(57)【要約】【課題】所定の周波数範囲でミラー部の往復振動数を十分な精度で検出できる光偏向器を提供する。【解決手段】光偏向器１は、ミラー部２に結合しているトーションバー３と、トーションバー３を介してミラー部２を往復回転させる圧電アクチュエータ５と、トーションバー３と圧電アクチュエータ５とにまたがる領域に配置されて該領域の歪みを検出する圧電センサ６とを備える。圧電センサ６においてミラー部２と反対側の辺は、圧電アクチュエータ５のミラー部２側の縁５ａから反対側の縁５ｂまでの幅ｂ１の２０％以内の位置に設定される。圧電センサ６において、トーションバー３にまたがる部分の長さａ３は、トーションバー３の幅の半分ａ１より小さく、圧電アクチュエータ５にまたがる部分の長さａ４は、トーションバー３の幅の半分ａ１の２５％以下である。【選択図】図３
2014232179.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
支持体と、
表側において光を反射するミラー部と、
先端部が前記ミラー部に結合しているトーションバーと、
基端部が前記支持体に結合し、先端部が前記トーションバーに結合し、前記トーションバーをその軸線回りに往復回転させる圧電アクチュエータと、
前記トーションバーと前記圧電アクチュエータとにまたがった領域に配置され、該領域の歪みを検出する圧電センサとを備え、
前記領域は、前記トーションバーの軸線方向において、前記圧電アクチュエータの前記ミラー部側の端からその反対側の端までの長さ（ｂ２，ｄ２）が、前記トーションバーと前記圧電アクチュエータとの結合部の長さ（ｂ１，ｄ１）の２０％以下となるように設定され、
前記領域において、前記圧電センサの前記トーションバーにまたがる部分の長さ（ａ３，ｃ３）は、前記トーションバーの幅の半分（ａ１，ｃ１）より小さく、前記圧電センサの前記圧電アクチュエータにまたがる部分の長さ（ａ４，ｃ４）は、前記トーションバーの幅の半分（ａ１，ｃ１）の２５％以下であ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、
前記トーションバーは、その基端部で前記支持体に結合し、
前記圧電センサは、前記トーションバーの基端部に形成された信号線を介して前記支持体の配線に接続されていることを特徴とする光偏向器。
【請求項３】
請求項２記載の光偏向器において、
前記圧電アクチュエータの圧電膜と前記圧電センサの圧電膜との間、及び信号線と前記圧電アクチュエータの圧電センサとの間に、グランド線が形成され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、
前記圧電アクチュエータの圧電膜は、前記圧電アクチュエータの先端部側において前記圧電アクチュエータの長手方向に前記領域の範囲に延び出す部分を有してい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、支持体と、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しているトーションバーと、基端部において支持体に結合し、先端部においてトーションバーと結合し、トーションバーをその軸線回りに往復回転させる圧電アクチュエータと、ミラー部の回転角等を検出する圧電センサを備える（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、ミラー部の回転角等を検出する（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。
（ａ）圧電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。
（ｂ）圧電センサの信号線は、トーションバーのほぼ全長にわたって形成されているために、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。
（ｃ）圧電センサの面積が増大するために、圧電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。
【０００４】
一方、特許文献２の光偏向器では、圧電センサが、トーションバーの先端側ではなくトーションバーの基端側にある圧電アクチュエータ上に配置されている（特許文献２／図１６〜図１８）。これにより、特許文献１の光偏向器における上述の問題点（ａ）〜（ｃ）を解消することかできる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【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】
【０００６】
しかしながら、特許文献２の光偏向器には、次のような問題がある。まず、本発明者は、トーションバーの軸線方向において圧電アクチュエータの幅をほぼ５分割し、５つの分割区分についてトーションバーの基端に向かって順番に１〜５の番号を付け、各区分に１〜５番の圧電センサをそれぞれ配置して、各圧電センサの出力を調べた。その結果、ミラー部の共振周波数に対して、１，２番の圧電センサの出力ピークの周波数はほぼ一致するが、３〜５番の圧電センサの出力ピークの周波数は大きくずれていた。
【０００７】
上記特許文献２の光偏向器では、圧電センサは、圧電アクチュエータの幅全体に亘って配置されているので、圧電センサの出力は、１〜５番の圧電センサの出力を合計したものに相当する。そのため、精度の低い３〜５番の圧電センサの出力成分が含まれており、圧電センサの出力全体の精度は悪化していると認められる。
【０００８】
また、光偏向器をプロジェクタに装備する場合には、ミラー部を共振周波数以外の周波数で往復振動させる必要があるので、共振周波数を含む所定周波数範囲において共振周波数とは別の周波数でのミラー部の往復回転を十分な精度で検出する必要がある。
【０００９】
しかしながら、特許文献２の光偏向器における圧電センサでは、圧電アクチュエータの駆動電圧の位相を基準位相としたとき、基準位相に対する圧電センサの出力電圧の位相差が、基準位相に対するミラー部の往復振動の位相差から大きくずれており、そのずれ量はミラー部の往復振動の周波数に応じて変化することも分かった。このため、所定の周波数範囲内でミラー部の往復振動の周波数を十分な精度で検出することは難しい。
【００１０】
本発明の目的は、共振周波数を含む所定の周波数範囲でミラー部の往復振動数を十分な精度で検出できる光偏向器を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明の光偏向器は、支持体と、表側において光を反射するミラー部と、先端部が前記ミラー部に結合しているトーションバーと、基端部において前記支持体に結合し、先端部において前記トーションバーに結合し、前記トーションバーをその軸線回りに往復回転させる圧電アクチュエータと、前記トーションバーと前記圧電アクチュエータとにまたがった領域に配備され該領域の歪みを検出する圧電センサとを備え、前記領域は、前記トーションバーの軸線方向において、前記圧電アクチュエータの前記ミラー部側の端からその反対側の端までの長さ（ｂ２，ｄ２）が、前記トーションバーと前記圧電アクチュエータとの結合部の長さ（ｂ１，ｄ１）の２０％以下となるように設定され、前記領域において、前記圧電センサの前記トーションバーにまたがる部分の長さ（ａ３，ｃ３）は、前記トーションバーの幅の半分（ａ１，ｃ１）より小さく、前記圧電センサの前記圧電アクチュエータにまたがる部分の長さ（ａ４，ｃ４）は、前記トーションバーの幅の半分（ａ１，ｃ１）の２５％以下であることを特徴とする。
【００１２】
発明者は、圧電アクチュエータの先端部が結合したトーションバーの軸線方向において圧電アクチュエータの幅を、圧電アクチュエータのミラー部側の端からその反対側の端の方へ順番に２０：８：２６：１６：１６の比率で分割するととともに、その順番に分割区分に１〜５番の番号を付けて、それぞれ１〜５番の圧電センサを配置し、各圧電センサの出力を調べた。この結果、１番の圧電センサの出力が大きさ及び位相差のみが規準を満たす知見を得た。
【００１３】
発明者は、さらに、１番の分割区分について、所定の応力（例：６６ＭＰａ）について位相のずれがなく検出できる領域を調べた。その結果、トーションバーと圧電アクチュエータとの境から、圧電アクチュエータ側へ、トーションバーの幅の半分（ａ１，ｃ１）に対する２５％の長さの箇所まで位相差のずれがないことを確認した。
【００１４】
本発明によれば、圧電センサが歪みを検出する領域は、圧電アクチュエータのミラー部側の端からその反対側の端までの長さが、トーションバーと圧電アクチュエータとの結合部の長さの２０％以下となるように設定されているとともに、圧電センサにおいて圧電アクチュエータにまたがる部分の長さ（ａ４，ｃ４）は、前記トーションバーの幅の半分（ａ１，ｃ１）の２５％以下にされる。こうして、共振周波数を含む所定の周波数範囲でミラー部の往復振動数を十分な精度で検出することができる。
【００１５】
本発明において、前記トーションバーは、その基端部で前記支持体に結合し、前記圧電センサは、前記トーションバーの前記基端部に形成された信号線を介して前記支持体の配線に接続されていることが好ましい。
【００１６】
この構成によれば、圧電センサからの信号線が、圧電アクチュエータの圧電膜上に配線されないので、圧電アクチュエータの圧電膜の駆動電圧に起因するノイズが信号線に混入することを抑制することができる。
【００１７】
本発明において、グランド線が、前記圧電アクチュエータの圧電膜と前記圧電センサの圧電膜との間、及び信号線と前記圧電アクチュエータの圧電センサとの間に形成されていることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、グランド線が、ノイズを吸収し、信号線へのノイズの混入を抑制することができる。
【００１９】
本発明において、前記圧電アクチュエータの圧電膜は、前記圧電アクチュエータの先端部側において前記圧電アクチュエータの長手方向に前記領域の範囲に延び出す部分を有していることが好ましい。
【００２０】
この構成によれば、圧電アクチュエータの圧電膜が、先端側において圧電アクチュエータの長手方向へ圧電センサと重複する部分を有することにより、圧電アクチュエータによるトーションバーの往復回転駆動力を増大することができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】光偏向器を装備する光スキャナの構成図。
【図２】図１の直線状圧電アクチュエータの圧電センサの配置部位を含む範囲の拡大図。
【図３】図２の圧電センサについての寸法説明図。
【図４】図１の光偏向器の作動時の光偏向器の各部の応力分布を所定のソフトで解析した応力分布図。
【図５】圧電センサの最適位置を調べるための実験に利用した光偏向器の主要部構造図。
【図６】図５の各圧電センサに対する評価試験における出力特性図。
【図７】別の評価試験における各圧電センサの出力特性図。
【図８】図７の一部を抽出した出力特性図。
【図９】図６〜図８の実験結果に基づいて圧電センサのさらに適切な領域を探った実験に利用した光偏向器の主要部構造図。
【図１０】図９の圧電センサを圧電アクチュエータ側に延長したときの横寸法割合と圧電センサ１５１の位相差との関係を示す図。
【図１１】別の光偏向器を正面視で見た構造図。
【図１２】図１１の光偏向器において圧電センサの配置部位を含む範囲の拡大図。
【図１３】図１２の圧電センサについての寸法説明図。
【図１４】図１１の光偏向器の作動時の光偏向器の各部の応力分布を所定のソフトで解析した応力分布図。
【発明を実施するための形態】
【００２２】
図１を参照して、光偏向器１を装備する光スキャナ１００の構成を概略的に説明する。光スキャナ１００は、光偏向器１、レーザ光源９０及び制御部９５を内蔵する。
【００２３】
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。光スキャナ１００は、この走査光を利用して、所定のスクリーン（図示せず）に像を表示する。
【００２４】
制御部９５は、圧電センサ６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。具体的には、制御部９５は、直線状圧電アクチュエータ５，８の圧電膜の印加電圧を制御する。制御部９５は、さらに、レーザ光源９０のオン、オフや、場合によってはレーザ光源９０の輝度も制御する。
【００２５】
図１において光偏向器１を説明する便宜上、光偏向器１について、上下左右を定義する。光偏向器１について上下左右を言う場合は、図１の正面視で光偏向器１を見たときの上下左右であるとする。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。静止時のミラー部２のミラー面と対峙する方向視とは、正面視に対して方向が平行関係にあり、時計回りの回転角度は任意とする。
【００２６】
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を備える。ミラー部２は、矩形枠４の中心に配置される。左右のトーションバー３は、その軸線を円形のミラー部２の左右方向の直径に揃えて、ミラー部２の左右に配設される。トーションバー３は、先端部において、ミラー部２の周縁に結合し、基端部において矩形枠４の短辺の内周側面に結合している。
【００２７】
ミラー部２は、レーザ光源９０からの入射光９１を表側のミラー面（図示せず）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。
【００２８】
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の基端側の部位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の基端側の部位に先端側を結合している。
【００２９】
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との構造上の相違は、直線状圧電アクチュエータ５は、先端側に圧電センサ６を装備するのに対し、直線状圧電アクチュエータ８は圧電センサ６を装備しない点である。
【００３０】
直線状圧電アクチュエータ８は、全面で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、圧電センサ６を除く残りのアクチュエータ部分９において圧電アクチュエータとして機能する。圧電センサ６は、直線状圧電アクチュエータ５とトーションバー３との結合部にまたがって超えて、トーションバー３の領域まで延び出している。
【００３１】
直線状圧電アクチュエータ５は、ＭＥＭＳ技術により製作する際、直線状圧電アクチュエータ８として製作した後、圧電センサ６とアクチュエータ部分９との境界にエッチングにより分断溝を形成して、圧電センサ６の圧電膜とアクチュエータ部分９の圧電膜とを分断溝により分断することにより製作される。圧電センサ６の圧電膜は、直線状圧電アクチュエータ５の部分とトーションバー３の部分とを同時に作成される。
【００３２】
図２は、光偏向器１において、直線状圧電アクチュエータ５の圧電センサ６の配置部位を含む範囲の拡大図である。図２は光偏向器１の正面視で該範囲を示している。該正面視で直線状圧電アクチュエータ５は、ミラー部２の近い側及び遠い側の側縁として直線の内側縁５ａ及び外側縁５ｂを有する。
【００３３】
トーションバー３は、先端から基端の方へ順番に第１部分３ａ、第２部分３ｂ及び第３部分３ｃを有している。第２部分３ｂは、トーションバー３が、その軸線方向に直線状圧電アクチュエータ５及び８に結合している軸線方向部分である。第１部分３ａ及び第３部分３ｃは、トーションバー３においてそれぞれ第２部分３ｂに対して先端側及び基端側に位置する軸線方向部分である。
【００３４】
直線状圧電アクチュエータ８において、圧電膜は、直線状圧電アクチュエータ８の直線の端縁１１にほぼ達している。これに対し、直線状圧電アクチュエータ５のアクチュエータ部分９の圧電膜は、直線状圧電アクチュエータ５の先端側を区画線１２〜１４により区画されている。
【００３５】
区画線１２，１４は直線状圧電アクチュエータ５の幅方向に平行であり、区画線１３は直線状圧電アクチュエータ５の長手方向に平行となっている。区画線１４は、直線状圧電アクチュエータ５の先端側の端縁と重なり、区画線１２は区画線１４より区画線１３の長さだけ直線状圧電アクチュエータ５の基端側へ引きこまれている。直線状圧電アクチュエータ５の先端側の端縁は、トーションバー３と圧電センサ６との結合部に含まれる。
【００３６】
圧電センサ６は、トーションバー３と直線状圧電アクチュエータ５との結合部をまたがってトーションバー３及び直線状圧電アクチュエータ５に配設されている。圧電センサ６の直線状圧電アクチュエータ５側の部分は、区画線１２，１３により画成される矩形領域内に存在する。
【００３７】
アクチュエータ部分９の圧電膜は、直線状圧電アクチュエータ５の先端側では、直線状圧電アクチュエータ５の長手方向へ圧電センサ６の範囲と重なって、区画線１４の箇所まで延び出しているので、この分が圧電膜の面積の増大となり、直線状圧電アクチュエータ５の駆動力が増大する。
【００３８】
信号線１９は、第２部分３ｂ及び第３部分３ｃにおいてトーションバー３の軸線に沿って形成されている。信号線１９は、一端において、圧電センサ６のトーションバー３側の部分に接続され、他端において、矩形枠４の信号線２０に接続されている。信号線２０は、矩形枠４の図示していない電極へ接続されている。
【００３９】
グランド線２３は、直線状圧電アクチュエータ５、第２部分３ｂ及び第３部分３ｃに形成され、矩形枠４のグランド線２５に接続されている。グランド線２３は、直線状圧電アクチュエータ５において圧電センサ６と区画線１２，１３との間に形成され、第２部分３ｂにおいて区画線１４と信号線１９との間に形成されている。
【００４０】
グランド線２４は、第２部分３ｂ及び第３部分３ｃに形成され、矩形枠４のグランド線２６に接続されている。グランド線２４は、第２部分３ｂにおいて圧電センサ６及び信号線１９と直線状圧電アクチュエータ８の端縁１１との間に形成されている。
【００４１】
信号線１９は、アクチュエータ部分９の表面に配線されないので、アクチュエータ部分９の圧電膜の駆動電圧に起因するノイズが、信号線１９に混入することが抑制される。グランド線２３，２４は、圧電センサ６及び信号線１９を外側に対して静電シールドする機能を有し、外側からのノイズが圧電センサ６及び信号線１９に混入することが抑制される。
【００４２】
図３を参照して圧電センサ６の寸法について説明する。図３は、図２の光偏向器１の要部を時計回りに９０°回転して見た図である。図３において上方がミラー部２側、下方が矩形枠４側になっている。
【００４３】
図３の各部の寸法は、ミラー部２が静止状態にある時に、すなわち、中心の法線を真っ直ぐ前方に向けている時に、ミラー部２に対峙する方向視で光偏向器１を見た寸法で定義している。中心線３５は、該方向視でトーションバー３の軸線に重なっている。
【００４４】
図３における各寸法記号の意味は、次の通りである。
ａ１：トーションバー３の幅の半分の寸法
ａ２：トーションバー３の長さ方向の中心線３５に対して直交方向の圧電センサ６の長さ（ａ２＝ａ３＋ａ４）
ａ３：中心線３５に対して直交方向の圧電センサ６のトーションバー３側の部分の長さ
ａ４：中心線３５に対して直交方向の圧電センサ６の直線状圧電アクチュエータ５側部分の長さ
ｂ１：中心線３５の方向の第２部分３ｂの長さ（＝直線状圧電アクチュエータ５の幅＝トーションバー３と直線状圧電アクチュエータ５との結合部の長さ）
ｂ２：中心線３５の方向へ第１部分３ａと第２部分３ｂとの境界線から圧電センサ６の下辺（第３部分３ｃ側の辺）までの距離（ｂ２＝ｂ３＋ｂ４）
ｂ３：中心線３５の方向へ第１部分３ａと第２部分３ｂとの境界線から圧電センサ６の上辺（第１部分３ａ側の辺）までの距離
ｂ４：中心線３５の方向へ圧電センサ６の上辺と下辺との距離
ａ１〜ａ４は、０＜ａ３＜ａ１、０＜ａ４≦０．２５・ａ１の関係が成り立つように設定される。０＜ａ３＜ａ１は、圧電センサ６の中心線３５側の辺が、中心線３５に達していないことを意味する。ｂ１〜ｂ４は、０＜ｂ２≦０．２０・ｂ１の関係が成り立つように設定される。
【００４５】
図４は、光偏向器１の直線状圧電アクチュエータ５を直線状圧電アクチュエータ８に取り替えて、光偏向器１の作動時の光偏向器１の各部の応力分布を所定のソフトウエアで解析した応力分布図である。
【００４６】
実際の解析結果は、カラーで応力分布が表示されるのに対し、図４では、モノクロのために、トーションバー３の赤の領域Ｃｒ（高応力領域）と、ミラー部２の青の領域Ｃｂ（低応力領域）とが同一の濃さになって、分かり難くなっている。黄色の領域Ｃｙ（応力＝６６ＭＰａの領域）は、トーションバー３と直線状圧電アクチュエータ８との結合線から直線状圧電アクチュエータ８側へはａ１（図３）の２５％の長さに達している。
【００４７】
図５は、圧電センサ６の最適位置を調べるための実験に利用した光偏向器１０５の構造を示している。光偏向器１０５は、光偏向器１の一部構造を変形したものである。図５は、光偏向器１の変更部のみを示している。図５において、図２に示した同一構造の部分は、図２で用いた符号と同一の符号で指示し、説明は省略し、変更点の構造部分について、符号を追加して説明する。
【００４８】
直線状圧電アクチュエータ５は、先端側においてアクチュエータ部分９の先端側の区画線１０９を有している。直線状圧電アクチュエータ５において、区画線１０９より先端側がセンサ領域１１０とされる。
【００４９】
図５に係る実験では、直線状圧電アクチュエータ５の長さをＬと定義すると、センサ領域１１０の長さは、Ｌ／３以下に設定される。センサ領域１１０は、直線状圧電アクチュエータ５の幅方向に５等分され、５等分した区分に対しトーションバー３の先端側（図５の左側）から基端側（図５の右側）へ順番に１番〜５番の番号を付ける。
【００５０】
圧電センサ１１１〜１１５は、センサ領域１１０の１番〜５番の区分にそれぞれ形成され、１番〜５番の区分の歪みを検出する。以降、圧電センサ１１１〜１１５を適宜「センサＮｏ．１」〜「センサＮｏ．５」と呼ぶことにする。
【００５１】
図６を参照して、圧電センサ１１１〜１１５の出力についての評価試験結果を説明する。図６において、横軸はミラー部２の往復回転の周波数、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）及びセンサＮｏ．１〜Ｎｏ．５のセンサ出力（波高値：peak to peak）である。
【００５２】
Ｓｅ１〜Ｓｅ５は、センサＮｏ．１〜Ｎｏ．５の出力特性を示している。Ｍａ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。
【００５３】
図６によると、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の共振周波数となっている。センサＮｏ．１では、周波数は２５１３２Ｈｚで最大となり、出力は０．４Ｖｐｐ以上となる。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。
【００５４】
センサＮｏ．３では、周波数２５１３６Ｈｚ時にセンサ出力が最大となり、最大出力は、０．２５０Ｖであり、センサＮｏ．１よりも小さい。センサＮｏ．４では、周波数２５１３６Ｈｚ時にセンサ出力が最大の０．２８２Ｖとなった。センサＮｏ．５では、周波数２５１３６Ｈｚ時にセンサ出力が最大の０．１４３Ｖとなった。
【００５５】
以上の結果より、センサＮｏ．１，Ｎｏ．２は、ピーク出力の周波数が共振周波数に一致するとともに、共振周波数時に十分な出力を有する。これに対し、センサＮｏ．３〜Ｎｏ．５は、ピーク出力の周波数が共振周波数からずれるとともに、出力が不十分である。
【００５６】
図７及び図８を参照して、圧電センサ１１１〜１１５の出力についての別の評価試験結果を説明する。図７及び図８において、横軸はミラー部２の往復回転の周波数、縦軸は、センサＮｏ．１等の出力位相差及びミラー部２の機械半角である。
【００５７】
図７においてＲはミラー部２の共振周波数を示している。Ｓｅ１〜Ｓｅ５は、センサＮｏ．１〜Ｎｏ．５の出力の位相差特性を示している。Ｍｂは、ミラー部２の位相差特性を示している。Ｍａ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。図８は、図７からＳｅ１，Ｓｅ２，Ｍａ，Ｍｂのみを抽出したものである。
【００５８】
ここで位相差とは、直線状圧電アクチュエータ８の圧電膜に印加する駆動電圧の位相を基準位相として、基準位相に対するセンサＮｏ．１〜Ｎｏ．５の圧電センサの出力の位相差又はミラー部２の往復回転の位相差を意味する。図７において、ＭｂとＳｅ１とは、ほぼ重なっており、区別し難くなっている。
【００５９】
図７から、位相差に関しては、Ｓｅ１とＭｂとは、共振周波数Ｒを含む十分に広い周波数範囲においてほぼ同一であることが判明した。これに対し、Ｓｅ２とＭｂとは、共振周波数Ｒ以下の周波数範囲におけるずれが大きいことが判明した。
【００６０】
光スキャナ１００では、所定の像をスクリーンに描画するために、ミラー部２を共振周波数Ｒ以外の周波数で往復回転する必要があるので、光スキャナ１００における圧電センサとしては、センサＮｏ．１が優れていることが判明した。
【００６１】
光偏向器１の圧電センサ６（図１〜図３）の配備領域は、２番〜５番の区分を除外し、１番の区分のみを含む領域として設定されている。したがって、圧電センサ６の出力から高精度でミラー部２の往復振動の周波数及び位相差を検出することができる。
【００６２】
図９は、図６〜図８の実験結果に基づいて圧電センサのさらに適切な領域を探った実験に利用した光偏向器１４０の構造を示している。光偏向器１４０のトーションバー１４３、及び圧電アクチュエータ１４５，１４８は、光偏向器１のトーションバー３、及び直線状圧電アクチュエータ５，８に対応している。また、中心線１４１は、図３の中心線３５に対応している。
【００６３】
圧電アクチュエータ１４５の先端側に位置するトーションバー１４３の部分を中心線１４１の方向に５分割し、５分割した５つの区分に対し、ミラー部側（図９の上側）から順番に１〜５番の番号を付けた。各区分には、圧電センサ１５１〜１５５を配設し、圧電センサ１５１〜１５５に対して、１〜５番の番号を付けた。
【００６４】
図９において、「％」のついていない数値は、長さを示している。％付きの数値は、割合を示している。１〜５番の区分及び圧電センサの縦及び横を、中心線１４１の方向及び圧電アクチュエータ１４５の長手方向と定義する。１〜５番の区分の縦寸法は、８３，７４，１０７，６６，６６となっており、比率で示すと、２０：８：２６：１６：１６の割合となっている。
【００６５】
１番の圧電センサの横寸法は、１８６となっており、５つの圧電センサの横寸法は番号順に増大している。圧電アクチュエータ１４５のトーションバー３側の本来の端縁は、中心線１４１に平行になるが、実験では、図９のように、圧電アクチュエータ１４５のトーションバー３側の端縁は、本来の位置より引きこませている。したがって、図９の１〜５番の圧電センサは、ミラー部の中心に対する中心角を等しく設定されており、本来の光偏向器では、圧電アクチュエータの領域に入り込んでいることになる。
【００６６】
圧電センサ１５１〜１５５における出力試験においても、圧電センサ１１１〜１１５（図５）の場合と同様な図６〜図８の実験結果が得られた。
【００６７】
さらに、１番の圧電センサ１５１をトーションバー１４３と圧電アクチュエータ１４５との結合線を超えて圧電アクチュエータ１４５側にどれだけ延長できるか調べた。図１０は、横寸法割合（横軸）と、位相差のずれ（縦軸）との関係を示している。横寸法割合とは、トーションバー１４３の幅の半分の長さに対する、１番の圧電センサ１５１をトーションバー１４３と圧電アクチュエータ１４５との結合線を越えて圧電アクチュエータ１４５側に延長した長さの割合である。位相差ずれとは、圧電アクチュエータ１４５の駆動電圧の位相に対するミラー部の実際の振れ角の位相の差と、圧電アクチュエータ１４５の駆動電圧の位相に対する圧電センサ１５１の出力の位相の差との差分である。
【００６８】
図１０において、横寸法割合は、トーションバー１４３の幅の１／２をｅ１として、圧電センサ１５１がトーションバー１４３と圧電アクチュエータ１４５との結合線を越えて圧電アクチュエータ１４５側に延長した長さｅ４の割合（ｅ４／ｅ１の％）を示したものである。図１０より横寸法割合が２５％までは、縦軸の位相差が０°維持されることが判明した。
【００６９】
図１１は、別の光偏向器４１を正面視で見た構造図である。前述した光偏向器１に対して、この光偏向器４１の主な相違点は、円弧状圧電アクチュエータ４５が直線状でなく、半円環状になっていることである。
【００７０】
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、同一の半円環状であり、ミラー部４２の中心と２つのトーションバー４３の軸線５０（図１３）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４３の基端部に結合している。
【００７１】
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つある構造になっている。
【００７２】
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におけ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８との相違と同じく、円弧状圧電アクチュエータ４５は、圧電センサ４６を装備するのに対し、円弧状圧電アクチュエータ４８は、圧電センサ４６を装備しない点である。円弧状圧電アクチュエータ４８は、全面で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、圧電センサ４６を除く残りのアクチュエータ部分５５において圧電アクチュエータとして機能する。
【００７３】
各トーションバー４３は、第１部分４３ａ、第２部分４３ｂ及び第３部分４３ｃを有する。第２部分４３ｂは、トーションバー４３の軸線方向へ円弧状圧電アクチュエータ４５又は円弧状圧電アクチュエータ４８が結合するトーションバー４３の軸線方向部分である。第１部分４３ａ及び第３部分４３ｃは、トーションバー４３の軸方向へトーションバー４３に対してそれぞれ先端側及び基端側に存在するトーションバー４３の軸線方向部分である。
【００７４】
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、円弧状圧電アクチュエータ４５及び円弧状圧電アクチュエータ４８の外周側中点を４４の内周側の側縁に連結している。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っている。
【００７５】
図１２は、図１１の光偏向器４１において、圧電センサ４６の配置部位を含む範囲の拡大図である。図１２は光偏向器４１の正面視で該範囲を示している。該正面視で円弧状圧電アクチュエータ４５は内周側及び外周側に内周線５５ａ及び外周線５５ｂをもつ。円弧状圧電アクチュエータ４５は、正面視で半円環状であるので、内周線５５ａ及び外周線５５ｂは円周線である。
【００７６】
円弧状圧電アクチュエータ４８において、圧電膜は、円弧状圧電アクチュエータ４８の直線の端縁５１にほぼ達している。これに対し、圧電センサ４６のアクチュエータ部分５５の圧電膜は、圧電センサ４６の先端側を区画線５２〜５４により規定される。
【００７７】
区画線５２は、内周線５５ａの法線の向きで円弧状圧電アクチュエータ４５内に設定される。区画線５３は、内周線５５ａからの等距離を保持しつつ、内周線５５ａに沿って所定長さ延びている。区画線５４は、円弧状圧電アクチュエータ４５の直線の端縁と重なっている。
【００７８】
区画線５２は、区画線５４より区画線５３の長さだけ円弧状圧電アクチュエータ４５の基端側へ引きこまれている。円弧状圧電アクチュエータ４５の先端側の端縁は、トーションバー４３と圧電センサ４６との結合部に含まれる。
【００７９】
圧電センサ４６は、トーションバー４３と円弧状圧電アクチュエータ４５との結合部をまたがってトーションバー４３及び円弧状圧電アクチュエータ４５に延び出している。圧電センサ４６の円弧状圧電アクチュエータ４５側の部分は、区画線５２，５３により円弧状圧電アクチュエータ４５の基端側及び外周線５５ｂ側を画成される領域内に配設される。
【００８０】
信号線５９は、第２部分４３ｂ及び第３部分４３ｃにおいてトーションバー４３の軸線５０に沿って形成されている。信号線５９は、一端において、圧電センサ４６のトーションバー４３側の部分に接続され、他端において、矩形枠４４の信号線６０に接続されている。信号線６０は、矩形枠４４の図示していない電極へ接続されている。
【００８１】
グランド線６３は、円弧状圧電アクチュエータ４５、第２部分４３ｂ及び第３部分４３ｃに形成され、矩形枠４４のグランド線６５に接続されている。グランド線６３は、円弧状圧電アクチュエータ４５において圧電センサ４６と区画線５２及び区画線５３との間に形成され、第２部分４３ｂにおいて区画線５４と信号線５９との間に形成されている。
【００８２】
グランド線６４は、第２部分４３ｂ及び第３部分４３ｃに形成され、矩形枠４４のグランド線６６に接続されている。グランド線６４は、第２部分４３ｂにおいて圧電センサ４６及び信号線５９と円弧状圧電アクチュエータ４８の端縁５１との間に形成されている。
【００８３】
図１３を参照して、圧電センサ４６の寸法について説明する。図１３は、図１２の光偏向器４１についての正面視を時計回りに９０°回転した方向視で見ており、各記号が意味する寸法は、該方向視での寸法で定義している。該方向視では、図１３において上側がミラー部４２側、下側が矩形枠４４側になっている。軸線５０は、該方向視でトーションバー４３の軸線に重なっている。
【００８４】
図１３において、内周側延長線５６及び外周側延長線５７は、内周線４５ａ及び外周線５５ｂを同一の曲率で内周線４５ａ及び外周線４５ｂの端から延ばした延長線である。
【００８５】
図１３における各寸法記号の意味は、次の通りである。
ｃ１：トーションバー４３の幅の半分の寸法
ｃ２：圧電センサ４６の上辺（内周線５５ａ側の辺）の長さ
（ｃ２＝ｃ３＋ｃ４）
ｃ３：圧電センサ４６の上辺のうち、トーションバー４３側の部分の、内周側延長線５６に沿う長さ
ｃ４：圧電センサ４６の上辺のうち、円弧状圧電アクチュエータ４５側の部分の、内周線５５ａに沿う長さ
ｄ１：第２部分４３ｂの長さ
ｄ２：軸線５０の方向へ内周側延長線５６から圧電センサ４６の下辺（外周線５５ｂ側の辺）までの距離（ｄ２＝ｄ３＋ｄ４）
ｄ３：軸線５０の方向へ内周線５５ａと圧電センサ４６の上辺との距離
ｄ４：軸線５０の方向へ圧電センサ４６の上辺と下辺との距離
ｃ１〜ｃ４は、０＜ｃ３＜ｃ１、０＜ｃ４≦０．２５・ｃ２の関係が成り立つように設定される。０＜ｃ３＜ｃ１は、圧電センサ４６の中心線５８側の辺が中心線５８に達していないことを意味する。ｄ１〜ｄ４は、０＜ｄ２≦０．２０・ｄ１の関係が成り立つように設定される。
【００８６】
図１４は、光偏向器４１の円弧状圧電アクチュエータ４５を円弧状圧電アクチュエータ４８に取り替えて、光偏向器４１の作動時の光偏向器４１の各部の応力分布を所定のソフトで解析した応力分布図である。図１４の応力分布図から、図４の応力分布図のときと同様に、トーションバー４３と円弧状圧電アクチュエータ４８との結合部においてミラー部４２側の領域部分に十分に大きい応力が生じていることが理解される。
【００８７】
また、光偏向器４１に関して、光偏向器１についての図６〜図８の分析図は省略しているが、光偏向器４１についても、光偏向器１についての図６〜図８の分析と同様な分析結果が得られることは容易に理解される。
【００８８】
光偏向器４１の圧電センサ４６の配備領域は、円弧状圧電アクチュエータ４５について、光偏向器１の直線状圧電アクチュエータ５と同様な１番〜５番の区分を定義した場合に、２番〜５番の区分を除外し、１番の区分のみを含む領域として設定されている。この結果、圧電センサ４６の出力から高精度でミラー部４２の往復振動の周波数及び位相差を検出することができる。
【００８９】
本発明を実施形態について説明した。矩形枠４，４４は支持体の例である。直線状圧電アクチュエータ５及び円弧状圧電アクチュエータ４８は圧電アクチュエータの例である。信号線６０は、トーションバーの基端部に形成された信号線が接続される支持体の配線の一例である。
【００９０】
図３のａ１及び図１３のｃ１は、静止時のミラー部の表側に対峙する方向視で、トーションバーの幅の半分の長さの例である。
【００９１】
図３のｂ１及び図１３のｄ１は、トーションバーと圧電アクチュエータとの結合部について、トーションバーの軸線方向へ結合部の長さの例である。
【００９２】
実施形態では、圧電アクチュエータとして直線状圧電アクチュエータ５及び円弧状圧電アクチュエータ４５が説明されているが、本発明の圧電アクチュエータは直線及び円弧以外の形状であってもよい。
【００９３】
実施形態では、圧電センサ４６のトーションバー４３側の部分は、トーションバー４３と円弧状圧電アクチュエータ４５との結合部から内周側延長線５６に沿って延びているが、軸線５０に対して直角に延びていてもよい。
【００９４】
実施形態では、トーションバー３及びトーションバー４３は、基端部においてそれぞれ矩形枠４及び４４に結合しているが、矩形枠４及び４４に結合していなくてもよい。
【００９５】
実施形態では、光偏向器が装備される光スキャナ１００がプロジェクタに適用されるが、本発明の光偏向器が装備される光スキャナは、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザヘッドランプ、又はヘッドアップディスプレイ等にも適用可能である。
【符号の説明】
【００９６】
１，４１・・・光偏向器、２，４２・・・ミラー部、３，４３・・・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・・・圧電センサ、１９，６０・・・信号線、２３，２４，６３，６４・・・グランド線、４５・・・円弧状圧電アクチュエータ（圧電アクチュエータ）、４６・・・圧電センサ、４８・・・円弧状圧電アクチュエータ（圧電アクチュエータ）。
【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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