(57)【要約】【課題】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アクチュエータを形成し、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。【解決手段】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した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。
2008044470.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項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する光走査装置。
【請求項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。 
【請求項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。
【請求項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のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項５】
駆動源を、圧電膜、磁歪膜または永久磁石膜から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。
【請求項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。
【請求項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のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項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。
【請求項９】
ミラー部の重量と捻り梁のバ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。
【請求項１０】
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。
【発明の詳細な説明】
【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（トーションバー）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いる。この種の光スキャナとして、シリコンマイクロマシニ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ニ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１ａが形成され、この凹部１ａ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本のトーションバー３ａ、３ｂが両端方向に突出されており、これらトーションバー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、トーションバー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１ａ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、トーションバー３ａ、３ｂのパッド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ニ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ャナとして特開平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ー１の重心を位置させた構成となっている。
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】
【発明が解決しようとする課題】
【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ニ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ョンバー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、８ｂ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にパッド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く、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い。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、幅が細いため容易でなく、量産時の歩留まりに大きく影響するなどの問題点がった。【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１V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。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アクチュエータを形成し、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、１９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。
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。【００１２】
〔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。光走査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のミラー部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１V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が、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抑えることができる。【００１３】
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、ミラー部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を振動させることができる。
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ー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で発生された振動エネルギーは、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１０μｍ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１μｍ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以下である方がよい。【００１６】
〔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ｆ１、ｆ２が存在する。このときに二つの共振周波数ｆ１、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ャナー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が、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（Ｔ１）、基板厚み（Ｔ2）に対し、Ｗ／Ｔ１≦０．４または０．０５≦Ｔ2／Ｗ≦２の範囲にあることが必要で、Ｗ／Ｔ１≦０．２または０．１≦Ｔ2／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いては、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が、これに限ったものでなく、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−ゲル法などの従来の薄膜技術を用いて、エ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・支持した方がミラー部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の捻れ振幅を大きくすることができる。
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２１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く、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（「エ型形状」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５４°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。【００２０】
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１１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が、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がかからず、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２０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）の曲面形状をとった場合、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く、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い。【００２１】
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１３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、正確な光走査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２３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が捻り共振している時に振動の腹に近い振動振幅が大きい片持ち梁部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、光走査装置基板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が捻り共振している時に、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、かつなるべ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く、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。【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ウォブル（ビーム走査速度の安定性）を、エーエルティー株式会社製：ＭＥＭＳスキャナ計測システム［ＡＬＴ−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 と一桁小さく、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、走査ウォブルが、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が、本発明による光走査装置では、走査ウォブルが、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。【００２４】
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いる。
（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から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いる。
（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バ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いる。
（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】
【００２５】
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る。
（５）ミラー部の重量と捻り梁のバ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エ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。
（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により、ミラー部の走査振幅を減衰させることなく、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】
【００２６】
【図１】本発明の基本的事項を説明する概念図である。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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。
【図８】基板支持形態の３つの例を示したものである。
【図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。
【図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る。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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ーとして用いる場合の周波数特性を示す図である。
【図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。
【図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。
【図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。
【図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、シミュレーショ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。
【図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。
【図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】
【００２７】
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
２０    基板本体
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５０μｍ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２１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）からなる。
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０．５μｍ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エットにして基板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、ＰＺＴ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℃で１０分間熱処理した後、圧電膜１１の上面に上部電極１４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、構造の簡素化を図ることができる。【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２０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、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。【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１０μｍ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１μｍ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以下である方がよい。【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、高周波側か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ができる。
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（Ｔ１）、基板１０の厚み（Ｔ2）とした場合、Ｗ／Ｔ１≦０．２または０．１≦Ｔ2／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（Ｔ１）、基板１０の厚み（Ｔ2）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から電圧を印加できるように配線する。
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。【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ＰＺＴ膜の電気特性を示す。
2008044470.tif 000003
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。【００３７】
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ー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−ＭＥＭＳスキャナーの６００以上に比べ、１１０程度と低く、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く、光スキャナー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３０μｍ及び５０μｍのＳＵＳ基板上に膜厚１０のμｍの圧電膜をＡＤ法により直接形成した場合と、駆動源に積層アクチュ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μｍ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バネ定数を変化させ、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アクチュ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いる振動の波長（λ）の±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、ミラー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い。
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±１／６以下から±１／８以上にすることが好ましい。
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。【００４０】
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：５０μｍ
駆動源の圧電膜（ＰＺＴ４）の厚さ：１０μｍ
ミラー部のサイズ：１ｍｍ×１ｍｍ
捻れ梁部の幅：５０μｍ
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、シミュレーショ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）のみを変えている。駆動源（ＰＺＴ）のサイズは２ｍｍ×２ｍｍ×１０μｍ（厚さ）、基板（ＳＵＳ３０４）の厚さは、５０μｍ、 ミラー部のサイズは１ｍｍ×１ｍｍ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１ｍｍ、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１ｍｍ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）である。
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１ｍｍの光走査装置と、図２０（ｂ）のＣｕｔモデルの固定端部の幅１ｍｍ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。
ところが、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１ｍｍ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から７２５０Hzに増加し、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、７２７０Hzｋから７１５０Hzに減少し、走査角度も１８°から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バネ定数だけで決まるものでなく、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。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【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１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１９】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図１３】
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【図１８】
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【図２０】
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【国際調査報告】
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