JP2007268374A - Vibration element, manufacturing method of vibration element, optical scanner, image forming apparatus and image display device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えばレーザ光の走査等に用いる振動素子、特に圧電素子等のアクチュエータにより振動する振動素子、かかる振動素子の製造方法、かかる振動素子を備えた光走査装置、かかる光走査装置を備えた画像形成装置、かかる光走査装置や画像形成装置を備えた画像表示装置に関する。 The present invention includes, for example, a vibration element used for laser beam scanning or the like, in particular, a vibration element that vibrates by an actuator such as a piezoelectric element, a method for manufacturing such a vibration element, an optical scanning device including such a vibration element, and such an optical scanning device. The present invention relates to an image forming apparatus, and an image display apparatus provided with such an optical scanning device or an image forming apparatus.
従来、レーザ光による走査を行う際に用いられるミラーを振動させるための構成として、マイクロマシニング技術を応用して形成したミラー等の振動部を梁により振動可能に支持し、圧電素子などのアクチュエータにより梁を介して振動部を振動させる振動素子が知られている(例えば、特許文献1)。この場合の振動は、梁の軸心を中心として往復回転(揺動)を意味している。 Conventionally, as a configuration for vibrating a mirror used for scanning with laser light, a vibrating portion such as a mirror formed by applying micromachining technology is supported by a beam so as to be vibrated, and an actuator such as a piezoelectric element is used. A vibration element that vibrates a vibration part via a beam is known (for example, Patent Document 1). The vibration in this case means reciprocating rotation (swing) about the axis of the beam.
アクチュエータは、圧電素子などのように、それ自身が変形するものの場合、それ自身が伸縮することによって、振動部であるミラーを往復回転させる方向に振動させる駆動力を発生させることが一般的であり、ミラー面である振動部を振動させることで光の走査を可能にしている。 In the case of an actuator that deforms itself, such as a piezoelectric element, it is common to generate a driving force that vibrates in the direction of reciprocating rotation of a mirror that is a vibrating part by expanding and contracting itself. The scanning of the light is enabled by vibrating the vibration part which is a mirror surface.
図11は、振動駆動層として圧電素子を用いてミラー等が用いられる振動部を振動させる構成を説明するための平面図である。 FIG. 11 is a plan view for explaining a configuration in which a vibration unit using a mirror or the like is vibrated using a piezoelectric element as a vibration driving layer.
同図においてミラー100は、第1の支持部に相当するねじり梁101の延在方向中央に配置されて平面視においてねじり梁101の延在方向と直角な方向、換言すれば、ねじり梁101を中心として回転可能に支持されている。
In the figure, the
ねじり梁101は、延在方向に相当する軸方向端部が2股状に分岐されて基板103に一体化されており、その2股状に分岐された部分が相当する第2の支持部101Aには駆動層としての圧電素子102が配置されている。
The
この構成においては、圧電素子102への通電切換が行われた際の電歪現象による第2の支持部101Aの一方を交互に屈曲させることによりねじり梁101に往復回転を生起させてミラー100を振動させるようになっている。
In this configuration, the
このような走査デバイスは、前述した光走査装置や画像表示装置における走査光学系に組み込まれることが知られている(例えば、特許文献1)。
ところで、マイクロマシニング技術を応用した上記走査デバイスにおいては、アクチュエータ成膜時の残留応力や、アクチュエータが駆動時に発生する応力によって梁部の延在方向(長手方向)に沿って反りが発生することが知られている。 By the way, in the scanning device to which the micromachining technology is applied, warpage may occur along the extending direction (longitudinal direction) of the beam portion due to residual stress at the time of actuator film formation or stress generated when the actuator is driven. Are known.
このため、所定周波数により振動させたとしても反りによる走査光の拡散などが原因して光路が変化し、適正な走査光の位置決めが行えなくなるという問題があった。 For this reason, even if it vibrates at a predetermined frequency, there has been a problem that the optical path changes due to the diffusion of the scanning light due to warpage and the like, and proper scanning light positioning cannot be performed.
本発明は、上記従来の振動素子を用いた光走査装置およびこれを装備した画像表示装置における問題に鑑み、応力による反りを確実に解消できる構成を備えた振動素子およびこれを用いることで走査の際の位置決め精度の悪化を防止できる光走査装置、画像表示装置および画像表示装置を提供することにある。 In view of the problems in the above-described conventional optical scanning device using a vibration element and an image display apparatus equipped with the same, the vibration element having a configuration capable of reliably eliminating warping due to stress and scanning using the vibration element are provided. Another object of the present invention is to provide an optical scanning device, an image display device, and an image display device that can prevent deterioration in positioning accuracy.
この目的を達成するため請求項1記載の発明は、振動部を振動可能に支持した第1の支持部と、前記振動部を振動させる駆動層を備え、第1の支持部を介して前記振動部を基板に支持した第2の支持部とを有し、前記第2の支持部は、前記第1の支持部に隣る部分に、前記振動部の振動軸方向における全幅に亘って凹んだ凹部を有することを特徴としている。
In order to achieve this object, the invention according to
本発明においては、第1の支持部に隣る部分に振動軸方向全幅にわたり窪んだ凹部が設けられているので、その部分での断面剛性が他の部分と異なり、特に断面形状が少なくなる分、断面剛性が低くなることにより第2の支持部に設けられている駆動層での応力の影響が第1の支持部に及ぶのを防止することができる。 In the present invention, since the concave portion that is depressed over the entire width in the vibration axis direction is provided in the portion adjacent to the first support portion, the sectional rigidity at that portion is different from the other portions, and the sectional shape is particularly reduced. By reducing the cross-sectional rigidity, it is possible to prevent the influence of the stress in the drive layer provided in the second support portion from reaching the first support portion.
請求項2記載の発明は、前記第1の支持部は前記振動部を挟むように対をなしていることを特徴としている。
The invention according to
本発明においては、第1の支持部が振動部を挟んで対称な配置関係とすることにより振動部での振動が偏倚(振動ムラ)を生じることなく良好に行われる。 In the present invention, since the first support portion has a symmetrical arrangement relationship with the vibration portion interposed therebetween, the vibration in the vibration portion is favorably performed without causing deviation (vibration unevenness).
請求項3記載の発明は、前記第2の支持部は前記第1の支持部を挟むように対をなしていることを特徴としている。
The invention described in
本発明においては、第1の振動部を第2の振動部を挟むように対をなして配置されているので、支持特性にバランスを持たせて振動部での振動に偏倚などを生じさせないようにして良好な振動が行える。 In the present invention, since the first vibrating part is arranged in a pair so as to sandwich the second vibrating part, the support characteristics are balanced so that the vibration in the vibrating part is not biased. Good vibration.
請求項4記載の発明は、前記凹部は、前記振動軸に垂直な断面における表面が曲面をなしていることを特徴としている。
The invention according to
本発明においては、凹部に曲面が形成されていることにより凹部内での応力集中部をなくすことができる。 In the present invention, since the curved surface is formed in the concave portion, the stress concentration portion in the concave portion can be eliminated.
請求項5記載の発明は、前記凹部は、前記振動軸に垂直な断面における表面が、前記第2の支持部の延在方向に平行な平面と前記平面の両側において前記平面に対して広角をなす傾斜面とを有することを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に特徴としている。 According to a fifth aspect of the present invention, the concave portion has a surface in a cross section perpendicular to the vibration axis, and a wide angle with respect to the plane on both sides of the plane parallel to the extending direction of the second support portion and the plane. It has the inclined surface to make, It is characterized by the any one of Claims 1-3 characterized by the above-mentioned.
本発明においては、凹部において第2の支持部の延在方向に平行な平面に対して広角をなす傾斜面を有しているので、剛性の異なる範囲を大きく採ることにより振動部への応力歪みの影響を良好に抑えることができる。 In the present invention, since the concave portion has an inclined surface that forms a wide angle with respect to the plane parallel to the extending direction of the second support portion, the stress strain to the vibration portion can be increased by taking a large range of different rigidity. Can be suppressed satisfactorily.
請求項6記載の発明は、前記駆動層は、前記第2の支持部の、前記凹部の配置位置に対する非重複位置に形成されていることを特徴としている。
The invention according to
本発明においては、駆動層が凹部と重複しない関係とされているので、駆動層での振動変位が凹部の一部に集中するのを避けて振動部の変形を抑えて振動ムラなどを防止することができる。 In the present invention, since the drive layer does not overlap with the recess, the vibration displacement in the drive layer is prevented from concentrating on a part of the recess and the deformation of the vibration portion is suppressed to prevent vibration unevenness and the like. be able to.
請求項7記載の発明は、前記駆動層は、前記第2の支持部の、前記凹部の配置位置の全体を含む位置に形成されていることを特徴としている。
The invention according to
本発明においては、駆動層が第2の支持部における凹部の配置位置全体を含む関係とされているので、駆動層での振動変位が凹部の一部に集中するのを避けて振動部の変形を抑えることができる。 In the present invention, since the driving layer has a relationship including the entire arrangement position of the concave portion in the second support portion, it is possible to avoid the vibration displacement in the driving layer from concentrating on a part of the concave portion and to deform the vibrating portion. Can be suppressed.
請求項8記載の発明は、前記駆動層は、前記第2の支持部の、前記凹部を有する側の面上に形成されていることを特徴としている。
The invention according to
駆動層が、第2の支持部における凹部を有する面に形成されることにより凹部と駆動層との位置決めが容易に行える。 The drive layer is formed on the surface having the recess in the second support portion, whereby the recess and the drive layer can be easily positioned.
請求項9記載の発明は、前記駆動層は、前記第2の支持部の、前記凹部を有する側と反対側の面上に形成されていることを特徴としている。
The invention according to
本発明においては、駆動層が第2の支持部における凹部と反対側の面に形成されることにより凹部への応力集中を軽減して振動部での振動を良好に行わせることができる。 In the present invention, the driving layer is formed on the surface of the second support portion on the side opposite to the concave portion, so that the stress concentration on the concave portion can be reduced and the vibration at the vibrating portion can be favorably performed.
請求項10記載の発明は、前記駆動層が圧電素子であることを特徴としている。
The invention according to
本発明においては、圧電素子を駆動層として用いることにより安定した振動部での振動を行うことができる。 In the present invention, a stable vibration can be performed by using a piezoelectric element as a drive layer.
請求項11記載の発明は、前記凹部はエッチング処理により形成されることを特徴としている。
The invention described in
本発明においては、本発明においては、断面剛性の異なる部分が既存工法を用いるだけで形成できるので、加工コストの上昇を抑えることができる。 In the present invention, in the present invention, portions having different cross-sectional rigidity can be formed only by using an existing construction method, so that an increase in processing cost can be suppressed.
請求項12記載の発明は、前記エッチング処理を含むように前記エッチング処理と並行して行われ、前記第1の支持部と前記第2の支持部とを形成する支持部形成工程を有する製造方法であることを特徴としている。
The invention according to
本発明においては、エッチング処理に並行して支持部形成工程を行うことにより形成工程に要する時間短縮ができ、形成プロセスを簡単な実行することができる。 In the present invention, the time required for the forming step can be shortened by performing the supporting portion forming step in parallel with the etching process, and the forming process can be executed simply.
請求項13記載の発明は、支持部形成工程の後に前記駆動層を前記第2の支持部上に形成する駆動層形成工程を有する製造方法であることを特徴としている。 A thirteenth aspect of the invention is characterized in that the manufacturing method includes a driving layer forming step of forming the driving layer on the second supporting portion after the supporting portion forming step.
本発明においては、駆動層の形成を安定化することができる。 In the present invention, the formation of the drive layer can be stabilized.
請求項14記載の発明は、請求項1〜11のいずれか1項に記載の振動素子を有し、前記振動部が反射面を搖動させることで光束を反射させて走査を行う光走査装置であることを特徴としている。 A fourteenth aspect of the present invention is an optical scanning device that includes the resonator element according to any one of the first to eleventh aspects, and performs scanning by reflecting the light beam by the vibration unit swinging a reflection surface. It is characterized by being.
本発明においては、振動部の変形を防止することにより反射面の振動特性を向上させることができ、光走査の精度を向上することができる。 In the present invention, the vibration characteristics of the reflecting surface can be improved by preventing the vibration part from being deformed, and the optical scanning accuracy can be improved.
請求項15記載の発明は、請求項14記載の光走査装置を備え、前記光走査装置により、画像信号に応じた光束を走査することで画像を形成する画像形成装置であることを特徴としている。 A fifteenth aspect of the invention is an image forming apparatus that includes the optical scanning device according to the fourteenth aspect and forms an image by scanning a light beam according to an image signal by the optical scanning device. .
本発明においては、上述の効果を奏する光走査装置を備え、走査光の位置決め精度を確保することができ、画像形成の精度を向上することができる。 In the present invention, the optical scanning device having the above-described effects is provided, the positioning accuracy of the scanning light can be ensured, and the accuracy of image formation can be improved.
請求項16記載の発明は、請求項14記載の光走査装置、又は、請求項15記載の画像形成装置を備え、前記光走査装置により、画像信号に応じた光束を走査することで画像を形成し、前記画像を投影表示する光走査型画像表示装置であることを特徴としている。 According to a sixteenth aspect of the present invention, the optical scanning device according to the fourteenth aspect or the image forming device according to the fifteenth aspect is provided, and the optical scanning device forms an image by scanning a light beam according to an image signal. The optical scanning type image display device projects and displays the image.
本発明においては、上述の効果を奏する、光走査装置又は画像形成装置を備え、走査光の位置決め精度を向上することができ、画像表示の精度を向上することができる。 In the present invention, the optical scanning device or the image forming device having the above-described effects is provided, the positioning accuracy of the scanning light can be improved, and the accuracy of image display can be improved.
請求項17記載の発明は、前記画像を眼の網膜上に投影表示する網膜走査型画像表示装置であることを特徴としている。
The invention described in
本発明においては、網膜に投影表示する際の走査光の位置決め精度を向上し、良好な画像を表示できる。 In the present invention, the positioning accuracy of the scanning light at the time of projection display on the retina can be improved, and a good image can be displayed.
請求項18記載の発明は、観察者の頭部に搭載する頭部搭載型画像表示装置であることを特徴としている。
The invention described in
本発明においては、画像表示の際の走査光の位置決め精度を向上し、良好な画像を表示できる。 In the present invention, it is possible to improve the positioning accuracy of scanning light during image display and display a good image.
本発明によれば、振動部を支持している第1の支持部に対して振動駆動層を有する第2の支持部からの応力の影響を低減できる構成として肉厚が他の部分と異なることにより断面剛性が他の部分と異なる凹部を備えているので、振動部への応力の影響が及ばないようにして振動部での振動特性が悪化するのを防止することが可能となる。 According to the present invention, the thickness is different from the other parts as a configuration capable of reducing the influence of stress from the second support part having the vibration drive layer with respect to the first support part supporting the vibration part. Accordingly, since the concave portion having a different cross-sectional rigidity from that of the other portion is provided, it is possible to prevent the vibration characteristics at the vibrating portion from deteriorating without being affected by the stress on the vibrating portion.
以下に、本発明に好適な実施形態を図面に基づいて説明する。
[画像表示装置の構成]
以下、本発明に係る画像表示装置の一実施の形態について図面を用いて説明する。まず、本発明に係る画像表示装置の一例である網膜走査型画像表示装置としての網膜走査型ディスプレイ1の構成について図1を用いて説明する。
Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[Configuration of image display device]
Hereinafter, an image display apparatus according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. First, the configuration of a
図1に示すように、網膜走査型ディスプレイ1には、光源ユニット部2が設けられている。光源ユニット部2には、外部からの映像信号が入力されると、それに基づいて映像を合成するための要素となる各信号を発生する映像信号供給回路3が設けられ、この映像信号供給回路3から映像信号4、水平同期信号5、及び、垂直同期信号6が出力される。
As shown in FIG. 1, the
光源ユニット部2には、映像信号供給回路3から映像信号4として伝達される赤(R),緑(G),青(B)の各映像信号をもとにそれぞれ強度変調されたレーザ光を出射するように、光源としてのRレーザ13,Gレーザ12,Bレーザ11を、それぞれ駆動するためのRレーザドライバ10,Gレーザドライバ9,Bレーザドライバ8が設けられている。
The
また、光源ユニット部2には、各レーザより出射されたレーザ光をコリメートするように設けられたコリメート光学系14と、それぞれコリメートされたレーザ光を合波するダイクロイックミラー15と、合波されたレーザ光を光ファイバ17に導くファイバ結合光学系16とが設けられている。
The
なお、Rレーザ13,Gレーザ12,Bレーザ11として、レーザダイオード等の半導体レーザや固体レーザを利用してもよい。また、本実施形態における光源ユニット部2は、光源としてのRレーザ13,Gレーザ12,Bレーザ11から出射される光束を画像信号に応じて強度変調する変調手段の一例に相当する。ここで、各光源に半導体レーザを使用した場合は直接強度変調する構成であり、固体レーザを使用する場合は音響光学効果を利用した強度変調器を含んだ構成となる。
Note that a semiconductor laser such as a laser diode or a solid-state laser may be used as the
また、網膜走査型ディスプレイ1は、光源ユニット部2から伝搬され、出射されたレーザ光を受ける光学系18と、光学系18によって導かれたレーザ光を、ガルバノミラー19aを利用して水平方向に走査する第1の走査系としての水平走査系19と、水平走査系19によって走査されたレーザ光を第2の走査系としての垂直走査系21に導く第1リレー光学系20と、水平走査系19に走査され、第1リレー光学系20を介して入射されたレーザ光を、ガルバノミラー21aを利用して垂直方向に走査する垂直走査系21と、垂直走査系21に走査されたレーザ光を観察者の瞳孔24に導く第2リレー光学系22とを有している。
Further, the
第1リレー光学系20は、凸レンズ41、42を有しており、第2リレー光学系22は、凸レンズ51、52を有している。凸レンズ41と凸レンズ42とは互いに同じ光学的パワーを備えている。凸レンズ51と凸レンズ52とは互いに同じ光学的パワーを備えている。
The first relay
第1リレー光学系20は、水平走査系19のガルバノミラー19aと、垂直走査系21のガルバノミラー21aとが共役となるように、また、第2リレー光学系22は、ガルバノミラー21aと、観察者の瞳孔24とが共役となるように、各々設けられている。
The first relay
水平走査系19は、表示すべき画像の1フレームごとに、レーザビームを水平方向に走査する水平走査(1次走査の一例)を行う光学系である。また、水平走査系19は、水平走査するガルバノミラー19aと、そのガルバノミラー19aの駆動制御を行う水平走査制御回路19cとを備えている。
The
これに対し、垂直走査系21は、水平走査系19にて水平走査されたレーザビームを垂直方向に垂直走査する垂直走査(2次走査の一例)を行う光学系である。また、垂直走査系21は、レーザビームを垂直方向に走査するガルバノミラー21aと、そのガルバノミラー21aの駆動制御を行う垂直走査制御回路21cとを備えている。
On the other hand, the
よって、水平走査系19と垂直走査系21とは互いに交差する方向に走査を行うようになっている。
Therefore, the
また、水平走査系19,垂直走査系21は、各々映像信号供給回路3に接続され、映像信号供給回路3より出力される水平同期信号5,垂直同期信号6にそれぞれ同期してレーザ光を走査するように構成されている。
The
本実施形態における水平走査系19及び垂直走査系21などは、入射した光束を、1次方向及びその1次方向に略垂直な2次方向に走査させる光走査装置の一例である。
The
次に、本発明の一実施形態の網膜走査型ディスプレイ1が、外部からの映像信号を受けてから、観察者の網膜上に映像を投影するまでの過程について図1を用いて説明する。
Next, a process from when the
図1に示すように、本実施形態の網膜走査型ディスプレイ1では、光源ユニット部2に設けられた映像信号供給回路3が外部からの映像信号の供給を受けると、映像信号供給回路3は、赤,緑,青の各色のレーザ光出力を制御するためのR映像信号,G映像信号,B映像信号からなる映像信号4と、水平同期信号5と、垂直同期信号6とを出力する。Rレーザドライバ10,Gレーザドライバ9,Bレーザドライバ8は各々入力されたR映像信号,G映像信号,B映像信号に基づいてRレーザ13,Gレーザ12,Bレーザ11に対してそれぞれの駆動信号を出力する。この駆動信号に基づいて、Rレーザ13,Gレーザ12,Bレーザ11はそれぞれ強度変調されたレーザ光を発生し、各々をコリメート光学系14に出力する。また、映像信号供給回路3は、後述するガルバノミラー19aの駆動状態を示すBD信号(図示せず)に応じて、レーザ光を発生し、各々をコリメート光学系14に出力するタイミングを制御する。つまり、このような網膜走査型ディスプレイ1(映像信号供給回路3)は、ガルバノミラー19aなどに光束を出射させるタイミングを制御することとなる。発生されるレーザ光は、このコリメート光学系14によってそれぞれが平行光にコリメートされ、さらに、ダイクロイックミラー15に入射して1つの光束となるよう合波された後、ファイバ結合光学系16によって光ファイバ17に入射されるよう導かれる。
As shown in FIG. 1, in the
光ファイバ17によって伝搬されたレーザ光は、光ファイバ17から光学系18によって導かれて水平走査系19に出射される。この出射されたレーザ光は、水平走査系19のガルバノミラー19aの反射面としての偏向面19bに入射される。ガルバノミラー19aの偏向面19bに入射したレーザ光は水平同期信号5に同期して水平方向に走査されて第1リレー光学系20を介し、垂直走査系21のガルバノミラー21aの反射面としての偏向面21bに入射する。第1リレー光学系20ではガルバノミラー19aの偏向面19bとガルバノミラー21aの偏向面21bとが共役の関係となるように調整されている。ガルバノミラー21aは、ガルバノミラー19aが水平同期信号5に同期すると同様に垂直同期信号6に同期して、その偏向面21bが入射光の水平方向出射角が変化するように往復振動をしており、このガルバノミラー21aによってレーザ光は垂直方向に走査される。水平走査系19及び垂直走査系21によって水平方向及び垂直方向に2次元に走査されたレーザ光は、ガルバノミラー21aの偏向面21bと、観察者の瞳孔24とが共役の関係となるように設けられた第2リレー光学系22により観察者の瞳孔24へ入射され、網膜上に投影される。観察者はこのように2次元走査されて網膜上に投影されたレーザ光による画像を認識することができる。尚、水平走査系19のガルバノミラー19aと、垂直走査系21のガルバノミラー21aとは、名称を同じように説明したが、光を走査するようにその反射面(偏向面)が角度変化(搖動、回転など)させられるものであればよく、本実施形態では、その詳細な構成を後で説明するが、駆動層として圧電層が用いられる圧電駆動方式が用いられてガルバノミラー19a、21aの振れ角(揺動角)を規定する構成が用いられている。しかし、ガルバノミラー19a、21aによる走査のための角度変化(搖動、回転など)を誘起する駆動方式としては、これに限らず、共振タイプ、非共振タイプあるいは電磁駆動や静電駆動なども含まれる。
Laser light propagated by the
網膜走査型ディスプレイ1は、観察者の頭部に搭載する、ヘッドマウントディスプレイとも言われる頭部搭載型画像表示装置であって、例えば、めがね形状、ゴーグル形状、ヘルメット形状等の図示しない筐体に搭載され、観察者の頭部に装着されるようになっている。
[各種の光学系の構成]
上述したように、光ファイバ17から出射されたビームを、2次元に走査しながら観察者の瞳孔24へ導く各種の光学系の構成について説明する。
The
[Configurations of various optical systems]
As described above, the configuration of various optical systems that guide the beam emitted from the
ガルバノミラー19aは、垂直方向に延びる軸を中心に回動駆動することによって、光学系18から入射したビーム光を、偏向面19bで反射させることによって、垂直方向に走査して出射し、第1リレー光学系20に導くこととなる。
The
ガルバノミラー21aは、水平方向に延びる軸を中心に回動駆動することによって、第1リレー光学系から入射したビーム光を、偏向面21bで反射させることによって、水平方向に走査して出射し、第2リレー光学系22に導くこととなる。
The
次に本実施形態におけるガルバノミラー19a,21aの駆動構造について説明する。
本実施形態では、水平走査系19、垂直走査系21をそれぞれガルバノミラー19a、21aを備えた光走査装置とする。なお、網膜走査型ディスプレイ1は、この光走査装置により、画像信号に応じたビームを2次元方向に走査することで画像を形成する画像形成装置を備えており、前記画像を眼の網膜上に投影し、画像を表示するものである。
Next, the drive structure of the galvanometer mirrors 19a and 21a in this embodiment will be described.
In this embodiment, the
本実施形態に用いられるガルバノミラー19a,21aは、マイクロマシニング技術を応用した振動素子と一体化されて用いられる。 The galvanometer mirrors 19a and 21a used in the present embodiment are integrated with a vibration element to which micromachining technology is applied.
図2は、図1に示したガルバノミラー19a,21aを振動させるための振動素子300の構成を示す図である。なお、以下の説明においては、便宜上、図1において符号19aで示したガルバノミラーを対象として説明するが、符号21aで示したガルバノミラーも同様な構成であることを前置きしておく。
FIG. 2 is a diagram illustrating a configuration of a
図2(A)は振動素子300の偏向面19b側を示しており、図2(B)はミラー面の反対側となる裏面側を示しており、そして(C)は(B)中、符号(C)で示す方向の矢視断面図である。
2A shows the
図2において振動素子300は、第1の支持部に相当するねじり梁19dと、基板19e側でねじり梁19dの延在方向両端部が一体成形されている第2の支持部に相当する梁固定部19e1とを備えている。
In FIG. 2, the
ねじり梁19dには、振動部に相当するガルバノミラー19aが延在方向中央に形成されている。このため、ねじり梁19dは、振動部であるガルバノミラー19aを挟むようにして対をなしている。
In the
ねじり梁19dは、断面中心を支点として平面視において延在方向と直角な方向、換言すれば、断面中心の回りに往復回転できることで振動部であるガルバノミラー19aを振動可能に支持している。
The
梁固定部19e1は、ねじり梁19dの基端と一体化されており、ねじり梁19dの基端を挟んでねじり梁19dの延在方向と直角な方向に延長されることにより対をなしている。
The beam fixing portion 19e1 is integrated with the base end of the
梁固定部19e1は、本実施形態では、ねじり梁19dの基端を含んでねじり梁19dの延在方向と直角な方向に連続して延在する構成とされ、その延在方向両端部が基板19eに一体化されている。
In this embodiment, the beam fixing portion 19e1 includes a base end of the
梁固定部19e1には、ガルバノミラー19aにおいて偏向面19bが設けられた側の面と同じ側の面に、ねじり梁19dの基端を挟んで対称位置に振動用駆動層としての圧電素子30が設けられている。
In the beam fixing portion 19e1, a
梁固定部19e1には、図2(B)に示すように、ねじり梁19dの基端部の位置を挟んでこれと隣り合う位置に凹部19fが設けられている。
As shown in FIG. 2B, the beam fixing portion 19e1 is provided with a
凹部19fは、これが形成されている梁固定部19e1の断面剛性を他の部分と異ならせる部分であり、特に凹部とすることで他の部分に比較して肉厚が薄くされることにより断面剛性を低くしている。
The
このため、梁固定部19e1における圧電素子30の形成部分で発生する応力の影響を凹部19fにおいて吸収することにより、ねじり梁19dに応力歪みの影響が及ぶのを防止することができるようになっている。
For this reason, the influence of the stress distortion on the
凹部19fは、図2(B)に示すように、梁固定部19e1の幅方向に沿って、ねじり梁19dに支持されているガルバノミラー19aの振動(往復回転)方向と直角な方向(振動軸方向)における全幅に亘って設けられている。
As shown in FIG. 2B, the
凹部19fは、図2(C)に示すように、断面矩形状をなしている。凹部19fは、圧電素子30が形成されている面と反対側の面に設けられている。圧電素子30は、上述のように偏向面19bと同じ側に配設されているため、凹部19fは偏向面19bと反対側に配設されているが、圧電素子30は偏向面と反対側に配設しても良く、この場合には凹部19fは偏向面19bと同じ側に配設される。
The
図3に示すように、凹部19fの配置は、圧電素子30が形成されている面と同じ側の面であってもよい。この場合には、凹部19fを基準として圧電素子30の形成位置を割り出せるので、圧電素子30の形成位置の位置決めが容易となる。圧電素子30は偏向面19bと同じ側に配設しても、反対側に配設しても良い。
As shown in FIG. 3, the
凹部19fの形態は、振動軸に相当するねじり梁19dに垂直な断面における表面が梁固定部19e1の延在方向に平行な面とその平行な面の両側において平面に対して広角をなす傾斜面を有する形態、換言すれば、圧電素子30が設けてある面側に開口した底辺部を有する台形であっても良い。
The shape of the
このような凹部19fの形態においては、凹部19fの底部、換言すれば、薄肉部により得られる剛性の異なる範囲を平面の大きさにより大きく採ることもできるので、振動部への応力歪みの影響を良好に抑えることができる。
In such a
このような凹部19fは、後述する工程に示されているように、ウェットエッチングにより形成されるようになっている。
Such a
図4は、凹部19fの別の形態を示す図であり、同図に示す凹部19fは、ねじり梁19dに垂直な断面における表面が曲面(曲率半径を有する面)をなしている。本形態では、凹部19fの底面が角部を有する場合がある屈曲面ではなく、略半球状をなす形状とされている。
FIG. 4 is a diagram showing another form of the
この形態においては、凹部19fの内部に応力集中が発生しやすい角部が存在しないので、梁固定部19e1に発生した応力が凹部19fの一部に集中することで薄肉部となっている部分の折損などが発生するのを防止することができる。
In this embodiment, since there is no corner portion where stress concentration is likely to occur inside the
図3、図4に示した形態の凹部19fは、図2に示したように、圧電素子30が形成されている面と反対側の面に設けることができ、この場合には、図5に示すように、凹部19fの配置位置に対する非重複位置となる位置関係あるいは、図6に示すように、凹部19fの配置位置全体を含む位置となる関係が設定されている。
3 and 4 can be provided on the surface opposite to the surface on which the
このような位置関係とすることにより、圧電素子30において生起される屈曲変形が凹部19fの角部などに伝搬されるのを防ぐことで角部での応力集中による折損事故を防止するようになっている。
By adopting such a positional relationship, the bending deformation caused in the
本実施形態は以上のような構成であるから、圧電素子30が形成されている箇所に発生した応力の影響による応力歪みが凹部19fでの断面剛性の低さ、換言すれば、弾性変形の程度が異なることにより吸収される状態となり、ねじり梁19dへの応力の影響をなくしてねじり梁19dの反りを解消することができる。これにより、反りなどの変形によって発生する走査光の拡散を防止することが可能となる。
Since the present embodiment is configured as described above, the stress strain due to the influence of the stress generated at the location where the
ところで、剛性の異なる部分である凹部19fは、他の部分に比べて撓み剛性が低くなっており、圧電素子30の歪み変形が伝わりにくく、緩慢な回転振動を引き起こす部分となることも考えられる。
By the way, the
そこで本実施形態では、凹部19fを形成した梁固定部19e1の残りの薄肉部の肉厚を圧電素子30による回転振動に時間的遅延が発生しない状態で伝搬させることができる最小限の厚さとされている。
Therefore, in the present embodiment, the thickness of the remaining thin portion of the beam fixing portion 19e1 in which the
これにより、圧電素子30の通電を介したねじり梁19dの回転振動は時間的な遅延を生じることなく、かつ所定の周波数を以て行えることになる。
As a result, the rotational vibration of the
なお、断面剛性が異なる部分として、上記実施の形態においては、断面の肉厚を異ならせる構成を説明したが、例えば、凹部に代えて他の部分と弾性係数が異なる材質部分を接合する構成とすることも可能である。 In addition, in the above-described embodiment, the configuration in which the thickness of the cross section is different has been described as the portion having different cross-sectional rigidity.For example, instead of the concave portion, a configuration in which a material portion having a different elastic coefficient from another portion is joined. It is also possible to do.
また、凹部19fの深さは、前述したように圧電素子30による回転振動が時間的な遅延を生じることなく伝搬されることに加えて、製造装置でのハンドリング時に折損などが発生しない機械的強度を確保できる肉厚が得られる深さに設定されている。これにより、製造時での折損事故の低減と走査時での所定周波数での回転振動を確保することができる。
Further, the depth of the
図7は、振動素子300の変形例を示す図であり、同図に示す振動素子300は、ねじり梁19dの形状が異なっている。なお、図7(A)は、圧電素子30が設けられている側の面を、図7(B)は圧電素子30が設けられている側の面の反対側の面を示している。なお、図7においては、圧電素子30が設けられている側の面に偏向面19bを形成した場合が示されている。
FIG. 7 is a view showing a modification of the
図7においてねじり梁19dの基端部は、2股状に分岐された態様で、ねじり梁19dの延在方向と平行な方向に延設された梁固定部19e1を介して基板19eに一体成形されている。梁固定部19e1は、ねじり梁19dの基端と一体化されており、ねじり梁19dの基端を挟む態様で対をなしている。
In FIG. 7, the base end portion of the
この場合においても、前述した実施形態と同様に、ねじり梁19dの基端を挟んで対称位置に凹部19fが設けられており、凹部19fの形態は、図3,4に示したような断面形状および図2ないし図6に示した圧電素子30との配置関係が用いられる。
Also in this case, as in the above-described embodiment, the
本実施形態における振動素子300は、図8に示す工程に基づいて製造される。
The
図8において、符号(A)で示す工程は、梁固定部19e1での凹部19fを形成するための工程であり、図9におけるL1−L1断面に相当する断面を示している。図8において、符号(B)で示す工程は、ガルバノミラー19a、ねじり梁19d、梁固定部19e1を形成するための工程であり、図9におけるL2−L2断面に相当する断面を示している。
In FIG. 8, a step indicated by reference numeral (A) is a step for forming the
図8において、梁固定部19e1での凹部19fを形成する工程とねじり梁19dを形成する工程とは並行して行われるようになっており、梁固定部19e1での凹部19fの形成工程は次の通りである。
In FIG. 8, the step of forming the
図8において、基板19eとして用いられるシリコン基板71を対象としてその表面に対する酸化膜70の成膜処理が行われると(A−1)、レジスト72の塗布後に図示しないマスクを用いたリソグラフィ処理が実行されてレジスト72のパターニングが行われ(A−2)、パターニング完了後にレジスト72をマスクとして酸化膜70をエッチングする(A−3)。その際、酸化膜70のエッチングは厚み方向中ほどで停止し、完全に抜けないように、すなわち貫通しないようにする。
In FIG. 8, when the
レジスト72の除去後にレジスト73を塗布する(A−4)。 After removing the resist 72, a resist 73 is applied (A-4).
一方、ねじり梁19dの形成部においても、符号(A−1)〜(A−4)で示した工程が並行して行われ(B−1〜B−4)、続いて、図示しないマスクを用いてリソグラフィ処理によりガルバノミラー19a、ねじり梁19d、梁固定部19e1に相当する部分以外のレジスト73が除去される(B−5)。
On the other hand, also in the formation part of the
これに続き、レジスト73が除去された部分においてシリコン基板71の表面が露出するまで酸化膜70をエッチングする(B−6)。工程(B−5)において、露光が行なわれているとき、マスクは、梁固定部19e1を覆っているので、符号(A−5)で示した工程では、符号(A−4)で示した状態が維持される。よって、工程(B−6)においてエッチングが行なわれているときも、符号(A−6)で示した工程では、符号(A−4)で示した状態が維持される。
Subsequently, the
エッチングによりガルバノミラー19a、ねじり梁19d、梁固定部19e1の形成部以外の部分においてシリコン基板71の表面が露出するとレジスト73が除去される(A−7、B−7)。
The resist 73 is removed when the surface of the
このように、エッチングにより、ガルバノミラー19a、ねじり梁19d、梁固定部19e1を残してそれ以外の部分の除去が進行する。またねじり梁19dを形成するための酸化膜70のエッチング深さと凹部19fを形成するための酸化膜70のエッチング深さとを異ならせている。
In this way, the removal of the other parts is progressed by etching while leaving the
レジスト除去後、シリコン基板71の表面が露出した部分においてシリコン基板71のエッチングが行なわれる(A−8、B−8)。その際、シリコン基板71のエッチングは厚み方向中ほどで停止し、完全に抜けないように、すなわち貫通しないようにする。
After removing the resist, the
続いて、エッチングによって、酸化膜70が残っている部分において、凹部19fに対応する部分のシリコン基板71が露出するまで、酸化膜70をエッチングする(A−9、B−9)。
Subsequently, the
シリコン基板71の表面が露出している部分においてシリコン基板71をエッチングし、シリコン基板71の表面が露出している部分のうち、凹部19fに対応する部分以外の部分ではシリコン基板71が貫通して酸化膜70が露出し(B−10)、凹部19fに対応する部分では凹部19fを形成する(A−10)。
The
この際、凹部19fに対応する部分では、凹部19fが形成されるように、シリコン基板71のエッチングは厚み方向中ほどで停止し、完全に抜けないように、すなわち貫通しないようにする。
At this time, in the portion corresponding to the
したがって、かかるエッチングによって、エッチング深さにおいて、凹部19fの形成部では、必要な深さが、そしてガルバノミラー19a、ねじり梁19d、梁固定部19e1の形成部以外の部分ではシリコン基板71の厚さ方向に貫通し、凹部19fおよびガルバノミラー19a、ねじり梁19d、梁固定部19e1として必要な形態が形成される。
Therefore, by this etching, the necessary depth is obtained in the formation portion of the
この後、残っている全ての酸化膜70がエッチングにより除去される。
Thereafter, all remaining
工程(A−1〜A11、B−1〜B11)は、第1の支持部であるねじり梁19dと、第2の支持部である梁固定部19e1とを形成する支持部形成工程となっている。支持部形成工程は、凹部19fを形成するためのエッチング処理(A3、A9、A10)を含むように、かつエッチング処理と平行して行われる。
Steps (A-1 to A11, B-1 to B11) are support portion forming steps for forming the
図8に示した工程により形成された振動素子300は、図10に示す工程により完成品とされる。なお、工程(A11、B11)の後、凹部19fの形成部を除くシリコン基板71の両面が酸化されている。
The
図10には、圧電素子30が形成されている面と同じ側の面に凹部19fを設ける場合が示されている。なお、図10において、符号(C)で示す工程は、図8において符号(A)で示した断面における工程を示し、符号(D)で示す工程は、図8において符号(B)で示した断面における工程を示している。
FIG. 10 shows a case where the
同図において、振動素子300における凹部19fの開口側が位置する表面には、予め駆動部アッセンブリとして構成されている圧電素子30が接着などによって接合されて一体化され(C−1、D−1)、そして、振動素子300における圧電素子30が位置する面と反対側の面には台301が接合されて(C−2、D−2)、振動素子300として完成品とされる。
In the figure, the
このように、工程(C−1)は、圧電素子30を梁固定部19e1上に形成する駆動層形成工程となっている。駆動層形成工程を支持部形成工程の後に行うことで、圧電素子30が安定して良好に形成される。
Thus, the step (C-1) is a drive layer forming step for forming the
振動素子300に用いられる圧電素子30および台301の接合部には、エポキシ系の導電性接着剤が用いられる。
An epoxy-based conductive adhesive is used at the joint between the
振動素子300は、ねじり梁19dの延在方向中心を境にして対称位置に圧電素子30が設けられているので、それら圧電素子30への通電切換によって圧電素子30での電歪変換を利用してねじり梁29dを往復回転(揺動)振動させることができる。これにより梁19dの長手方向中央に位置するミラー面が回転振動することで走査が可能となる。
Since the
しかも、ねじり梁19dの延在方向中心を境にして対称位置に圧電素子30を設けることで偏倚のない振動を生起させて良好な走査が行えることになる。
In addition, by providing the
ねじり梁19dが回転振動する際には、凹部19fの底部の肉厚が圧電素子30の屈曲変形を伝搬できる剛性を持たせてあることにより応答遅れを生じるようなことなく円滑な回転振動が行われ、しかも、圧電素子30側の成膜面に残留する応力による歪みが凹部19fに吸収されることになるので、ねじり梁19dに反りが発生しない状態を維持することができ、これにより、走査時に光の拡散が発生するのを確実に防止することができる。
When the
なお、以上のように、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。 As described above, the preferred embodiments of the present invention have been described in detail. However, the present invention is not limited to such specific embodiments, and the scope of the gist of the present invention described in the scope of claims. Various modifications and changes can be made within.
上述した実施形態においては、ビームを先に水平走査系19によって水平方向に走査し、その後に、垂直走査系21によって垂直方向に走査する構成であったが、これに限らず、ビームを先に垂直走査系によって垂直方向に走査し、その後に、水平走査系によって水平方向に走査する構成であってもよい。
In the above-described embodiment, the beam is scanned first in the horizontal direction by the
さらに上述した実施形態においては、上述したような振動素子、光走査装置を備え、画像信号に応じて変調された光束を、振動素子、光走査装置によって1次方向及び2次方向に走査することで、画像を形成する画像形成装置を備え、前記画像を眼の網膜上に投影し、画像を表示する網膜走査型ディスプレイ(網膜走査型の画像表示装置の一例)について説明したが、これに限らず、例えば、眼の網膜に画像を直接的に投影しなくても、上述したような振動素子、光走査装置を備え、画像信号に応じて変調された光束を、その振動素子、光走査装置によって1次方向及び2次方向に走査することで画像を形成する画像形成装置を備え、かかる画像をスクリーン上などに投影表示する光走査型の画像表示装置、ディスプレイ等(画像表示装置の一例)に本発明を採用してもよい。 Further, in the above-described embodiment, the vibration element and the optical scanning device as described above are provided, and the light beam modulated according to the image signal is scanned in the primary direction and the secondary direction by the vibration element and the optical scanning device. In the above description, a retinal scanning display (an example of a retinal scanning image display apparatus) that includes an image forming apparatus that forms an image, projects the image onto the retina of the eye, and displays the image has been described. For example, even if an image is not directly projected onto the retina of the eye, the vibration element and the optical scanning device are provided with the vibration element and the optical scanning device as described above, and the light beam modulated according to the image signal Provided with an image forming apparatus that forms an image by scanning in a primary direction and a secondary direction, and an optical scanning type image display apparatus, a display, and the like that project and display the image on a screen or the like (of the image display apparatus) The present invention may be employed as an example).
また本発明を適用した振動素子、光走査装置は、レーザプリンタ等の画像形成装置内でレーザビームを走査する振動素子、光走査装置にも応用できる。 The vibration element and optical scanning apparatus to which the present invention is applied can also be applied to a vibration element and optical scanning apparatus that scan a laser beam in an image forming apparatus such as a laser printer.
本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。 The effects described in the embodiments of the present invention are only the most preferable effects resulting from the present invention, and the effects of the present invention are limited to those described in the embodiments of the present invention. is not.
1 画像表示装置
19、21 光走査装置
19a,21a 振動部
19d,21d 第1の支持部に相当するねじり梁
19e 基板
19e1 第2の支持部に相当する梁固定部
19f 凹部
30 駆動層として用いられる圧電素子
300 振動素子
A1〜A11、B1〜B11 支持部形成工程
A3、A9、A10 凹部を形成するエッチング処理
C−1、D−1 駆動層形成工程
DESCRIPTION OF
Claims (18)
前記振動部を振動させる駆動層を備え、第1の支持部を介して前記振動部を基板に支持した第2の支持部とを有し、
前記第2の支持部は、前記第1の支持部に隣る部分に、前記振動部の振動軸方向における全幅に亘って凹んだ凹部を有する振動素子。 A first support part that supports the vibration part so as to vibrate;
A drive layer that vibrates the vibration part, and a second support part that supports the vibration part on a substrate via a first support part;
The second support portion is a vibration element having a recess that is recessed over the entire width in the vibration axis direction of the vibration portion at a portion adjacent to the first support portion.
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