WO2015170624A1 - 可動反射素子および二次元走査装置 - Google Patents
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- WO2015170624A1 WO2015170624A1 PCT/JP2015/062624 JP2015062624W WO2015170624A1 WO 2015170624 A1 WO2015170624 A1 WO 2015170624A1 JP 2015062624 W JP2015062624 W JP 2015062624W WO 2015170624 A1 WO2015170624 A1 WO 2015170624A1
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- G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
- G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
- G02B26/10—Scanning systems
Definitions
- the present invention relates to a movable reflective element and a two-dimensional scanning device using the same.
- a movable reflecting element capable of tilting a reflecting surface As an element for controlling the direction of a light beam or directional radio wave, a movable reflecting element capable of tilting a reflecting surface is used.
- a movable reflecting element capable of tilting the reflecting surface with two-axis freedom can be used as a two-dimensional scanning device for two-dimensionally scanning a light beam or the like, and thus various electronic devices. It is incorporated in and used.
- a projector for projecting an image incorporates a two-dimensional scanning device that two-dimensionally scans a light beam using a movable reflective element.
- a two-dimensional scanning device that two-dimensionally scans a directional radio wave is incorporated in a vehicle-mounted radar.
- a so-called gimbal structure is used for a movable reflecting element that can tilt a reflecting surface with two degrees of freedom, so that the reflecting surface can rotate about a first rotation axis with respect to an outer gimbal frame.
- An inner gimbal frame is attached to the inner gimbal frame, and a mirror is attached inside the inner gimbal frame so as to be rotatable around a second rotation axis orthogonal to the first rotation axis.
- Patent Document 1 below discloses a two-axis swing drive mechanism that employs a gimbal structure to drive a light beam in two axial directions and rotationally drives a mirror in two axial directions by a galvano drive motor. Has been.
- Patent Document 2 discloses a mirror driving mechanism that drives a mirror supported by a gimbal structure using a voice coil motor. Recently, a movable reflective element as a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) that can be manufactured using a semiconductor manufacturing process has also been proposed.
- Patent Document 3 discloses an optical device that supports a mirror by a torsion bar arranged along two orthogonal axes.
- the conventional movable reflecting element that can control the direction of the light beam or the like in two dimensions employs a structure that supports the mirror by a gimbal structure. If this gimbal structure is to be realized by a mechanical rotation mechanism, the number of parts increases as in the examples disclosed in Patent Documents 1 and 2, and the structure must be complicated. On the other hand, if a gimbal structure suitable for a MEMS element is employed as in the example disclosed in Patent Document 3, the structure can be simplified. However, since the displacement of the mirror depends on the twist of the torsion bar, the maximum displacement angle of the mirror is suppressed within the range of the maximum twist angle of the torsion bar, and it becomes difficult to secure a sufficient displacement angle. Another problem arises.
- the present invention has an object to provide a movable reflective element that has a simple structure and can sufficiently secure a displacement angle in the biaxial direction of the reflective surface. Further, such a movable reflective element is provided.
- An object of the present invention is to provide a two-dimensional scanning apparatus utilizing the above.
- a first aspect of the present invention includes a mirror part having a reflecting surface, a fixing part for supporting the mirror part, and an arm part for connecting the mirror part and the fixing part.
- the arm portion includes at least a first bridge portion extending along a first longitudinal axis parallel to the Y axis, and a second longitudinal portion connected directly or indirectly to the first bridge portion and parallel to the X axis.
- a second bridge portion extending along the direction axis,
- the first bridge portion has a flexible first bridge body portion and a first piezoelectric element fixed to the upper surface or the lower surface of the first bridge body portion, and the first piezoelectric element has a predetermined polarity.
- a second aspect of the present invention includes a mirror body portion having a reflecting surface, a fixing portion for supporting the mirror body portion, and an arm portion for connecting the mirror body portion and the fixing portion.
- the arm portion is configured by connecting a plurality of n (where n ⁇ 2) bridge portions directly or indirectly via an intermediate connection portion, and a part of the n bridge portions is parallel to the Y axis.
- the first group of bridge portions includes a flexible first group of bridge main body portions, and a first group of piezoelectric elements fixed to the upper surface or the lower surface of the first group of bridge main body portions,
- the first group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the Y axis when a voltage of a predetermined polarity is applied.
- the second group of bridge portions includes a flexible second group of bridge main body portions, and a second group of piezoelectric elements fixed to the upper or lower surface of the second group of bridge main body portions,
- the second group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the X axis when a voltage of a predetermined polarity is applied.
- the arm portion has a plurality of n bridge portions from the first bridge portion to the nth bridge portion, and the root end portion of the first bridge portion is directly or indirectly connected to the fixed portion.
- the tip of the n-th bridge portion is directly or indirectly connected to the mirror body, and the tip of the i-th (where 1 ⁇ i ⁇ n ⁇ 1) bridge portion is the (i + 1) -th Connected directly or indirectly to the root of the bridge,
- the odd-numbered bridge portion constitutes the first group bridge portion
- the even-numbered bridge portion constitutes the second group bridge portion
- the odd-numbered bridge portion constitutes the second group bridge portion.
- the even-numbered bridge portion constitutes the first group of bridge portions.
- n ⁇ 3 the structure from the root end of the first bridge part to the tip of the nth (where n ⁇ 3) bridge part forms a spiral path, and the mirror part has this spiral path. It is arranged at the center position surrounded by.
- a mirror part having a reflecting surface, a fixing part for supporting the mirror part, a first system arm part for connecting the mirror part and the fixing part, and In a movable reflective element comprising a second system arm part,
- the first system arm portion is connected to at least a first bridge portion extending along a first longitudinal axis parallel to the Y axis and a first bridge portion directly or indirectly connected to the first bridge portion and parallel to the X axis.
- a second bridge portion extending along two longitudinal axes, The second system arm portion is connected to at least a third bridge portion extending along a third longitudinal axis parallel to the Y axis, and a third bridge portion directly or indirectly connected to the third bridge portion and parallel to the X axis.
- a fourth bridge portion extending along the longitudinal axis of 4;
- the first bridge portion has a flexible first bridge body portion and a first piezoelectric element fixed to the upper surface or the lower surface of the first bridge body portion, and the first piezoelectric element has a predetermined polarity.
- the second bridge portion has a flexible second bridge body portion and a second piezoelectric element fixed to the upper surface or the lower surface of the second bridge body portion, and the second piezoelectric element has a predetermined polarity.
- the third bridge portion has a flexible third bridge body portion and a third piezoelectric element fixed to the upper surface or the lower surface of the third bridge body portion, and the third piezoelectric element has a predetermined polarity.
- the fourth bridge portion has a flexible fourth bridge body portion and a fourth piezoelectric element fixed to the upper surface or the lower surface of the fourth bridge body portion, and the fourth piezoelectric element has a predetermined polarity.
- the film expands and contracts in the direction along the fourth longitudinal axis.
- a mirror part having a reflecting surface, a fixing part for supporting the mirror part, a first system arm part for connecting the mirror part and the fixing part, and In a movable reflective element comprising a second system arm part,
- the first system arm portion is configured by connecting a plurality of n (where n ⁇ 2) bridge portions directly or indirectly via an intermediate connection portion, and part of the n bridge portions is a Y-axis.
- the second system arm part is configured by connecting a plurality of m (provided that m ⁇ 2) bridge parts directly or indirectly via an intermediate connection part, and part of the m bridge parts is a Y-axis.
- the first group of bridge portions includes a flexible first group of bridge main body portions, and a first group of piezoelectric elements fixed to the upper surface or the lower surface of the first group of bridge main body portions,
- the first group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the Y axis when a voltage of a predetermined polarity is applied.
- the second group of bridge portions includes a flexible second group of bridge main body portions, and a second group of piezoelectric elements fixed to the upper or lower surface of the second group of bridge main body portions,
- the second group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the X axis when a voltage of a predetermined polarity is applied.
- the third group bridge portion includes a flexible third group bridge main body portion, and a third group piezoelectric element fixed to the upper surface or the lower surface of the third group bridge main body portion,
- the third group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the Y axis when a voltage of a predetermined polarity is applied.
- the bridge portion of the fourth group has a flexible fourth group of bridge main body portions, and a fourth group of piezoelectric elements fixed to the upper surface or the lower surface of the fourth group of bridge main body portions,
- the fourth group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the X axis when a voltage having a predetermined polarity is applied.
- the first system arm section has a plurality of n first system bridge sections from the first first system bridge section to the nth first system bridge section, and the first first system bridge section Is connected directly or indirectly to the fixed portion, and the tip of the n-th first system bridge portion is directly or indirectly connected to the mirror body portion, i-th (where 1 ⁇ i ⁇ n ⁇ 1) the first system bridge portion is connected directly or indirectly to the root end of the (i + 1) th first system bridge portion,
- the odd-numbered first system bridge part forms a first group bridge part, and the even-numbered first system bridge part forms a second group bridge part, or the odd-numbered first system bridge part
- the bridge portion of the second group is configured by, and the bridge portion of the first group is configured by the even-numbered first system bridge portion
- the second system arm section has a plurality of m second system bridge sections from the first second system bridge section to the mth second system bridge section,
- the odd-numbered second system bridge portion constitutes a third group bridge portion
- the even-numbered second system bridge portion constitutes the fourth group bridge portion, or the odd-numbered second system bridge portion.
- a bridge portion of the fourth group is configured by the above, and a bridge portion of the third group is configured by the even-numbered second system bridge portion.
- the fixing part is constituted by a frame-like structure, and each bridge part and mirror part are arranged in an internal region surrounded by the frame-like structure.
- the movable reflective element according to the ninth aspect described above Further providing a base substrate for supporting the frame-like structure, The lower surface of the frame-shaped structure is fixed to the upper surface of the base substrate, and each bridge part and the mirror part are suspended above the base substrate, and the gap secured above the base substrate is The mirror body is inclined within a range of the degree of freedom determined by the size.
- An eleventh aspect of the present invention is the movable reflective element according to the first to tenth aspects described above, Of the pair of bridge portions, a pair of bridge portions composed of a bridge portion extending along an axis parallel to the Y-axis and a bridge portion extending along an axis parallel to the X-axis form an L shape.
- the tip of one bridge part and the root end of the other bridge part are connected via an intermediate connection part
- the intermediate connection portion has a ridge structure portion protruding outward from the side surface of the tip portion of the one bridge portion and a ridge structure portion protruding outward from the side surface of the root end portion of the other bridge portion
- the body part is arranged on the first side of the bridge part at the most advanced position, and the tip part of the bridge part at the most advanced position and the body part are connected via the body connection part
- the mirror body connecting portion has a eaves structure portion protruding outward from the second side surface of the bridge portion at the most advanced position.
- One or more bridge portions have elongated piezoelectric elements arranged to extend along their longitudinal axis.
- One or a plurality of bridge portions have a piezoelectric element disposed in the vicinity of the root end portion and a piezoelectric element disposed in the vicinity of the tip end portion.
- Each piezoelectric element has a three-layer structure of a lower electrode layer, a piezoelectric material layer, and an upper electrode layer.
- the piezoelectric material layer has a positive polarity on one of the lower electrode layer and the upper electrode layer, and the other electrode.
- Each piezoelectric element includes a first piezoelectric portion having a three-layer structure of a first lower electrode layer, a first piezoelectric material layer, and a first upper electrode layer, a second lower electrode layer, a second piezoelectric material layer, and a second upper electrode. Having a structure in which a second piezoelectric part having a three-layer structure of layers is laminated via an insulating layer, Each piezoelectric material layer extends in the layer direction when a positive voltage is applied to one of the lower electrode layer and the upper electrode layer, and a negative voltage is applied to the other electrode layer.
- Each of the mirror part, the fixed part, and the arm part includes a substrate layer A, a lower electrode layer B formed above the substrate layer A, and a piezoelectric material layer C formed above the lower electrode layer B.
- a laminated structure of three or more layers including At least the mirror part and the arm part further include an upper electrode layer D formed in part or all of the upper surface of the piezoelectric material layer C, A reflection surface is formed by the upper surface of the upper electrode layer D constituting the mirror body part, a bridge body part is formed by the substrate layer A constituting the arm part, and the lower electrode layer B, piezoelectric material layer C constituting the arm part, and A piezoelectric element is formed by the upper electrode layer D.
- the setting is made such that the resonance frequency in the X-axis direction of the mirror part is different from the resonance frequency in the Y-axis direction.
- the width of the bridge portion extending along the axis parallel to the Y axis is a predetermined value W1
- the width of the bridge portion extending along the axis parallel to the X axis is a predetermined value W2
- W1 and W2 are set to different values. It is set.
- the movable reflective element according to the seventeenth aspect described above has a thickness of the bridge portion extending along the axis parallel to the Y axis is a predetermined value T1
- the width of the bridge portion extending along the axis parallel to the X axis is a predetermined value T2
- T1 and T2 are set to different values. It is set.
- the movable reflective element according to the first to nineteenth aspects described above and a mirror body of the movable reflective element by supplying an AC drive signal to the piezoelectric element of the movable reflective element.
- a two-dimensional scanning device is configured by a controller that swings the portion around the X axis and the Y axis.
- the controller has a first period H1 with respect to the piezoelectric element of any one of the bridge portion extending along the axis parallel to the X axis and the bridge portion extending along the axis parallel to the Y axis. Is supplied, and the second drive signal having the second period H2 is supplied to the piezoelectric element of the other bridge portion.
- a sawtooth wave having a first period H1 is used as the first drive signal, and a staircase wave having a second period H2 is used as the second drive signal.
- a sine wave having the first period H1 is used as the first drive signal, and a sine wave having the second period H2 is used as the second drive signal.
- the two-dimensional scanning device in a twenty-fourth aspect of the present invention, a laser light source that generates a laser beam, and display control for displaying a predetermined image are performed.
- a projector is constituted by the display control device,
- the laser light source generates a laser beam whose intensity and / or wavelength is modulated based on the modulation signal given from the display control device, and irradiates the reflection surface of the mirror unit of the two-dimensional scanning device,
- the display control device gives a modulation signal based on image data about an image to be displayed to the laser light source, and gives a control signal to the two-dimensional scanning device, Based on this control signal, the two-dimensional scanning device swings the mirror unit so that the spot formed on the screen by the laser beam reflected by the mirror unit moves two-dimensionally on the screen.
- a plurality of piezoelectric elements are provided in one or a plurality of bridge portions of the movable reflecting element, and a part of the plurality of piezoelectric elements functions as a driving piezoelectric element, and another part as a detecting piezoelectric element.
- the drive piezoelectric element swings the mirror body based on the AC drive signal supplied from the controller, and the detection piezoelectric element feeds back a detection signal indicating the charge generated due to the swing to the controller.
- the controller performs feedback control on the AC drive signal based on the fed back detection signal.
- the controller has an X-axis direction vibration control unit and a Y-axis direction vibration control unit,
- the X-axis direction vibration control unit drives the drive provided in the bridge unit based on the X-axis direction detection signal fed back from the detection piezoelectric element provided in the bridge unit extending along the axis parallel to the X axis.
- the Y-axis direction vibration control unit drives the drive provided in the bridge unit based on the Y-axis direction detection signal fed back from the detection piezoelectric element provided in the bridge unit extending along the axis parallel to the Y axis.
- Y-axis direction drive signals to be supplied to the piezoelectric element for generation are generated.
- the X-axis direction vibration control unit performs X-axis direction self-excited control for vibrating the mirror unit at the resonance frequency fx with a predetermined amplitude Gx in the X-axis direction;
- the Y-axis direction vibration control unit performs Y-axis direction self-excited control for vibrating the mirror unit with the resonance frequency fy with a predetermined amplitude Gy in the Y-axis direction.
- the X-axis direction vibration control unit outputs an X-axis direction scanning position signal indicating that the phase of the X-axis direction detection signal has reached a predetermined value
- the Y-axis direction vibration control unit outputs a Y-axis direction scanning position signal indicating that the phase of the Y-axis direction detection signal has reached a predetermined value.
- the two-dimensional scanning device according to the twenty-eighth aspect, a laser light source that generates a laser beam, and a display control device that performs display control for displaying a predetermined image.
- the laser light source generates a laser beam whose intensity and / or wavelength is modulated based on the modulation signal given from the display control device, and irradiates the reflection surface of the mirror unit of the two-dimensional scanning device
- the display control device gives a modulation signal based on the image data about the image to be displayed to the laser light source and gives a scanning instruction to the two-dimensional scanning device, Based on this scanning instruction, the two-dimensional scanning device swings the mirror unit so that the spot formed on the screen by the laser beam reflected by the mirror unit moves two-dimensionally on the screen,
- An X-axis direction scanning control signal for instructing vibration having a predetermined amplitude Gx is given from the display control device to the X-axis direction vibration control unit in the two-dimensional scanning device.
- a Y-axis direction scanning control signal for instructing a vibration having a predetermined amplitude Gy is given from the display control device to the Y-axis direction vibration control unit in the two-dimensional scanning device.
- Y axis direction self-excitation control is performed based on the direction scanning control signal.
- the X-axis direction scanning position signal output from the X-axis direction vibration control unit and the Y-axis direction scanning position signal output from the Y-axis direction vibration control unit are provided to the display control device, and the display control device transmits the X-axis direction scanning position signal.
- the modulation signal is supplied to the laser light source.
- the X-axis direction vibration control unit increases or decreases the amplitude of the X-axis direction drive signal based on the amplitude of the X-axis direction detection signal fed back so that the amplitude of the mirror unit in the X-axis direction is maintained at the predetermined amplitude Gx.
- the Y-axis direction vibration control unit increases or decreases the amplitude of the Y-axis direction drive signal based on the amplitude of the feedback Y-axis direction detection signal so that the amplitude of the mirror unit in the Y-axis direction is maintained at the predetermined amplitude Gy.
- the mirror body portion having the reflecting surface is connected to the fixed portion via one or two arm portions having flexibility.
- the arm portion includes at least a first bridge portion extending along a first longitudinal axis parallel to the Y axis, and a second bridge portion extending along a second longitudinal axis parallel to the X axis.
- a piezoelectric element that extends and contracts along the longitudinal axis by applying a voltage of a predetermined polarity is fixed to the upper surface or the lower surface thereof.
- the mirror body portion By applying a voltage to the piezoelectric element of the first bridge portion and expanding or contracting the upper surface or the lower surface, the mirror body portion can be tilted (rotated around the X axis), and the second bridge portion By applying a voltage to the piezoelectric element and expanding or contracting the upper surface or the lower surface, the mirror body portion can be tilted in the X-axis direction (rotated about the Y-axis). For this reason, it is possible to realize a movable reflecting element capable of ensuring a sufficient displacement angle in the two axial directions (around two axes) of the X axis and the Y axis while having a simple structure.
- a two-dimensional scanning device using a movable reflective element can be provided.
- first bridge portion and the second bridge portion are connected so as to form an L shape via an intermediate connection portion, and this intermediate connection portion is provided with a eaves structure portion protruding outward from the side surface.
- the heel structure portion is brought into contact with the frame-like structure, whereby excessive displacement of the mirror body portion can be suppressed. In this way, since the heel structure portion can function as a stopper against excessive displacement, it is possible to prevent the arm portion from being damaged.
- FIG. 1A and 1B are a top view (FIG. 1A) and a side view (FIG. 2B) of a main structure in which a D layer of a movable reflective element according to a basic embodiment of the present invention is omitted.
- 2A is a side sectional view of the main structure shown in FIG. 1 cut along the X axis
- FIG. 2B is a side sectional view of the main structure cut along the Y axis.
- 3A is a side sectional view of the main structure shown in FIG. 1 cut along a cutting line L0-L0 ′.
- FIG. 3B is a side of the main structure cut along a cutting line L1-L1 ′.
- 3C is a side cross-sectional view of the main structure cut along a cutting line L2-L2 ′.
- 4 is a top view (part (a)) showing the division of roles of the main structure shown in FIG. 1 and a side sectional view (part (b)) cut along the X-axis (hatching indicates a cross section). It is not a thing but a thing to show the division of roles).
- FIG. 5 is a top view (FIG. 5 (a)) of the movable reflective element according to the basic embodiment of the present invention (the main structure shown in FIG. 1 with the D layer added) and the side cut along the X axis.
- FIG. 7A, FIG. 7B, and FIG. 7C are side views (only the positional relationship between the main parts) showing the tilted state (rotated state around the X axis) of the mirror part 150 in the movable reflecting element 100 shown in FIG. Show).
- FIG. 8A, 8B, and 8C are side views showing the tilted state (rotated state around the Y axis) of the mirror body 150 in the movable reflecting element 100 shown in FIG. Show).
- FIG. 9 is a top view (FIG. (A)) of the movable reflective element according to the embodiment in which piezoelectric elements are arranged at both ends of the bridge portion, and a side sectional view (FIG. (B)) cut along the longitudinal axis L2. There is (the hatching in the top view (a) is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer, not for showing the cross section).
- FIG. 9 is a top view (FIG. (A)) of the movable reflective element according to the embodiment in which piezoelectric elements are arranged at both ends of the bridge portion, and a side sectional view (FIG. (B)) cut along the longitudinal axis L2. There is (the hatching in the top view (a) is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer,
- FIG. 10 is a top view of the movable reflective element according to the embodiment in which the intermediate connection portion is provided with the eaves structure portion (hatching is for clearly showing a planar shape pattern of the D layer and for showing a cross section) Not.)
- FIG. 11 is a top view (FIG. (A)) and a sectional side view (FIG. (B)) cut along the X-axis of the movable reflective element according to the embodiment using three sets of bridge portions in the present invention (FIG. 11).
- the hatching in the top view (a) is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer, not for showing the cross section).
- FIG. 12 is a top view (FIG. (A)) and a side sectional view (FIG.
- FIG. 13 is a top view (FIG. (A)) and a sectional side view (FIG. (B)) cut along the X-axis of the movable reflective element according to the embodiment using the two-system arm portion in the present invention (FIG. 13B).
- the hatching in the top view (a) is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer, not for showing the cross section).
- FIG. 14A, 14B, and 14C are side cross-sectional views showing variations in the layer structure of the movable reflective element according to the present invention.
- FIG. 15 is a block diagram showing an embodiment in which the two-dimensional scanning device according to the present invention is used in a projector.
- FIG. 16A is a waveform diagram showing an example of a drive signal supplied from the controller 22 to the movable reflective element 21 in the projector shown in FIG. 15, and
- FIG. 16B is a plane showing a beam scanning mode on the screen based on the drive signal.
- FIG. FIG. 17A is a waveform diagram showing another example of the drive signal supplied from the controller 22 to the movable reflective element 21 in the projector shown in FIG. 15, and FIG.
- FIG. 17B shows the beam scanning mode on the screen based on the drive signal.
- FIG. FIG. 18 is a top view (FIG. (A)) and a side sectional view (FIG. (B)) of the main structure in which the D layer of the movable reflecting element according to the embodiment for adjusting the width of each bridge portion in the present invention is omitted.
- FIG. 19 is a top view (FIG. (A)) and a side sectional view (FIG. (B)) of the main structure in which the D layer of the movable reflective element according to the embodiment for adjusting the thickness of each bridge portion in the present invention is omitted.
- the hatching in the top view (a) is for clearly showing the difference in thickness of each part, not for showing a cross section).
- 20A and 20B are a top view and a block diagram showing another embodiment of the projector according to the present invention (hatching in the top view is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer, and shows a cross section). Not.
- FIG. 1A is a top view of a main structure 100 of a movable reflective element according to a basic embodiment of the present invention
- FIG. 1B is a side view thereof.
- the main structure 100 has a three-layer structure of an A layer 100A, a B layer 100B, and a C layer 100C.
- the actual movable reflective element is configured by further adding a D layer 100D to a predetermined location on the upper surface of the main structure 100 having the three-layer structure.
- the A layer 100A, the B layer 100B, and the C layer 100C are layers having the same planar shape (the layer having the shape shown in the top view of FIG. 1A)
- the D layer 100D The layer is formed only in a partial region of the upper surface of the C layer 100C. Therefore, in ⁇ 1-1, first, the shape of the main structure 100 having a three-layer structure excluding the D layer 100D will be described. The adoption of such a three-layer structure is convenient for forming a piezoelectric element as described in ⁇ 1-2. As shown in FIG.
- the main structure 100 includes a rectangular frame-shaped structure 110, a first bridge portion 120, a second bridge portion 130, a mirror connection portion 140, and a mirror portion 150.
- the frame-like structure 110 functions as a fixing part for supporting the mirror part 150, and includes a first frame part 111, a second frame part 112, and a third frame part that form four sides of a quadrangle. 113 and a fourth frame portion 114.
- the first bridge part 120, the second bridge part 130, the mirror connection part 140, and the mirror part 150 are arranged.
- FIG. 1A the main structure 100 includes a rectangular frame-shaped structure 110, a first bridge portion 120, a second bridge portion 130, a mirror connection portion 140, and a mirror portion 150.
- the lower end of the first bridge portion 120 is connected to the first frame portion 111, and the right end of the second bridge portion 130 is connected to the upper end of the first bridge portion 120.
- the mirror unit 150 is connected to the left end of the second bridge unit 130 via the mirror connection unit 140.
- the first bridge portion 120 and the second bridge portion 130 function as arm portions that connect the frame-like structure 110 and the mirror body portion 150 along one connection path.
- the part 150 receives the support by the frame-shaped structure 110 (fixed part) using the cantilever structure by this arm part.
- the side closer to the frame-like structure 110 (fixed portion) on the connection path by the arm portion is referred to as “root end”, and the side closer to the mirror body portion 150 is referred to as “tip end”.
- the first bridge portion 120 is a bridge portion on the root end side
- the second bridge portion 130 is a bridge portion on the front end side.
- the root end portion of the first bridge portion 120 is connected to the first frame portion 111
- the tip end portion of the first bridge portion 120 is connected to the root end portion of the second bridge portion 130.
- the mirror unit 150 is connected to the tip of the unit 130 via the mirror connection unit 140.
- the frame-like structure 110 that functions as a fixed portion is used in a state of being fixed to an external object. As illustrated, between the outer side surface of the arm portions 120 and 130 and the inner side surface of the frame-like structure 110, between the inner side surface of the arm portions 120 and 130 and the outer side surface of the mirror body portion 150, and the outer side surface of the mirror portion 150. And a slit for securing a gap is formed between the inner side surfaces of the frame-like structure 110.
- the first bridge portion 120 and the second bridge portion 130 constituting the arm portion have flexibility, and, as will be described later, since a piezoelectric element that bends the arm portion up and down is provided.
- the mirror part 150 can be displaced with respect to the frame-like structure 110.
- the D layer 100D (not shown in FIG. 1) is formed on the upper surface of the mirror body 150, and the surface thereof is a reflective surface.
- the movable reflecting element according to the present invention has a function of controlling the direction of the light beam and the directional radio wave by driving the reflecting surface to tilt.
- the origin O is set at the center of gravity of the mirror unit 150 in a state where the mirror unit 150 is in the standard posture (the arm unit is not curved).
- an XYZ three-dimensional coordinate system is defined. That is, in the top view of FIG.
- FIGS. 2A, 2B and 3A to 3C show the main structure 100 shown in FIG.
- FIG. 2A is a side sectional view taken along the X axis
- FIG. 2B is a side sectional view taken along the Y axis
- FIG. 3A is a side sectional view taken along the cutting line L0-L0 ′
- 3B is a side sectional view taken along the cutting line L1-L1 ′
- FIG. 3C is a side sectional view cut along the cutting line L2-L2 ′.
- the main structure 100 has a three-layer structure of an A layer 100A, a B layer 100B, and a C layer 100C, and the planar shapes of these layers are the same (both shown in FIG. 1 (a)).
- the thickness of the A layer 100A is slightly different in each part.
- a specific layer for each part shown in the top view as shown in FIG. 1A is indicated by adding “a code indicating a layer” to the end of “the code of the part”. I will decide.
- the A layer portion constituting the mirror body 150 shown in the top view of FIG. 1A is indicated by reference numeral 150A
- the B layer portion is indicated by reference numeral 150B
- the C layer portion is indicated by reference numeral 150C.
- 2A is a side cross-sectional view of main structure 100 cut along the X-axis.
- the cross section of the second frame part 112 three-layer structure of 112A, 112B, 112C
- the third frame part 113 113A, 113B, 113C
- a side surface of a part of the (layer structure) and a cross section of the fourth frame portion 114 are shown.
- FIG. 2B is a side sectional view of the main structure 100 cut along the Y-axis.
- the cross section of the first frame part 111 (the three-layer structure of 111A, 111B, 111C) and the third frame part 113 (113A, 113B, 113C)
- the cross section of the layer structure) and a part of the side surface of the fourth frame 114 (the three-layer structure of 114A, 114B, and 114C) are shown.
- the cross section of the 2nd bridge part 130 (Three-layer structure of 130A, 130B, 130C) is shown.
- the mirror connecting portion 140 a part of the side surface of the three-layer structure 140A, 140B, 140C is shown, and for the mirror portion 150, a cross-section of the three-layer structure 150A, 150B, 150C is shown.
- the first portion constituting the arm portion is compared with the thickness of the frame-like structure 110 (111 to 114) functioning as the fixing portion.
- the bridge portion 120, the second bridge portion 130, the mirror connection portion 140, and the mirror portion 150 are set to have small thicknesses, and a gap is formed below.
- FIG. 3A is a side cross-sectional view of main structure 100 shown in FIG. 1 cut along cutting line L0-L0 ′, and corresponds to a cross section of first frame portion 111 cut along its longitudinal direction.
- FIG. 3B is a side cross-sectional view of the main structure 100 shown in FIG.
- FIG. 3C is a side sectional view of the main structure 100 shown in FIG. 1 cut along a cutting line L2-L2 ′, which is exactly the second bridge portion 130 (three-layer structure of 130A, 130B, and 130C). Corresponds to a cross section cut along the longitudinal direction.
- the position of the lower surface of the A layer 120A of the first bridge portion 120 has moved slightly upward compared to the A layer 111A of the first frame portion 111, and is in a floating state. ing.
- FIG. 3C the A layer 130A of the second bridge portion 130 is also in a floating state as shown in FIG. 3C.
- the first bridge portion 120, the second bridge portion 130, the mirror body connection portion 140, and the mirror body portion 150 are all supported so as to float in the space surrounded by the frame-like structure 110.
- the 4A is a top view showing the division of roles of the main structure 100
- FIG. 4B is a side sectional view of the main structure 100 cut along the X-axis.
- the hatching in these drawings does not indicate a cross section, but indicates a division of roles.
- the part with mesh-like hatching is a mirror part 150.
- a reflective surface (D layer 100D) is formed on the upper surface of the mirror body 150 and plays a role of reflecting an incident light beam or the like in a predetermined direction.
- a polka-dot hatched portion is a portion that functions as a fixed portion, and is configured by a frame-like structure 110 (first frame portion 111 to fourth frame portion 114).
- This frame-shaped structure 110 (fixed portion) is used by being fixed to some object when using the movable reflective element.
- FIG. 4B shows a state where the lower surface of the frame-shaped structure 110 is fixed to the upper surface of the base substrate 200.
- the wavy hatched portion is an arm portion, and is constituted by a first bridge portion 120, a second bridge portion 130, and a mirror connecting portion 140.
- the arm portions 120, 130, and 140 and the mirror body portion 150 are in a state of floating above the base substrate 200 in the space surrounded by the frame-shaped structure 110.
- the mirror body part 150 is supported by the cantilever beam structure composed of the arm part at the position of the mirror body connection part 140.
- the arm portion has flexibility in at least the vertical direction (Z-axis direction) and can warp upward or downward. For this reason, the mirror part 150 can produce a displacement with respect to a fixed part within the range of a predetermined degree of freedom.
- FIG. 5A is a top view of the movable reflective element 100 according to this basic embodiment
- FIG. 5B is a side cross-sectional view taken along the X-axis.
- a movable reflective element 100 shown in FIG. 5 is obtained by further adding a D layer 100D to the main structure 100 shown in FIG. That is, the main structure 100 shown in FIG. 1B has a three-layer structure of an A layer 100A, a B layer 100B, and a C layer 100C, whereas the movable reflective element shown in FIG. 100 is obtained by further adding a D layer 100D to the upper surface of the three-layer structure.
- the main structural body 100 shown in FIG. 1 and the movable reflective element 100 shown in FIG. 5 are different constituent elements in the presence or absence of the D layer. 100 "is used for the description.
- the first bridge portion 120, the second bridge portion 130, and the mirror portion 150 (which have a four-layer structure of A layer to D layer) which are constituent elements of the movable reflective element 100 shown in FIG.
- the first bridge portion 120, the second bridge portion 130, and the mirror body portion 150 (which have a three-layer structure of A layer to C layer) that are constituent elements of the main structure 100 shown in FIG.
- the upper electrode layer 120D, the upper electrode layer 130D, and the reflective layer 150D are added.
- the same reference numerals “120”, “130”, and “150” are used, respectively.
- the three layers of the A layer 100A, the B layer 100B, and the C layer 100C have the same planar shape (the shape shown in the top view of FIG. 1A).
- the planar shape of the D layer 100D is slightly different.
- FIG. 5 (a) the portion of the D layer 100D is hatched (the hatching in the top view of FIG. 5 (a) is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer. , Not for cross section.)
- FIG. 5 (a) the portion of the D layer 100D is hatched (the hatching in the top view of FIG. 5 (a) is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer. , Not for cross section.)
- FIG. 5 (a) the portion of the D layer 100D is hatched (the hatching in the top view of FIG. 5 (a) is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer. , Not for cross section.)
- the first bridge 120 is a bridge extending along the first longitudinal axis L1 parallel to the Y axis
- the second bridge 130 is a second bridge parallel to the X axis. It is a bridge portion that extends along the longitudinal axis L2, and is connected so as to form an L shape.
- the root end part of the 1st bridge part 120 is being fixed to the 1st frame part 111 (fixed part) extended along the longitudinal direction axis
- the D layer 100D includes an upper electrode layer 120D formed on the first bridge part 120, an upper electrode layer 130D formed on the second bridge part 130, a reflective layer 150D formed on the mirror part 150,
- the layer D is not formed in the frame-like structure 110 or the mirror connecting part 140 that functions as a fixed part.
- the upper electrode layers 120D and 130D are layers for the purpose of forming a piezoelectric element
- the reflective layer 150D is a layer for the purpose of forming a reflective surface that serves as a mirror. In other parts, it is not necessary to form the D layer.
- the D-layer may be formed also in the frame-like structure 110, but the upper electrode layers 120D and 130D need to be electrically insulated in order to form separate piezoelectric elements.
- the A layer 100A is a substrate layer that serves as a support substrate for each layer, and is configured by a material that can serve to support the B layer 100B, the C layer 100C, and the D layer 100D formed on the upper surface thereof. Is done.
- the first bridge portion 120 and the second bridge portion 130 need to have flexibility in at least the vertical direction (Z-axis direction).
- the A layer 100A serving as a substrate layer is bent within a range where each bridge portion is necessary (within a range necessary for tilting the mirror portion 150 at an angle required for use). Therefore, it is necessary to make up a material having a certain degree of flexibility.
- the A layer 100A is constituted by a silicon substrate.
- the C layer 100C is a layer that plays a role of forming a piezoelectric element, and needs to be formed of a piezoelectric material that exhibits a piezoelectric effect.
- the C layer 100C is constituted by a thin film of PZT (lead zirconate titanate) or KNN (potassium sodium niobate).
- the B layer 100B is a layer that plays a role of constituting the lower electrode of the piezoelectric element
- the D layer 100D is a layer that plays a role of constituting the upper electrode of the piezoelectric element. Therefore, both must be made of a conductive material.
- the piezoelectric element is constituted by a sandwich structure in which the piezoelectric material layer (C layer) is sandwiched between the conductive material layers (B layer and D layer).
- the portions 120D and 130D formed on the bridge portions 120 and 130 constitute the upper electrode layer for the piezoelectric element as described above, but are formed on the mirror body 150.
- the portion 150 ⁇ / b> D that forms the reflection layer that functions as the reflection surface of the mirror unit 150 are conductive layers (the surface does not have to be reflective), and the mirror portion 150 is formed.
- the portion 150D formed on the surface may be a layer having a reflective surface (it is not necessary to be a conductive layer).
- this movable reflective element is provided as a mass-produced product, it is efficient to form the upper electrode layers 120D and 130D and the reflective layer 150D as the D layer 100D made of the same material. It is preferable to use a material layer having both the function of the electrode layer and the function of the reflective layer.
- the B layer 100B and the D layer 100D may be formed of a metal layer suitable for using the upper surface as a reflecting surface. More specifically, the B layer 100B only needs to function as a lower electrode (conductive layer), so any metal layer is sufficient, but the upper surface of the D layer 100D is a reflective surface (mirror surface). Since it is also necessary to fulfill the function, at least the upper surface portion of the D layer 100D is preferably made of a material having high reflectivity and excellent corrosion resistance. From this point of view, the present inventor believes that it is optimal that at least the upper surface portion of the D layer 100D is constituted by a thin film layer of gold (Au).
- Au thin film layer of gold
- the movable reflective element 100 shown in FIG. 5 has a structure suitable for mass production, and in particular, a manufacturing method using a semiconductor manufacturing process can be applied as a MEMS element.
- a structure having a four-layer structure as shown in FIG. 5B has a platinum layer 100B on the upper surface of a square silicon substrate 100A (A layer: substrate layer).
- B layer lower electrode layer
- PZT layer 100C C layer: piezoelectric material layer
- platinum / gold layer 100D D layer: lower layer part is platinum
- upper layer part is a two-layer structure layer made of gold. It has become a thing. The reason why platinum is used for the upper electrode layer and the lower electrode layer is that a good interface can be formed between the PZT layer serving as the piezoelectric material layer.
- gold is preferably used as the reflective layer, platinum suitable for the upper electrode layer is used for the lower layer portion of the D layer, and gold suitable for the reflective layer is used for the upper layer portion.
- the patterning process is performed on the D layer 100D to leave only the regions shown by hatching in FIG. 5A, and further, the A layer, the B layer, and the C layer 3 What is necessary is just to form the slit penetrated in the up-down direction by methods, such as an etching, with respect to the part of the main structure 100 which consists of a layer. Further, if necessary, a part of the lower surface side of the arm portions 120 and 130 and the mirror body portion 150 is removed by etching or the like, thereby realizing a structure floating from the base substrate 200 as shown in FIG. be able to.
- the dimensions of each part of the prototype created by the inventors of the present application are described as an example as follows.
- a platinum thin film layer 100B (B layer) having a thickness of about 300 nm and a PZT layer 100C having a thickness of about 2 ⁇ m are formed on the upper surface of a silicon substrate 100A (A layer) having a side of 5 mm square and a thickness of 0.3 mm.
- C layer) and a platinum / gold thin film layer 100D (D layer) having a thickness of about 300 nm are sequentially laminated to form a four-layer structure.
- the lower surface side of the silicon substrate 100A (A layer) is removed by etching to a thickness of 0.10 mm (between the upper surface of the base substrate and 0).
- the width of the slit portion is 0.3 mm and the width of the arm portions 120 and 130 is 0.5 mm.
- the dimension of each part can be set arbitrarily.
- the thickness and width of the arm portions 120 and 130 should be set to dimensions that allow the mirror body portion 150 to be tilted within a predetermined angle range (a range that satisfies the performance required as a movable mirror).
- the thickness of the frame-shaped structure 110 may be set to a dimension that allows the entire movable reflective element 100 to be firmly fixed to the base substrate 200.
- the first bridge 120 has a four-layer structure including a substrate layer 120A, a lower electrode layer 120B, a piezoelectric material layer 120C, and an upper electrode layer 120D. ing.
- the first bridge portion 120 includes a flexible first bridge body portion 120A and a first piezoelectric element (a three-layer structure of 120B, 120C, and 120D) fixed to the upper surface of the first bridge body portion 120A. , Is constituted by.
- the first piezoelectric element having a three-layer structure is arranged in the formation region of the upper electrode layer 120D shown by hatching.
- the second bridge portion 130 includes a substrate layer 130A, a lower electrode layer 130B, a piezoelectric material layer 130C, and an upper electrode layer 130D.
- the four-layer structure is formed.
- the second bridge portion 130 includes a flexible second bridge body portion 130A, and a second piezoelectric element (a three-layer structure of 130B, 130C, and 130D) fixed to the upper surface of the second bridge body portion 130A. , Is constituted by.
- the second piezoelectric element made of a three-layer structure is arranged in the formation region of the upper electrode layer 130D shown by hatching.
- FIG. 6A, 6B, and 6C are cross-sectional views showing the operation of the piezoelectric elements formed in the bridge portions 120 and 130.
- FIG. FIG. 6A is a sectional view showing only the portion of the first piezoelectric element (three-layer structure of 120B, 120C, 120D) or the second piezoelectric element (three-layer structure of 130B, 130C, 130D) described above. It is.
- the portion of the A layer is a bridge body portion made of a silicon substrate or the like, and a three-layer structure made of a B layer, a C layer, and a D layer is a piezoelectric element.
- the piezoelectric material layer constituting the C layer has a property of expanding and contracting in the layer direction when a voltage having a predetermined polarity is applied in the thickness direction, and is obtained by applying a predetermined polarization process to a layer made of PZT, KNN, or the like. be able to.
- a voltage is applied between the two electrode layers so that the upper electrode layer D side is positive and the lower electrode layer B side is negative, the piezoelectric material layer C moves in the layer direction (FIG.
- the piezoelectric material layer C has a property of shrinking in the layer direction.
- the degree of expansion and contraction is an amount corresponding to the applied voltage value. Therefore, when a voltage having a polarity as shown in FIG. 6B (hereinafter referred to as positive polarity) is applied between the upper and lower electrode layers, the piezoelectric element composed of the three layers of the B layer, the C layer, and the D layer extends in the layer direction.
- the entire bridge portion is deformed to warp so that the lower portion is convex.
- the layer direction If a voltage is applied between the two electrode layers so that the piezoelectric material layer C has a completely opposite property, that is, the upper electrode layer D side is positive and the lower electrode layer B side is negative, the layer direction If a voltage is applied between the two electrode layers so that the upper electrode layer D side is negative and the lower electrode layer B side is positive, a layer having a property of extending in the layer direction may be used.
- a positive voltage is applied as shown in FIG. 6B
- a warping deformation occurs so that the lower part is convex as shown in FIG. 6C
- a negative voltage is applied as shown in FIG.
- the deformation shown in FIG. 6B or the deformation shown in FIG. 6C can be caused.
- the degree of deformation is an amount corresponding to the voltage value to be applied.
- FIG. 7A, FIG. 7B, and FIG. 7C are side views showing the tilted state (rotated state around the X axis) of the mirror portion 150 in the movable reflecting element 100 shown in FIG.
- the mutual positional relationship of the main parts located along the cutting line L1-L1 ′ is shown (for convenience of explanation, the mirror part 150 is shown by a bold line, and the base substrate 200 in a fixed state is shown by hatching.
- FIG. 7A shows a positional relationship between the first bridge portion 120 and the mirror portion 150 in a fixed position where no inclination occurs, that is, in a state where no voltage is applied to each piezoelectric element.
- a first bridge portion 120 extends from the first frame portion 111 (fixed portion) fixed on the base substrate 200 toward the right side of the drawing.
- the mirror unit 150 is supported in a horizontal position above the base substrate 200 via the first bridge unit 120, the second bridge unit 130 and the mirror connection unit 140 (not shown).
- a white triangle indicates the center of gravity G of the mirror unit 150 and coincides with the origin of the coordinate system (X-axis position).
- FIG. 7A shows a positional relationship between the first bridge portion 120 and the mirror portion 150 in a fixed position where no inclination occurs, that is, in a state where no voltage is applied to each piezoelectric element.
- a first bridge portion 120 extends from the first frame portion 111 (fixed portion) fixed on the base substrate 200 toward the right side of the drawing.
- FIG. 7B shows that the upper portion of the first bridge 120 is convex by applying a positive voltage as shown in FIG. 6B to the piezoelectric element of the first bridge 120.
- transformation is shown. Since the first bridge portion 120 is fixed to the first frame portion 111 (fixed portion) at the left end of the figure, when deformation occurs such that the upper portion is convex, the right end of the drawing is lowered in the direction as shown in the figure. Displace. As a result, all the components connected before the right end rotate around the X axis, and the mirror unit 150 generates a rotation ⁇ Rx around the X axis as illustrated (here, the X axis).
- the rotation direction shown in the figure is a negative direction in order to set the rotation direction in which the right screw is advanced in the positive direction to be positive). For this reason, the center of gravity G moves downward.
- FIG. 7C by applying a negative voltage as shown in FIG. 6C to the piezoelectric element of the first bridge portion 120, the first bridge portion 120 is deformed such that the lower portion is convex. It shows the state that was made to. Since the first bridge portion 120 is fixed to the first frame portion 111 (fixed portion) at the left end in the figure, if deformation occurs such that the lower part is convex, the right end in the figure rises as shown in the figure. Displace.
- the mirror body 150 can be inclined in the Y-axis direction so that the left end (Y-axis negative direction side) is lowered. Since the degree of inclination is an amount corresponding to the applied voltage value, the inclination angle of the mirror body 150 in the Y-axis direction can be arbitrarily adjusted by adjusting the polarity and value of the applied voltage.
- FIG. 8A, FIG. 8B, and FIG. 8C are side views showing the tilted state (rotated state about the Y axis) of the mirror portion 150 in the movable reflecting element 100 shown in FIG. 5 in the X-axis direction, as shown in FIG.
- FIG. 8A shows the positional relationship between the second bridge part 130 and the mirror part 150 in a fixed position where no inclination occurs, that is, in a state where no voltage is applied to each piezoelectric element.
- the right end (root end portion) of the second bridge portion 130 in the drawing is connected to the distal end portion of the first bridge portion 120 (not shown) and is indirectly supported by the base substrate 200.
- the mirror part 150 is connected to the left end (tip part) of the second bridge part 130 in the figure via a mirror connecting part 140 (not shown).
- the mirror part 150 is supported in a horizontal posture above the base substrate 200.
- the white triangle indicates the center of gravity G of the mirror unit 150 and coincides with the origin of the coordinate system (Y-axis position).
- FIG. 8B by applying a positive voltage as shown in FIG. 6B to the piezoelectric element of the second bridge portion 130, the upper portion becomes convex with respect to the second bridge portion 130. The state which produced the deformation
- the mirror unit 150 connected to the left end rotates about the Y axis, and as shown in the drawing, rotation -Ry about the Y axis is generated (here, rotation that advances the right screw in the positive direction of the Y axis). Since the direction is positive, the illustrated rotational direction is negative). For this reason, the center of gravity G moves downward.
- FIG. 8C by applying a negative voltage as shown in FIG. 6C to the piezoelectric element of the second bridge portion 130, the second bridge portion 130 is deformed such that the lower portion is convex. It shows the state that was made to.
- the left end of the drawing is displaced in the upward direction as shown in the figure. To do.
- the mirror unit 150 connected to the left end rotates about the Y axis, and as shown in the drawing, rotation about the Y axis + Ry is generated (in the above definition, the illustrated rotation direction is a positive direction). ). For this reason, the center of gravity G moves upward.
- the mirror unit 150 can be tilted in the X-axis direction so that the left end (X-axis negative direction side) is lowered, and when a reverse polarity voltage is applied, FIG. As shown in FIG. 5, the mirror body 150 can be inclined in the X-axis direction so that the right end (X-axis positive direction side) is lowered.
- the movable reflective element 100 includes a mirror part 150 having a reflecting surface, a fixing part 110 for supporting the mirror part 150, a mirror part 150, and a fixing part. That is, the movable reflecting element having the arm portions 120, 130, and 140 connected to 110 as constituent elements.
- the arm portion is the first parallel to the Y axis.
- a first bridge portion 120 extending along the longitudinal axis L1 of the first bridge portion, and a second bridge portion 130 connected to the first bridge portion 120 and extending along the second longitudinal axis L2 parallel to the X axis; ,have.
- the surface of the mirror part 150 forms a reflection surface, and in a reference state in which no voltage is applied to each piezoelectric element, the reflection surface is a surface parallel to the XY plane.
- the first bridge portion 120 includes a flexible first bridge body portion 120A and a first piezoelectric element (120B, 120C, 120D) fixed to the upper surface of the first bridge body portion 120A.
- the first piezoelectric element has a property of expanding and contracting in a direction along the first longitudinal axis L1 when a voltage having a predetermined polarity is applied.
- a second bridge body portion 130A having flexibility, and a second piezoelectric element (a three-layer structure of 130B, 130C, and 130D) fixed to the upper surface of the second bridge body portion 130A.
- the piezoelectric element has a property of expanding and contracting in a direction along the second longitudinal axis L2 when a voltage having a predetermined polarity is applied.
- the arm portion does not necessarily need to be configured only by the first bridge portion 120 and the second bridge portion 130.
- the arm portion includes at least a first bridge portion 120 extending along a first longitudinal axis L1 parallel to the Y axis, and a second bridge extending along a second longitudinal axis L2 parallel to the X axis. It is sufficient that the unit 130 is included, and other components may be included. For example, in ⁇ 2.3 and ⁇ 2.4, which will be described later, a modification using an arm portion formed by connecting three or more pairs of bridge portions is shown. Further, the first bridge portion 120 and the second bridge portion 130 do not necessarily have to be directly connected, and may be indirectly connected through some intermediate connection portion.
- the first piezoelectric element (three-layer structure of 120B, 120C, and 120D) is fixed to the upper surface of the first bridge body 120A, and the second piezoelectric element is mounted on the upper surface of the second bridge body 130A.
- each piezoelectric element is not necessarily provided on the upper surface of each bridge body, and is provided on the lower surface of each bridge body. It doesn't matter.
- 6A, 6B, and 6C show examples in which a piezoelectric element (a three-layer structure of a B layer, a C layer, and a D layer) is provided on the upper surface of the A layer.
- the first bridge portion 120 is provided with the first piezoelectric element on the upper surface
- the second bridge portion 130 is provided with the second piezoelectric element on the lower surface, and so on. It is also possible to make it a lower surface or a lower surface. Of course, it may be formed on both upper and lower surfaces.
- each piezoelectric element on the upper surface of each bridge body as in the embodiments described so far in order to simplify the manufacturing process.
- the first feature of the movable reflective element 100 according to the basic embodiment shown in FIG. 5 is that the mirror part 150 having a reflective surface is connected to the fixed part 110 via one flexible arm part. It is a point to be done. As described above, when the mirror unit 150 is supported by a cantilever structure with one arm portion, a sufficient displacement angle can be ensured while being a simple structure as compared with the support method using the conventional gimbal structure. It becomes possible. If the gimbal structure is realized by a mechanical rotation mechanism, the number of parts increases and the structure must be complicated.
- the gimbal structure is realized using a torsion bar, the structure is simplified, but the maximum displacement angle is limited within the range of the maximum torsion angle of the torsion bar, and it is difficult to secure a sufficient displacement angle. become.
- the mirror part 150 is supported by the arm part, a sufficient displacement angle can be ensured with a simple structure.
- the movable reflective element 100 having the structure illustrated in FIG. 5B can be mass-produced by a manufacturing method using a semiconductor manufacturing process as a MEMS element, and is suitable for downsizing. Yes.
- a piezoelectric element is used as an element for driving, it is suitable for reducing current consumption.
- the arm portion used in the present invention includes at least a first bridge portion 120 extending along a first longitudinal axis L1 parallel to the Y axis and a second longitudinal axis L2 parallel to the X axis. And a piezoelectric element that expands and contracts along each of the longitudinal axes L1 and L2 by applying a voltage of a predetermined polarity to each of the upper and lower surfaces thereof. ing. Therefore, if a voltage is applied to the piezoelectric element of the first bridge portion 120 to expand or contract the upper surface or the lower surface, the mirror body 150 is inclined in the Y-axis direction as shown in FIGS. 7A, 7B, and 7C.
- the body 150 can be inclined in the X-axis direction (rotated about the Y-axis). For this reason, it becomes possible to ensure a sufficient displacement angle in the two axial directions (around the two axes) of the X axis and the Y axis.
- the two-dimensional scanning device described in ⁇ 3 is an invention that uses such a feature of the tilt function in the biaxial direction. If a two-dimensional scanning device is used, a projector as described later can be realized.
- the two-dimensional scanning device according to the present invention is suitable for downsizing and low current consumption as described above, it can be used by being incorporated in a small device such as a mobile phone, a smartphone, a tablet electronic terminal, It is effective when used to add projector functions to these small devices.
- the fixing portion is configured by the frame-shaped structure 110, and the bridge portions 120 and 130 and the mirror body 150 are arranged in an internal region surrounded by the frame-shaped structure 110.
- the fixing portion is not necessarily configured by the frame-like structure 110.
- the first frame portion 111 is provided as the fixing portion, and the second frame portion 112 and the third frame portion 113 are provided.
- a configuration in which the fourth frame portion 114 is omitted may be adopted.
- each of the bridge parts 120 and 130 and the mirror part 150 are movable components that cause displacement, it is preferable to avoid contact with an external object.
- the fixed portion is formed by the frame-like structure 110 as in the embodiment shown in FIG. 5, the movable component can be enclosed inside, so that the movable component is protected from contact with an external object.
- FIG. 5B shows an example in which a base substrate 200 that supports the frame-like structure 110 is provided. As described above, when the base substrate 200 is provided and the lower surface of the frame-shaped structure 110 is fixed to the upper surface of the base substrate 200, the bridge portions 120 and 130 and the mirror body portion 150 float above the base substrate 200.
- the mirror unit 150 is inclined within a range of freedom determined by the size of the gap secured above the base substrate 200 in a suspended state.
- a protection function can be obtained that prevents the bridge portions 120 and 130 from being excessively bent and broken. become.
- the suspended structure is realized by reducing the thickness of the first bridge portion 120, the second bridge portion 130, and the mirror portion 150 compared to the thickness of the frame-like structure 110.
- the above-described suspended structure may be realized by making the thicknesses of these parts the same and putting a so-called “clog” on the lower surface of the frame-like structure 110.
- the base substrate 200 is constituted by a part of the apparatus housing of the movable reflective element 100, the base substrate 200 is one component incorporated in the movable reflective element product itself.
- the movable reflection element product itself may take a form that does not include the base substrate 200.
- the structure on the mounting surface of any device that mounts the movable reflective element as a component functions as the base substrate 200.
- Embodiment according to Modification of Movable Reflective Element >> In ⁇ 1 described above, the configuration and operation of the movable reflective element according to the basic embodiment of the present invention have been described. Here, variations of the present invention will be described based on some modifications of this basic embodiment.
- the first bridge portion 120 is formed with an upper electrode layer 120D extending over the entire length along the longitudinal axis L1
- the second bridge portion. 130 is formed with an upper electrode layer 130D extending along the longitudinal axis L2 over the entire length thereof.
- These upper electrode layers 120D and 130D are formed as piezoelectric element forming regions as shown in FIGS. 6A, 6B, and 6C, so that each upper electrode layer is formed to extend over the entire length of each bridge portion. If so, a longer piezoelectric element can be formed, and each bridge portion can be efficiently deformed.
- the individual bridge portions are elongated so as to extend along the longitudinal axis thereof. It is preferable to have a piezoelectric element, and it is preferable to form an elongated upper electrode layer extending along the longitudinal axis. However, as long as the inclination angle of the mirror body 150 reaches the angle required for the device, the piezoelectric element does not necessarily have a length over the entire length of the bridge portion.
- FIG. 9A is a top view of the movable reflective element 100 according to the embodiment in which piezoelectric elements are arranged in the vicinity of the root end portion and the tip end portion of each bridge portion (hatching indicates a planar shape pattern of the D layer)
- FIG. 9B is a side cross-sectional view of the movable reflective element 100 cut along the longitudinal axis L2.
- the movable reflective element 100 shown in FIG. 9 is different from the movable reflective element 100 shown in FIG. 5 only in the planar pattern of the upper electrode layer (D layer), and the main structure (A layer, B layer, C layer). Layer) is common. Therefore, for the sake of convenience, the movable reflective element 100 shown in FIG.
- each part thereof have the same reference numerals as those used for the movable reflective element 100 shown in FIG. 5 and each part thereof, except for the upper electrode layer (D layer). It is attached.
- an upper electrode layer 121D is formed in the first bridge portion 120 in the vicinity of the root end portion along the longitudinal axis L1, and the upper electrode layer 122D in the vicinity of the tip portion. Is formed, and the upper electrode layer is not formed in an intermediate portion between the two.
- the second bridge portion 130 has an upper electrode layer 131D formed in the vicinity of the root end portion along the longitudinal axis L2, and an upper electrode layer 132D formed in the vicinity of the tip portion. The upper electrode layer is not formed in the intermediate portion.
- the area of the upper electrode layer (D layer) forming area is different, and as a result, the area of the piezoelectric element forming area is also different.
- the embodiment shown in FIG. 9B in the second bridge portion 130, only the portion where the upper electrode layers 131D and 132D are formed functions as a piezoelectric element. Accordingly, the embodiment shown in FIG. 9 is inferior to the embodiment shown in FIG. 5 with respect to the ability to deform each bridge portion.
- the latter has a smaller area of the upper electrode layer (D layer) than the former, an advantage of saving the material of the upper electrode layer (D layer) can be obtained.
- each bridge portion is not simply proportional to the area of the upper electrode layer (D layer). This is because when each bridge portion is deformed, stress concentrates in the vicinity of the root end portion and the vicinity of the tip end portion.
- the sum of the areas of the pair of upper electrode layers 121D and 122D shown in FIG. The pair of upper electrode layers 121D and 122D formed in the pair of upper electrode layers 121D and 122D shown in FIG.
- the deformation capability of the first piezoelectric element 120 by the piezoelectric element is not much inferior. This is because when the first bridge portion 120 is deformed, stress concentration is observed in the vicinity of the root end portion (connection portion to the first frame portion 111) and the vicinity of the tip portion (connection portion to the second bridge portion 130). Therefore, efficient deformation can be caused by the pair of piezoelectric elements formed in the regions of the upper electrode layers 121D and 122D shown in FIG. The same applies to the second bridge portion 130. Thick broken lines shown in FIG. 9A indicate the positions of both ends of each bridge portion.
- the end portions of the upper electrode layers 121D and 122D and the end portions of the upper electrode layers 131D and 132D are aligned at the positions of the thick broken lines. This is due to the arrangement in which the end of each piezoelectric element is aligned with the root end position and the tip end position of each bridge portion so that the bridge portions are efficiently deformed.
- one end of each upper electrode layer 121D, 122D, 131D, 132D is accurately aligned with the position of the thick broken line. It is preferable to design so as to slightly exceed the position of the thick broken line.
- the positions of the electrode layers 121D and 122D that slightly exceed the position of the broken line are the most efficient positions for applying the stress for inclining the mirror body part 150D in the Y-axis direction to the first bridge part 120.
- the positions of the electrode layers 131D and 132D that slightly exceed the position of the broken line are the most efficient in applying stress to the second bridge portion 130 to incline the mirror portion 150D in the X-axis direction. Is in position.
- the second bridge portion 130 includes a piezoelectric element (piezoelectric element formed at the position of the upper electrode layer 131D) disposed in the vicinity of the root end portion and a piezoelectric element (upper electrode) disposed in the vicinity of the tip end portion. Therefore, the mirror unit 150 can be efficiently inclined.
- FIG. 1 A piezoelectric element disposed near the root end (piezoelectric element formed at the position of the upper electrode layer 121D) and a piezoelectric element disposed near the distal end (piezoelectric element formed at the position of the upper electrode layer 122D);
- the second bridge portion 130 includes a piezoelectric element (piezoelectric element formed at the position of the upper electrode layer 131D) disposed in the vicinity of the root end portion and a piezoelectric element (upper electrode) disposed in the vicinity of the tip end portion. Therefore, the mirror unit 150 can be efficiently inclined.
- FIG. 1 A piezoelectric element disposed near the root end (piezoelectric element formed at the position of the upper
- FIG. 10 is a top view showing a modification in which the deformation efficiency by the piezoelectric element in the embodiment shown in FIG. 9 is further improved (again, hatching is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer). Yes, not to show a cross section).
- the boundary position between the first bridge portion 120 and the second bridge portion 130 has not been strictly defined, but in FIG.
- the first bridge portion 120 and the second bridge portion 130 are indirectly connected via the intermediate connection portion 125, so that the second bridge portion 130 and the mirror are mirrored.
- the body part 150 is indirectly connected via the mirror body connection part 140.
- the movable reflective element 100 ′ according to the modification of FIG. 10 includes a first bridge portion 120 that extends along an axis parallel to the Y axis, and a second bridge portion 130 that extends along an axis parallel to the X axis.
- a pair of bridge portions, and the pair of bridge portions has an L-shape so that the front end portion of one bridge portion (first bridge portion 120) and the other bridge portion (second bridge portion). 130) is connected to the root end portion via an intermediate connection portion 125 ′.
- connection portion 125 ′ is a root of the eaves structure portion 126 projecting outward from the side surface of the tip portion of one bridge portion (first bridge portion 120) and the other bridge portion (second bridge portion 130). And an eaves structure portion 127 protruding outward from the side surface of the end portion.
- a mirror body 150 is disposed on the first side of the bridge portion (second bridge portion 130) at the most advanced position of the two bridge portions, and the bridge portion (first number) is located at the most advanced position. The tip of the two bridge portions 130) and the mirror portion 150 are connected via a mirror connecting portion 140 ′.
- the mirror body connecting portion 140 ′ has a eaves structure portion 141 that protrudes outward from the second side surface of the bridge portion (second bridge portion 130) at the foremost position.
- the intermediate connection portion 125 ′ is provided with the eaves structure portions 126 and 127
- the mirror body connection portion 140 ′ is provided with the eaves structure portion 141. Therefore, the frame-like structure 110 ′ is provided.
- the shapes of the second frame portion 112 ′, the third frame portion 113 ′, and the fourth frame portion 114 ′ that constitute the second frame portion 112 ′ are the second frame portion 112 and the third frame portion 113 that constitute the frame-like structure 110 shown in FIG.
- the shape of the fourth frame 114 is slightly different.
- the inner portions of the second frame portion 112 ′, the third frame portion 113 ′, and the fourth frame portion 114 ′ in the modification shown in FIG. 10 have recesses at positions corresponding to the heel structure portions 126, 127, and 141. Is formed.
- stress concentration at both ends of each bridge portion becomes more remarkable. This is thought to be due to the structure in which the counterpart member connected to the end of the bridge portion extends at right angles from the side surface of each bridge portion at the end position of each bridge portion indicated by the thick broken line in the figure. It is done.
- the first frame portion 111 which is a member to be connected to the root end portion of the first bridge portion 120, has a structure extending at a right angle from the side surface of the root end portion of the first bridge portion 120.
- the effect of concentrating stress on the arrangement position of the upper electrode layer 121D is obtained, and the saddle structure portion 126 is provided in the intermediate connection portion 125 ′ that is a member to be connected to the distal end portion of the first bridge portion 120. Therefore, a structure that extends at right angles from the side surface of the distal end portion of the first bridge portion 120 is taken, and an effect of concentrating stress on the arrangement position of the upper electrode layer 122D is obtained.
- the intermediate connection portion 125 ′ which is a member to be connected to the root end portion of the second bridge portion 130, is provided with the eaves structure portion 127, so that the root end of the second bridge portion 130 is also provided.
- the mirror is a member that is a member to be connected to the distal end portion of the second bridge portion 130 and has an effect of concentrating stress on the arrangement position of the upper electrode layer 131D. Since the body connecting portion 140 ′ is provided with the eaves structure portion 141, the body connecting portion 140 ′ also has a structure extending at right angles from the side surface of the distal end portion of the second bridge portion 130, and concentrates stress on the arrangement position of the upper electrode layer 132D. Effect is obtained.
- the movable reflecting element according to the present invention includes a mirror part 150 having a reflecting surface, a fixing part 110 for supporting the mirror part 150, and the mirror part 150 and the fixing part 110. And an arm part to be connected.
- the basic embodiment shown in FIG. 1 the basic embodiment shown in FIG. 1
- the arm portion includes a first bridge portion 120 extending along the first longitudinal axis L1 parallel to the Y axis and a second bridge parallel to the X axis. It has two bridge portions called a second bridge portion 130 extending along the longitudinal axis L2. If the position indicated by the thick broken line is defined as the end position of each bridge part or mirror part as in the example shown in FIG. 9A, the first bridge part 120 and the second bridge part 130 are connected to the intermediate connection part 125. The second bridge portion 130 and the mirror body portion 150 are indirectly connected via the mirror body connecting portion 140. Therefore, in the case of the example shown in FIG. 9A, the arm portion is configured by the first bridge portion 120, the intermediate connection portion 125, the second bridge portion 130, and the mirror body connection portion 140.
- the arm part has a first longitudinal direction parallel to the Y-axis.
- a first bridge 120 extending along the direction axis and a second bridge 130 extending along the second longitudinal axis parallel to the X axis are required.
- the first bridge portion 120 serves to incline the mirror portion 150 in the Y-axis direction (around the X axis), and the second bridge portion 130 causes the mirror portion 150 to move in the X-axis direction (around the Y axis). It plays a role of tilting.
- FIG. 11A is a top view of the movable reflective element 300 according to the embodiment using three sets of bridge portions
- FIG. 11B is a side cross-sectional view of the movable reflective element 300 cut along the X axis.
- the origin O is taken at the position of the center of gravity of the mirror part, and an XYZ three-dimensional coordinate system is defined as shown.
- FIG. 11B is a side cross-sectional view of FIG.
- this movable reflective element 300 also has a four-layer structure of A layer, B layer, C layer, and D layer. This is the same as the embodiment described so far (hatching in the top view of FIG. 11A is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer, not for showing the cross section).
- the feature of the embodiment shown in FIG. 11 is that the arm portion has three sets of bridge portions, and the other features are the same as those of the basic embodiment shown in FIG. That is, as shown in FIG. 11A, the movable reflective element 300 includes a rectangular frame-shaped structure 310, a first bridge part 320, a second bridge part 330, a third bridge part 340, and a lens body connection part 350.
- the mirror unit 360 is provided.
- the frame-like structure 310 functions as a fixing part for supporting the mirror part 360, and includes a first frame part 311, a second frame part 312, a third frame part 313, and a fourth frame that form four sides of a quadrangle.
- the unit 314 is configured.
- the first bridge part 320, the second bridge part 330, the third bridge part 340, the mirror connection part 350, and the mirror part 360 are arranged in an internal region surrounded by the frame-like structure 310. As illustrated, the root end portion of the first bridge portion 320 is connected to the first frame portion 311, the tip end portion of the first bridge portion 320 is connected to the root end portion of the second bridge portion 330, and the second bridge portion 330 is illustrated.
- the distal end portion of the third bridge portion 340 is connected to the root end portion of the third bridge portion 340, and the distal end portion of the third bridge portion 340 is connected to the mirror body portion 360 via the mirror body connecting portion 350.
- the first bridge part 320, the second bridge part 330, the third bridge part 340, and the mirror body connection part 350 are arranged between the frame-like structure 310 and the mirror part 360 along one connection path.
- the mirror part 360 functions as an arm part to be connected, and is supported by the frame-like structure 310 (fixed part) using a cantilever structure formed by the arm part.
- the first frame portion 311 extends along the longitudinal axis L0 parallel to the X axis
- the first bridge portion 320 extends along the longitudinal axis L1 parallel to the Y axis
- the second bridge portion 330 extends to the X axis.
- the third bridge portion 340 extends along a longitudinal axis L3 parallel to the Y axis, extending along a longitudinal axis L2 parallel to the axis.
- the first piezoelectric element is disposed in the region where the upper electrode layer 320D of the first bridge portion 320 is formed, and the second piezoelectric element is disposed in the region where the upper electrode layer 330D of the second bridge portion 330 is formed,
- the third piezoelectric element is disposed in the region of the third bridge portion 340 where the upper electrode layer 340D is formed.
- the first piezoelectric element arranged along the longitudinal axis L1 and the third piezoelectric element arranged along the longitudinal axis L3 function to incline the mirror body 360 in the Y-axis direction, and the longitudinal axis L2
- the second piezoelectric elements arranged along the line serve to incline the mirror body 360 in the X-axis direction.
- the mirror part 360 on which the reflective layer 360D is formed can be inclined in the biaxial direction.
- the layer structure of each component shown in the top view of FIG. 11A is shown.
- the planar shapes of the A layer, the B layer, and the C layer are the same, and all have the contour shape shown in FIG. 11 (a), but the D layer is hatched in FIG. 11 (a). It is formed only in the region.
- the specific layer for each part shown in FIG. 11A is shown by adding “a code indicating a layer” to the end of “the code of the part”.
- FIG. 11A is denoted by reference numeral 360A
- the B layer portion is denoted by reference numeral 360B
- the C layer portion is denoted by reference numeral 360C
- the D layer portion is denoted by reference numeral 360D. It is shown. Since the basic structural features shown in the side sectional view of FIG. 11B are the same as those of the embodiment shown in FIG. 5, detailed description thereof is omitted here.
- FIG. 12A is a top view of the movable reflective element 400 according to the embodiment using four sets of bridge portions
- FIG. 12B is a sectional view of the movable reflective element 400 cut along the X axis. It is a sectional side view.
- this movable reflective element 400 also has a four-layer structure of A layer, B layer, C layer, and D layer. This is the same as the embodiment described so far (hatching in the top view of FIG. 12A is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer, not for showing the cross section).
- the feature of the embodiment shown in FIG. 12 is that the arm portion has four sets of bridge portions, and other features are the same as those of the basic embodiment shown in FIG. That is, as shown in FIG.
- the movable reflecting element 400 includes a rectangular frame-shaped structure 410, a first bridge portion 420, a second bridge portion 430, a third bridge portion 440, and a fourth bridge portion 450. , A mirror body connection portion 460 and a mirror body portion 470.
- the frame-like structure 410 functions as a fixing part for supporting the mirror part 470, and includes a first frame part 411, a second frame part 412, a third frame part 413, and a fourth frame that form four sides of a quadrangle.
- the unit 414 is configured.
- the first bridge part 420, the second bridge part 430, the third bridge part 440, the fourth bridge part 450, the mirror body connection part 460, and the mirror part 470 are provided in the inner region surrounded by the frame-like structure 410. Is arranged. As illustrated, the root end portion of the first bridge portion 420 is connected to the first frame portion 411, the tip end portion of the first bridge portion 420 is connected to the root end portion of the second bridge portion 430, and the second bridge portion 430 is connected. Is connected to the root end of the third bridge portion 440, the tip of the third bridge portion 440 is connected to the root end of the fourth bridge portion 450, and the tip of the fourth bridge portion 450 is a mirror body.
- the first bridge part 420 and the second bridge part 430 are the third bridge part 440, the fourth bridge part 450, and the mirror body connection part 460, and the frame-like structure 410 and the mirror part 470 are 1 It functions as an arm part connected along the connection path of the book, and the mirror part 470 is supported by the frame-like structure 410 (fixed part) using a cantilever structure by this arm part.
- the first frame portion 411 extends along the longitudinal axis L0 parallel to the X axis
- the first bridge portion 420 extends along the longitudinal axis L1 parallel to the Y axis
- the second bridge portion 430 extends to the X axis.
- the third bridge portion 440 extends along a longitudinal axis L3 parallel to the Y axis
- the fourth bridge portion 450 extends along a longitudinal axis L4 parallel to the X axis. Is growing. Then, the first piezoelectric element is disposed in the region where the upper electrode layer 420D of the first bridge portion 420 is formed, and the second piezoelectric element is disposed in the region where the upper electrode layer 430D of the second bridge portion 430 is formed, The third piezoelectric element is disposed in the region of the third bridge portion 440 where the upper electrode layer 440D is formed, and the fourth piezoelectric element is disposed in the region of the fourth bridge portion 450 where the upper electrode layer 450D is formed.
- the first piezoelectric element arranged along the longitudinal axis L1 and the third piezoelectric element arranged along the longitudinal axis L3 serve to incline the mirror body portion 470 in the Y-axis direction, and the longitudinal axis L2
- the fourth piezoelectric element disposed along the longitudinal axis L4 and the fourth piezoelectric element disposed along the longitudinal axis L4 serve to tilt the mirror body portion 470 in the X-axis direction.
- the mirror part 470 on which the reflective layer 470D is formed can be inclined in the biaxial direction.
- FIG. 12B the layer structure of each component shown in the top view of FIG. 12A is shown.
- the planar shapes of the A layer, the B layer, and the C layer are the same, and all have the contour shape shown in FIG. 12 (a), but the D layer is hatched in FIG. 12 (a). It is formed only in the region.
- FIG. 12B the specific layer for each part shown in FIG. 12A is shown by adding “a code indicating a layer” to the end of “the code of the part”.
- the A layer part constituting the mirror part 470 shown in the top view of FIG. 12A is denoted by reference numeral 470A
- the B layer part is denoted by reference numeral 470B
- the C layer part is denoted by reference numeral 470C
- the D layer part is denoted by reference numeral 470D. It is shown.
- the movable reflective element 300 including three sets of bridge portions in the arm portion and the movable reflective element 400 (FIG. 12) including four sets of bridge portions are exemplified, but of course, five or more sets of bridge portions are included.
- the movable reflective element may be configured by using an arm portion having.
- the arm unit can directly connect a plurality of n bridges (where n ⁇ 2) or intermediate connection portions.
- a part of the n bridge parts is a first group of bridge parts extending along a longitudinal axis parallel to the Y axis, and another part is an X axis.
- the second group of bridge portions may extend along a longitudinal axis parallel to the axis.
- the first group of bridge portions includes a flexible first group of bridge main body portions (A layer) and a first group of piezoelectric members fixed to the upper or lower surface of the first group of bridge main body portions.
- the first group of piezoelectric elements expands and contracts in a direction along an axis parallel to the Y axis when a voltage of a predetermined polarity is applied to the element (a three-layer structure of a B layer, a C layer, and a D layer).
- the second group of bridge parts includes a flexible second group of bridge main bodies (A layer) and a second group of piezoelectric elements fixed to the upper or lower surface of the second group of bridge main bodies. (A three-layer structure of a B layer, a C layer, and a D layer), and the second group of piezoelectric elements expands and contracts in a direction along an axis parallel to the X axis when a voltage of a predetermined polarity is applied. As long as it has. Then, the mirror body can be inclined in the X-axis direction (around the Y-axis).
- an arm portion is configured by using a plurality of n bridge portions from the first bridge portion to the nth bridge portion, and the root end portion of the first bridge portion is a fixed portion.
- the tip of the n-th bridge part is directly or indirectly connected to the body part
- the tip of the i-th (where 1 ⁇ i ⁇ n ⁇ 1) bridge part Is directly or indirectly connected to the root end of the (i + 1) th bridge portion
- the odd-numbered bridge portion constitutes directly or indirectly connected to the root end of the (i + 1) th bridge portion
- the odd-numbered bridge portion constitutes the first group of bridge portions
- the even-numbered bridge portion constitutes the second group of bridge portions.
- the odd-numbered bridge portions may constitute the second group of bridge portions
- the even-numbered bridge portions may constitute the first group of bridge portions.
- the odd-numbered bridge part and the even-numbered bridge part will always be orthogonally crossed.
- the odd-numbered bridge part and the even-numbered bridge part are orthogonal to each other, it is possible to connect the individual bridge parts so as to bend alternately on the left and right sides and to take a long and slender form extending in a crank shape.
- n 4
- the nth (however, n It is preferable to adopt a form in which the structure up to the tip of the bridge portion of ⁇ 3) forms a spiral path, and the mirror section is arranged at the center position surrounded by the spiral path. If the arm part is formed in a spiral shape and the mirror part is arranged at the center position, the entire structure can be reduced in size, and a form suitable for incorporation into various electronic devices can be realized. .
- the displacement of the mirror part becomes the sum of the displacements caused by the individual bridge parts, so the displacement angle of the reflecting surface (X-axis direction and Y-axis direction)
- the effect of extending the range of the inclination angle) is obtained.
- the inclination in the X-axis direction is caused by the deformation of the second bridge portion 330
- the inclination in the Y-axis direction is caused by the deformation of the first bridge portion 320 and the third bridge portion. This is a synergistic effect with the deformation of 340.
- FIG. 11 the inclination in the X-axis direction is caused by the deformation of the second bridge portion 330
- the inclination in the Y-axis direction is caused by the deformation of the first bridge portion 320 and the third bridge portion.
- the inclination in the X-axis direction is a synergistic effect of the deformation of the second bridge portion 430 and the deformation of the fourth bridge portion 450
- the inclination in the Y-axis direction is the first bridge portion.
- This is a synergistic effect between the deformation of 420 and the deformation of the third bridge portion 440.
- the deformation mode of the individual bridge portions belonging to the same group causes the mirror body portion to be inclined in the same direction. Consideration must be given to the aspect. For example, in the embodiment shown in FIG.
- the upper electrode layer (D layer) is a positive electrode and the lower electrode
- a voltage having a negative polarity (layer B) is applied, as shown in FIG. 6B, the upper surface of each bridge portion extends, so that each bridge portion is deformed to be convex upward. It will be.
- the deformation of the first bridge part 420 causes the mirror part 470 to move in the Y-axis positive direction.
- the third bridge portion 440 is deformed by tilting the mirror body portion 470 in the negative direction of the Y-axis (in contrast to the following). Since the action of inclining the Y-axis negative direction side to be lowered (the same applies hereinafter) is performed, deformation occurs in a manner that cancels the inclination of the mirror part 470. Therefore, in the embodiment shown in FIG. 12, a reverse polarity voltage is always applied to the upper electrode layer 420D and the upper electrode layer 440D, and the reverse polarity is always applied to the upper electrode layer 430D and the upper electrode layer 450D. Apply polarity voltage. If it does so, compared with the basic embodiment shown in FIG.
- the 4th bridge part 450 is an element which comprises a part of arm part, and does not change that it plays the role which supports the mirror part 470.
- a piezoelectric element for each bridge part and deform it.
- the polarity of the voltage to be applied to each upper electrode layer also depends on the polarization characteristics of the piezoelectric material layer used for each piezoelectric element. For example, in the embodiment shown in FIG. 12, the polarization characteristics of the piezoelectric material layer (C layer) formed immediately below the upper electrode layer 420D and the piezoelectric material layer (C layer) formed immediately below the upper electrode layer 440D.
- the center of gravity G of the mirror body 150 coincides with the position of the origin O (Y-axis position) of the coordinate system.
- FIG. 8B when the mirror part 150 is inclined in the negative direction of the X axis (when rotation -Ry is generated around the Y axis), the center of gravity G of the mirror part 150 is downward in the figure. That is, when the mirror body part 150 is moved in the negative direction of the Z-axis and the mirror body part 150 is inclined in the positive X-axis direction (rotation + Ry around the Y-axis) as shown in FIG.
- the center of gravity G of 150 moves in the upward direction in the figure, that is, in the positive direction of the Z axis.
- the center of gravity G of 150 moves in the upward direction in the figure, that is, in the positive direction of the Z axis.
- the torsion bar is arranged along two orthogonal axes, and if the intersection of these two axes is a fixed point on the mirror surface, this fixed It is possible to change only the inclination angle of the mirror surface while the position of the point is fixed.
- the embodiments described so far cannot be used as they are. Therefore, here, a modified example that can suppress the accompanying phenomenon of displacement in the Z-axis direction when the mirror body part is tilted in the X-axis direction or the Y-axis direction will be described.
- FIG. 13A is a top view of the movable reflective element 500 according to the embodiment using two arm portions
- FIG. 13B is a side cross-sectional view of the movable reflective element 500 cut along the X axis.
- the origin O is taken at the position of the center of gravity of the mirror part, and an XYZ three-dimensional coordinate system is defined as shown.
- FIG. 13A is a top view of the movable reflective element 500 according to the embodiment using two arm portions
- FIG. 13B is a side cross-sectional view of the movable reflective element 500 cut along the X axis.
- the origin O is taken at the position of the center of gravity of the mirror part, and an XYZ three-dimensional coordinate system is defined as shown.
- FIG. 13A is a top view of the movable reflective element 500 according to the embodiment using two arm portions
- FIG. 13B is a side cross-sectional view of the movable reflective element 500 cut along the X axis.
- the origin O is taken
- this movable reflective element 500 also has a four-layer structure of A layer, B layer, C layer, and D layer, and the material and dimensions of each layer are as follows. This is the same as the embodiment described so far (hatching in the top view of FIG. 13A is for clearly showing the planar shape pattern of the D layer, not for showing the cross section).
- FIG. 13 as in the embodiment shown in FIG. 12, four sets of bridge portions are provided, but these four sets of bridge portions are connected along one connection path. However, it does not constitute a single arm part. That is, two sets of bridge parts are connected along one connection path to form a first system arm part, and two other sets of bridge parts are connected along another one connection path. 2 system arm part is comprised. Specifically, as shown in FIG.
- the movable reflecting element 500 includes a rectangular frame-like structure 510, a first system arm portion (a first bridge portion 520, a second bridge portion 530, a mirror). Body connecting portion 540), mirror body portion 550, and second system arm portion (third bridge portion 560, fourth bridge portion 570, mirror body connecting portion 580).
- the frame-like structure 510 functions as a fixing part for supporting the mirror part 550, and includes a first frame part 511, a second frame part 512, a third frame part 513, and a fourth frame that form four sides of a quadrangle. It is comprised by the part 514. Each member is arranged in an inner region surrounded by the frame-like structure 510.
- the root end part of the first bridge part 520 is connected to the first frame part 511, and the tip part of the first bridge part 520 is connected to the root end part of the second bridge part 530.
- the tip of the second bridge portion 530 is connected to the first end portion (the upper left end portion in the illustrated example) of the mirror portion 550 via the mirror connecting portion 540. Therefore, the 1st bridge part 520, the 2nd bridge part 530, and the mirror body connection part 540 are the 1st system arm which connects between frame-like structure 510 and mirror body part 550 along one connection path. It functions as a part.
- the root end portion of the third bridge portion 560 is connected to the third frame portion 513, and the tip end portion of the third bridge portion 560 is connected to the root end portion of the fourth bridge portion 570.
- the distal end portion of the fourth bridge portion 570 is connected to the second end portion (the lower right end portion in the illustrated example) of the mirror portion 550 through the mirror connecting portion 580. Therefore, the 3rd bridge part 560, the 4th bridge part 570, and the mirror body connection part 580 are the 2nd system
- the orthographic projection image of the first system arm unit on the XY plane and the orthographic projection image of the second system arm unit on the XY plane are point-symmetric with respect to the origin O.
- the structure is such that the incidental phenomenon of displacement of the mirror body 550 in the Z-axis direction can be most effectively suppressed.
- the first frame portion 511 functioning as a fixing portion extends along a longitudinal axis L0 parallel to the X axis
- the first bridge portion 520 is a longitudinal axis L1 parallel to the Y axis.
- the second bridge portion 530 extends along a longitudinal axis L2 parallel to the X axis.
- the first piezoelectric element is disposed in the region where the upper electrode layer 520D of the first bridge portion 520 is formed
- the second piezoelectric element is disposed in the region where the upper electrode layer 530D of the second bridge portion 530 is formed. Yes.
- the first piezoelectric element arranged along the longitudinal axis L1 functions to incline the mirror part 550 in the Y-axis direction
- the second piezoelectric element arranged along the longitudinal axis L2 is
- the mirror body 550 has a function of inclining in the X-axis direction.
- the mirror body part 550 on which the reflective layer 550D is formed can be inclined in the biaxial direction only by the first system arm part.
- the third frame portion 513 functioning as a fixing portion extends along a longitudinal axis L3 parallel to the X axis
- the third bridge portion 560 is a longitudinal axis L4 parallel to the Y axis.
- the fourth bridge portion 570 extends along a longitudinal axis L5 parallel to the X axis.
- the third piezoelectric element is disposed in the region where the upper electrode layer 560D of the third bridge portion 560 is formed, and the fourth piezoelectric element is disposed in the region where the upper electrode layer 570D of the fourth bridge portion 570 is formed.
- the third piezoelectric element arranged along the longitudinal axis L4 functions to incline the mirror body 550 in the Y-axis direction
- the fourth piezoelectric element arranged along the longitudinal axis L5 is
- the mirror body 550 has a function of inclining in the X-axis direction.
- the mirror body part 550 on which the reflective layer 550D is formed can be inclined in the biaxial direction only by the second system arm part.
- the layer structure of each component shown in the top view of FIG. 13A is shown.
- the planar shapes of the A layer, the B layer, and the C layer are the same, and all have the contour shape shown in FIG. 13 (a), but the D layer is hatched in FIG. 13 (a). It is formed only in the region.
- the specific layer for each part shown in FIG. 13A is shown by adding “a code indicating a layer” to the end of “the code of the part”.
- the movable reflective element 500 includes a mirror part 550 having a reflecting surface, a fixing part 510 for supporting the mirror part 550, a mirror part 550, and a fixing part 510. It can be said that the first system arm unit and the second system arm unit are connected to each other.
- the first system arm unit is at least parallel to the Y axis.
- a first bridge portion 520 extending along the first longitudinal axis L1 and connected along the second longitudinal axis L2 connected directly or indirectly to the first bridge portion 520 and parallel to the X axis
- a second bridge portion 530 (a further bridge portion may be provided as will be described later), and the second system arm portion has at least a third longitudinal direction parallel to the Y axis.
- a third bridge portion 560 extending along the direction axis L4 and a fourth bridge connected directly or indirectly to the third bridge portion 560 and extending along a fourth longitudinal axis L5 parallel to the X axis (As will be described later, another bridge portion is provided. May not).
- Each of these bridge portions has the following characteristics.
- the first bridge portion 520 includes a flexible first bridge body portion 520A and first piezoelectric elements (520B, 520C, and 520B) that are fixed to the upper surface (or the lower surface) of the first bridge body portion 520A.
- the first piezoelectric element has a property of expanding and contracting in a direction along the first longitudinal axis L1 when a voltage having a predetermined polarity is applied.
- the second bridge portion 530 includes a flexible second bridge body portion 530A and second piezoelectric elements (530B, 530C) fixed to the upper surface (or lower surface) of the second bridge body portion 530A. , 530D three-layer structure), and this second piezoelectric element has the property of expanding and contracting in the direction along the second longitudinal axis L2 when a voltage of a predetermined polarity is applied.
- the third bridge portion 560 includes a flexible third bridge main body portion 560A and a third piezoelectric element (560B, 560C, 560C, 560C, 560C, 560A) fixed to the upper surface (or the lower surface) of the third bridge main body portion 560A.
- the third piezoelectric element has a property of expanding and contracting in a direction along the third longitudinal axis L4 when a voltage having a predetermined polarity is applied.
- the fourth bridge portion 570 includes a flexible fourth bridge body portion 570A and fourth piezoelectric elements (570B, 570C) fixed to the upper surface (or lower surface) of the fourth bridge body portion 570A. , 570D three-layer structure), and this fourth piezoelectric element has a property of expanding and contracting in a direction along the fourth longitudinal axis L5 when a voltage of a predetermined polarity is applied. As described above, in the embodiment shown in FIG.
- the mirror body 550 is supported by the two systems of arm portions, and each arm portion has a function of inclining the mirror body portion 550 in the biaxial direction. ing. For this reason, when the mirror part 550 is inclined in the X-axis direction or the Y-axis direction, it is possible to suppress the accompanying phenomenon of displacement in the Z-axis direction. The principle will be described below. In FIG. 7A, FIG. 7B, and FIG. 7C, if the 1st bridge part 120 is deformed in order to incline the mirror part 150 in the Y-axis direction, the reason why the mirror part 150 is displaced in the Z-axis direction is as follows.
- the top surface of the first bridge portion 120 expands and contracts, so that the tip end portion (the right end in the drawing) of the first bridge portion 120 is lowered ( 7B), to go up (FIG. 7C).
- the upper and lower displacement directions of the two arm portions are complementary. For example, when the Y-axis positive direction side is inclined downward (Z-axis negative direction) and the Y-axis negative direction side is inclined upward (Z-axis positive direction) with respect to the mirror body part 550, the first bridge portion 520 is A stress that causes the upper surface to extend is applied (as shown in FIG.
- the center of gravity G of the mirror portion 550 is displaced in the negative Z-axis direction), and a stress that causes the upper surface to contract is applied to the third bridge portion 560.
- the center of gravity G of the mirror part 550 is displaced in the positive direction of the Z axis.
- the first bridge part 520 and the third bridge part 560 both cooperate in that the mirror part 550 is inclined in the same direction, but the center of gravity of the mirror part 550 is displaced in the Z-axis direction. The opposite action is performed at the point of making it.
- the second bridge part 530 is A stress that causes the upper surface to extend is applied (as shown in FIG. 8B, the center of gravity G of the mirror portion 550 is displaced in the negative direction of the Z axis), and a stress that causes the upper surface to contract is applied to the fourth bridge portion 570. (As shown in FIG. 8C, the center of gravity G of the mirror part 550 is displaced in the positive direction of the Z axis).
- the second bridge part 530 and the fourth bridge part 570 both cooperate in that the mirror part 550 is inclined in the same direction, but the center of gravity of the mirror part 550 is displaced in the Z-axis direction.
- the opposite action is performed at the point of making it.
- the movable reflecting element 500 shown in FIG. 13 has a planar structure that is point-symmetric with respect to the origin O, and has a structure that completely overlaps even if rotated 180 degrees about the Z axis. For this reason, regarding the incidental phenomenon of displacement of the center of gravity of the mirror body 550 in the Z-axis direction, the first system arm unit and the second system arm unit can perform a completely complementary action, and a predetermined immobility.
- each of the first system arm unit and the second system arm unit includes two bridge units, but three sets as in the modification described in ⁇ 2-3. It is also possible to provide two systems of arm portions having the above bridge portions.
- the movable reflecting element includes a mirror body portion having a reflecting surface, a fixing portion for supporting the mirror body portion, and a first system arm portion and a second system arm connecting the mirror body portion and the fixing portion.
- the arm unit of each system It has the following features.
- the first system arm portion is configured by connecting a plurality of n (where n ⁇ 2) bridge portions directly or indirectly via an intermediate connection portion, and a part of these n bridge portions.
- the second system arm portion is configured by connecting a plurality of m (however, m ⁇ 2) bridge portions directly or indirectly via an intermediate connection portion, and a part of these m bridge portions.
- the first group of bridge portions includes a flexible first group of bridge main body portions, and a first group of piezoelectric elements fixed to the upper or lower surface of the first group of bridge main body portions.
- the first group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the Y axis when a voltage having a predetermined polarity is applied.
- the second group of bridge portions includes a flexible second group of bridge main body portions and a second group of piezoelectric elements fixed to the upper or lower surface of the second group of bridge main body portions.
- the second group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the X axis when a voltage having a predetermined polarity is applied.
- the third group bridge section includes a flexible third group bridge body section and a third group piezoelectric element fixed to the upper or lower surface of the third group bridge body section.
- the third group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the Y axis when a voltage having a predetermined polarity is applied.
- the fourth group of bridge portions includes a flexible fourth group of bridge main bodies and a fourth group of piezoelectric elements fixed to the upper or lower surface of the fourth group of bridge main bodies.
- the fourth group of piezoelectric elements has a property of expanding and contracting in a direction along an axis parallel to the X axis when a voltage having a predetermined polarity is applied. More preferably, the following configuration may be employed.
- the first system arm section has a plurality of n first system bridge sections from the first first system bridge section to the nth first system bridge section, and the first first system The root end portion of the bridge portion is directly or indirectly connected to the fixed portion, and the tip end portion of the n-th first system bridge portion is directly or indirectly connected to the mirror portion, and the i-th (however, 1 The tip end portion of the first system bridge portion of ⁇ i ⁇ n ⁇ 1) is connected directly or indirectly to the root end portion of the (i + 1) th first system bridge portion.
- the odd-numbered first system bridge portion constitutes a first group bridge portion
- the even-numbered first system bridge portion constitutes the second group bridge portion, or the odd-numbered first system bridge portion.
- a bridge portion of the second group is configured by the bridge portion
- a bridge portion of the first group is configured by the even-numbered first system bridge portion.
- the second system arm part has a plurality of m second system bridge parts from the first second system bridge part to the mth second system bridge part, and the first second system
- the root end portion of the bridge portion is directly or indirectly connected to the fixed portion
- the tip end portion of the m-th second system bridge portion is directly or indirectly connected to the mirror body portion.
- the tip end portion of the second system bridge portion of ⁇ j ⁇ m ⁇ 1) is connected directly or indirectly to the root end portion of the (j + 1) th second system bridge portion.
- the third group bridge portion is configured by the odd-numbered second system bridge portion
- the fourth group bridge portion is configured by the even-numbered second system bridge portion, or the odd-numbered second system
- a bridge portion of the fourth group is configured by the bridge portion
- a bridge portion of the third group is configured by the even-numbered second system bridge portion.
- the A layer is a layer that functions as a bridge body
- the B layer is a layer that functions as a lower electrode layer
- the C layer is a layer that functions as a piezoelectric material layer
- the D layer is a layer that functions as an upper electrode layer and a reflective layer.
- the A layer, the B layer, and the C layer are layers having the same plane pattern, but the D layer is a layer formed in a region necessary for arranging the piezoelectric element and a region necessary for forming the reflecting surface. Become.
- the reason why such a four-layer structure is adopted is that a piezoelectric element is constituted by a three-layer structure of a B layer, a C layer, and a D layer.
- each piezoelectric element is constituted by a three-layer structure of the lower electrode layer B, the piezoelectric material layer C, and the upper electrode layer D.
- the piezoelectric material layer C extends in the layer direction when a positive voltage is applied to one of the lower electrode layer B and the upper electrode layer D and a negative voltage is applied to the other electrode layer.
- the reason why the A layer, the B layer, and the C layer are layers having the same plane pattern and only the D layer is a layer having different plane patterns is convenient for facilitating the manufacturing process.
- the A layer, the B layer, and the C layer have the same pattern in plan view, so that the patterning process becomes easy.
- the B layer can function as a common lower electrode layer for a plurality of piezoelectric elements.
- the D layer can be used as an upper electrode layer or a reflective layer for each piezoelectric element. Will be used.
- the D layer can be used as an upper electrode layer for a piezoelectric element or can be used as a reflective layer. In the example shown in FIG.
- the D layer 120D and the D layer 130D are used as the upper electrode layer for the piezoelectric element (actually, wiring for applying a voltage is applied), and the D layer 150D. Is used as a reflective layer (no wiring is provided).
- the reflective layer does not necessarily have to be formed of the D layer, it does not have to be formed on the same plane as the arrangement surface of the piezoelectric element.
- the piezoelectric element and the reflective layer are formed on the upper surface of each bridge portion.
- the piezoelectric element may be formed on the upper surface and the reflective surface may be formed on the lower surface, and vice versa. It doesn't matter.
- the reflective surface is formed on the lower surface, it is necessary to provide an opening in the base substrate 200.
- the A layer, the B layer, and the C layer are configured by the same plane pattern, the patterning process becomes easy and the manufacturing process can be simplified. Therefore, in practical use, the A layer, the B layer, It is preferable to share the plane pattern of the C layer.
- FIG. 14A is a side sectional view of a modified example in which the B layer and the C layer are not formed in the region where the D layer is not formed from such a viewpoint.
- the movable reflective element according to the basic embodiment shown in FIG. 5 (b) and the movable reflective element according to the modification shown in FIG. 14A have the same basic structure and function.
- the C layer has the same plane pattern as the A layer, whereas the latter is different in that the B layer and the C layer have the same plane pattern as the D layer. For example, focusing on the first bridge portion 120, in FIG.
- the A layer 120A, the B layer 120B, and the C layer 120C are layers having the same planar pattern, and only the D layer 120D has a different planar pattern.
- the B layer 120B ′ and the C layer 120C ′ have the same planar pattern as the D layer 120D.
- the B layer 130B ′ and the C layer 130C ′ have the same planar pattern as the D layer 130D.
- the B layer 150B ', C layer 150C' has the same planar pattern as D layer 150D.
- FIG. 14A, the B layer, the C layer, and the D layer are not formed at all on the upper surfaces of the second frame portion 112A and the fourth frame portion 114A that constitute the frame-shaped structure 110.
- FIG. 14B is a side sectional view of a modified example in which another layer is added to the four-layer structure described so far and a total five-layer structure is adopted.
- the E layer is interposed between the A layer and the B layer.
- an E layer 120E is added to the first bridge part 120
- an E layer 130E is added to the second bridge part 130
- an E layer 150E is added to the mirror part 150.
- an E layer 112E is added to the second frame portion 112, and an E layer 114E is added to the fourth frame portion 114.
- the A layer is composed of a silicon substrate
- the B layer is composed of platinum
- the C layer is composed of PZT or KNN
- the D layer is composed of a two-layer structure of gold / platinum.
- the E layer added in the modification shown in FIG. 14B is made of silicon oxide having a thickness of 1 ⁇ m and functions as an insulating layer.
- the three-layer structure of the B layer, the C layer, and the D layer constitutes a piezoelectric element, and an E layer made of an insulating layer is interposed between the piezoelectric element and an A layer (substrate layer) made of a silicon substrate.
- an E layer made of an insulating layer
- a layer substrate layer
- the piezoelectric element can be operated more stably.
- the E layer is interposed, there is also an advantage that a stable C layer can be formed on the upper surface.
- the movable reflective element according to the present invention can be configured as a four-layer structure, or can be configured as a structure of five or more layers.
- each of the mirror part, the fixed part, and the arm part is formed on the substrate layer A and above the substrate layer A.
- a laminated structure of three or more layers including a lower electrode layer B and a piezoelectric material layer C formed above the lower electrode layer B is configured.
- at least a mirror part and an arm part include a piezoelectric material.
- An upper electrode layer D formed in a part or all of the upper surface of the layer C may be further provided.
- FIG. 14C is a side cross-sectional view of a modified example in which the piezoelectric element portion has a two-stage structure. That is, the first insulating layer E1, the first lower electrode layer B1, the first piezoelectric material layer C1, the first upper electrode layer D1, and the second insulating layer E2 are formed on the upper surface of the substrate layer A in order from the bottom to the top.
- each piezoelectric element includes a first piezoelectric part P1 having a three-layer structure including a first lower electrode layer B1, a first piezoelectric material layer C1, and a first upper electrode layer D1, and a second piezoelectric element P1.
- each of the piezoelectric material layers C1 and C2 extends in the layer direction when a positive polarity voltage is applied to one of the lower electrode layer and the upper electrode layer, and a negative polarity is applied to the other electrode layer. It has the property of shrinking in the layer direction when a voltage is applied.
- the movable reflecting element described in ⁇ 1 and ⁇ 2 can tilt the reflecting surface formed on the surface of the mirror body with two degrees of freedom, it scans light beams and directional radio waves two-dimensionally. It can be used as a two-dimensional scanning device. By scanning a light beam with this two-dimensional scanning device, a projector for projecting an image on a screen can be configured, and by scanning a directional radio wave, an in-vehicle radar or the like can be configured.
- the movable reflective element according to the present invention is suitable as a MEMS element for downsizing and low current consumption, and is used by being incorporated in a small device such as a mobile phone, a smartphone, and a tablet electronic terminal. It is suitable for the purpose of adding a projector function to these small devices.
- radar has become an indispensable technology, and it is necessary to radiate directional radio waves over a wide range. If the movable reflective element according to the present invention is used, it is possible to realize a vehicle-mounted device that is small and capable of irradiating a wide range of radar.
- a two-dimensional scanning device is configured by driving the movable reflective element according to the present invention with an AC signal, and the two-dimensional scanning device is incorporated in a projector.
- this two-dimensional scanning device can be used for the above-described radar device for vehicle mounting.
- FIG. 15 is a block diagram showing an embodiment of such a projector 80.
- the projector 80 according to this embodiment has a function of projecting an image on the screen 10, and includes a two-dimensional scanning device 20, a laser light source 30, and a display control device 40 as illustrated (in the case of a radar device). (Instead of the laser light source 30, a radio wave source that generates a directional radio wave is used).
- the two-dimensional scanning device 20 is a device that includes a movable reflective element 21 and a controller 22.
- the movable reflective element 21 is the movable reflective element described in ⁇ 1 and ⁇ 2, and a mirror body having a reflective surface M parallel to the XY plane by applying a voltage of a predetermined polarity to a predetermined piezoelectric element.
- the portion can be inclined in the Y-axis direction (around the X-axis) and the X-axis direction (around the Y-axis).
- the controller 22 fulfills the function of swinging the mirror part of the movable reflective element 21 about the X axis and the Y axis by supplying an AC drive signal to the piezoelectric element of the movable reflective element 21.
- the movable reflecting element 21 has a bridge portion extending along an axis parallel to the X axis and a bridge portion extending along an axis parallel to the Y axis.
- the controller 22 supplies the first drive signal having the first period H1 to the piezoelectric element of one of the two types of bridge parts, and the piezoelectric element of the other bridge part.
- it has a function of supplying a second drive signal having a second period H2.
- the laser light source 30 generates a laser beam and irradiates the reflection surface M of the movable reflective element 21 in the two-dimensional scanning device 20.
- the laser beam reflected by the reflecting surface M forms a spot S at a predetermined position on the screen 10.
- the display control device 40 performs display control for displaying a predetermined image on the screen 10 based on image data given from the outside. Specifically, the display control device 40 gives a modulation signal based on image data for an image to be displayed to the laser light source 30 and gives a control signal to the controller 22 in the two-dimensional scanning device 20.
- the laser light source 30 generates a laser beam modulated in intensity and / or wavelength based on the modulation signal given from the display control device 40, and this is generated in the mirror part of the movable reflective element 21 in the two-dimensional scanning device 20.
- the reflective surface M is irradiated.
- the laser light source 30 may generate a monochromatic laser beam and modulate its intensity.
- a composite light source that generates laser beams of three primary colors RGB may be employed as the laser light source 30 and intensity modulation may be performed independently for each primary color.
- the two-dimensional scanning device 20 has a spot S formed on the screen 10 by the laser beam reflected by the mirror part (reflection surface M) of the movable reflective element 21 based on the control signal given from the display control device 40. Oscillates the mirror so that it moves two-dimensionally on the screen 10. In the case of the embodiment shown in FIG.
- the control signal given from the display control device 40 to the two-dimensional scanning device 20 indicates ON / OFF of the swing operation of the mirror part of the movable reflective element 21 and the timing of the swing operation. It is a signal indicating.
- the display control device 40 gives a control signal synchronized with the timing of the modulation signal given to the laser light source 30 to the two-dimensional scanning device 20.
- the position of the spot S on the screen 10 and the modulation content of the laser beam forming the spot are synchronized, and an image corresponding to the image data is displayed on the screen 10. Subsequently, the substance of the beam scanning by the two-dimensional scanning device 20 will be described according to a specific embodiment.
- FIG. 16A is a waveform diagram showing an example of drive signals Dx and Dy supplied from the controller 22 to the movable reflective element 21 in the projector 80 shown in FIG. 15, and FIG. 16B shows the drive signals Dx and Dy being movable.
- 4 is a plan view showing a beam scanning mode on the screen 10 obtained when supplied to the reflecting element 21.
- FIG. A sawtooth wave having a first period H1 is shown as the first drive signal Dx in the upper part of FIG.
- a second period H2 as the second drive signal Dy is shown in the lower part of FIG. 16A.
- a stepped wave with is shown.
- the first drive signal Dx rises to the voltage value ⁇ Vx to + Vx in the first period from time t0 to time t1 along the time axis t, and then falls to the voltage value ⁇ Vx at time t1.
- the sawtooth wave repeats the operation of rising to the voltage value ⁇ Vx to + Vx and then dropping to the voltage value ⁇ Vx at time t2.
- the mirror part 150 swings in the Y-axis direction (around the X axis).
- the first drive signal Dx is supplied to the upper electrode layer 130D
- the second drive signal Dy is supplied to the upper electrode layer 120D.
- the driving operation may be performed.
- FIG. 16B shows the scanning trajectory of the spot S obtained on the screen 10 when such a driving operation is performed.
- the horizontal direction of the screen 10 corresponds to the X-axis direction of the movable reflective element 100 shown in FIG. 5
- the vertical direction of the screen 10 corresponds to the Y-axis direction of the movable reflective element 100 shown in FIG.
- the position of the spot S moves from the scanning point Q1 at the upper left corner of the screen 10 to the right horizontally and reaches the scanning point Q2, as indicated by a solid line, and then immediately reaches the scanning point Q2, as indicated by a broken line.
- the spot S moves zigzag on the screen 10, and eventually reaches the scanning point Q12 in the lower right corner.
- Such scanning is a raster type scanning that is generally used, and image display for one frame is performed by scanning from scanning points Q1 to Q12. Subsequently, a jump from the scanning point Q12 to the scanning point Q1 is performed, and zigzag scanning from the scanning points Q1 to Q12 is performed again.
- the display control device 40 sequentially extracts the data of individual pixels constituting the image data in accordance with the arrangement order, and synchronizes with the periods H1 and H2 of the drive signals Dx and Dy. What is necessary is just to give to the laser light source 30 as a modulation signal at the timing which was carried out. Actually, even if the drive signals Dx and Dy as shown in FIG.
- the scanning points Q1, Q3, Q5, Q7, Q9, and Q11 in FIG. 16B correspond to times t0, t1, t2, t3, t4, and t5 on the time axis t in FIG. 16A, respectively.
- FIG. 17A shows a waveform diagram of drive signals Dx and Dy used for scanning the spot S by another scanning method.
- FIG. 17B is a plan view showing a beam scanning mode on the screen 10 obtained when such drive signals Dx and Dy are supplied to the movable reflective element 21. As illustrated, in this scanning method, a sine wave having the first period H1 is used as the first drive signal Dx, and a sine wave having the second period H2 is used as the second drive signal Dy. Become.
- the first drive signal Dx is a sine wave having a period H1 that takes voltage values ⁇ Vx to + Vx
- the first drive signal Dx is the second drive signal Dx of the movable reflective element 100 shown in FIG.
- the second drive signal Dy is a sine wave having a period H2 that takes voltage values ⁇ Vy to + Vy
- such second drive signal Dy is used as the first bridge portion of the movable reflective element 100 shown in FIG.
- the mirror body 150 swings in the Y-axis direction (around the X-axis), and the spot S on the screen 10 makes a single vibration in the Y-axis direction with a period H2.
- the first drive signal Dx is supplied to the upper electrode layer 130D
- the second drive signal Dy is supplied to the upper electrode layer 120D.
- the driving operation may be performed.
- FIG. 17B shows the scanning trajectory of the spot S obtained on the screen 10 when such a driving operation is performed.
- the horizontal direction of the screen 10 corresponds to the X-axis direction of the movable reflective element 100 shown in FIG.
- the vertical direction of the screen 10 corresponds to the Y-axis direction of the movable reflective element 100 shown in FIG.
- the position of the spot S moves along an 8-shaped smooth line indicated by a solid line.
- This movement trajectory is a one-stroke circular path, and Q1 ⁇ Q2 ⁇ Q3 ⁇ . . . It circulates along the route of Q19 ⁇ Q1.
- scanning point Q1 corresponds to time t0
- scanning point Q5 forward path
- scanning point Q9 forward path
- scanning point Q13 corresponds to time t3.
- Point Q9 corresponds to time t4
- scan point Q5 corresponds to time t5
- scan point Q1 corresponds to time t6.
- an “eight-character scanning method” As described above, actually, even if the drive signals Dx and Dy as shown in FIG. 17A are supplied from the controller 22 to the movable reflective element 21, the piezoelectric element of the movable reflective element 21 expands and contracts. Since a mechanical delay occurs before the mirror body portion is tilted, the phase of the scanning motion of the spot S obtained on the screen 10 is delayed with respect to the phase of the drive signals Dx and Dy. .
- each scanning point Q1, Q5, Q9, Q13,. . . Are times t0, t1, t2, t3,. . . , But in real time, the spot S becomes the scanning points Q1, Q5, Q9, Q13,. . . Arrive at times t0, t1, t2, t3,. . . It will be later than that.
- This “8-shaped scanning method” is different from raster scanning that is generally used, and the movement path of the spot S has a pixel array (vertical and horizontal two-dimensional matrix-like shape) constituting a general image. It is not a route along the array. Accordingly, in the projector 80 shown in FIG.
- the display control device 40 predicts the position of the spot S on the screen 10 and the predicted position from the image data. It is necessary to perform processing for extracting data corresponding to the pixels and providing the extracted data to the laser light source 30.
- this two-dimensional scanning device is used as a simple backlight illumination for a liquid crystal display element instead of a projector, for example, no image data is required, and no modulation processing by the laser light source 30 is necessary. Therefore, in the case of such an application of backlight illumination, it is preferable to adopt the “8-shaped scanning method” that can obtain a smooth scanning locus, rather than adopting the raster scanning.
- the controller 22 may perform a process of supplying drive signals Dx ′ and Dy ′ having opposite phases to the drive signals Dx and Dy supplied to the first system arm unit to the second system arm unit.
- the inclination angle of the reflecting surface M of the movable reflecting element can be set as large as possible.
- the amplitude of the oscillating motion of the mirror part varies depending on the frequency. This is because, in general, energy efficiency in a vibration system is the highest when the vibration system is vibrated at a resonance frequency unique to the vibration system.
- the resonance frequency f of the mirror part 150 of the movable reflecting element 100 having the structure shown in FIG. 5 is a physical eigenvalue that is uniquely determined by the material of each part and the dimensions and shape of the arm part.
- the energy efficiency is the best.
- the supply voltage required to obtain the same amplitude is lowest when oscillated at the resonance frequency f.
- an AC drive signal of 500 to 1000 V is sometimes required.
- the movable reflective element 100 When the movable reflective element 100 is formed as a fine semiconductor element such as a MEMS element, dielectric breakdown may occur when driven at such a high voltage. From such a point of view, in practice, it is preferable that the movable reflecting element according to the present invention is operated so as to vibrate the mirror portion at the resonance frequency f. In other words, if the application is predetermined, it is preferable to design the mechanical structure of the movable reflecting element so that the vibration frequency suitable for the application matches the resonance frequency f. . For example, consider the case where the movable reflective element 21 according to the present invention is used in a projector 80 as shown in FIG. In the projector 80, as described above, for example, the AC drive signals Dx and Dy as shown in FIG.
- Such a drive signal is set by setting the horizontal scanning time from scanning points Q1 to Q2 in FIG. 16A to 1/10000 seconds, and one screen is composed of 100 horizontal scanning lines, and scanning points Q1 to Q12 in FIG. 16B.
- the resonance frequencies f of a certain vibration system there are a plurality of resonance frequencies f of a certain vibration system, and the primary resonance frequency, the secondary resonance frequency,. . . It is called as follows. Therefore, when designing a movable reflective element in which the resonance frequency in the X-axis direction is fx and the resonance frequency in the Y-axis direction is fy, the resonance frequency of a specific order in the X-axis direction is fx, and Y The design may be made such that the resonance frequency of a specific order in the axial direction is fy.
- the resonance frequency of any order in the X-axis direction matches the resonance frequency of any order in the Y-axis direction, inconvenient interference occurs between the vibration in the X-axis direction and the vibration in the Y-axis direction.
- the design for making the resonance frequencies fx and fy different the form that the inventor considers most practical is a method of adjusting according to the width or thickness of each bridge portion. It is.
- FIG. 18A is a top view of the movable reflective element 600 according to the embodiment for adjusting the width of each bridge portion
- FIG. 18B is a side of the movable reflective element 600 cut along the X-axis. It is sectional drawing.
- the movable reflective element 600 also has a four-layer structure of an A layer, a B layer, a C layer, and a D layer, but the illustration of the D layer is omitted in FIG. As shown in FIG.
- the movable reflective element 600 includes a rectangular frame-shaped structure 610, a first bridge portion 620, a second bridge portion 630, a mirror connection portion 640, and a mirror portion 650.
- the frame-like structure 610 functions as a fixing part for supporting the mirror part 650, and includes a first frame part 611, a second frame part 612, a third frame part 613, and a fourth frame that form four sides of a quadrangle.
- the unit 614 is configured.
- the side sectional view of FIG. 18B shows the layer structure of each component shown in the top view of FIG. 18A, and identifies each part shown in FIG. This layer is indicated by adding “a code indicating a layer” to the end of “the code of the part”.
- the width of the first bridge portion 620 extending along the axis parallel to the Y axis is W1
- the width of the second bridge portion 630 extending along the axis parallel to the X axis are set to different values. Specifically, in the illustrated example, the width W1 of the first bridge portion 620 is narrower than the width W2 of the second bridge portion 630.
- the relationship between the k-th resonance frequency fx (k) in the X-axis direction of the mirror unit 650 and the k-th resonance frequency fy (k) in the Y-axis direction is It is possible to satisfy fx (k)> fy (k). Therefore, as in the above example, it is easy to realize a structure in which the resonance frequency in the X-axis direction is 10 kHz and the resonance frequency in the Y-axis direction is 100 Hz.
- FIG. 19A is a top view of the movable reflective element 700 according to the embodiment for adjusting the thickness of each bridge portion, and FIG.
- FIG. 19B is a sectional view of the movable reflective element 700 cut along the X axis.
- the movable reflective element 700 also has a four-layer structure of A layer, B layer, C layer, and D layer, but the D layer is not shown in FIG.
- the hatching given to Fig.19 (a) is for showing the area
- the movable reflective element 700 includes a rectangular frame-shaped structure 710, a first bridge portion 720, a second bridge portion 730, a mirror connection portion 740, and a mirror portion 750. ing.
- the frame-like structure 710 functions as a fixing part for supporting the mirror part 750, and includes a first frame part 711, a second frame part 712, a third frame part 713, and a fourth frame that form four sides of a quadrangle. Part 714.
- the side sectional view of FIG. 19B shows the layer structure of each component shown in the top view of FIG. 19A, and identifies each part shown in FIG. 19A. This layer is indicated by adding “a code indicating a layer” to the end of “the code of the part”. Since the basic form of the movable reflective element 700 is the same as that of the movable reflective element 100 shown in FIG. 5, detailed description thereof is omitted here.
- the thickness of the first bridge portion 720 extending along the axis parallel to the Y axis is T1
- the thickness of the second bridge portion 730 extending along the axis parallel to the X axis are set to different values.
- the thickness T1 of the first bridge portion 720 is smaller than the thickness T2 of the second bridge portion 730.
- the thickness T3 of the frame-like structure 710 is further larger than the thickness T2 of the mirror part 750, which supports the mirror part 750 so as to be suspended in the frame-like structure 710. Because. In FIG.
- a region having a thickness T1 (a portion of the first bridge portion 720) is hatched with horizontal stripes, and a region having a thickness T2 (a second bridge portion 730, a mirror connecting portion 740, a mirror)
- the body portion 750) is vertically striped, and the region having the thickness T3 (frame-like structure 710) is check-patterned.
- the thicknesses T1, T2, and T3 are indicated in parentheses.
- the k-th resonance frequency fx (k) in the X-axis direction and the k-th resonance frequency in the Y-axis direction of the mirror unit 750 are set.
- the relationship with fy (k) can be fx (k)> fy (k). Therefore, as in the above example, it is easy to realize a structure in which the resonance frequency in the X-axis direction is 10 kHz and the resonance frequency in the Y-axis direction is 100 Hz.
- the resonance frequency in the X axis direction of the mirror portion is set to the resonance in the Y axis direction.
- the effect of making it higher than the frequency can be obtained.
- the setting of T2 ⁇ T1 may be performed.
- the adjustment method for making the resonance frequencies fx and fy different the method for adjusting the width of each bridge portion (FIG.
- the controller 22 constituting the projector 80 shown in FIG. 15 has a drive function of vibrating the reflective surface M of the movable reflective element 21 in the X-axis direction and the Y-axis direction. In order to appropriately perform such driving, it is preferable to provide the controller 22 with a feedback control function.
- the two-dimensional scanning device 20 includes a movable reflective element 21 and a controller 22, but the movable reflective element 21 used in this embodiment has a detection function for detecting vibration.
- the movable reflective element 21 shown in the upper part of FIG. 20 basically has the same structure as the movable reflective element 100 shown in FIG. 5, but the pattern of the upper electrode layer (D layer) is slightly different. .
- two sets of separate and independent upper electrode layers 120D1 and 120D2 are formed on the first bridge portion 120, and two sets of separate and independent upper electrode layers 130D1 and 130D2 are formed on the second bridge portion 130.
- the reflective layer 150D (reflective layer M in FIG. 15) formed on the mirror body 150 is not changed.
- two sets of piezoelectric elements are formed on the first bridge portion 120, and two sets of piezoelectric elements are also formed on the second bridge portion 130, for a total of four sets of piezoelectric elements. Will be provided.
- a part of these four sets of piezoelectric elements functions as a driving piezoelectric element, and another part functions as a detecting piezoelectric element.
- the piezoelectric elements formed in the upper electrode layers 120D1 and 130D1 function as driving piezoelectric elements, and the piezoelectric elements formed in the upper electrode layers 120D2 and 130D2 are detected. It functions as a piezoelectric element.
- the basic layer configuration of the four sets of piezoelectric elements is the same, and there is no difference in the physical configuration and basic functions.
- each piezoelectric element is referred to as a “driving piezoelectric element” or a “detecting piezoelectric element” for the purpose of distinguishing the purpose of use when viewed from the controller 22 side.
- the lower electrode layer (B layer) of each piezoelectric element is fixed to the ground potential, and the upper electrode layers 120D1, 120D2, 130D1, and 130D2 are provided inside the controller 22 as illustrated.
- the X-axis direction vibration control unit 221 or the Y-axis direction vibration control unit 222 is connected.
- an X-axis direction drive signal Dx is provided from the X-axis direction vibration control unit 221 to the upper electrode layer 130D1
- a Y-axis direction is provided from the Y-axis direction vibration control unit 222 to the upper electrode layer 120D1.
- a drive signal Dy is given.
- These drive signals Dx and Dy are AC drive signals as exemplified in FIG. 16A or FIG. 17A, for example.
- a signal indicating the voltage of the upper electrode layer 130D2 is fed back to the X-axis direction vibration control unit 221 as the X-axis direction detection signal Sx, and a signal indicating the voltage of the upper electrode layer 120D2 is returned as the Y-axis direction detection signal Sy.
- Feedback is provided to the axial vibration control unit 222.
- the X-axis direction vibration control unit 221 performs feedback control to generate the X-axis direction drive signal Dx with reference to the X-axis direction detection signal Sx as a feedback signal
- the Y-axis direction vibration control unit 222 performs the Y-axis direction vibration control unit 222.
- the piezoelectric material layer (C layer) constituting the piezoelectric element used here is between the upper electrode layer (D layer) and the lower electrode layer (B layer).
- This is a layer having the property of expanding and contracting in the layer direction when a voltage having a predetermined polarity is applied to the layer.
- a piezoelectric element is regarded as a driving element, it is an element that causes mechanical deformation (stress) by application of a voltage, but conversely, when this piezoelectric element is regarded as a detection element, it occurs.
- the X-axis direction detection signal Sx described above is a signal indicating the charge generated in the upper electrode layer 130D2 due to the deformation of the second bridge portion 130, and is the second in the deformation state as shown in FIGS. 6B and 6C. The degree of expansion and contraction of the upper surface of the bridge portion 130 is shown.
- the Y-axis direction detection signal Sy described above is a signal indicating the charge generated in the upper electrode layer 120D2 due to the deformation of the first bridge 120, and is in a deformed state as shown in FIGS. 6B and 6C. The extent of expansion and contraction of the upper surface of the first bridge portion 120 is shown.
- the driving piezoelectric element formed on each bridge portion repeats expansion and contraction movements at a predetermined period.
- the detection piezoelectric element formed in the bridge portion also expands and contracts at a predetermined cycle.
- the X-axis direction detection signal Sx and the Y-axis direction detection signal Sy that are returned to the controller 22 as feedback signals are signals indicating such a periodic expansion and contraction motion of each bridge portion, and the X-axis direction of the reflective layer 150D. This is a signal indicating vibration in the Y-axis direction.
- the X-axis direction detection signal Sx corresponds to a signal indicating the position of the spot S thus formed in the X-axis direction
- the Y-axis direction detection signal Sy indicates the position of the spot S thus formed in the Y-axis direction. It corresponds to the signal shown.
- the X-axis direction vibration control unit 221 drives the X-axis direction for scanning the laser beam in the X-axis direction on the screen 10 based on the signal Sx indicating the position of the spot S on the screen 10 in the X-axis direction.
- Feedback control for generating the signal Dx can be performed.
- the Y-axis direction vibration control unit 222 uses the signal Sy indicating the position of the spot S on the screen 10 in the Y-axis direction to scan the laser beam on the screen 10 in the Y-axis direction.
- Feedback control for generating the drive signal Dy can be performed.
- the embodiment in which feedback control is performed on the movable reflective element 21 shown in the upper part of FIG. 20 has been described.
- a plurality of piezoelectric elements are provided in one or a plurality of bridge portions of the movable reflective element.
- a part of the plurality of piezoelectric elements may function as a driving piezoelectric element, and another part may function as a detecting piezoelectric element.
- the driving piezoelectric element functions to swing the mirror body based on the AC drive signal supplied from the controller 22, and the detection piezoelectric element is generated due to the swing of the mirror body.
- the detection signal indicating the charge is fed back to the controller 22.
- the controller 22 can perform feedback control on the AC drive signal based on the detection signal. More specifically, the controller 22 is provided with an X-axis direction vibration control unit 221 and a Y-axis direction vibration control unit 222.
- the X-axis direction vibration control unit 221 is based on the X-axis direction detection signal Sx fed back from the detection piezoelectric element provided on the bridge unit extending along the axis parallel to the X-axis. What is necessary is just to produce
- the Y-axis direction vibration control unit is provided in the bridge unit based on the Y-axis direction detection signal Sy fed back from the detection piezoelectric element provided in the bridge unit extending along the axis parallel to the Y axis.
- the Y-axis direction drive signal Dy supplied to the drive piezoelectric element thus generated may be generated.
- a display control device 40 shown in FIG. 20 is a device that performs processing for displaying an image on the screen 10 based on image data given from the outside.
- a modulation signal based on the pixel value of the pixel an X-axis direction scanning control signal Cx to the X-axis direction vibration control unit 221, and a Y-axis direction direction to the Y-axis direction vibration control unit 222.
- the scanning control signal Cy is provided.
- the X-axis direction scanning control signal Cx includes information indicating the predetermined amplitude Gx in the X-axis direction and information indicating the predetermined frequency ⁇ x
- the Y-axis direction scanning control signal Cy includes Information indicating the predetermined amplitude Gy in the Y-axis direction and information indicating the predetermined frequency ⁇ y are included.
- the display control device 40 can set the amplitude and frequency of the swing motion of the mirror body to desired values using these scanning control signals Cx and Cy. The larger the amplitudes Gx and Gy are set, the larger the image is displayed on the screen 10. The higher the frequencies ⁇ x and ⁇ y are set, the faster the frame is displayed on the screen 10. Images can be displayed at a rate.
- the X-axis direction resonance frequency fx unique to the movable reflective element 21 is set as the predetermined frequency ⁇ x in the X-axis direction so that efficient vibration is possible.
- the predetermined frequency ⁇ y related to the direction it is preferable to set the Y-axis direction resonance frequency fy specific to the movable reflective element.
- the X-axis direction vibration control unit 221 makes the amplitude and frequency of the fed back X-axis direction detection signal Sx become values corresponding to the predetermined amplitude Gx and the predetermined frequency ⁇ x instructed by the X-axis direction scanning control signal Cx.
- feedback control is performed to increase or decrease the amplitude and frequency of the X-axis direction drive signal Dx.
- the Y-axis direction vibration control unit 222 has the amplitude and frequency of the Y-axis direction detection signal Sy fed back according to the predetermined amplitude Gy and the predetermined frequency ⁇ y indicated by the Y-axis direction scanning control signal Cy.
- feedback control is performed to increase or decrease the amplitude and frequency of the Y-axis direction drive signal Dy.
- An X-axis direction scanning position signal Ux is given from the X-axis direction vibration control unit 221 to the display control device 40, and a Y-axis direction is sent from the Y-axis direction vibration control unit 222 to the display control device 40.
- a scanning position signal Uy is given.
- the X-axis direction scanning position signal Ux is a signal indicating the current position (phase) of the spot S on the screen 10 in the X-axis direction
- the Y-axis direction scanning position signal Uy is the signal of the spot S on the screen 10. It is a signal indicating the current position (phase) in the Y-axis direction.
- These scanning position signals Ux and Uy can be generated based on the phases of the X-axis direction detection signal Sx and the Y-axis direction detection signal Sy, respectively. Since the display control device 40 can recognize the current position of the spot S on the screen 10 based on the scanning position signals Ux and Uy, the pixel value of the pixel corresponding to the position is determined based on the image data.
- the indicated data can be provided to the laser light source 30 as a modulation signal.
- the laser light source 30 can modulate the intensity of the generated laser beam based on the modulation signal thus provided. Therefore, even when the “8-shaped scanning method” as shown in FIG. 17B is adopted, an appropriate pixel corresponding to the position can be displayed at the position of the spot S on the screen 10.
- ⁇ 3-4 Self-excited vibration control> In ⁇ 3-2 described above, it is explained that good energy efficiency can be obtained by driving the mirror body so as to oscillate at a specific resonance frequency in each axial direction. In the case of the movable reflecting element whose use is determined, it has been described that it is preferable to design so that the inherent resonance frequency becomes the frequency of the planned drive signal.
- the second factor is that inherent stress distortion occurs due to the mounting mode when the movable reflective element is mounted on a projector or the like.
- the movable reflective element 21 As a component of the two-dimensional scanning device 20 in the main body of the projector 80. At this time, screws, solder, adhesives, etc. are used.
- the frame-like structure is fixed, a specific stress strain is generated in each frame-like structure according to the attachment mode, which causes the resonance frequency to fluctuate.
- the third factor is that the external environment such as temperature fluctuates during use.
- the resonance frequency also varies greatly.
- the temperature of the light source gradually increases after startup, and the temperature of the usage environment fluctuates in units of minutes.
- fluctuations in the resonance frequency are unavoidable due to various factors. Therefore, even in the projector having the feedback control function shown in FIG. 20, the control signals Cx and Cy are displayed from the display control device 40 side. Therefore, it is not possible to accurately instruct the controller 22 of the specific resonance frequencies fx and fy of the movable reflective element 21.
- the embodiment described in ⁇ 3-4 shows a modification that can always vibrate the mirror body with accurate resonance frequencies fx and fy even if the resonance frequency fluctuates due to the various factors described above.
- the basic principle is that the X-axis direction vibration control unit 221 and the Y-axis direction vibration control unit 222 have a self-excited vibration control function. That is, in the case of the embodiment described here, the X-axis direction vibration control unit 221 performs X-axis direction self-excited control for vibrating the lens unit 150 at the resonance frequency fx with a predetermined amplitude Gx with respect to the X-axis direction.
- the directional vibration control unit 222 performs Y-axis direction self-excitation control for vibrating the lens unit 150 with a predetermined amplitude Gy with respect to the Y-axis direction at the resonance frequency fy.
- the X-axis direction scanning control signal Cx given from the display control device 40 to the two-dimensional scanning device 20 is a scanning instruction signal indicating that scanning should be performed with a predetermined amplitude Gx in the X-axis direction. Information specifying the frequency is not included.
- the Y-axis direction scanning control signal Cy given from the display control device 40 to the two-dimensional scanning device 20 is a scanning instruction signal indicating that scanning should be performed with a predetermined amplitude Gy with respect to the Y-axis direction.
- the two-dimensional scanning device 20 Based on this scanning instruction, the two-dimensional scanning device 20 causes the spot S formed on the screen 10 by the laser beam reflected by the mirror 150 to move two-dimensionally on the screen 10. 150 is swung. At this time, the amplitude control is performed so that the amplitude of the swinging motion is in accordance with the predetermined amplitudes Gx and Gy instructed from the display control device 40, but the frequency of the swinging motion is designated from the outside. Without receiving it, the two-dimensional scanning device 20 itself decides on its own.
- the X-axis direction scanning control signal Cx instructing vibration having a predetermined amplitude Gx is given from the display control device 40 to the X-axis direction vibration control unit 221 in the two-dimensional scanning device 20
- the X-axis direction vibration control unit 211 performs X-axis direction self-excitation control based on the X-axis direction scanning control signal Cx.
- a Y-axis direction scanning control signal Cy instructing vibration having a predetermined amplitude Gy is given from the display control device 40 to the Y-axis direction vibration control unit 222 in the two-dimensional scanning device 20, the Y-axis direction is controlled.
- the directional vibration control unit 222 performs Y-axis direction self-excitation control based on the Y-axis direction scanning control signal Cy.
- Such self-excited control can be performed by detecting the phases of the X-axis direction detection signal Sx and the Y-axis direction detection signal Sy given as feedback signals.
- the detection signal S when a predetermined drive signal D is applied to a certain vibration system and the vibrator is vibrated, the actual movement of the vibrator is detected as the detection signal S. This is because the basic principle that the phase difference between the drive signal D and the detection signal S becomes ⁇ / 2 can be used when the vibration is performed at the resonance frequency of. As shown in FIG.
- an X-axis direction drive signal Dx is given from the X-axis direction vibration control unit 221 to the movable reflective element 21, and an X-axis direction detection signal Sx is returned as a feedback signal.
- the detection signal Sx is a signal slightly delayed in phase from the drive signal Dx. This is because the piezoelectric element is mechanically deformed based on the drive signal Dx, and a delay time occurs until the displacement actually occurs.
- the vibration frequency in the X-axis direction is the resonance frequency fx
- the phase difference between the drive signal Dx and the detection signal Sx is ⁇ / 2.
- the X-axis direction vibration control unit 221 may perform feedback control that adjusts the phase of the drive signal Dx so that the phase difference is always maintained at ⁇ / 2.
- a Y-axis direction drive signal Dy is given from the Y-axis vibration control unit 222 to the movable reflective element 21, and a Y-axis direction detection signal Sy is returned as a feedback signal.
- the vibration frequency in the Y-axis direction is the resonance frequency fy
- the phase difference between the drive signal Dy and the detection signal Sy is ⁇ / 2. Therefore, the Y-axis direction vibration control unit 222 may perform feedback control that adjusts the phase of the drive signal Dy so that the phase difference is always maintained at ⁇ / 2.
- the X axis direction vibration control unit 221 feeds back the X axis direction detection signal Sx fed back so that the amplitude of the mirror unit 150 in the X axis direction is maintained at the predetermined amplitude Gx.
- the X-axis direction drive signal Dx and the X-axis direction are adjusted so that the amplitude of the X-axis direction drive signal Dx is increased or decreased based on the amplitude of the X-axis direction and the vibration frequency of the mirror 150 is maintained at the resonance frequency fx.
- a self-excited circuit that performs feedback control to maintain the phase difference with the detection signal Sx at ⁇ / 2 may be incorporated.
- the Y-axis direction vibration control unit 222 has the Y-axis direction based on the amplitude of the Y-axis direction detection signal Sy fed back so that the amplitude of the mirror unit 150 in the Y-axis direction is maintained at the predetermined amplitude Gy.
- the phase difference between the Y-axis direction drive signal Dy and the Y-axis direction detection signal Sy so that the amplitude of the direction drive signal Dy is increased or decreased and the vibration frequency of the mirror unit 150 in the Y-axis direction is maintained at the resonance frequency fy. It is sufficient to incorporate a self-excited circuit that performs feedback control to maintain ⁇ / 2.
- the two-dimensional scanning device 20 autonomously vibrates the mirror unit 150 at an accurate resonance frequency without receiving a frequency designation from the outside. Can do. In other words, even if the resonance frequency is different for each individual or changes with time depending on the temperature environment, the mirror body 150 can be vibrated at the correct resonance frequency at all times. Operation with energy efficiency can be ensured.
- the beam scanning method is “8-shaped as shown in FIG. 17B. The “scanning method” will be adopted.
- the display control device 40 In order to display a correct image on the screen 10, the display control device 40 always grasps the scanning position of the spot S and sends a modulation signal corresponding to the pixel corresponding to the position to the laser light source 30. Need to give.
- the X-axis direction scanning position signal Ux and the Y-axis direction scanning position signal Uy shown in FIG. 20 are signals given to the display control device 40 for such convenience. That is, the X-axis direction vibration control unit 221 gives the X-axis direction scanning position signal Ux indicating that the phase of the X-axis direction detection signal Sx has reached a predetermined value to the display control device 40, and the Y-axis direction vibration control unit 222.
- the display control device 40 Supplies the display control device 40 with a Y-axis direction scanning position signal Uy indicating that the phase of the Y-axis direction detection signal Sy has reached a predetermined value.
- the display control device 40 refers to the timing indicated by the X-axis direction scanning position signal Ux and the Y-axis direction scanning position signal Uy, and applies the modulation signal corresponding to each pixel included in the image data to an appropriate timing (screen 10).
- the processing given to the laser light source 30 is performed at the timing when the spot S comes to the position of the pixel.
- both the X-axis direction vibration control unit 221 and the Y-axis direction vibration control unit 222 are provided with a self-excitation control function. Of course, only one of them is provided with a self-excitation control function. It doesn't matter.
- the X-axis direction vibration control unit 221 has a self-excited vibration control function
- the Y-axis direction vibration control unit 222 has a Y-axis direction scanning control signal Cy having information designating a predetermined vibration frequency ⁇ y. If given, self-excitation with the resonance frequency fx is always performed in the X-axis direction, and excitation with the frequency ⁇ y designated from the outside is always performed in the Y-axis direction.
- the movable reflecting element according to the present invention can be used by being incorporated into various apparatuses industrially as an element for controlling the direction of a light beam or directional radio wave.
- the two-dimensional scanning device according to the present invention has a function of two-dimensionally scanning a light beam or the like by incorporating such a movable reflective element. It can be used for radar.
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Abstract
反射面(150D)を有する鏡体部(150)と、四角い枠状構造体(110')との間を、第1橋梁部(120)、中間接続部(125')、第2橋梁部(130)、鏡体接続部(140')を有するL字型可撓性アーム部によって接続する。第1橋梁部(120)はY軸に沿って伸び、第2橋梁部(130)はX軸に沿って伸びる。各電極(121D−132D)に電圧を印加すると、その下方に位置する圧電素子が伸縮し、鏡体部(150)はX軸およびY軸まわりに回転する。中間接続部(125')には、外側に突き出す庇構造部(126,127)が設けられ、鏡体接続部(140')には、外側に突き出す庇構造部(141)が設けられる。アーム部に破損が生じる程の過度の変位が生じようとした場合、各庇構造部(126,127,141)の外側面が枠状構造体(110')の内側面と接触し、過度の変位を抑制するストッパ機能が働く。
Description
本発明は、可動反射素子およびこれを利用した二次元走査装置に関する。
光ビームや指向性電波の向きを制御する素子として、反射面を傾斜させることが可能な可動反射素子が利用されている。特に、反射面を2軸の自由度をもって傾斜させることができる可動反射素子は、光ビーム等を二次元的に走査するための二次元走査装置として利用することが可能なため、様々な電子機器に組み込まれて利用されている。たとえば、画像を投影するためのプロジェクタには、可動反射素子を利用して光ビームを二次元的に走査する二次元走査装置が組み込まれている。また、車載用のレーダにも、指向性電波を二次元的に走査する二次元走査装置が組み込まれている。
一般に、反射面を2軸の自由度をもって傾斜させることができる可動反射素子には、いわゆるジンバル構造が利用されており、外側のジンバルフレームに対して第1の回転軸まわりに回転自在になるように内側のジンバルフレームを取り付け、この内側のジンバルフレームの内部に、第1の回転軸に直交する第2の回転軸まわりに回転自在になるようにミラーを取り付ける構造が採用されている。
たとえば、下記の特許文献1には、光ビームを2軸方向に揺動させるために、ジンバル構造を採用し、ガルバノ駆動モータによってミラーを2軸方向に回転駆動する2軸揺動駆動機構が開示されている。同様に、特許文献2にも、ジンバル構造によって支持したミラーを、ボイスコイルモータを用いて駆動するミラー駆動機構が開示されている。また、最近は、半導体製造プロセスを利用して製造可能なMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)としての可動反射素子も提案されている。たとえば、特許文献3には、直交する2軸に沿って配置されたトーションバーによってミラーを支持する光学装置が開示されている。
一般に、反射面を2軸の自由度をもって傾斜させることができる可動反射素子には、いわゆるジンバル構造が利用されており、外側のジンバルフレームに対して第1の回転軸まわりに回転自在になるように内側のジンバルフレームを取り付け、この内側のジンバルフレームの内部に、第1の回転軸に直交する第2の回転軸まわりに回転自在になるようにミラーを取り付ける構造が採用されている。
たとえば、下記の特許文献1には、光ビームを2軸方向に揺動させるために、ジンバル構造を採用し、ガルバノ駆動モータによってミラーを2軸方向に回転駆動する2軸揺動駆動機構が開示されている。同様に、特許文献2にも、ジンバル構造によって支持したミラーを、ボイスコイルモータを用いて駆動するミラー駆動機構が開示されている。また、最近は、半導体製造プロセスを利用して製造可能なMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)としての可動反射素子も提案されている。たとえば、特許文献3には、直交する2軸に沿って配置されたトーションバーによってミラーを支持する光学装置が開示されている。
上述したとおり、光ビーム等の向きを二次元的に制御可能な従来の可動反射素子は、ジンバル構造によってミラーを支持する構造を採用している。このジンバル構造を機械的な回動機構によって実現しようとすると、特許文献1,2に開示された例のように、部品の点数が増え、構造が複雑にならざるを得ない。これに対して、特許文献3に開示された例のように、MEMS素子に適したジンバル構造を採用すると、構造を単純化することはできる。しかしながら、ミラーの変位はトーションバーの捻れに依存して生じるため、ミラーの最大変位角はトーションバーの最大捻れ角度の範囲内に抑えられてしまい、十分な変位角を確保することが困難になるという別な問題が生じる。
そこで本発明は、単純な構造でありながら、反射面の2軸方向についての変位角を十分に確保することが可能な可動反射素子を提供することを目的とし、更に、そのような可動反射素子を利用した二次元走査装置を提供することを目的とする。
そこで本発明は、単純な構造でありながら、反射面の2軸方向についての変位角を十分に確保することが可能な可動反射素子を提供することを目的とし、更に、そのような可動反射素子を利用した二次元走査装置を提供することを目的とする。
以下、後述する実施形態として開示された発明の個別の特徴の要旨を、本発明の個々の態様として述べる。なお、本願請求の範囲に記載されている各請求項に係る発明は、以下に述べる本発明の第1~第30の態様の中から、いくつかの特徴を抽出した発明に対応するものである。よって、以下の第1~第30の態様の内容は、個々の請求項に1対1に対応するものではない。
(1) 本発明の第1の態様は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続するアーム部と、を備えた可動反射素子において、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸びた第1橋梁部と、第1橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸びた第2橋梁部と、を有し、
第1橋梁部は、可撓性を有する第1橋梁本体部と、この第1橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1圧電素子と、を有し、第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第1の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第2橋梁部は、可撓性を有する第2橋梁本体部と、この第2橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2圧電素子と、を有し、第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第2の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有するようにしたものである。
(2) 本発明の第2の態様は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続するアーム部と、を備えた可動反射素子において、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
アーム部は、複数n本(但し、n≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、n本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第1グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第2グループの橋梁部であり、
第1グループの橋梁部は、可撓性を有する第1グループの橋梁本体部と、この第1グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1グループの圧電素子と、を有し、第1グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第2グループの橋梁部は、可撓性を有する第2グループの橋梁本体部と、この第2グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2グループの圧電素子と、を有し、第2グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有するようにしたものである。
(3) 本発明の第3の態様は、上述した第2の態様に係る可動反射素子において、
アーム部が、第1番目の橋梁部から第n番目の橋梁部までの複数n本の橋梁部を有し、第1番目の橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第n番目の橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第i番目(但し、1≦i≦n−1)の橋梁部の先端部は第(i+1)番目の橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、
奇数番目の橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成され、偶数番目の橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成され、偶数番目の橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成されているようにしたものである。
(4) 本発明の第4の態様は、上述した第3の態様に係る可動反射素子において、
第1番目の橋梁部の根端部から第n番目(但し、n≧3)の橋梁部の先端部に至るまでの構造体が渦巻状の経路をなし、鏡体部がこの渦巻状の経路に囲まれた中心位置に配置されているようにしたものである。
(5) 本発明の第5の態様は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続する第1系統アーム部および第2系統アーム部と、を備えた可動反射素子において、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
第1系統アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸びた第1橋梁部と、第1橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸びた第2橋梁部と、を有し、
第2系統アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第3の長手方向軸に沿って伸びた第3橋梁部と、第3橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第4の長手方向軸に沿って伸びた第4橋梁部と、を有し、
第1橋梁部は、可撓性を有する第1橋梁本体部と、この第1橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1圧電素子と、を有し、第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第1の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第2橋梁部は、可撓性を有する第2橋梁本体部と、この第2橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2圧電素子と、を有し、第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第2の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第3橋梁部は、可撓性を有する第3橋梁本体部と、この第3橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第3圧電素子と、を有し、第3圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第3の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第4橋梁部は、可撓性を有する第4橋梁本体部と、この第4橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第4圧電素子と、を有し、第4圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第4の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有するようにしたものである。
(6) 本発明の第6の態様は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続する第1系統アーム部および第2系統アーム部と、を備えた可動反射素子において、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
第1系統アーム部は、複数n本(但し、n≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、n本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第1グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第2グループの橋梁部であり、
第2系統アーム部は、複数m本(但し、m≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、m本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第3グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第4グループの橋梁部であり、
第1グループの橋梁部は、可撓性を有する第1グループの橋梁本体部と、この第1グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1グループの圧電素子と、を有し、第1グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第2グループの橋梁部は、可撓性を有する第2グループの橋梁本体部と、この第2グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2グループの圧電素子と、を有し、第2グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第3グループの橋梁部は、可撓性を有する第3グループの橋梁本体部と、この第3グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第3グループの圧電素子と、を有し、第3グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第4グループの橋梁部は、可撓性を有する第4グループの橋梁本体部と、この第4グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第4グループの圧電素子と、を有し、第4グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有するようにしたものである。
(7) 本発明の第7の態様は、上述した第6の態様に係る可動反射素子において、
第1系統アーム部が、第1番目の第1系統橋梁部から第n番目の第1系統橋梁部までの複数n本の第1系統橋梁部を有し、第1番目の第1系統橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第n番目の第1系統橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第i番目(但し、1≦i≦n−1)の第1系統橋梁部の先端部は第(i+1)番目の第1系統橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、
奇数番目の第1系統橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第1系統橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の第1系統橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第1系統橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成されており、
第2系統アーム部が、第1番目の第2系統橋梁部から第m番目の第2系統橋梁部までの複数m本の第2系統橋梁部を有し、第1番目の第2系統橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第m番目の第2系統橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間椄的に接続され、第j番目(但し、1≦j≦m−1)の第2系統橋梁部の先端部は第(j+1)番目の第2系統橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、
奇数番目の第2系統橋梁部によって第3グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第2系統橋梁部によって第4グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の第2系統橋梁部によって第4グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第2系統橋梁部によって第3グループの橋梁部が構成されているようにしたものである。
(8) 本発明の第8の態様は、上述した第5~第7の態様に係る可動反射素子において、
n=mに設定し、第1系統アーム部のXY平面への正射影投影像と第2系統アーム部のXY平面への正射影投影像とが、原点Oに関して点対称となるようにしたものである。
(9) 本発明の第9の態様は、上述した第1~第8の態様に係る可動反射素子において、
固定部を、枠状構造体によって構成し、この枠状構造体によって囲まれた内部領域に、各橋梁部および鏡体部を配置するようにしたものである。
(10)本発明の第10の態様は、上述した第9の態様に係る可動反射素子において、
枠状構造体を支持する土台基板を更に設け、
枠状構造体の下面が土台基板の上面に固定されており、各橋梁部および鏡体部が、土台基板の上方に浮いた宙吊り状態になっており、土台基板の上方に確保された空隙の大きさによって定まる自由度の範囲内で鏡体部が傾斜するようにしたものである。
(11)本発明の第11の態様は、上述した第1~第10の態様に係る可動反射素子において、
Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部とX軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部とからなる一対の橋梁部がL字状をなすように、当該一対の橋梁部のうちの一方の橋梁部の先端部と他方の橋梁部の根端部とが中間接続部を介して接続されており、
中間接続部が、上記一方の橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部と上記他方の橋梁部の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部とを有し、
最先端位置の橋梁部の第1の脇側に鏡体部が配置され、この最先端位置の橋梁部の先端部と鏡体部とが鏡体接続部を介して接続されており、
鏡体接続部が、上記最先端位置の橋梁部の第2の脇側の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有するようにしたものである。
(12)本発明の第12の態様は、上述した第1~第11の態様に係る可動反射素子において、
1つもしくは複数の橋梁部が、その長手方向軸に沿って伸びるように配置された細長い圧電素子を有するようにしたものである。
(13)本発明の第13の態様は、上述した第1~第11の態様に係る可動反射素子において、
1つもしくは複数の橋梁部が、根端部近傍に配置された圧電素子と先端部近傍に配置された圧電素子とを有するようにしたものである。
(14)本発明の第14の態様は、上述した第1~第13の態様に係る可動反射素子において、
各圧電素子が、下部電極層、圧電材料層、上部電極層の3層構造を有し、圧電材料層は、下部電極層および上部電極層のうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、上記一方の電極層に負極性、上記他方の電極層に正極性の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有するようにしたものである。
(15)本発明の第15の態様は、上述した第1~第13の態様に係る可動反射素子において、
各圧電素子が、第1下部電極層、第1圧電材料層、第1上部電極層の3層構造を有する第1圧電部と、第2下部電極層、第2圧電材料層、第2上部電極層の3層構造を有する第2圧電部と、を絶縁層を介して積層させた構造を有し、
各圧電材料層が、下部電極層および上部電極層のうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、上記一方の電極層に負極性、上記他方の電極層に正極性の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有するようにしたものである。
(16)本発明の第16の態様は、上述した第1~第13の態様に係る可動反射素子において、
鏡体部、固定部、アーム部のそれぞれが、基板層Aと、この基板層Aの上方に形成された下部電極層Bと、この下部電極層Bの上方に形成された圧電材料層Cと、を含む3層以上の積層構造体を有し、
少なくとも鏡体部およびアーム部は、圧電材料層Cの上面の一部もしくは全部の領域に形成された上部電極層Dを更に含み、
鏡体部を構成する上部電極層Dの上面によって反射面が形成され、アーム部を構成する基板層Aによって橋梁本体部が形成され、アーム部を構成する下部電極層B、圧電材料層Cおよび上部電極層Dによって圧電素子が形成されているようにしたものである。
(17)本発明の第17の態様は、上述した第1~第16の態様に係る可動反射素子において、
鏡体部のX軸方向に関する共振周波数とY軸方向に関する共振周波数とが異なるような設定が行われるようにしたものである。
(18)本発明の第18の態様は、上述した第17の態様に係る可動反射素子において、
Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅が所定値W1、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅が所定値W2であり、W1とW2とを異なる値に設定したものである。
(19)本発明の第19の態様は、上述した第17の態様に係る可動反射素子において、
Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の厚みが所定値T1、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅が所定値T2であり、T1とT2とを異なる値に設定したものである。
(20)本発明の第20の態様は、上述した第1~19の態様に係る可動反射素子と、この可動反射素子の圧電素子に交流駆動信号を供給することにより、可動反射素子の鏡体部をX軸まわりおよびY軸まわりに揺動させるコントローラと、によって、二次元走査装置を構成したものである。
(21)本発明の第21の態様は、上述した第20の態様に係る二次元走査装置において、
コントローラが、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部およびY軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部のうち、いずれか一方の橋梁部の圧電素子に対して第1の周期H1をもった第1の駆動信号を供給し、他方の橋梁部の圧電素子に対して第2の周期H2をもった第2の駆動信号を供給するようにしたものである。
(22)本発明の第22の態様は、上述した第21の態様に係る二次元走査装置において、
第1の駆動信号として第1の周期H1をもった鋸歯状波を用い、第2の駆動信号として第2の周期H2をもった階段状波を用いるようにしたものである。
(23)本発明の第23の態様は、上述した第21の態様に係る二次元走査装置において、
第1の駆動信号として第1の周期H1をもった正弦波を用い、第2の駆動信号として第2の周期H2をもった正弦波を用いるようにしたものである。
(24)本発明の第24の態様は、上述した第20~第23の態様に係る二次元走査装置と、レーザビームを発生させるレーザ光源と、所定の画像を表示するための表示制御を行う表示制御装置と、によってプロジェクタを構成し、
レーザ光源は、表示制御装置から与えられる変調信号に基づいて、強度もしくは波長またはその双方を変調したレーザビームを発生させ、これを二次元走査装置の鏡体部の反射面に照射し、
表示制御装置は、表示対象となる画像についての画像データに基づく変調信号をレーザ光源に与えるとともに、二次元走査装置に対して制御信号を与え、
二次元走査装置は、この制御信号に基づいて、鏡体部で反射したレーザビームによりスクリーン上に形成されるスポットがスクリーン上を二次元的に移動するように鏡体部を揺動させるようにしたものである。
(25)本発明の第25の態様は、上述した第20の態様に係る二次元走査装置において、
可動反射素子の1つもしくは複数の橋梁部にそれぞれ複数の圧電素子が設けられており、この複数の圧電素子の一部は駆動用圧電素子として機能し、別な一部は検出用圧電素子として機能し、
駆動用圧電素子は、コントローラから供給される交流駆動信号に基づいて鏡体部を揺動させ、検出用圧電素子は、上記揺動に起因して発生した電荷を示す検出信号をコントローラにフィードバックし、
コントローラは、フィードバックされた検出信号に基づいて交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
(26)本発明の第26の態様は、上述した第25の態様に係る二次元走査装置において、
コントローラが、X軸方向振動制御部とY軸方向振動制御部とを有し、
X軸方向振動制御部は、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部に設けられた検出用圧電素子からフィードバックされるX軸方向検出信号に基づいて、当該橋梁部に設けられた駆動用圧電素子に供給するX軸方向駆動信号を生成し、
Y軸方向振動制御部は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部に設けられた検出用圧電素子からフィードバックされるY軸方向検出信号に基づいて、当該橋梁部に設けられた駆動用圧電素子に供給するY軸方向駆動信号を生成するようにしたものである。
(27)本発明の第27の態様は、上述した第26の態様に係る二次元走査装置において、
X軸方向振動制御部が、鏡体部をX軸方向に関して所定振幅Gxをもってその共振周波数fxで振動させるX軸方向自励振制御を行い、
Y軸方向振動制御部が、鏡体部をY軸方向に関して所定振幅Gyをもってその共振周波数fyで振動させるY軸方向自励振制御を行うようにしたものである。
(28)本発明の第28の態様は、上述した第27の態様に係る二次元走査装置において、
X軸方向振動制御部が、X軸方向検出信号の位相が所定値に達したことを示すX軸方向走査位置信号を出力し、
Y軸方向振動制御部が、Y軸方向検出信号の位相が所定値に達したことを示すY軸方向走査位置信号を出力するようにしたものである。
(29)本発明の第29の態様は、上述した第28の態様に係る二次元走査装置と、レーザビームを発生させるレーザ光源と、所定の画像を表示するための表示制御を行う表示制御装置と、によってプロジェクタを構成し、
レーザ光源は、表示制御装置から与えられる変調信号に基づいて、強度もしくは波長またはその双方を変調したレーザビームを発生させ、これを二次元走査装置の鏡体部の反射面に照射し、
表示制御装置は、表示対象となる画像についての画像データに基づく変調信号をレーザ光源に与えるとともに、二次元走査装置に対して走査指示を与え、
二次元走査装置は、この走査指示に基づいて、鏡体部で反射したレーザビームによりスクリーン上に形成されるスポットがスクリーン上を二次元的に移動するように鏡体部を揺動させ、
表示制御装置から二次元走査装置内のX軸方向振動制御部に対して、所定振幅Gxをもった振動を指示するX軸方向走査制御信号が与えられ、X軸方向振動制御部はこのX軸方向走査制御信号に基づいてX軸方向自励振制御を行い、
表示制御装置から二次元走査装置内のY軸方向振動制御部に対して、所定振幅Gyをもった振動を指示するY軸方向走査制御信号が与えられ、Y軸方向振動制御部はこのY軸方向走査制御信号に基づいてY軸方向自励振制御を行い、
X軸方向振動制御部が出力したX軸方向走査位置信号およびY軸方向振動制御部が出力したY軸方向走査位置信号は、表示制御装置に与えられ、表示制御装置が、X軸方向走査位置信号およびY軸方向走査位置信号によって示されるタイミングを参照して、変調信号をレーザ光源に与える処理を行うようにしたものである。
(30)本発明の第30の態様は、上述した第29の態様に係るプロジェクタにおいて、
X軸方向振動制御部は、鏡体部のX軸方向に関する振幅が所定振幅Gxに維持されるように、フィードバックされるX軸方向検出信号の振幅に基づいてX軸方向駆動信号の振幅を増減し、鏡体部のX軸方向に関する振動周波数が共振周波数fxに維持されるように、X軸方向駆動信号とX軸方向検出信号との位相差をπ/2に維持するフィードバック制御を行い、
Y軸方向振動制御部は、鏡体部のY軸方向に関する振幅が所定振幅Gyに維持されるように、フィードバックされるY軸方向検出信号の振幅に基づいてY軸方向駆動信号の振幅を増減し、鏡体部のY軸方向に関する振動周波数が共振周波数fyに維持されるように、Y軸方向駆動信号とY軸方向検出信号との位相差をπ/2に維持するフィードバック制御を行うようにしたものである。
(1) 本発明の第1の態様は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続するアーム部と、を備えた可動反射素子において、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸びた第1橋梁部と、第1橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸びた第2橋梁部と、を有し、
第1橋梁部は、可撓性を有する第1橋梁本体部と、この第1橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1圧電素子と、を有し、第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第1の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第2橋梁部は、可撓性を有する第2橋梁本体部と、この第2橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2圧電素子と、を有し、第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第2の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有するようにしたものである。
(2) 本発明の第2の態様は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続するアーム部と、を備えた可動反射素子において、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
アーム部は、複数n本(但し、n≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、n本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第1グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第2グループの橋梁部であり、
第1グループの橋梁部は、可撓性を有する第1グループの橋梁本体部と、この第1グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1グループの圧電素子と、を有し、第1グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第2グループの橋梁部は、可撓性を有する第2グループの橋梁本体部と、この第2グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2グループの圧電素子と、を有し、第2グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有するようにしたものである。
(3) 本発明の第3の態様は、上述した第2の態様に係る可動反射素子において、
アーム部が、第1番目の橋梁部から第n番目の橋梁部までの複数n本の橋梁部を有し、第1番目の橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第n番目の橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第i番目(但し、1≦i≦n−1)の橋梁部の先端部は第(i+1)番目の橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、
奇数番目の橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成され、偶数番目の橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成され、偶数番目の橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成されているようにしたものである。
(4) 本発明の第4の態様は、上述した第3の態様に係る可動反射素子において、
第1番目の橋梁部の根端部から第n番目(但し、n≧3)の橋梁部の先端部に至るまでの構造体が渦巻状の経路をなし、鏡体部がこの渦巻状の経路に囲まれた中心位置に配置されているようにしたものである。
(5) 本発明の第5の態様は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続する第1系統アーム部および第2系統アーム部と、を備えた可動反射素子において、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
第1系統アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸びた第1橋梁部と、第1橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸びた第2橋梁部と、を有し、
第2系統アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第3の長手方向軸に沿って伸びた第3橋梁部と、第3橋梁部に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第4の長手方向軸に沿って伸びた第4橋梁部と、を有し、
第1橋梁部は、可撓性を有する第1橋梁本体部と、この第1橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1圧電素子と、を有し、第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第1の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第2橋梁部は、可撓性を有する第2橋梁本体部と、この第2橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2圧電素子と、を有し、第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第2の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第3橋梁部は、可撓性を有する第3橋梁本体部と、この第3橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第3圧電素子と、を有し、第3圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第3の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第4橋梁部は、可撓性を有する第4橋梁本体部と、この第4橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第4圧電素子と、を有し、第4圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第4の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有するようにしたものである。
(6) 本発明の第6の態様は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続する第1系統アーム部および第2系統アーム部と、を備えた可動反射素子において、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
第1系統アーム部は、複数n本(但し、n≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、n本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第1グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第2グループの橋梁部であり、
第2系統アーム部は、複数m本(但し、m≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、m本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第3グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第4グループの橋梁部であり、
第1グループの橋梁部は、可撓性を有する第1グループの橋梁本体部と、この第1グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1グループの圧電素子と、を有し、第1グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第2グループの橋梁部は、可撓性を有する第2グループの橋梁本体部と、この第2グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2グループの圧電素子と、を有し、第2グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第3グループの橋梁部は、可撓性を有する第3グループの橋梁本体部と、この第3グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第3グループの圧電素子と、を有し、第3グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
第4グループの橋梁部は、可撓性を有する第4グループの橋梁本体部と、この第4グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第4グループの圧電素子と、を有し、第4グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有するようにしたものである。
(7) 本発明の第7の態様は、上述した第6の態様に係る可動反射素子において、
第1系統アーム部が、第1番目の第1系統橋梁部から第n番目の第1系統橋梁部までの複数n本の第1系統橋梁部を有し、第1番目の第1系統橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第n番目の第1系統橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第i番目(但し、1≦i≦n−1)の第1系統橋梁部の先端部は第(i+1)番目の第1系統橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、
奇数番目の第1系統橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第1系統橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の第1系統橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第1系統橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成されており、
第2系統アーム部が、第1番目の第2系統橋梁部から第m番目の第2系統橋梁部までの複数m本の第2系統橋梁部を有し、第1番目の第2系統橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第m番目の第2系統橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間椄的に接続され、第j番目(但し、1≦j≦m−1)の第2系統橋梁部の先端部は第(j+1)番目の第2系統橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、
奇数番目の第2系統橋梁部によって第3グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第2系統橋梁部によって第4グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の第2系統橋梁部によって第4グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第2系統橋梁部によって第3グループの橋梁部が構成されているようにしたものである。
(8) 本発明の第8の態様は、上述した第5~第7の態様に係る可動反射素子において、
n=mに設定し、第1系統アーム部のXY平面への正射影投影像と第2系統アーム部のXY平面への正射影投影像とが、原点Oに関して点対称となるようにしたものである。
(9) 本発明の第9の態様は、上述した第1~第8の態様に係る可動反射素子において、
固定部を、枠状構造体によって構成し、この枠状構造体によって囲まれた内部領域に、各橋梁部および鏡体部を配置するようにしたものである。
(10)本発明の第10の態様は、上述した第9の態様に係る可動反射素子において、
枠状構造体を支持する土台基板を更に設け、
枠状構造体の下面が土台基板の上面に固定されており、各橋梁部および鏡体部が、土台基板の上方に浮いた宙吊り状態になっており、土台基板の上方に確保された空隙の大きさによって定まる自由度の範囲内で鏡体部が傾斜するようにしたものである。
(11)本発明の第11の態様は、上述した第1~第10の態様に係る可動反射素子において、
Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部とX軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部とからなる一対の橋梁部がL字状をなすように、当該一対の橋梁部のうちの一方の橋梁部の先端部と他方の橋梁部の根端部とが中間接続部を介して接続されており、
中間接続部が、上記一方の橋梁部の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部と上記他方の橋梁部の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部とを有し、
最先端位置の橋梁部の第1の脇側に鏡体部が配置され、この最先端位置の橋梁部の先端部と鏡体部とが鏡体接続部を介して接続されており、
鏡体接続部が、上記最先端位置の橋梁部の第2の脇側の側面よりも外側に突き出した庇構造部を有するようにしたものである。
(12)本発明の第12の態様は、上述した第1~第11の態様に係る可動反射素子において、
1つもしくは複数の橋梁部が、その長手方向軸に沿って伸びるように配置された細長い圧電素子を有するようにしたものである。
(13)本発明の第13の態様は、上述した第1~第11の態様に係る可動反射素子において、
1つもしくは複数の橋梁部が、根端部近傍に配置された圧電素子と先端部近傍に配置された圧電素子とを有するようにしたものである。
(14)本発明の第14の態様は、上述した第1~第13の態様に係る可動反射素子において、
各圧電素子が、下部電極層、圧電材料層、上部電極層の3層構造を有し、圧電材料層は、下部電極層および上部電極層のうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、上記一方の電極層に負極性、上記他方の電極層に正極性の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有するようにしたものである。
(15)本発明の第15の態様は、上述した第1~第13の態様に係る可動反射素子において、
各圧電素子が、第1下部電極層、第1圧電材料層、第1上部電極層の3層構造を有する第1圧電部と、第2下部電極層、第2圧電材料層、第2上部電極層の3層構造を有する第2圧電部と、を絶縁層を介して積層させた構造を有し、
各圧電材料層が、下部電極層および上部電極層のうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、上記一方の電極層に負極性、上記他方の電極層に正極性の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有するようにしたものである。
(16)本発明の第16の態様は、上述した第1~第13の態様に係る可動反射素子において、
鏡体部、固定部、アーム部のそれぞれが、基板層Aと、この基板層Aの上方に形成された下部電極層Bと、この下部電極層Bの上方に形成された圧電材料層Cと、を含む3層以上の積層構造体を有し、
少なくとも鏡体部およびアーム部は、圧電材料層Cの上面の一部もしくは全部の領域に形成された上部電極層Dを更に含み、
鏡体部を構成する上部電極層Dの上面によって反射面が形成され、アーム部を構成する基板層Aによって橋梁本体部が形成され、アーム部を構成する下部電極層B、圧電材料層Cおよび上部電極層Dによって圧電素子が形成されているようにしたものである。
(17)本発明の第17の態様は、上述した第1~第16の態様に係る可動反射素子において、
鏡体部のX軸方向に関する共振周波数とY軸方向に関する共振周波数とが異なるような設定が行われるようにしたものである。
(18)本発明の第18の態様は、上述した第17の態様に係る可動反射素子において、
Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅が所定値W1、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅が所定値W2であり、W1とW2とを異なる値に設定したものである。
(19)本発明の第19の態様は、上述した第17の態様に係る可動反射素子において、
Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の厚みが所定値T1、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅が所定値T2であり、T1とT2とを異なる値に設定したものである。
(20)本発明の第20の態様は、上述した第1~19の態様に係る可動反射素子と、この可動反射素子の圧電素子に交流駆動信号を供給することにより、可動反射素子の鏡体部をX軸まわりおよびY軸まわりに揺動させるコントローラと、によって、二次元走査装置を構成したものである。
(21)本発明の第21の態様は、上述した第20の態様に係る二次元走査装置において、
コントローラが、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部およびY軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部のうち、いずれか一方の橋梁部の圧電素子に対して第1の周期H1をもった第1の駆動信号を供給し、他方の橋梁部の圧電素子に対して第2の周期H2をもった第2の駆動信号を供給するようにしたものである。
(22)本発明の第22の態様は、上述した第21の態様に係る二次元走査装置において、
第1の駆動信号として第1の周期H1をもった鋸歯状波を用い、第2の駆動信号として第2の周期H2をもった階段状波を用いるようにしたものである。
(23)本発明の第23の態様は、上述した第21の態様に係る二次元走査装置において、
第1の駆動信号として第1の周期H1をもった正弦波を用い、第2の駆動信号として第2の周期H2をもった正弦波を用いるようにしたものである。
(24)本発明の第24の態様は、上述した第20~第23の態様に係る二次元走査装置と、レーザビームを発生させるレーザ光源と、所定の画像を表示するための表示制御を行う表示制御装置と、によってプロジェクタを構成し、
レーザ光源は、表示制御装置から与えられる変調信号に基づいて、強度もしくは波長またはその双方を変調したレーザビームを発生させ、これを二次元走査装置の鏡体部の反射面に照射し、
表示制御装置は、表示対象となる画像についての画像データに基づく変調信号をレーザ光源に与えるとともに、二次元走査装置に対して制御信号を与え、
二次元走査装置は、この制御信号に基づいて、鏡体部で反射したレーザビームによりスクリーン上に形成されるスポットがスクリーン上を二次元的に移動するように鏡体部を揺動させるようにしたものである。
(25)本発明の第25の態様は、上述した第20の態様に係る二次元走査装置において、
可動反射素子の1つもしくは複数の橋梁部にそれぞれ複数の圧電素子が設けられており、この複数の圧電素子の一部は駆動用圧電素子として機能し、別な一部は検出用圧電素子として機能し、
駆動用圧電素子は、コントローラから供給される交流駆動信号に基づいて鏡体部を揺動させ、検出用圧電素子は、上記揺動に起因して発生した電荷を示す検出信号をコントローラにフィードバックし、
コントローラは、フィードバックされた検出信号に基づいて交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うようにしたものである。
(26)本発明の第26の態様は、上述した第25の態様に係る二次元走査装置において、
コントローラが、X軸方向振動制御部とY軸方向振動制御部とを有し、
X軸方向振動制御部は、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部に設けられた検出用圧電素子からフィードバックされるX軸方向検出信号に基づいて、当該橋梁部に設けられた駆動用圧電素子に供給するX軸方向駆動信号を生成し、
Y軸方向振動制御部は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部に設けられた検出用圧電素子からフィードバックされるY軸方向検出信号に基づいて、当該橋梁部に設けられた駆動用圧電素子に供給するY軸方向駆動信号を生成するようにしたものである。
(27)本発明の第27の態様は、上述した第26の態様に係る二次元走査装置において、
X軸方向振動制御部が、鏡体部をX軸方向に関して所定振幅Gxをもってその共振周波数fxで振動させるX軸方向自励振制御を行い、
Y軸方向振動制御部が、鏡体部をY軸方向に関して所定振幅Gyをもってその共振周波数fyで振動させるY軸方向自励振制御を行うようにしたものである。
(28)本発明の第28の態様は、上述した第27の態様に係る二次元走査装置において、
X軸方向振動制御部が、X軸方向検出信号の位相が所定値に達したことを示すX軸方向走査位置信号を出力し、
Y軸方向振動制御部が、Y軸方向検出信号の位相が所定値に達したことを示すY軸方向走査位置信号を出力するようにしたものである。
(29)本発明の第29の態様は、上述した第28の態様に係る二次元走査装置と、レーザビームを発生させるレーザ光源と、所定の画像を表示するための表示制御を行う表示制御装置と、によってプロジェクタを構成し、
レーザ光源は、表示制御装置から与えられる変調信号に基づいて、強度もしくは波長またはその双方を変調したレーザビームを発生させ、これを二次元走査装置の鏡体部の反射面に照射し、
表示制御装置は、表示対象となる画像についての画像データに基づく変調信号をレーザ光源に与えるとともに、二次元走査装置に対して走査指示を与え、
二次元走査装置は、この走査指示に基づいて、鏡体部で反射したレーザビームによりスクリーン上に形成されるスポットがスクリーン上を二次元的に移動するように鏡体部を揺動させ、
表示制御装置から二次元走査装置内のX軸方向振動制御部に対して、所定振幅Gxをもった振動を指示するX軸方向走査制御信号が与えられ、X軸方向振動制御部はこのX軸方向走査制御信号に基づいてX軸方向自励振制御を行い、
表示制御装置から二次元走査装置内のY軸方向振動制御部に対して、所定振幅Gyをもった振動を指示するY軸方向走査制御信号が与えられ、Y軸方向振動制御部はこのY軸方向走査制御信号に基づいてY軸方向自励振制御を行い、
X軸方向振動制御部が出力したX軸方向走査位置信号およびY軸方向振動制御部が出力したY軸方向走査位置信号は、表示制御装置に与えられ、表示制御装置が、X軸方向走査位置信号およびY軸方向走査位置信号によって示されるタイミングを参照して、変調信号をレーザ光源に与える処理を行うようにしたものである。
(30)本発明の第30の態様は、上述した第29の態様に係るプロジェクタにおいて、
X軸方向振動制御部は、鏡体部のX軸方向に関する振幅が所定振幅Gxに維持されるように、フィードバックされるX軸方向検出信号の振幅に基づいてX軸方向駆動信号の振幅を増減し、鏡体部のX軸方向に関する振動周波数が共振周波数fxに維持されるように、X軸方向駆動信号とX軸方向検出信号との位相差をπ/2に維持するフィードバック制御を行い、
Y軸方向振動制御部は、鏡体部のY軸方向に関する振幅が所定振幅Gyに維持されるように、フィードバックされるY軸方向検出信号の振幅に基づいてY軸方向駆動信号の振幅を増減し、鏡体部のY軸方向に関する振動周波数が共振周波数fyに維持されるように、Y軸方向駆動信号とY軸方向検出信号との位相差をπ/2に維持するフィードバック制御を行うようにしたものである。
本発明に係る可動反射素子では、反射面を有する鏡体部が、可撓性をもった1本もしくは2本のアーム部を介して固定部に接続される。このアーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸びた第1橋梁部と、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸びた第2橋梁部と、を有しており、その上面もしくは下面には、それぞれ所定極性の電圧を印加することにより長手方向軸に沿って伸縮する圧電素子が固着されている。第1橋梁部の圧電素子に電圧を印加して、上面もしくは下面を伸縮させれば、鏡体部をY軸方向に傾斜させる(X軸まわりに回転させる)ことができ、第2橋梁部の圧電素子に電圧を印加して、上面もしくは下面を伸縮させれば、鏡体部をX軸方向に傾斜させる(Y軸まわりに回転させる)ことができる。このため、単純な構造でありながら、X軸およびY軸の2軸方向(2軸まわり)に関して、十分な変位角を確保することが可能な可動反射素子を実現することができ、そのような可動反射素子を利用した二次元走査装置を提供することができる。
また、第1橋梁部と第2橋梁部とは、中間接続部を介してL字状をなすように接続されており、この中間接続部には、側面より外側に突き出した庇構造部が設けられており、この庇構造部が枠状構造体と接触することにより、鏡体部の過度の変位を抑制することができる。このように、庇構造部が、過度の変位に対するストッパとしての機能を果たすことができるため、アーム部に破損が生じることを防ぐことが可能になる。
また、第1橋梁部と第2橋梁部とは、中間接続部を介してL字状をなすように接続されており、この中間接続部には、側面より外側に突き出した庇構造部が設けられており、この庇構造部が枠状構造体と接触することにより、鏡体部の過度の変位を抑制することができる。このように、庇構造部が、過度の変位に対するストッパとしての機能を果たすことができるため、アーム部に破損が生じることを防ぐことが可能になる。
図1は、本発明の基本的実施形態に係る可動反射素子のD層を省略した主構造体の上面図(図(a))および側面図(図(b))である。
図2Aは、図1に示す主構造体をX軸に沿って切断した側断面図であり、図2Bは、当該主構造体をY軸に沿って切断した側断面図である。
図3Aは、図1に示す主構造体を切断線L0−L0’に沿って切断した側断面図であり、図3Bは、当該主構造体を切断線L1−L1’に沿って切断した側断面図であり、図3Cは、当該主構造体を切断線L2−L2’に沿って切断した側断面図である。
図4は、図1に示す主構造体の役割分担を示す上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(ハッチングは、断面を示すものではなく、役割分担を示すためのものである)。
図5は、本発明の基本的実施形態に係る可動反射素子(図1に示す主構造体にD層を付加したもの)の上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図6A,図6B,図6Cは、本発明に係る可動反射素子の各橋梁部に形成された圧電素子の動作を示す断面図である。
図7A,図7B,図7Cは、図5に示す可動反射素子100における鏡体部150のY軸方向への傾斜状態(X軸まわりの回転状態)を示す側面図(主要部の位置関係のみ示す)である。
図8A,図8B,図8Cは、図5に示す可動反射素子100における鏡体部150のX軸方向への傾斜状態(Y軸まわりの回転状態)を示す側面図(主要部の位置関係のみ示す)である。
図9は、橋梁部の両端に圧電素子を配置した実施形態に係る可動反射素子の上面図(図(a))および長手方向軸L2に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図10は、中間接続部に庇構造部を設けた実施形態に係る可動反射素子の上面図である(ハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図11は、本発明における3組の橋梁部を用いる実施形態に係る可動反射素子の上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図12は、本発明における4組の橋梁部を用いる実施形態に係る可動反射素子の上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図13は、本発明における2系統のアーム部を用いる実施形態に係る可動反射素子の上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図14A,図14B,図14Cは、本発明に係る可動反射素子における層構造バリエーションを示す側断面図である。
図15は、本発明に係る二次元走査装置をプロジェクタに利用した実施形態を示すブロック図である。
図16Aは、図15に示すプロジェクタにおいて、コントローラ22が可動反射素子21に供給する駆動信号の一例を示す波形図であり、図16Bは、当該駆動信号に基づくスクリーン上のビーム走査態様を示す平面図である。
図17Aは、図15に示すプロジェクタにおいて、コントローラ22が可動反射素子21に供給する駆動信号の別な一例を示す波形図であり、図17Bは、当該駆動信号に基づくスクリーン上のビーム走査態様を示す平面図である。
図18は、本発明における各橋梁部の幅を調整する実施形態に係る可動反射素子のD層を省略した主構造体の上面図(図(a))および側断面図(図(b))である。
図19は、本発明における各橋梁部の厚みを調整する実施形態に係る可動反射素子のD層を省略した主構造体の上面図(図(a))および側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、各部の厚みの相違を明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図20は、本発明に係るプロジェクタの別な実施形態を示す上面図およびブロック図である(上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図2Aは、図1に示す主構造体をX軸に沿って切断した側断面図であり、図2Bは、当該主構造体をY軸に沿って切断した側断面図である。
図3Aは、図1に示す主構造体を切断線L0−L0’に沿って切断した側断面図であり、図3Bは、当該主構造体を切断線L1−L1’に沿って切断した側断面図であり、図3Cは、当該主構造体を切断線L2−L2’に沿って切断した側断面図である。
図4は、図1に示す主構造体の役割分担を示す上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(ハッチングは、断面を示すものではなく、役割分担を示すためのものである)。
図5は、本発明の基本的実施形態に係る可動反射素子(図1に示す主構造体にD層を付加したもの)の上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図6A,図6B,図6Cは、本発明に係る可動反射素子の各橋梁部に形成された圧電素子の動作を示す断面図である。
図7A,図7B,図7Cは、図5に示す可動反射素子100における鏡体部150のY軸方向への傾斜状態(X軸まわりの回転状態)を示す側面図(主要部の位置関係のみ示す)である。
図8A,図8B,図8Cは、図5に示す可動反射素子100における鏡体部150のX軸方向への傾斜状態(Y軸まわりの回転状態)を示す側面図(主要部の位置関係のみ示す)である。
図9は、橋梁部の両端に圧電素子を配置した実施形態に係る可動反射素子の上面図(図(a))および長手方向軸L2に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図10は、中間接続部に庇構造部を設けた実施形態に係る可動反射素子の上面図である(ハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図11は、本発明における3組の橋梁部を用いる実施形態に係る可動反射素子の上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図12は、本発明における4組の橋梁部を用いる実施形態に係る可動反射素子の上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図13は、本発明における2系統のアーム部を用いる実施形態に係る可動反射素子の上面図(図(a))およびX軸に沿って切断した側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図14A,図14B,図14Cは、本発明に係る可動反射素子における層構造バリエーションを示す側断面図である。
図15は、本発明に係る二次元走査装置をプロジェクタに利用した実施形態を示すブロック図である。
図16Aは、図15に示すプロジェクタにおいて、コントローラ22が可動反射素子21に供給する駆動信号の一例を示す波形図であり、図16Bは、当該駆動信号に基づくスクリーン上のビーム走査態様を示す平面図である。
図17Aは、図15に示すプロジェクタにおいて、コントローラ22が可動反射素子21に供給する駆動信号の別な一例を示す波形図であり、図17Bは、当該駆動信号に基づくスクリーン上のビーム走査態様を示す平面図である。
図18は、本発明における各橋梁部の幅を調整する実施形態に係る可動反射素子のD層を省略した主構造体の上面図(図(a))および側断面図(図(b))である。
図19は、本発明における各橋梁部の厚みを調整する実施形態に係る可動反射素子のD層を省略した主構造体の上面図(図(a))および側断面図(図(b))である(上面図(a)におけるハッチングは、各部の厚みの相違を明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
図20は、本発明に係るプロジェクタの別な実施形態を示す上面図およびブロック図である(上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。
以下、本発明を図示する実施形態に基づいて説明する。
<<< §1. 可動反射素子の基本的実施形態 >>>
ここでは、本発明に係る可動反射素子の基本的実施形態の構成と、その動作について説明する。
<1−1 可動反射素子の主構造体の構成>
図1(a)は、本発明の基本的実施形態に係る可動反射素子の主構造体100の上面図であり、図1(b)は、その側面図である。この主構造体100は、側面図(b)に示されているとおり、A層100A,B層100B,C層100Cの3層構造を有している。
後述するように、実際の可動反射素子は、この3層構造からなる主構造体100の上面の所定箇所に、更にD層100Dを付加することによって構成される。ただ、A層100A,B層100B,C層100Cが、互いに平面形状が同一の層(図1(a)の上面図に示す形状をした層)であるのに対して、D層100Dは、C層100Cの上面の一部の領域のみに形成された層になる。そこで、この§1−1では、まず、D層100Dを除いた3層構造からなる主構造体100の形状について説明を行うことにする。このような3層構造を採用するのは、§1−2で述べるとおり、圧電素子を形成するための便宜である。
図1(a)に示すとおり、この主構造体100は、四角形をした枠状構造体110、第1橋梁部120、第2橋梁部130、鏡体接続部140、鏡体部150を有している。後述するように、枠状構造体110は、鏡体部150を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部111,第2枠部112,第3枠部113,第4枠部114によって構成されている。そして、この枠状構造体110によって囲まれた内部領域に、第1橋梁部120、第2橋梁部130、鏡体接続部140、鏡体部150が配置されている。
図1(a)の上面図において、第1橋梁部120の下端は、第1枠部111に接続されており、第1橋梁部120の上端には、第2橋梁部130の右端が接続されており、第2橋梁部130の左端には、鏡体接続部140を介して鏡体部150が接続されている。このように、第1橋梁部120および第2橋梁部130は、枠状構造体110と鏡体部150との間を、1本の接続経路に沿って接続するアーム部として機能し、鏡体部150は、このアーム部による片持ち梁構造を利用して、枠状構造体110(固定部)による支持を受けることになる。
本願では、説明の便宜上、このアーム部による接続経路上において、枠状構造体110(固定部)に近い側を「根端」、鏡体部150に近い方を「先端」と呼ぶことにする。たとえば、図1(a)の上面図において、第1橋梁部120は根端側の橋梁部であり、第2橋梁部130は先端側の橋梁部である。そして、第1橋梁部120の根端部は、第1枠部111に接続され、第1橋梁部120の先端部は、第2橋梁部130の根端部に接続されており、第2橋梁部130の先端部には、鏡体接続部140を介して鏡体部150が接続されていることになる。
本発明に係る可動反射素子を実際に利用する際には、固定部として機能する枠状構造体110を、外部物体に固定した状態で用いることになる。図示のとおり、アーム部120,130の外側側面と枠状構造体110の内側側面の間、アーム部120,130の内側側面と鏡体部150の外側側面の間、鏡体部150の外側側面と枠状構造体110の内側側面の間には、それぞれ空隙を確保するためのスリットが形成されている。
また、アーム部を構成する第1橋梁部120および第2橋梁部130は可撓性を有しており、しかも後述するように、このアーム部を上下に湾曲させる圧電素子が備わっているため、枠状構造体110に対して、鏡体部150を変位させることができる。実際には、鏡体部150の上面には、D層100D(図1では、図示省略)が形成されており、その表面が反射面になっている。本発明に係る可動反射素子は、この反射面を傾斜駆動することにより、光ビームや指向性電波の向きを制御する機能を有している。
ここでは、この鏡体部150の変位状態を説明する便宜上、鏡体部150が標準姿勢にある状態(アーム部を湾曲させていない状態)において、この鏡体部150の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。すなわち、図1(a)の上面図においては、鏡体部150を構成する正方形の中心に原点O、図の右方にX軸、図の上方にY軸、紙面垂直手前方向にZ軸を定義する。図1(b)の側面図においては、図の右方にX軸、図の上方にZ軸、紙面垂直奥方向にY軸がそれぞれ定義されることになる。
この主構造体100の構造をより明確にするため、図2A,2B,図3A~3Cに、図1に示す主構造体100を、一点鎖線で示す座標軸の位置および一点鎖線で示す各切断線の位置で切断した側断面図を示す。ここで、図2Aは、X軸に沿って切断した側断面図、図2Bは、Y軸に沿って切断した側断面図、図3Aは、切断線L0−L0’に沿って切断した側断面図、図3Bは、切断線L1−L1’に沿って切断した側断面図、図3Cは、切断線L2−L2’に沿って切断した側断面図である。
図1(b)に示すとおり、主構造体100は、A層100A,B層100B,C層100Cの3層構造を有しており、これら各層の平面形状は同一である(いずれも、図1(a)に示す形状をしている)。ただ、A層100Aの厚みは、個々の部分で若干の違いがある。以下、本願明細書では、図1(a)のような上面図に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示すことにする。たとえば、図1(a)の上面図に示されている鏡体部150を構成するA層部分は符号150A、B層部分は符号150B、C層部分は符号150Cによって示されることになる。
図2Aは、主構造体100をX軸に沿って切断した側断面図である。この図では、固定部として機能する枠状構造体110については、第2枠部112(112A,112B,112Cの3層構造)の断面と、第3枠部113(113A,113B,113Cの3層構造)の一部の側面と、第4枠部114(114A,114B,114Cの3層構造)の断面と、が示されている。また、アーム部については、第1橋梁部120(120A,120B,120Cの3層構造)の断面と、第2橋梁部130(130A,130B,130Cの3層構造)の側面とが示されている。そして、鏡体部150については、150A,150B,150Cの3層構造の断面が示されている。
一方、図2Bは、主構造体100をY軸に沿って切断した側断面図である。この図では、固定部として機能する枠状構造体110については、第1枠部111(111A,111B,111Cの3層構造)の断面と、第3枠部113(113A,113B,113Cの3層構造)の断面と、第4枠部114(114A,114B,114Cの3層構造)の一部の側面と、が示されている。また、アーム部については、第2橋梁部130(130A,130B,130Cの3層構造)の断面が示されている。そして、鏡体接続部140については、140A,140B,140Cの3層構造の一部の側面が示されており、鏡体部150については、150A,150B,150Cの3層構造の断面が示されている。
これら図2A,図2Bに示されているように、この基本的実施形態の場合、固定部として機能する枠状構造体110(111~114)の厚みに比べて、アーム部を構成する第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体接続部140、および鏡体部150の厚みは小さく設定されており、下方に空隙が形成されている。これは、後述するように、枠状構造体110の下面を土台基板200の上面に固着した場合にも、鏡体部150がある程度の自由度をもって変位可能になるようにするための配慮である。結局、鏡体部150は、枠状構造体110で囲まれた空間内に浮いた状態になるように、アーム部によって支持されることになる。
このような支持態様は、図3A~3Cの側断面図に明瞭に示されている。図3Aは、図1に示す主構造体100を切断線L0−L0’に沿って切断した側断面図であり、ちょうど、第1枠部111をその長手方向に沿って切断した断面に相当する。これに対して、図3Bは、図1に示す主構造体100を切断線L1−L1’に沿って切断した側断面図であり、ちょうど、第1橋梁部120(120A,120B,120Cの3層構造)をその長手方向に沿って切断した断面に相当する。また、図3Cは、図1に示す主構造体100を切断線L2−L2’に沿って切断した側断面図であり、ちょうど、第2橋梁部130(130A,130B,130Cの3層構造)をその長手方向に沿って切断した断面に相当する。
図3Bに示されているとおり、第1枠部111のA層111Aに比べて、第1橋梁部120のA層120Aは、下面の位置が若干上方に移動しており、浮いた状態になっている。同様に、第2橋梁部130のA層130Aも、図3Cに示されているとおり浮いた状態になっている。このため、第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体接続部140,鏡体部150は、いずれも枠状構造体110で囲まれた空間内に浮いた状態となるように支持される。
図4(a)は、この主構造体100の役割分担を示す上面図であり、図4(b)は、この主構造体100をX軸に沿って切断した側断面図である。これらの図におけるハッチングは、断面を示すものではなく、役割分担を示すためのものである。
図4において、網目状のハッチングを施した部分は鏡体部150である。この鏡体部150の上面には、後述するように反射面(D層100D)が形成され、入射した光ビーム等を所定方向に反射させる役割を果たす。
図4において、水玉状のハッチングを施した部分は、固定部として機能する部分であり、枠状構造体110(第1枠部111~第4枠部114)によって構成されている。この枠状構造体110(固定部)は、可動反射素子を利用する際に何らかの物体に固定して用いられる。図4(b)には、枠状構造体110の下面を土台基板200の上面に固着した状態が示されている。
図4において、波状のハッチングを施した部分はアーム部であり、第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体接続部140によって構成される。上述したように、アーム部120,130,140および鏡体部150は、枠状構造体110で囲まれた空間内において、土台基板200の上方に浮いた状態となっている。別言すれば、鏡体部150は、鏡体接続部140の位置において、アーム部からなる片持ち梁構造体によって支持されている。アーム部は、少なくとも上下方向(Z軸方向)に関して可撓性を有しており、上方に反ったり、下方に反ったりすることができる。このため、鏡体部150は、所定の自由度の範囲内で、固定部に対して変位を生じることができる。
<1−2 可動反射素子の構成>
続いて、本発明の基本的実施形態に係る可動反射素子の構成を説明する。図5(a)は、この基本的実施形態に係る可動反射素子100の上面図、図5(b)は、これをX軸に沿って切断した側断面図である。図5に示す可動反射素子100は、図1に示す主構造体100に、更に、D層100Dを付加したものである。すなわち、図1(b)に示す主構造体100が、A層100A,B層100B,C層100Cの3層構造を有しているのに対して、図5(b)に示す可動反射素子100は、この3層構造の上面に更にD層100Dを加えたものになっている。
このように、図1に示す主構造体100と、図5に示す可動反射素子100とは、D層の有無において相違する構成要素であるが、本願明細書では、便宜上、両者を同一符号「100」を用いて示すことにする。また、図5に示す可動反射素子100の構成要素となる第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体部150(これらは、A層~D層の4層構造を有する)は、図1に示す主構造体100の構成要素となる第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体部150(これらは、A層~C層の3層構造を有する)に、それぞれD層となる上部電極層120D,上部電極層130D,反射層150Dを付加したものになるが、本願明細書では、便宜上、それぞれ同一符号「120」,「130」,「150」を用いて示すことにする。
§1−1で述べたとおり、A層100A,B層100B,C層100Cの3層は、互いに同一の平面形状(図1(a)の上面図に示す形状)を有しているが、D層100Dの平面形状は若干異なっている。図5(a)には、このD層100Dの部分にハッチングを施して示してある(図5(a)の上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない。)。
図5に示すとおり、第1橋梁部120は、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた橋梁部であり、第2橋梁部130は、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた橋梁部であり、L字状をなすように接続されている。そして、第1橋梁部120の根端部は、X軸に平行な長手方向軸L0に沿って伸びた第1枠部111(固定部)に固定されている。
そして、D層100Dは、第1橋梁部120に形成された上部電極層120Dと、第2橋梁部130に形成された上部電極層130Dと、鏡体部150に形成された反射層150Dと、によって構成されており、固定部として機能する枠状構造体110や鏡体接続部140には、D層は形成されていない。ここで、上部電極層120Dおよび130Dは、圧電素子を形成する目的のための層であり、反射層150Dは、ミラーとしての役割を果たす反射面を形成する目的のための層である。それ以外の部分には、D層を形成する必要はない。
もちろん、枠状構造体110にもD層を形成してかまわないが、上部電極層120D,130Dは、それぞれ別個の圧電素子を形成するために電気的に絶縁されている必要があるので、C層の上面全面に、同一の平面形状をもったD層を形成することはできない。
次に、可動反射素子100を構成するA層100A,B層100B,C層100C,D層100Dの材質に関する説明を行う。まず、A層100Aは、各層の支持基板としての役割を果たす基板層であり、その上面に形成されるB層100B,C層100C,D層100Dを支持する役割を果たすことができる材質によって構成される。ただ、第1橋梁部120および第2橋梁部130は、少なくとも上下方向(Z軸方向)に関して可撓性を有している必要がある。したがって、基板層としての役割を果たすA層100Aは、各橋梁部が必要な範囲内(鏡体部150を、利用上要求される角度で傾斜させるために必要な範囲内)で撓みを生じることができるよう、ある程度の可撓性を有する材料によって構成する必要がある。ここに示す実施例の場合、シリコン基板によってA層100Aを構成している。
また、C層100Cは、圧電素子を構成する役割を果たす層であり、圧電効果を呈する圧電材料によって構成しておく必要がある。ここに示す実施例の場合、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)またはKNN(ニオブ酸カリウムナトリウム)の薄膜によってC層100Cを構成している。
一方、B層100Bは、圧電素子の下部電極を構成する役割を果たす層であり、D層100Dは、圧電素子の上部電極を構成する役割を果たす層である。したがって、いずれも導電性材料によって構成する必要がある。結局、図5に示す可動反射素子の場合、圧電材料層(C層)を導電性材料層(B層およびD層)で挟んだサンドイッチ構造体によって圧電素子を構成していることになる。
なお、D層100Dのうち、各橋梁部120,130に形成される部分120D,130Dは、上述したとおり、圧電素子用の上部電極層を構成することになるが、鏡体部150に形成される部分150Dは、鏡体部150の反射面として機能する反射層を構成することになる。したがって、原理的には、D層100Dのうち、各橋梁部120,130に形成される部分120D,130Dは、導電性の層(表面が反射性である必要はない)とし、鏡体部150に形成される部分150Dは、表面が反射性の層(導電性の層である必要はない)とすればよい。
ただ、この可動反射素子を量産品として提供する場合は、上部電極層120D,130Dおよび反射層150Dを、同一の材料からなるD層100Dとして形成するのが効率的であり、D層100Dとしては、電極層の機能と反射層の機能とを兼ね備えた材料層を用いるのが好ましい。
したがって、実用上は、上面を反射面として利用するのに適した金属層によって、B層100BおよびD層100Dを形成すればよい。より具体的に言えば、B層100Bは、下部電極(導電層)としての機能を果たせばよいので、任意の金属層で十分であるが、D層100Dは上面が反射面(鏡面)としての機能も果たす必要があるため、少なくとも、D層100Dの上面部分は、反射率の高い耐腐食性に優れた材料で構成するのが好ましい。このような観点から、本願発明者は、D層100Dの少なくとも上面部分は、金(Au)の薄膜層によって構成するのが最適であると考えている。金(Au)の薄膜層は、光や電磁波に対して良好な反射率を有しており、しかも耐腐食性に優れているため、長期間にわたって安定した反射性能を維持することができる。
図5に示す可動反射素子100は、量産化に適した構造を有しており、特に、MEMS素子として、半導体製造プロセスを利用した製造方法を適用することが可能である。本願発明者が作成した試作品の場合、図5(b)に示すような4層構造をもった構造体は、正方形状のシリコン基板100A(A層:基板層)の上面に、白金層100B(B層:下部電極層)、PZT層100C(C層:圧電材料層)、白金/金層100D(D層:下層部分は白金、上層部分は金からなる2層構造層)を順次堆積させたものになっている。上部電極層および下部電極層として白金を用いるのは、圧電材料層となるPZT層との間に良好な界面が形成できるためである。一方、反射層としては、上述したように金を用いるのが好ましいので、D層の下層部分は上部電極層に適した白金を用い、上層部分は反射層に適した金を用いることにした。
こうして4層の積層構造体を形成したら、D層100Dに対してパターニング処理を行って図5(a)にハッチングを施して示す領域のみを残し、更に、A層,B層,C層の3層からなる主構造体100の部分に対して、エッチングなどの方法で上下方向に貫通するスリットを形成すればよい。また、必要に応じて、アーム部120,130や鏡体部150の下面側の一部分をエッチング等で除去すれば、図5(b)に示すように、土台基板200から浮いた構造を実現することができる。
なお、参考のため、本願発明者が作成した試作品の各部の寸法を一例として記載しておくと、次のとおりである。すなわち、この試作品の場合、一辺5mm角、厚み0.3mmのシリコン基板100A(A層)の上面に、厚み300nm程度の白金の薄膜層100B(B層)、厚み2μm程度のPZT層100C(C層)、厚み300nm程度の白金/金の薄膜層100D(D層)を順次積層して4層構造体を形成している。ここで、アーム部120,130や鏡体部150については、シリコン基板100A(A層)の下面側をエッチング除去して、厚みを0.10mmとしている(土台基板の上面との間に、0.20mmの空隙が確保される)。また、図5(a)に示す平面図において、スリット部分の幅を0.3mmとし、アーム部120,130の幅を0.5mmとしている。
もちろん、各部の寸法は任意に設定することができる。要するに、アーム部120,130の厚みや幅は、鏡体部150が所定の角度範囲(可動鏡として要求される性能を満たす範囲)で傾斜できるような可撓性が得られる寸法に設定すればよく、枠状構造体110の厚みは、この可動反射素子100全体を土台基板200に堅固に固着できる寸法に設定すればよい。
<1−3 可動反射素子の動作>
ここでは、図5に示す可動反射素子の動作を説明する。図5(b)の側断面図に示されているように、第1橋梁部120には、基板層120A,下部電極層120B,圧電材料層120C,上部電極層120Dの4層構造が形成されている。ここで、基板層120Aの部分を「第1橋梁本体部」と呼び、下部電極層120B,圧電材料層120C,上部電極層120Dの3層構造部分を「圧電素子」と呼ぶことにすれば、第1橋梁部120は、可撓性を有する第1橋梁本体部120Aと、この第1橋梁本体部120Aの上面に固着された第1圧電素子(120B,120C,120Dの3層構造体)と、によって構成されていることになる。別言すれば、図5(a)の上面図において、ハッチングを施して示す上部電極層120Dの形成領域には、3層構造体からなる第1圧電素子が配置されていることになる。
同様に、図5(b)の側断面図に、その一部分が示されているように、第2橋梁部130には、基板層130A,下部電極層130B,圧電材料層130C,上部電極層130Dの4層構造が形成されている。ここで、基板層130Aの部分を「第2橋梁本体部」と呼び、下部電極層130B,圧電材料層130C,上部電極層130Dの3層構造部分を「圧電素子」と呼ぶことにすれば、第2橋梁部130は、可撓性を有する第2橋梁本体部130Aと、この第2橋梁本体部130Aの上面に固着された第2圧電素子(130B,130C,130Dの3層構造体)と、によって構成されていることになる。別言すれば、図5(a)の上面図において、ハッチングを施して示す上部電極層130Dの形成領域には、3層構造体からなる第2圧電素子が配置されていることになる。
図6A,図6B,図6Cは、これら各橋梁部120,130に形成された圧電素子の動作を示す断面図である。図6Aは、上述した第1圧電素子(120B,120C,120Dの3層構造体)もしくは第2圧電素子(130B,130C,130Dの3層構造体)の部分のみを抽出して示した断面図である。ここで、A層の部分はシリコン基板等からなる橋梁本体部であり、B層,C層,D層からなる3層構造体が圧電素子である。C層を構成する圧電材料層は、厚み方向に所定極性の電圧を印加すると、層方向に伸縮する性質を有する層であり、PZTやKNNなどからなる層に所定の分極処理を施すことによって得ることができる。
図6A,図6B,図6Cに示す例の場合、上部電極層D側が正、下部電極層B側が負となるように、両電極層間に電圧を印加すると、圧電材料層Cは層方向(図の紙面に横方向に引いた線を含み、当該紙面に垂直な平面に沿った方向)に伸び、逆に、上部電極層D側が負、下部電極層B側が正となるように、両電極層間に電圧を印加すると、圧電材料層Cは層方向に縮む性質をもっている。ここで、伸縮の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。
したがって、上下の電極層間に図6Bに示すような極性(以下、正極性と呼ぶ)の電圧を印加すると、B層,C層,D層の3層からなる圧電素子は層方向に伸び、可撓性をもった橋梁本体部を構成するA層の上面側に、面方向に伸びる方向への応力が加わる。その結果、図示のとおり、橋梁部全体には、上方が凸になるように反り返る変形が生じることになる。これに対して、上下の電極層間に図6Cに示すような極性(以下、逆極性と呼ぶ)の電圧を印加すると、B層,C層,D層の3層からなる圧電素子は層方向に縮み、可撓性をもった橋梁本体部を構成するA層の上面側に、面方向に縮む方向への応力が加わる。その結果、図示のとおり、橋梁部全体には、下方が凸になるように反り返る変形が生じることになる。
もちろん、圧電材料層Cとして、上記と全く逆の性質をもった層、すなわち、上部電極層D側が正、下部電極層B側が負となるように、両電極層間に電圧を印加すると、層方向に縮み、上部電極層D側が負、下部電極層B側が正となるように、両電極層間に電圧を印加すると、層方向に伸びる性質をもった層を用いてもかまわない。この場合、図6Bに示すように正極性の電圧を印加すると、図6Cに示すように、下方が凸になるように反り返る変形が生じ、図6Cに示すように負極性の電圧を印加すると、図6Bに示すように、上方が凸になるように反り返る変形が生じる。
いずれにしても、上部電極層Dと下部電極層Bとの間に、所定極性の電圧を印加することにより、図6Bに示す変形もしくは図6Cに示す変形を生じさせることができる。しかも、変形の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。
ところで、図5(a)に示すとおり、鏡体部150は、枠状構造体110(固定部)に対して、アーム部120,130を介して接続されており、枠状構造体110を固定した場合、アーム部120,130による片持ち梁構造によって、宙吊り状態で支持されることになる。したがって、第1橋梁部120が上方もしくは下方に反り返る変形を生じると、宙吊り状態で支持されている鏡体部150は、Y軸方向に傾斜を生じる。同様に、第2橋梁部130が上方もしくは下方に反り返る変形を生じると、宙吊り状態で支持されている鏡体部150は、X軸方向に傾斜を生じる。
図7A,図7B,図7Cは、図5に示す可動反射素子100における鏡体部150のY軸方向への傾斜状態(X軸まわりの回転状態)を示す側面図であり、図1に示す切断線L1−L1’に沿った位置にある主要部の相互位置関係が示されている(説明の便宜上、鏡体部150を太線で示し、固定状態にある土台基板200にハッチングを施して示す。また、変形状態を実際よりも誇張して示す。)。
図7Aは、傾斜が生じていない定位置の状態、すなわち、各圧電素子に何ら電圧が印加されていない状態における、第1橋梁部120と鏡体部150との位置関係を示している。土台基板200上に固定された第1枠部111(固定部)から図の右方に向かって第1橋梁部120が伸びている。鏡体部150は、この第1橋梁部120と、図示されていない第2橋梁部130および鏡体接続部140を介して、土台基板200の上方に水平姿勢のまま支持されている。白い三角形は、鏡体部150の重心Gを示し、座標系の原点(X軸の位置)と一致している。
これに対して、図7Bは、第1橋梁部120の圧電素子に、図6Bに示すような正極性の電圧を印加することにより、第1橋梁部120に対して上方が凸になるような変形を生じさせた状態を示している。第1橋梁部120は、図の左端が第1枠部111(固定部)に固定されているため、上方が凸になるような変形が生じると、図示のとおり、図の右端が下がる方向に変位する。その結果、当該右端より先に接続されているすべての構成要素が、X軸まわりに回転し、鏡体部150は、図示のとおり、X軸まわりの回転−Rxを生じる(ここでは、X軸正方向に右ネジを進める回転方向を正にとるため、図示の回転方向は負方向になる)。このため、重心Gは下方に移動する。
一方、図7Cは、第1橋梁部120の圧電素子に、図6Cに示すような負極性の電圧を印加することにより、第1橋梁部120に対して下方が凸になるような変形を生じさせた状態を示している。第1橋梁部120は、図の左端が第1枠部111(固定部)に固定されているため、下方が凸になるような変形が生じると、図示のとおり、図の右端が上がる方向に変位する。その結果、当該右端より先に接続されているすべての構成要素が、X軸まわりに回転し、鏡体部150は、図示のとおり、X軸まわりの回転+Rxを生じる(上述した定義では、図示の回転方向は正方向になる)。このため、重心Gは上方に移動する。
結局、図5(b)に示す例において、第1橋梁部120の圧電素子を構成する下部電極層120Bと上部電極層120Dとの間に、上部電極層120D側が正となるような極性の電圧を印加すると、図7Bに示すように、鏡体部150を、その右端(Y軸正方向側)が下がるようにY軸方向に傾斜させることができ、逆極性の電圧を印加すると、図7Cに示すように、鏡体部150を、その左端(Y軸負方向側)が下がるようにY軸方向に傾斜させることができる。傾斜の度合いは、印加する電圧値に応じた量になるので、印加する電圧の極性および値を調整することにより、鏡体部150のY軸方向への傾斜角度を任意に調整することが可能になる。
図8A,図8B,図8Cは、図5に示す可動反射素子100における鏡体部150のX軸方向への傾斜状態(Y軸まわりの回転状態)を示す側面図であり、図1に示す切断線L2−L2’に沿った位置にある主要部の相互位置関係が示されている(説明の便宜上、鏡体部150を太線で示す。また、変形状態を実際よりも誇張して示す。)。
図8Aは、傾斜が生じていない定位置の状態、すなわち、各圧電素子に何ら電圧が印加されていない状態における、第2橋梁部130と鏡体部150との位置関係を示している。第2橋梁部130の図の右端(根端部)は、図示されていない第1橋梁部120の先端部に接続されており、土台基板200によって間接的に支持されている。鏡体部150は、この第2橋梁部130の図の左端(先端部)に、図示されていない鏡体接続部140を介して接続されている。図8Aでは、鏡体部150は、土台基板200の上方に水平姿勢のまま支持されていることになる。白い三角形は、鏡体部150の重心Gを示し、座標系の原点(Y軸の位置)と一致している。
これに対して、図8Bは、第2橋梁部130の圧電素子に、図6Bに示すような正極性の電圧を印加することにより、第2橋梁部130に対して上方が凸になるような変形を生じさせた状態を示している。第2橋梁部130は、図の右端が第1橋梁部120の先端部によって支持されているため、上方が凸になるような変形が生じると、図示のとおり、図の左端が下がる方向に変位する。その結果、当該左端に接続されている鏡体部150は、Y軸まわりに回転し、図示のとおり、Y軸まわりの回転−Ryを生じる(ここでは、Y軸正方向に右ネジを進める回転方向を正にとるため、図示の回転方向は負方向になる)。このため、重心Gは下方に移動する。
一方、図8Cは、第2橋梁部130の圧電素子に、図6Cに示すような負極性の電圧を印加することにより、第2橋梁部130に対して下方が凸になるような変形を生じさせた状態を示している。第2橋梁部130は、図の右端が第1橋梁部120の先端部によって支持されているため、下方が凸になるような変形が生じると、図示のとおり、図の左端が上がる方向に変位する。その結果、当該左端に接続されている鏡体部150は、Y軸まわりに回転し、図示のとおり、Y軸まわりの回転+Ryを生じる(上述した定義では、図示の回転方向は正方向になる)。このため重心Gは上方に移動する。
結局、図5(b)に示す例において、第2橋梁部130の圧電素子を構成する下部電極層130Bと上部電極層130Dとの間に、上部電極層130D側が正となるような極性の電圧を印加すると、図8Bに示すように、鏡体部150を、その左端(X軸負方向側)が下がるようにX軸方向に傾斜させることができ、逆極性の電圧を印加すると、図8Cに示すように、鏡体部150を、その右端(X軸正方向側)が下がるようにX軸方向に傾斜させることができる。傾斜の度合いは、印加する電圧値に応じた量になるので、印加する電圧の極性および値を調整することにより、鏡体部150のX軸方向への傾斜角度を任意に調整することが可能になる。
<1−4 可動反射素子の本質的特徴>
結局、図5に示す基本的実施形態に係る可動反射素子100は、反射面を有する鏡体部150と、この鏡体部150を支持するための固定部110と、鏡体部150と固定部110とを接続するアーム部120,130,140と、を構成要素とする可動反射素子ということになる。
ここで、XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義し、Z軸正方向を上方、Z軸負方向を下方と定義すれば、アーム部は、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部120と、この第1橋梁部120に接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部130と、を有している。鏡体部150の表面は反射面を形成し、各圧電素子に電圧を印加しない基準状態において、反射面はXY平面に平行な面になる。
また、第1橋梁部120は、可撓性を有する第1橋梁本体部120Aと、この第1橋梁本体部120Aの上面に固着された第1圧電素子(120B,120C,120Dの3層構造体)と、を有し、この第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第1の長手方向軸L1に沿った方向に伸縮する性質を有しており、第2橋梁部130は、可撓性を有する第2橋梁本体部130Aと、この第2橋梁本体部130Aの上面に固着された第2圧電素子(130B,130C,130Dの3層構造体)と、を有し、この第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第2の長手方向軸L2に沿った方向に伸縮する性質を有している。
なお、本発明を実施するにあたり、アーム部は、必ずしも第1橋梁部120と第2橋梁部130のみによって構成する必要はない。アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部120と、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部130と、を含んでいれば足り、それ以外の構成要素を含んでいてもかまわない。たとえば、後述する§2.3や§2.4では、3組以上の橋梁部を連結してなるアーム部を用いる変形例が示されている。また、第1橋梁部120と第2橋梁部130とは、必ずしも直接的に接続されている必要はなく、何らかの中間接続部を介して間接的に接続するようにしてもかまわない。
また、上述した実施形態では、第1橋梁本体部120Aの上面に第1圧電素子(120B,120C,120Dの3層構造体)を固着し、第2橋梁本体部130Aの上面に第2圧電素子(130B,130C,130Dの3層構造体)を固着した例を示したが、各圧電素子は、必ずしも各橋梁本体部の上面に設ける必要はなく、各橋梁本体部の下面に設けるようにしてもかまわない。図6A,図6B,図6Cには、A層の上面に圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)を設けた例を示したが、図の天地をひっくりかえしても、橋梁部に生じる変形現象に変わりはなく、A層の下面に圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)を設けるようにしても、§1−3で述べた動作に本質的な支障が生じないことは容易に理解できよう。
もちろん、第1橋梁部120については上面に第1圧電素子を設け、第2橋梁部130については下面に第2圧電素子を設ける、というように、圧電素子の配置を、各橋梁部ごとに上面にしたり下面にしたりすることも可能である。もちろん、上下両面に形成してもかまわない。ただ、実用上は、これまで述べてきた実施例のように、各橋梁本体部の上面に各圧電素子を形成するようにするのが、製造プロセスを単純化する上で好ましい。
図5に示す基本的実施形態に係る可動反射素子100の第1の特徴は、反射面を有する鏡体部150が、可撓性をもった1本のアーム部を介して固定部110に接続される点である。このように、1本のアーム部による片持ち梁構造で鏡体部150を支持すると、従来のジンバル構造による支持手法に比べて、単純な構造でありながら、十分な変位角を確保することが可能になる。ジンバル構造を機械的な回動機構によって実現すると、部品の点数が増え、構造が複雑にならざるを得ない。また、ジンバル構造をトーションバーを用いて実現すると、構造は単純化されるが、最大変位角はトーションバーの最大捻れ角度の範囲内に抑えられてしまい、十分な変位角を確保することが困難になる。本発明では、アーム部によって鏡体部150を支持するため、単純な構造でありながら、十分な変位角が確保できる。
実際、図5(b)に例示するような構造をもった可動反射素子100は、前述したとおり、MEMS素子として、半導体製造プロセスを利用した製造方法により量産することができ、小型化に適している。また、駆動を行うための素子として圧電素子を用いているため、低消費電流化に適している。
また、本発明に用いるアーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部120と、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部130と、を有しており、その上面もしくは下面には、それぞれ所定極性の電圧を印加することにより各長手方向軸L1,L2に沿って伸縮する圧電素子が固着されている。そのため、第1橋梁部120の圧電素子に電圧を印加して、上面もしくは下面を伸縮させれば、図7A,図7B,図7Cに示すように、鏡体部150をY軸方向に傾斜させる(X軸まわりに回転させる)ことができ、第2橋梁部130の圧電素子に電圧を印加して、上面もしくは下面を伸縮させれば、図8A,図8B,図8Cに示すように、鏡体部150をX軸方向に傾斜させる(Y軸まわりに回転させる)ことができる。このため、X軸およびY軸の2軸方向(2軸まわり)に関して、十分な変位角を確保することが可能になる。
§3で述べる二次元走査装置は、このような2軸方向についての傾斜機能という特徴を利用した発明ということになる。二次元走査装置を利用すれば、後述するようなプロジェクタを実現することが可能である。本発明に係る二次元走査装置は、上述したように、小型化および低消費電流化に適しているため、携帯電話、スマートフォン、タブレット型電子端末などの小型機器に組み込んで利用することができ、これら小型機器にプロジェクタの機能を付加する際に用いると効果的である。
なお、図5に示す実施例は、固定部を、枠状構造体110によって構成し、この枠状構造体110によって囲まれた内部領域に、各橋梁部120,130および鏡体部150を配置した構造を採っているが、固定部は、必ずしも枠状構造体110によって構成する必要はなく、たとえば、第1枠部111のみを固定部として設け、第2枠部112,第3枠部113,第4枠部114を省略した構成を採用してもかまわない。
ただ、各橋梁部120,130および鏡体部150は変位を生じる可動構成要素であるため、外部物体と接触することは避けた方が好ましい。図5に示す実施例のように、枠状構造体110によって固定部を形成するようにすれば、可動構成要素を内部に囲い込むことができるので、可動構成要素を外部物体との接触から保護するメリットが得られる。
また、図5(b)には、枠状構造体110を支持する土台基板200を設けた例が示されている。このように、土台基板200を設け、枠状構造体110の下面を土台基板200の上面に固定すれば、各橋梁部120,130および鏡体部150が、この土台基板200の上方に浮いた宙吊り状態になり、土台基板200の上方に確保された空隙の大きさによって定まる自由度の範囲内で鏡体部150が傾斜することになる。別言すれば、鏡体部150に過剰な変位が生じることを妨げることができるので、各橋梁部120,130に過度な撓みが生じ、破損してしまうことを防止する保護機能が得られることになる。また、図5に示す実施例では、枠状構造体110の厚みに比べて、第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体部150の厚みを小さくすることにより、上記宙吊り構造を実現しているが、これら各部の厚みを同一にし、枠状構造体110の下面に、いわゆる「下駄」を履かせることにより上記宙吊り構造を実現するようにしてもよい。
なお、土台基板200を、可動反射素子100の装置筐体の一部によって構成すれば、土台基板200は、可動反射素子の製品自体に組み込まれた一部品ということになる。これに対して、可動反射素子の製品自体としては、土台基板200を含まない形態を採ることも可能である。この場合、この可動反射素子を部品として実装する何らかの装置の実装面の構造体が、土台基板200として機能することになる。
<<< §2. 可動反射素子の変形例に係る実施形態 >>>
前述した§1では、本発明の基本的実施形態に係る可動反射素子の構成および動作を説明した。ここでは、この基本的実施形態についてのいくつかの変形例に基づいて、本発明のバリエーションを述べることにする。
<2−1 橋梁部の両端に圧電素子を配置した実施形態>
§1で述べた図5に示す基本的実施形態の場合、第1橋梁部120には、長手方向軸L1に沿って、その全長に渡って伸びる上部電極層120Dが形成され、第2橋梁部130には、長手方向軸L2に沿って、その全長に渡って伸びる上部電極層130Dが形成されている。これら上部電極層120D,130Dの形成領域は、図6A,図6B,図6Cに示すように圧電素子の形成領域になるため、各上部電極層を各橋梁部の全長に渡って伸びるように形成しておけば、それだけ長い圧電素子を形成することができるようになり、各橋梁部を効率的に変形させることができる。
このように、橋梁部に十分な変形を生じさせる(すなわち、鏡体部150を十分に傾斜させる)という観点では、個々の橋梁部が、その長手方向軸に沿って伸びるように配置された細長い圧電素子を有するようにするのが好ましく、長手方向軸に沿って伸びる細長い上部電極層を形成するのが好ましい。
しかしながら、鏡体部150の傾斜角が、装置として要求される角度に達するのであれば、圧電素子は、必ずしも橋梁部の全長にわたる長さをもったものである必要はない。図9(a)は、各橋梁部の根端部近傍および先端部近傍にそれぞれ圧電素子を配置した実施形態に係る可動反射素子100の上面図であり(ハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)、図9(b)は、この可動反射素子100を長手方向軸L2に沿って切断した側断面図である。
この図9に示す可動反射素子100は、図5に示す可動反射素子100と比べて、上部電極層(D層)の平面パターンが異なるだけであり、主構造部(A層,B層,C層)は共通である。したがって、便宜上、図9に示す可動反射素子100およびその各部については、上部電極層(D層)の部分を除いて、図5に示す可動反射素子100およびその各部に用いた符号と同じ符号を付してある。
図9に示す可動反射素子100の場合、第1橋梁部120には、長手方向軸L1に沿って、根端部近傍には上部電極層121Dが形成され、先端部近傍には上部電極層122Dが形成されており、両者の中間部分には、上部電極層は形成されていない。同様に、第2橋梁部130には、長手方向軸L2に沿って、根端部近傍には上部電極層131Dが形成され、先端部近傍には上部電極層132Dが形成されており、両者の中間部分には、上部電極層は形成されていない。
図5(a)と図9(a)とを比較すると、上部電極層(D層)の形成領域(ハッチングした領域)の面積が異なっており、その結果、圧電素子の形成領域の面積も異なっている。たとえば、図9(b)に示す例の場合、第2橋梁部130については、上部電極層131Dおよび132Dが形成された部分だけが圧電素子として機能することになる。したがって、各橋梁部を変形させる能力に関しては、図5に示す実施例よりも図9に示す実施例の方が劣ることになる。しかしながら、後者は前者に比べて、上部電極層(D層)の面積が少なくなるため、上部電極層(D層)の材料を節約するメリットが得られることになる。これは、特に、上部電極層(D層)として金などの高価な材料を用いる場合には、コストダウンを図る効果が得られることを意味する。
ところで、本発明において、各橋梁部を変形させる能力は、上部電極層(D層)の面積に単純に比例するものではない。これは、各橋梁部が変形を生じる際に、その根端部近傍および先端部近傍に応力が集中する性質があるためである。実際、図5(a)に示す上部電極層120Dの面積に比べて、図9(a)に示す一対の上部電極層121D,122Dの面積の和は、半分以下であるが、図5(a)に示す上部電極層120Dの領域に形成される圧電素子による第1橋梁部120に対する変形能力に比べて、図9(a)に示す一対の上部電極層121D,122Dの領域に形成される一対の圧電素子による第1橋梁部120に対する変形能力は、それ程遜色のないものになる。
これは、第1橋梁部120が変形を生じる際に、その根端部近傍(第1枠部111に対する接続部分)および先端部近傍(第2橋梁部130に対する接続部分)に応力集中が見られるため、図9(a)に示す上部電極層121D,122Dの領域に形成される一対の圧電素子によって、効率的な変形を生じさせることができるためである。第2橋梁部130についても同様である。
図9(a)に示す太い破線は、各橋梁部の両端位置を示している。図示のとおり、上部電極層121D,122Dの端部および上部電極層131D,132Dの端部は、この太い破線位置に揃えられている。これは、各圧電素子の端を、各橋梁部の根端位置および先端位置に揃えて配置することにより、各橋梁部に効率的な変形を生じさせるようにする配慮である。なお、図9(a)に示す実施例では、各上部電極層121D,122D,131D,132Dの一端が、太い破線位置に正確に揃えられているが、実際には、当該端部の位置が、太い破線位置を若干越えるように設計するのが好ましい。本願発明者が行った実験によると、各橋梁部の厚み程度の寸法だけ太い破線の位置を越えるようにすると、最も良好な結果が得られた。すなわち、上述したように破線位置を若干越える各電極層121D,122Dの位置は、第1橋梁部120に対して鏡体部150DをY軸方向に傾斜させる応力を加える上で最も効率的な位置であり、上述したように破線位置を若干越える各電極層131D,132Dの位置は、第2橋梁部130に対して鏡体部150DをX軸方向に傾斜させる応力を加える上で最も効率的な位置になっている。
このように、図9に示す変形例は、図5に示す基本的な実施形態に比べて、圧電素子として機能する領域面積がかなり小さく設定されているにもかかわらず、第1橋梁部120が、根端部近傍に配置された圧電素子(上部電極層121Dの位置に形成される圧電素子)と先端部近傍に配置された圧電素子(上部電極層122Dの位置に形成される圧電素子)とを有しており、第2橋梁部130が、根端部近傍に配置された圧電素子(上部電極層131Dの位置に形成される圧電素子)と先端部近傍に配置された圧電素子(上部電極層132Dの位置に形成される圧電素子)とを有しているため、鏡体部150を効率的に傾斜させることが可能になる。
図10は、図9に示す実施例における圧電素子による変形効率を更に向上させた変形例を示す上面図である(ここでも、ハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。これまでの実施例の説明では、第1橋梁部120と第2橋梁部130との境界位置について、厳密な定義を行っていなかったが、図9において、太い破線で示した位置を個々の橋梁部や接続部の両端位置と定義すると、第1橋梁部120と第2橋梁部130とは、中間接続部125を介して間接的に接続されていることになり、第2橋梁部130と鏡体部150とは、鏡体接続部140を介して間接的に接続されていることになる。図10に示す変形例は、図9に示す実施例における中間接続部125および鏡体接続部140の形状を若干変化させることにより、各橋梁部の両端への応力集中をより顕著にしたものである。
すなわち、図10の変形例に係る可動反射素子100’は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた第1橋梁部120とX軸に平行な軸に沿って伸びた第2橋梁部130とからなる一対の橋梁部を有しており、これら一対の橋梁部はL字状をなすように、一方の橋梁部(第1橋梁部120)の先端部と他方の橋梁部(第2橋梁部130)の根端部とが中間接続部125’を介して接続されている。しかも、この中間接続部125’は、一方の橋梁部(第1橋梁部120)の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部126と他方の橋梁部(第2橋梁部130)の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部127とを有している。
また、2本の橋梁部のうちの最先端位置にある橋梁部(第2橋梁部130)の第1の脇側には鏡体部150が配置され、この最先端位置にある橋梁部(第2橋梁部130)の先端部と鏡体部150とが鏡体接続部140’を介して接続されている。しかも、この鏡体接続部140’は、最先端位置の橋梁部(第2橋梁部130)の第2の脇側の側面よりも外側に突き出した庇構造部141を有している。
このように、中間接続部125’には、庇構造部126,127が設けられており、鏡体接続部140’には、庇構造部141が設けられているため、枠状構造体110’を構成する第2枠部112’,第3枠部113’,第4枠部114’の形状は、図9に示す枠状構造体110を構成する第2枠部112,第3枠部113,第4枠部114の形状とは若干異なっている。すなわち、図10に示す変形例における第2枠部112’,第3枠部113’,第4枠部114’の内側部分には、庇構造部126,127,141に対応した位置に凹部が形成されている。
このような庇構造部126,127,141を設けた構造を採用すると、各橋梁部の両端への応力集中がより顕著になる。これは、図に太い破線で示した各橋梁部の端部位置において、当該橋梁部の端部に接続される相手となる部材が、各橋梁部の側面から直角に伸びる構造をとるためと考えられる。
たとえば、第1橋梁部120の根端部に接続される相手となる部材である第1枠部111は、第1橋梁部120の根端部の側面から直角に伸びる構造をとっているため、上部電極層121Dの配置位置に応力を集中させる効果が得られ、第1橋梁部120の先端部に接続される相手となる部材である中間接続部125’には、庇構造部126が設けられているため、やはり第1橋梁部120の先端部の側面から直角に伸びる構造がとられ、上部電極層122Dの配置位置に応力を集中させる効果が得られることになる。
同様に、第2橋梁部130の根端部に接続される相手となる部材である中間接続部125’には、庇構造部127が設けられているため、やはり第2橋梁部130の根端部の側面から直角に伸びる構造がとられており、上部電極層131Dの配置位置に応力を集中させる効果が得られ、第2橋梁部130の先端部に接続される相手となる部材である鏡体接続部140’には、庇構造部141が設けられているため、やはり第2橋梁部130の先端部の側面から直角に伸びる構造がとられ、上部電極層132Dの配置位置に応力を集中させる効果が得られる。
結局、図10に示す変形例の場合、庇構造部126,127,141を設けることにより、鏡体部150が変位を生じる際に、第1橋梁部120および第2橋梁部130の4箇所の圧電素子の配置位置に、応力を集中させる効果が得られる。このため、4組の圧電素子を駆動することにより、鏡体部150を効率良く変位させることが可能になる。
また、庇構造部126,127,141と、これに対向する枠状構造体110’の内側面との間隔を適当に設定しておけば、鏡体部150が過度の変位を生じようとした場合に、庇構造部126,127,141が枠状構造体110’の内側面に接触することにより、当該過度の変位は抑制されることになる。いわば、庇構造部126,127,141と、これに対向する枠状構造体110’の内側面とが、過度の変位を制御するためのストッパとして機能し、アーム部に破損が生じることを防ぐ効果も得られる。
<2−3 3組以上の橋梁部を用いる実施形態>
本発明に係る可動反射素子は、図5に示すとおり、反射面を有する鏡体部150と、この鏡体部150を支持するための固定部110と、鏡体部150と固定部110とを接続するアーム部と、を備えている。ここで、アーム部は、図5に示す基本的実施形態の場合、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部120と、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部130と、いう2本の橋梁部を有している。
図9(a)に示す例のように、太い破線で示す位置を各橋梁部や鏡体部の端部位置と定義すると、第1橋梁部120と第2橋梁部130は、中間接続部125を介して間接的に接続されており、第2橋梁部130と鏡体部150は、鏡体接続部140を介して間接的に接続されていることになる。したがって、図9(a)に示す例の場合、アーム部は、第1橋梁部120、中間接続部125、第2橋梁部130、鏡体接続部140によって構成されている。
本発明に係る可動反射素子は、鏡体部150をX軸方向およびY軸方向の2軸方向に傾斜させる機能を有しているので、アーム部には、Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸びた第1橋梁部120と、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸びた第2橋梁部130と、が必要になる。ここで、第1橋梁部120は、鏡体部150をY軸方向(X軸まわり)に傾斜させる役割を果たし、第2橋梁部130は、鏡体部150をX軸方向(Y軸まわり)に傾斜させる役割を果たす。
もっとも、アーム部に含まれる橋梁部の数は、第1橋梁部120と第2橋梁部130との2組に限定されるものではなく、3組以上の橋梁部を設けることも可能である。ここでは、3組以上の橋梁部を用いる実施形態を説明する。
図11(a)は、3組の橋梁部を用いる実施形態に係る可動反射素子300の上面図であり、図11(b)は、この可動反射素子300をX軸に沿って切断した側断面図である。これまでの実施形態と同様に、ここでも、鏡体部の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。
図11(b)の側断面図に示されているとおり、この可動反射素子300もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しており、各層の材質や寸法は、これまで述べてきた実施形態と同様である(図11(a)の上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。この図11に示す実施形態の特徴は、アーム部が3組の橋梁部を有している点であり、その他の特徴は、図5に示す基本的実施形態と同じである。
すなわち、図11(a)に示すとおり、この可動反射素子300は、四角形をした枠状構造体310、第1橋梁部320、第2橋梁部330、第3橋梁部340、鏡体接続部350、鏡体部360を有している。枠状構造体310は、鏡体部360を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部311,第2枠部312,第3枠部313,第4枠部314によって構成されている。そして、この枠状構造体310によって囲まれた内部領域に、第1橋梁部320、第2橋梁部330、第3橋梁部340、鏡体接続部350、鏡体部360が配置されている。
図示のとおり、第1橋梁部320の根端部は第1枠部311に接続され、第1橋梁部320の先端部は第2橋梁部330の根端部に接続され、第2橋梁部330の先端部は第3橋梁部340の根端部に接続され、第3橋梁部340の先端部は鏡体接続部350を介して鏡体部360に接続されている。したがって、第1橋梁部320、第2橋梁部330、第3橋梁部340、鏡体接続部350は、枠状構造体310と鏡体部360との間を、1本の接続経路に沿って接続するアーム部として機能し、鏡体部360は、このアーム部による片持ち梁構造を利用して、枠状構造体310(固定部)による支持を受けることになる。
ここで、第1枠部311はX軸に平行な長手方向軸L0に沿って伸び、第1橋梁部320はY軸に平行な長手方向軸L1に沿って伸び、第2橋梁部330はX軸に平行な長手方向軸L2に沿って伸び、第3橋梁部340はY軸に平行な長手方向軸L3に沿って伸びている。そして、第1橋梁部320の上部電極層320Dが形成された領域に第1圧電素子が配置され、第2橋梁部330の上部電極層330Dが形成された領域に第2圧電素子が配置され、第3橋梁部340の上部電極層340Dが形成された領域に第3圧電素子が配置されている。
長手方向軸L1に沿って配置された第1圧電素子および長手方向軸L3に沿って配置された第3圧電素子は、鏡体部360をY軸方向に傾斜させる機能を果たし、長手方向軸L2に沿って配置された第2圧電素子は、鏡体部360をX軸方向に傾斜させる機能を果たす。かくして、反射層360Dが形成された鏡体部360を、2軸方向に傾斜させることができる。
図11(b)の側断面図では、図11(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されている。ここで、A層,B層,C層の平面形状は同じであり、いずれも、図11(a)に示す輪郭形状をしているが、D層は、図11(a)にハッチングを施した領域にのみ形成されている。この図11(b)では、図11(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。たとえば、図11(a)の上面図に示されている鏡体部360を構成するA層部分は符号360A、B層部分は符号360B、C層部分は符号360C、D層部分は符号360Dによって示されている。図11(b)の側断面図に示されている基本的な構造の特徴は、図5に示す実施形態に準じたものであるため、ここでは詳しい説明は省略する。
一方、図12(a)は、4組の橋梁部を用いる実施形態に係る可動反射素子400の上面図であり、図12(b)は、この可動反射素子400をX軸に沿って切断した側断面図である。これまでの実施形態と同様に、ここでも、鏡体部の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。
図12(b)の側断面図に示されているとおり、この可動反射素子400もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しており、各層の材質や寸法は、これまで述べてきた実施形態と同様である(図12(a)の上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。この図12に示す実施形態の特徴は、アーム部が4組の橋梁部を有している点であり、その他の特徴は、図5に示す基本的実施形態と同じである。
すなわち、図12(a)に示すとおり、この可動反射素子400は、四角形をした枠状構造体410、第1橋梁部420、第2橋梁部430、第3橋梁部440、第4橋梁部450、鏡体接続部460、鏡体部470を有している。枠状構造体410は、鏡体部470を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部411,第2枠部412,第3枠部413,第4枠部414によって構成されている。そして、この枠状構造体410によって囲まれた内部領域に、第1橋梁部420、第2橋梁部430、第3橋梁部440、第4橋梁部450、鏡体接続部460、鏡体部470が配置されている。
図示のとおり、第1橋梁部420の根端部は第1枠部411に接続され、第1橋梁部420の先端部は第2橋梁部430の根端部に接続され、第2橋梁部430の先端部は第3橋梁部440の根端部に接続され、第3橋梁部440の先端部は第4橋梁部450の根端部に接続され、第4橋梁部450の先端部は鏡体接続部460を介して鏡体部470に接続されている。したがって、第1橋梁部420、第2橋梁部430は、第3橋梁部440、第4橋梁部450、鏡体接続部460は、枠状構造体410と鏡体部470との間を、1本の接続経路に沿って接続するアーム部として機能し、鏡体部470は、このアーム部による片持ち梁構造を利用して、枠状構造体410(固定部)による支持を受けることになる。
ここで、第1枠部411はX軸に平行な長手方向軸L0に沿って伸び、第1橋梁部420はY軸に平行な長手方向軸L1に沿って伸び、第2橋梁部430はX軸に平行な長手方向軸L2に沿って伸び、第3橋梁部440はY軸に平行な長手方向軸L3に沿って伸び、第4橋梁部450はX軸に平行な長手方向軸L4に沿って伸びている。そして、第1橋梁部420の上部電極層420Dが形成された領域に第1圧電素子が配置され、第2橋梁部430の上部電極層430Dが形成された領域に第2圧電素子が配置され、第3橋梁部440の上部電極層440Dが形成された領域に第3圧電素子が配置され、第4橋梁部450の上部電極層450Dが形成された領域に第4圧電素子が配置されている。
長手方向軸L1に沿って配置された第1圧電素子および長手方向軸L3に沿って配置された第3圧電素子は、鏡体部470をY軸方向に傾斜させる機能を果たし、長手方向軸L2に沿って配置された第2圧電素子および長手方向軸L4に沿って配置された第4圧電素子は、鏡体部470をX軸方向に傾斜させる機能を果たす。かくして、反射層470Dが形成された鏡体部470を、2軸方向に傾斜させることができる。
図12(b)の側断面図では、図12(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されている。ここで、A層,B層,C層の平面形状は同じであり、いずれも、図12(a)に示す輪郭形状をしているが、D層は、図12(a)にハッチングを施した領域にのみ形成されている。この図12(b)では、図12(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。たとえば、図12(a)の上面図に示されている鏡体部470を構成するA層部分は符号470A、B層部分は符号470B、C層部分は符号470C、D層部分は符号470Dによって示されている。図12(b)の側断面図に示されている基本的な構造の特徴は、図5に示す実施形態に準じたものであるため、ここでは詳しい説明は省略する。
以上、アーム部に3組の橋梁部を含む可動反射素子300(図11)と4組の橋梁部を含む可動反射素子400(図12)とを例示したが、もちろん、5組以上の橋梁部を有するアーム部を用いて可動反射素子を構成してもかまわない。
一般論として述べれば、XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、アーム部は、複数n本(但し、n≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、このn本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第1グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第2グループの橋梁部であればよい。
ここで、第1グループの橋梁部は、可撓性を有する第1グループの橋梁本体部(A層)と、この第1グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1グループの圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)と、を有し、第1グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有していればよい。そうすれば、鏡体部をY軸方向(X軸まわり)に傾斜させることができる。
また、第2グループの橋梁部は、可撓性を有する第2グループの橋梁本体部(A層)と、この第2グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2グループの圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)と、を有し、第2グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有していればよい。そうすれば、鏡体部をX軸方向(Y軸まわり)に傾斜させることができる。
より具体的には、第1番目の橋梁部から第n番目の橋梁部までの複数n本の橋梁部を用いてアーム部を構成し、第1番目の橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第n番目の橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第i番目(但し、1≦i≦n−1)の橋梁部の先端部は第(i+1)番目の橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、奇数番目の橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成され、偶数番目の橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成され、偶数番目の橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成されているようにすればよい。
上記構成を採れば、奇数番目の橋梁部と偶数番目の橋梁部とは必ず直交することになる。このように、奇数番目の橋梁部と偶数番目の橋梁部とを直交させる形態としては、個々の橋梁部を左右交互に折れ曲がるように連結し、クランク状に伸びる細長い形態を採ることも可能であるが、実用上は、図10(n=3の例)や図11(n=4の例)に示す例のように、第1番目の橋梁部の根端部から第n番目(但し、n≧3)の橋梁部の先端部に至るまでの構造体が渦巻状の経路をなし、鏡体部がこの渦巻状の経路に囲まれた中心位置に配置される形態を採るのが好ましい。アーム部を渦巻状の形態とし、その中心位置に鏡体部を配置するようにすれば、構造全体を小型化することができ、各種電子機器に組み込むのに適した形態を実現することができる。
このように、アーム部を構成する橋梁部の数を増やすと、鏡体部の変位が、個々の橋梁部によって生じる変位の総和になるため、反射面の変位角(X軸方向およびY軸方向への傾斜角)の範囲を拡張できる効果が得られる。
たとえば、図11に示す例の場合、X軸方向への傾斜は第2橋梁部330の変形によって生じることになるが、Y軸方向への傾斜は第1橋梁部320の変形と第3橋梁部340の変形との相乗効果として生じることになる。一方、図12に示す例の場合、X軸方向への傾斜は第2橋梁部430の変形と第4橋梁部450の変形との相乗効果として生じ、Y軸方向への傾斜は第1橋梁部420の変形と第3橋梁部440の変形との相乗効果として生じることになる。
もっとも、複数の橋梁部の変形の相乗効果として、鏡体部を所望の方向に傾斜させる際には、同一グループに所属する個々の橋梁部の変形態様が、鏡体部を同一方向に傾斜させる態様になるように配慮しなくてはならない。たとえば、図12に示す実施例において、4組の圧電素子がいずれも図6A,図6B,図6Cに示す特性をもった素子であるとすると、上部電極層(D層)を正、下部電極層(B層)を負とする極性の電圧を印加すると、図6Bに示すように、各橋梁部はいずれも上面が伸びるため、各橋梁部はいずれも上に凸となるような変形を生じることになる。
このため、図12に示す実施例において、もし、上部電極層420D,440Dの双方が正となるような電圧印加を行うと、第1橋梁部420の変形は鏡体部470をY軸正方向に傾斜させる作用(Y軸正方向側を下げるように傾斜させる作用:以下同様)を行うのに対して、第3橋梁部440の変形は鏡体部470をY軸負方向に傾斜させる作用(Y軸負方向側を下げるように傾斜させる作用:以下同様)を行うので、互いに鏡体部470の傾斜を打ち消す態様で変形を生じてしまうことになる。
したがって、図12に示す実施例の場合、上部電極層420Dと上部電極層440Dには、常に、逆極性の電圧を印加するようにし、上部電極層430Dと上部電極層450Dにも、常に、逆極性の電圧を印加するようにする。そうすれば、図5に示す基本的実施形態に比べて、鏡体部の傾斜可能範囲を拡大させる効果が得られる。このような効果は、橋梁部の数nを増やせば増やすほど大きくなるが、その分だけ、装置全体におけるアーム部が占める割合が増えるので、鏡体部470が占める割合が低下し、反射面の面積は小さくなってしまう。
なお、図11および図12に示す実施例では、すべての橋梁部にそれぞれ圧電素子を設けて変形させるようにしているが、必ずしもn本の橋梁部のすべてに圧電素子を設ける必要はない。たとえば、図12に示す実施例において、上部電極層450Dを省略すると、第4橋梁部450には圧電素子が設けられていないことになり、第4橋梁部450自身は変形しないことになる。それでも、第4橋梁部450はアーム部の一部を構成する要素であり、鏡体部470を支持する役割を担うことに変わりはない。もっとも、実用上は、鏡体部の傾斜可能範囲を拡大させる効果を得るため、すべての橋梁部にそれぞれ圧電素子を設けて変形させるようにするのが好ましい。
また、各上部電極層に印加すべき電圧の極性は、個々の圧電素子に用いられている圧電材料層の分極特性にも依存する。たとえば、図12に示す実施例において、上部電極層420Dの直下に形成されている圧電材料層(C層)の分極特性と、上部電極層440Dの直下に形成されている圧電材料層(C層)の分極特性とが上下方向に関して逆極性になっていた場合には、上部電極層420Dと上部電極層440Dには、常に、同極性の電圧を印加すれば、鏡体部の傾斜可能範囲を拡大させる効果が得られることになる。
更に、橋梁本体部(A層)の上面に形成されている圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)と、橋梁本体部の下面に形成されている圧電素子とを混在させるような実施例の場合は、各橋梁本体部の上面が伸縮するのか、下面が伸縮するのかを考慮して、同一グループに所属する個々の橋梁部の変形態様が、鏡体部を同一方向に傾斜させる態様になるように配慮しなくてはならない。
<2−4 2系統のアーム部を用いる実施形態>
これまで述べてきた実施形態は、いずれも1本のアームによって鏡体部を固定部に対して支持する構造を採るものである。このような支持構造は、いわゆる片持ち梁構造であり、鏡体部の固定部に対する変位の自由度を確保する上で効果的である。しかしながら、鏡体部をX軸方向もしくはY軸方向に傾斜させる際に、Z軸方向への変位という付随現象が生じる。
たとえば、図7Aに示すように、鏡体部150が傾斜を生じていないときの状態では、鏡体部150の重心Gは、座標系の原点O(X軸の位置)の位置に一致している。ところが、図7Bに示すように、鏡体部150がY軸正方向に傾斜を生じると(X軸まわりに回転−Rxを生じると)、鏡体部150の重心Gは図の下方向、すなわち、Z軸負方向に移動することになり、図7Cに示すように、鏡体部150がY軸負方向に傾斜を生じると(X軸まわりに回転+Rxを生じると)、鏡体部150の重心Gは図の上方向、すなわち、Z軸正方向に移動することになる。
同様に、図8Aに示すように、鏡体部150が傾斜を生じていないときの状態では、鏡体部150の重心Gは、座標系の原点O(Y軸の位置)の位置に一致しているが、図8Bに示すように、鏡体部150がX軸負方向に傾斜を生じると(Y軸まわりに回転−Ryを生じると)、鏡体部150の重心Gは図の下方向、すなわち、Z軸負方向に移動することになり、図8Cに示すように、鏡体部150がX軸正方向に傾斜を生じると(Y軸まわりに回転+Ryを生じると)、鏡体部150の重心Gは図の上方向、すなわち、Z軸正方向に移動することになる。
もちろん、このようなZ軸方向への変位が伴ったとしても、反射面の角度を調整して入射するビームを所望の方向に射出させる制御は可能である。したがって、ビームを二次元的に走査する二次元走査装置に、これまで述べてきた実施形態に係る可動反射素子を組み込んで利用する場合であっても、実用上の支障は生じない。
しかしながら、従来のジンバル構造を採用したMEMS型の可動反射素子では、直交する2軸に沿ってトーションバーが配置されており、この2軸の交点位置を鏡面上の不動点とすれば、この不動点の位置を固定にした状態で、鏡面の傾斜角度だけを変化させることが可能である。このようなジンバル構造の特徴を前提とする用途では、これまで述べてきた実施形態をそのまま利用することはできない。
そこで、ここでは、鏡体部をX軸方向もしくはY軸方向に傾斜させた場合に、Z軸方向への変位という付随現象を抑制することが可能な変形例を述べる。ここで述べる変形例の特徴は、第1系統アーム部と第2系統アーム部という2系統のアーム部を用いて鏡体部を支持する点にある。以下、その基本形態を図13に示す実施例に即して説明する。
図13(a)は、2系統のアーム部を用いる実施形態に係る可動反射素子500の上面図であり、図13(b)は、この可動反射素子500をX軸に沿って切断した側断面図である。これまでの実施形態と同様に、ここでも、鏡体部の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。
図13(b)の側断面図に示されているとおり、この可動反射素子500もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しており、各層の材質や寸法は、これまで述べてきた実施形態と同様である(図13(a)の上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。この図13に示す実施形態では、図12に示す実施形態と同様に、4組の橋梁部が設けられているが、これら4組の橋梁部は1本の接続経路に沿って接続されているわけではなく、単一のアーム部を構成するものではない。すなわち、2組の橋梁部は、1本の接続経路に沿って接続され第1系統アーム部を構成し、別な2組の橋梁部は、別な1本の接続経路に沿って接続され第2系統アーム部を構成する。
具体的には、図13(a)に示すとおり、この可動反射素子500は、四角形をした枠状構造体510と、第1系統アーム部(第1橋梁部520、第2橋梁部530、鏡体接続部540)と、鏡体部550と、第2系統アーム部(第3橋梁部560、第4橋梁部570、鏡体接続部580)と、を有している。枠状構造体510は、鏡体部550を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部511,第2枠部512,第3枠部513,第4枠部514によって構成されている。そして、この枠状構造体510によって囲まれた内部領域に、上記各部材が配置されている。
ここで、第1系統アーム部に関しては、第1橋梁部520の根端部は第1枠部511に接続され、第1橋梁部520の先端部は第2橋梁部530の根端部に接続され、第2橋梁部530の先端部は鏡体接続部540を介して鏡体部550の第1の端部(図示の例では、左上端部)に接続されている。したがって、第1橋梁部520、第2橋梁部530、鏡体接続部540は、枠状構造体510と鏡体部550との間を、1本の接続経路に沿って接続する第1系統アーム部として機能する。
一方、第2系統アーム部に関しては、第3橋梁部560の根端部は第3枠部513に接続され、第3橋梁部560の先端部は第4橋梁部570の根端部に接続され、第4橋梁部570の先端部は鏡体接続部580を介して鏡体部550の第2の端部(図示の例では、右下端部)に接続されている。したがって、第3橋梁部560、第4橋梁部570、鏡体接続部580は、枠状構造体510と鏡体部550との間を、1本の接続経路に沿って接続する第2系統アーム部として機能する。
このように、図13に示す実施例における鏡体部550は、第1系統アーム部と第2系統アーム部という2系統のアーム部を介して、枠状構造体510(固定部)による支持を受けることになる。しかも、この図13に示す実施例の場合、第1系統アーム部のXY平面への正射影投影像と第2系統アーム部のXY平面への正射影投影像とが、原点Oに関して点対称となっており、鏡体部550のZ軸方向への変位という付随現象を最も効果的に抑制することが可能な構造になっている。
まず、第1系統アーム部に関しては、固定部として機能する第1枠部511はX軸に平行な長手方向軸L0に沿って伸び、第1橋梁部520はY軸に平行な長手方向軸L1に沿って伸び、第2橋梁部530はX軸に平行な長手方向軸L2に沿って伸びている。そして、第1橋梁部520の上部電極層520Dが形成された領域に第1圧電素子が配置され、第2橋梁部530の上部電極層530Dが形成された領域に第2圧電素子が配置されている。
ここで、長手方向軸L1に沿って配置された第1圧電素子は、鏡体部550をY軸方向に傾斜させる機能を果たし、長手方向軸L2に沿って配置された第2圧電素子は、鏡体部550をX軸方向に傾斜させる機能を果たす。かくして、第1系統アーム部のみによって、反射層550Dが形成された鏡体部550を、2軸方向に傾斜させることができる。
一方、第2系統アーム部に関しては、固定部として機能する第3枠部513はX軸に平行な長手方向軸L3に沿って伸び、第3橋梁部560はY軸に平行な長手方向軸L4に沿って伸び、第4橋梁部570はX軸に平行な長手方向軸L5に沿って伸びている。そして、第3橋梁部560の上部電極層560Dが形成された領域に第3圧電素子が配置され、第4橋梁部570の上部電極層570Dが形成された領域に第4圧電素子が配置されている。
ここで、長手方向軸L4に沿って配置された第3圧電素子は、鏡体部550をY軸方向に傾斜させる機能を果たし、長手方向軸L5に沿って配置された第4圧電素子は、鏡体部550をX軸方向に傾斜させる機能を果たす。かくして、第2系統アーム部のみによって、反射層550Dが形成された鏡体部550を、2軸方向に傾斜させることもできる。
図13(b)の側断面図では、図13(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されている。ここで、A層,B層,C層の平面形状は同じであり、いずれも、図13(a)に示す輪郭形状をしているが、D層は、図13(a)にハッチングを施した領域にのみ形成されている。この図13(b)では、図13(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。たとえば、図13(a)の上面図に示されている鏡体部550を構成するA層部分は符号550A、B層部分は符号550B、C層部分は符号550C、D層部分は符号550Dによって示されている。図13(b)の側断面図に示されている基本的な構造の特徴は、図5に示す実施形態に準じたものであるため、ここでは詳しい説明は省略する。
要するに、この図13に示す実施形態に係る可動反射素子500は、反射面を有する鏡体部550と、この鏡体部550を支持するための固定部510と、鏡体部550と固定部510とを接続する第1系統アーム部および第2系統アーム部と、を備えている素子ということができる。
ここで、鏡体部550の重心位置に原点Oを定義して、XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義すると、第1系統アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部520と、この第1橋梁部520に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部530と、を有しており(後述するように、更に別な橋梁部を設けてもかまわない)、第2系統アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第3の長手方向軸L4に沿って伸びた第3橋梁部560と、この第3橋梁部560に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第4の長手方向軸L5に沿って伸びた第4橋梁部570と、を有している(後述するように、更に別な橋梁部を設けてもかまわない)。
これら各橋梁部は、次のような特徴を有している。まず、第1橋梁部520は、可撓性を有する第1橋梁本体部520Aと、この第1橋梁本体部520Aの上面(もしくは下面でもよい)に固着された第1圧電素子(520B,520C,520Dの3層構造体)と、を有し、この第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第1の長手方向軸L1に沿った方向に伸縮する性質を有している。同様に、第2橋梁部530は、可撓性を有する第2橋梁本体部530Aと、この第2橋梁本体部530Aの上面(もしくは下面でもよい)に固着された第2圧電素子(530B,530C,530Dの3層構造体)と、を有し、この第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第2の長手方向軸L2に沿った方向に伸縮する性質を有している。
一方、第3橋梁部560は、可撓性を有する第3橋梁本体部560Aと、この第3橋梁本体部560Aの上面(もしくは下面でもよい)に固着された第3圧電素子(560B,560C,560Dの3層構造体)と、を有し、この第3圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第3の長手方向軸L4に沿った方向に伸縮する性質を有している。同様に、第4橋梁部570は、可撓性を有する第4橋梁本体部570Aと、この第4橋梁本体部570Aの上面(もしくは下面でもよい)に固着された第4圧電素子(570B,570C,570Dの3層構造体)と、を有し、この第4圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第4の長手方向軸L5に沿った方向に伸縮する性質を有している。
このように、図13に示す実施例では、鏡体部550が2系統のアーム部によって支持されており、しかもいずれのアーム部にも、鏡体部550を2軸方向に傾斜させる機能が備わっている。このため、鏡体部550をX軸方向あるいはY軸方向に傾斜させる際に、Z軸方向への変位という付随現象が生じることを抑制することができる。以下にその原理を説明する。
図7A,図7B,図7Cにおいて、鏡体部150をY軸方向に傾斜させるために第1橋梁部120を変形させると、鏡体部150のZ軸方向への変位が伴う理由は、第1橋梁部120の根端部(図の左端)が支持されている状態において、第1橋梁部120の上面が伸縮するので、第1橋梁部120の先端部(図の右端)が下がったり(図7B)、上がったり(図7C)するためである。ところが、図13に示す実施例の場合、2系統のアーム部について、この上下の変位方向が相補的になる。
たとえば、鏡体部550について、Y軸正方向側を下方(Z軸負方向)に傾斜させ、Y軸負方向側を上方(Z軸正方向)に傾斜させる場合、第1橋梁部520については上面が伸びるような応力を作用させ(図7Bのように、鏡体部550の重心GはZ軸負方向に変位する)、第3橋梁部560については上面が縮むような応力を作用させればよい(図7Cのように、鏡体部550の重心GはZ軸正方向に変位する)。そうすれば、第1橋梁部520および第3橋梁部560は、いずれも鏡体部550を同一方向に傾斜させる点においては協調作用を行うが、鏡体部550の重心をZ軸方向に変位させる点においては逆の作用を行うことになる。
同様に、図8A,図8B,図8Cにおいて、鏡体部150をX軸方向に傾斜させるために第2橋梁部130を変形させると、鏡体部150のZ軸方向への変位が伴う理由は、第2橋梁部130の根端部(図の右端)が支持されている状態において、第2橋梁部130の上面が伸縮するので、第2橋梁部130の先端部(図の左端)が下がったり(図8B)、上がったり(図8C)するためである。ところが、図13に示す実施例の場合、2系統のアーム部について、この上下の変位方向が相補的になる。
たとえば、鏡体部550について、X軸正方向側を上方(Z軸正方向)に傾斜させ、X軸負方向側を下方(Z軸負方向)に傾斜させる場合、第2橋梁部530については上面が伸びるような応力を作用させ(図8Bのように、鏡体部550の重心GはZ軸負方向に変位する)、第4橋梁部570については上面が縮むような応力を作用させればよい(図8Cのように、鏡体部550の重心GはZ軸正方向に変位する)。そうすれば、第2橋梁部530および第4橋梁部570は、いずれも鏡体部550を同一方向に傾斜させる点においては協調作用を行うが、鏡体部550の重心をZ軸方向に変位させる点においては逆の作用を行うことになる。
特に、図13に示す可動反射素子500は、平面構造が原点Oに関して点対称となっており、Z軸を中心として180°回転させても完全に重なり合う構造をしている。このため、鏡体部550の重心のZ軸方向への変位という付随現象に関しては、第1系統アーム部と第2系統アーム部とが完全に相補的な作用を行うことができ、所定の不動点の位置を固定にした状態で、反射面の傾斜角度だけを変化させることが可能になる。
もちろん、平面構造が完全な点対称になっていなくても、2系統のアーム部によって鏡体部550を支持する構造を採用すれば、鏡体部550のZ軸方向への変位という付随現象を抑制する効果は得られるので、必ずしも点対称の構造を採用する必要はない。
また、図13に示す実施例では、第1系統アーム部および第2系統アーム部が、それぞれ2本ずつの橋梁部を備えているが、§2−3で述べた変形例のように3組以上の橋梁部を有するアーム部を2系統設けるようにすることも可能である。したがって、この§2−4で述べる2系統のアーム部を用いる実施形態に係る可動反射素子を、一般論として述べると、次のようになる。
すなわち、この可動反射素子は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続する第1系統アーム部および第2系統アーム部と、を備えており、鏡体部550の重心位置に原点Oを定義して、XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義すると、各系統のアーム部は、次のような特徴を有している。
まず、第1系統アーム部は、複数n本(但し、n≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、これらn本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第1グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第2グループの橋梁部である。また、第2系統アーム部は、複数m本(但し、m≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、これらm本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第3グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第4グループの橋梁部である。
しかも、第1グループの橋梁部は、可撓性を有する第1グループの橋梁本体部と、この第1グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1グループの圧電素子と、を有し、第1グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有している。また、第2グループの橋梁部は、可撓性を有する第2グループの橋梁本体部と、この第2グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2グループの圧電素子と、を有し、第2グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有している。
一方、第3グループの橋梁部は、可撓性を有する第3グループの橋梁本体部と、この第3グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第3グループの圧電素子と、を有し、第3グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有している。また、第4グループの橋梁部は、可撓性を有する第4グループの橋梁本体部と、この第4グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第4グループの圧電素子と、を有し、第4グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有している。
より好ましくは、次のような構成を採用するとよい。まず、第1系統アーム部は、第1番目の第1系統橋梁部から第n番目の第1系統橋梁部までの複数n本の第1系統橋梁部を有し、第1番目の第1系統橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第n番目の第1系統橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第i番目(但し、1≦i≦n−1)の第1系統橋梁部の先端部は第(i+1)番目の第1系統橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続されるようにする。
そして、奇数番目の第1系統橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第1系統橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の第1系統橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第1系統橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成されているようにする。
一方、第2系統アーム部は、第1番目の第2系統橋梁部から第m番目の第2系統橋梁部までの複数m本の第2系統橋梁部を有し、第1番目の第2系統橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第m番目の第2系統橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第j番目(但し、1≦j≦m−1)の第2系統橋梁部の先端部は第(j+1)番目の第2系統橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続されるようにする。
そして、奇数番目の第2系統橋梁部によって第3グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第2系統橋梁部によって第4グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の第2系統橋梁部によって第4グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第2系統橋梁部によって第3グループの橋梁部が構成されているようにする。
特に、第1系統アーム部と第2系統アーム部とによって、鏡体部550のZ軸方向の変位に関して効率的な相補作用を行うことができるようにするには、上記構成において、n=mに設定し、第1系統アーム部のXY平面への正射影投影像と第2系統アーム部のXY平面への正射影投影像とが、原点Oに関して点対称となるような構造を採用すればよい。
<2−5 各層の構造バリエーション>
これまで述べてきた実施形態の基本構造は、図6Aに示すとおり、A層,B層,C層,D層の4層からなる。ここで、A層は橋梁本体部として機能する層、B層は下部電極層として機能する層、C層は圧電材料層として機能する層、D層は上部電極層および反射層として機能する層であり、A層,B層,C層は同じ平面パターンを有する層であるが、D層は、圧電素子の配置に必要な領域および反射面の形成に必要な領域に形成される層ということになる。
このような4層構造を採用しているのは、B層,C層,D層の3層構造体によって圧電素子を構成するためである。すなわち、これまで述べてきた実施形態の場合、各圧電素子は、下部電極層B、圧電材料層C、上部電極層Dの3層構造体によって構成される。ここで、圧電材料層Cは、下部電極層Bおよび上部電極層Dのうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、その逆の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有している。したがって、実際には、下部電極層Bおよび上部電極層Dに対しては、電圧の印加を行うための配線が施される(図示は省略されている)。
A層,B層,C層を同じ平面パターンの層とし、D層だけを異なる平面パターンの層としているのは、製造プロセスを容易にするための便宜である。たとえば、図5の基本的実施形態の場合、図5(b)に示すように、A層,B層,C層は、平面的には同じパターンであるため、パターニング工程は容易になる。また、B層は、複数の圧電素子についての共通の下部電極層として機能することができる。そして、C層の上面の必要な領域(図5(a)にハッチングを施した領域)にのみD層を形成することにより、当該D層を個々の圧電素子用の上部電極層もしくは反射層として利用することになる。
D層は、圧電素子用の上部電極層として利用することもできるし、反射層として利用することもできる。図5(a)に示す例の場合、D層120DおよびD層130Dを圧電素子用の上部電極層として利用し(実際には、電圧を印加するための配線が施される)、D層150Dを反射層として利用している(配線は施されない)。もちろん、反射層は必ずしもD層によって構成する必要はないので、そもそも圧電素子の配置面と同じ面に形成する必要もない。たとえば、これまでの実施例では、圧電素子および反射層を各橋梁部の上面に形成しているが、圧電素子を上面に形成し、反射面を下面に形成してもかまわないし、その逆にしてもかまわない。ただ、製造プロセスを単純化するためには、両者を同じ面に形成するのが好ましい。なお、反射面を下面に形成した場合は、土台基板200に開口部を設ける必要がある。
上述のように、A層,B層,C層を同じ平面パターンによって構成すれば、パターニング工程が容易になり、製造プロセスを単純化することができるので、実用上は、A層,B層,C層の平面パターンを共通化するのが好ましい。ただ、可動反射素子として動作させる原理上は、必ずしもA層,B層,C層の平面パターンを共通化する必要はない。実際、D層が形成されていない領域は、圧電素子としての機能を果たすことができないので、B層およびC層を形成しなくてもかまわない。
図14Aは、このような観点から、D層を形成しない領域については、B層およびC層の形成も行わないようにした変形例の側断面図である。図5(b)に示す基本的実施形態に係る可動反射素子と、図14Aに示す変形例に係る可動反射素子とは、基本的な構造および機能は同一であるが、前者では、B層およびC層が、A層と同一平面パターンになっているのに対して、後者では、B層およびC層が、D層と同一平面パターンになっている点が異なっている。
たとえば、第1橋梁部120に着目すると、図5(b)では、A層120A,B層120B,C層120Cが同一平面パターンの層であり、D層120Dのみが別の平面パターンとなっているのに対して、図14Aでは、B層120B’,C層120C’は、D層120Dと同一の平面パターンになっている。同様に、図14Aの第2の橋梁部130では、B層130B’,C層130C’は、D層130Dと同一の平面パターンになっており、図14Aの鏡体部150では、B層150B’,C層150C’は、D層150Dと同一の平面パターンになっている。また、図14Aでは、枠状構造体110を構成する第2枠部112Aおよび第4枠部114Aの上面には、B層,C層,D層は全く形成されていない。
一方、図14Bは、これまで述べてきた4層構造に、もう1層追加して、全5層構造を採用した変形例の側断面図である。具体的には、A層とB層との間にE層を介挿した構造になっている。たとえば、第1橋梁部120には、E層120Eが追加され、第2橋梁部130には、E層130Eが追加され、鏡体部150には、E層150Eが追加されている。同様に、第2枠部112には、E層112Eが追加され、第4枠部114には、E層114Eが追加されている。
前述したとおり、基本的実施形態に係る可動反射素子の場合、A層はシリコン基板、B層は白金、C層はPZTまたはKNN、D層は金/白金の二層構造層によって構成されているが、図14Bに示す変形例で追加されたE層は、厚み1μmの酸化シリコンによって構成され、絶縁層としての機能を果たすものである。B層,C層,D層の3層構造体は圧電素子を構成するものであるが、この圧電素子とシリコン基板からなるA層(基板層)との間に絶縁層からなるE層を介挿することにより、圧電素子から基板層への電流リークを防ぐことができ、圧電素子をより安定的に動作させることが可能になる。また、E層を介挿すると、その上面に安定したC層を成膜することができるというメリットも得られる。
このように、本発明に係る可動反射素子は、4層構造体として構成することも可能であるし、5層以上の構造体として構成することも可能である。要するに、本発明に係る可動反射素子を複数層からなる構造体として実現する場合は、鏡体部、固定部、アーム部のそれぞれが、基板層Aと、この基板層Aの上方に形成された下部電極層Bと、この下部電極層Bの上方に形成された圧電材料層Cと、を含む3層以上の積層構造体を構成し、更に、少なくとも鏡体部およびアーム部には、圧電材料層Cの上面の一部もしくは全部の領域に形成された上部電極層Dを更に設けるようにすればよい。そうすれば、鏡体部を構成する上部電極層Dの上面によって反射面を形成し、アーム部を構成する基板層Aによって橋梁本体部を形成し、アーム部を構成する下部電極層B、圧電材料層Cおよび上部電極層Dによって圧電素子を形成することができる。
図14Cは、圧電素子部分を2段構造とした変形例の側断面図である。すなわち、基板層Aの上面には、下から上に向かって順に、第1絶縁層E1,第1下部電極層B1,第1圧電材料層C1,第1上部電極層D1,第2絶縁層E2,第2下部電極層B2,第2圧電材料層C2,第2上部電極層D2が積層されている。ここで、第1下部電極層B1,第1圧電材料層C1,第1上部電極層D1は、第1圧電部P1を構成し、第2下部電極層B2,第2圧電材料層C2,第2上部電極層D2は、第2圧電部P2を構成する。
結局、図14Cに示す例の場合、各圧電素子が、第1下部電極層B1、第1圧電材料層C1、第1上部電極層D1の3層構造を有する第1圧電部P1と、第2下部電極層B2、第2圧電材料層C2、第2上部電極層D2の3層構造を有する第2圧電部P2と、を絶縁層E2を介して積層させた構造を有していることになる。もちろん、各圧電材料層C1,C2は、下部電極層および上部電極層のうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、逆の極性の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有している。
このように、各圧電素子の部分を2段構造にすれば、各橋梁本体部の変形をより効率的に行うことができるようになり、鏡体部の傾斜角度範囲を更に広げることが可能になる。
<2−6 各変形例の組み合わせ>
以上、この§2では、§1で述べた基本的実施形態について、様々な変形例を述べたが、これらの変形例は相互に組み合わせて利用することが可能である。たとえば、図13に示す2系統のアーム部を用いる実施形態に、図10に示すような庇構造部を形成し、更に、図14Bに示すようなE層を介挿させるようにしてもかまわない。要するに、§2で述べた複数の変形例は、相互に矛盾が生じない範囲において、自由に組み合わせることが可能である。
<<< §3. 二次元走査装置の実施形態 >>>
これまで、本発明に係る可動反射素子の説明を行ってきたが、§3では、この可動反射素子を利用した二次元走査装置について説明する。
<3−1 プロジェクタへの利用>
§1および§2で述べた可動反射素子は、鏡体部の表面に形成された反射面を2軸の自由度をもって傾斜させることができるため、光ビームや指向性電波を二次元的に走査する二次元走査装置として利用することができる。この二次元走査装置により、光ビームを走査すれば、スクリーンに画像を投影するためのプロジェクタを構成することができ、指向性電波を走査すれば、車載用のレーダ等を構成することができる。
特に、本発明に係る可動反射素子は、前述したとおり、MEMS素子として、小型化および低消費電流化に適しているため、携帯電話、スマートフォン、タブレット型電子端末などの小型機器に組み込んで利用するのに最適であり、これら小型機器にプロジェクタの機能を付加する用途に適している。また、近年の自動車には、レーダーが不可欠の技術になってきており、指向性のある電波を広範囲に照射する必要がある。本発明に係る可動反射素子を利用すれば、小型で広範囲なレーダー照射が可能な車載用装置を実現することも可能である。
ここでは、本発明の産業上の利用形態の一例として、本発明に係る可動反射素子を交流信号で駆動することにより二次元走査装置を構成し、この二次元走査装置をプロジェクタに組み込んだ例を述べるが、もちろん、この二次元走査装置は、上述したような車載用のレーダー装置などにも利用可能である。
図15は、このようなプロジェクタ80の実施形態を示すブロック図である。この実施形態に係るプロジェクタ80は、スクリーン10上に画像を投影する機能を有し、図示のとおり、二次元走査装置20、レーザ光源30、表示制御装置40によって構成されている(レーダー装置の場合は、レーザ光源30の代わりに、指向性電波を発生する電波源を用いることになる)。
二次元走査装置20は、可動反射素子21とコントローラ22とを備えた装置である。ここで、可動反射素子21は、§1および§2で述べた可動反射素子であり、所定の圧電素子に所定極性の電圧を印加することにより、XY平面に平行な反射面Mを有する鏡体部をY軸方向(X軸まわり)およびX軸方向(Y軸まわり)に傾斜させることができる。コントローラ22は、この可動反射素子21の圧電素子に交流駆動信号を供給することにより、可動反射素子21の鏡体部をX軸まわりおよびY軸まわりに揺動させる機能を果たす。
可動反射素子21は、これまで述べたとおり、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部およびY軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部を有している。コントローラ22は、これら2種類の橋梁部のうち、いずれか一方の橋梁部の圧電素子に対して第1の周期H1をもった第1の駆動信号を供給し、他方の橋梁部の圧電素子に対して第2の周期H2をもった第2の駆動信号を供給する機能を有する。
レーザ光源30は、レーザビームを発生させ、これを二次元走査装置20内の可動反射素子21の反射面Mに照射する。反射面Mで反射したレーザビームは、スクリーン10上の所定位置にスポットSを形成する。したがって、可動反射素子21の反射面Mを二次元方向に傾斜させると、スクリーン10上に形成されるスポットSの位置を二次元方向に走査することができる。
表示制御装置40は、外部から与えられる画像データに基づいて、スクリーン10上に所定の画像を表示するための表示制御を行う。具体的には、表示制御装置40は、表示対象となる画像についての画像データに基づく変調信号をレーザ光源30に与えるとともに、二次元走査装置20内のコントローラ22に対して制御信号を与える。
レーザ光源30は、表示制御装置40から与えられる変調信号に基づいて、強度もしくは波長またはその双方を変調したレーザビームを発生させ、これを二次元走査装置20内の可動反射素子21の鏡体部の反射面Mに照射する。表示対象となる画像がモノクロ画像である場合は、レーザ光源30は単色のレーザビームを発生させ、その強度を変調すればよい。表示対象となる画像がカラー画像である場合は、たとえば、レーザ光源30として、3原色RGBのレーザビームを発生させる複合光源を採用し、個々の原色ごとに独立して強度変調を行えばよい。
一方、二次元走査装置20は、表示制御装置40から与えられる制御信号に基づいて、可動反射素子21の鏡体部(反射面M)で反射したレーザビームによりスクリーン10上に形成されるスポットSがスクリーン10上を二次元的に移動するように鏡体部を揺動させる。
図15に示す実施形態の場合、表示制御装置40から二次元走査装置20に与える制御信号は、可動反射素子21の鏡体部の揺動動作のON/OFFを示すとともに、揺動動作のタイミングを示す信号になっている。表示制御装置40は、レーザ光源30に与える変調信号のタイミングに同期した制御信号を二次元走査装置20に与える。その結果、スクリーン10上のスポットSの位置と、当該スポットを形成するレーザビームの変調内容とが同期し、スクリーン10上に画像データに応じた画像が表示されることになる。
続いて、二次元走査装置20によるビーム走査の実体を、具体的な実施例に即して説明する。ここでは、便宜上、二次元走査装置20に組み込む可動反射素子21として、図5の基本的実施形態に係る可動反射素子100を用いた場合を例にとって、以下の説明を行うことにする。図16Aは、図15に示すプロジェクタ80において、コントローラ22が可動反射素子21に供給する駆動信号Dx,Dyの一例を示す波形図であり、図16Bは、このような駆動信号Dx,Dyを可動反射素子21に供給した場合に得られる、スクリーン10上のビーム走査態様を示す平面図である。
図16Aの上段には、第1の駆動信号Dxとして第1の周期H1をもった鋸歯状波が示されており、図16Aの下段には、第2の駆動信号Dyとして第2の周期H2をもった階段状波が示されている。なお、ここでは、説明の便宜上、H2=6・H1に設定した例が示されているが、実用上は、この比はもっと大きな値に設定される。
図示のとおり、第1の駆動信号Dxは、時間軸tに沿った時刻t0~t1の第1周期において、電圧値−Vx~+Vxまで上昇した後、時刻t1において電圧値−Vxまで降下し、続く時刻t1~t2の第2周期において、電圧値−Vx~+Vxまで上昇した後、時刻t2において電圧値−Vxまで降下する、という動作を繰り返す鋸歯状波である。このような第1の駆動信号Dxを、図5に示す可動反射素子100の第2橋梁部130の圧電素子に与えると、鏡体部150はX軸方向(Y軸まわり)に揺動する。
一方、第2の駆動信号Dyは、時間軸tに沿った時刻t0~t6の周期において、周期H1に対応する単位時間ステップで、電圧値−Vy~+Vyまで階段上に上昇してゆくという動作を、周期H2で繰り返す階段状波である。このような第2の駆動信号Dyを、図5に示す可動反射素子100の第1橋梁部120の圧電素子に与えると、鏡体部150はY軸方向(X軸まわり)に揺動する。
実際には、可動反射素子100の下部電極層Bを接地電位に固定した状態において、上部電極層130Dに第1の駆動信号Dxを供給し、上部電極層120Dに第2の駆動信号Dyを供給する駆動動作を行えばよい。図16Bは、このような駆動動作を行った場合にスクリーン10上に得られるスポットSの走査軌跡を示している。ここで、スクリーン10の横方向は、図5に示す可動反射素子100のX軸方向に対応し、スクリーン10の縦方向は、図5に示す可動反射素子100のY軸方向に対応する。
図示のとおり、スポットSの位置は、実線で示すように、スクリーン10の左上隅の走査点Q1から水平に右へと移動して走査点Q2に到達し、その後、破線で示すように、直ちに走査点Q3の位置へとジャンプする。このような走査を繰り返すことにより、スポットSは、スクリーン10上をジグザグに移動してゆき、やがて右下隅の走査点Q12まで到達する。このような走査は、一般的に利用されているラスター方式の走査であり、走査点Q1~Q12までの走査によって、1フレーム分の画像表示が行われることになる。
続いて、走査点Q12から走査点Q1までジャンプし、再び、走査点Q1~Q12へ至るジグザグ走査が行われる。すなわち、画像の次のフレームの表示が行われることになる。ここで、実線で示す水平方向の走査周期が、図16Aに示す周期H1に対応し、走査点Q1~Q12までの走査周期が、図16Aに示す周期H2に対応する。このようなラスター方式の走査を行う場合、表示制御装置40は、画像データを構成する個々の画素のデータを、その配列順に従って順に抽出し、各駆動信号Dx,Dyの周期H1,H2に同期したタイミングで変調信号としてレーザ光源30に与えればよい。
なお、実際には、コントローラ22から可動反射素子21に対して、図16Aに示すような駆動信号Dx,Dyを供給したとしても、可動反射素子21の圧電素子に伸縮が生じて鏡体部が傾斜を生じるまでには、機械的な遅れが生じるため、駆動信号Dx,Dyの位相に対して、スクリーン10上に得られるスポットSの走査運動の位相は遅れを生じることになる。したがって、駆動信号の波形上は、図16Bの走査点Q1,Q3,Q5,Q7,Q9,Q11は、それぞれ図16Aの時間軸t上の時刻t0,t1,t2,t3,t4,t5に対応する点になるが、実時間において、スポットSが走査点Q1,Q3,Q5,Q7,Q9,Q11に到達する時刻は、それぞれ時刻t0,t1,t2,t3,t4,t5よりも遅れた時刻になる。
一方、図17Aには、別な走査方式でスポットSを走査するために用いる駆動信号Dx,Dyの波形図が示されている。図17Bは、このような駆動信号Dx,Dyを可動反射素子21に供給した場合に得られる、スクリーン10上のビーム走査態様を示す平面図である。図示のとおり、この走査方式では、第1の駆動信号Dxとして第1の周期H1をもった正弦波を用い、第2の駆動信号Dyとして第2の周期H2をもった正弦波を用いることになる。
図示のとおり、第1の駆動信号Dxは、電圧値−Vx~+Vxをとる周期H1の正弦波であり、このような第1の駆動信号Dxを、図5に示す可動反射素子100の第2橋梁部130の圧電素子に与えると、鏡体部150はX軸方向(Y軸まわり)に揺動し、スクリーン10上のスポットSはX軸方向に周期H1で単振動する。また、第2の駆動信号Dyは、電圧値−Vy~+Vyをとる周期H2の正弦波であり、このような第2の駆動信号Dyを、図5に示す可動反射素子100の第1橋梁部120の圧電素子に与えると、鏡体部150はY軸方向(X軸まわり)に揺動し、スクリーン10上のスポットSはY軸方向に周期H2で単振動する。
実際には、可動反射素子100の下部電極層Bを接地電位に固定した状態において、上部電極層130Dに第1の駆動信号Dxを供給し、上部電極層120Dに第2の駆動信号Dyを供給する駆動動作を行えばよい。図17Bは、このような駆動動作を行った場合にスクリーン10上に得られるスポットSの走査軌跡を示している。ここでも、スクリーン10の横方向は、図5に示す可動反射素子100のX軸方向に対応し、スクリーン10の縦方向は、図5に示す可動反射素子100のY軸方向に対応する。
図示のとおり、スポットSの位置は、実線で示す8の字状の滑らかな線に沿って移動する。この移動軌跡は一筆書きの循環経路になっており、走査点Q1を起点として、Q1→Q2→Q3→...→Q19→Q1という経路に沿って循環する。ここで、走査点Q1は時刻t0に対応し、走査点Q5(往路)は時刻t1に対応し、走査点Q9(往路)は時刻t2に対応し、走査点Q13は時刻t3に対応し、走査点Q9(復路)は時刻t4に対応し、走査点Q5(復路)は時刻t5に対応し、走査点Q1(復路)は時刻t6に対応する。以下、このような走査方式を「8の字状走査方式」と呼ぶことにする。
なお、上述したとおり、実際には、コントローラ22から可動反射素子21に対して、図17Aに示すような駆動信号Dx,Dyを供給したとしても、可動反射素子21の圧電素子に伸縮が生じて鏡体部が傾斜を生じるまでには、機械的な遅れが生じるため、駆動信号Dx,Dyの位相に対して、スクリーン10上に得られるスポットSの走査運動の位相は遅れを生じることになる。したがって、駆動信号の波形上は、図17Bの各走査点Q1,Q5,Q9,Q13,...が、それぞれ図17Bの時間軸t上の時刻t0,t1,t2,t3,...に対応する点になるが、実時間において、スポットSが走査点Q1,Q5,Q9,Q13,...に到達する時刻は、それぞれ時刻t0,t1,t2,t3,...よりも遅れた時刻になる。
この「8の字状走査方式」は、一般的に利用されているラスター方式の走査とは異なり、スポットSの移動経路が、一般的な画像を構成する画素配列(縦横の二次元マトリックス状の配列)に沿った経路にはならない。したがって、図15に示すプロジェクタ80において、この「8の字状走査方式」を採用する場合は、表示制御装置40がスクリーン10上のスポットSの位置を予測し、画像データの中から当該予測位置の画素に対応するデータを抽出して、レーザ光源30に対して当該抽出データを与える処理を行う必要がある。
もっとも、この二次元走査装置をプロジェクタではなく、たとえば、液晶表示素子用の単なるバックライト照明として利用するのであれば、画像データは必要なく、レーザ光源30による変調処理は不要である。したがって、このようなバックライト照明という用途の場合は、ラスター方式の走査を採用するよりも、滑らかな走査軌跡が得られる「8の字状走査方式」を採用する方が好ましい。
なお、反射面MをX軸方向およびY軸方向に傾斜させる際に、鏡体部の重心がZ軸方向の変動を生じると、当該変動量は傾斜角に応じて変わるため、スクリーン10上でのスポットSの位置制御が複雑になる。したがって、鏡体部の重心のZ軸方向の変動を抑制したい場合には、図13に示すような2系統のアーム部を用いた可動反射素子500を用いるようにすればよい。この場合、コントローラ22は、第1系統アーム部に供給する駆動信号Dx,Dyに対して逆位相となる駆動信号Dx’,Dy’を第2系統アーム部に供給する処理を行えばよい。
<3−2 共振周波数の調整>
本発明に係る二次元走査装置をプロジェクタ等に利用する場合、当然ながら、可動反射素子の反射面Mの傾斜角はできるだけ大きな範囲に設定できた方が好ましい。反射面Mの傾斜角を大きくするには、鏡体部の揺動運動の振幅を大きくする必要があるため、圧電素子に供給する電圧を大きくする必要がある。ただ、同じ電圧の交流信号を供給した場合でも、鏡体部の揺動運動の振幅は、その周波数によって異なってくる。これは、一般に、振動系におけるエネルギー効率は、当該振動系に固有の共振周波数で振動させた場合に最も高まるためである。
たとえば、図5に示すような構造を有する可動反射素子100の鏡体部150の共振周波数fは、各部の材質やアーム部の寸法や形状によって一義的に定まる物理的な固有値になり、この共振周波数fで鏡体部150を振動させると、最もエネルギー効率が良好になる。別言すれば、同じ振幅を得るために必要な供給電圧は、共振周波数fで振動させた場合に最も低くなる。
本願発明者が作成した試作品では、鏡体部150を共振周波数fで振動させる場合には、圧電素子に20Vの交流駆動信号を供給すれば十分であったのに対して、特定の非共振周波数で振動させる場合には、500~1000Vの交流駆動信号が必要になるケースもあった。可動反射素子100をMEMS素子などの微細な半導体素子として形成した場合、このような高い電圧で駆動させると絶縁破壊などが生じる可能性がある。
このような観点から、実用上は、本発明に係る可動反射素子では、鏡体部を共振周波数fで振動させる運用を行うのが好ましい。逆言すれば、用途が予め定まっているのであれば、当該用途に適した振動周波数が共振周波数fに一致するように、可動反射素子の機械的構造部の設計を行うようにするのが好ましい。
たとえば、本発明に係る可動反射素子21を、図15に示すようなプロジェクタ80に用いる場合を考えてみよう。このプロジェクタ80では、前述したとおり、コントローラ22から可動反射素子21に対して、たとえば、図16Aに示すような交流駆動信号Dx,Dyが供給され、スクリーン10上で図16Bに示すようなビームスポットSの走査が行われることになる。
ここでは、このプロジェクタ80において、たとえば、X軸方向への駆動信号Dxの周波数fxをfx=10kHz(周期H1=1/10000秒)に設定し、Y軸方向への駆動信号Dyの周波数fyをfy=100Hz(周期H1=1/100秒)に設定することになっていたものとしよう。このような駆動信号の設定は、図16Aにおける走査点Q1~Q2までの水平走査時間を1/10000秒とし、1画面を100本の水平走査線によって構成し、図16Bにおける走査点Q1~Q12までの垂直走査時間を1/100秒とする設定に対応する。
このように、可動反射素子の用途として、X軸方向に関しては周波数fx=10kHzで振動させ、Y軸方向に関しては周波数fy=100Hzで振動させる用途に利用することが予め定まっているのであれば、当該可動反射素子を設計する段階から、これらの周波数fx,fyが共振周波数となるような配慮を行うのが好ましい。そのような設計を行った可動反射素子を当該プロジェクタ80に組み込めば、鏡体部は、その固有の共振周波数で振動させられることになるので、極めて効率の良い動作が可能になる。
上例のように、プロジェクタに組み込んで用いる用途の場合、通常、水平走査時間と垂直走査時間との間に大きな差が生じることになるので、可動反射素子に要求されるX軸方向に関する共振周波数fxとY軸方向に関する共振周波数fyとの間にも大きな差が生じる。実際、上例の場合、fx=10kHzに対して、fy=100Hzであり、両者には100倍もの差が生じている。したがって、このようなプロジェクタ用の可動反射素子では、鏡体部のX軸方向に関する共振周波数fxとY軸方向に関する共振周波数fyとが異なるような設定が必要になる。
一般に、ある振動系の共振周波数fは複数通り存在し、低い方から順に、第1次共振周波数、第2次共振周波数、...のように称呼されている。したがって、X軸方向に関する共振周波数がfxであり、Y軸方向に関する共振周波数がfyであるような可動反射素子を設計する際には、X軸方向に関する特定の次数の共振周波数がfxとなり、Y軸方向に関する特定の次数の共振周波数がfyとなるような設計を行えばよい。
なお、X軸方向に関する任意の次数の共振周波数がY軸方向に関する任意の次数の共振周波数と一致してしまうと、X軸方向の振動とY軸方向の振動との間に不都合な干渉が生じる可能性がある。したがって、実用上は、X軸方向に関する各次数の共振周波数が、Y軸方向に関するいずれの次数の共振周波数にも一致しないような設計を行うのが好ましい。
共振周波数fxとfyとが異なるようにするための設計には、様々な形態が考えられるが、本願発明者が最も実用的であると考える形態は、各橋梁部の幅もしくは厚みによって調整する方法である。以下、図5に示す基本的実施形態に係る構造を基本として、共振周波数fxとfyとが異なるようにするための具体的な方法を説明する。
図18(a)は、各橋梁部の幅を調整する実施形態に係る可動反射素子600の上面図であり、図18(b)は、この可動反射素子600をX軸に沿って切断した側断面図である。この可動反射素子600もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しているが、図18では、D層の図示は省略されている。
図18(a)に示すとおり、この可動反射素子600は、四角形をした枠状構造体610、第1橋梁部620、第2橋梁部630、鏡体接続部640、鏡体部650を有している。枠状構造体610は、鏡体部650を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部611,第2枠部612,第3枠部613,第4枠部614によって構成されている。また、図18(b)の側断面図には、図18(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されており、図18(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。この可動反射素子600の基本形態は、図5に示す可動反射素子100と同様であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
図18に示す可動反射素子600の特徴は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた第1橋梁部620の幅をW1、X軸に平行な軸に沿って伸びた第2橋梁部630の幅をW2とした場合に、幅W1と幅W2とが異なる値に設定されている点である。具体的には、図示の例の場合、第1橋梁部620の幅W1は第2橋梁部630の幅W2に比べて狭くなっている。
このように、W1<W2なる設定を行うと、鏡体部650のX軸方向に関する第k次共振周波数fx(k)とY軸方向に関する第k次共振周波数fy(k)との関係を、fx(k)>fy(k)とすることができる。したがって、上例のように、X軸方向に関する共振周波数が10kHzとなり、Y軸方向に関する共振周波数が100Hzとなるような構造体を実現しやすくなる。実際には、k=1として、鏡体部650のX軸方向に関する1次共振周波数fx(1)とY軸方向に関する1次共振周波数fy(1)との関係を、fx(1)>fy(1)とすれば十分である。
Y軸に平行な軸に沿って伸びる複数n本の橋梁部と、X軸に平行な軸に沿って伸びる複数m本の橋梁部と、を有する実施形態についても同様であり、一般に、Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅をX軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅よりも狭くすると、鏡体部のX軸方向の共振周波数をY軸方向の共振周波数よりも高くする効果が得られる。もちろん、上例とは逆に、Y軸方向の共振周波数をX軸方向の共振周波数よりも高く設定する場合は、W2<W1なる設定を行えばよい。
一方、図19(a)は、各橋梁部の厚みを調整する実施形態に係る可動反射素子700の上面図であり、図19(b)は、この可動反射素子700をX軸に沿って切断した側断面図である。この可動反射素子700もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しているが、図18では、D層の図示は省略されている。なお、図19(a)に施したハッチングは、厚みが同一の領域を示すためのものであり、断面を示すためのものではない。
図19(a)に示すとおり、この可動反射素子700は、四角形をした枠状構造体710、第1橋梁部720、第2橋梁部730、鏡体接続部740、鏡体部750を有している。枠状構造体710は、鏡体部750を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部711,第2枠部712,第3枠部713,第4枠部714によって構成されている。また、図19(b)の側断面図には、図19(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されており、図19(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。この可動反射素子700の基本形態は、図5に示す可動反射素子100と同様であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
図19に示す可動反射素子700の特徴は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた第1橋梁部720の厚みをT1、X軸に平行な軸に沿って伸びた第2橋梁部730の厚みをT2とした場合に、厚みT1と厚みT2とが異なる値に設定されている点である。具体的には、図示の例の場合、第1橋梁部720の厚みT1は第2橋梁部730の厚みT2に比べて小さくなっている。なお、枠状構造体710の厚みT3は、鏡体部750の厚みT2より更に大きくなっているが、これは、鏡体部750を枠状構造体710の内部に宙吊りとなるように支持するためである。
図19(a)では、便宜上、厚みT1を有する領域(第1橋梁部720の部分)には横縞のハッチングを施し、厚みT2を有する領域(第2橋梁部730,鏡体接続部740,鏡体部750の部分)には縦縞のハッチングを施し、厚みT3を有する領域(枠状構造体710の部分)にはチェック模様のハッチングを施してある。また、各部分の符号の下には、厚みT1,T2,T3の別を括弧書きで付記してある。
図示の例のように、厚みT1,T2に関して、T1<T2なる設定を行うと、鏡体部750のX軸方向に関する第k次共振周波数fx(k)とY軸方向に関する第k次共振周波数fy(k)との関係を、fx(k)>fy(k)とすることができる。したがって、上例のように、X軸方向に関する共振周波数が10kHzとなり、Y軸方向に関する共振周波数が100Hzとなるような構造体を実現しやすくなる。実際には、k=1として、鏡体部750のX軸方向に関する1次共振周波数fx(1)とY軸方向に関する1次共振周波数fy(1)との関係を、fx(1)>fy(1)とすれば十分である。
Y軸に平行な軸に沿って伸びる複数n本の橋梁部と、X軸に平行な軸に沿って伸びる複数m本の橋梁部と、を有する実施形態についても同様であり、一般に、Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の厚みをX軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の厚みよりも小さくすると、鏡体部のX軸方向の共振周波数をY軸方向の共振周波数よりも高くする効果が得られる。もちろん、上例とは逆に、Y軸方向の共振周波数をX軸方向の共振周波数よりも高く設定する場合は、T2<T1なる設定を行えばよい。
以上、共振周波数fxとfyとが異なるようにする調整方法として、各橋梁部の幅を調整する方法(図18)と各橋梁部の厚みを調整する方法(図19)とを述べたが、もちろん、これらの方法を組み合わせて調整を行うことも可能である。実際の設計にあたっては、三次元設計データに基づくシミュレーションによって、各座標軸方向の共振周波数を求め、試行錯誤による設計変更を繰り返して、所望の共振周波数をもつ構造体を決定する作業を行えばよい。
<3−3 フィードバック制御>
上述したように、図15に示すプロジェクタ80を構成するコントローラ22は、可動反射素子21の反射面MをX軸方向およびY軸方向に振動させる駆動機能を有しているが、実用上は、このような駆動を適切に行うために、コントローラ22にフィードバック制御機能をもたせておくのが好ましい。図20は、このようなフィードバック制御機能を備えたプロジェクタの実施形態を示す上面図(上段)およびブロック図(下段)である。なお、上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない。
図示のとおり、二次元走査装置20は、可動反射素子21とコントローラ22とによって構成されているが、この実施形態に用いる可動反射素子21には、振動を検出する検出機能が備わっている。図20の上段に示す可動反射素子21は、基本的には、図5に示す可動反射素子100と同様の構造を有しているものの、上部電極層(D層)のパターンが若干異なっている。すなわち、第1橋梁部120には、2組の別個独立した上部電極層120D1,120D2が形成され、第2橋梁部130には、2組の別個独立した上部電極層130D1,130D2が形成されている。なお、鏡体部150に形成されている反射層150D(図15の反射層M)に変わりはない。
結局、図20に示す可動反射素子21には、第1橋梁部120に2組の圧電素子が形成され、第2橋梁部130にも2組の圧電素子が形成され、合計4組の圧電素子が設けられていることになる。これら4組の圧電素子のうちの一部は駆動用圧電素子として機能し、別な一部は検出用圧電素子として機能する。具体的には、図示の例の場合、上部電極層120D1および130D1の領域に形成される圧電素子は駆動用圧電素子として機能し、上部電極層120D2および130D2の領域に形成される圧電素子は検出用圧電素子として機能する。
もっとも、4組の圧電素子の基本的な層構成は同一であり、その物理的な構成や基本機能に差があるわけではない。ここで、各圧電素子を「駆動用圧電素子」や「検出用圧電素子」と呼んで区別しているのは、専らコントローラ22側から見たときの利用目的を区別するための便宜である。図示の例の場合、各圧電素子の下部電極層(B層)は接地電位に固定されており、各上部電極層120D1,120D2,130D1,130D2は、図示のとおり、コントローラ22の内部に設けられたX軸方向振動制御部221もしくはY軸方向振動制御部222に接続されている。
ここで、X軸方向振動制御部221から上部電極層130D1に対しては、X軸方向駆動信号Dxが与えられ、Y軸方向振動制御部222から上部電極層120D1に対しては、Y軸方向駆動信号Dyが与えられる。これら駆動信号Dx,Dyは、たとえば、図16Aもしくは図17Aに例示するような交流駆動信号である。一方、上部電極層130D2の電圧を示す信号は、X軸方向検出信号SxとしてX軸方向振動制御部221にフィードバックされ、上部電極層120D2の電圧を示す信号は、Y軸方向検出信号SyとしてY軸方向振動制御部222にフィードバックされる。
X軸方向振動制御部221は、このX軸方向検出信号Sxをフィードバック信号として参照してX軸方向駆動信号Dxを生成するフィードバック制御を行い、Y軸方向振動制御部222は、このY軸方向検出信号Syをフィードバック信号として参照してY軸方向駆動信号Dyを生成するフィードバック制御を行う。
図6A,図6B,図6Cに示すとおり、ここで用いられている圧電素子を構成する圧電材料層(C層)は、上部電極層(D層)と下部電極層(B層)との間に所定極性の電圧を印加すると、層方向に伸縮する性質をもった層である。このように、圧電素子を駆動素子として捉えた場合は、電圧の印加により機械的な変形(応力)を生じる素子ということになるが、逆に、この圧電素子を検出素子として捉えると、生じた機械的な変形(応力)を電気信号として検出する素子ということもできる。
具体的には、図6Aに示す圧電素子には、外力の作用によって図6Bに示すような変形が生じると、上部電極層(D層)側に正電荷、下部電極層(B層)側に負電荷が生じる分極作用があり、外力の作用によって図6Cに示すような変形が生じると、上部電極層(D層)側に負電荷、下部電極層(B層)側に正電荷が生じる分極作用がある。上述したX軸方向検出信号Sxは、第2橋梁部130の変形に起因して、上部電極層130D2に発生した電荷を示す信号であり、図6B,図6Cに示すような変形状態における第2橋梁部130の上面の伸縮程度を示している。同様に、上述したY軸方向検出信号Syは、第1橋梁部120の変形に起因して、上部電極層120D2に発生した電荷を示す信号であり、図6B,図6Cに示すような変形状態における第1橋梁部120の上面の伸縮程度を示している。
X軸方向駆動信号DxおよびY軸方向駆動信号Dyとして、交流駆動信号を供給すると、各橋梁部に形成された駆動用圧電素子は所定周期で伸縮運動を繰り返すことになるが、その結果、各橋梁部に形成された検出用圧電素子にも所定周期で伸縮運動が生じることになる。フィードバック信号としてコントローラ22に戻されるX軸方向検出信号SxおよびY軸方向検出信号Syは、このような各橋梁部の周期的な伸縮運動を示す信号ということになり、反射層150DのX軸方向およびY軸方向の振動を示す信号ということになる。
前述したとおり、レーザ光源30から照射されたレーザビームは、反射層150Dで反射して、スクリーン10上の所定位置にスポットSを形成することになる。したがって、X軸方向検出信号Sxは、こうして形成されるスポットSのX軸方向の位置を示す信号に相当し、Y軸方向検出信号Syは、こうして形成されるスポットSのY軸方向の位置を示す信号に相当する。結局、X軸方向振動制御部221は、スクリーン10上のスポットSのX軸方向の位置を示す信号Sxに基づいて、レーザビームをスクリーン10上でX軸方向に走査するためのX軸方向駆動信号Dxを生成するフィードバック制御を行うことができる。同様に、Y軸方向振動制御部222は、スクリーン10上のスポットSのY軸方向の位置を示す信号Syに基づいて、レーザビームをスクリーン10上でY軸方向に走査するためのY軸方向駆動信号Dyを生成するフィードバック制御を行うことができる。
以上、図20の上段に示す可動反射素子21についてフィードバック制御を行う実施例を述べたが、一般論として説明すれば、可動反射素子の1つもしくは複数の橋梁部にそれぞれ複数の圧電素子を設けるようにし、この複数の圧電素子の一部を駆動用圧電素子として機能させ、別な一部は検出用圧電素子として機能させるようにすればよい。ここで、駆動用圧電素子は、コントローラ22から供給される交流駆動信号に基づいて鏡体部を揺動させる機能を果たし、検出用圧電素子は、鏡体部の揺動に起因して発生した電荷を示す検出信号をコントローラ22にフィードバックする機能を果たす。そうすれば、コントローラ22は、この検出信号に基づいて交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことができる。
より具体的には、コントローラ22には、X軸方向振動制御部221とY軸方向振動制御部222とを設けておくようにする。ここで、X軸方向振動制御部221は、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部に設けられた検出用圧電素子からフィードバックされるX軸方向検出信号Sxに基づいて、当該橋梁部に設けられた駆動用圧電素子に供給するX軸方向駆動信号Dxを生成すればよい。また、Y軸方向振動制御部は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部に設けられた検出用圧電素子からフィードバックされるY軸方向検出信号Syに基づいて、当該橋梁部に設けられた駆動用圧電素子に供給するY軸方向駆動信号Dyを生成すればよい。
このように、コントローラ22にフィードバック制御機能を設けておけば、鏡体部の揺動運動が適切に行われているか否かを監視しながら、適切な揺動運動から外れる場合には、これを自動的に修正する制御が可能になる。
図20に示す表示制御装置40は、外部から与えられる画像データに基づいて、スクリーン10上に画像を表示させる処理を行う装置であり、レーザ光源30に対して所定のタイミングで画像データ(個々の画素の画素値を示すデータ)に基づく変調信号を提供するとともに、X軸方向振動制御部221に対してX軸方向走査制御信号Cxを与え、Y軸方向振動制御部222に対してY軸方向走査制御信号Cyを与える機能を有する。
ここに示す例の場合、X軸方向走査制御信号Cxには、X軸方向に関する所定振幅Gxを示す情報および所定周波数φxを示す情報が含まれており、Y軸方向走査制御信号Cyには、Y軸方向に関する所定振幅Gyを示す情報および所定周波数φyを示す情報が含まれている。表示制御装置40は、これら走査制御信号Cx,Cyを用いて、鏡体部の揺動運動の振幅および周波数を所望の値に設定することができる。振幅Gx,Gyを大きな値に設定すればするほど、スクリーン10上には大きな画像が表示されることになり、周波数φx,φyを大きな値に設定すればするほど、スクリーン10上には早いフレームレートで画像表示を行うことができる。
なお、前述したとおり、実用上は、効率的な振動が可能になるように、X軸方向に関する所定周波数φxとしては、可動反射素子21に固有のX軸方向共振周波数fxを設定し、Y軸方向に関する所定周波数φyとしては、可動反射素子に固有のY軸方向共振周波数fyを設定するのが好ましい。
X軸方向振動制御部221は、フィードバックされてきたX軸方向検出信号Sxの振幅および周波数が、X軸方向走査制御信号Cxによって指示された所定振幅Gxおよび所定周波数φxに応じた値になるように、X軸方向駆動信号Dxの振幅および周波数を増減するフィードバック制御を行う。同様に、Y軸方向振動制御部222は、フィードバックされてきたY軸方向検出信号Syの振幅および周波数が、Y軸方向走査制御信号Cyによって指示された所定振幅Gyおよび所定周波数φyに応じた値になるように、Y軸方向駆動信号Dyの振幅および周波数を増減するフィードバック制御を行う。
なお、X軸方向振動制御部221から表示制御装置40に対しては、X軸方向走査位置信号Uxが与えられ、Y軸方向振動制御部222から表示制御装置40に対しては、Y軸方向走査位置信号Uyが与えられる。ここで、X軸方向走査位置信号Uxは、スクリーン10上のスポットSのX軸方向に関する現在位置(位相)を示す信号であり、Y軸方向走査位置信号Uyは、スクリーン10上のスポットSのY軸方向に関する現在位置(位相)を示す信号である。これら走査位置信号UxおよびUyは、それぞれX軸方向検出信号SxおよびY軸方向検出信号Syの位相に基づいて生成することができる。
表示制御装置40は、これら走査位置信号UxおよびUyに基づいて、スクリーン10上のスポットSの現在位置を認識することができるので、画像データに基づいて、当該位置に応じた画素の画素値を示すデータを変調信号としてレーザ光源30に提供できる。レーザ光源30は、こうして提供された変調信号に基づいて、発生するレーザビームの強度を変調することができる。したがって、図17Bに示すような「8の字状走査方式」を採用した場合にも、スクリーン10上のスポットSの位置には、当該位置に応じた適切な画素を表示することができる。
<3−4 自励振制御>
上述した§3−2では、鏡体部を揺動運動させる際に、個々の軸方向に関する固有の共振周波数で振動させるような駆動を行うと良好なエネルギー効率が得られることを説明し、予め用途が定められている可動反射素子の場合は、固有の共振周波数が、予定されている駆動信号の周波数になるような設計を行うのが好ましいことを説明した。そして、上述した§3−3では、表示制御装置40からコントローラ22に与える制御信号Cx,Cyによって、固有の共振周波数fx,fyによる振動を指示するのが好ましいことを述べた。
しかしながら、実際には、表示制御装置40によって、可動反射素子21の正確な共振周波数fx,fyを指示することは困難である。これは、個々の可動反射素子の共振周波数は一定ではなく、同一の設計図に基いて多数の量産品を製造したとしても、これら各素子の固有の共振周波数は同一にはならないからである。その第1の要因は、量産工程におけるバラツキによって個体間に寸法誤差が生じるためである。同一規格で生産された工業製品であっても、個々の個体によって、若干の寸法誤差が生じることは避けられない。
第2の要因は、この可動反射素子をプロジェクタなどに実装する際の取り付け態様に起因して、それぞれ固有の応力歪みが生じるためである。たとえば、図15に示すプロジェクタ80の場合、可動反射素子21を二次元走査装置20の構成部品として、プロジェクタ80の本体内に取り付ける必要があるが、このとき、ネジ、半田、接着剤などを用いて枠状構造体を固定すると、取り付け態様に応じて、枠状構造体にそれぞれ固有の応力歪みが生じることになり、共振周波数を変動させる要因になる。
そして、第3の要因は、使用時に、温度などの外部環境が変動するためである。たとえば、夏と冬とでは、使用環境の温度が大きく異なるため、共振周波数も大きく変動する。また、プロジェクタなどに内蔵して利用する場合は、始動後に光源の温度が徐々に上昇してゆくため、分単位で使用環境の温度が変動することになる。
このように、実際には、種々の要因によって共振周波数の変動は避けられないため、図20に示すフィードバック制御機能を備えたプロジェクタであっても、表示制御装置40側から、制御信号Cx,Cyによって、コントローラ22に対して可動反射素子21の固有の共振周波数fx,fyを正確に指示することはできない。
この§3−4で述べる実施形態は、上述した種々の要因によって共振周波数が変動しても、常に正確な共振周波数fx,fyで鏡体部を振動させることが可能な変形例を示すものであり、その基本原理は、X軸方向振動制御部221およびY軸方向振動制御部222に自励振制御機能をもたせることにある。すなわち、ここで述べる実施形態の場合、X軸方向振動制御部221は、鏡体部150をX軸方向に関して所定振幅Gxをもってその共振周波数fxで振動させるX軸方向自励振制御を行い、Y軸方向振動制御部222は、鏡体部150をY軸方向に関して所定振幅Gyをもってその共振周波数fyで振動させるY軸方向自励振制御を行うことになる。
この実施形態の場合、表示制御装置40から二次元走査装置20に与えられるX軸方向走査制御信号Cxは、X軸方向に関して所定振幅Gxをもって走査を行うべきことを示す走査指示の信号であり、周波数を指定する情報は含まれていない。同様に、表示制御装置40から二次元走査装置20に与えられるY軸方向走査制御信号Cyは、Y軸方向に関して所定振幅Gyをもって走査を行うべきことを示す走査指示の信号であり、やはり周波数を指定する情報は含まれていない。
二次元走査装置20は、この走査指示に基づいて、鏡体部150で反射したレーザビームによりスクリーン10上に形成されるスポットSが、スクリーン10上を二次元的に移動するように鏡体部150を揺動運動させる。このとき、揺動運動の振幅が、表示制御装置40から指示された所定振幅Gx,Gyに応じたものになるように振幅制御が行われるが、揺動運動の周波数は、外部からの指定を受けることなしに、二次元走査装置20自身が自分で決定することになる。
具体的には、表示制御装置40から二次元走査装置20内のX軸方向振動制御部221に対して、所定振幅Gxをもった振動を指示するX軸方向走査制御信号Cxが与えられると、X軸方向振動制御部211はこのX軸方向走査制御信号Cxに基づいてX軸方向自励振制御を行う。同様に、表示制御装置40から二次元走査装置20内のY軸方向振動制御部222に対して、所定振幅Gyをもった振動を指示するY軸方向走査制御信号Cyが与えられると、Y軸方向振動制御部222はこのY軸方向走査制御信号Cyに基づいてY軸方向自励振制御を行う。
このような自励振制御は、フィードバック信号として与えられるX軸方向検出信号SxおよびY軸方向検出信号Syの位相を検出することによって行うことができる。これは、一般に、ある振動系に対して所定の駆動信号Dを与えて振動子を振動させている状態において、当該振動子の実際の動きを検出信号Sとして検出した場合、当該振動子が固有の共振周波数で振動していると、駆動信号Dと検出信号Sとの位相差がπ/2になる、という基本原理を利用できるためである。
図20に示すとおり、X軸方向振動制御部221から可動反射素子21に対してはX軸方向駆動信号Dxが与えられ、そのフィードバック信号としてX軸方向検出信号Sxが戻される。このとき、検出信号Sxは駆動信号Dxより若干位相が遅れた信号になる。これは、駆動信号Dxに基づいて圧電素子が機械的変形を生じて、実際に変位が生じるまでに遅延時間が生じるためである。そして、上記基本原理によると、X軸方向の振動周波数が共振周波数fxであれば、駆動信号Dxと検出信号Sxとの位相差はπ/2になる。したがって、X軸方向振動制御部221は、当該位相差が常にπ/2に維持されるように、駆動信号Dxの位相を調整するフィードバック制御を行えばよい。
同様に、Y軸方向振動制御部222から可動反射素子21に対してはY軸方向駆動信号Dyが与えられ、そのフィードバック信号としてY軸方向検出信号Syが戻される。この場合も、Y軸方向の振動周波数が共振周波数fyであれば、駆動信号Dyと検出信号Syとの位相差はπ/2になる。したがって、Y軸方向振動制御部222は、当該位相差が常にπ/2に維持されるように、駆動信号Dyの位相を調整するフィードバック制御を行えばよい。
結局、ここで述べる実施形態の場合、X軸方向振動制御部221には、鏡体部150のX軸方向に関する振幅が所定振幅Gxに維持されるように、フィードバックされるX軸方向検出信号Sxの振幅に基づいてX軸方向駆動信号Dxの振幅を増減するとともに、鏡体部150のX軸方向に関する振動周波数が共振周波数fxに維持されるように、X軸方向駆動信号DxとX軸方向検出信号Sxとの位相差をπ/2に維持するフィードバック制御を行う自励振回路を組み込んでおけばよい。
同様に、Y軸方向振動制御部222には、鏡体部150のY軸方向に関する振幅が所定振幅Gyに維持されるように、フィードバックされるY軸方向検出信号Syの振幅に基づいてY軸方向駆動信号Dyの振幅を増減するとともに、鏡体部150のY軸方向に関する振動周波数が共振周波数fyに維持されるように、Y軸方向駆動信号DyとY軸方向検出信号Syとの位相差をπ/2に維持するフィードバック制御を行う自励振回路を組み込んでおけばよい。
このような自励振制御機能をコントローラ22にもたせておけば、二次元走査装置20は、外部から周波数の指定を受けることなしに、自律して鏡体部150を正確な共振周波数で振動させることができる。すなわち、共振周波数が個々の個体ごとに異なっていても、温度環境などに依存して時間的に変化しても、鏡体部150を常に正しい共振周波数で振動させることができ、常に、良好なエネルギー効率をもった動作を確保することができる。
なお、一般的な自励振回路では、駆動信号Dx,Dyとして、図17Aに示すような正弦波信号を用いる必要があるので、ビームの走査方式は、図17Bに示すような「8の字状走査方式」が採用されることになる。このため、スクリーン10上に正しい画像表示を行うためには、表示制御装置40は、常に、スポットSの走査位置を把握して、当該位置に応じた画素に対応する変調信号をレーザ光源30に与える必要がある。図20に示すX軸方向走査位置信号UxおよびY軸方向走査位置信号Uyは、このような便宜を図るために表示制御装置40に与えられる信号である。
すなわち、X軸方向振動制御部221は、X軸方向検出信号Sxの位相が所定値に達したことを示すX軸方向走査位置信号Uxを表示制御装置40に与え、Y軸方向振動制御部222は、Y軸方向検出信号Syの位相が所定値に達したことを示すY軸方向走査位置信号Uyを表示制御装置40に与える。表示制御装置40は、X軸方向走査位置信号UxおよびY軸方向走査位置信号Uyによって示されるタイミングを参照して、画像データに含まれる個々の画素に対応する変調信号を適切なタイミング(スクリーン10上において、スポットSが当該画素の位置にくるタイミング)でレーザ光源30に与える処理を行う。
たとえば、X軸方向走査位置信号Uxとして、X軸方向検出信号Sxの位相が0,π/2,π,3π/2のタイミングになった時点を示す信号を用いることにすれば、スクリーン10上のスポットSが、図17Bにおける各走査点Q1,Q2,Q3,...,Q19に到達した各タイミングが表示制御装置40に報告されることになる。同様に、Y軸方向走査位置信号Uyとして、Y軸方向検出信号Syの位相が0,π/2,π,3π/2のタイミングになった時点を示す信号を用いることにすれば、スクリーン10上のスポットSが、図17Bにおける各走査点Q1,Q7(往路),Q13,Q7(復路)に到達した各タイミングが表示制御装置40に報告されることになる。
もちろん、走査位置信号Ux,Uyとして、たとえば、位相が0,π/4,π/2,3π/4,π,5π/4,3π/2,7π/4のタイミングになった時点を報告する詳細な信号を用いるようにすれば、スポットSのより正確な位置情報を伝達することができる。
なお、上例では、X軸方向振動制御部221およびY軸方向振動制御部222の双方に自励振制御機能をもたせているが、もちろん、いずれか一方のみに自励振制御機能をもたせるようにしてもかまわない。たとえば、X軸方向振動制御部221にのみ自励振制御機能をもたせ、Y軸方向振動制御部222に対しては、所定の振動周波数φyを指定する情報をもったY軸方向走査制御信号Cyを与えるようにすれば、X軸方向に関しては、常に共振周波数fxによる自励振が行われ、Y軸方向に関しては、常に外部から指定した周波数φyによる励振が行われることになる。
<<< §1. 可動反射素子の基本的実施形態 >>>
ここでは、本発明に係る可動反射素子の基本的実施形態の構成と、その動作について説明する。
<1−1 可動反射素子の主構造体の構成>
図1(a)は、本発明の基本的実施形態に係る可動反射素子の主構造体100の上面図であり、図1(b)は、その側面図である。この主構造体100は、側面図(b)に示されているとおり、A層100A,B層100B,C層100Cの3層構造を有している。
後述するように、実際の可動反射素子は、この3層構造からなる主構造体100の上面の所定箇所に、更にD層100Dを付加することによって構成される。ただ、A層100A,B層100B,C層100Cが、互いに平面形状が同一の層(図1(a)の上面図に示す形状をした層)であるのに対して、D層100Dは、C層100Cの上面の一部の領域のみに形成された層になる。そこで、この§1−1では、まず、D層100Dを除いた3層構造からなる主構造体100の形状について説明を行うことにする。このような3層構造を採用するのは、§1−2で述べるとおり、圧電素子を形成するための便宜である。
図1(a)に示すとおり、この主構造体100は、四角形をした枠状構造体110、第1橋梁部120、第2橋梁部130、鏡体接続部140、鏡体部150を有している。後述するように、枠状構造体110は、鏡体部150を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部111,第2枠部112,第3枠部113,第4枠部114によって構成されている。そして、この枠状構造体110によって囲まれた内部領域に、第1橋梁部120、第2橋梁部130、鏡体接続部140、鏡体部150が配置されている。
図1(a)の上面図において、第1橋梁部120の下端は、第1枠部111に接続されており、第1橋梁部120の上端には、第2橋梁部130の右端が接続されており、第2橋梁部130の左端には、鏡体接続部140を介して鏡体部150が接続されている。このように、第1橋梁部120および第2橋梁部130は、枠状構造体110と鏡体部150との間を、1本の接続経路に沿って接続するアーム部として機能し、鏡体部150は、このアーム部による片持ち梁構造を利用して、枠状構造体110(固定部)による支持を受けることになる。
本願では、説明の便宜上、このアーム部による接続経路上において、枠状構造体110(固定部)に近い側を「根端」、鏡体部150に近い方を「先端」と呼ぶことにする。たとえば、図1(a)の上面図において、第1橋梁部120は根端側の橋梁部であり、第2橋梁部130は先端側の橋梁部である。そして、第1橋梁部120の根端部は、第1枠部111に接続され、第1橋梁部120の先端部は、第2橋梁部130の根端部に接続されており、第2橋梁部130の先端部には、鏡体接続部140を介して鏡体部150が接続されていることになる。
本発明に係る可動反射素子を実際に利用する際には、固定部として機能する枠状構造体110を、外部物体に固定した状態で用いることになる。図示のとおり、アーム部120,130の外側側面と枠状構造体110の内側側面の間、アーム部120,130の内側側面と鏡体部150の外側側面の間、鏡体部150の外側側面と枠状構造体110の内側側面の間には、それぞれ空隙を確保するためのスリットが形成されている。
また、アーム部を構成する第1橋梁部120および第2橋梁部130は可撓性を有しており、しかも後述するように、このアーム部を上下に湾曲させる圧電素子が備わっているため、枠状構造体110に対して、鏡体部150を変位させることができる。実際には、鏡体部150の上面には、D層100D(図1では、図示省略)が形成されており、その表面が反射面になっている。本発明に係る可動反射素子は、この反射面を傾斜駆動することにより、光ビームや指向性電波の向きを制御する機能を有している。
ここでは、この鏡体部150の変位状態を説明する便宜上、鏡体部150が標準姿勢にある状態(アーム部を湾曲させていない状態)において、この鏡体部150の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。すなわち、図1(a)の上面図においては、鏡体部150を構成する正方形の中心に原点O、図の右方にX軸、図の上方にY軸、紙面垂直手前方向にZ軸を定義する。図1(b)の側面図においては、図の右方にX軸、図の上方にZ軸、紙面垂直奥方向にY軸がそれぞれ定義されることになる。
この主構造体100の構造をより明確にするため、図2A,2B,図3A~3Cに、図1に示す主構造体100を、一点鎖線で示す座標軸の位置および一点鎖線で示す各切断線の位置で切断した側断面図を示す。ここで、図2Aは、X軸に沿って切断した側断面図、図2Bは、Y軸に沿って切断した側断面図、図3Aは、切断線L0−L0’に沿って切断した側断面図、図3Bは、切断線L1−L1’に沿って切断した側断面図、図3Cは、切断線L2−L2’に沿って切断した側断面図である。
図1(b)に示すとおり、主構造体100は、A層100A,B層100B,C層100Cの3層構造を有しており、これら各層の平面形状は同一である(いずれも、図1(a)に示す形状をしている)。ただ、A層100Aの厚みは、個々の部分で若干の違いがある。以下、本願明細書では、図1(a)のような上面図に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示すことにする。たとえば、図1(a)の上面図に示されている鏡体部150を構成するA層部分は符号150A、B層部分は符号150B、C層部分は符号150Cによって示されることになる。
図2Aは、主構造体100をX軸に沿って切断した側断面図である。この図では、固定部として機能する枠状構造体110については、第2枠部112(112A,112B,112Cの3層構造)の断面と、第3枠部113(113A,113B,113Cの3層構造)の一部の側面と、第4枠部114(114A,114B,114Cの3層構造)の断面と、が示されている。また、アーム部については、第1橋梁部120(120A,120B,120Cの3層構造)の断面と、第2橋梁部130(130A,130B,130Cの3層構造)の側面とが示されている。そして、鏡体部150については、150A,150B,150Cの3層構造の断面が示されている。
一方、図2Bは、主構造体100をY軸に沿って切断した側断面図である。この図では、固定部として機能する枠状構造体110については、第1枠部111(111A,111B,111Cの3層構造)の断面と、第3枠部113(113A,113B,113Cの3層構造)の断面と、第4枠部114(114A,114B,114Cの3層構造)の一部の側面と、が示されている。また、アーム部については、第2橋梁部130(130A,130B,130Cの3層構造)の断面が示されている。そして、鏡体接続部140については、140A,140B,140Cの3層構造の一部の側面が示されており、鏡体部150については、150A,150B,150Cの3層構造の断面が示されている。
これら図2A,図2Bに示されているように、この基本的実施形態の場合、固定部として機能する枠状構造体110(111~114)の厚みに比べて、アーム部を構成する第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体接続部140、および鏡体部150の厚みは小さく設定されており、下方に空隙が形成されている。これは、後述するように、枠状構造体110の下面を土台基板200の上面に固着した場合にも、鏡体部150がある程度の自由度をもって変位可能になるようにするための配慮である。結局、鏡体部150は、枠状構造体110で囲まれた空間内に浮いた状態になるように、アーム部によって支持されることになる。
このような支持態様は、図3A~3Cの側断面図に明瞭に示されている。図3Aは、図1に示す主構造体100を切断線L0−L0’に沿って切断した側断面図であり、ちょうど、第1枠部111をその長手方向に沿って切断した断面に相当する。これに対して、図3Bは、図1に示す主構造体100を切断線L1−L1’に沿って切断した側断面図であり、ちょうど、第1橋梁部120(120A,120B,120Cの3層構造)をその長手方向に沿って切断した断面に相当する。また、図3Cは、図1に示す主構造体100を切断線L2−L2’に沿って切断した側断面図であり、ちょうど、第2橋梁部130(130A,130B,130Cの3層構造)をその長手方向に沿って切断した断面に相当する。
図3Bに示されているとおり、第1枠部111のA層111Aに比べて、第1橋梁部120のA層120Aは、下面の位置が若干上方に移動しており、浮いた状態になっている。同様に、第2橋梁部130のA層130Aも、図3Cに示されているとおり浮いた状態になっている。このため、第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体接続部140,鏡体部150は、いずれも枠状構造体110で囲まれた空間内に浮いた状態となるように支持される。
図4(a)は、この主構造体100の役割分担を示す上面図であり、図4(b)は、この主構造体100をX軸に沿って切断した側断面図である。これらの図におけるハッチングは、断面を示すものではなく、役割分担を示すためのものである。
図4において、網目状のハッチングを施した部分は鏡体部150である。この鏡体部150の上面には、後述するように反射面(D層100D)が形成され、入射した光ビーム等を所定方向に反射させる役割を果たす。
図4において、水玉状のハッチングを施した部分は、固定部として機能する部分であり、枠状構造体110(第1枠部111~第4枠部114)によって構成されている。この枠状構造体110(固定部)は、可動反射素子を利用する際に何らかの物体に固定して用いられる。図4(b)には、枠状構造体110の下面を土台基板200の上面に固着した状態が示されている。
図4において、波状のハッチングを施した部分はアーム部であり、第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体接続部140によって構成される。上述したように、アーム部120,130,140および鏡体部150は、枠状構造体110で囲まれた空間内において、土台基板200の上方に浮いた状態となっている。別言すれば、鏡体部150は、鏡体接続部140の位置において、アーム部からなる片持ち梁構造体によって支持されている。アーム部は、少なくとも上下方向(Z軸方向)に関して可撓性を有しており、上方に反ったり、下方に反ったりすることができる。このため、鏡体部150は、所定の自由度の範囲内で、固定部に対して変位を生じることができる。
<1−2 可動反射素子の構成>
続いて、本発明の基本的実施形態に係る可動反射素子の構成を説明する。図5(a)は、この基本的実施形態に係る可動反射素子100の上面図、図5(b)は、これをX軸に沿って切断した側断面図である。図5に示す可動反射素子100は、図1に示す主構造体100に、更に、D層100Dを付加したものである。すなわち、図1(b)に示す主構造体100が、A層100A,B層100B,C層100Cの3層構造を有しているのに対して、図5(b)に示す可動反射素子100は、この3層構造の上面に更にD層100Dを加えたものになっている。
このように、図1に示す主構造体100と、図5に示す可動反射素子100とは、D層の有無において相違する構成要素であるが、本願明細書では、便宜上、両者を同一符号「100」を用いて示すことにする。また、図5に示す可動反射素子100の構成要素となる第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体部150(これらは、A層~D層の4層構造を有する)は、図1に示す主構造体100の構成要素となる第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体部150(これらは、A層~C層の3層構造を有する)に、それぞれD層となる上部電極層120D,上部電極層130D,反射層150Dを付加したものになるが、本願明細書では、便宜上、それぞれ同一符号「120」,「130」,「150」を用いて示すことにする。
§1−1で述べたとおり、A層100A,B層100B,C層100Cの3層は、互いに同一の平面形状(図1(a)の上面図に示す形状)を有しているが、D層100Dの平面形状は若干異なっている。図5(a)には、このD層100Dの部分にハッチングを施して示してある(図5(a)の上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない。)。
図5に示すとおり、第1橋梁部120は、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた橋梁部であり、第2橋梁部130は、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた橋梁部であり、L字状をなすように接続されている。そして、第1橋梁部120の根端部は、X軸に平行な長手方向軸L0に沿って伸びた第1枠部111(固定部)に固定されている。
そして、D層100Dは、第1橋梁部120に形成された上部電極層120Dと、第2橋梁部130に形成された上部電極層130Dと、鏡体部150に形成された反射層150Dと、によって構成されており、固定部として機能する枠状構造体110や鏡体接続部140には、D層は形成されていない。ここで、上部電極層120Dおよび130Dは、圧電素子を形成する目的のための層であり、反射層150Dは、ミラーとしての役割を果たす反射面を形成する目的のための層である。それ以外の部分には、D層を形成する必要はない。
もちろん、枠状構造体110にもD層を形成してかまわないが、上部電極層120D,130Dは、それぞれ別個の圧電素子を形成するために電気的に絶縁されている必要があるので、C層の上面全面に、同一の平面形状をもったD層を形成することはできない。
次に、可動反射素子100を構成するA層100A,B層100B,C層100C,D層100Dの材質に関する説明を行う。まず、A層100Aは、各層の支持基板としての役割を果たす基板層であり、その上面に形成されるB層100B,C層100C,D層100Dを支持する役割を果たすことができる材質によって構成される。ただ、第1橋梁部120および第2橋梁部130は、少なくとも上下方向(Z軸方向)に関して可撓性を有している必要がある。したがって、基板層としての役割を果たすA層100Aは、各橋梁部が必要な範囲内(鏡体部150を、利用上要求される角度で傾斜させるために必要な範囲内)で撓みを生じることができるよう、ある程度の可撓性を有する材料によって構成する必要がある。ここに示す実施例の場合、シリコン基板によってA層100Aを構成している。
また、C層100Cは、圧電素子を構成する役割を果たす層であり、圧電効果を呈する圧電材料によって構成しておく必要がある。ここに示す実施例の場合、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)またはKNN(ニオブ酸カリウムナトリウム)の薄膜によってC層100Cを構成している。
一方、B層100Bは、圧電素子の下部電極を構成する役割を果たす層であり、D層100Dは、圧電素子の上部電極を構成する役割を果たす層である。したがって、いずれも導電性材料によって構成する必要がある。結局、図5に示す可動反射素子の場合、圧電材料層(C層)を導電性材料層(B層およびD層)で挟んだサンドイッチ構造体によって圧電素子を構成していることになる。
なお、D層100Dのうち、各橋梁部120,130に形成される部分120D,130Dは、上述したとおり、圧電素子用の上部電極層を構成することになるが、鏡体部150に形成される部分150Dは、鏡体部150の反射面として機能する反射層を構成することになる。したがって、原理的には、D層100Dのうち、各橋梁部120,130に形成される部分120D,130Dは、導電性の層(表面が反射性である必要はない)とし、鏡体部150に形成される部分150Dは、表面が反射性の層(導電性の層である必要はない)とすればよい。
ただ、この可動反射素子を量産品として提供する場合は、上部電極層120D,130Dおよび反射層150Dを、同一の材料からなるD層100Dとして形成するのが効率的であり、D層100Dとしては、電極層の機能と反射層の機能とを兼ね備えた材料層を用いるのが好ましい。
したがって、実用上は、上面を反射面として利用するのに適した金属層によって、B層100BおよびD層100Dを形成すればよい。より具体的に言えば、B層100Bは、下部電極(導電層)としての機能を果たせばよいので、任意の金属層で十分であるが、D層100Dは上面が反射面(鏡面)としての機能も果たす必要があるため、少なくとも、D層100Dの上面部分は、反射率の高い耐腐食性に優れた材料で構成するのが好ましい。このような観点から、本願発明者は、D層100Dの少なくとも上面部分は、金(Au)の薄膜層によって構成するのが最適であると考えている。金(Au)の薄膜層は、光や電磁波に対して良好な反射率を有しており、しかも耐腐食性に優れているため、長期間にわたって安定した反射性能を維持することができる。
図5に示す可動反射素子100は、量産化に適した構造を有しており、特に、MEMS素子として、半導体製造プロセスを利用した製造方法を適用することが可能である。本願発明者が作成した試作品の場合、図5(b)に示すような4層構造をもった構造体は、正方形状のシリコン基板100A(A層:基板層)の上面に、白金層100B(B層:下部電極層)、PZT層100C(C層:圧電材料層)、白金/金層100D(D層:下層部分は白金、上層部分は金からなる2層構造層)を順次堆積させたものになっている。上部電極層および下部電極層として白金を用いるのは、圧電材料層となるPZT層との間に良好な界面が形成できるためである。一方、反射層としては、上述したように金を用いるのが好ましいので、D層の下層部分は上部電極層に適した白金を用い、上層部分は反射層に適した金を用いることにした。
こうして4層の積層構造体を形成したら、D層100Dに対してパターニング処理を行って図5(a)にハッチングを施して示す領域のみを残し、更に、A層,B層,C層の3層からなる主構造体100の部分に対して、エッチングなどの方法で上下方向に貫通するスリットを形成すればよい。また、必要に応じて、アーム部120,130や鏡体部150の下面側の一部分をエッチング等で除去すれば、図5(b)に示すように、土台基板200から浮いた構造を実現することができる。
なお、参考のため、本願発明者が作成した試作品の各部の寸法を一例として記載しておくと、次のとおりである。すなわち、この試作品の場合、一辺5mm角、厚み0.3mmのシリコン基板100A(A層)の上面に、厚み300nm程度の白金の薄膜層100B(B層)、厚み2μm程度のPZT層100C(C層)、厚み300nm程度の白金/金の薄膜層100D(D層)を順次積層して4層構造体を形成している。ここで、アーム部120,130や鏡体部150については、シリコン基板100A(A層)の下面側をエッチング除去して、厚みを0.10mmとしている(土台基板の上面との間に、0.20mmの空隙が確保される)。また、図5(a)に示す平面図において、スリット部分の幅を0.3mmとし、アーム部120,130の幅を0.5mmとしている。
もちろん、各部の寸法は任意に設定することができる。要するに、アーム部120,130の厚みや幅は、鏡体部150が所定の角度範囲(可動鏡として要求される性能を満たす範囲)で傾斜できるような可撓性が得られる寸法に設定すればよく、枠状構造体110の厚みは、この可動反射素子100全体を土台基板200に堅固に固着できる寸法に設定すればよい。
<1−3 可動反射素子の動作>
ここでは、図5に示す可動反射素子の動作を説明する。図5(b)の側断面図に示されているように、第1橋梁部120には、基板層120A,下部電極層120B,圧電材料層120C,上部電極層120Dの4層構造が形成されている。ここで、基板層120Aの部分を「第1橋梁本体部」と呼び、下部電極層120B,圧電材料層120C,上部電極層120Dの3層構造部分を「圧電素子」と呼ぶことにすれば、第1橋梁部120は、可撓性を有する第1橋梁本体部120Aと、この第1橋梁本体部120Aの上面に固着された第1圧電素子(120B,120C,120Dの3層構造体)と、によって構成されていることになる。別言すれば、図5(a)の上面図において、ハッチングを施して示す上部電極層120Dの形成領域には、3層構造体からなる第1圧電素子が配置されていることになる。
同様に、図5(b)の側断面図に、その一部分が示されているように、第2橋梁部130には、基板層130A,下部電極層130B,圧電材料層130C,上部電極層130Dの4層構造が形成されている。ここで、基板層130Aの部分を「第2橋梁本体部」と呼び、下部電極層130B,圧電材料層130C,上部電極層130Dの3層構造部分を「圧電素子」と呼ぶことにすれば、第2橋梁部130は、可撓性を有する第2橋梁本体部130Aと、この第2橋梁本体部130Aの上面に固着された第2圧電素子(130B,130C,130Dの3層構造体)と、によって構成されていることになる。別言すれば、図5(a)の上面図において、ハッチングを施して示す上部電極層130Dの形成領域には、3層構造体からなる第2圧電素子が配置されていることになる。
図6A,図6B,図6Cは、これら各橋梁部120,130に形成された圧電素子の動作を示す断面図である。図6Aは、上述した第1圧電素子(120B,120C,120Dの3層構造体)もしくは第2圧電素子(130B,130C,130Dの3層構造体)の部分のみを抽出して示した断面図である。ここで、A層の部分はシリコン基板等からなる橋梁本体部であり、B層,C層,D層からなる3層構造体が圧電素子である。C層を構成する圧電材料層は、厚み方向に所定極性の電圧を印加すると、層方向に伸縮する性質を有する層であり、PZTやKNNなどからなる層に所定の分極処理を施すことによって得ることができる。
図6A,図6B,図6Cに示す例の場合、上部電極層D側が正、下部電極層B側が負となるように、両電極層間に電圧を印加すると、圧電材料層Cは層方向(図の紙面に横方向に引いた線を含み、当該紙面に垂直な平面に沿った方向)に伸び、逆に、上部電極層D側が負、下部電極層B側が正となるように、両電極層間に電圧を印加すると、圧電材料層Cは層方向に縮む性質をもっている。ここで、伸縮の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。
したがって、上下の電極層間に図6Bに示すような極性(以下、正極性と呼ぶ)の電圧を印加すると、B層,C層,D層の3層からなる圧電素子は層方向に伸び、可撓性をもった橋梁本体部を構成するA層の上面側に、面方向に伸びる方向への応力が加わる。その結果、図示のとおり、橋梁部全体には、上方が凸になるように反り返る変形が生じることになる。これに対して、上下の電極層間に図6Cに示すような極性(以下、逆極性と呼ぶ)の電圧を印加すると、B層,C層,D層の3層からなる圧電素子は層方向に縮み、可撓性をもった橋梁本体部を構成するA層の上面側に、面方向に縮む方向への応力が加わる。その結果、図示のとおり、橋梁部全体には、下方が凸になるように反り返る変形が生じることになる。
もちろん、圧電材料層Cとして、上記と全く逆の性質をもった層、すなわち、上部電極層D側が正、下部電極層B側が負となるように、両電極層間に電圧を印加すると、層方向に縮み、上部電極層D側が負、下部電極層B側が正となるように、両電極層間に電圧を印加すると、層方向に伸びる性質をもった層を用いてもかまわない。この場合、図6Bに示すように正極性の電圧を印加すると、図6Cに示すように、下方が凸になるように反り返る変形が生じ、図6Cに示すように負極性の電圧を印加すると、図6Bに示すように、上方が凸になるように反り返る変形が生じる。
いずれにしても、上部電極層Dと下部電極層Bとの間に、所定極性の電圧を印加することにより、図6Bに示す変形もしくは図6Cに示す変形を生じさせることができる。しかも、変形の度合いは、印加する電圧値に応じた量になる。
ところで、図5(a)に示すとおり、鏡体部150は、枠状構造体110(固定部)に対して、アーム部120,130を介して接続されており、枠状構造体110を固定した場合、アーム部120,130による片持ち梁構造によって、宙吊り状態で支持されることになる。したがって、第1橋梁部120が上方もしくは下方に反り返る変形を生じると、宙吊り状態で支持されている鏡体部150は、Y軸方向に傾斜を生じる。同様に、第2橋梁部130が上方もしくは下方に反り返る変形を生じると、宙吊り状態で支持されている鏡体部150は、X軸方向に傾斜を生じる。
図7A,図7B,図7Cは、図5に示す可動反射素子100における鏡体部150のY軸方向への傾斜状態(X軸まわりの回転状態)を示す側面図であり、図1に示す切断線L1−L1’に沿った位置にある主要部の相互位置関係が示されている(説明の便宜上、鏡体部150を太線で示し、固定状態にある土台基板200にハッチングを施して示す。また、変形状態を実際よりも誇張して示す。)。
図7Aは、傾斜が生じていない定位置の状態、すなわち、各圧電素子に何ら電圧が印加されていない状態における、第1橋梁部120と鏡体部150との位置関係を示している。土台基板200上に固定された第1枠部111(固定部)から図の右方に向かって第1橋梁部120が伸びている。鏡体部150は、この第1橋梁部120と、図示されていない第2橋梁部130および鏡体接続部140を介して、土台基板200の上方に水平姿勢のまま支持されている。白い三角形は、鏡体部150の重心Gを示し、座標系の原点(X軸の位置)と一致している。
これに対して、図7Bは、第1橋梁部120の圧電素子に、図6Bに示すような正極性の電圧を印加することにより、第1橋梁部120に対して上方が凸になるような変形を生じさせた状態を示している。第1橋梁部120は、図の左端が第1枠部111(固定部)に固定されているため、上方が凸になるような変形が生じると、図示のとおり、図の右端が下がる方向に変位する。その結果、当該右端より先に接続されているすべての構成要素が、X軸まわりに回転し、鏡体部150は、図示のとおり、X軸まわりの回転−Rxを生じる(ここでは、X軸正方向に右ネジを進める回転方向を正にとるため、図示の回転方向は負方向になる)。このため、重心Gは下方に移動する。
一方、図7Cは、第1橋梁部120の圧電素子に、図6Cに示すような負極性の電圧を印加することにより、第1橋梁部120に対して下方が凸になるような変形を生じさせた状態を示している。第1橋梁部120は、図の左端が第1枠部111(固定部)に固定されているため、下方が凸になるような変形が生じると、図示のとおり、図の右端が上がる方向に変位する。その結果、当該右端より先に接続されているすべての構成要素が、X軸まわりに回転し、鏡体部150は、図示のとおり、X軸まわりの回転+Rxを生じる(上述した定義では、図示の回転方向は正方向になる)。このため、重心Gは上方に移動する。
結局、図5(b)に示す例において、第1橋梁部120の圧電素子を構成する下部電極層120Bと上部電極層120Dとの間に、上部電極層120D側が正となるような極性の電圧を印加すると、図7Bに示すように、鏡体部150を、その右端(Y軸正方向側)が下がるようにY軸方向に傾斜させることができ、逆極性の電圧を印加すると、図7Cに示すように、鏡体部150を、その左端(Y軸負方向側)が下がるようにY軸方向に傾斜させることができる。傾斜の度合いは、印加する電圧値に応じた量になるので、印加する電圧の極性および値を調整することにより、鏡体部150のY軸方向への傾斜角度を任意に調整することが可能になる。
図8A,図8B,図8Cは、図5に示す可動反射素子100における鏡体部150のX軸方向への傾斜状態(Y軸まわりの回転状態)を示す側面図であり、図1に示す切断線L2−L2’に沿った位置にある主要部の相互位置関係が示されている(説明の便宜上、鏡体部150を太線で示す。また、変形状態を実際よりも誇張して示す。)。
図8Aは、傾斜が生じていない定位置の状態、すなわち、各圧電素子に何ら電圧が印加されていない状態における、第2橋梁部130と鏡体部150との位置関係を示している。第2橋梁部130の図の右端(根端部)は、図示されていない第1橋梁部120の先端部に接続されており、土台基板200によって間接的に支持されている。鏡体部150は、この第2橋梁部130の図の左端(先端部)に、図示されていない鏡体接続部140を介して接続されている。図8Aでは、鏡体部150は、土台基板200の上方に水平姿勢のまま支持されていることになる。白い三角形は、鏡体部150の重心Gを示し、座標系の原点(Y軸の位置)と一致している。
これに対して、図8Bは、第2橋梁部130の圧電素子に、図6Bに示すような正極性の電圧を印加することにより、第2橋梁部130に対して上方が凸になるような変形を生じさせた状態を示している。第2橋梁部130は、図の右端が第1橋梁部120の先端部によって支持されているため、上方が凸になるような変形が生じると、図示のとおり、図の左端が下がる方向に変位する。その結果、当該左端に接続されている鏡体部150は、Y軸まわりに回転し、図示のとおり、Y軸まわりの回転−Ryを生じる(ここでは、Y軸正方向に右ネジを進める回転方向を正にとるため、図示の回転方向は負方向になる)。このため、重心Gは下方に移動する。
一方、図8Cは、第2橋梁部130の圧電素子に、図6Cに示すような負極性の電圧を印加することにより、第2橋梁部130に対して下方が凸になるような変形を生じさせた状態を示している。第2橋梁部130は、図の右端が第1橋梁部120の先端部によって支持されているため、下方が凸になるような変形が生じると、図示のとおり、図の左端が上がる方向に変位する。その結果、当該左端に接続されている鏡体部150は、Y軸まわりに回転し、図示のとおり、Y軸まわりの回転+Ryを生じる(上述した定義では、図示の回転方向は正方向になる)。このため重心Gは上方に移動する。
結局、図5(b)に示す例において、第2橋梁部130の圧電素子を構成する下部電極層130Bと上部電極層130Dとの間に、上部電極層130D側が正となるような極性の電圧を印加すると、図8Bに示すように、鏡体部150を、その左端(X軸負方向側)が下がるようにX軸方向に傾斜させることができ、逆極性の電圧を印加すると、図8Cに示すように、鏡体部150を、その右端(X軸正方向側)が下がるようにX軸方向に傾斜させることができる。傾斜の度合いは、印加する電圧値に応じた量になるので、印加する電圧の極性および値を調整することにより、鏡体部150のX軸方向への傾斜角度を任意に調整することが可能になる。
<1−4 可動反射素子の本質的特徴>
結局、図5に示す基本的実施形態に係る可動反射素子100は、反射面を有する鏡体部150と、この鏡体部150を支持するための固定部110と、鏡体部150と固定部110とを接続するアーム部120,130,140と、を構成要素とする可動反射素子ということになる。
ここで、XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義し、Z軸正方向を上方、Z軸負方向を下方と定義すれば、アーム部は、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部120と、この第1橋梁部120に接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部130と、を有している。鏡体部150の表面は反射面を形成し、各圧電素子に電圧を印加しない基準状態において、反射面はXY平面に平行な面になる。
また、第1橋梁部120は、可撓性を有する第1橋梁本体部120Aと、この第1橋梁本体部120Aの上面に固着された第1圧電素子(120B,120C,120Dの3層構造体)と、を有し、この第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第1の長手方向軸L1に沿った方向に伸縮する性質を有しており、第2橋梁部130は、可撓性を有する第2橋梁本体部130Aと、この第2橋梁本体部130Aの上面に固着された第2圧電素子(130B,130C,130Dの3層構造体)と、を有し、この第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第2の長手方向軸L2に沿った方向に伸縮する性質を有している。
なお、本発明を実施するにあたり、アーム部は、必ずしも第1橋梁部120と第2橋梁部130のみによって構成する必要はない。アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部120と、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部130と、を含んでいれば足り、それ以外の構成要素を含んでいてもかまわない。たとえば、後述する§2.3や§2.4では、3組以上の橋梁部を連結してなるアーム部を用いる変形例が示されている。また、第1橋梁部120と第2橋梁部130とは、必ずしも直接的に接続されている必要はなく、何らかの中間接続部を介して間接的に接続するようにしてもかまわない。
また、上述した実施形態では、第1橋梁本体部120Aの上面に第1圧電素子(120B,120C,120Dの3層構造体)を固着し、第2橋梁本体部130Aの上面に第2圧電素子(130B,130C,130Dの3層構造体)を固着した例を示したが、各圧電素子は、必ずしも各橋梁本体部の上面に設ける必要はなく、各橋梁本体部の下面に設けるようにしてもかまわない。図6A,図6B,図6Cには、A層の上面に圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)を設けた例を示したが、図の天地をひっくりかえしても、橋梁部に生じる変形現象に変わりはなく、A層の下面に圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)を設けるようにしても、§1−3で述べた動作に本質的な支障が生じないことは容易に理解できよう。
もちろん、第1橋梁部120については上面に第1圧電素子を設け、第2橋梁部130については下面に第2圧電素子を設ける、というように、圧電素子の配置を、各橋梁部ごとに上面にしたり下面にしたりすることも可能である。もちろん、上下両面に形成してもかまわない。ただ、実用上は、これまで述べてきた実施例のように、各橋梁本体部の上面に各圧電素子を形成するようにするのが、製造プロセスを単純化する上で好ましい。
図5に示す基本的実施形態に係る可動反射素子100の第1の特徴は、反射面を有する鏡体部150が、可撓性をもった1本のアーム部を介して固定部110に接続される点である。このように、1本のアーム部による片持ち梁構造で鏡体部150を支持すると、従来のジンバル構造による支持手法に比べて、単純な構造でありながら、十分な変位角を確保することが可能になる。ジンバル構造を機械的な回動機構によって実現すると、部品の点数が増え、構造が複雑にならざるを得ない。また、ジンバル構造をトーションバーを用いて実現すると、構造は単純化されるが、最大変位角はトーションバーの最大捻れ角度の範囲内に抑えられてしまい、十分な変位角を確保することが困難になる。本発明では、アーム部によって鏡体部150を支持するため、単純な構造でありながら、十分な変位角が確保できる。
実際、図5(b)に例示するような構造をもった可動反射素子100は、前述したとおり、MEMS素子として、半導体製造プロセスを利用した製造方法により量産することができ、小型化に適している。また、駆動を行うための素子として圧電素子を用いているため、低消費電流化に適している。
また、本発明に用いるアーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部120と、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部130と、を有しており、その上面もしくは下面には、それぞれ所定極性の電圧を印加することにより各長手方向軸L1,L2に沿って伸縮する圧電素子が固着されている。そのため、第1橋梁部120の圧電素子に電圧を印加して、上面もしくは下面を伸縮させれば、図7A,図7B,図7Cに示すように、鏡体部150をY軸方向に傾斜させる(X軸まわりに回転させる)ことができ、第2橋梁部130の圧電素子に電圧を印加して、上面もしくは下面を伸縮させれば、図8A,図8B,図8Cに示すように、鏡体部150をX軸方向に傾斜させる(Y軸まわりに回転させる)ことができる。このため、X軸およびY軸の2軸方向(2軸まわり)に関して、十分な変位角を確保することが可能になる。
§3で述べる二次元走査装置は、このような2軸方向についての傾斜機能という特徴を利用した発明ということになる。二次元走査装置を利用すれば、後述するようなプロジェクタを実現することが可能である。本発明に係る二次元走査装置は、上述したように、小型化および低消費電流化に適しているため、携帯電話、スマートフォン、タブレット型電子端末などの小型機器に組み込んで利用することができ、これら小型機器にプロジェクタの機能を付加する際に用いると効果的である。
なお、図5に示す実施例は、固定部を、枠状構造体110によって構成し、この枠状構造体110によって囲まれた内部領域に、各橋梁部120,130および鏡体部150を配置した構造を採っているが、固定部は、必ずしも枠状構造体110によって構成する必要はなく、たとえば、第1枠部111のみを固定部として設け、第2枠部112,第3枠部113,第4枠部114を省略した構成を採用してもかまわない。
ただ、各橋梁部120,130および鏡体部150は変位を生じる可動構成要素であるため、外部物体と接触することは避けた方が好ましい。図5に示す実施例のように、枠状構造体110によって固定部を形成するようにすれば、可動構成要素を内部に囲い込むことができるので、可動構成要素を外部物体との接触から保護するメリットが得られる。
また、図5(b)には、枠状構造体110を支持する土台基板200を設けた例が示されている。このように、土台基板200を設け、枠状構造体110の下面を土台基板200の上面に固定すれば、各橋梁部120,130および鏡体部150が、この土台基板200の上方に浮いた宙吊り状態になり、土台基板200の上方に確保された空隙の大きさによって定まる自由度の範囲内で鏡体部150が傾斜することになる。別言すれば、鏡体部150に過剰な変位が生じることを妨げることができるので、各橋梁部120,130に過度な撓みが生じ、破損してしまうことを防止する保護機能が得られることになる。また、図5に示す実施例では、枠状構造体110の厚みに比べて、第1橋梁部120,第2橋梁部130,鏡体部150の厚みを小さくすることにより、上記宙吊り構造を実現しているが、これら各部の厚みを同一にし、枠状構造体110の下面に、いわゆる「下駄」を履かせることにより上記宙吊り構造を実現するようにしてもよい。
なお、土台基板200を、可動反射素子100の装置筐体の一部によって構成すれば、土台基板200は、可動反射素子の製品自体に組み込まれた一部品ということになる。これに対して、可動反射素子の製品自体としては、土台基板200を含まない形態を採ることも可能である。この場合、この可動反射素子を部品として実装する何らかの装置の実装面の構造体が、土台基板200として機能することになる。
<<< §2. 可動反射素子の変形例に係る実施形態 >>>
前述した§1では、本発明の基本的実施形態に係る可動反射素子の構成および動作を説明した。ここでは、この基本的実施形態についてのいくつかの変形例に基づいて、本発明のバリエーションを述べることにする。
<2−1 橋梁部の両端に圧電素子を配置した実施形態>
§1で述べた図5に示す基本的実施形態の場合、第1橋梁部120には、長手方向軸L1に沿って、その全長に渡って伸びる上部電極層120Dが形成され、第2橋梁部130には、長手方向軸L2に沿って、その全長に渡って伸びる上部電極層130Dが形成されている。これら上部電極層120D,130Dの形成領域は、図6A,図6B,図6Cに示すように圧電素子の形成領域になるため、各上部電極層を各橋梁部の全長に渡って伸びるように形成しておけば、それだけ長い圧電素子を形成することができるようになり、各橋梁部を効率的に変形させることができる。
このように、橋梁部に十分な変形を生じさせる(すなわち、鏡体部150を十分に傾斜させる)という観点では、個々の橋梁部が、その長手方向軸に沿って伸びるように配置された細長い圧電素子を有するようにするのが好ましく、長手方向軸に沿って伸びる細長い上部電極層を形成するのが好ましい。
しかしながら、鏡体部150の傾斜角が、装置として要求される角度に達するのであれば、圧電素子は、必ずしも橋梁部の全長にわたる長さをもったものである必要はない。図9(a)は、各橋梁部の根端部近傍および先端部近傍にそれぞれ圧電素子を配置した実施形態に係る可動反射素子100の上面図であり(ハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)、図9(b)は、この可動反射素子100を長手方向軸L2に沿って切断した側断面図である。
この図9に示す可動反射素子100は、図5に示す可動反射素子100と比べて、上部電極層(D層)の平面パターンが異なるだけであり、主構造部(A層,B層,C層)は共通である。したがって、便宜上、図9に示す可動反射素子100およびその各部については、上部電極層(D層)の部分を除いて、図5に示す可動反射素子100およびその各部に用いた符号と同じ符号を付してある。
図9に示す可動反射素子100の場合、第1橋梁部120には、長手方向軸L1に沿って、根端部近傍には上部電極層121Dが形成され、先端部近傍には上部電極層122Dが形成されており、両者の中間部分には、上部電極層は形成されていない。同様に、第2橋梁部130には、長手方向軸L2に沿って、根端部近傍には上部電極層131Dが形成され、先端部近傍には上部電極層132Dが形成されており、両者の中間部分には、上部電極層は形成されていない。
図5(a)と図9(a)とを比較すると、上部電極層(D層)の形成領域(ハッチングした領域)の面積が異なっており、その結果、圧電素子の形成領域の面積も異なっている。たとえば、図9(b)に示す例の場合、第2橋梁部130については、上部電極層131Dおよび132Dが形成された部分だけが圧電素子として機能することになる。したがって、各橋梁部を変形させる能力に関しては、図5に示す実施例よりも図9に示す実施例の方が劣ることになる。しかしながら、後者は前者に比べて、上部電極層(D層)の面積が少なくなるため、上部電極層(D層)の材料を節約するメリットが得られることになる。これは、特に、上部電極層(D層)として金などの高価な材料を用いる場合には、コストダウンを図る効果が得られることを意味する。
ところで、本発明において、各橋梁部を変形させる能力は、上部電極層(D層)の面積に単純に比例するものではない。これは、各橋梁部が変形を生じる際に、その根端部近傍および先端部近傍に応力が集中する性質があるためである。実際、図5(a)に示す上部電極層120Dの面積に比べて、図9(a)に示す一対の上部電極層121D,122Dの面積の和は、半分以下であるが、図5(a)に示す上部電極層120Dの領域に形成される圧電素子による第1橋梁部120に対する変形能力に比べて、図9(a)に示す一対の上部電極層121D,122Dの領域に形成される一対の圧電素子による第1橋梁部120に対する変形能力は、それ程遜色のないものになる。
これは、第1橋梁部120が変形を生じる際に、その根端部近傍(第1枠部111に対する接続部分)および先端部近傍(第2橋梁部130に対する接続部分)に応力集中が見られるため、図9(a)に示す上部電極層121D,122Dの領域に形成される一対の圧電素子によって、効率的な変形を生じさせることができるためである。第2橋梁部130についても同様である。
図9(a)に示す太い破線は、各橋梁部の両端位置を示している。図示のとおり、上部電極層121D,122Dの端部および上部電極層131D,132Dの端部は、この太い破線位置に揃えられている。これは、各圧電素子の端を、各橋梁部の根端位置および先端位置に揃えて配置することにより、各橋梁部に効率的な変形を生じさせるようにする配慮である。なお、図9(a)に示す実施例では、各上部電極層121D,122D,131D,132Dの一端が、太い破線位置に正確に揃えられているが、実際には、当該端部の位置が、太い破線位置を若干越えるように設計するのが好ましい。本願発明者が行った実験によると、各橋梁部の厚み程度の寸法だけ太い破線の位置を越えるようにすると、最も良好な結果が得られた。すなわち、上述したように破線位置を若干越える各電極層121D,122Dの位置は、第1橋梁部120に対して鏡体部150DをY軸方向に傾斜させる応力を加える上で最も効率的な位置であり、上述したように破線位置を若干越える各電極層131D,132Dの位置は、第2橋梁部130に対して鏡体部150DをX軸方向に傾斜させる応力を加える上で最も効率的な位置になっている。
このように、図9に示す変形例は、図5に示す基本的な実施形態に比べて、圧電素子として機能する領域面積がかなり小さく設定されているにもかかわらず、第1橋梁部120が、根端部近傍に配置された圧電素子(上部電極層121Dの位置に形成される圧電素子)と先端部近傍に配置された圧電素子(上部電極層122Dの位置に形成される圧電素子)とを有しており、第2橋梁部130が、根端部近傍に配置された圧電素子(上部電極層131Dの位置に形成される圧電素子)と先端部近傍に配置された圧電素子(上部電極層132Dの位置に形成される圧電素子)とを有しているため、鏡体部150を効率的に傾斜させることが可能になる。
図10は、図9に示す実施例における圧電素子による変形効率を更に向上させた変形例を示す上面図である(ここでも、ハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。これまでの実施例の説明では、第1橋梁部120と第2橋梁部130との境界位置について、厳密な定義を行っていなかったが、図9において、太い破線で示した位置を個々の橋梁部や接続部の両端位置と定義すると、第1橋梁部120と第2橋梁部130とは、中間接続部125を介して間接的に接続されていることになり、第2橋梁部130と鏡体部150とは、鏡体接続部140を介して間接的に接続されていることになる。図10に示す変形例は、図9に示す実施例における中間接続部125および鏡体接続部140の形状を若干変化させることにより、各橋梁部の両端への応力集中をより顕著にしたものである。
すなわち、図10の変形例に係る可動反射素子100’は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた第1橋梁部120とX軸に平行な軸に沿って伸びた第2橋梁部130とからなる一対の橋梁部を有しており、これら一対の橋梁部はL字状をなすように、一方の橋梁部(第1橋梁部120)の先端部と他方の橋梁部(第2橋梁部130)の根端部とが中間接続部125’を介して接続されている。しかも、この中間接続部125’は、一方の橋梁部(第1橋梁部120)の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部126と他方の橋梁部(第2橋梁部130)の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部127とを有している。
また、2本の橋梁部のうちの最先端位置にある橋梁部(第2橋梁部130)の第1の脇側には鏡体部150が配置され、この最先端位置にある橋梁部(第2橋梁部130)の先端部と鏡体部150とが鏡体接続部140’を介して接続されている。しかも、この鏡体接続部140’は、最先端位置の橋梁部(第2橋梁部130)の第2の脇側の側面よりも外側に突き出した庇構造部141を有している。
このように、中間接続部125’には、庇構造部126,127が設けられており、鏡体接続部140’には、庇構造部141が設けられているため、枠状構造体110’を構成する第2枠部112’,第3枠部113’,第4枠部114’の形状は、図9に示す枠状構造体110を構成する第2枠部112,第3枠部113,第4枠部114の形状とは若干異なっている。すなわち、図10に示す変形例における第2枠部112’,第3枠部113’,第4枠部114’の内側部分には、庇構造部126,127,141に対応した位置に凹部が形成されている。
このような庇構造部126,127,141を設けた構造を採用すると、各橋梁部の両端への応力集中がより顕著になる。これは、図に太い破線で示した各橋梁部の端部位置において、当該橋梁部の端部に接続される相手となる部材が、各橋梁部の側面から直角に伸びる構造をとるためと考えられる。
たとえば、第1橋梁部120の根端部に接続される相手となる部材である第1枠部111は、第1橋梁部120の根端部の側面から直角に伸びる構造をとっているため、上部電極層121Dの配置位置に応力を集中させる効果が得られ、第1橋梁部120の先端部に接続される相手となる部材である中間接続部125’には、庇構造部126が設けられているため、やはり第1橋梁部120の先端部の側面から直角に伸びる構造がとられ、上部電極層122Dの配置位置に応力を集中させる効果が得られることになる。
同様に、第2橋梁部130の根端部に接続される相手となる部材である中間接続部125’には、庇構造部127が設けられているため、やはり第2橋梁部130の根端部の側面から直角に伸びる構造がとられており、上部電極層131Dの配置位置に応力を集中させる効果が得られ、第2橋梁部130の先端部に接続される相手となる部材である鏡体接続部140’には、庇構造部141が設けられているため、やはり第2橋梁部130の先端部の側面から直角に伸びる構造がとられ、上部電極層132Dの配置位置に応力を集中させる効果が得られる。
結局、図10に示す変形例の場合、庇構造部126,127,141を設けることにより、鏡体部150が変位を生じる際に、第1橋梁部120および第2橋梁部130の4箇所の圧電素子の配置位置に、応力を集中させる効果が得られる。このため、4組の圧電素子を駆動することにより、鏡体部150を効率良く変位させることが可能になる。
また、庇構造部126,127,141と、これに対向する枠状構造体110’の内側面との間隔を適当に設定しておけば、鏡体部150が過度の変位を生じようとした場合に、庇構造部126,127,141が枠状構造体110’の内側面に接触することにより、当該過度の変位は抑制されることになる。いわば、庇構造部126,127,141と、これに対向する枠状構造体110’の内側面とが、過度の変位を制御するためのストッパとして機能し、アーム部に破損が生じることを防ぐ効果も得られる。
<2−3 3組以上の橋梁部を用いる実施形態>
本発明に係る可動反射素子は、図5に示すとおり、反射面を有する鏡体部150と、この鏡体部150を支持するための固定部110と、鏡体部150と固定部110とを接続するアーム部と、を備えている。ここで、アーム部は、図5に示す基本的実施形態の場合、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部120と、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部130と、いう2本の橋梁部を有している。
図9(a)に示す例のように、太い破線で示す位置を各橋梁部や鏡体部の端部位置と定義すると、第1橋梁部120と第2橋梁部130は、中間接続部125を介して間接的に接続されており、第2橋梁部130と鏡体部150は、鏡体接続部140を介して間接的に接続されていることになる。したがって、図9(a)に示す例の場合、アーム部は、第1橋梁部120、中間接続部125、第2橋梁部130、鏡体接続部140によって構成されている。
本発明に係る可動反射素子は、鏡体部150をX軸方向およびY軸方向の2軸方向に傾斜させる機能を有しているので、アーム部には、Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸びた第1橋梁部120と、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸びた第2橋梁部130と、が必要になる。ここで、第1橋梁部120は、鏡体部150をY軸方向(X軸まわり)に傾斜させる役割を果たし、第2橋梁部130は、鏡体部150をX軸方向(Y軸まわり)に傾斜させる役割を果たす。
もっとも、アーム部に含まれる橋梁部の数は、第1橋梁部120と第2橋梁部130との2組に限定されるものではなく、3組以上の橋梁部を設けることも可能である。ここでは、3組以上の橋梁部を用いる実施形態を説明する。
図11(a)は、3組の橋梁部を用いる実施形態に係る可動反射素子300の上面図であり、図11(b)は、この可動反射素子300をX軸に沿って切断した側断面図である。これまでの実施形態と同様に、ここでも、鏡体部の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。
図11(b)の側断面図に示されているとおり、この可動反射素子300もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しており、各層の材質や寸法は、これまで述べてきた実施形態と同様である(図11(a)の上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。この図11に示す実施形態の特徴は、アーム部が3組の橋梁部を有している点であり、その他の特徴は、図5に示す基本的実施形態と同じである。
すなわち、図11(a)に示すとおり、この可動反射素子300は、四角形をした枠状構造体310、第1橋梁部320、第2橋梁部330、第3橋梁部340、鏡体接続部350、鏡体部360を有している。枠状構造体310は、鏡体部360を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部311,第2枠部312,第3枠部313,第4枠部314によって構成されている。そして、この枠状構造体310によって囲まれた内部領域に、第1橋梁部320、第2橋梁部330、第3橋梁部340、鏡体接続部350、鏡体部360が配置されている。
図示のとおり、第1橋梁部320の根端部は第1枠部311に接続され、第1橋梁部320の先端部は第2橋梁部330の根端部に接続され、第2橋梁部330の先端部は第3橋梁部340の根端部に接続され、第3橋梁部340の先端部は鏡体接続部350を介して鏡体部360に接続されている。したがって、第1橋梁部320、第2橋梁部330、第3橋梁部340、鏡体接続部350は、枠状構造体310と鏡体部360との間を、1本の接続経路に沿って接続するアーム部として機能し、鏡体部360は、このアーム部による片持ち梁構造を利用して、枠状構造体310(固定部)による支持を受けることになる。
ここで、第1枠部311はX軸に平行な長手方向軸L0に沿って伸び、第1橋梁部320はY軸に平行な長手方向軸L1に沿って伸び、第2橋梁部330はX軸に平行な長手方向軸L2に沿って伸び、第3橋梁部340はY軸に平行な長手方向軸L3に沿って伸びている。そして、第1橋梁部320の上部電極層320Dが形成された領域に第1圧電素子が配置され、第2橋梁部330の上部電極層330Dが形成された領域に第2圧電素子が配置され、第3橋梁部340の上部電極層340Dが形成された領域に第3圧電素子が配置されている。
長手方向軸L1に沿って配置された第1圧電素子および長手方向軸L3に沿って配置された第3圧電素子は、鏡体部360をY軸方向に傾斜させる機能を果たし、長手方向軸L2に沿って配置された第2圧電素子は、鏡体部360をX軸方向に傾斜させる機能を果たす。かくして、反射層360Dが形成された鏡体部360を、2軸方向に傾斜させることができる。
図11(b)の側断面図では、図11(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されている。ここで、A層,B層,C層の平面形状は同じであり、いずれも、図11(a)に示す輪郭形状をしているが、D層は、図11(a)にハッチングを施した領域にのみ形成されている。この図11(b)では、図11(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。たとえば、図11(a)の上面図に示されている鏡体部360を構成するA層部分は符号360A、B層部分は符号360B、C層部分は符号360C、D層部分は符号360Dによって示されている。図11(b)の側断面図に示されている基本的な構造の特徴は、図5に示す実施形態に準じたものであるため、ここでは詳しい説明は省略する。
一方、図12(a)は、4組の橋梁部を用いる実施形態に係る可動反射素子400の上面図であり、図12(b)は、この可動反射素子400をX軸に沿って切断した側断面図である。これまでの実施形態と同様に、ここでも、鏡体部の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。
図12(b)の側断面図に示されているとおり、この可動反射素子400もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しており、各層の材質や寸法は、これまで述べてきた実施形態と同様である(図12(a)の上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。この図12に示す実施形態の特徴は、アーム部が4組の橋梁部を有している点であり、その他の特徴は、図5に示す基本的実施形態と同じである。
すなわち、図12(a)に示すとおり、この可動反射素子400は、四角形をした枠状構造体410、第1橋梁部420、第2橋梁部430、第3橋梁部440、第4橋梁部450、鏡体接続部460、鏡体部470を有している。枠状構造体410は、鏡体部470を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部411,第2枠部412,第3枠部413,第4枠部414によって構成されている。そして、この枠状構造体410によって囲まれた内部領域に、第1橋梁部420、第2橋梁部430、第3橋梁部440、第4橋梁部450、鏡体接続部460、鏡体部470が配置されている。
図示のとおり、第1橋梁部420の根端部は第1枠部411に接続され、第1橋梁部420の先端部は第2橋梁部430の根端部に接続され、第2橋梁部430の先端部は第3橋梁部440の根端部に接続され、第3橋梁部440の先端部は第4橋梁部450の根端部に接続され、第4橋梁部450の先端部は鏡体接続部460を介して鏡体部470に接続されている。したがって、第1橋梁部420、第2橋梁部430は、第3橋梁部440、第4橋梁部450、鏡体接続部460は、枠状構造体410と鏡体部470との間を、1本の接続経路に沿って接続するアーム部として機能し、鏡体部470は、このアーム部による片持ち梁構造を利用して、枠状構造体410(固定部)による支持を受けることになる。
ここで、第1枠部411はX軸に平行な長手方向軸L0に沿って伸び、第1橋梁部420はY軸に平行な長手方向軸L1に沿って伸び、第2橋梁部430はX軸に平行な長手方向軸L2に沿って伸び、第3橋梁部440はY軸に平行な長手方向軸L3に沿って伸び、第4橋梁部450はX軸に平行な長手方向軸L4に沿って伸びている。そして、第1橋梁部420の上部電極層420Dが形成された領域に第1圧電素子が配置され、第2橋梁部430の上部電極層430Dが形成された領域に第2圧電素子が配置され、第3橋梁部440の上部電極層440Dが形成された領域に第3圧電素子が配置され、第4橋梁部450の上部電極層450Dが形成された領域に第4圧電素子が配置されている。
長手方向軸L1に沿って配置された第1圧電素子および長手方向軸L3に沿って配置された第3圧電素子は、鏡体部470をY軸方向に傾斜させる機能を果たし、長手方向軸L2に沿って配置された第2圧電素子および長手方向軸L4に沿って配置された第4圧電素子は、鏡体部470をX軸方向に傾斜させる機能を果たす。かくして、反射層470Dが形成された鏡体部470を、2軸方向に傾斜させることができる。
図12(b)の側断面図では、図12(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されている。ここで、A層,B層,C層の平面形状は同じであり、いずれも、図12(a)に示す輪郭形状をしているが、D層は、図12(a)にハッチングを施した領域にのみ形成されている。この図12(b)では、図12(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。たとえば、図12(a)の上面図に示されている鏡体部470を構成するA層部分は符号470A、B層部分は符号470B、C層部分は符号470C、D層部分は符号470Dによって示されている。図12(b)の側断面図に示されている基本的な構造の特徴は、図5に示す実施形態に準じたものであるため、ここでは詳しい説明は省略する。
以上、アーム部に3組の橋梁部を含む可動反射素子300(図11)と4組の橋梁部を含む可動反射素子400(図12)とを例示したが、もちろん、5組以上の橋梁部を有するアーム部を用いて可動反射素子を構成してもかまわない。
一般論として述べれば、XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、アーム部は、複数n本(但し、n≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、このn本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第1グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第2グループの橋梁部であればよい。
ここで、第1グループの橋梁部は、可撓性を有する第1グループの橋梁本体部(A層)と、この第1グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1グループの圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)と、を有し、第1グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有していればよい。そうすれば、鏡体部をY軸方向(X軸まわり)に傾斜させることができる。
また、第2グループの橋梁部は、可撓性を有する第2グループの橋梁本体部(A層)と、この第2グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2グループの圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)と、を有し、第2グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有していればよい。そうすれば、鏡体部をX軸方向(Y軸まわり)に傾斜させることができる。
より具体的には、第1番目の橋梁部から第n番目の橋梁部までの複数n本の橋梁部を用いてアーム部を構成し、第1番目の橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第n番目の橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第i番目(但し、1≦i≦n−1)の橋梁部の先端部は第(i+1)番目の橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続され、奇数番目の橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成され、偶数番目の橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成され、偶数番目の橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成されているようにすればよい。
上記構成を採れば、奇数番目の橋梁部と偶数番目の橋梁部とは必ず直交することになる。このように、奇数番目の橋梁部と偶数番目の橋梁部とを直交させる形態としては、個々の橋梁部を左右交互に折れ曲がるように連結し、クランク状に伸びる細長い形態を採ることも可能であるが、実用上は、図10(n=3の例)や図11(n=4の例)に示す例のように、第1番目の橋梁部の根端部から第n番目(但し、n≧3)の橋梁部の先端部に至るまでの構造体が渦巻状の経路をなし、鏡体部がこの渦巻状の経路に囲まれた中心位置に配置される形態を採るのが好ましい。アーム部を渦巻状の形態とし、その中心位置に鏡体部を配置するようにすれば、構造全体を小型化することができ、各種電子機器に組み込むのに適した形態を実現することができる。
このように、アーム部を構成する橋梁部の数を増やすと、鏡体部の変位が、個々の橋梁部によって生じる変位の総和になるため、反射面の変位角(X軸方向およびY軸方向への傾斜角)の範囲を拡張できる効果が得られる。
たとえば、図11に示す例の場合、X軸方向への傾斜は第2橋梁部330の変形によって生じることになるが、Y軸方向への傾斜は第1橋梁部320の変形と第3橋梁部340の変形との相乗効果として生じることになる。一方、図12に示す例の場合、X軸方向への傾斜は第2橋梁部430の変形と第4橋梁部450の変形との相乗効果として生じ、Y軸方向への傾斜は第1橋梁部420の変形と第3橋梁部440の変形との相乗効果として生じることになる。
もっとも、複数の橋梁部の変形の相乗効果として、鏡体部を所望の方向に傾斜させる際には、同一グループに所属する個々の橋梁部の変形態様が、鏡体部を同一方向に傾斜させる態様になるように配慮しなくてはならない。たとえば、図12に示す実施例において、4組の圧電素子がいずれも図6A,図6B,図6Cに示す特性をもった素子であるとすると、上部電極層(D層)を正、下部電極層(B層)を負とする極性の電圧を印加すると、図6Bに示すように、各橋梁部はいずれも上面が伸びるため、各橋梁部はいずれも上に凸となるような変形を生じることになる。
このため、図12に示す実施例において、もし、上部電極層420D,440Dの双方が正となるような電圧印加を行うと、第1橋梁部420の変形は鏡体部470をY軸正方向に傾斜させる作用(Y軸正方向側を下げるように傾斜させる作用:以下同様)を行うのに対して、第3橋梁部440の変形は鏡体部470をY軸負方向に傾斜させる作用(Y軸負方向側を下げるように傾斜させる作用:以下同様)を行うので、互いに鏡体部470の傾斜を打ち消す態様で変形を生じてしまうことになる。
したがって、図12に示す実施例の場合、上部電極層420Dと上部電極層440Dには、常に、逆極性の電圧を印加するようにし、上部電極層430Dと上部電極層450Dにも、常に、逆極性の電圧を印加するようにする。そうすれば、図5に示す基本的実施形態に比べて、鏡体部の傾斜可能範囲を拡大させる効果が得られる。このような効果は、橋梁部の数nを増やせば増やすほど大きくなるが、その分だけ、装置全体におけるアーム部が占める割合が増えるので、鏡体部470が占める割合が低下し、反射面の面積は小さくなってしまう。
なお、図11および図12に示す実施例では、すべての橋梁部にそれぞれ圧電素子を設けて変形させるようにしているが、必ずしもn本の橋梁部のすべてに圧電素子を設ける必要はない。たとえば、図12に示す実施例において、上部電極層450Dを省略すると、第4橋梁部450には圧電素子が設けられていないことになり、第4橋梁部450自身は変形しないことになる。それでも、第4橋梁部450はアーム部の一部を構成する要素であり、鏡体部470を支持する役割を担うことに変わりはない。もっとも、実用上は、鏡体部の傾斜可能範囲を拡大させる効果を得るため、すべての橋梁部にそれぞれ圧電素子を設けて変形させるようにするのが好ましい。
また、各上部電極層に印加すべき電圧の極性は、個々の圧電素子に用いられている圧電材料層の分極特性にも依存する。たとえば、図12に示す実施例において、上部電極層420Dの直下に形成されている圧電材料層(C層)の分極特性と、上部電極層440Dの直下に形成されている圧電材料層(C層)の分極特性とが上下方向に関して逆極性になっていた場合には、上部電極層420Dと上部電極層440Dには、常に、同極性の電圧を印加すれば、鏡体部の傾斜可能範囲を拡大させる効果が得られることになる。
更に、橋梁本体部(A層)の上面に形成されている圧電素子(B層,C層,D層の3層構造体)と、橋梁本体部の下面に形成されている圧電素子とを混在させるような実施例の場合は、各橋梁本体部の上面が伸縮するのか、下面が伸縮するのかを考慮して、同一グループに所属する個々の橋梁部の変形態様が、鏡体部を同一方向に傾斜させる態様になるように配慮しなくてはならない。
<2−4 2系統のアーム部を用いる実施形態>
これまで述べてきた実施形態は、いずれも1本のアームによって鏡体部を固定部に対して支持する構造を採るものである。このような支持構造は、いわゆる片持ち梁構造であり、鏡体部の固定部に対する変位の自由度を確保する上で効果的である。しかしながら、鏡体部をX軸方向もしくはY軸方向に傾斜させる際に、Z軸方向への変位という付随現象が生じる。
たとえば、図7Aに示すように、鏡体部150が傾斜を生じていないときの状態では、鏡体部150の重心Gは、座標系の原点O(X軸の位置)の位置に一致している。ところが、図7Bに示すように、鏡体部150がY軸正方向に傾斜を生じると(X軸まわりに回転−Rxを生じると)、鏡体部150の重心Gは図の下方向、すなわち、Z軸負方向に移動することになり、図7Cに示すように、鏡体部150がY軸負方向に傾斜を生じると(X軸まわりに回転+Rxを生じると)、鏡体部150の重心Gは図の上方向、すなわち、Z軸正方向に移動することになる。
同様に、図8Aに示すように、鏡体部150が傾斜を生じていないときの状態では、鏡体部150の重心Gは、座標系の原点O(Y軸の位置)の位置に一致しているが、図8Bに示すように、鏡体部150がX軸負方向に傾斜を生じると(Y軸まわりに回転−Ryを生じると)、鏡体部150の重心Gは図の下方向、すなわち、Z軸負方向に移動することになり、図8Cに示すように、鏡体部150がX軸正方向に傾斜を生じると(Y軸まわりに回転+Ryを生じると)、鏡体部150の重心Gは図の上方向、すなわち、Z軸正方向に移動することになる。
もちろん、このようなZ軸方向への変位が伴ったとしても、反射面の角度を調整して入射するビームを所望の方向に射出させる制御は可能である。したがって、ビームを二次元的に走査する二次元走査装置に、これまで述べてきた実施形態に係る可動反射素子を組み込んで利用する場合であっても、実用上の支障は生じない。
しかしながら、従来のジンバル構造を採用したMEMS型の可動反射素子では、直交する2軸に沿ってトーションバーが配置されており、この2軸の交点位置を鏡面上の不動点とすれば、この不動点の位置を固定にした状態で、鏡面の傾斜角度だけを変化させることが可能である。このようなジンバル構造の特徴を前提とする用途では、これまで述べてきた実施形態をそのまま利用することはできない。
そこで、ここでは、鏡体部をX軸方向もしくはY軸方向に傾斜させた場合に、Z軸方向への変位という付随現象を抑制することが可能な変形例を述べる。ここで述べる変形例の特徴は、第1系統アーム部と第2系統アーム部という2系統のアーム部を用いて鏡体部を支持する点にある。以下、その基本形態を図13に示す実施例に即して説明する。
図13(a)は、2系統のアーム部を用いる実施形態に係る可動反射素子500の上面図であり、図13(b)は、この可動反射素子500をX軸に沿って切断した側断面図である。これまでの実施形態と同様に、ここでも、鏡体部の重心位置に原点Oをとり、図示のとおり、XYZ三次元座標系を定義する。
図13(b)の側断面図に示されているとおり、この可動反射素子500もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しており、各層の材質や寸法は、これまで述べてきた実施形態と同様である(図13(a)の上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない)。この図13に示す実施形態では、図12に示す実施形態と同様に、4組の橋梁部が設けられているが、これら4組の橋梁部は1本の接続経路に沿って接続されているわけではなく、単一のアーム部を構成するものではない。すなわち、2組の橋梁部は、1本の接続経路に沿って接続され第1系統アーム部を構成し、別な2組の橋梁部は、別な1本の接続経路に沿って接続され第2系統アーム部を構成する。
具体的には、図13(a)に示すとおり、この可動反射素子500は、四角形をした枠状構造体510と、第1系統アーム部(第1橋梁部520、第2橋梁部530、鏡体接続部540)と、鏡体部550と、第2系統アーム部(第3橋梁部560、第4橋梁部570、鏡体接続部580)と、を有している。枠状構造体510は、鏡体部550を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部511,第2枠部512,第3枠部513,第4枠部514によって構成されている。そして、この枠状構造体510によって囲まれた内部領域に、上記各部材が配置されている。
ここで、第1系統アーム部に関しては、第1橋梁部520の根端部は第1枠部511に接続され、第1橋梁部520の先端部は第2橋梁部530の根端部に接続され、第2橋梁部530の先端部は鏡体接続部540を介して鏡体部550の第1の端部(図示の例では、左上端部)に接続されている。したがって、第1橋梁部520、第2橋梁部530、鏡体接続部540は、枠状構造体510と鏡体部550との間を、1本の接続経路に沿って接続する第1系統アーム部として機能する。
一方、第2系統アーム部に関しては、第3橋梁部560の根端部は第3枠部513に接続され、第3橋梁部560の先端部は第4橋梁部570の根端部に接続され、第4橋梁部570の先端部は鏡体接続部580を介して鏡体部550の第2の端部(図示の例では、右下端部)に接続されている。したがって、第3橋梁部560、第4橋梁部570、鏡体接続部580は、枠状構造体510と鏡体部550との間を、1本の接続経路に沿って接続する第2系統アーム部として機能する。
このように、図13に示す実施例における鏡体部550は、第1系統アーム部と第2系統アーム部という2系統のアーム部を介して、枠状構造体510(固定部)による支持を受けることになる。しかも、この図13に示す実施例の場合、第1系統アーム部のXY平面への正射影投影像と第2系統アーム部のXY平面への正射影投影像とが、原点Oに関して点対称となっており、鏡体部550のZ軸方向への変位という付随現象を最も効果的に抑制することが可能な構造になっている。
まず、第1系統アーム部に関しては、固定部として機能する第1枠部511はX軸に平行な長手方向軸L0に沿って伸び、第1橋梁部520はY軸に平行な長手方向軸L1に沿って伸び、第2橋梁部530はX軸に平行な長手方向軸L2に沿って伸びている。そして、第1橋梁部520の上部電極層520Dが形成された領域に第1圧電素子が配置され、第2橋梁部530の上部電極層530Dが形成された領域に第2圧電素子が配置されている。
ここで、長手方向軸L1に沿って配置された第1圧電素子は、鏡体部550をY軸方向に傾斜させる機能を果たし、長手方向軸L2に沿って配置された第2圧電素子は、鏡体部550をX軸方向に傾斜させる機能を果たす。かくして、第1系統アーム部のみによって、反射層550Dが形成された鏡体部550を、2軸方向に傾斜させることができる。
一方、第2系統アーム部に関しては、固定部として機能する第3枠部513はX軸に平行な長手方向軸L3に沿って伸び、第3橋梁部560はY軸に平行な長手方向軸L4に沿って伸び、第4橋梁部570はX軸に平行な長手方向軸L5に沿って伸びている。そして、第3橋梁部560の上部電極層560Dが形成された領域に第3圧電素子が配置され、第4橋梁部570の上部電極層570Dが形成された領域に第4圧電素子が配置されている。
ここで、長手方向軸L4に沿って配置された第3圧電素子は、鏡体部550をY軸方向に傾斜させる機能を果たし、長手方向軸L5に沿って配置された第4圧電素子は、鏡体部550をX軸方向に傾斜させる機能を果たす。かくして、第2系統アーム部のみによって、反射層550Dが形成された鏡体部550を、2軸方向に傾斜させることもできる。
図13(b)の側断面図では、図13(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されている。ここで、A層,B層,C層の平面形状は同じであり、いずれも、図13(a)に示す輪郭形状をしているが、D層は、図13(a)にハッチングを施した領域にのみ形成されている。この図13(b)では、図13(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。たとえば、図13(a)の上面図に示されている鏡体部550を構成するA層部分は符号550A、B層部分は符号550B、C層部分は符号550C、D層部分は符号550Dによって示されている。図13(b)の側断面図に示されている基本的な構造の特徴は、図5に示す実施形態に準じたものであるため、ここでは詳しい説明は省略する。
要するに、この図13に示す実施形態に係る可動反射素子500は、反射面を有する鏡体部550と、この鏡体部550を支持するための固定部510と、鏡体部550と固定部510とを接続する第1系統アーム部および第2系統アーム部と、を備えている素子ということができる。
ここで、鏡体部550の重心位置に原点Oを定義して、XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義すると、第1系統アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第1の長手方向軸L1に沿って伸びた第1橋梁部520と、この第1橋梁部520に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第2の長手方向軸L2に沿って伸びた第2橋梁部530と、を有しており(後述するように、更に別な橋梁部を設けてもかまわない)、第2系統アーム部は、少なくとも、Y軸に平行な第3の長手方向軸L4に沿って伸びた第3橋梁部560と、この第3橋梁部560に直接もしくは間接的に接続され、X軸に平行な第4の長手方向軸L5に沿って伸びた第4橋梁部570と、を有している(後述するように、更に別な橋梁部を設けてもかまわない)。
これら各橋梁部は、次のような特徴を有している。まず、第1橋梁部520は、可撓性を有する第1橋梁本体部520Aと、この第1橋梁本体部520Aの上面(もしくは下面でもよい)に固着された第1圧電素子(520B,520C,520Dの3層構造体)と、を有し、この第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第1の長手方向軸L1に沿った方向に伸縮する性質を有している。同様に、第2橋梁部530は、可撓性を有する第2橋梁本体部530Aと、この第2橋梁本体部530Aの上面(もしくは下面でもよい)に固着された第2圧電素子(530B,530C,530Dの3層構造体)と、を有し、この第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第2の長手方向軸L2に沿った方向に伸縮する性質を有している。
一方、第3橋梁部560は、可撓性を有する第3橋梁本体部560Aと、この第3橋梁本体部560Aの上面(もしくは下面でもよい)に固着された第3圧電素子(560B,560C,560Dの3層構造体)と、を有し、この第3圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第3の長手方向軸L4に沿った方向に伸縮する性質を有している。同様に、第4橋梁部570は、可撓性を有する第4橋梁本体部570Aと、この第4橋梁本体部570Aの上面(もしくは下面でもよい)に固着された第4圧電素子(570B,570C,570Dの3層構造体)と、を有し、この第4圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると第4の長手方向軸L5に沿った方向に伸縮する性質を有している。
このように、図13に示す実施例では、鏡体部550が2系統のアーム部によって支持されており、しかもいずれのアーム部にも、鏡体部550を2軸方向に傾斜させる機能が備わっている。このため、鏡体部550をX軸方向あるいはY軸方向に傾斜させる際に、Z軸方向への変位という付随現象が生じることを抑制することができる。以下にその原理を説明する。
図7A,図7B,図7Cにおいて、鏡体部150をY軸方向に傾斜させるために第1橋梁部120を変形させると、鏡体部150のZ軸方向への変位が伴う理由は、第1橋梁部120の根端部(図の左端)が支持されている状態において、第1橋梁部120の上面が伸縮するので、第1橋梁部120の先端部(図の右端)が下がったり(図7B)、上がったり(図7C)するためである。ところが、図13に示す実施例の場合、2系統のアーム部について、この上下の変位方向が相補的になる。
たとえば、鏡体部550について、Y軸正方向側を下方(Z軸負方向)に傾斜させ、Y軸負方向側を上方(Z軸正方向)に傾斜させる場合、第1橋梁部520については上面が伸びるような応力を作用させ(図7Bのように、鏡体部550の重心GはZ軸負方向に変位する)、第3橋梁部560については上面が縮むような応力を作用させればよい(図7Cのように、鏡体部550の重心GはZ軸正方向に変位する)。そうすれば、第1橋梁部520および第3橋梁部560は、いずれも鏡体部550を同一方向に傾斜させる点においては協調作用を行うが、鏡体部550の重心をZ軸方向に変位させる点においては逆の作用を行うことになる。
同様に、図8A,図8B,図8Cにおいて、鏡体部150をX軸方向に傾斜させるために第2橋梁部130を変形させると、鏡体部150のZ軸方向への変位が伴う理由は、第2橋梁部130の根端部(図の右端)が支持されている状態において、第2橋梁部130の上面が伸縮するので、第2橋梁部130の先端部(図の左端)が下がったり(図8B)、上がったり(図8C)するためである。ところが、図13に示す実施例の場合、2系統のアーム部について、この上下の変位方向が相補的になる。
たとえば、鏡体部550について、X軸正方向側を上方(Z軸正方向)に傾斜させ、X軸負方向側を下方(Z軸負方向)に傾斜させる場合、第2橋梁部530については上面が伸びるような応力を作用させ(図8Bのように、鏡体部550の重心GはZ軸負方向に変位する)、第4橋梁部570については上面が縮むような応力を作用させればよい(図8Cのように、鏡体部550の重心GはZ軸正方向に変位する)。そうすれば、第2橋梁部530および第4橋梁部570は、いずれも鏡体部550を同一方向に傾斜させる点においては協調作用を行うが、鏡体部550の重心をZ軸方向に変位させる点においては逆の作用を行うことになる。
特に、図13に示す可動反射素子500は、平面構造が原点Oに関して点対称となっており、Z軸を中心として180°回転させても完全に重なり合う構造をしている。このため、鏡体部550の重心のZ軸方向への変位という付随現象に関しては、第1系統アーム部と第2系統アーム部とが完全に相補的な作用を行うことができ、所定の不動点の位置を固定にした状態で、反射面の傾斜角度だけを変化させることが可能になる。
もちろん、平面構造が完全な点対称になっていなくても、2系統のアーム部によって鏡体部550を支持する構造を採用すれば、鏡体部550のZ軸方向への変位という付随現象を抑制する効果は得られるので、必ずしも点対称の構造を採用する必要はない。
また、図13に示す実施例では、第1系統アーム部および第2系統アーム部が、それぞれ2本ずつの橋梁部を備えているが、§2−3で述べた変形例のように3組以上の橋梁部を有するアーム部を2系統設けるようにすることも可能である。したがって、この§2−4で述べる2系統のアーム部を用いる実施形態に係る可動反射素子を、一般論として述べると、次のようになる。
すなわち、この可動反射素子は、反射面を有する鏡体部と、この鏡体部を支持するための固定部と、鏡体部と固定部とを接続する第1系統アーム部および第2系統アーム部と、を備えており、鏡体部550の重心位置に原点Oを定義して、XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義すると、各系統のアーム部は、次のような特徴を有している。
まず、第1系統アーム部は、複数n本(但し、n≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、これらn本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第1グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第2グループの橋梁部である。また、第2系統アーム部は、複数m本(但し、m≧2)の橋梁部を直接もしくは中間接続部を介して間接的に連結することにより構成され、これらm本の橋梁部の一部はY軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第3グループの橋梁部であり、別な一部はX軸に平行な長手方向軸に沿って伸びる第4グループの橋梁部である。
しかも、第1グループの橋梁部は、可撓性を有する第1グループの橋梁本体部と、この第1グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1グループの圧電素子と、を有し、第1グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有している。また、第2グループの橋梁部は、可撓性を有する第2グループの橋梁本体部と、この第2グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2グループの圧電素子と、を有し、第2グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有している。
一方、第3グループの橋梁部は、可撓性を有する第3グループの橋梁本体部と、この第3グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第3グループの圧電素子と、を有し、第3グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとY軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有している。また、第4グループの橋梁部は、可撓性を有する第4グループの橋梁本体部と、この第4グループの橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第4グループの圧電素子と、を有し、第4グループの圧電素子は、所定極性の電圧を印加するとX軸に平行な軸に沿った方向に伸縮する性質を有している。
より好ましくは、次のような構成を採用するとよい。まず、第1系統アーム部は、第1番目の第1系統橋梁部から第n番目の第1系統橋梁部までの複数n本の第1系統橋梁部を有し、第1番目の第1系統橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第n番目の第1系統橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第i番目(但し、1≦i≦n−1)の第1系統橋梁部の先端部は第(i+1)番目の第1系統橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続されるようにする。
そして、奇数番目の第1系統橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第1系統橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の第1系統橋梁部によって第2グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第1系統橋梁部によって第1グループの橋梁部が構成されているようにする。
一方、第2系統アーム部は、第1番目の第2系統橋梁部から第m番目の第2系統橋梁部までの複数m本の第2系統橋梁部を有し、第1番目の第2系統橋梁部の根端部は固定部に直接もしくは間接的に接続され、第m番目の第2系統橋梁部の先端部は鏡体部に直接もしくは間接的に接続され、第j番目(但し、1≦j≦m−1)の第2系統橋梁部の先端部は第(j+1)番目の第2系統橋梁部の根端部に直接もしくは間接的に接続されるようにする。
そして、奇数番目の第2系統橋梁部によって第3グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第2系統橋梁部によって第4グループの橋梁部が構成されているか、もしくは、奇数番目の第2系統橋梁部によって第4グループの橋梁部が構成され、偶数番目の第2系統橋梁部によって第3グループの橋梁部が構成されているようにする。
特に、第1系統アーム部と第2系統アーム部とによって、鏡体部550のZ軸方向の変位に関して効率的な相補作用を行うことができるようにするには、上記構成において、n=mに設定し、第1系統アーム部のXY平面への正射影投影像と第2系統アーム部のXY平面への正射影投影像とが、原点Oに関して点対称となるような構造を採用すればよい。
<2−5 各層の構造バリエーション>
これまで述べてきた実施形態の基本構造は、図6Aに示すとおり、A層,B層,C層,D層の4層からなる。ここで、A層は橋梁本体部として機能する層、B層は下部電極層として機能する層、C層は圧電材料層として機能する層、D層は上部電極層および反射層として機能する層であり、A層,B層,C層は同じ平面パターンを有する層であるが、D層は、圧電素子の配置に必要な領域および反射面の形成に必要な領域に形成される層ということになる。
このような4層構造を採用しているのは、B層,C層,D層の3層構造体によって圧電素子を構成するためである。すなわち、これまで述べてきた実施形態の場合、各圧電素子は、下部電極層B、圧電材料層C、上部電極層Dの3層構造体によって構成される。ここで、圧電材料層Cは、下部電極層Bおよび上部電極層Dのうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、その逆の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有している。したがって、実際には、下部電極層Bおよび上部電極層Dに対しては、電圧の印加を行うための配線が施される(図示は省略されている)。
A層,B層,C層を同じ平面パターンの層とし、D層だけを異なる平面パターンの層としているのは、製造プロセスを容易にするための便宜である。たとえば、図5の基本的実施形態の場合、図5(b)に示すように、A層,B層,C層は、平面的には同じパターンであるため、パターニング工程は容易になる。また、B層は、複数の圧電素子についての共通の下部電極層として機能することができる。そして、C層の上面の必要な領域(図5(a)にハッチングを施した領域)にのみD層を形成することにより、当該D層を個々の圧電素子用の上部電極層もしくは反射層として利用することになる。
D層は、圧電素子用の上部電極層として利用することもできるし、反射層として利用することもできる。図5(a)に示す例の場合、D層120DおよびD層130Dを圧電素子用の上部電極層として利用し(実際には、電圧を印加するための配線が施される)、D層150Dを反射層として利用している(配線は施されない)。もちろん、反射層は必ずしもD層によって構成する必要はないので、そもそも圧電素子の配置面と同じ面に形成する必要もない。たとえば、これまでの実施例では、圧電素子および反射層を各橋梁部の上面に形成しているが、圧電素子を上面に形成し、反射面を下面に形成してもかまわないし、その逆にしてもかまわない。ただ、製造プロセスを単純化するためには、両者を同じ面に形成するのが好ましい。なお、反射面を下面に形成した場合は、土台基板200に開口部を設ける必要がある。
上述のように、A層,B層,C層を同じ平面パターンによって構成すれば、パターニング工程が容易になり、製造プロセスを単純化することができるので、実用上は、A層,B層,C層の平面パターンを共通化するのが好ましい。ただ、可動反射素子として動作させる原理上は、必ずしもA層,B層,C層の平面パターンを共通化する必要はない。実際、D層が形成されていない領域は、圧電素子としての機能を果たすことができないので、B層およびC層を形成しなくてもかまわない。
図14Aは、このような観点から、D層を形成しない領域については、B層およびC層の形成も行わないようにした変形例の側断面図である。図5(b)に示す基本的実施形態に係る可動反射素子と、図14Aに示す変形例に係る可動反射素子とは、基本的な構造および機能は同一であるが、前者では、B層およびC層が、A層と同一平面パターンになっているのに対して、後者では、B層およびC層が、D層と同一平面パターンになっている点が異なっている。
たとえば、第1橋梁部120に着目すると、図5(b)では、A層120A,B層120B,C層120Cが同一平面パターンの層であり、D層120Dのみが別の平面パターンとなっているのに対して、図14Aでは、B層120B’,C層120C’は、D層120Dと同一の平面パターンになっている。同様に、図14Aの第2の橋梁部130では、B層130B’,C層130C’は、D層130Dと同一の平面パターンになっており、図14Aの鏡体部150では、B層150B’,C層150C’は、D層150Dと同一の平面パターンになっている。また、図14Aでは、枠状構造体110を構成する第2枠部112Aおよび第4枠部114Aの上面には、B層,C層,D層は全く形成されていない。
一方、図14Bは、これまで述べてきた4層構造に、もう1層追加して、全5層構造を採用した変形例の側断面図である。具体的には、A層とB層との間にE層を介挿した構造になっている。たとえば、第1橋梁部120には、E層120Eが追加され、第2橋梁部130には、E層130Eが追加され、鏡体部150には、E層150Eが追加されている。同様に、第2枠部112には、E層112Eが追加され、第4枠部114には、E層114Eが追加されている。
前述したとおり、基本的実施形態に係る可動反射素子の場合、A層はシリコン基板、B層は白金、C層はPZTまたはKNN、D層は金/白金の二層構造層によって構成されているが、図14Bに示す変形例で追加されたE層は、厚み1μmの酸化シリコンによって構成され、絶縁層としての機能を果たすものである。B層,C層,D層の3層構造体は圧電素子を構成するものであるが、この圧電素子とシリコン基板からなるA層(基板層)との間に絶縁層からなるE層を介挿することにより、圧電素子から基板層への電流リークを防ぐことができ、圧電素子をより安定的に動作させることが可能になる。また、E層を介挿すると、その上面に安定したC層を成膜することができるというメリットも得られる。
このように、本発明に係る可動反射素子は、4層構造体として構成することも可能であるし、5層以上の構造体として構成することも可能である。要するに、本発明に係る可動反射素子を複数層からなる構造体として実現する場合は、鏡体部、固定部、アーム部のそれぞれが、基板層Aと、この基板層Aの上方に形成された下部電極層Bと、この下部電極層Bの上方に形成された圧電材料層Cと、を含む3層以上の積層構造体を構成し、更に、少なくとも鏡体部およびアーム部には、圧電材料層Cの上面の一部もしくは全部の領域に形成された上部電極層Dを更に設けるようにすればよい。そうすれば、鏡体部を構成する上部電極層Dの上面によって反射面を形成し、アーム部を構成する基板層Aによって橋梁本体部を形成し、アーム部を構成する下部電極層B、圧電材料層Cおよび上部電極層Dによって圧電素子を形成することができる。
図14Cは、圧電素子部分を2段構造とした変形例の側断面図である。すなわち、基板層Aの上面には、下から上に向かって順に、第1絶縁層E1,第1下部電極層B1,第1圧電材料層C1,第1上部電極層D1,第2絶縁層E2,第2下部電極層B2,第2圧電材料層C2,第2上部電極層D2が積層されている。ここで、第1下部電極層B1,第1圧電材料層C1,第1上部電極層D1は、第1圧電部P1を構成し、第2下部電極層B2,第2圧電材料層C2,第2上部電極層D2は、第2圧電部P2を構成する。
結局、図14Cに示す例の場合、各圧電素子が、第1下部電極層B1、第1圧電材料層C1、第1上部電極層D1の3層構造を有する第1圧電部P1と、第2下部電極層B2、第2圧電材料層C2、第2上部電極層D2の3層構造を有する第2圧電部P2と、を絶縁層E2を介して積層させた構造を有していることになる。もちろん、各圧電材料層C1,C2は、下部電極層および上部電極層のうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、逆の極性の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有している。
このように、各圧電素子の部分を2段構造にすれば、各橋梁本体部の変形をより効率的に行うことができるようになり、鏡体部の傾斜角度範囲を更に広げることが可能になる。
<2−6 各変形例の組み合わせ>
以上、この§2では、§1で述べた基本的実施形態について、様々な変形例を述べたが、これらの変形例は相互に組み合わせて利用することが可能である。たとえば、図13に示す2系統のアーム部を用いる実施形態に、図10に示すような庇構造部を形成し、更に、図14Bに示すようなE層を介挿させるようにしてもかまわない。要するに、§2で述べた複数の変形例は、相互に矛盾が生じない範囲において、自由に組み合わせることが可能である。
<<< §3. 二次元走査装置の実施形態 >>>
これまで、本発明に係る可動反射素子の説明を行ってきたが、§3では、この可動反射素子を利用した二次元走査装置について説明する。
<3−1 プロジェクタへの利用>
§1および§2で述べた可動反射素子は、鏡体部の表面に形成された反射面を2軸の自由度をもって傾斜させることができるため、光ビームや指向性電波を二次元的に走査する二次元走査装置として利用することができる。この二次元走査装置により、光ビームを走査すれば、スクリーンに画像を投影するためのプロジェクタを構成することができ、指向性電波を走査すれば、車載用のレーダ等を構成することができる。
特に、本発明に係る可動反射素子は、前述したとおり、MEMS素子として、小型化および低消費電流化に適しているため、携帯電話、スマートフォン、タブレット型電子端末などの小型機器に組み込んで利用するのに最適であり、これら小型機器にプロジェクタの機能を付加する用途に適している。また、近年の自動車には、レーダーが不可欠の技術になってきており、指向性のある電波を広範囲に照射する必要がある。本発明に係る可動反射素子を利用すれば、小型で広範囲なレーダー照射が可能な車載用装置を実現することも可能である。
ここでは、本発明の産業上の利用形態の一例として、本発明に係る可動反射素子を交流信号で駆動することにより二次元走査装置を構成し、この二次元走査装置をプロジェクタに組み込んだ例を述べるが、もちろん、この二次元走査装置は、上述したような車載用のレーダー装置などにも利用可能である。
図15は、このようなプロジェクタ80の実施形態を示すブロック図である。この実施形態に係るプロジェクタ80は、スクリーン10上に画像を投影する機能を有し、図示のとおり、二次元走査装置20、レーザ光源30、表示制御装置40によって構成されている(レーダー装置の場合は、レーザ光源30の代わりに、指向性電波を発生する電波源を用いることになる)。
二次元走査装置20は、可動反射素子21とコントローラ22とを備えた装置である。ここで、可動反射素子21は、§1および§2で述べた可動反射素子であり、所定の圧電素子に所定極性の電圧を印加することにより、XY平面に平行な反射面Mを有する鏡体部をY軸方向(X軸まわり)およびX軸方向(Y軸まわり)に傾斜させることができる。コントローラ22は、この可動反射素子21の圧電素子に交流駆動信号を供給することにより、可動反射素子21の鏡体部をX軸まわりおよびY軸まわりに揺動させる機能を果たす。
可動反射素子21は、これまで述べたとおり、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部およびY軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部を有している。コントローラ22は、これら2種類の橋梁部のうち、いずれか一方の橋梁部の圧電素子に対して第1の周期H1をもった第1の駆動信号を供給し、他方の橋梁部の圧電素子に対して第2の周期H2をもった第2の駆動信号を供給する機能を有する。
レーザ光源30は、レーザビームを発生させ、これを二次元走査装置20内の可動反射素子21の反射面Mに照射する。反射面Mで反射したレーザビームは、スクリーン10上の所定位置にスポットSを形成する。したがって、可動反射素子21の反射面Mを二次元方向に傾斜させると、スクリーン10上に形成されるスポットSの位置を二次元方向に走査することができる。
表示制御装置40は、外部から与えられる画像データに基づいて、スクリーン10上に所定の画像を表示するための表示制御を行う。具体的には、表示制御装置40は、表示対象となる画像についての画像データに基づく変調信号をレーザ光源30に与えるとともに、二次元走査装置20内のコントローラ22に対して制御信号を与える。
レーザ光源30は、表示制御装置40から与えられる変調信号に基づいて、強度もしくは波長またはその双方を変調したレーザビームを発生させ、これを二次元走査装置20内の可動反射素子21の鏡体部の反射面Mに照射する。表示対象となる画像がモノクロ画像である場合は、レーザ光源30は単色のレーザビームを発生させ、その強度を変調すればよい。表示対象となる画像がカラー画像である場合は、たとえば、レーザ光源30として、3原色RGBのレーザビームを発生させる複合光源を採用し、個々の原色ごとに独立して強度変調を行えばよい。
一方、二次元走査装置20は、表示制御装置40から与えられる制御信号に基づいて、可動反射素子21の鏡体部(反射面M)で反射したレーザビームによりスクリーン10上に形成されるスポットSがスクリーン10上を二次元的に移動するように鏡体部を揺動させる。
図15に示す実施形態の場合、表示制御装置40から二次元走査装置20に与える制御信号は、可動反射素子21の鏡体部の揺動動作のON/OFFを示すとともに、揺動動作のタイミングを示す信号になっている。表示制御装置40は、レーザ光源30に与える変調信号のタイミングに同期した制御信号を二次元走査装置20に与える。その結果、スクリーン10上のスポットSの位置と、当該スポットを形成するレーザビームの変調内容とが同期し、スクリーン10上に画像データに応じた画像が表示されることになる。
続いて、二次元走査装置20によるビーム走査の実体を、具体的な実施例に即して説明する。ここでは、便宜上、二次元走査装置20に組み込む可動反射素子21として、図5の基本的実施形態に係る可動反射素子100を用いた場合を例にとって、以下の説明を行うことにする。図16Aは、図15に示すプロジェクタ80において、コントローラ22が可動反射素子21に供給する駆動信号Dx,Dyの一例を示す波形図であり、図16Bは、このような駆動信号Dx,Dyを可動反射素子21に供給した場合に得られる、スクリーン10上のビーム走査態様を示す平面図である。
図16Aの上段には、第1の駆動信号Dxとして第1の周期H1をもった鋸歯状波が示されており、図16Aの下段には、第2の駆動信号Dyとして第2の周期H2をもった階段状波が示されている。なお、ここでは、説明の便宜上、H2=6・H1に設定した例が示されているが、実用上は、この比はもっと大きな値に設定される。
図示のとおり、第1の駆動信号Dxは、時間軸tに沿った時刻t0~t1の第1周期において、電圧値−Vx~+Vxまで上昇した後、時刻t1において電圧値−Vxまで降下し、続く時刻t1~t2の第2周期において、電圧値−Vx~+Vxまで上昇した後、時刻t2において電圧値−Vxまで降下する、という動作を繰り返す鋸歯状波である。このような第1の駆動信号Dxを、図5に示す可動反射素子100の第2橋梁部130の圧電素子に与えると、鏡体部150はX軸方向(Y軸まわり)に揺動する。
一方、第2の駆動信号Dyは、時間軸tに沿った時刻t0~t6の周期において、周期H1に対応する単位時間ステップで、電圧値−Vy~+Vyまで階段上に上昇してゆくという動作を、周期H2で繰り返す階段状波である。このような第2の駆動信号Dyを、図5に示す可動反射素子100の第1橋梁部120の圧電素子に与えると、鏡体部150はY軸方向(X軸まわり)に揺動する。
実際には、可動反射素子100の下部電極層Bを接地電位に固定した状態において、上部電極層130Dに第1の駆動信号Dxを供給し、上部電極層120Dに第2の駆動信号Dyを供給する駆動動作を行えばよい。図16Bは、このような駆動動作を行った場合にスクリーン10上に得られるスポットSの走査軌跡を示している。ここで、スクリーン10の横方向は、図5に示す可動反射素子100のX軸方向に対応し、スクリーン10の縦方向は、図5に示す可動反射素子100のY軸方向に対応する。
図示のとおり、スポットSの位置は、実線で示すように、スクリーン10の左上隅の走査点Q1から水平に右へと移動して走査点Q2に到達し、その後、破線で示すように、直ちに走査点Q3の位置へとジャンプする。このような走査を繰り返すことにより、スポットSは、スクリーン10上をジグザグに移動してゆき、やがて右下隅の走査点Q12まで到達する。このような走査は、一般的に利用されているラスター方式の走査であり、走査点Q1~Q12までの走査によって、1フレーム分の画像表示が行われることになる。
続いて、走査点Q12から走査点Q1までジャンプし、再び、走査点Q1~Q12へ至るジグザグ走査が行われる。すなわち、画像の次のフレームの表示が行われることになる。ここで、実線で示す水平方向の走査周期が、図16Aに示す周期H1に対応し、走査点Q1~Q12までの走査周期が、図16Aに示す周期H2に対応する。このようなラスター方式の走査を行う場合、表示制御装置40は、画像データを構成する個々の画素のデータを、その配列順に従って順に抽出し、各駆動信号Dx,Dyの周期H1,H2に同期したタイミングで変調信号としてレーザ光源30に与えればよい。
なお、実際には、コントローラ22から可動反射素子21に対して、図16Aに示すような駆動信号Dx,Dyを供給したとしても、可動反射素子21の圧電素子に伸縮が生じて鏡体部が傾斜を生じるまでには、機械的な遅れが生じるため、駆動信号Dx,Dyの位相に対して、スクリーン10上に得られるスポットSの走査運動の位相は遅れを生じることになる。したがって、駆動信号の波形上は、図16Bの走査点Q1,Q3,Q5,Q7,Q9,Q11は、それぞれ図16Aの時間軸t上の時刻t0,t1,t2,t3,t4,t5に対応する点になるが、実時間において、スポットSが走査点Q1,Q3,Q5,Q7,Q9,Q11に到達する時刻は、それぞれ時刻t0,t1,t2,t3,t4,t5よりも遅れた時刻になる。
一方、図17Aには、別な走査方式でスポットSを走査するために用いる駆動信号Dx,Dyの波形図が示されている。図17Bは、このような駆動信号Dx,Dyを可動反射素子21に供給した場合に得られる、スクリーン10上のビーム走査態様を示す平面図である。図示のとおり、この走査方式では、第1の駆動信号Dxとして第1の周期H1をもった正弦波を用い、第2の駆動信号Dyとして第2の周期H2をもった正弦波を用いることになる。
図示のとおり、第1の駆動信号Dxは、電圧値−Vx~+Vxをとる周期H1の正弦波であり、このような第1の駆動信号Dxを、図5に示す可動反射素子100の第2橋梁部130の圧電素子に与えると、鏡体部150はX軸方向(Y軸まわり)に揺動し、スクリーン10上のスポットSはX軸方向に周期H1で単振動する。また、第2の駆動信号Dyは、電圧値−Vy~+Vyをとる周期H2の正弦波であり、このような第2の駆動信号Dyを、図5に示す可動反射素子100の第1橋梁部120の圧電素子に与えると、鏡体部150はY軸方向(X軸まわり)に揺動し、スクリーン10上のスポットSはY軸方向に周期H2で単振動する。
実際には、可動反射素子100の下部電極層Bを接地電位に固定した状態において、上部電極層130Dに第1の駆動信号Dxを供給し、上部電極層120Dに第2の駆動信号Dyを供給する駆動動作を行えばよい。図17Bは、このような駆動動作を行った場合にスクリーン10上に得られるスポットSの走査軌跡を示している。ここでも、スクリーン10の横方向は、図5に示す可動反射素子100のX軸方向に対応し、スクリーン10の縦方向は、図5に示す可動反射素子100のY軸方向に対応する。
図示のとおり、スポットSの位置は、実線で示す8の字状の滑らかな線に沿って移動する。この移動軌跡は一筆書きの循環経路になっており、走査点Q1を起点として、Q1→Q2→Q3→...→Q19→Q1という経路に沿って循環する。ここで、走査点Q1は時刻t0に対応し、走査点Q5(往路)は時刻t1に対応し、走査点Q9(往路)は時刻t2に対応し、走査点Q13は時刻t3に対応し、走査点Q9(復路)は時刻t4に対応し、走査点Q5(復路)は時刻t5に対応し、走査点Q1(復路)は時刻t6に対応する。以下、このような走査方式を「8の字状走査方式」と呼ぶことにする。
なお、上述したとおり、実際には、コントローラ22から可動反射素子21に対して、図17Aに示すような駆動信号Dx,Dyを供給したとしても、可動反射素子21の圧電素子に伸縮が生じて鏡体部が傾斜を生じるまでには、機械的な遅れが生じるため、駆動信号Dx,Dyの位相に対して、スクリーン10上に得られるスポットSの走査運動の位相は遅れを生じることになる。したがって、駆動信号の波形上は、図17Bの各走査点Q1,Q5,Q9,Q13,...が、それぞれ図17Bの時間軸t上の時刻t0,t1,t2,t3,...に対応する点になるが、実時間において、スポットSが走査点Q1,Q5,Q9,Q13,...に到達する時刻は、それぞれ時刻t0,t1,t2,t3,...よりも遅れた時刻になる。
この「8の字状走査方式」は、一般的に利用されているラスター方式の走査とは異なり、スポットSの移動経路が、一般的な画像を構成する画素配列(縦横の二次元マトリックス状の配列)に沿った経路にはならない。したがって、図15に示すプロジェクタ80において、この「8の字状走査方式」を採用する場合は、表示制御装置40がスクリーン10上のスポットSの位置を予測し、画像データの中から当該予測位置の画素に対応するデータを抽出して、レーザ光源30に対して当該抽出データを与える処理を行う必要がある。
もっとも、この二次元走査装置をプロジェクタではなく、たとえば、液晶表示素子用の単なるバックライト照明として利用するのであれば、画像データは必要なく、レーザ光源30による変調処理は不要である。したがって、このようなバックライト照明という用途の場合は、ラスター方式の走査を採用するよりも、滑らかな走査軌跡が得られる「8の字状走査方式」を採用する方が好ましい。
なお、反射面MをX軸方向およびY軸方向に傾斜させる際に、鏡体部の重心がZ軸方向の変動を生じると、当該変動量は傾斜角に応じて変わるため、スクリーン10上でのスポットSの位置制御が複雑になる。したがって、鏡体部の重心のZ軸方向の変動を抑制したい場合には、図13に示すような2系統のアーム部を用いた可動反射素子500を用いるようにすればよい。この場合、コントローラ22は、第1系統アーム部に供給する駆動信号Dx,Dyに対して逆位相となる駆動信号Dx’,Dy’を第2系統アーム部に供給する処理を行えばよい。
<3−2 共振周波数の調整>
本発明に係る二次元走査装置をプロジェクタ等に利用する場合、当然ながら、可動反射素子の反射面Mの傾斜角はできるだけ大きな範囲に設定できた方が好ましい。反射面Mの傾斜角を大きくするには、鏡体部の揺動運動の振幅を大きくする必要があるため、圧電素子に供給する電圧を大きくする必要がある。ただ、同じ電圧の交流信号を供給した場合でも、鏡体部の揺動運動の振幅は、その周波数によって異なってくる。これは、一般に、振動系におけるエネルギー効率は、当該振動系に固有の共振周波数で振動させた場合に最も高まるためである。
たとえば、図5に示すような構造を有する可動反射素子100の鏡体部150の共振周波数fは、各部の材質やアーム部の寸法や形状によって一義的に定まる物理的な固有値になり、この共振周波数fで鏡体部150を振動させると、最もエネルギー効率が良好になる。別言すれば、同じ振幅を得るために必要な供給電圧は、共振周波数fで振動させた場合に最も低くなる。
本願発明者が作成した試作品では、鏡体部150を共振周波数fで振動させる場合には、圧電素子に20Vの交流駆動信号を供給すれば十分であったのに対して、特定の非共振周波数で振動させる場合には、500~1000Vの交流駆動信号が必要になるケースもあった。可動反射素子100をMEMS素子などの微細な半導体素子として形成した場合、このような高い電圧で駆動させると絶縁破壊などが生じる可能性がある。
このような観点から、実用上は、本発明に係る可動反射素子では、鏡体部を共振周波数fで振動させる運用を行うのが好ましい。逆言すれば、用途が予め定まっているのであれば、当該用途に適した振動周波数が共振周波数fに一致するように、可動反射素子の機械的構造部の設計を行うようにするのが好ましい。
たとえば、本発明に係る可動反射素子21を、図15に示すようなプロジェクタ80に用いる場合を考えてみよう。このプロジェクタ80では、前述したとおり、コントローラ22から可動反射素子21に対して、たとえば、図16Aに示すような交流駆動信号Dx,Dyが供給され、スクリーン10上で図16Bに示すようなビームスポットSの走査が行われることになる。
ここでは、このプロジェクタ80において、たとえば、X軸方向への駆動信号Dxの周波数fxをfx=10kHz(周期H1=1/10000秒)に設定し、Y軸方向への駆動信号Dyの周波数fyをfy=100Hz(周期H1=1/100秒)に設定することになっていたものとしよう。このような駆動信号の設定は、図16Aにおける走査点Q1~Q2までの水平走査時間を1/10000秒とし、1画面を100本の水平走査線によって構成し、図16Bにおける走査点Q1~Q12までの垂直走査時間を1/100秒とする設定に対応する。
このように、可動反射素子の用途として、X軸方向に関しては周波数fx=10kHzで振動させ、Y軸方向に関しては周波数fy=100Hzで振動させる用途に利用することが予め定まっているのであれば、当該可動反射素子を設計する段階から、これらの周波数fx,fyが共振周波数となるような配慮を行うのが好ましい。そのような設計を行った可動反射素子を当該プロジェクタ80に組み込めば、鏡体部は、その固有の共振周波数で振動させられることになるので、極めて効率の良い動作が可能になる。
上例のように、プロジェクタに組み込んで用いる用途の場合、通常、水平走査時間と垂直走査時間との間に大きな差が生じることになるので、可動反射素子に要求されるX軸方向に関する共振周波数fxとY軸方向に関する共振周波数fyとの間にも大きな差が生じる。実際、上例の場合、fx=10kHzに対して、fy=100Hzであり、両者には100倍もの差が生じている。したがって、このようなプロジェクタ用の可動反射素子では、鏡体部のX軸方向に関する共振周波数fxとY軸方向に関する共振周波数fyとが異なるような設定が必要になる。
一般に、ある振動系の共振周波数fは複数通り存在し、低い方から順に、第1次共振周波数、第2次共振周波数、...のように称呼されている。したがって、X軸方向に関する共振周波数がfxであり、Y軸方向に関する共振周波数がfyであるような可動反射素子を設計する際には、X軸方向に関する特定の次数の共振周波数がfxとなり、Y軸方向に関する特定の次数の共振周波数がfyとなるような設計を行えばよい。
なお、X軸方向に関する任意の次数の共振周波数がY軸方向に関する任意の次数の共振周波数と一致してしまうと、X軸方向の振動とY軸方向の振動との間に不都合な干渉が生じる可能性がある。したがって、実用上は、X軸方向に関する各次数の共振周波数が、Y軸方向に関するいずれの次数の共振周波数にも一致しないような設計を行うのが好ましい。
共振周波数fxとfyとが異なるようにするための設計には、様々な形態が考えられるが、本願発明者が最も実用的であると考える形態は、各橋梁部の幅もしくは厚みによって調整する方法である。以下、図5に示す基本的実施形態に係る構造を基本として、共振周波数fxとfyとが異なるようにするための具体的な方法を説明する。
図18(a)は、各橋梁部の幅を調整する実施形態に係る可動反射素子600の上面図であり、図18(b)は、この可動反射素子600をX軸に沿って切断した側断面図である。この可動反射素子600もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しているが、図18では、D層の図示は省略されている。
図18(a)に示すとおり、この可動反射素子600は、四角形をした枠状構造体610、第1橋梁部620、第2橋梁部630、鏡体接続部640、鏡体部650を有している。枠状構造体610は、鏡体部650を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部611,第2枠部612,第3枠部613,第4枠部614によって構成されている。また、図18(b)の側断面図には、図18(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されており、図18(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。この可動反射素子600の基本形態は、図5に示す可動反射素子100と同様であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
図18に示す可動反射素子600の特徴は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた第1橋梁部620の幅をW1、X軸に平行な軸に沿って伸びた第2橋梁部630の幅をW2とした場合に、幅W1と幅W2とが異なる値に設定されている点である。具体的には、図示の例の場合、第1橋梁部620の幅W1は第2橋梁部630の幅W2に比べて狭くなっている。
このように、W1<W2なる設定を行うと、鏡体部650のX軸方向に関する第k次共振周波数fx(k)とY軸方向に関する第k次共振周波数fy(k)との関係を、fx(k)>fy(k)とすることができる。したがって、上例のように、X軸方向に関する共振周波数が10kHzとなり、Y軸方向に関する共振周波数が100Hzとなるような構造体を実現しやすくなる。実際には、k=1として、鏡体部650のX軸方向に関する1次共振周波数fx(1)とY軸方向に関する1次共振周波数fy(1)との関係を、fx(1)>fy(1)とすれば十分である。
Y軸に平行な軸に沿って伸びる複数n本の橋梁部と、X軸に平行な軸に沿って伸びる複数m本の橋梁部と、を有する実施形態についても同様であり、一般に、Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅をX軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅よりも狭くすると、鏡体部のX軸方向の共振周波数をY軸方向の共振周波数よりも高くする効果が得られる。もちろん、上例とは逆に、Y軸方向の共振周波数をX軸方向の共振周波数よりも高く設定する場合は、W2<W1なる設定を行えばよい。
一方、図19(a)は、各橋梁部の厚みを調整する実施形態に係る可動反射素子700の上面図であり、図19(b)は、この可動反射素子700をX軸に沿って切断した側断面図である。この可動反射素子700もA層,B層,C層,D層の4層構造を有しているが、図18では、D層の図示は省略されている。なお、図19(a)に施したハッチングは、厚みが同一の領域を示すためのものであり、断面を示すためのものではない。
図19(a)に示すとおり、この可動反射素子700は、四角形をした枠状構造体710、第1橋梁部720、第2橋梁部730、鏡体接続部740、鏡体部750を有している。枠状構造体710は、鏡体部750を支持するための固定部として機能し、四角形の4辺を構成する第1枠部711,第2枠部712,第3枠部713,第4枠部714によって構成されている。また、図19(b)の側断面図には、図19(a)の上面図に示す各構成要素の層構造が示されており、図19(a)に示された各部分についての特定の層を、「当該部分の符号」の末尾に「層を示す符号」を付加して示してある。この可動反射素子700の基本形態は、図5に示す可動反射素子100と同様であるため、ここでは詳しい説明は省略する。
図19に示す可動反射素子700の特徴は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた第1橋梁部720の厚みをT1、X軸に平行な軸に沿って伸びた第2橋梁部730の厚みをT2とした場合に、厚みT1と厚みT2とが異なる値に設定されている点である。具体的には、図示の例の場合、第1橋梁部720の厚みT1は第2橋梁部730の厚みT2に比べて小さくなっている。なお、枠状構造体710の厚みT3は、鏡体部750の厚みT2より更に大きくなっているが、これは、鏡体部750を枠状構造体710の内部に宙吊りとなるように支持するためである。
図19(a)では、便宜上、厚みT1を有する領域(第1橋梁部720の部分)には横縞のハッチングを施し、厚みT2を有する領域(第2橋梁部730,鏡体接続部740,鏡体部750の部分)には縦縞のハッチングを施し、厚みT3を有する領域(枠状構造体710の部分)にはチェック模様のハッチングを施してある。また、各部分の符号の下には、厚みT1,T2,T3の別を括弧書きで付記してある。
図示の例のように、厚みT1,T2に関して、T1<T2なる設定を行うと、鏡体部750のX軸方向に関する第k次共振周波数fx(k)とY軸方向に関する第k次共振周波数fy(k)との関係を、fx(k)>fy(k)とすることができる。したがって、上例のように、X軸方向に関する共振周波数が10kHzとなり、Y軸方向に関する共振周波数が100Hzとなるような構造体を実現しやすくなる。実際には、k=1として、鏡体部750のX軸方向に関する1次共振周波数fx(1)とY軸方向に関する1次共振周波数fy(1)との関係を、fx(1)>fy(1)とすれば十分である。
Y軸に平行な軸に沿って伸びる複数n本の橋梁部と、X軸に平行な軸に沿って伸びる複数m本の橋梁部と、を有する実施形態についても同様であり、一般に、Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の厚みをX軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の厚みよりも小さくすると、鏡体部のX軸方向の共振周波数をY軸方向の共振周波数よりも高くする効果が得られる。もちろん、上例とは逆に、Y軸方向の共振周波数をX軸方向の共振周波数よりも高く設定する場合は、T2<T1なる設定を行えばよい。
以上、共振周波数fxとfyとが異なるようにする調整方法として、各橋梁部の幅を調整する方法(図18)と各橋梁部の厚みを調整する方法(図19)とを述べたが、もちろん、これらの方法を組み合わせて調整を行うことも可能である。実際の設計にあたっては、三次元設計データに基づくシミュレーションによって、各座標軸方向の共振周波数を求め、試行錯誤による設計変更を繰り返して、所望の共振周波数をもつ構造体を決定する作業を行えばよい。
<3−3 フィードバック制御>
上述したように、図15に示すプロジェクタ80を構成するコントローラ22は、可動反射素子21の反射面MをX軸方向およびY軸方向に振動させる駆動機能を有しているが、実用上は、このような駆動を適切に行うために、コントローラ22にフィードバック制御機能をもたせておくのが好ましい。図20は、このようなフィードバック制御機能を備えたプロジェクタの実施形態を示す上面図(上段)およびブロック図(下段)である。なお、上面図におけるハッチングは、D層の平面形状パターンを明瞭に示すためのものであり、断面を示すためのものではない。
図示のとおり、二次元走査装置20は、可動反射素子21とコントローラ22とによって構成されているが、この実施形態に用いる可動反射素子21には、振動を検出する検出機能が備わっている。図20の上段に示す可動反射素子21は、基本的には、図5に示す可動反射素子100と同様の構造を有しているものの、上部電極層(D層)のパターンが若干異なっている。すなわち、第1橋梁部120には、2組の別個独立した上部電極層120D1,120D2が形成され、第2橋梁部130には、2組の別個独立した上部電極層130D1,130D2が形成されている。なお、鏡体部150に形成されている反射層150D(図15の反射層M)に変わりはない。
結局、図20に示す可動反射素子21には、第1橋梁部120に2組の圧電素子が形成され、第2橋梁部130にも2組の圧電素子が形成され、合計4組の圧電素子が設けられていることになる。これら4組の圧電素子のうちの一部は駆動用圧電素子として機能し、別な一部は検出用圧電素子として機能する。具体的には、図示の例の場合、上部電極層120D1および130D1の領域に形成される圧電素子は駆動用圧電素子として機能し、上部電極層120D2および130D2の領域に形成される圧電素子は検出用圧電素子として機能する。
もっとも、4組の圧電素子の基本的な層構成は同一であり、その物理的な構成や基本機能に差があるわけではない。ここで、各圧電素子を「駆動用圧電素子」や「検出用圧電素子」と呼んで区別しているのは、専らコントローラ22側から見たときの利用目的を区別するための便宜である。図示の例の場合、各圧電素子の下部電極層(B層)は接地電位に固定されており、各上部電極層120D1,120D2,130D1,130D2は、図示のとおり、コントローラ22の内部に設けられたX軸方向振動制御部221もしくはY軸方向振動制御部222に接続されている。
ここで、X軸方向振動制御部221から上部電極層130D1に対しては、X軸方向駆動信号Dxが与えられ、Y軸方向振動制御部222から上部電極層120D1に対しては、Y軸方向駆動信号Dyが与えられる。これら駆動信号Dx,Dyは、たとえば、図16Aもしくは図17Aに例示するような交流駆動信号である。一方、上部電極層130D2の電圧を示す信号は、X軸方向検出信号SxとしてX軸方向振動制御部221にフィードバックされ、上部電極層120D2の電圧を示す信号は、Y軸方向検出信号SyとしてY軸方向振動制御部222にフィードバックされる。
X軸方向振動制御部221は、このX軸方向検出信号Sxをフィードバック信号として参照してX軸方向駆動信号Dxを生成するフィードバック制御を行い、Y軸方向振動制御部222は、このY軸方向検出信号Syをフィードバック信号として参照してY軸方向駆動信号Dyを生成するフィードバック制御を行う。
図6A,図6B,図6Cに示すとおり、ここで用いられている圧電素子を構成する圧電材料層(C層)は、上部電極層(D層)と下部電極層(B層)との間に所定極性の電圧を印加すると、層方向に伸縮する性質をもった層である。このように、圧電素子を駆動素子として捉えた場合は、電圧の印加により機械的な変形(応力)を生じる素子ということになるが、逆に、この圧電素子を検出素子として捉えると、生じた機械的な変形(応力)を電気信号として検出する素子ということもできる。
具体的には、図6Aに示す圧電素子には、外力の作用によって図6Bに示すような変形が生じると、上部電極層(D層)側に正電荷、下部電極層(B層)側に負電荷が生じる分極作用があり、外力の作用によって図6Cに示すような変形が生じると、上部電極層(D層)側に負電荷、下部電極層(B層)側に正電荷が生じる分極作用がある。上述したX軸方向検出信号Sxは、第2橋梁部130の変形に起因して、上部電極層130D2に発生した電荷を示す信号であり、図6B,図6Cに示すような変形状態における第2橋梁部130の上面の伸縮程度を示している。同様に、上述したY軸方向検出信号Syは、第1橋梁部120の変形に起因して、上部電極層120D2に発生した電荷を示す信号であり、図6B,図6Cに示すような変形状態における第1橋梁部120の上面の伸縮程度を示している。
X軸方向駆動信号DxおよびY軸方向駆動信号Dyとして、交流駆動信号を供給すると、各橋梁部に形成された駆動用圧電素子は所定周期で伸縮運動を繰り返すことになるが、その結果、各橋梁部に形成された検出用圧電素子にも所定周期で伸縮運動が生じることになる。フィードバック信号としてコントローラ22に戻されるX軸方向検出信号SxおよびY軸方向検出信号Syは、このような各橋梁部の周期的な伸縮運動を示す信号ということになり、反射層150DのX軸方向およびY軸方向の振動を示す信号ということになる。
前述したとおり、レーザ光源30から照射されたレーザビームは、反射層150Dで反射して、スクリーン10上の所定位置にスポットSを形成することになる。したがって、X軸方向検出信号Sxは、こうして形成されるスポットSのX軸方向の位置を示す信号に相当し、Y軸方向検出信号Syは、こうして形成されるスポットSのY軸方向の位置を示す信号に相当する。結局、X軸方向振動制御部221は、スクリーン10上のスポットSのX軸方向の位置を示す信号Sxに基づいて、レーザビームをスクリーン10上でX軸方向に走査するためのX軸方向駆動信号Dxを生成するフィードバック制御を行うことができる。同様に、Y軸方向振動制御部222は、スクリーン10上のスポットSのY軸方向の位置を示す信号Syに基づいて、レーザビームをスクリーン10上でY軸方向に走査するためのY軸方向駆動信号Dyを生成するフィードバック制御を行うことができる。
以上、図20の上段に示す可動反射素子21についてフィードバック制御を行う実施例を述べたが、一般論として説明すれば、可動反射素子の1つもしくは複数の橋梁部にそれぞれ複数の圧電素子を設けるようにし、この複数の圧電素子の一部を駆動用圧電素子として機能させ、別な一部は検出用圧電素子として機能させるようにすればよい。ここで、駆動用圧電素子は、コントローラ22から供給される交流駆動信号に基づいて鏡体部を揺動させる機能を果たし、検出用圧電素子は、鏡体部の揺動に起因して発生した電荷を示す検出信号をコントローラ22にフィードバックする機能を果たす。そうすれば、コントローラ22は、この検出信号に基づいて交流駆動信号に対するフィードバック制御を行うことができる。
より具体的には、コントローラ22には、X軸方向振動制御部221とY軸方向振動制御部222とを設けておくようにする。ここで、X軸方向振動制御部221は、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部に設けられた検出用圧電素子からフィードバックされるX軸方向検出信号Sxに基づいて、当該橋梁部に設けられた駆動用圧電素子に供給するX軸方向駆動信号Dxを生成すればよい。また、Y軸方向振動制御部は、Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部に設けられた検出用圧電素子からフィードバックされるY軸方向検出信号Syに基づいて、当該橋梁部に設けられた駆動用圧電素子に供給するY軸方向駆動信号Dyを生成すればよい。
このように、コントローラ22にフィードバック制御機能を設けておけば、鏡体部の揺動運動が適切に行われているか否かを監視しながら、適切な揺動運動から外れる場合には、これを自動的に修正する制御が可能になる。
図20に示す表示制御装置40は、外部から与えられる画像データに基づいて、スクリーン10上に画像を表示させる処理を行う装置であり、レーザ光源30に対して所定のタイミングで画像データ(個々の画素の画素値を示すデータ)に基づく変調信号を提供するとともに、X軸方向振動制御部221に対してX軸方向走査制御信号Cxを与え、Y軸方向振動制御部222に対してY軸方向走査制御信号Cyを与える機能を有する。
ここに示す例の場合、X軸方向走査制御信号Cxには、X軸方向に関する所定振幅Gxを示す情報および所定周波数φxを示す情報が含まれており、Y軸方向走査制御信号Cyには、Y軸方向に関する所定振幅Gyを示す情報および所定周波数φyを示す情報が含まれている。表示制御装置40は、これら走査制御信号Cx,Cyを用いて、鏡体部の揺動運動の振幅および周波数を所望の値に設定することができる。振幅Gx,Gyを大きな値に設定すればするほど、スクリーン10上には大きな画像が表示されることになり、周波数φx,φyを大きな値に設定すればするほど、スクリーン10上には早いフレームレートで画像表示を行うことができる。
なお、前述したとおり、実用上は、効率的な振動が可能になるように、X軸方向に関する所定周波数φxとしては、可動反射素子21に固有のX軸方向共振周波数fxを設定し、Y軸方向に関する所定周波数φyとしては、可動反射素子に固有のY軸方向共振周波数fyを設定するのが好ましい。
X軸方向振動制御部221は、フィードバックされてきたX軸方向検出信号Sxの振幅および周波数が、X軸方向走査制御信号Cxによって指示された所定振幅Gxおよび所定周波数φxに応じた値になるように、X軸方向駆動信号Dxの振幅および周波数を増減するフィードバック制御を行う。同様に、Y軸方向振動制御部222は、フィードバックされてきたY軸方向検出信号Syの振幅および周波数が、Y軸方向走査制御信号Cyによって指示された所定振幅Gyおよび所定周波数φyに応じた値になるように、Y軸方向駆動信号Dyの振幅および周波数を増減するフィードバック制御を行う。
なお、X軸方向振動制御部221から表示制御装置40に対しては、X軸方向走査位置信号Uxが与えられ、Y軸方向振動制御部222から表示制御装置40に対しては、Y軸方向走査位置信号Uyが与えられる。ここで、X軸方向走査位置信号Uxは、スクリーン10上のスポットSのX軸方向に関する現在位置(位相)を示す信号であり、Y軸方向走査位置信号Uyは、スクリーン10上のスポットSのY軸方向に関する現在位置(位相)を示す信号である。これら走査位置信号UxおよびUyは、それぞれX軸方向検出信号SxおよびY軸方向検出信号Syの位相に基づいて生成することができる。
表示制御装置40は、これら走査位置信号UxおよびUyに基づいて、スクリーン10上のスポットSの現在位置を認識することができるので、画像データに基づいて、当該位置に応じた画素の画素値を示すデータを変調信号としてレーザ光源30に提供できる。レーザ光源30は、こうして提供された変調信号に基づいて、発生するレーザビームの強度を変調することができる。したがって、図17Bに示すような「8の字状走査方式」を採用した場合にも、スクリーン10上のスポットSの位置には、当該位置に応じた適切な画素を表示することができる。
<3−4 自励振制御>
上述した§3−2では、鏡体部を揺動運動させる際に、個々の軸方向に関する固有の共振周波数で振動させるような駆動を行うと良好なエネルギー効率が得られることを説明し、予め用途が定められている可動反射素子の場合は、固有の共振周波数が、予定されている駆動信号の周波数になるような設計を行うのが好ましいことを説明した。そして、上述した§3−3では、表示制御装置40からコントローラ22に与える制御信号Cx,Cyによって、固有の共振周波数fx,fyによる振動を指示するのが好ましいことを述べた。
しかしながら、実際には、表示制御装置40によって、可動反射素子21の正確な共振周波数fx,fyを指示することは困難である。これは、個々の可動反射素子の共振周波数は一定ではなく、同一の設計図に基いて多数の量産品を製造したとしても、これら各素子の固有の共振周波数は同一にはならないからである。その第1の要因は、量産工程におけるバラツキによって個体間に寸法誤差が生じるためである。同一規格で生産された工業製品であっても、個々の個体によって、若干の寸法誤差が生じることは避けられない。
第2の要因は、この可動反射素子をプロジェクタなどに実装する際の取り付け態様に起因して、それぞれ固有の応力歪みが生じるためである。たとえば、図15に示すプロジェクタ80の場合、可動反射素子21を二次元走査装置20の構成部品として、プロジェクタ80の本体内に取り付ける必要があるが、このとき、ネジ、半田、接着剤などを用いて枠状構造体を固定すると、取り付け態様に応じて、枠状構造体にそれぞれ固有の応力歪みが生じることになり、共振周波数を変動させる要因になる。
そして、第3の要因は、使用時に、温度などの外部環境が変動するためである。たとえば、夏と冬とでは、使用環境の温度が大きく異なるため、共振周波数も大きく変動する。また、プロジェクタなどに内蔵して利用する場合は、始動後に光源の温度が徐々に上昇してゆくため、分単位で使用環境の温度が変動することになる。
このように、実際には、種々の要因によって共振周波数の変動は避けられないため、図20に示すフィードバック制御機能を備えたプロジェクタであっても、表示制御装置40側から、制御信号Cx,Cyによって、コントローラ22に対して可動反射素子21の固有の共振周波数fx,fyを正確に指示することはできない。
この§3−4で述べる実施形態は、上述した種々の要因によって共振周波数が変動しても、常に正確な共振周波数fx,fyで鏡体部を振動させることが可能な変形例を示すものであり、その基本原理は、X軸方向振動制御部221およびY軸方向振動制御部222に自励振制御機能をもたせることにある。すなわち、ここで述べる実施形態の場合、X軸方向振動制御部221は、鏡体部150をX軸方向に関して所定振幅Gxをもってその共振周波数fxで振動させるX軸方向自励振制御を行い、Y軸方向振動制御部222は、鏡体部150をY軸方向に関して所定振幅Gyをもってその共振周波数fyで振動させるY軸方向自励振制御を行うことになる。
この実施形態の場合、表示制御装置40から二次元走査装置20に与えられるX軸方向走査制御信号Cxは、X軸方向に関して所定振幅Gxをもって走査を行うべきことを示す走査指示の信号であり、周波数を指定する情報は含まれていない。同様に、表示制御装置40から二次元走査装置20に与えられるY軸方向走査制御信号Cyは、Y軸方向に関して所定振幅Gyをもって走査を行うべきことを示す走査指示の信号であり、やはり周波数を指定する情報は含まれていない。
二次元走査装置20は、この走査指示に基づいて、鏡体部150で反射したレーザビームによりスクリーン10上に形成されるスポットSが、スクリーン10上を二次元的に移動するように鏡体部150を揺動運動させる。このとき、揺動運動の振幅が、表示制御装置40から指示された所定振幅Gx,Gyに応じたものになるように振幅制御が行われるが、揺動運動の周波数は、外部からの指定を受けることなしに、二次元走査装置20自身が自分で決定することになる。
具体的には、表示制御装置40から二次元走査装置20内のX軸方向振動制御部221に対して、所定振幅Gxをもった振動を指示するX軸方向走査制御信号Cxが与えられると、X軸方向振動制御部211はこのX軸方向走査制御信号Cxに基づいてX軸方向自励振制御を行う。同様に、表示制御装置40から二次元走査装置20内のY軸方向振動制御部222に対して、所定振幅Gyをもった振動を指示するY軸方向走査制御信号Cyが与えられると、Y軸方向振動制御部222はこのY軸方向走査制御信号Cyに基づいてY軸方向自励振制御を行う。
このような自励振制御は、フィードバック信号として与えられるX軸方向検出信号SxおよびY軸方向検出信号Syの位相を検出することによって行うことができる。これは、一般に、ある振動系に対して所定の駆動信号Dを与えて振動子を振動させている状態において、当該振動子の実際の動きを検出信号Sとして検出した場合、当該振動子が固有の共振周波数で振動していると、駆動信号Dと検出信号Sとの位相差がπ/2になる、という基本原理を利用できるためである。
図20に示すとおり、X軸方向振動制御部221から可動反射素子21に対してはX軸方向駆動信号Dxが与えられ、そのフィードバック信号としてX軸方向検出信号Sxが戻される。このとき、検出信号Sxは駆動信号Dxより若干位相が遅れた信号になる。これは、駆動信号Dxに基づいて圧電素子が機械的変形を生じて、実際に変位が生じるまでに遅延時間が生じるためである。そして、上記基本原理によると、X軸方向の振動周波数が共振周波数fxであれば、駆動信号Dxと検出信号Sxとの位相差はπ/2になる。したがって、X軸方向振動制御部221は、当該位相差が常にπ/2に維持されるように、駆動信号Dxの位相を調整するフィードバック制御を行えばよい。
同様に、Y軸方向振動制御部222から可動反射素子21に対してはY軸方向駆動信号Dyが与えられ、そのフィードバック信号としてY軸方向検出信号Syが戻される。この場合も、Y軸方向の振動周波数が共振周波数fyであれば、駆動信号Dyと検出信号Syとの位相差はπ/2になる。したがって、Y軸方向振動制御部222は、当該位相差が常にπ/2に維持されるように、駆動信号Dyの位相を調整するフィードバック制御を行えばよい。
結局、ここで述べる実施形態の場合、X軸方向振動制御部221には、鏡体部150のX軸方向に関する振幅が所定振幅Gxに維持されるように、フィードバックされるX軸方向検出信号Sxの振幅に基づいてX軸方向駆動信号Dxの振幅を増減するとともに、鏡体部150のX軸方向に関する振動周波数が共振周波数fxに維持されるように、X軸方向駆動信号DxとX軸方向検出信号Sxとの位相差をπ/2に維持するフィードバック制御を行う自励振回路を組み込んでおけばよい。
同様に、Y軸方向振動制御部222には、鏡体部150のY軸方向に関する振幅が所定振幅Gyに維持されるように、フィードバックされるY軸方向検出信号Syの振幅に基づいてY軸方向駆動信号Dyの振幅を増減するとともに、鏡体部150のY軸方向に関する振動周波数が共振周波数fyに維持されるように、Y軸方向駆動信号DyとY軸方向検出信号Syとの位相差をπ/2に維持するフィードバック制御を行う自励振回路を組み込んでおけばよい。
このような自励振制御機能をコントローラ22にもたせておけば、二次元走査装置20は、外部から周波数の指定を受けることなしに、自律して鏡体部150を正確な共振周波数で振動させることができる。すなわち、共振周波数が個々の個体ごとに異なっていても、温度環境などに依存して時間的に変化しても、鏡体部150を常に正しい共振周波数で振動させることができ、常に、良好なエネルギー効率をもった動作を確保することができる。
なお、一般的な自励振回路では、駆動信号Dx,Dyとして、図17Aに示すような正弦波信号を用いる必要があるので、ビームの走査方式は、図17Bに示すような「8の字状走査方式」が採用されることになる。このため、スクリーン10上に正しい画像表示を行うためには、表示制御装置40は、常に、スポットSの走査位置を把握して、当該位置に応じた画素に対応する変調信号をレーザ光源30に与える必要がある。図20に示すX軸方向走査位置信号UxおよびY軸方向走査位置信号Uyは、このような便宜を図るために表示制御装置40に与えられる信号である。
すなわち、X軸方向振動制御部221は、X軸方向検出信号Sxの位相が所定値に達したことを示すX軸方向走査位置信号Uxを表示制御装置40に与え、Y軸方向振動制御部222は、Y軸方向検出信号Syの位相が所定値に達したことを示すY軸方向走査位置信号Uyを表示制御装置40に与える。表示制御装置40は、X軸方向走査位置信号UxおよびY軸方向走査位置信号Uyによって示されるタイミングを参照して、画像データに含まれる個々の画素に対応する変調信号を適切なタイミング(スクリーン10上において、スポットSが当該画素の位置にくるタイミング)でレーザ光源30に与える処理を行う。
たとえば、X軸方向走査位置信号Uxとして、X軸方向検出信号Sxの位相が0,π/2,π,3π/2のタイミングになった時点を示す信号を用いることにすれば、スクリーン10上のスポットSが、図17Bにおける各走査点Q1,Q2,Q3,...,Q19に到達した各タイミングが表示制御装置40に報告されることになる。同様に、Y軸方向走査位置信号Uyとして、Y軸方向検出信号Syの位相が0,π/2,π,3π/2のタイミングになった時点を示す信号を用いることにすれば、スクリーン10上のスポットSが、図17Bにおける各走査点Q1,Q7(往路),Q13,Q7(復路)に到達した各タイミングが表示制御装置40に報告されることになる。
もちろん、走査位置信号Ux,Uyとして、たとえば、位相が0,π/4,π/2,3π/4,π,5π/4,3π/2,7π/4のタイミングになった時点を報告する詳細な信号を用いるようにすれば、スポットSのより正確な位置情報を伝達することができる。
なお、上例では、X軸方向振動制御部221およびY軸方向振動制御部222の双方に自励振制御機能をもたせているが、もちろん、いずれか一方のみに自励振制御機能をもたせるようにしてもかまわない。たとえば、X軸方向振動制御部221にのみ自励振制御機能をもたせ、Y軸方向振動制御部222に対しては、所定の振動周波数φyを指定する情報をもったY軸方向走査制御信号Cyを与えるようにすれば、X軸方向に関しては、常に共振周波数fxによる自励振が行われ、Y軸方向に関しては、常に外部から指定した周波数φyによる励振が行われることになる。
本発明に係る可動反射素子は、光ビームや指向性電波の向きを制御する素子として、産業上、様々な装置に組み込んで利用することができる。また、本発明に係る二次元走査装置は、このような可動反射素子を組み込むことにより、光ビーム等を二次元的に走査する機能を有しており、たとえば、画像投影用のプロジェクタや車載用のレーダなどに利用することができる。
Claims (16)
- 反射面を有する鏡体部(150)と、この鏡体部を支持するための固定部(110’)と、前記鏡体部と前記固定部とを接続するアーム部(120,130)と、を備えた可動反射素子(100’)であって、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
前記アーム部は、Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸びた第1橋梁部(120)と、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸びた第2橋梁部(130)と、前記第1橋梁部と前記第2橋梁部とがL字状をなすように、前記第1橋梁部(120)の先端部と前記第2橋梁部(130)の根端部とを接続する中間接続部(125’)と、を有し、
前記中間接続部(125’)は、前記第1橋梁部(120)の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部(126)と前記第2橋梁部(130)の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部(127)のうちの少なくとも一方を有し、
前記第1橋梁部(120)は、可撓性を有する第1橋梁本体部(120A)と、この第1橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1圧電素子(120B−D)と、を有し、前記第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると前記第1の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
前記第2橋梁部(130)は、可撓性を有する第2橋梁本体部(130A)と、この第2橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2圧電素子(130B−D)と、を有し、前記第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると前記第2の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
前記固定部(110’)は、枠状構造体によって構成されており、この枠状構造体によって囲まれた内部領域に、前記各橋梁部(120,130)および前記鏡体部(150)が配置されており、
前記庇構造部(126,127)とこれに対向する前記枠状構造体(110’)の内側面との間隔が、前記鏡体部(150)に、アーム部(120,130)に破損が生じる程の過度の変位が生じようとした場合に、前記庇構造部(126,127)が前記枠状構造体(110’)の内側面に接触することにより、当該過度の変位が抑制されるような間隔に設定されており、前記庇構造部(126,127)と前記枠状構造体(110’)の内側面とがストッパとして機能することを特徴とする可動反射素子。 - 請求項1に記載の可動反射素子において、
第2橋梁部(130)の第1の脇側に鏡体部(150)が配置され、前記第2橋梁部(130)の先端部と前記鏡体部(150)とが鏡体接続部(140’)を介して接続されており、
前記鏡体接続部(140’)が、前記第2橋梁部(130)の第2の脇側の側面よりも外側に突き出した庇構造部(141)を有し、
前記鏡体接続部(140’)の庇構造部(141)とこれに対向する枠状構造体(110’)の内側面との間隔が、前記鏡体部(150)に、アーム部(120,130)に破損が生じる程の過度の変位が生じようとした場合に、前記鏡体接続部(140’)の庇構造部(141)が前記枠状構造体(110’)の内側面に接触することにより、当該過度の変位が抑制されるような間隔に設定されており、前記鏡体接続部(140’)の庇構造部(141)と前記枠状構造体(110’)の内側面とがストッパとして機能することを特徴とする可動反射素子。 - 反射面を有する鏡体部(550)と、この鏡体部を支持するための固定部(510)と、前記鏡体部と前記固定部とを接続する第1系統アーム部(520,530)および第2系統アーム部(560,570)と、を備えた可動反射素子(500)であって、
XY平面が水平面を構成するようにXYZ三次元座標系を定義したときに、
前記第1系統アーム部は、Y軸に平行な第1の長手方向軸に沿って伸びた第1橋梁部(520)と、X軸に平行な第2の長手方向軸に沿って伸びた第2橋梁部(530)と、前記第1橋梁部と前記第2橋梁部とがL字状をなすように、前記第1橋梁部(520)の先端部と前記第2橋梁部(530)の根端部とを接続する第1の中間接続部(125’)と、を有し、
前記第2系統アーム部は、Y軸に平行な第3の長手方向軸に沿って伸びた第3橋梁部(560)と、X軸に平行な第4の長手方向軸に沿って伸びた第4橋梁部(570)と、前記第3橋梁部と前記第4橋梁部とがL字状をなすように、前記第3橋梁部(560)の先端部と前記第4橋梁部(570)の根端部とを接続する第2の中間接続部(125’)と、を有し、
前記第1の中間接続部(125’)は、前記第1橋梁部(520)の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部(126)と前記第2橋梁部(530)の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部(127)のうちの少なくとも一方を有し、前記第2の中間接続部(125’)は、前記第3橋梁部(560)の先端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部(126)と前記第4橋梁部(570)の根端部の側面よりも外側に突き出した庇構造部(127)のうちの少なくとも一方を有し、
前記第1橋梁部(520)は、可撓性を有する第1橋梁本体部(520A)と、この第1橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第1圧電素子(520B−D)と、を有し、前記第1圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると前記第1の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
前記第2橋梁部(530)は、可撓性を有する第2橋梁本体部(530A)と、この第2橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第2圧電素子(530B−D)と、を有し、前記第2圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると前記第2の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
前記第3橋梁部(560)は、可撓性を有する第3橋梁本体部(560A)と、この第3橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第3圧電素子(560B−D)と、を有し、前記第3圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると前記第3の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
前記第4橋梁部(570)は、可撓性を有する第4橋梁本体部(570A)と、この第4橋梁本体部の上面もしくは下面に固着された第4圧電素子(570B−D)と、を有し、前記第4圧電素子は、所定極性の電圧を印加すると前記第4の長手方向軸に沿った方向に伸縮する性質を有し、
前記固定部(510)は、枠状構造体によって構成されており、この枠状構造体によって囲まれた内部領域に、前記各橋梁部(520,530,560,570)および前記鏡体部(550)が配置されており、
前記庇構造部(126,127)とこれに対向する前記枠状構造体(510)の内側面との間隔が、前記鏡体部(550)に、アーム部(520,530,560,570)に破損が生じる程の過度の変位が生じようとした場合に、前記庇構造部(126,127)が前記枠状構造体(510)の内側面に接触することにより、当該過度の変位が抑制されるような間隔に設定されており、前記庇構造部(126,127)と前記枠状構造体(510)の内側面とがストッパとして機能することを特徴とする可動反射素子。 - 請求項3に記載の可動反射素子において、
第2橋梁部(530)の第1の脇側かつ第4橋梁部(570)の第1の脇側に鏡体部(550)が配置され、前記第2橋梁部(530)の先端部と前記鏡体部(550)とが第1の鏡体接続部(540)を介して接続されており、前記第4橋梁部(570)の先端部と前記鏡体部(550)とが第2の鏡体接続部(580)を介して接続されており、
前記第1の鏡体接続部(540)が、前記第2橋梁部(530)の第2の脇側の側面よりも外側に突き出した庇構造部(141)を有し、前記第2の鏡体接続部(580)が、前記第4橋梁部(570)の第2の脇側の側面よりも外側に突き出した庇構造部(141)を有し、
前記第1の鏡体接続部(540)および前記第2の鏡体接続部(570)の庇構造部(141)とこれらに対向する枠状構造体(510)の内側面との間隔が、前記鏡体部(550)に、アーム部(520,530,560,570)に破損が生じる程の過度の変位が生じようとした場合に、前記第1の鏡体接続部(540)および前記第2の鏡体接続部(580)の庇構造部(141)が前記枠状構造体(510)の内側面に接触することにより、当該過度の変位が抑制されるような間隔に設定されており、前記第1の鏡体接続部(540)および前記第2の鏡体接続部(580)の庇構造部(141)と前記枠状構造体(510)の内側面とがストッパとして機能することを特徴とする可動反射素子。 - 請求項1~4のいずれかに記載の可動反射素子において、
枠状構造体(110’,510)を支持する土台基板(200)を更に備え、
前記枠状構造体(110’,510)の下面が前記土台基板(200)の上面に固定されており、各橋梁部(120,130,520,530,560,570)および鏡体部(150,550)が、前記土台基板(200)の上方に浮いた宙吊り状態になっており、前記土台基板(200)の上方に確保された空隙の大きさによって定まる自由度の範囲内で前記鏡体部(150,550)が傾斜することを特徴とする可動反射素子。 - 請求項1~5のいずれかに記載の可動反射素子において、
1つもしくは複数の橋梁部が、その長手方向軸に沿って伸びるように配置された細長い圧電素子(520B−D,530B−D,560B−D,570B−D)を有することを特徴とする可動反射素子。 - 請求項1~5のいずれかに記載の可動反射素子において、
1つもしくは複数の橋梁部が、根端部近傍に配置された圧電素子(121D,131D)と先端部近傍に配置された圧電素子(122D,132D)とを有することを特徴とする可動反射素子。 - 請求項1~7のいずれかに記載の可動反射素子において、
各圧電素子が、下部電極層(B)、圧電材料層(C)、上部電極層(D)の3層構造を有し、前記圧電材料層は、前記下部電極層および前記上部電極層のうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、前記一方の電極層に負極性、前記他方の電極層に正極性の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有することを特徴とする可動反射素子。 - 請求項1~7のいずれかに記載の可動反射素子において、
各圧電素子が、第1下部電極層(B1)、第1圧電材料層(C1)、第1上部電極層(D1)の3層構造を有する第1圧電部(P1)と、第2下部電極層(B2)、第2圧電材料層(C2)、第2上部電極層(D2)の3層構造を有する第2圧電部(P2)と、を絶縁層(E2)を介して積層させた構造を有し、
前記各圧電材料層は、下部電極層および上部電極層のうち、一方の電極層に正極性、他方の電極層に負極性の電圧を印加すると層方向に伸び、前記一方の電極層に負極性、前記他方の電極層に正極性の電圧を印加すると層方向に縮む性質を有することを特徴とする可動反射素子。 - 請求項1~7のいずれかに記載の可動反射素子において、
鏡体部(150,550)、固定部(110’,510)、アーム部(120,130,520,530,560,570)のそれぞれが、基板層(A)と、前記基板層(A)の上方に形成された下部電極層(B)と、前記下部電極層(B)の上方に形成された圧電材料層(C)と、を含む3層以上の積層構造体を有し、
少なくとも前記鏡体部(150,550)および前記アーム部(120,130,520,530,560,570)は、前記圧電材料層(C)の上面の一部もしくは全部の領域に形成された上部材料層(D)を更に含み、前記上部材料層(D)は導電性を有するとともに上面は反射性を有しており、
前記鏡体部(150,550)を構成する上部材料層(D)は、その反射性を利用して前記鏡体部の反射面を形成し、前記アーム部を構成する基板層(A)によって橋梁本体部が形成され、前記アーム部を構成する下部電極層(B)、圧電材料層(C)および上部材料層(D)によって圧電素子が形成され、前記アーム部を構成する上部材料層(D)は、その導電性を利用して前記圧電素子の上部電極層として機能することを特徴とする可動反射素子。 - 請求項1~10のいずれかに記載の可動反射素子において、
鏡体部(150,550)のX軸方向に関する共振周波数とY軸方向に関する共振周波数とが異なるように設定されていることを特徴とする可動反射素子。 - 請求項11に記載の可動反射素子において、
Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅が所定値W1、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅が所定値W2であり、W1とW2とが異なる値に設定されていることを特徴とする可動反射素子。 - 請求項11に記載の可動反射素子において、
Y軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の厚みが所定値T1、X軸に平行な軸に沿って伸びた橋梁部の幅が所定値T2であり、T1とT2とが異なる値に設定されていることを特徴とする可動反射素子。 - 請求項11~13のいずれかに記載の可動反射素子において、
X軸方向に関する各次数の共振周波数が、Y軸方向に関するいずれの次数の共振周波数にも一致しないように設定されていることを特徴とする可動反射素子。 - 請求項1~14のいずれかに記載の可動反射素子と、
前記可動反射素子(21)の圧電素子に交流駆動信号を供給することにより、前記可動反射素子の鏡体部をX軸まわりおよびY軸まわりに揺動させるコントローラ(22)と、
を備えることを特徴とする二次元走査装置(20)。 - 請求項15に記載の二次元走査装置において、
可動反射素子(21)の1つもしくは複数の橋梁部にそれぞれ複数の圧電素子(120D1,120D2,130D1,130D2)が設けられており、この複数の圧電素子の一部は駆動用圧電素子(120D1,130D1)として機能し、別な一部は検出用圧電素子(120D2,130D2)として機能し、
前記駆動用圧電素子は、コントローラ(22)から供給される交流駆動信号(Dx,Dy)に基づいて鏡体部(150)を揺動させ、前記検出用圧電素子は、前記揺動に起因して発生した電荷を示す検出信号(Sx,Sy)を前記コントローラ(22)にフィードバックし、
前記コントローラ(22)は、前記検出信号(Sx,Sy)に基づいて前記交流駆動信号(Dx,Dy)に対するフィードバック制御を行うことを特徴とする二次元走査装置(20)。
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