JP2008129069A - 2次元光走査装置 - Google Patents
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Abstract
【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
Description
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)。
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)。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
Claims (6)
- 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。 - 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。
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