(57)【要約】【課題】ミラー部を支持する梁部の並進運動が小さくミラー部に大きな回転振動が得られる光走査装置を提供する。【解決手段】振動源４の振動により共振する一対の振動板１ｂの振動波の節位置近傍に梁部５が設けられ、振動源４を作動させて当該一対の振動板１ｂを撓ませることにより梁部５を揺動軸としてミラー部６を揺動させながら照射光を反射することで走査する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定端側が連結部により連結されたコ字状に形成された一対の振動板と、
前記連結部と反対側を自由端とする片持ち支持される前記一対の振動板間に架設された梁部によって支持されたミラー部と、
前記振動板上に設けられた振動源と、を具備し、
前記振動源の振動により共振する前記一対の振動板の振動波の節位置近傍に前記梁部が設けられ、前記振動源を作動させて当該一対の振動板を撓ませることにより前記梁部を揺動軸として前記ミラー部を揺動させながら照射光を反射することで走査することを特徴とする光走査装置。
【請求項２】
前記ミラー部と梁部との共振周波数に対し±１０％の共振周波数となるように前記一対の振動板の長さが決められ、前記梁部は前記一対の振動板に形成される節から当該振動板の全長の±２０％以内に形成されている請求項１記載の光走査装置。
【請求項３】
前記振動板は振動により節が１か所ずつ形成される一次モードで共振し、前記梁部は前記基板の固定端に近くに形成される振動波の節に設けられている請求項１又は２記載の光走査装置。
【請求項４】
前記振動板は振動により節がｎ（ｎは２以上の整数）か所ずつ形成されるｎ次モードで共振し、前記梁部は前記振動板の振動により形成される振動波のいずれかの節位置に設けられている請求項１又は２記載の光走査装置。
【請求項５】
前記振動源は一対の振動板に各々設けられ、同一位相若しくは異なる位相の周波数で各振動板を振動させる請求項１乃至４のいずれか１項記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光源より照射された光ビームを揺動するミラー部で反射して走査を行う光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光源より照射されたレーザー光等の光ビームを走査する光走査装置は、バーコードリーダ、レーザープリンタ、ヘッドマウントディスプレー等の光学機器などに用いられている。
【０００３】
例えば、図６に示すように、支持部材５１とクランプ部材５２とで片持ち状にクランプされて支持された基板５３（例えばステンレス基板やシリコン基板など）の自由端側に一対の基板舌部５３ａが両側に設けられ、該一対の基板舌部５３ａ間に形成された開口部５３ｂ内に梁部５４により両側が連結されたミラー部５５が設けられている。ミラー部５５は鏡面仕上げされているか、反射膜が形成されているか、或いは基板にミラーが貼付けられている。
【０００４】
また、基板５３には圧電体、磁歪体、または永久磁石のいずれかによる薄膜よりなる振動源５６が設けられ、例えば圧電体の場合、図示しない駆動源より正電圧を印加すると延びが発生し、負電圧を印加すると縮みが発生するため、基板５３に撓みが発生する。この基板５３の上下方向の撓みに対して梁部５４にねじれ振動が発生してミラー部５５が揺動する。
【０００５】
このミラー部５５と梁部５４との共振周波数付近で駆動周波数を維持して、振動するミラー部によりレーザー光を反射することで光走査する。これによって、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）を用いて製造された微小ミラーを揺動させる光走査装置より製造コストがかからず、小型の振動源でミラー部５５に大きな回転振動を発生させるようになっている。
ミラー部５５の走査精度を高めるためには、基板５３に形成される梁部５４は、基板５３の上下振動の影響を受けにくい位置に設ける必要がある。そこで、基板５３自体の共振周波数とミラー部５５の共振周波数が一致させないように所定量ずらして設けられることが望ましいことが経験的に知られている（特許文献１段落[０００９]参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００６−２９３１１６５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
上述した光走査装置を試作する場合、基板５３に対してミラー部５５を支持する梁部５４を何処に設けるかは設計が難しいという問題がある。梁部５４の共振周波数を求めることは比較的容易であるが、基板５３の振動モードや形状から最適な位置を決めることが困難である。特に走査精度が高性能な光走査装置を製造する場合、基板のＬ寸が長くなる傾向があり、サイズやコスト面で不利になる。
【０００８】
本発明は、ミラー部を支持する梁部の並進運動が小さくミラー部に大きな回転振動が得られる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】
【０００９】
本発明は上記目的を達成するため、次の構成を備える。
即ち、固定端側が連結部により連結されコ字状に形成された一対の振動板と、前記連結部と反対側を自由端とする片持ち支持される前記一対の振動板間に架設された梁部によって支持されたミラー部と、前記振動板上に設けられた振動源と、を具備し、前記振動源の振動により共振する前記一対の振動板の振動波の節位置近傍に前記梁部が設けられ、前記振動源を作動させて当該一対の振動板を撓ませることにより前記梁部を揺動軸として前記ミラー部を揺動させながら照射光を反射することで走査することを特徴とする。
【００１０】
また、前記ミラー部と梁部との共振周波数に対し±１０％の共振周波数となるように前記一対の振動板の長さが決められ、前記梁部は前記一対の振動板に形成される節から当該振動板の全長の±２０％以内に形成されていることを特徴とする。
【００１１】
前記振動板は振動により節が１か所ずつ形成される一次モードで共振し、前記梁部は前記基板の固定端に近くに形成される振動波の節に設けられていることを特徴とする。
【００１２】
前記振動板は振動により節がｎ（ｎは２以上の整数）か所ずつ形成されるｎ次モードで共振し、前記梁部は前記振動板の振動により形成される振動波のいずれかの節位置に設けられていることを特徴とする。
【００１３】
前記振動源は一対の振動板に各々設けられ、同一位相若しくは異なる位相の周波数で各振動板を振動させることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係る光走査装置を設計する際には、ミラー部と梁部の共振周波数と振動板の共振周波数がほぼ一致するように振動板の長さを設定して、一対の振動板の振動波の節位置近傍に梁部を設ければよいので、ミラー部の振動板に対する位置の設定が容易に行える。このように設計された光走査装置は梁部が振動波の節近傍にあるのでミラー部の上下動が少なく、高い走査精度を維持することができる。
更には、基板の低次の共振モードを利用することにより小さな基板サイズでも梁部−ミラー部の共振系を効率よく加振することができる。これは、一般的に同じエネルギーで加振するのであれば低次の振動モードのほうが大きい振幅を得ることができるためである。また、固定端近傍に梁部を設けることにより節の位置が移動しなくなるため走査範囲も安定し、振動板のクランプ位置の調整作業も簡略化することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】光学走査装置の平面図及び矢印Ａ−Ａ断面図である。
【図２】他例に係る光学走査装置の平面図及び矢印Ａ−Ａ断面図である。
【図３】他例に係る光学走査装置の平面図及び矢印Ａ−Ａ断面図である。
【図４】振動板の振動波の一次モード、二次モード、三次モードの波形説明図である。
【図５】一次振動モードの駆動周波数と走査角との関係を示すグラフ図である。
【図６】従来の光学走査装置の平面図及び矢印Ａ−Ａ断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係る光学走査装置の実施形態について図面を参照して説明する。本実施例では、レーザービームプリンタ用に用いられる光走査装置（スキャナー）を例示して説明するものとする。
【００１７】
図１（ａ）（ｂ）を参照して一次モードで振動する光走査装置の概略構成について説明する。図１（ｂ）に示すように、振動板１は固定端側が連結部１ａによって連結され、図１（ａ）に示すように平面視でコ字状に形成された一対の短冊板１ｂが形成されている。振動板１は、金属板（ステンレススチール；ＳＵＳ３０４）若しくはシリコン基板（Ｓｉ）などの基板が好適に用いられる。
図１（ｂ）に示すように、振動板１は連結部１ａ側を支持部材２とクランプ部材３に挟み込まれて片持ち状に支持されている。
【００１８】
また、各短冊板１ｂの所定位置（例えば長手方向中央部付近）には振動源４として圧電素子（ＰＺＴ；チタン酸ジルコン酸鉛）が接着等により設けられている。振動源４は一対の短冊板１ｂの一方のみに設けられていても良い。振動体１の一対の短冊板１ｂ間には両側を梁部５により支持されたミラー部６が設けられている。梁部５は振動源４の振動により共振する一対の短冊板１ｂ（振動板）の振動波の節位置近傍に設けられている。
【００１９】
具体的には、ミラー部６と梁部５との共振周波数に対し±１０％の共振周波数となるように一対の短冊板１ｂの長さが決められ、梁部５は一対の短冊板１ｂに形成される節位置から当該振動板４の全長の±２０％以内に形成されている。
振動源４を作動させて振動体１をミラー部６と梁部５との共振周波数近傍で振動させることにより、梁部５を揺動軸としてミラー部６を揺動させながら照射光を反射することで走査するようになっている。
【００２０】
図１では、振動板１はミラー部６と梁部５との共振周波数近傍において振動波形に節が１か所だけ形成される一次振動モードで共振し、梁部５は振動板１の固定端に近くに形成される振動波の節に設けられている。
【００２１】
図４において、一様な棒や板の振動モードに応じた振動波の波形を模式的に示す。一次振動モードの振動波形はＥであり、理論上は固定端（０位置）を節ｅとして振動する。しなしながら、実際は、ミラー部６を支持する梁部５の位置が固定端に設けることができないため、振動板１（連結部１ａ）のクランプ位置から１．０〜１．５ｍｍ程度自由端側へシフトした位置に設けられている。前述したようにミラー部６と梁部５との共振周波数に対し±１０％の共振周波数となるように一対の短冊板１ｂの長さが決められており、経験的に梁部５は一対の短冊板１ｂに形成される節位置ｅから当該振動板１の全長の±２０％以内となる近傍に配置されている。
【００２２】
二次振動モードの振動波形はＦであり、節位置ｆが２箇所で腹位置ｆ´が１箇所形成される。この場合、後述するように、２箇所ある節位置ｆのいずれかに梁部５とミラー部６を設けても良いし、２箇所ある節位置ｆのそれぞれに梁部５を設けてミラー部６を併設することもできる。
【００２３】
三次振動モードの振動波形はＧであり、節位置ｇが３箇所で腹位置ｇ´が２箇所形成される。この場合、３箇所ある節位置ｇのいずれかに梁部５を設けてミラー部６の位置を設けても良いし、３箇所ある節位置ｇのそれぞれに梁部５を設けてミラー部６を併設することもできる。
【００２４】
以上のように、ミラー部６と梁部５との共振周波数に対して振動板１は節がｎ（ｎは２以上の整数）か所ずつ形成されるｎ次モードの共振点を持つように長さを設定することができ、梁部５は振動板１の振動により形成される振動波のいずれかの節位置に設けることが理論上可能である。
【００２５】
図５（ａ）（ｂ）に示すように、実験では短冊板１ｂの一次振動モードにおいて、節位置ｅがクランプ位置より１．０ｍｍで梁部５の共振周波数が３０７５Ｈｚ付近の場合（図５（ａ）参照）と、節位置がクランプ位置より１．５ｍｍで梁部５の共振周波数が３１００Ｈｚ付近の場合（図５（ｂ）参照）について最大光学走査角が得られることを確認した。
【００２６】
次に、振動板１を二次振動モードで駆動する場合について図２及び図３を参照して説明する。上述したように、ミラー部６と梁部５との共振周波数に対して短冊板１ｂが二次の共振周波数近傍となるように短冊板１ｂの長さを設定して、振動波形に２箇所形成される節位置ｆ（図４参照）のいずれかに梁部５とミラー部６とを設ければ良い。
【００２７】
図２（ａ）（ｂ）は、クランプ位置近傍に形成される節位置ｆに梁部５を設けた場合について例示している。理論上は固定端（０位置）を節ｆとして振動するが、実際には、ミラー部６を支持する梁部５の位置が固定端に設けることができないため、クランプ位置から１．０〜１．５ｍｍ程度自由端側へシフトした位置に設けられているのは一次振動モードの場合と同様である。
図２（ａ）に示すように、振動源４は短冊板１ｂの長手方向中央部付近に設けられており、図２（ｂ）に示すように梁部５は固定端近傍に設けられている。この場合、短冊板１ｂの振幅が同じ場合に自由端近傍よりも固定端近傍のほうがたわみ角が小さいために駆動効率が低下する傾向がある。しかしながら、固定端近傍であるために外乱に対して影響を受けにくいという利点がある。
【００２８】
図３（ａ）（ｂ）は、自由端近傍に形成される節位置ｆ近傍に梁部５を設けた場合について例示している。図３（ａ）に示すように、振動源４は短冊板１ｂの長手方向中央部付近に設けられており、図３（ｂ）に示すように梁部５は自由端近傍に設けられている。この場合、短冊板１ｂの振幅が同じ場合に固定端近傍よりも自由端近傍のほうがたわみ角が大きいために図２に比べて駆動効率が向上する傾向がある。しかしながら、自由端近傍であるために外乱の影響を受けやすくなる。
【００２９】
また、各短冊板１ｂに設けられた振動源４は、同一位相の共振周波数で駆動する場合について説明したが、異なる位相の周波数で各振動板を振動させることも可能である。この場合には、梁部５の上下動を相殺するように振動源４の位相を異ならせることで、ミラー部６の走査精度を向上させることが期待される。
【００３０】
また、梁部５を節位置として確実に振動させるためには、短冊板１ｂの節位置近傍に凹部、ノッチ、切欠きなどを形成して強度的に弱めるようにしても良い。また、短冊板１ｂの共振周波数を調整するために、短冊板１ｂに孔を一つまたは複数設けてもよい。
【００３１】
上述した光走査装置を設計する際には、ミラー部６と梁部５の共振周波数と短冊板１ｂの共振周波数がほぼ一致するように短冊板１ｂの長さを設定して、一対の振動板１ｂの振動波の節位置近傍に梁部５を設ければよいので、ミラー部６の振動板１に対する位置の設定が容易に行える。このように設計された光走査装置は梁部５が振動波の節近傍にあるのでミラー部６の上下動が少なく、走査精度を維持することができる。
更には、短冊板１ｂの低次共振モードを利用することにより小さな基板サイズでも梁部５−ミラー部６の共振系を効率よく加振することができる。また、固定端近傍に梁部５の位置を設けることにより節が移動しなくなるため走査範囲も安定し、振動板１のクランプ位置の調整作業も簡略化することができる。
【００３２】
尚、振動源４としては、圧電素子のほかに、圧電体、磁歪体又は永久磁石体のいずれかが基板上に膜状に直接形成されていてもよい。成膜法としては、例えばエアロゾルデポジション法（AD法）、真空蒸着法、スパッタリング法や化学的気相成長法（CVD: Chemical Vapor  Deposition）、ゾル−ゲル法などの薄膜形成技術を用いて、圧電体、磁歪体又は永久磁石体のいずれかが基板上に膜状に直接形成されていると、低電圧駆動で低消費電力の光走査装置を提供できる。
【００３３】
磁歪体や永久磁石体を用いる場合、外部から印加する交番磁界は、上記磁歪膜、永久磁石膜が形成された基板部近傍に設けられたコイルに交流電流を流すことで交番磁界を発生させる。尚、磁歪膜や永久磁石膜を基板に形成する場合、基板材料は非磁性材料である方が、より効率的に撓みを発生することができる。
【００３４】
尚、ミラー部６は、振動板１に金属板を使用する場合には鏡面仕上げされた基板を用いると良い。金属板以外の基板や、金属板においてもより高い反射性能が要求され場合には、真空蒸着、スパッタリング、ＣＶＤ（化学的気相成長法）等の薄膜形成技術により、ミラー部６へ薄膜を形成するか、或いはミラー部６へ別途ミラー用反射材料を貼付けてもよい。
【００３５】
また、薄膜を形成する材料には、金（Au）、二酸化ケイ素（SiO2）、アルミニウム（Al）、あるいはフッ化マグネシウム（MgF2）から１つを選択、或いは２つ以上の材料を組み合わせ、さらに前記薄膜成形技術による同一層(=単層)、或いは２層以上の多層構成を適度な膜厚に制御することによって、反射性能を向上する薄膜が形成できる。あるいは、ミラー部４へ別途ミラー用反射材を貼付ける場合は、鏡面仕上げしたシリコン（Si）またはアルミナチタンカーバイト（Al2O3-TiC）のセラミック等の材料へ、前記薄膜成形技術にて薄膜を形成しても良い。
【００３６】
また、振動板１の厚みに関しては、動作中のミラー部６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、シリコン（Ｓｉ）、ステンレススチール（ＳＵＳ３０４等）等の、或いはさらにカーボンナノチューブを前記材料へ成長させた基板を想定すると、少なくとも１０μｍ以上の厚みが望ましい。
【符号の説明】
【００３７】
１  振動板
１ａ  連結部
１ｂ  短冊板
２  支持部材
３  クランプ部材
４  振動源
５  梁部
６  ミラー部
【図１】
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【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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