JP7318240B2 - optical deflection element, optical deflection system, optical scanning system - Google Patents

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本発明は、光偏向素子、光偏向システム、光走査システム、画像投影装置、ヘッドアップディスプレイ、レーザヘッドランプ、ヘッドマウントディスプレイ、物体認識装置、及び移動体に関する。 The present invention relates to an optical deflection element, an optical deflection system, an optical scanning system, an image projection device, a head-up display, a laser headlamp, a head-mounted display, an object recognition device, and a moving object.

近年、半導体製造技術を応用したマイクロマシニング技術の発達に伴い、シリコンやガラスを微細加工して製造される光偏向素子としてMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスの開発が進んでいる。 2. Description of the Related Art In recent years, with the development of micromachining technology applying semiconductor manufacturing technology, MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices have been developed as light deflection elements manufactured by microfabrication of silicon or glass.

MEMSデバイスの一例としては、可動部と軸部をジルコニウム(Zr)、アルミニウム(Al)、イットリウム(Y)の何れかの酸化物で形成または被覆する構成を有するヘッドマウントディスプレイが挙げられる(例えば、特許文献1参照)。 An example of the MEMS device is a head-mounted display having a configuration in which the movable portion and the shaft portion are formed or coated with an oxide of zirconium (Zr), aluminum (Al), or yttrium (Y) (for example, See Patent Document 1).

ところで、MEMSデバイスでは、性能を更に向上させるため、可動部を大きく、かつ速く動かすことを求められる場合が多い。しかし、可動部を大きく動かそうとすると、可動部に変位に相応して応力が集中することが懸念され、また共振を用いて速く動かそうとすると大きく可動させることが困難である。 By the way, in order to further improve the performance of MEMS devices, it is often required that the movable portion be large and move quickly. However, if one tries to move the movable part by a large amount, there is concern that stress will be concentrated on the movable part corresponding to the displacement, and it is difficult to move the movable part by a large amount if an attempt is made to move the movable part quickly using resonance.

例えば、梁部に金属材料を用いたMEMSミラーでは、その材料特性から振れ角の拡大は実現可能だが、高速化を実現するためには共振周波数を高周波化させるために梁厚を厚膜化しなければならなかった。数十μm厚の金属をパターン加工するには、半導体プロセスで多用されるドライエッチングでは難しく、レーザ加工や寸法制御の難しいウェットエッチングで行うしかない。 For example, in a MEMS mirror that uses a metal material for its beams, it is possible to expand the deflection angle due to the characteristics of the material. I had to. In order to pattern a metal with a thickness of several tens of micrometers, dry etching, which is often used in semiconductor processes, is difficult, and laser processing and wet etching, which is difficult to control dimensions, must be used.

また、金属は比較的融点が低いものが多く、熱膨張係数もシリコンと比べると大きいため、MEMS形成のための半導体プロセス中にできるだけ温度負荷がかからない特殊なプロセスを使わなければならない。このように、金属材料はプロセス面の問題があった。一方、ミラーを支える梁部に異なる材料の層を追加する手法においては、動作周波数の操作は可能だが、振れ角の観点から梁部の主材料であるシリコンの機械特性に依存し、振れ角の拡大はできなかった。以上のように、加工性を損なわずに振れ角(可動領域)の拡大と高速化の両立は困難であるという問題があった。 In addition, many metals have a relatively low melting point and a large coefficient of thermal expansion compared to silicon. Therefore, a special process that minimizes the temperature load during the semiconductor process for forming the MEMS must be used. Thus, metal materials have problems in terms of processing. On the other hand, in the method of adding a layer of different material to the beam that supports the mirror, although it is possible to control the operating frequency, the deflection angle depends on the mechanical properties of silicon, which is the main material of the beam. Couldn't expand. As described above, there is a problem that it is difficult to achieve both an increase in deflection angle (movable range) and a high speed without impairing workability.

上記のヘッドマウントディスプレイでも、梁部に破壊強度が大きい材料を用いているが、可動領域の拡大と高速化の両立はできていない。 In the head-mounted display described above, a material with high breaking strength is used for the beam portion, but it is not possible to achieve both expansion of the movable area and speeding up.

本発明は、上記に鑑みてなされたものであり、光偏向素子において加工性を損なわずに可動領域の拡大と高速化の両立を可能にすることを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION The present invention has been made in view of the above, and an object of the present invention is to make it possible to expand the movable region and increase the speed of an optical deflection element without impairing workability.

本光偏向素子は、反射面を備える可動部を回動させて、前記反射面へ入射する光を偏向する光偏向素子であって、前記可動部に接続され、前記可動部を第1軸の周りに駆動する第1駆動部と、前記可動部及び前記第1駆動部を支持する第1支持部と、を有し、前記第1駆動部は、前記可動部を回動可能に支持する梁部を含み、前記可動部は、第1層及び第2層で構成され、前記第1層は前記反射面を有し、該反射面を除く前記第1層の全て及び前記梁部は、炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンド、或いはそれらを主材料とする化合物の何れかのみで構成されている。 The present optical deflection element rotates a movable portion having a reflecting surface to deflect light incident on the reflecting surface , is connected to the movable portion, and is connected to the movable portion so as to move the movable portion along the first axis. a first driving portion that drives around; and a first supporting portion that supports the movable portion and the first driving portion, wherein the first driving portion is a beam that rotatably supports the movable portion. wherein the movable portion is composed of a first layer and a second layer, the first layer has the reflective surface, and all of the first layer excluding the reflective surface and the beam portion are carbonized It is composed only of silicon, alumina, sapphire, silicon nitride, zirconia, diamond, or compounds containing these as main materials.

開示の技術によれば、光偏向素子において加工性を損なわずに可動領域の拡大と高速化の両立を可能にできる。 According to the disclosed technology, it is possible to achieve both expansion of the movable region and high speed operation without impairing workability in the optical deflection element.

光走査システムの一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example optical scanning system; FIG. 光走査システムの一例のハードウェア構成図である。1 is a hardware configuration diagram of an example of an optical scanning system; FIG. 制御装置の一例の機能ブロック図である。It is a functional block diagram of an example of a control device. 光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。4 is a flowchart of an example of processing related to an optical scanning system; ヘッドアップディスプレイ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example of a vehicle equipped with a head-up display device; FIG. ヘッドアップディスプレイ装置の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example of a head-up display device; FIG. 光書込装置を搭載した画像形成装置の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example of an image forming apparatus equipped with an optical writing device; FIG. 光書込装置の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example of an optical writing device; FIG. ライダ装置を搭載した自動車の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example vehicle equipped with a lidar device; FIG. ライダ装置の一例の概略図である。1 is a schematic diagram of an example lidar device; FIG. レーザヘッドランプの構成の一例を説明する概略図である。It is a schematic diagram explaining an example of composition of a laser headlamp. ヘッドマウントディスプレイの構成の一例を示す概略斜視図である。It is a schematic perspective view which shows an example of a structure of a head mounted display. ヘッドマウントディスプレイの構成の一部の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of a part of structure of a head mounted display. パッケージングされた可動装置の一例を示す概略図である。1 is a schematic diagram illustrating an example of a packaged mobile device; FIG. 第1実施形態に係る可動装置を例示する平面図である。It is a top view which illustrates the movable device which concerns on 1st Embodiment. 図15のA-A線に沿う断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 15; 図15のB-B線に沿う断面図である。FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 15; 可動装置のシミュレーションについて説明する図(その1)である。It is a figure (1) explaining the simulation of a movable apparatus. 可動装置のシミュレーションについて説明する図(その2)である。It is a figure (2) explaining the simulation of a movable apparatus. 可動装置のシミュレーションについて説明する図(その3)である。It is a figure (3) explaining the simulation of a movable apparatus. 可動装置のシミュレーションについて説明する図(その4)である。It is a figure (4) explaining the simulation of a movable apparatus. 可動装置のシミュレーションについて説明する図(その5)である。It is a figure (5) explaining the simulation of a movable apparatus. 可動装置のシミュレーションについて説明する図(その6)である。It is a figure (6) explaining the simulation of a movable apparatus. 第2実施形態に係る可動装置を例示する平面図である。It is a top view which illustrates the movable device which concerns on 2nd Embodiment.

以下、本発明の実施形態について詳細に説明する。 BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail.

[光走査システム]
まず、本実施形態の可動装置を適用した光走査システムについて、図1~図4に基づいて詳細に説明する。
[Optical scanning system]
First, an optical scanning system to which the movable device of this embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 1 to 4. FIG.

図1には、光走査システムの一例の概略図が示されている。図1に示すように、光走査システム10は、制御装置11の制御に従って光源装置12から照射された光を可動装置13の有する反射面14により偏向して被走査面15を光走査するシステムである。 A schematic diagram of an example of an optical scanning system is shown in FIG. As shown in FIG. 1, an optical scanning system 10 is a system that optically scans a surface 15 to be scanned by deflecting light emitted from a light source device 12 by a reflecting surface 14 of a movable device 13 under the control of a control device 11 . be.

光走査システム10は、制御装置11、光源装置12、反射面14を有する可動装置13により構成される。 The optical scanning system 10 includes a control device 11 , a light source device 12 and a movable device 13 having a reflecting surface 14 .

制御装置11は、例えばCPU(Central Processing Unit)やFPGA(Field-Programmable Gate Array)等を備えた電子回路ユニットである。可動装置13は、例えば反射面14を有し、反射面14を可動可能なMEMS(Micro Electromechanical Systems)デバイスである。光源装置12は、例えばレーザを照射するレーザ装置である。なお、被走査面15は、例えばスクリーンである。 The control device 11 is an electronic circuit unit including, for example, a CPU (Central Processing Unit) and an FPGA (Field-Programmable Gate Array). The movable device 13 is, for example, a MEMS (Micro Electromechanical Systems) device having a reflecting surface 14 and capable of moving the reflecting surface 14 . The light source device 12 is, for example, a laser device that emits laser light. Note that the scanned surface 15 is, for example, a screen.

制御装置11は、取得した光走査情報に基づいて光源装置12および可動装置13の制御命令を生成し、制御命令に基づいて光源装置12および可動装置13に駆動信号を出力する。 The control device 11 generates control commands for the light source device 12 and the movable device 13 based on the acquired optical scanning information, and outputs drive signals to the light source device 12 and the movable device 13 based on the control commands.

光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光源の照射を行う。可動装置13は、入力された駆動信号に基づいて反射面14を1軸方向または2軸方向の少なくともいずれかに可動させる。 The light source device 12 irradiates the light source based on the input drive signal. The movable device 13 moves the reflecting surface 14 in at least one of the directions of one axis and the directions of two axes based on the input drive signal.

これにより、例えば、光走査情報の一例である画像情報に基づいた制御装置11の制御によって、可動装置13の反射面14を所定の範囲で2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する光源装置12からの照射光をある1軸周りに偏向して光走査することにより、被走査面15に任意の画像を投影することができる。なお、本実施形態の可動装置の詳細および制御装置による制御の詳細については後述する。 As a result, for example, the reflecting surface 14 of the movable device 13 is reciprocally moved in two axial directions within a predetermined range under the control of the control device 11 based on image information, which is an example of optical scanning information, and the light is incident on the reflecting surface 14 . An arbitrary image can be projected onto the surface 15 to be scanned by deflecting the irradiation light from the light source device 12 around a certain axis and performing optical scanning. In addition, the detail of the movable apparatus of this embodiment and the detail of control by a control apparatus are mentioned later.

次に、光走査システム10一例のハードウェア構成について図2を用いて説明する。図2は、光走査システム10の一例のハードウェア構成図である。図2に示すように、光走査システム10は、制御装置11、光源装置12および可動装置13を備え、それぞれが電気的に接続されている。このうち、制御装置11は、CPU20、RAM21(Random Access Memory)、ROM22(Read Only Memory)、FPGA23、外部I/F24、光源装置ドライバ25、可動装置ドライバ26を備えている。 Next, a hardware configuration of an example of the optical scanning system 10 will be described with reference to FIG. FIG. 2 is a hardware configuration diagram of an example of the optical scanning system 10. As shown in FIG. As shown in FIG. 2, the optical scanning system 10 includes a control device 11, a light source device 12 and a movable device 13, which are electrically connected to each other. Among these, the control device 11 includes a CPU 20 , a RAM 21 (Random Access Memory), a ROM 22 (Read Only Memory), an FPGA 23 , an external I/F 24 , a light source device driver 25 and a movable device driver 26 .

CPU20は、ROM22等の記憶装置からプログラムやデータをRAM21上に読み出し、処理を実行して、制御装置11の全体の制御や機能を実現する演算装置である。 The CPU 20 is an arithmetic device that reads programs and data from a storage device such as a ROM 22 onto a RAM 21 and executes processing to achieve overall control and functions of the control device 11 .

RAM21は、プログラムやデータを一時保持する揮発性の記憶装置である。 The RAM 21 is a volatile storage device that temporarily holds programs and data.

ROM22は、電源を切ってもプログラムやデータを保持することができる不揮発性の記憶装置であり、CPU20が光走査システム10の各機能を制御するために実行する処理用プログラムやデータを記憶している。 The ROM 22 is a nonvolatile storage device that can retain programs and data even when the power is turned off, and stores processing programs and data that the CPU 20 executes to control each function of the optical scanning system 10 . there is

FPGA23は、CPU20の処理に従って、光源装置ドライバ25および可動装置ドライバ26に適した制御信号を出力する回路である。 The FPGA 23 is a circuit that outputs control signals suitable for the light source device driver 25 and the movable device driver 26 according to the processing of the CPU 20 .

外部I/F24は、例えば外部装置やネットワーク等とのインタフェースである。外部装置には、例えば、PC(Personal Computer)等の上位装置、USBメモリ、SDカード、CD、DVD、HDD、SSD等の記憶装置が含まれる。また、ネットワークは、例えば自動車のCAN(Controller Area Network)やLAN(Local Area Network)、インターネット等である。外部I/F24は、外部装置との接続または通信を可能にする構成であればよく、外部装置ごとに外部I/F24が用意されてもよい。 The external I/F 24 is, for example, an interface with an external device, network, or the like. External devices include, for example, host devices such as PCs (Personal Computers), and storage devices such as USB memories, SD cards, CDs, DVDs, HDDs, and SSDs. The network is, for example, a CAN (Controller Area Network) of an automobile, a LAN (Local Area Network), the Internet, or the like. The external I/F 24 may be configured to enable connection or communication with an external device, and the external I/F 24 may be prepared for each external device.

光源装置ドライバは、入力された制御信号に従って光源装置12に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。 The light source device driver is an electric circuit that outputs a drive signal such as a drive voltage to the light source device 12 according to the input control signal.

可動装置ドライバ26は、入力された制御信号に従って可動装置13に駆動電圧等の駆動信号を出力する電気回路である。 The mobile device driver 26 is an electric circuit that outputs a drive signal such as a drive voltage to the mobile device 13 according to the input control signal.

制御装置11において、CPU20は、外部I/F24を介して外部装置やネットワークから光走査情報を取得する。なお、CPU20が光走査情報を取得することができる構成であればよく、制御装置11内のROM22やFPGA23に光走査情報を格納する構成としてもよいし、制御装置11内に新たにSSD等の記憶装置を設けて、その記憶装置に光走査情報を格納する構成としてもよい。 In the control device 11 , the CPU 20 acquires optical scanning information from an external device or network via the external I/F 24 . It should be noted that any configuration may be used as long as the CPU 20 can acquire the optical scanning information. A storage device may be provided and the optical scanning information may be stored in the storage device.

ここで、光走査情報とは、被走査面15にどのように光走査させるかを示した情報であり、例えば、光走査により画像を表示する場合は、光走査情報は画像データである。また、例えば、光走査により光書込みを行う場合は、光走査情報は書込み順や書込み箇所を示した書込みデータである。他にも、例えば、光走査により物体認識を行う場合は、光走査情報は物体認識用の光を照射するタイミングと照射範囲を示す照射データである。 Here, the optical scanning information is information indicating how to optically scan the surface 15 to be scanned. For example, when an image is displayed by optical scanning, the optical scanning information is image data. Further, for example, when optical writing is performed by optical scanning, the optical scanning information is writing data indicating the writing order and writing location. In addition, for example, when object recognition is performed by optical scanning, the optical scanning information is irradiation data indicating the timing and irradiation range of irradiation with light for object recognition.

制御装置11は、CPU20の命令および図2に示したハードウェア構成によって、次に説明する機能構成を実現することができる。 The control device 11 can implement the functional configuration described below by means of commands from the CPU 20 and the hardware configuration shown in FIG.

次に、光走査システム10の制御装置11の機能構成について図3を用いて説明する。図3は、光走査システムの制御装置の一例の機能ブロック図である。 Next, the functional configuration of the controller 11 of the optical scanning system 10 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a functional block diagram of an example of the controller of the optical scanning system.

図3に示すように、制御装置11は、機能として制御部30と駆動信号出力部31とを有する。 As shown in FIG. 3, the control device 11 has a control section 30 and a drive signal output section 31 as functions.

制御部30は、例えばCPU20、FPGA23等により実現され、外部装置から光走査情報を取得し、光走査情報を制御信号に変換して駆動信号出力部31に出力する。例えば、制御部30は、外部装置等から画像データを光走査情報として取得し、所定の処理により画像データから制御信号を生成して駆動信号出力部31に出力する。 The control unit 30 is implemented by, for example, the CPU 20 and the FPGA 23 , acquires optical scanning information from an external device, converts the optical scanning information into control signals, and outputs the control signals to the drive signal output unit 31 . For example, the control unit 30 acquires image data as optical scanning information from an external device or the like, generates a control signal from the image data through predetermined processing, and outputs the control signal to the drive signal output unit 31 .

駆動信号出力部31は、光源装置ドライバ25、可動装置ドライバ26等により実現され、入力された制御信号に基づいて光源装置12または可動装置13に駆動信号を出力する。駆動信号は、光源装置12または可動装置13の駆動を制御するための信号である。例えば、光源装置12においては、光源の照射タイミングおよび照射強度を制御する駆動電圧である。また、例えば、可動装置13においては、可動装置13の有する反射面14を可動させるタイミングおよび可動範囲を制御する駆動電圧である。 The drive signal output unit 31 is realized by the light source device driver 25, the movable device driver 26, etc., and outputs a drive signal to the light source device 12 or the movable device 13 based on the input control signal. The drive signal is a signal for controlling driving of the light source device 12 or the movable device 13 . For example, in the light source device 12, it is a driving voltage for controlling the irradiation timing and irradiation intensity of the light source. Further, for example, in the movable device 13 , it is a drive voltage for controlling the timing and movable range for moving the reflecting surface 14 of the movable device 13 .

次に、光走査システム10が被走査面15を光走査する処理について図4を用いて説明する。図4は、光走査システムに係る処理の一例のフローチャートである。 Next, a process of optically scanning the surface 15 to be scanned by the optical scanning system 10 will be described with reference to FIG. FIG. 4 is a flowchart of an example of processing related to the optical scanning system.

ステップS11において、制御部30は、外部装置等から光走査情報を取得する。 In step S11, the control unit 30 acquires optical scanning information from an external device or the like.

ステップS12において、制御部30は、取得した光走査情報から制御信号を生成し、制御信号を駆動信号出力部31に出力する。 In step S<b>12 , the control section 30 generates a control signal from the acquired optical scanning information and outputs the control signal to the drive signal output section 31 .

ステップS13において、駆動信号出力部31は、入力された制御信号に基づいて駆動信号を光源装置12および可動装置13に出力する。 In step S13, the drive signal output unit 31 outputs a drive signal to the light source device 12 and the movable device 13 based on the input control signal.

ステップS14において、光源装置12は、入力された駆動信号に基づいて光照射を行う。また、可動装置13は、入力された駆動信号に基づいて反射面14の可動を行う。光源装置12および可動装置13の駆動により、任意の方向に光が偏向され、光走査される。 In step S14, the light source device 12 performs light irradiation based on the input drive signal. Also, the movable device 13 moves the reflecting surface 14 based on the input drive signal. By driving the light source device 12 and the movable device 13, light is deflected in an arbitrary direction and optically scanned.

なお、上記光走査システム10では、1つの制御装置11が光源装置12および可動装置13を制御する装置および機能を有しているが、光源装置用の制御装置および可動装置用の制御装置と、別体に設けてもよい。 In the optical scanning system 10, one control device 11 has a device and functions for controlling the light source device 12 and the movable device 13. The control device for the light source device and the control device for the movable device, It may be provided separately.

また、上記光走査システム10では、1つの制御装置11に光源装置12および可動装置13の制御部30の機能および駆動信号出力部31の機能を設けているが、これらの機能は別体として存在していてもよく、例えば制御部30を有した制御装置11とは別に駆動信号出力部31を有した駆動信号出力装置を設ける構成としてもよい。なお、上記光走査システム10のうち、反射面14を有した可動装置13と制御装置11により、光偏向を行う光偏向システムを構成してもよい。 In the optical scanning system 10, one control device 11 is provided with the functions of the control section 30 of the light source device 12 and the movable device 13 and the function of the drive signal output section 31, but these functions exist as separate entities. Alternatively, for example, a configuration in which a drive signal output device having a drive signal output section 31 is provided separately from the control device 11 having the control section 30 may be employed. In the optical scanning system 10, the movable device 13 having the reflecting surface 14 and the control device 11 may constitute an optical deflection system that deflects the light.

[画像投影装置]
次に、本実施形態の可動装置を適用した画像投影装置について、図5および図6を用いて詳細に説明する。
[Image projection device]
Next, an image projection device to which the movable device of this embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 5 and 6. FIG.

図5は、画像投影装置の一例であるヘッドアップディスプレイ装置500を搭載した自動車400の実施形態に係る概略図である。また、図6はヘッドアップディスプレイ装置500の一例の概略図である。 FIG. 5 is a schematic diagram of an embodiment of an automobile 400 equipped with a head-up display device 500, which is an example of an image projection device. Also, FIG. 6 is a schematic diagram of an example of the head-up display device 500 .

画像投影装置は、光走査により画像を投影する装置であり、例えばヘッドアップディスプレイ装置である。 An image projection device is a device that projects an image by optical scanning, such as a head-up display device.

図5に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、例えば、自動車400のウインドシールド(フロントガラス401等)の付近に設置される。ヘッドアップディスプレイ装置500から発せられる投射光Lがフロントガラス401で反射され、ユーザーである観察者(運転者402)に向かう。これにより、運転者402は、ヘッドアップディスプレイ装置500によって投影された画像等を虚像として視認することができる。なお、ウインドシールドの内壁面にコンバイナを設置し、コンバイナによって反射する投射光によってユーザーに虚像を視認させる構成にしてもよい。 As shown in FIG. 5, the head-up display device 500 is installed near the windshield (windshield 401 etc.) of the automobile 400, for example. The projection light L emitted from the head-up display device 500 is reflected by the windshield 401 and travels toward the observer (driver 402) who is the user. Accordingly, the driver 402 can visually recognize the image or the like projected by the head-up display device 500 as a virtual image. A combiner may be installed on the inner wall surface of the windshield so that the user can visually recognize the virtual image by projected light reflected by the combiner.

図6に示すように、ヘッドアップディスプレイ装置500は、赤色、緑色、青色のレーザ光源501R,501G,501Bからレーザ光が出射される。出射されたレーザ光は、各レーザ光源に対して設けられるコリメータレンズ502,503,504と、2つのダイクロイックミラー505,506と、光量調整部507と、から構成される入射光学系を経た後、反射面14を有する可動装置13にて偏向される。そして、偏向されたレーザ光は、自由曲面ミラー509と、中間スクリーン510と、投射ミラー511とから構成される投射光学系を経て、スクリーンに投影される。なお、上記ヘッドアップディスプレイ装置500では、レーザ光源501R,501G,501B、コリメータレンズ502,503,504、ダイクロイックミラー505,506は、光源ユニット530として光学ハウジングによってユニット化されている。 As shown in FIG. 6, head-up display device 500 emits laser light from red, green, and blue laser light sources 501R, 501G, and 501B. The emitted laser light passes through an incident optical system composed of collimator lenses 502, 503, and 504 provided for each laser light source, two dichroic mirrors 505 and 506, and a light amount adjustment section 507, It is deflected by a movable device 13 having a reflective surface 14 . The deflected laser light passes through a projection optical system composed of a free-form surface mirror 509, an intermediate screen 510, and a projection mirror 511, and is projected onto the screen. In the head-up display device 500, the laser light sources 501R, 501G and 501B, the collimator lenses 502, 503 and 504, and the dichroic mirrors 505 and 506 are unitized as a light source unit 530 by an optical housing.

上記ヘッドアップディスプレイ装置500は、中間スクリーン510に表示される中間像を自動車400のフロントガラス401に投射することで、その中間像を運転者402に虚像として視認させる。 The head-up display device 500 projects the intermediate image displayed on the intermediate screen 510 onto the windshield 401 of the automobile 400 so that the driver 402 can visually recognize the intermediate image as a virtual image.

レーザ光源501R,501G,501Bから発せられる各色レーザ光は、それぞれ、コリメータレンズ502,503,504で略平行光とされ、2つのダイクロイックミラー505,506により合成される。合成されたレーザ光は、光量調整部507で光量が調整された後、反射面14を有する可動装置13によって二次元走査される。可動装置13で二次元走査された投射光Lは、自由曲面ミラー509で反射されて歪みを補正された後、中間スクリーン510に集光され、中間像を表示する。中間スクリーン510は、マイクロレンズが二次元配置されたマイクロレンズアレイで構成されており、中間スクリーン510に入射してくる投射光Lをマイクロレンズ単位で拡大する。 Color laser beams emitted from laser light sources 501R, 501G, and 501B are collimated by collimator lenses 502, 503, and 504, respectively, and combined by two dichroic mirrors 505 and 506, respectively. The combined laser light is two-dimensionally scanned by the movable device 13 having the reflecting surface 14 after the light amount is adjusted by the light amount adjusting unit 507 . The projection light L that has been two-dimensionally scanned by the movable device 13 is reflected by the free-form surface mirror 509 and corrected for distortion, and then converged on the intermediate screen 510 to display an intermediate image. The intermediate screen 510 is composed of a microlens array in which microlenses are two-dimensionally arranged, and magnifies the projection light L incident on the intermediate screen 510 in microlens units.

可動装置13は、反射面14を2軸方向に往復可動させ、反射面14に入射する投射光Lを二次元走査する。この可動装置13の駆動制御は、レーザ光源501R,501G,501Bの発光タイミングに同期して行われる。 The movable device 13 reciprocates the reflecting surface 14 in two axial directions, and two-dimensionally scans the projection light L incident on the reflecting surface 14 . The drive control of this movable device 13 is performed in synchronization with the light emission timings of the laser light sources 501R, 501G, and 501B.

以上、画像投影装置の一例としてのヘッドアップディスプレイ装置500の説明をしたが、画像投影装置は、反射面14を有した可動装置13により光走査を行うことで画像を投影する装置であればよい。例えば、机等に置かれ、表示スクリーン上に画像を投影するプロジェクタや、観測者の頭部等に装着される装着部材に搭載され、装着部材が有する反射透過スクリーンに投影、または眼球をスクリーンとして画像を投影するヘッドマウントディスプレイ装置等にも、同様に適用することができる。 The head-up display device 500 has been described above as an example of the image projection device, but the image projection device may be any device that projects an image by performing optical scanning with the movable device 13 having the reflecting surface 14. . For example, a projector that is placed on a desk or the like and projects an image onto a display screen, is mounted on a mounting member that is worn on the head of an observer, etc., and projects onto a reflective transmission screen that the mounting member has, or uses the eyeball as a screen. The same can be applied to a head-mounted display device or the like that projects an image.

また、画像投影装置は、車両や装着部材だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。 In addition, the image projection device is used not only for vehicles and mounting members, but also for mobile objects such as aircraft, ships, and mobile robots, or working robots that operate objects to be driven such as manipulators without moving from the spot. It may be mounted on a non-moving object.

尚、ヘッドアップディスプレイ装置500は、特許請求の範囲に記載の「ヘッドアップディスプレイ」の一例である。また自動車400は、特許請求の範囲に記載の「車両」の一例である。 The head-up display device 500 is an example of the "head-up display" described in the claims. Also, the automobile 400 is an example of the "vehicle" described in the claims.

[光書込装置]
次に、本実施形態の可動装置13を適用した光書込装置について図7および図8を用いて詳細に説明する。
[Optical writing device]
Next, an optical writing device to which the movable device 13 of this embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 7 and 8. FIG.

図7は、光書込装置600を組み込んだ画像形成装置の一例である。また、図8は、光書込装置の一例の概略図である。 FIG. 7 shows an example of an image forming apparatus in which the optical writing device 600 is incorporated. Also, FIG. 8 is a schematic diagram of an example of an optical writing device.

図7に示すように、上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有するレーザプリンタ650等に代表される画像形成装置の構成部材として使用される。画像形成装置において光書込装置600は、1本または複数本のレーザビームで被走査面15である感光体ドラムを光走査することにより、感光体ドラムに光書込を行う。 As shown in FIG. 7, the optical writing device 600 is used as a constituent member of an image forming apparatus typified by a laser printer 650 having a printer function using laser light. In the image forming apparatus, the optical writing device 600 performs optical writing on the photosensitive drum by optically scanning the photosensitive drum, which is the surface to be scanned 15, with one or more laser beams.

図8に示すように、光書込装置600において、レーザ素子などの光源装置12からのレーザ光は、コリメータレンズなどの結像光学系601を経た後、反射面14を有する可動装置13により1軸方向または2軸方向に偏向される。そして、可動装置13で偏向されたレーザ光は、その後、第一レンズ602aと第二レンズ602b、反射ミラー部602cからなる走査光学系602を経て、被走査面15(例えば感光体ドラムや感光紙)に照射し、光書込みを行う。走査光学系602は、被走査面15にスポット状に光ビームを結像する。また、光源装置12および反射面14を有する可動装置13は、制御装置11の制御に基づき駆動する。 As shown in FIG. 8, in an optical writing device 600, a laser beam from a light source device 12 such as a laser element passes through an imaging optical system 601 such as a collimator lens, and then passes through a movable device 13 having a reflecting surface 14. Axially or biaxially deflected. The laser beam deflected by the movable device 13 then passes through a scanning optical system 602 consisting of a first lens 602a, a second lens 602b, and a reflecting mirror portion 602c, and passes through the surface to be scanned 15 (for example, a photosensitive drum or photosensitive paper). ) to perform optical writing. The scanning optical system 602 forms a spot-like light beam on the surface 15 to be scanned. Also, the movable device 13 having the light source device 12 and the reflecting surface 14 is driven based on the control of the control device 11 .

このように上記光書込装置600は、レーザ光によるプリンタ機能を有する画像形成装置の構成部材として使用することができる。また、走査光学系を異ならせて1軸方向だけでなく2軸方向に光走査可能にすることで、レーザ光をサーマルメディアに偏向して光走査し、加熱することで印字するレーザラベル装置等の画像形成装置の構成部材として使用することができる。 Thus, the optical writing device 600 can be used as a component of an image forming apparatus having a printer function using laser light. In addition, by making the scanning optical system different so that optical scanning can be performed not only in one axial direction but also in two axial directions, a laser label device or the like that prints by deflecting a laser beam onto a thermal medium, performing optical scanning, and heating the media. can be used as a component of the image forming apparatus.

上記光書込装置に適用される反射面14を有した可動装置13は、ポリゴンミラー等を用いた回転多面鏡に比べ駆動のための消費電力が小さいため、光書込装置の省電力化に有利である。また、可動装置13の振動時における風切り音は回転多面鏡に比べ小さいため、光書込装置の静粛性の改善に有利である。光書込装置は回転多面鏡に比べ設置スペースが圧倒的に少なくて済み、また可動装置13の発熱量もわずかであるため、小型化が容易であり、よって画像形成装置の小型化に有利である。 The movable device 13 having the reflecting surface 14 applied to the optical writing device consumes less power for driving than a rotating polygonal mirror using a polygon mirror or the like, so it contributes to power saving of the optical writing device. Advantageous. In addition, since wind noise when the movable device 13 vibrates is smaller than that of the rotating polygon mirror, it is advantageous for improving the quietness of the optical writing device. The optical writing device requires an overwhelmingly smaller installation space than the rotary polygon mirror, and the amount of heat generated by the movable device 13 is also very small. be.

[物体認識装置]
次に、上記本実施形態の可動装置を適用した物体認識装置について、図9および図10を用いて詳細に説明する。
[Object recognition device]
Next, an object recognition device to which the movable device of the present embodiment is applied will be described in detail with reference to FIGS. 9 and 10. FIG.

図9は、物体認識装置の一例であるライダ(LiDAR;Laser Imaging Detection and Ranging)装置を搭載した自動車の概略図である。また、図10はライダ装置の一例の概略図である。 FIG. 9 is a schematic diagram of a vehicle equipped with a LiDAR (Laser Imaging Detection and Ranging) device, which is an example of an object recognition device. Also, FIG. 10 is a schematic diagram of an example of a lidar device.

物体認識装置は、対象方向の物体を認識する装置であり、例えばライダ装置である。 An object recognition device is a device that recognizes an object in a target direction, such as a lidar device.

図9に示すように、ライダ装置700は、例えば自動車701に搭載され、対象方向を光走査して、対象方向に存在する被対象物702からの反射光を受光することで、被対象物702を認識する。 As shown in FIG. 9, the lidar device 700 is mounted on, for example, an automobile 701, optically scans a target direction, and receives reflected light from a target object 702 existing in the target direction. to recognize

図10に示すように、光源装置12から出射されたレーザ光は、発散光を略平行光とする光学系であるコリメータレンズ703と、平面ミラー704とから構成される入射光学系を経て、反射面14を有する可動装置13で1軸もしくは2軸方向に走査される。そして、投光光学系である投光レンズ705等を経て装置前方の被対象物702に照射される。光源装置12および可動装置13は、制御装置11により駆動を制御される。被対象物702で反射された反射光は、光検出器709により光検出される。すなわち、反射光は入射光検出受光光学系である集光レンズ706等を経て撮像素子707により受光され、撮像素子707は検出信号を信号処理回路708に出力する。信号処理回路708は、入力された検出信号に2値化やノイズ処理等の所定の処理を行い、結果を測距回路710に出力する。 As shown in FIG. 10, the laser light emitted from the light source device 12 passes through an incident optical system composed of a collimator lens 703, which is an optical system that converts divergent light into substantially parallel light, and a plane mirror 704, and is reflected. A movable device 13 having a surface 14 is scanned in one or two axes. Then, the light is projected onto an object 702 in front of the device through a projection lens 705 or the like, which is a projection optical system. The light source device 12 and the movable device 13 are driven and controlled by the control device 11 . Reflected light reflected by the target object 702 is photodetected by a photodetector 709 . That is, the reflected light is received by an imaging device 707 via a condensing lens 706 or the like, which is an incident light detecting and receiving optical system, and the imaging device 707 outputs a detection signal to a signal processing circuit 708 . The signal processing circuit 708 performs predetermined processing such as binarization and noise processing on the input detection signal and outputs the result to the distance measurement circuit 710 .

測距回路710は、光源装置12がレーザ光を発光したタイミングと、光検出器709でレーザ光を受光したタイミングとの時間差、または受光した撮像素子707の画素ごとの位相差によって、被対象物702の有無を認識し、さらに被対象物702との距離情報を算出する。 The distance measuring circuit 710 detects the target object based on the time difference between the timing at which the light source device 12 emits laser light and the timing at which the photodetector 709 receives the laser light, or the phase difference for each pixel of the image sensor 707 that receives the light. The presence or absence of the object 702 is recognized, and distance information to the target object 702 is calculated.

反射面14を有する可動装置13は多面鏡に比べて破損しづらく、小型であるため、耐久性の高い小型のレーダ装置を提供することができる。このようなライダ装置は、例えば車両に取り付けられ、所定範囲を光走査して障害物の有無や障害物までの距離を認識することができる。 Since the movable device 13 having the reflecting surface 14 is less likely to be damaged than a polygonal mirror and is small, it is possible to provide a compact radar device with high durability. Such a lidar device is attached to a vehicle, for example, and can recognize the presence or absence of an obstacle and the distance to the obstacle by optically scanning a predetermined range.

ライダ装置は、車両だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。 A lidar device is mounted not only on a vehicle but also on a mobile object such as an aircraft, a ship, a mobile robot, or a non-mobile object such as a working robot that operates a driven object such as a manipulator without moving from its place. may

上記物体認識装置では、一例としてのライダ装置700の説明をしたが、物体認識装置は、反射面14を有した可動装置13を制御装置11で制御することにより光走査を行い、光検出器により反射光を受光することで被対象物702を認識する装置であればよく、上述した実施形態に限定されるものではない。 In the above object recognition device, the lidar device 700 has been described as an example. Any device may be used as long as it recognizes the target object 702 by receiving reflected light, and is not limited to the above-described embodiments.

例えば、手や顔を光走査して得た距離情報から形状等の物体情報を算出し、記録と参照することで対象物を認識する生体認証や、対象範囲への光走査により侵入物を認識するセキュリティセンサ、光走査により得た距離情報から形状等の物体情報を算出して認識し、3次元データとして出力する3次元スキャナの構成部材などにも同様に適用することができる。 For example, biometric authentication that recognizes an object by calculating object information such as shape from distance information obtained by optically scanning the hand or face, recording and referring to it, or recognizing an intruder by optically scanning the target range. The present invention can also be applied to a security sensor, a component of a three-dimensional scanner that calculates and recognizes object information such as shape from distance information obtained by optical scanning, and outputs it as three-dimensional data.

[レーザヘッドランプ]
次に、上記本実施形態の可動装置を自動車のヘッドライトに適用したレーザヘッドランプ50について、図11 を用いて説明する。図11は、レーザヘッドランプ50の構成の一例を説明する概略図である。
[Laser headlamp]
Next, a laser headlamp 50 in which the movable device of the present embodiment is applied to an automobile headlight will be described with reference to FIG. FIG. 11 is a schematic diagram illustrating an example of the configuration of the laser headlamp 50. As shown in FIG.

レーザヘッドランプ50は、制御装置11と、光源装置12bと、反射面14を有する可動装置13と、ミラー51と、透明板52とを有する。 The laser headlamp 50 has a control device 11 , a light source device 12 b , a movable device 13 having a reflecting surface 14 , a mirror 51 and a transparent plate 52 .

光源装置12bは、青色のレーザ光を発する光源である。光源装置12bから発せられた光は、可動装置13に入射し、反射面14にて反射される。可動装置13は、制御装置11からの信号に基づき、反射面をXY方向に可動し、光源装置12bからの青色のレーザ光をXY方向に二次元走査する。 The light source device 12b is a light source that emits blue laser light. Light emitted from the light source device 12 b enters the movable device 13 and is reflected by the reflecting surface 14 . The movable device 13 moves the reflecting surface in the XY directions based on a signal from the control device 11, and two-dimensionally scans the blue laser light from the light source device 12b in the XY directions.

可動装置13による走査光は、ミラー51で反射され、透明板52に入射する。透明板52は、表面又は裏面を黄色の蛍光体により被覆されている。ミラー51からの青色のレーザ光は、透明板52における黄色の蛍光体の被覆を通過する際に、ヘッドライトの色として法定される範囲の白色に変化する。これにより自動車の前方は、透明板52からの白色光で照明される。 The scanning light from the movable device 13 is reflected by the mirror 51 and enters the transparent plate 52 . The transparent plate 52 is coated with a yellow phosphor on its front or back surface. As the blue laser light from the mirror 51 passes through the yellow phosphor coating on the transparent plate 52, it changes to white within the legal headlight color range. As a result, the front of the automobile is illuminated with white light from the transparent plate 52 .

可動装置13による走査光は、透明板52の蛍光体を通過する際に所定の散乱をする。これにより自動車前方の照明対象における眩しさは緩和される。 The scanning light from the movable device 13 undergoes predetermined scattering when passing through the phosphor of the transparent plate 52 . This alleviates the glare in the illuminated object in front of the vehicle.

可動装置13を自動車のヘッドライトに適用する場合、光源装置12b及び蛍光体の色は、それぞれ青及び黄色に限定されない。例えば、光源装置12bを近紫外線とし、透明板52を、光の三原色の青色、緑色及び赤色の各蛍光体を均一に混ぜたもので被覆してもよい。この場合でも、透明板52を通過する光を白色に変換でき、自動車の前方を白色光で照明することができる。 When applying the movable device 13 to a headlight of a car, the colors of the light source device 12b and the phosphor are not limited to blue and yellow, respectively. For example, the light source device 12b may be near-ultraviolet rays, and the transparent plate 52 may be coated with a uniform mixture of the three primary colors of light, namely blue, green, and red phosphors. Even in this case, the light passing through the transparent plate 52 can be converted into white light, and the front of the automobile can be illuminated with white light.

なお、レーザヘッドランプ50は、車両だけでなく、例えば、航空機、船舶、移動式ロボット等の移動体、あるいは、その場から移動せずにマニピュレータ等の駆動対象を操作する作業ロボットなどの非移動体に搭載されてもよい。 Note that the laser headlamp 50 can be used not only in vehicles, but also in mobile objects such as aircraft, ships, and mobile robots, or non-moving robots such as working robots that operate a driven object such as a manipulator without moving from the spot. It may be mounted on the body.

[ヘッドマウントディスプレイ]
次に、上記本実施形態の可動装置を適用したヘッドマウントディスプレイ60について、図12~13を用いて説明する。ここでヘッドマウントディスプレイ60は、人間の頭部に装着可能な頭部装着型ディスプレイで、例えば、眼鏡に類する形状とすることができる。ヘッドマウントディスプレイを、以降ではHMDと省略して示す。
[Head-mounted display]
Next, a head mounted display 60 to which the movable device of the present embodiment is applied will be described with reference to FIGS. 12 and 13. FIG. Here, the head-mounted display 60 is a head-mounted display that can be worn on a person's head, and can have a shape similar to eyeglasses, for example. The head-mounted display will hereinafter be abbreviated as HMD.

図12は、HMD60の外観を例示する斜視図である。図12において、HMD60は、左右に1組ずつ略対称に設けられたフロント60a、及びテンプル60bにより構成されている。フロント60aは、例えば、導光板61により構成することができ、光学系や制御装置等は、テンプル60bに内蔵することができる。 FIG. 12 is a perspective view illustrating the appearance of the HMD 60. FIG. In FIG. 12, the HMD 60 is composed of a front 60a and a temple 60b, which are provided approximately symmetrically in pairs on the left and right sides. The front 60a can be composed of, for example, a light guide plate 61, and the optical system, control device, and the like can be incorporated in the temple 60b.

図13は、HMD60の構成を部分的に例示する図である。なお、図13では、左眼用の構成を例示しているが、HMD60は右眼用としても同様の構成を有している。 FIG. 13 is a diagram partially illustrating the configuration of the HMD 60. As shown in FIG. Although FIG. 13 illustrates the configuration for the left eye, the HMD 60 has the same configuration for the right eye.

HMD60は、制御装置11と、光源ユニット530と、光量調整部507と、反射面14を有する可動装置13と、導光板61と、ハーフミラー62とを有している。 The HMD 60 has a control device 11 , a light source unit 530 , a light quantity adjusting section 507 , a movable device 13 having a reflecting surface 14 , a light guide plate 61 and a half mirror 62 .

光源ユニット530は、上述したように、レーザ光源501R、501G、及び501Bと、コリメータレンズ502、503、及び504と、ダイクロイックミラー505、及び506とを、光学ハウジングによってユニット化したものである。光源ユニット530において、レーザ光源501R、501G、及び501Bからの三色のレーザ光は、ダイクロイックミラー505及び506で合成される。光源ユニット530からは、合成された平行光が発せられる。 The light source unit 530 unitizes the laser light sources 501R, 501G and 501B, the collimator lenses 502, 503 and 504, and the dichroic mirrors 505 and 506 with an optical housing as described above. In the light source unit 530, the three-color laser beams from the laser light sources 501R, 501G, and 501B are synthesized by the dichroic mirrors 505 and 506. Combined parallel light is emitted from the light source unit 530 .

光源ユニット530からの光は、光量調整部507により光量調整された後、可動装置13に入射する。可動装置13は、制御装置11からの信号に基づき、反射面14をXY方向に可動し、光源ユニット530からの光を二次元走査する。この可動装置13の駆動制御は、レーザ光源501R、501G、501Bの発光タイミングに同期して行われ、走査光によりカラー画像が形成される。 The light from the light source unit 530 is incident on the movable device 13 after the light amount is adjusted by the light amount adjusting section 507 . The movable device 13 moves the reflecting surface 14 in the XY directions based on a signal from the control device 11 and two-dimensionally scans the light from the light source unit 530 . The driving control of the movable device 13 is performed in synchronization with the light emission timing of the laser light sources 501R, 501G, and 501B, and a color image is formed by scanning light.

可動装置13による走査光は、導光板61に入射する。導光板61は、走査光を内壁面で反射させながらハーフミラー62に導光する。導光板61は、走査光の波長に対して透過性を有する樹脂等により形成されている。 Scanning light from the movable device 13 enters the light guide plate 61 . The light guide plate 61 guides the scanning light to the half mirror 62 while reflecting it on the inner wall surface. The light guide plate 61 is made of resin or the like that is transparent to the wavelength of the scanning light.

ハーフミラー62は、導光板61からの光をHMD60の背面側に反射し、HMD60の装着者63の眼の方向に出射する。ハーフミラー62は、例えば、自由曲面形状を有している。走査光による画像は、ハーフミラー62での反射により、装着者63の網膜に結像する。或いは、ハーフミラー62での反射と眼球における水晶体のレンズ効果とにより、装着者63の網膜に結像する。またハーフミラー62での反射により、画像は空間歪が補正される。装着者63は、XY方向に走査される光で形成される画像を、観察することができる。 The half mirror 62 reflects the light from the light guide plate 61 toward the back side of the HMD 60 and emits the light toward the eyes of the wearer 63 of the HMD 60 . The half mirror 62 has, for example, a free curved surface shape. An image of the scanning light is reflected by the half mirror 62 and formed on the retina of the wearer 63 . Alternatively, an image is formed on the retina of the wearer 63 by the reflection on the half mirror 62 and the lens effect of the crystalline lens in the eyeball. Further, the spatial distortion of the image is corrected by the reflection on the half mirror 62 . The wearer 63 can observe an image formed by light scanned in the XY directions.

62はハーフミラーであるため、装着者63には、外界からの光による像と走査光による画像が重畳して観察される。ハーフミラー62に代えてミラーを設けることで、外界からの光をなくし、走査光による画像のみを観察できる構成としてもよい。 Since 62 is a half mirror, the wearer 63 observes an image of light from the outside and an image of scanning light superimposed. By providing a mirror in place of the half mirror 62, the light from the outside may be eliminated and only the image by the scanning light may be observed.

[パッケージング]
次に、本実施形態の可動装置のパッケージングについて図14を用いて説明する。
[Packaging]
Next, the packaging of the movable device of this embodiment will be described with reference to FIG. 14 .

図14は、パッケージングされた可動装置の一例の概略図である。 FIG. 14 is a schematic diagram of an example of a packaged mobile device.

図14に示すように、可動装置13は、パッケージ部材801の内側に配置される取付部材802に取り付けられ、パッケージ部材801の一部を透過部材803で覆われて、密閉されることでパッケージングされる。さらに、パッケージ内は窒素等の不活性ガスが密封されている。これにより、可動装置13の酸化による劣化が抑制され、さらに温度等の環境の変化に対する耐久性が向上する。 As shown in FIG. 14 , the movable device 13 is attached to an attachment member 802 arranged inside a package member 801, and a part of the package member 801 is covered with a transparent member 803 to be hermetically sealed. be done. Furthermore, the inside of the package is sealed with an inert gas such as nitrogen. As a result, deterioration due to oxidation of the movable device 13 is suppressed, and durability against environmental changes such as temperature is improved.

以上に説明した光偏向システム、光走査システム、画像投影装置、光書込装置、物体認識装置、レーザヘッドランプ、及びヘッドマウントディスプレイに使用される本実施形態の可動装置の詳細について、以下で図面を参照しながら説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。 Details of the movable device of the present embodiment used in the optical deflection system, the optical scanning system, the image projection device, the optical writing device, the object recognition device, the laser headlamp, and the head mounted display described above are shown in the drawings below. will be described with reference to. In addition, in each drawing, the same code|symbol may be attached|subjected to the same component part, and the overlapping description may be abbreviate|omitted.

実施形態の説明では、第1軸を回動の中心とした光走査を副走査とし、第2軸を回動の中心とした光走査を主走査とする。また実施形態の用語における回動、揺動、可動は同義であるとする。さらに、矢印により示した方向のうち、X方向は第1軸と平行な方向、Y方向は第2軸と平行な方向、Z方向はXY平面と直交する方向とする。なお、Z方向は「積層方向」の一例である。 In the description of the embodiments, sub-scanning is optical scanning with the first axis as the center of rotation, and main scanning is optical scanning with the second axis as the center of rotation. Also, the terms "rotation", "swing" and "movability" in the terms of the embodiment are synonymous. Furthermore, among the directions indicated by the arrows, the X direction is the direction parallel to the first axis, the Y direction is the direction parallel to the second axis, and the Z direction is the direction perpendicular to the XY plane. Note that the Z direction is an example of the “stacking direction”.

[第1実施形態]
〈可動装置の構造〉
図15は、第1実施形態に係る可動装置を例示する平面図である。図16は、図15のA-A線に沿う断面図である。図17は、図15のB-B線に沿う断面図である。
[First embodiment]
<Structure of movable device>
15 is a plan view illustrating the movable device according to the first embodiment; FIG. 16 is a cross-sectional view taken along line AA of FIG. 15. FIG. 17 is a cross-sectional view taken along line BB of FIG. 15. FIG.

図15に示す可動装置13は、反射面を備える可動部を共振振動により回動させて、反射面へ入射する光を2軸方向(第1軸及び第2軸の周り)に偏向する片持ちタイプの光偏向素子である。 The movable device 13 shown in FIG. 15 is a cantilever that rotates a movable portion having a reflecting surface by resonance vibration and deflects light incident on the reflecting surface in two axial directions (around the first axis and the second axis). type optical deflector.

可動装置13は、主走査方向に相当する第1軸の周りのミラー部101の回動と、副走査方向に相当する第2軸の周りのミラー部101の回動とを可能にする構造を備えている。すなわち、可動装置13は、ミラー部101が2軸方向に回転することにより、入射する光を2軸方向に走査しながら偏向可能である。以下、可動装置13の構造について詳説する。 The movable device 13 has a structure that enables rotation of the mirror section 101 about a first axis corresponding to the main scanning direction and rotation of the mirror section 101 about a second axis corresponding to the sub-scanning direction. I have. That is, the movable device 13 can deflect incident light while scanning in two axial directions by rotating the mirror section 101 in two axial directions. The structure of the movable device 13 will be described in detail below.

可動装置13は、入射した光を反射するミラー部101と、可動部であるミラー部101に接続されミラー部101をY軸に平行な第1軸の周りに駆動する第1駆動部110a及び110bと、ミラー部101並びに第1駆動部110a及び110bを支持する第1支持部120と、第1支持部120に接続されミラー部101及び第1支持部120をX軸に平行な(第1軸と垂直方向の)第2軸の周りに駆動する第2駆動部130a及び130bと、第2駆動部130a及び130bを支持する第2支持部140と、第1駆動部110a及び110b並びに第2駆動部130a及び130bと電気的に接続される電極接続部150と、を有する。 The movable device 13 includes a mirror portion 101 that reflects incident light, and first driving portions 110a and 110b that are connected to the mirror portion 101, which is a movable portion, and drive the mirror portion 101 around a first axis parallel to the Y axis. , a first supporting portion 120 that supports the mirror portion 101 and the first driving portions 110a and 110b, and a mirror portion 101 and the first supporting portion 120 connected to the first supporting portion 120 parallel to the X axis (first axis a second drive portion 130a and 130b driving about a second axis (perpendicular to and perpendicular to the axis); a second support portion 140 supporting the second drive portion 130a and 130b; and an electrode connection portion 150 electrically connected to the portions 130a and 130b.

可動装置13は、例えば、サファイア/シリコン構造からなるSOS(Sapphire On Silicon)基板をエッチング処理等により成形し、成形した基板上に反射面14や第1圧電駆動部112a及び112b、第2圧電駆動部131a~131f及び132a~132f、電極接続部150等を形成することで、各構成部が一体的に形成されている。なお、上記の各構成部の形成は、SOS基板の成形後に行ってもよいし、SOS基板の成形中に行ってもよい。 The movable device 13 is formed by, for example, forming a SOS (Sapphire On Silicon) substrate having a sapphire/silicon structure by etching or the like. By forming the portions 131a to 131f and 132a to 132f, the electrode connection portion 150, and the like, each constituent portion is integrally formed. The formation of each component described above may be performed after the SOS substrate is molded, or may be performed during the molding of the SOS substrate.

SOS基板は、単結晶シリコン(Si)からなる第1のシリコン層の上に酸化シリコン層が設けられ、その酸化シリコン層の上に更にサファイアからなる活性層が設けられた基板である。以降、第1のシリコン層を支持層161、サファイア活性層を活性層163とする。なお、酸化シリコン層162はなくても構わない。 The SOS substrate is a substrate in which a silicon oxide layer is provided on a first silicon layer made of single crystal silicon (Si), and an active layer made of sapphire is further provided on the silicon oxide layer. Hereinafter, the first silicon layer will be referred to as a support layer 161 and the sapphire active layer will be referred to as an active layer 163 . Note that the silicon oxide layer 162 may be omitted.

活性層163は、例えば、炭化ケイ素(SiC)、酸化アルミニウム(Al、アルミナ、サファイア)、窒化ケイ素(Si)、ダイヤモンド、窒化アルミニウム(AlN)、酸化ジルコニウム(ZrO)等を含む破壊靭性と弾性限界とヤング率がシリコンに比べて大きい材料であれば、サファイアに限られない。また、活性層163は、X軸方向またはY軸方向に対してZ軸方向への厚みが小さいため、活性層163のみで構成された部材は、弾性を有する弾性部としての機能を備える。 The active layer 163 is made of, for example, silicon carbide (SiC), aluminum oxide ( Al2O3 , alumina , sapphire), silicon nitride ( Si3N4 ), diamond, aluminum nitride (AlN), zirconium oxide ( ZrO2 ), or the like. It is not limited to sapphire, as long as it is a material that has greater fracture toughness, elastic limit, and Young's modulus than silicon. In addition, since the active layer 163 has a smaller thickness in the Z-axis direction than in the X-axis direction or the Y-axis direction, the member composed only of the active layer 163 functions as an elastic portion having elasticity.

なお、SOS基板は、必ず平面状である必要はなく、曲率等を有していてもよい。また、エッチング処理等により一体的に成型でき、部分的に弾性を持たせることができ、活性層163の材料が上述のように破壊靭性と弾性限界とヤング率がシリコンに比べて大きい材料であれば可動装置13の形成に用いられる部材はSOS基板に限らない。 Note that the SOS substrate does not necessarily have to be planar, and may have a curvature or the like. In addition, if the material of the active layer 163 is a material that can be integrally molded by etching treatment or the like, can be partially elastic, and has higher fracture toughness, elastic limit, and Young's modulus than silicon, as described above. For example, the member used to form the movable device 13 is not limited to the SOS substrate.

ミラー部101は、可動部であり、例えば、円形状のミラー部基体102と、ミラー部基体102の+Z側の面上に形成された反射面14とから構成される。ミラー部基体102は、活性層163から構成される。反射面14は、例えば、アルミニウム、金、銀等を含む金属薄膜で構成される。 The mirror section 101 is a movable section, and includes, for example, a circular mirror section base 102 and a reflecting surface 14 formed on the +Z side surface of the mirror section base 102 . The mirror section substrate 102 is composed of an active layer 163 . The reflecting surface 14 is composed of a metal thin film containing, for example, aluminum, gold, silver, or the like.

また、ミラー部101は、ミラー部基体102の-Z側の面にミラー部補強用のリブが形成されていてもよい。リブは、支持層161及び酸化シリコン層162、または支持層161のみから構成され、可動によって生じる反射面14の歪みを抑制できる。 Further, the mirror portion 101 may have ribs for reinforcing the mirror portion formed on the −Z side surface of the mirror portion base 102 . The ribs are composed of the support layer 161 and the silicon oxide layer 162, or only the support layer 161, and can suppress distortion of the reflecting surface 14 caused by movement.

第1駆動部110a及び110bは、ミラー部基体102に一端が接続し、第1軸方向にそれぞれ延びてミラー部101を可動可能に支持する2つのトーションバー111a及び111bと、一端がトーションバー111aまたは111bに接続され、他端が第1支持部120の内周部に接続される第1圧電駆動部112a及び112bを含む。 The first drive portions 110a and 110b have two torsion bars 111a and 111b each having one end connected to the mirror portion base 102 and extending in the first axis direction to movably support the mirror portion 101, and one end connecting the torsion bar 111a. or 111b and the other end of which is connected to the inner periphery of the first support 120.

図16に示すように、トーションバー111a及び111bは活性層163から構成される。また、第1圧電駆動部112a及び112bは、弾性部である活性層163の+Z側の面上に下部電極201、圧電部202、上部電極203の順に形成される。上部電極203及び下部電極201は、例えば金(Au)または白金(Pt)等から構成される。圧電部202は、例えば、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる。 As shown in FIG. 16, the torsion bars 111a and 111b are composed of an active layer 163. As shown in FIG. The first piezoelectric drive portions 112a and 112b are formed in the order of the lower electrode 201, the piezoelectric portion 202, and the upper electrode 203 on the +Z side surface of the active layer 163, which is the elastic portion. The upper electrode 203 and the lower electrode 201 are made of, for example, gold (Au) or platinum (Pt). The piezoelectric portion 202 is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate), which is a piezoelectric material.

図15に戻り、第1支持部120は、例えば、支持層161、酸化シリコン層162、及び活性層163の3層、或いは支持層161及び活性層163の2層から構成され、ミラー部101を囲うように形成された矩形形状の支持体である。 Returning to FIG. 15, the first support section 120 is composed of, for example, three layers of a support layer 161, a silicon oxide layer 162, and an active layer 163, or two layers of a support layer 161 and an active layer 163. It is a rectangular support formed to surround.

第2駆動部130a及び130bは、例えば、折り返すように連結された複数の第2圧電駆動部131a~131f及び132a~132fから構成されている。第2駆動部130a及び130bの一端は第1支持部120の外周部に接続され、他端は第2支持部140の内周部に接続されている。 The second driving portions 130a and 130b are composed of, for example, a plurality of second piezoelectric driving portions 131a to 131f and 132a to 132f connected in a folded manner. One ends of the second drive portions 130 a and 130 b are connected to the outer peripheral portion of the first support portion 120 , and the other ends are connected to the inner peripheral portion of the second support portion 140 .

このとき、第2駆動部130aと第1支持部120の接続箇所及び第2駆動部130bと第1支持部120の接続箇所、更に第2駆動部130aと第2支持部140の接続箇所、及び第2駆動部130bと第2支持部140の接続箇所は、反射面14の中心に対して点対称となっている。 At this time, the connection point between the second drive portion 130a and the first support portion 120, the connection point between the second drive portion 130b and the first support portion 120, the connection point between the second drive portion 130a and the second support portion 140, and the The connection point between the second driving portion 130b and the second supporting portion 140 is symmetrical with respect to the center of the reflecting surface 14. As shown in FIG.

ここで、第2圧電駆動部131b、131d、及び131f、並びに132a、132c、及び132eは圧電駆動部群170Aを構成する。圧電駆動部群170Aは、駆動電圧が各圧電部に対して同時に印加されると、同一方向に屈曲変形する。この変形を回動力として、ミラー部101が第1軸の周りに回動する。 Here, the second piezoelectric drivers 131b, 131d, and 131f, and 132a, 132c, and 132e constitute a piezoelectric driver group 170A. The piezoelectric driving section group 170A bends and deforms in the same direction when drive voltages are simultaneously applied to the piezoelectric sections. Using this deformation as a turning force, the mirror section 101 turns around the first axis.

また、第2圧電駆動部131a、131c、及び131e、並びに132b、132d、及び132fは圧電駆動部群170Bを構成する。圧電駆動部群170Bは、駆動電圧が各圧電部に対して同時に印加されると、同一方向に屈曲変形する。この変形を回動力として、可動部110が、圧電駆動部群170Aによる回動とは逆方向に第1軸の周りに回動する。 Further, the second piezoelectric drive units 131a, 131c, 131e, and 132b, 132d, and 132f constitute a piezoelectric drive unit group 170B. The piezoelectric driving section group 170B bends and deforms in the same direction when drive voltages are simultaneously applied to the piezoelectric sections. Using this deformation as a turning force, the movable part 110 turns around the first axis in a direction opposite to the turning by the piezoelectric driving part group 170A.

図17に示すように、第2駆動部130a及び130bは、弾性部である活性層163の+Z側の面上に下部電極201、圧電部202、上部電極203の順に形成される。上部電極203及び下部電極201は、例えば金(Au)または白金(Pt)等から構成される。圧電部202は、例えば、圧電材料であるPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)からなる。 As shown in FIG. 17, the second drive portions 130a and 130b are formed in the order of the lower electrode 201, the piezoelectric portion 202, and the upper electrode 203 on the +Z side surface of the active layer 163, which is the elastic portion. The upper electrode 203 and the lower electrode 201 are made of, for example, gold (Au) or platinum (Pt). The piezoelectric portion 202 is made of, for example, PZT (lead zirconate titanate), which is a piezoelectric material.

図15に戻り、第2支持部140は、例えば、支持層161、酸化シリコン層162、及び活性層163の3層、或いは支持層161及び活性層163の2層から構成され、ミラー部101、第1駆動部110a及び110b、第1支持部120、並びに第2駆動部130a及び130bを囲うように形成された矩形の支持体である。 Returning to FIG. 15, the second support section 140 is composed of, for example, three layers of a support layer 161, a silicon oxide layer 162, and an active layer 163, or two layers of a support layer 161 and an active layer 163. It is a rectangular support formed to surround the first drive portions 110a and 110b, the first support portion 120, and the second drive portions 130a and 130b.

電極接続部150は、例えば、第2支持部140の+Z側の面上に形成され、第1圧電駆動部112a及び112b、第2圧電駆動部131a~131fの各上部電極203及び各下部電極201を、アルミニウム(Al)等の電極配線を介して、制御装置11と電気的に接続するための部分である。なお、上部電極203または下部電極201は、それぞれが電極接続部150と直接接続されていてもよいし、電極同士を接続する等により間接的に接続されていてもよい。 The electrode connection portion 150 is formed, for example, on the +Z side surface of the second support portion 140, and connects the upper electrodes 203 and the lower electrodes 201 of the first piezoelectric drive portions 112a and 112b and the second piezoelectric drive portions 131a to 131f. is electrically connected to the control device 11 via electrode wiring made of aluminum (Al) or the like. The upper electrode 203 or the lower electrode 201 may be directly connected to the electrode connection portion 150, or may be indirectly connected by connecting the electrodes to each other.

なお、本実施形態では、圧電部202が弾性部である活性層163の一面(+Z側の面)のみに形成された場合を一例として説明した。しかし、圧電部202を弾性部の他面(例えば-Z側の面)に設けても良いし、圧電部202を弾性部の一面及び他面の双方に設けても良い。 In the present embodiment, the case where the piezoelectric portion 202 is formed only on one surface (the surface on the +Z side) of the active layer 163, which is the elastic portion, has been described as an example. However, the piezoelectric portion 202 may be provided on the other surface of the elastic portion (for example, the surface on the -Z side), or the piezoelectric portion 202 may be provided on both one surface and the other surface of the elastic portion.

また、ミラー部101を第1軸の周りまたは第2軸の周りに駆動可能であれば、各構成部の形状は実施形態の形状に限定されない。例えば、トーションバー111a及び111bや第1圧電駆動部112a及び112bが曲率を有した形状を有していてもよい。 Further, the shape of each component is not limited to the shape of the embodiment as long as the mirror portion 101 can be driven around the first axis or around the second axis. For example, the torsion bars 111a and 111b and the first piezoelectric drive portions 112a and 112b may have curved shapes.

更に、第1駆動部110a及び110bの上部電極203の+Z側の面上、第1支持部120の+Z側の面上、第2駆動部130a及び130bの上部電極203の+Z側の面上、第2支持部140の+Z側の面上の少なくとも何れかに酸化シリコン層からなる絶縁層が形成されていてもよい。 Furthermore, on the +Z side surfaces of the upper electrodes 203 of the first driving portions 110a and 110b, on the +Z side surfaces of the first support portions 120, on the +Z side surfaces of the upper electrodes 203 of the second driving portions 130a and 130b, An insulating layer made of a silicon oxide layer may be formed on at least one of the +Z side surfaces of the second support portion 140 .

このとき、絶縁層の上に電極配線を設け、また、上部電極203または下部電極201と電極配線とが接続される接続スポットのみ、開口部として部分的に絶縁層を除去または絶縁層を形成しないことにより、第1駆動部110a及び110b、第2駆動部130a及び130b、並びに電極配線の設計自由度をあげ、更に電極同士の接触による短絡を抑制できる。また、酸化シリコン層は、反射防止材としていの機能も備える。 At this time, the electrode wiring is provided on the insulating layer, and only the connection spots where the upper electrode 203 or the lower electrode 201 and the electrode wiring are connected are partially removed or not formed as openings. As a result, the degree of freedom in designing the first drive units 110a and 110b, the second drive units 130a and 130b, and the electrode wiring can be increased, and short circuits due to contact between electrodes can be suppressed. The silicon oxide layer also functions as an antireflection material.

〈シミュレーション〉
ミラー部101のX軸方向の可動領域、つまりミラー振れ角と、動作速度のシミュレーションによる解析結果を示す。なお、本実施形態において、駆動は共振によって行うため、動作速度は共振周波数に対応する。
<simulation>
Analysis results of the movable area in the X-axis direction of the mirror unit 101, that is, the mirror deflection angle and the operation speed, are shown. In addition, in this embodiment, since driving is performed by resonance, the operating speed corresponds to the resonance frequency.

説明を容易にするため、図18~図20のような可動装置のモデル1を用いて解析した。モデル1は、活性層2と支持層3と駆動のための圧電体部6を有する。活性層2は、可動ミラー部4と、可動ミラー部4を可動可能に支持する2つの梁部(トーションバー)5と、振動板部7とを備えている。なお、活性層2は本発明に係る第1層の代表的な一例であり、支持層3は本発明に係る第2層の代表的な一例である。 In order to facilitate the explanation, the model 1 of the movable device as shown in FIGS. 18 to 20 was used for the analysis. A model 1 has an active layer 2, a support layer 3, and a piezoelectric section 6 for driving. The active layer 2 includes a movable mirror portion 4 , two beams (torsion bars) 5 that movably support the movable mirror portion 4 , and a diaphragm portion 7 . The active layer 2 is a representative example of the first layer according to the invention, and the support layer 3 is a representative example of the second layer according to the invention.

可動ミラー部4、梁部5、及び振動板部7が活性層2として一体となっているため、梁部5の材料のみをかえたときに生じる可動ミラー部4と梁部5、または振動板部7と可動ミラー部4の密着性の課題は生じない。支持層3は可動ミラー部4を補強するリブ8からなる。 Since the movable mirror portion 4, the beam portion 5, and the diaphragm portion 7 are integrated as the active layer 2, the movable mirror portion 4, the beam portion 5, or the diaphragm portion that occurs when only the material of the beam portion 5 is changed. The problem of adhesion between the portion 7 and the movable mirror portion 4 does not arise. The support layer 3 consists of ribs 8 that reinforce the movable mirror portion 4 .

活性層2の材料に関して、可動ミラー部4の駆動は共振によって行うため、共振周波数が大きければ高速駆動が可能である。一般的に、梁の共振周波数fは式(1)で表される。 Regarding the material of the active layer 2, since the movable mirror section 4 is driven by resonance, high-speed driving is possible if the resonance frequency is high. Generally, the resonance frequency f of the beam is represented by Equation (1).

Figure 0007318240000001
式(1)において、Lは梁の長さ[m]、Eはヤング率[N/m]、ρは密度[kg/m]、Aは断面積[m]、Iは断面二次モーメント[m]、knは境界条件やモード等によって決まる定数である。
Figure 0007318240000001
In formula (1), L is the length of the beam [m], E is the Young's modulus [N/m 2 ], ρ is the density [kg/m 3 ], A is the cross-sectional area [m 2 ], and I is the cross-sectional area The second moment [m 4 ], kn is a constant determined by boundary conditions, modes, and the like.

断面二次モーメントIは、例えば断面が幅b、厚さhの長方形のとき、式(2)で表される。 The geometric moment of inertia I is expressed by Equation (2), for example, when the cross section is a rectangle with a width of b and a thickness of h.

Figure 0007318240000002
式(1)から、高速駆動、つまり共振周波数を大きくするためにはヤング率は大きく、密度は小さい材料が望ましい。一方、振れ角はできるだけ大きくしたいため、大きな力まで耐えられるよう破壊靭性、弾性限界、曲げ強度は大きい材料が好ましく、ヤング率は小さい材料が好ましい。
Figure 0007318240000002
From equation (1), a material with a large Young's modulus and a small density is desirable for high-speed driving, that is, for increasing the resonance frequency. On the other hand, since it is desirable to increase the deflection angle as much as possible, a material with high fracture toughness, elastic limit, and bending strength is preferable so that it can withstand a large force, and a material with a low Young's modulus is preferable.

ヤング率の観点から、共振周波数と振れ角はトレードオフの関係にあるが、加工性を考慮すると活性層2の厚さはできるだけ薄くしたい。活性層2の厚さが薄いと式(1)及び式(2)より共振周波数が低くなってしまうため、ヤング率の高い材料を選定する。 From the viewpoint of Young's modulus, there is a trade-off relationship between the resonance frequency and the deflection angle, but considering workability, the thickness of the active layer 2 should be as thin as possible. If the thickness of the active layer 2 is thin, the resonance frequency will be lower than the equations (1) and (2), so a material with a high Young's modulus is selected.

以上をまとめると、活性層2の材料として好ましいのは、現在一般的な材料であるシリコンよりも破壊靭性、弾性限界、ヤング率が大きい材料で、できれば密度が小さく半導体プロセス親和性のある材料である。このような材料としては、例えば、炭化ケイ素(SiC)、窒化ケイ素(Si)、ダイヤモンド、窒化アルミニウム(AlN)、酸化ジルコニウム(ZrO)などが望ましい。 In summary, the preferred material for the active layer 2 is a material that has greater fracture toughness, elastic limit, and Young's modulus than silicon, which is currently a common material, and preferably has a low density and is compatible with semiconductor processes. be. Silicon carbide (SiC), silicon nitride (Si 3 N 4 ), diamond, aluminum nitride (AlN), zirconium oxide (ZrO 2 ), and the like are desirable as such materials, for example.

これらの材料は、難エッチング材料のものが多く、厚膜のエッチングは困難であるが、ヤング率が高いため式(1)及び式(2)から薄膜でも高共振周波数が実現可能である。そのため、加工性の課題も最小限に抑えられる。 Many of these materials are difficult to etch, and it is difficult to etch a thick film. However, since the Young's modulus is high, a high resonance frequency can be realized even with a thin film from equations (1) and (2). Therefore, workability issues are also minimized.

支持層3の材料としては加工性や熱伝導などのプロセス面を考慮して、シリコン、または酸化膜付シリコンなどが望ましい。 As the material of the support layer 3, silicon, silicon with an oxide film, or the like is desirable in consideration of process aspects such as workability and heat conduction.

図21~図23及び表1~4を参照しながら、具体的な加工性と動作周波数・振れ角のシミュレーション結果について説明する。 Specific simulation results of workability, operating frequency, and deflection angle will be described with reference to FIGS. 21 to 23 and Tables 1 to 4.

モデル1において、可動ミラー部4の直径を1mm、梁部5の長さを500μm、幅を50μmまたは100μm、圧電体部6の厚さを2μm、リブ8の厚さを200μmとする。 In model 1, the diameter of the movable mirror portion 4 is 1 mm, the length of the beam portion 5 is 500 μm, the width is 50 μm or 100 μm, the thickness of the piezoelectric portion 6 is 2 μm, and the thickness of the rib 8 is 200 μm.

活性層2の材料をシリコン(基準)または炭化ケイ素(SiC)またはアルミナ(Al、酸化アルミニウムの多結晶または非晶質体)またはサファイア(Al、酸化アルミニウムの単結晶体)、窒化ケイ素(Si)またはジルコニア(ZrO、酸化ジルコニウム)、ダイヤモンドの7種類と、支持層3の材料をシリコン、圧電体部6をPZT(チタン酸ジルコン酸鉛)とした場合についてANSYS(解析ソフトウェア)を用いてシミュレーションする。 The material of the active layer 2 is silicon (reference) or silicon carbide (SiC) or alumina (Al 2 O 3 , polycrystalline or amorphous of aluminum oxide) or sapphire (Al 2 O 3 , single crystal of aluminum oxide). , silicon nitride (Si 3 N 4 ) or zirconia (ZrO 2 , zirconium oxide), and diamond, the material of the support layer 3 is silicon, and the piezoelectric body 6 is PZT (lead zirconate titanate). Simulations are performed using ANSYS (analysis software).

各活性層材料の物性値を表1にまとめた。なお、ヤング率、ポアソン比についてはシリコン以外の材料は等方性材料として扱った。シリコン以外の材料はシリコンより破壊靭性と弾性限界とヤング率が高い材料である。 Table 1 summarizes the physical properties of each active layer material. Regarding Young's modulus and Poisson's ratio, materials other than silicon were treated as isotropic materials. Materials other than silicon have higher fracture toughness, elastic limit and Young's modulus than silicon.

Figure 0007318240000003
Figure 0007318240000003

加工性について説明する。寸法精度が容易なドライエッチング可能な材料が好ましい。炭化ケイ素、窒化ケイ素はフッ素系ガス、アルミナ、サファイア、ジルコニアは塩素系ガス、ダイヤモンドは酸素ガスでドライエッチングの実績がある。炭化ケイ素、サファイアはドライエッチングで数十μmの深掘りの実績もある。 Workability will be explained. A dry-etchable material with easy dimensional accuracy is preferred. Silicon carbide and silicon nitride are dry-etched with fluorine-based gas, alumina, sapphire, and zirconia with chlorine-based gas, and diamond with oxygen gas. Silicon carbide and sapphire have a track record of deep etching of several tens of μm by dry etching.

また、梁幅を50μmまたは100μmとしたときの各材料における共振周波数の活性層膜厚依存性は図21及び図22のようになる。それぞれの活性層材料において、例えば32kHzの共振周波数を実現可能な膜厚を求めると、表2のように、梁幅が50μmのときはシリコン:108μm、炭化ケイ素:56μm、アルミナ:67μm、サファイア:58μm、窒化ケイ素:77μm、ダイヤモンド:34μmで、梁幅100μmのときはシリコン:52μm、炭化ケイ素:34μm、アルミナ:37μm、サファイア:35μm、窒化ケイ素:41μm、ジルコニア:58μm、ダイヤモンド:24μmと、ジルコニア以外の材料は、シリコンより薄い膜厚で32kHz共振が実現可能なことがわかる。ジルコニアは、密度が大きい分Siよりも厚くしなければならない。 21 and 22 show the dependence of the resonance frequency on the active layer thickness for each material when the beam width is 50 μm or 100 μm. For each active layer material, the film thickness that can realize a resonance frequency of 32 kHz, for example, is obtained as shown in Table 2. When the beam width is 50 μm, silicon: 108 μm, silicon carbide: 56 μm, alumina: 67 μm, sapphire: 58 μm, silicon nitride: 77 μm, diamond: 34 μm, and when the beam width is 100 μm, silicon: 52 μm, silicon carbide: 34 μm, alumina: 37 μm, sapphire: 35 μm, silicon nitride: 41 μm, zirconia: 58 μm, diamond: 24 μm, and zirconia. It can be seen that other materials can achieve 32 kHz resonance with a film thickness thinner than that of silicon. Zirconia should be thicker than Si due to its higher density.

Figure 0007318240000004
Figure 0007318240000004

動作速度について説明する。同じ構造、例えば梁幅50μm、活性層2の厚さが40μmのとき、または梁幅100μm、活性層2の厚さが40μmのときの各材料の共振周波数は表3のようになる。梁幅50μm、活性層2の厚さが40μmのときは、シリコン:15.4kHz、炭化ケイ素:24.7kHz、アルミナ:22.1kHz、サファイア:24.2kHz、窒化ケイ素:20.2kHz、ジルコニア:14.2kHz、ダイヤモンド37.8kHz、梁幅100μm、活性層2の厚さが40μmのときは、シリコン:24.0kHz、炭化ケイ素:39.4kHz、アルミナ:35.2kHz、サファイア:38.2kHz、窒化ケイ素:31.9kHz、ジルコニア:22.4kHz、ダイヤモンド43.1kHzで、ジルコニア以外の材料はシリコンより高速駆動が可能である。 Operation speed will be explained. Table 3 shows the resonance frequency of each material when the beam width is 50 μm and the thickness of the active layer 2 is 40 μm, or when the beam width is 100 μm and the thickness of the active layer 2 is 40 μm. When the beam width is 50 μm and the thickness of the active layer 2 is 40 μm, silicon: 15.4 kHz, silicon carbide: 24.7 kHz, alumina: 22.1 kHz, sapphire: 24.2 kHz, silicon nitride: 20.2 kHz, zirconia: When 14.2 kHz, diamond 37.8 kHz, beam width 100 μm, active layer 2 thickness 40 μm, silicon: 24.0 kHz, silicon carbide: 39.4 kHz, alumina: 35.2 kHz, sapphire: 38.2 kHz, Silicon nitride: 31.9 kHz, zirconia: 22.4 kHz, diamond 43.1 kHz, materials other than zirconia can be driven at a higher speed than silicon.

Figure 0007318240000005
Figure 0007318240000005

振れ角に関して説明する。モデル1において、振動板部7の±Y方向の端と可動ミラー部4の中心を拘束した状態を想定し、可動ミラー部4の一端に集中荷重を-Z方向に印加する。可動ミラー部4の±Z方向の変位量から式(3)を用いて振れ角θを算出する。 A swing angle will be explained. In Model 1, a state in which the ends of the diaphragm portion 7 in the ±Y direction and the center of the movable mirror portion 4 are constrained is assumed, and a concentrated load is applied to one end of the movable mirror portion 4 in the −Z direction. A deflection angle θ is calculated from the amount of displacement of the movable mirror section 4 in the ±Z directions using Equation (3).

Figure 0007318240000006
式(3)において、Zはミラー端のZ方向の変位量、Lはミラー直径である(図23)。
Figure 0007318240000006
In equation (3), Z is the amount of displacement of the mirror edge in the Z direction, and L is the diameter of the mirror (FIG. 23).

印加する集中荷重を変化させていき、梁部5にかかる第1主応力の最大値が、活性層2の材料の最大応力と一致したときの振れ角を最大振れ角と定義する。最大応力は、活性層2と支持層3どちらもSiとしたモデルを基準として、実績をもとに破壊靭性や弾性限界の文献値に係数を掛け合わせて求めた仮想の破壊応力である。 The maximum deflection angle is defined as the deflection angle when the maximum value of the first principal stress applied to the beam portion 5 coincides with the maximum stress of the material of the active layer 2 by changing the applied concentrated load. The maximum stress is a hypothetical fracture stress obtained by multiplying the documented values of fracture toughness and elastic limit by a coefficient, based on a model in which both the active layer 2 and the support layer 3 are made of Si.

以上のような手法で、高速駆動が可能な構造、例えば表3のような32kHz共振構造における最大振れ角を各活性層材料について求めると、表4のようになる。梁幅が50μmのときはシリコン:9.3°、炭化ケイ素:19.8°、アルミナ:17.5°、サファイア:22.0°、窒化ケイ素:22.1°、ダイヤモンド:55.6°で、梁幅100μmのときはシリコン:7.8°、炭化ケイ素:15.5°、アルミナ:19.7°、サファイア:17.1°、窒化ケイ素:16.5°、ジルコニア:24.4°、ダイヤモンド:82.7°と、32kHz共振構造においてどの材料もシリコンより約2倍またはそれ以上の振れ角を実現可能である。 Table 4 shows the maximum deflection angle for each active layer material in a structure capable of high-speed driving, for example, a 32 kHz resonant structure as shown in Table 3, obtained by the above method. When the beam width is 50 μm, silicon: 9.3°, silicon carbide: 19.8°, alumina: 17.5°, sapphire: 22.0°, silicon nitride: 22.1°, diamond: 55.6° When the beam width is 100 μm, silicon: 7.8°, silicon carbide: 15.5°, alumina: 19.7°, sapphire: 17.1°, silicon nitride: 16.5°, zirconia: 24.4°. °, diamond: 82.7°, any material can achieve a deflection angle about twice or more than silicon in a 32 kHz resonant structure.

Figure 0007318240000007
Figure 0007318240000007

以上のように、反射面を除く活性層2の全てが、シリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンドの何れかのみで構成されていることが好ましい。又、支持層3はシリコンで構成されていることが好ましい。 As described above, the entire active layer 2 except for the reflecting surface is made of silicon carbide, alumina, sapphire, silicon nitride, zirconia, or diamond, which has higher fracture toughness, higher elastic limit, and higher Young's modulus than silicon. It is preferably composed of Also, the support layer 3 is preferably made of silicon.

この場合、炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ダイヤモンドはシリコンよりも薄膜で高速駆動が可能でかつシリコンより振れ角も大きい、つまり加工性の問題を最小限にしてシリコンより高速駆動と大きな振れ角の実現が可能である。ジルコニアについては、密度が大きい分高速駆動に厚膜が必要になり、エッチング時間が長くなるが、シリコンより大きく可動できる。 In this case, silicon carbide, alumina, sapphire, silicon nitride, and diamond are thinner than silicon, can be driven at high speed, and have a larger deflection angle than silicon. Angular realizations are possible. As for zirconia, a thick film is required for high-speed driving due to its high density, and the etching time is long, but it can move more than silicon.

すなわち、反射面を除く活性層2の全てが上記材料の何れかのみで構成されていることで、特許文献1に記載の耐衝撃性向上とは異なり、共振周波数の高周波化と振れ角の拡大という特許文献1に記載のない効果を奏する。 That is, since the entire active layer 2 except for the reflecting surface is made of only one of the above materials, unlike the impact resistance improvement described in Patent Document 1, the resonance frequency is increased and the deflection angle is increased. There exists an effect which is not described in Patent Document 1.

以上では、図15の第2軸方向において活性層163の材料をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料にすることでシリコンより高速かつ可動領域を大きくできるというシミュレーション結果を示したが、図15の第1軸方向においても共振で駆動する場合は同様のことが言える。よって、活性層163の材料をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料にすることで2軸方向の高速化と可動領域の拡大が可能となる。 In the above simulation, it is possible to achieve a higher speed and a larger movable area than silicon by using a material for the active layer 163 that has a higher fracture toughness, a higher elastic limit, and a higher Young's modulus than silicon in the second axis direction of FIG. Although the results are shown, the same can be said in the case of driving by resonance in the first axis direction of FIG. 15 as well. Therefore, by using a material having a higher fracture toughness, a higher elastic limit, and a higher Young's modulus than silicon for the active layer 163, it is possible to increase the speed in two axial directions and expand the movable region.

また、以上では純粋な炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンドについてのシミュレーション結果を示した。しかし、それらを主材料とする化合物であり、かつシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率であれば、可動装置13に採用可能である。ここで、主材料とは、主要となる材料を指し、元材料の破壊靭性または弾性限界またはヤング率を損なわないように他材料を添加して形成した材料である。 Also, the simulation results for pure silicon carbide, alumina, sapphire, silicon nitride, zirconia, and diamond have been shown above. However, if it is a compound that uses them as the main material and has higher fracture toughness, higher elastic limit, and higher Young's modulus than silicon, it can be used for the movable device 13 . Here, the main material refers to a main material, and is a material formed by adding other materials so as not to impair the fracture toughness, elastic limit, or Young's modulus of the original material.

上記化合物の具体例としては、ケイ素/炭化ケイ素複合材料、ルビー、ムライト、スピネル、サイアロン、キュービックジルコニア、ジルコン、多結晶ダイヤモンド、サーメット等が挙げられる。 Specific examples of the above compounds include silicon/silicon carbide composite materials, ruby, mullite, spinel, sialon, cubic zirconia, zircon, polycrystalline diamond, cermet, and the like.

ケイ素/炭化ケイ素複合材料は、破壊靭性が3MPa/√m、弾性限界が300~420MPa、ヤング率が280~350GPaである。ルビーは、破壊靭性が5MPa/√m、弾性限界が689MPa、ヤング率が470GPaである。ムライトは、破壊靭性が7MPa/√m、弾性限界が280MPa、ヤング率が210GPaである。 Silicon/silicon carbide composites have a fracture toughness of 3 MPa/√m, an elastic limit of 300-420 MPa, and a Young's modulus of 280-350 GPa. Ruby has a fracture toughness of 5 MPa/√m, an elastic limit of 689 MPa, and a Young's modulus of 470 GPa. Mullite has a fracture toughness of 7 MPa/√m, an elastic limit of 280 MPa, and a Young's modulus of 210 GPa.

スピネルは、破壊靭性が1.7MPa/√m、弾性限界が400MPa、ヤング率が440GPaである。サイアロンは、破壊靭性が6~7MPa/√m、弾性限界が980~1200MPa、ヤング率が300~330GPaである。キュービックジルコニアは、破壊靭性が7MPa/√m、弾性限界が711MPa、ヤング率が210GPaである。 Spinel has a fracture toughness of 1.7 MPa/√m, an elastic limit of 400 MPa, and a Young's modulus of 440 GPa. Sialon has a fracture toughness of 6-7 MPa/√m, an elastic limit of 980-1200 MPa, and a Young's modulus of 300-330 GPa. Cubic zirconia has a fracture toughness of 7 MPa/√m, an elastic limit of 711 MPa, and a Young's modulus of 210 GPa.

ジルコンは、破壊靭性が2.6MPa/√m、弾性限界が320MPa、ヤング率が330GPaである。多結晶ダイヤモンドは、破壊靭性が9.5MPa/√m、弾性限界が1100~2600MPa、ヤング率が776~920GPaである。サーメットは、破壊靭性が440MPa/√m、弾性限界が1470MPa、ヤング率が440GPaである。 Zircon has a fracture toughness of 2.6 MPa/√m, an elastic limit of 320 MPa, and a Young's modulus of 330 GPa. Polycrystalline diamond has a fracture toughness of 9.5 MPa/√m, an elastic limit of 1100-2600 MPa, and a Young's modulus of 776-920 GPa. Cermet has a fracture toughness of 440 MPa/√m, an elastic limit of 1470 MPa, and a Young's modulus of 440 GPa.

なお、ミラー部101、第1支持部120、及び第2支持部140は、破壊靭性が3MPa/√m以上7MPa/√m以下、弾性限界が525MPa以上2930MPa以下、ヤング率が210GPa以上1050GPa以下であることが好ましい。これらの要件を満足することで、高周波数化ができ、また、触れ角拡大ができる。更に、この条件を満足することにより、可動部が可動することで発生する反射ミラー面の動的面変形を抑制することができる。 The mirror section 101, the first support section 120, and the second support section 140 have a fracture toughness of 3 MPa/√m or more and 7 MPa/√m or less, an elastic limit of 525 MPa or more and 2930 MPa or less, and a Young's modulus of 210 GPa or more and 1050 GPa or less. Preferably. By satisfying these requirements, it is possible to increase the frequency and increase the contact angle. Furthermore, by satisfying this condition, it is possible to suppress dynamic surface deformation of the reflecting mirror surface caused by the movement of the movable portion.

このように、反射面を除く活性層2の全てが、シリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンド、或いはそれらを主材料とする化合物の何れかのみで構成されていることで、2軸方向の高速化と可動領域の拡大が可能となる。 In this way, all of the active layer 2 except for the reflective surface is made of silicon carbide, alumina, sapphire, silicon nitride, zirconia, diamond, or the like, which have higher fracture toughness, higher elastic limit, and higher Young's modulus than silicon. By using only one of the compounds as materials, it is possible to increase the speed in two axial directions and expand the movable area.

[第2実施形態]
第2実施形態では、第1実施形態とは異なる可動装置の例を示す。なお、第2実施形態において、既に説明した実施形態と同一構成部についての説明は省略する場合がある。
[Second embodiment]
2nd Embodiment shows the example of a movable device different from 1st Embodiment. In addition, in the second embodiment, the description of the same components as those of the already described embodiment may be omitted.

図24は、第2実施形態に係る可動装置を例示する平面図である。図24に示す可動装置13Aは、1軸方向のみに光偏向可能な光偏向素子である。可動装置13Aは、例えば光スキャナであり、より具体的には例えばMEMSスキャナである。 FIG. 24 is a plan view illustrating a movable device according to the second embodiment; A movable device 13A shown in FIG. 24 is an optical deflection element capable of optical deflection only in one axial direction. The movable device 13A is, for example, an optical scanner, and more specifically, for example, a MEMS scanner.

可動装置13Aは、反射ミラー145を有する可動部144と、可動部144の両側で可動部144を支持する一対の蛇行梁部146とを有する。各蛇行梁部146は、一端が支持基板143に固定され、他端は可動部144に連結されている。 13 A of movable apparatuses have the movable part 144 which has the reflecting mirror 145, and a pair of meandering beam part 146 which supports the movable part 144 on the both sides of the movable part 144. As shown in FIG. Each meandering beam portion 146 has one end fixed to the support substrate 143 and the other end connected to the movable portion 144 .

蛇行梁部146及び支持基板143は、シリコン層、又はシリコン層上に酸化シリコン層が形成された積層部、を有することが好ましい。 The serpentine beam portion 146 and the support substrate 143 preferably have a silicon layer or a laminated portion in which a silicon oxide layer is formed on a silicon layer.

各蛇行梁部146は、第1圧電部材147aと第2圧電部材147bが交互に配置され、複数の折り返し部を介して蛇行(ミアンダ)パターンを形成している。隣接する第1圧電部材147aと第2圧電部材147bには、互いに逆位相の電圧信号が印加され、蛇行梁部146にZ方向への反りが発生する。 In each meandering beam portion 146, first piezoelectric members 147a and second piezoelectric members 147b are alternately arranged to form a meandering pattern through a plurality of folded portions. Voltage signals having opposite phases are applied to the first piezoelectric member 147a and the second piezoelectric member 147b adjacent to each other, and the meandering beam portion 146 warps in the Z direction.

隣接する第1圧電部材147aと第2圧電部材147bでは、撓みの方向が逆になる。逆方向の撓みが累積されて、反射ミラー145を備えた可動部144が、回転軸Aを回転中心として、往復回動する。すなわち、可動装置13Aにおいて、反射ミラー145は1軸(X方向)の光走査を行う。 The first piezoelectric member 147a and the second piezoelectric member 147b, which are adjacent to each other, bend in opposite directions. The bending in the opposite direction is accumulated, and the movable part 144 having the reflecting mirror 145 reciprocates about the rotation axis A as the rotation center. That is, in the movable device 13A, the reflecting mirror 145 performs optical scanning along one axis (X direction).

回転軸Aを回転中心としたミラー共振モードに合わせた駆動周波数をもつ正弦波を逆相で第1圧電部材147aと第2圧電部材147bに印加することで、低電圧で大きな回転角度を得ることができる。 A large rotation angle can be obtained at a low voltage by applying a sine wave having a drive frequency matching the mirror resonance mode with the rotation axis A as the rotation center in opposite phases to the first piezoelectric member 147a and the second piezoelectric member 147b. can be done.

第2実施形態に関しても、共振で駆動する場合は第1実施形態に係る可動装置13と同様のことが言える。すなわち、可動装置13Aにおいて、支持基板143、可動部144、蛇行梁部146の材料をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料にすることでシリコンより高速かつ可動領域を大きくできる。 Regarding the second embodiment, the same can be said for the movable device 13 according to the first embodiment when it is driven by resonance. That is, in the movable device 13A, the support substrate 143, the movable portion 144, and the meandering beam portion 146 are made of a material having a higher fracture toughness, a higher elastic limit, and a higher Young's modulus than silicon. can be increased.

なお、可動部144、蛇行梁部146、及び支持基板143は、破壊靭性が3MPa/√m以上7MPa/√m以下、弾性限界が525MPa以上2930MPa以下、ヤング率が210GPa以上1050GPa以下であることが好ましい。これらの要件を満足することで、高周波数化ができ、また、触れ角拡大ができる。更に、この条件を満足することにより、可動部が可動することで発生する反射ミラー面の動的面変形を抑制することができる。 The movable portion 144, the meandering beam portion 146, and the support substrate 143 have a fracture toughness of 3 MPa/√m or more and 7 MPa/√m or less, an elastic limit of 525 MPa or more and 2930 MPa or less, and a Young's modulus of 210 GPa or more and 1050 GPa or less. preferable. By satisfying these requirements, it is possible to increase the frequency and increase the contact angle. Furthermore, by satisfying this condition, it is possible to suppress dynamic surface deformation of the reflection mirror surface caused by the movement of the movable portion.

以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。 Although the preferred embodiments and the like have been described in detail above, the present invention is not limited to the above-described embodiments and the like, and various modifications and substitutions can be made to the above-described embodiments and the like without departing from the scope of the claims. can be added.

例えば、振動型ジャイロスコープ(角速度センサ)において、可動部をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料で形成してもよい。これにより、振動型ジャイロスコープ(角速度センサ)において、高ヤング率であることにより高Q値を実現でき、シリコンより高感度、高S/Nが実現できるのに加え、高破壊靭性、高弾性限界であることにより、可動部の耐衝撃性を高めることが可能である。 For example, in a vibrating gyroscope (angular rate sensor), the moving part may be made of a material that has a higher fracture toughness, a higher elastic limit, and a higher Young's modulus than silicon. As a result, in a vibrating gyroscope (angular rate sensor), a high Q value can be achieved due to the high Young's modulus, and in addition to achieving higher sensitivity and higher S/N than silicon, high fracture toughness and high elastic limit can be achieved. By being, it is possible to improve the impact resistance of the movable portion.

また、可動部をシリコンに比べて高破壊靭性、高弾性限界、高ヤング率である材料で形成することで高速化と大きな可動領域を両立できるだけでなく、耐衝撃性や可動部の動的変形を抑制できる等の効果もある。 In addition, by forming the moving part from a material that has higher fracture toughness, higher elastic limit, and higher Young's modulus than silicon, not only is it possible to achieve both high speed and a large moving range, but also impact resistance and dynamic deformation of the moving part. It also has the effect of suppressing

1 モデル
2 活性層
3 支持層
4 可動ミラー部
5 梁部(トーションバー)
6 圧電体部
7 振動板部
8 補強するリブ
10 光走査システム
11 制御装置
12、12b 光源装置
13、13A 可動装置
14 反射面
15 被走査面
25 光源装置ドライバ
26 可動装置ドライバ
30 制御部
31 駆動信号出力部
50 レーザヘッドランプ
51 ミラー
52 透明板
60 ヘッドマウントディスプレイ
60a フロント
60b テンプル
61 導光板
62 ハーフミラー
63 装着者
101 ミラー部
102 ミラー部基体
110a、110b 第1駆動部
111a、111b トーションバー
112a、112b 第1圧電駆動部
120 第1支持部
130a、130b 第2駆動部
131a~131f及び132a~132f 第2圧電駆動部
140 第2支持部
144 可動部
145 反射ミラー
146 蛇行梁部
143 支持基板
147a 第1圧電部材
147b 第2圧電部材
150 電極接続部
161 支持層
162 酸化シリコン層
163 活性層
170A、170B 圧電駆動部群
201 下部電極
202 圧電部
203 上部電極
400 自動車
500 ヘッドアップディスプレイ装置
650 レーザプリンタ
700 ライダ装置
702 被対象物
801 パッケージ部材
802 取付部材
803 透過部材
REFERENCE SIGNS LIST 1 model 2 active layer 3 support layer 4 movable mirror section 5 beam section (torsion bar)
6 Piezoelectric Part 7 Diaphragm Part 8 Reinforcing Rib 10 Optical Scanning System 11 Control Device 12, 12b Light Source Device 13, 13A Movable Device 14 Reflecting Surface 15 Scanned Surface 25 Light Source Device Driver 26 Movable Device Driver 30 Control Section 31 Drive Signal Output unit 50 Laser headlamp 51 Mirror 52 Transparent plate 60 Head mount display 60a Front 60b Temple 61 Light guide plate 62 Half mirror 63 Wearer 101 Mirror unit 102 Mirror unit substrate 110a, 110b First driving unit 111a, 111b Torsion bar 112a, 112b First Piezoelectric Driving Section 120 First Supporting Sections 130a, 130b Second Driving Sections 131a to 131f and 132a to 132f Second Piezoelectric Driving Section 140 Second Supporting Section 144 Movable Section 145 Reflecting Mirror 146 Meandering Beam Section 143 Support Substrate 147a First Piezoelectric Driving Section 140 Piezoelectric member 147b Second piezoelectric member 150 Electrode connecting portion 161 Supporting layer 162 Silicon oxide layer 163 Active layer 170A, 170B Piezoelectric drive unit group 201 Lower electrode 202 Piezoelectric unit 203 Upper electrode 400 Automobile 500 Head-up display device 650 Laser printer 700 Lidar device 702 target object 801 package member 802 attachment member 803 transparent member

特開2017-102232号公報JP 2017-102232 A

Claims (16)

反射面を備える可動部を回動させて、前記反射面へ入射する光を偏向する光偏向素子であって、
前記可動部に接続され、前記可動部を第1軸の周りに駆動する第1駆動部と、
前記可動部及び前記第1駆動部を支持する第1支持部と、を有し、
前記第1駆動部は、前記可動部を回動可能に支持する梁部を含み、
前記可動部は、第1層及び第2層で構成され、
前記第1層は前記反射面を有し、
該反射面を除く前記第1層の全て及び前記梁部は、炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンド、或いはそれらを主材料とする化合物の何れかのみで構成されている光偏向素子。
An optical deflection element that deflects light incident on the reflecting surface by rotating a movable part having a reflecting surface,
a first drive unit connected to the movable unit for driving the movable unit about a first axis;
a first supporting portion that supports the movable portion and the first driving portion;
The first drive section includes a beam section that rotatably supports the movable section,
The movable part is composed of a first layer and a second layer,
The first layer has the reflective surface,
All of the first layer except for the reflecting surface and the beams are made of silicon carbide, alumina, sapphire, silicon nitride, zirconia, diamond, or compounds containing these as main materials. element.
前記第2層は前記反射面を補強するリブが形成され、シリコンまたは酸化膜付シリコンの何れかで構成されている、請求項に記載の光偏向素子。 2. The optical deflection element according to claim 1 , wherein said second layer is formed with ribs for reinforcing said reflecting surface, and is made of either silicon or silicon with an oxide film. 前記第1支持部に接続され、前記可動部及び前記第1支持部を前記第1軸と垂直方向の第2軸の周りに駆動する第2駆動部と、
前記第2駆動部を支持する第2支持部と、を有する請求項1又は2に記載の光偏向素子。
a second driving section connected to the first supporting section for driving the movable section and the first supporting section around a second axis perpendicular to the first axis;
3. The optical deflection element according to claim 1, further comprising a second supporting portion that supports the second driving portion.
前記第1支持部及び前記第2支持部は、シリコン層、又はシリコン層上に酸化シリコン層が形成された積層部、を有する請求項に記載の光偏向素子。 4. The optical deflection element according to claim 3 , wherein the first supporting portion and the second supporting portion have a silicon layer or a lamination portion in which a silicon oxide layer is formed on a silicon layer. 前記可動部、前記第1支持部、及び前記第2支持部は、破壊靭性が3MPa/√m以上7MPa/√m以下、弾性限界が525MPa以上2930MPa以下、ヤング率が210GPa以上1050GPa以下である請求項に記載の光偏向素子。 The movable portion, the first support portion, and the second support portion each have a fracture toughness of 3 MPa/√m or more and 7 MPa/√m or less, an elastic limit of 525 MPa or more and 2930 MPa or less, and a Young's modulus of 210 GPa or more and 1050 GPa or less. Item 5. The optical deflection element according to item 4 . 反射面を備える可動部を回動させて、前記反射面へ入射する光を偏向する光偏向素子であって、
前記可動部の両側で前記可動部を支持する一対の蛇行梁部を有し、
各々の前記蛇行梁部の一端が支持基板に固定され、他端が前記可動部に連結され、
前記反射面が1軸の光走査を行い、
前記可動部は、第1層及び第2層で構成され、
前記第1層は前記反射面を有し、該反射面を除く前記第1層の全て及び前記蛇行梁部は、炭化ケイ素、アルミナ、サファイア、窒化ケイ素、ジルコニア、ダイヤモンド、或いはそれらを主材料とする化合物の何れかのみで構成されている光偏向素子。
An optical deflection element that deflects light incident on the reflecting surface by rotating a movable part having a reflecting surface,
Having a pair of meandering beams supporting the movable part on both sides of the movable part,
one end of each of the meandering beam portions is fixed to a support substrate and the other end is connected to the movable portion;
The reflecting surface performs uniaxial optical scanning,
The movable part is composed of a first layer and a second layer,
The first layer has the reflective surface, and all of the first layer excluding the reflective surface and the serpentine beam portion are made of silicon carbide, alumina, sapphire, silicon nitride, zirconia, diamond, or a material thereof. A light deflection element composed only of any one of the compounds.
記支持基板は、シリコン層、又はシリコン層上に酸化シリコン層が形成された積層部、を有する請求項に記載の光偏向素子。 7. The optical deflection element according to claim 6 , wherein the supporting substrate has a silicon layer or a lamination portion in which a silicon oxide layer is formed on the silicon layer. 前記可動部、前記蛇行梁部、及び前記支持基板は、破壊靭性が3MPa/√m以上7MPa/√m以下、弾性限界が525MPa以上2930MPa以下、ヤング率が210GPa以上1050GPa以下である請求項に記載の光偏向素子。 8. The movable portion, the meandering beam portion, and the support substrate have a fracture toughness of 3 MPa/√m or more and 7 MPa/√m or less, an elastic limit of 525 MPa or more and 2930 MPa or less, and a Young's modulus of 210 GPa or more and 1050 GPa or less. A light deflection element as described. 請求項1乃至の何れか一項に記載の光偏向素子を有する光偏向システム。 An optical deflection system comprising the optical deflection element according to any one of claims 1 to 8 . 請求項1乃至の何れか一項に記載の光偏向素子を有する光走査システム。 An optical scanning system comprising the optical deflection element according to any one of claims 1 to 8 . 請求項1乃至の何れか一項に記載の光偏向素子を有する画像投影装置。 An image projection device comprising the optical deflection element according to any one of claims 1 to 8 . 請求項1乃至の何れか一項に記載の光偏向素子を有するヘッドアップディスプレイ。 A head-up display comprising the optical deflection element according to any one of claims 1 to 8 . 請求項1乃至の何れか一項に記載の光偏向素子を有するレーザヘッドランプ。 A laser headlamp comprising the light deflection element according to any one of claims 1 to 8 . 請求項1乃至の何れか一項に記載の光偏向素子を有するヘッドマウントディスプレイ。 A head mounted display comprising the optical deflection element according to any one of claims 1 to 8 . 請求項1乃至の何れか一項に記載の光偏向素子を有する物体認識装置。 An object recognition device comprising the optical deflection element according to any one of claims 1 to 8 . 請求項12に記載のヘッドアップディスプレイ、請求項13に記載のレーザヘッドランプ、及び請求項15に記載の物体認識装置の少なくとも1つを有する移動体。 A moving object comprising at least one of the head-up display according to claim 12 , the laser headlamp according to claim 13 , and the object recognition device according to claim 15 .
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