独立行政机构国立产业技术综合研究所[会长野间口裕]（以下简称“AIST”）先进制造工艺研究部[研究部主任 Nobumitsu Murayama] 集成处理研究小组研究员 Jae-hyuk Park 和首席研究员 Jun Akedo（兼集成处理研究小组组长）是投影显示用于等的高速金属底座光学扫描元件（光学扫描仪），实现了更高的性能和更低的成本。
新开发的光学扫描元件最初被设计羔羊波共振压电通过采用这种驱动方法，我们以25 kHz或更高的高扫描速度和20 V或更低的低驱动电压实现了超过100度的大光学扫描角（镜面偏转角），这是投影显示器所必需的。此外，通过采用金属基结构，制造成本可降低至以前成本的1/10。通过了30000小时以上的连续耐用测试，通过了20000次扫描后扫描时间的波动范围。纳秒低于订单水平。
这种金属基高速光学扫描装置将于2010年2月17日至19日在东京国际展示场举办的“国际纳米技术展览及技术会议”上展出。纳米技术2010”，将与显示设备等各种应用设备一起展出。
 |
|
采用兰姆波谐振压电驱动方法的金属基高速光学扫描装置
从上部光源发射的激光被光学扫描元件反射，并且可以在很宽的角度范围内投射。
|
|
使用激光光源的投影显示器，例如便携式投影仪和激光显示器，不仅期望作为图像显示设备具有高色彩再现性（宽色域），而且还期望降低功耗。最近，高性能和低成本的高速光学扫描元件作为实现这些目标的关键部件而受到关注。
光扫描元件由反射镜和扫描激光的驱动部构成。其驱动原理是使支撑反射镜的梁（柔性铰链）扭转的方式（扭转驱动），由于驱动部振动引起的共振现象，使反射镜的扫描扭转角增大。
光学扫描元件可用于便携式投影仪、大屏幕激光显示器，甚至头戴式显示器是啊平视显示器，还可以应用于各种传感器和激光打印机。此外，使用该元件测量几厘米见方的紧凑型光学扫描模块的开发进展迅速（图1）。
 |
|
图1光学扫描元件的结构以及在投影仪中使用光学扫描元件时的工作原理
屏幕是通过结合高速水平激光扫描和慢速垂直激光扫描来构建的，以创建类似于 CRT 电视的图形。
|
|
为了实现高质量的投影显示，光学扫描元件在水平方向扫描光线时需要较高的扫描速度，而为了实现薄型化和大屏幕显示，则需要较大的扫描角度以将镜面反射的光线尽可能近距离地投影。然而，在光学扫描元件中，基本上需要在扫描速度（谐振频率）和扫描角度（反射镜偏转角）之间进行权衡，迄今为止，还没有实现能够在25kHz或更高的扫描速度和超过60度的光学扫描角度下实现高分辨率的装置。
由AIST独立开发气溶胶沉积法与公司合作使用（AD方法）研究压电薄膜形成和器件应用MEMS的光学扫描设备。
我们还重新研究了光学扫描元件的驱动原理，设计了AIST独特的兰姆波谐振驱动原理和金属底座结构，并宣布了提高性能和降低成本的可能性（日经微器件杂志2006年4月号、2007年2月号）。随后，为了将利用这些技术的光学扫描设备商业化，我们通过优化设计和寻找金属材料来开发和研究提高性能、可靠性和耐用性的方法，并致力于满足市场需求的商业化研究。结果，我们通过显着增加扫描角度和降低驱动电压，成功地提高了性能和耐用性，达到了可安装在产品中的实用性能水平。
目前，新能源产业技术综合开发机构（NEDO）委托项目“纳米技术和先进部件的实际应用研究开发/使用高性能AD压电薄膜和纳米管橡胶的激光电视用高稳定性光学扫描仪的基础技术开发”（研究代表：Akedo）正在与Micro Precision株式会社、NEC Tokin株式会社、Fine Rubber Laboratories株式会社以及信浓研士共同进行研究开发株式会社经济产业省中小企业产品性能评估项目“激光打印机用MEMS光学扫描仪单元的商品化和开发”（研究代表：朱户淳）。
在本次研发中，我们通过回顾光学扫描元件的驱动原理，建立了实用水平的兰姆波谐振法的压电驱动原理，以提高性能和稳定性。具体来说，我们通过将构成光学扫描元件主体的组件从单晶硅改为金属弹簧钢，开发了一种新型MEMS光学器件——金属基高速光学扫描元件，以降低成本并提高耐用性（图2）。
 |
|
图2开发流程
|
关于兰姆波谐振压电驱动原理，板波（兰姆波，羔羊波）发生。通过优化压电体的尺寸和放置，以及框架的形状和支撑方法，在支撑镜子的铰链底部附近产生该板波的节点（板波内不移动的部分），从而高效地在铰链部分引起扭转振动。这种新的工作原理通过将反射镜部分的扭转谐振系统和压电体等驱动源放置在不同的位置（图3）并采用兰姆波谐振结构（图4），可以产生具有极高驱动效率的扭转谐振。因此，与类似的传统系统相比，铰链部分的扭转共振结构在机械上得到简化，并且可以确保高精度的扭转振动。此外，通过增加驱动源的面积，产生的能量也增加，使得可以以高谐振频率和大扭转角扫描大镜子。用作驱动源的压电材料可以通过贴附薄片状的块体材料来制造，但通过使用AD方法在金属元件框架上直接形成压电薄膜而不使用粘合剂，可以提高生产成品率、降低驱动电压并改善温度特性。
 |
|
图3金属基光学扫描元件的结构
|
 |
|
图4 金属基光学扫描元件的兰姆波谐振压电驱动原理
|
迄今为止报道的大多数谐振光学扫描设备都是基于硅制成的MEMS。由于使用的硅晶片为单晶材料，因此认为通过使用加工精度高的微细加工技术，即使在谐振状态下使用也能够期待高耐久性，并且能够抑制量产时的谐振频率的偏差。然而，在实际器件中，硅本身是脆性材料，因此应用于汽车或移动产品时，外部冲击常常会造成突然损坏，导致可靠性不足。当然，这也有可能通过改进封装来改善，但收光率高。张角因此，镜子尺寸为10μmDLP 投影仪等不同，镜子本身具有相当大的重量，因此抗冲击的可靠性问题可能无法完全解决。另外，在这种光学扫描元件中，由于反射镜的尺寸，整个装置的尺寸为5mm见方或更大，并且由于可以由单个硅晶片制造的装置的数量相对较小，因此成本不可避免地增加。
相比之下，在这次开发中，我们使用了用于汽车零部件的廉价、高强度、高弹性金属弹簧材料，并且还优化了设计，使兰姆波谐振压电驱动原理更加高效。通过这样做，我们开发了直径为1毫米或更大的反射镜，足以用作光学扫描元件。我们在世界上首次成功开发出同时实现 kHz 的高扫描速度和 104 度的大扫描角度（镜面偏转角）的光学扫描元件。
新开发的光学扫描元件在20V的驱动电压下可实现超过100度的扫描角度，比传统压电驱动光学扫描元件大5至10倍。这可以说将获得相同扫描角度所需的驱动电压降低至五分之一至十分之一左右，功耗低于100 mW，为适合需要低驱动电压和低功耗的移动应用的设备应用铺平了道路（图5）。
 |
|
图5 新开发的金属基高速光学扫描元件的驱动电压与扫描角度的关系
|
 |
|
图6 采用兰姆波谐振压电驱动原理的金属基光学扫描元件的镜面扫描精度
|
关于镜面扫描精度，在没有电气控制的大气中，扫描速度为28 kHz、光学扫描角度为90度、扫描次数为2万次时，扫描时间（扫描周期）的变化范围为纳秒量级（图6）。该扫描精度足以适用于实际的投影显示；例如，3纳秒或更小的扫描精度处于适用于高清级高分辨率显示器的水平。此外，我们开发的金属基光学扫描设备迄今已通过超过30,000小时的连续耐久性测试（目前正在进行耐久性测试）。传统上，在此类应用中使用金属材料作为结构材料时，金属疲劳一直被认为是一个问题，但这里获得的结果是颠覆这一常识的新发现，并且也达到了可以完全应用于消费电子产品的水平。
新开发的设备能够实现高扫描速度和宽扫描角度，这是以前提出的硅基光学扫描设备无法实现的（图7）。关于光学扫描元件的尺寸，可以容纳从几毫米见方到几十毫米见方的多种反射镜尺寸，并且二维光学扫描元件也已经原型制作，因此有望具有广泛的应用范围。此外，在制造成本方面，金属弹簧材料的材料单价比硅材料便宜约两个数量级，而且不需要洁净室等昂贵的制造基础设施，因此可望具有很强的价格竞争力。
 |
|
图7 金属基光学扫描器件与传统硅MEMS光学扫描器件性能对比
|
为了将新开发的光学扫描装置投入实际应用，我们将积极与企业共同推进开发、量产，并探索新的应用领域。该结果将于2010年2月17日至19日在东京国际展示场举行的“纳米技术2010国际纳米技术展览会/技术会议” 我们计划在NEDO展位和AIST展位上与显示设备等各种应用设备一起展示和演示该设备。