(57)【要約】【課題】信頼性を向上させるために密閉容器に封入する等の手段を講じることなく高温多湿の環境下においても劣化を低減させた圧電変換素子を実現する。【解決手段】可動部と可動部に連結する固定部５を備える基体と、基体の表面に形成される下部電極１２と、下部電極１２の上に形成される圧電体１０と、圧電体１０の上部表面に形成される上部電極１１とから構成され、電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換を行う圧電変換素子７において、少なくとも上部電極１１の外部に露出する表面は撥水性薄膜１６により覆われる構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部と前記可動部に連結する固定部を備える基体と、前記基体の表面に形成される下部電極と、前記下部電極の上に形成される圧電体と、前記圧電体の上部表面に形成される上部電極とから構成され、電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換を行う圧電変換素子において、
少なくとも前記上部電極の外部に露出する表面は撥水性の薄膜により覆われていることを特徴とする圧電変換素子。
【請求項２】
前記撥水性の薄膜は、前記圧電体の外部に露出する表面を覆うように形成されている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】
前記撥水性の薄膜は、シラン化合物、シリコーン剤、フルオロシリコン系樹脂、フッソ系樹脂、変成エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリジクロロパラキシリレン樹脂のいずれかを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電変換素子。
【請求項４】
前記撥水性の薄膜は、膜厚が１マイクロメートルを超えないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電変換素子。
【請求項５】
請求項１〜４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６】
請求項１〜４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７】
請求項５に記載したアクチュエータを使用した光走査装置であって、
前記可動部は、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するバネ部と、前記バネ部を保持し前記固定部に連結する梁部を備え、前記下部電極と前記上部電極との間に交番電圧を与えることにより、前記ミラー部に振動又は揺動が生じ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８】
請求項７に記載した光走査装置を備え、前記光走査装置によって画像信号に応じた光を２次元方向に走査して画像を形成表示する光走査型表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電体を使用した圧電変換素子に係り、特に圧電素子の表面に保護層を設けて劣化を防止した圧電素子に関する。
【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走査装置が知られている。図７（ａ）は、この種の光走査装置の模式的外観図であり、図７（ｂ）は、１つの圧電素子１０７の領域の断面図である（特許文献１を参照）。図７（ａ）において、光走査装置１００は、光を反射する反射面が形成された反射部１０１と、この反射部１０１を両側から支持するバネ部１０２、１０２と、反射部１０１の周囲を取り囲む形状を有する固定枠１０５と、バネ部１０２と固定枠１０５との間を連結する２つの二股形状の梁部１０３、１０３と、２つの梁部１０３に設置された４つの圧電素子１０７とを備える光走査部と、中央部に凹部が形成され、光走査部の固定枠１０５と接合して光走査部を保持する筐体１０９により構成されている。
【０００３】
固定枠１０５の表面には電極端子１０６が形成されており、圧電素子１０７に形成された図示しない電極と配線１０４により電気的に接続されている。梁部１０３の２つの圧電素子１０７に互いに逆相の交番電圧を印加することにより、２つの梁部１０３は交互に上下方向に振動する。この振動によりバネ部１０２には回転トルクが与えられ、反射部１０１はバネ部１０２を揺動軸として揺動する。これにより、反射部１０１に入射した光束は、所定の周期の走査光束に変換される。
【０００４】
図７（ｂ）は、圧電素子１０７が設置されている領域の模式的な部分断面図である。バネ部１０２及び梁部１０３からなる可動部は、固定枠１０５に連結している。圧電素子１０７は、圧電体１１０が上部電極１１１と下部電極１１２により挟まれる構造を有している。圧電素子１０７は、可動部の梁部１０３と固定枠１０５との間に跨って設置されている。固定枠１０５の上面には電極端子１０６が形成され、圧電素子の上部電極１１１と金線からなる配線１０４により電気的に接続されている。圧電素子１０７は、上部電極１１１と下部電極１１２との間に交番電圧を印加することにより、可動部である梁部１０３が上下に振動する。
【０００５】
ところで、この種の光走査装置１００においては、圧電素子１０７を長時間駆動すると上部電極１１１が変色してくる。更に継続して駆動すると、圧電体１１０上の上部電極１１１が圧電体１１０から剥がれる、或いは上部電極１１１が断線する、という劣化現象が現れることが知られている。図７（ｃ）は上部電極１１１の表面に変色した変色領域１１３が発生した状態を表す。圧電素子１０７を可動部の駆動源として使用している場合に、変色領域１１３が発生すると、圧電体１１０に十分に電圧が印加されず、反射部１０１の揺動の振幅が減少する。必要な振幅を得るために、圧電素子１０７の上部電極１１１と下部電極１１２に与える電圧を上昇させる。その結果、消費電力が増大する。また、供給電力が増大するので、劣化が更に進み、上部電極１１１や圧電体１１０の剥離、上部電極１１１の断線、或いは圧電体１１０内部でショート等が発生して破損に至る。
【０００６】
また、圧電素子１０７を反射部１０１の位置センサーとして使用することができる。２つの梁部１０３のうち、一方の梁部１０３に設置した圧電素子１０７を梁部１０３の駆動源として使用し、他方の梁部１０３に設置した圧電素子１０７を反射部１０１の位置センサーとして使用する。このようにすれば、光走査部の外部に主走査書き出しタイミングを検出するためのＢＤ（ｂｅａｍ  ｄｅｔｅｃｔ）センサーを設置する必要がなく、光走査装置１００をコンパクトに構成することが出来る利点がある。圧電素子１０７を位置センサーとして使用する場合は、圧電体１１０の上部電極１１１と下部電極１１２の間に発生する電圧波形を検出する。検出された電圧波形から、走査レーザー光により表示画像を描画する際の書き出しタイミングが決定される。この書き出しタイミングの精度が低下すると、表示画像にゆがみが生じるなど表示品質が劣化する。
【０００７】
位置センサーとして圧電素子１０７を長時間使用すると、上記駆動源として使用した場合と同様に、上部電極１１１に変色領域１１３が発生する。上部電極１１１に変色領域が発生すると、位置センサーとしての圧電素子１０７の検出精度が低下する。その結果、表示品質が劣化した。表示品質を劣化させないためには、圧電素子１０７の位置検出精度を例えば１０−４／１周期の時間オーダー以下とすることが要求される。
【０００８】
上記劣化現象の一つの原因として、電極表面から水分が浸入して圧電体１１０内の結晶粒界に電流パスが形成されることが挙げられている。電流パスの生成により、その部分が発熱して電極表面が変色し、更に時間が経過すると電極や圧電体が剥離することが考えられている。そこで、圧電素子１０７の全露出面を封止樹脂により覆う、或いは、圧電素子１０７を含む光走査装置１００、或いは光走査装置全体を密閉する容器に収納し、内部を真空にする、或いは内部を不活性ガスにより置換する等の対策を講ずることができる。
【特許文献１】特開２００５−１８１４７７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、圧電素子の露出面の全面に樹脂を塗布して封止することは、可動部上の圧電体の質量を変化させることになり、反射部の揺動の周期を変化させる原因となった。質量の影響を除去するために樹脂の膜圧を薄くすると防湿効果が低減し、十分な信頼性が得られない、という課題があった。また、真空封止や不活性ガス封止を行うためには新たに封止用パッケージを付加し、更に真空引きの工程が必要となり、光走査装置の容積が増大し、製造コストを上昇させる要因になる、という課題があった。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
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。
【００１１】
請求項１に係る発明においては、可動部と前記可動部に連結する固定部を備える基体と、前記基体の表面に形成される下部電極と、前記下部電極の上に形成される圧電体と、前記圧電体の上部表面に形成される上部電極とから構成され、電気的エネルギーと機械的エネルギーの変換を行う圧電変換素子において、少なくとも前記上部電極の外部に露出する表面は撥水性の薄膜により覆われていることを特徴とする圧電変換素子とした。
【００１２】
請求項２に係る発明においては、前記撥水性の薄膜は、前記圧電体の外部に露出する表面を覆うように形成されている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。
【００１３】
請求項３に係る発明においては、前記撥水性の薄膜は、シラン化合物、シリコーン剤、フルオロシリコン系樹脂、フッソ系樹脂、変成エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリジクロロパラキシリレン樹脂のいずれかを含むことを特徴とする請求項１又は２に記載の圧電変換素子とした。
【００１４】
請求項４に係る発明においては、前記撥水性の薄膜は、膜厚が１マイクロメートルを超えないことを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の圧電変換素子とした。
【００１５】
請求項５に係る発明においては、請求項１〜４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。
【００１６】
請求項６に係る発明においては、請求項１〜４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。
【００１７】
請求項７に係る発明においては、請求項５に記載したアクチュエータを使用した光走査装置であって、前記可動部は、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するバネ部と、前記バネ部を保持し前記固定部に連結する梁部を備え、前記下部電極と前記上部電極との間に交番電圧を与えることにより、前記ミラー部に振動又は揺動が生じ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。
【００１８】
請求項８に係る発明においては、請求項７に記載した光走査装置を備え、前記光走査装置によって画像信号に応じた光を２次元方向に走査して画像を形成表示する光走査型表示装置とした。
【発明の効果】
【００１９】
請求項１、５〜８の発明においては、圧電変換素子を構成する上部電極と下部電極のうち、少なくとも上部電極の外部に露出する表面は撥水性の薄膜により覆われている。これにより、上部電極の表面は水に対する濡れ性が低く、電極層に水分が浸入することを防止することができるので、電極層やその下の圧電体の劣化を防止することができる、という利点を有する。
【００２０】
請求項２の発明においては、撥水性の薄膜は、前記圧電体の外部に露出する表面全面を覆うように形成されている。これにより、上部電極の表面及び圧電体の表面の全露出面が撥水性の薄膜により覆われている。これにより、上部電極の他に圧電体の表面からも水分が浸入しないので、圧電体に水分が浸入することによる劣化現象をより効果的に抑制することができる、という利点を有する。
【００２１】
請求項３の発明においては、撥水性の薄膜は、シラン化合物、シリコーン剤、フルオロシリコン系樹脂、フッソ系樹脂、変成エポキシ系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリジクロロパラキシリレン樹脂のいずれかを含むようにした。その結果、これらの材料はいずれも撥水性の材料であり、しかも膜厚を薄くしても水分の浸入を防ぐことができる、という利点を有する。
【００２２】
請求項４の発明においては、撥水性の薄膜は、膜厚が１マイクロメートルを超えないようにした。これにより、圧電素子の可動部の質量の増加を低減させることができ、可動部の振動周期や振幅に影響を与えることがない、という利点を有する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２３】
以下、図面を用いて本発明について詳細に説明する。
【００２４】
図１は、本発明の実施形態に係る圧電変換素子７を用いた光走査装置１５を構成した状態を説明するための説明図である。図１（ａ）は、光走査装置１５の模式的な斜視図であり、図１（ｂ）及び図１（ｃ）は、圧電変換素子７の領域の模式的な部分断面図である。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。
【００２５】
まず、図１（ａ）を用いて光走査装置１５について説明する。光走査装置１５は、入射光を反射して走査光に変換する反射部１と、この反射部を支持するバネ部２、２’、このバネ部２、２’を保持する梁部３、３’と、梁部３、３’に連結し、反射部１の周囲を囲うような形状を有する固定部５と、梁部３、３’と固定部５とに跨って設置される圧電変換素子７とから構成されている。圧電変換素子７は、上部電極１１と下部電極１２により圧電体１０を挟む構造を有している。なお、実際に使用する際には固定部５の下部に筐体を設置するが、図１においては省略している。
【００２６】
ここで、反射部１、バネ部２、２’及び梁部３、３’により可動部が構成され、この可動部と固定部５により基体が構成されている。また、反射部１の表面には図示しない反射面が形成されている。圧電体１０、１０’は、固定部５に設置された領域から梁部３、３’の二股形状に沿って２本の棒状突起部を備えている。圧電体１０の上部表面には上部電極１１が形成されている。上部電極１１の固定部５の領域には電極端子６、６’が形成されている。この電極端子６、６’はワイヤーボンディングにより外部と電気的に接続可能に構成されている。圧電体１０の下部には下部電極１２が形成され、圧電体１０の外部まで延在して形成されている。
【００２７】
圧電変換素子７を、反射部１を揺動させるための駆動源として使用する場合は、二股形状を有する梁部３の一方の圧電体１０を挟む上部電極１１と下部電極１２との間に交番電圧を印加し、他方の圧電体１０を挟む上部電極１１と下部電極１２との間に上記交番電圧と極性を反転した交番電圧を印加する。これにより、梁部３の二股部は交互に上下振動を起こし、バネ部２に回転トルクを与え、反射部１を揺動させる。圧電変換素子７’を揺動する反射部１の位置センサーとして使用する場合には、圧電体１０’の上部電極１１’と下部電極１２’間に発生する電圧を検出する。このように、圧電変換素子７’を電気的エネルギーから機械的エネルギーに変換するアクチュエータとして使用することも、機械的エネルギーから電気的エネルギーに変換する位置センサーとして使用することもできる。
【００２８】
図１（ｂ）は、本発明の実施形態に係る圧電変換素子７を表す模式的な縦断面図である。梁部３と固定部５は連結している。梁部３と固定部５に跨って下部電極１２が形成されている。その上に圧電体１０が積層して形成され、その上に上部電極１１が積層して形成されている。上部電極１１の外部に露出する表面は、撥水性薄膜１６により覆われている。上部電極１１の表面が撥水性薄膜１６により覆われることにより、外部から上部電極１１内に侵入する水分を遮断することができる。
【００２９】
撥水性薄膜１６として、フロロ系シランやシランカップリング剤、シリル化剤、シラザンなどの各種シラン化合物やシリコーン剤を使用することができる。また、繊維等の撥水加工処理に用いられている、ジメチルポリシロキサンやメチルハイドロジェンシロキサン等を使用することができる。シランカップリング剤は、金属系やセラミックスの表面処理に用いられており、一般式をＲ−Ｓｉ（ＯＲ‘）３により表される。Ｒ官能基としては、アミノプロピル基、グリシドキシ基、メタクリロキシ基、Ｎ−フェニルアミノプロピル基、メルカト基、ビニル基、その他であり、Ｒ’はメチル基又はエチル基である。親水基となるシラノール基は水酸基を有し、Ｒ−Ｓｉ（ＯＲ‘）３＋３Ｈ２Ｏ→Ｒ−Ｓｉ（ＯＨ）３＋３Ｒ‘ＯＨにより表される。シラノール基は自己縮合によって高分子化すると同時に、表面に存在するＯＨ基と酸塩基反応により化学結合を行う。一方、官能基Ｒは、表層に親油基として配列するため撥水性を示す。
【００３０】
また、ベース膜の限定はないが、撥水性が高いフルオロシリコン系の撥水性薄膜や樹脂膜、或いはフラクタル構造を利用した無機膜を使用することができる。また、防湿性を考慮して、透湿性の低い樹脂により薄膜を堆積させることもできる。フッ素系樹脂としてＰＴＦＥ、ＦＥＰ、また、編成エポシキ系、ポリイミド系樹脂、ポリジクロロパラキシリレン樹脂を使用することができる。
【００３１】
なお、撥水性薄膜１６は、厚さを１０μｍ以下とする。より好ましくは１μｍ以下とする。圧電変換素子７の可動部である梁部３の領域においては、上部電極１１の表面を覆う撥水性薄膜１６は厚さを薄くして質量を小さくする必要がある。圧電体１０の振動の大きさや振動波数を変化させないようにするためである。圧電体１０をアクチュエータとして使用する場合も、センサーとして使用する場合も同じである。撥水性薄膜１６を単分子膜とすれば、撥水性薄膜１６による可動部の質量増加を無視することができる。撥水性薄膜１６は、上部電極１１の表面側や圧電体１０の表面側に水酸基を、外側表面に官能基Ｒが配列するように形成する。これにより、撥水性薄膜１６を極めて薄く形成することができる。
【００３２】
図１（ｃ）は、本発明に係る光変換素子の他の実施形態を表す模式的な縦断面図である。本実施形態においては、撥水性薄膜１６を上部電極１１に加えて圧電体１０の外部に露出する表面の全面を覆うように形成した。上部電極１１が形成されていない圧電体１０の露出面から水分が浸入し、上部電極１１と下部電極１２の間の圧電体１０に侵入して、電流通路を形成することを防止することができる。そのため、より長期間信頼性を確保することができる。
【００３３】
なお、上記実施形態においては、撥水性薄膜１６を上部電極１１の露出表面や圧電体１０の露出表面に形成したが、その他の固定部５の表面や凹部８の表面に形成した下部電極１２の表面に形成してもよい。また、撥水性薄膜１６の厚さを極めて薄くして、可動部の振動周期や振幅に影響を与えることがない場合には、バネ部２や梁部３の外側表面を覆うように形成してもよい。表面を水分やその他不純物による腐食から保護することができる。
【００３４】
次に、本発明に係る光変換素子及びこの光変換素子を用いた光走査装置の製造方法について説明する。図２（ａ）〜（ｆ）は、図１示す光走査装置１５の製造工程を表し、図１（ａ）の部分ＸＸ’の断面形状を工程順に表している。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。
【００３５】
図２（ａ）は、表面にシリコン酸化膜からなるマスク２１、２２、２３を形成したシリコン単結晶基板２０の模式的な縦断面図である。シリコン単結晶基板２０を用意し、酸素雰囲気中において熱酸化を行ってシリコン酸化膜を形成する。次に、フォトレジストを表面及び裏面に塗布し、フォトリソグラフィ及びエッチング工程により、所定領域のシリコン酸化膜を除去してマスク２１、２２、２３を形成する。マスク２１の領域が固定部５の外周部となる領域であり、裏面のマスク２２の領域が固定部５の外周部及び固定部５の凹部２７からなる領域であり、裏面のマスク２３の領域が二股状の梁部３となる領域である。
【００３６】
図２（ｂ）は、シリコン単結晶基板２０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２５を形成した状態を表している。ＫＯＨ等を用いてウエットエッチング工程により、図２（ａ）に示すマスク２１、２２、２３が形成されていない領域のシリコン単結晶基板２０を両面からエッチング除去する。次に、熱酸化によりシリコン酸化膜２５を全面に形成した。この状態においては、中央部２４はシリコン単結晶基板２０が完全に除去され、反射部１、バネ部２が中央の二股形状の梁部３により支持されている。シリコン単結晶基板２０はその結晶方位により、エッチングの段差部は所定角の傾斜を有する。
【００３７】
図２（ｃ）は、シリコン単結晶基板２０の表面に下部電極１２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及びエッチング工程により、下部電極１２のパターンを形成する。この状態では、圧電体１０が積層されるべき領域とシリコン単結晶基板２０の凹部２７の領域に下部電極１２が形成される。
【００３８】
図２（ｄ）は、メタルマスク２６を介して圧電体１０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）法により梁部３及び図示しない固定部５の所定領域に１μｍ〜１０μｍの厚さに堆積する。圧電体１０は堆積後に必要に応じて熱処理を行う。
【００３９】
図２（ｅ）は、上部電極１１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及びエッチング工程によりパターニングを行い、圧電体１０の表面に所定形状の上部電極１１を形成する。上記図２（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。メタルマスクを用いて形成すれば、フォトリソグラフィ及びエッチング工程を省略することができる。次に、圧電体１０をキュリー温度に加熱し、上部電極１１と下部電極１２との間に電界を印加して、圧電体１０に分極処理を施す。
【００４０】
図２（ｆ）は、上部電極１１及び圧電体１０の露出面の全面に撥水性薄膜１６を形成した状態を表している。撥水性薄膜１６はシランカップリング剤を滴下して乾燥させて形成した。撥水性薄膜１６の膜圧は１μｍ以下とした。この後、固定部５を筐体に接合して光走査装置１５とするが、図２では省略した。
【００４１】
なお、上記の製造方法は、本発明の圧電変換素子７及びこれを用いた光走査装置１５の一製造方法である。可動部としての反射部１、バネ部２、梁部３及び固定部５からなる基体をシリコン単結晶基板２０としたが、これに代えて、ガラス基板や金属基板を使用することができる。また、圧電体１０としてＰＺＴを使用したが、これに代えてチタン酸バリウム等の強誘電体を使用することができる。また、圧電体１０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１２及び上部電極１１のパターンを形成し、このバルク状圧電体を切り出して梁部３及び固定部５からなる基体上に接着固定してもよい。また、撥水性薄膜１６をスプレー等により吹き付けて形成することができる。
【００４２】
次に、本発明による撥水性薄膜１６を上部電極１１及び圧電体１０の露出面の全面に形成したときの効果について、撥水性薄膜１６を形成しない場合と比較して説明する。
【００４３】
図３は、圧電変換素子７を使用した光走査装置１５を駆動して、圧電変換素子７の信頼性を評価する評価方法を説明するための説明図である。図３（ａ）は、光走査装置１５を駆動して入射光束３０を走査光束３２に変換している状態を表している。光走査装置１５は、一方の側の圧電変換素子７ａを、反射部１を揺動させるアクチュエータとして使用し、他方の側の圧電変換素子７ｂを、反射部１の位置を検出する位置センサーとして使用している。
【００４４】
駆動回路３３は圧電変換素子７ａに交番電圧を与えて反射部１を揺動させる。入射光束３０はレンズ３１により集光されて反射部１に入射し、走査光束３２として出射される。走査光束３２は反射部１の揺動に応じて角度θ（ｔ）方向に走査される。この反射部１の揺動を走査光束３２の最大振れ角方向に設置した２つのＢＤセンサー３４ａ、３４ｂによって検出する。従って、ＢＤセンサー３４ａ、３４ｂは反射部１の振幅と揺動周期を検出することができる。ＢＤセンサー３４ａ、３４ｂからのＢＤセンサー信号は、反射部１の位置を表す基準信号としてタイムインターバルアナライザ３８に出力される。
【００４５】
また、２つのＢＤセンサー３４ａ、３４ｂからのＢＤセンサー信号は、駆動回路３３にフィードバックされる。駆動回路３３は、ＢＤセンサー信号に基づいて走査光束３２の振幅が一定となるように制御する。例えば、走査光束３２の振幅が所定値に達しない場合には、圧電変換素子７ａを駆動する駆動電圧を増加させて、反射部１の揺動の触れ角を大きくするように制御する。
【００４６】
圧電変換素子７ｂは可動部の振動を電圧に変換して圧電変換信号を生成する。検出回路３５は、圧電変換信号を入力して、アンプ３６により増幅し、０Ｖ比較器３７により０電位を設定してタイムインターバルアナライザ３８に出力する。圧電変換素子７ｂが可動部の揺動を電圧に正しく変換することができれば、この圧電変換信号から反射部１の揺動位置を正確に検出することができる。圧電変換信号が反射部１の揺動を正確に反映していれば、圧電変換信号を主走査のタイミング信号として利用することができる。その場合は、ＢＤセンサーを設置する必要がなくなり、部品点数を減少させ、光走査装置１５の容積も小さくすることが出来る。そこで、タイムインターバルアナライザ３８を使用して圧電変換信号とＢＤセンサー信号とを比較した。
【００４７】
図３（ｂ）は、タイムインターバルアナライザ３８により検出される時間差ΔＴを説明するための図である。上のグラフがＢＤセンサー信号の受光強度対時間を表しており、下のグラフが圧電変換信号の強度対時間を表している。ＢＤセンサー信号は反射部１の物理的な位置を表し、受光強度が最大のときが最大振幅の位置となる。圧電変換信号は圧電体の歪が最大のとき、即ち揺動の触れ角が最大のときに出力電圧が最大となる。従って、ＢＤセンサー信号の最大時と圧電信号の最大時との間の時間差ΔＴが圧電変換素子の位置検出精度となり、時間差Δｔが小さい程、反射部１の位置を正確に検出していることを意味する。
【００４８】
図４は、本発明に係る撥水性薄膜１６を上部電極１１と圧電体１０の露出面に形成したときの圧電変換素子７の信頼性試験結果を表している。図４（ａ）は、圧電変換素子７を光走査装置１５のアクチュエータとして駆動したとき、図４（ｂ）は、圧電変換素子７を位置センサーとして駆動したときの信頼性試験の結果を表している。撥水性薄膜１６としてフッ素系コーティングを上部電極１１の表面に約０．５μｍ堆積した。コーティングは、キシレン溶媒に樹脂固形分３％のコーティング溶液を用いて行った。この撥水性薄膜１６は、水との接触角が１００°以上となることを確認した。各試験は５サンプル用い、温度４０℃、湿度６０％Ｒｈの環境下で行った。なお、後に詳細に説明するが、撥水性薄膜１６を形成しない場合には、この環境下において劣化が最も大きくなった。
【００４９】
図４（ａ）に示すように、圧電変換素子７を光走査装置１５のアクチュエータとして駆動した場合に、上部電極１１には変色やはがれ等の電極破損が現れなかった。スタートから４８時間後の駆動電圧はスタート時から２Ｖ以内の増加に留まり、消費電力の増加も低レベルに抑えることができた。また、７２時間後においても、上部電極１１の変色や破損が発生せず、反射部１の揺動に問題が生じなかった。
【００５０】
図４（ｂ）に示すように、圧電変換素子７を光走査装置１５の位置センサーとして駆動した場合に、上部電極１１には変色やはがれ等の電極破損が現れなかった。スタートから４８時間後の位置検出精度を表す時間差ΔＴは２ｎｓ（ナノ秒：１０−９ｓｅｃ）以下となった。これはスタート時と変わらず、検出誤差の範囲内である。
【００５１】
図５は、上部電極１１の表面に撥水性薄膜１６を形成しないときの、圧電変換素子７の信頼性試験の結果を表す比較例である。図５（ａ）が、圧電変換素子７を光走査装置１５のアクチュエータとして駆動したとき、図５（ｂ）が、圧電変換素子７を光走査装置１５の位置センサーとして駆動したときの信頼性試験の結果を表している。
【００５２】
図５（ａ）に示すように、アクチュエータとしての信頼性試験は５サンプルを使用し、サンプルＡは温度４０℃、湿度４０％Ｒｈ、サンプルＢは温度２５℃、湿度４０％Ｒｈ、サンプルＣは温度４０℃、湿度６０％Ｒｈ、サンプルＥは温度１０℃、湿度４０％Ｒｈ、サンプルＦは温度１０℃、湿度３０％Ｒｈの環境下で行った。サンプルＢは通常の大気と同等の環境である。その結果、電極破損はサンプルＡ、Ｂ、Ｃで発生したが、温度１０℃の低温雰囲気中では発生しなかった。４８時間後の駆動電圧は、高温多湿環境下のサンプルＡ、Ｃにおいて１６Ｖ〜２０Ｖ上昇し、通常の大気雰囲気と同等のサンプルＢにおいても１０Ｖ以上駆動電圧が上昇した。これは、電極破損が発生したために圧電変換素子７のエネルギー変換効率が低下して反射部１の振幅が縮小し、これを補うために駆動回路３３が駆動電圧を上昇させたためである。また、７２時間後には、サンプルＡ、Ｂはスキャナ破損が発生した。
【００５３】
図５（ｂ）に示すように、位置センサーとしての信頼性試験は５サンプル使用し、サンプルＧは温度４０℃、湿度４０％Ｒｈ、サンプルＨは温度２５℃、湿度４０％Ｒｈ、サンプルＩは温度４０℃、湿度６０％Ｒｈ、サンプルＪは温度１０℃、湿度４０％Ｒｈ、サンプルＫは温度１０℃、湿度３０％Ｒｈの雰囲気中で行った。その結果、電極破損は湿度４０％Ｒｈ以上のサンプルＧ、Ｈ、Ｉ、Ｊで発生した。４８時間後の時間差ΔＴは、高温多湿のサンプルＧ、Ｉにおいて４０ｎｓ以上となり、顕著となった。また、大気中と同等の環境下のサンプルＨや低温下のサンプルＪでも１７ｎｓとなり、反射部１の位置検出手段として使用することが困難なレベルとなった。
【００５４】
以上結果より、上部電極１１の破損は大気中の水分と密接に関係していることが理解できる。図５（ｃ）は、各温度における飽和水蒸気量の変化を表している。横軸が温度℃を表し、縦軸が単位体積（１ｍ３）当たりの水分量（ｇ）を表している。温度が上昇するに従い、大気中の水分量は上昇する。上記比較結果と照らし合わせると、圧電変換素子７の劣化は、大気中の水分量が増加するに従い、促進されることが推測できる。このことからも、撥水性薄膜１６を上部電極１１の表面を覆うことは、圧電変換素子７に浸入する水分を阻止し、信頼性が顕著に向上した、と考えることができる。
【００５５】
図６は、本発明に係る圧電変換素子７を用いた光走査装置１５を光走査型表示装置４０に適用した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を有する部分には同一の符号を付している。
【００５６】
図６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３を用いて説明した光走査装置１５の反射部１に照射される。反射部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。
【００５７】
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。
【００５８】
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１５に駆動信号を出力して反射部１を揺動振動させる。この場合の揺動は反射部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。
【００５９】
光走査装置１５を構成する圧電変換素子７は、上部電極１１の上に撥水性薄膜１６により覆われている。その結果、高温多湿環境下においても、駆動電圧が上昇することはなく、高い信頼性を有している。なお、本実施形態においては、フォトセンサー６５をＢＤセンサーとして使用している。これに変えて、本発明に係る圧電変換素子７をＢＤセンサーとして使用することができる。これにより、フォトセンサー６５を除去することができるので、部品点数を減らし、コスト低減に寄与することができる。
【００６０】
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１５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。
【００６１】
また、図６においては光走査装置１５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６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】
【００６２】
【図１】本発明の実施形態に係る圧電変換素子を用いた光走査装置の説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る圧電変換素子を用いた光走査装置の製造工程を表す図である。
【図３】圧電変換素子の信頼性を評価する評価方法を説明するための説明図である。
【図４】本発明の実施形態に係る圧電変換素子の信頼性試験結果を表している。
【図５】比較サンプルとしての従来圧電変換素子の信頼性試験結果を表している。
【図６】本発明の実施形態に係る光走査型表示装置を表すブロック図である。
【図７】従来公知の光走査装置の模式的な外観図である。
【符号の説明】
【００６３】
１  反射部
２  バネ部
３  梁部
４  リード線
５  固定部
６  電極端子
７  圧電変換素子
１０  圧電体
１１  上部電極
１２  下部電極
１５  光走査装置
１６  撥水性薄膜
【図１】
2009086050.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009086050.tif 000006
【図５】
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【図６】
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【図７】
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