両側の２つの駆動源９０の両方に連結されている。これにより、駆動源９０は、Ｘ軸を境界として手前側と奥側とで、鉛直上下方向に反対の反り返り変形を行うことにより、交互に振動する傾動力を蛇行ばね８０に付与することができ、駆動対象部物３０、６０を傾動駆動することができる。また、図４（Ｂ）においては、圧電アクチュエータ全体のうちの左側端部だけ示されているが、右側端部も駆動源９０に同様な傾動駆動を行わせることにより、左右両側（Ｘ軸上の正負両側）から傾動力を付与して駆動対象物３０、６０を傾動駆動させることができる。

また、蛇行ばね８０のばね構造は、隣接するばね部との距離が総て均等ではない、不等間隔のばね構造を有している。この点についての詳細は、後述する。

なお、蛇行ばね８０に沿って、電極配線１０４が設置されている。蛇行ばね８０の折り返し回数が少なく、全長が短いので、電極配線１０４を低抵抗として構成することができ、消費電力を向上させることができる。この点についても、詳細は後述する。

図５は、実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータの構成の一例を示した図である。図５（Ａ）は、実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００の全体構成の一例を示す斜視図であり、図５（Ｂ）は、実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００の中央断面斜視図の一例であり、図５（Ｃ）は、実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００の中央断面図の一例である。

図５（Ａ）に示すように、本実施例に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００は、圧電アクチュエータ１１０が、パッケージ１４０に収容され、上面を封止ガラス１５０で封止して構成される。本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０は、例えば、真空封止又はＡｒやＮ_２により、封止ガラス１５０を用いてガス封止が施される。駆動対象物３０がミラー３１の場合、封止ガラス１５０を透過してミラー３１に光が照射され、照射された光を反射して傾動によりスキャンさせることにより、プロジェクタやスキャナ用のパッケージングされた圧電アクチュエータ２００として構成できる。

図５（Ｂ）において、パッケージングされた圧電アクチュエータ２００は、パッケージ１４０内に、下方規制部材１３０が収容され、その上に圧電アクチュエータ１１０が収容され、圧電アクチュエータ１１０の上方に上方規制部材１２０が設けられ、その上に封止ガラス１５０で封止がなされている。下方規制部材１３０は、中央部に接着剤溜まり１３１を有し、接着剤を溜めてパッケージ１４０との接着固定が可能に構成されている。

図５（Ｃ）において、圧電アクチュエータ１１０の下方には下方規制部材１３０、上方には上方規制部材１２０が設けられ、下方からパッケージ１４０が全体を収容するとともに、上面に封止ガラス１５０が設けられた断面構成が示されている。また、下方規制部材１３０の中央部には、接着剤溜まり１３１が設けられている。

圧電アクチュエータ１１０の可動範囲は、上方は上方規制部材１２０により規制され、下方は下方規制部材１３０により規制される。これにより、パッケージングされた圧電アクチュエータ２００が落下等により大きな衝撃を受けた場合であっても、圧電アクチュエータ１１０の急激な移動を規制し、破損を防ぐことができる。

図６は、実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００の分解図の一例である。図６（Ａ）は、パッケージングされた圧電アクチュエータ２００の全体分解図の一例である。図６（Ａ）おいて、圧電アクチュエータ１１０の上方には上方規制部材１２０、下方には下方規制部材１３０が設けられ、下方から全体をパッケージ１４０が収容し、上面を封止ガラス１５０が覆う構成となっている。

パッケージ１４０は、中央部に窪み１４１を有し、窪み１４１の外側の平坦部１４２に、圧電アクチュエータ１１０の固定枠１００を載置する構成となっている。また、平坦部１４２のＸ軸上には、下方規制部材１３０を載置する載置部１４３が設けられている。図４において説明したように、本実施例に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００は、圧電アクチュエータ１１０自体が水平方向の可動範囲を規制する突起１０１、１０２を備えている。また、鉛直方向には、圧電アクチュエータ１１０の固定枠１００に取り付けられる上方規制部材１２０及びパッケージ１４０に取り付けられる下方規制部材１３０を備えている。よって、本実施例に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００は、水平２方向及び鉛直２方向に各々可動枠７０の可動範囲を規制する構成を備えており、落下等の衝撃に強い構成となっている。

図６（Ｂ）は、上方規制部材１２０の拡大斜視図であり、図６（Ｃ）は、下方規制部材１３０の拡大斜視図である。上方規制部材１２０は、圧電アクチュエータ１１０の固定枠１００上に載せるような構成となっており、下方規制部材１３０は、パッケージ１４０の中央両側の載置部１４３に載置して吊されるように、吊下部１３２を有している。また、下方規制部材１３０の中央部に接着剤溜まり１３１を有する点は、図５において説明した通りである。

このように、上方規制部材１２０及び下方規制部材１３０は、圧電アクチュエータ１１０又はパッケージ１４０等に載置することにより、容易に設けることができ、上下方向への衝撃に強い圧電アクチュエータ１１０を実現できる構成となっている。

次に、図３及び図４において説明した実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の個々の構成について、当該構成が達成する機能について詳細に説明を行う。

まず、図７を用いて、蛇行ばね８０の機能について説明する。図７は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の蛇行ばね８０の機能について説明するための図である。図７（Ａ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の全体構成の一例を示した斜視図であり、図７（Ｂ）は、比較参考例として、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の蛇行ばね８０を、直線的な梁１５による連結部材１８０にした場合の全体構成の一例を示した図である。また、図７（Ｃ）は、図７（Ａ）に示した蛇行ばね８０を有する実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０と、図７（Ｂ）に示した蛇行ばね８０を有せず連結部材１８０を有する圧電アクチュエータとの特性比較を示した図である。

図７（Ｃ）において、上段が図７（Ａ）の蛇行ばねを有する実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の特性を示し、下段が図７（Ｂ）の蛇行ばね８０を有しない比較参考例に係る圧電アクチュエータの特性を示している。両者を比較すると、傾角感度はともに２．２１ｄｅｇ／Ｖで同じであるが、共振周波数が、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０は６０Ｈｚであるのに対し、比較参考例に係る圧電アクチュエータは、２００Ｈｚとなっている。つまり、蛇行ばね８０は、共振周波数を低減させる効果があると考えられる。

また、図７（Ｃ）において、最大応力を比較すると、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０が０．０８ＧＰａであるのに対し、比較参考例に係る圧電アクチュエータは、０．３５ＧＰａであり、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０よりも高くなっている。このことから、蛇行ばね８０は、最大応力を低減し、応力集中を防ぐ効果があると考えられる。

以上をまとめると、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０が有する蛇行ばね８０は、傾角感度には何ら影響を与えないが、共振周波数を低下させ、応力集中を防ぐ効果がある。このように、駆動源９０と可動枠７０との間に蛇行ばね８０を設置することにより、共振周波数を下げ、最大応力を低減することができる。

次に、図３において説明した可動枠７０の錘部７１について説明する。図３（Ｂ）に示したように、可動枠７０は、Ｘ軸の両側にＸ軸を挟むように錘部７１を有し、錘部７１が、Ｙ軸を挟む連結部７２で連結された形状を有する。そして、錘部７１を含む可動枠７０は、総て図１において説明したＳｉ支持層１１で形成されている。錘部７１は、図７で説明した蛇行ばね８０と同様に、駆動源９０で発生した傾動力の振動周波数を低下させる機能を有する。錘部７１の面積をより大きく、また、Ｓｉ支持層１１の厚さをより厚くすれば、錘部７１の質量は増加し、共振周波数をより大幅に低下させることができる。

一方、圧電アクチュエータ１１０には、通常、小型で省スペースに構成する要請がある場合が多いので、錘部７１を含む可動枠７０の形状は、蛇行ばね８０の形状も踏まえた上で、両者で所望の低速の周波数が得られるように調整を行うようにしてよい。例えば、Ｘ軸方向に駆動対象物３０を低速の６０Ｈｚで駆動する場合には、駆動源９０で発生させる共振振動の周波数を低下させ、６０Ｈｚの周波数が得られるように、蛇行ばね８０と錘部７１を調整して構成してよい。

このように、蛇行ばねと錘部７１という２つの共振周波数低下手段を有することにより、駆動源９０を共振振動させても、確実に所望の低周波数の振動を得ることができる。

次に、図８乃至図１１を用いて、可動枠７０の別の機能について説明する。図８は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０を２軸に構成し、各軸周りで傾動動作させたときの状態を示した図である。図８（Ａ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０をＸ軸の軸周りに傾動駆動させた状態の一例を示した図であり、図８（Ｂ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０をＹ軸の軸周りに傾動駆動させた状態の一例を示した図である。

図８（Ａ）において、駆動対象物３０は、Ｘ軸の軸周りに傾動駆動しているが、弾性連結部材４０は何ら変形を生じておらず、Ｙ軸には、何ら振動を伝達しない状態となっている。同様に、図８（Ｂ）において、駆動対処物３０は、Ｙ軸の軸周りに傾動駆動しているが、蛇行ばね８０は何ら変形を生じておらず、Ｘ軸に何ら振動を伝達しない状態となっている。

このように、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０を２軸型として構成した場合、Ｘ軸周りの低速駆動と、Ｙ軸周りの高速駆動は、互いの駆動系に振動を与えない独立振動系となっている。なお、実施例１においては、Ｘ軸の軸周りの傾動を６０Ｈｚで駆動させ、Ｙ軸の軸周りの傾動を３０ｋＨｚで駆動させているが、駆動周波数の設定を用途に応じて種々変更しても、同様の独立振動系として構成することができる。

図９は、各共振駆動周波数の隣接共振周波数での最大応力と傾角感度の一例を示した図である。図９（Ａ）は、Ｘ軸周りの６０Ｈｚ駆動における共振振動周波数の隣接共振周波数での最大応力と傾角感度の一例を示した図である。通常、ある共振周波数で駆動対象物３０を駆動する場合、共振周波数の５倍の範囲内の共振周波数の倍数の値で、高周波成分が乗っていなければ、振動に干渉が生じないことが知られている。よって、６０Ｈｚの共振周波数で駆動対象物３０を駆動する場合には、６０Ｈｚの倍数である１２０Ｈｚ、１８０Ｈｚ、２４０Ｈｚ、３００Ｈｚの周波数で、高周波成分が現れなければよい。図９（Ａ）においては、６０Ｈｚ〜３００Ｈｚの範囲の上記の周波数の値で、傾角感度の特性でピークのようなものは存在しない。また、最大応力は、上述のように、０．５ＧＰａ以下であれば、問題無い値と言えるが、図９（Ａ）においては、最大応力が０．２Ｇｐａを超えず、問題の無い特性となっている。よって、図９（Ａ）より、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０のＸ軸周りの傾動駆動は、Ｙ軸の傾動との干渉を生じず、また、強度的にも問題の無い構成となっていることが分かる。

図９（Ｂ）は、Ｙ軸周りの３０ｋＨｚ駆動における共振振動周波数の隣接共振周波数での最大応力と傾角感度の一例を示した図である。図９（Ｂ）において、３０ｋＨｚ付近で傾角感度がピークを有し、最大応力もピークを有している。傾角感度の特性では、３０ｋＨｚ以外の領域でピークは発生しておらず、また、最大応力もピーク値で０．５ＧＰａよりも小さな値の０．４９ＧＰａとなっている。よって、Ｙ軸の軸周りの傾動駆動においても、Ｘ軸の傾動駆動との干渉は発生せず、強度的にも問題の無い構成であることが図９（Ｂ）から分かる。

このように、本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０は、Ｘ軸とＹ軸の傾動において干渉を生じない独立振動系であるとともに、強度的にも問題の無い構成となっている。

図１０は、Ｘ軸周りの傾動駆動とＹ軸周りの傾動駆動で干渉が発生しない理由について説明するための図である。図１０において、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の下面側の全体構成の一例の斜視図が示されているが、可動枠７０の形状に着目すると、可動枠７０は、駆動対象物３０を、周囲から平面的に取り囲む環状構造を有している。そして、Ｙ軸周りの傾動運動は、可動枠７０の枠内で完結する構成となっており、Ｘ軸周りの傾動運動は、可動枠７０の連結部７２に傾動力を付与して完結する構成となっている。また、可動枠７０は、Ｓｉ支持層１１で形成されており、剛性を有する部材で構成されている。

つまり、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０においては、３０ｋＨｚ共振駆動部である第２の駆動源５０と弾性連結部材４０、及び駆動対象物３０を内包する可動枠７０を環状構造にすることで、構造的に強固になり、３０ｋＨｚ共振時の振動を蛇行ばね８０及び駆動源９０に伝達させない効果がある。また、逆に６０Ｈｚ共振駆動部である駆動源９０から第２の駆動源５０及び弾性連結部材４０への振動伝播も妨げている。よって、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０は、それぞれの駆動源５０、９０が振動的に独立し、干渉の発生が抑制される構造となっている。

図１１は、比較参考例として、可動枠７０から連結部８０を無くし、可動枠７０を環状構造でなく、錘部７１のみがＸ軸の両側に存在した構成とした圧電アクチュエータの動作状態の一例を示した図である。図１１（Ａ）は、６０Ｈｚ共振駆動時の動作状態を示し、図１１（Ｂ）は、３０ｋＨｚ共振駆動時の動作状態を示した図である。

図１１（Ａ）においては、駆動軸と垂直な弾性連結部４０が共振しているか否かは明確には示されていないが、図１１（Ｂ）においては、駆動軸でない蛇行ばね８０に歪みが生じ、駆動軸であるＹ軸と垂直な蛇行ばね８０において、共振していることが示されている。このように、可動枠７０が環状構造でなく、蛇行ばね８０と高速駆動部５５の第２の駆動梁５０との間にＳｉ支持層１１の連結部７２が存在しないと、３０ｋＨｚ駆動時に蛇行ばね８０が共振し、Ｘ軸の傾動駆動とＹ軸の傾動駆動との間で干渉が発生することが分かる。

次に、図１２乃至図１６を用いて、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の低消費電力構造について説明する。本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０においては、傾角感度の向上、配線長を短くし低抵抗化、電極面積を小さくする等を行い、低消費電力構造としている。

まず、図１２乃至図１４を用いて、Ｙ軸周りの高速駆動部５５の傾角感度向上と最大応力を低減する構成について説明する。

図１２は、実施例１に係る圧力アクチュエータ１１０の高速駆動部５５の形状の最適設計を行う方法の一例を示した図である。図１２（Ａ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータの高速駆動部５５の平面構成の一例を示した図である。図１において説明したように、圧電アクチュエータ１１０は、半導体ウェハ１０等により構成されてよいが、Ｓｉのねじれモードによる動的な破断応力は、２ＧＰａ程度である。Ｄ−ＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching、深掘り反応性イオンエッチング）による加工変質層を考慮すると、破断応力は１．５ＧＰａ程度となる。更に、繰り返し応力の印加を考慮すると、最大応力を０．５ＧＰａ以下に設計する必要がある。また、傾角感度は、１．２ｄｅｇ／Ｖ以上を目標値とする。

図１２（Ａ）において、圧電アクチュエータ１１０の高速駆動部５５は、弾性連結部材４０と、第２の駆動梁５０とを備える。弾性連結部材４０は、第１ばね４１と、第２ばね４２と、ばね連結部４３とを有する。駆動対象物３０は、第１ばね４１、ばね連結部４３及び第２ばね４２を介して、第２の駆動梁５０に連結されている。

図１２において、各パラメータを以下のように定めるものとする。第１ばね４１及び第２ばねの幅は、ともに０．０６ｍｍとする。ばね幅を変更することにより、共振周波数を大きく変更可能である。また、第１ばね４１間距離をＡ、第１／第２ばね間距離（ばね連結部４３の長さ）をＢ、第１ばね４１及び第２ばね４２のＸ軸方向の最も外側からＹ軸までの距離をＣとすると、Ｃを可変とすることで、共振周波数を一定の３０ｋＨｚに調整することができる。また、第１ばね４１と駆動対象物３０との連結箇所４５のＲ半径をＲ１とすると、Ｒ１＝Ａ／２に設定する。同様に、ばね連結部４３の内側のＲ半径をＲ２とすると、Ｒ２＝Ｂ／２に設定する。このような条件下で、傾角感度が最大となるパラメータＡ、Ｂを算出する。なお、駆動対象物３０は、Ｙ軸の軸周りに±１２ｄｅｇ傾ける条件でパラメータＡ、Ｂの算出を行う。

図１２（Ｂ）は、図１２（Ａ）の条件下で、駆動対象物３０を±１２ｄｅｇ傾動させる場合に、２本の第１ばね４１間の距離Ａと、ばね連結部４３の長さＢとをパラメータとしたときの、最大応力の変化特性を示した図である。図１２（Ｂ）において、横軸はばね連結部４３の長さＢ〔ｍｍ〕、縦軸は最大応力〔ＧＰａ〕を示している。

図１２（Ｂ）において、Ａの値が小さい程、最大応力が小さいことが示されている。また、応力σが極小となるばね連結部４３の長さＢをＢｍｉｎとすると、（１）式の関係を有する。

（１）式は、各特性曲線の極小値を結んで得られた関係式である。

図１３は、ばね連結部４３の長さＢが、極小値を持つ理由を説明するための図である。（１）式より、Ａ＝０．３ｍｍの曲線における極小値は、Ｂｍｉｎ＝（−０．２）＊０．３＋０．２８＝０．２２≒０．２である。図１３においては、Ａ＝０．３ｍｍの場合に、Ｂの値を変化させた応力分布図を示している。

図１３（Ａ）は、Ｂ＝０．１ｍｍの場合のアクチュエータの応力分布を示した図である。図１３（Ａ）は、Ｂ＜Ｂｍｉｎ＝０．２ｍｍの場合の応力分布を示しており、この場合、第２ばね４２に応力が集中している。

図１３（Ｂ）は、Ｂ＝０．３ｍｍの場合のアクチュエータの応力分布を示した図である。図１３（Ｂ）は、Ｂ＞Ｂｍｉｎ＝０．２ｍｍの場合の応力分布を示しており、この場合、第１ばね４１に応力が集中している。

図１３（Ｃ）は、Ｂ＝０．２ｍｍの場合のアクチュエータの応力分布を示した図である。図１３（Ｃ）は、Ｂ＝Ｂｍｉｎ＝０．２ｍｍの場合の応力分布を示しており、この場合、第１ばね４１と第２ばね４２の中間付近のばね連結部４３の位置に応力が集中する。

図１２（Ａ）に示した構成において、第１ばね４１及び第２ばね４２の幅は、０．０６ｍｍと、これらを連結しているばね連結部４３よりも狭く、ねじれ部を含むことになる。よって、ばね連結部４３の長さを短くすると、第２ばね４２のねじれ部に応力が集中し、ばね連結部４３の長さを長くすると、第１ばね４１のねじれ部に応力が集中するが、ばね連結部４３の長さを中間長さとすることにより、ばね連結部４３に応力集中部を移動させることができる。幅が広く、大きなねじれ部を含まないばね連結部４３に応力集中部を移動させることにより、駆動対象物３０を±１２ｄｅｇ傾動させたときの応力を低減させ、極小値を持たせることができる。

図１２（Ｂ）に戻る。図１２（Ｂ）の変化特性において、応力が限界値の５ＧＰａ以下を示すのは、Ａ＝０．１ｍｍ、Ａ＝０．０３ｍｍ及びＡ＝０．００５ｍｍの曲線の一部の範囲である。つまり、図１２（Ｂ）で示す特性曲線においては、Ａ＜０．２ｍｍであって、Ｂが所定範囲内の領域の場合である。一方、Ａ≧０．２ｍｍの特性曲線においては、Ｂの値に関わらず、最大応力は０．５ＧＰａを示している。

ここで、Ａ＜０．２ｍｍの特性曲線において、応力が限界値の０．５ＧＰａと交わるＢの値が小さい方の関係式は、（２）式のようになる。

また、各特性曲線が、応力が０．５ＧＰａで交わるＢの値が大きい方の関係式は、（３）式のようになる。

よって、応力が限界値の０．５ＧＰａ以下を示すのは、（１）式を満たすＢｍｉｎだけでなく、（４）式の範囲となる。

図１２（Ｃ）は、上述の（１）〜（４）の関係式が満たす領域を示した図である。図１２（Ｃ）において、横軸は第１ばね４１間の距離Ａ〔ｍｍ〕、縦軸はばね連結部４３の長さＢ〔ｍｍ〕を示している。図１２（Ｃ）において、（４）式を満たす範囲が斜線で示されており、領域の境界線である（２）式と（３）式の間に、（１）式が示されている。応力の低減の観点から見れば、（１）式を満たすＡ、Ｂの組み合わせが最適であるが、（４）式の範囲内に入っていれば、設計上問題無いと言える。よって、（４）式を満たす斜線の範囲内で第１ばね４１間の距離Ａ及びばね連結部４３の長さＢを定めればよいことが分かる。

図１４は、第１ばね４１間の距離Ａ及びばね連結部４３の長さＢをパラメータとした場合の傾角感度の特性を示した図である。図１４において、横軸はばね連結部４３の長さＢ〔ｍｍ〕、縦軸は傾角感度〔ｄｅｇ／Ｖ〕を示している。

図１４において、Ａ、Ｂの値がともに大きい程、傾角感度は大きくなることが示されている。よって、図１２（Ｃ）において算出した、最大応力が０．５ＧＰａ以下の範囲で、傾角感度が最大となるようなＡ、Ｂの値が、最適なパラメータ設定ということになる。

この範囲で考えると、Ａ＝０．０３ｍｍ、Ｂ＝０．３５ｍｍが最適な値ということになる。このとき、他の値は、第１ばね４１の各々と第２ばね４２の幅はともに０．０６ｍｍ、Ｃ＝１．２ｍｍ、Ｒ１＝０．０１５ｍｍ、Ｒ２＝０．１７５ｍｍとなる。この場合の特性は、傾角感度が３．５８ｄｅｇ／Ｖであり、±１２ｄｅｇの傾角で傾動させるための電圧が０−６．５Ｖ、最大応力が０．４９ＧＰaとなる。

従来、傾角角度は１．２ｄｅｇ／Ｖであったので、±１２ｄｅｇの傾角で傾動させるための電圧は、０−２０Ｖであった。本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０によれば、感度向上により、高速駆動部５５の消費電力は１／９．５に減少する。

図１５は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の配線長を短くする構成について説明するための図である。一般的に、２軸型の圧電アクチュエータの場合、高速駆動を行う駆動源２０は、駆動対象物３０付近に設けられ、低速駆動を行う駆動源は、高速駆動を行う駆動源２０よりも外側に設けられる場合が多い。この場合、高速駆動を行う駆動源２０の電極２３、２４への電源供給のための配線は、外側の低速駆動を行う駆動梁９０に沿わせて設置される場合が多い。

本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０は、低速駆動を、何重にも折り返した駆動梁の非共振駆動により傾動を積み重ねる方式ではなく、共振駆動を行い、周波数を蛇行ばね８０や錘部７１により低下させて低速駆動を行う方式を採用している。よって、低速駆動を行う駆動梁９０は、複雑な折り返し構造を有せず、固定枠１００の近くに２本（４ピース）存在するだけである。従って、中央部に存在する３０ｋＨｚ駆動部４０、５０に電源を供給するのに、折り返し構造に沿わせる複雑な配線の引き回しを要せず、短い配線で電源供給を行うことができる。

図１５に示すように、固定枠１００には、高速駆動用配線端子１０３が４箇所設けられている。図４において説明したように、全体として外側に２列だけ存在する駆動梁９０に沿って配線すると、極めて短い配線で３０ｋＨｚ共振部の第２の駆動梁５０に到達することができ、短い配線で３０ｋＨｚ共振部用の電源供給配線を配置することができる。これにより、従来よりも配線長が１／１０に減少し、配線抵抗の低下により、消費電力を低減することができる。

また、低速駆動を行う駆動梁９０についても、上述のように、折り返し構造ではなく、２本の駆動梁９０のみが外側に配置された構造であるので、駆動源２０の面積は大幅に減少した構成となっている。駆動源２０の面積の減少と、上述の傾角感度の向上（従来０．８ｄｅｇ／Ｖ→本実施例２．２ｄｅｇ／Ｖ）により、低速駆動を行う駆動梁９０の消費電力は、１／１５程度に低減することができる。

また、高速駆動を行う第２の駆動梁５０の駆動源２０の面積は、従来の高速駆動を行う駆動源２０の面積と同様であるため、やはり傾角感度の向上と配線抵抗の低減の相乗効果により、第２の駆動梁５０の消費電力を１／２０程度にすることができる。

更に、低速駆動の駆動源として、非共振駆動を行い、傾動の変位を積み重ねる方式だと、何重にも亘る折り返し構造が含まれるため、狭い間隔のＬｉｎｅ／Ｓｐａｃｅ部が多く存在することになる。このような折り返し構造は、製造も困難で、製造歩留まりが低下する傾向にある。一方、本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０においては、低速駆動を行う駆動梁９０に、複雑な折り返し構造が含まれていないため、製造が容易で、製造歩留まりが向上するという利点もある。例えば、折り返し構造で５０％の製造歩留まりの場合に、本実施例に係る圧電アクチュエータによれば、９５％以上の歩留まりを実現することができる。

次に、図１６乃至図２２を用いて、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の落下衝撃に強い構造について説明する。まず、図１６乃至図１８を用いて、可動枠７０と固定枠１００の衝撃対策となる構成について説明する。

図１６は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の平面構成の一例を示す左奥側の拡大図である。図１６において、固定枠１００と可動枠７０の錘部７１に着目すると、錘部７１には、錘部突起７３、７４が設けられ、固定枠１００には突起１０１、１０２が設けられ、錘部突起７３と突起１０１、錘部突起７４と突起１０２が対向する構成となっている。これらの錘部突起７３、７４及び固定枠１００の突起１０１、１０２は、圧電アクチュエータ１１０に落下等により衝撃が加わったときに、可動枠７０のＸ軸方向及びＹ軸方向の可動範囲を規制し、圧電アクチュエータ１１０の破損を防止する役割を果たす。本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０においては、錘部突起７３、７４と突起１０１、１０２の間隔も、適切な間隔に設定しているので、その点について説明する。

図１６において、錘部７１がＸ軸を中心に±９ｄｅｇ傾くと、Ｘ軸の両側の錘部７１は、Ｙ軸方向において約０．０５ｍｍ固定枠１００に接近する。ここで、０．０２ｍｍのマージンを設けて、錘部突起７３と突起１０１の間隔Ｄを、Ｄ＝０．０７ｍｍに設定した。また、Ｘ軸方向の錘部突起７４と突起１０２との間隔Ｅは、Ｓｉ支持層１１の５００μｍ程度の厚さをエッチングするのに必要な最小幅に設定し、Ｅ＝０．０３５ｍｍとした。このような設定を行うことにより、通常の傾動駆動においては、Ｘ軸の軸周りに傾動しても、錘部突起７２と突起１０１は接触無く正常に動作し、また、落下等による衝撃力が加わったときには、最小限の間隔Ｄ、Ｅで確実に可動枠７０の急激な移動を止め、圧電アクチュエータ１１０の破損を防ぐことができる。

図１７は、錘部突起７３、７４及び突起１０１、１０２の配置構成を説明するための図である。図１７においては、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０の下面の斜視図が示されている。図１７において、可動枠７０の連結部７２と錘部突起７３との配置に着目すると、Ｙ軸方向に延在する連結部７２の延長線上に錘部突起７３が設けられ、錘部突起７３に対向する外側に突起１０１が設けられている。よって、Ｙ軸方向への移動については、連結部７２の延長線上の衝撃に強い部分で力を受けることになり、衝撃に対する可動枠７０の耐性も高い構成となっている。同様に、Ｘ軸方向についても、錘部７１の駆動対象物３０寄りの窪み形状を有する部分ではなく、錘部７２がＸ方向に延在した外側の部分で錘部突起７４及び突起１０２を設けており、Ｘ軸方向についても衝撃に強い構成となっている。

図１８は、実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ１１０のＸ軸で切った断面構成の一例を示す図である。図１８において、圧電アクチュエータ１１０を、Ｘ軸を中心に±９ｄｅｇ傾動させると、錘部７１は、約０．１５ｍｍ上方規制部品１２０及び下方異性部品１３０に接近する。よって、上下とも０．０５ｍｍのマージンを設けて、上方間隔Ｆ及び下方間隔Ｇとも、Ｆ＝Ｇ＝０．２ｍｍの設定とした。これにより、通常の傾動動作には影響を与えることなく、落下等の衝撃から圧電アクチュエータ１１０を確実に保護することができる。

次に、図１９乃至図２２を用いて、蛇行ばね８０の衝撃対策となる構成について説明する。図１９は、蛇行ばね８０の周辺を含む拡大図の一例である。

図１９において、蛇行ばね８０が示されているが、蛇行ばね８０には、高速側の第２の駆動梁５０の駆動源２０に電源を供給するために、電極配線１０４が２本通る。よって、電極配線１０４の幅が０．０２ｍｍの場合に、蛇行ばね８０のばね幅を０．０７ｍｍ（ライン０．０２ｍｍ×２＋スペース０．０１ｍｍ）とした。

また、図１９において、蛇行ばね８０の隣接するばねの間隔を、外側から内側に向かってＨ、Ｉ、Ｊとして表すとともに、蛇行ばね８０のＸ軸方向の長さをＫとする。図１９において、隣接するばね間隔Ｈ、Ｉ、Ｊは、Ｈ＜Ｊ＜Ｉの関係にあり、等間隔ではない。以下、この隣接するばね間隔Ｈ、Ｉ、Ｊの設定の方法の一例について、説明する。

図２０及び図２１は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０にＸ、Ｙ、Ｚ方向に陰解法により衝撃加速度を印加したときの応力分布の一例を示した図である。

図２０は、Ｘ＝＋０．０７ｍｍ、Ｙ＝＋０．０３５ｍｍ、Ｚ＝＋０．０２ｍｍでそれぞれの規制部１０１、１０２、１２０、１３０に衝突させたときの蛇行ばね８０の形状及び応力分布の一例を示した図である。図２０（Ａ）は、圧電アクチュエータ１１０の全体変形図であり、図２０（Ｂ）は、左側の蛇行ばね８０の拡大図であり、図２０（Ｃ）は、右側の蛇行ばね８０の拡大図である。

ここで、破断応力は１．５ＧＰａであり、落下衝撃では繰り返し応力が印加される訳ではないので、安全係数を乗じて最大応力が１．０ＧＰａ以下となるように設計すれば、落下衝撃に十分耐え得る設計となる。また、圧電アクチュエータ１１０は、図１６及び図１８において説明した間隔ＤはＸ軸に対して対称、間隔ＥはＹ軸に対して対称であり、蛇行ばね８０もＹ軸に対して左右対称であるものとする。

図２０（Ａ）より、＋Ｙ方向に大きな応力が印加されていることが分かる。また、図２０（Ｂ）より、左側の蛇行ばね８０は、隣接ばね間隔Ｈが狭くなり、隣接ばね間隔Ｉが開いてばね形状が変形していることが分かる。蛇行ばね８０の最大応力は、隣接ばね間隔Ｉの連結部に加わっていることも、図２０（Ｂ）に示されている。また、図２０（Ｃ）より、右側の蛇行ばね８０は、隣接ばね間隔Ｈ、Ｊが狭くなり、隣接ばね間隔Ｉが開くようにばね形状が変形していることが分かる。ここで、最大応力値は、０．６６ＧＰａであった。

図２１は、Ｘ＝−０．０７ｍｍ、Ｙ＝−０．０３５ｍｍ、Ｚ＝＋０．２ｍｍでそれぞれの規制部１０１、１０２、１２０、１３０に衝突させたときの蛇行ばね８０の形状と応力分布の一例を示した図である。図２１（Ａ）は、圧電アクチュエータ１１０の全体変形図であり、図２１（Ｂ）は、左側の蛇行ばね８０の拡大図である。また、図２１（Ｃ）は、弾性連結部４０の拡大図であり、図２１（Ｄ）は、右側の蛇行ばね８０の拡大図である。

図２１（Ｂ）より、左側の蛇行ばね８０は、隣接ばね間隔Ｈ、Ｉ、Ｊが広くなっていることが分かる。なお、図２１（Ｂ）において、隣接ばね間隔Ｈ、Ｉ、Ｊの中でも、隣接ばね間隔Ｉが最も広く変形していることが分かる。

図２１（Ｃ）より、弾性連結部４０には、第２ばね４２と可動枠７０の錘部７１との連結部分に最大応力が発生していることが分かる。発生した最大応力は、０．７６ＧＰａである。１．０ＧＰａ以下の値であるので、問題無い数値である。

図２１（Ｄ）より、右側の蛇行ばね８０は、隣接ばね間隔Ｈ、Iが狭くなっていることが分かる。

図２０及び図２１において、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０に加速度を印加したときの応力分布を示したが、その場合の発生応力は、０．１ＧＰａ以下であった。つまり、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０は、落下衝撃加速度の印加により、駆動対象物３０と高速駆動部５５及び可動枠７０がＸ、Ｙ、Ｚ方向に最大変位しても、発生する応力は１．０ＧＰａ以下となる。

また、その際、蛇行ばね８０の隣接するばね同士が接触しないように、変形時の隣接ばね間隔Ｈ、Ｉ、Ｊが０．０５ｍｍ以上確保できるようにした。その結果として、図１９で示したように、蛇行ばね８０の隣接ばねの間隔が不等間隔となった。つまり、隣接ばね間隔Ｈ、Ｊを、最も間隔が広い隣接ばね間隔Ｉに合わせて等間隔とすると、蛇行ばね８０の全長Ｋが大きくなり、圧電アクチュエータ１１０全体のサイズが大きくなる。よって、隣接ばね間隔を狭くして良い部分は狭くして蛇行ばね８０を構成することにより、蛇行ばね８０の隣接ばね間隔は不等間隔となった。

次に、比較参考例として、蛇行ばね８０をばね形状ではない単なる弾性体の梁とした場合の変形及び応力分布について説明する。

図２２は、比較参考例として、蛇行ばね８０を設けずに弾性体の梁の直線的なばね１８０で駆動梁９０と可動枠７０とを連結した場合の応力分布の一例を示した図である。図２２（Ａ）は、全体変形図であり、図２２（Ｂ）は、左側の直線的なばね１８０の拡大図であり、図２２（Ｃ）は、右側の直線的なばね１８０の拡大図である。なお、比較参考例に係る圧電アクチュエータには、Ｘ＝＋０．０７ｍｍ、Ｙ＝＋０．０３５ｍｍ、Ｚ＝＋０．２ｍｍの変位を加えている。

図２２（Ｂ）において、直線的なばね１８０のほぼ全体が、１ＧＰａを超えてしまっている。また、図２２（Ｃ）の右側の直線的なばね１８０においては、駆動梁９０の外側の連結部で最大応力が発生している。このとき、最大応力は、４．１３ＧＰａであり、１．０ＧＰａを大きく超えてしまっている。よって、比較参考例に係る圧電アクチュエータにおいては、落下衝撃加速度の印加により、可動枠７０及びこれに連結された高速駆動部５５及び駆動対象物３０がＸ、Ｙ、Ｚ方向に最大変位したときには、発生する応力は１．０ＧＰａを超えてしまい、破損してしまうことが分かる。

以上より、蛇行ばね８０には、図７において説明した共振周波数を低下させて応力集中を防ぐ作用効果の他、落下衝撃により発生する応力を分散させ、圧電アクチュエータ１１０の破損を防ぐ効果があることが分かる。

このように、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０によれば、低速駆動用の駆動梁９０を、外側２本（４ピース）の簡素な構成とし、駆動梁９０を共振駆動させ、蛇行ばね８０及び可動枠７０の錘部７１で周波数を低速駆動の周波数にまで下げるとともに、可動梁７０の内部に第２の駆動梁５０を設けることにより、２軸で干渉を起こさない独立振動系の圧電アクチュエータ１１０として構成することができる。また、配線１０４の長さと駆動源２０の面積を低減させることにより、低消費電力化を図ることができる。更に、固定枠１００に突起１０１、１０２、可動枠７０の錘部７１に錘部突起７３、７４を設けてＸ、Ｙ方向の可動範囲を規制するとともに、上方規制部材１２０及び下方規制部材１３０を設けて、上下方向の可動範囲も規制し、落下による衝撃が発生しても、破損し難い構成としている。また、蛇行ばね８０は、落下衝撃による応力を低減させる機能を有するので、落下耐性を更に高めることができる。

図２３は、本発明の実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１の全体構成の一例を示す斜視図である。実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１は、駆動対象物３０と、弾性連結部４０と、第２の駆動梁５０と、可動枠７０と、蛇行ばね８０と、駆動梁９２と、固定枠１００とを備える点は、実施例１に係る圧電アクチュエータ１００と同様である。実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１は、低速駆動を行う駆動梁９２が、折り返し構造を有する点のみにおいて、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０と異なっている。その他の構成要素については、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０と同様であるので、同一の参照符号を付してその説明を省略する。

実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１においては、低速駆動の駆動梁９２として、折り返し構造の駆動梁９２を用いるが、駆動梁９２は、非共振で変位を蓄積する方式ではなく、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０と同様に、共振駆動を行う。図２３においては、駆動対象物３０に近い内側の駆動梁９２が固定枠１００に連結され、隣接する駆動梁９２の端部同士が順次連結する折り返し構造であり、内側の駆動梁９２から外側の駆動梁９２に傾動力が伝達するにつれて変位が蓄積され、１本の駆動梁９２よりも大きな傾角を得ることができる構成となっている。図２３においては、３本の駆動梁９２で１駆動梁群９３を構成している。

このように、低速駆動用の駆動梁９２を折り返し構造として、複数の駆動梁９２で駆動梁群９３を構成することにより、傾角感度を向上させることが可能となる。具体的には、実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１の傾角感度は、４．４ｄｅｇ／Ｖを得ることができ、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１１の約２倍の傾角感度を得ることができた。また、最大応力についても、３ＭＰａ程度の大きさであり、問題の無い範囲内であった。

図２４は、実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１の駆動時の変形状態を示した図の一例である。図２４（Ａ）は、実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１をＸ軸の軸周りに低速駆動させた状態を示した変形図であり、図２４（Ｂ）は、実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１をＹ軸の軸周りに高速駆動させた状態を示した変形図である。

図２４（Ａ）において、Ｘ軸の軸周りに可動枠７０及び駆動対象物３０が傾動しているが、可動枠７０内の弾性連結部４０の第１ばねは共振しておらず、Ｘ軸周りの傾動駆動が、Ｙ軸周りの傾動駆動に干渉しないことを示している。

図２４（Ｂ）において、Ｙ軸の軸周りに駆動対象物３０が傾動しているが、駆動梁９２は共振しておらず、Ｙ軸周りの傾動駆動がＸ軸周りの傾動駆動に干渉を生じないことを示している。

このように、実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１は、２軸の圧電アクチュエータ１１１として構成した場合にも、互いの駆動軸の軸周りにおける傾動駆動が、他方の軸周りの傾動駆動に干渉を与えない構成となっている。

また、実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１においては、駆動梁９２が折り返し構造を有するため、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０よりも、製造工程がやや複雑になるが、折り返し構造の段数が少ないので、消費電力が大幅に上昇したり、製造歩留まりが大幅に悪くなったりすることは少ないと考えられる。この点で、実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１は、低速駆動に非共振の駆動梁を用いた圧電アクチュエータと比較すると、なお消費電力や製造歩留まりの点で利点を有している。

よって、傾角感度を重視したい場合には、実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１を採用し、消費電力の低減や製造歩留まりの向上を重視したい場合には、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０を採用する、というように、用途に応じて実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０と実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１を使い分けることができる。

実施例２に係る圧電アクチュエータ１１１によれば、更に傾角感度を向上させることができる。

図２５は、本発明の実施例３に係る圧電アクチュエータ１１２の変更部分を説明するための図である。実施例３に係る圧電アクチュエータ１１２においては、高速駆動部５５における傾角感度向上と最大応力を低減させる構成を有する。

図２５（Ａ）は、実施例３に係る圧電アクチュエータ１１２の高速駆動部５５の平面構成を示した図の一例である。実施例３に係る圧電アクチュエータ１１２においては、高速駆動部５５の弾性連結部４０が、第１ばね４４が１本となっている点で、第１ばね４１が２本で構成されている実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０と異なっている。その他の構成要素については、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０と同様であるので、図示及び説明を省略する。また、実施例１に係る圧電アクチュエータ１１０と同様の構成要素については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。

実施例３に係る圧電アクチュエータ１１２においては、傾角感度の向上と最大応力を低減させるように、高速駆動部５５におけるパラメータの設定を行う。

図２５（Ａ）において、第１ばね４４の幅をＡとし、第２ばね４２の幅を、第１ばね４４の幅Ａの１／２のＡ／２に設定する。また、ばね連結部４３の長さをＢ、第１ばね４４及び第２ばね４２の外側端部からＸ軸までの距離をＣとする。そして、第１ばね４４及びばね連結部４３のＸ軸までの距離Ｃを可変とすることで、共振周波数を一定の３０ｋＨｚに設定する。なお、ばね連結部４３は、全体で４箇所存在するが、総て共通の値に設定する。また、駆動対象物３０と第１ばね４４の連結箇所４６のＲ半径をＲ１＝０．１５ｍｍ、ばね連結部４３の内側のＲ半径をＲ２＝Ｂ／２に設定する。そして、第１ばね４４の幅Ａ及びばね連結部４３の長さＢをパラメータとして変化させ、傾角感度と最大応力の最適値を検討した。

図２５（Ｂ）は、駆動対象物３０を±１２ｄｅｇの傾角で傾動させる場合の、第１ばね４４の幅Ａ及びばね連結部４３の長さＢの変化に対する傾角感度〔ｄｅｇ／Ｖ〕の変化特性を示した図である。図２５（Ｂ）において、Ａ＝０．１２ｍｍの場合に最も傾角感度が高く、また、０．４ｍｍ＜Ｂ＜０．６ｍｍのＢ＝０．５ｍｍ付近の値で傾角感度が最大である特性が示されている。

図２５（Ｃ）は、第１ばね４４の幅Ａ及び支持梁側連結部５４の長さＢの変化に対する最大主応力の変化特性を示した図である。最大応力は、０．５ＧＰａ以下であれば、アクチュエータの耐性としては問題の無い数値である。図２５（Ｃ）において、Ａ＞０．１ｍｍの場合に、最大応力は０．５ＧＰａ以下となっている。また、Ａ＝０．１４ｍｍ又はＡ＝０．１２ｍｍの場合であって、０．４ｍｍ＜Ｂ＜０．６ｍｍのＢ＝０．５ｍｍ付近で最大主応力が最小となっている特性が示されている。

よって、傾角感度が高く、最大応力が小さい形状で、比較的小型のものとして、例えば、Ａ＝０．１２ｍｍ、Ｂ＝０．５ｍｍ、Ｃ＝１．４ｍｍ、Ｒ１＝０．１５ｍｍ、Ｒ２＝０．２５ｍｍの形状を採用するとよい。この場合、傾角感度は４．５０ｄｅｇ／Ｖ、±１２ｄｅｇの傾角で傾動させるための電圧は０−３．５Ｖ、最大応力は０．３８ＧＰａとすることができ、最大応力が小さく、傾角感度が高い良好な特性とすることができる。

このように、実施例３に係る圧電アクチュエータ１１２によれば、高速駆動部５５の傾角感度を向上させ、最大応力を低減させることができる。

図２６は、本発明の実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０１の構成の一例を示す斜視図である。図２６（Ａ）は、実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０１の全体斜視図の一例であり、図２６（Ｂ）は、実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０１の分解斜視図の一例であり、図２６（Ｃ）は、実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０１の断面斜視図の一例である。

図２６（Ａ）において、パッケージ１４０内に圧電アクチュエータ１１０が収容され、上面が封止ガラス１５０で覆われている点は、実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００と同様である。

実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０１は、上下方向の可動範囲を規制する部材が、上方規制部材と下方規制部材が一体化した上下方向規制部材１３３である点で、上方規制部材１２０と下方規制部材１３０とが各々別個に設けられた実施例１に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００と相違する。なお、その他の構成要素は、実施例１と同様であるので、実施例１と同一の参照符号を付し、その説明を省略するものとする。

図２６（Ｂ）において、上下方向規制部材１３３の斜視図が示されているが、上下歩行規制部材１３３は、上方規制部１３４と、下方規制部１３５とを有する。下方規制部１３５は、パッケージ１４０上に載置されて収容され、上方規制部１３４が、蛇行ばね８０を挟むように上方に延びて存在し、圧電アクチュエータ１１０の上方の移動を規制する。

図２６（Ｃ）には、実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０１の断面構成が示されている。下方規制部１３５は、中央部が浮いて圧電アクチュエータ１１０の下方の可動範囲を規制している。また、圧電アクチュエータ１１０の蛇行ばね８０の両側の隙間から、圧電アクチュエータ１１０の上方に上方規制部１３４が圧電アクチュエータ１１０を貫くように延び、鍵状の部分で圧電アクチュエータ１１０の上方の可動範囲を規制している。

このように、実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０１によれば、上方規制と下方規制の双方の機能を有する１つの上下方向規制部材１３３を用いることにより、上下の双方の圧電アクチュエータ２０１の可動範囲を規制することができる。これにより、組立容易な簡素な構成で落下等の衝撃による破損を防ぐことができる。

図２７は、本発明の実施例５に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０２の構成の一例を示した斜視図である。図２７（Ａ）は、実施例５に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０２の全体構成の一例を示す斜視図であり、図２７（Ｂ）は、実施例５に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０２の分解斜視図の一例であり、図２７（Ｃ）は、実施例５に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０２の断面構成斜視図の一例である。

図２７（Ａ）、（Ｂ）に示すように、実施例５に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０２においても、パッケージ１４０に圧電アクチュエータ１１０が収容され、上面を封止ガラス１５０が覆っている構成は、実施例１及び実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００と同様である。よって、実施例１と同様の構成要素については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図２７（Ａ）〜（Ｃ）に示すように、実施例５に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０２においては、上下方向規制部材１３６が、パッケージ１４０ではなく、可動枠７０に取り付けられる点で、実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０１と相違する。例えば、可動枠７０の、蛇行ばね８０との間の箇所に上下方向規制部材１３６を設けるようにすれば、通常の傾動駆動を妨げることなく、上下の可動範囲のみを規制することができる。図２７（Ｂ）に示すように、上下方向規制部材１３６は、上方規制部１３７と、下方規制部１３８を有する点は、実施例４に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０１と同様である。

図２７（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、実施例５に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０２によれば、小さな上下方向規制部材１３６を用いて、圧電アクチュエータ１１０の落下対策を行うことができ、全体を小さく構成しつつ、落下衝撃を適切に行うことができる。

図２８は、本発明の実施例６に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０３の構成の一例を示した斜視図である。図２８（Ａ）は、実施例６に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０３の全体構成の一例を示す斜視図であり、図２８（Ｂ）は、実施例６に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０３の分解斜視図の一例であり、図２８（Ｃ）は、実施例６に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０３の断面構成斜視図の一例である。

図２８（Ａ）、（Ｂ）に示すように、実施例６に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０３においても、パッケージ１４０に圧電アクチュエータ１１０が収容され、上面を封止ガラス１５０が覆っている構成は、実施例１、４及び５に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２００と同様である。よって、実施例１、４及び５と同様の構成要素については、同一の参照符号を付してその説明を省略する。

図２８（Ｂ）に示すように、実施例６に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０３は、封止ガラス１５０に取り付ける上方規制部材１２１と、パッケージ１４０に取り付ける下方規制部材１３９とを有する点で、実施例１、４及び５に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０３と異なる。このように、上方規制部材１２１は、封止ガラス１５０に取り付けるように構成してもよい。

また、図２８（Ｂ）、（Ｃ）に示すように、上方規制部材１２１及び下方規制部材１３９の双方とも、厚みを有する直線上の部材であって、簡素な構成を有しており、規制部材１２１，１３９の加工は極めて容易である。

このように、実施例６に係るパッケージングされた圧電アクチュエータ２０３によれば、簡素な構成で加工容易な上方規制部材１２１及び下方規制部材１３９を用いることにより、確実に落下防止対策を行うことができる。

図２９は、本発明の実施例７に係る光走査装置、例えばプロジェクタ３００の構成の一例を示した図である。実施例７においては、実施例１〜６において説明した圧電アクチュエータ１１０〜１１２、２００〜２０３をプロジェクタ３００に適用した例について説明する。

図２９において、実施例７に係るプロジェクタ３００は、圧電ミラー２０５と、レーザダイオード２１０と、コリメータレンズ２２０と、偏光ビームスプリッタ２３０と、１／４波長板２４０と、ＣＰＵ（Central Processing Unit、中央処理装置）２５０と、レーザダイオードドライバＩＣ（Integrated Circuit、集積回路）２６０と、圧電ミラードライバＩＣ２７０とを有する。また、図２９において、関連構成要素として、スクリーン３１０が示されている。

プロジェクタ３００は、スクリーン３１０に映像を投影して映し出す装置である。本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０〜１１２、２００〜２０３は、２軸駆動の圧電ミラー２０５として構成され、プロジェクタ３００に適用され得る。

レーザダイオード２１０は、レーザ光を発射する光源である。レーザダイオード２１０から発射されるレーザ光は、発散光であってよい。

コリメータレンズ２２０は、発散光を平行光に変換する手段である。レーザダイオード２１０から発散光が入射されても、コリメータレンズ２２０でレーザ光の成分方を揃えることができる。

偏光ビームスプリッタ２３０は、Ｐ偏光（又はＳ偏光）を反射し、Ｓ偏光（又はＰ偏光）を透過する偏光膜が形成されているビーム分離手段である。ここで、Ｐ偏光は、光の入射面内で振動する光の成分であり、Ｓ偏光は、光の入射面に垂直に振動する光の成分である。つまり、偏光ビームスプリッタ２３０は、Ｐ偏光及びＳ偏光の一方を反射し、他方を透過する。

よって、コリメータレンズ２２０からの平行光（Ｐ偏光）は、偏光ビームスプリッタ２３０により、２軸圧電ミラー２０５側に全反射される。偏光ビームスプリッタ２３０は、光を圧電ミラー２０５の方向に導く導光手段として機能する。

１／４波長板２４０は、光にπ／２（９０度）の位相差を発生させる位相差発生手段である。１／４波長板２４０は、直線偏光を円偏光に変換するとともに、円偏光を直線偏光に変換する。また、１／４波長板２４０は、偏光ビームスプリッタ２３０と一体的に構成されてもよい。

偏光ビームスプリッタ２３０で反射されたレーザ光は、偏光ビームスプリッタ２３０に一体構成された１／４波長板２４０を透過して、圧電ミラー２０５に向かう。

圧電ミラー２０５は、ミラー３１を２軸駆動させ、１／４波長板２４０からのレーザ光を反射する。圧電ミラー２０５で反射されたレーザ光は、再び１／４波長板２４０を透過してＳ偏光に変換され、偏光ビームスプリッタ２３０を透過し、スクリーン３１０に照射される。

ＣＰＵ２５０は、レーザダイオードドライバＩＣ２６０及び圧電ミラードライバＩＣ２７０を制御する手段である。レーザダイオードドライバＩＣ２６０は、レーザダイオード２１０を駆動する手段である。圧電ミラードライバＩＣ２７０は、圧電ミラー２０５を駆動する手段である。

ＣＰＵ２５０は、レーザドライバＩＣ２６０を制御し、レーザダイオード２１０を駆動する。また、ＣＰＵ２５０は、圧電ミラードライバ２７０を制御し、圧電ミラー２０５のＸ軸周り、Ｙ軸周りの傾動動作を制御する。圧電ミラー２０５が傾動動作することにより、圧電ミラー２０５のミラー３１で反射した光をスクリーン３１０上に走査させ、スクリーン３１０上に映像が形成される。

このように、本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０〜１１２、２００〜２０４は、プロジェクタ３００用の圧電ミラー２０５として好適に適用することができ、省電力で安定してミラー３１を２軸駆動させ、映像を映し出すことができる。

以上、本発明の好ましい実施例について詳説したが、本発明は、上述した実施例に制限されることはなく、本発明の範囲を逸脱することなく、上述した実施例に種々の変形及び置換を加えることができる。

特に、実施例１乃至７においては、２軸型の圧電アクチュエータ１１０、１１１、１１２、２００、２０１、２０２、２０３、２０５について説明したが、実施例１において説明したように、低速駆動又は高速駆動のみを行う１軸型の圧電アクチュエータにも適用することができる。また、２軸型の圧電アクチュエータであっても、高速駆動又は低速駆動の１軸についてのみ、本実施例に係る圧電アクチュエータ１１０〜１１２、２００〜２０３、２０５の構成及び機能を適用するようにしてもよい。

本発明は、ミラー等の駆動対象物を傾動駆動させて光線等の走査を行わせる小型のアクチュエータ及びこれを用いたプロジェクタ、スキャナ等に利用することができる。

１０ 半導体ウェハ
１１ Ｓｉ支持層
１２、１４ ＳｉＯ_２
１３ Ｓｉ活性層
１５ 梁
２０ 駆動源
２１ 圧電素子
２２ 圧電薄膜
２３、２４ 電極
３０、６０ 駆動対象物
３１ ミラー
４０ 弾性連結部材
４１、４４ 第１ばね
４２ 第２ばね
４３ ばね連結部
４５、４６ 連結箇所
５０ 第２の駆動源
５５ 高速駆動部
７０ 可動枠
７１ 錘部
７２ 連結部
７３、７４ 錘部突起
８０ 蛇行ばね
９０、９２ 駆動梁
９１ 空隙
９３ 駆動梁群
１００ 固定枠
１１０、１１１、１１２ 圧電アクチュエータ
１２０、１２１、 上方規制部材
１３０、１３９ 下方規制部材
１３１ 接着剤溜まり
１３２ 吊下部
１３３、１３６ 上下方向規制部材
１３４、１３７ 上方規制部
１３５、１３８ 下方規制部
１４０ パッケージ
１５０ 封止ガラス
２００〜２０３、２０５ パッケージングされた圧電アクチュエータ
２１０ ＣＰＵ
２２０、２３０ ドライバＩＣ
２４０ レーザダイオード
２５０ コリメータレンズ
２６０ 偏向ビームスプリッタ
２７０ １／４波長板
３００ プロジェクタ
３１０ スクリーン

Claims (14)

1. 駆動対象物を軸周りに傾動駆動させる圧電アクチュエータであって、
   前記軸の両側に配置された錘部と、前記軸と交差して延在し、前記錘部を連結する連結部とで前記駆動対象物を平面的に囲む環状構造を有し、前記駆動対象物が連結されて前記駆動対象物を連結支持する可動枠と、
   弾性体に圧電薄膜が成膜された構造を有し、前記可動枠より外側に配置され、前記可動枠の前記連結部に前記軸周りの傾動力を付与するように連結された駆動梁と、を含むことを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記駆動梁は、軸方向の両側から前記可動枠を挟むように、前記軸に垂直な方向に延在して配置され、前記軸の両側で対となる前記駆動梁が互いに逆方向に変位する電圧が印加されることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 前記駆動梁と前記連結部とは、隣接する梁が間隔を有して蛇行する蛇行ばねで連結されたことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータ。
4. 前記蛇行ばねの隣接する間隔は、前記蛇行ばねの変形量又は前記蛇行ばねに加わる応力分布に応じて定められ、変形量が大きい又は応力の大きく加わる箇所の間隔が、変形量が小さい又は応力が小さく加わる箇所の間隔よりも広い不等間隔であることを特徴とする請求項３に記載の圧電アクチュエータ。
5. 前記蛇行ばねの隣接する間隔は、前記蛇行ばねの前記可動枠に連結された箇所及び前記駆動梁に連結された箇所に最も近い蛇行部分が、前記蛇行ばねの中央側の箇所の蛇行部分よりも狭いことを特徴とする請求項４に記載の圧電アクチュエータ。
6. 前記駆動梁は、共振駆動されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
7. 前記可動枠及び前記駆動梁を平面的に囲む固定枠を有し、
   前記可動枠は、前記固定枠と同じ厚さで形成され、
   前記駆動梁は、前記固定枠よりも薄く形成されたことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
8. 前記固定枠には、前記可動枠の水平方向の可動範囲を規制する突起が設けられていることを特徴とする請求項７に記載の圧電アクチュエータ。
9. 前記駆動対象物は、前記可動枠の前記連結部に、弾性体に圧電薄膜が成膜された構造の第２の駆動梁を介して連結され、
   該第２の駆動梁は、前記軸と異なる第２の軸周りに前記駆動対象物を傾動させることを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
10. 前記駆動対象物と前記第２の駆動梁とは、梁構造の弾性体を含む弾性連結部材で連結されたことを特徴とする請求項９に記載の圧電アクチュエータ。
11. 前記可動枠の上下方向の可動範囲を規制する上下方向規制部品を更に備えたことを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
12. 前記駆動対象物は、ミラーであることを特徴とする請求項１乃至１１のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
13. 請求項１２に記載の圧電アクチュエータと、
    光を発射する光源と、
    該光源から発射された前記光を前記圧電アクチュエータに導く導光手段とを備え、
    前記圧電アクチュエータのミラーを傾動駆動させることにより、該ミラーにより反射された前記光を走査させることを特徴とする光走査装置。
14. 前記光をスクリーン上に走査させ、該スクリーン上に映像を形成することを特徴とする請求項１３に記載の光走査装置。

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