(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
連結された固定部と可動部を備える基体と、前記の基体の表面に形成される下部電極と、前記基体の固定部と可動部の上方に跨って積層形成される圧電体と、前記基体とは反対側の前記圧電体の表面に形成される上部電極とから構成され、前記下部電極と前記上部電極との間の電位変化を前記固定部に対する前記可動部の機械的変位に変換する、又は前記機械的変位を前記電位変化に変換する圧電変換素子において、
前記上部電極は、前記固定部の上方に形成された接続用のパッド電極を含み、前記下部電極は、前記固定部の上方であって前記パッド電極の下方の領域に形成されていない構造を有することを特徴とする圧電変換素子。
【請求項２】
前記上部電極は、前記可動部の上方に形成される上部可動電極と、前記固定部の上方に形成され、前記パッド電極を含む上部固定電極とを有し、
前記下部電極は、前記可動部の上方に形成される下部可動電極と、前記固定部の上方に形成される下部固定電極とを有し、
前記上部固定電極と前記下部固定電極とが前記圧電体を介して対向して重なり合う面積は、前記上部可動電極と前記下部可動電極とが前記圧電体を介して対向して重なり合う面積と同等か又は当該面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の圧電変換素子。
【請求項３】
前記上部可動電極及び前記下部可動電極は互いに対向する棒状の矩形形状を有しており、前記上部固定電極と前記下部固定電極とが前記圧電体を介して対向して重なり合う面積は、前記棒状の矩形形状が互いに直行して重なり合う面積と同等か又は当該面積より小さいことを特徴とする請求項２に記載の圧電変換素子。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載した圧電変換素子を使用したアクチュエータ。
【請求項５】
請求項１〜３のいずれか１項に記載した圧電変換素子を使用した、振動又は応力を検知するためのセンサー。
【請求項６】
請求項１〜３のいずれか１項に記載した圧電変換素子と、光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を支持し、前記圧電変換素子の可動部に連結するバネ部とを備え、前記下部電極と前記上部電極との間に電位変化を与えることにより前記ミラー部に振動又は揺動を生じさせて、前記ミラー部から反射される反射光が走査される光走査装置。
【請求項７】
請求項６に記載した光走査装置を使用した光走査型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動部と固定部とに跨って固定された圧電体からなる圧電変換素子に係り、特に圧電変換素子の表面に設けた上部電極と下部電極の重なり面積を低減した圧電変換素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、固定部と可動部からなる基体にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やＢａＴｉＯ３（チタン酸バリウム）からなる圧電素子を固定した光スキャナーやアクチュエータが知られている。図６（ａ）は、この種の光スキャナー１００の模式的外観図であり、図６（ｂ）は、１つの起歪素子１０７の断面図である（特許文献１を参照）。図６（ａ）において、光スキャナー１００は、揺動する反射面１０１と、反射面１０１の揺動軸をなすバネ部１０２と、バネ部１０２を保持する梁部１０３と、梁部１０３を支持する２つのバネ部１０４と、バネ部１０４を固定する固定枠１０５と、固定枠１０５を支持する支持部１０６とから構成されている。これらの構造は反射面１０１を中心にして対象に構成されている。更に、バネ部１０４の上部には起歪素子１０７が可動部であるバネ部１０４とこのバネ部１０４を固定する固定枠１０５に跨って固定されている。
【０００３】
図６（ｂ）は、起歪素子１０７を拡大した断面図である。起歪素子１０７は枠側のバネ部１０４と固定枠１０５に跨って載置されている。起歪素子１０７は、圧電素子１１０と、この圧電素子１１０の両面に形成した上部電極１１１と下部電極１１２と、固定枠１０５上に形成した入力端子１１４と、上部電極１１１と入力端子１１４とを電気的に接続するためのリード線１１３とから構成されている。
【０００４】
この光スキャナー１００は次のよう駆動する。起歪素子１０７の上部電極１１１と下部電極１１２との間に交番電圧を印加する。すると、バネ部１０４は起歪素子１０７により上下方向に応力が与えられる。２つの起歪素子１０７に極性を反転した交流電界を与えることにより、バネ部１０２に回転応力が与えられる。これにより、反射面１０１はバネ部１０２を揺動軸として揺動を行う。その結果、反射面１０１に入射する入射光束は、反射されるときに走査されて、走査光束に変換される。
【０００５】
ところで、この種の起歪素子１０７は、通常幅が０．１ｍｍ程度の形状を有し、極めて小さい。そのため、圧電素子１１０上に形成する上部電極１１１の幅は約０．１ｍｍ程度となり、極めて小さくなる。上部電極１１１と固定枠１０５上に形成した入力端子１１４との間はリード線を配線する。固定枠１０５に形成した入力端子１１４と圧電素子１１０上に形成した上部電極１１１との間には圧電素子１１０の厚さに伴う段差が存在する。そのために、スパッタリング法や蒸着法等の真空蒸着法では圧電素子１１０の上面から固定枠１０５上の電極との間の電気的接続をとることができない。そこで、圧電素子１１０上の上部電極１１１と固定枠１０５上の入力端子１１４との間をリード線１１３により電気的に接続する。このリード線１１３はワイヤーボンディングにより接続する。
【０００６】
ワイヤーボンディングを行うためには、ボンディングを行う箇所に圧力がかかる。ワイヤーボンディングを行う箇所がバネ部１０４上方の上部電極１１１である場合には、バネ部１０４が自由端であるために圧力をかける事ができない。そこで、上記従来例においては、圧電素子１１０を固定枠１０５に延伸させ、固定枠１０５上方の上部電極１１１にワイヤーボンディングを行った。
【０００７】
図６（ｃ）は、図６（ｂ）の起歪素子１０７を形成した領域を拡大した模式的斜視図であり、固定枠１０５の上方の圧電素子１１０上にパッド電極１１５を形成した状態を表している。圧電素子１１０はバネ部１０４と固定枠１０５に跨って形成されている。バネ部１０４の領域では圧電素子１１０は下部電極１１２と上部電極１１１により挟まれている。下部電極１１２は固定枠１０５の表面に延在して形成され、入力端子１１４ｂに連接している。圧電素子１１０の上面には、上部電極１１１と、この上部電極１１１に含まれるパッド電極１１５が形成されている。パッド電極１１５は固定枠１０５の上方に形成されている。入力端子１１４ａとパッド電極１１５との間はリード線１１３により電気的に接続されている。パッド電極１１５は固定枠１０５の上に形成されているために、リード線１１３のワイヤーボンディングを行う際に加えられる圧力にも十分に持ちこたえることができる。
【特許文献１】特開２００６−３２００８９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記特許文献１の光スキャナー１００においては、圧電素子１１０の下面全面に下部電極１１２が形成されている。そのために、パッド電極１１５と下部電極１１２との間に大きな静電容量が形成された。この静電容量は、バネ部１０４上の下部電極１１２と上部電極１１１とにより形成される可動部の静電容量と同程度又はそれ以上の大きさを有している。その結果、スキャナーとして駆動する際に上部電極と下部電極に電界を印加すると、可動部で充電される電流の２倍以上の電流が必要とされた。また、振動センサーとして使用する場合には、可動部で生成される圧電電流が可動部以外の静電容量の充電に消費され、負荷電流が減少し、従って取り出す電圧信号が小さくなる、あるいは取り出す信号の応答特性が悪化する、という課題があった。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、上記の課題を解決するために以下の手段を講じた。
【００１０】
請求項１に係る発明においては、連結された固定部と可動部を備える基体と、前記の基体の表面に形成される下部電極と、前記基体の固定部と可動部の上方に跨って積層形成される圧電体と、前記基体とは反対側の前記圧電体の表面に形成される上部電極とから構成され、前記下部電極と前記上部電極との間の電位変化を前記固定部に対する前記可動部の機械的変位に変換する、又は前記機械的変位を前記電位変化に変換する圧電変換素子において、前記上部電極は、前記固定部の上方に形成された接続用のパッド電極を含み、前記下部電極は、前記固定部の上方であって前記パッド電極の下方の領域に形成されていない構造を有することを特徴とする圧電変換素子とした。
【００１１】
請求項２に係る発明においては、前記上部電極は、前記可動部の上方に形成される上部可動電極と、前記固定部の上方に形成され、前記パッド電極を含む上部固定電極とを有し、前記下部電極は、前記可動部の上方に形成される下部可動電極と、前記固定部の上方に形成される下部固定電極とを有し、前記上部固定電極と前記下部固定電極とが前記圧電体を介して対向して重なり合う面積は、前記上部可動電極と前記下部可動電極とが前記圧電体を介して対向して重なり合う面積と同等か又は当該面積より小さいことを特徴とする請求項１に記載の圧電変換素子とした。
【００１２】
請求項３に係る発明においては、前記上部可動電極及び前記下部可動電極は互いに対向する棒状の矩形形状を有しており、前記上部固定電極と前記下部固定電極とが前記圧電体を介して対向して重なり合う面積は、前記棒状の矩形形状が互いに直行して重なり合う面積と同等か又は当該面積より小さいことを特徴とする請求項２に記載の圧電変換素子とした。
【００１３】
請求項４に係る発明においては、請求項１〜３のいずれか１項に記載した圧電変換素子を使用したアクチュエータとした。
【００１４】
請求項５に係る発明においては、請求項１〜３のいずれか１項に記載した圧電変換素子を使用した、振動又は応力を検知するためのセンサーとした。
【００１５】
請求項６に係る発明においては、請求項１〜３のいずれか１項に記載した圧電変換素子と、光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を支持し、前記圧電変換素子の可動部に連結するバネ部とを備え、前記下部電極と前記上部電極との間に電位変化を与えることにより前記ミラー部に振動又は揺動を生じさせて、前記ミラー部から反射される反射光が走査される光走査装置とした。
【００１６】
請求項７に係る発明においては、請求項６に記載した光走査装置を使用した光走査型表示装置とした。
【発明の効果】
【００１７】
請求項１、４、５の発明においては、固定端である固定部と、自由端である可動部が連結して成る基体と、その基体の表面に形成される下部電極と、固定部と可動部の上方に跨って積層形成される圧電体と、基体とは反対側の圧電体の表面に形成される上部電極とから構成され、下部電極と上部電極との間の電位変化と固定部に対する可動部の機械的変位とを交換する圧電変換素子において、上部電極は固定部の上方に形成された接続用のパッド電極を含み、下部電極は、当該パッド電極の下方の領域には形成されていない構造を有するようにした。
【００１８】
これにより、静電容量が低減するので、上下電極に印加する電圧を機械的変位に変換する変換素子に適用した場合には、充電電流が低減して低消費電力化を図ることができ、機械的変位を電圧変化に変換するセンサーに適用した場合には、検出信号の増加と応答性の改善を実現できる、という利点を有する。また、静電容量を増加させないでパッド電極の面積を増大させることができるので、ワイヤーボンディングを容易に且つ確実に行うことができる、という利点を有する。
【００１９】
請求項２の発明においては、固定部上方において圧電体を挟む上部電極と下部電極とが重なり合う面積が、可動部上方において圧電体を挟む上部電極と下部電極とが重なり合う面積と同等か又は当該面積より小さくなるようにした。これにより、可動部に積層される圧電体を小型化した場合であっても、固定部の静電容量を可動部の静電容量と同等か又はより小さくすることができるので、更に消費電流の低減又は周波数特性を改善させることができる、という利点を有する。
【００２０】
請求項３の発明においては、上部可動電極と下部可動電極は互いに対向する棒状の矩形形状を有しており、上部固定電極と下部固定電極とが圧電体を介して対向して重なり合う面積は、棒状の矩形形状が互いに直行して重なり合う面積と同等か又は当該面積より小さくなるようにした。これにより、可動部における静電容量に対して固定部における静電容量を数分の一以下にすることができるので、圧電変換素子の変換効率をより向上させることができる、という利点を有する。
【００２１】
請求項６、７の発明においては、上記圧電変換素子と、光を反射する反射面を備えたミラー部と、このミラー部を支持し、圧電変換素子の可動部に接続するバネ部とを備え、下部電極と上部電極との間に電位変化を与えることによりミラー部に振動又は揺動を生じさせて、ミラー部から反射される反射光が走査されることにより光走査を行う光走査装置、又はこの光走査装置を使用した光走査型表示装置とした。これにより、圧電変換素子の静電容量が低減するので、光走査装置又は光走査型表示装置の低消費電力化を図ることができる、という利点を有する。また、静電容量を増加させないでパッド電極の面積を増大させることができるので、ワイヤーボンディングを容易に且つ確実に行うことができる、という利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２２】
以下、図面を用いて本発明について詳細に説明する。
【００２３】
図１は、本発明に係る圧電変換素子２０の実施形態を表し、圧電変換素子２０を光走査装置１０に適用した状態を表す模式的な外観図である。図２（ａ）は、光走査装置１０の下側領域の圧電変換素子２０を拡大した模式的な斜視図である。図２（ｂ）は、図２（ａ）の部分ＸＸ’の模式的な断面図である。図２（ｃ）は、図２（ａ）の部分ＹＹ’の模式的な部分断面図である。図２（ｄ）は、図２（ａ）に示した圧電変換素子２０の上部電極、圧電体、下部電極を分解した模式的な分解斜視図である。
【００２４】
図１に示すように、光走査装置１０は、表面に反射面が形成されているミラー部１と、このミラー部１を両側から支持し、ミラー部１の揺動軸又は振動軸をなすバネ部２、２’と、バネ部２、２’に揺動を生じさせるための弾性体からなる二股構造の可動部３、３’と、可動部３、３’を保持するための固定部７から構成されている。可動部３と固定部７からなる基体の上には、下部電極６、圧電体５、上部電極４、上部電極４の一部であるパッド電極８からなる圧電変換素子２０が構成されている。同様に、可動部３’と固定部７からなる基体の上には、下部電極６’、圧電体５’、上部電極４’、上部電極３’の一部であるパッド電極８’からなる圧電変換素子２０’が構成されている。
【００２５】
図２を用いて、光走査装置１０の下側領域の圧電変換素子２０を具体的に説明する。図２（ａ）、（ｂ）及び（ｃ）において、固定部７は、枠状の外周固定部７ａと、圧電体５等が形成される素子固定部７ｂにより構成されている。素子固定部７ｂと可動部３とは境界Ｚを境にして同じ厚さで連結している。ちょうど板状の素子固定部７ｂから２本の棒状の突起が突き出るようにして可動部３が連結している。素子固定部７ｂは外周固定部７ａの厚さよりも薄く形成されている。素子固定部７ｂは２本の突起状の可動部３に連結している。この可動部３は素子固定部７ｂと同じ厚さを有している。２本の可動部３の先端部は外周固定部７ａと同じ厚さを有し、バネ部２に連結している。バネ部２は、バネ部２と同じ厚さのミラー部１に連結している。これらの、固定部７、可動部３、バネ部２及びミラー部１は、同一材料により一体的に構成されている。例えばシリコン半導体単結晶からなる材料が使用される。
【００２６】
基体としての素子固定部７ｂ及び可動部３の夫々の表面には、パターン化された下部電極６が形成されている。素子固定部７ｂ及び下部電極６の上に圧電体５が積層固定されている。圧電体５の下部電極６と反対側の表面にはパターン化された上部電極４が形成されている。より具体的には、下部電極６は、可動部３の上面であって圧電体５の下方に位置する下部可動電極６ａと、素子固定部７ｂの上面であって圧電体５の下部に位置し、境界Ｚにおいて下部可動電極６ａと接続する下部固定電極６ｂと、圧電体５が積層されていない領域に位置する下部外部電極６ｃとから構成されており、それぞれ電気的に接続されている。圧電体５は、素子固定部７ｂと可動部３に跨って積層固定されている。上部電極４は、可動部３の上方に位置する上部可動電極４ａと、素子固定部７ｂの上方に位置し、境界Ｚにおいて上部可動電極４ａと接続する上部固定電極４ｂ及び上部固定電極４ｂに含まれるパッド電極８により構成されており、互いに電気的に接続している。そして、パッド電極８の下方には、下部固定電極６ｂが形成されていない。
【００２７】
上部電極４と下部電極６との間に電圧を印加することにより、上部電極４と下部電極６が重なる領域の圧電体５に圧電逆効果が生じて、可動部３を上下方向に変位させる。即ち、自由端としての可動部３に機械的変位を生じさせ、アクチュエータとして機能させることができる。またこれとは逆に、可動部３に機械的変位を与えることにより、上部電極４と下部電極６とが重なる領域の圧電体５はピエゾ効果により電位を発生するので、機械的変位を電位変化に変換するセンサー、例えば振動センサーや応力検知センサーとして利用することができる。
【００２８】
本実施形態においては、上部電極４の一部であるパッド電極８の下部には下部電極６が形成されていない。素子固定部７ｂの領域において上部電極４と下部電極６とが重なるのは、下部可動電極６ａの電極幅と同程度の電極幅を有する下部固定電極６ｂと、上部可動電極４ａと同じ電極幅を有する上部固定電極４ｂとの交差部のみである。静電容量は圧電体の厚さが同じであれば、上下電極が重なる電極面積に比例する。本実施形態においては、可動部３の上方に位置する上部可動電極４ａと下部可動電極６ａとの重なり面積に比較して、素子固定部７ｂの上方に位置する上部固定電極４ｂと下部固定電極６ｂとの重なり面積は、数分の一またはそれ以下である。その結果、素子固定部７ｂの領域における静電容量が減少したことにより、圧電変換素子２０をアクチュエータとして利用する場合には、消費電力を大幅に減少させることができる。また、センサーとして利用する場合には、可動部３の領域において発生する電圧を効率よく取り出すことができ、高速な応答特性を有するセンサーを得ることができる。
【００２９】
圧電変換素子２０を用いた光走査装置１０の動作を具体的に説明する。一方のパッド電極８と下部電極６の間に交番電圧を印加し、他方のパッド電極８と下部電極６の間に当該交番電圧とは位相が反転した交番電圧を印加する。すると、２本の可動部３は交互に上下運動する。この上下運動がバネ部２を介してミラー部１に伝達され、ミラー部１はバネ部２を揺動軸として作用する。ミラー部１に光ビームを照射することによりその反射ビームはミラー部１の揺動に伴って、走査される。映像や画像情報により変調した光ビームを揺動するミラー部１に照射し、ミラー部１により反射される反射ビームをスクリーンやプリンタの回転ドラムに投射して、映像や画像の表示や印刷を行うことができる。
【００３０】
また、二つのパッド電極８と下部電極６の間に同極性の電圧を印加して、２つの可動部３を上方又は下方に変位させることができる。この変位に基づいてミラー部１も上下方向に変位する。例えばミラー部１に対して垂直方向から光ビームを照射して反射させることにより、反射ビームの光路長を変更させることができる。即ち、ミラー部１を変位させるアクチュエータとして作動させることができる。
【００３１】
また、ミラー部１を支持する２つのバネ部２の、一方のバネ部２側の圧電変換素子２０によりミラー部１に揺動を起こさせるアクチュエータとして作用させ、他方のバネ部２側の圧電変換素子２０を、当該ミラー部１の揺動を検出するセンサーとして動作させることができる。例えば、一方の圧電変換素子２０に交番電界を与えてミラー部１に共振に伴う揺動を発生させ、他方の圧電変換素子２０によりミラー部１の揺動の大きさを検出して、フィードバックしながらミラー部１の揺動を制御することができる。
【００３２】
なお、上記実施形態においては、固定部７は、外周固定部７ａに対して圧電体５や下部電極６が形成される素子固定部７ｂの厚さを薄くしている。これは、可動部３の屈曲性を向上させるためである。しかし、材料の選定や、素子の大きさ等を選定することにより、必ずしも素子固定部７ｂの厚さを薄くする必要はなく、外周固定部７ａと素子固定部７ｂとを同一の厚さにすることができる。
【００３３】
また、上記実施形態においては、素子固定部７ｂから突出する２つの可動部３を形成する場合について説明したが、これに限定されない。例えば、素子固定部７ｂから１つの可動部３を突出するように形成して、感知レバーとして使用することができる。例えば走査型トンネル顕微鏡の感知レバーとして使用する場合には、可動部３の先端部にミラー部１と探針を設ける。探針が試料表面を移動する際に、探針と資料間に一定のトンネル電流が流れるように、上部電極４と下部電極６間に制御電圧を印加して圧電体５により可動部３を屈曲させる。ミラー部１にレーザー光を照射して、その反射レーザー光の変位から可動部３の屈曲の大きさを検出する。このように構成すれば、試料表面の凹凸を高倍率で観察することができる。
【００３４】
図３は、本発明の圧電変換素子２０を構成する上部電極４と下部電極６の実施形態を表し、図３（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ上部電極４（破線）と下部電極６（実線、斜線領域）のパターンの一例を表す模式的な上面図である。なお、図３の各図において境界Ｚは可動部３と固定部７との間の境界を表している。また、同一の部分又は同一の機能を表す部分には同一の符号を付している。
図３（ａ）において、下部電極６は、可動部３の上部であって圧電体５の下部に形成される下部可動電極６ａと、素子固定部７ｂの上部であって圧電体５の下部に形成される下部固定電極６ｂと、素子固定部７ｂの上部であって圧電体５が載置されていない領域に形成される下部外部電極６ｃを含んでいる。上部電極４は、可動部３の上部の圧電体５の表面に形成される上部可動電極４ａと素子固定部７ｂの上部の圧電体５の表面に形成される上部固定電極４ｂと、上部固定電極４ｂに含まれ、外部と接続するためのパッド電極８を含んでいる。
【００３５】
下部可動電極６ａ、下部固定電極６ｂ及び下部外部電極６ｃは電気的に接続している。同様に、上部可動電極４ａ及び上部固定電極４ｂは電気的に接続している。可動部３の上方においては、上部可動電極４ａと下部可動電極６ａとが重なるように配置され、圧電体５に対して電圧を印加、或いは圧電体５に生じた電圧を取り出すことができる。素子固定部７ｂの上方であってパッド電極８の下部には下部電極６が形成されていない。素子固定部７ｂの上方においては、電極幅Ｗａを有する上部固定電極４ｂと電極幅Ｗｂを有する下部固定電極６ｂとが重なる面積Ｓは２×Ｗａ×Ｗｂとなる。可動部３上の圧電体５の長さは、通常、幅Ｗａよりも数倍から数十倍以上長く形成する。従って、上部可動電極４ａと下部可動電極６ａが重なる面積に対して、上部固定電極４ｂと下部固定電極６ｂが重なる面積は数分の一から数十分の一以下となる。これにより、可動部３上の静電容量に対して素子固定部７ｂ上の静電容量を数分の一から数十分の一以下に低減することができる。
【００３６】
その結果、圧電変換素子２０の静電容量が低減し、圧電変換素子２０を駆動するための消費電流を低減させることができる。更に、静電容量を増加させないでパッド電極８の形状を大きく形成することができるので、ワイヤーボンディングを容易に行うことができる。
【００３７】
図３（ｂ）においては、下部可動電極６ａと下部外部電極６ｃとの電気的接続を、２つのパッド電極８の間を通すようにして接続する。即ち、下部固定電極６ｂを概ね２つの上部固定電極４ｂ間に位置するように形成している。この場合も、素子固定部７ｂの上方においては、電極幅Ｗａを有する上部固定電極４ｂと電極幅Ｗｂを有する下部固定電極６ｂとが重なる面積Ｓは２×Ｗａ×Ｗｂとなる。従って、上部可動電極４ａと下部可動電極６ａが重なる面積に対して、上部固定電極４ｂと下部固定電極６ｂが重なる面積は数分の一から数十分の一以下となり、素子固定部７ｂ上の静電容量を低減することができる。
【００３８】
図３（ｃ）においては、素子固定部７ｂ上の下部固定電極６ｂを、下部可動電極６ａと下部外部電極６ｃとの間の接続領域を除いて、上部固定電極４ｂの形状に沿って除去した。この場合も、素子固定部７ｂの上方においては、電極幅Ｗａを有する上部固定電極４ｂと電極幅Ｗｂを有する下部固定電極６ｂとが重なる面積Ｓは２×Ｗａ×Ｗｂとなる。従って、上部可動電極４ａと下部可動電極６ａが重なる面積に対して、上部固定電極４ｂと下部固定電極６ｂが重なる面積が数分の一から数十分の一以下となり、素子固定部７ｂ上の静電容量が低減する。下部固定電極６ｂをこのように形成することにより、下部可動電極６ａと下部外部電極６ｃ間の抵抗を低減させることができる、という利点を有する。
【００３９】
なお、上記の実施形態においては、素子固定部７ｂの上方に位置する固定領域の静電容量が、可動部３の上方に位置する可動領域の静電容量に対して数分の１から数十分の１以下とした場合について説明してきたが、固定領域の静電容量と可動領域の静電容量とを同等又は同等以下とする場合でも全体の静電容量を低減する効果を有する。特に、パッド電極８の面積に対して可動部３上の圧電体５の領域が小さい従来例の場合には、固定領域の静電容量のほうが可動領域の静電容量よりも大きくなり、消費電流の半分以上が固定領域において消費されていた、或いは、可動領域において発生した電圧が固定領域の充電のために消費され、周波数特性が悪化していたからである。
【００４０】
また、従来例のように、パッド電極８を含む上部固定電極４ｂの下部全面に下部固定電極６ｂを形成すると、電圧印加によりこれらの電極間の圧電体５にも機械的変位を生じていた。そのため、素子固定部７ｂから圧電体５が剥がれる、あるいは、上部固定電極４ｂが断線する等の不具合が発生した。これに対して上記実施形態においては、少なくともパッド電極８に対応する領域の素子固定部７ｂの表面に下部固定電極６ｂを形成せず、直接圧電体５を積層している。その結果、パッド電極８近傍において圧電体５による機械的変位が発生しないことにより、圧電体５の剥がれや断線を防止できるので、有利な効果を得ることができる。
【００４１】
なお、上記実施形態においては、パッド電極８の下方の領域には電極を形成しないようにした。しかし、圧電体５の下地材料に対する密着性は、一般的に、シリコン酸化膜などからなる素子固定部７ｂの表面に直接積層するよりは、電極を介して積層したほうが向上する。そこで、パッド電極８の下方の領域であって素子固定部７ｂの表面に上記下部固定電極６ｂとは電気的に絶縁する付加電極を形成する。付加電極として、例えば点状或いは面状に形成し、下部固定電極６ｂからは絶縁させる。これにより、パッド電極８の領域に付加的な静電容量を発生させることなく、圧電体５の素子固定部７ｂに対する密着性を向上させることができる。
【００４２】
また、上記実施形態においては、素子固定部７ｂから２つの可動部３が突出する形状の圧電変換素子２０について説明したが、この形状に限定されない。可動部３は１本の突出する形状であってもよいし、１枚の板状突出部からなる形状を有していてもよい。
【００４３】
図４は、図１及び図２に示す光走査装置１０の製造工程を表す説明図である。図４（ａ）〜（ｅ）は、図２（ａ）の部分ＸＸ’の断面形状を表している。同一の部分又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付している。
【００４４】
図４（ａ）は、シリコン単結晶基板３０の表面にシリコン酸化膜からなるマスク３１、３２、３３を形成したシリコン単結晶基板３０の模式的な縦断面図である。シリコン単結晶基板３０の表面に形成したマスク３１の領域が固定部７の外周部となる領域であり、裏面のマスク３２の領域が固定部７の外周固定部７ａ及び凹部からなる素子固定部７ｂとなる領域であり、裏面のマスク３３の領域が２つの可動部３となる領域である。マスク３１、３２、３３としての酸化膜は、シリコン単結晶基板３０を熱酸化することにより形成し、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、パターニングした。
【００４５】
図４（ｂ）は、シリコン単結晶基板３０をエッチング除去した後に熱酸化によりシリコン酸化膜３５を形成した状態を表している。ウエットエッチング工程によりシリコン単結晶基板３０を両面からエッチング除去した。この状態においては、ミラー部１、バネ部２が中央の２つの可動部３により支持されている。また、中央部３４はシリコン単結晶基板３０が完全に除去されている。シリコン単結晶基板３０はその結晶方位により、エッチングの段差部は所定角に傾斜を有する。その後、熱酸化によりシリコン酸化膜３５を全面に形成した。
【００４６】
図４（ｃ）は、シリコン単結晶基板３０の表面に下部電極６を形成した状態を表している。スパッタリング法又は電子ビーム蒸着法により白金（Ｐｔ）とチタン（Ｔｉ）を順に約０．１μｍの厚さに堆積する。次に、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程により、圧電体５が積層されるべき領域（図示しない）に下部電極６のパターンを形成する。このとき、パッド電極８が形成されるべき領域（図示しない）の下方の領域の白金及びチタンは除去される。
【００４７】
図４（ｄ）は、メタルマスク３６を介して圧電体５を堆積している状態を表している。ＰＺＴからなる粉体をＡＤ（エアロゾル・デポジッション）法により可動部３及び図示しない固定部７の所定領域に１μｍ〜１０μｍの厚さに堆積する。圧電体５は堆積後に必要に応じて熱処理を行う。
【００４８】
図４（ｅ）は、上部電極４を形成した状態を表している。スパッタリング法又は電子ビーム蒸着法により金（Ａｕ）を約０．１μｍの厚さに堆積する。次に、フォトリソグラフィ工程及びエッチング工程によりパターニングを行い、圧電体５の表面に所定形状の上部電極４を形成する。あるいは、上記図４（ｄ）と同様に、メタルマスクを用いて金を所定形状に堆積してもよい。次に、上部電極４のパッド電極８と外部電極との間をワイヤーボンディングにより電気的に接続する。次に、圧電体５をキュリー温度に加熱し、上部電極４と下部電極６との間に電界を印加して、圧電体５に分極処理を施す。なお、図１及び図２に示す実施形態においては、外周固定部７ａの表面から下部電極６を除去している。
【００４９】
なお、上記の製造方法は、本発明の圧電変換素子２０、及び、これを用いた光走査装置１０の一製造方法を示すものである。例えば固定部７及び可動部３として、シリコン単結晶基板３０に代えて、ガラス基板や表面に絶縁膜を形成した金属基板を使用することができる。また、圧電体５をＡＤ法により堆積したが、これに変えて、バルク状圧電体に下部電極６及び上部電極４のパターンを形成し、このバルク状圧電体を切り出して可動部３及び固定部７からなる基体上に接着固定してもよい。
【００５０】
図５は、本発明に係る光走査型表示装置４０の実施形態を表すブロック図である。同一の部分又は同一の機能の部分には同一の符号を付した。
【００５１】
図５において、光走査型表示装置４０は観察者の眼球５８の網膜６０上に映像を直接結像する。青色の光を発光するＢレーザー４７、緑色の光を発光するＧレーザー４８及び赤色に光を発光するＲレーザー４９から出射した映像光はコリメート光学系５０により平行光となり、ダイクロイックミラー５１により合成され、結合光学系５２により集光されて光ファイバー５９に導入される。光ファイバー５９から出射した映像光は上記図１から図４を用いて説明した光走査装置１０のミラー部１に照射される。ミラー部１は水平走査駆動回路５４により駆動されて揺動振動し、反射光を水平走査する。水平走査された映像光はリレー光学系５５を介してガルバノミラー６１に照射される。ガルバノミラー６１は磁界により鏡面が揺動して反射光を垂直方向に走査する。ガルバノミラー６１から反射した映像光は第２のリレー光学系６３を介して眼球５８の網膜６０の上に結像される。
【００５２】
映像信号供給回路４３は映像信号を入力して青（Ｂ）色、緑（Ｇ）色及び赤（Ｒ）色に対応する画像信号をＢレーザー駆動回路４４、Ｇレーザー駆動回路４５及びＲレーザー駆動回路４６のそれぞれに出力する。Ｂレーザー４７はＢレーザー駆動回路４４からの駆動信号に基づいて光強度が変調されたＢ色のレーザー光を出射する。Ｇレーザー４８及びＲレーザー４９も同様に各画像信号に基づいて光強度が変調された各色のレーザー光を出射する。
【００５３】
映像信号供給回路４３は画像信号に同期した同期信号を水平走査駆動回路５４及び垂直走査駆動回路５６に出力する。水平同期信号回路４１は水平走査駆動回路に水平同期信号を出力し、垂直同期信号回路４２は垂直走査駆動回路５６に垂直同期信号を出力する。水平走査駆動回路５４は光走査装置１０に駆動信号を出力してミラー部１を揺動振動させる。この場合の揺動はミラー部１の共振振動に基づく。フォトセンサー６５は水平走査駆動回路５４により水平走査された光の一部を受光して電気信号に変換し、ＢＤ信号検出回路５７に出力する。ＢＤ信号検出回路５７は水平走査のタイミングを検出して映像信号供給回路４３にタイミング信号を出力し、映像信号供給回路４３は入力したタイミング信号により映像信号の開始タイミングを正確に決定する。
【００５４】
光走査装置１０を構成する圧電変換素子２０は、圧電体５の上に形成した上部固定電極４ｂのパッド電極８下部に下部固定電極６ｂが形成されていない。その結果、圧電変換素子２０をミラー部１のアクチュエータとして使用する場合は、静電容量が低減しているので低消費電力で駆動させることができる。そのため、光走査型表示装置４０を低消費電力で駆動することができる。また、圧電変換素子２０をミラー部１の揺動のセンサーとして使用する場合は、高速応答性を有しているので、ミラー部１の揺動を高精度で検出することができる。
【００５５】
なお、上記光走査型表示装置４０において、垂直走査をガルバノミラー６１としたが、これに上記光走査装置１０を用いることができる。垂直走査の周波数は例えば６０Ｈｚ程度と低くなる。従って、ミラー部の揺動は、共振振動を利用しないで電気信号による捩れ角制御により行う。
【００５６】
また、図５においては光走査装置１０を網膜走査型の表示装置として適用した例を説明したが、第２のリレー光学系６３を投射レンズ系に変更し、眼球５８に変えて投影スクリーンあるいは建物の壁などとすれば、投射型の光走査型表示装置とすることができる。図５の実施の形態においてはＲＧＢフルカラーの表示装置であるが、例えば１色又は２色のレーザー光源を走査して大画面用の光走査型表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００５７】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電変換素子及び光走査装置の外観図である。
【図２】本発明の実施形態に係る圧電変換素子を説明するための説明図である。
【図３】本発明の実施形態に係る圧電変換素子の電極形状を表す模式的な正面図である。
【図４】本発明の実施形態に係る圧電変換素子の製造工程を表す説明図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光走査型表示装置のブロック図である。
【図６】従来公知のスキャナーの説明図である。
【符号の説明】
【００５８】
１  ミラー部
２  バネ部
３  可動部
４  上部電極
５  圧電体
６  下部電極
７  固定部
８  パッド電極
１０  光走査装置
２０  圧電変換素子
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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