(57)【要約】【課題】光を反射するミラー部と、このミラー部を支持しミラー部の揺動軸をなすミラー支持部とを備え、ミラー部に外力を作用して揺動させ、ミラー部に入射した光の反射光を走査する光走査素子において、ミラー部の揺動角を大きくして走査角を拡大させる。【解決手段】反射面を有するミラー部と、ミラー部に連結されるミラー支持部と、ミラー支持部に連結され、振動により前記ミラー支持部に捻れ変位を生じさせる枠部とを有する第１部材と、第１部材の枠部を固定して保持する第２部材と、枠部に固着され、枠部に振動を伝達する圧電体とから構成され、前記枠部は梁部とその梁部の両端に位置する固定部とを有し、前記ミラー支持部は前記梁部の連結点において連結され、前記圧電体は、前記固定部から前記梁部の連結点に向けて、前記連結点を越えない位置まで延在して前記梁部と前記固定部とに跨って固着される。【選択図】図１
2008083603.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
入射した光束を揺動する反射面により走査する光走査素子において、
前記反射面を有するミラー部と、前記ミラー部に連結され、捻じれ変位により前記ミラー部に揺動を生じさせる揺動軸をなすミラー支持部と、前記ミラー支持部に連結され、振動により前記ミラー支持部に捻れ変位を生じさせる枠部とを有する第１部材と、
前記第１部材の枠部を固定して保持する第２部材と、
前記枠部に固着され、前記枠部に振動を伝達する圧電体と、を備え、
前記枠部は梁部とその梁部の両端に位置する固定部とを有し、前記ミラー支持部は前記梁部の連結点において連結され、前記枠部は前記固定部において前記第２部材に固定され、
前記圧電体は、前記固定部から前記梁部の連結点に向けて、前記連結点を越えない位置まで延在して前記梁部と前記固定部とに跨って固着されることを特徴とする光走査素子。
【請求項２】
前記圧電体は、前記固定部と前記連結点との間の前記梁部の長さに対し、その８０％の長さを越えない位置まで前記固定部から前記梁部の連結点に向けて延在して固着されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査素子。
【請求項３】
前記圧電体は、前記固定部と前記連結点との間の前記梁部の長さに対し、その５０％の長さを下回らない位置まで前記固定部から前記梁部の連結点に向けて延在して固着されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光走査素子。
【請求項４】
前記圧電体は、前記固定部と前記連結点との間の前記梁部の長さに対し、その５０％〜７０％の範囲の長さの位置まで前記固定部から前記梁部の連結点に向けて延在して固着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査素子。
【請求項５】
前記圧電体は、前記固定部と前記連結点との間の前記梁部の領域の面積に対して４０％〜８０％の面積の領域を占めて前記梁部に固着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査素子。
【請求項６】
前記枠部は前記ミラー部を囲むように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光走査素子。
【請求項７】
前記圧電体は、前記梁部両端の固定部の少なくとも一方の固定部と梁部とに跨って固着されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査素子。
【請求項８】
前記圧電体は、前記梁部と前記梁部の両端の固定部とにそれぞれに跨って固着されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光走査素子。
【請求項９】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光走査素子を備え、画像信号に応じて変調された光束を前記光走査素子により走査する光走査装置。
【請求項１０】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光走査素子を備え、画像信号に応じて変調された光束を前記光走査素子により走査して投影する光走査型表示装置。
【請求項１１】
請求項１〜８のいずれか１項に記載の光走査素子を備え、画像信号に応じて変調された光束を前記光走査素子により走査して網膜上に投影表示する網膜走査型画像表示装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザープリンタや投影型表示装置に用いられる光スキャナー用の光走査素子に関する。特に、振動体を振動させることにより反射ミラーを揺動させる光走査素子に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、投影型表示装置等においては画像信号により変調されたレーザー光を走査して投映像を形成するための光走査素子が知られている。例えば、回転多面鏡（ポリゴンミラー）や振動駆動型反射鏡（ガルバノミラー）が用いられてきた。このうち、振動駆動型反射鏡は回転多面鏡と比較して駆動部を小型化することができ、軽量小型の光走査素子に適する。
【０００３】
図１６は、特許文献１に記載されているガルバノミラー型の光走査素子１００を表す分解斜視図である。支持部１０２を両サイドに形成したベース台１０１の上に振動体１０３が載置される。振動体１０３は、反射ミラー部１０５とその周囲に構成した固定枠１０４と、反射ミラー部１０５と固定枠１０４とを連結し、反射ミラー部１０５を両側から支持する捻りバネ部１０６とから一体的に構成されている。捻りバネ部１０６は反射ミラー部１０５の重心を通る軸上に形成され、反射ミラー部１０５の捻り回転の回転軸をなしている。
【０００４】
ベース台１０１の反射ミラー部１０５が対向する位置には一対の固定電極１０７、１０８が載置されている。振動体１０３とこの一対の固定電極１０７、１０８との間に電圧が印加される。その電圧は切り替えスイッチＳＷにより交互に印加される。これにより、固定電極１０７、１０８と反射ミラー部１０５との間に静電力が働いて吸引する。一対の固定電極１０７と１０８とに交互に電圧を印加することにより、反射ミラー部１０５は捻りバネ部１０６を回転軸として揺動を行う。
【０００５】
図１７は、光走査素子１００が入射して反射する反射光束１１２を走査してスクリーン１１３上に投射する投射型表示装置の概念図である。光源１１０により画像変調されて出射した光束１１１は光走査素子１００の反射ミラー部１０５に照射する。反射ミラー部１０５は揺動するので、反射光束１１２は上下に震動し、スクリーン１１３上に上下の軌跡を描くことになる。例えば、光源１１０からの画像変調された光束１１１が、光束１１１に含まれる画像データの水平走査期間と同期して水平走査がなされている場合に、反射ミラー部１０５の揺動を上記画像の垂直走査期間と同期させることにより、スクリーン１１３上に画像を表示させることができる。
【特許文献１】特開２００３−５７５８６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
上記従来法においては、反射ミラー部１０５を揺動を起こさせるために、反射ミラー部１０５とベース台１０１上の固定電極１０７、１０８との間に電圧を印加して静電力を利用している。しかし、静電力は電極間距離の２乗に反比例するため、反射ミラー部１０５と固定電極１０７、１０８との間の距離を小さくしなければならない。その結果、反射ミラー部１０５の振れ角を大きくとることができなかった。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明においては上記課題を解決するために以下の手段を講じた。
【０００８】
請求項１に係る発明においては、入射した光束を揺動する反射面により走査する光走査素子において、前記反射面を有するミラー部と、前記ミラー部に連結され、捻じれ変位により前記ミラー部に揺動を生じさせる揺動軸をなすミラー支持部と、前記ミラー支持部に連結され、振動により前記ミラー支持部に捻れ変位を生じさせる枠部とを有する第１部材と、前記第１部材の枠部を固定して保持する第２部材と、前記枠部に固着され、前記枠部に振動を伝達する圧電体と、を備え、前記枠部は梁部とその梁部の両端に位置する固定部とを有し、前記ミラー支持部は前記梁部の連結点において連結され、前記枠部は前記固定部において前記第２部材に固定され、前記圧電体は、前記固定部から前記梁部の連結点に向けて、前記連結点を越えない位置まで延在して前記梁部と前記固定部とに跨って固着されることを特徴とする光走査素子とした。
【０００９】
請求項２に係る発明においては、前記圧電体は、前記固定部と前記連結点との間の前記梁部の長さに対し、その８０％の長さを越えない位置まで前記固定部から前記梁部の連結点に向けて延在して固着されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査素子とした。
【００１０】
請求項３に係る発明においては、前記圧電体は、前記固定部と前記連結点との間の前記梁部の長さに対し、その５０％の長さを下回らない位置まで前記固定部から前記梁部の連結点に向けて延在して固着されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の光走査素子とした。
【００１１】
請求項４に係る発明においては、前記圧電体は、前記固定部と前記連結点との間の前記梁部の長さに対し、その５０％〜７０％の範囲の長さの位置まで前記固定部から前記梁部の連結点に向けて延在して固着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査素子とした。
【００１２】
請求項５に係る発明においては、前記圧電体は、前記固定部と前記連結点との間の前記梁部の領域の面積に対して４０％〜８０％の面積の領域を占めて前記梁部に固着されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査素子とした。
【００１３】
請求項６に係る発明においては、前記枠部は前記ミラー部を囲むように配置されていることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光走査素子とした。
【００１４】
請求項７に係る発明においては、前記圧電体は、前記梁部両端の固定部の少なくとも一方の固定部と梁部とに跨って固着されていることを特徴とする請求項１〜６のいずれか１項に記載の光走査素子とした。
【００１５】
請求項８に係る発明においては、前記圧電体は、前記梁部と前記梁部の両端の固定部とにそれぞれに跨って固着されていることを特徴とする請求項１〜７のいずれか１項に記載の光走査素子とした。
【００１６】
請求項９に係る発明においては、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光走査素子を備え、画像信号に応じて変調された光束を前記光走査素子により走査する光走査装置とした。
【００１７】
請求項１０に係る発明においては、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光走査素子を備え、画像信号に応じて変調された光束を前記光走査素子により走査して投影する光走査型表示装置とした。
【００１８】
請求項１１に係る発明においては、請求項１〜８のいずれか１項に記載の光走査素子を備え、画像信号に応じて変調された光束を前記光走査素子により走査して網膜上に投影表示する網膜走査型画像表示装置とした。
【発明の効果】
【００１９】
本発明の光走査素子によれば、ミラー部と、ミラー部を支持するミラー支持部と、ミラー支持部を支持する梁部とその梁部を支持するための固定部からなる枠部とを有する第１部材と、当該固定部を固着して第１部材を保持する第２部材と、当該枠部に固着して枠部に振動を与え、ミラー部を揺動させる圧電体とから構成されている。そして、圧電体は、ミラー支持部と梁部が連結する連結点を越えない位置まで、固定部から梁部に向けて延在して当該枠部に固着するようにした。これにより、圧電体から枠部の梁部に振動を与え、ミラー支持部からミラー部に回転トルクを与えて揺動を起こさせるので、ミラー部とこのミラー部に対向する第２部材との距離を任意に設定することができるようになり、第２部材によりミラー部の振れ角が制限されることがない、という利点を有する。
【００２０】
また、圧電体は、固定部と連結点との間の梁部の長さに対し、その８０％の長さを超えない位置まで固定部から梁部の連結点に向けて延在して固着したことにより、ミラー部の揺動を安定させることができる、という利点を有する。
【００２１】
また、圧電体は、固定部と連結点との間の梁部の長さに対し、その５０％の長さを下回らない位置まで固定部から梁部の連結点に向けて延在して固着したことにより、ミラー部の揺動の振れ角を大きくすることができる、という利点を有する。
【００２２】
また、圧電体は、固定部と連結点のとの間の梁部の長さに対し、その５０％〜７０％の範囲の長さの位置まで固定部から梁部の連結点に向けて延在して固着したことにより、ミラー部の揺動の振れ角をより大きく、かつ、安定させることができる、という利点を有する。
【００２３】
また、圧電体は、固定部と連結点との間の梁部の領域の面積に対して４０％〜８０％の面積の領域を閉めて梁部に固着したことにより、ミラーの揺動の振れ角を大きく、かつ、安定させることができる、という利点を有する。
【００２４】
また、枠部ミラー部を囲むように形成したので、ミラー部の取り扱いが容易となり、第１部材と第２部材の張り合わせも容易となる、という利点を有する。
【００２５】
また、圧電体は梁部の両端の固定部の少なくとも一方の固定部と梁部とに跨って固着されるようにしたので、圧電体の使用数を減少させることができる、という利点を有する。
【００２６】
また、圧電体は梁部の両端の固定部と梁部との間にそれぞれ跨って固着されているので、ミラー部を安定して揺動させることができる、という利点を有する。
【００２７】
また、上記光走査素子を備えた光走査装置、光走査型表示装置、網膜走査型画像表示装置とすることにより、光走査素子を小型化し、かつ光走査の走査角を大きくとることができるので、装置全体をコンパクトに構成することができる、という利点を有する。その他本発明の効果は以下の実施の形態の説明において説明する。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２８】
本発明の形態における光走査素子は、ミラー部と、そのミラー部を支持するミラー支持部と、そのミラー支持部と連結して当該ミラー支持部を保持する枠部からなる第１部材と、両端に凸部を有し、その凸部において上記第１部材の枠部を固定する第２部材と、第１部材の枠部に固着された圧電体とから構成されている。第１部材の枠部は、更に梁部とその梁部の両端に位置する固定部からなり、ミラー支持部は梁部の連結点において連結しており、枠部はその固定部において第２部材の凸部に固定されている。そして、圧電体は、固定部から梁部の連結点に向けて連結点を越えない位置まで延在して梁部と固定部とに跨って固着されている。
【００２９】
圧電体が振動することにより、この振動が梁部に伝達され、梁部の連結点において連結するミラー支持部に捻れ変位を起こさせ、この捻れ変位によりミラー部に揺動を生じさせる。この場合、ミラー支持部はミラー部の揺動軸をなしている。ミラー部がミラー支持部からなる揺動軸を中心にして揺動振動することにより、ミラー部に入射した光は揺動周期に基づく周期で反射光を走査する。
【００３０】
第１部材は、ステンレス等の金属材料やシリコン等の半導体材料により一体的に形成されている。即ち、ミラー部と、このミラー部を指示するミラー支持部と、このミラー支持部に連結して捻り変位を生じさせる枠部とは同一材料により一体的に形成されている。また、同一材料によらないで異なる材料により一体的に形成しても良い。ミラー部はその表面が光を反射する反射面を有している。アルミニュウムや銀の薄膜を形成して反射面とすることができる。
【００３１】
第１部材を固定して保持する第２部材は、アルミニュウムなどの金属材料やプラスチックなどの材料により構成されている。第１部材と第２部材とは接着剤により固定されている。圧電体は、電圧印加により変形するＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）やチタン酸バリウム等の強誘電体を使用するのが望ましい。圧電体は、第１部材の枠部の固定部と梁部とに跨って接着剤、あるいは導電性接着剤により固着されている。
【００３２】
また、圧電体は、固定部と連結点との間の梁部の長さに対して、その８０％の長さを超えない位置まで固定部から梁部の連結点に向けて延在して固定部と梁部に跨って固着されている。また、圧電体は、固定部と連結点との間の梁部の長さに対して、５０％を下回らない位置まで固定部から梁部の連結点に向けて延在して固定部と梁部に跨って固着されている。また、より好ましくは、固定部から連結点に向けて固定部と連結点との間の梁部の長さ対して５０％〜７０％の範囲の長さの位置まで延在して固着されている。また、圧電体は、固定部と連結点との間の梁部の面積に対して、その４０％〜８０％の面積を占めて梁部に固着されている。
【００３３】
また、圧電体は、梁部とこの梁部の両端に位置する固定部の少なくともその一方の固定部と梁部に跨って固着されている。また、圧電体は、両端の固定部と梁部との間の２箇所に固着されるようにしてもよい。更に、ミラー部が２つのミラー支持部により支持され、２つのミラー支持部が２つの梁部に連結して保持され、各梁部の両端の固定部が第２部材に固定されている場合には、各固定部と梁部に跨って３つ又は４つの圧電体を固着する構造とすることができる。
【００３４】
本発明の実施の形態における光走査表示装置は、映像光を生成する映像光生成部と、入射したこの映像光を走査して反射する上記光走査素子と、走査された映像光を結像させる光学系とから構成されている。より具体的には、映像信号を含む映像光を第１の光走査素子に入射させて、その映像信号に同期して反射光の水平走査を行い、その水平走査された反射光を第２の光走査素子に入射させて、その映像信号に同期して反射光の垂直走査を行い、その水平及び垂直走査された光を光学系に入射して結像させる。
【００３５】
以下、図面を用いて詳細に説明する。
【００３６】
図１は、本発明の実施の形態に係る光走査素子１を構成する各構成要素を説明するための模式的な分解斜視図であり、図２は、各構成要素を組み立てた光走査素子１を表す模式的な斜視図である。同一の要素又は同一の機能を表す部分には同一の符号を付した。
【００３７】
図１において、光走査素子１は第１部材８と、第１部材８を積層固定して保持する第２部材１１と、第１部材の４つの隅に固着される第１圧電体１２ａ、第２圧電体１２ｂ、第３圧電体１２ｃ、第４圧電体１２ｄとから構成されている。第１部材８は、ミラー部２と、そのミラー部２を支持する第１ミラー支持部３ａ及び第２ミラー支持部３ｂと、これらミラー支持部に連結してミラー部２を保持する枠部４により構成される。枠部４は、第１梁部５ａ及び第２梁部５ｂと、第１梁部５ａの両端に位置する第１固定部６ａ及び第２固定部６ｂと、第２梁部５ｂの両端に位置する第３固定部６ｃ及び第４固定部６ｄ等から構成されている。ここで、第１ミラー支持部３ａは連結点Ｑａ、Ｑｂにおいて第１梁部５ａと連結している。通常、第１ミラー支持部３ａは第１梁部５ａのほぼ中央部において連結する。第２ミラー支持部３ｂと第２梁部５ｂも同様である。
【００３８】
第２部材１１は底部９と両端部に設けた第１凸部１０ａと第２凸部１０ｂとから構成されている。第１部材８と第２部材１１とは、第１固定部６ａ及び第３固定部６ｃと第１凸部１０ａとを積層して接着剤により固定される。同様に、第２固定部６ｂ及び第４固定部６ｄと第２凸部１０ｂとを積層して接着剤により固定される。
【００３９】
図２において、第１圧電体１２ａは第１梁部５ａと第１固定部６ａとに、第２圧電体１２ｂは第１梁部５ａと第２固定部６ｂとにそれぞれ跨って導電性接着剤により固定されている。同様に、第３圧電体１２ｃと第４圧電体１２ｄも、第２梁部５ｂと第３固定部６ｃ及び第２梁部５ｂと第４固定部６ｄにそれぞれ跨って導電性接着剤により固定されている。
【００４０】
また、第１圧電体１２ａと第３圧電体１２ｃとは第１配線１４ａと共通配線１５及び導電性材料からなる枠部４を介して駆動回路１３から交流電圧が印加される。同様に、第２圧電体１２ｂと第４圧電体１２ｄとは第２配線１４ｂと共通配線１５及び枠部４を介して駆動回路１３から上記交流電圧とは逆相の交流電圧が印加されるように構成されている。各圧電体１２ａ〜１２ｄは駆動回路１３からの交流電圧により振動し、第１梁部５ａと第２梁部５ｂに対してこの振動を伝達する。第１梁部５ａ及び第２梁部５ｂの振動により、第１ミラー支持部３ａ及び第２ミラー支持部３ｂに回転トルクを与えて捻れ変位を発生させ、各ミラー支持部を揺動軸としてミラー部２に揺動振動を発生させる。このミラー部２の揺動振動の周波数は、表示装置の水平走査に使用されるような高周波の場合には共振周波数となり、２つの第１ミラー支持部３ａ及び第２ミラー支持部３ｂを揺動軸として、ミラー部２の回転モーメントと第１ミラー支持部３ａ及び第２ミラー支持部３ｂの捻れ弾性率により決まる。
【００４１】
なお、上記実施の形態においては、第１部材としてはステンレスを使用したが、これに限定されず、他の金属やシリコンなどの半導体材料、合成樹脂等を使用することができる。合成樹脂を使用する場合には、圧電体が固着される表面に電極等を形成して圧電体から電極を取り出しやすくする必要がある。また、ミラー部２は表面を鏡面に仕上げ、光の反射損失を低減するためのアルミニュウムや銀の薄膜を堆積し、あるいは、薄板を設置することが望ましい。また、第１圧電体１２ａ〜第４圧電体１２ｄとしてＰＺＴ圧電体を使用しているが、これに限定されず、チタン酸バリウム等の圧電体を使用することができる。また、第２部材としてアルミニュウムの金属を使用したが、これに限定されず、プラスチックやセラミックスを使用することができる。
【００４２】
また、上記実施の形態においては、４つの圧電体を使用したがこれに限定されず、例えば第１圧電体１２ａの１個のみを固着させても良いし、第１圧電体１２ａと第２圧電体１２ｂの２つの圧電体によりミラー部２を揺動させることができる。また、枠部４としてミラー部２を取り囲むようにして周囲に形成したが、第１ミラー支持部３ａ及び第２ミラー支持部３ｂと平行する手前側と奥側の枠部４を除去して、第１梁部５ａとその両端の第１固定部６ａ及び第２固定部６ｂと、第２梁部５ｂとその両端の第３固定部６ｃ及び第４固定部６ｄのみとすることができる。また、上記実施の形態においては、第１ミラー支持部３ａと第２ミラー支持部３ｂの２つの支持部によりミラー部２を支持するが、これを、第１ミラー支持部３ａ又は第２ミラー支持部３ｂのみの片側支持の構成とすることができる。
【００４３】
次に、光走査素子１の製造方法について説明する。第１圧電体１２ａ〜第４圧電体１２ｄは、バルクのＰＺＴ焼結体からダイシングにより切り出し、表面を研磨して所定の厚さ、例えば０．１ｍｍ〜０．３ｍｍのＰＺＴチップに加工する。次に、このＰＺＴチップを過熱し、厚さ方向に電界を印加して分極処理を施す。分極したＰＺＴチップを洗浄し、厚さ方向の一方の表面に真空蒸着法により金薄膜を堆積して一方の電極とする。
【００４４】
第１部材８の材料としてステンレスを用いる。所定の厚さ、例えば１０μｍ〜５０μｍのステンレス板の上にフォトレジストを形成し、フォトリソグラフィ工程により枠部４、第１ミラー支持部３ａと第２ミラー支持部３ｂ、及びミラー部２の上にレジストを残すようにパターニングを行う。次に酸によりエッチング処理を施して、パターニングされた領域のステンレス板を残して枠部４とする。また、第２部材１１の材料としてアルミニュウムを用い、対向する２辺に第１凸部１０ａと第２凸部１０ｂと底部９に加工する。第１及び第２凸部１０ａ、１０ｂの上辺と底部９との間の段差は、揺動するミラー部２の外周が接触しない十分な深さにする。なお、第１部材８の加工は、フォトグラフィ処理及びエッチング処理の他に、打ち抜き加工により形成することができる。
【００４５】
次に、第１圧電体１２ａ〜第４圧電体１２ｄを枠部４の固定部と梁部に跨って固着させる。各圧電体の金薄膜が形成されていない面に銀含有の導電性接着剤を均一に塗布して枠部４の所定の位置４箇所に張り合わせる。次に、枠部４の第１固定部６ａ〜第４固定部６ｄと第２部材１１の第１凸部１０ａ及び第２凸部１０ｂの各隅部とを銀含有エポキシ系接着剤により張り合わせる。次に、これら張り合わされた第１圧電体１２ａ〜第４圧電体１２ｄ、第１部材８及び第２部材１１を乾燥機（オーブン）に投入して１００℃〜１５０℃、約３０分間保持して接着固定し、冷却後に乾燥機から取り出す。第１部材８と第２部材１１は導電性接着剤により接着しているので、圧電体を駆動する電極は圧電体の表面の金薄膜と枠部４又は第２部材１１から取り出すことができる。
【００４６】
なお、上記実施の形態において、第１部材８はステンレスを使用したが、これをシリコン、チタン、銅、ニッケル、タングステン等の半導体や金属を使用することができる。また、圧電体はバルクのＰＺＴ焼結体からダイシングにより切り出したが、これを、エアロゾルデポジット法やゾルゲル法などによりミラー部２に直接薄膜圧電体を形成することができる。
【００４７】
図３は、本発明の光走査素子１の他の実施の形態を表す上面図である。同一の要素又は同一の機能を表す部分には同一の符号を付した。
【００４８】
図３（ａ）は、枠部４の第１梁部５ａと第１固定部６ａとに跨って１個の第１圧電体１２ａを固着した状態を表す。第１圧電体１２ａに交流電界を印加して第１梁部５ａを振動させることにより、第１ミラー支持部３ａに捻れ変位を発生させ、第１ミラー支持部３ａと第２ミラー支持部３ｂとを揺動軸として、ミラー部２に揺動振動を起こさせる。ミラー部２が揺動することにより、ミラー部２に照射された光線の反射光線は、所定の振れ角で走査することができる。
【００４９】
図３（ｂ）は、第１圧電体１２ａの他に、第２圧電体１２ｂの２つの圧電体によりミラー部２を揺動させる場合を表す。第２圧電体１２ｂは、第２固定部６ｂと第１梁部５ａとに跨って固着されている。従って、この実施の形態においては、第１ミラー支持部３ａに２つの圧電体により捻れ変位を発生させる。ミラー部２の揺動をより安定させることができる。図３（ｃ）は、３つの圧電体によりミラー部２を揺動させる場合を表す。図３（ｂ）に示した２つの圧電体に加えて第４固定部６ｄと第２梁部５ｂとの間に跨って第４圧電体１２ｄを固着している。また、上記の他に、対角状に２つの圧電体を設けても良いし、第１固定部６ａと第１梁部５ａとに跨って、及び、第３固定部６ｃと第２梁部５ｂに跨って２つの圧電体を固定してミラー部２の揺動を起こさせるようにしてもよい。
【００５０】
図３（ａ）から図３（ｃ）に示した各圧電体は上面から見て長方形の形状を有しているが、圧電体の形状は長方形に限定されない。図３（ｄ）は、三角形の形状を有する第１圧電体１２ａ’を第１固定部６ａと第１梁部５ａとに跨って固着した光走査素子１の上面図である。後に詳細に説明するが、要は、圧電体が固定部と梁部に跨って固定されていればよく、圧電体の平面形状は問わない。
【００５１】
図４は、他の実施の形態に係る光走査素子１を表し、図４（ａ）は光走査素子１の上面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＹ―Ｙ’部分の断面図である。同一の要素又は同一の機能を有する部分には同一の符号を付した。また、以降に説明する実験及びシミュレーションは図４の構成に基づいて行った。
【００５２】
図４（ａ）は、図３（ｂ）と同様に、第１梁部５ａと第１固定部６ａ及び第２固定部６ｂに跨って第１圧電体１２ａおよび第２圧電体１２ｂを固着している光走査素子１の上面図である。ミラー部２は第１ミラー支持部３ａと第２ミラー支持部３ｂとにより支持されている。第１ミラー支持部３ａは第１梁部５ａと連結点Ｑａ及びＱｂにおいて連結している。第１凸部１０ａと第２凸部１０ｂとは底部９に一体的に固定され、第１部材８を保持する。第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂは表面に電極が形成され、裏面は導電性接着剤により導体である第１梁部５ａ及び第１固定部６ａ、第２固定部６ｂに固定されている。従って、電極は第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂのそれぞれの表面と、第１部材８から取り出すことができる。なお、以降の説明において、梁部と言うときは第１梁部５ａ及び第２梁部５ｂを総称する場合であり、ミラー支持部というときは第１ミラー支持部３ａ及び第２ミラー支持部３ｂを総称する場合であり、圧電体というときは第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂを総称する場合であり、固定部というときは第１固定部６ａ及び第２固定部６ｂを総称する場合である。
【００５３】
第１圧電体１２ａと第２圧電体１２ｂは長さ（Ｐ１＋Ｐ２）、幅Ｗ、厚さＤ２の薄い板状の長方形を有している。第１圧電体１２ａは第１固定部６ａにＰ１の長さで、第１梁部５ａにはＰ２の長さで跨って固着されている。第２圧電体１２ｂは第２固定部６ｂにＰ１の長さで、第１梁部５ａにはＰ２の長さで跨って固着されている。第１ミラー支持部３ａと第１梁部５ａが連結する連結点Ｑａと第１固定部６ａとの間の第１梁部５ａの長さをＬとする。同様に、第１ミラー支持部３ａと第１梁部５ａが連結する連結点Ｑｂと第２固定部６ｂとの間の第１梁部５ａの長さをＬとする。また、固定部や梁部を構成する第１部材８は厚さＤ１を有する。
【００５４】
図５から図９は、上記Ｐ１、Ｐ２、Ｌ、Ｄ１を変化させたときのミラー部２の振れ幅及び光学触れ角を測定した実験Ｎｏ１〜２５の結果を表す。
【００５５】
図５は、第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂの厚さＤ１を５０μｍに、連結点Ｑａ及びＱｂと第１固定部６ａ及び第２固定部６ｂとの間の長さＬを５ｍｍに、第１圧電体１２ａと第１固定部６ａとの重なり長さ、及び、第２圧電体１２ｂと第２固定部６ｂとの重なり長さであるＰ１を１．５ｍｍにそれぞれ固定し、第１圧電体１２ａと第１梁部５ａとの重なり長さ、及び第２圧電体１２ｂと第２梁部５ｂとの重なり長さであるＰ２を変化させたときの、ミラー部２の振れ幅及び光学振れ角を測定した結果を示している。振れ幅が大きいほど、また光学振れ角が大きいほど光走査の走査幅が大きくなる。ここで、振れ幅とは、ミラー部２が揺動したときに所定の距離に投影される反射光束の振幅をいい、光学振れ角とは、そのときの光学的振れ角をいう。
【００５６】
図５の実験Ｎｏ１〜Ｎｏ３は、ミラー部２の振れ幅が１９０ｍｍ〜１５１ｍｍ、光学振れ角が４１．６°〜３３．６°となり大きく、実験Ｎｏ４〜Ｎｏ６では触れ幅が５４ｍｍ以下、又は揺動が不安定となる。その結果、圧電体と梁部との重なり長さＰ２を連結点と固定部の間の長さＬで除したＰ２／Ｌの値が０．５〜０．８において、振れ幅及び光学振れ角が大きく安定した。特に、Ｐ２／Ｌが０．９になるとミラー部２の揺動が不安定となる。即ち、Ｐ２／Ｌが０．８以上となるとミラー部２の揺動が急激に不安定になる。また、Ｐ２／Ｌが０．２５以下では振れ幅及び触れ角が小さく、実用的ではない。図５には示されていないが、更に詳細に調査した結果、最大の振れ幅及び光学振れ角が得られるＰ２／Ｌの値は略２／３（０．６７）である。
【００５７】
図６は、第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂの厚さｄを５０μｍに、連結点Ｑａ及びＱｂと第１固定部６ａ及び第２固定部６ｂとの間のそれぞれの長さＬを５ｍｍに、第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂと第１梁部５ａとの重なり長さＰ２を２．５ｍｍにそれぞれ固定し、第１圧電体１２ａと第１固定部６ａとの重なり長さ、及び、第２圧電体１２ｂと第２固定部６ｂとの重なり長さであるＰ１を変化させたときに振れ幅及び光学振れ角を表す。
【００５８】
図６の実験Ｎｏ７はＰ１が０ｍｍである。これは圧電体が固定部と重ならない状態、即ち圧電体は梁部のみに固着されている場合である。実験Ｎｏ７の場合が振れ幅および光学振れ角が小さく、実験Ｎｏ８、Ｎｏ１、Ｎｏ９ではいずれも触れ幅が１７０ｍｍ以上、触れ角が３８°以上を示した。実験Ｎｏ７の場合には、第１ミラー支持部３ａ及び第２ミラー支持部３ｂの捻れ振動によるミラー部２の揺動の他に、ミラー部２に縦振動等が発生して安定しない。この結果、圧電体は固定部に重なるように固着する必要がある。ただし、その重なり長さＰ１は０．５ｍｍ以上であればよいことがわかる。
【００５９】
図７は、第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂの厚さｄを５０μｍに、連結点Ｑａ及びＱｂと第１固定部６ａ及び第２固定部６ｂとの間のそれぞれの長さＬを５ｍｍに固定し、第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂの幅Ｗを０．５ｍｍ〜２ｍｍに変化させとき、即ち長さＬ部分の第１梁部５ａの面積に対する長さＰ２部分の第１圧電体１２ａの面積（＝Ｗ×Ｐ２）の占める面積占有率（第２圧電体１２ｂも同じ面積占有率）を７．５％〜９０％に変化させたときの振れ幅及び光学振れ角を表す。
【００６０】
図７に示すように、Ｐ２の面積占有率２５％以下の実験Ｎｏ１０〜Ｎｏ１２ではミラー部２の振れ幅が４４ｍｍ以下、光学振れ角が１０．１°以下となり、利用価値は低い。これに対して、Ｐ２の面積占有率が４５％〜８０％の実験Ｎｏ１、Ｎｏ１３〜Ｎｏ１５においてはミラー部２の振れ幅が１３５ｍｍ以上、光学振れ角が３０°以上となり良好である。しかし、Ｐ２の面積占有率が９０％の実験Ｎｏ１６においてはミラー部２に縦振動を誘発し不安定となった。従って、梁部における圧電体の面積占有率を概ね４０％〜８０％とすることにより、実用的利用価値の高い光走査素子１を得ることができる。
【００６１】
図８は、連結点Ｑａ及びＱｂと第１固定部６ａ及び第２固定部６ｂとの間のそれぞれの長さＬを５ｍｍに、第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂの第１梁部５ａにかかる長さＰ２を２．５ｍｍにそれぞれ固定して、第１部材８の厚さＤ１と第１圧電体及び第２圧電体の厚さＤ２を変化させたときのミラー部２の振れ幅及び光学振れ角を表している。実験Ｎｏ１７、Ｎｏ１、Ｎｏ１８及びＮｏ１９は圧電体の厚さＤ２を０．１５ｍｍに固定して第１部材８の厚さＤ１を０．０２ｍｍ〜０．４ｍｍに変化させたとき、実験Ｎｏ２０〜Ｎｏ２３が、第１部材８の厚さＤ１を０．０５ｍｍに固定して圧電体の厚さＤ２を０．２ｍｍ〜０．７ｍｍに変化させたときの、ミラー部２の振れ幅及び光学振れ角を表している。
【００６２】
図８において、実験Ｎｏ１７、Ｎｏ１、Ｎｏ１８及びＮｏ１９の結果から、第１部材８の厚さＤ１は０．３ｍｍ以下においてミラー部２の触れ幅が１１０ｍｍ以上、光学振れ角が２４．８°以上となり実用的で良好である。しかし、第１部材８の厚さＤ１が０．４ｍｍ以上ではミラー部２の揺動を行うことができなかった。また、第１部材８の厚さが０．０２ｍｍを下回るようになると厚み加工が難しくなり、コスト高となる。従って、第１部材８の厚さＤ１は０．０２ｍｍ〜０．３ｍｍが実用的に好適である。
【００６３】
また、圧電体の厚さＤ２は、実験Ｎｏ１、Ｎｏ２０〜Ｎｏ２３から、厚さＤ２として０．５ｍｍ以下がミラー部２の振れ幅が１００ｍｍ以上、光学振れ角が２２°以上となり、実用的である。しかし、厚さが薄くなるに従い加工が難しくなる。また、実験Ｎｏ２３に示されるように、圧電体の厚さＤ２が０．７ｍｍ以上ではミラー部２が揺動振動せず、駆動が困難であった。
【００６４】
図９は、第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂの厚さを５０μｍに固定し、その他連結点と固定部との長さＬ、圧電体の固定部における長さＰ１及び梁部における長さＰ２をそれぞれ変化させたときのミラー部２の振れ幅及び光学振れ角を示している。連結点と固定部との間の長さＬが５ｍｍの実験Ｎｏ１に対して、実験Ｎｏ２４及びＮｏ２５ではＬを８ｍｍ及び１２ｍｍと長くしている。しかし、実験Ｎｏ２４の圧電体と梁部との重なりの長さＰ２を連結点と固定部との間の長さＬで除したＰ２／Ｌは０．７５、実験Ｎｏ２５のＰ２／Ｌは０．５８であり、いずれもＰ２／Ｌの値が０．５〜０．８の範囲内となり、ミラー部２の振れ幅が１９０ｍｍ以上、光学振れ角が４１°以上となって良好な揺動振動を得ることができる。
【００６５】
図１０から図１３は、以上の実験結果を更に確認するためにシミュレーションを行った結果を表している。第１部材８の材料として、ヤング率１９７ＧＰａ、ポアソン比０．３、密度８ｇ／ｃｍ３の物性値を使用し、厚さ０．０５ｍｍとした。圧電体として、ヤング率９０ＧＰａ、ポアソン比０．３４、密度７．８２ｇ／ｃｍ３の物性値を有し、Ｗ×（Ｐ１＋Ｐ２）×Ｄ２＝１．５ｍｍ×４．０ｍｍ×０．１５ｍｍのＰＺＴを使用した。
【００６６】
図１０は、Ｐ１を１．５ｍｍ、Ｌを５ｍｍに固定して、Ｐ２／Ｌを０．３〜約１．０まで変化させたときのＺ変位の変化を表している。横軸がＰ２／Ｌ、縦軸が捻れ変位量を表すＺ変位である。図１０のグラフ２０から、圧電体の梁部における長さを連結点から固定部までの長さＬで除したＰ２／Ｌが０．５〜０．８の範囲でＺ変位が１．５μｍ以上となり、ミラー部２の良好な揺動が得られる。この結果は、図５において実験Ｎｏ１〜Ｎｏ６において得られ結果と符合する。
【００６７】
図１１は、Ｐ１を１．５ｍｍに固定し、第１梁部５ａの各Ｌの長さについて、Ｐ２／Ｌを０．３〜約１．０まで変化させたときのＺ変位の変化を表している。横軸がＰ２／Ｌ、縦軸が捻れ変位量を表すＺ変位である。グラフ２１は連結点から固定部までの長さＬが３、グラフ２０が５ｍｍ、グラフ２２が８ｍｍの場合である。グラフ２０は図１０と同じである。いずれのＬの長さについても、Ｐ２／Ｌが０．５〜０．８でＺ変位が大きくなり、概ね０．６７の付近で最大となる。また、第１梁部５ａの長さＬは、３ｍｍよりも５ｍｍのほうが、また５ｍｍよりも８ｍｍのほうがＺ変位は大きくなる。これは、梁部の長さＬが長くなるに従い縦振動の振幅が大きくなり、ミラー支持部の捻れ変位角が大きくなるためと考えられる。
【００６８】
図１２は、Ｐ２を４ｍｍに固定し、第１圧電体１２ａと第１固定部６ａの重なり長さ及び第２圧電体１２ｂと第２固定部６ｂの重なり長さＰ１を０ｍｍ〜１．５ｍｍに変化させたときのＺ変位の変化を表している。横軸がＰ１、縦軸がＺ変位である。グラフ２３より、Ｐ１が０、即ち圧電体が固定部に重ならない場合はＺ変位が小さく、Ｐ１が０．５ｍｍ以上であれば最大変位量となりほぼ一定となる。従って、圧電体は梁部と固定部とに跨って固着される必要があり、図６に示した実験Ｎｏ１、Ｎｏ７〜Ｎｏ９で得られた結果とほぼ符合する。
【００６９】
図１３は、Ｐ２／Ｌを０．５に固定し、第１部材８の第１梁部５ａと第１固定部６ａ及び第２固定部６ｂの厚さを５０μｍから１００μｍへ増加させたときのＺ変位量を表している。横軸が厚みＤ１であり、縦軸がＺ変位である。グラフ２４より、梁部及び固定部は１００μｍより薄くなるほどＺ変位が大きくなる。この結果は図８に示した実験Ｎｏ１７、１、１８、１９から推定される結果と傾向が一致する。
【００７０】
図１４は、レーザープリンタに用いられる光走査装置２５に上記光走査素子１を用いた模式的なブロック図である。同一の部分又は同一の機能の部分には同一の符号を付した。
【００７１】
図１４において、画像を形成するための変調信号を入力したレーザー光源２６はレーザービームを光走査素子１に照射する。光走査素子１のミラー部２に入射したレーザービームは揺動軸に対して直角方向に走査される。走査されたレーザービームはＦθレンズ２７を通過して凹面鏡２９により反射されて回転ドラム上の感光体２８に照射し、感光体２８に静電潜像を形成する。回転ドラムが回転してこの静電潜像を図示しない複写紙に複写する。ここで、光走査素子１は、上記図１から図１３により説明した光走査素子１を用いている。また、Ｆθレンズ２７は、回転ドラム表面の感光体２８をレーザービームが走査する走査速度を補正するために設けられているが、変調信号と揺動速度を調節することにより、除去することができる。
【００７２】
図１４によりレーザープリンタに用いられる光走査装置２５の実施の形態を説明したが、１次元又は２次元バーコード読み取り装置等においても光走査装置が使用され、この光走査装置に上記図１から図１３により説明した光走査素子１を使用することができる。
【００７３】
図１５は、上記光走査素子１を用いた網膜走査型表示装置３０のブロック図である。同一の部分又は同一の機能の部分には同一の符号を付した。
【００７４】
図１５において、網膜走査型表示装置３０は観察者の眼球４８の網膜５０上に映像を直接結像する。青色の光を発光するＢレーザー３７、緑色の光を発光するＧレーザー３８及び赤色に光を発光するＲレーザー３９から出射した映像光はコリメート光学系４０により平行光となり、ダイクロイックミラー４１により合成され、結合光学系４２により集光されて光ファイバー４９に導入される。光ファイバー４９から出射した映像光は上記図１から図１３を用いて説明した光走査素子１のミラー部２に照射される。ミラー部２は水平走査駆動回路４４により駆動されて揺動振動し、反射光を水平走査する。水平走査された映像光はリレー光学系４５を介してガルバノミラー５１に照射される。ガルバノミラー５１は磁界により鏡面が揺動して反射光を垂直方向に走査する。ガルバノミラー５１から反射した映像光は第２のリレー光学系５３を介して眼球４８の網膜５０の上に結像される。
【００７５】
映像信号供給回路３３は映像信号を入力して青（Ｂ）色、緑（Ｇ）色及び赤（Ｒ）色に対応する画像信号をＢレーザー駆動回路３４、Ｇレーザー駆動回路３５及びＲレーザー駆動回路３６のそれぞれに出力する。Ｂレーザー３７はＢレーザー駆動回路３４からの駆動信号に基づいて光強度が変調されたＢ色のレーザー光を出射する。Ｇレーザー３８及びＲレーザー３９も同様に各画像信号に基づいて光強度が変調された各色のレーザー光を出射する。
【００７６】
映像信号供給回路３３は画像信号に同期した同期信号を水平走査駆動回路４４及び垂直走査駆動回路４６に出力する。水平同期信号回路３１は水平走査駆動回路に水平同期信号を出力し、垂直同期信号回路３２は垂直走査駆動回路４６に垂直同期信号を出力する。水平走査駆動回路４４は光走査素子１に駆動信号を出力してミラー部２を揺動振動させる。この場合の揺動はミラー部２の共振振動に基づく。フォトセンサー５５は水平走査駆動回路４４により水平走査された光の一部を受光して電気信号に変換し、ＢＤ信号検出回路４７に出力する。ＢＤ信号検出回路４７は水平走査のタイミングを検出して映像信号供給回路３３にタイミング信号を出力し、映像信号供給回路３３は入力したタイミング信号により映像信号の開始タイミングを正確に決定する。
【００７７】
なお、上記網膜走査型表示装置３０において、垂直走査をガルバノミラー５１としたが、これに上記光走査素子１を用いることができる。垂直走査の周波数は例えば６０Ｈｚ程度と低くなる。従って、ミラー部の揺動は、共振振動を利用しないで電気信号による捩れ角制御により行う。
【００７８】
また、図１５においては光走査素子１を網膜走査型表示装置３０に適用した例を説明したが、第２のリレー光学系５３を投射レンズ系に変更し、眼球４８に変えて投影スクリーンあるいは建物の壁などとすれば、投射型の光走査型表示装置とすることができる。図１５の実施の形態においてはＲＧＢフルカラーの表示装置であるが、例えば１色又は２色のレーザー光源を走査して大画面用の光走査型表示装置を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００７９】
【図１】本発明の実施形態に係る光走査素子の構成要素を表す説明図である。
【図２】本発明の実施形態に係る光走査素子を表す模式的な斜視図である。
【図３】本発明の他の実施形態に係る光走査素子を表す上面図である。
【図４】本発明の他の実施形態に係る光走査素子を表し、図４（ａ）が上面図、図４（ｂ）が断面図である。
【図５】本発明の実施形態に係る光走査素子における圧電体の形状又は固着位置とミラー部の振れ幅及び光学振れ角の関係を表す表である。
【図６】本発明の実施形態に係る光走査素子における圧電体の形状又は固着位置とミラー部の振れ幅及び光学振れ角の関係を表す表である。
【図７】本発明の実施形態に係る光走査素子における圧電体の形状又は固着位置とミラー部の振れ幅及び光学振れ角の関係を表す表である。
【図８】本発明の実施形態に係る光走査素子における圧電体の形状又は固着位置とミラー部の振れ幅及び光学振れ角の関係を表す表である。
【図９】本発明の実施形態に係る光走査素子における圧電体の形状又は固着位置とミラー部の振れ幅及び光学振れ角の関係を表す表である。
【図１０】本発明の実施形態に係る光走査素子のＰ２／Ｌを変化させたときのＺ変位の変化を表すグラフである。
【図１１】本発明の実施形態に係る光走査素子のＰ２／Ｌを変化させたときのＺ変位の変化を表すグラフである。
【図１２】本発明の実施形態に係る光走査素子のＰ１を変化させたときのＺ変位の変化を表すグラフである。
【図１３】本発明の実施形態に係る光走査素子のＤ１を変化させたときのＺ変位の変化を表すグラフである。
【図１４】本発明の実施形態に係る光走査装置を表す概念図である。
【図１５】本発明の実施形態に係る網膜走査型表示装置のブロック図である。
【図１６】従来公知の光走査素子を示す斜視図である。
【図１７】従来公知の光走査素子を用いて投射する状態を表す説明図である。
【符号の説明】
【００８０】
１  光走査素子
２  ミラー部
３ａ  第１ミラー支持部
３ｂ  第２ミラー支持部
４  枠部
５ａ  第１梁部
５ｂ  第２梁部
６ａ  第１固定部
６ｂ  第２固定部
６ｃ  第３固定部
６ｄ  第４固定部
７ａ  第１連結点
７ｂ  第２連結点
７ｃ  第３連結点
７ｄ  第４連結点
８    第１部材
９    底部
１１  第２部材
１２ａ  第１圧電体
１２ｂ  第２圧電体
１２ｃ  第３圧電体
１２ｄ  第圧電体
２５  光走査装置
【図１】
2008083603.tif 000003
【図２】
2008083603.tif 000004
【図３】
2008083603.tif 000005
【図４】
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【図５】
2008083603.tif 000007
【図６】
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【図７】
2008083603.tif 000009
【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
2008083603.tif 000013
【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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