(57)【要約】【課題】大きなミラー変位量を得るとともに、ミラー変位量の安定性が良い光スキャナ及びその光スキャナを用いた画像表示装置を提供すること。【解決手段】切欠き１２２が、外枠部１１４の、外枠部１１４と一対の梁部１１３ｂとが連結された連結位置の周囲に設けられる。固定用突起１２３が、一対の梁部１１３ｂの夫々から揺動軸線ＡｏＲ１に平行に伸びる延長線の間で、切欠き１２２に設けられる。切欠き１２２と固定用突起１２３とが設けられることによって、大きなミラー変位量と良いミラー変位量の安定性との両立を図ることができる。【選択図】        図２
2010085506.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
揺動軸線の周りに共振駆動され、入射した光を所定方向に走査する反射ミラーと、揺動軸線上に配置され、その反射ミラーに連結された第１の弾性梁と、揺動軸線に対して対称な一対の梁部及びその両梁部が結合された結合部を含み、その結合部が前記第１の弾性梁に連結された第２の弾性梁と、その一対の梁部が連結された外枠部と、を有する基体と、
前記基体の厚み方向において、前記外枠部に固定された台座と、
前記反射ミラー、前記第１の弾性梁及び前記第２の弾性梁を共振駆動させるための駆動部と、
前記外枠部と前記一対の梁部とが連結された連結位置の周囲であって、前記外枠部および前記台座の少なくとも一方に設けられた空所部と、
前記一対の梁部の夫々から揺動軸線に平行に伸びる延長線の間で、前記空所部内に設けられ、前記外枠部と前記台座とに固定された固定部とを備える、
ことを特徴とする光スキャナ。
【請求項２】
前記第１の弾性梁は、前記反射ミラーを両持支持するために一対備えられ、
前記第２の弾性梁は、その一対の第１の弾性梁の夫々に連結されるために、一対備えられる、
ことを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項３】
揺動軸線の周りに共振駆動され、入射した光を所定方向に走査する反射ミラーと、揺動軸線に対して対称に配置され、前記反射ミラーに一方の側で連結された一対の梁部と、その一対の梁部の他方の側が連結された外枠部と、を有する基体と、
前記基体の厚み方向において、前記外枠部に固定された台座と、
前記反射ミラー及び前記一対の梁部を共振駆動させるための駆動部と、
前記外枠部と前記一対の梁部とが連結された連結位置の周囲であって、前記外枠部および前記台座の少なくとも一方に設けられた空所部と、
前記一対の梁部の夫々から揺動軸線に平行に伸びる延長線の間で、前記空所部内に設けられ、前記外枠部と前記台座とに固定された固定部とを備える、
ことを特徴とする光スキャナ。
【請求項４】
前記一対の梁部は、前記反射ミラーを両持支持するために、一対備えられる、
ことを特徴とする請求項３に記載の光スキャナ。
【請求項５】
前記駆動部は、前記一対の梁部と前記外枠部とに固定された一対の圧電体で、
前記一対の圧電体は、前記揺動軸線に対して線対称、前記反射ミラーを挟んで前記揺動軸線に対して同じ側の位置又は前記反射ミラーに対して点対称に設けられる、
ことを特徴とする請求項２又は４に記載の光スキャナ。
【請求項６】
前記固定部は、
揺動軸線を含み前記外枠部の厚み方向に平行な面内に位置し、
揺動軸線に沿って伸びる、
ことを特徴とする請求項１〜５の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項７】
前記空所部は、前記台座に設けられた切欠きであり、
前記固定部は、前記切欠きから延出する突起である、
ことを特徴とする請求項６に記載の光スキャナ。
【請求項８】
前記空所部は、前記外枠部の前記台座に固定される側の面に設けられた、前記外枠部の厚みよりも小さい深さの凹型溝であり、
前記固定部は、前記凹型溝に設けられた、前記外枠部と同じ厚みを有する、
ことを特徴とする請求項６に記載の光スキャナ。
【請求項９】
前記固定部の少なくとも一部は、前記連結位置において前記一対の梁部に挟まれた前記外枠部の端部まで伸びている、
ことを特徴とする請求項１〜８の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項１０】
前記固定部は、前記外枠部の厚み方向と前記揺動軸線の方向とに直交する方向の幅を変化させることで、共振駆動の共振周波数を調整可能に構成される、
ことを特徴とする請求項１〜９の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項１１】
光を走査して画像を形成するための、請求項１〜１０の何れか１項に記載の光スキャナと、
その光スキャナに光を供給するための光源と、
前記光スキャナによって走査された光を使用者の目に導く接眼光学系とを備える、
ことを特徴する画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザープリンタや画像表示装置に用いられる光スキャナ、特にＭＥＭＳミラーを用いて共振駆動で利用される光スキャナ及びこの光スキャナを用いた画像表示装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザープリンタや光を走査して画像を表示する画像表示装置等には、光スキャナが利用されてきた。一般に、この光スキャナとしては、ポリゴンミラーを用いるものやガルバノミラー、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いるものが存在する。特に、ＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナは、光の反射面が一面だけで良く、またミラー、トーションバー、支持枠を一体加工できるので、ポリゴンミラー及びガルバノミラーを用いた光スキャナに対し小型化、軽量化が可能になる。
【０００３】
ＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナ（以下、光スキャナと表記する）の機械的構造に関する発明が、今日までに多く出願されている。その一例として、特許文献１に記載された光スキャナを図１０に示す。光スキャナ５００は、基体５１０と台座５２０とに分けられる。基体５１０の中心には、反射ミラー５１１が位置する。反射ミラー５１１は一対の第１の弾性梁５１２によって両持支持される。一対の第１の弾性梁５１２は、二股に分かれた第２の弾性梁５１３に夫々接続される。第２の弾性梁５１３は、外枠部５１４に接続される。台座５２０は、外枠部５１４と固定部５２１とが固定されるようにして、基体５１０の下に固定される。他の一例として、特許文献２に記載された光スキャナを図１１に示す。光スキャナ６００は、基体６１０と台座６２０とに分けられる。基体６１０の構造は、特許文献１における基体５１０に同じである。一方、台座６２０の構造は、特許文献１における台座５２０と異なる。具体的には、切欠き６２２が、基体６１０の第２の弾性梁６１３と外枠部６１４との連結位置に対応する台座６２０の箇所に設けられる。特許文献２においては、この切欠き６２２の形状を調整することで、光スキャナ６００の固有振動数が調整される。
【特許文献１】特開２００３−５７５８６号公報
【特許文献２】特開２００７−９４１４６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
例えば光スキャナが画像表示装置に用いられる場合、表示画像の画角は反射ミラーの変位する量に依存する。従って、大きな画像や精緻な画像を表示するためには、反射ミラーの変位する量は大きいほど望ましい。基体と台座とを固定することで構成される光スキャナの場合、共振駆動時における反射ミラーの変位量（以下、ミラー変位量）は、基体と台座との固定位置に応じて変化する。具体的には、光スキャナのミラー変位量は、台座がどの程度外枠部と第２の弾性梁との連結位置から離れて外枠部に固定されるかに依存して変化する。基体は、厚みが百μｍ程度と薄いため、共振駆動されることで容易に変形する。台座は基体に比べて十分厚いので、基体と台座との固定位置は、共振駆動される際に固定端として働く。即ち、光スキャナのミラー変位量は、この固定端と前記連結位置との距離に依存して変化する。
【０００５】
固定端の位置と光スキャナのミラー変位量との関係を定量的に調べるために、光スキャナのミラー変位量の変化を調べる従来例シミュレーションが行われた。従来例シミュレーションでは、固定端の位置を揺動軸線に平行な方向に動かすことで、ミラー変位量がどのように変化するかが調べられる。以下、図１２を用いて、この従来例シミュレーションの内容を説明する。図１２（ａ）は光スキャナ６００の第２の弾性梁６１３と外枠部６１４との連結位置周囲の底面模式図であり、図１２（ｂ）は光スキャナ５００の第２の弾性梁５１３と外枠部５１４との連結位置周囲の底面模式図である。光スキャナ６００における固定端位置ｐ１は、切欠き６２２が存在するために、第２の弾性梁６１３と外枠部６１４との連結位置ｐ２よりもミラー６１１に対して離れた位置に存在する。一方、光スキャナ５００における固定端位置ｐ１は、第２の弾性梁５１３と外枠部５１４との連結位置ｐ２に略一致する位置に存在する。固定端位置ｐ１と、第２の弾性梁５１３と外枠部５１４との連結位置ｐ２との距離が変化した場合のミラー変位量の変化がシミュレーションによって調べられた。
【０００６】
以下、図１３を用いて前記した従来例シミュレーションの結果を示す。図１３は、固定端位置を変化させた場合における、ミラー変位量の変化を示す図である。横軸は、固定端位置ｐ１と、第２の弾性梁５１３と外枠部５１４との連結位置ｐ２との距離を示す。図１２（ａ）に示される、光スキャナ６００におけるｐ１−ｐ２間距離を０％と表現する。図１２（ｂ）に示される、光スキャナ５００におけるｐ１−ｐ２間距離、即ちｐ１とｐ２とが略一致する位置にあるときを１００％と表現する。縦軸は、ミラー変位量がｐ１−ｐ２間距離が０％の場合に対して何％増加したかを示す。ｐ１−ｐ２間距離が０％から６０％近傍までの範囲において、ミラー変位量は、固定端位置が反射ミラーに近づくに従って増大する。ｐ１−ｐ２間距離が６０％近傍において、ミラー変位量は、ｐ１−ｐ２間距離が０％場合に比べて２０％程大きい極大を示す。ｐ１−ｐ２間距離が６０％近傍から１００％までの範囲において、ミラー変位量は、固定端位置が反射ミラーに近づくに従って減少する。また、固定端位置が所定量変化した場合におけるミラー変位量の変化量、言い換えればミラー変位量を固定端位置の関数と見なした場合の微分係数は、ｐ１−ｐ２間距離が７０％から８０％の領域において最も大きく、それ以外の領域では同程度である。以下、固定端位置が所定量変化した場合のミラー変位量の変化量をミラー変位量の安定性と表現する。また、ミラー変位量の変化量が大きい場合をミラー変位量の安定性が悪い、変化量が小さい場合をミラー変位量の安定性が良いとそれぞれ表現する。
【０００７】
固定端の位置は、基体と台座とを固定する際の取付誤差や、基体及び台座を加工する際の加工誤差等によって容易に変化する。そして、固定端の位置変化は、図１２に示される様に、光スキャナのミラー変位量の変化に繋がる。光スキャナの量産を考えると、ミラー変位量の個体差は小さい方が望ましい。固定端の位置は個体毎に容易に変化するので、ミラー変位量の個体差を小さくするためには、ミラー変位量の安定性が良い必要がある。しかし、図１３に示されているように、固定端位置をどのように調整しても、ミラー変位量の安定性が良い領域は存在しない。
【０００８】
前述したように、光スキャナは、（１）ミラー変位量が大きいこと、（２）ミラー変位量の安定性が良いこと、の２点が望まれる。しかし、従来の光スキャナでは、これら２点の要求を同時にみたすことが困難であった。特に、従来の光スキャナの固定端の位置をどのように調整しても、ミラー変位量の安定性を良くすることは不可能である。
【０００９】
本発明は、大きなミラー変位量を得るとともにミラー変位量の安定性が良い光スキャナ及びその光スキャナを用いた画像表示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】
【００１０】
この目的を達成するために、請求項１に記載の発明は、揺動軸線の周りに共振駆動され、入射した光を所定方向に走査する反射ミラーと、揺動軸線上に配置され、その反射ミラーの両側に連結された一対の第１の弾性梁と、揺動軸線に対して対称な一対の梁部及びその両梁部が結合された結合部を含み、その結合部が前記一対の第１の弾性梁の夫々に連結された一対の第２の弾性梁と、その一対の梁部が連結された外枠部と、を有する基体と、前記基体の厚み方向において、前記外枠部に固定された台座と、前記反射ミラー、前記一対の第１の弾性梁及び前記一対の第２の弾性梁を共振駆動させるための駆動部と、前記外枠部と前記一対の梁部とが連結された連結位置の周囲であって、前記外枠部および前記台座の少なくとも一方に設けられた空所部と、前記一対の梁部の夫々から揺動軸線に平行に伸びる延長線の間で、前記空所部内に設けられ、前記外枠部と前記台座とに固定された固定部とを備える、ことを特徴とする。
【００１１】
請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記第１の弾性梁は、前記反射ミラーを両持支持するために一対備えられ、前記第２の弾性梁は、その一対の第１の弾性梁の夫々に連結されるために、一対備えられる、ことを特徴とする。
【００１２】
請求項３に記載の発明は、揺動軸線の周りに共振駆動され、入射した光を所定方向に走査する反射ミラーと、揺動軸線に対して対称に配置され、前記反射ミラーに一方の側で連結された一対の梁部と、その一対の梁部の他方の側が連結された外枠部と、を有する基体と、前記基体の厚み方向において、前記外枠部に固定された台座と、前記反射ミラー及び前記一対の梁部を共振駆動させるための駆動部と、前記外枠部と前記一対の梁部とが連結された連結位置の周囲であって、前記外枠部および前記台座の少なくとも一方に設けられた空所部と、前記一対の梁部の夫々から揺動軸線に平行に伸びる延長線の間で、前記空所部内に設けられ、前記外枠部と前記台座とに固定された固定部とを備える、ことを特徴とする。
【００１３】
請求項４に記載の発明は、請求項３に記載の発明において、前記一対の梁部は、前記反射ミラーを両持支持するために、一対備えられる、ことを特徴とする。
【００１４】
請求項５に記載の発明は、請求項２又は４に記載の発明において、前記駆動部は、前記一対の梁部と前記外枠部とに固定された一対の圧電体で、前記一対の圧電体は、前記揺動軸線に対して線対称、前記反射ミラーを挟んで前記揺動軸線に対して同じ側の位置又は前記反射ミラーに対して点対称に設けられることを特徴とする。
【００１５】
請求項６に記載の発明は、請求項１〜５の何れか１項に記載の発明において、前記固定部は、揺動軸線を含み前記外枠部の厚み方向に平行な面内に位置し、揺動軸線に沿って伸びる、ことを特徴とする。
【００１６】
請求項７に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記空所部は、前記台座に設けられた切欠きであり、前記固定部は、前記切欠きから延出する突起である、ことを特徴とする。
【００１７】
請求項８に記載の発明は、請求項６に記載の発明において、前記空所部は、前記外枠部の前記台座に固定される側の面に設けられた、前記外枠部の厚みよりも小さい深さの凹型溝であり、前記固定部は、前記凹型溝に設けられた、前記外枠部と同じ厚みを有する、ことを特徴とする。
【００１８】
請求項９に記載の発明は、請求項１〜８の何れか１項に記載の発明において、前記固定部の少なくとも一部は、前記連結位置において前記一対の梁部に挟まれた前記外枠部の端部まで伸びている、ことを特徴とする。
【００１９】
請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９の何れか１項に記載の発明において、前記固定部は、前記外枠部の厚み方向と前記揺動軸線の方向とに直交する方向の幅を変化させることで、共振駆動の共振周波数を調整可能に構成される、ことを特徴とする。
【００２０】
請求項１１に記載の発明は、光を走査して画像を形成するための、請求項１〜１０の何れか１項に記載の光スキャナと、その光スキャナに光を供給するための光源と、前記光スキャナによって走査された光を使用者の目に導く接眼光学系と、を備えることを特徴する。
【発明の効果】
【００２１】
請求項１に記載の発明では、外枠部と一対の梁部とが連結された連結位置の周囲であって、外枠部および台座の少なくとも一方に空所部が設けられ、一対の梁部の夫々から揺動軸線に平行に伸びる延長線の間で空所部内に固定部が設けられる。空所部と固定部とが設けられることによって、大きなミラー変位量と良いミラー変位量の安定性との両立を図ることができる。
【００２２】
請求項２に記載の発明では、第１の弾性梁は、前記反射ミラーを両持支持する。反射ミラーが片持支持される場合、反射ミラーが揺動駆動される際に、揺動軸線を中心とした揺動以外の動き、例えば基体の厚み方向への振動等、が発生しやすい。そのため、光の走査方向が直線になり難い。反射ミラーが、揺動軸線上に配置される第１の弾性梁によって両持支持、即ち対称に支持されるので、反射ミラーの動きは、揺動軸線を中心とした揺動に制限される。その結果、光の走査方向を直線にすることが容易になる。
【００２３】
請求項３に記載の発明では、外枠部と一対の梁部とが連結された連結位置の周囲であって、外枠部および台座の少なくとも一方に空所部が設けられ、一対の梁部の夫々から揺動軸線に平行に伸びる延長線の間で空所部内に固定部が設けられる。空所部と固定部とが設けられることによって、大きなミラー変位量と良いミラー変位量の安定性との両立を図ることができる。
【００２４】
請求項４に記載の発明では、一対の梁部は、前記反射ミラーを両持支持する。反射ミラーが両持支持されるので、請求項２が奏する効果と同様に、反射ミラーの動きが揺動軸線を中心とした揺動に制限され、光の走査方向を直線にすることが容易になる。
【００２５】
請求項５に記載の発明では、前記駆動部は一対の梁部に固定された圧電体で、その圧電体の一部は外枠部に固定される。圧電体が用いられるため、光スキャナの小型化が可能である。
【００２６】
請求項６の発明では、固定部が、揺動軸線を含み外枠部の厚み方向に平行な面内に位置し、揺動軸線に沿って伸びるように配置される。一対の梁部は、揺動軸線に対して対称に構成される。そのため、外枠部の一対の梁部に挟まれた場所は、基体が共振駆動をする際に揺動軸線の位置を節とした変形をすると考えられる。従って、揺動軸線に沿う固定部の配置によって前記した節の位置で基体と台座とが固定され、大きなミラー変位量と良いミラー変位量の安定性とが達成される。
【００２７】
請求項７に記載の発明では、空所部は台座に設けられた切欠きであり、固定部はその切欠きから延出する突起である。従って、台座を加工する際にその輪郭線を変化させるという単純な作業で空所部及び固定部を作成できる。
【００２８】
請求項８に記載の発明では、空所部は外枠部の台座に固定される側の面に設けられた凹型溝であり、固定部は凹型溝に設けられた肉厚箇所である。空所部及び固定部が基体側に設けられるので、一対の梁部と空所部及び固定部との位置関係が、基体と台座との貼り合わせ位置に依存せずに精度良く決まる。従って、基体と台座との貼り合わせ位置に左右されることなく、大きなミラー変位量と良いミラー変位量の安定性との両立を図ることができる。
【００２９】
請求項９に記載の発明では、固定部の少なくとも一部が、外枠部と一対の梁部とが連結された連結位置において一対の梁部に挟まれた外枠部の端部まで伸びている。これによって、後記する図５に示される様に、ミラー変位量が最も大きくなるとともにミラー変位量の安定性が最も良くなる。
【００３０】
光スキャナの共振周波数は、基体を加工する際における精度の問題などによりばらつきを生じる。請求項１０に記載の発明では、固定部は共振駆動の共振周波数を調整可能に構成されるので、このばらつきに関わらず所望の共振周波数を得ることができる。
【００３１】
請求項１１に記載の発明では、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の光スキャナを画像表示装置に用いる。振れ角の向上は、表示画面及び表示画素数の向上に繋がるので、より迫力があり精緻な画像を表示可能な画像表示装置を提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３２】
以下、図面を用いて本発明の実施形態について詳述する。
【００３３】
＜第１の実施形態＞
図１は、本発明第１の実施形態に係る光スキャナ１００の斜視図である。図１において、光スキャナ１００は、基体１１０と台座１２０とが分かれた状態で示される。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、基体１１０及び台座１２０の平面図である。ここで図中のｙ軸は光スキャナ１００の揺動軸線ＡｏＲ１に平行な方向、ｚ軸は基体１１０及び台座１２０の厚み方向に平行な方向、ｘ軸はｙ軸とｚ軸とに直交する方向である。光スキャナ１００は、基体１１０と台座１２０とを図１に示すｚ軸方向に接着することで構成される。以下、基体１１０と台座１２０との構成を説明する。尚、前記した基体１１０及び台座１２０が、本発明の基体及び台座の一例である。
【００３４】
[光スキャナ１００の構成]
基体１１０は、反射ミラー１１１，第１の弾性梁１１２，第２の弾性梁１１３及び外枠部１１４で構成される。また、基体１１０には、圧電素子１３０と、圧電素子１３０を駆動するための下部電極１３１及び上部電極１３２とが設けられる。平面視略円形に形成された反射ミラー１１１は、重心位置が揺動軸線ＡｏＲ１上に位置するように、基体１１０の中心に設けられる。ｙ軸に平行に伸長する第１の弾性梁１１２は、揺動軸線ＡｏＲ１を含むようにして反射ミラー１１１の両側に夫々連結される。第２の弾性梁１１３は、結合部１１３ａと、一対の梁部１１３ｂとで構成される。結合部１３３ａは、第１の弾性梁１１２に対して直交するように連結され、揺動軸線ＡｏＲ１に対して対称になるようにｘ軸に平行に伸長する。ｙ軸に平行に伸長する一対の梁部１１３ｂは、揺動軸線ＡｏＲ１を中心として対称になるように配置される。一対の梁部１１３ｂは、その一端が結合部１１３ａに対して直交するように連結され、その他端が外枠部１１４に対して直交するように連結される。外枠部１１４は、反射ミラー１１１、第１の弾性梁１１２及び第２の弾性梁１１３の周囲に、四角環状に配置される。即ち、外枠部１１４は、ｙ軸に平行な一対の辺と、ｘ軸に平行な一対の辺とで構成される。尚、前記した反射ミラー１１１，第１の弾性梁１１２，第２の弾性梁１１３，外枠部１１４，結合部１３３ａ，一対の梁部１１３ｂ及び圧電素子１３０が、本発明の反射ミラー，一対の第２の弾性梁，結合部，一対の梁部及び駆動部の一例である。
【００３５】
圧電素子１３０は、反射ミラー１１１，第１の弾性梁１１２及び第２の弾性梁１１３を共振駆動させるために、基体１１０に設けられる。具体的には、圧電素子１３０は、一対の梁部１１３ｂの上面から外枠部１１４に亘り形成された下部電極１３１の上に形成される。即ち、圧電素子１３０は、下部電極１３１を介して一対の梁部１１３ｂ及び外枠部１１４に固定される。圧電素子１３０の上面には、上部電極１３２が設けられる。下部電極１３１と上部電極１３２との間に電圧が周期的に印加されることにより、圧電素子１３０は分極してｙ軸方向に伸び縮みする。圧電素子１３０は下部電極１３１を介して一対の梁部１１３ｂ及び外枠部１１４に固定されているので、圧電素子１３０のｙ軸方向の伸縮は、一対の梁部１１３ｂのｚ軸方向の屈曲変位に変換される。即ち、圧電素子１３０は、ユニモルフとして働く。一対の梁部１１３ｂのｚ軸方向の屈曲変位は、結合部１１３ａを介して第１の弾性梁１１２及び反射ミラー１１１を揺動させるための回転トルクに変換される。
【００３６】
図２（ｂ）を用いて、台座１２０の構成を説明する。台座１２０は、ｘ軸方向及びｙ軸方向の長さが基体１１０と同じになるように形成される。台座１２０は、基体固定部１２１，切欠き１２２及び固定用突起１２３で構成される。基体固定部１２１は、基体１１０の外枠部１１４に固定されるためのもので、外枠部１１４と同様に四角環状の構造を有する。即ち、基体固定部１２１は、ｙ軸に平行な一対の辺と、ｘ軸に平行な一対の辺とで構成される。切欠き１２２は、基体固定部１２１のｘ軸に平行な一対の辺に設けられた、矩形状の切欠き箇所である。切欠き１２２は、揺動軸線ＡｏＲ１を含みｚ軸に平行な面を中心として対称になるように夫々設けられる。固定用突起１２３は、切欠き１２２からｙ軸に平行に延出する、凸状の突起箇所である。固定用突起１２３は、揺動軸線ＡｏＲ１を含みｚ軸に平行な面内に位置し、揺動軸線ＡｏＲ１に沿って伸びるように各々設けられる。具体的には、固定用突起１２３は、揺動軸線ＡｏＲ１を中心として対称になるように各々設けられる。尚、前記した切欠き１２２及び固定用突起１２３が、本発明の空所部及び固定部の一例である。
【００３７】
本実施形態の光スキャナ１００は、共振駆動されることによって入射した光を所定方向に走査する。具体的には、光スキャナ１００の共振周波数と合致する交流電圧が下部電極１３１と上部電極１３２との間に印加されることで、光スキャナ１００は共振駆動される。共振駆動の方法は、圧電素子１３０に印加される交流電圧の位相によって、同相駆動と異相駆動とに分けられる。同相駆動は、反射ミラー１１１を挟んで揺動軸線ＡｏＲ１に対して同じ側に位置する２つの圧電素子、例えば図２（ａ）における揺動軸線ＡｏＲ１よりもｘ軸正方向に位置する２つの圧電素子に同位相の交流電流が夫々印加されることで達成される。異相駆動は、揺動軸線ＡｏＲ１に対して線対称に位置する２つの圧電素子、例えば図２（ａ）における反射ミラー１１１よりもｙ軸正方向に位置する２つの圧電素子に逆相の交流電圧、即ち位相がπ／２ずれた交流電流が夫々印加されることで達成される。異相駆動は、反射ミラー１１１に対して点対称に存在する２つの圧電素子、例えば図２（ａ）における反射ミラー１１１の右上及び左下に位置する２つの圧電素子に逆相の交流電圧が印加されることで達成されても良い。
【００３８】
[光スキャナ１００の製造方法]
光スキャナ１１０の製造方法を以下説明する。まず、図３を用いて、基体１１０の製造方法を説明する。図３（ａ）は、反射ミラー１１１，第１の弾性梁１１２，第２の弾性梁１１３及び外枠部１１４が形成された基体１１０を示す。まず、厚さ約３０μｍ〜２００μｍの薄長矩形のシリコン基材上において、反射ミラー１１１，第１の弾性梁１１２，第２の弾性梁１１３及び外枠部１１４に対応する部分に、マスキングのためのレジスト膜が形成される。そして、レジスト膜が形成されたシリコン基材はエッチングされ、反射ミラー１１１，第１の弾性梁１１２，第２の弾性梁１１３及び外枠部１１４が形成される。最後に、レジスト膜が除去されることによって、基体１１０が製造される。
【００３９】
次に、圧電素子１３０，下部電極１３１及び上部電極１３２の製造方法を図３を用いて説明する。図３（ｂ）は基体１１０上に下部電極１３１が形成された状態を、図３（ｃ）はその下部電極１３１上に圧電素子１３０が形成された状態を、図３（ｄ）はその圧電素子１３０上に上部電極１３２が形成された状態を、それぞれ示す。下部電極１３１は、図３（ｂ）に示されるように、一対の梁部１１３ｂの上面から外枠部１１４に亘り白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等を０．２μｍ〜０．６μｍの厚さで堆積することで形成される。圧電素子１３０は、図３（ｃ）に示されるように、一対の梁部１１３ｂの上面から外枠部１１４に亘り、下部電極１３１上にＰＺＴ等の圧電素子を１μｍ〜３μｍの厚さで堆積することで形成される。上部電極１３２は、図３（ｄ）に示される様に、圧電素子１３０上に白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等を０．２μｍ〜０．６μｍの厚さで堆積することで形成される。尚、前記した下部電極１３１及び上部電極１３２はスパッタや蒸着等、圧電素子１３０はナノサイズの微粒子を吹付けることによって成膜を行うエアロゾルデポジション法（例えば、特開２００７−９１４１６号公報を参照）等、周知の製膜方法によって形成される。
【００４０】
台座１２０は、ガラス板をブラスト加工することで得られる。具体的には、基体固定部１２１，切欠き１２２及び固定用突起１２３が形成されるように矩形のガラス板に粒体を衝突させて加工を行うことで、台座１２０は形成される。
【００４１】
光スキャナ１１０は、基体１１０の外枠部１１４と台座１２０の基体固定部１２１とを接着や陽極接合等によって固定することで形成される。このとき、外枠部１１４と一対の梁部１１３ｂとの連結位置の周囲は、台座１２０に切欠き１２２が存在するため、基体固定部１２１に固定されない。しかし、切欠き１２２には固定用突起１２３が存在するので、一対の梁部１１３ｂの夫々から揺動軸線ＡｏＲ１に平行に伸びる延長線の間において、外枠部１１４と基体固定部１２１とは固定される。
【００４２】
[ミラー変位量及びその安定性の確認]
本実施形態においては、台座１２０に固定用突起１２３が設けられたことにより、大きなミラー変位量とミラー変位量の安定性との両立を図ることが可能になる。固定用突起１２３の形状とミラー変位量との関係を調べるために、実施形態シミュレーションが行なわれた。以下、図４及び図５を用いてこの実施形態シミュレーションの結果を説明する。
【００４３】
図４は、固定用突起１２３のｘ軸方向及びｙ軸方向の幅をどのように変化させたかを説明する図である。図４（ａ）〜図４（ｄ）において、一対の梁部１１３ｂのｘ軸方向の間隔はＤＳ１、固定用突起１２３のｘ軸方向の幅はＤＳ２、切欠き１２２のｙ軸方向の幅はＤＳ３、固定用突起１２３のｙ軸方向の幅はＤＳ４と表現される。ＤＳ２及びＤＳ４が変化することで、ミラー変位量の変化が調べられる。例えば、ＤＳ２がＤＳ１の５０％の幅で、ＤＳ４がＤＳ３の５０％の幅の場合、固定用突起１２３は図４（ａ）に示される形状となる。ＤＳ２とＤＳ１とが等しく、ＤＳ４がＤＳ３の５０％の幅の場合、固定用突起１２３は図４（ｂ）に示される形状となる。ＤＳ２がＤＳ１の５０％の幅で、ＤＳ４とＤＳ３とが等しい場合、固定用突起１２３は図４（ｃ）に示される形状となる。ＤＳ２とＤＳ１とが等しく、ＤＳ４とＤＳ３とが等しい場合、固定用突起１２３は図４（ｄ）に示される形状となる。尚、ＤＳ２とＤＳ１とが等しい状態とは、固定用突起１２３の少なくとも一部が、前記連結位置において一対の梁部１１３ｂに挟まれた外枠部１１４の端部まで伸びている状態を意味する。
【００４４】
図５は、ＤＳ３及びＤＳ４を変化させた場合に、ミラー変位量がどの様に変化するかという実施形態シミュレーションの結果を示す図である。横軸は、ＤＳ４とＤＳ３との比を示す。横軸が０％の場合は、固定用突起１２３が存在しない形状、即ち従来例の光スキャナ６００と同様の形状である。また、横軸が１００％の場合は、ＤＳ４とＤＳ３とが等しい場合である。縦軸は、ミラー変位量が従来例の光スキャナ６００に対して何％増加したかを示す。ＤＳ２がＤＳ１の５０％の幅の場合は、ｘと直線とを用いたＰＬＴ１として示される。ＤＳ２がＤＳ１の７５％の幅の場合は、黒塗り三角と直線とを用いたＰＬＴ２として示される。ＤＳ２とＤＳ１とが等しい場合は、黒塗り四角と直線とを用いたＰＬＴ３として示される。また、参考のために、図１２に示される従来例も点線を用いて示される。
【００４５】
図５において、ミラー変位量は、ＤＳ４とＤＳ３との比、即ち固定用突起１２３のｙ軸方向の幅が増加するに従い、単調増加する。ＤＳ４とＤＳ３との比が８０％を超える領域では、図５においてグラフの傾きが略平坦になっていることから分かるように、ミラー変位量はごく僅かに増加する。また、ＤＳ２とＤＳ１との比、即ち固定用突起１２３のｘ軸方向の幅を変化させた場合、ｘ軸方向の幅が大きい程ミラー変位量が大きくなる。図５から明らかなように、本実施形態の光スキャナ１００は、大きなミラー変位量を得られるとともに、ミラー変位量の安定性が良い。特に、ミラー変位量の安定性は、全般的に従来例に比べて良好であり、ＤＳ４とＤＳ３との比が８０％を超える領域において最良となる。
【００４６】
［画像表示装置１の説明］
本実施形態の光スキャナ１００を用いた、画像表示装置１の全体構成及び動作について説明する。図６に、第１の実施形態における画像表示装置１の全体構成を示す。画像表示装置１は、観察者の瞳孔５２に光束を入射させて網膜５４上に画像を投影することによって、観察者に虚像を視認させるための装置である。この装置は、網膜走査型ディスプレイともいわれる。
【００４７】
画像表示装置１は、光束生成手段２、光ファイバ１９、コリメート光学系２０、光スキャナ１００、第１のリレー光学系２２、垂直走査部２３、第２のリレー光学系２４を備える。光束生成手段２は、映像信号処理回路３、光源部３０、光合波部４０とで構成される。映像信号処理回路３は、外部から供給される映像信号に基づいて、画像を合成するための要素となるＢ信号、Ｇ信号、Ｒ信号、水平同期信号、垂直同期信号を発生する。
【００４８】
光源部３０は、Ｂレーザドライバ３１、Ｇレーザドライバ３２、Ｒレーザドライバ３３、Ｂレーザ３４、Ｇレーザ３５、Ｒレーザ３６を備える。Ｂレーザドライバ３１は、映像信号処理回路３からのＢ信号に応じた強度の青色の光束を発生させるように、Ｂレーザ３４を駆動する。Ｇレーザドライバ３２は、映像信号処理回路３からのＧ信号に応じた強度の緑色の光束を発生させるように、Ｇレーザ３５を駆動する。Ｒレーザドライバ３３は、映像信号処理回路３からのＲ信号に応じた強度の赤色の光束を発生させるように、Ｒレーザ３６を駆動する。Ｂレーザ３４，Ｇレーザ３５及びＲレーザ３６は、例えば半導体レーザや高調波発生機構付き固体レーザとして構成できる。尚、前記した光源部３０が、本発明の光源の一例である。
【００４９】
光合波部４０は、光源部３０から入射するレーザ光を平行光にコリメートするように設けられたコリメート光学系４１，４２，４３と、このコリメートされたレーザ光を合波するためのダイクロイックミラー４４，４５，４６と、合波されたレーザ光を光ファイバ１９に導く結合光学系４７とを備える。Ｂレーザ３４から出射した青色レーザ光は、コリメート光学系４１によって平行光化された後に、ダイクロイックミラー４４に入射する。Ｇレーザ３５から出射した緑色レーザ光は、コリメート光学系４２を経てダイクロイックミラー４５に入射する。Ｒレーザ３６から出射した赤色レーザ光は、コリメート光学系４３を経てダイクロイックミラー４６に入射する。ダイクロイックミラー４４，４５，４６にそれぞれ入射した３原色のレーザ光は、波長選択的に反射または透過されて１本の光束として合成され、集光光学系４７に達する。１本の光束として合成されたレーザ光は、集光光学系４７によって集光され、光ファイバ１９へ入射する。
【００５０】
水平走査ドライバ６１は、映像信号処理回路３からの水平同期信号に従って、光スキャナ１００を駆動する。垂直走査ドライバ６２は、映像信号処理回路３からの垂直同期信号に従って、垂直走査スキャナ２３を駆動する。レーザ光は、光スキャナ１００及び垂直走査スキャナ２３の走査によって、水平方向と垂直方向とに走査された光束として変換され、画像として投影可能な状態になる。具体的には、光ファイバ１９から出射したレーザ光は、コリメート光学系２０によって平行光に変換された後に、光スキャナ１００に導かれる。光スキャナ１００によって水平方向に走査されたレーザ光は、第１のリレー光学系２２を通過した後に、垂直走査スキャナ２３に平行光線として入射する。このとき、第１のリレー光学系２２によって、垂直走査スキャナ２３の位置に光学瞳が形成される。垂直走査スキャナ２３によって垂直方向に走査されたレーザ光は、第２のリレー光学系２４を通過した後に、観測者の瞳孔５２に平行光線として入射する。このとき、第２のリレー光学系２４によって、観測者の瞳孔５２と垂直走査スキャナ２３の位置にある光学瞳とが共役となる。尚、前記した第２のリレー光学系２４が、本発明の接眼光学系の一例である。
【００５１】
＜第２の実施形態＞
第１の実施形態において、ミラー変位量及びミラー変位量の安定性を図るための構成は、台座１２０に設けられた切欠き１２２及び固定用突起１２３である。一方、本実施形態において、ミラー変位量及びミラー変位量の安定性を図るための構成は、基体２１０の外枠部２１４に設けられた凹型溝２１５及び肉厚部２１６である。
【００５２】
図７は、本実施形態における光スキャナを構成する基体２１０及び台座２２０を示す図である。図７（ａ）は、基体２１０の平面図である。基体２１０は、反射ミラー２１１，第１の弾性梁２１２，第２の弾性梁２１３及び外枠部２１４で構成される。また、基体２１０には、圧電素子２３０と、圧電素子２３０を駆動するための下部電極２３１及び上部電極２３２とが設けられる。これらの構成は、図２（ａ）に示される第１実施形態の対応する構成と同一であるので、ここでは説明を省略する。
【００５３】
図７（ｂ）は、基体２１０の底面図である。本実施形態における基体２１０は、第１の実施形態における基体１１０と比較して、底面に凹型溝２１５及び肉厚部２１６を備える点で異なる。凹型溝２１５は、外枠部２１４の台座２２０に固定される側の面に設けられた、外枠部２１４の厚みよりも小さい深さの凹型の溝である。この凹型溝２１５は、エッチングで形成される。肉厚部２１６は、凹型溝２１５に設けられた、外枠部２１４と同じ厚みを有する箇所である。尚、前記した凹型溝２１５及び肉厚部２１６が、本発明の空所部及び固定部の一例である。
【００５４】
図７（ｃ）は、台座２２０の底面図である。台座２２０は、ｘ軸方向及びｙ軸方向の長さが基体２１０と同じになるように形成される。台座２２０は、基体２１０に固定されるための基体固定部２２１のみで構成され、第１の実施形態における台座１２０の様に切欠き等を備えない。
【００５５】
基体２１０が台座２２０に固定されたとき、外枠部２１４と第２の弾性梁２１３との連結位置の周囲は、基体２１０に凹型溝２１５が存在するため、基体固定部２２１に固定されない。しかし、凹型溝２１５には肉厚部２１６が存在するので、第２の弾性梁２１３の夫々から揺動軸線ＡｏＲ２に平行に伸びる延長線の間において、外枠部２１４と基体固定部２２１とは固定される。従って、本実施形態の基体２１０及び台座２２０で構成される光スキャナにおいても、第１の実施形態と同様に、大きなミラー変位量を得られるとともにミラー変位量の安定性が良いという効果が得られる。
【００５６】
＜変形例＞
前記した第１及び第２の実施形態において、基体１１０及び基体２１０はシリコン基材を加工することで得られる。しかし、シリコンに限らず、一般に半導体からなる半導体基材が用いられてもよい。さらに、この半導体基材に代えて、例えば、ステンレス鋼板からなる基材を採用してもよい。一般的には、シリコン基材に限ることなく、一枚の基材であればよい。
【００５７】
図５に示されるように、前記した第１の実施形態において固定用突起１２３のｘ軸方向及びｙ軸方向の幅の変化は、ミラー変位量を変化させた。固定用突起１２３のｘ軸方向及びｙ軸方向の幅の変化は、図８に示される様に、ミラー変位量のみならず光スキャナ１００の共振周波数も変化させる。図８は、ＤＳ３及びＤＳ４を変化させた場合に、第１の実施形態における光スキャナ１００の共振周波数がどの様に変化するかのシミュレーション結果を示す図である。横軸は図５と同一で、ＤＳ４とＤＳ３との比を示す。縦軸は、光スキャナ１００の共振周波数が、従来例の光スキャナ６００に対して何％増加したかを示す。図５と同様に、ＤＳ２とＤＳ１との比が５０％，７５％，１００％の場合、ｘと直線とを用いたＰＬＴ４，黒塗り三角と直線とを用いたＰＬＴ５，黒塗り四角と直線とを用いたＰＬＴ６としてそれぞれ示される。図８において、共振周波数は、ＤＳ４とＤＳ３との比、即ち固定用突起１２３のｙ軸方向の幅が増加するに従い、単調増加する。また、ＤＳ２とＤＳ１との比、即ち固定用突起１２３のｘ軸方向の幅を変化させた場合、ｘ軸方向の幅が大きい程ミラー変位量が大きくなる。従って、台座１２０の加工時において、固定用突起１２３のｘ軸方向の幅とｙ軸方向の幅との少なくとも一方を変化させることで、光スキャナ１００の共振周波数を調整することが可能になる。
【００５８】
第２の実施形態において、凹型溝２１５及び肉厚部２１６は、基体２１０に設けられる。しかし、台座２２０に凹型溝及び肉厚部が設けられても良い。
【００５９】
第１の実施形態の基体１１０において、反射ミラー１１１は、両側に連結された第１の弾性１１２梁及び第２の弾性梁１１３を介して外枠部１１４に連結される。そして、第２の弾性梁１１３は、一対の梁部１１３ｂと、その一対の梁部１１３ｂと第１の弾性梁１１２とを結合する結合部１１３ａと、で構成される。しかし、基体の形状は、他の形状であっても良い。その一例として、基体３１０を上から見た図９を用いて、基体３１０の形状を説明する。
【００６０】
基体３１０は、反射ミラー３１１，一対の梁部３１３ｂ及び外枠部１１４で構成される。また、基体３１０には、圧電素子３３０と、圧電素子３３０を駆動するための下部電極３３１及び上部電極３３２とが設けられる。基体３１０は、前記した実施形態の様に第１の弾性梁及び結合部を介することなく、反射ミラー３１１と外枠部１１４とが一対の梁部３１３ｂで連結される。基体３１０が、接着や陽極接合等によって図２（ｂ）に示される台座１２０に固定されることで、光スキャナが形成される。この光スキャナは、一対の梁部３１３ｂの夫々から揺動軸線ＡｏＲ１に平行に伸びる延長線の間において、外枠部３１４と基体固定部１２１とが固定されるため、光スキャナ１００と同様に、大きなミラー変位量を得られるとともに、ミラー変位量の安定性が良いという効果が得られる。尚、基体３１０は、図７（ａ）に示される基体２１０の様に、底面に凹型溝及び肉厚部が設けられてもよい。この場合、基体３１０が、接着や陽極接合等によって図７（ｃ）に示される台座２２０に固定されることで、光スキャナが形成される。
【００６１】
前記した基体１１０，２１０，３１０は、反射ミラーが両持支持される構造を有する。しかし、反射ミラーが一方側だけで支持される、特開平７−６５０９８号公報の図１に示されるような片持支持の構成であっても良い。要は、一対の梁部と外枠部との連結位置の周囲に空所部が設けられ、一対の梁部の夫々から揺動軸線に平行に伸びる延長線の間で、その空所部に固定部が設けられれば良い。
【００６２】
両実施形態及び図９に示す変形例では、反射ミラー１１１，２１１，３１１の両側が、同じ構造の梁の組み合わせにより支持される対称の構造であるが、反射ミラーの両側を異なる構造の梁の組み合わせにより支持される非対称の構造であっても良い。たとえば、反射ミラーの一方の側を支持するために、両実施形態で採用された第１及び第２の弾性梁が使用され、他方の側を支持するために、図９に示す一対の梁部が使用されても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】本発明の第１の実施形態に係る光スキャナ１００の斜視図。
【図２】基体１１０及び台座１２０の平面図。
【図３】基体１１０上に下部電極１３１，圧電素子１３０及び上部電極１３２を形成する過程を説明する図。
【図４】固定用突起１２３のｘ軸方向及びｙ軸方向の幅をどのように変化させたかを説明する図。
【図５】固定用突起１２３のサイズとミラー変位量との関係を示す図。
【図６】第１の実施形態における画像表示装置１の全体構成を示す図。
【図７】基体２１０の平面図及び底面図並びに台座２２０の平面図。
【図８】固定用突起１２３のサイズと光スキャナ１００の共振周波数との関係を示す図。
【図９】基体形状の変形例を示した図。
【図１０】特許文献１における従来の光スキャナの一例を示した図。
【図１１】特許文献２における従来の光スキャナの一例を示した図。
【図１２】従来の光スキャナの第２の弾性梁と外枠部との連結部分周囲の底面模式図。
【図１３】従来例シミュレーションの結果を示す図。
【符号の説明】
【００６４】
１  画像表示装置
２  光束生成手段
３  映像信号処理回路３
１９  光ファイバ
２０，４１，４２，４３  コリメート光学系
２２  第１のリレー光学系
２３  垂直走査スキャナ
２４  第２のリレー光学系
３０  光源部
３１  Ｂレーザドライバ
３２  Ｇレーザドライバ
３３  Ｂレーザドライバ
３４  Ｂレーザ
３５  Ｇレーザ
３５  Ｒレーザ
４０  光合波部
４４，４５，４６  ダイクロイックミラー
４７  集光光学系
５２  観察者の瞳孔
５４  観察者の網膜
６１  水平走査ドライバ
６２  垂直走査ドライバ
１００，５００，６００  光スキャナ
１１０，２１０，３１０，５１０，６１０  基体
１１１，２１１，３１１，５１１，６１１  反射ミラー
１１２，２１２，５１２，６１２  第１の弾性梁
１１３，２１３，５１３，６１３  第２の弾性梁
１１３ａ  結合部
１１３ｂ，３１３ｂ  一対の梁部
１１４，２１４，３１４，５１４，６１４  外枠部
１２０，２２０，５２０，６２０  台座
１２１，２２１，５２１，６２１  基体固定部
１２２，６２２  切欠き
１２３  固定用突起
１３０，２３０，３３０，５３０，６３０  圧電素子
１３１，２３１，３３１  下部電極
１３２，２３２，３３２  上部電極
２１５  凹型溝
２１６  肉厚部
ＡｏＲ１，ＡｏＲ２，ＡｏＲ３，ＡｏＲ５，ＡｏＲ６  揺動軸線
【図１】
2010085506.tif 000003
【図２】
2010085506.tif 000004
【図３】
2010085506.tif 000005
【図４】
2010085506.tif 000006
【図５】
2010085506.tif 000007
【図６】
2010085506.tif 000008
【図７】
2010085506.tif 000009
【図８】
2010085506.tif 000010
【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
2010085506.tif 000015