JP2009258339A - 光学反射素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は光学反射素子の駆動精度を高めることを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため本発明は、ミラー部１と、このミラー部１とそれぞれ支持部２で連結された対の音叉形圧電振動子３と、これらの音叉形圧電振動子３の振動中心４とそれぞれ支持部５で連結された枠体６と、この枠体６とそれぞれ支持部７で連結され、音叉形圧電振動子３の回転軸に対して垂直な回転軸を有する対の音叉形圧電振動子８と、これらの音叉形圧電振動子８の振動中心９とそれぞれ支持部１０で連結された支持体１１とを備え、対の音叉形圧電振動子３の少なくともいずれか一方は、この音叉形圧電振動子３のアーム１２、１３の連結部２１であって、アーム１２または／およびアーム１３寄りの位置にモニター電極２２を有するものとした。これにより本発明は、光学反射素子の駆動精度を高めることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザーディスプレイなどに用いられる光学反射素子に関するものである。

従来の光学反射素子は、図１３に示すように、ミラー部１０１と、このミラー部１０１を第一のトーションバー１０２を介して支持する枠体１０３と、この枠体１０３内において、第一のトーションバー１０２を回動させる第一の圧電振動子１０４と、枠体１０３を、第二のトーションバー１０５を介して支持する支持体１０６と、この支持体１０６内において、第二のトーションバー１０５を回動させる第二の圧電振動子１０７とを備えている。そして第一のトーションバー１０２の回転軸と第二のトーションバー１０５の回転軸とは垂直な関係である。

そしてこの光学反射素子は、小型のディスプレイ装置などに利用することができ、この第一、第二のトーションバー１０２、１０５の回転トルクによってミラー部１０１を励振させ、回動するミラー部１０１でレーザー光を反射することにより、スクリーン面上にレーザー光線を掃引させる。

なお、この技術分野に関連する文献としては、下記特許文献１が挙げられる。
特開２００８−２０７０１号公報

これらの光学反射素子では、駆動精度が低いことがある。

その理由は、圧電振動子の設計誤差や外部環境要因により、発生する駆動力が変動するからである。したがって所定の電気信号を印加しても、所望の駆動力が得られない場合がある。

そこで本発明は光学反射素子の駆動精度を高めることを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、ミラー部と、このミラー部を介して対向するとともに、このミラー部とそれぞれ第一の支持部で連結された、対の第一の音叉形圧電振動子と、これらの第一の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第二の支持部で連結され、対の第一の音叉形圧電振動子の外周を囲う枠体と、この枠体を介して対向するとともに、この枠体とそれぞれ第三の支持部で連結され、第一の音叉形圧電振動子の回転軸に対して垂直な回転軸を有する対の第二の音叉形圧電振動子と、これらの第二の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第四の支持部で連結された支持体とを備え、第一の音叉形圧電振動子は、それぞれ第一の支持部の両側に第一のアームと第二のアームとを有し、第二の音叉形圧電振動子は、それぞれ第三の支持部の両側に第三のアームと第四のアームとを有している。そして対の第一の音叉形圧電振動子の少なくともいずれか一方は、第一のアームと第二のアームとの連結部であって、第一のアームまたは／および第二のアーム寄りの位置に第一のモニター電極を有するものとした。

これにより本発明は、光学反射素子の駆動精度を高めることができる。

その理由は、第一の音叉形圧電振動子の変位を、第一のモニター電極で検出できるからである。したがって、第一のモニター電極からの信号を検出して、第一の音叉形圧電振動子に入力する電気信号を制御すれば、第一の音叉形圧電振動子に所望の変位駆動をさせることができる。そしてその結果、光学反射素子の駆動精度を高めることが出来る。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における光学反射素子の構成について説明する。

図１に示すように、光学反射素子は、ミラー部１と、このミラー部１を介して対向するとともに、このミラー部１とそれぞれの第一の支持部２で連結された、一対の第一の音叉形圧電振動子３と、これらの第一の音叉形圧電振動子３の振動中心４とそれぞれ第二の支持部５で連結され、一対の第一の音叉形圧電振動子３の外周を囲う枠体６と、この枠体６を介して対向するとともに、この枠体６とそれぞれ第三の支持部７で連結された、一対の第二の音叉形圧電振動子８と、これらの第二の音叉形圧電振動子８の振動中心９とそれぞれ第四の支持部１０で連結された枠形状の支持体１１とを備えている。

そして第一の音叉形圧電振動子３は、それぞれ第一の支持部２の両側に、第一のアーム１２と第二のアーム１３とを有し、第二の音叉形圧電振動子８は、それぞれ第三の支持部７の両側に第三のアーム１４と第四のアーム１５とを有している。

また本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３は図１のＸ軸を回転軸とし、このＸ軸上に第一の支持部２と第二の支持部５とが配置されている。

また第二の音叉形圧電振動子８はＸ軸に垂直なＹ軸を回転軸とし、このＹ軸上に第三の支持部７と第四の支持部１０とが配置されている。

なお本実施の形態では、Ｘ軸とＹ軸とは、ミラー部１のほぼ中心で直交するように形成されている。これによりミラー部１の中心が不動点となり、この不動部分に光を入射すれば、スクリーン上に投影される光の光路長は一定となり、画像を高精度に投影することができる。

そして本実施の形態では、図１に示すように、第一のアーム１２、第二のアーム１３、第三のアーム１４、第四のアーム１５の表面に、たわみ振動を起こすための圧電アクチュエータ１６を設けた。

この圧電アクチュエータ１６は、図２に示すように、基材１７上に形成された、下部電極１８、圧電体１９および上部電極２０の積層体構造からなる薄膜積層型圧電アクチュエータ１６である。これによって、第一の音叉形圧電振動子３、第二の音叉形圧電振動子８をより薄型にすることができる。

なお、本実施の形態では、下部電極１８および圧電体１９は第一の音叉形圧電振動子３と第二の音叉形圧電振動子８とで共通に形成し、第一の音叉形圧電振動子３および第二の音叉形圧電振動子８の駆動電極となる上部電極２０はそれぞれ電気的に独立するように形成した。

ここで、基材１７としては、金属、ガラスまたはセラミック基板などの弾性、機械的強度および高いヤング率を有する材料で構成することが生産性の観点から好ましく、例えば、金属、水晶、ガラス、石英またはセラミック材料を用いることが機械的特性と入手性の観点から好ましい。さらに、シリコン、チタン、ステンレス、エリンバー、黄銅合金などの金属を用いれば、振動特性、加工性に優れた光学反射素子を実現できる。

また圧電体１９の材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高い圧電定数を有する圧電体材料が好ましい。

また本実施の形態では、図１に示すように、対の第一の音叉形圧電振動子３の一方は、第一のアーム１２と第二のアーム１３との連結部２１であって、第二のアーム１３寄りの位置に第一のモニター電極２２を備えている。この第一のモニター電極２２は、上部電極２０と同様に、圧電体１９上に形成すればよい。

ここで、連結部２１は、Ｘ軸を中心に対称に回動することから、第一のモニター電極２２を、Ｘ軸に対して線対称に配置すると、左右で検知した電気信号が相殺され、電気信号を取り出せなくなる。したがって第一のモニター電極２２は、Ｘ軸に対して、第一のアーム１２または第二のアーム１３のいずれか一方に偏らせるように配置することが好ましい。本実施の形態では、さらに振動中心４を避け、この振動中心４よりも第二のアーム１３側に第一のモニター電極２２を配置したため、第一の音叉形圧電振動子３の振幅を効率よく電気信号として検出することができる。

なお、本実施の形態では、第二のアーム１３寄りに配置したが、第一のアーム１２寄りの位置であってもよい。

さらに本実施の形態では、対の第二の音叉形圧電振動子８のいずれか一方は、第三のアーム１４と第四のアーム１５との連結部２３であって、第三のアーム１４寄りの位置に第二のモニター電極２４を設けた。この第二のモニター電極２４も、図２に示すように、圧電体１９の層上に形成すればよい。

またこの第二のモニター電極２４も、振動中心９を避け、この振動中心９よりも第三のアーム１４側に設けている。これにより第二のモニター電極２４で、より効率よく第二の音叉形圧電振動子８の振幅を検出することができる。

また本実施の形態では、対となる第二の音叉形圧電振動子８のいずれか一方には第二のモニター電極２４を設け、他方の第二の音叉形圧電振動子８側には、第一のモニター電極２２の配線を引き回している。これにより本実施の形態では、微細な第四の支持部１０上に引き回す電極の数を減らすことができ、生産性に優れる。なお、図１では、第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４の引き回し線のみ図示し、駆動用の上部電極（図２の２０）の引き回し線は記載を省略した。

また本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３の共振周波数と、ミラー部１と第一の支持部２で構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数となるように振動設計した。これにより効率良くミラー部１を反復回転振動させることができる。

同様に、第二の音叉形圧電振動子８の共振周波数と、枠体６と第三の支持部７とで構成された捩れ振動子の共振周波数とが略同一周波数となるように設計することが好ましい。

また本実施の形態では、第二の支持部５は、枠体６側へ入り込むように形成している。すなわち、ミラー部１と第一の支持部２とを効率よく捩り振動させるためには、第二の支持部５と第一の支持部２との共振器長を出来るだけ等しくする必要があるが、この第二の支持部５を枠体６の内側へめり込ますことによって、第二の支持部５が長くても省スペースに配置でき、光学反射素子を小型化できる。

また本実施の形態では、この第二の支持部５を枠体６側へ入り込ませているため、枠体６の幅は一部狭くなっているが、第一の音叉形圧電振動子３の幅は変わらず略一定である。すなわち、幅の狭い領域では、局所的に応力が集中し、不要な振動モードが発生することがあるが、本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３は、全体として略同幅のため、応力を均一に分散することができ、安定して振動させることが出来る。

さらに本実施の形態では、第三の支持部７は、枠体６と第二の音叉形圧電振動子８側へ入り込み、さらに第四の支持部１０は、支持体１１側へ入り込んだ形状である。これにより光学反射素子の小型化が図れるとともに、第二の音叉形圧電振動子８の幅が局所的に変化するのを防ぎ、安定して振動させることができる。

また、第三の支持部７は、第二の音叉形圧電振動子８側よりも、枠体６側へより長く入り込ませることが好ましい。逆に第二の音叉形圧電振動子８側へ長く入り込ませると、振動中心９近傍の形状が複雑になり、第二の音叉形圧電振動子８に不要な振動モードが発生する場合があるからである。

さらに、第一のアーム１２、第二のアーム１３およびこれらの連結部２１の幅や、第三のアーム１４、第四のアーム１５およびこれらの連結部２３をそれぞれ等幅とすることによって、光学反射素子に発生する不要な振動モードを低減できる。

また第一の音叉形圧電振動子３、第二の音叉形圧電振動子８をコの字状とすることによっても不要な振動モードを抑制できる。

また本実施の形態では図１に示す、第一のアーム１２、第二のアーム１３、第三のアーム１４、第四のアーム１５に形成した圧電アクチュエータ１６のそれぞれの上部電極（図２の２０）は、引き出し線（図示せず）を形成しながら接続端子２５へ接続されている。また第一、第二、第三、第四のアーム１２〜１５に共通の下部電極１８は、接続端子２６へ接続されている。これによって第一のアーム１２と第二のアーム１３に正負反対の電気信号を、第三のアーム１４と第四のアーム１５に正負反対の電気信号を、それぞれの圧電アクチュエータ１６に印加することができる。

また第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４も上部電極２０と同様に素子上で引き回しながら接続端子２７へ接続されている。これにより、第一の音叉形圧電振動子３、第二の音叉形圧電振動子８の変位をそれぞれ検出しながら入力信号を調整することができ、安定した自励駆動を実現できる。

なお、図２において、上部電極２０、第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４の引き回し線は、記載すると煩雑になるため省略した。これらの引き回し線は、圧電体１９上に形成してもよく、あるいはスペースが足りない場合は、いずれかを、絶縁層（図示せず）を介して形成してもよい。

次に、このような構成からなる光学反射素子の動作原理について説明する。

図２に示す下部電極１８と上部電極２０との間に交流の駆動電圧を印加すると、圧電体１９が面方向に伸び縮みし、第一のアーム（図１の１２）と第二のアーム（図１の１３）が基材１７に対して垂直方向に撓み振動する。

このとき、第一のアーム１２と第二のアーム１３に形成したそれぞれの圧電アクチュエータ１６に、正負反対の駆動信号を印加すれば、図３に示すように、第一のアーム１２と第二のアーム１３とを、位相が１８０度異なる方向（矢印２８、２９方向）に、つまり逆方向に撓み振動させることができる。ここで本実施の形態では、第一、第二のアーム１２、１３は、その先端を自由端とする片持ち構造のため、大きく撓み振動させることができる。

そして、この第一のアーム１２と第二のアーム１３の振動エネルギーは、第一の音叉形圧電振動子３の連結部２１へと伝播される。これによって、第一の音叉形圧電振動子３は、その振動中心４を通る直線Ｘ軸を回転軸として、このＸ軸を中心に、所定の周波数にて反復回転振動（捩れ振動）をする。

次に、この反復回転振動の振動エネルギーが、連結部２１に接合された第一の支持部２に伝達され、第一の支持部２とミラー部１とで構成される捩れ振動子が、Ｘ軸を中心に矢印３０方向に捩れ振動を起こすようになる。これによって、ミラー部１はＸ軸を軸中心として反復回転振動を起こす。このとき、第一の音叉形圧電振動子３の反復回転振動の方向と、第一の支持部２およびミラー部１で構成される捩れ振動子の反復回転振動の方向は位相が１８０度異なる反対方向に振動することとなる。

また図１に示す第二の音叉形圧電振動子８も、下部電極１８と上部電極２０間に電圧を印加し、第三のアーム１４と第四のアーム１５とを、それぞれ位相が１８０度異なる方向に撓み振動させることによって、振動中心９を通るＹ軸を中心に、捩り振動を起こす。

そしてこの振動エネルギーが連結部２３を介して第三の支持部７に伝播すると、この第三の支持部７と枠体６とからなる捩り振動子を、Ｙ軸を中心に、第二の音叉形圧電振動子８と逆位相に反復回転振動させることができる。

そして枠体６が傾くと、この枠体６に支持されているミラー部１も傾き、ミラー部１を反復回転振動させることができる。

そしてミラー部１に例えばレーザー光源またはＬＥＤ光源などから発生させた光線を入力し、振動するミラー部１で反射させることによって、スクリーン上に光線を走査することができる。また本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３と第二の音叉形圧電振動子８の回転軸（Ｘ軸とＹ軸）は直交するため、ミラー部１から出射させた光をスクリーンの垂直、水平方向に走査することができる。

なお、本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３による駆動で光を水平方向に走査し、第二の音叉形圧電振動子８による駆動で光を垂直方向に走査する。

次に、本実施の形態１における光学反射素子の製造方法について図２を用いて説明する。

まず始めに、基材１７となる、厚みが約０．５ｍｍのシリコン基板を準備し、その上にスパッタリング法または蒸着法などの薄膜プロセスを用いて白金電極からなる下部電極１８を形成する。

その後、この下部電極１８の上にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの圧電材料を用いてスパッタリング法などによって圧電体１９を形成する。このとき、圧電体１９と下部電極１８との間には、配向制御層としてＰｂとＴｉを含む酸化物誘電体を用いることが好ましく、チタン酸・マグネ・ランタン・鉛（ＰＬＭＴ）からなる配向制御層を形成することがより好ましい。これによって、圧電体１９の結晶配向性がより高まり、圧電特性に優れた圧電アクチュエータ１６を実現することができる。

次に、この圧電体１９の上にチタン（Ｔｉ）／金（Ａｕ）よりなる上部電極２０、第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４を形成している。

このとき、上部電極２０、第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４の下層のチタンはＰＺＴ薄膜などの圧電体１９との密着力を高めるために形成しており、チタンの他にクロムなどの金属を用いることができる。これによって、圧電体１９との密着性に優れ、かつ、金電極とは強固な拡散層を形成していることから、積層体としての接合強度が高まる。

なお、本実施の形態では、白金の下部電極１８の厚みは０．２μｍ、ＰＺＴからなる圧電体１９は３．５μｍ、上部電極２０、第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４のチタン部分は０．０１μｍとし、金電極部分は０．３μｍで形成している。

次に、下部電極１８、圧電体１９、上部電極２０、第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４とを、フォトリソ技術を用いてエッチングし、パターン形成する。

このとき、上部電極２０、第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４のエッチング液としてはヨウ素／ヨウ化カリウム混合溶液と水酸化アンモニウム、過酸化水素混合溶液からなるエッチング液を用いて所定の電極パターンを形成した。

また、下部電極１８、圧電体１９に用いるエッチング方法としては、ドライエッチング法とウエットエッチング法のいずれかの方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などを用いることができる。

一例として、ドライエッチング法であればフルオロカーボン系のエッチングガス、あるいはＳＦ₆ガスなどを用いることができる。

その他、圧電体１９を、沸酸、硝酸、酢酸および過酸化水素の混合溶液を用いウエットエッチングしてパターニングし、その後、さらに、ドライエッチングによって下部電極１８をエッチングしてパターニングする方法がある。

次に、ＸｅＦ₂ガスを用いてシリコン基板を等方的にドライエッチングすることによって不必要なシリコン部分を除去してパターニングし、図２に示すような基材１７を形成すれば、図１に示したような形状の光学反射素子を形成することができる。

なお、シリコン基板をより高精度にエッチングする場合は、シリコンの異方性を利用したドライエッチングが好ましい。この場合は、エッチングを促進するＳＦ₆ガスとエッチングを抑制するＣ₄Ｆ₈ガスの混合ガスを用いるか、あるいはこれらのガスを交互に切り替えることにより、より直線的にエッチングできる。

以上のような製造方法によって、小型で、高精度な光学反射素子を一括して効率よく作製することができる。

以上のような製造プロセスによって、例えばミラー部１の大きさが１．０ｍｍ×１．０ｍｍ、支持体１１の大きさが５．８ｍｍ×５．８ｍｍ、厚さ０．０３ｍｍ、駆動周波数；ｆ_H（水平）２２ｋＨｚ、ｆ_V（垂直）０．５ｋＨｚ、ミラー部１の振れ角；θ_H（水平）±５度、θ_V（垂直）±５度程度の特性を有した光学反射素子を作製することができる。

なお本実施の形態では、ミラー部１、第一の支持部２、第一の音叉形圧電振動子３、第二の支持部５、枠体６、第三の支持部７、第二の音叉形圧電振動子８、第四の支持部１０、および支持体１１の基材１７を、同一基材１７から一体形成とすることができ、振動特性と、生産性に優れた光学反射素子を実現することができる。

また本実施の形態における光学反射素子は、シリコンウエハーなどの基材１７の上に薄膜プロセス、フォトリソ技術などの半導体プロセスを応用することによって高精度に、一括して作製することができ、光学反射素子の小型化、高精度化および生産効率に優れた光学反射素子を実現することができる。

なお、ミラー部１は基材１７の表面を鏡面研磨することによっても形成できるが、光の反射特性に優れた金やアルミニウムの金属薄膜をミラー膜として形成することもできる。本実施の形態では、上部電極２０や第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４として金を用いた為、この金の膜をそのままミラー膜として用いることができ、生産効率も高まる。

本実施の形態の効果を以下に説明する。

本実施の形態では、光学反射素子の駆動精度を高めることができる。

その理由は、第一の音叉形圧電振動子３に発生した振幅を、第一のモニター電極２２で検出でき、また第二の音叉形圧電振動子８に発生した振幅を、第二のモニター電極２４で検出できるからである。

すなわち、圧電振動子は、設計誤差などにより形状が異なったり、あるいは外部環境要因が変わったりすると、出力される駆動力も変動する。したがって所定の電気信号を印加しても、所望の駆動力が得られない場合がある。特に圧電振動子を共振駆動させる場合は、形状の僅かな違いにより圧電振動子に固有の振動周波数が変わり、所定の周波数の電気信号を入力しても駆動しない場合がある。

これに対し本実施の形態では、第一のモニター電極２２で連結部２１の変位、すなわち第一の音叉型圧電振動子３の変位を電気信号として検知することができる。

ここで連結部２１とミラー部１の振動は連動しているため、連結部２１の駆動が分かればミラー部１の駆動も分かることになる。したがって、第一のモニター電極２２からの信号を検出して、第一の音叉形圧電振動子３に入力する電気信号を制御すれば、第一の音叉形圧電振動子３に所望の変位駆動をさせることができ、これに伴ってミラー部１も所望の変位駆動をさせることができる。そしてその結果、光学反射素子の駆動精度を高めることが出来る。

また同様に、本実施の形態では、第二のモニター電極２４で連結部２３の変位を検知することができる。

したがって、第二のモニター電極２４からの信号を検出して第二の音叉形圧電振動子８に入力する電気信号を制御すれば、第二の音叉形圧電振動子８および枠体６、ミラー部１に所望の変位駆動をさせることができる。そしてその結果、光学反射素子の駆動精度を高めることができる。

なお、本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３、第二の音叉形圧電振動子８のいずれの駆動も第一のモニター電極２２、第二のモニター電極２４でそれぞれ検出したが、少なくともいずれか一方にモニター電極を設けることで、その設けた方の音叉形圧電振動子を高精度に駆動させることができ、光学反射素子の駆動精度の向上に寄与する。

さらに本実施の形態では、光学反射素子を小型化することができる。

すなわち第一の音叉形圧電振動子３、第二の音叉形圧電振動子８を用いることにより、それぞれの第一のアーム１２、第二のアーム１３、第三のアーム１４、第四のアーム１５の撓み振動を利用して、ミラー部１を反復回転振動することができるからである。

したがって、配置面積の大きい磁石等を用いることなく、ミラー部１を励振することができ、素子の小型化に寄与する。

また駆動源を音叉形にすることにより、アームの先端が自由端となるため、小型であってもミラー部１の振れ角度を効率よく大きくできる。

また振動源を、高Ｑ値を有する音叉形とすることにより、小さなエネルギーで大きな振動エネルギーを得ることが出来、素子の小型化にも寄与する。

またこれらの第一の音叉形圧電振動子３、第二の音叉形圧電振動子８の振動設計をすることによって、出力光の反射角度を大きく変化させることができ、レーザー光線などの入力光を所定の設計値となるように掃引することができる光学反射素子を実現することができる。

さらに実施の形態では、ミラー部１をその両側から一対の第一の音叉形圧電振動子３で囲い、これらの第一の音叉形圧電振動子３の外周を枠体６で囲い、この枠体６をその両側から一対の第二の音叉形圧電振動子８で囲い、これらの第二の音叉形圧電振動子８の外周を支持体１１で囲う構成のため、各部材が小さな隙間を介して幾層にも巻かれたような構造となり、素子全体のデッドスペースを減らし、素子を小型化できる。

また本実施の形態では、第一、第二、第三、第四のアーム１２〜１５はそれぞれ直線形状のため、加工も容易である。

また本実施の形態では、ミラー部１の両側に、対称的に第一の音叉形圧電振動子３を配置しているため、ミラー部１を安定して左右対称に励振させることができ、その中心が不動点となるため光を安定して走査することができる。

またミラー部１は、その両端が第一の支持部２で支持されている両持ち構造のため、ミラー部１の不要な共振を抑制し、さらに外乱振動による影響も低減できる。

さらに本実施の形態では、枠体６の両側に、対称的に第二の音叉形圧電振動子８を配置しているため、枠体６の中心を不動点として励振させることができる。

また枠体６は、その両端が第三の支持部７で支持されている両持ち構造のため、枠体６の不要な共振を抑制し、外乱振動による影響も低減できる。

なお、上記実施の形態では、第一のアーム１２と第二のアーム１３の双方に圧電アクチュエータ１６を形成したが、少なくともいずれか一方のみに圧電アクチュエータ１６を形成してもよい。これは音叉形圧電振動子の特性を利用したものであり、どちらか一方のアームが振動すると、連結部２１を介して他方のアームに運動エネルギーが伝播し、この他方のアームを逆位相に励振させることができるからである。

また第二の音叉形圧電振動子８も同様に、第三のアーム１４と第四のアーム１５のいずれか一方にのみ圧電アクチュエータ１６を形成しても、双方に形成した場合と同様に動作させることができる。

また本実施の形態では、第一、第二の音叉形圧電素子３、８のいずれも、圧電アクチュエータ１６は、アームの片面にのみ形成したが、両面に形成してもよい。また第一の音叉形圧電振動子３は、第二の音叉形圧電振動子８よりも面積が小さく、駆動力が弱いため、第一の音叉形圧電振動子３のみ、基材１７の両面に圧電アクチュエータ１６を形成してもよい。

なお、第一の支持部２、第二の支持部５、第三の支持部７、第四の支持部１０のそれぞれの断面形状を円状とすれば、捩れ振動の振動モードが安定し、不要共振も抑制することができ、外乱振動に影響されにくい光学反射素子を実現することができる。

以上のような光学反射素子は、例えば図４に示すように、画像投影装置に応用することができる。すなわち二軸方向に振動するミラー部１に光源３１から光を入射し、このミラー部１で光を反射し、光を二次元に走査することでスクリーン３２に画像を投影することができる。その他レーザ露光機などにも用いることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図５に示すように、第一のモニター電極２２を、第一の音叉形圧電振動子３の振動中心４よりも第一のアーム１２側および第二のアーム１３側の両方にそれぞれ設けた点である。

この場合は、それぞれの第一のモニター電極２２は、互いに逆位相の撓み振動を電気信号として検知するため、いずれか一方の第一のモニター電極２２が検出した電気信号を、逆位相に反転し、他方の第一のモニター電極２２と合流させることにより、電気信号を相殺させることなく検出することができる。

また本実施の形態では、連結部２１の面積を有効に活用することができ、モニター電極２２の面積も大きくなることから、信号の検出効率が高まる。

同様に、本実施の形態では、第二のモニター電極２４は、第二の音叉形圧電振動子８の振動中心９よりも第三のアーム１４側および第四のアーム１５側の両方にそれぞれ設けた。この場合も、一方の第二のモニター電極２４が検出した電気信号を、逆位相に反転処理し、他方の第二のモニター電極２４と合流させることにより信号の検出効率が高まる。

その他実施の形態１と同様の構成および効果については説明を省略する。

（実施の形態３）
本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、図６に示すように、対となる第一の音叉形圧電振動子３のそれぞれの連結部２１の第二のアーム１３側の位置に、第一のモニター電極２２を配置し、また対となる第二の音叉形圧電振動子８のそれぞれの連結部２３の第三のアーム１４側の位置に、第二のモニター電極２４を配置した点である。

これらの二つの第一のモニター電極２２は、合流して引き出せば、検出した電気信号が合算され、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。あるいは、別流で個々に引き出せば、いずれの第一の音叉形圧電振動子３の駆動もそれぞれ検出することができ、入力する信号を個々に制御できるため、駆動精度がさらに高まる。

同様に第二のモニター電極２４も、合流して引き出せば、Ｓ／Ｎ比を高めることができる。あるいは別流で個々に引き出せば、駆動精度をさらに高めることができる。

その他実施の形態１と同様の構成および効果は説明を省略する。

(実施の形態４)
本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、図７に示すように圧電アクチュエータ１６の形状および配置場所と、第一のモニター電極２２および第二のモニター電極２４の配置場所である。

すなわち本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３において、圧電アクチュエータ１６を、第一のアーム１２と第二のアーム１３との連結部２１まで延長し、Ｌ字形に構成している。なお、第一のアーム１２と第二のアーム１３には、それぞれ逆位相の信号を印加するため、これらに形成した圧電アクチュエータ１６の駆動電極が互いに電気的に短絡しないよう、第一の音叉形圧電振動子３の振動中心４で断続させている。

また同様に第二の音叉形圧電振動子８においても、圧電アクチュエータ１６を第三のアーム１４と第四のアーム１５との連結部２３にまで延長している。

このように、連結部２３にまで圧電アクチュエータ１６を形成することによって、面積を有効に活用し、大きな駆動源を得ることが出来る。

また本実施の形態では、図８に示すように、第一のモニター電極２２は、対となる第一の音叉形圧電振動子３の一方と連結された第二の支持部５上であって、この第二の支持部５の一方の縁側に設けている。これにより第一のモニター電極２２で効率よく第二の支持部５の変位を検出することができる。

すなわち、第二の支持部５はＸ軸を中心に回動するため、第二の支持部５の中央に配置（Ｘ軸に線対称に配置）すると、検出した電気信号が相殺され、取出しにくくなる。

これに対し本実施の形態では、第一のモニター電極２２をいずれか一方の縁側に偏った位置に配置しているため、第二の支持部５の変位を効率よく検出することができる。また本実施の形態では、図８に示すように、第一のモニター電極２２をＸ軸に対して左の縁側に配置し、圧電アクチュエータ１６の上部電極の配線を右の縁側に設けているため、第一のモニター電極２２を二本の上部電極の配線で挟む構造と比較し、第一のモニター電極２２におけるノイズの発生を低減できる。

更に本実施の形態では、第一のモニター電極２２を、この第二の支持部５の真ん中にかかるように配置しているため、効率よく変位を検知することができる。

すなわち第二の支持部５は、枠体６あるいは第一の音叉形振動子３との接続部分から離れるほど、すなわち真ん中ほど拘束が少なく、変位が大きい。したがって、第一のモニター電極２２を、変位の大きい真ん中の領域にかかるように配置することで、検出効率を向上させることができる。

そして本実施の形態において、第二の支持部５は、第一の音叉形圧電振動子３と連動して振動することから、検出した電気信号によって、第一の音叉形圧電振動子３に入力する電気信号を制御すれば、第一の音叉形圧電振動子３に所望の変位駆動をさせることができる。そしてその結果、光学反射素子の駆動精度を高めることが出来る。

さらに本実施の形態では、連結部２１のスペースを有効に活用して圧電アクチュエータ１６を配置することができ、駆動効率も高まる。

また本実施の形態では、図７に示す第二のモニター電極２４は、対となる第二の音叉形圧電振動子８のいずれか一方と連結された第四の支持部１０の縁側に設けた。これにより第一のモニター電極２２と同様に、効率よく第四の支持部１０の変位を検出でき、第二の音叉形圧電振動子８に入力する電気信号を制御できる。そしてその結果、光学反射素子の駆動精度を高めることができる。また第二のモニター電極も、第一のモニター電極と同様に、第四の支持部の真ん中にかかるように配置することで、検出効率を高めることができる。

さらに本実施の形態では、対の第二の音叉形圧電振動子８のいずれか一方と連結された第四の支持部１０には前述の第二のモニター電極２４が設けられ、他方の第二の音叉形圧電振動子８と、この第二の音叉形圧電振動子８と連結された第四の支持部１０とには、第一のモニター電極２２の配線が引き回されている。これにより本実施の形態では、微細な第四の支持部１０に引き回す電極配線の数を減らすことができ、生産性に優れる。

なお、本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３、第二の音叉形圧電振動子８ともに圧電アクチュエータ１６の形状をＬ字形にしたが、いずれか一方のみＬ字形にし、他方は実施の形態１と同様にＩ字形でもよい。ただし対となる音叉形圧電振動子同士は、同じ圧電アクチュエータ１６の形状とすることが好ましい。ミラー部１を、その中心を不動点として安定して励振させるためである。

また本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３、第二の音叉形圧電振動子８のいずれの変位もモニタリングするため、第一のモニター電極２２および第二のモニター電極２４の両方を設けたが、第一、第二の音叉形圧電振動子３、８のいずれか一方のみをモニタリングしたい場合は、モニター電極も一方のみでよい。

さらに例えば第一のモニター電極２２は実施の形態１と同様に、連結部２１に配置し、第二のモニター電極２４は上述のように第四の支持部１０に配置してもよく、あるいは第一のモニター電極２２は上述のように第二の支持部５に配置し、第二のモニター電極２４は実施の形態１と同様に連結部２３に配置してもよく、組み合わせは自由である。

また本実施の形態では、第一のモニター電極２２は、第二の支持部５のいずれか一方の縁側に配置したが、図９に示すように、両縁側に二本配置してもよい。この場合は、二つの第一のモニター電極２２により検出された電気信号は、互いに逆位相の関係にあるため、一方の第一のモニター電極２２が検出した電気信号を逆位相に反転処理し、他方の第一のモニター電極２２で検出した電気信号と合算すればよい。

同様に、第二のモニター電極２４は、第四の支持部１０の両縁側にそれぞれ設けても良い。この場合も、一方の第二のモニター電極２４が検出した電気信号は、逆位相に反転処理し、他方の第二のモニター電極２４で検出した電気信号と合算すればよい。

さらに本実施の形態では、図７に示すように、対となる第一の音叉形圧電振動子３の一方と連結された第二の支持部５に第一のモニター電極２２を設けたが、他方の第一の音叉形圧電振動子３と連結された第二の支持部５にも、第一のモニター電極２２を配置してもよい。これら二つの第一のモニター電極２２で取り出した電気信号は、合流して検出すればＳ／Ｎ比を高めることができ、別流で検出すれば更に駆動精度を高めることができる。

ここで二つの第二の支持部５にそれぞれ第一のモニター電極２２を配置する場合、これらの第一のモニター電極２２は、第二の支持部５上において、Ｘ軸よりもいずれか一方の縁側に設ければ、同位相の変位を検出することができる。したがって、検出した電気信号を合流することができ、配線を少なくすることができる。

同様に、第二のモニター電極２４を、対となる第二の音叉形圧電振動子８とそれぞれ連結された第四の支持部１０に、それぞれ設けても良い。またこれらをＹ軸よりもいずれか一方の縁側に設け、それぞれの第二のモニター電極２４で同位相の信号を検出すれば、配線を合流することができ、素子上で引き回す配線数を減らすことができる。

その他実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。

（実施の形態５）
本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、光学反射素子の構造である。すなわち本実施の形態では、図１０に示すように、それぞれの第一の音叉形圧電振動子３は、第一のアーム１２および第二のアーム１３と、第一の支持部２との間に第五の支持部３３を有し、またそれぞれの第二の音叉形圧電振動子８は、第三のアーム１４および第四のアーム１５と、第三の支持部７との間に第六の支持部３４を有する点である。

また第五の支持部３３と第一の支持部２とは直交し、第六の支持部３４と第三の支持部７とは直交している。

本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３の反復回転振動のエネルギーが、第五の支持部３３を介しても第一の支持部２へ伝播し、この第一の支持部２を効率よく捩り振動させることができ、光学反射素子の小型化に寄与する。また第二の音叉形圧電振動子８の反復回転振動のエネルギーは、第六の支持部３４を介しても第三の支持部７へ伝播し、第三の支持部７を効率良く捩り振動させることが出来る。

なお、第五の支持部３３は、第一の支持部２とミラー部１から構成された捩れ振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けることが好ましい。すなわちこの定在波は１／２、１／３、１／４と示されるように整数分の一で現れてくるものであり、この所定の定在波の振動節部に第五の支持部３３を設けることで、より効率よく振動エネルギーを伝播することができる。

また、第五の支持部３３は、第一のアーム１２、第二のアーム１３の自由端側よりも固定端側、すなわちミラー部１よりも第一の音叉形圧電振動子３の振動中心４に近い位置に形成することがより好ましい。自由端側に第五の支持部３３を形成すると、第一のアーム１２と第二のアーム１３の撓み振動が拘束され、却って振幅が小さくなるからである。

さらに第六の支持部３４も同様の理由により、第三の支持部７と枠体６から構成された捩れ振動子の共振周波数の高次の定在波の振動節部に設けることが好ましく、また枠体６よりもより第二の音叉形圧電振動子８の振動中心９により近い位置に形成することが好ましい。

以上説明してきたように、本実施の形態では、第五の支持部３３、第六の支持部３４によって、振幅の大きい光学反射素子を実現することができ、小型化に寄与する。

なお、本実施の形態では、第五の支持部３３、第六の支持部３４の両方を形成したが、いずれか一方でもよい。この場合も、例えば第五の支持部３３を設ける場合は、対となる第一の音叉形圧電振動子３の双方に形成することが望ましい。これにより、ミラー部１の中心を不動点として、対称的に回動させることができる。

その他実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。

（実施の形態６）
本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、図１１に示すように、一対の第一の音叉形圧電振動子３は、対向する第一のアーム１２間と、対向する第二のアーム１３間がそれぞれ弾性体３５で接続されている点である。

この弾性体３５は、光学反射素子の基材１７よりも弾性の小さい（軟らかい）ものであり、本実施の形態では伸縮性のある樹脂フィルムで形成され、第一のアーム１２または第二のアーム１３に貼り付けられている。

この樹脂フィルムとしては、第一のアーム１２、第二のアーム１３の延伸方向と平行な方向に対してより伸縮性の高い素材が好ましい。

なお、本実施の形態では、弾性体３５としては樹脂を用いたが、その他例えばゴム材や、弾性の小さく厚みの薄い金属などを用いても良い。

このように第一のアーム１２間と第二のアーム１３間を弾性体３５で接続しておくことによって、対向する第一の音叉形圧電振動子３の共振周波数の僅かなずれを矯正することができる。また撓み振動の対称性が高まり、アームの自由端の不要振動を抑制することができ、駆動力が高まる。

なお、本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３の第一のアーム１２間と第二のアーム１３間を弾性体３５で接続したが、第二の音叉形圧電振動子８の第三のアーム１４間と第四のアーム１５間とを弾性体３５で接続してもよい。なお、この場合、弾性体３５としては、第三のアーム１４と第四のアーム１５の延伸方向と平行な方向に、より伸縮性の高い素材を用いることが好ましい。

このように弾性体３５を設け、機械的に結合させれば、対向する第二の音叉形圧電振動子８の共振周波数の若干のずれは、共振の引き込み現象により同一共振となる。また撓み振動の対称性が高まり、アームの不要な振動を抑制でき、駆動力が高まる。

その他実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。

（実施の形態７）
本実施の形態と実施の形態１との主な差異点は、図１２に示すように、第一の音叉形圧電振動子３は、第一のアーム１２と第二のアーム１３の先端の間隔ｄ₁が、この第一、第二のアーム１２、１３に垂直なミラー部１の最大長さｄ₂（直径）よりも短い点である。

すなわち本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子３の第一、第二のアーム１２、１３がミラー部１の外周を囲わず、より内側に内包されているため、枠体６を小さくでき、結果として光学反射素子の小型化に寄与する。

なお、第二の音叉形圧電振動子８を、第三のアーム１４と第四のアーム１５との間隔が、この第三、第四のアーム１５に垂直な枠体６の最大長さ、すなわち枠体６の第三の支持部７が接合している辺の長さよりも短い構造としてもよい。

その他実施の形態１と同様の構成及び効果については説明を省略する。

本発明は、光学反射素子に関して小型化できるという効果を有し、例えば携帯電話端末にも利用できる小型のディスプレイ装置や車載用のヘッドアップディスプレイ装置、電子写真方式の複写機、レーザープリンタ、光学スキャナ用途に有用である。

本発明の実施の形態１における光学反射素子の平面図 同光学反射素子の断面図（図１のＡＡ断面） 同光学反射素子の動作状態を示す模式図 同光学反射素子を用いた画像投影装置の動作を示す図 本発明の実施の形態２における光学反射素子の平面図 本発明の実施の形態３における光学反射素子の平面図 本発明の実施の形態４における光学反射素子の平面図 同光学反射素子の要部を模式的に示す平面図 本発明の実施の形態４における別の例の光学反射素子の要部を摸式的に示す平面図 本発明の実施の形態５における光学反射素子の平面図 本発明の実施の形態６における光学反射素子の平面図 本発明の実施の形態７における光学反射素子の平面図 従来の光学反射素子の斜視図

符号の説明

１ ミラー部
２ 第一の支持部
３ 第一の音叉形圧電振動子
４ 振動中心
５ 第二の支持部
６ 枠体
７ 第三の支持部
８ 第二の音叉形圧電振動子
９ 振動中心
１０ 第四の支持部
１１ 支持体
１２ 第一のアーム
１３ 第二のアーム
１４ 第三のアーム
１５ 第四のアーム
１６ 圧電アクチュエータ
１７ 基材
１８ 下部電極
１９ 圧電体
２０ 上部電極
２１ 連結部
２２ 第一のモニター電極
２３ 連結部
２４ 第二のモニター電極
２５ 接続端子
２６ 接続端子
２７ 接続端子
２８、２９ 矢印
３０ 矢印
３１ 光源
３２ スクリーン
３３ 第五の支持部
３４ 第六の支持部
３５ 弾性体

Claims (15)

1. ミラー部と、このミラー部を介して対向するとともに、このミラー部とそれぞれ第一の支持部で連結された、対の第一の音叉形圧電振動子と、これらの第一の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第二の支持部で連結され、前記対の第一の音叉形圧電振動子の外周を囲う枠体と、この枠体を介して対向するとともに、この枠体とそれぞれ第三の支持部で連結され、前記第一の音叉形圧電振動子の回転軸に対して垂直な回転軸を有する対の第二の音叉形圧電振動子と、これらの第二の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第四の支持部で連結された支持体とを備え、
   前記第一の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第一の支持部の両側に第一のアームと第二のアームとを有し、前記第二の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第三の支持部の両側に第三のアームと第四のアームとを有し、
   前記対の第一の音叉形圧電振動子の少なくともいずれか一方は、前記第一のアームと第二のアームとの連結部であって、前記第一のアームまたは／および第二のアーム寄りの位置に第一のモニター電極を有する光学反射素子。
2. 前記第一のモニター電極は、
   前記第一の音叉形圧電振動子の振動中心よりも第一のアームまたは第二のアームのいずれか一方側に設けられている請求項１に記載の光学反射素子。
3. 前記第一のモニター電極は、
   前記第一の音叉形圧電振動子の振動中心よりも前記第一のアーム側および第二のアーム側にそれぞれ設けられ、いずれか一方の第一のモニター電極が検出した電気信号は逆位相に反転される請求項１に記載の光学反射素子。
4. ミラー部と、このミラー部を介して対向するとともに、このミラー部とそれぞれ第一の支持部で連結された、対の第一の音叉形圧電振動子と、これらの第一の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第二の支持部で連結され、前記対の第一の音叉形圧電振動子の外周を囲う枠体と、この枠体を介して対向するとともに、この枠体とそれぞれ第三の支持部で連結され、前記第一の音叉形圧電振動子の回転軸に対して垂直な回転軸を有する対の第二の音叉形圧電振動子と、これらの第二の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第四の支持部で連結された支持体とを備え、
   前記第一の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第一の支持部の両側に第一のアームと第二のアームとを有し、前記第二の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第三の支持部の両側に第三のアームと第四のアームとを有し、
   前記対の第二の音叉形圧電振動子の少なくともいずれか一方は、前記第三のアームと第四のアームとの連結部であって、第三のアームまたは／および第四のアーム寄りの位置に第二のモニター電極を有する光学反射素子。
5. 前記第二のモニター電極は、
   前記第二の音叉形圧電振動子の振動中心よりも第三のアームまたは第四のアームのいずれか一方側に設けられている請求項４に記載の光学反射素子。
6. 前記対の第一の音叉形圧電振動子のいずれか一方は、前記第一のアームと第二のアームとの連結部であって、前記第一のアームまたは第二のアーム寄りの位置に第一のモニター電極を有し、
   前記第二のモニター電極は、
   前記対の第二の音叉形圧電振動子のいずれか一方に設けられ、
   他方の第二の音叉形圧電振動子には、前記第一のモニター電極の配線が通っている請求項４に記載の光学反射素子。
7. 前記第二のモニター電極は、
   前記第二の音叉形圧電振動子の振動中心よりも前記第三のアーム側および第四のアーム側にそれぞれ設けられ、いずれか一方の第二のモニター電極が検出した電気信号は逆位相に反転される請求項１に記載の光学反射素子。
8. ミラー部と、このミラー部を介して対向するとともに、このミラー部とそれぞれ第一の支持部で連結された、対の第一の音叉形圧電振動子と、これらの第一の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第二の支持部で連結され、前記対の第一の音叉形圧電振動子の外周を囲う枠体と、この枠体を介して対向するとともに、この枠体とそれぞれ第三の支持部で連結され、前記第一の音叉形圧電振動子の回転軸に対して垂直な回転軸を有する対の第二の音叉形圧電振動子と、これらの第二の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第四の支持部で連結された支持体とを備え、
   前記第一の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第一の支持部の両側に第一のアームと第二のアームとを有し、前記第二の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第三の支持部の両側に第三のアームと第四のアームとを有し、
   前記対の第一の音叉形圧電振動子の少なくともいずれか一方と連結された前記第二の支持部は、その縁側に第一のモニター電極を有する光学反射素子。
9. 前記第一のモニター電極は、
   前記第二の支持部のいずれか一方の縁側に設けられている請求項８に記載の光学反射素子。
10. 前記第一のモニター電極は、
    前記第二の支持部の両縁側にそれぞれ設けられ、いずれか一方の第一のモニター電極が検出した電気信号は逆位相に反転される請求項８に記載の光学反射素子。
11. ミラー部と、このミラー部を介して対向するとともに、このミラー部とそれぞれ第一の支持部で連結された、対の第一の音叉形圧電振動子と、これらの第一の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第二の支持部で連結され、前記対の第一の音叉形圧電振動子の外周を囲う枠体と、この枠体を介して対向するとともに、この枠体とそれぞれ第三の支持部で連結され、前記第一の音叉形圧電振動子の回転軸に対して垂直な回転軸を有する対の第二の音叉形圧電振動子と、これらの第二の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第四の支持部で連結された支持体とを備え、
    前記第一の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第一の支持部の両側に第一のアームと第二のアームとを有し、前記第二の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第三の支持部の両側に第三のアームと第四のアームとを有し、
    前記対の第二の音叉形圧電振動子の少なくともいずれか一方と連結された第四の支持部は、その縁側に第二のモニター電極を有する光学反射素子。
12. 前記第二のモニター電極は、
    前記第四の支持部のいずれか一方の縁側に設けられている請求項１１に記載の光学反射素子。
13. 前記第二のモニター電極は、
    前記第四の支持部の両縁側にそれぞれ設けられ、いずれか一方の第二のモニター電極が検出した電気信号は逆位相に反転される請求項１１に記載の光学反射素子。
14. 前記対の第一の音叉形圧電振動子のいずれか一方と連結された第二の支持部は、その縁側に第一のモニター電極を有し、
    前記第二のモニター電極は、
    対の前記第二の音叉形圧電振動子のいずれか一方と連結された第四の支持部に設けられ、
    他方の第二の音叉形圧電振動子には、前記第一のモニター電極の配線が通っている請求項１１に記載の光学反射素子。
15. 前記第一のアームと第二のアームの少なくともいずれか一方と、
    前記第三のアームと第四のアームの少なくともいずれか一方には、圧電アクチュエータが設けられている請求項１、４、８、１１いずれか一つに記載の光学反射素子。

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