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WO2009130902A1 - ミアンダ形振動子およびこれを用いた光学反射素子およびこれを用いた画像投影装置 - Google Patents

ミアンダ形振動子およびこれを用いた光学反射素子およびこれを用いた画像投影装置 Download PDF

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WO2009130902A1
WO2009130902A1 PCT/JP2009/001852 JP2009001852W WO2009130902A1 WO 2009130902 A1 WO2009130902 A1 WO 2009130902A1 JP 2009001852 W JP2009001852 W JP 2009001852W WO 2009130902 A1 WO2009130902 A1 WO 2009130902A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
vibrator
meandering
piezoelectric
upper electrode
diaphragm
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.)
Ceased
Application number
PCT/JP2009/001852
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
寺田二郎
中園晋輔
古川成男
小牧一樹
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Panasonic Corp
Original Assignee
Panasonic Corp
Priority date (The priority date 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 date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Panasonic Corp filed Critical Panasonic Corp
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Priority to EP09733905.5A priority patent/EP2270972A4/en
Publication of WO2009130902A1 publication Critical patent/WO2009130902A1/ja
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Ceased legal-status Critical Current

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    • 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
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0858—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by piezoelectric means
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators
    • H10N30/204—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators using bending displacement, e.g. unimorph, bimorph or multimorph cantilever or membrane benders
    • H10N30/2041—Beam type
    • H10N30/2042—Cantilevers, i.e. having one fixed end
    • H10N30/2044—Cantilevers, i.e. having one fixed end having multiple segments mechanically connected in series, e.g. zig-zag type

Definitions

  • the present invention relates to a meandering vibrator used for various actuators, an optical reflecting element using the same, and an image projection apparatus using the same.
  • Fig. 9 shows an example of a conventional meander type vibrator.
  • the meandering vibrator includes a plurality of diaphragms 1A to 1F that are connected in a folded manner, and a piezoelectric actuator 2 that is disposed on each of the diaphragms 1A to 1F.
  • the piezoelectric actuator 2 includes a lower electrode, a piezoelectric body, and an upper electrode, and the upper electrode is formed electrically independent from the upper electrode of the adjacent piezoelectric actuator 2. Then, by applying voltages of opposite phases to these upper electrodes, the adjacent diaphragms 1A to 1F are flexibly vibrated in directions different by 180 degrees. Thus, by bending and vibrating in the opposite direction, displacement can be accumulated around the rotation axis of the meandering vibrator, and a large driving force can be obtained.
  • the conventional meander type resonator has a problem that productivity is lowered with downsizing.
  • the piezoelectric actuators 2 are arranged on the individual diaphragms 1A to 1F, respectively. Therefore, if the adjacent diaphragms 1A to 1F are to be driven in the opposite phase, at least the upper electrode and the wiring of the adjacent piezoelectric actuator must be arranged on one diaphragm 1A to 1F. It is difficult to form on the diaphragms 1A to 1F. This problem becomes more prominent as the element becomes smaller.
  • a piezoelectric actuator is provided on every other diaphragm on every other diaphragm.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical reflecting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is an enlarged perspective view of a main part of the optical reflecting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2B is a cross-sectional view taken along line 2B-2B of FIG. 2A.
  • FIG. 3 is a schematic diagram showing an operating state of the optical reflecting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 4A is an enlarged perspective view of a main part of the optical reflecting element according to Embodiment 2.
  • FIG. 4B is a cross-sectional view taken along line 4B-4B of FIG. 4A.
  • FIG. 5 is a perspective view of an optical reflecting element according to Embodiment 3 of the present invention.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical reflecting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • FIG. 2A is an enlarged perspective view of a main part of the optical reflecting element according to Embodiment 1 of the
  • FIG. 6 is a plan view of an optical reflecting element according to Embodiment 4 of the present invention.
  • 7 is a cross-sectional view taken along line 7-7 of FIG.
  • FIG. 8 is a schematic diagram showing an operating state of the optical reflecting element according to Embodiment 4 of the present invention.
  • FIG. 9 is a perspective view of a conventional optical reflecting element.
  • FIG. 10 is a block diagram of an image projection apparatus using the optical reflecting element of the present invention.
  • the optical reflecting element includes a mirror unit 3, a pair of meander-type vibrators 4 that are opposed to each other via the mirror unit 3, and one end of which is connected to the mirror unit 3.
  • a support body 5 that is connected to the other end of the meandering vibrator 4 and surrounds the outer circumference of the meandering vibrator 4 and the mirror unit 3 is provided.
  • the meandering oscillator 4 is composed of a plurality of diaphragms 7A to 7E connected so as to be folded back 180 degrees in a predetermined direction with the rotation shaft 6 as a center.
  • piezoelectric actuators 8 are arranged every other one. In FIG. 1, the wiring of the piezoelectric actuator 8 is omitted, and this wiring will be described later with reference to FIG. 2A.
  • the piezoelectric actuator 8 has a lower electrode 9, a piezoelectric body 10, and an upper electrode 11 stacked in this order.
  • a single upper electrode 11 and its wiring 12 are connected to a plurality of diaphragms 7C to 7E (see FIG. 7A and 7B).
  • a wide upper electrode 11 is formed on the diaphragm 7D, and a wiring 12 having a width narrower than that of the upper electrode 11 is formed on the diaphragms 7C and 7E adjacent to the diaphragm 7D.
  • the piezoelectric actuators 8 are not formed on the diaphragms 7A, 7C, and 7E on which the wirings 12 are arranged, and these diaphragms 7A, 7C, and 7E are formed of the piezoelectric actuators. 8 are alternately arranged with diaphragms 7B and 7D on which 8 is formed.
  • this optical reflecting element As a base material (13 in FIG. 2B) of this optical reflecting element, it is preferable from the viewpoint of productivity to be composed of a material having elasticity, mechanical strength and high Young's modulus such as a metal, glass or ceramic substrate. It is preferable to use a metal, quartz, glass, quartz or ceramic material from the viewpoint of mechanical properties and availability. Furthermore, if a metal such as silicon, titanium, stainless steel, Elinvar, or a brass alloy is used, an optical reflecting element having excellent vibration characteristics and workability can be realized.
  • the piezoelectric material used for the piezoelectric body 10 is preferably a material of the piezoelectric body 10 having a high piezoelectric constant such as lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • the crystallinity of the piezoelectric body 10 can be improved by using platinum as the lower electrode 9.
  • the upper electrode 11 include titanium / gold.
  • an insulating film 14 such as silicon dioxide is formed on a silicon substrate having a thickness of about 0.5 mm.
  • the lower electrode 9 is laminated on the insulating film 14 using a thin film process such as sputtering or vapor deposition.
  • the thickness of the silicon substrate may be changed.
  • the natural frequency can be adjusted by changing the thickness.
  • a layer of the piezoelectric body 10 is formed on the lower electrode 9 by sputtering or the like.
  • an oxide dielectric containing Pb and Ti is preferably used as an orientation control layer between the piezoelectric body 10 and the lower electrode 9, and an orientation control layer made of lanthanum magnesium-added titanium (PLMT) is formed. It is more preferable. Thereby, the crystal orientation of the piezoelectric body 10 is further improved, and the piezoelectric actuator 8 having excellent piezoelectric characteristics can be formed.
  • a titanium / gold film to be the upper electrode 11 or its wiring 12 is formed on the piezoelectric body 10.
  • the titanium film under the gold film is formed in order to increase the adhesion with the piezoelectric body 10 such as a PZT thin film, and a metal such as chromium can be used in addition to titanium.
  • a diffusion layer that is excellent in adhesion to the piezoelectric body 10 and is strong with the gold electrode is formed, so that the piezoelectric actuator 8 having high adhesion strength can be formed.
  • the thickness of the platinum lower electrode 9 is 0.2 ⁇ m
  • the piezoelectric body 10 is 3.5 ⁇ m
  • the titanium portion of the upper electrode 11 is 0.01 ⁇ m
  • the gold electrode portion is 0.3 ⁇ m. is doing.
  • the lower electrode 9, the piezoelectric body 10, the upper electrode 11 and the wiring 12 thereof are etched and patterned using photolithography technology.
  • etching solution for the upper electrode 11 and its wiring 12 a predetermined electrode pattern is formed using an etching solution made of a mixed solution of iodine / potassium iodide, ammonium hydroxide, and hydrogen peroxide.
  • any one of a dry etching method and a wet etching method, or a combination of these methods can be used.
  • a fluorocarbon-based etching gas or SF 6 gas can be used.
  • the layer of the piezoelectric body 10 is wet-etched using a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, acetic acid and hydrogen peroxide and patterned, and then the lower electrode 9 is further etched by dry etching and patterned. .
  • an unnecessary silicon portion is removed by isotropic dry etching of the silicon substrate using XeF 2 gas, and the base material 13 is patterned.
  • an optical reflecting element having a shape as shown in FIG. Can be formed.
  • etching when etching a silicon substrate with higher accuracy, dry etching utilizing the anisotropy of silicon is preferable.
  • etching can be performed more linearly by using a mixed gas of SF 6 gas that promotes etching and C 4 F 8 gas that suppresses etching, or by alternately switching these gases.
  • the mirror part 3, the meandering vibrator 4, and the base material 13 of the support 5 are integrally formed from the same base material 13, so that stable vibration characteristics and optical reflection with excellent productivity are achieved. An element can be realized.
  • the mirror part 3 can be formed also by mirror-polishing the surface of the base material 13
  • money and aluminum excellent in the reflective property of light can also be formed as a mirror film.
  • gold is used as the upper electrode 11, this gold film can be used as it is as a mirror film, and the production efficiency is increased.
  • the lower electrode 9 of the meandering vibrator 4 shown in FIG. 2B is grounded, and an AC voltage having a frequency corresponding to the resonance frequency of the optical reflecting element is input to the upper electrode 11.
  • the diaphragm 7D in which the wide upper electrode 11 shown in FIG. 2A is arranged is applied with a voltage to the piezoelectric body 10 sandwiched between the lower electrode 9 and the upper electrode 11, and protrudes downward. Or, it is displaced so as to be curved upward.
  • the diaphragms 7C and 7E are driven symmetrically with the adjacent diaphragm 7D by the principle of resonance. That is, the diaphragms 7C and 7E are displaced and driven in a direction different from the adjacent diaphragm 7D by 180 degrees.
  • a voltage is applied to the diaphragm (7B in FIG. 1) on which the adjacent wide upper electrode 11 is disposed, and is displaced in a direction different from the above-described adjacent diaphragm 7C by 180 degrees.
  • the adjacent diaphragms 7A to 7E are displaced in directions different by 180 degrees even in the single upper electrode 11, so that the meandering vibrator 4 includes the diaphragm 7A as shown in FIG.
  • the displacement accumulates around the rotation axis (6 in FIG. 1), and the single upper electrode 11 is also greatly displaced.
  • the mirror unit 3 is connected to the end of the meandering vibrator 4, so that the vibration energy of the meandering vibrator 4 propagates to the mirror unit 3.
  • the mirror unit 3 can be rotated around the rotation shaft 6.
  • the mirror unit 3 rotates about a single rotation shaft 6, if the mirror unit 3 is irradiated with light, the light can be scanned in one direction. Available.
  • productivity of a small optical reflection element can be improved.
  • the piezoelectric actuators 8 are arranged on every other vibration plate 7A to 7E. Therefore, the adjacent diaphragms 7A to 7E can be driven in the opposite phase by one upper electrode 11, and the number of electrodes routed on the element can be reduced. That is, in the present embodiment, one diaphragm 7A to 7E can be driven by alternately providing at least one of the upper electrode 11 and the wiring 12 thereof.
  • the electrodes can be easily routed, and as a result, the productivity can be improved.
  • the mirror unit 3 is a dual-supported structure that is supported by the support 5 with two meandering vibrators 4, so that the generation of unnecessary vibrations can be suppressed.
  • the amplitude of the mirror unit 3 can be increased by the lever principle.
  • the rotation shaft 6 is the center of rotation of the meandering vibrator 4 and there is almost no displacement, so that it can be stably supported by supporting in this region.
  • the piezoelectric actuator 8 described above is arranged in any of the pair of meander-type vibrators 4. However, when the resonance actuator is driven, one of the pair of meander-type vibrators 4 has a meander-type vibration.
  • the piezoelectric actuator 8 may be disposed only on the child 4.
  • vibration propagates from the one meander-type vibrator 4 on which the piezoelectric actuator 8 is disposed through the mirror unit 3, and the other meander-type vibrator 4 can be similarly driven to resonate.
  • a monitor electrode (not shown) may be disposed on the other meandering vibrator 4 in place of the upper electrode 11 of the piezoelectric actuator 8. Similar to the upper electrode 11, the monitor electrode is formed to be wide, and a narrow wiring can be provided on the diaphragm adjacent to the diaphragm on which the monitor electrode is arranged to be drawn out.
  • the monitor electrode can detect the displacement of the piezoelectric body 10 of the meandering vibrator 4 on which the monitor electrode is formed as an electrical signal, and this electrical signal is transmitted to the other meandering vibrator 4 via a feedback circuit. Input to the upper electrode 11 is possible.
  • the monitor electrode 15 is laminated on the piezoelectric body 10 in the same manner as the upper electrode 11 as shown in FIG. 4B.
  • the monitor electrode 15 is formed wide on the diaphragms 7C and 7E, and the wiring 16 is formed narrow on the adjacent diaphragm 7D.
  • the wiring 16 of the monitor electrode 15 is disposed on the diaphragm 7D where the wide upper electrode 11 is disposed, and the diaphragms 7C and 7E where the wiring 12 of the upper electrode 11 is disposed on the diaphragm 7C.
  • a wide monitor electrode 15 is formed.
  • the monitor electrode 15 can detect the displacement of the piezoelectric body 10 as an electrical signal.
  • the upper electrode 11 and the monitor electrode 15 are alternately arranged on the plurality of diaphragms 7C to 7E, so that the electrical signal detected by the monitor electrode 15 has a phase opposite to that of the electrical signal applied to the upper electrode 11. It becomes. Therefore, if this signal is input to the upper electrode 11 via the feedback circuit, the meandering vibrator 4 can be self-excited and driven with high accuracy.
  • the conventional optical reflecting element when a monitor electrode is provided on the meandering vibrator, at least one upper electrode, one wiring, and one monitor electrode are provided on a plurality of diaphragms. As a result, the space for the upper electrode, the monitor electrode, and each wiring is narrowed, and it is difficult to ensure the electrical insulation of these, making production difficult.
  • every other piezoelectric actuator 8 is arranged as in the first embodiment shown in FIG. 1, and therefore the number of electrodes routed to one meander-type vibrator 4 is the monitor electrode 15. And the upper electrode 11 may be two. Therefore, an increase in the number of electrodes can be suppressed, and the productivity of a small optical reflection element can be improved.
  • the optical reflecting element of the present embodiment includes a mirror unit 3, a meandering vibrator 4 (first meandering vibrator), a frame 17, and a meandering vibrator 18 ( A second meandering oscillator) and an indicating pair 19.
  • the optical reflecting element is opposed to the mirror unit 3 and has a pair of meander-type vibrators 4 (first meander-type vibrators) each having one end connected to the mirror unit 3 and a meander-type vibration.
  • a frame 17 is provided that is connected to the other end of each child 4 and surrounds the outer circumference of the meandering vibrator 4 and the mirror unit 3.
  • the optical reflecting element further opposes through the frame body 17, and a pair of meander-type vibrators 18 (second meander-type vibrators) each connected to the frame body 17 and one end thereof, and meander-type vibrations.
  • a frame-like support body 19 that is connected to each other end of the child 18 and surrounds the outer periphery of the meandering vibrator 18 and the frame body 17 is provided.
  • the meandering vibrator 4 has the same configuration as the meandering vibrator 4 in the first embodiment, and the structure and arrangement position of the piezoelectric actuator 8 are also the same.
  • the rotation axis 6 of the meandering oscillator 4 and the rotation axis 20 of the meandering oscillator 18 are orthogonal to each other, whereby the light reflected from the mirror unit 3 is horizontally and vertically Can be scanned.
  • the rotation axis 6 of the meandering oscillator 4 and the rotation axis 20 of the meandering oscillator 18 intersect at the center of the mirror unit 3. Therefore, the center of the mirror part 3 becomes a fixed point, and if light is incident on the fixed part, the optical path length between the incident light and the reflected light becomes constant, and a highly accurate image can be projected.
  • the wiring (12 in FIG. 2A) of the upper electrode of the meandering oscillator 4 is drawn out to the connection terminal 21 on the support body 19 while being routed on the frame 17 and the meandering oscillator 18. .
  • the meandering vibrator 18 includes piezoelectric actuators 23 on every other vibration plate 22A to 22E constituting the meandering vibrator 18. Further, the upper electrode of the meandering vibrator 18 is drawn out to the connection terminal 24 on the support 19.
  • the number of electrodes can be reduced in each of the meandering vibrators 4 and 18. Therefore, even if the element is miniaturized, the electrode can be routed, and as a result, the productivity of the optical reflecting element can be increased.
  • the wiring of the upper electrode of the piezoelectric actuator 8 of the inner meandering vibrator 4 may be routed to the meandering vibrator 18 to reduce the size of the optical reflecting element.
  • the space becomes insufficient, and it becomes difficult to ensure electrical insulation between the upper electrode and the wiring. Therefore, if the meandering oscillator 4 and the meandering oscillator 18 can be driven by one upper electrode as in the present embodiment, the number of electrodes to be drawn is reduced, which contributes to the improvement of productivity.
  • the piezoelectric actuators 8 and 23 are arranged alternately on the plurality of diaphragms (7A to 7E in FIG. 1) and 22A to 22E, respectively, so that the adjacent diaphragms can be driven in opposite phases. Therefore, a large displacement can be obtained.
  • either one of the pair of meandering vibrators 4 and one of the pair of meandering vibrators 18 are arranged with monitor electrodes instead of the upper electrodes of the piezoelectric actuators 8 and 23. May be. If the meander-type vibrators 4 and 18 on which the piezoelectric actuators 8 and 23 are provided are driven to resonate, the vibration energy propagates, and the meander-type vibrators 4 and 18 on which the monitor electrodes are provided are also provided. This is because resonance driving can be performed.
  • the optical reflecting element in the present embodiment is opposed to the mirror unit 3 via the mirror unit 3 and connected to the mirror unit 3 by the first support unit 25.
  • the pair of meander-type vibrators 29 facing each other through the frame body 17 and having one end portion connected to the frame body 17, and the other end parts of the meander-type vibrators 29. are connected to each other, and a meandering vibrator 29 and a frame-shaped support body 19 that surrounds the entire outer periphery of the frame body 17 are provided.
  • the opposing meander-type vibrators 29 are provided symmetrically with respect to the rotation shaft 30 of the tuning-fork-type piezoelectric vibrator 26, and one end of each is connected to the corner of the frame 17, and the other end is the meander-type vibrator. 29 is connected to the support 19 on the rotating shaft 31.
  • the meander-type vibrator 29 has a plurality of diaphragms 32A to 32E parallel to the rotation shaft 30 of the tuning-fork type piezoelectric vibrator 29, and is meandering repeatedly.
  • a piezoelectric actuator 33 is provided on each of the diaphragms 32A to 32E, that is, on each of the diaphragms 32A, 32C, and 32E.
  • the composition of the piezoelectric actuator 33 is the same as that of the piezoelectric actuator 8 of the meandering vibrator 4 of the first embodiment.
  • the tuning fork type piezoelectric vibrator 26 has a first arm 34 and a second arm 35 substantially parallel to the rotation shaft 30 on both sides of the first support portion 25, respectively.
  • Piezoelectric actuators 36 and 37 are provided on the first arm 34 and the second arm 35, respectively.
  • FIG. 7 shows a cross-sectional view taken along line 7-7 of FIG.
  • the aforementioned piezoelectric actuators 33, 36, and 37 include a lower electrode 9, a piezoelectric body 10, and upper electrodes 38, 39, and 40 as shown in FIG.
  • the lower electrode 9 and the piezoelectric body 10 are formed in common by the tuning fork-shaped piezoelectric vibrator 26 and the meander-shaped vibrator 29, and the upper electrodes 38, 39, 40 are electrically independent from each other. Formed.
  • the rotating shaft 30 of the tuning fork-shaped piezoelectric vibrator 26 and the rotating shaft 31 of the meander-shaped vibrator 29 are orthogonal to each other. It can be excited in the vertical and horizontal directions.
  • the vibration design is such that the resonance frequency of the tuning fork type piezoelectric vibrator 26 and the resonance frequency of the torsional vibrator constituted by the mirror part 3 and the first support part 25 are substantially the same frequency.
  • a signal having the resonance frequency is also applied to the meandering vibrator 29 and driven to resonate, whereby the amplitude is accumulated in the plurality of diaphragms 32A to 32E, and the frame body 17 is efficiently and repeatedly rotated. It can be vibrated. Further, by making the vibrator a meander shape, the resonator length can be increased and the vibrator can be driven at a low frequency.
  • the upper electrode 38 of the piezoelectric actuator 33 formed on the diaphragms 32A, 32C, 32E of the third meander-type vibrator shown in FIG. 7 is connected to the connection terminal 43 of FIG. Connected. Further, the upper electrode 39 of the piezoelectric actuator 36 formed on the first arm 34 shown in FIG. 7 was connected to the connection terminal 45 of FIG. Further, the upper electrode 40 of the piezoelectric actuator 37 formed on the second arm 35 shown in FIG. 7 was connected to the connection terminal 47 via the wiring 46. As a result, opposite electrical signals can be applied to the first arm 34 and the second arm 35, and an electrical signal of the resonance frequency can be applied to the meandering vibrator 29 to the piezoelectric actuators 33, 36, and 37. .
  • the piezoelectric body 10 layer expands and contracts in the plane direction, and the first arm 34 and the second arm 35 are It bends and vibrates in the direction perpendicular to the substrate 13.
  • the piezoelectric actuators 36 and 37 formed on the first arm 34 and the second arm 35 can be flexed and vibrated in a direction (in the directions of arrows 48 and 49) that is 180 degrees out of phase, that is, in the opposite direction.
  • the first and second arms 34 and 35 can be greatly bent and vibrated because of the cantilever structure having the distal ends thereof as free ends.
  • the vibration energy of the first arm 34 and the second arm 35 is propagated to the connecting portion 41 of the tuning fork type piezoelectric vibrator 26.
  • the tuning fork type piezoelectric vibrator 26 repeats rotational vibration (torsional vibration) at a predetermined frequency around the rotation axis 30 with the straight line passing through the vibration center 27 as the rotation axis 30.
  • the vibration energy of this repetitive rotational vibration is transmitted to the first support part 25 joined to the connecting part 41, and the torsional vibrator composed of the first support part 25 and the mirror part 3 Torsional vibration occurs in the direction of the arrow 50 around the rotation shaft 30.
  • repetitive rotational vibration is caused in the mirror unit 3 with the rotation shaft 30 as the axis center.
  • the direction of the repetitive rotational vibration of the tuning fork-shaped piezoelectric vibrator 26 and the direction of the repetitive rotational vibration of the torsional vibrator constituted by the first support part 25 and the mirror part 3 vibrate in opposite directions that are 180 degrees out of phase. Will be.
  • the end of the frame 17 can be vibrated in the vertical direction by the vibration energy from the meander-shaped vibrator 29, and the frame 17 can be repeatedly rotated and vibrated around the rotation shaft 31 of the meander-shaped vibrator 29.
  • the mirror unit 3 supported by the frame body 17 can also be repeatedly rotated and oscillated around the rotation shaft 31 of the meandering vibrator 29.
  • a light beam generated from, for example, a laser light source or an LED light source is input to the mirror unit 3 and reflected by the vibrating mirror unit 3 to scan the light beam on the screen.
  • a light beam generated from, for example, a laser light source or an LED light source is input to the mirror unit 3 and reflected by the vibrating mirror unit 3 to scan the light beam on the screen.
  • the rotating shafts 30 and 31 of the tuning fork type piezoelectric vibrator 26 and the meandering vibrator 29 are orthogonal to each other, the light emitted from the mirror unit 3 is scanned in the vertical and horizontal directions on the screen. Can do.
  • the productivity of the optical reflecting element can be improved.
  • the frequency ratio of vibration can be increased in the biaxially driven optical reflecting element.
  • the repetitive rotational vibration centered on one rotating shaft 30 can be driven at a high frequency by the tuning fork-shaped piezoelectric vibrator 26, and the repetitive rotational vibration centered on the other rotating shaft 31 is a meander having a large beam length. This is because it can be driven by a meander beam of the shape vibrator 29 and driven at a low frequency.
  • the frequency ratio can be increased in the biaxially driven optical reflecting element.
  • the scanning speed in the horizontal direction of the screen is larger than the scanning speed in the vertical direction.
  • the vibrator for scanning light in the vertical direction is the meander-type vibrator 29
  • the beam length can be easily designed even in a small element, and the biaxial drive optical
  • the frequency ratio of the reflective element can be increased.
  • the vibrator arranged on the inner side and having a smaller size has a tuning fork shape, and thus a simple pattern is formed, thereby increasing production efficiency.
  • the tuning fork-shaped piezoelectric vibrator 26 has a tuning fork shape, so that the tip of the arm becomes a free end, so that the deflection angle of the mirror portion 3 can be efficiently increased even if it is small. If the tuning fork-shaped piezoelectric vibrator 26 is driven at a high frequency, the amplitude decreases. Therefore, if the amplitude can be obtained efficiently as described above, a highly accurate optical reflecting element can be realized.
  • the vibration source into a tuning fork shape having a high Q value, large vibration energy can be obtained with small energy, which contributes to miniaturization of the element.
  • the vibration of the tuning fork type piezoelectric vibrator 26 and the meander type vibrator 29 the reflection angle of the output light can be greatly changed, and the input light such as a laser beam becomes a predetermined design value.
  • An optical reflecting element that can be swept can be realized.
  • the mirror unit 3 is surrounded by a pair of tuning fork type piezoelectric vibrators 26 from both sides thereof, and the outer periphery of these tuning fork type piezoelectric vibrators 26 is surrounded by the frame body 17, and the frame body 17 is viewed from both sides thereof. Since it is surrounded by a pair of meander-type vibrators 29 and the outer periphery of these meander-type vibrators 29 is surrounded by the support 19, the area of the element can be used effectively, and the element can be miniaturized.
  • first and second arms 34 and 35 are each linear, and therefore can be easily processed.
  • the tuning fork-shaped piezoelectric vibrators 26 are symmetrically disposed on both sides of the mirror unit 3, so that the mirror unit 3 can be stably excited in the left-right symmetry.
  • the center becomes a fixed point, and light can be scanned stably.
  • the mirror part 3 has a both-end support structure in which both ends thereof are supported by the first support part 25, unnecessary resonance of the mirror part 3 can be suppressed and the influence of disturbance vibration can be reduced.
  • the meandering vibrators 29 are symmetrically arranged on both sides of the frame body 17, the center of the frame body 17 can be excited as a fixed point.
  • the frame body 17 is a both-end support structure in which both ends are supported by the meander-shaped vibrator 29, unnecessary resonance of the frame body 17 can be suppressed and the influence of disturbance vibration can be reduced.
  • the piezoelectric actuators 36 and 37 are formed on both the first arm 34 and the second arm 35.
  • the piezoelectric actuators 36 and 37 may be formed only on at least one of them. This utilizes the characteristics of the tuning fork type piezoelectric vibrator 26.
  • the kinetic energy propagates to the other arm via the connecting portion 41, and the other arm also has an opposite phase. This is because it can be excited. Accordingly, either the upper electrode 39 or 40 shown in FIG. 7 is not required, the number of electrodes is reduced, and the productivity of the optical reflecting element can be improved.
  • the tuning fork type piezoelectric vibrator 26 and the meander type vibrator 29 are formed on only one side of the piezoelectric actuators 33, 36, and 37, but may be formed on both sides. Since the tuning fork type piezoelectric vibrator 26 has a smaller area than the meander type vibrator 29 and has a weak driving force, only the tuning fork type piezoelectric vibrator 26 may have piezoelectric actuators formed on both surfaces of the base material 13.
  • each cross-sectional shape of the 1st support part 25 and the 2nd support part 28 is circular, the vibration mode of a torsional vibration will be stabilized, an unnecessary resonance can also be suppressed, and it will be influenced by disturbance vibration. A difficult optical reflecting element can be realized.
  • monitor electrodes may be arranged on the first arm 34, the second arm 35 of the tuning fork type piezoelectric vibrator 26, and the diaphragms 32A to 32E of the meandering vibrator 29, respectively.
  • FIG. 10 shows a block diagram of an image projection apparatus 100 using a meandering vibrator as an optical reflection element.
  • the drive circuit 101 drives the optical reflection element 102 using a meandering vibrator.
  • the optical reflection element 102 controls the scanning of the light beam 104 emitted from the light source 103 with high accuracy in the uniaxial or biaxial direction. This is useful for image projection apparatuses such as a head-up display (HDU), a head-mounted display (HMD), and a micro projector.
  • HDU head-up display
  • HMD head-mounted display
  • micro projector a micro projector
  • the present invention has an effect that the optical reflecting element can be reduced in size, and is also useful for applications such as an electrophotographic copying machine, a laser printer, a laser exposure machine, and an optical scanner equipped with a light source.
  • the present invention has an effect that the optical reflecting element can be reduced in size, and is particularly useful for electrophotographic copying machines, laser printers, laser exposure machines, image projection apparatuses, and optical scanners equipped with a light source.

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Abstract

　所定方向に折り返し連結された複数の振動板と、振動板上に順に積層された下部電極、圧電体、上部電極を有する圧電アクチュエータとから構成されるミアンダ形振動子で、圧電アクチュエータを振動板上において一本おきに配置している。これにより本発明は、素子を小型化しても、電極の引き回しが容易になり、結果として生産性を高めることが出来る。

Description

ミアンダ形振動子およびこれを用いた光学反射素子およびこれを用いた画像投影装置
　本発明は、各種アクチュエータに用いられるミアンダ形振動子とこれを用いた光学反射素子およびこれを用いた画像投影装置に関するものである。
　図９に従来のミアンダ形振動子の一例を示す。このミアンダ形振動子は、折り返し連結された複数の振動板１Ａ～１Ｆと、これらの振動板１Ａ～１Ｆ上にそれぞれ配置された圧電アクチュエータ２とを備えている。この圧電アクチュエータ２は、下部電極、圧電体、上部電極とからなり、この上部電極は、隣接する圧電アクチュエータ２の上部電極とは電気的に独立して形成されている。そしてこれらの上部電極にそれぞれ逆位相の電圧を印加することによって、隣り合う振動板１Ａ～１Ｆを１８０度異なる方向にたわみ振動させるものである。このように逆方向に撓み振動させることにより、このミアンダ形振動子の回転軸を中心に変位を蓄積させることができ、大きな駆動力を得ることができる。
　従来のミアンダ形振動子では、小型化に伴い、生産性が低くなるという課題がある。
　その理由は、個々の振動板１Ａ～１Ｆにそれぞれ圧電アクチュエータ２を配置したからである。したがって隣接する振動板１Ａ～１Ｆを逆位相に駆動させようとすると、一の振動板１Ａ～１Ｆには、少なくとも上部電極および隣接する圧電アクチュエータの配線とを配置する必要があり、これらを微細な振動板１Ａ～１Ｆ上に形成するのは困難である。そしてこの問題は、素子が小型化するほど顕著となる。
特開２００８－０３５６００号公報
　本発明は、複数の振動板上において、これら振動板の一本おきに圧電アクチュエータを備えたものとする。これにより上部電極数を減らすことができ、素子が小型化しても、電極の引き回しが容易になる。そしてその結果、生産性を高めることが出来る。
図１は本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図である。 図２Ａは本発明の実施の形態１における光学反射素子の要部拡大斜視図である。 図２Ｂは図２Ａの２Ｂ－２Ｂ線断面図である。 図３は本発明の実施の形態１における光学反射素子の動作状態を示す模式図である。 図４Ａは実施の形態２における光学反射素子の要部拡大斜視図である。 図４Ｂは図４Ａの４Ｂ－４Ｂ線断面図である。 図５は本発明の実施の形態３における光学反射素子の斜視図である。 図６は本発明の実施の形態４における光学反射素子の平面図である。 図７は図６の７－７線断面図である。 図８は本発明の実施の形態４における光学反射素子の動作状態を示す模式図である。 図９は従来の光学反射素子の斜視図である。 図１０は本発明の光学反射素子を用いた画像投影装置のブロック図である。
　（実施の形態１）
　以下本発明の実施の形態１では、ミアンダ形振動子を用いた光学反射素子について説明する。
　図１に示すように、この光学反射素子は、ミラー部３と、このミラー部３を介して対向すると共に、このミラー部３にそれぞれの一端が連結された対のミアンダ形振動子４と、これらのミアンダ形振動子４の他端と連結され、これらのミアンダ形振動子４およびミラー部３の外周を囲う支持体５とを備えている。そしてこのミアンダ形振動子４は、その回転軸６を中心として所定方向に、１８０度折り返すように連結された複数の振動板７Ａ～７Ｅからなる。これらの振動板７Ａ～７Ｅ上には、これらの一本おきに圧電アクチュエータ８が配置されている。なお図１では圧電アクチュエータ８の配線を省略して示し、この配線については図２Ａを用い後述する。
　また本実施の形態では、この圧電アクチュエータ８は、図２Ｂに示すように、下部電極９、圧電体１０、上部電極１１が順に積層されたものである。
　また本実施の形態では、図２Ａ、図２Ｂに示すように、一つのミアンダ形振動子４に対し、連続した一つの上部電極１１とその配線１２が複数の振動板７Ｃ～７Ｅ（図１の７Ａ、７Ｂも含む）に共通に引き回されている。
　すなわち図２Ｂにおいて、振動板７Ｄには幅広の上部電極１１が形成され、振動板７Ｄと隣接する振動板７Ｃ、７Ｅには、この上部電極１１より幅の狭い配線１２が形成されている。
　そして図１に示すように、本実施の形態では、配線１２が配置された振動板７Ａ、７Ｃ、７Ｅには圧電アクチュエータ８が形成されず、これらの振動板７Ａ、７Ｃ、７Ｅは、圧電アクチュエータ８が形成された振動板７Ｂ、７Ｄと交互に配置されている。
　次に本実施の形態における光学反射素子の部材の組成について以下に説明する。
　この光学反射素子の基材（図２Ｂの１３）としては、金属、ガラスまたはセラミック基板などの弾性、機械的強度および高いヤング率を有する材料で構成することが生産性の観点から好ましく、例えば、金属、水晶、ガラス、石英またはセラミック材料を用いることが機械的特性と入手性の観点から好ましい。さらに、シリコン、チタン、ステンレス、エリンバー、黄銅合金などの金属を用いれば、振動特性、加工性に優れた光学反射素子を実現できる。
　そして、圧電体１０に用いる圧電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高い圧電定数を有する圧電体１０の材料が好ましい。
　この場合、下部電極９として白金を用いることにより、圧電体１０の結晶性を向上させることが出来る。上部電極１１としては、チタン／金等が挙げられる。
　本実施の形態における光学反射素子の製造方法について説明する。まず始めに、図２Ｂに示す基材１３として、厚みが約０．５ｍｍのシリコン基板上に二酸化ケイ素などの絶縁膜１４を形成する。そしてこの絶縁膜１４上にスパッタリング法または蒸着法などの薄膜プロセスを用いて下部電極９を積層する。このとき、シリコン基板の厚みは変えても良い。厚みを変えることにより、固有周波数を調整できる。
　その後、この下部電極９の上にスパッタリング法などによって圧電体１０の層を形成する。このとき、圧電体１０と下部電極９との間には、配向制御層としてＰｂとＴｉを含む酸化物誘電体を用いることが好ましく、ランタンマグネシウム添加チタン（ＰＬＭＴ）からなる配向制御層を形成することがより好ましい。これによって、圧電体１０の結晶配向性がより高まり、圧電特性に優れた圧電アクチュエータ８を形成できる。
　次に、この圧電体１０の上に上部電極１１あるいはその配線１２となるチタン／金膜を形成している。このとき、金の膜の下層のチタン膜はＰＺＴ薄膜などの圧電体１０との密着力を高めるために形成しており、チタンの他にクロムなどの金属を用いることができる。これによって、圧電体１０との密着性に優れ、かつ、金電極とは強固な拡散層を形成していることから、密着強度の高い圧電アクチュエータ８を形成することができる。
　なお、本実施の形態では、白金の下部電極９の厚みは０．２μｍ、圧電体１０は３．５μｍ、および上部電極１１のチタン部分は０．０１μｍとし、金電極部分は０．３μｍで形成している。
　次に、下部電極９、圧電体１０、上部電極１１およびその配線１２を、フォトリソ技術を用いてエッチングし、パターニングする。
　上部電極１１およびその配線１２のエッチング液としてはヨウ素／ヨウ化カリウム混合溶液と水酸化アンモニウム、過酸化水素混合溶液からなるエッチング液を用いて所定の電極パターンを形成する。
　また、下部電極９、圧電体１０に用いるエッチング方法としては、ドライエッチング法とウエットエッチング法のいずれかの方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などを用いることができる。
　一例として、ドライエッチング法であればフルオロカーボン系のエッチングガス、あるいはＳＦ６ガスなどを用いることができる。
　その他、圧電体１０の層を、沸酸、硝酸、酢酸および過酸化水素の混合溶液を用いてウエットエッチングし、パターニングした後、さらに、ドライエッチングによって下部電極９をエッチングしてパターニングする方法がある。
　次に、ＸｅＦ２ガスを用いてシリコン基板を等方的にドライエッチングすることによって不必要なシリコン部分を除去し、基材１３をパターニングすれば、図１に示すような形状の光学反射素子を形成することができる。
　なお、シリコン基板をより高精度にエッチングする場合は、シリコンの異方性を利用したドライエッチングが好ましい。この場合は、エッチングを促進するＳＦ６ガスとエッチングを抑制するＣ４Ｆ８ガスの混合ガスを用いるか、あるいはこれらのガスを交互に切り替えることにより、より直線的にエッチングできる。
　以上のような製造方法によって、小型で、高精度な光学反射素子を一括して効率よく作製することができる。
　本実施の形態では、ミラー部３、ミアンダ形振動子４、支持体５の基材１３を、同一基材１３から一体形成とすることによって、安定した振動特性と、生産性に優れた光学反射素子を実現することができる。
　なお、ミラー部３は基材１３の表面を鏡面研磨することによっても形成できるが、光の反射特性に優れた金やアルミニウムの金属薄膜をミラー膜として形成することもできる。本実施の形態では、上部電極１１として金を用いた為、この金の膜をそのままミラー膜として用いることができ、生産効率も高まる。
　本実施の形態における光学反射素子の動作について下記に説明する。まず、図２Ｂに示すミアンダ形振動子４の下部電極９を接地状態にし、上部電極１１には、この光学反射素子の共振周波数に相当する周波数の交流電圧を入力する。
　するとある時点において、図２Ａに示す幅広の上部電極１１が配置されている振動板７Ｄは、下部電極９と上部電極１１との間に挟まれた圧電体１０に電圧が印加され、下に凸、あるいは上に凸に湾曲するように変位する。
　この時、隣の振動板７Ｃ、７Ｅには、幅の狭い配線１２が配置されているため、圧電体１０には電圧が殆ど印加されない。したがってこの振動板７Ｃ、７Ｅは、共振の原理により、隣接する振動板７Ｄと対称的な駆動をする。すなわち振動板７Ｃ、７Ｅは、隣の振動板７Ｄとは１８０度異なる方向に変位駆動する。
　そしてまたその隣の幅広の上部電極１１が配置された振動板（図１の７Ｂ）には、電圧が印加され、前述の隣接する振動板７Ｃとは１８０度異なる方向に変位する。
　このように本実施の形態では、一本の上部電極１１でも隣接する振動板７Ａ～７Ｅが１８０度異なる方向に変位するため、図３に示すように、ミアンダ形振動子４は、振動板７Ａ～７Ｅの数が増えるにしたがって、その回転軸（図１の６）周りに変位が蓄積され、一本の上部電極１１でも大きく変位する。
　また本実施の形態では、交流電圧を印加し共振させるため、単位時間毎に湾曲する方向が逆になり、変位量も倍増する。
　そして本実施の形態では、図１に示すように、ミアンダ形振動子４の端部にミラー部３を連結させているため、このミアンダ形振動子４の振動エネルギーがミラー部３に伝播することで、ミラー部３をその回転軸６を中心に回動させることが出来る。
　本実施の形態では、ミラー部３は一つの回転軸６を中心に回動するため、このミラー部３に光を照射すれば、光を一方向に走査させることができ、例えばレーザプリンタ等に利用できる。
　本実施の形態における効果を以下に説明する。
　本実施の形態では、小型の光学反射素子の生産性を向上させることができる。
　すなわち、図９に示すように、従来のミアンダ形振動子は、隣接する振動板１Ａ～１Ｆを逆位相に駆動するため、個々の振動板１Ａ～１Ｆにそれぞれ圧電アクチュエータ２を設け、独立の上部電極を引き回していた。したがって振動板１Ａ～１Ｆ上には、すくなくとも駆動用の上部電極と、隣接する圧電アクチュエータ２の配線とがそれぞれ引き回されることになる。したがって、上部電極や配線のスペースが狭くなり、またこれら上部電極、配線間の電気的絶縁性を確保するのが困難で、生産効率が低下するという課題があった。そしてこの課題は、ミアンダ形振動子の小型化に伴い顕著となる。
　これに対し本実施の形態では、図１に示すように、複数の振動板７Ａ～７Ｅ上において、これらの一本おきに圧電アクチュエータ８を配置している。したがって、一つの上部電極１１で隣接する振動板７Ａ～７Ｅを逆位相に駆動させることができるとともに、素子上に引き回す電極数を減らすことができる。すなわち本実施の形態では、一の振動板７Ａ～７Ｅには、少なくとも上部電極１１あるいはその配線１２のいずれか一方を交互に設けることで駆動させることができる。
　したがって光学反射素子が小型化し、ミアンダ形振動子４も小型化しても、電極の引き回しが容易になり、結果として生産性を高めることが出来る。
　さらに本実施の形態では、ミラー部３は二つのミアンダ形振動子４で支持体５に支持された両持ち構造のため、不要な振動の発生を抑制することができる。
　また本実施の形態では、ミアンダ形振動子４の一端を、ミラー部３の端部と連結することにより、テコの原理でミラー部３の振幅を大きくすることができる。
　また図１に示すように、ミアンダ形振動子４の他端を、その回転軸６上で支持体５と連結すれば、不要な振動の発生を抑制する効果がある。すなわち、この回転軸６はミアンダ形振動子４の回転中心であり、変位が殆ど無いため、この領域で支持することにより安定して支持することができる。
　なお、上記実施の形態では、対のミアンダ形振動子４のいずれにも上述の圧電アクチュエータ８を配置したが、共振駆動させる場合は、対のミアンダ形振動子４のうち、一方のミアンダ形振動子４にのみこの圧電アクチュエータ８を配置してもよい。
　この場合は、圧電アクチュエータ８が配置された一方のミアンダ形振動子４から、ミラー部３を介して振動が伝播し、他方のミアンダ形振動子４も同じように共振駆動させることができる。
　さらにこの場合は、他方のミアンダ形振動子４には、圧電アクチュエータ８の上部電極１１の代わりにモニター電極（図示せず）を配置してもよい。このモニター電極は、上部電極１１と同様に、幅広に形成し、このモニター電極が配置された振動板と隣接する振動板上には幅の狭い配線を設け、引き出すことができる。
　そしてこのモニター電極は、これが形成されているミアンダ形振動子４の圧電体１０の変位を電気信号として検知することができ、この電気信号は、フィードバック回路を介して他方のミアンダ形振動子４の上部電極１１に入力することができる。
　これにより設計誤差や外部環境要因によりミアンダ形振動子４の共振周波数に変動があっても、駆動を確かめながら所望の電気信号を印加することができ、光学反射素子を高精度に自励駆動させることが出来る。
　（実施の形態２）
　本実施の形態と実施の形態１との違いは、図４Ａに示すように、ミアンダ形振動子４上に上部電極１１とモニター電極１５とを交互に配置した点である。
　本実施の形態では、このモニター電極１５は、図４Ｂに示すように、上部電極１１と同様に圧電体１０上に積層されている。そして振動板７Ｃ、７Ｅ上において、このモニター電極１５は、幅広に形成され、隣接する振動板７Ｄ上には、その配線１６が幅狭に形成されている。
　すなわち本実施の形態では、幅広の上部電極１１が配置されている振動板７Ｄにはモニター電極１５の配線１６が配置され、上部電極１１の配線１２が配置されている振動板７Ｃ、７Ｅには幅広のモニター電極１５が形成されている。このモニター電極１５は、圧電体１０の変位を電気信号として検知することができる。そして上部電極１１とモニター電極１５とを複数の振動板上７Ｃ～７Ｅ上において交互に配置することで、モニター電極１５で検知した電気信号は、この上部電極１１に印加する電気信号とは逆位相となる。したがって、この信号を、フィードバック回路を介して上部電極１１に入力すれば、ミアンダ形振動子４を高精度に自励駆動させることができる。
　なお従来の光学反射素子では、ミアンダ形振動子にモニター電極を設けようとすると、複数の振動板に少なくとも上部電極を一本と配線を一本、およびモニター電極を一本の合計三本の電極を引き回す必要があり、上部電極やモニター電極および各配線のスペースが狭くなるとともに、これらの電気的絶縁性を確保するのが難しく、生産が困難となる。
　これに対し本実施の形態では、図１に示す実施の形態１と同様に圧電アクチュエータ８は一つおきに配置されているため、一つのミアンダ形振動子４に引き回す電極数は、モニター電極１５と上部電極１１と合わせて二本でよい。したがって電極数の増大を抑えることができ、小型の光学反射素子の生産性を向上させることが出来る。
　その他実施の形態１と同様の構成および効果については説明を省略する。
　（実施の形態３）
　本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、第１と第２のミアンダ形振動子により光学反射素子を二軸駆動させている点である。
　すなわち本実施の形態の光学反射素子は、図５に示すように、ミラー部３と、ミアンダ形振動子４（第１のミアンダ形振動子）と、枠体１７と、ミアンダ形振動子１８（第２のミアンダ形振動子）と、指示対１９とを備えている。
　詳細には、光学反射素子は、ミラー部３を介して対向するとともに、ミラー部３とそれぞれ一端が連結された一対のミアンダ形振動子４（第１のミアンダ形振動子）と、ミアンダ形振動子４のそれぞれの他端と連結され、ミアンダ形振動子４およびミラー部３の外周を囲う枠体１７を備えている。光学反射素子は、さらに、枠体１７を介して対向するとともに、この枠体１７とそれぞれの一端が連結された一対のミアンダ形振動子１８（第２のミアンダ形振動子）と、ミアンダ形振動子１８のそれぞれの他端と連結され、ミアンダ形振動子１８および枠体１７の外周を囲う枠状の支持体１９とを備えている。なお、本実施の形態において、ミアンダ形振動子４は実施の形態１におけるミアンダ形振動子４と同じ構成とし、圧電アクチュエータ８の構造、配置位置も同じ構成とした。
　そして本実施の形態では、ミアンダ形振動子４の回転軸６とミアンダ形振動子１８の回転軸２０とは直交する関係にあり、これによりミラー部３から反射する光を水平方向、および垂直方向に走査することができる。
　また本実施の形態では、ミアンダ形振動子４の回転軸６とミアンダ形振動子１８の回転軸２０とは、ミラー部３の中心で交わっている。したがって、このミラー部３の中心は不動点となり、この不動部分に光を入射すれば、入射光と反射光との光路長が一定となり、高精度な画像を投影することができる。
　さらに本実施の形態では、ミアンダ形振動子４の上部電極の配線（図２Ａの１２）を、枠体１７およびミアンダ形振動子１８上に引き回しながら支持体１９上の接続端子２１に引き出している。
　さらにミアンダ形振動子１８は、ミアンダ形振動子４と同様に、このミアンダ形振動子１８を構成する複数の振動板２２Ａ～２２Ｅ上において、これらの一本おきに圧電アクチュエータ２３を備えている。またミアンダ形振動子１８の上部電極は、支持体１９上の接続端子２４に引き出している。
　本実施の形態では、ミアンダ形振動子４、１８において、それぞれ、電極数を減らすことができる。したがって、素子が小型化しても電極の引き回しが用意になり、結果として光学反射素子の生産性を高めることができる。
　特に本実施の形態のように二軸駆動の場合、ミアンダ形振動子１８に、内側のミアンダ形振動子４の圧電アクチュエータ８の上部電極の配線を引き回すことがあり、光学反射素子が小型化するほどスペースが不足し、また上部電極や配線間の電気的絶縁性の確保が困難になる。したがって本実施の形態のように、ミアンダ形振動子４とミアンダ形振動子１８がそれぞれ一本の上部電極で駆動することができれば、引き回す電極の数も減り、生産性向上に寄与する。
　また圧電アクチュエータ８、２３は、それぞれ複数の振動板（図１の７Ａ～７Ｅ）、２２Ａ～２２Ｅ上において一つおきに配置することによって、いずれも隣接する振動板を逆位相に駆動させることができるため、大きな変位を得ることが出来る。
　なお、本実施の形態においても、対のミアンダ形振動子４のいずれか一方、および対のミアンダ形振動子１８のいずれか一方は、圧電アクチュエータ８、２３の上部電極の代わりにモニター電極を配置してもよい。圧電アクチュエータ８、２３が設けられている方のミアンダ形振動子４、１８を共振駆動させれば、その振動エネルギーが伝播し、モニター電極が設けられている方のミアンダ形振動子４、１８も共振駆動させることが出来るからである。
　その他実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。
　（実施の形態４）
　本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、光学反射素子を二軸駆動させている点である。
　図６に示すように本実施の形態における光学反射素子は、ミラー部３と、このミラー部３を介して対向するとともに、このミラー部３とそれぞれの第一の支持部２５で連結された、一対の音叉形圧電振動子２６と、これらの音叉形圧電振動子２６の振動中心２７とそれぞれ第二の支持部２８で連結され、一対の音叉形圧電振動子２６の外周を囲う枠体１７と、この枠体１７を介して対向するとともに、この枠体１７とそれぞれ一方の端部が連結された、一対のミアンダ形振動子２９と、これらのミアンダ形振動子２９のそれぞれの他方の端部が連結され、これらのミアンダ形振動子２９と枠体１７の外周全体を囲う枠形状の支持体１９とを備えている。
　そして対向するミアンダ形振動子２９は、音叉形圧電振動子２６の回転軸３０に対して左右対称に設けられ、それぞれの一端を枠体１７の角と接続され、他端はこのミアンダ形振動子２９の回転軸３１上において、支持体１９と接続されている。またこのミアンダ形振動子２９は、それぞれ音叉形圧電振動子２９の回転軸３０と平行な振動板３２Ａ～３２Ｅを複数有し、繰り返し蛇行している。そしてこれらの振動板３２Ａ～３２Ｅ上において、一本おき、すなわち振動板３２Ａ、３２Ｃ、３２Ｅ上には、それぞれ圧電アクチュエータ３３を設けている。この圧電アクチュエータ３３の組成は、実施の形態１のミアンダ形振動子４の圧電アクチュエータ８と同様とした。
　そして音叉形圧電振動子２６は、それぞれ第一の支持部２５の両側に、回転軸３０とほぼ平行な第一のアーム３４と第二のアーム３５とを有している。この第一のアーム３４、第二のアーム３５上にはそれぞれ圧電アクチュエータ３６、３７を設けている。
　図７に、図６の７－７線断面図を示す。前述の圧電アクチュエータ３３、３６、３７は、図７に示すように下部電極９、圧電体１０および上部電極３８、３９、４０からなる。なお、本実施の形態では、下部電極９および圧電体１０は音叉形圧電振動子２６とミアンダ形振動子２９とで共通に形成し、上部電極３８、３９、４０はそれぞれ電気的に独立するように形成した。
　また図６に示すように、本実施の形態では、音叉形圧電振動子２６の回転軸３０とミアンダ形振動子２９の回転軸３１とは直交する関係にあり、これらの振動によってミラー部３を垂直方向、水平方向に励振させることができる。
　そして本実施の形態では、第一の支持部２５と第二の支持部２８とは音叉形圧電振動子２６の回転軸３０上に設けた。
　また本実施の形態では、音叉形圧電振動子２６の共振周波数と、ミラー部３と第一の支持部２５とで構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数となるように振動設計することによって、音叉形圧電振動子２６を共振駆動させると、捩れ振動子も共振させることができ、効率良くミラー部３を反復回転振動させることができる。
　また本実施の形態では、ミアンダ形振動子２９にもその共振周波数の信号を印加し、共振駆動させることによって、複数の振動板３２Ａ～３２Ｅで振幅が蓄積し、効率よく枠体１７を反復回転振動させることが出来る。また振動子をミアンダ形とすることによって共振器長を大きくすることができ、低い周波数で駆動できる。
　さらに、第一のアーム３４、第二のアーム３５およびこれらの連結部４１の幅や、ミアンダ形振動子２９をそれぞれ等幅とすることによって、光学反射素子に発生する不要な振動モードを低減できる。
　また音叉形圧電振動子２６をＵ字状とすることによっても不要な振動モードを抑制できる。
　また本実施の形態では、図７に示す第三ミアンダ形振動子の振動板３２Ａ、３２Ｃ、３２Ｅに形成した圧電アクチュエータ３３の上部電極３８は、配線４２を介して図６の接続端子４３へと接続させた。また図７に示す第一のアーム３４に形成した圧電アクチュエータ３６の上部電極３９は、配線４４を介して図６の接続端子４５へと接続させた。さらに図７に示す第二のアーム３５に形成した圧電アクチュエータ３７の上部電極４０は、配線４６を介して接続端子４７へと接続させた。これにより第一のアーム３４と第二のアーム３５に正負反対の電気信号を、ミアンダ形振動子２９にその共振周波数の電気信号を、それぞれの圧電アクチュエータ３３、３６、３７に印加することができる。
　次に、このような構成からなる光学反射素子の動作原理について説明する。
　図７に示す下部電極９と上部電極３９，４０との間に交流の駆動電圧を印加すると、圧電体１０層が面方向に伸び・縮みし、第一のアーム３４と第二のアーム３５が基材１３に対して垂直方向に撓み振動する。
　このとき、第一のアーム３４と第二のアーム３５に形成したそれぞれの圧電アクチュエータ３６、３７に、正負反対の駆動信号を印加すれば、図８に示すように、第一のアーム３４と第二のアーム３５とを、位相が１８０度異なる方向（矢印４８、４９方向）に、つまり逆方向に撓み振動させることができる。ここで本実施の形態では、第一、第二のアーム３４、３５は、その先端を自由端とする片持ち構造のため、大きく撓み振動させることができる。
　そして、この第一のアーム３４と第二のアーム３５の振動エネルギーは、音叉形圧電振動子２６の連結部４１へと伝播される。これによって、音叉形圧電振動子２６は、その振動中心２７を通る直線を回転軸３０として、この回転軸３０を中心に、所定の周波数にて反復回転振動（捩れ振動）をする。
　次に、この反復回転振動の振動エネルギーが、連結部４１に接合された第一の支持部２５に伝達され、第一の支持部２５とミラー部３とで構成される捩れ振動子が、その回転軸３０を中心に矢印５０方向に捩れ振動を起こすようになる。これによって、ミラー部３にその回転軸３０を軸中心として反復回転振動を起こす。このとき、音叉形圧電振動子２６の反復回転振動の方向と、第一の支持部２５およびミラー部３で構成される捩れ振動子の反復回転振動の方向は位相が１８０度異なる反対方向に振動することとなる。
　また図６に示すミアンダ形振動子２９は、図７の下部電極９と上部電極３８間に電圧を印加すると、隣接する振動板３２Ａ～３２Ｅが逆位相に変位駆動し、ミアンダ形振動子２９全体としては、その回転軸（図６の３１）を中心に変位が蓄積し、大きな変位が得られる。また交流電圧を印加することで、単位時間毎にこの変位の極性が変わり、反復回転振動を起こす。
　そしてこのミアンダ形振動子２９からの振動エネルギーで枠体１７の端部を垂直方向に振動させ、枠体１７をミアンダ形振動子２９の回転軸３１を中心に反復回転振動させることができる。
　そしてこのように枠体１７が振動すると、この枠体１７に支持されているミラー部３も、ミアンダ形振動子２９の回転軸３１を中心に反復回転振動させることができる。
　そしてミラー部３に例えばレーザー光源またはＬＥＤ光源などから発生させた光線を入力し、振動するミラー部３で反射させることによって、スクリーン上に光線を走査することができる。また本実施の形態では、音叉形圧電振動子２６とミアンダ形振動子２９の回転軸３０、３１は直交するため、ミラー部３から出射させた光をスクリーン上の垂直、水平方向に走査することができる。
　本実施の形態では、実施の形態１と同様に、光学反射素子の生産性を向上させることが出来る。
　また、本実施の形態では、音叉形圧電振動子２６とミアンダ形振動子２９とを組み合わせることにより、二軸駆動の光学反射素子において、振動の周波数比を大きくすることができる。
　すなわち、一方の回転軸３０を中心とする反復回転振動は、音叉形圧電振動子２６によって、高い周波数で駆動できるとともに、他方の回転軸３１を中心とする反復回転振動は、梁長の大きいミアンダ形振動子２９のミアンダ梁で駆動し、低い周波数で駆動できるからである。
　そしてその結果、二軸駆動の光学反射素子において、周波数比を大きくすることができる。
　とくに画像を投影する場合、画像の分解能を高めるには、スクリーンの水平方向への走査速度を、垂直方向への走査速度より大きくすることが望ましい。
　本実施の形態では、垂直方向へ光を走査させるための振動子をミアンダ形振動子２９としたことにより、小型の素子内でも容易に梁長を長く設計することができ、二軸駆動の光学反射素子の周波数比を大きくすることができるのである。
　また本実施の形態では、内側に配置され、よりサイズも小さくなる振動子は、音叉形としたことにより、簡易なパターンとなって生産効率が高まる。
　また、音叉形圧電振動子２６は、音叉形にすることにより、アームの先端が自由端となるため、小型であってもミラー部３の振れ角度を効率よく大きくできる。なお、音叉形圧電振動子２６を高い周波数で駆動させようとすると、振幅が小さくなるため、このように効率よく振幅を得ることができれば、高精度の光学反射素子を実現できる。
　また振動源を、高Ｑ値を有する音叉形とすることにより、小さなエネルギーで大きな振動エネルギーを得ることが出来、素子の小型化にも寄与する。
　またこれらの音叉形圧電振動子２６、ミアンダ形振動子２９の振動設計をすることによって、出力光の反射角度を大きく変化させることができ、レーザー光線などの入力光を所定の設計値となるように掃引することができる光学反射素子を実現することができる。
　さらに本実施の形態では、ミラー部３をその両側から一対の音叉形圧電振動子２６で囲い、これらの音叉形圧電振動子２６の外周を枠体１７で囲い、この枠体１７をその両側から一対のミアンダ形振動子２９で囲い、これらのミアンダ形振動子２９の外周を支持体１９で囲う構成のため、素子の面積を有効に活用することができ、素子を小型化できる。
　また本実施の形態では、第一、第二のアーム３４、３５はそれぞれ直線形状のため、加工も容易である。
　また本実施の形態では、ミラー部３の両側に、対称的に音叉形圧電振動子２６を配置しているため、ミラー部３を安定して左右対称に励振させることができ、ミラー部３の中心が不動点となって光を安定して走査することができる。
　またミラー部３は、その両端が第一の支持部２５で支持されている両持ち構造のため、ミラー部３の不要な共振を抑制し、さらに外乱振動による影響も低減できる。
　さらに本実施の形態では、枠体１７の両側に、対称的にミアンダ形振動子２９を配置しているため、枠体１７の中心を不動点として励振させることができる。
　また枠体１７は、その両端がミアンダ形振動子２９で支持されている両持ち構造のため、枠体１７の不要な共振を抑制し、外乱振動による影響も低減できる。
　なお、上記実施の形態では、第一のアーム３４と第二のアーム３５の双方に圧電アクチュエータ３６、３７を形成したが、少なくともいずれか一方のみに圧電アクチュエータ３６、３７を形成してもよい。これは音叉形圧電振動子２６の特性を利用したものであり、どちらか一方のアームが振動すると、連結部４１を介して他方のアームに運動エネルギーが伝播し、この他方のアームも逆位相に励振させることができるからである。これにより図７に示す上部電極３９あるいは４０のいずれかが不要になり、電極数が低減し、光学反射素子の生産性を向上させることが出来る。
　また本実施の形態では、音叉形圧電振動子２６、ミアンダ形振動子２９のいずれも、圧電アクチュエータ３３、３６、３７はこれらの片面にのみ形成したが、両面に形成してもよい。なお、音叉形圧電振動子２６は、ミアンダ形振動子２９よりも面積が小さく、駆動力が弱いため、音叉形圧電振動子２６のみ、基材１３の両面に圧電アクチュエータを形成してもよい。
　なお、第一の支持部２５、第二の支持部２８のそれぞれの断面形状を円状とすれば、捩れ振動の振動モードが安定し、不要共振も抑制することができ、外乱振動に影響されにくい光学反射素子を実現することができる。
　また音叉形圧電振動子２６の第一のアーム３４、第二のアーム３５、ミアンダ形振動子２９の振動板３２Ａ～３２Ｅにそれぞれモニター電極（図示せず）を配置してもよい。
　その他実施の形態１と同様の構成及び効果については、説明を省略する。
　図１０にミアンダ形振動子を光学反射素子として用いた画像投影装置１００のブロック図を示す。画像投影装置１００は、１０１の駆動回路がミアンダ形振動子による光学反射素子１０２を駆動する。光学反射素子１０２は光源１０３から放射される光線１０４の走査を一軸あるいは二軸方向に高精度に制御する。これにより、ヘッドアップディスプレイ（ＨＤＵ）、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、マイクロプロジェクタなどの画像投影装置に有用である。
　本発明は、光学反射素子を小型化できるという効果を有し、光源を備えた電子写真方式の複写機、レーザープリンタ、レーザ露光機、光学スキャナなどの用途にも有用である。
　本発明は、光学反射素子に関して小型化できるという効果を有し、特に光源を備えた電子写真方式の複写機、レーザープリンタ、レーザ露光機や画像投影装置、光学スキャナ用途に有用である。
　３　　ミラー部
　４　　ミアンダ形振動子
　５　　支持体
　６　　回転軸
　７Ａ，７Ｂ，７Ｃ，７Ｄ，７Ｅ　　振動板
　８　　圧電アクチュエータ
　９　　下部電極
　１０　　圧電体
　１１　　上部電極
　１２　　配線
　１３　　基材
　１４　　絶縁膜
　１５　　モニター電極
　１６　　配線
　１７　　枠体
　１８　　ミアンダ形振動子
　１９　　支持体
　２０　　回転軸
　２１　　接続端子
　２２Ａ，２２Ｂ，２２Ｃ，２２Ｄ，２２Ｅ　　振動板
　２３　　圧電アクチュエータ
　２４　　接続端子
　２５　　第一の支持部
　２６　　音叉形圧電振動子
　２７　　振動中心
　２８　　第二の支持部
　２９　　ミアンダ形振動子
　３０　　回転軸
　３１　　回転軸
　３２Ａ，３２Ｂ，３２Ｃ，３２Ｄ，３２Ｅ　　振動板
　３３　　圧電アクチュエータ
　３４　　第一のアーム
　３５　　第二のアーム
　３６　　圧電アクチュエータ
　３７　　圧電アクチュエータ
　３８　　上部電極
　３９　　上部電極
　４０　　上部電極
　４１　　連結部
　４２　　配線
　４３　　接続端子
　４４　　配線
　４５　　接続端子
　４６　　配線
　４７　　接続端子
　４８，４９　　矢印
　５０　　矢印

Claims (10)

  1. 所定方向に折り返し連結された複数の振動板と、前記振動板上に配置された圧電アクチュエータとを備えたミアンダ形振動子であって、
    前記圧電アクチュエータは、前記振動板上に順に積層された下部電極、圧電体、上部電極を有し、
    前記圧電アクチュエータは、前記振動板上に一本おきに配置されていることを特徴とするミアンダ形振動子。
  2. 前記圧電アクチュエータが設けられた振動板に隣接する振動板上には、
    前記上部電極の配線が配置されている請求項１に記載のミアンダ形振動子。
  3. 前記圧電アクチュエータが設けられた振動板に隣接する振動板上には、モニター電極が配置された請求項１に記載のミアンダ形振動子。
  4. 前記圧電アクチュエータが設けられた振動板に隣接する振動板上に、前記モニタ電極と前記上部電極の配線とが配置されている請求項３記載のミアンダ形振動子。
  5. 請求項１記載のミアンダ形振動子の端部に、ミラー部が連結された光学反射素子。
  6. ミラー部と一端が連結された請求項１記載の第１のミアンダ形振動子と、
    前記第１のミアンダ形振動子の他端と連結され、前記第１のミアンダ形振動子および前記ミラー部の外周を囲う枠体と、前記枠体と一端が連結された請求項１記載の第２のミアンダ形振動子と、
    前記第２のミアンダ形振動子の他端と連結された支持体とを
    備えた光学反射素子。
  7. ミラー部と、前記ミラー部と第一の支持部で連結された音叉形圧電振動子と、
    前記音叉形圧電振動子の振動中心と第二の支持部で連結され、前記音叉形圧電振動子および前記ミラー部の外周を囲う枠体と、
    前記枠体と一端が連結された請求項１記載のミアンダ形振動子と、
    前記ミアンダ形振動子の他端と連結された支持体とを
    備えた光学反射素子。
  8. 前記圧電アクチュエータが設けられた振動板に隣接する振動板上には、前記上部電極の配線が配置されている請求項６記載の光学反射素子。
  9. 前記圧電アクチュエータが設けられた振動板に隣接する振動板上には、モニター電極が配置された請求項６記載の光学反射素子。
  10. 請求項１記載のミアンダ形振動子と、
    前記ミアンダ形振動子を駆動する駆動回路と、
    前記ミアンダ形振動子により制御される光源とを
    備えた画像投影装置。
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