２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置
【課題】水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対しても対応可能であり、かつ、従来よりも破損しにくい２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供する。
【解決手段】２次元光偏向器１は、照射された光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対の第１トーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対の第２トーションバー部８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂと、を備え、一対の第２トーションバー部８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂは、所定の材料から構成された第３トーションバー部８ａ〜８ｄと、所定の材料よりも展延性を有する展延性材料から構成された第４トーションバー部９ａ，９ｂと、をそれぞれ有する。
【解決手段】２次元光偏向器１は、照射された光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対の第１トーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対の第２トーションバー部８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂと、を備え、一対の第２トーションバー部８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂは、所定の材料から構成された第３トーションバー部８ａ〜８ｄと、所定の材料よりも展延性を有する展延性材料から構成された第４トーションバー部９ａ，９ｂと、をそれぞれ有する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置に係り、特に、ラスタースキャン方式により画像を表示するための２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フロントプロジェクタ、リアプロジェクタ、及びＨＭＤ（Head Mount Display）等の画像表示装置に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作製された光偏向器を用いる検討が盛んに行われている。
ＭＥＭＳ技術により作製された光偏向器及びこれを用いた画像表示装置の一例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術により作製された光偏向器を用いた画像表示装置は、レーザ光を水平方向に走査する１軸の光偏向器と垂直方向に走査する１軸の光偏向器の２つの１軸の光偏向器（１次元光偏向器）を用いる形態と、レーザ光を水平方向及び水平方向にそれぞれ走査する１つの２軸の光偏向器（２次元光偏向器）を用いる形態とに大別させる。
また、上記の画像表示装置は、一般的にブラウン管における電子ビームの走査と同様にラスタースキャン方式により画像を表示するものであり、水平方向の走査周波数は数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの範囲であり、垂直方向の走査周波数は数十Ｈｚの範囲である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１７４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
２つの１次元光偏向器を用いる画像表示装置は、２つの１次元光偏向器を、水平方向及び垂直方向のそれぞれの走査周波数に適した構造、材料、及び駆動方式でそれぞれ作製することができるので、特に、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対して適している。反面、それぞれの光偏向器のミラー部でレーザ光を水平方向と垂直方向に合計２回反射させるため、光量が減衰して画像が暗くなったり、水平方向と垂直方向の光軸調整等が必要になるので画像表示するためのシステムの構成が煩雑になるというデメリットを有する。
【０００６】
一方、２次元光偏向器を用いる画像表示装置は、共通のミラー部により１回の反射でレーザ光を水平方向及び垂直方向に走査することができるので、２つの１次元光偏向器を用いる画像表示装置よりも光量の減衰が低減されるため、明るい画像、即ちダイナミックレンジの広い画像が得られ、水平方向と垂直方向の光軸調整等が不要になるので画像表示するためのシステムの構成が簡単になるというメリットを有する。反面、特に、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対して次の課題を有する。
【０００７】
数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの走査周波数でレーザ光を水平方向に走査する際、通常、その光偏向器の共振周波数を用いて低電力でミラー部を駆動させる。
一方、数十Ｈｚの走査周波数でレーザ光を垂直方向に走査する際、垂直方向の走査はリフレッシュレートで決定され、例えば６０Ｈｚ程度の走査周波数となる。さらに画像信号と同期させるためには、垂直方向の走査周波数を電気的に制御する必要があるので、共振周波数を数百Ｈｚ程度に設定して直流駆動に近い状態で駆動させることになる。
【０００８】
このように、共振周波数が数十ｋＨｚの構造と数百Ｈｚの構造とを同一基板上、例えば同一シリコン基板上に形成するには、水平方向走査用のトーションバーに対して垂直方向走査用のトーションバーをより細く、及び／又はより長くする必要があり、垂直方向走査用のトーションバーの機械的強度が悪化して破損しやすくなり、扱いにくい光偏向器となってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対しても対応可能であり、かつ、従来よりも破損しにくい２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は次の２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供する。
１）照射された光を反射するミラー部（２）と、前記ミラー部（２）を囲うように間隙（３）を有して配置されたジンバル部（４）と、前記ジンバル部（４）を囲うように間隙（５）を有して配置されたフレーム部（６）と、前記ミラー部（２）と前記ジンバル部（４）とを接続する一対の第１トーションバー部（７ａ，７ｂ）と、前記ジンバル部（４）と前記フレーム部（６）とを接続する一対の第２トーションバー部（８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂ）と、を備え、前記一対の第２トーションバー部（８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂ）は、所定の材料から構成された第３トーションバー部（８ａ〜８ｄ）と、前記所定の材料よりも展延性を有する展延性材料から構成された第４トーションバー部（９ａ，９ｂ）と、をそれぞれ有して構成されていることを特徴とする２次元光偏向器（１）。
２）前記一対の第１トーションバー部（７ａ，７ｂ）は、一方の第１トーションバー部と（７ａ）他方の第１トーションバー部（７ｂ）とが、前記ミラー部（２）の重心（Ｏａ）を通る第１の回転軸（Ｙａ）方向に、前記重心（Ｏａ）に対して互いに点対称に配置されており、前記一対の第２トーションバー部（８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂ）は、一方の第２トーションバー部（８ａ，８ｂ，９ａ）と他方の第２トーションバー部（８ｃ，８ｄ，９ｂ）とが、前記ミラー部（２）の重心（Ｏａ）を通り、かつ、前記第１の回転軸（Ｙａ）に直交する第２の回転軸（Ｘａ）方向に、前記重心（Ｏａ）に対して互いに点対称に配置されており、前記ミラー部（２）を前記第１の回転軸（Ｙａ）回り及び前記第２の回転軸（Ｘａ）回りにそれぞれ回転駆動させる駆動手段をさらに備えていることを特徴とする１）記載の２次元光偏向器（１）。
３）前記一対の第２トーションバー部（９ａ，９ｂ，３１ａ〜３１ｄ）は、前記第３トーションバー部（３１ａ〜３１ｄ）がそれぞれミアンダ構造を有し、前記第４トーションバー部（９ａ，９ｂ）がそれぞれ直線形状の構造を有することを特徴とする１）又は２）に記載の２次元光偏向器（３０）。
４）２）又は３）に記載の２次元光偏向器と、前記２次元光偏向器のミラー部に向けて前記光（Ｌ）を射出する光源（４１）と、前記駆動手段を制御する駆動制御手段（４２）と、を備え、前記光（Ｌ）は、前記ミラー部（２）で反射されて、前記第１の回転軸（Ｙ）を回転軸として水平方向に偏向されると共に、前記第２の回転軸（Ｘ）を回転軸として垂直方向に偏向されることを特徴とする画像表示装置（４０）。
５）前記光源（４１）は、入力される輝度変調信号に応じて射出する光（Ｌ）の光量を制御し、前記駆動制御手段（４２）は、前記輝度変調信号に同期して前記駆動手段を制御することを特徴とする４）記載の画像表示装置（４０）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対しても対応可能であり、かつ、従来よりも破損しにくいという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の２次元光偏向器の第１の実施の形態を説明するための模式的平面図である。
【図２】本発明の２次元光偏向器の第２の実施の形態を説明するための模式的平面図である。
【図３】本発明の２次元光偏向器の第３の実施の形態を説明するための模式的平面図である。
【図４】本発明に係る２次元光偏向器を用いた画像表示装置の一実施の形態を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態を、図１〜図４を用いて説明する。
【００１４】
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、２次元光偏向器１は、照射されたレーザ光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対のトーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対のトーションバー部８ａ，８ｂ，９ａ、８ｃ，８ｄ，９ｂと、を備えている。
【００１５】
トーションバー部７ａとトーションバー部７ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通る回転軸（水平走査軸）Ｙａ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００１６】
トーションバー部８ａ，８ｂとトーションバー部８ｃ，８ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通り、かつ、回転軸Ｙａに直交する回転軸（垂直走査軸）Ｘａ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
トーションバー部９ａとトーションバー部９ｂとは、回転軸Ｘａ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００１７】
トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂはそれぞれ捩じればね性を有している。
【００１８】
ミラー部２、ジンバル部４、フレーム部６、及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のシリコン（Ｓｉ）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて加工することにより、一体に形成されている。
ジンバル部４及びフレーム部６は、たわみ変形等を防止するために、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄよりも厚く形成されている。
【００１９】
ところで、トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、それぞれシリコンで形成されており、シリコンは脆性破壊材料であるため、最大ひずみ応力を超えた応力が作用した場合に簡単に破損してしまう。
それに対して、トーションバー部９ａ，９ｂは、展延性材料で構成されており、かつ、ジンバル部４が動作する範囲内でのひずみ変形が、その材料の弾性領域内となるように寸法や材料を設計している。トーションバー部９ａ，９ｂを構成する展延性材料として、例えばポリイミド等の高分子材料が挙げられる。このような展延性材料は脆性破壊を起こしにくい。また、ポリイミド等の高分子材料は、一般的にシリコンと比較して弾性率が極めて小さいので、トーションバー部９ａ，９ｂをより太く、及び／またはより短く設計することが可能になる。
【００２０】
トーションバー部９ａは、例えば、トーションバー部９ａとその一端側に形成されたパッド部１０ａとその他端側に形成されたパッド部１０ｂとが一体になった構造体を作製し、パッド部１０ａをジンバル部４に接着等によって固定し、パッド部１０ｂをフレーム部６に接着等によって固定することにより、間隙５の回転軸（垂直走査軸）Ｘａ上に配置される。
同様に、トーションバー部９ｂは、例えばトーションバー部９ｂとその一端側に形成されたパッド部１０ｃとその他端側に形成されたパッド部１０ｄとが一体になった構造体を作製し、パッド部１０ｃをジンバル部４に接着等によって固定し、パッド部１０ｄをフレーム部６に接着等によって固定することにより、間隙５の回転軸（垂直走査軸）Ｘａ上に配置される。
【００２１】
次に、上述した２次元光偏向器１のミラー部２の駆動方法について説明する。
【００２２】
まず、Ｙａを回転軸とする、ミラー部２の水平方向（図１における左右方向）の駆動について同じく図１を用いて説明する。
【００２３】
ミラー部２は、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂの構造設計により決定される共振周波数の駆動力を、Ｙａが回転軸となるようにミラー部２に印加することによって、水平方向（図１における左右方向）に駆動する。
上述の駆動力は、例えばミラー部２における、レーザ光を反射する反射面とは反対側の裏面に形成された電磁コイルに電流を供給し、外部磁界によるローレンツ力を用いることによって発生させることができる。
上述の駆動力を発生させる他の方法として、ジンバル部４に電磁力、静電力、又は圧電力等の偶力の振動を与え、その振動をトーションバー部７ａ，７ｂを介してミラー部２に伝達させる方法がある。
【００２４】
上述したように、ミラー部２をその構造体の共振周波数で駆動するため、高い共振周波数であっても少ない駆動電力で、ミラー部２を水平方向（図１における左右方向）に大きな偏向角を有して駆動させることができる。
そして、ミラー部２が水平方向に駆動している状態でミラー部２にレーザ光を照射することによって、レーザ光を水平方向に大きな偏向角を有して走査することができる。
【００２５】
次に、Ｘａを回転軸とする、ミラー部２の垂直方向（図１における上下方向）の駆動について同じく図１を用いて説明する。
【００２６】
ミラー部２は、Ｘａが回転軸となるようにジンバル部４に偶力の駆動力を印加することによって、ジンバル部４と共に垂直方向（図１における上下方向）に駆動する。
上述の駆動力は、ジンバル部４に電磁力、静電力、又は圧電力等の偶力を印加することによって発生させることができる。
そして、ミラー部２が垂直方向に駆動している状態でミラー部２にレーザ光を照射することによって、レーザ光を垂直方向に走査することができる。
【００２７】
垂直方向の走査の画像リフレッシュレートに相当する周波数（６０Ｈｚ程度）でレーザ光をラスタースキャンできるように、ジンバル部４に駆動力を印加する。
垂直方向の走査は非共振駆動させることが望ましい。そのため、ジンバル部４に大きな駆動力を印加可能な手段を用いる。また、駆動力が大きくても変位が小さい駆動では大きな偏向角が得られないので、圧電力を用いた駆動よりも電磁力を用いた駆動の方が好ましい。このような電磁力を用いた駆動は、例えばジンバル部４に形成された電磁コイルに電流を供給し、外部磁界によるローレンツ力を用いることによって行うことができる。
【００２８】
なお、正弦波駆動で画像を表示することも可能であるが、正弦波ではその非直線領域では上下の画像が縮んでしまう。そのため、非直線領域では画像信号をカットする必要があり、高い解像度を得ることが難しい。また、機械的な往復振動での偏向動作では完全なラスタースキャンは難しい。そこで、駆動周波数に対して共振周波数を高めに設定し、共振振動をカットできるフィルタ回路を用いる等によって、よりラスタースキャンに近い動作が可能にすることによって、より解像度の高い画像を得ることができる。
【００２９】
上述したように、ミラー部２を、Ｙａを回転軸として水平方向に駆動する場合は、軽いミラー部２のみを駆動すればよいので、その構造体の共振周波数（例えば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの範囲）で駆動することが好ましく、その結果、高い共振周波数であっても少ない駆動電力で、ミラー部２を水平方向（図１における左右方向）に大きな偏向角を有して駆動させることができる。
そして、ミラー部２が水平方向に駆動している状態でミラー部２にレーザ光を照射することによって、レーザ光を水平方向に大きな偏向角を有して走査することができる。
【００３０】
一方、ミラー部２を、Ｘａを回転軸として垂直方向に駆動する場合は、重いジンバル部４と共に駆動しなければならないので、かつ、垂直方向の走査の画像リフレッシュレートに相当する周波数（６０Ｈｚ程度）で駆動しなければならないので、のこぎり波状の波形駆動をすることが好ましい。そのため、ミラー部２（ジンバル部４）を、共振駆動ではなくて非共振で駆動させることが望ましく、垂直方向の共振周波数としては数百Ｈｚ程度に設定する必要がある。
垂直方向の共振周波数を数百Ｈｚ程度に設定する場合、例えばシリコンからなるトーションバー部８ａ〜８ｄのみの構成で設計すると、トーションバー部８ａ〜８ｄの形状は細く、及び／または長くなるため、シリコンの脆性により、トーションバー部８ａ〜８ｄに瞬間的に大きな力が加わると、容易に破損してしまう。通常の動作のときには、シリコンのせん断応力よりも低い範囲で動作させるように設計しているので破損しにくい。しかしながら、例えば製造過程のハンドリング等で瞬間的に大きな力が加わってしまった場合には破損してしまうことがあり、製造歩留まり等を悪化させる要因となる。
【００３１】
そこで、本発明に係る実施の形態では、ミラー部２を、Ｘａを回転軸として垂直方向に駆動する場合に、トーションバー部８ａ〜８ｄに加えて、展延性材料で構成され、かつ、ジンバル部４が動作する範囲内でのひずみ変形が、その材料の弾性領域内となるように寸法や材料が設計されたトーションバー部９ａ，９ｂを用いた構成としている。
例えばポリイミド等の高分子材料からなる展延性材料は脆性破壊を起こしにくいので、トーションバー部９ａ，９ｂを、例えばシリコンからなるトーションバー部８ａ〜８ｄと併用して用いることにより、垂直方向の駆動共振周波数の設計の自由度が向上する。詳しくは、例えばシリコンからなるトーションバー部８ａ〜８ｄの幅及び長さ、並びに、例えばポリイミド等の脆性破壊を起こしにくい展延性材料からなるトーションバー部９ａ，９ｂの幅及び長さをそれぞれ設定することにより、垂直方向の駆動共振周波数を設定することができる。
【００３２】
また、トーションバー部９ａ，９ｂは、ポリイミド等の、トーションバー部８ａ〜８ｄよりも弾性率の低い材料を用いることにより、トーションバー部８ａ〜８ｄよりも太く、及び／または短く設計することができる。
その結果、Ｘａを回転軸として垂直方向に駆動する場合のトーションバー部８ａ〜８ｄの機械的強度をトーションバー部９ａ，９ｂによって補強することができるので、トーションバー部８ａ〜８ｄに瞬間的に加わる大きな力に対しての破損を抑制することができると共に、たわみ防止についての効果を有する。
【００３３】
＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態における２次元光偏向器２０は、第１の実施の形態における２次元光偏向器１と比較して、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する低弾性率のトーションバー部の構成及びその固定方法が相違し、それ以外は第１の実施の形態と同じなので、説明を分かりやすくするために第１の実施の形態と同じ構成部には同じ符号を付して説明する。
【００３４】
図２に示すように、２次元光偏向器２０は、照射されたレーザ光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対のトーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対のトーションバー部８ａ，８ｂ，２２ａ、８ｃ，８ｄ，２２ｂと、を備えている。
【００３５】
トーションバー部７ａとトーションバー部７ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通る回転軸（水平走査軸）Ｙｂ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００３６】
トーションバー部８ａ，８ｂとトーションバー部８ｃ，８ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通り、かつ、回転軸Ｙｂに直交する回転軸（垂直走査軸）Ｘｂ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
トーションバー部２２ａとトーションバー部２２ｂとは、回転軸Ｘｂ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００３７】
トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，２２ａ、８ｃ，８ｄ，２２ｂはそれぞれ捩じればね性を有している。
【００３８】
ミラー部２、ジンバル部４、フレーム部６、及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のシリコン（Ｓｉ）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて加工することにより、一体に形成されている。
ジンバル部４及びフレーム部６は、たわみ変形等を防止するために、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄよりも厚く形成されている。
【００３９】
ところで、トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、それぞれシリコンで形成されており、シリコンは脆性破壊材料であるため、最大ひずみ応力を超えた応力が作用した場合に簡単に破損してしまう。
それに対して、トーションバー部２２ａ，２２ｂは、展延性材料で構成されており、かつ、ジンバル部４が動作する範囲内でのひずみ変形が、その材料の弾性領域内となるように寸法や材料を設計している。トーションバー部２２ａ，２２ｂを構成する展延性材料として、例えばサスペンションワイヤー等の金属材料が挙げられる。このような展延性材料は脆性破壊を起こしにくい。なお、サスペンションワイヤー等の金属材料は、一般的にシリコンと比較して弾性率にそれほど差がないので、ばね定数としての寸法はポリイミドのような低い弾性率のトーションバー部よりも細く、及び／または長く設計する必要があるものの、延性を有しているので、瞬間的に大きな力が加わっても破損しにくい。
また、金属材料は塑性変形を起こすが、ジンバル部４の動作の範囲がそのときのトーションバー部２２ａ，２２ｂに加わるねじれ応力の最大値が弾性変形の範囲内になるように、トーションバー部２２ａ，２２ｂの寸法を設計すれば、通常の使用における塑性変形や金属疲労変形を起こしにくく、かつ、瞬間的に大きな力が加わったときに脆性破壊を起こしにくいので、第１の実施の形態と同様、シリコンで形成されたトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄの破損をトーションバー部２２ａ，２２ｂで抑制することができる。
【００４０】
ジンバル部４には、トーションバー部２２ａ，２２ｂの一端側を位置決めするための溝部２１ａ，２１ｃが形成されている。
フレーム部６には、トーションバー部２２ａ，２２ｂの他端側を位置決めするための溝部２１ｂ，２１ｄが形成されている。
【００４１】
トーションバー部２２ａは、その一端側が溝部２１ａに収容されて位置決めされ、例えば溝部２１ａを埋める接着剤２３によってジンバル部４に固定されている。
また、トーションバー部２２ａは、その他端側が溝部２１ｂに収容されて位置決めされ、溝部２１ｂを埋める接着剤２３によってフレーム部６に固定されている。
【００４２】
トーションバー部２２ｂは、その一端側が溝部２１ｃに収容されて位置決めされ、例えば溝部２１ｃを埋める接着剤２３によってジンバル部４に固定されている。
また、トーションバー部２２ｂは、その他端側が溝部２１ｄに収容されて位置決めされ、溝部２１ｄを埋める接着剤２３によってフレーム部６に固定されている。
【００４３】
これにより、トーションバー部２２ａ，２２ｂは、重心Ｏａを点対称として、間隙５における回転軸（垂直走査軸）Ｘｂ上に配置される。
【００４４】
上述した２次元光偏向器２０のミラー部２の駆動方法は、前述した第１の実施の形態における２次元光偏向器１のミラー部２の駆動方法と同じであるため、その説明を省略する。
【００４５】
＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態における２次元光偏向器３０は、第１の実施の形態における２次元光偏向器１におけるトーションバー部８ａ〜８ｄを折り返しのミアンダ構造にしたものであり、それ以外は第１の実施の形態と同じなので、説明を分かりやすくするために第１の実施の形態と同じ構成部には同じ符号を付して説明する。
【００４６】
図３に示すように、２次元光偏向器３０は、照射されたレーザ光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対のトーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対のトーションバー部３１ａ，３１ｂ，９ａ、３１ｃ，３１ｄ，９ｂと、を備えている。
【００４７】
トーションバー部７ａとトーションバー部７ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通る回転軸（水平走査軸）Ｙｃ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００４８】
トーションバー部３１ａ，３１ｂとトーションバー部３１ｃ，３１ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通り、かつ、回転軸Ｙｃに直交する回転軸（垂直走査軸）Ｘｃ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
トーションバー部９ａとトーションバー部９ｂとは、回転軸Ｘｃ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００４９】
トーションバー部７ａ，７ｂ，３１ａ〜３１ｄ，９ａ，９ｂはそれぞれ捩じればね性を有している。
【００５０】
ミラー部２、ジンバル部４、フレーム部６、及びトーションバー部７ａ，７ｂ，３１ａ〜３１ｄは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のシリコン（Ｓｉ）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて加工することにより、一体に形成されている。
ジンバル部４及びフレーム部６は、たわみ変形等を防止するために、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂ，３１ａ〜３１ｄよりも厚く形成されている。
【００５１】
トーションバー部３１ａ〜３１ｄは、折り返しのミアンダ構造を有する。
トーションバー部３１ａ〜３１ｄを、間隙５の空きスペースを有効利用した、折り返しのミアンダ構造とすることにより、２次元光偏向器３０の外形サイズを大きくすることなく、トーションバー部３１ａ〜３１ｄの長さを、前述したトーションバー部８ａ〜８ｄの長さよりも長くすることができるので、その分、トーションバー部３１ａ〜３１ｄを太くすることができたり、設計の自由度が向上する。
そのため、水平方向の駆動共振周波数が数十ｋＨｚと高くても、水平方向駆動用のトーションバー部７ａ，７ｂと一体に形成されている垂直方向駆動用のトーションバー部３１ａ〜３１ｄの共振周波数を数百Ｈｚまで下げることが容易となる。
【００５２】
上述した２次元光偏向器３０のミラー部２の駆動方法は、前述した第１の実施の形態における２次元光偏向器１のミラー部２の駆動方法と同じであるため、その説明を省略する。
【００５３】
一般的に、ミアンダ構造のトーションバー部を有する光偏向器では、ＭＥＭＳ構造体のチップサイズを大きくすること無く、トーションバー部の実質的な長さをより長くできるので、その分、トーションバー部の幅をより太く設計することが可能となり、結果として破損しにくい構造にすることができる。一方、ミアンダ構造のトーションバー部が撓み振動の影響を受けて回転軸（図３においてはＸｃ）が安定せずに振れてしまう場合がある。
【００５４】
そこで、本発明に係る実施の形態では、ミアンダ構造を有さない直線形状のトーションバー部（９ａ，９ｂ）によって、ジンバル部（４）とフレーム部６との間に張力が作用した状態が維持されているので、ミアンダ構造のトーションバー部に係る撓み振動の影響を抑制することができる。トーションバー部（９ａ，９ｂ）の材料に例えばポリイミド等の高分子材料を用いれば、弾性率が低いため、直線形状のトーションバー部としてもばね定数はあまり大きくならないので、トーションバー部（９ａ，９ｂ）が延在する方向の回転軸（図３においてはＸｃ）のばね定数が大きくなり過ぎることは無く、設計の余裕度が向上する。
そのため、本発明に係る実施の形態では、ミラー部（２）をジンバル部（４）と共に安定した回転軸（Ｘｃ）で回転駆動させることができる。
【００５５】
また、トーションバー部（９ａ，９ｂ）に例えばサスペンションワイヤー等の金属材料を用いた場合は、そのトーションバー部が直線状としてばね定数を小さくするためには、より細く設計しなければならないが、金属材料は脆性破壊を起こしにくいため、細くても取り扱いが容易であり、製造過程における破損等を起こしにくい。
【００５６】
次に、第１〜第３の実施の形態として説明した２次元光偏向器１，２０，３０を用いた画像表示装置４０について、図４を用いて説明する。
なお、図４では、第１の実施の形態で説明した２次元光偏向器１を示しているが、この２次元光偏向器１に替えて、第２の実施の形態で説明した２次元光偏向器２０または第３の実施の形態で説明した２次元光偏向器３０を用いてもよいことは言うまでもない。
【００５７】
図４に示すように、画像表示装置４０は、前述した２次元光偏向器１（２０，３０）と、２次元光偏向器１（２０，３０）のミラー部２に向けてレーザ光Ｌを射出すると共に、入力される輝度変調信号に応じてレーザ光Ｌの光量を制御する光源４１と、上記の輝度変調信号に同期して２次元光偏向器１（２０，３０）のミラー部２を水平方向（図４における左右方向）及び垂直方向（図４における上下方向）にそれぞれ駆動制御する駆動制御部４２と、を備えている。
【００５８】
ミラー部２に照射されたレーザ光Ｌは、それぞれ所定の偏向角を有して水平方向及び垂直方向にそれぞれ走査され、スクリーン４３等に画像として表示される。
なお、図４では、ラスタースキャン方式により画像が表示される様子を模式的に示している。
【００５９】
また、図４では、単色の画像を表示する例として示しているが、本発明に係る画像表示装置は上記の構成に限定されるものではない。
例えば、赤（Ｒ）色レーザ光、緑（Ｇ）色レーザ光、及び青（Ｂ）色レーザ光をそれぞれ射出する３つの光源と、各光源にそれぞれ対応する３つの２次元光偏向器と、を備えた構成とすることにより、３つの２次元光偏向器でそれぞれ走査された各色光をスクリーン上で重畳させることによって、フルカラー画像が得られる。
また、赤（Ｒ）色レーザ光、緑（Ｇ）色レーザ光、及び青（Ｂ）色レーザ光をそれぞれ射出する３つの光源と、各光源から射出されるレーザ光の射出タイミングをずらして共通の２次元光偏向器（ミラー部）で各色光を走査し、スクリーン上で重畳させることによって、フルカラー画像を得るようにしてもよい。
また、共通の光源から、赤（Ｒ）色レーザ光、緑（Ｇ）色レーザ光、及び青（Ｂ）色レーザ光を射出タイミングをずらして射出し、共通の２次元光偏向器（ミラー部）で各色光を走査し、スクリーン上で重畳させることによって、フルカラー画像を得るようにしてもよい。
【００６０】
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６１】
１，２０，３０＿２次元光偏向器、 ２＿ミラー部、 ３，５＿間隙、 ４＿ジンバル部、 ６＿フレーム部、 ７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂ，２２ａ，２２ｂ，３１ａ〜３１ｄ＿トーションバー部、 １０ａ〜１０ｄ＿パッド部、 ２１ａ〜２１ｄ＿溝部、 ２３＿接着剤、 ４０＿画像表示装置、 ４１＿光源、 ４２＿駆動制御部、４３＿スクリーン、 Ｏａ＿重心、 Ｘａ〜Ｘｃ，Ｙａ〜Ｙｃ＿回転軸、 Ｌ＿レーザ光
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置に係り、特に、ラスタースキャン方式により画像を表示するための２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
フロントプロジェクタ、リアプロジェクタ、及びＨＭＤ（Head Mount Display）等の画像表示装置に、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により作製された光偏向器を用いる検討が盛んに行われている。
ＭＥＭＳ技術により作製された光偏向器及びこれを用いた画像表示装置の一例が特許文献１に開示されている。
【０００３】
ＭＥＭＳ技術により作製された光偏向器を用いた画像表示装置は、レーザ光を水平方向に走査する１軸の光偏向器と垂直方向に走査する１軸の光偏向器の２つの１軸の光偏向器（１次元光偏向器）を用いる形態と、レーザ光を水平方向及び水平方向にそれぞれ走査する１つの２軸の光偏向器（２次元光偏向器）を用いる形態とに大別させる。
また、上記の画像表示装置は、一般的にブラウン管における電子ビームの走査と同様にラスタースキャン方式により画像を表示するものであり、水平方向の走査周波数は数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの範囲であり、垂直方向の走査周波数は数十Ｈｚの範囲である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２０１０−１１７４９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
２つの１次元光偏向器を用いる画像表示装置は、２つの１次元光偏向器を、水平方向及び垂直方向のそれぞれの走査周波数に適した構造、材料、及び駆動方式でそれぞれ作製することができるので、特に、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対して適している。反面、それぞれの光偏向器のミラー部でレーザ光を水平方向と垂直方向に合計２回反射させるため、光量が減衰して画像が暗くなったり、水平方向と垂直方向の光軸調整等が必要になるので画像表示するためのシステムの構成が煩雑になるというデメリットを有する。
【０００６】
一方、２次元光偏向器を用いる画像表示装置は、共通のミラー部により１回の反射でレーザ光を水平方向及び垂直方向に走査することができるので、２つの１次元光偏向器を用いる画像表示装置よりも光量の減衰が低減されるため、明るい画像、即ちダイナミックレンジの広い画像が得られ、水平方向と垂直方向の光軸調整等が不要になるので画像表示するためのシステムの構成が簡単になるというメリットを有する。反面、特に、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対して次の課題を有する。
【０００７】
数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの走査周波数でレーザ光を水平方向に走査する際、通常、その光偏向器の共振周波数を用いて低電力でミラー部を駆動させる。
一方、数十Ｈｚの走査周波数でレーザ光を垂直方向に走査する際、垂直方向の走査はリフレッシュレートで決定され、例えば６０Ｈｚ程度の走査周波数となる。さらに画像信号と同期させるためには、垂直方向の走査周波数を電気的に制御する必要があるので、共振周波数を数百Ｈｚ程度に設定して直流駆動に近い状態で駆動させることになる。
【０００８】
このように、共振周波数が数十ｋＨｚの構造と数百Ｈｚの構造とを同一基板上、例えば同一シリコン基板上に形成するには、水平方向走査用のトーションバーに対して垂直方向走査用のトーションバーをより細く、及び／又はより長くする必要があり、垂直方向走査用のトーションバーの機械的強度が悪化して破損しやすくなり、扱いにくい光偏向器となってしまう。
【０００９】
そこで、本発明は、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対しても対応可能であり、かつ、従来よりも破損しにくい２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記の課題を解決するために、本発明は次の２次元光偏向器及びこれを用いた画像表示装置を提供する。
１）照射された光を反射するミラー部（２）と、前記ミラー部（２）を囲うように間隙（３）を有して配置されたジンバル部（４）と、前記ジンバル部（４）を囲うように間隙（５）を有して配置されたフレーム部（６）と、前記ミラー部（２）と前記ジンバル部（４）とを接続する一対の第１トーションバー部（７ａ，７ｂ）と、前記ジンバル部（４）と前記フレーム部（６）とを接続する一対の第２トーションバー部（８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂ）と、を備え、前記一対の第２トーションバー部（８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂ）は、所定の材料から構成された第３トーションバー部（８ａ〜８ｄ）と、前記所定の材料よりも展延性を有する展延性材料から構成された第４トーションバー部（９ａ，９ｂ）と、をそれぞれ有して構成されていることを特徴とする２次元光偏向器（１）。
２）前記一対の第１トーションバー部（７ａ，７ｂ）は、一方の第１トーションバー部と（７ａ）他方の第１トーションバー部（７ｂ）とが、前記ミラー部（２）の重心（Ｏａ）を通る第１の回転軸（Ｙａ）方向に、前記重心（Ｏａ）に対して互いに点対称に配置されており、前記一対の第２トーションバー部（８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂ）は、一方の第２トーションバー部（８ａ，８ｂ，９ａ）と他方の第２トーションバー部（８ｃ，８ｄ，９ｂ）とが、前記ミラー部（２）の重心（Ｏａ）を通り、かつ、前記第１の回転軸（Ｙａ）に直交する第２の回転軸（Ｘａ）方向に、前記重心（Ｏａ）に対して互いに点対称に配置されており、前記ミラー部（２）を前記第１の回転軸（Ｙａ）回り及び前記第２の回転軸（Ｘａ）回りにそれぞれ回転駆動させる駆動手段をさらに備えていることを特徴とする１）記載の２次元光偏向器（１）。
３）前記一対の第２トーションバー部（９ａ，９ｂ，３１ａ〜３１ｄ）は、前記第３トーションバー部（３１ａ〜３１ｄ）がそれぞれミアンダ構造を有し、前記第４トーションバー部（９ａ，９ｂ）がそれぞれ直線形状の構造を有することを特徴とする１）又は２）に記載の２次元光偏向器（３０）。
４）２）又は３）に記載の２次元光偏向器と、前記２次元光偏向器のミラー部に向けて前記光（Ｌ）を射出する光源（４１）と、前記駆動手段を制御する駆動制御手段（４２）と、を備え、前記光（Ｌ）は、前記ミラー部（２）で反射されて、前記第１の回転軸（Ｙ）を回転軸として水平方向に偏向されると共に、前記第２の回転軸（Ｘ）を回転軸として垂直方向に偏向されることを特徴とする画像表示装置（４０）。
５）前記光源（４１）は、入力される輝度変調信号に応じて射出する光（Ｌ）の光量を制御し、前記駆動制御手段（４２）は、前記輝度変調信号に同期して前記駆動手段を制御することを特徴とする４）記載の画像表示装置（４０）。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、水平方向と垂直方向の走査周波数が互いに大きく異なる仕様に対しても対応可能であり、かつ、従来よりも破損しにくいという効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本発明の２次元光偏向器の第１の実施の形態を説明するための模式的平面図である。
【図２】本発明の２次元光偏向器の第２の実施の形態を説明するための模式的平面図である。
【図３】本発明の２次元光偏向器の第３の実施の形態を説明するための模式的平面図である。
【図４】本発明に係る２次元光偏向器を用いた画像表示装置の一実施の形態を説明するための模式図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
本発明の好ましい実施の形態を、図１〜図４を用いて説明する。
【００１４】
＜第１の実施の形態＞
図１に示すように、２次元光偏向器１は、照射されたレーザ光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対のトーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対のトーションバー部８ａ，８ｂ，９ａ、８ｃ，８ｄ，９ｂと、を備えている。
【００１５】
トーションバー部７ａとトーションバー部７ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通る回転軸（水平走査軸）Ｙａ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００１６】
トーションバー部８ａ，８ｂとトーションバー部８ｃ，８ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通り、かつ、回転軸Ｙａに直交する回転軸（垂直走査軸）Ｘａ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
トーションバー部９ａとトーションバー部９ｂとは、回転軸Ｘａ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００１７】
トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂはそれぞれ捩じればね性を有している。
【００１８】
ミラー部２、ジンバル部４、フレーム部６、及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のシリコン（Ｓｉ）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて加工することにより、一体に形成されている。
ジンバル部４及びフレーム部６は、たわみ変形等を防止するために、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄよりも厚く形成されている。
【００１９】
ところで、トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、それぞれシリコンで形成されており、シリコンは脆性破壊材料であるため、最大ひずみ応力を超えた応力が作用した場合に簡単に破損してしまう。
それに対して、トーションバー部９ａ，９ｂは、展延性材料で構成されており、かつ、ジンバル部４が動作する範囲内でのひずみ変形が、その材料の弾性領域内となるように寸法や材料を設計している。トーションバー部９ａ，９ｂを構成する展延性材料として、例えばポリイミド等の高分子材料が挙げられる。このような展延性材料は脆性破壊を起こしにくい。また、ポリイミド等の高分子材料は、一般的にシリコンと比較して弾性率が極めて小さいので、トーションバー部９ａ，９ｂをより太く、及び／またはより短く設計することが可能になる。
【００２０】
トーションバー部９ａは、例えば、トーションバー部９ａとその一端側に形成されたパッド部１０ａとその他端側に形成されたパッド部１０ｂとが一体になった構造体を作製し、パッド部１０ａをジンバル部４に接着等によって固定し、パッド部１０ｂをフレーム部６に接着等によって固定することにより、間隙５の回転軸（垂直走査軸）Ｘａ上に配置される。
同様に、トーションバー部９ｂは、例えばトーションバー部９ｂとその一端側に形成されたパッド部１０ｃとその他端側に形成されたパッド部１０ｄとが一体になった構造体を作製し、パッド部１０ｃをジンバル部４に接着等によって固定し、パッド部１０ｄをフレーム部６に接着等によって固定することにより、間隙５の回転軸（垂直走査軸）Ｘａ上に配置される。
【００２１】
次に、上述した２次元光偏向器１のミラー部２の駆動方法について説明する。
【００２２】
まず、Ｙａを回転軸とする、ミラー部２の水平方向（図１における左右方向）の駆動について同じく図１を用いて説明する。
【００２３】
ミラー部２は、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂの構造設計により決定される共振周波数の駆動力を、Ｙａが回転軸となるようにミラー部２に印加することによって、水平方向（図１における左右方向）に駆動する。
上述の駆動力は、例えばミラー部２における、レーザ光を反射する反射面とは反対側の裏面に形成された電磁コイルに電流を供給し、外部磁界によるローレンツ力を用いることによって発生させることができる。
上述の駆動力を発生させる他の方法として、ジンバル部４に電磁力、静電力、又は圧電力等の偶力の振動を与え、その振動をトーションバー部７ａ，７ｂを介してミラー部２に伝達させる方法がある。
【００２４】
上述したように、ミラー部２をその構造体の共振周波数で駆動するため、高い共振周波数であっても少ない駆動電力で、ミラー部２を水平方向（図１における左右方向）に大きな偏向角を有して駆動させることができる。
そして、ミラー部２が水平方向に駆動している状態でミラー部２にレーザ光を照射することによって、レーザ光を水平方向に大きな偏向角を有して走査することができる。
【００２５】
次に、Ｘａを回転軸とする、ミラー部２の垂直方向（図１における上下方向）の駆動について同じく図１を用いて説明する。
【００２６】
ミラー部２は、Ｘａが回転軸となるようにジンバル部４に偶力の駆動力を印加することによって、ジンバル部４と共に垂直方向（図１における上下方向）に駆動する。
上述の駆動力は、ジンバル部４に電磁力、静電力、又は圧電力等の偶力を印加することによって発生させることができる。
そして、ミラー部２が垂直方向に駆動している状態でミラー部２にレーザ光を照射することによって、レーザ光を垂直方向に走査することができる。
【００２７】
垂直方向の走査の画像リフレッシュレートに相当する周波数（６０Ｈｚ程度）でレーザ光をラスタースキャンできるように、ジンバル部４に駆動力を印加する。
垂直方向の走査は非共振駆動させることが望ましい。そのため、ジンバル部４に大きな駆動力を印加可能な手段を用いる。また、駆動力が大きくても変位が小さい駆動では大きな偏向角が得られないので、圧電力を用いた駆動よりも電磁力を用いた駆動の方が好ましい。このような電磁力を用いた駆動は、例えばジンバル部４に形成された電磁コイルに電流を供給し、外部磁界によるローレンツ力を用いることによって行うことができる。
【００２８】
なお、正弦波駆動で画像を表示することも可能であるが、正弦波ではその非直線領域では上下の画像が縮んでしまう。そのため、非直線領域では画像信号をカットする必要があり、高い解像度を得ることが難しい。また、機械的な往復振動での偏向動作では完全なラスタースキャンは難しい。そこで、駆動周波数に対して共振周波数を高めに設定し、共振振動をカットできるフィルタ回路を用いる等によって、よりラスタースキャンに近い動作が可能にすることによって、より解像度の高い画像を得ることができる。
【００２９】
上述したように、ミラー部２を、Ｙａを回転軸として水平方向に駆動する場合は、軽いミラー部２のみを駆動すればよいので、その構造体の共振周波数（例えば数ｋＨｚ〜数十ｋＨｚの範囲）で駆動することが好ましく、その結果、高い共振周波数であっても少ない駆動電力で、ミラー部２を水平方向（図１における左右方向）に大きな偏向角を有して駆動させることができる。
そして、ミラー部２が水平方向に駆動している状態でミラー部２にレーザ光を照射することによって、レーザ光を水平方向に大きな偏向角を有して走査することができる。
【００３０】
一方、ミラー部２を、Ｘａを回転軸として垂直方向に駆動する場合は、重いジンバル部４と共に駆動しなければならないので、かつ、垂直方向の走査の画像リフレッシュレートに相当する周波数（６０Ｈｚ程度）で駆動しなければならないので、のこぎり波状の波形駆動をすることが好ましい。そのため、ミラー部２（ジンバル部４）を、共振駆動ではなくて非共振で駆動させることが望ましく、垂直方向の共振周波数としては数百Ｈｚ程度に設定する必要がある。
垂直方向の共振周波数を数百Ｈｚ程度に設定する場合、例えばシリコンからなるトーションバー部８ａ〜８ｄのみの構成で設計すると、トーションバー部８ａ〜８ｄの形状は細く、及び／または長くなるため、シリコンの脆性により、トーションバー部８ａ〜８ｄに瞬間的に大きな力が加わると、容易に破損してしまう。通常の動作のときには、シリコンのせん断応力よりも低い範囲で動作させるように設計しているので破損しにくい。しかしながら、例えば製造過程のハンドリング等で瞬間的に大きな力が加わってしまった場合には破損してしまうことがあり、製造歩留まり等を悪化させる要因となる。
【００３１】
そこで、本発明に係る実施の形態では、ミラー部２を、Ｘａを回転軸として垂直方向に駆動する場合に、トーションバー部８ａ〜８ｄに加えて、展延性材料で構成され、かつ、ジンバル部４が動作する範囲内でのひずみ変形が、その材料の弾性領域内となるように寸法や材料が設計されたトーションバー部９ａ，９ｂを用いた構成としている。
例えばポリイミド等の高分子材料からなる展延性材料は脆性破壊を起こしにくいので、トーションバー部９ａ，９ｂを、例えばシリコンからなるトーションバー部８ａ〜８ｄと併用して用いることにより、垂直方向の駆動共振周波数の設計の自由度が向上する。詳しくは、例えばシリコンからなるトーションバー部８ａ〜８ｄの幅及び長さ、並びに、例えばポリイミド等の脆性破壊を起こしにくい展延性材料からなるトーションバー部９ａ，９ｂの幅及び長さをそれぞれ設定することにより、垂直方向の駆動共振周波数を設定することができる。
【００３２】
また、トーションバー部９ａ，９ｂは、ポリイミド等の、トーションバー部８ａ〜８ｄよりも弾性率の低い材料を用いることにより、トーションバー部８ａ〜８ｄよりも太く、及び／または短く設計することができる。
その結果、Ｘａを回転軸として垂直方向に駆動する場合のトーションバー部８ａ〜８ｄの機械的強度をトーションバー部９ａ，９ｂによって補強することができるので、トーションバー部８ａ〜８ｄに瞬間的に加わる大きな力に対しての破損を抑制することができると共に、たわみ防止についての効果を有する。
【００３３】
＜第２の実施の形態＞
第２の実施の形態における２次元光偏向器２０は、第１の実施の形態における２次元光偏向器１と比較して、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する低弾性率のトーションバー部の構成及びその固定方法が相違し、それ以外は第１の実施の形態と同じなので、説明を分かりやすくするために第１の実施の形態と同じ構成部には同じ符号を付して説明する。
【００３４】
図２に示すように、２次元光偏向器２０は、照射されたレーザ光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対のトーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対のトーションバー部８ａ，８ｂ，２２ａ、８ｃ，８ｄ，２２ｂと、を備えている。
【００３５】
トーションバー部７ａとトーションバー部７ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通る回転軸（水平走査軸）Ｙｂ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００３６】
トーションバー部８ａ，８ｂとトーションバー部８ｃ，８ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通り、かつ、回転軸Ｙｂに直交する回転軸（垂直走査軸）Ｘｂ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
トーションバー部２２ａとトーションバー部２２ｂとは、回転軸Ｘｂ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００３７】
トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ，８ｂ，２２ａ、８ｃ，８ｄ，２２ｂはそれぞれ捩じればね性を有している。
【００３８】
ミラー部２、ジンバル部４、フレーム部６、及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のシリコン（Ｓｉ）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて加工することにより、一体に形成されている。
ジンバル部４及びフレーム部６は、たわみ変形等を防止するために、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄよりも厚く形成されている。
【００３９】
ところで、トーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄは、それぞれシリコンで形成されており、シリコンは脆性破壊材料であるため、最大ひずみ応力を超えた応力が作用した場合に簡単に破損してしまう。
それに対して、トーションバー部２２ａ，２２ｂは、展延性材料で構成されており、かつ、ジンバル部４が動作する範囲内でのひずみ変形が、その材料の弾性領域内となるように寸法や材料を設計している。トーションバー部２２ａ，２２ｂを構成する展延性材料として、例えばサスペンションワイヤー等の金属材料が挙げられる。このような展延性材料は脆性破壊を起こしにくい。なお、サスペンションワイヤー等の金属材料は、一般的にシリコンと比較して弾性率にそれほど差がないので、ばね定数としての寸法はポリイミドのような低い弾性率のトーションバー部よりも細く、及び／または長く設計する必要があるものの、延性を有しているので、瞬間的に大きな力が加わっても破損しにくい。
また、金属材料は塑性変形を起こすが、ジンバル部４の動作の範囲がそのときのトーションバー部２２ａ，２２ｂに加わるねじれ応力の最大値が弾性変形の範囲内になるように、トーションバー部２２ａ，２２ｂの寸法を設計すれば、通常の使用における塑性変形や金属疲労変形を起こしにくく、かつ、瞬間的に大きな力が加わったときに脆性破壊を起こしにくいので、第１の実施の形態と同様、シリコンで形成されたトーションバー部７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄの破損をトーションバー部２２ａ，２２ｂで抑制することができる。
【００４０】
ジンバル部４には、トーションバー部２２ａ，２２ｂの一端側を位置決めするための溝部２１ａ，２１ｃが形成されている。
フレーム部６には、トーションバー部２２ａ，２２ｂの他端側を位置決めするための溝部２１ｂ，２１ｄが形成されている。
【００４１】
トーションバー部２２ａは、その一端側が溝部２１ａに収容されて位置決めされ、例えば溝部２１ａを埋める接着剤２３によってジンバル部４に固定されている。
また、トーションバー部２２ａは、その他端側が溝部２１ｂに収容されて位置決めされ、溝部２１ｂを埋める接着剤２３によってフレーム部６に固定されている。
【００４２】
トーションバー部２２ｂは、その一端側が溝部２１ｃに収容されて位置決めされ、例えば溝部２１ｃを埋める接着剤２３によってジンバル部４に固定されている。
また、トーションバー部２２ｂは、その他端側が溝部２１ｄに収容されて位置決めされ、溝部２１ｄを埋める接着剤２３によってフレーム部６に固定されている。
【００４３】
これにより、トーションバー部２２ａ，２２ｂは、重心Ｏａを点対称として、間隙５における回転軸（垂直走査軸）Ｘｂ上に配置される。
【００４４】
上述した２次元光偏向器２０のミラー部２の駆動方法は、前述した第１の実施の形態における２次元光偏向器１のミラー部２の駆動方法と同じであるため、その説明を省略する。
【００４５】
＜第３の実施の形態＞
第３の実施の形態における２次元光偏向器３０は、第１の実施の形態における２次元光偏向器１におけるトーションバー部８ａ〜８ｄを折り返しのミアンダ構造にしたものであり、それ以外は第１の実施の形態と同じなので、説明を分かりやすくするために第１の実施の形態と同じ構成部には同じ符号を付して説明する。
【００４６】
図３に示すように、２次元光偏向器３０は、照射されたレーザ光を反射するミラー部２と、ミラー部２を囲うように間隙３を有して配置されたジンバル部４と、ジンバル部４を囲うように間隙５を有して配置されたフレーム部６と、ミラー部２とジンバル部４とを接続する一対のトーションバー部７ａ，７ｂと、ジンバル部４とフレーム部６とを接続する一対のトーションバー部３１ａ，３１ｂ，９ａ、３１ｃ，３１ｄ，９ｂと、を備えている。
【００４７】
トーションバー部７ａとトーションバー部７ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通る回転軸（水平走査軸）Ｙｃ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００４８】
トーションバー部３１ａ，３１ｂとトーションバー部３１ｃ，３１ｂとは、ミラー部２の重心Ｏａを通り、かつ、回転軸Ｙｃに直交する回転軸（垂直走査軸）Ｘｃ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
トーションバー部９ａとトーションバー部９ｂとは、回転軸Ｘｃ方向に、重心Ｏａに対して点対称に配置されている。
【００４９】
トーションバー部７ａ，７ｂ，３１ａ〜３１ｄ，９ａ，９ｂはそれぞれ捩じればね性を有している。
【００５０】
ミラー部２、ジンバル部４、フレーム部６、及びトーションバー部７ａ，７ｂ，３１ａ〜３１ｄは、例えばＳＯＩ（Silicon on Insulator）等のシリコン（Ｓｉ）ウエハを周知の半導体プロセスを用いて加工することにより、一体に形成されている。
ジンバル部４及びフレーム部６は、たわみ変形等を防止するために、ミラー部２及びトーションバー部７ａ，７ｂ，３１ａ〜３１ｄよりも厚く形成されている。
【００５１】
トーションバー部３１ａ〜３１ｄは、折り返しのミアンダ構造を有する。
トーションバー部３１ａ〜３１ｄを、間隙５の空きスペースを有効利用した、折り返しのミアンダ構造とすることにより、２次元光偏向器３０の外形サイズを大きくすることなく、トーションバー部３１ａ〜３１ｄの長さを、前述したトーションバー部８ａ〜８ｄの長さよりも長くすることができるので、その分、トーションバー部３１ａ〜３１ｄを太くすることができたり、設計の自由度が向上する。
そのため、水平方向の駆動共振周波数が数十ｋＨｚと高くても、水平方向駆動用のトーションバー部７ａ，７ｂと一体に形成されている垂直方向駆動用のトーションバー部３１ａ〜３１ｄの共振周波数を数百Ｈｚまで下げることが容易となる。
【００５２】
上述した２次元光偏向器３０のミラー部２の駆動方法は、前述した第１の実施の形態における２次元光偏向器１のミラー部２の駆動方法と同じであるため、その説明を省略する。
【００５３】
一般的に、ミアンダ構造のトーションバー部を有する光偏向器では、ＭＥＭＳ構造体のチップサイズを大きくすること無く、トーションバー部の実質的な長さをより長くできるので、その分、トーションバー部の幅をより太く設計することが可能となり、結果として破損しにくい構造にすることができる。一方、ミアンダ構造のトーションバー部が撓み振動の影響を受けて回転軸（図３においてはＸｃ）が安定せずに振れてしまう場合がある。
【００５４】
そこで、本発明に係る実施の形態では、ミアンダ構造を有さない直線形状のトーションバー部（９ａ，９ｂ）によって、ジンバル部（４）とフレーム部６との間に張力が作用した状態が維持されているので、ミアンダ構造のトーションバー部に係る撓み振動の影響を抑制することができる。トーションバー部（９ａ，９ｂ）の材料に例えばポリイミド等の高分子材料を用いれば、弾性率が低いため、直線形状のトーションバー部としてもばね定数はあまり大きくならないので、トーションバー部（９ａ，９ｂ）が延在する方向の回転軸（図３においてはＸｃ）のばね定数が大きくなり過ぎることは無く、設計の余裕度が向上する。
そのため、本発明に係る実施の形態では、ミラー部（２）をジンバル部（４）と共に安定した回転軸（Ｘｃ）で回転駆動させることができる。
【００５５】
また、トーションバー部（９ａ，９ｂ）に例えばサスペンションワイヤー等の金属材料を用いた場合は、そのトーションバー部が直線状としてばね定数を小さくするためには、より細く設計しなければならないが、金属材料は脆性破壊を起こしにくいため、細くても取り扱いが容易であり、製造過程における破損等を起こしにくい。
【００５６】
次に、第１〜第３の実施の形態として説明した２次元光偏向器１，２０，３０を用いた画像表示装置４０について、図４を用いて説明する。
なお、図４では、第１の実施の形態で説明した２次元光偏向器１を示しているが、この２次元光偏向器１に替えて、第２の実施の形態で説明した２次元光偏向器２０または第３の実施の形態で説明した２次元光偏向器３０を用いてもよいことは言うまでもない。
【００５７】
図４に示すように、画像表示装置４０は、前述した２次元光偏向器１（２０，３０）と、２次元光偏向器１（２０，３０）のミラー部２に向けてレーザ光Ｌを射出すると共に、入力される輝度変調信号に応じてレーザ光Ｌの光量を制御する光源４１と、上記の輝度変調信号に同期して２次元光偏向器１（２０，３０）のミラー部２を水平方向（図４における左右方向）及び垂直方向（図４における上下方向）にそれぞれ駆動制御する駆動制御部４２と、を備えている。
【００５８】
ミラー部２に照射されたレーザ光Ｌは、それぞれ所定の偏向角を有して水平方向及び垂直方向にそれぞれ走査され、スクリーン４３等に画像として表示される。
なお、図４では、ラスタースキャン方式により画像が表示される様子を模式的に示している。
【００５９】
また、図４では、単色の画像を表示する例として示しているが、本発明に係る画像表示装置は上記の構成に限定されるものではない。
例えば、赤（Ｒ）色レーザ光、緑（Ｇ）色レーザ光、及び青（Ｂ）色レーザ光をそれぞれ射出する３つの光源と、各光源にそれぞれ対応する３つの２次元光偏向器と、を備えた構成とすることにより、３つの２次元光偏向器でそれぞれ走査された各色光をスクリーン上で重畳させることによって、フルカラー画像が得られる。
また、赤（Ｒ）色レーザ光、緑（Ｇ）色レーザ光、及び青（Ｂ）色レーザ光をそれぞれ射出する３つの光源と、各光源から射出されるレーザ光の射出タイミングをずらして共通の２次元光偏向器（ミラー部）で各色光を走査し、スクリーン上で重畳させることによって、フルカラー画像を得るようにしてもよい。
また、共通の光源から、赤（Ｒ）色レーザ光、緑（Ｇ）色レーザ光、及び青（Ｂ）色レーザ光を射出タイミングをずらして射出し、共通の２次元光偏向器（ミラー部）で各色光を走査し、スクリーン上で重畳させることによって、フルカラー画像を得るようにしてもよい。
【００６０】
本発明の実施例は、上述した構成及び手順に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において変形例としてもよいのは言うまでもない。
【符号の説明】
【００６１】
１，２０，３０＿２次元光偏向器、 ２＿ミラー部、 ３，５＿間隙、 ４＿ジンバル部、 ６＿フレーム部、 ７ａ，７ｂ，８ａ〜８ｄ，９ａ，９ｂ，２２ａ，２２ｂ，３１ａ〜３１ｄ＿トーションバー部、 １０ａ〜１０ｄ＿パッド部、 ２１ａ〜２１ｄ＿溝部、 ２３＿接着剤、 ４０＿画像表示装置、 ４１＿光源、 ４２＿駆動制御部、４３＿スクリーン、 Ｏａ＿重心、 Ｘａ〜Ｘｃ，Ｙａ〜Ｙｃ＿回転軸、 Ｌ＿レーザ光
【特許請求の範囲】
【請求項１】
照射された光を反射するミラー部と、
前記ミラー部を囲うように間隙を有して配置されたジンバル部と、
前記ジンバル部を囲うように間隙を有して配置されたフレーム部と、
前記ミラー部と前記ジンバル部とを接続する一対の第１トーションバー部と、
前記ジンバル部と前記フレーム部とを接続する一対の第２トーションバー部と、
を備え、
前記一対の第２トーションバー部は、
所定の材料から構成された第３トーションバー部と、
前記所定の材料よりも展延性を有する展延性材料から構成された第４トーションバー部と、
をそれぞれ有して構成されていることを特徴とする２次元光偏向器。
【請求項２】
前記一対の第１トーションバー部は、一方の第１トーションバー部と他方の第１トーションバー部とが、前記ミラー部の重心を通る第１の回転軸方向に、前記重心に対して互いに点対称に配置されており、
前記一対の第２トーションバー部は、一方の第２トーションバー部と他方の第２トーションバー部とが、前記ミラー部の重心を通り、かつ、前記第１の回転軸に直交する第２の回転軸方向に、前記重心に対して互いに点対称に配置されており、
前記ミラー部を前記第１の回転軸回り及び前記第２の回転軸回りにそれぞれ回転駆動させる駆動手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の２次元光偏向器。
【請求項３】
前記一対の第２トーションバー部は、
前記第３トーションバー部がそれぞれミアンダ構造を有し、
前記第４トーションバー部がそれぞれ直線形状の構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元光偏向器。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の２次元光偏向器と、
前記２次元光偏向器のミラー部に向けて前記光を射出する光源と、
前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
を備え、
前記光は、前記ミラー部で反射されて、前記第１の回転軸を回転軸として水平方向に偏向されると共に、前記第２の回転軸を回転軸として垂直方向に偏向されることを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
前記光源は、入力される輝度変調信号に応じて射出する光の光量を制御し、
前記駆動制御手段は、前記輝度変調信号に同期して前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
【請求項１】
照射された光を反射するミラー部と、
前記ミラー部を囲うように間隙を有して配置されたジンバル部と、
前記ジンバル部を囲うように間隙を有して配置されたフレーム部と、
前記ミラー部と前記ジンバル部とを接続する一対の第１トーションバー部と、
前記ジンバル部と前記フレーム部とを接続する一対の第２トーションバー部と、
を備え、
前記一対の第２トーションバー部は、
所定の材料から構成された第３トーションバー部と、
前記所定の材料よりも展延性を有する展延性材料から構成された第４トーションバー部と、
をそれぞれ有して構成されていることを特徴とする２次元光偏向器。
【請求項２】
前記一対の第１トーションバー部は、一方の第１トーションバー部と他方の第１トーションバー部とが、前記ミラー部の重心を通る第１の回転軸方向に、前記重心に対して互いに点対称に配置されており、
前記一対の第２トーションバー部は、一方の第２トーションバー部と他方の第２トーションバー部とが、前記ミラー部の重心を通り、かつ、前記第１の回転軸に直交する第２の回転軸方向に、前記重心に対して互いに点対称に配置されており、
前記ミラー部を前記第１の回転軸回り及び前記第２の回転軸回りにそれぞれ回転駆動させる駆動手段をさらに備えていることを特徴とする請求項１記載の２次元光偏向器。
【請求項３】
前記一対の第２トーションバー部は、
前記第３トーションバー部がそれぞれミアンダ構造を有し、
前記第４トーションバー部がそれぞれ直線形状の構造を有することを特徴とする請求項１又は２に記載の２次元光偏向器。
【請求項４】
請求項２又は３に記載の２次元光偏向器と、
前記２次元光偏向器のミラー部に向けて前記光を射出する光源と、
前記駆動手段を制御する駆動制御手段と、
を備え、
前記光は、前記ミラー部で反射されて、前記第１の回転軸を回転軸として水平方向に偏向されると共に、前記第２の回転軸を回転軸として垂直方向に偏向されることを特徴とする画像表示装置。
【請求項５】
前記光源は、入力される輝度変調信号に応じて射出する光の光量を制御し、
前記駆動制御手段は、前記輝度変調信号に同期して前記駆動手段を制御することを特徴とする請求項４記載の画像表示装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１３−９７０４４（Ｐ２０１３−９７０４４Ａ）
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２３７３０１（Ｐ２０１１−２３７３０１）
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（３０８０３６４０２）株式会社ＪＶＣケンウッド (1,152)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年５月２０日（２０１３．５．２０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年１０月２８日（２０１１．１０．２８）
【出願人】（３０８０３６４０２）株式会社ＪＶＣケンウッド (1,152)
【Ｆターム（参考）】
[ Back to top ]