(57)【要約】【課題】本発明は、小型かつ低消費電力で、高感度の傾動駆動を実現できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。【解決手段】第１の方向に延在し、駆動対象物３０を前記第１の方向の両側から支持する１対の中心梁４０、４０ａと、  前記第１の方向と略直交する第２の方向に平行に延在する複数の梁５７、５７ａ、５８の、隣接する端部同士が両端で交互に連結されたジグザグ状の梁群を含んで構成されるとともに、各梁が圧電素子２０を備え、該圧電素子の伸縮変形により前記第２の方向の傾き角度の蓄積が可能な１対の蛇行型梁５０、５０ａと、  前記駆動対象物、前記中心梁及び前記蛇行型梁を取り囲む固定枠１２０と、を有する圧電アクチュエータであって、  前記１対の蛇行型梁は、一端が前記固定枠に連結され、他端が前記固定枠との連結位置から遠い方の前記中心梁の端部に連結されるとともに、前記駆動対象物及び前記中心梁を両側から囲むように配置されたことを特徴とする。【選択図】図９
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の方向に延在し、駆動対象物に連結されて該駆動対象物を前記第１の方向の両側から支持する１対の中心梁と、
前記第１の方向と略直交する第２の方向に平行に延在する複数の梁の、隣接する端部同士が両端で交互に連結されたジグザグ状の梁群を含んで構成されるとともに、各梁が圧電素子を備え、該圧電素子の伸縮変形により前記第２の方向の傾き角度の蓄積が可能な１対の蛇行型梁と、
前記駆動対象物、前記中心梁及び前記蛇行型梁を取り囲む固定枠と、を有する圧電アクチュエータであって、
前記１対の蛇行型梁は、一端が前記固定枠に連結され、他端が前記固定枠との連結位置から遠い方の前記中心梁の端部に連結されるとともに、前記駆動対象物及び前記中心梁を両側から囲むように対称に配置されたことを特徴とする圧電アクチュエータ。
【請求項２】
前記固定枠は、略四角形の開口を有する枠形状であって、
前記開口内の前記駆動対象物及び前記中心梁と前記固定端との間は、前記１対の蛇行型梁が敷き詰められて配置されてい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。
【請求項３】
前記１対の中心梁は、前記第１の方向に、前記固定枠と前記第２の方向に延在する梁の１本の幅よりも接近した位置まで延在し、
前記１対の蛇行型梁は、前記中心梁及び前記駆動対象物に仕切られるように、前記中心梁及び前記駆動対象物の両側に配置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。
【請求項４】
前記１対の中心梁は、前記第１の方向に、前記固定枠と前記第２の方向に延在する梁の１本の幅より大きい間隔を有して延在し、
前記１対の蛇行型梁は、前記中心梁及び前記駆動対象物に前記第２の方向に仕切られるように配置された１対の内梁群と、
該内梁群の外側の梁に連結され、前記第１の方向の両側から前記中心梁及び前記駆動対象物を挟むように配置された１対の外梁群と、を含む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。
【請求項５】
前記外梁群の前記内梁群と連結される位置は、前記外梁群の内側の梁の端部以外の部分であって、前記１対の外梁群の内側の梁の端部同士は、前記内梁群を前記第１の方向の両側から挟むように配置された横梁で連結されている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。
【請求項６】
前記内梁群及び前記外梁群による前記第２の方向への傾動駆動時に、前記内梁群に前記第１の方向への傾きが生じる場合に、前記外梁群が前記内梁群に生じる前記第１の方向の傾きを相殺するように、前記固定枠に連結されたことを特徴とする請求項５に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項７】
前記蛇行型梁は、非共振により前記駆動対象物を前記第２の方向に傾動駆動する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。
【請求項８】
前記中心梁は、前記駆動対象物を前記第１の方向に傾動可能な圧電素子を備えることを特徴とする請求項１乃至７のいずれか一項に記載の圧電アクチュエータ。
【請求項９】
前記中心梁は、共振により前記駆動対象物を前記第１の方向に傾動駆動することを特徴とする請求項８に記載の圧電アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電アクチュエータに関し、特に、駆動対象物を傾動駆動する圧電アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、入射された光を反射するミラー部と、ミラー部をトーションバーを介して駆動する１対の第２の圧電アクチュエータと、第２の圧電アクチュエータを支持する可動枠と、可動枠を駆動する１対の圧電アクチュエータと、この圧電アクチュエータを支持する台座とを備えた光偏光器が知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
かかる特許文献１に記載の光偏光器において、第２の圧電アクチュエータは、ミラー部とミラー部の両端から外側に伸びた１対のトーションバーとを挟んで対向するように配置され、第２の圧電アクチュエータの一端は１対のトーションバーに連結され、他端は可動枠の内側に連結されて支持される。圧電アクチュエータは、１対のトーションバーと異なる方向にミラー部及び可動枠を挟んで対向するように１対配置され、各圧電アクチュエータの一端が可動枠の外側に連結され、他端は台座に支持される構成を有している。
【０００４】
ここで、圧電アクチュエータは、支持体及び支持体上に形成された圧電体を有し、圧電駆動により屈曲変形を行う複数の圧電カンチレバーを含むと共に、複数の圧電カンチレバーの圧電体にそれぞれ駆動電圧を印加するための複数の電極を独立に備え、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連結形成され、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、回動可能に構成されている。同様に、第２の圧電アクチュエータも、圧電駆動により屈曲変形を行う１つの圧電カンチレバーを含み、回動可能に構成されている。
【０００５】
そして、ミラー部は、１対の第２の圧電アクチュエータにより第１の軸周りで駆動されると共に、１対の圧電アクチュエータにより第１の軸周りと異なる第２の軸周りで可動枠を介して駆動される構成となっている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−４０２４０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、上述の特許文献１に記載の構成では、第２の圧電アクチュエータの外側に、可動枠を介して圧電アクチュエータが連結されているため、圧電アクチュエータにより駆動される第２の軸周りでのミラー部の駆動は、傾角感度が低くなるという場合がある。例えば、特許文献１に開示されている特性曲線では、レーザ光の反射角は３０〔Ｖ〕の印加電圧で２０〔ｄｅｇ〕しか傾かず、ミラー傾角としては１０〔ｄｅｇ〕である。しかしながら、レーザ光を、例えば、５０〔ｃｍ〕の距離でＡ３サイズの大画面にＸＧＡ（eXtended Graphic Array）で高速描画を行うためには、印加電圧３０〔Ｖ〕以下で３６〔ｄｅｇ〕の反射角が必要とされ、ミラー傾角としては、１８〔ｄｅｇ〕が必要である。よって、特許文献１に記載の光偏光器では、大画面・高速描画の要求を満たすことができない場合がある。
【０００８】
また、特許文献１に記載の構成で、十分な傾角感度を得ようとすると、圧電アクチュエータに多数の圧電カンチレバーを備える必要があり、圧電アクチュエータが大型化するという場合がある。また、圧電カンチレバーを増加させることにより、消費電力が増加してしまうという場合がある。
【０００９】
そこで、本発明は、小型かつ低消費電力で、高感度の傾動駆動を実現できる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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は、第１の方向に延在し、駆動対象物（３０）に連結されて該駆動対象物（３０）を前記第１の方向の両側から支持する１対の中心梁（４０、４０ａ）と、
前記第１の方向と略直交する第２の方向に平行に延在する複数の梁（５７、５７ａ、５８）の、隣接する端部同士が両端で交互に連結されたジグザグ状の梁群を含んで構成されるとともに、各梁（５７、５７ａ、５８）が圧電素子（２０）を備え、該圧電素子（２０）の伸縮変形により前記第２の方向の傾き角度の蓄積が可能な１対の蛇行型梁（５０、５０ａ）と、
前記駆動対象物（３０）、前記中心梁（４０、４０ａ）及び前記蛇行型梁（５０、５０ａ）を取り囲む固定枠（１２０）と、を有する圧電アクチュエータであって、
前記１対の蛇行型梁（５０、５０ａ）は、一端が前記固定枠（１２０）に連結され、他端が前記固定枠（１２０）との連結位置から遠い方の前記中心梁（４０、４０ａ）の端部に連結されるとともに、前記駆動対象物（３０）及び前記中心梁（４０、４０ａ）を両側から囲むように対称に配置されたことを特徴とする。
【００１１】
これにより、駆動対象物及びこれを支持している中心梁の両側まで駆動能力を有する蛇行型梁を設けることができ、少ないスペースに多くの駆動源を設置し、小型で高効率のアクチュエータとすることができる。
【００１２】
第２の発明は、第１の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、前記固定枠（１２０）は、略四角形の開口を有する枠形状であって、
前記開口内の前記駆動対象物（３０）及び前記中心梁（４０、４０ａ）と前記固定端との間は、前記１対の蛇行型梁（５０、５０ａ）が敷き詰められて配置されていることを特徴とする。
【００１３】
これにより、固定枠内のスペースの大半を駆動源として用いることができ、省スペースで高効率のアクチュエータとすることができる。
【００１４】
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において、
前記１対の中心梁（４０）は、前記第１の方向に、前記固定枠（１２０）と前記第２の方向に延在する梁（５７、５７ａ、５８）の１本の幅よりも接近した位置まで延在し、
前記１対の蛇行型梁（５０）は、前記中心梁（４０）及び前記駆動対象物（３０）に仕切られるように、前記中心梁（４０）及び前記駆動対象物（３０）の両側に配置されたことを特徴とする。
【００１５】
これにより、簡素な構成でありながら、駆動源を効率良く配置することができ、省スペースかつ高効率のアクチュエータとすることができる。
【００１６】
第４の発明は、第２の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、
前記１対の中心梁（４０ａ）は、前記第１の方向に、前記固定枠（１２０）と前記第２の方向に延在する梁（５７、５７ａ、５８）の１本の幅より大きい間隔を有して延在し、
前記１対の蛇行型梁（５０ａ）は、前記中心梁（４０ａ）及び前記駆動対象物（３０）に前記第２の方向に仕切られるように配置された１対の内梁群（５３、５４）と、
該内梁群（５３、５４）の外側の梁（５７ａ）に連結され、前記第１の方向の両側から前記中心梁（４０ａ）及び前記駆動対象物（３０）を挟むように配置された１対の外梁群（５５、５６）と、を含むことを特徴とする。
【００１７】
これにより、中心梁と駆動対象物の存在する領域では、中心梁と駆動対象物に仕切られるように蛇行型の梁を敷き詰め、中心梁と駆動対象物の存在しない領域では、中心梁の外側から挟み込むように蛇行型の梁を長く延在させて敷き詰めることができ、領域に応じた高効率の形状とすることができる。
【００１８】
第５の発明は、第４の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、
前記外梁群（５５、５６）の前記内梁群（５３、５４）と連結される位置は、前記外梁群（５５、５６）の内側の梁（５８）の端部以外の部分であって、前記１対の外梁群（５５、５６）の内側の梁（５８）の端部同士は、前記内梁群（５３、５４）を前記第１の方向の両側から挟むように配置された横梁（１００）で連結されていることを特徴とする。
【００１９】
これにより、１対の外梁群の傾動を整合させ、第２の方向に駆動対象を傾動駆動しているときに、内梁群に発生する不要な第１の方向に発生してしまう不要な傾角を低減させることができる。
【００２０】
第６の発明は、第５の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、
前記内梁群（５３、５４）及び前記外梁群（５５、５６）による前記第２の方向への傾動駆動時に、前記内梁群（５３、５４）に前記第１の方向への傾きが生じる場合に、前記外梁群（５５、５６）が前記内梁群（５３、５４）に生じる前記第１の方向の傾きを相殺するように、前記固定枠（１２０）に連結されたことを特徴とする。
【００２１】
これにより、内梁群に生じる不要な方向への傾角を、外梁群と固定枠との連結位置により低減させることができ、部品数を増加させることなく、構成の調整により容易かつ効果的に不要傾角を低減できる。
【００２２】
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において、
前記蛇行型梁（５０、５０ａ）は、非共振により前記駆動対象物（３０）を前記第２の方向に傾動駆動することを特徴とする。
【００２３】
これにより、非共振モードを用いて、低周波数で駆動対象物を駆動することができ、低速駆動に適切に対応することができる。
【００２４】
第８の発明は、第１〜７のいずれかの発明に係る圧電アクチュエータにおいて、
前記中心梁（４０，４０ａ）は、前記駆動対象物（３０）を前記第１の方向に傾動可能な圧電素子（２０）を備えることを特徴とする。
【００２５】
これにより、２軸駆動により種々のアクチュエータに応用することができ、例えば、駆動対象をミラーとすることにより、マイクロプロジェクタやマイクロスキャナ等への応用も可能となる。
【００２６】
第９の発明は、第８の発明に係る圧電アクチュエータにおいて、
前記中心梁（４０、４０ａ）は、共振により前記駆動対象物（３０）を前記第１の方向に傾動駆動することを特徴とする。
【００２７】
これにより、第１の方向には、高速な傾動駆動が可能となり、高速駆動を要求される種々のアクチュエータへの応用が可能となる。
【００２８】
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。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、圧電アクチュエータの小型化を図りつつ、傾角感度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】実施例１に係る圧電アクチュエータの断面構造の一例を示した図である。
【図２】実施例１に係る梁構造１５の駆動方法の説明図である。図２（Ａ）は、梁構造１５と圧電素子２０の部分を示した側面図の一例である。図２（Ｂ）は、圧電素子２０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２０が伸長変形した状態の一例を示した図である。
【図３】実施例１に係る圧電アクチュエータの駆動状態の一例を示した図である。
【図４】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図である。図４（Ａ）は、圧電アクチュエータの表面斜視図の一例である。図４（Ｂ）は、圧電アクチュエータの裏面斜視図の一例である。図４（Ｃ）は、圧電アクチュエータの表面の平面図の一例である。
【図５】駆動対象物３０を、手前側に傾動させた状態を示した斜視図である。
【図６】実施例１に係る圧電アクチュエータに生じ得る第１の方向の傾角の説明図である。図６（Ａ）は、図５の状態の圧電アクチュエータの上面図の一例である。図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の矢視Ｂの方向から見た圧電アクチュエータの側面図の一例である。
【図７】実施例１の変形例に係る圧電アクチュエータの一例を示した図である。図７（Ａ）は、変形例に係る圧電アクチュエータの上面図の一例である。図７（Ｂ）は、図６（Ｂ）に対応する矢視Ｂの方向から見た変形例に係る圧電アクチュエータの側面図の一例である。
【図８】実施例１に係る圧電アクチュエータを２軸駆動の圧電アクチュエータに適用した例を示した図である。
【図９】本発明の実施例２に係る圧電アクチュエータの全体構成の一例を示した図である。図９（Ａ）は、圧電アクチュエータの表面斜視図の一例である。図９（Ｂ）は、圧電アクチュエータの裏面斜視図の一例である。図９（Ｃ）は、圧電アクチュエータの表面を示した上面図の一例である。
【図１０】実施例２に係る圧電アクチュエータの駆動状態の一例を示した図である。図１０（Ａ）は、圧電アクチュエータの駆動状態の一例を示した斜視図である。図１０（Ｂ）は、圧電アクチュエータの駆動状態の一例を示した上面図である。
【図１１】実施例２の圧電アクチュエータの外梁群５５、５６のみを駆動させた場合の斜視図の一例である。
【図１２】実施例２の圧電アクチュエータの内梁群５３、５４のみを駆動させた場合の斜視図の一例である。
【図１３】実施例２の圧電アクチュエータのミラー傾角感度を示した図である。
【図１４】参考例として横梁１００を設けない圧電アクチュエータの例を示した図である。図１４（Ａ）は、横梁１００を除去した圧電アクチュエータの構成を示した上面図である。図１４（Ｂ）は、横梁１００を設けない圧電アクチュエータの駆動例を示す斜視図である。
【図１５】実施例２に係る圧電アクチュエータと横梁１００を有しない圧電アクチュエータのミラー傾角感度と不要傾角を示した図である。
【図１６】実施例２に係る圧電アクチュエータと横梁１００を有しない圧電アクチュエータの比較側面図である。図１６（Ａ）は、実施例２の圧電アクチュエータの側面図の例である。図１６（Ｂ）は、横梁１００を有しない圧電アクチュエータの側面図の例である。
【図１７】連結部９０と連結部８０ａとの配置関係について示した図である。図１７（Ａ）は、モデルＡの圧電アクチュエータの配置構成を示した図である。図１７（Ｂ）は、モデルＢの圧電アクチュエータの配置構成を示した図である。図１７（Ｃ）は、モデルＣの圧電アクチュエータの配置構成を示した図である。図１７（Ｄ）は、モデルＤの圧電アクチュエータの配置構成を示した図である。
【図１８】図１７に示した各配置構成のパターンの外梁群５５、５６と、内梁群５３、５４と、全体の蛇行型梁５０ａにおける不要傾角を示した図である。
【図１９】実施例２に係る圧電アクチュエータを２軸駆動用として構成した場合を示した図である。図１９（Ａ）は、２軸圧電アクチュエータの表面斜視図の一例である。図１９（Ｂ）は、２軸圧電アクチュエータの駆動時の表面斜視図の一例である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
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。
【実施例１】
【００３２】
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造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、圧電素子２０とを備える。半導体ウェハ１０は、種々の半導体ウェハ１０が用いられてよいが、例えば、ＳＩＯ（Silicon on Insulator）基板が用いられてもよい。図１においては、半導体ウェハ１０が示されているが、シリコン基板１１の上に、ＳｉＯ２１２と、Ｓｉ活性層１３と、ＳｉＯ２１４が積層され、Ｓｉ活性層１４がＳｉＯ２１２、１４で挟まれたＳＯＩ基板が示されている。図１において、例えば、半導体ウェハ１０が全体として３５０〔μｍ〕程度の厚さであったときに、ＳｉＯ２１２、１４は０．５〔μｍ〕程度、Ｓｉ活性層１３は３０〔μｍ〕程度の厚さであってもよい。つまり、この場合、ＳｉＯ２１２、Ｓｉ活性層１４及びＳｉＯ２１４は、合計で３１〔μｍ〕しかなく、Ｓｉウェハ１０の１／１０以下の厚さである。ＳｉＯ２１２、Ｓｉ活性層１４及びＳｉＯ２１４は、全体で梁構造１５を構成する。なお、半導体ウェハ１０の全体の厚さは、用途に応じて種々の厚さとすることができ、例えば、３００〜５００〔μｍ〕程度の厚さであってもよい。
【００３３】
圧電素子２０は、加えられた電圧を力に変換する圧電効果を利用した受動素子である。圧電素子２０は、半導体ウェハ１０の梁構造１５の表面に装着されて設けられてよい。圧電素子２０は、圧電体２１と、上部電極２２と、下部電極２３とを備える。圧電素子２０は、上部電極２２及び下部電極２３に電圧が印加されることにより、圧電体２１が伸縮変形し、梁構造１５を変形させる。圧電素子２０は、種々の圧電体２１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２０は、例えば、２〔μｍ〕程度の厚さで形成されてもよい。
【００３４】
このような加工は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により加工が行われてよく、微細な圧電アクチュエータを作製することができる。
【００３５】
図２は、実施例１に係る梁構造１５の駆動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構造１５と圧電素子２０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、シリコンから構成される梁構造１５の上に、圧電素子２０が薄膜状に被覆されている。
【００３６】
図２（Ｂ）は、圧電素子２０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２０が収縮すると、梁構造１５は、下に凸の上方に反るような形状となる。
【００３７】
図２（Ｃ）は、圧電素子２０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２０が伸長すると、梁構造１５は、上に凸の下方に反るような形状となる。
【００３８】
図２（Ｂ）（Ｃ）に示すように、圧電素子２０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、このような圧電素子２０の性質を利用して、圧電素子２０を駆動源として、駆動対象を駆動する。
【００３９】
図３は、実施例１に係る圧電アクチュエータによる梁構造１５の駆動状態の一例を示した図である。図３において、複数の梁構造１５が、略平行に配置され、隣接する端部同士の１対が連結部１６により連結され、全体としてジグザグ状の蛇行型の梁構造１５を有している。また、梁構造１５の直線部分には、圧電素子２０の薄膜が成膜されている。このような構成の蛇行型の梁構造１５において、隣接する梁構造１５に印加される電圧の極性又は位相が交互に変化するようにすると、図３に示すように、梁構造１５の反りによる伸縮変形が蓄積してゆき、全体として、大きな傾きの変位を生み出す。このように、梁構造１５をジグザグ状に形成し、駆動源である圧電素子２０に隣接する梁構造１５同士の極性が逆になるような電圧を印加することにより、角度変化を各梁構造１５毎に蓄積し、全体として大きな傾動駆動を行うことができる。本実施例に係る圧電アクチュエータにおいては、このような角度変位の蓄積による傾動駆動を利用する。
【００４０】
図４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表面斜視図の一例であり、図４（Ｂ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータの裏面斜視図の一例である。
【００４１】
図４（Ａ）に示すように、実施例１に係る圧電アクチュエータは、駆動対象物３０が中心に配置され、表面側に梁構造１５及び圧電素子２０が配置された構成となっている。また、シリコン基板１１の厚い部分は、圧電アクチュエータの外側の枠を形成する。
【００４２】
図４（Ｂ）に示すように、実施例１に係る圧電アクチュエータは、裏面には、圧電素子２０は設けられず、外側の枠がシリコン基板１１の厚い領域、中央の広い領域が梁構造１５を含む半導体ウェハ１０の薄い領域で形成される。このように、実施例１に係る圧電アクチュエータは、表面が平面状で、裏面に段差がある立体形状となる。
【００４３】
図４（Ｃ）は、実施例１に係る圧電アクチュエータの表面の平面図の一例である。図４（Ｃ）において、本実施例に係る圧電アクチュエータは、駆動対象物３０と、中心梁４０と、蛇行型梁５０と、連結部６０、７０、８０と、固定枠１２０とを備える。蛇行型梁５０は、略平行に延在する複数の梁５７を含んでいる。
【００４４】
駆動対象物３０は、本実施例に係る圧電アクチュエータの駆動目的となる対象物であり、種々の駆動対象物３０が適用され得る。本実施例に係る圧電アクチュエータにおいては、駆動対象物３０が、ミラーである例を挙げて説明する。ミラーを駆動対象物３０とする圧電アクチュエータは、マイクロプロジェクタやマイクロスキャナ等に利用することができる。
【００４５】
駆動対象物３０は、ミラー３１と、可動枠３２とを備える。ミラー３１は、駆動対象そのものであり、ミラー３１にレーザ光を照射し、ミラー３１が反射光を水平方向に高速で走査させるとともに、鉛直方向に低速で走査することにより、画面全体を反射光で走査することが可能となる。本実施例に係る圧電アクチュエータにおいては、鉛直方向の反射光の低速走査の駆動を、コンパクトかる低消費電力で行う。可動枠３２は、ミラー３１を支持する変形可能な支持枠である。本実施例に係る圧電アクチュエータは、ミラー３１を直接的に支持して駆動することも可能であるが、図４の例においては、可動枠３２を介してミラー３１を駆動している。しかしながら、本実施例に係る圧電アクチュエータが傾動させるのは、可動枠３２も含めた駆動対象物３０であるので、ミラー３１と可動枠３２を区別することなく、駆動対象物３０と考えてよい。
【００４６】
また、駆動対象物３０の可動枠３２及びミラー３１を設置するための支持台は、図１において説明したように、梁構造１５と同じように、半導体ウェハ１０の表面のＳｉＯ２１２、１４で挟まれたＳｉ活性層１３が存在する薄い部分で構成されてよい。
【００４７】
中心梁４０は、駆動対象物３０を、第１の方向において両側から対をなして支持する手段であり、駆動対象物３０に連結されている。第１の方向は、図４においては、横方向（Ｘ方向）となっている。また、１対の中心梁４０は、第１の方向に一直線上に延在しており、駆動対象物３０に対して、対称な配置となっている。また、中心梁４０は、図１において説明した半導体ウェハ１０の薄くなった表面領域の梁構造１５の部分で構成されてよい。これにより、中心梁４０は、弾性を有することができる。
【００４８】
中心梁４０は、駆動対象物３０を支持するとともに、蛇行型梁５０から駆動対称物３０へ傾動運動の駆動力を伝達する役割を果たす。蛇行型梁５０から生成される駆動力は、図４中の縦方向（Ｙ方向）に駆動対象物３０を傾動させる力であるので、中心梁３０は、縦方向への傾動力を駆動対象物３０に伝達し、駆動対象物３０を傾動させる。
【００４９】
中心梁４０は、蛇行型梁５０と、連結部６０により連結される。これにより、蛇行型梁５０により生じる縦方向（第２の方向）への傾動駆動力を、駆動対象物３０に伝達することができる。連結部６０も、中心梁４０が対をなして設けられるのに対応して、右側の連結部６１と左側の連結部６２とが対をなして設けられる。
【００５０】
中心梁４０と蛇行型梁５０との連結部６０は、中心梁４０の最も外側に、対をなして、点対称に設けられてよい。このような配置構成により、蛇行型梁５０の蛇行型梁５０の蓄積角度を、限られたスペース内で最大限とすることができる。なお、この点の詳細については後述する。また、中心梁４０は、固定枠１２０付近まで第１の方向に延在してよく、第２の方向に延在する梁５７の幅よりも狭い間隔しか無い位置まで固定枠１２に接近して延在してよい。
【００５１】
蛇行型梁５０は、駆動対象物３０を第２の方向（図４（Ｃ）においては縦方向）に傾動させる傾動駆動力を発生させる駆動手段である。蛇行型梁５０は、平行に第２の方向に延在する複数の梁５７を有し、各梁５７の隣接する１対の端部同士が、両端部で交互に連結部７０により連結されて、全体としてジグザグ状の形状を有する。蛇行型梁５０の表面には、図１において説明した圧電素子２０が装着されて設けられ、各梁５７が駆動源を備えている。連結部７０には、圧電素子２０は設けられずに、梁構造１５の半導体ウェハ１０が露出している。
【００５２】
蛇行型梁５０の駆動源である圧電素子２０は、隣接する梁５７同士で、電圧印加極性が反対となるように設けられる。これにより、蛇行型梁５０が、図２及び図３において説明したような、傾き角度の蓄積が可能な駆動動作を、全体として行うことができる。
【００５３】
蛇行型梁５０は、第１梁群５１と、第２梁群５２の１対の梁群５１、５２を有する。これにより、駆動対象物３０の両側に設けられた１対の中心梁４０に対して、第１梁群５１及び第２梁群５２から各々個別に傾動力を付与することができる。また、第１梁群５１と第２梁群５２は、中心梁４０に同じ大きさの傾動力を付与するために、中心梁４０及び駆動対象物３０に関して対称の構造を有する。かかる構成において、例えば、中心梁４０と第１梁群５１との連結部６１に連結された梁５７が、上方に反る駆動動作を行い、中心梁４０と第２梁群５２との連結部６２に接続された梁５７が、下方に反る駆動動作を行えば、中心梁４０は手前側に傾動し、駆動対象物３０は、手前側に傾動する動作を行う。同様に、中心梁４０と第１梁群５１との連結部６１に連結された梁５７が、下方に反る駆動動作を行い、中心梁４０と第２梁群５２との連結部６２に接続された梁５７が、上方に反る駆動動作を行えば、中心梁４０は奥側に傾動し、駆動対象物３０は、奥側に傾動する動作を行う。このように、中心梁４０に連結された蛇行型梁５０の１対の梁５７に、逆方向に反る動作を行わせれば、駆動対称物３０を第２の方向の所望の向きに傾動させることができる。
【００５４】
蛇行型梁５０の一端は、上述のように、中心梁４０の連結部６０に連結されるが、他端は、固定枠１２０に連結部８０で連結される。連結部８０も、第１梁群５１に対応した連結部８１と、第２梁群５２に対応した連結部８２とが、対をなして設けられる。
【００５５】
固定枠１２０と蛇行型梁５０との連結部８０は、中心梁４０と蛇行型梁５０との連結部６０との距離が遠くなるように設けられる。つまり、第１梁群５１と中心梁４０との連結部６１は、第１梁群５１の右端に配置されているのに対して、第１梁群５１と固定枠１２０との連結部８１は、第１梁群５１の左端に配置されている。同様に、第２梁群５２と中心梁４０との連結部６２は、第２梁群５２の左端に配置されているのに対して、第２梁群５２と固定枠１２０との連結部８２は、第２梁群５２の右端に配置されている。このように、蛇行型梁５０と中心梁４０との連結点６０が、蛇行型梁５０と固定枠８０との連結点８０と反対側の離れた位置になるように配置することにより、固定枠８０と中心梁４０との間に配置可能な蛇行梁５０の各梁５７の数を多くすることができ、スペース効率を高めることができる。つまり、駆動源である圧電素子２０の伸縮量は、印加電圧により定まっているので、より大きく駆動対象物３０を駆動させたい場合には、圧電素子２０を備えた複数の梁５７をどれだけ多く、又は長く配置するかが重要になる。この点、本実施例に係る圧電アクチュエータにおいては、駆動対象物３０の傾動方向と直角に延在する中心梁４０の傾動方向（縦方向）の両側に、傾動駆動源を備える１対の蛇行型梁５０を配置し、各蛇行型梁５０と固定枠１２０との連結部８０が、各蛇行型梁５０と中心梁４０との連結部６０と遠くなるように配置することにより、省スペースでありながら、傾角感度の高い傾動駆動を実現することができる。
【００５６】
また、蛇行型梁５０の梁５７を限られたスペース内に多く配置する観点から、実施例１に係る圧電アクチュエータにおいては、中心梁４０を長くとり、中心梁４０が、固定枠１２０付近まで延在して設けられた構成とすることが好ましい。
【００５７】
図５は、駆動対象物３０を、手前側に傾動させた状態を示した斜視図である。第１梁群５１及び第２梁群５２の双方に、隣り合う梁５７に極性又は位相の異なる電圧を印加することで、梁５７の長さと本数に応じた傾角が発生している。そして、中心梁４０とともに、駆動対象物３０を、中心梁４０の延在方向（第１の方向）を軸として傾動させている。図５においては、第１梁群５１が上昇し、第２梁群５２が下降する傾動動作を行い、駆動対象物３０を手前側に傾動させている。図５に示すように、傾角は、梁５７が長く、本数が多い程大きく蓄積されてゆくので、四角形の枠状の固定枠１２０の開口の中に、蛇行型梁５０の第１梁群５１及び第２梁群５２を敷き詰めるように配置した本実施例に係る圧電アクチュエータは、省スペースで高い傾角感度を有する。
【００５８】
図６は、実施例１に係る圧電アクチュエータに生じ得る第１の方向の傾角を説明するための図である。図６（Ａ）は、図５の状態における実施例１に係る圧電アクチュエータの上面図の一例であり、図６（Ｂ）は、図６（Ａ）の矢視Ｂの方向から見た実施例１に係る圧電アクチュエータの側面図の一例である。
【００５９】
図６（Ａ）において、圧電アクチュエータは、図５で説明したように、第１梁群５１が上昇し、第２梁群５２が下降して、駆動対象物３０が、中心梁４０の延在方向である第１の方向を軸として、第２の方向の手前側に傾動している状態である。しかし、上面図である図６（Ａ）においては、その傾動変化は表現されていない。
【００６０】
図６（Ｂ）において、図６（Ａ）における矢視Ｂ方向から圧電アクチュエータを視認した状態が示されているが、本来の目的の第１の方向を軸とする第２の方向における傾動のみではなく、第２の方向を軸とする第１の方向における傾動が生じていることが示されている。つまり、図６（Ｂ）において、手前側が下降して傾動しているだけでなく、右端が下降して傾動しており、本来の目的とは異なる第１の方向にも傾きを生じてしまっている。このような傾動は、本来の駆動目的とは異なる不要な方向に生じる傾動である。よって、不要な傾動により生じる傾角を、以後、不要傾角と呼ぶこととする。
【００６１】
このように、実施例１に係る圧電アクチュエータにおいては、このような若干の不要傾角を伴う場合がある。そこで、このような不要傾角を補正する方法について、以下説明する。
【００６２】
図７は、実施例１の変形例に係る圧電アクチュエータの一例を示した図である。図７（Ａ）は、実施例１の変形例に係る圧電アクチュエータの上面図の一例であり、図７（Ｂ）は、図６（Ｂ）に対応する矢視Ｂの方向から見た実施例１の変形例に係る圧電アクチュエータの側面図の一例である。
【００６３】
図７（Ａ）において、実施例１の変形例に係る圧電アクチュエータは、中央梁４０と蛇行型梁５０の連結部６０に連結された梁５７の圧電素子２０を延長させた不要傾角補正パターン５９を有している。これにより、中央梁４０の端部にも圧電素子２０による非共振駆動力が加わるようにし、不要傾角をキャンセルするようにしている。つまり、図６（Ｂ）において、右端が下降し、左端が上昇する不要傾角が生じていたが、不要傾角補正パターン５９により、中央梁４０の右端に上昇方向の駆動力が加えられ、左端に下降方向の駆動力が加えられるので、図６（Ｂ）で示されていた不要傾角を補正し、不要傾角をキャンセルすることができる。
【００６４】
なお、図６及び図７には、１つの例しか挙げられていないが、印加電圧の極性又は位相を逆にすることにより、逆方向の傾動及び補正が可能となることは、言うまでもない。
【００６５】
図８は、実施例１に係る圧電アクチュエータを、２軸駆動の圧電アクチュエータに適用した例を示した図である。今まで、蛇行型梁５０による１軸駆動の非共振駆動による圧電アクチュエータの例について説明してきたが、実施例１に係る圧電アクチュエータは、２軸駆動の圧電アクチュエータに容易に適用することができる。
【００６６】
図８において、１対の中心梁４０に、１対の圧電素子２０が装着されて設けられた例が示されている。この場合、中心梁４０を共振駆動させることにより、駆動源が１対の圧電素子２０のみであっても、例えば、３０〔ｋＨｚ〕といった高速で駆動対象物３０を駆動することができる。これにより、例えば、圧電アクチュエータがマイクロプロジェクタに適用され、駆動対象物３０がミラーである場合には、ミラーを水平方向には共振駆動により中心梁４０で高速に走査させ、鉛直方向には、非共振駆動により蛇行型梁５０で低速に走査させることにより、小型で高効率の２軸駆動の圧電アクチュエータを実現することができる。
【００６７】
このように、実施例１に係る圧電アクチュエータによれば、小型でスペース効率の高い圧電アクチュエータを、１軸駆動又は２軸駆動で実現することができ、必要に応じて、発生する不要傾角を補正し、高精度の傾動駆動を行うことができる。
【実施例２】
【００６８】
図９は、本発明の実施例２に係る圧電アクチュエータの全体構成の一例を示した図である。図９（Ａ）は、実施例２に係る圧電アクチュエータの表面斜視図の一例であり、図９（Ｂ）は、実施例２に係る圧電アクチュエータの裏面斜視図の一例である。なお、実施例２に係る圧電アクチュエータにおいて、実施例１に係る圧電アクチュエータと同様の構成要素には、同一の参照符号を付し、その説明を省略又は簡略化するものとする。また、実施例１において、図１乃至図３を用いて説明した断面構成及び圧電素子２０を用いた駆動原理は、実施例２にも同様に適用されるものとする。
【００６９】
図９（Ａ）において、実施例２に係る圧電アクチュエータは、中央に駆動対象物３０を備え、その周囲に圧電素子２０が敷き詰められた平面構成となっている点は、実施例１に係る圧電アクチュエータと同様である。駆動対象物３０及び圧電素子２０は、図１において説明した梁構造１５の領域が用いられ、外側の固定枠には、図１において説明したシリコン基板１１の厚い領域が用いられる。図９（Ａ）において、中心梁４０ａの長さが短くなった点が、実施例１に係る圧電アクチュエータと異なっているが、この点の詳細については、後述する。
【００７０】
図９（Ｂ）において、外側の固定枠のみが厚いシリコン基板１１の部分であり、他の部分は、梁構造１５と同様に薄く形成され、中央が凹状の段差のある形状となっている点は、実施例１に係る圧電アクチュエータと同様である。
【００７１】
図９（Ｃ）は、実施例２に係る圧電アクチュエータの表面を示した上面図の一例である。図９（Ｃ）において、実施例２に係る圧電アクチュエータは、駆動対象物３０と、中心梁４０ａと、蛇行型梁５０ａと、連結部６０ａ、７０ａ、８０ａ、９０、１１０と、横梁１００と、固定枠１２０とを備える。実施例２に係る圧電アクチュエータの構成要素としては、連結部９０、１１０と、横梁１００が追加された点が、実施例１に係る圧電アクチュエータと異なっている。
【００７２】
駆動対象物３０は、実施例１と同様に、ミラー等の種々の駆動対象物３０が適用されてよい。実施例２においても、ミラー３１を駆動対象物３０とした例を挙げて説明し、可動枠３２を備えてもよい点も、実施例１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。
【００７３】
中心梁４０ａは、駆動対象物３０を両側から挟むように支持するとともに、駆動対象物３０を傾動させる駆動力を伝達する手段であり、この点は、実施例１に係る中心梁４０と同様であるので、その説明を省略する。実施例２における中心梁４０ａは、その長さが実施例１における中心梁４０よりも短く、固定枠１２０付近まで延在せず、実施例１に係る中心梁４０の略１／３程度の長さとなっている点が、実施例１とは異なっている。
【００７４】
蛇行型梁５０ａは、１対の第１梁群５１ａと第２梁群５２ａとを含む。第１梁群５１ａは、駆動対象物３０を右側と上側（奥側）から囲んでおり、第２梁群５２ａは、駆動対象物３０を左側と下側（手前側）から囲んでいる。第１梁群５１ａは、内梁群５３及び外梁群５５を含み、第２梁群５２ａは、内梁群５４及び外梁群５６を含む。
【００７５】
実施例２に係る圧電アクチュエータにおいて、１対の蛇行型梁５０ａが、中心梁４０ａ及び駆動対象物３０を両側から取り囲んでいる点は、実施例１の蛇行型梁５０と同様であるが、第１梁群５１ａ及び第２梁群５２ａが、形状の異なる内梁群５３、５４と、外梁群５５、５６を各々含んでいる点で、実施例１の蛇行型梁５０と異なっている。内梁群５３、５４は、駆動対象物３０及び中心梁４０ａに２分されるように配置された、長さの短い第２の方向（縦方向）に延在する平行な複数の梁５７ａを含んでいる。外梁群５５、５６は、第２の方向に分割されることなく、長く延在する平行な複数の梁５８を含んでいる。また、第１梁群５１ａの内梁群５３と外梁群５５とは、連結部９１で連結され、外梁群５５と固定枠１２０とは、連結部８１ａで接続されている。同様に、第２梁群５２ａの内梁群５４と外梁群５６とは、連結部９２で連結され、外梁群５６と固定枠１２０とは、連結部８２ａで連結されている。連結部９１、９２は、外梁群５５、５６の内側の梁５８の端部ではなく、中間点に設けられており、内梁群５３、５４の外側の梁５７ａの端部と連結されている。そして、外枠群５５と外枠群５６の内側端部同士は、１対の横梁１００により各々接続されている。１対の横梁１００は、各々第１の方向に平行に延在し、外梁群５５と外梁群５６の奥側の端部同士と、外梁群５５と外梁群５６の手前側の端部同士を、連結部１１０において各々連結している。
【００７６】
次に、かかる構成を有する実施例２に係る圧電アクチュエータの、技術的意義について、実施例１に係る圧電アクチュエータとの比較も含めて説明する。
【００７７】
実施例１に係る中心梁４０は、固定枠１２０付近まで延在しているため、蛇行型梁５０の全体の横幅を長くとることができる。しかしながら、実施例１に係る圧電アクチュエータは、第１梁群５１の出力端である連結部６１と、第２梁群５２の出力端である連結部６２とが、中心梁４０を介して接続されているため、中心梁４０が、両者の出力を均衡させるように作用してしまい、第１梁群５１及び第２梁群５２で生成される駆動力を最大限活用していないという点がある。つまり、例えば、第１梁群５１が上昇傾動で、第２梁群５２が下降傾動の場合を考えると、第１梁群５１の上昇が蓄積され、最も梁５７が上昇するのは、本来的には、連結点６１である。同様に、第２梁群５２の下降が蓄積され、最も梁５７が下降するのは、本来的には連結点６２である。しかしながら、連結点６１と連結点６２は、中心梁４０で接続されているため、互いの変位を抑制するように作用し、本来的な第１梁群５１で得られる傾動変位及び第２梁群で得られる傾動変位よりも小さくなってしまう。つまり、実施例１に係る中心梁４０及び蛇行型梁５０の構成は、省スペースという点では非常に優れているが、より大きな傾角感度を得るという点においては、改善の余地を残している。
【００７８】
そこで、実施例２においては、同一スペースにおける傾角感度を更に高めるため、中心梁４０ａを、実施例１に係る中心梁４０よりも短くし、中心梁４０ａの第１の方向の両側には、長く延在する梁５８を配置し、傾角感度を更に向上させる構成としている。つまり、中心梁４０ａ及び駆動対象物３０の存在する中央領域は、実施例１に係る圧電アクチュエータと同様に、中心梁４０ａ及び駆動対象物３０を、第２の方向（縦方向）の両側から、１対の内梁群５３、５４が取り囲むような構成となっている。一方、中心梁４０ａ及び駆動対象物３０が存在しない両側の領域は、中心梁４０ａ及び駆動対象物３０を第１の方向（横方向）の両側から、１対の外梁群５５、５６が取り囲むように配置されている。そして、外梁群５５、５６の各梁５８の長さは、中心梁４０ａ及び駆動対象物３０の制約が無いので、固定枠１２０が有する四角形の開口の縦方向の長さを総て用いて、内梁群５３、５４の梁５７ａよりも長く２倍以上の長さに構成されている。
【００７９】
ここで、外梁群５５、５６は、内梁群５３、５４に使用されている梁５７ａの全体の長さと同じ全体の長さの梁５８を使用した場合に、内梁群５３、５４よりも傾角感度を向上させることができる。つまり、外梁群５５、５６は、固定枠１２０に連結された連結部８１ａ、８２ａを出発点として、駆動対象物３０の存在する中央方向に向けて、各梁５８において傾角を蓄積してゆくことができる。また、外梁群５５、５６の最終的な出力端は、外梁群５５、５６と内梁群５３、５４との連結点９１、９２であり、特に中心梁４０ａからの抑制は受けない構成となっている。
【００８０】
一方、内梁群５３、５４は、上述のように、中心梁４０ａからの抑制を受けるため、外梁群５５、５６よりも単位長さ当たりの梁５７ａの傾角感度は低いものの、中心梁４０ａ及び駆動対象物３０の縦方向の両側に隙間無く内梁群５３、５４を敷き詰めることができるため、外梁群５５、５６で生成した傾角感度を更に増加させることができる。つまり、実施例２に係る圧電アクチュエータにおいては、蛇行型梁５０ａを、内梁群５３、５４と外梁群５５、５６の二重構造とすることで、印加電圧に対する傾角感度を更に向上させることができる。
【００８１】
ここで、１対の中心梁４０ａは、固定枠１２０との間隔が、第２の方向に延在する外梁群５５、５６の梁５８の１本の幅より大きくなるように延在すれば、図９（Ｃ）に示したような、内梁群５３、５４の外側に更に外梁群５５、５６を設けることができる構成とすることができる。
【００８２】
図１０は、実施例２に係る圧電アクチュエータを駆動させた状態の一例を示した図である。図１０（Ａ）は、実施例２に係る圧電アクチュエータを駆動させた状態の一例を示した斜視図であり、図１０（Ｂ）は、実施例２に係る圧電アクチュエータを駆動させた状態の一例を示した上面図である。
【００８３】
図１０（Ａ）において、第１梁群５１ａ及び第２梁群５２ａの外梁群５５、５６と内梁群５３、５４が協働し、駆動対象物３０が手前側に傾動した状態が示されている。外梁群５５、５６の傾動変位は、内梁群５３、５４の傾動変位よりも大きく、外梁群５５、５６を設けることにより、傾角感度を向上させることができることが示されている。
【００８４】
図１０（Ｂ）においては、図１０（Ａ）の駆動状態における上面図が示されている。上面図では、傾動による形状の変化は認識できないが、図１０（Ｂ）においては、変移度合いを模様の違いで示しており、模様の境界線は、地図の等高線と同様に考えることができる。図１０（Ｂ）において、変位度合いを示す模様の境界線となっている等高線が、駆動対称物３０の存在する中央付近において、実施例１の図６（Ａ）に示された等高線よりも水平になり、不要傾角の少ない傾動駆動をしていることが示されている。
【００８５】
図１１は、実施例２に係る圧電アクチュエータの外梁群５５、５６のみを駆動させ、内梁群５３、５４を駆動させなかった場合の斜視図の一例である。図１１において、外梁群５５、５６のみが傾動駆動させた場合には、傾斜を示す等高線が水平となり、不要傾角が殆ど生じない状態であることが分かる。
【００８６】
図１２は、実施例２に係る圧電アクチュエータの内梁群５３、５４のみを駆動させ、外梁群５５、５６を駆動させなかった場合の斜視図の一例である。図１２において、内梁群５３、５４のみを駆動させると、傾斜を示す等高線に偏りが生じ、不要傾角が生じ易い状態となるが、手前側への傾動は行われており、内梁群５３、５４による駆動も、駆動対象物３０の傾動駆動に寄与していることが分かる。
【００８７】
図１３は、図１０乃至図１２に示した実施例２に係る圧電アクチュエータの駆動状態に応じた単位電圧におけるミラー傾角感度を示した図である。図１３において、図１０のように、内梁群５３、５４及び外梁群５５、５６の総ての梁５７ａ、５８を駆動させた場合には、０．８〔ｄｅｇ／Ｖ〕の傾角感度が得られる。一方、図１１で示したような外梁群５５、５６のみ駆動させた場合には、０．６３〔ｄｅｇ／Ｖ〕の傾角感度が得られ、図１２で示したような内梁群５３、５４のみを駆動させた場合には、０．１７〔ｄｅｇ／Ｖ〕の傾角感度が得られた。
【００８８】
図１３より、外梁駆動は、内梁駆動よりも傾角感度への寄与が３倍以上あって大きく、外梁群５５、５６を設けることにより、傾角感度を大きく向上させることができることが分かる。一方、内梁駆動も、外梁駆動より大きさは小さいものの、傾角感度の向上に寄与しており、外梁群５５、５６に加えて、内梁群５３、５４を設けることが、傾角感度の向上に効果的であることが示されている。
【００８９】
従来技術においては、ミラー３１の傾動軸と同じ延在方向にのみ、梁を設けている状態であったので、実施例２に係る圧電アクチュエータの外梁駆動を行った状態にほぼ等しいと考えられる。よって、本実施例に係る圧電アクチュエータは、駆動対象物３０の傾動軸方向の両側のみならず、傾動軸と直角な方向の両側にも内梁群５３、５４を配置して傾角感度を高めているので、省スペースで高効率の傾角感度を達成できる構成であると言える。
【００９０】
図９に戻り、横梁１００の意義について説明する。図９（Ｃ）において、外梁群５５、５６の第１の方向について内側の両端同士を連結する横梁１００が設けられているが、横梁１００は、駆動時の不要傾角を抑制するのに効果がある。実施例２に係る圧電アクチュエータにおいては、内梁群５３、５４の外側端部は、実施例１に係る圧電アクチュエータと異なり、固定枠１２０ではなく、可動状態にある外梁群５５、５６に連結点９１、９２で連結されている。このように、実施例２に係る圧電アクチュエータにおいては、内梁群５３、５４が、固定枠１２０ではなく、可動状態の外梁群５５、５６に連結されているため、不要傾角が生じ易い状態にある。
【００９１】
そこで、図９（Ｃ）に示すように、可動状態の外梁群５５、５６の内側の梁５８の両端同士を連結して内梁群５３、５４の基準点が固定状態に近くなるようにし、不要傾角を低減させることができる。
【００９２】
図１４は、参考比較例として、横梁１００を設けない場合の圧電アクチュエータの一例を示した図である。図１４（Ａ）は、実施例２に係る圧電アクチュエータから、横梁１００を除去した状態の圧電アクチュエータの構成を示した上面図である。横梁１００が除去されたことより、外梁群５５、５６は、一端が固定枠１２０と連結部８１ａ、８２ａされ、他端が内梁群５３、５４の連結部９１、９２とのみ連結された状態となる。
【００９３】
図１４（Ｂ）は、横梁１００を設けない圧電アクチュエータを駆動した場合の一例を示す斜視図である。図１４（Ｂ）を、横梁１００を有する実施例２に係る圧電アクチュエータの駆動時の斜視図である図１０（Ａ）と比較すると、傾き角を示す等高線の偏りが大きくなり、不要傾角が増加した状態が示されている。
【００９４】
図１５は、横梁１００を有する実施例２に係る圧電アクチュエータと、横梁１００を有しない比較例の圧電アクチュエータのミラー傾角感度と不要傾角を示した図である。図１５において、横梁１００を有する場合と有しない場合を比較すると、ミラー傾角感度については、横梁１００を有する場合の０．８０〔ｄｅｇ／Ｖ〕に比較して、横梁１００が無い方が１．１２〔ｄｅｇ／Ｖ〕と大きなミラー傾角感度を示している。
【００９５】
しかしながら、不要傾角を比較すると、横梁１００を有する場合は、０．１２〔ｄｅｇ〕であるのに対して、横梁１００を有しない場合は、２．０９〔ｄｅｇ〕と１０倍以上大きくなってしまっている。よって、横梁１００を有する場合と有しない場合のミラー傾角感度の差は、０．３２〔ｄｅｇ／Ｖ〕しか無いが、不要傾角については、１．９２〔ｄｅｇ〕となり、その差が大きい。よって、若干傾角感度を低下させたとしても、横梁１００を設けた方が、全体として高性能な圧電アクチュエータを実現することができることが分かる。
【００９６】
図１６は、横梁１００を有する実施例２に係る圧電アクチュエータと、横梁１００を有しない比較例に係る圧電アクチュエータの比較側面図の一例である。図１６（Ａ）は、本実施例に係る横梁１００を備えた圧電アクチュエータの側面図の一例であり、図１６（Ｂ）は、横梁１００を有しない比較例に係る圧電アクチュエータの側面図の一例である。
【００９７】
図１６（Ａ）においては、図１０（Ｂ）の状態における側面図が示されており、不要傾角は生じていない。一方、図１６（Ｂ）においては、図１４（Ｂ）の状態における側面図が示されており、右端が下降する不要傾角が生じている。
【００９８】
このように、横梁１００を設けることにより、不要傾角の少ない圧電アクチュエータを実現することができる。
【００９９】
図１７は、内梁群５３、５４と外梁群５５、５６の連結部９０と、外梁群５５、５６と固定枠１２０の連結部８０ａとの配置関係について示した図である。図１７に示す配置構成のパターンを適切に設定することにより、不要傾角を低減させることができるので、図１７及び図１８を用いて、その内容について説明する。
【０１００】
図１７（Ａ）は、モデルＡの圧電アクチュエータの連結部８１ａ、８２ａ、９１、９２の配置構成を示した図である。図１７（Ａ）において、内梁群５３と外梁群５５との連結部９１及び外梁群５５と固定枠１２０との連結部８１ａが、内梁群５４と外梁群５６との連結部９２及び外梁群５６と固定枠１２０との連結部８２ａと、中心の駆動対象物２０に関して点対称の関係にあるとともに、総ての連結部８１ａ、９１、９２、８２ａが、略同一対角線上にある配置構成の圧電アクチュエータが示されている。
【０１０１】
図１７（Ｂ）は、モデルＢの圧電アクチュエータの連結部８１ａ、８２ａ、９１、９２の配置構成を示した図である。図１７（Ｂ）において、内梁群５３と外梁群５５との連結部９１及び外梁群５５と固定枠１２０との連結部８１ａが、内梁群５４と外梁群５６との連結部９２及び外梁群５６と固定枠１２０との連結部８２ａと対称の関係に無く、連結部８１ａ及び連結部８２ａが第２の方向について奥側に配置された構成の圧電アクチュエータが示されている。
【０１０２】
図１７（Ｃ）は、モデルＣの圧電アクチュエータの連結部８１ａ、８２ａ、９１、９２の配置構成を示した図である。図１７（Ｃ）において、内梁群５３と外梁群５５との連結部９１及び外梁群５５と固定枠１２０との連結部８１ａが、内梁群５４と外梁群５６との連結部９２及び外梁群５６と固定枠１２０との連結部８２ａと対称の関係に無く、連結部８１ａ及び連結部８２ａが第２の方向について手前側に配置された構成の圧電アクチュエータが示されている。
【０１０３】
図１７（Ｄ）は、モデルＤの圧電アクチュエータの連結部８１ａ、８２ａ、９１、９２の配置構成を示した図である。図１７（Ｄ）において、内梁群５３と外梁群５５との連結部９１及び外梁群５５と固定枠１２０との連結部８１ａが、内梁群５４と外梁群５６との連結部９２及び外梁群５６と固定枠１２０との連結部８２ａと、中心の駆動対象物２０に関して点対称の関係にあるとともに、連結部８１ａ、８２ａ同士と連結部９１、９２同士を結ぶ直線が、タスキ掛けで交わる配置構成の圧電アクチュエータが示されている。
【０１０４】
図１８は、図１７に示した各配置構成のパターンの外梁群５５、５６と、内梁群５３、５４と、全体の蛇行型梁５０ａにおける不要傾角を示した図である。
【０１０５】
図１８において、１Ｖ当たりの不要傾角〔ｄｅｇ／Ｖ〕について着目すると、外梁群５５、５６と内梁群５３、５４とで正負の符号が逆になっているのは、図１７（Ａ）のモデルＡの場合のみである。つまり、総てのモデルについて、内梁群５３、５４の不要傾角は、−０．１４又は−０．１３〔ｄｅｇ／Ｖ〕と負の値なっている。一方、外梁群５５、５６の不要傾角は、モデルＢ、Ｃ、Ｄが−０．０２又は−０．０７２〔ｄｅｇ／Ｖ〕と負の値となっているのに対し、モデルＡのみが０．００８〔ｄｅｇ／Ｖ〕と正の値となっている。全体の蛇行型梁５０ａの１Ｖ当たりの不要傾角は、内梁群５３、５４と外梁群５５、５６の１Ｖ当たりの不要傾角を加算したものであり、モデルＡは、内梁群５３、５４と外梁群５５、５６の不要傾角が異符号で相殺するが、他のモデルＢ〜Ｄは、同符号で不要傾角を増大させる結果となっている。よって、全体の蛇行型梁５０ａとしての不要傾角は、モデルＡが−０．００６で最小であり、他のモデルＢ〜Ｄは、−０．０１４又は−０．０２０と負の向きに大きくなっている。従って、図１７（Ａ）に示したモデルＡのみが、外梁群５５、５６と内梁群５３、５４の不要傾角同士が打ち消し合う構造になっている。
【０１０６】
図１８において、ミラー１８ｄｅｇ時の不要傾角〔ｄｅｇ〕及びＡ３描画時のずれ量の項目についても同様の結果が示されている。つまり、モデルＢ〜Ｄは、外梁群５５、５６と内梁群５３、５４の不要傾角及びずれ量がともに負の値で、全体の蛇行型梁５０ａの不要傾角及びずれ量は負の値の絶対値を増大させている。これに対し、モデルＡは、外梁群５５、５６の不要傾角及びずれ量が正の値をとり、内梁群５３、５４の不要傾角及びずれ量が負の値をとり、全体の蛇行型梁５０ａの不要傾角及びずれ量を相殺して、負の値の絶対値を減少させている。このように、モデルＡのように、外梁群５５、５６と内梁群５３、５４の不要傾角の符号、つまり傾動方向が逆となるように、内梁群５３、５４と外梁群５５、５６との連結部９１、９２及び外梁群５５、５６と固定枠１２０との連結部８１ａ、８２ａを配置構成することにより、圧電アクチュエータの蛇行型梁５０ａの不要傾角及びずれ量を低減させることができる。
【０１０７】
なお、図１７及び図１８において、内梁群５３と外梁群５５との連結部９１及び外梁群５５と固定枠１２０との連結部８１ａが、内梁群５４と外梁群５６との連結部９２及び外梁群５６と固定枠１２０との連結部８２ａと対称の関係に無い図１７（Ｂ）のモデルＢ及び図１７（Ｃ）のモデルＣは、上述の図１８の不要傾角及びずれ量の３項目の全梁、外梁及び内梁について、ほぼ同様の中間の値を示している。一方、内梁群５３と外梁群５５との連結部９１及び外梁群５５と固定枠１２０との連結部８１ａが、内梁群５４と外梁群５６との連結部９２及び外梁群５６と固定枠１２０との連結部８２ａと、中心の駆動対象物２０に関して点対称の関係にある図１７（Ａ）のモデルＡ及び図１７（Ｄ）のモデルＤは、不要傾角及びずれ量の３項目について、モデルＡが最小でモデルＤが最大の値を示している。また、モデルＡ〜Ｄについて、内梁及び外梁の項目を個々に比較すると、全体で内梁の不要傾角及びずれ量の値の差は小さく、外梁の項目の差が大きくなっている。
【０１０８】
このことから、内梁群５３と外梁群５５との連結部９１及び外梁群５５と固定枠１２０との連結部８１ａが、内梁群５４と外梁群５６との連結部９２及び外梁群５６と固定枠１２０との連結部８２ａと、中心の駆動対象物２０に関して点対称の関係にあると、外梁群５５、５６は、内梁群５３、５４の不要傾角及びずれ量を相殺するか大きく増大させる動作をすることが分かる。
【０１０９】
よって、実施例２に係る圧電アクチュエータの不要傾角を低減させるためには、１つの蛇行型梁５０ａを構成する固定枠１２０と外梁群５５、５６との連結部９０及び外梁群５５、５６と内梁群５３、５４との連結部８０ａの配置関係が、他方の対をなしている蛇行型梁５０ａを構成する固定枠１２０と外梁群５５、５６との連結部９０及び外梁群５５、５６と内梁群５３、５４との連結部８０ａと駆動対象物３０に関して点対称をなすように配置し、かつ１対の蛇行型梁５０ａ全体で外梁群５５、５６と内梁群５３、５４の不要傾角の向きが相殺するような配置構成とすればよい。
【０１１０】
本実施例においては、そのような不要傾角を相殺する配置構成は、モデルＤのような、１対の連結部８０ａ同士を結んだ直線と、１対の連結部９０同士を結んだ直線がタスキ掛けで交わる異なる方向の対角線上に乗る配置ではなく、モデルＡの１対の連結部８０ａ同士を結んだ直線と１対の連結部９０同士を結んだ直線が同方向の対角線に乗る配置である。このように、１対の蛇行型梁５０ａの連結部８０ａ、９０同士が、中心の駆動対象物３０について点対称となるように配置し、かつ外梁群５５、５６と内梁群５３、５４同士の不要傾角の傾動の向きが相殺するように配置することにより、スペース効率が高く、不要傾角も少ない高精度の圧電アクチュエータとすることができる。
【０１１１】
また、図１８において、モデルＡ〜Ｄについて、１Ｖ当たりのミラー傾角〔ｄｅｇ／Ｖ〕の項目について着目して比較すると、モデルＢ、Ｃが０．８６〔ｄｅｇ／Ｖ〕で最も高く、次いでモデルＤが０．８３〔ｄｅｇ／Ｖ〕で高く、モデルＡが０．８０〔ｄｅｇ／Ｖ〕が最も低くなっている。しかしながら、その差は０．０６又は０．０３〔ｄｅｇ／Ｖ〕で小さいので、単位印加電圧当たりの傾角感度が若干低下しても、不要傾角を低減する構成とした方が、全体として高性能な圧電アクチュエータとして構成することができる。
【０１１２】
同様に、図１８において、ミラー１８ｄｅｇ傾角に必要な電圧〔Ｖ〕の項目について、モデルＡ〜Ｄを比較すると、モデルＢ、Ｃが２１．０〔Ｖ〕で最も低く、次いでモデルＤが２１．７〔Ｖ〕で低く、モデルＡが２２．５〔Ｖ〕で最も高い値となっており、モデルＢ〜Ｄの方が、モデルＡよりも低消費電力型で高効率であることが分かる。しかし、この項目についても、電圧差は１．５又は０．８〔Ｖ〕と大きくなく、また本実施例に係る圧電アクチュエータは、十分に傾角感度が向上した構成であるので、低消費電力の低減よりも不要傾角の低減の要請の方が高い場合には、モデルＡを採用する方が好ましい。
【０１１３】
このように、本実施例に係る圧電アクチュエータにおいては、１対の蛇行型梁５０ａの連結部８０ａ、９０の配置構成を、外梁群５５、５６と内梁群５３、５４の不要傾角が相殺する配置構成とすることにより、不要傾角の少ない高精度な圧電アクチュエータとすることができる。また、横梁１００を設けることにより、相乗的に不要傾角を低減させることができる。
【０１１４】
図１９は、実施例２に係る圧電アクチュエータを、２軸駆動用の圧電アクチュエータとして構成した場合を示した図である。図１９（Ａ）は、実施例２に係る２軸圧電アクチュエータの表面斜視図の一例であり、図１９（Ｂ）は、実施例２に係る２軸圧電アクチュエータの駆動時の表面斜視図の一例である。
【０１１５】
図１９（Ａ）において、第１の方向に延在する１対の中心梁４０ａの表面に、駆動源である圧電素子２０が被覆されている。これにより、本実施例に係る２軸圧電アクチュエータは、駆動対象物３０を、第２の方向を軸として、第１の方向にも傾動駆動させることが可能となる。この場合、圧電素子２０は、１対しか存在しないので、十分な傾角感度を得るため、共振駆動させることが好ましい。例えば、中心梁４０ａを用いて、駆動対称物３０を、共振駆動により第２の方向を軸として３０〔ｋＨｚ〕で傾動駆動するとともに、蛇行型梁５０ａを用いて、第２の方向と直角な第１の方向を軸として、非共振駆動により６０〔Ｈｚ〕で傾動駆動するようにしてもよい。
【０１１６】
図１９（Ｂ）において、１対の中心梁４０ａの共振駆動により、駆動対象物３０が第２の方向を軸とする傾動運動している状態が示されている。具体的には、駆動対象物３０の右側が上昇し、左側が下降した傾動状態が示されている。中心梁４０ａによる第２の方向を軸とする第１の方向の傾動駆動は、共振駆動を用いるので、駆動対象物３０を高速に傾動駆動することが可能である。例えば、本実施例に係る２軸圧電アクチュエータを、マイクロプロジェクタやマイクロスキャナに用いた場合には、中心梁４０ａを共振駆動させて駆動対象物３０のミラー３１でレーザ光の反射光を水平方向に高速走査させ、蛇行型梁５０ａを非共振駆動させて鉛直方向に反射光を低速走査させることにより、ミラー３１を２軸駆動することができる。
【０１１７】
このように、実施例２に係る圧電アクチュエータは、駆動対象物３０を支持する中心梁４０ａを、２つ目の軸方向の傾動駆動源とすることにより、２軸駆動用のアクチュエータに容易に適用することができる。
【０１１８】
以上説明したように、本実施例に係る圧電アクチュエータによれば、傾角感度を向上させることができ、低価格化を図ることができる。つまり、不要傾角を構造的に減少させつつ、印加電圧に対する傾角感度の高い圧電アクチュエータを得ることができる。具体的には、実施例２に係る圧電アクチュエータにより、従来技術と同じ態様である外梁群５５、５６のみの駆動に対し、内梁群５３、５４を設けたことにより、２７〔％〕の傾角感度の向上が可能となった。２７〔％〕の傾角感度の向上により、駆動電圧を従来の約７８〔％〕に下げることが可能となる。つまり、消費電力は、駆動電圧の２乗に比例するため、消費電力を従来の約６２〔％〕に抑えることが可能になる。
【０１１９】
また、駆動電圧を従来と同等に保つと、小型化が可能となる。素子面積が７８〔％〕程度になるため、１枚の半導体ウェハ１０から素子に利用できる数が増加し、小型化と低価格化を実現できる。
【０１２０】
更に、実施例２に係る圧電アクチュエータは、スペース効率の高いアクチュエータを実現できる。特に、２軸用の圧電アクチュエータとして用いる場合には、非共振駆動用の圧電素子パターンを伴う蛇行型梁５０ａと、共振駆動用の圧電素子パターンを伴う中心梁４０ａを、固定枠１２０の開口部内に隙間無く、無駄なく敷き詰めるように配置することがで、高いスペース効率を実現することができる。
【０１２１】
また、実施例２に係る圧電アクチュエータは、外梁群５５、５６を設けて傾角感度を高める構成を採用した際に、横梁１００を設け、不要傾角を抑制している。更に、外梁群５５、５６と内梁群５３、５４とに発生する不要傾角を、構造的に打ち消す配置とし、傾角感度を高めつつ不要傾角を抑制する構成としている。
【０１２２】
なお、本実施例に係る圧電アクチュエータは、１０×１０×０．５〔ｍｍ〕以下の小型に構成することができる。また、本実施例に係る圧電アクチュエータをプロジェクションミラー用アクチュエータとして利用した場合には、５０〔ｃｍ〕の距離で、Ａ３サイズの大画面にＸＧＡ（１０２４×７６８ピクセルの解像度）で高速描画を行うことができる。この場合、例えば、非共振駆動の１軸は６０〔Ｈｚ〕で１８〔ｄｅｇ〕傾動させ、共振駆動のもう１軸は、３０〔ｋＨｚ〕で２４〔ｄｅｇ〕傾動させることができる。圧電素子２０には、０−２５〔Ｖ〕の電圧を印加し、非共振駆動側の第１の方向の軸周りに、ミラー３１を０−１８〔ｄｅｇ〕傾けることができる。このように、本実施例に係る圧電アクチュエータによれば、小型で高性能なミラー用アクチュエータを実現することができる。
【０１２３】
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、本実施例においては、不要傾角の補正は、実施例１及び実施例２の双方とも、機械的構成を用いて補正を行ったが、演算時のソフトウェアにおいて補正処理を行うようにしてもよい。この場合、不要傾角の補正は、総てソフトウェアで行ってもよいし、一部、本実施例において説明した構成を採用するようにしてもよい。この場合においても、本実施例に係る圧電アクチュエータは、スペース効率が高い、高感度で小型の圧電アクチュエータとすることができる。
【産業上の利用可能性】
【０１２４】
本発明は、駆動対象物を傾動駆動する圧電アクチュエータ全般に利用することができ、特に、半導体ウェハを利用したミラー用アクチュエータ等の小型のアクチュエータに好適に利用することができる。
【符号の説明】
【０１２５】
１０    半導体ウェハ
１１    シリコン基板
１２、１４    ＳｉＯ２
１５    Ｓｉ活性層
２０    圧電素子
２１    圧電体
２２    上部電極
２３    下部電極
３０    駆動対象物
３１    ミラー
３２    可動枠
４０、４０ａ    中心梁
５０、５０ａ    蛇行型梁
５１、５１ａ    第１梁群
５２、５２ａ    第２梁群
５３、５４    内梁群
５５、５６    外梁群
５７、５７ａ、５８    梁
５９    不要傾角補正パターン
６０〜６２、７０〜７２、８０〜８２、８０ａ〜８２ａ、９０〜９２、１１０    連結部
１００    横梁
１２０    固定枠
【図１】
2010263736.tif 000003
【図２】
2010263736.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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