CN104169778A - 光学反射元件和致动器 - Google Patents

Abstract

光学反射元件具有：可动板，具有反射面；第一支承部；第一驱动部；第一框；以及用于检测可动板的转动的监视器部。第一支承部与可动板连接。第一驱动部设置于第一支承部，使可动板绕第一轴转动。在第一框的内侧配置有可动部和第一支承部。第一框与第一支承部连接。监视器部从可动板的外周部分中距第一轴最远的部分伸出。

Description

光学反射元件和致动器

技术领域

本发明涉及用于激光打印机、条形码读出器等的光学反射元件，以及用于平视显示器、头盔显示器等图像投影装置的光学反射元件。另外，本发明涉及与上述光学反射元件具有类似结构的致动器。

背景技术

用于扫描从激光器、发光二极管等光源射出的光束的光扫描装置正在得到实用化。用于一维扫描用途的有激光打印机、条形码读出器，用于二维扫描用途的有车载用雷达、投影型显示装置。在这些光扫描装置中，了解反射镜面的位置是很重要的，为了实现用于检测反射镜面位置的监视器功能，做出了各种改进。

例如，专利文献1中公开了如下方法：在元件外部设置受光元件，受光元件接收从元件反射的光，由此检测反射镜面的位置。

另外，例如专利文献2中公开了如下方法：在驱动反射镜面时发生扭曲或弯曲的地方，设置压电电阻元件或压电元件等监视元件，由此检测反射镜面的位置。

此外，专利文献3中公开了如下发明：设置与反射镜部和用于转动该反射镜部的扭力杆连接的压电传感器，由此检测反射镜部的转动状态。另外，专利文献4中公开了如下发明：为了解决专利文献3的问题，设置经由狭缝位于反射镜的外周侧的压电传感器。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利公开公报特开2009-93120号

专利文献2：日本专利公开公报特开2009-77595号

专利文献3：日本专利公开公报特开2009-169325号

专利文献4：日本专利公开公报特开2011-150055号

发明内容

本发明提供一种光学反射元件，能够在不降低反射镜的驱动效率的情况下直接检测反射镜面的运动，并且适用对反射镜部与支承体的连接方法不加以限制的、设计自由度高的监视器结构。

本发明的光学反射元件具有：可动板，具有反射面；第一支承部；第一驱动部；第一框；以及用于检测可动板的转动的监视器部。第一支承部与可动板连接。第一驱动部设置于第一支承部，使可动板绕第一轴转动。在第一框的内侧配置有可动部和第一支承部。第一框与第一支承部连接。监视器部从可动板的外周部分中距第一轴最远的部分伸出。

在该结构中，监视器部由于可动板转动时的惯性力而发生变形。也就是说，光学反射元件自身具有监视器功能，因此能够实现显示系统的小型化。另外，监视器部由于与反射面的运动相伴随的惯性力而发生变形，因此能够直接检测反射面的运动。另外，在发生用于转动的变形的位置以外附加监视器部，因此能够抑制驱动效率的降低，减少耗电。此外，监视器部仅连接于距反射镜部的转动轴最远的端部，因此对反射镜部与固定框之间的连接方法不产生限制，光学反射元件的设计自由度较高。

附图说明

图1是本发明实施方式1的光学反射元件的立体图。

图2A是图1所示的光学反射元件的监视器部的立体图。

图2B是图2A所示的监视器部的剖视图。

图2C是表示图2A所示的监视器部的形状的俯视图。

图2D是表示图1所示的光学反射元件的监视器部的其他形状的俯视图。

图3A是在图2A所示的监视器部上附加了重物时的剖视图。

图3B是表示图3A所示的监视器部的形状的俯视图。

图3C是表示图3A所示的监视器部的其他形状的俯视图。

图3D是表示图3A所示的监视器部的另一其他形状的俯视图。

图4是表示图1所示的光学反射元件的反射镜部转动时监视器部的变形情况的示意图。

图5A是表示图1所示的光学反射元件的制作方法的示意性剖视图。

图5B是接着图5A表示光学反射元件的制作方法的示意性剖视图。

图5C是接着图5B表示光学反射元件的制作方法的示意性剖视图。

图5D是接着图5C表示光学反射元件的制作方法的示意性剖视图。

图5E是接着图5D表示光学反射元件的制作方法的示意性剖视图。

图5F是接着图5E表示光学反射元件的制作方法的示意性剖视图。

图5G是接着图5F表示光学反射元件的制作方法的示意性剖视图。

图5H是接着图5G表示光学反射元件的制作方法的示意性剖视图。

图6是本发明实施方式2的光学反射元件的俯视图。

图7是图6所示的光学反射元件的监视器部的立体图。

图8是使用图7所示的光学反射元件的显示系统的示意图。

具体实施方式

在说明本发明的实施方式之前说明现有技术的问题。首先，如专利文献1那样将受光元件设置在外部的监视器方法会使系统变得大型化。另外，如专利文献2那样在随着反射镜面的驱动发生扭曲变形或弯曲变形的地方设置监视器元件，用该监视器元件进行检测，在这种方法中，监视器元件有可能妨碍变形，降低驱动效率。另外，由于并不直接检测反射镜的运动，所以检测到的运动有可能并不对应于反射镜的运动。

如专利文献3那样，设置与反射镜部和用于转动该反射镜部的扭力杆连接的压电传感器，由此检测反射镜部的转动状态，在这种方法中，施加于压电传感器的应力较小，信号较小。另外，如专利文献4那样，设置经由狭缝位于反射镜外周侧的压电传感器，在这种结构中，由于将压电传感器设置在反射镜外周，所以元件大小较大。而且，在专利文献3、专利文献4的结构中，压电传感器与支承部连结，该支承部连接反射镜与支承体。因此，连接反射镜与支承体的部分的设计自由度较小。

(实施方式1)

以下，参考附图说明本发明实施方式1的光学反射元件。图1是本实施方式的光学反射元件1的立体图。

光学反射元件1具有：可动板105、作为第一支承部的支承部104、作为第一驱动部的驱动部106、固定框101、以及用于检测可动板105的转动的监视器部108。配置在固定框101内侧的可动板105具有设置在反射面121上的反射镜部102。支承部104也配置在固定框101内侧，与可动板105连接。第一驱动部106设置在支承部104上，使可动板105绕着作为第一轴的转动轴103转动。作为第一框的固定框101与支承部104连接。也就是说，固定框101与可动板105以可动板105能够绕转动轴103转动的方式由一对支承部104连结。通过设置在光学反射元件1内的驱动部106，可动板105能够绕转动轴103转动。

监视器部108从可动板105的外周部分中距转动轴103最远的部分伸出。具体而言，监视器部108在远离转动轴103的端部形成。监视器部108随着可动板105绕转动轴103的转动而发生变形，通过检测其变形情况，能够检测可动板105(反射镜部102)的驱动状态。

各支承部104具有蜿蜒形状，由折叠连接的振动梁151～153构成。振动梁151～153由硅构成。

驱动部106由驱动体161和驱动体163构成。驱动体161在振动梁151上形成，驱动体163在振动梁153上形成。驱动体161、163由压电体、以及形成于压电体上下的上部电极和下部电极(均未图示)构成。

驱动体161、163的上部电极、下部电极分别通过配线电极171连结，分别连接到驱动电极焊盘172、下部电极焊盘173。配线电极171中，根据需要，通过绝缘层使上部电极与下部电极绝缘。使用驱动电极焊盘172和下部电极焊盘173对压电体施加电压，从而使振动梁151、153产生弯曲变形，通过弯曲变形使可动板105绕转动轴103转动。

使对驱动部106施加的电压的频率与可动板105绕转动轴103转动的固有振动模式的频率一致，由此能够进行共振驱动，仅施加较小的电压，可动板105就能够以较大的转动角转动。

接着，参考图2A～图2D对监视器部108进行说明。图2A是监视器部108的立体图，图2B是2B-2B线的剖视图。图2C、图2D是表示监视器部108的形状的俯视图。

可动板105、支承部104例如由厚度为100μm的硅构成。监视器部108由下部电极183、上部电极185、以及介于下部电极183与上部电极185之间的压电体184构成。也就是说，它们形成层积结构。下部电极183例如由厚度为370nm的铂构成。压电体184例如由厚度为3μm的锆钛酸铅(PZT)构成。上部电极185例如由厚度为300nm的金构成。

可动板105绕转动轴103转动时，监视器部108受到惯性力的作用。监视器部108与可动板105等相比具有非常薄的结构，因此受到惯性力后容易变形，产生应变。压电体184由于该应变而发生变形，从而产生电信号。产生的电信号能够通过与监视器配线181连接的监视器电极焊盘182取出，由此能够检测反射镜部102(可动板105)的运动。

根据该结构，与驱动体161、163和反射镜部102的总质量相比，监视器部108的质量非常之小，因此能够在对共振频率等用于转动反射镜部102的特性几乎不产生影响的情况下，检测反射镜部102的转动情况。另外，惯性力是按照物体的加速度，即反射镜部102的运动施加的力，因此能够检测反射镜部102的运动本身。

另外，监视器部108能够配置在可动板105上，而不是配置在振动梁151～153、驱动体161、163等用于转动可动板105的结构部上。因此，能够在不降低驱动效率的情况下配置监视器部108。由于不会降低驱动效率，所以仅施加较小的电压，可动板105就能以期望的转动角转动。其结果是，能够减少光学反射元件1的耗电。

此外，如图2C所示，监视器部108简单地将长方形层积薄膜的监视器元件设置在反射镜部102的前端即可。除此之外，如图2D所示，监视器部108还可以形成为沿着从可动板105突出的方向宽度变窄的梯形或三角形。在此情况下，能够实现监视器部108的小型化，同时将对监视器部108的底部施加的应力高效地转变为电信号。

另外，如图3A所示，在形成监视器部108的层积薄膜的监视器元件的前端，可以设置由硅形成的重物186。图3A是表示设置了重物186时的结构的剖视图。利用该结构可施加较大的惯性力，由此能够得到较大的监视器信号。

图3B～图3D是表示设置了重物186时的监视器部108的形状的俯视图。图3B的结构是在图2C所示的监视器部108的前端附加了重物186的结构，图3C的结构是在图2D所示的监视器部108的前端附加了重物186的结构。另外，图3D的结构是沿着图2D所示的监视器部108的前端和斜边附加了重物186的结构。这样，重物186越大则惯性力越大，监视器信号也越大，因而是优选的。

为了以更高的精度检测包括反射镜部102的可动板105的运动，可以根据需要，在以转动轴103为中心的对称位置处配置多个监视器部108。图4中示出可动板105转动时监视器部108的变形情况。在相对于转动轴103对称的位置处配置的多个监视器部108对于可动板105的转动运动，对称地发生变形。因此，通过反转监视器部108的信号相位并进行相加，能够减少噪声等。其结果是，能够以更高的精度检测反射镜部102的驱动情况。

可动板105的偏转角越大，则监视器部108检测出的惯性力越大。因此，通过使用监视器部108能够检测出的信号进行反馈控制等，还能够进行反射镜部102的偏转角的控制。

接着，参考图5A～图5H，说明具有由下部电极、压电体和上部电极构成的压电致动器的光学反射元件1的制作方法。图5H示意性地表示图1中5H-5H线的剖视图。

如图5A所示，作为基板，使用由活性层301和BOX层(Buried OxideLayer，埋入氧化层)302构成的SOI(Silicon On Insulator，绝缘体上外延硅)基板。活性层301的厚度是振动梁的厚度，因此准备的基板具有与目的驱动部的厚度相应的活性层301的厚度。本实施方式中，例如准备具有厚度为100μm的活性层301的SOI基板。

接着，在SOI基板的活性层301上形成氧化硅膜作为绝缘膜(未图示)，使用溅镀法或蒸镀法等薄膜处理工艺，如图5B所示在该氧化硅膜上层积下部电极303。随后，通过溅镀法等在下部电极303的上方形成压电体304的层。此时，在压电体304与下部电极303之间，优选用包含铅和钛的氧化物电介质形成取向控制层(未图示)，用添加了镧镁的钛(PLMT)形成取向控制层更为优选。由此，压电体304的结晶取向性提高，能够形成压电特性优良的压电致动器。

接着，如图5C所示，使用光刻技术和蚀刻技术对压电体304进行图案成形。进一步，如图5D所示，使用光刻技术和蚀刻技术对下部电极303进行图案成形。作为下部电极303和压电体304使用的蚀刻方法，能够使用干蚀刻法和湿蚀刻法中的任一种方法，或者组合了这二者的方法等。作为一例，干蚀刻法能够使用碳氟化合物族的蚀刻气体、或者SF₆气体等。或者，可以使用氢氟酸、硝酸、醋酸和过氧化氢的混合溶液对压电体304进行湿蚀刻和图案成形，随后，进一步通过干蚀刻对下部电极303进行蚀刻和图案成形。

接着，如图5E所示，在形成图1所示的配线电极171的地方形成绝缘层305。可以通过光刻技术和蚀刻技术对使用CVD或溅镀技术形成的绝缘膜进行图案成形，从而形成绝缘层305，也可以使用永久性抗蚀膜等通过光刻技术进行图案成形，以形成绝缘层305。

接着，如图5F所示，形成作为上部电极或其配线的钛/金膜306。在钛/金膜306中，金膜下层的钛膜为了提高与PZT薄膜等压电体304的粘着力而形成，除了钛以外，还能够使用铬等金属。由此能够提高压电体304与上部电极的粘着性。另外，钛膜与金膜之间形成坚固的扩散层。因此，能够形成粘着强度较高的压电致动器。

在加工包含上部电极的钛/金膜306时，同样也使用光刻技术和蚀刻技术进行图案成形。此时，作为钛/金膜306的蚀刻液，能够使用对碘/碘化钾混合溶液与氢氧化铵、过氧化氢混合溶液进行了混合后的液体。

此外，下部电极303例如是厚度为370nm的铂。例如，压电体304的厚度为3μm，构成上部电极的钛/金膜306的钛部分的厚度为10nm，金部分的厚度为300nm。

另外，根据需要，在反射镜部102上作为光学反射膜形成光的反射特性优良的银或铝的金属薄膜，使用光刻技术和蚀刻技术进行图案成形。也可以使用金属掩膜等仅在必要的部分对金属薄膜进行成膜。

接着，如图5G所示，利用光刻技术和蚀刻技术从背面蚀刻SOI基板基部的BOX层302，留下作为固定框101的部分。在蚀刻BOX层302时，虽然也能够使用湿蚀刻等，但在为了实现更为细微的结构而希望进行垂直加工的情况下，可以交替切换SF₆气体与抑制蚀刻的C₄F₈气体进行蚀刻。

最后，如图5H所示，再次利用光刻技术从背面进行图案成形，利用蚀刻技术加工SOI基板的活性层301，留下作为支承部104的振动梁151～153和可动板105。通过除去作为监视器部108的部分的活性层301，监视器部108成为由压电体304和上部电极、下部电极303构成的薄膜结构。也可以根据需要留下相当于重物186的部分的活性层301。在这种情况下的光刻工艺中，通过使用喷涂等技术，在第一次背面加工中形成了阶差的基板上，也能够均匀地形成抗蚀膜并进行图案成形。

使用以上过程，能够制作图1所示的光学反射元件1。

此外，本实施方式中，支承部104形成为蜿蜒结构，但也可以采用扭梁结构。另外，为了检测变形程度，监视器部108使用了压电体304，但也可以使用根据变形量改变电信号的元件，例如应变电阻元件等。监视器部108能够不依赖于支承部104的结构和驱动体161、163的构成地检测可动板105的转动情况，并不检测支承部104和驱动体161、163的变形程度。因此，能够在不降低驱动效率的情况下检测可动板105(反射镜部102)的转动情况。其结果是，光学反射元件1的耗电减少。

(实施方式2)

以下，参考图6说明本发明实施方式2的光学反射元件。图6是本实施方式的光学反射元件501的俯视图。

光学反射元件501具有：作为第一框的固定框502、配置在固定框502内侧的作为第二框的可动框503、以及配置在可动框503内侧的反射镜部504。反射镜部504与可动框503以反射镜部504能够绕第二转动轴510转动的方式，由一对第二支承部506保持。另一方面，固定框502与可动框503以可动框503能够绕第一转动轴509转动的方式，由一对第一支承部505保持。

第一支承部505具有蜿蜒结构，折叠连接4根振动梁5051～5054而构成。振动梁5051～5054由硅构成，振动梁5051～5054上分别形成第一驱动体5071～5074。构成第一驱动部的第一驱动体5071～5074分别具有层积了压电体和上部电极、下部电极(均未图示)的结构。通过对压电体施加电压，振动梁5051～5054发生弯曲变形。通过该弯曲变形，能够使可动框503绕第一转动轴509转动。

此外，通过反转第一驱动体5071～5074中相邻两个驱动体的电压相位，能够增大可动框503的转动角。也就是说，可以使第一驱动体5071和第一驱动体5073为同相位，使第一驱动体5072和第一驱动体5074为同相位，对各第一驱动体施加使第一驱动体5071、5073的相位与第一驱动体5072、5074的相位相差180度的电信号。

第二支承部506也具有蜿蜒结构，折叠连接3根振动梁5061～5063而构成。振动梁5061～5063由硅构成。振动梁5061～5063上分别形成第二驱动体5081～5083。构成第二驱动部的第二驱动体5081～5083也具有层积了压电体和上部电极、下部电极(均未图示)的结构。通过对压电体施加电压，振动梁5061～5063发生弯曲变形。通过该弯曲变形，能够使反射镜部504绕第二转动轴510转动。

也就是说，本实施方式中，反射镜部504、第二支承部506、第二驱动体5081～5083、以及作为第二框的可动框503形成实施方式1中的可动板105。第二支承部506与反射镜部504连接。第二驱动体5081～5083设置在第二支承部506上，使反射镜部504绕着与第一转动轴509大致垂直的第二转动轴510转动。在可动框503的内侧配置反射镜部504和第二支承部506，内侧与第二支承部506连接，外侧与第一支承部505连接。

此时，通过反转相邻梁的电压相位，能够增大反射镜部504的转动角。也就是说，可以使第二驱动体5081与第二驱动体5083为同相位，对第二驱动体5082施加相位与第二驱动体5081、5083相差180度的电信号。

另外，在用于影像投影的光学反射元件501中，要求以10kHz以上的较高的驱动频率绕第二转动轴510转动反射镜部504。因此，一般利用共振。在此情况下，仅形成第二驱动体5081、5083，不设置第二驱动体5082。并且，对第二驱动体5081、5083施加与反射镜部504绕第二转动轴510转动的固有振动模式的频率相同频率的电信号。利用该结构能够进行共振驱动，能够大幅转动反射镜部504。

监视器部511配置在可动框503的、远离第一转动轴509的端部。图7是放大了设置有监视器部511的部分的立体图。可动框503由厚度为300μm的硅基板构成，配置为包围反射镜部504。监视器部511与实施方式1的监视器部108同样，由下部电极、压电体和上部电极的层积结构构成。

监视器部511受到可动框503绕第一转动轴509转动时受到的惯性力而发生变形，监视器部511中产生应变。形成于监视器部511的压电体产生应变，从而产生电信号。产生的电信号能够通过配线部512取出。配线部512中，通过形成绝缘层，防止上部电极与下部电极之间的短路。惯性力是按照物体的加速度，即可动框503的运动施加的力，因此能够取出与可动框503的运动相应的电信号。以上结构、构成与实施方式1相同。

在可动框503转动运动时，监视器部511由于惯性力而发生变形。因此，监视器部511最好配置在尽量远离第一转动轴509的位置处。另外，通过在以转动轴为中心的对称位置处配置一对监视器部511，监视器部511产生对称的变形。通过反转一对监视器部511的信号相位并进行相加，能够减少噪声等，能够以更高的精度检测可动框503的运动。

在将能绕两轴方向转动的光学反射元件501用于显示等用途的情况下，低速驱动的绕第一转动轴509的驱动使用15～60Hz左右的低频率，为了以锯齿波状的驱动信号驱动，往往进行非共振的驱动。为了检测可动框503的运动，也可以在产生用于转动可动框503的变形的第一驱动体5071～5074等部位处设置监视器部。若采用共振驱动，则通过在产生变形的部分部位处设置监视器部，能够检测可动框503的运动。

但是，在以非共振方式进行驱动的情况下，必须在产生变形的全部部位处设置监视器部。因此，在第一支承部505采用了蜿蜒结构的情况下，需要在全部振动梁5051～5054中设置监视器部。但是，监视器部的面积增加后，第一驱动体5071～5074的面积减少，因此驱动效率降低。

对此，监视器部511设置为从构成可动板的可动框503的外周部分中距第一转动轴509最远的部分伸出。因此，即使在以非共振方式进行驱动的情况下，也能够不减少驱动部的面积，直接检测可动框503的运动，不会降低驱动效率。

此外，本实施方式中，第一支承部505和第二支承部506具有蜿蜒结构，但也可以采用扭梁结构。监视器部511能够不依赖于第一驱动体5071～5074、第二驱动体5081～5083的结构，检测可动框503的转动情况。另外，并不检测第一驱动体5071～5074、第二驱动体5081～5083、第一支承部505、第二支承部506的变形程度。因此，监视器部511能够在不降低驱动效率的情况下检测可动框503的转动情况，有利于光学反射元件501的耗电减少。

图8中示出使用了光学反射元件501的激光扫描显示系统。从光源72射出的光由光学反射元件501的反射镜部504反射并投影到屏幕73。通过绕垂直的两个轴转动反射镜部504，能够在屏幕73上扫描激光。以得到期望影像74的方式，对应于反射镜部504的位置(即屏幕73上的激光位置)调制光源72的输出，从而能够描绘出影像74。此时，为了检测反射镜部504的位置，能够使用由监视器部511检测到的电信号。

此外，若可动板105、反射镜部504上不设置反射面，则实施方式1、2中说明的结构也可以用作致动器。

产业上的可利用性

本发明的光学反射元件具有在不降低驱动效率的情况下检测反射镜部的驱动状态的监视器功能。因此，能够用较低的耗电驱动反射镜，并进行高精度的控制。因此，能够用于平视显示器或头盔显示器、激光打印机等图像投影装置、光扫描装置。

符号说明

1、501  光学反射元件

73  屏幕

74  影像

101、502  固定框

102、504  反射镜部

103  转动轴

104  支承部

105  可动板

106  驱动部

108、511  监视器部

151、152、153、5051、5052、5053、5054、5061、5062、5063  振动梁

161、163  驱动体

171  配线电极

172  驱动电极焊盘

173  下部电极焊盘

181  监视器配线

182  监视器电极焊盘

183、303  下部电极

184、304  压电体

185  上部电极

186  重物

301  活性层

302  BOX层

305  绝缘层

306  钛/金膜

503  可动框

505  第一支承部

506  第二支承部

509  第一转动轴

510  第二转动轴

5071、5072、5073、5074  第一驱动体

5081、5082、5083  第二驱动体

Claims (9)

1.一种光学反射元件，具备：

可动板，具有反射面；

第一支承部，与所述可动板连接；

第一驱动部，设置于所述第一支承部，使所述可动板绕第一轴转动；

第一框，与所述第一支承部连接，内侧配置有所述可动部和所述第一支承部；以及

监视器部，从所述可动板的外周部分中距所述第一轴最远的部分伸出，用于检测所述可动板的转动。

2.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，

所述可动板具有：

反射镜部；

第二支承部，与所述反射镜部连接；

第二驱动部，设置于所述第二支承部，使所述反射镜部绕与所述第一轴大致垂直的第二轴转动；以及

第二框，内侧配置有所述反射镜部和所述第二支承部，并且在所述内侧与所述第二支承部连接，在外侧与所述第一支承部连接。

3.根据权利要求2所述的光学反射元件，其中，

所述第一支承部、第二支承部具有蜿蜒形状。

4.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，

所述第一支承部具有蜿蜒形状。

5.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，

所述监视器部具有下部电极、上部电极、以及介于所述下部电极与所述上部电极之间的压电体。

6.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，

所述监视器部是应变电阻元件。

7.一种致动器，具备：

可动板；

第一支承部，与所述可动板连接；

第一驱动部，设置于所述第一支承部，使所述可动板绕第一轴转动；

第一框，与所述第一支承部连接；以及

监视器部，从所述可动板的外周部分中距所述第一轴最远的部分伸出，用于检测所述可动板的转动。

8.根据权利要求7所述的致动器，其中，

所述监视器部具有下部电极、上部电极、以及介于所述下部电极与所述上部电极之间的压电体。

9.根据权利要求7所述的致动器，其中，

所述监视器部是应变电阻元件。