JP2014126725A

JP2014126725A - 走査ミラー装置

Info

Publication number: JP2014126725A
Application number: JP2012283840A
Authority: JP
Inventors: Kouichi Kugo; 耕一久後
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2012-12-27
Filing date: 2012-12-27
Publication date: 2014-07-07
Also published as: EP2749526A1; US20140185116A1

Abstract

【課題】支持体の変形によりミラーを変位させる走査ミラー装置の性能を高める。
【解決手段】走査ミラー装置は、ミラー１を支持する比較的剛性の低い第１支持体２と、第１支持体２を複数箇所で支持する比較的剛性の高い複数の固定部材５と、ミラー１が存する平面と異なる面で固定部材５を連結する比較的剛性の高い補強部材６と、前記第１支持体を変形させて前記ミラーを第１軸回りに変位させる第１駆動部２ａ，２ｂと、を備える。補強部材６は、例えば直線的な棒状のものとすることができて、質量や慣性モーメントが小さなものとすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、レーザ光を反射するミラーを直交する２軸回りで変位させる走査ミラー装置に関する。

例えばレーザプロジェクタ等といった画像表示装置には、レーザ光を反射するミラーを直交する２軸回りで揺動変位させ、反射光を垂直及び水平方向に走査することで、レーザ光による画像を表示する走査ミラー装置が用いられている。

特許文献１には、ミラー部と、ミラー部を駆動する圧電アクチュエータの圧電カンチレバーの支持体を、複数の層から構成される半導体基板を形状加工して一体的に形成し、圧電カンチレバーの支持体は、複数の層のうち少なくとも１つの層からなる第１の支持層を形状加工して形成され、ミラー部は、複数の層のうち第１の支持層と厚さが異なる少なくとも１つの層からなる第２の支持層を形状加工して形成される、圧電アクチュエータを用いた光偏向器が記載されている。

特開２００９−１６９２９０号公報

駆動信号に応じてミラーを支持する支持体を変形させることにより、レーザ光を反射するミラーを水平走査方向及び垂直走査方向へ揺動変位させる走査ミラー装置では、駆動信号の共振周波数を高めてミラーを揺動変位させるために、部材の質量や慣性モーメントを小さくすることが求められている。

その一方で、支持体の変形によりミラーを設計通りに変位させるために、支持体の変形を所期のものに規制する必要があり、この変形規制のために支持体には比較的剛性の高い部材が設けられる。
すなわち、支持体の変形規制のために比較的剛性の高い部材を設ける要請と、支持体の質量や慣性モーメントを小さくする要請とが、相反するものであり、これら要請に合理的に応えることが望まれていた。

本発明は、上記従来の事情に鑑みなされたものであり、性能の高い走査ミラー装置を提供することを目的とする。

本発明に係る走査ミラー装置は、ミラーと、前記ミラーを支持する比較的剛性の低い第１支持体と、前記第１支持体を複数箇所で支持する比較的剛性の高い複数の固定部材と、前記ミラーが存する平面と異なる面で前記複数の固定部材を連結する比較的剛性の高い補強部材と、前記第１支持体を変形させて前記ミラーを第１軸回りに変位させる第１駆動部と、を備える。
例えば、この第１軸はミラーを水平走査方向へ揺動変位させる軸に設定され、第１支持部材の変形によりミラーで反射したレーザ光を水平走査することができる。

そして、補強部材は、剛性をもって固定部材間の変形、すなわち、第１支持体の変形を所期のものに規制し、しかも、ミラーが存する平面と異なる面で固定部材を連結することから、例えば直線的な棒状のものとすることができて、質量や慣性モーメントが小さなものとすることができる。
なお、固定部材は、典型的には、第１支持部材に対して２箇所を支持するように２個設けられるが、第１支持体の変形を所期のものに規制する必要に応じて、３箇所以上を支持するように３個以上設けてもよい。

なお、第１駆動部として種々な形式の機能部品を用いることができるが、一例として、圧電アクチュエータのような自己変形式の第１駆動部を第１支持体に設けることにより、構成を小型且つ簡素なものとすることができる。

本発明に係る走査ミラー装置は、前記固定部材を介して前記第１支持体を支持する比較的剛性の低い第２支持体と、前記第２支持体を変形させて前記第１支持体と共に前記ミラーを前記第１軸に直交する第２軸回りに変位させる第２駆動部と、を備えるものとしてもよい。
例えば、この第２軸はミラーを垂直走査方向へ揺動変位させる軸に設定され、第２支持部材の変形によりミラーで反射したレーザ光を垂直走査することができる。
そして、第２支持体の変形によっても、第１支持体は補強部材で必要な剛性が高められているのでミラーが不要に変位することはなく、ミラーは所期の垂直走査及び水平走査がなされる。

なお、第２駆動部として種々な形式の機能部品を用いることができるが、一例として、圧電アクチュエータのような自己変形式の第２駆動部を第２支持体に設けることにより、構成を小型且つ簡素なものとすることができる。

本発明に係る走査ミラー装置では、補強部材、第１支持体又は第２支持体は、種々な材料により形成することができ、補強部材は比較的高い必要な剛性を有し、第１支持体又は第２支持体は比較的低い必要な剛性を有するようにすればよい。
ここで、本発明に係る走査ミラー装置は、小型化、低消費電力化、処理の高速化などで有利なＭＥＭＳ(Micro Electro Mechanical System)型の走査ミラー装置として実施するのが好ましい。このＭＥＭＳ型の走査ミラー装置は、シリコン等の半導体材料の薄膜形成技術や金属の薄膜形成技術を用いて、例えば、１０ｍｍ×１０ｍｍ程度の大きさに構成することができるが、補強部材はシリコンにより形成し、第１支持体又は第２支持体は金属により形成するようにすれば、それぞれの必要な剛性を設定することが容易である。

本発明に係る走査ミラー装置は、補強部材がミラーの法線方向においてミラーとの重なりを回避した形状であるのが好ましく、このようにすることにより、ミラー周辺の組み立て作業を容易に行なうことができ、また、ミラーの表裏両面をレーザ光の反射に利用することができる。
このようにミラーとの重なりを回避した形状としては、例えば、補強部材がミラーを避けるように湾曲した形状や、補強部材がミラーに対応して開口部が形成された形状、とすることができる。

本発明に係る走査ミラー装置は、補強部材を少なくともミラーの法線方向においてミラーと重なる部分は透明な材料により形成して、ミラーの表裏両面をレーザ光の反射に利用することができるようにしてもよい。

本発明は、上記のような走査ミラー装置を備えた画像表示装置でもある。
本発明に係る画像表示装置は、映像信号に基づいて、レーザ光を発光させ、ミラーを走査変位させて当該レーザ光を反射させて画像を表示する画像表示装置であって、前記ミラーを支持する比較的剛性の低い第１支持体と、前記第１支持体を複数箇所で支持する比較的剛性の高い複数の固定部材と、前記ミラーが存する平面と異なる面で前記複数の固定部材を連結する比較的剛性の高い補強部材と、前記第１支持体を変形させて前記ミラーを水平走査変位させる第１駆動部と、前記固定部材を介して前記第１支持体を支持する比較的剛性の低い第２支持体と、前記第２支持体を変形させて前記第１支持体と共に前記ミラーを垂直走査変位させる第２駆動部と、を備える。

本発明によると、支持体の変形によりミラーを変位させる走査ミラー装置の性能を高めることができる。

本発明の第１実施形態に係る走査ミラー装置の斜視図である。本発明の第１実施形態に係る走査ミラー装置の要部を示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る走査ミラー装置を裏面側から示す斜視図である。本発明の第１実施形態に係る走査ミラー装置の要部を説明する図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は平面図である。本発明の第２実施形態に係る走査ミラー装置を裏面側から示す斜視図である。本発明の第２実施形態に係る走査ミラー装置の要部を説明する図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は平面図である。本発明の第３実施形態に係る走査ミラー装置を裏面側から示す斜視図である。本発明の第３実施形態に係る走査ミラー装置の要部を説明する図であり、（ａ）は横断面図、（ｂ）は平面図である。

本発明を、実施形態として示す例に基づいて具体的に説明する。
図１〜図４には、本発明の第１実施形態に係る走査ミラー装置を示してある。
本例の走査ミラー装置は、主な構成として、ミラー１と、枠状の第１支持体２と、蛇行状の一対の第２支持体３，４と、第１支持体２と第２支持体３，４とを連結する一対の固定部材５と、これら固定部材５連結する補強部材６と、を備えている。

本例の走査ミラー装置は、シリコン等の半導体材料の薄膜形成技術や金属の薄膜形成技術を用いて製作され、例えば、約０．１ｍｍの厚さのシリコン基板（Ｓｉ基板）上に上記の各構成が形成された小型のものである。例えば、第１支持体２は、後述する第１駆動部を除いて厚さ約０．１ｍｍで、外径は約１０ｍｍ×１０ｍｍである。
この走査ミラー装置は、ＭＥＭＳ型の走査ミラー装置であり、小型化、低消費電力化、処理の高速化などの利点を有している。

走査ミラー装置は、図１に示すように、円盤状のミラー１の中心を通って直交する２つの軸Ｘ，Ｙを回動軸として、ミラー１を揺動変位させるものであり、ミラー１は２つの軸Ｘ，Ｙが存する平面に位置し、第１支持体２、第２支持体３，４、固定部材５も、ミラー１と同じく当該平面に位置する。
なお、補強部材６は、後述するように、ミラー１が存する平面と異なる面で固定部材５を連結している。

ミラー１は、例えばＳｉ基板に金属薄膜を形成する等の方法により鏡面加工がなされており、当該鏡面で入射されたレーザ光を反射する。
本例のミラー１は、図１及び図２に示す表面側に鏡面が設けられており、図３に示す裏面側には鏡面が設けられていない。

第１支持体２は、回動軸Ｘと平行な一対の第１駆動部２ａ，２ｂと、これら第１駆動部２ａ，２ｂの両端部を互いに連結する一対の連結部２ｃ，２ｄとにより枠状の形状となっており、これら各部２ａ〜２ｄは比較的剛性が低く形成されて、第１支持体２自体が変形する。
鍔状に迫り出した形状の第１駆動部２ａ，２ｂは、Ｓｉ基板上に下部電極層、圧電体層、上部電極層を薄い積層体として設けており、圧電アクチュエータが形成されている。

第１駆動部２ａ，２ｂに互いに逆相の電圧を印加すると、圧電体層が電圧に応じて伸縮して、第１駆動部２ａと第１駆動部２ｂとが軸Ｘ，Ｙに直交する方向で互いに逆方向（図１に示すｘ1方向又はｘ2方向）に反り返るように変形する。
圧電アクチュエータの圧電体層は例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、層膜の厚さ方向に分極されることによって、電圧を印加されると伸縮する。
なお、このような圧電アクチュエータは公知であり、例えば、特開２０１１−１４１３３３号公報に記載されている。

上記のように第１駆動部２ａ，２ｂが逆方向（ｘ1方向又はｘ2方向）に反り返るように変形すると、この変形により連結部２ｃ，２ｄは回動軸Ｘを中心として傾く。連結部２ｃ，２ｄには回動軸Ｘ上に延びる一対のバー７を介してミラー１が取付けられており、連結部２ｃ，２ｄは回動軸Ｘを中心として傾くことにより、ミラー１は回動軸Ｘ回りに回動変位する。
図１に示すように、第１駆動部２ａがｘ1方向に変形し、第１駆動部２ｂがｘ2方向に変形すると、ミラー１は回動軸Ｘ回りにｘ方向へ回動変位し、これとは逆に、第１駆動部２ａがｘ1とは逆方向に変形し、第１駆動部２ｂがｘ2とは逆方向に変形すると、ミラー１は回動軸Ｘ回りにｘとは逆方向へ回動変位する。したがって、第１支持体２自体が変形することにより、ミラー１を回動軸Ｘ回りに変位させることができる。

第１駆動部２ａ，２ｂに印加する電圧を反転させることにより、ミラー１を回動軸Ｘ回りに上記とは逆方向に回動変位させることができる。
したがって、第１駆動部２ａ，２ｂに印加する電圧を制御することによって、ミラー１を回動軸Ｘ回りに変位させ、当該ミラー１に入射されるレーザ光を走査することができる。例えば、この走査方向を水平走査方向とすれば、第１駆動部２ａ，２ｂに印加する電圧制御によって、レーザ光の水平走査がなされる。

第２支持体３，４は、第１支持体２と同様に、比較的剛性が低く形成されて第２支持体３，４自体が変形するものであり、Ｓｉ基板上に下部電極層、圧電体層、上部電極層を薄い積層体として設けた圧電アクチュエータが形成されている。
第２支持体３，４は、電圧を印加すると、圧電体層が電圧に応じて伸縮して、両端部が逆方向（図１に示すｙ1方向又はｙ2方向）に変位するように変形し、第２支持体３，４は
回動軸Ｙ回りに全体的に傾く。
本実施形態では、第２支持体３，４が、自らを変形させて第１支持体２と共に１ミラーを回動軸Ｘに直交する回動軸Ｙ回りに変位させる第２駆動部を成している。

上記のように第２支持体３，４が傾くことで、固定部材５を介して取付けられている第１支持体２は、同様に回動軸Ｙ回りに全体的に傾き、ミラー１が回動軸Ｙ回りに回動変位する。
図１に示すように、第２支持体３，４の一方の端部がｙ1方向に変形変位し、第２支持体３，４の他方の端部がｙ2方向に変形変位すると、ミラー１は回動軸Ｙ回りにｙ方向へ回動変位し、これとは逆に、第２支持体３，４の一方の端部がｙ1とは逆方向に変形変位し、第２支持体３，４の他方の端部がｙ2とは逆方向に変形変位すると、ミラー１は回動軸Ｙ回りにｙとは逆方向へ回動変位する。したがって、第２支持体３，４自体が変形することにより、ミラー１を回動軸Ｙ回りに変位させることができる。

第２支持体３，４に印加する電圧を反転させることにより、ミラー１を回動軸Ｙ回りに上記とは逆方向に回動変位させることができる。
したがって、第２支持体３，４に印加する電圧を制御することによって、ミラー１を回動軸Ｙ回りに変位させ、当該ミラー１に入射されるレーザ光を走査することができる。例えば、この走査方向を垂直走査方向とすれば、第２支持体３，４に印加する電圧制御によって、レーザ光の垂直走査がなされる。

上記のように、第１支持体２の変形によりミラー１は回動軸Ｘ回りに回動変位し、第２支持体３，４の変形によりミラー１は回動軸Ｙ回りに回動変位する。
第２支持体３，４は基端が比較的剛性の高い外枠８に取付けられ、先端で固定部材５を介して第１支持体２を支持しており、比較的剛性を高く形成した固定部材５を介在させているとはいえ、第１支持体２の変形動作を所期のものに規制することができず、また、第２支持体３，４の変形が第１支持体２の変形動作に影響を与えてしまい、ミラー１が不要に変位して正規な走査変位がなされないこという不都合がある。
なお、例えば、Ｓｉ層にＳｉＯ層を積層して厚みを増す方法や、Ｓｉ層に金属層を積層して厚みを増す方法などにより、固定部材５の剛性を第１支持体２や第２支持体３，４に比較して高めることができる。
また、本例では、固定部材５を回動軸Ｙ上の２箇所に設けて、第１支持体２と第２支持体３，４とを連結するが、装置の設計などの必要に応じて、固定部材５を必要な位置に３箇所以上設けてもよい。

第１支持体２を囲むような剛性の高い枠体により固定部材５を連結することで、上記の不都合を解消することができる。
しかしながら、このような枠体によって固定部材５を連結する場合には、質量や慣性モーメントが大きくなり、ミラー１の大きな振れ角（走査変位幅）を得ながら高周波数の駆動信号で動作させることができない。

例えば、上記のような２軸走査形の圧電型ＭＥＭＳ走査ミラー装置において、低速走査軸（垂直走査軸）で大きな振れ角を得ながら共振周波数を高くすることが求められている。
これにより、走査ミラー装置を備えた画像表示装置において、低速走査軸を鋸波のような加速度が大きな区間を含む波形でも走査することができるようになる。小さい加速度でしか走査できない場合には、垂直方向の走査波形は正弦波に近くなり、投影画面の上下端などで走査間隔が一定にならないため、ミラー１により投影する画像は劣化するが、大きな加速度で走査できるようになればほぼ一定間隔で走査でき、この問題は解決する。また、短いブランキング期間でミラー１を原点に戻すことができるようになるため、描画に長い時間を使えるようになり、投影画像の輝度の点でも有利になる。

上記のような事情から、本例では、ミラー１が存する平面と異なる面で固定部材５同士を連結する比較的剛性の高い補強部材６を設け、上記の不都合を解消している。
そして、補強部材６は、ミラー１の裏面側に延在する直線状の棒状であり、上記のような枠体で固定部材５を連結する場合に比べて、質量が小さくなり、且つ、質量が回動軸Ｙの近くに集中して慣性モーメントが小さくなるため、ミラー１の大きな振れ角（走査変位幅）を得ながら高周波数の駆動信号で動作させることがでる。

そして、図４に示すように、補強部材６はミラー１の法線方向においてミラー１と重なって延在するが、本例では、補強部材６はミラー１の裏面側に設けられているので、ミラー１の鏡面によるレーザ光の反射を阻害することはない。

補強部材６は圧縮や引っ張り、捻りなどの応力に対して変形し難いものであり、このような特性を有するものであれば種々な材料により形成することができる。例えば、変形しやすい第１支持体２や第２支持体３，４に比べて、補強部材６を比弾性率（ヤング率／密度）の大きい材料から形成するのが好ましい。
また、例えば、変形しやすい第１支持体２や第２支持体３，４は金属により形成し、補強部材６はシリコンにより形成するのが好ましく、このような構成はシリコン等の半導体材料の薄膜形成技術及び金属の薄膜形成技術を用いて容易に製作することができる。そして、第１支持体２や第２支持体３，４は金属を金属で形成する構成は、これら支持体をシリコンで形成する構成に比べて、耐衝撃性や耐久性に優れ、材料コストを下げることができる利点がある。

なお、補強部材６は固定部材５と一体的に成型することができるが、補強部材６を別個な部品として用意して、補強部材６を固定部材５に接着等で取付けるようにしてもよい。

上記の走査ミラー装置はレーザプロジェクタなどの画像表示装置に設けることができ、ミラー１の低速走査軸で大きな振れ角を得ながら共振周波数を高くし、非正弦波形での走査においても不要な共振を抑えることができる。

すなわち、映像信号に基づいて、レーザ光を発光させ、ミラーを走査変位させて当該レーザ光を反射させて画像を表示する画像表示装置に、ミラー１を支持し、自ら変形することにより当該ミラー１を第１の回動軸Ｘ（例えば、水平走査軸）回りに走査変位させる第１支持体２と、第１支持体２を支持する固定部材５と、ミラー１が存する平面と異なる面で固定部材５を連結する補強部材６と、固定部材５を介して第１支持体２を支持し、自ら変形することにより第１支持体２と共にミラー１を第２の回転軸Ｙ（例えば、垂直走査軸）回りに走査変位させる第２支持体３，４を、備えた構成とすればよい。

例えば、水平走査軸（第１の回動軸Ｘ）回りの走査は、約３０ｋＨｚの共振周波数で第１支持体２の圧電アクチュエータを共振駆動させてミラー１を比較的高速に揺動変位させ、垂直走査軸（第２の回動軸Ｙ）回りの走査は、第２支持体３，４の圧電アクチュエータを共振駆動させてミラー１を比較的低速に揺動変位させる。

上記の第１実施形態では、補強部材６を、ミラー１の裏面側で、ミラー１と重なって延在するように設け、補強部材６を必要が剛性を有する極力形状が単純で軽量なものとしたが、例えば図５〜図８に示すように、補強部材６をミラー１の法線方向においてミラー１との重なりを回避した形状ものもとしてもよい。

図５及び図６には、本発明の第２実施形態に係る走査ミラー装置を示してある。
なお、上記の第１実施形態と同様な部分には、同一符号を付して重複する説明は省略する。
本例では、補強部材６をその中央部に開口部６ａが形成された形状として、開口部６ａにおいてミラー１との重なりを回避している。

図７及び図８には、本発明の第３実施形態に係る走査ミラー装置を示してある。
なお、上記の第１実施形態と同様な部分には、同一符号を付して重複する説明は省略する。
本例では、補強部材６をその中央部に湾曲部６ｂが形成された形状として、湾曲部６ｂにおいてミラー１との重なりを回避している。

ミラー１の法線方向においてミラー１との重なりを回避するための補強部材６の形状は、上記の例の他に種々な態様を採用することができる。
また、補強部材６の形状によりミラー１との重なりを回避する態様の他に、第１実施形態のように補強部材６をミラー１と重なったものとして、補強部材６の少なくともミラー１の法線方向においてミラー１と重なる部分を透明な材料により形成してもよい。

このようにミラー１の裏面側においても補強部材６をミラー１と重ならないようにする、または、ミラー１の法線方向において補強部材６のミラー１と重なる部分を透明とすることで、ミラー１の裏面にも鏡面を設けて、ミラー１の表裏両面をレーザ光の反射に利用することができる。例えば、２箇所にそれぞれ画像を投影する型式の画像表示装置では、これら画像の投影走査を行なう走査ミラー装置をそれぞれ設ける場合には、装置の大型化や高コスト化といった課題を生じてしまうが、ミラー１の表裏両面をレーザ光の走査に用いることで、これら課題を解消することができる。

１：ミラー、２：第１支持体、
２ａ，２ｂ：第１駆動部、３，４：第２支持体（第２駆動部）、
５：固定部材、６：補強部材、
６ａ：開口部、６ｂ：湾曲部、
Ｘ：第１回動軸、Ｙ：第２回動軸、

Claims

ミラーと、
前記ミラーを支持する比較的剛性の低い第１支持体と、
前記第１支持体を複数箇所で支持する比較的剛性の高い複数の固定部材と、
前記ミラーが存する平面と異なる面で前記複数の固定部材を連結する比較的剛性の高い補強部材と、
前記第１支持体を変形させて前記ミラーを第１軸回りに変位させる第１駆動部と、を備えることを特徴とする走査ミラー装置。
請求項１に記載の走査ミラー装置において、
前記固定部材を介して前記第１支持体を支持する比較的剛性の低い第２支持体と、
前記第２支持体を変形させて前記第１支持体と共に前記ミラーを前記第１軸に直交する第２軸回りに変位させる第２駆動部と、を備えることを特徴とする走査ミラー装置。
請求項１又は２に記載の走査ミラー装置において、
前記補強部材はシリコンにより形成され、前記第１支持体又は第２支持体は金属により形成されていることを特徴とする走査ミラー装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査ミラー装置において、
前記補強部材はミラーの法線方向において前記ミラーとの重なりを回避した形状であることを特徴とする走査ミラー装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載の走査ミラー装置において、
前記補強部材は少なくとも前記ミラーの法線方向において前記ミラーと重なる部分は透明な材料により形成されていることを特徴とする走査ミラー装置。
映像信号に基づいて、レーザ光を発光させ、ミラーを走査変位させて当該レーザ光を反射させて画像を表示する画像表示装置において、
前記ミラーを支持する比較的剛性の低い第１支持体と、
前記第１支持体を複数箇所で支持する比較的剛性の高い複数の固定部材と、
前記ミラーが存する平面と異なる面で前記複数の固定部材を連結する比較的剛性の高い補強部材と、
前記第１支持体を変形させて前記ミラーを水平走査変位させる第１駆動部と、
前記固定部材を介して前記第１支持体を支持する比較的剛性の低い第２支持体と、
前記第２支持体を変形させて前記第１支持体と共に前記ミラーを垂直走査変位させる第２駆動部と、を備えることを特徴とする画像表示装置。