JP2009003165A - マイクロスキャナ及びそれを備えた光走査装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】変動部を駆動させる際に可動枠の支持部へ作用する反力に起因する可動枠の変位量の低下を抑制することにより、変動部の偏向角を大きくするとともに反力による支持部の破損を防止可能な光スキャナ及びそれを備えた光走査装置を提供する。
【解決手段】光スキャナ１は、固定枠２、ミラー部３、主軸部４ａ、４ｂ、可動枠５を有している。可動枠５は略矩形の環状構造をなしており、長手方向の平行な二辺は表裏方向（Ｚ軸方向）に湾曲可能な一対の駆動片５１ａ、５１ｂであり、それぞれユニモルフ駆動部６ａ及び６ｂが積層されている。駆動片５１ａ、５１ｂの略中央部は固定枠２の内縁から突出する支持部２ａ、２ｂに繋がっている。可動枠５の他の二辺は駆動片５１ａ、５１ｂの両端を連結する結合片５２ａ、５２ｂであり、主軸部４ａ、４ｂは回転軸（Ｘ軸）を通るようにミラー部３を支持するとともに、各主軸部４ａ、４ｂの端部がそれぞれ結合片５２ａ、５２ｂの略中央部に繋がっている。
【選択図】図３

Description

本発明は、プロジェクタやレーザビームプリンタ等に用いられる光源からの光を走査するマイクロスキャナに関し、より詳細には、一次元の光走査を高速に行うことが可能な小型マイクロスキャナに関する。また本発明は、そのようなマイクロスキャナを備えることにより、一次元方向に光を高速に走査可能な光走査装置に関する。

従来から、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた小型の光スキャナ（マイクロスキャナ）は種々開発されている。例えば、図１１に示すような特許文献１の光スキャナ１０１は、スキャン用のミラー部１０３、ミラー部１０３を支えるトーションバーＴＢ、及びミラー部１０３に繋がる駆動片１０５を含んでおり、駆動片１０５上には圧電素子が配置され、ミラー部１０３を偏向させるためのユニモルフ駆動部１０６を形成している。

そして、この光スキャナ１０１は、ミラー部１０３を極力大きく偏向させるために、駆動片１０５上に配置されるユニモルフ駆動部１０６の駆動周波数と、トーションバーＴＢを含むミラー部１０３の機械的共振周波数とを一致させている。このようにすれば、ユニモルフ駆動部１０６が低電圧駆動であっても、ミラー部１０３が共振して比較的大きく偏向するためである。

しかしながら、ミラー部１０３に繋がる駆動片１０５の先端部１１０はねじれにくくなっている。そのため、駆動片１０５に生じる力が回転トルクとしてミラー部１０３に作用しにくい。したがって、ミラー部１０３が十分に偏向しているとはいいがたい。

ここで、先端部１１０とミラー部１０３とが連結しないような光スキャナ１０１も考えられる。例えば、図１２に示すような光スキャナ１０１である。この光スキャナ１０１は、固定枠１０２、ミラー部１０３、ユニモルフ駆動部１０６ａ〜１０６ｄによって変形する駆動片１０５、及びミラー部１０３と駆動片１０５とをつなぐ主軸部１０４を含んでいる。

そして、この光スキャナ１０１は、駆動片１０５の撓み変形に応じて、ミラー部１０３をＸ方向を基準に正逆回転させる（Ｐ方向へ回転またはＲ方向へ回転させる）。このようなミラー部１０３の偏向動作で撓み変形する駆動片１０５を示した図が、図１３Ａ及び図１３Ｂになる。これらの図は図１２のＡ−Ａ’線矢視断面図であり、図１３Ａが正回転（Ｐ方向への回転）の場合を示し、図１３Ｂが逆回転（Ｒ方向への回転）の場合を示す。

なお、説明上、主軸部１０４の軸方向をＸ方向（Ｘ軸と称してもよい）、このＸ方向に対して直交する駆動片１０５の延び方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に対する直交方向をＺ方向とする。また、図１２での紙面上側をＹ方向のプラス｛Ｙ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＹ方向のマイナス｛Ｙ（−）｝とするとともに、図１２での紙面表側をＺ方向のプラス｛Ｚ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＺ方向のマイナス｛Ｚ（−）｝とする。

また、以降では、２つの駆動片１０５（駆動片１０５ａ、１０５ｂ）のうち駆動片１０５ａのみについて説明するが、この駆動片１０５ａがミラー部１０３を正回転または逆回転させようとしている場合、残りの駆動片１０５ｂも同じようにミラー部１０３を正回転または逆回転させている。

ミラー部１０３が正回転する場合、図１３Ａに示すように、Ｙ（＋）側のユニモルフ駆動部１０６ａの圧電素子１０８が伸びることで、Ｙ（＋）側の駆動片１０５ａにおける主軸部１０４側はＺ（−）に垂れ下がる。一方、Ｙ（−）側のユニモルフ駆動部１０６ｂの圧電素子１０８が縮むことで、Ｙ（−）側の駆動片１０５ａにおける主軸部１０４側はＺ（＋）に跳ね上がる。すると、波打つように駆動片１０５ａが撓み、その撓みに追従して主軸部１０４も正回転して傾く。

また、ミラー部１０３が逆回転する場合、図１３Ｂに示すように、Ｙ（＋）側のユニモルフ駆動部１０６ａの圧電素子１０８が縮むことで、Ｙ（＋）側の駆動片１０５ａにおける主軸部１０４側はＺ（＋）に跳ね上がる。一方、Ｙ（−）側のユニモルフ駆動部１０６ｂの圧電素子１０８が伸びることで、Ｙ（−）側の駆動片１０５ａにおける主軸部１０４側はＺ（−）に垂れ下がる。すると、駆動片１０５ａは、図１３Ａとは逆向きに波打って撓み、その撓みに追従して主軸部１０４も逆回転して傾く。
特開２００５−１２８１４７号公報

図１１や図１２に示したような光スキャナ１０１をプロジェクタ等の走査型投影装置に用いる場合、ミラー部１０３の偏向角が投影可能な画面サイズを決定する大きな要因となる。そのため、ミラー部１０３を偏向させる際にユニモルフ駆動部１０６ａ〜１０６ｄの僅かな変位でより大きな偏向角が得られることが望ましい。しかし、図１２のような構造の場合、各駆動片１０５ａ、１０５ｂの固定端（図１２に破線円で表示）は、駆動片１０５ａ、１０５ｂの湾曲により固定枠２から反力を受けるため、固定端が変形してしまう。その結果、主軸部１０４ａ、１０４ｂが連結された駆動片１０５ａ、１０５ｂの駆動部分の変位量が低下してミラー部１０３の偏向角が小さくなるという問題点があった。

この変形を防止するために、従来は駆動片１０５ａ、１０５ｂを固定枠１０２に強固に固定するとともに固定枠１０２の剛性を高めていた。しかし、変形を完全に防止することは困難であり、ミラー偏向角がある程度低減する現象は避けられなかった。また、シリコン基板を用いて固定枠１０２や駆動片１０５ａ、１０５ｂ等を一体形成する場合、固定枠１０２の剛性を高めるために基板の厚みや幅を増大させると、光スキャナ１０１が大型化してしまう上、高価な材料であるシリコンの使用量が増加する。さらに、駆動部となる駆動片１０５ａ、１０５ｂやミラー部１０３は薄く形成する必要があるためエッチング量が多くなり、加工時間や加工コストも増加することとなる。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、変動部を駆動させる際に可動枠の支持部へ作用する反力に起因する可動枠の変位量の低下を抑制することにより、変動部の偏向角を大きくすることが可能なマイクロスキャナ及びそれを備えた光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のマイクロスキャナは、変動部と、該変動部を揺動可能に支持する主軸部と、該主軸部を保持する変形可能な可動枠と、該可動枠を湾曲させて変動部を傾斜させる駆動手段と、可動枠を湾曲可能に支持する固定枠と、を含むマイクロスキャナであり、可動枠は、駆動手段により湾曲する略平行な一対の駆動片と、該駆動片の両端部同士を連結する一対の結合片とで構成される略矩形の環状構造をなしており、各結合片の長手方向の略中央部に主軸部が連結され、駆動片の長手方向の略中央部が固定枠に固定されている。

この構成によれば、駆動片が湾曲したとき、最も変位量が大きい両端部が自由に撓むこととなり、支持部は最も変位量が小さい略中央部の位置変化を保持するのみである。従って、固定枠に駆動片の一端が固定されていた従来の構成に比べて、駆動片が湾曲したとき固定枠から受ける反力が小さくなり、固定枠の変形による駆動片の変位量のロスが抑制される。

また、結合片の主軸部が連結される部分の両側に、他の部分に比べて曲げ剛性が小さい屈曲部を設けておくことが好ましい。これにより、結合部は屈曲部において比較的弱い力で変形するため、主軸部の回転量も大きくなる。そして、この増加した回転量に起因して、変動部は比較的大きく揺動する。その結果、マイクロスキャナは、変動部の偏向角を容易に増大させられる。

なお、マイクロスキャナを構成する各部材は、例えば１つの基板の表裏面をエッチング加工することによって設けられており、マイクロスキャナ自身は一基板に形成されている。また、変動部が、金属膜を含むことで光を反射させるミラー部である場合、マイクロスキャナは光スキャナとも称せる。

また、駆動手段としては、圧電素子とそれを挟む電極と、これらを基板に貼り付けた構造から成るユニモルフ駆動部が好適に用いられる。従来はミラー部を回転駆動させるためのユニモルフ駆動部が最低４個必要であったのに対し、本発明の光スキャナでは２個のユニモルフ駆動部で構成可能となる。これにより、圧電素子の特性のバラツキに起因するユニモルフ駆動部の駆動性能の信頼性を高めることができ、ユニモルフ駆動部を構成する電極へ電圧を印加するための配線も簡略化できる。

また、以上のマイクロスキャナを搭載する光走査装置も本発明といえる。

本発明によれば、マイクロスキャナの変動部の偏向角を容易に増大可能となり、且つ反力による支持部の変形や破損を防止可能となる。また、高い加工精度や組立精度、及び圧電素子の特性の均一性を必要とすることなく、偏向時の回転軸のずれや傾きを最小限に抑えることができ、マイクロスキャナの製造コストも低減可能となる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、理解を容易にすべく、平面図であってもハッチングを付している。また、説明の便宜上、部材符号、ハッチングを省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。また、図面上での黒丸は紙面に対し垂直方向を意味する。以下の実施形態では、マイクロスキャナの変動する部材(変動部)としてミラー部を例に挙げるとともに、このミラー部を変動させることで光を反射させスキャン動作を行う光スキャナを例に挙げる。

図１は、本発明のマイクロスキャナ及び光走査装置を備える画像投影装置の一例を示すブロック図である。図１において、画像投影装置１００は、例えばパソコンやテレビ等から出力される画像信号を入力し、その処理を行う光制御部２０と、光制御部２０から出力される信号を受けて光の走査を行い、例えばスクリーン３０に画像光を投影する光走査装置４０を含む構成である。

光走査装置４０は、図１に示すように、それぞれが赤色、緑色、青色（以下ＲＧＢと省略する）に対応する３つの光源２１〜２３と、色合成プリズム２４と、コリメータレンズ２５と、光スキャナ（マイクロスキャナ）１と、投影光学系２６と、ミラー位置検知用光源２７と、ミラー位置検出手段２８と、光走査制御部２９とから構成される。

そして、ＲＧＢに対応する３つの光源２１〜２３から出射された光は、色合成プリズム２４、コリメータレンズ２５の順に通過し、光スキャナ１で光走査された後、投影光学系２７を透過して、例えばスクリーン３０に結像する。

次に光走査装置４０の詳細について説明する。３つの光源２１〜２３は、例えば光源２１が赤色の半導体レーザダイオード、光源２２が緑色の半導体レーザダイオード、光源２３が青色の半導体レーザダイオードに対応する。そして、それぞれの半導体レーザダイオードの波長は、例えば、赤色が６６０ｎｍ、緑色が５３２ｎｍ、青色が４５０ｎｍに設定されている。

なお、本実施形態では光源に半導体レーザダイオードを用いているが、これに限定される趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変更可能である。特に、緑色の半導体レーザダイオードは入手困難であることから、緑色のみ半導体レーザで結晶を励起する方式のＤＰＳＳ（Diode Pomping Solid State）レーザを外部変調器で変調するものを用いて構わない。また、赤色、緑色、青色の全ての色について、半導体レーザダイオードに代えて、発光ダイオード（ＬＥＤ）や固体レーザ等を光源に用いても構わない。ただし、光源のサイズは小さい方が好ましく、その点で半導体レーザダイオードが好ましい。

色合成プリズム２４は、光源２１〜２３から出射されたレーザ光を合成する役割を果たし、光源２１〜２３から出射されたレーザ光はここで合成され、合成された色をスクリーン３０に表示する。なお、本実施形態では色合成プリズムを用いているが、これに限定される趣旨ではない。例えば、図２に示すように２枚のダイクロイックミラー３１ａ、３１ｂを用いて、赤色光を反射し緑色光を透過するダイクロイックミラー３１ａで赤色と緑色の光源２１、２２から出射されたレーザ光を合成し、その後、青色光を反射し赤色光と緑色光は透過するダイクロイックミラー３１ｂを用いて、先に合成されたレーザ光に青色の光源２３から出射されたレーザ光を合成するような形態としても構わない。ただし、装置の部品点数を少なくすることと、装置全体のサイズを小さくできる点で色合成プリズム２４を用いるのが好ましい。

コリメータレンズ２５は、光源２１〜２３から出射され、色合成プリズム２４を通過してきた発散光を平行光へ変換するレンズである。また、コリメータレンズ２５は、投影光学系２７で発生する色収差を補正するようにピント位置が調整されている。光スキャナ１は、コリメータレンズ２５を透過してきたレーザ光を走査することができ、本実施形態においては、スクリーン３０に対して水平方向（図１の左右方向）と垂直方向（図１の紙面方向）にレーザ光を走査する。

図３は、本発明の第１実施形態の光スキャナを示す平面図であり、図４は、図３のＢ−Ｂ’線矢視断面図である。本実施形態の光スキャナ１は、Ｘ軸周り（図３の縦回り）の走査のみを行う一次元走査型の光スキャナであり、固定枠２、ミラー部３、主軸部４ａ、４ｂ、可動枠５、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂを含んでいる。なお、これらの部材は、変形可能なシリコン基板等をエッチングすることにより一体形成されている。

ミラー部３は、光源等からの光を反射させる部材である。かかるミラー部３は、平面視で矩形状の基板に、開孔Ｈ（第１開孔Ｈ１、第２開孔Ｈ２）を並べて設けることで、図１に示すような固定枠２及びその内側に生じる島状部分（第１開孔Ｈ１と第２開孔Ｈ２との間に位置する残部）を形成し、島状部分に金やアルミニウム等の反射膜を貼り付けることで形成される。

なお、第１開孔Ｈ１と第２開孔Ｈ２とが並ぶ方向をＹ方向と称し、第１開孔Ｈ１側のＹ方向をＹ方向のプラス｛Ｙ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＹ方向のマイナス｛Ｙ（−）｝とする。さらに、ミラー部３の中心からＹ方向に伸びる方向をＹ軸と称する。

主軸部４ａ、４ｂは、ミラー部３の外縁において対向する一端と他端とから外側に延びることで、そのミラー部３を挟持して支える部材である。かかる主軸部４ａ、４ｂは、ミラー部３に接する第１開孔Ｈ１、第２開孔Ｈ２を近接させることにより、基板の一部分を棒状にさせることで形成される。

なお、主軸部４ａ、４ｂは、Ｙ方向に対して交差する方向（例えば直交方向）に延びている。そこで、この方向をＸ方向と称し、主軸部４ａ側のＸ方向をＸ方向のプラス｛Ｘ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＸ方向のマイナス｛Ｘ（−）｝とする。さらに、主軸部４ａ、４ｂに重畳してＸ方向に伸びる方向をＸ軸（主軸方向／Ｘ軸方向）と称する。

可動枠５は、主軸部４ａ、４ｂを保持すること（主軸部４ａ、４ｂに繋がること）によってミラー部３を保持する部材である。かかる可動枠５は、Ｙ軸を対称軸とするコ字状の開孔Ｈ（第３開孔Ｈ３、第４開孔Ｈ４）と第１開孔Ｈ１、第２開孔Ｈ２との間に額縁状に残存する基板の残部で形成される。

可動枠５の長手方向の平行な二辺は表裏方向（図４のＺ軸方向）に湾曲可能な一対の駆動片５１ａ、５１ｂであり、それぞれ圧電素子が積層されユニモルフ駆動部６ａ、６ｂが形成されている。駆動片５１ａ、５１ｂの略中央部は固定枠２の内縁から突出する支持部２ａ、２ｂに繋がっている。

可動枠５の他の二辺は駆動片５１ａ、５１ｂの両端部を連結する一対の結合片５２ａ、５２ｂであり、主軸部４ａ、４ｂは回転軸（Ｘ軸）を通るようにミラー部３を支持するとともに、各主軸部４ａ、４ｂの端部がそれぞれ結合片５２ａ、５２ｂの略中央部に繋がっている。即ち、可動枠５は駆動片５１ａ、５１ｂ及び結合片５２ａ、５２ｂから成る略矩形の環状構造をなしている。

ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂは、電圧を力に変換するアクチュエータとして機能するものであり、図４に示すように、例えば分極処理されたＰＺＴ、ＺｎＯ、ＢＳＴ等の圧電素子６１と、この圧電素子６１を挟持する電極６２が駆動片５１ａ、５１ｂの表面に貼り付けられることで構成されている。そして、この二枚の電極６２間に、分極反転を起こさせない範囲で±の電圧（交流電圧）が所定の周波数で印加されることで圧電素子６１がその周波数で伸縮し、その伸縮に応じてユニモルフ駆動部６ａ、６ｂが撓む。

そして、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂの伸縮変形に応じて駆動片５１ａ、５１ｂも変形（撓み変形／曲げ変形）し、駆動片５１ａ、５１ｂの両端に繋がる結合片５２ａ、５２ｂが傾斜する。本発明の光スキャナ１では、この可動枠５の変形を利用して、ミラー部３が主軸部４ａ、４ｂ（主軸方向）を基準に正逆回転方向に傾く（揺動可能となる）。なお、詳細については後述する。

次に、光スキャナ１の製造方法の一例を説明する。光スキャナ１は、例えば厚さ１００μｍ程度のシリコン基板を用いて作製される。まず、シリコン基板をフォトレジストとエッチングにより加工して開口Ｈ１〜Ｈ４を形成することにより、図３に示した固定枠２、ミラー部３、主軸部４ａ、４ｂ、可動枠５を一体形成する。次に、シリコン基板の表面側に電極６２、圧電素子６１、電極６２を順に貼り付けてユニモルフ駆動部６ａ、６ｂを形成する。そして、ミラー部３に反射膜となる金属膜を貼り付けて光スキャナ１を製造する。

なお、圧電素子６１、電極６２、及びミラー部３の金属膜は、シリコン基板上に直接薄膜形成することもできる。薄膜形成法としては、スパッタリング法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法(ＡＤ法)などが挙げられるが、エアロゾルデポジション法が好ましい。これによれば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法に比べてエッチング工程等が省略でき、成膜速度の向上、工程短縮が可能となる。なお、エアロゾルデポジション法とは、あらかじめ他の手法で準備された微粒子、超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、減圧雰囲気下でノズルを通して基板に噴射して被膜を形成する技術のことを示している。

次に、本実施形態の光スキャナ１におけるミラー部３の偏向動作について、図５〜図７を用いながら説明する。図５Ａは第１実施形態の光スキャナの斜視図、図５Ｂはミラー部が正方向に偏向した状態を示す光スキャナの斜視図、図６Ａは図３におけるＢ−Ｂ’線矢視断面図、図６Ｂは図３におけるＣ−Ｃ’線矢視断面図、図７Ａは図３におけるＤ−Ｄ’線矢視断面図、図７Ｂは図３におけるＥ−Ｅ’線矢視断面図である。

図３の光スキャナ１は、主軸部４ａ、４ｂ（主軸方向）を基準にミラー部３を回動させる。そこで、主軸方向周りの一方向（Ｘ（＋）からＸ（−）に向いて時計回りの回転）を正回転、正回転に対して逆方向の回転（反時計回りの回転）を逆回転とする（正回転方向をＰ、逆回転方向をＲで図示）。

また、Ｘ方向及びＹ方向に対して垂直な方向をＺ方向（撓み方向）として図示し、便宜上、ミラー部３の光を受光する側をＺ方向のプラス｛Ｚ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＺ方向のマイナス｛Ｚ（−）｝とする。さらに、Ｘ軸とＹ軸との交点からＺ方向に伸びる方向をＺ軸と称する。

図５Ａの状態からミラー部３が正回転する場合、ユニモルフ駆動部６ａには圧電素子６１を縮ませる電圧が印加される。このような電圧が印加されると、図６Ａに示すように、ユニモルフ駆動部６ａが貼り付けられた駆動片５１ａがＺ（−）側を凸に撓む。その結果、駆動片５１ａの両端部はＺ（＋）に跳ね上がる。

一方、ユニモルフ駆動部６ｂには圧電素子６１を伸ばす電圧（ユニモルフ駆動部６ａ側に印加される電圧とは逆位相の電圧）が印加される。このような電圧が印加されると、図６Ｂに示すように、ユニモルフ駆動部６ｂが貼り付けられた駆動片５１ｂが、Ｚ（＋）側を凸に撓む。その結果、駆動片５１ｂの両端部はＺ（−）に垂れ下がる。

これにより、可動枠５は支持部２ａ、２ｂを支点として図５Ｂのように変形し、図７Ａ及び図７Ｂに示すように、結合片５２ａ、５２ｂはユニモルフ駆動部６ａ側｛Ｙ（−）側｝がＺ（＋）に押し上げられ、ユニモルフ駆動部６ｂ側｛Ｙ（＋）側｝がＺ（−）に押し下げられる。そして、図５Ｂに示すように、結合片５２ａ、５２ｂに繋がる主軸部４ａ、４ｂ及びミラー部３が正回転する。

逆に、図５Ａの状態からミラー部３が逆回転する場合は、ユニモルフ駆動部６ａの圧電素子６１を伸ばす電圧が印加されるとともに、ユニモルフ駆動部６ｂの圧電素子６１を縮ませる電圧が印加される。このような電圧が印加されると、駆動片５１ａ、５１ｂは図６Ａ及び図６Ｂと逆方向に撓む。

そして、駆動片５１ａ、５１ｂの撓みに伴い、結合片５２ａ、５２ｂのＹ（＋）側が押し上げられるとともにＹ（−）側が押し下げられる。即ち、結合片５２ａ、５２ｂが図７Ａ及び図７Ｂと逆方向に傾斜することで、主軸部４ａ、４ｂ及びミラー部３も図５Ｂと逆方向に回転する。上述した動作を交互に繰り返すような交流電圧を一定の周波数で印加することにより、ミラー部３を回転軸（Ｘ軸）を中心に所定の周波数で偏向させることが可能となる。

本実施形態では、駆動片５１ａ、５１ｂの両端が結合片５２ａ、５２ｂにより連結されており、可動枠５が環状構造をなしている。そして、駆動片５１ａ、５１ｂは略中央部において固定枠２の支持部２ａ、２ｄに繋がっている。その結果、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂの伸縮により駆動片５１ａ、５１ｂが湾曲したとき、最も変位量が大きい両端部が自由に撓むこととなる。また、支持部２ａ、２ｄは最も変位量が小さい略中央部の位置変化を保持するのみである。

従って、固定枠２に可動枠の端部が固定されていた従来の構成（図１２参照）に比べて、駆動片５１ａ、５１ｂが湾曲したとき固定枠２から受ける反力が小さくなり、固定枠２の変形による駆動片５１ａ、５１ｂの変位量のロスが抑制されるため、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂの僅かな変位で駆動片５１ａ、５１ｂを大きく変位させてミラー部３の偏向角をより大きくすることができる。

また、従来の構成では、ミラー部３を回転駆動させるためのユニモルフ駆動部が最低４個必要であったのに対し、本発明の光スキャナ１では２個のユニモルフ駆動部６ａ、６ｂで構成可能となる。これにより、圧電素子の特性のバラツキに起因するユニモルフ駆動部の駆動性能の信頼性を高めることができ、ユニモルフ駆動部を構成する電極６２へ電圧を印加するための配線も簡略化できる。

さらに、高い加工精度や組立精度、及び圧電素子の特性の均一性を必要とすることなく、ミラー偏向時の回転軸（主軸部４ａ、４ｂ）のずれや傾きを最小限に抑えることができ、光スキャナ１の製造コストも低減可能となる。

図８は、本発明の第２実施形態に係る光スキャナの平面図である。本実施形態では、結合片５２ａ、５２ｂの主軸部４ａ、４ｂが連結されている部分を挟んで両側に、ミラー偏向時の回転軸（主軸部４ａ、４ｂ）に平行な切り込み９（屈曲部）が形成されている。切り込み９は、可動枠５、主軸部４ａ、４ｂ、及びミラー部８を一体形成する際に例えばエッチング加工により形成される。

図９Ａは図８におけるＤ−Ｄ’線矢視断面図、図９Ｂは図８におけるＥ−Ｅ’線矢視断面図である。図９Ａ及び図９Ｂでは、図７と同様にミラー部３を正回転させた状態を示している。なお、ミラー部３の偏向動作については図５乃至図７に示した第１実施形態の光スキャナ１と同様であるため説明は省略する。

本実施形態の光スキャナ１では、駆動片５１ａ、５１ｂを湾曲させて結合片５２ａ、５２ｂを傾斜させる場合、結合片５２ａ、５２ｂは切り込み９で他の部分に比べて柔軟な構造となるため屈曲可能となり、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂのＺ軸方向の変位量が僅かであっても主軸部４ａ、４ｂ及びそれに繋がるミラー部３を回転軸（Ｘ軸）周りに大きく回転させることができる。このとき、切り込み９を主軸部４ａにできるだけ近接して設けておけば、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂの変位量に対する主軸部４ａ、４ｂの回転角（偏向角）θをより大きくすることができる。

なお、回転角θとは、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂの影響を受けることなく不動状態にあるミラー部３と、変動するミラー部３との間に生じる角度のことである。

なお、切り込み９の長さや幅、及び配置については、光スキャナ１の材料となるシリコン基板の厚みや結合片５２ａ、５２ｂに要求される湾曲性に応じて適宜設定することができる。また、切り込み９に代えて、結合片５２ａ、５２ｂに主軸部４ａ、４ｂと平行な溝やスリットを設けても良い。

以上、第１及び第２実施形態の光スキャナ１について説明したが、光スキャナの構成は本実施形態の構成に限る趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂの形状やサイズ（面積）は特に限定されない。例えば、図３及び図８に示すように、矩形状のユニモルフ駆動部６ａ、６ｂであってもよいし、台形状等の他の形状であってもよい。

また、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂのサイズは、駆動片５１ａ、５１ｂの一面内に包含される程度の面積であってもよいし（駆動片５１ａ、５１ｂの面積よりも小さい面積；図３及び図８参照）、駆動片５１ａ、５１ｂの一面よりも大きな面積であってもよい。ただし、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂのサイズが大きいほど、駆動片５１ａ、５１ｂを撓ませる力は大きくなるので望ましいといえる。

また、上記実施形態では、駆動片５１ａ、５１ｂを駆動する駆動手段として圧電ユニモルフ構造を有するユニモルフ駆動部を例に挙げて説明したが、駆動片５１ａ、５１ｂを変形させる部材（駆動部）は、駆動片５１ａ、５１ｂの両面に圧電素子６１及び電極６２を積層したバイモルフ構造の駆動部を用いても良い。また、ミラー部の駆動方式は圧電素子を用いた圧電駆動方式に限らず、電磁方式や静電方式等の他の駆動方式を用いることもできる。

例えば、図１０に示すように、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂに代えて、電磁コイル１０と永久磁石１１とから成る電磁ユニット１３を駆動手段としてもよい。このような電磁ユニット１３は、可動枠５（駆動片５１ａ、５１ｂ）上に電磁コイル１０を形成し、永久磁石１１を駆動片５１ａ、５１ｂの上又は下、若しくは上下に設け、電磁コイル１０と永久磁石１１の間に電磁力を発生させて駆動片５１ａ、５１ｂを撓ませ、ミラー部３を回転させる。なお、ここでは可動枠５の一部（駆動片５１ａの一端）のみを図示しているが、駆動片５１ａの他端及び駆動片５１ｂについても同様の構成である。

また、２個の電極から成る静電ユニットが駆動部であってもよい。このような静電ユニットでは、駆動片５１ａ、５１ｂの一面に一方の電極を配置するとともに、駆動片５１ａ、５１ｂから所定の間隔を隔てて他方の電極を配置し、両電極によって生じる静電力で駆動片５１ａ、５１ｂを撓ませる。

また、上記各実施形態では一枚のシリコン基板からマスキング及びエッチングにより光スキャナ１の各部材を一体形成することとしたが、光スキャナ１の製法は上述した方法に限定されず、固定枠２、ミラー部３、可動枠５等の各部材を別個に作成した後、接合することも可能である。

なお、説明してきた光スキャナ１を搭載する光学機器は、種々想定される。例えば、図１に示したプロジェクタ（画像投影装置）の他、コピー機やプリンタ等の画像形成装置が一例として挙げられる。また、光スキャナ以外のマイクロスキャナとしては、ミラー部３に代えてレンズ（屈曲光学系）が搭載されたものや、光源（発光素子）が搭載されたものが挙げられる。

以上説明したように本発明のマイクロスキャナによれば、可動枠が平行な一対の駆動片と駆動片の両端を連結する一対の結合片から成る環状構造となっており、駆動片の略中央部が固定枠に支持されている。このため、構成が簡単で駆動性能の信頼性も高く、高速且つ広角度に変動部を回転できるマイクロスキャナを提供することができる。更に、そのような条件で使用しても十分な耐久性を有するため、光走査装置に搭載することにより、高速に光走査を行う必要があるプロジェクタ等の画像表示装置や高速ＬＢＰへの適用が可能となる。また、光走査装置及びそれが搭載される画像表示装置の小型化、低コスト化にも寄与する。

は、本発明の画像表示装置の概略構成を示すブロック図である。 は、色合成プリズムを用いない画像表示装置の構成例を示す説明図である。 は、本発明の第１実施形態に係る光スキャナの構成を示す平面図である。 は、図３のＢ−Ｂ’線矢視断面図である。 は、 は、図３のＢ−Ｂ’線矢視断面図（図６（Ａ））、及びＣ−Ｃ’線矢視断面図（図６（Ｂ））を示しており、ミラー部が正回転する際の各駆動片の動作を示す。 は、図３のＤ−Ｄ’線矢視断面図（図７（Ａ））、及びＥ−Ｅ’線矢視断面図（図７（Ｂ））を示しており、ミラー部が正回転する際の各結合片の動作を示す。 は、本発明の第２実施形態に係る光スキャナの平面図である。 は、図８のＤ−Ｄ’線矢視断面図（図９（Ａ））、及びＥ−Ｅ’線矢視断面図（図９（Ｂ））を示しており、ミラー部が正回転する際の各結合片の動作を示す。 は、駆動手段として電磁方式を採用した光スキャナの部分平面図である。 は、従来の光スキャナの斜視図である。 は、図１１とは異なる従来の光スキャナの平面図である。 は、図１２のＡ−Ａ’線矢視断面図である。

符号の説明

１ 光スキャナ（マイクロスキャナ）
２ 固定枠
２ａ、２ｂ 支持部
３ ミラー部（変動部）
４ａ、４ｂ 主軸部
５ 可動枠
６ａ、６ｂ ユニモルフ駆動部（駆動手段）
９ 切り込み（屈曲部）
１０ 電磁コイル
１１ 永久磁石
１３ 電磁ユニット（駆動手段）
２１〜２３ 光源
２４ 色合成プリズム
４０ 光走査装置
５１ａ、５１ｂ 駆動片
５２ａ、５２ｂ 結合片
６１ 圧電素子
６２ 電極
１００ プロジェクタ

Claims (6)

1. 変動部と、
   該変動部を揺動可能に支持する主軸部と、
   該主軸部を保持する変形可能な可動枠と、
   該可動枠を湾曲させて前記変動部を傾斜させる駆動手段と、
   前記可動枠を湾曲可能に支持する固定枠と、
   を含むマイクロスキャナにあって、
   前記可動枠は、前記駆動手段により湾曲する略平行な一対の駆動片と、該駆動片の両端部同士を連結する一対の結合片とで構成される略矩形の環状構造をなしており、前記各結合片の長手方向の略中央部に前記主軸部が連結され、前記駆動片の長手方向の略中央部が前記固定枠に固定されることを特徴とするマイクロスキャナ。
2. 前記結合片の前記主軸部が連結される部分の両側に、他の部分に比べて曲げ剛性が小さい屈曲部を設けたことを特徴とする請求項１に記載のマイクロスキャナ。
3. 上記変動部は、金属膜を含むことで光を反射させるミラー部であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のマイクロスキャナ。
4. 前記変動部、前記主軸部、前記可動枠及び前記固定枠は、シリコン基板を用いて一体形成されることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載のマイクロスキャナ。
5. 前記駆動手段は、圧電素子と、該圧電素子を挟む電極とが前記可動枠上に積層されたユニモルフ駆動部であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のマイクロスキャナ。
6. 請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のマイクロスキャナが搭載された光走査装置。

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