JP2010044234A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】本発明は、基板のミラー部への伝播方向と垂直方向Ｘの曲げたわみを小さくすることにより、ミラー部の捻れ共振周波数の変化を押さえ、大きな電圧を印加した場合でも電圧に比例したミラー部の走査角度を増加させることができる光走査装置を提供する。
【解決手段】本発明の光走査装置は、基板と、基板に連結された捻れ梁部と、捻れ梁部により支持されるミラー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によって基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向がミラー部の振動に応じて変化する光走査装置において、基板と捻れ梁部との連結部から離れた基板の一部に駆動源を設けるとともに、上記駆動源が圧電体あるいは磁性体の薄膜あるいは薄板により基板上に形成され、平面形状が長方形を有し、その長辺が、ミラー部と駆動源を結ぶ方向に平行に配置されていることを特徴としている。
【選択図】図３

Description

本発明は、光ビームの走査によりスキャンを行う光スキャナに関し、特に、捻れ梁（トーションバー）に支持された微小なミラーを揺動させて光ビームを偏光させる構成の光走査装置に関するものである。

近年におけるレーザ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、あるいは赤外線カメラ等入力デバイスの光取り入れ装置として用いられている。
この種の光走査装置として、シリコンマイクロマシニング技術を利用した微小ミラーを揺動させる構成のものが提案されている。

例えば、図７に示す光走査装置は、基板３０に捻れ梁部３１を形成し、該捻れ梁部３１により支持されたミラー部３２を揺動させてなる光走査装置において、前記基板３０の一部に圧電体３３を固定あるいは形成し、該圧電体３３に電圧を印加して基板３０に誘起される板波を利用して捻れ梁部３１に支持されたミラー部３２を励振させるものである（例えば、特許文献１参照）。

特開２００６−２９３１１６号公報

図７に示した従来の光走査装置において、駆動源となる圧電体３３は薄膜あるいは薄板により正方形の形状に一体に形成されているものであり、その面積を、図８に示すように、広くすればするほど振動の発生力が大きくなる。
本発明者は、従来の光走査装置において圧電体３３の面積を広くした場合、電圧に比例してミラー部３２の光走査角度の増加が得られないという問題を発見し、その原因を究明した結果、以下のような新規な知見を得た。

図９は、従来の光走査装置における板波振動の伝播を説明する説明図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は、圧電体３３および基板３０をＸ１方向からみた側面図、および、（ｃ）は、圧電体３３および基板３０をＹ１方向からみた正面図である。
今、図９（ａ）に示すように、一体に形成された圧電体３３の面積を広くしたものにおいて、その平面形状が、例えば、板波振動のミラー部３２への伝播方向Ｙの寸法に比べ、伝播方向Ｙと垂直方向Ｘの寸法を大きくした場合について考察する。
圧電体３３に電圧を印加して駆動すると、板波振動はミラー部３２への伝播方向Ｙ、および、ミラー部３２への伝播方向Ｙと垂直方向Ｘにも伝播し、その際、基板３０には図（ｂ）に示すミラー部３２への伝播方向Ｙに曲げたわみが生じるとともに、図（ｃ）に示すミラー部３２への伝播方向と垂直方向Ｘにも曲げたわみが生じる。

圧電体３３の平面形状が、図９（ａ）に示すようにＸ方向に大きな場合、基板３０の曲げたわみはミラー部３２への伝播方向と垂直方向Ｘにおいて大きくなる。
この基板３０のミラー部３２への伝播方向と垂直方向Ｘの曲げたわみは、板波振動のミラー部３２への伝播方向Ｙの基板３０の曲げ剛性を増大させることになる。その結果、ミラー部３２の捻れ共振周波数が駆動電圧の増加に伴って高周波側にシフトしたり、ミラー部３２に効率的に振動を伝播できなくなり、電圧に比例したミラー部３２の光走査角度の増加が得られなくなるものである。

本発明は、基板と、基板に連結された捻れ梁部と、捻れ梁部により支持されるミラー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によって基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向がミラー部の振動に応じて変化する光走査装置において、基板のミラー部への伝播方向と垂直方向Ｘの曲げたわみを小さくすることにより、ミラー部の捻れ共振周波数の変化を押さえ、大きな電圧を印加した場合でも電圧に比例したミラー部の走査角度を増加させることができる光走査装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するための本発明のミラー部における捻れ振動の発生原理および装置の基本的事項について図１〜４を参照しながら以下に説明する。
図１は、本発明の光走査装置の基本構成を説明する斜視図、図２は、本発明の振動発生原理を説明するための概念図、図３は、本発明の駆動源となる圧電膜等の面積を全体として大きくするため、圧電膜等を短冊状パターン形状としている例を示す斜視図、図４は、本発明の光走査装置における板波振動の伝播を説明する説明図であって、（ａ）は平面図、（ｂ）は、駆動源１１および基板１０をＸ１方向からみた側面図、および、（ｃ）は、駆動源１１および基板１０をＹ１方向からみた正面図である。

〔ミラー部における捻れ振動の発生原理〕
本発明の光走査装置の基本構成は、図１〜４に示すとおり、基板本体２０と基板本体の両側部から突出した２つの梁部２２、２２からなる基板１０と、梁部２２、２２間にミラー部１３を両側から支持するように設けられた捻れ梁部１２、１２と、基板本体２０に設けられた圧電体または磁性体材料からなる薄膜または薄板（以下、「圧電膜等」と略すことがある。）からなる駆動源１１とからなっている。ミラー部１３を支持する捻れ梁部１２は、梁部２２の軸方向に対し垂直方向（図４のＸ軸方向）に設けられている。
図２に示すように、駆動源１１である圧電膜等に電圧を印加すると、圧電膜等の直下の基板本体２０は圧電膜等と一緒に曲げたわみを生じ、基板本体２０に振動を発生する。
すなわち、図２（ａ）に示すように圧電膜等の側にプラスの電圧を印加すると圧電膜等は延び、逆に図２（ｂ）に示すように圧電膜等の側にマイナスの電圧を印加すると圧電膜等は縮み、基板１０に振動を発生する。
この時、基板本体２０上に発生された振動は、基板本体２０から梁部２２を伝搬し、図１に示す捻れ梁部１２で支持された水平状態にあるミラー部１３に回転モーメントを与える力を作用させることができ、捻れ振動を誘起する。

〔駆動源の配置〕
一定の駆動電圧下でミラー部１３の捻れ角度の最大振幅を得るためには、ミラー部１３に対する駆動源１１の配置が重要である。駆動源１１をミラー部１３に近い捻れ梁部１２及び梁部２２に設けた場合、大きな捻れ角度でミラー部１３を振動させることはできない。ミラー部１３を支持する捻れ梁部１２と梁部２２の接続位置から離れた位置、すなわち、基板本体２０の一部、例えば基板本体２０の中央部に駆動源１１を配置すると大きな捻れ角度でミラー部１３を振動させることができる。このように、ミラー部１３を支持する捻れ梁部１２と梁部２２の接続位置から離れた位置に駆動源１１を設けて振動を発生する場合、ミラー部１３を支持している捻れ梁部１２と梁部２２の接続箇所において基板振動の最小振幅（板波の節）が得られる様に配置する。
また、ミラー部１３を両側から支持する捻れ梁部１２、１２の振動モードを一致させるには、例えば、駆動源１１を基板本体２０の幅方向の中心（図４のＹ軸）に配置し、駆動源１１から左右の捻れ梁部１２、１２までの距離を同じくするのも１つの手法である。

〔駆動源となる圧電膜等の膜体の厚み及び面積〕
ミラー部１３を振動させる駆動源１１となる圧電膜等の膜体の厚みと、大きさは、基板本体２０の厚みと大きさに応じて最適なサイズを取る必要がある。
光走査装置の使用条件を考えると、駆動電圧（圧電膜印加電圧）一定のもとでは、膜体の厚さが薄くなればなるほど、大きな変位が得られることになる。実際には、特にエアロゾルデポジッション法（以下「ＡＤ法」と略す場合がある。）により形成された膜で金属基板上に形成した圧電膜の特性、膜厚に関して依存性があり、薄すぎると圧電特性の低下やリーク電流の増加などの膜特性が低下し、厚すぎると分極処理が困難になる。
また、基板１０の厚みに関しては、動作中のミラー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、Ｓｉ、ステンレス材の基板を想定すると、少なくとも１０μｍ以上の厚みが要求される。以上のような点を考慮し、光走査装置の駆動に適した最適な圧電膜等の膜体の厚みは、基板本体２０の厚さの６倍以下が適しており、膜体の厚さの下限は、おおよそ１μｍで、このとき同一面積の膜厚に対し、最小の駆動電圧、消費電力で最大のミラー部走査角度を得ることができる。

また、駆動源１１となる圧電膜等については、上記、膜厚範囲に於いて、図１に示すように、平面形状が長方形を有し、その長辺が、ミラー部１３と駆動源１１を結ぶ方向（Ｙ軸方向）と平行になるように配置するか、あるいは、圧電膜等の面積を全体として大きくする場合、図３および４に示すように、短冊状の平面形状を有し、その長辺がミラー部１３と駆動源１１を結ぶ方向（Ｙ軸方向）に平行に配置された個々の駆動源を、ミラー部１３と駆動源１１を結ぶ方向と垂直方向（Ｘ軸方向）に間隔を有して複数配置して構成するか、圧電膜等に短冊状の溝を入れ分離してなる複数の駆動源から構成するところの短冊状パターン形状に形成する。この構成により、ミラー部１３と駆動源１１を結ぶ板波振動の伝播方向と垂直方向（Ｘ軸方向）の基板１０の曲げたわみの発生を、図４（ｃ）に示すように小さくし、ミラー部１３の捻れ共振周波数の変化を押さえ、大きな電圧を印加しても、電圧に比例してミラー部の光走査角度を増加することが可能となる。

また、図４に示すように、駆動源１１となる短冊状にパターニングされた圧電膜等の短辺の長さ（ｄ１）と間隔（ｄ２）は、膜の厚みと基板の厚みによって最適化されるが、通常、上記短辺の長さ（ｄ１）は、圧電膜の厚み（ｔ）に対し、ｄ１／ｔ＝１／２〜１００程度に、また、間隔（ｄ２）は、膜が分離していればよく、圧電体の面積を広げるには、なるべく細い方が好ましい。

〔圧電膜の形成方法〕
圧電膜の形成方法については、エアロゾルデポジション法を用いて形成すれば、低温高速プロセスのため、容易に短時間で数ミクロン以上の厚膜を金属基板上などに直接形成できるが、これに限ったものでなく、例えば、Ｓｉ基板など耐熱温度のある材料を利用すれば、スパッター法やＣＶＤ法、ゾル−ゲル法などの従来の薄膜技術を用いて、エピタキシャル成長した高性能の圧電薄膜を形成することも可能である。また、上記短冊状の平面形状を有し、その長辺がミラー部１３と駆動源１１を結ぶ方向（Ｙ軸方向）に平行に配置された個々の駆動源を、ミラー部１３と駆動源１１を結ぶ方向と垂直方向（Ｘ軸方向）に間隔を有して複数配置して構成するか、圧電膜等に短冊状の溝を入れ分離してなる複数の駆動源から構成する、ところの短冊状パターンの圧電膜を基板１０上に形成するには、フォトレジストを基板１０に塗布し、短冊状に開口を有するフォトレジスト層をパターニング形成し、これをマスクとして、圧電膜をエアロゾルデポジション法で形成後、レジストを剥離するリフトオフ法や短冊状の開口を持つメタルマスクや樹脂マスクを基板に重ねて圧電膜を形成することと短冊状にパターニングされた微細な圧電膜を容易に形成できる。微小の光走査装置を構成する場合などに有用である。

本発明は、上記の捻れ振動の発生原理および装置の基本的事項を有し、その要旨とするところは次のとおりである。
（１）本発明の光走査装置は、基板と、基板に連結された捻れ梁部と、捻れ梁部により支持されるミラー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によって基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向がミラー部の振動に応じて変化する光走査装置において、前記駆動源は、基板と捻れ梁部との連結部から離れた基板の一部に圧電体または磁性体材料からなる薄膜または薄板により形成され、長方形の平面形状を有し、その長辺がミラー部と駆動源を結ぶ方向に平行に配置されていることを特徴としている。
（２）また、本発明の光走査装置は、基板と、基板に連結された捻れ梁部と、捻れ梁部により支持されるミラー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によって基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向がミラー部の振動に応じて変化する光走査装置において、前記駆動源は、基板と捻れ梁部との連結部から離れた基板の一部に圧電体または磁性体材料からなる薄膜または薄板により形成され、短冊状の平面形状を有し、その長辺がミラー部と駆動源を結ぶ方向に平行に配置された個々の駆動源を、ミラー部と駆動源を結ぶ方向と垂直方向に間隔を有して複数配置して構成されることを特徴としている。
（３）また、本発明の光走査装置は、上記（２）の特徴において、駆動源の短冊状の短辺（ｄ１）はその厚み（ｔ）に対し、１／２＜ｄ１／ｔ＜１００の範囲にあることを特徴としている。
（４）また、本発明の光走査装置は、上記（１）ないし（３）のいずれかの特徴において、駆動源の面積を基板本体の面積の１／１０以上とすることを特徴としている。

本発明は、基板のミラー部への伝播方向と垂直方向Ｘの曲げたわみを小さくすることにより、ミラー部の捻れ共振周波数の変化を押さえ、大きな電圧を印加した場合でも電圧に比例したミラー部の走査角度を増加させることができるという優れた効果を奏する。

本発明に係る光走査装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

〔実施の形態１〕
図５は、本発明の実施の形態１に係る光走査装置の斜視図である。
基板１０は、厚さ３０あるいは５０μｍのＳＵＳ３０４の方形をした板材をエッチングあるいはプレス加工により、捻れ梁部１２及びミラー部１３を残して中抜きされた形状に作製されている。基板１０は、基板本体２０及び基板本体２０の一側の両側から平行に張り出した片持ち梁部１９、１９からなる。ミラー部１３を支持する捻れ梁部１２は、２本の片持ち梁部１９、１９の軸方向に対し直交する方向に設けられている。
また、基板本体２０のミラー部１３側と反対側の固定端部２１は支持部材１６により固定されており、基板１０が支持部材１６により片持ち状に支持される構造となっている。本例では、基板本体２０の両側が三角形に切り取られた状態で中央部に固定端部２１が形成されており、基板１０がＹ字形状になっている。また、固定端部２１の幅は基板本体２０の幅の１／２０〜３／４の範囲とするのがよい。

基板１０上の中央部には、本発明の発明者により発明された公知のＡＤ法によるマスク成膜法で駆動源１１を構成する圧電膜１１’が接着剤を介さずに直接形成されている。
駆動源１１は、例えば代表的な圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、短冊状の平面形状を有し、その長辺がミラー部１３と駆動源１１を結ぶ方向（Ｙ軸方向）に平行に配置された個々の圧電膜１１’を、ミラー部１３と駆動源１１を結ぶ方向と垂直方向（Ｘ軸方向）に間隔を有して複数配置してなる短冊状パターンに形成されている。
基板１０上に公知のＡＤ法により圧電膜１１を直接形成する手法を簡単に説明する。
粒径０．５μｍ前後のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルから高速のジエットにして基板１０上の所定の個所に吹き付け成膜する。成膜の際、ＰＺＴ微粒子の基板１への衝突によってＰＺＴ微粒子に大きな機械的衝撃が生じ、ＰＺＴ微粒子の破壊と新生表面の発生が同時に行われ、緻密な膜が形成される。このようにして形成される圧電膜１１は、強誘電特性を有している。圧電膜１１の成膜後、大気中において６００℃で１０分間熱処理した後、圧電膜１１の上面に上部電極１４を、例えば、金スパッターで形成する。なお、金スパッターに代えて、ＡＤ法により圧電膜１１の成膜に続いて上部電極１４を形成することにより、より小型化、構造の簡素化を図ることができる。

また、上記短冊状パターンの圧電膜１１’を基板１０上に形成するには、フォトレジストを基板１０に塗布し、短冊状に開口を有するフォトレジスト層をパターニング形成し、これをマスクとして、圧電膜１１’をエアロゾルデポジション法で形成後、レジストを剥離するリフトオフ法や短冊状の開口を持つメタルマスクや樹脂マスクを基板１０に重ねて圧電膜１１’を形成することで短冊状にパターニングされた微細な圧電膜１１’を容易に形成できる。

駆動源１１は、ミラー部１３を支持する捻れ梁部１２と片持ち梁部１９との接続部から離れた位置、すなわち、基板本体２０の一部、例えば、図６に示すように基板本体２０の中央部に形成される。さらに、ミラー部１３が駆動源１１により基板１０上に起こされる振動の最小振幅の近傍、すなわち最小振幅の位置から僅かにずれた位置に駆動源１１が形成されるものである。また、ミラー部１３を両側から支持する捻れ梁部１２、１２の振動モードを一致させるには、例えば、駆動源１１を基板本体２０の幅方向の中心（図１のＹ軸）に配置し、駆動源１１から左右の捻れ梁部１２、１２までの距離を同じくするのも１つの手法である。

基板１０の厚みに関しては、動作中のミラー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、Ｓｉ、ステンレス材の基板を想定して、少なくとも１０μｍ以上の厚みにする。光走査装置の駆動に適した最適な圧電膜等の膜体の厚みは、基板本体２０の厚さの６倍以下が適しており、膜体の厚さの下限は、おおよそ１μｍで、このとき同一面積の膜厚に対し、最小の駆動電圧、消費電力で最大のミラー部走査角度を得ることができる。

〔実施の形態２〕
図６は、本発明の実施の形態２に係る光走査装置の平面図である。
図６に示された実施の形態２は、基本構造において実施の形態１と同じであるが、基板１０が支持部材１６により両側において支持される構造になっており、これに関連して、実施の形態１における片持ち梁部１９も基板１０に両端が支持される構造の両持ち梁部２３となっている点で実施の形態１と相違している。
すなわち、実施の形態２においては、基板１０が駆動源１１側とミラー部１３側の両側において支持部材１６により支持されている。
このような基板１０が両側において支持されている場合においても、前記圧電膜１１’を短冊状にパターンニングした駆動源１１を設けると、ミラー部１３の走査振幅を増加することができる。

本発明の光走査装置の基本構成を説明する斜視図である。 本発明の振動発生原理を説明するための概念図である。 本発明の駆動源となる圧電膜等の面積を全体として大きくするため、圧電膜等を短冊状パターン形状としている例を示す斜視図である。 図３に示す短冊状パターンの圧電膜等を用いた場合の基板の曲げたわみを示す説明図である。 本発明の実施の形態１に係る光走査装置の斜視図である。 本発明の実施の形態２に係る光走査装置の平面図である。 従来の光走査装置を示す斜視図である。 従来の光走査装置において、駆動源となる圧電体の面積を広くした例を説明する斜視図である。 従来の光走査装置において、駆動源となる圧電体の面積を広くした場合の基板の曲げたわみを示す説明図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 駆動源
１１’ 圧電膜
１２ 捻れ梁部
１３ ミラー部
１４ 上部電極
１５ 電源
１６ 支持部材
１７ レーザビーム
１８ レーザ光
１９ 片持ち梁部
２０ 基板本体
２１ 固定端部
２２ 両持ち梁部

Claims (4)

1. 基板と、基板に連結された捻れ梁部と、捻れ梁部により支持されるミラー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によって基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向がミラー部の振動に応じて変化する光走査装置において、前記駆動源は、基板と捻れ梁部との連結部から離れた基板の一部に圧電体または磁性体材料からなる薄膜または薄板により形成され、長方形の平面形状を有し、その長辺がミラー部と駆動源を結ぶ方向に平行に配置されていることを特徴とする光走査装置。
2. 基板と、基板に連結された捻れ梁部と、捻れ梁部により支持されるミラー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によって基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向がミラー部の振動に応じて変化する光走査装置において、前記駆動源は、基板と捻れ梁部との連結部から離れた基板の一部に圧電体または磁性体材料からなる薄膜または薄板により形成され、短冊状の平面形状を有し、その長辺がミラー部と駆動源を結ぶ方向に平行に配置された個々の駆動源を、ミラー部と駆動源を結ぶ方向と垂直方向に間隔を有して複数配置して構成されることを特徴とする光走査装置。
3. 上記駆動源の短冊状の短辺（ｄ１）はその厚み（ｔ）に対し、１／２＜ｄ１／ｔ＜１００の範囲にあることを特徴とする請求項２記載の光走査装置。
4. 駆動源の面積を基板本体の面積の１／１０以上とす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項に記載の光走査装置。