JP5262613B2

JP5262613B2 - 光学反射素子

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Publication number: JP5262613B2
Application number: JP2008296354A
Authority: JP
Inventors: 聡一郎平岡; 二郎寺田; 晋輔中園; 成男古川
Original assignee: Panasonic Corp; Matsushita Electric Industrial Co Ltd
Current assignee: Panasonic Corp; Panasonic Holdings Corp
Priority date: 2008-11-20
Filing date: 2008-11-20
Publication date: 2013-08-14
Anticipated expiration: 2028-11-20
Also published as: US8462411B2; EP2352050A1; US20110292479A1; KR20110071137A; JP2010122480A; KR101187467B1; WO2010058565A1; EP2352050A4

Description

本発明は、ディスプレイ装置などに用いられる光学反射素子に関する。

図８に、従来の光学反射素子１を示す。この光学反射素子１は、ミラー部２と、このミラー部２の端部と連結された一対の振動子３、４と、これらの振動子３、４と連結され、これらの振動子３、４及びミラー部２の外周を囲う枠体５と、この枠体５の端部と連結された一対の振動子６、７とを備えている。

また振動子３、４はＹ軸に平行なＳ１軸を中心軸とし、振動子６、７はＸ軸に平行なＳ２軸を中心軸とするミアンダ形である。

これらの振動子３、４、６、７に下部電極層、圧電体層、上部電極層からなるドライブ素子を配置し、電圧を印加すれば、ミラー部２をＳ１軸およびＳ２軸を中心に回転させることができる。そして回動するミラー部２に光を入射すれば、その反射光をスクリーン上のＸ−Ｙ平面に走査することができ、例えば壁やスクリーンに画像を投影することができる。

ここで振動子３、４、６、７やミラー部２に下部電極層、圧電体層、上部電極層からなるモニター素子を設け、このモニター素子で検出した電気信号を、帰還回路を介してドライブ素子の上部電極層に入力すれば、理論上は光学反射素子１を常に共振周波数にて駆動可能となり、大振幅を維持できる。このような方式を自励駆動方式という。

なおこの出願に類似する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００８−０４０２４０号公報

ここで、駆動周波数の増大に伴い自励駆動が実質不可能になることがある。

その理由は、接地電極の配線距離が長くなると、抵抗が増大し、近接するモニター素子とドライブ素子の上部電極層間にリーク電流が流れてしまうからと考えられる。

そしてその結果、モニター素子の検出精度が低下し、自励駆動ができなくなる。

そこで本発明は、モニター素子の検出精度を高め、光学反射素子の高精度な自励駆動を実現す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、このミラー部と連結された振動子とを備え、振動子は、基材と、この基材上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に分断溝によって分離して配置されたドライブ素子およびモニター素子を有し、これらのドライブ素子およびモニター素子は、それぞれ下部電極層、圧電体層、上部電極層が積層されており、ドライブ素子およびモニター素子の下部電極は、共通の外部電極と接続され、モニター素子とドライブ素子における隣接して配置された任意の点において、分断溝により、モニター素子の下部電極における任意の点とドライブ素子の下部電極における任意の点との最短導通経路は、モニター素子の下部電極における任意の点から共通の外部電極までの距離より長いものとした。

これにより本発明は、モニター素子の検出精度を高め、光学反射素子を高精度に自励駆動させることができる。

その理由は、上記構造によってモニター素子の下部電極の接地抵抗を、モニター素子の下部電極とドライブ素子の下部電極との間の導通抵抗より相対的に下げることができるからである。

したがって、下部電極層の配線距離が長くても、モニター素子とドライブ素子の上部電極層間にリーク電流が流れるのを抑制できる。

そしてその結果、モニター素子の検出精度を高め、光学反射素子を高精度に自励駆動させることができる。

（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態における光学反射素子８は、ミラー部９と、このミラー部９を介して対向するとともに、このミラー部９の端部とそれぞれ連結された一対の第一振動子１０、１１と、これらの第一振動子１０、１１と連結され、これらの第一振動子１０、１１およびミラー部９の外周を囲む枠体１２と、この枠体１２を介して対向するとともに、この枠体１２とそれぞれ連結された一対の第二振動子１３、１４と、これらの第二振動子１３、１４と連結されるとともに、これらの第二振動子１３、１４および枠体１２の外周を囲う枠形状の支持体１５とを備えている。

第一振動子１０、１１と第二振動子１３、１４とは、それぞれ異なる共振駆動周波数を有し、その周波数比は１０倍〜１００倍程度である。例えば本実施の形態では、第一振動子１０、１１の共振周波数が１０ｋＨｚ、第二振動子１３、１４の共振周波数が２００Ｈｚ程度である。

さらに、第一振動子１０、１１の中心軸Ｓ１と第二振動子１３、１４の中心軸Ｓ２とは交差し、本実施の形態ではミラー部９の重心で直交する関係にある。そして対となる第一振動子１０、１１は、第二振動子１３、１４の中心軸Ｓ２に対して線対称形であり、対となる第二振動子１３、１４は、第一振動子１０、１１の中心軸Ｓ１に対して線対称形である。

さらに本実施の形態の第一振動子１０、１１は、Ｘ軸に平行（中心軸Ｓ１に垂直）な複数の振動板１０Ａ〜１０Ｄ、１１Ａ〜１１Ｄが、同一平面上で折り返し連結されたミアンダ形状である。また第二振動子１３、１４は、Ｙ軸方向に平行（中心軸Ｓ２に垂直）な複数の振動板１３Ａ〜１３Ｅ、１４Ａ〜１４Ｅが同一平面上で折り返し連結されたミアンダ形状である。

また図２（ｂ）に示すように、これらの第一振動子１０、１１を構成する複数の振動板１０Ａ〜１０Ｄ、１１Ａ〜１１Ｄ上には、それぞれドライブ素子１６とモニター素子１７が配置されている。

また図３に示すように、一方の第二振動子（図１の１３）を構成する複数の振動板１３Ａ〜１３Ｅ上にも、それぞれ第一振動子１０、１１、第二振動子１３、１４に共通のドライブ素子１６と、第一振動子１０、１１の振動を検出するためのモニター素子１７が配置され、図４に示すように、他方の第二振動子（図１の１４）を構成する複数の振動板１４Ａ〜１４Ｅ上には、それぞれ第一振動子１０、１１、第二振動子１３、１４に共通のドライブ素子１６と第二振動子１４の振動を検出するためのモニター素子１８が配置されている。

そして図２（ｂ）、図３、図４に示すように、ドライブ素子１６は、基材１９と、この基材１９上に形成された絶縁層２０と、この絶縁層２０上に配置された下部電極層２１と、この下部電極層２１上に積層された圧電体層２２と、この圧電体層２２上に積層された上部電極層２３とを有している。

同様に、モニター素子１７、１８も、基材１９と、この基材１９上に形成された絶縁層２０と、この絶縁層２０上に配置された下部電極層２１と、この下部電極層２１上に積層された圧電体層２２と、この圧電体層２２上に積層された上部電極層２４、２５とを有している。

また本実施の形態では、第一振動子１０、１１と第二振動子１３、１４上に配置されたドライブ素子１６の上部電極層２３は、図１に示す支持体１５上の引き出し電極２６に引き出される。また第一振動子１０、１１上に配置されたモニター素子（図２（ｂ）の１７）の上部電極層２４は、一方の第二振動子１３に引き回され、引き出し電極２７に引き出される。さらに他方の第二振動子１４上に配置されたモニター素子（図４の１８）の上部電極層（図４の２５）は、引き出し電極２８に引き出される。さらに図２（ｂ）、図３、図４に示すドライブ素子１６およびモニター素子１７、１８の下部電極層２１は、図１に示すように、共通の引き出し電極２９に引き出される。

なお、支持体１５のほぼ一体には、モニター素子１７、１８とドライブ素子１６の下部電極層が接続される共通の外部電極層（図示せず）が積層されており、引き出し電極２９はこの外部電極層の引き出し用に用いられる。

また図２（ａ）（ｂ）、図３、図４に示すように、各振動板１０Ａ〜１０Ｄ、１１Ａ〜１１Ｄ、１３Ａ〜１３Ｅ、１４Ａ〜１４Ｅ上には、ドライブ素子１６とモニター素子１７、またはドライブ素子１６とモニター素子１８が平行して隣接配置されているが、これらは共通の基材１９と絶縁層２０上に分断溝３０Ａによって分離して配置されている。

さらに分断溝３０Ａの直下であって、隣接するドライブ素子１６とモニター素子１７またはドライブ素子１６とモニター素子１８との間の絶縁層２０は、その表面に凹溝３０Ｂが形成され、この凹溝３０Ｂの底面は絶縁層２０で構成されている。

なお本実施の形態では、基材１９としてシリコンウエハを用いたが、シリコン以外にも、ＭｇＯあるいはステンレスなどを用いても良い。

また絶縁層２０としては二酸化シリコン、下部電極層２１としては、プラチナ、上部電極層２３、２４、２５としては金、圧電体層２２はチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒ_ｘ，Ｔｉ_1−x)Ｏ_３で、x ＝０．５２５）などが挙げられ、これらは蒸着、ゾル・ゲル、ＣＶＤ、スパッタ法などによって薄膜化することができる。

また分断溝３０Ａ、凹溝３０Ｂは、上部電極層２３、２４、２５をドライエッチングあるいはウエットエッチング等でパターニングした後、圧電体層２２、下部電極層２１、絶縁層２０を順次ドライエッチングでパターニングすることによって形成することができる。ただし、下部電極層２１をプラチナ、絶縁層２０を二酸化シリコンとした場合には、プラチナと比べて二酸化シリコンのエッチングレートが高いことから、凹溝３０Ｂの底面を絶縁層２０とすることが困難となる。そこで下部電極層２１の膜厚に対する絶縁層２０の厚みの比は、下部電極層２１のエッチングレートに対する絶縁層２０のエッチングレート比以上であることが望ましい。

以下に、本実施の形態における光学反射素子８の駆動方法について、回路ブロックの模式図を用いて説明する。

まず、図５に示すように、増幅器３１に第一振動子１０、１１を駆動させる電気信号（交流電圧）が入力され、増幅される。また増幅器３１と並列して配置された増幅器３２には、第二振動子１３、１４を駆動させる電気信号（交流電圧）が入力され、増幅される。

なお、本実施の形態では、第一振動子１０、１１には、この第一振動子１０、１１に固有の振動周波数を有する電気信号を入力し、第一振動子１０、１１を共振駆動させている。また第二振動子１３、１４には、この第二振動子１３、１４に固有の振動周波数を有する電気信号を入力し、第二振動子１３、１４を共振駆動させている。これにより、常に共振周波数にて駆動可能となることから、第一振動子１０、１１および第二振動子１３、１４を効率よく駆動させることが出来、大きく変位させることができる。

そして前述の電気信号は、それぞれ抵抗器などのインピーダンス素子３３、３４を介して合成され、引き出し電極２６に供給される。

そしてこの合成された電気信号は、引き出し電極２６から引き出され、第二振動子１３、１４および第一振動子１０、１１に共通の上部電極層２３に流れ、それぞれのドライブ素子１６を駆動させる。

また第一振動子１０、１１上に配置されたモニター素子１７の上部電極層２４は、第一振動子１０、１１の変位を電気信号として検知し、その電気信号は、第二振動子１３上に引き回された上部電極層２４を介して引き出し電極２７で引き出される。また第二振動子１４上に配置されたモニター素子１８の上部電極層２５は、第二振動子１４の変位を電気信号として検知し、その電気信号は、引き出し電極２８に引き出される。

そして引き出し電極２７に引き出された電気信号は、図５に示すように、フィルター３５を介して取り出され、再び増幅器３１に入力される。

また引き出し電極２８に引き出された電気信号は、フィルター３６を介して取り出され、再び増幅器３２に入力される。

このようにそれぞれのモニター素子１７、１８の上部電極層２４、２５（モニター電極）から出力される電気信号を、第一振動子１０、１１、第二振動子１３、１４の各ドライブ素子１６の上部電極層２３（駆動電極）にフィードバックすることにより、光学反射素子８を自励駆動させることが出来る。

なお、インピーダンス素子３３、３４としては、前述の抵抗器以外にも、コンデンサやコイルなどのリアクタンス素子、あるいはこれらの組み合わせ等も挙げられる。

さらに本実施の形態では、第一振動子１０、１１と第二振動子１３、１４のドライブ素子１６には、合成した電気信号を印加するため、共通の上部電極層２３を引き回したが、その他の回路構成によって光学反射素子８を駆動させることもでき、例えば第一振動子１０、１１と第二振動子１３、１４のドライブ素子１６の上部電極層２３は、それぞれ電気的に独立させてもよい。

次に、本実施の形態における光学反射素子８の動作について説明する。

本実施の形態では図２（ａ）（ｂ）に示すように、第一振動子１０、１１の振動板１０Ａ〜１０Ｄ、１１Ａ〜１１Ｄ上には、一本置きに幅広のドライブ素子１６が形成されている。したがって、このドライブ素子１６の上部電極層２３に、第一振動子１０、１１の共振周波数の交流電圧（電気信号）を印加することによって、幅広のドライブ素子１６が形成された振動板１０Ｂ、１０Ｄ、１１Ｂ、１１Ｄは、その厚み方向にたわみ振動を起こす。そしてその振動板１０Ｂ、１０Ｄ、１１Ｂ、１１Ｄと隣接する振動板１０Ａ、１０Ｃ、１１Ａ、１１Ｃは、共振の原理により、逆方向にたわみ振動を起こす。したがって、振動板１０Ａ〜１０Ｄ、１１Ａ〜１１Ｄは、交互に逆位相に振動し、図６に示すように中心軸Ｓ１を中心に変位が蓄積され、ミラー部９を、中心軸Ｓ１を中心に大きく反復回転振動させることができる。なお幅広のドライブ素子１６が形成された振動板１０Ｂ、１０Ｄ、１１Ｂ、１１Ｄと隣接する振動板１０Ａ、１０Ｃ、１１Ａ、１１Ｃ上には、幅細のドライブ素子１６が形成され、この振動板１０Ａ、１０Ｃ、１１Ａ、１１Ｃには実質的に電圧が殆ど印加されない、したがって幅広のドライブ素子１６が形成された振動板１０Ｂ、１０Ｄ、１１Ｂ、１１Ｄとは、逆位相に変位する。

同様に、図３、図４に示すように、第二振動子１３、１４の振動板１３Ａ〜１３Ｅ、１４Ａ〜１４Ｅ上には、一本置きに幅広のドライブ素子１６が形成されている。したがって、このドライブ素子１６の上部電極層２３に、第二振動子１３、１４の共振周波数の交流電圧を印加することによって、第二振動子１３、１４の振動板１３Ａ〜１３Ｅ、１４Ａ〜１４Ｅを交互に逆位相に撓み振動させることができ、枠体１２およびミラー部９を、中心軸Ｓ２を中心に大きく反復回転振動させることが出来る。

これにより本実施の形態では、ミラー部９を、その中心を不動点としながら、二軸方向に回動させることができる。

次に、本実施の形態における効果を説明する。

本実施の形態では、モニター素子１７の検出精度を高め、光学反射素子８を高精度に自励駆動させることができる。

すなわち本実施の形態では、第一振動子１０、１１、第二振動子１３、１４は、モニター素子１７とドライブ素子１６、またはモニター素子１８とドライブ素子１６とが並行に隣接して配置されたいずれの点においても、モニター素子１７の下部電極層２１とドライブ素子１６の下部電極層２１との最短導通経路が、モニター素子１７の下部電極層２１からその引き出し電極２９までの距離より長くなるように形成した。

これによりモニター素子１７、１８の下部電極層２１の配線長が長くなっても、モニター素子１７、１８の下部電極層２１の接地抵抗を、モニター素子１７またはモニター素子１８の下部電極層２１とドライブ素子１６の下部電極層２１との間の導通抵抗より相対的に下げることができる。

したがって、モニター素子１７とドライブ素子１６の上部電極層２３、２４間またはモニター素子１８とドライブ素子１６の上部電極層２３、２５間にリーク電流が流れるのを抑制できる。

なお、駆動周波数を増大させるとインピーダンスが小さくなるため、本実施の形態の構造は、特に高周波で駆動させる第一振動子１０、１１のモニター素子１７の検出精度を高めるのに有用である。

さらに本実施の形態では、第一振動子１０、１１、第二振動子１３、１４いずれにおいても、凹溝３０Ｂが形成されるまで絶縁層２０を一部エッチングすることによって、ドライブ素子１６とモニター素子１７、１８間が下部電極層２１の残渣で容量結合あるいは導通しないよう、下部電極層２１をほぼ確実に分離できる。したがって、下部電極層２１の配線距離が長くても、ドライブ素子１６とモニター素子１７の上部電極層２３、２４間あるいは、ドライブ素子１６とモニター素子１８の上部電極層２３、２５間のリーク電流を低減できる。そしてその結果、モニター素子１７、１８の検出精度を高め、光学反射素子８を高精度に自励駆動させることができる。

ここで、大振幅が必要とされる光学反射素子８においては、本実施の形態のように、第一振動子１０、１１、第二振動子１３、１４をミアンダ形とする場合があり、振動子の梁長が非常に長くなる。この場合は、下部電極層２１の配線距離も長くなることから、下部電極層２１の接地が十分でないと考えられる。したがって、下部電極層２１の接地が十分でない状態となっても、モニター素子１７、１８とドライブ素子１６との間のリーク電流を低減できる本実施の形態は、高精度な自励駆動を実現するのに有用である。

また第一振動子１０、１１のモニター素子１７の上部電極層２３は、第二振動子１３、１４上にも引き回されるため、さらに下部電極層２１の配線距離は長くなる。したがって、本実施の形態の構成は、第一振動子１０、１１のモニター素子１７の高精度な検出精度を実現するのに非常に有用である。

また本実施の形態では、凹溝３０Ｂの底面は絶縁層２０で構成されるため、この底面に導電体成分が付着しても導通しにくく、また誘電体成分が付着しても、容量結合によるリークを抑制できる。

更に本実施の形態では、絶縁層２０は、圧電体層２２として用いられるような材料と比較して誘電率の小さい二酸化シリコンで形成した。したがって、例えばエッチング加工時などに、凹溝３０Ｂの底面に導電体成分が付着しても、容量結合によるリークを低減でき、また誘電体成分が付着してもノイズの原因を発生させにくい。そしてその結果、モニター素子１７、１８の検出精度を向上させることができる。

また本実施の形態では、第一振動子１０、１１と第二振動子１３、１４のドライブ素子１６の駆動電極である上部電極層２３を共通にしたため、光学反射素子８上に引き回す電極の配線数を減らすことができ、生産効率を高めるとともに、電極間の干渉も低減できる。

なお本実施の形態では、凹溝３０Ｂは、底面が絶縁層２０で構成されるまでエッチングしたが、絶縁層２０が多孔性である場合などは、底面が基材１９で構成されるまでエッチングしてもよい。緻密な基材１９表面を露出させた方が、導電体あるいは誘電体物質が付着しにくくなり、リークをより低減できる。

なお本実施の形態では、二つの電気信号を、インピーダンス素子を介して合成したが、たとえば前置アンプ、飽和アンプ、帯域フィルターと、加算合成回路を介して合成してもよい。この場合は、能動素子で回路が構成されるため、これらをＩＣチップ化することができ、実装工程における合理化が図れる。

また第一振動子１０、１１及び第二振動子１３、１４は、それぞれ共振の原理を用いて、一本の上部電極層で振動板１０Ａ〜１０Ｄ、１１Ａ〜１１Ｄ、振動板１３Ａ〜１３Ｅ、１４Ａ〜１４Ｅを交互に逆位相に振動させ、変位を蓄積させることができるため、高い駆動効率を維持しながら、電極の配線数を減らすことができる。

なお、本実施の形態では、凹溝３０Ｂの底面はフラットに形成したが、図７に示すように、凹溝３０Ｂをその外周から中央に向けて深くなるように構成してもよい。これによりドライブ素子１６の下部電極層２１とモニター素子１７の下部電極層２１間の絶縁距離が長くなり、リークを低減できる。また凹溝３０Ｂに導電体成分や誘電体成分が付着しても、底面がフラットな場合に比べて実距離が長くなるため、よりドライブ素子１６とモニター素子１７、１８の上部電極層２３と２４間あるいは上部電極層２３と２５間のリークを低減することができる。

なお本実施の形態では、第一振動子１０、１１、第二振動子１３、１４の形状をミアンダ形としたが、これに限定されず、その他例えばカンチレバー形、十字形等、各種形状でも応用が可能である。また本実施の形態では、第一振動子１０、１１、第二振動子１３、１４をそれぞれミラー部９と連結させた二軸駆動の光学反射素子８を例に挙げたが、一軸駆動でもよい。

本発明の光学反射素子８は、小型の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、小型画像投影装置に有用である。

本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図（ａ）同光学反射素子の第一振動子の斜視図、（ｂ）同光学反射素子の第一振動子の断面図（図２（ａ）のＳ１軸断面）同光学反射素子の一方の第二振動子の断面図（図１のＳ２軸断面）同光学反射素子の他方の第二振動子の断面図（図１のＳ２軸断面）同光学反射素子の駆動回路を説明するためのブロック図同光学反射素子の第一振動子の動作を示す模式図本発明の実施の形態１における別の例の光学反射素子の要部断面図従来の光学反射素子の斜視図

符号の説明

９ミラー部
１０第一振動子
１０Ａ〜１０Ｄ振動板
１１第一振動子
１１Ａ〜１１Ｄ振動板
１２枠体
１３第二振動子
１３Ａ〜１３Ｅ振動板
１４第二振動子
１４Ａ〜１４Ｅ振動板
１５支持体
１６ドライブ素子
１７モニター素子
１８モニター素子
１９基材
２０絶縁層
２１下部電極層
２２圧電体層
２３上部電極層
２４上部電極層
２５上部電極層
２６引き出し電極
２７引き出し電極
２８引き出し電極
２９引き出し電極
３０Ａ分断溝
３０Ｂ凹溝
３１増幅器
３２増幅器
３３インピーダンス素子
３４インピーダンス素子
３５フィルター
３６フィルター
Ｓ１中心軸
Ｓ２中心軸

Claims

ミラー部と、このミラー部と連結された振動子とを備え、
この振動子は、
基材と、この基材上に形成された絶縁層と、この絶縁層上に分断溝によって分離して配置されたドライブ素子およびモニター素子を有し、
これらのドライブ素子およびモニター素子は、それぞれ下部電極層、圧電体層、上部電極層が積層されており、
前記ドライブ素子およびモニター素子の下部電極は、共通の外部電極と接続され、
前記モニター素子と前記ドライブ素子における隣接して配置された任意の点において、前記モニター素子の下部電極における前記任意の点と前記ドライブ素子の下部電極における前記任意の点との最短導通経路は、前記モニター素子の下部電極における前記任意の点から前記共通の外部電極までの距離より長くなっている光学反射素子。
前記ドライブ素子とモニター素子との間の前記分断溝直下の絶縁層には、底面を有する凹溝が形成され、
この凹溝の底面は、前記絶縁層で構成された光学反射素子。
前記凹溝は、
その外周から中央に向けて深くなるように形成された請求項２に記載の光学反射素子。
前記下部電極層の厚みに対する前記絶縁層の厚みの比は、
前記下部電極層のエッチングレートに対する前記絶縁層のエッチングレートの比以上とする請求項２に記載の光学反射素子。