压电致动器以及具有压电致动器的光扫描装置的制作方法

专利名称：压电致动器以及具有压电致动器的光扫描装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种压电致动器(piezoelectric actuator)以及具有压电致动器的光扫描装置，特别地，涉及一种在轴周围对驱动对象物体进行倾动(tilt)驱动的压电致动器、以及具有该压电致动器的光扫描装置。
背景技术：
在现有技术中，一种习知的偏光器(例如，参照下述专利文献1)是具有以下各部件并将它们进行了一体成形的偏光器，所述各部件为单层压电片(unimorph)振动板；支撑部件，其具有用于对单层压电片振动板的一端进行固定支撑的空洞部；与单层压电片振动板相连的弹性体；以及反射板，其与弹性体相连，并根据由弹性体所传递的单层压电片振动板的驱动而在空洞部内进行旋转振动。专利文献1 (日本)特开2005_1沘147号公报

发明内容
本发明想要解决的课题如下但是，在上述专利文献1记载的结构中，仅考虑了利用共振振动在频率为15kHz、 20kHz的程度下对反射板进行高速驱动的情况。例如，在想要以频率为60Hz左右的低速驱动对反射板进行驱动这样的情况下，存在着以下的问题，即利用共振并不能进行低速驱动；另外，如果进行非共振，则不能充分地得到反射板的旋转位移。本发明是鉴于上述课题而提出的，其目的在于提供一种可以稳定地进行低速驱动的压电致动器、以及具有该压电致动器的光扫描装置。用于解决上述课题的手段如下为了解决上述课题，本发明的压电致动器为在轴周围对驱动对象物体进行倾动驱动的压电致动器，该压电致动器的特征在于，具有可动框，其具有由设置在所述轴两侧的锤部以及与所述轴交叉延伸并连接所述锤部的连接部对所述驱动对象物体进行平面围绕的环状结构，并与所述驱动对象物体连接以对所述驱动对象物体进行连接支撑；以及驱动梁，其具有在弹性体上形成了压电薄膜的结构，并被设置在所述可动框的外侧，与所述可动框的所述连接部连接以提供所述轴周围的倾动力。本发明的效果如下根据本发明，可以稳定地对驱动对象物体进行低速倾动驱动。


图1是实施例1的压电致动器截面结构示意图。图2A是实施例1的压电致动器的驱动方法说明图。图2B是实施例1的压电致动器的驱动方法说明图。图2C是实施例1的压电致动器的驱动方法说明图。
图3A是实施例1的压电致动器结构立体图。图3B是实施例1的压电致动器结构立体图。图4A是实施例1的压电致动器详细结构示意图。图4B是实施例1的压电致动器详细结构示意图。图5A是实施例1的被封装(packaging) 了的压电致动器结构示意图。图5B是实施例1的被封装了的压电致动器结构示意图。图5C是实施例1的被封装了的压电致动器结构示意图。图6A是实施例1的被封装了的压电致动器的分解图。图6B是上方限制部的放大立体图。图6C是下方限制部的放大立体图。图7A是实施例1的压电致动器的蛇形弹簧功能说明图。图7B是实施例1的压电致动器的蛇形弹簧功能说明图。图7C是实施例1的压电致动器的蛇形弹簧功能说明图。图8A是使实施例1的压电致动器在X轴周围进行倾动驱动的状态示意图。图8B是使实施例1的压电致动器在Y轴周围进行倾动驱动的状态示意图。图9A是各共振驱动频率的最大应力和倾角灵敏度示意图。图9B是各共振驱动频率的最大应力和倾角灵敏度示意图。图10是2轴倾动驱动时不发生干涉的理由说明图。图IlA是作为比较和参考例子的、在可动框上没有设置连接部的压电致动器的动作状态示意图。图IlB是作为比较和参考例子的、在可动框上没有设置连接部的压电致动器的动作状态图。图12A是高速驱动部的最优化设计方法说明图。图12B是高速驱动部的最优化设计方法说明图。图12C是高速驱动部的最优化设计方法说明图。图13A是弹簧连接部的长度具有极小值的理由说明图。图13B是弹簧连接部的长度具有极小值的理由说明图。图13C是弹簧连接部的长度具有极小值的理由说明图。图14是将第1弹簧间的距离和弹簧连接部的长度作为参数时的倾角灵敏度特性示意图。图15是缩短了实施例1的压电致动器的配线长度的结构说明图。图16是实施例1的压电致动器的平面结构例子的扩大示意图。图17是锤部突起和突起的配置结构说明图。图18是实施例1的压电致动器截面结构的一个例子的示意图。图19是包含蛇形弹簧周边的扩大图。图20A是冲撞时的蛇形弹簧形状和应力分布示意图。图20B是冲撞时的蛇形弹簧形状和应力分布示意图。图20C是冲撞时的蛇形弹簧形状和应力分布示意图。图2IA是冲撞时的蛇形弹簧形状和应力分布示意图。
图2IB是冲撞时的蛇形弹簧形状和应力分布示意图。图2IC是冲撞时的蛇形弹簧形状和应力分布示意图。图2ID是冲撞时的蛇形弹簧形状和应力分布示意图。图22A是作为比较和参考例子的、设置了直线弹簧时的应力分布示意图。图22B是作为比较和参考例子的、设置了直线弹簧时的应力分布示意图。图22C是作为比较和参考例子的、设置了直线弹簧时的应力分布示意图。图23是实施例2的压电致动器整体结构示意图。图24A是实施例2的压电致动器驱动变形状态示意图。图24B是实施例2的压电致动器驱动变形状态示意图。图25A是实施例3的压电致动器的高速驱动部结构示意图。图25B是实施例3的压电致动器的倾角灵敏度变化特性示意图。图25C是实施例3的压电致动器的最大主应力变化特性示意图。图是实施例4的压电致动器结构立体图。图^B是实施例4的压电致动器结构立体图。图^C是实施例4的压电致动器结构立体图。图27A是实施例5的压电致动器结构立体图。图27B是实施例5的压电致动器结构立体图。图27C是实施例5的压电致动器结构立体图。图28A是实施例6的压电致动器结构立体图。图^B是实施例6的压电致动器结构立体图。图^C是实施例6的压电致动器结构立体图。图四是本发明实施例7的投影仪300的结构示意图。
具体实施例方式下面参考附图对本发明的实施形态进行说明。图1是本发明实施例1的压电致动器截面结构示意图。在图1中，实施例1的压电致动器具有半导体晶片(wafer) 10以及驱动源20。实施例1的压电致动器例如可通过利用MEMS(micro electro mechanical system)技术对半导体晶片进行加工而制成。在图1 中，对使用这样的半导体晶片10来构成压电致动器时的例子进行说明。半导体晶片10具有硅基板11、SW2 12和14、以及Si活性层13。在半导体晶片 10中，例如也可以使用S01(silicon on insulator)基板。SOI基板是在硅基板11之间形成了绝缘膜S^2 12的基板；在使用深层反应性离子蚀刻等对硅基板11进行削除时，因为在削除终点的底面上形成了 SiO2，所以可以容易地进行深层蚀刻加工。SiO2 12,Si活性层13、以及SiO2H形成梁15。由梁15的部分进行支撑一驱动对象物体以及传递驱动力的动作。硅基板11的部分例如可被用作为外侧的固定框。这里需要说明的是，半导体晶片10例如也可以使用整体厚度为300 500[ μ m] 的半导体晶片。例如，半导体晶片10的厚度为350 [ μ m]时，Si活性层13的厚度为30 [ μ m]， SiO2 12和14的厚度为0. 5 [ μ m]左右，梁15的厚度可为合计31 [ μ m]左右，也可被构成为半导体晶片10的厚度的1/10左右。
在本实施例的压电致动器中，驱动源20是产生驱动力的动力源。在本实施例的压电致动器中，可以使用各种各样的手段来作为驱动源20 ；然而，在实施例1中，以使用压电元件21作为驱动源20时的例子进行说明。压电元件21是将施加至压电部件22的电压变换为力的被动元件。在本实施例的压电致动器中，压电元件21通过被施加电压，其长度可发生伸缩，这样，就可以对所安装的梁15进行驱动。压电部件22可以使用各种各样的压电部件；例如，可以使用PZT薄膜(lead zirconate titanate)。压电元件21的厚度例如在梁15的厚度为30[μπι]左右时可被形成为2[μπι]左右。压电元件21具有上部电极23以及下部电极Μ。上部电极23以及下部电极M是用于向压电部件22施加电压的电极；通过将电压施加至上部电极23以及下部电极Μ，压电部件22进行伸缩，以驱动梁15。图2Α 2C是压电元件21使梁15发生弯曲振动以驱动实施例1的压电致动器的方法说明图。图2Α是模式地表示由硅构成的梁15以及压电元件21的一部分的侧面图。如图2Α所示，在由Si活性层13等构成的梁15上薄膜状地安装了压电元件21。图2Β是压电元件21发生了收缩变形时的状态示意图。如图2Β所示，压电元件21 收缩后，梁15变为下凸上弯的形状(即两头上翘中间下凸的形状)。图2C是压电元件21发生了伸长变形时的状态示意图。如图2C所示，压电元件21 伸长后，梁15变为上凸下弯的形状(即两头下翘中间上凸的形状)。如图2Β和图2C所示，根据所施加电压的极性或位相，压电元件21向上弯曲或向下弯曲。在本实施例的压电致动器中，例如利用压电元件21的这样的性质，将压电元件21 作为驱动源20，就可以对驱动对象物体进行驱动。如图2Β和图2C中所示，在图2Α那样的、在梁15上薄膜状地形成了压电元件21 的结构中，通过驱动源20的收缩或伸长以产生振动力，可以向驱动对象物体施加倾动力， 所以，将这样的结构称为驱动梁。图3Α和图;3Β是实施例1的压电致动器整体结构立体图。图3Α是实施例1的压电致动器俯视立体图，图3Β是实施例1的压电致动器仰视立体图。在图3Α中，实施例1的压电致动器具有驱动对象物体30、弹性连接部40、第2驱动梁50、可动框70、蛇形弹簧80、驱动梁90、以及固定框100。这里需要说明的是，在实施例1中，是以具有驱动梁90和第2驱动梁50的2轴驱动型压电致动器为例进行说明的；然而，如果压电致动器为1轴低速驱动型，则也可以只具有驱动梁90。所以，就第2驱动梁50 而言，其可以根据需要来进行设置。在压电致动器上面，中央部表面上配置有驱动对象物体30，驱动梁90和第2驱动梁50的表面则被由压电元件21所构成的驱动源20所覆盖，此外，由被SW2 14所覆盖的 Si活性层13所构成。驱动对象物体30可以使用各种各样的可被倾动驱动的对象物体；例如，驱动对象物体30可为一镜子。镜子的倾动驱动可在投影仪、打印机用的扫描仪等中使用。设定通过驱动对象物体30中心的X轴和Y轴。X轴是将本实施例的压电致动器作为低速驱动的1轴致动器使用时的倾动轴。Y轴是将本实施例的压电致动器作为在X轴周围进行低速驱动、在Y轴周围进行高速驱动的2轴型致动器使用时的高速驱动侧的倾动轴。另外，如果仅在Y轴周围对驱动对象物体30进行高速驱动，则也可以构成为高速驱动的1轴压电致动器。这里需要说明的是，在将本实施例的压电致动器作为在X轴周围对驱动对象物体 30进行1轴驱动的致动器使用时，是在X轴周围将驱动对象物体30、弹性连接部40、以及第 2驱动梁50作为一体而进行驱动的。此时，驱动对象物体30、弹性连接部40、以及第2驱动梁50可被认为是作为一体的驱动对象物体60。可动框70与驱动对象物体30、60相连，用于对驱动对象物体30、60进行连接支撑，同时，将来自驱动梁90的倾动力传递至驱动对象物体30、60。如图3B所示，就可动框70而言，其与固定框100同样地由图1中所示的Si支撑层11所构成，并被构成为较厚。所以，可动框70被构成为比构成梁15的部分还重。另外， 可动框70在X轴两侧被形成为面积较大的锤部71，在Y轴两侧则被形成为与锤部71相连的连接部72。这样，对X轴周围的倾动运动而言，锤部71的重量可使被赋予了的倾动力低速化。也就是说，即使由驱动梁90所赋予的倾动力大于预期倾动力，也可以降低驱动力，以进行预期的低速驱动。返回图3A。在图3A中，尽管可动框70的连接部72没有被明示，但是，如图3B所示，第2驱动梁50为与可动框70的连接部72相连的结构。蛇形弹簧80是用于将由驱动梁90所产生的倾动力传递给可动框70的部件。蛇形弹簧80因为具有梁15的结构，所以具有弹性，这样，就可以吸收从驱动梁90传递来的倾动力以使该倾动力降低。另外，蛇形弹簧80是具有预定间隔的蛇形形状，是一种可进一步增加弹性的形状，所以，与单纯的直线梁15相比，可大幅度地增加弹性。蛇形弹簧80也可降低由驱动梁90所产生的倾动力，并可将该倾动力传递至可动框70的连接部72。驱动梁90是一种驱动力产生单元，如图2A 2C所示，其具有作为驱动源20的压电元件21，并通过反复交替地进行上下相反方向的变形，以产生用于倾动驱动的倾动力。驱动梁90被配置为从X轴的延伸方向的两侧夹着可动框70，并沿X轴的垂直方向进行延伸的结构。也就是说，X轴和驱动梁90被配置为文字“H”的形状。另外，驱动梁90被X轴所分开，并且被分开的驱动梁90被配置在X轴的两侧。再有，电极和配线被构成为，使位于X 轴同侧的驱动梁90被施加一向同一方向进行位移的电压，并使位于X轴相反侧的驱动梁90 被施加一向相反方向进行位移的电压。这样，变形就可被设计成以X轴为境界，一侧向上翘曲，另一侧向下翘曲，所以，可以产生使蛇形弹簧80倾动的驱动力。驱动梁90的振动是共振振动。共振振动的振动能量较大，可产生较大的倾角灵敏度；然而，因为振动的频率较高，所以，尽管可以原样地使用于低速驱动，但一般来说很难。 但是，在本实施例的压电致动器中，因为是经由具有较大弹性的蛇形弹簧80、以及具有锤部 71的可动框70向驱动对象物体30、60传递倾动力，所以，可以充分地降低频率以进行低速驱动。另外，在本实施例的压电致动器对驱动对象物体30进行2轴驱动的情况下，就第2 驱动梁50而言，也可由共振振动使其产生倾动力。第2驱动梁50可以在Y轴周围对驱动对象物体30进行高速驱动，所以，其可以被构成为，由共振产生高速振动，在经由弹性连接部40对应力进行降低的同时进行振动传递，并将倾动力直接赋予至驱动对象物体30。下面，在将本实施例的压电致动器构成为2轴驱动型的情况下，以构成一在X轴周围以60Hz、士9deg的倾角进行倾动，在Y轴的周围以30kHz、士 12deg的倾角进行倾动驱动的压电致动器为例进行说明。参考图4A和图4B对本实施例的压电致动器的详细结构进行说明。图4A和图4B 是实施例1的压电致动器详细结构示意图。图4A是表示实施例1的压电致动器的驱动对象物体30和驱动梁90之间的详细结构的示意图。在图4A中，镜子31被作为驱动对象物体30来使用，并示出了用于连接镜子30和第2驱动梁50的弹性连接部40的详细结构、可动框70的锤部72和固定框100之间的详细结构、以及驱动梁90和可动框70的连接部72之间的连接关系的详细结构。在图4A中示出了，镜子31周围以30kHz进行共振驱动的高速驱动部55的结构。 高速驱动部阳包含第2驱动梁50以及弹性连接部40。连接镜子31和第2驱动梁50的弹性连接部40是与镜子31相连的部分分离成2个的2根弹簧所构成的结构。弹性连接部 40如图1所示被较薄地形成为梁15，并且，在形状上是被形成为直线形的细梁15，所以，可被构成为弹性体。另外，在锤部71和固定框100之间的固定框100 —侧形成有突起101、102。另外， 在锤部71上与每个突起101、102相向地形成有锤部突起73、74。这样，锤部71的水平方向的可动范围可被限制。突起101用于对纵方向(Y轴方向)的锤部71的可动范围进行限制，突起102用于对横方向(X轴方向)的锤部71的可动范围进行限制。也就是说，如果突起101不存在，则因为锤部71可移动一锤部71和固定框100的间隔的距离，所以，外部冲击可对蛇形弹簧80等施加较大的力，这样，就有可能招致破坏；然而，通过设置突起101，就可以降低破坏的危险性。同样，如果不存在突起102，则在外力的冲击下，锤部71可能会撞上驱动源90，以招致破坏；然而，通过设置突起102，可以防止这样的破坏。另外，在图4A中，固定框100的表面上设置有高速驱动部用配线端子103以及电极配线104。高速驱动部用配线端子103是用于向高速驱动部55的第2驱动梁50的电极 23,24供给电力的配线端子；电极配线104也是具有同样目的的配线。第2驱动梁50位于驱动对象物体附近的中央区域，所以，为了向第2驱动梁50供给电力，需要经由位于外侧的固定框100、驱动梁99、蛇形弹簧80进行电力的供给；然而，在本实施例的压电致动器中，由于驱动梁90具有简单的形状，所以，可缩短电极配线104的布线长度，以降低电力消耗。这里需要说明的是，关于该点将在后面详述。图4B是蛇形弹簧周边的扩大图。如图4B所示，驱动源90沿X轴具有空隙91，在 X轴的两侧可以进行不同的变形。另外，蛇形弹簧80横跨空隙91，与X轴两侧的2个驱动源90的双方相连。这样，驱动源90在以X轴为境界的前侧和后侧，通过在铅直的上下方向上进行相反的翘曲变形，可以向蛇形弹簧80赋予交互振动的倾动力，并可以对驱动对象物体30、60进行倾动驱动。另外，在图4B中，尽管仅图示了整个压电致动器的左侧端部，但是， 其右侧端部也同样地受到驱动部90的倾动驱动，这样，就可以从左右两侧(X轴上的正负两侧)赋予(提供)倾动力，以对驱动对象物体30、60进行倾动驱动。另外，对蛇形弹簧80的弹簧结构而言，邻接的两个弹簧部之间的距离并非都均等，是一种具有不相等间隔(间距)的弹簧结构。关于此点，将在后面加以详述。这里需要说明的是，沿着蛇形弹簧80设置有电极配线104。蛇形弹簧80的折返次数较少，全长较短，所以，可以将电极配线104构成为低电阻结构，这样就可以减小电力消耗。关于此点，也将在后面加以详述。
图5A 5C是实施例1的被封装(packaging) 了的压电致动器(以下简称“封装压电致动器”)结构示意图。图5A是实施例1的封装压电致动器200的整体结构的一个例子的立体图；图5B是实施例1的封装压电致动器200的中央截面立体图的一个例子；图5C 是实施例1的封装压电致动器200的中央截面图。如5A所示，在本实施例的封装压电致动器200中，压电致动器110被收容至封装用部件(package) 140内，上面由密封用玻璃150进行密封。本实施例的压电致动器110例如可通过真空密封或Ar、N2等，使用密封用玻璃150以实施气体密封。如果驱动对象物体 30为镜子31，则光可透过密封用玻璃150照射至镜子31 ；通过对所照射的光线进行反射并进行倾动以进行扫描，这样就可以构成投影仪或扫描仪用的封装压电致动器200。图5B中，在封装压电致动器200中，封装用部件140内收容了下方限制部130，其上收容了压电致动器110 ；压电致动器110的上方设置了上方限制部120，其上由密封用玻璃150进行密封。下方限制部130的中央部具有黏接剂盛装部131，通过盛装黏接剂，可以与封装用部件140进行黏接固定。图5C中示出了一截面结构，其中，压电致动器110的下方设置了下方限制部130， 上方设置了上方限制部120，封装用部件140从下方对全体进行收容，同时，上面设置了密封用玻璃150。另外，在下方限制部130的中央部设置有黏接剂盛装部131。压电致动器110的可动范围的上方被上方限制部120所限制，下方被下方限制部 130所限制。这样，即使在封装压电致动器220落下等时受到很大冲击的情况下，也可以对压电致动器110的急剧移动进行限制，以防止破损。图6A 图6C是实施例1的封装压电致动器200的分解图。图6A是封装压电致动器200的整体分解图。图6A中，在压电致动器110的上方设置有上方限制部120，下方设置有下方限制部130，封装用部件140从下方对全体进行收容，上面由密封用玻璃150进行密封。封装用部件140被构成为，其中央部具有凹部141，凹部141的外侧的平坦部142 上载置压电致动器110的固定框100。另外，在平坦部142的X轴上，设置有用于载置下方限制部130的载置部143。如图4A和图4B所示，在本实施例的封装压电致动器200中，压电致动器110本身具有用于限制其水平方向的可动范围的突起101、102。另外，在铅直方向上，具有安装在压电致动器110的固定框100上的上方限制部120、以及安装在封装用部件 140上的下方限制部130。所以，本实施例的封装压电致动器200具有在水平2方向和铅直 2方向上分别对各可动框70的可动范围进行限制的结构，并且是一种对落下时的冲击具有极大应对能力的结构。图6B是上方限制部120的放大立体图；图6C是下方限制部130的放大立体图。上方限制部120被载置在压电致动器110的固定框100上；下方限制部130具有吊装部132， 以使下方限制部130被吊载至封装用部件140中央两侧的载置部143。另外，下方限制部 130的中央部具有黏接剂盛装部131，这点与图5A 图5C所示相同。这样，通过将上方限制部120和下方限制部130载置至压电致动器110或封装用部件140等，可容易地对它们进行设置；另外，上方限制部120和下方限制部130还是一种可实现在上下方向上对冲击具有极大应对能力的压电致动器110的结构。下面，对图3A 图4B所示的实施例1的压电致动器110的各结构所达成的功能进行详细说明。首先，参考图7A 图7C对蛇形弹簧80的功能进行说明。图7A 图7C是用于对实施例1的压电致动器Iio的蛇形弹簧80的功能进行说明的图。图7A是实施例1的压电致动器110的全体结构立体图；图7B是作为比较和参考例子的、将实施例1的压电致动器 110的蛇形弹簧80设计成直线梁15那样的连接部件180时的整体结构示意图。另外，图 7C是具有图7A所示的蛇形弹簧80的实施例1的压电致动器110、与具有图7B所示的、没有蛇形弹簧80而只有连接部件180的压电致动器的特性比较示意图。在图7C中，上部分示出了具有图7A的蛇形弹簧80的实施例1的压电致动器110 的特性，下部分示出了没有图7A的蛇形弹簧80的、作为比较和参考例子的压电致动器的特性。对两者进行比较可知，倾角灵敏度相同，都为2. 21deg/V，但是，对于共振频率而言，实施例1的压电致动器110为60Hz，而作为比较和参考例子的压电致动器为200Hz。也就是说， 可以认为蛇形弹簧80发挥了降低共振频率的功能。另外，在图7C中，通过对最大应力进行比较可知，实施例1的压电致动器100为 0. 08GPa ；作为比较和参考例子的压电致动器为0. 35GPa,比实施例1的压电致动器100高很多。由此可知，可以认为蛇形弹簧80发挥了降低最大应力，以防止应力集中的功能。对上述进行总结可知，实施例1的压电致动器110所具有的蛇形弹簧80可以在不影响倾角灵敏度的前提下，使共振频率降低，并防止应力集中。这样，通过在驱动源90和可动框70之间设置蛇形弹簧80，就可以降低共振频率，减小最大应力。下面，对图3A和图3B中所示的可动框70的锤部71进行说明。如图3B所示，可动框70具有在X轴两侧夹着X轴的锤部71，锤部71具有由夹着Y轴的连接部72所连接的形状。另外，包含锤部71的可动框70都由图1所示的Si支撑层11所形成。锤部71与图 7A 图7C所示的蛇形弹簧80同样地，具有可使驱动源90所发生地振动频率降低的功能。 如果将锤部71的面积增大，另外，将Si支撑层11的厚度增厚，则锤部71的质量增加，这样就可以大幅度地降低共振频率。另一方面，一般来说，通常会存在使压电致动器小型化以节省空间这样的要求，所以，可以在考虑蛇形弹簧80的形状的基础上，对包含锤部71的可动框70的形状进行调整， 这样，通过利用这两者就可以得到预期的频率。例如，在X轴方向上以60Hz的低速对驱动对象物体30进行驱动时，可对蛇形弹簧80和锤部70进行适当的调整，以使驱动源90所产生的共振频率降低，并得到60Hz的频率。这样，通过具有蛇形弹簧80和锤部71这两个共振频率降低单元，即使使驱动源90 进行振动共振，也可以确实地得到预期的低频率振动。下面，参考图8A 图1IB，对可动框70的其他功能进行说明。图8A和图8B是将实施例1的压电致动器Iio构成为2轴型并在各轴周围进行倾动动作时的状态示意图。图 8A是使实施例1的压电致动器110在X轴周围进行倾动驱动的状态示意图；图8B是使实施例1的压电致动器110在Y轴周围进行倾动驱动的状态示意图。在图8A中，驱动对象物体30在X轴周围被倾动驱动，然而，弹性连接部40并没有发生任何变形，在Y轴上，则为没有传递任何振动的状态。同样，在图8B中，驱动对象物体 30在Y轴周围被倾动驱动，然而，蛇形弹簧80并没有发生任何变形，在X轴上，则为没有传递任何振动的状态。
这样，在将实施例1的压电致动器110构成为2轴型的情况下，X轴周围的低速驱动和Y轴周围的高速驱动为互不影响的独立的驱动系统。这里需要说明的是，在实施例1 中，尽管是以60HZ进行X轴周围的倾动的驱动，以30kHz进行Y轴周围的倾动的驱动，但是，可以根据实际用途对驱动频率进行各种各样的变更，此时，仍然可以构成为同样的独立振动系统。图9A和图9B是各共振驱动频率的邻接共振频率的最大应力和倾角灵敏度的示意图。图9A是在X轴周围以60Hz驱动时的共振振动频率的邻接共振频率的最大应力和倾角灵敏度的示意图。通常，以某一共振频率对驱动对象物体30进行驱动时，只要高频成分不出现在共振频率的5倍范围内的共振频率的倍数的值上，振动时就不会产生干涉。所以， 以60Hz的共振频率对驱动对象物体30进行驱动时，只要在60Hz的倍数即120Hz、180Hz、 MOHz、以及300Hz的频率上不出现高频成分即可。图9A中，在60Hz 300Hz范围的上述频率值上，倾角灵敏度特性并不存在峰值。另外，如上所述，最大应力只要在0. 5GPa以下， 就可以说是没有问题的值；在图9A中，最大应力没有超过0. 2GPa，所以，是不存在问题的特性值。所以，由图9A可知，就实施例1的压电致动器110而言，其X轴周围的倾动驱动与Y 轴的倾动驱动之间并不产生干涉，另外，也是一种在强度上不存在问题的结构。图9B是在Y轴周围以30kHz进行驱动时的共振振动频率的邻接共振频率的最大应力和倾角灵敏度的示意图。图9B中，在30kHz附近处倾角灵敏度具有峰值，最大应力也具有峰值。就倾角灵敏度特性而言，30kHz以外的区域没有出现峰值；另外，就最大应力而言，其峰值为0. 49GPa，该值小于0. 5GPa。所以，由图9B可知，在Y轴周围的倾动驱动中，也不与X轴的倾动驱动发生干涉，另外，也是一种在强度上没有问题的结构。因此，本实施例的压电致动器110在X轴和Y轴的倾动中是不产生干涉的独立振动系统，同时，也是一种在强度上不存在问题的结构。图10是对X轴周围的倾动驱动与Y轴周围的倾动驱动不产生干涉的理由进行说明的图。图10中示出了实施例1的压电致动器110的下面侧的整体结构的一个例子的立体图；观察可动框70的形状可知，可动框70具有从周围在平面上对驱动对象物体30进行围绕的环状结构。这样，Y轴周围的倾动运动在可动框70的框内完成，X轴周围的倾动运动则通过向可动框70的连接部72赋予倾动力而完成。另外，可动框70是由Si支撑层11所形成的、具有刚性的部件所构成的。也就是说，在实施例1的压电致动器110中，通过将内包了作为30kHz共振驱动部的第2驱动源50和弹性连接部40、以及驱动对象物体30的可动框70设计成环状结构，在结构上很强固，具有不使30kHz共振时的振动传递给蛇形弹簧80和驱动源90的效果。另夕卜，也不妨碍从作为60Hz共振振动部的驱动源90向第2驱动源50及弹性连接部40的振动传递。所以，就实施例1的压电致动器110而言，其驱动源50、90在振动上分别独立，是一种可抑制干涉产生的结构。图IlA和图IlB是作为比较和参考例子的、没有可动框70的连接部80、可动框70 并非环状结构、只有锤部71位于X轴两侧的压电致动器的动作状态示意图。图IlA表示 60Hz共振驱动时的动作状态，图IlB表示30kHz共振振动时的动作状态。在图IlA中，并没有明确地示出与驱动轴垂直的弹性连接部40是否发生了共振； 然而，在图IlB中则示出了，并非驱动轴的蛇形弹簧80中发生了形变，在与作为驱动轴的Y轴垂直的蛇形弹簧80中发生了共振。这样可知，如果可动框70不为环状结构，蛇形弹簧80 与高速驱动部阳的第2驱动梁50之间不存在Si支撑层11的连接部72，则以30kHz进行驱动时，蛇形弹簧80发生了共振，X轴的倾动驱动与Y轴的倾动驱动之间发生了干涉。下面，参考图12A 图16，对实施例1的压电致动器110的低电力消耗结构进行说明。在本实施例的压电致动器110中，通过实施倾角灵敏度的改善、缩短配线长度以实现低电阻化、减小电极面积等手段，可将压电致动器110设计为低电力消耗结构。首先，参考图12A 图14，对可使Y轴周围的高速驱动部55的倾角灵敏度改善、以及最大应力降低的结构进行说明。图12A 图12C是实施例1的压电致动器110的高速驱动部55的形状最优设计方法示意图。图12A是实施例1的压电致动器的高速驱动部55的平面结构示意图。如图 1所示，压电致动器110可由半导体晶片10等构成；基于Si的扭转试验的动态破坏应力为 2GPa左右。如果对基于D-RIE (de印reactive ion etching 深层反应性离子蚀刻)的加工变质层进行考虑，则破坏应力变为1.5GPa。另外，如果对反复应力的施加进行考虑，则需要将最大应力设计为0. 5GPa以下。再有，将倾角灵敏度的目标值设为1. 2deg/V以上。在图12A中，压电致动器110的高速驱动部55具有弹性连接部40和第2驱动梁 50。弹性连接部40具有第1弹簧41、第2弹簧42、以及弹簧连接部43。驱动对象物体30 经由第1弹簧41、弹簧连接部43、以及第2弹簧42与第2驱动梁50相连。在图12A 图12C中，各参数被定义如下。第1弹簧41和第2弹簧42的宽度都为0. 06mm。通过变更弹簧宽度，可以对共振频率进行较大变更。另外，如果第1弹簧41的间距为A，第1/第2弹簧的间距(弹簧连接部43的长度)为B，从第1弹簧41及第2弹簧 42的X轴方向的最外侧开始至Y轴的距离为C，则通过使C为可变，可将共振频率调整在固定的30kHz。另外，如果第1弹簧41和驱动对象物体30的连接部45的R半径为R1，则可设定为Rl=A/2。同样，如果弹簧连接部43的内侧R半径为R2，则可设定为Rl = Β/2。在这样的条件下，计算出倾角灵敏度为最大的参数Α、Β。这里需要说明的是，参数Α、Β的计算是在驱动对象物体30于Y轴周围倾斜士 12deg的条件下进行的。图12B是在以图12A的条件使驱动对象物体30倾动士 12deg的情况下，将2根第 1弹簧41间的距离A和弹簧连接部43的长度B作为参数时的最大应力变化特性示意图。 在图12B中，横轴表示弹簧连接部43的长度B [mm]，纵轴表示最大应力[GPa]。在图12B中示出了，A值越小，最大应力越小。另外，如果将应力σ为极小的弹簧连接部43的长度B设为aiiin，则距离A和长度aiiin之间的关系可由下式(1)表示。Bmin = _0· 2*Α+0· 28 (1)上述式(1)是将各特性曲线的极小值相连而得到的关系式。图13Α 图13C是用于对弹簧连接部43的长度B具有极小值的理由进行说明的图。由式(1)可知，A = 0. 3mm的曲线中的极小值为Bmin= (-0. 2)*0. 3+0. 28 = 0. 22^0. 2。 在图13A 图13C中示出了，在A = 0. 3mm时使B值进行变化的应力分布图。图13A是B = 0. Imm时的致动器的应力分布图。图13A示出了 B < Bmin = 0. 2mm 时的应力分布图；此时，应力集中发生在第2弹簧42上。图1 是B = 0. 3mm时的致动器的应力分布图。图示出了 B > Bmin = 0. 2mm 时的应力分布图；此时，应力集中发生在第1弹簧41上。
图13C是B = 0. 2mm时的致动器的应力分布图。图13C示出了 B = Bmin = 0. 2mm 时的应力分布图；此时，应力集中发生在第1弹簧41和第2弹簧42的中间附近的弹簧连接部43的位置。在图12A所示的结构中，如果第1弹簧41和第2弹簧42的宽度为0. 06mm，则该宽度比连接它们的弹簧连接部43还窄，这样，就会包含一扭转部。所以，如果将弹簧连接部 43的长度缩短，则应力将集中在第2弹簧42的扭转部；如果将弹簧连接部43的长度增长， 则应力将集中在第1弹簧41的扭转部；然而，通过将弹簧连接部43的长度设为中间长度， 则可使应力集中部移动至弹簧连接部43。这样，通过将应力集中部移动至宽度较宽、不含较大扭转部的弹簧连接部43，就可以降低以士 12deg对驱动对象物体30进行驱动时的应力， 并具有极小值。返回图12B。在图12B的变化特性曲线中，示出了应力为界限值0.5GPa以下的是 A = 0. 1mm、A = 0. 03mm、以及A = 0. 005mm的曲线的一部分的范围。也就是说，在图12所示的特性曲线中，是A < 0. 2mm，B为预定范围内的区域的情况。另一方面，在A彡0. 2mm的特性曲线中，示出了与B值无关地，最大应力为> 0. 5GPa.这里，在A < 0. 2mm的特性曲线中，在与应力为界限值0. 5GPa相交的较小的B值的计算式由下式(2)所表示。Β = 0·4*Α+0·16 (2)另外，各特性曲线在与应力为0.5GPa相交的较大的B值的计算式由下式(3)所表不。Β = -0·9*Α+0·4 (3)所以，示出了应力为界限值0.5GPa以下的不仅是满足上述关系式(1)的Bmin，而且还是下述关系式(4)所表示的范围。0. 4*Α+0· 16 彡 B 彡-0. 9*Α+0· 4 (4)图12C是表示满足上述(1) (4)各式的区域的图。在图12C中，横轴表示第1 弹簧41间的距离A [mm]，纵轴表示弹簧连接部43的长度B [mm]。在图12C中，满足关系式 (4)的范围以斜线表示，在作为区域境界线的计算式(2)和(3)之间表示的是关系式(1)。 如果从降低应力的观点来看，满足关系式(1)的A、B的组合是最优的；然而，只要进入由关系式(4)所表示的范围内，就可以说在设计上不存在任何问题。所以，由此可知，只要在满足关系式(4)的斜线范围内设定第1弹簧41间的距离A以及弹簧连接部43的长度B即可。图14是将第1弹簧41间的距离A和弹簧连接部43的长度B作为参数时的倾角灵敏度特性示意图。在图14中，横轴表示弹簧连接部43的长度B [mm]，纵轴表示倾角灵敏度[deg/V]。图14中示出了，A和B两者的值越大，倾角灵敏度越大。所以，在图12C中算出的、 最大应力为0. 5GPa以下的范围内，倾角灵敏度为最大的A、B的值就是最优参数的设定值。如果在此范围内进行考虑，则A = 0.03mm、B = 0.35mm为最优值。此时，其他的值，即每个第1弹簧41和第2弹簧42的宽度都为0. 06mm、C=L 2mm、Rl = 0. 015mm、R2 =0. 175mm。此时的特性为，倾角灵敏度是3. 58deg/V，用于以士 12deg的倾角进行倾动的电压是0-6. 5V，最大应力是0. 49GPa。在现有技术中，倾角灵敏度是1. 2deg/V，所以，用于以士 12deg的倾角进行倾动的
14电压是0-20V。然而，根据本实施例的压电致动器110可知，通过改善灵敏度，高速驱动部 55的电力消耗减少至1/9.5。图15是缩短了实施例1的压电致动器110的配线长度的结构说明图。一般而言， 在2轴型的压电致动器的情况下，进行高速驱动的驱动源20被设置在驱动对象物体30的附近，而进行低速驱动的驱动源大多被设置在进行高速驱动的驱动源20的外侧。在这种情况下，用于向进行高速驱动的驱动源20的电极23、对供给电源的配线大多沿着外侧的进行低速驱动的驱动梁90被设置。在本实施例的压电致动器110中，不是采用「通过一具有多重折返结构的驱动梁的非共振驱动，对倾动进行累积」的方式进行低速驱动，而是采用「实行共振驱动，通过蛇形弹簧80以及锤部71使频率降低」的方式进行低速驱动。所以，实行低速驱动的驱动梁90 不具有复杂的折返结构，并且在固定框100的附近仅存在2根0件(piece))。因此，向位于中央部的30kKz驱动部40、50提供电源时，并不需要沿着复杂的折返结结构进行复杂的配线，仅以较短的配线就可以实施电源的供给。如图15所示，固定框100的4个位置上设置了高速驱动用配线端子103。如图4A 和图4B及其说明所述，如果沿着作为整体的、在外侧仅存在2列的驱动梁90进行配线，则使用极短的配线就可以到达30kHz共振部的第2驱动梁50，这样，使用较短的配线就可以配置30kHz共振部用的电源供给配线。所以，与现有技术相比，配线长度可缩短至1/10 ；换言之，通过降低配线的电阻，就可以降低电力消耗。另外，就进行低速驱动的驱动梁90而言，如上所述，其并非一折返结构，而是一在外侧仅配置了两根驱动梁90的结构，所以，这样的结构可以大幅度地减小驱动源20的面积。通过驱动源20的面积的减小、以及上述倾角灵敏度的改善(现有技术的0. 8deg/V — 本实施例的2. 2deg/V)，进行低速驱动的驱动梁90的电力消耗可以降低至1/15左右。另外，实行高速驱动的第2驱动梁50的驱动源20的面积与现有技术的、实行高速驱动的驱动源20的面积相同，但是，通过倾角灵敏度的改善和配线电阻的降低这两者之间的相乘效果，仍然可将第2驱动梁50的电力消耗降低至1/20左右。再有，作为低速驱动的驱动源，如果采用实行非共振驱动对倾动的位移进行积累的方式，则需要包含多重折返结构，这样，就会存在很多间隔狭窄的Line/Space部。这样的折返结构不仅制造困难，而且成品率也较低。但是，在本实施例的压电致动器110中，实行低速驱动的驱动梁90中不包含复杂的折返结构，所以，具有制造容易、成品率高的优点。例如，在折返结构时的成品率为50%的情况下，根据本实施例的压电致动器，可实现95%以上的成品率。下面，参考图16 图22C，对实施例1的压电致动器110的、对落下冲击具有很大应对能力的结构进行说明。首先，参考图16 图18，对用于应对冲击的可动框70和固定框 100的结构进行说明。图16是表示实施例1的压电致动器110的平面结构的一个例子的左后侧的扩大图。在图16中，观察固定框100和可动框70的锤部71可知，锤部71上设置有锤部突起 73,74,固定框100上设置有突起101、102，锤部突起73与突起101、锤部突起74与突起102 相向配置。当压电致动器110被施加了由落下等而引起的冲击时，这些锤部突起73、74以及固定框的突起101、102可对可动框70的X轴方向和Y轴方向的可动范围进行限制，起到防止压电致动器Iio破损的作用。在本实施例的压电致动器110中，锤部突起73、74和突起101、102的间隔也被设定为适当的间隔，关于该点，将在后面详述。在图16中，锤部71以X轴为中心倾斜士 9deg时，X轴两侧的锤部71在Y轴方向上向固定框100大约接近0. 05mm左右。所以，通过考虑设置一 0. 02mm的预留距离(margin)， 可将锤部突起73与突起101之间的间隔D设定为D = O. 07mm。另外，关于X轴方向的锤部突起74与突起102之间的间隔E，其被设定为对500 μ m左右厚度的Si支撑层进行蚀刻时所需的最小宽度，即E = 0.035mm。通过进行这样的设定，在通常的倾动驱动中，X轴周围即使发生倾动，锤部突起72和突起101也不会发生接触而进行正常的工作；另外，当被施加了由落下等引起的冲击力时，凭借最小限度的间隔D、E，可以确实地阻止可动框70的急剧移动，这样就可以防止压电致动器110的破损。图17是锤部突起73、74和突起101、102的配置结构说明图。图17中示出了实施例1的压电致动器Iio的仰视立体图。在图17中，观察可动框70的连接部72和锤部突起 73的配置可知，在Y轴方向上延伸的连接部72的延长线上设置了锤部突起73，在与锤部突起73相对的外侧设置了突起101。所以，就向Y轴方向的移动而言，该结构是一种使用对连接部72的延长线上的冲击具有很强抵抗的部分来承受冲击力，并且可动框70对冲击的耐性也很高的结构。同样，就X轴方向而言，因为并不是在“锤部71的具有靠近驱动对象物体 30的凹陷形状的部分”上而是在“锤部72的在X轴方向上延伸的外侧部分”上设置了锤部突起74和突起102，所以，该结构也是一种对冲击具有很强抵抗的结构。图18是表示实施例1的封装压电致动器110沿X轴的截面结构的一个例子的图。 在图18中，以X轴为中心使压电致动器110进行士 9deg的倾动时，锤部71向上方限制部 120和下方限制部130接近0. 15mm左右。所以，通过考虑上下都设置一 0. 05mm的预留距离，则可将上方间隔F和下方间隔G都设定为F = G = 0. 2mm。所以，可以在不影响通常的倾动动作的前提下，确实地保护压电致动器110，以使其不会因由落下等而引起的冲击而发生破损。下面，参考图19 图22C，对用于应对冲击的蛇形弹簧80的结构进行说明。图19 是包含蛇形弹簧80的周边的扩大图。图19中示出了蛇形弹簧80。为了向高速侧的第2驱动梁50的驱动源20提供电源，在蛇形弹簧80中设置了 2根电极配线104。所以，如果电极配线104的宽度为0.02mm， 则蛇形弹簧80的弹簧宽度可被设定为0. 07mm(Line 0. 02mmX 2+SpaceO. 01mm)。另外，在图19中，将蛇形弹簧80的邻接弹簧的间隔从外侧向内侧表示为H、I、J， 并且，将蛇形弹簧80的X轴方向的长度设为K。在图19中，邻接弹簧的间隔H、I、J具有H < J< I的关系，即并不是相等的间隔。下面，对邻接弹簧的间隔H、I、J的设定方法的一个例子进行说明。图20A 图20D是表示在X、Y、Z方向上以隐式方法(implicit method)向实施例 1的压电致动器110施加冲击加速度时的应力分布的图。图 20A 图 20C 是表示以 X = +0. 07mm、Y = +0. 035mm、Z = +0. 02mm 的位移分别与限制部101、102、120、130进行冲击时的蛇形弹簧80的形状和应力分布的图。图20A是压电致动器110的整体变形图；图20B是左侧的蛇形弹簧80的放大图；图20C是右侧的蛇形弹簧80的放大图。
这里，破坏应力是1. 5GPa ；因为落下冲击时并不施加反复应力，所以，只要设计成乘以一安全系数后最大应力为l.OGPa以下，就可以充分地承受落下冲击。另外，在压电致动器110中，图16和图18及其相关说明中所述的间隔D相对于X轴对称，间隔E相对于Y 轴对称，蛇形弹簧80也相对于Y轴左右对称。由图20A可知，+Y方向上被施加了较大的应力。另外，由图20B可知，在左侧的蛇形弹簧80中，邻接弹簧的间隔H变小(窄)了，邻接弹簧的间隔I变大(宽)了，导致弹簧形状发生了变形。另外，图20B还示出了蛇形弹簧80的最大应力被施加在邻接弹簧的间隔 I的连接部上。再有，由图20C可知，在右侧的蛇形弹簧80中，邻接弹簧的间隔H、J变小了， 邻接弹簧的间隔I变大了，导致弹簧形状发生了变形。这里，最大应力值为0. 66GPa。图 21A 图 21D 是表示以 X = -0. 07mm、Y = -0. 035mm、Z = +0. 2mm 的位移与各限制部101、102、120、130进行冲击时的蛇形弹簧80的形状和应力分布的图。图21A是压电致动器110的整体变形图；图21B是左侧的蛇形弹簧80的扩大图。另外，图21C是弹性连接部40的扩大图，图2ID是右侧的蛇形弹簧80的扩大图。由图21B可知，在左侧的蛇形弹簧80中，邻接弹簧的间隔H、I、H变大了。这里需要说明的是，还可知，在图21B中，邻接弹簧的间隔H、I、J中的间隔I是其中变形最大的一个。由图2IC可知，在弹性连接部40中，最大应力发生在第2弹簧42与可动框70的锤部71相连的连接部分。所发生的最大应力为0.76GPa。因为这个数值是1. OGPa以下的值，所以是一个没有问题的数值。由图21D可知，在右侧的蛇形弹簧80中，邻接弹簧的间隔H、I变小了。在图20A 图20D中，示出了施加一加速度于实施例1的压电致动器110时的应力分布，此时所发生的应力为1. OGPa以下。也就是说，在实施例1的压电致动器110中，通过施加落下冲击加速度，即使驱动对象物体30、高速驱动部55、以及可动框70在X、Y、Z方向上产生了最大位移，所发生的应力也在1. OGPa以下。另外，此时，为了不使蛇形弹簧80的邻接弹簧之间发生接触，可将变形时的邻接弹簧的间隔H、I、J确保为0. 05mm以上。然后，如图19所示，可将蛇形弹簧80的邻接弹簧的间隔设定为不相等的间隔。也就是说，如果按照间隔最宽的邻接弹簧的间隔I将邻接弹簧的间隔H、J都设定为相等间隔，则蛇形弹簧80的全长K将会变长，压电致动器110的整体尺寸将会变大。所以，通过对“可以将邻接弹簧的间隔设小的部分”进行设小(设窄)处理以构成蛇形弹簧80，蛇形弹簧80的邻接弹簧的间隔就变成了不相等的间隔。下面，对作为比较和参考例子的、将蛇形弹簧80设计成“不具弹簧形状而仅为弹性体”的梁时的变形以及应力分布进行说明。图22A 图22C是表示作为比较和参考例子的、没有设置蛇形弹簧80而仅使用作为弹性体的梁的直线弹簧180将驱动梁90和可动框70进行连接时的应力分布的图。图22A 是整体变形图；图22B是左侧的直线弹簧180的扩大图；图22C是右侧的直线弹簧180的扩大图。这里需要说明的是，在作为比较和参考例子的压电致动器中被施加了 X = +0. 07mm、 Y = +0. 035mm、Z = +0. 2mm 的位移。在图22B中，直线弹簧180的全体基本上都超过了 lGPa。另外，在图22C的右侧的直线弹簧180中，在驱动梁90的外侧的连接部上发生了最大应力。此时，最大应力为4. 13GPa，远远超过了 1. OGPa。所以可知，在作为比较和参考例子的压电致动器中，通过施加落下冲击加速度，使可动框70、与其相连的高速驱动部55、以及驱动对象物体30在X、Y、Z 方向上产生最大位移时，所产生的应力超过了 l.OGPa，导致产生了破损。由以上可知，蛇形弹簧80除了具有如图7A 图7C及其相关说明所述的可使共振频率降低以防止应力集中的效果之外，还具有可使由落下冲击所产生的应力分散以防止压电致动器破损的效果。这样，根据实施例1的压电致动器110可知，可以构成一种如下所述的压电致动器 110，即将低速驱动用驱动梁90设计成简单的2根(4件(piece))，对驱动梁90进行共振驱动，使用蛇形弹簧80和可动框70的锤部71将频率降低至低速驱动的频率，并且，在可动梁70的内部设置第2驱动梁50，这样就可以构成2轴互不干涉的独立振动系统。另外，通过降低配线104的长度和驱动源20的面积，可实现低电力消耗。再有，通过在固定框100 上设置突起101、102，在可动框70的锤部71上设置锤部突起73、74，可对X、Y方向的可动范围进行限制，并且，通过设置上方限制部120和下方限制部130，可对上下方向的可动范围进行限制，这样，即使发生了落下冲击，也很难发生破损。另外，因为蛇形弹簧80具有可减低落下冲击所产生的应力的功能，所以，还可以更进一步地提高对落下冲击的耐性(抵抗性)。图23是表示本发明实施例2的压电致动器111的整体结构的一个例子的立体图。 实施例2的压电致动器111在具有驱动对象物体30、弹性连接部40、第2驱动梁50、可动框 70、蛇形弹簧80、驱动梁92、以及固定框100这点上与实施例1的压电致动器110相同。实施例2的压电致动器111与实施例1的压电致动器110的不同点仅在于，进行低速驱动的驱动梁92具有折返结构。这里需要说明的是，关于其他的构成要素，因为其与实施例1的压电致动器110相同，所以对其赋予了相同的符号，并省略了其说明。在实施例2的压电致动器111中，作为低速驱动的驱动梁92，使用具有折返结构的驱动梁92 ；但是，该驱动梁92并非采用实行非共振以使位移蓄积的驱动方式，而是与实施例1的压电致动器110同样地实行共振驱动。在图23中，接近驱动对象物体30的内侧的驱动梁92与固定框100连接，邻接的驱动梁92的端部为依序进行反复折返的结构，随着从内侧的驱动梁92向外侧的驱动梁92传递倾动力，位移被蓄积，这样，就可以获得比一根驱动梁92时更大的倾角。在图23中，由3根驱动梁92构成了一驱动梁群组93。这样，通过将低速驱动用驱动梁92设计为折返结构，并以复数个梁92构成驱动梁群组93，可以提高倾角灵敏度。具体而言，实施例2的压电致动器111的倾角灵敏度可达到 4. 4deg/V，这几乎是实施例1的压电致动器110的倾角灵敏度的2倍。另外，就最大应力而言，其大小为3MPa左右，也位于没有问题的范围内。图24A和图24B是表示实施例2的压电致动器111驱动时的变形状态。图24A是表示在X轴周围使实施例2的压电致动器111进行低速驱动的状态的变形图；图24B是表示在Y轴周围使实施例2的压电致动器111进行高速驱动的状态的变形图。图24A中示出了，可动框70及驱动对象物体30在X轴周围进行倾动，此时，可动框70内的弹性连接部40的第1弹簧并不进行共振，并且，X轴周围的倾动驱动与Y轴周围的倾动驱动也不发生干涉。图24B中示出了，驱动对象物体30在Y轴周围进行倾动，此时，驱动梁92并不进行共振，并且，Y轴周围的倾动驱动与X轴周围的倾动驱动也不发生干涉。这样，实施例2的压电致动器111即使被构成为2轴压电致动器，两个驱动轴周围的倾动驱动之间也不互相干涉。另外，在实施例2的压电致动器111中，尽管由于驱动梁92具有折返结构，与实施例1的压电致动器110相比，其制造工序有一点复杂，但是，因为折返结构的折返次数较少， 也不存在电力消耗大幅度上升、以及成品率大幅度下降的问题。在这点上，实施例2的压电致动器111与使用非共振驱动梁的压电致动器相比，还是具有电力消耗低和成品率高的优
点ο所以，如果重视倾角灵敏度，则可采用实施例2的压电致动器111 ；如果重视电力消耗的降低以及成品率的改善，则可采用实施例1的压电致动器110。也就是说，可以根据用途来分别采用实施例1的压电致动器110和实施例2的压电致动器111。根据实施例2的压电致动器111，可以更进一步地提高倾角灵敏度。图25A 图25C是用于对本发明实施例3的压电致动器112的变更部分进行说明的图。在实施例3的压电致动器112中，具有可使高速驱动部55的倾角灵敏度提高以及最大应力降低的结构。图25是表示实施例3的压电致动器112的高速驱动部55的平面结构的图。在实施例3的压电致动器112中，高速驱动部55的第1弹簧44由一根构成这点，与第1弹簧41 由2根构成的实施例1的压电致动器110不同。关于其他构成要素，因为与实施例1的压电致动器110同样，所示省略了图示和说明。另外，与实施例1的压电致动器110同样的构成要素也被赋予的同样的符号，并省略其说明。在实施例3的压电致动器112中，通过进行高速驱动部55的参数的设定，可使倾角灵敏度提高、最大应力降低。在图25A中，将第1弹簧44的宽度设为A，将第2弹簧42的宽度设为第一弹簧44 的宽度A的1/2，即A/2。另外，将弹簧连接部43的长度设为B，将从第1弹簧44及第2弹簧42的外侧端部开始至X轴的距离设为C。这样，通过将第1弹簧44及至弹簧连接部43 的至X轴的距离C设定为可变，就可以将共振频率设定至固定的30kHz。这里需要说明的是，弹簧连接部43在整体上共有4处，都被设为相同的值。另外，驱动对象物体30与第1 弹簧44的连接处46的R半径被设为Rl = 0. 15mm,弹簧连接部43的内侧的R半径被设为 Rl = B/2。然后，通过将第1弹簧44的宽度A以及弹簧连接部43的长度B作为参数并使其进行变化，对倾角灵敏度和最大应力的最优值进行了研讨。图25是表示使驱动对象物体30以士 12deg的倾角进行倾动时的、相对于第1弹簧44的宽度A和弹簧连接部43的长度B的变化的、倾角灵敏度[deg/V]的变化特性的图。 图25中示出了如下特性，即A = 0. 12mm时倾角灵敏度最高，另外，在0. 4mm < B < 0. 6mm 范围内的B = 0. 5mm附近处，倾角灵敏度为最大。图25C是表示相对于第1弹簧44的宽度A和支撑梁侧连接部M的长度B的变化的、最大主应力的变化特性的图。最大应力为0. 5GPa以下时，对致动器的耐性来说，是不存在问题的数值。图25C中示出了如下特性，即A > 0. Imm时，最大应力为0. 5GPa以下；另夕卜，A = 0. 14mm或者A = O. 12mm时，在0. 4mm < B < 0. 6mm的范围内的B = 0. 5mm附近处，
最大应力为最小。
所以，就倾角灵敏度高、最大应力小的形状而言，作为比较小型的形状，例如可以采用 A = O. 12mm、B = 0. 5mm、C = 1. 4mm、Rl = 0. 15mm、R = 0. 25mm 的形状。此时,灵敏度可为4. 50deg/V，用于以士 12deg的倾角进行倾动的电压可为0-3. 5V，最大应力可为0. 38GPa, 这样，就可以得到最大应力小、倾角灵敏度高的良好的特性。这样，根据实施例3的压电致动器112，可使高速驱动部55的倾角灵敏度提高、最大应力降低。图26A 图26C是表示本发明实施例4的封装压电致动器201的结构的一个例子的立体图。图26A是实施例4的封装压电致动器201的整体立体图的一个例子；图26B是实施例4的封装压电致动器201的分解立体图的一个例子；图26C是实施例4的封装压电致动器201的截面立体图。在图26中，封装用部件140内收容了压电致动器110，并且上面由密封用玻璃150 进行覆盖这点，与实施例1的封装压电致动器200相同。在实施例4的封装压电致动器201中，对上下方向的可动范围进行限制的部件为将上方限制部和下方限制部进行了一体化的上下方向限制部133，这点与分别设置了上方限制部120和下方限制部130的实施例1的封装压电致动器200不同。这里需要说明的是， 关于其他构成要素，因为与实施例1同样，所以被赋予了与实施例1相同的参照符号，并省略了其说明。在图26中，尽管示出了上下方向限制部133的立体图，但是，上下方向限制部133 具有上方限制部134和下方限制部135。下方限制部135被载置在封装用部件140上而被收容；上方限制部134向上延伸以夹着蛇形弹簧80，这样，就可以对压电致动器110的上方的移动进行限制。图26C中示出了实施例4的封装压电致动器201的截面结构。下方限制部135通过中央部的浮动对压电致动器110的下方的可动范围进行限制。另外，压电致动器110的上方限制部134从压电致动器110的蛇形弹簧80的两侧的空隙延伸以贯穿压电致动器110， 并以呈钥匙状的部分对压电致动器110的上方的可动范围进行限制。这样，根据实施例4的封装压电致动器201可知，通过使用具有上方限制和下方限制这两个功能的一个上下方向限制部133，可以对上下双方的压电致动器201的可动范围进行限制。所以，通过采用容易组装的简单的结构，就可以防止因落下冲击而产生的破损。图27A 图27C是表示本发明实施例5的封装压电致动器202的结构的立体图。 图27A是实施例5的封装压电致动器202的整体结构的一个例子的示意图；图27B是实施例5的封装压电致动器202的分解立体图的一个例子；图27C是实施例5的封装压电致动器202的截面结构立体图。如图27A和图27B所示，在实施例5的封装压电致动器202中，封装用部件140内收容压电致动器110，并且上面由密封用玻璃150进行覆盖之结构，也与实施例1和实施例 4的封装压电致动器200相同。所以，关于与实施例1同样的构成要素，其被赋予了相同的参照符号，并省略了其说明。如图27A 图27C所示，在实施例5的封装压电致动器202中，上下方向限制部 136并不是被安装在封装用部件140上，而是被安装在可动框70上，这点与实施例4的封装压电致动器201不同。例如，当在可动框70的、与蛇形弹簧80之间的位置设置上下方向限制部136时，不仅可以不妨碍通常的倾动驱动，而且还可以仅对上下方向的可动范围进行限制。如图27B所示，上下方向限制部136具有上方限制部137和下方限制部138，这点与实施例4的封装压电致动器201相同。如图27B和图27C所示，根据实施例5的封装压电致动器202可知，通过使用较小的上下方向限制部136，可以对压电致动器110的落下进行应对；另外，还可以使整体小型化，同时也可以对落下冲击进行适当的缓冲。图^A 图28C是表示本发明实施例6的封装压电致动器203的结构的立体图。 图28A是表示实施例6的封装压电致动器203的整体结构的一个例子的立体图；图28B是实施例6的封装压电致动器230的分解立体图的一个例子；图28C是实施例6的封装压电致动器203的截面结构立体如。如图28A和图28C所示，在实施例6的封装压电致动器203中，封装用部件140内收纳了压电致动器110，上面覆盖了密封用玻璃150，该结构与实施例1、4以及5的封装压电致动器200相同。所以，关于与实施例1、4以及5相同的构成要素，对其赋予了相同的参照符号，并省略其说明。如图28B所示，实施例6的封装压电致动器203具有安装于密封用玻璃150的上方限制部121、以及安装于封装用部件140的下方限制部139，这点与实施例1、4以及5的封装压电致动器203不同。这样，上方限制部121就可以被安装在密封用玻璃150上。另外，如图28B和图28C所示，上方限制部121和下方限制部139双方都是具有一定厚度的直线形的部件，并且具有简单的结构，所以非常容易进行限制部121、139的加工。这样，根据实施例6的封装压电致动器203可知，通过使用结构简单并且容易加工的上方限制部121以及下方限制部139，可以确实地对落下进行有效的应对。图四是表示本发明实施例7的光扫描装置(例如投影仪300)的结构的示意图。 在实施例7中，以使用了实施例1 6所述的压电致动器110 112、200 203的投影仪 300为例进行说明。在图四中，实施例7的投影仪300具有压电镜205、激光二极管210、准直透镜220、 偏光分束器(beam splitter) 230、1/4 波长板 240、CPU (central processing unit ；中央处理器)250、激光二极管驱动ICGntegrated circuit ；集成电路)260、以及压电镜驱动IC 270。另外，在图四中，还示出了一作为相关构成要素的屏幕310。投影仪300是将映像投影至屏幕310并在其上对映像进行放映的装置。本实施例的压电致动器Iio 112、200 203可作为2轴驱动的压电镜205而被使用在投影仪300中。激光二极管210是用于发射激光的光源。从激光二极管210发射的激光可为发散光。准直透镜220是用于将发散光变换为平行光的单元。即使从激光二极管210被射入了发散光，准直透镜220也可以将激光的各发散成分变换为平行。偏光分束器230是一种光束分离单元，其中形成有可使P偏光(或S偏光)反射并使S偏光(或P偏光)透过的偏光膜。这里，P偏光是在光的入射面内进行振动的光的成分；S偏光是与光的入射面垂直地进行振动的光的成分。也就是说，偏光分束器230可使 P偏光和S偏光中的一者反射，另一者透过。
这样，来自准直透镜200的平行光(P偏光)可被偏光分束器230全反射至2轴压电镜205侧。偏光分束器230是一种可起到将光导向压电镜205方向的作用的导光单元。1/4波长板240是用于使光发生π /2(90度)的位相差的位相差发生单元。1/4 波长板240不仅可使直线偏光变换为圆偏光，而且还可以使圆偏光变换为直线偏光。另外， 1/4波长板240可与偏光分束器230被构成为一体。由偏光分束器230所反射的激光透过与偏光分束器230 —体形成的1/4波长板 240，射向压电镜205。压电镜205对镜子31进行2轴驱动，并对来自1/4波长板240的激光进行反射。 由压电镜205所反射的激光再透过1/4波长板240而被变换为S偏光，然后透过偏光分束器230，照射至屏幕310。CPU 250是用于对激光二极管驱动IC 260和压电镜驱动IC 270进行控制的单元。 激光二极管驱动IC 260是用于对激光二极管210进行驱动的单元。压电镜驱动IC 270是用于对压电镜205进行驱动的单元。CPU 250控制激光二极管驱动IC 260以对激光二极管210进行驱动。另外，CPU250 控制压电镜驱动IC 270以对压电镜250的X轴周围、Y轴周围的倾动驱动进行控制。通过压电镜205的倾动动作，使由压电镜205的镜子31所反射的光在屏幕310上进行扫描，进而在屏幕310上形成映像。这样，本实施例的压电致动器110 112、200 204可作为投影仪300用的压电镜205来使用，并可以省电并稳定地对镜子31进行2轴驱动，进而放映出映像。以上对本发明的具体实施例进行了说明，但是，本发明并不局限于上述具体实施例，只要不脱离权利要求书的范围，亦可采用其他变化形式代替，但那些变化形式仍属于本发明所涉及的技术范围。尤其是，尽管在实施例1 实施例7中对2轴型的压电致动器110、111、112、200、 201、202、203、205进行了说明，但是，如在实施例1中所述，也可以使用仅进行低速驱动或高速驱动的1轴型压电致动器。另外，即使是2轴型压电致动器，仅就高速驱动或低速驱动的1轴而言，也可以使用本实施例的压电致动器110 112、200 203、205的结构和功能。本发明可应用在具有小型致动器和压电致动器的投影仪、扫描仪等中，该小型致动器和压电致动器可通过对镜子等的驱动对象物体进行倾动驱动以实现光线等的扫描。本国际申请主张2009年9月4日申请的日本国专利申请第2009-205313号的优先权，并在本文中引用了该专利申请的全部内容。
权利要求
1.一种压电致动器，其在轴周围对驱动对象物体进行倾动驱动，所述压电致动器的特征在于，包含可动框，其具有由配置在所述轴两侧的锤部以及与所述轴交叉延伸并连接所述锤部的连接部对所述驱动对象物体进行平面围绕的环状结构，并与所述驱动对象物体连接以对所述驱动对象物体进行连接支撑；以及驱动梁，其具有在弹性体上形成了压电薄膜的结构，并被配置在所述可动框的外侧，与所述可动框的所述连接部连接以提供所述轴周围的倾动力。
2.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于所述驱动梁以从轴方向的两侧夹着所述可动框的方式被配置为沿与所述轴垂直的方向延伸，并被施加可使在所述轴的两侧成对的所述驱动梁沿相反方向进行位移的电压。
3.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于所述驱动梁和所述连接部由蛇形弹簧连接，在所述蛇形弹簧中，邻接的梁具有间隔并呈蛇形。
4.根据权利要求3所述的压电致动器，其特征在于所述蛇形弹簧的邻接的间隔根据所述蛇形弹簧的变形量或被施加至所述蛇形弹簧的应力分布而定，并是变形量大或被施加的应力大的位置的间隔比变形量小或被施加的应力小的位置的间隔宽的不等间隔。
5.根据权利要求4所述的压电致动器，其特征在于在所述蛇形弹簧的邻接的间隔中，所述蛇形弹簧的最靠近与所述可动框相连的位置以及与所述驱动梁相连的位置的蛇形部分比所述蛇形弹簧的中央侧的位置的蛇形部分窄。
6.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于 所述驱动梁被共振驱动。
7.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于 具有平面地围绕所述可动框和所述驱动梁的固定框， 所述可动框以与所述固定框相同的厚度被形成， 所述驱动梁以比所述固定框薄的厚度被形成。
8.根据权利要求7所述的压电致动器，其特征在于在所述固定框上设置了突起，所述突起对所述可动框的水平方向的可动范围进行限制。
9.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于所述驱动对象物体经由第2驱动梁与所述可动框的所述连接部相连，所述第2驱动梁是在弹性体上形成了压电薄膜的结构，所述第2驱动梁在与所述轴不同的第2轴周围使所述驱动对象物体倾动。
10.根据权利要求9所述的压电致动器，其特征在于所述驱动对象物体和所述第2驱动梁由弹性连接部相连，所述弹性连接部包含梁结构的弹性体。
11.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于还具有对所述可动框的上下方向的可动范围进行限制的上下方向限制部。
12.根据权利要求1所述的压电致动器，其特征在于所述驱动对象物体是镜子。
13.一种光扫描装置，其特征在于，具有 压电致动器，其是权利要求12所述的压电致动器； 光源，其发射光；以及导光单元，其将从所述光源所发射的所述光导向所述压电致动器， 其中，通过所述压电致动器对所述镜子进行倾动驱动，使由所述镜子所反射的所述光进行扫描。
14.根据权利要求13所述的光扫描装置，其特征在于 使所述光在屏幕上进行扫描，以在所述屏幕上形成映像。
全文摘要
一种压电致动器，其在轴周围对驱动对象物体进行倾动驱动。所述压电致动器具有可动框，其具有由配置在所述轴两侧的锤部以及与所述轴交叉延伸并连接所述锤部的连接部对所述驱动对象物体进行平面围绕的环状结构，并与所述驱动对象物体连接以对所述驱动对象物体进行连接支撑；以及驱动梁，其具有在弹性体上形成了压电薄膜的结构，并被配置在所述可动框的外侧，与所述可动框的所述连接部连接以提供所述轴周围的倾动力。
文档编号H02N2/00GK102474204SQ20108003281
公开日2012年5月23日 申请日期2010年8月31日 优先权日2009年9月4日
发明者山田司 申请人:三美电机株式会社