JP2009258645A - ２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高解像度の画像が得られ、１画像当たりのフレームレートに応じて走査スピードの調整が可能で耐衝撃性を有する２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供する。
【解決手段】２次元光偏向器１００は、樹脂を含み光Ｌを一方向に偏向する偏向素子１０とＳｉを含み光Ｌを他方向に偏向する偏向素子５０とを備える。偏向素子１０は、対向配置された一対の端子部１３，１４、その間に配置された偏向部１１、及びこれらを連結する梁部１６，１７を有する。偏向素子５０は、枠状の支持部１１、その枠内に配置されてミラー部６３を有する偏向部５３、その両側に配置され支持部１１に一端が連結され互いに対向配置されたアーム５４，５５及び５６，５７、アーム５４，５５及び５６，５７の他端と偏向部１１とを連結する梁部５８，５９及び６０，６１を有する。偏向部１１，５３の各重心は光Ｌの光路上に位置する。
【選択図】図１

Description

本発明は、２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置に係り、特に、ラスタースキャン方式により画像を表示するための２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置に関する。

フロントプロジェクタ、リアプロジェクタ、及びＨＭＤ（Head Mount Display）等の画像表示装置に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作製された光偏向器を用いる検討が盛んに行われている。

例えば、特許文献１には、ポリイミドやシリコーン樹脂等の軟質樹脂からなり一方向に光偏向可能な１次元光偏向器、及び、これを用いた画像表示装置が開示されている。
特許文献１に開示されている画像表示装置は、一次元光偏向きを２個用い、光源から出射されたレーザ光を、一方の１次元光偏向器で水平方向に走査（スキャン）し、他方の１次元光偏向器で垂直方向に走査することによって、ラスタースキャン方式による画像を表示するものである。

しかしながら、特許文献１に開示されているような光偏向器及びこれを用いた画像表示装置では、軟質樹脂の共振周波数が数十Ｈｚと低いので、レーザ光を高速に走査することが難しい。
レーザ光の走査スピードが遅いと表示される画像の解像度が低くなるため、高解像度の画像を表示することができない。そのため、走査スピードのさらなる改善が望まれる。

また、特許文献１に開示されているような光偏向器及びこれを用いた画像表示装置では、光偏向器が一方向のみにしか光偏向することができないので、２次元の画像を表示するためには２個の光偏向器が必要である。
このため、光学系が複雑になるので、画像表示装置の小型化が難しく、また、製品コストが高くなり、その改善が望まれる。

そこで、上記問題を鑑みて、Ｓｉ（シリコン）からなり水平方向及び垂直方向にそれぞれ光偏向できる２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置が、特許文献２に開示されている。

特許文献２に開示されているような光偏向器及びこれを用いた画像表示装置によれば、Ｓｉの共振周波数は数十ＫＨｚと高いので、レーザ光を高速に走査できるため、高解像度の画像を表示することが可能になる。
また、１個の光偏向器で水平方向及び垂直方向の各光偏向を一度にできるので、画像表示装置の小型化が可能になる。

特開２００６−２７６６５３号公報 特開２００４−１１０００５号公報

ところで、ラスタースキャン方式により画像を表示する場合、上述したように水平方向の走査スピードが速いほど１フレーム内の走査線が増加するので、高解像度の画像が得られるが、垂直方向の走査スピードは、単位時間(１秒間)当たりのフレーム数、所謂フレームレートに応じて決定される。
そのため、一般的に、垂直方向の走査スピードは、水平方向の走査スピードに比べて低速であり、かつ、光偏向器の個体差や環境温度変化に応じて、水平方向の走査スピードが変化した場合でも、１フレーム内に一定の走査線数を実現するためには、垂直方向の走査スピードがフレームレートに応じて調整できることが望ましい。

しかしながら、特許文献２に開示されているような光偏向器及びこれを用いた画像表示装置では、低速の垂直方向の走査にも共振周波数の高い光偏向器を用いており、また、この光偏向器はＳｉの共振周波数またはその近傍の狭い範囲でしか駆動させることができないため、フレームレートに応じた垂直方向の走査スピードの調整が難しく、その改善が望まれる。

また、特許文献２に開示されているような光偏向器及びこれを用いた画像表示装置では、１個の２次元光偏向器で高解像度の画像を表示できるものの、高価な材料であるＳｉ基板を使用し、かつ、１次元光偏向素子に比べて、Ｓｉ基板の使用面積が拡大するため、材料コストが高くなり、その改善が望まれる。

また、Ｓｉは軟質樹脂に比べて脆いため、Ｓｉからなる光偏向器及びこれを用いた画像表示装置は、外部から衝撃が与えられた場合に、その偏向部が容易に破損する虞があり、その改善が望まれる。

そこで、本発明が解決しようとする課題は、高解像度の画像が得られ、フレームレートに応じて垂直走査スピードの調整が可能であり、耐衝撃性を有する、２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供することにある。

上記の課題を解決するために、本願発明は次の２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供する。
１）２次元光偏向器において、樹脂を含み、外部から照射された光（Ｌ）を一方向に偏向する第１の光偏向素子（１０）と、Ｓｉ（シリコン）を含み、前記光を前記一方向との異なる他の方向に偏向する第２の光偏向素子（５０）と、を備え、前記第１の光偏向素子は、互いに離間して対向配置された一対の端子部（１３，１４）と、前記一対の端子部間に配置された第１の偏向部（１１）と、前記第１の偏向部と前記一対の端子部とをそれぞれ連結する一対の第１の梁部（１６，１７）と、を有し、前記第２の光偏向素子は、前記第１の偏向部上に固定された枠状の支持部（５２）と、前記支持部の枠内に前記第１の偏向部と離間して配置され、前記光を反射するミラー部（６３）を有する第２の偏向部（５３）と、前記第２の偏向部の両側に配置され、前記支持部に一端がそれぞれ連結された一対の第１のアーム部（５４，５５）と、前記第２の偏向部の両側に前記第１のアーム部に対向して配置され、前記支持部に一端がそれぞれ連結された一対の第２のアーム部（５６，５７）と、前記第１のアーム部の各他端と前記第２の偏向部とをそれぞれ連結する一対の第２の梁部（５８，５９）と、前記第２のアーム部の各他端と前記第２の偏向部とをそれぞれ連結し、前記第２の梁部とそれぞれ所定の間隙を有して対向配置された一対の第３の梁部（６０，６１）と、を有し、前記第１の偏向部の重心（Ｇ１１）及び前記第２の偏向部の重心（Ｇ５３）は、前記光の光路上に位置することを特徴とする２次元光偏向器（１００）。
２）前記第１の偏向部を、前記一対の第１の梁部の各重心を通る線（ｘ１）を軸として揺動させる第１の駆動部（２０，２１，９３，９４）と、前記第２の偏向部を、前記一対の第２の梁部と前記一対の第３の梁部との間隙を二分する線（ｙ２）を軸として揺動させる第２の駆動部（６６，６７）と、をさらに有することを特徴とする１）記載の２次元光偏向器（１００）。
３）前記第１の偏向部を、前記一対の第１の梁部の各重心を通る線を軸（ｘ１）として揺動させる第３の駆動部（２０，２１，９３，９４）と、前記第１の偏向部を揺動させて前記第２の偏向部に振動を与え、前記第２の偏向部を、前記一対の第２の梁部と前記一対の第３の梁部との間隙を二分する線（ｙ２）を軸として揺動させる第４の駆動部（４２０，４２１，４９３，４９４）と、をさらに有することを特徴とする１）記載の２次元光偏向器（４００）。
４）前記第１の偏向部は、前記光を前記樹脂の共振周波数または前記共振周波数よりも低い周波数で偏向し、前記第２の偏向部は、前記光をＳｉの共振周波数で偏向することを特徴とする１）乃至３）のいずれかに記載の２次元光偏向器。
５）１）乃至４）のいずれかに記載の２次元光偏向器と、前記ミラー部に前記光を照射する半導体レーザ素子（３１０）と、前記半導体レーザ素子を画像情報に応じて輝度変調する輝度変調部（３２０）と、を有する画像表示装置（３００）。
６）前記光を、前記第２の光偏向素子で水平方向に偏向し、前記第１の光偏向素子で垂直方向に偏向することによって、画像（Ｇ）を表示することを特徴とする３）記載の画像表示装置である。

本発明によれば、高解像度の画像を表示でき、フレームレートに応じて垂直走査スピードの調整が可能であり、耐衝撃性を有するという効果を奏する。

本発明の実施例１における２次元光偏向器の構成を説明するための図である。 本発明の実施例１における光偏向素子１０を説明するための図である。 本発明の実施例１における光偏向素子５０を説明するための図である。 実施例１における光偏向素子５０を駆動するための駆動制御回路を示すブロック図である。 光偏向素子（樹脂）及び光偏向素子（Ｓｉ）の周波数特性を示す図である。 本発明の実施例２における２次元光偏向器の構成を説明するための図である。 本発明の実施例２における光偏向素子４１０を説明するための図である。 実施例２におけるミラー部６３を駆動するための駆動制御回路を示すブロック図である。 実施例２における光偏向素子５０を加振駆動された状態を示す模式的断面図である。 本発明に係る画像表示装置の実施例を説明するための模式的構成図である。

本発明の実施の形態を、好ましい実施例である実施例１及び実施例２により図１〜図１０を用いて説明する。

＜実施例１＞
［２次元光偏向器の構成］
まず、本発明の実施例１における２次元光偏向器の構成について、図１を用いて説明する。
図１は、本発明の実施例１における２次元光偏向器の構成を説明するための図であり、同図中の（ａ）はミラー部側から見たときの平面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ｓ１の方向から見たときの側面図、（ｃ）は（ａ）の線ｙ２における模式的断面図である。

図１に示すように、２次元光偏向器１００は、主として、断面形状が略コ字状の支持体１と、支持体１に支持された光偏向素子１０と、光偏向素子１０上に固定された光偏向素子５０と、支持体１に固定され光偏向素子１０を駆動するための電磁コイルユニット９０と、を有して構成されている。

ここで、光偏向素子１０について図２を用いて詳細に説明する。
図２は、実施例１の２次元光偏向器における光偏向素子１０を説明するための図であり、同図中の（ａ），（ｂ），及び（ｃ）は、図１の（ａ），（ｂ），及び（ｃ）にそれぞれ対応するものである。

図２に示すように、光偏向素子１０は、主として、後述するレーザ光Ｌを後述する画像Ｇの垂直方向｛図２（ａ）の上下方向に相当する｝に偏向するための偏向部１１と、偏向部１１を介して互いに対向配置された端子部１３，１４と、端子部１３と偏向部１１とを連結する梁部１６と、端子部１４と偏向部１１とを連結する梁部１７と、偏向部１１において光偏向素子５０が固定される面Ａ１１とは反対側の面｛図２（ａ）における奥側の面｝Ｂ１１にマグネットベース１９が固定され、さらにこのマグネットベース１９に互いに離間して固定された一対の永久磁石２０，２１と、を有して構成されている。

偏向部１１は、梁部１６の近傍に電極２３，２４を有し、梁部１７の近傍に電極２５，２６を有する。

端子部１３は電極２８，２９を有し、端子部１４は電極３０，３１を有する。

梁部１６は、電極２３と電極２８とを電気的に接続する配線３３、及び、電極２４と電極２９とを電気的に接続する配線３４を有する。
梁部１７は、電極２５と電極３０とを電気的に接続する配線３５、及び、電極２６と電極３１とを電気的に接続する配線３６を有する。

永久磁石２０と永久磁石２１とは極性の向きが互いに同じである。
図１及び図２では、永久磁石２０及び永久磁石２１の極性が、それぞれ、電磁コイルユニット９０に近い側をＮ極、遠い側をＳ極として示しているが、これに限定されるものではなく、それぞれ、電磁コイルユニット９０に近い側をＳ極、遠い側をＮ極としてもよい。
永久磁石２０，２１として保磁力が大きいネオジウム系の材料を用いることが望ましい。
永久磁石２０，２１にネオジウム系の材料を用いることにより、永久磁石２０，２１をより軽量でより小型にすることができるので、偏向部１１を少ない駆動力（消費電力）で駆動させることが可能になる。

また、光偏向素子１０は、図１（ａ）及び図２（ａ）を紙面手前から見たときに、梁部１６の重心と梁部１７の重心とを結ぶ線ｘ１、及び、永久磁石２０の重心と永久磁石２１の重心とを結ぶ線ｙ１が、偏向部１１の重心Ｇ１１をそれぞれ通り、線ｘ１と線ｙ１とが互いに直交するように構成されている。

光偏向素子１０の基材３８としてポリイミドやシリコーン樹脂等の可撓性を有する軟質樹脂を用いることができ、また、この光偏向素子１０は周知のフレキシブル配線板の製造方法を用いて作製することができる。

次に、光偏向素子５０について図３を用いて詳細に説明する。
図３は、実施例１の２次元光偏向器における光偏向素子５０を説明するための図であり、同図中の（ａ），（ｂ），及び（ｃ）は、図１の（ａ），（ｂ），及び（ｃ）にそれぞれ対応するものである。

図３に示すように、光偏向素子５０は、主として、枠状の支持部５２と、支持部５２の枠内にこの支持部５２と離間して配置され、後述するレーザ光Ｌを後述する画像Ｇの水平方向｛図３（ａ）の左右方向に相当する｝に偏向するための偏向部５３と、支持部５２の一内縁部に一端側がそれぞれ連結され、偏向部５３を介して配置された一対のアーム部５４，５５と、支持部５２の上記一内縁部と対向する内縁部に一端側がそれぞれ連結され、偏向部５３を介して配置された一対のアーム部５６，５７と、アーム部５４の他端側と偏向部５３とを連結する梁部５８と、アーム部５５の他端側と偏向部５３とを連結する梁部５９と、アーム部５６の他端側と偏向部５３とを連結する梁部６０と、アーム部５７の他端側と偏向部５３とを連結する梁部６１と、を有して構成されている。

偏向部５３は、光偏向素子５０が光偏向素子１０に固定される側とは反対側の面に、Ａｌ（アルミニウム）やＡｕ（金）等の反射率の高い金属を主成分とする反射膜が形成されたミラー部６３を有する。
このミラー部６３は、後述する画像表示装置３００において半導体レーザ素子３１０から出射されたレーザ光Ｌを反射するものである。

アーム部５４，５５，５６，５７は、その一面側に各アーム部に対応して形成された圧電素子６６，６７，６８，６９を有する。
圧電素子６６，６７，６８，６９は、下部電極、圧電体膜、及び上部電極が順次積層された積層構造をそれぞれ有し、これら上部電極と下部電極との間に電圧を印加して圧電素子６６，６７，６８，６９を振動させることにより、これに対応してアーム部５４，５５，５６，５７を振動させることができる。

支持部５２は、その一面側にそれぞれ形成され、圧電素子６６，６７の各上部電極に図示しない配線を介して電気的に接続された電極７１と、圧電素子６６，６７の各下部電極に図示しない配線を介して電気的に接続された電極７２と、圧電素子６８，６９の各上部電極に図示しない配線を介して電気的に接続された電極７３と、圧電素子６８，６９の各下部電極に図示しない配線を介して電気的に接続された電極７４と、を有する。

また、光偏向素子５０は、図３（ａ）を紙面手前から見たときに、梁部５８と梁部６０との間隙を二分すると共に梁部５９と梁部６１との間隙を二分する線ｙ２が、偏向部５３の重心Ｇ５３を通るように構成されている。

また、光偏向素子５０は、偏向部５３、アーム部５４，５５，５６，５７、及び梁部５８，５９，６０，６１が支持部５２に比べて薄くなされている。

上述した光偏向素子５０は、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のＳｉ（シリコン）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて作製することができる。

次に、光偏向素子１０と光偏向素子５０との関係を図１に戻って説明する。

図１（ａ）において、後述するレーザ光Ｌは、紙面手前からミラー部６３に向かって照射されるが、光偏向素子５０の偏向部５３の重心Ｇ５３、及び光偏向素子１０の偏向部１１の重心Ｇ１１が、レーザ光Ｌの光路上（光路の延長線上）に位置するように、また、光偏向素子５０の線ｙ２が光偏向素子１０の線ｘ１と直交するように、光偏向素子５０は光偏向素子１０の偏向部１１の面Ａ１１に固定されている。
また、光偏向素子１０と光偏向素子５０とは、電極２３と電極７１とが、また、電極２４と電極７２とが、また、電極２５と電極７３とが、また、電極２６と電極７４とが、例えば金ワイヤ８０を介してそれぞれ電気的に接続されている。

次に、電磁コイルユニット９０について、同じく図１を用いて説明する。

図１に示すように、電磁コイルユニット９０は、主として、コイルベース９２と、このコイルベース９２に固定された一対のコイル９３，９４と、を有して構成されている。コイル９３，９４は空芯の巻き線コイルである。

コイル９３は永久磁石２０に対応して、コイル９４は永久磁石２１に対応して、それぞれコイルベース９２に固定されている。
また、コイル９３及びコイル９４は、偏向部１１が特に垂直方向に駆動した際に、永久磁石２０及び永久磁石２１と接触しないようにそれぞれコイルベース９２に固定されている。
また、コイル９３とコイル９４とは、これらに通電したときに発生する磁力線の向きが互いに逆向きになるように、図示しない配線を介して例えば直列に接続されている。

［２次元光偏向器の駆動方法］
次に、上述した２次元光偏向器１００の駆動方法について、図１〜図５を用いて説明する。
図４は、２次元光偏向器１００において、光偏向素子５０を駆動するための駆動制御回路を示すブロック図であり、図５は、光偏向素子１０及び光偏向素子５０の周波数特性を示す図である。

まず、上述した２次元光偏向器１００のミラー部６３（偏向部５３）を水平方向｛図１（ａ）及び図３（ａ）における左右方向｝に駆動させる方法について、図１，図３，図４，及び図５を用いて説明する。

はじめに、ミラー部６３（偏向部５３）の水平方向の駆動を制御する駆動制御回路について、図４を用いて説明する。

図４に示すように、駆動制御回路２００は、主として、増幅器２０１，ノイズ除去フィルタ（例えばローパスフィルタ）２０２，位相調整器２０３，自動利得制御回路（以下、ＡＧＣ回路と記す）２０４，及び駆動アンプ２０５を有して構成されている。

増幅器２０１は、入力側が２次元光偏向素子１００における端子部１４の電極３０及び電極３１に接続され、出力側がノイズ除去フィルタ２０２に接続されている。
ノイズ除去フィルタ２０２は出力側が位相調整器２０３に接続されており、位相調整器２０３は出力側がＡＧＣ回路２０４に接続されており、ＡＧＣ回路２０４は出力側が駆動アンプ２０５に接続されている。
駆動アンプ２０５は、出力側が２次元光偏向素子１００における端子部１３の電極２８及び電極２９に接続されている。

駆動アンプ２０５から出力された共振駆動信号Ｄｈは、電極２８及び電極２９を介して光偏向素子５０の圧電素子６６及び圧電素子６７に入力される。
そして、アーム部５４及びアーム部５５が振動することにより、ミラー部６３（偏向部５３）は、線ｙ２（図１及び図３参照）を回転軸とする第１次回転モードで水平方向に駆動する。
さらに、ミラー部６３（偏向部５３）が駆動することにより、圧電素子６８及び圧電素子６９に応力歪みが生じ、この応力歪みに応じた電圧が発生する。
この電圧は増幅器２０１で増幅され、検出信号Ｓｎとして出力される。
検出信号Ｓｎは、ノイズ除去フィルタ２０２でノイズ成分が除去された後、位相調整器２０３で共振駆動信号Ｄｈとの共振モードにおける特定の位相差となるように、例えば検出信号Ｓｎと共振駆動信号Ｄｈとが互いに１８０度位相反転するように位相調整される。
位相調整された検出信号Ｓｎは、ＡＧＣ回路２０４で発生する正弦波の振幅が一定になるように調整された後、駆動アンプ２０５で所定の値に昇圧され、共振駆動信号Ｄｈとして、電極２８及び電極２９を介して圧電素子６６及び圧電素子６７に入力される。

前述したように、光偏向素子５０はシリコンを主成分としており、図５に示すように、シリコンの共振周波数は数十ｋＨｚと高いため、圧電素子６６及び圧電素子６７に、シリコンの共振周波数と略同じ周波数の駆動信号Ｄｈを入力することにより、ミラー部６３（偏向部５３）を、水平方向に、かつ高速に共振駆動することができる。

上述した２次元光偏向器１００及び駆動制御回路２００により、圧電素子６６及び圧電素子６７に入力される共振駆動信号Ｄｈを、圧電素子６８及び圧電素子６９からの検出信号Ｓｎと特定の位相関係になるようにフィードバックループ制御を行うことにより、ミラー部６３（偏向部５３）を常に共振周波数で駆動することができる。

次に、上述した２次元光偏向器１００のミラー部６３を垂直方向｛図１（ａ）及び図２（ａ）における上下方向｝に駆動させる方法について、図１及び図２を用いて説明する。

コイル９３及びコイル９４に通電することにより、これらコイル９３，９４に互いに逆向きとなる磁力線が発生する。
これら磁力線により、例えば、永久磁石２０はコイル９３に引き寄せられ、永久磁石２１はコイル９４と反発するため、偏向部１１は、永久磁石２０側｛図１（ａ）及び図２（ａ）における上側｝が光偏向素子５０に接近する方向に駆動する。
また、コイル９３及びコイル９４に通電する電流の向きを逆向きにすることにより、偏向部１１は、永久磁石２１側｛図１（ａ）及び図２（ａ）における下側｝が光偏向素子５０に接近する方向に駆動する。

従って、コイル９３及びコイル９４に通電する電流の向きを所定の周期で交互に切り替えることにより、ミラー部６３を、線ｘ１を回転軸として垂直方向に駆動させることができる。

また、前述したように、光偏向素子１０は、ポリイミドやシリコーン樹脂等の可撓性を有する軟質樹脂を主成分としており、図４に示すように、このような軟質樹脂の共振周波数（図４には一例としてポリイミドの周波数特性を示す）は約５０Ｈｚと低く、また、軟質樹脂は、弾性率が低いためＱ値が低いので、コイル９３及びコイル９４に正弦波の駆動信号を入力することにより、偏向部１１を、軟質樹脂の共振周波数及びその近傍、並びに、共振周波数よりも低い非共振領域においても十分な偏向角で駆動することができる。

従って、軟質樹脂を主成分とする光偏向素子１０を、垂直方向に、低速で共振駆動または非共振駆動させることにより、ミラー部６３を光偏向素子１０と共に垂直方向に低速駆動させることができる。

上述した２次元光偏向器１００によれば、前述した特許文献１に開示されているような光偏向器に比べて、その数を低減することができ、また、前述した特許文献２に開示されているような光偏向器に比べて、高価な材料であるＳｉ基板の使用面積を低減することができるので、これらに対して素子の材料コストを安くすることができる。

また、上述した２次元光偏向器１００によれば、特に、脆いＳｉを主成分とする光偏向素子５０が、耐衝撃性に優れた軟質樹脂を主成分とする光偏向素子１０に固定され、この光偏向素子１０が支持体１に支持された構成を有するので、２次元光偏向器１００に外部から衝撃が与えられた場合に、この衝撃を光偏向素子１０で吸収することができるため、光偏向素子５０の破損を防止することができる。

＜実施例２＞
［２次元光偏向器の構成］
次に、本発明の実施例２における２次元光偏向器の構成について、図６を用いて説明する。
図６は、本発明の実施例２における２次元光偏向器の構成を説明するための図であり、同図中の（ａ）はミラー部側から見たときの平面図、（ｂ）は（ａ）の矢印Ｓ２の方向から見たときの側面図、（ｃ）は（ａ）の線ｙ２における模式的断面図である。
なお、説明をわかりやすくするために実施例１と同じ構成部には同じ符号を付す。

図６に示すように、２次元光偏向器４００は、主として、断面形状が略コ字状の支持体４０１と、支持体４０１に支持された光偏向素子４１０と、光偏向素子４１０上に固定された光偏向素子５０と、支持体４０１に固定され光偏向素子４１０，５０を駆動するための電磁コイルユニット４９０と、を有して構成されている。

ここで、光偏向素子４１０について図７を用いて詳細に説明する。
図７は、実施例２の２次元光偏向器における光偏向素子４１０を説明するための図であり、同図中の（ａ），（ｂ），及び（ｃ）は、図６の（ａ），（ｂ），及び（ｃ）にそれぞれ対応するものである。

図７に示すように、光偏向素子４１０は、主として、後述するレーザ光Ｌを後述する画像Ｇの垂直方向｛図７（ａ）の上下方向に相当する｝に偏向するための偏向部１１と、偏向部１１を介して互いに対向配置された端子部１３，１４と、端子部１３と偏向部１１とを連結する梁部１６と、端子部１４と偏向部１１とを連結する梁部１７と、偏向部１１において光偏向素子５０が固定される面Ａ１１とは反対側の面｛図７（ａ）における奥側の面｝Ｂ１１にマグネットベース４１９が固定され、さらにこのマグネットベース４１９に互いに離間して固定された一対の永久磁石２０，２１と、同じくマグネットベース４１９に互いに離間して固定された一対の永久磁石４２０，４２１と、を有して構成されている。

偏向部１１は、梁部１６の近傍に電極２３，２４を有し、梁部１７の近傍に電極２５，２６を有する。

端子部１３は電極２８，２９を有し、端子部１４は電極３０，３１を有する。

梁部１６は、電極２３と電極２８とを電気的に接続する配線３３、及び、電極２４と電極２９とを電気的に接続する配線３４を有する。
梁部１７は、電極２５と電極３０とを電気的に接続する配線３５、及び、電極２６と電極３１とを電気的に接続する配線３６を有する。

永久磁石２０と永久磁石２１とは極性の向きが互いに同じであり、永久磁石４２０と永久磁石４２１とは極性の向きが互いに同じである。
図６及び図７では、永久磁石２０及び永久磁石２１の極性並びに永久磁石４２０及び永久磁石４２１の極性が、それぞれ、電磁コイルユニット４９０に近い側をＮ極、遠い側をＳ極として示しているが、これに限定されるものではなく、それぞれ、電磁コイルユニット４９０に近い側をＳ極、遠い側をＮ極としてもよい。
永久磁石２０，２１及び永久磁石４２０，４２１として保磁力が大きいネオジウム系の材料を用いることが望ましい。
永久磁石２０，２１及び永久磁石４２０，４２１にネオジウム系の材料を用いることにより、永久磁石２０，２１及び永久磁石４２０，４２１をそれぞれより軽量でより小型にすることができるので、偏向部１１を少ない駆動力（消費電力）で駆動させることが可能になる。

光偏向素子４１０は、図１（ａ）及び図２（ａ）を紙面手前から見たときに、梁部１６の重心と梁部１７の重心とを結ぶ線ｘ１、及び、永久磁石２０の重心と永久磁石２１の重心とを結ぶ線ｙ１が、偏向部１１の重心Ｇ１１をそれぞれ通り、線ｘ１と線ｙ１とが互いに直交するように構成されている。
永久磁石４２０及び永久磁石４２１は、これらの重心がそれぞれ線ｘ１上に位置するように配置されている。

光偏向素子４１０の基材３８としてポリイミドやシリコーン樹脂等の可撓性を有する軟質樹脂を用いることができ、また、この光偏向素子４１０は周知のフレキシブル配線板の製造方法を用いて作製することができる。

図６に示す実施例２の光偏向素子５０の構成は、前述した実施例１の光偏向素子５０（図１及び図３参照）の構成と同じなのでその説明を省略する。

次に、光偏向素子４１０と光偏向素子５０との関係について図６を用いて説明する。

図６（ａ）において、後述するレーザ光Ｌは、紙面手前からミラー部６３に向かって照射されるが、光偏向素子５０の偏向部５３の重心Ｇ５３、及び光偏向素子４１０の偏向部１１の重心Ｇ１１が、レーザ光Ｌの光路上（光路の延長線上）に位置するように、また、光偏向素子５０の線ｙ２が光偏向素子４１０の線ｘ１と直交するように、光偏向素子５０は光偏向素子１０の偏向部１１の面Ａ１１に固定されている。
また、光偏向素子４１０と光偏向素子５０とは、電極２３と電極７１とが、また、電極２４と電極７２とが、また、電極２５と電極７３とが、また、電極２６と電極７４とが、例えば金ワイヤ８０を介してそれぞれ電気的に接続されている。

次に、電磁コイルユニット４９０について、同じく図６を用いて説明する。

図６に示すように、電磁コイルユニット４９０は、主として、コイルベース４９２と、このコイルベース４９２に固定された一対のコイル９３，９４と、同じくコイルベース４９２に固定された一対のコイル４９３，４９４と、を有して構成されている。コイル９３，９４及びコイル４９３，４９４はそれぞれ空芯の巻き線コイルである。

コイル９３は永久磁石２０に対応して、コイル９４は永久磁石２１に対応して、また、コイル４９３は永久磁石４２０に対応して、コイル４９４は永久磁石４２１に対応して、それぞれコイルベース４９２に固定されている。
また、コイル９３及びコイル９４は、偏向部１１が特に垂直方向に駆動した際に、永久磁石２０及び永久磁石２１と接触しないようにそれぞれコイルベース４９２に固定されており、コイル４９３及びコイル４９４は、偏向部１１が特に水平方向に駆動した際に、永久磁石４２０及び永久磁石４２１と接触しないようにそれぞれコイルベース４９２に固定されている。
また、コイル９３とコイル９４とは、これらに通電したときに発生する磁力線の向きが互いに逆向きになるように、図示しない配線を介して例えば直列に接続されている。
また、コイル４９３とコイル４９４とは、これらに通電したときに発生する磁力線の向きが互いに逆向きになるように、図示しない配線を介して例えば直列に接続されている。

［２次元光偏向器の駆動方法］
次に、上述した２次元光偏向器４００の駆動方法について、図６〜図９を用いて説明する。
図８は、２次元光偏向器４００において、光偏向素子５０を加振駆動するための駆動制御回路を示すブロック図である。図９は、光偏向素子５０を加振駆動された状態を示す模式的断面図であり、図９（ａ），（ｂ）は図６（ｂ）にそれぞれ対応するものである。

上述した２次元光偏向器４００のミラー部６３を水平方向｛図６（ａ）及び図３（ａ）における左右方向｝に駆動させる方法について、図６，図３，及び図８を用いて説明する。

まず、ミラー部６３の水平方向の駆動を制御する駆動制御回路について、図８を用いて説明する。

図８に示すように、駆動制御回路５００は、主として、増幅器２１１，２１６と、加算回路２１７と、ノイズ除去フィルタ（例えばローパスフィルタ）２１２と、位相調整器２１３と、発振回路２１４と、駆動アンプ２１５と、を有して構成されている。

増幅器２１１は、入力側が２次元光偏向素子４００における端子部１４の電極３０及び電極３１に接続され、出力側が加算回路２１７に接続されている。
増幅器２１６は、入力側が２次元光偏向素子４００における端子部１３の電極２８及び電極２９に接続され、出力側が加算回路２１７に接続されている。
加算回路２１７は出力側がノイズ除去フィルタ２１２に接続されており、ノイズ除去フィルタ２１２は出力側が位相調整器２１３に接続されており、位相調整器２１３は出力側が発振回路２１４に接続されており、発振回路２１４は出力側が駆動アンプ２１５に接続されている。
駆動アンプ２１５は、出力側が２次元光偏向素子４００におけるコイル４９３及びコイル４９４（図６参照）に直列に接続されている。

また、駆動制御回路５００は、ミラー部６３（偏向部５３）が共振駆動した際に増幅器２１１及び増幅器２１６へ入力される信号（電圧）が互いに同位相となる極性関係で設計されている。
そのため、増幅器２１１及び増幅器２１６から出力される検出信号Ｓｎ１及び検出信号Ｓｎ２は、互いに同位相の正弦波となる。
検出信号Ｓｎ１及び検出信号Ｓｎ２は、加算回路２１７で加算されて、ノイズ除去フィルタ２１２，位相調整器２１３，及び発振回路２１４を介して駆動アンプ２１５から共振加振駆動信号Ｄｍとして出力される。
共振加振駆動信号Ｄｍは、２次元光偏向素子４００において互いに直列に接続されたコイル４９３及びコイル４９４（図６参照）に入力される。

次に、ミラー部６３の水平方向の駆動を制御する駆動制御方法について、図８と共に図９を用いて説明する。

共振加振駆動信号Ｄｍをコイル４９３及びコイル４９４に入力させ、これらコイル４９３，４９４に互いに逆向きの磁力線を発生させる。
ところで、光偏向素子４１０はその基材３８がポリイミドやシリコーン樹脂等の可撓性を有する軟質樹脂からなるため、上記磁力線により、光偏向素子５０は、梁部１６，１７がそれぞれ撓んで（弾性変形して）、図９（ａ）に示す状態と図９（ｂ）に示す状態と交互に繰り返して駆動する。
そして、共振加振駆動信号Ｄｍをシリコンの共振周波数（図５参照）と略同じし周波数とすることにより、ミラー部６３（偏向部５３）は、線ｙ２（図３参照）を回転軸とする第１次回転モードで水平方向に、高速に共振加振駆動する。

ミラー部６３（偏向部５３）が駆動すると、圧電素子６６，６７及び圧電素子６８，６９にそれぞれ応力歪みが生じるため、圧電素子６６，６７及び圧電素子６８，６９にそれぞれ応力歪み量に応じた電圧が発生する。
圧電素子６６，６７で発生する電圧と圧電素子６８，６９で発生する電圧とは互いに逆位相である。圧電素子６６，６７で発生した電圧は増幅器２１６で増幅されて検出信号Ｓｎ２として出力され、圧電素子６８，６９で発生した電圧は増幅器２１１で増幅されて検出信号Ｓｎ１として出力される。
検出信号Ｓｎ１及び検出信号Ｓｎ２は、加算回路２１７で加算された後にノイズ除去フィルタ２１２でノイズ成分が除去され、さらに共振回路２１４で発生した正弦波との位相差が所定の値となるように位相調整される。

検出信号Ｓｎ１及び検出信号Ｓｎ２を加算処理する理由は、圧電素子６６，６７，６８，６９からの出力をより安定的に取り出すためであり、安定的に出力が取り出せるようであればどちらか一方の検出信号（Ｓｎ１又はＳｎ２）のみを取り出すようにしてもよい。

位相調整された検出信号Ｓｎ１，Ｓｎ２は駆動アンプで増幅されて共振加振駆動信号Ｄｍとしてコイル４９３及びコイル４９４に出力される。
そして、これらコイル４９３，４９４に発生した磁力線によってミラー部６３（偏向部５３）を駆動させ、それによって発生する圧電素子６６，６７の電圧及び圧電素子６８，６９の電圧をフィードバックループ制御することにより、ミラー部６３（偏向部５３）の水平方向の駆動を常に共振周波数に制御することができる。

また、実施例２の駆動方法によれば、特に光偏向素子５０の駆動源を電磁コイルとすることにより、実施例１の圧電駆動方式よりも低電圧でミラー部を駆動させることができる。

上述した２次元光偏向器４００のミラー部６３を垂直方向｛図６（ａ）における上下方向｝に駆動させる方法については、上述した実施例１の駆動方法と同じであるため、その説明を省略する。

上述した２次元光偏向器４００によれば、前述した特許文献１に開示されているような光偏向器に比べて、その数を低減することができ、また、前述した特許文献２に開示されているような光偏向器に比べて、高価な材料であるＳｉ基板の使用面積を低減することができるので、これらに対して素子の材料コストを安くすることができる。

また、上述した２次元光偏向器４００によれば、特に、脆いＳｉを主成分とする光偏向素子５０が、耐衝撃性に優れた軟質樹脂を主成分とする光偏向素子４１０に固定され、この光偏向素子４１０が支持体４０１に支持された構成を有するので、２次元光偏向器４００に外部から衝撃が与えられた場合に、この衝撃を光偏向素子４１０で吸収することができるため、光偏向素子５０の破損を防止することができる。

［２次元光偏向器を用いた画像表示装置］
次に、上述した２次元光偏向器１００，４００を用いた画像表示装置について、図１０を用いて説明する。
図１０は、本発明に係る画像表示装置の実施例を説明するための模式的構成図である。

図１０に示すように、画像表示装置３００は、主として、上述した２次元光偏向器１００又は２次元光偏向器４００と、この２次元光偏向器１００（４００）のミラー部６３に向けてレーザ光Ｌを出射する半導体レーザ素子３１０と、この半導体レーザ素子３１０を画像情報に応じて輝度変調する輝度変調部３２０と、を有して構成されている。

次に、この画像表示装置３００を用いて、画像ＧをスクリーンＰに表示する表示方法について同じく図１０を用いて説明する。

輝度変調部３２０から半導体レーザ素子３１０に電力を供給して半導体レーザ素子３１０からレーザ光Ｌを出射すると共に、出射されるレーザ光Ｌを各画素の画像情報に応じて輝度変調しながら２次元光偏向器１００（４００）のミラー部６３に照射する。
また、上述した駆動方法で駆動された２次元光偏向器１００（４００）の光偏向素子５０及び光偏向素子１０（４１０）に同期させて輝度変調が行われる。
ミラー部６３に照射されたレーザ光Ｌは、光偏向素子５０で水平方向に偏向され、光偏向素子１０（４１０）で垂直方向に偏向される。
各画素の画像情報に応じて、半導体レーザ素子３１０から出射されるレーザ光Ｌの出力強度と、第２の光偏向素子５０及び第１の光偏向素子１０の偏向角度とを同期させながらラスタースキャンすることにより、画像ＧがスクリーンＰに表示される。

上述した画像表示装置３００において、半導体レーザ素子３１０として、赤色のレーザ光を出射する素子を用いれば赤色（Ｒ）の単色画像が表示され、緑色のレーザ光を出射する素子を用いれば緑色（Ｇ）の単色画像が表示され、青色のレーザ光を出射する素子を用いれば青色（Ｂ）の単色画像が表示される。

また、上述した画像表示装置３００の変形例として、これら３色のレーザ光を出射する３個の半導体レーザ素子と、各レーザ光を１本のビームに合成するダイクロイックプリズムやダイクロイックミラー等の光学部品と、２次元光偏向器１００と、を有する構成とし、スクリーンＰに３色（Ｒ，Ｇ，Ｂ）の画像を重畳させて表示することにより、フルカラーの画像を表示することができる。

上述した画像表示装置３００によれば、特に、半導体レーザ素子３１０から出射されたレーザ光Ｌを、光偏向素子５０で水平方向に高速に偏向すると共に、光偏向素子１０（４１０）で垂直方向に低速に偏向するので、高解像度の画像を表示することができる。

また、上述した画像表示装置３００によれば、特に、光偏向素子１０（４１０）を軟質樹脂の共振周波数以下の広い周波数範囲で駆動させることができるので、フレームレートに応じて走査スピードの調整を容易に行うことができる。

本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。

例えば、実施例１及び実施例２では、２次元光偏向器１００（４００）において、永久磁石２０と永久磁石２１との極性（及び永久磁石４２０と永久磁石４２１との極性）が同じで、コイル９３とコイル９４との磁力線の向き（及びコイル４９３とコイル４９４との磁力線の向き）が互いに異なる構成としたが、これに限定されるものではなく、永久磁石２０と永久磁石２１との極性（及び永久磁石４２０と永久磁石４２１との極性）が互いに異なり、コイル９３とコイル９４との磁力線の向き（及びコイル４９３とコイル４９４との磁力線の向き）が同じになる構成としてもよい。

また、実施例１では、２次元光偏向器１００において、圧電素子６６及び圧電素子６７でアーム部５４及びアーム部５５を駆動させ、圧電素子６８及び圧電素子６９で偏向部５３の振動状態を検出する構成としたが、これに限定されるものではなく、圧電素子６８及び圧電素子６９でアーム部５６及びアーム部５７を駆動させ、圧電素子６６及び圧電素子６７で偏向部５３の振動状態を検出する構成としてもよい。

また、特に第２の偏向部５３の振動状態を検出する必要がない場合（例えば解像度があまり高くない画像を表示する場合）は、圧電素子６６，６７，６８，６９を用いて、アーム部５４及びアーム部５５と、アーム部５６及びアーム部５７と、を互いに逆位相で駆動させるようにしてもよい。
これにより、実施例１よりもさらに広い偏向角を得ることができる。

また、実施例１及び実施例２では、光偏向素子１０（４１０）に永久磁石２０，２１（及び永久磁石４２０，４２１）を設け、電磁コイルユニット９０（４９０）にコイル９３，９４を設けた構成としたが、これに限定されるものではなく、光偏向素子１０（４１０）にコイル９３，９４を設け、電磁コイルユニット９０（４９０）に永久磁石２０，２１（及び永久磁石４２０，４２１）を設けた構成としてもよい。

また、実施例１及び実施例２では、光偏向素子１０（４１０）の電極２３，２４，２５，２６と、光偏向素子５０の電極７１，７２，７３，７４とを、金ワイヤ８０で接続したが、これに限定されるものではなく、光偏向素子１０（４１０）の電極２３，２４，２５，２６と光偏向素子５０の電極７１，７２，７３，７４とが電気的に接続されていれば、その接続方法は特に限定しない。

また、実施例１及び実施例２では、光偏向素子１０（４１０）の偏向方向と光偏向素子５０の偏向方向とが互いに直交する構成としたが、これに限定されるものではなく、少なくとも、光偏向素子１０（４１０）の偏向方向と光偏向素子５０の偏向方向とが互いに異なっていればよい。

本発明に係る２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置は、特にラスタースキャン方式により画像を表示する投射型の画像表示システムに有用である。また、本発明に係る２次元光偏向器はレーザプリンタや２次元バーコードリーダー等にも適用できる。

１＿支持体、 １０，５０＿光偏向素子、 １１，５３＿偏向部、 １３，１４＿端子部、 １６，１７，５８，５９，６０，６１＿梁部、 １９＿マグネットベース、 ２０，２１＿永久磁石、 ２３，２４，２５，２６，２８，２９，３０，３１，７１，７２，７３，７４＿電極、 ３３，３４，３５，３６＿配線、 ３８＿基材、 ５２＿支持部、 ５４，５５，５６，５７＿アーム部、 ６３＿ミラー部、 ６６，６７，６８，６９＿圧電素子、 ８０＿金ワイヤ、 ９０＿電磁コイルユニット、 ９２＿コイルベース、 ９３，９４＿コイル、 １００＿２次元光偏向器、 ２００＿駆動制御回路、 ２０１＿増幅器、 ２０２＿ノイズ除去フィルタ、 ２０３＿位相調整器、 ２０４＿自動利得制御回路（ＡＧＣ回路）、 ２０５＿駆動アンプ、 ３００＿画像表示装置、 ３１０＿半導体レーザ素子、 ３２０＿輝度変調部、 Ａ１１，Ｂ１１＿面、 ｘ１，ｙ１，ｙ２＿線、 Ｇ１１，Ｇ５３＿重心、 Ｌ＿レーザ光、 Ｇ＿画像、Ｐ＿スクリーン

Claims (6)

1. ２次元光偏向器において、
   樹脂を含み、外部から照射された光を一方向に偏向する第１の光偏向素子と、
   Ｓｉ（シリコン）を含み、前記光を前記一方向との異なる他の方向に偏向する第２の光偏向素子と、
   を備え、
   前記第１の光偏向素子は、
   互いに離間して対向配置された一対の端子部と、
   前記一対の端子部間に配置された第１の偏向部と、
   前記第１の偏向部と前記一対の端子部とをそれぞれ連結する一対の第１の梁部と、
   を有し、
   前記第２の光偏向素子は、
   前記第１の偏向部上に固定された枠状の支持部と、
   前記支持部の枠内に前記第１の偏向部と離間して配置され、前記光を反射するミラー部を有する第２の偏向部と、
   前記第２の偏向部の両側に配置され、前記支持部に一端がそれぞれ連結された一対の第１のアーム部と、
   前記第２の偏向部の両側に前記第１のアーム部に対向して配置され、前記支持部に一端がそれぞれ連結された一対の第２のアーム部と、
   前記第１のアーム部の各他端と前記第２の偏向部とをそれぞれ連結する一対の第２の梁部と、
   前記第２のアーム部の各他端と前記第２の偏向部とをそれぞれ連結し、前記第２の梁部とそれぞれ所定の間隙を有して対向配置された一対の第３の梁部と、
   を有し、
   前記第１の偏向部の重心及び前記第２の偏向部の重心は、前記光の光路上に位置することを特徴とする２次元光偏向器。
2. 前記第１の偏向部を、前記一対の第１の梁部の各重心を通る線を軸として揺動させる第１の駆動部と、
   前記第２の偏向部を、前記一対の第２の梁部と前記一対の第３の梁部との間隙を二分する線を軸として揺動させる第２の駆動部と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１記載の２次元光偏向器。
3. 前記第１の偏向部を、前記一対の第１の梁部の各重心を通る線を軸として揺動させる第３の駆動部と、
   前記第１の偏向部を揺動させて前記第２の偏向部に振動を与え、前記第２の偏向部を、前記一対の第２の梁部と前記一対の第３の梁部との間隙を二分する線を軸として揺動させる第４の駆動部と、
   をさらに有することを特徴とする請求項１記載の２次元光偏向器。
4. 前記第１の偏向部は、前記光を前記樹脂の共振周波数または前記共振周波数よりも低い周波数で偏向し、
   前記第２の偏向部は、前記光をＳｉの共振周波数で偏向することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の２次元光偏向器。
5. 請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載の２次元光偏向器と、
   前記ミラー部に前記光を照射する半導体レーザ素子と、
   前記半導体レーザ素子を画像情報に応じて輝度変調する輝度変調部と、
   を有する画像表示装置。
6. 前記光を、前記第２の光偏向素子で水平方向に偏向し、前記第１の光偏向素子で垂直方向に偏向することによって、画像を表示することを特徴とする請求項５記載の画像表示装置。

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