WO2021193669A1 - 光学反射素子、および光学反射システム - Google Patents

光学反射素子、および光学反射システム Download PDF

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tuning fork
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健介 水原
小牧　一樹
高山　了一
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パナソニックＩｐマネジメント株式会社
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    • B06B—METHODS OR APPARATUS FOR GENERATING OR TRANSMITTING MECHANICAL VIBRATIONS OF INFRASONIC, SONIC, OR ULTRASONIC FREQUENCY, e.g. FOR PERFORMING MECHANICAL WORK IN GENERAL
    • B06B1/00—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency
    • B06B1/02—Methods or apparatus for generating mechanical vibrations of infrasonic, sonic, or ultrasonic frequency making use of electrical energy
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B7/00—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems
    • B81B7/02—Microstructural systems; Auxiliary parts of microstructural devices or systems containing distinct electrical or optical devices of particular relevance for their function, e.g. microelectro-mechanical systems [MEMS]

Definitions

  • the present invention relates to an optical reflection element that reciprocates an irradiation position such as a laser beam by reflection, and an optical reflection system.
  • the above optical reflecting element When the above optical reflecting element is used as an image display element or the like, it is desired to increase the frequency of the rotational vibration of the reflector.
  • the driving frequency of the driving means for vibrating the tuning fork oscillator when the driving frequency of the driving means for vibrating the tuning fork oscillator is increased, the torque required for the rotational vibration of the reflector increases and the life until the optical reflecting element is damaged is shortened. I found it. Further, in order to secure a long life while maintaining a high frequency, it is necessary to reduce the runout angle of the reflector.
  • an object of the present invention is to provide an optical reflection element and an optical reflection system capable of prolonging the service life while suppressing a decrease in the deflection angle even if the frequency of the rotational vibration of the reflector is increased.
  • the optical reflecting element which is another one of the present invention, includes a group of vibrators having a plurality of tuning fork vibrators connected so that vibration centers are arranged on a virtual rotation axis, a reflector, and the vibrator group. It is provided with a support portion for connecting the reflector and the reflector, and a substrate to which the oscillator group is oscillatedly connected.
  • the optical reflection element which is another one of the present invention, includes a pair of oscillator groups having a plurality of tuning fork oscillators connected so that vibration centers are arranged on a virtual rotation axis, and a pair of the oscillator groups.
  • a reflector arranged between the two, a pair of support portions for connecting the pair of the vibrator group and the reflector, and a substrate to which the pair of the vibrator groups are oscillatedly connected are provided. ..
  • the optical reflection system which is another one of the present invention, is between a group of vibrators having a plurality of sound fork vibrators connected so that vibration centers are arranged on a virtual rotation axis and the group of vibrators.
  • the optical reflection system which is another one of the present invention, includes a pair of vibrators having a plurality of sound fork vibrators connected so that vibration centers are arranged on a virtual rotation axis, and a pair of the vibrators.
  • a reflector arranged between the groups, a pair of support portions for connecting the pair of the vibrator group and the reflector, and a substrate and the rotation of which the pair of the vibrator groups are oscillatedly connected to each other.
  • a drive means for driving the sound fork vibrator so that the rotational vibrations of the sound fork vibrators in the vibrator group are in phase with each other around the axis is provided.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an optical reflection element and an optical reflection system according to the first embodiment.
  • FIG. 2 is a perspective view showing a modified example of the optical reflecting element.
  • drawings are schematic drawings in which emphasis, omission, and ratio are adjusted as appropriate to show the present invention, and may differ from the actual shape, positional relationship, and ratio.
  • FIG. 1 is a perspective view showing an optical reflection system according to the embodiment.
  • the optical reflection system 200 is a system including an optical reflection element 100 and a driving means 210, which periodically changes the reflection angle of light such as laser light to periodically sweep the irradiation position of the laser light.
  • the optical reflecting element 100 includes a tuning fork oscillator 110, a reflector 120, a support portion 130, and a base 140.
  • the optical reflecting element 100 is formed by removing unnecessary portions of the silicon substrate by using an etching technique used in the semiconductor manufacturing process.
  • the plurality of tuning fork oscillators 110, the reflector 120, the plurality of support portions 130, and the substrate 140 are integrally molded.
  • the optical reflecting element 100 is a so-called MEMS (Micro Electro Mechanical Systems).
  • a drive member 211 included in the drive means 210 and a monitor element (not shown) for detecting the drive state of the tuning fork oscillator 110 are formed on the surface of the optical reflection element 100 by MEMS technology. There is.
  • the material constituting the optical reflecting element 100 is not particularly limited, but a material having mechanical strength and a high Young's modulus such as metal, crystal, glass, and resin is preferable. Specifically, metals and alloys such as silicon, titanium, stainless steel, Elinvar, and brass alloys can be exemplified. By using these metals, alloys, and the like, it is possible to realize an optical reflecting element 100 having excellent vibration characteristics and workability.
  • the tuning fork vibrator 110 is a member that generates vibration of a specific frequency (frequency) by the driving means 210, and includes a pair of arms 111, a connecting portion 112 that connects the ends of the pair of arms 111, and a tuning fork vibration. It includes a connecting portion 113 that connects the child 110 to another portion.
  • the pair of arms 111 are arranged in parallel along the rotation axis in a plane including the rotation axis 299.
  • the pair of arms 111 are arranged substantially line-symmetrically with respect to the rotation axis 299.
  • the connecting portion 112 is arranged so as to be orthogonal to the arm 111 in the plane where the pair of arms 111 are arranged.
  • the connecting portion 113 extends along the rotating shaft 299 so that the rotating shaft 299 passes through the inside of the plane on which the pair of arms 111 are arranged.
  • the connecting portion 113 is arranged in a protruding state with respect to the connecting portion 112 in a direction opposite to the protruding direction of the arm 111.
  • a plurality of tuning fork oscillators 110 are arranged on both sides of the reflector 120 in the direction of the rotation axis 299.
  • a plurality of tuning fork oscillators 110 arranged on one side of the reflector 120 are referred to as oscillator group 101.
  • the tuning fork vibrators 110 are arranged on the same plane, and are connected in a straight line so that the vibration centers of the tuning fork vibrators 110 are all arranged on the rotation axis 299.
  • the vibrator group 101 includes at least a tuning fork vibrator 110 connected to the base 140 and a tuning fork vibrator 110 connected to the base 140.
  • the pair of vibrator groups 101 are arranged with the reflector 120 interposed therebetween so that the distance from the reflector 120 is equidistant in one plane.
  • the plurality of tuning fork vibrators 110 included in the vibrator group 101 are arranged so that all the sides to which the connecting portion 112 is not connected (hereinafter referred to as "open end side") face the reflector 120.
  • the pair of vibrator groups 101 have a shape that is substantially the same as the resonance frequency of the rotation vibration of the reflector 120.
  • the shapes of all the tuning fork oscillators 110 except for the connecting portion 113 are substantially the same, and each tuning fork oscillator 110 has a shape in which the resonance frequencies are substantially the same.
  • the torsional rigidity of the connecting portion between the base 140 and the vibrator group 101 that is, the torsional rigidity of the connecting portion 113 of the tuning fork vibrator 110 directly connected to the base 140 connects the tuning fork vibrators 110 to each other in the tuning fork group 101. It is set stronger than the torsional rigidity of the connecting portion 113.
  • the connecting portion 113 of the sound fork oscillator 110 on the side closer to the reflector 120 and the connecting portion 113 of the sound fork oscillator 110 on the side farther from the reflector 120 have a cross-sectional area orthogonal to the rotation axis 299.
  • the cross-sectional shape is substantially the same, by shortening the length of the connecting portion 113 on the side far from the reflecting body 120, the torsional rigidity of the connecting portion 113 on the side closer to the reflecting body 120 is increased from the reflecting body 120. The torsional rigidity of the connecting portion 113 on the far side is increased.
  • the reflector 120 is a portion that is arranged between a pair of vibrator groups 101, rotates and vibrates (rotationally swings) around a rotation axis 299, and reflects light.
  • the shape of the reflector 120 is not particularly limited, but in the case of the present embodiment, a reflecting portion 121 which has a rectangular plate shape and can reflect the light to be reflected with a high reflectance is formed on the surface. I have.
  • the material of the reflective portion 121 can be arbitrarily selected, and examples thereof include metals such as gold, silver, copper, and aluminum, and metal compounds. Further, the reflective portion 121 may be composed of a plurality of layers. Further, the reflecting portion 121 may be provided by polishing the surface of the reflecting body 120 smoothly.
  • the reflecting portion 121 may be a curved surface as well as a flat surface.
  • the support portion 130 is a rod-shaped portion that connects the pair of vibrator groups 101 and the reflector 120, which are arranged on both sides of the reflector 120 along the rotation axis 299, and functions as a torsion bar.
  • the support portion 130 is arranged so that the rotation shaft 299 passes through the inside.
  • the support portion 130 is a portion that transmits the torque generated in each vibrator group 101 to the reflector 120 in order to rotationally vibrate the reflector 120, and is reflected by the support portion 130 twisting around the rotation shaft 299.
  • the reflector 120 can be rotationally vibrated while holding the body 120.
  • the shape of the support portion 130 is not particularly limited, but is a member that rotates and vibrates the reflector 120 by twisting itself.
  • the torsional rigidity of the support portion 130 is the tuning fork. It is set to be weaker than the torsional rigidity of the connecting portion of the tuning fork oscillators 110 in the group 101, that is, the torsional rigidity of the connecting portion 113 of the tuning fork oscillator 110 on the side closer to the reflector 120.
  • the cross-sectional area of the support portion 130 in the cross section orthogonal to the rotation axis 299 is set to be smaller than the cross-sectional area of the connecting portion 113 of the tuning fork oscillator 110 close to the reflector 120.
  • the width of the supporting portion 130 (the length in the Y-axis direction in the drawing) is connected. It is narrower than the part 113.
  • One end of the support 130 is integrally connected to the central position of the reflector 120 in a direction orthogonal to the rotation axis 299 of the plane on which the tuning fork oscillator 110 is arranged, and the other end of the support 130 is arranged inside. It is connected to the center of the connecting portion 112 of the pair of tuning fork oscillators 110 to be formed.
  • the cross-sectional shape of the support portion 130 perpendicular to the rotation axis 299 is rectangular, and the thickness of the support portion 130 is the same as that of the reflector 120 and other parts.
  • the support portion 130 has the same cross-sectional shape from the reflector 120 to the pair of vibrator groups 101.
  • the substrate 140 is a portion that is oscillatedly connected to the pair of vibrator groups 101, and is a portion for attaching the optical reflecting element 100 to an external structural member or the like.
  • the base 140 is a rectangular frame-shaped member in which the pair of vibrator groups 101, the reflector 120, and the support portion 130 are arranged inside, and the surface on which the tuning fork vibrator 110 is arranged. Is located in.
  • the driving means 210 is a device that generates a driving force that rotationally vibrates a pair of vibrator groups 101 in order to rotationally vibrate the reflector 120 around the rotating shaft 299.
  • the method by which the driving means 210 vibrates the tuning fork oscillator 110 is not particularly limited, and a device for vibrating the tuning fork oscillator 110 by causing a magnetic field, an electric field, or the like to act on the arm 111 of the tuning fork oscillator 110 can be exemplified. can.
  • the drive means 210 includes a drive member 211 provided on the surface of the arm 111 by MEMS technology, and a drive control device 212 that periodically deforms the drive member 211.
  • the drive member 211 is a member that generates a driving force for vibrating the open end side of the arm 111 in the circumferential direction centered on the rotation shaft 299.
  • the type of the drive member 211 is not particularly limited, and examples thereof include a piezoelectric element and a magnetostrictive element.
  • the driving member 211 is a piezoelectric element and is made of a material containing lead zirconate titanate (PZT).
  • PZT lead zirconate titanate
  • As the drive member 211 a thin film laminated piezoelectric actuator having a laminated structure in which an electrode and a piezoelectric body are laminated is adopted. As a result, the drive member 211 can be made thinner.
  • the mounting position of the drive member 211 is not particularly limited, but a position where the tuning fork oscillator 110 is efficiently vibrated is preferable.
  • the drive member 211 is provided on the surface of all the arms 111 of the tuning fork oscillator 110.
  • the pair of vibrator groups 101 can be strongly and integrally vibrated, the swing angle of the reflector 120 can be increased, and the reflector 120 can be rotated at a high frequency.
  • the drive member 211 has an elongated plate shape arranged on the surface of the arm 111 along the rotation shaft 299, and the drive member 211 repeatedly expands and contracts in the direction of the rotation shaft 299 by applying a voltage that fluctuates periodically.
  • the tuning fork oscillator 110 is vibrated.
  • the drive control device 212 is a device that supplies electric power (including magnetic force) that vibrates the tuning fork vibrator 110 by periodically deforming the drive member 211.
  • the drive control device 212 is connected to a wiring (not shown) provided on the surfaces of the substrate 140 and the tuning fork oscillator 110 and electrically connected to all the drive members 211 by MEMS technology. A voltage that changes periodically is supplied to the drive member 211.
  • the drive control device 212 drives the tuning fork vibrator 110 around the rotation shaft 299 so that the rotational vibrations of the tuning fork vibrator 110 in the tuning fork group 101 are in phase with each other. Further, the drive control device 212 periodically drives the pair of vibrator groups 101 around the rotation shaft 299 so that the rotation vibration of the reflector 120 has the opposite phase to the rotation vibration of the pair of vibrator groups 101. Voltage is supplied to the drive member 211.
  • the optical reflection element 100 is driven in order to rotate and vibrate the plurality of tuning fork oscillators 110 in the transducer group 101 in the same phase to cause the reflector 120 to rotate and vibrate.
  • the stress of time is dispersed and the runout angle leading to mechanical failure can be increased. Therefore, the reflector 120 can be rotationally vibrated at a high frequency and a high amplitude by a strong torque, and a long life can be ensured.
  • the driving means 210 drives the optical reflecting element 100 so that the rotational vibrations of the pair of vibrators 101 and the reflector 120 are opposite in phase, so that the individual tuning fork vibrators 110 rotate and vibrate in the same phase.
  • each tuning fork oscillator By adopting a structure in which the torsional rigidity becomes weaker in order from the connecting portion 113 of the tuning fork oscillator 110 away from the reflector 120 toward the connecting portion 113 of the tuning fork oscillator 110 closer to the reflector 120, each tuning fork oscillator The torque generated by the rotational vibration of the 110 can be effectively transmitted to the reflector 120, and the driving efficiency of the optical reflecting element 100 can be improved.
  • the bias of the stress during driving of the optical reflecting element 100 is suppressed, and the stress is reduced. It is possible to increase the deflection angle of the reflector 120, which leads to mechanical destruction of the optical reflecting element 100 due to concentration.
  • the present invention is not limited to the above embodiment.
  • another embodiment realized by arbitrarily combining the components described in the present specification and excluding some of the components may be the embodiment of the present invention.
  • the present invention also includes modifications obtained by making various modifications that can be conceived by those skilled in the art within the scope of the gist of the present invention, that is, the meaning indicated by the wording described in the claims, with respect to the above-described embodiment. Is done.
  • tuning fork vibration so that a part of the arm 111 of the other tuning fork oscillator 110 overlaps the arm 111 of one tuning fork oscillator 110 in the direction of the rotation axis 299.
  • the child 110 may be arranged. By arranging the tuning fork oscillator 110 in this way, it is possible to shorten the length of the optical reflecting element 100 in the rotation axis 299 direction.
  • the length of the connecting portion 113 of the tuning fork oscillator 110 in the rotation axis 299 direction may be substantially the same.
  • the area orthogonal to the rotation axis 299 may be increased in order.
  • the width is directed outward from the reflector 120. It may be widened in order.
  • the arm 111, the connecting portion 112, and the connecting portion 113 may be bent or curved as well as a straight straight line.
  • one oscillator group 101 may include three or more tuning fork oscillators 110.
  • the vibration centers of the plurality of tuning fork vibrators 110 are arranged on the rotation axis 299.
  • the drive member 211 is provided on both of the pair of arms 111 in order to rotationally vibrate the tuning fork oscillator 110.
  • the drive member 211 is attached to at least one arm constituting the tuning fork oscillator 110.
  • This utilizes the vibration characteristics of the tuning fork, and applies the property that when one arm is excited, the kinetic energy propagates to the other arm via the connection portion 112, which makes it possible to vibrate. Is.
  • optical reflection element and the optical reflection system according to the present invention are used in, for example, a small display device, a small projector, an in-vehicle head-up display device, an electrophotographic copier, a laser printer, an optical scanner, an optical radar, and the like. can do.
  • Optical reflector 101 Oscillator group 110 Tuning fork oscillator 111 Arm 112 Connection part 113 Connection part 120 Reflector 121 Reflection part 130 Support part 140 Base 200 Optical reflection system 210 Drive means 211 Drive member 212 Drive control device 299 Rotating shaft

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Abstract

仮想的な回転軸（２９９）上に振動中心が並ぶように連結される複数の音叉振動子（１１０）を有する一対の振動子群（１０１）と、一対の振動子群（１０１）の間に配置される反射体（１２０）と、一対の振動子群（１０１）と反射体（１２０）とをそれぞれ連結する一対の支持部（１３０）と、一対の振動子群（１０１）がそれぞれ振動可能に連結される基体（１４０）と、を備える光学反射素子（１００）。

Description

光学反射素子、および光学反射システム
　本発明は、反射によりレーザ光などの照射位置を往復動させる光学反射素子、および光学反射システムに関する。
　反射体の両側にそれぞれ接続された音叉振動子を備え、２つの音叉振動子を振動させることにより反射体を回転振動させる光学反射素子が存在している（例えば特許文献１参照）。
特許第５０４５４７０号公報
　上記の様な光学反射素子を画像表示用の素子などとして用いる場合、反射体の回転振動の周波数を増加させることが望まれる。ところが従来の光学反射素子では、音叉振動子を振動させる駆動手段の駆動周波数を上げると、反射体の回転振動に必要なトルクが増加して光学反射素子が破損するまでの寿命が短くなることを見出した。また、高い周波数を維持しつつ長い寿命を確保するためには反射体の振れ角を低下させる必要があった。
　そこで本発明は、反射体の回転振動の周波数を増加させても振れ角の低下を抑制しつつ長寿命化を図ることができる光学反射素子、光学反射システムの提供を目的とする。
　本発明の他の１つである光学反射素子は、仮想的な回転軸上に振動中心が並ぶように連結される複数の音叉振動子を有する振動子群と、反射体と、前記振動子群と前記反射体とをそれぞれ連結する支持部と、前記振動子群がそれぞれ振動可能に連結される基体と、を備える。
　本発明の他の１つである光学反射素子は、仮想的な回転軸上に振動中心が並ぶように連結される複数の音叉振動子を有する一対の振動子群と、一対の前記振動子群の間に配置される反射体と、一対の前記振動子群と前記反射体とをそれぞれ連結する一対の支持部と、一対の前記振動子群がそれぞれ振動可能に連結される基体と、を備える。
　また本発明の他の１つである光学反射システムは、仮想的な回転軸上に振動中心が並ぶように連結される複数の音叉振動子を有する振動子群と、前記振動子群の間に配置される反射体と、前記振動子群と前記反射体とをそれぞれ連結する支持部と、前記振動子群がそれぞれ振動可能に連結される基体と、前記回転軸周りにおいて、前記振動子群内の音叉振動子の回転振動が同相となるように前記音叉振動子を駆動する駆動手段と、を備える。
　また本発明の他の１つである光学反射システムは、仮想的な回転軸上に振動中心が並ぶように連結される複数の音叉振動子を有する一対の振動子群と、一対の前記振動子群の間に配置される反射体と、一対の前記振動子群と前記反射体とをそれぞれ連結する一対の支持部と、一対の前記振動子群がそれぞれ振動可能に連結される基体と前記回転軸周りにおいて、前記振動子群内の音叉振動子の回転振動が同相となるように前記音叉振動子を駆動する駆動手段と、を備える。
　本発明により、高い振動周波数、良好な振れ角特性、および長寿命を実現できる。
図１は、実施の形態１に係る光学反射素子、および光学反射システムを示す斜視図である。 図２は、光学反射素子の変形例を示す斜視図である。
　次に、本発明に係る光学反射素子、および光学反射システムの実施の形態について、図面を参照しつつ説明する。なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的または具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、材料、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本発明を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。
　また、図面は、本発明を示すために適宜強調や省略、比率の調整を行った模式的な図となっており、実際の形状や位置関係、比率とは異なる場合がある。
　図１は、実施の形態に係る光学反射システムを示す斜視図である。光学反射システム２００は、光学反射素子１００と、駆動手段２１０とを備え、レーザ光などの光の反射角度を周期的に変更してレーザ光の照射位置を周期的に掃引するシステムである。
　光学反射素子１００は、音叉振動子１１０と、反射体１２０と、支持部１３０と、基体１４０と、を備えている。本実施の形態の場合、光学反射素子１００は、半導体製造過程で用いられるエッチング技術を用いてシリコン基板の不要部分を除去して形成されている。これにより、複数の音叉振動子１１０、反射体１２０、複数の支持部１３０、および基体１４０は、一体に成形されている。光学反射素子１００は、いわゆるＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ　Ｅｌｅｃｔｒｏ　Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　Ｓｙｓｔｅｍｓ）である。なお本実施の形態の場合、光学反射素子１００の表面には、ＭＥＭＳ技術により駆動手段２１０が備える駆動部材２１１、および音叉振動子１１０の駆動状態を検出するモニタ素子（不図示）が形成されている。
　光学反射素子１００を構成する材料は、特に限定されるものではないが、金属、結晶体、ガラス、樹脂など機械的強度および高いヤング率を有する材料が好ましい。具体的には、シリコン、チタン、ステンレス、エリンバー、黄銅合金などの金属や合金を例示できる。これら金属、合金などを用いれば、振動特性、加工性に優れた光学反射素子１００を実現できる。
　音叉振動子１１０は、駆動手段２１０によって固有の周波数（振動数）の振動を発生させる部材であり、一対のアーム１１１と、一対のアーム１１１の端部同士を接続する接続部１１２と、音叉振動子１１０を他の部分と連結する連結部１１３とを備えている。
　本実施の形態の場合、一対のアーム１１１は、回転軸２９９を含む平面内に回転軸に沿って平行に配置されている。一対のアーム１１１は、回転軸２９９に対して実質的な線対称に配置されている。接続部１１２は、一対のアーム１１１が配置される面内においてアーム１１１と直交するように配置されている。連結部１１３は、一対のアーム１１１が配置される面内において回転軸２９９が内部を通過する様に回転軸２９９に沿って延在している。連結部１１３は、接続部１１２に対しアーム１１１の突出方向とは逆方向に突出状態で配置されている。
　反射体１２０の回転軸２９９方向の両側には、複数の音叉振動子１１０が配置されている。反射体１２０の片側に配置される複数の音叉振動子１１０を振動子群１０１と記載する。振動子群１０１において、各音叉振動子１１０は、同一平面上に配置され、音叉振動子１１０のそれぞれの振動中心が全て回転軸２９９上に配置されるように一直線に並んで連結されている。振動子群１０１は、基体１４０に連結される音叉振動子１１０と、基体１４０に連結された音叉振動子１１０を少なくとも備えている。
　一対の振動子群１０１は、一平面内において反射体１２０との距離が等距離となるように反射体１２０を挟んで配置されている。振動子群１０１が備える複数の音叉振動子１１０は、接続部１１２が接続されていない側（以下「開放端側」と記載する）が全て反射体１２０に向くように配置されている。
　回転軸２９９周りにおいて、一対の振動子群１０１は、反射体１２０の回転振動の共振周波数と実質的に同一となる形状となっている。本実施の形態の場合、全ての音叉振動子１１０の連結部１１３を除く形状は実質的に同一であり、各音叉振動子１１０は、共振周波数が実質的に同一となる形状を呈している。
　基体１４０と振動子群１０１との連結部分のねじれ剛性、つまり基体１４０に直接連結される音叉振動子１１０の連結部１１３のねじれ剛性は、振動子群１０１内において音叉振動子１１０同士を連結する連結部１１３のねじれ剛性より強く設定されている。本実施の形態の場合、反射体１２０に近い側の音叉振動子１１０の連結部１１３と、反射体１２０から遠い側の音叉振動子１１０の連結部１１３とは、回転軸２９９に直交する断面積、および断面形状が実質的に同一であるため、反射体１２０から遠い側の連結部１１３の長さを短くすることで反射体１２０に近い側の連結部１１３のねじれ剛性よりも反射体１２０から遠い側の連結部１１３のねじれ剛性を高めている。
　反射体１２０は、一対の振動子群１０１の間に配置され、回転軸２９９を中心として回転振動（回転揺動）し、光を反射する部分である。反射体１２０の形状は、特に限定されるものではないが、本実施の形態の場合、矩形の板状であり、反射対象の光を高い反射率で反射することができる反射部１２１を表面に備えている。反射部１２１の材質は、任意に選定することができ、例えば、金、銀、銅、アルミニウムなどの金属や金属化合物などを例示できる。また、反射部１２１は複数層で構成されるものでもよい。さらに、反射部１２１は、反射体１２０の表面を平滑に磨くことにより設けてもかまわない。反射部１２１は、平面ばかりでなく曲面であってもよい。
　支持部１３０は、回転軸２９９に沿って反射体１２０の両側にそれぞれ配置される一対の振動子群１０１と反射体１２０とをそれぞれ連結する棒状の部分であり、トーションバーとして機能している。本実施の形態の場合、支持部１３０は、回転軸２９９が内部に通過するように配置される。支持部１３０は、反射体１２０を回転振動させる為にそれぞれの振動子群１０１において発生させたトルクを反射体１２０に伝達する部分であり、支持部１３０が回転軸２９９周りに捩れることで反射体１２０を保持しつつ反射体１２０を回転振動させることができるものとなっている。
　支持部１３０の形状は、特に限定されるものではないが、自身が捩れることにより反射体１２０を回転振動させる部材であり、本実施の形態の場合、支持部１３０のねじれ剛性は、振動子群１０１内における音叉振動子１１０同士の連結部分のねじれ剛性、つまり反射体１２０に近い側の音叉振動子１１０の連結部１１３のねじれ剛性より弱くなるように設定されている。回転軸２９９に直交する断面における支持部１３０の断面積は、反射体１２０に近い音叉振動子１１０の連結部１１３の断面積より小さく設定されている。本実施の形態の場合、連結部１１３と支持部１３０の厚さ（図中Ｚ軸方向の長さ）は同じであるため、支持部１３０の幅（図中Ｙ軸方向の長さ）は連結部１１３より狭い。音叉振動子１１０が配置される平面の回転軸２９９と直行する方向において、支持部１３０一端部は、反射体１２０の中央位置に一体に接続され、支持部１３０の他端部は、内側に配置される一対の音叉振動子１１０の接続部１１２の中央に接続されている。支持部１３０の回転軸２９９に垂直な断面形状は矩形であり、支持部１３０の厚さは反射体１２０、および他の部分と同じ厚さになっている。支持部１３０は、反射体１２０から一対の振動子群１０１に至るまで同一の断面形状となっている。このように、回転軸２９９に沿って均一の形状および均一の面積とすることにより、光学反射素子１００を駆動させた際に支持部１３０が全体として均等に捩れ、応力の集中を抑制することができる。
　基体１４０は、一対の振動子群１０１とそれぞれ振動可能に連結される部分であり、光学反射素子１００を外部の構造部材などに取り付けるための部分である。本実施の形態の場合、基体１４０は、一対の振動子群１０１、反射体１２０、および支持部１３０が内側に配置される矩形の枠状の部材であり、音叉振動子１１０が配置される面に配置されている。
　駆動手段２１０は、回転軸２９９周りにおいて、反射体１２０を回転振動させるために一対の振動子群１０１を回転振動させる駆動力を発生させる装置である。駆動手段２１０が音叉振動子１１０を振動させる方法は特に限定されるものではなく、磁場、電場などを音叉振動子１１０のアーム１１１に作用させて音叉振動子１１０を振動させる装置を例示することができる。本実施の形態の場合、駆動手段２１０は、ＭＥＭＳ技術によりアーム１１１の表面に設けた駆動部材２１１と、駆動部材２１１を周期的に変形させる駆動制御装置２１２と、を備えている。
　駆動部材２１１は、アーム１１１の開放端側を、回転軸２９９を中心とする周方向に振動させるための駆動力を発生させる部材である。駆動部材２１１の種類は、特に限定されるものではなく、圧電素子、磁歪素子などを例示することができる。本実施の形態の場合、駆動部材２１１は、圧電素子であって、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を含む素材で構成されている。駆動部材２１１としては、電極と圧電体とを積層した積層体構造からなる薄膜積層型圧電アクチュエータが採用されている。これによって、駆動部材２１１をより薄型にすることができる。
　駆動部材２１１の取付位置は、特に限定されるものではないが、音叉振動子１１０を効率的に振動させる位置が好ましい。本実施の形態の場合、音叉振動子１１０の全てのアーム１１１の表面に駆動部材２１１が設けられている。これにより一対の振動子群１０１を強く一体に振動させることができ、反射体１２０の振れ角を大きくし、高い周波数で回転させることができる。駆動部材２１１は、アーム１１１の表面に回転軸２９９に沿って配置されている細長い板形状であり、周期的に変動する電圧を印加することにより駆動部材２１１が回転軸２９９方向に伸縮を繰り返し、音叉振動子１１０を振動させる。
　駆動制御装置２１２は、駆動部材２１１を周期的に変形させることにより音叉振動子１１０を振動させる電力（磁力を含む）を供給する装置である。本実施の形態の場合、駆動制御装置２１２は、ＭＥＭＳ技術により基体１４０、および音叉振動子１１０の表面に設けられ全ての駆動部材２１１と電気的に接続される配線（不図示）に接続され、駆動部材２１１に周期的に変化する電圧を供給している。駆動制御装置２１２は、回転軸２９９周りにおいて、振動子群１０１内の音叉振動子１１０の回転振動が同相となるように音叉振動子１１０を駆動している。また、駆動制御装置２１２は、回転軸２９９周りにおいて、反射体１２０の回転振動が一対の振動子群１０１の回転振動と逆相となるように一対の振動子群１０１を駆動するように周期的な電圧を駆動部材２１１に供給している。
　以上の光学反射素子１００、および光学反射システム２００によれば、振動子群１０１内の複数の音叉振動子１１０を同相で回転振動させて反射体１２０を回転振動させるため、光学反射素子１００の駆動時の応力が分散され機械的破壊に至る振れ角を増加させることができる。従って強いトルクにより反射体１２０を高い周波数、かつ高振幅で回転振動させることができ、かつ長寿命を確保することができる。
　また、駆動手段２１０が一対の振動子群１０１と反射体１２０との回転振動が逆相となるように光学反射素子１００を駆動することにより、個々の音叉振動子１１０が同相に回転振動することによる応力分散効果に加えて駆動効率の向上、具体的には、駆動部材２１１に入力する単位電力あたりの反射体１２０の振れ角（振れ角特性）の増加を図る事ができる。
　また、反射体１２０から離れた音叉振動子１１０の連結部１１３から反射体１２０に近い音叉振動子１１０の連結部１１３に向かって順に捩れ剛性が弱くなる構造を採用することにより、各音叉振動子１１０が回転振動により発生させるトルクを効果的に反射体１２０に伝えることができ、光学反射素子１００の駆動効率を向上させることができる。
　また、すべての音叉振動子１１０の、それぞれ単体での回転振動の共振周波数を実質的に同一となる構造を採用することにより、光学反射素子１００の駆動時の応力の偏りを抑制し、応力の集中による光学反射素子１００の機械的破壊に至る反射体１２０の振れ角を増加させることができる。
　なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。例えば、本明細書において記載した構成要素を任意に組み合わせて、また、構成要素のいくつかを除外して実現される別の実施の形態を本発明の実施の形態としてもよい。また、上記実施の形態に対して本発明の主旨、すなわち、請求の範囲に記載される文言が示す意味を逸脱しない範囲で当業者が思いつく各種変形を施して得られる変形例も本発明に含まれる。
　例えば、図２に示すように、振動子群１０１において、一方の音叉振動子１１０のアーム１１１の間に他方の音叉振動子１１０のアーム１１１の一部が回転軸２９９方向に重なるように音叉振動子１１０を配置しても構わない。このように音叉振動子１１０を配置することにより光学反射素子１００の回転軸２９９方向の長さを短くすることが可能となる。
　また、図２に示すように、音叉振動子１１０の連結部１１３の回転軸２９９方向の長さが実質的に同一でも構わない。この場合、反射体１２０から外側に向けて順にねじれ剛性を高めるために、回転軸２９９に直交する面積を順に大きくしても構わない。図２に示す場合、回転軸２９９方向の長さ、および厚さ（図中Ｚ軸方向）は、同じであるため、幅（図中Ｙ軸方向の長さ）を反射体１２０から外側に向けて順に広くしても構わない。
　また、アーム１１１、接続部１１２、および連結部１１３は、真っ直ぐな直線状ばかりでなく、屈曲や湾曲していても構わない。
　また、１つの振動子群１０１が２つの音叉振動子１１０を備える場合を説明したが、１つの振動子群１０１が３以上の音叉振動子１１０を備えていても構わない。この場合は、複数の音叉振動子１１０の振動中心が回転軸２９９上に配置されることが好ましい。
　また、音叉振動子１１０を回転振動させるために、一対のアーム１１１の両方に駆動部材２１１を設ける場合を例として説明してきたが、音叉振動子１１０を構成する少なくとも一方のアームに駆動部材２１１を形成することによっても、前記と同様の光学反射素子１００の動作を実現することが可能である。これは音叉の振動特性を利用したものであり、どちら一方のアームが励振させると接続部１１２を介して他方のアームに運動エネルギーが伝播することによって振動させることが可能となる性質を応用したものである。
　本発明にかかる光学反射素子、および光学反射システムは、例えば小型のディスプレイ装置、小型のプロジェクタ、車載用のヘッドアップディスプレイ装置、電子写真方式の複写機、レーザープリンタ、光学スキャナ、光学レーダーなどに利用することができる。
１００　光学反射素子
１０１　振動子群
１１０　音叉振動子
１１１　アーム
１１２　接続部
１１３　連結部
１２０　反射体
１２１　反射部
１３０　支持部
１４０　基体
２００　光学反射システム
２１０　駆動手段
２１１　駆動部材
２１２　駆動制御装置
２９９　回転軸

Claims (7)

  1. 　仮想的な回転軸上に振動中心が並ぶように連結される複数の音叉振動子を有する振動子群と、
    　反射体と、
    　前記振動子群と前記反射体とをそれぞれ連結する支持部と、
    　前記振動子群がそれぞれ振動可能に連結される基体と、
    を備える光学反射素子。
  2. 　複数の前記振動子群は、前記反射体を挟んで配置され、
    　前記支持部は、一対の前記振動子群と前記反射体とをそれぞれ連結し、
    　前記基体は、一対の前記振動子群がそれぞれ振動可能に連結される
    請求項１に記載の光学反射素子。
  3. 　前記回転軸周りにおいて、すべての前記音叉振動子の、それぞれ単体での回転振動の共振周波数は実質的に同一である
    請求項１または２に記載の光学反射素子。
  4. 　前記基体と前記振動子群との連結部分のねじれ剛性は、前記振動子群内の音叉振動子同士の連結部のねじれ剛性より強く、前記振動子群内の音叉振動子同士の連結部分のねじれ剛性は、前記支持部のねじれ剛性より強い
    請求項１から３のいずれか一項に記載の光学反射素子。
  5. 　仮想的な回転軸上に振動中心が並ぶように連結される複数の音叉振動子を有する振動子群と、
    　前記振動子群の間に配置される反射体と、
    　前記振動子群と前記反射体とをそれぞれ連結する支持部と、
    　前記振動子群がそれぞれ振動可能に連結される基体と、
    　前記回転軸周りにおいて、前記振動子群内の音叉振動子の回転振動が同相となるように前記音叉振動子を駆動する駆動手段と、を備える光学反射システム。
  6. 　複数の前記振動子群は、前記反射体を挟んで配置され、
    　前記支持部は、一対の前記振動子群と前記反射体とをそれぞれ連結し、
    　前記基体は、一対の前記振動子群がそれぞれ振動可能に連結され、
    　前記光学反射システムは、
    　前記回転軸周りにおいて、前記振動子群内の音叉振動子の回転振動が同相となるように前記音叉振動子を駆動する駆動手段と、
    を備える請求項５に記載の光学反射システム。
  7. 　前記駆動手段は、
    　前記回転軸周りにおいて、前記反射体の回転振動が一対の前記振動子群の回転振動と逆相となるように一対の前記振動子群を駆動する
    請求項５または６に記載の光学反射システム。
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