JP2013186224A - Optical reflection element - Google Patents

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Shinsuke Nakazono
晋輔 中園
Kensuke Mizuhara
健介 水原
Soichiro Hiraoka
聡一郎 平岡
Toshiaki Horie
寿彰 堀江
Kazuki Komaki
一樹 小牧
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Panasonic Corp
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an optical reflection element capable of improving a resonance frequency of an operation mode which vibrates to a normal line direction of a movable plate without causing a reduction in amplitude in the rotation operation of the movable plate.SOLUTION: There is provided an optical reflection element which comprises: a first side 11a parallel to a first axis 18; a square external frame having a second side 11b parallel to a second axis 19 which is almost orthogonal to the first axis 18; a first drive part having a meander shape which extends from the inside of one first side 11a of the external frame and is provided with at least one or more piezoelectric actuators; a strip-shaped support beam extending from an approximately middle point of the inside of one first side 11a of the external frame to a direction of the second axis 19; and a movable plate 15 which is connected to the support beam 12 and the drive part and has a reflection surface at the central part.

Description

本発明は、光走査型プロジェクタなどに用いる光学反射素子に関するものである。   The present invention relates to an optical reflection element used for an optical scanning projector or the like.

レーザから射出された光束を走査し、スクリーン上に画像を投影させる光学反射素子が実用化されている。このような光学反射素子はミラー部を設けたアクチュエータを走査し、光束をミラー部で反射してスクリーンに投影しており、アクチュエータの走査方法としてラスタースキャン方式が用いられている。ラスタースキャン方式で走査される従来の光学反射素子の構成を示す斜視図を図11に示す。   Optical reflection elements that scan a light beam emitted from a laser and project an image on a screen have been put into practical use. Such an optical reflection element scans an actuator provided with a mirror part, reflects a light beam by the mirror part and projects it onto a screen, and a raster scanning method is used as a scanning method of the actuator. FIG. 11 is a perspective view showing the configuration of a conventional optical reflection element that is scanned by a raster scan method.

図11において従来の光学反射素子は、方形状の外枠1と、外枠1の短辺内側から延出し、少なくとも1つの圧電アクチュエータを含む一対のミアンダ形状の第1の駆動部2と、第1の駆動部2と外枠の短辺と平行な辺で接続される方形状の可動板3とを有している。   In FIG. 11, the conventional optical reflecting element includes a rectangular outer frame 1, a pair of meander-shaped first drive units 2 that extend from the inner side of the short side of the outer frame 1 and include at least one piezoelectric actuator, 1 and a rectangular movable plate 3 connected at a side parallel to the short side of the outer frame.

また、可動板3は、外枠1の短辺と平行な辺で第1の駆動部2と接続される方形の中枠4と、少なくとも1つの圧電アクチュエータを含む第2の駆動部5と、第2の駆動部5に一対のトーションバー6で接続された反射面を有するミラー部7とにより構成されている。   The movable plate 3 includes a rectangular middle frame 4 connected to the first drive unit 2 at a side parallel to the short side of the outer frame 1, a second drive unit 5 including at least one piezoelectric actuator, The mirror unit 7 includes a reflecting surface connected to the second driving unit 5 by a pair of torsion bars 6.

可動板3は、ミラー部7の略中心を通り、外枠1の長辺方向に平行な第1の軸8周りに回転動作し、ミラー部7は、その略中心を通り、外枠1の短辺方向に平行な第2の軸9周りに回転動作することで、ミラー部7に照射、反射された光束を2軸に走査して、スクリーン上に画像を投影するものである。   The movable plate 3 rotates around the first axis 8 parallel to the long side direction of the outer frame 1 through the approximate center of the mirror unit 7, and the mirror unit 7 passes through the approximate center of the outer frame 1. By rotating around the second axis 9 parallel to the short side direction, the mirror portion 7 is scanned with the light beam irradiated and reflected in two axes, and an image is projected on the screen.

なお、この出願の発明に関する先行技術文献情報として、特許文献1が知られている。   Note that Patent Document 1 is known as prior art document information relating to the invention of this application.

特開2009−169290号公報JP 2009-169290 A

上記のような光学反射素子においては、振れ角を大きくすることが重要である。また、ラスタースキャン方式を実現するためには、可動板3の第1の軸8周りの回転動作において、高調波成分を含むのこぎり波状での駆動が必要であるが、制御性の向上や、耐振動性の向上のためには、可動板が第1の軸8周りに回動する固有振動モードの共振周波数を高くすることが必要である。できれば、共振周波数を少なくても500Hz以上とすることが望ましい。   In the optical reflection element as described above, it is important to increase the deflection angle. In order to realize the raster scan method, it is necessary to drive the movable plate 3 around the first axis 8 in a sawtooth wave shape including harmonic components. In order to improve the vibration characteristics, it is necessary to increase the resonance frequency of the natural vibration mode in which the movable plate rotates around the first axis 8. If possible, it is desirable that the resonance frequency be at least 500 Hz.

しかしながら、上記従来の構成では、可動板3が第1の軸8周りに回動する振動モード以外にも、反射面の法線方向へ可動板3が振動するモードや、可動板3が第2の軸9周りに回動するモードなど、さまざまな振動モードが存在する。可動板3の第1の軸8周りの回転動作の振幅の向上や、回転動作の振動モードの共振周波数の向上を実現させようとすると、その他の振動モードの共振周波数が低下する場合があり、それによってスキャン時に動作が不安定になることで可動板3の制御が困難になったり、外乱振動の影響を受けやすくなり耐振動性が劣化する要因となるという問題を有していた。   However, in the above-described conventional configuration, in addition to the vibration mode in which the movable plate 3 rotates around the first axis 8, the mode in which the movable plate 3 vibrates in the normal direction of the reflecting surface or the movable plate 3 is the second mode. There are various vibration modes, such as a mode of rotating around the axis 9. If an attempt is made to improve the amplitude of the rotational motion around the first axis 8 of the movable plate 3 or to improve the resonant frequency of the vibration mode of the rotational motion, the resonant frequency of the other vibration mode may decrease, As a result, the operation becomes unstable at the time of scanning, which makes it difficult to control the movable plate 3 or is easily affected by disturbance vibrations, resulting in deterioration of vibration resistance.

そこで本発明は、可動板3の第1の軸8周りの回転動作における振幅の低下を招かずに、反射面の法線方向へ可動板が振動する動作モードや可動板が第2の軸9周りに回動するモードの共振周波数を向上させることが可能な光学反射素子を提供することを目的とするものである。   Therefore, the present invention provides an operation mode in which the movable plate oscillates in the normal direction of the reflecting surface without causing a decrease in amplitude in the rotational operation around the first axis 8 of the movable plate 3, and the movable plate has the second axis 9. An object of the present invention is to provide an optical reflecting element capable of improving the resonance frequency of a mode that rotates around.

上記目的を達成するために本発明は、第1の軸に平行な第一の辺と、第1の軸に略直交した第2の軸に平行な第二の辺を有した方形状の外枠と、前記外枠の一方の第一の辺内側から延出し少なくとも1つ以上の圧電アクチュエータを備えたミアンダ形状の第1の駆動部と、前記外枠のもう一方の第一の辺内側の略中点から第2の軸方向に延出した短冊状の支持梁と、前記支持梁と前記駆動部に接続され中央部に反射面を有した可動板とを有した構成とした。   In order to achieve the above object, the present invention provides a rectangular outer shape having a first side parallel to the first axis and a second side parallel to the second axis substantially orthogonal to the first axis. A frame, a meander-shaped first drive unit including at least one piezoelectric actuator extending from the inside of the first side of the outer frame, and the inner side of the other first side of the outer frame. A strip-shaped support beam extending from the substantially middle point in the second axial direction, and a movable plate connected to the support beam and the drive unit and having a reflection surface at the center portion are provided.

本発明は、ねじり剛性に比べ曲げ剛性が高い支持梁により、ねじれを伴う可動板の第1の軸周りの回転動作に比べて曲げを伴う反射面の法線方向への可動板の振動を選択的に抑制することができ、可動板の第1の軸周りの回転動作における振幅の低下を招かずに反射面の法線方向へ可動板が振動する動作モードや可動板が第2の軸周りに回動するモードの共振周波数の向上を図ることができるため、光学反射素子の制御性や耐振動性を高めるという効果を奏するものである。   The present invention selects the vibration of the movable plate in the normal direction of the reflecting surface with bending compared to the rotational movement around the first axis of the movable plate with torsion, by the support beam having higher bending rigidity than torsional rigidity. The operation mode in which the movable plate vibrates in the normal direction of the reflecting surface without causing a decrease in amplitude in the rotational operation around the first axis of the movable plate, and the movable plate is around the second axis. Since the resonance frequency of the mode that rotates in the direction can be improved, the controllability and vibration resistance of the optical reflecting element can be improved.

本発明の実施例1における光学反射素子の平面図The top view of the optical reflective element in Example 1 of this invention 同図1のA−A線における圧電アクチュエータの断面図Sectional drawing of the piezoelectric actuator in the AA line of the same FIG. 同光学反射素子の駆動を示す図The figure which shows the drive of the optical reflection element 同図1のB−B線における支持梁の断面図Sectional view of the support beam along line BB in FIG. 本発明の実施例2における光学反射素子の平面図The top view of the optical reflective element in Example 2 of this invention 同図5の第2の軸19における断面図Sectional drawing in the 2nd axis | shaft 19 of the same FIG. (a)〜(e)本発明の実施例2による光学反射素子の製造方法を示す断面図(A)-(e) Sectional drawing which shows the manufacturing method of the optical reflective element by Example 2 of this invention 本発明の実施例3における可動板の全体図Overall view of movable plate in embodiment 3 of the present invention 本発明の実施例4における光学反射素子の全体図Overall view of optical reflecting element in Example 4 of the present invention 同可動板の駆動を示す図Diagram showing drive of the movable plate 従来の光学反射素子の斜視図A perspective view of a conventional optical reflecting element

(実施例1)
以下、本発明の実施例1について、図面を参照しながら説明する。
Example 1
Embodiment 1 of the present invention will be described below with reference to the drawings.

図1は本発明の実施例1における光学反射素子の平面図を示している。図1に示すように、本発明の実施例1における光学反射素子は、第1の軸18に平行な第一の辺11aと、第1の軸18に略直交した第2の軸19に平行な第二の辺11bを有した方形状の外枠11と、外枠11の一方の第一の辺11a内側の略中点から第2の軸19方向に延出した短冊状の支持梁12と、外枠のもう一方の第一の辺11a内側から延出したミアンダ形状の第1の駆動部13と、中央部に反射面14を有し支持梁12と駆動部13に接続される可動板15を有している。また、ミアンダ形状の第1の駆動部13は、圧電アクチュエータ16と湾曲部17から構成されており、可動板15における第2の軸19周りの回転動作を実現する。   FIG. 1 shows a plan view of an optical reflecting element in Embodiment 1 of the present invention. As shown in FIG. 1, the optical reflecting element according to the first embodiment of the present invention is parallel to a first side 11 a parallel to the first axis 18 and a second axis 19 that is substantially orthogonal to the first axis 18. A rectangular outer frame 11 having a second side 11b, and a strip-shaped support beam 12 extending in the direction of the second axis 19 from a substantially middle point inside one first side 11a of the outer frame 11. And a meander-shaped first drive unit 13 extending from the inside of the other first side 11a of the outer frame, and a movable member having a reflection surface 14 at the center and connected to the support beam 12 and the drive unit 13. A plate 15 is provided. Further, the meander-shaped first driving unit 13 includes a piezoelectric actuator 16 and a bending unit 17, and realizes a rotating operation around the second axis 19 in the movable plate 15.

次に、本発明の実施例1における光学反射素子の部材の組成について以下に説明する。   Next, the composition of the members of the optical reflecting element in Example 1 of the present invention will be described below.

本発明の実施例1における光学反射素子は、シリコンなどの弾性強度、機械的強度及びヤング率が高い弾性部材を基板材料としている。   The optical reflecting element according to the first embodiment of the present invention uses an elastic member such as silicon having a high elastic strength, mechanical strength, and high Young's modulus as a substrate material.

図2に図1のA−A線における圧電アクチュエータ16の断面図を示す。圧電アクチュエータ16は、シリコン基材20上に積層されたシリコン酸化膜21と、シリコン酸化膜21上に積層された下部電極層22と、下部電極層22上に積層された圧電体層23と、圧電体層23上に積層された上部電極層24とで形成されている。   FIG. 2 is a sectional view of the piezoelectric actuator 16 taken along the line AA in FIG. The piezoelectric actuator 16 includes a silicon oxide film 21 stacked on the silicon base material 20, a lower electrode layer 22 stacked on the silicon oxide film 21, a piezoelectric layer 23 stacked on the lower electrode layer 22, The upper electrode layer 24 is laminated on the piezoelectric layer 23.

なお、各層の材料は、下部電極層22が白金、上部電極層24が金、圧電体層23がチタン酸ジルコン酸鉛(Pb(Zrx,Ti1-x)O3で、x=0.525)等の圧電材料で形成されている。また、これらは蒸着、ゾルゲル、CVD、スパッタ法などの薄膜プロセスにより一括して形成することができ、フォトリソグラフィー技術を用いたエッチング技術により微細なパターンを正確に加工することができる。 The material of each layer is platinum for the lower electrode layer 22, gold for the upper electrode layer 24, lead zirconate titanate (Pb (Zr x , Ti 1-x ) O 3 , and x = 0. 525) or the like. In addition, these can be collectively formed by a thin film process such as vapor deposition, sol-gel, CVD, or sputtering, and a fine pattern can be accurately processed by an etching technique using a photolithography technique.

そして、可動板15は、シリコンなどの基材20で構成されており、中央部に反射面14を有している。反射面14はレーザ光線などの光を反射するための反射膜として、銀を主成分とする金属薄膜が、蒸着、スパッタ法などの薄膜プロセスにより形成されている。   The movable plate 15 is made of a base material 20 such as silicon, and has a reflecting surface 14 at the center. The reflective surface 14 is a reflective film for reflecting light such as a laser beam, and a metal thin film mainly composed of silver is formed by a thin film process such as vapor deposition or sputtering.

次に、圧電アクチュエータ16を用いた本発明の実施例1の駆動方法について説明する。   Next, a driving method according to the first embodiment of the present invention using the piezoelectric actuator 16 will be described.

図1に示す第1の駆動部13の圧電アクチュエータ16部分に、複数の周波数成分を持った電圧を印加する。これにより、圧電アクチュエータ16が下に凸、あるいは上に凸に湾曲するように変位する。   A voltage having a plurality of frequency components is applied to the piezoelectric actuator 16 portion of the first drive unit 13 shown in FIG. As a result, the piezoelectric actuator 16 is displaced so as to curve downward or convex upward.

このとき、隣接する圧電アクチュエータ16に印加する電圧の位相を逆位相とすることにより、それぞれが対称的な駆動をする。すなわち、隣接する圧電アクチュエータ16は180度異なる方向に変位駆動する。   At this time, the phases of the voltages applied to the adjacent piezoelectric actuators 16 are reversed, so that each is driven symmetrically. That is, the adjacent piezoelectric actuators 16 are displaced in directions different by 180 degrees.

このように、ミアンダ構造では隣接する圧電アクチュエータ16が180度異なる方向に変位するため、その回転軸周りに変位が蓄積され、図3に示すように可動板15の変位を得ることができる。   In this manner, in the meander structure, the adjacent piezoelectric actuators 16 are displaced in directions different by 180 degrees, so that the displacement is accumulated around the rotation axis, and the displacement of the movable plate 15 can be obtained as shown in FIG.

次に、本発明のポイントである可動板15の第2の軸19周りの回転動作における振幅の低下を招かずに、反射面14の法線方向へ可動板5が振動する動作モードの共振周波数を向上させるための支持梁12の効果について説明する。   Next, the resonance frequency of the operation mode in which the movable plate 5 vibrates in the normal direction of the reflecting surface 14 without causing a decrease in amplitude in the rotational operation around the second axis 19 of the movable plate 15 which is the point of the present invention. The effect of the support beam 12 for improving the above will be described.

第1の駆動部13により可動板15を回転角Ψだけ回転動作を行った際の支持梁12のねじれ変形を、可動板15と接する面と外枠11に接する面の間に生じるねじりモーメントTにより回転角Ψだけねじれたと記述することができる。外枠11の第二の辺11b方向の支持梁12の長さをlとすると、単位長さあたりのねじれ角θを(1)式
θ=Ψ/l (1)
と表すことができ、この単位長さあたりのねじれ角θとねじりモーメントTとの関係を(2)式
T=G・Ip・θ (2)
と表すことができる。このとき、Gは支持梁12の横弾性係数、Ipは支持梁12の断面二次極モーメントであり、これらを掛け合わせたG・Ipをねじり剛性と呼ぶ。(2)式に示すように、ねじり剛性はねじり難さを示す物理指標である。支持梁12の横弾性係数は材質により決定される値であり、断面二次極モーメントは構造から決定される。図4に図1のB−B線における支持梁12の断面図を示す。外枠11の第一の辺11a方向の長さをa、反射面14の法線方向への支持梁12の厚みをbとし、これらの関係が(3)式
a<b (3)
を満たすとき、断面二次極モーメントIpは(4)式
Ip=f・a^3・b (4)
で表される。このときfは、弾性論において級数解によって求められている係数であり、aとbの比で変動し、b/a=5のときf=0.290であり、b/a=10のときf=0.313であり、b/aが大きくなるにつれてその値は1/3に近づいていく。
The torsional moment T generated between the surface in contact with the movable plate 15 and the surface in contact with the outer frame 11 is caused by the torsional deformation of the support beam 12 when the first driving unit 13 rotates the movable plate 15 by the rotation angle Ψ. Can be described as being twisted by the rotational angle Ψ. When the length of the support beam 12 in the direction of the second side 11b of the outer frame 11 is l, the torsion angle θ per unit length is expressed by the equation (1) θ = Ψ / l (1)
The relationship between the torsion angle θ per unit length and the torsion moment T is expressed by the following equation (2): T = G · Ip · θ (2)
It can be expressed as. At this time, G is a transverse elastic coefficient of the support beam 12, Ip is a cross-sectional secondary pole moment of the support beam 12, and G · Ip obtained by multiplying these is called torsional rigidity. As shown in the equation (2), the torsional rigidity is a physical index indicating the difficulty of twisting. The transverse elastic modulus of the support beam 12 is a value determined by the material, and the cross-sectional secondary pole moment is determined by the structure. FIG. 4 is a cross-sectional view of the support beam 12 taken along the line BB in FIG. The length of the outer frame 11 in the direction of the first side 11a is a, the thickness of the support beam 12 in the normal direction of the reflecting surface 14 is b, and these relationships are expressed by the following expression (3): a <b (3)
Is satisfied, the cross-sectional secondary pole moment Ip is expressed by the following equation (4): Ip = f · a ^ 3 · b (4)
It is represented by At this time, f is a coefficient obtained by a series solution in elasticity theory, fluctuates in the ratio of a and b, f = 0.290 when b / a = 5, and b / a = 10 f = 0.313, and as b / a increases, the value approaches 1/3.

一方、反射面14の法線方向へ可動板15が変位する際の支持梁12の曲げ変形を、支持梁12に生じる曲げモーメントと、図4においてb/2の位置を結ぶ線分C―Cを含み反射面14と平行な面の、支持梁12の曲げ変形に伴う曲率半径ρを用いて、(5)式
M=E・I・1/ρ (5)
と表すことできる。このとき、Eは支持梁12の材質の縦弾性係数、Iは支持梁12の断面二次モーメントであり、これらを掛け合わせたE・Iを曲げ剛性と呼ぶ。(5)式に示すように、曲げ剛性は曲げ難さを示す物理指標である。一般的に、剛性の増加に伴い、その構造体の共振周波数も増加する。したがって、反射面14の法線方向への可動板15の変位を伴う動作モードの共振周波数を向上させるためには、構造体の曲げ剛性を高める必要がある。支持梁12の縦弾性係数は材質により決定される値であり、断面二次モーメントは構造から決定される。断面二次モーメントは図4のa,bを用いて(6)式
I=1/12・a・b^3 (6)
で表される。
On the other hand, the bending deformation of the support beam 12 when the movable plate 15 is displaced in the normal direction of the reflection surface 14 is obtained by changing the bending moment generated in the support beam 12 and the line segment CC connecting the position b / 2 in FIG. And the curvature radius ρ of the surface parallel to the reflecting surface 14 accompanying the bending deformation of the support beam 12, the equation (5) M = E · I · 1 / ρ (5)
Can be expressed as At this time, E is a longitudinal elastic modulus of the material of the support beam 12, I is a cross-sectional secondary moment of the support beam 12, and E · I obtained by multiplying these is called bending rigidity. As shown in the equation (5), the bending stiffness is a physical index indicating difficulty in bending. Generally, as the rigidity increases, the resonance frequency of the structure also increases. Therefore, in order to improve the resonance frequency of the operation mode accompanied by the displacement of the movable plate 15 in the normal direction of the reflecting surface 14, it is necessary to increase the bending rigidity of the structure. The longitudinal elastic modulus of the support beam 12 is a value determined by the material, and the cross-sectional secondary moment is determined by the structure. The cross-sectional second moment is calculated by using the formulas (6) and I = 1/12 · a · b ^ 3 (6)
It is represented by

ここで、支持梁12の構造を、aの値に比べてbの値を大きく設計すれば、Ipに比べてIを選択的に増加させることができ、ねじり剛性に比べて曲げ剛性を選択的に増加させることができる。   Here, if the structure of the support beam 12 is designed so that the value of b is larger than the value of a, I can be selectively increased compared to Ip, and the bending stiffness can be selectively compared with the torsional stiffness. Can be increased.

したがって、本発明の目的である可動板15の第2の軸19周りの回転動作における振幅の低下を招かずに、反射面14の法線方向へ可動板15が振動する動作モードの共振周波数を向上させることができる。   Therefore, the resonance frequency of the operation mode in which the movable plate 15 vibrates in the normal direction of the reflecting surface 14 without causing a decrease in amplitude in the rotational operation around the second axis 19 of the movable plate 15 which is the object of the present invention. Can be improved.

なお、駆動梁の曲げ剛性に比べ支持梁12の曲げ剛性が高い場合、光学反射素子の曲げ剛性において支持梁12の曲げ剛性が支配的となり、本効果を高めることができる。また、bの値をaの値よりも大きく設計するほど、ねじり剛性に比べてより選択的に曲げ剛性が向上する。   In addition, when the bending rigidity of the support beam 12 is higher than the bending rigidity of the driving beam, the bending rigidity of the support beam 12 is dominant in the bending rigidity of the optical reflecting element, and this effect can be enhanced. Further, as the value of b is designed to be larger than the value of a, the bending rigidity is more selectively improved than the torsional rigidity.

(実施例2)
本発明の実施例2と本発明の実施例1の異なる点である第1の駆動部13と支持梁12の配置について図を用いながら説明する。
(Example 2)
The arrangement of the first drive unit 13 and the support beam 12 which are different points between the second embodiment of the present invention and the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図5は本発明の実施例2における光学反射素子の平面図を示している。図5に示すように、本発明の実施例2における光学反射素子は、第1の軸18に平行な第一の辺11aと、第1の軸18に略直交した第2の軸19に平行な第二の辺11bを有した方形状の外枠11と、外枠11の第一の辺11a内側から延出した一対のミアンダ形状の第1の駆動部13と、外枠11の第一の辺11a内側の略中点から外枠11の第2の軸19方向に延出した一対の短冊状の支持梁12と、中央部に反射面14を有し支持梁12と駆動部13に接続される可動板15を有している。また、図6には、第2の軸19方向における断面図を示す。図6に示すように、支持梁12は第1の駆動部13の下方に位置している。   FIG. 5 shows a plan view of an optical reflecting element in Embodiment 2 of the present invention. As shown in FIG. 5, the optical reflecting element according to the second embodiment of the present invention is parallel to the first side 11 a parallel to the first axis 18 and the second axis 19 substantially orthogonal to the first axis 18. A rectangular outer frame 11 having a second side 11b, a pair of meander-shaped first drive parts 13 extending from the inside of the first side 11a of the outer frame 11, and a first of the outer frame 11 A pair of strip-shaped support beams 12 extending from a substantially middle point inside the side 11 a toward the second axis 19 of the outer frame 11, a reflection surface 14 at the center, and a support beam 12 and a drive unit 13. It has a movable plate 15 to be connected. FIG. 6 shows a cross-sectional view in the direction of the second axis 19. As shown in FIG. 6, the support beam 12 is located below the first drive unit 13.

次に実施例2における光学反射素子の製造方法を以下に説明する。   Next, the manufacturing method of the optical reflective element in Example 2 is demonstrated below.

まず、図7(a)に示すようにSi基板20a、Si基板20c、Si基板20eとSiO2からなる犠牲層20b、犠牲層20dから構成される基材20上の一面にPtからなる下部金属層22と、PZTからなる圧電膜23と、Auからなる上部金属層24をスパッタ等により順に積層する。 First, as shown in FIG. 7 (a), a lower metal made of Pt is formed on one surface on a substrate 20 composed of a Si substrate 20a, an Si substrate 20c, a Si substrate 20e and a sacrificial layer 20b made of SiO 2 and a sacrificial layer 20d. The layer 22, the piezoelectric film 23 made of PZT, and the upper metal layer 24 made of Au are sequentially laminated by sputtering or the like.

次に弾性樹脂層をエッチングマスクとして用い、ICPドライエッチングによってPtからなる下部金属層22と、PZTからなる圧電膜23と、Auからなる上部金属層24の一部を除去し、図7(b)に示すように、圧電アクチュエータ16を形成する。   Next, by using the elastic resin layer as an etching mask, a part of the lower metal layer 22 made of Pt, the piezoelectric film 23 made of PZT, and the upper metal layer 24 made of Au is removed by ICP dry etching, and FIG. ), The piezoelectric actuator 16 is formed.

次に、図7(c)に示すように、Agを主成分とする反射膜を成膜し、反射面14を形成する。   Next, as shown in FIG. 7C, a reflective film containing Ag as a main component is formed, and the reflective surface 14 is formed.

次に、図7(d)に示すように、Si基板20a及びSi基板20eをエッチング処理し、支持梁12及び第1の駆動部13を形成する。ただし、この時点で支持梁12と第1の駆動部13は犠牲層20bを介して接続されている。   Next, as shown in FIG. 7D, the Si substrate 20a and the Si substrate 20e are etched to form the support beam 12 and the first drive unit 13. However, at this time, the support beam 12 and the first drive unit 13 are connected via the sacrificial layer 20b.

最後に、図7(e)に示すように、SiO2からなる犠牲層20b、犠牲層20dをエッチング処理し、支持梁12と第1の駆動部13を分離する。 Finally, as shown in FIG. 7E, the sacrificial layer 20b and the sacrificial layer 20d made of SiO 2 are etched to separate the support beam 12 and the first driving unit 13 from each other.

以上のようなプロセスにより、支持梁12を第1の駆動部13の下方に位置させる構造を実現できる。   By the process as described above, a structure in which the support beam 12 is positioned below the first driving unit 13 can be realized.

圧電アクチュエータにおける駆動力は圧電体の面積に比例し、駆動力が大きいほど光学反射素子においては大きな振れ角を得ることができる。本発明の実施例2の構成では、第1の駆動部13と支持梁12を鉛直方向に配置しているため、駆動部の面積を大きくしつつ支持梁12を設けることができる。これにより、素子サイズを大きくすることなく曲げ剛性を高めることができ、光学反射素子の小型化が可能となる。   The driving force in the piezoelectric actuator is proportional to the area of the piezoelectric body, and the larger the driving force, the larger the deflection angle can be obtained in the optical reflecting element. In the configuration of the second embodiment of the present invention, since the first drive unit 13 and the support beam 12 are arranged in the vertical direction, the support beam 12 can be provided while increasing the area of the drive unit. As a result, the bending rigidity can be increased without increasing the element size, and the optical reflecting element can be miniaturized.

(実施例3)
本発明の実施例3と本発明の実施例1の異なる点である可動板30の構成について図を用いながら説明する。
(Example 3)
The configuration of the movable plate 30, which is a difference between the third embodiment of the present invention and the first embodiment of the present invention, will be described with reference to the drawings.

図8には、可動板30の平面図を示す。図8に示すように、可動板30は、第1の軸18に平行な第三の辺30aと、第1の軸18に略直交した第2の軸19に平行な第四の辺30bを有した方形枠状の支持体31と、この支持体31の内側の対向部分にそれぞれの外端が支持された一対の第2の駆動部32と、この第2の駆動部32のそれぞれの内端が、第1の軸18上で支持したミラー部34を備えている。第2の駆動部32は、湾曲部35と圧電アクチュエータ36と振動板37から構成されており、ミラー部34は、反射面14を有している。   FIG. 8 shows a plan view of the movable plate 30. As shown in FIG. 8, the movable plate 30 includes a third side 30 a parallel to the first axis 18 and a fourth side 30 b parallel to the second axis 19 substantially orthogonal to the first axis 18. A rectangular frame-shaped support body 31, a pair of second drive parts 32 whose outer ends are supported by opposing portions inside the support body 31, and the inner parts of each of the second drive parts 32 The end is provided with a mirror part 34 supported on the first shaft 18. The second drive unit 32 includes a bending unit 35, a piezoelectric actuator 36, and a diaphragm 37, and the mirror unit 34 has the reflection surface 14.

次に、可動板30の組成について以下に説明する。   Next, the composition of the movable plate 30 will be described below.

可動板30は、シリコンなどの弾性、機械的強度および高いヤング率を有する弾性部材を基板材料としている。また、圧電アクチュエータ36は、図2で説明した圧電アクチュエータ16と同様に、シリコン基材20上に積層されたシリコン酸化膜21と、シリコン酸化膜21上に積層された下部電極層22と、下部電極層22上に積層された圧電体層23と、圧電体層23上に積層された上部電極層24とを備えている。   The movable plate 30 is made of an elastic member having elasticity, mechanical strength and high Young's modulus such as silicon as a substrate material. The piezoelectric actuator 36 includes a silicon oxide film 21 stacked on the silicon base material 20, a lower electrode layer 22 stacked on the silicon oxide film 21, and a lower portion, like the piezoelectric actuator 16 described in FIG. A piezoelectric layer 23 laminated on the electrode layer 22 and an upper electrode layer 24 laminated on the piezoelectric layer 23 are provided.

次に、可動板30の動作について以下に説明する。   Next, the operation of the movable plate 30 will be described below.

まず、図8に示す第2の駆動部32の圧電アクチュエータ36部分に、この光学反射素子の共振周波数の交流電圧を印加する。これにより、圧電アクチュエータ36が下に凸、あるいは上に凸に湾曲するように変位する。   First, an alternating voltage having a resonance frequency of the optical reflection element is applied to the piezoelectric actuator 36 portion of the second drive unit 32 shown in FIG. As a result, the piezoelectric actuator 36 is displaced so as to be curved downward or convex upward.

このとき、隣接する振動板37が共振の原理により、圧電アクチュエータ36と対称的な駆動をする。すなわち、振動板37は圧電アクチュエータ36と180度異なる方向に変位駆動する。   At this time, the adjacent diaphragm 37 is driven symmetrically with the piezoelectric actuator 36 by the principle of resonance. That is, the diaphragm 37 is displaced and driven in a direction different from the piezoelectric actuator 36 by 180 degrees.

このように、ミアンダ構造では隣接する振動板37と圧電アクチュエータ36が180度異なる方向に変位するため、その第2の軸33周りに変位が蓄積され、ミラー部34の変位を得ることができる。   As described above, in the meander structure, the adjacent diaphragm 37 and the piezoelectric actuator 36 are displaced in directions different by 180 degrees, so that the displacement is accumulated around the second axis 33 and the displacement of the mirror portion 34 can be obtained.

本発明の実施例3の構造は、可動板30が第2の軸33方向に第2の駆動部32を備えているため、ミラー部34を2軸同時に回動させることが可能であり、単一の光学反射素子でラスタースキャン方式での走査が可能となり、システムの小型化が実現できる。   In the structure of the third embodiment of the present invention, since the movable plate 30 includes the second driving unit 32 in the direction of the second axis 33, the mirror unit 34 can be rotated simultaneously by two axes. A single optical reflecting element can be used for scanning by a raster scan method, and the system can be miniaturized.

(実施例4)
本発明の実施例4と本発明の実施例1の異なる点である可動板40の構成について図を用いながら説明する。
Example 4
A configuration of the movable plate 40 which is a difference between the fourth embodiment of the present invention and the first embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図9に示すように、本発明の実施例4における光学反射素子は、第1の軸18に平行な第三の辺40aと、第1の軸18に略直交した第2の軸33に平行な第二の辺40bを有した方形枠状の支持体41、第一の支持部42a、42b、第一のアーム43a、43b、第二のアーム44a、44bおよび連結部45a、45bからなる二つの音叉振動子46a、46bを有している。また、第一の支持部42a、42bの一端を支持体41に固定し、音叉振動子46a、46bの振動中心47a、47bに二つの第二の支持部48a、48bの一端を固定し、第二の支持部48a、48bの他端にレーザ光線などの光を反射するための反射面14を含むミラー部34を有している。また、二つの音叉振動子46a、46bをミラー部34に対向配置させるとともに、二つの振動中心47a、47bとミラー部34の第2の軸33とを同一直線上に配置した構成を特徴としている。   As shown in FIG. 9, the optical reflecting element according to the fourth embodiment of the present invention is parallel to the third side 40 a parallel to the first axis 18 and the second axis 33 substantially orthogonal to the first axis 18. A rectangular frame-shaped support body 41 having a second side 40b, first support portions 42a and 42b, first arms 43a and 43b, second arms 44a and 44b, and connecting portions 45a and 45b. There are two tuning fork vibrators 46a and 46b. Further, one end of the first support portions 42a and 42b is fixed to the support body 41, and one end of the two second support portions 48a and 48b is fixed to the vibration centers 47a and 47b of the tuning fork vibrators 46a and 46b. The other support part 48a, 48b has a mirror part 34 including a reflection surface 14 for reflecting light such as a laser beam at the other end. In addition, two tuning fork vibrators 46a and 46b are arranged opposite to the mirror part 34, and two vibration centers 47a and 47b and the second shaft 33 of the mirror part 34 are arranged on the same straight line. .

次に、圧電アクチュエータ49を用いた本発明の実施例4の駆動方法について説明する。   Next, a driving method according to the fourth embodiment of the present invention using the piezoelectric actuator 49 will be described.

図10に可動板40の駆動の様子を図示する。ミラー部34を中心とし、ミラー部34の第2の軸33の同一線上に音叉振動子46a、46bを対向配置し、二つの音叉振動子46a、46bの第一のアーム43a、43bと第二のアーム44a、44bの位相が180度異なる方向に撓むように圧電アクチュエータ49に電圧を印加する。この二つの音叉振動子46a,46bの振動エネルギーを利用して第二の支持部48a、ミラー部34および第二の支持部48bとで構成した捩れ振動子に捩れ振動を起こさせることができる。この捩れ振動によって、ミラー部34の反復回転振動を実現する。   FIG. 10 illustrates how the movable plate 40 is driven. Tuning fork vibrators 46a and 46b are arranged opposite to each other on the same line of the second shaft 33 of the mirror part 34 with the mirror part 34 as the center, and the first arms 43a and 43b of the two tuning fork vibrators 46a and 46b are connected to the second arm. A voltage is applied to the piezoelectric actuator 49 so that the phases of the arms 44a and 44b bend in directions different from each other by 180 degrees. Using the vibration energy of the two tuning fork vibrators 46a and 46b, torsional vibration can be caused in the torsional vibrator constituted by the second support part 48a, the mirror part 34, and the second support part 48b. By this torsional vibration, repetitive rotational vibration of the mirror part 34 is realized.

本発明の実施例4の構造では、可動板40を第2の軸33方向に回動させることが可能であり、ミラー部34を2軸同時に回動させることができる。これにより、単一の光学反射素子でラスタースキャン方式での走査が可能となり、システムの小型化が実現できる。   In the structure according to the fourth embodiment of the present invention, the movable plate 40 can be rotated in the direction of the second axis 33, and the mirror part 34 can be rotated simultaneously at two axes. As a result, a raster scanning method can be used with a single optical reflecting element, and the system can be miniaturized.

本発明の光学反射素子は、プロジェクタやヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなど、画像投影装置に有用である。   The optical reflecting element of the present invention is useful for an image projection apparatus such as a projector, a head-up display, and a head-mounted display.

11 外枠
11a 第一の辺
11b 第二の辺
12 支持梁
13 第1の駆動部
14 反射面
15、30、40 可動板
16、36、49 圧電アクチュエータ
17、35 湾曲部
18 第1の軸
19 第2の軸
20 基材
21 酸化膜
22 下部電極層
23 圧電体層
24 上部電極層
30a、40a 第三の辺
30b、40b 第四の辺
31、41 支持体
32 第2の駆動部
34 ミラー部
37 振動板
42a、42b 第一の支持部
43a、43b 第一のアーム
44a、44b 第二のアーム
45a、45b 連結部
46a、46b 音叉振動子
47a、47b 振動中心
48a、48b 第二の支持部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 11 Outer frame 11a 1st edge | side 11b 2nd edge | side 12 Support beam 13 1st drive part 14 Reflecting surface 15, 30, 40 Movable plate 16, 36, 49 Piezoelectric actuator 17, 35 Curved part 18 1st axis | shaft 19 Second shaft 20 Base material 21 Oxide film 22 Lower electrode layer 23 Piezoelectric layer 24 Upper electrode layer 30a, 40a Third side 30b, 40b Fourth side 31, 41 Support body 32 Second drive unit 34 Mirror unit 37 Diaphragm 42a, 42b 1st support part 43a, 43b 1st arm 44a, 44b 2nd arm 45a, 45b Connection part 46a, 46b Tuning fork vibrator 47a, 47b Vibration center 48a, 48b 2nd support part

Claims (6)

第1の軸に平行な一対の第一の辺と、第1の軸に略直交した第2の軸に平行な一対の第二の辺を有した方形状の外枠と、
前記外枠の一方の第一の辺内側から延出し少なくとも1つ以上の圧電アクチュエータを備えたミアンダ形状の第1の駆動部と、
前記外枠のもう一方の第一の辺内側の略中点から第2の軸方向に延出した短冊状の支持梁と、
前記支持梁と前記駆動部に接続され中央部に反射面を有した可動板とを有していることを特徴とする光学反射素子。
A rectangular outer frame having a pair of first sides parallel to the first axis and a pair of second sides parallel to the second axis substantially orthogonal to the first axis;
A meander-shaped first drive unit including at least one or more piezoelectric actuators extending from the inside of one first side of the outer frame;
A strip-shaped support beam extending in a second axial direction from a substantially middle point inside the other first side of the outer frame;
An optical reflection element comprising: the support beam and a movable plate connected to the drive unit and having a reflection surface at a central portion.
第1の軸に平行な一対の第一の辺と、第1の軸に略直交した第2の軸に平行な一対の第二の辺を有した方形状の外枠と、
前記外枠の各第一の辺内側から延出し少なくとも1つ以上の圧電アクチュエータを備えた一対のミアンダ形状の第1の駆動部と、
前記外枠の各第一の辺内側の略中点から第2の軸方向に延出した支持梁と、
中央部に反射面を有し前記支持梁と前記駆動部に夫夫接続された可動板とを有し、
前記支持梁は前記第1の駆動部の下方に位置していることを特徴とする光学反射素子。
A rectangular outer frame having a pair of first sides parallel to the first axis and a pair of second sides parallel to the second axis substantially orthogonal to the first axis;
A pair of meander-shaped first drive units each including at least one or more piezoelectric actuators extending from the inside of each first side of the outer frame;
A support beam extending in a second axial direction from a substantially middle point inside each first side of the outer frame;
A movable plate connected to the drive beam and the support beam having a reflective surface in the center;
The optical reflecting element according to claim 1, wherein the support beam is located below the first driving unit.
前記可動板は、
第1の軸に平行な一対の第三の辺と、第2の軸に平行な一対の第四の辺を有した方形状の支持体と、
前記支持体の各第三の辺内側から第2の軸方向に延出し少なくとも1つ以上の圧電アクチュエータを備えた一対のミアンダ形状の第2の駆動部と、
中央部に反射面を有し前記第2の駆動部に夫々接続されたミラー部とを有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光学反射素子。
The movable plate is
A rectangular support having a pair of third sides parallel to the first axis and a pair of fourth sides parallel to the second axis;
A pair of meander-shaped second drive parts each including at least one or more piezoelectric actuators extending in the second axial direction from the inside of each third side of the support;
3. The optical reflection element according to claim 1, further comprising a mirror portion having a reflection surface at a central portion and connected to the second driving portion. 4.
前記可動板は、
第1の軸に平行な一対の第三の辺と、第2の軸に平行な一対の第四の辺を有した方形状の支持体と、
この支持体の各第四の辺内側に夫々一端が支持された一対の第一の支持部と、
この一対の第一の支持部の各他端に支持された第一のアームと第二のアームを有する二つの音叉振動子と、
この二つの音叉振動子の振動中心に夫々一端が支持された一対の第二の支持部と、
この二つの音叉振動子を対向配置させ、
二つの音叉振動子の振動中心と同一線上に回転軸が配置されたミラー部とを有することを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光学反射素子。
The movable plate is
A rectangular support having a pair of third sides parallel to the first axis and a pair of fourth sides parallel to the second axis;
A pair of first support portions each having one end supported on the inner side of each fourth side of the support;
Two tuning fork vibrators having a first arm and a second arm supported on each other end of the pair of first support portions;
A pair of second support portions each supported at one end at the vibration center of the two tuning fork vibrators;
These two tuning fork vibrators are placed facing each other,
The optical reflection element according to claim 1, further comprising a mirror portion having a rotation axis arranged on the same line as the vibration center of the two tuning fork vibrators.
前記支持梁は、
前記第1の駆動部の曲げ剛性より大きい曲げ剛性を有することを特徴とする請求項1から請求項4のいずれか1項に記載の光学反射素子。
The support beam is
5. The optical reflecting element according to claim 1, wherein the optical reflecting element has a bending rigidity larger than that of the first driving unit.
前記支持梁は、
厚さ方向の寸法が幅方向の寸法の10倍以上であることを特徴とする請求項1から請求項5のいずれか1項に記載の光学反射素子。
The support beam is
The optical reflecting element according to any one of claims 1 to 5, wherein a dimension in the thickness direction is 10 times or more a dimension in the width direction.
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