JP2010122413A - 光学反射素子 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、光学反射素子の高精度な自励駆動を実現することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成するため本発明は、第一振動子１０および第二振動子１２は、それぞれ複数の振動板１０Ａ、１２Ａがターン部１３、１４で折り返すように連結されたミアンダ形であって、第二振動子１２の隣接する振動板１２Ａの間の間隔は、これらの振動板１２Ａ間のターン部１４手前からこのターン部１４に向って広がっているものとした。これにより本実施の形態では、第一振動子１０の駆動振動と第二振動子１２のノイズ振動θＹとの相互干渉を抑制でき、第一振動子１０のモニタ素子２２の検出精度を向上させ、高精度な自励駆動が実現できる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ディスプレイ装置などに用いられる光学反射素子に関する。

図８の光学反射素子１は、ミラー部２と、このミラー部２とそれぞれ連結された一対の第一振動子３と、これらの第一振動子３と連結されるとともに、第一振動子３とミラー部２の外周を囲う枠体４と、この枠体４とそれぞれ連結された一対の第二振動子５とを備えている。

第一振動子３と第二振動子５とは、それぞれ複数の振動板３Ａ、５Ａがターン部６、７で折り返し連結されたミアンダ形であり、第一振動子３は図８のＹ軸に平行な中心軸Ｓ１を有し、第二振動子５は、Ｘ軸に平行な中心軸Ｓ２を有し、これらの中心軸Ｓ１、Ｓ２は直交する関係にある。

そして第一振動子３、第二振動子５を圧電素子等で駆動させると、第一振動子３は中心軸Ｓ１を中心に変位駆動し、また第二振動子５は中心軸Ｓ２を中心に変位駆動し、これらの振動エネルギーでミラー部２を二軸方向に回転振動させることができる。

そして第一振動子３および第二振動子５の変位は、それぞれモニタ素子によって電気信号として検知することができ、この検知した電気信号を、帰還回路を介して圧電素子に入力すれば、光学反射素子を自励駆動させることができる。

この出願に類似する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００８−０４０２４０号公報

従来の光学反射素子１は、特に第一振動子３のモニタ素子の検出精度が低く、自励駆動が実質不可能になることがある。

その理由は、第一振動子３の駆動振動と、第二振動子５のノイズ振動とが干渉しあうからである。

すなわち、第一振動子３および第二振動子５は、それぞれの中心軸Ｓ１、Ｓ２を中心に回動する振動が所望の振動（以下駆動振動という）であるが、それぞれ駆動振動とは異なるモードの振動（以下ノイズ振動という）が存在する。

例えば第二振動子５の駆動振動は、Ｘ軸方向の中心軸Ｓ２を中心とする回動モードであるが、ノイズ振動としては、Ｙ軸方向の軸を中心に回動するノイズ振動（以下ノイズ振動θＹという）等が挙げられる。

そしてこのノイズ振動θＹと第一振動子３の駆動振動の振動周波数が近傍にあると、電気信号が干渉しあい、第一振動子３のモニタ素子の検出精度が低下する。

さらに第二振動子５を第一振動子３よりも低周波数側で駆動させる場合、一般に第二振動子５の振幅は大きくなるため、第二振動子５のノイズ振動θＹが第一振動子３の駆動振動に及ぼす影響も大きくなり、第一振動子３のモニタ素子の検出精度が低下する問題は顕
著となり、自励駆動が実質できなくなる。

そこで本発明は、特に第一振動子の駆動振動と第二振動子のノイズ振動θＹとの干渉に着目し、この相互干渉を抑制して高精度な自励駆動を実現することを目的とする。

そしてこの目的を達成するために本発明は、第二振動子の隣接する振動板の間の間隔は、少なくともこれらの振動板間のターン部手前から、このターン部に向って広がっているものとした。

これにより本発明は、高精度な自励駆動を実現できる。

その理由は、第一振動子の駆動振動と第二振動子のノイズ振動θＹとの干渉を抑制できるからである。

すなわち本発明では、第二振動子の各ターン部が長くなるため、第二振動子の、Ｘ軸方向の成分総和が大きくなる。つまり第二振動子の、ノイズ振動θＹに寄与する梁長が長くなるため、このノイズ振動θＹを低周波化できる。したがって、第二振動子のノイズ振動θＹと第一振動子の駆動振動が近傍にある場合は、ノイズ振動θＹの周波数を第一振動子の駆動振動の周波数から遠ざけるように調整できる。

そしてその結果、第一振動子の駆動振動と第二振動子のノイズ振動θＹとの相互干渉を抑え、高精度な自励駆動を実現できる。

（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態における光学反射素子８は、ミラー部９と、このミラー部９を介して対向するとともに、このミラー部９の端部とそれぞれ一端が連結された一対の第一振動子１０と、これらの第一振動子１０と連結され、これらの第一振動子１０およびミラー部９の外周を囲む枠体１１と、この枠体１１を介して対向するとともに、この枠体１１の端部とそれぞれ一端が連結された一対の第二振動子１２と、これらの第二振動子１２と連結されるとともに、これらの第二振動子１２および枠体１１の外周を囲う枠形状の支持体とを備えている。

また第一振動子１０の中心軸Ｓ１は図１のＹ軸に平行に形成され、第二振動子１２の中心軸Ｓ２はＸ軸に平行に形成され、これらの中心軸Ｓ１、Ｓ２は、ほぼ垂直な関係にあり、これらはミラー部９の重心近傍で直交する。

さらに、第一振動子１０は、その中心軸Ｓ１に垂直な複数の振動板１０Ａと、これらの振動板１０Ａの端部に設けられたターン部１３とを備え、振動板１０Ａがこのターン部１３で折り返すように連結されたミアンダ形状である。そして対となる第一振動子１０は、中心軸Ｓ２に対して線対称形である。

また第二振動子１２も、その中心軸Ｓ２に交差する複数の振動板１２Ａと、これらの振動板１２Ａの端部に設けられたターン部１４とを備え、振動板１２Ａのターン部１４で折り返すように連結されたミアンダ形状である。そして対となる第二振動子１２は、中心軸Ｓ１に対して線対称形である。

さらに本実施の形態では、隣接する振動板１２Ａの間の間隔が、これらの振動板１２Ａ
間が開放されている端部側からターン部１４に向って徐々に広がるように形成されている。なお本実施の形態では、前述のようにそれぞれの振動板１２Ａの一端から他端に向けて隣接する振動板１２Ａ間の間隔が広がるように形成したが、少なくともターン部１４の手前から間隔を広げればよい。

そして本実施の形態では、ターン部１４の長さが２２０μｍであり、隣接するターン部１４間の間隔（６０μｍ）よりも長くなるように形成した。

また本実施の形態では、第二振動子１２のターン部１４はＹ軸方向に対して垂直に形成した。

さらに本実施の形態では、第二振動子１２は、この第二振動子１２の中心軸Ｓ２に対して垂直方向の幅ｄ１が４７７０μｍであり、枠体１１の中心軸Ｓ２に対して垂直方向の幅ｄ２よりも短くした。またミラー部９のサイズは０．９６ｍｍ×１．００ｍｍとした。

そして第一振動子１０と第二振動子１２とは、それぞれ異なる共振駆動周波数を有し、その周波数比は１０倍〜１００倍程度となるように設計されている。例えば本実施の形態では、第一振動子１０の共振周波数が２３６９０Ｈｚ、第二振動子１２の共振周波数が２０２Ｈｚ程度である。このように第一振動子１０と第二振動子１２の共振周波数比を大きくすることによって、高精度な画像を投影できる。

また本実施の形態の光学反射素子８は、シリコンや金属等からなる基材（図２（ｂ）の１５）をエッチングなどでパターニングして一体形成されたものである。

そして図２（ｂ）に示すように、第一振動子１０の振動板１０Ａ上には、それぞれ絶縁層１６を介して接地電極１７、圧電体１８、駆動電極１９からなる圧電素子２０と、接地電極１７、圧電体１８、モニタ電極２１からなるモニタ素子２２とを交互に配置した。駆動電極１９およびモニタ電極２１は、それぞれ配線１９Ａ、２１Ａで接続した。また図１に示す第二振動子１２の振動板１２Ａ上にも同様に、圧電素子２０とモニタ素子（図示せず）とを交互に配置した。

なお接地電極１７は白金、圧電体１８はＰＺＴ、駆動電極１９及びモニタ電極２１は金等から形成することができ、これらの積層体は、スパッタやＣＶＤ法により形成することができる。

ここで上述のように圧電素子２０をそれぞれの振動板１０Ａ、１２Ａ上に一つ置きに配置し、これらに電圧を印加すれば、振動板１０Ａ、１２Ａは交互に逆位相に撓み振動する。例えば振動板１０Ａは、図３のように中心軸Ｓ１を中心に変位が蓄積され、ミラー部９を大きく反復回転振動させることができる。

また図１に示す振動板１２Ａも、交互に逆位相駆動することによって、振動板１２Ａは中心軸Ｓ２を中心に変位が蓄積され、枠体１１およびミラー部９を大きく反復回転振動させることができる。

そして図２（ｂ）に示すように、第一振動子１０の振動板１０Ａに配置されたモニタ素子２２は、第一振動子１０の変位駆動を、モニタ電極２１で電気信号として検知する。なおこのモニタ電極２１の配線２１Ａは図１の第二振動子１２上に引き回されて外部電極２３で引き出される。

同様に、第二振動子１２の振動板１２Ａに配置されたモニタ素子（図示せず）は、第二
振動子１２の変位駆動を、モニタ電極（後述する図４の２４）で電気信号として検知し、このモニタ電極２４は外部電極２５で引き出される。

なお図１の外部電極２６は、駆動電極１９の引き出し用であり、外部電極２７は、接地電極１７の引き出し用とした。

次に、本実施の形態における光学反射素子８の動作を以下に説明する。

図４の光学反射素子の駆動回路のブロック図に示すように、増幅器２８の入力端子２８Ａに、第一振動子１０の共振周波数の交流電圧を印加し、また増幅器２９の入力端子２９Ａに、第二振動子１２の共振周波数の交流電圧を印加し、それぞれの信号を増幅する。

そしてこれらの電気信号は、それぞれ抵抗器などのインピーダンス素子３０、３１を介して合成され、光学反射素子８の外部電極２６に供給される。合成された電気信号は、第一振動子１０、第二振動子１２上の駆動電極１９に流れ、それぞれの第一振動子１０、第二振動子１２を反復回転振動させる。

そして第一振動子１０上に配置されたモニタ電極２１は、第一振動子１０の変位を電気信号として検知し、その電気信号は、配線（図２（ａ）（ｂ）の２１Ａ）を介して第二振動子１２上に引き回され、外部電極２３から引き出される。また、第二振動子１２上に配置されたモニタ電極２４は、第二振動子１２の変位を電気信号として検知し、外部電極２５から引き出される。

外部電極２３、２５から引き出された電気信号は、それぞれフィルタ３２、３３を介して取り出され、再び増幅器２８、２９の入力端子２８Ａ、２９Ａに入力される。

このようにそれぞれのモニタ電極２１、２４から出力される電気信号を、第一振動子１０、第二振動子１２の駆動電極１９にフィードバックすることにより、光学反射素子８を自励駆動させることが出来る。

なお、インピーダンス素子３０、３１としては、上述の抵抗器以外にも、コンデンサやコイルなどのリアクタンス素子、あるいはこれらの組み合わせ等も挙げられる。また電気信号の合成方法は上記手段以外でもよく、さらに電気信号は合成せず、第一振動子１０と第二振動子１２の駆動電極１９はそれぞれ電気的に独立して形成してもよい。

次に本実施の形態における光学反射素子８の効果を、図５と（表１）を用いて以下に説明する。

ここで図５および（表１）で記す従来例とは、図８に示す従来の光学反射素子１であり、比較例とは図６に示す光学反射素子３４であり、実施例１とは図１に示す本実施の形態における光学反射素子８である。

また図５は、従来例、比較例、実施例１の光学反射素子１、３４、８の、各振動モードの振動周波数をプロットしたものである。ｆθ_Yは、それぞれの第二振動子５、１２、３５のノイズ振動θＹの振動周波数を示す。またｆ_Zは、後述する第二振動子５、１２、３５における、素子平面に対して垂直方向（Ｚ軸方向）のノイズ振動（以下ノイズ振動Ｚという）の周波数を示す。またｆ_Hdは、第一振動子１０の駆動振動の周波数を示し、ｆ_Hは、第一振動子１０における駆動振動以外のモードの振動（ノイズ振動）の周波数を示す。なお、本実施の形態における第一振動子１０は第二振動子１２の１００倍以上の高周波で駆動するものであり、その振幅は小さい。したがって、第一振動子１０のノイズ振動モードが第二振動子１２のノイズ振動モードよりも第一振動子１０の駆動モードの近傍にある場合でも、第一振動子１０の駆動振動に与える影響は小さいため、本実施の形態ではこれらの相互干渉は考慮しなかった。

そして（表１）は光学反射素子の各振動モードの振動周波数を示し、それぞれの光学反射素子１、８、３４の素子サイズと、各第二振動子５、１２、３５の駆動振動の周波数ｆ_vdと、上述の各振動の周波数ｆθ_Y、ｆ_Hd、ｆ_Zと、ｆθ_Yまたはｆ_Zとｆ_Hdとの差を示すパラメータΔｆθ_Y／ｆ_Hd／％、Δｆ_Z／ｆ_Hd／％を記載した。

これらの図５および（表１）に示すように、本実施の形態の光学反射素子８（実施例１）は、第一振動子１０のモニタ素子（図２（ｂ）の２２）の検出精度を高め、光学反射素子８を高精度に自励駆動させることができる。

その理由を以下に説明する。

すなわち第二振動子１２の駆動振動は、Ｘ軸方向の中心軸Ｓ２を中心とする回動モードであるが、この駆動振動とは異なるモードのノイズ振動が存在し、このノイズ振動の一例として、Ｙ軸方向の軸を中心に回動するノイズ振動θＹがある。

そして図８に示す従来の光学反射素子１では、図５および（表１）の従来例に示すように、このノイズ振動θＹの振動周波数ｆθ_Yと第一振動子３の駆動振動の振動周波数ｆ_Hdとが近傍にあると、電気信号が干渉しあい、第一振動子３のモニタ素子の検出精度が低下してしまうのである。

なお第二振動子５を第一振動子３よりも低周波数側で駆動させる場合、一般に第二振動子５の振幅は大きくなるため、第二振動子５のノイズ振動θＹが第一振動子３の駆動振動に及ぼす影響も大きくなり、第一振動子３のモニタ素子２２の検出精度が低下する問題は顕著となる。

これに対し本実施の形態では、図１に示すように、第二振動子１２は、ターン部１４側に向って振動板１２Ａ間の間隔が広がるように形成したため、第二振動子１２の各ターン部１４が長くなり、第二振動子１２のＹ軸に垂直な成分総和が大きくなる。つまり第二振動子１２の、ノイズ振動θＹに寄与する梁長が長くなるため、図５および（表１）に示すように、このノイズ振動θＹを低周波側にシフトできる。したがって、第二振動子１２のノイズ振動θＹと第一振動子１０の駆動振動の振動周波数が近傍にある場合は、ノイズ振動θＹの周波数ｆθ_Yを第一振動子１０の駆動振動の周波数ｆ_Hdから遠ざけるように調整できる。

そしてその結果、第二振動子１２のノイズ振動θＹと第一振動子１０の駆動振動との相互干渉を抑え、第一振動子１０のモニタ素子２２の検出精度を向上させることができる。

また本実施の形態では、ターン部１４はＹ軸に垂直な構造としたため、ノイズ振動θＹ
に寄与する梁長の成分総和を大きくすることができ、よりノイズ振動θＹの周波数ｆθ_Yを低周波化することができる。

更に本実施の形態では、ターン部１４を長くしながらも、隣接するターン部１４間の距離は縮めることができるため、図６の比較例と比べて素子全体としては小型化することができる。

なお、前述の通り、第二振動子１２のノイズ振動には、素子表面に対して垂直方向（Ｚ軸方向）に上下するノイズ振動Ｚも存在する。そしてこのノイズ振動Ｚは、図５および（表１）の従来例と比較例、実施例１との比較結果で示すように、各第二振動子５、３５、１２の振動板５Ａ、３５Ａ、１２Ａの中心軸Ｓ２に対して垂直方向の梁幅ｄ１が短くなると高周波化する事が分かった。

したがって本実施の形態（実施例１）では、第二振動子１２を、この第二振動子１２の中心軸Ｓ２に対して垂直方向の幅が、枠体１１のＳ２に対して垂直方向の幅よりも短くしたことにより、第一振動子１０の駆動振動と第二振動子１２のノイズ振動Ｚとの周波数を離すことができ、モニタ素子２２の検出精度を向上させることができる。

（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との主な違いは、図７に示すように第二振動子３６の振動板（図７の３６Ａ、３６Ｂ）の形状と、枠体１１の周縁に設けられた錘部３７にある。なお本実施の形態における各振動モードの振動周波数は、図５および（表１）の実施例２に示す。

本実施の形態では、第二振動子３６は、ターン部３８Ａの手前で外側へ屈折する振動板（以下長振動板３６Ａという）と屈折していない振動板（以下短振動板３６Ｂという）の組み合わせにより構成されている。

そして長振動板３６Ａのターン部３８Ａは、短振動板３６Ｂのターン部３８Ｂよりも外方に設けられている。すなわち短振動板３６Ｂのターン部３８Ｂ外方にはスペースが空くため、このスペースを埋めるように、長振動板３６Ａはターン部３８Ａの手前で外側へ広がるように折れ曲がって延伸し、ターン部３８Ａに向って長振動板３６Ａ間の間隔が大きくなるように形成されている。

このように長振動板３６Ａが、ターン部３８Ａの手前で外側へ屈曲する構造とすると、第二振動子３６のＸ軸方向の成分総和が大きくなり、図５に示すように第二振動子３６のノイズ振動θＹをより低周波側にシフトすることができる。そしてその結果、第一振動子１０の駆動振動と第二振動子３８のノイズ振動θＹとの相互干渉を抑制でき、第一振動子１０のモニタ素子（図示せず）の検出精度を向上させることができる。

また素子の小型化のため、振動板（長振動板３６Ａ、短振動板３６Ｂ）の数を減らした場合、ターン部３８Ａ、３８Ｂの数も減るが、長振動板３６Ａを上記構造としたことにより、ターン部３８Ａが長くなり、第二振動子３６のＸ軸方向の成分総和を大きくすることができる。そしてその結果、ノイズ振動θＹの低周波数化に寄与する。

また長振動板３６Ａをターン部３８Ａの手前で外側に屈曲させることにより、長振動板３６Ａも長くなることから、第二振動子３６全体の梁長も長くすることができ、第二振動子３６の駆動振動の振動周波数ｆ_vdの低周波化に寄与する。したがって、第一振動子１０の駆動振動と第二振動子３６の駆動振動との周波数比ｆ_Hd／ｆ_vdを向上させることができ、描画精度を向上させることができる。

また本実施の形態では、一部の振動板、つまり長振動板３６Ａは、ターン部３８Ａの手前で外側へ屈曲した構造とし、その他の振動板である短振動板３６Ｂは、実施の形態１と同様に、直線的な構造とした。このように複数の形状を組み合わせることによって、素子スペースを有効に活用することができ、素子の小型化に寄与する。

また本実施の形態では、第二振動子３６は、この中心軸Ｓ２に対して垂直方向の幅ｄ１を枠体１１の幅ｄ２よりも短くすることで、実施の形態１と同様に、第二振動子３６のノイズ振動Ｚを高周波化シフトすることができる。

一方で、このように第二振動子３６を内側に設けると、第二振動子３６全体の長さが短くなり、第二振動子３６の駆動振動の共振周波数が高周波化してしまうことがある。したがって本実施の形態では、第二振動子３６のターン部３８Ａ、３８Ｂの外方に空いたスペースには、枠体１１の周縁と連結された錘部３７を設けた。この錘部３７により第二振動子３６の共振周波数の高周波化を抑制することができ、第一振動子１０と第二振動子３６の共振周波数比を高め、高精度な画像を投影することができる。

なお本実施の形態では、てこの原理により枠体１１をより大きく変位させるため、一対の第二振動子３６は、それぞれ枠体１１の一方の端部と連結させている。したがって上述の錘部３７は、第二振動子３６が連結されていない側の枠体１１の端部に形成し、素子のスペースを有効に利用した。

本発明の光学反射素子は、ノイズ振動の周波数をシフトすることができるため、モニタ素子の検出精度を高めることができる。したがって高精度なプロジェクタ、ヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイなどの小型画像投影装置に利用できる。

本発明の実施の形態１における光学反射素子の上面図 （ａ）同光学反射素子の第一振動子の要部を示す斜視図、（ｂ）同光学反射素子の第一振動子の要部を示す断面図（図２（ａ）のＹＹ断面） 同光学反射素子の動作を示す側面図 同光学反射素子の駆動回路を説明するためのブロック図 光学反射素子の各振動モードのプロット図 比較のための光学反射素子の上面図 本発明の実施の形態２における光学反射素子の上面図 従来の光学反射素子の断面図

符号の説明

８ 光学反射素子
９ ミラー部
１０ 第一振動子
１０Ａ 振動板
１１ 枠体
１２ 第二振動子
１２Ａ 振動板
１３ ターン部
１４ ターン部
１５ 基材
１６ 絶縁層
１７ 接地電極
１８ 圧電体
１９ 駆動電極
１９Ａ 配線
２０ 圧電素子
２１ モニタ電極
２１Ａ 配線
２２ モニタ素子
２３ 外部電極
２４ モニタ電極
２５ 外部電極
２６ 外部電極
２７ 外部電極
２８ 増幅器
２９ 増幅器
３０ インピーダンス素子
３１ インピーダンス素子
３２ フィルタ
３３ フィルタ
３４ 光学反射素子
３５ 第二振動子
３６ 第二振動子
３６Ａ 長振動板
３６Ｂ 短振動板
３７ 錘部
３８Ａ ターン部
３８Ｂ ターン部

Claims (3)

1. ミラー部と、このミラー部を介して対向し、前記ミラー部とそれぞれ一端が連結された一対の第一振動子と、これらの第一振動子の他端と連結されるとともに、前記第一振動子と前記ミラー部の外周を囲う枠体と、この枠体を介して対向するとともに、前記枠体とそれぞれ一端が連結された一対の第二振動子とを備え、
   前記第一振動子および第二振動子は、
   それぞれの中心軸がほぼ垂直な関係にあり、それぞれ複数の振動板がターン部で折り返すように連結されたミアンダ形であって、
   前記第二振動子は、隣接する振動板の間の間隔が、
   少なくともこれらの振動板間のターン部手前から、このターン部に向って広がっている光学反射素子。
2. 前記第二振動子は、一部のターン部と連結された振動板が、前記ターン部近傍で外側に広がるように延伸している請求項１記載の光学反射素子。
3. 前記第二振動子は、
   この第二振動子の中心軸に対して垂直方向の幅が前記枠体の幅よりも短く、
   前記第二振動子のターン部の外方には、
   前記枠体の周縁と連結された錘部が設けられた請求項１に記載の光学反射素子。

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