光学扫描器件和图像显示设备.pdf

一种光学扫描器件，包括：可动反射镜(21)，反射施加到其上的光束；第一梁(22)，接合到可动反射镜(21)的一端；第二梁(23)，接合到可动反射镜(21)的另一端；第一压电元件(11)，产生通过第一梁(22)摆动可动反射镜(21)的应力；以及第二压电元件(12)，产生通过第一梁(22)摆动可动反射镜(21)的应力。第一和第二压电元件(11，12)具有纵向方向与第一梁(22)的纵向方向一致的图案。第一和第二压电元件(11，12)设置在接合到第一和第二梁(22，23)的支撑板(3)上，其中在第一和第二压电元件(11，12)之间存在绝缘距离。

权利要求书一种光学扫描器件，包括：
可动反射镜，所述可动反射镜反射施加到所述可动反射镜的光束；
第一梁，所述第一梁接合到所述可动反射镜的一端；
第二梁，所述第二梁接合到所述可动反射镜的另一端；
第一压电元件，当将第一电压施加到所述第一压电元件时，所述第一压电元件产生用于通过所述第一梁摆动所述可动反射镜的应力；以及
第二压电元件，当将第二电压施加到所述第二压电元件时，所述第二压电元件产生用于通过所述第一梁摆动所述可动反射镜的应力；
其中，所述第一压电元件和所述第二压电元件分别具有纵向方向与所述第一梁的纵向方向一致的图案；并且
所述第一压电元件和所述第二压电元件设置在接合到所述第一梁和所述第二梁的支撑板上，并且在所述第一压电元件和所述第二压电元件之间存在绝缘距离。
根据权利要求1所述的光学扫描器件，其中，在所述第一压电元件和所述第二压电元件之间没有设置孔。
根据权利要求1或2所述的光学扫描器件，还包括：
第三压电元件，当将所述第一电压施加到所述第三压电元件时，所述第三压电元件产生用于通过所述第二梁摆动所述可动反射镜的应力；以及
第四压电元件，当将所述第二电压施加到所述第四压电元件时，所述第四压电元件产生用于通过所述第二梁摆动所述可动反射镜的应力；
其中，所述第三压电元件和所述第四压电元件分别具有纵向方向与所述第二梁的纵向方向一致的图案；并且
所述第三压电元件和所述第四压电元件设置在所述支撑板上，在所述第三压电元件和所述第四压电元件之间不存在孔，并且在所述第三压电元件和所述第四压电元件之间存在绝缘距离。
根据权利要求3所述的光学扫描器件，还包括：
第五压电元件，所述第五压电元件设置在所述第一压电元件和所述第二压电元件之间，当将第三电压施加到所述第五压电元件时，所述第五压电元件产生用于通过所述第一梁摆动所述可动反射镜的应力；以及
第六压电元件，所述第六压电元件设置在所述第三压电元件和所述第四压电元件之间，当将所述第三电压施加到所述第六压电元件时，所述第六压电元件产生用于通过所述第二梁摆动所述可动反射镜的应力。
根据权利要求4所述的光学扫描器件，其中，所述第五压电元件和所述第六压电元件分别具有纵向方向与所述第一梁或所述第二梁的纵向方向一致的图案；并且
所述第五压电元件和所述第六压电元件设置在所述支撑板上，在所述第五压电元件和所述第六压电元件与跟所述第五压电元件和所述第六压电元件相邻的其他压电元件之间不存在孔，并且在所述第五压电元件和所述第六压电元件与所述相邻的其他压电元件之间存在绝缘距离。
根据权利要求4或5所述的光学扫描器件，其中，所述第三电压包括静电压。
根据权利要求1或2所述的光学扫描器件，还包括：
第三压电元件，当将第三电压施加到所述第三压电元件时，所述第三压电元件产生用于通过所述第二梁摆动所述可动反射镜的应力；以及
第四压电元件，当将第四电压施加到所述第四压电元件时，所述第四压电元件产生用于通过所述第二梁摆动所述可动反射镜的应力；
其中，所述第三压电元件和所述第四压电元件分别具有纵向方向与所述第二梁的纵向方向一致的图案；并且
所述第三压电元件和所述第四压电元件设置在所述支撑板上，在所述第三压电元件和所述第四压电元件之间不存在孔，并且在所述第三压电元件和所述第四压电元件之间存在绝缘距离。
根据权利要求7所述的光学扫描器件，其中，所述第一电压和所述第三电压彼此同相，所述第二电压和所述第四电压彼此同相；并且
通过调整所述第一电压和所述第二电压的绝对值或所述第三电压和所述第四电压的绝对值，来控制所述可动反射镜相对于所述第一梁或所述第二梁的所述纵向方向的弯曲振动。
根据权利要求1至8中任一项所述的光学扫描器件，其中，所述第一电压和所述第二电压彼此相位相差90度或更大。
根据权利要求9所述的光学扫描器件，其中，所述第一电压和所述第二电压彼此相位相差180度。
一种图像显示设备，至少包括根据权利要求1至10中任一项所述的光学扫描器件作为水平扫描元件或垂直扫描元件。

说明书光学扫描器件和图像显示设备
技术领域
本发明涉及一种具有可动组件的光学扫描器件和一种图像显示设备，所述可动组件具有反射表面，所述光学扫描器件用于通过改变施加到反射表面的入射光束和反射表面之间的角度，来偏转来自反射表面的反射光束。
背景技术
用于偏转光束的光学扫描器件广泛应用于数字复印机、激光打印机、条码读取器、扫描仪和投影仪等中。通常将电动机致动多角形反射镜和电流反射镜用作这种光学扫描器件。
近年来，在基于MEMS(微机电系统)的光学扫描器件开发中，微处理技术有了长足进步。具体地，通过关于用作旋转轴的梁来往复振动可动反射镜从而偏转光束的MEMS光学扫描器件受到了关注。
与具有电动机驱动多角形反射镜的光学扫描器件相比较，根据MEMS技术制造的可动反射镜的优点在于其结构简单，通过半导体制造工艺能够制造为集成结构，能够容易地减小尺寸和减少成本并因此能够以更高速进行操作。
通常将基于MEMS技术的光学扫描反射镜制造成谐振反射镜，其中针对增大的偏转角度，结构体的驱动频率和谐振频率彼此一致。根据以下等式，反射镜的谐振频率fr由梁的扭转弹性模数k和反射镜的惯性力矩lm给出：
fr＝1/(2π)(k/lm)1/2       …(1)
如果将施加到反射镜的驱动力表示为T，则由以下等式给出反射镜的偏转角度θ：
θ＝QT/k            …(2)
其中，Q表示系统的品质系数，在空气中系统的品质系数的典型值大约是100，在真空中的典型值大约是1000。该等式指示了即使在驱动力较小的情况下，也能够极大地偏转以谐振致动的反射镜。
为了增大反射镜的偏转角度θ，必须提高驱动力T或品质系数Q。
一种用于产生驱动力的方案是使用压电元件。下文中仅描述包括压电致动器的光学扫描器件。取决于压电元件的纵向方向和扭转梁的纵向方向是彼此垂直还是彼此平行，光学扫描器件包括彼此不同的垂直布局型和平行布局型。
专利文献1到4公开了垂直布局型的光学扫描器件的示例。专利文献1到4中公开的光学扫描器件具有接合到扭转梁的多个板和分别安装在板上的多个压电元件。该类型的光学扫描器件的特征在于：将独立相位的电压施加到相应压电元件，以关于扭转梁产生旋转方向的驱动力。
专利文献5和专利文献6公开了平行布局型的光学扫描器件的示例。专利文件5和专利文献6各公开了一种光学扫描器件，其中接合到反射镜的扭转梁与分为两支的板相连，压电元件安装在相应板臂上。在该类型的光学扫描器件中，将具有独立相位的电压施加到相应压电元件以致动光学扫描反射镜。
专利文献5和专利文献6中分别公开的光学扫描器件的特征在于：安装在相应板臂上以便向扭转梁施加旋转力的压电元件的纵向方向与扭转梁的纵向方向一致。根据专利文献5，限制第二弹簧的分支宽度不能超过反射镜的宽度。专利文献5公开了需要该限制来防止扭转梁在低于沿旋转方向的扭转梁的自然频率的频率范围内，产生沿弯曲方向的振动模式。
现有技术文献：
专利文献：
专利文献1：JP2001‑272626A
专利文献2：JP2007‑199682A
专利文献3：JP2008‑310295A
专利文献4：JP2005‑128147A
专利文献5：JP2004‑177543A
专利文献6：JP2008‑145545A
发明内容
专利文献1到4公开的光学扫描器件具有板型结构，存在的问题在于由于压电元件的纵向方向垂直于扭转梁的纵向方向延伸，压电元件整体上具有较大区域。如果安装压电元件的区域有限，则压电元件产生的驱动力不足以大到能够提供旋转反射镜所需的反射镜扭转振动。
专利文献5和专利文献6公开的光学扫描器件的分支结构需要在压电元件之间形成孔。由于孔限制了安装压电元件的区域，公开的分支结构的问题在于由压电元件产生的驱动力不足以大到产生旋转反射镜所需的扭转振动。
本发明的一个示例目的在于提供一种光学扫描器件和一种图像显示设备，能够减小尺寸同时保证反射镜的旋转角度。
根据本发明的示例方面的一种光学扫描器件包括：可动反射镜，所述可动反射镜反射施加到所述可动反射镜的光束；第一梁，所述第一梁接合到所述可动反射镜的一端；第二梁，所述第二梁接合到所述可动反射镜的另一端；第一压电元件，当将第一电压施加到所述第一压电元件时，所述第一压电元件产生用于通过所述第一梁摆动所述可动反射镜的应力；以及第二压电元件，当将第二电压施加到所述第二压电元件时，所述第二压电元件产生用于通过所述第一梁摆动所述可动反射镜的应力；其中，所述第一压电元件和所述第二压电元件分别具有纵向方向与所述第一梁的纵向方向一致的图案；并且所述第一压电元件和所述第二压电元件设置在接合到所述第一梁和所述第二梁的支撑板上，并且在所述第一压电元件和所述第二压电元件之间存在绝缘距离。
根据本发明的示例方面的图像显示设备包括上述根据本发明的光学扫描器件，用作水平扫描元件或垂直扫描元件。
附图说明
图1是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的配置示例的平面图；
图2是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的配置示例的截面图；
图3是示出了施加到压电元件的驱动电压示例的曲线图；
图4是示出了施加到不同压电元件的驱动电压的相位和光学扫描角度之间关系的曲线图；
图5A是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图5B是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图5C是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图5D是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图5E是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图6A是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图6B是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图6C是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图6D是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图6E是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图7A是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图7B是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图7C是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图7D是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图7E是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图8A是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图8B是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图8C是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图8D是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图；
图9是示出了包括根据第一示例实施例的光学扫描器件的图像显示设备的配置示例的方框图；
图10是示出了根据第二示例实施例的光学扫描器件的配置示例的平面图；
图11是示出了根据第三示例实施例的光学扫描器件的配置示例的平面图；
图12是示出了光学扫描角度和驱动频率之间关系的曲线图；
图13是示出了用于测量谐振频率的温度依赖性的实验结果的曲线图；
图14是示出了当改变施加到根据第三示例实施例的光学扫描器件的调整器的电压V3时反射镜的谐振频率的曲线图；
图15是示出了根据第四示例实施例的光学扫描器件的配置示例的平面图；
图16是示出了施加到根据第四示例实施例的光学扫描器件的相应压电元件的电压的曲线图；
图17A是示出了用于反射镜的两个致动器产生的驱动力之间没有差异情况下的示意图；
图17B是示出了用于反射镜的两个致动器产生的驱动力之间存在差异情况下的示意图；以及
图18是示出了将反射镜夹在中间的两个致动器之一的调整因数和裂口之间的关系的曲线图。
具体实施方式
为了明确本发明的上述和其他目的、特征和优点，以下将参考附图来详细描述本发明的示例实施例。
(第一示例实施例)
根据本示例实施例的光学扫描器件用于解决上述问题，还能够提高光学扫描的效率。
下文将描述根据本示例实施例的光学扫描器件的配置。图1是示出了根据第一示例实施例的光学扫描器件的配置示例的平面图，图2是光学扫描器件的截面图。
光学扫描器件包括：反射镜21，反射镜21包括提供反射镜表面的反射膜和可动板；接合到反射镜的可动板的两个扭转梁22、23；接合到扭转梁并支撑扭转梁和可动板的支撑件3；支撑支撑件3的框架2；以及用于致动扭转梁和反射镜的致动器5、6。致动器5、6安装在支撑件3上。反射镜21由扭转梁22、23支撑并被除扭转梁22、23以外的孔26、27围绕。孔26、27延伸通过支撑件3。反射镜21与可动反射镜相对应。
由具有适当硬度的材料一体地形成反射镜21的可动板、扭转梁22、23和支撑件3。优选地，该材料应当是单晶硅(Si)、弹性金属等。例如，支撑件3包括Si有源层，框架2包括比支撑件3更厚的Si有源层。优选地，与光学扫描器件的应用相适应，支撑件3的Si有源层的厚度应当是数十微米。框架2的厚度需要是大约500微米以便提高抗冲击性。
在图1所示的配置示例中，可动板是椭圆柱体的形状，沿垂直于扭转梁22、23的方向具有尺寸D1(椭圆柱体的短轴长度)，并且沿扭转梁22、23的纵向方向具有尺寸D2(椭圆柱体的长轴长度)。扭转梁22、23各具有沿其纵向方向的长度L和宽度D，宽度D是沿垂直于扭转梁22、23的纵向方向的方向的长度。尺寸D1、D2在1到2mm的范围内。根据所需的谐振频率和反射镜旋转角度来确定长度L和宽度W。尽管通过增大支撑件3的尺寸提高了振动时的操作稳定性，支撑件3沿其纵向方向的长度和其宽度取决于所需的驱动力。
致动器5设置在扭转梁22的基座处，致动器6设置在扭转梁23的基座处。致动器5具有压电元件11、12，致动器6具有压电元件13、14。压电元件11到14具有矩形图案。
每个压电元件11、12的图案的纵向方向与扭转梁22的纵向方向一致。压电元件11、12设置在支撑件3上并且彼此之间至少间隔绝缘距离。每个压电元件13、14的图案的纵向方向与扭转梁23的纵向方向一致。压电元件13、14设置在支撑件3上并且彼此之间至少间隔绝缘距离。
由于不仅每个压电元件11、12的图案的纵向方向与扭转梁22的纵向方向一致而且压电元件11、12彼此之间至少间隔绝缘距离，无需在这些压电元件之间设置孔，由此能够减小光学扫描器件的平面面积。对于压电元件13、14也是如此。
接下来将参考图2来描述压电元件11到14的配置。图2示出了沿图1所示平面图中的横截线得到的压电元件11、13的截面图。尽管在反射镜21的两侧示出了孔26，图2示出了支撑件3的内侧壁。
如图2所示，压电元件11具有下部电极101、压电层102和上部电极103，下部电极101、压电层102和上部电极103依次设置在用作支撑件3的最上层的绝缘膜(未示出)上。与压电元件11的情况相同，每一个压电元件12到14也具有下部电极101、压电层102和上部电极103。
包括A1薄膜的电极焊盘用作上部电极103。根据本示例实施例，通过溅射沉积A1薄膜。然而，如果与压电层102足够紧密接触且相对于硅基板导电，则上部电极103可以由例如铂(Pt)的其他材料制成。形成电极焊盘的薄膜的薄膜生长工艺并不局限于溅射，可以是其他薄膜生长工艺。下部电极101与从设置有压电元件的区延伸出的互连(未示出)相连，并且与电极焊盘相连。
压电元件11到14中的每一个具有彼此分离的下部电极101、压电层102和上部电极103。因此，可以将不同电压施加到相应的压电元件。假定压电元件11到14的极化方向相对于其薄膜向上，将驱动电压施加到下部电极101，将地电压(地电势)施加到上部电极103。将电压V1(t)施加到压电元件11、13的下部电极101，而将电压V2(t)施加到压电元件12、14的下部电极101。
图3是示出了驱动电压V1(t)、V2(t)的示例的曲线图。该曲线图具有表示时间的横轴和表示电压的纵轴。在图3所示的曲线图中，由实曲线表示驱动电压V1(t)和由虚曲线表示的驱动电压V2(t)彼此相位相差180度。
接下来将描述根据本示例实施例的光学扫描器件的操作。
根据本示例实施例，将电压V1(t)＝0.5Vp‑p(1+sin(2πft))[V]施加到压电元件11和压电元件13的下部电极101，将电压施加到压电元件12和压电元件14的下部电极101。
图4的曲线图示出了当电压V1和电压V2之间的相位差从0度改变到180度时反射光束的扫描角度(反射镜旋转角度的二倍)。该曲线图的横轴表示相位差，纵轴表示光学扫描角度。图4示出了当反射镜21偏心移位时的绘制曲线和反射镜未偏心移位时绘制的曲线。
下文将描述未偏心移位的反射镜21。反射镜21的重心设置在扭转梁22、23的纵向中心轴上。如图4所示，当反射镜21未偏心移位时，随着相位差从0度开始增大，光学扫描角度一点点变大。当相位差达到90度或更大时，光学扫描角度的变化梯度变得更大。当相位差是180度时，光学扫描角度变为最大。当V1(t)＝2[V]且V2(t)＝0[V]时，与施加平均电压1V时的图案相比较，压电元件11和压电元件13沿其图案的纵向方向伸长，压电元件12和压电元件14沿其图案的纵向方向缩短。
图1所示扭转梁22、23中心轴上方的反射镜21部分升高，而图1所示扭转梁22、23中心轴下方的反射镜21部分下降。结果，当从扭转梁22向扭转梁23看过去时，反射镜21关于扭转梁22、23的纵向中心轴顺时针转动，倾斜了反射膜。相反，当V1(t)＝0[V]且V2(t)＝2[V]时，反射镜21沿与V1(t)＝2[V]且V2(t)＝0[V]时转动的方向相反的方向转动，倾斜了反射膜。
下文将描述偏心移位100微米的反射镜21。反射镜21的重心相对于扭转梁22、23的纵向中心轴垂直偏移100微米。如图4所示，当反射镜21偏心移位100微米时，当相位差是0度时光学扫描角度最大。当V1(t)＝V2(t)＝2[V]时，压电元件11到14同时伸长以摆动反射镜21，通过反射镜21的偏心将摆动力转换为反射镜21的旋转力。结果，包括重心在内的反射镜21部分下降，从而关于扭转梁22、23的纵向中心轴转动反射镜21，倾斜了反射膜。
接下来将描述如此构造的光学扫描器件的制造工艺。图5A到8D是示出了根据本示例实施例的光学扫描器件的制造工艺的截面图。
如图5A所示，预备SOI(绝缘体上硅)板，包括依次沉积在Si支撑层31上的SiO2层32和Si有源层33。Si支撑层31的厚度是475微米，SiO2层32的厚度是2微米，Si有源层33的厚度是50微米。Si支撑层31是用于形成框架2的基板。Si有源层33是用于形成支撑件3、扭转梁22、23和可动板的器件基板。氧化Si有源层33以在其上表面上形成二氧化硅膜。然而，图5A的演示中省略了二氧化硅膜。
然后，通过溅射依次在Si有源层33上的二氧化硅膜(未示出)上形成用于形成下部电极101的导电膜34、压电层102和用于形成上部电极103的导电膜36(图5B)。在这些膜中，例如，导电膜34由Pt制成，压电层102由PZT(锆钛酸铅)制成，导电膜36由金(Au)制成。
之后，利用抗蚀剂涂覆导电膜36，然后，通过光刻将该抗蚀剂成形为具有上部电极103的图案的抗蚀剂38(图5C)。下文中将用于根据光刻将施加到基板的抗蚀剂处理为图案的工艺称为“抗蚀剂构图”。使用抗蚀剂38作为掩膜，蚀刻导电膜36和压电层102，直到暴露出导电膜34的上表面，由此形成压电元件的上部电极103和压电层102(图5D)。由于将抗蚀剂38用作掩膜来蚀刻导电膜36和压电层102，在蚀刻工艺之后上部电极103和压电层102的图案具有相同面积。之后，去除抗蚀剂38(图5E)。
如图6A所示，执行抗蚀剂构图，以便在导电膜34上形成用于形成图2所示下部电极101的抗蚀剂41。然后，将抗蚀剂41用作掩膜，蚀刻导电膜34直到暴露出Si有源层33的上表面，由此形成下部电极101(图6B)。之后，去除抗蚀剂41(图6C)。图6C示出了由此形成的压电元件11、13的截面结构。尽管图6C示出了压电元件11、13的截面结构，还可以同时形成图1所示的压电元件12、14。
然后，如图6D所示，执行抗蚀剂构图以在Si有源层33上形成抗蚀剂42，抗蚀剂42在与图1所示反射镜21的反射表面相对应的部分中设置了开口。然后，通过蒸发在开口中和抗蚀剂42上形成反射膜44(图6E)。例如，反射膜44由铝或银合金制成。
如图7A所示，执行剥离以去除抗蚀剂和在抗蚀剂上沉积的膜。然后，与抗蚀剂42一起去除抗蚀剂42上的反射膜44，留下与图6D所示抗蚀剂42中开口相对应的部分中的Si有源层33上的反射膜44。如图7B所示，执行抗蚀剂构图以形成抗蚀剂45，用于在Si有源层33上对Si有源层33构图。
然后，使用抗蚀剂45作为掩膜，蚀刻Si有源层33，直到暴露出SiO2层32的上表面(图7C)。在蚀刻Si有源层33之前，可以通过BOE(缓冲氧化蚀刻)来去除氧化膜。如果已经在Si有源层33的上表面上形成了天然氧化膜，则现在去除该天然氧化膜，使得能够顺利地蚀刻Si有源层33。在蚀刻Si有源层33之后，去除抗蚀剂45(图7D)。现在形成支撑件3和反射镜21。尽管图7D的截面结构中没有示出，但是反射镜21与支撑件3相连。如图7E所示，在预备从Si支撑层31的相反侧蚀刻时，在SiO2层32上形成覆盖反射镜21、压电元件11到14和支撑件3的保护膜46。
如图8A所示，执行抗蚀剂构图以便在Si支撑层31的相反侧上形成抗蚀剂47。然后，使用抗蚀剂47作为掩膜，蚀刻Si支撑层31直到暴露出SiO2层32的相反侧(图8B)。现在形成框架2。之后，使用抗蚀剂47作为掩膜，蚀刻SiO2层32，由支撑件3和框架2之间剩余的SiO2层32形成BOX层48(图8C)。然后，去除抗蚀剂47和保护膜46(图8D)。之后，执行切块以生成各个光学扫描器件。
接下来将描述图像显示设备的配置和操作，该图像显示设备包括具有上述配置的光学扫描器件。图9是示出了包括根据第一示例实施例的光学扫描器件的图像显示设备的配置示例的方框图。
如图9所示，图像显示设备包括：光束产生器50，用于产生根据从外部源提供的视频信号调制的光束；校准光学系统60，用于将光束产生器50产生的光束转换为平行光束；组合光学系统70，用于组合光束；水平扫描器80，用于水平偏转由组合光学系统70组合的光束以基于光束显示图像；垂直扫描器90，用于垂直偏转已经通过水平扫描器80水平偏转的光束；水平扫描同步电路81和垂直扫描同步电路91；以及光学系统(未示出)，用于将水平和垂直偏转的光束发射到屏幕上。
光束产生器50具有信号处理电路51和光源组件52，光源组件52根据从信号处理电路51输出的三种视频信号(R，G，B)来发射光束。当向信号处理电路51提供视频信号时，视频处理电路51产生红(R)、绿(G)和蓝(B)的视频信号作为元素，用于根据提供的视频信号产生图像，并向光源组件52发送产生的视频信号。信号处理电路51还根据提供的视频信号，通过水平扫描同步电路81向水平扫描器80输出水平同步信号，并根据提供的视频信号，通过垂直扫描同步电路91向垂直扫描器90输出垂直同步信号。
光源组件52具有红色激光器驱动系统、绿色激光器驱动系统和蓝色激光器驱动系统。红色激光器驱动系统具有用于产生红色激光束的红色激光器53和用于对红色激光器53提供能量的红色激光器驱动电路54。绿色激光器驱动系统具有用于产生绿色激光束的绿色激光器55和用于对绿色激光器55提供能量的绿色激光器驱动电路56。蓝色激光器驱动系统具有用于产生蓝色激光束的蓝色激光器57和用于对蓝色激光器57提供能量的蓝色激光器驱动电路58。
红、绿和蓝色激光器中的每一个可以包括半导体激光器或具有第二谐波产生(SHG)机制的固态激光器。
组合光学系统70具有分别与红、绿和蓝色激光束相关联的分色镜71到73。分色镜71到73分别根据其波长选择性地反射和透射红、绿和蓝色激光束。
校准光学系统60将从光束产生器50的相应激光器发射的红、绿和蓝色激光束转换为平行激光束，将平行激光束分别施加到组合光学系统50的分色镜71到73。分别施加到分色镜71到73的红、绿和蓝色激光束被根据其波长而选择性地反射和透射，进行汇聚并输出到水平扫描器80。
水平扫描器80水平偏转来自组合光学系统70的激光束以便将其投影为图像。垂直扫描器90垂直偏转来自组合光学系统70的激光束以便将其投影为图像。水平扫描器80和信号处理电路51用作水平光束扫描设备，而垂直扫描器90和信号处理电路51用作垂直光束扫描设备。
水平扫描器80包括：水平扫描元件84，用于水平偏转激光束；水平扫描驱动电路82，用于致动水平扫描元件84；以及谐振频率调整电路83，用于调整水平扫描元件84的谐振频率。垂直扫描器90包括：垂直扫描元件94，用于垂直偏转激光束；以及垂直扫描驱动电路92，用于致动垂直扫描元件94。水平扫描驱动电路82根据从信号处理电路51输出的水平同步信号来致动水平扫描元件84，垂直扫描驱动电路92根据从信号处理电路51输出的垂直平同步信号来致动垂直扫描元件94。
图1所示的光学扫描器件用作图9所示的水平扫描元件84。图1所示的反射镜21用作水平扫描元件84的水平反射镜(H反射镜)。图1所示的光学扫描器件可以不局限于水平扫描元件84，而是也可以用作垂直扫描元件94。如果图1所示的光学扫描器件用作垂直扫描元件94，则图1所示的反射镜21用作垂直扫描元件94的垂直反射镜(V反射镜)。
由于下述原因，根据本示例实施例的光学扫描器件能够有效地转动反射镜。
基本地，必须减小反射镜的惯性力矩并且有利地，反射镜应当具有最小偏心的结构。然而，当施加到压电元件的电压彼此同相时，如果反射镜具有较小偏心，则不能增大反射镜的旋转角度。相反，如果反射镜具有较大偏心，则由于反射镜的惯性力矩增大，需要扭转梁具有很高硬度，导致反射镜旋转角度减小。利用根据本示例实施例的光学扫描器件，即使没有偏心移位反射镜，由于能够根据需要调整施加到压电元件的电压的相位，反射镜旋转角度可以具有最大效率。通过调整施加到压电元件的电压的相位以便有效地转动反射镜，光学扫描器件消耗了较低电功率。
此外，根据本示例实施例，施加到压电元件的电压彼此不同相，从而当致动压电元件时反射镜具有较高抗损坏性。具体地，相位差对于减小扭转梁的基座处的破坏性应力尤其有效。仿真指示了可以将彼此同相致动压电元件时的最大应力700[MPa]减小到彼此反相致动压电元件时的400[MPa]。
此外，根据本示例实施例，将设置在一个扭转梁的基座处的压电元件尽可能彼此靠近地设置在支撑板上，而无需在压电元件之间设置任何孔。如果在彼此间隔大约0.8毫米的分叉板的板臂上设置两个压电元件，则根据仿真，当转动反射镜时在扭转梁的基座处产生大约640[MPa]的最大应力。如果在彼此间隔大约0.2毫米的分叉板的板臂上设置两个压电元件，则当转动反射镜时在扭转梁的基座处产生大约510[MPa]的最大应力。然而，由于板没有分叉，根据本示例实施例，最大应力被减小到大约410[MPa]。
此外，根据本示例实施例，由于彼此相邻地设置压电元件和反射镜，能够减小光学扫描器件的面积尺寸和体积尺寸。尽管根据本示例实施例的光学扫描器件具有小型结构，能够产生足以转动反射镜的足够驱动力，同时允许用于转动反射镜的致动器具有足够硬度。
通过包括根据本示例实施例的光学扫描器件作为图9所示的水平扫描元件84和/或垂直扫描元件94，能够减小图像显示设备的整体尺寸。
(第二示例实施例)
根据本示例实施例的光学扫描器件的尺寸可以小于根据第一示例实施例的结构。
接下来描述根据本示例实施例的光学扫描器件的配置。图10是示出了根据本示例实施例的光学扫描器件的配置示例的平面图。由相同的参考字符来表示根据第二示例实施例的光学扫描器件中与根据第一示例实施例的光学扫描器件的部件相同的那些部件，并且下文不再进行详细描述。根据本示例实施例的光学扫描器件的截面图及其描述与图2和图2的描述相同，下文省略其描述。
如图10所示，根据本示例实施例的光学扫描器件与图1所示光学扫描器件的不同之处在于不具有致动器6。因此，根据本示例实施例的光学扫描器件沿其纵向方向的尺寸比图1所示的光学扫描器件小了致动器6所需的长度。
接下来描述根据本示例实施例的光学扫描器件的操作。
根据本示例实施例，假定将电压V1(t)施加到压电元件11的下部电极101，而将电压V2(t)施加到压电元件12的下部电极101。电压V1(t)、V2(t)与图3所示曲线图中的电压相同。电压V1(t)和电压V2(t)彼此相位相差180度，并施加电压V1(t)和电压V2(t)以便将驱动力传递到压电元件11和压电元件12，用于关于扭转梁22、23的纵轴来转动反射镜12。
例如，V1(t)＝10(1+sin(2πft))[V]且V2(t)＝10(1‑sin(2πft))。当V1(t)＝20[V]且V2(t)＝0[V]时，与施加平均电压1V时的图案相比较，压电元件11沿其图案的纵向方向伸长，压电元件12沿其图案的纵向方向缩短。图10所示扭转梁22、23中心轴上方的反射镜21部分升高，而图10所示扭转梁22、23中心轴下方的反射镜21部分下降。结果，当从扭转梁22向扭转梁23看过去时，反射镜21关于扭转梁22、23的纵向中心轴顺时针转动，倾斜了反射膜。相反，当V1(t)＝0[V]且V2(t)＝20[V]时，反射镜21沿与V1(t)＝20[V]且V2(t)＝0[V]时转动的方向相反的方向转动，倾斜了反射膜。
根据本示例实施例，由于压电元件仅设置在接合到反射镜21的扭转梁上，光学扫描器件的整体尺寸比第一示例实施例更小。本示例实施例提供了与第一示例实施例相同的优点。
(第三示例实施例)
根据本示例实施例的光学扫描器件能够调整反射镜的谐振频率。
接下来描述根据本示例实施例的光学扫描器件的配置。图11是示出了根据本示例实施例的光学扫描器件的配置示例的平面图。由相同的参考字符来表示根据第三示例实施例的光学扫描器件中与根据第一示例实施例的光学扫描器件的部件相同的那些部件，并且下文不再进行详细描述。根据本示例实施例的光学扫描器件的截面图及其描述与图2和图2的描述相同，下文省略其描述。
如图11所示，根据本示例实施例的光学扫描器件与图1所示光学扫描器件的不同之处在于还包括用于调整反射镜21的谐振频率的调整器7和调整器8。包括压电元件15的调整器7设置在压电元件11和压电元件12之间，包括压电元件16的调整器8设置在压电元件13和压电元件14之间。
如上参考图2所述，压电元件15、16各具有下部电极101、压电层102和上部电极103。压电元件15、16与压电元件11到14的相同之处在于相对于膜向上极化压电层102、向下部电极101施加驱动电压以及向上部电极103施加地Gnd电压。
如图11所示，压电元件15安装在扭转梁22到支撑件3的接合部，压电元件16安装在扭转梁23到支撑件3的接合部。当将相同静电压(DC电压)V3施加到压电元件15、16的下部电极101时，压电元件15、16将应力施加到两个扭转梁22、23以便调整扭转梁的硬度，从而调整反射镜21的谐振频率。
与压电元件11、12相同，压电元件15具有纵向方向与扭转梁22的纵向方向一致的图案。压电元件15设置在相同支撑件3上，其中到压电元件11和压电元件12至少具有绝缘距离。与压电元件13、14相同，压电元件16具有纵向方向与扭转梁23的纵向方向一致的图案。压电元件16设置在相同支撑件3上，其中到压电元件13和压电元件14至少具有绝缘距离。
根据本示例实施例，尽管设置了压电元件11到16，不仅将各个压电元件的纵向方向与扭转梁22、23的纵向方向一致，还将压电元件以至少绝缘距离来略微间隔开，因此无需在这些压电元件之间设置孔，使得能够减小光学扫描器件的平面面积。
在压电元件11和压电元件12之间没有设置孔，而是设置压电元件15，并且在压电元件13和压电元件14之间没有设置孔，而是设置压电元件16。因此，如下文详细所述，能够调整反射镜21的谐振频率。
利用图11所示的配置示例，压电元件11到14的宽度(沿垂直于图案的纵向方向的方向的长度)小于第一示例实施例的情况。因此，尽管将压电元件15设置在压电元件11和压电元件12之间，将压电元件16设置在压电元件13和压电元件14之间，也能够最小化这些压电元件的整体宽度，防止光学扫描器件的宽度增大。
接下来将描述根据本示例实施例的光学扫描器件的操作。
根据本示例实施例，将电压V1(t)施加到压电元件11和压电元件13的下部电极101，将电压V2(t)施加到压电元件12和压电元件14的下部电极101。将相同的DC电压V3[V]施加到压电元件15和压电元件16的下部电极101。电压V1(t)、V2(t)与图3所示曲线图中的电压相同。假定反射镜21没有偏心移位。当电压V1(t)和电压V2(t)之间的相位差是180度时，反射镜21的旋转角度最大。例如，当施加V1(t)＝1+sin(2πft)[V]和V2(t)＝1‑sin(2πft)[V]时，反射镜21的偏转角度最大。
在描述调整器7、8的操作之前，下文参考图12来描述以下事实：对于在图像显示设备上再现图像而言，调整反射镜21的谐振频率非常重要。图12是示出了光学扫描角度和驱动频率之间关系的曲线图。该曲线图的纵轴表示光学扫描角度，横轴表示驱动频率。
假定由fr表示反射镜21的谐振频率，由θ0表示光学扫描角度，并且将驱动频率fD设为从谐振频率略微偏移的值。当由于温度升高等导致谐振频率fr偏移了Δfr改变到fr’(图12示出了减小变化)时，驱动频率fD处的光学扫描角度大幅减小，因此由图9所示的图像显示设备投影的图像的尺寸大幅减小到θ0’。这在图像再现特性方面引起极大问题，必须调整驱动频率以便不会减小谐振频率。
图13是示出了用于测量谐振频率的温度依赖性的实验结果的曲线图。针对设置在测量系统中的通用光学扫描设备来执行该实验。该曲线图的纵轴表示谐振频率，横轴表示测量系统的温度。如图13所示，当测量系统的温度从30度升高到60度时，谐振频率从fr下降到fr’。如果光学扫描器件的扭转梁和支撑件由通用Si材料制成，则谐振频率下降大约0.5％。
利用图10所示的光学扫描器件，当将规定电压V3施加到压电元件15和压电元件16时，可以向扭转梁22、23施加取决于电压V3的幅度的必需应力，由此调整这些梁的硬度。结果，能够改变谐振频率。
接下来参考针对根据本示例实施例的光学扫描器件进行的实验结果来描述谐振频率的可调整性。图14是示出了当改变电压V3时反射镜的谐振频率的曲线图。曲线图的纵轴表示谐振频率，横轴是电压V3的值。当电压V3从正电压改变到0V到负电压时，绘制实曲线，当电压V3从负电压改变到0V到正电压时，绘制虚曲线。
当施加到压电元件15和压电元件16的下部电极101的电压V3从正电压下降到0[V]且负电压的绝对值增大时，如实曲线所示，当V3＝‑30[V]时，反射镜21的谐振频率从fr’增大到fr。按照这种方式，能够补偿由于温度改变导致的谐振频率变化，由此最小化图像显示设备的图像投影能力恶化。尽管已经参考图12描述了谐振频率fr的减小，当谐振频率fr增大时也可以补偿谐振频率fr的变化。
专利文献5和专利文献6中公开的结构存在的问题在于：由于安装压电元件的致动器的硬度减小，当反射镜振动时不能消除反射镜旋转角度的减小。根据本示例实施例，不会损害光学扫描器件尺寸减小的优点，而且能够通过简单的结构来调整反射镜的谐振频率。结果，能够保持由图像显示设备投影的图像视场角度。本示例实施例提供了与第一示例实施例相同的优点。
(第四示例实施例)
根据本示例实施例的光学扫描器件能够消除不希望的反射镜振动模式。
图15是示出了根据第四示例实施例的光学扫描器件的配置示例的平面图。由相同的参考字符来表示图15所示光学扫描器件中与根据第一示例实施例的光学扫描器件的部件相同的那些部件。如图15所示，根据本示例实施例的光学扫描器件的配置与图1所示的光学扫描器件的配置相同，其截面结构也与图2所示的结构相同。然而，根据本示例实施例的光学扫描器件的操作与根据第一示例实施例的光学扫描器件的操作不同。下文不再详细描述根据本示例实施例的光学扫描器件的配置，而是详细描述其操作。
下文将描述根据本示例实施例的光学扫描器件的操作。
图16是示出了施加到相应压电元件11到14的电压的曲线图。根据本示例实施例，将电压V1(t)施加到压电元件11，将电压V2(t)施加到压电元件12，将电压V3(t)施加到压电元件13，以及将电压V4(t)施加到压电元件14。
如图16所示，电压V1(t)和V3(t)彼此同相，但具有不同的最大电压值，电压V2(t)和V4(t)彼此同相，但具有不同的最大电压值。如图15所示，施加到位于扭转梁22、23的纵向中心轴上方的压电元件11、13的电压彼此同相，施加到位于扭转梁22、23的纵向中心轴下方的压电元件12、14的电压彼此同相。如图16所示，电压V1(t)和V3(t)与电压V2(t)和V4(t)的相位相差180度。
由于反射镜21没有偏心移位，当电压V1(t)和电压V2(t)的相位彼此相差180度时，电压V3(t)和电压V4(t)的相位也彼此相差180度，因此，如参考图4所述，反射镜21的旋转角度最大化。根据本示例实施例，可以通过针对相应压电元件来设置施加到压电元件的电压的绝对值来调整施加到反射镜21的驱动力。
例如，假定如下设置电压V1(t)到V4(t)：
V1(t)＝0.5Vp‑p(1+sin(2πft))[V]，
V2(t)＝0.5Vp‑p(1‑sin(2πft))[V]，
V3(t)＝0.5αVp‑p(1+sin(2πft))[V]，且
V4(t)＝0.5αVp‑p(1‑sin(2πft))[V]。
通过将电压V3(t)、V4(t)中的因数α设为除1以外的值，可以区分从图15中左侧致动器5施加到反射镜21的驱动力和从图15中右侧致动器6施加到反射镜21的驱动力。例如，可以将因数α设为从0.1到10范围内的任意值。
接下来描述通过调整施加到反射镜21的驱动力获得的优点。
图17A是示出了当驱动力彼此没有差异时从致动器5、6施加的驱动力致动的反射镜21的示意图。图17B是示出了当驱动力彼此存在差异时从致动器5、6施加的驱动力致动的反射镜21的示意图。图17A和17B示出了调整驱动力之前的反射镜21，假定上述有关V3(t)、V4(t)的等式中因数α具有值1。
如果从致动器5施加到反射镜21的驱动力和从致动器6施加到反射镜21的驱动力彼此相同，则如图17A的下部所示，反射镜21不产生除扭转梁22、23的扭转振动模式以外的其他模式。结果，如图17A的上部所示，反射镜表面反射的扫描束沿单个路径往复并在特定范围内遵循由线段表示的轨迹。
如果从致动器5施加到反射镜21的驱动力和从致动器6施加到反射镜21的驱动力彼此不同，则如图17B的下部所示，反射镜表面沿垂直于扭转振动方向的方向进行弯曲振动。结果，如图17B的上部所示，反射镜表面反射的扫描束遵循两个分离轨迹。在图17B的上部，由相对端接合在一起的两个曲线来表示扫描束遵循的轨迹，夹在这些曲线之间的区域从端部到中心逐渐变宽。
假定这两个曲线中上部曲线表示扫描束前进时遵循的轨迹，下部曲线表示扫描束后退时遵循的轨迹。下文中将上部曲线和下部曲线之间的距离称作“分离宽度”。如果分离宽度是0，则可以实现图17A所示的理想状态。随着到反射镜表面的距离变大，由扫描束的轨迹表示的分离宽度变大。因此，分离宽度的幅度可以被表示为被反射镜表面反射以扫描上部曲线的光束的方向和被反射镜表面反射以扫描下部曲线的光束的方向之间的角度。下文将该角度称作“裂口”。
接下来，将描述图17B所示弯曲振动的原因。即使致动器5、6设计为相对于反射镜21对称，由于压电元件的尺寸变化和特性变化，仍难以严格地均衡左和右驱动力。因此，认为实际制造的光学扫描器件中的左和右驱动力略有不同。如果左和右驱动力之差较大，则如图17B所示，使扫描束遵循两个轨迹。如果在图像显示设备的再现处理中使用遵循两个轨迹的扫描束，则不会显示期望的图像。
如果能够调整由左和右致动器5、6产生的驱动力，则原则上可以将驱动力之差减小为0。图18是示出了将反射镜夹在中间的两个致动器之一的调整因数和裂口之间关系的曲线图。
具体地，图18示出了当因数α相对于施加到图15所示的压电元件13、14的电压绝对值变化时实现的结果。该曲线图的横轴表示因数α的值，纵轴表示裂口。在图15中，压电元件13、14与反射镜21右侧的致动器6相关联。如图18所示，利用α＝0.7，该实验中使用的光学扫描器件能够成功地消除扫描束的分离宽度。在图像再现能力方面没有出现恶化。
在本示例实施例中，调整关于电压V3(t)、V4(t)的绝对值的因数以便消除反射镜21的弯曲振动。然而，可以调整关于电压V1(t)、V2(t)的绝对值的因数而不是关于电压V3(t)、V4(t)的绝对值的因数。
专利文献5和专利文献6中公开的结构存在的问题在于：由于安装压电元件的致动器的硬度减小，不能消除当反射镜振动时出现的不希望的振动模式。
根据本示例实施例，不会损害光学扫描器件尺寸较小的优点，而且即使扫描束遵循两个轨迹，也能够通过简单的结构将扫描束遵循的两个轨迹之间的宽度减小到零。结果，能够实现适于图像显示设备投影图像的扫描束。通过控制弯曲振动能够保持支撑件3的硬度。通过控制有害于反射镜21转动的弯曲振动，减小了反射镜21的任意无用操作，从而减小了光学扫描器件的电功率消耗。本示例实施例提供了与第一示例实施例相同的优点。
根据上述任一示例实施例，能够提供一种光学扫描器件，其可动组件能够大幅移位并且具有能够实现大光束偏转角度的反射镜表面。可以根据需要调整施加到相应压电元件的电压的相位以便减小电功率消耗。
本发明的示例优点在于能够减小器件的整体尺寸同时实现反射镜的足够旋转角度。
可以将根据第二到第四示例实施例的光学扫描器件合并到上述第一示例实施例的图像显示设备中。可以彼此组合根据第一到第四示例实施例的光学扫描器件。
在第一示例实施例中，压电层102分离地包括在相应压电元件11、12中。然而，相应压电元件11、12中的压电层102可以不彼此分离，而是在压电元件11、12之间的区域中连续均匀的压电层。对于第二示例实施例也是如此。与压电元件11、12相同，压电元件13、14可以是在这些压电元件之间的区域中连续均匀的压电层。对于第四示例实施例也是如此。在第三实施例中，压电元件11、12、15可以包括共用压电层，压电元件13、14、16可以包括共用压电层。
尽管已经具体参考示例实施例示出并描述了本发明，本发明并不局限于这些实施例。本领域技术人员可以理解，在不脱离由权利要求书限定的本发明的精神和范围的前提下，可以进行形式和细节方面的各种改变。
(另一示例实施例1)一种光学扫描器件，包括：可动反射镜，述可动反射镜反射施加到所述可动反射镜的光束；第一梁，所述第一梁接合到所述可动反射镜的一端；第二梁，所述第二梁接合到所述可动反射镜的另一端；第一压电元件，当将第一电压施加到所述第一压电元件时，所述第一压电元件产生用于通过所述第一梁摆动所述可动反射镜的应力；以及第二压电元件，当将第二电压施加到所述第二压电元件时，所述第二压电元件产生用于通过所述第一梁摆动所述可动反射镜的应力；其中，所述第一压电元件和所述第二压电元件分别具有纵向方向与所述第一梁的纵向方向一致的图案；并且所述第一压电元件和所述第二压电元件设置在接合到所述第一梁和所述第二梁的支撑板上，并且在所述第一压电元件和所述第二压电元件之间存在绝缘距离。
(另一示例实施例2)根据另一示例实施例1所述的光学扫描器件，还包括：第三压电元件，当将所述第一电压施加到所述第三压电元件时，所述第三压电元件产生用于通过所述第二梁摆动所述可动反射镜的应力；以及第四压电元件，当将所述第二电压施加到所述第四压电元件时，所述第四压电元件产生用于通过所述第二梁摆动所述可动反射镜的应力；其中，所述第三压电元件和所述第四压电元件分别具有纵向方向与所述第二梁的纵向方向一致的图案；并且所述第三压电元件和所述第四压电元件设置在所述支撑板上，在所述第三压电元件和所述第四压电元件之间不存在孔，并且在所述第三压电元件和所述第四压电元件之间存在绝缘距离。
(另一示例实施例3)根据另一示例实施例2所述的光学扫描器件，其中所述第一压电元件和所述第二压电元件相对应于从所述第一梁的纵向中心轴延伸的直线以轴对称位置设置，所述第三压电元件和所述第四压电元件相对应于从所述第二梁的纵向中心轴延伸的直线以轴对称位置设置。
(另一示例实施例4)根据另一示例实施例3所述的光学扫描器件，其中从所述第一梁或所述第二梁的纵向中心轴延伸的直线用作将平面划分为两个区域的分界线，所述第一压电元件和所述第三压电元件设置在所述两个区域中的一个区域，所述第二压电元件和所述第四压电元件设置在所述两个区域中的与所述两个区域中的所述一个区域不同的另一个区域。
(另一示例实施例5)根据另一示例实施例1所述的光学扫描器件，其中所述可动反射镜的重心设置在与所述第一梁和所述第二梁的纵向中心轴垂直间隔预定距离的位置处。
本申请基于2010年7月29日提交的日本专利申请No.2010‑170756并要求其优先权的权益，该申请的内容一并在此作为参考。
参考符号说明
2  框架
3  支撑件
5、6  致动器
7、8  调整器
11到16  压电元件
22、23  扭转梁
101  下部电极
102  压电层
103  上部电极