CN104272167B - 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，具有：反射镜部、一对接合部、一对振动部、多个驱动部、和固定部。接合部分别具有与反射镜部的对置的各个位置连接的第1端、和该第1端的相反侧的第2端，沿第1轴延伸。振动部分别具有与接合部的一方的第2端连接的中央部。多个驱动部分别设置在一对振动部的各自上，使反射镜部转动。在固定部连结一对振动部的各两端。定义为与接合部的第1轴正交的方向的长度的梁宽，大于一对振动部各自的梁宽。

Description

光学反射元件
技术领域
本发明涉及用在前导显示器、头戴显示器等的图像投影装置中的光学反射元件。
背景技术
近年来，开发了使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)技术，扫描激光来在屏幕等投影图像的光学反射元件。为了将图像投影，需要使用该光学反射元件二维地扫描激光。作为驱动光学反射元件的原理，例如使用压电致动器。
图10是现有的光学反射元件1的立体图。光学反射元件1具有：反射镜部9、支承反射镜部9的固定部3、一对振动梁4、和使反射镜部9转动驱动的压电体层10。振动梁4分别与反射镜部9和固定部3连结，使得反射镜部9能相对于固定部3可以转动。在压电体层10通电时，压电体层10伸缩。通过该伸缩让振动梁4扭转变形，从而反射镜部9转动。
另外，各振动梁4具有：从反射镜部9延伸出的扭力杆6、驱动部件7、和一对弹性部件8。驱动部件7连接在扭力杆6的与反射镜部9相反侧的端。一对弹性部件8设置得比驱动部件7更靠近反射镜部9，相互介由反射镜部9的转动中心轴而对置。另外，弹性部件8的第1端与驱动部件7连接，第2端与固定部3的一部分连接。另外，作为与本申请相关的压电致动器的公开，例如能举出专利文献1。
先行技术文献
专利文献
专利文献1：JP特许第4285568号公报
发明内容
发明的概要
本发明是能实现大的位移量和高频驱动的小型的光学反射元件。本发明的光学反射元件具有：反射镜部、一对接合部、一对振动部、多个驱动部、和固定部。接合部分别具有在反射镜部的对置的位置的各自上连接的第1端、和该第1端的相反侧的第2端，并且沿第1轴延伸。振动部分别具有与接合部的一方的第2端连接的中央部。多个驱动部分别设置在一对振动部的各自上，使反射镜部转动。在固定部连结一对振动部的各两端。定义为与接合部的第1轴正交的方向的长度的梁宽大于一对振动部各自的梁宽。
通过该构成，由于能减少加在接合部的应力，提高机械强度。因此能以大的转动角(位移量)且高频驱动反射镜部。
附图说明
图1是本发明的实施方式1的光学反射元件的俯视图。
图2是图1所示的光学反射元件的2-2线的截面图。
图3是表示图1所示的光学反射元件的谐振频率与机械偏转角的关系的图。
图4是图1所示的光学反射元件中的电极膜的配置图。
图5是图1所示的光学反射元件的5-5线的截面图。
图6是表示本发明的实施方式2的光学反射元件的振动部的部分放大图。
图7A是本发明的实施方式2中的光学反射元件的其它振动部的部分放大图。
图7B是表示本发明的实施方式2中的光学反射元件的再其它振动部的部分放大图。
图7C是表示本发明的实施方式2中的光学反射元件的另外的振动部的部分放大图。
图8是本发明的实施方式3中的光学反射元件的俯视图。
图9是图8所示的光学反射元件的振动部的放大图。
图10是现有的光学反射元件的立体图。
具体实施方式
在本实施方式的说明之前，先简单说明现有的光学反射元件1中的课题。为了提高投影图像的分辨率，需要在维持反射镜部9的转动角度的同时提高驱动频率，来提高光束(光点)的扫描速度。此时，由于在扭力杆6应力集中，因此例如需要使扭力杆6较长来分散应力。其结果，光学反射元件1变大，扫描速度降低。
以下参考附图来说明本发明的实施方式的光学反射元件。
(实施方式1)
图1是本发明的实施方式1的光学反射元件11的俯视图。光学反射元件11具有：反射镜部12、一对接合部13A、13B、一对振动部14、15、多个驱动部24A、24B、24C、24D、和固定部16。接合部13A、13B在沿第1轴17A的方向上延伸，夹着反射镜部12而对置。即，接合部13A、13B的第1端在反射镜部12的对置的位置与反射镜部12连接并支承反射镜部12。振动部14、15配置为在中央部夹着接合部13A、13B，与它们的第2端连接。振动部14、15沿与第1轴17A正交的第2轴17B延伸。框状的固定部16与振动部14、15的两端连结，支承振动部14、15。另外，固定部16只要支承振动部14、15即可，可以由2个以上的部件构成，也可以不是框状。
驱动部24A、24B夹着振动部14的中央部而彼此设置在相反侧，驱动部24C、24D夹着振动部15的中央部而彼此设置在相反侧。驱动部24A～24D以第1轴17A为中心轴使反射镜部12转动。驱动部24A～24D具有在第2轴17B方向上延伸的直线形状、或弯曲的形状。
接下来，参考图2来说明驱动部24A～24D的构成。图2是图1中的2-2线的截面图。构成振动部14、15的驱动部24A、24C，作为最下层具有遍布光学反射元件11的整体而一体形成的硅基板18，在硅基板18上形成绝缘膜19。在绝缘膜19之上设置下部电极膜20，在下部电极膜20之上形成压电膜21，在压电膜21之上形成上部电极膜22。如此，压电体层23由绝缘膜19、下部电极膜20、压电膜21、和上部电极膜22构成。
下部电极膜20、上部电极膜22由铂、金、钛、钨等的金属膜形成，压电膜21由锆钛酸铅(Pb(Zr1-x，Tix)O3)等的压电材料形成。它们能通过蒸镀、溶胶凝胶、CVD、溅射法等形成为薄膜。另外，驱动部24B、24D也同样构成。即，驱动部24A～24D将下部电极膜20、压电膜21和上部电极膜22依次叠膜而形成。
在下部电极膜20与上部电极膜22间施加给定的电压，由此通过逆压电效应使压电膜21在压电膜21的平面方向上伸缩动作。由此，包含压电膜21的驱动部24A～24D在厚度方向出现弯曲位移。
通过使赋予驱动部24A的电压相对于赋予夹着接合部13A对置的驱动部24B的电压为相反相位，驱动部24A、24B向相反方向弯曲。其结果，在被驱动部24A、24B所夹的接合部13A产生扭转位移。
在接合部13B也与接合部13A相同，通过对驱动部24C、24D施加相位为相反方向的电压而产生扭转位移。通过使施加给驱动部24A和驱动部24C的电压的相位为相同相位，使施加给驱动部24B、24D的电压的相位为相同相位，接合部13A、13B以相同相位引起扭转位移。其结果，反射镜部12绕着第1轴17A转动。
通过利用绕着第1轴17A引起转动动作的固有振动模式，能使反射镜部12较大地位移。由此，通过对驱动部24A～24D施加与谐振频率同步的驱动频率，能以第1轴17A为中心轴使反射镜部12较大地位移。
在如此使反射镜部12位移时，在接合部13A、13B出现扭转位移，由此产生扭转应力。伴随反射镜部12的位移量增大，加在接合部13A、13B的扭转应力也增加。若该扭转应力超过接合部13A、13B的机械强度，在接合部13A、13B就会出现裂纹破坏等，不能再使反射镜部12位移动作。
一般，为了增大反射镜部12的位移量，例如使接合部13A、13B的长度在第1轴17A方向上延伸来减少加在接合部13A、13B的扭转应力。但是，若使接合部13A、13B在第1轴17A方向上延伸，光学反射元件11就会变大，如前述那样，扫描速度即谐振频率就会降低。
与此相对，在光学反射元件11中，接合部13A、13B的梁宽W1大于振动部14、15的梁宽W2。将梁宽W1定义为接合部13A、13B的与第1轴17A正交的方向的长度。另一方面，将梁宽W2定义为振动部14、15的沿第1轴17A的方向的长度。
根据该尺寸关系，在接合部13A、13B，与扭转位移相比，在驱动部24A～24D出现的弯曲位移成为支配性地位。即，与加在接合部13A、13B的中央部的扭转应力相比，加在接合部13A、13B各自的整体的弯曲应力成为支配性地位。由于如此将应力分散在接合部13A、13B整体，因此能不超过构成接合部13A、13B的材料的机械强度地确保反射镜部12的位移量。
另外，由于使接合部13A、13B的梁宽较宽，转动体即反射镜部12和接合部13A、13B的合计质量增加。其结果，反射镜部12的上下振动模式的谐振频率降低。另一方面，与第1轴17A平行的接合部13A、13B的从端部到反射镜部12的第2轴17B方向的端部为止的距离相对较短。为此，绕着反射镜部12的第1轴17A的惯性矩相对较小。其结果，绕着第1轴17A转动的振动模式的谐振频率增加。通过调整该两者的平衡，能使振动模式的谐振频率增加。
图3表示相对于振动部14、15的梁宽W2使接合部13A、13B的梁宽W1增减情况下的谐振频率与反射镜部12的机械偏转角的关系。横轴表示谐振频率，纵轴表示机械偏转角。在使接合部13A、13B的梁宽W1相对于振动部14、15的梁宽W2的170μm窄50μm时，谐振频率和机械偏转角降低。另一方面，在使接合部13A、13B的梁宽W1相对于振动部14、15的梁宽W2的170μm宽100μm的情况下，谐振频率和机械偏转角都增加，能摆脱此消彼长的关系。如此，通过相对于振动部14、15的梁宽W2使接合部13A、13B的梁宽W1较大，能同时增大谐振频率和机械偏转角。
接下来，参考图4来说明光学反射元件11中的优选的结构。图4是光学反射元件11中的上部电极膜22的配置图。
如前述那样，在驱动部24A～24D设置用于在振动部14、15引起弯曲位移的压电体层23。由此，也可以利用压电体层23来同时具有监控振动部14、15的驱动状态的功能。即，由于压电膜21具有压电效应，因此伴随着驱动部24A～24D的弯曲位移而产生电荷。另外，由于产生与弯曲位移量相应的电荷量，因此通过监控该电荷，能精度良好地监控振动部14、15的驱动状态。
其中，需要不阻碍振动部14、15的驱动地探测驱动状态，且在易于在压电膜21产生应变的部位配置电极膜。由于驱动部24A～24D出现弯曲位移，因此在固定部16的周边应变易于集中。由此，如图4所示那样，期望至少在固定部16与振动部14、15的边界线上设置上部电极膜22。即，优选在固定部16与振动部14、15的边界形成构成监控部的上部电极膜22。
接下来参考图5来说明光学反射元件11的另外的优选结构。图5是图1所示的光学反射元件的5-5线的截面图，表示接合部13A的截面。
如此，期望使接合部13A、13B的梁宽W1大于接合部13A、13B的梁厚t。将梁厚t定义为与由第1轴17A和第2轴17B构成的平面正交的方向的长度。在接合部13A、13B的梁宽W1为梁厚t以下的情况下，加在接合部13A、13B的扭转应力易于集中在接合部13A、13B的侧壁部，得不到加宽梁宽W1来在平面方向上使应力分散的效果。另外，在使用硅基板18的情况下，在硅的加工中较多使用Bosch工艺。但是，在使用Bosch工艺时，在侧壁产生被称作毛边(scallop)的凹凸形状。若应力集中在该凹凸部，机械强度就会降低。根据以上，期望使接合部13A、13B的梁宽W1大于梁厚t。
(实施方式2)
图6是表示本发明的实施方式2中的光学反射元件31的振动部32的部分放大图。光学反射元件31具有：反射镜部34、接合部33、振动部32、和固定部35。光学反射元件31在振动部32有曲率这一点上和实施方式1中的光学反射元件11不同。这以外的基本的构成都与光学反射元件11相同。即，虽未图示，但接合部33在反射镜部34的对置的位置设有一对，振动部32设有一对，在各自的中央部与接合部33连接。振动部32的两端与固定部35连接。使定义为与接合部33的第1轴17A正交的方向的长度的梁宽，大于振动部32的梁宽。
振动部32在与接合部33连接的中央部和固定部35之间具有一对梁部32A，梁部32A具有弯曲形状。另外，将振动部32的梁宽定义为梁部32A的弯曲形状的外周与内周间的长度。
在振动部32上设置具有压电膜的驱动部(未图示)。对该压电膜施加电压，从而通过逆压电效应使压电膜在压电膜的平面方向上伸缩，振动部32在厚度方向上引起弯曲位移。通过振动部32的弯曲位移，在接合部33与振动部32的连接部位附近产生弯曲应力。但是，由于振动部32的梁部32A具有弯曲形状，能使接合部33与振动部32的连接部位近旁的应力分散。其结果，能使机械强度提升，使反射镜部34的偏转角较大。
接下来，参考图7A～图7C来说明弯曲的梁部32A的与图6不同的形状。图7A～图7C是表示本实施方式中的其它振动部32的部分放大图。
在图7A～图7C所示的振动部32中，梁部32A由更靠近固定部35的第1弯曲部36、和更靠近与接合部33连接的中央部的第2弯曲部37构成。
在具有直线形状的实施方式1的振动部14、15中，在振动部14、15与固定部16的连接部位，伴随振动部14、15的弯曲位移的应力易于集中。与此相对，通过使振动部32与固定部35的连接部位的第1弯曲部36为具有图7A～图7C那样的曲率半径的形状，能将固定部35与第1弯曲部36的接合部位应力分散。
另外，也可以如图7B所示那样，构成为第1弯曲部36的曲率半径与第2弯曲部37的曲率半径不同。在此，将第1弯曲部36的曲率半径设为r，将第2弯曲部37的曲率半径设为R。
为了效率良好地使接合部33产生大的扭转位移，设置为使相对于接合部33的驱动部的正交分量的比例，在尽可能靠近接合部33的部位较多。即，在第1弯曲部36的曲率半径r等于或大于第2弯曲部37的曲率半径R的情况下，相对于接合部33的驱动部的正交分量大多构成在从接合部33离开的第1弯曲部36上。为此，在接合部33引起扭转位移的驱动效率会降低。
为此，优选使第1弯曲部36的曲率半径r小于第2弯曲部37的曲率半径R，以使得相对于接合部33的驱动部的正交分量大多占据在靠近接合部33的第2弯曲部37上。另外，关于第1弯曲部36、第2弯曲部37的曲率半径的大小关系，也能适用在图7A所示的振动部32中。
另外，比起设置在第1弯曲部36上，优选将构成驱动部38的压电体层23(图2参考)设置在至少第2弯曲部37上。通过该配置能使接合部33的扭转位移高效地变大。
另外，若第1弯曲部36的曲率半径r较大，与曲率半径r相伴元件在第1轴17A方向上会扩大。在此，如图7B所示那样，优选使第1弯曲部36为在沿第1轴17A的方向上向反射镜部34凸的形状，使第2弯曲部37为在第1轴17A方向上向固定部35凸的形状。即，优选第1弯曲部36和第2弯曲部37的弯曲方向不同，向相反方向突出。通过该形状，由于能在靠近反射镜部34的位置设置与固定部35的连接位置，能在使固定部35与第1弯曲部36的接合部位应力分散的同时使光学反射元件31与第1弯曲部36的曲率半径r的幅度相应地小型化。
另外，也可以如图7C所示那样，构成为使第2弯曲部37在更靠近第1弯曲部36一侧和更靠近接合部33一侧曲率半径不同。通过振动部32的弯曲位移，在接合部33与振动部32的连接部位附近产生弯曲应力。为了分散该应力，需要使连接部位附近的曲率半径较大。加在第2弯曲部37内的靠近第1弯曲部36一侧的应力比较小。为此，若第2弯曲部37的曲率半径恒定，光学反射元件31就会变大。为此，通过使第2弯曲部37的靠近第1弯曲部36一侧的曲率半径小于靠近接合部33一侧的曲率半径，能在确保光学反射元件31的机械强度的同时实现小型化。
另外，也可以在第1弯曲部36上设置与驱动用不同的压电膜39，来同时具有监控振动部32的驱动状态的功能。压电膜39作为形成在固定部35与振动部32的边界的监控部发挥功能。
压电膜39由于具有压电效应，因此伴随振动部32的弯曲位移而产生电荷。另外，由于产生与弯曲位移量相应的电荷量，因此通过监控该电荷，能精度良好地监控振动部32的驱动状态。但是，需要不阻碍振动部32的驱动地探测驱动状态，且在易于产生应变的部位配置压电膜39。由于振动部32引起弯曲位移，因此在固定部35与第1弯曲部36的边界线周边应变易于集中。为此，期望至少在固定部35与第1弯曲部36的边界线上设置压电膜39。
(实施方式3)
图8是本发明的实施方式3中的光学反射元件41的俯视图。光学反射元件41具有：固定部42、一对第1振动部43A、43B、可动框44、一对第2振动部45A、45B、一对接合部46A、46B、和反射镜部47。
第1振动部43A、43B的第1端相互对置地与固定部42的内侧连接，第2端与可动框44连接。即，第1振动部43A、43B支承可动框44。在可动框44的内侧的在沿第2轴17B的方向上对置的两边，连接第2振动部45A、45B。接合部46A、46B的第1端连接在能转动的反射镜部47的对置的位置，第1端的相反侧的第2端与第2振动部45A、45B的中央部连接。第1振动部43A、43B使可动框44绕着第2轴17B转动，第2振动部45A、45B使反射镜部47绕着与第2轴17B正交的第1轴17A转动。
与图2所示的实施方式1、2相同，第1振动部43A、43B具有作为最下层而一体形成的硅基板18，在硅基板18上形成绝缘膜19。在绝缘膜19之上设置下部电极膜20，在下部电极膜20之上形成压电膜21，在压电膜21之上形成上部电极膜22。下部电极膜20、压电膜21、上部电极膜22作为驱动部发挥功能。
图9是第1振动部43A的部分放大图。第1振动部43A具有平行而设并相邻的多个连结部48、和将连结部48中的2个相连的折返部49，由多个连结部48和多个折返部49形成蜿蜒形状。在对第1振动部43A的下部电极膜20与上部电极膜22间施加给定的电压时，对压电膜21施加给定的电场，通过逆压电效应，压电膜21在压电膜21的平面方向上进行伸缩动作。此时，在压电膜21产生的平面方向的伸缩动作作为第1振动部43A的厚度方向的力矩发挥作用，由此第1振动部43A在厚度方向上挠曲振动。此时，对于第1振动部43A的连结部48，对相邻的连结部48分别施加相反相位的电压，由此连结部48的挠曲重叠，可动框44绕着第2轴17B转动。
通过作为第2振动部45A、45B使用实施方式1中说明的振动部14、15或实施方式2中说明的振动部32，能使反射镜部47同时绕着第1轴17A以及第2轴17B以大的位移转动。为此，能对反射镜部47照射例如激光来在二维平面上投影鲜明的图像等。
产业上的利用可能性
本发明的光学反射元件能在屏幕投影鲜明的图像，能利用在小型放映机或头戴显示器中。
标号的说明
11、31、41 光学反射元件
12、34、47 反射镜部
13A、13B、33、46A、46B 接合部
14、15、32 振动部
16、35、42 固定部
17A 第1轴
17B 第2轴
18 硅基板
19 绝缘膜
20 下部电极膜
21、39 压电膜
22 上部电极膜
23 压电体层
24A、24B、24C、24D、38 驱动部
32A 梁部
36 第1弯曲部
37 第2弯曲部
43A、43B 第1振动部
44 可动框
45A、45B 第2振动部
48 连结部
49 折返部

Claims (11)

1.一种光学反射元件，具备：
反射镜部；
一对接合部，具有在所述反射镜部的对置的位置的各自上连接的第1端、和所述第1端的相反侧的第2端，并且沿第1轴延伸；
一对振动部，具有与所述接合部的一方的所述第2端连接的中央部；
多个驱动部，设置在所述一对振动部的各自上，并使所述反射镜部转动；和
固定部，连结所述一对振动部的各两端，
定义为与所述接合部的所述第1轴正交的方向的长度的梁宽，大于所述一对振动部的各自的梁宽，
所述一对振动部分别在与所述接合部连接的所述中央部和所述固定部之间具有一对梁部，
所述一对梁部各自具有弯曲形状，
所述一对振动部各自的所述梁宽，被定义为所述弯曲形状的外周与内周间的长度。
2.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，
所述梁部分别由更靠近所述固定部的第1弯曲部、和更靠近所述中央部的第2弯曲部构成。
3.根据权利要求2所述的光学反射元件，其中，
所述第1弯曲部的曲率半径小于所述第2弯曲部的曲率半径。
4.根据权利要求3所述的光学反射元件，其中，
所述第2弯曲部的曲率半径在更靠近所述第1弯曲部一侧和更靠近所述接合部一侧是不同的。
5.根据权利要求2所述的光学反射元件，其中，
所述第1弯曲部和所述第2弯曲部的弯曲方向不同。
6.根据权利要求5所述的光学反射元件，其中，
所述第1弯曲部的曲率半径小于所述第2弯曲部的曲率半径。
7.根据权利要求6所述的光学反射元件，其中，
所述第2弯曲部的曲率半径在更靠近所述第1弯曲部一侧和更靠近所述接合部一侧是不同的。
8.根据权利要求2所述的光学反射元件，其中，
所述驱动部形成在所述第2弯曲部上。
9.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，
所述驱动部将下部电极膜、压电膜和上部电极膜依次叠膜而形成。
10.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，
在所述固定部与所述振动部的边界形成监控部。
11.根据权利要求1所述的光学反射元件，其中，
所述接合部的所述梁宽，大于用相对于所述第1轴及与所述第1轴正交的第2轴所构成的平面正交的方向的长度定义的所述接合部的梁厚。
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