JP5447508B2 - 光学反射素子 - Google Patents

Description

本発明は、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像投影装置に用いられる光学反射素子に関する。

図１０は従来の二軸駆動の光学反射素子の斜視図である。光学反射素子１は、一対の振動子４、８と、枠体５と、一対の振動子６、７と、ミラー部９とを有する。振動子４、８はミラー部９の端部と連結されている。枠体５は振動子４、８と連結され、振動子４、８、およびミラー部９の外周を囲っている。振動子６、７は枠体５の外側で端部と連結されている。振動子４、８はＹ軸に平行な中心軸Ｓ１１を有し、振動子６、７はＸ軸に平行な中心軸Ｓ１２を有する。振動子４、８、６、７はミアンダ形である。

振動子４、８、６、７には、下部電極層と圧電体層と上部電極層で構成されたドライブ素子（図示せず）が配置されている。このドライブ素子に電圧を印加することにより、ミラー部９を中心軸Ｓ１１および中心軸Ｓ１２を中心に回転させることができる。そしてミラー部９に光を入射することにより、その反射光をスクリーン上の平面に走査することが可能となり、壁やスクリーン等に画像を投影することができる。

振動子４、８、６、７やミラー部９にはさらに、下部電極層、圧電体層、上部電極層で構成されたモニター素子（図示せず）が設けられている。このモニター素子で検出した電気信号を、帰還回路を介してドライブ素子の上部電極に入力すれば、理論上は光学反射素子１を常に共振周波数にて駆動できる。このような自励駆動方式により、大振幅を維持できる。このような光学反射素子１は、例えば、特許文献１に開示されている。

近年、二軸の光学反射素子において、高精度な自励駆動を実現することが求められている。その理由は、高精度な自励駆動により、共振周波数のばらつきによらず、安定して大きな振れ角を得ることができるためである。しかし、二軸の光学反射素子において、Ｘ軸モニター用の電極は、構造上、Ｙ軸駆動用の梁の上を通過せざるを得ない。そのため、Ｘ軸モニター用の電極はＹ軸駆動用梁の高次振動モードの信号を拾ってしまう。このことからＹ軸駆動用梁の高次振動モードの信号が、スプリアス共振ノイズとなるために、適切に自励駆動できない。

特開２００８−０４０２４０号公報

本発明は、高精度な自励駆動を実現する光学反射素子である。本発明の光学反射素子は、枠形状の支持体と、第１低周波振動子と、第２低周波振動子と、枠体と、第１高周波振動子と、第２高周波振動子と、ミラー部とを有する。第１、第２低周波振動子の第１端は支持体の内側に接続されている。第１、第２低周波振動子の第２端は枠体の外側に接続されている。枠体は第１、第２低周波振動子の間に配置されている。第１、第２高周波振動子の第１端は枠体の内側に接続されている。ミラー部は第１、第２高周波振動子の第２端に接続され、前記第１、第２高周波振動子の間に配置されている。第１、第２高周波振動子は、第１中心軸の回りに前記ミラー部を回動させるための第１駆動部と、ミラー部の回動量を測定するための第１モニター素子とを有する。第１駆動部は、基材と、基材の上に設けられた下部電極層と、下部電極層の上に設けられた圧電体層と、圧電体層の上に設けられたドライブ電極とを有する。第１モニター素子は、第１駆動部と共通な基材と下部電極層と圧電体層と、圧電体層の上に設けられた第１モニター電極を有する。第１、第２低周波振動子は、第１中心軸に垂直な第２中心軸の回りに枠体とミラー部とを回動させるための第２駆動部を有する。第２駆動部は第１駆動部と共通な基材と下部電極層と圧電体層とドライブ電極で構成されている。第１低周波振動子はさらに、第１、第２高周波振動子と共通な第１モニター電極と、第１モニター電極と圧電体層との間に形成され、圧電体層の圧電作用が第１モニター電極に及ぶのを抑制する不感帯としての絶縁体層とを有する。第２低周波振動子はさらに、枠体とミラー部の回動量を測定するための第２モニター素子を有する。第１低周波振動子上に設けられた第１モニター電極は、第１低周波振動子上から支持体上に延び、前記支持体上に設けられた引き出し電極と接続されている。この構成により、第１モニター電極から出力されるモニター信号のＳ／Ｎ比を向上し、第１モニター素子の検出精度を高めることができる。その結果、光学反射素子を高精度に自励駆動させることができる。

図１Ａは本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図である。 図１Ｂは図１Ａに示す光学反射素子の要部拡大図である。 図２は図１Ａに示す光学反射素子の高周波振動子の断面を示す図である。 図３は図１Ａに示す光学反射素子の低周波振動子の断面を示す図である。 図４は図１Ａに示す光学反射素子の駆動回路を説明するためのブロック図である。 図５は図１Ａに示す光学反射素子の高周波振動子の動作を示す模式図である。 図６は本発明の実施の形態１における他の光学反射素子の低周波振動子の断面を示す図である。 図７は本発明の実施の形態２における光学反射素子の低周波振動子の断面を示す図である。 図８Ａは本発明の実施の形態による光学反射素子および従来の光学反射素子の第１モニター素子のノイズ信号レベルを示す周波数特性図である。 図８Ｂは図８Ａに示す周波数特性図の拡大図である。 図９Ａは従来の光学反射素子の低周波振動子の要部断面図である。 図９Ｂは図６に示す光学反射素子の低周波振動子の要部断面図である。 図９Ｃは図７に示す光学反射素子の低周波振動子の要部断面図である。 図１０は従来の光学反射素子の斜視図である。

（実施の形態１）
図１Ａは本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図、図１Ｂは図１Ａに示す光学反射素子の要部拡大図である。図２は図１Ａに示す光学反射素子の２−２線（中心軸Ｓ１）における断面図で、高周波振動子の断面を示している。図３は３−３線（中心軸Ｓ２）における断面図で、低周波振動子の断面を示している。図１Ａに示すように、本実施の形態における光学反射素子１０は、ミラー部１１と、第１、第２高周波振動子である高周波振動子１２、１３と、第１、第２低周波振動子である低周波振動子１５、１６と、枠体１４と、支持体１７とを有する。

高周波振動子１２と高周波振動子１３はミラー部１１を介して対向し、ミラー部１１の端部とそれぞれ連結されるとともに、枠体１４の内側に連結されている。すなわち、枠体１４は高周波振動子１２、１３に連結されるとともに高周波振動子１２、１３およびミラー部１１の外周を囲んでいる。低周波振動子１５と低周波振動子１６は枠体１４の外側にそれぞれ連結されているとともに、枠形状の支持体１７の内側に連結されている。すなわち、支持体１７は低周波振動子１５、１６に連結されるとともに、低周波振動子１５、１６および枠体１４の外周を囲っている。

このように、低周波振動子１５、１６の第１端は支持体１７の内側に接続されている。低周波振動子１５、１６の第２端は枠体１４の外側に接続されている。枠体１４は低周波振動子１５、１６の間に配置されている。高周波振動子１２、１３の第１端は枠体１４の内側に接続されている。ミラー部１１は高周波振動子１２、１３の第２端に接続され、高周波振動子１２、１３の間に配置されている。

高周波振動子１２、１３の中心軸（第１中心軸）Ｓ１と、低周波振動子１５、１６の中心軸（第２中心軸）Ｓ２とは交差し、ミラー部１１の重心で直交している。高周波振動子１２、１３は、低周波振動子１５、１６の中心軸Ｓ２に対して線対称形である。同様に低周波振動子１５、１６は、高周波振動子１２、１３の中心軸Ｓ１に対して線対称形である。

さらに、高周波振動子１２、１３は、Ｘ軸方向に平行（中心軸Ｓ１に垂直）な振動板１２Ａ〜１２Ｄ、１３Ａ〜１３Ｄをそれぞれ有する。振動板１２Ａ〜１２Ｄ、１３Ａ〜１３Ｄは、同一平面上で折り返し連結されている。このように高周波振動子１２、１３はミアンダ形状である。同様に、低周波振動子１５、１６は、Ｙ軸方向に平行（中心軸Ｓ２に垂直）な振動板１５Ａ〜１５Ｅ、１６Ａ〜１６Ｅをそれぞれ有する。振動板１５Ａ〜１５Ｅ、１６Ａ〜１６Ｅは同一平面上で折り返し連結されている。このように低周波振動子１５、１６もミアンダ形状である。

高周波振動子１２、１３と、低周波振動子１５、１６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１０〜２００倍程度である。例えば、高周波振動子１２、１３の共振周波数は１０ｋＨｚ、低周波振動子１５、１６の共振周波数は２００Ｈｚ程度である。

図２に示すように、高周波振動子１２、１３を構成する振動板１２Ａ〜１２Ｄ、１３Ａ〜１３Ｄの上には、それぞれドライブ素子１８および第１モニター素子１９が配置されている。ドライブ素子１８は高周波振動子１２、１３の中心軸Ｓ１の回りにミラー部１１を回動させるための第１駆動部である。第１モニター素子１９は、高周波振動子１２、１３の振動を検出するために用いられ、ミラー部１１の回動量を測定するために設けられている。

ドライブ素子１８は、基材２１と、下部電極層２２と、圧電体層２３と、ドライブ電極２５とで構成されている。下部電極層２２は基材２１上に形成され、圧電体層２３は下部電極層２２上に積層されている。上部電極層であるドライブ電極２５は圧電体層２３上に積層されている。ドライブ電極２５は駆動信号を印加するための電極である。

第１モニター素子１９は、第１モニター電極２６と、ドライブ素子１８と共通な基材２１と下部電極層２２と圧電体層２３とで構成されている。上部電極層である第１モニター電極２６は圧電体層２３上でドライブ電極２５と絶縁され、ドライブ電極２５の隣に積層されている。第１モニター電極２６は高周波振動子１２、１３の駆動信号をモニタリングするための電極である。

一方、図３に示すように、低周波振動子１６を構成する振動板１６Ａ〜１６Ｅの上には、ドライブ素子１８および第２モニター素子２０が配置されている。また、低周波振動子１５を構成する振動板１５Ａ〜１５Ｅ上にはドライブ素子１８と、高周波振動子１２、１３の第１モニター素子１９から引き出された第１モニター電極２６が配置されている。低周波振動子１５、１６におけるドライブ素子１８は、中心軸Ｓ２の回りに枠体１４とミラー部１１とを回動させるための第２駆動部である。第２モニター素子２０は枠体１４とミラー部１１の回動量を測定するために設けられている。

ドライブ素子１８は、基材２１と下部電極層２２と圧電体層２３とドライブ電極２５とで構成されている。このようにドライブ素子１８を構成する各要素は高周波振動子１２、１３と低周波振動子１５、１６とを通じて連続的に形成されている。

第２モニター素子２０は、第２モニター電極２７と、ドライブ素子１８と共通な基材２１と下部電極層２２と圧電体層２３とで構成されている。上部電極層である第２モニター電極２７は圧電体層２３上でドライブ電極２５と絶縁され、ドライブ電極２５の隣に積層されている。第２モニター電極２７は低周波振動子１５、１６の駆動信号をモニタリングするための電極である。

振動板１５Ａ〜１５Ｅ上に配置された第１モニター電極２６は、圧電体層２３の不感帯、つまり圧電体層２３が圧電特性を及ぼさない領域に設けられている。言い換えると、低周波振動子１５は、第１モニター電極２６と不感帯とを有する。第１モニター電極２６は高周波振動子１２、１３と共通に形成されている。不感帯は第１モニター電極２６と圧電体層２３との間に形成され、圧電体層２３の圧電作用が第１モニター電極２６に及ぶのを抑制する。

具体的には、第１モニター電極２６と圧電体層２３との間に、不感帯である抵抗値の高い絶縁体層２４が設けられている。すなわち、絶縁体層２４は基材２１の上方に設けられた圧電体層２３の上に設けられ、第１モニター電極２６は絶縁体層２４の上に設けられている。絶縁体層２４によって、第１モニター電極２６の直下に圧電体層２３を設けず、第１モニター電極２６を圧電体層２３の不感帯に設けることができる。

なお、支持体１７の、低周波振動子１５側には引き出し電極２８Ａ、２９、３１Ａが設けられ、低周波振動子１６側には引き出し電極２８Ｂ、３０、３１Ｂが設けられている。高周波振動子１２、１３上と、低周波振動子１５、１６上とに配置されたドライブ電極２５は、引き出し電極２８Ａ、２８Ｂに引き出されている。すなわち、ドライブ電極２５は引き出し電極２８Ａから低周波振動子１５の上、高周波振動子１２の上、ミラー部１１の上、高周波振動子１３の上、低周波振動子１６の上を経由して引き出し電極２８Ｂに接続されている。

また図１Ｂに示すように、高周波振動子１２、１３上およびミラー部１１上に配置された第１モニター電極２６は、低周波振動子１５上に引き出され、さらに引き出し電極２９に引き出されている。すなわち、低周波振動子１５上に設けられた第１モニター電極２６は、低周波振動子１５上から支持体１７上に延び、支持体１７上に設けられた引き出し電極２９と接続されている。

低周波振動子１６上に配置された第２モニター電極２７は、引き出し電極３０に引き出されている。ドライブ素子１８、第１モニター素子１９、第２モニター素子２０を形成する下部電極層２２は引き出し電極３１Ａ、３１Ｂに引き出されている。

なお、支持体１７内、特に引き出し電極の直下には、ドライブ素子１８および第１モニター素子１９、第２モニター素子２０のそれぞれの下部電極層２２が接続される内層電極（図示せず）が積層形成されており、引き出し電極３１Ａ、３１Ｂはこの内層電極を介して下部電極層２２に接続されている。

次に光学反射素子１０を構成する各部材の組成に関して説明する。基材２１は、シリコンウエハ、金属、ガラスまたはセラミック基板などの弾性、機械的強度および高いヤング率を有する材料で構成することが生産性の観点から好ましい。例えば、金属、水晶、ガラス、石英またはセラミック材料を用いることが機械的特性と入手性の観点から好ましい。さらにシリコン、チタン、ＭｇＯ、ステンレス、エリンバー、黄銅合金などの金属は、光学反射素子１０の振動特性、加工性の点で好ましい。

なお、基材２１にシリコン等の導電性材料を用いた場合は、基材２１と下部電極層２２との間に絶縁層を形成させ、基材２１と下部電極層２２とを電気的に絶縁しておけばよい。この時、絶縁層としては、二酸化珪素が望ましい。

圧電体層２３に用いる圧電体材料としては、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）などの高い圧電定数を有する圧電体材料が望ましい。

絶縁体層２４に用いる材料としては、永久レジストが挙げられる。この種のレジストは、エポキシ樹脂をベースとした化学増幅系のネガ型レジストであり、露光時に強酸が生成されることにより、露光後の熱処理により酸を触媒として、樹脂の架橋反応が進む。そのため、通常の有機溶剤や酸・アルカリ等への耐性が高い。

なお、圧電体層２３の全面に、絶縁体層２４を塗布し、露光することで、圧電体層２３上に絶縁体層２４のパターンを形成することができる。その後１８０〜２００℃で熱処理することで、さらに架橋反応を促進させ、通常の有機溶剤や酸・アルカリ等への耐性を向上することができる。

絶縁体層２４として永久レジスト以外に、二酸化珪素や、シリコンナイトライド等を用いてもよい。これらは、フォトリソグラフィーやドライエッチング等によりパターン形成することができる。

下部電極層２２としては白金を用いることにより、圧電体層２３の結晶性を向上させることができる。上部電極層であるドライブ電極２５、第１モニター電極２６、第２モニター電極２７の材料としては金、チタン／金等が挙げられる。

なお、下部電極層２２、圧電体層２３、上部電極層は、蒸着、ゾル・ゲル、ＣＶＤ、スパッタ法等により薄膜化して積層することができる。

なお、図２、図３に示すように、ミラー部１１の上面の大部分はアルミニウム等の反射率の高い材料で構成された反射部１１Ａに覆われている。ミラー部１１の上面の、反射部１１Ａが形成された以外の部分に第１モニター電極２６とドライブ電極２５が形成されている。なおミラー部１１の上面の大部分を第１モニター電極２６で覆ってもよい。このような第１モニター電極２６の上にさらにアルミニウム等の反射率の高い材料を積層してもよい。また、図２、図３に示すミラー部１１は、基材２１と下部電極層２２と圧電体層２３とを有するが、この構成に限定されない。例えばミラー部１１のこの部分に下部電極層２２と圧電体層２３を設けずに、上面が高周波振動子１２、１３の圧電体層２３の上面と同じ平面上にある基材のみで構成してもよい。

次に、本実施の形態における光学反射素子の駆動方法を、図４を参照しながら説明する。図４は光学反射素子１０の駆動回路を説明するためのブロック図である。

まず、増幅器３２に高周波振動子１２、１３を駆動させる電気信号（交流電圧）が入力され、増幅される。また増幅器３２と並列して配置された増幅器３３には、低周波振動子１５、１６を駆動させる電気信号（交流電圧）が入力され、増幅される。

なお、高周波振動子１２、１３には、高周波振動子１２、１３に固有の振動周波数を有する電気信号が入力され、高周波振動子１２、１３が共振駆動される。また低周波振動子１５、１６には、低周波振動子１５、１６に固有の振動周波数を有する電気信号が入力され、低周波振動子１５、１６が共振駆動される。これにより、常に共振周波数にて駆動されるので、高周波振動子１２、１３および低周波振動子１５、１６を効率よく駆動させることができ、変位を増大させ、大きな振れ角を得ることができる。

そして前述の電気信号は、それぞれ抵抗器などのインピーダンス素子３４、３５を介して合成され、引き出し電極２８Ａ、２８Ｂに供給される。

そしてこの合成された電気信号は、引き出し電極２８Ａ、２８Ｂから低周波振動子１５、１６および高周波振動子１２、１３に共通のドライブ電極２５に流れ、それぞれのドライブ素子１８が駆動される。

また、高周波振動子１２、１３上に配置された第１モニター素子１９の第１モニター電極２６は、高周波振動子１２、１３の変位を電気信号として検知する。そしてその電気信号は、低周波振動子１５上に形成された第１モニター電極２６を介して、引き出し電極２９へ引き出される。また低周波振動子１６上に配置された第２モニター素子２０の第２モニター電極２７は、低周波振動子１６の変位を電気信号として検知する。その電気信号は、引き出し電極３０へ引き出される。

引き出し電極２９に引き出された電気信号は、フィルター３６を介して取り出され、再び増幅器３２に入力される。同様に、引き出し電極３０に引き出された電気信号も、フィルター３７を介して取り出され、再び増幅器３３に入力される。このように第１モニター電極２６、第２モニター電極２７から出力される電気信号は、高周波振動子１２、１３、低周波振動子１５、１６にあるドライブ電極２５にフィードバックされる。これにより、光学反射素子１０が自励駆動される。

なお、インピーダンス素子３４、３５としては、前述の抵抗器以外にも、コンデンサやコイル等のリアクタンス素子、あるいは、インピーダンス素子とリアクタンス素子との組み合わせ等も挙げられる。

なお上述の説明では、高周波振動子１２、１３と、低周波振動子１５、１６のドライブ素子１８には、合成した電気信号が印加される。そのため、共通の上部電極層であるドライブ電極２５が高周波振動子１２、１３と、低周波振動子１５、１６に形成され、図１Ａに示すように引き回されている。しかしながら、その他の回路構成によって光学反射素子１０を駆動させることもできる。例えば高周波振動子１２、１３のドライブ電極と、低周波振動子１５、１６のドライブ電極２５とは、互いに電気的に独立するように形成してもよい。

次に光学反射素子１０の動作について説明する。図２に示したように、高周波振動子１２、１３の振動板１２Ａ〜１２Ｄ、１３Ａ〜１３Ｄ上には、一本置きに幅広のドライブ素子１８（ドライブ電極２５）が形成されている。したがって、ドライブ電極２５に、高周波振動子１２、１３の共振周波数の交流電圧（電気信号）を印加することによって、幅広のドライブ素子１８が形成された振動板１２Ａ、１２Ｃ、１３Ａ、１３Ｃは、その厚み方向にたわみ振動を起こす。そして振動板１２Ａ、１２Ｃ、１３Ａ、１３Ｃと隣接する振動板１２Ｂ、１２Ｄ、１３Ｂ、１３Ｄは、共振の原理により、逆方向にたわみ振動を起こす。したがって、振動板１２Ａ〜１２Ｄ、１３Ａ〜１３Ｄは交互に逆位相に振動し、図５に示すように中心軸Ｓ１を中心に変位が蓄積される。そのため、ミラー部１１を、中心軸Ｓ１を中心に大きく反復回転振動させることができる。

なお振動板１２Ａ、１２Ｃ、１３Ａ、１３Ｃと隣接する振動板１２Ｂ、１２Ｄ、１３Ｂ、１３Ｄ上には、幅細のドライブ素子１８が形成されている。そのため振動板１２Ｂ、１２Ｄ、１３Ｂ、１３Ｄには実質的に電圧は殆ど印加されない。このため、振動板１２Ｂ、１２Ｄ、１３Ｂ、１３Ｄは振動板１２Ａ、１２Ｃ、１３Ａ、１３Ｃと逆位相に変位する。

同様に、図３に示すように、低周波振動子１５、１６の振動板１５Ａ〜１５Ｅ、１６Ａ〜１６Ｅ上には、一本置きに幅広のドライブ素子１８（ドライブ電極２５）が形成されている。したがって、ドライブ電極２５に、低周波振動子１５、１６の共振周波数の交流電圧（電気信号）を印加すると、振動板１５Ａ、１５Ｃ、１５Ｅ、１６Ａ、１６Ｃ、１６Ｅは、その厚み方向にたわみ振動を起こす。そして振動板１５Ａ、１５Ｃ、１５Ｅ、１６Ａ、１６Ｃ、１６Ｅと隣接する振動板１５Ｂ、１５Ｄ、１６Ｂ、１６Ｄは、共振の原理により、逆方向にたわみ振動を起こす。したがって、振動板１５Ａ〜１５Ｅ、１６Ａ〜１６Ｅは交互に逆位相に振動し、中心軸Ｓ２を中心に変位が蓄積される。そのため、ミラー部１１を、中心軸Ｓ２を中心に大きく反復回転振動させることができる。

なお振動板１５Ａ、１５Ｃ、１５Ｅ、１６Ａ、１６Ｃ、１６Ｅと隣接する振動板１５Ｂ、１５Ｄ、１６Ｂ、１６Ｄ上には、幅細のドライブ素子１８が形成されている。そのため振動板１５Ｂ、１５Ｄ、１６Ｂ、１６Ｄには実質的に電圧は殆ど印加されない。このため、振動板１５Ｂ、１５Ｄ、１６Ｂ、１６Ｄは振動板１５Ａ、１５Ｃ、１５Ｅ、１６Ａ、１６Ｃ、１６Ｅと逆位相に変位する。

以上の構成により光学反射素子１０では、ミラー部１１を、その中心を不動点としながら、二軸方向に回動させることができる。

次に本実施の形態における効果を説明する。光学反射素子１０では、低周波振動子１５上に引き回された第１モニター電極２６は、圧電体層２３の不感帯で引き回されている。具体的には、低周波振動子１５を構成する振動板１５Ａ〜１５Ｅ上に配置された第１モニター電極２６と圧電体層２３との間に、抵抗値の高い絶縁体層２４が設けられている。これにより、低周波振動子１５での余分な高次振動モードの信号によるスプリアス共振ノイズを大幅に抑制することができる。そのため、モニター信号のＳ／Ｎ比を向上し、第１モニター素子１９の検出精度を高め、光学反射素子１０を高精度に自励駆動させることができる。したがって、モニター信号を確実に捉えることができ、共振周波数のばらつきによらず、安定して大きな振れ角を得ることができる。

なお、駆動周波数を増大させるとインピーダンスが小さくなる。そのため本実施の形態の構成は、特に高周波で駆動させる高周波振動子１２の第１モニター素子１９の検出精度を高めるために有用である。

またドライブ電極２５は、高周波振動子１２、１３、低周波振動子１５、１６に共通である。そのため、光学反射素子１０上に引き回す電極の配線数を減らすことができ、生産効率を高めるとともに、電極間の干渉も低減することができる。

また、高周波振動子１２、１３および低周波振動子１５、１６は、それぞれ共振の原理を用いて、一本のドライブ電極２５で振動板１２Ａ〜１２Ｄ、１３Ａ〜１３Ｄと、振動板１５Ａ〜１５Ｅ、１６Ａ〜１６Ｅとを交互に逆位相に振動させ、変位を蓄積させることができる。そのため、高い駆動効率を維持しながら、電極の配線数を減らすことができる。

なお、高周波振動子１２、１３とミラー部１１との接続位置と、高周波振動子１２、１３と枠体１４との接続位置とが、振動軸に関して互いに反対の位置にあることが望ましい。このような構造にすることにより、振動軸をミラー部１１の中心部を通るＳ１軸に接近することが可能となり、より大きなミラー振幅を得ることが可能となる。

なお、高周波振動子１２、１３は、隣り合う振動板を接続し、中心軸Ｓ１に平行な折れ曲がり部を有する。各振動板の中心軸Ｓ２に平行な方向の長さを変え、この折れ曲がり部を中心軸Ｓ１に直交する方向、つまり中心軸Ｓ２に平行な方向に移動させてもよい。このような構造変化により、高周波振動子１２、１３の共振周波数を変えても、ミラー部１１中心部を通るＳ１軸に振動軸を接近させることができる。そのため大きなミラー振幅を得ることができる。

なお、本実施の形態においては、二つの電気信号を、インピーダンス素子を介して合成したが、例えば前置アンプ、飽和アンプ、帯域フィルターと、加算合成回路を介して合成してもよい。この場合は、能動素子で回路が構成されるため、これらをＩＣチップ化することができ、実装工程を合理化できる。

なお、高周波振動子１２、１３、低周波振動子１５、１６の形状をミアンダ形としたが、これに限定されず、例えばカンチレバー型、十字形型、音叉型、各種形状であっても応用が可能である。

次に光学反射素子のさらに好ましい構造に関して、図６を参照しながら説明する。図６は本発明の実施の形態１における他の光学反射素子の低周波振動子の断面を示す図である。

図６に示す光学反射素子１０Ａでは、ドライブ素子１８と第１モニター素子１９あるいは、ドライブ素子１８と第２モニター素子２０との間に分断溝３８が設けられている。これ以外の構成は図１Ａ〜図３に示した光学反射素子１０と同様である。

分断溝３８は、基材２１にまで形成されており、その底部は基材２１で溝３９を形成している。なお分断溝３８は、ドライブ素子１８における下部電極層２２と第１モニター素子１９における下部電極層２２とを分断する深さを有していればよい。また、ドライブ素子１８における下部電極層２２と第２モニター素子２０における下部電極層２２とを分断する深さを有していればよい。このような構成により、ドライブ素子１８と第１モニター素子１９あるいはドライブ素子１８と第２モニター素子２０とが分離して配置される。そのため、ドライブ素子１８と第１モニター素子１９あるいは第２モニター素子２０とが電気的に絶縁されている。

なお、分断溝３８、溝３９は、以下のようにして形成することができる。まず、ドライブ電極２５あるいは、第１モニター電極２６、第２モニター電極２７、絶縁体層２４をドライエッチングあるいはウェットエッチング等でパターニングする。このようにして分断溝３８を形成する。その後、圧電体層２３、下部電極層２２を順次ドライエッチングでパターニングする。このようにして溝３９を形成する。

なお、基材２１をシリコン等の導電性材料で形成した場合には、基材２１と下部電極層２２との間に絶縁層をさらに設ける。分断溝３８の底部（溝３９）が絶縁体層２４またはその下層の基材２１に達するように分断溝３８を形成することで、確実にドライブ電極２５と第１モニター電極２６あるいはドライブ電極２５と第２モニター電極２７を電気的に絶縁することができる。このとき、絶縁層としてはシリコンの自然酸化膜や熱酸化膜である二酸化珪素が望ましい。

このような構成により、光学反射素子１０Ａでは、低周波振動子１５での余分な高次振動モードのノイズ信号を大幅に抑制するとともに、ドライブ素子１８および第１モニター素子１９間でのリークを低減することで、第１モニター電極２６の検出精度を高め、光学反射素子１０Ａを高精度に自励駆動させることができる。

すなわち光学反射素子１０Ａでは、第１モニター素子１９と第２モニター素子２０の下部電極層２２と、ドライブ素子１８の下部電極層２２とを、分断溝３８により電気的に絶縁する。したがって、高次振動モードの信号によるスプリアス共振ノイズを抑制し、さらに、第１モニター素子１９とドライブ素子１８との間、または第２モニター素子２０とドライブ素子１８との間にリーク電流が流れるのを抑制できる。

さらに、高周波振動子１２、１３、低周波振動子１５、１６いずれにおいても、基材２１に溝３９が形成されるまでエッチングする。これによって、ドライブ電極２５と、第１モニター電極２６および第２モニター電極２７とが、下部電極層２２の残渣で容量結合あるいは導通しないよう、下部電極層２２をほぼ確実に分離できる。したがって、下部電極層２２の配線距離が長くても、ドライブ電極２５と第１モニター電極２６との間あるいは、ドライブ電極２５と第２モニター電極２７との間のリーク電流を低減できる。

ここで、大振幅が必要とされる光学反射素子１０Ａにおいては、高周波振動子１２、１３、低周波振動子１５、１６をミアンダ形とする場合があり、振動子の梁長が非常に長くなる。さらに、第１モニター電極２６は、低周波振動子１５上に引き回される構成となっているため、さらに振動子の梁長が長くなる。この場合は、下部電極層２２の配線距離も長くなることから、下部電極層２２の接地が十分でないと考えられる。このように下部電極層２２の接地が十分でない状態となっても、分断溝３８を設けることにより、第１モニター素子１９とドライブ素子１８との間、または第２モニター素子２０とドライブ素子１８との間のリーク電流を低減することができる。

また、分断溝３８を基材２１に到達するまで形成することにより、導電体物質あるいは誘電体物質が付着しにくくなり、よりリークを低減することができる。

なお、溝３９の底面はフラットに形成されているが、断面から見たときに溝３９の形状を、その外周から中央に向けて深くなるように構成してもよい。この構成により、ドライブ素子１８の下部電極層２２と第１モニター素子１９の下部電極層２２との間の絶縁距離が長くなり、リークを低減できる。また溝３９に導電体成分や誘電体成分が付着しても、底面がフラットな場合に比べて実距離が長くなる。そのため、ドライブ素子１８の下部電極層２２と第１モニター素子１９の下部電極層２２との間、あるいはドライブ素子１８の下部電極層２２と第２モニター素子２０の下部電極層２２との間のリークをより低減することができる。

（実施の形態２）
以下、本発明の実施の形態２における光学反射素子１０Ｂに関して、図７を用いて説明する。図７は本発明の実施の形態２における光学反射素子の低周波振動子の断面を示す図である。なお、実施の形態１と同様の構成を有するものについては、その説明を省略し、相違点について詳述する。

光学反射素子１０Ｂでは、低周波振動子１５の振動板１５Ａ〜１５Ｅ上の基材２１の上に絶縁体層２４Ａが設けられ、第１モニター電極２６は絶縁体層２４Ａの上に設けられている。つまり、第１モニター電極２６の下に圧電体層２３と下部電極層２２とが設けられず、絶縁体層２４Ａと基材２１のみが設けられて第１モニター素子１９Ａが構成されている。この点が実施の形態１と異なる。なお図７では低周波振動子１６は図６と同様の構造を有しているが、図２と同様の構造を有していてもよい。また絶縁体層２４Ａは実施の形態１の絶縁体層２４と同様の材料で構成することができる。

このような構成でも第１モニター電極２６は圧電体層２３の不感帯である絶縁体層２４Ａの上に設けられている。絶縁体層２４Ａは第１モニター電極２６と圧電体層２３の間に設けられている。この構成でも圧電体層２３の圧電作用が第１モニター電極２６に及ぶことが抑制される。すなわち、低周波振動子１５での余分な高次振動モードのノイズ信号が第１モニター電極２６に影響することを大幅に抑制することができる。またドライブ素子１８と第１モニター素子１９Ａの間でのリークが低減され、第１モニター電極２６の検出精度を高め、光学反射素子１０Ｂを高精度に自励駆動させることができる。またこの構造は実施の形態１の図６の構造と比較して、微細加工しやすい。そのため、素子の小型化や生産性の点で優れる。

次に、上述した実施の形態の図６の構成及び実施の形態２の構成で光学反射素子１０Ａ、１０Ｂを形成し、それぞれのＳ／Ｎ比改善の効果を検証した結果について、図８Ａ〜図９Ｃを参照しながら説明する。

図８Ａは、本発明の実施の形態による光学反射素子および従来の光学反射素子の第１モニター素子のノイズ信号レベルを示す周波数特性図で、図８Ｂはその拡大図であり、ピークＢ付近を示している。横軸は駆動周波数、縦軸は第１モニター素子からのノイズ信号レベルを示す。なおピークＡは光学反射素子の駆動周波数（基本モード）を示し、ピークＢはこの駆動振動で誘発される高次の振動モードを示している。本実施例では、ピークＡは概ね１００００Ｈｚ付近に設定され、ピークＢは２００００Ｈｚ付近で生じる。

図９Ａに示す参照用の従来の光学反射素子は、ドライブ素子９７とモニター素子９８とを有する。ドライブ素子９７は基材９１と下部電極層９２と圧電体層９３とドライブ電極９４で構成されている。モニター素子９８は、基材９１と下部電極層９２と圧電体層９３と第１モニター電極９５で構成されている。ドライブ素子９７とモニター素子９８は、下部電極層９２と基材９１の一部を貫通する分断溝９６で分離されている。実施の形態１の構成では、図９Ｂに示すように、ドライブ素子１８とモニター素子１９とが分断溝３８で分離されるとともに、第１モニター電極２６と圧電体層２３の間に絶縁体層２４が設けられている。実施の形態２の構成では、図９Ｃに示すように、圧電体層２３を下部電極層２２及び基材２１の一部とともに除去した後、絶縁体層２４Ａと第１モニター電極２６が形成されている。すなわち、分断溝を形成せずにドライブ素子１８と第１モニター素子１９Ａとが分離されている。

図８Ａ、図８Ｂから明らかなように、実施の形態１および実施の形態２の構成とすることで、高次の振動モードであるピークＢに対応する周波数において、ノイズ信号レベルが大きく減衰し、かつ周波数特性が平坦となっていることがわかる。

このように、本実施の形態における第１モニター素子の構成を採用することにより、駆動信号によって生じる高次モードの信号を第１モニター素子に対して確実に分離、低減することができる。その結果、第１モニター素子からの信号のＳ／Ｎ比を高めて光学反射素子を高精度に駆動することができる。

本発明の光学反射素子は、従来に比べて高精度に自励駆動することが可能であり、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像投影装置に利用できる。

１０，１０Ａ，１０Ｂ 光学反射素子
１１ ミラー部
１１Ａ 反射部
１２，１３ 高周波振動子
１２Ａ，１２Ｂ，１２Ｃ，１２Ｄ，１３Ａ，１３Ｂ，１３Ｃ，１３Ｄ 振動板
１４ 枠体
１５，１６ 低周波振動子
１５Ａ，１５Ｂ，１５Ｃ，１５Ｄ，１５Ｅ，１６Ａ，１６Ｂ，１６Ｃ，１６Ｄ，１６Ｅ 振動板
１７ 支持体
１８ ドライブ素子
１９，１９Ａ 第１モニター素子
２０ 第２モニター素子
２１，９１ 基材
２２，９２ 下部電極層
２３，９３ 圧電体層
２４，２４Ａ 絶縁体層（不感帯）
２５，９４ ドライブ電極
２６，９５ 第１モニター電極
２７ 第２モニター電極
２８Ａ，２８Ｂ，２９，３０，３１Ａ，３１Ｂ 引き出し電極
３２，３３ 増幅器
３４，３５ インピーダンス素子
３６，３７ フィルター
３８，９６ 分断溝
３９ 溝

Claims (10)

1. 枠形状の支持体と、
   前記支持体の内側に第１端が接続された第１低周波振動子と、
   前記支持体の内側に第１端が接続された第２低周波振動子と、
   前記第１、第２低周波振動子の第２端が、外側に接続され、前記第１、第２低周波振動子の間に配置された枠体と、
   前記枠体の内側に第１端が接続された第１高周波振動子と、
   前記枠体の内側に第１端が接続された第２高周波振動子と、
   前記第１、第２高周波振動子の第２端に接続され、前記第１、第２高周波振動子の間に配置されたミラー部と、を備え、
   前記第１、第２高周波振動子は、前記第１、第２高周波振動子の第１中心軸の回りに前記ミラー部を回動させるための第１駆動部と、前記ミラー部の回動量を測定するための第１モニター素子とを有し、
   前記第１駆動部は、基材と、前記基材の上に設けられた下部電極層と、前記下部電極層の上に設けられた圧電体層と、前記圧電体層の上に設けられたドライブ電極とを有し、前記第１モニター素子は、前記第１駆動部と共通な前記基材と前記下部電極層と前記圧電体層と、前記圧電体層の上に設けられた第１モニター電極を有し、
   前記第１、第２低周波振動子は、前記第１中心軸に垂直な第２中心軸の回りに前記枠体と前記ミラー部とを回動させるための第２駆動部を有し、前記第２駆動部は前記第１駆動部と共通な前記基材と前記下部電極層と前記圧電体層と前記ドライブ電極で構成され、
   前記第１低周波振動子はさらに、前記第１、第２高周波振動子と共通な前記第１モニター電極と、前記第１モニター電極と前記圧電体層との間に形成され、前記圧電体層の圧電作用が前記第１モニター電極に及ぶのを抑制する不感帯としての絶縁体層とを有し、
   前記第２低周波振動子はさらに、前記枠体と前記ミラー部の回動量を測定するための第２モニター素子を有し、
   前記第１低周波振動子上に設けられた前記第１モニター電極は、前記第１低周波振動子の上から前記支持体に延び、前記支持体に設けられた引き出し電極と接続されている、
   光学反射素子。
2. 前記第１低周波振動子において、前記絶縁体層は前記基材の上方に設けられた前記圧電体層の上に設けられ、前記第１モニター電極は前記絶縁体層の上に設けられた、
   請求項１記載の光学反射素子。
3. 前記第１低周波振動子において、前記絶縁体層は前記基材の上に設けられ、前記第１モニター電極は前記絶縁体層の上に設けられた、
   請求項１記載の光学反射素子。
4. 前記第１低周波振動子の前記ドライブ電極と前記第１モニター電極の間、第２低周波振動子の前記ドライブ電極と前記第２モニター電極の間、前記第１、第２高周波振動子の前記ドライブ電極と前記第１モニター電極の間にそれぞれ分断溝が設けられ、前記分断溝は、少なくとも前記下部電極層を分断する深さを有する、
   請求項１記載の光学反射素子。
5. 前記第１、第２低周波振動子と前記第１、第２高周波振動子の共振周波数比は１０〜２００倍程度である、
   請求項１記載の光学反射素子。
6. 前記第１、第２低周波振動子と前記第１、第２高周波振動子の共振周波数比は５０倍程度である、
   請求項５記載の光学反射素子。
7. 前記第１、第２高周波振動子の第１駆動部と前記第１、第２低周波振動子の第２駆動部は、前記第１中心軸と前記第２中心軸とが前記ミラー部の重心で直交するように設けられている、
   請求項１記載の光学反射素子。
8. 前記分断溝の底部の面は平坦である、請求項４に記載の光学反射素子。
9. 前記分断溝の断面は外周から中央に向けて深くなる、請求項４に記載の光学反射素子。
10. 前記第１、第２高周波振動子は、隣り合う振動板を接続し、前記第１中心軸に平行な折れ曲がり部を有する、
    請求項１記載の光学反射素子。

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