WO2011161943A1

WO2011161943A1 - 光学反射素子

Info

Publication number: WO2011161943A1
Application number: PCT/JP2011/003519
Authority: WO
Inventors: 寿彰堀江; 晋輔中園; 聡一郎平岡; 山本　雄大; 小牧　一樹; 多田　真樹; Shigeo FURUKAWA (古川成男)
Original assignee: パナソニック株式会社; 古川喜代美
Priority date: 2010-06-24
Filing date: 2011-06-21
Publication date: 2011-12-29
Also published as: US8964273B2; US20130107339A1; US9025228B1; CN102959454A; US20150116803A1; CN102959454B; JPWO2011161943A1; KR20130108515A; JP2016001325A

Abstract

本発明の光学反射素子は、固定枠と、一対の第一振動部と、可動枠と、一対の第二振動部と、ミラー部とを備える。第一振動部は、固定枠の内側に一端が接続される。可動枠は、一対の第一振動部の他端と接続、支持されて回動可能である。一対の第二振動部は、可動枠の内側に一端が接続されるとともに、一対の第一振動部に略直交するように配設される。ミラー部は、一対の第二振動部の他端と接続、支持されて回動可能である。第二振動部は複数の直線部と折り返し部とからなるミアンダ形状とするとともに、かつ折り返し部の一部に段差構造部を設けた。

Description

光学反射素子

　本発明は、表示装置などに用いられる光学反射素子に関する。

　従来の光学反射素子１を図１０に示す。図１０に示すごとく、従来の光学反射素子１は、固定枠２と、一対の第一振動部３，４と、可動枠５と、一対の第二振動部６，７と、ミラー部８とを備えている。一対の第一振動部３，４は、固定枠２の内側にその一端が接続される。可動枠５は、一対の第一振動部３，４の他端と接続、支持される。一対の第二振動部６，７は、可動枠５の内側に一端が接続されるとともに、一対の第一振動部３，４に略直交するように配設される。ミラー部８は、一対の第二振動部６，７の他端と接続、支持され回動可能である。可動枠５は、ミラー部８の略中心を通り、一対の第一振動部３，４に沿ったＸ軸（Ｘ１軸）周りに回動する。ミラー部８は、その中心を通り、一対の第二振動部６，７に沿ったＹ軸（Ｙ１軸）周りに回動する。これにより、光学反射素子１はミラー部８に照射、反射された光束（光点）をＸ、Ｙ軸方向に走査して、スクリーン上に画像を投影する。

　図１１に、第二振動部７の拡大斜視図を示す。図１１に示すごとく、第二振動部７は、梁を複数回折り返したいわゆるミアンダ形状であり、複数の直線部９ａと、複数の直線部９ａを折り曲げた折り返し部９ｂとから構成されている。

　複数の直線部９ａには、圧電体などの駆動素子が各々形成されている。第二振動部７は、これら駆動素子を互いに逆位相となるように駆動し、直線部９ａを矢印方向に変位させて反らせることで、図１２に示すごとく、その変位量を直線部９ａの数だけ加算させてミラー部８の大変位を実現している。

　この出願に関する光学反射素子を開示するものとして、例えば、特許文献１が挙げられる。

　投影画像の解像度を高めるためには、各振動部の変位量を維持しながら駆動周波数を高くして光束（光点）の走査速度を高める必要があるが、その際、振動部の折り返し部に応力が集中することでクラック等が生じやすくなるという課題があった。

特開２００８－０４０２４０号公報

　本発明の光学反射素子によれば、振動部の折り返し部の機械的強度を高めることができるので、ミラー部を大きな回動角（変位量）でかつ高周波駆動させることができる。

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は本発明の実施の形態１における光学反射素子のミラー部周辺の拡大斜視図である。図３は本発明の実施の形態１における光学反射素子の第二振動部の一直線部の断面図である。図４は本発明の実施の形態１における光学反射素子の第二振動部の一部断面斜視図である。図５は図４のＡ方向正面図である。図６は本発明の実施の形態１における光学反射素子の第一振動部の詳細な構造を示す斜視図である。図７は本発明の実施の形態１における光学反射素子の第一振動部の一部断面斜視図である。図８は図７のＡ方向正面図である。図９は本発明の実施の形態１における光学反射素子を用いた画像投影装置の例を示す構成図である。図１０は従来の光学反射素子の斜視図である。図１１は従来の光学反射素子における第二振動部の拡大斜視図である。図１２は従来の光学反射素子における第二振動部の動作を説明する拡大斜視図である。

　（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、図面を用いて説明する。

　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である。図１に示すように、本実施の形態における光学反射素子１０は、固定枠１１と、一対の第一振動部１２ａ，１２ｂと、可動枠１３と、一対の第二振動部１４ａ，１４ｂと、ミラー部１５とを備えている。一対の第一振動部１２ａ，１２ｂは、固定枠１１の内側にその一端が接続、支持される。可動枠１３は、一対の第一振動部１２ａ，１２ｂの他端と接続、支持されてＳ２軸周りに回動可能である。一対の第二振動部１４ａ，１４ｂは、可動枠１３の内側にその一端が接続、支持されるとともに、第一振動部１２ａ，１２ｂに略直交するように配設される。ミラー部１５は、一対の第二振動部１４ａ，１４ｂの他端と接続、支持されてＳ１軸周りに回動可能である。

　なお、本実施の形態における固定枠１１は、矩形でありミラー部１５及び可動枠１３の四方を覆う一様に連続な形状としているが、必要に応じて円形や三角形などの形状としてもよく、一辺を開口部としても良い。また、可動枠１３においても同様である。

　一対の第一振動部１２ａ，１２ｂは、ミラー部１５の中心を通るＹ軸（Ｓ１軸）に対して線対称とし、第一振動部１２ａ，１２ｂと可動枠１３および第一振動部１２ａ，１２ｂと固定枠１１との接続位置はお互いに対角の位置となるように構成されている。すなわち、第一振動部１２ａ，１２ｂの固定枠１１との接続位置および第一振動部１２ａ，１２ｂの可動枠１３との接続位置は、お互いに対角の位置になるように構成されている。このように構成することにより、実際に可動枠１３が回動する回動軸をＳ２軸と合致させることができ、その結果、可動枠１３を駆動させたときの慣性モーメントを最小にして駆動効率を高めることが可能となる。

　同様に、一対の第二振動部１４ａ，１４ｂは、ミラー部１５の中心を通るＸ軸（Ｓ２軸）に対して線対称としており、Ｓ１軸とＳ２軸の交点はミラー部１５の中心に位置することが望ましい。

　図２は、本発明の実施の形態１における光学反射素子のミラー部周辺の拡大斜視図である。図２は可動枠１３を含むミラー部１５の拡大斜視図を示している。一対の第二振動部１４ａ，１４ｂはそれぞれ複数の直線部１６（図中の点線で挟んだ部位）と、複数の直線部１６の端部を折り曲げた、曲率を有する折り返し部１７とからなるミアンダ形状とする。このようにミアンダ形状とすることで、第二振動部１４ａ，１４ｂを実質的に長くすることができるので、各直線部１６の変位量を重畳させてミラー部１５の回動量を大きくすることができる。

　尚、本実施の形態における折り返し部１７は、曲率を有しているが、例えば並列する直線部１６の端部を、Ｙ軸と平行な直線で接続してもよい。ここで、ミラー部１５を駆動する、第二振動部１４ａ，１４ｂの詳細を説明する。

　図３は、本発明の実施の形態１における光学反射素子の第二振動部の一直線部の断面図である。図３は、第二振動部１４ａ，１４ｂ（図１）の断面図を示している。

　第二振動部１４ａ，１４ｂは、共通のシリコン基板１８を最下層とし、シリコン基板１８上にはシリコン酸化膜１９が形成され、シリコン酸化膜１９上に圧電アクチュエータ２０を備えている。

　圧電アクチュエータ２０は、下部電極層２１と、下部電極層２１上に積層された圧電体層２２と、圧電体層２２上に共通に積層された上部電極層２３とを備えている。

　なお、下部電極層２１は白金、上部電極層２３は金、圧電体層２２はチタン酸ジルコン酸鉛（Pb（Z_x，Ti_1-x）O₃で、ｘ＝０．５２５）等の圧電材料で形成されている。これらの圧電材料は、蒸着、ゾルゲル、ＣＶＤ、スパッタ法などによって薄膜化することができる。

　下部電極層２１および上部電極層２３に所定の電圧を印加することにより、圧電体層２２を反らせて第二振動部１４ａ，１４ｂを変位させる。折り返し部１７を挟んで平行に設けられた隣り合う直線部１６に生じる変位量は重畳されて、その結果、ミラー部１５の回動量を大きくすることができる。

　なお、変位量を重畳させる場合は、折り返し部１７を挟んで平行に設けられた隣り合う直線部１６に対して一つ置きに同位相の電圧を印加すればよい。さらに、直線部１６の幅に余裕がある場合は、隣り合う直線部１６に対して交互に正位相と負位相の電圧を印加する上部電極層２３を設ければよい。また、直線部１６の幅が狭い場合は、圧電体層２２の分極方向を隣り合う直線部１６に対して交互に反転させることにより、共通の上部電極層２３で直線部１６を同じ方向に変位させることが可能となる。上記のように、隣り合う直線部１６に対して交互に逆位相の電圧を印加する、または圧電体層２２の分極方向を隣り合う直線部１６に対して交互に反転させることで、一つ置きに変位をさせるよりもより多くの変位を重畳させることが可能となる。

　つぎに本発明のポイントである折り返し部１７に関して以下にその詳細を説明する。

　図４は、本発明の実施の形態１における光学反射素子の第二振動部の一部断面斜視図である。図４は、折り返し部１７と、それに接続された直線部１６の構成を示す。図４に示すごとく、折り返し部１７の下部に段差構造部２４を設けることにより、折り返し部１７を直線部１６より厚い構造とする。このとき、直線部１６の厚さｈ１が、直線部１６の幅Ｗ１よりも小さい場合、段差構造部２４の厚さｈ２は、以下の関係を満たすことが望ましい。

　ｈ１＋ｈ２＜Ｗ１
　これは、段差構造部２４を含む折り返し部１７の厚みが、直線部１６の幅Ｗ１よりも大きくなると、段差構造部２４を設けない従来の構造よりも第二振動部１４ａ，１４ｂの共振周波数が低下してしまうためである。

　本実施の形態では、折り返し部１７の下部全面に段差構造部２４を設けたが、一部に設けてもよい。段差構造部２４を一部に設ける際は、図５に示す図４のＡ方向正面図のごとく、段差構造部２４は、折り返し部１７の中心線（二等分線：Ｂ－ＢＢ）を挟んで対称に設ける。

　こうすることにより、折り返し部１７の機械的強度を二等分線Ｂ－ＢＢに対して対称とすることができ、直線部１６ａ，１６ｂの変位に対して折り返し部１７に捩れが発生することがなく、結果としてミラー部１５の回動軸のずれを低減することができる。また、第二振動部１４ａ，１４ｂの折り返し部１７に応力が集中した場合でも、第二振動部１４ａ，１４ｂの破損を防止することができる。

　なお、本実施の形態は、段差構造部２４を折り返し部１７の下部に別体で設けた例であるが、一体で設けてもよい。また、段差構造部２４を折り返し部１７の下部ではなく折り返し部１７の上部に設けてもよい。段差構造部２４を折り返し部１７の上部に設けることにより、光学反射素子１０を形成した後に段差構造部２４を容易に設けることが可能となり、生産性を高めることができる。段差構造部２４を上部に形成する際は、メタルマスク等を用いて折り返し部１７のみに蒸着やスパッタリング、部分めっき等により金属材料で段差構造部２４を形成してもよく、また、インクジェットやディップ等により樹脂材料を塗布して形成してもよい。

　金属材料により段差構造部２４を形成する際、蒸着やスパッタリングを用いることで、直線部１６より比重の高い金属材料で段差構造部２４を形成することができるので、段差構造部２４の厚みを薄くすることが可能となる。また、金や白金、タンタル、タングステンなどのさらに比重の大きい材料を選択することで段差構造部２４の厚みを薄くすることが可能となり低コストで光学反射素子を提供することができる。

　さらに、光学反射素子１０を形成した後に段差構造部２４を設けることで、駆動周波数や振れ角を一定範囲で調整することが可能となるため、歩留りを向上して生産性を高めることが可能となる。

　また、本実施の形態は、段差構造部２４の外周面が折り返し部１７の外周面と一致する例であるが、段差構造部２４の外周面が折り返し部１７の外周面よりも内側に引っ込むようにしてもよい。また、段差構造部２４の外周面が折り返し部１７の外周面より外側に突出するようにしてもよい。

　以上のように本発明の段差構造部２４は、第二振動部１４ａ，１４ｂの折り返し部１７の機械的強度を高めるものであり、折り返し部１７の厚みを直線部１６より厚くするか、折り返し部１７のみを直線部１６より強度の高い別の材料で形成すれば同等の効果が得られる。

　上記は第二振動部１４ａ，１４ｂの例であるが、第一振動部１２ａ，１２ｂに対しても同様である。以下、第一振動部１２ａ、１２ｂについて説明する。図６は、本発明の実施の形態１における光学反射素子の第一振動部の詳細な構造を示す斜視図である。一対の第一振動部１２ａ，１２ｂはそれぞれ複数の直線部２５（図中の点線で挟んだ部位）と、これら複数の直線部２５の端部を折り曲げた、曲率を有する折り返し部２６とからなるミアンダ形状とする。このようにミアンダ形状とすることで、第一振動部１２ａ，１２ｂを実質的に長くすることができるので、各直線部２５の変位量を重畳させて可動枠１３の回動量を大きくすることができる。一対の第一振動部１２ａ，１２ｂの構造、及び動作原理は第二振動部１４ａ、１４ｂと同じであるので詳細な説明は省略する。

　図７は、本発明の実施の形態１における光学反射素子の第一振動部の一部断面斜視図である。図７は、折り返し部２６と、それに接続された直線部２５の構成を示す。図７に示すごとく、折り返し部２６の下部に段差構造部２７を設けることにより、折り返し部２６を直線部２５より厚くしている。このとき、直線部２５の厚さｈ３、直線部２５の幅Ｗ２、段差構造部２７の厚さｈ４の関係は、第二振動部１４ａ、１４ｂと同様に下記の関係を満たすのが望ましい。

　ｈ３＋ｈ４＜Ｗ２
　本実施の形態では、折り返し部２６の下部全面に段差構造部２７を設けたが、一部に設けてもよい。段差構造部２７を一部に設ける際は、図８に示す図７のＡ方向正面図のごとく、段差構造部２７は、折り返し部２６の中心線（二等分線：Ｂ－ＢＢ）を挟んで対象に設ける。

　こうすることにより、折り返し部２６の機械的強度を二等分線Ｂ－ＢＢに対して対称とすることができ、直線部２５ａ，２５ｂの変位に対して折り返し部２６に捩れが発生することがない。そのため、可動枠１３の回動軸のずれを低減することができ、結果としてミラー部１５の回動軸のずれを低減することができる。また、低速側の第一振動部１２ａ，１２ｂでは駆動周波数が低いため、高速側の第二振動部１４ａ，１４ｂに比較して大変位となる。そのため、第二振動部１４ａ，１４ｂと同様に折り返し部２６に応力が集中し、最悪の場合、振動部が破損する。段差構造部２７を設けることで、第二振動部１４ａ，１４ｂと同等な効果を得ることができる。

　最後に、本実施の形態の光学反射素子１０を用いた表示装置の動作を説明する。

　図９は、本実施の形態における光学反射素子１０を用いた表示装置の一例を示す構成図である。

　図９に示すごとく、レーザ光源などの光源２８からミラー部１５へ光束(入射光２９)を入射し、その反射光３０をミラー部１５の振動によってＸ軸、Ｙ軸方向に走査させることで２軸方向同時に反射光３０を走査してスクリーン３１や壁に画像３２を投影する。

　上記のように光学反射素子１０を動作させる際、第一振動部１２ａ，１２ｂ（図１）、および第二振動部１４ａ，１４ｂ（図１）それぞれの上部電極２３（図３）に、それぞれの共振周波数の交流電圧を印加し、第一振動部１２ａ，１２ｂおよび第二振動部１４ａ，１４ｂの圧電アクチュエータ２０（図３）を共に駆動させる。ここで、第一振動部１２ａ，１２ｂや第二振動部１４ａ，１４ｂは、共振させることによりその振幅が大きくなり、その結果、ミラー部１５（図１）のＸ軸およびＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。

　そして、上部電極２３から供給される交流電圧（電気信号）の正・負によって第一振動部１２ａ，１２ｂはＹ軸方向に曲げ方向を変え振動する。その振動によって、可動枠１３（図１）が上下（垂直方向）に振動し、ミラー部１５の中心を不動点としながら、ミラー部１５を、Ｓ２軸を中心に回動させることができる。

　また、同様に、上部電極２３から供給される交流電圧の正・負によって、第二振動部１４ａ，１４ｂはＸ軸方向に曲げ方向を変え振動する。その振動によってミラー部１５の左右両端部が上下に振動し、ミラー部１５の中心を不動点としながら、Ｓ１軸を中心に回動させることができる。

　本実施の形態では、第二振動部１４ａ，１４ｂ及び第一振動部１２ａ，１２ｂのミアンダ形状の折り返し部１７，２６に、直線部１６，２５より厚くする段差構造部２４，２７を設けているため、折り返し部１７，２６の内側で発生していた応力を分散することができる。結果として、ミラー部１５のＳ１軸を中心とした回動角は段差構造部２４，２７が無いものと比較して大きくなる。本実施の形態の例では、第二振動部１４ａ，１４ｂにおいて、ｈ１を１００μｍ、ｈ２を５０μｍ、Ｗ１を１７０μｍとしており、測定の結果Ｓ１軸を中心とする回動角を、従来の構造と比較して約２０％大きくすることができた。同様に、第一振動部１２ａ、１２ｂにおいてはｈ３を１００μｍ、ｈ４を５０μｍ、Ｗ２を１７０μｍとしており、測定の結果Ｓ２軸を中心とする回動角を、従来の構造と比較して約２０％大きくすることができた。

　なお、本実施の形態では、第二振動部１４ａ，１４ｂと第一振動部１２ａ，１２ｂの両方の振動部にそれぞれ段差構造部２４，２７を設ける例を示したが、第二振動部１４ａ，１４ｂのみに、段差構造部２４を設けてもよい。これにより、振動部の構造を簡単にでき、光学反射素子の生産性を上げることができる。

　本発明の光学反射素子は、プロジェクタやヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなど、画像投影装置に有用である。

　１０　　光学反射素子
　１１　　固定枠
　１２ａ，１２ｂ　　第一振動部
　１３　　可動枠
　１４ａ，１４ｂ　　第二振動部
　１５　　ミラー部
　１６，１６ａ，１６ｂ，２５，２５ａ，２５ｂ　　直線部
　１７，２６　　折り返し部
　２４，２７　　段差構造部
　Ｓ１　　Ｙ軸方向の振動軸
　Ｓ２　　Ｘ軸方向の振動軸

Claims

固定枠と、
前記固定枠の内側に一端が接続された一対の第一振動部と、
前記一対の第一振動部の他端と接続、支持された回動可能な可動枠と、
前記可動枠の内側に一端が接続されるとともに、前記一対の第一振動部に略直交するように配設した一対の第二振動部と、
前記一対の第二振動部の他端と接続、支持された回動可能なミラー部とを備え、
前記第二振動部は複数の直線部と折り返し部とからなるミアンダ形状とするとともに、
前記折り返し部の一部に段差構造部を設けた光学反射素子。
前記第一振動部は複数の直線部と折り返し部とからなるミアンダ形状とするとともに、
前記第一振動部の前記折り返し部の一部に段差構造部を設けた請求項１に記載の光学反射素子。
前記段差構造部は、
前記折り返し部の中点（二等分点）を含む請求項１または請求項２のいずれか１項に記載の光学反射素子。
少なくとも前記段差構造部の一部は、前記直線部と異なる材料からなる請求項３に記載の光学反射素子。
前記段差構造部は、蒸着、スパッタ、ディップにより設けられた請求項４に記載の光学反射素子。