WO2008044470A1

WO2008044470A1 - Dispositif de lecture optique

Info

Publication number: WO2008044470A1
Application number: PCT/JP2007/068699
Authority: WO
Inventors: Jun Akedo; Harumichi Sato; Jaehyuk Park
Original assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Current assignee: National Institute of Advanced Industrial Science and Technology AIST
Priority date: 2006-10-12
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-04-17
Anticipated expiration: 2009-04-12
Also published as: EP2083309A4; JPWO2008044470A1; EP2083309A1; KR20090057445A; KR101306847B1; AU2007305711A1; JP5229704B2; US20100014140A1; AU2007305711B2; EP2535759B1; EP2083309B1; EP2535759A2; US8305669B2; EP2535759A3

Description

明細書

光走査装置

技術分野

[0001] 本発明は、光ビームの走査によりスキャンを行う光スキャナに関し、特に捻れ梁（トーシヨンバー）に支持された微小なミラーを揺動させて光ビームを偏光させる構成の光走査装置に関するものである。

背景技術

[0002] 近年におけるレーザ光等の光ビームを走査する光スキャナは、バーコードリーダ、レーザープリンタ、ヘッドマウントディスプレー等の光学機器、あるいは赤外線カメラ等入力デバイスの光取り入れ装置として用いられてレ、る。この種の光スキャナとして、シリコンマイクロマシユング技術を利用した微小ミラーを揺動させる構成のものが提案されている。例えば、図 22は、特開平 11 52278号公報（特許文献 1)に開示されたシリコンマイクロミラーを有する光スキャナを示している（以下「従来技術 1」という。 ) 。この光スキャナはシリコンマイクロマシユング技術を用いて作製され全体サイズは数ミリ角に形成される。支持基板 1は矩形の厚板で形成され、その中央部分には凹部 1 aが形成され、この凹部 la内にシリコン薄板で形成されたミラー 2が内装支持されている。このミラー 2には一体的に形成された 2本のトーシヨンバー 3a、 3bが両端方向に突出されており、これらトーシヨンバー 3a、 3bの先端部は前記支持基板 1に固定され、それぞれパッド 4a、 4bに接続されている。これにより、前記ミラー 2は、トーシヨンバー 3a、 3bの捻れにより、ミラーの平面方向と垂直な方向に揺動することが可能とされている。そして、前記ミラー 2の少なくとも周辺領域あるいは表面には不純物イオンの打ち込みや拡散が行われ、あるいは、アルミニウムや銀あるいは導電性を有する有機薄膜などが被着されており、これらの領域が導電性を有する電極部 5として構成されている。

[0003] 一方、前記支持基板 1は、前記凹部 l aを挟む両側位置の表面上に、絶縁体 6を介してそれぞれ固定電極 7a、 7bが配置されている。これらの固定電極 7a、 7bは半導体あるいは有機材料からなる導電性材料で形成されており、かつそれぞれの内側縁部は前記ミラー 2の両側縁の電極部 5に近接配置され、これら電極部 5と前記各固定電極 7a、 7bとの間でコンデンサが形成されている。

一方の固定電極 7aのパッド 8aと、トーシヨンバー 3a、 3bのノッド 4a、 4bとの間に所定の電圧を印加すると、これらパッド 4a、 4bにつながるミラー電極部 5に電圧が印加され、固定電極 7aとミラー電極部 5の表面にお互いに逆の極性の電荷が蓄積してコンデンサが構成され、固定電極 7aとミラー電極部 5との間に静電引力が働き、ミラー 2 は回転が開始される。次に、ミラー 2が元の位置に復帰された後は、今度は反対側の固定電極 7bとミラー電極部 5との間に電圧を印加することにより、今度は、回転方向は逆であるがミラー 2が回転される。このような動作を繰り返して行うことにより、ミラー 2 は版と警報光及び時計方向のそれぞれの最大回転位置にまで回転する動作を繰り返す揺動動作が行われることになる。

[0004] また、シリコンマイクロマシユング技術を利用した微小ミラーを揺動させるための光スキヤナとして特開平 10— 197819号公報（特許文献 2)に記載のものが知られている (以下「従来技術 2」という。）。

この光スキャナは、図 23に示すように、光を反射するための板状のマイクロミラー 1 と、一直線上に位置してマイクロミラー 1の両側を支持する一対の回転支持体 2と、一対の回転支持体 2が接続され、ミラー 1の周辺を囲う枠部 3と、枠部 3に並進運動を加える圧電素子 4とを備え、かつ、一対の回転支持体 2を結ぶ直線上以外の場所にミラ一 1の重心を位置させた構成となって!/、る。

圧電素子 4に電圧を加えると、圧電素子 4は伸縮を行い、 Z軸方向に振動し、この振動は枠部 3に伝達される。マイクロミラー 1は、駆動された枠部 3に対して相対運動を起こし、 Z軸方向の振動成分がマイクロミラー 1に伝えられると、マイクロミラー 1は X軸回転支持体 2で成す軸線に対して左右非対称の質量成分を持つので、 X軸回転支持体 2を中心にマイクロミラー 1に回転モーメントが生じる。このようにして、圧電素子 4 によって枠部 3に加えられた並進運動は、マイクロミラー 1の X軸回転支持体 2を中心とした回転運動に変換される。

[0005] また、図 24に示すように、振動子 1において可動部 2の両側からはり部 3、 3が互いに反対方向にのび、固定部 6の 2つの腕部 4、 4につながっており、固定部 6の腕部 4 、 4にはそれぞれ圧電薄膜 5、 5が設けられ、これらの圧電薄膜 5、 5は高次振動周波数を含む同じ信号により駆動されるようにした光走査装置が特開平 10— 104543号公報 (特許文献 3参照。以下「従来技術 3」という。）に記載されている。

特許文献 1：特開平 11 52278号公報

特許文献 2：特開平 10— 197819号公報

特許文献 3：特開平 10— 104543号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0006] 上記した従来技術 1の光スキャナでは、シリコンマイクロマシユング技術を用いて数ミリ角に作製されるものであり、ミラー 2の少なくとも周辺領域あるいは表面に電極部 5 を形成するとともにトーシヨンバー 3a、 3bにパッド 4a、 4bを設け、さらに、支持基板 1 の両側位置の表面上に絶縁体 6を介してそれぞれ固定電極 7a、 7b及びパッド 8a、 8 bを配置する必要があった。

このように、ミラー 2の少なくとも周辺領域あるいは表面に電極部 5を、また、トーションバー 3a、 3bにノッド 4a、 4bを、さらに、支持基板 1の両側位置の表面上に絶縁体 6を介してそれぞれ固定電極 7a、 7b及びパッド 8a、 8bを、形成するため、構造が複雑になり、故障発生の要因が増加するだけでなぐ製造に時間がかかり、コストアップにつながるという問題があった。

[0007] また、上記した従来技術 2の光スキャナでは、圧電素子 4によって枠部 3に加えられる並進運動をマイクロミラー 1の X軸回転支持体 2を中心とした回転運動に変換する構造であるため、マイクロミラー 1の重心位置を捻れ梁に対してずらす必要があった。また、装置が X— Y軸方向だけでなく Z軸方向にも厚みが必要であり、薄型化が困難であった。

[0008] また、上記した従来技術 3の光走査装置では、可動部 2の振れ角が大きくとれないという欠点があった。

すなわち、フレーム部から出た 2本の捻じれ梁を支持する 2本の幅の細い片持ち梁部分に圧電膜を形成すると、この部分の剛性が増加し、圧電膜に誘起された振動が、効率よく捻り梁部に伝達されず、結果、ミラーの捻じれ振動が小さくなる。また、 2つの片持ち梁部とその上に形成される圧電膜とで構成される振動源部分の振動特性を正確に一致させないと、ミラーの捻じれ振動の振動振幅が抑制されるのと同時に、捻じれ振動以外の振動モードが重畳し、正確なレーザービームの走査が実現できなレ、。さらに、ミラーの駆動力を増加させるため圧電膜部分の面積を大きくするには、上記片持ち梁部の幅を大きくする必要が有り、このため同片持ち梁部に 2次元的な不要の振動モードを発生させ、ミラーの捻じれ振動の振動振幅が抑制されるのと同時に、捻じれ振動以外の振動モードが重畳し、正確なレーザービームの走査が実現できないなどの問題がある。また、上記片持ち梁の幅が細く制限されるため、この部位に形成された圧電膜を駆動するための上部電極の形成は、幅が細レ、ため容易でなく、量産時の歩留まりに大きく影響するなどの問題点がつた。

[0009] 図 25は、従来技術 3の場合と同様のもので、フレーム部から出た 2本の捻じれ梁を支持する 2本の幅の細い片持ち梁部分に圧電膜を形成する構成となっており、ミラー部走査角度の駆動効率をシミュレーション計算により調べたものである。 y=0の面を対称面とし，半分のみモデル化した。

図 26に、図 25に示すフレーム部から出た 2本の捻じれ梁を支持する 2本の幅の細い片持ち梁部分に圧電膜を形成する構成のミラーの振れ角を示す。駆動電圧は IV とし、圧電体の電気特性は、典型的なパラメータである PZT— 5Aの特性、スキャナ一フレーム本体の材質は SUS304の特性を用いた。ミラー部の振れ角は、 0. 63度であった。

[0010] 本発明は、ミラー部を支持する捻れ梁部を有する基板にエアロゾルデポジション法

(以下、「AD法」と略す場合がある。）、スパッタリング法あるいはゾル—ゲル法等の薄膜形成技術を用いて圧電膜ァクチユエータを形成し、基板の振動を利用してミラー部に捻れ振動を生じさせることにより、簡単な構造で効率的にミラー部に捻れ振動を発生することができる光走査装置を提供することを目的とするものである。

課題を解決するための手段

[0011] 上記目的を達成するための本発明のミラー部における捻れ振動の発生原理および装置の基本的事項について図を参照しながら以下に説明する。

〔ミラー部における捻れ振動の発生原理〕本発明の光走査装置の基本構成は、図 1に示すとおり、基板本体 20と基板本体の両側部から突出した 2つの片持ち梁部 19、 19からなる基板 10と、片持ち梁部 19、 1 9間にミラー部 13を両側から支持するように設けられた捻れ梁部 12、 12と、基板本体 20に設けられた圧電膜等からなる駆動源 11と、基板本体のミラー部 13側と反対側の固定端部 21を固定する支持部材 16とからなっている。ミラー部 13を支持する捻れ梁部 12は、片持ち梁部 19の軸方向に対し垂直方向（X軸方向）に設けられている

〇

図 2に示すように、駆動源 11である圧電膜に電圧を印加すると、圧電膜直下の基板本体 20は圧電膜と一緒に曲げたわみを生じ、基板本体 20に振動を発生する。すなわち、図 2 (a)に示すように圧電膜側にプラスの電圧を印加すると圧電膜は延び、逆に図 2 (b)に示すように圧電膜側にマイナスの電圧を印加すると圧電膜は縮み、基板 10に振動を発生する。

この時、基板本体 20上に発生された振動は、基板本体 20から片持ち梁部 19を伝搬し、図 1に示す捻れ梁部 12で支持された水平状態にあるミラー部 13に回転モーメントを与える力を作用させることができ、捻れ振動を誘起する。

〔駆動源の配置〕

従来技術 3において説明したように、駆動源 11をミラー部 13に近い捻れ梁部 12及び片持ち梁部 19に設けた場合、大きな捻れ角度でミラー部 13を振動させることはできない。

これに対して、本発明では、振動源 11である圧電膜を基板本体 20に 1つ形成することにより、 2つの片持ち梁部 19、 19の剛性を下げ、効率よくミラー部 13の捻じれ振動を誘起すると同時に、ミラー部 13を駆動する駆動源 11を 1つにすることで、上記、駆動源 11の不均等などに起因する不要な振動モードの誘起ならびに振幅低下の問題を解消する。また、このように駆動源 11となる圧電膜形成部分と、ミラー部 13ならびにミラー部 13を支持する捻れ梁部 12から構成されるミラー捻れ振動部を上記 2つの片持ち梁部 19、 19で分離することにより、駆動源 11の圧電膜の面積を片持ち梁部 19の幅に関係なく自由に設定でき、ミラー捻れ振動部により効率的に大きな駆動力を投入することが可能となり、さらに、圧電膜駆動用の電極形成も容易になり、工業的生産における歩留まりを向上することが可能となる。

図 3は、本発明に係る振動源 11である圧電膜を基板本体 20に 1つ形成する構成の光走査装置を、 y=0の面を対称面とし，半分のみモデル化した平面図である。光走查装置の基本構成となるミラー部 13の寸法やねじれ梁 12の寸法、捻れ梁 12のミラ一部 13への取り付け位置 (ミラー部の重心位置）、基板 10の形状ならびにその支持方法、さらに圧電体の厚みや膜面積の合計値は、図 19に示した従来技術 3と同じにしてある。違いは、駆動源 11である圧電膜の形成位置だけである。

図 4に、図 3に示す装置のミラー部 13の振れ角を示す。駆動電圧は IVとし、圧電体の電気特性は、典型的なパラメータである PZT— 5Aの特性、スキャナーフレーム本体の材質は SUS304の特性を用いた。基本的に、図 25に示す従来技術 3と図 3に示す本発明の共振周波数はほぼ同じだが、ミラー部 13の振れ角は、従来技術 3のものでは 0. 63度であるのに対し、図 3に示す本発明によるものでは 2. 69度 (30V換算で 80.7度)と、 4. 3倍程度大きく振れることが確認された。

尚、ミラーの走査振幅を大きくするために、基板に配置される振動源を複数もう於けることも可能である力この場合、振動源の特性や取り付け位置、接着、成膜による取り付け状態のバラツキのため、基板部にミラー部を支持する捻れ梁に垂直方向の対称軸に対し非対称な 2次元振動が誘起され易くなり、ミラーの捻れ振動による光ビームの走査精度は低下する。これに対し本発明では、振動源が一つでも効率よくミラー部に捻れ振動を誘起し、光ビームの走査ジッターの低減と製品のバラツキを大幅に才卬えること力 Sできる。

また、一定の駆動電圧下でミラー部 13の捻れ角度の最大振幅を得るためには、ミラ一部 13に対する駆動源 11の配置が重要である。ミラー部 13を支持する捻れ梁部 12 と片持ち梁部 19の接続位置から離れた位置、すなわち、基板本体 20の一部、例えば基板本体 20の中央部に駆動源 11を配置すると大きな捻れ角度でミラー部 13を振動させること力 Sでさる。

さらに、ミラー部 13を支持する捻れ梁部 12と片持ち梁部 19の接続位置から離れた位置に駆動源 11を設けて振動を発生する場合、ミラー部 13を支持している捻れ梁部 12と片持ち梁部 19の接続箇所の近傍において基板振動の最小振幅 (振動の節）が得られる様に配置する。

また、片持ち梁部 19と基板本体 20の接続部が、駆動源 11により基板本体 20に励起される基板振動の最大振幅の近傍に位置するように設定するとより大きな捻れ角度でミラー部 13を振動させることができる。

なお、ミラー部 13を両側から支持する捻れ梁部 12、 12の振動モードを一致させるには、例えば、駆動源 11を基板本体 20の幅方向の中心（図 1の Y軸）に配置し、駆動源 11から左右の捻れ梁部 12、 12までの距離を同じくするのも 1つの手法である。

[0014] 〔共振周波数〕

図 1に示す本発明のようなミラー部 13から離れた位置で発生させた振動エネルギ一を効率よくミラー部 13の捻り振動になるエネルギーとして伝達するには、主にミラー部 13の重量と捻り梁 12のバネ定数で決定されるミラー部 13の共振周波数 (fm)と基板 10自体の分割振動モードも含めた共振周波数 (fb)とを大きくずらす必要が有る。ミラー部 13の捻れ振動の共振周波数 (fm)に合うように光走査装置の駆動源 11を駆動したとき、基板 10にも共振モードが誘起されると、駆動源 11で発生された振動ェネルギ一は、エネルギー保存則からミラー部 13の捻れ振動と基板 10の 2次元分割振動に分配されることになる。従って、基板 10の 2次元分割振動に駆動源 11からの振動エネルギーが消費された分だけ、ミラー部 13の捻れ振動の振幅 (捻れ角度）は小さくなり、効率よく光走査装置を駆動することができない。

また、基板 10に不要な 2次元分割振動が誘起されると、その先端に位置するミラー部 13にも捻れ梁 12を回転軸とする純粋なねじれ振動以外の振動モードが重畳される場合もあり、直進走査性にすぐれた高精度の光走査を実現することができない。これに対して、本発明では、図 5に示すようにミラー部に誘起される高次まで含む捻れ共振周波数 a (fm (n) : n = 0, 1 , 2, · · · · )がフレーム部に誘起される高次まで含む共振周波数 b (fb (n) : n = 0, 1 , 2, · · · · )と重ならないように設計される。

[0015] 〔駆動源となる圧電膜等の膜体の厚み及び面積〕

ミラー部 13を振動させる駆動源 11となる圧電膜等の膜体の厚みと、大きさは、基板本体 20の厚みと大きさに応じて最適なサイズを取る必要がある。

光走査装置の使用条件を考えると、駆動電圧 (圧電膜印加電圧）一定のもとでは、膜体の厚さが薄くなればなるほど、大きな変位が得られることになる。実際には、特に AD法により形成された膜で金属基板上に形成した圧電膜の特性、膜厚に関して依存性があり、薄すぎると圧電特性の低下やリーク電流の増加などの膜特性が低下し、厚すぎると分極処理が困難になる。また、基板 10の厚みに関しては、動作中のミラーの平坦性やプロジェクターデバイスなどへの応用で要求されるミラーサイズを考慮し、 Si、ステンレス材の基板を想定すると、少なくとも 10 in以上の厚みが要求される。以上のような点を考慮し、光走査装置の駆動に適した最適な圧電膜等の膜体の厚みは、基板本体 20の厚さの 6倍以下が適しており、膜体の厚さの下限は、おおよそ 1 mで、このとき同一面積の膜厚に対し、最小の駆動電圧、消費電力で最大のミラー部走査角度を得ることができる。

また、駆動源 11となる圧電膜等の面積については、上記、膜厚範囲に於いて、基板上での振動の伝搬方向に対して、膜体の長さが、おおよそ光走査装置を駆動する共振周波数と基板材料の音速で決まる振動の 1/2波長より小さい範囲であれば効率的に駆動できる。さらにその範囲に於いて、消費電力も考慮すると、駆動源 11の面積は、基板本体 20と同じかあるいは、より小さいこと力 S望まれる。より好ましくは基板本体 20の面積の 3/4以下である方がよ!/、。

〔ミラー部の重心位置〕

光走査装置のミラー部 13を支持する捻り梁 12の取り付け位置であるが、捻れ梁部 12の軸に対し垂直方向のミラー部 13の重心位置からずれた場合、図 6に示すように梁の軸（X軸）を中心とする捻れ共振モードとミラー部 13の重心位置 (Xm)を中心とする捻れ共振モードの 2つの共振 fl、 f 2が存在する。このときに二つの共振周波数 f 1、 f2の差はわずかで、駆動周波数が低周波数側から共振周波数に近づくときと、高周波側から共振周波数に近づく場合で、共振周波数近傍でのミラーの捻れ振動の角度の振幅（光走査角度）は同一にならず、大きなヒステリシス（履歴）が発生する。このヒステリシスは実用上大きな問題になる。例えば、環境温度の変動などにより光スキヤナ一の機械定数が変化し、これに応じて共振周波数が変化、光走査角度が変動する場合が考えられる力この様な変動は、通常、圧電膜 11に印加する駆動周波数を変化させ補償制御するが、上述のようなヒステリシスが存在すると、その非線形性のために非常に複雑な制御が必要となり、実用的でない。これに対して、ミラー部 13の重心位置と、捻り梁の支持位置を一致させると、上述したようなヒステリシスは現れず、良好な共振特性を得ることができる。

[0017] 〔捻れ梁部の断面〕

ミラー部 13を支持する捻れ梁部 12の断面は、理想的には軸対象な円形であることが好ましいが、実際の加工では板材から形成されるので、有限の幅を持ち、その断面は矩形状である。このため、梁の幅 (W)が大きくなりすぎると、僅かな加工誤差などに於いて、梁の幅 (W)内で共振時の捻れ梁部 12の軸の位置が移動するなどの現象を起こし、先述したような共振周波数近傍での駆動周波数に対し、捻れ角度の振幅（光走査角度）にヒステリシス現象を生じ駆動制御を困難にする。この様な問題を解決するためには、捻れ梁部の幅についてもある幅以下にする必要がある。実験的には、捻れ梁部の長さ (T )、基板厚み (T )に対し、 W/T≤0. 4または 0· 05≤T /W≤2の範囲にあることが必要で、 W/T≤0. 2または 0. 1≤T /W≤0. 5の範囲にあることが好ましい。

[0018] 〔圧電膜の形成方法〕

圧電膜の形成方法につ!/、ては、エアロゾルデポジション法を用いて形成すれば、低温高速プロセスのため、容易に短時間で数ミクロン以上の厚膜を金属基板上などに直接形成できる力これに限ったものでなぐ例えば、 Si基板など耐熱温度のある材料を利用すれば、スパッター法や CVD法、ゾルーゲル法などの従来の薄膜技術を用いて、ェピタキシャル成長した高性能の圧電薄膜を形成することも可能で、より微小の光走査装置を構成する場合などに有用である。

[0019] 〔基板の支持〕

基板 10は基板本体 20のミラー部 13側と反対側の固定端部 21を支持部材 16で片持ち状態で固定 ·支持した方カラ一部 13の捻れ振幅を大きくすることができる。その際、支持部材 16で固定する固定端部 21の幅は基板本体 20の幅の 1/20〜3/ 4の範囲が適している。より好ましくは基板本体 20の幅の 1/10〜1/2の範囲である方がよい。

基板本体 20のミラー部 13側と反対側にある固定端部 21の幅が基板本体 20の幅より狭くして支持部材 16により片持ち状態で固定 ·支持した方が駆動源 11によって基板本体 20に振動をより効率的に発生させることができ、ミラー部 13の捻れ振幅を大さくすること力でさる。

ミラー部 13の捻れ角度は，固定端部 21の幅が狭いほど大きくなる傾向が確認されている。その際、支持部材 16で固定する固定端部 21の幅は基板本体 20の幅の 1/ 20〜3/4の範囲が適している。基板本体 20の幅の 1/20以下になると、実用的な面で狭くしすぎであり、固定が不安定になり実用的でない。

図 7は、種々の基板形状を示したものである。

例えば、図 7 (a)は固定端部 21が基板本体 20の幅と同じ場合であり、この場合、ミラー部 13の捻れ角度は 35° である。一方、図の（b) (c) (d)に示すような固定端部 2 1の全体の幅が基板本体 20の幅より狭い場合は、同じ駆動電圧で、ミラー部 13の捻れ角度が 40° 以上の高いものを得ることができた。

また、固定端部 21の全体の幅だけではなぐこの形状も重要であることも分かった。例えば、図 7 (b)に示す基板本体 20の固定端部 21近傍に左右から矩形の切り込みを入れて固定端部 21の幅を小さくした場合（「ェ型形状」という。）、捻れ角度は 46 ° であった。図 7 (c)に示す基板本体 20の固定端部 21近傍に左右から三角形の切り込みを入れて固定端部 21の幅を小さくした場合（「Y型形状」という）、捻れ角度は 5 4° であり、駆動源 11によって基板本体 20の振動をより効率的に発生させ、ミラー部 13の捻れ振幅を大きくできることができる。その際、固定端部 21の全体の幅を基板本体 20の幅の 1/8〜1/2とするのがよい。

また、固定端部 21の一部を基板本体 20の中央部に配置することが、大きな捻れ角度でミラー部 13を振動させることができる。例えば、図 7 (e)に示す固定端部 21の一部の位置が基板本体 20の中央に位置しない場合、ミラー部 13の捻れ角度が 43° であった。しかし、図 7 (d)に示す固定端部 21の一部が基板本体 20の中央の位置にもある場合（「眼鏡フレーム形状」という。）、ミラー部 13の捻れ角度は 54° であった。一方、固定端部 21が基板本体 20の幅と同一である場合でも、基板本体 20の固定端部 21を固定する支持部材 16による支持形態を変えることで、光走査装置の固定安定性をより高めるためことができる。図 8は、 3つの支持形態の例を示したものである。

図 8 (a)は、基板本体 20の一側全面を支持部材 16により支持した例であり、この場合、ミラー部 13の捻れ角度が 45° であった。

図 8 (b)は、基板本体 20の一側全面及びそれに続く両側も支持部材 16により支持した例であり、この場合、ミラー部の捻れ角度が 43° であった。駆動源 1 1によって基板本体 20に発生される振動は、基板本体 20のミラー部 13側と反対側においてその両側部分ではあまり大きくないので（図 12参照）、固定端部 21の両側部分を支持部材 16で固定してもミラー部 13の捻れ振幅にはほとんど影響がない。図 8 (b)の場合、基板 10を固定する長さが長くなるので、実用的に光走査装置の固定安定性をより高めるためことができる。その際、平面内で、支持部材 16の開口する三角形の角度 Θ を 30° 〜300° の範囲にするのがよい。

また、基板 10を支持部 16に固定する手段として基板本体 20を上下で挟み込むと安定した固定が可能となる力この挟み込み部が平面の場合は、基板本体の固定端部に均等な接触圧力 Sかからず、不要な共鳴が発生し十分な固定ができない場合がある。そこで、挟み込み部の断面形状を図 8 (c)に示すように曲面状にしておくと、基板本体部 20の固定端部近傍にわずかに曲げ張力が作用することで、基板本体部 2 0と支持部 16との接触面に均一の圧力が加わり押さえられることで、より安定した固定が可能となる。実験では、挟み込み部が平面の場合は、ミラー部 13の捻れ角度が 30° であったものが、図 8 (c)の曲面形状をとつた場合、共振周波数は安定化し、ミラー部 13の捻れ角度も 54° まで増加させることができた。

なお、挟み込み部の断面形状は、上記の曲線形状だけでなぐ基板本体部をわずかに折り曲げるような三角形状でもよレ、。

本発明による光走査装置は、基本構造として、図 1に示す基板本体 20がミラー部 1 3と反対側で、支持部材 16に片持ち支持された構造になっており、このため光走査装置の全体に上下の外乱振動が加わると、光走査装置全体が振動し、ミラー部 13で反射、走査される光ビームは、この振動の影響を受け不安定に振動し、正確な光走查が保証できない問題点があった。従って、携帯機器などでの実用的な応用を想定すると、この光走査装置全体が片持ち構造で不安定なことを改善する必要が有る。そこで、本発明では、図 9に示すように、片持ち支持されている光走査装置全体を囲むように配置された剛性の高い基板固定フレーム 22に、幅の細い基板接続用梁 2 3で、光走査装置を固定端部 21から離れた位置でも固定する。

このとき、基板接続用梁 23の固定位置によって光走査装置自体の共振状態が変化し、ミラー部 13の走査角度や共振周波数が影響を受ける。

[0022] 図 10、図 11は、この様子を調べたもので、図 10 aに示すように、ミラー部 13が捻り共振して!/、る時に振動の腹に近!/、振動振幅が大き!/、片持ち梁部 12の付け根で、基板接続用梁 23により光走査装置を固定すると、ミラー部 13の走査振幅は、固定されていない場合の約 53° の走査振幅に対し、約 17° と大幅に低下する。これは、光走査装置の外縁部で振動振幅の大きな箇所を固定し、その振動を抑制すると、光走查装置基板 10全体の振動モードを変化させ、結果、ミラー部 13の捻れ振動に効率よくエネルギーを伝えられなくなるためである。

これに対して、図 11で示す基板接続用梁 23で接続されていない状況で、ミラー部 13が捻り共振して!/、る時に、光走査装置基板 10の縁部分（図 11の符号 24で示された箇所）の Z軸方向の振動振幅が最小となる節 25近傍の箇所で、図 10— dに示すように基板接続用梁 23で接続固定した場合は、ミラー部 13の走査振幅は、約 55° と基板固定フレーム 22に固定しない場合よりもむしろ若干大きな走査振幅となる。この場合は、光走査装置基板 10全体の振動モードを変化させないので、固定していない場合とほぼ等価な共振状態を維持でき、基板接続用梁 23による光走査装置基板 10固定のミラー部 13の走査振幅への影響は、最小となる。

従って、光走査装置の外縁部で、ミラー共振時に振動の節あるいは、振動振幅が最も小さく、かつなるベく光走査装置支持部材 16から遠い箇所で、基板接続用梁 23 により光走査装置を固定すると、ミラー部 13の走査振幅を減衰させることなぐ光走查装置を外乱振動に対し安定に支持することができる。

[0023] 以上の本発明による光走査装置の光ビームの走査ジッタと走査ゥォブル (ビーム走查速度の安定性）を、エーエルティー株式会社製： MEMSスキャナ計測システム [A LT 9A44]で評価したところ、従来のシリコン製 MEMS光スキャナー（日本信号製 )が走査ジッタが、 Jp_p : 0.2〜0.3%であるのに対し、本発明の光走査装置は、金属材料で構成されているにもかかわらず、走査共振周波数 6kHz、 16kHz, 24kHzに対し、 Jp_p : 0.06%以下と一桁小さぐ従来ポリゴンミラー方式に相当する高精度な光ビーム走査を実現できている。また、従来ポリゴンミラー方式では、走査ゥォブル力 Wp -p : 30〜40秒程度有り、 f Θレンズなどで補正をかけ、値を 1桁下げる必要が有る 1S 本発明による光走査装置では、走査ゥォブルが、 Wp-p ： 5秒以下と、一桁低い値となっており、補正レンズ系なしで高安定なビーム走査速度を実現できており、小型、低コスト化を容易に可能とする。以上の測定結果から、本発明による光走査装置は、レーザプリンターなどに使用できる高い光ビーム走査精度が得られていることが明らかである。

本発明は、上記の知見に基づいて成されたもので、その要旨とするところは次のとおりである。

(1)本発明の光走査装置は、基板本体と、基板本体の一側の両側部から突出する 2 つの片持ち梁部と、これら片持ち梁部間に捻れ梁部により両側を支持されるミラー部と、基板本体を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によって基板に加えられる振動に応じて共振振動し光源からミラー部に投射される光の反射光の方向がミラー部の振動に応じて変化する光走査装置において、基板本体のミラー部側と反対側の固定端部を支持部材に固定するとともに、基板本体の一部に駆動源を設けることを特徴としている。

(2)また、本発明の光走査装置は、上記（1)において、基板本体の固定端部の幅を基板本体の幅の 1/20〜3/4の範囲とすることを特徴としている。

(3)また、本発明の光走査装置は、上記（1)又は（2)において、基板本体の固定端部を少なくとも基板本体の幅方向の中央部を残して形成することを特徴としている。

(4)また、本発明の光走査装置は、上記（1)乃至（3)において、基板本体の固定端部を上下から挟み込んで固定するとともに、固定端部の断面形状を曲面状あるいは折り曲げ状にすることを特徴として!/、る。

(5)また、本発明の光走査装置は、上記（1)乃至 (4)において、駆動源を、圧電膜、磁歪膜または永久磁石膜力なる膜体を直接基板上に形成することにより構成し、膜体の厚さを基板の厚さの 6倍以下とすることを特徴としている。 (6)また、本発明の光走査装置は、上記（1)乃至（5)のいずれかにおいて、膜体の面積を基板本体の面積の 3/4以下とすることを特徴としている。

(7)また、本発明の光走査装置は、上記（1)乃至（6)のいずれかにおいて、ミラー部を支持している捻れ梁部と片持ち梁部の接続部は、駆動源により基板本体に励起される基板振動の最小振幅 (振動の節）の近傍に設けられることを特徴として!/、る。

(8)また、本発明の光走査装置は、上記（1)乃至（7)のいずれかにおいて、片持ち梁部と基板本体の接続部が、駆動源により基板本体に励起される基板振動の最大振幅 (振動の腹）の近傍に位置するように設定されることを特徴としている。

(9)また、本発明の光走査装置は、上記（1)乃至（8)のいずれかにおいて、ミラー部の重量と捻り梁のパネ定数で決定されるミラー部の共振周波数と基板の共振周波数とを大きくずらすことを特徴としてレ、る。

(10)また、本発明の光走査装置は、上記（1)乃至（9)のいずれかにおいて、基板本体及び片持ち梁部を囲むように基板固定フレームを配置して基板本体の固定端部側で固定するとともに、基板本体と基板固定フレームとを支持部材から離れた位置で、かつ、基板振動の最小振幅の近傍において基板接続用梁で接続することを特徴としている。上記の特徴を有する本発明は、ミラー部を支持する基板に駆動源によって誘起された振動を発生させ、この振動によりミラー部に回転モーメントを生じさせ、共振現象を利用してミラー部に大きな捻れ振幅を発生させるものである。

発明の効果

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。

(1)基板本体の両側部から突出した 2つの片持ち梁部間に捻れ梁部によりミラー部の両側を支持し、基板本体のミラー部側と反対側の端部を固定するとともに、基板本体の一部に駆動源を設けることにより、 5kHz以上の高速走査速度及び 20° 以上の大振幅光学走査角を有する高性能な光走査装置を提供できる。また、ミラー部を、重心及び重心から外れた位置のどちらで支持してもミラー部の捻れ振動を可能とする。さらにまた、構造の単純化、製造コストの低減を図ることができる。また、小型の振動源でミラー部に大きな振動を与えることができる。さらにまた、振動源となる圧電膜の消費電力を大幅に低減できる。また、圧電膜の配置に自由度が増すため、光走査装置の小型、薄型化を図ることができる。

(2)基板本体のミラー部側と反対側の固定端部を基板本体の幅の 1/20〜3/4の範囲で固定すること、固定端部の断面形状を曲面状あるいは折り曲げ状にすること、膜体の厚さを基板の厚さの 6倍以下とすること、または、膜体の面積を基板本体の面積の 3/4以下とすることにより、高速走査速度及び大振幅光学走査角においてより優れた光走査装置を得ることができる。

(3)ミラー部を支持している捻れ梁部と片持ち梁部の接続部を、膜体により基板本体に励起される基板振動の最小振幅 (振動の節）の近傍に設けることにより、ミラー部に大きな回転モーメントを与え、捻れ振動を効率的に励振することができる。

このとき上記記載の基板振動の最小振幅である振動の節と上記接続部との近傍距離は、ミラー部に捻じれ振動を誘起するには、板波の波長（λ )の ± 1/4以下にすることが必要であり、また、ミラー部を支持する捻れ梁部の軸が上下に振動することによる光学系の光路の変動を実用的なレベルで最小に抑え、大きなミラー部の捻れ振動を得るためには、好ましくは ± 1/6以下におさえることが望ましい。さらに好ましくは ± 1/8以下におさえることが望ましい。

(4)さらに、ミラー部 13に接続されている捻れ梁部 12を支持している片持ち梁部 19 と基板部との接続部は、駆動源により基板本体に励起される基板振動の最大振幅（振動の腹）の近傍に設けることで、片持ち梁部に効率的に振動エネルギーを伝えられ、ミラー部に大きな回転モーメントを与え、捻れ振動を効率的に励振することができ

(5)ミラー部の重量と捻り梁のパネ定数で決定されるミラー部の共振周波数と基板の共振周波数とを大きくずらすことにより、ミラー部から離れた位置で発生させた振動ェネルギーを効率よくミラー部の捻り振動になるエネルギーとして伝達することができる

〇

(6)基板本体及び片持ち梁部を囲むように基板固定フレームを配置して基板本体の固定端部側で固定するとともに、基板本体と基板固定フレームとを支持部材力離れた位置で、かつ、基板振動の最小振幅の近傍において基板接続用梁で接続することにより、ミラー部の走査振幅を減衰させることなぐ光走査装置を外乱振動に対し安定に支持することができる。

図面の簡単な説明

園 1]本発明の基本的事項を説明する概念図である。

園 2]本発明の振動発生原理を説明するための概念図である。

園 3]本発明に係る圧電膜を基板本体に 1つ形成する構成の光走査装置を、 y=0の面を対称面とし，半分のみモデル化した平面図である。

園 4]図 3に示す装置のミラー部の振れ角を示す図である。

[図 5]本発明に係る光走査装置の基板及びミラー部の共振周波数を示す図である。園 6]捻れ梁部の軸に対し垂直方向にミラー部の重心位置がずれた場合に、駆動周波数が低周波数側から共振周波数に近づくときと、高周波側から共振周波数に近づく場合で、大きなヒステリシス (履歴）が発生する状況を説明した図である。

[図 7]種々の基板形状を示したものである。

園 8]基板支持形態の 3つの例を示したものである。

園 9]本発明に係る基板本体及び片持ち梁部を囲むように基板固定フレームを配置した装置の平面図である。

[図 10]基板と基板固定フレームとを接続する基板接続用梁の位置を変化させた場合のミラー振角を説明する図である。

園 11]基板と基板固定フレームとが基板接続用梁で接続されていない状況で、ミラー部が捻り共振している時の基板の縁部分の振動振幅の状態を説明する説明図であ園 12]本発明の実施の形態に係る実施例 1を示す斜視図である。

園 13]本発明の実施の形態に係る実施例 1の操作ビームの投影像を示す図である。園 14]本発明の実施の形態に係る実施例 1の駆動に用いた AD法により作製された PZT膜の強誘電特性を示す図である。

園 15]本発明の実施の形態に係る実施例 1の光走査装置をスキャナ一として用いる場合の周波数特性を示す図である。園 16]駆動電圧に対する走査ビームの振れ角を示す図である。

園 17]本発明の実施の形態に係る実施例 1において、基板振動の最小振幅箇所を捻れ梁部の軸より僅かにずれた位置に形成した場合の動作説明図である。

園 18]図 11記載の光走査装置表面に誘起される振動を示すものであり、（a)は平面図、（b)は斜視図である。

園 19]本件発明及び従来技術 3における共振周波数とミラー部の捻れ角度についての計算結果を示したものである。

[図 20]本発明による光走査装置の動作を有限要素法 (FEM)を用いて、シミュレーシヨンした結果を説明するための各々の光走査装置の平面形状を示したものである。園 21]図 14に示した 3種類のモデルにおけるミラー部の捻じれ共振周波数と走査角度を比較したものである。

[図 22]従来技術 1を示すもので、上側が平面図、下側が正面断面図である。

[図 23]従来技術 2を示す斜視図である。

[図 24]従来技術 3を示す平面図である。

[図 25]従来技術 3の場合と同様のものであって、 y=0の面を対称面とし、半分のみモデル化した図である。

園 26]図 25に示す構成の装置のミラー部の振れ角を示したものである。

符号の説明

10 基板

11 圧電膜

12 捻れ梁部

13 ミラー部

14 上部電極

15 電源

16 支持部材

17 レーザビーム

18 レーザ光

19 片持ち梁部 21 固定端部

22 基板固定フレーム

23 基板接続用梁

24 基板の縁部分

25 基板振動の振幅最小位置

発明を実施するための最良の形態

[0028] 本発明に係る光走査装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

実施例 1

[0029] 図 12は、実施例 1に係る光走査装置の斜視図である。

基板 10は、厚さ 30あるいは 50〃 mの SUS304の方形をした板材をエッチングあるいはプレス加工により、捻れ梁部 12及びミラー部 13を残して中抜きされた形状に作製されている。基板 10は、基板本体 20及び基板本体 20の一側の両側から平行に張り出した片持ち梁部 19、 19からなる。ミラー部 13を支持する捻れ梁部 12は、 2本の片持ち梁部 19、 19の軸方向に対し直交する方向に設けられている。

また、基板本体 20のミラー部 13側と反対側の固定端部 21は支持部材 16により固定されており、基板 10が支持部材 16により片持ち状に支持される構造となっている。本例では、基板本体 20の両側が三角形に切り取られた状態で中央部に固定端部 2 1が形成されており、基板 10が Y字形状になっている。また、固定端部 21の幅は基板本体 20の幅の 1/20〜3/4の範囲とするのがよい。

[0030] 基板 10上の中央部には、本発明の発明者により発明された公知の AD法によるマスク成膜法で圧電膜 11が接着剤を介さずに直接形成されている。

圧電膜 11は、例えば代表的な圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛 (PZT)からな基板 10上に公知の AD法により圧電膜 11を直接形成する手法を簡単に説明する。粒径 0. 5 H m前後のチタン酸ジルコン酸鉛（PZT)をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルから高速のジェットにして基板 10上の所定の個所に吹き付け成膜する。成膜の際、 PZT微粒子の基板 1への衝突によって PZT微粒子に大きな機械的衝撃が生じ、 ΡΖΤ微粒子の破壊と新生表面の発生が同時に行われ、緻密な膜が形成される。このようにして形成される圧電膜 11は、強誘電特性を有している。圧電膜 11の成膜後、大気中において 600°Cで 10分間熱処理した後、圧電膜 11の上面に上部電極 1 4を、例えば、金スパッターで形成する。なお、金スパッターに代えて、 AD法により圧電膜 11の成膜に続いて上部電極 14を形成することにより、より小型化、構造の簡素ィ匕を図ること力 Sでさる。

[0031] 圧電膜 11は、ミラー部 13を支持する捻れ梁部 12と片持ち梁部 19との接続部から離れた位置、すなわち、基板本体 20の一部、例えば、図 12に示すように基板本体 2 0の中央部に形成される。さらに、ミラー部 13が圧電膜 11により基板 10上に起こされる振動の最小振幅の近傍、すなわち最小振幅の位置から僅かにずれた位置に圧電膜 11が形成されるものである。また、ミラー部 13を両側から支持する捻れ梁部 12、 1 2の振動モードを一致させるには、例えば、駆動源 11を基板本体 20の幅方向の中心（図 1の Y軸）に配置し、駆動源 11から左右の捻れ梁部 12、 12までの距離を同じくするのも 1つの手法である。

[0032] 基板 10の厚みに関しては、動作中のミラーの平坦性やプロジェクターデバイスなどへの応用で要求されるミラーサイズを考慮し、 Si、ステンレス材の基板を想定して、少なくとも 10 πι以上の厚みにする。光走査装置の駆動に適した最適な圧電膜等の膜体の厚みは、基板本体 20の厚さの 6倍以下が適しており、膜体の厚さの下限は、おおよそ l rnで、このとき同一面積の膜厚に対し、最小の駆動電圧、消費電力で最大のミラー部走査角度を得ることができる。

また、駆動源 11となる圧電膜等の面積については、上記、膜厚範囲に於いて、基板上での振動の伝搬方向に対して、膜体の長さが、おおよそ光スキャナーを駆動する共振周波数と基板材料の音速で決まる振動の 1/2波長より小さい範囲であれば効率的に駆動できる。さらにその範囲に於いて、消費電力も考慮すると、駆動源 11となる圧電膜等の面積は、基板本体 20より小さいことが望まれる。より好ましくは基板本体 20の面積の 3/4以下である方がよ!/、。

[0033] ミラー部 13の重心位置は、図 7に示すように、捻り梁部 12の支持位置を一致させている。このため、駆動周波数が低周波数側から共振周波数に近づくときと、高周波側力、ら共振周波数に近づく場合でも、ヒステリシスが発生することなく良好な共振特性を得ること力 Sでさる。

また、ミラー部 13を支持する捻れ梁部 12の断面は、矩形状である。

捻れ梁部 12の幅 (W)、捻れ梁部 12の長さ (T )、基板 10の厚み (T )とした場合、 W/T≤0.2または 0. 1≤T/W≤0.5の範囲にあるように捻れ梁部 12の幅（W) 、捻れ梁部 12の長さ（T )、基板 10の厚み (T)が設定されている。

[0034] 形成された上部電極 14と下部電極としての基板 10に、電源 15から電圧を印加でさるように酉己泉する。

基板 10及び上部電極 14に電圧を印加すると、圧電膜 11は圧電振動し、この振動が基板 10に振動を発生させる。この基板 10に発生する振動は、捻れ梁部 12を介してミラー部 13に回転モーメントを生じさせ、共振状態で大きな捻れ振幅を発生させる

〇

[0035] 図 12に示すように、電極である基板 10及び上部電極 14に電圧を印加した状態でミラー部 13にレーザビーム 17を照射すると、ミラー部 13が捻れ振動するため、ミラー部 13で反射したレーザ光 18は一定の振れ角 αで振動する。

[0036] 図 13は、実際の操作ビームの投影像を示すもので、歪みやブレは見られない。

次の表 1に、駆動に用いた AD法により作製された ΡΖΤ膜の電気特性を示す。

表 1 ： ΡΖΤ膜の電気特性

Ρ e r m i t t i v i t y ( a t 1 kH z) 900~1000 d i e 1 e c t r i c 1 o s S 6 S — t a n δ (a t 1 k H z) 0. 03〜

0. 05

P i e z o e 1 e c t r i c c o n s t a n t , d 31 -90 pm/V

y o u n g s m o d u 1 u s 8 OGP a また、図 14には、駆動に用いた AD法により作製された PZT膜の強誘電特性を示す。

図 15は、上記のようにして製作した光走査装置を光スキャナ一として用いる場合の周波数特性を示す一例で、捻れ振動 1次の共振周波数が 23. 63kHzと非常に高く、高速動作が可能なことが確認できた。ミラー部 13の共振構造のみを考慮した理論計算では、少し高く 24. 3kHzになる。また、共振形光走査装置の性能指数である Q 値 (共振ピークの半値幅を表し、周波数変化に対する敏感性を示す値)も Si— MEM Sスキャナーの 600以上に比べ、 110程度と低ぐ周囲環境温度の変化に対して共振周波数の変化が変動しても、ミラー部の走査幅の変化が比較的小さぐ光スキャナ一に適していることが分かる。

[0038] 図 16は、駆動電圧に対する走査ビームの振れ角を示している。

厚さが 30 μ m及び 50 μ mの SUS基板上に膜厚 10の μ mの圧電膜を AD法により直接形成した場合と、駆動源に積層ァクチユエータの接着を用いた場合とを比較した。

AD法で形成した膜厚 10の [I mの圧電膜を用いた場合、 40Vの駆動電圧で約 20° の振れ角が得られた。これは、従来の Si— MEMSスキャナーの共振周波数を一桁上回る性能である。

基板の厚みの違いは、ミラー部を支持する捻れ梁部のパネ定数を変化させ、共振周波数は大きく変化するが、ミラー部の振れ角の方は、あまり影響を受けないことが分かる。

また、 AD法で形成した圧電膜の代わりに、接着剤で接着した積層圧電ァクチユエータを振動源に用いた場合は、 AD法で形成した圧電膜の約 2倍の圧電定数にもかかわらず、振れ角、すなわちスキャナーの走査角度は半分以下になる。これは、接着剤による振動の吸収の影響が大きいためと考えられ、 AD方による圧電膜の直接形成が優れた効果を奏することが確認できた。

[0039] 図 17は、図 12に示す装置において、ミラー部 13近傍に形成される基板振動の最小振幅箇所 Aminを、捻れ梁部 12の軸 X— Xより僅かにずれた位置に形成するようにしたものである。

捻れ梁部 12の両端をそれぞれ支持する両側部 19、 19が片持ち梁の形状であるため、捻れ梁部 12を支持する部分がより変形し易くなり、図の (b)及び (c)に示すように効率的にミラー部 13に回転モーメントを与えることができ、効率的な駆動を行うことが可能となる。

また、基板振動の最小振幅箇所 Aminを、捻れ梁部 12の軸 X— Xより僅かにずれた位置に形成しているため、図のようにミラー部 13がその重心位置で捻れ梁部 12に支持されたものでもミラー部 13に大きな回転モーメントを与え捻れ振動を効率的に励振することが可能となる。このとき上記記載の基板本体あるいは片持ち梁部に誘起されている振動の最小振幅である振動の節と上記接続部との近傍距離は、ミラー部に捻れ振動を誘起するために片持ち梁部に誘起されて!、る振動の波長（ λ )の土 1/4以下にすることが必要であり、また、振動の節と上記接続部とがずれているために、ミラ一部支持する捻れ梁の軸が上下に振動することによる光学系の光路の変動を実用的なレベルで最小に抑え大きなミラー部の捻れ振動を得るためには、好ましくは ± 1 /6以下におさえることが望まし!/、。

さらに、ミラー部 13に接続されている捻れ梁部 12を支持している片持ち梁部 19が基板本体より幅が細く片持ち梁部長手方向に 1次元的な振動モードが誘起されやすいため、基板本体に発生した 2次元的な振動を効率よく片持ち梁部に伝えるには、片持ち梁部 19と基板本体との接続部力 S、駆動源により基板本体に励起される基板振動の最大振幅 (振動の腹）の近傍に設けることが必要である。

このとき、上記基板本体上に誘起されている振動の腹と上記接続部との近傍距離は、片持ち梁部の長さが、上記振動の波長（λ )より短いときは、ミラー部に大きな捻じれ振動を誘起することと、ミラー部を支持する捻れ梁の軸が上下に振動することによる光学系の光路の変動を実用的なレベルで最小に抑えるために、基板本体に誘起される振動の波長（ λ )の土 1/6以下から土 1/8以上にすることが好まし!/、。また、片持ち梁部の長さが、上記振動の波長（λ )より長いときは、 ± 1/8以下におさえ、上記片持ち梁部の長さを調整し、片持ち梁部に誘起されている振動の最小振幅である振動の節と上記接続部との近傍距離を ± 1/6以下にすれば、最も優れた性能が得られる。

これにより片持ち梁部に効率的に振動エネルギーを伝えられ、ミラー部 13に大きな回転モーメントを与え、捻れ振動を効率的に励振することができる。

図 18は、これを実際に確認した確認例であり、圧電膜 11に印加する励起信号に同期してレーザードップラー変位計で、ミラー部 13の捻れ振動が共振時に最大となるとき基板表面に発生する振動変位分布を測定したものである。片持ち梁部 19と捻れ梁部 12の接続部は、基板振動の最小振幅箇所、すなわち節近傍になっており振動変位は最小となっている。

[0041] 図 19は、本件発明及び従来技術 3における共振周波数とミラー部の捻れ角度についての計算結果を示したものである。この計算に用いたモデルは次のとおりである。基板の材質： SUS304

基板の厚さ： 50 m

駆動源の圧電膜（PZT4)の厚さ： 10 m

ミラーき |5のサイズ： lmm X 1mm

捻れ梁部の幅： 50 111

捻れ梁部の長さ： 2mm

圧電膜の面積： 4mm²

図 19から、従来技術 3のミラー部の捻れ角度は、本件発明のそれの 0. 6程度しかないことがわかる。

[0042] 次に、本発明による光走査装置の動作を、有限要素法 (FEM)を用いて、シミュレーシヨンした結果を説明する。

図 20 (a) (b) (c)は、各々の光走査装置の平面形状である。これらの図に示すように、前記 3つの形状の光走査装置において、ミラー部の大きさ、捻れ梁部の長さと幅、基板の厚み、材質、圧電膜の面積と厚みは同一にしてあり、基板本体の形状と支持部の長さ（基板本体の固定端部の幅）のみを変えて!/、る。駆動源 (PZT)のサイズは2111111 2111111 10 111 (厚さ）、基板（SUS304)の厚さは、 50 m、ミラーきのサイズは lmm X lmmであり，対称性を用いて半分のみモデル化している。

図 20 (a)に示す基本モデル（No cutモデル）では、シミュレーション上で、基板本体の固定端部の幅を lmm、 2mm、 6mm (固定端部全体を固定）と変化させた。また、図 20 (b)に示すのは固定端部の幅を lmmとし、固定端部からミラー部側に向けて左右に、その一部を斜めにカットしたモデル（Cutモデル）である。

さらに、図 20 (c)に示すのは、図 20 (a)の基本モデルにおいて基板本体の長さ（固定端部から片持ち梁部基部までの長さ）を 2mm短くしたモデル（Shortモデル）であこのような構造の違いを与え、ミラー部の共振周波数と走査角度をシミュレーションした。

図 21は、図 20 (a) (b) (c)に示した 3種類のモデルにおけるミラー部の捻じれ共振周波数と走査角度を比較したものである。

図 21に示すように、すべてのモデルにおいて、共振時におけるミラー部の走査角度は、固定部の長さが短くなるほど、大きくなる傾向が確認された。このことは、高効率で実用的な光走査装置を構成する上で、非常に重要である。また、共振周波数も大きく変化することが確認された。

図 20 (a)の基本モデルの固定端部幅が lmmの光走査装置と、図 20 (b)の Cutモデルの固定端部の幅 lmmの光走査装置とを比較すると、共振周波数は、 7100Hz から 7160Hzに増加し、走査角度はほとんど変わらない。

ところ力本発明による光走査装置の構成では、基板本体の長さ（固定端部から片持ち梁部基部までの長さ）、特に駆動源と固定端部間の距離が変わることによって、共振周波数と走査角度が変化する。具体的に、図 20 (a)の基本モデルと図 20 (c)の Shortモデルで比較すると、基板本体の長さが 6mmから 4mmまで短くなると、固定端部幅が lmmの場合、共振周波数は 7100Hzから 7180Hzに増加し、また、固定端部幅が 2mmの場合も、共振周波数は 7180Hz力、ら 7250Hzに増カロし、さらに、走査角度は、 22. 5。から 20。にわずかに減少する。

さらに、固定端部幅が、基板幅全体の 6mmの場合は、逆に共振周波数は、 7270 Hzkから 7150Hzに減少し、走査角度も 18° 力も 15° まで減少する。また、基板本体長さ 4mmの Shortモデルでは、このとき、さらに低周波数側に 7000Hzより小さな周波数にもうひとつの共振点が現れる。

以上のことは、本発明による光走査装置のミラー部の共振周波数と走査角度が、上記ミラー部とこれを両側から支える捻じれ梁部のパネ定数だけで決まるものでなぐ基板部の大きさや形状、さらには固定端部の幅などによって決まることを示している。これは、本発明による光走査装置が、従来知られるミラー部とこれを支持する捻じれ梁で構成された共振原理を用いた光走査装置と原理上も異なることを示している。一般に共振構造を用いた光走査装置では、共振周波数を微妙に調整、あるは、量産時のばらつきを抑えるため、上記、基板本体長さや形状の違いによる共振周波数や走査角度の変化の要因を正確に把握することは、実用的な光走査装置の設計には非常に重要でかつ有効である。

また、この様な基板本体長さや支持部の長さ（固定端部の幅）の違いにより、駆動源が形成されている基板本体に駆動源により形成される 2次元的な振動の腹部や節部の形成位置は変化し、これが、共振状態のときにミラー部の走査角度に大きく影響する。上記ミラー部を両側から支持する捻じれ梁部を支持する片持ち梁部の基板と接続部が、この振動の腹部近傍になると、大きな走査角度が得られる。

Claims

請求の範囲

[1] 基板本体と、基板本体の一側の両側部から突出する 2つの片持ち梁部と、これら片持ち梁部間に捻れ梁部により両側を支持されるミラー部と、基板本体を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によって基板に加えられる振動に応じて共振振動し光源からミラー部に投射される光の反射光の方向力ラー部の振動に応じて変化する光走査装置において、基板本体のミラー部側と反対側の固定端部を支持部材に固定するとともに、基板本体の一部に駆動源を設けることを特徴とする光走査装置。

[2] 基板本体の固定端部の幅を基板本体の幅の 1/20〜3/4の範囲とすることを特徴とする請求項 1記載の光走査装置。

[3] 基板本体の固定端部を少なくとも基板本体の幅方向の中央部を残して形成することを特徴とする請求項 1又は請求項 2記載の光走査装置。

[4] 基板本体の固定端部を上下から挟み込んで固定するとともに、固定端部の断面形状を曲面状あるいは折り曲げ状にすることを特徴とする請求項 1乃至請求項 3の!/ヽずれか 1項に記載の光走査装置。

[5] 駆動源を、圧電膜、磁歪膜または永久磁石膜力なる膜体を直接基板上に形成することにより構成し、膜体の厚さを基板の厚さの 6倍以下とすることを特徴とする請求項 1乃至請求項 4のいずれか 1項に記載の光走査装置。

[6] 膜体の面積を基板本体の面積の 3/4以下とすることを特徴とする請求項 1乃至請求項 5のいずれか 1項に記載の光走査装置。

[7] 捻れ梁部と片持ち梁部の接続部は、駆動源により基板本体に励起される基板振動の最小振幅の近傍に設けられることを特徴とする請求項 1乃至請求項 6のいずれ力、 1項に記載の光走査装置。

[8] 片持ち梁部と基板本体の接続部が、駆動源により基板本体に励起される基板振動の最大振幅の近傍に位置するように設定されることを特徴とする請求項 1乃至請求項 7のいずれか 1項に記載の光走査装置。

[9] ミラー部の重量と捻り梁のパネ定数で決定されるミラー部の共振周波数と基板の共振周波数とを大きくずらすことを特徴とする請求項 1乃至請求項 8のいずれか 1項に記載の光走査装置。

基板本体及び片持ち梁部を囲むように基板固定フレームを配置して基板本体の固定端部側で固定するとともに、基板本体と基板固定フレームとを支持部材から離れた位置で、かつ、基板振動の最小振幅の近傍において基板接続用梁で接続することを特徴とする請求項 1乃至請求項 9のいずれか 1項に記載の光走査装置。