JP2014153703A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラー部を大きい偏向角度で駆動した場合においてもミラー部を駆動させる圧電素子の特性の悪化を抑制可能とする光偏向器を提供する。
【解決手段】光偏向器１は、フレーム部３と、フレーム部３に一端側が固定され、他端側が自由端であるアーム部５と、アーム部５の自由端側に一端側が接続された捩りばね部１０と、捩りばね部１０の他端側に接続されたミラー部９と、を備え、アーム部５は、フレーム部３に固定された一端側であってアーム部５を駆動する圧電素子１５が形成された能動領域５ａと、自由端側であって圧電素子１５が形成されていない受動領域５ｂと、を有して構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明はＭＥＭＳ技術を用いた光偏向器に関する。

レーザープリンタや、プロジェクタ，ヘッドマウントディスプレイ等の投射型の表示装置等に光偏向器が用いられている。
光偏向器として、ポリゴンミラーを用いたものやガルバノミラーを用いたものがあるが、近年、単結晶Ｓｉ（シリコン）基板を微細加工する技術、即ちＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた超小型の光偏向器が注目されている。
ＭＥＭＳ技術を用いた超小型の光偏向器の一例が特許文献１に開示されている。

特開２００５−１２８１４７号公報

ＭＥＭＳ技術を用いた超小型の光偏向器を特に表示装置に用いる場合、表示画像に対して高い解像度を得るためには、ミラー部を高い共振周波数で、かつ、大きい偏向角度で駆動することが望ましい。
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では、ミラー部を駆動させる駆動手段として圧電素子が用いられており、圧電素子を構成する圧電材料は一般的に機械的応力に対して脆い材料である。
そのため、ミラー部を大きい偏向角度で駆動すると圧電素子にクラックが発生したり剥離する場合がある。圧電素子にクラックが発生したり剥離すると圧電素子の駆動力等の特性が悪化してしまうため、その改善が望まれている。

そこで、本発明は、ミラー部を大きい偏向角度で駆動した場合においてもミラー部を駆動させる圧電素子の特性の悪化を抑制可能とする光偏向器を提供することを目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明は次の光偏向器を提供する。
１）フレーム部（３）と、前記フレーム部に一端側が固定され、他端側が自由端であるアーム部（５）と、前記アーム部の自由端側に一端側が接続された捩りばね部（１０）と、前記捩りばね部の他端側に接続されたミラー部（９）と、を備え、前記アーム部は、前記フレーム部に固定された前記一端側であって前記アーム部を駆動する圧電素子（１５）が形成された能動領域（５ａ）と、前記自由端側であって前記圧電素子が形成されていない受動領域（５ｂ）と、を有して構成されていることを特徴とする光偏向器（１）。
２）互いに離間して対向配置された第１フレーム部（３）及び第２フレーム部（４）と、互いに離間して対向配置され、それぞれ、前記第１フレーム部に一端側が固定され、前記第２フレーム部に向かって延在し、他端側が自由端である第１アーム部（５）及び第２アーム部（６）と、互いに離間して対向配置され、それぞれ、前記第２フレーム部に一端側が固定され、前記第１フレーム部に向かって延在し、他端側が自由端である第３アーム部（７）及び第４アーム部（８）と、前記第１アーム部、前記第２アーム部、前記第３アーム部、及び前記第４アーム部で囲われた空隙に配置されたミラー部（９）と、前記第１アーム部の自由端側と前記ミラー部とを連接する第１捩りばね部（１０）と、前記第２アーム部の自由端側と前記ミラー部とを連接する第２捩りばね部（１１）と、前記第３アーム部の自由端側と前記ミラー部とを連接する第３捩りばね部（１２）と、前記第４アーム部の自由端側と前記ミラー部とを連接する第４捩りばね部（１３）と、を備え、前記第１アーム部、前記第２アーム部、前記第３アーム部、及び前記第４アーム部は、それぞれ、前記一端側であって対応するアーム部を駆動する圧電素子（１５，１６）が形成された能動領域（５ａ，６ａ，７ａ，８ａ）と、前記自由端側であって前記圧電素子が形成されていない受動領域（５ｂ，６ｂ，７ｂ，８ｂ）と、を有して構成されていることを特徴とする光偏向器（１）。

本発明によれば、ミラー部を大きい偏向角度で駆動した場合においてもミラー部を駆動させる圧電素子の特性の悪化を抑制することが可能となるという効果を奏する。

本発明の光偏向器の実施の形態を説明するための模式的斜視図及び模式的側面図である。 比較例として従来の光偏向器を説明するための模式的斜視図及び模式的側面図である。 本発明の光偏向器の実施の形態及び従来の光偏向器を説明するための模式的上面図である。

本発明の光偏向器の実施の形態を図１（ａ）、図１（ｂ）及び図３（ａ）に示し、比較例として従来の光偏向器を図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）及び図３（ｃ）に示す。なお、本発明の光偏向器の実施の形態と従来の光偏向器とを比較しやすくするために同じ構成部には同じ符号を付して説明する。

図１（ａ）、図１（ｂ）及び図３（ａ）に示すように、本発明の実施の形態である光偏向器１は、ベース部２と、フレーム部３，４と、アーム部５，６，７，８と、ミラー部９と、捩りばね部１０，１１，１２，１３と、圧電素子１５，１６と、を有して構成されている。

ベース部２は、断面形状が上向き開放部２Ａを備えたコ字形状を有する。

フレーム部３，４は互いに離間して対向配置されている。
フレーム部３は、ベース２のコ字形状の一側の端面（天面）に固定されている。
フレーム部４は、ベース２のコ字形状の他側の端面（天面）に固定されている。

アーム部５，６は、互いに離間して配置されており、それぞれ、一端側がフレーム部３に固定されてフレーム部４に向かって延在し、他端側が自由端とされている。
アーム部７，８は、互いに離間して配置されており、それぞれ、一端側がフレーム部４に固定されてフレーム部３に向かって延在し、他端側が自由端とされている。
アーム部５とアーム部７とは互いに対向する位置関係にあり、アーム部６とアーム部８とは互いに対向する位置関係にある。

アーム部５は、自由端側であって圧電素子１５が形成されていない受動領域５ｂと、フレーム部３に固定された固定端側であって圧電素子１５が形成されている能動領域５ａと、を有して構成されている。
アーム部６は、自由端側であって圧電素子１５が形成されていない受動領域６ｂと、フレーム部３に固定された固定端側であって圧電素子１５が形成されている能動領域６ａと、を有して構成されている。

アーム部７は、自由端側であって圧電素子１６が形成されていない受動領域７ｂと、フレーム部４に固定された固定端側であって圧電素子１６が形成されている能動領域７ａと、を有して構成されている。
アーム部８は、自由端側であって圧電素子１６が形成されていない受動領域８ｂと、フレーム部４に固定された固定端側であって圧電素子１６が形成されている能動領域８ａと、を有して構成されている。

ミラー部９は、アーム部５，６，７，８で囲われた空隙に配置されている。

捩りばね部１０は、アーム部５の自由端とミラー部９とを連接する。
捩りばね部１１は、アーム部６の自由端とミラー部９とを連接する。
捩りばね部１２は、アーム部７の自由端とミラー部９とを連接する。
捩りばね部１３は、アーム部８の自由端とミラー部９とを連接する。

図１では、ミラー部９の重心を通る軸線ＣＬ９を対称線にして、フレーム部３、アーム部５，６、捩りばね部１０，１１、及び圧電素子１５と、フレーム部４、アーム部７，８、捩りばね部１２，１３、及び圧電素子１６と、をそれぞれ線対称に配置している。

圧電素子１５は、アーム部５，６の能動領域５ａ，６ａ上に、下電極、圧電膜、上電極が順次形成された積層構造を有する。
圧電素子１６は、アーム部７，８の能動領域７ａ，８ａ上に、下電極、圧電膜、上電極が順次形成された積層構造を有する。
圧電素子１５，１６の圧電膜材料として例えばＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を用いることができる。

ベース部２、フレーム部３，４、アーム部５，６，７，８、ミラー部９、及び捩りばね部１０，１１，１２，１３は、例えばＳｉ（シリコン）ウエハを半導体プロセスを用いて加工することによって形成することができる。
圧電素子１５，１６も同様に半導体プロセスを用いて形成することができる。

ここで、光偏向器１におけるミラー部９の駆動方法について、特に図１（ｂ）を用いて説明する。

図１（ｂ）に示すように、アーム部５，６の能動領域５ａ，６ａ上に形成された圧電素子１５の下電極−上電極間に交流電圧を印加することで圧電膜が圧電効果により振動する。この圧電膜の振動により、アーム部５，６は固定端を支点として、作用点側の自由端が上下方向に大きく往復回転振動する。
ミラー部９は、捩りばね部１０を介してアーム部５の自由端と、捩りばね部１１を介してアーム部６の自由端と、に接続されているので、ＣＬ９を回転軸して時計周りと反時計周りとに交互に往復回転振動する。
ミラー部９が往復回転振動している状態でミラー部９に外部から光を照射することにより、照射された光はミラー部９で反射されて左右方向に走査される。

一方、アーム部７の自由端は捩りばね部１２を介して、アーム部８の自由端は捩りばね部１３を介して、それぞれミラー部９に接続されているので、アーム部５，６（圧電素子１５）によってミラー部９が往復回転振動している状態では、アーム部７，８は、それぞれ固定端を支点として、アーム部５，６とは逆の上下方向に往復回転振動する。
アーム部７，８がアーム部５，６とは逆の上下方向に往復回転振動することによって、アーム部７，８の能動領域７ａ，８ａ上に形成された圧電素子１６に応力が加わるため、圧電効果により圧電素子１６には圧電素子１５に印加される交流電圧とは逆位相の交流電圧が出力される。
圧電素子１６から出力される交流電圧を検出することにより、ミラー部９の駆動周波数を検出することができる。

上述した構成では、圧電素子１５はミラー部９を駆動するための駆動手段として機能し、圧電素子１６はミラー部９の駆動周波数を検出するための検出手段として機能する。

なお、圧電素子１５，１６のいずれも駆動手段として機能させることも可能である。
圧電素子１６の下電極−上電極間に、圧電素子１５に印加する交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加することで、アーム部７，８は、固定端を支点として、作用点側の自由端がアーム部５，６とは逆の上下方向に大きく往復回転振動する。

ここで、アーム部５，６が、圧電素子１５が形成されている能動領域５ａ，６ａと圧電素子１５が形成されていない受動領域５ｂ，６ｂとを有して構成されている点について、以下に説明する。

本発明の実施の形態である光偏向器１の効果を説明するために、まず、従来の光偏向器とその問題点について、図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）を用いて説明する。なお、本発明の光偏向器の実施の形態と従来の光偏向器とを比較しやすくするために、前述した光偏向器１と同じ構成部には同じ符号を付して説明する。

比較例である従来の光偏向器５１は、前述した光偏向器１と比較して、圧電素子の形状が異なる点で相違し、他の構成部は同じであるため、圧電素子の形状について詳細に説明する。

図２（ａ）、図２（ｂ）、図３（ｂ）、及び図３（ｃ）に示すように、比較例（従来）の光偏向器５１は、ベース部２と、フレーム部３，４と、アーム部５，６，７，８と、ミラー部９と、捩りばね部１０，１１，１２，１３と、圧電素子５５，５６と、を有して構成されている。

圧電素子５５は、アーム部５，６の固定端側から自由端の先端部に亘って形成されている。
圧電素子５６は、アーム部７，８の固定端側から自由端の先端部に亘って形成されている。
圧電素子５５，５６は、圧電素子１５，１６と同様に、下電極、圧電膜、上電極が順次形成された積層構造をそれぞれ有する。
圧電素子５５，５６の圧電膜は、圧電素子１５，１６と同様、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）からなる。
圧電素子５５，５６も圧電素子１５，１６と同様に半導体プロセスを用いて形成することができる。
即ち、比較例（従来）の光偏向器５１は、前述した光偏向器１で有していた受動領域５ｂ，６ｂ，７ｂ，８ｂを有さず、能動領域のみが設けられた構成である。

図２（ｂ）に示すように、アーム部５，６上に形成された圧電素子５５の下電極−上電極間に交流電圧を印加することで圧電膜が圧電効果により振動する。この圧電膜の振動により、アーム部５，６は固定端を支点として、作用点側の自由端が上下方向に大きく往復回転振動する。
ミラー部９は、捩りばね部１０を介してアーム部５の自由端と、捩りばね部１１を介してアーム部６の自由端と、に接続されているので、ＣＬ９を回転軸して時計周りと反時計周りとに交互に往復回転振動する。
ミラー部９が往復回転振動している状態でミラー部９に外部から光を照射することにより、照射された光はミラー部９で反射されて左右方向に走査される。

一方、アーム部７の自由端は捩りばね部１２を介して、アーム部８の自由端は捩りばね部１３を介して、それぞれミラー部９に接続されているので、アーム部５，６（圧電素子５５）によってミラー部９が往復回転振動している状態では、アーム部７，８は、それぞれ固定端を支点として、アーム部５，６とは逆の上下方向に往復回転振動する。
アーム部７，８がアーム部５，６とは逆の上下方向に往復回転振動することによって、アーム部７，８上に形成された圧電素子５６に応力が加わるため、圧電効果により圧電素子５６には圧電素子５５に印加される交流電圧とは逆位相の交流電圧が出力される。
圧電素子５６から出力される交流電圧を検出することにより、ミラー部９の駆動周波数を検出することができる。

上述した構成では、圧電素子５５はミラー部９を駆動するための駆動手段として機能し、圧電素子５６はミラー部９の駆動周波数を検出するための検出手段として機能する。

なお、圧電素子５５，５６のいずれも駆動手段として機能させることも可能である。
圧電素子５６の下電極−上電極間に、圧電素子５５に印加する交流電圧とは逆位相の交流電圧を印加することで、アーム部７，８は、固定端を支点として、作用点側の自由端がアーム部５，６とは逆の上下方向に大きく往復回転振動する。

前述したように、アーム部５，６は圧電素子５５が振動することで上下方向に往復回転振動する。例えばアーム部５，６がシリコンで形成されている場合、シリコンの共振周波数でアーム部５，６を振動させることにより、アーム部５，６は固定端を支点として自由端側が上下方向に大きく往復回転振動する。
アーム部５，６の振幅を大きくすることで、ミラー部９の偏向角度をより大きくすることが可能になる。

しかしながら、図３（ｃ）に示すように、ミラー部９の偏向角度をより大きくしようとしてアーム部５，６の振幅を大きくすると、圧電素子５５，５６の圧電膜は、一般的にＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等の機械的応力に対して脆い材料によって構成されているため、クラックＣＲ等の破壊が発生する場合がある。
クラックＣＲは、主に圧電膜の自由端側、特に自由端側の角部に発生する場合が多い。

そこで、発明者が鋭意実験した結果、クラックＣＲの発生は、主に圧電膜の自由端側、特に自由端側の角部に集中して起こることを見出したものである。そこで、図１（ａ）、図１（ｂ）及び図３（ａ）に示すように、本発明の実施の形態である光偏向器１において、特に、アーム部５，６を、圧電素子１５が形成されている能動領域５ａ，６ａと圧電素子１５が形成されていない受動領域５ｂ，６ｂとを有して構成することにより、アーム部５，６の自由端側の反り量を増大させると共に、反り量の増大によって生じる圧電素子１５における圧電膜のクラック等の破壊を防止することを可能にした。

上述した光偏向器１によれば、アーム部５，６の自由端側が、圧電素子１５が形成されていない受動領域５ｂ，６ｂで構成されているので、アーム部５，６のみが反るため、比較例の光偏向器５１に比べて、アーム部５，６の自由端側の反り量を増大させることができる。そのため、ミラー部９をより大きな偏向角で駆動することが可能になる。

また、上述した光偏向器１によれば、アーム部５，６の自由端側が、圧電素子１５が形成されていない受動領域５ｂ，６ｂで構成されているので、アーム部５，６の自由端側の反り量を増大させた場合においても、反り量の大きい自由端側に圧電素子１５が形成されていないので、比較例の光偏向器５１に比べて、圧電素子１５における圧電膜のクラック等の破壊を防止することが可能になる。

また、上述した光偏向器１によれば、アーム部７，８についても上述したアーム部５，６と同様の効果が得られる。

１＿光偏向器
２＿ベース部
２Ａ＿上向き開放部
３，４＿フレーム部
５，６，７，８＿アーム部
５ａ，６ａ，７ａ，８ａ＿能動領域
５ｂ，６ｂ，７ｂ，８ｂ＿受動領域
９＿ミラー部
１０，１１，１２，１３＿捩りばね部
１５，１６＿圧電素子
ＣＬ９＿回転軸

Claims (2)

1. フレーム部と、
   前記フレーム部に一端側が固定され、他端側が自由端であるアーム部と、
   前記アーム部の自由端側に一端側が接続された捩りばね部と、
   前記捩りばね部の他端側に接続されたミラー部と、
   を備え、
   前記アーム部は、
   前記フレーム部に固定された前記一端側であって前記アーム部を駆動する圧電素子が形成された能動領域と、
   前記自由端側であって前記圧電素子が形成されていない受動領域と、
   を有して構成されていることを特徴とする光偏向器。
2. 互いに離間して対向配置された第１フレーム部及び第２フレーム部と、
   互いに離間して対向配置され、それぞれ、前記第１フレーム部に一端側が固定され、前記第２フレーム部に向かって延在し、他端側が自由端である第１アーム部及び第２アーム部と、
   互いに離間して対向配置され、それぞれ、前記第２フレーム部に一端側が固定され、前記第１フレーム部に向かって延在し、他端側が自由端である第３アーム部及び第４アーム部と、
   前記第１アーム部、前記第２アーム部、前記第３アーム部、及び前記第４アーム部で囲われた空隙に配置されたミラー部と、
   前記第１アーム部の自由端側と前記ミラー部とを連接する第１捩りばね部と、
   前記第２アーム部の自由端側と前記ミラー部とを連接する第２捩りばね部と、
   前記第３アーム部の自由端側と前記ミラー部とを連接する第３捩りばね部と、
   前記第４アーム部の自由端側と前記ミラー部とを連接する第４捩りばね部と、
   を備え、
   前記第１アーム部、前記第２アーム部、前記第３アーム部、及び前記第４アーム部は、それぞれ、
   前記一端側であって対応するアーム部を駆動する圧電素子が形成された能動領域と、
   前記自由端側であって前記圧電素子が形成されていない受動領域と、
   を有して構成されていることを特徴とする光偏向器。