JP7713656B2

JP7713656B2 - 圧電駆動素子

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Publication number: JP7713656B2
Application number: JP2022561836A
Authority: JP
Inventors: 健介水原
Original assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Current assignee: Panasonic Intellectual Property Management Co Ltd
Priority date: 2020-11-13
Filing date: 2021-11-01
Publication date: 2025-07-28
Anticipated expiration: 2041-11-01
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Description

本発明は、圧電アクチュエータにより可動部を駆動する圧電駆動素子に関し、たとえば、可動部に配置されたミラーによって光を走査させる場合に用いて好適なものである。

近年、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を用いて、可動部を回動させる圧電駆動素子が開発されている。この種の圧電駆動素子では、可動部にミラーを配置することにより、ミラーに入射する光を所定の振れ角で走査させることができる。

たとえば、以下の特許文献１には、ミアンダ構造の圧電アクチュエータを備えた光偏向器が記載されている。圧電アクチュエータは、支持体と支持体上に形成された圧電体とを有する複数の圧電カンチレバーを含む。複数の圧電カンチレバーは、各々の屈曲変形を累積するように端部が機械的に連結され、駆動電圧の印加により各圧電カンチレバーが独立に屈曲変形される。

また、以下の非特許文献１には、この種の光偏向器において、ミラーの撓みを抑制するために、ミラーが形成される可動部の外周をリブで補強する構造が記載されている。

特開２００８－４０２４０号公報

Jocelyn T. Nee、外3名、「Lightweight, Optically Flat Micromirrors for Fast Beam Steering」、2000 IEEE/LEOS International Conference on Optical MEMS (Cat. No.00EX399)、2000年8月、p. 9―10

上記のように、可動部の外周がリブで補強されると、可動部の反りは抑制されるものの、リブの質量が負荷となり、可動部を含む素子部の共振周波数が低下する。このような共振周波数の低下は、耐振動性の低下や可動部の制御性の低下といった駆動特性の低下を招く。

かかる課題に鑑み、本発明は、可動部の駆動特性の低下を抑制しつつ、可動部の反りを抑制することが可能な圧電駆動素子を提供することを目的とする。

本発明の第１の態様は、圧電駆動素子に関する。本態様に係る圧電駆動素子は、支持体と、リブが配置された板状の可動部と、前記支持体に一端が支持され、回動軸について前記可動部を回動させる一対のミアンダ型の圧電アクチュエータと、前記一対の圧電アクチュエータの他端と前記可動部とを連結し、前記可動部よりも高い剛性を有する連結部と、を備える。前記可動部の板面に平行且つ前記回動軸に垂直な方向において、前記可動部の幅は前記一対の圧電アクチュエータの幅より小さく、前記一対の圧電アクチュエータの前記他端は、前記圧電アクチュエータの前記幅の端部にあり、前記連結部は、前記回動軸から離れた位置において前記可動部に接続される。

本態様に係る圧電駆動素子によれば、板状の可動部の反りがリブにより抑制される。また、連結部の剛性が高められることにより、素子部（圧電アクチュエータ、連結部および可動部）の剛性が高められる。これにより、素子部の共振周波数を高めることができる。よって、可動部の駆動特性の低下を抑制しつつ、可動部の反りを抑制できる。

本発明の第２の態様は、圧電駆動素子に関する。本態様に係る圧電駆動素子は、支持体と、リブが配置された板状の可動部と、前記支持体に一端が支持され、回動軸について前記可動部を回動させる一対のミアンダ型の圧電アクチュエータと、前記一対の圧電アクチュエータの他端と前記可動部とを連結する連結部と、を備える。前記可動部の板面に平行且つ前記回動軸に垂直な方向において、前記可動部の幅は前記一対の圧電アクチュエータの幅より小さく、前記一対の圧電アクチュエータの前記他端は、前記圧電アクチュエータの前記幅の端部にあり、前記連結部は、前記連結部と前記圧電アクチュエータとの接続位置と前記可動部の中心とを結ぶ直線に沿って延び、あるいは、前記直線と前記回動軸との間の範囲に略含まれるように、前記回動軸から離れた位置において前記可動部に接続される。

本態様に係る圧電駆動素子によれば、板状の可動部の反りがリブにより抑制される。また、連結部が、連結部と圧電アクチュエータとの接続位置と可動部の中心とを結ぶ直線と、圧電アクチュエータによる可動部の回動軸との間の範囲に略含まれるように、可動部に接続されるため、回動軸に対する連結部の慣性モーメントを抑制できる。これにより、素子部（圧電アクチュエータ、連結部および可動部）の共振周波数を高めることができる。よって、可動部の駆動特性の低下を抑制しつつ、可動部の反りを抑制できる。

以上のとおり、本発明によれば、可動部の駆動特性の低下を抑制しつつ、可動部の反りを抑制することが可能な圧電駆動素子を提供できる。

本発明の効果ないし意義は、以下に示す実施形態の説明により更に明らかとなろう。ただし、以下に示す実施形態は、あくまでも、本発明を実施化する際の一つの例示であって、本発明は、以下の実施形態に記載されたものに何ら制限されるものではない。

図１は、実施形態１に係る、圧電駆動素子の構成を模式的に示す平面図である。図２は、実施形態１に係る、圧電駆動素子の構成を模式的に示す平面図である。図３（ａ）は、実施形態１に係る、振動部をＸ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ１１－Ｃ１２断面を、Ｙ軸正方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。図３（ｂ）は、実施形態１に係る、振動部をＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ２１－Ｃ２２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。図３（ｃ）は、実施形態１に係る、可動部、リブ、ミラーおよび連結部を、可動部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ３１－Ｃ３２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。図４は、実施形態２に係る、圧電駆動素子の構成を模式的に示す平面図である。図５（ａ）は、比較例に係る、圧電駆動素子の構成を模式的に示す平面図である。図５（ｂ）は、比較例に係る、振動部をＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ４１－Ｃ４２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。図５（ｃ）は、比較例に係る、可動部、リブ、ミラーおよび連結部を、可動部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ５１－Ｃ５２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。図６（ａ）は、実施形態１に対応するモデル１に係る、圧電駆動素子の構成を模式的に示す平面図である。図６（ｂ）は、実施形態１に対応するモデル１に係る、可動部、リブ、ミラーおよび連結部を、可動部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ６１－Ｃ６２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。図６（ｃ）は、実施形態２に対応するモデル２に係る、圧電駆動素子の構成を模式的に示す平面図である。図７は、比較例およびモデル１、２に係る、シミュレーションの結果を示す表である。図８（ａ）、（ｂ）は、連結部の変更例に係る、圧電駆動素子の構成を模式的に示す平面図である。図９（ａ）、（ｂ）は、リブの変更例に係る、圧電駆動素子の構成を模式的に示す平面図である。図１０（ａ）は、リブおよび連結部の接続の変更例に係る、可動部、リブ、ミラーおよび連結部を、可動部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ３１－Ｃ３２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。図１０（ｂ）は、連結部を金属材料が被覆する変更例に係る、可動部、リブ、ミラー連結部および金属材料を、可動部の中心を通るＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ３１－Ｃ３２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。図１１は、変更例に係る、圧電駆動素子の構成を模式的に示す平面図である。図１２は、比較例およびモデル３に係る、シミュレーションの結果を示す表である。

ただし、図面はもっぱら説明のためのものであって、この発明の範囲を限定するものではない。

以下の実施形態において、圧電駆動素子は、回動軸Ｒ１０を中心としてミラーを回動させ、ミラーに入射した光を用いて目標領域を走査するための素子である。この種の圧電駆動素子は、光偏向器やミラーアクチュエータと呼ばれることもある。なお、圧電駆動素子は、ミラーを回動させることに限らず、ミラー以外の部材や膜を回動させてもよい。以下の実施形態は、本発明の一実施形態あって、本発明は、以下の実施形態に何ら制限されるものではない。

以下、本発明の実施形態について、図を参照して説明する。便宜上、各図には互いに直交するＸ、Ｙ、Ｚ軸が付記されており、Ｚ軸正方向は鉛直上方向である。

図１および図２は、圧電駆動素子１の構成を模式的に示す平面図である。図１および図２は、それぞれ、圧電駆動素子１をＺ軸負方向およびＺ軸正方向に見た場合の平面図である。

図１および図２を参照して、圧電駆動素子１は、支持体１０と、可動部２１と、リブ２２と、ミラー３０と、一対の圧電アクチュエータ４０と、一対の連結部５０と、を備える。

支持体１０は、中央に開口が設けられた枠状の部材である。可動部２１は、板形状かつ円形状を有する。リブ２２は、リング形状を有し、可動部２１のＺ軸負側の面の外周付近に配置されている。Ｚ軸方向に見た場合、リブ２２の外形は、可動部２１の外形に一致する。ミラー３０は、円形状を有し、可動部２１のＺ軸正側の面に配置されている。Ｚ軸方向に見た場合、ミラー３０の形状は、可動部２１の形状に一致する。ミラー３０のＺ軸正側はミラー面であり、Ｚ軸正側からミラー面に入射した光は、ミラー面によって反射される。

２つの圧電アクチュエータ４０は、それぞれ、可動部２１のＸ軸正側およびＸ軸負側に配置されており、平面視において、可動部２１の中心２１ａに対して点対称に配置および構成されている。２つの圧電アクチュエータ４０のＸ軸方向における外側の端部４０ａは、それぞれ、支持体１０に支持されている。

２つの連結部５０は、可動部２１の中心２１ａに対して対称な位置において可動部２１に接続されている。２つの連結部５０は、それぞれ、可動部２１のＹ軸正側およびＹ軸負側に配置されており、平面視において、可動部２１の中心２１ａに対して点対称に配置および構成されている。連結部５０は、梁状の形状を有する。連結部５０は、圧電アクチュエータ４０のＸ軸方向における内側の端部４０ｂと可動部２１とを連結する。２つの連結部５０は、平面視において、Ｌ字状の形状である。

圧電アクチュエータ４０は、いわゆるミアンダ型のアクチュエータである。すなわち、圧電アクチュエータ４０は、ミアンダ形状を構成するように交互に連結された、２つの振動部４１および２つの振動部４２を含む。振動部４１、４２は、平面視において矩形形状を有し、Ｙ軸方向の一方の端部において、隣り合う振動部に連結されている。圧電アクチュエータ４０において、外側から奇数番目の振動部が振動部４１であり、外側から偶数番目の振動部が振動部４２である。

Ｘ軸正側の圧電アクチュエータ４０において、最も外側の振動部４１のＹ軸正側の端部が、支持体１０に接続される端部４０ａであり、最も内側の振動部４２のＹ軸正側の端部が、連結部５０に接続される端部４０ｂである。Ｘ軸負側の圧電アクチュエータ４０において、最も外側の振動部４１のＹ軸負側の端部が、支持体１０に接続される端部４０ａであり、最も内側の振動部４２のＹ軸負側の端部が、連結部５０に接続される端部４０ｂである。振動部４１と振動部４２とが接続される付近のＺ軸負側、および端部４０ａ、４０ｂのＺ軸負側には、補強部４０ｃ（図２参照）が配置されている。

振動部４１、４２は、上面（Ｚ軸正側の面）側に、上部電極１０１、１０２を有する。上部電極１０１、１０２は、何れも、端部４０ａから端部４０ｂまで、圧電アクチュエータ４０のミアンダ形状に沿って振動部４１、４２の上面側に配置されている。上部電極１０１は、振動部４１の上面側において、振動部４１と略等しい面積で配置されており、振動部４２の上面側において、振動部４２のエッジに沿って線状に配置されている。他方、上部電極１０２は、振動部４２の上面側において、振動部４２と略等しい面積で配置されており、振動部４１の上面側において、振動部４１のエッジに沿って線状に配置されている。上部電極１０１、１０２は、端部４０ａの外側まで延びており、電圧を印加するための図示しない駆動部に接続されている。

図３（ａ）は、図１のＸ軸負側の圧電アクチュエータ４０において、振動部４１をＸ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ１１－Ｃ１２断面を、Ｙ軸正方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。

なお、図３（ａ）に示す構成は、Ｘ軸負側の圧電アクチュエータ４０の他の振動部４１についても同様である。また、Ｘ軸負側の圧電アクチュエータ４０の振動部４２の断面の構成は、図３（ａ）において、上部電極１０１を上部電極１０２とし、上部電極１０２を上部電極１０１とした構成である。また、Ｘ軸正側の圧電アクチュエータ４０の断面の構成は、図３（ａ）の構成をＸ軸方向に反転させた構成である。

振動部４１は、デバイス層１１０と、熱酸化膜１２０と、下部電極１３０と、圧電体１４０と、上部電極１０１、１０２と、を含む。デバイス層１１０は、Ｓｉ基板により構成され、熱酸化膜１２０は、ＳｉＯ_２により構成される。下部電極１３０は、金属電極膜により構成される。圧電体１４０は、たとえば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）により構成される。上部電極１０１、１０２は、圧電体１４０の上面に配置されている。Ｘ軸方向において、デバイス層１１０の幅は、熱酸化膜１２０、下部電極１３０および圧電体１４０よりも僅かに長くなっている。なお、図３（ａ）は振動部４１を示す図であるため、Ｘ軸方向において、上部電極１０１は上部電極１０２よりも長くなっているが、振動部４２の場合、Ｘ軸方向において、上部電極１０２は上部電極１０１より長くなる。

図３（ｂ）は、図１のＸ軸負側の圧電アクチュエータ４０において、振動部４２のＹ軸負側の端部付近をＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ２１－Ｃ２２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。

なお、図３（ｂ）に示す構成は、Ｘ軸負側の圧電アクチュエータ４０の他の振動部４２のＹ軸負側の端部付近についても同様である。また、Ｘ軸負側の圧電アクチュエータ４０の振動部４１のＹ軸正側の端部付近の構成は、図３（ｂ）の構成をＹ軸方向に反転させた構成である。また、Ｘ軸負側の圧電アクチュエータ４０の振動部４１のＹ軸負側の端部付近および振動部４２のＹ軸正側の端部付近の構成は、図１に示したように端部付近で上部電極１０１、１０２がＹ軸方向に並ぶ点を除いて、図３（ｂ）の構成と同様である。また、Ｘ軸正側の圧電アクチュエータ４０の断面の構成は、図３（ｂ）の構成をＸ軸方向に反転させた構成である。

図３（ｂ）に示すように、隣り合う振動部４２に接続される振動部４１の端部には、図３（ａ）の構成に加えて、デバイス層１１０のＺ軸負側に補強部４０ｃが配置されている。補強部４０ｃは、ベース層１５０と、熱酸化膜１５１、１５２と、を含む。ベース層１５０は、Ｓｉ基板により構成され、熱酸化膜１５１、１５２は、ＳｉＯ_２により構成される。なお、デバイス層１１０は、熱酸化膜１２０、下部電極１３０および圧電体１４０よりも、Ｙ軸方向に突出しており、補強部４０ｃは、デバイス層１１０のＹ軸方向の端部に配置されている。補強部４０ｃは、隣り合う振動部４２の端部までＸ軸方向に直線状に延びている。

圧電アクチュエータ４０において、デバイス層１１０は、図１、２に示す圧電アクチュエータ４０の外形と同様の形状を有しており、デバイス層１１０をベースにして、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ４０の各部が半導体成膜処理によって配置される。これにより、図１に示すように、圧電アクチュエータ４０において振動部４１、４２が形成される。

図３（ｃ）は、図１において、可動部２１、リブ２２、ミラー３０および連結部５０を、可動部２１の中心２１ａを通るＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ３１－Ｃ３２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。

可動部２１は、デバイス層２１０を含む。デバイス層２１０は、Ｓｉ基板により構成される。ミラー３０は、デバイス層２１０の上面に形成された光学反射膜である。ミラー３０は、たとえば、誘電体多層膜や金属膜等により構成される。リブ２２は、ベース層２２０と、熱酸化膜２２１、２２２と、を含む。ベース層２２０は、Ｓｉ基板により構成され、熱酸化膜２２１、２２２は、ＳｉＯ_２により構成される。連結部５０は、デバイス層２１０と、ベース層２２０と、熱酸化膜２２１、２２２と、を含む。実施形態１では、Ｘ－Ｙ平面に平行な方向において、デバイス層２１０は、可動部２１および連結部５０の領域に跨がっており、ベース層２２０および熱酸化膜２２１、２２２は、リブ２２および連結部５０の領域に跨がっている。

可動部２１、リブ２２および連結部５０は、Ｓｉ基板と、Ｓｉ基板の表面に形成されたＳｉＯ_２とにより構成されたＳＯＩ基板を加工することにより形成される。まず、デバイス層２１０および熱酸化膜２２１を含むＳＯＩ基板と、ベース層２２０および熱酸化膜２２２を含むＳＯＩ基板とが貼り合わされる。リブ２２および連結部５０に対応する領域にマスキング処理が施され、リブ２２の中央の孔に対応する領域をエッチングにより除去する。その後、マスキング部材が取り除かれ、可動部２１の上面に、ミラー３０が形成される。

なお、圧電アクチュエータ４０を構成するデバイス層１１０と、圧電アクチュエータ４０以外の構成（可動部２１、リブ２２および連結部５０）のデバイス層２１０とは、共通のＳｉ基板により一体形成される。

また、可動部２１、リブ２２および連結部５０に限らず、圧電駆動素子１の全体が、ＳＯＩ基板を加工することにより形成される。すなわち、ＳＯＩ基板に対してマスキングやエッチングなどを行うことにより、圧電駆動素子１の各部が一括して形成される。

ここで、ミラー３０の形成時に生じる熱応力により、通常、可動部２１に反りおよび撓みが生じやすくなる。これに対し、実施形態１では、可動部２１の裏面側にリブ２２が予め形成されているため、ミラー３０の形成時に可動部２１の反りおよび撓みを抑制できる。また、連結部５０は、可動部２１よりも厚みが大きいため、可動部２１よりも高い剛性を有する。すなわち、連結部５０は、曲がりにくくなるよう構成されている。これにより、圧電アクチュエータ４０による振動が可動部２１に伝わりやすくなる。

次に、図１～図３（ｃ）に示すように構成された圧電駆動素子１の駆動について説明する。

圧電駆動素子１の駆動時には、回動軸Ｒ１０（図１、２参照）を中心として、可動部２１およびミラー３０が反復的に回転振動するように、上部電極１０１、１０２に電圧が印加される。上部電極１０１、１０２に電圧が印加されると、上部電極１０１、１０２の直下に位置する圧電体１４０（図３（ａ）、（ｂ）参照）に電圧が印加され、圧電体１４０の逆圧電効果により、振動部４１、４２が、Ｚ軸正方向またはＺ軸負方向に湾曲するように変形する。

具体的には、Ｘ軸正側の圧電アクチュエータ４０の上部電極１０１およびＸ軸負側の圧電アクチュエータ４０の上部電極１０２に対して同位相の電圧が印加され、Ｘ軸正側の圧電アクチュエータ４０の上部電極１０２およびＸ軸負側の圧電アクチュエータ４０の上部電極１０１に対して逆位相の電圧が印加される。このように、上部電極１０１、１０２に印加する電圧の位相を逆相にすることで、隣接する２つの振動部４１、４２が逆方向に変位する。これにより、回動軸Ｒ１０を中心として、これらの変位が蓄積され、可動部２１およびミラー３０が、反復的に回転振動する。

＜実施形態１の効果＞
実施形態１によれば、以下の効果が奏される。

リブ２２が、板状の可動部２１に配置されている。また、可動部２１よりも高い剛性を有する連結部５０が、圧電アクチュエータ４０の端部４０ｂと可動部２１とを連結する。この構成によれば、板状の可動部２１の反りがリブ２２により抑制される。また、連結部５０の剛性が高められることにより、素子部（圧電アクチュエータ４０、連結部５０および可動部２１）の剛性が高められる。これにより、素子部の共振周波数を高めることができ、ミラー３０の駆動特性の低下を抑制できる。

なお、実施形態１では、振動部４１、４２のＹ軸方向の端部に補強部４０ｃが配置されている。このように補強部４０ｃが設けられると、素子部（圧電アクチュエータ４０、連結部５０および可動部２１）の剛性が高まる。これにより、連結部５０による効果に加えて、さらに素子部の共振周波数を高めることができる。

連結部５０は、可動部２１よりも厚みが大きい。このように、連結部５０の厚みを調整することにより、連結部５０の剛性を容易に高めることができる。

連結部５０の端部は、リブ２２まで延びてリブ２２に接続されている。すなわち、連結部５０は、直接、リブ２２に接続されている。これにより、一対の圧電アクチュエータ４０が、高い剛性の構造体（連結部５０およびリブ２２）により連結されるため、素子部（圧電アクチュエータ４０、連結部５０および可動部２１）の剛性が増加し、素子部の共振周波数を高めることができる。よって、可動部２１の駆動特性の低下をさらに抑制できる。

図３（ｃ）に示したように、リブ２２と連結部５０は、同じ材料（Ｓｉ基板）により構成され、連結部５０は、可動部２１とリブ２２の厚みの和と同じ厚みを有する。これにより、リブ２２と連結部５０とを同時に成形できるため、圧電駆動素子１の製造が容易になる。

連結部５０は、可動部２１の中心２１ａに対して対称な位置において可動部２１に接続されている。この構成によれば、連結部５０により、可動部２１をバランスよく支持できるため、可動部２１を安定的に駆動できる。

ミラー３０は、可動部２１に配置されている。これにより、ミラー３０の反りを抑制しつつ、高い共振周波数でミラー３０を駆動できる。よって、ミラー３０で反射された光（たとえば、レーザ光）の品質を高めることができ、且つ、当該光を高速で走査させることができる。

＜実施形態２＞
実施形態２では、可動部２１に対する連結部５０の接続方法が、上記実施形態１から変更される。連結部５０の接続方法以外の構成は、上記実施形態１と同様である。

図４は、圧電駆動素子１の構成を模式的に示す平面図である。

直線Ｌ１は、連結部５０と圧電アクチュエータ４０との接続位置（端部４０ｂ）と、可動部２１の中心２１ａとを結ぶ直線である。連結部５０は、直線Ｌ１と、圧電アクチュエータ４０による可動部２１の回動軸Ｒ１０との間の範囲（角度θの範囲）に略含まれるように、可動部２１に接続される。このように、連結部５０が、角度θの範囲に略含まれるように配置されると、回動軸Ｒ１０に対する連結部５０の慣性モーメントを抑制できる。

＜駆動特性に関するシミュレーション＞
発明者は、実施形態１の構成に対応するモデル１、実施形態２の構成に対応するモデル２、および実施形態１、２とは異なる比較例の駆動特性について、それぞれ、有限要素法によるシミュレーションを行った。本シミュレーションにおいて、圧電駆動素子１の構成は、図１、４に示した構成とほぼ同様である。以下、本シミュレーションにおいて、図１、４とは異なる構成および各部のサイズ等について説明する。なお、モデル１、２の構成のうち比較例と同様の構成については、図５（ａ）～（ｃ）に示す比較例の構成を参照して説明する。

図５（ａ）は、比較例の構成を模式的に示す平面図である。

本シミュレーションでは、比較例およびモデル１、２の何れの場合も、可動部２１の直径ｄ１１を、１．５ｍｍとした。圧電アクチュエータ４０のＸ軸方向の幅ｄ１２を、２．３ｍｍとし、圧電アクチュエータ４０のＹ軸方向の幅ｄ１３を、１．８ｍｍとした。

比較例では、図５（ａ）に示すように、図１に示した実施形態１の構成と比較して、連結部５０に代えて、連結部５１を配置した。連結部５１の平面視における形状は、実施形態１の連結部５０と同じであるが、連結部５１の厚みは、実施形態１の連結部５０よりも小さい。

図５（ｂ）は、図５（ａ）の比較例の構成において、圧電アクチュエータ４０をＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ４１－Ｃ４２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。

本シミュレーションでは、比較例およびモデル１、２の何れの場合も、デバイス層１１０の厚みｄ１４を、１０μｍとし、圧電体１４０の厚みｄ１５を、３μｍとし、ベース層１５０および熱酸化膜１５１、１５２の厚みｄ１６を、２７０μｍとした。

図５（ｃ）は、図５（ａ）において、可動部２１、リブ２２、ミラー３０および連結部５１を、可動部２１の中心２１ａを通るＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ５１－Ｃ５２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。

本シミュレーションでは、比較例およびモデル１、２の何れの場合も、デバイス層２１０の厚みを、図５（ｂ）の厚みｄ１４と同様１０μｍとし、ベース層２２０および熱酸化膜２２１、２２２の厚みを、図５（ｂ）の厚みｄ１６と同様２７０μｍとした。

比較例では、図５（ｃ）に示すように、連結部５１を、可動部２１と同様、デバイス層２１０のみにより構成した。比較例の連結部５１は、可動部２１と厚みが同じであるため、連結部５１の剛性は、モデル１、２の連結部５０よりも低くなっている。比較例では、Ｚ軸方向の連結部５１の剛性は、リブ２２が配置されていない状態の可動部２１そのものの剛性と同じである。

図６（ａ）は、実施形態１に対応するモデル１の構成を模式的に示す平面図である。

上述したように、モデル１の構成は、平面視において比較例と同様である。ただし、モデル１では、実施形態１と同様、可動部２１およびリブ２２と、圧電アクチュエータ４０とが、比較例とは異なる連結部５０により接続されている。また、モデル１、２の何れの場合も、可動部２１のＺ軸負側の面に、図１に示したリブ２２に加えて、Ｙ軸方向に直線状に延びたリブ２３を配置した。

図６（ｂ）は、図６（ａ）のモデル１の構成において、可動部２１、リブ２２、２３、ミラー３０および連結部５０を、可動部２１の中心２１ａを通るＹ－Ｚ平面に平行な平面で切断したときのＣ６１－Ｃ６２断面を、Ｘ軸負方向に見た場合の構成を模式的に示す図である。

上述したように、モデル１の構成において、デバイス層２１０の厚みは、図５（ｃ）に示した比較例の厚みｄ１４（１０μｍ）と同じであり、ベース層２２０および熱酸化膜２２１、２２２の厚みは、図５（ｃ）に示した比較例の厚みｄ１６（２７０μｍ）と同じである。ただし、モデル１では、連結部５０が、デバイス層２１０、ベース層２２０および熱酸化膜２２１、２２２により構成されている。

図６（ｃ）は、実施形態２に対応するモデル２の構成を模式的に示す平面図である。

モデル２では、連結部５０が可動部２１およびリブ２２に接続される位置を、可動部２１の中心２１ａを中心として、回動軸Ｒ１０に対して角度θ１の位置とした。ここでは、角度θ１を３０°に設定した。この場合も、連結部５０は、直線Ｌ１（図４参照）と回動軸Ｒ１０との間の範囲に略含まれる。また、モデル２においても、モデル１と同様、連結部５０が、デバイス層２１０、ベース層２２０および熱酸化膜２２１、２２２により構成されている。モデル２の各寸法は、連結部５０の配置方法を除いて、モデル１と同様に設定した。

以上のような条件の下、発明者は、まず、非駆動状態において、事前実験により取得した熱応力と、本シミュレーションの条件とに基づいて、ミラー３０の反りを計測した。次に、発明者は、圧電駆動素子１を駆動させて可動部２１およびミラー３０を回動させ、このときの素子部（圧電アクチュエータ４０、連結部および可動部２１）の共振周波数と、回動軸Ｒ１０を中心とする振れ角とを計測した。

図７は、本シミュレーションの結果を示す表である。

反りの値は、比較例およびモデル１、２のいずれの場合も、３０ｎｍ以下となった。発明者が、リブ２２、２３が配置されない場合のミラー３０の反りを計測したところ、反りの値は数百ｎｍと大きい値となった。本シミュレーションでは、比較例の場合に可動部２１にリブ２２が配置され、モデル１、２の場合に、可動部２１にリブ２２、２３が配置されることにより、上記のように何れの場合でも反りが抑制されることを確認できた。

共振周波数の値は、比較例では３６７Ｈｚとなり、モデル１では４６５Ｈｚとなり、モデル２では４９５Ｈｚとなった。本シミュレーションでは、比較例よりもモデル１の方が、より高い共振周波数が得られ、さらに、モデル１よりもモデル２の方がより高い共振周波数が得られた。このことから、連結部５０の厚みを大きくして剛性を高めることにより、より高い共振周波数が得られることが確認できた。また、モデル２のように連結部５０を配置して連結部５０の慣性モーメントを減少させることにより、より一層高い共振周波数が得られることが確認できた。

振れ角の値は、比較例では３８．８°、モデル１、２では４０．４°となった。本シミュレーションでは、比較例よりもモデル１、２の方が、より大きな振れ角が得られた。比較例の振れ角が小さい理由は、連結部５１の厚みが小さく設定され、素子部（圧電アクチュエータ４０、連結部５１および可動部２１）の剛性が低いためであると推測される。一方、モデル１、２の振れ角が大きい理由は、連結部５０の厚みが大きく設定され、素子部（圧電アクチュエータ４０、連結部５０および可動部２１）の剛性が高くなったことにより、圧電アクチュエータ４０が生成した回転モーメントが、連結部５０で損なわれることなく可動部２１に伝播したためであると推測される。よって、振れ角拡大の観点からも、連結部５０の剛性は高いことが好ましいと言える。

＜実施形態２の効果＞
実施形態２によれば、以下の効果が奏される。

連結部５０は、直線Ｌ１と回動軸Ｒ１０（回転軸）との間の範囲に略含まれるように可動部２１に接続される。すなわち、連結部５０の大部分が、上記の範囲に含まれるように配置され、連結部５０は、実質的に上記の範囲に含まれる。この構成によれば、連結部５０が回動軸Ｒ１０に接近した範囲に位置づけられるため、回動軸Ｒ１０に対する連結部５０の慣性モーメントを抑制できる。このため、素子部（圧電アクチュエータ４０、連結部５０および可動部２１）の共振周波数を高めることができ、ミラー３０の駆動特性の低下をさらに抑制できる。

＜変更例＞
圧電駆動素子１の構成は、上記実施形態に示した構成以外に、種々の変更が可能である。

たとえば、上記実施形態１、２では、図１、４に示したように、連結部５０は、Ｌ字形状を有していたが、他の形状を有してもよい。

たとえば、図８（ａ）に示すように、連結部５０は、Ｘ－Ｙ平面内において、Ｘ軸およびＹ軸に対して角度を有するように直線的に延びていてもよい。この場合も、連結部５０が、直線Ｌ１と回動軸Ｒ１０との間の範囲に略含まれるため、連結部５０の慣性モーメントが抑制される。また、図８（ｂ）に示すように、連結部５０は、曲線形状を有してもよい。

また、上記実施形態１、２では、リブ２２は、平面視においてリング形状を有したが、可動部２１の反りを抑制するためのリブは、リング形状に限らない。たとえば、図６（ａ）、（ｃ）に示したように、リブ２２の径方向に直線形状のリブ２３が追加されてもよい。また、図９（ａ）に示すように、リブ２２、２３に加えて、さらにリブ２２の径方向に直線形状のリブ２４が追加されてもよい。この場合、リブ２２とリブ２３とは、たとえば互いに直交するように配置される。また、リブ２２は、平面視において矩形形状を有してもよい。また、図９（ａ）の構成において、リブ２２が省略されてもよい。

また、上記実施形態１、２では、リング形状のリブ２２は、可動部２１の外周部分に配置されたが、これに限らず、図９（ｂ）に示すように、可動部２１の外周部分からやや内側に配置されてもよい。この場合も、リブ２２と連結部５０は、同一の材料により一体的に形成される。また、図９（ｂ）の構成の場合に、図１０（ａ）に示すように、リブ２２と連結部５０とが一体的に構成されなくてもよい。ただし、共振周波数の向上の観点からは、リブ２２と連結部５０とは、一体的に構成されて、リブ２２と連結部５０とからなる剛性の高い構造体により、一対の圧電アクチュエータ４０が連結されるのが好ましい。

また、上記実施形態１、２では、連結部５０は、可動部２１と同一のデバイス層２１０（Ｓｉ基板）にベース層２２０（Ｓｉ基板）が重ねられた構成であり、かつ、可動部２１よりも厚みが大きくなるよう形成された。しかしながら、連結部５０が可動部２１よりも高い剛性を有する限りにおいて、連結部５０の構成は上記構成に限らない。たとえば、連結部５０は、可動部２１よりも剛性の高い材料により構成され、可動部２１と同一の厚みを有してもよい。また、連結部５０は、可動部２１よりも剛性の低い材料により構成され、かつ、可動部２１よりも厚みが大きくなるよう構成されることにより、結果的に、可動部２１よりも高い剛性が実現されてもよい。また、連結部５０は、デバイス層２１０およびベース層２２０の２層構造であったが、連結部５０の層数はこれに限らない。

また、連結部５０の周囲が金属材料により被覆されることにより連結部５０が補強され、連結部５０の剛性が可動部２１より高められてもよい。図１０（ｂ）は、この場合の構成を模式的に示す断面図である。図１０（ｂ）において、連結部５０は、デバイス層２１０と金属材料２３０により構成され、連結部５０に対応するデバイス層２１０が、金属材料２３０により被覆されている。このように金属材料２３０を用いる場合、連結部５０の剛性を簡易に高めることができる。

また、上記実施形態１、２において、図１１に示すように、一対の圧電アクチュエータ４０が可動部２１の中心２１ａを通るＹ－Ｚ平面に対して線対称に配置および構成されてもよい。この場合、一対の圧電アクチュエータ４０と、可動部２１およびリブ２２とは、１つの連結部５０により接続される。この場合の連結部５０の形状は、平面視において、中心２１ａを通るＹ－Ｚ平面に対して線対称なＴ字形状とされる。連結部５０は、Ｘ軸方向に延びた直線部５０ａと、Ｙ軸方向に延びた直線部５０ｂとを備える。直線部５０ａは、Ｘ軸正側の圧電アクチュエータ４０の端部４０ｂとＸ軸負側の圧電アクチュエータ４０の端部４０ｂとを接続する。直線部５０ｂは、直線部５０ａのＸ軸方向の中心と、可動部２１およびリブ２２とを接続する。

図１１に示す構成では、一対の圧電アクチュエータ４０が、互いに同じ方向の回転振動を生じるように駆動される。具体的には、２つの圧電アクチュエータ４０の上部電極１０１に対して同位相の電圧が印加され、２つの圧電アクチュエータ４０の上部電極１０２に対して逆位相の電圧が印加される。これにより、連結部５０の直線部５０ａが回動軸Ｒ１０について回動し、可動部２１およびミラー３０が反復的に回転振動する。

なお、上記実施形態１、２では、連結部５０は、可動部２１よりも高い剛性を有するよう構成された。これに対し、発明者は、連結部５０が可動部２１よりも高い剛性を有していない場合に、上記モデル２のように連結部５０を調整することで、可動部２１の駆動特性を比較例に比べて高め得るか否かを検討した。

以下、この検討における変更例について説明する。

本変更例の構成は、平面視において、図４および図６（ｃ）に示した実施形態２と同様である。本変更例の連結部５０は、連結部５０と圧電アクチュエータ４０との接続位置（端部４０ｂ）と可動部２１の中心２１ａとを結ぶ直線Ｌ１と、圧電アクチュエータ４０による可動部２１の回動軸Ｒ１０との間の範囲に略含まれるように、可動部２１に接続されている。また、本変更例の連結部５０の積層構造は、図５（ｃ）に示した比較例の連結部５１と同様に構成される。すなわち、連結部５０は、比較例のリブ２２以外の範囲における可動部２１の部分と同じ厚みに構成される。また、本変更例の可動部２１のＺ軸負側の面には、図６（ａ）～（ｃ）に示した実施形態１、２と同様、リブ２２、２３が配置されている。本変更例の可動部２１およびリブ２２、２３の積層構造は、図６（ｂ）に示した実施形態１、２と同様である。

発明者は、上記のように構成された変更例の構成に対応するモデル３の駆動特性について、上記の駆動特性に関するシミュレーションと同様、有限要素法によるシミュレーションを行った。なお、モデル３の各寸法は、連結部５０の厚みを除いて、モデル２と同様である。また、モデル３の連結部５０の厚みは、比較例と同様である。

図１２は、本シミュレーションの結果を示す表である。図１２には、便宜上、図７の比較例のシミュレーション結果が示されている。

モデル３の反りの値は、３０ｎｍ以下となった。したがって、図７の比較例およびモデル１、２と同様、可動部２１にリブが配置されることにより、反りが抑制されることを確認できた。

モデル３の共振周波数の値は、４０５Ｈｚとなった。モデル３では、図７のモデル１、２に比べて共振周波数がやや低いものの、比較例よりも高い共振周波数が得られた。このことから、連結部５０の厚みが比較例と同様に小さくても、連結部５０の慣性モーメントを減少させることにより、高い共振周波数が得られることを確認できた。

モデル３の振れ角の値は、３９．９°となった。モデル３では、図７のモデル１、２に比べて振れ角がやや小さいものの、比較例よりも大きな振れ角が得られた。このことから、連結部５０の厚みが比較例と同様に小さくても、回動軸Ｒ１０に対する連結部５０の慣性モーメントを減少させることにより、大きい振れ角が得られることを確認できた。

以上、本変更例によれば、連結部５０が回動軸Ｒ１０に接近した範囲に位置づけられるため、回動軸Ｒ１０に対する連結部５０の慣性モーメントを抑制できる。このため、リブ２２により可動部２１の反りを抑制しつつ、比較例に比べて、素子部（圧電アクチュエータ４０、連結部５０および可動部２１）の共振周波数を高めることができ、ミラー３０の駆動特性の低下を抑制できる。

また、上記実施形態１、２では、１つの圧電アクチュエータ４０は、２つの振動部４１および２つの振動部４２を備えたが、圧電アクチュエータ４０が備える振動部の数はこれに限らない。

また、上記実施形態１、２では、ミラー３０は、誘電体多層膜や金属膜等により構成されたが、誘電体多層膜や金属膜以外の光学反射膜でもよい。

この他、本発明の実施形態は、特許請求の範囲に示された技術的思想の範囲内において、適宜、種々の変更が可能である。

１圧電駆動素子
１０支持体
２１可動部
２１ａ中心
２２、２３、２４リブ
３０ミラー
４０圧電アクチュエータ
４０ａ端部（一端）
４０ｂ端部（他端）
５０連結部
Ｌ１直線
Ｒ１０回動軸

Claims

支持体と、
リブが配置された板状の可動部と、
前記支持体に一端が支持され、回動軸について前記可動部を回動させる一対のミアンダ型の圧電アクチュエータと、
前記一対の圧電アクチュエータの他端と前記可動部とを連結し、前記可動部よりも高い剛性を有する連結部と、を備え、
前記可動部の板面に平行且つ前記回動軸に垂直な方向において、前記可動部の幅は前記一対の圧電アクチュエータの幅より小さく、
前記一対の圧電アクチュエータの前記他端は、前記圧電アクチュエータの前記幅の端部にあり、
前記連結部は、前記回動軸から離れた位置において前記可動部に接続される、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項１に記載の圧電駆動素子において、
前記連結部は、前記可動部よりも厚みが大きい、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項１または２に記載の圧電駆動素子において、
前記連結部の端部は、前記リブまで延びて前記リブに接続されている、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項１ないし３の何れか一項に記載の圧電駆動素子において、
前記連結部は、前記連結部と前記圧電アクチュエータとの接続位置と前記可動部の中心とを結ぶ直線に沿って延び、あるいは、前記直線と前記回動軸との間の範囲に略含まれるように、前記可動部に接続される、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項１ないし４の何れか一項に記載の圧電駆動素子において、
前記リブと前記連結部は、同じ材料の層を含み、
前記連結部は、前記可動部と前記リブの厚みの和と同じ厚みを有する、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項１ないし５の何れか一項に記載の圧電駆動素子において、
前記圧電駆動素子は、ＳＯＩ基板を加工することにより形成されている、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項１ないし６の何れか一項に記載の圧電駆動素子において、
前記連結部は、前記可動部の中心に対して対称な位置において前記可動部に接続されている、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項１ないし７の何れか一項に記載の圧電駆動素子において、
前記可動部にミラーが配置されている、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
支持体と、
リブが配置された板状の可動部と、
前記支持体に一端が支持され、回動軸について前記可動部を回動させる一対のミアンダ型の圧電アクチュエータと、
前記一対の圧電アクチュエータの他端と前記可動部とを連結する連結部と、を備え、
前記可動部の板面に平行且つ前記回動軸に垂直な方向において、前記可動部の幅は前記一対の圧電アクチュエータの幅より小さく、
前記一対の圧電アクチュエータの前記他端は、前記圧電アクチュエータの前記幅の端部にあり、
前記連結部は、前記連結部と前記圧電アクチュエータとの接続位置と前記可動部の中心とを結ぶ直線に沿って延び、あるいは、前記直線と前記回動軸との間の範囲に略含まれるように、前記回動軸から離れた位置において前記可動部に接続される、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項９に記載の圧電駆動素子において、
前記連結部は、前記可動部の中心に対して対称な位置において前記可動部に接続されている、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項９または１０に記載の圧電駆動素子において、
前記圧電駆動素子は、ＳＯＩ基板を加工することにより形成されている、
ことを特徴とする圧電駆動素子。
請求項９ないし１１の何れか一項に記載の圧電駆動素子において、
前記可動部にミラーが配置されている、
ことを特徴とする圧電駆動素子。