JP5076526B2 - 光学反射素子 - Google Patents

Description

本発明は、レーザ光を用いた光学反射投射装置等に用いられる光学反射素子に関するものである。

従来この種の光学反射素子は、図１１に示すごとく、枠体１と、この枠体１に溝２で分離されるとともに溝２内に設けられた支軸３により枠体１に支持された枠体４と、枠体４に溝５で分離されるとともに溝５内に設けられた支軸６により枠体４に支持された光学反射部７と、枠体１にその一端を接続されるとともに、その他端を支軸３に接続された圧電振動板９と、枠体４にその一端を接続されるとともに、その他端を支軸６に接続された圧電振動板１１とを備え、支軸６は支軸３にその軸方向が直交するように設け、支軸３を中心として枠体４が、支軸６を中心として光学反射部７が揺動運動をすることにより、光学反射部に入射する光の反射光を２次元的に走査する構成を実現していた。

なお、この出願に関する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
特開２００５−１４８４５９号公報

このような従来の光学反射素子では、光学反射部７に所定の大きさの振幅を持つ揺動運動をさせるために、大きな駆動電圧を圧電振動板９に与える必要があることが問題となっていた。

すなわち、上記従来の構成においては、圧電振動板９の他端と支軸８との接続点が、圧電振動板９の他端における略中央からずれた位置に配置されているため、圧電振動板９から振動として伝達される運動エネルギーが、支軸８に対して垂直方向と平行方向に分散されてしまい、支軸８に対して平行方向のベクトルが大きくなればなるほど、支軸８に揺動運動を与える垂直方向のベクトルが小さくなり、その結果として、光学反射部７に所定の揺動運動をさせるために、大きな駆動電圧を圧電振動板１１に与える必要があった。

そこで本発明は、圧電振動板と支軸とを有する光学反射素子において、小さな駆動電圧を圧電振動板に与えることで光学反射部に所定の大きさの振幅を持つ揺動運動をさせる構成を実現することを目的とする。

そして、この目的を達成するために本発明は、第１の枠体と、この第１の枠体内に第１の溝で分離されるとともにこの第１の溝内に設けられた第１の支軸により前記第１の枠体に支持された第２の枠体と、この第２の枠体内に第２の溝で分離されるとともにこの第２の溝内に設けられた第２の支軸により前記第２の枠体に支持された光学反射部と、前記第１の枠体にその一端を接続されるとともにその他端を前記第１の支軸に接続された第１の圧電振動板と、前記第２の枠体にその一端を接続されるとともにその他端を前記第２の支軸に接続された第２の圧電振動板とを備え、前記第２の支軸は前記第１の支軸にその軸方向が直交するよう設けるとともに、前記第１の圧電振動板の他端と前記第１の支軸との接続点は前記第１の圧電振動板の他端における略中央に配置する構成とし、前記第１の圧電振動板の上面に電極端子が形成され、第１の圧電振動板における他端の剛性は前記第１の圧電振動板における電極端子形成部の剛性よりも低い構成としたものである。

この構成により、本発明の光学反射素子は、第１の圧電振動板から振動として伝達される運動エネルギーが、第１の支軸に対して垂直方向と平行方向に分散されてしまうのを抑制し、第１の支軸に対して平行方向のベクトルを極力小さくすることにより、第１の支軸に揺動運動を与える垂直方向のベクトルの大きさを確保することができ、その結果として、小さな駆動電圧を圧電振動板に与えることで光学反射部に所定の大きさの振幅を持つ揺動運動をさせ、光学反射部に入射する光の反射光を２次元的に走査する構成を実現し、さらに、より小さい電圧で光学反射部に所定の揺動運動をさせる構成を実現することができるのである。

（実施の形態１）
以下、本発明の実施の形態１における光学反射素子について、図面を参照しながら説明する。

図１に示すごとく、本実施の形態における光学反射素子は、その枠体１２の内部に溝１３を設けており、この溝１３により枠体１２から分離された枠体１５が、溝１３内に設けた支軸１４により枠体１２に支持されている。

この枠体１５の内部には溝１６を設けており、この溝１６により枠体１５から分離された光学反射部１８が、溝１６内に設けられた支軸１７により枠体１５に支持されている。

ここで、支軸１７は、支軸１４にその軸方向が直交するよう設けている。

そして、枠体１２にその一端を接続されるとともに、その他端を支軸１４に接続される圧電振動板２０と、枠体１５にその一端を接続されるとともに、その他端を支軸１７に接続された圧電振動板２２とを備えている。

次に、より具体的な構成を、上面図である図２と、この図２のＡ−ＡＡ断面図である図３と、図２のＢ−ＢＢ断面図である図４を用いて説明する。なお、図２において溝１３、１６は斜線部で示している。

図２に示す枠体１２、１５は、図３に示すごとく、シリコン基板２３上面に熱処理等によりシリコン酸化膜２４を形成し、このシリコン酸化膜２４の上面にスパッタ等により白金層２５を形成し、この白金層２５の上面にスパッタ等によりチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等からなる圧電体層２６を形成して構成している。なお、溝１３はエッチングにより形成している。

図２に示す圧電振動板２０駆動用の電極端子２７は、図４に示すごとく、圧電体層２６の上面に金などを蒸着することにより形成しており、図２に示す圧電振動板２２駆動用の電極端子２８も同様に、図４に示すごとく、圧電体層２６の上面に金などを蒸着することにより形成している。そして、図２に示す下部電極引出端子２９は、図４に示すごとく、圧電体層２６の一部をエッチングにより除去して白金層２５を一旦露出させ、この露出した白金層２５の上面に金などを蒸着することにより形成している。

ここで、本実施の形態における光学反射素子の動作原理について説明する。

まず、図５に示すごとく、支軸１４を中心として線対称に配置した２つの圧電振動板２０Ａ、２０Ｂ上に形成した２つの電極端子２７Ａ、２７Ｂに交流電圧を印加し、図２、４に示す下部電極引出端子２９をグランドに接続する。ここで、２つの電極端子２７に印加する交流電圧は互いに１８０度位相をずらしている。

そうすると、例えば図２に示す圧電振動板２０の側面図である図６に示すごとく、一方の圧電振動板２０Ａがその下面に凸面ができるよう反り返るとともに、他方の圧電振動板２０Ｂがその下面に凹面ができるよう反り返る。これは、その上面を略一定の体積で留まっている電極端子２７Ａにより保持された圧電振動板２０Ａの体積が、上記交流電圧の印加に伴い増加することと、その上面を略一定の体積で留まっている電極端子２７Ｂにより保持された圧電振動板２０Ｂの体積が、上記交流電圧の印加に伴い減少することによるものである。この２つの圧電振動板２０Ａ、２０Ｂの反り返りにより、支軸１４がある角度に傾斜する。

次に、２つの電極端子２７Ａ、２７Ｂに印加される電圧値が等しくなると、図５に示すごとく圧電振動板２０Ａ、２０Ｂの反り返りがなくなり、支軸１４の傾斜もなくなる。

その後、図６に示したのと逆の電圧が圧電振動板２０Ａ、２０Ｂに印加されると、上述の原理により支軸１４が図６と逆方向に傾斜し、次に、２つの電極端子２７に印加される電圧値が再び等しくなると、図５に示すごとく圧電振動板２０Ａ、２０Ｂの反り返りがなくなり、支軸１４の傾斜もなくなる。

支軸１４がこのような揺動運動を繰り返すことにより、枠体１５がこの支軸１４を中心としてねじれ共振現象により揺動運動を行う。以下、この支軸１４を中心とした枠体１５の揺動運動をＸ軸方向の揺動運動と記載する。

同様に、光学反射部１８は支軸１７を中心としてねじれ共振現象により揺動運動を行う。以下、この支軸１７を中心とした光学反射部１８の揺動運動をＹ軸方向の揺動運動と記載する。

このように、枠体１５にＸ軸方向の揺動運動をさせるとともに、この枠体１５に支軸１４により支持された光学反射部１８にＹ軸方向の揺動運動をさせることにより、図７に示すごとく、レーザ３０から入射するとともに光学反射部１８により反射された光をスクリーン３１上に２次元的に走査させる事ができ、その結果として光学反射像３２を結像させることができるのである。なおこの時、枠体１５のねじれ共振周波数と光学反射部１８のねじれ共振周波数とは異なる値に設定しておくことが必要である。反射光をスクリーン３１上に２次元的に走査するためである。

そして、本実施の形態における光学反射素子は、図２に示すごとく、圧電振動板２０の他端と支軸１４との接続点１９を圧電振動板２０の他端における略中央に配置する構成としている。

この構成により、圧電振動板２０から振動として伝達される運動エネルギーが、支軸１４に対して垂直方向と平行方向に分散されてしまうのを抑制し、支軸１４に対して平行方向のベクトルを極力小さくすることにより、支軸１４に揺動運動を与える垂直方向のベクトルの大きさを確保することができ、その結果として、小さな駆動電圧を圧電振動板２０に与えることで枠体１５並びに光学反射部１８に所定の大きさの振幅を持つＸ軸方向の揺動運動をさせる構成を実現することができるのである。

また、接続点１９を支軸１４の略中央に接続する構成とすることにより、上述の走査に対する外乱の影響を抑制することができる。

即ち、支軸１４において、枠体１２側からと枠体１５側から同様の外乱振動が伝達された場合、支軸１４の略中央にてこれら外乱振動が相殺されることとなる。この外乱が相殺されるポイントに光学反射部１８の駆動源である圧電振動板２０の他端を接続することにより、上述の走査に対する外乱の影響を抑制することができるのである。

さらに、本実施の形態においては、図２に示すごとく、圧電振動板２２の他端と支軸１７との接続点２１を圧電振動板２２の他端における略中央に配置する構成としている。

この構成により、圧電振動板２２から振動として伝達される運動エネルギーが、支軸１７に対して垂直方向と平行方向に分散されてしまうのを抑制し、支軸１７に対して平行方向のベクトルを極力小さくすることにより、支軸１７に揺動運動を与える垂直方向のベクトルの大きさを確保することができ、その結果として、小さな駆動電圧を圧電振動板２０に与えることで光学反射部１８に所定の大きさの振幅を持つＹ軸方向の揺動運動をさせる構成を実現することができるのである。

また、上述のとおり、接続点２１を支軸１７の略中央に接続する構成とすることにより、上述の走査に対する外乱の影響を抑制することができる。

さらに、圧電振動板２０における他端の太さは、圧電振動板２０における電極端子２７形成部の太さよりも細い構成とすることにより、より小さい電圧で光学反射部１８に所定の揺動運動をさせる構成を実現することができる。

さらに、支軸１４に接続される圧電振動板２０における他端を細くすることでその剛性を下げることにより、支軸１４と圧電振動板２０との界面にて生じる運動エネルギーの伝達損失を抑制することができ、その結果として、より小さい電圧で光学反射部１８に所定の大きさの振幅を持つ揺動運動をさせる構成を実現することができるのである。

同様に、支軸１７に接続される圧電振動板２２における他端を細く構成し、その剛性を下げることにより、より小さい電圧で光学反射部１８に所定の大きさの振幅を持つ揺動運動をさせる構成を実現することができる。

また、光学反射部１８の厚みを枠体１２の厚みよりも厚い構成とすることにより、図７に示した光学反射像３２における歪みの発生を低減することができる。

即ち、光学反射部１８の厚みを厚くすることにより、光学反射部１８自体が撓む事を抑制することにより、光学反射像３２における撓みの発生を低減することができるのである。

さらに、図８に示すごとく、光学反射部１８における光学反射面の裏面に凹部１８Ａを設けることにより、より小さい電圧で光学反射部１８に所定の大きさの振幅を持つ揺動運動をさせる構成を実現することができる。

即ち、光学反射部１８において、光学反射像３２の結像に寄与しない裏面側に凹部１８Ａを設けることにより、光学反射部１８全体の重量を低減することができ、その結果として、より小さい電圧で光学反射部１８に所定の大きさの振幅を持つ揺動運動をさせる構成を実現することができるのである。

また、図８に示すごとく、光学反射部１８における最薄部の厚みＷ１と、枠体１５及び支軸１７の厚みＷ２とを略同一とすることにより、生産性の向上を図ることができる。

即ち、一回のエッチングにより光学反射部１８における最薄部と枠体１５とを同時に形成することができるため、生産性の向上を図ることができるのである。

最後に、この光学反射素子における光学反射部１８の揺動運動角を一定に保つ制御方法について説明する。

まず、図９に示すごとく、本実施の形態に示す光学反射素子とオペアンプ３３とを電気的に接続することにより自励発振を起こさせる。

具体的には、まず、オペアンプ３３の出力端３３Ｃから、圧電振動板２０Ａ上に形成されるとともに圧電振動板２０Ａ外まで引き伸ばされた電極端子２７Ａに駆動信号が送信される。

この駆動信号により圧電振動板２０Ａがある大きさの振幅で振動し、この振動が圧電振動板２０Ｂに機械的に伝達される。

次に、圧電振動板２０Ｂ上に形成されるとともに、圧電振動板２０Ｂ外まで引き伸ばされた電極端子２７Ｂから、オペアンプ３３の入力端３３Ａに、前記振動振幅の大きさに起因した値を有するモニター信号が伝達される。

一方、オペアンプ３３の入力端３３Ｂには参照信号発信機３４Ａを接続しており、この参照信号発信機３４Ａからの参照信号が入力端３３Ｂに入力される。

ここで、入力端３３Ａに入力されるモニター信号の値が前記参照信号の値よりも大きい場合には、オペアンプ３３が先ほどよりも小さい値の駆動信号を電極端子２７Ａに与え、入力端３３Ａに入力されるモニター信号の値が前記参照信号の値よりも小さい場合には、オペアンプ３３が先ほどよりも大きい値の駆動信号を電極端子２７Ａに与える。

このようなフィードバック制御により、圧電振動板２０Ａの振動振幅を一定の大きさに保つことができ、その結果として枠体１５並びに光学反射部１８のＸ軸方向の揺動運動角を一定の大きさに保つことができる。

同様に、図１０に示すごとく、オペアンプ３５の出力端３５Ｃから、圧電振動板２２Ａ上に形成されるとともに圧電振動板２２Ａ外まで引き伸ばされた電極端子２８Ａに駆動信号が送信される。

この駆動信号により圧電振動板２２Ａがある大きさの振幅で振動し、この振動が圧電振動板２２Ｂに機械的に伝達される。

次に、圧電振動板２２Ｂ上に形成されるとともに、圧電振動板２２Ｂ外まで引き伸ばされた電極端子２８Ｂから、オペアンプ３５の入力端３５Ａに、前記振動振幅の大きさに起因した値を有するモニター信号が伝達される。

一方、オペアンプ３５の入力端３５Ｂには参照信号発信機３４Ｂを接続しており、この参照信号発信機３４Ｂからの参照信号が入力端３５Ｂに入力される。

ここで、入力端３５Ａに入力されるモニター信号の値が前記参照信号の値よりも大きい場合には、オペアンプ３５が先ほどよりも小さい値の駆動信号を電極端子２８Ａに与え、入力端３５Ａに入力されるモニター信号の値が前記参照信号の値よりも小さい場合には、オペアンプ３５が先ほどよりも大きい値の駆動信号を電極端子２８Ａに与える。

このようなフィードバック制御により、圧電振動板２２Ａの振動振幅を一定に保つことができ、その結果として光学反射部１８のＹ軸方向の揺動運動角を一定に保つことができるのである。

本発明の光学反射素子は、小さな駆動電圧を圧電振動板に与えることで光学反射部に所定の揺動運動をさせる構成を実現することができ、レーザプリンター等の各種電気機器において有用である。

本発明の実施の形態１における光学反射素子の斜視図 本発明の実施の形態１における光学反射素子の上面図 本発明の実施の形態１における光学反射素子の断面図 本発明の実施の形態１における光学反射素子の断面図 本発明の実施の形態１における光学反射素子の動作原理を示す側面図 本発明の実施の形態１における光学反射素子の動作原理を示す側面図 本発明の実施の形態１における光学反射素子による光学反射像結像の様子を示す斜視図 本発明の実施の形態１における光学反射素子の一部を下方から見た斜視図 本発明の実施の形態１における光学反射素子の制御方法を示すブロック図 本発明の実施の形態１における光学反射素子の制御方法を示すブロック図 従来の光学反射素子の上面図

１２ 枠体
１３ 溝
１４ 支軸
１５ 枠体
１６ 溝
１７ 支軸
１８ 光学反射部
１９ 接続点
２０ 圧電振動板
２１ 接続点
２２ 圧電振動板

Claims (3)

1. 第１の枠体と、
   この第１の枠体内に第１の溝で分離されるとともに、
   この第１の溝内に設けられた第１の支軸により、
   前記第１の枠体に支持された第２の枠体と、
   この第２の枠体内に第２の溝で分離されるとともに、
   この第２の溝内に設けられた第２の支軸により、
   前記第２の枠体に支持された光学反射部と、
   前記第１の枠体にその一端を接続されるとともに、
   その他端を前記第１の支軸に接続された第１の圧電振動板と、
   前記第２の枠体にその一端を接続されるとともに、
   その他端を前記第２の支軸に接続された第２の圧電振動板とを備え、
   前記第１の圧電振動板の上には電極端子が形成され、
   前記第２の支軸は前記第１の支軸にその軸方向が直交するよう設けるとともに、
   前記第１の圧電振動板の他端と前記第１の支軸との接続点は、
   前記第１の圧電振動板の他端における略中央に配置し、
   前記第１の圧電振動板は、
   前記第１の支軸に接続される他端の剛性を前記第１の圧電振動板における電極端子形成部の剛性よりも低い構成とした
   光学反射素子。
2. 第２の圧電振動板の他端と第２の支軸との接続点は
   前記第２の圧電振動板の他端における略中央部に配置する構成とした
   請求項１に記載の光学反射素子。
3. 第２の圧電振動板は、
   上部に電極端子が形成され、
   前記第２の支軸に接続される他端の剛性を前記第２の圧電振動板における電極端子形成部の剛性よりも低い構成とした
   請求項１または請求項２に記載の光学反射素子。

Images