JP2003029191A - Optical deflector and optical apparatus using the same - Google Patents
Optical deflector and optical apparatus using the sameInfo
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Abstract
Description
【０００１】[0001]
【発明の属する技術分野】本発明は、入射光を偏向して
光走査する光偏向器に関し、特に、大振幅動作が可能な
小型可動ミラーを有する光偏向器及びそれを用いた光学
機器に関するものである。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to an optical deflector that deflects incident light to perform optical scanning, and more particularly to an optical deflector having a small movable mirror capable of large amplitude operation and an optical device using the same. Is.
【０００２】[0002]
【従来の技術】現在、レーザ光等の光ビームを偏向・走
査する装置（以下光偏向器）は、レーザービームプリン
タ、バーコードリーダ等の光学機器に広く用いられてい
る。また、小型の光偏向器としては、半導体製造技術を
応用して微小機械を半導体基板上に一体形成するマイク
ロマシニング技術を用いて作製した光偏向器がある。こ
れは、例えば、特開平７−１７５００５号公報、特開平
６−１８０４２８号公報等に開示されている。2. Description of the Related Art At present, an apparatus for deflecting / scanning a light beam such as a laser beam (hereinafter referred to as an optical deflector) is widely used in optical instruments such as a laser beam printer and a bar code reader. Further, as a small-sized optical deflector, there is an optical deflector manufactured by using a micromachining technique in which a micromachine is integrally formed on a semiconductor substrate by applying a semiconductor manufacturing technique. This is disclosed in, for example, JP-A-7-175005 and JP-A-6-180428.
【０００３】図８（ａ）は上記特開平６−１８０４２８
号公報に記載された光偏向器を示す平面図、図８（ｂ）
は断面図である。この光偏向器は静電力を利用して駆動
するところに特徴がある。即ち、駆動対象のミラーのす
ぐ下にわずかなギャップを空けて駆動電極が配置され、
導体からなるミラーとで一つのコンデンサが構成されて
いる。ミラーとこのミラーに対向する駆動電極間に電圧
を加えると静電力が生じるため、ミラーは駆動電極に引
き寄せられ、ミラーは回転軸を中心とした回転運動を起
こすというものである。FIG. 8A shows the above-mentioned Japanese Patent Laid-Open No. 6-180428.
FIG. 8B is a plan view showing the optical deflector described in Japanese Patent Publication No.
Is a sectional view. This optical deflector is characterized in that it is driven by using electrostatic force. That is, the drive electrode is arranged immediately below the mirror to be driven with a slight gap.
One capacitor is composed of a mirror made of a conductor. When a voltage is applied between the mirror and the drive electrode facing the mirror, an electrostatic force is generated, so that the mirror is attracted to the drive electrode, and the mirror causes a rotational movement about the rotation axis.
【０００４】具体的に説明すると、同公報の光偏向器
は、光を反射し、ｘ軸方向に変位可能なミラー３０１
と、ミラー３０１を両側から支持するｘ軸走査用の梁部
３０２と一体でその外側に形成され、ｘ軸方向と直交す
るｙ軸方向に変位可能な静電吸引部３０３と、静電吸引
部３０３を両側で支持するｙ軸走査用の梁部３０４と、
ミラー３０１と静電吸引部３０３の裏側に対向する位置
に配置されたｘ軸、ｙ軸方向駆動電極３０５，３０６
と、これらの駆動電極が形成された電極基板３０７と、
駆動電極３０５，３０６とミラー３０１の間に存在して
駆動電極３０５，３０６を絶縁するための絶縁膜３０８
と、ミラーの変位に対しミラーの撓みが生じないように
支持し、ミラーと駆動電極間のギャップをきめる支持ス
ペーサー部３０９とから構成されている。ミラー３０
１、ｘ軸、ｙ軸走査用の梁部３０２，３０４及び静電吸
引部３０３はシリコン基板によって形成されている。更
に、静電駆動電極３０５，３０６の配線部３１１は、静
電力がミラー３０１に作用しない平面上に形成されてい
る。More specifically, the optical deflector of the publication has a mirror 301 that reflects light and is displaceable in the x-axis direction.
And an electrostatic attraction section 303 that is integrally formed with the beam section 302 for x-axis scanning that supports the mirror 301 from both sides and that is displaceable in the y-axis direction orthogonal to the x-axis direction, and an electrostatic attraction section. A beam portion 304 for y-axis scanning that supports 303 on both sides,
X-axis and y-axis direction drive electrodes 305 and 306 arranged at positions facing the back side of the mirror 301 and the electrostatic attraction unit 303.
And an electrode substrate 307 on which these drive electrodes are formed,
An insulating film 308 existing between the drive electrodes 305 and 306 and the mirror 301 to insulate the drive electrodes 305 and 306.
And a support spacer portion 309 that supports the mirror so that it does not bend with respect to displacement, and that determines the gap between the mirror and the drive electrode. Mirror 30
The beam portions 302 and 304 for 1, x-axis and y-axis scanning and the electrostatic attraction portion 303 are formed of a silicon substrate. Further, the wiring portion 311 of the electrostatic drive electrodes 305 and 306 is formed on a plane where electrostatic force does not act on the mirror 301.
【０００５】上記従来の静電力を利用した光偏向器は、
静電力がミラーと駆動電極間距離の２乗に反比例するた
め、ミラーを駆動するのに十分な静電力を与えるために
はミラーに対向して狭いギャップを介して駆動電極を配
置することが必要である。そのため、ミラーの回転運動
は駆動電極との接触により制限され、ミラーの回転角を
大きく設定できないという課題があった。The above-mentioned conventional optical deflector utilizing electrostatic force is
Since the electrostatic force is inversely proportional to the square of the distance between the mirror and the driving electrode, it is necessary to dispose the driving electrode facing the mirror through a narrow gap in order to give sufficient electrostatic force to drive the mirror. Is. Therefore, there is a problem that the rotational movement of the mirror is limited by the contact with the drive electrode, and the rotation angle of the mirror cannot be set large.
【０００６】この課題の解決方法として、特開平１０−
１９７８１９号公報では可動ミラーと小型ミラーに並進
運動を加える圧電素子を用いる方法が提案されている。
この装置は、光を反射するための板状のミラーと、一直
線上に位置してミラーの両側を支持する一対の回転支持
部と、一対の回転支持部が接続され、ミラーの周囲を囲
む枠部と、枠部に並進運動を加える装置とを備え、回転
支持部を結ぶ直線上以外の場所にミラーの重心を位置さ
せている。As a solution to this problem, Japanese Patent Laid-Open No. 10-
Japanese Patent Laid-Open No. 197819 proposes a method of using a piezoelectric element that applies translational motion to a movable mirror and a small mirror.
This device is composed of a plate-shaped mirror for reflecting light, a pair of rotation support portions that are aligned and support both sides of the mirror, and a pair of rotation support portions that are connected to each other, and a frame that surrounds the periphery of the mirror. And a device for applying a translational motion to the frame part, and the center of gravity of the mirror is located at a place other than the straight line connecting the rotation support parts.
【０００７】図９は上記特開平１０−１９７８１９号公
報の光偏向器を示す斜視図である。同公報の光偏向器で
は、シリコンチップから形成されたマイクロミラー４０
１とマイクロミラーを非対称の質量分布を持つように配
分する、ｘ軸もしくはｙ軸と平行な軸線上に位置してマ
イクロミラーの両側を支持するｘ軸回転支持部４０２
と、ｘ軸回転支持部が接続されたマイクロミラーの周囲
を囲う枠部４０３とがシリコンチップより一体に形成さ
れている。枠部の裏には圧電素子４０４が接合されてい
る。圧電素子に電圧を加えると、圧電素子は伸縮を行い
ｚ軸方向（図示）に振動する。この振動は枠部へ伝達さ
れる。FIG. 9 is a perspective view showing the optical deflector disclosed in Japanese Patent Laid-Open No. 10-197819. In the optical deflector of the publication, a micro mirror 40 formed of a silicon chip is used.
1 and the micro mirrors are distributed so as to have an asymmetric mass distribution, and are located on an axis parallel to the x axis or the y axis and support both sides of the micro mirrors.
And a frame portion 403 surrounding the micromirror to which the x-axis rotation support portion is connected are integrally formed of a silicon chip. A piezoelectric element 404 is bonded to the back of the frame. When a voltage is applied to the piezoelectric element, the piezoelectric element expands and contracts and vibrates in the z-axis direction (illustrated). This vibration is transmitted to the frame portion.
【０００８】マイクロミラーは駆動された枠部に対して
相対運動を起こし、ｚ軸方向の振動成分がマイクロミラ
ーに伝えられると、マイクロミラーはｘ軸回転支持部で
成す軸線に対して左右非対称の質量分布を持つので、ｘ
軸回転支持部を中心にマイクロミラーに回転モーメント
が生じる。このようにして圧電素子によって枠部に加え
られた並進運動はｘ軸回転支持部を中心とした回転運動
に変換される。これにより、効率よく回転運動を起こす
ことができる。また、従来の静電力を利用したアクチュ
エータとは異なり、外部から加振するアクチュエータを
利用するので、静電力を用いた駆動方法に比較して非常
に大きな力を利用可能で、大振幅動作を容易に実現して
いる。When the micromirror makes a relative motion with respect to the driven frame portion and the vibration component in the z-axis direction is transmitted to the micromirror, the micromirror is asymmetrical with respect to the axis formed by the x-axis rotation support portion. Since it has a mass distribution, x
A rotation moment is generated in the micromirror about the shaft rotation support portion. In this way, the translational movement applied to the frame portion by the piezoelectric element is converted into rotational movement about the x-axis rotation support portion. As a result, the rotational movement can be efficiently generated. Also, unlike conventional actuators that use electrostatic force, an actuator that vibrates from the outside is used, so a much larger force can be used compared to the drive method that uses electrostatic force, and large-amplitude operation is easy. Has been realized.
【０００９】[0009]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、図９の
光偏向器では、マイクロミラーに回転運動させるために
マイクロミラーを囲む枠部に並進運動が与えられてお
り、枠部の並進運動は結果としてマイクロミラー及び回
転支持部に回転運動だけでなく並進運動を生じさせてい
る。このマイクロミラー及び回転支持部の並進運動はマ
イクロミラーに入射する光のマイクロミラー上での、ス
ポット位置のズレを生じさせるため、マイクロミラーで
反射した光の走査線は不安定となる。また、マイクロミ
ラーの質量分布の非対称性が増すことにより、枠部に加
える並進運動を小さくすることが考えられるが、以下の
問題を更に生じる。
（Ｉ）マイクロミラーに設ける溝を大きくして非対称性
を増した場合、マイクロミラーが回転運動中に撓みを生
じる。特に高速駆動させる場合には撓みは大きく、ミラ
ーの破損の可能性が大きくなる。
（II）マイクロミラーの一部に重りをつけて非対称性を
増した場合、（Ｉ）と同様に撓みを生じ易い。また、ミ
ラーの慣性モーメントが大きくなりミラーの駆動速度に
制限を生じる。
（III)マイクロミラーに溝や重りを設けず、マイクロミ
ラーの支持位置を質量分布の非対称性が増すようにｙ軸
方向に更に移動させた場合、マイクロミラーの光を反射
する有効面積が減少する。このため、同じ有効面積を得
るためにはマイクロミラーを大きくする必要があり、そ
の場合（II）と同様の問題を生じる。However, in the optical deflector shown in FIG. 9, the frame portion surrounding the micromirror is provided with translational motion in order to rotate the micromirror, and the translational motion of the frame part results. Not only the rotational movement but also the translational movement is generated in the micromirror and the rotation support. This translational movement of the micro mirror and the rotation support causes a deviation of the spot position on the micro mirror of the light incident on the micro mirror, so that the scanning line of the light reflected by the micro mirror becomes unstable. Further, it is possible to reduce the translational motion applied to the frame portion by increasing the asymmetry of the mass distribution of the micromirror, but the following problems are further caused. (I) When the groove provided in the micromirror is enlarged to increase the asymmetry, the micromirror bends during the rotational movement. Especially when driven at a high speed, the bending is large, and the possibility of breakage of the mirror increases. (II) When a weight is attached to a part of the micromirror to increase asymmetry, bending is likely to occur as in (I). In addition, the moment of inertia of the mirror becomes large, which limits the driving speed of the mirror. (III) If the micromirror is not provided with a groove or a weight and the supporting position of the micromirror is further moved in the y-axis direction so as to increase the asymmetry of the mass distribution, the effective area of the micromirror that reflects light decreases. . Therefore, in order to obtain the same effective area, it is necessary to make the micromirror large, and in that case, the same problem as (II) occurs.
【００１０】このように上記従来の技術では、高速、大
変位角を実現する光偏向器として十分であるとはいえ
ず、更に高速で大変位角の光偏向器が望まれていた。As described above, the above conventional technique is not sufficient as an optical deflector for realizing a high speed and a large displacement angle, and an optical deflector having a large displacement angle at a higher speed has been desired.
【００１１】本発明は、上記従来の問題点に鑑みなされ
たもので、その目的は、軸ズレを抑え、高速、大振幅動
作が可能な小型可動ミラーを有する光偏向器及びそれを
用いた光学機器を提供することにある。The present invention has been made in view of the above-mentioned conventional problems, and an object thereof is an optical deflector having a small movable mirror capable of suppressing an axial deviation and capable of high-speed and large-amplitude operation, and an optical system using the same. To provide equipment.
【００１２】[0012]
【課題を解決するための手段】本発明の目的は、２本の
柱状部の一端側が回転軸となるヒンジ部で連結され、他
端側には伸縮運動を発生するアクチュエータが設けられ
た変換機構を含み、前記変換機構のヒンジ部の上方位置
には、ミラー支持基板に対して両端部が弾性支持部で支
持され、かつ、前記弾性支持部の回転軸を中心に揺動可
能に支持されたミラー部を有する可動ミラー部が配置さ
れ、前記可動ミラー部は弾性支持部が前記ヒンジ部によ
る回転軸上に配置されており、前記アクチュエータの伸
縮運動を前記変換機構によりヒンジ部を回転軸とするミ
ラー部の所定変位角の回転運動に変換することによって
前記ミラー部に入射する入射光を偏向することを特徴と
する光偏向器によって達成される。SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a conversion mechanism in which one end side of two columnar parts is connected by a hinge part which serves as a rotary shaft, and the other end side is provided with an actuator for generating a stretching motion. At the upper position of the hinge portion of the conversion mechanism, both ends are supported by the elastic support portion with respect to the mirror support substrate, and are swingably supported about the rotation axis of the elastic support portion. A movable mirror portion having a mirror portion is arranged, and an elastic support portion of the movable mirror portion is arranged on the rotation axis of the hinge portion, and the expansion / contraction motion of the actuator is made to rotate the hinge portion by the conversion mechanism. This is achieved by an optical deflector characterized in that incident light incident on the mirror portion is deflected by converting the rotational movement of the mirror portion into a predetermined displacement angle.
【００１３】[0013]
【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して詳細に説明する。図１は本発明の光偏
向器の一実施形態の構成を示す斜視図、図２は図１の光
偏向器を各構成要素に分解した状態を示す分解斜視図で
ある。図中１０１は一対の柱状部の一端側がヒンジ部１
０２で連結された概略コの字状の変換機構である。ま
た、一対の柱状部の他端側の間には伸縮運動を行うアク
チュエータ１０３が固着されている。アクチュエータ１
０３としては、圧電アクチュエータ（圧電素子）を用い
ている。変換機構１０１は詳しく後述するようにアクチ
ュエータ１０３の伸縮運動をヒンジ部１０２を回転軸と
するミラー部の所定変位角の回転運動に変換するもので
ある。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a perspective view showing a configuration of an embodiment of an optical deflector of the present invention, and FIG. 2 is an exploded perspective view showing a state in which the optical deflector of FIG. 1 is disassembled into respective constituent elements. In the figure, 101 is a hinge portion 1 at one end side of a pair of columnar portions.
It is a conversion mechanism having a substantially U-shape connected by 02. In addition, an actuator 103 that performs expansion and contraction is fixed between the other ends of the pair of columnar portions. Actuator 1
As 03, a piezoelectric actuator (piezoelectric element) is used. As will be described later in detail, the conversion mechanism 101 converts the expansion and contraction movement of the actuator 103 into the rotation movement of the mirror portion having the hinge portion 102 as the rotation axis and having a predetermined displacement angle.
【００１４】また、変換機構１０１には図２に示すよう
にヒンジ部１０２の上方位置に溝部１０７が形成され、
変換機構１０１の溝部１０７上にはミラー部１０４、弾
性支持部１０５、ミラー支持基板１０６を含むミラーチ
ップ部（可動ミラー部）が配置されている。図３はこれ
らのミラー部１０４、弾性支持部１０５、ミラー支持基
板１０６を含む可動ミラー部を詳細に示す斜視図であ
る。弾性支持部１０５はミラー部１０４に対して一直線
上に位置し、且つ、弾性支持部１０５を結ぶ直線上にミ
ラー部１０４の重心が位置して両側で支持するように設
けられ、両端がミラー支持基板１０６に固着されてい
る。Further, as shown in FIG. 2, the conversion mechanism 101 has a groove 107 formed above the hinge 102,
A mirror chip portion (movable mirror portion) including a mirror portion 104, an elastic support portion 105, and a mirror support substrate 106 is arranged on the groove portion 107 of the conversion mechanism 101. FIG. 3 is a perspective view showing in detail the movable mirror portion including the mirror portion 104, the elastic support portion 105, and the mirror support substrate 106. The elastic support portion 105 is located on a straight line with respect to the mirror portion 104, and the center of gravity of the mirror portion 104 is located on a straight line connecting the elastic support portions 105 so that the elastic support portion 105 is supported on both sides. It is fixed to the substrate 106.
【００１５】弾性支持部１０５はミラー部１０４の所定
変位角の回転運動の回転軸中心となるもので、図１に示
すように弾性支持部１０５はヒンジ部１０２による回転
軸と一致するように変換機構１０１上に取り付けられて
いる。なお、溝部１０７はミラー部１０４の回転運動を
妨げないように形成されている。The elastic support portion 105 serves as the center of the rotation axis of the rotational movement of the mirror portion 104 at a predetermined displacement angle. As shown in FIG. 1, the elastic support portion 105 is converted so as to coincide with the rotation axis of the hinge portion 102. It is mounted on the mechanism 101. The groove portion 107 is formed so as not to interfere with the rotational movement of the mirror portion 104.
【００１６】また、可動ミラー部としては、弾性支持部
１０５及びミラー部１０４はミラー支持基板１０６を除
去加工して一体形成することが好ましい。例えば、ミラ
ー支持基板１０６に単結晶シリコン基板を用いれば、半
導体プロセスを用いてシリコン基板の一部を除去加工す
ることで一体形成が可能で、ミラー部１０４と弾性支持
部１０５のアライメント精度を向上させることができ
る。As the movable mirror portion, it is preferable that the elastic support portion 105 and the mirror portion 104 are integrally formed by removing the mirror support substrate 106. For example, if a single crystal silicon substrate is used as the mirror support substrate 106, it is possible to integrally form the silicon substrate by removing a part of the silicon substrate using a semiconductor process, thereby improving the alignment accuracy of the mirror portion 104 and the elastic support portion 105. Can be made.
【００１７】一方、伸縮運動を発生するアクチュエータ
１０３は、弾性支持部１０５を含むミラー部１０４の共
振周波数と一致またはその付近の周波数を持つ伸縮運動
を発生するものである。アクチュエータ１０３の伸縮運
動を回転運動に変換する変換機構１０１は、アクチュエ
ータ１０３が伸縮運動する方向（図１に矢印で示す方
向）と直交してアクチュエータ１０３を保持するもので
あり、図１に示すように概略コの字状形状としている。On the other hand, the actuator 103 for generating the expansion / contraction motion generates the expansion / contraction motion having a frequency equal to or near the resonance frequency of the mirror section 104 including the elastic support section 105. The conversion mechanism 101 for converting the expansion and contraction motion of the actuator 103 into the rotational motion holds the actuator 103 at right angles to the direction in which the actuator 103 expands and contracts (the direction shown by the arrow in FIG. 1), and as shown in FIG. The shape is roughly U-shaped.
【００１８】この場合、アクチュエータ１０３は伸縮運
動する方向の両端がコの字型の変換機構１０１の柱状部
間で保持されており、変換機構１０１のヒンジ部１０２
はアクチュエータ１０３の伸縮運動により変換機構１０
１に加えられる力の力点と一致しない位置に設けられて
いる。このヒンジ部１０２が力点に対する支点となり、
変換機構１０１の回転運動の回転軸を形成するものであ
る。従って、ミラー部１０４はヒンジ部１０２（弾性支
持部１０５）を軸にして図１に矢印で示すように所定変
位角を回転し、ミラー部１０４に入射した光はミラー部
１０４の回転運動によって偏向される。In this case, both ends of the actuator 103 in the direction of expansion and contraction are held between the columnar portions of the U-shaped conversion mechanism 101, and the hinge portion 102 of the conversion mechanism 101.
Is converted by the expansion and contraction movement of the actuator 103.
It is provided at a position that does not match the force point of the force applied to 1. This hinge portion 102 serves as a fulcrum for the force point,
It forms the axis of rotation of the conversion mechanism 101. Therefore, the mirror portion 104 rotates about the hinge portion 102 (elastic support portion 105) by a predetermined displacement angle as shown by an arrow in FIG. 1, and the light incident on the mirror portion 104 is deflected by the rotational movement of the mirror portion 104. To be done.
【００１９】ここで、伸縮運動を発生するアクチュエー
タ１０３の共振周波数が、弾性支持部１０５を含むミラ
ー部１０４の共振周波数と一致又は近いように構成する
と、より小さなアクチュエータ１０３の駆動力で大きな
ミラー部１０４の回転角を得ることが可能である。ま
た、変換機構１０１の材料としては、ミラー部１０４、
弾性支持部１０５、ミラー支持基板１０６と熱膨張係数
が近いものを用いることが好ましい。可動ミラー部の弾
性支持部１０５は変換機構１０１の回転軸上に配置され
ており、ミラー部１０４は駆動されたミラー支持基板１
０６に対して相対運動を起こす。Here, if the resonance frequency of the actuator 103 that causes expansion and contraction is configured to be the same as or close to the resonance frequency of the mirror section 104 including the elastic support section 105, the driving force of the smaller actuator 103 causes a large mirror section. It is possible to obtain the rotation angle of 104. Further, as the material of the conversion mechanism 101, the mirror section 104,
It is preferable to use a material having a thermal expansion coefficient close to that of the elastic support portion 105 and the mirror support substrate 106. The elastic support portion 105 of the movable mirror portion is arranged on the rotation axis of the conversion mechanism 101, and the mirror portion 104 is driven by the mirror support substrate 1
A relative motion is generated with respect to 06.
【００２０】この際、ミラー部１０４の回転軸が変換機
構１０１の回転軸上に配置されているので、ミラー部１
０４の回転軸の並進運動を抑えてミラー部１０４に回転
モーメントを与えることができる。なお、ミラー支持基
板１０６の下部の変換機構１０１には前述のように溝１
０７が形成されているので、ミラー部１０４の回転運動
を妨げることはない。At this time, since the rotation axis of the mirror section 104 is arranged on the rotation axis of the conversion mechanism 101, the mirror section 1
A rotational moment can be applied to the mirror unit 104 by suppressing the translational movement of the rotating shaft of 04. As described above, the groove 1 is formed in the conversion mechanism 101 below the mirror support substrate 106.
Since 07 is formed, it does not hinder the rotational movement of the mirror section 104.
【００２１】また、ミラー支持基板１０６と変換機構１
０１のアライメント機構としては、図４に示すように変
換機構１０１の表面にミラー支持基板１０６の外形に対
応した凹部１０８を形成し、この凹部１０８にミラー支
持基板１０６を嵌合する形態としてもよい。更に、図５
に示すようにミラー支持基板１０６にアライメント用の
貫通穴１０９を設け、変換機構１０１には貫通穴１０９
に対応するピン１１０を立設し、ミラー支持基板１０６
を変換機構１０１に取り付ける際に貫通穴１０９をピン
１１０に嵌入する形態としてもよい。このように図４、
図５の形態とすることによって、容易に可動ミラー部の
弾性支持部１０５を変換機構１０１の回転軸上に位置決
めすることができる。Further, the mirror support substrate 106 and the conversion mechanism 1
As the alignment mechanism of No. 01, as shown in FIG. 4, a recess 108 corresponding to the outer shape of the mirror support substrate 106 may be formed on the surface of the conversion mechanism 101, and the mirror support substrate 106 may be fitted into the recess 108. . Furthermore, FIG.
As shown in FIG. 3, the mirror support substrate 106 is provided with through holes 109 for alignment, and the conversion mechanism 101 is provided with through holes 109.
The pins 110 corresponding to the
The through hole 109 may be fitted into the pin 110 when the is attached to the conversion mechanism 101. Thus, FIG.
With the configuration shown in FIG. 5, the elastic support portion 105 of the movable mirror portion can be easily positioned on the rotation axis of the conversion mechanism 101.
【００２２】[0022]
【実施例】次に、本願発明者は、実際に前述のような光
偏向器を作製し、評価実験を試みた。以下、これを実施
例１〜３として説明する。EXAMPLES Next, the inventor of the present application actually manufactured the optical deflector as described above and tried an evaluation experiment. Hereinafter, this will be described as Examples 1 to 3.
【００２３】（実施例１）実施例１では図１に示す光偏
向器を作製した。具体的には、ミラー支持基板１０６と
して厚さ２００μｍの単結晶シリコン基板を用い、この
シリコン基板をＩＣＰ−ＲＩＥ装置（６０１Ｅ、ＡＬＣ
ＡＴＥＬ社製）を用いて垂直エッチングすることによ
り、ミラー部１０４、弾性支持部１０５、ミラー支持基
板１０６を一体形成した。弾性支持部１０５を含むミラ
ー部１０４の共振周波数は２０ＫＨｚである。また、溝
部１０７とヒンジ部１０２を有する変換機構１０１とし
てはＡｌのバルク材を機構加工し形成した。更に、伸縮
運動を発生するアクチュエータ１０３には積層型圧電素
子を用いた。アクチュエータ１０３と変換機構１０１、
変換機構１０１とミラー支持基板１０６の取り付け方法
としては、それぞれ接着剤を用いて接着し、ミラー部１
０４の弾性支持部１０５が変換機構１０１の回転軸とな
るヒンジ部１０２上に位置するように配置した。Example 1 In Example 1, the optical deflector shown in FIG. 1 was manufactured. Specifically, a 200 μm thick single crystal silicon substrate is used as the mirror support substrate 106, and this silicon substrate is used as an ICP-RIE device (601E, ALC).
The mirror portion 104, the elastic support portion 105, and the mirror support substrate 106 are integrally formed by performing vertical etching using ATEL Inc.). The resonance frequency of the mirror section 104 including the elastic support section 105 is 20 KHz. The conversion mechanism 101 having the groove 107 and the hinge 102 was formed by mechanically processing a bulk material of Al. Further, a laminated piezoelectric element is used for the actuator 103 that generates a stretching motion. The actuator 103 and the conversion mechanism 101,
As a method of attaching the conversion mechanism 101 and the mirror support substrate 106, each of them is adhered using an adhesive, and the mirror unit 1 is attached.
The elastic support part 105 of No. 04 is arranged so as to be located on the hinge part 102 which is the rotation axis of the conversion mechanism 101.
【００２４】次に、圧電素子に電圧３Ｖｐｐ、２０ＫＨ
ｚを印加して伸縮運動を発生させ、ミラー部１０４の回
転運動を試みた。このミラー部１０４の回転角をレーザ
ードップラ振動計で計測したところ、±１０°の回転角
が得られた。また、回転運動を行うミラー部１０４にレ
ーザー光を照射して光走査を試みた。この時、ミラー部
１０４によって偏向された光走査を２次元ＰＳＤを用い
て計測したところ、安定した光走査を確認できた。Next, a voltage of 3 Vpp and 20 KH is applied to the piezoelectric element.
An expansion and contraction motion was generated by applying z, and an attempt was made to rotate the mirror unit 104. When the rotation angle of this mirror portion 104 was measured by a laser Doppler vibrometer, a rotation angle of ± 10 ° was obtained. In addition, laser scanning was performed by irradiating the mirror unit 104 that performs the rotational movement, to perform optical scanning. At this time, when the optical scanning deflected by the mirror section 104 was measured using a two-dimensional PSD, stable optical scanning could be confirmed.
【００２５】本実施例の光偏向器では、圧電素子の駆動
周波数を弾性支持部１０５を含むミラー部１０４の共振
周波数に合わせることで、わずかな圧電素子の駆動力
で、ミラー部１０４の大きな回転角を得られることを確
認できた。また、ミラー部１０４の回転軸となる弾性支
持部１０５が変換機構１０１の回転軸上に配置されてい
るため、ミラー部１０４の回転運動の際にミラー部１０
４の回転軸が並進運動することが抑えられ、安定した光
走査を行えることを確認できた。In the optical deflector of the present embodiment, the driving frequency of the piezoelectric element is matched with the resonance frequency of the mirror section 104 including the elastic supporting section 105, so that a slight driving force of the piezoelectric element causes a large rotation of the mirror section 104. I was able to confirm that I could get a horn. In addition, since the elastic support portion 105, which is the rotation axis of the mirror portion 104, is arranged on the rotation axis of the conversion mechanism 101, the mirror portion 10 is rotated when the mirror portion 104 rotates.
It was confirmed that the rotation axis of No. 4 was prevented from translational movement, and stable optical scanning could be performed.
【００２６】（実施例２）実施例２では図４に示す光偏
向器を作製した。具体的には、変換機構１０１としてＡ
ｌのバルク材を機械加工し形成した。また、可動ミラー
部としては、実施例１と同様にシリコン基板を用いてエ
ッチング加工することにより一体に形成した。更に、可
動ミラー部のアライメント機構として図４に示す様にミ
ラー支持基板１０６を配置する変換機構１０１の表面に
ミラー支持基板１０６の外形に対応する凹部１０８を機
械加工により形成し、ミラー支持基板１０６をこの凹部
１０８に配置することで、弾性支持部１０５を変換機構
１０１の回転軸上に位置定めした。その他の構成は実施
例１と同様である。Example 2 In Example 2, the optical deflector shown in FIG. 4 was manufactured. Specifically, A is used as the conversion mechanism 101.
l of bulk material was machined and formed. Further, the movable mirror portion was integrally formed by etching using a silicon substrate as in the first embodiment. Further, as an alignment mechanism of the movable mirror portion, a concave portion 108 corresponding to the outer shape of the mirror supporting substrate 106 is formed by machining on the surface of the converting mechanism 101 where the mirror supporting substrate 106 is arranged as shown in FIG. The elastic support portion 105 is positioned on the rotation axis of the conversion mechanism 101 by disposing the elastic support portion 105 in the recess 108. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
【００２７】次に、実施例１と同様に圧電素子に電圧３
Ｖｐｐ、２０ＫＨｚを印加して伸縮運動を発生させ、ミ
ラー部１０４の回転運動を試みた。このミラー部１０４
の回転角をレーザードップラ振動計で計測したところ±
１０°の回転角が得られた。また、回転運動を行うミラ
ー部１０４にレーザー光を照射して光走査を試みた。ミ
ラー部１０４によって偏向された光走査を２次元ＰＳＤ
を用いて計測したところ、安定した光走査を確認でき
た。Next, as in the first embodiment, the voltage 3 is applied to the piezoelectric element.
Vpp and 20 KHz were applied to generate expansion and contraction motion, and an attempt was made to rotate the mirror unit 104. This mirror section 104
When the rotation angle of is measured with a laser Doppler vibrometer ±
A rotation angle of 10 ° was obtained. In addition, laser scanning was performed by irradiating the mirror unit 104 that performs the rotational movement, to perform optical scanning. Two-dimensional PSD for optical scanning deflected by the mirror unit 104
As a result of measurement using, it was possible to confirm stable optical scanning.
【００２８】本実施例の光偏向器では、実施例１と同様
に圧電素子の駆動周波数を弾性支持部１０５を含むミラ
ー部１０４の共振周波数に合わせることで、わずかな圧
電素子の駆動力で、ミラー部１０４の大きな回転角を得
られた。また、アライメント機構により容易にミラー部
１０４の回転軸となる弾性支持部１０５を変換機構１０
１の回転軸上に配置できた。ミラー部１０４の回転軸と
なる弾性支持部１０５が変換機構１０１の回転軸上に配
置しているので、ミラー部１０４の回転運動の際にミラ
ー部１０４の回転軸が並進運動を発生することが抑えら
れ、安定した光走査を行うことができた。In the optical deflector of the present embodiment, the driving frequency of the piezoelectric element is adjusted to the resonance frequency of the mirror portion 104 including the elastic supporting portion 105 as in the first embodiment, so that the driving force of the piezoelectric element can be reduced. A large rotation angle of the mirror section 104 was obtained. In addition, the elastic mechanism 105 that serves as the rotation axis of the mirror unit 104 can be easily moved by the alignment mechanism by the conversion mechanism 10.
It could be arranged on the rotation axis of 1. Since the elastic support portion 105 serving as the rotation axis of the mirror portion 104 is arranged on the rotation axis of the conversion mechanism 101, the rotation axis of the mirror portion 104 may cause translational movement during the rotation movement of the mirror portion 104. It was suppressed and stable optical scanning could be performed.
【００２９】（実施例３）実施例３では図５に示す光偏
向器を作製した。具体的には、ミラー支持基板１０６と
して厚さ２００μｍの単結晶シリコン基板を用い、この
シリコン基板をＩＣＰ−ＲＩＥ装置（６０１Ｅ、ＡＬＣ
ＡＴＥＬ社製）を用いて垂直エッチングすることによ
り、ミラー部１０４、弾性支持部１０５、ミラー支持基
板１０６を一体形成した。この時、同時にアライメント
用の貫通穴１０９をミラー支持基板１０６に形成した。
弾性支持部１０５を含むミラー部１０４の共振周波数は
２０ＫＨｚである。変換機構１０１としてはＡｌのバル
ク材を機構加工し形成した。Example 3 In Example 3, the optical deflector shown in FIG. 5 was manufactured. Specifically, a 200 μm thick single crystal silicon substrate is used as the mirror support substrate 106, and this silicon substrate is used as an ICP-RIE device (601E, ALC).
The mirror portion 104, the elastic support portion 105, and the mirror support substrate 106 are integrally formed by performing vertical etching using ATEL Inc.). At this time, through holes 109 for alignment were simultaneously formed in the mirror support substrate 106.
The resonance frequency of the mirror section 104 including the elastic support section 105 is 20 KHz. The conversion mechanism 101 was formed by mechanically processing an Al bulk material.
【００３０】アライメント機構はミラー支持基板１０６
に形成されたアライメント用の貫通穴１０９とそれに対
応して変換機構１０１上に立設されたピン１１０であ
る。このピン１１０は変換機構１０１と一体でＡｌバル
ク材から機械加工により形成した。このミラー支持基板
１０６のアライメント用貫通穴１０９をピン１１０に嵌
入することで、弾性支持部１０５を変換機構１０１の回
転軸上に位置定めした。その他の構成は実施例１と同様
である。The alignment mechanism is the mirror support substrate 106.
The through-hole 109 for alignment formed in the above, and the pin 110 correspondingly provided upright on the conversion mechanism 101. The pin 110 is formed integrally with the conversion mechanism 101 from an Al bulk material by machining. By inserting the alignment through hole 109 of the mirror support substrate 106 into the pin 110, the elastic support portion 105 was positioned on the rotation axis of the conversion mechanism 101. Other configurations are the same as those in the first embodiment.
【００３１】次に、実施例１、２と同様に圧電素子に電
圧３Ｖｐｐ、２０ＫＨｚを印加して伸縮運動を発生さ
せ、ミラー部１０４の回転運動を試みた。このミラー部
１０４の回転角をレーザードップラ振動計で計測したと
ころ、±１０°の回転角が得られた。また、回転運動を
行うミラー部１０４にレーザー光を照射して光走査を試
みた。ミラー部１０４によって偏向された光走査を２次
元ＰＳＤを用いて計測したところ、安定した光走査を確
認できた。Next, as in Examples 1 and 2, a voltage of 3 Vpp and 20 KHz was applied to the piezoelectric element to generate a stretching movement, and an attempt was made to rotate the mirror section 104. When the rotation angle of this mirror portion 104 was measured by a laser Doppler vibrometer, a rotation angle of ± 10 ° was obtained. In addition, laser scanning was performed by irradiating the mirror unit 104 that performs the rotational movement, to perform optical scanning. When the optical scanning deflected by the mirror unit 104 was measured using a two-dimensional PSD, stable optical scanning could be confirmed.
【００３２】本実施例の光偏向器では、実施例１、２と
同様に圧電素子の駆動周波数を弾性支持部１０５を含む
ミラー部１０４の共振周波数に合わせることで、わずか
な圧電素子の駆動力で、ミラー部１０４の大きな回転角
が得られた。また、アライメント機構により容易にミラ
ー部１０４の回転軸となる弾性支持部１０５を変換機構
１０１の回転軸上に位置定めできた。更に、ミラー部１
０４の回転軸となる弾性支持部１０５を変換機構１０１
の回転軸上に配置しているので、ミラー部１０４の回転
運動の際にミラー部１０４の回転軸が並進運動すること
が抑えられ、安定した光走査を行うことができた。In the optical deflector of the present embodiment, the driving frequency of the piezoelectric element is adjusted to the resonance frequency of the mirror portion 104 including the elastic supporting portion 105 as in the first and second embodiments, so that a slight driving force of the piezoelectric element is obtained. Thus, a large rotation angle of the mirror section 104 was obtained. In addition, the alignment mechanism could easily position the elastic support portion 105, which serves as the rotation axis of the mirror portion 104, on the rotation axis of the conversion mechanism 101. Furthermore, the mirror unit 1
The elastic support portion 105 serving as the rotation axis of
Since it is arranged on the rotation axis of the mirror section 104, translational movement of the rotation axis of the mirror section 104 during rotation of the mirror section 104 is suppressed, and stable optical scanning can be performed.
【００３３】次に、図１、図４、図５で説明した光偏向
器を用いた場合の光学機器について説明する。図６は光
学機器として画像表示装置の場合を例として示す図であ
る。図６において、６０１は図１、図４あるいは図５の
光偏向器を偏向方向が互いに直交するように２個配置し
た光偏向器群であり、この場合は水平・垂直方向に入射
光をラスタスキャンする光スキャナ装置として用いてい
る。６０２はレーザ光源である。６０３はレンズ或いは
レンズ群であり、６０４は書き込みレンズ又はレンズ
群、６０５は投影面である。レーザー光源６０２から入
射したレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の
強度変調を受けて、光偏向器群６０１により２次元的に
走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ６０４
により投影面６０５上に画像を形成する。Next, an optical apparatus using the optical deflector described with reference to FIGS. 1, 4 and 5 will be described. FIG. 6 is a diagram showing an example of an image display device as an optical device. 6, reference numeral 601 denotes an optical deflector group in which two optical deflectors of FIG. 1, FIG. 4 or FIG. 5 are arranged so that their deflection directions are orthogonal to each other. In this case, the incident light is rastered in the horizontal and vertical directions. It is used as an optical scanner device for scanning. 602 is a laser light source. Reference numeral 603 is a lens or lens group, 604 is a writing lens or lens group, and 605 is a projection surface. Laser light incident from the laser light source 602 undergoes a predetermined intensity modulation related to the timing of optical scanning, and is two-dimensionally scanned by the optical deflector group 601. The scanned laser light is written by the writing lens 604.
An image is formed on the projection surface 605 by.
【００３４】図７は本発明の光偏向器を画像形成装置に
用いた場合の例を示す図である。図７において、７０１
は図１、図４或いは図５に示された光偏向器であり、こ
の場合は入射光を１次元に走査する光スキャナ装置とし
て用いている。７０２はレーザ光源である。７０３はレ
ンズ或いはレンズ群であり、７０４は書き込みレンズ或
いはレンズ群、７０６は感光体である。レーザ光源から
射出されたレーザ光は光走査のタイミングと関係した所
定の強度変調を受けて、光偏向器７０１により１次元的
に走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ７０
４により感光体７０６上へ画像を形成する。FIG. 7 is a diagram showing an example in which the optical deflector of the present invention is used in an image forming apparatus. In FIG. 7, 701
Is the optical deflector shown in FIG. 1, FIG. 4 or FIG. 5, and in this case, it is used as an optical scanner device which scans incident light one-dimensionally. 702 is a laser light source. Reference numeral 703 is a lens or a lens group, 704 is a writing lens or a lens group, and 706 is a photoconductor. The laser light emitted from the laser light source undergoes a predetermined intensity modulation related to the timing of optical scanning, and is one-dimensionally scanned by the optical deflector 701. The scanned laser light is written by the writing lens 70.
4 forms an image on the photoconductor 706.
【００３５】感光体７０６は図示しない帯電器により一
様に帯電されており、この上に光を走査することにより
静電潜像が形成される。次に、図示しない現像器により
静電潜像の画像部分にトナー像を形成し、これを例えば
図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に可視像
が形成される。The photoconductor 706 is uniformly charged by a charger (not shown), and an electrostatic latent image is formed by scanning light on the photoconductor 706. Next, a toner image is formed on the image portion of the electrostatic latent image by a developing device (not shown), and the toner image is transferred / fixed to, for example, a sheet (not shown) to form a visible image on the sheet.
【００３６】[0036]
【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、ア
クチュエータの伸縮運動を変換機構によりミラー部の所
定変位角の回転運動に変換する構造としているので、ミ
ラー部の回転運動を軸ズレを生じることなくできると共
に、従来のようにミラー部に重りや溝を設ける必要がな
く、回転中のミラー部の撓みを低減できるため、高速駆
動を行うことができる。また、アクチュエータの共振周
波数と弾性支持部を含むミラー部の共振周波数を略一致
させることよりアクチュエータの小さな駆動力でミラー
部の大きな回転角を得ることができる。As described above, according to the present invention, since the expansion / contraction motion of the actuator is converted into the rotary motion of the mirror part at the predetermined displacement angle by the conversion mechanism, the rotary motion of the mirror part is misaligned. It is possible to prevent the occurrence of the occurrence, and it is not necessary to provide a weight or a groove in the mirror portion as in the conventional case, and it is possible to reduce the bending of the mirror portion during rotation, so that high speed driving can be performed. Further, by substantially matching the resonance frequency of the actuator and the resonance frequency of the mirror portion including the elastic support portion, a large rotation angle of the mirror portion can be obtained with a small driving force of the actuator.
【図１】本発明の光偏向器の一実施形態を示す斜視図で
ある。FIG. 1 is a perspective view showing an embodiment of an optical deflector of the present invention.
【図２】図１の光偏向器を各構成要素に分解して示す分
解斜視図である。FIG. 2 is an exploded perspective view showing the optical deflector of FIG. 1 by disassembling it into respective constituent elements.
【図３】図１の光偏向器に用いる可動ミラー部を詳細に
示す斜視図である。3 is a perspective view showing in detail a movable mirror unit used in the optical deflector of FIG.
【図４】本発明の他の実施形態を示す斜視図である。FIG. 4 is a perspective view showing another embodiment of the present invention.
【図５】本発明の更に他の実施形態を示す斜視図であ
る。FIG. 5 is a perspective view showing still another embodiment of the present invention.
【図６】本発明の光学機器の一実施形態を示す図であ
る。FIG. 6 is a diagram showing an embodiment of an optical device of the present invention.
【図７】本発明の光学機器の他の実施形態を示す図であ
る。FIG. 7 is a diagram showing another embodiment of the optical device of the present invention.
【図８】従来例の光偏向器を示す図である。FIG. 8 is a diagram showing a conventional optical deflector.
【図９】他の従来例を示す図である。FIG. 9 is a diagram showing another conventional example.
１０１ 変換機構 １０２ ヒンジ部 １０３ アクチュエータ １０４ ミラー部 １０５ 弾性支持部 １０６ ミラー支持基板 １０７ 溝部 １０８ 凹部 １０９ 貫通穴 １１０ ピン 101 conversion mechanism 102 Hinge part 103 actuator 104 Mirror section 105 Elastic support 106 mirror support substrate 107 groove 108 recess 109 through hole 110 pin
Claims (10)
ンジ部で連結され、他端側には伸縮運動を発生するアク
チュエータが設けられた変換機構を含み、前記変換機構
のヒンジ部の上方位置には、ミラー支持基板に対して両
端部が弾性支持部で支持され、かつ、前記弾性支持部の
回転軸を中心に揺動可能に支持されたミラー部を有する
可動ミラー部が配置され、前記可動ミラー部は弾性支持
部が前記ヒンジ部による回転軸上に配置されており、前
記アクチュエータの伸縮運動を前記変換機構によりヒン
ジ部を回転軸とするミラー部の所定変位角の回転運動に
変換することによって前記ミラー部に入射する入射光を
偏向することを特徴とする光偏向器。1. A conversion mechanism in which one end side of the two columnar parts is connected by a hinge part that serves as a rotary shaft, and the other end side is provided with an actuator for generating expansion and contraction motion, the hinge part of the conversion mechanism is At the upper position, a movable mirror portion is disposed, the both ends of which are supported by the elastic support portion with respect to the mirror support substrate and which has a mirror portion which is swingably supported about a rotation axis of the elastic support portion. The movable mirror portion has an elastic support portion arranged on the rotation axis of the hinge portion, and the expansion / contraction movement of the actuator is converted into rotation movement of the mirror portion with the hinge portion as the rotation axis at a predetermined displacement angle by the conversion mechanism. An optical deflector for deflecting incident light incident on the mirror portion by converting the incident light.
上に位置し、かつ、前記弾性支持部を結ぶ直線上にミラ
ー部の重心を位置させていることを特徴とする請求項１
に記載の光偏向器。2. The elastic support portion is located on a straight line with the mirror portion, and the center of gravity of the mirror portion is located on a straight line connecting the elastic support portions.
The optical deflector according to.
ミラー部の回転運動を妨げないための一定のギャップが
空けられていることを特徴とする請求項１〜２のいずれ
か１項に記載の光偏向器。3. A constant gap is provided between the movable mirror section and the conversion mechanism so as not to hinder the rotational movement of the mirror section. The optical deflector described.
ータであることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１
項に記載の光偏向器。4. The actuator according to claim 1, wherein the actuator is a piezoelectric actuator.
An optical deflector according to item.
弾性支持部を含むミラー部の共振周波数は略一致してい
ることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載
の光偏向器。5. The optical deflector according to claim 1, wherein a resonance frequency of the actuator and a resonance frequency of a mirror section including the elastic support section are substantially equal to each other.
り成ることを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に
記載の光偏向器。6. The optical deflector according to claim 1, wherein the movable mirror portion is made of single crystal silicon.
前記変換機構の回転軸に一致するように位置合わせをす
るためのアライメント機構を有することを特徴とする請
求項１〜６のいずれか１項に記載の光偏向器。7. The alignment mechanism according to claim 1, further comprising an alignment mechanism for aligning the elastic support portion of the movable mirror portion so as to match the rotation axis of the conversion mechanism. The optical deflector according to item 1.
に前記可動ミラー部のミラー支持基板の外形に対応して
形成された凹部であることを特徴とする請求項７に記載
の光偏向器。8. The optical deflector according to claim 7, wherein the alignment mechanism is a recess formed in the conversion mechanism so as to correspond to the outer shape of the mirror support substrate of the movable mirror section.
持基板に形成された貫通穴、前記変換機構に立設され、
前記貫通穴に嵌合するピンより成ることを特徴とする請
求項７に記載の光偏向器。9. The alignment mechanism is erected on a through hole formed in the mirror support substrate and the conversion mechanism.
The optical deflector according to claim 7, wherein the optical deflector comprises a pin fitted in the through hole.
光偏向器を有することを特徴とする光学機器。10. An optical apparatus comprising the optical deflector according to claim 1. Description:
Priority Applications (1)
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|---|---|---|---|
| JP2001211038A JP2003029191A (en) | 2001-07-11 | 2001-07-11 | Optical deflector and optical apparatus using the same |
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|---|---|---|---|
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Cited By (3)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
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-
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- 2001-07-11 JP JP2001211038A patent/JP2003029191A/en active Pending
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