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、ミラー部７のＹ軸を中心とした回動角を大きく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、第一振動部８Ａ、８Ｂとミラー部７との連結構造体１３は、一つの第一振動部８Ａと可動枠９との接続部位を固定端１４とした片持ち梁構造であるものとした。これにより本発明は、ミラー部７と第一振動部８Ａ、８Ｂの動きの自由度が高まり、結果としてミラー部７のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【解決手段】この目的を達成する為、本発明は、第一振動部８Ａ、８Ｂとミラー部７との連結構造体１３は、一つの第一振動部８Ａと可動枠９との接続部位を固定端１４とした片持ち梁構造であるものとした。これにより本発明は、ミラー部７と第一振動部８Ａ、８Ｂの動きの自由度が高まり、結果としてミラー部７のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【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７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と接続された第一振動部２と、この第一振動部２と接続され、この第一振動部２および前記ミラー部１を囲む可動枠３と、この可動枠３と接続された第二振動部４と、この第二振動部４と接続され、この第二振動部４および可動枠３を囲む支持枠５とを備えている。
【０００３】
また第一振動部２は、Ｘ軸方向に蛇行する蛇行形状であり、Ｙ軸を中心にミラー部１を回動させる。第二振動部４は、Ｙ軸方向に蛇行する蛇行形状であり、Ｘ軸を中心にミラー部１を回動させる。
【０００４】
そしてミラー部１はその両端に第一振動部２を備え、この第一振動部２は可動枠３と接続されるため、ミラー部１と第一振動部２との連結構造体６は、いわゆる両持ち梁構造である。
【０００５】
なお、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Ｘ軸とＹ軸方向に走査させることができ、例えば壁やスクリーンに画像を投影することができる。
【０００６】
ここで、一般的な画像投影用光学反射素子では、Ｙ軸方向に１回走査する間にＸ軸方向には複数回の走査を行う必要がある。すなわち、Ｙ軸方向の走査周波数に対してＸ軸方向の走査周波数が高くなるように設計する必要がある。
【０００７】
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が挙げられる。
【特許文献１】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】
【０００８】
従来の光学反射素子は、ミラー部１のＹ軸を中心とした回動角が小さいという課題があった。
【０００９】
すなわち、前述のようにＸ軸方向の走査周波数を高くするには、第一振動部の蛇行梁長を第二振動部の蛇行梁長よりも十分に短く設定する必要がある。したがって、Ｘ軸方向への走査に必要な、Ｙ軸を中心とした回動角が小さくなりやすいのであった。
【００１０】
そこで本発明は、ミラー部１のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そしてこの目的を達成するために本発明は、第一振動部とミラー部との連結構造体は、一つの第一振動部と可動枠との接続部位を固定端とした片持ち梁構造であるものとした。
【発明の効果】
【００１２】
これにより本発明は、ミラー部のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【００１３】
その理由は、上記構造により、ミラー部と第一振動部との連結構造体の一端が自由端となるからである。
【００１４】
したがって、Ｘ軸方向の走査周波数を高くした場合でも、ミラー部と第一振動部の動きの自由度が高まり、結果としてミラー部のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施の形態１）
図１（ａ）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７と、このミラー部７の両端部とそれぞれ接続され、このミラー部７を、そのＹ軸を中心に回動させる第一振動部８Ａ，８Ｂと、この第一振動部８Ａと接続され、第一振動部８Ａ、８Ｂおよびミラー部７を囲む可動枠９と、この可動枠９と接続され、ミラー部７を、Ｘ軸を中心に回動させる第二振動部１０Ａ，１０Ｂと、この第二振動部１０Ａ，１０Ｂと接続され、この第二振動部１０Ａ，１０Ｂおよび可動枠９を囲む支持枠１１とを備えている。そしてミラー部７は、可動枠９のほぼ中央に配置されている。
【００１６】
また本実施の形態の光学反射素子は、第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ、１０Ｂを、それぞれ一対ずつ備えている。
【００１７】
ここで本実施の形態において、図１（ｂ）に示すようにミラー部７のＸ軸とＹ軸とはそれぞれミラー部７の回動中心軸を意味し、直交する関係にある。なおその交点はミラー部７の中心に設定することが好ましい。
【００１８】
そして二つの第一振動部８Ａ、８Ｂのうち一方（第一振動部８Ａ）は、その一端がミラー部７の下端部と接続され、他端が可動枠９と接続されている。また他方の第一振動部８Ｂは、その一端がミラー部７の上端部と接続されているが、他端は可動枠９とは接続されず、自由端１２となっている。
【００１９】
すなわち本実施の形態では、二つの第一振動部８Ａ、８Ｂとミラー部７との連結構造体１３は、一方の第一振動部８と可動枠９との接続部位を固定端１４とした、片持ち梁構造である。
【００２０】
なお、これらの二つの第一振動部８Ａ，８Ｂは、ミラー部７を介してＹ軸方向に対向している。
【００２１】
さらに二つの第二振動部１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ一端が可動枠９の下端部と接続され、他端は支持枠１１と接続されている。またこれらの二つの第二振動部１０Ａ，１０Ｂは、可動枠９を介してＸ軸方向に対向している。
【００２２】
なお、本実施の形態では、二つの第一振動部８Ａ，８Ｂをミラー部７の右辺側と接続したが、左辺側と接続してもよい。また本実施の形態では、二つの第二振動部１０Ａ，１０Ｂを可動枠９の下端部と接続したが、上端部と接続してもよい。
【００２３】
さらに本実施の形態では、第一振動部８Ａ，８Ｂはミラー部７のＸ軸方向に繰り返し蛇行し、Ｘ軸に平行な部位を複数有する蛇行形状であり、第二振動部１０Ａ，１０Ｂはミラー部７のＹ軸方向に繰り返し蛇行し、Ｙ軸方向に平行な部位を複数有する蛇行形状とした。
【００２４】
そして図１（ａ）の第一振動部８Ａ，８Ｂや第二振動部１０Ａ，１０Ｂは、図２に示すように、それぞれ共通のシリコン基板１５をベースとし、このシリコン基板１５上にはシリコン酸化膜１６が形成され、このシリコン酸化膜１６上にそれぞれ圧電アクチュエータを備えている。
【００２５】
この圧電アクチュエータは、このシリコン酸化膜１６上に積層された接地電極１７と、この接地電極１７上に積層された圧電層１８と、この圧電層１８上に共通に積層された駆動電極１９とを備えている。
【００２６】
また本実施の形態では、第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ，１０Ｂ、ミラー部７に相当するシリコン基板１５裏面をエッチングし、膜厚を薄くしている。すなわち本実施の形態における第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ，１０Ｂ、ミラー部７それぞれの膜厚は１２０μｍであり、可動枠９や支持枠１１の膜厚（５２５μｍ）よりも小さい（薄い）ものとした。
【００２７】
第一振動部８Ａ，８Ｂや第二振動部１０Ａ，１０Ｂ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、振幅を大きくすることができる。また、可動枠９の膜厚は大きくすることにより、可動枠９が第二振動部１０Ａ，１０Ｂに対する重りとして機能し、Ｙ軸方向における振幅を大きくすることができる。また支持枠１１の膜厚を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。
【００２８】
なお、接地電極１７はプラチナ、駆動電極１９は金、圧電層１８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。
【００２９】
次に、本実施の形態の光学反射素子の動作を説明する。
【００３０】
まず、第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ，１０Ｂそれぞれの駆動電極１９に、それぞれの共振周波数の交流電圧を印加し、第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ，１０Ｂの圧電アクチュエータを共に駆動させる。ここで第一振動部８Ａ，８Ｂや第二振動部１０Ａ，１０Ｂは、共振することにより共に振幅が大きくなり、ミラー部７のＸ軸およびＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【００３１】
そして本実施の形態では、駆動電極１９から供給される交流電圧（電気信号）の正・負によって第二振動部１０Ａ，１０ＢはＹ軸方向に曲げ方向を変え振動し、その振動によって、図１（ａ）に示す可動枠９の上端部および下端部が上下（垂直方向）に振動し、ミラー部７の中心を不動点としながら、ミラー部７を、Ｘ軸を中心に回動させることが出来る。
【００３２】
また同様に、駆動電極１９から供給される交流電圧の正・負によって、第一振動部８Ａ，８ＢはＸ軸方向に振動し、その振動によってミラー部７の左右両端部が上下（垂直方向）に振動し、ミラー部７の中心を不動点としながら、ミラー部７を、Ｙ軸を中心に回動させることが出来る。
【００３３】
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、レーザ光源などの光源２０からミラー部７へ光（入射光２１）を入射し、その反射光２２をミラー部７の振動によってＸ軸、Ｙ軸方向に走査させることによって、スクリーン２３や壁に画像２４を投影することができる。
【００３４】
次に、本実施の形態における効果を説明する。
【００３５】
本実施の形態では、ミラー部７のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【００３６】
その理由は、ミラー部７と第一振動部８Ａ、８Ｂとの連結構造体１３を、片持ち梁構造とすることにより、一方の第一振動部８Ｂの終端が自由端１２となるからである。
【００３７】
すなわち、従来の光学反射素子では、ミラー部７のＹ軸を中心とする回動角が非常に小さかった。これは、図７に示すように、ミラー部１の両端が、第一振動部２を介して可動枠３に固定されているからである。したがって、ミラー部１のＹ軸を中心とする回動動作が、固定端からの反力により制限され、結果として回動角が小さくなるのであった。
【００３８】
なお、Ｙ軸を中心とする回動振動周波数は、Ｘ軸方向の走査周波数となるため、Ｘ軸を中心とする回動振動周波数と比較して高くなる。そしてその結果、Ｙ軸を中心とする回動角がさらに小さくなるのであった。
【００３９】
これに対し本実施の形態では、図１（ａ）に示すように、第一振動部８Ａ、８Ｂおよびミラー部７の連結構造体１３の一端が自由端１２であるため、この一端では可動枠９からの反力が発生しない。したがって本実施の形態では、ミラー部７と第一振動部８Ａ、８Ｂの動きの自由度が高まり、結果としてミラー部７のＹ軸を中心とする回動角を大きくすることができる。なお、本実施の形態では、測定の結果、Ｙ軸を中心とする回動角が図７の約４．８倍となった。
【００４０】
また本実施の形態では、ミラー部７を可動枠９のほぼ中央に配置したことにより、ミラー部７の中央が不動点となる。すなわちミラー部７の中央において、位置ばらつきが少なくなる。したがって、この光学反射素子を用いて投影した画像の歪みを低減することができる。
【００４１】
また本実施の形態では、第一振動部８Ａ、８Ｂおよび第二振動部１０Ａ、１０Ｂを蛇行形状としたことにより、光学反射素子全体として小型化を図りながらも共振器長を長く調整することができ、ミラー部７の回動角を大きくすることができる。
【００４２】
（実施の形態２）
本実施の形態の光学反射素子は、図４に示すように、第一振動部８Ａを一つ備え、この第一振動部８Ａはミラー部７の片方にのみ配置されている。そして第一振動部８Ａとミラー部７との連結構造体１３は、第一振動部８Ａと可動枠９との接続部位を固定端１４とした片持ち梁構造である。
【００４３】
またミラー部７は、可動枠９のほぼ中央に配置されている。そしてこのミラー部７は、図５に示すように、上面からみると長方形である。またその断面は種々挙げられるが、例えば図６（ａ）〜（ｅ）に示す形態がある。
【００４４】
図６（ａ）〜（ｅ）に示すミラー部７は、それぞれ第一振動部８Ａの厚みが１２０μｍであるのに対し、図６（ａ）のミラー部７の厚みは１２０μｍ、図６（ｃ）、(ｅ)のミラー部７は厚みが５２５μｍであり、図６（ｂ）、（ｄ）は下面に凹凸を有している。
【００４５】
図６（ｂ）（ｄ）に示すミラー部７は、下面の内側に凹部２５が形成され、その外周には凸部２６（枠体）を備えている。
【００４６】
そしてこの凸部２６形成部分のミラー部７の厚みは、４０５μｍであり、ミラー部７の凹部２５部分の厚みは第一振動部８Ａの厚みとほぼ同じ１２０μｍである。すなわち本実施の形態では、ミラー部７の凸部２６形成部分の厚みは、第一振動部８Ａの厚みより大きいものとした。
【００４７】
また図６（ｄ）（ｅ）に示すミラー部７は、その上面に重り２７が載せられている。
【００４８】
なお、本実施の形態の光学反射素子は、いずれも第一振動部８Ａ、第二振動部１０Ａ、１０Ｂをエッチングにより薄くしたものであり、図６（ａ）のミラー部７下面全域と、図６（ｂ）、（ｄ）の凹部２５とは、第一振動部８Ａと第二振動部１０Ａ、１０Ｂのエッチングと同時工程で、エッチング加工したものである。
【００４９】
したがって、図６（ａ）のミラー部７の厚みおよび図６（ｂ）（ｄ）のミラー部７の凹部２５形成部分の厚みは、第一振動部８Ａおよび第二振動部１０Ａ、１０Ｂの厚みと同じである。
【００５０】
また図６（ｄ）（ｅ）に示すミラー部７上面に載せた重り２７は、例えば基板材料と同じ材料であるシリコンを堆積させたものである。また、他の材料を堆積させたものであっても良い。高密度かつ基板材料との密着性の高い材料が望ましい。
【００５１】
本実施の形態の効果を以下に説明する。
【００５２】
本実施の形態では、第一振動部８Ａをミラー部７の片側にのみ設けたため、第一振動部８Ａの蛇行梁の全長を短縮でき、Ｙ軸を中心とした回動振動周波数（表１のｆH）を高くすることが出来る。
【００５３】
またこのように振動の周波数ｆHが高くなると、一般に回動角（表１のθH）が小さくなるが、本実施の形態では、片持ち梁構造によりミラー部７および第一振動部８Ａの動きの自由度が高まり、結果としてミラー部７のＹ軸を中心とした回動角θHを比較的大きくすることができる。
【００５４】
さらに本実施の形態では、第一振動部８Ａが一つしかないため、可動枠９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振動部１０Ａ，１０Ｂに対する重り２７の役割を果たすことになる。その結果、Ｘ軸を中心軸とする回動振動の周波数ｆvを低減し、かつ、回動角を増加させることが可能となる。
【００５５】
さらに回動振動周波数ｆvの低減により、Ｙ軸を中心とする回動振動とＸ軸を中心とする回動振動との周波数比ｆH／ｆvを増加させることが可能となる。これにより、画像中のＸ軸方向走査線数を増加させることが可能となり、より高精細な画像を投影することが可能となる。
【００５６】
また、投影面と素子間の距離が一定の条件で比較した場合、回動角の増加により、さらに大きな画像を投影することが可能となる。
【００５７】
また、図６（ｂ）〜（ｅ）に示すようにミラー部７の少なくとも一部の厚みを第一振動部８Ａの厚みより大きくし、ミラー部７の質量を大きくすれば、Ｙ軸を中心とした回動角θHをさらに大きくすることができる。この現状は、表１に示す、光学反射素子Ａと、光学反射素子Ｂ〜Ｅとを比較することにより分かる。なお、表１の光学反射素子Ａは図６（ａ）のミラー部７を備え、同様に光学反射素子Ｂは図６（ｂ）、光学反射素子Ｃは図６（ｃ）、光学反射素子Ｄは図６（ｄ）、光学反射素子Ｅは図６（ｅ）のミラー部７をそれぞれ備えている。
【００５８】
【表１】
【００５９】
また、光学反射素子ＢおよびＤは、ミラー部７下面の凸部２６（枠体）の幅（ミラー部７と水平方向における幅）を大きくすることによって、ミラー部７の質量を調整することができる。したがって、ミラー部７の質量を所望の質量に調整し、回動角θHを大きくすることができる。
【００６０】
また、ミラー部７下面に設けた凹部２５の深さを、第一振動部８Ａや第二振動部１０Ａ，１０Ｂのエッチング深さと同じ深さにすれば、同一工程で形成でき、生産の合理化に繋がる。
【００６１】
さらに本実施の形態の光学反射素子Ｄおよび光学反射素子Ｅは、ミラー部７の上面全体に重り２７を積層している。これは、ミラー部７の垂直断面における重心位置を、第一振動部８Ａの垂直断面における重心位置とほぼ同じ位置に設計するためである。
【００６２】
すなわち表１で示す光学反射素子Ｂと光学反射素子Ｃは、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、ミラー部７の重心位置が第一振動部８Ａの重心位置より下方にずれるため、それぞれミラー部７の重心がＸ軸方向に振れ、ミラー部７の中心位置がずれることがある。
【００６３】
これに対し光学反射素子Ｄ、Ｅは、図６（ｄ）（ｅ）に示すように、ミラー部７の重心位置と第一振動部８Ａの重心位置とをほぼ同じ位置に設定することができるため、第一振動部８Ａが振動する際、ミラー部７の中心位置がＸ軸方向にずれにくくなり、歪みの少ない駆動を実現できる。
【００６４】
なお光学反射素子Ｅは、ミラー部７の質量が大きすぎるため、回動角θHは大きくできるが周波数ｆHが低下してしまうことがある。また光学反射素子Ａは、ミラー部７の質量が小さいため、回動角θHが得難いことがある。
【００６５】
この場合、光学反射素子Ｄに示すように、ミラー部７の枠体（凸部２６）の体積と、ミラー部７上面に積層した重り２７によって、適宜ミラー部７の質量を調整することが有効である。
【００６６】
すなわち本実施の形態の光学反射素子Ｄは、駆動する際、ミラー部７の中心位置がずれるのを抑制しつつ、所望の周波数ｆHと回動各θHで駆動するよう質量を容易に調整することができる。
【００６７】
なお、本実施の形態における光学反射素子Ｄのミラー部７は、図６（ｄ）に示すように、ミラー部７の下面外周に沿って凸部２６を形成したが、ミラー部７の下面中央に形成してもよく、外周と中央とを組み合わせて形成してもよい。これにより、ミラー部７の質量を適宜調整することができる。
【００６８】
さらに本実施の形態では、ミラー部７の枠体（凸部２６）がミラー部７下面の重り２７として機能しているが、凸部２６を形成せず、ミラー部７の上下面に薄膜状の重り２７を積層してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の光学反射素子は、例えば携帯電話端末等に搭載する小型画像投影装置などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における光学反射素子の上面図、（ｂ）同要部拡大上面図
【図２】本発明の実施の形態１における光学反射素子の要部断面図
【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２における光学反射素子の上面図
【図５】本発明の実施の形態２におけるミラー部の上面図
【図６】（ａ）〜（ｅ）本発明の実施の形態２におけるミラー部７の断面図
【図７】従来の光学反射素子の斜視図
【符号の説明】
【００７１】
７ ミラー部
８Ａ 第一振動部
８Ｂ 第一振動部
９ 可動枠
１０Ａ 第二振動部
１０Ｂ 第二振動部
１１ 支持枠
１２ 自由端
１３ 連結構造体
１４ 固定端
１５ シリコン基板
１６ シリコン酸化膜
１７ 接地電極
１８ 圧電層
１９ 駆動電極
２０ レーザ光源
２１ 入射光
２２ 反射光
２３ スクリーン
２４ 画像
２５ 凹部
２６ 凸部
２７ 重り
【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７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と接続された第一振動部２と、この第一振動部２と接続され、この第一振動部２および前記ミラー部１を囲む可動枠３と、この可動枠３と接続された第二振動部４と、この第二振動部４と接続され、この第二振動部４および可動枠３を囲む支持枠５とを備えている。
【０００３】
また第一振動部２は、Ｘ軸方向に蛇行する蛇行形状であり、Ｙ軸を中心にミラー部１を回動させる。第二振動部４は、Ｙ軸方向に蛇行する蛇行形状であり、Ｘ軸を中心にミラー部１を回動させる。
【０００４】
そしてミラー部１はその両端に第一振動部２を備え、この第一振動部２は可動枠３と接続されるため、ミラー部１と第一振動部２との連結構造体６は、いわゆる両持ち梁構造である。
【０００５】
なお、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Ｘ軸とＹ軸方向に走査させることができ、例えば壁やスクリーンに画像を投影することができる。
【０００６】
ここで、一般的な画像投影用光学反射素子では、Ｙ軸方向に１回走査する間にＸ軸方向には複数回の走査を行う必要がある。すなわち、Ｙ軸方向の走査周波数に対してＸ軸方向の走査周波数が高くなるように設計する必要がある。
【０００７】
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が挙げられる。
【特許文献１】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】
【０００８】
従来の光学反射素子は、ミラー部１のＹ軸を中心とした回動角が小さいという課題があった。
【０００９】
すなわち、前述のようにＸ軸方向の走査周波数を高くするには、第一振動部の蛇行梁長を第二振動部の蛇行梁長よりも十分に短く設定する必要がある。したがって、Ｘ軸方向への走査に必要な、Ｙ軸を中心とした回動角が小さくなりやすいのであった。
【００１０】
そこで本発明は、ミラー部１のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
そしてこの目的を達成するために本発明は、第一振動部とミラー部との連結構造体は、一つの第一振動部と可動枠との接続部位を固定端とした片持ち梁構造であるものとした。
【発明の効果】
【００１２】
これにより本発明は、ミラー部のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【００１３】
その理由は、上記構造により、ミラー部と第一振動部との連結構造体の一端が自由端となるからである。
【００１４】
したがって、Ｘ軸方向の走査周波数を高くした場合でも、ミラー部と第一振動部の動きの自由度が高まり、結果としてミラー部のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１５】
（実施の形態１）
図１（ａ）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７と、このミラー部７の両端部とそれぞれ接続され、このミラー部７を、そのＹ軸を中心に回動させる第一振動部８Ａ，８Ｂと、この第一振動部８Ａと接続され、第一振動部８Ａ、８Ｂおよびミラー部７を囲む可動枠９と、この可動枠９と接続され、ミラー部７を、Ｘ軸を中心に回動させる第二振動部１０Ａ，１０Ｂと、この第二振動部１０Ａ，１０Ｂと接続され、この第二振動部１０Ａ，１０Ｂおよび可動枠９を囲む支持枠１１とを備えている。そしてミラー部７は、可動枠９のほぼ中央に配置されている。
【００１６】
また本実施の形態の光学反射素子は、第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ、１０Ｂを、それぞれ一対ずつ備えている。
【００１７】
ここで本実施の形態において、図１（ｂ）に示すようにミラー部７のＸ軸とＹ軸とはそれぞれミラー部７の回動中心軸を意味し、直交する関係にある。なおその交点はミラー部７の中心に設定することが好ましい。
【００１８】
そして二つの第一振動部８Ａ、８Ｂのうち一方（第一振動部８Ａ）は、その一端がミラー部７の下端部と接続され、他端が可動枠９と接続されている。また他方の第一振動部８Ｂは、その一端がミラー部７の上端部と接続されているが、他端は可動枠９とは接続されず、自由端１２となっている。
【００１９】
すなわち本実施の形態では、二つの第一振動部８Ａ、８Ｂとミラー部７との連結構造体１３は、一方の第一振動部８と可動枠９との接続部位を固定端１４とした、片持ち梁構造である。
【００２０】
なお、これらの二つの第一振動部８Ａ，８Ｂは、ミラー部７を介してＹ軸方向に対向している。
【００２１】
さらに二つの第二振動部１０Ａ，１０Ｂは、それぞれ一端が可動枠９の下端部と接続され、他端は支持枠１１と接続されている。またこれらの二つの第二振動部１０Ａ，１０Ｂは、可動枠９を介してＸ軸方向に対向している。
【００２２】
なお、本実施の形態では、二つの第一振動部８Ａ，８Ｂをミラー部７の右辺側と接続したが、左辺側と接続してもよい。また本実施の形態では、二つの第二振動部１０Ａ，１０Ｂを可動枠９の下端部と接続したが、上端部と接続してもよい。
【００２３】
さらに本実施の形態では、第一振動部８Ａ，８Ｂはミラー部７のＸ軸方向に繰り返し蛇行し、Ｘ軸に平行な部位を複数有する蛇行形状であり、第二振動部１０Ａ，１０Ｂはミラー部７のＹ軸方向に繰り返し蛇行し、Ｙ軸方向に平行な部位を複数有する蛇行形状とした。
【００２４】
そして図１（ａ）の第一振動部８Ａ，８Ｂや第二振動部１０Ａ，１０Ｂは、図２に示すように、それぞれ共通のシリコン基板１５をベースとし、このシリコン基板１５上にはシリコン酸化膜１６が形成され、このシリコン酸化膜１６上にそれぞれ圧電アクチュエータを備えている。
【００２５】
この圧電アクチュエータは、このシリコン酸化膜１６上に積層された接地電極１７と、この接地電極１７上に積層された圧電層１８と、この圧電層１８上に共通に積層された駆動電極１９とを備えている。
【００２６】
また本実施の形態では、第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ，１０Ｂ、ミラー部７に相当するシリコン基板１５裏面をエッチングし、膜厚を薄くしている。すなわち本実施の形態における第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ，１０Ｂ、ミラー部７それぞれの膜厚は１２０μｍであり、可動枠９や支持枠１１の膜厚（５２５μｍ）よりも小さい（薄い）ものとした。
【００２７】
第一振動部８Ａ，８Ｂや第二振動部１０Ａ，１０Ｂ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、振幅を大きくすることができる。また、可動枠９の膜厚は大きくすることにより、可動枠９が第二振動部１０Ａ，１０Ｂに対する重りとして機能し、Ｙ軸方向における振幅を大きくすることができる。また支持枠１１の膜厚を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。
【００２８】
なお、接地電極１７はプラチナ、駆動電極１９は金、圧電層１８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。
【００２９】
次に、本実施の形態の光学反射素子の動作を説明する。
【００３０】
まず、第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ，１０Ｂそれぞれの駆動電極１９に、それぞれの共振周波数の交流電圧を印加し、第一振動部８Ａ，８Ｂおよび第二振動部１０Ａ，１０Ｂの圧電アクチュエータを共に駆動させる。ここで第一振動部８Ａ，８Ｂや第二振動部１０Ａ，１０Ｂは、共振することにより共に振幅が大きくなり、ミラー部７のＸ軸およびＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【００３１】
そして本実施の形態では、駆動電極１９から供給される交流電圧（電気信号）の正・負によって第二振動部１０Ａ，１０ＢはＹ軸方向に曲げ方向を変え振動し、その振動によって、図１（ａ）に示す可動枠９の上端部および下端部が上下（垂直方向）に振動し、ミラー部７の中心を不動点としながら、ミラー部７を、Ｘ軸を中心に回動させることが出来る。
【００３２】
また同様に、駆動電極１９から供給される交流電圧の正・負によって、第一振動部８Ａ，８ＢはＸ軸方向に振動し、その振動によってミラー部７の左右両端部が上下（垂直方向）に振動し、ミラー部７の中心を不動点としながら、ミラー部７を、Ｙ軸を中心に回動させることが出来る。
【００３３】
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、レーザ光源などの光源２０からミラー部７へ光（入射光２１）を入射し、その反射光２２をミラー部７の振動によってＸ軸、Ｙ軸方向に走査させることによって、スクリーン２３や壁に画像２４を投影することができる。
【００３４】
次に、本実施の形態における効果を説明する。
【００３５】
本実施の形態では、ミラー部７のＹ軸を中心とした回動角を大きくすることができる。
【００３６】
その理由は、ミラー部７と第一振動部８Ａ、８Ｂとの連結構造体１３を、片持ち梁構造とすることにより、一方の第一振動部８Ｂの終端が自由端１２となるからである。
【００３７】
すなわち、従来の光学反射素子では、ミラー部７のＹ軸を中心とする回動角が非常に小さかった。これは、図７に示すように、ミラー部１の両端が、第一振動部２を介して可動枠３に固定されているからである。したがって、ミラー部１のＹ軸を中心とする回動動作が、固定端からの反力により制限され、結果として回動角が小さくなるのであった。
【００３８】
なお、Ｙ軸を中心とする回動振動周波数は、Ｘ軸方向の走査周波数となるため、Ｘ軸を中心とする回動振動周波数と比較して高くなる。そしてその結果、Ｙ軸を中心とする回動角がさらに小さくなるのであった。
【００３９】
これに対し本実施の形態では、図１（ａ）に示すように、第一振動部８Ａ、８Ｂおよびミラー部７の連結構造体１３の一端が自由端１２であるため、この一端では可動枠９からの反力が発生しない。したがって本実施の形態では、ミラー部７と第一振動部８Ａ、８Ｂの動きの自由度が高まり、結果としてミラー部７のＹ軸を中心とする回動角を大きくすることができる。なお、本実施の形態では、測定の結果、Ｙ軸を中心とする回動角が図７の約４．８倍となった。
【００４０】
また本実施の形態では、ミラー部７を可動枠９のほぼ中央に配置したことにより、ミラー部７の中央が不動点となる。すなわちミラー部７の中央において、位置ばらつきが少なくなる。したがって、この光学反射素子を用いて投影した画像の歪みを低減することができる。
【００４１】
また本実施の形態では、第一振動部８Ａ、８Ｂおよび第二振動部１０Ａ、１０Ｂを蛇行形状としたことにより、光学反射素子全体として小型化を図りながらも共振器長を長く調整することができ、ミラー部７の回動角を大きくすることができる。
【００４２】
（実施の形態２）
本実施の形態の光学反射素子は、図４に示すように、第一振動部８Ａを一つ備え、この第一振動部８Ａはミラー部７の片方にのみ配置されている。そして第一振動部８Ａとミラー部７との連結構造体１３は、第一振動部８Ａと可動枠９との接続部位を固定端１４とした片持ち梁構造である。
【００４３】
またミラー部７は、可動枠９のほぼ中央に配置されている。そしてこのミラー部７は、図５に示すように、上面からみると長方形である。またその断面は種々挙げられるが、例えば図６（ａ）〜（ｅ）に示す形態がある。
【００４４】
図６（ａ）〜（ｅ）に示すミラー部７は、それぞれ第一振動部８Ａの厚みが１２０μｍであるのに対し、図６（ａ）のミラー部７の厚みは１２０μｍ、図６（ｃ）、(ｅ)のミラー部７は厚みが５２５μｍであり、図６（ｂ）、（ｄ）は下面に凹凸を有している。
【００４５】
図６（ｂ）（ｄ）に示すミラー部７は、下面の内側に凹部２５が形成され、その外周には凸部２６（枠体）を備えている。
【００４６】
そしてこの凸部２６形成部分のミラー部７の厚みは、４０５μｍであり、ミラー部７の凹部２５部分の厚みは第一振動部８Ａの厚みとほぼ同じ１２０μｍである。すなわち本実施の形態では、ミラー部７の凸部２６形成部分の厚みは、第一振動部８Ａの厚みより大きいものとした。
【００４７】
また図６（ｄ）（ｅ）に示すミラー部７は、その上面に重り２７が載せられている。
【００４８】
なお、本実施の形態の光学反射素子は、いずれも第一振動部８Ａ、第二振動部１０Ａ、１０Ｂをエッチングにより薄くしたものであり、図６（ａ）のミラー部７下面全域と、図６（ｂ）、（ｄ）の凹部２５とは、第一振動部８Ａと第二振動部１０Ａ、１０Ｂのエッチングと同時工程で、エッチング加工したものである。
【００４９】
したがって、図６（ａ）のミラー部７の厚みおよび図６（ｂ）（ｄ）のミラー部７の凹部２５形成部分の厚みは、第一振動部８Ａおよび第二振動部１０Ａ、１０Ｂの厚みと同じである。
【００５０】
また図６（ｄ）（ｅ）に示すミラー部７上面に載せた重り２７は、例えば基板材料と同じ材料であるシリコンを堆積させたものである。また、他の材料を堆積させたものであっても良い。高密度かつ基板材料との密着性の高い材料が望ましい。
【００５１】
本実施の形態の効果を以下に説明する。
【００５２】
本実施の形態では、第一振動部８Ａをミラー部７の片側にのみ設けたため、第一振動部８Ａの蛇行梁の全長を短縮でき、Ｙ軸を中心とした回動振動周波数（表１のｆH）を高くすることが出来る。
【００５３】
またこのように振動の周波数ｆHが高くなると、一般に回動角（表１のθH）が小さくなるが、本実施の形態では、片持ち梁構造によりミラー部７および第一振動部８Ａの動きの自由度が高まり、結果としてミラー部７のＹ軸を中心とした回動角θHを比較的大きくすることができる。
【００５４】
さらに本実施の形態では、第一振動部８Ａが一つしかないため、可動枠９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振動部１０Ａ，１０Ｂに対する重り２７の役割を果たすことになる。その結果、Ｘ軸を中心軸とする回動振動の周波数ｆvを低減し、かつ、回動角を増加させることが可能となる。
【００５５】
さらに回動振動周波数ｆvの低減により、Ｙ軸を中心とする回動振動とＸ軸を中心とする回動振動との周波数比ｆH／ｆvを増加させることが可能となる。これにより、画像中のＸ軸方向走査線数を増加させることが可能となり、より高精細な画像を投影することが可能となる。
【００５６】
また、投影面と素子間の距離が一定の条件で比較した場合、回動角の増加により、さらに大きな画像を投影することが可能となる。
【００５７】
また、図６（ｂ）〜（ｅ）に示すようにミラー部７の少なくとも一部の厚みを第一振動部８Ａの厚みより大きくし、ミラー部７の質量を大きくすれば、Ｙ軸を中心とした回動角θHをさらに大きくすることができる。この現状は、表１に示す、光学反射素子Ａと、光学反射素子Ｂ〜Ｅとを比較することにより分かる。なお、表１の光学反射素子Ａは図６（ａ）のミラー部７を備え、同様に光学反射素子Ｂは図６（ｂ）、光学反射素子Ｃは図６（ｃ）、光学反射素子Ｄは図６（ｄ）、光学反射素子Ｅは図６（ｅ）のミラー部７をそれぞれ備えている。
【００５８】
【表１】
【００５９】
また、光学反射素子ＢおよびＤは、ミラー部７下面の凸部２６（枠体）の幅（ミラー部７と水平方向における幅）を大きくすることによって、ミラー部７の質量を調整することができる。したがって、ミラー部７の質量を所望の質量に調整し、回動角θHを大きくすることができる。
【００６０】
また、ミラー部７下面に設けた凹部２５の深さを、第一振動部８Ａや第二振動部１０Ａ，１０Ｂのエッチング深さと同じ深さにすれば、同一工程で形成でき、生産の合理化に繋がる。
【００６１】
さらに本実施の形態の光学反射素子Ｄおよび光学反射素子Ｅは、ミラー部７の上面全体に重り２７を積層している。これは、ミラー部７の垂直断面における重心位置を、第一振動部８Ａの垂直断面における重心位置とほぼ同じ位置に設計するためである。
【００６２】
すなわち表１で示す光学反射素子Ｂと光学反射素子Ｃは、図６（ｂ）（ｃ）に示すように、ミラー部７の重心位置が第一振動部８Ａの重心位置より下方にずれるため、それぞれミラー部７の重心がＸ軸方向に振れ、ミラー部７の中心位置がずれることがある。
【００６３】
これに対し光学反射素子Ｄ、Ｅは、図６（ｄ）（ｅ）に示すように、ミラー部７の重心位置と第一振動部８Ａの重心位置とをほぼ同じ位置に設定することができるため、第一振動部８Ａが振動する際、ミラー部７の中心位置がＸ軸方向にずれにくくなり、歪みの少ない駆動を実現できる。
【００６４】
なお光学反射素子Ｅは、ミラー部７の質量が大きすぎるため、回動角θHは大きくできるが周波数ｆHが低下してしまうことがある。また光学反射素子Ａは、ミラー部７の質量が小さいため、回動角θHが得難いことがある。
【００６５】
この場合、光学反射素子Ｄに示すように、ミラー部７の枠体（凸部２６）の体積と、ミラー部７上面に積層した重り２７によって、適宜ミラー部７の質量を調整することが有効である。
【００６６】
すなわち本実施の形態の光学反射素子Ｄは、駆動する際、ミラー部７の中心位置がずれるのを抑制しつつ、所望の周波数ｆHと回動各θHで駆動するよう質量を容易に調整することができる。
【００６７】
なお、本実施の形態における光学反射素子Ｄのミラー部７は、図６（ｄ）に示すように、ミラー部７の下面外周に沿って凸部２６を形成したが、ミラー部７の下面中央に形成してもよく、外周と中央とを組み合わせて形成してもよい。これにより、ミラー部７の質量を適宜調整することができる。
【００６８】
さらに本実施の形態では、ミラー部７の枠体（凸部２６）がミラー部７下面の重り２７として機能しているが、凸部２６を形成せず、ミラー部７の上下面に薄膜状の重り２７を積層してもよい。
【産業上の利用可能性】
【００６９】
本発明の光学反射素子は、例えば携帯電話端末等に搭載する小型画像投影装置などに利用できる。
【図面の簡単な説明】
【００７０】
【図１】（ａ）本発明の実施の形態１における光学反射素子の上面図、（ｂ）同要部拡大上面図
【図２】本発明の実施の形態１における光学反射素子の要部断面図
【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２における光学反射素子の上面図
【図５】本発明の実施の形態２におけるミラー部の上面図
【図６】（ａ）〜（ｅ）本発明の実施の形態２におけるミラー部７の断面図
【図７】従来の光学反射素子の斜視図
【符号の説明】
【００７１】
７ ミラー部
８Ａ 第一振動部
８Ｂ 第一振動部
９ 可動枠
１０Ａ 第二振動部
１０Ｂ 第二振動部
１１ 支持枠
１２ 自由端
１３ 連結構造体
１４ 固定端
１５ シリコン基板
１６ シリコン酸化膜
１７ 接地電極
１８ 圧電層
１９ 駆動電極
２０ レーザ光源
２１ 入射光
２２ 反射光
２３ スクリーン
２４ 画像
２５ 凹部
２６ 凸部
２７ 重り
【特許請求の範囲】
【請求項１】
ミラー部と、
このミラー部と接続された第一振動部と、
この第一振動部と接続され、この第一振動部および前記ミラー部を囲む可動枠と、
この可動枠と接続された第二振動部と、
この第二振動部と接続され、この第二振動部および前記可動枠を囲む支持枠とを備え、
前記第一振動部は、前記ミラー部のＸ軸方向に蛇行する蛇行形状であり、
前記第二振動部は、前記ミラー部のＹ軸方向に蛇行する蛇行形状であって、
前記第一振動部と前記ミラー部との連結構造体は、一つの前記第一振動部と前記可動枠との接続部位を固定端とした片持ち梁構造である光学反射素子。
【請求項２】
前記第一振動部および第二振動部は、
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】
前記光学反射素子は、
前記第一振動部を前記ミラー部の片方に備えている請求項１または２に記載の光学反射素子。
【請求項４】
前記ミラー部は、前記可動枠のほぼ中央に配置されている請求項１から３のいずれか一つに記載の光学反射素子。
【請求項５】
前記ミラー部の上面および下面には重りが載せられている請求項１から４のいずれか一つに記載の光学反射素子。
【請求項６】
前記ミラー部は下面に凹凸を有し、
この凸部形成部分における前記ミラー部の厚みは前記第一振動部の厚みより大きく、
前記ミラー部の上面には重りが載せられている請求項１から４のいずれか一つに記載の光学反射素子。
【請求項７】
請求項１から６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、
このミラー部と接続された第一振動部と、
この第一振動部と接続され、この第一振動部および前記ミラー部を囲む可動枠と、
この可動枠と接続された第二振動部と、
この第二振動部と接続され、この第二振動部および前記可動枠を囲む支持枠とを備え、
前記第一振動部は、前記ミラー部のＸ軸方向に蛇行する蛇行形状であり、
前記第二振動部は、前記ミラー部のＹ軸方向に蛇行する蛇行形状であって、
前記第一振動部と前記ミラー部との連結構造体は、一つの前記第一振動部と前記可動枠との接続部位を固定端とした片持ち梁構造である光学反射素子。
【請求項２】
前記第一振動部および第二振動部は、
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】
前記光学反射素子は、
前記第一振動部を前記ミラー部の片方に備えている請求項１または２に記載の光学反射素子。
【請求項４】
前記ミラー部は、前記可動枠のほぼ中央に配置されている請求項１から３のいずれか一つに記載の光学反射素子。
【請求項５】
前記ミラー部の上面および下面には重りが載せられている請求項１から４のいずれか一つに記載の光学反射素子。
【請求項６】
前記ミラー部は下面に凹凸を有し、
この凸部形成部分における前記ミラー部の厚みは前記第一振動部の厚みより大きく、
前記ミラー部の上面には重りが載せられている請求項１から４のいずれか一つに記載の光学反射素子。
【請求項７】
請求項１から６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２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【公開番号】特開２００９−９８２５３（Ｐ２００９−９８２５３Ａ）
【公開日】平成２１年５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００７−２６７５９４（Ｐ２００７−２６７５９４）
【出願日】平成１９年１０月１５日（２００７．１０．１５）
【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５月７日（２００９．５．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成１９年１０月１５日（２００７．１０．１５）
【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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