(57)【要約】【課題】本発明は二軸駆動の光学反射素子において、振動の周波数比を大きく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本発明は、ミラー部１と、このミラー部１と支持部２で連結された音叉形振動子３と、この音叉形振動子３と支持部５で連結され、音叉形振動子３およびミラー部１の外周を囲う枠体６と、この枠体６を介して対向し、この枠体６とそれぞれ支持部７で連結される対の音叉形振動子８と、これらの音叉形振動子８とそれぞれ支持部１０で連結された支持体１１とを備え、音叉形振動子３の回転軸１８と音叉形振動子５の回転軸１７とは垂直な関係であって、音叉形振動子８のアーム１４、１５の先端には、それぞれ外側へ突出する突起部１６Ａ、１６Ｂが形成されているものとした。これにより本発明は、二軸駆動の光学反射素子において、振動の周波数比を大きくすることができる。【選択図】図１
2009223115.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラー部と、
このミラー部と第一の支持部で連結された第一の音叉形振動子と、
この第一の音叉形振動子と第二の支持部で連結され、前記第一の音叉形振動子および前記ミラー部の外周を囲う枠体と、
この枠体を介して対向し、この枠体とそれぞれ第三の支持部で連結される対の第二の音叉形振動子と、
これらの第二の音叉形振動子とそれぞれ第四の支持部で連結された支持体とを備え、
前記第一の音叉形振動子の回転軸と前記第二の音叉形振動子の回転軸とは垂直な関係であって、
前記第一の音叉形振動子は第一のアームおよび第二のアームを有し、
前記第二の音叉形振動子は第三のアームおよび第四のアームを有し、
これらの第三のアームと第四のアームの先端には、それぞれ外側へ突出する突起部が形成されている光学反射素子。
【請求項２】
前記突起部は、前記第三のアームおよび第四のアームの先端からそれぞれ折り返し、これらの第三のアームまたは第四のアームにほぼ平行に延伸している請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項３】
前記第三のアームおよび第四のアームに形成された前記突起部は、
互いに前記第二の音叉形振動子の回転軸に対して線対称に形成されている請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項４】
前記第一の音叉形振動子は、
前記ミラー部を介して対向するように二つ配置されている請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項５】
前記第一の音叉形振動子は、
前記第一のアームと第二のアームを、位相が１８０度異なる方向に撓み振動させ、その回転軸を中心に捩り振動するように駆動させるとともに、
前記第二の音叉形振動子は、
前記第三のアームと第四のアームを、位相が１８０度異なる方向に撓み振動させ、
その回転軸を中心に捩り振動するように駆動させる請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項６】
前記第一の音叉形振動子の共振周波数と、前記ミラー部と第一の支持部とで構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数であり、
前記第二の音叉形振動子の共振周波数と、前記枠体と第三の支持部とで構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数とした請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項７】
前記第一のアームと第二のアームの少なくともいずれか一方と、
前記第三のアームと第四のアームの少なくともいずれか一方には、圧電アクチュエータが設けられている請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項８】
前記第一のアームと第二のアームの先端の間隔が、
この第一のアーム、第二のアームに垂直な、ミラー部の最大長さよりも短いものとした請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項９】
前記第一のアームおよび第二のアームと、これらの第一のアームと第二のアームとの間に配置された前記第一の支持部とを繋ぐ第五の支持部を有する請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項１０】
前記第五の支持部は、
前記ミラー部よりも前記第一の音叉形振動子の振動中心側であって、
前記ミラー部と第一の支持部とからなる捩り振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けられた請求項９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、レーザーディスプレイなどに用いられる光学反射素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
図１０に従来の圧電駆動式光学反射素子の一例を示す。この光学反射素子は、ミラー部１０１と、このミラー部１０１の両端に接続された第一のトーション梁１０２を介し、ミラー部１０１を支持する枠体１０３と、この枠体１０３の両端に接続されると共に第一のトーション梁１０２と軸方向が直交する、第二のトーション梁１０４を介し、枠体１０３を支持する支持体１０５とを備えている。
【０００３】
また第一のトーション梁１０２の両側には、その一端をミラー部１０１に連結され、他端を枠体１０３と連結された圧電振動体１０６Ａ、１０６Ｂを備え、第二のトーション梁１０４の両側には、その一端を枠体１０３と連結され、他端を支持体１０５と連結された圧電振動体１０７Ａ、１０７Ｂを備えている。
【０００４】
そして圧電振動体１０６Ａと１０６Ｂ、および圧電振動体１０７Ａと１０７Ｂにそれぞれ正負逆の電圧を印加すると、第一、第二のトーション梁１０２、１０４が、これらの回転軸を中心に回動し、この振動エネルギーがミラー部１０１、枠体１０３へと伝搬し、ミラー部１０１が直交する二軸を中心に反復回転振動する（例えば、特許文献１参照）。
【０００５】
この光学反射素子は、レーザ光源等からの光をミラー部１０１で反射し、光をスクリーンの垂直、水平方向に走査することによって、スクリーン面上に二次元の描画を投影することができる。
【特許文献１】特開２００５−１４８４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
従来の光学反射素子を用いると、投影する描画の分解能が低くなることがあった。
【０００７】
その理由は、それぞれの二軸を中心とする反復回動振動の、周波数比が小さいからである。
【０００８】
そこで本発明は二軸駆動の光学反射素子において、振動の周波数比を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
そして、この目的を達成するために本発明は、ミラー部と、このミラー部と第一の支持部で連結された第一の音叉形振動子と、この第一の音叉形振動子と第二の支持部で連結され、第一の音叉形振動子およびミラー部の外周を囲う枠体と、この枠体を介して対向し、この枠体とそれぞれ第三の支持部で連結される対の第二の音叉形振動子と、これらの第二の音叉形振動子とそれぞれ第四の支持部で連結された支持体とを備え、第一の音叉形振動子の回転軸と第二の音叉形振動子の回転軸とは垂直な関係であって、第一の音叉形振動子は第一のアームおよび第二のアームを有し、第二の音叉形振動子は第三のアームおよび第四のアームを有し、これらの第三のアームと第四のアームの先端には、それぞれ外側へ突出する突起部が形成されているものとした。
【発明の効果】
【００１０】
これにより本発明は、二軸駆動の光学反射素子において、振動の周波数比を大きくすることができる。
【００１１】
その理由は、第二の音叉形振動子を低周波駆動させることができるからである。すなわち本発明は、突起部が重りとなるため、第三のアーム、第四のアームは大きく撓み振動を起こし、第二の音叉振動子はその回転軸を中心に、より低い周波数で反復回転振動することができる。そしてその結果、二軸駆動の光学反射素子において、振動の周波数比を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における光学反射素子の構成について説明する。
【００１３】
図１において、光学反射素子は、ミラー部１と、このミラー部１を介して対向するとともに、このミラー部１とそれぞれ第一の支持部２で連結された、一対の第一の音叉形振動子３と、これら二つの第一の音叉形振動子３の各振動中心４とそれぞれ第二の支持部５で連結され、これらの第一の音叉形振動子３およびミラー部１の外周を囲う枠体６と、この枠体６を介して対向するとともに、この枠体６とそれぞれ第三の支持部７で連結された対の第二の音叉形振動子８と、これらの二つの第二の音叉形振動子８の振動中心９とそれぞれ第四の支持部１０で連結された枠形状の支持体１１とを備えている。
【００１４】
そして本実施の形態では、ミラー部１は第一の支持部２でそれぞれ第一の音叉形振動子３に両持ち支持された構成であり、この第一の音叉形振動子３は、それぞれ第一の支持部２の両側に、第一のアーム１２と第二のアーム１３とを有している。
【００１５】
また枠体６は第三の支持部７でそれぞれ第二の音叉形振動子８に両持ち支持された構成であり、この第二の音叉形振動子８は、それぞれ第三の支持部７の両側に第三のアーム１４と第四のアーム１５とを有している。
【００１６】
そしてこの第三のアーム１４と第四のアーム１５とは、それぞれ枠体６の外側を、枠体６の側辺に沿って、その辺中央に向けまっすぐに延伸している。そして第三のアーム１４、第四のアーム１５のそれぞれの先端には、外側（支持体１１側）へほぼ垂直に折れ曲がって突出し、さらに垂直に折り返して第三のアーム１４および第四のアーム１５に平行に延伸する突起部１６Ａ、１６Ｂが形成されている。本実施の形態では、この突起部１６Ａ、１６Ｂと第三のアーム１４、あるいは第四のアーム１５の延伸部分はほぼ同じ長さとした。
【００１７】
またこれらの突起部１６Ａ、１６Ｂは、互いに第二の音叉形振動子８の回転軸１７に対して線対称に形成されている。また対向する突起部１６Ａ同士、および対向する突起部１６Ｂ同士は、互いに第一の音叉形振動子３の回転軸１８に対して線対称な形状である。
【００１８】
さらに対となる第一の音叉形振動子３は、第二の音叉形振動子８の回転軸１７に対して線対称であり、対となる第二の音叉形振動子８は、第一の音叉形振動子３の回転軸１８に対して線対称に形成されている。
【００１９】
また第一の支持部２と第二の支持部５とは、第一の音叉形振動子３の回転軸１８上に形成され、第三の支持部７と第四の支持部１０とは、第二の音叉形振動子８の回転軸１７上に形成されている。ここで本実施の形態では、第一の音叉形振動子３の回転軸１８と第二の音叉形振動子８の回転軸１７とは、垂直な関係にある。これによりミラー部１からの反射光を、スクリーン上のＸ軸とＹ軸方向へ、二次元に走査させることが出来る。
【００２０】
そして本実施の形態では、図２に示す光学反射素子の基材１９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を実現できる。
【００２１】
そして本実施の形態では、シリコンなどの基材１９で構成された第一のアーム１２、第二のアーム１３、第三のアーム（図１の１４）、第四のアーム（図１の１５）のそれぞれは、少なくとも一面に、たわみ振動を起こすための圧電アクチュエータ２０が形成されている。
【００２２】
本実施の形態では、図２に示すように、この圧電アクチュエータ２０を、下部電極層２１、圧電体層２２および上部電極層２３の積層体構造からなる薄膜積層型圧電アクチュエータ２０とした。これによって、第一の音叉形振動子３、第二の音叉形振動子８をより薄型にすることができる。なお、本実施の形態では、下部電極層２１および圧電体層２２は第一の音叉形振動子３と第二の音叉形振動子８とで共通に形成し、上部電極層２３はそれぞれ電気的に独立するように形成した。
【００２３】
また、第一の音叉形振動子３の厚みを、第一のアーム１２および第二のアーム１３の幅寸法よりも小さくすることによって、振幅が大きくなり、小型の光学反射素子を実現することができる。同様に、第二の音叉形振動子８の厚みを第三のアーム１４および第四のアーム１５の幅寸法よりも小さくすることによって、光学反射素子の小型化に寄与する。
【００２４】
また、これらの下部電極層２１、圧電体層２２および上部電極層２３は第一の音叉形振動子３、第二の音叉形振動子８を形成する基材１９の上に順次スパッタリング技術などの薄膜プロセスにより形成することができる。従って、圧電アクチュエータ２０を第一の音叉形振動子３および第二の音叉形振動子８の表面に形成することが生産性の観点から好ましい。
【００２５】
そして、圧電体層２２に用いる圧電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高い圧電定数を有する圧電体材料が好ましい。
【００２６】
また、第一の音叉形振動子３の共振周波数と、ミラー部１と第一の支持部２で構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数となるように振動設計することによって、効率良くミラー部１を反復回転振動させることができる。
【００２７】
同様に、突起部１６Ａ、１６Ｂを含む第二の音叉形振動子８の共振周波数と、枠体６と第三の支持部７とで構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数となるように設計することが好ましい。
【００２８】
また本実施の形態では、第二の支持部５は、枠体６側へ入り込むように形成している。すなわち、ミラー部１と第一の支持部２とを効率よく捩り振動させるためには、第二の支持部５と第一の支持部２との共振器長を出来るだけ等しくする必要があるが、この第二の支持部５を枠体６の内側へめり込ますことによって、第二の支持部５が長くても省スペースに配置でき、光学反射素子を小型化できる。
【００２９】
また本実施の形態では、この第二の支持部５を枠体６側へ入り込ませているため、枠体６の幅は狭くなっているが、第一の音叉形振動子３の幅は変えていない。ここで、幅の狭い領域では、局所的に応力が集中し、不要な振動モードが発生することがあるが、本実施の形態では、第一の音叉形振動子３は、全体として略同幅のため、応力を均一に分散することができ、安定して振動させることが出来る。
【００３０】
さらに本実施の形態では、第三の支持部７は、枠体６と第二の音叉形振動子８側へ入り込み、さらに第四の支持部１０は、支持体１１側へ入り込んだ形状である。これにより光学反射素子の小型化が図れるとともに、第二の音叉形振動子８の幅が局所的に変化するのを防ぎ、安定して振動させることができる。
【００３１】
また、第三の支持部７は、第二の音叉形振動子８側よりも、枠体６側へより長く入り込ませることが好ましい。逆に第二の音叉形振動子８側へ長く入り込ませると、振動中心９近傍の形状が複雑になり、第二の音叉形振動子８に不要な振動モードが発生する場合があるからである。
【００３２】
さらに、第一のアーム１２、第二のアーム１３およびこれらの連結部２４の幅や、第三のアーム１４、第四のアーム１５およびこれらの連結部２５をそれぞれ等幅とすることによって、光学反射素子に発生する不要な振動モードを低減できる。
【００３３】
また本実施の形態では、第一のアーム１２、第二のアーム１３、第三のアーム１４、第四のアーム１５に形成した圧電アクチュエータ２０のそれぞれ上部電極層（図２の２３）と、これらに共通の下部電極層（図２の２１）との引き出し電極は、個別に引き出し線（図示せず）を形成しながら接続端子２６Ａ〜２６Ｄ、２７と接続している。これによって第一のアーム１２と第二のアーム１３に正負反対の電気信号を、第三のアーム１４と第四のアーム１５に正負反対の電極信号を、それぞれの圧電アクチュエータ２０に印加することができる。
【００３４】
なお本実施の形態では、第一のアーム１２、第二のアーム１３、第三のアーム１４、第四のアーム１５にそれぞれモニター電極（図示せず）を配置し、これらも上部電極と同様に素子上に引き回しながら接続端子２８Ａ〜２８Ｄへ接続した。これにより、第一、第二、第三、第四のアーム１２、１３、１４、１５のそれぞれの振幅を検出しながら入力信号を調整することができ、安定した自励駆動を実現できる。
【００３５】
なお、上述の圧電アクチュエータ２０の引き出し線や、モニター電極とその引き出し線は、図２においても記載を省略した。
【００３６】
次に、このような構成からなる光学反射素子の動作原理について説明する。
【００３７】
図２に示す下部電極層２１と上部電極層２３との間に交流の駆動電圧を印加すると、圧電体層２２が面方向に伸び・縮みし、第一のアーム１２と第二のアーム１３が基材１９表面に対して垂直方向に撓み振動する。
【００３８】
このとき、第一のアーム１２と第二のアーム１３に形成したそれぞれの圧電アクチュエータ２０に、正負反対の駆動信号を印加すれば、図３に示すように、第一のアーム１２と第二のアーム１３とを、位相が１８０度異なる方向（矢印２９Ａ、２９Ｂ方向）に、つまり逆方向に撓み振動させることができる。ここで本実施の形態では、第一、第二のアーム１２、１３は、その先端を自由端とする片持ち構造のため、大きく撓み振動させることができる。
【００３９】
そして、この第一のアーム１２と第二のアーム１３の振動エネルギーは、第一の音叉形振動子３の連結部２４へと伝搬される。これによって、第一の音叉形振動子３は、その振動中心４を通る直線を回転軸１８として、この回転軸１８を中心に、所定の周波数にて反復回転振動（捩れ振動）をする。
【００４０】
次に、この反復回転振動の振動エネルギーが、連結部２４に接合された第一の支持部２に伝達され、第一の支持部２とミラー部１とで構成される捩れ振動子が、その回転軸１８を中心に矢印３０方向に捩れ振動を起こすようになる。これによってミラー部１は、その回転軸１８を軸中心として反復回転振動する。このとき、第一の音叉形振動子３の反復回転振動の方向と、第一の支持部２およびミラー部１で構成される捩れ振動子の反復回転振動の方向は位相が１８０度異なる反対方向に振動することとなる。
【００４１】
また図１に示す第二の音叉形振動子８も、下部電極層（図２の２１）と上部電極層（図２の２３）間に電圧を印加し、第三のアーム１４と第四のアーム１５とを、それぞれ位相が１８０度異なる方向に撓み振動させることによって、振動中心９を通る回転軸１７を中心に、捩り振動を起こす。
【００４２】
そしてこの振動エネルギーが連結部２５を介して第三の支持部７に伝播すると、この第三の支持部７と枠体６とからなる捩り振動子を、その回転軸１７を中心に、第二の音叉形振動子８と逆位相に反復回転振動させることができる。
【００４３】
そして枠体６が傾くと、この枠体６に支持されているミラー部１も傾き、ミラー部１を反復回転振動させることができる。
【００４４】
そしてミラー部１に例えばレーザー光源またはＬＥＤ光源などから発生させた光線を入力し、振動するミラー部１で反射させることによって、スクリーン上に光線を走査することができる。また本実施の形態では、第一の音叉形振動子３と第二の音叉形振動子８の回転軸１８、１７は直交するため、ミラー部１から出射させた光をスクリーンの垂直、水平方向に走査することができる。
【００４５】
なお、本実施の形態では、第一の音叉形振動子３による駆動で光を水平方向に走査し、第二の音叉形振動子８による駆動で光を垂直方向に走査する。
【００４６】
次に、本実施の形態１における光学反射素子の製造方法について図２を用いて説明する。
【００４７】
まず始めに、基材１９となる、厚みが約０．５ｍｍのシリコン基板を準備し、その上にスパッタリング法または蒸着法などの薄膜プロセスを用いて白金電極からなる下部電極層２１を形成する。
【００４８】
その後、この下部電極層２１の上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料を用いてスパッタリング法などによって圧電体層２２を形成する。このとき、圧電体層２２と下部電極層２１との間には、配向制御層としてＰｂとＴｉを含む酸化物誘電体を用いることが好ましく、ＰＬＭＴからなる配向制御層を形成することがより好ましい。これによって、圧電体層２２の結晶配向性がより高まり、圧電特性に優れた圧電アクチュエータ２０を実現することができる。
【００４９】
次に、この圧電体層２２の上にチタン／金よりなる上部電極層２３を形成している。
【００５０】
このとき、上部電極層２３の下層のチタンはＰＺＴ薄膜などの圧電体層２２との密着力を高めるために形成しており、チタンの他にクロムなどの金属を用いることができる。これによって、圧電体層２２との密着性に優れ、かつ、金電極とは強固な拡散層を形成していることから、密着強度の高い圧電アクチュエータ２０を形成することができる。なお、本実施の形態では、白金の下部電極層２１の厚みは０．２μｍ、ＰＺＴからなる圧電体層２２は３．５μｍ、および上部電極層２３のチタン部分は０．０１μｍとし、金電極部分は０．３μｍで形成している。
【００５１】
次に、下部電極層２１、圧電体層２２、上部電極層２３とを、フォトリソ技術を用いてエッチングし、圧電アクチュエータ２０をパターン形成する。
【００５２】
このとき、上部電極層２３のエッチング液としてはヨウ素／ヨウ化カリウム混合溶液と水酸化アンモニウム、過酸化水素混合溶液からなるエッチング液を用いて所定の電極パターンを形成した。
【００５３】
また、下部電極層２１、圧電体層２２に用いるエッチング方法としては、ドライエッチング法とウエットエッチング法のいずれかの方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などを用いることができる。
【００５４】
一例として、ドライエッチング法であればフルオロカーボン系のエッチングガス、あるいはＳＦ6ガスなどを用いることができる。
【００５５】
その他、圧電体層２２を、弗酸、硝酸、酢酸および過酸化水素の混合溶液を用いウエットエッチングしてパターニングし、その後、さらに、ドライエッチングによって下部電極層２１をエッチングしてパターニングする方法がある。
【００５６】
次に、ＸｅＦ2ガスを用いてシリコン基板を等方的にドライエッチングすることによって不必要なシリコン部分を除去してパターニングし、図２に示すような基材１９を形成すれば、図１に示したような形状の光学反射素子を形成することができる。
【００５７】
なお、シリコン基板をより高精度にエッチングする場合は、シリコンの異方性を利用したドライエッチングが好ましい。この場合は、エッチングを促進するＳＦ6ガスとエッチングを抑制するＣ4Ｆ8ガスの混合ガスを用いるか、あるいはこれらのガスを交互に切り替えることにより、より直線的にエッチングできる。
【００５８】
以上のような製造方法によって、小型で、高精度な光学反射素子を一括して効率よく作製することができる。
【００５９】
以上のような製造プロセスによって、例えばミラー部１の大きさが１．０ｍｍ×１．０ｍｍ、支持体１１の大きさが５．８ｍｍ×５．８ｍｍ、厚さ０．０８ｍｍ、駆動周波数；ｆH（水平）２２ｋＨｚ、ｆV（垂直）０．３ｋＨｚ、ミラー部１の振れ角；θH（水平）±５度、θV（垂直）±１０度程度の特性を有した光学反射素子を作製することができる。
【００６０】
本実施の形態では、ミラー部１、第一の支持部２、第一の音叉形振動子３、第二の支持部５、枠体６、第三の支持部７、第二の音叉形振動子８、第四の支持部１０、および支持体１１の基材１９を、同一基材１９から一体形成とすることによって、安定した振動特性と、生産性に優れた光学反射素子を実現することができる。
【００６１】
また本実施の形態における光学反射素子は、シリコンウエハーなどの基材１９の上に薄膜プロセス、フォトリソ技術などの半導体プロセスを応用することによって高精度に、一括して作製することができ、光学反射素子の小型化、高精度化および生産効率に優れた光学反射素子を実現することができる。
【００６２】
なお、ミラー部１は基材１９の表面を鏡面研磨することによっても形成できるが、光の反射特性に優れた金やアルミニウムの金属薄膜をミラー膜として形成することもできる。本実施の形態では、上部電極層２３として金を用いた為、この金の膜をそのままミラー膜として用いることができ、生産効率も高まる。
【００６３】
本実施の形態の効果を以下に説明する。
【００６４】
本実施の形態では、二軸駆動の光学反射素子において、振動の周波数比ｆH／ｆVを大きくすることができる。
【００６５】
その理由は、第二の音叉形振動子８を低周波駆動させることができるからである。すなわち本実施の形態では、第二の音叉形振動子８の第三のアーム１４、第四のアーム１５の先端に突起部１６Ａ、１６Ｂを設けた為、この突起部１６Ａ、１６Ｂが重りとなり、第三のアーム１４、第四のアーム１５を大きく撓み振動させることができる。
【００６６】
したがってこの第二の音叉形振動子８は、その回転軸１７を中心に、より低い周波数で反復回転振動をする。そしてこの第二の音叉形振動子８によって、ミラー部１を垂直方向に振動させれば、垂直方向の振動の周波数ｆVのみを小さくすることができ、結果として二次駆動方式の光学反射素子において、水平方向および垂直方向の振動の周波数比ｆH／ｆVを大きくすることができる。
【００６７】
なおこのように二軸方向における振動の周波数比ｆH／ｆVを大きくすると、この光学反射素子を用いて光線を走査した場合に、スクリーン上の垂直方向の走査速度よりも水平方向の走査速度を相対的に高めることができ、投影する画像の分解能を向上させ、高精度な画像投影装置を実現できる。
【００６８】
また本実施の形態では、突起部１６Ａ、１６Ｂをそれぞれ外側へ突出させ、第三のアーム１４または第四のアーム１５に平行に折り返しているため、素子の面積を有効に利用することができる。
【００６９】
また本実施の形態では、第三のアーム１４、第四のアーム１５と突起部１６Ａ、１６Ｂの延伸部分は、ほぼ同じ長さに形成しているため、素子の面積を有効に活用することができる。なお、第三のアーム１４、第四のアーム１５と突起部１６Ａ、１６Ｂの長さは同じでなくてもよいが、少なくとも突起部１６Ａ、１６Ｂは第三のアーム１４、第四のアーム１５の長さ以下にすることが好ましい。これは支持体１１が大きくなるのを防ぐためである。
【００７０】
さらに本実施の形態では、枠体６を第三の支持部７で両持ち支持しているため、枠体６を安定して励振させることができる。
【００７１】
また、突起部１６Ａ、１６Ｂは第二の音叉形振動子８の回転軸１７に対して左右対称形とすることが振動特性の観点から好ましく、そのときの突起部１６Ａ、１６Ｂの形状は特に制限はなく、振動特性、生産性の観点から適宜選択することができる。
【００７２】
なお、この突起部１６Ａ、１６Ｂの質量は大きい方が振幅を大きくする上で望ましく、設計上大きな形状を設けることができないときには突起部１６Ａ、１６Ｂに重りを付加することもできる。
【００７３】
さらに実施の形態では、ミラー部１をその両側から一対の第一の音叉形振動子３で囲い、これらの第一の音叉形振動子３の外周を枠体６で囲い、この枠体６を両側から第二の音叉形振動子８で囲い、さらにこの第二の音叉形振動子８の外周を支持体１１で囲う構成のため、各部材が小さな隙間を介して幾層にも巻かれたような構造となり、素子全体のデッドスペースを減らし、素子を小型化できる。
【００７４】
また本実施の形態では、第一、第二、第三、第四のアーム１２、１３、１４、１５と突起部１６Ａ、１６Ｂとはそれぞれ直線形状のため、加工も容易である。さらにこれらは同一基板からなり、エッチング等により同時に形成することができ、生産効率が高まる。
【００７５】
また本実施の形態では、ミラー部１の両側に、対称的に対の第一の音叉形振動子３を配置しているため、よりミラー部１を安定して左右対称に励振させることができ、その中心が不動点となって光を安定して走査することができる。
【００７６】
またミラー部１は、その両端が第一の支持部２で支持されている両持ち構造のため、ミラー部１の不要な共振を抑制し、さらに外乱振動による影響も低減できる。
【００７７】
さらに本実施の形態では、枠体６の外周を、第一の音叉形振動子３の回転軸１８に対して左右対称な、対の第二の音叉形振動子８で囲っているため、枠体６を左右対称に励振させることができる。また本実施の形態ではミラー部１を枠体６内のほぼ中央に配置しているため、結果としてミラー部１の中心を不動点として、第二の音叉形振動子８によりミラー部１を励振することができ、光をより安定して走査することができる。
【００７８】
ここで前述の安定に走査できる理由について、下記に説明する。
【００７９】
すなわち本実施の形態では、ミラー部１の中心が回転軸１７、１８の交点となり、この交点は不動点となる。したがって、光源から光がこの不動点に入射すると、スクリーン上に投影される光の光路長は一定となり、画像を高精度に投影することが可能となる。この不動点は、少なくともミラー部１の面積内に存在することが好ましく、より好ましくは本実施の形態のようにミラー部１の中心に配置することである。これにより、製造誤差などに伴って第一の音叉形振動子３の回転軸１８の位置あるいは第二の音叉形振動子８の回転軸１７の位置に多少の誤差が発生した場合でも、不動点がミラー部１の面内に留まる確率が高くなる。
【００８０】
また本実施の形態では、圧電アクチュエータ２０を備えた第一の音叉形振動子３、第二の音叉形振動子８を用いることにより、それぞれの第一のアーム１２、第二のアーム１３、第三のアーム１４、第四のアーム１５の撓み振動を利用して、ミラー部１を反復回転振動することができ、素子の小型化に寄与する。
【００８１】
また駆動源を音叉形にすることにより、アームの先端が自由端となるため、小型であってもミラー部１の振れ角度を効率よく大きくできる。
【００８２】
また振動源を、高Ｑ値を有する音叉形とすることにより、小さなエネルギーで大きな振動エネルギーを得ることが出来、素子の小型化にも寄与する。
【００８３】
またこれらの第一の音叉形振動子３、第二の音叉形振動子８の振動設計をすることによって、出力光の反射角度を大きく変化させることができ、レーザー光線などの入力光を所定の設計値となるように掃引することができる光学反射素子を実現することができる。
【００８４】
なお、上記実施の形態では、第一のアーム１２と第二のアーム１３の双方に圧電アクチュエータ２０を形成したが、少なくともいずれか一方のみに圧電アクチュエータ２０を形成してもよい。これは音叉形振動子の特性を利用したものであり、どちらか一方のアームが振動すると、連結部を介して他方のアームに運動エネルギーが伝播し、この他方のアームも励振させることができるからである。
【００８５】
また第二の音叉形振動子８も同様に、第三のアーム１４と第四のアーム１５のいずれか一方にのみ圧電アクチュエータ２０を形成しても、双方に形成した場合と同様に動作させることができる。
【００８６】
また本実施の形態では、第一、第二の音叉形振動子３、８のいずれも、圧電アクチュエータ２０は、アームの片面にのみ形成したが、両面に形成してもよい。また第一の音叉形振動子３は、第二の音叉形振動子８よりも面積が小さく、駆動力が弱いため、第一の音叉形振動子３のみ、基材１９の両面に圧電アクチュエータ２０を形成してもよい。
【００８７】
なお、第一の支持部２、第二の支持部５、第三の支持部７、第四の支持部１０のそれぞれの断面形状を円状とすれば、捩れ振動の振動モードが安定し、不要共振も抑制することができ、外乱振動に影響されにくい光学反射素子を実現することができる。
【００８８】
また図１では、第一、第二、第三、第四の支持部２、５、７、１０のそれぞれは直線状であるが、例えばミアンダ形状としてもよい。ミアンダ形状とすることにより、支持部の梁長が長くなっても、素子を小型にすることができる。
【００８９】
また特に第三、第四の支持部７、１０をミアンダ形状とすることにより、回転軸１７を中心とする反復回転振動の振動周波数を低下することができ、水平、垂直方向における振動の周波数比ｆH／ｆVを大きくすることができる。
【００９０】
以上のような光学反射素子は、例えば画像投影装置に応用することができる。すなわち図４に示すように二軸方向に振動するミラー部１に光源３１（レーザ光源、あるいはＬＥＤ光源など）から光を入射し、このミラー部１で光を反射し、光を二次元に走査することでスクリーン３２に描画を投影することができる。またその他光学反射素子の応用例としては、レーザ露光機などが挙げられる。
【００９１】
なお、上記実施の形態では、第一の音叉形振動子３は第一のアーム１２、第二のアーム１３、第二の音叉形振動子８は第三のアーム１４、第四のアーム１５の領域にのみ圧電アクチュエータ２０を設けたが、図５に示すように、それぞれ連結部２４、２５にまで延長し、Ｌ字形に構成してもよい。
【００９２】
ここで図５では、第一のアーム１２と第二のアーム１３、第三のアーム１４と第四のアーム１５には、それぞれ逆位相の信号を印加するため、これらに形成した圧電アクチュエータ２０の駆動電極が互いに電気的に短絡しないよう、それぞれの振動中心４、９で断続させている。
【００９３】
このように、連結部２４、２５にまで圧電アクチュエータ２０を形成した場合は、振動子の面積を有効に活用し、より大きな駆動源を得ることが出来る。
【００９４】
なお、図５では、第一の音叉形振動子３、第二の音叉形振動子８ともに圧電アクチュエータ２０の形状をＬ字形にしたが、例えば第一の音叉形振動子３のみ、あるいは第二の音叉形振動子８のみＬ字形としてもよい。ただし、対となる第一の音叉形振動子３、あるいは対となる第二の音叉形振動子８は、互いに同じ圧電アクチュエータ２０の形状とする方がよい。それは、ミラー部１を、回転軸１７、１８を中心に安定して反復回転振動させるためである。
【００９５】
さらに図６に示すように、一対の第一の音叉形振動子３は、対向する第一のアーム１２間と、対向する第二のアーム１３間とを、それぞれ弾性部材３３で接続してもよい。
【００９６】
この弾性部材３３は、光学反射素子の基材１９よりも弾性の小さい（軟らかい）ものであり、例えば伸縮性のある樹脂フィルムで形成し、第一のアーム１２または第二のアーム１３に貼り付ければよい。
【００９７】
この樹脂フィルムとしては、第一のアーム１２、第二のアーム１３の延伸方向と平行な方向に対してより伸縮性の高い素材が好ましい。
【００９８】
なお、弾性部材３３としては樹脂以外にもその他例えばゴム材や、弾性の小さく厚みの薄い金属などを用いても良い。
【００９９】
このように第一のアーム１２間と第二のアーム１３間を弾性部材３３で接続しておくことによって、対向する第一の音叉形振動子３の共振周波数の僅かなずれを矯正することができる。また撓み振動の対称性が高まり、アームの自由端の不要振動を抑制することができ、駆動力が高まる。
【０１００】
また図６では、第一のアーム１２間と、第二のアーム１３間に弾性部材３３を配置したが、第三のアーム１４間と、第四のアーム１５間に弾性部材３３を配置してもよい。この場合も、第三のアーム１４間、第四のアーム１５間に弾性部材３３を配置することによって、アームの自由端の不要な振動を抑制することができ、第二の音叉形振動子８を効率よく捩り振動させることが出来る。
【０１０１】
（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７に示すように、それぞれの第一の音叉形振動子３は、第一のアーム１２および第二のアーム１３と、これらの第一のアーム１２、第二のアーム１３の間の第一の支持部２とを、第五の支持部３４で繋いだ点である。この第五の支持部３４は、第一の支持部２と直交する軸形状である。
【０１０２】
本実施の形態では、第一の音叉形振動子３の反復回転振動のエネルギーが、第五の支持部３４を介しても第一の支持部２へ伝搬し、この第一の支持部２を効率よく捩り振動させることができ、光学反射素子の小型化に寄与する。
【０１０３】
また第一のアーム１２、第二のアーム１３と第一の支持部２との間の空間を有効に利用することができる。
【０１０４】
なお、第五の支持部３４は、第一の支持部２とミラー部１とから構成された捩れ振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けることが好ましい。すなわちこの定在波の振動節部は１／２、１／３、１／４と示されるように整数分の一で現れてくるものであり、この所定の定在波の振動節部に第五の支持部３４を設けることで、より効率よく振動エネルギーを伝播することができる。
【０１０５】
また、第五の支持部３４は、第一のアーム１２、第二のアーム１３の自由端側よりも固定端側、すなわちミラー部１よりも第一の音叉形振動子３の振動中心４に近い位置に形成することがより好ましい。自由端側に第五の支持部３４を形成すると、第一のアーム１２と第二のアーム１３の撓み振動が拘束され、却って振幅が小さくなるからである。
【０１０６】
以上説明してきたように、本実施の形態では、第五の支持部３４によって駆動力の大きい光学反射素子を実現することができ、小型化に寄与する。
【０１０７】
なお、第五の支持部３４を設ける場合は、対となる第一の音叉形振動子３の双方に設けることが好ましく、さらに同じ位置に形成することが望ましい。これは、ミラー部１を対称的に励振させるためである。
【０１０８】
その他実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。
【０１０９】
（実施の形態３）
本実施の形態と実施の形態１との主な差異点は、図８に示すように、第一の音叉形振動子３は、第一のアーム１２と第二のアーム１３の先端の間隔ｄ1が、この第一、第二のアーム１２、１３に垂直なミラー部１の最大長さｄ2（直径）よりも短い点である。
【０１１０】
すなわち本実施の形態では、第一の音叉形振動子３の第一、第二のアーム１２、１３がミラー部１の外周を囲わず、より内側に内包されているため、図８の縦方向の素子長さを短くすることができる。
【０１１１】
さらに本実施の形態では、突起部１６Ａ、１６Ｂは実施の形態１と同様に、第三のアーム１４、第四のアーム１５とほぼ平行に折り曲げられている為、突起部１６Ａ、１６Ｂを形成しても、縦方向の素子長さは影響を受けない。
【０１１２】
すなわち本実施の形態では、素子の一方の長さを短くすることが出来、装置内における実装スペースによっては有効な形状となる。
【０１１３】
その他実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。
【０１１４】
（実施の形態４）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図９に示すように、第一の音叉形振動子３を一つのみ形成した点である。
【０１１５】
すなわち本実施の形態では、ミラー部１を一つの第一の支持部２で一つの第一の音叉形振動子３に片持ち支持した構成である。
【０１１６】
この形態では、図１のように枠体６内に対の第一の音叉形振動子３を配置する場合と比較し、枠体６のサイズを小さくすることができ、光学反射素子全体の小型化に寄与する。特に第三のアーム１４、第四のアーム１５の外側に突起部１６Ａ、１６Ｂが並んで配置されているため、横方向の素子長さが長くなる。したがって本実施の形態のように第一の音叉形振動子３を一つにすることによって、横方向の素子長さを短くすることができ、小型化に寄与する。
【０１１７】
また本実施の形態では、第一の音叉形振動子３の第一のアーム１２と第二のアーム１３とを、ミラー部１の先端（自由端側）まで延伸しているため、アームを長くすることができ、第一の音叉形振動子３をより大きく捩り振動させることが出来る。
【０１１８】
その他実施の形態１と同様の構成および効果については説明を省略する。
【産業上の利用可能性】
【０１１９】
本発明は、小型で高精度なディスプレイ装置、レーザ露光機、光学スキャナ、レーザープリンタ等に有用である。
【図面の簡単な説明】
【０１２０】
【図１】本発明の実施の形態１における光学反射素子の平面図
【図２】同光学反射素子の断面図（図１のＡＡ断面）
【図３】同光学反射素子の動作状態を示す模式図
【図４】同光学反射素子の応用方法を示す模式図
【図５】本発明の実施の形態１における別の例の光学反射素子の平面図
【図６】本発明の実施の形態１における別の例の光学反射素子の平面図
【図７】本発明の実施の形態２における光学反射素子の平面図
【図８】本発明の実施の形態３における光学反射素子の平面図
【図９】本発明の実施の形態４における光学反射素子の平面図
【図１０】従来の光学反射素子の平面図
【符号の説明】
【０１２１】
１  ミラー部
２  第一の支持部
３  第一の音叉形振動子
４  振動中心
５  第二の支持部
６  枠体
７  第三の支持部
８  第二の音叉形振動子
９  振動中心
１０  第四の支持部
１１  支持体
１２  第一のアーム
１３  第二のアーム
１４  第三のアーム
１５  第四のアーム
１６Ａ、１６Ｂ  突起部
１７  回転軸
１８  回転軸
１９  基材
２０  圧電アクチュエータ
２１  下部電極層
２２  圧電体層
２３  上部電極層
２４  連結部
２５  連結部
２６Ａ〜２６Ｄ  接続端子
２７  接続端子
２８Ａ〜２８Ｄ  接続端子
２９Ａ、２９Ｂ  矢印
３０  矢印
３１  光源
３２  スクリーン
３３  弾性部材
３４  第五の支持部
【図１】
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【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】
2009223115.tif 000008
【図７】
2009223115.tif 000009
【図８】
2009223115.tif 000010
【図９】
2009223115.tif 000011
【図１０】
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