CN102959454B - 光学反射元件 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种光学反射元件，其具备固定框、一对第一振动部、可动框、一对第二振动部、反射镜部。第一振动部的一端与固定框的内侧连接。可动框与一对第一振动部的另一端连接，以能够进行转动的方式被支撑。一对第二振动部其一端与可动框的内侧连接，并且被配置成与一对第一振动部大致正交。反射镜部与一对第二振动部的另一端连接，以能够进行转动的方式被支撑。第二振动部形成由多个直线部和弯折部构成的蜿蜒形状，并且在弯折部的一部分设置了阶梯构造部。

Description

光学反射元件
技术领域
本发明涉及用于显示装置等的光学反射元件。
背景技术
图10表示现有技术中的光学反射元件1。如图10所示，现有技术中的光学反射元件1具备：固定框2、一对第一振动部3、4、可动框5、一对第二振动部6、7、反射镜部8。一对第一振动部3、4的一端与固定框2的内侧连接。可动框5与一对第一振动部3、4的另一端连接，从而被支撑。一对第二振动部6、7的一端与可动框5的内侧连接，并且被配置成大致与一对第一振动部3、4正交。反射镜部8与一对第二振动部6、7的另一端连接，以能够进行转动的方式被支撑。可动框5通过反射镜部8的大致中心，围绕沿着一对第一振动部3、4的X轴(X1轴)转动。反射镜部8通过其中心，围绕沿着一对第二振动部6、7的Y轴(Y1轴)转动。由此，光学反射元件1使被反射镜部8照射、反射的光束(光点)在X、Y轴方向上进行扫描，从而将图像投影到屏幕上。
图11表示第二振动部7的放大立体图。如图11所示，第二振动部7是使梁弯折多次的所谓的蜿蜒形状(meandering shape)，由多个直线部9a、使多个直线部9a弯曲后的弯折部9b构成。
在多个直线部9a中分别形成压电体等驱动元件。第二振动部7按照使这些驱动元件彼此成为反相位的方式进行驱动，通过使直线部9a在箭头方向上位移后使其反转，从而如图12所示那样，与直线部9a的个数相应地增加其位移量，实现了反射镜部8的大位移。
例如，专利文献1中公开了与本申请相关的光学反射元件。
为了提高投影图像的分辨率，需要维持各振动部的位移量的同时提高驱动频率来加快光束(光点)的扫描速度，但是，此时，存在应力集中于振动部的弯折部而容易产生裂纹等的问题。
【在先技术文献】
【专利文献】
【专利文献1】日本特开2008-040240号公报
发明内容
本发明的光学反射元件具备固定框、一对第一振动部、可动框、一对第二振动部、和反射镜部。第一振动部的一端与固定框的内侧连接。可动框与一对第一振动部的另一端连接，以能够进行转动的方式被支撑。一对第二振动部其一端与可动框的内侧连接，并且被配置成与一对第一振动部大致正交。反射镜部与一对第二振动部的另一端连接，以能够进行转动的方式被支撑。第二振动部形成由多个直线部和弯折部构成的蜿蜒形状，并且在弯折部的一部分设置了阶梯构造部。
根据本发明的光学反射元件，由于能够提高振动部的弯折部的机械强度，因此能够使反射镜部以大的转动角(位移量)进行高频驱动。
附图说明
图1是本发明的实施方式1中的光学反射元件的立体图。
图2是本发明的实施方式1中的光学反射元件的反射镜部周边的放大立体图。
图3是本发明的实施方式1中的光学反射元件的第二振动部的一直线部的剖视图。
图4是本发明的实施方式1中的光学反射元件的第二振动部的部剖视立体图。
图5是图4的A方向主视图。
图6是表示本发明的实施方式1中的光学反射元件的第一振动部的详细构造的立体图。
图7是本发明的实施方式1中的光学反射元件的第一振动部的部分剖视立体图。
图8是图7的A方向主视图。
图9是表示使用了本发明的实施方式1中的光学反射元件的图像投影装置的例子的构成图。
图10是现有技术中的光学反射元件的立体图。
图11是现有技术的光学反射元件中的第二振动部的放大立体图。
图12是说明现有技术的光学反射元件中的第二振动部的动作的放大立体图。
具体实施方式
(实施方式1)
以下，利用附图说明本发明的实施方式1中的光学反射元件。
图1是本发明的实施方式1中的光学反射元件的立体图。如图1所示，本实施方式中的光学反射元件10具备：固定框11、一对第一振动部12a、12b、可动框13、一对第二振动部14a、14b、以及反射镜部15。一对第一振动部12a、12b的一端与固定框11的内侧连接，从而被支撑。可动框13与一对第一振动部12a、12b的另一端连接，以能够围绕S2轴转动的方式被支撑。一对第二振动部14a、14b的一端与可动框13的内侧连接，从而被支撑，并且被配置成与第一振动部12a、12b大致正交。反射镜部15与一对第二振动部14a、14b的另一端连接，以能够围绕S1轴转动的方式被支撑。
再者，本实施方式中的固定框11是矩形，形成覆盖反射镜部15及可动框13的四周的同样连续的形状，但也可以根据需要形成圆形或三角形等形状，还可以在一边形成开口部。此外，可动框13也是同样的。
一对第一振动部12a、12b相对于通过反射镜部15的中心的Y轴(S1轴)呈线对称，第一振动部12a、12b与可动框13、以及第一振动部12a、12b与固定框11之间的连接位置构成为彼此处于对角位置上。即，第一振动部12a、12b与固定框11的连接位置、以及第一振动部12a、12b与可动框13的连接位置构成为彼此成为对角的位置。通过这样构成，实际上能够使可动框13转动的转动轴与S2轴一致，其结果，能够使驱动可动框13时的惯性力矩最小，从而提高驱动效率。
同样，一对第二振动部14a、14b相对于通过反射镜部15的中心的X轴(S2轴)呈线对称，优选S1轴与S2轴的交点位于反射镜部15的中心。
图2是本发明的实施方式1中的光学反射元件的反射镜部周边的放大立体图。图2表示包括可动框13的反射镜部15的放大立体图。一对第二振动部14a、14b分别形成由多个直线部16(由图中的虚线夹着的部位)、和使多个直线部16的端部弯曲的具有曲率的弯折部17构成的蜿蜒形状。通过形成这样的蜿蜒形状，由于实质上能够延长第二振动部14a、14b，因此能够使各直线部16的位移量相叠加来增大反射镜部15的转动量。
再者，本实施方式中的弯折部17具有曲率，但是例如也可以使并排的直线部16的端部通过平行于Y轴的直线来连接。在此，说明驱动反射镜部15的第二振动部14a、14b的详细内容。
图3是本发明的实施方式1中的光学反射元件的第二振动部的一直线部的剖视图。图3表示第二振动部14a、14b(图1)的剖视图。
第二振动部14a、14b将共同的硅基板18作为最下层，在硅基板18上形成硅氧化膜19，在硅氧化膜19上具备压电促动器(piezoelectricactuator)20。
压电促动器20具备：下部电极层21、在下部电极层21上层叠的压电体层22、和在压电体层22上共同层叠的上部电极层23。
再者，下部电极层21由铂形成，上部电极层23由金形成，压电体层22由钛酸锆酸铅(Pb(Zx，Ti1-x)O3中x＝0.525)等压电材料形成。这些压电材料可通过蒸镀、溶胶-凝胶法(sol-gel method)、CVD、溅射法等来形成薄膜。
通过对下部电极层21及上部电极层23施加规定的电压，使压电体层22弯曲，从而使第二振动部14a、14b产生位移。在夹着弯折部17而平行地设置的相邻的直线部16所产生的位移量被叠加，其结果，能够增大反射镜部15的转动量。
再者，在使位移量相叠加的情况下，针对夹着弯折部17而平行地设置的相邻的直线部16，只要每隔一个施加同相位的电压即可。再有，在直线部16的宽度有富余量的情况下，只要设置针对相邻的直线部16交替施加正相位和负相位的电压的上部电极层23即可。此外，在直线部16的宽度窄的情况下，通过使压电体层22的极化方向相对于相邻的直线部16而交替反转，能够以共同的上部电极层23使直线部16在相同的方向上产生位移。如上所述，通过针对相邻的直线部16交替地施加反相位的电压、或者使压电体层22的极化方向相对于相邻的直线部16而交替反转，较之每隔一个产生位移的情况，能够使更多的位移相叠加。
接下来，详细说明作为本发明的重点的弯折部17。
图4是本发明的实施方式1中的光学反射元件的第二振动部的部分剖面立体图。图4表示弯折部17、以及与其相连的直线部16的构成。如图4所示，通过在弯折部17的下部设置阶梯构造部24，形成使弯折部17比直线部16厚的构造。此时，当直线部16的厚度h1小于直线部16的宽度W1时，优选阶梯构造部24的厚度h2满足以下的关系。
h1+h2＜W1
这是为了在包含阶梯构造部24的弯折部17的厚度大于直线部16的宽度W1时，较之没有设置阶梯构造部24的现有构造，降低第二振动部14a、14b的谐振频率。
本实施方式中，在弯折部17的下部的整个面上设置了阶梯构造部24，但也可以在一部分进行设置。在一部分中设置阶梯构造部24时，如图5所示的图4的A方向主视图那样，夹着弯折部17的中心线(二等分线：B-BB)而对称地设置阶梯构造部24。
这样一来，能够使弯折部17的机械强度相对于二等分线B-BB而对称，相对于直线部16a、16b的位移，弯折部17中不会发生扭曲，其结果，能够降低反射镜部15的转动轴的偏离。此外，即便应力集中于第二振动部14a、14b的弯折部17中，也能够防止第二振动部14a、14b的损坏。
再者，本实施方式例示了在弯折部17的下部单独设置阶梯构造部24的例子，但也可以一体地设置。此外，也可以将阶梯构造部24设置在弯折部17的上部，而不是设置在弯折部17的下部。通过将阶梯构造部24设置在弯折部17的上部，能够在形成光学反射元件10之后容易设置阶梯构造部24，能够提高生产性。在将阶梯构造部24形成在上部时，即可以使用金属掩模等仅在弯折部17中通过蒸镀、溅射、部分镀覆等用金属材料形成阶梯构造部24，也可以通过喷墨或浸渍(dip)等涂布树脂材料来形成。
在由金属材料形成阶梯构造部24时，通过使用蒸镀或溅射，能够以比重高于直线部16的金属材料来形成阶梯构造部24，因此能够使阶梯构造部24的厚度变薄。此外，通过选择金、铂、钽、钨等比重更大的材料，能够使阶梯构造部24的厚度更薄，能够以低成本提供光学反射元件。
再有，通过在形成光学反射元件10之后设置阶梯构造部24，由于能够在一定范围内调整驱动频率、振动角，因此可提升成品率来提高生产性。
此外，本实施方式例示了阶梯构造部24的外周面与弯折部17的外周面一致的例子，但也可以使阶梯构造部24的外周面比弯折部17的外周面更缩入内侧。此外，还可以使阶梯构造部24的外周面比弯折部17的外周面更向外侧突出。
如以上所述，本发明的阶梯构造部24用于提高第二振动部14a、14b的弯折部17的机械强度，如果使弯折部17的厚度比直线部16还厚、或者仅使弯折部17由强度高于直线部16的其他材料形成，则可获得同等的效果。
以上是第二振动部14a、14b的例子，但对于第一振动部12a、12b也是同样的。以下，说明第一振动部12a、12b。图6是表示本发明的实施方式1中的光学反射元件的第一振动部的详细构造的立体图。一对第一振动部12a、12b分别是由多个直线部25(以图中的虚线夹着的部位)、和使这些多个直线部25的端部弯曲的具有曲率的弯折部26构成的蜿蜒形状。通过形成这种蜿蜒形状，由于实质上能够延长第一振动部12a、12b，因此能够使各直线部25的位移量相叠加来增大可动框13的转动量。由于一对第一振动部12a、12b的构造及动作原理与第二振动部14a、14b相同，因此省略其详细的说明。
图7是本发明的实施方式1中的光学反射元件的第一振动部的部分剖面立体图。图7表示弯折部26、和与其连接的直线部25的构成。如图7所示，通过在弯折部26的下部设置阶梯构造部27，使得弯折部26比直线部25厚。此时，优选直线部25的厚度h3、直线部25的宽度W2、阶梯构造部27的厚度h4的关系与第二振动部14a、14b同样地满足下述的关系。
h3+h4＜W2
在本实施方式中，在弯折部26的下部的整个面上设置了阶梯构造部27，但也可以在一部分进行设置。在一部分设置阶梯构造部27时，如图8所示的图7的A方向主视图那样，阶梯构造部27夹着弯折部26的中心线(二等分线：B-BB)而被对称地设置。
这样一来，能够使弯折部26的机械强度相对于二等分线B-BB而对称，相对于直线部25a、25b的位移，在弯折部26中不会发生扭曲。因此，能够降低可动框13的转动轴的偏离，其结果能够降低反射镜部15的转动轴的偏离。此外，由于在低速侧的第一振动部12a、12b中驱动频率低，因此与高速侧的第二振动部14a、14b相比出现大位移。因此，与第二振动部14a、14b同样，应力集中于弯折部26，在最坏的情况下振动部出现损坏。通过设置阶梯构造部27，能够获得与第二振动部14a、14b同等的效果。
最后，说明使用了本实施方式的光学反射元件10的显示装置的动作。
图9是表示使用了本实施方式中的光学反射元件10的显示装置的一例的构成图。
如图9所示，从激光光源等光源28向反射镜部15入射光束(入射光29)，使其反射光30通过反射镜部15的振动而在X轴、Y轴方向上进行扫描，从而在2轴方向上同时使反射光30进行扫描，将图像32投影至屏幕31或墙壁。
如上所述，在使光学反射元件10进行工作时，对第一振动部12a、12b(图1)、及第二振动部14a、14b(图1)各自的上部电极23(图3)施加各个谐振频率的交流电压，共同驱动第一振动部12a、12b及第二振动部14a、14b的压电促动器20(图3)。在此，第一振动部12a、12b、第二振动部14a、14b通过使其谐振而使其振幅变大，其结果，能够增大反射镜部15(图1)以X轴及Y轴为中心的转动角。
再者，根据从上部电极23供给的交流电压(电信号)的正、负，第一振动部12a、12b在Y轴方向上改变弯曲方向来进行振动。通过该振动，可动框13(图1)在上下(垂直方向)进行振动，以反射镜部15的中心作为不动点的同时，能够使反射镜部15以S2轴为中心转动。
此外，同样地，根据从上部电极23供给的交流电压的正、负，第二振动部14a、14b在X轴方向上改变弯曲方向来进行振动。通过该振动，反射镜部15的左右两端部在上下进行振动，以反射镜部15的中心作为不动点的同时，使其以S1轴为中心转动。
在本实施方式中，由于在第二振动部14a、14b及第一振动部12a、12b的蜿蜒形状的弯折部17、26中设有使弯折部比直线部16、25还厚的阶梯构造部24、27，因此能够分散在弯折部17、26的内侧产生的应力。其结果，与没有阶梯构造部24、27的情况相比，反射镜部15的以S1轴为中心的转动角变大。在本实施方式的例子中，在第二振动部14a、14b中，将h1设定为100μm、将h2设定为50μm、将W1设定为170μm而测量的结果是，能够使以S1轴为中心的转动角比现有的构造增大约20％。同样，在第一振动部12a、12b中，将h3设定为100μm、将h4设定为50μm、将W2设定为170μm而测量的结果是，能够使以S2轴为中心的转动角比现有的构造增大约20％。
再者，在本实施方式中，示出了在第二振动部14a、14b和第一振动部12a、12b双方的振动部中分别设置阶梯构造部24、27的例子，但也可以仅在第二振动部14a、14b设置阶梯构造部24。由此，能够简化振动部的构造，提高光学反射元件的生产性。
(产业上的可利用性)
本发明的光学反射元件在投影仪、平视显示器(head-up display)、头戴式显示器等图像投影装置中是有用的。
符号说明
10  光学反射元件
11  固定框
12a、12b  第一振动部
13  可动框
14a、14b  第二振动部
15  反射镜部
16、16a、16b、25、25a、25b  直线部
17、26  弯折部
24、27  阶梯构造部
S1  Y轴方向的振动轴
S2 X轴方向的振动轴

Claims (6)

1.一种光学反射元件，具备：
固定框；
一对第一振动部，一端与所述固定框的内侧连接；
可动框，其与所述一对第一振动部的另一端连接，以能够进行转动的方式被支撑；
一对第二振动部，一端与所述可动框的内侧连接，并且被配置成与所述一对第一振动部正交；和
反射镜部，其与所述一对第二振动部的另一端连接，以能够进行转动的方式被支撑，
所述第二振动部形成由多个直线部和弯折部构成的蜿蜒形状，并且
在所述弯折部的一部分设置了使所述弯折部厚度比所述直线部还厚而形成的阶梯构造部。
2.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，
所述第一振动部形成由多个直线部和弯折部构成的蜿蜒形状，并且
在所述第一振动部的所述弯折部的一部分设置了阶梯构造部。
3.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，
所述直线部的厚度h1、所述阶梯构造部的厚度h2、所述直线部的宽度W1满足h1+h2＜W1的关系。
4.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，
所述阶梯构造部包括所述弯折部的中点、即二等分点。
5.根据权利要求4所述的光学反射元件，其中，
至少所述阶梯构造部的一部分由不同于所述直线部的材料构成。
6.根据权利要求5所述的光学反射元件，其中，
所述阶梯构造部是通过蒸镀、溅射或浸渍来设置的。
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