JPWO2014103803A1 - Ｍｅｍｓ光スキャナ - Google Patents

Abstract

耐衝撃性を確保しつつ、ランプ波駆動を可能とする共振周波数に一致させて、ミラーをＶ軸を中心として回転運動させて、光を安定して走査するＭＥＭＳ光スキャナを提供する。第１の基板（５）と、第１の基板（５）に圧電膜（５５）を設置し、ミラー（５１）を圧電膜（５５）により第１の軸方向に駆動する駆動部（５３２）と、駆動部（５３）を支持するフレーム（５４）と、第２の基板（３）と、第１の基板（５）を支持する支持部（３２）と、支持部（３２）を離間して包囲する枠部（３１）と、支持部（３２）及び枠部（３１）を第２の軸方向に沿って支持する軸部（３３）と、を備えるＭＥＭＳ光スキャナ（１）である。第２の軸方向に沿ってその両端を第２の基板（３）に固定される剛性付与部（４）とを含み、剛性付与部（４）は、支持部（３２）を第２の軸方向に駆動することを特徴とする。

Description

本発明はＭＥＭＳ光スキャナに関する。

光を走査して映像を表示する画像表示装置において、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）光スキャナが利用されている。ＭＥＭＳ光スキャナは、光をミラーに反射させつつミラーを２つの軸方向を中心としてそれぞれ回転駆動させることで、光を走査（スキャン）して画像を表示することができる。

例えば、特許文献１では、ミラーをその両端で２本ずつ計４本のメインアームにより支持し、各メインアームを圧電膜の設置されたサブアームの一端にそれぞれ連結し、さらに各サブアームの他端をフレームに固定したＭＥＭＳ光スキャナが開示されている。ミラー、メインアーム及びサブアームは、一体のシリコン基板を加工して、一体化した状態で得られる。このようなＭＥＭＳ光スキャナでは、駆動信号を圧電膜に印加して、圧電膜を伸縮させることで、ミラーをサブアーム及びメインアームを介して駆動させる。このような構成により、水平方向に沿う軸であるＨ軸、及び、垂直方向に沿うＶ軸をそれぞれ中心にミラーを回転させることができる。

このようなＭＥＭＳ光スキャナでは、ミラーのＨ軸を中心とする回転駆動は、比較的高い走査スピードで行われることが多い。効率の観点から、この回転駆動は、ミラーの材質であるシリコン基板の共振周波数と一致させるように外力をミラーに与えて、共振モードで行われる。一方、ミラーのＶ軸を中心とする回転駆動は、ミラーのＨ軸を中心とする回転駆動と比較的に低い走査スピードで行われることが多い。この回転駆動は、シリコン基板の共振周波数に一致させることを止め、所定のリニアリティと効率とを確保するように外力をミラーに与えて、非共振モードで行われる。この回転駆動では、画像表示に寄与する部分を比較的多く有するランプ波駆動が可能となり、効率が比較的良好である。

特開２０１２−１６３８２８号公報

しかし、特許文献１に開示されるＭＥＭＳ光スキャナでは、Ｖ軸を中心とした回転運動を行うと、耐衝撃性に乏しく、破損を生じてしまい、光を安定して走査することができないことがあった。また、迷光を生じてしまい、高画質の画像表示を行うことができなかった。

一方、フレキシブルプリント基板の上にシリコン基板を固定して、このフレキシブルプリント基板をＶ軸を中心として回転させることで、ミラーをＶ軸を中心として回転させるＭＥＭＳ光スキャナがある。回転運動させるフレキシブルプリント基板は、シリコン基板よりも、耐衝撃性を有するものの、非常に低い共振周波数を有する。したがって、このようなＭＥＭＳ光スキャナでは、特許文献１に開示されるＭＥＭＳ光スキャナと比較して、耐衝撃性が確保されているものの、ミラーのＶ軸を中心とした回転駆動は、フレキシブルプリント基板の低い共振周波数に一致させて行わなければならなかった。また、この回転駆動では、サイン波駆動となる。サイン波駆動は、ランプ波駆動と比較して、画像表示に寄与しづらい部分を多く有し、非効率であった。

本発明は、このような問題点を解決するためになされたものであり、耐衝撃性を確保しつつ、ミラーを効率良く回転駆動させて、光を安定して走査するＭＥＭＳ光スキャナを提供するところにある。

そこで、本発明は、
第１の基板と、
前記第１の基板に形成されたミラーと、
前記第１の基板に圧電膜を設置し、前記ミラーを前記圧電膜により第１の軸方向に駆動する駆動部と、
前記第１の基板に形成され、前記駆動部を支持するフレームと、
第２の基板と、
前記第２の基板に形成され、前記第１の基板を支持する支持部と、
前記第２の基板に形成され、前記支持部を離間して包囲する枠部と、
前記第２の基板に形成され、前記支持部及び前記枠部を第２の軸方向に沿って支持する軸部と、を備えるＭＥＭＳ光スキャナであって、
前記第２の軸方向に沿ってその両端を第２の基板に固定される剛性付与部とを含み、
前記剛性付与部は、前記支持部を第２の軸方向に駆動することを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナを提供する。

本発明により、耐衝撃性を確保しつつ、ミラーを効率良く回転運動させて、光を安定して走査するＭＥＭＳ光スキャナを提供することができる。

図１は、ＭＥＭＳ光スキャナの全体斜視図である。 図２は、ＭＥＭＳ光スキャナの分解斜視図である。 図３Ａは、基板の斜視図である。 図３Ｂは、基板の断面図である。 図４は、光スキャナ素子の斜視図である。

（実施の形態）
以下、図１〜４を参照して本発明の実施の形態について説明する。図１は、ＭＥＭＳ光スキャナの全体斜視図を示す。図２は、ＭＥＭＳ光スキャナの分解斜視図を示す。図３Ａは、基板の斜視図を示す。図３Ｂは、基板の断面図を示す。図４は、光スキャナ素子の斜視図を示す。

図１に示すように、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、筐体２と、基板３と、ワイヤ４と、光スキャナ素子５とを含む。ＭＥＭＳ光スキャナ１は、光を２軸方向にそれぞれ走査して、画像を表示するために用いられる。

図２に示すように、筐体２は、基板取付部２１を正面２２に有する略直方体である。正面２２には、開口した保持部２３を有する。保持部２３には、動力用コイル２５を備えるコイル保持体２４を嵌め合せるなどして保持することができる。基板取付部２１には基板３をボルト９を用いて締結するなどの固定手段により固定することができる。また、筐体２は、必要に応じて、ＭＥＭＳ光スキャナ１を機能させるための基板や配線などを備える。

図３Ａを併せて参照すると、基板３は、枠部３１と、光スキャナ素子支持部３２と、軸部３３とを有する。基板３は、所定の応力をかけると、柔軟に曲げたわめることのできる板状体である。基板３は、後述するミラー５１、メインアーム５２、サブアーム５３、及び、フレーム５４を構成するシリコン基板と比較して耐衝撃性を有する板である。基板３は、必要に応じて、ＭＥＭＳ光スキャナ１を機能させるための配線を備える。基板３として、例えば、フレキシブルプリント基板を用いることができる。

枠部３１は、ボルト９を締結して筐体２に取り付けられる略枠状体である。光スキャナ素子支持部３２は、枠部３１から離間して囲まれる略平板状体である。軸部３３は、枠部３１からＶ軸方向に沿って延びて光スキャナ素子支持部３２を支持する略帯状体である。ここで、Ｖ軸は水平方向に沿う軸である。なお、光スキャナ素子支持部３２には、後述する光スキャナ素子５のミラー５１の動作を検出するための検出用コイルを設置してもよい。

図３Ａ及び図３Ｂを併せて参照すると、低反射膜３４は筐体２の正面視において、光スキャナ素子５に対応するように光スキャナ素子支持部３２に設置されている。低反射膜３４は、例えば、黒色皮膜である。黒色皮膜は、黒色以外の有色皮膜と比較して、光を吸収して、低い反射率を有する。低反射膜３４は、さらに、より低い反射率を有する皮膜、例えば、光沢の無い黒色皮膜であると好ましい。また、黒色皮膜は、例えば、感光性樹脂を用いて形成してもよい。黒色皮膜として感光性樹脂を用いると、迷光をより確実に防止できるとともに、ウェハプロセスにおいて一括して形成でき、生産性を向上させる。また、黒色皮膜は、例えば、絶縁性及び耐候性を有する樹脂を用いてもよい。黒色皮膜として絶縁性及び耐候性を有する樹脂を用いると、迷光をより確実に防止できるとともに、パッシベーションとしても機能させることができ、ＭＥＭＳ光スキャナ１の動作をより確実に安定化させる。

再び図１及び図２を併せて参照すると、ワイヤ４は、枠部３１と光スキャナ素子支持部３２とを支持するように軸部３３に並びつつＶ軸（図３）方向に沿って基板３に固定される線状体である。詳細には、ワイヤ４は、その両端を基板３に半田付けして、半田付け部４１を形成して固定される。ワイヤ４の基板３への固定は、基板３の剛性を高め得て、基板３の共振周波数を高め得る。ワイヤ４は、例えば、動力用コイル２５により発生させた磁界と、ワイヤ４に連結した磁石とのローレンツ力により、光スキャナ素子支持部３２をＶ軸を中心として回転振動させることができる。

ここで、ワイヤ４は、ヤング率１３０ＧＰａを少なくとも有する線状体を用いると好ましい。単結晶シリコンのヤング率は一般に１２０〜１８０ＧＰａ程度であり、ワイヤ４としてヤング率１３０ＧＰａ以上の線状体を用いれば、特許文献１に示す従来のＭＥＭＳ光スキャナの軸部とほぼ同等となり、好適である。このような線状体として、例えば、ベリリウム銅合金からなる直径７５〜８５μｍの線状体を用いてもよい。さらに、ワイヤ４の設置方法として、例えば、複数本のワイヤ４を、３５０〜４００μｍの間隔を空けつつ、基板３から８０〜１２０μｍ離間して設置する設置方法であるとより好ましい。複数本のワイヤ４を用いることにより、検出用コイルの給電や、圧電素子への給電を、ワイヤ４を用いて行うことが容易となり好適である。ワイヤ４の互いの間隔を離間させることにより基板３のＶ軸方向まわりのねじり剛性を高め、共振周波数を高めることができる。ワイヤ４の互いの間隔を広くすれば共振周波数を高くすることができるが、広くしすぎるとねじり剛性が高くなり駆動の負荷となるので、３５０〜４００μｍが好適である。ワイヤ４を基板３から離間させることにより軸部３３とワイヤ４とで構成される部分のねじり剛性が高くなり、共振周波数を高くすることができるが、ＭＥＭＳ光スキャナ１が厚くなってしまうので、８０〜１２０μｍが好適である。ワイヤ４はダンピング剤を塗布してもよい。また、ワイヤ４のかわりに、線ばね又は板バネを用いてもよいが、直径７５〜８５μｍのベリリウム銅合金の線状体を用いることにより、給電が容易となり、より好適である。これらの好ましい構成及び設置方法をとることで、ワイヤ４の基板３への固定による、基板３の見かけ上の共振周波数をさらに高め得る。

図４に示すように、光スキャナ素子５は、ミラー５１と、４本のメインアーム５２と、２本のサブアーム５３と、フレーム５４と、を含む。

ミラー５１は、光を反射する反射面を有する略円盤状体である。メインアーム５２は、ミラー５１の両端を２本ずつ計４本で支持している。

サブアーム５３は、例えば、コの字状の板状体である。サブアーム５３は、中央部５３１と、中央部５３１の両端から延びる２つの自由端部５３２とを有する。２本のサブアーム５３はいずれも、ミラー５１を包囲するように、その自由端部５３２の両端にそれぞれメインアーム５２の他端を連結して支持している。

フレーム５４は、枠状の板状体である。フレーム５４は、フレーム５４の対向する内壁と２本のサブアーム５３の中央部５３１とをそれぞれ連結して、２本のサブアーム５３を包囲するように固定している。すなわち、フレーム５４は、サブアーム５３の一部である中央部５３１を固定する基部として機能する。また、支持アーム５０がフレーム５４の四隅近傍にそれぞれ設置される。光スキャナ素子５は支持アーム５０を介して基板３の光スキャナ素子支持部３２（図１参照）に固定される。

なお、ミラー５１、メインアーム５２、サブアーム５３、及び、フレーム５４は、例えば、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハなどのシリコン材料を用いて、一体の基板として形成することができる。例えば、スリット５６を形成して、サブアーム５３とフレーム５４とを離間するように形成してもよい。つまり、光スキャナ素子５は、一体の基板から形成される基板である。ＭＥＭＳ光スキャナ１では、光スキャナ素子５を第１の基板とすると、基板３を第２の基板とする。

圧電膜５５はサブアーム５３の主面の上に形成されている。圧電膜５５は、中央部５３１と自由端部５３２との間に対応する箇所に、カット部５７を有する。なお、カット部５７は、円弧状に切除して形成してもよい。圧電膜５５は、図示しない基板３の配線に電気的に接続されており、この配線を介して駆動信号を印加されると、伸縮することができる。

ここで、サブアーム５３において中央部５３１はフレーム５４に固定されているとともに、自由端部５３２はスリット５６によりフレーム５４から離間している。圧電膜５５が伸縮運動すると、中央部５３１は固定部として固定されたまま、自由端部５３２は駆動部として矢印方向、すなわち、自由端部５３２の長手方向に沿って伸縮運動させることができる。つまり、サブアーム５３は、固定部としての中央部５３１、及び、可動部としての自由端部５３２を有する駆動部として機能する。自由端部５３２の伸縮運動により、メインアーム５２を介してミラー５１をＨ軸を中心として回転させることができる。

ここで、圧電膜５５の伸縮運動により、サブアーム５３の中央部５３１と自由端部５３２とはねじれるように曲がり、圧電膜５５とサブアーム５３とを剥離させる応力がかかる。カット部５７の形成により、中央部５３１と自由端部５３２とのねじれにより圧電膜５５にかかる応力を弱め得る。これにより、圧電膜５５がサブアーム５３から剥離することを抑制する。

このような構成によれば、ミラー５１に向かって画像を表示するための光を照射しつつ、Ｈ軸及びＶ軸を中心としてミラー５１を回転駆動させると、光を縦横方向にそれぞれ走査することができる。すなわち、光を２軸方向に走査して、画像を表示部に表示することができる。ＭＥＭＳ光スキャナ１は、カット部５７を有するので、ミラー５１を大きな角度で偏向するように回転駆動させても、ねじりによる応力を弱め得て、圧電膜５５の剥離を抑制することができる。

また、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、シリコン基板と比較して耐衝撃性を有する基板３を有している。ＭＥＭＳ光スキャナ１は、ワイヤ４の基板３への固定により、ランプ波駆動を行うことのできるように基板３の見かけ上の共振周波数を高め、ミラーをこの共振周波数に一致させて回転させることができる。つまり、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、耐衝撃性を確保しつつ、ミラーを効率良く回転運動させることができる。つまり、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、光を安定して走査できる。

また、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、基板３の表面を少なくとも低反射膜３４で被覆し、基板３に当たる光を吸収でき、基板３から反射する光による迷光をより確実に防止できる。これにより、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、光を安定して走査でき、高画質の画像を表示することができる。

なお、メインアーム５２、サブアーム５３、フレーム５４、及び、圧電膜５５は、光スキャナ素子支持部３２と同様、低反射膜により被覆されるとより好ましい。低反射膜がメインアーム５２、サブアーム５３、フレーム５４、及び、圧電膜５５に当たる光を吸収し、メインアーム５２、サブアーム５３、フレーム５４、及び、圧電膜５５から反射する光による迷光をより確実に防止できる。これにより、ＭＥＭＳ光スキャナ１は、安定して走査でき、高画質の画像を表示することができる。また、メインアーム５２、サブアーム５３、フレーム５４、圧電膜５５と、低反射膜との密着性を高めるように、低反射膜３４の成分を調整してもよい。

また、低反射膜として黒色皮膜を用いる例を説明したが、ＭＥＭＳ光スキャナとして必要とされる性能を満たすように迷光を十分に抑制できるのであれば、黒色以外の有色の皮膜を用いてもよい。

なお、本発明は上記実施の形態に限られたものではなく、趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更することが可能である。

１ ＭＥＭＳ光スキャナ、３ 基板、４ ワイヤ、５ 光スキャナ素子、３１ 枠部、３２ 光スキャナ素子支持部、３３ 軸部、５０ 支持アーム、５１ ミラー、５３ サブアーム、５４ フレーム、５５ 圧電膜

そこで、本発明は、
シリコン基板により構成される第１の基板と、
前記第１の基板に形成されたミラーと、
前記第１の基板に圧電膜を設置し、前記ミラーを前記圧電膜により第１の軸方向に駆動する駆動部と、
前記第１の基板に形成され、前記駆動部を支持するフレームと、
フレキシブルプリント基板により構成される第２の基板と、
前記第２の基板に形成され、前記第１の基板を支持する支持部と、
前記第２の基板に形成され、前記支持部を離間して包囲する枠部と、
前記第２の基板に形成され、前記支持部及び前記枠部を第２の軸方向に沿って支持する軸部と、を備えるＭＥＭＳ光スキャナであって、
前記枠部と前記支持部とを支持するように前記第２の軸方向に沿ってその両端が前記第２の基板に固定されるとともに、前記第２の基板の剛性および共振周波数を高めるヤング率を有する剛性付与部とを含み、
前記剛性付与部は、前記支持部を前記第２の軸方向に駆動することを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナを提供する。

Claims (6)

1. 第１の基板と、
   前記第１の基板に形成されたミラーと、
   前記第１の基板に圧電膜を設置し、前記ミラーを前記圧電膜により第１の軸方向に駆動する駆動部と、
   前記第１の基板に形成され、前記駆動部を支持するフレームと、
   第２の基板と、
   前記第２の基板に形成され、前記第１の基板を支持する支持部と、
   前記第２の基板に形成され、前記支持部を離間して包囲する枠部と、
   前記第２の基板に形成され、前記支持部及び前記枠部を第２の軸方向に沿って支持する軸部と、を備えるＭＥＭＳ光スキャナであって、
   前記第２の軸方向に沿ってその両端を第２の基板に固定される剛性付与部とを含み、
   前記剛性付与部は、前記支持部を第２の軸方向に駆動することを特徴とするＭＥＭＳ光スキャナ。
2. 前記第１の基板は、シリコン基板であり、前記第２の基板はフレキシブルプリント基板であることを特徴とする請求項１に記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
3. 前記剛性付与部は、少なくとも１３０ＧＰａのヤング率を有する線状体であることを特徴とする請求項１又は２に記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
4. 前記線状体は、ベリリウム銅合金からなる直径７５〜８５μｍのワイヤ体であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１つに記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
5. 前記第２の基板の表面の前記ミラーに対応する部分は、低反射膜により被覆されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１つに記載のＭＥＭＳ光スキャナ。
6. 前記駆動部及び前記フレームの表面は、前記低反射膜により被覆されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１つに記載のＭＥＭＳ光スキャナ。

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