JP5347963B2 - 圧電アクチュエータおよびこれを用いた光学反射素子および圧電駆動装置 - Google Patents

圧電アクチュエータおよびこれを用いた光学反射素子および圧電駆動装置 Download PDF

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Description

本発明は、圧電アクチュエータと、これを応用した光学反射素子および圧電駆動装置に関する。
図１８に、特許文献１で知られている、従来の圧電アクチュエータを用いた光学反射素子を示す。この光学反射素子は、ミラー部１と、ミラー部１と連結され、ミラー部１をＸ軸方向に駆動させる振動部２とを有している。また、振動部２と連結され、振動部２およびミラー部１を囲む枠体３を有している。また、枠体３と連結され、ミラー部１をＹ軸方向に駆動させる振動部４を有している。また、振動部４と連結され、振動部４および枠体３を囲む支持体５を有している。
振動部２および振動部４を駆動させるために、一般に、振動部２、振動部４は圧電素子（図示せず）を備えている。そしてこれらの圧電素子を駆動させるには、一般に、圧電素子毎に独立した駆動電極（図示せず）が配置されている。
なお、この光学反射素子は、ミラー部１に光を入射すれば、その反射光をミラー部１の振動によってＸ軸、Ｙ軸方向に走査させることができ、例えば壁やスクリーンに画像を投影することができる。
しかしながら、上記従来の光学反射素子は、電極配線数が多く、生産効率が低いという課題がある。
すなわち、従来の光学反射素子には、振動部２および振動部４をそれぞれ駆動させるために、それぞれ電気的に独立した駆動電極がパターニングされる。
そしてこれらの駆動電極毎に配線電極が、振動部２および振動部４の表面を引き回されることから、素子上には複数の配線電極が引き回されることになる。したがって配線電極のパターニングは、素子の小型化に伴い、非常に複雑化し、生産効率低下の原因となる。
特開２００５−１４８４５９号公報
本発明は、配線電極数を減らし、生産効率を向上させることのできる圧電アクチュエータとこれを用いた光学反射素子および圧電駆動装置を提供するものである。
本発明の圧電アクチュエータは、第一駆動電極を有する第一圧電素子を備えた第一振動部と、第一振動部とは異なる中心軸を有し、第二駆動電極を有する第二圧電素子と、前記第一駆動電極および前記第二駆動電極に電気信号を印加する外部電極とを備え、前記外部電極に対して前記第一駆動電極と前記第二駆動電極が順に接続された構成を有する。
これにより本発明は、駆動電極の配線電極数が減り、引き回しが容易となり、結果として生産効率を向上させることができる。
本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図 図１のＰ部における斜視図 図２の３−３線断面図 図１のＱ部における斜視図 図４の５−５線断面図 同実施の形態における光学反射素子の配線パターンを示す模式図 同実施の形態における圧電駆動装置の構成を示すブロック図 同実施の形態における光学反射素子の他の配線パターンを示す模式図 同配線パターンの振動部の断面図 本発明の実施の形態２における光学反射素子の配線パターンを示す模式図 同実施の形態における光学反射素子の斜視図 図１１のＲ部における断面図 同実施の形態における光学反射素子の振動状態を示す図 本発明の実施の形態３における光学反射素子の配線パターンを示す模式図 同実施の形態における圧電駆動装置の構成を示す図 本発明の実施の形態４における圧電駆動装置の構成を示す図 同実施の形態の光学反射素子を用いた画像投影装置の構成図 従来の光学反射素子の斜視図
（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態における光学反射素子６０は、ミラー部６と、ミラー部６を介して対向するとともに、ミラー部６の各端部とそれぞれが連結された一対の振動部（第一振動部）７を有している。さらに、これらの振動部７と連結され、振動部７およびミラー部６の外周を囲む枠体８を有している。さらに、枠体８を介して対向するとともに、枠体８の各端部とそれぞれが連結された一対の振動部（第二振動部）９を有している。さらに、これらの振動部９と連結されるとともに、振動部９および枠体８の外周を囲う枠形状の支持体１０を有している。
なお、本実施の形態では、振動部７と振動部９とは、それぞれ異なる共振駆動周波数を有し、その周波数比は１０倍〜１００倍程度である。例えば本実施の形態では、振動部７の共振周波数が１０ｋＨｚ、振動部９の共振周波数が２００Ｈｚ程度である。
振動部７の中心軸Ｓ１と振動部９の中心軸Ｓ２とは、それぞれ方向が異なり、交差する関係にある。本実施の形態では、振動部７はＹ軸に平行な中心軸Ｓ１を有し、振動部９はＸ軸に平行な中心軸Ｓ２を有している。また本実施の形態では、これらの中心軸Ｓ１、Ｓ２は、ミラー部６の重心で直交する関係にある。対となる振動部７は、振動部９の中心軸Ｓ２に対して線対称形であり、対となる振動部９は、振動部７の中心軸Ｓ１に対して線対称形である。
本実施の形態では、振動部７は繰り返し蛇行しながらＹ軸方向に延びるミアンダ形状を有する。振動部７は、Ｘ軸に平行（中心軸Ｓ１に垂直）な複数の振動板（第一振動板）７Ａ〜７Ｄが、同一平面上で折り返し蛇行して連結されている。また、振動部９は繰り返し蛇行しながらＸ軸方向に延びるミアンダ形状を有する。振動部９は、Ｙ軸方向に平行（中心軸Ｓ２に垂直）な複数の振動板（第二振動板）９Ａ〜９Ｅが同一平面上で折り返し蛇行して連結されている。
図２は図１のＰ部（振動部７）を示す斜視図であり、図３はその３−３線断面図である。これらの図に示すように、振動部７を構成する複数の振動板７Ａ〜７Ｄは、それぞれ、圧電素子（第一圧電素子）１１とモニター素子（第一モニター素子）１２とから構成される。
振動部７における圧電素子１１は、図３に示すように、ベースとなるシリコン基板１４上に、シリコン酸化膜１５を介して、振動部７と振動部９に共通に設けられた接地電極１６を備えている。さらに、接地電極１６上に振動部７と振動部９に共通に設けられた圧電層１７を備えている。さらに、圧電層１７上に設けられた駆動電極（第一駆動電極）１８を備えている。駆動電極１８は、図２に示すように、振動部７の複数の振動板７Ａ〜７Ｄ上にそれぞれ配置された部分が共通接続された構成を有する。接地電極１６は、図１に示す外部電極２０と接続される。駆動電極１８を有する圧電素子１１を備えた振動部７が、中心軸Ｓ２を有する圧電アクチュエータを構成している。
振動部７におけるモニター素子１２は、図３に示すように、シリコン基板１４上にシリコン酸化膜１５を介して設けられた、圧電素子１１と共通の接地電極１６および圧電層１７を備え、圧電層１７上にモニター電極（第一モニター電極）２１を備えている。モニター電極２１は、図２に示すように、振動部７の複数の振動板７Ａ〜７Ｄ上にそれぞれ配置された部分が共通接続された構成を有する。
このように、振動部７を構成する各振動板７Ａ〜７Ｄ上には、駆動電極１８とモニター電極２１の２本の電極が引き回される。また、モニター電極２１は、図４、図５に示すように、幅狭の配線電極２１Ａとして、振動部９上を引き回され、図１の外部電極２２と接続される。
図４は図１のＱ部（振動部９）を示す斜視図であり、図５はその５−５線断面図である。これらの図に示すように、振動部９を構成する複数の振動板９Ａ〜９Ｅは、それぞれ、圧電素子（第二圧電素子）１１とモニター素子（第二モニター素子）１３とから構成される。
振動部９における圧電素子１１は、図５に示すように、振動部７と同様に、ベースとなるシリコン基板１４上に、シリコン酸化膜１５を介して、振動部７と振動部９に共通に設けられた接地電極１６を備えている。さらに、接地電極１６上に振動部７と振動部９に共通に設けられた圧電層１７を備えている。さらに、圧電層１７上に設けられた駆動電極（第二駆動電極）１８を備えている。駆動電極１８は、図４に示すように、振動部９の複数の振動板９Ａ〜９Ｅ上にそれぞれ配置された部分が共通接続された構成を有する。さらに、振動部７から引き回された駆動電極１８と共通接続されると共に、図１に示す外部電極１９と接続される。駆動電極１８を有する圧電素子１１を備えた振動部９が、中心軸Ｓ１を有する圧電アクチュエータを構成する。
振動部９におけるモニター素子１３は、図５に示すように、シリコン基板１４上にシリコン酸化膜１５を介して設けられた、圧電素子１１と共通の接地電極１６および圧電層１７を備え、圧電層１７上にモニター電極（第二モニター電極）２３を備えている。モニター電極２３は、図４に示すように、振動部９の複数の振動板９Ａ〜９Ｅ上にそれぞれ配置された部分が共通接続された構成を有し、図１に示す外部電極２４と接続されている。
以上のように、本実施の形態では、振動部７に設けられたモニター電極２１と、振動部９に設けられたモニター電極２３とは電気的に独立している。したがって、上述したように、振動部９の複数の振動板９Ａ〜９Ｅ上には、図５に示すように、駆動電極１８とモニター電極２３と振動部７の幅狭のモニター電極２１の配線電極２１Ａとの３本の電極が引き回される。
図６は、以上のような本実施の形態の光学反射素子の電極パターンを模式的に示した図である。図６では、光学反射素子６０を、ミラー部６を中央に有する１つの振動部７と、振動部７を挟む２つの振動部９とで示している。駆動電極１８は、振動部７、９に配置され、外部電極１９に共通に接続された１本の電極として示されている。振動部７上に配置されたモニター電極２１は、モニター電極２３とは独立しており、振動部９上を引き回され２つの外部電極２２に接続されていることを示している。一対の振動部９上に配置されたモニター電極２３は、モニター電極２１とは独立しており、振動部７上を配線電極２３Ａで引き回されて、外部電極２４に共通に接続されていることを示している。
このように、振動部７の各振動板７Ａ〜７Ｄ上では、図３に示すのと同様に、駆動電極１８とモニター電極２１が設けられている。また、振動部９の各振動板９Ａ〜９Ｅ上では、図５に示すのと同様に、モニター電極２１の配線電極２１Ａを挟んで駆動電極１８とモニター電極２３が設けられている。
なお、本実施の形態では、図６に示すように、共通の駆動電極１８の終端は開放としたが、外部電極を別途設け、その外部電極に引き出してもよい。
また、本実施の形態では、ベースとしてシリコン基板１４を用いたが、その他酸化マグネシウム（ＭｇＯ）あるいはステンレスなどの板を用いてもよい。また接地電極１６はプラチナ、駆動電極１８およびモニター電極２１、２３は金、圧電層１７はチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(ＺｒＸ，Ｔｉ１−Ｘ)Ｏ３で、x＝０．５２５）などが挙げられる。これらの電極の材料は、蒸着、ゾル、ゲル、ＣＶＤ、スパッタ法などによって薄膜化することができる。
次に、図７を用いて本実施の形態の圧電駆動装置の構成について説明する。図７は、本発明の一実施の形態における圧電駆動装置の構成を示すブロック図である。
本実施の形態の圧電駆動装置は、図１に示した光学反射素子６０と、光学反射素子６０の振動部７および振動部９にそれぞれの共振駆動信号を入力する駆動装置６１とを備えるものである。
本実施の形態の駆動装置６１は、並列配置された増幅器２５、２６を有している。増幅器２５はインピーダンス素子２７と接続され、増幅器２６はインピーダンス素子２８と接続されている。そして増幅器２５とインピーダンス素子２７とをつなぐ配線と、増幅器２６とインピーダンス素子２８とをつなぐ配線とは共通接続されて、図１に示す光学反射素子６０の外部電極１９に接続される。外部電極１９からは共通の配線電極１８Ａが光学反射素子６０上を引き回され、振動部７、９の駆動電極１８に接続される。
一方、振動部７の振動を検出するモニター電極２１は、配線電極２１Ａとして光学反射素子６０上を引き回されて外部電極２２に接続され、外部電極２２から外部に引き出され、駆動装置６１のフィルター２９を介して増幅器２５と接続される。また、振動部９の振動を検出するモニター電極２３は、配線電極２３Ａとして光学反射素子６０上を引き回されて外部電極２４に引き回され、外部電極２４から外部に引き出され、駆動装置６１のフィルター３０を介して増幅器２６と接続される。
次に、本実施の形態における光学反射素子の動作を図７を用いて説明する。まず、図７に示すように、増幅器２５の入力端子２５Ａに振動部７を駆動させる電気信号（交流電圧）が入力され、増幅される。また増幅器２６の入力端子２６Ａに振動部９を駆動させる電気信号（交流電圧）が入力され、増幅される。
なお、本実施の形態では、振動部７には、この振動部７に固有の振動周波数を有する電気信号を入力し、振動部７を共振駆動させている。また振動部９には、この振動部９に固有の振動周波数を有する電気信号を入力し、振動部９を共振駆動させている。これにより、振動部７および振動部９を効率よく駆動させることができ、大きく変位させることができる。
上述の電気信号は、それぞれ抵抗器などのインピーダンス素子２７、２８を介して合成され、光学反射素子６０の外部電極１９に供給される。合成された電気信号は、外部電極１９から引き回され、一本の配線電極１８Ａを介して振動部９および振動部７上の駆動電極１８に流れ（図６参照）、それぞれの圧電素子１１を共に駆動させる。
すなわち本実施の形態では、振動部９は、共通の駆動電極１８から供給される交流電圧の正・負によって上下に（素子平面に対して垂直方向に）振動する。この振動によって、図１に示す枠体８の下端部（振動部９と連結される部分）が上下（素子平面に対して垂直方向）に振動し、ミラー部６の中心を不動点としながらミラー部６を、中心軸Ｓ２を中心に回動させる。なお、本実施の形態において、振動部９の中心軸Ｓ２は、この振動部９の駆動によるミラー部６の回転軸と一致する。
また、同様に、振動部７は、共通の駆動電極１８から供給される交流電圧の正・負によって上下に振動する。この振動によって、図１に示すミラー部６の側端部（振動部７と連結される部分）が上下（素子平面に対して垂直方向）に振動し、ミラー部６の中心を不動点としながら、ミラー部６を、中心軸Ｓ１を中心に回動させる。振動部７の中心軸Ｓ１は、この振動部７の駆動によるミラー部６の回転軸と一致する。
振動部７上に配置されたモニター電極２１は、振動部７の変位を電気信号として検知し、その電気信号は、配線電極２１Ａを介して外部電極２２から外部に引き出される。また、振動部９上に配置されたモニター電極２３は、振動部９の変位を電気信号として検知し、その電気信号は、配線電極２３Ａを介して外部電極２４から外部に引き出される。
外部電極２２から引き出された電気信号は、図７に示すように、駆動装置６１のフィルター２９を介して取り出され、再び増幅器２５に入力端子２５Ａに入力される。また、外部電極２４から引き出された電気信号は、駆動装置６１のフィルター３０を介して取り出され、再び増幅器２６の入力端子２６Ａに入力される。
このようにそれぞれのモニター電極２１、２３から出力される電気信号を、振動部７、振動部９の各圧電素子１１の駆動電極１８にフィードバックすることにより、光学反射素子を自励駆動させることが出来る。
なお、インピーダンス素子２７、２８としては、上述の抵抗器以外にも、コンデンサやコイルなどのリアクタンス素子、あるいはこれらの組み合わせ等も挙げられる。
また、本実施の形態では、外部電極１９に２つの電気信号を合成して入力したが、３つ以上の電気信号を合成することも可能である。
以上のように、本実施の形態では、駆動電極１８の配線電極数を減らし、生産効率を向上させることができる。
すなわち従来の光学反射素子は、電極パターンの効率化について考慮されておらず、図１８に示す振動部２および振動部４をそれぞれ駆動させるために、これらの振動部２および振動部４上には、個々に独立した駆動電極がパターニングされていた。したがって、光学反射素子上には、これらの駆動電極毎に配線電極を引き回す必要があった。すなわち、少なくとも振動部４には、この振動部４の駆動電極と、振動部２の駆動電極の配線電極とを引き回さなければならなかった。
この配線電極の数が増えると、駆動電極や配線電極のパターニングが困難となる。特に小型の光学反射素子の場合や、モニター電極を形成する場合、微小領域に複数の電極や配線電極をパターニングすることになり、パターニングが非常に困難となる。また、本実施の形態のように、振動部７、９が複雑なミアンダ形状の場合は、特に電極等のパターニングが難しくなり、生産効率低下の原因となっていた。
これに対し本実施の形態では、複数の電気信号を合成したため、一つの駆動電極１８で複数の電気信号を供給できる。すなわち、共通の駆動電極１８で振動部７および振動部９を共に駆動させることができる。
したがって、振動部７、９の駆動電極１８の配線電極も共通になるため、駆動電極１８の配線電極数を減らすことができ、結果として生産効率を向上させることが出来る。
また、複数の電気信号は、インピーダンス素子２７、２８を介した後合成したため、電気信号間において、たとえば周波数の差が大きくても容易に合成することができる。
また、本実施の形態では、振動部７および振動部９をミアンダ形状としたことにより、光学反射素子全体として小型化を図りながらも共振器長を長く調整することができ、ミラー部６の変位を大きくすることができる。
また本実施の形態では、振動部７および振動部９を共に共振させることにより、ミラー部６の変位を大きくすることができる。
さらに本実施の形態では、図１に示すように、振動部７はミラー部６の側端部と連結されていることから、てこの原理によりミラー部６を、中心軸Ｓ１を中心に大きく回動させることができる。同様に、振動部９は枠体８の下端部と連結されていることから、ミラー部６を、中心軸Ｓ２を中心に、大きく回動させることができる。
また、振動部７、９は、それぞれミラー部６および枠体８の端部と連結させているため、ミラー部６の中心が不動点となり、この不動点においては、入射光と反射光との光路長が一定に保たれるため、この光学反射素子により投影する画像の歪みを抑制することができる。
なお、本実施の形態では、図６に示すように、共通の駆動電極１８は一対の振動部９両方に引き回したが、図８に示すように、一方の振動部９に引き回してもよい。この場合も、一方（例えば、ミラー部６に対して右側）の振動部９に印加された振動が、枠体８（図１参照）を介して他方（ミラー部６に対して左側）の振動部９に伝搬し、共振させることができ、結果としていずれの振動部９をも振動させることができる。
また、駆動電極１８を一方の振動部９に形成する場合は、図８に示すように、振動部９の振幅を検知するモニター電極２３を、駆動電極１８が引き回されていない左側の振動部９にのみ形成してもよい。
この場合、モニター電極２３が引き回されない右側の振動部９においては、駆動電極１８と、振動部７のモニター電極２１の配線電極２１Ａとが形成されることになる。なおこの時、図８、図９に示すように、共通の駆動電極１８を、振動部９の各振動板９Ａ〜９Ｅ上の両側に分けて左右対称に配置し、その中央にモニター電極２１の配線電極２１Ａを配置することができる。なお分岐させた駆動電極１８は、ジャンパー線などで適宜接続させればよい。
このように、各振動板９Ａ〜９Ｅ上において、駆動電極１８を左右対称に配置することによって、振動部９上に均一に電圧を印加することができ、振動部９を垂直に振動させることが出来る。
また、図８に示すように、左側の振動部９においては、この振動部９の振幅を検知するためのモニター電極２３を、振動部９の各振動板９Ａ〜９Ｅ上の両側に分けて左右対称に配置することができる。これにより振動部９の面積を効率よく利用でき、モニター電極２３の感度を向上させることが出来る。なお、二分したモニター電極２３は、ジャンパー線などで適宜電気的に接続させることが出来る。
なお、本実施の形態では、一対の振動部７のいずれにも駆動電極１８を配置したが、一方の振動部７に駆動電極１８を配置し、共振駆動させれば、その振動がミラー部６を介して他方の振動部７に伝搬し、この他方の振動部７も共振駆動させることができる。したがって、振動部７の駆動電極１８の配線電極数を減らすことができる。
（実施の形態２）
図１０は本発明の実施の形態２における光学反射素子の電極パターンを模式的に示した図である。本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、図１０に示すように、電気的に独立した二つの駆動電極３１、３２を振動部７に設けた点である。駆動電極３１、３２には、それぞれ外部電極１９Ａ、１９Ｂを介して、正負逆位相の交流電圧を印加する。
図１１は本実施の形態の光学反射素子を示す斜視図である。図１２は図１１のＲ部の断面図である。図１０〜図１２に示すように、本実施の形態では、振動部７の複数の振動板７Ａ〜７Ｄ上には、電気的に独立した二つの駆動電極３１、３２を交互に配置している。これらの駆動電極３１、３２をそれぞれ共通接続するため、複数の振動板７Ａ〜７Ｄ上には、電気的に独立した二つの駆動電極３１、３２の配線電極３１Ａ、３２Ａも交互に配置している。
すなわち、図１２に示すように、振動部７において、駆動電極３１が配置された振動板７Ａ、７Ｃ上には、幅狭に形成された駆動電極３２の配線電極３２Ａが引き回されている。駆動電極３２が配置された振動板７Ｂ、７Ｄ上には、幅狭に形成された駆動電極３１の配線電極３１Ａが引き回されている。
このように、駆動電極３１、３２を交互に配置し、これらの駆動電極３１、３２に正負逆位相の交流電圧を印加すれば、各振動板７Ａ〜７Ｄの曲げ方向は交互に逆向きとなり、図１３にその振動状態を示すように、振動の変位は蓄積される。したがって、振動部７全体としては、中心軸Ｓ１を回転軸とし、大きく反復回動させることができ、結果としてミラー部６の変位（振幅）を大きくすることができる。
また、図１０に示すように、本実施の形態では、振動部９上には、実施の形態１と同様に、それぞれの振動板９Ａ〜９Ｅ（図１１参照）上に共通の駆動電極３１を配置している。
すなわち本実施の形態では、一方の駆動電極３１は、振動部７と振動部９との圧電素子に共通の駆動電極３１とし、他方の駆動電極３２は振動部７の圧電素子のみを駆動させる駆動電極３２として用いている。したがって、振動部９のそれぞれの振動版９Ａ〜９Ｅ上には、駆動電極３１以外に駆動電極３２の配線電極３２Ａも引き回されている。なお、本実施の形態では、振動部７では、２つの駆動電極３１、３２が形成されるため、モニター電極２１は実施の形態１より狭幅となる。
なお、本実施の形態では、振動部７のモニター電極２１は、外部電極２２から振動部９を介して振動部７に引き回したため、振動部９には、実施の形態１よりも幅狭のモニター電極２１の配線電極２１Ａが形成されている。また振動部９のモニター電極２３は、外部電極２４から各振動部９に引き回した。ここでモニター電極２３の配線電極は、振動部７上には引き回さず、枠体８を介して一対の振動部９にそれぞれ引き回してもよい。
本実施の形態では、駆動電極３１に、振動部７と振動部９のそれぞれの共振駆動信号を合成した電気信号を入力することで、駆動電極３１を振動部７と振動部９に共通の駆動電極３１とすることができ、電極配線の数を減らすことができる。
なお、本実施の形態の光学反射素子を画像投影装置に用いる場合、高精度な画像を投影するには、一般的にＸ軸方向の走査速度はＹ軸方向の走査速度よりもはるかに大きくする必要がある。
この場合、Ｘ軸方向に振動する振動部７の周波数を高くすればよいが、周波数が高くなるほど、ミラー部６の変位が小さくなる。したがって本実施の形態のように、振動部７の振動板７Ａ〜７Ｄ上には、二つの駆動電極３１、３２を交互に配置し、それぞれの駆動電極３１、３２に逆位相の電圧を印加することで、変位を蓄積し、大きな振幅を得ることができる。さらに、振動部９と振動部７とは駆動電極３１を共通させることで、従来のような配線電極数の増加を回避でき、高性能の光学反射素子の生産効率の向上を図ることができる。
その他、実施の形態１と同様の構成から得られる効果については実施の形態と同じであるので説明を省略する。
（実施の形態３）
図１４は、本発明の実施の形態３における光学反射素子の電極パターンを模式的に示した図である。本実施の形態と実施の形態１との違いは、図１４に示すように、振動部７および振動部９のモニター素子は、共通のモニター電極３３を有し、これらのモニター電極３３は、図１５に示すように、共通の配線電極３３Ａで外部電極３４から引き出される点である。
また、本実施の形態では、振動部７の圧電素子１１を駆動させる駆動電極３５と、振動部９の圧電素子を駆動させる駆動電極３６とは個々に形成し、電気的に独立させている。したがって、これらの駆動電極３５、３６の配線電極３５Ａ、３６Ａは、それぞれ個々に引き回している。
本実施の形態では、図１５に示すように、振動部７の圧電素子の駆動により発生した電気信号と、振動部９の圧電素子の駆動により発生した電気信号とは、混在した状態で共通のモニター電極３３で感知される。混在した電気信号は、外部電極３４からフィルター３７Ａを介することによって、振動部７で発生した電気信号のみが取り出される。また、フィルター３７Ｂを介することによって、振動部９で発生した電気信号のみが取り出される。このようにして、本実施の形態によれば、共通のモニター電極３３で感知された電気信号を、個々の電気信号に分離検出することができる。
これにより本実施の形態では、従来電気的に独立させていた二つのモニター電極を、共通にすることができ、一つの配線電極３３Ａで引き出すことができる。すなわち電極配線の数が減り、結果としてパターニングが簡易になり、生産効率を向上させることができる。
なお、上記実施の形態では、振動部７と振動部９とで駆動電極３５、３６は共通にしていないが、駆動電極３５、３６も共通にしてもよい。これにより、駆動電極３５、３６の電極配線数も減らすことができる。
また本実施の形態の別の例として、一方の振動部７（例えば、図１の下方の振動部７）および一方の振動部９（例えば、図１の右側の振動部９）とに共通の駆動電極を形成し、他方の振動部７（例えば、図１の上方の振動部７）と振動部９（例えば、図１の左側の振動部９）とに共通のモニター電極を形成してもよい。
これにより各一方の振動部７および振動部９上には駆動電極を、各他方の振動部７および振動部９上にはモニター電極を形成すればよいため、パターニングがより簡易となる。なお、これとは逆に、一方の振動部７および一方の振動部９とに共通のモニター電極を形成し、他方の振動部７と振動部９とに共通の駆動電極を形成してもよい。
その他、実施の形態１と同様の構成から得られる効果については実施の形態と同じであるので説明を省略する。
（実施の形態４）
図１６は、本発明の実施の形態４における圧電駆動装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、圧電駆動装置に電気信号を合成する合成回路を設けた点である。
図１６に示すように、本実施の形態における駆動制御装置６２は、２つの前置アンプ（第一前置アンプ、第二前置アンプ）３８、３９が並列に配置されている。前置アンプ３８は飽和アンプ（第一飽和アンプ）４０と電気的に接続され、飽和アンプ４０は帯域フィルター４１（第一帯域フィルター）と電気的に接続され、帯域フィルター４１から振動部７の共振駆動信号（第一電気信号）が取り出される。
同様に、前置アンプ３９は飽和アンプ（第二飽和アンプ）４２と電気的に接続され、飽和アンプ４２は帯域フィルター（第二帯域フィルター）４３と電気的に接続され、帯域フィルター４３から振動部９の共振駆動信号（第二電気信号）が取り出される。
なお、飽和アンプ４０、４２としては、出力が所定値に達すると、その値を維持する飽和型アンプ、あるいは出力が所定値に達すると、出力を減衰させる負性飽和型アンプ等を用いることができる。
これらの飽和アンプ４０と帯域フィルター４１、または飽和アンプ４２と帯域フィルター４３とを通過して出力された各共振駆動信号は、加算器４４等を含む加算合成回路４５で合成される。加算合成回路４５から出力された信号は、外部電極１９から光学反射素子６０を引き回され、振動部７および振動部９に共通の駆動電極１８に入力される。
また、本実施の形態では、振動部７の振動振幅によって発生した電気信号を、モニター電極２１で検出し、前置アンプ３８に帰還する帰還回路を構成している。ここで本実施の形態では、この帰還回路における閉ループゲインが１以上となるよう、すなわちモニター電極２１から出力された信号が、前置アンプ３８に入力された信号より減衰しないよう、振動部７の駆動周波数と帯域フィルター４１の通過周波数帯域を設定した。また、加算合成回路４５で合成するのは３つ以上の電気信号でもよい。
また、この振動部７と同様に、振動部９の振動振幅によって発生した電気信号を、モニター電極２３で検出し、前置アンプ３９へと帰還している。本実施の形態では、この帰還回路における閉ループゲインも１以上となるように振動部９の駆動周波数と帯域フィルター４３の通過周波数帯域を設定した。
次に、本実施の形態の光学反射素子の駆動方法を説明する。図１６に示すように、まず、振動部７を駆動させる電気信号（交流電圧）が前置アンプ３８の入力端子３８Ａに入力されると、この信号が前置アンプ３８で増幅される。次に前置アンプ３８で増幅された信号が飽和アンプ４０に入力され、所定レベルの信号に矯正される。飽和アンプ４０から出力された信号は帯域フィルター４１に入力され、振動部７の共振駆動信号が取り出される。
また、同様に、前置アンプ３９の入力端子３９Ａに振動部９を駆動させる電気信号（交流電圧）が入力され、増幅される。増幅された信号は、飽和アンプ４２で矯正され、その後帯域フィルター４３に入力され、振動部９の共振駆動信号が取り出される。
これらの振動部７および振動部９から取り出された共振駆動信号が、加算合成回路４５で合成される。合成された電気信号は、光学反射素子６０の外部電極１９から引き回され、駆動電極１８に流れ、振動部９および振動部７を同時に駆動させる。
また、図１６に示すように、モニター電極２１は、振動部７の振動振幅により電圧を検知し、その電気信号は外部電極２２から引き出される。一方、モニター電極２３は、振動部９の振動振幅により電圧を検知し、その電気信号は外部電極２４から引き出される。これら外部電極２２、２４から引き出された電気信号は、前置アンプ３８および前置アンプ３９にそれぞれ帰還される。
なお、光学反射素子６０の振動部７あるいは振動部９を、信号に追従させて共振駆動させるには、印加する駆動周波数の位相ずれを、±７０ｄｅｇ以内の範囲とすることが好ましい。
したがって、本実施の形態では、帯域フィルター４１は、その通過帯域が、振動部７において位相範囲が±７０ｄｅｇ以内に相当する周波数帯域となるように制御した。また同様に、帯域フィルター４３は、その通過帯域が、振動部９において位相範囲±７０ｄｅｇ以内に相当する周波数帯域となるように制御した。
なお本実施の形態では、振動部７および振動部９がそれぞれ位相範囲±７０ｄｅｇで駆動したかどうかをモニター電極２１またはモニター電極２３で検知し、加算合成回路４５に入力される各信号を所定値に制御する手段をさらに設けてもよい。
本実施の形態では、実施の形態１と同様に、駆動電極１８の電極配線数を低減することができ、簡易な配線パターンとすることができる。
また本実施の形態では、前置アンプ３８、３９、飽和アンプ４０、４２、帯域フィルター４１、４３、加算合成回路４５はいずれも能動素子からなるため、これらはＩＣチップ化することができ、実装工程における合理化が図れる。
なお、本実施の形態では、振動部７および振動部９のそれぞれの振動板（図１の７Ａ〜７Ｄ，９Ａ〜９Ｅ）上に共通の駆動電極１８を配置したが、例えば振動部７または振動部９のいずれか一方、あるいは双方の振動板上に、二種類の駆動電極を交互に配置してもよい。この場合は、実施の形態２で説明したように、各駆動電極に正負逆位相の電圧を印加することにより、変位が蓄積され、大きな振幅を得ることができる。
また、本実施の形態では、振動部７、振動部９の各振動板上に駆動電極１８を配置しているが、駆動電極１８の配置場所はこれに限定されず、例えば振動部７および振動部９には、それぞれ一部の振動板上に駆動電極１８を配置してもよい。
図１７は、本実施の形態１〜４の光学反射素子を用いた画像投影装置を示す構成図である。図１７に示すように、本実施の形態の画像投影装置は、レーザ光源などの光源４６と光学反射素子６０とスクリーン４９とから構成される。
この構成によれば、光源４６から光学反射素子６０のミラー部６へ入射光４７を入射し、ミラー部６からの反射光４８を、スクリーン４９に投影する。このとき、ミラー部６を振動させることによって、反射光４８をＸ軸、Ｙ軸方向に走査させることができ、スクリーン４９や壁に画像５０、文字等を投影することができる。
なお、実施の形態１〜４の光学反射素子では、振動部７、９の形状をミアンダ形としたが、これに限定されず、その他、例えばカンチレバー形、十字形等、各種形状でも応用が可能である。
また、実施の形態１〜４では、振動部７、９から構成される圧電アクチュエータは、ミラー部６が連結されて光学反射素子として用いていた。しかし、この圧電アクチュエータは、例えばミラー部の代わり発光素子を連結させ、光学デバイスとして用いることもできる。
本発明の光学反射素子は、配線電極数を減らすことで、複雑な形状の振動部上にも容易に形成することができ、小型のプロジェクタやヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなど、小型画像投影装置に有用である。
６ ミラー部
７，９ 振動部
７Ａ〜７Ｄ，９Ａ〜９Ｅ 振動板
８ 枠体
１０ 支持体
１１ 圧電素子
１２，１３ モニター素子
１４ シリコン基板
１５ シリコン酸化膜
１６ 接地電極
１７ 圧電層
１８，３１，３２，３５，３６ 駆動電極
１８Ａ，２１Ａ，２３Ａ，３１Ａ，３２Ａ，３３Ａ，３５Ａ，３６Ａ 配線電極
１９，１９Ａ，１９Ｂ，２０，２２，２４，３４ 外部電極
２５，２６ 増幅器
２７，２８ インピーダンス素子
２９，３０，３７Ａ，３７Ｂ フィルター
３８，３９ 前置アンプ
４０，４２ 飽和アンプ
４１，４３ 帯域フィルター
４４ 加算器
４５ 加算合成回路
４６ 光源
４７ 入射光
４８ 反射光
４９ スクリーン
５０ 画像
６０ 光学反射素子
６１ 駆動装置
６２ 駆動制御装置
Ｓ１，Ｓ２ 中心軸

Claims (7)

  1. 第一駆動電極を有する第一圧電素子を備えた第一振動部と、前記第一振動部とは方向が異なり交差する中心軸を有し、第二駆動電極を有する第二圧電素子を備えた第二振動部と、前記第一駆動電極および前記第二駆動電極に電気信号を印加する外部電極とを備え、前記外部電極に対して前記第一駆動電極と前記第二駆動電極が順に接続された圧電アクチュエータ。
  2. 第一駆動電極を有する第一圧電素子を備えた第一振動部と、前記第一振動部とは方向が異なり交差する中心軸を有し、第二駆動電極を有する第二圧電素子を備えた第二振動部と、前記第一駆動電極および前記第二駆動電極に電気信号を印加する外部電極とを備え、前記外部電極に対して前記第一駆動電極と前記第二駆動電極が順に接続され、前記第一駆動電極と前記第二駆動電極に、少なくとも二つの電気信号を合成した電気信号を供給する圧電駆動装置。
  3. 前記少なくとも二つの電気信号を合成した電気信号は、前記第一振動部を駆動させる第一電気信号と、前記第二振動部を駆動させる第二電気信号とを、それぞれインピーダンス素子を介して合成してなる請求項２に記載の圧電駆動装置。
  4. 前記第一振動部を駆動させる第一電気信号が入力される第一前置アンプに接続された第一飽和アンプと、前記第一飽和アンプに接続された第一帯域フィルターと、前記第二振動部を駆動させる第二電気信号が入力される第二前置アンプに接続された第二飽和アンプと、前記第二飽和アンプに接続された第二帯域フィルターと、前記第一帯域フィルターおよび前記第二帯域フィルターの出力を合成する合成回路とを備え、前記少なくとも二つの電気信号を合成した電気信号は、前記合成回路から供給される請求項２に記載の圧電駆動装置。
  5. 請求項１に記載の圧電アクチュエータと、前記第一振動部または前記第二振動部に連結されたミラー部とを備えた光学反射素子。
  6. 前記ミラー部は前記第一振動部に連結され、前記第一振動部および前記ミラー部の外周を囲い、前記第一振動部に連結された枠体と、前記枠体に前記第二振動部を介して連結された支持体とをさらに備えた請求項５に記載の光学反射素子。
  7. 前記第一振動部の走査速度は前記第二振動部の走査速度よりも大きく、前記第一駆動電極および前記第二駆動電極は、前記外部電極に対して前記第二駆動電極、前記第一駆動電極の順に接続されていることを特徴とする請求項２に記載の圧電駆動装置。
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