JP5004245B2 - 光走査装置 - Google Patents
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Description
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
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。
(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。
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。
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。
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。
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)
- 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。
- 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。
- 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。
- 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。
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