(57)【要約】【課題】圧電式回転角センサをトーションバーの基端部側に配置する光偏向器において、圧電式回転角センサの出力の精度を向上させる。【解決手段】光偏向器１は、光を反射するミラー部２と、ミラー部２に先端部を結合したトーションバー３と、先端側及び基端側をそれぞれトーションバー３の基端部及び矩形枠４に結合しトーションバー３の基端部をトーションバー３の軸線回りに往復回転させる直線状圧電アクチュエータ５と、直線状圧電アクチュエータ５の先端部に配設されてトーションバー３の回転角を検出する圧電式回転角センサと、圧電式回転角センサの検出信号を導く信号線とを備える。圧電式回転角センサは、直線状圧電アクチュエータ５の幅方向において、圧電アクチュエータの内側端と、該内側端から圧電アクチュエータの外側端の方へ直線状圧電アクチュエータ５の幅Ｗの２／５離れた幅方向位置との間に配設される。【選択図】図１
2014056015.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一定の方向から入射する光を反射するミラー面を有するミラー部と、
前記ミラー部に先端部を結合したトーションバーと、
支持体と、
先端側を前記トーションバーの基端部に結合し基端側を前記支持体に結合して前記トーションバーの基端部を前記トーションバーの軸線回りに往復回転させる圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータの先端側範囲に配設されて前記トーションバーの回転角を検出する圧電式回転角センサと、
前記圧電式回転角センサの検出信号を導く信号線とを備え、
前記圧電アクチュエータのミラー部側及びその反対側をそれぞれ内側及び外側とし、前記圧電アクチュエータの内側及び外側を両側とする方向を幅方向として、前記圧電式回転角センサは、前記圧電アクチュエータの幅方向において、前記圧電アクチュエータの内側端と、該内側端から前記圧電アクチュエータの外側端の方へ前記圧電アクチュエータの幅Ｗの２／５離れた位置との間に配設されることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
請求項１記載の光偏向器において、
前記圧電式回転角センサは、前記圧電アクチュエータの先端側及び基端側を両側とする方向としての長さ方向において、前記圧電アクチュエータの先端と、該先端から基端の方へ前記圧電アクチュエータの長さＬの１／３離れた位置との間に長さをＬ／３未満にして配設されることを特徴とする光偏向器。
【請求項３】
請求項１又は２記載の光偏向器において、
前記支持体は環状枠として形成され、
前記トーションバーは、前記圧電アクチュエータとの結合部を越えて前記支持体の方へ延出して前記支持体に結合する延出部を有し、
前記信号線は、前記圧電式回転角センサと前記支持体との間において前記延出部上を延在していることを特徴とする光偏向器。
【請求項４】
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光偏向器において、
前記信号線の少なくとも一方の側において前記信号線に沿って延在するグランド線を備えることを特徴とする光偏向器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、圧電駆動方式の光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を利用して製作する圧電駆動方式の光偏向器が知られている。このような光偏向器は、光を反射するミラー部と、先端部においてミラー部に結合するトーションバーと、トーションバーの基端部に結合して該基端部をトーションバーの軸線の回りに往復回転させる圧電アクチュエータと、ミラー部の回転角を検出する圧電式回転角センサを備える（特許文献１，２）。
【０００３】
特許文献１の光偏向器では、圧電式回転角センサは、ミラー部の周縁部にミラー部と一体に形成されて、ミラー部と一体に往復回転し、ミラー部の回転角を検出する（特許文献１／図１）。このような光偏向器では、以下の問題点がある。
【０００４】
（ａ）圧電式回転角センサがミラー部と一体に往復回転するために、ミラー部の共振周波数が低下すること。
（ｂ）圧電式回転角センサの信号線は、トーションバーのほぼ全長にわたって延在するために、長大化し、これにより、ミラー部の共振周波数は、該信号線の配線面積、膜質及び材質からの影響を受け易くなり、設計値からのずれが増大すること。
（ｃ）圧電式回転角センサの面積が増大するために、圧電式回転角センサにおいて伸びる部分と縮む部分とが同時に出現して、全体としての検出出力が低下してしまうこと。
【０００５】
一方、特許文献２の光偏向器では、圧電式回転角センサが、トーションバーの先端側ではなく、基端側の圧電アクチュエータ上に配備されるので（特許文献２／図１６〜図１８）、特許文献１の光偏向器における上述の問題点（ａ）〜（ｃ）が解消される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−１５００５５号公報
【特許文献２】特開２０１０−１９７９９４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、特許文献２の光偏向器には次の問題点がある。まず、本発明者は、圧電アクチュエータのミラー部側からその反対側までの圧電アクチュエータの幅Ｗを５等分して、内側の端から外側の端の方へ順番に各分割区分に１〜５番の圧電式回転角センサを配置して、各圧電式回転角センサの出力を調べた。その結果、３〜５番の圧電式回転角センサは、出力の精度が不十分であることを突き止めた。
【０００８】
特許文献２の光偏向器では、圧電式回転角センサは、圧電アクチュエータの幅全体を占めているので、該圧電式回転角センサの出力は、発明者が出力を調べた１〜５番の圧電式回転角センサの出力の合計したものに相当し、３〜５番の出力精度の低い圧電式回転角センサの出力成分を含んでいることになる。したがって、特許文献２の圧電式回転角センサの出力全体の精度は悪化していると認められる。
【０００９】
本発明の目的は、圧電式回転角センサをトーションバーの基端部側に配置する光偏向器において、圧電式回転角センサの出力の精度を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
第１発明の光偏向器は、一定の方向から入射する光を反射するミラー面を有するミラー部と、前記ミラー部に先端部を結合したトーションバーと、支持体と、先端側を前記トーションバーの基端部に結合し基端側を前記支持体に結合して前記トーションバーの基端部を前記トーションバーの軸線回りに往復回転させる圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータの先端側範囲に配設されて前記トーションバーの回転角を検出する圧電式回転角センサと、前記圧電式回転角センサの検出信号を導く信号線とを備え、前記圧電アクチュエータのミラー部側及びその反対側をそれぞれ内側及び外側とし、前記圧電アクチュエータの内側及び外側を両側とする方向を幅方向として、前記圧電式回転角センサは、前記圧電アクチュエータの幅方向において、前記圧電アクチュエータの内側端と、該内側端から前記圧電アクチュエータの外側端の方へ前記圧電アクチュエータの幅Ｗの２／５離れた位置との間に配設されることを特徴とする。
【００１１】
第１発明によれば、圧電式回転角センサは、圧電アクチュエータにおいて内側端と、内側端から外側端の方へ幅Ｗの２／５離れた位置との間の幅方向範囲に配設されるので、圧電式回転角センサの出力からは、出力精度を悪化させている内側端から幅Ｗの２／５〜５／５離れた幅方向範囲の圧電式回転角センサの出力成分が排除される。この結果、圧電式回転角センサの出力の精度が向上する。
【００１２】
第２発明の光偏向器は、第１発明において、前記圧電式回転角センサは、前記圧電アクチュエータの先端側及び基端側を両側とする方向としての長さ方向において、前記圧電アクチュエータの先端と、該先端から基端の方へ前記圧電アクチュエータの長さＬの１／３離れた位置との間に長さをＬ／３未満にして配設されることを特徴とする。
【００１３】
第２発明によれば、圧電式回転角センサは、圧電アクチュエータの先端側及び基端側を両側とする長さ方向において、圧電アクチュエータの先端と、該先端から基端の方へ圧電アクチュエータの長さＬの１／３離れた位置との間に、長さをＬ／３未満にして配設される。これに対し、前述した特許文献２の光偏向器では、圧電式回転角センサの長さはＬ／２とされているので（引用文献２／図１７及び図１８）、トーションバーに対する圧電アクチュエータの駆動力が低下するという問題があるが、第２発明によれば、圧電式回転角センサの出力精度を確保しつつ、トーションバーに対する圧電アクチュエータの駆動力を確保することができる。
【００１４】
第３発明の光偏向器は、第１又は第２発明において、前記支持体は環状枠として形成され、前記トーションバーは、前記圧電アクチュエータとの結合部を越えて前記支持体の方へ延出して前記支持体に結合する延出部を有し、前記信号線は、前記圧電式回転角センサと前記支持体との間において前記延出部上を延在していることを特徴とする。
【００１５】
第３発明によれば、圧電式回転角センサの信号線は、トーションバーの延出部上を延在して支持体に至るので、圧電アクチュエータを長さ方向に延在するときに比して、配線距離を短くすることができる。
【００１６】
第４発明の光偏向器は、第１〜第３発明のいずれか１つの発明において、前記信号線の少なくとも一方の側において前記信号線に沿って延在するグランド線を備えることを特徴とする。
【００１７】
第４発明の光偏向器は、グランド線が信号線に対して電磁シールド効果を果たし、クロストークに因る信号線へのノイズ混入を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
【図１】光偏向器及びその関連要素の構成図。
【図２】直線状圧電アクチュエータ及びその周辺部の拡大図。
【図３】図２のIII−III線断面図。
【図４】図２のIV−IV線断面図。
【図５】図２のV−V線断面図。
【図６】図１の光偏向器についてシミュレーションにより求めた応力分布図。
【図７】図１の光偏向器の構造に基づく試作機で調べた各圧電式回転角センサの出力特性図。
【図８】圧電式回転角センサの面積を圧電アクチュエータ全体のほぼ１／３としたときの周波数と各圧電式回転角センサの出力との関係についての特性図。
【図９】別の光偏向器の正面図。
【図１０】図９の光偏向器における直線状圧電アクチュエータ及びその周辺部の拡大図。
【図１１】図１０のXI−XI線断面図。
【図１２】図９の光偏向器についてシミュレーションにより求めた応力分布図。
【図１３】図９の光偏向器の構造に基づく試作機で調べた各圧電式回転角センサの出力特性図。
【図１４】さらに別の光偏向器の正面図。
【図１５】図１４の光偏向器における圧電式回転角センサ関連の配線図。
【図１６】図１４の光偏向器についてシミュレーションにより求めた応力分布図。
【図１７】他の光偏向器の正面図。
【図１８】図１７の光偏向器における円弧状圧電アクチュエータ及びその周辺の拡大図。
【図１９】図１７の光偏向器についてシミュレーション試験における応力分布図。
【図２０】さらに他の光偏向器の正面図。
【発明を実施するための形態】
【００１９】
図１を参照して、光偏向器１の構成について説明する。光偏向器１は、ＭＥＭＳ技術を利用して製作される。光偏向器１は、一定の方向から入射する光としてレーザ光源９０からの入射光９１に対して、反射角度を一定の周波数で増減させることにより走査光としての反射光９２を出射する。
【００２０】
制御部９５は、光偏向器１からセンサ類領域７の検出信号を含む各種入力信号を受けて、入力信号に基づいて直線状圧電アクチュエータ５，８を制御する。制御部９５は、さらに、レーザ光源９０のオンとオフ、及び場合によってはレーザ光源９０の光量も制御し、これにより、走査光の配向パターンを調整することもできる。光偏向器１、レーザ光源９０及び制御部９５を含む部分は、光スキャナとして、例えば、プロジェクタ、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザヘッドアンプ、又はヘッドアップディスプレイ等に装備される。
【００２１】
説明の便宜上、光偏向器１について、上下左右を定義する。光偏向器１の上下左右を、図１の光偏向器１の正面視における上下左右とする。なお、光偏向器１について説明の便宜上定義した上下左右は、光偏向器１の現実の使用における上下左右を規定するものではない。光偏向器１は、また、現実の使用において、垂直（鉛直）に立てて使用されることに制限されない。光偏向器１は、現実の使用において、水平面や垂直面に対して傾斜して使用されてもよい。
【００２２】
光偏向器１は、ミラー部２、２つのトーションバー３、矩形枠４、１つの直線状圧電アクチュエータ５、及び３つの直線状圧電アクチュエータ８を備え、円形のミラー部２は、光偏向器１の中心に配置され、レーザ光源９０からの入射光９１を表側のミラー面に受け、トーションバー３の軸線の回りの回転角に応じた向きに反射光９２を出射する。なお、トーションバー３の軸線は、ミラー部２の回転軸線でもある。２つのトーションバー３は、それらの軸線がミラー部２の同一の直径上となるようにして、ミラー部２の左右両側から先端部をミラー部２の周縁に結合している。
【００２３】
ミラー部２の右側において、直線状圧電アクチュエータ５，８は、右側のトーションバー３の基端部の上下にそれぞれ配設され、トーションバー３の基端部に先端側を結合している。ミラー部２の左側において、２つの直線状圧電アクチュエータ８は、左側のトーションバー３の基端部の上下にそれぞれ配設され、トーションバー３の基端部に先端側を結合している。
【００２４】
直線状圧電アクチュエータ５と直線状圧電アクチュエータ８との構造上の相違点は、直線状圧電アクチュエータ５は非アクチュエータ部６を有するのに対し、直線状圧電アクチュエータ８は非アクチュエータ部６を有しない点である。直線状圧電アクチュエータ８は、表面側（ミラー部２のミラー面の有る側）全面が圧電アクチュエータとして機能するのに対し、直線状圧電アクチュエータ５は、その先端側範囲を占める非アクチュエータ部６がセンサ類領域７とされ、非アクチュエータ部６では、圧電アクチュエータとしての機能が喪失され、代わりに圧電センサとして機能することである。
【００２５】
矩形枠４は、本発明の環状枠の支持体に相当し、ミラー部２、トーションバー３、直線状圧電アクチュエータ５，８を外側から包囲する。直線状圧電アクチュエータ５，８の基端部は、矩形枠４の上辺部分又は下辺部分に結合する。
【００２６】
図２〜図５を参照して、直線状圧電アクチュエータ５及びその周辺部の構造について説明する。説明の便宜上、直線状圧電アクチュエータ５について長さ方向、幅方向及び厚さ方向を定義する。直線状圧電アクチュエータ５のミラー部２側及びその反対側をそれぞれ内側及び外側とし、内側及び外側を両側とする方向を直線状圧電アクチュエータ５の幅方向とする。
【００２７】
さらに、直線状圧電アクチュエータ５の先端側と基端側とを結ぶ方向を直線状圧電アクチュエータ５の長さ方向とする。直線状圧電アクチュエータ５の長さ方向及び幅方向は、図２の紙面における上下方向及び左右方向に一致する。直線状圧電アクチュエータ５の長さ方向及び幅方向の両方向に対する直角方向を直線状圧電アクチュエータ５の厚さ方向と定義する。直線状圧電アクチュエータ５の厚さ方向は、光偏向器１をＭＥＭＳ技術により製作したときの各層の積層方向に一致する。
【００２８】
ここで、直線状圧電アクチュエータ５の長さ（先端−基端間の寸法）をＬaと定義し、直線状圧電アクチュエータ５の幅（内側端−外側端間の寸法）をＷaと定義する。
【００２９】
最初に、図２において、非アクチュエータ部６は、直線状圧電アクチュエータ５の先端部を占める。非アクチュエータ部６は、長さ方向において、直線状圧電アクチュエータ５の先端と、該先端から基端の方へＬa／３離れた位置との間にあって、長さをＬa／３未満にされている。
【００３０】
直線状圧電アクチュエータ５を幅方向に５等分割したときの各区分幅がＷa／５である各区分に対し直線状圧電アクチュエータ５の内側から順番に番号１〜５を付ける。素子部１０１〜１０５は、非アクチュエータ部６において番号１〜５の区分にそれぞれ配置される。導線部１１１〜１１５は、直線状圧電アクチュエータ５における非アクチュエータ部６以外の表面において番号１〜５の区分を延在し、一端においてそれぞれ素子部１０１〜１０５に接続され、他端において直線状圧電アクチュエータ５の基端に達し、さらに、矩形枠４又はその他の支持枠（図示せず）の対応電極パッド（図示せず）に接続されている。
【００３１】
なお、厳密には、Ｗaは、直線状圧電アクチュエータ５において圧電アクチュエータとして機能する部分の幅であり（後述の図４において最下層のＳｉの幅ではなく、下部電極層のＰｔの層を含む該層より上の層の幅）、直線状圧電アクチュエータ５の幅よりは少し狭くなる。
【００３２】
後述の図７及び図８において、理由を説明するように、素子部１０１〜１０５のうち圧電式回転角センサとして選択されるのは素子部１０１か素子部１０２となる。また、クロストーク防止上、グランド部は片側だけでなく、両側に配設される方が好ましいので、素子部１０２が圧電式回転角センサとして選択される。したがって、素子部１０１，１０３〜１０５はグランド部となる。なお、本発明は、圧電式回転角センサとして素子部１０１を選択することを除外していない。
【００３３】
図２のIII−III線断面図としての図３では、（ａ）及び（ｂ）の２つの構造例が示されている。（ａ）は圧電アクチュエータの機能層をそのまま残してセンサ類領域７を形成したときの構造、（ｂ）は圧電アクチュエータの機能層の内、ミラー部２として利用する部分（素子部１０２の幅部分）のみを残して、その他は除去したセンサ類領域７を形成したときの構造を示している。
【００３４】
図３（ａ）の構造を先に説明する。直線状圧電アクチュエータ５は、下層から上層へ順番に、支持体としてのＳi（ケイ素：４０ｕｍ），酸化膜としてのＳiＯ2（二酸化ケイ素：５００ｎｍ）、下部電極密着層としてのＴi（チタン：５０ｎｍ。Ｔｉに代えてＴｉＯxでも可）、下部電極層としてのＰｔ（プラチナ：１５０ｎｍ）、圧電素子層のＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛：３ｕｍ）、上部電極層としてのＰｔ（プラチナ：１５０ｎｍ）、層間絶縁膜密着層としてのＴｉ（チタン：５０ｎｍ）)、層間絶縁膜としてのＳｉＯ2（二酸化ケイ素：５００ｎｍ）の各層を有する。
【００３５】
素子部１０１〜１０５は、Ａｌ（アルミニウム：５００ｎｍ）又はＡｕ（金：５００ｎｍ）から成り、上側の層間絶縁膜としてのＳｉＯ2の層に穿設されたコンタクトホールを介して、ＳｉＯ2の層の下の層間絶縁膜密着層としてのＴｉの層に接触している。
【００３６】
素子部１０１〜１０５は、構造が同一であるが、素子部１０１，１０３〜１０５は、導線部１１１，１１３〜１１５を介してグランドに接続され、素子部１０２のみが導線部１１２を介して制御部９５の入力端子へ接続される。この結果、素子部１０２のみが圧電式回転角センサとして機能する。
【００３７】
図３（ｂ）の構造について説明する。図３（ａ）と同一の構造部分は、説明を省略し、図３（ｂ）の構造の相違点についてのみ説明する。図３（ｂ）では、非アクチュエータ部６において番号１，３〜５の区分では、圧電アクチュエータ機能部分としてのＰＺＴ、ＰＴ、Ｔｉ及びＳｉＯ2が除去されている。そして、素子部１０１，１０３〜１０５は、下部電極層としてのＰｔの上に積層される。
【００３８】
図２のIV−IV線断面図としての図４において、導線部１１１〜１１５は、素子部１０１〜１０５と同様に、Ａｌ（アルミニウム：５００ｎｍ）又はＡｕ（金：５００ｎｍ）から成り、上側の層間絶縁膜としてのＳｉＯ2の表面上に形成される。
【００３９】
図３（ｂ）の構造の方が図３（ａ）の構造より製造は簡単となるが、図３（ａ）の構造のように、下部電極のＰｔ電極が露出面積の小さい方が層間絶縁膜のＳｉＯ2と下部電極のＰｔ電極との密着性を高くすることができる。
【００４０】
図２のV−V線断面図としての図５において、破線Ｈはトーションバー３と直線状圧電アクチュエータ５又は直線状圧電アクチュエータ８との境界線を示している。非アクチュエータ部６と本体側（非アクチュエータ部６を除外した直線状圧電アクチュエータ５の部分）との境界には、分断溝１２が形成されている。
【００４１】
分断溝１２は、上層から順番に上部電極層のＰｔ、圧電素子層のＰＺＴ及び下部電極層のＰｔの３層を非アクチュエータ部６側と本体側とを分断している。分断溝１２には、その側壁及び底壁を這うように、Ａｌの層が接続線として計５本形成されている。この５本の接続線は、非アクチュエータ部６側の素子部１０１〜１０５のＡｌ層と本体側の導線部１１１〜１１５のＡｌ層とを相互に接続する。
【００４２】
図６を参照して、図１の光偏向器１における応力分布について説明する。図６の応力分布図は、所定のシミュレーションソフトを使って、算出、出力したものである。なお、図６の解析では、直線状圧電アクチュエータ５は装備せず、直線状圧電アクチュエータ５の箇所も直線状圧電アクチュエータ８を装備したシミュレーションモデルを採用している。
【００４３】
図６から、直線状圧電アクチュエータ８において先端部（トーションバー３との結合部）近辺に応力が集中していること、及び直線状圧電アクチュエータ８において先端側ほど大きな応力が生じていることが分かる。センサ類領域７（図１）は、図６における直線状圧電アクチュエータ８の応力集中領域に位置している。
【００４４】
センサ類領域７の圧電センサ（圧電式回転角センサ）は、直線状圧電アクチュエータ５がトーションバー３をその軸線回りに往復回転させることに起因する応力が生じる部位に配設されて、該部位の応力を検出している。ミラー部２の回転角と、直線状圧電アクチュエータ５がトーションバー３をその軸線回りに往復回転させることに起因する応力とは対応関係があるので、センサ類領域７の圧電センサ（圧電式回転角センサ）は、該応力を検出することによりミラー部２の回転角を検出することができる。
【００４５】
該応力は、直線状圧電アクチュエータ５によるトーションバー３の軸線回りの回転力に対応し、該回転力は、トーションバー３の軸線回りの回転角に対応し、トーションバー３の軸線回りの回転角は、ミラー部２の中心を通る左右方向軸線回りの回転角に対応する。したがって、センサ類領域７の圧電センサは、トーションバー３の軸線回りの回転角を介してミラー部２の中心を通る左右方向軸線回りの回転角を検出することになる。
【００４６】
図７を参照して、光偏向器１の構造に基づいて実際に作製した試作機について評価試験結果を説明する。図７において、横軸はミラー部２の往復回動の周波数、縦軸はミラー部２の機械半角（往復振動回転角の半分の値）及び圧電式回転角センサの出力の波高値である。Ｓｅ１〜Ｓｅ５は、図２の素子部１０１〜１０５を１つの圧電センサ（以下、適宜、センサＮｏ．１〜Ｎｏ．５と称する）として使用したときの波高値の出力特性を示している。Ｓｅａは、Ｓｅ１〜Ｓｅ５の波高値を合計した出力特性である。Ｓｅｍは、ミラー部２について実際の機械半角と振動数との関係特性である。
【００４７】
図７から、ミラー部２の機械半角は、周波数２５１３２Ｈｚ時に最大となり、当該周波数がミラー部２の共振周波数であることが判明する。一方、センサＮｏ．１では、周波数は２５１３２Ｈｚで最大となり、出力は０．３５６Ｖｐｐが得られた。また、この時のノイズレベルを周波数２００３２Ｈｚ時に値を確認したところ、０．０４９８Ｖであり、Ｓ／Ｎ比を算出すると、０．３５６／０．０３７４=９．５となる。これにより、共振周波数±１００Ｈｚ範囲内で９．５倍のＳ／Ｎ比があることが確認することができた。センサＮｏ．２でも、周波数２５１３２Ｈｚで最大となったが、出力は、０．２３５Ｖｐｐとなり、センサＮｏ．１よりも劣ることが分かった。
【００４８】
また、センサＮｏ．３では、周波数２５１３６Ｈｚ時にセンサ出力が最大となり、センサ出力も０．２５０ＶとセンサＮｏ．１よりも小さい。センサＮｏ．４でも、周波数２５１３６Ｈｚ時にセンサ出力が最大の０．２８２Ｖとなり、該最大出力もセンサＮｏ．１よりも小さいことが分かった。また、センサＮｏ．５でも、周波数２５１３６Ｈｚ時にセンサ出力が最大の０．１４３Ｖとなり、該最大出力もセンサＮｏ．１よりも小さいことが分かった。
【００４９】
以上の結果より、図６で計算したシミュレーション結果は、実際のセンサモデルでも実証されることが分かった。特にミラーに近い側のセンサＮｏ．１は、出力が最大となり、かつ共振周波数のピーク位置にもずれが生じないので、この位置が最も有効なセンサ位置であることが証明された。ただし、センサＮｏ．２も出力としては十分に使用できるレベルにあるので、センサ位置は、Ｎｏ．１若しくはＮｏ．２のどちらかが製品としては制御可能な信号水準になっている。
【００５０】
図８は、特許文献２のように、圧電センサの面積が、直線状圧電アクチュエータ５の全体の圧電センサ面積のほぼ３分の１となるときの該圧電センサの出力を疑似的に調べた出力特性図である。センサＮｏ．１〜Ｎｏ．５の長さをＬ／３未満とし、それらの出力の合計は、直線状圧電アクチュエータ５の全体の圧電センサ面積がほぼ３分の１である圧電センサの出力の疑似値と判断することができる。図８において、縦軸及び横軸、並びにＳｅ１〜Ｓｅ５，Ｓｅａ，Ｓｅｍは、図７のそれらと同一に定義する。
【００５１】
図８より、センサＮｏ．１〜Ｎｏ．５の出力（Ｓｅ１〜Ｓｅ５の出力）を合計すると（Ｓｅａの出力）、単純な圧電センサ出力は増大するが、センサＮｏ．３〜Ｎｏ．５のように、実際の共振周波数を再現できていない出力成分を合計出力が含まれてしまうことになるので、共振周波数のピーク位置にずれが３Ｈｚ生じることが分かる。このような構成では、実際の回転角の変化に十分に忠実な圧電センサ出力の再現ができないので、センサＮｏ．１，Ｎｏ．２の出力に比較すると、検知信号としての機能は不十分であることが推測される。
【００５２】
なお、センサＮｏ．１〜Ｎｏ．５の長さを短縮するときには、素子部１０１〜１０５の一端はトーションバー３との結合端に固定し、他端の位置は長さに応じて可変とし、他端を一端の方へ近づけるようにして、長さを短縮させる。素子部１０１〜１０５の圧電センサは、他端側より、トーションバー３に近い一端側の方の部位ほど出力成分が大きいからである。また、素子部１０１〜１０５は、長さが短くなるほど、出力が低下するので、許容値以上の最小出力を確保するために、素子部１０１〜１０５はＬ／６（＝Ｌ／３×１／２）以上が好ましい。
【００５３】
以上の知見を踏まえて、光偏向器では、圧電式回転角センサとしては、（ａ）素子部１０１のみを使用するか、（ｂ）素子部１０２のみを使用するか、（ｃ）素子部１０１と素子部１０２との２つの素子部（このときは２つの素子部の出力を加算する）を使用するか、又は（ｄ）該２つの素子部を一体化した１つの素子部を使用するかし、他はグランド素子とする。
【００５４】
しかし、クロストーク防止上の観点からは、圧電式回転角センサ及びその導線の片側だけよりも、両側に静電シールドとしてのグランド素子やグランド線を配置することが好ましい。したがって、光偏向器１では、上記（ａ）〜（ｄ）のうちの（ｂ）を採用し、素子部１０２のみを圧電式回転角センサとして他はグランド素子とする構成とした。また、この結果、導線部１１１，１１３〜１１５はグランド線として機能し、導線部１１２は信号線として機能する。
【００５５】
図９は別の光偏向器３１の正面図である。光偏向器３１において、光偏向器１（図１）の要素に対応する要素については、光偏向器１の要素に付けた符号により指示し、説明は省略する。
【００５６】
光偏向器３１では、光偏向器１のトーションバー３に代えて、トーションバー３ｂが採用されている。トーションバー３ｂとトーションバー３との相違点は、トーションバー３ｂは基端部側に延出部３３を有している点である。延出部３３は、トーションバー３ｂが非アクチュエータ部６又は直線状圧電アクチュエータ８との結合部を越えて、矩形枠４の方へ延出する部分である。延出部３３は、矩形枠４の左右の枠部分に結合している。
【００５７】
光偏向器１において、矩形枠４が、ミラー部２を１つの直線状圧電アクチュエータ５の基端部と３つの直線状圧電アクチュエータ８の基端部との計４つで支持する構造を４点支持とするならば、光偏向器３１において、矩形枠４が、ミラー部２を２つのトーションバー３ｂの基端部と１つの直線状圧電アクチュエータ５の基端部と３つの直線状圧電アクチュエータ８の基端部との計６つで支持する構造は６点支持となり、ミラー部２の支持は、６点支持の方が４点支持より安定化する。
【００５８】
図１０を参照して、光偏向器３１における非アクチュエータ部６近辺の構造について説明する。光偏向器３１では、導線部１２１〜１２５が、光偏向器１の導線部１１１〜１１５（図２）に代えて、配設される。導線部１２１〜１２５は、延出部３３の表面側を延在し、一端側においてそれぞれ素子部１０１〜１０５に接続され、他端側は矩形枠４に到達している。導線部１２１〜１２５の長さは、導線部１１１〜１１５に比して十分に短くなる。
【００５９】
また、導線部１１１〜１１５（特に信号線としての導線部１１２）は、直線状圧電アクチュエータ５の圧電アクチュエータ層の直上、すなわち圧電アクチュエータ層に接近して延在するので、クロストークに起因するノイズが増大する。これに対し、導線部１２１〜１２５（特に信号線としての導線部１２２）は、直線状圧電アクチュエータ５の圧電アクチュエータ層から一定距離、離れた延出部３３上を延在するので、クロストークに起因するノイズが減少する。
【００６０】
図１０のXI−XI線断面図としての図１１において、素子部１０１〜１０５（図１１では直線状圧電アクチュエータ５の幅方向中心の素子部１０３のみ図示）の最上層のＡｌと、導線部１２１〜１２５のＡｌとは、下部電極密着層としてのＴiから起立するＡｌによって相互に接続されている。
【００６１】
図１２を参照して、図１０の光偏向器３１における応力分布について説明する。図１２の応力分布図は、前述の図６の応力分布図の場合と同様に、所定のシミュレーションソフトを使って、算出、出力したものである。なお、図１２の解析においても、直線状圧電アクチュエータ５は装備せず、直線状圧電アクチュエータ５の箇所も直線状圧電アクチュエータ８を装備したシミュレーションモデルを採用している。
【００６２】
６点支持の光偏向器３１における図１２の応力分布図と前述の４点支持の光偏向器１における図６の応力分布図とを対比すると、６点支持では、４点支持に比して、応力分布範囲がやや拡大することが確認できる。
【００６３】
図１３を参照して、６点支持構造の光偏向器３１を実際に作製した試作機について評価試験結果を説明する。圧電センサの出力を確認したところ、Ｓ／Ｎ比が向上していることが分かった。センサNo．１の出力レベルは０．４２７Ｖまで向上し、ノイズレベルは、２００３２Ｈｚ時で０．０４４０Ｖと直線状圧電アクチュエータ５の圧電アクチュエータ層上を引き回したとき（図２）よりも低減していることが分かった。
【００６４】
実際にＳ／Ｎ比を算出してみると、Ｓ／Ｎ=９．７となり、４点支持の光偏向器１よりも０．２ポイントノイズの抑制が改善されていることが分かった。これは、光偏向器１のようにセンサ配線を直線状圧電アクチュエータ５の圧電アクチュエータ層上に引き回さないようにした点と、支持点が２箇所増加したことによる圧電センサ上への応力分布が変化したことが寄与したと、考えられる。
【００６５】
図１４は別の光偏向器４１の主要部の正面図である。光偏向器４１においてミラー部４２、トーションバー４３及び支持体としての矩形枠４４は、光偏向器１のミラー部２、トーションバー３及び矩形枠４にそれぞれ対応し、それらと同一の構造となっている。円弧状圧電アクチュエータ４５，４８は、同一の半円弧状であり、ミラー部４２の中心と２つのトーションバー４３の軸線とを含む直線に対して線対称に配置されて、両端部をトーションバー３の基端部に結合している。
【００６６】
なお、円弧状圧電アクチュエータ４５，４８では、両端部が先端部となっており、中点部が基端部になっている。すなわち、円弧状圧電アクチュエータ４５，４８には、先端部が２つあり、基端部が１つある。
【００６７】
円弧状圧電アクチュエータ４５と円弧状圧電アクチュエータ４８との構造上の相違点は、光偏向器１の直線状圧電アクチュエータ５と直線状圧電アクチュエータ８との相違と同じく、円弧状圧電アクチュエータ４５は非アクチュエータ部４６及びセンサ類領域４７を有しているのに対し、円弧状圧電アクチュエータ４８は非アクチュエータ部４６を有しない点である。円弧状圧電アクチュエータ４８は、表面側全面が圧電アクチュエータとして機能するのに対し、円弧状圧電アクチュエータ４５は、非アクチュエータ部４６の基端において分断溝（図示せず。図５の分断溝１２に対応）が形成され、分断溝より円弧状圧電アクチュエータ４５の本体から分離された非アクチュエータ部４６の圧電層は、圧電アクチュエータではなく、圧電センサとして機能するようになっている。
【００６８】
１対の連結部４９は、ミラー部４２に対してそれぞれ上側及び下側に配置される。この結果、トーションバー４３及び連結部４９は、ミラー部４２の周方向へ９０°間隔で交互に配置される関係になる。
【００６９】
図１５を参照して、円弧状圧電アクチュエータ４５及びその周辺部の構造について説明する。円弧状圧電アクチュエータ４５についても、直線状圧電アクチュエータ５のときと同様、ミラー部４２側及びその反対側をそれぞれ内側及び外側として、内側及び外側を両側とする方向を幅方向と定義する。なお、円弧状圧電アクチュエータ４５のミラー部４２側及びその反対側は円弧状圧電アクチュエータ４５の内周側及び外周側でもある。
【００７０】
また、円弧状圧電アクチュエータ４５の幅をＷbと定義し、円弧状圧電アクチュエータ４５の先端から基端までの中心角９０°の円弧上の中心線に沿う長さをＬbと定義する。なお、幅Ｗbは、ミラー部４２の中心を通り、矩形枠４４の表面に対して直角の平面により円弧状圧電アクチュエータ４５を切ったときの断面における円弧状圧電アクチュエータ４５の内周端−外周端間の寸法となり、この円弧状圧電アクチュエータ４５では長手方向位置に関係なく均一である。
【００７１】
非アクチュエータ部４６は、円弧状圧電アクチュエータ４５の先端部を占め、非アクチュエータ部４６の基端側（連結部４９側）の境界線は、円弧状圧電アクチュエータ４５の先端から円弧状圧電アクチュエータ４５の基端の方へＬb／３未満でかつＬb／６以上に設定される。円弧状圧電アクチュエータ４５を幅方向に５等分して得られる幅がＷb／５の各区分を円弧状圧電アクチュエータ４５の内側から順番に番号１〜５を付ける。素子部１３１〜１３５は、非アクチュエータ部４６において番号１〜５の区分にそれぞれ配置される。
【００７２】
導線部１４１〜１４５は、円弧状圧電アクチュエータ４５の圧電アクチュエータ層の表面において、番号１〜５の区分を延在し、一端においてそれぞれ素子部１３１〜１３５に接続され、他端において円弧状圧電アクチュエータ４５の基端（連結部４９との結合端）に達し、さらに、矩形枠４４又はその他の支持枠（図示せず）の対応電極パッド（図示せず）に接続されている。
【００７３】
図１６を参照して、図１４の光偏向器４１における応力分布について説明する。図１６の応力分布図は、図６のときと同様に、所定のシミュレーションソフトを使って、算出、出力したものである。なお、図１６の解析では、円弧状圧電アクチュエータ４５は装備せず、円弧状圧電アクチュエータ４５の箇所も円弧状圧電アクチュエータ４８を装備したシミュレーションモデルを採用している。
【００７４】
図１６の応力分布図から、円弧状圧電アクチュエータ４８においてトーションバー４３との結合部近辺に応力が集中していること、及び円弧状圧電アクチュエータ４８においてトーションバー４３の先端側ほど大きな応力が生じていることが分かる。非アクチュエータ部４６は、図１６における円弧状圧電アクチュエータ４８の応力集中領域に位置している。
【００７５】
図１７は別の光偏向器６１の正面図である。光偏向器６１において、光偏向器４１（図１５）の要素に対応する要素については、光偏向器４１の要素に付けた符号により指示し、説明は省略する。
【００７６】
光偏向器６１では、光偏向器４１のトーションバー４３及び円弧状圧電アクチュエータ４５に代えて、トーションバー４３ｂ及び円弧状圧電アクチュエータ４５ｂが採用されている。トーションバー４３ｂとトーションバー４３との相違点は、トーションバー４３ｂは基端部側に延出部６３を有している点である。延出部６３は、トーションバー４３ｂが円弧状圧電アクチュエータ４８又は円弧状圧電アクチュエータ４８との結合部を越えて、矩形枠４４の方へ延出する部分である。延出部６３は、矩形枠４の左右の枠部分に結合している。円弧状圧電アクチュエータ４５と円弧状圧電アクチュエータ４５ｂとの相違点は、図１８で説明する。
【００７７】
光偏向器４１において、矩形枠４４が、ミラー部４２を含む内周側部品を２つの連結部４９により支持する構造を２点支持とするならば、光偏向器６１において、矩形枠４４が、ミラー部４２を含む内周側部品を２つの連結部４９及び２つの延出部６３の計４つで支持する構造は４点支持となる。矩形枠４４による支持は、２点支持の光偏向器４１より４点支持の光偏向器６１の方が安定化する。
【００７８】
図１８を参照して、光偏向器６１における非アクチュエータ部４６近辺の構造について説明する。円弧状圧電アクチュエータ４５ｂは、円弧状圧電アクチュエータ４５（図１５）と異なり、素子部１３１〜１３５からの導線としての導線１５１〜１５５が、円弧状圧電アクチュエータ４５ｂ上を延在せず、延出部６３上に延在する。導線１５１〜１５５は、延出部６３上に配設されて、一端側においてそれぞれ素子部１３１〜１３５に接続され、他端側は矩形枠４４に到達している。導線１５１〜１５５の長さは、素子部１３１〜１３５の長さに比して十分に短くなる。
【００７９】
図１９を参照して、図１７の光偏向器６１における応力分布について説明する。図１９の応力分布図は、前述の図６の応力分布図の場合と同様に、所定のシミュレーションソフトを使って、算出、出力したものである。なお、図１９の解析では、円弧状圧電アクチュエータ４５ｂは装備せず、円弧状圧電アクチュエータ４５ｂの箇所も円弧状圧電アクチュエータ４８を装備したシミュレーションモデルを採用している。
【００８０】
４点支持の光偏向器６１における図１９の応力分布図と前述の２点支持の光偏向器４１における図１６の応力分布図とを対比すると、４点支持では、２点支持に比して、応力分布範囲がやや拡大することが確認できる。
【００８１】
図２０は別の光偏向器６１ｃの正面図である。光偏向器６１ｃにおいて、光偏向器６１（図１７）の要素に対応する要素については、光偏向器６１ｃの要素に付けた符号により指示し、説明は省略する。
【００８２】
前述の図１７の光偏向器６１と図２０の光偏向器６１ｃとの相違点は、光偏向器６１では円弧状圧電アクチュエータ４５ｂと円弧状圧電アクチュエータ４８とを１つずつ使用していたのに対し、光偏向器６１ｃでは２つの円弧状圧電アクチュエータ４５ｃを使用することである。これにより、光偏向器６１ｃは、ミラー部４２の中心に対して点対称の構造となる。
【００８３】
円弧状圧電アクチュエータ４５ｃは、円弧状圧電アクチュエータ４５ｂ（図１７）とは符号が異なるのみであり、構造は同一である。したがって、導線１５１〜１５５（図１８）は、光偏向器６１ｃでは各延出部６３に配設される。また、圧電式回転角センサとしての素子部１３２（図１８）は、各円弧状圧電アクチュエータ４５ｃに装備されて、光偏向器６１ｃ全体では、２つとなり、２つの素子部１３２からの出力は制御部９５において加算される。
【００８４】
光偏向器６１に対する光偏向器６１ｃの利点は、素子部１３２が２つ存在していて、２つの素子部１３２の出力の加算値からトーションバー４３ｃの回転角を取得する結果、圧電センサからの実質的な検出信号をほぼ２倍にすることができることである。また、光偏向器６１ｃは、同一構造の円弧状圧電アクチュエータ４５ｃを点対称に配置した構造となるので、駆動電圧に対するＰＺＴの発生トルクが均等化され、圧電アクチュエータの動作が安定化されることも期待できる。
【００８５】
以上、実施形態について本発明を説明したが、本発明は、実施形態に限定されることなく、要旨の範囲内の種々の形態で実施することができる。
【００８６】
例えば、光偏向器１等では、ミラー部２を２つのトーションバー３により回転駆動することになっているが、ミラー部２の支持構造を片持ち式、すなわちミラー部２を１つのトーションバー３により回転駆動する光偏向器にも本発明を適用することができる。
【００８７】
実施形態のミラー部２は円形となっているが、本発明のミラー部は正方形や矩形であってもよい。
【符号の説明】
【００８８】
１，３１，４１，６１・・・光偏向器、２，４２・・・ミラー部、３，４３，４３ｂ，４３ｃ・・・トーションバー、４，４４・・・矩形枠（支持体）、５・・・直線状圧電アクチュエータ（圧電アクチュエータ）、６，４６・・・非アクチュエータ部、３３，６３・・・延出部、４５・・・円弧状圧電アクチュエータ（圧電アクチュエータ）、９１・・・入射光、９２・・・反射光、１０１〜１０５，１３１〜１３５・・・素子部、１１１〜１１５，１２１〜１２５，１４１〜１４５・・・導線部（信号線、グランド線）。
【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１３】
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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１８】
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【図１９】
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【図２０】
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