(57)【要約】【課題】本発明は、可動板の回転動作における振幅の低下を招かずに、可動板の法線方向へ振動する動作モードの共振周波数を向上させる光学反射素子を提供することを目的とするものである。【解決手段】この目的を達成するために本発明は、第１の軸１８に平行な第一の辺１１ａと、第１の軸１８に略直交した第２の軸１９に平行な第二の辺１１ｂを有した方形状の外枠と、前記外枠の一方の第一の辺１１ａ内側から延出し少なくとも１つ以上の圧電アクチュエータを備えたミアンダ形状の第１の駆動部と、前記外枠のもう一方の第一の辺１１ａ内側の略中点から第２の軸１９方向に延出した短冊状の支持梁１２と、前記支持梁１２と前記駆動部に接続され中央部に反射面を有した可動板１５とを有している構成とした。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の軸に平行な一対の第一の辺と、第１の軸に略直交した第２の軸に平行な一対の第二の辺を有した方形状の外枠と、
前記外枠の一方の第一の辺内側から延出し少なくとも１つ以上の圧電アクチュエータを備えたミアンダ形状の第１の駆動部と、
前記外枠のもう一方の第一の辺内側の略中点から第２の軸方向に延出した短冊状の支持梁と、
前記支持梁と前記駆動部に接続され中央部に反射面を有した可動板とを有していることを特徴とする光学反射素子。
【請求項２】
第１の軸に平行な一対の第一の辺と、第１の軸に略直交した第２の軸に平行な一対の第二の辺を有した方形状の外枠と、
前記外枠の各第一の辺内側から延出し少なくとも１つ以上の圧電アクチュエータを備えた一対のミアンダ形状の第１の駆動部と、
前記外枠の各第一の辺内側の略中点から第２の軸方向に延出した支持梁と、
中央部に反射面を有し前記支持梁と前記駆動部に夫夫接続された可動板とを有し、
前記支持梁は前記第１の駆動部の下方に位置していることを特徴とする光学反射素子。
【請求項３】
前記可動板は、
第１の軸に平行な一対の第三の辺と、第２の軸に平行な一対の第四の辺を有した方形状の支持体と、
前記支持体の各第三の辺内側から第２の軸方向に延出し少なくとも１つ以上の圧電アクチュエータを備えた一対のミアンダ形状の第２の駆動部と、
中央部に反射面を有し前記第２の駆動部に夫々接続されたミラー部とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学反射素子。
【請求項４】
前記可動板は、
第１の軸に平行な一対の第三の辺と、第２の軸に平行な一対の第四の辺を有した方形状の支持体と、
この支持体の各第四の辺内側に夫々一端が支持された一対の第一の支持部と、
この一対の第一の支持部の各他端に支持された第一のアームと第二のアームを有する二つの音叉振動子と、
この二つの音叉振動子の振動中心に夫々一端が支持された一対の第二の支持部と、
この二つの音叉振動子を対向配置させ、
二つの音叉振動子の振動中心と同一線上に回転軸が配置されたミラー部とを有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載の光学反射素子。
【請求項５】
前記支持梁は、
前記第１の駆動部の曲げ剛性より大きい曲げ剛性を有することを特徴とする請求項１から請求項４のいずれか１項に記載の光学反射素子。
【請求項６】
前記支持梁は、
厚さ方向の寸法が幅方向の寸法の１０倍以上であることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の光学反射素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査型プロジェクタなどに用いる光学反射素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
レーザから射出された光束を走査し、スクリーン上に画像を投影させる光学反射素子が実用化されている。このような光学反射素子はミラー部を設けたアクチュエータを走査し、光束をミラー部で反射してスクリーンに投影しており、アクチュエータの走査方法としてラスタースキャン方式が用いられている。ラスタースキャン方式で走査される従来の光学反射素子の構成を示す斜視図を図１１に示す。
【０００３】
図１１において従来の光学反射素子は、方形状の外枠１と、外枠１の短辺内側から延出し、少なくとも１つの圧電アクチュエータを含む一対のミアンダ形状の第１の駆動部２と、第１の駆動部２と外枠の短辺と平行な辺で接続される方形状の可動板３とを有している。
【０００４】
また、可動板３は、外枠１の短辺と平行な辺で第１の駆動部２と接続される方形の中枠４と、少なくとも１つの圧電アクチュエータを含む第２の駆動部５と、第２の駆動部５に一対のトーションバー６で接続された反射面を有するミラー部７とにより構成されている。
【０００５】
可動板３は、ミラー部７の略中心を通り、外枠１の長辺方向に平行な第１の軸８周りに回転動作し、ミラー部７は、その略中心を通り、外枠１の短辺方向に平行な第２の軸９周りに回転動作することで、ミラー部７に照射、反射された光束を２軸に走査して、スクリーン上に画像を投影するものである。
【０００６】
なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報として、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】特開２００９−１６９２９０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記のような光学反射素子においては、振れ角を大きくすることが重要である。また、ラスタースキャン方式を実現するためには、可動板３の第１の軸８周りの回転動作において、高調波成分を含むのこぎり波状での駆動が必要であるが、制御性の向上や、耐振動性の向上のためには、可動板が第１の軸８周りに回動する固有振動モードの共振周波数を高くすることが必要である。できれば、共振周波数を少なくても５００Ｈｚ以上とすることが望ましい。
【０００９】
しかしながら、上記従来の構成では、可動板３が第１の軸８周りに回動する振動モード以外にも、反射面の法線方向へ可動板３が振動するモードや、可動板３が第２の軸９周りに回動するモードなど、さまざまな振動モードが存在する。可動板３の第１の軸８周りの回転動作の振幅の向上や、回転動作の振動モードの共振周波数の向上を実現させようとすると、その他の振動モードの共振周波数が低下する場合があり、それによってスキャン時に動作が不安定になることで可動板３の制御が困難になったり、外乱振動の影響を受けやすくなり耐振動性が劣化する要因となるという問題を有していた。
【００１０】
そこで本発明は、可動板３の第１の軸８周りの回転動作における振幅の低下を招かずに、反射面の法線方向へ可動板が振動する動作モードや可動板が第２の軸９周りに回動するモードの共振周波数を向上させることが可能な光学反射素子を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
上記目的を達成するために本発明は、第１の軸に平行な第一の辺と、第１の軸に略直交した第２の軸に平行な第二の辺を有した方形状の外枠と、前記外枠の一方の第一の辺内側から延出し少なくとも１つ以上の圧電アクチュエータを備えたミアンダ形状の第１の駆動部と、前記外枠のもう一方の第一の辺内側の略中点から第２の軸方向に延出した短冊状の支持梁と、前記支持梁と前記駆動部に接続され中央部に反射面を有した可動板とを有した構成とした。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、ねじり剛性に比べ曲げ剛性が高い支持梁により、ねじれを伴う可動板の第１の軸周りの回転動作に比べて曲げを伴う反射面の法線方向への可動板の振動を選択的に抑制することができ、可動板の第１の軸周りの回転動作における振幅の低下を招かずに反射面の法線方向へ可動板が振動する動作モードや可動板が第２の軸周りに回動するモードの共振周波数の向上を図ることができるため、光学反射素子の制御性や耐振動性を高めるという効果を奏するものである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】本発明の実施例１における光学反射素子の平面図
【図２】同図１のＡ−Ａ線における圧電アクチュエータの断面図
【図３】同光学反射素子の駆動を示す図
【図４】同図１のＢ−Ｂ線における支持梁の断面図
【図５】本発明の実施例２における光学反射素子の平面図
【図６】同図５の第２の軸１９における断面図
【図７】（ａ）〜（ｅ）本発明の実施例２による光学反射素子の製造方法を示す断面図
【図８】本発明の実施例３における可動板の全体図
【図９】本発明の実施例４における光学反射素子の全体図
【図１０】同可動板の駆動を示す図
【図１１】従来の光学反射素子の斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１４】
（実施例１）
以下、本発明の実施例１について、図面を参照しながら説明する。
【００１５】
図１は本発明の実施例１における光学反射素子の平面図を示している。図１に示すように、本発明の実施例１における光学反射素子は、第１の軸１８に平行な第一の辺１１ａと、第１の軸１８に略直交した第２の軸１９に平行な第二の辺１１ｂを有した方形状の外枠１１と、外枠１１の一方の第一の辺１１ａ内側の略中点から第２の軸１９方向に延出した短冊状の支持梁１２と、外枠のもう一方の第一の辺１１ａ内側から延出したミアンダ形状の第１の駆動部１３と、中央部に反射面１４を有し支持梁１２と駆動部１３に接続される可動板１５を有している。また、ミアンダ形状の第１の駆動部１３は、圧電アクチュエータ１６と湾曲部１７から構成されており、可動板１５における第２の軸１９周りの回転動作を実現する。
【００１６】
次に、本発明の実施例１における光学反射素子の部材の組成について以下に説明する。
【００１７】
本発明の実施例１における光学反射素子は、シリコンなどの弾性強度、機械的強度及びヤング率が高い弾性部材を基板材料としている。
【００１８】
図２に図１のＡ−Ａ線における圧電アクチュエータ１６の断面図を示す。圧電アクチュエータ１６は、シリコン基材２０上に積層されたシリコン酸化膜２１と、シリコン酸化膜２１上に積層された下部電極層２２と、下部電極層２２上に積層された圧電体層２３と、圧電体層２３上に積層された上部電極層２４とで形成されている。
【００１９】
なお、各層の材料は、下部電極層２２が白金、上部電極層２４が金、圧電体層２３がチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ（Ｚｒx，Ｔｉ1-x）Ｏ3で、ｘ＝０．５２５）等の圧電材料で形成されている。また、これらは蒸着、ゾルゲル、ＣＶＤ、スパッタ法などの薄膜プロセスにより一括して形成することができ、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング技術により微細なパターンを正確に加工することができる。
【００２０】
そして、可動板１５は、シリコンなどの基材２０で構成されており、中央部に反射面１４を有している。反射面１４はレーザ光線などの光を反射するための反射膜として、銀を主成分とする金属薄膜が、蒸着、スパッタ法などの薄膜プロセスにより形成されている。
【００２１】
次に、圧電アクチュエータ１６を用いた本発明の実施例１の駆動方法について説明する。
【００２２】
図１に示す第１の駆動部１３の圧電アクチュエータ１６部分に、複数の周波数成分を持った電圧を印加する。これにより、圧電アクチュエータ１６が下に凸、あるいは上に凸に湾曲するように変位する。
【００２３】
このとき、隣接する圧電アクチュエータ１６に印加する電圧の位相を逆位相とすることにより、それぞれが対称的な駆動をする。すなわち、隣接する圧電アクチュエータ１６は１８０度異なる方向に変位駆動する。
【００２４】
このように、ミアンダ構造では隣接する圧電アクチュエータ１６が１８０度異なる方向に変位するため、その回転軸周りに変位が蓄積され、図３に示すように可動板１５の変位を得ることができる。
【００２５】
次に、本発明のポイントである可動板１５の第２の軸１９周りの回転動作における振幅の低下を招かずに、反射面１４の法線方向へ可動板５が振動する動作モードの共振周波数を向上させるための支持梁１２の効果について説明する。
【００２６】
第１の駆動部１３により可動板１５を回転角Ψだけ回転動作を行った際の支持梁１２のねじれ変形を、可動板１５と接する面と外枠１１に接する面の間に生じるねじりモーメントＴにより回転角Ψだけねじれたと記述することができる。外枠１１の第二の辺１１ｂ方向の支持梁１２の長さをｌとすると、単位長さあたりのねじれ角θを（１）式
θ＝Ψ／ｌ                （１）
と表すことができ、この単位長さあたりのねじれ角θとねじりモーメントＴとの関係を（２）式
Ｔ＝Ｇ・Ｉｐ・θ          （２）
と表すことができる。このとき、Ｇは支持梁１２の横弾性係数、Ｉｐは支持梁１２の断面二次極モーメントであり、これらを掛け合わせたＧ・Ｉｐをねじり剛性と呼ぶ。（２）式に示すように、ねじり剛性はねじり難さを示す物理指標である。支持梁１２の横弾性係数は材質により決定される値であり、断面二次極モーメントは構造から決定される。図４に図１のＢ−Ｂ線における支持梁１２の断面図を示す。外枠１１の第一の辺１１ａ方向の長さをａ、反射面１４の法線方向への支持梁１２の厚みをｂとし、これらの関係が（３）式
ａ＜ｂ                    （３）
を満たすとき、断面二次極モーメントＩｐは（４）式
Ｉｐ＝ｆ・ａ＾３・ｂ      （４）
で表される。このときｆは、弾性論において級数解によって求められている係数であり、ａとｂの比で変動し、ｂ／ａ＝５のときｆ＝０．２９０であり、ｂ／ａ＝１０のときｆ＝０．３１３であり、ｂ／ａが大きくなるにつれてその値は１／３に近づいていく。
【００２７】
一方、反射面１４の法線方向へ可動板１５が変位する際の支持梁１２の曲げ変形を、支持梁１２に生じる曲げモーメントと、図４においてｂ／２の位置を結ぶ線分Ｃ―Ｃを含み反射面１４と平行な面の、支持梁１２の曲げ変形に伴う曲率半径ρを用いて、（５）式
Ｍ＝Ｅ・Ｉ・１／ρ        （５）
と表すことできる。このとき、Ｅは支持梁１２の材質の縦弾性係数、Ｉは支持梁１２の断面二次モーメントであり、これらを掛け合わせたＥ・Ｉを曲げ剛性と呼ぶ。（５）式に示すように、曲げ剛性は曲げ難さを示す物理指標である。一般的に、剛性の増加に伴い、その構造体の共振周波数も増加する。したがって、反射面１４の法線方向への可動板１５の変位を伴う動作モードの共振周波数を向上させるためには、構造体の曲げ剛性を高める必要がある。支持梁１２の縦弾性係数は材質により決定される値であり、断面二次モーメントは構造から決定される。断面二次モーメントは図４のａ，ｂを用いて（６）式
Ｉ＝１／１２・ａ・ｂ＾３  （６）
で表される。
【００２８】
ここで、支持梁１２の構造を、ａの値に比べてｂの値を大きく設計すれば、Ｉｐに比べてＩを選択的に増加させることができ、ねじり剛性に比べて曲げ剛性を選択的に増加させることができる。
【００２９】
したがって、本発明の目的である可動板１５の第２の軸１９周りの回転動作における振幅の低下を招かずに、反射面１４の法線方向へ可動板１５が振動する動作モードの共振周波数を向上させることができる。
【００３０】
なお、駆動梁の曲げ剛性に比べ支持梁１２の曲げ剛性が高い場合、光学反射素子の曲げ剛性において支持梁１２の曲げ剛性が支配的となり、本効果を高めることができる。また、ｂの値をａの値よりも大きく設計するほど、ねじり剛性に比べてより選択的に曲げ剛性が向上する。
【００３１】
（実施例２）
本発明の実施例２と本発明の実施例１の異なる点である第１の駆動部１３と支持梁１２の配置について図を用いながら説明する。
【００３２】
図５は本発明の実施例２における光学反射素子の平面図を示している。図５に示すように、本発明の実施例２における光学反射素子は、第１の軸１８に平行な第一の辺１１ａと、第１の軸１８に略直交した第２の軸１９に平行な第二の辺１１ｂを有した方形状の外枠１１と、外枠１１の第一の辺１１ａ内側から延出した一対のミアンダ形状の第１の駆動部１３と、外枠１１の第一の辺１１ａ内側の略中点から外枠１１の第２の軸１９方向に延出した一対の短冊状の支持梁１２と、中央部に反射面１４を有し支持梁１２と駆動部１３に接続される可動板１５を有している。また、図６には、第２の軸１９方向における断面図を示す。図６に示すように、支持梁１２は第１の駆動部１３の下方に位置している。
【００３３】
次に実施例２における光学反射素子の製造方法を以下に説明する。
【００３４】
まず、図７（ａ）に示すようにＳｉ基板２０ａ、Ｓｉ基板２０ｃ、Ｓｉ基板２０ｅとＳｉＯ2からなる犠牲層２０ｂ、犠牲層２０ｄから構成される基材２０上の一面にＰｔからなる下部金属層２２と、ＰＺＴからなる圧電膜２３と、Ａｕからなる上部金属層２４をスパッタ等により順に積層する。
【００３５】
次に弾性樹脂層をエッチングマスクとして用い、ＩＣＰドライエッチングによってＰｔからなる下部金属層２２と、ＰＺＴからなる圧電膜２３と、Ａｕからなる上部金属層２４の一部を除去し、図７（ｂ）に示すように、圧電アクチュエータ１６を形成する。
【００３６】
次に、図７（ｃ）に示すように、Ａｇを主成分とする反射膜を成膜し、反射面１４を形成する。
【００３７】
次に、図７（ｄ）に示すように、Ｓｉ基板２０ａ及びＳｉ基板２０ｅをエッチング処理し、支持梁１２及び第１の駆動部１３を形成する。ただし、この時点で支持梁１２と第１の駆動部１３は犠牲層２０ｂを介して接続されている。
【００３８】
最後に、図７（ｅ）に示すように、ＳｉＯ2からなる犠牲層２０ｂ、犠牲層２０ｄをエッチング処理し、支持梁１２と第１の駆動部１３を分離する。
【００３９】
以上のようなプロセスにより、支持梁１２を第１の駆動部１３の下方に位置させる構造を実現できる。
【００４０】
圧電アクチュエータにおける駆動力は圧電体の面積に比例し、駆動力が大きいほど光学反射素子においては大きな振れ角を得ることができる。本発明の実施例２の構成では、第１の駆動部１３と支持梁１２を鉛直方向に配置しているため、駆動部の面積を大きくしつつ支持梁１２を設けることができる。これにより、素子サイズを大きくすることなく曲げ剛性を高めることができ、光学反射素子の小型化が可能となる。
【００４１】
（実施例３）
本発明の実施例３と本発明の実施例１の異なる点である可動板３０の構成について図を用いながら説明する。
【００４２】
図８には、可動板３０の平面図を示す。図８に示すように、可動板３０は、第１の軸１８に平行な第三の辺３０ａと、第１の軸１８に略直交した第２の軸１９に平行な第四の辺３０ｂを有した方形枠状の支持体３１と、この支持体３１の内側の対向部分にそれぞれの外端が支持された一対の第２の駆動部３２と、この第２の駆動部３２のそれぞれの内端が、第１の軸１８上で支持したミラー部３４を備えている。第２の駆動部３２は、湾曲部３５と圧電アクチュエータ３６と振動板３７から構成されており、ミラー部３４は、反射面１４を有している。
【００４３】
次に、可動板３０の組成について以下に説明する。
【００４４】
可動板３０は、シリコンなどの弾性、機械的強度および高いヤング率を有する弾性部材を基板材料としている。また、圧電アクチュエータ３６は、図２で説明した圧電アクチュエータ１６と同様に、シリコン基材２０上に積層されたシリコン酸化膜２１と、シリコン酸化膜２１上に積層された下部電極層２２と、下部電極層２２上に積層された圧電体層２３と、圧電体層２３上に積層された上部電極層２４とを備えている。
【００４５】
次に、可動板３０の動作について以下に説明する。
【００４６】
まず、図８に示す第２の駆動部３２の圧電アクチュエータ３６部分に、この光学反射素子の共振周波数の交流電圧を印加する。これにより、圧電アクチュエータ３６が下に凸、あるいは上に凸に湾曲するように変位する。
【００４７】
このとき、隣接する振動板３７が共振の原理により、圧電アクチュエータ３６と対称的な駆動をする。すなわち、振動板３７は圧電アクチュエータ３６と１８０度異なる方向に変位駆動する。
【００４８】
このように、ミアンダ構造では隣接する振動板３７と圧電アクチュエータ３６が１８０度異なる方向に変位するため、その第２の軸３３周りに変位が蓄積され、ミラー部３４の変位を得ることができる。
【００４９】
本発明の実施例３の構造は、可動板３０が第２の軸３３方向に第２の駆動部３２を備えているため、ミラー部３４を２軸同時に回動させることが可能であり、単一の光学反射素子でラスタースキャン方式での走査が可能となり、システムの小型化が実現できる。
【００５０】
（実施例４）
本発明の実施例４と本発明の実施例１の異なる点である可動板４０の構成について図を用いながら説明する。
【００５１】
図９に示すように、本発明の実施例４における光学反射素子は、第１の軸１８に平行な第三の辺４０ａと、第１の軸１８に略直交した第２の軸３３に平行な第二の辺４０ｂを有した方形枠状の支持体４１、第一の支持部４２ａ、４２ｂ、第一のアーム４３ａ、４３ｂ、第二のアーム４４ａ、４４ｂおよび連結部４５ａ、４５ｂからなる二つの音叉振動子４６ａ、４６ｂを有している。また、第一の支持部４２ａ、４２ｂの一端を支持体４１に固定し、音叉振動子４６ａ、４６ｂの振動中心４７ａ、４７ｂに二つの第二の支持部４８ａ、４８ｂの一端を固定し、第二の支持部４８ａ、４８ｂの他端にレーザ光線などの光を反射するための反射面１４を含むミラー部３４を有している。また、二つの音叉振動子４６ａ、４６ｂをミラー部３４に対向配置させるとともに、二つの振動中心４７ａ、４７ｂとミラー部３４の第２の軸３３とを同一直線上に配置した構成を特徴としている。
【００５２】
次に、圧電アクチュエータ４９を用いた本発明の実施例４の駆動方法について説明する。
【００５３】
図１０に可動板４０の駆動の様子を図示する。ミラー部３４を中心とし、ミラー部３４の第２の軸３３の同一線上に音叉振動子４６ａ、４６ｂを対向配置し、二つの音叉振動子４６ａ、４６ｂの第一のアーム４３ａ、４３ｂと第二のアーム４４ａ、４４ｂの位相が１８０度異なる方向に撓むように圧電アクチュエータ４９に電圧を印加する。この二つの音叉振動子４６ａ，４６ｂの振動エネルギーを利用して第二の支持部４８ａ、ミラー部３４および第二の支持部４８ｂとで構成した捩れ振動子に捩れ振動を起こさせることができる。この捩れ振動によって、ミラー部３４の反復回転振動を実現する。
【００５４】
本発明の実施例４の構造では、可動板４０を第２の軸３３方向に回動させることが可能であり、ミラー部３４を２軸同時に回動させることができる。これにより、単一の光学反射素子でラスタースキャン方式での走査が可能となり、システムの小型化が実現できる。
【産業上の利用可能性】
【００５５】
本発明の光学反射素子は、プロジェクタやヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなど、画像投影装置に有用である。
【符号の説明】
【００５６】
１１  外枠
１１ａ  第一の辺
１１ｂ  第二の辺
１２  支持梁
１３  第１の駆動部
１４  反射面
１５、３０、４０  可動板
１６、３６、４９  圧電アクチュエータ
１７、３５  湾曲部
１８  第１の軸
１９  第２の軸
２０  基材
２１  酸化膜
２２  下部電極層
２３  圧電体層
２４  上部電極層
３０ａ、４０ａ  第三の辺
３０ｂ、４０ｂ  第四の辺
３１、４１  支持体
３２  第２の駆動部
３４  ミラー部
３７  振動板
４２ａ、４２ｂ  第一の支持部
４３ａ、４３ｂ  第一のアーム
４４ａ、４４ｂ  第二のアーム
４５ａ、４５ｂ  連結部
４６ａ、４６ｂ  音叉振動子
４７ａ、４７ｂ  振動中心
４８ａ、４８ｂ  第二の支持部
【図１】
2013186224.tif 000003
【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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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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