光学反射元件 |
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| 申请号 | CN201380023796.6 | 申请日 | 2013-04-24 | 公开(公告)号 | CN104272167B | 公开(公告)日 | 2017-03-08 |
| 申请人 | 松下知识产权经营株式会社; | 发明人 | 堀江寿彰; 平冈聪一郎; 中园晋辅; 小牧一树; | ||||
| 摘要 | 本 发明 提供一种光学反射元件，具有：反射镜部、一对接合部、一对振动部、多个驱动部、和固定部。接合部分别具有与反射镜部的对置的各个 位置 连接的第1端、和该第1端的相反侧的第2端，沿第1轴延伸。振动部分别具有与接合部的一方的第2端连接的中央部。多个驱动部分别设置在一对振动部的各自上，使反射镜部转动。在固定部连结一对振动部的各两端。定义为与接合部的第1轴 正交 的方向的长度的梁宽，大于一对振动部各自的梁宽。 | ||||||
| 权利要求 | 1.一种光学反射元件，具备： |
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| 说明书全文 | 光学反射元件技术领域[0001] 本发明涉及用在前导显示器、头戴显示器等的图像投影装置中的光学反射元件。 背景技术[0002] 近年来，开发了使用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems，微机电系统)技术，扫描激光来在屏幕等投影图像的光学反射元件。为了将图像投影，需要使用该光学反射元件二维地扫描激光。作为驱动光学反射元件的原理，例如使用压电致动器。 [0003] 图10是现有的光学反射元件1的立体图。光学反射元件1具有：反射镜部9、支承反射镜部9的固定部3、一对振动梁4、和使反射镜部9转动驱动的压电体层10。振动梁4分别与反射镜部9和固定部3连结，使得反射镜部9能相对于固定部3可以转动。在压电体层10通电时，压电体层10伸缩。通过该伸缩让振动梁4扭转变形，从而反射镜部9转动。 [0004] 另外，各振动梁4具有：从反射镜部9延伸出的扭力杆6、驱动部件7、和一对弹性部件8。驱动部件7连接在扭力杆6的与反射镜部9相反侧的端。一对弹性部件8设置得比驱动部件7更靠近反射镜部9，相互介由反射镜部9的转动中心轴而对置。另外，弹性部件8的第1端与驱动部件7连接，第2端与固定部3的一部分连接。另外，作为与本申请相关的压电致动器的公开，例如能举出专利文献1。 [0005] 先行技术文献 [0006] 专利文献 [0007] 专利文献1：JP特许第4285568号公报 发明内容[0008] 发明的概要 [0009] 本发明是能实现大的位移量和高频驱动的小型的光学反射元件。本发明的光学反射元件具有：反射镜部、一对接合部、一对振动部、多个驱动部、和固定部。接合部分别具有在反射镜部的对置的位置的各自上连接的第1端、和该第1端的相反侧的第2端，并且沿第1轴延伸。振动部分别具有与接合部的一方的第2端连接的中央部。多个驱动部分别设置在一对振动部的各自上，使反射镜部转动。在固定部连结一对振动部的各两端。定义为与接合部的第1轴正交的方向的长度的梁宽大于一对振动部各自的梁宽。 [0011] 图1是本发明的实施方式1的光学反射元件的俯视图。 [0012] 图2是图1所示的光学反射元件的2-2线的截面图。 [0013] 图3是表示图1所示的光学反射元件的谐振频率与机械偏转角的关系的图。 [0015] 图5是图1所示的光学反射元件的5-5线的截面图。 [0016] 图6是表示本发明的实施方式2的光学反射元件的振动部的部分放大图。 [0017] 图7A是本发明的实施方式2中的光学反射元件的其它振动部的部分放大图。 [0018] 图7B是表示本发明的实施方式2中的光学反射元件的再其它振动部的部分放大图。 [0019] 图7C是表示本发明的实施方式2中的光学反射元件的另外的振动部的部分放大图。 [0020] 图8是本发明的实施方式3中的光学反射元件的俯视图。 [0021] 图9是图8所示的光学反射元件的振动部的放大图。 [0022] 图10是现有的光学反射元件的立体图。 具体实施方式[0023] 在本实施方式的说明之前，先简单说明现有的光学反射元件1中的课题。为了提高投影图像的分辨率，需要在维持反射镜部9的转动角度的同时提高驱动频率，来提高光束(光点)的扫描速度。此时，由于在扭力杆6应力集中，因此例如需要使扭力杆6较长来分散应力。其结果，光学反射元件1变大，扫描速度降低。 [0024] 以下参考附图来说明本发明的实施方式的光学反射元件。 [0025] (实施方式1) [0026] 图1是本发明的实施方式1的光学反射元件11的俯视图。光学反射元件11具有：反射镜部12、一对接合部13A、13B、一对振动部14、15、多个驱动部24A、24B、24C、24D、和固定部16。接合部13A、13B在沿第1轴17A的方向上延伸，夹着反射镜部12而对置。即，接合部13A、 13B的第1端在反射镜部12的对置的位置与反射镜部12连接并支承反射镜部12。振动部14、 15配置为在中央部夹着接合部13A、13B，与它们的第2端连接。振动部14、15沿与第1轴17A正交的第2轴17B延伸。框状的固定部16与振动部14、15的两端连结，支承振动部14、15。另外，固定部16只要支承振动部14、15即可，可以由2个以上的部件构成，也可以不是框状。 [0027] 驱动部24A、24B夹着振动部14的中央部而彼此设置在相反侧，驱动部24C、24D夹着振动部15的中央部而彼此设置在相反侧。驱动部24A～24D以第1轴17A为中心轴使反射镜部12转动。驱动部24A～24D具有在第2轴17B方向上延伸的直线形状、或弯曲的形状。 [0028] 接下来，参考图2来说明驱动部24A～24D的构成。图2是图1中的2-2线的截面图。构成振动部14、15的驱动部24A、24C，作为最下层具有遍布光学反射元件11的整体而一体形成的硅基板18，在硅基板18上形成绝缘膜19。在绝缘膜19之上设置下部电极膜20，在下部电极膜20之上形成压电膜21，在压电膜21之上形成上部电极膜22。如此，压电体层23由绝缘膜19、下部电极膜20、压电膜21、和上部电极膜22构成。 [0029] 下部电极膜20、上部电极膜22由铂、金、钛、钨等的金属膜形成，压电膜21由锆钛酸铅(Pb(Zr1-x，Tix)O3)等的压电材料形成。它们能通过蒸镀、溶胶凝胶、CVD、溅射法等形成为薄膜。另外，驱动部24B、24D也同样构成。即，驱动部24A～24D将下部电极膜20、压电膜21和上部电极膜22依次叠膜而形成。 [0031] 通过使赋予驱动部24A的电压相对于赋予夹着接合部13A对置的驱动部24B的电压为相反相位，驱动部24A、24B向相反方向弯曲。其结果，在被驱动部24A、24B所夹的接合部13A产生扭转位移。 [0032] 在接合部13B也与接合部13A相同，通过对驱动部24C、24D施加相位为相反方向的电压而产生扭转位移。通过使施加给驱动部24A和驱动部24C的电压的相位为相同相位，使施加给驱动部24B、24D的电压的相位为相同相位，接合部13A、13B以相同相位引起扭转位移。其结果，反射镜部12绕着第1轴17A转动。 [0033] 通过利用绕着第1轴17A引起转动动作的固有振动模式，能使反射镜部12较大地位移。由此，通过对驱动部24A～24D施加与谐振频率同步的驱动频率，能以第1轴17A为中心轴使反射镜部12较大地位移。 [0034] 在如此使反射镜部12位移时，在接合部13A、13B出现扭转位移，由此产生扭转应力。伴随反射镜部12的位移量增大，加在接合部13A、13B的扭转应力也增加。若该扭转应力超过接合部13A、13B的机械强度，在接合部13A、13B就会出现裂纹破坏等，不能再使反射镜部12位移动作。 [0035] 一般，为了增大反射镜部12的位移量，例如使接合部13A、13B的长度在第1轴17A方向上延伸来减少加在接合部13A、13B的扭转应力。但是，若使接合部13A、13B在第1轴17A方向上延伸，光学反射元件11就会变大，如前述那样，扫描速度即谐振频率就会降低。 [0036] 与此相对，在光学反射元件11中，接合部13A、13B的梁宽W1大于振动部14、15的梁宽W2。将梁宽W1定义为接合部13A、13B的与第1轴17A正交的方向的长度。另一方面，将梁宽W2定义为振动部14、15的沿第1轴17A的方向的长度。 [0037] 根据该尺寸关系，在接合部13A、13B，与扭转位移相比，在驱动部24A～24D出现的弯曲位移成为支配性地位。即，与加在接合部13A、13B的中央部的扭转应力相比，加在接合部13A、13B各自的整体的弯曲应力成为支配性地位。由于如此将应力分散在接合部13A、13B整体，因此能不超过构成接合部13A、13B的材料的机械强度地确保反射镜部12的位移量。 [0038] 另外，由于使接合部13A、13B的梁宽较宽，转动体即反射镜部12和接合部13A、13B的合计质量增加。其结果，反射镜部12的上下振动模式的谐振频率降低。另一方面，与第1轴17A平行的接合部13A、13B的从端部到反射镜部12的第2轴17B方向的端部为止的距离相对较短。为此，绕着反射镜部12的第1轴17A的惯性矩相对较小。其结果，绕着第1轴17A转动的振动模式的谐振频率增加。通过调整该两者的平衡，能使振动模式的谐振频率增加。 [0039] 图3表示相对于振动部14、15的梁宽W2使接合部13A、13B的梁宽W1增减情况下的谐振频率与反射镜部12的机械偏转角的关系。横轴表示谐振频率，纵轴表示机械偏转角。在使接合部13A、13B的梁宽W1相对于振动部14、15的梁宽W2的170μm窄50μm时，谐振频率和机械偏转角降低。另一方面，在使接合部13A、13B的梁宽W1相对于振动部14、15的梁宽W2的170μm宽100μm的情况下，谐振频率和机械偏转角都增加，能摆脱此消彼长的关系。如此，通过相对于振动部14、15的梁宽W2使接合部13A、13B的梁宽W1较大，能同时增大谐振频率和机械偏转角。 [0040] 接下来，参考图4来说明光学反射元件11中的优选的结构。图4是光学反射元件11中的上部电极膜22的配置图。 [0041] 如前述那样，在驱动部24A～24D设置用于在振动部14、15引起弯曲位移的压电体层23。由此，也可以利用压电体层23来同时具有监控振动部14、15的驱动状态的功能。即，由于压电膜21具有压电效应，因此伴随着驱动部24A～24D的弯曲位移而产生电荷。另外，由于产生与弯曲位移量相应的电荷量，因此通过监控该电荷，能精度良好地监控振动部14、15的驱动状态。 [0042] 其中，需要不阻碍振动部14、15的驱动地探测驱动状态，且在易于在压电膜21产生应变的部位配置电极膜。由于驱动部24A～24D出现弯曲位移，因此在固定部16的周边应变易于集中。由此，如图4所示那样，期望至少在固定部16与振动部14、15的边界线上设置上部电极膜22。即，优选在固定部16与振动部14、15的边界形成构成监控部的上部电极膜22。 [0043] 接下来参考图5来说明光学反射元件11的另外的优选结构。图5是图1所示的光学反射元件的5-5线的截面图，表示接合部13A的截面。 [0044] 如此，期望使接合部13A、13B的梁宽W1大于接合部13A、13B的梁厚t。将梁厚t定义为与由第1轴17A和第2轴17B构成的平面正交的方向的长度。在接合部13A、13B的梁宽W1为梁厚t以下的情况下，加在接合部13A、13B的扭转应力易于集中在接合部13A、13B的侧壁部，得不到加宽梁宽W1来在平面方向上使应力分散的效果。另外，在使用硅基板18的情况下，在硅的加工中较多使用Bosch工艺。但是，在使用Bosch工艺时，在侧壁产生被称作毛边(scallop)的凹凸形状。若应力集中在该凹凸部，机械强度就会降低。根据以上，期望使接合部13A、13B的梁宽W1大于梁厚t。 [0045] (实施方式2) [0046] 图6是表示本发明的实施方式2中的光学反射元件31的振动部32的部分放大图。光学反射元件31具有：反射镜部34、接合部33、振动部32、和固定部35。光学反射元件31在振动部32有曲率这一点上和实施方式1中的光学反射元件11不同。这以外的基本的构成都与光学反射元件11相同。即，虽未图示，但接合部33在反射镜部34的对置的位置设有一对，振动部32设有一对，在各自的中央部与接合部33连接。振动部32的两端与固定部35连接。使定义为与接合部33的第1轴17A正交的方向的长度的梁宽，大于振动部32的梁宽。 [0047] 振动部32在与接合部33连接的中央部和固定部35之间具有一对梁部32A，梁部32A具有弯曲形状。另外，将振动部32的梁宽定义为梁部32A的弯曲形状的外周与内周间的长度。 [0048] 在振动部32上设置具有压电膜的驱动部(未图示)。对该压电膜施加电压，从而通过逆压电效应使压电膜在压电膜的平面方向上伸缩，振动部32在厚度方向上引起弯曲位移。通过振动部32的弯曲位移，在接合部33与振动部32的连接部位附近产生弯曲应力。但是，由于振动部32的梁部32A具有弯曲形状，能使接合部33与振动部32的连接部位近旁的应力分散。其结果，能使机械强度提升，使反射镜部34的偏转角较大。 [0049] 接下来，参考图7A～图7C来说明弯曲的梁部32A的与图6不同的形状。图7A～图7C是表示本实施方式中的其它振动部32的部分放大图。 [0050] 在图7A～图7C所示的振动部32中，梁部32A由更靠近固定部35的第1弯曲部36、和更靠近与接合部33连接的中央部的第2弯曲部37构成。 [0051] 在具有直线形状的实施方式1的振动部14、15中，在振动部14、15与固定部16的连接部位，伴随振动部14、15的弯曲位移的应力易于集中。与此相对，通过使振动部32与固定部35的连接部位的第1弯曲部36为具有图7A～图7C那样的曲率半径的形状，能将固定部35与第1弯曲部36的接合部位应力分散。 [0052] 另外，也可以如图7B所示那样，构成为第1弯曲部36的曲率半径与第2弯曲部37的曲率半径不同。在此，将第1弯曲部36的曲率半径设为r，将第2弯曲部37的曲率半径设为R。 [0053] 为了效率良好地使接合部33产生大的扭转位移，设置为使相对于接合部33的驱动部的正交分量的比例，在尽可能靠近接合部33的部位较多。即，在第1弯曲部36的曲率半径r等于或大于第2弯曲部37的曲率半径R的情况下，相对于接合部33的驱动部的正交分量大多构成在从接合部33离开的第1弯曲部36上。为此，在接合部33引起扭转位移的驱动效率会降低。 [0054] 为此，优选使第1弯曲部36的曲率半径r小于第2弯曲部37的曲率半径R，以使得相对于接合部33的驱动部的正交分量大多占据在靠近接合部33的第2弯曲部37上。另外，关于第1弯曲部36、第2弯曲部37的曲率半径的大小关系，也能适用在图7A所示的振动部32中。 [0055] 另外，比起设置在第1弯曲部36上，优选将构成驱动部38的压电体层23(图2参考)设置在至少第2弯曲部37上。通过该配置能使接合部33的扭转位移高效地变大。 [0056] 另外，若第1弯曲部36的曲率半径r较大，与曲率半径r相伴元件在第1轴17A方向上会扩大。在此，如图7B所示那样，优选使第1弯曲部36为在沿第1轴17A的方向上向反射镜部34凸的形状，使第2弯曲部37为在第1轴17A方向上向固定部35凸的形状。即，优选第1弯曲部 36和第2弯曲部37的弯曲方向不同，向相反方向突出。通过该形状，由于能在靠近反射镜部 34的位置设置与固定部35的连接位置，能在使固定部35与第1弯曲部36的接合部位应力分散的同时使光学反射元件31与第1弯曲部36的曲率半径r的幅度相应地小型化。 [0057] 另外，也可以如图7C所示那样，构成为使第2弯曲部37在更靠近第1弯曲部36一侧和更靠近接合部33一侧曲率半径不同。通过振动部32的弯曲位移，在接合部33与振动部32的连接部位附近产生弯曲应力。为了分散该应力，需要使连接部位附近的曲率半径较大。加在第2弯曲部37内的靠近第1弯曲部36一侧的应力比较小。为此，若第2弯曲部37的曲率半径恒定，光学反射元件31就会变大。为此，通过使第2弯曲部37的靠近第1弯曲部36一侧的曲率半径小于靠近接合部33一侧的曲率半径，能在确保光学反射元件31的机械强度的同时实现小型化。 [0058] 另外，也可以在第1弯曲部36上设置与驱动用不同的压电膜39，来同时具有监控振动部32的驱动状态的功能。压电膜39作为形成在固定部35与振动部32的边界的监控部发挥功能。 [0059] 压电膜39由于具有压电效应，因此伴随振动部32的弯曲位移而产生电荷。另外，由于产生与弯曲位移量相应的电荷量，因此通过监控该电荷，能精度良好地监控振动部32的驱动状态。但是，需要不阻碍振动部32的驱动地探测驱动状态，且在易于产生应变的部位配置压电膜39。由于振动部32引起弯曲位移，因此在固定部35与第1弯曲部36的边界线周边应变易于集中。为此，期望至少在固定部35与第1弯曲部36的边界线上设置压电膜39。 [0060] (实施方式3) [0061] 图8是本发明的实施方式3中的光学反射元件41的俯视图。光学反射元件41具有：固定部42、一对第1振动部43A、43B、可动框44、一对第2振动部45A、45B、一对接合部46A、 46B、和反射镜部47。 [0062] 第1振动部43A、43B的第1端相互对置地与固定部42的内侧连接，第2端与可动框44连接。即，第1振动部43A、43B支承可动框44。在可动框44的内侧的在沿第2轴17B的方向上对置的两边，连接第2振动部45A、45B。接合部46A、46B的第1端连接在能转动的反射镜部47的对置的位置，第1端的相反侧的第2端与第2振动部45A、45B的中央部连接。第1振动部43A、43B使可动框44绕着第2轴17B转动，第2振动部45A、45B使反射镜部47绕着与第2轴17B正交的第1轴17A转动。 [0063] 与图2所示的实施方式1、2相同，第1振动部43A、43B具有作为最下层而一体形成的硅基板18，在硅基板18上形成绝缘膜19。在绝缘膜19之上设置下部电极膜20，在下部电极膜20之上形成压电膜21，在压电膜21之上形成上部电极膜22。下部电极膜20、压电膜21、上部电极膜22作为驱动部发挥功能。 [0064] 图9是第1振动部43A的部分放大图。第1振动部43A具有平行而设并相邻的多个连结部48、和将连结部48中的2个相连的折返部49，由多个连结部48和多个折返部49形成蜿蜒形状。在对第1振动部43A的下部电极膜20与上部电极膜22间施加给定的电压时，对压电膜21施加给定的电场，通过逆压电效应，压电膜21在压电膜21的平面方向上进行伸缩动作。此时，在压电膜21产生的平面方向的伸缩动作作为第1振动部43A的厚度方向的力矩发挥作用，由此第1振动部43A在厚度方向上挠曲振动。此时，对于第1振动部43A的连结部48，对相邻的连结部48分别施加相反相位的电压，由此连结部48的挠曲重叠，可动框44绕着第2轴 17B转动。 [0065] 通过作为第2振动部45A、45B使用实施方式1中说明的振动部14、15或实施方式2中说明的振动部32，能使反射镜部47同时绕着第1轴17A以及第2轴17B以大的位移转动。为此，能对反射镜部47照射例如激光来在二维平面上投影鲜明的图像等。 [0066] 产业上的利用可能性 [0067] 本发明的光学反射元件能在屏幕投影鲜明的图像，能利用在小型放映机或头戴显示器中。 [0068] 标号的说明 [0069] 11、31、41 光学反射元件 [0070] 12、34、47 反射镜部 [0071] 13A、13B、33、46A、46B 接合部 [0072] 14、15、32 振动部 [0073] 16、35、42 固定部 [0074] 17A 第1轴 [0075] 17B 第2轴 [0076] 18 硅基板 [0077] 19 绝缘膜 [0078] 20 下部电极膜 [0079] 21、39 压电膜 [0080] 22 上部电极膜 [0081] 23 压电体层 [0082] 24A、24B、24C、24D、38 驱动部 [0083] 32A 梁部 [0084] 36 第1弯曲部 [0085] 37 第2弯曲部 [0086] 43A、43B 第1振动部 [0087] 44 可动框 [0088] 45A、45B 第2振动部 [0089] 48 连结部 [0090] 49 折返部 |
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