光学反射素子およびこれを用いた画像投影装置
【課題】本発明は、光学反射素子を小型化することを目的とする。
【解決手段】この目的を達成する為本発明は、ミラー部８と、このミラー部８の一方の端部８Ａと連結された第一ミアンダ形振動子９と、この第一ミアンダ形振動子９と連結され、この第一ミアンダ形振動子９およびミラー部８を囲む可動枠１０と、この可動枠１０の一方の端部１０Ａと連結された第二ミアンダ形振動子１１と、この第二ミアンダ形振動子１１を支持する支持体１２とを備え、第一ミアンダ形振動子９の回転軸１３と第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４とは直交するとともに、ミラー部８は、第一ミアンダ形振動子９によって可動枠１０に支持される片持ち構造であって、可動枠１０は、第二ミアンダ形振動子１１によって支持体１２に支持される片持ち構造であるものとした。これにより本発明は、素子の面積が小さくなり、結果として光学反射素子を小型化できる。
【解決手段】この目的を達成する為本発明は、ミラー部８と、このミラー部８の一方の端部８Ａと連結された第一ミアンダ形振動子９と、この第一ミアンダ形振動子９と連結され、この第一ミアンダ形振動子９およびミラー部８を囲む可動枠１０と、この可動枠１０の一方の端部１０Ａと連結された第二ミアンダ形振動子１１と、この第二ミアンダ形振動子１１を支持する支持体１２とを備え、第一ミアンダ形振動子９の回転軸１３と第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４とは直交するとともに、ミラー部８は、第一ミアンダ形振動子９によって可動枠１０に支持される片持ち構造であって、可動枠１０は、第二ミアンダ形振動子１１によって支持体１２に支持される片持ち構造であるものとした。これにより本発明は、素子の面積が小さくなり、結果として光学反射素子を小型化できる。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ等の画像投影装置に用いられる光学反射素子およびこれを用いた画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に示すように、従来の光学反射素子は、ミラー部１と、このミラー部１の両端と連結された対の第一ミアンダ形振動子２と、これらの第一ミアンダ形振動子２と連結され、これらの第一ミアンダ形振動子２およびミラー部１を囲む可動枠３と、この可動枠３の両端と連結された対の第二ミアンダ形振動子４と、これらの第二ミアンダ形振動子４を支持する支持体５とを備えている。また第一ミアンダ形振動子２の回転軸６と前記第二ミアンダ形振動子４の回転軸７とは直交している。
【０００３】
そしてミラー部１はその両端を第一ミアンダ形振動子２に支持された両持ち構造であり、可動枠３はその両端を第二ミアンダ形振動子４に支持された両持ち構造である。
【０００４】
この光学反射素子は、ミラー部１に光を入射すれば、その反射光をミラー部１の振動によってスクリーン上のＸ軸とＹ軸方向とに走査させることができ、スクリーン上に文字や画像などを投影することができる。
【０００５】
なお、投影する画像の分解能を高め、高精度な画像を投影するには、第一ミアンダ形振動子２と第二ミアンダ形振動子４の振動周波数比を大きくする必要がある。
【０００６】
この出願に関連する光学反射素子を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２が挙げられる。
【特許文献１】特開２００３−１８１８００号公報
【特許文献２】特開２００５−１４８４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の光学反射素子は、素子サイズが大きいという課題があった。
【０００８】
その理由は、第一ミアンダ形振動子２と第二ミアンダ形振動子４の振動周波数比を大きくしようとすると、第二ミアンダ形振動子４の梁長が長くなるからである。そしてその結果、素子サイズが大きくなるのであった。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そしてこの目的を達成するために本発明は、ミラー部が、一方の端部を第一ミアンダ形振動子によって可動枠に支持される片持ち構造であって、可動枠は、一方の端部を第二ミアンダ形振動子によって支持体に支持される片持ち構造とした。
【発明の効果】
【００１１】
これにより本発明は、光学反射素子を小型化できる。
【００１２】
その理由は、可動枠を第二ミアンダ形振動子で片持ち支持したからである。
【００１３】
したがって、従来のように対の第二ミアンダ形振動子で可動枠を両持ち支持した場合と比較して、素子の面積が小さくなり、結果として光学反射素子を小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態における光学反射素子は、ミラー部８と、このミラー部８と連結された第一ミアンダ形振動子９と、この第一ミアンダ形振動子９と連結され、この第一ミアンダ形振動子９およびミラー部８の外周を囲む可動枠１０と、この可動枠１０と連結された第二ミアンダ形振動子１１と、この第二ミアンダ形振動子１１を支持し、この第二ミアンダ形振動子１１および前述の可動枠１０の外周を囲む枠状の支持体１２とを備えている。
【００１５】
そしてミラー部８は、図１に示す上側の端部８Ａが第一ミアンダ形振動子９によって可動枠１０に支持される片持ち構造であって、可動枠１０は、右側の端部１０Ａが第二ミアンダ形振動子１１によって支持体１２に支持される片持ち構造である。
【００１６】
そして第一ミアンダ形振動子９は、図１のＹ軸に平行な回転軸１３を有し、この回転軸１３を中心に第一ミアンダ形振動子９は回動し、この回動によってミラー部８も回転軸１３を中心に反復回転振動するものである。以下、回転軸１３を中心とする反復回転振動の周波数をｆH、この振動の振幅をθHとする。
【００１７】
また第二ミアンダ形振動子１１は、第一ミアンダ形振動子９の回転軸１３とは直交するＸ軸に平行な回転軸１４を有する。そしてこの回転軸１４を中心に、第二ミアンダ形振動子１１と可動枠１０とは反復回転振動を起こし、この振動に伴ってミラー部８を、回転軸１４を中心に回動させることができる。以下、回転軸１４を中心とする反復回転振動の周波数をｆV、この振動の振幅をθVとする。
【００１８】
なおミラー部８は可動枠１０内の略中央に配置し、回転軸１３、１４をミラー部８内で交差させることが好ましい。この回転軸１３、１４の交点は不動点となるため、この交点に光源光を入射し、スクリーン上に投影することによって、第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１の振動状態に依存することなく、光源から前述の交点に入射し、スクリーン上に投影される光の光路長は一定となり、画像を高精度に投影することが可能となる。なお本実施の形態では、最も好ましい位置として、図１に示すように、回転軸１３、１４の交点をミラー部８の中心に配置した。これにより、製造誤差などに伴って第一ミアンダ形振動子９の回転軸１３の位置あるいは第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４の位置に多少の誤差が発生した場合でも、不動点がミラー部８の面内に留まる確率が高くなる。
【００１９】
また本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９は、図１に示す可動枠１０の上側の端部１０Ｂに連結され、第二ミアンダ形振動子１１は、図１に示す可動枠１０の下側の端部１０Ａに連結されている。すなわち本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９と可動枠１０との連結部と、第二ミアンダ形振動子１１と可動枠１０との連結部とは、第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４に関して互いに反対側に位置し、特に本実施の形態では第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１とを互いに逆側の端部１０Ａ、１０Ｂに連結させている。
【００２０】
さらに本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９をミラー部８の角部（端部８Ａ）に、第二ミアンダ形振動子１１を可動枠１０の角部（端部１０Ａ）にそれぞれ連結した。したがって、それぞれ辺の中央と連結する場合と比較し、てこの原理により振幅を大きくすることができる。
【００２１】
また第一ミアンダ形振動子９をその回転軸１３上で可動枠１０に、第二ミアンダ形振動子１１をその回転軸１４上で支持体１２にそれぞれ支持させることによって、それぞれの回転軸１３、１４の位置が安定し、不要な振動の発生を抑制することができる。
【００２２】
また本実施の形態における光学反射素子は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１とのそれぞれ表面に圧電アクチュエータ１５を備えている。
【００２３】
すなわちこの光学反射素子は、共通のシリコン基板１６をベースとし、このシリコン基板１６上にシリコン酸化膜１７、接地電極層１８、圧電層１９、駆動電極層２０、２１とが順次積層されている。そして駆動電極層２０、２１は、エッチングによって所望の配線パターンにパターニングされている。なお、圧電アクチュエータ１５は、接地電極層１８、圧電層１９、駆動電極層２０、２１によって構成される。
【００２４】
また本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１、ミラー部８に相当するシリコン基板１６の裏面をエッチングし、膜厚を薄くしている。第一ミアンダ形振動子９や第二ミアンダ形振動子１１においては、膜厚を薄くすることにより弾性変形しやすくなり、振幅θH、θVを大きくすることができる。また、可動枠１０の膜厚は大きくすることにより、可動枠１０が第二ミアンダ形振動子１１に対する重りとして機能し、回転軸１４を中心とした反復回転振動の振幅θVを大きくすることができる。また支持体１２の膜厚は大きくすることによって、素子をハンドリングしやすくなり、また素子全体の機械的強度を高めることができる。
【００２５】
なお、接地電極層１８はプラチナ、駆動電極層２０、２１は金、圧電層１９はチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒx， Ｔｉ1-x)Ｏ3 で、x ＝ ０．５２５）等で形成でき、これらは蒸着、ゾル・ゲル、ＣＶＤ、スパッタ法などによって薄膜化することができる。
【００２６】
次に、本実施の形態の光学反射素子の動作を説明する。
【００２７】
まず、図１に示す第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１それぞれの駆動電極層（図２（ａ）の２０、図２（ｂ）の２１）に、それぞれの振動子に固有の共振周波数の交流電圧を印加し、第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１の圧電アクチュエータ１５を共に駆動させる。ここで第一ミアンダ形振動子９や第二ミアンダ形振動子１１は、非共振駆動でもよいが、共振させることにより共に振幅θH、θVを大きくできる。
【００２８】
そして本実施の形態では、駆動電極層（図２（ａ）の２０）から供給される交流電圧（電気信号）の正・負によって、第一ミアンダ形振動子９は回転軸１３を中心に反復回転振動し、その振動によって、ミラー部８の左右両端部が垂直方向に振動し、ミラー部８を、回転軸１３を中心に回動させることが出来る。
【００２９】
また同様に、駆動電極層（図２（ａ）の２１）から供給される交流電圧の正・負によって第二ミアンダ形振動子１１は回転軸１４を中心に反復回転振動し、その振動によって、可動枠１０の上端部および下端部が素子平面に対して垂直方向に振動し、この振動によってミラー部８を、回転軸１４を中心に回動させることが出来る。
【００３０】
なお、上記の光学反射素子は、図３に示す画像投影装置のように、ＬＥＤ光源、レーザ光源などの光源２２からミラー部８へ光（入射光）を入射し、その反射光をミラー部８の振動によってスクリーン２３のＸ軸、Ｙ軸方向に走査させることによって、スクリーンや壁に画像、文字などを投影することができる。
【００３１】
以下に、本実施の形態における効果を説明する。
【００３２】
本実施の形態では、光学反射素子を小型化できる。
【００３３】
その理由は、可動枠１０を第二ミアンダ形振動子１１で片持ち支持したからである。
【００３４】
したがって、図８の従来の光学反射素子ように対の第二ミアンダ形振動子４で可動枠３を両持ち支持した場合と比較して、図１に示す本実施の形態では素子の面積が小さくなり、結果として光学反射素子を小型化できる。
【００３５】
また、両持ち支持の場合では可動枠１０の回動運動に対して両側の梁から拘束力が作用し、これが第二ミアンダ形振動子１１の振動周波数ｆVの高周波化の原因となっていたが、片持ち支持することによって拘束力が減少し、第二ミアンダ形振動子の振動周波数ｆVが低周波化する。その結果、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１との振動周波数比ｆH／ｆVを増加させることが可能となり、投影する画像の分解能が向上するため、高精度な画像投影装置を実現することが可能となる。
【００３６】
また本実施の形態では、片持ち支持であっても、不要な振動の発生を低減することができる。
【００３７】
すなわち、可動枠１０は、回転軸１４を中心に、この回転軸１４に対して垂直方向のみに反復回転振動させることが好ましいが、可動枠１０を片持ち支持すると、両持ち支持の場合と比較して重心がぶれ、可動枠１０は傾きやすくなる。
【００３８】
しかし本実施の形態では、可動枠１０の、第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１とそれぞれ連結する位置は、第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４に関して互いに逆側の端部１０Ａ、１０Ｂとしたことにより、可動枠１０の傾きを低減でき、不要な振動の発生を抑制することができる。
【００３９】
ここで下記表１に可動枠１０の傾きを検討した実験結果を示す。表１の（ａ）は図４の光学反射素子を用いた値であり、表１の（ｂ）は図１の光学反射素子を用いた値である。実験によって、下記の表１（ａ）に示すように、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１とを、それぞれ図４に示すごとく可動枠１０の同一辺上、すなわち同一端部側に連結させた場合、０．２７４deg傾くのに対し、表１（ｂ）に示すように、対辺上、すなわち対向する端部（図１の１０Ａ、１０Ｂ）上に連結させた場合、可動枠１０の傾きは０．０７５degまで低減できることが分かった。
【００４０】
この理由は次のように考えられる。
【００４１】
すなわち、可動枠１０と第二ミアンダ形振動子１１との連結部分で、可動枠１０には第二ミアンダ形振動子１１の反復回転振動に伴う力が作用するため、前述の連結部（図１の端部１０Ａ）を作用点として可動枠１０が運動する。
【００４２】
このように、可動枠１０の端部１０Ａに第二ミアンダ形振動子１１が連結されている場合、可動枠１０は、回転軸１４より第二ミアンダ形振動子１１との連結部分側（端部１０Ａ側）が運動しやすく、反対側（端部１０Ｂ側）は運動しにくくなるため、可動枠１０の回転運動の中心は、回転軸１４に対して第二ミアンダ形振動子１１との連結部分と反対側（端部１０Ｂ側）にずれた位置に移動する。
【００４３】
しかしながら可動枠１０は第二ミアンダ形振動子１１と連結されており、この第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４の影響を受ける。したがって、可動枠１０の回転運動の中心と第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４とがずれることにより、可動枠１０の回転軸は第二ミアンダ形振動子の回転軸１４に対して傾くこととなる。
【００４４】
一方、可動枠１０内に第一ミアンダ形振動子９を形成することにより、可動枠１０の質量は減少する。したがって、例えば図４に示すように、第一ミアンダ形振動子９と可動枠１０との連結部と、第二ミアンダ形振動子１１と可動枠１０との連結部（図４の端部１０Ａ）が同じ側の場合には、第二ミアンダ形振動子１１との連結部側がより動きやすくなり、可動枠１０の前述の回転運動の中心のずれがより大きくなるため、可動枠１０の回転軸の傾きが増大する。逆に、図１に示すように、第一ミアンダ形振動子９と可動枠１０との連結部（図１の端部１０Ｂ）と、第二ミアンダ形振動子１１と可動枠１０との連結部（図１の１０Ａ）とを反対側に設定することにより、可動枠１０の、第二ミアンダ形振動子１１との連結部と反対側（端部１０Ｂ側）が動きやすくなるため、可動枠１０の回転軸の傾きを低減することが可能となる。
【００４５】
なお、表１の可動枠の傾き角（式１のＸ）は、図５に示すように、可動枠１０をＺ座標軸上におき、可動枠１０の回転軸１４に平行な辺の長さをｔとした場合の次式（式１）から求めた。
【００４６】
【数１】
【００４７】
【表１】
【００４８】
また同様の実験において、図６に示すようにミラー部８を対の第一ミアンダ形振動子２４で両持ち支持した場合は、可動枠２５の傾きは０．３３０degであった。したがってこの結果からも、図１に示すように、ミラー部８を第一ミアンダ形振動子９で片持ち支持し、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１とを可動枠１０の対向する端部１０Ａ、１０Ｂ上に連結させた構造は、可動枠１０の傾きを抑え、不要な振動の発生を抑制することができることが分かった。
【００４９】
また本実施の形態では、図２（ａ）（ｂ）に示すように、ミラー部８の下面に凹部２６を設け、ミラー部８内側のシリコン基板１６の厚みを薄くするとともに、ミラー部８の上面には重りとなる層２７Ａと、この層２７Ａの上に反射層２７Ｂを積層している。反射層２７Ｂとしては、シリコンやその他反射率の高い金属材料が挙げられる。層２７Ａの材料としては銅など比重の高いものが望ましい。その理由は、層２７Ａの厚さが薄くとも重りとして作用し得るからであり、層２７Ａの厚さが薄い場合には、層２７Ａを短時間で積層することが可能となるからである。なお、層２７Ａの材料として反射率の高いシリコンやその他金属材料を使用した場合には、反射層２７Ｂの形成は不要となる。
【００５０】
上記のように、ミラー部８の下面には凹部２６を設け、ミラー部８の上面には重りの層２７を設けることによって、ミラー部８の重心を第一ミアンダ形振動子９の回転軸（図１の１３）上に合わせるよう、ミラー部８の質量を調整することができ、ミラー部８の重心ずれに起因するミラー部８の振動軸の傾き、およびそれに伴う、振動時のミラー部８の不要な傾きを抑制することが可能となる。なお、凹部２６の深さは第一ミアンダ形振動子９、第二ミアンダ形振動子１１の裏面エッチングの深さと合わせることによって、同一工程で加工することができ、生産効率が高まる。
【００５１】
また本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９が一つしかないため、可動枠１０にデッドスペースができる。そしてこのデッドスペースが第二ミアンダ形振動子１１に対する重りの役割を果たすことになる。そしてその結果、第二ミアンダ形振動子１１の振幅θVを増加させ、振動周波数ｆVを下げることができる。そして振動周波数ｆVの低減により、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１の振動周波数比ｆH／ｆVを大きくでき、より高精細な画像を投影することができる。
【００５２】
（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図７に示すように、可動枠１０の自由端側、すなわち第二ミアンダ形振動子１１が連結されている右側の端部１０Ａと対向する左側の端部１０Ｃの外側面にジンバル軸２８を設けた点である。すなわち可動枠１０のジンバル軸２８との連結部である端部１０Ｃと、第二ミアンダ形振動子１１との連結部である端部１０Ａとは、第一ミアンダ形振動子９の回転軸１３に対して互いに反対の端部に位置している。
【００５３】
このジンバル軸２８は、支持体１２に回転自在に軸受けされている。このジンバル軸２８の軸受け部としては、例えば支持体１２に溝を形成すればよい。
【００５４】
このように本実施の形態では、可動枠１０の自由端側（端部１０Ｃ）をジンバル軸２８で保持することにより、可動枠１０の重心が振動時にぶれるのを抑制し、不要な振動の発生を抑えることができる。
【００５５】
また本実施の形態では、このジンバル軸２８を第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４上に形成した。すなわち本実施の形態では、可動枠１０の辺中央をジンバル軸２８と連結することによって、可動枠１０の不要な振動をより低減することができ、高効率で駆動できる。
【００５６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の光学反射素子は、小型化が可能なため、例えば携帯電話端末等に搭載する小型画像投影装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態１における光学反射素子の上面図
【図２】（ａ）図１の回転軸における断面図、（ｂ）図１の回転軸における断面図
【図３】本発明の実施の形態１における画像投影装置の動作を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における別の例の光学反射素子の上面図
【図５】表１の説明をする為の模式図
【図６】比較の為の光学反射素子の上面図
【図７】本発明の実施の形態２における光学反射素子の上面図
【図８】従来の光学反射素子の斜視図
【符号の説明】
【００５９】
８ ミラー部
８Ａ 端部
９ 第一ミアンダ形振動子
１０ 可動枠
１０Ａ 端部
１０Ｂ 端部
１０Ｃ 端部
１１ 第二ミアンダ形振動子
１２ 支持体
１３ 回転軸
１４ 回転軸
１５ 圧電アクチュエータ
１６ シリコン基板
１７ シリコン酸化膜
１８ 接地電極層
１９ 圧電層
２０ 駆動電極層
２１ 駆動電極層
２２ 光源
２３ スクリーン
２４ 第一ミアンダ形振動子
２５ 可動枠
２６ 凹部
２７Ａ 層
２７Ｂ 反射層
２８ ジンバル軸
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プロジェクタ等の画像投影装置に用いられる光学反射素子およびこれを用いた画像投影装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
図８に示すように、従来の光学反射素子は、ミラー部１と、このミラー部１の両端と連結された対の第一ミアンダ形振動子２と、これらの第一ミアンダ形振動子２と連結され、これらの第一ミアンダ形振動子２およびミラー部１を囲む可動枠３と、この可動枠３の両端と連結された対の第二ミアンダ形振動子４と、これらの第二ミアンダ形振動子４を支持する支持体５とを備えている。また第一ミアンダ形振動子２の回転軸６と前記第二ミアンダ形振動子４の回転軸７とは直交している。
【０００３】
そしてミラー部１はその両端を第一ミアンダ形振動子２に支持された両持ち構造であり、可動枠３はその両端を第二ミアンダ形振動子４に支持された両持ち構造である。
【０００４】
この光学反射素子は、ミラー部１に光を入射すれば、その反射光をミラー部１の振動によってスクリーン上のＸ軸とＹ軸方向とに走査させることができ、スクリーン上に文字や画像などを投影することができる。
【０００５】
なお、投影する画像の分解能を高め、高精度な画像を投影するには、第一ミアンダ形振動子２と第二ミアンダ形振動子４の振動周波数比を大きくする必要がある。
【０００６】
この出願に関連する光学反射素子を開示するものとして、例えば、特許文献１、特許文献２が挙げられる。
【特許文献１】特開２００３−１８１８００号公報
【特許文献２】特開２００５−１４８４５９号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
従来の光学反射素子は、素子サイズが大きいという課題があった。
【０００８】
その理由は、第一ミアンダ形振動子２と第二ミアンダ形振動子４の振動周波数比を大きくしようとすると、第二ミアンダ形振動子４の梁長が長くなるからである。そしてその結果、素子サイズが大きくなるのであった。
【０００９】
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。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
そしてこの目的を達成するために本発明は、ミラー部が、一方の端部を第一ミアンダ形振動子によって可動枠に支持される片持ち構造であって、可動枠は、一方の端部を第二ミアンダ形振動子によって支持体に支持される片持ち構造とした。
【発明の効果】
【００１１】
これにより本発明は、光学反射素子を小型化できる。
【００１２】
その理由は、可動枠を第二ミアンダ形振動子で片持ち支持したからである。
【００１３】
したがって、従来のように対の第二ミアンダ形振動子で可動枠を両持ち支持した場合と比較して、素子の面積が小さくなり、結果として光学反射素子を小型化できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
（実施の形態１）
図１に示すように、本実施の形態における光学反射素子は、ミラー部８と、このミラー部８と連結された第一ミアンダ形振動子９と、この第一ミアンダ形振動子９と連結され、この第一ミアンダ形振動子９およびミラー部８の外周を囲む可動枠１０と、この可動枠１０と連結された第二ミアンダ形振動子１１と、この第二ミアンダ形振動子１１を支持し、この第二ミアンダ形振動子１１および前述の可動枠１０の外周を囲む枠状の支持体１２とを備えている。
【００１５】
そしてミラー部８は、図１に示す上側の端部８Ａが第一ミアンダ形振動子９によって可動枠１０に支持される片持ち構造であって、可動枠１０は、右側の端部１０Ａが第二ミアンダ形振動子１１によって支持体１２に支持される片持ち構造である。
【００１６】
そして第一ミアンダ形振動子９は、図１のＹ軸に平行な回転軸１３を有し、この回転軸１３を中心に第一ミアンダ形振動子９は回動し、この回動によってミラー部８も回転軸１３を中心に反復回転振動するものである。以下、回転軸１３を中心とする反復回転振動の周波数をｆH、この振動の振幅をθHとする。
【００１７】
また第二ミアンダ形振動子１１は、第一ミアンダ形振動子９の回転軸１３とは直交するＸ軸に平行な回転軸１４を有する。そしてこの回転軸１４を中心に、第二ミアンダ形振動子１１と可動枠１０とは反復回転振動を起こし、この振動に伴ってミラー部８を、回転軸１４を中心に回動させることができる。以下、回転軸１４を中心とする反復回転振動の周波数をｆV、この振動の振幅をθVとする。
【００１８】
なおミラー部８は可動枠１０内の略中央に配置し、回転軸１３、１４をミラー部８内で交差させることが好ましい。この回転軸１３、１４の交点は不動点となるため、この交点に光源光を入射し、スクリーン上に投影することによって、第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１の振動状態に依存することなく、光源から前述の交点に入射し、スクリーン上に投影される光の光路長は一定となり、画像を高精度に投影することが可能となる。なお本実施の形態では、最も好ましい位置として、図１に示すように、回転軸１３、１４の交点をミラー部８の中心に配置した。これにより、製造誤差などに伴って第一ミアンダ形振動子９の回転軸１３の位置あるいは第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４の位置に多少の誤差が発生した場合でも、不動点がミラー部８の面内に留まる確率が高くなる。
【００１９】
また本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９は、図１に示す可動枠１０の上側の端部１０Ｂに連結され、第二ミアンダ形振動子１１は、図１に示す可動枠１０の下側の端部１０Ａに連結されている。すなわち本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９と可動枠１０との連結部と、第二ミアンダ形振動子１１と可動枠１０との連結部とは、第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４に関して互いに反対側に位置し、特に本実施の形態では第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１とを互いに逆側の端部１０Ａ、１０Ｂに連結させている。
【００２０】
さらに本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９をミラー部８の角部（端部８Ａ）に、第二ミアンダ形振動子１１を可動枠１０の角部（端部１０Ａ）にそれぞれ連結した。したがって、それぞれ辺の中央と連結する場合と比較し、てこの原理により振幅を大きくすることができる。
【００２１】
また第一ミアンダ形振動子９をその回転軸１３上で可動枠１０に、第二ミアンダ形振動子１１をその回転軸１４上で支持体１２にそれぞれ支持させることによって、それぞれの回転軸１３、１４の位置が安定し、不要な振動の発生を抑制することができる。
【００２２】
また本実施の形態における光学反射素子は、図２（ａ）（ｂ）に示すように、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１とのそれぞれ表面に圧電アクチュエータ１５を備えている。
【００２３】
すなわちこの光学反射素子は、共通のシリコン基板１６をベースとし、このシリコン基板１６上にシリコン酸化膜１７、接地電極層１８、圧電層１９、駆動電極層２０、２１とが順次積層されている。そして駆動電極層２０、２１は、エッチングによって所望の配線パターンにパターニングされている。なお、圧電アクチュエータ１５は、接地電極層１８、圧電層１９、駆動電極層２０、２１によって構成される。
【００２４】
また本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１、ミラー部８に相当するシリコン基板１６の裏面をエッチングし、膜厚を薄くしている。第一ミアンダ形振動子９や第二ミアンダ形振動子１１においては、膜厚を薄くすることにより弾性変形しやすくなり、振幅θH、θVを大きくすることができる。また、可動枠１０の膜厚は大きくすることにより、可動枠１０が第二ミアンダ形振動子１１に対する重りとして機能し、回転軸１４を中心とした反復回転振動の振幅θVを大きくすることができる。また支持体１２の膜厚は大きくすることによって、素子をハンドリングしやすくなり、また素子全体の機械的強度を高めることができる。
【００２５】
なお、接地電極層１８はプラチナ、駆動電極層２０、２１は金、圧電層１９はチタン酸ジルコン酸鉛（Ｐｂ(Ｚｒx， Ｔｉ1-x)Ｏ3 で、x ＝ ０．５２５）等で形成でき、これらは蒸着、ゾル・ゲル、ＣＶＤ、スパッタ法などによって薄膜化することができる。
【００２６】
次に、本実施の形態の光学反射素子の動作を説明する。
【００２７】
まず、図１に示す第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１それぞれの駆動電極層（図２（ａ）の２０、図２（ｂ）の２１）に、それぞれの振動子に固有の共振周波数の交流電圧を印加し、第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１の圧電アクチュエータ１５を共に駆動させる。ここで第一ミアンダ形振動子９や第二ミアンダ形振動子１１は、非共振駆動でもよいが、共振させることにより共に振幅θH、θVを大きくできる。
【００２８】
そして本実施の形態では、駆動電極層（図２（ａ）の２０）から供給される交流電圧（電気信号）の正・負によって、第一ミアンダ形振動子９は回転軸１３を中心に反復回転振動し、その振動によって、ミラー部８の左右両端部が垂直方向に振動し、ミラー部８を、回転軸１３を中心に回動させることが出来る。
【００２９】
また同様に、駆動電極層（図２（ａ）の２１）から供給される交流電圧の正・負によって第二ミアンダ形振動子１１は回転軸１４を中心に反復回転振動し、その振動によって、可動枠１０の上端部および下端部が素子平面に対して垂直方向に振動し、この振動によってミラー部８を、回転軸１４を中心に回動させることが出来る。
【００３０】
なお、上記の光学反射素子は、図３に示す画像投影装置のように、ＬＥＤ光源、レーザ光源などの光源２２からミラー部８へ光（入射光）を入射し、その反射光をミラー部８の振動によってスクリーン２３のＸ軸、Ｙ軸方向に走査させることによって、スクリーンや壁に画像、文字などを投影することができる。
【００３１】
以下に、本実施の形態における効果を説明する。
【００３２】
本実施の形態では、光学反射素子を小型化できる。
【００３３】
その理由は、可動枠１０を第二ミアンダ形振動子１１で片持ち支持したからである。
【００３４】
したがって、図８の従来の光学反射素子ように対の第二ミアンダ形振動子４で可動枠３を両持ち支持した場合と比較して、図１に示す本実施の形態では素子の面積が小さくなり、結果として光学反射素子を小型化できる。
【００３５】
また、両持ち支持の場合では可動枠１０の回動運動に対して両側の梁から拘束力が作用し、これが第二ミアンダ形振動子１１の振動周波数ｆVの高周波化の原因となっていたが、片持ち支持することによって拘束力が減少し、第二ミアンダ形振動子の振動周波数ｆVが低周波化する。その結果、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１との振動周波数比ｆH／ｆVを増加させることが可能となり、投影する画像の分解能が向上するため、高精度な画像投影装置を実現することが可能となる。
【００３６】
また本実施の形態では、片持ち支持であっても、不要な振動の発生を低減することができる。
【００３７】
すなわち、可動枠１０は、回転軸１４を中心に、この回転軸１４に対して垂直方向のみに反復回転振動させることが好ましいが、可動枠１０を片持ち支持すると、両持ち支持の場合と比較して重心がぶれ、可動枠１０は傾きやすくなる。
【００３８】
しかし本実施の形態では、可動枠１０の、第一ミアンダ形振動子９および第二ミアンダ形振動子１１とそれぞれ連結する位置は、第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４に関して互いに逆側の端部１０Ａ、１０Ｂとしたことにより、可動枠１０の傾きを低減でき、不要な振動の発生を抑制することができる。
【００３９】
ここで下記表１に可動枠１０の傾きを検討した実験結果を示す。表１の（ａ）は図４の光学反射素子を用いた値であり、表１の（ｂ）は図１の光学反射素子を用いた値である。実験によって、下記の表１（ａ）に示すように、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１とを、それぞれ図４に示すごとく可動枠１０の同一辺上、すなわち同一端部側に連結させた場合、０．２７４deg傾くのに対し、表１（ｂ）に示すように、対辺上、すなわち対向する端部（図１の１０Ａ、１０Ｂ）上に連結させた場合、可動枠１０の傾きは０．０７５degまで低減できることが分かった。
【００４０】
この理由は次のように考えられる。
【００４１】
すなわち、可動枠１０と第二ミアンダ形振動子１１との連結部分で、可動枠１０には第二ミアンダ形振動子１１の反復回転振動に伴う力が作用するため、前述の連結部（図１の端部１０Ａ）を作用点として可動枠１０が運動する。
【００４２】
このように、可動枠１０の端部１０Ａに第二ミアンダ形振動子１１が連結されている場合、可動枠１０は、回転軸１４より第二ミアンダ形振動子１１との連結部分側（端部１０Ａ側）が運動しやすく、反対側（端部１０Ｂ側）は運動しにくくなるため、可動枠１０の回転運動の中心は、回転軸１４に対して第二ミアンダ形振動子１１との連結部分と反対側（端部１０Ｂ側）にずれた位置に移動する。
【００４３】
しかしながら可動枠１０は第二ミアンダ形振動子１１と連結されており、この第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４の影響を受ける。したがって、可動枠１０の回転運動の中心と第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４とがずれることにより、可動枠１０の回転軸は第二ミアンダ形振動子の回転軸１４に対して傾くこととなる。
【００４４】
一方、可動枠１０内に第一ミアンダ形振動子９を形成することにより、可動枠１０の質量は減少する。したがって、例えば図４に示すように、第一ミアンダ形振動子９と可動枠１０との連結部と、第二ミアンダ形振動子１１と可動枠１０との連結部（図４の端部１０Ａ）が同じ側の場合には、第二ミアンダ形振動子１１との連結部側がより動きやすくなり、可動枠１０の前述の回転運動の中心のずれがより大きくなるため、可動枠１０の回転軸の傾きが増大する。逆に、図１に示すように、第一ミアンダ形振動子９と可動枠１０との連結部（図１の端部１０Ｂ）と、第二ミアンダ形振動子１１と可動枠１０との連結部（図１の１０Ａ）とを反対側に設定することにより、可動枠１０の、第二ミアンダ形振動子１１との連結部と反対側（端部１０Ｂ側）が動きやすくなるため、可動枠１０の回転軸の傾きを低減することが可能となる。
【００４５】
なお、表１の可動枠の傾き角（式１のＸ）は、図５に示すように、可動枠１０をＺ座標軸上におき、可動枠１０の回転軸１４に平行な辺の長さをｔとした場合の次式（式１）から求めた。
【００４６】
【数１】
【００４７】
【表１】
【００４８】
また同様の実験において、図６に示すようにミラー部８を対の第一ミアンダ形振動子２４で両持ち支持した場合は、可動枠２５の傾きは０．３３０degであった。したがってこの結果からも、図１に示すように、ミラー部８を第一ミアンダ形振動子９で片持ち支持し、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１とを可動枠１０の対向する端部１０Ａ、１０Ｂ上に連結させた構造は、可動枠１０の傾きを抑え、不要な振動の発生を抑制することができることが分かった。
【００４９】
また本実施の形態では、図２（ａ）（ｂ）に示すように、ミラー部８の下面に凹部２６を設け、ミラー部８内側のシリコン基板１６の厚みを薄くするとともに、ミラー部８の上面には重りとなる層２７Ａと、この層２７Ａの上に反射層２７Ｂを積層している。反射層２７Ｂとしては、シリコンやその他反射率の高い金属材料が挙げられる。層２７Ａの材料としては銅など比重の高いものが望ましい。その理由は、層２７Ａの厚さが薄くとも重りとして作用し得るからであり、層２７Ａの厚さが薄い場合には、層２７Ａを短時間で積層することが可能となるからである。なお、層２７Ａの材料として反射率の高いシリコンやその他金属材料を使用した場合には、反射層２７Ｂの形成は不要となる。
【００５０】
上記のように、ミラー部８の下面には凹部２６を設け、ミラー部８の上面には重りの層２７を設けることによって、ミラー部８の重心を第一ミアンダ形振動子９の回転軸（図１の１３）上に合わせるよう、ミラー部８の質量を調整することができ、ミラー部８の重心ずれに起因するミラー部８の振動軸の傾き、およびそれに伴う、振動時のミラー部８の不要な傾きを抑制することが可能となる。なお、凹部２６の深さは第一ミアンダ形振動子９、第二ミアンダ形振動子１１の裏面エッチングの深さと合わせることによって、同一工程で加工することができ、生産効率が高まる。
【００５１】
また本実施の形態では、第一ミアンダ形振動子９が一つしかないため、可動枠１０にデッドスペースができる。そしてこのデッドスペースが第二ミアンダ形振動子１１に対する重りの役割を果たすことになる。そしてその結果、第二ミアンダ形振動子１１の振幅θVを増加させ、振動周波数ｆVを下げることができる。そして振動周波数ｆVの低減により、第一ミアンダ形振動子９と第二ミアンダ形振動子１１の振動周波数比ｆH／ｆVを大きくでき、より高精細な画像を投影することができる。
【００５２】
（実施の形態２）
本実施の形態と実施の形態１との違いは、図７に示すように、可動枠１０の自由端側、すなわち第二ミアンダ形振動子１１が連結されている右側の端部１０Ａと対向する左側の端部１０Ｃの外側面にジンバル軸２８を設けた点である。すなわち可動枠１０のジンバル軸２８との連結部である端部１０Ｃと、第二ミアンダ形振動子１１との連結部である端部１０Ａとは、第一ミアンダ形振動子９の回転軸１３に対して互いに反対の端部に位置している。
【００５３】
このジンバル軸２８は、支持体１２に回転自在に軸受けされている。このジンバル軸２８の軸受け部としては、例えば支持体１２に溝を形成すればよい。
【００５４】
このように本実施の形態では、可動枠１０の自由端側（端部１０Ｃ）をジンバル軸２８で保持することにより、可動枠１０の重心が振動時にぶれるのを抑制し、不要な振動の発生を抑えることができる。
【００５５】
また本実施の形態では、このジンバル軸２８を第二ミアンダ形振動子１１の回転軸１４上に形成した。すなわち本実施の形態では、可動枠１０の辺中央をジンバル軸２８と連結することによって、可動枠１０の不要な振動をより低減することができ、高効率で駆動できる。
【００５６】
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。
【産業上の利用可能性】
【００５７】
本発明の光学反射素子は、小型化が可能なため、例えば携帯電話端末等に搭載する小型画像投影装置に利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００５８】
【図１】本発明の実施の形態１における光学反射素子の上面図
【図２】（ａ）図１の回転軸における断面図、（ｂ）図１の回転軸における断面図
【図３】本発明の実施の形態１における画像投影装置の動作を示す図
【図４】本発明の実施の形態１における別の例の光学反射素子の上面図
【図５】表１の説明をする為の模式図
【図６】比較の為の光学反射素子の上面図
【図７】本発明の実施の形態２における光学反射素子の上面図
【図８】従来の光学反射素子の斜視図
【符号の説明】
【００５９】
８ ミラー部
８Ａ 端部
９ 第一ミアンダ形振動子
１０ 可動枠
１０Ａ 端部
１０Ｂ 端部
１０Ｃ 端部
１１ 第二ミアンダ形振動子
１２ 支持体
１３ 回転軸
１４ 回転軸
１５ 圧電アクチュエータ
１６ シリコン基板
１７ シリコン酸化膜
１８ 接地電極層
１９ 圧電層
２０ 駆動電極層
２１ 駆動電極層
２２ 光源
２３ スクリーン
２４ 第一ミアンダ形振動子
２５ 可動枠
２６ 凹部
２７Ａ 層
２７Ｂ 反射層
２８ ジンバル軸
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラー部と、
このミラー部の一方の端部と連結された第一ミアンダ形振動子と、
この第一ミアンダ形振動子と連結され、この第一ミアンダ形振動子および前記ミラー部を囲む可動枠と、
この可動枠の一方の端部と連結された第二ミアンダ形振動子と、
この第二ミアンダ形振動子を支持する支持体とを備え、
前記第一ミアンダ形振動子の回転軸と前記第二ミアンダ形振動子の回転軸とは直交するとともに、
前記ミラー部は、前記第一ミアンダ形振動子によって前記可動枠に支持される片持ち構造であって、
前記可動枠は、前記第二ミアンダ形振動子によって前記支持体に支持される片持ち構造である光学反射素子。
【請求項２】
前記第一ミアンダ形振動子および第二ミアンダ形振動子は、
それぞれ圧電アクチュエータを備えている請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項３】
前記第一ミアンダ形振動子の回転軸と前記第二ミアンダ形振動子の回転軸の交点は、前記ミラー部内に位置する請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項４】
前記第一ミアンダ形振動子の回転軸と前記第二ミアンダ形振動子の回転軸の交点は、前記ミラー部の中心に位置する請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項５】
前記第一ミアンダ形振動子と前記可動枠との連結部と、前記第二ミアンダ形振動子と前記可動枠との連結部とは、前記第二ミアンダ形振動子の回転軸に対して互いに反対側に位置する請求項１記載の光学反射素子。
【請求項６】
前記ミラー部の下面には凹部が形成されているとともに、
前記ミラー部の上面には重りが配置されている請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項７】
前記可動枠の外側面には、前記支持体で軸受けされるジンバル軸が設けられ、
このジンバル軸と前記可動枠との連結部と、前記第二ミアンダ形素子と前記可動枠との連結部とは、
前記第一ミアンダ形振動子の回転軸に対して互いに反対側に位置する請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項８】
前記ジンバル軸は、
前記第二ミアンダ形振動子の回転軸上に形成されている請求項７に記載の光学反射素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一つに記載の光学反射素子と、
この光学反射素子の前記ミラー部へ光を入射させる光源とを備えた画像投影装置。
【請求項１】
ミラー部と、
このミラー部の一方の端部と連結された第一ミアンダ形振動子と、
この第一ミアンダ形振動子と連結され、この第一ミアンダ形振動子および前記ミラー部を囲む可動枠と、
この可動枠の一方の端部と連結された第二ミアンダ形振動子と、
この第二ミアンダ形振動子を支持する支持体とを備え、
前記第一ミアンダ形振動子の回転軸と前記第二ミアンダ形振動子の回転軸とは直交するとともに、
前記ミラー部は、前記第一ミアンダ形振動子によって前記可動枠に支持される片持ち構造であって、
前記可動枠は、前記第二ミアンダ形振動子によって前記支持体に支持される片持ち構造である光学反射素子。
【請求項２】
前記第一ミアンダ形振動子および第二ミアンダ形振動子は、
それぞれ圧電アクチュエータを備えている請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項３】
前記第一ミアンダ形振動子の回転軸と前記第二ミアンダ形振動子の回転軸の交点は、前記ミラー部内に位置する請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項４】
前記第一ミアンダ形振動子の回転軸と前記第二ミアンダ形振動子の回転軸の交点は、前記ミラー部の中心に位置する請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項５】
前記第一ミアンダ形振動子と前記可動枠との連結部と、前記第二ミアンダ形振動子と前記可動枠との連結部とは、前記第二ミアンダ形振動子の回転軸に対して互いに反対側に位置する請求項１記載の光学反射素子。
【請求項６】
前記ミラー部の下面には凹部が形成されているとともに、
前記ミラー部の上面には重りが配置されている請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項７】
前記可動枠の外側面には、前記支持体で軸受けされるジンバル軸が設けられ、
このジンバル軸と前記可動枠との連結部と、前記第二ミアンダ形素子と前記可動枠との連結部とは、
前記第一ミアンダ形振動子の回転軸に対して互いに反対側に位置する請求項１に記載の光学反射素子。
【請求項８】
前記ジンバル軸は、
前記第二ミアンダ形振動子の回転軸上に形成されている請求項７に記載の光学反射素子。
【請求項９】
請求項１から８のいずれか一つに記載の光学反射素子と、
この光学反射素子の前記ミラー部へ光を入射させる光源とを備えた画像投影装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【公開番号】特開２００９−２２３１１３（Ｐ２００９−２２３１１３Ａ）
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−６９０２９（Ｐ２００８−６９０２９）
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２１年１０月１日（２００９．１０．１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年３月１８日（２００８．３．１８）
【出願人】（０００００５８２１）パナソニック株式会社 (73,050)
【Ｆターム（参考）】
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