(57)【要約】【課題】ミラー部の中心位置の上下方向の変位が小さく、駆動周波数以外の振動成分の影響を受けにくく、レーザー光の走査精度が高い光走査装置を提供する。【解決手段】基板１は、ミラー部４を支持する梁部３を軸対称として長手方向両端部が各々支持部５に固定されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板に形成された開口部内に両側を梁部により支持されたミラー部が形成され、前記基板上に設けられた振動源を作動させて当該基板を撓ませることにより前記梁部を揺動軸として前記ミラー部を揺動させながら照射光を反射することで走査する光走査装置であって、
前記基板は、前記ミラー部を支持する前記梁部を軸対称として長手方向両端部が支持部に各々固定されていることを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記梁部を中心として軸対称となる前記基板上に前記振動源が各々配置され、各振動源に交番電圧を印加して前記梁部を中心として前記基板を両側で反対方向に撓ませる動作を交互に繰り返すことにより前記ミラー部を所定の振幅で揺動させる請求項１記載の光走査装置。
【請求項３】
前記各振動源は、前記基板の反対面側に設けられ、同一の駆動源から同相の交番電圧が印加されて駆動される請求項１又は２記載の光走査装置。
【請求項４】
前記各振動源は、前記基板の同一面側に設けられ、異なる駆動源によって位相が反転した交番電圧が印加されて駆動される請求項１又は２記載の光走査装置。
【請求項５】
前記基板の両側固定端付近には、抜き孔部が前記梁部を中心として軸対称となる位置に各々形成されている請求項１乃至４のいずれか１項記載の光走査装置。
【請求項６】
前記基板と両側固定端との連結は当該基板より幅狭な単数又は複数の基板連結部により連結されている請求項１乃至５のいずれか１項記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源より照射された光ビームを揺動するミラー部で反射して走査を行う光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源より照射されたレーザー光等の光ビームを走査する光走査装置は、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撮像装置の光取り入れ装置として用いられている。
例えば、図７（ａ）において、支持部材５１に片持ち支持されたステンレス基板やシリコン基板などの基板５２の自由端側に開口部５３が形成され、当該開口部５３内に梁部５４により両側が連結されたミラー部５５が設けられている。ミラー部５５は鏡面仕上げされているか、反射膜が形成されているか、ミラーが貼付けられている。
【０００３】
また、基板５２に圧電体、磁歪体、または永久磁石のいずれかによる薄膜よりなる振動源５６を設け、例えば圧電体の場合、図示しない駆動源より正電圧を印加すると延びが発生し、負電圧を印加すると縮みが発生するため、基板５２に撓みが発生する。この基板５２の上下方向の撓みに対して梁部５４にねじれ振動が発生してミラー部５５が揺動する。
【０００４】
このミラー部５５と梁部５４との共振周波数付近で駆動周波数を維持して、振動するミラー部５５によりレーザー光を反射することで光走査する。これによって、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）を用いて製造された微小ミラーを揺動させる光走査装置より製造コストがかからず、小型の振動源でミラー部に大きな振動を発生させるようになっている（特許文献１）。
【特許文献１】特開２００６−２９３１１６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
上述した光走査装置の起動時の過渡応答特性解析をした結果を図７（ｂ）のグラフ図に示す。図７（ｂ）は、時間変化と、ミラー部５５の中心点Ｍの位置（図７（ａ）参照）における基板５２の面に対して鉛直な方向（以下「上下方向」という）の変位との関係を示す。このグラフ図から、時間変化にともなって、中心点Ｍが上下方向に不規則に変位していることが分かる。
【０００６】
また、図７（ｂ）の結果を分析すると少なくとも２つ以上の周波数成分が含まれていることがわかる。一つは駆動周波数に相当する高周波数成分の正弦波であり、その他は前記高周波数成分よりも低い周波数の振動である。これら少なくとも２つ以上の周波数成分が重畳されて中心点Ｍは不規則な変位となっている。このため、ミラー部５５で反射されたレーザー光の位置は、中心点Ｍが上下方向に不規則に変位することにより、設計値に対し微小に変化してしまう。このように、複数の周波数成分が含まれる原因としては基板５２に片持ち梁構造の自由端が存在する為、高次の周波数で駆動したときに低次の振動モードの影響を受け易いことが原因であると考えられる。また、中心点Ｍの上下方向に変位する振幅は小さいほうが望ましい。
この結果、この光走査装置をレーザービームプリンタ用スキャナに用いた場合、駆動周波数３ｋＨｚ以上の高速走査が要求されるレーザー光の走査範囲や走査速度が安定しないか若しくは走査精度が低下するという不具合が想定される。
【０００７】
本発明は、ミラー部の中心位置の上下方向の変位が小さく、駆動周波数以外の振動成分の影響を受けにくくレーザー光の走査精度が高い光走査装置を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
基板に形成された開口部内に両側を梁部により支持されたミラー部が形成され、前記基板上に設けられた振動源を作動させて当該基板を撓ませることにより前記梁部を揺動軸として前記ミラー部を揺動させながら照射光を反射することで走査する光走査装置であって、前記基板は、前記ミラー部を支持する前記梁部を軸対称として長手方向両端部が支持部に各々固定されていることを特徴とする。
【０００９】
また、前記梁部を中心として軸対称となる前記基板上に前記振動源が各々配置され、各振動源に交番電圧を印加して前記梁部を中心として前記基板を両側で反対方向に撓ませる動作を交互に繰り返すことにより前記ミラー部を所定の振幅で揺動させることを特徴とする。
【００１０】
また、前記各振動源は、前記基板の反対面側に設けられ、同一の駆動源から同相の交番電圧が印加されて駆動されることを特徴とする。
【００１１】
また、前記各振動源は、前記基板の同一面側に設けられ、異なる駆動源によって位相が反転した交番電圧が印加されて駆動されることを特徴とする。
【００１２】
また、前記基板の両側固定端付近には、抜き孔部が前記梁部を中心として軸対称となる位置に各々形成されていることを特徴とする。
【００１３】
また、前記基板と両側固定端との連結は当該基板より幅狭な単数又は複数の基板連結部により連結されていることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
基板は、ミラー部を支持する梁部を軸対称として長手方向両端部が各々支持部に固定されているので、基板上に設けられた振動源を作動させると梁部を揺動軸として両側の基板を撓ませてミラー部を揺動させることができる。
【００１５】
また、梁部によって軸対称となる基板上に振動源が各々配置され、梁部を中心として基板を両側で反対方向に撓ませる動作を交互に繰り返すことによりミラー部を所要の振幅で高速で揺動させることができる。このとき、梁部の両側で基板が反対方向に撓むが対称軸位置にあるミラー部の中心点は変位しない。したがって、振動源の駆動電圧を変えてミラー部を揺動させてもミラー部の中心点の上下方向の変位は小さく駆動周波数以外の振動成分の影響を受けにくいので、基板の撓みにより安定した定在波を形成して一定の振幅でミラー部を振動させることができる。また、フィードバック制御を行なうにあたっては過渡応答が安定するので、制御性が向上する。
【００１６】
また、各振動源は、基板の反対面側に設けられ、同一の駆動源から同相の駆動電圧が印加されて駆動されることにより、同一の駆動源により各振動源を作動することができるため、駆動源を簡略化することができる。また、正弦波駆動のみならず矩形パルス駆動も可能になるので、制御動作も簡略化することができる。
【００１７】
また、各振動源は、基板の同一面側に設けられ、異なる駆動源によって位相が反転した駆動電圧が印加されて加振されるようにしてもよい。この場合には、駆動源は個別に必要となるが、梁部を対称軸として両側の基板を反対方向に撓ませてミラー部を揺動させることができる。
【００１８】
また、基板の両側固定端付近には、抜き孔部が梁部を中心として軸対称となる位置に各々形成されていると、梁部の両側の基板部を振動源の作動により撓ませ易くすることができ、ミラー部の振幅をかせぐことができる。
【００１９】
また、基板と両側固定端との連結は基板より幅狭な単数又は複数の基板連結部により連結されていると、基板の可撓性が高まるため、梁部の両側の基板全体を振動源の作動により撓ませ易くなりミラー部のより大きな振幅を実現可能になる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明に係る光学走査装置の最良の実施形態について図面を参照して説明する。本実施例では、レーザービームプリンタ用に用いられる光走査装置（スキャナー）を例示して説明するものとする。
【００２１】
図１を参照して光走査装置の概略構成について説明する。
基板１は金属板（ステンレススチール；ＳＵＳ３０４）若しくはシリコン基板（Ｓｉ）などの矩形基板が好適に用いられる。基板１の長手方向中央部には開口部（貫通孔）２が設けられている。この開口部２の中心部に梁部３が形成されて中央部にミラー部４が一体に支持されている。梁部３は、基板１の対称軸となる位置に形成されている。基板１は、ミラー部４を支持する梁部３を軸対称として長手方向両端部が各々支持部５に固定されている。
【００２２】
また、基板１上であって梁部３によって軸対称となる位置に振動源６が各々配置されている。本実施例では、振動源６が基板1の振動の腹部へ形成された図を示したが、振動の節部でも良い。さらに、振動源６として圧電素子（ＰＺＴ；チタン酸ジルコン酸鉛）が用いられている。
【００２３】
ここで、ミラー部４の振動原理について具体的に説明すると、たとえば圧電素子の表層側電極にプラスの電圧を印加すると圧電層が延びるため、図２（ａ）に示すように基板１は上下に凸となるように撓む。また、圧電素子の表層側電極にマイナスの電圧を印加すると圧電層は縮むため、図２（ｂ）に示すように基板１は上下に凹となるように撓む。このとき、基板１に発生した定在波は、梁部３により支持された水平状態にあるミラー部４に、梁部３の捻れによる回転モーメントを発生させて、捻れ振動を生じさせる。
【００２４】
また、各振動源６に交番電圧を印加して梁部３の両側の基板１を反対方向に撓ませる動作を交互に繰り返すことによりミラー部４を所要の振幅で揺動させる。上記梁部３を捻れ軸としてミラー部４を所定の振幅で揺動させた状態でミラー部４へレーザー光Ｌを光照射することで、反射光（レーザービーム）を走査することができるようになっている。
【００２５】
本実施例は、各振動源６が、基板１の反対面側に設けられ、図示しない同一の駆動源から同相の駆動電圧で各々駆動される。これにより、駆動源や制御回路を簡略化することができる。また、正弦波駆動のみならず矩形波駆動も可能であるので、制御動作も簡略化することができる。
尚、各振動源６は、基板６の同一面側に設けられ、異なる駆動源によって位相が反転した駆動電圧が印加されて駆動されるようにしてもよい。
【００２６】
また、振動源６としては、圧電素子のほかに、圧電体、磁歪体又は永久磁石体のいずれかが基板上に膜状に直接形成されていてもよい。成膜法としては、例えばエアロゾルデポジション法（AD法）、真空蒸着法、スパッタリング法や化学的気相成長法（CVD: Chemical Vapor  Deposition）、ゾル−ゲル法などの薄膜形成技術を用いて、圧電体、磁歪体又は永久磁石体のいずれかが基板上に膜状に直接形成されていると、低電圧駆動で低消費電力の光走査装置を提供できる。
【００２７】
磁歪体や永久磁石体を用いる場合、外部から印加する交番磁界は、上記磁歪膜、永久磁石膜が形成された基板部近傍に設けられたコイルに交流電流を流すことで交番磁界を発生させる。尚、磁歪膜や永久磁石膜で基板に形成する場合、基板材料は非磁性材料である方が、より効率的に撓みを発生することができる。
【００２８】
上述した光学走査装置の過渡応答特性解析をした結果を、図３（ｂ）に示す。図３（ｂ）は、時間変化と、ミラー部４の中心点Ｍの位置（図３（ａ）参照）における基板１の面に対して鉛直な方向（以下、“上下方向”とする）の変位との関係を示す。
【００２９】
図３（ｂ）において、梁部３の両側で基板１が反対方向に撓むが、梁部３が対称軸位置にあるため中心点Ｍは上下方向へ不規則な変化が非常に小さい。図７（ｂ）と比較しても低周波数成分が大幅に低減し、振幅自体も小さくなっていることが分かる。したがって、振動源６の駆動電圧を変えてミラー部４を揺動させても揺動軸の中心点Ｍの上下方向の変位が小さく駆動周波数以外の振動成分の影響を受けにくいので、駆動周波数に相当する高周波数成分の正弦波に非常に近い安定した定在波を形成して一定の振幅でミラー部４を振動させることができる。また、フィードバック制御を行なうにあたって過渡応答が安定し、制御性が向上する。
また、図７（ｂ）と比較すると低周波数成分が無く、設計上極めて有利であることがわかる。
【００３０】
また、基板１の両側を支持部５に固定したことにより基板１の所期の撓み量が得られないことも想定される。そこで、図４（ａ）（ｂ）において、基板１の両側固定端（支持部５）付近には、抜き孔部７が軸対称に形成されている。図４（ａ）は、基板１に端部近傍に抜き孔部７が形成されており、支持部５とは基板短手方向全体で支持されている。また図４（ｂ）は、基板１の端部に抜き孔部７が形成されており、支持部５とは基板短手方向で基板１より幅狭な基板連結部８によって３箇所で支持されている。このように、基板１の両側固定端付近に、抜き孔部７が軸対称に形成されているので、梁部３の両側の基板部を振動源６の作動により撓ませ易くすることができ、ミラー部４の振幅をかせぐことができる。
【００３１】
また、図４（ｃ）において、基板１と両側固定端（支持部５）との接続は単数（又は複数）の基板連結部８により連結されていてもよい。この場合には、基板１の可撓性が高まるため、梁部３の両側の基板全体を振動源６の作動により撓ませ易くなりミラー部４のより大きな振幅を実現可能になる。この場合、基板連結部８の長手方向延長線上に振動源６を設けることにより振動伝達性が良く、梁部３の両側で均一な基板１の撓みによる定在波を形成するうえで好ましい。
【００３２】
尚、ミラー部４は、基板１に金属板を使用する場合には鏡面仕上げされた基板１を用いると良い。金属板以外の基板や、金属板においてもより高い反射性能が要求され場合には、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（化学的気相成長法）等の薄膜形成技術により、ミラー部４へ薄膜を形成するか、或いはミラー部４へ別途ミラー用反射材料を貼付けてもよい。
【００３３】
また、薄膜を形成する材料には、金（Au）、二酸化ケイ素（SiO2）、アルミニウム（Al）、あるいはフッ化マグネシウム（MgF2）から１つを選択、或いは２つ以上の材料を組み合わせ、さらに前記薄膜成形技術による同一層(=単層)、或いは２層以上の多層構成を適度な膜厚に制御することによって、反射性能を向上する薄膜が形成できる。あるいは、ミラー部４へ別途ミラー用反射材を貼付ける材料には、鏡面仕上げしたシリコン（Si）またはアルミナチタンカーバイト（Al2O3-TiC）のセラミック等へ、前記薄膜成形技術にて薄膜を形成しても良い。
【００３４】
また、基板１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、シリコン（Ｓｉ）、ステンレススチール（ＳＵＳ３０４等）等の、或いはさらにカーボンナノチューブを前記材料へ成長させた基板を想定すると、少なくとも１０μｍ以上の厚みが望ましい。
【００３５】
また、振動源６である圧電素子を設けた場合に、駆動電圧を印加するための配線接続する必要がある。この基板配線例を図５及び図６を参照して説明する。
図５（ａ）（ｂ）において、基板１の梁部３を対称軸として対称位置に反対面側に設けられた振動源６に対して、固定端である両側支持部５から直線的にフレキシブルケーブル９が設けられている。フレキシブル配線部９は、図５（ｃ）に示すようにポリイミド材などの絶縁層９ｂに、金めっき，銅めっき，有機ＥＬ層などの導電層９ａが挟み込まれて積層されたものが用いられる。
【００３６】
また、図６（ａ）（ｂ）において、基板１が梁部３を対称軸として両側に設けられた振動源６によって撓むことを考慮すると、基板上に貼付けられたフレキシブル配線部９も撓むことから、導電層９ａの接続信頼性が求められる。よって、基板１が撓んでも特定個所に応力集中がおこり難いように配線路を直線的ではなく曲げて形成することにより、導電層９ａの接続信頼性を維持しようとするものである。
【００３７】
例えば、図６（ａ）に示すように、ミラー部４の中心点Ｍに対して点対状となる位置に基板１の長手方向両端に沿ってＬ字状に振動源６に各々配線接続してもよいし、図６（ｂ）に示すようにクランク形状に各振動源６各々配線接続するようにしてもよい。
【００３８】
尚、図４（ａ）〜（ｃ）において、基板１に抜き孔部７が形成され、基板連結部８が形成される場合には、抜き孔部７を回避した基板面若しくは基板連結部８を利用して配線接続することが望ましい。また、フレキシブル配線部９は、予めケーブル状に形成されたものを基板面に固着してもよいし、基板上にパターン形成して一体につくり込んでもよい。
また、図示しないが、配線接続の態様については振動源と電源部を直接配線接続する仕様であっても良い。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】光学走査装置の平面図及び垂直断面図である。
【図２】光学走査装置の動作状態を示す説明図及び斜視図である。
【図３】光学走査装置の平面図及びミラー部中心点の時間変位を示すグラフ図である。
【図４】基板と固定端との接続構成を示す平面図である。
【図５】基板の配線例を示す平面図、部分断面図及び部分拡大断面図である。
【図６】他例に係る基板配線例を示す平面図である。
【図７】従来の光学走査装置の平面図及びミラー部中心点の時間変位を示すグラフ図である。
【符号の説明】
【００４０】
１  基板
２  開口部
３  梁部
４  ミラー部
５  支持部
６  振動源
７  抜き孔部
８  基板連結部
９  フレキシブル配線部
９ａ  導電層
９ｂ  絶縁層
Ｌ  レーザー光
【図１】
2010107572.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2010107572.tif 000006
【図５】
2010107572.tif 000007
【図６】
2010107572.tif 000008
【図７】
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