JP2011064731A - Optical scanner and image display device with the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザープリンタや画像表示装置に用いられる光スキャナ、特にＭＥＭＳミラーを有する光スキャナ及びこの光スキャナを用いた画像表示装置に関する。 The present invention relates to an optical scanner used in a laser printer or an image display device, and more particularly to an optical scanner having a MEMS mirror and an image display device using the optical scanner.
従来、レーザープリンタや光を走査して画像を表示する画像表示装置等には、光スキャナが利用されてきた。一般に、この光スキャナとしては、ポリゴンミラーを用いるものやガルバノミラー、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いるものが存在する。特に、ＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナは、光の反射面が一面だけで良く、またミラー、トーションバー、支持枠を一体加工できるので、ポリゴンミラー及びガルバノミラーを用いた光スキャナに対し小型化、軽量化が可能になる。 Conventionally, optical scanners have been used in laser printers and image display devices that display light by scanning light. In general, there are optical scanners using a polygon mirror, galvanometer mirrors, and MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) mirrors. In particular, the optical scanner using the MEMS mirror needs only one light reflecting surface, and the mirror, the torsion bar, and the support frame can be integrally processed. Therefore, the optical scanner using the polygon mirror and the galvanometer mirror can be downsized. Weight reduction is possible.
ＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナ（以下、光スキャナと表記する）の機械的構造に関する発明が、今日までに多く出願されている。その一例として、特許文献１に記載された光スキャナを図１１に示す。光スキャナ５００は、基体５１０と台座５２０とに分けられる。基体５１０の中心には、ミラー５１１が位置する。ミラー５１１は一対の第１弾性梁５１２によって両持支持される。一対の第１弾性梁５１２は、二股に分かれた第２弾性梁５１３に夫々接続される。第２弾性梁５１３は、外枠部５１４に接続される。ミラー５１１、第１弾性梁５１２及び第２弾性梁５１３を揺動させるための圧電駆動部５３０は、第２弾性梁５１３の上面から外枠部５１４に亘り形成される。台座５２０は、外枠部５１４と接合部５２１とが固定されるようにして、基体５１０の下に設けられる。 Many inventions relating to the mechanical structure of an optical scanner using a MEMS mirror (hereinafter referred to as an optical scanner) have been filed to date. As an example, an optical scanner described in Patent Document 1 is shown in FIG. The optical scanner 500 is divided into a base 510 and a pedestal 520. A mirror 511 is located at the center of the substrate 510. The mirror 511 is supported at both ends by a pair of first elastic beams 512. The pair of first elastic beams 512 is connected to a second elastic beam 513 divided into two branches. The second elastic beam 513 is connected to the outer frame portion 514. The piezoelectric drive unit 530 for swinging the mirror 511, the first elastic beam 512, and the second elastic beam 513 is formed from the upper surface of the second elastic beam 513 to the outer frame portion 514. The pedestal 520 is provided under the base 510 so that the outer frame portion 514 and the joint portion 521 are fixed.
光スキャナ５００の動作を説明する。圧電駆動部５３０に含まれる圧電素子は、電圧が印加されることで分極する。圧電素子の分極によって、圧電駆動部５３０は、第２弾性梁５１３の長手方向へ伸び、または縮む。圧電駆動部５３０は第２弾性梁５１３及び外枠部５１４に固定されているので、圧電駆動部５３０の伸縮は、第２弾性梁５１３が基体５１０の厚み方向に変形する撓み変形に変換される。即ち、圧電駆動部５３０は、ユニモルフとして働く。第２弾性梁５１３の撓み変形は、第１弾性梁５１２と第２弾性梁５１３との連結位置を介して、第１弾性梁５１２及びミラー５１１を揺動させるための回転トルクに変換される。 The operation of the optical scanner 500 will be described. The piezoelectric element included in the piezoelectric driving unit 530 is polarized by applying a voltage. The piezoelectric driving unit 530 extends or contracts in the longitudinal direction of the second elastic beam 513 due to the polarization of the piezoelectric element. Since the piezoelectric drive unit 530 is fixed to the second elastic beam 513 and the outer frame portion 514, the expansion and contraction of the piezoelectric drive unit 530 is converted into a bending deformation in which the second elastic beam 513 is deformed in the thickness direction of the base 510. . That is, the piezoelectric drive unit 530 functions as a unimorph. The bending deformation of the second elastic beam 513 is converted into a rotational torque for swinging the first elastic beam 512 and the mirror 511 via the connection position of the first elastic beam 512 and the second elastic beam 513.
例えば光スキャナが画像表示装置に用いられる場合、表示画像の画角はミラーの変位量に依存する。従って、大きな画像や精緻な画像を表示するためには、ミラーの変位量は大きいほど望ましい。ミラーの変位量を大きくするためには、第２弾性梁５１３及び圧電駆動部５３０を幅広に構成することで、圧電駆動部５３０がミラーを変位させるための駆動力を大きくする方法が考えられる。しかし、第２弾性梁５１３及び圧電駆動部５３０の幅を広くすることによって、第２弾性梁５１３の剛性が増加する。剛性の増加の結果、圧電駆動部５３０の駆動電圧も同時に増大するので、第２弾性梁５１３及び圧電駆動部５３０を幅広に構成する方法は、省電力の観点から望ましくない。 For example, when an optical scanner is used in an image display device, the angle of view of the display image depends on the amount of displacement of the mirror. Therefore, in order to display a large image or a detailed image, it is desirable that the amount of displacement of the mirror is larger. In order to increase the amount of displacement of the mirror, a method can be considered in which the second elastic beam 513 and the piezoelectric drive unit 530 are configured to be wide so that the drive force for the piezoelectric drive unit 530 to displace the mirror is increased. However, by increasing the width of the second elastic beam 513 and the piezoelectric driving unit 530, the rigidity of the second elastic beam 513 is increased. As a result of the increase in rigidity, the driving voltage of the piezoelectric driving unit 530 also increases at the same time. Therefore, the method of configuring the second elastic beam 513 and the piezoelectric driving unit 530 to be wide is not desirable from the viewpoint of power saving.
本出願人は、圧電駆動部の駆動電圧を抑えつつミラーの変位量を大きくする目的で、様々な光スキャナの構造を検討した。その結果、本出願人は、圧電駆動部の駆動電圧を抑えつつミラーの変位量を大きくするために有用な構造を発案した。以下、図１２を用いて、その構造を有する光スキャナ６００について説明する。ミラー６１０に接続される支持梁６２０は、第１弾性梁６２１、二股に分かれた第２弾性梁６２２及び第１弾性梁６２１と第２弾性梁６２２とを結合する梁結合部６２３を含む。第２弾性梁６２２は、拡幅部６２２ａと、狭幅部６２２ｂとを含む。拡幅部６２２ａは、外枠部６４０と第２弾性梁６２２との連結位置を起点として、第２弾性梁６２２の途中まで伸長する幅広の領域である。狭幅部６２２ｂは、その拡幅部６２２ａよりもミラー６１０側に位置し、拡幅部６２２ａよりも幅狭の領域である。この拡幅部６２２ａが設けられることで、圧電駆動部６３０の駆動電圧を抑えつつミラー６１０の変位量が大きくなる。 The present applicant has studied various optical scanner structures for the purpose of increasing the displacement of the mirror while suppressing the drive voltage of the piezoelectric drive unit. As a result, the present applicant has devised a useful structure for increasing the amount of displacement of the mirror while suppressing the drive voltage of the piezoelectric drive unit. Hereinafter, the optical scanner 600 having the structure will be described with reference to FIG. The support beam 620 connected to the mirror 610 includes a first elastic beam 621, a second elastic beam 622 divided into two branches, and a beam coupling portion 623 that couples the first elastic beam 621 and the second elastic beam 622. The second elastic beam 622 includes a wide portion 622a and a narrow portion 622b. The widened portion 622a is a wide region extending from the connection position of the outer frame portion 640 and the second elastic beam 622 to the middle of the second elastic beam 622. The narrow portion 622b is a region that is located closer to the mirror 610 than the wide portion 622a and is narrower than the wide portion 622a. By providing the widened portion 622a, the amount of displacement of the mirror 610 increases while suppressing the drive voltage of the piezoelectric drive portion 630.
拡幅部６２２ａは、圧電駆動部６３０の駆動電圧を抑えつつミラー６１０の変位量を大きくすることに寄与する。しかし一方で、拡幅部６２２ａが設けられることで、応力が集中する箇所が第２弾性梁６２２に生じる。特に、拡幅部６２２ａと狭幅部６２２ｂとの境界位置に、応力が集中する。集中する応力の値は小さく、光スキャナ６００の破損に繋がる程ではない。しかし、ミラーの変位量をさらに大きくする等の場合を考えると、この集中した応力は低減されるのが望ましい。 The widened portion 622a contributes to increasing the displacement amount of the mirror 610 while suppressing the drive voltage of the piezoelectric drive portion 630. However, on the other hand, the location where the stress is concentrated occurs in the second elastic beam 622 by providing the widened portion 622a. In particular, the stress is concentrated at the boundary position between the widened portion 622a and the narrowed portion 622b. The value of the concentrated stress is small and does not lead to the damage of the optical scanner 600. However, considering the case where the amount of displacement of the mirror is further increased, it is desirable to reduce this concentrated stress.
本発明は、前記した境界位置での応力を低減することが可能な光スキャナ及びこの光スキャナを備えた画像表示装置を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical scanner capable of reducing the stress at the boundary position and an image display device including the optical scanner.
本発明を反映した第１の課題解決手段は、入射した光を所定方向に走査するために揺動可能なミラーと、前記ミラーの揺動軸線に対して線対称に配置されるとともに前記ミラーの揺動軸線に沿って伸長する一対の梁部を含み、前記ミラーから延出する支持梁と、前記一対の梁部を介して前記支持梁が連結される外枠部と、前記ミラー及び前記支持梁を揺動させるための圧電素子を含む圧電駆動部とを備え、前記一対の梁部の各々は、前記外枠部と前記一対の梁部との連結位置を起点として、前記外枠部の厚み方向及び前記一対の梁部の長手方向の両方向と直交する幅方向に拡幅される拡幅部と、前記拡幅部よりも前記ミラー側に位置し、前記幅方向の幅が前記拡幅部よりも狭い狭幅部と、前記拡幅部と狭幅部との境界位置から、前記狭幅部の長手方向における長さより小さい距離の位置までの範囲において、前記狭幅部を被覆する被覆部とを有し、前記圧電素子は、前記外枠部の一部から前記拡幅部に亘って形成される、ことを特徴とする。 The first problem-solving means reflecting the present invention includes a mirror that can be swung to scan incident light in a predetermined direction, and a mirror that is arranged in line symmetry with respect to the swing axis of the mirror. A pair of beam portions extending along a swing axis; a support beam extending from the mirror; an outer frame portion to which the support beam is coupled via the pair of beam portions; the mirror and the support A piezoelectric drive unit including a piezoelectric element for swinging the beam, and each of the pair of beam units starts from a connection position between the outer frame unit and the pair of beam units. A widened portion widened in the width direction orthogonal to both the thickness direction and the longitudinal direction of the pair of beam portions, and located on the mirror side of the widened portion, the width in the width direction is narrower than the widened portion From the narrow portion and the boundary position between the wide portion and the narrow portion, the narrow portion The piezoelectric element is formed from a part of the outer frame part to the widened part in a range up to a position of a distance smaller than the length in the hand direction. It is characterized by that.
尚、被覆部は、前記拡幅部と狭幅部との境界位置から前記狭幅部の長手方向における所定の位置までの範囲において、前記狭幅部の上面を必ずしも連続的に被覆しなくても良い。少なくとも、前記拡幅部と狭幅部との境界位置と前記狭幅部の長手方向における所定の位置との両方が被覆部によって被覆されていれば良い。即ち、前記拡幅部と狭幅部との境界位置から前記狭幅部の長手方向における所定の位置までの間に被覆部によって被覆されない箇所が存在するような構成も、本発明の範囲に含まれる。 The covering portion does not necessarily cover the upper surface of the narrow portion continuously in the range from the boundary position between the wide portion and the narrow portion to a predetermined position in the longitudinal direction of the narrow portion. good. At least both the boundary position between the widened portion and the narrow portion and the predetermined position in the longitudinal direction of the narrow portion may be covered by the covering portion. That is, a configuration in which a portion that is not covered by the covering portion exists between the boundary position between the widened portion and the narrowed portion and a predetermined position in the longitudinal direction of the narrowed portion is also included in the scope of the present invention. .
本発明を反映した第２の課題解決手段は、第１の課題解決手段において、前記被覆部は、前記狭幅部を連続的に被覆する、ことを特徴とする。 A second problem solving means reflecting the present invention is characterized in that, in the first problem solving means, the covering portion continuously covers the narrow width portion.
本発明を反映した第３の課題解決手段は、第２の課題解決手段において、前記被覆部は、前記境界位置から前記狭幅部の長手方向における長さの１／１０〜１／５の距離の位置までの範囲に亘って、前記狭幅部を被覆する、ことを特徴とする。 The third problem-solving means reflecting the present invention is the second problem-solving means, wherein the covering portion is a distance of 1/10 to 1/5 of the length in the longitudinal direction of the narrow portion from the boundary position. The narrow width portion is covered over the range up to the position.
本発明を反映した第４の課題解決手段は、第１〜第３の何れか１つの課題解決手段において、前記圧電素子はさらに、前記拡幅部から前記狭幅部に亘っても形成され、前記被覆部は、前記狭幅部に形成された前記圧電素子である、ことを特徴とする。 According to a fourth problem solving means reflecting the present invention, in any one of the first to third problem solving means, the piezoelectric element is further formed from the widened portion to the narrowed portion, The covering portion is the piezoelectric element formed in the narrow width portion.
尚、請求項１〜４の何れか１項に記載の発明は、以下の様な具体的な様態を取ることもできる。即ち、前記支持梁は、前記一対の梁部が結合される梁結合部と、揺動軸線上に配置され、前記梁結合部と前記ミラーとを連結するミラー連結梁と、を有しても良い。この構成に加え、さらに、前記支持梁は、前記ミラーを両持支持するために一対備えられても良い。 In addition, the invention described in any one of claims 1 to 4 can take the following specific modes. That is, the support beam may include a beam coupling portion to which the pair of beam portions are coupled, and a mirror coupling beam that is disposed on a swing axis and couples the beam coupling portion and the mirror. good. In addition to this configuration, a pair of the support beams may be provided to support the mirror on both sides.
本発明を反映した第５の課題解決手段は、光を走査して画像を形成するための、第１〜第４の何れか１つの課題解決手段に記載の光スキャナと、その光スキャナに光を供給するための光源と、前記光スキャナによって走査された光を使用者の目に導く接眼光学系とを備える、ことを特徴する。 A fifth problem-solving means reflecting the present invention includes an optical scanner according to any one of the first to fourth problem-solving means for scanning light to form an image, and light to the optical scanner. And a eyepiece optical system for guiding the light scanned by the optical scanner to the eyes of the user.
請求項１に記載の発明では、一対の梁部が、拡幅部と狭幅部とを有する。拡幅部の剛性は狭幅部の剛性よりも高いので、ミラー及び支持梁が揺動する場合、狭幅部は拡幅部よりも大きく変形する。その結果、拡幅部と狭幅部との境界位置に応力が集中する。被覆部は、この境界位置から狭幅部の長手方向における所定の位置までの範囲において、狭幅部を被覆する。従って、前記境界位置における応力が低減される。 In the first aspect of the present invention, the pair of beam portions includes the widened portion and the narrowed portion. Since the rigidity of the widened part is higher than the rigidity of the narrowed part, when the mirror and the support beam are swung, the narrowed part is deformed more than the widened part. As a result, stress concentrates on the boundary position between the widened portion and the narrowed portion. The covering portion covers the narrow portion in a range from the boundary position to a predetermined position in the longitudinal direction of the narrow portion. Therefore, the stress at the boundary position is reduced.
請求項２に記載の発明では、被覆部が、狭幅部を連続的に被覆する。被覆部が狭幅部に形成される際に複雑な形状のマスク等が不要になるので、被覆部の形成が容易になる。 In the invention according to claim 2, the covering portion continuously covers the narrow width portion. When the covering portion is formed in the narrow width portion, a mask having a complicated shape or the like is not necessary, so that the covering portion can be easily formed.
請求項３に記載の発明では、被覆部が、前記境界位置から狭幅部の長手方向における前記境界位置から１／１０〜１／５の距離の位置までに亘って、狭幅部を被覆する。従って、後記する図４より明らかに、前記境界位置での応力がさらに低減される。 In the invention according to claim 3, the covering portion covers the narrow width portion from the boundary position to a position at a distance of 1/10 to 1/5 from the boundary position in the longitudinal direction of the narrow width portion. . Therefore, as apparent from FIG. 4 to be described later, the stress at the boundary position is further reduced.
請求項４に記載の発明では、被覆部は、狭幅部に形成された圧電素子である。駆動部に含まれる圧電素子を被覆部として利用することで、圧電素子を形成する工程にて被覆部も同時に形成することが可能となり、光スキャナの製造が容易になる。 In the invention according to claim 4, the covering portion is a piezoelectric element formed in a narrow width portion. By using the piezoelectric element included in the drive unit as the covering portion, it is possible to simultaneously form the covering portion in the step of forming the piezoelectric element, and the manufacture of the optical scanner is facilitated.
請求項５に記載の発明では、請求項１〜４のいずれか１項に記載の光スキャナが画像表示装置に用いられる。拡幅部と狭幅部との境界での応力が低減される光スキャナが用いられることで、省電力かつ信頼性の高い画像表示装置を提供できる。 In the invention according to claim 5, the optical scanner according to any one of claims 1 to 4 is used for an image display device. By using an optical scanner in which stress at the boundary between the widened portion and the narrowed portion is reduced, it is possible to provide a power-saving and highly reliable image display device.
＜第１の実施形態＞
［光スキャナ１００の構成］
図１は、本発明第１の実施形態に係る光スキャナ１００の平面図である。ｙ方向は、光スキャナ１００の揺動軸線ＡＲ１に平行な方向である。ｘ方向は、図１における紙面垂直方向である光スキャナ１００の厚み方向及びｙ方向に直交する方向である。光スキャナ１００の外形は、ミラー１１０、支持梁１２０及び外枠部１４０で構成される。また、光スキャナ１００には、揺動軸線ＡＲ１を中心軸としてミラー１１０及び支持梁１２０を揺動させるための、圧電駆動部１３０が設けられる。尚、光スキャナ１００は、図示しない台座に固定される。以下、図１を用いて、光スキャナ１００の個々の構成要素について説明を行う。
<First Embodiment>
[Configuration of Optical Scanner 100]
FIG. 1 is a plan view of an optical scanner 100 according to the first embodiment of the present invention. The y direction is a direction parallel to the swing axis AR1 of the optical scanner 100. The x direction is a direction perpendicular to the thickness direction and the y direction of the optical scanner 100, which is the direction perpendicular to the paper surface in FIG. The outer shape of the optical scanner 100 includes a mirror 110, a support beam 120, and an outer frame part 140. Further, the optical scanner 100 is provided with a piezoelectric drive unit 130 for swinging the mirror 110 and the support beam 120 about the swing axis AR1. The optical scanner 100 is fixed to a pedestal (not shown). Hereinafter, individual components of the optical scanner 100 will be described with reference to FIG.
ミラー１１０は、入射した光を所定方向に走査するために、揺動軸線ＡＲ１を中心として揺動可能に構成される。ミラー１１０は、平面視で略円形に形成される。ミラー１１０は、重心位置が揺動軸線ＡＲ１上に位置するように、光スキャナ１００の中心に支持梁１２０によって保持される。 The mirror 110 is configured to be swingable about the swing axis AR1 in order to scan incident light in a predetermined direction. The mirror 110 is formed in a substantially circular shape in plan view. The mirror 110 is held by the support beam 120 at the center of the optical scanner 100 so that the position of the center of gravity is located on the swing axis AR1.
支持梁１２０は、ミラー１１０を両持ち支持するために、一対を相対するようにしてミラー１１０の両側から延出する。支持梁１２０は、第１弾性梁１２１、第２弾性梁１２２及び梁結合部１２３を含む。ｙ方向に平行に延設される第１弾性梁１２１は、揺動軸線ＡＲ１を含むようにしてミラー１１０に夫々連結される。梁結合部１２３は、第１弾性梁１２１に対して直交するように連結される。梁結合部１２３は、揺動軸線ＡＲ１に対して線対称になるように、ｘ方向に平行に延設される。第２弾性梁１２２は、揺動軸線ＡＲ１に対して線対称になるように、揺動軸線ＡＲ１の両側に一対設けられる。第２弾性梁１２２は、ｙ方向に平行に延設される。第２弾性梁１２２は、一端において外枠部１４０に連結され、他端において梁結合部１２３に連結される。 The support beams 120 extend from both sides of the mirror 110 so as to be opposed to each other in order to support the mirror 110 on both ends. The support beam 120 includes a first elastic beam 121, a second elastic beam 122, and a beam coupling portion 123. The first elastic beams 121 extending in parallel to the y direction are respectively connected to the mirror 110 so as to include the swing axis AR1. The beam coupling portion 123 is connected to the first elastic beam 121 so as to be orthogonal. The beam coupling portion 123 extends in parallel to the x direction so as to be line symmetric with respect to the swing axis AR1. A pair of second elastic beams 122 are provided on both sides of the swing axis AR1 so as to be line symmetric with respect to the swing axis AR1. The second elastic beam 122 extends in parallel to the y direction. The second elastic beam 122 is connected to the outer frame part 140 at one end and to the beam coupling part 123 at the other end.
第２弾性梁１２２は、拡幅部１２２ａと、狭幅部１２２ｂとを含む。拡幅部１２２ａは、外枠部１４０と第２弾性梁１２２との連結位置から第２弾性梁１２２の途中まで延設される、拡幅された領域である。狭幅部１２２ｂは、その拡幅部１２２ａよりもミラー１１０側に位置する。狭幅部１２２ｂのｘ方向の幅は、拡幅部１２２ａのｘ方向の幅よりも狭い。拡幅部１２２ａのｘ方向の幅は、具体的には、狭幅部１２２ｂよりも揺動軸線ＡＲ１から離間する方向に広がっている。そして、狭幅部１２２ｂのｙ方向に平行且つ揺動軸線ＡＲ１に近い側の辺と、拡幅部１２２ａのｙ方向に平行且つ揺動軸線ＡＲ１に近い側の辺とは、同一直線上に位置する。拡幅部１２２ａが設けられることで、圧電駆動部１３０に印加される駆動電圧を抑えつつ、ミラー１１０の変位量を向上することができる。 The second elastic beam 122 includes a widened portion 122a and a narrowed portion 122b. The widened portion 122 a is a widened region extending from the connection position between the outer frame portion 140 and the second elastic beam 122 to the middle of the second elastic beam 122. The narrow part 122b is located closer to the mirror 110 than the wide part 122a. The width of the narrow portion 122b in the x direction is narrower than the width of the wide portion 122a in the x direction. Specifically, the width of the widened portion 122a in the x direction is wider in the direction away from the swing axis AR1 than the narrow width portion 122b. The side of the narrow portion 122b parallel to the y direction and close to the swing axis AR1 and the side of the widened portion 122a parallel to the y direction and close to the swing axis AR1 are located on the same straight line. . By providing the widened portion 122a, it is possible to improve the amount of displacement of the mirror 110 while suppressing the drive voltage applied to the piezoelectric drive unit 130.
外枠部１４０は、ミラー１１０及び支持梁１２０の周囲に、四角環状に配置される。即ち、外枠部１４０は、ｙ方向に平行な一対の帯状部と、ｘ方向に平行な一対の帯状部とで構成される。 The outer frame part 140 is arranged in a square ring around the mirror 110 and the support beam 120. That is, the outer frame part 140 is composed of a pair of strips parallel to the y direction and a pair of strips parallel to the x direction.
圧電駆動部１３０は、ミラー１１０及び支持梁１２０を揺動駆動させる。具体的には、圧電駆動部１３０は、外枠部１４０の一部から拡幅部１２２ａを介して狭幅部１２２ｂに亘って連続的に形成される。換言すれば、拡幅部１２２ａの略全面は圧電駆動部１３０によって被覆され、狭幅部１２２ｂの一部は圧電駆動部１３０によって被覆される。圧電駆動部１３０は、後記する図２に示される様に、下部電極１３１、圧電素子１３２及び上部電極１３３を含む。 The piezoelectric drive unit 130 drives the mirror 110 and the support beam 120 to swing. Specifically, the piezoelectric drive part 130 is continuously formed from a part of the outer frame part 140 to the narrow part 122b through the wide part 122a. In other words, substantially the entire surface of the widened portion 122 a is covered with the piezoelectric drive unit 130, and a part of the narrow width portion 122 b is covered with the piezoelectric drive unit 130. The piezoelectric drive unit 130 includes a lower electrode 131, a piezoelectric element 132, and an upper electrode 133, as shown in FIG.
光スキャナ１００の作用を説明する。まず、下部電極１３１と上部電極１３３との間に電圧が周期的に印加されることにより、圧電素子１３２は分極してｙ方向に伸び、または縮む。圧電駆動部１３０が拡幅部１２２ａ及び外枠部１４０に固定されているので、圧電素子１３２のｙ方向の伸縮は、第２弾性梁１２２の光スキャナ１００の厚み方向への撓み変形に変換される。この第２弾性梁１２２の撓み変形は、梁結合部１２３を介して第１弾性梁１２１及びミラー１１０を揺動させるための回転トルクに変換される。第１弾性梁１２１及びミラー１１０が揺動されることによって、光スキャナ１００は、ミラー１１０に入射した光を所定方向に走査することができる。 The operation of the optical scanner 100 will be described. First, when a voltage is periodically applied between the lower electrode 131 and the upper electrode 133, the piezoelectric element 132 is polarized and extends or contracts in the y direction. Since the piezoelectric drive unit 130 is fixed to the widened portion 122 a and the outer frame portion 140, the expansion and contraction in the y direction of the piezoelectric element 132 is converted into a bending deformation of the second elastic beam 122 in the thickness direction of the optical scanner 100. . The bending deformation of the second elastic beam 122 is converted into a rotational torque for swinging the first elastic beam 121 and the mirror 110 via the beam coupling portion 123. As the first elastic beam 121 and the mirror 110 are swung, the optical scanner 100 can scan the light incident on the mirror 110 in a predetermined direction.
［光スキャナ１００の製造方法］
図２は、光スキャナ１００の製造方法を説明する図である。まず、厚さ約３０μｍ〜２００μｍの薄長矩形のシリコン基材上において、ミラー１１０、支持梁１２０及び外枠部１４０に対応する部分に、マスキングのためのレジスト膜が形成される。その後、シリコン基材はエッチングされる。エッチングによって、シリコン基材においてレジスト膜が形成されている部分が、ミラー１１０、支持梁１２０及び外枠部１４０として形成される。最後に、レジスト膜が除去されることによって、図２（ａ）に示されるように、光スキャナ１００の外形が形成される。
[Method for Manufacturing Optical Scanner 100]
FIG. 2 is a diagram illustrating a method for manufacturing the optical scanner 100. First, a resist film for masking is formed on portions corresponding to the mirror 110, the support beam 120, and the outer frame portion 140 on a thin rectangular silicon substrate having a thickness of about 30 μm to 200 μm. Thereafter, the silicon substrate is etched. The portions where the resist film is formed on the silicon base material are formed as the mirror 110, the support beam 120, and the outer frame portion 140 by etching. Finally, by removing the resist film, the outer shape of the optical scanner 100 is formed as shown in FIG.
次に、図２（ｂ）に示されるように、下部電極１３１が、切り抜かれたシリコン基材の上に形成される。具体的には、下部電極１３１は、外枠部１４０の一部から拡幅部１２２ａの略全面に亘って、白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等を０．２μｍ〜０．６μｍの厚さで堆積することで形成される。この堆積には、例えばスパッタや蒸着等の製膜方法が用いられる。 Next, as shown in FIG. 2B, the lower electrode 131 is formed on the cut silicon substrate. Specifically, the lower electrode 131 is made of platinum (Pt), gold (Au), or the like with a thickness of 0.2 μm to 0.6 μm from a part of the outer frame part 140 to substantially the entire surface of the widened part 122a. It is formed by depositing. For this deposition, for example, a film forming method such as sputtering or vapor deposition is used.
次に、図２（ｃ）に示されるように、圧電素子１３２が、下部電極１３１の上に形成される。具体的には、圧電素子１３２は、外枠部１４０の一部から拡幅部１２２ａを介して狭幅部１２２ｂに亘って、圧電素材を１μｍ〜３μｍの厚さで堆積することで形成される。換言すれば、外枠部１４０の一部及び拡幅部１２２ａの略全面には、下部電極１３１上に圧電素子１３２が形成され、狭幅部１２２ｂ上には、直接圧電素子１３２が形成される。圧電素子１３２の堆積には、例えばナノサイズの微粒子を吹付けることによって成膜を行うエアロゾルデポジション法（例えば、特開２００７−３１７３７号公報を参照）等の製膜方法が用いられる。本実施形態では、圧電素子１３２として、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）が用いられる。 Next, as shown in FIG. 2C, the piezoelectric element 132 is formed on the lower electrode 131. Specifically, the piezoelectric element 132 is formed by depositing a piezoelectric material with a thickness of 1 μm to 3 μm from a part of the outer frame portion 140 to the narrow width portion 122b through the wide width portion 122a. In other words, the piezoelectric element 132 is formed on the lower electrode 131 and the piezoelectric element 132 is directly formed on the narrow width part 122b on a part of the outer frame part 140 and on the substantially entire surface of the widened part 122a. For the deposition of the piezoelectric element 132, for example, a film forming method such as an aerosol deposition method (for example, see Japanese Patent Application Laid-Open No. 2007-31737) in which film formation is performed by spraying nano-sized fine particles is used. In the present embodiment, lead zirconate titanate (PZT) is used as the piezoelectric element 132.
最後に、図２（ｄ）に示されるように、上部電極１３３が、圧電素子１３２の上に形成される。具体的には、上部電極１３３は、拡幅部１２２ａの上面から外枠部１４０に亘り、圧電素子１３２の上に白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等を０．２μｍ〜０．６μｍの厚さで堆積することで形成される。この堆積には、下部電極１３１の場合と同様に、スパッタや蒸着等の製膜方法が用いられる。 Finally, as shown in FIG. 2D, the upper electrode 133 is formed on the piezoelectric element 132. Specifically, the upper electrode 133 has a thickness of 0.2 μm to 0.6 μm of platinum (Pt), gold (Au), etc. on the piezoelectric element 132 from the upper surface of the widened portion 122 a to the outer frame portion 140. It is formed by depositing. As in the case of the lower electrode 131, a film forming method such as sputtering or vapor deposition is used for this deposition.
[シミュレーションデータの説明]
本実施形態においては、拡幅部１２２ａと狭幅部１２２ｂとの境界位置Ｐ１（図３参照）から、狭幅部１２２ｂのｙ方向の長さより小さい距離の位置までの範囲において、狭幅部１２２ｂが圧電素子１３２によって被覆される。この被覆によって、境界位置Ｐ１において発生する応力は、被覆されない場合よりも低減される。ここでは、狭幅部１２２ｂにおける圧電駆動部１３０の被覆位置と、応力低減の度合との関係を調べる。
[Explanation of simulation data]
In the present embodiment, in the range from the boundary position P1 (see FIG. 3) between the wide width portion 122a and the narrow width portion 122b to a position at a distance smaller than the length in the y direction of the narrow width portion 122b, the narrow width portion 122b is Covered by the piezoelectric element 132. By this coating, the stress generated at the boundary position P1 is reduced as compared with the case where the coating is not performed. Here, the relationship between the covering position of the piezoelectric drive unit 130 in the narrow width portion 122b and the degree of stress reduction is examined.
図３は、光スキャナ１００のミラー支持梁１２０近辺を拡大した図である。図３において、圧電駆動部１３０の内、境界位置Ｐ１から狭幅部１２２ｂのｙ方向の長さより小さい距離の位置までを被覆する領域は、被覆部１３０ａと表記される。被覆部１３０ａのｙ方向の長さ、即ち境界位置Ｐ１から被覆部１３０ａのミラー１１０側の端部までのｙ方向の距離は、長さＬ１と表記される。狭幅部１２２ｂのｙ方向の長さは、長さＬ２と表記される。今、距離Ｌ１を変化させて、境界位置Ｐ１における応力の変化をシミュレーションによって調べる。尚、本実施形態の光スキャナ１００において、具体的な一例として、距離Ｌ２は１０４５μｍである。 FIG. 3 is an enlarged view of the vicinity of the mirror support beam 120 of the optical scanner 100. In FIG. 3, the region covering the piezoelectric drive unit 130 from the boundary position P1 to a position having a distance smaller than the length in the y direction of the narrow width portion 122b is denoted as a coating portion 130a. The length in the y direction of the covering portion 130a, that is, the distance in the y direction from the boundary position P1 to the end of the covering portion 130a on the mirror 110 side is expressed as a length L1. The length of the narrow portion 122b in the y direction is expressed as a length L2. Now, the distance L1 is changed, and the change in stress at the boundary position P1 is examined by simulation. In the optical scanner 100 of the present embodiment, as a specific example, the distance L2 is 1045 μm.
図４（ａ）は、距離Ｌ１を変化させて、境界位置Ｐ１での応力の値をシミュレーションによって調べた結果を示す図である。図４（ｂ）は、図４（ａ）の結果をグラフにした図である。図４（ｂ）において、縦軸は境界位置Ｐ１における応力の値を、横軸は距離Ｌ１を距離Ｌ２で除した値をそれぞれ意味する。Ｌ１／Ｌ２の値が「０」に等しい場合は、Ｌ１の値が「０」、即ち被覆部１３０ａが境界位置Ｐ１からミラー１１０側に向かって伸びていない状態に相当する。換言すれば、被覆部１３０ａが設けられない状態である。Ｌ１／Ｌ２の値が負の場合は、Ｌ１の値が負、即ち被覆部１３０ａが存在せず、さらに圧電駆動部１３０のミラー１１０側の端部が境界位置Ｐ１よりも外枠部１４０側に位置する状態に相当する。図４より明らかに、被覆部１３０ａが設けられることによって、境界位置Ｐ１での応力が、被覆部１３０ａが設けられない場合に比べて低減される。より詳細には、境界位置Ｐ１での応力は、Ｌ１／Ｌ２が「０」より大きい場合、即ち少しなりとも被覆部１３０ａが設けられる場合、激減する。Ｌ１／Ｌ２の値が１０％〜２０％の場合、境界位置Ｐ１での応力は最小値を示す。そして、Ｌ１／Ｌ２の値が２０％以上の場合、Ｌ１／Ｌ２の値が大きくなるに従って、境界位置Ｐ１における応力も上昇する。 FIG. 4A is a diagram showing a result of examining the stress value at the boundary position P1 by simulation while changing the distance L1. FIG. 4B is a graph showing the result of FIG. In FIG. 4B, the vertical axis represents the stress value at the boundary position P1, and the horizontal axis represents the value obtained by dividing the distance L1 by the distance L2. When the value of L1 / L2 is equal to “0”, this corresponds to a state where the value of L1 is “0”, that is, the covering portion 130a does not extend from the boundary position P1 toward the mirror 110 side. In other words, the covering portion 130a is not provided. When the value of L1 / L2 is negative, the value of L1 is negative, that is, the covering part 130a does not exist, and the end part on the mirror 110 side of the piezoelectric driving part 130 is closer to the outer frame part 140 side than the boundary position P1. Corresponds to the position. As is apparent from FIG. 4, the provision of the covering portion 130a reduces the stress at the boundary position P1 as compared to the case where the covering portion 130a is not provided. More specifically, the stress at the boundary position P1 is drastically reduced when L1 / L2 is larger than “0”, that is, when the covering portion 130a is provided at least. When the value of L1 / L2 is 10% to 20%, the stress at the boundary position P1 shows the minimum value. When the value of L1 / L2 is 20% or more, the stress at the boundary position P1 increases as the value of L1 / L2 increases.
＜第２の実施形態＞
[シミュレーションデータの説明]
前記した第１の実施形態において、被覆部１３０ａは、狭幅部１２２ｂ上に形成された圧電駆動部１３０の一部である。本実施形態では、被覆部１３０ａを構成する被覆素材を変化させて、境界位置Ｐ１での応力をシミュレーションによって調べる。換言すれば、本実施形態において、圧電駆動部１３０は外枠部１４０の一部及び拡幅部１２２ａの略全面に形成され、被覆部１３０ａは圧電駆動部１３０に含まれる圧電素子１３２とは別種の素材を用いて狭幅部１２２ｂ上に形成される。尚、被覆部１３０ａは、圧電素子１３２と同様に、例えばエアロゾルデポジション法を用いて形成可能である。
<Second Embodiment>
[Explanation of simulation data]
In the first embodiment described above, the covering portion 130a is a part of the piezoelectric driving portion 130 formed on the narrow width portion 122b. In the present embodiment, the covering material constituting the covering portion 130a is changed, and the stress at the boundary position P1 is examined by simulation. In other words, in this embodiment, the piezoelectric driving unit 130 is formed on a part of the outer frame part 140 and substantially the entire surface of the widened part 122a, and the covering part 130a is a different type from the piezoelectric element 132 included in the piezoelectric driving unit 130. It is formed on the narrow portion 122b using a material. The covering portion 130a can be formed by using, for example, an aerosol deposition method, similarly to the piezoelectric element 132.
図５は、被覆部１３０ａを構成する被覆素材を変化させて、境界位置Ｐ１での応力をシミュレーションによって調べた結果を示す図である。本実施形態において、Ｌ１／Ｌ２の値は、２０．６％に固定される。このＬ１／Ｌ２の値は、被覆部１３０ａのｙ方向の長さに換算すると、２１５μｍに相当する。本実施形態において、金（Ａｕ）、白金（Ｐｔ）及びアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が、被覆部１３０ａを構成する被覆素材として用いられる。尚、ＰＺＴが被覆部１３０ａとして用いられた場合、即ち第１の実施形態の場合の値も、参考として示される。図５より明らかに、ＰＺＴ以外の被覆素材を用いて被覆部１３０ａが形成されても、ＰＺＴが用いられる場合と同等の応力低減効果が得られる。詳細には、金、白金及びアルミナを用いて被覆部１３０ａが形成された場合、境界位置Ｐ１での応力は、それぞれ４０９．３ＭＰａ、４０４．９ＭＰａ及び４０６．５ＭＰａであった。一方、ＰＺＴを用いて被覆部１３０ａが形成された場合、境界位置Ｐ１での応力は、４１３．９ＭＰａであった。即ち、金、白金及びアルミナが用いられる場合の方が、ＰＺＴが用いられる場合よりも、境界位置Ｐ１での応力が若干小さくなる。尚、図５には、各被覆素材の物性値、具体的にはヤング率［ＧＰａ］、密度［ｇ ｃｍ−３］及びポアゾン比が示される。全ての物性値において、ＰＺＴより大きい物性値を示す被覆素材と小さい物性値を示す被覆素材との両方が存在する。図５からは、被覆素材の物性値と境界位置Ｐ１での応力との間に相関関係は見られない。 FIG. 5 is a diagram showing a result of examining the stress at the boundary position P1 by simulation by changing the covering material constituting the covering portion 130a. In the present embodiment, the value of L1 / L2 is fixed at 20.6%. The value of L1 / L2 corresponds to 215 μm in terms of the length of the covering portion 130a in the y direction. In the present embodiment, gold (Au), platinum (Pt), and alumina (Al 2 O 3 ) are used as the covering material constituting the covering portion 130a. In addition, when PZT is used as the covering portion 130a, that is, the value in the first embodiment is also shown as a reference. As apparent from FIG. 5, even if the covering portion 130a is formed using a covering material other than PZT, the same stress reduction effect as that obtained when PZT is used can be obtained. Specifically, when the covering portion 130a is formed using gold, platinum, and alumina, the stress at the boundary position P1 is 409.3 MPa, 404.9 MPa, and 406.5 MPa, respectively. On the other hand, when the coating part 130a was formed using PZT, the stress at the boundary position P1 was 413.9 MPa. That is, the stress at the boundary position P1 is slightly smaller when gold, platinum, and alumina are used than when PZT is used. FIG. 5 shows physical property values of the respective coating materials, specifically, Young's modulus [GPa], density [g cm −3 ], and Poisson's ratio. In all physical property values, there are both a coating material showing a physical property value larger than PZT and a coating material showing a small physical property value. From FIG. 5, there is no correlation between the physical property value of the covering material and the stress at the boundary position P1.
＜第３の実施形態＞
［光スキャナ１００の構成］
図６は、第３の実施形態に係る光スキャナ２００の、ミラー支持梁１２０近辺を拡大した図である。光スキャナ２００は、断続被覆部２３０ｂが存在する点において、光スキャナ１００と相違する。光スキャナ２００における光スキャナ１００との共通の構成要素は、同一の図番を振ることで、説明が省略される。
<Third Embodiment>
[Configuration of Optical Scanner 100]
FIG. 6 is an enlarged view of the vicinity of the mirror support beam 120 of the optical scanner 200 according to the third embodiment. The optical scanner 200 is different from the optical scanner 100 in that the intermittent covering portion 230b exists. Constituent elements common to the optical scanner 100 in the optical scanner 200 are assigned the same drawing number, and the description thereof is omitted.
圧電駆動部２３０は、外枠部１４０の一部から拡幅部１２２ａを介して狭幅部１２２ｂに亘って連続的に形成される。圧電駆動部２３０の内、境界位置Ｐ２から狭幅部１２２ａのｙ方向の長さより小さい距離の位置までを被覆する領域は、被覆部２３０ａと表記される。断続被覆部２３０ｂは、狭幅部１２２ｂの一部を断続的に被覆する。即ち、断続被覆部２３０ｂは、被覆部２３０ａから所定距離ｙ方向正側に離間した位置に設けられる。図５において、被覆部２３０ａのｙ方向の長さは、長さＬ３と表記される。境界位置Ｐ２から断続被覆部２３０ｂの外枠部１４０側の端部までのｙ方向の距離は、長さＬ４と表記される。境界位置Ｐ２から断続被覆部２３０ｂのミラー１１０側の端部までのｙ方向の距離は、長さＬ５と表記される。狭幅部１２２ｂのｙ方向の長さは、長さＬ６と表記される。尚、光スキャナ１００における距離Ｌ２と同様に、具体的な一例として、距離Ｌ６は１０４５μｍである。 The piezoelectric driving unit 230 is continuously formed from a part of the outer frame part 140 through the widened part 122a to the narrowed part 122b. A region covering the piezoelectric drive unit 230 from the boundary position P2 to a position having a distance smaller than the length in the y direction of the narrow width portion 122a is denoted as a coating unit 230a. The intermittent covering portion 230b intermittently covers a part of the narrow width portion 122b. That is, the intermittent covering portion 230b is provided at a position separated from the covering portion 230a by the predetermined distance y-direction positive side. In FIG. 5, the length of the covering portion 230a in the y direction is represented as a length L3. The distance in the y direction from the boundary position P2 to the end of the intermittent covering portion 230b on the outer frame portion 140 side is expressed as a length L4. The distance in the y direction from the boundary position P2 to the end of the intermittent covering portion 230b on the mirror 110 side is expressed as a length L5. The length of the narrow portion 122b in the y direction is expressed as a length L6. Similar to the distance L2 in the optical scanner 100, as a specific example, the distance L6 is 1045 μm.
[シミュレーションデータの説明]
図７は、断続被覆部２３０ｂが設けられる場合における、境界位置Ｐ２での応力をシミュレーションによって調べた結果を示す図である。本実施形態において、Ｌ３／Ｌ６の値は２０．６％に、Ｌ４／Ｌ６の値は３０．１％に、Ｌ５／Ｌ６の値は７１．８％にそれぞれ固定される。具体的な一例として、ｙ方向の長さに換算すると、Ｌ３は２１５μｍ、Ｌ４は３１５μｍ、Ｌ５は７５０μｍである。断続被覆部２３０ｂが設けられる場合、境界位置Ｐ２での応力は４２４．３ＭＰａであった。参考までに、断続被覆部２３０ｂが設けられない場合、即ち図４に示される第１の実施形態の場合、Ｌ１／Ｌ２が２０．６％のときの境界位置Ｐ１での応力は４１３．９ＭＰａであり、Ｌ１／Ｌ２が７１．８％のときの境界位置Ｐ１での応力は４３０．８ＭＰａである。結論として、断続被覆部２３０ｂが設けられる場合、換言すれば狭幅部１２２ｂの一部が断続的に被覆される場合でも、応力低減効果が得られる。
[Explanation of simulation data]
FIG. 7 is a diagram showing a result of examining the stress at the boundary position P2 by simulation in the case where the intermittent covering portion 230b is provided. In the present embodiment, the value of L3 / L6 is fixed to 20.6%, the value of L4 / L6 is fixed to 30.1%, and the value of L5 / L6 is fixed to 71.8%. As a specific example, when converted to the length in the y direction, L3 is 215 μm, L4 is 315 μm, and L5 is 750 μm. When the intermittent covering portion 230b was provided, the stress at the boundary position P2 was 424.3 MPa. For reference, when the intermittent covering portion 230b is not provided, that is, in the case of the first embodiment shown in FIG. 4, the stress at the boundary position P1 when L1 / L2 is 20.6% is 413.9 MPa. Yes, the stress at the boundary position P1 when L1 / L2 is 71.8% is 430.8 MPa. In conclusion, when the intermittent covering portion 230b is provided, in other words, even when a part of the narrow width portion 122b is intermittently covered, a stress reduction effect can be obtained.
＜第４の実施形態＞
前記した第１〜第３の実施形態における光スキャナ１００，２００は、画像を形成するために光を走査する構成として、画像表示装置１に用いることが可能である。図８は、画像表示装置１の全体構成について説明する図である。画像表示装置１は、観察者の瞳孔５２に入射した光束を用いて網膜５４上に画像を投影することによって、観察者に虚像を視認させる装置である。この装置は、網膜走査型ディスプレイともいわれる。
<Fourth Embodiment>
The optical scanners 100 and 200 in the first to third embodiments described above can be used in the image display device 1 as a configuration for scanning light to form an image. FIG. 8 is a diagram illustrating the overall configuration of the image display device 1. The image display device 1 is a device that causes an observer to visually recognize a virtual image by projecting an image on the retina 54 using a light beam incident on the pupil 52 of the observer. This device is also called a retinal scanning display.
画像表示装置１は、光束生成手段２、光ファイバ１９、コリメート光学系２０、水平走査ドライバ６１、光スキャナ１００、第１リレー光学系２２、垂直走査ドライバ６２、垂直走査スキャナ２３及び第２リレー光学系２４を備える。光束生成手段２は、映像信号処理回路３、光源部３０及び光合波部４０で構成される。尚、光スキャナ１００の代わりに、光スキャナ２００が用いられても差し支えない。映像信号処理回路３は、外部から供給される映像信号に基づいて、画像を形成するためのＢ信号、Ｇ信号、Ｒ信号、水平同期信号及び垂直同期信号を発生する。 The image display device 1 includes a light beam generating means 2, an optical fiber 19, a collimating optical system 20, a horizontal scanning driver 61, an optical scanner 100, a first relay optical system 22, a vertical scanning driver 62, a vertical scanning scanner 23, and a second relay optical. A system 24 is provided. The light beam generation means 2 includes a video signal processing circuit 3, a light source unit 30, and an optical multiplexing unit 40. Note that the optical scanner 200 may be used instead of the optical scanner 100. The video signal processing circuit 3 generates a B signal, a G signal, an R signal, a horizontal synchronization signal, and a vertical synchronization signal for forming an image based on a video signal supplied from the outside.
光源部３０は、Ｂレーザドライバ３１、Ｇレーザドライバ３２、Ｒレーザドライバ３３、Ｂレーザ３４、Ｇレーザ３５及びＲレーザ３６を備える。Ｂレーザドライバ３１は、映像信号処理回路３からのＢ信号に応じた強度の青色の光束を発生させるように、Ｂレーザ３４を駆動する。Ｇレーザドライバ３２は、映像信号処理回路３からのＧ信号に応じた強度の緑色の光束を発生させるように、Ｇレーザ３５を駆動する。Ｒレーザドライバ３３は、映像信号処理回路３からのＲ信号に応じた強度の赤色の光束を発生させるように、Ｒレーザ３６を駆動する。Ｂレーザ３４，Ｇレーザ３５及びＲレーザ３６は、例えば半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザを用いて構成できる。 The light source unit 30 includes a B laser driver 31, a G laser driver 32, an R laser driver 33, a B laser 34, a G laser 35, and an R laser 36. The B laser driver 31 drives the B laser 34 so as to generate a blue light beam having an intensity corresponding to the B signal from the video signal processing circuit 3. The G laser driver 32 drives the G laser 35 so as to generate a green light beam having an intensity corresponding to the G signal from the video signal processing circuit 3. The R laser driver 33 drives the R laser 36 so as to generate a red light beam having an intensity corresponding to the R signal from the video signal processing circuit 3. The B laser 34, the G laser 35, and the R laser 36 can be configured using, for example, a semiconductor laser or a solid-state laser with a harmonic generation mechanism.
光合波部４０は、コリメート光学系４１，４２，４３と、このコリメートされたレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー４４，４５，４６と、合波されたレーザ光を光ファイバ１９に導く集光光学系４７とを備える。Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４１によって平行光化される。平行光化された青色レーザ光は、ダイクロイックミラー４４に入射する。Ｇレーザ３５から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２によって平行光化される。平行光化された緑色レーザ光は、ダイクロイックミラー４５に入射する。Ｒレーザ３６から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４３によって平行光化される。平行光化された赤色レーザ光は、ダイクロイックミラー４６に入射する。ダイクロイックミラー４４，４５，４６にそれぞれ入射した青色、緑色及び赤色レーザ光は、波長選択的に反射または透過されて１本の光束として合波され、集光光学系４７に達する。合波されたレーザ光は、集光光学系４７によって集光され、光ファイバ１９へ入射する。 The optical multiplexing unit 40 is a collimating optical system 41, 42, 43, dichroic mirrors 44, 45, 46 for multiplexing the collimated laser light, and a concentrator for guiding the combined laser light to the optical fiber 19. And an optical optical system 47. The blue laser light emitted from the B laser 34 is collimated by the collimating optical system 41. The collimated blue laser light is incident on the dichroic mirror 44. The green laser light emitted from the G laser 35 is collimated by the collimating optical system 42. The collimated green laser light is incident on the dichroic mirror 45. The red laser light emitted from the R laser 36 is collimated by the collimating optical system 43. The collimated red laser light is incident on the dichroic mirror 46. The blue, green, and red laser beams respectively incident on the dichroic mirrors 44, 45, and 46 are reflected or transmitted in a wavelength selective manner and are combined as one light beam, and reach the condensing optical system 47. The combined laser light is condensed by the condensing optical system 47 and enters the optical fiber 19.
光ファイバ１９から出射したレーザ光は、コリメート光学系２０によって平行光化される。平行光化されたレーザ光は、光スキャナ１００に入射する。光スキャナ１００は、水平走査ドライバ６１によって映像信号処理回路３からの水平同期信号に応じた揺動駆動を行うことで、レーザ光を水平方向に走査された１次元走査光に変換する。１次元走査光は、第１リレー光学系２２を介して、垂直走査スキャナ２３に平行光線として入射する。このとき、第１リレー光学系２２によって、垂直走査スキャナ２３の位置に光学瞳が形成される。垂直走査スキャナ２３は、垂直走査ドライバ６２によって映像信号処理回路３からの垂直同期信号に応じた揺動駆動を行うことで、１次元走査光を水平方向及び垂直方向に走査された２次元走査光に変換する。２次元走査光は、第２リレー光学系２４を介して、観測者の瞳孔５２に平行光線として入射する。即ち、画像が観測者に提示される。このとき、第２リレー光学系２４によって、観測者の瞳孔５２と垂直走査スキャナ２３の位置にある光学瞳とが共役となる。 The laser light emitted from the optical fiber 19 is collimated by the collimating optical system 20. The collimated laser beam enters the optical scanner 100. The optical scanner 100 converts the laser beam into a one-dimensional scanning beam scanned in the horizontal direction by performing a swing drive according to the horizontal synchronizing signal from the video signal processing circuit 3 by the horizontal scanning driver 61. The one-dimensional scanning light is incident on the vertical scanning scanner 23 as parallel rays via the first relay optical system 22. At this time, an optical pupil is formed at the position of the vertical scanning scanner 23 by the first relay optical system 22. The vertical scanning scanner 23 performs two-dimensional scanning light obtained by scanning the one-dimensional scanning light in the horizontal direction and the vertical direction by performing swing driving according to the vertical synchronization signal from the video signal processing circuit 3 by the vertical scanning driver 62. Convert to The two-dimensional scanning light enters the observer's pupil 52 through the second relay optical system 24 as parallel light rays. That is, an image is presented to the observer. At this time, the observer's pupil 52 and the optical pupil located at the position of the vertical scanning scanner 23 become conjugate by the second relay optical system 24.
＜参考例＞
前記した実施形態において、被覆部が設けられることによって、拡幅部と狭幅部との境界位置での応力が低減される。この応力低減効果は、前記した光スキャナ１００，２００の外形においてのみ有効なのではなく、他の光スキャナ形状においても適用可能である。ここでは、梁の両端の一方が固定され、他方が自由端である片持ち梁、所謂カンチレバーを用いたシミュレーションの説明を行うことで、本発明が他の光スキャナ形状においても適用可能であることを説明する。
<Reference example>
In the above-described embodiment, by providing the covering portion, the stress at the boundary position between the widened portion and the narrowed portion is reduced. This stress reduction effect is not only effective for the outer shapes of the optical scanners 100 and 200 described above, but can also be applied to other optical scanner shapes. Here, the present invention can be applied to other optical scanner shapes by explaining a simulation using a cantilever where one end of the beam is fixed and the other is a free end, that is, a so-called cantilever. Will be explained.
［カンチレバーの構成］
図９は、カンチレバー３００の平面図である。カンチレバー３００は、揺動部３０１と、固定部３０２と、圧電駆動部３３０とを備える。揺動部３０１は、圧電駆動部３３０によって、図９における紙面垂直方向に揺動される。揺動部３０１の平面視は、略矩形である。揺動部３０１の長手方向は、固定部３０２から離間する方向に沿う。揺動部３０１の一端は固定部３０２に接続され、他端は自由端となっている。揺動部３０１が接続される固定部３０２は、揺動部３０１に対して十分大きな構造となっている。そのため、揺動部３０１が揺動される際に、固定部３０２は動かない。圧電駆動部３３０は、揺動部３０１を揺動駆動させる。具体的には、圧電駆動部３３０は、固定部３０２から揺動部３０１の一部に亘って連続的に形成される。尚、圧電駆動部３３０は、非図示の下部電極、圧電素子及び上部電極を含む。
[Configuration of cantilever]
FIG. 9 is a plan view of the cantilever 300. The cantilever 300 includes a swinging part 301, a fixing part 302, and a piezoelectric driving part 330. The oscillating portion 301 is oscillated in the direction perpendicular to the paper surface in FIG. The plan view of the swinging portion 301 is substantially rectangular. The longitudinal direction of the swinging part 301 is along the direction away from the fixed part 302. One end of the swing part 301 is connected to the fixed part 302, and the other end is a free end. The fixed portion 302 to which the oscillating portion 301 is connected has a sufficiently large structure with respect to the oscillating portion 301. Therefore, when the swinging part 301 is swung, the fixing part 302 does not move. The piezoelectric drive unit 330 drives the swing unit 301 to swing. Specifically, the piezoelectric driving unit 330 is continuously formed from the fixed unit 302 to a part of the swinging unit 301. The piezoelectric driving unit 330 includes a lower electrode, a piezoelectric element, and an upper electrode (not shown).
[シミュレーションデータの説明]
圧電駆動部３３０によって被覆された揺動部３０１の一部領域の、揺動部３０１の長手方向における距離は、距離Ｌａと表記される。また、揺動部３０１の長手方向の長さは、距離Ｌｂと表記される。今、距離Ｌａを変化させて、境界位置Ｐ３における応力の変化をシミュレーションによって調べる。
[Explanation of simulation data]
The distance in the longitudinal direction of the oscillating portion 301 of the partial region of the oscillating portion 301 covered by the piezoelectric driving unit 330 is expressed as a distance La. The length in the longitudinal direction of the oscillating portion 301 is expressed as a distance Lb. Now, the distance La is changed, and the change in stress at the boundary position P3 is examined by simulation.
図１０は、カンチレバー３００の揺動部３０１における被覆位置と、境界位置Ｐ３での応力との関係を示す図である。図１０において、縦軸は境界位置Ｐ３における曲げ及び捩れ応力の値を、横軸は距離Ｌａを距離Ｌｂで除した値をそれぞれ示す。Ｌａ／Ｌｂの値が「０」に等しい場合、即ちＬａが「０」に等しい場合は、圧電駆動部３３０が揺動部３０１を被覆せず、固定部３０２のみに設けられる状態に相当する。Ｌａ／Ｌｂの値が負の場合、圧電駆動部３３０が、揺動部３０１の長手方向において、境界位置Ｐ３よりも揺動部３０１から離間している状態を意味する。図１０より明らかに、揺動部３０１の一部が圧電駆動部３３０によって被覆されることによって、境界位置Ｐ３での応力が、被覆されない場合に比べて低減される。より詳細には、境界位置Ｐ３での応力は、Ｌａ／Ｌｂが「０」より大きい場合に激減する。特に、Ｌａ／Ｌｂの値が１０％〜２０％辺りの場合、境界位置Ｐ３での応力は最小値を示す。そして、Ｌａ／Ｌｂの値が２０％以上の場合、Ｌａ／Ｌｂの値が大きくなるに従って、境界位置Ｐ３における応力も上昇する。 FIG. 10 is a diagram showing the relationship between the covering position of the swinging portion 301 of the cantilever 300 and the stress at the boundary position P3. In FIG. 10, the vertical axis indicates the value of the bending and torsional stress at the boundary position P3, and the horizontal axis indicates the value obtained by dividing the distance La by the distance Lb. When the value of La / Lb is equal to “0”, that is, when La is equal to “0”, this corresponds to a state in which the piezoelectric drive unit 330 does not cover the swinging unit 301 and is provided only in the fixed unit 302. When the value of La / Lb is negative, it means that the piezoelectric driving unit 330 is farther from the swinging unit 301 than the boundary position P3 in the longitudinal direction of the swinging unit 301. As apparent from FIG. 10, the stress at the boundary position P <b> 3 is reduced compared with the case where the rocking portion 301 is partially covered by the piezoelectric driving portion 330 as compared with the case where it is not covered. More specifically, the stress at the boundary position P3 is drastically reduced when La / Lb is larger than “0”. In particular, when the value of La / Lb is around 10% to 20%, the stress at the boundary position P3 shows a minimum value. When the La / Lb value is 20% or more, the stress at the boundary position P3 increases as the La / Lb value increases.
第１の実施形態における光スキャナ１００と、本参考例におけるカンチレバー３００との共通点は、梁の長手方向に直交する方向の幅が変化する領域、具体的には幅の広い領域から幅の狭い領域の所定の位置までの範囲において、被覆されている点である。具体的には、第１の実施形態においては、幅の広い領域である拡幅部１２２ａから幅の狭い領域である狭幅部１２２ｂの一部までに亘って、圧電駆動部１３０が設けられる（図１参照）。本参考例においては、幅の広い領域である固定部３０２から幅の狭い領域である揺動部３０１の一部までに亘って、圧電駆動部３３０が設けられる。そして、カンチレバー３００において、境界位置Ｐ３での応力は、Ｌａ／Ｌｂが「０」より大きい場合に激減し、Ｌａ／Ｌｂの値が１０％〜２０％の場合に最小値を示す。この応力の振る舞いは、第１の実施形態にて示された、境界位置Ｐ１における応力の振る舞い（図４参照）に一致している。従って、第１の実施形態と本参考例とから、幅の広い領域から幅の狭い領域の所定の位置までの範囲において被覆されることによって、幅の広い領域と幅の狭い領域との境界位置における応力が低減されるという知見が得られる。換言すれば、図１における光スキャナ１００の様な形状でなくとも、梁において幅の広い領域から幅の狭い領域の所定の位置までの範囲において被覆される構成を有していれば、本発明は適用可能である。 The common point between the optical scanner 100 in the first embodiment and the cantilever 300 in the present reference example is a region where the width in the direction orthogonal to the longitudinal direction of the beam changes, specifically, from a wide region to a narrow width. This is a point that is covered in a range up to a predetermined position of the region. Specifically, in the first embodiment, the piezoelectric driving unit 130 is provided from the widened portion 122a which is a wide region to a part of the narrowed portion 122b which is a narrow region (see FIG. 1). In this reference example, the piezoelectric drive unit 330 is provided from the fixed portion 302 that is a wide region to a part of the swinging portion 301 that is a narrow region. In the cantilever 300, the stress at the boundary position P3 decreases drastically when La / Lb is larger than “0”, and shows a minimum value when the value of La / Lb is 10% to 20%. This behavior of stress coincides with the behavior of stress at the boundary position P1 shown in the first embodiment (see FIG. 4). Therefore, from the first embodiment and the present reference example, the boundary position between the wide area and the narrow area is covered by covering in a range from the wide area to the predetermined position of the narrow area. The knowledge that the stress at is reduced is obtained. In other words, the present invention is not limited to the shape of the optical scanner 100 in FIG. 1, as long as it has a configuration in which the beam is covered in a range from a wide region to a predetermined position in a narrow region. Is applicable.
＜変形例＞
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその変形の一例を述べる。
<Modification>
The present invention is not limited to the embodiments described so far, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit of the present invention. An example of the modification will be described below.
前記した実施形態において、光スキャナ１００は、図１に示される様に、ミラー１１０が一対の支持梁１２０によって両持支持される形状である。しかし、例えば、ミラー１１０が一本の支持梁１２０によって片持支持される形状であっても良い。また、光スキャナ１００の支持梁１２０は、第１弾性梁１２１及び梁結合部１２３を含まない構成であっても良い。この場合、一対の第２弾性梁１２２が、ミラー１１０に直接接続されれば良い。要は、幅の広い領域から幅の狭い領域の所定の位置までの範囲において、被覆されている構成を有していれば、梁の形状は問わない。 In the above-described embodiment, the optical scanner 100 has a shape in which the mirror 110 is supported at both ends by a pair of support beams 120 as shown in FIG. However, for example, the mirror 110 may be cantilevered by a single support beam 120. Further, the support beam 120 of the optical scanner 100 may be configured not to include the first elastic beam 121 and the beam coupling portion 123. In this case, the pair of second elastic beams 122 may be directly connected to the mirror 110. In short, the shape of the beam is not limited as long as it has a covered structure in a range from a wide region to a predetermined position in a narrow region.
１ 画像表示装置
２ 光束生成手段
３ 映像信号処理回路
１９ 光ファイバ
２０，４１，４２，４３ コリメート光学系
２２ 第１リレー光学系
２３ 垂直走査スキャナ
２４ 第２リレー光学系
３０ 光源部
３１ Ｂレーザドライバ
３２ Ｇレーザドライバ
３３ Ｂレーザドライバ
３４ Ｂレーザ
３５ Ｇレーザ
３５ Ｒレーザ
４０ 光合波部
４４，４５，４６ ダイクロイックミラー
４７ 集光光学系
５２ 観察者の瞳孔
５４ 観察者の網膜
６１ 水平走査ドライバ
６２ 垂直走査ドライバ
１００，２００，５００，６００ 光スキャナ
１１０，５１１，６１０ ミラー
１２０，６２０ 支持梁
１２１，５１２，６２１ 第１弾性梁
１２２，５１３，６２２ 第２弾性梁
１２２ａ，６２２ａ 拡幅部
１２２ｂ，６２２ｂ 狭幅部
１２３，６２３ 梁結合部
１４０，５１４，６４０ 外枠部
１３０，２３０，３３０，５３０，６３０ 圧電駆動部
１３０ａ，２３０ａ 被覆部
１３１ 下部電極
１３２ 圧電素子
１３３ 上部電極
２３０ｂ 断続被覆部
３００ カンチレバー
３０１ 揺動部
３０２ 固定部
５１０ 基体
５２０ 台座
５２１ 接合部
ＡＲ１，ＡＲ２ 揺動軸線
Ｐ１，Ｐ２ 狭幅部と広幅部との境界位置
Ｐ３ 揺動部３０１と固定部３０２との境界位置
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Image display apparatus 2 Light beam production | generation means 3 Video signal processing circuit 19 Optical fiber 20,41,42,43 Collimating optical system 22 1st relay optical system 23 Vertical scanning scanner 24 2nd relay optical system 30 Light source part 31 B laser driver 32 G laser driver 33 B laser driver 34 B laser 35 G laser 35 R laser 40 Optical multiplexing units 44, 45, 46 Dichroic mirror 47 Condensing optical system 52 Observer pupil 54 Observer retina 61 Horizontal scanning driver 62 Vertical scanning driver 100, 200, 500, 600 Optical scanner 110, 511, 610 Mirror 120, 620 Support beam 121, 512, 621 First elastic beam 122, 513, 622 Second elastic beam 122a, 622a Widened part 122b, 622b Narrow part 123 , 623 Beam joint 140,514,640 Outer frame Parts 130, 230, 330, 530, 630 Piezoelectric driving parts 130a, 230a Covering part 131 Lower electrode 132 Piezoelectric element 133 Upper electrode 230b Intermittent covering part 300 Cantilever 301 Oscillating part 302 Fixing part 510 Base 520 Base 521 Joining part AR1, AR2 Oscillating axis P1, P2 Boundary position P3 between narrow part and wide part P3 Boundary position between oscillating part 301 and fixed part 302
Claims (5)
前記ミラーの揺動軸線に対して線対称に配置されるとともに前記ミラーの揺動軸線に沿って伸長する一対の梁部を含み、前記ミラーから延出する支持梁と、
前記一対の梁部を介して前記支持梁が連結される外枠部と、
前記ミラー及び前記支持梁を揺動させるための圧電素子を含む圧電駆動部とを備え、
前記一対の梁部の各々は、
前記外枠部と前記一対の梁部との連結位置を起点として、前記外枠部の厚み方向及び前記一対の梁部の長手方向の両方向と直交する幅方向に拡幅される拡幅部と、
前記拡幅部よりも前記ミラー側に位置し、前記幅方向の幅が前記拡幅部よりも狭い狭幅部と、
前記拡幅部と狭幅部との境界位置から、前記狭幅部の長手方向における長さより小さい距離の位置までの範囲において、前記狭幅部を被覆する被覆部とを有し、
前記圧電素子は、前記外枠部の一部から前記拡幅部に亘って形成される、
ことを特徴とする光スキャナ。 A mirror that can be swung to scan the incident light in a predetermined direction;
A pair of beam portions arranged in line symmetry with respect to the swing axis of the mirror and extending along the swing axis of the mirror, and a support beam extending from the mirror;
An outer frame portion to which the support beam is coupled via the pair of beam portions;
A piezoelectric drive unit including a piezoelectric element for swinging the mirror and the support beam,
Each of the pair of beam portions is
A widened portion widened in the width direction perpendicular to both the thickness direction of the outer frame portion and the longitudinal direction of the pair of beam portions, starting from the connection position between the outer frame portion and the pair of beam portions,
Narrower width portion located on the mirror side than the widened portion, the width in the width direction is narrower than the widened portion,
In a range from a boundary position between the widened portion and the narrow portion to a position at a distance smaller than the length in the longitudinal direction of the narrow portion, the covering portion covers the narrow portion,
The piezoelectric element is formed from a part of the outer frame part to the widened part,
An optical scanner characterized by that.
ことを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。 The covering portion continuously covers the narrow portion,
The optical scanner according to claim 1.
ことを特徴とする請求項２に記載の光スキャナ。 The covering portion covers the narrow portion over a range from the boundary position to a position at a distance of 1/10 to 1/5 of the length in the longitudinal direction of the narrow portion,
The optical scanner according to claim 2.
前記被覆部は、前記狭幅部に形成された前記圧電素子である、
ことを特徴とする請求項１〜３の何れか１項に記載の光スキャナ。 The piezoelectric element is further formed from the widened portion to the narrowed portion,
The covering portion is the piezoelectric element formed in the narrow width portion.
The optical scanner according to any one of claims 1 to 3.
その光スキャナに光を供給するための光源と、
前記光スキャナによって走査された光を使用者の目に導く接眼光学系とを備える、
ことを特徴する画像表示装置。 An optical scanner according to any one of claims 1 to 4, for forming an image by scanning light;
A light source for supplying light to the optical scanner;
An eyepiece optical system for guiding the light scanned by the optical scanner to the eyes of the user,
An image display device characterized by that.
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2009212834A JP2011064731A (en) | 2009-09-15 | 2009-09-15 | Optical scanner and image display device with the same |
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|---|---|---|---|
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Cited By (1)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| KR101262110B1 (en) | 2011-09-16 | 2013-05-14 | 동명대학교산학협력단 | Stacked Piezoelectric Thin Film Structure For Evaluating Residual Strain |
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2009
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