JP2011007902A - 光スキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】小さな駆動電圧で、光スキャナの大きな光学振れ角を得られる光スキャナを提供する。
【解決手段】光スキャナ１は、ミラー部２と、可動梁３と、一対の駆動部４ａ、４ｂと、固定部５とを備えている。ミラー部２は、揺動軸線ＳＷの回りに揺動可能で、入射した光束を反射して、走査する反射面６を備える。可動梁３は、一対の支持梁７ａ、７ｂと、一対の延出梁８ａ、８ｂと、４つの連結梁９ａ〜９ｄとを備える。一対の支持梁７ａ、７ｂは、Ｘ軸方向に、即ち揺動軸線ＳＷに平行な方向にミラー部２の両側から延出する。駆動部４ａ、４ｂは、各々、一対の連結梁９ａ、９ｂと固定部５とに跨って設けられる。ミラー部２の重心ＧＣは、延長線ＸＴに対して、駆動部４ａ、４ｂとは反対の側ＣＳに位置する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、レーザプリンタや投影型表示装置などに用いられる光スキャナに関する。

従来よりレーザプリンタや投影型表示装置等には光スキャナが使用されている。この光スキャナとして、一般に、ポリゴンミラーを用いるものや、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いるものがある。このうち、ＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナは、ミラー部と、ミラー部を支持し、ミラー部に駆動力を伝達する梁と、梁に連結し、ミラー部と梁とを囲う固定枠との一体成形により製造されることなどから、ポリゴンミラーと比較して、軽量・小型の光スキャナに適している。

図９は、特許文献１に開示されているＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナ１０１の分解斜視図である。光スキャナ１０１は、ベース台１０２と振動体１０５とを備える。ベース台１０２は、一対の支持部１０３ａ、１０３ｂと、一対の凹部１０４ａ、１０４ｂと、中間凹部１０４ｃと、を備える。支持部１０３ａと支持部１０３ｂとは、ベース台１０２の上面に形成されている。凹部１０４ａ、１０４ｂは支持部１０３ａと支持部１０３ｂとの間に形成されている。中間凹部１０４ｃは、凹部１０４ａと凹部１０４ｂとの間に形成されている。凹部１０４ａと凹部１０４ｂとは、各々支持部１０３ａ、１０３ｂに隣接するように形成されている。振動体１０５は、このようにして構成されたベース台１０２上に配置されている。

振動体１０５は、ミラー部１０６と、支持梁１０７ａ、１０７ｂと、延出梁１０８ａ、１０８ｂと、連結梁１０９ａ、１０９ｂ、１０９ｃ、１０９ｄと、固定部１１０と、駆動部１１１ａ、１１１ｂと、を備える。ミラー部１０６は反射面１０６ａを有する。支持梁１０７ａと支持梁１０７ｂとは、ミラー部１０６に連結し、ミラー部１０６を挟んで互いに対向している。延出梁１０８ａは、支持梁１０７ａに連結し、支持梁１０７ａの両側に延出している。延出梁１０８ｂは、支持梁１０７ｂに連結し、支持梁１０７ｂの両側に延出している。連結梁１０９ａ、１０９ｃは、延出梁１０８ａの両端に連結し、固定部１１０に向けて延出し、固定部１１０に連結する。連結梁１０９ｂ、１０９ｄは、延出梁１０８ａ、１０８ｂに連結し、固定部１１０に向けて延出し、固定部１１０に連結する。固定部１１０は、ミラー部１０６と、支持梁１０７ａ、１０７ｂと、延出梁１０８ａ、１０８ｂと、連結梁１０９ａ〜１０９ｄとの外周を囲う外枠である。固定部１００は、ベース台１０２の支持部１０３ａ、１０３ｂ上に配置される。駆動部１１１ａは、連結梁１０９ａと固定部１１０とに跨って備えられる。駆動部１１１ｂは、連結梁１０９ｂと固定部１１０とに跨って備えられる。

駆動部１１１ａ、１１１ｂは、圧電体と圧電体を挟む２枚の電極とから構成される。駆動部１１１ａ、１１１ｂの圧電体は、各々、駆動部１１１ａ、１１１ｂの電極に電圧が印加されることで分極する。駆動部１１１ａ、１１１ｂの分極した圧電体は、各々、連結梁１０９ａ、１０９ｂの長手方向に伸縮する。駆動部１１１ａ、１１１ｂに供給された駆動信号の波形に応じた大きさ、及び極性を持った駆動電圧が駆動部１１１ａ、１１１ｂの電極に印加される。即ち、例えば、駆動部１１１ａ、１１１ｂに同位相の駆動信号が供給された場合、同じ極性をもった駆動電圧が、駆動部１１１ａ、１１１ｂの電極に印加される。駆動部１１１ａ、１１１ｂの電極に同じ極性をもった駆動電圧が印加されると、駆動部１１１ａ、１１１ｂの圧電体は、一方がミラー部１０６に向かって伸びた場合は他方も伸び、一方がミラー部１０６から遠ざかるように縮んだ場合は他方も縮むように伸縮する。駆動部１１１ａ、１１１ｂの圧電体が伸縮することで、連結梁１０９ａ、１０９ｂが、各々、連結梁１０９ａ、１０９ｂの厚み方向に上下に屈曲する。連結梁１０９ａ、１０９ｂの屈曲が、延出梁１０８ａ、１０８ｂ、支持梁１０７ａ、１０７ｂ、及びミラー部１０６の揺動を引き起こす。ミラー部１０６が揺動することで、反射面１０６ａが揺動し、反射面１０６ａは、揺動しながら入射した光束を反射する。以上のようにして、光スキャナ１０１は反射面１０６ａに入射した光束を走査する。

上記のような光スキャナ１０１において、大きな光学振れ角を得る方法として、駆動部１１１ａ、１１１ｂの圧電体の伸縮を大きくすることが挙げられる。圧電体の伸縮量は、駆動部１１１ａ、１１１ｂの電極に印加される電圧の大きさに依存するので、大きな光学振れ角を得るには、大きな駆動電圧が駆動部１１１ａ、１１１ｂの電極に印加される必要がある。従って、駆動部１１１ａ、１１１ｂの圧電体の伸縮を大きくするという方法では、小さな駆動電圧で駆動部１１１ａ、１１１ｂを駆動させることができないという問題がある。

特開２００３−５７５８６号公報

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、入射した光束を反射して、走査する光スキャナであって、揺動軸線の回りに揺動可能な反射面を有するミラー部と、前記揺動軸線に平行な方向に前記ミラー部の両側から延出する一対のミラー支持梁と、前記一対のミラー支持梁の各々に連結する一対の第１連結部を有し、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に垂直な方向において、前記第１連結部から前記ミラー支持梁の両側に延出する一対の延出梁と、前記一対の延出梁の両端の各々に連結する４つの第２連結部を有し、前記揺動軸線に平行に前記ミラー部から離れる方向に、前記第２連結部から延出する４つの連結梁と、を有する可動梁と、前記４つの連結梁に連結する固定部と、前記４つの連結梁のうち前記一対のミラー支持梁を結ぶ延長線に対して片側に位置する一対の連結梁と前記固定部とに跨って設けられ、前記可動梁を駆動するための一対の駆動部と、を備える光スキャナの大きな光学振れ角を小さな駆動電圧で得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に、請求項１記載の本発明は、入射した光束を反射して、走査する光スキャナであって、揺動軸線の回りに揺動可能な反射面を有するミラー部と、前記揺動軸線に平行な方向に前記ミラー部の両側から延出する一対のミラー支持梁と、前記一対のミラー支持梁の各々に連結する一対の第１連結部を有し、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に垂直な方向において、前記第１連結部から前記ミラー支持梁の両側に延出する一対の延出梁と、前記一対の延出梁の両端の各々に連結する４つの第２連結部を有し、前記揺動軸線に平行に前記ミラー部から離れる方向に、前記第２連結部から延出する４つの連結梁と、を有する可動梁と、前記４つの連結梁に連結する固定部と、前記４つの連結梁のうち前記一対のミラー支持梁を結ぶ延長線に対して片側に位置する一対の連結梁と前記固定部とに跨って設けられ、前記可動梁を駆動するための一対の駆動部と、を備え、前記ミラー部の重心は、前記延長線に対して、前記一対の駆動部とは反対側に位置することを特徴とするものである。

請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の発明において、前記一対の駆動部は、各々、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に平行に伸縮する圧電体と前記圧電体を挟んだ両側に設けられた一対の電極と、を備え、前記一対の駆動部の前記圧電体が、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に平行な方向において、共に伸び、または縮むように、前記一対の駆動部に対し同位相の駆動信号を供給する駆動制御部を備えることを特徴とするものである。

請求項３記載の本発明では、請求項１または２に記載の発明において、前記延長線を挟んで対向する一対の前記連結梁間の分岐幅は、前記ミラー部の、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に垂直な方向のミラー幅の半分より小さく、前記ミラー部の重心と前記延長線との間の距離は、前記分岐幅の半分の長さを前記ミラー幅の半分から減じた長さであることを特徴とするものである。

請求項４記載の本発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記延長線に対して、前記一対の駆動部とは反対側に位置する前記ミラー部の一側端と前記延長線との間の距離が、前記延長線に対して、前記一対の駆動部と同じ側に位置する前記ミラー部の他側端と前記延長線との間の距離とは異なることで、前記ミラー部の重心は、前記延長線に対して、前記一対の駆動部とは反対側に位置することを特徴とするものである。

請求項５記載の本発明では、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記ミラー部が穴、溝、または重りを有することにより、前記ミラー部の重心は、前記延長線に対して、前記一対の駆動部とは反対側に位置することを特徴とするものである。

本発明者らは、以下に説明する光スキャナを開発し改良を重ねてきた。その光スキャナは、入射した光束を反射して、走査する光スキャナであって、揺動軸線の回りに揺動可能な反射面を有するミラー部と、前記揺動軸線に平行な方向に前記ミラー部の両側から延出する一対のミラー支持梁と、前記一対のミラー支持梁の各々に連結する一対の第１連結部を有し、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に垂直な方向において、前記第１連結部から前記ミラー支持梁の両側に延出する一対の延出梁と、前記一対の延出梁の両端の各々に連結する４つの第２連結部を有し、前記揺動軸線に平行に前記ミラー部から離れる方向に、前記第２連結部から延出する４つの連結梁と、を有する可動梁と、前記４つの連結梁に連結する固定部と、前記４つの連結梁のうち前記一対のミラー支持梁を結ぶ延長線に対して片側に位置する一対の連結梁と前記固定部とに跨って設けられ、前記可動梁を駆動するための一対の駆動部と、を備える。上記光スキャナを、以後、「二股光スキャナ」と記す。本発明者は、この二股光スキャナに対し、数値解析を行うことにより、ミラー部の重心を、延長線に対して、一対の駆動部とは反対側に位置させることで、一定の振れ角を得るのに必要とされる駆動電圧が低減されることを確認した。また、本発明者は、二股光スキャナに対し、ミラー部の重心を、延長線に対して、一対の駆動部と同じ側に位置させた場合、ミラー部の重心が延長線上にある場合と比較して、一定の振れ角を得るのに、より大きな駆動電圧が必要とされることも確認した。

請求項１記載の光スキャナによれば、二股光スキャナのミラー部の重心を、延長線に対して、一対の駆動部とは反対側に位置させることで、大きな駆動電圧を印加しなくとも、上記光スキャナの大きな光学振れ角を得ることができる。従って、二股光スキャナの大きな光学振れ角を小さな駆動電圧で得ることができる。

請求項２記載の光スキャナによれば、一対の駆動部に対し同位相の駆動信号を供給するという二股光スキャナに最適な同位相の駆動制御方式を採用するとともに、二股光スキャナのミラー部の重心を、延長線に対して、一対の駆動部とは反対側に位置させることで、大きな駆動電圧を印加しなくとも、上記光スキャナの大きな光学振れ角を得ることができる。従って、二股光スキャナの大きな光学振れ角を小さな駆動電圧で得ることができる。

本発明者が数値解析を行うことにより、二股光スキャナのミラー部の重心と延長線との間の距離を大きくしていくと、一定の振れ角を得るために必要とされる駆動電圧が次第に下がり、ある極小値に達した後、上がるか、またはある最小の収束値に収束することが確認された。

上記駆動電圧の変化が確認されたことを基に、請求項３記載の光スキャナによれば、ミラー部の重心と延長線との間の距離を、分岐幅の半分の長さをミラー幅の半分から減じた長さとすることで、一定の振れ角を得るために必要とされる駆動電圧が極小値、または最小の収束値近傍の値となり、上記光スキャナの大きな光学振れ角を可及的に小さな駆動電圧で得ることができる。

請求項４記載の光スキャナによれば、二股光スキャナのミラー部の重心を、延長線に対して、一対の駆動部とは反対側に位置させることで、大きな駆動電圧を印加しなくとも、上記光スキャナの大きな光学振れ角を得ることができる。従って、二股光スキャナの大きな光学振れ角を小さな駆動電圧で得ることができる。

請求項５記載の光スキャナによれば、二股光スキャナのミラー部の重心を、延長線に対して、一対の駆動部とは反対側に位置させることで、大きな駆動電圧を印加しなくとも、上記光スキャナの大きな光学振れ角を得ることができる。従って、二股光スキャナの大きな光学振れ角を小さな駆動電圧で得ることができる。

本発明の一実施形態に係る光スキャナ１の部分上面図である。 上記光スキャナ１の部分拡大上面図である。 本実施形態に係る駆動部４ａの構成を説明するための説明図である。 本実施形態に係る駆動信号ＤＳを説明するための説明図である。 本実施形態に係るミラー部２の揺動を説明するための説明図である。 連結梁９ａと連結梁９ｃとの間の分岐幅ＷＤ＝２００μｍとした場合における本実施形態に係るオフセット量ＯＳと駆動電圧との関係を示す図である。 上記分岐幅ＷＤ＝３００、４００、５００μｍとした場合における本実施形態に係るオフセット量ＯＳと駆動電圧との関係を示す図である。 本実施形態に係る構造体の製造工程を示す図である。 上記光スキャナ１の網膜走査ディスプレイ２０１における使用例を示す図である。 従来の光スキャナ１０１を示す図である。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して具体的に説明する。

[光スキャナ外観]
図１は、本実施形態の光スキャナ１の外観を示す部分上面図である。図１は簡略化のため、光スキャナ１の一部を省略して示している。光スキャナ１は、共振型の光スキャナである。図１に示すように、光スキャナ１は、ミラー部２と、可動梁３と、一対の駆動部４ａ、４ｂと、固定部５とを備えている。本実施形態におけるミラー部２が、本発明のミラー部の一例である。本実施形態における可動梁３が、本発明の可動梁の一例である。本実施形態における駆動部４ａ、４ｂが、本発明の駆動部の一例である。本実施形態における固定部５が、本発明の固定部の一例である。固定部５は、特開２００３−５７５８６号公報に開示されているような、ミラー部２と可動梁３とを囲う外枠であるが、図１は簡略化のため、可動梁３と固定部５との連結部近傍の固定部５のみを示している。なお、ミラー部２と、可動梁３と、駆動部４ａ、４ｂと、固定部５とは、図示しないベース台上に配置される。

ミラー部２は、揺動軸線ＳＷの回りに揺動可能で、入射した光束を反射して、走査する反射面６を備える。以後、簡略化のため、図１に示すように、光スキャナ１の静止時の、揺動軸線ＳＷに平行な方向をＸ軸とし、反射面６に平行な面上で、且つ揺動軸線ＳＷに垂直な方向をＹ軸とし、反射面６に垂直な方向をＺ軸として定義する。Ｘ軸、Ｙ軸、Ｚ軸の方向の定義は、他の図面においても共通のものとする。本実施形態における反射面６が、本発明の反射面の一例である。

可動梁３は、図１に示すように、Ｘ軸方向にミラー部２の両側から延出する。可動梁３は、図１に示すように、一対の支持梁７ａ、７ｂと、一対の延出梁８ａ、８ｂと、４つの連結梁９ａ〜９ｄとを備える。一対の支持梁７ａ、７ｂは、Ｘ軸方向に、即ち揺動軸線ＳＷに平行な方向にミラー部２の両側から延出する。４つの連結梁９ａ〜９ｄのうち、一対の連結梁９ａ、９ｂは、一対の支持梁７ａ、７ｂを結ぶ延長線ＸＴに対して一方の側ＳＳに位置する。一対の連結梁９ｃ、９ｄは、延長線ＸＴに対して他方の側ＣＳに位置する。駆動部４ａ、４ｂは、各々、一対の連結梁９ａ、９ｂと固定部５とに跨って設けられる。本実施形態における支持梁７ａ、７ｂが、本発明のミラー支持梁の一例である。本実施形態における延出梁８ａ、８ｂが、本発明の延出梁の一例である。本実施形態における連結梁９ａ〜９ｄが、本発明の連結梁の一例である。

ミラー部２のＸＹ平面に対する質量分布はほぼ一様である。本実施形態において重心ＧＣとは、ミラー部２のように、空間的広がりをもって質量が分布するような系において、その質量に対して働く重力の合力の作用点、即ち、質量中心である。図１に示すように、延長線ＸＴに対して、駆動部４ａ、４ｂとは反対の側ＣＳに位置するミラー部２の一側端ＣＥと延長線ＸＴとの間の距離ＣＤは、延長線ＸＴに対して、駆動部４ａ、４ｂと同じ側ＳＳに位置するミラー部２の他側端ＳＥと延長線ＸＴとの間の距離ＳＤより大きい。このようにして、オフセット量ＯＳ＝ＣＤ−ＳＤが図１に示すＹ軸方向の正の値に設定されていることにより、ミラー部２の重心ＧＣは、図１に示すように、延長線ＸＴに対して、駆動部４ａ、４ｂとは反対の側ＣＳに位置する。なお、揺動軸線ＳＷは、重心ＧＣの近傍を通過し、オフセット量ＯＳ＝０μｍの場合、揺動軸線ＳＷと延長線ＸＴとは略一致し、共に、重心ＧＣ近傍を通過する。本実施形態における一側端ＣＥが、本発明の一側端の一例である。本実施形態における他側端ＳＥが、本発明の他側端の一例である。

図２を用いて、光スキャナ１の構造について詳細に説明する。図２は、光スキャナ１の部分拡大上面図である。図２には簡略化のため、支持梁７ａ、延出梁８ａ、連結梁９ａ、９ｃ、駆動部４ａのみが示されているが、支持梁７ｂ、延出梁８ｂ、連結梁９ｂ、９ｄ、駆動部４ｂも、各々、支持梁７ａ、延出梁８ａ、連結梁９ａ、９ｃ、駆動部４ａと同一の構成を有する。図２に示すように、支持梁７ａは、Ｘ軸方向に、ミラー部２の一側面から延出する。図２に示すように、延出梁８ａは、支持梁７ａに連結する第１連結部ＣＰ１を有し、Ｙ軸方向において、第１連結部ＣＰ１から支持梁７ａの両側に延出する。図２に示すように、連結梁９ａ、９ｃは、延出梁８ａの両端の各々に連結する一対の第２連結部ＣＰ２を有する。また、図２に示すように、連結梁９ａ、９ｃは、固定部５に連結する一対の第３連結部ＣＰ３を有する。連結梁９ａ、９ｃは、Ｘ方向にミラー部２から離れる方向に、第２連結部ＣＰ２から第３連結部ＣＰ３に向けて延出する。本実施形態における第１連結部ＣＰ１、第２連結部ＣＰ２が、各々、本発明の第１連結部、第２連結部の一例である。

［駆動部の構造］
図３を用いて、駆動部４ａ、４ｂの構造について詳細に説明する。図３では代表して、駆動部４ａのみが示されているが、駆動部４ｂも駆動部４ａと同一の構成を有する。駆動部４ａは、図３に示すように、薄板状の圧電体１０ａが、上部電極１１ａと下部電極１２ａとに挟まれた積層体である。圧電体１０ａは、電圧印加により変形するチタン酸ジルコン酸鉛（以後、「ＰＺＴ」と記す。）から構成される。駆動部４ｂも、駆動部４ａと同様に、図示しない圧電体１０ｂと、上部電極１１ｂと下部電極１２ｂとを備える。本実施形態における圧電体１０ａ、１０ｂが、本発明の圧電体の一例である。本実施形態における上部電極１１ａ、１１ｂと下部電極１２ａ、１２ｂとが、本発明の電極の一例である。

上部電極１１ａ、１１ｂと下部電極１２ａ、１２ｂは、リード線５０により、駆動制御部６０に接続されている。駆動制御部６０から、リード線５０を介して、同位相の駆動信号が駆動部４ａ、４ｂに供給される。駆動制御部６０から、駆動部４ａ、４ｂに同位相の駆動信号が供給されることにより、上部電極１１ａと下部電極１２ａとの間、及び上部電極１１ｂと下部電極１２ｂとの間に同じ極性を持った電圧が印加される。このように電圧が印加されることにより、圧電体１０ａ、１０ｂがＸ軸方向に共に伸び、または縮む。本実施形態における駆動制御部６０が、本発明の駆動制御部の一例である。

［光スキャナの駆動］
図４、図５を用いて、光スキャナ１の駆動について説明する。図４は、駆動制御部６０から駆動部４ａ、４ｂに供給される同位相の駆動信号ＤＳを示す図である。図４において、縦軸は駆動部４ａ、４ｂの上部電極１１ａ、１１ｂと下部電極１２ａ、１２ｂとの間に印加される電圧Ｖｔであり、横軸は時間Ｔｍである。駆動制御部６０は、駆動部４ａ、４ｂを駆動するための駆動信号ＤＳを生成し、駆動信号ＤＳを駆動部４ａ、４ｂに供給する。駆動部４ａと駆動部４ｂとに供給される駆動信号ＤＳは少なくとも同じ位相を有していればよいが、本実施形態においては、駆動部４ａと駆動部４ｂとに供給される駆動信号ＤＳは、同じ振幅と同じ位相とを有している。駆動信号ＤＳの周期性により、駆動部４ａ、４ｂの圧電体１０ａ、１０ｂは、Ｘ軸方向に共に伸び、または縮む。即ち、例えば、図４において破線と矢印とで示した時間Ｔｍ１〜Ｔｍ２においては、上部電極１１ａ、１１ｂと下部電極１２ａ、１２ｂとに印加される電圧Ｖｔが徐々に大きくなる。電圧Ｖｔが徐々に大きくなると、圧電体１０ａ、１０ｂは、共にＸ軸方向に縮む。また、図４において一点鎖線と矢印とで示した時間Ｔｍ３〜Ｔｍ４においては、上部電極１１ａ、１１ｂと下部電極１２ａ、１２ｂとに印加される電圧Ｖｔが徐々に小さくなる。電圧Ｖｔが徐々に小さくなると、圧電体１０ａ、１０ｂは、共にＸ軸方向に伸びる。このようにして、駆動信号ＤＳの周期性により、駆動部４ａ、４ｂの圧電体１０ａ、１０ｂは、Ｘ軸方向に共に伸び、または縮む。

図５は、光スキャナ１が駆動され、ミラー部２が揺動軸線ＳＷの回りに揺動する様子を示す図である。図５は、簡略化のため、ミラー部２と可動梁３のみを示している。また、図５は、簡略化のため、オフセット量ＯＳが０μｍに近い光スキャナ１を示している。図５において、二点鎖線により示された光スキャナ１は静止時の光スキャナ１を示している。また、実線により示された光スキャナ１は、光スキャナ１が駆動され、ミラー部２がある揺動角度Φに達した際の光スキャナ１を示している。なお、ミラー部２の揺動角度は、周知のように、光スキャナ１の光学振れ角に相当するものである。可動梁３は構造を簡略化し、示されている。図４に示された同位相の駆動信号ＤＳが駆動制御部６０から駆動部４ａ、４ｂに供給されることにより、駆動部４ａ、４ｂが駆動され、圧電体１０ａ、１０ｂがＸ軸方向に共に伸び、または縮む。この圧電体１０ａ、１０ｂの伸び縮みの結果、連結梁９ａ、９ｂの駆動部４ａ、４ｂ近傍の部分がＺ軸方向の上側、または下側に屈曲する。図５に示した同位相の駆動信号ＤＳの周期性により、上部電極１１ａと下部電極１２ａとの間、及び上部電極１１ｂと下部電極１２ｂとの間に印加される電圧が周期的に変化する。この周期的な電圧の変化は、連結梁９ａ、９ｂの駆動部４ａ、４ｂ近傍の部分に、Ｚ軸方向の上側、または下側への周期的な屈曲をもたらす。連結梁９ａ、９ｂの駆動部４ａ、４ｂ近傍の部分における周期的な屈曲により、可動梁３が揺動軸線ＳＷを中心に捻れ振動する。可動梁３の捻れ振動により、ミラー部２は、揺動軸線ＳＷを中心に揺動する。ミラー部２の反射面６は、揺動軸線ＳＷを中心に揺動しながら、入射した光束を反射する。このように光束が反射面６により反射されることで、光束が走査される。以上のようにして、同位相の駆動信号ＤＳが駆動制御部６０から駆動部４ａ、４ｂに供給されることにより、光スキャナ１が駆動され、光スキャナ１は、反射面６に入射した光束を反射して走査する。なお、Ｚ軸方向の上側、下側とは、各々、Ｚ軸の正の領域側、負の領域側であり、厳密にＺ軸方向に平行な方向に限定される意味ではない。

［解析結果］
オフセット量ＯＳを変化させた際の、光スキャナ１の駆動電圧の変化等についてのシミュレーションによる解析結果を説明する。先ず、図１を用いて、シミュレーションに際して設定した光スキャナ１の各部の寸法について説明する。Ｙ軸方向のミラー部２の幅ＭＲは、幅ＭＲ＝１０００μｍである。延長線ＸＴを挟んで対向する一対の連結梁９ａと連結梁９ｃとの間の分岐幅ＷＤは、分岐幅ＷＤ＝２００μｍ、３００μｍ、４００μｍ、及び５００μｍの４通りの設定値でシミュレーションを行った。なお、一対の連結梁９ｂと連結梁９ｄとの間の幅も、一対の連結梁９ａと連結梁９ｃとの間の分岐幅ＷＤと同じ分岐幅ＷＤである。また、図１に示すように、Ｙ軸方向のミラー部２の幅ＭＲは、距離ＣＤと距離ＳＤとの和である。オフセット量ＯＳの正負は、図１に示したＹ軸方向の正負に従う。即ち、ミラー部２の重心ＧＣが、延長線ＸＴに対して、一対の駆動部４ａ、４ｂとは反対側ＣＳに位置する場合、オフセット量ＯＳ＞０μｍであり、一対の駆動部４ａ、４ｂと同じ側ＳＳに位置する場合、オフセット量ＯＳ＜０μｍである。また、図１に示すように、オフセット量ＯＳの絶対値は、Ｙ軸方向のミラー部２の幅ＭＲの半分以下である必要があるため、オフセット量ＯＳは、−５００μｍ以上、５００μｍ以下である必要がある。

図６Ａ、図６Ｂ、及び表を用いて、解析結果を説明する。図６Ａ、図６Ｂ、及び表に記載されている、駆動電圧や共振周波数等の数値は、全て光スキャナ１の光学振れ角、即ち、ミラー部２の揺動角度を２５度と設定した際の数値である。表１に、分岐幅ＷＤ＝２００μｍと設定した際の、オフセット量ＯＳと、駆動電圧、及び共振周波数との関係を示す。表１、及び図６Ａに示すように、オフセット量ＯＳ＞０μｍの場合、オフセット量ＯＳ＝０μｍの場合と比較して、駆動電圧が低減されることがわかる。また、オフセット量ＯＳ＞０μｍの場合、オフセット量ＯＳが大きいほど、駆動電圧が小さく抑えられることがわかる。一方、表１に示すように、オフセット量ＯＳ＜０μｍの場合、オフセット量ＯＳ＝０μｍの場合と比較して、非常に大きな駆動電圧がかかることがわかる。従って、ミラー部の重心ＧＣが、延長線ＸＴに対して、一対の駆動部４ａ、４ｂとは反対側ＣＳに位置する場合に限り、ミラー部の重心ＧＣが延長線ＸＴ上に位置する従来の光スキャナと比較して、小さな駆動電圧で、光スキャナ１の大きな光学振れ角を得ることができることがわかる。一方、ミラー部の重心ＧＣが、延長線ＸＴに対して、一対の駆動部４ａ、４ｂと同じ側ＳＳに位置する場合、ミラー部の重心ＧＣが延長線ＸＴ上に位置する従来の光スキャナと比較して、光スキャナ１の大きな光学振れ角を得るには、大きな駆動電圧が必要とされることがわかる。

表１に示すように、オフセット量ＯＳ＞０μｍの場合、光スキャナ１の共振周波数は、オフセット量ＯＳが０μｍから大きくなるほど次第に大きくなり、オフセット量ＯＳ＝４００μｍ近傍で極大値に達し、オフセット量ＯＳ＝４００μｍ近傍を超える領域で次第に小さくなる。表１、及び図６Ａに示したように、オフセット量ＯＳ＝４００μｍ近傍を超える領域において、オフセット量ＯＳを大きくしても、駆動電圧はそれほど低減されない。また、共振周波数が小さくなると、光スキャナ１を網膜走査ディスプレイ等の画像表示装置に適用した際に、画像の解像度が低下する。従って、光スキャナ１の駆動電圧を最大限低減しつつ、一定の共振周波数を保つためにも、オフセット量ＯＳを、分岐幅ＷＤ＝２００μｍの半分である１００μｍをミラー部２の幅ＭＲ＝１０００μｍの半分である５００μｍから減じた長さ、即ち４００μｍ近傍の値に設定することが望ましい。

表２、表３、及び表４に、各々、分岐幅ＷＤ＝３００、４００、５００μｍと設定した際の、オフセット量ＯＳと、駆動電圧、及び共振周波数との関係を示す。表２、及び図６Ｂに示すように、分岐幅ＷＤ＝３００μｍと設定した場合、光スキャナ１の駆動電圧は、オフセット量ＯＳが０μｍから大きくなるほど次第に小さくなり、オフセット量ＯＳ＝３５０μｍ近傍で極小値に達し、オフセット量ＯＳ＝３５０μｍ近傍を超える領域で次第に大きくなる。しかし、オフセット量ＯＳ＝４５０μｍにおける駆動電圧は、オフセット量ＯＳ＝０μｍと比較して小さい。従って、オフセット量ＯＳ＞０μｍの場合、オフセット量ＯＳ＝０μｍの場合と比較して、駆動電圧が低減されることがわかる。

表３、及び図６Ｂに示すように、分岐幅ＷＤ＝４００μｍと設定した場合、光スキャナ１の駆動電圧は、オフセット量ＯＳが０μｍから大きくなるほど次第に小さくなり、オフセット量ＯＳ＝３００μｍ近傍で極小値に達し、オフセット量ＯＳ＝３００μｍ近傍を超える領域で次第に大きくなる。しかし、オフセット量ＯＳ＝４５０μｍにおける駆動電圧は、オフセット量ＯＳ＝０μｍと比較して小さい。従って、オフセット量ＯＳ＞０μｍの場合、オフセット量ＯＳ＝０μｍの場合と比較して、駆動電圧が低減されることがわかる。

表４、及び図６Ｂに示すように、分岐幅ＷＤ＝５００μｍと設定した場合、光スキャナ１の駆動電圧は、オフセット量ＯＳが０μｍから大きくなるほど次第に小さくなり、オフセット量ＯＳ＝２００μｍ近傍で極小値に達し、オフセット量ＯＳ＝２００μｍ近傍を超える領域で次第に大きくなる。オフセット量ＯＳ＝４５０μｍにおける駆動電圧は、オフセット量ＯＳ＝０μｍと比較して大きいが、オフセット量ＯＳ＞０μｍの場合、オフセット量ＯＳ＜４００μｍ程度の範囲であれば、オフセット量ＯＳ＝０μｍの場合と比較して、駆動電圧が低減されることがわかる。

表２、表３、及び表４に示すように、オフセット量ＯＳ＜０μｍの場合、オフセット量ＯＳ＝０μｍの場合と比較して、大きな駆動電圧がかかることがわかる。従って、分岐幅ＷＤ＝３００、４００、５００μｍと設定した場合も、分岐幅ＷＤ＝２００μｍと設定した場合と同様に、ミラー部の重心ＧＣが、延長線ＸＴに対して、一対の駆動部４ａ、４ｂとは反対側ＣＳに位置する場合に限り、ミラー部の重心ＧＣが延長線ＸＴ上に位置する従来の光スキャナと比較して、小さな駆動電圧で、光スキャナ１の大きな光学振れ角を得ることができることがわかる。一方、ミラー部の重心ＧＣが、延長線ＸＴに対して、一対の駆動部４ａ、４ｂと同じ側ＳＳに位置する場合、ミラー部の重心ＧＣが延長線ＸＴ上に位置する従来の光スキャナと比較して、光スキャナ１の大きな光学振れ角を得るには、大きな駆動電圧が必要とされることがわかる。

表２に示したように、分岐幅ＷＤ＝３００μｍと設定した場合、オフセット量ＯＳ＞０μｍであれば、光スキャナ１の共振周波数は、オフセット量ＯＳが０μｍから大きくなるほど次第に大きくなり、オフセット量ＯＳ＝３５０μｍ近傍で極大値に達し、オフセット量ＯＳ＝３５０μｍ近傍を超える領域で次第に小さくなる。また、表３、表４に示したように、分岐幅ＷＤ＝４００、５００μｍと設定した場合、オフセット量ＯＳ＞０μｍであれば、光スキャナ１の共振周波数は、オフセット量ＯＳが０μｍから大きくなるほど次第に小さくなる。表２、表３、表４、及び図６Ｂに示したように、分岐幅ＷＤ＝３００、４００、及び５００μｍと設定した場合、各々、オフセット量ＯＳ＝３５０、３００、２５０μｍ近傍を超える領域において、オフセット量ＯＳを大きくしていくと、駆動電圧は次第に大きくなる。従って、光スキャナ１の駆動電圧を最大限低減しつつ、一定の共振周波数を保つためにも、オフセット量ＯＳを、分岐幅ＷＤの半分の長さをミラー部２の幅ＭＲの半分の長さから減じた長さ、即ち、各々、３５０、３００、２５０μｍに設定することが望ましい。

[構造体の製造方法]
図７を用いて、本実施形態における構造体の製造方法について説明する。構造体とは、ミラー部２の基板と可動梁３と固定部５とを指す。反射面６は、通常、ミラー部２の基板上に金等から成る金属膜が成膜されることにより形成される。

まず、図７に示すように、弾性を有する板状のシリコン基板が被エッチング材として準備される（ステップＳ１、以下Ｓ１と記す）。次に、シリコン基板の両面にフォトレジストが塗布され、シリコン基板の両面にレジスト膜が形成される。（Ｓ２）。レジスト膜が形成されると、フォトリソグラフィ技術が用いられ、レジスト膜に対して、所定のパターン光が露光される。所定のパターン光が露光されることにより、レジスト膜のうち不要な部分が除去される。これにより、シリコン基板の両面上に、各々、マスクパターンが形成される（Ｓ３）。マスクパターンが形成されると、シリコン基板とマスクパターンとの積層体が、エッチング溶液を収容しているエッチング槽に浸漬され、ウェットエッチングが施される（Ｓ４）。ウェットエッチングが施されると、シリコン基板とマスクパターンとの積層体が、エッチング槽から取り出され（Ｓ５）、続いて、マスクパターンがシリコン基板の両面から剥離される（Ｓ６）。以上の製造方法により、所定の形状をした構造体が製造される。

[光スキャナ使用例]
本実施形態に係る光スキャナ１の網膜走査ディスプレイ２０１における使用例について、図８を用いて説明する。網膜走査ディスプレイ２０１とは、ヘッドマウントディスプレイ装置（以後、「ＨＭＤ」と記す。）の一形態である。網膜走査ディスプレイ２０１は、装着者の頭部およびその近辺に装着され、画像光を装着者の眼に導き、装着者の網膜上で２次元方向に走査することにより、画像情報に対応する画像が装着者により視認されるように構成されたものである。本実施形態に係る光スキャナ１は、図８に示した共振型偏向素子２６１と偏向素子２８１とに用いられる。ただし、駆動制御部６０は、水平走査制御回路２６２と垂直走査制御回路２８２とに対応するものである。

網膜走査ディスプレイ２０１は、光束生成部２２０と、水平走査部２６０と、垂直走査部２８０とを備えている。

光束生成部２２０は、外部から供給される画像情報Ｓに基づいて画像光を生成し、生成された画像光を水平走査部２６０に供給する。水平走査部２６０は、光束生成部２２０により生成された画像光を水平方向に走査し、水平方向に走査された画像光をリレー光学系２７０を介して、垂直走査部２８０に供給する。垂直走査部２８０は、リレー光学系２７０を介して、水平走査部２６０から供給された画像光を垂直方向に走査し、垂直方向に走査された画像光をリレー光学系２９０を介して、装着者の瞳孔Ｅａに供給する。

光束生成部２２０は、信号処理回路２２１と、光源部２３０と、光合成部２４０と、を備えている。

信号処理回路２２１は、外部から供給された画像データＳを受信する。信号処理回路２２１は、画像データＳに基づいて、画像を合成するための要素となる青、赤、緑の各画像信号、Ｂ映像信号、Ｒ映像信号、Ｇ映像信号を生成し、光源部２３０に供給する。信号処理回路２２１は、水平走査部２６０を駆動するための水平同期信号を水平走査部２６０に供給し、垂直走査部２８０を駆動するための垂直同期信号を垂直走査部２８０に供給する。

光源部２３０は、信号処理回路２２１から供給されるＢ映像信号、Ｒ映像信号、Ｇ映像信号をそれぞれ画像光にする画像光出力部として機能する。光源部２３０は、青色の画像光を発生するＢレーザ２３４及びＢレーザ２３４を駆動するＢレーザドライバ２３１と、赤色の画像光を発生するＲレーザ２３５及びＲレーザ２３５を駆動するＲレーザドライバ２３２と、緑色の画像光を発生するＧレーザ２３６及びＧレーザ２３６を駆動するＧレーザドライバ２３３と、を備えている。

光合成部２４０は、光源部２３０から出力された３つの画像光を供給され、３つの画像光を１つの画像光に合成して任意の画像光を生成する。光合成部２４０は、コリメート光学系２４１、２４２、２４３と、このコリメートされた画像光を合成するためのダイクロイックミラー２４４、２４５、２４６と、合成された画像光を伝送ケーブル２５０に導く結合光学系２４７とを備えている。各レーザ２３４、２３５、２３６から出射したレーザ光は、コリメート光学系２４１、２４２、２４３によってそれぞれ平行光化された後に、ダイクロイックミラー２４４、２４５、２４６に入射される。その後、これらのダイクロイックミラー２４４、２４５、２４６により、各画像光が波長に関して選択的に反射または透過される。コリメート光学系２５１は、伝送ケーブル２５０を介して出射される画像光を平行光化し、水平走査部２６０に導く。

平行光化された画像光は、水平走査部２６０、リレー光学系２７０、垂直走査部２８０、及びリレー光学系２９０により、２次元的に走査された画像光に変換される。水平走査部２６０は、コリメート光学系２５１で平行光化された画像光を画像表示のために水平方向に往復走査する。リレー光学系２７０は、水平走査部２６０と垂直走査部２８０との間に設けられ、水平走査部２６０により走査された画像光を、垂直走査部２８０に導く。垂直走査部２８０は、水平走査部２６０で水平方向に走査された画像光を垂直方向に往復走査する。リレー光学系２９０は、水平方向と垂直方向とに走査（２次元的に走査）された画像光を瞳孔Ｅａへ出射する。

水平走査部２６０は、共振型偏向素子２６１と、水平走査制御回路２６２と、を備えている。本実施形態に係る光スキャナ１は、共振型偏向素子２６１に用いられる。共振型偏向素子２６１は、画像光を水平方向に走査するための反射面を有する。水平走査制御回路２６２は、信号処理回路２２１から供給される水平同期信号に基づいて、共振型偏向素子２６１を共振させる。リレー光学系２７０は、水平走査部２６０と垂直走査部２８０との間で画像光を中継する。共振型偏向素子２６１によって水平方向に走査された光は、リレー光学系２７０によって垂直走査部２８０内の偏向素子２８１の反射面に収束される。

垂直走査部２８０は、偏向素子２８１と、垂直走査制御回路２８２と、を備えている。本実施形態に係る光スキャナ１は、偏向素子２８１に用いられる。偏向素子２８１は、リレー光学系２７０により導かれた画像光を垂直方向に走査する。垂直走査制御回路２８２は、信号処理回路２２１から供給される垂直同期信号に基づいて、偏向素子２８１を揺動させる。共振型偏向素子２６１により水平方向に走査され、偏向素子２８１によって垂直方向に走査された画像光は、２次元的に走査された走査画像光としてリレー光学系２９０へ出射される。

リレー光学系２９０は、垂直走査部２８０と装着者の瞳孔Ｅａとの間で画像光を中継する。共振型偏向素子２６１により水平方向に走査され、偏向素子２８１によって垂直方向に走査された画像光は、リレー光学系２９０によって装着者の瞳孔Ｅａに収束される。このようにして、装着者は画像情報に対応する画像を視認することができる。

（変形例）
本実施形態において、延長線ＸＴに対して、駆動部４ａ、４ｂとは反対の側ＣＳに位置するミラー部２の一側端ＣＥと延長線ＸＴとの間の距離ＣＤは、延長線ＸＴに対して、駆動部４ａ、４ｂと同じ側ＳＳに位置するミラー部２の他側端ＳＥと延長線ＸＴとの間の距離ＳＤより大きい。これにより、ミラー部２の重心ＧＣは、延長線ＸＴに対して、駆動部４ａ、４ｂとは反対の側ＣＳに位置していた。しかし、これに限らず、ミラー部２に穴、溝、または重りを設けることにより、ミラー部２の重心ＧＣが、延長線ＸＴに対して、駆動部４ａ、４ｂとは反対の側ＣＳに位置するように構成してもよい。

本実施形態において、構造体は、ウェットエッチングを用いた手法により形成されていたが、これに限らず、例えば、ドライエッチングにより形成されてもよい。

本実施形態において、構造体は、図７に示したように一度のマスクパターン形成と、一度のウェットエッチングにより製造されていたが、これに限らず、これらの製造工程は複数回行われてもよい。

本実施形態において、構造体を製造する際のマスクパターンは、シリコン基板に直接フォトレジストを塗布し、その後所定のパターン光を露光することで形成されていたが、これに限らず、例えば、シリコン基板を熱し、シリコン基板の両面にシリコン熱酸化膜を形成した後、シリコン熱酸化膜上にレジストを塗布し、その後所定のパターン光を露光することで所定の形状をしたレジスト膜を形成し、フッ酸等を用いて、シリコン熱酸化膜のうちの余分な部分を除去することで、マスクパターンを形成してもよい。

本実施形態において、光スキャナ１の使用例として、網膜走査ディスプレイ２０１を示したが、これに限らず、電子写真式複合機や、レーザプリンタ、バーコードリーダ等に用いられてもよい。

１ 光スキャナ
２ ミラー部
３ 可動梁
４ａ、４ｂ 駆動部
５ 固定部
６ 反射面
７ａ、７ｂ 支持梁
８ａ、８ｂ 延出梁
９ａ〜９ｄ 連結梁
１０ａ、１０ｂ 圧電体
１１ａ、１１ｂ 上部電極
１２ａ、１２ｂ 下部電極
６０ 駆動制御部
ＳＷ 揺動軸線
ＸＴ 延長線
ＯＳ オフセット量

Claims (5)

1. 入射した光束を反射して、走査する光スキャナであって、
   揺動軸線の回りに揺動可能な反射面を有するミラー部と、
   前記揺動軸線に平行な方向に前記ミラー部の両側から延出する一対のミラー支持梁と、前記一対のミラー支持梁の各々に連結する一対の第１連結部を有し、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に垂直な方向において、前記第１連結部から前記ミラー支持梁の両側に延出する一対の延出梁と、前記一対の延出梁の両端の各々に連結する４つの第２連結部を有し、前記揺動軸線に平行に前記ミラー部から離れる方向に、前記第２連結部から延出する４つの連結梁と、を有する可動梁と、
   前記４つの連結梁に連結する固定部と、
   前記４つの連結梁のうち前記一対のミラー支持梁を結ぶ延長線に対して片側に位置する一対の連結梁と前記固定部とに跨って設けられ、前記可動梁を駆動するための一対の駆動部と、を備え、
   前記ミラー部の重心は、前記延長線に対して、前記一対の駆動部とは反対側に位置することを特徴とする光スキャナ。
2. 前記一対の駆動部は、各々、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に平行に伸縮する圧電体と前記圧電体を挟んだ両側に設けられた一対の電極と、を備え、
   前記一対の駆動部の前記圧電体が、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に平行な方向において、共に伸び、または縮むように、前記一対の駆動部に対し同位相の駆動信号を供給する駆動制御部を備えることを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。
3. 前記延長線を挟んで対向する一対の前記連結梁間の分岐幅は、前記ミラー部の、前記反射面に平行な面上で、且つ前記揺動軸線に垂直な方向のミラー幅の半分より小さく、
   前記ミラー部の重心と前記延長線との間の距離は、前記分岐幅の半分の長さを前記ミラー幅の半分から減じた長さであることを特徴とする請求項１〜２のいずれかに記載の光スキャナ。
4. 前記延長線に対して、前記一対の駆動部とは反対側に位置する前記ミラー部の一側端と前記延長線との間の距離が、前記延長線に対して、前記一対の駆動部と同じ側に位置する前記ミラー部の他側端と前記延長線との間の距離とは異なることで、前記ミラー部の重心は、前記延長線に対して、前記一対の駆動部とは反対側に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光スキャナ。
5. 前記ミラー部が穴、溝、または重りを有することにより、前記ミラー部の重心は、前記延長線に対して、前記一対の駆動部とは反対側に位置することを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光スキャナ。