ミラーデバイス
【課題】非共振周波数で駆動する静電駆動型ミラーデバイスにおいて、振れ角を大きくする。
【解決手段】２軸ミラーデバイスにおいて、第二の可動フレーム８を動かすアクチュエータ１３が、第一と第二の２つのアクチュエータ９，１３から構成されており、可動フレームの回転角がゼロである状態からは第一のアクチュエータ９で第二の可動フレーム８を回転させはじめ、特定の回転角までいったところで第二のアクチュエータ１３で第二の可動フレームを回転させることで非共振駆動でも大きな振れ角を得る。
【解決手段】２軸ミラーデバイスにおいて、第二の可動フレーム８を動かすアクチュエータ１３が、第一と第二の２つのアクチュエータ９，１３から構成されており、可動フレームの回転角がゼロである状態からは第一のアクチュエータ９で第二の可動フレーム８を回転させはじめ、特定の回転角までいったところで第二のアクチュエータ１３で第二の可動フレームを回転させることで非共振駆動でも大きな振れ角を得る。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超小型プロジェクタなどの画像投影装置に搭載されて画像を投影するミラーデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にプロジェクタ装置は、映画館や会議室などで巨大なスクリーンに画像を投影することで、一度に多くの人が情報を共有できる設備として利用されるものである。
【０００３】
ところが、近年LED（Light Emitting Diode）やLD（Laser Diode）を利用したピコ・プロジェクタという、携帯電話への搭載が可能な超小型プロジェクタの製品化が進んでいる。
【０００４】
これは、どこでも好きな場所に画像を投影できる装置として近年注目を浴びており、日経エレクトロニクス２０１０年８−９月号では、２０１４年には年間２０００万台以上が出荷されると予測している。
【０００５】
このピコ・プロジェクタ向けの表示素子としては、LCOS（Liquid Crystal On Silicon）とDMD（Digital Micro-mirror Device）、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーデバイスの３つあり、現段階ではLCOSやDMDが主流となっている。しかし、LDとの組合せで焦点レスの光学系を構築できるというメリットがあることから、MEMSミラーデバイスの開発が進んでいる。
【０００６】
ＭＥＭＳミラーデバイスには、プロジェクタでの動画投影のため、水平と垂直の２軸のミラーが必要であり、かつ、ＷＶＧＡ対応（800×480）で水平方向±11°＠18ｋＨｚと垂直方向±６°＠60Ｈｚと大きく異なる走査速度で駆動することが求められる。
【０００７】
一例として、特許文献１に開示されたMicrovision社の電磁駆動型ミラーデバイスは、２軸のミラーデバイスで、外側の可動フレームは非共振周波数で垂直方向に、内側のミラーを共振周波数で水平方向に駆動する。ローレンツ力を発生させるためのコイルは、外側の可動フレーム上に形成してあり、ミラーデバイスの２つの可動軸方向に対して４５°の軸線上に磁石を配置することで、２軸に対するローレンツ力を外側の可動フレームに発生させている。
【０００８】
圧電駆動型ミラーデバイスの例として、特許文献２に開示されたスタンレー電気の２軸ミラーデバイスがある。この例では、ミラー面が形成される可動部と、この可動部を支持する可動フレームと、この可動フレームを支持する固定フレームとがある。そして、可動部と可動フレームはヒンジにより連結されており、可動フレームと固定フレームは廿楽折り状に連なった片持ち梁により連結されている。ミラーと可動フレームを連結するヒンジには圧電アクチュエータが形成されており、共振周波数で駆動することで大きな振れ角を得ている。また、可動フレームは、隣り合う片持ち梁上に形成した圧電材に極性の異なる電圧を印加することができる。
【０００９】
静電駆動型ミラーデバイスの例としては、特許文献３に開示されたパナソニック電工の１軸ミラーデバイスがある。この例では、ミラー面が形成される可動部と、この可動部を支持する固定フレームとがあり、可動部と固定フレームとは互いにヒンジにて連結されている。また可動部と固定フレームとの間に形成され、互いに噛合う一対の櫛歯電極が取り付けられ、この一対の櫛歯に電圧を印加した時の静電力を駆動力とし、ヒンジを捻りながら固定フレームに対し回動し、ヒンジを軸として揺動する。
【００１０】
この例では、小さな駆動電圧で光を走査するのに必要な振れ角を確保するため、光走査ミラーの可動部やヒンジが設けられている部位を低圧力で気密封止し、高いＱ値（共振周波数における振幅増幅率）を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特表２００７−５２２５２９号公報
【特許文献２】特開２００８−４０２４０号公報
【特許文献３】特開２０１０−８６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ミラーデバイスの駆動方式として有望なのは、先にも述べた電磁・圧電・静電の３種類であるが、最もシンプルで低コスト化がはかれるのは静電駆動型である。
この静電駆動型の欠点は駆動電圧が高いことであるが、水平方向の±11°＠18ｋＨｚ駆動に関しては、特許文献３により開示されている方法で対処できる。しかし、垂直方向の±６°＠60Ｈｚ駆動に関しては、表示素子としての耐外乱性などの観点から共振周波数を60Ｈｚまで低くすることはできないため、非共振駆動で大きな振れ角を得る必要がある。
【００１３】
本発明の目的は、特性の異なる第一の静電アクチュエータと第二の静電アクチュエータを組み合わせて第二の可動フレームを動かすことで、低い電圧でもミラーを駆動することができ、かつ、傾斜電極上に形成した絶縁体にミラーが接触するまで可動フレームの動かすことで、大きな振れ角を再現性良く得られるミラーデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的は、レーザ光をスクリーンとなる面に走査して画像を投影するためのミラーと、このミラーを取り付けた第一の可動フレームと、この第一の可動フレームに第一の梁を介して連結された第二の可動フレームと、この第二の可動フレームに第二の梁を介して連結された固定フレームとを備えたミラーデバイスにおいて、前記第一の可動フレームに形成された櫛歯と前記第二の可動フレームに形成された櫛歯とを組み合わせ、前記第二の可動フレームに形成された櫛歯と前記固定フレームに形成された櫛歯との組み合わせで第一の静電アクチュエータを形成し、前記第一の可動フレームと前記第二の可動フレームの下方に傾斜電極からなる第二の静電アクチュエータを設けるとともに、前記第一と第二のアクチュエータによって前記ミラーを左右と上下に動作させることにより達成される。
【００１５】
また上記目的は、前記ミラーは第一の梁と第二の梁による２軸で回転することが好ましい。
【００１６】
また上記目的は、前記第一のアクチュエータは平行平板型静電アクチュエータを片持ち梁で支えており、この片持ち梁先端に連結された平行平板電極が静電力により前記固定電極に引き寄せさられて接触れた状態から前記平行平板電極側から前記第二の可動フレームに前記片持ち梁が接触域を移動し、前記第二の可動フレームが所定の回転角を超えたところから傾斜した前記固定電極を用いた前記第二の静電アクチュエータの静電力が大きくなって前記ミラーを更に回転させることが好ましい。
【００１７】
また上記目的は、前記第一のアクチュエータは櫛歯電極型静電アクチュエータであり、前記第二の可動フレーム側にある櫛歯電極と前記固定フレーム側にある櫛歯電極の高さ方向の位置がオフセットを持っており、その櫛歯電極間に電圧を印加した時の静電力により前記第二の可動フレームを回転させて所定の回転角を超えたところから傾斜した固定電極を用いた前記第二の静電アクチュエータの力が大きくなって前記ミラーを回転させることが好ましい。
【００１８】
また上記目的は、水平方向に駆動するアクチュエータは前記第一の可動フレーム側にある櫛歯電極と前記第二の可動フレーム側にある櫛歯電極の高さ方向の位置がオフセットを持っており、その櫛歯電極間に電圧を印加した時の静電力により前記第一の可動フレームを回転させる静電アクチュエータであり、前記第一の可動フレームと前記ミラーとを一体とした系の共振周波数で駆動することが好ましい。
【００１９】
また上記目的は、前記ミラーと前記第一の可動フレーム、前記第二の可動フレームが前記固定フレーム部で接合された蓋によって空間が気密封止されており、この気密封止された空間の圧力が１０００Pa以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、特性の異なる第一の静電アクチュエータと第二の静電アクチュエータを組み合わせて第二の可動フレームを動かすことで、低い電圧でもミラーを駆動することができ、かつ、傾斜電極上に形成した絶縁体にミラーが接触するまで可動フレームの動かすことで、大きな振れ角を再現性良く得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】レーザ走査式プロジェクタの動作原理を示す図である。
【図２】調圧密閉空間内に収納された２軸静電駆動ミラーデバイスの断面図である。
【図３】本発明の実施例１にかかる２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本発明の実施例１にかかる傾斜電極の拡大図である。
【図７】本発明の実施例２に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【図８】本発明の実施例３に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【図９】本発明の実施例４に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【図１０】本発明の各実施例に係る傾斜電極の拡大図である。
【図１１】櫛歯型アクチュエータの部分拡大図である。
【図１２】図１１のＣ−Ｃ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
さて、レーザ走査式プロジェクタについて図１、図２を使って簡単に説明する。
【００２３】
図１はレーザ走査式プロジェクタの動作原理を示す図である。
図２は調圧密閉空間内に収納された２軸静電駆動ミラーデバイスの断面図である。
図１において、レーザーソース１からＲＧＢそれぞれのレーザ光源からの光をコリメートし、色合成したビームをミラー２に入射させて二次元的に走査することにより二次元像をスクリーン３に描くものである。ミラー２はスキャンされたレーザスポットはスクリーン３に対して水平方向に蛇行しながら上下方向に動作させて二次元像を描くことになる。
【００２４】
ミラー２について図２を使って説明する。
【００２５】
図２において、ミラー２は密閉容器４で形成された調圧気密空間４ａ内に収納されている。この密閉容器４はレーザスポットを通過させるために上面開口がガラス板４ｂで閉塞されている。ミラー２の直下には傾斜電極５が取り付けられている。ミラー２の外周には後述する可動フレーム（詳細は図３で説明する）が接続されており、傾斜電極５とラップする部分が櫛歯電電極６（詳細は図３で説明する）となっている。これらの電極は交流電圧を印加させることにより動作させている。
【００２６】
以下、本発明の一実施例に係るミラーデバイスの詳細を図にしたがって説明する。
【実施例１】
【００２７】
本実施例では画像描画に用いる場合を例に、図３〜図９を用いて説明する。
図３は本発明の第一の実施例に係るミラーデバイスの正面図である。
図４は図３のＡ−Ａ断面図である。
図５は図３のＢ−Ｂ断面図である。
図３において、光を反射するミラー２は、歪分離部２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され、同じ平面内に固定されている。歪分離部２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラー２が変形することを防止している。
【００２８】
第一の可動フレーム７は、ミラーの中心を通る軸線上に対称に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されている。また第一の可動フレーム７は回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心として回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００２９】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極７ａと第二の可動フレーム８に形成された櫛歯電極８ａ間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動させるようになっている。
【００３０】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で揺動させることができる。
なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラーを含んだ駆動系を図２に示したように、真空状態になる調圧気密空間４ａに気密封止するようになっている。
【００３１】
第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラー２の挙動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。
【００３２】
共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム８を回転させるための構成について、以下で説明する。
【００３３】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２の中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結しており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。櫛歯電極型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａと固定フレーム１１に固定した櫛歯電極１１ａ間に６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００３４】
ここで、ミラー２の振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラーを数度しか振ることができない。
【００３５】
そこで、第二の可動フレーム８に傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設けるようにした。
傾斜型静電アクチュエータ１４について図４、図５で説明する。
【００３６】
図４、図５において、光を反射するミラー２は、歪分離構造２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され同じ平面内に固定されている。歪分離部２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラー２が変形することを防いでいる。第一の可動フレーム７は、ミラー２の中心を通る軸線上に対象に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心に回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００３７】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極と第二の可動フレーム８に固定した櫛歯電極間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動する。
【００３８】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で揺動させることができる。なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラー２を含んだ駆動系を低い圧力にした空間に気密封止する。
【００３９】
第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラー２の揺動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。
【００４０】
共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム８を回転させるための構成を以下で説明する。
【００４１】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２の中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。櫛歯電極型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａと固定フレーム１１に固定した櫛歯電極間１１ａに６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００４２】
ここで、ミラー２の振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラーを数度しか振ることができない。
【００４３】
そこで、第二の可動フレーム８に傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設けた。
傾斜電極型を用いる理由は、静電力が電極間の距離の二乗に反比例するため、固定電極を傾斜させることで可動電極との距離を限りなくゼロに近づけることで、大きな静電力を得られるためである。ただし、大きな振れ角を得るには、傾斜角度もその振れ角分だけ傾斜している必要があるため、初期には大きな静電力を得られないため、静電アクチュエータ１４で傾斜電極間の距離を狭くして、大きな力が得られるようにしている。
【００４４】
図６は傾斜電極の拡大図である。
【００４５】
図６において、傾斜電極１４面には、この表面より突出した絶縁体５２が複数設けられている。この絶縁体５２は、静電力で第二の可動フレーム８が傾斜電極１４側に引き寄せた時のストッパとして機能させることで、常に第二の可動フレーム８の振れ角を傾斜電極１４の傾斜角度になるようにしている。
換言すると、絶縁体５２で第二の可動フレーム８が傾斜電極１４の表面に密着してしまうことを防止している。
【００４６】
以上のごとく、本実施例では櫛歯電極だけでは可動フレームを十分に傾斜させることができないため、傾斜電極を組み合わせたものである。つまり、櫛歯電極で可動フレームの傾斜の切っ掛けを作った上で、傾斜電極で所望の傾斜でミラーを揺動させるものである。
【実施例２】
【００４７】
図７は本発明の実施例２に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
図７において、光を反射するミラー２は、歪分離部２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され同じ平面内に固定されている。歪分離構造２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラー２が変形することを防いでいる。
【００４８】
第一の可動フレーム７は、ミラーの中心を通る軸線上に対象に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心に回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００４９】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極７ａと第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａ間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動する。
【００５０】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で揺動させることができる。なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラーを含んだ駆動系を低い圧力にした空間に気密封止する。
【００５１】
第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラーの挙動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム８を回転させる機構について、以下で説明する。
【００５２】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結しており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。櫛歯電極型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａと固定フレーム１１に形成した櫛歯電極１１ａ間に６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００５３】
ここで、ミラーの振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラー２を数度しか振ることができない。
【００５４】
そこで、第二の可動フレーム８に図１０に示す傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設ける。傾斜電極型を用いる理由は、静電力が電極間の距離の二乗に反比例するため、固定電極を傾斜させることで可動電極との距離を限りなくゼロに近づけることで、大きな静電力を得られるためである。ただし、大きな振れ角を得るには、傾斜角度もその振れ角分だけ傾斜している必要があるため、初期には大きな静電力を得られないため、静電アクチュエータで傾斜電極間の距離を狭くして、大きな力を得られるようにしている。
【００５５】
図１０に示すように傾斜電極１４の表面には絶縁体５２が形成してあり、静電力で第二の可動フレーム８を引き寄せた時のストッパとして機能させることで、常に第二の可動フレーム８の振れ角を傾斜電極１４の傾斜角度になるようにしている。
【実施例３】
【００５６】
図８は本発明の実施例３に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
図８において、光を反射するミラー２は、歪分離部２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され同じ平面内に固定されている。歪分離部２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラーが変形することを防いでいる。第一の可動フレーム７は、ミラー２の中心を通る軸線上に対象に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心に回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００５７】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極７ａと第二の可動フレーム８に固定した櫛歯電極８ａ間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動する。
【００５８】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で振ることができる。なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラー２を含んだ駆動系を低い圧力にした空間に気密封止する。第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。
【００５９】
このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラー２の挙動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム６を回転させる方法について、以下で説明する。
【００６０】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２の中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結しており、回転方向端部に形成した平行平板型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。平行平板型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に片持ち梁８ｂを介して連結した平行平板可動電極８ａと固定フレーム１１と一体となった平行平板固定電極１１ａ間に６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００６１】
ここで、ミラー２の振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラー２を大きく振ることはできない。
【００６２】
そこで、平行平板可動電極１１ａを支える片持ち梁８ｂを薄くし、その剛性を小さくすることで、大きな電極間距離でも低い電圧で平行平板電極８ａが接触できるようにし、平行平板電極８ａが接触した後は、可動電極を支えていた片持ち梁８ｂを平行平板電極８ａ側から徐々に固定電極に静電力で吸着していくことで、ミラー２を大きく振り、ある特定の振れ角以降は、第二の可動フレーム８に図１０に示す傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設けて、更に大きな振れ角まで持っていく。
【００６３】
傾斜電極型を用いる理由は、静電力が電極間の距離の二乗に反比例するため、固定電極を傾斜させることで可動電極との距離を限りなくゼロに近づけることで、大きな静電力を得られるためである。ただし、大きな振れ角を得るには、傾斜角度もその振れ角分だけ傾斜している必要があるため、初期には大きな静電力を得られないため、静電アクチュエータで傾斜電極間の距離を狭くして、大きな力を得られるようにしている。
【００６４】
図６に示したように傾斜電極１４の表面には絶縁体５２が形成してあり、静電力で第二の可動フレーム８を引き寄せた時のストッパとして機能させることで、常に第二の可動フレーム８の振れ角を傾斜電極１４の傾斜角度になるようにしている。
【実施例４】
【００６５】
図９は本発明の実施例４に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【００６６】
図９において、光を反射するミラー２は、歪分離構造２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され同じ平面内に固定されている。歪分離構造２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラー２が変形することを防いでいる。第一の可動フレーム７は、ミラー２の中心を通る軸線上に対象に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心に回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００６７】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極７ａと第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａ間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動する。
【００６８】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で振ることができる。なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラー２を含んだ駆動系を低い圧力にした空間に気密封止する。第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。
【００６９】
このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラー２の挙動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム８を回転させる方法について、以下で説明する。
【００７０】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２の中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結しており、回転方向端部に形成した平行平板型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。平行平板型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に片持ち梁８ｂを介して連結した平行平板可動電極８ａと固定フレーム１１と一体となった平行平板固定電極１１ａ間に６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００７１】
ここで、ミラーの振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラーを大きく振ることはできない。
【００７２】
そこで、平行平板可動電極を支える片持ち梁を薄くし、その剛性を小さくすることで、大きな電極間距離でも低い電圧で平行平板電極が接触できるようにし、平行平板電極が接触した後は、可動電極を支えていた片持ち梁８ｂを平行平板電極８ａ側から徐々に固定電極に静電力で吸着していくことで、ミラー２を大きく振り、ある特定の振れ角以降は、大きな第二の可動フレーム８に図１０に示す傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設けて、更に大きな振れ角まで持っていく。
【００７３】
傾斜電極型を用いる理由は、静電力が電極間の距離の二乗に反比例するため、固定電極を傾斜させることで可動電極との距離を限りなくゼロに近づけることで、大きな静電力を得られるためである。ただし、大きな振れ角を得るには、傾斜角度もその振れ角分だけ傾斜している必要があるため、初期には大きな静電力を得られないため、静電アクチュエータで傾斜電極間の距離を狭くして、大きな力を得られるようにしている。
【００７４】
図６に示したように傾斜電極１４の表面には絶縁体５２が形成してあり、静電力で第二の可動フレーム８を引き寄せた時のストッパとして機能させることで、常に第二の可動フレーム８の振れ角を傾斜電極５１の傾斜角度になるようにしている。
【００７５】
櫛歯型静電アクチュエータについて図１１と図１２を使って説明する。
図１１は櫛歯型アクチュエータの部分拡大図である。
図１２は図１１のＣ−Ｃ断面図である。
図１１において、固定枠７３には櫛歯状に形成された櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極７１が形成されている。この櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極７１の櫛歯に噛み合うように第二の可動フレーム７４の櫛歯型静電アクチュエータ用可動電極７２が取り付けられている。櫛歯型静電アクチュエータ用可動電極７２は櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極７１の櫛歯間を上下に可動する。
【００７６】
図１２において、櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極７１を基準位置として櫛歯型静電アクチュエータ用可動電極７２が可動する前の位置の差（オフセット７５）を有している。７６は櫛歯型静電アクチュエータ可動電極の高さを示している。
【００７７】
以上のごとく本発明によれば、特性の異なる第一の静電アクチュエータと第二の静電アクチュエータを組み合わせて第二の可動フレームを動かすことで、低い電圧でもミラーを駆動することができ、かつ、傾斜電極上に形成した絶縁体にミラーが接触するまで可動フレームの動かすことで、大きな振れ角を再現性良く得られる。
【符号の説明】
【００７８】
１・・・レーザーソース、２・・・ミラー、２ａ・・・歪分離部、３・・・スクリーン、４・・・密閉容器、４ａ・・・調圧気密空間、４ｂ・・・ガラス板、５・・・傾斜電極、７・・・第一の可動フレーム、７ａ・・・櫛歯電極、８・・・第二の可動フレーム、８ａ・・・櫛歯電極、９・・・櫛歯電極型静電アクチュエータ、１０・・・捩じり梁、１１・・・固定フレーム、１１ａ・・・櫛歯電極、１２・・・捩じり梁、１３・・・櫛歯電極型静電アクチュエータ、１４・・・傾斜電極型アクチュエータ、５２・・・絶縁体、７１・・・櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極、７２・・・櫛歯型静電アクチュエータ用可動電極、７３・・・固定枠、７４・・・第二の可動フレーム、７５・・・オフセット、７６・・・櫛歯型静電アクチュエータ可動電極高さ。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、超小型プロジェクタなどの画像投影装置に搭載されて画像を投影するミラーデバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一般的にプロジェクタ装置は、映画館や会議室などで巨大なスクリーンに画像を投影することで、一度に多くの人が情報を共有できる設備として利用されるものである。
【０００３】
ところが、近年LED（Light Emitting Diode）やLD（Laser Diode）を利用したピコ・プロジェクタという、携帯電話への搭載が可能な超小型プロジェクタの製品化が進んでいる。
【０００４】
これは、どこでも好きな場所に画像を投影できる装置として近年注目を浴びており、日経エレクトロニクス２０１０年８−９月号では、２０１４年には年間２０００万台以上が出荷されると予測している。
【０００５】
このピコ・プロジェクタ向けの表示素子としては、LCOS（Liquid Crystal On Silicon）とDMD（Digital Micro-mirror Device）、MEMS（Micro Electro Mechanical Systems）ミラーデバイスの３つあり、現段階ではLCOSやDMDが主流となっている。しかし、LDとの組合せで焦点レスの光学系を構築できるというメリットがあることから、MEMSミラーデバイスの開発が進んでいる。
【０００６】
ＭＥＭＳミラーデバイスには、プロジェクタでの動画投影のため、水平と垂直の２軸のミラーが必要であり、かつ、ＷＶＧＡ対応（800×480）で水平方向±11°＠18ｋＨｚと垂直方向±６°＠60Ｈｚと大きく異なる走査速度で駆動することが求められる。
【０００７】
一例として、特許文献１に開示されたMicrovision社の電磁駆動型ミラーデバイスは、２軸のミラーデバイスで、外側の可動フレームは非共振周波数で垂直方向に、内側のミラーを共振周波数で水平方向に駆動する。ローレンツ力を発生させるためのコイルは、外側の可動フレーム上に形成してあり、ミラーデバイスの２つの可動軸方向に対して４５°の軸線上に磁石を配置することで、２軸に対するローレンツ力を外側の可動フレームに発生させている。
【０００８】
圧電駆動型ミラーデバイスの例として、特許文献２に開示されたスタンレー電気の２軸ミラーデバイスがある。この例では、ミラー面が形成される可動部と、この可動部を支持する可動フレームと、この可動フレームを支持する固定フレームとがある。そして、可動部と可動フレームはヒンジにより連結されており、可動フレームと固定フレームは廿楽折り状に連なった片持ち梁により連結されている。ミラーと可動フレームを連結するヒンジには圧電アクチュエータが形成されており、共振周波数で駆動することで大きな振れ角を得ている。また、可動フレームは、隣り合う片持ち梁上に形成した圧電材に極性の異なる電圧を印加することができる。
【０００９】
静電駆動型ミラーデバイスの例としては、特許文献３に開示されたパナソニック電工の１軸ミラーデバイスがある。この例では、ミラー面が形成される可動部と、この可動部を支持する固定フレームとがあり、可動部と固定フレームとは互いにヒンジにて連結されている。また可動部と固定フレームとの間に形成され、互いに噛合う一対の櫛歯電極が取り付けられ、この一対の櫛歯に電圧を印加した時の静電力を駆動力とし、ヒンジを捻りながら固定フレームに対し回動し、ヒンジを軸として揺動する。
【００１０】
この例では、小さな駆動電圧で光を走査するのに必要な振れ角を確保するため、光走査ミラーの可動部やヒンジが設けられている部位を低圧力で気密封止し、高いＱ値（共振周波数における振幅増幅率）を実現している。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特表２００７−５２２５２９号公報
【特許文献２】特開２００８−４０２４０号公報
【特許文献３】特開２０１０−８６１３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１２】
ミラーデバイスの駆動方式として有望なのは、先にも述べた電磁・圧電・静電の３種類であるが、最もシンプルで低コスト化がはかれるのは静電駆動型である。
この静電駆動型の欠点は駆動電圧が高いことであるが、水平方向の±11°＠18ｋＨｚ駆動に関しては、特許文献３により開示されている方法で対処できる。しかし、垂直方向の±６°＠60Ｈｚ駆動に関しては、表示素子としての耐外乱性などの観点から共振周波数を60Ｈｚまで低くすることはできないため、非共振駆動で大きな振れ角を得る必要がある。
【００１３】
本発明の目的は、特性の異なる第一の静電アクチュエータと第二の静電アクチュエータを組み合わせて第二の可動フレームを動かすことで、低い電圧でもミラーを駆動することができ、かつ、傾斜電極上に形成した絶縁体にミラーが接触するまで可動フレームの動かすことで、大きな振れ角を再現性良く得られるミラーデバイスを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の目的は、レーザ光をスクリーンとなる面に走査して画像を投影するためのミラーと、このミラーを取り付けた第一の可動フレームと、この第一の可動フレームに第一の梁を介して連結された第二の可動フレームと、この第二の可動フレームに第二の梁を介して連結された固定フレームとを備えたミラーデバイスにおいて、前記第一の可動フレームに形成された櫛歯と前記第二の可動フレームに形成された櫛歯とを組み合わせ、前記第二の可動フレームに形成された櫛歯と前記固定フレームに形成された櫛歯との組み合わせで第一の静電アクチュエータを形成し、前記第一の可動フレームと前記第二の可動フレームの下方に傾斜電極からなる第二の静電アクチュエータを設けるとともに、前記第一と第二のアクチュエータによって前記ミラーを左右と上下に動作させることにより達成される。
【００１５】
また上記目的は、前記ミラーは第一の梁と第二の梁による２軸で回転することが好ましい。
【００１６】
また上記目的は、前記第一のアクチュエータは平行平板型静電アクチュエータを片持ち梁で支えており、この片持ち梁先端に連結された平行平板電極が静電力により前記固定電極に引き寄せさられて接触れた状態から前記平行平板電極側から前記第二の可動フレームに前記片持ち梁が接触域を移動し、前記第二の可動フレームが所定の回転角を超えたところから傾斜した前記固定電極を用いた前記第二の静電アクチュエータの静電力が大きくなって前記ミラーを更に回転させることが好ましい。
【００１７】
また上記目的は、前記第一のアクチュエータは櫛歯電極型静電アクチュエータであり、前記第二の可動フレーム側にある櫛歯電極と前記固定フレーム側にある櫛歯電極の高さ方向の位置がオフセットを持っており、その櫛歯電極間に電圧を印加した時の静電力により前記第二の可動フレームを回転させて所定の回転角を超えたところから傾斜した固定電極を用いた前記第二の静電アクチュエータの力が大きくなって前記ミラーを回転させることが好ましい。
【００１８】
また上記目的は、水平方向に駆動するアクチュエータは前記第一の可動フレーム側にある櫛歯電極と前記第二の可動フレーム側にある櫛歯電極の高さ方向の位置がオフセットを持っており、その櫛歯電極間に電圧を印加した時の静電力により前記第一の可動フレームを回転させる静電アクチュエータであり、前記第一の可動フレームと前記ミラーとを一体とした系の共振周波数で駆動することが好ましい。
【００１９】
また上記目的は、前記ミラーと前記第一の可動フレーム、前記第二の可動フレームが前記固定フレーム部で接合された蓋によって空間が気密封止されており、この気密封止された空間の圧力が１０００Pa以下であることが好ましい。
【発明の効果】
【００２０】
本発明によれば、特性の異なる第一の静電アクチュエータと第二の静電アクチュエータを組み合わせて第二の可動フレームを動かすことで、低い電圧でもミラーを駆動することができ、かつ、傾斜電極上に形成した絶縁体にミラーが接触するまで可動フレームの動かすことで、大きな振れ角を再現性良く得られる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】レーザ走査式プロジェクタの動作原理を示す図である。
【図２】調圧密閉空間内に収納された２軸静電駆動ミラーデバイスの断面図である。
【図３】本発明の実施例１にかかる２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【図４】図３のＡ−Ａ断面図である。
【図５】図３のＢ−Ｂ断面図である。
【図６】本発明の実施例１にかかる傾斜電極の拡大図である。
【図７】本発明の実施例２に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【図８】本発明の実施例３に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【図９】本発明の実施例４に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【図１０】本発明の各実施例に係る傾斜電極の拡大図である。
【図１１】櫛歯型アクチュエータの部分拡大図である。
【図１２】図１１のＣ−Ｃ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
さて、レーザ走査式プロジェクタについて図１、図２を使って簡単に説明する。
【００２３】
図１はレーザ走査式プロジェクタの動作原理を示す図である。
図２は調圧密閉空間内に収納された２軸静電駆動ミラーデバイスの断面図である。
図１において、レーザーソース１からＲＧＢそれぞれのレーザ光源からの光をコリメートし、色合成したビームをミラー２に入射させて二次元的に走査することにより二次元像をスクリーン３に描くものである。ミラー２はスキャンされたレーザスポットはスクリーン３に対して水平方向に蛇行しながら上下方向に動作させて二次元像を描くことになる。
【００２４】
ミラー２について図２を使って説明する。
【００２５】
図２において、ミラー２は密閉容器４で形成された調圧気密空間４ａ内に収納されている。この密閉容器４はレーザスポットを通過させるために上面開口がガラス板４ｂで閉塞されている。ミラー２の直下には傾斜電極５が取り付けられている。ミラー２の外周には後述する可動フレーム（詳細は図３で説明する）が接続されており、傾斜電極５とラップする部分が櫛歯電電極６（詳細は図３で説明する）となっている。これらの電極は交流電圧を印加させることにより動作させている。
【００２６】
以下、本発明の一実施例に係るミラーデバイスの詳細を図にしたがって説明する。
【実施例１】
【００２７】
本実施例では画像描画に用いる場合を例に、図３〜図９を用いて説明する。
図３は本発明の第一の実施例に係るミラーデバイスの正面図である。
図４は図３のＡ−Ａ断面図である。
図５は図３のＢ−Ｂ断面図である。
図３において、光を反射するミラー２は、歪分離部２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され、同じ平面内に固定されている。歪分離部２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラー２が変形することを防止している。
【００２８】
第一の可動フレーム７は、ミラーの中心を通る軸線上に対称に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されている。また第一の可動フレーム７は回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心として回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００２９】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極７ａと第二の可動フレーム８に形成された櫛歯電極８ａ間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動させるようになっている。
【００３０】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で揺動させることができる。
なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラーを含んだ駆動系を図２に示したように、真空状態になる調圧気密空間４ａに気密封止するようになっている。
【００３１】
第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラー２の挙動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。
【００３２】
共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム８を回転させるための構成について、以下で説明する。
【００３３】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２の中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結しており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。櫛歯電極型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａと固定フレーム１１に固定した櫛歯電極１１ａ間に６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００３４】
ここで、ミラー２の振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラーを数度しか振ることができない。
【００３５】
そこで、第二の可動フレーム８に傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設けるようにした。
傾斜型静電アクチュエータ１４について図４、図５で説明する。
【００３６】
図４、図５において、光を反射するミラー２は、歪分離構造２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され同じ平面内に固定されている。歪分離部２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラー２が変形することを防いでいる。第一の可動フレーム７は、ミラー２の中心を通る軸線上に対象に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心に回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００３７】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極と第二の可動フレーム８に固定した櫛歯電極間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動する。
【００３８】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で揺動させることができる。なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラー２を含んだ駆動系を低い圧力にした空間に気密封止する。
【００３９】
第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラー２の揺動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。
【００４０】
共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム８を回転させるための構成を以下で説明する。
【００４１】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２の中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。櫛歯電極型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａと固定フレーム１１に固定した櫛歯電極間１１ａに６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００４２】
ここで、ミラー２の振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラーを数度しか振ることができない。
【００４３】
そこで、第二の可動フレーム８に傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設けた。
傾斜電極型を用いる理由は、静電力が電極間の距離の二乗に反比例するため、固定電極を傾斜させることで可動電極との距離を限りなくゼロに近づけることで、大きな静電力を得られるためである。ただし、大きな振れ角を得るには、傾斜角度もその振れ角分だけ傾斜している必要があるため、初期には大きな静電力を得られないため、静電アクチュエータ１４で傾斜電極間の距離を狭くして、大きな力が得られるようにしている。
【００４４】
図６は傾斜電極の拡大図である。
【００４５】
図６において、傾斜電極１４面には、この表面より突出した絶縁体５２が複数設けられている。この絶縁体５２は、静電力で第二の可動フレーム８が傾斜電極１４側に引き寄せた時のストッパとして機能させることで、常に第二の可動フレーム８の振れ角を傾斜電極１４の傾斜角度になるようにしている。
換言すると、絶縁体５２で第二の可動フレーム８が傾斜電極１４の表面に密着してしまうことを防止している。
【００４６】
以上のごとく、本実施例では櫛歯電極だけでは可動フレームを十分に傾斜させることができないため、傾斜電極を組み合わせたものである。つまり、櫛歯電極で可動フレームの傾斜の切っ掛けを作った上で、傾斜電極で所望の傾斜でミラーを揺動させるものである。
【実施例２】
【００４７】
図７は本発明の実施例２に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
図７において、光を反射するミラー２は、歪分離部２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され同じ平面内に固定されている。歪分離構造２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラー２が変形することを防いでいる。
【００４８】
第一の可動フレーム７は、ミラーの中心を通る軸線上に対象に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心に回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００４９】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極７ａと第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａ間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動する。
【００５０】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で揺動させることができる。なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラーを含んだ駆動系を低い圧力にした空間に気密封止する。
【００５１】
第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラーの挙動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム８を回転させる機構について、以下で説明する。
【００５２】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結しており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。櫛歯電極型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａと固定フレーム１１に形成した櫛歯電極１１ａ間に６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００５３】
ここで、ミラーの振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラー２を数度しか振ることができない。
【００５４】
そこで、第二の可動フレーム８に図１０に示す傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設ける。傾斜電極型を用いる理由は、静電力が電極間の距離の二乗に反比例するため、固定電極を傾斜させることで可動電極との距離を限りなくゼロに近づけることで、大きな静電力を得られるためである。ただし、大きな振れ角を得るには、傾斜角度もその振れ角分だけ傾斜している必要があるため、初期には大きな静電力を得られないため、静電アクチュエータで傾斜電極間の距離を狭くして、大きな力を得られるようにしている。
【００５５】
図１０に示すように傾斜電極１４の表面には絶縁体５２が形成してあり、静電力で第二の可動フレーム８を引き寄せた時のストッパとして機能させることで、常に第二の可動フレーム８の振れ角を傾斜電極１４の傾斜角度になるようにしている。
【実施例３】
【００５６】
図８は本発明の実施例３に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
図８において、光を反射するミラー２は、歪分離部２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され同じ平面内に固定されている。歪分離部２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラーが変形することを防いでいる。第一の可動フレーム７は、ミラー２の中心を通る軸線上に対象に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心に回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００５７】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極７ａと第二の可動フレーム８に固定した櫛歯電極８ａ間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動する。
【００５８】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で振ることができる。なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラー２を含んだ駆動系を低い圧力にした空間に気密封止する。第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。
【００５９】
このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラー２の挙動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム６を回転させる方法について、以下で説明する。
【００６０】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２の中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結しており、回転方向端部に形成した平行平板型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。平行平板型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に片持ち梁８ｂを介して連結した平行平板可動電極８ａと固定フレーム１１と一体となった平行平板固定電極１１ａ間に６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００６１】
ここで、ミラー２の振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラー２を大きく振ることはできない。
【００６２】
そこで、平行平板可動電極１１ａを支える片持ち梁８ｂを薄くし、その剛性を小さくすることで、大きな電極間距離でも低い電圧で平行平板電極８ａが接触できるようにし、平行平板電極８ａが接触した後は、可動電極を支えていた片持ち梁８ｂを平行平板電極８ａ側から徐々に固定電極に静電力で吸着していくことで、ミラー２を大きく振り、ある特定の振れ角以降は、第二の可動フレーム８に図１０に示す傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設けて、更に大きな振れ角まで持っていく。
【００６３】
傾斜電極型を用いる理由は、静電力が電極間の距離の二乗に反比例するため、固定電極を傾斜させることで可動電極との距離を限りなくゼロに近づけることで、大きな静電力を得られるためである。ただし、大きな振れ角を得るには、傾斜角度もその振れ角分だけ傾斜している必要があるため、初期には大きな静電力を得られないため、静電アクチュエータで傾斜電極間の距離を狭くして、大きな力を得られるようにしている。
【００６４】
図６に示したように傾斜電極１４の表面には絶縁体５２が形成してあり、静電力で第二の可動フレーム８を引き寄せた時のストッパとして機能させることで、常に第二の可動フレーム８の振れ角を傾斜電極１４の傾斜角度になるようにしている。
【実施例４】
【００６５】
図９は本発明の実施例４に係る２軸静電駆動ミラーデバイスの正面図である。
【００６６】
図９において、光を反射するミラー２は、歪分離構造２ａを介して第一の可動フレーム７に連結され同じ平面内に固定されている。歪分離構造２ａは、温度変化や実装時に加わる力などによりミラー２が変形することを防いでいる。第一の可動フレーム７は、ミラー２の中心を通る軸線上に対象に配置された捩じり梁１０により第二の可動フレーム８に連結されており、回転方向端部に形成した櫛歯電極型静電アクチュエータ９により捩じり梁１０からなる軸を中心に回転する。第一の可動フレーム７を水平方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は１０ｋHz以上と高い。
【００６７】
このように共振周波数が高い場合には、櫛歯電極型静電アクチュエータ９は、第一の可動フレーム７に形成した櫛歯電極７ａと第二の可動フレーム８に形成した櫛歯電極８ａ間に、第一の可動フレーム７の内側にある構造を含んだ系の共振周波数と同じ周波数を持つ交流電圧を印加することで駆動する。
【００６８】
これにより、共振現象による振れ角の増幅が図れ、１０Ｖ以下の低い電圧でも捩じり梁１０を回転軸としてミラー２を大きな振れ角で振ることができる。なお、共振現象による振れ角の増幅率は、周辺の圧力に依存しており、増幅率を大きくするためにミラー２を含んだ駆動系を低い圧力にした空間に気密封止する。第二の可動フレーム８は、垂直方向の画像の描画に用いると、その駆動周波数は６０Hzとなる。
【００６９】
このように駆動周波数が低い場合には、共振周波数を低くしてしまうと外乱振動などの影響でミラー２の挙動が不安定になり、画像の描画には適さなくなる。そのため、非共振駆動とし、その系の共振周波数は外乱振動などの影響を受けにくいように数百Hz以上にする。共振現象による振れ角が増幅する現象を利用せずに第二の可動フレーム８を回転させる方法について、以下で説明する。
【００７０】
第二の可動フレーム８は、固定フレーム１１にミラー２の中心を通る軸線上に形成した捩じり梁１２で連結しており、回転方向端部に形成した平行平板型静電アクチュエータ１３により捩じり梁１２からなる軸を中心に回転する。平行平板型静電アクチュエータ１３は、第二の可動フレーム８に片持ち梁８ｂを介して連結した平行平板可動電極８ａと固定フレーム１１と一体となった平行平板固定電極１１ａ間に６０Hzの交流電圧を印加することで駆動する。
【００７１】
ここで、ミラーの振れ角は、静電アクチュエータで作り出した静電力と捩じり梁１２が捩じれることにより発生する反力のバランスで決まるため、数百Hz以上の共振周波数を持つように捩じり梁１２の剛性を設計すると、１０Ｖ以下の交流電圧ではミラーを大きく振ることはできない。
【００７２】
そこで、平行平板可動電極を支える片持ち梁を薄くし、その剛性を小さくすることで、大きな電極間距離でも低い電圧で平行平板電極が接触できるようにし、平行平板電極が接触した後は、可動電極を支えていた片持ち梁８ｂを平行平板電極８ａ側から徐々に固定電極に静電力で吸着していくことで、ミラー２を大きく振り、ある特定の振れ角以降は、大きな第二の可動フレーム８に図１０に示す傾斜電極型静電アクチュエータ１４を設けて、更に大きな振れ角まで持っていく。
【００７３】
傾斜電極型を用いる理由は、静電力が電極間の距離の二乗に反比例するため、固定電極を傾斜させることで可動電極との距離を限りなくゼロに近づけることで、大きな静電力を得られるためである。ただし、大きな振れ角を得るには、傾斜角度もその振れ角分だけ傾斜している必要があるため、初期には大きな静電力を得られないため、静電アクチュエータで傾斜電極間の距離を狭くして、大きな力を得られるようにしている。
【００７４】
図６に示したように傾斜電極１４の表面には絶縁体５２が形成してあり、静電力で第二の可動フレーム８を引き寄せた時のストッパとして機能させることで、常に第二の可動フレーム８の振れ角を傾斜電極５１の傾斜角度になるようにしている。
【００７５】
櫛歯型静電アクチュエータについて図１１と図１２を使って説明する。
図１１は櫛歯型アクチュエータの部分拡大図である。
図１２は図１１のＣ−Ｃ断面図である。
図１１において、固定枠７３には櫛歯状に形成された櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極７１が形成されている。この櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極７１の櫛歯に噛み合うように第二の可動フレーム７４の櫛歯型静電アクチュエータ用可動電極７２が取り付けられている。櫛歯型静電アクチュエータ用可動電極７２は櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極７１の櫛歯間を上下に可動する。
【００７６】
図１２において、櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極７１を基準位置として櫛歯型静電アクチュエータ用可動電極７２が可動する前の位置の差（オフセット７５）を有している。７６は櫛歯型静電アクチュエータ可動電極の高さを示している。
【００７７】
以上のごとく本発明によれば、特性の異なる第一の静電アクチュエータと第二の静電アクチュエータを組み合わせて第二の可動フレームを動かすことで、低い電圧でもミラーを駆動することができ、かつ、傾斜電極上に形成した絶縁体にミラーが接触するまで可動フレームの動かすことで、大きな振れ角を再現性良く得られる。
【符号の説明】
【００７８】
１・・・レーザーソース、２・・・ミラー、２ａ・・・歪分離部、３・・・スクリーン、４・・・密閉容器、４ａ・・・調圧気密空間、４ｂ・・・ガラス板、５・・・傾斜電極、７・・・第一の可動フレーム、７ａ・・・櫛歯電極、８・・・第二の可動フレーム、８ａ・・・櫛歯電極、９・・・櫛歯電極型静電アクチュエータ、１０・・・捩じり梁、１１・・・固定フレーム、１１ａ・・・櫛歯電極、１２・・・捩じり梁、１３・・・櫛歯電極型静電アクチュエータ、１４・・・傾斜電極型アクチュエータ、５２・・・絶縁体、７１・・・櫛歯型静電アクチュエータ用固定電極、７２・・・櫛歯型静電アクチュエータ用可動電極、７３・・・固定枠、７４・・・第二の可動フレーム、７５・・・オフセット、７６・・・櫛歯型静電アクチュエータ可動電極高さ。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
レーザ光をスクリーンとなる面に走査して画像を投影するためのミラーと、このミラーを取り付けた第一の可動フレームと、この第一の可動フレームに第一の梁を介して連結された第二の可動フレームと、この第二の可動フレームに第二の梁を介して連結された固定フレームとを備えたミラーデバイスにおいて、
前記第一の可動フレームに形成された櫛歯電極と前記第二の可動フレームに形成された櫛歯電極とを組み合わせ、前記第二の可動フレームに形成された櫛歯電極と前記固定フレームに形成された櫛歯電極との組み合わせで第一の静電アクチュエータを形成し、
前記第一の可動フレームと前記第二の可動フレームの下方に傾斜電極からなる第二の静電アクチュエータを設けるとともに、
前記第一と第二のアクチュエータによって前記ミラーを左右と上下に動作させることを特徴とするミラーデバイス。
【請求項２】
請求項１記載のミラーデバイスにおいて、
前記ミラーは第一の梁と第二の梁による２軸で回転することを特徴とするミラーデバイス。
【請求項３】
請求項１記載のミラーデバイスにおいて、
前記第二の可動フレーム、前記第一の静電アクチュエータは平行平板型静電アクチュエータを弾性を有する片持ち梁で支えてなり、
前記平行平板型静電アクチュエータが動作することで、前記片持ち梁が弾性変形して前記第二の可動フレームが前記第二の梁を軸として回転運動によって傾斜するように構成され、かつ前記第二の静電アクチュエータの傾斜電極は、前記第二の可動フレームが前記第二の静電アクチュエータの動作によって更に傾斜接近した時の最大傾斜とほぼ同一の傾斜となるように形成されていることを特徴とするミラーデバイス。
【請求項４】
請求項１記載のミラーデバイスにおいて、
前記第一のアクチュエータは櫛歯電極型静電アクチュエータであり、前記第二の可動フレーム側にある櫛歯電極と前記固定フレーム側にある櫛歯電極の高さ方向の位置がオフセットを持っており、
その櫛歯電極間に電圧を印加した時の静電力により前記第二の可動フレームを回転させて所定の回転角を超えたところから傾斜した固定電極を用いた前記第二の静電アクチュエータの力が大きくなって前記ミラーを回転させることを特徴とするミラーデバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のミラーデバイスにおいて、
水平方向に駆動するアクチュエータは前記第一の可動フレーム側にある櫛歯電極と前記第二の可動フレーム側にある櫛歯電極の高さ方向の位置がオフセットを持っており、
その櫛歯電極間に電圧を印加した時の静電力により前記第一の可動フレームを回転させる静電アクチュエータであり、前記第一の可動フレームと前記ミラーとを一体とした系の共振周波数で駆動することを特徴とするミラーデバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のミラーデバイスにおいて、
前記ミラーと前記第一の可動フレーム、前記第二の可動フレームが前記固定フレーム部で接合された蓋によって空間が気密封止されており、
この気密封止された空間の圧力が１０００Pa以下であることを特徴とするミラーデバイス。
【請求項１】
レーザ光をスクリーンとなる面に走査して画像を投影するためのミラーと、このミラーを取り付けた第一の可動フレームと、この第一の可動フレームに第一の梁を介して連結された第二の可動フレームと、この第二の可動フレームに第二の梁を介して連結された固定フレームとを備えたミラーデバイスにおいて、
前記第一の可動フレームに形成された櫛歯電極と前記第二の可動フレームに形成された櫛歯電極とを組み合わせ、前記第二の可動フレームに形成された櫛歯電極と前記固定フレームに形成された櫛歯電極との組み合わせで第一の静電アクチュエータを形成し、
前記第一の可動フレームと前記第二の可動フレームの下方に傾斜電極からなる第二の静電アクチュエータを設けるとともに、
前記第一と第二のアクチュエータによって前記ミラーを左右と上下に動作させることを特徴とするミラーデバイス。
【請求項２】
請求項１記載のミラーデバイスにおいて、
前記ミラーは第一の梁と第二の梁による２軸で回転することを特徴とするミラーデバイス。
【請求項３】
請求項１記載のミラーデバイスにおいて、
前記第二の可動フレーム、前記第一の静電アクチュエータは平行平板型静電アクチュエータを弾性を有する片持ち梁で支えてなり、
前記平行平板型静電アクチュエータが動作することで、前記片持ち梁が弾性変形して前記第二の可動フレームが前記第二の梁を軸として回転運動によって傾斜するように構成され、かつ前記第二の静電アクチュエータの傾斜電極は、前記第二の可動フレームが前記第二の静電アクチュエータの動作によって更に傾斜接近した時の最大傾斜とほぼ同一の傾斜となるように形成されていることを特徴とするミラーデバイス。
【請求項４】
請求項１記載のミラーデバイスにおいて、
前記第一のアクチュエータは櫛歯電極型静電アクチュエータであり、前記第二の可動フレーム側にある櫛歯電極と前記固定フレーム側にある櫛歯電極の高さ方向の位置がオフセットを持っており、
その櫛歯電極間に電圧を印加した時の静電力により前記第二の可動フレームを回転させて所定の回転角を超えたところから傾斜した固定電極を用いた前記第二の静電アクチュエータの力が大きくなって前記ミラーを回転させることを特徴とするミラーデバイス。
【請求項５】
請求項１乃至４のいずれかに記載のミラーデバイスにおいて、
水平方向に駆動するアクチュエータは前記第一の可動フレーム側にある櫛歯電極と前記第二の可動フレーム側にある櫛歯電極の高さ方向の位置がオフセットを持っており、
その櫛歯電極間に電圧を印加した時の静電力により前記第一の可動フレームを回転させる静電アクチュエータであり、前記第一の可動フレームと前記ミラーとを一体とした系の共振周波数で駆動することを特徴とするミラーデバイス。
【請求項６】
請求項１乃至５のいずれかに記載のミラーデバイスにおいて、
前記ミラーと前記第一の可動フレーム、前記第二の可動フレームが前記固定フレーム部で接合された蓋によって空間が気密封止されており、
この気密封止された空間の圧力が１０００Pa以下であることを特徴とするミラーデバイス。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【公開番号】特開２０１３−３５６０（Ｐ２０１３−３５６０Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３８１３１（Ｐ２０１１−１３８１３１）
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００１５３５３５）株式会社日立メディアエレクトロニクス (452)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２２日（２０１１．６．２２）
【出願人】（０００１５３５３５）株式会社日立メディアエレクトロニクス (452)
【Ｆターム（参考）】
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