(57)【要約】本発明は、平板状の薄板１０上の中央部に平坦状の圧電膜２０が圧電膜２０の長軸方向を薄板２０の長軸方向とほぼ平行になるように形成された駆動板３０と、駆動板３０の長軸方向にほぼ平行な駆動板３０の側縁の一方のほぼ中央部を外枠１に固定する固定部４０と、駆動板３０における固定部４０側の側縁と反対側の側縁の両端近傍に駆動板３０の短軸方向にほほ平行な駆動板３０の側縁に沿って形成された薄板１０の２つの部分１１，１２によって構成される変位伝達腕５１，５２と、鏡面部４の揺動中心線から離れた点６１，６２と変位伝達腕５１，５２の先端とを連結して駆動板３０の長軸方向に平行に形成され鏡面部４を揺動駆動させる鏡面駆動腕７１，７２と、を備える。
2009072515.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを反射させるための鏡面部と、薄板上に圧電膜が形成されてなり前記鏡面部に連結された駆動板と、前記鏡面部がねじり軸を介して揺動可能に支持されるとともに前記駆動板が変位可能に支持される外枠とを備え、前記駆動板を駆動させることで前記鏡面部を揺動させて、前記光ビームを走査させるように構成され、
平板状の前記薄板上の中央部に平坦状の前記圧電膜が前記圧電膜の長軸方向を前記薄板の長軸方向とほぼ平行になるように形成された前記駆動板と、前記駆動板の長軸方向にほぼ平行な前記駆動板の側縁の一方のほぼ中央部を前記外枠に固定する固定部と、前記駆動板における前記固定部側の側縁と反対側の側縁の両端近傍に前記駆動板の短軸方向にほぼ平行な前記駆動板の側縁に沿って形成された薄板の２つの部分によって構成される変位伝達腕と、前記鏡面部の揺動中心線から離れた点と前記変位伝達腕の先端とを連結して前記駆動板の長軸方向に平行に形成され前記鏡面部を揺動駆動させる鏡面駆動腕と、を備える光スキャナ。
【請求項２】
光ビームを反射させるための鏡面部と、薄板上に圧電膜が形成されてなり前記鏡面部に連結された駆動板と、前記鏡面部がねじり軸を介して揺動可能に支持されるとともに前記駆動板が変位可能に支持される外枠とを備え、前記駆動板を駆動させることで前記鏡面部を揺動させて、前記光ビームを走査させるように構成され、
長方形状の前記薄板上の中央部に長方形状の前記圧電膜が前記圧電膜の長辺を前記薄板の長辺とほぼ平行になるように形成された長方形状の前記駆動板と、前記駆動板の２つの長辺の一方のほぼ中央部を前記外枠に固定する固定部と、前記駆動板における前記固定部側の長辺と反対側の長辺の両端近傍に前記駆動板の短辺に沿って形成された前記薄板の２つの部分によって構成される変位伝達腕と、前記鏡面部の揺動中心線から離れた点と前記変位伝達腕の先端とを連結して前記駆動板の長辺方向に平行に形成され前記鏡面部を揺動駆動させる鏡面駆動腕と、を備える光スキャナ。
【請求項３】
前記圧電膜は、前記駆動板の長軸方向の長さとほぼ等しく、又は、前記駆動板の長辺方向の両端近傍まで延ばされて形成されている、請求の範囲第１項に記載の光スキャナ。
【請求項４】
前記圧電膜は、前記駆動板の長軸方向又は長辺方向に対して連続して形成され、短軸方向又は短辺方向に対して複数のスリット状の圧電膜非形成領域を有している、請求の範囲第１項に記載の光スキャナ。
【請求項５】
前記圧電膜は、前記駆動板及び前記変位伝達腕を含む前記薄板の可動部全域に亘って形成されている、請求の範囲第１項に記載の光スキャナ。
【請求項６】
前記変位伝達腕を構成する前記薄板上には前記圧電膜が形成され、
前記圧電膜は、前記変位伝達腕の長軸方向又は長辺方向に対して連続して形成され、前記変位伝達腕の短軸方向又は短辺方向に対して複数のスリット状の圧電膜非形成領域を有している、請求の範囲第１項に記載の光スキャナ。
【請求項７】
前記鏡面部の揺動中心線を挟んだ両側に、一組の前記駆動板がそれぞれ配置され、
前記鏡面駆動腕は、前記揺動中心線に対して線対称な位置に連結されるとともに、前記一組の駆動板の前記各圧電膜は互いに逆の方向に変位するように電気的に配線されている、請求の範囲第１項に記載の光スキャナ。
【請求項８】
前記駆動板は、金属板によって形成された前記薄板の片面側のみに前記圧電膜が形成されてなるユニモルフ圧電駆動板である、請求の範囲第１項に記載の光スキャナ。
【請求項９】
前記駆動板は、金属板によって形成された前記薄板の両面に前記圧電膜がそれぞれ形成されたバイモルフ圧電板であって、表面側圧電膜と裏側圧電膜とが逆の変位になるように電気的に配線されてなるバイモルフ圧電駆動板である、請求の範囲第１項に記載の光スキャナ。
【請求項１０】
前記駆動板は、シリコン基板によって形成された前記薄板の片面側のみに前記圧電膜が形成されてなるユニモルフ圧電駆動板である、請求の範囲第１項に記載の光スキャナ。
【請求項１１】
前記鏡面駆動腕の裏面には補強用梁が形成されている、請求の範囲第８項に記載の光スキャナ。
【請求項１２】
前記鏡面駆動腕の裏面及び前記変位伝達腕の裏面における前記圧電膜が形成されていない部位には補強用梁が形成されている、請求の範囲第１１項に記載の光スキャナ。
【請求項１３】
前記鏡面部の裏面の、前記鏡面駆動腕が連結された点を含む辺の近傍には補強用梁が形成されている、請求の範囲第８項に記載の光スキャナ。
【請求項１４】
請求の範囲第１項に記載の光スキャナと、
前記光スキャナの前記鏡面部で反射される光を出射する光源と、を備える光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを鏡面部で反射させて光ビームを走査させるための光スキャナ、特に鏡面部を駆動変位させるための構造に関する。また、本発明は、光スキャナを備える光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光スキャナは、レーザ距離計、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等に使用されている。近年では高解像度の投射式ディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等への応用が期待されている。本発明に関連する光走査装置では、ポリゴンミラーやガルバノミラーが用いられてきたが、近年ではフォトリソグラフィー技術によってシリコン基板を加工して、鏡面とねじり梁とが一体的に形成された振動ミラーが提案されている。【０００３】
本発明に関連するシリコン振動ミラーの一例が、特開２０００−０３５５４９号公報に「光学的走査装置」として開示されている。図１は、第１の構成例を説明するための斜視図である。図１に示すように、この光学的走査装置１００は、電磁気、静電気又は圧電効果による各力を波状的に作用させる偏向駆動手段１０５を備えた外周部１５２に、フレーム１５５Ａ、支持梁１５６Ｂ、揺動体１５５Ｂが一体に形成されている。偏向駆動手段１０５として磁界を用いる場合は、プリント配線された揺動体駆動コイル１５７Ａ，１５７Ｂの作用部に永久磁石１６０Ａ，１６０Ｂ〜１６３Ａ，１６３Ｂによって永久磁界を形成し、揺動体駆動コイル１５７Ａ，１５７Ｂへの振動的な駆動電流の印加によって、外周部１５２に対して弾性を有する棒状の支持梁１５６Ａを介して支持されているフレーム１５５Ａは揺動され、フレーム１５５Ａ内周部に弾性を有する棒状の支持梁１５６Ｂを介して支持された揺動体１５５Ｂも揺動される。永久磁界１６０Ａ，１６０Ｂ〜１６３Ａ，１６３Ｂ及び揺動体駆動コイル１５７Ａ，１５７Ｂの配置と支持梁１５６Ｂの配置の相違により、フレーム１５５Ａと揺動体１５６Ｂは互いに直交する軸周りに揺動し、２次元方向への光の走査が可能である。【０００４】
駆動手段として静電力を用いた、本発明に関連する振動ミラーの他の一例が、特開平０６−１８０４２８号公報に「静電力駆動小型光スキャナ」として開示されている。図２Ａ及び図２Ｂは、第２の構成例を示す図である。図２Ａ及び図２Ｂに示すように、この光スキャナは、Ｘ軸，Ｙ軸方向に変位可能なシリコン基板２０２で形成されたミラー部と２０１、ミラー部２０１を両側から支持するシリコン基板２０２で形成された梁部２０３，２０９と、ミラー部２０１の裏面に対向する位置に配置されたＸ軸，Ｙ軸方向駆動電極２０４，２６１と、電極基板２０５と、各駆動電極２０４，２６１を絶縁するための絶縁膜２０６と、ミラー部２０１と駆動電極２０４，２６１との間のギャップを決める支持スペ−サ部２０７とを備えている。さらに、駆動電極の配線部２０８が、ミラー部２０１に対して駆動電極２０４，２０６よりも離れた位置にあり、静電力がミラー部２０１に作用しない平面上に形成されていることによって、Ｘ軸方向、Ｙ軸方向の光走査を独立して駆動することができる。また、ミラー部２０１、梁部２０３，２０９や静電吸引部２６０が、同一のシリコン基板２０２で形成された一体構造を採ることで、量的生産性に優れた半導体プロセス加工によって製造することができる。また、各主要構成要素の相対位置の関係を高精度に位置決めすることができる。【０００５】
駆動手段として圧電効果を用いた、本発明に関連する光走査装置の更に他の一例が、特開２００５−１２８１４７号公報に「光偏向器及び光学装置」として開示されている。図３は、第３の構成例を示す斜視図である。図３に示すように、この光偏向器及び光学装置は、圧電ユニモルフ振動板３０３ａ〜３０３ｄと、これら圧電ユニモルフ振動板３０３ａ〜３０３ｄの一端を固定して支持する空隙３０９ａを有する支持体３０９と、圧電ユニモルフ振動板３０３ａ〜３０３ｄに接続された弾性支持部３０２ａ、３０２ｂと、この弾性支持部３０２ａ、３０２ｂに連結されてこれら弾性支持部３０２ａ、３０２ｂを介して圧電ユニモルフ振動板３０３ａ〜３０３ｄが駆動されることによって空隙３０９ａ内で回転振動するミラー部３０１とを備え、これらが一体に形成されている。この構成では、圧電ユニモルフ振動板３０３ａ〜３０３ｄによる共振駆動によって、比較的低い電力で比較的大きな振れ角が得られる。また、圧電ユニモルフ振動板、弾性支持部、ミラー部を圧電素子の形成も含めて一体として加工、形成することが可能であるので、個別部品の組立や位置決めする必要が無く、精密かつ安価な光偏向器が得られる。図３に示した構成では、１軸周りの揺動に対して４つの圧電ユニモルフ振動板を必要とする構成であるが、特開２００５−１２８１４７号公報には、図４に示すように、２つの圧電ユニモルフ振動板３０３ａ’，３０３ｂ’によって鏡面部３０１を駆動する構成も開示されている。
【発明の開示】
【０００６】
光スキャナが適用されるレーザビームプリンタでは、１次元方向の光走査により感光ドラム上に印刷パターンを書き込む。光スキャナでは、回転軸周りに鏡面部を回転させることで入射ビームを走査させている。しかし、光スキャナは、鏡面と光ビームの到達点である感光ドラムの表面との距離、すなわち、光路長が、鏡面の正面に対しては短く、両端に対しては長いという特性がある。画像密度や感光特性の観点から、感光ドラム上の光点の移動速度は一定であることが望ましい。しかし、鏡面部の回転角速度が一定であっても光路長差の特性により、光点の移動速度には、感光ドラムの両端が比較的遅く、正面近くが速いというような速度変動が生じてしまう。特に小型化を図るために光走査角を大きく設定した場合、両端部と中央部との光路長の差が更に拡大し、速度差も拡大する。また、共振を利用した光スキャナでは、鏡面部の回転角速度の変化が正弦波状となり、両端部で減速、停止し、中央部で最高速度となるので、感光ドラム上での速度変動が更に拡大する。この課題に対処するためには、光学的な工夫を施したり、走査角に応じて鏡面部の走査速度を調整可能に構成したりすることが好ましい。
【０００７】
投射ディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等では、光ビームの２次元的走査が必要になる。図５Ａ及び図５Ｂは、光ビームの２次元的走査の概念を示す図である。
【０００８】
図５Ａに、直線的な走査方式を示す。電子ビームを電気的に走査するＣＲＴ（Cathode-Ray  Tube）等に適用される。ポリゴンミラーを用いた走査を行っても走査角が小さい場合、又は光学的に補正する対策を適用する場合には、直線的な走査に近い走査が実現される。走査される光点の位置は、第１の方向Ｄ１に対しても、第２の方向Ｄ２に対しても、時間経過に対応して直線的に移動する。このため、２次元画像を表示する場合には、画面を構成する画素データを送出するタイミングが単純でよい利点がある。また、２次元画像を表示する場合には、画素密度の分布も均一であるという利点もある。
【０００９】
図５Ｂに、第１の方向Ｄを振動的に走査する概念を示す。第１の方向Ｄ１への走査は、画面両端で減速、停止するので、画像表示時間は比較的速度変動が少ない画面中央部のみに限られる。また、第１方向Ｄ１に対する走査は、交互に走査方向が変わるので、片側方向のみを画像表示に使用する場合に、実効的な画像表示時間が半分となり、高解像度表示する場合には高い画像変調周波数が必要となる。双方向を画像表示に使用する場合には、画像データの読み出し順を走査毎に正逆反転させる処理が必要になる。第２方向Ｄ２への走査は、直線的な走査方式であることが望ましい。第２方向Ｄ２に対する走査が振動的である場合には、第１方向Ｄ１の制約と同等の制約が第２方向Ｄ２にも加わることになる。このため、ディスプレイは非常に制約が大きいものになってしまう。
【００１０】
以上のように、光スキャナとしては、時間の経過に対して走査角が直線的に対応する構成、又は任意の走査角を指定して駆動制御が可能な構成が非常に重要となる。光走査装置の小型化を図る観点からは、直線的な走査機能に加えて、大きな走査角を実現することも重要である。
【００１１】
以上の観点から、第１の問題点としては、以下の点がある。上述した第１の構成例は、駆動力として電磁力を使用しているので、駆動電流に応じて直線的に鏡面部のねじり角を駆動制御することが可能ではある。しかしながら、外部磁界に直交して電流を流す方式では、発生トルクが回転角に応じて減少する基本的性質を有しているので、大きなねじり角を得ることが困難であるという点が第１の問題点である。
【００１２】
第２の問題点としては、以下の点がある。第２の構成例では、駆動力として静電力を使用しており、電極間の距離が小さくなったときに発生する静電力が急激に大きくなるが、電極間の距離が大きくなったときに発生する静電力が小さく、印加電圧に応じてねじり角を駆動制御することが非常に困難であるという点が第２の問題点である。また、静電力は、発生する力自体が小さく、鏡面部とねじり梁の特性によって決まる共振を利用した振動的な揺動の駆動にしか適用できない点が問題である。
【００１３】
第３の問題点としては、以下の点がある。第３の構成例では、圧電ユニモルフ振動板を駆動手段として使用しているので、比較的大きな変位が得られる。しかしながら、第３の構成例では、片持ち梁構造であるので剛性が不足し、共振を利用した振動的な揺動である駆動のときには大きなねじり角が得られるが、直線的な駆動のときには適用が困難であるという点が第３の問題点である。また、第３の構成例では、半導体プロセスによってシリコン基板上に主要な構成要素を一体加工することができ、小型化と高精度化が可能であるが、鏡面部のねじり軸に直交する方向に対して比較的長い、圧電ユニモルフ振動板が配置されるので、小さな鏡面部に比べて光スキャナ全体が大型化してしまうという問題がある。
【００１４】
本発明の目的は、上述した課題を解決するものであって、鏡面部を任意のねじり角に駆動制御することを可能にし、光ビームの走査角範囲を大きくすることができ、小型化が図られた光スキャナ及び光走査装置を提供することである。
【００１５】
上述した目的を達成するため、本発明に係る第１の光スキャナは、光ビームを反射させるための鏡面部と、薄板上に圧電膜が形成されてなり鏡面部に連結された駆動板と、鏡面部がねじり軸を介して揺動可能に支持されるとともに駆動板が変位可能に支持される外枠とを備え、駆動板を駆動させることで鏡面部を揺動させて、光ビームを走査させるように構成され、
平板状の薄板上の中央部に平坦状の圧電膜がこの圧電膜の長軸方向を薄板の長軸方向とほぼ平行になるように形成された駆動板と、駆動板の長軸方向にほぼ平行な駆動板の側縁の一方のほぼ中央部を外枠に固定する固定部と、駆動板における固定部側の側縁と反対側の側縁の両端近傍に駆動板の短軸方向にほぼ平行な駆動板の側縁に沿って形成された薄板の２つの部分によって構成される変位伝達腕と、鏡面部の揺動中心線から離れた点と変位伝達腕の先端とを連結して駆動板の長軸方向に平行に形成され鏡面部を揺動駆動させる鏡面駆動腕と、を備える。
【００１６】
また、本発明に係る第２の光スキャナは、光ビームを反射させるための鏡面部と、薄板上に圧電膜が形成されてなり鏡面部に連結された駆動板と、鏡面部がねじり軸を介して揺動可能に支持されるとともに駆動板が変位可能に支持される外枠とを備え、駆動板を駆動させることで鏡面部を揺動させて、光ビームを走査させるように構成され、
長方形状の薄板上の中央部に長方形状の圧電膜がこの圧電膜の長辺を薄板の長辺とほぼ平行になるように形成された長方形状の駆動板と、駆動板の２つの長辺の一方のほぼ中央部を外枠に固定する固定部と、駆動板における固定部側の長辺と反対側の長辺の両端近傍に駆動板の短辺に沿って形成された薄板の２つの部分によって構成される変位伝達腕と、鏡面部の揺動中心線から離れた点と変位伝達腕の先端とを連結して駆動板の長辺方向に平行に形成され鏡面部を揺動駆動させる鏡面駆動腕と、を備える。
【００１７】
また、本発明に係る光走査装置は、本発明に係る光スキャナと、光スキャナの鏡面部で反射される光を出射する光源と、を備える。
【００１８】
本発明によれば、薄板に圧電膜が形成されてなる駆動板によって鏡面部が駆動されるので、鏡面部に比較的大きな変位を発生させることが可能である。したがって、駆動板に対する印加電圧と鏡面部のねじり角とを対応させて、鏡面部を任意のねじり角に駆動制御することができる。そして、本発明によれば、比較的小さな外形寸法で比較的大きな駆動変位を有する光スキャナを実現することができる。また、本発明によれば、鏡面部のねじり角が大きくなるのに伴って、鏡面部を揺動させる駆動力が減少することが防げる。また、本発明によれば、小型で走査範囲が広い光走査装置を実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明に関連する第１の構成例を示す斜視図である。
【図２Ａ】本発明に関連する第２の構成例を示す平面図である。
【図２Ｂ】本発明に関連する第２の構成例を示す断面図である。
【図３】本発明に関連する第３の構成例を示す斜視図である。
【図４】本発明に関連する第３の構成例の変形例を示す斜視図である。
【図５Ａ】光ビームの２次元的走査について、直線的に走査する場合を説明するための概念図である。
【図５Ｂ】光ビームの２次元的走査について、振動的に走査する場合を説明するための概念図である。
【図６】第１の実施形態の光スキャナを示す平面図である。
【図７】第２の実施形態の光スキャナを示す平面図である。
【図８】第３の実施形態の光スキャナを示す平面図である。
【図９】第４の実施形態の光スキャナを示す平面図である。
【図１０】第５の実施形態の光スキャナを示す平面図である。
【図１１】第６の実施形態の光スキャナを示す平面図である。
【図１２Ａ】第７の実施形態の光スキャナの要部を示す断面図である。
【図１２Ｂ】第７の実施形態の光スキャナの一部分を示す拡大図である。
【図１３Ａ】第８の実施形態の光スキャナの要部を示す断面図である。
【図１３Ｂ】第８の実施形態の光スキャナの一部を示す拡大図である。
【図１３Ｃ】第８の実施形態の光スキャナの補強用梁を示すＡ−Ａ断面図である。
【図１３Ｄ】第８の実施形態の光スキャナの補強用梁を示すＢ−Ｂ断面図である。
【図１３Ｅ】第８の実施形態の光スキャナの補強用梁を示すＣ−Ｃ断面図である。
【図１４Ａ】第９の実施形態の光スキャナの要部を示す断面図である。
【図１４Ｂ】第９の実施形態の光スキャナの補強用梁を示すＤ−Ｄ断面図である。
【図１５Ａ】本実施形態の２次元光走査装置の構成例を模式的に示す側面図である。
【図１５Ｂ】本実施形態の２次元光走査装置の構成例を模式的に示す平面図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明の具体的な実施形態について、図面を参照して説明する。【００２１】
本実施形態の光スキャナは、光源からのレーザ光を鏡面で反射させる光偏向器であって、レーザ光を走査させるために用いられる。【００２２】
（第１の実施形態）
図６に示すように、第１の実施形態の光スキャナは、光ビームを反射させるための鏡面部４と、薄板１０上に圧電膜２０が形成されてなり鏡面部４に連結された駆動板３０と、鏡面部４がねじり軸２，３を介して揺動可能に支持されるとともに駆動板３０が変位可能に支持される外枠１とを備え、駆動板３０を駆動させることで鏡面部４を揺動させて、光ビームを走査させるように構成されている。【００２３】
そして、この光スキャナは、長方形状の薄板１０上の中央部に長方形状の圧電膜２０がこの圧電膜２０の長辺を薄板１０の長辺とほぼ平行になるように形成された長方形状の駆動板３０と、駆動板３０の２つの長辺の一方のほぼ中央部を外枠１に固定する固定部４０と、駆動板３０における固定部４０側の長辺と反対側の長辺の両端近傍に駆動板３０の短辺に沿って形成された薄板１０の２つの部分１１，１２によって構成される変位伝達腕５１，５２と、鏡面部４のねじり軸（揺動中心線）２，３から離れた点と変位伝達腕５１，５２の先端とを連結して駆動板３０の長辺方向（長軸方向）に平行に形成され鏡面部４を揺動駆動させる鏡面駆動腕７１，７２と、を備えて構成されている。【００２４】
また、本実施形態における駆動板３０は、金属板によって形成された平板状の薄板１０の片面側のみに平坦状の圧電膜２０が形成されてなるユニモルフ圧電駆動板として構成されている。また、駆動板としては、金属板によって形成された平板状の薄板の両面に平坦状の圧電膜がそれぞれ形成されたバイモルフ圧電駆動板であって、表面側圧電膜と裏側圧電膜とが逆の変位になるように電気的に配線されてなるバイモルフ圧電駆動板が用いられてもよい。このように、金属製の薄板を用いることで、比較的簡素な設備で本実施形態の光スキャナを製造することが可能になる。特に、金属製の薄板の両面に圧電膜を容易に形成することができるので、バイモルフ構造を採ることで、駆動能力を向上させ、鏡面部を更に大きく揺動駆動させることが可能になる。【００２５】
なお、ここでは、薄板１０と圧電膜２０とが一体に形成された部分を駆動板３０と称し、薄板１０と一体の構造ではあるが、駆動板３０を含む長方形状の部分と異なる部分を変位伝達腕５１，５２と称している。【００２６】
また、本実施形態では、図６に示したように、駆動板や鏡面部等の主要な構成要素が長方形状に形成された構成例を挙げたが、鏡面部の外形形状又は光走査装置に組み込むための外形形状等の要求に応じて、駆動板や鏡面部の形状が適宜変更されても良いことは勿論である。【００２７】
以上のように構成された光スキャナについて、各構成要素の動作を説明する。【００２８】
厚さ方向に分極された圧電膜２０は、薄板１０に隣接側を下部電極、表面側を上部電極として両電極に電圧が印加されたとき、分極方向と印加電圧の方向に応じて厚さ方向に伸張又は収縮する。圧電膜２０の体積は不変であるので、その結果、圧電膜２０は、厚さ方向に対して伸張する場合、主面の長辺方向及び短辺方向に対して収縮する。【００２９】
このとき、圧電膜２０が設けられた薄板１０の長辺方向の長さは変化しないので、圧電膜２０の長辺方向の長さが収縮した場合には、薄板１０における圧電膜２０と接触している部分、すなわち駆動板３０が上方に反り上がることになる。ここで、駆動板３０の中央部は、固定部４０を介して外枠１に固定されているので、駆動板３０の長辺方向の両端が外枠１に対して上方に変位する。圧電膜２０への印加電圧の方向を逆にした場合は、圧電膜２０が長辺方向に伸張し、駆動板３０が下方に曲がり、駆動板３０の長辺方向の両端が外枠１に対して下方に変位する。【００３０】
以上の結果、駆動板３０の長辺方向の両端に一体に連結されている変位伝達腕５１，５２と鏡面駆動腕７１，７２とが同時に揃って厚み方向に対して上方又は下方に移動し、鏡面部４のねじり軸２，３から離れた点６１，６２を上方又は下方に移動させる。鏡面部４は、ねじり軸２，３を介して揺動可能に外枠１に支持されており、ねじり軸２，３の軸周りに揺動する。鏡面部４のねじり角は、ねじり角に応じて定まるねじり軸２，３及び鏡面駆動腕７１，７２のねじりトルクと、圧電膜２０に印加した電圧に応じて発生する駆動板３０の駆動力との釣り合いによって定まる。【００３１】
以上のように、圧電膜２０に所定の電圧を印加することによって、印加電圧に応じた鏡面部４のねじり角が得られる。【００３２】
次に、本実施形態の効果について説明する。本実施形態では、鏡面部４の側端に沿って長い駆動板３０が配置されることで、比較的外形が小さいものの大きな駆動変位を有する光スキャナを実現することができる。本実施形態では、薄板１０に圧電膜２０が形成されてなる駆動板３０によって鏡面部４を駆動させているので、比較的大きな変位を発生することが可能であり、駆動板３０に印加電圧と鏡面部４のねじり角とを対応させて、鏡面部４を任意のねじり角に駆動制御することが可能である。一般に電磁駆動方式では、鏡面部のねじり角が大きくなるのに伴って駆動力が減少するが、本実施形態における駆動板（圧電駆動板）３０の構成では駆動力が減少することを防げる。【００３３】
また、２次元画面の投影を目的として他の方式の一軸の光スキャナと併用する場合、図５Ａ及び図５Ｂに示した第２方向Ｄ２への走査に適用すると、他方式の光スキャナによる第１方向Ｄ１への走査ビームを反射させるために、一辺が長い長方形状の鏡面部が必要となる。このような場合に、本実施形態によれば、鏡面部の長辺に沿って駆動板を配置することができ、また、駆動板の長さを大きく確保することが可能になるので、比較的小さな外形寸法で比較的大きな駆動変位を得ることができ、十分な走査角範囲を有する小型の光スキャナを実現でき、本発明に係る効果が特に顕著に得られる。【００３４】
（第２の実施形態）
図７に示すように、第２の実施形態では、駆動板３０上に形成された圧電膜２０が、駆動板３０の長辺方向に沿って両端、すなわち短辺近傍まで延ばされて形成されている。以上のように構成された本実施形態によれば、第１の実施形態と比較して、駆動板３０上に形成された圧電膜２０が長辺方向に延長されているので、更に大きな変位を得ることが可能になり、走査範囲を広げることができる。【００３５】
（第３の実施形態）
図８に示すように、第３の実施形態では、駆動板３０上に形成された圧電膜２０が、駆動板３０の長辺方向に対して連続して形成され、駆動板３０の短辺方向に対してスリット状の複数の圧電膜非形成領域２１，２２を有している。【００３６】
この構成は、以下の効果を有する。圧電膜２０は、電圧を印加すると上述のとおり厚さの増減に従って、長辺方向及び短辺方向の両方にそれぞれ変形する。このため、駆動板３０は、固定部４０から遠い部分の先端部が上下方向（厚み方向）に変位するとともに、条件によっては短辺方向に沿ってたわむような変形を生じる場合がある。ここで、鏡面部４の駆動時に駆動板３０の長辺方向の両端が変位したとき、変位伝達腕５１，５２の鏡面部４側では鏡面部４が負荷として作用して引っ張られ、変位伝達腕５１，５２はねじれ軸２，３に向かって傾く。駆動板３０長辺方向の両端の短辺方向のたわみは、この傾きを更に増大させるので、変位伝達腕５１，５２の鏡面部４側の変位は駆動板３０の長辺方向の両端の変位に比べて小さくなってしまう。このため、駆動板３０長辺方向の両端の短辺方向のたわみは駆動板３０の変位を鏡面部４のねじり角の変化として伝える効率を低下させてしまう。そこで、本実施形態のように、長方形状の圧電膜を更に複数の幅が狭い短冊状の圧電膜として分割して形成することで、長辺方向に対して変位が効果的に生じる一方で、短辺方向に対しては微小な変形の加算となるので変位として出現し難くなる。このため、このような鏡面部４の駆動効率の低下を改善することができる。【００３７】
（第４の実施形態）
図９に示すように、第４の実施形態では、圧電膜２０が、駆動板３０を構成する薄板１０及び変位伝達腕５１，５２を含む薄板１０の２つの部分１１，１２の可動部全域に亘って形成されている。【００３８】
このように構成された第４の実施形態は、以下の効果を有する。鏡面部４の駆動時に、駆動板３０の長辺方向の両端が大きく変位するのに対して、薄板１０の２つの部分１１，１２の鏡面部４側では鏡面部４が負荷として作用し、変位伝達腕５１，５２はねじり軸２，３に向かって引っ張られる。変位伝達腕５１，５２は、片持ち梁構造であるので、鏡面部４による負荷によってたわみ、駆動板３０が発生する変位をたわんだ分だけ吸収してしまう。しかしながら、本実施形態では、薄板１０の２つの部分１１，１２上にも圧電膜２０が形成されることによって、駆動板３０の駆動と併せて変位伝達腕５１，５２を駆動板３０と同じ方向に駆動変位させている。これによって、変位伝達腕５１，５２に生じるたわみ量が軽減されるので、駆動板３０が発生する変位を、鏡面部４を揺動させるために更に効率良く利用することが可能になり、鏡面部４の駆動効率の低下を改善することができる。【００３９】
（第５の実施形態）
図１０に示すように、第５の実施形態では、少なくとも変位伝達腕５１，５２を構成する薄板１０の２つの部分１１，１２上にも圧電膜２０がそれぞれ形成されている。この圧電膜２０は、変位伝達腕５１，５２の長辺方向（駆動板３０の短辺方向に平行な方向）に対して連続して形成され、変位伝達腕５１，５２の短辺方向に対して複数のスリット状の圧電膜非形成領域２３，２４を有している。【００４０】
変位伝達腕５１，５２の圧電膜２０の駆動に伴う変位伝達腕５１，５２の短辺方向に生じるたわみは、鏡面駆動腕７１，７２を傾ける方向に作用して、駆動板３０が発生する変位を鏡面部４のねじり角の変化にする効率を低下させる要因になる。しかし、本実施形態の構成によれば、上述の第３の実施形態における作用と同様に、変位伝達腕５１，５２の短辺方向のたわみが軽減されるので、鏡面部４の駆動効率の低下を改善することができる。【００４１】
（第６の実施形態）
図１１に示すように、第６の実施形態では、鏡面部４のねじり軸５を間に挟んだ両側に、薄板１０ａ，１０ｂ上に圧電膜２０ａ，２０ｂが形成されてなる一組の駆動板３０ａ，３０ｂがそれぞれ配置されている。鏡面駆動腕７１ａ，７２ａ，７１ｂ，７２ｂは、鏡面部４のねじり軸（揺動中心線）５に対して線対称な位置に連結されるとともに、圧電膜２０ａ，２０ｂは互いに逆の方向に変位するように電気的に配線されている。【００４２】
以上のように構成された本実施形態では、以下の効果を有する。本実施形態では、駆動板３０ａ，３０ｂ、変位伝達腕５１ａ，５２ａ，５１ｂ，５２ｂ、及び、鏡面駆動腕７１ａ，７２ａ，７１ｂ，７２ｂの組が、鏡面部４を間に挟んで、ねじり軸５に対して線対称に配置されて、これらが差動的に揺動駆動することができるので、更に大きな揺動駆動が可能になる。また、ねじり軸５を挟んで配置された２組の鏡面駆動腕７１ａ，７２ａ及び鏡面駆動腕７１ｂ，７２ｂの厚み方向の上方への駆動変位と、下方への駆動変位の中点がねじり軸５に一致するので、ねじり軸５を揺動中心線として鏡面部４を安定的に揺動駆動することが実現される。【００４３】
（第７の実施形態）
図１２Ａに示すように、第７の実施形態では、鏡面駆動腕７０の裏面に、剛性を高めるための補強用梁７５が形成されている。図１２Ｂは、本実施形態の光スキャナにおける部分Ｍを拡大して示している。【００４４】
光スキャナをシリコン基板によって構成する場合、単結晶シリコン（トップ層）／酸化シリコン（中間酸化膜層）／単結晶シリコン（ベース層）の順に積層されてなる貼り合わせ基板（ＳＯＩ基板）を用いることができる。一例として、各層の厚さが、５０μｍ／２μｍ／５００μｍにそれぞれ形成されたＳＯＩ基板を使用する場合に、薄板１０としてＳＯＩ基板をトップ層として用いると、鏡面駆動腕７０もトップ層によって構成されるので厚さが５０μｍとなる。また、補強用梁７５は、図１２Ｂに示すように、ＳＯＩ基板の中間酸化膜層７６を介して鏡面駆動腕７０の裏面に接合されている。【００４５】
また、駆動板３０は、シリコン基板によって形成された薄板１０の片面側のみに圧電膜２０が形成されてなるユニモルフ圧電駆動板として構成されている。この構成によれば、半導体プロセスによってシリコン基板上に主要な構成要素を一体加工することができ、小型化と高精度化が可能な生産性が良い光スキャナを得られる。【００４６】
また、光スキャナを構成する主要部分の全てでＳＯＩ基板のトップ層を用いているが、補強用梁７５としてはＳＯＩ基板のベース層が用いられている。ただし、鏡面部４を揺動駆動するときに鏡面駆動腕７０がねじりトルクの負荷になるので、補強用梁７５の厚さを適切な厚さに設定する必要がある。断面長方形状の角棒におけるねじりトルクは、断面の短辺の３乗と長辺の１乗に比例して増加する。鏡面駆動腕７０の幅を薄板１０の厚さとほぼ等しく形成した場合に、ＳＯＩ基板を用いたとき、鏡面駆動腕７０の断面は一辺５０μｍの四角形になる。補強用梁７５の幅を鏡面駆動腕７０と等しく形成して厚さを３倍の１５０μｍに形成した場合、必要なねじりトルクは、補強用梁７５が無い構成の場合の４倍になる。一方、片持ち梁の曲げ剛性は、幅の１乗、厚さの３乗に比例する。上述した数値の例では、補強用梁７５が設けられることによって厚さが４倍に増えているので、曲げ剛性は補強用梁７５が無い構成の場合の６４倍に増加する。したがって、第７の実施形態によれば、鏡面駆動腕７０の裏面に補強用梁７５が設けられることによって、鏡面駆動腕７０のたわみが減少され、鏡面部４を揺動させるための駆動効率の低下を改善することができる。【００４７】
（第８の実施形態）
図１３Ａ、及び図１３Ｂに部分Ｍを拡大して示すように、第８の実施形態では、鏡面駆動腕７０の裏面と、変位伝達腕５０の裏面における圧電膜２０が形成されていない部位とに、補強用梁７５，５５がそれぞれ形成されている。さらに、図１３Ｃ，１３Ｄ，１３Ｅに示すように、駆動板３０の裏面にも同様に、補強用梁３５が形成されている。【００４８】
以上のように構成された本実施形態によれば、駆動板３０から鏡面部４の鏡面駆動腕７０までのたわみが減少され、鏡面部４を揺動させるための駆動効率の低下を改善することができる。【００４９】
（第９の実施形態）
図１４Ａ及び図１４Ｂに示すように、第９の実施形態では、鏡面部４の裏面における鏡面駆動腕７０が連結された点６０を含む辺の近傍に補強用梁６５が形成されている。このように構成された本実施形態によれば、鏡面部４の端部の剛性が向上されるので、鏡面部４の端部が局所的に駆動されるためや急激な駆動方向の変化等の影響のために、鏡面部４に生じる可能性があるたわみを減少させることができる。【００５０】
上述した第１ないし第９の実施形態によれば、光スキャナ全体の小型化が図られ、光ビームの走査範囲が比較的広い光スキャナを実現することが可能になる。【００５１】
最後に、上述した実施形態の光スキャナが垂直スキャナとして適用された実施形態の光走査装置について説明する。図１５Ａ及び図１５Ｂに、実施形態の光走査装置の一例を示す。【００５２】
図１５Ａ，１５Ｂに示すように、本実施形態の２次元光走査装置９０は、レーザ光源９１と、水平スキャナ９２と、垂直スキャナ９３とを備えて構成される。レーザ光源９１から出射されて適切に細く集束された光ビーム９４は、水平スキャナ９２内の鏡面部で反射され、水平方向に走査されて、垂直スキャナ９３内の鏡面部へ向けて投射される。このとき、光ビーム９４は、水平走査ビーム９５として広い幅に投射される。このため、垂直スキャナ９３内の鏡面部は、水平走査ビーム９５を全て反射すべく幅広い鏡面部を有している必要がある。垂直スキャナ９３で反射された光ビームは、垂直走査方向に走査されてラスタ画像９６として外部へ投射される。【００５３】
本実施形態の２次元光走査装置によれば、垂直スキャナとして横幅が広い鏡面部を任意の走査角に変化させて駆動制御できるので、投射角が広い水平スキャナを使用し、垂直方向に対しても大きな走査角が実現できる。以上、本実施形態によれば、コンパクトで、かつ、走査角範囲が比較的大きくされた光走査装置が得られる。【００５４】
なお、本発明に係る光スキャナは、上述した光走査装置の他、例えば、レーザ距離計、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の計測器、情報機器や、投射式ディスプレイやヘッドマウントディスプレイ等のディスプレイに適用が可能である。【００５５】
以上、実施形態を参照して本願発明を説明したが、本願発明は上記実施形態に限定されるものではない。本願発明の構成や詳細には、本願発明のスコープ内で当業者が理解し得る様々な変更をすることができる。【００５６】
この出願は、２００７年１２月５日に出願された日本出願願番２００７−３１４５１３を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
【図１】
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【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３】
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【図４】
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【図５Ａ】
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【図５Ｂ】
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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１２Ａ】
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【図１２Ｂ】
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【図１３Ａ】
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【図１３Ｂ】
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【図１３Ｃ】
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【図１３Ｄ】
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【図１３Ｅ】
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【図１４Ａ】
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【図１４Ｂ】
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【図１５Ａ】
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【図１５Ｂ】
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【国際調査報告】
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