(57)【要約】【課題】光走査素子において反射ミラーの振れ角を大きくした場合の梁部の強度低下を容易に抑えること。【解決手段】反射面を有するミラー部２と、ミラー部２に連結されるミラー支持部３ａ，３ｂと、ミラー支持部３ａ，３ｂに連結され、振動によりミラー支持部３ａ，３ｂに捻れ変位を生じさせる枠部とを有する第１部材８と、第１部材８の枠部４を固定して保持する第２部材１１と、枠部４に固着され、枠部４に振動を伝達する圧電体１２ａ，１２ｂとから構成され、枠部４は梁部５ａ，５ｂとその梁部５ａ，５ｂの両端に位置する固定部６ａ〜６ｄとを有し、ミラー支持部３ａ，３ｂは梁部５ａ，５ｂの連結部Ｑａ，Ｑｂにおいて連結され、枠部４は固定部６ａ〜６ｄにおいて第２部材１１に固定され、圧電体１２ａ，１２ｂは固定部６ａ，６ｂと梁部５ａとに跨って設けられ、圧電体１２ａ，１２ｂと連結部Ｑａとの間の梁部５ａに貫通孔７ａ，７ｂを設けた。【選択図】図２
2008164827.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部において連結され、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と前記梁部とに跨って設けられ、
前記圧電体と前記連結部との間の前記梁部に貫通孔が設けられたことを特徴とする光走査素子。
【請求項２】
前記貫通孔が前記梁部に複数設けられた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】
前記複数の貫通孔は、前記揺動軸線に対して対称となる位置に設けられたことを特徴とする請求項２に記載の光走査素子。
【請求項４】
前記貫通孔の領域を、前記梁部における前記圧電体と前記連結部との間の領域の５〜５０％とした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】
前記貫通孔は、前記圧電体から前記連結部までの距離の１／３以上の位置に設けられた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】
前記貫通孔の形状を円形状とした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１〜６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１〜７のいずれか１項に記載の光走査素子。
【請求項９】
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１０】
請求項１〜９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１１】
請求項１〜９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１２】
請求項１〜９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。
【請求項１３】
請求項１〜９のいずれか１項に記載の光走査素子における前記貫通孔の生成方法であって、
前記貫通孔をウェットエッチングにより生成する工程を含む
ことを特徴とする光走査素子における貫通孔の生成方法。
【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、ガルバノミラー型の光走査素子は、例えば、特許文献１に記載されているように、反射ミラー部を振動系支持部にて支持し、この支持部を圧電体を利用して共振させているために、ポリゴンミラー型の光走査素子と比較して駆動部を小型化することができる。
【０００３】
図１５は、従来の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。なお、この反射ミラー部１０５の構成を簡略的に表している。
【０００４】
この光走査素子１００は、図１５に示すように、支持部１０２と振動体１０３と圧電体１０７ａ〜１０７ｄとを有している。支持部１０２の両サイドにはベース台１０１が形成されており、このベース台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枠部１０４と、反射ミラー部１０５と枠部１０４とを連結し、反射ミラー部１０５を両側から支持するミラー支持部１０６とから一体的に構成されている。ミラー支持部１０６は反射ミラー部１０５の捻り回転の回転軸をなしている。
【０００５】
枠部１０４は、ミラー支持部１０６に連結された梁部１０８と、この梁部１０８の両端に位置し、その裏面がベース台１０１に固定された固定部１０９とを有している。枠部１０４の表面には固定部１０９から梁部１０８にかけて４つの圧電体１０７ａ〜１０７ｄが固着されている。圧電体１０７ａ，１０７ｂと圧電体１０７ｃ，１０７ｄには、互いに逆相となる交番電圧が印加され、反射ミラー部１０５はミラー支持部１０６を回転軸として揺動を行う。
【０００６】
図１６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１２０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１２０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】特開平９−１０１４７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかし、上記従来の光走査素子１００においては、反射ミラー部１０５の振れ角の調整を梁部の厚みを変更することによって行っていたために、反射ミラー部１０５の振れ角を大きくしようとすると、梁部の強度が不足してしまう恐れがあった。
【０００８】
しかも、梁部の厚みを変更すると光走査素子１００の共振周波数まで変わってしまい、所望の共振周波数及び反射ミラーの振れ角になるように調整することが難しい。
【０００９】
そこで、本発明は、反射ミラーの振れ角を大きくした場合の梁部の強度低下を容易に抑えることができる光走査素子及びこの光走査素子を備えた光走査装置、光走査型表示装置、網膜走査型表示装置及び光走査素子における貫通孔の生成方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
請求項１に記載の発明は、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部において連結され、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と前記梁部とに跨って設けられ、前記圧電体と前記連結部との間の前記梁部に貫通孔が設けられたことを特徴とする。
【００１１】
また、請求項２に記載の発明は、請求項１に記載の発明において、前記貫通孔が前記梁部に複数設けられたことを特徴とする。
【００１２】
また、請求項３に記載の発明は、請求項２に記載の発明において、前記複数の貫通孔は、前記揺動軸線に対して対称となる位置に設けられたことを特徴とする。
【００１３】
また、請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記貫通孔の領域を、前記梁部における前記圧電体と前記連結部との間の領域の５〜５０％としたことを特徴とする。
【００１４】
また、請求項５に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１項に記載の発明において、前記貫通孔は、前記圧電体から前記連結部までの距離の１／３以上の位置に設けられたことを特徴とする。
【００１５】
また、請求項６に記載の発明は、請求項１〜５のいずれか１項に記載の発明において、前記貫通孔の形状を円形状としたことを特徴とする。
【００１６】
また、請求項７に記載の発明は、請求項１〜６のいずれか１項に記載の発明において、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。
【００１７】
また、請求項８に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、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。
【００１８】
また、請求項９に記載の発明は、請求項１〜７のいずれか１項に記載の発明において、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。
【００１９】
また、請求項１０に記載の発明は、請求項１〜９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。
【００２０】
また、請求項１１に記載の発明は、請求項１〜９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。
【００２１】
また、請求項１２に記載の発明は、請求項１〜９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。
【００２２】
また、請求項１３に記載の発明は、請求項１〜９のいずれか１項に記載の光走査素子における前記貫通孔の生成方法であって、前記貫通孔をウェットエッチングにより生成する工程を含む光走査素子における貫通孔の生成方法とした。
【発明の効果】
【００２３】
本発明の光走査素子では、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、反射面を有するミラー部と、ミラー部に連結され、捻れ変位により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、ミラー支持部に連結され、振動により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を備え、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、ミラー支持部は梁部の連結部において連結され、枠部は固定部において第２部材に固定され、圧電体は固定部と梁部とに跨って設けられ、圧電体と連結部との間の梁部に貫通孔が設けられたことを特徴とする。これにより、反射ミラーの振れ角を大きくした場合の梁部の強度低下を抑えることができる、という利点を有する。しかも、共振周波数を変えることなくミラー部の振れ角を大きくすることができる、という利点も有する。
【００２４】
また、貫通孔を梁部に複数設けることにより、各貫通孔に発生する応力を分散し、梁部の強度低下をさらに抑えることができる、という利点を有する。
【００２５】
また、複数の貫通孔を、揺動軸線に対して非対称となる位置に設けることにより、ねじり振動に加えて不要な縦振動まで発生してしまうことになるが、複数の貫通孔を揺動軸線に対して対称となる位置に設けることにより、望ましくない縦振動の発生を防止することができる、という利点を有する。
【００２６】
また、貫通孔の領域を、梁部における圧電体と連結部との間の領域の５〜５０％とすることにより、ミラー部の振れ角を大きくしつつも、梁部の強度低下を抑制することができる、という利点を有する。
【００２７】
また、貫通孔を、圧電体から連結部までの距離の１／３以上の位置に設けることにより、より効果的にミラー部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。
【００２８】
また、貫通孔の形状を円形状とすることにより、貫通孔における応力集中を抑制し、梁部の強度低下をさらに抑えることができる、という利点を有する。
【００２９】
また、枠部ミラー部を囲むように形成することにより、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。
【００３０】
また、圧電体を、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することにより、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。
【００３１】
また、圧電体を、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することにより、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。
【００３２】
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。
【００３３】
また、上記光走査素子における貫通孔を、ウェットエッチングすることによって形成することにより、貫通孔のエッジを滑らかにすることができ、従って、貫通孔における応力集中を抑制することができる、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】
【００３４】
本発明の実施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長手方向中央に位置する連結部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。圧電体は、固定部と梁部の連結部に向けて連結部を越えない所定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。そして、所定位置まで延在した圧電体と連結部との間の梁部に貫通孔が設けられている。
【００３５】
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。
【００３６】
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、このミラー部を支持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。
【００３７】
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。
【００３８】
また、梁部の強度低下を抑えるという観点から、貫通孔は梁部に複数設けることが好ましく、これらの貫通孔の領域は、梁部における圧電体と連結部との間の領域の５％以上でかつ５０％を超えないように形成される。貫通孔の形状は、円形状とすることが好ましく、また、貫通孔はウェットエッチングで形成することが好ましい。ここで、「円形状」とは、角がない円形（真ん円や楕円）のほか、多角形（６角形や１０角形など）を含む。なお、多角形は作りやすいが、応力集中を考えて、角数が多いことが望ましい。また、複数の貫通孔は、不要な振動の発生を防止するという観点から、揺動軸線に対して対称となる位置に設けることが好ましい。
【００３９】
また、ミラー部の振れ角を大きくという観点から貫通孔の位置は、梁部における圧電体から連結部までの距離の１／３以上の位置とすることが好ましい。
【００４０】
本発明の実施の形態における光走査表示装置は、画像信号に応じて変調された映像光束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。光走査型表示装置としては、投影型表示装置のほか、画像信号に応じて変調された光束を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などがある。
【００４１】
以下、本実施形態における光走査素子について、図面を用いて詳細に説明する。
【００４２】
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。
【００４３】
図１において、光走査素子１は、入射した光束を揺動する反射面により走査するために用いられる素子であり、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８の２つの隅に固着される第１圧電体１２ａ、第２圧電体１２ｂとから構成されている。
【００４４】
第１部材８は、反射面を有する反射ミラーであるミラー部２と、そのミラー部２に連結され、捻れ変位によりミラー部２に揺動を生じさせる揺動軸をなしてミラー部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３ａ，３ｂに連結してミラー部２を保持する枠部４とにより構成される。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は第１梁部５ａの第１連結部Ｑａと連結される。通常、第１ミラー支持部３ａは第１梁部５ａの長手方向中央部において連結される。第２ミラー支持部３ｂも同様に第２梁部５ｂの第２連結部Ｑｂと連結される。第１梁部５ａには、揺動軸線上にある第１連結部Ｑａに対して対称に第１貫通孔７ａ及び第２貫通孔７ｂが設けられる。また、同様に、第２梁部５ｂには、揺動軸線上にある第２連結部Ｑｂに対して対称に第３貫通孔７ｃ及び第４貫通孔７ｄが設けられる。
【００４５】
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。
【００４６】
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。ここで、第１貫通孔７ａは、第１圧電体１２ａと第１連結部Ｑａとの間の第１梁部５ａに設けられる。同様に、第２貫通孔７ｂは第２圧電体１２ｂと第１連結部Ｑａとの間の第１梁部５ａに、それぞれ設けられる。また、第１梁部５ａと第２梁部５ｂとは、ミラー部２の中央で揺動軸Ｘと直交する線Ｙに対称に設けられており、第３貫通孔７ｃ及び第４貫通孔７ｄは、この線Ｙに対して第１貫通孔７ａ及び第２貫通孔７ｂと対称の位置にそれぞれ設けられる。
【００４７】
また、第１圧電体１２ａ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，１２ｂ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、各ミラー支持部の長手方向中心を揺動軸Ｘ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る。
【００４８】
なお、上記実施の形態においては、第１部材８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１２ａ，１２ｂが固着される表面に電極等を形成して圧電体１２ａ，１２ｂ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、圧電体１２ａ，１２ｂ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１１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。
【００４９】
また、上記実施の形態においては、２つの圧電体１２ａ，１２ｂを使用したがこれに限定されず、例えば、図３（ａ）に示すように第１圧電体１２ａの１個のみを固着させても良いし、図３（ｂ）に示すように第１圧電体１２ａ，第２圧電体１２ｂ及び第３圧電体１２ｃの３つの圧電体によりミラー部２を揺動させても良い。これら場合においても図２に示す光走査素子１と同様に、梁部の連結部と固定部との間の梁部の領域のうち、圧電体が固定されていない領域にも貫通孔が設けられる。例えば、図３（ａ）においては、第１圧電体１２ａと第１連結部Ｑａとの間の第１梁部５ａに第１貫通孔７ａが設けられる他、梁部の連結部と固定部との間の梁部の領域のうち、圧電体が固定されていない領域に第２貫通孔７ｂ〜第４貫通孔７ｄが設けられる。なお、第２貫通孔７ｂは、揺動軸Ｘ線上に対して第１貫通孔７ａと対称に設けられ、第３貫通孔７ｃ及び第４貫通孔７ｄは、ミラー部２の中央で揺動軸Ｘと直交する線に対して第１貫通孔７ａ及び第２貫通孔７ｂと対称の位置にそれぞれ設けられる。
【００５０】
また、図３（ｃ）に示すように、第１圧電体１２ａ，第２圧電体１２ｂ，第３圧電体１２ｃ及び第４圧電体１２ｄの４つの圧電体によりミラー部を揺動させても良い。このように圧電体を第１部材８の４つの隅に固着することによって、図２に示す構成に比べ反射ミラーの振れ角を大きくすることができる。
【００５１】
なお、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。このように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。
【００５２】
また、枠部４は、ミラー部２を取り囲むようにしてミラー部２の周囲に形成したが、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。
【００５３】
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及び第２圧電体１２ｂ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チップを加熱し、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。
【００５４】
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。次に酸によりウエット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。なお、貫通孔７ａ〜７ｄは、このウェットエッチング処理の工程により枠部４を形成する際に同時に形成される。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、フォトリソグラフィ処理及びウェット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。
【００５５】
次に、第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂ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２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及び第２圧電体１２ｂ、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。
【００５６】
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。
【００５７】
次に、光走査素子１における共振周波数及びミラー部の振れ角と貫通孔との関係を具体的に説明する。
【００５８】
図４（ａ）は本実施の形態における光走査素子１の平面図であり、図４（ｂ）は図４（ａ）のＹ―Ｙ’部分の断面図である。図４（ａ），（ｂ）に示すように、第１圧電体１２ａ及び第２圧電体１２ｂは同一形状であり、長さ（Ｐ１＋Ｐ２）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。ここで、第１圧電体１２ａと第１連結部Ｑａとの間の第１梁部５ａの長さをＬ１とする。同様に、第２圧電体１２ｂと第１連結部Ｑａとの間の第１梁部５ａの長さをＬ１とする。また、第１圧電体１２ａと第１貫通孔７ａとの間の第１梁部５ａの長さをＬ２とし、第１貫通孔７ａの長さをＬ３とする。同様に、第２圧電体１２ｂと第２貫通孔７ｂとの間の第１梁部５ａの長さをＬ２とし、第２貫通孔７ｂの長さをＬ３とする。ここでは、一例として、Ｐ１＝１ｍｍ，Ｐ２＝３ｍｍ，Ｌ＝２．４７ｍｍとし、固定部や梁部を構成する第１部材８の厚さを５０μｍとした光走査素子１について、貫通孔の有無で実験した結果を以下に示す。
【００５９】
貫通孔７ａ〜７ｄがない従来の光走査素子（従来モデルＡ）におけるミラー部の振れ角特性と、図２及び図４に示す貫通孔７ａ〜７ｄがある本実施形態の光走査素子１（新規モデルＡ）のミラー部２の振れ角特性を表１に示す。なお、新規モデルＡは、図４において、Ｌ２＝１．８４５ｍｍ，Ｌ３＝０．６２５ｍｍとする。
【００６０】
【表１】
2008164827.tif 000003
【００６１】
上記表１に示すように、貫通孔７ａ〜７ｄがある新規モデルＡは、貫通孔７ａ〜７ｄがない従来モデルＡに比べミラー部２の振れ角が大きくなっており、しかも、共振周波数は略同一であることがわかる。このように本実施形態における光走査素子１では、貫通孔によってミラー部２の振れ角を大きくすることができ、しかも共振周波数が変わらないことから、従来の光走査素子のようにミラー部の振れ角を調整しつつ共振周波数を調整していたのに比べて、光走査素子の設計が容易となる。
【００６２】
次に、光走査素子１におけるミラー部２の振れ角と貫通孔の位置との関係を具体的に説明する。
【００６３】
図５及び図６は、上記新規モデルＡと貫通孔７ａ〜７ｄの長さＬ３を同一としつつも、圧電体からの距離Ｌ２を異ならしめたものである。新規モデルＡは上述のようにＬ２＝１．８４５ｍｍである光走査素子、図５（ａ）はＬ２＝１．５ｍｍである光走査素子（新規モデルＢ）、図５（ｂ）はＬ２＝１．３５５ｍｍである光走査素子（新規モデルＣ）、図５（ｃ）はＬ２＝１．０２ｍｍである光走査素子（新規モデルＤ）、図５（ｄ）はＬ２＝０．７５ｍｍである光走査素子（新規モデルＥ）、図６（ａ）はＬ２＝０．５ｍｍである光走査素子（新規モデルＦ）、図６（ｂ）はＬ＝０．１８８ｍｍである光走査素子（新規モデルＧ）、図６（ｃ）はＬ＝０ｍｍである光走査素子である。
【００６４】
上記新規モデルＡ〜Ｆについてのミラー部の振れ角特性を表２に示す。
【００６５】
【表２】
2008164827.tif 000004
【００６６】
ここで、上記新規モデルＡ〜Ｆの結果から変位変化率（従来モデルＡを１としたときのミラー部の振れ角比率）と圧電体から貫通孔までの距離との関係をグラフ化したものを図７に示す。貫通孔７ａ，７ｂは、圧電体から遠い方がミラー部２の振れ角が大きいことがわかる。一方、圧電体に最近接した場合には、逆に貫通孔７ａ〜７ｄを設けない光走査素子よりもミラー部２の振れ角が小さくなることがわかった。特に、貫通孔７ａ，７ｂの位置は、第１及び第２圧電体１２ａ，１２ｂから第１連結部Ｑａまでの距離（ここでは、Ｌ１＝２．４７ｍｍ）の１／３（ここでは、約０.８５ｍｍ）以上の位置に設けることが望ましく、これにより貫通孔７ａ〜７ｄがない光走査素子に比べ約１４０％以上の振れ角向上を図ることができる。なお、上述のように貫通孔７ｃ，７ｄは、貫通孔７ａ，７ｂと同等の位置にあり、これらの貫通孔７ｃ，７ｄについても同様である。
【００６７】
次に、光走査素子１におけるミラー部２の振れ角と貫通孔の大きさとの関係を説明する。図８（ａ）〜（ｄ）は、貫通孔７ａ〜７ｄの長さＬ３を異ならしめたものである。図８（ａ）はＬ３＝０．１８７５ｍｍである光走査素子（新規モデルＩ）、図８（ｂ）はＬ３＝０．６２５ｍｍである光走査素子（新規モデルＪ）、図８（ｃ）はＬ３＝１．２５ｍｍである光走査素子（新規モデルＫ）、図８（ｄ）はＬ２＝１．８７５ｍｍである光走査素子（新規モデルＬ）である。なお、各モデルの貫通孔７ａ〜７ｄは、連結部Ｑａ，Ｑｂに接した状態である。また、新規モデルＪは新規モデルＡと同等の形状であるが、説明の便宜上新規モデルＪとしている。
【００６８】
上記新規モデルＩ〜Ｌについてのミラー部２の振れ角特性を表３に示す。なお、ここでの開口率とは、梁部における圧電体１２ａ，１２ｂと第１連結部Ｑａとの間の各領域の面積に対する、貫通孔の領域が占める割合を意味する。また、貫通孔７ｃ，７ｄは、上述のように貫通孔７ａ，７ｂと同等の位置にある。
【００６９】
【表３】
2008164827.tif 000005
【００７０】
この表３からわかるように、貫通孔７ａ，７ｂの領域が大きいほどミラー部２の振れ角が大きいことがわかる。但し、開口率が５０％を超えるとエッチングパーツとしての強度が不足することになることから、開口率は５０％以内とすることが好ましい。また、開口率が５％以下ではミラー部２の振り角の向上が余り望めないことから開口率は５％以上とすることが望ましい。また、鋭意検討の結果、ミラー部２の振れ角向上及びエッチングパーツとしての強度低下防止の観点から開口率は１０％〜４０％とすることが好ましく、さらに好ましくは、１５％〜３５％であった。
【００７１】
次に、光走査素子１におけるミラー部の振れ角と貫通孔の数との関係を説明する。図９は、貫通孔の総面積を同一とし、その領域を上記新規モデルＣと略同一の位置としてこの領域に貫通孔の個数を変えた光走査素子の例を示している。図９（ａ）は貫通孔の数を上下２つずつとした光走査素子（新規モデルＭ）、図９（ｂ）は貫通孔の数を上下３つずつとした光走査素子（新規モデルＮ）、図９（ｃ）は貫通孔の数を上下４つずつとした光走査素子（新規モデルＯ）である。なお、本実施形態において、貫通孔の総面積とは、固定部と梁部との間のそれぞれの領域に設けられる貫通孔の面積の各領域ごとの合計である。例えば、第１圧電体１２ａと第１連結部Ｑａとの間にある第１貫通孔７ａの面積（第１貫通孔７ａが複数の貫通孔で構成される場合にはそれらの合計の面積）を意味する。また、第２圧電体１２ｂと第１連結部Ｑａとの間にある第２貫通孔７ｂの面積（第２貫通孔７ｂが複数の貫通孔で構成される場合にはそれらの合計の面積）を意味する。ここでは各領域の貫通孔の総面積を同一としている。
【００７２】
上記新規モデルＣ，Ｍ〜Ｏについての貫通孔エッジに発生する応力値の比較結果を表４に示す。なお、応力値の比較結果は、新規モデルＣの応力値を基準とした場合の例を示している。ここで、貫通孔エッジに発生する応力値とは、光走査素子１にミラー部２を揺動させるときに貫通孔のエッジ部分に発生する応力の値である。
【００７３】
【表４】
2008164827.tif 000006
【００７４】
上記表４からわかるように、貫通孔の総面積を一定とした場合、光走査素子１にミラー部２を揺動させるときに発生する応力値は、貫通孔の個数が多くなると低下する傾向が見られる。一方で、ミラー部２の振れ角は貫通孔の総面積が一定であれば貫通孔の個数に関係なく略一定であった。従って、貫通孔のエッジに発生する応力低減の観点から、貫通孔の個数は多いことが望ましい。貫通孔のエッジに発生する応力が大きい場合には、その応力集中箇所からマイクロクラックが発生する恐れがあり、光走査素子１の破壊につながるからである。なお、本実施形態において貫通孔の数とは、固定部と梁部との間のそれぞれの領域に設けられる各領域ごとの貫通孔の数であり、例えば、第１圧電体１２ａと第１連結部Ｑａとの間にある貫通孔の数を、第２圧電体１２ｂと第１連結部Ｑａとの間にある貫通孔の数をそれぞれ意味しており、ここでは各領域の貫通孔の数を同一としている。
【００７５】
次に、光走査素子１における貫通孔７ａ〜７ｄの対称性について説明する。図１０（ａ）は長さＬ３＝１．０２５の第１貫通孔７ａを連結部Ｑａから１．９５ｍｍのところに配置し、長さＬ３＝０．６２５の第２貫通孔７ｂを連結部Ｑａから１．７２ｍｍのところに配置した光走査素子（新規モデルＰ）、図１０（ｂ）は長さＬ３＝０．６２５の第１貫通孔７ａを連結部Ｑａから１．７２ｍｍのところに配置し、長さＬ３＝０．６２５の第２貫通孔７ｂを連結部Ｑａから１．７２ｍｍのところ３つ配置した光走査素子（新規モデルＱ）である。なお、第３貫通孔７ｃは第２梁部５ｂに第１貫通孔７ａと同等の位置及び大きさで配置され、第４貫通孔７ｄは第２梁部５ｂに第２貫通孔７ｂと同等の位置及び大きさで配置される。
【００７６】
新規モデルＰ，Ｑのミラー部２を振動させたところ、捩れ振動に加えて縦振動が発生した。図１１は、貫通孔が非対称である新規モデルＰと貫通孔が対称の新規モデルＢにおけるミラー部２の変位推移を示している。このように縦振動が発生するとミラー部２の振れ角が安定せず、またミラー部２を振動させているときに第１梁部５ａ及び第２梁部５ｂにかかる応力が大きくなるといった問題が発生する。従って、第１貫通孔７ａと第２貫通孔７ｂとは同一形状とし、揺動軸Ｘ線上を中心として対称となる位置に配置することが望ましい。また、第３貫通孔７ｃと第４貫通孔７ｄも同様に、同一形状とし、揺動軸Ｘ線上を中心として対称となる位置に配置し、さらに、第１貫通孔７ａ及び第２貫通孔７ｂと第３貫通孔７ｃ及び第４貫通孔７ｄとは、ミラー部２の中心で揺動軸Ｘと直交する線に対して対称となるように配置することにより、ミラー部２に安定した振動を発生することができる。
【００７７】
次に、光走査素子１における貫通孔７ａ〜７ｄの形状と発生応力との関係を説明する。図１２は貫通孔７ａ〜７ｄの形状を円形状の貫通孔とした光走査素子（新規モデルＲ）の例を示しており、新規モデルＢと同等の位置に貫通孔を配置している。この新規モデルＲの応力発生値は、新規モデルＢの応力発生値を１とすると、０．７６であった。従って、貫通孔７ａ〜７ｄの形状を円形状とすることによって、より発生応力を抑えることができる。
【００７８】
図１３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。
【００７９】
図１３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１２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。
【００８０】
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１２により説明した光走査素子１を使用することができる。
【００８１】
図１４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。
【００８２】
図１４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コリメート光学系４３を介して上記図１から図１２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。
【００８３】
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。
【００８４】
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。
【００８５】
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。
【００８６】
また、図１４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１４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】
【００８７】
【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】貫通孔の位置を変えた光走査素子を表す模式的な斜視図である。
【図６】貫通孔の位置を変えた光走査素子を表す模式的な斜視図である。
【図７】貫通孔の位置とミラー部の変位変化率との関係を表すグラフである。
【図８】貫通孔の大きさを変えた光走査素子を表す模式的な斜視図である。
【図９】貫通孔の数を変えた光走査素子を表す模式的な斜視図である。
【図１０】複数の貫通孔を非対称にした光走査素子を表す模式的な斜視図である。
【図１１】複数の貫通孔を非対称に配置した光走査素子のミラー部の変位推移と複数の貫通孔を対称に配置した光走査素子のミラー部の変位推移とを示す図である。
【図１２】貫通孔の形状を円形状にした光走査素子を表す模式的な斜視図である。
【図１３】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１４】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１５】従来公知の光走査素子を示す斜視図である。
【図１６】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】
【００８８】
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貫通孔
７ｂ  第２貫通孔
７ｃ  第３貫通孔
７ｄ  第４貫通孔
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
２５  光走査装置
Ｑａ  第１連結部
Ｑｂ  第２連結部
【図１】
2008164827.tif 000007
【図２】
2008164827.tif 000008
【図３】
2008164827.tif 000009
【図４】
2008164827.tif 000010
【図５】
2008164827.tif 000011
【図６】
2008164827.tif 000012
【図７】
2008164827.tif 000013
【図８】
2008164827.tif 000014
【図９】
2008164827.tif 000015
【図１０】
2008164827.tif 000016
【図１１】
2008164827.tif 000017
【図１２】
2008164827.tif 000018
【図１３】
2008164827.tif 000019
【図１４】
2008164827.tif 000020
【図１５】
2008164827.tif 000021
【図１６】
2008164827.tif 000022