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ADRIP製法PZT圧電膜の画像ディスプレィ用MEMS光スキャナ・圧電共振子への応用

本研究室では、高品質のPZT圧電薄膜を高レートで形成するアーク放電反応性イオンプレーティング製法 (ADRIP = Arc Discharge Reactive Ion Plating) に実績のあるスタンレー電気株式会社と協力して、画像ディスプレィ用の光スキャナの実用化研究開発を進めています。ここでは、PZT圧電膜のアクチュエータ応用として、手のひらサイズのレーザー走査型画像プロジェクタ用の光スキャナを紹介します。また、PZT圧電膜には機械歪みを電気信号に変換することもできますので、センサ応用としての共振子を併せて紹介します。

はじめに

Fig1.png

モバイル電子機器の表示画像を複数の視聴者で見るためには、手のひらに載るくらいの投影型画像ディスプレィが便利です。ただし、プロジェクタからスクリーンまでの距離が必ずしも一定ではないので、レンズを使った焦点光学系では使うたびに焦点距離の調整が必要だったり、また、スクリーンが歪んでいるときに画像がぼけてしまいます。この点で、レーザー光を用いたプロジェクタは、小型・焦点調整不要の画像デバイスとして期待されています。

レーザー走査型画像ディスプレィ用の光スキャナに要求される性能として、低電圧で大走査角が得られることと、水平方向の走査速度が高いことが挙げられます。これらはトレード・オフの関係にあるので、光スキャナ走査駆動源として、面積あたりの発生力・トルクの大きなメカニズムが必要です。そこで本研究では、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜を用いる方法を検討しています。

PZTアクチュエータ駆動メカニズム

Fig2.png

シリコン基板と、その上に製膜したPZT薄膜は「ユニモルフ」構造を取ります。PZT膜に垂直に電圧を印加することで、膜中に伸び、あるいは、縮みの応力が発生します。この応力が中立面以外にあれば、部材(梁)を曲げるモーメントとして機能します。本研究では、PZT/シリコンのユニモルフ構造を、高速ミラーの共振駆動と、低速軸の非共振駆動に使っています。

また、実際に3色のレーザー光をスキャンして、VGAクラスの動画像を表示することに成功しました。現在は、画角の拡大、水平軸の高速化に取り組んでいます。

PZTと電極構造

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PZT膜の上下には、電圧を印加するための電極が付いています。また、プロセスは製膜が先、パタニングが後なので、膜間に不純物が入りにくく、高歩留まりが実現できます。

PZTセンサとしての応用

Fig4.png

PZT圧電膜は、機械歪みから電気信号を取り出すことが可能です。ここでは、PZTで励振(共振)した状態を検出するために、駆動電極に平行に配置したセンサ電極を用いて電圧信号を取り出す手法を検討しました。

紹介ポスター

参考文献

  1. Masanao Tani, Masahiro Akamatsu, Yoshiaki Yasuda, Hiroyuki Fujita, and Hiroshi Toshiyoshi, "An Image Display Using Piezoelectric MEMS Optical Scanner," The Review of Laser Engineering, vol. 36, no. 4, 208, pp. 183-189. (in Japanese)
  2. Utku Baran, Masanao Tani, Masahiro Akamatsu, Yoshiaki Yasuda, Hiroyuki Fujita, and Hiroshi Toshiyoshi, "A Built-in Vibration Sensor using Arc-Discharged Reactive Ion Plated PZT," IEEJ Trans. on Sensors and Micromachines, vol. 131, no. 3, 2011, pp. 128-129.

謝辞

本研究は、スタンレー電気株式会社との共同研究として実施中です。

続報

共同研究先のスタンレー電気株式会社が、MEMS光スキャナを使ったレーザ描画型の画像プロジェクタをCEATEC 2013に出展しました。 2013-10-04
2013-10-04CEATEC.jpg


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Last-modified: Tue, 19 May 2015 11:12:53 JST (888d)