JP5239382B2 - Optical reflection element - Google Patents
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Description
本発明は、レーザーディスプレイなどに用いられる光学反射素子に関するものである。 The present invention relates to an optical reflection element used for a laser display or the like.
従来、レーザーディスプレイなどに用いられるレーザーから発せられた光線を掃引する光学反射素子としては、ガルバノミラーなどが挙げられる。 Conventionally, a galvanometer mirror etc. are mentioned as an optical reflective element which sweeps the light emitted from the laser used for a laser display etc.
このガルバノミラーは、ミラー部とこのミラー部の外周に配置されたコイルと、このコイルの外側に配置された磁石とを備え、この磁石の内側に磁界を発生させ、磁界中のコイルに電流を流すことで電磁力を発生させる。そしてこの電磁力によってミラー部を駆動させ、回動するミラー部でレーザー光を反射することにより、スクリーン面上にレーザー光線を掃引させる(例えば、特許文献1参照)。 The galvano mirror includes a mirror part, a coil arranged on the outer periphery of the mirror part, and a magnet arranged outside the coil, generates a magnetic field inside the magnet, and supplies a current to the coil in the magnetic field. Electromagnetic force is generated by flowing. And a mirror part is driven by this electromagnetic force, and a laser beam is swept on a screen surface by reflecting a laser beam by the rotating mirror part (for example, refer patent document 1).
そして近年、このようなレーザーディスプレイの小型化に伴い、光学反射素子の小型化が命題となっている。
従来の光学反射素子は、小型化が困難であった。 Conventional optical reflecting elements have been difficult to downsize.
それは、ミラー部を駆動するための磁石が、大きな配置面積を要するからである。 This is because a magnet for driving the mirror portion requires a large arrangement area.
そこで本発明は光学反射素子を小型化することを目的とする。 Therefore, an object of the present invention is to reduce the size of the optical reflecting element.
そして、この目的を達成するために本発明は、ミラー部と、このミラー部を介して対向するとともに、このミラー部とそれぞれ第一の支持部で連結された、対の第一の音叉形圧電振動子と、これらの第一の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第二の支持部で連結され、対の第一の音叉形圧電振動子の外周を囲う枠体と、この枠体を介して対向するとともに、この枠体とそれぞれ第三の支持部で連結された、対の第二の音叉形圧電振動子と、これらの第二の音叉形圧電振動子の振動中心とそれぞれ第四の支持部で連結された支持体とを備え、第一の音叉形圧電振動子は、それぞれ第一の支持部の両側に第一のアームと第二のアームとを有し、第二の音叉形圧電振動子は、それぞれ第三の支持部の両側に第三のアームと第四のアームとを有し、対の第一の音叉形圧電振動子の対向方向と、対の第二の音叉形圧電振動子の対向方向とは直交する関係にあるとともに、第三の支持部と第四の支持部とは、蛇腹形状とした。 In order to achieve this object, the present invention provides a pair of first tuning fork-shaped piezoelectric elements that are opposed to each other via a mirror part and are connected to the mirror part by a first support part. The vibrator is connected to the vibration center of each of the first tuning fork-shaped piezoelectric vibrators by the second support portion and surrounds the outer periphery of the pair of first tuning-fork piezoelectric vibrators, And a pair of second tuning-fork type piezoelectric vibrators connected to the frame body by a third support portion, and the vibration centers of the second tuning-fork type piezoelectric vibrators, respectively, Each of the first tuning fork-type piezoelectric vibrators has a first arm and a second arm on both sides of the first support portion, respectively, and a second tuning fork. Each piezoelectric vibrator has a third arm and a fourth arm on both sides of the third support part. The opposing direction of the pair of first tuning fork type piezoelectric vibrators and the opposing direction of the pair of second tuning fork type piezoelectric vibrators are orthogonal to each other, and the third support part and the fourth support part are The bellows shape.
これにより本発明は、光学反射素子を小型化することができる。 Thereby, the present invention can reduce the size of the optical reflecting element.
その理由は、音叉形圧電振動子のアームを、圧電駆動で撓み振動させることにより、ミラー部を励振できるからである。そしてその結果、光学反射素子を小型化できる。 The reason is that the mirror portion can be excited by bending and vibrating the arm of the tuning fork type piezoelectric vibrator by piezoelectric driving. As a result, the optical reflecting element can be reduced in size.
(実施の形態1)
以下、本発明の実施の形態1における光学反射素子の構成について説明する。
(Embodiment 1)
Hereinafter, the configuration of the optical reflecting element according to
図1において、この光学反射素子は、ミラー部1と、このミラー部1を介して対向するとともに、このミラー部1とそれぞれの第一の支持部2で連結された、一対の第一の音叉形圧電振動子3と、これらの第一の音叉形圧電振動子3の振動中心4とそれぞれ第二の支持部5で連結され、一対の第一の音叉形圧電振動子3の外周を囲う枠体6と、この枠体6を介して対向するとともに、この枠体6とそれぞれ第三の支持部7で連結された、一対の第二の音叉形圧電振動子8と、これらの第二の音叉形圧電振動子8の振動中心9とそれぞれ第四の支持部10で連結された枠形状の支持体11とを備えている。
In FIG. 1, this optical reflecting element is a pair of first tuning forks that are opposed to a
そして第一の音叉形圧電振動子3は、それぞれ第一の支持部2の両側に、第一のアーム12と第二のアーム13とを有し、第二の音叉形圧電振動子8は、それぞれ第三の支持部7の両側に第三のアーム14と第四のアーム15とを有している。
The first tuning-fork type
また対の第一の音叉形圧電振動子3の対向方向は図1のX軸に平行であり、対の第二の音叉形圧電振動子8の対向方向はY軸に平行であり、これらの対向方向は、ミラー部1の中心を通り直交する関係にある。
The opposing direction of the pair of first tuning fork type
そして、第一の支持部2、第二の支持部5、第一の音叉形圧電振動子3は、それぞれ回転軸を共通にし、この回転軸はミラー部1の中心を通り図1のX軸に平行である。
The
また第三の支持部7、第四の支持部10、第二の音叉形圧電振動子8は、それぞれ回転軸を共通にし、この回転軸はミラー部1の中心を通りY軸に平行である。
The
そして第三の支持部7と第四の支持部10とは、蛇腹形状である。
And the 3rd support
また図2(a)(b)に示すように、対となる二つの第三の支持部7において、一方の第三の支持部7は、他方の第三の支持部7の回転対称形である。すなわち本実施の形態では、この光学反射素子の水平面において、一方の第三の支持部7を180度回転させると他方の第三の支持部7と同形になる。
As shown in FIGS. 2A and 2B, in the two
また対となる二つの第四の支持部10のうち、一方の第四の支持部10は、他方の第四の支持部10の回転対称形である。このような回転対称形とすることによって、素子全体の重量バランスを高め、不要な振動の発生を低減することができる。
Of the two
また本実施の形態では、第三の支持部7は、いずれも両端が第二の音叉形圧電振動子8の回転軸上に配置されている。これにより不要な振動を抑制することができる。また同様の理由により、第四の支持部10も、いずれも両端が第二の音叉形圧電振動子8の回転軸上に配置されている。
In the present embodiment, both ends of the
さらに本実施の形態では、第三の支持部7と第四の支持部10とは、同一形状であって回転対称形とした。同一形状とすると、第三の支持部7と第四の支持部10との梁長さが合致し、第三の支持部7と第四の支持部10の固有振動周波数を合わせることができ、効率よく駆動することができる。また回転対称形とすることにより、不要な振動を低減できる。
Further, in the present embodiment, the
そして図3に示すように、本実施の形態における光学反射素子の基材16は、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く、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、ステンレス、エリンバー、黄銅合金などの金属を用いれば、振動特性、加工性に優れた光学反射素子を実現できる。
As shown in FIG. 3, the
そして本実施の形態では、図1に示すように、シリコンなどの基材(図3の16)で構成された第一のアーム12、第二のアーム13、第三のアーム14、第四のアーム15のそれぞれは、少なくとも一面に、撓み振動を起こすための圧電アクチュエータ17が形成されている。
And in this Embodiment, as shown in FIG. 1, the
この圧電アクチュエータ17は、本実施の形態では、図3に示すように、下部電極層18、圧電体層19および上部電極層20の積層体構造からなる薄膜積層型圧電アクチュエータ17とした。これによって、第一の音叉形圧電振動子3、第二の音叉形圧電振動子8をより薄型にすることができる。なお、本実施の形態では、下部電極層18および圧電体層19は第一の音叉形圧電振動子3と第二の音叉形圧電振動子8とで共通に形成し、上部電極層20はそれぞれ電気的に独立するように形成した。
In this embodiment, the
また、第一の音叉形圧電振動子3の厚みを、図1に示す第一のアーム12および第二のアーム13の幅寸法よりも小さくすることによって、振幅が大きくなり、小型の光学反射素子を実現することができる。同様に、第二の音叉形圧電振動子8の厚みを図1に示す第三のアーム14および第四のアーム15の幅寸法よりも小さくすることによって、光学反射素子の小型化に寄与する。
Further, by making the thickness of the first tuning-fork type
また、図3に示す下部電極層18、圧電体層19および上部電極層20は第一の音叉形圧電振動子3、第二の音叉形圧電振動子8を形成する基材16の上に順次スパッタリング技術などの薄膜プロセスにより形成することができる。従って、圧電アクチュエータ17を第一の音叉形圧電振動子3および第二の音叉形圧電振動子8の表面に形成することが生産性の観点から好ましい。
Further, the
そして、圧電体層19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好ましい。
The piezoelectric material used for the
また、第一の音叉形圧電振動子3の共振周波数は、ミラー部1と第一の支持部(図1の2)で構成された捩れ振動子の共振周波数と略同一周波数となるように振動設計することで、効率良くミラー部1を反復回転振動させることができる。
The resonance frequency of the first tuning-fork type
同様に、第二の音叉形圧電振動子8の共振周波数は、枠体6と第三の支持部7とで構成された捩れ振動子の共振周波数と略同一周波数となるように設計することが好ましい。
Similarly, the resonance frequency of the second tuning-fork type
また本実施の形態では、図1に示すように、第三の支持部7は、枠体6と第二の音叉形圧電振動子8側へ入り込むように形成されている。これにより第三の支持部7の共振器長を長くしても、第三の支持部7を省スペースに配置でき、小型化に寄与する。
In the present embodiment, as shown in FIG. 1, the
さらに第三の支持部7は、第二の音叉形圧電振動子8側よりも、枠体6側へより長く入り込ませることが好ましい。逆に第二の音叉形圧電振動子8側へ長く入り込ませると、振動中心9近傍の形状が複雑になり、第二の音叉形圧電振動子8に不要な振動モードが発生する場合があるからである。特に本実施の形態では、第三の支持部7が蛇腹形状のため、入り込む面積も大きくなることから、このように枠体6側へより入り込ませる方が不要な振動モードを抑制することができる。
Furthermore, it is preferable that the
さらに第四の支持部10は、支持体11側へ入り込むように形成している。すなわち、枠体6と第三の支持部7とを効率よく捩り振動させるためには、第三の支持部7と第四の支持部10との共振器長を出来るだけ等しくする必要があるが、この第四の支持部10を支持体11側へめり込ますことによって、第四の支持部10が長くても省スペースに配置でき、光学反射素子を小型化できる。
Furthermore, the
また本実施の形態では、第二の支持部5は、枠体6側へ入り込むように形成しているため小型化が図れる。なおこの第二の支持部5は、枠体6側へ入り込ませているため、枠体6の幅は狭くなっているが、第一の音叉形圧電振動子3の幅は変えていない。すなわち、幅の狭い領域では、局所的に応力が集中し、不要な振動モードが発生することがあるが、本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子3は、全体として略同幅のため、応力を均一に分散することができ、安定して振動させることが出来る。
Moreover, in this Embodiment, since the
さらに、第一のアーム12、第二のアーム13およびこれらの連結部21の幅や、第三のアーム14、第四のアーム15およびこれらの連結部22をそれぞれ等幅とすることによって、光学反射素子に発生する不要な振動モードを低減できる。
Furthermore, by making the widths of the
また第一の音叉形圧電振動子3、第二の音叉形圧電振動子8をコの字状とすることによっても不要な振動モードを抑制できる。
Unnecessary vibration modes can also be suppressed by making the first tuning fork type
また本実施の形態では図1に示す、第一のアーム12、第二のアーム13、第三のアーム14、第四のアーム15に形成した圧電アクチュエータ17のそれぞれ上部電極層20と、これらに共通の下部電極層18の引き出し電極は個別に引き出し線(図示せず)を形成しながら接続端子23A〜23D、24へ接続している。これによって第一のアーム12と第二のアーム13に正負反対の電気信号を、第三のアーム14と第四のアーム15に正負反対の電極信号を、それぞれの圧電アクチュエータ17に印加することができる。
In the present embodiment, the upper electrode layers 20 of the
なお本実施の形態では、第一のアーム12、第二のアーム13、第三のアーム14、第四のアーム15にそれぞれモニター電極(図示せず)を配置し、これらも上部電極と同様に素子上に引き回しながら接続端子25A〜25Dへ接続した。これにより、第一、第二、第三、第四のアーム12、13、14、15のそれぞれの振幅を検出しながら入力信号を調整することができ、安定した自励駆動を実現できる。
In the present embodiment, monitor electrodes (not shown) are arranged on the
なお、上述の圧電アクチュエータ17の引き出し線や、モニター電極とその引き出し線は、図3においても記載を省略した。
Note that the lead lines of the
次に、このような構成からなる光学反射素子の動作原理について説明する。 Next, the operation principle of the optical reflecting element having such a configuration will be described.
図3に示す下部電極層18と上部電極層20との間に交流の駆動電圧を印加すると、圧電体層19が面方向に伸び・縮みし、第一のアーム(図1の12)と第二のアーム13が基材16に対して垂直方向に撓み振動する。
When an alternating drive voltage is applied between the
このとき、第一のアーム12と第二のアーム13に形成したそれぞれの圧電アクチュエータ17に、正負反対の駆動信号を印加すれば、図4に示すように、第一のアーム12と第二のアーム13とを、位相が180度異なる方向(矢印26、27方向)に、つまり逆方向に撓み振動させることができる。ここで本実施の形態では、第一、第二のアーム12、13は、その先端を自由端とする片持ち構造のため、大きく撓み振動させることができる。
At this time, if a drive signal opposite to the positive and negative is applied to each
そして、この第一のアーム12と第二のアーム13の振動エネルギーは、第一の音叉形圧電振動子3の連結部へと伝搬される。これによって、第一の音叉形圧電振動子3は、その振動中心4を通る直線を回転軸28として、この回転軸28を中心に、所定の周波数にて反復回転振動(捩れ振動)をする。
The vibration energy of the
次に、この反復回転振動の振動エネルギーが、連結部21に接合された第一の支持部2に伝達され、第一の支持部2とミラー部1とで構成される捩れ振動子が、その回転軸28を中心に矢印方向29に捩れ振動を起こすようになる。これによって、ミラー部1にその回転軸28を軸中心として反復回転振動を起こす。このとき、第一の音叉形圧電振動子3の反復回転振動の方向と、第一の支持部2およびミラー部1で構成される捩れ振動子の反復回転振動の方向は位相が180度異なる反対方向に振動することとなる。
Next, the vibration energy of this repetitive rotational vibration is transmitted to the
また図5に示すように、第二の音叉形圧電振動子8も、下部電極層と上部電極層間に電圧を印加し、第三のアーム14と第四のアーム15とを、それぞれ位相が180度異なる方向に撓み振動させることによって、振動中心9を通る回転軸30を中心に、捩り振動を起こす。
As shown in FIG. 5, the second tuning-fork type
そしてこの振動エネルギーが連結部22を介して第三の支持部7に伝播すると、この第三の支持部7と枠体(図1の6)とからなる捩り振動子を、その回転軸30を中心に、第二の音叉形圧電振動子8と逆位相に反復回転振動させることができる。
When this vibration energy propagates to the
そして図1の枠体6が傾くと、この枠体6に支持されているミラー部1も傾き、ミラー部1を反復回転振動させることができる。
When the
また本実施の形態では、第三の支持部7を蛇腹形状とすることによって、この第三の支持部7におけるバネ定数が小さくなり、第三の支持部7に連結された枠体6の反復回転振動の振幅を大きくすることができる。
In the present embodiment, the
また第三の支持部7と逆方向に反復回転振動を行う第四の支持部10も蛇腹形状とすることによって、第三の支持部7と第四の支持部10の共振器長を合わせるように調整でき、効率よく駆動できる。
In addition, the
そしてミラー部1に例えばレーザー光源またはLED光源などから発生させた光線を入力し、振動するミラー部1で反射させることによって、スクリーン上に光線を走査することができる。また本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子3と第二の音叉形圧電振動子8の回転軸は直交するため、ミラー部1から出射させた光を水平、垂直方向に走査することができる。
A light beam generated from, for example, a laser light source or an LED light source is input to the
次に、本実施の形態1における光学反射素子の製造方法について図3を用いて説明する。 Next, a method for manufacturing the optical reflecting element in the first embodiment will be described with reference to FIG.
まず始めに、基材16となる、厚みが約0.3mmのシリコン基板を準備し、その上にスパッタリング法または蒸着法などの薄膜プロセスを用いて白金電極からなる下部電極層18を形成する。このとき、シリコン基板の厚みは0.3mmより厚くても良い。
First, a silicon substrate having a thickness of about 0.3 mm to be the
その後、この下部電極層18の上にチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)などの圧電材料を用いてスパッタリング法などによって圧電体層19を形成する。このとき、圧電体層19と下部電極層18との間には、配向制御層としてPbとTiを含む酸化物誘電体を用いることが好ましく、PLMTからなる配向制御層を形成することがより好ましい。これによって、圧電体層19の結晶配向性がより高まり、圧電特性に優れた圧電アクチュエータ17を実現することができる。
Thereafter, a
次に、この圧電体層19の上にチタン/金よりなる上部電極層20を形成している。
Next, an
このとき、上部電極層20の下層のチタンはPZT薄膜などの圧電体層19との密着力を高めるために形成しており、チタンの他にクロムなどの金属を用いることができる。これによって、圧電体層19との密着性に優れ、かつ、金電極とは強固な拡散層を形成していることから、密着強度の高い圧電アクチュエータ17を形成することができる。なお、本実施の形態では、白金の下部電極層18の厚みは0.2μm、PZTからなる圧電体層19は3.5μm、および上部電極層20のチタン部分は0.01μmとし、金電極部分は0.3μmで形成している。
At this time, titanium below the
次に、下部電極層18、圧電体層19、上部電極層20とを、フォトリソ技術を用いてエッチングし、圧電アクチュエータ17をパターン形成する。
Next, the
このとき、上部電極層20のエッチング液としてはヨウ素/ヨウ化カリウム混合溶液と水酸化アンモニウム、過酸化水素混合溶液からなるエッチング液を用いて所定の電極パターンを形成した。
At this time, a predetermined electrode pattern was formed using an etching solution composed of an iodine / potassium iodide mixed solution, ammonium hydroxide, and hydrogen peroxide mixed solution as an etching solution for the
また、下部電極層18、圧電体層19に用いるエッチング方法としては、ドライエッチング法とウエットエッチング法のいずれかの方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などを用いることができる。
Moreover, as an etching method used for the
一例として、ドライエッチング法であればフルオロカーボン系のエッチングガス、あるいはSF6ガスなどを用いることができる。 For example, in the case of a dry etching method, a fluorocarbon-based etching gas or SF 6 gas can be used.
その他、圧電体層19を、弗酸、硝酸、酢酸および過酸化水素の混合溶液を用い、ウエットエッチングによりパターニングし、その後、さらに、ドライエッチングによって下部電極層18をエッチングしてパターニングする方法がある。
In addition, there is a method in which the
次に、XeF2ガスを用いてシリコン基板(基材16)を等方的にドライエッチングすることによって不必要なシリコン部分を除去してパターニングすれば、図1に示したような形状の光学反射素子を形成することができる。 Next, if the silicon substrate (base material 16) isotropically dry-etched using XeF 2 gas to remove unnecessary silicon portions and patterning, the optical reflection having the shape shown in FIG. An element can be formed.
なお、シリコン基板をより高精度にエッチングする場合は、シリコンの異方性を利用したドライエッチングが好ましい。この場合は、エッチングを促進するSF6ガスとエッチングを抑制するC4F8ガスの混合ガスを用いるか、あるいはこれらのガスを交互に切り替えることにより、より直線的にエッチングできる。 In addition, when etching a silicon substrate with higher accuracy, dry etching utilizing the anisotropy of silicon is preferable. In this case, the etching can be performed more linearly by using a mixed gas of SF 6 gas that promotes etching and C 4 F 8 gas that suppresses etching, or by alternately switching these gases.
以上のような製造方法によって、小型で、高精度な光学反射素子を一括して効率よく作製することができる。 By the manufacturing method as described above, it is possible to efficiently produce a small and highly accurate optical reflecting element collectively.
以上のような製造プロセスによって、例えばミラー部1の大きさが1.0mm×1.0mm、支持体11の大きさが5.8mm×5.8mm、厚さ0.03mm、駆動周波数;fH(水平)22kHz、fV(垂直)0.8kHz、ミラー部1の振れ角;θH(水平)±5度、θV(垂直)±10度の特性を有した光学反射素子を作製することができる。
By the manufacturing process as described above, for example, the size of the
本実施の形態では、ミラー部1、第一の支持部2、第一の音叉形圧電振動子3、第二の支持部5、枠体6、第三の支持部7、第二の音叉形圧電振動子8、第四の支持部10、および支持体11の基材16を、同一基材16から一体形成とすることによって、安定した振動特性と、生産性に優れた光学反射素子を実現することができる。
In the present embodiment, the
また本実施の形態における光学反射素子は、シリコンウエハーなどの基材16の上に薄膜プロセス、フォトリソ技術などの半導体プロセスを応用することによって高精度に、一括して作製することができ、光学反射素子の小型化、高精度化および生産効率に優れた光学反射素子を実現することができる。
Further, the optical reflecting element in the present embodiment can be manufactured in a lump with high precision by applying a semiconductor process such as a thin film process or a photolithographic technique on the
なお、ミラー部1は基材16の表面を鏡面研磨することによっても形成できるが、光の反射特性に優れた金やアルミニウムの金属薄膜をミラー膜として形成することもできる。本実施の形態では、上部電極層20として金を用いた為、この金の膜をそのままミラー膜として用いることができ、生産効率も高まる。
The
本実施の形態の効果を以下に説明する。 The effect of this embodiment will be described below.
本実施の形態では、光学反射素子を小型化することができる。 In the present embodiment, the optical reflecting element can be reduced in size.
それは、図1に示すような第一の音叉形圧電振動子3、第二の音叉形圧電振動子8を用いることにより、それぞれの第一のアーム12、第二のアーム13、第三のアーム14、第四のアーム15の撓み振動を利用して、ミラー部1を反復回転振動することができるからである。
The first tuning fork type
したがって、配置面積の大きい磁石等を用いることなく、ミラー部1を励振することができ、素子の小型化に寄与する。
Therefore, the
また駆動源を音叉形にすることにより、アームの先端が自由端となるため、小型であってもミラー部1の振れ角度(振幅)を効率よく大きくできる。
Further, since the tip of the arm becomes a free end by making the drive source a tuning fork, the deflection angle (amplitude) of the
また振動源を、高Q値を有する音叉形とすることにより、小さなエネルギーで大きな振動エネルギーを得ることが出来、素子の小型化にも寄与する。 Further, by making the vibration source a tuning fork having a high Q value, a large vibration energy can be obtained with a small energy, which contributes to the miniaturization of the element.
またこれらの第一の音叉形圧電振動子3、第二の音叉形圧電振動子8の振動設計をすることによって、出力光の反射角度を大きく変化させることができ、レーザー光線などの入力光を所定の設計値となるように掃引することができる光学反射素子を実現することができる。
Further, by designing the vibration of the first tuning-fork type
また本実施の形態では、第三の支持部7と第四の支持部10とは、蛇腹形状とすることにより、第三の支持部7のバネ定数が小さくなり、この第三の支持部7に連結された枠体6の、反復回転振動の振幅を大きくすることができ、小さなエネルギーで大きな駆動力を得ることが出来る。
In the present embodiment, the
さらに本実施の形態では、第三の支持部7および第四の支持部10のみ蛇腹形状としたことにより、第二の音叉形圧電振動子8によって、ミラー部1を垂直方向に振動させれば、垂直方向の振動の周波数fVのみを小さくすることができ、この二次駆動方式の光学反射素子において、水平方向および垂直方向の振動の周波数比を大きくすることができる。
Furthermore, in the present embodiment, only the
このように二軸方向における振動の周波数比を大きくすると、この光学反射素子を用いて光線を走査した場合に、スクリーン上の垂直方向の走査速度よりも水平方向の走査速度を相対的に高めることができ、投影する画像の分解能を向上させ、高精度な画像投影装置を実現できる。 Thus, when the frequency ratio of vibration in the biaxial direction is increased, the scanning speed in the horizontal direction is relatively higher than the scanning speed in the vertical direction on the screen when the light beam is scanned using this optical reflecting element. Thus, the resolution of the projected image can be improved, and a highly accurate image projection apparatus can be realized.
さらに実施の形態では、ミラー部1をその両側から一対の第一の音叉形圧電振動子3で囲い、これらの第一の音叉形圧電振動子3の外周を枠体6で囲い、この枠体6をその両側から一対の第二の音叉形圧電振動子8で囲い、これらの第二の音叉形圧電振動子8の外周を支持体11で囲う構成のため、各部材が小さな隙間を介して幾層にも巻かれたような構造となり、素子全体のデッドスペースを減らし、素子を小型化できる。
Further, in the embodiment, the
また本実施の形態では、第一、第二、第三、第四のアーム12、13、14、15はそれぞれ直線形状のため、加工も容易である。
In the present embodiment, the first, second, third, and
また本実施の形態では、ミラー部1の両側に、対称的に第一の音叉形圧電振動子3を配置しているため、ミラー部1を安定して左右対称に励振させることができ、その中心が不動点となるため光を安定して走査することができる。
In the present embodiment, since the first tuning fork-shaped
またミラー部1は、その両端が第一の支持部2で支持されている両持ち構造のため、ミラー部1の不要な共振を抑制し、さらに外乱振動による影響も低減できる。
Moreover, since the
さらに本実施の形態では、枠体6の両側に、対称的に第二の音叉形圧電振動子8を配置しているため、枠体6の中心を不動点として励振させることができる。
Further, in the present embodiment, since the second tuning fork-shaped
また枠体6は、その両端が第三の支持部7で支持されている両持ち構造のため、枠体6の不要な共振を抑制し、外乱振動による影響も低減できる。
Further, since the
なお、上記実施の形態では、第一のアーム12と第二のアーム13の双方に圧電アクチュエータ17を形成したが、少なくともいずれか一方のみに圧電アクチュエータ17を形成してもよい。これは音叉形圧電振動子の特性を利用したものであり、どちら一方のアームが振動すると、連結部21を介して他方のアームに運動エネルギーが伝播し、この他方のアームも励振させることができるからである。
In the above embodiment, the
また第二の音叉形圧電振動子8も同様に、第三のアーム14と第四のアーム15のいずれか一方にのみ圧電アクチュエータ17を形成しても、双方に形成した場合と同様に動作させることができる。
Similarly, the second tuning-fork type
また本実施の形態では、第一、第二の音叉形圧電振動子3、8のいずれも、圧電アクチュエータ17は、アームの片面にのみ形成したが、両面に形成してもよい。また第一の音叉形圧電振動子3は、第二の音叉形圧電振動子8よりも面積が小さく、駆動力が弱いため、第一の音叉形圧電振動子3のみ、基材16の両面に圧電アクチュエータ17を形成してもよい。
In the present embodiment, the
以上のような光学反射素子の応用としては、画像投影装置、レーザ露光機などが挙げられ、これらの装置を小型化することができる。 Examples of the application of the optical reflection element as described above include an image projection apparatus and a laser exposure machine, and these apparatuses can be miniaturized.
なお、第一の支持部2、第二の支持部5、第三の支持部7、第四の支持部10のそれぞれの断面形状を円状とすれば、捩れ振動の振動モードが安定し、不要共振も抑制することができ、外乱振動に影響されにくい光学反射素子を実現することができる。
In addition, if each cross-sectional shape of the
(実施の形態2)
本実施の形態における光学反射素子と、実施の形態1における光学反射素子との主な違いは、図6に示すように、第一の支持部2および第二の支持部5も蛇行形状とした点である。
(Embodiment 2)
The main difference between the optical reflecting element in the present embodiment and the optical reflecting element in the first embodiment is that, as shown in FIG. 6, the
これにより本実施の形態では、第一の支持部2のバネ定数が小さくなり、ミラー部1を小さなエネルギーで効率よく駆動することができる。また第一の支持部2の共振器長が長くなるため、第一の支持部2の回転軸を中心としたミラー部1の反復回転振動の振幅を大きくすることができる。
Thereby, in this Embodiment, the spring constant of the
また本実施の形態では、対となる二つの第一の支持部2において、一方の第一の支持部2は他方の第一の支持部2と回転対称形とした。これにより素子全体の重力バランスが高まり、不要な振動の発生を抑制し、この光学反射素子を用いて高精度に光を走査することができる。また同様の理由により、第二の支持部5も、対となる他方の第二の支持部5と回転対称形とした。
Moreover, in this Embodiment, in the two
さらに本実施の形態では、第一の支持部2と第二の支持部5のそれぞれの両端は、第一の音叉形圧電振動子3の回転軸上に位置するように形成した。これにより本実施の形態では、不要な振動の発生を抑制し、第一の支持部2、第二の支持部5の回転振動エネルギーを効率よく伝達することができる。
Furthermore, in the present embodiment, both ends of the
以上のように本実施の形態では、水平方向および垂直方向ともに振幅を大きくすることができる。したがって、小さなエネルギーで大きな駆動力を発生させることができ、光学反射素子の小型化に寄与する。 As described above, in this embodiment, the amplitude can be increased in both the horizontal direction and the vertical direction. Therefore, a large driving force can be generated with a small energy, which contributes to the miniaturization of the optical reflecting element.
なお第一の支持部2と第二の支持部5とを、同一形状とすれば、第一の支持部2と第二の支持部5との固有振動周波数を合わせることができ、効率よく駆動することができる。また第一の支持部2と第二の支持部5とを回転対称形とすれば、不要な振動の発生を低減できる。
In addition, if the
また、さらに二軸方向における振動の周波数比を高めたい場合は、例えば第三の支持部7と第四の支持部10の梁長を、第一の支持部2と第二の支持部5の梁長より長くしてもよい。梁長は蛇行部位の折り返し数を変えることによって容易に調整することができる。
Further, when it is desired to further increase the frequency ratio of vibration in the biaxial direction, for example, the beam lengths of the
その他実施の形態1と同様の構成および効果については説明を省略する。 Description of other configurations and effects similar to those of the first embodiment is omitted.
(実施の形態3)
本実施の形態における光学反射素子と、実施の形態1における光学反射素子との主な違いは、図7に示すように圧電アクチュエータ17の形状および配置場所である。
(Embodiment 3)
The main difference between the optical reflecting element in the present embodiment and the optical reflecting element in the first embodiment is the shape and location of the
すなわち本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子3において、圧電アクチュエータ17を、第一のアーム12と第二のアーム13との連結部21まで延長し、L字形に構成している。なお、第一のアーム12と第二のアーム13には、それぞれ逆位相の信号を印加するため、これらに形成した圧電アクチュエータ17の駆動電極が互いに電気的に短絡しないよう、第一の音叉形圧電振動子3の振動中心4で断続させている。このように、連結部21にまで圧電アクチュエータ17を形成することによって、面積を有効に活用し、大きな駆動源を得ることが出来る。
That is, in the present embodiment, in the first tuning-fork type
なお、同様に第二の音叉形圧電振動子8においても、圧電アクチュエータ17を第三のアーム14と第四のアーム15との連結部22にまで延長してもよい。この場合は、振動中心9で圧電アクチュエータ17間を電気的に断絶させればよい。
Similarly, in the second tuning-fork type
第一、第二の音叉形圧電振動子3、8のいずれか一方を上述のようなL字形としてもよく、あるいは双方の圧電アクチュエータ17を上述のようなL字形としてもよいが、いずれの場合も対となる音叉形圧電振動子同士は、同じ圧電アクチュエータ17の形状とすることが好ましく、これによりミラー部1を、その中心を不動点として安定して励振させることができる。
Either one of the first and second tuning-fork type
その他実施の形態1と同様の構成及び効果については説明を省略する。 Description of other configurations and effects similar to those of the first embodiment will be omitted.
(実施の形態4)
本実施の形態と実施の形態1との主な差異点は、図8に示すように、第一の音叉形圧電振動子3は、第一のアーム12と第二のアーム13の先端の間隔d1が、この第一、第二のアーム12、13に垂直なミラー部1の最大長さd2(直径)よりも短い点である。
(Embodiment 4)
As shown in FIG. 8, the main difference between the present embodiment and the first embodiment is that the first tuning fork type
すなわち本実施の形態では、第一の音叉形圧電振動子3の第一、第二のアーム12、13がミラー部1の外周を囲わず、より内側に内包されているため、枠体6を小さくでき、結果として光学反射素子の小型化に寄与する。
That is, in the present embodiment, the first and
また本実施の形態では、第一のアーム12、第二のアーム13が短くなるため、第一の音叉形圧電振動子3における共振周波数が高くなり、この光学反射素子の二軸方向における共振周波数比をより大きくすることができる。
In the present embodiment, since the
その他実施の形態1と同様の構成及び効果については説明を省略する。 Description of other configurations and effects similar to those of the first embodiment will be omitted.
本発明は、光学反射素子に関して小型化できるという効果を有し、たとえばレーザディスプレイ装置などの画像投影装置や、その他レーザ露光機などの用途に有用である。 The present invention has an effect that the optical reflecting element can be miniaturized, and is useful for applications such as an image projection apparatus such as a laser display apparatus and other laser exposure machines.
1 ミラー部
2 第一の支持部
3 第一の音叉形圧電振動子
4 振動中心
5 第二の支持部
6 枠体
7 第三の支持部
8 第二の音叉形圧電振動子
9 振動中心
10 第四の支持部
11 支持体
12 第一のアーム
13 第二のアーム
14 第三のアーム
15 第四のアーム
16 基材
17 圧電アクチュエータ
18 下部電極層
19 圧電体層
20 上部電極層
21 連結部
22 連結部
23A〜23D 接続端子
24 接続端子
25A〜25D 接続端子
26、27 矢印
28 回転軸
29 矢印
30 回転軸
DESCRIPTION OF
Claims (11)
前記第一の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第一の支持部の両側に第一のアームと第二のアームとを有し、前記第二の音叉形圧電振動子は、それぞれ前記第三の支持部の両側に第三のアームと第四のアームとを有し、
前記対の第一の音叉形圧電振動子の対向方向と、前記対の第二の音叉形圧電振動子の対向方向とは直交する関係にあるとともに、
前記第三の支持部と第四の支持部とは、蛇腹形状とした光学反射素子。 A pair of first tuning-fork type piezoelectric vibrators that face each other through the mirror part and are connected to the mirror part by a first support part, and these first tuning-fork type piezoelectric vibrations A frame that is connected to the vibration center of each child by a second support and surrounds the outer periphery of the pair of first tuning fork-shaped piezoelectric vibrators, is opposed to the frame through the frame, and A pair of second tuning-fork type piezoelectric vibrators connected by three support parts, and a support center connected by a fourth support part and a vibration center of each of these second tuning-fork type piezoelectric vibrators ,
Each of the first tuning fork type piezoelectric vibrators has a first arm and a second arm on both sides of the first support portion, and each of the second tuning fork type piezoelectric vibrators is provided with the third tuning fork type piezoelectric vibrator. A third arm and a fourth arm on both sides of the support portion of the
The opposing direction of the first tuning fork type piezoelectric vibrator of the pair and the opposing direction of the second tuning fork type piezoelectric vibrator of the pair are orthogonal to each other,
The third support part and the fourth support part are optical reflecting elements having a bellows shape.
前記第一のアームと第二のアームを、位相が180度異なる方向に撓み振動させ、その回転軸を中心に捩り振動するように駆動させるとともに、
前記第二の音叉形圧電振動子は、
前記第三のアームと第四のアームを、位相が180度異なる方向に撓み振動させ、
その回転軸を中心に捩り振動するように駆動させる請求項1に記載の光学反射素子。 The first tuning-fork type piezoelectric vibrator is
The first arm and the second arm are flexibly oscillated in directions different in phase by 180 degrees, and driven to torsionally oscillate around the rotation axis,
The second tuning-fork type piezoelectric vibrator is
The third arm and the fourth arm are flexed and vibrated in directions different in phase by 180 degrees,
The optical reflecting element according to claim 1, wherein the optical reflecting element is driven to torsionally vibrate about the rotation axis.
前記第三のアームと第四のアームの少なくともいずれか一方には、圧電アクチュエータが設けられている請求項1に記載の光学反射素子。 At least one of the first arm and the second arm;
The optical reflecting element according to claim 1, wherein a piezoelectric actuator is provided on at least one of the third arm and the fourth arm.
対となる他方の第三の支持部の回転対称形であるとともに、
一方の前記第四の支持部は、
対となる他方の第四の支持部の回転対称形である請求項1に記載の光学反射素子。 One of the third support portions is
And the rotationally symmetrical shape of the other third support part in the pair,
One of the fourth support parts is
The optical reflection element according to claim 1, wherein the other fourth support portion in a pair has a rotationally symmetric shape.
前記第二の音叉形圧電振動子の回転軸上に形成されている請求項1に記載の光学反射素子。 Both ends of the third support part and the fourth support part are
The optical reflection element according to claim 1, wherein the optical reflection element is formed on a rotation axis of the second tuning-fork type piezoelectric vibrator.
前記枠体側へ入り込んだ第三の支持部の長さは、
前記第二の音叉形圧電振動子側へ入り込んだ長さよりも長いものとした請求項1に記載の光学反射素子。 The third support portion enters both the frame body side and the second tuning fork-shaped piezoelectric vibrator side, and
The length of the third support part that has entered the frame body side is:
The optical reflection element according to claim 1, wherein the optical reflection element is longer than a length of the second tuning fork-shaped piezoelectric vibrator.
前記第四の支持部は、前記支持体側へ入り込んだ形状である請求項1に記載の光学反射素子。 The third support part enters the second tuning-fork type piezoelectric vibrator side,
The optical reflection element according to claim 1, wherein the fourth support portion has a shape that enters the support side.
蛇腹形状とした請求項1に記載の光学反射素子。 The first support part and the second support part are:
The optical reflective element according to claim 1, which has a bellows shape.
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