(57)【要約】【課題】主走査方向の走査範囲を大きくする【解決手段】光走査装置１はミラー１３、内ジンバル１２、外ジンバル１１、支持部３、弾性連結部１４〜１６が３自由度連成振動系を構成する。このため、櫛歯電極部１７，１９と櫛歯電極部４ａ，４ｂとの間に電圧を印加し周期的外力を外ジンバル１１に作用させる。櫛歯電極部４ａを駆動するための信号は、主走査周波数で電圧が、０Ｖとなるローレベルから、このローレベルより高いハイレベルに変化すると共にデューティが５０％である第１主走査駆動信号と、副走査周波数で電圧が、０Ｖより高いローレベルから、このローレベルより高いハイレベルに変化すると共にデューティが５０％である第１副走査駆動信号とを乗算した信号であり、櫛歯電極部４ｂを駆動するための信号は、第１主走査駆動信号の位相を１８０°ずらした信号と第１副走査駆動信号の位相を１８０°ずらした信号とを乗算した信号である。【選択図】図１
2013160990.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、
前記反射部に連結された弾性変形可能な第１弾性連結部を有し、該第１弾性連結部を第１回転軸として前記反射部を揺動可能に支持する第１支持部と、
前記第１支持部に連結された弾性変形可能な第２弾性連結部を有し、該第２弾性連結部を第２回転軸として前記第１支持部を揺動可能に支持する第２支持部と、
前記第２支持部に連結された弾性変形可能な第３弾性連結部を有し、該第３弾性連結部を第３回転軸として前記第２支持部を揺動可能に支持する第３支持部と
を備えて、前記反射部、前記第１支持部、前記第２支持部、前記第３支持部、前記第１弾性連結部、前記第２弾性連結部、及び前記第３弾性連結部が、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外力作用手段と、
前記外力作用手段を駆動させるための駆動信号を生成する駆動信号生成手段とを備え、
前記外力作用手段は、
前記第３回転軸を挟んだ前記第２支持部の両側のうち一方側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３回転軸を挟んだ前記第２支持部の両側のうち他方側に前記固有の周期的外力を作用させる第２外力作用手段とから構成され、
前記駆動信号生成手段は、前記第１外力作用手段を駆動させるための第１駆動信号と、前記第２外力作用手段を駆動させるための第２駆動信号を生成し、
前記第１駆動信号は、
前記反射部が揺動する周波数である主走査周波数で電圧が、０Ｖとなるように予め設定された第１ローレベルから、前記第１ローレベルより高くなるように予め設定された第１ハイレベルに変化するとともにデューティが５０％である第１パルス信号と、前記第１支持部が揺動する周波数である副走査周波数で電圧が、０Ｖより高くなるように予め設定された第２ローレベルから、前記第２ローレベルより高くなるように予め設定された第２ハイレベルに変化するとともにデューティが５０％である第２パルス信号とを乗算した信号であり、
前記第２駆動信号は、
前記第１パルス信号の位相を１８０°ずらした信号と、前記第２パルス信号の位相を１８０°ずらした信号とを乗算した信号である
ことを特徴とする光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを走査する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 Systems）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２次元光走査装置を提案している（特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開平７−１９９０９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
２次元光走査装置では一般に、高周波で振動する主走査方向の走査範囲が、低周波で振動する副走査方向の走査範囲よりも大きいことが望まれる。しかし、主走査方向は、高周波で振動させる必要があるために、その走査範囲を大きくすることが難しいという問題があった。
【０００５】
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、２次元光走査装置において主走査方向の走査範囲を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の光走査装置は、光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、反射部に連結された弾性変形可能な第１弾性連結部を有し、第１弾性連結部を第１回転軸として反射部を揺動可能に支持する第１支持部と、第１支持部に連結された弾性変形可能な第２弾性連結部を有し、第２弾性連結部を第２回転軸として第１支持部を揺動可能に支持する第２支持部と、第２支持部に連結された弾性変形可能な第３弾性連結部を有し、第３弾性連結部を第３回転軸として第２支持部を揺動可能に支持する第３支持部とを備えて、反射部、第１支持部、第２支持部、第３支持部、第１弾性連結部、第２弾性連結部、及び第３弾性連結部が、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。
【０００７】
このため、請求項１に記載の光走査装置は、第３支持部を固定端として、第１弾性連結部、第２弾性連結部、および第３弾性連結部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。
【０００８】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、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反射部、第１支持部、および第２支持部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）。したがって、或る振動モードにおいて、第２支持部の角度振幅が大きくなると、この振動モードにおける角度振幅の比に応じて、反射部および第１支持部の角度振幅が大きくなる。
【０００９】
そして外力作用手段が、３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、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。
また、３つの振動モード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。
【００１０】
したがって、反射部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力と、第１支持部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることにより、反射部で反射するレーザ光を２次元的に走査することができる。
【００１１】
そして外力作用手段は、第３回転軸を挟んだ第２支持部の両側のうち一方側に固有の周期的外力を作用させる第１外力作用手段と、第３回転軸を挟んだ第２支持部の両側のうち他方側に固有の周期的外力を作用させる第２外力作用手段とから構成される。
【００１２】
さらに、外力作用手段を駆動させるための駆動信号を生成する駆動信号生成手段は、第１外力作用手段を駆動させるための第１駆動信号と、第２外力作用手段を駆動させるための第２駆動信号を生成する。
【００１３】
そして第１駆動信号は、反射部が揺動する周波数である主走査周波数で電圧が、０Ｖとなるように予め設定された第１ローレベルから、第１ローレベルより高くなるように予め設定された第１ハイレベルに変化するとともにデューティが５０％である第１パルス信号と、第１支持部が揺動する周波数である副走査周波数で電圧が、０Ｖより高くなるように予め設定された第２ローレベルから、第２ローレベルより高くなるように予め設定された第２ハイレベルに変化するとともにデューティが５０％である第２パルス信号とを乗算した信号であり、第２駆動信号は、第１パルス信号の位相を１８０°ずらした信号と、第２パルス信号の位相を１８０°ずらした信号とを乗算した信号である。
【００１４】
まず、第１駆動信号および第２駆動信号は、主走査周波数で振動するパルス信号と、副走査周波数で振動するパルス信号とを乗算した信号である。このため、第１外力作用手段および第２外力作用手段はそれぞれ、第３回転軸を挟んだ第２支持部の一方側および他方側に、反射部が主走査周波数で振動する振動モードに対応する周期的加振力と、第１支持部が副走査周波数で振動する振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることができる。これにより、反射部が主走査周波数で振動するとともに、第１支持部が副走査周波数で振動し、反射部で反射するレーザ光を２次元的に走査することができる。なお、上記の重畳された周期的加振力が第２支持部に与えられることにより、第２支持部は、第３弾性連結部を第３回転軸として、主走査周波数で往復振動するとともに、副走査周波数でうねるように振動する。
【００１５】
そして第１駆動信号は、上記の第１パルス信号と上記の第２パルス信号とを乗算した信号である。このため第１駆動信号は、主走査周波数で電圧値が０Ｖから、０Ｖより高い所定のハイレベル（以下、第１駆動信号ハイレベルという）に変化する。
【００１６】
一方、第２駆動信号は、上記の第１パルス信号の位相を１８０°ずらした信号と、上記の第２パルス信号の位相を１８０°ずらした信号とを乗算した信号である。このため第２駆動信号の電圧値は、第１駆動信号の電圧が０Ｖのときに、０Ｖより高い所定のハイレベルになるとともに、第１駆動信号の電圧が第１駆動信号ハイレベルのときに、０Ｖになる。
【００１７】
したがって、第１外力作用手段が第２支持部の一方側に周期的加振力を与えているときには、第２外力作用手段は第２支持部の他方側に周期的加振力を与えていない。同様に、第２外力作用手段が第２支持部の他方側に周期的加振力を与えているときには、第１外力作用手段は第２支持部の一方側に周期的加振力を与えていない。
【００１８】
このため、第１外力作用手段および第２外力作用手段は互いに、他方の周期的加振力を打ち消すように自身の周期的加振力を第２支持部に与えるということがなくなる。これにより、第２支持部が第３弾性連結部を第３回転軸として主走査周波数で往復振動するときの振動振幅を大きくすることができる。そして、３自由度連成振動系では、反射部が主走査周波数で振動する振動振幅と、第１支持部が副走査周波数で振動する振動振幅は、第２支持部の振動振幅に比例する。このため、反射部が主走査周波数で振動する振動振幅が大きくなり、主走査方向の走査範囲を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】光走査装置１の構成を示す平面図である。
【図２】図１のＡ−Ａ断面部を示す図である。
【図３】図１のＢ−Ｂ断面部を示す図である。
【図４】光走査装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【図５】駆動信号の電圧波形を示すタイミングチャートである。
【図６】図１のＣ−Ｃ断面部を示す図である。
【図７】外ジンバル１１の振幅と第１，２駆動信号の電圧波形を示すタイミングチャートである。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下に本発明の実施形態について図面とともに説明する。
光走査装置１は、例えば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り、図１に示すように、光ビームを走査する光ビーム走査部２と、光ビーム走査部２を支持する支持部３と、光ビーム走査部２に回転駆動力を印加する駆動部４と、光ビーム走査部２の回転角度を検出する角度検出部５とを備える。
【００２１】
光ビーム走査部２は、外ジンバル１１と内ジンバル１２とミラー１３と弾性連結部１４ａ，１４ｂと弾性連結部１５ａ，１５ｂと弾性連結部１６ａ，１６ｂと、櫛歯電極部１７，１８，１９，２０とから構成される。
【００２２】
これらのうちミラー１３は、円形状であり、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成される。また内ジンバル１２は、枠形状であり、枠内にミラー１３が配置される。また外ジンバル１１も、枠形状であり、枠内に内ジンバル１２が配置される。
【００２３】
また弾性連結部１６ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル１２の枠内に配置され、ミラー１３と内ジンバル１２とを連結する。また弾性連結部１６ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル１２の枠内に配置され、ミラー１３を挟んで弾性連結部１６ａと反対側において、ミラー１３と内ジンバル１２とを連結する。なお、弾性連結部１６ａ及び弾性連結部１６ｂは、ミラー１３の重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、ミラー１３の回転軸ｋとなる。これによりミラー１３は、回転軸ｋを中心に捩じり振動可能に構成される。
【００２４】
また弾性連結部１５ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の枠内に配置され、内ジンバル１２と外ジンバル１１とを連結する。また弾性連結部１５ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の枠内に配置され、内ジンバル１２を挟んで弾性連結部１５ａと反対側において、内ジンバル１２と外ジンバル１１とを連結する。なお、弾性連結部１５ａ及び弾性連結部１５ｂは、ミラー１３と内ジンバル１２との重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、ミラー１３の回転軸ｊとなる。これにより内ジンバル１２は、回転軸ｊを中心に捩じり振動可能に構成される。
【００２５】
また弾性連結部１４ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の上辺１１ａと支持部３とを連結する。また弾性連結部１４ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１を挟んで弾性連結部１４ａと反対側において、外ジンバル１１の下辺１１ｂと支持部３とを連結する。なお、弾性連結部１４ａ及び弾性連結部１４ｂは、ミラー１３と内ジンバル１２と外ジンバル１１との重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、外ジンバル１１の回転軸ｉとなる。これにより外ジンバル１１は、回転軸ｉを中心に捩じり振動可能に構成される。
【００２６】
また櫛歯電極部１７は、外ジンバル１１の左辺１１ｃに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部１８は、櫛歯電極部１７の上方において、左辺１１ｃに沿って櫛歯状に形成されている。
【００２７】
また櫛歯電極部１９は、外ジンバル１１の右辺１１ｄに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部２０は、櫛歯電極部１９の上方において、右辺１１ｄに沿って櫛歯状に形成されている。
【００２８】
次に支持部３は、上辺１１ａと連結されていない側の弾性連結部１４ａの端部と連結される上側支持部３ａと、下辺１１ｂと連結されていない側の弾性連結部１４ｂの端部と連結される下側支持部３ｂとから構成される。
【００２９】
さらに駆動部４は、櫛歯電極部１７と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部４ａと、櫛歯電極部１９と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部４ｂとから構成される。
【００３０】
また角度検出部５は、櫛歯電極部１８と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部５ａと、櫛歯電極部２０と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部５ｂとから構成される。
【００３１】
また櫛歯電極部４ａ，４ｂはそれぞれ、図２および図３に示すように、櫛歯電極部１７，１９と非対向となる２つの面ＫＭ１，ＫＭ２の何れか一方の面（図２，３では、面ＫＭ１）に、絶縁膜２１を介して導電性の薄膜２２が設けられている。また櫛歯電極部５ａ，５ｂにも同様に絶縁膜２１を介して導電性の薄膜２２が設けられている。
【００３２】
次に、光走査装置１の電気的構成について説明する。
光走査装置１は、図４に示すように、駆動信号発生回路３１と、増幅回路３２ａ，３２ｂと、Ｃ−Ｖ変換回路３３ａ，３３ｂと、半導体レーザ３４と、制御回路３５とを備える。
【００３３】
これらのうち駆動信号発生回路３１は、主走査駆動信号生成部４１と副走査駆動信号生成部４２と乗算器４３，４４を備える。
まず主走査駆動信号生成部４１は、光ビームを主走査方向に走査する周波数（以下、主走査周波数という）で電圧がローレベルからハイレベルに変化するパルス信号を、光ビーム走査部２を回転駆動するための駆動信号として出力する。なお以下、主走査駆動信号生成部４１が出力する上記駆動信号を主走査駆動信号という。
【００３４】
そして主走査駆動信号生成部４１は、図４および図５に示すように、主走査駆動信号として、電圧値がハイレベルである時間の比率（以下、デューティという）が５０％である第１主走査駆動信号ＭＳ１と、第１主走査駆動信号ＭＳ１に対して位相が１８０°ずれている第２主走査駆動信号ＭＳ２を出力する。なお、第１主走査駆動信号ＭＳ１のローレベルの電圧値は０Ｖである。
【００３５】
また副走査駆動信号生成部４２は、光ビームを副走査方向に走査する周波数（以下、副走査周波数という）で電圧がローレベルからハイレベルに変化するパルス信号を、光ビーム走査部２を回転駆動するための駆動信号として出力する。なお以下、副走査駆動信号生成部４２が出力する上記駆動信号を副走査駆動信号という。
【００３６】
そして副走査駆動信号生成部４２は、副走査駆動信号として、デューティが５０％である第１副走査駆動信号ＳＳ１と、第１副走査駆動信号ＳＳ１に対して位相が１８０°ずれている第２副走査駆動信号ＳＳ２を出力する。なお、第１副走査駆動信号ＳＳ１のローレベルの電圧値は０Ｖより高い。
【００３７】
また乗算器４３は、図４に示すように、第１主走査駆動信号ＭＳ１と第１副走査駆動信号ＳＳ１との乗算値を算出し、この乗算値を示す信号を、第１駆動信号Ｄ１として出力する（図５を参照）。さらに乗算器４４は、第２主走査駆動信号ＭＳ２と第２副走査駆動信号ＳＳ２との乗算値を算出し、この乗算値を示す信号を第２駆動信号Ｄ２として出力する（図５を参照）。
【００３８】
増幅回路３２ａは、乗算器４３から出力された第１駆動信号Ｄ１を増幅して櫛歯電極部４ａの薄膜２２に印加する。また増幅回路３２ｂは、乗算器４４から出力された第２駆動信号Ｄ２を増幅して櫛歯電極部４ｂの薄膜２２に印加する。
【００３９】
Ｃ−Ｖ変換回路３３ａ，３３ｂは、櫛歯電極部５ａ，５ｂの薄膜２２と櫛歯電極部１８，２０との間の静電容量を電圧値に変換する。
半導体レーザ３４は、光ビームの発光源であり、光ビームをミラー１３に向けて照射する。
【００４０】
制御回路３５は、Ｃ−Ｖ変換回路３３ａ，３３ｂから出力される電圧をモニタし、この電圧値に基づいて半導体レーザ３４を制御するとともに、駆動信号発生回路３１を制御する。
【００４１】
次に、光走査装置１の動作原理を説明する。
光走査装置１は、支持部３を固定端として、回転軸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。
【００４２】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、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。
【００４３】
なお、櫛歯電極部４ａ，４ｂに電圧を印加すると、櫛歯電極部１７，１９との間に静電気力が発生する。以下の振動モードの詳細説明の中で述べるが、内ジンバル１２、ミラー１３の振幅に対し外ジンバル１１の振幅は小さいため、外ジンバル１１が１周期振動する間に櫛歯電極部１７，１９は櫛歯電極部４ａ，４ｂに１回接近する。このため、共振周波数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、櫛歯電極部１７，１９が櫛歯電極部４ａ，４ｂに接近する毎に、周期的加振力を作用させることができる。
【００４４】
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。
【００４５】
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における外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の振幅比ｒ１を「１：−２０：０．５」、
振動モード２における外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の振幅比ｒ２を「１：０．０１：−５０」、
振動モード３における外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３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。
【００４６】
なお、各振動モードにおける振幅比は、左から外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の順で記述している。例えば、上記の振幅比ｒ１は、外ジンバル１１の振幅が「１」とすると、内ジンバル１２の振幅が「−２０」、ミラー１３の振幅が「０．５」となることを示す。
【００４７】
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、外ジンバル１１とミラー１３との位相角の差が０度となり、外ジンバル１１と内ジンバル１２との位相角の差が１８０度となることを示す。
【００４８】
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、主に内ジンバル１２と、内ジンバル１２に繋がったミラー１３とが１０００Ｈｚで大きく捻り振動する。また、振動モード２では、主にミラー１３が５０００Ｈｚで大きく捻り振動する。
【００４９】
このため、ミラー１３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。
【００５０】
次に、光走査装置１の動作について説明する。
制御回路３５による制御に基づいて駆動信号発生回路３１が、第１，２駆動信号Ｄ１，Ｄ２を出力すると、増幅回路３２によりこの駆動信号の電圧値が増幅されて櫛歯電極部４ａ，４ｂに印加され、櫛歯電極部４ａ，４ｂと、櫛歯電極部１７，１９との間にパルス電圧が印加されて周期的に変化する静電引力が生じる。すなわち、櫛歯電極部４ａの薄膜２２と櫛歯電極部１７との間に電圧が印加されると、図６に示すように、櫛歯電極部４ａと櫛歯電極部１７とが引き合い、外ジンバル１１を図６における時計回り方向に回転させる力が働く。また、櫛歯電極部４ｂの薄膜２２と櫛歯電極部１９との間に電圧が印加されると、櫛歯電極部４ｂと櫛歯電極部１９とが引き合い、外ジンバル１１を図６における反時計回り方向に回転させる力が働く。これにより、光ビーム走査部２が弾性連結部１４ａ，１４ｂを回転軸ｉとして往復振動する。
【００５１】
そして、駆動信号発生回路３１が出力する第１，２駆動信号Ｄ１，Ｄ２は、図７に示すように、ミラー１３の角度振幅が外ジンバル１１および内ジンバル１２よりも大きい振動モードの共振周波数（主走査周波数）でローレベルからハイレベルに変化する。このため、外ジンバル１１が主走査周波数で往復振動する（図７の波形Ｗ１を参照）。
【００５２】
さらに、駆動信号発生回路３１が出力する第１，２駆動信号Ｄ１，Ｄ２は、内ジンバル１２の角度振幅が外ジンバル１１およびミラー１３よりも大きい振動モードの共振周波数（副走査周波数）でローレベルからハイレベルに変化する。このため、外ジンバル１１が副走査周波数でうねるように振動する（図７の波形Ｗ２を参照）。
【００５３】
これにより、ミラー１３が、弾性連結部１６ａ，１６ｂを回転軸として主走査周波数で振動するとともに、内ジンバル１２が、弾性連結部１５ａ，１５ｂを回転軸として副走査周波数で振動する。
【００５４】
そして、この状態でミラー１３に半導体レーザ３４から光ビームが照射されると、その光ビームがミラー１３の鏡面で反射されることにより出射されるとともに、ミラー１３の往復振動に伴い、ミラー１３の回転角度に応じた方向に走査される。
【００５５】
一方、外ジンバル１１の往復振動に伴い、櫛歯電極部５ａ，５ｂと櫛歯電極部１８，２０との距離も周期的に変化する。これにより、櫛歯電極部５ａ，５ｂの薄膜２２と櫛歯電極部１８，２０との間の静電容量が、外ジンバル１１の回転角度に応じて変化する。そして制御回路３５は、これらの静電容量に基づき、外ジンバル１１の回転角度を検出する。なお上述したように、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は０度または１８０度であるため、外ジンバル１１の回転角度を検出することにより、ミラー１３の回転角度を検出することができる。
【００５６】
このように構成された光走査装置１は、光ビームを反射させる鏡面部を有するミラー１３と、ミラー１３に連結された弾性変形可能な弾性連結部１６ａ，１６ｂを有し、弾性連結部１６ａ，１６ｂを回転軸ｋとしてミラー１３を揺動可能に支持する内ジンバル１２と、内ジンバル１２に連結された弾性変形可能な弾性連結部１５ａ，１５ｂを有し、弾性連結部１５ａ，１５ｂを回転軸ｊとして内ジンバル１２を揺動可能に支持する外ジンバル１１と、外ジンバル１１に連結された弾性変形可能な弾性連結部１４ａ，１４ｂを回転軸ｉとして外ジンバル１１を揺動可能に支持する支持部３とを備えて、ミラー１３、内ジンバル１２、外ジンバル１１、支持部３、弾性連結部１６ａ，１６ｂ、弾性連結部１５ａ，１５ｂ、及び弾性連結部１４ａ，１４ｂ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。
【００５７】
そして、駆動信号発生回路３１が、主走査周波数で振動するパルス信号と副走査周波数で振動するパルス信号とが重畳された第１，２駆動信号Ｄ１，Ｄ２を出力することにより、櫛歯電極部１７，１９と櫛歯電極部４ａ，４ｂとの間に、主走査周波数の周期的加振力と副走査周波数の周期的加振力とを重畳して与える。
【００５８】
これにより、ミラー１３が主走査周波数で振動するとともに、内ジンバル１２が副走査周波数で振動して、ミラー１３で反射するレーザ光を２次元的に走査することができる。
そして駆動部４は、回転軸ｉを挟んだ外ジンバル１１の両側のうち一方側に固有の周期的外力を作用させる櫛歯電極部４ａと、回転軸ｉを挟んだ外ジンバル１１の両側のうち他方側に固有の周期的外力を作用させる櫛歯電極部４ｂとから構成される。
【００５９】
さらに駆動信号発生回路３１は、駆動部４の櫛歯電極部４ａを駆動させるための第１駆動信号Ｄ１と、駆動部４の櫛歯電極部４ｂを駆動させるための第２駆動信号Ｄ２を生成する。
【００６０】
そして第１駆動信号Ｄ１は、ミラー１３が揺動する周波数である主走査周波数で電圧が、０Ｖとなるように予め設定されたローレベルから、このローレベルより高くなるように予め設定されたハイレベルに変化するとともにデューティが５０％である第１主走査駆動信号ＭＳ１と、内ジンバル１２が揺動する周波数である副走査周波数で電圧が、０Ｖより高くなるように予め設定されたローレベルから、このローレベルより高くなるように予め設定されたハイレベルに変化するとともにデューティが５０％である第１副走査駆動信号ＳＳ１とを乗算した信号であり、第２駆動信号Ｄ２は、第１主走査駆動信号ＭＳ１の位相を１８０°ずらした第２主走査駆動信号ＭＳ２と、第１副走査駆動信号ＳＳ１の位相を１８０°ずらした信号とを乗算した第２副走査駆動信号ＳＳ２である。
【００６１】
まず、第１駆動信号Ｄ１および第２駆動信号Ｄ２は、主走査周波数で振動するパルス信号と、副走査周波数で振動するパルス信号とを乗算した信号である。このため、櫛歯電極部４ａおよび櫛歯電極部４ｂはそれぞれ、回転軸ｉを挟んだ外ジンバル１１の一方側および他方側に、ミラー１３が主走査周波数で振動する振動モードに対応する周期的加振力と、内ジンバル１２が副走査周波数で振動する振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることができる。これにより、ミラー１３が主走査周波数で振動するとともに、内ジンバル１２が副走査周波数で振動し、ミラー１３で反射するレーザ光を２次元的に走査することができる。なお、上記の重畳された周期的加振力が外ジンバル１１に与えられることにより、外ジンバル１１は、弾性連結部１４ａ，１４ｂを回転軸ｉとして、主走査周波数で往復振動するとともに、副走査周波数でうねるように振動する。
【００６２】
そして第１駆動信号Ｄ１は、上記の第１主走査駆動信号ＭＳ１と上記の第１副走査駆動信号ＳＳ１とを乗算した信号である。このため第１駆動信号Ｄ１は、主走査周波数で電圧値が０Ｖから、０Ｖより高い所定のハイレベル（以下、第１駆動信号ハイレベルという）に変化する。
【００６３】
一方、第２駆動信号Ｄ２は、上記の第１主走査駆動信号ＭＳ１の位相を１８０°ずらした第２主走査駆動信号ＭＳ２と、上記の第１副走査駆動信号ＳＳ１の位相を１８０°ずらした第２副走査駆動信号ＳＳ２とを乗算した信号である。このため、第２駆動信号Ｄ２の電圧値は、第１駆動信号Ｄ１の電圧が０Ｖのときに、０Ｖより高い所定のハイレベルになるとともに、第１駆動信号Ｄ１の電圧が０Ｖより高い所定のハイレベルのときに、０Ｖになる。
【００６４】
したがって、櫛歯電極部４ａが外ジンバル１１の一方側に周期的加振力を与えているときには、櫛歯電極部４ｂは外ジンバル１１の他方側に周期的加振力を与えていない。同様に、櫛歯電極部４ｂが外ジンバル１１の他方側に周期的加振力を与えているときには、櫛歯電極部４ａは外ジンバル１１の一方側に周期的加振力を与えていない。
【００６５】
このため、櫛歯電極部４ａおよび櫛歯電極部４ｂは互いに、他方の周期的加振力を打ち消すように自身の周期的加振力を外ジンバル１１に与えるということがなくなる。これにより、外ジンバル１１が弾性連結部１４ａ，１４ｂを回転軸ｉとして主走査周波数で往復振動するときの振動振幅を大きくすることができる。そして、３自由度連成振動系では、ミラー１３が主走査周波数で振動する振動振幅と、内ジンバル１２が副走査周波数で振動する振動振幅は、外ジンバル１１の振動振幅に比例する。このため、ミラー１３が主走査周波数で振動する振動振幅が大きくなり、主走査方向の走査範囲を大きくすることができる。
【００６６】
以上説明した実施形態において、ミラー１３は本発明における反射部、弾性連結部１６ａ，１６ｂは本発明における第１弾性連結部、内ジンバル１２は本発明における第１支持部、弾性連結部１５ａ，１５ｂは本発明における第２弾性連結部、外ジンバル１１は本発明における第２支持部、弾性連結部１４ａ，１４ｂは本発明における第３弾性連結部、支持部３は本発明における第３支持部である。
【００６７】
また、駆動部４は本発明における外力作用手段、駆動信号発生回路３１は本発明における駆動信号生成手段、櫛歯電極部４ａは本発明における第１外力作用手段、櫛歯電極部４ｂは本発明における第２外力作用手段、第１主走査駆動信号ＭＳ１は本発明における第１パルス信号、第１副走査駆動信号ＳＳ１は本発明における第２パルス信号である。
【００６８】
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態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。
例えば上記実施形態においては、櫛歯電極部４ａ，４ｂと、櫛歯電極部１７，１９との間に静電引力を生じさせることにより、外ジンバル１１を往復振動させるものを示した。しかし、圧電駆動等により外ジンバル１１を往復振動させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００６９】
１…光走査装置、２…光ビーム走査部、３…支持部、４…駆動部、４ａ，４ｂ…櫛歯電極部、１１…外ジンバル、１２…内ジンバル、１３…ミラー、１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ…弾性連結部、１７，１９…櫛歯電極部、３１…駆動信号発生回路
【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】
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【図１】
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