(57)【要約】  本発明は、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光走査装置において、装置の小型化・静音化、ミラー部の振動振幅の調整を図ることを目的とする。  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、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し、基板本体の一部に駆動源を設けるとともに、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、基板本体と片持ち梁部を合わせたフレーム部に複数の穴を設ける。
2010095587.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、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し、基板本体の一部に駆動源を設けるとともに、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、基板本体及び片持ち梁部に複数の穴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、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し、基板本体の一部に駆動源を設けるとともに、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、基板本体と片持ち梁部を合わせたフレーム部の振動モードの節又は腹の近傍に複数の穴を設けることを特徴とする光走査装置。
【請求項３】
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、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し、基板本体の一部に駆動源を設けるとともに、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、基板本体に複数の穴を設けることを特徴とする光走査装置。
【請求項４】
前記複数の穴は、角穴形状であることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項５】
前記複数の穴は、基板本体及び片持ち梁部の厚み方向について、厚みの中心部分で穴が小さくなるように厚み方向にテーパー状に形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載の光走査装置。
【請求項６】
前記複数の穴は、基板本体の駆動源を設ける部分を除いて設けることを特徴とする請求項１ないし５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。【０００３】
例えば、特許文献１（特開平１１−５２２７８号公報）には、図１９に示されたシリコンマイクロミラーを有する光スキャナが開示されている（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。
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。
そして、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は反時計方向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、特許文献２（特開平１０−１９７８１９号公報）には、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が記載されている（以下「従来技術２」という。）。
この光スキャナは、図２０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、特許文献３（特開平１０−１０４５４３号公報）には、図２１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（以下「従来技術３」という。）に記載されている。【０００６】
しかしながら、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あった。
図２２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２３に、図２２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。【０００９】
そこで、上記従来技術１ないし３における問題点の改善策として、本件出願人は、先に、特許文献４（国際公開ＷＯ２００８／０４４４７０号公報）に示された光走査装置（以下「従来技術４」という。）を提案している。この光走査装置は、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、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ようにしたものであり、また、本発明はこの従来技術４を元に改良したものであって、ミラー部における捻れ振動の発生原理などの基本的事項については従来技術４と共通であるので、以下に、従来技術４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詳しく説明する。【００１０】
［ミラー部における捻れ振動の発生原理］
従来技術４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。【００１１】
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、従来技術４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、従来技術４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、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に示す従来技術４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に示す従来技術４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、従来技術４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】
従来技術４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、従来技術４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】
以上の従来技術４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）の走査ジッタが、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、従来技術４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。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２４】
【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
【特許文献４】国際公開ＷＯ２００８／０４４４７０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２５】
本出願人が先に提案した従来技術４によって、簡単な構成で小型化、低コストが図れたものの、本発明の解決しようとする課題は、従来技術４を改良して、さらなる小型化を図り、とりわけ、基板本体の支持部材からの突出長さを短くすること、および、振動により装置から発生する騒音を低減して静音化を図ることである。
【課題を解決するための手段】
【００２６】
上記課題を解決するために、本発明は、基板本体に複数の穴を設けることにより、基板本体の支持部材からの突出長さを短くし、基板本体の振動により発生する騒音を低減して静音化できるようにしたものであって、本発明は、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、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し、基板本体の一部に駆動源を設けるとともに、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、基板本体及び片持ち梁部に複数の穴を設けることを特徴とする。
また、本発明は、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、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し、基板本体の一部に駆動源を設けるとともに、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、基板本体と片持ち梁部を合わせたフレーム部の振動モードの節又は腹の近傍に複数の穴を設けることを特徴とする。
また、本発明は、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、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し、基板本体の一部に駆動源を設けるとともに、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、基板本体に複数の穴を設けることを特徴とする。
また、本発明は、上記光走査装置において、さらに、複数の穴は、丸穴又は角穴形状であることを特徴とする。
また、本発明は、上記光走査装置において、さらに、複数の穴は、基板本体及び片持ち梁部の厚み方向について、厚みの中心部分で穴が小さくなるように厚み方向にテーパー状に形成されていることを特徴とする。
また、本発明は、上記光走査装置において、さらに、複数の穴は、基板本体の駆動源を設ける部分を除いて設けることを特徴とする。
【発明の効果】
【００２７】
本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）本発明の光走査装置は、基板本体及び片持ち梁部に複数の穴を設けることにより、基板本体の支持部材からの突出長さを短くすることができ、小型化が図れる。
（２）本発明の光走査装置は、基板本体及び片持ち梁部に複数の穴を設けることにより、基板本体の振動による騒音を低減することができ、静音化が図れる。また、穴形状、開口率等を工夫すれば、一層の静音化が図れる。
（３）本発明の光走査装置は、基板本体と片持ち梁部を合わせたフレーム部に複数の穴を開けることにより、ミラー部の振動振幅（走査角度）、共振周波数を調整できる。
【図面の簡単な説明】
【００２８】
【図１】光走査装置の基本的事項を説明する概念図である。
【図２】光走査装置の振動発生原理を説明するための概念図である。
【図３】光走査装置の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】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】光走査装置の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】本発明の一実施例であって、基板本体及び片持梁部に０．３ｍｍ角の角穴を、穴と穴の間隔０．２ｍｍで有する実施例１を示す平面図である。
【図１３】比較例１を示す図である。
【図１４】本発明の他の実施例２であって、基板本体の圧電体を形成する部分には穴を有しない変形例を示す平面図である。
【図１５】本発明の他の実施例３であって、フレーム部の振動モードの節の近傍に穴を有する例を示した平面図である。
【図１６】本発明の他の実施例４であって、フレーム部の振動モードの腹の近傍に穴を有する例を示した平面図である。
【図１７】比較例２を示す図である。
【図１８】本発明の他の実施例５であって、基板本体に穴を有する例を示した平面図である。
【図１９】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２０】従来技術２を示す斜視図である。
【図２１】従来技術３を示す平面図である。
【図２２】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２３】図２２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。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
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】
【００３０】
［実施例１］
図１２は、本発明の一実施例である光走査装置（実施例１）を示す平面図である。
図１２において、基板は、厚さ１５０μｍ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、捻れ梁部及びミラー部を残して中抜きされた形状に作製されている。基板は、基板本体及び基板本体の一側の両側から平行に張り出した片持ち梁部からなる。ミラー部を支持する捻れ梁部は、２本の片持ち梁部の軸方向に対し直交する方向に設けられている。
片持ち梁部の長さと幅は、長さ６ｍｍ、幅３ｍｍであり、捻れ梁部の長さと幅は、長さ６ｍｍ、幅０．２５ｍｍである。ミラー部のサイズは１．５×５ｍｍ楕円形である。穴あき構造に関しては、基板本体と２本の片持ち梁部の全体に０．３ｍｍ角の穴を開け、穴と穴の間隔は０．２ｍｍである。基板本体の幅は１９．５ｍｍであり、圧電体ＰＺＴのサイズは４ｍｍ角である。【００３１】
［比較例１］
図１３は、比較例１を示した平面図であって、基板本体と２本の片持ち梁部に穴の開いてない構造で、穴が開いていないこと以外は実施例１の上記寸法と同じ寸法である。【００３２】
上記実施例１と比較例１とを比較する。
実施例１の穴あきの光走査装置は、共振周波数２．５５８ｋＨｚで、駆動電圧６５Ｖで走査角度は９２度である。また、捻れ梁部から支持部材までの距離は１２ｍｍである。デジタル騒音計（ＳＤ−３２５）で測定した音圧４２ｄＢである。
比較例１の穴の開いてない光走査装置は、共振周波数２．６１６ｋＨｚで、駆動電圧７５Ｖで走査角度は９３度である。また、捻れ梁部から支持部材までの距離は１８ｍｍである。デジタル騒音計（ＳＤ−３２５）で測定した音圧７２ｄＢである。
レーザ・干渉変位計システムを利用して実施例１の図１２に示された基板本体と片持ち梁部を合わせたフレーム部に孔の空いた光走査装置と比較例１の図１３に示された基板本体に孔の開いてない光走査装置、各々のＺ軸方向の振動振幅を測定した。
基板本体に孔の開いた図１２の光走査装置の場合は、ミラー部１３の走査振幅は、約９２°、図１３に示す孔の開いてない光走査装置の場合は、９３°とほぼ同等の光走査振幅を示した。このとき、光走査装置基板１０全体の振動モード及びその振幅はほとんど変化していないことを確認した。
これらのことから、騒音の低減に関して、基板本体に及び片持梁部に孔を開けることにより、実施例１と比較例１とを比べると、基板本体及び片持ち梁部に穴を開けることで、基板本体及び片持ち梁部の振動が発音体として周辺空気に音波を伝播させる振動面積を低減し、光スキャナ共振時のノイズ音を３０ｄＢ低減できる。この消音効果は、穴を開けることで、基板本体及び片持ち梁部であるフレーム部の見かけの硬度などが変化し、フレーム部の振動モードが変化、振幅が最小になった結果でなく、振動振幅自体が変化せずに、穴を開けることで、空気が穴をすり抜け、フレームの振動が音としてうまく空気に伝播できなくなった結果として、音が小さくなっている結果である。
また、上記のとおり穴を開けることで、空気が穴をすり抜け、フレームの振動が音としてうまく空気に伝播できなくなった結果として音が小さくなると考えられるから、空気が穴をすり抜けやすくするための工夫として、フレーム部にあける穴の断面を直線（厚み方向にストレートな穴）に加工するのでなく、両側（表面、裏面側）からエッチングし、テーパー状に加工（フレーム部厚みの中心部分が一番穴径が小さくなる形状）したものがあげられる。さらに、穴と穴の間のエッチングを残す部分をフレーム表面の平面部分を残さず、鋭利なエッジを立てると、飛行機の羽と同じで、フレーム面垂直方向の空気の流れは、抵抗無く微細な穴を通過し、全体としてフレーム部の強度を大きく損なうことなく、大きな消音効果が得られる。また、より簡単には、サンドブラストなどにより穴の表面、裏面のエッジ部にアールをつける加工を施せば、同様の効果により、音の発生は抑制でき、両者を併用するとさらに消音効果は大きくなる。
穴の大きさに関しては、大きければ大きいほどフレーム部の振動が周辺の空気に伝わらず、音は出にくくなるが、逆に、穴が大きくなりすぎると、フレーム部の強度が低下し、安定なミラー走査が困難になったり、ＰＺＴ近傍のエネルギーが耳部分に伝わらなくなったり、見かけ上、平均的なヤング率が下がったことになり（例えば、フレーム部の厚みが薄くなったことと等価）、高い周波数で様々な分割振動が生じやすくなり、その結果、振動エネルギーがミラー共振周波数で分散しやすくなり、ミラーの走査角度が小さくなる等の問題を生じるため、開口サイズや開口比（開口部分の面積とフレーム部分の面積の比）を選ぶ必要がある。
開口比Ｌに関して、０．１＜Ｌ＜０．９の開口比が効率がよく、望ましくは、０．２＜Ｌ＜０．５の開口比の方が効率がよい。
光走査装置の小型化と高性能化に関しては、穴を開けることで、フレーム部の見かけの硬度などがやわらかくなり、フレーム部の振動モードがより伝達しやすくなるので、片持ち梁部から支持部材までの距離を３０％以上短くすることができる。また、同様の理由で、駆動電圧を１３％の低減することができる。【００３３】
［実施例２］
図１４は、本発明の他の実施例２であって、実施例１の変形例を示す平面図である。上記実施例１と同様に、穴あき構造に関しては、基板本体と２本の片持ち梁部の全体に０．３ｍｍ角の角穴を開ける。穴と穴の間隔は０．２ｍｍである。圧電体ＰＺＴのサイズは４ｍｍ角である。この実施例２で、実施例１と異なる部分は、基板本体の中で圧電体を形成する部分には穴を開いてない部分を持つ構造である。当該穴の開いてない部分のサイズは圧電体のサイズより０．５ｍｍ大きい。
そして、この実施例２の場合でも、実施例１と同程度の静音化が図れ、片持ち梁部から支持部材までの距離を短くすることができる。【００３４】
［実施例３、４］
図１５に、フレーム部の振動モードの節の近傍に穴を開けた実施例３を示し、図１６に、フレーム部の振動モードの腹の近傍に穴を開けた実施例４を示す。フレームの全体に穴を開けることではなく、部分的に穴をあけることでも、フレーム部の見かけの硬度などがやわらかくなり、フレーム部の振動モードがより伝達しやすくなるので、同程度の効果を得ることができる。フレーム部の振動モードの節の近傍、または、腹の近傍になる部分で穴を開けることでミラーの走査特性を向上することができる。両方を組み合わせることも可能である。
なお、図１５及び図１６に示した実施例では、フレーム部の振動モードの節または腹の近傍に穴を開けた例で説明したが、例えば、図１２（実施例１）あるいは図１４（実施例２）に示した実施例のようにフレーム部のほぼ全体に穴を開けた場合には、振動モードの節又は腹の近傍の穴の大きさを、他の部分の穴よりも大きくしたりあるいは小さくしたりすることによって、振動の伝達性の効率を上げることもできる。【００３５】
［実施例５］
走査速度が高い２０ｋＨｚ以上の場合は、フレーム部の振動モードが多数存在し、低速の走査速度よりレーム部の振動モードがより伝達し難くなるので、フレーム部に穴を開けることでフレーム部の見かけの硬度などがやわらかくなり、フレーム部の振動モードがより伝達しやすくなるので、より効果が向上することができる。
例えば、図１７に示した比較例２の穴の開いてない光走査装置は、共振周波数２９、６ｋＨｚで、駆動電圧２０Ｖで走査角度は４０度である。穴を開けた、図１８に示した実施例５の光走査装置は、共振周波数２９．３ｋＨｚで、駆動電圧２０Ｖで走査角度は９０度である。穴をあけることでフレーム部の見かけの硬度などがやわらかくなり、共振周波数が０．３ｋＨｚ程度低下し、走査角度が５０度も増加することが確認できた。
【産業上の利用可能性】
【００３６】
本発明は、光ビームを走査する光走査装置の振動する基板本体に穴を設けることにより小型化静音化を図り、走査特性の向上を図るものであるが、光を走査するための装置以外の装置であっても、振動する基板を用いる装置であれば、小型化静音化や振幅・共振周波数の調整を図るために適用可能である。
【符号の説明】
【００３７】
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
【図１】
2010095587.tif 000003
【図２】
2010095587.tif 000004
【図３】
2010095587.tif 000005
【図４】
2010095587.tif 000006
【図５】
2010095587.tif 000007
【図６】
2010095587.tif 000008
【図７】
2010095587.tif 000009
【図８】
2010095587.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】
2010095587.tif 000015
【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
2010095587.tif 000019
【図１８】
2010095587.tif 000020
【図１９】
2010095587.tif 000021
【図２０】
2010095587.tif 000022
【図２１】
2010095587.tif 000023
【図２２】
2010095587.tif 000024
【図２３】
2010095587.tif 000025
【国際調査報告】
2010095587.tif 000026
2010095587.tif 000027