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WO2013136759A1 - 光学反射素子とアクチュエータ - Google Patents

光学反射素子とアクチュエータ Download PDF

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Publication number
WO2013136759A1
WO2013136759A1 PCT/JP2013/001554 JP2013001554W WO2013136759A1 WO 2013136759 A1 WO2013136759 A1 WO 2013136759A1 JP 2013001554 W JP2013001554 W JP 2013001554W WO 2013136759 A1 WO2013136759 A1 WO 2013136759A1
Authority
WO
WIPO (PCT)
Prior art keywords
movable plate
monitor
unit
support
mirror
Prior art date
Application number
PCT/JP2013/001554
Other languages
English (en)
French (fr)
Inventor
晋輔 中園
黒塚　章
山本　雄大
小牧　一樹
Original Assignee
パナソニック株式会社
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by パナソニック株式会社 filed Critical パナソニック株式会社
Priority to US14/369,895 priority Critical patent/US9329384B2/en
Priority to CN201380013690.8A priority patent/CN104169778A/zh
Publication of WO2013136759A1 publication Critical patent/WO2013136759A1/ja

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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/0858—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by piezoelectric means
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
    • H—ELECTRICITY
    • H04—ELECTRIC COMMUNICATION TECHNIQUE
    • H04N—PICTORIAL COMMUNICATION, e.g. TELEVISION
    • H04N1/00—Scanning, transmission or reproduction of documents or the like, e.g. facsimile transmission; Details thereof
    • H04N1/04—Scanning arrangements, i.e. arrangements for the displacement of active reading or reproducing elements relative to the original or reproducing medium, or vice versa
    • H04N1/113—Scanning arrangements, i.e. arrangements for the displacement of active reading or reproducing elements relative to the original or reproducing medium, or vice versa using oscillating or rotating mirrors

Definitions

  • the present invention relates to an optical reflecting element used for a laser printer, a barcode reader, and the like, and an optical reflecting element used for an image projection apparatus such as a head-up display or a head-mounted display.
  • the present invention also relates to an actuator having a structure similar to that of the optical reflecting element.
  • An optical scanning device for scanning a light beam emitted from a light source such as a laser or a light emitting diode has been put into practical use.
  • Laser printers and barcode readers are used for one-dimensional scanning applications, and in-vehicle radars and projection display devices are used for two-dimensional scanning applications.
  • In these optical scanning devices it is important to know the position of the mirror surface, and various devices have been devised in order to realize a monitoring function for that purpose.
  • Patent Document 1 discloses a method in which a light receiving element is provided outside the element, and the position of the mirror surface is detected by the light receiving element receiving light reflected from the element.
  • Patent Document 2 discloses a method for detecting the position of a mirror surface by providing a monitor element such as a piezoresistor or a piezoelectric element at a location where twisting or bending occurs when the mirror surface is driven. .
  • Patent Document 3 discloses an invention in which a rotating state of a mirror part is detected by providing a piezoelectric sensor connected to a mirror part and a torsion bar for rotating the mirror part.
  • Patent Document 4 discloses an invention in which a piezoelectric sensor positioned via a slit is provided on the outer peripheral side of a mirror in order to solve the problem of Patent Document 3.
  • the present invention employs a monitor structure with a high degree of design freedom that can directly detect the movement of the mirror surface without impeding the mirror drive efficiency and that does not limit the method of connecting the mirror part and the support.
  • An optical reflective element is provided.
  • the optical reflecting element of the present invention includes a movable plate having a reflecting surface, a first support portion, a first drive portion, a first frame, and a monitor portion for detecting the rotation of the movable plate.
  • the first support part is connected to the movable plate.
  • the first drive unit is provided in the first support unit, and rotates the movable plate around the first axis.
  • a movable part and a first support part are arranged inside the first frame.
  • the first frame is connected to the first support portion.
  • the monitor unit extends from a portion of the outer peripheral portion of the movable plate that is farthest from the first axis.
  • the monitor unit is deformed by the inertial force when the movable plate is rotated. That is, since the optical reflection element itself has a monitor function, the display system can be downsized. Further, since the monitor unit is deformed by the inertial force accompanying the movement of the reflecting surface, it is possible to directly detect the movement of the reflecting surface. In addition, since the monitor unit is added to a place other than the place where the deformation for rotation occurs, it is possible to suppress a decrease in drive efficiency and reduce power consumption. Furthermore, since the monitor unit is connected only to the end portion farthest from the rotation axis of the mirror unit, there is no limitation on the connection method between the mirror unit and the fixed frame, and the degree of freedom in designing the optical reflecting element is high.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical reflecting element according to Embodiment 1 of the present invention.
  • 2A is a perspective view of a monitor unit of the optical reflecting element shown in FIG. 2B is a cross-sectional view of the monitor unit shown in FIG. 2A.
  • FIG. 2C is a top view showing the shape of the monitor section shown in FIG. 2A.
  • FIG. 2D is a top view showing another shape of the monitor portion of the optical reflecting element shown in FIG. 3A is a cross-sectional view when a weight is attached to the monitor unit shown in FIG. 2A.
  • 3B is a top view showing the shape of the monitor section shown in FIG. 3A.
  • FIG. 3C is a top view showing another shape of the monitor section shown in FIG. 3A.
  • FIG. 3D is a top view showing still another shape of the monitor unit shown in FIG. 3A.
  • FIG. 4 is a schematic diagram showing a state of deformation of the monitor unit when the mirror unit of the optical reflecting element shown in FIG. 1 is rotated.
  • FIG. 5A is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing method of the optical reflecting element shown in FIG.
  • FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the optical reflecting element, following FIG. 5A.
  • FIG. 5C is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the optical reflecting element, following FIG. 5B.
  • FIG. 5D is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the optical reflecting element, following FIG. 5C.
  • FIG. 5A is a schematic cross-sectional view showing a manufacturing method of the optical reflecting element shown in FIG.
  • FIG. 5B is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the optical reflecting element, following FIG. 5A.
  • FIG. 5E is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the optical reflecting element, following FIG. 5D.
  • FIG. 5F is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the optical reflecting element, following FIG. 5E.
  • FIG. 5G is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the optical reflecting element, following FIG. 5F.
  • FIG. 5H is a schematic cross-sectional view showing a method for manufacturing the optical reflecting element, following FIG. 5G.
  • FIG. 6 is a top view of the optical reflecting element according to Embodiment 2 of the present invention.
  • FIG. 7 is a perspective view of the monitor unit of the optical reflecting element shown in FIG.
  • FIG. 8 is a schematic diagram of a display system using the optical reflecting element shown in FIG.
  • Patent Document 3 in the method of detecting the rotation state of the mirror unit by providing the mirror unit and a piezoelectric sensor connected to a torsion bar for rotating the mirror unit, the stress applied to the piezoelectric sensor is small and a signal is transmitted. small. Further, in the configuration in which a piezoelectric sensor positioned via a slit is provided on the outer peripheral side of the mirror as in Patent Document 4, the element size increases because the piezoelectric sensor is provided on the outer periphery of the mirror. Moreover, in the structures of Patent Document 3 and Patent Document 4, the piezoelectric sensor is coupled to a support portion that connects the mirror and the support. For this reason, the degree of freedom in designing the portion connecting the mirror and the support is reduced.
  • FIG. 1 is a perspective view of an optical reflecting element 1 in the present embodiment.
  • the optical reflecting element 1 includes a movable plate 105, a support unit 104 that is a first support unit, a drive unit 106 that is a first drive unit, a fixed frame 101, and a monitor for detecting the rotation of the movable plate 105. Part 108.
  • the movable plate 105 disposed inside the fixed frame 101 has a mirror portion 102 provided on the reflection surface 121.
  • the support portion 104 is also arranged inside the fixed frame 101 and connected to the movable plate 105.
  • the first drive unit 106 is provided on the support unit 104 and rotates the movable plate 105 around a rotation shaft 103 that is a first axis.
  • the fixed frame 101 as the first frame is connected to the support portion 104.
  • the fixed frame 101 and the movable plate 105 are connected by the pair of support portions 104 so that the movable plate 105 can rotate around the rotation shaft 103.
  • the movable plate 105 can be rotated around the rotation shaft 103 by the drive unit 106 provided in the optical reflection element 1.
  • the monitor unit 108 extends from a portion of the outer peripheral portion of the movable plate 105 farthest from the rotation shaft 103. Specifically, the monitor unit 108 is formed at an end portion away from the rotation shaft 103. The monitor unit 108 is deformed as the movable plate 105 rotates around the rotation shaft 103, and detects the driving state of the movable plate 105 (mirror unit 102) by detecting the deformation state. Can do.
  • Each support portion 104 has a meander shape and is composed of vibrating beams 151 to 153 connected so as to be folded back.
  • the vibrating beams 151 to 153 are made of silicon.
  • the driving unit 106 includes a driving body 161 and a driving body 163.
  • the driving body 161 is formed on the vibrating beam 151, and the driving body 163 is formed on the vibrating beam 153.
  • the driving bodies 161 and 163 are composed of a piezoelectric body and upper and lower electrodes (both not shown) formed above and below the piezoelectric body.
  • the upper and lower electrodes of the driving bodies 161 and 163 are connected by wiring electrodes 171 and connected to the driving electrode pad 172 and the lower electrode pad 173, respectively.
  • the upper electrode and the lower electrode are insulated by an insulating layer as necessary.
  • FIG. 2A is a perspective view of the monitor unit 108
  • FIG. 2B is a cross-sectional view taken along line 2B-2B
  • 2C and 2D are top views showing the shape of the monitor unit 108.
  • the movable plate 105 and the support portion 104 are made of, for example, silicon having a thickness of 100 ⁇ m.
  • the monitor unit 108 includes a lower electrode 183, an upper electrode 185, and a piezoelectric body 184 interposed between the lower electrode 183 and the upper electrode 185. That is, they form a laminated structure.
  • the lower electrode 183 is made of platinum having a thickness of 370 nm, for example.
  • the piezoelectric body 184 is made of, for example, lead zirconate titanate (PZT) having a thickness of 3 ⁇ m.
  • the upper electrode 185 is made of, for example, gold having a thickness of 300 nm.
  • the monitor unit 108 receives an inertial force when the movable plate 105 rotates around the rotation shaft 103. Since the monitor unit 108 has a very thin structure as compared with the movable plate 105 or the like, the monitor unit 108 is easily deformed and distorted by receiving an inertial force. Due to the distortion, the piezoelectric body 184 is distorted to generate an electric signal. The generated electrical signal can be taken out through the monitor electrode pad 182 connected to the monitor wiring 181, thereby detecting the movement of the mirror unit 102 (movable plate 105).
  • the mass of the monitor unit 108 is sufficiently smaller than the combined mass of the driving bodies 161 and 163 and the mirror unit 102, the resonance frequency and other characteristics for rotating the mirror unit 102 are almost affected.
  • the state of rotation of the mirror unit 102 can be detected without giving
  • the inertial force is a force applied according to the acceleration of the object, that is, the movement of the mirror unit 102, the movement of the mirror unit 102 itself can be detected.
  • the monitor unit 108 can be disposed on the movable plate 105, not a structural unit for rotating the movable plate 105 such as the vibrating beams 151 to 153 and the driving bodies 161 and 163. Therefore, the monitor unit 108 can be arranged without reducing the driving efficiency. In order to avoid lowering the driving efficiency, the movable plate 105 rotates at a desired rotation angle simply by applying a smaller voltage. As a result, the power consumption of the optical reflecting element 1 can be reduced.
  • the monitor unit 108 is simply provided with a rectangular laminated thin film monitor element at the tip of the mirror unit 102.
  • the monitor unit 108 may be formed in a trapezoidal shape or a triangular shape having a narrow width along the direction protruding from the movable plate 105. In this case, the stress applied to the monitor unit 108 can be efficiently converted into an electric signal while the monitor unit 108 is downsized.
  • FIG. 3A is a cross-sectional view showing a configuration in which a weight 186 is provided. With this configuration, a large monitor signal can be obtained by applying a larger inertial force.
  • 3B to 3D are top views showing the shape of the monitor unit 108 when the weight 186 is provided.
  • 3B is a structure in which a weight 186 is attached to the tip of the monitor unit 108 shown in FIG. 2C
  • the structure in FIG. 3C is a structure in which a weight 186 is attached to the tip of the monitor unit 108 shown in FIG. 2D
  • 3D is a structure in which a weight 186 is attached along the tip and the oblique side of the monitor unit 108 shown in FIG. 2D.
  • FIG. 4 shows how the monitor unit 108 is deformed when the movable plate 105 is rotated.
  • the plurality of monitor units 108 arranged at positions symmetrical with respect to the rotation shaft 103 are deformed symmetrically with respect to the rotation movement of the movable plate 105. Therefore, noise and the like can be reduced by inverting and adding the phases of the signals of the monitor unit 108. As a result, it is possible to detect the driving state of the mirror unit 102 with higher accuracy.
  • the inertial force detected by the monitor unit 108 increases as the deflection angle of the movable plate 105 increases. Therefore, it is possible to control the deflection angle of the mirror unit 102 by performing feedback control using a signal that can be detected by the monitor unit 108.
  • FIG. 5H schematically shows a cross-sectional view taken along line 5H-5H in FIG.
  • an SOI (Silicon On Insulator) substrate constituted by an active layer 301 and a BOX layer (Buried Oxide Layer) 302 is used as the substrate. Since the thickness of the active layer 301 becomes the thickness of the vibrating beam, a substrate having the thickness of the active layer 301 corresponding to the target drive unit thickness is prepared. In this embodiment, for example, an SOI substrate having an active layer 301 with a thickness of 100 ⁇ m is prepared.
  • a silicon oxide film is formed as an insulating film (not shown) on the active layer 301 of the SOI substrate, and a thin film process such as sputtering or vapor deposition is used on the silicon oxide film as shown in FIG. 5B.
  • a lower electrode 303 is stacked.
  • a layer of the piezoelectric body 304 is formed on the lower electrode 303 by sputtering or the like.
  • an orientation control layer (not shown) is preferably formed of an oxide dielectric containing lead and titanium between the piezoelectric body 304 and the lower electrode 303, and is oriented with lanthanum magnesium-added titanium (PLMT). It is more preferable to form a control layer. As a result, the crystal orientation of the piezoelectric body 304 is further increased, and a piezoelectric actuator having excellent piezoelectric characteristics can be formed.
  • the piezoelectric body 304 is patterned by using a photolithography technique and an etching technique. Further, as shown in FIG. 5D, the lower electrode 303 is patterned using a photolithography technique and an etching technique.
  • an etching method used for the lower electrode 303 and the piezoelectric body 304 any one of a dry etching method and a wet etching method, or a combination of these methods can be used. As an example, if a dry etching method is used, a fluorocarbon-based etching gas or SF 6 gas can be used.
  • the piezoelectric body 304 may be patterned by wet etching using a mixed solution of hydrofluoric acid, nitric acid, acetic acid and hydrogen peroxide, followed by patterning, and then further etching the lower electrode 303 by dry etching.
  • an insulating layer 305 is formed at a place where the wiring electrode 171 shown in FIG. 1 is formed.
  • the insulating layer 305 may be formed by patterning an insulating film formed by CVD or sputtering technology by photolithography technology and etching technology, or by patterning by photolithography technology using a permanent resist or the like. Also good.
  • an upper electrode or a titanium / gold film 306 serving as the wiring is formed.
  • the titanium film under the gold film is formed in order to increase the adhesion with the piezoelectric body 304 such as a PZT thin film, and a metal such as chromium can be used in addition to titanium.
  • a metal such as chromium can be used in addition to titanium.
  • the adhesiveness between the piezoelectric body 304 and the upper electrode can be improved.
  • the titanium film and the gold film form a strong diffusion layer between them. Therefore, a piezoelectric actuator with high adhesion strength can be formed.
  • etching solution for the titanium / gold film 306 a solution obtained by mixing an iodine / potassium iodide mixed solution with an ammonium hydroxide / hydrogen peroxide mixed solution can be used.
  • the lower electrode 303 is, for example, platinum having a thickness of 370 nm.
  • the thickness of the piezoelectric body 304 is 3 ⁇ m
  • the thickness of the titanium portion of the titanium / gold film 306 constituting the upper electrode is 10 nm
  • the thickness of the gold portion is 300 nm.
  • a silver or aluminum metal thin film having excellent light reflection characteristics is formed on the mirror portion 102 as an optical reflection film, and patterning is performed using a photolithography technique and an etching technique.
  • a metal thin film may be formed only on a necessary portion using a metal mask or the like.
  • the BOX layer 302 at the base portion of the SOI substrate is etched from the back surface by a photolithography technique and an etching technique, leaving a portion that becomes the fixed frame 101.
  • a photolithography technique and an etching technique In order to etch the BOX layer 302, wet etching or the like can be used.
  • SF 6 gas and C 4 F 8 gas for suppressing etching are used. Etching may be performed while switching alternately.
  • the active layer 301 of the SOI substrate is processed by etching technology, leaving the vibrating beams 151 to 153 and the movable plate 105 serving as the support portions 104. .
  • the monitor unit 108 has a thin film structure including a piezoelectric body 304, an upper electrode, and a lower electrode 303. If necessary, the active layer 301 corresponding to the weight 186 may be left.
  • a technique such as spray coating, a resist can be uniformly formed and patterned on a substrate on which a step is formed by the first back surface processing.
  • the optical reflection element 1 shown in FIG. 1 can be produced using the process as described above.
  • the support portion 104 is formed in a meander structure, but it may be a torsion beam structure.
  • the monitor unit 108 uses the piezoelectric body 304 to detect the degree of deformation, but it is also possible to use an element that changes an electric signal according to the amount of deformation, such as a strain resistance element.
  • the monitor unit 108 can detect how the movable plate 105 rotates without depending on the structure of the support unit 104 and the configuration of the driving bodies 161 and 163, and the deformation of the support unit 104 and the driving bodies 161 and 163. It does not detect the degree. Therefore, it is possible to detect the state of rotation of the movable plate 105 (mirror unit 102) without reducing the driving efficiency. As a result, the power consumption of the optical reflecting element 1 is reduced.
  • FIG. 6 is a top view of the optical reflecting element 501 in the present embodiment.
  • the optical reflection element 501 includes a fixed frame 502 that is a first frame, a movable frame 503 that is a second frame disposed inside the fixed frame 502, and a mirror unit 504 that is disposed inside the movable frame 503. .
  • the mirror unit 504 and the movable frame 503 are held by a pair of second support units 506 so that the mirror unit 504 can rotate around the second rotation shaft 510.
  • the fixed frame 502 and the movable frame 503 are held by a pair of first support portions 505 so that the movable frame 503 can rotate around the first rotation shaft 509.
  • the first support portion 505 has a meander structure and is configured by connecting four vibrating beams 5051 to 5054 so as to be folded back.
  • the vibrating beams 5051 to 5054 are made of silicon, and first driving bodies 5071 to 5074 are formed on the vibrating beams 5051 to 5054, respectively.
  • Each of the first driving bodies 5071 to 5074 constituting the first driving unit has a structure in which a piezoelectric body, an upper electrode, and a lower electrode (none of which are shown) are stacked. When a voltage is applied to the piezoelectric body, the vibrating beams 5051 to 5054 are bent and deformed. By this bending deformation, the movable frame 503 can be rotated around the first rotation shaft 509.
  • the rotation angle of the movable frame 503 can be increased by inverting the phase of two adjacent voltages of the first drive bodies 5071 to 5074. That is, the first driver 5071 and the first driver 5073 have the same phase, the first driver 5072 and the first driver 5074 have the same phase, and the phases of the first drivers 5071 and 5073 and the first drivers 5072 and 5074. It is only necessary to apply electric signals whose phases are different from each other by 180 degrees to the first driving bodies.
  • the second support portion 506 also has a meander structure, and is configured by connecting three vibrating beams 5061 to 5063 so as to be folded back.
  • the vibrating beams 5061 to 5063 are made of silicon.
  • Second driving bodies 5081 to 5083 are formed on the vibrating beams 5061 to 5063, respectively.
  • the second driving bodies 5081 to 5083 constituting the second driving unit also have a structure in which a piezoelectric body, an upper electrode, and a lower electrode (none of which are shown) are stacked. By applying a voltage to the piezoelectric body, the vibrating beams 5061 to 5063 are bent and deformed.
  • the mirror portion 504 can be rotated around the second rotation shaft 510 by this bending deformation.
  • the mirror portion 504, the second support portion 506, the second driving bodies 5081 to 5083, and the movable frame 503 that is the second frame form the movable plate 105 in the first embodiment.
  • the second support part 506 is connected to the mirror part 504.
  • the second drive bodies 5081 to 5083 are provided on the second support portion 506, and rotate the mirror portion 504 around the second rotation shaft 510 that is substantially orthogonal to the first rotation shaft 509.
  • a mirror portion 504 and a second support portion 506 are disposed inside the movable frame 503, connected to the second support portion 506 on the inside, and connected to the first support portion 505 on the outside.
  • the rotation angle of the mirror unit 504 can be increased by reversing the phase of the voltage between adjacent beams. That is, it is preferable that the second driver 5081 and the second driver 5083 have the same phase, and the second driver 5082 is applied with an electric signal that is 180 degrees out of phase with the second drivers 5081 and 5083.
  • the optical reflection element 501 used for image projection it is required to rotate the mirror unit 504 around the second rotation shaft 510 at a relatively high driving frequency of 10 kHz or more. Therefore, it is common to use resonance.
  • the second drive bodies 5081 and 5083 are formed, and the second drive body 5082 is not provided.
  • an electrical signal having the same frequency as that of the natural vibration mode in which the mirror unit 504 rotates around the second rotation shaft 510 is applied to the second drive bodies 5081 and 5083. With this configuration, resonance driving can be performed, and the mirror unit 504 can be largely rotated.
  • the monitor unit 511 is disposed at the end of the movable frame 503 away from the first rotation shaft 509.
  • FIG. 7 is an enlarged perspective view of a portion where the monitor unit 511 is provided.
  • the movable frame 503 is formed of a silicon substrate having a thickness of 300 ⁇ m and is disposed so as to surround the mirror unit 504. Similar to the monitor unit 108 of the first embodiment, the monitor unit 511 has a laminated structure of a lower electrode, a piezoelectric body, and an upper electrode.
  • the monitor unit 511 is deformed by the inertial force received when the movable frame 503 rotates around the first rotation shaft 509, and the monitor unit 511 is distorted. An electric signal is generated when the piezoelectric body formed on the monitor unit 511 is distorted. The generated electrical signal can be taken out through the wiring portion 512. In the wiring part 512, the short circuit between the upper electrode and the lower electrode is prevented by forming an insulating layer. Since the inertial force is a force applied in accordance with the acceleration of the object, that is, the movement of the movable frame 503, an electric signal corresponding to the movement of the movable frame 503 can be taken out.
  • the above structure and configuration are the same as those in the first embodiment.
  • the monitor unit 511 When the movable frame 503 rotates, the monitor unit 511 is deformed according to the inertial force. Therefore, it is desirable to arrange the monitor unit 511 at a position as far as possible from the first rotation shaft 509. In addition, the monitor unit 511 is symmetrically deformed by arranging the pair of monitor units 511 at symmetrical positions around the rotation axis. By inverting and adding the phases of the signals of the pair of monitor units 511, noise and the like can be reduced, and the movement of the movable frame 503 can be detected with higher accuracy.
  • a low frequency of about 15 to 60 Hz is used for driving around the first rotating shaft 509 that is driven at a low speed, and a saw-tooth drive
  • non-resonant driving is performed in order to drive with a signal.
  • a monitor unit may be provided at a site such as the first drive bodies 5071 to 5074 that cause deformation for rotating the movable frame 503.
  • the movement of the movable frame 503 can be detected by providing a monitor part at a part of the part that causes deformation.
  • the monitor unit 511 is provided so as to extend from a portion farthest from the first rotation shaft 509 in the outer peripheral portion of the movable frame 503 constituting the movable plate. Therefore, even when driving in non-resonance, the movement of the movable frame 503 can be directly detected without reducing the area of the drive unit, and drive efficiency is not reduced.
  • the first support portion 505 and the second support portion 506 have a meander shape, but may have a torsion beam structure.
  • the monitor unit 511 can detect the rotation of the movable frame 503 without depending on the structure of the first drive bodies 5071 to 5074 and the second drive bodies 5081 to 5083. Further, the degree of deformation of the first drive bodies 5071 to 5074, the second drive bodies 5081 to 5083, the first support portion 505, and the second support portion 506 is not detected. Therefore, the monitor unit 511 can detect the turning state of the movable frame 503 without reducing the driving efficiency, which contributes to the reduction in power consumption of the optical reflecting element 501.
  • a laser scanning display system using the optical reflection element 501 is shown in FIG.
  • the light emitted from the light source 72 is reflected by the mirror unit 504 of the optical reflection element 501 and projected onto the screen 73.
  • the laser beam can be scanned on the screen 73.
  • the image 74 can be drawn by modulating the output of the light source 72 in accordance with the position of the mirror unit 504 (that is, the position of the laser beam on the screen 73) so that a desired image 74 is obtained.
  • the electric signal detected by the monitor unit 511 can be used to detect the position of the mirror unit 504.
  • the configuration described in Embodiments 1 and 2 may be used as an actuator.
  • the optical reflecting element of the present invention has a monitor function for detecting the driving state of the mirror without reducing the driving efficiency. Therefore, highly accurate control is possible while driving the mirror with lower power consumption. Therefore, it can be used for an image projection apparatus such as a head-up display, a head-mounted display, and a laser printer, and an optical scanning apparatus.

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Abstract

　光学反射素子は、反射面を有する可動板と、第１支持部と、第１駆動部と、第１枠と、可動板の回動を検出するためのモニタ部とを有する。第１支持部は可動板と接続されている。第１駆動部は第１支持部に設けられ、可動板を第１軸周りに回動させる。第１枠の内側に可動部と第１支持部とが配置されている。第１枠は第１支持部と接続されている。モニタ部は、可動板の外周部分における第１軸から最も離れた部分から延出している。

Description

光学反射素子とアクチュエータ
　本発明は、レーザープリンタやバーコードリーダー等に用いられる光学反射素子、およびヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等の画像投影装置に用いられる光学反射素子に関する。また本発明は上記光学反射素子と類似の構造を有するアクチュエータに関する。
　レーザーや発光ダイオードなどの光源から射出した光束を走査するための光走査装置が実用化されている。一次元に走査する用途ではレーザープリンタやバーコードリーダーがあり、二次元に走査する用途では車載用レーダや投影型の表示装置がある。これらの光走査装置においては、ミラー面の位置を知ることが重要であり、そのためのモニタ機能を実現させるためにさまざまな工夫がなされている。
　例えば、素子の外部に受光素子を設け、受光素子が素子から反射された光を受光することでミラー面の位置を検知する方法が、例えば特許文献１に開示されている。
　また、ミラー面を駆動させるときにねじりや曲げの発生する箇所にピエゾ抵抗や圧電素子などのモニタ素子を設けることで、ミラー面の位置を検知する方法が、例えば特許文献２に開示されている。
　さらに特許文献３には、ミラー部とそれを回動させるためのトーションバーに接続された圧電センサを設けることでミラー部の回動状態を検知する発明が開示されている。また、特許文献４には、特許文献３の課題を解決するためにミラーの外周側にスリットを介して位置した圧電センサを設けた発明が開示されている。
特開２００９－９３１２０号公報 特開２００９－７７５９５号公報 特開２００９－１６９３２５号公報 特開２０１１－１５００５５号公報
　本発明はミラーの駆動効率を阻害することなく、ミラー面の動きを直接検知可能であり、かつミラー部と支持体の接続方法に制限を加えずにすむ設計自由度の高いモニタ構造を適用した光学反射素子を提供する。
　本発明の光学反射素子は、反射面を有する可動板と、第１支持部と、第１駆動部と、第１枠と、可動板の回動を検出するためのモニタ部とを有する。第１支持部は可動板と接続されている。第１駆動部は第１支持部に設けられ、可動板を第１軸周りに回動させる。第１枠の内側に可動部と第１支持部とが配置されている。第１枠は第１支持部と接続されている。モニタ部は、可動板の外周部分における第１軸から最も離れた部分から延出している。
　この構成において、モニタ部は、可動板の回動の際の慣性力によって変形する。すなわち、光学反射素子自身がモニタ機能を有するため、ディスプレイシステムを小型化できる。また、モニタ部は反射面の動きに伴う慣性力で変形を起こすため、反射面の動きを直接検知することが可能である。また、回動のための変形を起こす場所以外にモニタ部を付加するため、駆動効率の低下を抑制し、消費電力を低減することができる。さらに、モニタ部はミラー部の回動軸から最も離れた端部にのみ接続されるため、ミラー部と固定枠との間の接続方法の制限がなく、光学反射素子の設計自由度が高い。
図１は本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図である。 図２Ａは図１に示す光学反射素子のモニタ部の斜視図である。 図２Ｂは図２Ａに示すモニタ部の断面図である。 図２Ｃは図２Ａに示すモニタ部の形状を示す上面図である。 図２Ｄは図１に示す光学反射素子のモニタ部の他の形状を示す上面図である。 図３Ａは図２Ａに示すモニタ部に錘をつけた場合の断面図である。 図３Ｂは図３Ａに示すモニタ部の形状を示す上面図である。 図３Ｃは図３Ａに示すモニタ部の他の形状を示す上面図である。 図３Ｄは図３Ａに示すモニタ部のさらに他の形状を示す上面図である。 図４は図１に示す光学反射素子のミラー部が回動したときのモニタ部の変形の様子をあらわす模式図である。 図５Ａは図１に示す光学反射素子の作製方法を示す模式断面図である。 図５Ｂは図５Ａに続く、光学反射素子の作製方法を示す模式断面図である。 図５Ｃは図５Ｂに続く、光学反射素子の作製方法を示す模式断面図である。 図５Ｄは図５Ｃに続く、光学反射素子の作製方法を示す模式断面図である。 図５Ｅは図５Ｄに続く、光学反射素子の作製方法を示す模式断面図である。 図５Ｆは図５Ｅに続く、光学反射素子の作製方法を示す模式断面図である。 図５Ｇは図５Ｆに続く、光学反射素子の作製方法を示す模式断面図である。 図５Ｈは図５Ｇに続く、光学反射素子の作製方法を示す模式断面図である。 図６は本発明の実施の形態２における光学反射素子の上面図である。 図７は図６に示す光学反射素子のモニタ部の斜視図である。 図８は図７に示す光学反射素子を用いたディスプレイシステムの模式図である。
　本発明の実施の形態の説明に先立ち、従来の技術における課題を説明する。まず、特許文献１のように、受光素子を外部に設けるモニタ方法では、システムが大型になる。また、特許文献２のように、ミラー面の駆動とともにねじり変形や曲げ変形が発生する箇所に設けたモニタ素子で検知する方法では、モニタ素子が変形を阻害し駆動効率を低下させる虞がある。また、ミラーの動きを直接検知しているわけではないため、検知した動きがミラーの動きと対応しない可能性もある。
　特許文献３のように、ミラー部とそれを回動させるためのトーションバーに接続された圧電センサを設けることでミラー部の回動状態を検知する方法では、圧電センサにかかる応力が小さく信号が小さい。また、特許文献４のように、ミラーの外周側にスリットを介して位置した圧電センサを設ける構成では、圧電センサをミラー外周に設けるために素子サイズが大きくなる。しかも、特許文献３、特許文献４の構造では圧電センサが、ミラーと支持体を接続する支持部に連結されている。そのため、ミラーと支持体を接続する部分の設計自由度が小さくなる。
　（実施の形態１）
　以下、本発明の実施の形態１における光学反射素子について、図面を参照しながら説明する。図１は本実施の形態における光学反射素子１の斜視図である。
　光学反射素子１は、可動板１０５と、第１支持部である支持部１０４と、第１駆動部である駆動部１０６と、固定枠１０１と、可動板１０５の回動を検出するためのモニタ部１０８とを有する。固定枠１０１の内側に配置された可動板１０５は、反射面１２１に設けられたミラー部１０２を有する。支持部１０４も固定枠１０１の内側に配置され、可動板１０５と接続されている。第１駆動部１０６は支持部１０４に設けられ、可動板１０５を第１軸である回動軸１０３の周りに回動させる。第１枠である固定枠１０１は支持部１０４と接続されている。すなわち、固定枠１０１と可動板１０５は、可動板１０５が回動軸１０３周りに回動できるように一対の支持部１０４によって連結されている。光学反射素子１内に設けられた駆動部１０６によって、可動板１０５は回動軸１０３周りに回動することができる。
　モニタ部１０８は可動板１０５の外周部分における回動軸１０３から最も離れた部分から延出している。具体的には、モニタ部１０８は回動軸１０３から離れた端部に形成されている。モニタ部１０８は、可動板１０５が回動軸１０３周りに回動するのに合わせて変形し、その変形の様子を検知することで、可動板１０５（ミラー部１０２）の駆動状態を検知することができる。
　それぞれの支持部１０４は、ミアンダ形状を有し、折り返すように接続された振動梁１５１～１５３で構成されている。振動梁１５１～１５３はシリコンで構成されている。
　駆動部１０６は、駆動体１６１と駆動体１６３で構成されている。駆動体１６１は振動梁１５１上に形成され、駆動体１６３は振動梁１５３上に形成されている。駆動体１６１、１６３は圧電体と、圧電体の上下に形成された上部電極、下部電極（いずれも図示せず）で構成されている。
　駆動体１６１、１６３の上部電極、下部電極はそれぞれ配線電極１７１によって連結され、それぞれ、駆動電極パッド１７２、下部電極パッド１７３へ接続されている。配線電極１７１では、必要に応じて絶縁層によって上部電極と下部電極とが絶縁されている。駆動電極パッド１７２と下部電極パッド１７３を用いて圧電体に電圧を印加することで振動梁１５１、１５３が屈曲変形を起こし、屈曲変形によって可動板１０５が回動軸１０３の周りに回動する。
　駆動部１０６に印加する電圧の周波数を、可動板１０５が回動軸１０３周りに回動する固有振動モードの周波数と一致させることで、共振駆動を行うことができ、小さな電圧を印加するだけで可動板１０５は大きな回動角で回動する。
　次に図２Ａ～図２Ｄを参照しながらモニタ部１０８について説明する。図２Ａはモニタ部１０８の斜視図、図２Ｂは２Ｂ－２Ｂ線における断面図である。図２Ｃ、図２Ｄはモニタ部１０８の形状を示す上面図である。
　可動板１０５や支持部１０４は、例えば、厚さ１００μｍのシリコンで構成されている。モニタ部１０８は、下部電極１８３と、上部電極１８５と、下部電極１８３と上部電極１８５との間に介在する圧電体１８４で構成されている。すなわち、これらは積層構造を形成している。下部電極１８３は、例えば、厚さ３７０ｎｍの白金で構成されている。圧電体１８４は、例えば、厚さ３μｍのチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で構成されている。上部電極１８５は、例えば、厚さ３００ｎｍの金で構成されている。
　モニタ部１０８は、可動板１０５が回動軸１０３の周りに回動すると、慣性力を受ける。モニタ部１０８は可動板１０５などに比べて非常に薄い構造をしているため、慣性力を受けることで容易に変形し、歪みを生じる。この歪により圧電体１８４が歪むことで電気信号が発生する。発生した電気信号は、モニタ配線１８１に接続されたモニタ電極パッド１８２を通して取り出すことができ、これによりミラー部１０２（可動板１０５）の動きを検知することができる。
　この構成によれば、モニタ部１０８の質量が駆動体１６１、１６３やミラー部１０２を合わせた質量に比べて十分に小さいため、共振周波数など、ミラー部１０２を回動させるための特性にほとんど影響を与えることなく、ミラー部１０２の回動の様子を検知することができる。また、慣性力は物体の加速度、すなわちミラー部１０２の動きに応じてかかる力であるから、ミラー部１０２の動きそのものを検知することができる。
　また、モニタ部１０８は、振動梁１５１～１５３や駆動体１６１、１６３などの、可動板１０５を回動させるための構造部ではなく、可動板１０５に配置することができる。そのため、駆動効率を低下させることなくモニタ部１０８を配置できる。駆動効率を低下させずにすむため、より小さい電圧を印加するだけで可動板１０５は所望の回動角で回動する。その結果、光学反射素子１の消費電力を低減することができる。
　なお図２Ｃに示すように、モニタ部１０８は単純に長方形の積層薄膜のモニタ素子をミラー部１０２の先端に設ければよい。これ以外に、図２Ｄに示すように、可動板１０５から突出する方向に沿って幅が狭い台形状や三角形状にモニタ部１０８を形成してもよい。この場合、モニタ部１０８を小型化しつつ、モニタ部１０８のつけねにかかる応力を効率よく電気信号に変えることが出来る。
　また図３Ａに示すように、モニタ部１０８を形成する積層薄膜のモニタ素子の先端にシリコンで形成された錘１８６を設けてもよい。図３Ａは錘１８６を設けた場合の構成を示す断面図である。この構成によりより大きな慣性力が加わることで大きなモニタ信号を得ることができる。
　図３Ｂ～図３Ｄは錘１８６を設けた場合のモニタ部１０８の形状を示す上面図である。図３Ｂの構造は図２Ｃに示すモニタ部１０８の先端に錘１８６を付けた構造であり、図３Ｃの構造は図２Ｄに示すモニタ部１０８の先端に錘１８６を付けた構造である。また図３Ｄの構造は図２Ｄに示すモニタ部１０８の先端と斜辺に沿って錘１８６を付けた構造である。このように錘１８６が大きいほど慣性力が大きくなり、モニタ信号も大きくなるため好ましい。
　より高精度にミラー部１０２を含む可動板１０５の動きを検知するためには、必要に応じて、回動軸１０３を中心として対称な位置に、複数のモニタ部１０８を配置するとよい。可動板１０５が回動したときのモニタ部１０８の変形の様子を図４に示す。回動軸１０３に対して対称な位置に配置された複数のモニタ部１０８は、可動板１０５の回動運動に対して、対称に変形する。そのため、モニタ部１０８の信号の位相を反転して足し合わせることで、ノイズなどを低減することができる。その結果、より高精度にミラー部１０２の駆動の様子を検知することができる。
　モニタ部１０８で検出する慣性力は可動板１０５の振れ角が大きいほど大きくなる。そのため、モニタ部１０８で検出できる信号を用いてフィードバック制御などを行うことで、ミラー部１０２の振れ角の制御も可能となる。
　次に、図５Ａ～図５Ｈを参照しながら、下部電極と、圧電体と、上部電極からなる圧電アクチュエータを有した光学反射素子１の作製方法を説明する。図５Ｈは、図１における５Ｈ－５Ｈ線における断面図を模式的に示している。
　図５Ａに示すように、基板として、活性層３０１とＢＯＸ層（Ｂｕｒｉｅｄ　Ｏｘｉｄｅ　Ｌａｙｅｒ）３０２により構成されたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ　Ｏｎ　Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板を用いる。活性層３０１の厚さが振動梁の厚さになるため、目的とする駆動部の厚さに応じた活性層３０１の厚さを持つ基板を準備する。本実施形態では、例えば、厚さ１００μｍの活性層３０１を有するＳＯＩ基板を準備する。
　次に、ＳＯＩ基板の活性層３０１上に絶縁膜（図示せず）としてシリコン酸化膜を形成し、このシリコン酸化膜上にスパッタリング法または蒸着法などの薄膜プロセスを用いて図５Ｂに示すように下部電極３０３を積層する。その後、下部電極３０３の上にスパッタリング法などによって圧電体３０４の層を形成する。このとき、圧電体３０４と下部電極３０３との間には、鉛とチタンを含む酸化物誘電体で配向制御層（図示せず）を形成することが好ましく、ランタンマグネシウム添加チタン（ＰＬＭＴ）で配向制御層を形成することがより好ましい。これによって、圧電体３０４の結晶配向性がより高まり、圧電特性に優れた圧電アクチュエータを形成できる。
　次に、図５Ｃに示すように、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて圧電体３０４をパターニングする。さらに、図５Ｄに示すように、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いて下部電極３０３をパターニングする。下部電極３０３、圧電体３０４に用いるエッチング方法としては、ドライエッチング法とウェットエッチング法のいずれかの方法、あるいはこれらを組み合わせた方法などを用いることができる。一例として、ドライエッチング法であればフルオロカーボン系のエッチングガス、あるいはＳＦ６ガスなどを用いることができる。あるいは、圧電体３０４を、沸酸、硝酸、酢酸および過酸化水素の混合溶液を用いてウェットエッチングし、パターニングし、その後、さらに、ドライエッチングによって下部電極３０３をエッチングしてパターニングしてもよい。
　次に、図５Ｅに示すように、図１に示す配線電極１７１を形成する場所に絶縁層３０５を形成する。絶縁層３０５は、ＣＶＤやスパッタ技術を用いて形成した絶縁膜をフォトリソグラフィ技術とエッチング技術によってパターニングして形成してもよいし、永久レジストなどを用いてフォトリソグラフィ技術でパターニングして形成してもよい。
　次に、図５Ｆに示すように、上部電極あるいはその配線となるチタン／金膜３０６を形成する。チタン／金膜３０６において、金膜の下層のチタン膜はＰＺＴ薄膜などの圧電体３０４との密着力を高めるために形成されており、チタンの他にクロムなどの金属を用いることができる。これによって、圧電体３０４と上部電極との密着性を向上することができる。また、チタン膜と金膜とは、その間に強固な拡散層を形成している。そのため、密着強度の高い圧電アクチュエータを形成することができる。
　上部電極を含むチタン／金膜３０６を加工する際にも、同様にフォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いてパターニングを行う。このとき、チタン／金膜３０６のエッチング液としては、ヨウ素／ヨウ化カリウム混合溶液と水酸化アンモニウム、過酸化水素混合溶液とを混合した液を用いることができる。
　なお、下部電極３０３は、例えば厚み３７０ｎｍの白金である。例えば、圧電体３０４の厚みは３μｍ、上部電極を構成するチタン／金膜３０６のチタン部分の厚みは１０ｎｍ、金部分の厚みは３００ｎｍである。
　また、必要に応じてミラー部１０２には光の反射特性に優れた銀やアルミニウムの金属薄膜を光学反射膜として形成し、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術を用いてパターニングを行う。メタルマスクなどを用いて必要な部分にのみ金属薄膜を成膜してもよい。
　次に、図５Ｇに示すように、裏面からＳＯＩ基板の基部のＢＯＸ層３０２を、フォトリソグラフィ技術とエッチング技術により、固定枠１０１となる部分を残してエッチングする。ＢＯＸ層３０２をエッチングするには、ウェットエッチングなども用いることができるが、より微細な構造を実現するために垂直に加工したい場合はＳＦ６ガスと、エッチングを抑制するＣ４Ｆ８ガスとを交互に切り替えながらエッチングを行えばよい。
　最後に、図５Ｈに示すように、もう一度裏面からフォトリソグラフィ技術でパターニングを行い、支持部１０４となる振動梁１５１～１５３や可動板１０５を残してＳＯＩ基板の活性層３０１をエッチング技術で加工する。モニタ部１０８となる部分の活性層３０１を除去することで、モニタ部１０８は圧電体３０４と上部電極、下部電極３０３で構成された薄膜構造になる。必要に応じて錘１８６に相当する部分の活性層３０１を残してもよい。この場合のフォトリソグラフィにおいては、スプレーコートなどの技術を用いることで、１回目の裏面加工で段差の形成された基板の上にもレジストを均一に形成し、パターニングをすることができる。
　以上のようなプロセスを用いて、図１に示す光学反射素子１を作製できる。
　なお、本実施の形態においては支持部１０４を、メアンダ構造に形成としているが、ねじり梁構造であっても構わない。またモニタ部１０８は、変形の度合いを検知するために圧電体３０４を用いているが、例えば歪み抵抗素子など、変形量に応じて電気信号を変化させるような素子を用いることも可能である。モニタ部１０８は支持部１０４の構造や駆動体１６１、１６３の構成に依存せず、可動板１０５が回動する様子を検知することが可能であり、支持部１０４や駆動体１６１、１６３の変形の度合いを検知するわけではない。そのため、駆動効率を低下させることなく可動板１０５（ミラー部１０２）の回動の様子を検知することができる。その結果、光学反射素子１の消費電力は小さくなる。
　（実施の形態２）
　以下、本発明の実施の形態２における光学反射素子について、図６を参照しながら説明する。図６は本実施の形態における光学反射素子５０１の上面図である。
　光学反射素子５０１は、第１枠である固定枠５０２と、固定枠５０２の内側に配置された第２枠である可動枠５０３と、可動枠５０３の内側に配置されたミラー部５０４とを有する。ミラー部５０４と可動枠５０３は、ミラー部５０４が第２回動軸５１０の周りに回動できるように一対の第２支持部５０６によって保持されている。一方、固定枠５０２と可動枠５０３は、可動枠５０３が第１回動軸５０９の周りに回動できるように一対の第１支持部５０５によって保持されている。
　第１支持部５０５はミアンダ構造を有し、４本の振動梁５０５１～５０５４を折り返すように接続して構成されている。振動梁５０５１～５０５４はシリコンで構成されており、振動梁５０５１～５０５４にはそれぞれ第１駆動体５０７１～５０７４が形成されている。第１駆動部を構成する第１駆動体５０７１～５０７４はそれぞれ、圧電体と上部電極、下部電極（いずれも図示せず）を積層した構造を有する。圧電体に電圧を印加することで振動梁５０５１～５０５４が屈曲変形する。この屈曲変形によって可動枠５０３を第１回動軸５０９周りに回動させることができる。
　なお、第１駆動体５０７１～５０７４のうちの隣り合う２つの電圧の位相を反転させることで、可動枠５０３の回動角を大きくすることができる。すなわち、第１駆動体５０７１と第１駆動体５０７３を同位相、第１駆動体５０７２と第１駆動体５０７４を同位相とし、第１駆動体５０７１、５０７３の位相と第１駆動体５０７２、５０７４の位相とが互いに１８０度異なる電気信号を各第１駆動体に印加すればよい。
　第２支持部５０６もまたメアンダ構造を有し、３本の振動梁５０６１～５０６３を折り返すように接続して構成されている。振動梁５０６１～５０６３はシリコンで構成されている。振動梁５０６１～５０６３にはそれぞれ第２駆動体５０８１～５０８３が形成されている。第２駆動部を構成する第２駆動体５０８１～５０８３もまた圧電体と上部電極、下部電極（いずれも図示せず）とが積層された構造を有する。圧電体に電圧を印加することで振動梁５０６１～５０６３が屈曲変形する。この屈曲変形によってミラー部５０４を第２回動軸５１０周りに回動させることができる。
　すなわち、本実施の形態において、ミラー部５０４と、第２支持部５０６と、第２駆動体５０８１～５０８３と、第２枠である可動枠５０３とが実施の形態１における可動板１０５を形成している。第２支持部５０６はミラー部５０４と接続されている。第２駆動体５０８１～５０８３は第２支持部５０６に設けられ、ミラー部５０４を第１回動軸５０９と略直交する第２回動軸５１０周りに回動させる。可動枠５０３の内側にはミラー部５０４と第２支持部５０６とが配置され、内側で第２支持部５０６と接続され、外側で第１支持部５０５に接続されている。
　このとき、隣り合う梁の電圧の位相を反転させることで、ミラー部５０４の回動角を大きくすることができる。すなわち、第２駆動体５０８１と第２駆動体５０８３を同位相とし、第２駆動体５０８２には第２駆動体５０８１、５０８３と位相が１８０度異なる電気信号を印加するとよい。
　また、映像の投影に用いる光学反射素子５０１においては、第２回動軸５１０周りには、１０ｋＨｚ以上の比較的高い駆動周波数でミラー部５０４を回動することが要求される。そのため、共振を利用することが一般的である。この場合、第２駆動体５０８１、５０８３のみを形成し、第２駆動体５０８２を設けない。そして、第２駆動体５０８１、５０８３に、ミラー部５０４が第２回動軸５１０周りに回動する固有振動モードの周波数と同じ周波数の電気信号を印加する。この構成により、共振駆動を行うことができ、ミラー部５０４を大きく回動することができる。
　モニタ部５１１は、可動枠５０３の、第１回動軸５０９から離れた端部に配置されている。図７はモニタ部５１１が設けられた部分を拡大した斜視図である。可動枠５０３は、厚さ３００μｍのシリコン基板で構成されており、ミラー部５０４を囲むように配置されている。モニタ部５１１は、実施の形態１のモニタ部１０８と同様に、下部電極、圧電体、上部電極の積層構造で構成されている。
　モニタ部５１１は、可動枠５０３が第１回動軸５０９周りに回動した際に受ける慣性力を受けて変形し、モニタ部５１１には歪みが生じる。モニタ部５１１に形成された圧電体が歪むことで電気信号が発生する。発生した電気信号は、配線部５１２を通って取り出すことができる。配線部５１２では、絶縁層を形成することで上部電極と下部電極の間の短絡を防いでいる。慣性力は物体の加速度、すなわち可動枠５０３の動きに合わせてかかる力であるから、可動枠５０３の動きに応じた電気信号を取り出すことができる。以上の構造、構成は実施の形態１と同様である。
　可動枠５０３が回動運動をしたとき、モニタ部５１１は慣性力に応じて変形する。したがって、モニタ部５１１は第１回動軸５０９からできるだけ離れた位置に配置することが望ましい。また、回動軸を中心に対称な位置に一対のモニタ部５１１を配置することで、モニタ部５１１は対称な変形を起こす。一対のモニタ部５１１の信号の位相を反転して足し合わせることで、ノイズなどを低減することが可能であり、より高精度に可動枠５０３の動きを検知することができる。
　２軸方向に回動可能な光学反射素子５０１をディスプレイ用途などに用いる場合、低速で駆動する第１回動軸５０９周りの駆動には１５～６０Ｈｚ程度の低い周波数が用いられ、のこぎり波状の駆動信号で駆動するために非共振の駆動をする場合が多い。可動枠５０３の動きを検知するためには、可動枠５０３を回動させるための変形を起こす第１駆動体５０７１～５０７４などの部位にモニタ部を設けてもよい。共振駆動であれば変形を起こす部位の一部にモニタ部を設けることで、可動枠５０３の動きを検知することができる。
　しかしながら、非共振で駆動する場合は、変形を起こす部位の全てにモニタ部を設けなければならない。したがって第１支持部５０５にメアンダ構造を採用した場合、振動梁５０５１～５０５４の全てにモニタ部を設ける必要がある。しかしながらモニタ部の面積が増えると第１駆動体５０７１～５０７４の面積が減るため、駆動効率が低下する。
　これに対し、モニタ部５１１は可動板を構成する可動枠５０３の外周部分における、第１回動軸５０９から最も離れた部分から延出するように設けられている。そのため、非共振で駆動する場合でも、駆動部の面積を減らすことなく可動枠５０３の動きを直接検知でき、駆動効率を低下させることがない。
　なお、本実施の形態において、第１支持部５０５、第２支持部５０６はミアンダ形状を有しているが、ねじり梁構造であっても構わない。モニタ部５１１は第１駆動体５０７１～５０７４や第２駆動体５０８１～５０８３の構造に依存せず、可動枠５０３が回動する様子を検知することが可能である。また、第１駆動体５０７１～５０７４、第２駆動体５０８１～５０８３や第１支持部５０５、第２支持部５０６の変形の度合いを検知するわけではない。そのため、モニタ部５１１は駆動効率を低下させることなく可動枠５０３の回動の様子を検知することができ、光学反射素子５０１の消費電力の低減に寄与する。
　光学反射素子５０１を用いた、レーザー走査ディスプレイシステムを図８に示す。光源７２から出射された光を光学反射素子５０１のミラー部５０４で反射し、スクリーン７３に投影する。ミラー部５０４を直交する２軸周りに回動させることで、スクリーン７３においてレーザー光を走査することができる。所望の映像７４が得られるように、ミラー部５０４の位置（すなわちスクリーン７３上でのレーザー光の位置）に合わせて光源７２の出力を変調することで、映像７４を描画することができる。このとき、ミラー部５０４の位置を検知するのにモニタ部５１１で検知した電気信号を用いることができる。
　なお可動板１０５やミラー部５０４に反射面を設けなければ、実施の形態１、２で説明した構成はアクチュエータとして使用してもよい。
　本発明の光学反射素子は、駆動効率を低下させずにミラー部の駆動状態を検知するモニタ機能を有する。そのため、より低消費電力でミラーを駆動しながら高精度な制御が可能である。そのため、ヘッドアップディスプレイやヘッドマウントディスプレイ、レーザープリンタ等の画像投影装置、光走査装置に利用できる。
１，５０１　　光学反射素子
７３　　スクリーン
７４　　映像
１０１，５０２　　固定枠
１０２，５０４　　ミラー部
１０３　　回動軸
１０４　　支持部
１０５　　可動板
１０６　　駆動部
１０８，５１１　　モニタ部
１５１，１５２，１５３，５０５１，５０５２，５０５３，５０５４，５０６１，５０６２，５０６３　　振動梁
１６１，１６３　　駆動体
１７１　　配線電極
１７２　　駆動電極パッド
１７３　　下部電極パッド
１８１　　モニタ配線
１８２　　モニタ電極パッド
１８３，３０３　　下部電極
１８４，３０４　　圧電体
１８５　　上部電極
１８６　　錘
３０１　　活性層
３０２　　ＢＯＸ層
３０５　　絶縁層
３０６　　チタン／金膜
５０３　　可動枠
５０５　　第１支持部
５０６　　第２支持部
５０９　　第１回動軸
５１０　　第２回動軸
５０７１，５０７２，５０７３，５０７４　　第１駆動体
５０８１，５０８２，５０８３　　第２駆動体

Claims (9)

  1. 反射面を有する可動板と、
    前記可動板と接続された第１支持部と、
    前記第１支持部に設けられ、前記可動板を第１軸周りに回動させる第１駆動部と、
    前記第１支持部と接続され、内側に前記可動部と前記第１支持部とが配置された第１枠と、
    前記可動板の外周部分における、前記第１軸から最も離れた部分から延出し、前記可動板の回動を検出するためのモニタ部と、を備えた、
    光学反射素子。
  2. 前記可動板は、
    ミラー部と、
    前記ミラー部と接続された第２支持部と、
    前記第２支持部に設けられ、前記ミラー部を前記第１軸と略直交する第２軸周りに回動させる第２駆動部と、
    内側に前記ミラー部と前記第２支持部とが配置されるとともに、前記内側で前記第２支持部と接続され、外側で前記第１支持部に接続された第２枠と、を有する、
    請求項１記載の光学反射素子。
  3. 前記第１、第２支持部がミアンダ形状を有する、
    請求項２記載の光学反射素子。
  4. 前記第１支持部がミアンダ形状を有する、
    請求項１記載の光学反射素子。
  5. 前記モニタ部は、下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に介在する圧電体とを有する、
    請求項１記載の光学反射素子。
  6. 前記モニタ部が歪み抵抗素子である、
    請求項１記載の光学反射素子。
  7. 可動板と、
    前記可動板と接続された第１支持部と、
    前記第１支持部に設けられ、前記可動板を第１軸周りに回動させる第１駆動部と、
    前記第１支持部と接続された第１枠と、
    前記可動板の外周部分における、前記第１軸から最も離れた部分から延出し、前記可動板の回動を検出するためのモニタ部と、を備えた、
    アクチュエータ。
  8. 前記モニタ部は、下部電極と、上部電極と、前記下部電極と前記上部電極との間に介在する圧電体とを有する、
    請求項７記載のアクチュエータ。
  9. 前記モニタ部が歪み抵抗素子である、
    請求項７記載のアクチュエータ。
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