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JP7457249B2 - Piezoelectric actuator, optical scanning device - Google Patents
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JP7457249B2 - Piezoelectric actuator, optical scanning device - Google Patents

Piezoelectric actuator, optical scanning device Download PDF

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JP7457249B2 JP2020096726A JP2020096726A JP7457249B2 JP 7457249 B2 JP7457249 B2 JP 7457249B2 JP 2020096726 A JP2020096726 A JP 2020096726A JP 2020096726 A JP2020096726 A JP 2020096726A JP 7457249 B2 JP7457249 B2 JP 7457249B2
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Description

本発明は、圧電アクチュエータ、光走査装置に関する。 The present invention relates to a piezoelectric actuator and an optical scanning device.

ミラー部を回転させて光を走査する光走査装置において、ミラー部を駆動する駆動源として、圧電膜を有する圧電アクチュエータが用いられる場合がある。このような圧電アクチュエータには、圧電膜に電圧を印加するための電極が設けられており、電極と配線がコンタクト部で接続されている。電極と配線とを接続するコンタクト部は、例えば、円形や四角形であり、電極と配線の一つの接続箇所に通常は1つのコンタクト部が設けられる(例えば、特許文献1参照)。 In an optical scanning device that scans light by rotating a mirror section, a piezoelectric actuator having a piezoelectric film is sometimes used as a drive source for driving the mirror section. Such a piezoelectric actuator is provided with an electrode for applying a voltage to the piezoelectric film, and the electrode and wiring are connected through a contact portion. The contact portion that connects the electrode and the wiring is, for example, circular or square, and one contact portion is usually provided at one connection point between the electrode and the wiring (see, for example, Patent Document 1).

特開2013-78219号公報JP 2013-78219 A

ところで、近年では、圧電アクチュエータをスマートフォン等の小型の機器に内蔵する検討がなされており、圧電アクチュエータの小型化が求められている。 Incidentally, in recent years, studies have been made to incorporate piezoelectric actuators into small devices such as smartphones, and there is a demand for smaller piezoelectric actuators.

しかしながら、電極と配線とを接続するコンタクト部は一定の面積を必要とすることから、圧電アクチュエータにおける電極や配線等のレイアウトの自由度を妨げており、これが圧電アクチュエータの小型化を妨げる要因の一つとなっていた。 However, the contact area that connects the electrodes and wiring requires a certain area, which hinders the freedom of layout of the electrodes and wiring in piezoelectric actuators, and this is one of the factors that prevents the miniaturization of piezoelectric actuators. They were one.

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、圧電アクチュエータにおいて、電極や配線等のレイアウトの自由度の向上を目的とする。 The present invention has been made in consideration of the above points, and aims to improve the degree of freedom in the layout of electrodes, wiring, etc. in piezoelectric actuators.

本圧電アクチュエータは、基板(310)と、前記基板(310)上に形成された圧電素子と、前記基板(310)上に形成された配線(140)と、を有し、前記圧電素子は、第1電極(330)と、前記第1電極(330)上に形成された第1圧電膜(340)と、前記第1圧電膜(340)上に形成された第2電極(350)と、前記第2電極(350)上に形成された第2圧電膜(360)と、前記第2圧電膜(360)上に形成された第3電極(370)と、を有し、前記圧電素子の角部において、前記第3電極(370)に設けられた切り欠き部内に前記第2電極(350)が露出し、前記第1電極(330)及び前記第3電極(370)は、前記圧電素子の短手方向に沿って直線状に並ぶ複数の第1コンタクト部(140a)を介して第1配線(140)と接続され、前記切り欠き部内に露出する前記第2電極(350)は、前記圧電素子の長手方向に沿って直線状に並ぶ複数の第2コンタクト部(140a)を介して第2配線(140)と接続されている。
This piezoelectric actuator includes a substrate (310), a piezoelectric element formed on the substrate (310), and a wiring (140) formed on the substrate (310), and the piezoelectric element includes : a first electrode (330), a first piezoelectric film (340) formed on the first electrode (330), and a second electrode (350) formed on the first piezoelectric film (340); a second piezoelectric film (360) formed on the second electrode (350); and a third electrode (370) formed on the second piezoelectric film (360), At the corner, the second electrode (350) is exposed in a notch provided in the third electrode (370), and the first electrode (330) and the third electrode (370) are connected to the piezoelectric element. The second electrode (350) is connected to the first wiring (140) via a plurality of first contact portions (140a) arranged in a straight line along the lateral direction of the It is connected to the second wiring (140) via a plurality of second contact portions (140a) arranged in a straight line along the longitudinal direction of the piezoelectric element.

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、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。 The reference symbols in parentheses above are added for ease of understanding, are merely examples, and are not limited to the illustrated embodiment.

開示の技術によれば、圧電アクチュエータにおいて、電極や配線等のレイアウトの自由度を向上できる。 According to the disclosed technology, the degree of freedom in layout of electrodes, wiring, etc. can be improved in a piezoelectric actuator.

第1実施形態に係る光走査装置を例示する平面図である。FIG. 1 is a plan view illustrating an optical scanning device according to a first embodiment. 光走査装置のコンタクト部近傍の部分平面図である。FIG. 3 is a partial plan view of the vicinity of a contact portion of the optical scanning device. 図2のA-A線に沿う部分断面図である。3 is a partial cross-sectional view taken along line AA in FIG. 2. FIG. 図2のB-B線に沿う部分断面図である。3 is a partial cross-sectional view taken along line BB in FIG. 2. FIG. 複数のコンタクト部の効果について説明する図である。FIG. 3 is a diagram illustrating the effects of a plurality of contact parts.

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Hereinafter, embodiments for carrying out the invention will be described with reference to the drawings. In each drawing, the same components are given the same reference numerals, and redundant explanations may be omitted.

〈第1実施形態〉
図1は、第1実施形態に係る光走査装置を例示する平面図であり、光走査装置をミラー反射面10側から視た図である。図1において、2本のトーションバー50の長手方向を垂直方向、2本のトーションバー50の長手方向と直交する方向を水平方向としている。
First Embodiment
Fig. 1 is a plan view illustrating an optical scanning device according to a first embodiment, and is a view of the optical scanning device viewed from the side of a mirror reflecting surface 10. In Fig. 1, the longitudinal direction of two torsion bars 50 is defined as a vertical direction, and the direction perpendicular to the longitudinal direction of the two torsion bars 50 is defined as a horizontal direction.

図1を参照すると、光走査装置1は、ミラー部40と、トーションバー50と、連結部60と、水平駆動部70と、可動枠80と、垂直駆動部110と、固定枠120と、端子130と、配線140とを有するMEMS(Micro Electro Mechanical System)である。 Referring to FIG. 1, the optical scanning device 1 includes a mirror section 40, a torsion bar 50, a connecting section 60, a horizontal drive section 70, a movable frame 80, a vertical drive section 110, a fixed frame 120, and a terminal. 130 and a wiring 140.

ミラー部40は、ミラー反射面10と、応力緩和領域20とを有する。水平駆動部70は、水平駆動梁71と、駆動源72とを有する。垂直駆動部110は、垂直駆動梁90と、駆動源91と、連結部100とを有する。 The mirror section 40 has a mirror reflecting surface 10 and a stress relief region 20. The horizontal drive section 70 has a horizontal drive beam 71 and a drive source 72. The vertical drive section 110 has a vertical drive beam 90, a drive source 91, and a connecting section 100.

ミラー部40は、垂直方向に延在する2本のトーションバー50により、垂直方向の両外側から挟持されている。ミラー部40は、中心にミラー反射面10を有し、ミラー反射面10とトーションバー50との間に応力緩和領域20を有する。各応力緩和領域20には、2つのスリット30が形成されている。又、トーションバー50は、基端部50aが連結部60を介して水平駆動梁71の内側の角に連結されている。水平駆動梁71は、表面に駆動源72を備え、外側の辺が可動枠80に連結されている。 The mirror portion 40 is held between two vertically extending torsion bars 50 from both sides in the vertical direction. The mirror section 40 has a mirror reflective surface 10 at the center, and a stress relaxation region 20 between the mirror reflective surface 10 and the torsion bar 50. Two slits 30 are formed in each stress relaxation region 20. Further, the torsion bar 50 has a base end 50a connected to an inner corner of the horizontal drive beam 71 via a connecting portion 60. The horizontal drive beam 71 has a drive source 72 on its surface and is connected to the movable frame 80 at its outer side.

駆動源72には、例えば、電圧の印加に応じて伸縮する圧電素子が用いられる。圧電素子には、例えば、ピエゾ素子が用いられる。 The drive source 72 uses, for example, a piezoelectric element that expands and contracts in accordance with the application of voltage. For example, a piezo element is used as the piezoelectric element.

又、トーションバー50の基端部50aには、圧電センサ51が設けられている。圧電センサ51は、ミラー部40が水平方向に揺動している状態におけるミラー反射面10の水平方向の振角を検出するための振角センサである。圧電センサ51には、圧電素子が用いられ、例えばピエゾ素子が用いられる。 Furthermore, a piezoelectric sensor 51 is provided at the base end 50a of the torsion bar 50. The piezoelectric sensor 51 is an oscillation angle sensor for detecting the oscillation angle in the horizontal direction of the mirror reflecting surface 10 when the mirror section 40 is oscillating in the horizontal direction. A piezoelectric element is used for the piezoelectric sensor 51, for example, a piezo element.

可動枠80は、水平駆動梁71を介して連結部60、トーションバー50、及びミラー部40を支持するとともに、これらの周囲を囲んでいる。可動枠80は、垂直駆動梁90に連結されている。 The movable frame 80 supports the connecting portion 60, the torsion bar 50, and the mirror portion 40 via the horizontal drive beam 71, and surrounds them. The movable frame 80 is connected to a vertical drive beam 90.

垂直駆動梁90は、可動枠80の水平方向の両側に、可動枠80を挟むように配置されている。垂直駆動梁90は、トーションバー50と平行に複数設けられている。可動枠80の各片側には、2つの垂直駆動梁90が水平方向に隣接するように配置されている。隣接する2つの垂直駆動梁90は、連結部100により連結されている。 The vertical drive beams 90 are arranged on both sides of the movable frame 80 in the horizontal direction so as to sandwich the movable frame 80 therebetween. A plurality of vertical drive beams 90 are provided in parallel with the torsion bar 50. On each side of the movable frame 80, two vertical drive beams 90 are arranged adjacent to each other in the horizontal direction. Two adjacent vertical drive beams 90 are connected by a connecting part 100.

内側の垂直駆動梁90は、一端が可動枠80に連結され、他端が外側の垂直駆動梁90に連結されている。又、外側の垂直駆動梁90は、一端が固定枠120に連結され、他端が内側の垂直駆動梁90に連結されている。又、垂直駆動梁90には、駆動源91が設けられている。駆動源91には、駆動源72と同様に圧電素子が用いられ、例えばピエゾ素子が用いられる。 The inner vertical drive beam 90 is connected to the movable frame 80 at one end and to the outer vertical drive beam 90 at the other end. Further, the outer vertical drive beam 90 is connected at one end to the fixed frame 120 and at the other end to the inner vertical drive beam 90. Further, the vertical drive beam 90 is provided with a drive source 91 . As with the drive source 72, a piezoelectric element is used for the drive source 91, for example, a piezo element.

又、外側の垂直駆動梁90の一端には、圧電センサ92が設けられている。圧電センサ92は、ミラー部40が垂直方向に揺動している状態におけるミラー反射面10の垂直方向の振角を検出するための振角センサである。圧電センサ92には、圧電センサ51と同様に圧電素子が用いられ、例えばピエゾ素子が用いられる。 Furthermore, a piezoelectric sensor 92 is provided at one end of the outer vertical drive beam 90. The piezoelectric sensor 92 is an oscillation angle sensor for detecting the oscillation angle in the vertical direction of the mirror reflecting surface 10 when the mirror portion 40 is oscillating in the vertical direction. As with the piezoelectric sensor 51, a piezoelectric element is used for the piezoelectric sensor 92, for example, a piezo element.

固定枠120は、外側の垂直駆動梁90を介して垂直駆動部110を支持する。すなわち、固定枠120は、駆動部(垂直駆動部110及び水平駆動部70)を介してミラー部40を支持している。垂直駆動部110及び可動枠80を取り囲んでおり、外形が矩形状である。本実施形態では、固定枠120の外形は、ほぼ正方形である。 The fixed frame 120 supports the vertical drive unit 110 via the outer vertical drive beams 90. That is, the fixed frame 120 supports the mirror unit 40 via the drive units (vertical drive unit 110 and horizontal drive unit 70). It surrounds the vertical drive unit 110 and the movable frame 80, and has a rectangular outer shape. In this embodiment, the outer shape of the fixed frame 120 is approximately square.

固定枠120の表面には複数の端子130が設けられている。各端子130には配線140が接続されている。配線140は、駆動源72、91、及び圧電センサ51、92に接続されている。又あるいは、配線140には、駆動源72、91の各電極等に配線140をコンタクトさせるためのコンタクト部140aが形成されている。固定枠120の表面に、端子130及び配線140以外に、検査用パターンが形成されてもよい。 A plurality of terminals 130 are provided on the surface of the fixed frame 120. A wiring 140 is connected to each terminal 130. Wiring 140 is connected to drive sources 72 and 91 and piezoelectric sensors 51 and 92. Alternatively, the wiring 140 is formed with a contact portion 140a for bringing the wiring 140 into contact with each electrode of the drive sources 72, 91, etc. In addition to the terminals 130 and the wiring 140, an inspection pattern may be formed on the surface of the fixed frame 120.

以下、各部のより詳細な説明を行う。 Each part will be explained in more detail below.

ミラー部40は、ほぼ円形のミラー反射面10を中心に備える。ミラー反射面10は、銀、銅、アルミニウム等の反射率の高い金属膜により形成されている。 The mirror section 40 includes a substantially circular mirror reflection surface 10 at its center. The mirror reflection surface 10 is formed of a metal film with high reflectance, such as silver, copper, or aluminum.

応力緩和領域20は、トーションバー50の捻れ応力を緩和させ、ミラー反射面10に加わる応力を低減させるために、ミラー反射面10との間に設けられたスペーサ部である。応力緩和領域20は、トーションバー50の捻れ運動で発生する応力を分散させ、ミラー反射面10に加わる応力を緩和できる。 The stress relaxation region 20 is a spacer portion provided between the stress relaxation region 20 and the mirror reflection surface 10 in order to relieve the torsional stress of the torsion bar 50 and reduce the stress applied to the mirror reflection surface 10. The stress relaxation region 20 can disperse the stress generated by the twisting motion of the torsion bar 50 and relieve the stress applied to the mirror reflection surface 10.

スリット30は、応力緩和領域20に印加された応力を分散させるための穴であり、応力緩和領域20内に設けられている。 The slit 30 is a hole for dispersing stress applied to the stress relaxation region 20 and is provided within the stress relaxation region 20.

トーションバー50は、ミラー部40を両側から支持するとともに、ミラー部40を水平方向に揺動させるための手段である。ここで、水平方向とは、ミラー反射面10により反射される光が高速に走査して移動する方向であり、投影面の横方向を意味する。つまり、ミラー反射面10が横方向に揺動する方向であり、トーションバー50が軸となる方向である。トーションバー50は、左右に交互に捻れることにより、ミラー部40を水平方向に揺動させる。 The torsion bar 50 is a means for supporting the mirror section 40 from both sides and for swinging the mirror section 40 in the horizontal direction. Here, the horizontal direction is the direction in which the light reflected by the mirror reflection surface 10 scans and moves at high speed, and means the lateral direction of the projection plane. That is, this is the direction in which the mirror reflecting surface 10 swings laterally, and the torsion bar 50 is the axis. The torsion bar 50 swings the mirror section 40 in the horizontal direction by twisting alternately left and right.

連結部60は、水平駆動梁71で発生した水平方向の駆動力をトーションバー50に伝達するための伝達手段である。 The connecting portion 60 is a transmission means for transmitting the horizontal driving force generated by the horizontal drive beam 71 to the torsion bar 50.

水平駆動梁71は、ミラー部40を水平方向に揺動させ、ミラー反射面10により反射された光を投影面の水平方向に走査させるための駆動手段である。2つの駆動源72に異なる位相の電圧を交互に印加することにより、2つの水平駆動梁71を交互に反対方向に反らせることができる。これにより、トーションバー50に捻れ力を与え、トーションバー50に平行な水平回転軸の周りにミラー部40を揺動させることができる。 The horizontal driving beam 71 is a driving means for horizontally swinging the mirror unit 40 and scanning the light reflected by the mirror reflecting surface 10 in the horizontal direction of the projection plane. By alternately applying voltages of different phases to the two drive sources 72, the two horizontal drive beams 71 can be alternately warped in opposite directions. Thereby, a twisting force can be applied to the torsion bar 50, and the mirror part 40 can be swung around a horizontal axis of rotation parallel to the torsion bar 50.

又、水平駆動梁71による駆動は、例えば、共振駆動が用いられる。本実施形態の光走査装置1をプロジェクタ等に適用した場合には、例えば30kHzの共振駆動によりミラー部40が駆動される。 The horizontal drive beam 71 is driven, for example, by resonant drive. When the optical scanning device 1 of this embodiment is applied to a projector or the like, the mirror section 40 is driven by resonant drive of, for example, 30 kHz.

又、隣接する垂直駆動梁90に異なる位相の電圧を印加することにより、可動枠80を垂直方向に揺動させることができる。なお、ミラー部40は、可動枠80に支持されているので、可動枠80の揺動に伴い、垂直方向に揺動する。 In addition, by applying voltages of different phases to adjacent vertical drive beams 90, the movable frame 80 can be swung vertically. Note that since the mirror section 40 is supported by the movable frame 80, it swung vertically in conjunction with the swinging of the movable frame 80.

なお、垂直駆動部110は、例えば、非共振駆動により可動枠80を揺動させる。垂直駆動は、水平駆動と比較して高速駆動は要求されず、駆動周波数は、例えば、60Hz程度である。 Note that the vertical drive unit 110 swings the movable frame 80 by, for example, non-resonant drive. Vertical driving does not require high-speed driving compared to horizontal driving, and the driving frequency is, for example, about 60 Hz.

以上の構成の光走査装置1は、例えば、シリコンウェハやSOI(Silicon On Insulator)ウェハを用いて製造される。 The optical scanning device 1 having the above configuration is manufactured using, for example, a silicon wafer or an SOI (Silicon On Insulator) wafer.

図2は、光走査装置のコンタクト部近傍の部分平面図である。図3は、図2のA-A線に沿う部分断面図である。図4は、図2のB-B線に沿う部分断面図である。 Figure 2 is a partial plan view of the vicinity of the contact portion of the optical scanning device. Figure 3 is a partial cross-sectional view taken along line A-A in Figure 2. Figure 4 is a partial cross-sectional view taken along line B-B in Figure 2.

図2及び図3を参照すると、駆動源91は、基板310上に順次形成された、絶縁膜320、下部電極330、圧電膜340、中間電極350、圧電膜360、上部電極370、層間絶縁膜380、及び増反射膜390を有する圧電アクチュエータである。 Referring to FIGS. 2 and 3, the driving source 91 includes an insulating film 320, a lower electrode 330, a piezoelectric film 340, an intermediate electrode 350, a piezoelectric film 360, an upper electrode 370, and an interlayer insulating film, which are sequentially formed on a substrate 310. 380, and a piezoelectric actuator having an increased reflection film 390.

光走査装置1において、例えば、中間電極350がグランドに接続され、下部電極330及び上部電極370に駆動源91を駆動する駆動信号が供給される。下部電極330及び上部電極370に駆動信号が供給されると、駆動源91は駆動信号の電圧にしたがって変位する。なお、駆動信号が中間電極350に供給され、下部電極330及び上部電極370がグランドに接続されるようにしても同様に駆動することができる。 In the optical scanning device 1, for example, the intermediate electrode 350 is connected to the ground, and a drive signal for driving the drive source 91 is supplied to the lower electrode 330 and the upper electrode 370. When a drive signal is supplied to the lower electrode 330 and the upper electrode 370, the drive source 91 is displaced according to the voltage of the drive signal. Note that driving can be performed similarly even if the drive signal is supplied to the intermediate electrode 350 and the lower electrode 330 and the upper electrode 370 are connected to the ground.

基板310は、例えば、シリコン基板である。シリコン基板の上面に、シリコン酸化膜(熱酸化膜)等の絶縁膜320が形成されている。基板310として、支持層、埋め込み(BOX:Buried Oxide)層、及び活性層を有するSOI基板を用いてもよい。 The substrate 310 is, for example, a silicon substrate. An insulating film 320 such as a silicon oxide film (thermal oxide film) is formed on the upper surface of the silicon substrate. As the substrate 310, an SOI substrate having a support layer, a buried oxide (BOX) layer, and an active layer may be used.

下部電極330は、例えば、Pt等の白金族の金属からなる単一の導電膜とすることができる。下部電極330は、絶縁膜320側から第1層、第2層、及び第3層が順次積層された3層構造の導電膜としてもよい。 The lower electrode 330 can be, for example, a single conductive film made of a platinum group metal such as Pt. The lower electrode 330 may be a conductive film having a three-layer structure in which a first layer, a second layer, and a third layer are sequentially stacked from the insulating film 320 side.

後者の場合、第1層及び第3層の各々は、ペロブスカイト構造及び(110)配向を含んだ導電性酸化膜であることが好ましい。ペロブスカイト構造及び(110)配向を含んだ導電性酸化膜としては、例えば、LNO(LaNiO:ニッケル酸ランタン)薄膜、SRO(SrRuO:酸化ストロンチウム)薄膜、BRO(BaRuO:ルテニウム酸バリウム)薄膜等が挙げられる。第1層及び第3層の各々の膜厚は、例えば、30nmである。第2層は、例えば、Pt薄膜である。第2層は、Pt以外の白金族の薄膜でもよく、例えば、Ir薄膜、Os薄膜等を用いてもよい。第2層の膜厚は、例えば、150nmである。 In the latter case, each of the first layer and the third layer is preferably a conductive oxide film containing a perovskite structure and (110) orientation. Examples of conductive oxide films containing a perovskite structure and (110) orientation include LNO (LaNiO 3 : lanthanum nickelate) thin film, SRO (Sr 2 RuO 4 : strontium oxide) thin film, and BRO (BaRuO 3 : barium ruthenate) thin film. ) thin film, etc. The thickness of each of the first layer and the third layer is, for example, 30 nm. The second layer is, for example, a Pt thin film. The second layer may be a thin film of a platinum group metal other than Pt, for example, an Ir thin film, an Os thin film, or the like. The thickness of the second layer is, for example, 150 nm.

中間電極350は、下部電極330と同様に、例えば、Pt等の白金族の金属からなる単一の導電膜とすることができる。中間電極350は、下部電極330と同様に、圧電膜340側から第1層、第2層、及び第3層が順次積層された3層構造の導電膜としてもよい。 The intermediate electrode 350, like the lower electrode 330, can be a single conductive film made of a platinum group metal such as Pt. The intermediate electrode 350, like the lower electrode 330, can also be a three-layer conductive film in which a first layer, a second layer, and a third layer are stacked in sequence from the piezoelectric film 340 side.

後者の場合、第1層及び第3層の各々は、ペロブスカイト構造及び(110)配向を含んだ導電性酸化膜であることが好ましい。第1層及び第3層の具体的な材料は、下部電極330において例示したものと同様である。第1層及び第3層の各々の膜厚は、例えば、80nmである。第2層は、例えば、Pt薄膜である。第2層は、Pt以外の白金族の薄膜でもよく、例えば、Ir薄膜、Os薄膜等を用いてもよい。第2層の膜厚は、例えば、150nmである。 In the latter case, each of the first layer and the third layer is preferably a conductive oxide film containing a perovskite structure and (110) orientation. The specific materials of the first layer and the third layer are the same as those exemplified for the lower electrode 330. The thickness of each of the first layer and the third layer is, for example, 80 nm. The second layer is, for example, a Pt thin film. The second layer may be a thin film of a platinum group metal other than Pt, for example, an Ir thin film, an Os thin film, or the like. The thickness of the second layer is, for example, 150 nm.

上部電極370は、例えば、Pt等の白金族の金属からなる単一の導電膜とすることができる。上部電極370は、圧電膜360側から第1層及び第2層が順次積層された2層構造の導電膜としてもよい。 The upper electrode 370 can be, for example, a single conductive film made of a platinum group metal such as Pt. The upper electrode 370 may be a conductive film having a two-layer structure in which a first layer and a second layer are sequentially stacked from the piezoelectric film 360 side.

後者の場合、第1層は、ペロブスカイト構造及び(110)配向を含んだ導電性酸化膜であることが好ましい。第1層の具体的な材料は、下部電極330において例示したものと同様である。第1層の膜厚は、例えば、80nmである。第2層は、例えば、Pt薄膜である。第2層は、Pt以外の白金族の薄膜でもよく、例えば、Ir薄膜、Os薄膜等を用いてもよい。第2層の膜厚は、例えば、100nmである。 In the latter case, the first layer is preferably a conductive oxide film containing a perovskite structure and (110) orientation. The specific material of the first layer is the same as that exemplified for the lower electrode 330. The thickness of the first layer is, for example, 80 nm. The second layer is, for example, a Pt thin film. The second layer may be a thin film of a platinum group metal other than Pt, for example, an Ir thin film, an Os thin film, or the like. The thickness of the second layer is, for example, 100 nm.

中間電極350の第1層及び上部電極370の第1層は、それぞれの下層にある圧電膜340及び360の劣化を抑制している。 The first layer of the intermediate electrode 350 and the first layer of the upper electrode 370 suppress deterioration of the piezoelectric films 340 and 360 that are located in the respective lower layers.

下部電極330の第1層及び第3層の膜厚、中間電極350の第1層及び第3層の膜厚、及び上部電極370の第1層の膜厚は、各々30nm以上とすることが好ましい。これらの膜厚を30nm以上とすることで、LNO薄膜等の導電性酸化膜を均一に成膜できる。 The thicknesses of the first and third layers of the lower electrode 330, the first and third layers of the intermediate electrode 350, and the first layer of the upper electrode 370 may each be 30 nm or more. preferable. By setting the thickness of these films to 30 nm or more, a conductive oxide film such as an LNO thin film can be uniformly formed.

下部電極330の第3層の平均粒径、及び中間電極350の第3層の平均粒径は、35nm以下であることが好ましく、25nm以下であることがより好ましい。 The average grain size of the third layer of the lower electrode 330 and the average grain size of the third layer of the intermediate electrode 350 are preferably 35 nm or less, more preferably 25 nm or less.

下部電極330の第3層の平均粒径が上記範囲であると、上層である圧電膜340の平均粒径を小さくできる。又、中間電極350の第3層の平均粒径が上記範囲であると、上層である圧電膜360の平均粒径を小さくできる。光走査装置1において、圧電膜340及び360の各々の平均粒径を小さくするほど、駆動源91に駆動されるミラー部を同じ振れ角にするための駆動電圧(以降、単に、駆動源91の駆動電圧と称する)を低減できる。 When the average grain size of the third layer of the lower electrode 330 is within the above range, the average grain size of the upper layer, the piezoelectric film 340, can be reduced. When the average grain size of the third layer of the intermediate electrode 350 is within the above range, the average grain size of the upper layer, the piezoelectric film 360, can be reduced. In the optical scanning device 1, the smaller the average grain size of each of the piezoelectric films 340 and 360, the more the driving voltage (hereinafter simply referred to as the driving voltage of the driving source 91) for making the mirror section driven by the driving source 91 have the same deflection angle can be reduced.

ここで、平均粒径とは、対象となる膜の面内水平方向の結晶粒径の平均値である。平均粒径は、電子線回折装置で分析することで算出できる。又、面内水平方向とは、対象となる膜が形成される下層の上面に水平な方向である。 Here, the average grain size is the average value of the crystal grain size in the in-plane horizontal direction of the target film. The average grain size can be calculated by analysis using an electron beam diffraction device. The in-plane horizontal direction is the direction horizontal to the top surface of the lower layer on which the target film is formed.

圧電膜340及び360を構成する圧電材料は、ペロブスカイト構造であることが好ましい。圧電膜340及び360は、例えば、ペロブスカイト構造であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)である。圧電膜340は下部電極330上に、圧電膜360は中間電極350上に、例えば、ゾルゲル法を用いて形成できる。 The piezoelectric material constituting the piezoelectric films 340 and 360 preferably has a perovskite structure. The piezoelectric films 340 and 360 are, for example, PZT (lead zirconate titanate) having a perovskite structure. The piezoelectric film 340 can be formed on the lower electrode 330, and the piezoelectric film 360 can be formed on the intermediate electrode 350, for example, using a sol-gel method.

圧電膜340及び360を構成する圧電材料は、ペロブスカイト構造であれば、PZT以外でもよく、例えば、PNZT(チタン酸ジルコン酸ニオブ酸鉛)、PLZT(チタン酸ジルコン酸ランタン鉛)、PLT(チタン酸ランタン鉛)、PMN(マグネシウム酸ニオブ酸鉛)、PMNN(マンガン酸ニオブ酸鉛)、BaTiO(チタン酸バリウム)等が挙げられる。圧電膜340及び360に、これらの圧電材料を用いることで、単位電圧当たりの駆動力を向上できる。 The piezoelectric material constituting the piezoelectric films 340 and 360 may be other than PZT as long as it has a perovskite structure; for example, PNZT (lead zirconate titanate niobate), PLZT (lead lanthanum zirconate titanate), PLT (lead zirconate titanate), etc. (lanthanum lead), PMN (lead magnesium niobate), PMNN (lead manganate niobate), BaTiO 3 (barium titanate), and the like. By using these piezoelectric materials for the piezoelectric films 340 and 360, the driving force per unit voltage can be improved.

圧電膜340の平均粒径、及び圧電膜360の平均粒径は、各々1μm以下とすることが好ましく、600nm以下とすることがより好ましく、450nm以下とすることが更に好ましい。前述のように、圧電膜340及び360の各々の平均粒径を小さくするほど、駆動源91の駆動電圧を低減できる。 The average grain size of the piezoelectric film 340 and the average grain size of the piezoelectric film 360 are each preferably 1 μm or less, more preferably 600 nm or less, and even more preferably 450 nm or less. As described above, the smaller the average grain size of each of the piezoelectric films 340 and 360, the more the drive voltage of the drive source 91 can be reduced.

下部電極330及び中間電極350は、例えば、それぞれの上層に形成される圧電膜340及び360を結晶化させるため、基板310の温度を500度以上にして、第3層333及び353の面内垂直方向の結晶方位を(110)優先配向させるようにスパッタリングにより成膜できる。この条件で下部電極330と中間電極350とを形成することにより、PZT薄膜を結晶化させて良好な圧電特性を取得可能となる。これにより、駆動源91の駆動電圧を低減できる。 For example, in order to crystallize the piezoelectric films 340 and 360 formed on the respective upper layers, the lower electrode 330 and the intermediate electrode 350 are formed by heating the substrate 310 at a temperature of 500 degrees or higher and forming a perpendicular surface in the plane of the third layers 333 and 353. The film can be formed by sputtering so that the crystal orientation in the direction is preferentially oriented (110). By forming the lower electrode 330 and the intermediate electrode 350 under these conditions, it is possible to crystallize the PZT thin film and obtain good piezoelectric properties. Thereby, the drive voltage of the drive source 91 can be reduced.

層間絶縁膜380は、アルミナ(Al)等からなる。増反射膜390は、屈折率の異なる誘電体膜が積層された積層誘電体膜である。積層誘電体膜は可視光域中の低波長域(波長550nmよりも低波長側の領域)の反射率を上げる増反射膜として機能する。増反射膜390は、例えば、アルミナ等からなる低屈折率膜上に、酸化チタン等からなる高屈折率膜が積層された積層誘電体膜である。低屈折率膜と高屈折率膜とは屈折率差が大きいことが好ましい。 The interlayer insulating film 380 is made of alumina (Al 2 O 3 ) or the like. The reflection enhancing film 390 is a laminated dielectric film in which dielectric films having different refractive indexes are laminated. The laminated dielectric film functions as a reflection increasing film that increases the reflectance in a low wavelength region (a region on the lower wavelength side than a wavelength of 550 nm) in the visible light region. The reflection enhancing film 390 is, for example, a laminated dielectric film in which a high refractive index film made of titanium oxide or the like is laminated on a low refractive index film made of alumina or the like. It is preferable that the difference in refractive index between the low refractive index film and the high refractive index film is large.

なお、駆動源91の構造は、図3の例には限定されない。例えば、駆動源91において、圧電膜は最低1層で良く、この場合、圧電膜の上下に下部電極及び上部電極が形成された3層構造となり、中間電極は不要となる。又、3層以上の圧電膜を設けてもよく、この場合、下部電極上に圧電膜及び中間電極が必要な数だけ交互に積層され、最後に最上層の中間電極上に圧電膜及び上部電極が順次積層される。 Note that the structure of the drive source 91 is not limited to the example shown in FIG. 3. For example, in the drive source 91, the piezoelectric film may have at least one layer. In this case, a three-layer structure is formed in which a lower electrode and an upper electrode are formed above and below the piezoelectric film, and an intermediate electrode is not necessary. Furthermore, three or more layers of piezoelectric films may be provided. In this case, the piezoelectric film and the intermediate electrode are alternately stacked on the lower electrode in the required number, and finally the piezoelectric film and the upper electrode are stacked on the uppermost layer of the intermediate electrode. are sequentially stacked.

圧電膜をn層とすることにより、駆動源91の駆動電圧を、1層の場合の1/nにできる。以上、駆動源91について説明したが、駆動源72についても駆動源91と同様の構造とすることができる。 By forming the piezoelectric film into n layers, the driving voltage of the driving source 91 can be reduced to 1/n of that in the case of one layer. Although the drive source 91 has been described above, the drive source 72 can also have the same structure as the drive source 91.

図2及び図4を参照すると、下部電極330、中間電極350、及び上部電極370は、複数のコンタクト部140aで配線140と電気的に接続されている。各配線140は、対応する端子130に接続されている。 Referring to Figures 2 and 4, the lower electrode 330, the intermediate electrode 350, and the upper electrode 370 are electrically connected to the wiring 140 by a plurality of contact portions 140a. Each wiring 140 is connected to a corresponding terminal 130.

例えば、配線140と下部電極330とを接続するコンタクト部140aの近傍では、下部電極330上に層間絶縁膜380、配線140、及び増反射膜390が積層されている。そして、下部電極330上の層間絶縁膜380の所定領域に、下部電極330を露出するコンタクトホール380xが3個形成され、層間絶縁膜380上の配線140が各々のコンタクトホール380x内に入り込んで下部電極330と接続されている。配線140は、例えば、金(Au)により形成されている。なお、コンタクト部140aは、コンタクトホール380x、及びコンタクトホール380xを埋めている配線140を指す。 For example, in the vicinity of the contact portion 140a that connects the wiring 140 and the lower electrode 330, an interlayer insulating film 380, the wiring 140, and a reflective film 390 are stacked on the lower electrode 330. Then, three contact holes 380x that expose the lower electrode 330 are formed in a predetermined area of the interlayer insulating film 380 on the lower electrode 330, and the wiring 140 on the interlayer insulating film 380 enters into each contact hole 380x to form the lower part. It is connected to the electrode 330. The wiring 140 is made of, for example, gold (Au). Note that the contact portion 140a refers to the contact hole 380x and the wiring 140 filling the contact hole 380x.

このように、本実施形態では、同一箇所を接続するコンタクト部140aが複数個設けられている。これにより、コンタクトホール380xの1つ当たりの直径を小さくできるため、電極や配線等のレイアウトの自由度を向上でき、配線のパターン形状の変更等が可能となる。 In this manner, in this embodiment, a plurality of contact portions 140a are provided to connect the same location. As a result, the diameter of each contact hole 380x can be reduced, so the degree of freedom in layout of electrodes, wiring, etc. can be improved, and the pattern shape of the wiring can be changed.

例えば、図5の矢印左側に示すように、同一箇所を接続するコンタクト部140aを1個とした場合、コンタクトホール380xの直径が40μmであったとする。これを図5の矢印右側(図2と同じ図)に示すように、同一箇所を接続するコンタクト部140aを複数個(例えば、3個)とした場合、コンタクトホール380xの1つ当たりの直径を40μmよりも小さくできる。加工性を考慮すると、コンタクトホール380xの1つ当たりの直径は3μm以上であることが好ましい。レイアウトの自由度を向上する観点からは、コンタクトホール380xの1つ当たりの直径を20μm以下とすることが好ましく、15μm以下とすることが好ましく、10μm以下とすることが更に好ましい。 For example, as shown on the left side of the arrow in FIG. 5, when there is one contact portion 140a connecting the same location, it is assumed that the diameter of the contact hole 380x is 40 μm. As shown on the right side of the arrow in FIG. 5 (same figure as FIG. 2), if there are a plurality of contact portions 140a (for example, three) connecting the same location, the diameter of each contact hole 380x is It can be made smaller than 40 μm. Considering workability, it is preferable that the diameter of each contact hole 380x is 3 μm or more. From the viewpoint of improving the degree of freedom in layout, the diameter of each contact hole 380x is preferably 20 μm or less, preferably 15 μm or less, and even more preferably 10 μm or less.

E部におけるコンタクトホール380xのシュリンクと、それに合わせた配線140のレイアウト変更により、F部に空きスペースができるため、空きスペースの有効活用が可能となる。例えば、素子サイズを小型化できる。 By shrinking the contact hole 380x in the E section and changing the layout of the wiring 140 accordingly, a vacant space is created in the F section, so that the vacant space can be used effectively. For example, the element size can be reduced.

又、G部では、平面視において、圧電膜340及び上部電極370は切り欠き部340xを備え、中間電極350の一部が切り欠き部340x内に露出している。そして、切り欠き部340x内に露出する中間電極350は、複数のコンタクト部140aで配線140と接続されている。 Furthermore, in the G section, the piezoelectric film 340 and the upper electrode 370 have a notch 340x in a plan view, and a part of the intermediate electrode 350 is exposed in the notch 340x. The intermediate electrode 350 exposed within the cutout portion 340x is connected to the wiring 140 through a plurality of contact portions 140a.

このような構造であれば、コンタクトホール380xのシュリンクと、それに合わせた配線140のレイアウト変更により、中間電極350上に空きスペースができる。そのため、空きスペースに圧電膜360及び上部電極370を延伸させて、圧電膜360及び上部電極370の面積を増大でき、その結果、駆動源91の駆動力を向上可能となる。 With such a structure, an empty space is created above the intermediate electrode 350 by shrinking the contact hole 380x and changing the layout of the wiring 140 accordingly. Therefore, the area of the piezoelectric film 360 and the upper electrode 370 can be increased by extending the piezoelectric film 360 and the upper electrode 370 into the empty space, and as a result, the driving force of the driving source 91 can be improved.

このように、基板から遠い側に積層された上側の電極に設けられた切り欠き部内に、基板に近い側に積層された下側の電極が露出し、切り欠き部内に露出する下側の電極が、複数のコンタクト部で配線と接続されている構造では、コンタクトホールのシュリンクと、それに合わせた配線のレイアウト変更により、圧電膜及び上側の電極の面積を増大でき、駆動源の駆動力を向上可能となる。 In this manner, in a structure in which the lower electrode stacked closer to the substrate is exposed in a cutout provided in the upper electrode stacked farther from the substrate, and the lower electrode exposed in the cutout is connected to wiring at multiple contacts, the area of the piezoelectric film and upper electrode can be increased by shrinking the contact holes and changing the layout of the wiring accordingly, thereby improving the driving force of the driving source.

なお、切り欠き340xが圧電膜340及び上部電極370の端部(角部)以外に設けられた場合にも、コンタクトホール380xのシュリンクと、それに合わせた配線140のレイアウト変更により、上記と同様の効果を奏する。又、上部電極と下部電極を有し、中間電極を有しない構造の場合にも、上記の構造であれば、コンタクトホールのシュリンクと、それに合わせた配線のレイアウト変更により、上記と同様の効果を奏する。 Note that even when the notch 340x is provided at a location other than the end (corner) of the piezoelectric film 340 and the upper electrode 370, the same process as above can be achieved by shrinking the contact hole 380x and changing the layout of the wiring 140 accordingly. be effective. Furthermore, even in the case of a structure that has an upper electrode and a lower electrode but no intermediate electrode, the same effect as above can be achieved by shrinking the contact hole and changing the wiring layout accordingly. play.

又、E部やG部におけるコンタクトホール380xのシュリンクにより、配線140の幅を狭くできるため、配線140そのものが持つ応力が軽減され、駆動源91の駆動力を向上可能となる。 Further, the width of the wiring 140 can be reduced by shrinking the contact hole 380x in the E section and the G section, so the stress of the wiring 140 itself is reduced, and the driving force of the driving source 91 can be improved.

なお、同一箇所を接続するコンタクト部140aは2個以上であれば任意の個数としてよいが、例えば直線状に並ぶ3つ以上のコンタクト部を含むことが好ましい。同一箇所を接続するコンタクト部140aを3個以上とすることで、コンタクトホール380xの1つ当たりの直径を小さくできるとともに、接続対象物同士の接続信頼性を向上できる。 Note that the number of contact portions 140a connecting the same location may be any number as long as it is two or more, but it is preferable to include three or more contact portions arranged in a straight line, for example. By providing three or more contact portions 140a that connect the same location, the diameter of each contact hole 380x can be reduced, and the reliability of connection between objects to be connected can be improved.

コンタクトホール380xの平面形状は四角形とすることも可能であるが、レジストの加工性やエッチングの容易性を考慮すると円形であることが好ましい。又、同一径の円形のコンタクトホール380xを複数個配列する代わりに、一つの楕円形のコンタクトホールとすることも考えられるが、レジストの加工性やエッチングの容易性を考慮すると同一径の円形のコンタクトホール380xを複数個配列する方が好ましい。 Although the contact hole 380x can have a rectangular planar shape, it is preferably circular in consideration of resist workability and etching ease. Also, instead of arranging a plurality of circular contact holes 380x with the same diameter, it is possible to use a single elliptical contact hole, but considering resist workability and ease of etching, it is possible to use circular contact holes with the same diameter. It is preferable to arrange a plurality of contact holes 380x.

又、隣接するコンタクト部140aの間隔Sは、隣接するコンタクト部140aの各々の直径φよりも小さいことが好ましい。これにより、複数のコンタクト部140aの配置密度を高めることができ、一層の省スペース化が可能となる。特に、光走査装置1をスマートフォン等の小型の危機に内蔵する場合に有効である。 Furthermore, it is preferable that the spacing S between adjacent contact parts 140a is smaller than the diameter φ of each of the adjacent contact parts 140a. This allows the arrangement density of the multiple contact parts 140a to be increased, enabling further space saving. This is particularly effective when the optical scanning device 1 is built into a small device such as a smartphone.

但し、電極と配線とを接続する全てのコンタクト部を複数個とする必要はなく、例えば、レイアウト上余裕がある個所では、従来と同様に、比較的大径の1つのコンタクト部で電極と配線とを接続してもよい。 However, it is not necessary to have multiple contacts for all connections between electrodes and wiring. For example, in areas where there is room in the layout, the electrode and wiring may be connected with a single contact with a relatively large diameter, as in the conventional case.

上記実施形態の光走査装置1は、例えば、アイウェアやプロジェクタ、スマートフォン等の二次元走査型の光走査装置に適用できる。 The optical scanning device 1 of the above embodiment can be applied to two-dimensional scanning type optical scanning devices such as eyewear, projectors, and smartphones, for example.

又、上記各実施形態では、光走査装置として、トーションバーを用いた光走査装置を例に挙げて説明しているが、本発明は、トーションバーを用いない光走査装置に対しても適用可能である。又、上記各実施形態では、二次元走査型の光走査装置を例に挙げて説明しているが、二次元走査型に限られず、1方向にミラー部を揺動させる一次元走査型の光走査装置であってもよい。 Further, in each of the above embodiments, an optical scanning device using a torsion bar is described as an example of the optical scanning device, but the present invention is also applicable to an optical scanning device that does not use a torsion bar. It is. Further, in each of the above embodiments, a two-dimensional scanning type optical scanning device is described as an example, but the device is not limited to a two-dimensional scanning type, and a one-dimensional scanning type optical scanning device in which a mirror section is oscillated in one direction is used. It may also be a scanning device.

以上、好ましい実施形態について説明したが、上述した実施形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiment has been described above, it is not limited to the embodiment described above, and various modifications and substitutions can be made to the embodiment described above without departing from the scope described in the claims. Can be done.

例えば、上記実施形態に係る圧電アクチュエータは、光走査装置以外に用いてもよく、例えば、インクジェットヘッドに用いることができる。 For example, the piezoelectric actuator according to the above embodiment may be used in devices other than optical scanning devices, such as inkjet heads.

1:光走査装置、10:ミラー反射面、20:応力緩和領域、30:スリット、40:ミラー部、50:トーションバー、51:圧電センサ、60、100:連結部、70:水平駆動部、71:水平駆動梁、72:駆動源、80;可動枠、90:垂直駆動梁、91:駆動源、92:圧電センサ、110:垂直駆動部、120:固定枠、130:端子、140:配線、140a:コンタクト部、310:基板、320:絶縁膜、330:下部電極、340:圧電膜、350:中間電極、360:圧電膜、370:上部電極、380:層間絶縁膜、380x:コンタクトホール、390:増反射膜 1: optical scanning device, 10: mirror reflection surface, 20: stress relaxation region, 30: slit, 40: mirror section, 50: torsion bar, 51: piezoelectric sensor, 60, 100: connecting section, 70: horizontal drive section, 71: horizontal drive beam, 72: drive source, 80: movable frame, 90: vertical drive beam, 91: drive source, 92: piezoelectric sensor, 110: vertical drive section, 120: fixed frame, 130: terminal, 140: wiring , 140a: contact portion, 310: substrate, 320: insulating film, 330: lower electrode, 340: piezoelectric film, 350: intermediate electrode, 360: piezoelectric film, 370: upper electrode, 380: interlayer insulating film, 380x: contact hole , 390: Increased reflection film

Claims (5)

基板と、
前記基板上に形成された圧電素子と、
前記基板上に形成された配線と、を有し、
前記圧電素子は、第1電極と、前記第1電極上に形成された第1圧電膜と、前記第1圧電膜上に形成された第2電極と、前記第2電極上に形成された第2圧電膜と、前記第2圧電膜上に形成された第3電極と、を有し、
前記圧電素子の角部において、前記第3電極に設けられた切り欠き部内に前記第2電極が露出し、
前記第1電極及び前記第3電極は、前記圧電素子の短手方向に沿って直線状に並ぶ複数の第1コンタクト部を介して第1配線と接続され、
前記切り欠き部内に露出する前記第2電極は、前記圧電素子の長手方向に沿って直線状に並ぶ複数の第2コンタクト部を介して第2配線と接続されている圧電アクチュエータ。
A substrate and
a piezoelectric element formed on the substrate;
and wiring formed on the substrate,
The piezoelectric element includes a first electrode, a first piezoelectric film formed on the first electrode, a second electrode formed on the first piezoelectric film, and a second electrode formed on the second electrode. 2 piezoelectric films, and a third electrode formed on the second piezoelectric film,
The second electrode is exposed in a notch provided in the third electrode at a corner of the piezoelectric element,
The first electrode and the third electrode are connected to a first wiring via a plurality of first contact portions arranged in a straight line along the width direction of the piezoelectric element,
In the piezoelectric actuator, the second electrode exposed in the notch is connected to a second wiring via a plurality of second contact parts arranged in a straight line along the longitudinal direction of the piezoelectric element.
隣接する前記第1コンタクト部の間隔は、隣接する前記第1コンタクト部の直径よりも小さく、
隣接する前記第2コンタクト部の間隔は、隣接する前記第2コンタクト部の直径よりも小さい請求項1に記載の圧電アクチュエータ。
a distance between adjacent first contact portions is smaller than a diameter of the adjacent first contact portions ;
The piezoelectric actuator according to claim 1 , wherein the distance between adjacent second contact portions is smaller than a diameter of the adjacent second contact portions .
前記複数の第1コンタクト部は、3つ以上の第1コンタクト部を含み、
前記複数の第2コンタクト部は、3つ以上の第2コンタクト部を含む請求項1又は2に記載の圧電アクチュエータ。
The plurality of first contact parts include three or more first contact parts ,
The piezoelectric actuator according to claim 1 or 2 , wherein the plurality of second contact portions include three or more second contact portions .
前記第1コンタクト部及び前記第2コンタクト部各々の直径は、40μmよりも小さく3μm以上である請求項1乃至の何れか一項に記載の圧電アクチュエータ。 The piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 3, wherein each of the first contact portion and the second contact portion has a diameter smaller than 40 μm and 3 μm or more. 請求項1乃至の何れか一項に記載の圧電アクチュエータにより駆動されるミラー部を有する光走査装置。 An optical scanning device comprising a mirror portion driven by the piezoelectric actuator according to any one of claims 1 to 4 .
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