(57)【要約】【課題】本発明は、二軸で光束を走査するアクチュエータに発生する不要振動を低減し、鮮明な画像を投影することが出来る光学反射素子を提供することを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために本発明は、第一の枠体２２と、第一の枠体２２の内側の対向部分にそれぞれの一端が支持された一対の第一の振動部２３と、第一の振動部２３のそれぞれの他端で、接続部２４を介して支持された第二の枠体２５と、第二の枠体２５の内側の第一の振動部２３の振動軸と略直交する方向の対向部分にそれぞれの一端が支持された一対の第二の振動部２６と、第二の振動部２６のそれぞれの他端で支持されたミラー部を備え、接続部２４が樹脂層を有している。【選択図】図２
2013214023.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の枠体と、
第一の枠体の内側の対向部分にそれぞれの一端が支持された一対の第一の振動部と、
前記第一の振動部のそれぞれの他端で、接続部を介して支持された第二の枠体と、
前記第二の枠体の内側の前記第一の振動部の振動軸と略直交する方向の対向部分にそれぞれの一端が支持された一対の第二の振動部と、
前記第二の振動部のそれぞれの他端で支持されたミラー部を備え、
前記接続部が樹脂層を有していることを特徴とした光学反射素子。
【請求項２】
前記接続部は、
樹脂材料で形成された接続部第一層と、
前記接続部第一層より剛性の高い材料で形成された接続部第二層を積層して構成され、
前記接続部第一層は、前記第一の振動部、前記第二の枠体及び接続部第二層のいずれか二つの部位で厚み方向に挟まれていることを特徴とする請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項３】
第一の枠体と、
前記第一の枠体の内側の対向部分にそれぞれの一端が支持された一対の第一の振動部と、
前記第一の振動部のそれぞれの他端で支持された第二の枠体と、
前記第二の枠体の内側の前記第一の振動部の振動軸と略直交する方向の対向部分にそれぞれの外端が支持された一対の第二の振動部と、
前記第二の振動部のそれぞれの内端で支持されたミラー部を備え、
前記第一の振動部を形成している振動板は、無機材料層と樹脂層を積層して構成され、
前記第一の振動部と前記第二の枠体は、前記樹脂層で接続されていることを特徴とした光学反射素子。
【請求項４】
前記第一の振動部または前記第二の振動部のうち、少なくとも第一の振動部がミアンダ形状に形成されていることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載の光学反射素子。
【請求項５】
前記樹脂層は、フィラー状の無機材料を有する樹脂材料であることを特徴とした請求項１から請求項４のいずれか一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、レーザ光を用いた光学反射装置等に用いられる光学反射素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）技術を用いて、レーザ光を走査しスクリーン等に画像を投影する光学反射素子が開発されている。画像を投影するには、その光学反射素子を用いてレーザ光を２次元に走査する必要がある。
【０００３】
従来の光学反射素子１は、図７に示すように、第一の枠体２と、第一の枠体２の内側に一端を対向するように接続された一対の第一の振動部３と、一対の第一の振動部３の他端に接続された第二の枠体４と、第二の枠体４の内側に一端を対向するように接続された第二の振動部５と、一対の第二の振動部５の他端に接続されたミラー部６で構成されており、第一の振動部３と第二の振動部５の回転軸（第一の回転軸７および第二の回転軸８）は略直交する方向に形成されている。また、一対の第一の振動部３は第二の回転軸８に平行な第二の枠体４の辺と接続されている。
【０００４】
第一の振動部３と第二の振動部５は、図７に示すように、音叉形状としており、音叉形振動子９と、回転軸上の第一の支持部１０および第二の支持部１１で構成される。第一の振動部３における音叉形振動子９は、第一の支持部１０により第二の枠体４と連結され、第二の支持部１１により第一の枠体２と連結される。第二の振動部５における音叉形振動子９は、第一の支持部１０によりミラー部６と連結され、第二の支持部１１により第二の枠体４と連結される。音叉形振動子９は、アーム部１２を有しており、アーム部１２の上部には、絶縁膜１３と、その絶縁膜１３の上部に設けられた下部電極層１４と、下部電極層１４の上部に設けられた圧電体層１５と、圧電体層１５の上部に設けられた上部電極層１６からなる圧電アクチュエータ１７が形成されており、これら圧電アクチュエータ１７を、回転軸に対して逆方向に変位させることで、回転動作を実現している。この変位を利用したものとして、レーザ光を走査する光学反射素子などがある。
【０００５】
なお、この出願に関する光学反射素子を開示するものとして、例えば、特許文献１が挙げられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−１９２７８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上記構成の光学反射素子１は、第二の回転軸８周りに動作する第二の振動部５の振動が第二の枠体４を通して第一の回転軸７周りに動作する第一の振動部３に伝達される。特に、第一の振動部３の剛性が低い場合には、第一の回転軸７周りに動作する第一の振動部３が不要な振動をし、光学反射素子１によって投影される画像が不鮮明になるという課題があった。
【０００８】
そこで本発明は、第二の回転軸周りに動作する第二の振動部から第一の回転軸周りに動作する第一の振動部に伝達される不要振動を低減し、鮮明な画像を投影することが出来る光学反射素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために本発明は、第一の枠体と、第一の枠体の内側の対向部分にそれぞれの一端が支持された一対の第一の振動部と、前記第一の振動部のそれぞれの他端で、接続部を介して支持された第二の枠体と、前記第二の枠体の内側の前記第一の振動部の振動軸と略直交する方向の対向部分にそれぞれの一端が支持された一対の第二の振動部と、前記第二の振動部のそれぞれの他端で支持されたミラー部を備え、前記接続部が樹脂層を有した構成とした。
【００１０】
また、本発明の光学反射素子の別の態様の一つによれば、第一の枠体と、第一の枠体の内側の対向部分にそれぞれの一端が支持された一対の第一の振動部と、第一の振動部のそれぞれの他端で支持された第二の枠体と、第二の枠体の内側の前記第一の振動部の振動軸と略直交する方向の対向部分にそれぞれの外端が支持された一対の第二の振動部と、第二の振動部のそれぞれの内端で支持されたミラー部を備え、第一の振動部を形成している振動板は、無機材料層と樹脂層を積層して構成され、第一の振動部と前記第二の枠体は、前記樹脂層で接続した構成とした。
【発明の効果】
【００１１】
上記構成により、第二の振動部の振動が、接続部に存在する樹脂層によって緩和され、第二の振動部の振動が第一の振動部に伝達されることを低減することができ、その結果、鮮明な画像を投影する光学反射素子が実現できる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の実施の形態１における光学反射素子の上面図
【図２】本発明の実施の形態１における光学反射素子の接続部の断面図
【図３】本発明の実施の形態１の別の形態における光学反射素子の接続部の断面図
【図４】本発明の実施の形態２における光学反射素子の接続部の断面図
【図５】本発明の実施の形態２の別の形態における光学反射素子の接続部の断面図
【図６】本発明の実施の形態３における光学反射素子の斜視図
【図７】従来の光学反射素子の上面図
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、実施の形態１を用いて、本発明の特に請求項１、５に記載の発明について説明する。
【００１４】
（実施の形態１）
図１は、本発明の実施の形態１の光学反射素子２１の上面図を示している。図１において、光学反射素子２１は、第一の枠体２２と、第一の枠体２２の内側に一端を対向するように接続された一対の第一の振動部２３と、一対の第一の振動部２３の他端に、樹脂材料から成る接続部２４を介して接続された第二の枠体２５と、第二の枠体２５の内側に一端を対向するように接続された第二の振動部２６と、一対の第二の振動部２６の他端に接続されたミラー部２７で構成されている。そして、第一の振動部２３と第二の振動部２６の回転軸（第一の回転軸２８および第二の回転軸２９）は略直交する方向に形成されている。また、一対の第一の振動部２３は第二の回転軸２９に平行な第二の枠体２５の辺と接続されている。
【００１５】
そして、第一の振動部２３と第二の振動部２６は、図１に示すように、音叉形状としており、音叉形振動子３０と、回転軸上の第一の支持部３１および第二の支持部３２で構成される。第一の振動部２３における音叉形振動子３０は、第一の支持部３１により樹脂材料から成る接続部２４を介して第二の枠体２５と連結され、第二の支持部３２により第一の枠体２２と連結される。第二の振動部２６における音叉形振動子３０は、第一の支持部３１によりミラー部２７と連結され、第二の支持部３２により第二の枠体２５と連結される。
【００１６】
また、音叉形振動子３０は、両端に第一のアーム部３３と第二のアーム部３４を有しており、第一のアーム部３３、第二のアーム部３４の上部には、絶縁膜３５と、その絶縁膜３５の上部に設けられた下部電極層３６と、下部電極層３６の上部に設けられた圧電体層３７と、圧電体層３７の上部に設けられた上部電極層３８からなる圧電アクチュエータ３９が形成されている。
【００１７】
そして、本実施の形態では、図１に示す光学反射素子２１の基材は、シリコンとした。基材については、金属、ガラス、またはセラミック基板などの弾性、機械的強度および高いヤング率を有する材料で構成することが生産性の観点からは好ましく、例えば、金属、水晶、ガラス、石英、またはセラミック材料を用いることが機械的特性と入手性の観点から好ましい。さらに、シリコン、チタン、ステンレス、エリンバー、黄銅合金などの金属を用いれば、振動特性、加工性に優れた光学反射素子２１を実現できる。
【００１８】
また、圧電アクチュエータ３９については、下部電極層３６と上部電極層３８を熱的に安定な白金、圧電体層３７を高い圧電定数を有するチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）とし、接続部２４については、加工性の観点から感光性を有するエポキシ樹脂を用いた。
【００１９】
次に、本実施の形態における動作原理について説明する。
【００２０】
図１に示す下部電極層３６と上部電極層３８との間に交流の駆動電圧を引加すると、圧電体層３７が面方向に伸縮し、第一のアーム部３３と第二のアーム部３４が基材表面に対して垂直方向に撓み振動する。
【００２１】
ここで、第一のアーム部３３と第二のアーム部３４に形成したそれぞれの圧電アクチュエータ３９に、正負反対の駆動信号を印加することによって、第一のアーム部３３と第二のアーム部３４は逆方向に撓み振動し、その振動エネルギーは音叉形振動子３０から第一の支持部３１へと伝搬され、第一の支持部３１は第二の回転軸２９を中心に捩れ振動する。このことから、ミラー部２７および第二の枠体２５は第一の回転軸２８を中心に反復回転振動することとなる。
【００２２】
なお、本実施の形態では、第一の回転軸２８と第二の回転軸２９が垂直な関係にあるため、ミラー部２７にレーザ光源またはＬＥＤ光源などから発生させた光線を入力し、回転振動するミラー部２７で反射させることにより、反射光をスクリーン上へ二次元に走査させることができる。
【００２３】
ここで、接続部の効果について説明する。
【００２４】
従来、第二の回転軸周りに動作する第二の振動部の振動が第二の枠体を通して第一の回転軸周りに動作する第一の振動部に伝達され、特に第一の振動部の剛性が低い場合には、第一の回転軸周りに動作する第一の振動部が不要な振動をし、光学反射素子によって投影される画像が不鮮明になるという課題を有していた。
【００２５】
そこで、本実施の形態では、第一の振動部２３を、樹脂材料から成る接続部２４を介して第二の枠体２５へ接続した構成とした。本構成にすることにより、基材に比べて極端に剛性の低い樹脂材料を介することにより、第二の振動部２６の振動が発端となって第二の枠体２５で生じる振動が、第一の振動部２３へ伝達することを抑制することができる。このとき、本来必要とする第一の振動部２３の振動により第二の枠体２５を反復回転振動させる効率も低下するが、意図的に発生させる第一の振動部２３の振動量が、課題となる第二の枠体２５の振動量に比べて極端に大きくなるため、結果的に第一の振動部２３において不要な振動を生じることなく、第一の回転軸２８および第二の回転軸２９周りに同時に回転動作することが可能となる。
【００２６】
なお、接続の仕方については、図２に示した接続部の断面図（図１のＡ−Ａ）のように、第一の振動部２３と第二の枠体２５の側面同士で接続した場合であっても、図３に示した接続部の断面図（図１のＡ−Ａ）のように上面同士を接続した場合であっても、同様の効果が得られる。
【００２７】
ここで、樹脂層を、フィラー状の窒化アルミニウムのような無機材料を混合したエポキシ樹脂で構成することにより、樹脂層の材料特性を所望の値に制御することが可能となり、設計の自由度を高めることができる。さらには、駆動時に発生する熱が課題となるような用途においては、本実施の形態において最も放熱性が悪化する接続部２４の放熱性を向上させることができる。
【００２８】
以下、実施の形態２を用いて、本発明の特に請求項２に記載の発明について説明する。
【００２９】
（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、図４に示した接続部２４の断面図（図１のＡ−Ａ）に示すように、接続部２４を、樹脂材料で形成された接続部第一層２４Ａと、接続部第一層２４Ａより剛性の高い材料で形成された接続部第二層２４Ｂを積層した構成とした点である。接続部第一層２４Ａは、第一の振動部２３の上面で接続部第二層２４Ｂの下面と厚み方向に挟まれており、かつ第二の枠体２５の上面で接続部第二層２４Ｂの下面と厚み方向に挟まれている。
【００３０】
本実施の形態では、接続部２４を有さず直接的に第一の振動部２３と第二の枠体２５を接続する場合と同程度に、平面方向の剛性を維持しながら、第二の振動部２６の振動が発端となって第二の枠体２５で生じる振動が、第一の振動部２３へ伝達することを抑制することができる。なお、平面方向の剛性が低下した場合には、第一の振動部２３の固有振動数が低下することとなり、外乱振動の影響を受けやすくなることから、デバイスとして機能しないといった課題に繋がる。そのため、本実施の形態は、第一の振動部２３の従来の性能を維持しながら、不要な振動を抑制することが可能な形態といえる。
【００３１】
また、同様の効果が得られる別の形態として、図５に示すように、接続部第二層２４Ｂと第一の振動部２３を同一の材料として、接続部第一層２４Ａが、接続部第二層２４Ｂの下面と第二の枠体２５の上面で厚み方向に挟まれた構成としてもよく、本実施の形態においても同様の効果が得られる。
【００３２】
次に実施の形態３を用いて、本発明の特に請求項３、４に記載の発明について説明する。
【００３３】
（実施の形態３）
図６に示すように、本実施の形態における光学反射素子４１では、第一の枠体４２と、この第一の枠体４２の対向する二辺の内側に、それぞれの外端が支持された一対の第一のミアンダ形振動部４３と、この第一のミアンダ形振動部４３のそれぞれの内端で支持した第二の枠体４４と、この第二の枠体４４の対向する二辺の内側で、第一のミアンダ形振動部４３の第一の回転軸４７と直交した対向部分にそれぞれの外端が支持された一対の第二のミアンダ形振動部４５と、この第二のミアンダ形振動部４５のそれぞれの内端で支持したミラー部４６とを備えている。
【００３４】
そして、一対の第一のミアンダ形振動部４３はＸ軸方向にほぼ平行に延設されている。そしてこれらの第一のミアンダ形振動部４３はミラー部４６のほぼ中心を通る、共通の第一の回転軸４７を有し、その第一の回転軸４７と交差する複数の第一のミアンダ形振動部４３が、同一平面上で折り返し連結されたミアンダ形状である。
【００３５】
また、一対の第二のミアンダ形振動部４５はＹ軸方向にほぼ平行に延設されている。そしてこれらの第二のミアンダ形振動部４５はミラー部４６のほぼ中心を通る、共通の第二の回転軸４８を有し、その第二の回転軸４８と交差する複数の第二のミアンダ形振動部４５が、同一平面上で折り返し連結されたミアンダ形状である。
【００３６】
そして第二の回転軸４８と第一の回転軸４７とは、ミラー部４６のほぼ中心で直交する関係にある。また一対の第一のミアンダ形振動部４３は第二の振動軸４８に対して線対称形であり、一対の第二のミアンダ形振動部４５は第一の回転軸４７に対して線対称形である。
【００３７】
ここで、第一のミアンダ形振動部４３は、第一のミアンダ形振動部樹脂層４９と、第一のミアンダ形振動部樹脂層４９の上面に形成された第一のミアンダ形振動部無機材料層５０から構成されており、第一のミアンダ形振動部４３は、第二の枠体４４と、第一のミアンダ形振動部樹脂層４９で接続されている。
【００３８】
また、第一のミアンダ形振動部４３の第一のミアンダ形振動部樹脂層４９に接して駆動部５１が形成され、駆動部５１は下部電極層５２と、下部電極層５２上に形成された圧電体層５３と、圧電体層５３上に形成された上部電極層５４から構成されている。また、第二のミアンダ形振動部４５にも、別の駆動部５１が接して形成されている。
【００３９】
ここで、下部電極層５２と上部電極層５４の間に電界を印加した場合には、逆圧電効果により圧電体層５３が平面方向に伸縮する。この時、圧電体層５３にて発生した力は、第一のミアンダ形振動部４３、及び第二のミアンダ形振動部４５の厚み方向にモーメントとして働き、第一のミアンダ形振動部４３、及び第二のミアンダ形振動部４５は厚み方向に撓む。このとき、第一のミアンダ形振動部４３、及び第二のミアンダ形振動部４５上の駆動部５１に対し、ミアンダ形状の折り返し毎に、逆方向へ電界を印加することで、Ｘ軸方向、及びＹ軸方向に沿って生じる撓みが重畳され、ミラー部４６が、第一の回転軸４７及び第二の回転軸４８を中心に、二軸方向へ回転動作する。
【００４０】
本実施の形態では、第一のミアンダ形振動部４３の全面に、樹脂材料から成る第一のミアンダ形振動部樹脂層４９を有し、第一のミアンダ形振動部４３は、第二の枠体４４と、第一のミアンダ形振動部樹脂層４９で接続した構成とした。本構成によれば、基材に比べて極端に剛性の低い樹脂材料が第一のミアンダ形振動部４３の全面に存在することにより、第二のミアンダ形振動部４５の振動が発端となって第二の枠体４４で生じる振動が、第一のミアンダ形振動部４３へ伝達することを抑制することができ、実施の形態１、２に比べてその効果が大きい。さらに、第一のミアンダ形振動部樹脂層４９の縦弾性係数が、第一のミアンダ形振動部無機材料層５０の縦弾性係数に比べて小さく、撓みの中立面から圧電体層５３までの距離を大きくすることが可能となることから、圧電体層５３にて生じる力を効率的に撓みへ変換することができ、回転動作の効率が向上する。また、実施の形態１、２では、第一の振動部で発生した捩れ振動を、接続部を介して伝えることにより、第二の枠体の回転動作を実現しており、接続部でも捩れ振動が生じるため回転動作の効率低下が発生するが、本実施の形態においては第一のミアンダ形振動部４３と第二の枠体４４が接続される部分において捩れ振動が発生しないことから、第一のミアンダ形振動部４３の振動により第二の枠体４４を反復回転振動させる効率を低下させることなく、第二のミアンダ形振動部４５の振動が発端となって第二の枠体４４で生じる振動が、第一のミアンダ形振動部４３へ伝達することを抑制することができる。
【産業上の利用可能性】
【００４１】
本発明の光学反射素子は、第二の振動部の振動が第一の振動部に伝達されることを低減することができるため、第一の回転軸および第二の回転軸周りに同時に回転動作することが可能となる。そのため、鮮明な画像を投影することが可能な、モバイルプロジェクタやヘッドマウントディスプレイなどの小型画像投影装置に有用である。
【符号の説明】
【００４２】
２１、４１  光学反射素子
２２、４２  第一の枠体
２３  第一の振動部
２４  接続部
２４Ａ  接続部第一層
２４Ｂ  接続部第二層
２５、４４  第二の枠体
２６  第二の振動部
２７、４６  ミラー部
２８、４７  第一の回転軸
２９、４８  第二の回転軸
３０  音叉形振動子
３１  第一の支持部
３２  第二の支持部
３３  第一のアーム部
３４  第二のアーム部
３５  絶縁膜
３６、５２  下部電極層
３７、５３  圧電体層
３８、５４  上部電極層
３９  圧電アクチュエータ
４３  第一のミアンダ形振動部
４５  第二のミアンダ形振動部
４９  第一のミアンダ形振動部樹脂層
５０  第一のミアンダ形振動部無機材料層
５１  駆動部
【図１】
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【図２】
2013214023.tif 000004
【図３】
2013214023.tif 000005
【図４】
2013214023.tif 000006
【図５】
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【図６】
2013214023.tif 000008
【図７】
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