JP2012113043A - 光走査素子、および該光走査素子を備えた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】光を走査する際の高速性を損なわずにミラー部の温度上昇を抑制することが可能な光走査素子を提供する。
【解決手段】光を反射する反射面１ａを有するミラー部１と、ミラー部１の両端部に設けられ、ミラー部１を、反射面１ａに平行に延びてミラー部１の両端部と交差する軸を中心として回転方向に往復振動可能に支持する複数対の捻りバネ５６と、複数対の捻りバネ５６を同時に駆動してミラー部１の往復振動を生じさせる駆動部４と、を有する。
【選択図】 図２

Description

本発明は、往復振動しながらレーザー光を反射することによって、反射光を走査する光走査素子、および該光走査素子を備えた画像表示装置に関する。

近年、往復振動するミラー部でレーザー光を走査する光走査素子を用いて画像を表示する画像表示装置が実用化されている。図１０は、本発明に関連する光走査素子の要部構成を拡大して示す上面図である。

図１０に示す光走査素子では、レーザー光を反射する反射面を有するミラー部１が、棒状の一対の捩じりバネ１５ａ、１５ｂを軸として回転方向に往復振動可能とされている。一対の捩じりバネ１５ａ、１５ｂは、素子基板１０に支持されている。この光走査素子では、素子基板１０が、捩じりバネ１５ａ、１５ｂをその共振周波数でねじり運動させるように変形することによって、ミラー部１が捩じりバネ１５ａ、１５ｂを軸として回転方向に往復振動する。

図１０に示すような光走査素子を備えた画像表示装置において、画像の輝度を上げるためにはレーザー光のパワーを上げる必要がある。ところが、ミラー部１の反射率は１００％ではない。そのため、図１０に示す光走査素子では、パワーの大きいレーザー光がミラー部１に入射すると、入射光の一部がミラー部１に吸収されることによってミラー部１の温度が上昇する。ミラー部１の温度が上昇すると、熱膨張による歪みがミラー部１に生じる。ミラー部１に歪みが生じると、光の走査を正確に行うことが困難になる。また、ミラー部１の温度上昇によって捩りバネ１５ａ、１５ｂの剛性が変化し、それにより捩りバネ１５ａ、１５ｂの共振周波数が変化する。捩りバネ１５ａ、１５ｂの共振周波数が変化すると、それに伴って偏向角が変化するため、光の走査を正確に行うことが困難となる。図１０に示す光走査素子では、ミラー部１で発生した熱を放熱するための放熱経路は、ミラー部１と素子基板１０とを接続している捻りバネ１５ａ、１５ｂのみである。捻りバネ１５ａ、１５ｂの幅、厚さは、一般的に１ｍｍ以下の小さい寸法であるために放熱が充分に行われない場合がある。

そこで、放熱構造を有する光走査素子が提案され、特許文献１および特許文献２に開示されている。

特許文献１に開示された光走査素子は、ミラー部が固体伝熱体を備える。固体伝熱体は熱伝導率の高い材料、たとえばAu、Ag、Ａｌ等の金属よりなる。ミラー部において光吸収により生じた熱は、反射膜から固体伝熱体を通じて外部に放熱される。

特許文献２に開示された光走査素子には、ミラー部の反射面の裏面に、周囲雰囲気への放熱面積を大きくするための凹凸部を有する放熱部が設けられている。放熱部は、例えばＡｌ、Ａｇ、Ａｕのような金属、これらの金属を含む合金、これらの金属を含む酸化物や窒化物などより作られている。ミラー部において光吸収により生じた熱は、ミラー部から放熱部を通じて外部に放熱される。

特開２００７−２７１９０９号公報 特開２００８−３９８６１号公報

しかし、特許文献１に開示された光走査素子は、ミラー部が固体伝熱体と一体となった構造であるため、固体伝熱体をミラー部と一緒に往復振動させる必要がある。また、特許文献２に開示された光走査素子も、ミラー部が放熱部と一体となった構造であるため放熱部をミラー部と一緒に往復振動させる必要がある。そのため、これらの光走査素子では、ミラー部全体の重量が増えるため、共振周波数が、図１０に示す光走査素子のようにミラー部単独で往復振動させる場合に比べ低下する。共振周波数が低下すると、走査速度が低下するので、光の走査の高速性が損なわれることが懸念される。

そこで、本発明は、光を走査する際の高速性を損なわずにミラー部の温度上昇を抑制することが可能な光走査素子、および該光走査素子を備えた画像表示装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明の光走査素子は、光を反射する反射面を有するミラー部と、前記ミラー部の両端部に設けられ、前記ミラー部を、前記反射面に平行に延びて前記ミラー部の両端部と交差する軸を中心として回転方向に往復振動可能に支持する複数対の捻りバネと、前記複数対の捻りバネを同時に駆動して前記ミラー部の前記往復振動を生じさせる駆動部と、を有する。

また、上記目的を達成するため、本発明の画像表示装置は、上記の光走査素子と、前記光走査素子の前記反射面に前記光を照射する光照射部と、を有する。

本発明によれば、光走査素子が複数対の捻りバネを備えることによって、ミラー部で発生した熱の放熱経路が増加するので、ミラー部に新たな放熱手段を設けなくてもミラー部の温度上昇を抑制できる。ミラー部に新たな放熱手段を設ける必要がないと、ミラー部の重量増加を抑制できるので、共振周波数の低下を回避できる。したがって、光を走査する際の高速性を損なうことなくミラー部の温度上昇を抑制することが可能となる。

本発明の画像表示装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。 図１に示す光走査素子の一実施形態の構成を示す上面図である。 図２に示す光走査素子の斜視図である。 図２に示す光走査素子を主要な構成に分解した分解斜視図である。 圧電素子に駆動信号が入力されたときの素子基板の変形状態を示す側面図である。 圧電素子に駆動信号が入力されたときの素子基板の他の変形状態を示す側面図である。 ダンパー材が設けられていない場合に起こり得る不要振動を説明するための斜視図である。 本発明の光走査素子の他の実施形態の要部構成を拡大して示す上面図である。 図１に示す光走査素子の可動部を拡大して示す上面図である。 本発明に関連する光走査素子の要部の構成を拡大して示す上面図である。

本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本発明の画像表示装置の一実施形態の構成を示すブロック図である。図１に示す画像表示装置１００は、光照射部１０１と、光走査素子１０２と、を有する。光照射部１０１は、光１０３を光走査素子１０２に照射する。本実施形態において、光１０３は、画像を構成するレーザー光である。光走査素子１０２は、光１０３を反射することによって、光１０３に示された画像をスクリーン（不図示）に投射表示する。以下、光走査素子１０２の構成について詳細に説明する。

図２は、図１に示す光走査素子の一実施形態の構成を示す上面図である。図３は、図２に示す光走査素子の斜視図である。図４は、図２に示す光走査素子を主要な構成に分解した分解斜視図である。

図２から図４を参照すると、本実施形態の光走査素子１０２は、可動部８と、可動部８を駆動する駆動部４と、を有する。可動部８は、平板状のミラー部１と、搭載部２と、複数対の捻りバネ５６を有する。複数対の捻りバネ５６は、棒状の第１の捻りバネ５ａ、５ｂと、第２の捻りバネ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを有する。駆動部４は、素子基板１０と、４つの圧電素子１２ａ〜１２ｄを有する。

ミラー部１は、光を反射する反射面１ａを片面に備えている。反射面１ａは、例えばＡｇ等の金属膜あるいは誘電体多層膜で構成されている。ミラー部１は、枠状の搭載部２に搭載されている。具体的には、ミラー部１は、搭載部２内の穴に嵌合されることによって、搭載部２に固定される。

搭載部２は、複数対の捻りバネ５６を構成する第１の捻りバネ５ａ、５ｂと、第２の捻りバネ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄにより枠状の素子基板１０に、往復振動可能に接続されている。本実施形態では、搭載部２と、第１の捻りバネ５ａ、５ｂと、第２の捻りバネ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄとは、例えばＳＵＳ（Stainless steel）、Ｓｉなどを主材料とし、素子基板１０と一体に成型されている。

第１の捻りバネ５ａ、５ｂは、図２に示すように、ミラー部１の両端部からＸ軸に沿って延びている。このＸ軸は、ミラー部１の反射面１ａに平行で、ミラー部１の重心Ｇを通過し、ミラー部１の両端部と交差する。第１の捻りバネ５ａ、５ｂの各々が同じ方向にねじり運動することによって、ミラー部１は第１の捻りバネ５ａ、５ｂを軸として回転方向に往復振動する。

第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの各々は、両端部がＸ軸と平行な直線形状で、中間部に屈曲部を備えた形状となっている。第２の捻りバネ６ａ〜６ｄをこのような形状とすることで、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの各々の全長（軸長さ）は、第１の捻りバネ５ａ、５ｂの各々の全長よりも長くなる。これにより、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの剛性が第１の捻りバネ５ａ、５ｂの剛性よりも低くなる。なお、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの両端部が、Ｘ軸と平行な直線形状となっている理由は、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの両端部がＸ軸と平行になっていない場合、例えばＸ軸に対して斜めになっているとＸ軸に平行な場合と比較して剛性が高くなるからである。

本実施形態では、図２に示すように、第２の捻りバネ６ａと第２の捻りバネ６ｂが、第１の捻りバネ５ａを対称軸として線対称に形成および配置されている。また、第２の捻りバネ６ｃと第２の捻りバネ６ｄが、第１の捻りバネ５ｂを対称軸として線対称に形成および配置されている。さらに、第２の捻りバネ６ｃが、Ｘ軸と直交し重心Ｇを通過するＹ軸を対称軸として第２の捻りバネ６ａと線対称に形成および配置されているとともに、第２の捻りバネ６ｄがＹ軸を対称軸として第２の捻りバネ６ｂと線対称に形成および配置されている。なお、本実施形態では、第２の捻りバネは、二対としたが、これに限定されず偶数対であればよい。

第１の捻りバネ５ａ、５ｂと、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄとからなる合成の捻り共振振動の周波数は、本実施形態の光走査素子１０２が用いられる画像表示装置１００の仕様に基づき、特定の周波数となるように調整されている。

本実施形態の光走査素子１０２において、ミラー部１の両端部近傍に、ダンパー材７ａ（第１のダンパー材）と、ダンパー材７ｂ（第２のダンパー材）が取り付けられている。ダンパー材７ａは、第１の捻りバネ５ａと第２の捻りバネ６ａ、６ｂとに取り付けられている。ダンパー材７ｂは、第１の捻りバネ５ｂと第２の捻りバネ６ｃ、６ｄとに取り付けられている。ダンパー材７ａ、７ｂは、例えば紫外線で硬化するゲルなどで構成されている。

素子基板１０は、ベース３に固定され、互いに対向する第１の腕部および第２の腕部を有する。第１の捻りバネ５ａの一端、第２の捻りバネ６ａ、６ｂの一端が第１の腕部の中央部に固定され、第１の捻りバネ５ｂの一端、第２の捻りバネ６ｃ、６ｄの一端が第２の腕部の中央部に固定されている。第１の腕部の長さおよび幅は、第２の腕部の長さおよび幅と同じである。第１の腕部は、その中央部から一方向に延伸した腕部１０ａと、その中央部から腕部１０ａと反対方向に延伸した腕部１０ｂとを有する。腕部１０ａには圧電素子１２ａが設けられ、腕部１０ｂには圧電素子１２ｂが設けられている。

第２の腕部は、その中央部から腕部１０ａと同じ方向に延伸した腕部１０ｃと、腕部１０ｃと反対方向に延伸した腕部１０ｄとを有する。腕部１０ｃには圧電素子１２ｃが設けられ、腕部１０ｄには圧電素子１２ｄが設けられている。

次に、本実施形態の光走査素子１０２の動作について説明する。ここでは、光照射部１０１から光１０３が照射されるのに伴ってミラー部１を往復振動させる動作について説明する。

まず、光照射部１０１から光１０３が反射面１ａに照射されるのに伴い、圧電素子１２ａ、１２ｃに第１の駆動信号に基づく電圧が供給されると同時に、圧電素子１２ｂ、１２ｄに第２の駆動信号に基づく電圧が供給される。第１の駆動信号は、第２の駆動信号とは逆位相の駆動信号である。

図５、図６は、圧電素子１２ａ〜１２ｄの各々に駆動信号が入力されたときの素子基板１０の変形状態を示す側面図である。図５（ａ）、図６（ａ）は、素子基板１０の腕部１０ｃ、１０ｄの変形状態を、図２に示す矢印Ａ方向から見た側面図である。図５（ｂ）、図６（ｂ）は、基板１０の腕部１０ａ、１０ｂの変形状態を、図２に示す矢印Ｂ方向から見た側面図である。図５（ａ）、図５（ｂ）は、各駆動信号の前半の半周期における各腕部の変形状態を示している。一方、図６（ａ）、図６（ｂ）は、各駆動信号の後半の半周期における各腕部の変形状態を示している。

図５（ａ）、図５（ｂ）に示す変形状態では、搭載部２の端部２１（図４参照）が、基板１０より低い位置に変位し、搭載部２の端部２２（図４参照）が、基板１０の面より高い位置に変位する。

第１の駆動信号および第２の駆動信号の後半の半周期においては、腕部１０ａ、１０ｂの変形状態と腕部１０ｃ、１０ｄの変形状態は互いに逆になる。すなわち、腕部１０ａ、１０ｂは、図６（ｂ）に示す変形状態となり、腕部１０ｃ、１０ｄは図６（ａ）に示す変形状態となる。これらの変形状態では、搭載部２の端部２１が基板１０の面より高い位置に変位し、搭載部２の端部２２が基板１０の面より低い位置に変位する。

本実施形態では、第１の駆動信号および第２の駆動信号の周波数を第１の捻りバネ５ａ、５ｂと、第２の捻りバネ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからなる合成の捻り共振振動の共振周波数とほぼ等しくなるように設定して、ミラー部１を、Ｘ軸を中心として回転方向に往復振動させる。この往復振動に連動して反射面１ａに入射した光１０３がスクリーン（不図示）に走査されることによって、スクリーンに画像が表示される。

上述したように、本実施形態の光走査素子１０２は、第１の捻りバネ５ａ、５ｂと、第２の捻りバネ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄからなる複数対の捻りバネ５６を備えている。そのため、図１０に示す光走査素子に比べミラー部１で発生した熱の放熱経路が増加しているので、ミラー部１に新たな放熱手段を設けなくてもミラー部１の温度上昇を抑制できる。ミラー部１に新たな放熱手段を設ける必要がないと、ミラー部１の重量増加を抑制できるので、共振周波数の低下を回避できる。したがって、光を走査する際の高速性を損なうことなくミラー部１の温度上昇を抑制することが可能となる。

また、本実施形態の光走査素子は、ダンパー材７ａ、７ｂを備えている。ここで、ダンパー材７ａ、７ｂを備える効果について説明する。本実施形態の光走査素子１０２は、複数対の捻りバネ５６として、第１の捻りバネ５ａ、５ｂと、第１の捻りバネ５ａ、５ｂよりも共振周波数が低い第２の捻りバネ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄを備えている。そのため、ダンパー材７ａが、７ｂが設けられていないと、図７に示すように、周波数が第１の捻りバネ５ａ、５ｂと第２の捻りバネ６ａ〜６ｄとを合成した共振周波数よりも低い不要な振動が発生する可能性がある。ダンパー材７ａ、７ｂはこの不要な振動を抑制する効果を有する。

図７（ａ）は、ミラー部１が、ミラー部１の法線方向に往復する不要振動を生じた状態を示す斜視図である。図７（ｂ）は、ミラー部１が、第１の捻りバネ５ａ、５ｂが配置されたＸ軸方向に直交するＹ軸方向を軸として往復する不要振動を生じた状態を示す斜視図である。

図７（ａ）および図７（ｂ）に示すような不要振動が発生する場合、第１の捻りバネ５ａ、５ｂと第２の捻りバネ６ａ〜６ｄは、上記のＸ軸方向およびＹ軸方向に直交するＺ軸方向に変位差が生じるように変位している。従って、第１の捻りバネ５ａ、５ｂと第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの間隙を埋めて、互いに隣接する捻りバネを接続するようにダンパー材７ａ、７ｂを塗布する。すると、第１の捻りバネ５ａ、５ｂと第２の捻りバネ６ａ〜６ｄのＺ軸方向における変位差が発生しにくくなる。これにより、図７（ａ）および図７（ｂ）に示すような不要振動の発生を抑制することが可能となる。

次に、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの共振周波数を第１の捻りバネ５ａ、５ｂの共振周波数よりも低くした効果を図８〜図１０を参照しながら説明する。効果を判りやすくするために捻りバネの断面形状をすべて同一にして比較している。

図１０に示す光走査素子では、ミラー部１は、一対の捻りバネ１５ａ、１５ｂを軸とする往復振動可能とされている。この光走査素子に求められる共振周波数が１．３２ｋＨｚの場合、一対の捻りバネ１５ａ、１５ｂの各々の長さＬ１（ミラー部１と素子基板１０の間隔）は、５ｍｍになる。

光走査素子において、ミラー部１の重量を増加させずにミラー部１の温度上昇の抑制効果を高めるためには、図８に示す光走査素子のように、棒状の捻りバネの本数を増やす構成にすればよい。図８に示す光走査素子では、捻りバネ１５ａ、１５ｂと同一の断面形状を持つ棒状の捻りバネ１６ａ、１６ｂを三対設けることによって、ミラー部１は往復振動可能に支持されている。しかし、図１０に示す光走査素子に対して、単に捻りバネの本数を増やしただけでは、捻りバネ全体の剛性が高くなるため共振周波数も高くなる。そのため、図１０に示す光走査素子に置き換えて使用した場合に共振周波数が変化するので光の走査の正確性が損なわれる可能性がある。そこで、図８に示す光走査素子では、共振周波数の増加を防ぐために捻りバネ１６ａ、１６ｂが図１０に示す光走査素子の捻りバネ１５ａ、１５ｂよりも長くなっている。例えば、捻りバネ１６ａ、１６ｂの長さＬ２を１３ｍｍにすると共振周波数は１．３７ｋＨｚになり、図１０に示す光走査素子と同等の値を得られる。

図９は、本実施形態の光走査素子の可動部８を拡大して示す上面図である。

本実施形態では、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄは、屈曲部を備えた形状によって、その全長が第１の捻りバネ５ａ、５ｂの全長よりも長くなっている。そのため、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの剛性が第１の捻りバネ５ａ、５ｂの剛性よりも低くなるのに対応して共振周波数も低くなる。また、上記の屈曲部は第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの各々の中間部に設けられているため、図８に示す光走査素子に比べ、ミラー部１と素子基板１０との間隔を詰めることが可能となる。例えば、ミラー部１と素子基板１０との間隔Ｌ３を７ｍｍとすると共振周波数は１．３６ｋＨｚになるので、光走査素子の大型化を抑制しつつ図１０に示す光走査素子と同等の値を得られる。

図１０に示す光走査素子では、ミラー部１で発生した熱を素子基板１０へ放熱する経路は一対の捻りバネ１２ａ、１２ｂだけである。一方、本実施形態の光走査素子では、ミラー部１で発生した熱を素子基板１０へ放熱する経路は、第１の捻りバネ５ａ、５ｂおよび第２の捻りバネ６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄである。そのため、本実施形態の光走査素子の放熱経路の数は、図１０に示す光走査素子の３倍になる。そのため、例えば光源の出力が３Ｗであって、ミラー部１の反射率が９９％であって、素子基板１０の材料がＳＵＳである場合、本実施形態の光走査素子は、図１０に示す光走査素子よりもミラー部１の温度上昇を１６．２℃抑えることが可能となる。

本実施形態の光走査素子によれば、素子の大型化を招かず、かつ共振周波数の大きな増加も招かずにミラー部１で発生した熱の放熱経路を増やすことが可能となる。従ってミラー部１の放熱効果が向上する。

なお、本実施形態では、第１の捻りバネ５ａ、５ｂおよび第２の捻りバネ６ａ〜６ｄが同じ材料とする構成であったが、本発明はこの構成に限定されない。例えば、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄが第１の捻りバネ５ａ、５ｂよりも剛性の低い材料で構成されていてもよい。この構成であっても、第２の捻りバネ６ａ〜６ｄの共振周波数が、第１の捻りバネ５ａ、５ｂの共振周波数よりも低くなる。そのため、本実施形態と同様に、光を走査する際の高速性を損なわずにミラー部の温度上昇を抑制することが可能となる。

１ ミラー部
２ 搭載部
３ ベース
４ 駆動部
５ａ、５ｂ 第１の捻りバネ
６ａ、６ｂ、６ｃ、６ｄ 第２の捻りバネ
７ ダンパー材
８ 可動部
１０ 素子基板
１０ａ、１０ｂ、１０ｃ、１０ｄ 腕部
１２ａ、１２ｂ、１２ｃ、１２ｄ 圧電素子
１５ａ、１５ｂ 捻りバネ
１６ａ、１６ｂ 捻りバネ
５６ 複数対の捻りバネ
１００ 画像表示装置
１０１ 光照射部
１０２ 光走査素子
１０３ 画像光

Claims (5)

1. 光を反射する反射面を有するミラー部と、
   前記ミラー部の両端部に設けられ、前記ミラー部を、前記反射面に平行に延びて前記ミラー部の両端部と交差する軸を中心として回転方向に往復振動可能に支持する複数対の捻りバネと、
   前記複数対の捻りバネを同時に駆動して前記ミラー部の前記往復振動を生じさせる駆動部と、を有する光走査素子。
2. 前記複数対の捻りバネは、前記ミラー部の端部から前記軸に沿って延びている棒状の第１の捻りバネと、前記第１の捻りバネの各々を対称軸として線対称に形成および配置され、前記第１の捻りバネよりも共振周波数が低い偶数個の第２の捻りバネと、が前記ミラー部の両端部にそれぞれ設けられていることにより構成されている、請求項１に記載の光走査素子。
3. 前記第２の捻りバネの材料は、前記第１の捻りバネの材料と同じであり、前記第２の捻りバネの各々は、中間部に屈曲部を備えている、請求項２に記載の光走査素子。
4. 前記第２の捻りバネの材料は、前記第１の捻りバネの材料に比べ剛性が低い、請求項２に記載の光走査素子。
5. 請求項１から４のいずれか１項に記載の光走査素子と、
   前記光走査素子の前記反射面に前記光を照射する光照射部と、
   を有する画像表示装置。

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