JP5157857B2

JP5157857B2 - 振動ミラー素子

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Publication number: JP5157857B2
Application number: JP2008310365A
Authority: JP
Inventors: 伊策神野; 学村山; 仁藤井
Original assignee: Funai Electric Co Ltd
Current assignee: Funai Electric Co Ltd
Priority date: 2008-12-05
Filing date: 2008-12-05
Publication date: 2013-03-06
Anticipated expiration: 2028-12-05
Also published as: CN101750734B; JP2010134208A; TW201022720A; KR20100065124A; US8416484B2; US20100142023A1; CN101750734A; TWI481900B; KR101623211B1

Description

この発明は、振動ミラー素子に関し、特に、駆動部を備える振動ミラー素子に関する。

従来、駆動部を備える振動ミラー素子が知られている（たとえば、特許文献１〜７参照）。

上記特許文献１には、反射ミラー部と、反射ミラー部の両側にそれぞれ一方端部側が接続され、反射ミラー部を振動可能に支持する一対の第１のばね部と、一対の第１のばね部の他方端部にそれぞれ接続されるとともに２つに分岐する一対の第２のばね部と、一対の第２のばね部の４箇所の分岐部分の上部に配置された、圧電体からなる駆動源とを備える振動体（振動ミラー素子）が開示されている。この振動体の一対の第１のばね部はねじり振動可能であり、一対の第２のばね部は曲げ振動およびねじり振動可能なように構成されている。これによって、駆動源からの振動が一対の第２のばね部の曲げ振動となり、一対の第２のばね部の曲げ振動が一対の第１のばね部のねじり振動になることによって、反射ミラー部が光の反射方向を変化させることができるように構成されている。また、第２のばね部の上部に配置された駆動源は、第１のばね部および反射ミラー部とは反対側に延びるように構成されている。さらに、第１のばね部と第２のばね部とは一体的に形成されているとともに、第１のばね部の断面２次モーメントは、第２のばね部の断面２次モーメントに比べて大きくなるように構成されていることにより、第１のばね部の幅は、駆動源が上部に配置された第２のばね部の幅よりも大きくなるように構成されていると考えられる。

また、上記特許文献２には、ミラーと、ミラーの両側にそれぞれ一方端部側が接続され、ミラーを支持する支持部を有し、ミラーの外周側にミラーを取り囲むように形成された長方形の可動枠と、可動枠の４辺のすべての上部に配置された圧電素子とを備える光走査型装置が開示されている。この光走査型装置は、圧電素子を可動枠の４辺のすべてに配置することによって、支持部をねじることなく可動枠を変位させることができるように構成されている。

また、上記特許文献３には、ミラー部と、ミラー部の両側にそれぞれ一方端部側が接続され、ミラーを支持する梁と、梁を上下方向からそれぞれ挟み込むように一対ずつ配置され、梁を回動させるための４本の腕と、４本の腕にそれぞれ設けられた圧電膜とを備える駆動ミラーが開示されている。

また、上記特許文献４には、偏光器（ミラー部）と、中間部を弓状に撓ませた状態で両端部が固定されるとともに、偏光器が略中央に固定されている弾性体と、弾性体の一方端部上に固定され、圧電素子からなる駆動手段とを備えたスキャン装置が開示されている。

また、上記特許文献５には、回動ミラーと、弾性部材と圧電部材とを貼り合わせた３本のカンチレバーとを備えた走査ミラーが開示されている。この走査ミラーでは、３本のカンチレバーの自由端は、それぞれ、回動ミラーの周辺部の上方に配置されている。この３本のカンチレバーにそれぞれ電圧を印加することによって、カンチレバーの自由端を上下に移動させて回動ミラーの周辺部を押圧することによって、回動ミラーを傾斜させるように構成されている。

また、上記特許文献６には、ミラー部と、ミラー部の両側にそれぞれ一方端部側が接続され、ミラー部を支持する捻れ梁部を有する基板と、基板の一部に配置された圧電体とを備える光走査装置（振動ミラー素子）が開示されている。この光走査装置は、圧電体からの振動により基板全体が振動することによって、捻れ梁部が捻れ振動する。これにより、ミラー部を傾斜させるように構成されている。

また、上記特許文献７には、ミラー部と、ミラー部を両側から揺動可能に支持する一対のトーションバーと、一対のトーションバーの端部を支持し、ミラー部を囲むように形成される可動枠と、トーションバーを挟んで対称に配置され、一対のトーションバーの近傍でミラー部を別途支持する先端駆動部と、先端駆動部の近傍にトーションバーを挟んで対称に配置された圧電ユニモルフ振動板とを備える２次元光スキャナ（振動ミラー素子）が開示されている。この２次元光スキャナでは、トーションバーの一方側に配置された先端駆動部が上方向に動く際に、トーションバーの他方側に配置された先端駆動部が下方向に動くように構成することによって、ミラー部およびトーションバーを傾斜させるように構成されている。ここで、圧電ユニモルフ振動板は、一対のトーションバーを挟んで対称に配置されているので、２次元光スキャナに計４つ形成されている。

特許第３９５６９３３号公報特開２００７−３１２４６５号公報特開２００７−１０８２３号公報特許第３７６７５７７号公報特開２００４−３６１８８９号公報特開２００６−２９３１１６号公報特許第４０９２２８３号公報

しかしながら、上記特許文献１に記載の振動体（振動ミラー素子）では、第１のばね部の幅が、駆動源が上部に配置された第２のばね部の幅よりも大きくなるように構成されているため、第１のばね部が変形しにくいという不都合がある。このため、第２のばね部の曲げ振動が第１のばね部のねじり振動になる際に、第１のばね部のねじり振動が小さくなることによって、反射ミラー部での傾斜および振動が小さくなるという問題点があると考えられる。また、第２のばね部の上部に配置された駆動源が、第１のばね部および反射ミラー部とは反対側に延びるように構成されているため、平面的に見て、駆動源と第１のばね部および反射ミラー部とが占める領域が、駆動源が延びる方向に細長い形状になるという不都合がある。このため、振動体を装置に組み込む際に、細長い形状は装置の設計上制約となりやすく、装置の小型化を図るのが困難になるという問題点もあると考えられる。また、圧電体からなる駆動源が４つ設けられているため、圧電体と外部との電気的接続を行うための構造が複雑になるという問題点もある。

また、上記特許文献２に記載の光走査型装置では、支持部をねじらないように構成しているため、支持部での共振が抑制されることによりミラーでの傾斜および振動が小さくなるという問題点があると考えられる。また、４本の腕にそれぞれ圧電素子を備えるため、圧電素子と外部との電気的接続を行うための構造が複雑になるという問題点もある。

また、上記特許文献３に記載の駆動ミラーでは、梁の幅が、圧電膜が設けられた４本の腕の幅と略同一になるように構成されていると考えられるため、梁が変形しにくいという不都合があると考えられる。このため、梁のねじり振動が小さくなることによって、ミラー部での傾斜および振動が小さくなるという問題点があると考えられる。

また、上記特許文献４および５に記載のスキャン装置（走査ミラー）では、直接弾性体（カンチレバー）に圧電素子（圧電部材）が設けられているため、弾性体（カンチレバー）を共振させることが困難であるという不都合があると考えられる。このため、偏光器（回動ミラー）を共振させるのが困難であるので、偏光器（回動ミラー）での振動を大きくするのが困難であるという問題点があると考えられる。

また、上記特許文献６に記載の光走査装置では、基板全体を振動させる必要があるため、ミラー部での振動を大きくするのが困難であるという問題点があると考えられる。

また、上記特許文献７に記載の２次元光スキャナでは、４つの圧電ユニモルフ振動板を備えるため、圧電ユニモルフ振動板と外部との電気的接続を行うための構造が複雑になるという問題点がある。

この発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、この発明の１つの目的は、装置の小型化および構造の簡素化を図りながら、ミラー部での振動を大きくすることが可能な振動ミラー素子を提供することである。

課題を解決するための手段および発明の効果

この発明の一の局面による振動ミラー素子は、光を反射させるミラー部と、ミラー部の両側にそれぞれ一方端部側が接続され、ミラー部を振動可能に支持する一対の第１梁部と、一対の第１梁部の他方端部側とそれぞれ接続される一対の第２梁部と、一対の第２梁部の一方端部および他方端部とそれぞれ接続され、ミラー部を振動させるための一対の駆動部とを備え、平面的に見て、ミラー部は、一対の第２梁部と一対の駆動部とに囲まれる領域に配置されるとともに、一対の第１梁部の幅および一対の第２梁部の幅は、一対の駆動部の幅よりも小さくなるように構成されており、一対の駆動部の長手方向の略中央部近傍にそれぞれ設けられ、一対の駆動部が振動する際の固定端として機能するとともに、一対の駆動部を固定するための一対の固定部をさらに備え、一対の駆動部の両端部は、それぞれ、自由端になるように構成されており、一対の第２梁部は、一対の駆動部が変形することによって、それぞれ、傾斜可能なように構成されているとともに、一対の第１梁部は、一対の第２梁部が傾斜することによって、ミラー部を傾斜させるように構成されており、一対の駆動部の端部のうち少なくとも１つは、第２梁部の端部と駆動部との接続部よりも外側に突出するように延びている。

この一の局面による振動ミラー素子では、上記のように、ミラー部を一対の第２梁部と一対の駆動部とに囲まれる領域に配置することによって、ミラー部が設けられている側に駆動部が延びるように構成することができるので、駆動部が延びる方向に細長い形状になるのを抑制することができる。これにより、装置の小型化を図ることができる。また、駆動部は一対設けられているので、駆動部が３つ以上設けられている場合と比べて、駆動部と外部との電気的接続を行うための構造を簡素化することができる。また、第１梁部および第２梁部に直接駆動部が設けられていないので、第１梁部を容易に共振させることができる。これにより、ミラー部の振動を大きくすることができる。また、一対の第１梁部の幅および一対の第２梁部の幅を、一対の駆動部の幅よりも小さくなるように構成することによって、一対の第１梁部および一対の第２梁部を容易に変形させることができるので、これによっても、ミラー部の振動を大きくすることができる。
また、一対の駆動部の長手方向の略中央部近傍にそれぞれ設けられ、一対の駆動部が振動する際の固定端として機能するとともに、一対の駆動部を固定するための一対の固定部をさらに備える。このように構成すれば、一対の駆動部を、一対の駆動部の長手方向の略中央部を固定端として振動させることができるので、一対の駆動部の両端部の変形量が略同一になるように一対の駆動部を振動させることができる。これにより、一対の駆動部の両端部の変形量が異なることによって、一対の第２梁部を介して、一対の第１梁部のどちらか一方が他方に比べて変形量が大きくなることを抑制することができるので、第１梁部の破損を抑制することができる。
また、一対の駆動部の両端部は、それぞれ、自由端になるように構成されており、一対の第２梁部は、一対の駆動部が変形することによって、それぞれ、傾斜可能なように構成されているとともに、一対の第１梁部は、一対の第２梁部が傾斜することによって、ミラー部を傾斜させるように構成されている。このように構成すれば、一対の駆動部が変形することによって、一対の第２梁部および一対の第１梁部を介して、ミラー部を傾斜させることができるので、ミラー部を傾斜させる方向を交互に変化させることにより、ミラー部を振動させることができる。
また、一対の駆動部の端部のうち少なくとも１つは、第２梁部の端部と駆動部との接続部よりも外側に突出するように延びている。このように構成すれば、駆動部の端部が、第２梁部の端部と駆動部との接続部よりも外側に突出するように延びていない場合と比べて、駆動部の外側に突出する部分による駆動力が働くので、ミラー部での傾斜をより大きくすることができる。なお、一対の駆動部の端部のうち少なくとも１つを、第２梁部の端部と駆動部との接続部よりも外側に突出するように延びるように構成することにより、ミラー部での傾斜をより大きくすることができる点は、後述のように本願発明者がシミュレーションによって検証済みである。

この場合において、好ましくは、一対の第１梁部は、一対の第２梁部が傾斜することによって、それぞれ、ねじり変形可能なように構成されており、ミラー部は、一対の第２梁部の傾斜と一対の第１梁部のねじり変形とによって傾斜するように構成されている。このように構成すれば、ミラー部を、一対の第２梁部の傾斜のみでなく一対の第１梁部のねじり変形によっても傾斜させることができるので、ミラー部での傾斜および振動をより大きくすることができる。

上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、一対の第２梁部は、平面的に見て、それぞれ、一対の第２梁部の略中央部において一対の第１梁部の他方端部と略垂直に接続されているとともに、一対の駆動部は、平面的に見て、それぞれ、一対の第２梁部の一方端部および他方端部と略垂直に接続されている。このように構成すれば、振動ミラー素子全体が占める平面的な面積を小さくすることができるので、装置をより小型化することができる。

上記一の局面による振動ミラー素子において、好ましくは、駆動部のミラー部の周囲に対応する部分には、平面的に見て、ミラー部の周囲に沿うように凹部が形成されている。このように構成すれば、駆動部とミラー部とを近接して配置することができるので、振動ミラー素子全体が占める平面的な面積をより小さくすることができる。これにより、装置をさらに小型化することができる。

以下、本発明を具体化した実施形態を図面に基づいて説明する。

図１は、本発明の一実施形態による振動ミラー素子の全体構成を示した斜視図である。また、図２〜図５は、図１に示した本発明の一実施形態による振動ミラー素子の詳細な構成を示した図である。まず、図１〜図５を参照して、本発明の一実施形態による振動ミラー素子１０の構成について説明する。

本発明の一実施形態による振動ミラー素子１０は、図１および図２に示すように、基板２０と、基板２０上に配置された圧電素子３０および４０とから構成されている。この基板２０は、図２に示すように、光を反射させるミラー部２１と、同一の形状を有するトーションバー２２および２３と、同一の形状を有するバー２４および２５と、Ｘ１方向側に形成された可動部２６と、可動部２６と同一の形状を有し、Ｘ２方向側に形成された可動部２７とを含む。また、トーションバー２２およびバー２４は、ミラー部２１のＹ１方向側に形成されているとともに、トーションバー２３およびバー２５は、ミラー部２１のＹ２方向側に形成されている。また、基板２０は、可動部２６のＸ１方向側および可動部２７のＸ２方向側に、それぞれ、固定部２８および２９をさらに含んでいる。また、図３および図４に示すように、基板２０は、Ｚ方向に約６０μｍの厚みｔ１を有する。なお、トーションバー２２および２３は、それぞれ、本発明の「第１梁部」の一例であり、バー２４および２５は、それぞれ、本発明の「第２梁部」の一例である。

また、図２に示すように、基板２０のミラー部２１は、平面的に見て、約１．０ｍｍの直径の円形状を有している。このミラー部２１は、ミラー部２１の中心を通るＹ方向に延びる線上のＹ１方向側においてトーションバー２２のＹ２方向側の端部２２ａと接続されているとともに、Ｙ２方向側においてトーションバー２３のＹ１方向側の端部２３ａと接続されている。また、ミラー部２１は、トーションバー２２および２３によってＡ方向およびＢ方向（図１参照）に傾斜されるとともに、トーションバー２２および２３に振動可能なように支持されている。また、トーションバー２２および２３は、ねじり変形可能なように構成されているとともに、ミラー部２１と共に共振可能なように構成されている。これにより、ミラー部２１は、共振によってバー２４および２５の傾斜角度以上に傾斜するように構成されている。この結果、レーザー光などをミラー部２１に向かって照射すると、ミラー部２１の傾斜角度に応じて反射光の反射角度も変化するように構成されている。また、トーションバー２２および２３は、それぞれ、Ｙ方向に約１．５ｍｍの長さＬ１を有するとともに、Ｘ方向に約１５０μｍの幅Ｗ１を有する。ここで、トーションバー２２および２３のＹ方向の長さＬ１は、約１．３ｍｍ以上約１．７ｍｍ以下であればよく、トーションバー２２および２３のＸ方向の幅Ｗ１は、約１００μｍ以上約２５０μｍ以下であればよい。なお、端部２２ａおよび２３ａは、それぞれ、本発明の「第１梁部の一方端部」の一例である。

また、バー２４は、平面的に見て、バー２４のＸ方向の中央部２４ａにおいて、トーションバー２２のＹ１方向側の端部２２ｂと垂直に接続されている。また、バー２５は、平面的に見て、バー２５のＸ方向の中央部２５ａにおいて、トーションバー２３のＹ２方向側の端部２３ｂと垂直に接続されている。このバー２４および２５は、それぞれ、Ｘ方向にミラー部２１の直径と略同じ長さである約１．０ｍｍの長さＬ２を有するとともに、Ｙ方向に約１００μｍの幅Ｗ２を有する。ここで、バー２４および２５のＸ方向の長さＬ２は、約１．０ｍｍ以上約１．５ｍｍ以下であればよく、バー２４および２５のＹ方向の幅Ｗ２は、約１００μｍ以上約２５０μｍ以下であればよい。また、バー２４および２５は、可動部２６および２７（後述する駆動部５０および６０）の変形により、Ｘ方向に傾斜可能なように構成されている。なお、端部２２ｂおよび２３ｂは、それぞれ、本発明の「第１梁部の他方端部」の一例である。

また、本実施形態では、バー２４のＸ１方向側の端部２４ｂおよびバー２５のＸ１方向側の端部２５ｂは、平面的に見て、それぞれ、可動部２６のＹ１方向側の接続部２６ａおよびＹ２方向側の接続部２６ｂと垂直に接続されている。また、バー２４のＸ２方向側の端部２４ｃおよびバー２５のＸ２方向側の端部２５ｃは、平面的に見て、それぞれ、可動部２７のＹ１方向側の接続部２７ａおよびＹ２方向側の接続部２７ｂと垂直に接続されている。これにより、可動部２６および２７のＹ１方向側にそれぞれバー２４が接続されているとともに、可動部２６および２７のＹ２方向側にそれぞれバー２５が接続されている。また、平面的に見て、バー２４および２５と可動部２６および２７とによって形成される領域Ｒの内部に、ミラー部２１とトーションバー２２および２３とが配置されるように構成されている。

また、可動部２６および２７は、それぞれ、長手方向であるＹ方向に約６．０ｍｍの長さＬ３を有するとともに、Ｘ方向に約５００μｍの幅Ｗ３を有する。一方、バー２４とバー２５との間のＹ方向における間隔Ｌ４は、ミラー部２１とトーションバー２２および２３とのＹ方向の長さであり、約４．０ｍｍの長さを有する。つまり、バー２４とバー２５との間のＹ方向における間隔Ｌ４は、可動部２６および２７（後述する駆動部５０および６０）のＹ方向における長さＬ３よりも小さくなるように構成されている。ここで、可動部２６および２７のＹ方向の長さＬ３は、約６．０ｍｍ以上約６．５ｍｍ以下であればよく、可動部２６および２７のＸ方向の幅Ｗ３は、約５００μｍ以上約９００μｍ以下であればよい。

ここで、本実施形態では、可動部２６のＹ１方向側の端部２６ｃおよび可動部２７のＹ１方向側の端部２７ｃは、それぞれ、接続部２６ａおよび２７ａよりもＹ１方向側に位置しているとともに、可動部２６のＹ２方向側の端部２６ｄおよび可動部２７のＹ２方向側の端部２７ｄは、それぞれ、接続部２６ｂおよび２７ｂよりもＹ２方向側に位置している。これにより、可動部２６の端部２６ｃおよび２６ｄと可動部２７の端部２７ｃおよび２７ｄとは、それぞれ、ミラー部２１とトーションバー２２および２３とが配置されている位置とは反対側である外側に突出するように構成されている。

また、可動部２６の中央部２６ｅのＸ１方向側には、Ｘ１方向に突出する固定部２８が形成されている。また、可動部２７の中央部２７ｅのＸ２方向側には、Ｘ２方向に突出する固定部２９が形成されている。この固定部２８および２９は、それぞれ、ミラー部２１のＸ１方向側およびＸ２方向側に位置するとともに、ミラー部２１の中心からＸ方向に延びる線上に固定部２８および２９の中心が位置するように構成されている。また、ミラー部２１の中心からＸ方向に延びる線上には、可動部２６の中央部２６ｅおよび可動部２７の中央部２７ｅが位置するように構成されている。

また、固定部２８および２９は、それぞれ、図示しない基台に紫外線硬化接着剤などによって固定されており、可動部２６および２７（駆動部５０および６０）が凹形状または凸形状に変形することによって振動する際に、固定端として機能するように構成されているとともに、駆動部５０の後述する中央部５０ｃの近傍および駆動部６０の後述する中央部６０ｃの近傍に設けられている。

また、図３および図４に示すように、基板２０の可動部２６および２７（図４参照）の上面上には、それぞれ、圧電素子３０および４０（図４参照）が形成されている。この可動部２６と圧電素子３０とによって、駆動部５０が形成されているとともに、可動部２７と圧電素子４０とによって、駆動部６０（図４参照）が形成されている。具体的には、図５に示すように、基板２０の可動部２６および２７の上面上には、Ｚ方向に約１２０ｎｍの厚みｔ２を有する下部電極７０が形成されている。また、下部電極７０は、可動部２６および２７の上面上のみでなく基板２０の全面に渡って形成されている。これにより、圧電素子３０および４０の下部電極７０への配線処理を、基板２０の任意の部分に対して行うことが可能なように構成されている。また、図１に示すように、下部電極７０は、固定部２９の上面において、端子８０によって外部と電気的に接続されている。

また、可動部２６および２７の上面の下部電極７０の上面上には、それぞれ、Ｚ方向に約３μｍの厚みｔ３を有する圧電体５０ａおよび６０ａが形成されている。この圧電体５０ａおよび６０ａは、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、膜厚方向（Ｚ方向）に分極されることによって、電圧を印加されるとＹ方向（図３参照）に伸縮するように構成されている。

また、圧電体５０ａおよび６０ａの上面上には、それぞれ、Ｚ方向に約５００ｎｍの厚みｔ４を有する上部電極５０ｂおよび６０ｂが形成されている。この下部電極７０と圧電体５０ａと上部電極５０ｂとによって、振動ミラー素子１０のＸ１方向側（図４参照）に圧電素子３０が形成されているとともに、可動部２６と圧電素子３０とによって、駆動部５０が形成されている。また、下部電極７０と圧電体６０ａと上部電極６０ｂとによって、振動ミラー素子１０のＸ２方向側（図４参照）に圧電素子４０が形成されているとともに、可動部２７と圧電素子４０とによって、駆動部６０が形成されている。また、図２に示すように、可動部２６および２７と同様に、駆動部５０および６０は、それぞれ、長手方向であるＹ方向に約６．０ｍｍの長さＬ３を有するとともに、Ｘ方向に約５００μｍの幅Ｗ３を有する。ここで、駆動部５０および６０のＹ方向の長さＬ３は、約６．０ｍｍ以上約６．５ｍｍ以下であればよく、駆動部５０および６０のＸ方向の幅Ｗ３は、約５００μｍ以上約９００μｍ以下であればよい。また、図１に示すように、上部電極５０ｂおよび６０ｂは、それぞれ、端子９０によって外部と電気的に接続されている。

また、本実施形態では、図２に示すように、駆動部５０および６０は、それぞれ、上部電極５０ｂおよび６０ｂ（図５参照）と下部電極７０（図５参照）とに電圧を印加することによって、固定部２８および２９近傍の中央部５０ｃおよび６０ｃを固定端とするとともに、駆動部５０および６０のＹ１方向側の端部５０ｄおよび６０ｄとＹ２方向側の端部５０ｅおよび６０ｅとを自由端として、Ｚ方向に凹形状および凸形状に変形可能なように構成されている。具体的には、上部電極５０ｂおよび６０ｂと下部電極７０とに圧電体５０ａおよび６０ａが収縮するような電圧を印加すると、可動部２６および２７の上面に配置されている圧電体５０ａおよび６０ａは、自由端である端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅが上方に反るように変形するように構成されている。これにより、駆動部５０および６０は、固定端である中央部５０ｃおよび６０ｃが自由端である端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅよりも下方に位置して、凹形状に変形するように構成されている。

また、上部電極５０ｂおよび６０ｂと下部電極７０とに圧電体５０ａおよび６０ａが伸長するような電圧を印加すると、可動部２６および２７の上面に配置されている圧電体５０ａおよび６０ａは、自由端である端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅが下方に反るように変形するように構成されている。これにより、駆動部５０および６０は、固定端である中央部５０ｃおよび６０ｃが自由端である端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅよりも上方に位置して、凸形状に変形するように構成されている。

また、上部電極５０ｂおよび６０ｂと下部電極７０とに印加される電圧の波形は、主に正弦波になるように構成されている。これにより、駆動部５０および６０は、変形していない状態から、凹形状に変形した後に、再度変形していない状態に戻り、その後凸形状に変形するという振動運動を繰り返すように構成されている。また、駆動部５０の上部電極５０ｂと下部電極７０とに印加される電圧Ｖ１の位相と、駆動部６０の上部電極６０ｂと下部電極７０とに印加される電圧Ｖ２の位相とは、反転するように構成されている。また、正弦波の電圧Ｖ１およびＶ２の周波数と、ミラー部２１とトーションバー２２および２３と駆動部５０および６０との共振周波数とは略一致するように構成されている。これにより、ミラー部２１とトーションバー２２および２３とが共振するので、バー２４および２５の傾斜角度よりも大きい角度で、ミラー部２１をＡ方向およびＢ方向に振動運動させることが可能である。

また、本実施形態では、可動部２６および２７と同様に、駆動部５０のＹ１方向側の端部５０ｄおよび駆動部６０のＹ１方向側の端部６０ｄは、それぞれ、接続部２６ａおよび２７ａよりもＹ１方向側に位置しているとともに、駆動部５０のＹ２方向側の端部５０ｅおよび駆動部６０のＹ２方向側の端部６０ｅは、それぞれ、接続部２６ｂおよび２７ｂよりもＹ２方向側に位置している。これにより、駆動部５０および６０の端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅは、それぞれ、ミラー部２１とトーションバー２２および２３とが配置されている位置とは反対側である外側に突出するように構成されている。

また、駆動部５０の中央部のＸ２方向側および駆動部６０の中央部のＸ１方向側には、それぞれ、ミラー部２１の周囲に対応するように形成された凹部５０ｆおよび６０ｆが形成されている。この凹部５０ｆおよび６０ｆは、ミラー部２１と駆動部５０および６０とが接触しないように形成されており、凹部５０ｆおよび６０ｆに対応する部分におけるミラー部２１と駆動部５０および６０との間隔Ｌ５は、約１００μｍの長さになるように構成されている。

図６〜図１１は、図１に示した一実施形態による振動ミラー素子の駆動方法を説明するための図である。次に、図５〜図１１を参照して、本発明の一実施形態による振動ミラー素子１０の駆動動作を説明する。

図５に示すように、上部電極５０ｂと下部電極７０とに圧電体５０ａが伸長するような電圧Ｖ１（８Ｖ）を印加するとともに、上部電極６０ｂと下部電極７０とに圧電体６０ａが収縮するような電圧Ｖ２（８Ｖ）を印加すると、図６および図７に示すように、駆動部５０は、固定端である中央部５０ｃが自由端である端部５０ｄおよび５０ｅよりも上方に位置して凸形状に変形するとともに、駆動部６０は、固定端である中央部６０ｃが自由端である端部６０ｄおよび６０ｅよりも下方に位置して凹形状に変形する。

これにより、図８に示すように、駆動部５０の下部に位置する可動部２６の接続部２６ａおよび２６ｂは、駆動部６０の下部に位置する可動部２７の接続部２７ａおよび２７ｂに比べて下方に位置するので、バー２４および２５は、それぞれ、可動部２７側から可動部２６側に向かって（Ｘ１方向）下方に傾斜する。そして、バー２４および２５の傾斜に伴って、図６に示すように、トーションバー２２および２３は、可動部２７側から可動部２６側に向かって（Ｘ１方向）下方に傾斜するような状態になる。さらに、ミラー部２１とトーションバー２２および２３との共振周波数と、正弦波の電圧Ｖ１およびＶ２の周波数とを略一致させていることにより、ミラー部２１とトーションバー２２および２３とは共振する（共振周波数約１２ｋＨｚ）ので、バー２４および２５の傾斜角度よりも大きい角度で、トーションバー２２および２３にはＡ方向にねじられるような力が加えられる。これにより、ミラー部２１はＡ方向に最大約１０°傾斜する。

一方、図５に示すように、上部電極５０ｂと下部電極７０とに圧電体５０ａが収縮するような電圧Ｖ１（８Ｖ）を印加するとともに、上部電極６０ｂと下部電極７０とに圧電体６０ａが伸長するような電圧Ｖ２（８Ｖ）を印加すると、図９および図１０に示すように、駆動部５０は、固定端である中央部５０ｃが自由端である端部５０ｄおよび５０ｅよりも下方に位置して凹形状に変形するとともに、駆動部６０は、固定端である中央部６０ｃが自由端である端部６０ｄおよび６０ｅよりも上方に位置して凸形状に変形する。

これにより、図１１に示すように、駆動部５０の下部に位置する可動部２６の接続部２６ａおよび２６ｂは、駆動部６０の下部に位置する可動部２７の接続部２７ａおよび２７ｂに比べて上方に位置するので、バー２４および２５は、それぞれ、可動部２６側から可動部２７側に向かって（Ｘ２方向）下方に傾斜する。そして、バー２４および２５の傾斜に伴って、図９に示すように、トーションバー２２および２３は、可動部２６側から可動部２７側に向かって（Ｘ２方向）下方に傾斜するような状態になる。さらに、ミラー部２１とトーションバー２２および２３との共振周波数と、正弦波の電圧Ｖ１およびＶ２の周波数とを略一致させていることにより、ミラー部２１とトーションバー２２および２３と駆動部５０および６０とは共振する（共振周波数約１２ｋＨｚ）ので、バー２４および２５の傾斜角度よりも大きい角度で、トーションバー２２および２３にはＢ方向にねじられるような力が加えられる。これにより、ミラー部２１はＢ方向に最大約１０°傾斜する。

また、上部電極５０ｂおよび６０ｂと下部電極７０とに印加される電圧の波形は、主に正弦波になるように構成されているため、駆動部５０および６０は、変形していない状態から、凹形状に変形された後に、再度変形していない状態に戻り、その後凸形状に変形するという振動運動を繰り返す。この結果、正弦波の電圧Ｖ１（８Ｖ）が駆動部５０の上部電極５０ｂと下部電極７０とに印加されるとともに、電圧Ｖ１（８Ｖ）の位相と反転した位相を有する正弦波の電圧Ｖ２（８Ｖ）が駆動部６０の上部電極６０ｂと下部電極７０とに印加されることによって、駆動部５０および６０と、バー２４および２５と、トーションバー２２および２３との変形を介して、トーションバー２２および２３に振動可能に支持されているミラー部２１は、Ａ方向およびＢ方向に最大約１０°の傾斜角度で振動運動を繰り返す。これにより、振動ミラー素子１０は、ミラー部２１に照射されたレーザー光などの反射光を一次元的に走査させることが可能になる。

本実施形態では、上記のように、ミラー部２１をバー２４および２５と駆動部５０および６０とに囲まれる領域Ｒに配置することによって、ミラー部２１が設けられている側に駆動部５０および６０が延びるように構成することができるので、駆動部５０および６０が延びる方向（Ｙ方向）に細長い形状になるのを抑制することができる。これにより、振動ミラー素子１０の小型化を図ることができる。また、駆動部５０および６０は一対であるので、駆動部が３つ以上設けられている場合と比べて、駆動部５０および６０と外部との電気的接続を行うための構造を簡素化することができる。また、トーションバー２２および２３とバー２４および２５とに直接駆動部５０および６０が設けられていないので、トーションバー２２および２３を容易に共振させることができる。これにより、ミラー部２１の振動を大きくすることができる。また、トーションバー２２および２３の幅Ｗ１とバー２４および２５の幅Ｗ２とを、駆動部５０および６０の幅Ｗ３よりも小さくなるように構成することによって、トーションバー２２および２３とバー２４および２５とを容易に変形させることができるので、ミラー部２１の振動を大きくすることができる。

本実施形態では、上記のように、駆動部５０および６０の端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅをそれぞれ自由端にし、バー２４および２５を駆動部５０および６０が変形することによってそれぞれ傾斜可能なように構成するとともに、トーションバー２２および２３をバー２４および２５が傾斜することによって、ミラー部２１を傾斜させるように構成することによって、駆動部５０および６０が変形することにより、バー２４および２５とトーションバー２２および２３とを介して、ミラー部２１を傾斜させることができるので、ミラー部２１を傾斜させる方向を交互に変化させることにより、ミラー部２１を振動させることができる。

本実施形態では、上記のように、トーションバー２２および２３を、バー２４および２５が傾斜することによって、それぞれ、ねじり変形可能なように構成するとともに、ミラー部２１を、バー２４および２５の傾斜とトーションバー２２および２３のねじり変形とによって傾斜するように構成することによって、ミラー部２１を、バー２４および２５の傾斜のみでなくトーションバー２２および２３のねじり変形によっても傾斜させることができるので、ミラー部２１での傾斜および振動をより大きくすることができる。

本実施形態では、上記のように、駆動部５０および６０の端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅを、それぞれ、バー２４および２５の端部２４ｂ、２４ｃ、２５ｂおよび２５ｃと駆動部５０および６０との接続部（接続部２６ａ、２６ｂ、２７ａおよび２７ｂ）よりも外側に突出するように延びるように構成することによって、駆動部５０および６０の端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅが接続部２６ａ、２６ｂ、２７ａおよび２７ｂよりも外側に突出するように延びていない場合と比べて、駆動部５０および６０の外側に突出する部分による駆動力が働くので、ミラー部２１での傾斜をより大きくすることができる。

本実施形態では、上記のように、バー２４および２５を、それぞれ、中央部２４ａおよび２５ａにおいてトーションバー２２の端部２２ｂおよびトーションバー２３の端部２３ｂと垂直に接続するとともに、駆動部５０および６０を、それぞれ、バー２４および２５の端部２４ｂ、２４ｃ、２５ｂおよび２５ｃと垂直に接続することによって、振動ミラー素子１０全体が占める平面的な面積を小さくすることができるので、振動ミラー素子１０をより小型化することができる。

本実施形態では、上記のように、駆動部５０の中央部５０ｃの近傍および駆動部６０の中央部６０ｃの近傍に、駆動部５０および６０が振動する際の固定端として機能するとともに、駆動部５０および６０を固定するための固定部２８および２９をそれぞれ設けることによって、駆動部５０および６０を、中央部５０ｃおよび６０ｃを固定端として振動させることができるので、駆動部５０および６０の端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅの変形量が略同一になるように駆動部５０および６０を振動させることができる。これにより、端部５０ｄと端部５０ｅとの変形量が異なるとともに、端部６０ｄと端部６０ｅとの変形量が異なることによって、バー２４および２５を介して、トーションバー２２および２３のどちらか一方が他方に比べて変形量が大きくなることを抑制することができるので、トーションバー２２および２３の破損を抑制することができる。

本実施形態では、上記のように、駆動部５０および６０のミラー部２１の周囲に対応する部分に、それぞれ、ミラー部２１の周囲に沿うように凹部５０ｆおよび６０ｆを形成することによって、駆動部５０および６０とミラー部２１とを近接して配置することができるので、振動ミラー素子１０全体が占める平面的な面積をより小さくすることができる。これにより、振動ミラー素子１０をさらに小型化することができる。

図１２〜図１４は、本発明の一実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーションの実施例における振動ミラー素子の全体構成を示す平面図である。次に、上記した本発明の一実施形態の効果を確認するために行ったシミュレーションについて図２、図５および図１２〜図１４を参照して説明する。

このシミュレーションでは、実施例１、実施例２、実施例３および実施例４について検討した。実施例１は、図２に示す本発明の一実施形態における振動ミラー素子１０に対応する。また、実施例２では、図１２に示す振動ミラー素子１１の圧電素子１３０および１４０の長さＬ６を４．２ｍｍにすることによって、駆動部１５０および１６０の長さＬ６を、バー２４とバー２５との間隔Ｌ４とバー２４および２５の幅Ｗ２とを合計した長さ（Ｌ４＋Ｗ２＋Ｗ２）と同一にした。また、実施例３では、図１３に示す振動ミラー素子１２のバー２２４および２２５の長さＬ７を１．５ｍｍにした。また、実施例４では、図１４に示す振動ミラー素子１３のバー３２４および３２５の長さＬ７を１．５ｍｍにするとともに、トーションバー３２２および３２３の長さＬ８を２．６５ｍｍにすることによって、駆動部３５０および３６０の端部３５０ｄ、３５０ｅ、３６０ｄおよび３６０ｅとバー３２４および３２５の端部３２４ｂ、３２４ｃ、３２５ｂおよび３２５ｃとをそれぞれ接続させた。また、実施例２〜４において、変化させたパラメータ以外の構造は、実施例１と同一になるように設定した。

上記した図２に示した実施例１と、図１２に示した実施例２と、図１３に示した実施例３と、図１４に示した実施例４とにおける、上部電極と下部電極とに印加される電圧を８Ｖにした場合の、ミラー部の傾斜角度と共振周波数とに関してシミュレーションを行った結果を説明する。ここで、ミラー部の傾斜角度は、Ａ方向に傾斜している場合には−の値になるとともに、Ｂ方向に傾斜している場合には＋の値になるように設定されている。

図２に示した実施例１におけるシミュレーションでは、ミラー部の傾斜角度は、−１０．４から＋１０．４になるとともに、共振周波数は、１２７２５Ｈｚになった。また、図１２に示した実施例２におけるシミュレーションでは、ミラー部の傾斜角度は、−６．２から＋６．２になるとともに、共振周波数は、１３６００Ｈｚになった。また、図１３に示した実施例３におけるシミュレーションでは、ミラー部の傾斜角度は、−１０．８から＋１０．８になるとともに、共振周波数は、１０９００Ｈｚになった。また、図１４に示した実施例４におけるシミュレーションでは、ミラー部の傾斜角度は、−６．６から＋６．６になるとともに、共振周波数は、１３７５０Ｈｚになった。

上記のようなシミュレーションの結果から、実施例１と実施例２とを比較すると、実施例１のように、圧電素子の長さを大きくすることによって、ミラー部の傾斜角度は小さくなることが分かった。すなわち、本発明の一実施形態における駆動部５０および６０の端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅを、それぞれ、ミラー部２１とトーションバー２２および２３とが配置されている位置とは反対側である外側に突出するように構成することによって、ミラー部の傾斜角度を大きくすることができることが分かった。これは、駆動部の外側に突出する部分による駆動力が、主にミラー部およびトーションバーの共振ではなく傾斜に寄与しているからであると考えられる。

また、実施例１と実施例３とを比較すると、実施例３のように、バーの長さを大きくすることによって、ミラー部の傾斜角度は大きくなるとともに、共振周波数は小さくなることが分かった。これは、バーの長さを大きくすることによって、バーが撓み変形しやすくなる。これにより、バーの撓み変形量が大きくなることによって、ミラー部の傾斜角度は大きくなるものの、バーは緩やかに撓み変形するようになるため、ミラー部およびトーションバーにおける共振周波数は小さくなったと考えられる。また、実施例３と実施例４とを比較すると、実施例４のように、駆動部の端部とバーの端部とを接続することによって、ミラー部の傾斜角度は小さくなるとともに、共振周波数は大きくなることが分かった。これは、トーションバーの長さを大きくすることによって、トーションバーの重みにより駆動部が変形しにくくなるとともに、駆動部の外側に突出する部分が存在しなくなったことによって、ミラー部およびトーションバーの共振に寄与する駆動部の部分が増加したからであると考えられる。

ここで、本発明の振動ミラー素子では、ミラー部の傾斜角度と共振周波数との両方が大きくなることが、ミラー部に照射されたレーザー光などの反射光を一次元的に走査させる際の、走査範囲の拡大と走査速度の向上との点から好ましい。すなわち、本発明の一実施形態における振動ミラー素子１０に対応する実施例１が、ミラー部の傾斜角度と共振周波数との両方を大きくすることができるので最適であると考えられる。

また、実施例３のように、バーは変形しやすい方がミラー部の傾斜角度が大きくなることにより、バーの幅は、駆動部の幅に対して半分以下であることが好ましいということが分かった。

なお、今回開示された実施形態は、すべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。本発明の範囲は、上記した実施形態の説明ではなく特許請求の範囲によって示され、さらに特許請求の範囲と均等の意味および範囲内でのすべての変更が含まれる。

たとえば、上記実施形態では、振動ミラー素子１０のミラー部２１がＡ方向およびＢ方向のみ（１次元的）に傾斜させた例を示したが、本発明はこれに限らず、振動ミラー素子のミラー部を２次元的に傾斜させてもよい。たとえば、図１５に示すように、振動ミラー素子１４を、上記実施形態における振動ミラー素子１０の一対の固定部を一対のトーションバー４２２および４２３とするとともに、一対のトーションバー４２２および４２３の端部が、それぞれ、一対のバー４２４および４２５のそれぞれの中央部と垂直に接続するように構成してもよい。そして、一対のバー４２４および４２５の両端部を、それぞれ、一対の駆動部４５０および４６０と垂直に接続されるように構成するとともに、一対の固定部４２８および４２９を図示しない基台に固定する。これによって、ミラー部２１をＡ方向およびＢ方向とＥ方向およびＦ方向との２次元的に傾斜させるとともに振動させることが可能になる。

また、上記実施形態では、トーションバー２２の端部２２ａおよびトーションバー２３の端部２３ａをそれぞれバー２４および２５に接続した例を示したが、本発明はこれに限らず、トーションバーをバーと交差するように接続してもよい。

また、上記実施形態では、バー２４を、中央部２４ａにおいてトーションバー２２の端部２２ｂと垂直に接続するとともに、バー２５を、中央部２５ａにおいてトーションバー２３の端部２３ｂと垂直に接続した例を示したが、本発明はこれに限らず、バーを、中央部以外の位置においてトーションバーの端部と垂直に接続してもよい。また、バーを、トーションバーの端部と垂直に接続しなくてもよい。

また、上記実施形態では、圧電体５０ａおよび６０ａが、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなる例を示したが、本発明はこれに限らず、圧電体は、ＰＺＴ以外の鉛、チタンおよびジルコニウムを主成分とした酸化物からなる圧電材料や、他の圧電材料により形成されていてもよい。たとえば、圧電体には、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、チタン酸ジルコン酸ランタン酸鉛（（Ｐｂ、Ｌａ）（Ｚｒ、Ｔｉ）Ｏ_３）、ニオブ酸カリウム（ＫＮｂＯ_３）、ニオブ酸ナトリウム（ＮａＮｂＯ_３）などの圧電材料を用いてもよい。

また、上記実施形態では、トーションバー２２および２３を、ねじり変形可能なように構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、トーションバーは、ねじり変形しなくてもよい。

また、上記実施形態では、駆動部５０および６０の端部５０ｄ、５０ｅ、６０ｄおよび６０ｅを、それぞれ、接続部２６ａ、２６ｂ、２７ａおよび２７ｂよりも外側に突出するように延びるように構成した例を示したが、本発明はこれに限らず、駆動部の端部をバーの端部と駆動部との接続部よりも外側に突出させなくてもよい。

また、上記実施形態では、駆動部５０および６０にそれぞれ凹部５０ｆおよび６０ｆを形成した例を示したが、本発明はこれに限らず、駆動部に凹部を形成しなくてもよい。

また、上記実施形態では、ミラー部２１は、平面的に見て、円形状を有している例を示したが、本発明はこれに限らず、ミラー部は、平面的に見て、正方形形状や長方形形状を有していてもよい。

本発明の一実施形態による振動ミラー素子の全体構成を示す斜視図である。本発明の一実施形態による振動ミラー素子の全体構成を示す平面図である。図２に示した振動ミラー素子の１０００−１０００線に沿った断面図である。図２に示した振動ミラー素子の２０００−２０００線に沿った断面図である。図３および図４に示した振動ミラー素子の圧電素子近傍を示す拡大断面図である。本発明の一実施形態による振動ミラー素子の駆動方法を説明するための図である。図６のＣ方向から見た振動ミラー素子の駆動方法を説明するための図である。図６のＤ方向から見た振動ミラー素子の駆動方法を説明するための図である。本発明の一実施形態による振動ミラー素子の駆動方法を説明するための図である。図９のＣ方向から見た振動ミラー素子の駆動方法を説明するための図である。図９のＤ方向から見た振動ミラー素子の駆動方法を説明するための図である。本発明の実施例２による振動ミラー素子の全体構成を示す平面図である。本発明の実施例３による振動ミラー素子の全体構成を示す平面図である。本発明の実施例４による振動ミラー素子の全体構成を示す平面図である。本発明の一実施形態の変形例による振動ミラー素子の全体構成を示す平面図である。

符号の説明

１０、１１、１２、１３振動ミラー素子
２１ミラー部
２２、２３、３２２、３２３、４２２、４２３トーションバー（第１梁部）
２２ａ、２３ａ端部（第１梁部の一方端部）
２２ｂ、２３ｂ端部（第１梁部の他方端部）
２４、２５、２２４、２２５、３２４、３２５、４２４、４２５バー（第２梁部）
２４ａ、２５ａ第２梁部の中央部
２４ｂ、２４ｃ、２５ｂ、２５ｃ、３２４ｂ、３２４ｃ、３２５ｂ、３２５ｃ第２梁部の端部
２６ａ、２６ｂ、２７ａ、２７ｂ接続部
２８、２９、４２８、４２９固定部
５０、６０、１５０、１６０、３５０、３６０、４５０、４６０駆動部
５０ｃ、６０ｃ駆動部の中央部
５０ｄ、５０ｅ、６０ｄ、６０ｅ、３５０ｄ、３５０ｅ、３６０ｄ、３６０ｅ駆動部の端部
５０ｆ、６０ｆ凹部
Ｒ領域
Ｗ１、Ｗ２、Ｗ３幅

Claims

光を反射させるミラー部と、
前記ミラー部の両側にそれぞれ一方端部側が接続され、前記ミラー部を振動可能に支持する一対の第１梁部と、
前記一対の第１梁部の他方端部側とそれぞれ接続される一対の第２梁部と、
前記一対の第２梁部の一方端部および他方端部とそれぞれ接続され、前記ミラー部を振動させるための一対の駆動部とを備え、
平面的に見て、前記ミラー部は、前記一対の第２梁部と前記一対の駆動部とに囲まれる領域に配置されるとともに、前記一対の第１梁部の幅および前記一対の第２梁部の幅は、前記一対の駆動部の幅よりも小さくなるように構成されており、
前記一対の駆動部の長手方向の略中央部近傍にそれぞれ設けられ、前記一対の駆動部が振動する際の固定端として機能するとともに、前記一対の駆動部を固定するための一対の固定部をさらに備え、前記一対の駆動部の両端部は、それぞれ、自由端になるように構成されており、前記一対の第２梁部は、前記一対の駆動部が変形することによって、それぞれ、傾斜可能なように構成されているとともに、前記一対の第１梁部は、前記一対の第２梁部が傾斜することによって、前記ミラー部を傾斜させるように構成されており、
前記一対の駆動部の端部のうち少なくとも１つは、前記第２梁部の端部と前記駆動部との接続部よりも外側に突出するように延びている、振動ミラー素子。
前記一対の第１梁部は、前記一対の第２梁部が傾斜することによって、それぞれ、ねじり変形可能なように構成されており、
前記ミラー部は、前記一対の第２梁部の傾斜と前記一対の第１梁部のねじり変形とによって傾斜するように構成されている、請求項１に記載の振動ミラー素子。
前記一対の第２梁部は、平面的に見て、それぞれ、前記一対の第２梁部の略中央部において前記一対の第１梁部の他方端部と略垂直に接続されているとともに、前記一対の駆動部は、平面的に見て、それぞれ、前記一対の第２梁部の一方端部および他方端部と略垂直に接続されている、請求項１または２に記載の振動ミラー素子。
前記駆動部の前記ミラー部の周囲に対応する部分には、平面的に見て、前記ミラー部の周囲に沿うように凹部が形成されている、請求項１〜３のいずれか１項に記載の振動ミラー素子。