WO2010131449A1 - 光学反射素子 - Google Patents

Abstract

　光学反射素子は、枠形状の支持体と、ミアンダ形の第１振動子と第２振動子と、ミラー部とを有する。ミラー部と第１振動子との連結位置と支持体と第１振動子との連結位置とを結ぶ線分、ミラー部と第２振動子との連結位置と支持体と第２振動子との連結位置とを結ぶ線分は、ミラー部中心軸と交差する。そして第１振動子と第２振動子のターン部の少なくともいずれか１つの外周が、ミラー部中心軸に平行でミラー部の第１辺に沿った第１端部軸からずれている。あるいは第１振動子と第２振動子のターン部の少なくともいずれか１つの外周がミラー部中心軸に平行でミラー部の第１辺に平行な第２辺に沿った第２端部軸(Ｔ２)からずれている。この２つの条件の少なくともいずれかを満たす。

Description

光学反射素子

　本発明は、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像投影装置に用いられる光学反射素子に関する。

　図１３は従来の光学反射素子の斜視図である。この光学反射素子は、ミラー部１と、一対の振動子３と、枠体４とを有する。振動子３はそれぞれミラー部２の端部に連結されている。枠体４は振動子３およびミラー部２の外周を囲んでいる。ミラー部２と振動子３との連結位置５と、枠体４と振動子３との連結位置６とを結ぶ直線は、ミラー部２の中心を通るミラー部中心軸Ｓ１３１に平行である。

　振動子３はそれぞれ、折り返し連結された複数の振動板３Ａ～３Ｄ、３Ｅ～３Ｈで構成されている。振動板３Ａ～３Ｈには、下部電極層、圧電体層、上部電極層で構成されたドライブ素子がそれぞれ配置されている。これらのドライブ素子に電圧を印加することにより、振動子３が駆動し、ミラー部２を回動運動させることができる。そして、回動するミラー部２に光を入射することにより、その反射光をスクリーン上に走査することが可能となる。

　さらに、振動子３と直交し、枠体４を介して対向した一対の振動子を設けることにより、これら４つの振動子の振動によってミラー部２を垂直方向、水平方向に励振させることができる。この構成のよって壁やスクリーン等に画像を投影することができる。

　これらの振動子にはさらに、下部電極層、圧電体層、上部電極層で構成されたモニター素子が設けられている。このモニター素子で検出した電気信号を、帰還回路を介してドライブ素子の上部電極に入力すれば、理論上は光学反射素子を常に共振周波数にて駆動できる。このような自励駆動方式により、大振幅を維持できる。このような光学反射素子１は、例えば、特許文献１に開示されている。

　近年、光学反射素子において、効率良く、大きなミラー振幅角を実現することが求められている。これは、光学反射素子を用いて大画面投影を行うためである。そのためには、ミラーの振幅角が大きいことが必要不可欠である。一方、解像度を高めるためには駆動周波数を高周波化する必要がある。しかしながら、高周波振動においては振幅角が減少するため、大画面投影には不利である。つまり、解像度を高めるようとすると大画面投影が困難になる。

特開２００８－０４０２４０号公報

　本発明は、振動子によるエネルギー伝達効率を高め、大きなミラー振幅角を実現する光学反射素子である。

　本発明の光学反射素子は、枠形状の支持体と、第１振動子と第２振動子と、ミラー部とを有する。第１、第２振動子の各第１端は支持体の内側に連結されている。ミラー部は第１辺と、第１辺に平行な第２辺と、第１辺に垂直な第３辺と、第３辺に平行な第４辺とを有する矩形形状である。ミラー部は第１辺と第３辺との間の端部で第１振動子の第２端に連結され、第１辺と第４辺との間の端部で第２振動子の第２端に連結されて、第１、第２振動子の間に配置されている。ミラー部は第１辺、第２辺、第３辺、第４辺に囲まれた反射面を有する。ミラー部は、第１、第２振動子とミラー部とが並んだ方向に沿ってミラー部の中心を通るミラー部中心軸を有する。第１、第２振動子はミラー部を振動させる駆動部を有するとともに、３以上の振動板が２以上のターン部で折り返すように連結されたミアンダ形である。ターン部はミラー部中心軸に平行である。ミラー部と第１振動子との連結位置と、支持体と第１振動子との連結位置とを結ぶ線分は、ミラー部中心軸と交差し、ミラー部と第２振動子との連結位置と、支持体と第２振動子との連結位置とを結ぶ線分が、ミラー部中心軸と交差している。ターン部の少なくともいずれか１つの少なくとも一部が、ミラー部中心軸に平行でミラー部の前記第１辺を通る第１端部軸より外側に位置するか、ターン部の少なくともいずれか１つの全体が第１端部軸より内側に位置する。あるいは、振動子のターン部の少なくともいずれか１つの少なくとも一部が、ミラー部中心軸に平行でミラー部の第２辺を通る第２端部軸より外側に位置するか、振動子のターン部の少なくともいずれか１つの全体が第２端部軸より内側に位置する。これらの条件の少なくともいずれかを満たす。この構成により小型であっても、高効率で、ミラーの振幅角を大きくした光学反射素子を実現することができる。

図１は本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図である。 図２は図１に示す光学反射素子の断面図である。 図３は図１に示す光学反射素子の上面図である。 図４は図１に示す光学反射素子の要部拡大上面図である。 図５は図１に示す光学反射素子と比較するための別の光学反射素子の上面図である。 図６は図１に示す光学反射素子と比較するためのさらに別の光学反射素子の上面図である。 図７は図１に示す光学反射素子の動作時の、ミラー部の断面図である。 図８は本発明の実施の形態２における光学反射素子のミラー部の、反射面の反対側の斜視図である。 図９は本発明の実施の形態２における光学反射素子の上面図である。 図１０は本発明の実施の形態２における他の光学反射素子の上面図である。 図１１は本発明の実施の形態３における光学反射素子の斜視図である。 図１２は本発明の実施の形態４における光学反射素子の斜視図である。 図１３は従来の光学反射素子の斜視図である。

　（実施の形態１）
　以下、本発明の実施の形態１における光学反射素子に関して、図１～図５を用いて説明する。図１は本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図、図２は図１に示す光学反射素子の２－２線における断面図である。図３は図１に示す光学反射素子の、端子を省略した上面図、図４は図１に示す光学反射素子の要部拡大上面図である。図１～図３に示すように、本実施の形態における光学反射素子１０は、枠形状の支持体１４と、第１振動子である振動子１２と第２振動子である振動子１３と、ミラー部１１とを有する。

　振動子１２、１３の各第１端は連結位置２３Ａ、２３Ｂで支持体１４の内側に連結されている。図３に示すようにミラー部１１は第１辺１１１と、第１辺１１１に平行な第２辺１１２と、第１辺１１１に垂直な第３辺１１３と、第３辺１１３に平行な第４辺１１４とを有する矩形形状である。ミラー部１１は第１辺１１１と第３辺１１３との間の端部で振動子１２の第２端に連結されている。すなわち、ミラー部１１は連結位置２２Ａで振動子１２に連結されている。またミラー部１１は第１辺１１１と第４辺１１４との間の端部で振動子１３の第２端に連結されている。すなわち、ミラー部１１は連結位置２２Ｂで振動子１３に連結されている。このようにミラー部１１は振動子１２、１３の間に配置されている。

　図２、図３に示すように、ミラー部１１は第１辺１１１、第２辺１１２、第３辺１１３、第４辺１１４に囲まれた反射面１１Ｒを有する。また図１、図３に示すように、ミラー部１１は、振動子１２、１３とミラー部１１とが並んだ方向に沿ってミラー部１１の中心を通るミラー部中心軸Ｓ１（２－２線）を有する。

　図１、図３に示すように、振動子１２、１３は、３以上の振動板が２以上のターン部で折り返すように連結されたミアンダ形である。図１、図３は、振動子１２が振動板１２Ａ～１２Ｃとターン部２４Ａ、２５Ａを有し、振動子１３が振動板１３Ａ～１３Ｃとターン部２４Ｂ、２５Ｂを有する例を示している。ターン部２４Ａ～２５Ｂはミラー部中心軸Ｓ１に平行である。すなわち、振動子１２は、ミラー部中心軸Ｓ１に垂直かつ同一平面上に、１８０度折り返すように連結された振動板１２Ａ～１２Ｃとターン部２４Ａ、２５Ａとで構成されている。同様に振動子１３は、ミラー部中心軸Ｓ１に垂直かつ同一平面上に、１８０度折り返すように連結された振動板１３Ａ～１３Ｃとターン部２４Ｂ、２５Ｂとで構成されている。

　また図２に示すように、振動子１２、１３を構成する振動板１２Ａ～１２Ｃ、１３Ａ～１３Ｃは、それぞれ駆動信号を印加しミラー部１１を振動させる駆動部であるドライブ素子１５と、振動子１２、１３の振動を検出するためのモニター素子１６とを有する。ドライブ素子１５は、基材１７と、基材１７上に形成された下部電極層１８と、下部電極層１８上に積層された圧電体層１９と、圧電体層１９上に積層された上部電極層であるドライブ電極２０とを有している。同様に、モニター素子１６は、基材１７と、下部電極層１８と、圧電体層１９と、圧電体層１９上に積層された上部電極層であるモニター電極２１とを有している。

　なお図１に示すように、支持体１４上の振動子１２の側には端子４１Ａ、４２Ａが形成され、支持体１４上の振動子１３の側には端子４１Ｂ、４２Ｂが形成されている。図２に示すように、これらの端子はドライブ電極２０の上に設けられた絶縁膜４３の上に形成されている。端子４１Ａ、４１Ｂは、連結位置２３Ａ、２３Ｂの表面を経由してモニター電極２１に接続されている。また端子４２Ａ、４２Ｂは絶縁膜４３に形成されたスルーホール電極（図示せず）を介して絶縁膜４３の下に形成されたドライブ電極２０に接続されている。

　図３から明らかなように、連結位置２２Ａと連結位置２３Ａとを結ぶ線分、および連結位置２２Ｂと連結位置２３Ｂとを結ぶ線分は、ミラー部中心軸Ｓ１と交差するように各連結位置が配置されている。そしてターン部２４Ａ、２４Ｂの少なくとも一部は、ミラー部中心軸Ｓ１に平行でミラー部１１の第１辺１１１を通る第１端部軸Ｔ１より外側に位置する。またターン部２５Ａ、２５Ｂの少なくとも一部は、ミラー部中心軸Ｓ１に平行でミラー部１１の第２辺１１２を通る第２端部軸Ｔ２より外側に位置する。

　次に光学反射素子１０を構成する部材の組成に関して説明する。基材１７は、シリコンウエハ、金属、ガラス、セラミック基板または樹脂などの材料で構成される。金属、水晶、ガラス、石英、セラミック材料または樹脂などは入手性の観点から好ましい。さらに目標とする素子サイズ、振動周波数、機械的強度を実現するために最適な特性を有する材料を選択することによって素子構造設計が容易になる。

　なお、基材１７にシリコン等の導電性材料を用いた場合は、基材１７と下部電極層１８との間に絶縁層を形成し、基材１７を構成する導電性材料と下部電極層１８とを電気的に絶縁する。この時、絶縁層としては、二酸化珪素が望ましい。

　圧電体層１９は、圧電体材料で構成される。特にチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高い圧電定数を有する圧電体材料が望ましい。

　下部電極層１８やドライブ電極２０、モニター電極２１は金属を蒸着、ゾル・ゲル、ＣＶＤ、スパッタ法等の薄膜形成方法により作製される。なお下部電極層１８を白金で形成すると、圧電体層１９の結晶性を向上させることができるため好ましい。またドライブ電極２０およびモニター電極２１は例えば、金、チタン／金等で形成する。後者の場合、金の膜の下層のチタン膜はＰＺＴ薄膜等の圧電体層１９との密着力を高めるために形成されており、チタンの他にクロム等の金属を用いることができる。これによって、ドライブ電極２０およびモニター電極２１と圧電体層１９との密着性を良好にすることができる。またチタンやクロム等の膜と金の膜とは強固な拡散層を形成するので、密着強度の高い振動子１２、１３を形成することができる。

　また、ミラー部１１の最上面である反射面１１Ｒは、圧電体層１９の表面を鏡面研磨することによって形成できる。しかしながら図２に示すように、金やアルミニウム等の光反射特性に優れた金属薄膜１１５を形成してもよい。また、金属薄膜１１５上に保護膜を形成していてもよい。なお図２ではミラー部１１にも基材１７の上に下部電極層１８と圧電体層１９とが設けられているが、基材１７のみで形成してもよい。この場合も基材の表面を鏡面研磨することによって反射面１１Ｒを形成できるが、その上に金属薄膜１１５を形成してもよい。

　次に本発明の実施の形態１における光学反射素子の動作について説明する。図２に示すように、振動子１２、１３の振動板１２Ａ～１２Ｃ、１３Ａ～１３Ｃ上には、ドライブ素子１５が形成されている。ここで、振動子１２、１３の下部電極層１８を接地状態にする。そして振動子１２、１３を駆動させる電気信号（交流電圧）を端子４２Ａ、４２Ｂからドライブ電極２０に入力する。

　このとき、振動子１２、１３の固有の振動周波数を有する電気信号をドライブ電極２０に入力し、振動子１２、１３を共振駆動させる。これにより、常に振動子１２、１３が共振周波数にて駆動されるので、振動子１２、１３を効率よく駆動させることができ、変位を増大させ、振れ角を大きくすることができる。この電気信号は、それぞれ抵抗器などのインピーダンス素子を介して合成され、端子４２Ａ、４２Ｂに供給される。なお、インピーダンス素子としては、抵抗器以外にも、コンデンサやコイル等のリアクタンス素子、あるいは、インピーダンス素子とリアクタンス素子との組み合わせてもよい。

　また、振動子１２、１３上に配置されたモニター電極２１は、振動子１２、１３の変位を電気信号として検知する。その電気信号は、端子４１Ａ、４１Ｂに引き出される。引き出された電気信号は、フィルター（図示せず）を介して取り出され、増幅器（図示せず）を経由して再びドライブ電極２０に入力される。

　このようにモニター電極２１から出力される電気信号をドライブ電極２０にフィードバックすることにより、光学反射素子１０を自励駆動させることができる。

　なお図４に示すように、ドライブ素子１５の幅は振動板１２Ａ～１２Ｃ、１３Ａ～１３Ｃの偶数本目と奇数本目で異なっている。つまり、隣接するドライブ素子幅１５Ａ、１５Ｂが異なっている。そのため、ドライブ電極２０に、振動子１２、１３の共振周波数の交流電圧（電気信号）を印加すると、ドライブ素子１５の幅が広く形成された振動板１２Ａ、１２Ｃ、１３Ａ、１３Ｃは、その厚み方向にたわみ振動を起こす。そして振動板１２Ａ、１２Ｃ、１３Ａ、１３Ｃと隣接する振動板１２Ｂ、１３Ｂは、共振の原理により、逆方向にたわみ振動を起こす。またドライブ素子１５の幅が狭く形成された振動板１２Ｂ、１３Ｂ上には、実質的に電圧は殆ど印加されない。このため、振動板１２Ａ、１２Ｃ、１３Ａ、１３Ｃとは逆位相に変位する。したがって、振動板１２Ａ～１２Ｃ、１３Ａ～１３Ｃは交互に逆位相に振動し、図示しない振動軸を中心に変位が蓄積され、この振動軸を中心にミラー部１１を大きく反復回転振動させることができる。

　この構成により、ミラー部１１を、その中心を不動点としながら、回動させることができる。そのため、ミラー部１１に光を照射すれば、光を一方向に走査させることができる。

　次に本実施の形態における構成とその効果を説明する。ミラー部１１は、ミラー部１１を挟んで対向するように連結された振動子１２、１３を介して支持体１４に支持されている。このようにミラー部１１は両端で固定されている。ミラー部１１が振動子１２のみと連結されている場合には、ミラー部１１は回動運動に加えて、光学反射素子１０の面内方向で左右に振動する。このような不要な振動が加わる。しかしながら、ミラー部１１が両端で固定されているため、上述の不要な振動を抑制することができる。

　また、光学振動素子１０では、ミラー部１１と振動子１２との連結位置２２Ａが第３辺１１３と第1端部軸Ｔ１Ａとが交差する点に配置されている。またミラー部１１と振動子１３との連結位置２２Ｂが、第４辺１１４と第1端部軸Ｔ１Ａとが交差する点に配置されている。そのため、連結位置が第３辺１１３または第４辺１１４と、ミラー部中心軸Ｓ１とが交差する点に配置された場合に比べて、小さな駆動力でミラー部１１を振動させることが可能となる。これは、第１辺１１１を中心として第２辺１１２に至る距離を半径としてミラー部１１を回動させることができるためである。このように、高効率駆動が可能となる。

　また上述のようにミラー部１１は振動軸を中心に振動する。このとき、振動軸をミラー部中心軸Ｓ１に近付ければ、光学反射素子１０の質量バランスがとれ、振動子１２、１３によるエネルギー伝達効率を高めることができる。すなわち、エネルギー伝達効率は、ミラー部中心軸Ｓ１に対する振動軸の位置に依存し、ミラー部中心軸Ｓ１と振動軸との両者が一致した場合に、エネルギー伝達効率は最大となる。その結果、一定の駆動力で安定して振幅度を増大することができ、光学反射素子１０において、大きなミラー振幅角を実現することできる。

　ミラー部１１が回動運動を行う場合のミラー部１１の慣性モーメントを考えると、振動軸がミラー部中心軸Ｓ１に一致した場合にその値は最小になり、振動軸がミラー部１１の中心からずれるにしたがってその値は増加する。慣性モーメントの値が大きくなるほどより大きな駆動力が必要となるため、大変位駆動のためには振動軸はミラー部中心軸Ｓ１に一致することが望ましい。

　光学反射素子１０では、ミラー部１１と振動子１２との連結位置２２Ａと、支持体１４と振動子１２との連結位置２３Ａとを結ぶ線分が、ミラー部中心軸Ｓ１と交差している。またミラー部１１と振動子１３との連結位置２２Ｂと、支持体１４と振動子１３との連結位置２３Ｂとを結ぶ線分が、ミラー部中心軸Ｓ１と交差している。すなわち、連結位置２２Ａと連結位置２３Ａとがミラー部中心軸Ｓ１を挟んで互いに反対側に位置し、連結位置２２Ｂと連結位置２３Ｂとがミラー部中心軸Ｓ１を挟んで互いに反対側に位置している。この構成により、振動軸をミラー部中心軸Ｓ１に近づけることができる。

　また、上記の連結位置間を結ぶ線分の中点が、ミラー部中心部Ｓ１軸上にあるように構成されていることが望ましい。これにより振動子１２、１３の対称性が向上してさらに振動軸をミラー部中心軸Ｓ１に近づけることができる。さらにミラー部１１と振動子１２、１３とは、ミラー部１１端部を通る第１端部軸Ｔ１に沿うように接続されていることが、高効率駆動のためにはより望ましい。

　振動軸をミラー部中心軸Ｓ１に近づけるためには、振動板を接続するターン部の位置を変えてもよい。ターン部の位置を変えれば振動板の重心位置が変わる。そのため、振動軸をミラー部中心軸Ｓ１に近づけることができる。結果的に、光学反射素子１０においては、ターン部２４Ａ、２４Ｂの少なくとも一部は、第１端部軸Ｔ１より外側に位置し、ターン部２５Ａ、２５Ｂの少なくとも一部は、第２端部軸Ｔ２より外側に位置している。なお構成によっては、ターン部の少なくともいずれか１つの全体が第１端部軸Ｔ１より内側に位置するか、ターン部の少なくともいずれか１つの全体が第２端部軸Ｔ２より内側に位置することもある。

　このいずれかの構成により、ターン部２４Ａ～２５Ｂの位置を調整して、振動子１２、１３の長さを調整することで振動軸をさらにミラー部中心軸Ｓ１に近づけることができる。

　なお、ターン部の位置変更は、支持体１４に近いターン部で行うのが効果的である。振動子１２、１３を拘束する力はミラー部１１に近い側と支持体１４に近い側とで異なる。ミラー部１１側では振動子１２、１３は自由端に近くなるので振動子１２、１３を拘束する力は弱い。一方、支持体１４は枠形状を有しているので、支持体１４側では振動子１２、１３を拘束する力は強い。そのため、振動子１２、１３を構成する振動板１２Ａ～１２Ｃ、１３Ａ～１３Ｃの長さが同じ場合、支持体１４に近い振動板１２Ｃ、１３Ｃほどその振動軸はミラー部中心軸Ｓ１からずれてしまう。したがって支持体１４に近い側でターン部の位置を変更するほうが振動軸を調整しやすい。図３に示すように振動子１２、１３がターン部を２つだけ有する場合、ターン部２４Ａ、２４Ｂの位置調整をするほうが好ましい。

　このように、ターン部２４Ａ、２４Ｂの少なくともいずれか１つの少なくとも一部が、第１端部軸Ｔ１より外側に位置するか、ターン部２４Ａ、２４Ｂの少なくともいずれか１つの全体が第１端部軸Ｔ１より内側に位置する。あるいは、ターン部２５Ａ、２５Ｂの少なくともいずれか１つの少なくとも一部が、第２端部軸Ｔ２より外側に位置するか、ターン部２５Ａ、２５Ｂの少なくともいずれか１つの全体が第２端部軸Ｔ２より内側に位置する。この２つの条件の少なくとも一方を満たせばよい。すなわち、ターン部２４Ａ、２４Ｂの少なくともいずれか１つの外周が第１端部軸Ｔ１からずれているか、ターン部２５Ａ、２５Ｂの少なくともいずれか１つの外周が第２端部軸Ｔ２からずれているかの少なくともいずれを満たせばよい。

　次に、図１～図４に示す光学反射素子１０と、図５、図６に示す構造を有する光学反射素子との性能を比較する。図５、図６は光学反射素子１０と比較するための光学反射素子の上面図である。

　図５に示す光学反射素子では、振動子５１２と支持体５１４とが、ミラー部中心軸Ｓ５１上の連結位置５２３Ａで連結され、振動子５１３と支持体５１４とが、ミラー部中心軸Ｓ５１上の連結位置５２３Ｂで連結されている。また振動子５１２、５１３のターン部の外周は全て第１端部軸Ｔ５１、第２端部軸Ｔ５２に沿っている。これ以外の構成は図３に示す構成と同様である。すなわち、ミラー部５１１が第１端部軸Ｔ５１に沿った位置で振動子５１２、５１３に連結されている。

　一方、図６に示す光学反射素子では、振動子６１２、６１３に設けられたターン部６２４Ａ、６２４Ｂ、６２５Ａ、６２５Ｂの外周が全て第１端部軸Ｔ６１、第２端部軸Ｔ６２に沿っている。これ以外の構成は図３に示す構成と同様である。すなわち、ミラー部６１１が第１端部軸Ｔ６１に沿った位置で振動子６１２、６１３に連結されている。

　なおこれら３つの光学反射素子を基材１７としてシリコン、圧電体層としてＰＺＴを用いて、（表１）に示す形状で作製した。図３に示す光学反射素子１０では、具体的には、ターン部２４Ａ、２４Ｂの外周は端部軸Ｔ１より１００μｍ外側に位置し、ターン部２５Ａ、２５Ｂの外周は端部軸Ｔ２より１００μｍ外側に位置している。これらＮｏ．１～Ｎｏ．３の光学反射素子に、直流電圧０．５Ｖに各共振周波数の交流電圧０．５Ｖを重畳した電圧を印加した際の振動軸ずれと振幅角θを測定した。(表１)に測定結果を合わせて示す。なお、振動軸ずれはミラー部の幅Ｌで正規化した△ｘ／（Ｌ／２）で評価した。これらの値の関係を図７に示す。図７は一例として図１に示す光学反射素子１０の動作時のミラー部の断面を示している。

　図５に示す構造のＮｏ．１の素子と図６に示す構造のＮｏ．２の素子とを(表１)において比較すると、Ｎｏ．２の素子の方が振動軸ずれ量が小さい。すなわち、振動軸の位置がミラー部中心軸に近い。また、振幅角も大きい。このように、図６に示すように、ミラー部と振動体との連結位置と振動体と支持体との連結位置とがミラー部中心軸を挟んで互いに反対側に位置するほうが好ましい。この構成によって高効率駆動な光学反射素子を実現することができることが確認できた。

　さらに図６に示す構造のＮｏ．２の素子と図３に示す構造のＮｏ．３の素子とを(表１)において比較すると、Ｎｏ．３の素子の方が振動軸ずれ量が小さい。すなわち、振動軸の位置がミラー部中心軸に近い。また、振幅角も大きい。このように、図３に示すように、ターン部２４Ａ、２４Ｂの少なくとも一部が第１端部軸Ｔ１より外側に位置し、ターン部２５Ａ、２５Ｂの少なくとも一部が第２端部軸Ｔ２より外側に位置することが好ましい。この構成によってさらに高効率駆動な光学反射素子を実現することができることが確認できた。

　なお、前述のように、ターン部２４Ａ、２４Ｂの少なくともいずれか１つの全体が第１端部軸Ｔ１より内側に位置するか、ターン部２５Ａ、２５Ｂの少なくともいずれか１つの全体が第２端部軸Ｔ２より内側に位置してもよい。

　なお、本実施の形態においては、振動板１２Ａ～１２Ｃ、１３Ａ～１３Ｃの数は、３以上の奇数であればよく、それ以外には特に限定されない。

　なお、図２においては、ミラー部１１に対向した振動子１２、１３のいずれにもドライブ素子１５が配置されている。しかしながら共振駆動させる場合は、振動子１２、１３のうち、一方の振動子にのみドライブ素子１５を配置してもよい。例えば、振動子１２にのみドライブ素子１５を配置した場合、振動子１２からミラー部１１を介して振動が振動子１３に伝播し、振動子１３も同じように共振駆動する。

　また図２においては、振動子１２、１３のいずれにもモニター素子１６が配置されている。しかしながら共振駆動させる場合は、振動子１２、１３のうち、一方の振動子にのみドライブ素子１５を配置してもよい。特に、上述のように振動子１２にのみドライブ素子１５を配置した場合には、振動子１３にのみモニター素子１６を配置してもよい。

　また図２、図４に示す構成では、モニター素子１６とドライブ素子１５とは１本の振動板上に形成されている。そのため、広いドライブ素子幅１５Ａの振動板ではモニター素子１６の幅は狭く、狭いドライブ素子幅１５Ｂの振動板ではモニター素子１６の幅は広くなっている。しかしながら振動子１２にのみドライブ素子１５を配置し、振動子１３にのみモニター素子１６を配置した場合には、モニター素子１６を幅広に形成することができる。そしてモニター素子１６は、モニター素子１６が形成されている振動子１３の圧電体層の変位を電気信号として検知する。この電気信号は、フィードバック回路を介して振動子１２のドライブ素子１５に入力することができる。

　これにより、設計誤差や外部環境要因によって、振動子１２、１３の共振周波数に変動があった場合においても、駆動を確かめながら所望の電気信号を印加することができ、光学反射素子１０を高精度に自励駆動させることができる。

　（実施の形態２）
　図８は本発明の実施の形態２における光学反射素子のミラー部の、反射面の反対側の斜視図である。図９は本発明の実施の形態２における光学反射素子の上面図である。

　本実施の形態が実施の形態１と異なる点は、図９に示すような光学反射素子のミラー部９１１の反射面９１１Ｒの裏側に、図８に示すような枠形状の錘２６が設けられている点である。錘２６において、ミラー部中心軸Ｓ９１に平行な一対の枠幅２６Ａと枠幅２６Ｂとは異なっている。すなわち錘２６の内側と外側との間の枠幅が、第１辺９１１１側と第２辺９１１２側とで異なる。振動子９１２、９１３は５本の振動板で形成されているが、これについては本質的な違いではない。それ以外の基本的な構成は図３と同様である。

　ミラー部９１１の振動軸の位置は、振動子９１２、９１３の変位によるモーメントと、ミラー部９１１の慣性モーメントのバランスで決定される。一方、上述のように反射面９１１Ｒの裏側に枠幅２６Ａと枠幅２６Ｂとが異なる錘２６を形成することで、ミラー部９１１の慣性モーメントを調整することができる。その結果、ミラー部９１１の振動軸をミラー部中心軸Ｓ９１に近づけることができ、さらに高効率駆動な光学反射素子を実現することができる。また錘２６のない光学反射素子を構成した後にミラー部９１１に錘２６を付加して振動軸の位置を調整することもできる。

　また錘２６を形成することでミラー部９１１の質量が大きくなるので、光学反射素子のサイズを大型化せずに周波数を低周波側にシフトさせることもできる。さらに錘２６が枠形状を有するため、ミラー部１１のたわみ変形を抑制することができる。

　なお、図９では実質的に図３の構成と同様な光学反射素子に錘２６を追加しているが、錘２６は他の構成の光学反射素子に追加した場合も上述の効果を奏する。すなわち、実施の形態１の構成とは独立に駆動効率を向上することができる。

　このような錘２６の効果を確認するため、図１０に示す構成に対し、錘２６の有無による違いを調べた。図１０は錘２６の効果を確認するための、本実施の形態による光学反射素子の上面図である。この構成では、支持体１０１４と振動子１０１２、１０１３との連結位置１０２３Ａ、１０２３Ｂがミラー部中心軸Ｓ１０１上にある。また振動子１０１２、１０１３の各ターン部の外周が端部軸Ｔ１０１、Ｔ１０２に沿っている。すなわち、意図的に振動軸を調整しなければ振動軸ずれが大きくなり易い構造をあえて選んで、ミラー部１０１１の裏面における錘２６の対称性の差による違いを調べた。

　なお、ミラー部１０１１の大きさは１３００μｍ×１０００μｍとした。振動子１０１２、１０１３の振動板の数は５．５本、各振動板の長さは１３００μｍ、幅は１３０μｍ、厚さは１００μｍとした。また錘２６の厚さ２６Ｄは５７５μｍとした。錘２６の枠幅２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃは（表２）に示すようにした。このような錘をミラー部１０１１に付加したＮｏ．４、Ｎｏ．５の光学反射素子を作製し、実施の形態１と同様に共振振動させ、振動軸ずれと振幅角を評価した。その結果を（表２）に示す。

　Ｎｏ．４の光学反射素子では、ミラー部９１１の裏面に形成される枠状の錘の枠幅２６Ａ、２６Ｂ、２６Ｃが同一である。またＮｏ．５の光学反射素子では、錘２６の枠幅２６Ａと枠幅２６ＢをＮｏ．４の光学反射素子と変えている。ただし枠幅２６Ａと枠幅２６Ｂの和は変えていない。このようにしてミラー部中心軸Ｓ１０１に関して枠幅２６Ａ、２６Ｂを非対称化した。

　（表２）から明らかなように、Ｎｏ．５の光学反射素子ではＮｏ．４の光学反射素子と比較して振動軸ずれ量が減少し、振幅角が増大していることが確認できた。

　なお、支持体１０１４と振動子１０１２、１０１３との連結位置１０２３Ａ、１０２３Ｂはミラー部中心軸Ｓ１０１上でなくとも、錘２６の枠幅２６Ａ、２６Ｂの幅を適切な値に設定することで同様の効果を得ることができる。なお、錘２６の厚さ２６Ｄは、支持体１０１４の厚みと同じであると、加工が容易となり望ましい。

　なお錘２６におけるミラー部中心軸Ｓ１０１に平行な一対の枠部において、厚さ２６Ｄを変えて質量を非対称にしてもよい。このような構成でも、枠幅２６Ａと枠幅２６Ｂとが異なる場合と同様の効果を得られる。あるいは、枠幅２６Ａ、２６Ｂが同じで、かつ厚みも同じである場合、ミラー部中心軸Ｓ１０１に平行な一対の枠部がミラー部中心軸Ｓ１０１に関して非対称な距離に形成すればよい。このようにしてミラー部中心軸Ｓ１０１から一対の枠部までの距離を変えても、上記構成と同様の効果を得られる。

　（実施の形態３）
　図１１は本発明の実施の形態３における光学反射素子の斜視図である。なお、実施の形態１と同様の構成を有するものについては、その説明を省略し、相違点について詳述する。本実施の形態と実施の形態１との違いは、光学反射素子を二軸駆動させている点である。

　図１１に示すように、光学反射素子１１０は、ミラー部１１と、振動子１２、１３と、支持体１４と、振動子２７、２８と、支持体２９とを有する。第１振動子である振動子１２と第２振動子である振動子１３は、ミラー部１１を介して対向するとともに、ミラー部１１とそれぞれの第１端で連結されている。枠形状の第１支持体である支持体１４は、振動子１２、１３のそれぞれの第２端と連結され、振動子１２、１３およびミラー部１１の外周を囲っている。第３振動子である振動子２７と第４振動子である振動子２８は、支持体１４を介して対向するとともに、支持体１４とそれぞれの第１端で連結されている。枠形状の第２支持体である支持体２９は、振動子２７、２８のそれぞれの第２端に連結され、振動子２７、２８および支持体１４の外周を囲っている。

　このように、ミラー部１１と、振動子１２、１３と、支持体１４は実施の形態１の光学反射素子１０と同様の構造を形成している。すなわち、振動子１２、１３は、複数の振動板１２Ａ～１２Ｃ、１３Ａ～１３Ｃを有し、各振動板がターン部で折り返すように連結されている。ミラー部１１と振動子１２、１３との連結位置２２Ａ、２２Ｂと、支持体１４と振動子１２、１３との連結位置２３Ａ、２３Ｂとが、それぞれミラー部１１の中心を通るミラー部中心軸Ｓ１１１を挟んで反対側にあるように構成されている。すなわち、連結位置２２Ａと連結位置２３Ａとを結ぶ線分、連結位置２２Ｂと連結位置２３Ｂとを結ぶ線分がミラー部中心軸Ｓ１１１と交差している。さらに振動子１２、１３の各ターン部の外周はミラー部中心軸Ｓ１１１に平行でミラー部１１の第１辺、第２辺に沿った第１端部軸、第２端部軸より外側に位置している。振動子１２、１３の構成、組成、連結位置、上部電極層の配置位置は、実施の形態１と同様である。

　さらに振動子２７、２８は、複数の振動板２７Ａ～２７Ｅ、２８Ａ～２８Ｅを有し、各振動板がターン部で折り返すように連結されている。支持体１４と振動子２７、２８との連結位置３０Ａ、３０Ｂと、支持体２９と振動子２７、２８との連結位置３１Ａ、３１Ｂとが、それぞれミラー部１１の中心を通るミラー部中心軸Ｓ１１２を挟んで反対側にあるように構成されている。すなわち、連結位置３０Ａと連結位置３１Ａとを結ぶ線分、連結位置３０Ｂと連結位置３１Ｂとを結ぶ線分がミラー部中心軸Ｓ１１２と交差している。なおミラー部中心軸Ｓ１１２はミラー部中心軸Ｓ１１１と直交している。したがって、支持体１４をミラー部６１１に見たてると、支持体１４と振動子２７、２８と支持体２９とは図６の光学反射素子と同様の構成である。

　振動子１２、１３の振動軸と、振動子２７、２８の振動軸とは直交する関係にある。これによりミラー部１１から反射する光を水平方向、および垂直方向に走査することができる。また振動子１２、１３の振動軸と、振動子２７、２８の振動軸とは、ミラー部１１の中心で交わっている。したがって、ミラー部１１の中心は不動点となる。この不動部分に光を入射すれば、入射光と反射光との光路長が一定となり、高精度な画像を投影することができる。

　その他本発明の実施の形態１と同様の構成および効果については説明を省略する。

　なお、必ずしも連結位置３０Ａと連結位置３１Ａ、連結位置３０Ｂと連結位置３１Ｂとがミラー部中心軸Ｓ１１２に対して反対側に位置していなくてもよい。少なくとも連結位置２２Ａと連結位置２３Ａ、連結位置２２Ｂと連結位置２３Ｂとがミラー部中心軸Ｓ１１１に対して反対側に位置し、ターン部の外周が第１端部軸、第２端部軸より外側に位置していれば実施の形態１と同様の効果が得られる。しかしながら、連結位置３０Ａと連結位置３１Ａ、連結位置３０Ｂと連結位置３１Ｂとがミラー部中心軸Ｓ１１２に対して反対側に位置していれば、高効率駆動のためには望ましい。また図示していないが、振動子２７、２８のターン部の外周がミラー部中心軸Ｓ１１２に平行で、かつ支持部１４の、振動子２７、２８に接続されていない平行な二辺に沿った第１端部軸、第２端部軸より外側に位置していることがさらに好ましい。これによってさらにミラー部１１を高効率に駆動できる。

　（実施の形態４）
　図１２は本発明の実施の形態４における光学反射素子の斜視図である。なお、実施の形態２、３と同様の構成を有するものについては、その説明を省略し、相違点について詳述する。

　本実施の形態における光学反射素子１２０は、実施の形態３におけるミラー部１１、振動子１２、１３、支持体１４に代えて、実施の形態２で説明した図１０のミラー部１０１１、振動子１０１２、１０１３、支持体１０１４、および錘２６を適用した構成を有する。すなわち、振動子１０１２、１０１３と支持体１０１４との連結位置はミラー部中心軸Ｓ１２１上にあり、錘２６は図８に示したようにミラー部中心軸Ｓ１２２に平行の一対の錘の枠幅２６Ａ、２６Ｂとが非対称になっている。なお振動子１０１２、１０１３における振動板の数が図９とは異なっているが、これは本質的な違いではない。

　このような構成により、実施の形態２と同様にミラー部１０１１を高効率に駆動できる。また実施の形態３と同様に光学反射素子１２０を二軸駆動させることができる。

　なお、光学反射素子１２０において、ミラー部１０１１、振動子１０１２、１０１３、支持体１０１４に代えて図９に示すミラー部９１１、振動子９１２、９１３、支持体９１４を適用すればさらにミラー部９１１を高効率に駆動できる。また図１２では振動子２７、２８は図１１と同様の形状を有しているが、実施の形態３と同様に、振動子２７、２８の振動板の長さを変えてターン部の位置を調整してもよい。

　本発明の光学反射素子は、従来に比べてミラー部の振幅角を増大することが可能となり、高精度な画像を投影することができる。この光学反射素子は、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像投影装置に利用できる。

１０，１１０，１２０　　光学反射素子
１１，５１１，６１１，９１１，１０１１　　ミラー部
１１Ｒ，９１１Ｒ　　反射面
１２，５１２，６１２，９１２，１０１２　　振動子（第１振動子）
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ　　振動板
１３，５１３，６１３，９１３，１０１３　　振動子（第２振動子）
１４，５１４，９１４，１０１４　　支持体
１５　　ドライブ素子
１５Ａ，１５Ｂ　　ドライブ素子幅
１６　　モニター素子
１７　　基材
１８　　下部電極層
１９　　圧電体層
２０　　ドライブ電極
２１　　モニター電極
２２Ａ，２２Ｂ，２３Ａ，２３Ｂ，５２３Ａ，５２３Ｂ，１０２３Ａ，１０２３Ｂ　　連結位置
２４Ａ，２４Ｂ，２５Ａ，２５Ｂ，６２４Ａ，６２４Ｂ，６２５Ａ，６２５Ｂ　　ターン部
２６　　錘
２６Ａ，２６Ｂ，２６Ｃ　　枠幅
２６Ｄ　　厚さ
２７　　振動子（第３振動子）
２７Ａ，２７Ｂ，２７Ｃ，２７Ｄ，２７Ｅ，２８Ａ，２８Ｂ，２８Ｃ，２８Ｄ，２８Ｅ　　振動板
２８　　振動子（第４振動子）
２９　　支持体（第２支持体）
３０Ａ，３０Ｂ，３１Ａ，３１Ｂ　　連結位置
４１Ａ，４１Ｂ，４２Ａ，４２Ｂ　　端子
４３　　絶縁膜
１１１，９１１１　　第１辺
１１２，９１１２　　第２辺
１１３　　第３辺
１１４　　第４辺
１１５　　金属薄膜

Claims (2)

1. 枠形状の支持体と、
   前記支持体の内側に第１端が連結された第１振動子と、
   前記支持体の内側に第１端が連結された第２振動子と、
   第１辺と、前記第１辺に平行な第２辺と、前記第１辺に垂直な第３辺と、前記第３辺に平行な第４辺とを有する矩形形状であり、前記第１辺と前記第３辺との間の端部で前記第１振動子の第２端に連結され、前記第１辺と前記第４辺との間の端部で前記第２振動子の第２端に連結され、前記第１、第２振動子の間に配置され、前記第１辺、第２辺、第３辺、第４辺に囲まれた反射面を有するミラー部と、を備え、
   前記ミラー部は、前記第１、第２振動子と前記ミラー部とが並んだ方向に沿って前記ミラー部の中心を通るミラー部中心軸を有し、
   前記第１、第２振動子は前記ミラー部を振動させる駆動部を有するとともに、３以上の振動板が２以上のターン部で折り返すように連結されたミアンダ形であり、前記ターン部は前記ミラー部中心軸に平行であり、
   前記ミラー部と前記第１振動子との連結位置と、前記支持体と前記第１振動子との連結位置とを結ぶ線分が、前記ミラー部中心軸と交差し、
   前記ミラー部と前記第２振動子との連結位置と、前記支持体と前記第２振動子との連結位置とを結ぶ線分が、前記ミラー部中心軸と交差し、
   前記ターン部の少なくともいずれか１つの少なくとも一部が、前記ミラー部中心軸に平行で前記ミラー部の前記第１辺を通る第１端部軸より外側に位置するか、前記ターン部の少なくともいずれか１つの全体が前記第１端部軸より内側に位置するか、前記ターン部の少なくともいずれか１つの少なくとも一部が、前記ミラー部中心軸に平行で前記ミラー部の前記第２辺を通る第２端部軸より外側に位置するか、前記ターン部の少なくともいずれか１つの全体が前記第２端部軸より内側に位置するか、のうちの少なくともいずれか１つを満たす、
   光学反射素子。
2. 前記ミラー部は、前記反射面の裏側に枠形状の錘を有し、
   前記枠形状の錘の内側と外側との間の枠幅が、前記第１辺側と前記第２辺側とで異なる、
   請求項１記載の光学反射素子。

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