Research/MEMS Optical Scanner for Laser Projection Image Display

2019-02-17 (日) 23:15:21 (298d)

ADRIP製法PZT圧電膜の画像ディスプレィ用MEMS光スキャナ・圧電共振子への応用
MEMS Optical Scanner & Resonator based on ADRIP-processed Piezoelectric PZT Film

本研究室では、高品質のPZT圧電薄膜を高レートで形成するアーク放電反応性イオンプレーティング製法 (ADRIP = Arc Discharge Reactive Ion Plating) に実績のあるスタンレー電気株式会社と協力して、画像ディスプレィ用の光スキャナの実用化研究開発を進めています。ここでは、PZT圧電膜のアクチュエータ応用として、手のひらサイズのレーザー走査型画像プロジェクタ用の光スキャナを紹介します。また、PZT圧電膜には機械歪みを電気信号に変換することもできますので、センサ応用としての共振子を併せて紹介します。

In collaboration with Stanley Electric Co., who are specialized in the ADRIP (Arc Discharge Reactive Ion Plating) technology to produce high quality PZT piezoelectfic film, we have co-developed a MEMS optical scanner for laser projection image display. In this poster, we present a palm top type projector with a built-in MEMS optical scanner. We also show a sensor application of PZT film to convert mechanical strain into electrical signal.

はじめに
Introduction

Fig1.png

モバイル電子機器の表示画像を複数の視聴者で見るためには、手のひらに載るくらいの投影型画像ディスプレィが便利です。ただし、プロジェクタからスクリーンまでの距離が必ずしも一定ではないので、レンズを使った焦点光学系では使うたびに焦点距離の調整が必要だったり、また、スクリーンが歪んでいるときに画像がぼけてしまいます。この点で、レーザー光を用いたプロジェクタは、小型・焦点調整不要の画像デバイスとして期待されています。

レーザー走査型画像ディスプレィ用の光スキャナに要求される性能として、低電圧で大走査角が得られることと、水平方向の走査速度が高いことが挙げられます。これらはトレード・オフの関係にあるので、光スキャナ走査駆動源として、面積あたりの発生力・トルクの大きなメカニズムが必要です。そこで本研究では、PZT(チタン酸ジルコン酸鉛)膜を用いる方法を検討しています。

It would be very convenient if one had a palm top size image display to visualize the screen output from mobile electronics before multiple viewers. Consumer electronics have already released projectors with focus lenses but it cannot project image onto a curved screen. At this point, laser projection type is useful to eliminate the focusing unit and to produce further smaller projectors.

Optical scanners for laser projection display need to have large scan angle at low drive voltage and fast horizontal scan speed. It is known that fulfilling these requirements at the same time is difficult unless one uses a scan mechanism to produce large mechanical torque. For this reason, we adopted a piezoelectric actuator based on the PZT (lead zirconate titanate) process.

PZTアクチュエータ駆動メカニズム
PZT Actuator Principle

Fig2.png

シリコン基板と、その上に製膜したPZT薄膜は「ユニモルフ」構造を取ります。PZT膜に垂直に電圧を印加することで、膜中に伸び、あるいは、縮みの応力が発生します。この応力が中立面以外にあれば、部材(梁)を曲げるモーメントとして機能します。本研究では、PZT/シリコンのユニモルフ構造を、高速ミラーの共振駆動と、低速軸の非共振駆動に使っています。

また、実際に3色のレーザー光をスキャンして、VGAクラスの動画像を表示することに成功しました。現在は、画角の拡大、水平軸の高速化に取り組んでいます。

We used a unimorph mechanism, in which a PZT film was deposited onto a silicon substrate with electrodes. Upon applying a voltage across the PZT film, a piezoelectric strain is generated in the direction either tensile or compress about the neutral axis of the beam, leading to the bending motion. We use this unimorph mechanism to drive the fast horizontal axis as well as the slow vertical one.

We also demonstrated a VGA class laser projection by using three laser diodes of red, green and blue wavelengths. Wider field of view as well as fast frame rate are under development now.

PZTと電極構造
PZT Actuator Layout

Fig3.png

PZT膜の上下には、電圧を印加するための電極が付いています。また、プロセスは製膜が先、パタニングが後なので、膜間に不純物が入りにくく、高歩留まりが実現できます。

The PZT film is accompanied with the top and bottom electrodes, where a drive voltage is applied to. The electrodes and PZT layers are sequentially deposited in vacuum before patterning, and hence the PZT is not exposed to impurity contamination or moisture, leading to high processing yield.

PZTセンサとしての応用
PZT Application to Sensors

Fig4.png

PZT圧電膜は、機械歪みから電気信号を取り出すことが可能です。ここでは、PZTで励振(共振)した状態を検出するために、駆動電極に平行に配置したセンサ電極を用いて電圧信号を取り出す手法を検討しました。

PZT film is known to generate piezoelectric signal from applied mechanical strain. By using this phenomena, we used the similar PZT and electrode mechanism to pick up the mechanical vibration beam.

紹介ポスター
Openhouse Poster

参考文献
Reference

  1. Masanao Tani, Masahiro Akamatsu, Yoshiaki Yasuda, Hiroyuki Fujita, and Hiroshi Toshiyoshi, "An Image Display Using Piezoelectric MEMS Optical Scanner," The Review of Laser Engineering, vol. 36, no. 4, 208, pp. 183-189. (in Japanese)
  2. Utku Baran, Masanao Tani, Masahiro Akamatsu, Yoshiaki Yasuda, Hiroyuki Fujita, and Hiroshi Toshiyoshi, "A Built-in Vibration Sensor using Arc-Discharged Reactive Ion Plated PZT," IEEJ Trans. on Sensors and Micromachines, vol. 131, no. 3, 2011, pp. 128-129.

謝辞
Acknowledgement

本研究は、スタンレー電気株式会社との共同研究として実施中です。

This work is being performed in collaboration with Stanley Electric Co.

続報
Follow-up Report

共同研究先のスタンレー電気株式会社が、MEMS光スキャナを使ったレーザ描画型の画像プロジェクタをCEATEC 2013に出展しました。

Our industrial partner Stanley Electric Co. set an exhibition booth at CEATEC 2013. 2013-10-04

2013-10-04CEATEC.jpg