CN104380173A - 致动器、光学反射元件及利用该光学反射元件的成像装置 - Google Patents

致动器、光学反射元件及利用该光学反射元件的成像装置 Download PDF

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Abstract

光学反射元件(1)具备：框体(6)；一端连接于所述框体的内侧的驱动部(5)；连接于驱动部的另一端的可动部(4)；设置于所述可动部的表面的反射部(2)；和设置于所述可动部的电极。所述驱动部构成为通过驱动信号而被驱动来使所述可动部振动。所述电极构成为被输入比所述驱动信号高的频率的高频信号。该光学反射元件高速且以大偏转角被驱动，能够防止尘埃向所述可动部的附着。

Description

致动器、光学反射元件及利用该光学反射元件的成像装置
技术领域
本发明涉及致动器、光学反射元件及利用该光学反射元件的成像装置。
背景技术
近年来，正在研究利用Micro Electro Mechanical Systems(MEMS，微机电系统)技术的致动器。而且，作为该致动器的有效利用，正在开发对激光进行扫描并向屏幕等投影图像的光学反射元件。为了投影图像，需要利用该光学反射元件高速且大偏转角地扫描激光。
若使包含光学反射元件的反射部的可动部高速且以大偏转角进行驱动，则在反射部的外周部附着大气中的尘埃，反射部受到污染。因污染而产生反射部的反射率下降所导致的反射光强度的下降、或者向污染部的激光照射所导致的光散射等，将会引起图像的亮度下降、图像的劣化。
为了解决这些问题，专利文献1公开了一种光学反射元件，用光透过构件覆盖反射部，防止反射部的污染。此外，专利文献2公开了一种在反射部的外周设置尘埃附着部来防止反射部的污染的光学反射元件。进而，专利文献3公开了一种对反射部的侧面进行加工来设置尘埃附着部从而防止反射部的污染的光学反射元件。进而，专利文献4公开了一种将具有低电阻率的导电性材料用于反射部的透明保护膜来防止带电所引起的尘埃附着的方法。
在先技术文献
专利文献
专利文献1：JP特开2005-173435号公报
专利文献2：JP特开2010-097099号公报
专利文献3：JP特开2010-102147号公报
专利文献4：JP特开2011-033754号公报
发明内容
致动器具备：框体；一端连接于框体的内侧的驱动部；连接于驱动部的另一端的可动部；和设置于可动部的电极。驱动部构成为通过驱动信号而被驱动来使可动部振动。电极构成为被输入比驱动信号高的频率的高频信号。
该致动器高速且以大偏转角被驱动，能够防止尘埃向可动部的附着。
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是实施方式1中的光学反射元件的放大图。
图3是比较例的光学反射元件的放大图。
图4是实施方式1中的光学反射元件所连接的驱动电路的框图。
图5是实施方式1中的光学反射元件的放大图。
图6是表示实施方式1中的光学反射元件的驱动时间与谐振频率的关系的图。
图7是实施方式1中的其他光学反射元件的立体图。
图8是本发明的实施方式2中的光学反射元件的放大图。
图9是表示实施方式2中的光学反射元件的驱动时间与谐振频率的关系的图。
图10A是实施方式2中的其他光学反射元件的放大图。
图10B是图10A所示的光学反射元件的放大图。
图11是实施方式2中的另一光学反射元件的放大图。
图12是本发明的实施方式3中的光学反射元件的立体图。
图13是利用了实施方式3中的光学反射元件的成像装置的构成图。
具体实施方式
(实施方式1)
图1是本发明的实施方式1中的致动器的一例即光学反射元件1的立体图。光学反射元件1具有：以转动轴3为中心而转动的可动部4；与可动部4连接的驱动部5；与驱动部5连接的框体6；和设置于可动部4的反射部2。
图2是特别示出可动部4的周边的光学反射元件1的放大图。可动部4具有表面4A、和表面4A的相反侧的背面4B。反射部2由设置于可动部4的表面4A的金属(Ag系材料)等对光进行反射的材料所构成的膜而形成，对照射到可动部4的光束进行反射。电极7设置于可动部4的表面4A的外周部，与驱动部5连接而被输入对驱动部5进行驱动的驱动信号。
驱动部5具有：由硅形成的基板；形成在基板上的下部电极；形成在下部电极上的PZT(锆钛酸铅)等的压电体所构成的压电体层；和形成在压电体层上的上部电极。
通过干法蚀刻或湿法蚀刻将下部电极、压电体层、上部电极图案形成为希望的形状之后，通过ICP干法蚀刻对基板进行加工，由此能够形成可动部4、驱动部5、框体6。
若在下部电极与上部电极之间施加电场，则压电体层因逆压电效应而在平面方向上伸缩。此时，在压电体层产生的力作为驱动部5的厚度方向的力矩而发挥作用，驱动部5挠曲。由此，与驱动部5连接的可动部4的倾斜发生变动，可动部4以转动轴3为中心而转动。
图3是除了不具备电极7这一点以外与光学反射元件1具有相同构造的比较例的光学反射元件的放大图，是在大气中以驱动频率30kHz、偏转角±8度进行了300小时以上的长时间驱动的情况下的可动部4的显微镜照片。黑色的部分是附着于光学反射元件的异物8。如图3所示，在以高速、大偏转角使可动部4进行了驱动的情况下，在可动部4以及驱动部5的外周附着异物8，且附着部位发生了变色。将比较例的光学反射元件放入封装内，用氮气等进行气密密封并在相同条件下进行了驱动的情况下，在可动部未附着异物8，因此能够确认附着于可动部4的异物8是大气中的尘埃。由于像这样在可动部4附着尘埃，因而可动部4的反射部2的反射率下降，或者比较例的光学反射元件的谐振频率下降。
如图3所示，尘埃特别容易附着在位移大的可动部4的外周部附近。因可动部4的位移而在可动部4的外周产生气流，因空气与尘埃的冲撞、摩擦而产生的静电对尘埃向可动部4的附着产生很大影响。因此，使得在可动部4不产生静电对于防止尘埃的附着很有效。
实施方式1中的光学反射元件1通过防止静电的产生来抑制尘埃的附着。对抑制光学反射元件1的静电产生的方法进行叙述。
图4是产生向光学反射元件1输入的信号的驱动电路1001的框图。驱动电路1001具有驱动信号产生器9、高频信号产生器10和合成器11。驱动信号产生器9产生通过使驱动部5驱动振动来以规定的驱动频率使可动部4以转动轴3为中心而转动的驱动信号。在实施方式1中驱动信号是具有30kHz的驱动频率的正弦波电压。高频信号产生器10产生具有比驱动信号的驱动频率高的频率的高频信号。合成器11在驱动信号上叠加高频信号来产生合成驱动信号并输入到电极7。即，驱动信号产生器9经由合成器11将驱动信号输入到电极7，高频信号产生器10经由合成器11将高频信号输入到电极7。在实施方式1中高频信号的频率为0.5MHz～2MHz。高频信号的电压被调整为：即使在驱动信号上叠加高频信号，可动部4也以规定的驱动频率(实施方式1中为30kHz)、规定的偏转角(实施方式1中为±8度)进行转动振动。通过将高频信号输入到电极7，从而具有高的频率的电荷在驱动部5、可动部4的外周附近产生。该电荷与产生于可动部4的静电相抵消，由此能够抑制可动部4外周的带电，能够防止尘埃向可动部4、驱动部5的附着。
图5是光学反射元件1的放大图，表示与图2所示的比较例的光学反射元件一样，以驱动频率30kHz、偏转角±8度进行了300小时以上的长时间驱动的情况下的可动部4的显微镜照片。在图5所示的光学反射元件1中没有观察到在图3所示的比较例的光学反射元件中所见的尘埃附着，通过在驱动信号上叠加高频信号后输入到电极7，能够获得对尘埃附着的高抑制效果。
图6将光学反射元件1的可动部4固有的机械谐振频率和驱动时间的关系与比较例的光学反射元件的所述关系一起示出。在图6中，横轴表示驱动时间，纵轴表示谐振频率。如图6所示，在比较例的光学反射元件中，伴随驱动时间的经过，尘埃附着于可动部4从而可动部4变重、谐振频率下降。相对于此，实施方式1中的光学反射元件1即使长时间驱动，谐振频率也没怎么下降，表现出尘埃附着的高抑制效果。
另外，若叠加于驱动信号的高频信号的电压过大则光学反射元件1的高频振动模式变大，有偏转角下降的可能性。此外，若高频信号的电压过小，则通过高频信号的施加而产生的具有高频率分量的电荷变少，无法获得充分的防尘效果。在实施方式1中的光学反射元件1中，将驱动电压的5～10％的电压的高频信号叠加于驱动电压，若处于该范围则不会使光学反射元件1的偏转角下降，并且，能够获得尘埃附着的充分的抑制效果。不过，根据光学反射元件1的构造、使用环境，即使为驱动信号的电压的5～10％的范围之外的施加电压也能够获得同样的效果。
此外，虽然在实施方式1中的光学反射元件1中高频信号的频率为0.5MHz～2MHz，但也可以使高频信号的频率在0.5MHz～2MHz的范围内进行扫频。此时，由于产生具有不同频率分量的电荷，因此与不进行扫频而输入了具有固定频率的高频信号时相比能够获得更高的尘埃附着的抑制效果。另外，既可以使高频信号的频率从0.5MHz向2MHz进行扫频，也可以从2MHz向0.5MHz进行扫频，无论哪种方式都能够获得同样的效果。
另外，在实施方式1中的光学反射元件1中，对于驱动频率30kHz的转动驱动确认了通过0.5MHz～2MHz的高频信号的叠加而具有尘埃附着抑制的效果。由于对应于输入到电极7的驱动信号的频率，尘埃抑制的效果最大的频率有可能发生变化，因此高频信号的频率并不限定于0.5MHz～2MHz的频率。实施方式1中的光学反射元件1中对于驱动信号的频率30kHz的转动驱动，以高频信号0.5MHz～2MHz表现出尘埃附着抑制的效果，像这样只要高频信号的频率比驱动信号的频率高就能够获得尘埃附着的抑制效果。
另外，在实施方式1中的光学反射元件1中，一对驱动部5与可动部4的彼此相反侧的部分连接，对可动部4进行支撑的同时使可动部4转动振动。不限于此，也可以将1个驱动部5仅与可动部4的单侧连接，对可动部4进行支撑的同时使可动部4转动振动，能够获得同样的效果。
另外，在实施方式1中的光学反射元件1中，使得输入对驱动部5进行驱动的驱动信号的电极、和输入高频信号的电极为同一电极7，使高频信号叠加于驱动信号来实现驱动和尘埃附着的抑制。图7是实施方式1中的其他光学反射元件1A的立体图。在图7中，对与图1所示的光学反射元件1相同的部分附加相同参照编号。光学反射元件1A还具备输入驱动信号的电极7A。对光学反射元件1A的电极7A输入未叠加高频信号的驱动信号，对电极7输入高频信号而不输入驱动信号。光学反射元件1A能够获得与光学反射元件1同样的尘埃附着的效果。
另外，在实施方式1中的光学反射元件1、1A中驱动部5利用逆压电效应而被驱动，但也可以以静电驱动方式、电磁驱动方式而被驱动，能够同样地获得因静电而导致的向可动部4的外周部的尘埃附着的抑制效果。
在专利文献1所公开的现有的光学反射元件中，由于需要光透过构件和防反射涂层，因此导致成本提高。此外，未透过光透过构件而被反射的光成为杂散光，还有可能引起图像劣化。在专利文献2、专利文献3所公开的现有的光学反射元件中，由于设置尘埃附着部而可动部的尺寸变大，阻碍元件的小型化。进而，由于追加附着部的加工工序，因而工序时间增加，或者制作工艺复杂化。在专利文献4所公开的现有的方法中，需要新开发一种考虑了反射率的具有导电性的透明保护膜。
在实施方式1中的光学反射元件1、1A中由于未使用光透过构件因此能够实现小型化、成本降低。
在实施方式1中的光学反射元件1、1A中，由于不需要在可动部4设置尘埃附着部因此能够实现小型化，且不需要尘埃附着部的加工工序，能够实现生产节拍的降低。
在实施方式1中的光学反射元件1、1A中，由于未使用具有导电性的透明保护膜因此不需要透明保护膜的设计/开发。
(实施方式2)
图8是实施方式2中的光学反射元件21的放大图。在图8中，对与图2所示的实施方式1中的光学反射元件1相同的部分附加相同参照编号。图8表示可动部4。如图8所示，实施方式2中的光学反射元件21还具备在图2所示的光学反射元件1的可动部4的表面4A的外周附近设置的接地电极23，构成为可动部4通过接地电极23而接地。通过在可动部4的外周附近设置的接地电极23，能够去除残留于可动部4的表面电荷。由此，能够完全去除因与空气的摩擦而在可动部4的外周附近产生的静电，能够进一步提高向可动部4的尘埃抑制的效果。
图9将实施方式2中的光学反射元件21的可动部4固有的机械谐振频率与驱动时间的关系，与实施方式1中的光学反射元件1和前述的比较例的光学反射元件的所述关系一同示出。在图9中，横轴表示驱动时间，纵轴表示谐振频率。在比较例的光学反射元件中由于附着尘埃而可动部4变重从而谐振频率随着驱动时间而下降。在实施方式1中的光学反射元件1中与比较例的光学反射元件相比虽然下降的比例较小，但谐振频率随着驱动时间的经过而下降。相对于此，在实施方式2中的光学反射元件21中即使为200小时以上的长时间驱动，谐振频率也没有变化，谐振频率始终固定。这样，在实施方式2中的光学反射元件21中通过将高频信号输入到电极7来抑制电荷向可动部4的表面产生，除此之外通过利用接地电极23将可动部4外周附近接地来将残留的表面电荷从可动部4外周除去，能够使大气中的尘埃附着的抑制效果与实施方式1中的光学反射元件1相比进一步提高。
图10A和图10B是实施方式2中的其他光学反射元件21A的放大图。在图10A和图10B中，对与图8所示的光学反射元件21相同的部分附加相同参照编号。在图8所示的光学反射元件21中，通过接地电极23仅将可动部4的形成了反射部2的表面4A的外周附近接地。在图10A和图10B所示的光学反射元件21A中，在可动部4的背面4B的外周附近设置接地电极23而将背面4B接地。由此能够防止尘埃向可动部4的背面4B的附着，能够更有效地防止尘埃向可动部4的附着。此外，由于在可动部4的背面4B未设置反射部2，因此即使附着尘埃，光的反射率下降、光散射等也不会成为问题，但可动部4的质量由于该尘埃而增加，因此谐振频率发生变化。谐振频率的变化在将光学反射元件21应用于成像装置等的情况下有可能引起影像的劣化。期望谐振频率固定，由于可动部4的背面4B的接地将谐振频率保持固定因而有效果。
图11是实施方式2中的另一光学反射元件21B的放大图。在图11中，对与图8所示的光学反射元件21相同的部分附加相同的参照编号。在图11所示的光学反射元件21B中接地电极23与反射部2连接，从而反射部2也被接地。尤其是在反射部2由金属等的导电材料形成的情况下，由此可动部4中的被接地的部分的面积扩大，从而能够使表面电荷逃离到可动部4的外部的效率提高，因此能够更有效地防止尘埃向可动部4的附着。
另外，虽然在实施方式2中的光学反射元件21、21A、21B中驱动部5利用逆压电效应而被驱动，但也可以以静电驱动方式、电磁驱动方式而被驱动，同样能够获得静电所导致的尘埃向可动部4的外周部的附着的抑制效果。
(实施方式3)
图12是实施方式3中的光学反射元件31的立体图。在图12中，对与图1至图10B所示的实施方式1、2中的光学反射元件相同的部分附加相同的参照编号。实施方式3中的光学反射元件31还具备：具有连接于实施方式1、2中的光学反射元件的框体6的外侧的一端的驱动部32；和连接于驱动部32的另一端的框体33。驱动部32的另一端连接于框体33的内侧。驱动部32在与驱动部5大致正交的方向上连接于框体6。驱动部32也与驱动部5同样地具有：由硅形成的基板；该基板上形成的下部电极；形成在下部电极上的PZT(锆钛酸铅)等的压电材料所构成的压电体层；和形成在压电体层上的上部电极。若在驱动部32的下部电极与上部电极之间施加电场，则由于逆压电效应，压电体层在与层叠了下部电极、压电体层、和上部电极的厚度方向呈直角的面方向上伸缩。此时，在压电体层产生的力作为驱动部32的厚度方向的力矩而发挥作用，驱动部32挠曲。由此，连接于驱动部32的可动部4的倾斜发生变动，以转动轴35为中心而转动。
这样，使可动部4在驱动部5与驱动部32大致正交的方向上转动振动，能够在二维方向上扫描设置于可动部4的反射部2所反射的光。
图13是实施方式3中的成像装置30的构成图。成像装置30具备光学反射元件31和激光光源36～38。
激光光源36射出红色的激光。激光光源37射出绿色的激光。激光光源38射出蓝色的激光。从激光光源36～38射出的激光39向光学反射元件31入射。所入射的激光39被反射部2反射。在实施方式3中，在光学反射元件31的可动部4设置的反射部2以转动轴3为中心在X轴方向上以频率30kHz进行转动振动、并以转动轴35为中心在Y轴方向上以频率60Hz进行转动振动，由此能够以这些频率对激光39进行扫描。激光39和光学反射元件31，与对激光39进行调制的输入影像信号取得同步，由此能够以低功耗将高清且颜色再现性优良的全彩色的影像二维地投影到屏幕40。
成像装置30具备具有实施方式1、2中的光学反射元件的双轴驱动的光学反射元件31，因此即使以转动轴3为中心在水平方向上高速且以大偏转角使其转动驱动，也能够抑制可动部4的外周因大气中的尘埃附着而造成的污染，能够长期地维持高亮度且高清的影像。
另外，在实施方式3中的成像装置30中，具备三色的激光光源36～38，但也可以取而代之具备单色、双色、或者三色以上的激光光源，能够获得相同的效果。此外，在实施方式3中的成像装置30中，虽然具备通过双轴来驱动的光学反射元件31，但也可以具备通过单轴来驱动的光学反射元件，能够获得相同效果。
此外，在实施方式3中的成像装置30中，光学反射元件31在X轴方向上以频率30kHz对激光39进行扫描，在Y轴方向上以频率60Hz对激光39进行扫描，但即使以与这些频率不同的频率对激光39进行扫描也同样能够获得尘埃向可动部4的附着的抑制效果。
此外，在实施方式1～3中作为致动器的一例举出光学反射元件为例进行了说明，但不限定于此，即使为具有高速进行转动的可动部4的致动器也能够获得同样的效果。
工业实用性
本发明中的致动器，即使高速且以大偏转角使其驱动也能够防止浮游在大气中的尘埃的附着，因此在能够稳定地投影高亮度且高清的图像的、移动投影机或头带式显示器等小型图像投影装置中很有用。
符号说明
2  反射部
4  可动部
5  驱动部(第一驱动部)
6  框体(第一框体)
7  电极(第一电极)
7A 电极(第二电极)
23 接地电极
30 成像装置
32 驱动部(第二驱动部)
33 框体(第二框体)
36 激光光源
37 激光光源
38 激光光源
39 激光

Claims (15)

1.一种致动器，具备：
第一框体；
第一驱动部，其一端连接于所述第一框体的内侧；
可动部，其连接于所述第一驱动部的另一端；和
第一电极，其设置于所述可动部，
所述第一驱动部构成为通过驱动信号而被驱动且使所述可动部振动，
所述第一电极构成为被输入比所述驱动信号高的频率的高频信号。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中，
所述驱动信号构成为与所述高频信号叠加并被输入到所述第一电极。
3.根据权利要求1所述的致动器，其中，
还具备被输入所述驱动信号的第二电极。
4.根据权利要求1所述的致动器，其中，
所述第一电极设置于所述可动部的外周附近。
5.根据权利要求1所述的致动器，其中，
所述高频信号的频率为0.5MHz～2MHz。
6.根据权利要求1所述的致动器，其中，
所述高频信号的频率被扫频。
7.根据权利要求1所述的致动器，其中，
所述高频信号的电压为所述驱动电压的10％以下。
8.根据权利要求1所述的致动器，其中，
还具备接地电极，所述接地电极构成为设置于所述可动部并将所述可动部接地。
9.根据权利要求8所述的致动器，其中，
所述接地电极设置于所述可动部的外周附近。
10.根据权利要求8所述的致动器，其中，
所述第一电极设置于所述可动部的表面，
所述接地电极设置于所述可动部的所述表面的相反侧的背面。
11.根据权利要求1所述的致动器，其中，
还具备：
第二驱动部，其具有连接于所述第一框体的外侧的一端；和
第二框体，其连接于所述第二驱动部的另一端，
所述第一驱动部与所述第二驱动部在相互大致正交的方向上延伸。
12.一种光学反射元件，其具备：
权利要求1所述的致动器；和
设置在所述致动器的所述可动部的表面的反射部。
13.根据权利要求12所述的光学反射元件，其中，
还具备接地电极，所述接地电极构成为设置于所述可动部并将所述反射部接地。
14.根据权利要求13所述的光学反射元件，其中，
所述接地电极与所述反射部连接。
15.一种成像装置，其具备：
权利要求12所述的光学反射元件；和
激光光源，其射出由所述光学反射元件的所述反射部反射并被扫描的激光。
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