(57)【要約】【課題】低電圧で大きい加振力を得ることができるとともに、精度よく角度変位を検出することができる２次元光走査装置を提供【解決手段】２次元光走査装置１００は、鏡面部が表面に形成された第３フレーム１０４と、第３フレーム１０４に対し所定の隙間を介して設けられた第２フレーム１０３と、第２フレーム１０３に対し所定の隙間を介して設けられた第１フレーム１０２と、第１フレーム１０２に対し所定の隙間を介して設けられた第０フレーム１０１とを備え、３自由度連成振動系を構成する。更に、第１フレーム１０２の左側端縁１０２ｃ及び右側端縁１０２ｄには、櫛歯状に形成された櫛歯部が設けられるとともに、第０フレーム１０１には、この櫛歯部と一定間隔を空けて噛み合うように構成された櫛歯部が設けられている。そして、第１フレーム１０２の捩じり振動の振幅が、第１フレーム１０２の板厚に略等しくなるように構成される。【選択図】図１
2008129069.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光を反射させる反射面を有する板状の第３剛体部材と、
前記第３剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第２剛体部材と、
前記第２剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第１剛体部材と、
前記第１剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第０剛体部材と、
前記第３剛体部材と前記第２剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第３剛体部材の重心を通る第３中心軸を回転軸として、前記第３剛体部材を捩じり振動させる第３弾性変形部材と、
前記第２剛体部材と前記第１剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第３剛体部材と前記第２剛体部材との重心を通る第２中心軸を回転軸として、前記第２剛体部材を捩じり振動させる第２弾性変形部材と、
前記第１剛体部材と前記第０剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第３剛体部材と前記第２剛体部材と前記第１剛体部材との重心を通る第１中心軸を回転軸として、前記第１剛体部材を捩じり振動させる第１弾性変形部材と
を備えて、前記第３剛体部材、前記第２剛体部材、前記第１剛体部材、前記第３弾性変形部材、前記第２弾性変形部材及び前記第１弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成し、
更に、前記第０剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第０櫛歯状電極部と、前記第１剛体部材に設けられ、前記第０櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第１櫛歯状電極部とを有し、前記第０櫛歯状電極部に周期的な電気信号を入力することにより、前記３自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第１外力作用手段と、
前記第０剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第２櫛歯状電極部と、前記第１剛体部材に設けられ、前記第２櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第３櫛歯状電極部とを有し、前記第２櫛歯状電極部と前記第３櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、前記第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する第１角度検出手段とを備え、
前記第３剛体部材及び前記第２剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、前記第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、
前記第１剛体部材の捩じり振動の振幅が、前記第１剛体部材の板厚に略等しくなるように構成される
ことを特徴とする２次元光走査装置。
【請求項２】
前記第１外力作用手段は、
前記第１剛体部材が１周期振動する間に、複数箇所で前記第０櫛歯状電極部と前記第１櫛歯状電極部とが噛み合うように、前記複数箇所に前記第０櫛歯状電極部及び前記第１櫛歯状電極部が設けられ、
前記複数箇所に設けられた前記第０櫛歯状電極部には、それぞれ異なる周波数の電気信号が入力される
ことを特徴とする請求項１に記載の２次元光走査装置。
【請求項３】
前記周期的な電気信号は、少なくとも２種類の周波数が重畳されており、
前記第１外力作用手段は、
前記少なくとも２種類の周波数の位相差を検出し、該検出された位相差に基づいて、上記重畳されている少なくとも２種類の周波数の位相差を調整するように構成される
ことを特徴とする請求項１に記載の２次元光走査装置。
【請求項４】
前記第０櫛歯状電極部に過大電流が入力するのを遮断する遮断手段を備える
ことを特徴とする請求項１〜請求項３の何れかに記載の２次元光走査装置。
【請求項５】
前記第１剛体部材に平行光を照射する光照射手段と、
前記第１剛体部材で反射されて到達する前記平行光を受光して、該受光した平行光の到達位置を検出する到達位置検出手段と
を備えることを特徴とする請求項１〜請求項４の何れかに記載の２次元光走査装置。
【請求項６】
光を反射させる反射面を有する第８剛体部材と、
前記第８剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第７剛体部材と、
前記第７剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第６剛体部材と、
前記第６剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第５剛体部材と、
前記第５剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第４剛体部材と、
前記第８剛体部材と前記第７剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第８剛体部材の重心を通る第８中心軸を回転軸として、前記第８剛体部材を捩じり振動させる第８弾性変形部材と、
前記第７剛体部材と前記第６剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第８剛体部材と前記第７剛体部材の重心を通る第７中心軸を回転軸として、前記第７剛体部材を捩じり振動させる第７弾性変形部材と、
前記第６剛体部材と前記第５剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第８剛体部材と前記第７剛体部材と前記第６剛体部材の重心を通る第６中心軸を回転軸として、前記第６剛体部材を捩じり振動させる第６弾性変形部材と、
前記第５剛体部材と前記第４剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第８剛体部材と前記第７剛体部材と前記第６剛体部材と前記第５剛体部材の重心を通る第５中心軸を回転軸として、前記第５剛体部材を捩じり振動させる第５弾性変形部材と
を備えて、前記第８剛体部材、前記第７剛体部材、前記第６剛体部材、前記第５剛体部材、前記第８弾性変形部材、前記第７弾性変形部材、前記第６弾性変形部材及び前記第５弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する４自由度連成振動系を構成し、
更に、前記第４剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第４櫛歯状電極部と、前記第５剛体部材に設けられ、前記第４櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第５櫛歯状電極部とを有し、前記４自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第２外力作用手段と、
前記第４剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第６櫛歯状電極部と、前記第５剛体部材に設けられ、前記第４櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第７櫛歯状電極部とを有し、前記第６櫛歯状電極部と前記第７櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、前記第５剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する第２角度検出手段とを備え、
前記第６剛体部材、前記第７剛体部材及び前記第８剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、前記第５剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、
前記第５剛体部材の捩じり振動の振幅が、前記第５剛体部材の板厚に略等しくなるように構成される
ことを特徴とする２次元光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、２次元的に光ビームの走査を行う２次元光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光走査装置の小型化を目的として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用した光走査装置が種々提案されている。
これに対して本願出願人は、３自由度捻り振動系を圧電バイモルフで加振することにより２個の振動モードを励振して、中央に配置されたミラーを２方向に捻り振動させ、２次元の光走査をするように構成した光走査装置を提案している（特許文献１参照）。
【０００３】
また、１次元光走査装置において、圧電バイモルフを加振および振動検出に利用するものを提案している（特許文献２参照）。
また、シリコンで形成したミラー部の両側に設けた櫛歯と、これに対向する固定側に配置した櫛歯との間に静電気力を発生させることでミラー部を加振したり、上記櫛歯間の静電容量の変化によりミラー部の角度を検出したりするものを提案している（特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平７−１９９０９９号公報
【特許文献２】特開平９−１０１４７４号公報
【特許文献３】特開２００４−２４５８９０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
ところで、特許文献１に記載の技術では、３自由度捻り振動子を加振するために、圧電バイモルフアクチュエータと、捻り加振力を得るための変位拡大機構とを採用していた。しかし、圧電バイモルフアクチュエータに用いた圧電素子はセラミックであるために剛性が大きい。このため、変位拡大機構を用いても十分な変位量が得られず、低電圧で大きい振幅を得ることは難しかった。
【０００５】
また、特許文献２に記載の技術では、圧電バイモルフを検出素子として利用して、梃子の原理でミラーの回転角度の変位を圧電素子の曲げ変位に変換している。しかし、圧電素子は剛性が大きいため変形しにくく、Ｓ／Ｎ比の良好な信号を得ることが難しかった。つまり、精度よくミラー部の角度変位を検出することが難しかった。
【０００６】
また、特許文献３に記載の技術では、ミラーとミラー両側の櫛歯は一体で振動するため、ミラーの角度振幅が大きくなると、ミラー部側の櫛歯（以下、ミラー部櫛歯という）と固定側の櫛歯（以下、固定側櫛歯という）とが対向する期間は、周期運動のうちの一瞬でしかない。即ち、周期内の加振力を与えられる時間が短いため、大きい加振力を与えることができず、大きい走査角を得ることができなかった。また、走査角を大きくするために電圧を大きくしても、櫛歯間で放電してしまうため、印加電圧の大きさには限界があった。また、櫛歯間の容量検出においては、ミラー部側櫛歯と固定側櫛歯とが対向している間は静電容量が検出されるが、角度変位が大きくなりミラー部側櫛歯と固定側櫛歯とが対向しなくなると静電容量はゼロになってしまう。このため、周期運動中において、ミラー部櫛歯と固定側櫛歯とが対向する一瞬でしか静電容量を検出することができず、周期運動の全期間で精度よくミラー部の角度変位を検出することが難しかった。
【０００７】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、低電圧で大きい加振力を得ることができるとともに、精度よく角度変位を検出することができる２次元光走査装置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】
【０００８】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の２次元光走査装置は、光を反射させる反射面を有する板状の第３剛体部材と、前記第３剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第２剛体部材と、前記第２剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第１剛体部材と、前記第１剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第０剛体部材と、前記第３剛体部材と前記第２剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第３剛体部材の重心を通る第３中心軸を回転軸として、前記第３剛体部材を捩じり振動させる第３弾性変形部材と、前記第２剛体部材と前記第１剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第３剛体部材と前記第２剛体部材との重心を通る第２中心軸を回転軸として、前記第２剛体部材を捩じり振動させる第２弾性変形部材と、前記第１剛体部材と前記第０剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第３剛体部材と前記第２剛体部材と前記第１剛体部材との重心を通る第１中心軸を回転軸として、前記第１剛体部材を捩じり振動させる第１弾性変形部材とを備えて、前記第３剛体部材、前記第２剛体部材、前記第１剛体部材、前記第３弾性変形部材、前記第２弾性変形部材及び前記第１弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成し、更に、前記第０剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第０櫛歯状電極部と、前記第１剛体部材に設けられ、前記第０櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第１櫛歯状電極部とを有し、前記第０櫛歯状電極部に周期的な電気信号を入力することにより、前記３自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第１外力作用手段と、前記第０剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第２櫛歯状電極部と、前記第１剛体部材に設けられ、前記第２櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第３櫛歯状電極部とを有し、前記第２櫛歯状電極部と前記第３櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、前記第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する第１角度検出手段とを備え、前記第３剛体部材及び前記第２剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、前記第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、前記第１剛体部材の捩じり振動の振幅が、前記第１剛体部材の板厚に略等しくなるように構成されることを特徴とする。
【０００９】
このように構成された請求項１に記載の２次元光走査装置では、第３剛体部材、第２剛体部材、第１剛体部材、第３弾性変形部材、第２弾性変形部材及び第１弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成する。
【００１０】
このため、２次元光走査装置は、第０剛体部材を固定端として、第１中心軸，第２中心軸，第３中心軸に対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子になっている。
この３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。即ち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。以下、これら３つの振動モードをそれぞれ、振動モード１、振動モード２、振動モード３という。
【００１１】
そして第１外力作用手段は、第０櫛歯状電極部に周期的な電気信号を入力することにより、第０櫛歯状電極部と第１櫛歯状電極部との間に静電気力が発生させ、３自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。
【００１２】
また第１角度検出手段は、第０剛体部材に設けられた第２櫛歯状電極部と、第１剛体部材に設けられた第３櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する。
【００１３】
そして、第１外力作用手段により、振動モード１、振動モード２、振動モード３の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００１４】
ここで、例えば、
振動モード１の共振周波数ｆ１を１０００Ｈｚ、
振動モード２の共振周波数ｆ２を５０００Ｈｚ、
振動モード３の共振周波数ｆ３を４００００Ｈｚ、
振動モード１における第１剛体部材、第２剛体部材、第３剛体部材の振幅比ｒ１を「１：−２０：０．５」、
振動モード２における第１剛体部材、第２剛体部材、第３剛体部材の振幅比ｒ２を「１：０．０１：−５０」、
振動モード３における第１剛体部材、第２剛体部材、第３剛体部材の振幅比ｒ３を「１：０．０２：−０．０３」、
として設計した場合の、３自由度捻り振動子の動作を説明する。
【００１５】
尚、各振動モードにおける振幅比は、左から第１剛体部材、第２剛体部材、第３剛体部材の順で記述している。例えば、上記の振幅比ｒ１は、第１剛体部材の振幅が「１」とすると、第２剛体部材の振幅が「−２０」、第３剛体部材の振幅が「０．５」となることを示す。
【００１６】
また、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各剛体部材間の位相角は０度または１８０度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が０度の場合は符号を「＋」、１８０度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比ｒ１は、第１剛体部材と第３剛体部材との位相角の差が０度となり、第１剛体部材と第２剛体部材との位相角の差が１８０度となることを示す。
【００１７】
そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード１では、主に第２剛体部材と、第２剛体部材に繋がった第３剛体部材とが１０００Ｈｚで大きく捻り振動する。また、振動モード２では、主に第３剛体部材が５０００Ｈｚで大きく捻り振動する。
【００１８】
このため、第３剛体部材の反射面でレーザ光を反射させるとともに、振動モード１と振動モード２とを同時に励振させることにより、振動モード２を主走査方向（５０００Ｈｚ）、振動モード１を副走査方向（１０００Ｈｚ）として、２次元的にレーザ光を走査することができる。
【００１９】
そして、本発明の２次元光走査装置は３自由度連成振動系を構成しているため、第３剛体部材及び第２剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなるように構成されている。
【００２０】
例えば、振動モード１における上記の振幅比ｒ１は「１：−２０：０．５」である。即ち、第１剛体部材の振幅を「１」とすると第２剛体部材の振幅は「２０」であり、第２剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
【００２１】
また、振動モード２における上記の振幅比ｒ２は「１：０．０１：−５０」である。即ち、第１剛体部材の振幅を「１」とすると第３剛体部材の振幅は「５０」であり、第３剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
【００２２】
更に、第１剛体部材の捩じり振動の振幅が、第１剛体部材の板厚に略等しくなるように構成されている。
このため、第１剛体部材の捩じり振動の１周期の間で、第０櫛歯状電極部と第１櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間が存在することがなく、第０櫛歯状電極部と第１櫛歯状電極部との間で静電気力が常に作用する。
【００２３】
一方、第１剛体部材の捩じり振動の振幅が、第１剛体部材の板厚より大きい場合には、第１剛体部材の捩じり振動の１周期で、第０櫛歯状電極部と第１櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間があり、この期間には、第０櫛歯状電極部と第１櫛歯状電極部との間で静電気力が作用しない。
【００２４】
つまり、第１剛体部材の振幅が第１剛体部材の板厚以下である場合には、捻り振動の１周期の全区間で加振力が作用するが、それより振幅が大きくなると加振力が作用する区間が狭くなる。即ち、第１剛体部材の振幅が第１剛体部材の板厚より大きくなると、加振力が作用しない区間においても、第０櫛歯状電極部に電気信号を入力することになる。このため、無駄に電力を消費することになり、低電圧で大きい加振力を得ることができなくなる。
【００２５】
また、第１剛体部材の振幅が第１剛体部材の板厚より小さくなるほど、０櫛歯状電極部と第１櫛歯状電極部とが対向する面積の変化が小さくなる。これにより、第０櫛歯状電極部と第１櫛歯状電極部との間で作用する静電気力の変化量が小さくなり、大きい加振力を得ることができなくなる。
【００２６】
従って、第１剛体部材の振幅が第１剛体部材の板厚にほぼ等しい場合、静電気力の変化量は最大であり、かつ、加振力の作用する区間が最大となる。つまり、第１剛体部材の捩じり振動の振幅が第１剛体部材の板厚にほぼ等しくなるようにすることによって、低電圧で大きい加振力を得ることができる。
【００２７】
また、第１剛体部材の捩じり振動の振幅が第１剛体部材の板厚に略等しいことにより、第１剛体部材の捩じり振動の１周期の間に第２櫛歯状電極部と第３櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間が存在するということがなく、第２櫛歯状電極部と第３櫛歯状電極部との間の静電容量は、第１剛体部材の角度に対して、１対１の関係で変化する。このため、高精度の角度信号が得られ、第１角度検出手段は、第１剛体部材の角度変位を精度よく検出することができる。尚、上述したように、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各剛体部材間の位相角は０度または１８０度となる。このため、第１剛体部材の角度変位を検出することより、第２剛体部材及び第３剛体部材の角度変位を検出することができる。
【００２８】
また、本発明の２次元光走査装置において、第１外力発生手段は、請求項２に記載のように、第１剛体部材が１周期振動する間に、複数箇所で第０櫛歯状電極部と第１櫛歯状電極部とが噛み合うように、複数箇所に第０櫛歯状電極部及び第１櫛歯状電極部が設けられ、複数箇所に設けられた第０櫛歯状電極部には、それぞれ異なる周波数の電気信号が入力されるようにしてもよい。
【００２９】
このように構成された本発明の２次元光走査装置によれば、１つの第０櫛歯状電極部に入力される電気信号のピーク電圧を低く抑えることができるため、過大電圧による絶縁破壊を回避することができる。
【００３０】
また、本発明の２次元光走査装置において、周期的な電気信号に少なくとも２種類の周波数が重畳されている場合には、請求項３に記載のように、第１外力作用手段が、少なくとも２種類の周波数の位相差を検出し、検出された位相差に基づいて、重畳されている少なくとも２種類の周波数の位相差を調整するように構成されるようにするとよい。
【００３１】
このように構成された本発明の２次元光走査装置によれば、重畳されている少なくとも２種類の周波数の位相差を一定に制御することができる。
また、本発明の２次元光走査装置において、請求項４に記載のように、第０櫛歯状電極部に過大電流が入力するのを遮断する遮断手段を備えるようにしてもよい。
【００３２】
このように構成された本発明の２次元光走査装置によれば、過大電流の入力による第０櫛歯状電極部及び第１櫛歯状電極部の破損を未然に防止することができる。
また、本発明の２次元光走査装置において、請求項５に記載のように、第１剛体部材に平行光を照射する光照射手段と、第１剛体部材で反射されて到達する平行光を受光して、受光した平行光の到達位置を検出する到達位置検出手段とを備えるようにしてもよい。
【００３３】
このように構成された本発明の２次元光走査装置によれば、到達位置検出手段により検出された到達位置に基づいて、第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出することができる。
【００３４】
次に、請求項６に記載の２次元光走査装置は、光を反射させる反射面を有する第８剛体部材と、前記第８剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第７剛体部材と、前記第７剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第６剛体部材と、前記第６剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第５剛体部材と、前記第５剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第４剛体部材と、前記第８剛体部材と前記第７剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第８剛体部材の重心を通る第８中心軸を回転軸として、前記第８剛体部材を捩じり振動させる第８弾性変形部材と、前記第７剛体部材と前記第６剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第８剛体部材と前記第７剛体部材の重心を通る第７中心軸を回転軸として、前記第７剛体部材を捩じり振動させる第７弾性変形部材と、前記第６剛体部材と前記第５剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第８剛体部材と前記第７剛体部材と前記第６剛体部材の重心を通る第６中心軸を回転軸として、前記第６剛体部材を捩じり振動させる第６弾性変形部材と、前記第５剛体部材と前記第４剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第８剛体部材と前記第７剛体部材と前記第６剛体部材と前記第５剛体部材の重心を通る第５中心軸を回転軸として、前記第５剛体部材を捩じり振動させる第５弾性変形部材とを備えて、前記第８剛体部材、前記第７剛体部材、前記第６剛体部材、前記第５剛体部材、前記第８弾性変形部材、前記第７弾性変形部材、前記第６弾性変形部材及び前記第５弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する４自由度連成振動系を構成し、更に、前記第４剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第４櫛歯状電極部と、前記第５剛体部材に設けられ、前記第４櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第５櫛歯状電極部とを有し、前記４自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第２外力作用手段と、前記第４剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第６櫛歯状電極部と、前記第５剛体部材に設けられ、前記第４櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第７櫛歯状電極部とを有し、前記第６櫛歯状電極部と前記第７櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、前記第５剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する第２角度検出手段とを備え、前記第６剛体部材、前記第７剛体部材及び前記第８剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、前記第５剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して大きく、前記第５剛体部材の捩じり振動の振幅が、前記第５剛体部材の板厚に略等しくなるように構成されることを特徴とする。
【００３５】
このように構成された請求項６に記載の２次元光走査装置では、第８剛体部材、第７剛体部材、第６剛体部材、第５剛体部材、第８弾性変形部材、第７弾性変形部材、第６弾性変形部材及び第５弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する４自由度連成振動系を構成する。
【００３６】
このため、２次元光走査装置は、第４剛体部材を固定端として、第５中心軸，第６中心軸，第７中心軸，第８中心軸に対しての捻り自由度を持つ４自由度捻り振動子になっている。
【００３７】
そして第２外力作用手段は、第４櫛歯状電極部に周期的な電気信号を入力することにより、第４櫛歯状電極部と第５櫛歯状電極部との間に静電気力が発生させ、４自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。これにより、４自由度捻り振動子を共振状態にできる。
【００３８】
また第２角度検出手段は、第４剛体部材に設けられた第６櫛歯状電極部と、第５剛体部材に設けられた第７櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、第５剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する。
【００３９】
また、本発明の２次元光走査装置は４自由度連成振動系を構成しているため、第６剛体部材、第７剛体部材及び第８剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、第５剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなるように構成されている。
【００４０】
更に、第５剛体部材の捩じり振動の振幅が、第５剛体部材の板厚に略等しくなるように構成されている。このため、請求項１に記載の２次元光走査装置と同様に、低電圧で大きい加振力を得ることができるとともに、第５剛体部材の角度変位を精度よく検出することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００４１】
（第１実施形態）
以下に本発明の第１実施形態について図面をもとに説明する。
図１は、本発明が適用された第１実施形態の２次元光走査装置１００の構成を示す平面図、図２（ａ）は図１における領域Ｒ１の拡大図、図２（ｂ）は図１における領域Ｒ２の拡大図、図３は２次元光走査装置１００の断面の構造を説明する図である。
【００４２】
２次元光走査装置１００は、ＳＯＩ（Silicon  On  Insulator）ウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものである。ＳＯＩウエハは、図３に示すように、３層構造となっており、本実施形態では、厚さ５０ｕｍのＳＯＩ層１１と、厚さ１ｕｍのシリコン酸化膜層１２と、厚さ４００ｕｍのベースシリコン層１３とからなる。
【００４３】
２次元光走査装置１００は、図１に示すように、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成された円形状の第３フレーム１０４と、ＳＯＩ層表面からシリコン酸化膜層までトレンチエッチングを行うことで形成された溝（以下、トレンチ溝という）１０３ａ及びトレンチ溝１０３ｂによって第３フレーム１０４に対して所定の隙間を介して設けられた八角形状の第２フレーム１０３と、トレンチ溝１０２ａ及びトレンチ溝１０２ｂによって第２フレーム１０３に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第１フレーム１０２と、トレンチ溝１０１ａによって第１フレーム１０２に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第０フレーム１０１とを備える。
【００４４】
また、第３フレーム１０４、第２フレーム１０３、及び第１フレーム１０２が形成されている領域には、裏面からベースシリコン層１３とシリコン酸化膜層１２とをエッチング除去することで形成された凹部１０８が形成されている（図１及び図３参照）。即ち、第３フレーム１０４、第２フレーム１０３、及び第１フレーム１０２は、ＳＯＩ層１１で構成されている。
【００４５】
更に、第３フレーム１０４と第２フレーム１０３との間は、トレンチ溝１０３ａ及びトレンチ溝１０３ｂによって第２フレーム１０３に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層１０７（以下、第３捻りバネ１０７という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。これら２つの第３捻りバネ１０７は、第３フレーム１０４の重心を通る中心軸ｋ上に設けられている。これにより、第３フレーム１０４は、中心軸ｋを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
【００４６】
同様に、第２フレーム１０３と第１フレーム１０２との間は、トレンチ溝１０２ａ及びトレンチ溝１０２ｂによって第１フレーム１０２に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層１０６（以下、第２捻りバネ１０６という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。これら２つの第２捻りバネ１０６は、第３フレーム１０４と第２フレーム１０３との重心を通る中心軸ｊ上に設けられている。これにより、第１フレーム１０２は、中心軸ｊを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
【００４７】
また、第１フレーム１０２と第０フレーム１０１との間は、トレンチ溝１０１ａによって第０フレーム１０１に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層１０５（以下、第１捻りバネ１０５という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。これら２つの第１捻りバネ１０５は、第３フレーム１０４と第２フレーム１０３と第１フレーム１０２との重心を通る中心軸ｉ上に設けられている。これにより、第１フレーム１０２は、中心軸ｉを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
【００４８】
尚、第０フレーム１０１には、第１フレーム１０２と連結されていない側の第１捻りバネ１０５の端部１０５ａが連結される連結部１１３が形成されている。この連結部１１３は、トレンチ溝１０１ａによって、第０フレーム１０１のその他の領域と電気的に絶縁されたＳＯＩ層により構成されている。
【００４９】
従って、連結部１１３と第１フレーム１０２とは第１捻りバネ１０５を介して電気的に接続されている。同様に、第１フレーム１０２と第２フレーム１０３とは第２捻りバネ１０６を介して、第２フレーム１０３と第３フレーム１０４とは第３捻りバネ１０７を介して電気的に接続されている。
【００５０】
また、第１捻りバネ１０５、第２捻りバネ１０６、及び第３捻りバネ１０７は、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生するように構成されている。
【００５１】
従って、第０フレーム１０１が固定されることにより、第３フレーム１０４、第２フレーム１０３、及び第１フレーム１０２は３自由度構造を構成する。
以下、第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、第３フレーム１０４、第１捻りバネ１０５、第２捻りバネ１０６、第３捻りバネ１０７、及び連結部１１３をまとめて振動子領域１１４という。
【００５２】
また、第１フレーム１０２の左側端縁１０２ｃ及び右側端縁１０２ｄには、図２（ａ），（ｂ）に示すように、櫛歯状に形成された櫛歯部１１２（図２（ａ）参照）及び櫛歯部１１０（図２（ｂ）参照）が設けられている。そして、第０フレーム１０１には、第１フレーム１０２の櫛歯部１１２及び櫛歯部１１０と対向する位置にそれぞれ、櫛歯部１１２と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部１１１（図２（ａ）参照）、及び櫛歯部１１０と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部１０９（図２（ｂ）参照）が設けられている。
【００５３】
以下、櫛歯部１１０及び櫛歯部１１２をまとめて可動側櫛歯部、櫛歯部１０９及び櫛歯部１１１をまとめて固定側櫛歯部ともいう。
また、連結部１１３には端子部１１５が設けられる。この端子部１１５は、連結部１１３のＳＯＩ層上に形成されたシリコン酸化膜（図３中のシリコン酸化膜２１を参照）をエッチング処理により除去してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内にアルミ薄膜を堆積することにより形成される（図３中のアルミ薄膜２２を参照）。この端子部１１５を介して電圧を印加することにより、振動子領域１１４のＳＯＩ層全体を等電位にすることができる。
【００５４】
また、トレンチ溝１１６によって分離形成された領域１１７のＳＯＩ層上にはシリコン酸化膜が形成されており、このシリコン酸化膜上に、櫛歯部１０９の表面上まで覆ってアルミ薄膜１１８が形成されている（図３中のアルミ薄膜２３を参照）。このアルミ薄膜１１８に電圧を印加することで、櫛歯部１０９の表面に電圧を印加することができる。また、領域１１７には端子部１１９が設けられている。これにより、端子部１１９を介して電圧を印加することにより、櫛歯部１０９のＳＯＩ層にも電圧を印加することができる。そして、この領域１１７に、周期的な電圧を印加することにより、振動子領域１１４に加振力を印加することができる。
【００５５】
なお、ここでは、端子部とは、ＳＯＩ層上に形成されたシリコン酸化膜（図３中のシリコン酸化膜２１を参照）をエッチング処理により除去してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内にアルミ薄膜を堆積することにより形成されるものを指すものとする（図３中のアルミ薄膜２２を参照）。
【００５６】
また、トレンチ溝１２０によって分離形成された領域１２１のＳＯＩ層上にはシリコン酸化膜（図３中のシリコン酸化膜２１を参照）が形成されており、このシリコン酸化膜上に、櫛歯部１１１の表面上まで覆ってアルミ薄膜１２２が形成されている（図３中のアルミ薄膜２３を参照）。このアルミ薄膜１２２を電極として、櫛歯部１１１と櫛歯部１１２との間の静電容量を検出することができる。また、領域１２１には端子部１２３が設けられており、端子部１２３を電極として、櫛歯部１１１のＳＯＩ層と櫛歯部１１２との間の静電容量を検出することができる。
【００５７】
また、トレンチ溝１２４によって分離形成された領域１２５は、領域１１７と領域１２１とを電気的に隔てるために設けられている。尚、領域１２５の略全面には端子部が設けられており、この端子部を接地することにより、領域１２５のＳＯＩ層を接地電位に保持することができる。
【００５８】
次に、２次元光走査装置１００の動作原理を説明する。
２次元光走査装置１００は、第０フレーム１０１を固定端として、中心軸ｉ，ｊ，ｋに対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子になっている。
【００５９】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。即ち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。以下、これら３つの振動モードをそれぞれ、振動モード１、振動モード２、振動モード３という。
【００６０】
尚、櫛歯部１０９に電圧を印加すると、櫛歯部１１０との間に静電気力が発生する。また、第１フレーム１０２が１周期振動する間に櫛歯部１１０は櫛歯部１０９に２回最接近する。このため、共振周波数の２倍に近い周期的静電気力が加われば、３自由度捻り振動子を共振状態にできる（以下、共振状態にするための加振力を周期的加振力という）。また、櫛歯部１１０が櫛歯部１０９に最接近する毎に、周期的加振力を作用させることができる。
【００６１】
そして、振動モード１、振動モード２、振動モード３の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００６２】
ここで、例えば、
振動モード１の共振周波数ｆ１を１０００Ｈｚ、
振動モード２の共振周波数ｆ２を５０００Ｈｚ、
振動モード３の共振周波数ｆ３を４００００Ｈｚ、
振動モード１における第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、第３フレーム１０４の振幅比ｒ１を「１：−２０：０．５」、
振動モード２における第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、第３フレーム１０４の振幅比ｒ２を「１：０．０１：−５０」、
振動モード３における第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、第３フレーム１０４の振幅比ｒ３を「１：０．０２：−０．０３」、
として設計した場合の、３自由度捻り振動子の動作を説明する。
【００６３】
尚、各振動モードにおける振幅比は、左から第１フレーム１０２、第２フレーム１０３、第３フレーム１０４の順で記述している。例えば、上記の振幅比ｒ１は、第１フレーム１０２の振幅が「１」とすると、第２フレーム１０３の振幅が「−２０」、第３フレーム１０４の振幅が「０．５」となることを示す。
【００６４】
また、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は０度または１８０度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が０度の場合は符号を「＋」、１８０度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比ｒ１は、第１フレーム１０２と第３フレーム１０４との位相角の差が０度となり、第１フレーム１０２と第２フレーム１０３との位相角の差が１８０度となることを示す。
【００６５】
そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード１では、主に第２フレーム１０３と、第２フレーム１０３に繋がった第３フレーム１０４とが１０００Ｈｚで大きく捻り振動する。また、振動モード２では、主に第３フレーム１０４が５０００Ｈｚで大きく捻り振動する。
【００６６】
このため、第３フレーム１０４の鏡面部分でレーザ光を反射させるとともに、振動モード１と振動モード２とを同時に励振させることにより、振動モード２を主走査方向（５０００Ｈｚ）、振動モード１を副走査方向（１０００Ｈｚ）として、２次元的にレーザ光を走査することができる。
【００６７】
尚、各振動モードの共振周波数と振幅比は、３自由度捻り振動子の運動方程式を導出して、固有値と固有ベクトルを計算することにより求めることができる。固有値が共振周波数に相当し、各固有値に対する固有ベクトルが振幅比に相当する。所望の固有値と固有ベクトルが得られるように、各フレームの慣性モーメントと各捻りバネのバネ定数を設計すればよい。
【００６８】
そして、２次元光走査装置１００では、第３フレーム１０４及び第２フレーム１０３の捩じり振動の振幅の角度が、第１フレーム１０２の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、第１フレーム１０２の捩じり振動の振幅が、第１フレーム１０２の板厚に略等しくなるように設計されている。
【００６９】
次に、２次元光走査装置１００を駆動する駆動回路２００の構成を図４をもとに説明する。図４は、駆動回路２００の構成を示すブロック図である。
駆動回路２００は、図４に示すように、レーザ光を発生するレーザ光発生部２０１と、２次元光走査装置１００を振動させるための電気信号を発生させる信号発生部２０２と、２次元光走査装置１００の振動振幅を検出する振幅検出部２０３と、振幅検出部２０３により検出された振幅に基づいてレーザ光発生部２０１及び信号発生部２０２を制御する制御回路２０４とから構成される。
【００７０】
これらのうちレーザ光発生部２０１は、レーザ光の発光源となる半導体レーザ２１１を、制御回路２０４からの指示に基づいて半導体レーザ２１１に駆動信号を伝えるレーザ駆動回路２１２とから構成される。
【００７１】
また信号発生部２０２は、振動モード１を励振する周波数の電気信号（以下、モード１励振信号ＲＳ１という）及び振動モード２を励振する周波数の電気信号（以下、モード２励振信号ＲＳ２という）を発生する信号発生器２２１と、信号発生器２２１から入力される２つの周波数の電気信号（モード１励振信号ＲＳ１及びモード２励振信号ＲＳ２）を加算する加算器２２２と、加算器２２２により加算された電気信号を増幅して２次元光走査装置１００へ出力する増幅器２２３と、増幅器２２３により増幅された電気信号の電流値が過大になった場合にこの電気信号が２次元光走査装置１００に入力するのを遮断する過大電流遮断回路２２４とから構成される。
【００７２】
尚、過大電流遮断回路２２４は、櫛歯部１０９，１１０，１１１，１１２の破損を防止するために設けられている。即ち、櫛歯部同士は数ミクロンというきわめて小さい空隙で対向しているため、過大な電流が流入するとスパークが発生し局所的な発熱で破壊する危険性がある。また、操作上の手違い、電波ノイズ、雷等で急激な電位差が発生するとそのような事故の可能性がある。そして、スパークが発生する直前には弱いグロー放電が発生し、定常値より異常に大きい電流が櫛歯間で発生する。そこで、異常電流が検出されたら直ちに回路を遮断することにより、櫛歯部の破損を未然に防止する。
【００７３】
このように構成された信号発生部２０２によって、振動モード１及び振動モード２の周波数が重畳された加振力（図５（ａ）参照）が第１フレーム１０２に与えられる。以下、振動モード１の周波数を振動モード周波数ｆ１、振動モード２の周波数を振動モード周波数ｆ２という。
【００７４】
これにより、図５（ｂ）に示すように、第１フレーム１０２が振動モード周波数ｆ２で加振され（振動波形ＳＤ１参照）、第２フレーム１０３が振動モード周波数ｆ１で振動する（振動波形ＳＤ２参照）ともに、第３フレーム１０４が振動モード周波数ｆ２で振動する（振動波形ＳＤ３参照）。
【００７５】
また振幅検出部２０３は、櫛歯部間の静電容量変化を電圧信号に変換するＣＶ変換回路２３１と、ＣＶ変換回路により変換された電圧信号（図５（ｃ）参照）を振動モード周波数ｆ１の電気信号（図６（ａ）参照。以下、モード１検出信号ＭＫ１という）と振動モード周波数ｆ２の電気信号（図６（ｂ）参照。以下、モード２検出信号ＭＫ２という）とに分離する周波数分離フィルタ２３２と、モード１検出信号ＭＫ１の振動振幅に比例した直流電圧に変換し信号発生器２２１へ出力する整流回路２３３と、モード２検出信号ＭＫ２の振動振幅に比例した直流電圧に変換し信号発生器２２１へ出力する整流回路２３４と、モード１検出信号ＭＫ１とモード２検出信号ＭＫ２との位相差を測定してこの位相差を示す位相差信号を信号発生器２２１へ出力する位相差測定回路２３５と、モード１検出信号ＭＫ１をパルス信号に変換し制御回路２０４へ出力する２値化回路２３６と、モード２検出信号ＭＫ２をパルス信号に変換し制御回路２０４へ出力する２値化回路２３７とから構成される。
【００７６】
このように構成された振幅検出部２０３から出力される信号に基づいて、信号発生部２０２は、信号発生器２２１のゲインの調整と、モード１励振信号ＲＳ１とモード２励振信号ＲＳ２との間の位相差の調整を行う。
【００７７】
具体的には、信号発生器２２１は、整流回路２３３及び整流回路２３４から入力される直流電圧が一定値になるように、信号発生器２２１のゲインを自動調整する。これにより、第１フレーム１０２及び第２フレーム１０３の振動振幅を一定に制御することができる。
【００７８】
また信号発生器２２１は、位相差測定回路２３５から入力される位相差信号により示される位相差が一定となるように、モード１励振信号ＲＳ１とモード２励振信号ＲＳ２との間の位相差を自動調整する。これにより、第１フレーム１０２の振動と第２フレーム１０３の振動との間の位相差を一定に制御することができる。
【００７９】
また、振幅検出部２０３から出力される上記パルス信号に基づいて、制御回路２０４は、２次元光走査装置１００の振動のタイミングに合わせて、半導体レーザ２１１、レーザ駆動回路２１２及び光変調器（不図示）を駆動させて、画像生成を行うことができる。
【００８０】
このように構成された２次元光走査装置１００では、第３フレーム１０４、第２フレーム１０３、第１フレーム１０２、第３捻りバネ１０７、第２捻りバネ１０６及び第１捻りバネ１０５が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成する。
【００８１】
また、櫛歯部１０９に周期的な電気信号を入力することにより、櫛歯部１０９と櫛歯部１１０との間に静電気力が発生させ、３自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。
【００８２】
また、第０フレーム１０１に設けられた櫛歯部１１１と、第１フレーム１０２に設けられた櫛歯部１１２との間の静電容量の変化に基づいて、第１フレーム１０２の捩じり振動の振幅の角度を検出する。
【００８３】
そして、２次元光走査装置１００は３自由度連成振動系を構成しているため、第３フレーム１０４及び第２フレーム１０３の捩じり振動の振幅の角度が、第１フレーム１０２の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなるように構成されている。
【００８４】
本実施形態では、振動モード１における振幅比ｒ１は「１：−２０：０．５」である。即ち、第１フレーム１０２の振幅を「１」とすると第２フレーム１０３の振幅は「２０」であり、第２フレーム１０３の捩じり振動の振幅の角度が、第１フレーム１０２の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
【００８５】
また、振動モード２における振幅比ｒ２は「１：０．０１：−５０」である。即ち、第１フレーム１０２の振幅を「１」とすると第３フレーム１０４の振幅は「５０」であり、第３フレーム１０４の捩じり振動の振幅の角度が、第１剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
【００８６】
そして、第１フレーム１０２の捩じり振動の振幅が、第１フレーム１０２の板厚に略等しくなるように構成されている。このため、低電圧で大きい加振力を得ることができるとともに、精度よく第３フレーム１０４、第２フレーム１０３及び第１フレーム１０２の角度変位を検出することができる。
【００８７】
以下に、この理由を説明する。
まず、第１フレーム１０２は捻り振動しているので、第１フレーム１０２の角度変位量θ1は、サイン関数で表現できる。そして第１フレーム１０２の振幅角を「Ａ」、周波数を「ｆ」とすると、角度変位量θ1は式（１）で表される。尚、式（１）における「ｔ」は時間を表す。
【００８８】
θ1＝Ａ・ｓｉｎ（２πｆｔ）  ・・・（１）
ここで、θ1をＡで割り正規化角度とすると、 「２πｆｔ」は０〜 ２πラジアンまでの変化を繰り返す。即ち、角度で表すと０度〜３６０度までの変化を繰り返すので、位相角で表現することができる。従って、正規化角度は、図７（ａ）に示すように、「正規化角度＝ｓｉｎ（位相角）」と表すことができる。
【００８９】
尚、第１フレーム１０２は中心軸ｉを回転軸として捻り振動しているので、櫛歯部１１２及び櫛歯部１１０も中心軸ｉを回転中心とする円運動をしている。そして、第１フレーム１０２の板厚に対して回転半径が十分大きければ近似的に直線運動をみなすことができる。そこで、計算の簡単化のため、櫛歯部１１２及び櫛歯部１１０は板厚方向へ直線運動するものと近似して、以下の計算を行う。
【００９０】
ここで、櫛歯部間の静電力は、櫛歯部間の静電容量に依存する。一般に平行平板間の静電容量Ｃは式（２）で表される。尚、式（２）における「ε」は真空の誘電率、「Ｓ」は対向面積、「ｄ」は対向距離を表す。
【００９１】
Ｃ＝ε・Ｓ／ｄ  ・・・（２）
そして、櫛歯部１０９〜１１２については、真空の誘電率εと対向距離ｄが不変であり、櫛歯部１１２及び櫛歯部１１０の運動により対向面積Ｓが変化する。
【００９２】
また、櫛歯の板厚を「ｗ」、櫛歯部同士が対向する部分の長さを「Ｌ」とすると、対向面積Ｓは式（３）で表される。
Ｓ＝Ｌ×ｗ  ・・・（３）
更に、櫛歯部１１２及び櫛歯部１１０は板厚方向へ直線運動するので、櫛歯部１１２及び櫛歯部１１０の移動量を「x」とすると、対向面積Ｓは式（４），(５)で表される。
【００９３】
Ｓ＝Ｌ（ｗ−｜ｘ｜），  （「０≦ｘ≦ｗ」のとき）  ・・・（４）
Ｓ＝０，  （「ｗ＜ｘ」のとき）    ・・・（５）
ここで、式（５）は、櫛歯部の対向面の重なる部分がないときの対向面積Ｓを表す。
【００９４】
尚、式（２）及び（５）によれば、「ｗ＜ｘ」のときに静電容量Ｃが「０」になるが、実際には、櫛歯部同士の重なり部分が無くなっても静電容量は「０」にはならない。しかし、ここでは、計算の簡略化のために「０」とする。
【００９５】
次に、対向面積Ｓと、「ｘ＝０」のときの対向面積Ｓ（以下、最大対向面積Ｓmaxという）との比Ｈ（以下、正規化櫛歯部間対向面積Ｈという）は式（６），(７)で表される。
Ｈ ＝Ｓ／Ｓmax＝Ｌ（ｗ−｜ｘ｜）／Ｌｗ＝（ｗ−｜ｘ｜）／ｗ＝１−｜ｘ｜／ｗ，  （「０≦ｘ≦ｗ」のとき）  ・・・（６）
Ｈ＝０，  （「ｗ＜ｘ」のとき）    ・・・（７）
また、上述のように、第１フレーム１０２が直線振動していると近似して計算している。このため、移動量ｘはサイン関数で表される。ここで、サイン運動の振幅を櫛歯の厚さの倍数ａで表すと、移動量ｘは式（８）で表される。
【００９６】
ｘ＝ａｗｓｉｎθ    ・・・（８）
従って、正規化櫛歯部間対向面積Ｈは式（９），(１０)で表される。
Ｈ ＝（１−｜ａｗｓｉｎθ｜）／ｗ＝１−ａ｜ｓｉｎθ｜，  （「０≦ｘ≦ｗ」のとき）  ・・・（９）
Ｈ＝０，  （「ｗ＜ｘ」のとき）    ・・・（１０）
ここで、倍数ａ＝１，１．５，２，４の場合についての正規化櫛歯部間対向面積Ｈを図７（ｂ）をもとに説明する。図７（ｂ）は、位相角を横軸に取り、正規化櫛歯部間対向面積Ｈを縦軸に取ったグラフである。
【００９７】
図７（ｂ）に示すように、倍数ａ＝１の場合、即ち、可動側櫛歯部の振幅が第１フレーム１０２の板厚にほぼ等しい場合に、正規化櫛歯部間対向面積Ｈは、位相角が０度の時に最大で、９０度に向かって小さくなり、９０度の時に「０」になる（図中の曲線ＳＭ１参照）。つまり、０度〜９０度の範囲で加振力が作用する。即ち、捻り振動の１周期の全区間で加振力が増減しながら作用している。
【００９８】
また、倍数ａ＝１．５の場合、即ち、可動側櫛歯部の振幅が第１フレーム１０２の板厚の１．５倍程度の場合に、正規化櫛歯部間対向面積Ｈは位相角が４５度に向かって小さくなり、４５度の時に「０」になる（図中の曲線ＳＭ２参照）。つまり、０度〜４５度の範囲で加振力が作用する。即ち、捻り振動の１周期のほぼ半分の区間で加振力が増減しながら作用している。
【００９９】
また、倍数ａ＝２の場合、即ち、可動側櫛歯部の振幅が第１フレーム１０２の板厚の２倍程度の場合、正規化櫛歯部間対向面積Ｈは位相角が３０度に向かって小さくなり、３０度の時に「０」になる（図中の曲線ＳＭ３参照）。つまり、０度〜３０度の範囲で加振力が作用する。即ち、捻り振動の１周期のほぼ１／３の区間で加振力が増減しながら作用している。
【０１００】
また、倍数ａ＝４の場合、即ち、可動側櫛歯部の振幅が第１フレーム１０２の板厚の４倍程度の場合、正規化櫛歯部間対向面積Ｈは位相角が２０度に向かって小さくなり、２０度の時に「０」になる（図中の曲線ＳＭ４参照）。つまり、０度〜２０度の範囲で加振力が作用する。即ち、捻り振動の１周期のほぼ１／４．５の区間で加振力が増減しながら作用している。
【０１０１】
従って、可動側櫛歯部の振幅が第１フレーム１０２の板厚にほぼ等しい場合、捻り振動の１周期の全区間で加振力が増減しながら作用するが、それより振幅が大きくなると加振力が作用する区間が狭くなり、加振力が小さくなる。即ち、可動側櫛歯部の振幅が第１フレーム１０２の板厚より大きくなると、加振力が作用しない区間においても、櫛歯部１０９に電気信号を入力することになる。このため、無駄に電力を消費することになり、低電圧で大きい加振力を得ることができなくなる。
【０１０２】
ここで、可動側櫛歯部の振幅が第１フレーム１０２の板厚より小さい場合には、正規化櫛歯部間対向面積Ｈは「０」にはならず、正規化櫛歯部間対向面積Ｈの変化量は小さくなる。これにより、櫛歯部１０９と櫛歯部１１０との間で作用する静電気力の変化量が小さくなり、大きい加振力を得ることができなくなる。
【０１０３】
従って、可動側櫛歯部の振幅が第１フレーム１０２の板厚にほぼ等しい場合、正規化櫛歯部間対向面積Ｈの変化量は最大であり、かつ、加振力の作用する区間が最大となる。この状態で加振力を作用させる場合に加振力が最も大きくなり、低電圧での加振が可能になる。
【０１０４】
また、振幅検出部２０３は、櫛歯部１１１と櫛歯部１１２との間の静電容量変化を検出する。この際、第１フレーム１０２の角度振幅は第１フレーム１０２の板厚に等しい程度であるため、加振力を印加する場合と同様の原理で、櫛歯部１１１と櫛歯部１１２との間の静電容量は、第１フレーム１０２の角度に対して、１対１の関係で変化し、高精度の角度信号が得られる。このため、第１フレーム１０２の角度変位を精度よく検出することができる。尚、上述したように、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各剛体部材間の位相角は０度または１８０度となる。このため、第１フレーム１０２の角度変位を検出することより、第２フレーム１０３及び第３フレーム１０４の角度変位を検出することができる。
【０１０５】
また領域１２５を接地電位に保持することで、領域１２１に混入するノイズを低減することができる。櫛歯部１０９には加振のための電力が供給されており、ノイズ源になる可能性がある。また櫛歯部１１１の静電容量は比較的に小さいため、ノイズの混入はＳ／Ｎ比の低下をもたらす。従って、領域１２５でノイズを低減することは好適である。
【０１０６】
また、上述したように、第１フレーム１０２の捩じり振動の振幅が、第１フレーム１０２の板厚に略等しくなるように設計されているために、低電圧駆動が可能となる。このため、加振用の櫛歯部（櫛歯部１０９，１１０）の櫛歯の数を減らして、角度検出用の櫛歯部（櫛歯部１１１，１１２）の櫛歯の数を増やしてもよい。これにより、角度検出用の櫛歯部間（櫛歯部１１１と櫛歯部１１２との間）の静電容量が大きくなり、さらに高精度でＳ／Ｎ比の高い角度検出信号を得ることができる。
【０１０７】
以上説明した実施形態において、第０フレーム１０１は本発明における第０剛体部材、第１フレーム１０２は本発明における第１剛体部材、第２フレーム１０３は本発明における第２剛体部材、第３フレーム１０４は本発明における第３剛体部材、第１捻りバネ１０５は本発明における第１弾性変形部材、第２捻りバネ１０６は本発明における第２弾性変形部材、第３捻りバネ１０７は本発明における第３弾性変形部材、櫛歯部１０９と櫛歯部１１０と信号発生器２２１と加算器２２２と増幅器２２３とは本発明における第１外力作用手段、櫛歯部１０９は本発明における第０櫛歯状電極部、櫛歯部１１０は本発明における第１櫛歯状電極部、櫛歯部１１１と櫛歯部１１２と振幅検出部２０３とは本発明における第１角度検出手段、櫛歯部１１１は本発明における第２櫛歯状電極部、櫛歯部１１２は本発明における第３櫛歯状電極部、中心軸ｉは本発明における第１中心軸、中心軸ｊは本発明における第２中心軸、中心軸ｋは本発明における第３中心軸である。
【０１０８】
（第２実施形態）
以下に本発明の第２実施形態について図面をもとに説明する。
図８は、本発明が適用された第２実施形態の２次元光走査装置３００の構成を示す平面図である。
【０１０９】
２次元光走査装置３００は、ＳＯＩウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものである。ＳＯＩウエハは、図３に示すように、３層構造となっており、本実施形態では、厚さ５０ｕｍのＳＯＩ層１１と、厚さ１ｕｍのシリコン酸化膜層１２と、厚さ４００ｕｍのベースシリコン層１３とからなる。
【０１１０】
２次元光走査装置３００は、図８に示すように、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成された円形状の第４フレーム３０５と、トレンチ溝によって第４フレーム３０５に対して所定の隙間を介して設けられた円形状の第３フレーム３０４と、トレンチ溝によって第３フレーム３０４に対して所定の隙間を介して設けられた八角形状の第２フレーム３０３と、トレンチ溝によって第２フレーム３０３に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第１フレーム３０２と、トレンチ溝によって第１フレーム３０２に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第０フレーム３０１とを備える。
【０１１１】
また、第４フレーム３０５、第３フレーム３０４、第２フレーム３０３、及び第１フレーム３０２が形成されている領域には、裏面からベースシリコン層とシリコン酸化膜層とをエッチング除去することで形成された凹部３２０が形成されている。即ち、第４フレーム３０５、第３フレーム３０４、第２フレーム３０３、及び第１フレーム３０２は、ＳＯＩ層で構成されている。
【０１１２】
更に、第４フレーム３０５と第３フレーム３０４との間は、トレンチ溝によって第３フレーム３０４に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層３０９（以下、第４捻りバネ３０９という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。これら２つの第４捻りバネ３０９は、第４フレーム３０５の重心を通る中心軸ｌ上に設けられている。これにより、第４フレーム３０５は、中心軸ｌを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
【０１１３】
また、第３フレーム３０４と第２フレーム３０３との間は、トレンチ溝によって第２フレーム３０３に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層３０８（以下、第３捻りバネ３０８という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。これら２つの第３捻りバネ３０８は、第４フレーム３０５と第３フレーム１０４との重心を通る中心軸ｋ上に設けられている。これにより、第３フレーム３０４は、中心軸ｋを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
【０１１４】
また、第２フレーム３０３と第１フレーム３０２との間は、トレンチ溝によって第１フレーム３０２に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層３０７（以下、第２捻りバネ３０７という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。これら２つの第２捻りバネ３０７は、第４フレーム３０５と第３フレーム３０４と第２フレーム３０３との重心を通る中心軸ｊ上に設けられている。これにより、第２フレーム３０３は、中心軸ｊを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
【０１１５】
また、第１フレーム３０２と第０フレーム３０１との間は、トレンチ溝によって第０フレーム３０１に対して所定の隙間を介して設けられたＳＯＩ層３０６（以下、第１捻りバネ３０６という）により、互いに対向する２箇所で連結されている。これら２つの第１捻りバネ３０６は、第４フレーム３０５と第３フレーム３０４と第２フレーム３０３と第１フレーム３０２との重心を通る中心軸ｉ上に設けられている。これにより、第１フレーム３０２は、中心軸ｉを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
【０１１６】
また、第１捻りバネ３０６、第２捻りバネ３０７、第３捻りバネ３０８、及び第４捻りバネ３０９は、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生するように構成されている。
【０１１７】
従って、第０フレーム３０１が固定されることにより、第４フレーム３０５、第３フレーム３０４、第２フレーム３０３、及び第１フレーム３０２は４自由度構造を構成する。
また、第１フレーム３０２の左側端縁及び右側端縁には、櫛歯状に形成された櫛歯部１１３及び櫛歯部３１１が設けられている。そして、第０フレーム３０１には、第１フレーム３０２の櫛歯部３１３及び櫛歯部３１１と対向する位置にそれぞれ、櫛歯部３１３と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部３１２、及び櫛歯部３１１と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部３１０が設けられている。
【０１１８】
そして、２次元光走査装置３００では、第４フレーム３０５、第３フレーム３０４、及び第２フレーム３０３の捩じり振動の振幅の角度が、第１フレーム３０２の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、第１フレーム３０２の捩じり振動の振幅が、第１フレーム３０２の板厚に略等しくなるように設計されている。
【０１１９】
尚、上記以外の構成については、第１実施形態の２次元光走査装置１００と同様である。
このように構成された２次元光走査装置３００では、第４フレーム３０５、第３フレーム３０４、第２フレーム３０３、第１フレーム３０２、第４捻りバネ３０９、第３捻りバネ３０８、第２捻りバネ３０７、第１捻りバネ３０６が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する４自由度連成振動系を構成する。
【０１２０】
また、櫛歯部３１０に周期的な電気信号を入力することにより、櫛歯部３１０と櫛歯部３１１との間に静電気力が発生させ、４自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。
【０１２１】
また、第０フレーム３０１に設けられた櫛歯部３１２と、第１フレーム３０２に設けられた櫛歯部３１３との間の静電容量の変化に基づいて、第１フレーム３０２の捩じり振動の振幅の角度を検出する。
【０１２２】
そして、２次元光走査装置３００は４自由度連成振動系を構成しているため、第４フレーム３０５、第３フレーム３０４及び第２フレーム３０３の捩じり振動の振幅の角度が、第１フレーム３０２の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなるように構成されている。
【０１２３】
そして、第１フレーム３０２の捩じり振動の振幅が、第１フレーム３０２の板厚に略等しくなるように構成されている。このため、低電圧で大きい加振力を得ることができるとともに、精度よく第４フレーム３０５、第３フレーム３０４、第２フレーム３０３及び第１フレーム３０２の角度変位を検出することができる。
【０１２４】
以上説明した実施形態において、第０フレーム３０１は本発明における第４剛体部材、第１フレーム３０２は本発明における第５剛体部材、第２フレーム３０３は本発明における第６剛体部材、第３フレーム３０４は本発明における第７剛体部材、第４フレーム３０５は本発明における第８剛体部材、第１捻りバネ３０６は本発明における第５弾性変形部材、第２捻りバネ３０７は本発明における第６弾性変形部材、第３捻りバネ３０８は本発明における第７弾性変形部材、第４捻りバネ３０９は本発明における第８弾性変形部材、櫛歯部３１０と櫛歯部３１１と信号発生器２２１と加算器２２２と増幅器２２３とは本発明における第２外力作用手段、櫛歯部３１０は本発明における第４櫛歯状電極部、櫛歯部３１１は本発明における第５櫛歯状電極部、櫛歯部３１２と櫛歯部３１３と振幅検出部２０３とは本発明における第２角度検出手段、櫛歯部３１２は本発明における第６櫛歯状電極部、櫛歯部３１３は本発明における第７櫛歯状電極部、中心軸ｉは本発明における第５中心軸、中心軸ｊは本発明における第６中心軸、中心軸ｋは本発明における第７中心軸、中心軸ｌは本発明における第８中心軸である。
【０１２５】
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記第１実施形態においては、加算器２２２で２つの周波数の電気信号（モード１励振信号ＲＳ１及びモード２励振信号ＲＳ２）を加算して、２つの周波数の電気信号が重畳された信号を生成し、この信号を２次元光走査装置１００に印加するものを示した。しかし、複数の電気信号を加算して印加した場合に、加算された電気信号の電圧は、複数の電気信号の電圧が加算された値となり、この電圧が高すぎると絶縁破壊の原因となる。例えば、振幅６０Ｖと振幅４０Ｖの電気信号を加算すれば、加算された電気信号のピーク電圧は１００Ｖとなる。このため、電気信号のピーク電圧が高くならないようにすることが望ましい。
【０１２６】
そこで、モード１励振信号ＲＳ１とモード２励振信号ＲＳ２とを加算することなく２次元光走査装置１００に印加するようにしてもよい。
具体的には、例えば、第１フレーム１０２の左側端縁１０２ｃ側に設けられた櫛歯部１０９にモード１励振信号ＲＳ１を印加し、右側端縁１０２ｄ側に設けられた櫛歯部１０９にモード２励振信号ＲＳ２を印加するようにするとよい。このようにすることにより、左右それぞれの櫛歯部１０９に印加される電気信号のピーク電圧を低く抑えることができるため、過大電圧による絶縁破壊を回避することができる。
【０１２７】
また上記第１実施形態においては、櫛歯部１１１及び櫛歯部１１２を用いて、第１フレーム１０２の角度変位を検出するものを示した。しかし、図９（ａ）に示すように、第１フレーム１０２に平行光（図中の破線で示される光ＮＫ参照）を照射する平行光源４０１と、第１フレーム１０２の表面で反射した反射光（図中の破線で示される光ＨＫ参照）を受光して、受光した反射光の到達位置を検出する光学的位置検出素子４０２（例えばＰＳＤなど）とを備えるようにしてもよい。即ち、第１フレーム１０２が振動すると、反射光の光学的位置検出素子４０２上での到達位置が変化するため、第１フレーム１０２の捩じれ角を正確に検出することができる。尚、平行光源４０１は本発明における光照射手段、光学的位置検出素子４０２は本発明における到達位置検出手段である。
【０１２８】
また第１フレーム１０２の角度変位を、捻りバネの歪量を測定することで検出するようにしてもよい。具体的には、第１捻りバネ１０５の表面にイオンドーピング処理を行うことで、図９（ｂ）に示すように、ドーピング領域４１１，４１２を形成し、歪ゲージとして利用する。これにより、第１捻りバネ１０５の捩れ角を検出できる。
【０１２９】
また上記実施形態においては、２次元光走査装置を用いた画像生成（ディスプレイ）を例に挙げて説明したが、本発明の２次元光走査装置の用途はこれに限られるものではなく、車載用ヘッドアップディスプレイ、プロジェクタ、リアプロディスプレイ、ＱＲコードリーダ、レンジファインダ、物体検出センサ、レーザレーダなど幅広い用途に応用が可能である。
【図面の簡単な説明】
【０１３０】
【図１】２次元光走査装置１００の構成を示す平面図である。
【図２】２次元光走査装置１００の領域Ｒ１，Ｒ２の拡大図である。
【図３】２次元光走査装置１００の断面の構造を説明する図である。
【図４】駆動回路２００の構成を示すブロック図である。
【図５】加振力の波形、及び各フレームの振動の波形を示す図である。
【図６】振幅検出部２０３で検出される信号の波形を示す図である。
【図７】正規化角度及び正規化櫛歯部間対向面積Ｈの位相角特性を示す図である。
【図８】２次元光走査装置３００の構成を示す平面図である。
【図９】別の実施形態の第１フレーム１０２の角度検出を説明する図である。
【符号の説明】
【０１３１】
１１…ＳＯＩ層、１２…シリコン酸化膜層、１３…ベースシリコン層、２１…シリコン酸化膜、２２，２３…アルミ薄膜、１００…２次元光走査装置、１０１…第０フレーム、１０２…第１フレーム、１０３…第２フレーム、１０４…第３フレーム、１０５…第１捻りバネ、１０６…第２捻りバネ、１０７…第３捻りバネ、１０８…凹部、１０９，１１０，１１１，１１２…櫛歯部、２００…駆動回路、２０１…レーザ光発生部、２０２…信号発生部、２０３…振幅検出部、２０４…制御回路、２１１…半導体レーザ、２１２…レーザ駆動回路、２２１…信号発生器、２２２…加算器、２２３…増幅器、２２４…過大電流遮断回路、２３１…ＣＶ変換回路、２３２…周波数分離フィルタ、２３３，２３４…整流回路、２３５…位相差測定回路、２３６，２３７…２値化回路、３００…２次元光走査装置、３０１…第０フレーム、３０２…第１フレーム、３０３…第２フレーム、３０４…第３フレーム、３０５…第４フレーム、３０６…第１捻りバネ、３０７…第２捻りバネ、３０８…第３捻りバネ、３０９…第４捻りバネ、３１０，３１１，３１２，３１３…櫛歯部、３２０…凹部、４０１…平行光源、４０２…光学的位置検出素子、４１１，４１２…ドーピング領域
【図１】
2008129069.tif 000003
【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】
2008129069.tif 000009
【図８】
2008129069.tif 000010
【図９】
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