JP5516746B2 - マイクロスキャナおよびそれを備えた光学機器 - Google Patents

Description

本発明は、マイクロスキャナおよびそれを備えた光学機器に関するものである。

近年、レーザ光を走査し、壁面やスクリーンに画像を投影する小型プロジェクタが種々開発されている。前記小型プロジェクタは、レーザ光を出射する光源と、ＭＥＭＳ（MicＲo ElectＲo Mechanical Systems）デバイスを用い、前記レーザ光を走査するマイクロスキャナとを備えている。

従来のマイクロスキャナについて図面を参照して説明する。図８は従来のマイクロスキャナの正面図である。図８に示すように、従来のマイクロスキャナは、固定枠９１と、可動部９２と、可動部９２を揺動（振動）可能に支持する主軸トーションバー９３と、主軸トーションバー９３と接続し、主軸トーションバー９３にねじれ方向の変位（力）を付与する変位部９４とを備えている。

可動部９２は、レーザ光を反射するためのミラー部９２１と、ミラー部９２１を囲む可動枠９２２と、ミラー部９２１を揺動可能に支持するとともに主軸トーションバー９３と直交し、可動枠９２２と連結されたミラートーションバー９２３とを備えている。

主軸トーションバー９３及び変位部９４は固定枠９１と一体に形成されている。変位部９４は主軸トーションバー９３を挟んで対向配置されており、対向配置された変位部９４のそれぞれと主軸トーションバー９３とは接続部５を介して接続されている。変位部９４は、表面に圧電素子９４２を備えており、ユニモルフ構造をなしている。

対向配置された変位部９４が振動することで、各変位部９４の先端の変位差によって、主軸トーションバー９３はねじられ、主軸トーションバー９３に支持されている可動部９２は揺動される。また、変位部９４の振動による共振によってミラートーションバー９２３がねじられ、ミラー部９１が揺動される。このように、可動部９２が主軸トーションバー９３を軸として揺動されるとともに、ミラー部９２１がミラートーションバー９２３を軸として揺動されることで、レーザ光を２次元走査することができる。

マイクロスキャナでは、レーザ光を走査するときの可動部９２の揺動の角度（偏向角）を大きくすることで、解像度を向上できるとともに、安全性を確保することが可能である。そこで、接続部５を変形しやすい構造とすることで主軸トーションバー９３のねじれ角を大きくし、可動部９２の偏向角を大きくすることが提案されている。

例えば、特開２００９−８０３７９号公報に記載のマイクロスキャナでは、図９に示すように、接続部５をレバー部５１とスリットＳＴを交互に配置した蛇行構造とすることで、接続部５がレバー部５１の配列方向に曲がりやすく（変形しやすく）なっている。また、特開２００８−２０３２９９号公報に記載のマイクロスキャナでは、図１０に示すように、接続部７をその曲がり方向に複数個の貫通孔形状のスリットＳＴ１と、左右両側から形成された凹形状のスリットＳＴ２を配列した構造とすることで、接続部７がスリットＳＴ１、ＳＴ２の並び方向に曲がりやすく（変形しやすく）なっている。

このような、マイクロスキャナは、その小型、軽量という特徴から、携帯電話、デジタルカメラ等のモバイル機器に搭載されることが考えられる。前記モバイル機器に搭載されたマイクロスキャナには、据え置き型の機器に搭載されたマイクロスキャナに比べて、振動や落下等による衝撃が作用する可能性が高い。マイクロスキャナに衝撃が作用すると、主軸トーションバー９３に支持されている可動部９２にも大きな力が作用する。このとき、可動部９２が移動し、それに伴って接続部５（７）に応力が集中する。接続部５（７）が変形しやすい構造であるので、応力集中による変形が大きくなり、破損しやすい。

そこで、特開２００９−１６９０８９号公報に記載の光偏向器では、支持部（固定枠）に衝撃緩和部を設け、落下や振動の衝撃によってミラー部に作用する衝撃を緩和し、破損を効果的に回避している。

特開２００９−８０３７９号公報 特開２００８−２０３２９９号公報 特開２００９−１６９０８９号公報

しかしながら、特開２００９−１６９０８９号公報の前記衝撃緩和部は、前記ミラー部の振動や衝撃を緩和するため、バネ構造等の複雑な構造を有しており製造に手間と時間がかかる。また、前記衝撃緩和部は複雑な構造であることと、前記ミラー部が移動するときの衝撃を吸収するのに必要な大きさを有することから小型化が困難であり、取り付けることができる場所が限られる。

また、モバイル機器に搭載される光偏向器（マイクロスキャナ）では、使用者の手に保持されている状態で駆動される場合もある。この場合、マイクロスキャナには、駆動中（レーザ光の走査中）に振動や落下等による衝撃が作用することもある。特開２００９−１６９０８９号公報の光偏光器では、衝撃緩和部がトーションバーから離れた場所に形成されているので、前記ミラー部の偏向角が最も大きいときに衝撃が加わると、前記ミラー部が前記衝撃緩和部からずれてしまい、前記ミラー部が前記衝撃緩和部に接触せず、前記ミラー部或いは前記トーションバーが破損する恐れがある。

特開２００９−１６９０８９号公報の光偏光器において、前記ミラー部を厚く形成するか、前記衝撃緩和部を厚くすることで、前記ミラー部と前記衝撃緩和部とを接触させることは可能である。しかしながら、前記ミラー部を厚く形成すると、前記ミラー部が重くなり、消費電力が多くなってしまう。さらに、前記ミラー部の共振周波数が低下するため、走査性能が低下してしまう。また、前記衝撃緩和部を厚く形成すると、光偏向器の製造プロセスが増加したり、加工精度の低下によるクリアランスがばらついてしまったりする。

そこで本発明は、消費電力の増加、偏向角や走査性能の低下を招くことなく、振動や衝撃による故障、破損を抑制できるマイクロスキャナを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために本発明は、平面を有する可動部と、前記可動部を囲む固定枠と、前記可動部を揺動可能に支持する主軸部と、前記可動部又は前記主軸部に変位を与える変位部とを有するマイクロスキャナであって、前記可動部は前記主軸部が連結する連結部を備えており、前記連結部の、前記主軸部の軸方向と非揺動時の前記可動部平面の法線方向との両方に直交する方向に近接配置された規制部を備えていることを特徴とする。

この構成によると、前記規制部が前記主軸部が連結する前記連結部の近くに形成されているので、前記可動部が揺動している状態で、衝撃或いは振動による力が作用し、前記主軸の軸方向及び非揺動時の前記可動部平面の法線方向の両方に直交する方向に前記可動部が移動した場合であっても、前記連結部が前記規制部に確実に当接する。これにより、前記可動部を前記規制部に確実に当接させるために厚く形成したり、前記変位部と前記可動部又は前記主軸部との接続部の強度を上げたりしなくても、マイクロスキャナの破損を抑制することが可能である。また、前記可動部を薄くすることで軽量蔵を抑え、前記マイクロスキャナの駆動に必要な電力を抑えることができる。

また、前記可動部を薄くすることで、軽量化することが可能であり、揺動角度（偏向角）を十分に取ることができる。また、共振周波数を前記主軸部周りの揺動の周波数よりも十分に大きく（十倍程度以上）することができるので、安定して揺動させることができるので、走査性能の高いマイクロスキャナを提供することが可能である。

上記構成において、前記規制部が前記固定枠から延設されていてもよく、前記変位部から延設されていてもよい。前記規制部が前記可動部の揺動軸の近くに形成されているので、前記可動部が揺動しているときに衝撃或いは振動による力が作用した場合であっても、前記連結部が前記規制部に接触し、前記可動部の移動を規制することができ、マイクロスキャナの破損を抑制することができる。

上記構成において、少なくとも前記規制部と前記連結部とは一基板を加工することで形成するものであってもよい。この構成によると、前記規制部と前記連結部との位置精度の高いマイクロスキャナを用意に製造することが可能である。これにより、衝撃や振動が作用したときに、前記主軸部と前記変位部とを接続する接続部が破損する前に、前記連結部を前記規制部に確実に接触させることができ、前記接続部の破損を抑制することが可能である。

上記構成において、前記可動部又は前記主軸部と前記変位部とは変形しやすい接続部を介して接続されており、前記接続部は複数の梁状のレバー部と、前記複数のレバー部の間に配置されたスリットとを備えており、前記連結部と前記規制部との間隔は前記スリットの幅よりも狭く形成されていてもよい。

上記構成において、前記可動部が、少なくとも一部に光を反射するミラー部を備えていてもよい。この構成によると、光源より出射された光をミラー部で反射することで、一次元走査可能である。また、前記ミラー部を囲む可動枠と、前記ミラー部を前記可動枠に揺動可能に支持し、前記主軸方向と交差する方向に延びるミラートーションバーとを備えているものであってもよい。この構成によると、光源より出射された光をミラー部で反射することで、二次元走査可能である。

上記構成において、前記変位部が、前記固定枠と連結された片持ち梁状の保持部と、前記保持部の表面に貼り付けられた逆圧電効果を有する圧電素子と備えたユニモルフ構造であってもよく、前記固定枠と連結された片持ち梁状の保持部と、前記保持部にコイル又は磁石が配置されており、前記保持部が電磁力で変位するものであってもよい。

本発明のマイクロスキャナを光学機器に搭載することが可能である。なお、光学機器としては、携帯電話やデジタルカメラに搭載された小型のプロジェクタ装置やイメージスキャナ、バーコードリーダ、レーザプリンタの光走査部等を挙げることができる。

本発明によると、消費電力の増加、偏向角や走査性能の低下を招くことなく、振動や衝撃による故障、破損を抑制できるマイクロスキャナを提供することができる。

本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの平面図である。 図１に示す光スキャナの接続部の周囲を拡大して示した拡大正面図である。 接続部の他の例の拡大正面図である。 図１に示す光スキャナの可動部の揺動角が最大となったときの側面図及び連結部周辺を拡大した拡大断面図である。 本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの他の例の正面図である。 本発明にかかる光学機器の一例であるプロジェクタ装置の使用状態を示す図である。 図６に示すプロジェクタ装置のブロック図である。 従来のマイクロスキャナの正面図である。 マイクロスキャナに備えられる接続部の概略構造を示す図である。 マイクロスキャナに備えられる接続部の概略構造を示す図である。

本発明にかかるマイクロスキャナについて図面を参照して説明する。ここでは、変動する部材（変動部）としてミラー部を例に挙げるとともに、このミラー部を変動させることで光を反射しスキャン動作を行うマイクロスキャナとして、２次元走査型の光スキャナを例に挙げる。なお、理解を容易にするために（部分の区別を容易にするために）、平面図にハッチングを付す場合もある。また、便宜上、部材符号及び（又は）ハッチングを省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。

図１は本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの平面図である。図１に示すように光スキャナＯＳは、固定枠１と、可動部２（右上りハッチ）と、主軸トーションバー３（主軸部）と、変位部４と、接続部５と、規制部６とを備えている。なお、図１に示す光スキャナＯＳの平面図に対して、左右方向をＸ方向とし、光スキャナＯＳの上下方向中央をＸ方向に横切る軸をＸ軸としている。また、上下方向をＹ方向とし、光スキャナＯＳの左右方向中央をＹ方向に横切る軸をＹ軸としている。そして、紙面厚み方向をＺ方向とし、Ｘ軸及びＹ軸の交差点からＺ方向に延びる軸をＺ軸としている。以下の説明においても、同様にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を用いて説明する。

図１に示すように固定枠１は、可動部２、主軸トーションバー３、変位部４、接続部５及び規制部６を囲む長方形状の板状部材である。さらに詳しく説明すると、変形可能なシリコン基板等で形成された平面視矩形状の基体にエッチングを施すことで、可動部２、主軸トーションバー３、変位部４の後述する保持部４１、接続部５及び規制部６を形成する。そして、エッチング後の基体のうち、これらの部材を取り囲むように残った部分が固定枠１となる。

なお、図１に示すように、固定枠１と主軸トーションバー３、変位部４の保持部４１及び規制部６とが一体に形成されている。また、主軸トーションバー３及び規制部６は接続部５と一体に形成されている。さらに、基体として、１００μｍ程度の厚さのものが用いられるが、それに限定されるものではない。このように一枚の基体（基板）にエッチングを施して上述の各部を形成することで、それぞれの部分の大きさや、部分同士の間隔の精度を高めることが可能である。なお、加工法としてはエッチングに限定されるものではないし、複数の部材を組み合わせて形成するものであってもよい。

可動部２は、光源（不図示）からの光（レーザ光）を反射する部材である。図１に示すように、可動部２は、主軸トーションバー３に支持されている。可動部２は、ミラー部２１と、可動枠２２と、ミラートーションバー２３と、連結部２４とを含んでいる。

ミラー部２１は円板形状であり、光源からの光を反射する反射部材である。ミラー部２１の表面には光源からの光を反射するため、アルミニウム等の金属薄膜が反射膜として成膜されている。なお、金属薄膜は蒸着やスパッタリング等の方法で形成されているものを挙げることができる。また、ミラー部２１の表面は、このような金属薄膜に限定されるものではなく、表面が滑らかで光を均一に反射できるように形成された鏡面状のものを広く採用することができる。そして、ミラー部２１は中心を挟んで対向した部をミラートーションバー２３に保持されている。なお、ミラー部２１のミラートーションバー２３に保持されている部分は、Ｙ軸方向の両端部であるが、これに限定されるものではない。

可動枠２２はミラー部２１を囲むように配置されており、エッチングによって形成されたひし形状の部材である。図１に示すように、可動部２は線対称の基準となる２本の対称軸が直交している。２本の対称軸のうち、一方の対称軸（ここでは、短い方の対称軸）はＸ軸と重なっており、他方の対称軸（ここでは、長い方の対称軸）はＸ軸と直交している（可動枠２２が停止状態のとき、Ｙ軸と重なる）。

ミラートーションバー２３は一対の長尺状の部材であり、各ミラートーションバー２３はミラー部２１を保持している。そして、一対のミラートーションバー２３はＹ軸上に配置されており、各ミラートーションバー２３は同じ断面形状及び同じ長さの部材である。そして、各ミラートーションバー２３のミラー部２１と反対側は、可動枠２２と一体的に連結されている。なお、ミラートーションバー２３は弾性変形可能な部材であり、ミラートーションバー２３が弾性的にねじれることで、ミラー部２１がＹ軸周りに揺動（振動）される。一対のミラートーションバー２３が同一の形状であるので、各ミラートーションバー２３のねじれ量、速度が同じであり、ミラー部２１は精度良くＹ軸周りに揺動できる。

連結部２４は長方形状の部材であり、可動枠２２のＸ方向の両端部と一体連結されている。連結部２４は各辺がＸ軸又はＹ軸と平行となっており、Ｙ軸と平行な辺の一方が可動枠２２と連結している。また、他方のＹ軸と平行な辺の中央部に主軸トーションバー３が連結されている。これによって、可動枠２２、すなわち、ミラー部２１、ミラートーションバー２３を含む可動部２が、Ｘ軸周りに揺動可能となっている。

次に主軸トーションバー３について説明する。主軸トーションバー３は弾性変形可能な長尺部材である。光スキャナＯＳでは、停止状態のとき、主軸トーションバー３の中心軸がＸ軸と重なるものとする。主軸トーションバー３は可動部２のＸ軸方向の両端部に配置された連結部２４のそれぞれを支持している。なお、以下の説明では、便宜上、図１のＹ軸よりも左にある主軸トーションバー３を３ＡＣ、右にある主軸トーションバー３を３ＢＤと表す場合がある。

図１に示すように、主軸トーションバー３は、長手方向の端部のうち、一方が固定枠１と連結し、他方が可動部２の連結部２４と連結している。そして、主軸トーションバー３は可動部２の近傍で接続部５を介して、変位部４と接続している。なお、主軸トーションバー３の一方の端部が固定枠１と連結していることで、主軸トーションバー３がねじられ、可動部２が揺動するとき、主軸トーションバー３がＸ軸からずれにくい。これによって、可動部２のＸ軸周りの揺動の精度低下を抑制することができる。

そして、変位部４は正面視長方形状であり、一方の短辺が固定枠１と連結された片持ち梁様の構造を有している。変位部４は、固定枠１と一体に形成された保持部４１と、保持部４１の表面に貼り付けられた圧電素子４２（クロスハッチ）とを備えている。保持部４１はＹ方向に延びており、長手方向に曲げ変形可能な部材である。また、圧電素子４２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を含む素子であり、電力が供給されると逆圧電効果にいって、力（変位）を出力する。変位部４は保持部４１と圧電素子４２を張り合わせたユニモルフ構造であり、圧電素子４２に電力を供給することで、固定枠１と連結されていない側の短辺（自由端側の短辺）が厚み方向（図１において、Ｚ方向手前又は奥方向）に変位する。

詳説すると、圧電素子４２に電圧を印加することで、圧電素子４２には圧縮方向或いは引っ張り方向の力が作用する。圧電素子４２に圧縮方向の力が作用すると、圧電素４２が貼り付けられている保持部４１が圧電素子４２側に曲げられる。逆に圧電素子４２に引っ張り方向の力が作用すると、保持部４１は圧電素子４２と反対側に曲げられる。このように、圧電素子４２に作用する圧縮方向の力と引っ張り方向の力とをタイミングよく交互に発生させることで、変位部４は自由端が振動する。

図１に示すように、光スキャナＯＳは４個の変位部４を備えており、Ｙ軸を挟んで対称となるように２個ずつ配置されている。同様に、４個の変位部４は、Ｘ軸を挟んで対称となるように２個ずつ配置されている。すなわち、４個の変位部４はＸ軸及びＹ軸を基準に対称となるように配置されている。なお、説明の便宜上、図１において左上の変位部４を変位部４Ａ、左下を４Ｃ、右上を４Ｂ及び右下を４Ｄと称して区別する場合があるが、形状及び大きさは全て同じである。また、図１に示す変位部４では、保持部４１に対して圧電素子４２が小さいものが採用されているが、それに限定されるものではなく、端縁部が重なるように形成された圧電素子４２を張り合わせるものであってもよく、圧電素子４２が保持部４１よりも大きいものを採用してもよい。

接続部５は、主軸トーションバー３と変位部４とを接続している。接続部５の形状は従来例の接続部５と同じであり、従来例の図面である図９も参照して説明する。図１及び図９に示すように、接続部５は、複数個の片持ち梁様のレバー部５１と、隣り合うレバー部５１の端部を接続する折り返し部５２とを備えており、接続部５は平面視蛇行状に形成されている。隣り合うレバー部５１の間には、スリットＳＴが形成されている。図１及び図９に示しているように、接続部５は左辺から切れ込んだスリットＳＴと右辺から切れ込んだスリットＳＴとがレバー部５１を挟んでＹ方向に交互に並んでいる。

なお、接続部５において、スリットＳＴは左右から２個ずつ形成されているが、それに限定されるものではない。また、以下の説明において、それぞれの接続部を区別するために、変位部４Ａと接続する接続部５Ａ、変位部５Ｃと接続する接続部５Ｃ、変位部４Ｂと接続する接続部５Ｂ、変位部４Ｄと接続する５Ｄと示す場合もある。そして、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは左側の主軸トーションバー３ＡＣと、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄは右側の主軸トーションバー３ＢＤとそれぞれ接続している。

接続部５はレバー部５１とスリットＳＴとが交互に並んだ形状であるので、接続部５の両端部にＺ方向のせん断力が作用すると、レバー部５１がねじれつつ曲げられる。よって、接続部５は平面視同じ大きさの平板に比べてＹ軸に沿った平面曲げ（Ｙ軸に沿った方向の曲げ）が容易な（柔軟性が高い）構成となっている。例えば、図１において、変位部４Ａが紙面手前側、変位部４Ｃが紙面奥側に変形した場合、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは変位部４Ａ、変位部４Ｃの先端の移動にあわせて移動する。このとき、接続部５Ａ及び接続部５ＣがＹ軸に沿ってＺ方向に曲げ変形されるので、変位部４Ａと主軸トーションバー３ＡＣ及び変位部４Ｃと主軸トーションバー３ＡＣとの角度の変化をある程度許容することができる。これにより、変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端のＺ方向の変位が柔軟性の低い接続部を使う場合に比べて大きくなる。

そして、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは主軸トーションバー３ＡＣをねじることができる弾力を備えている。これにより、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端部の変位にあわせ、主軸トーションバー３ＡＣの接続部分をＺ軸方向に引っ張る。変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端部の変位量が大きいので、主軸トーションバー３ＡＣの接続部が引っ張られる量も大きくなり、ねじれも大きくなる。なお、接続部５Ｂ、５Ｄで接続される変位部４Ｂ、４Ｄ及び主軸トーションバー３ＢＤも同様である。

また、本発明の光スキャナＯＳに用いられる接続部として、図９等に示すように蛇行状に形成されている接続部５（５Ａ）を用いているが、これに限定されるものではない。図１０に示すような、貫通孔形状のスリットＳＴ１と、左右両側から形成された凹形状のスリットＳＴ２とを交互に配置した形状の接続部７Ａを利用しても、同様に主軸トーションバー３のせん断ひずみを大きくすることが可能である。なお、以下の説明では、主に接続部として図９に示す接続部５として説明するが、接続部７を用いても同様である。以上に示したように、接続部５及び７は、変位部４の変位を妨げにくく、且つ、主軸トーションバー３をねじる方向に引っ張ることができる程度の柔軟性を有するものである。

次に本発明にかかるマイクロスキャナの要部である規制部６について、新たな図面も参照して説明する。図２は図１に示す光スキャナの接続部の周囲を拡大して示した拡大正面図である。なお、図２は、主軸トーションバー３ＡＣ、変位部４Ａ及び接続部５Ａを含む領域を拡大している。図１及び図２に示すように、規制部６は連結部２４のＸ軸に沿う辺と対向している。そして、接続部５ＡのスリットＳＴのＹ方向の幅をＴ１、規制部６と連結部２４とのＹ方向の幅をＴ２とすると、規制部６はＴ２＜Ｔ１となるように形成されている。なお、Ｔ１として、１０μｍ〜２０μｍを挙げることができるが、これに限定されるものではない。

また、本発明の光スキャナＯＳに用いられる接続部として、図２、図９等に示すように蛇行状に形成されている接続部５（５Ａ）を用いているが、これに限定されるものではない。図３は接続部の他の例の拡大正面図である。図３、図１０に示すような、貫通孔形状のスリットＳＴ１と、左右両側から形成された凹形状のスリットＳＴ２とを交互に配置した形状の接続部７Ａを利用しても、同様に主軸トーションバー３のせん断ひずみを大きくすることが可能である。なお、図３は、接続部７Ａのみをあらわしているが、光スキャナＯＳは、変位部４Ａ、４Ｃと主軸トーションバー３ＡＣを接続する接続部７Ａ、７Ｃ、変位部４Ｂ、４Ｄと主軸トーションバー３ＢＤを接続する接続部７Ｂ、７Ｄを備えている。

そして、図３に示すように、スリットＳＴ１及びスリットＳＴ２のＹ方向の幅をＴ１、連結部２４と規制部６のＹ方向の幅をＴ２とすると、規制部６はＴ２＜Ｔ１となるように形成されている。なお、Ｔ１として、１０μｍ〜２０μｍを挙げることができるが、これに限定されるものではない。なお、以下の説明では、接続部５を採用した光スキャナＯＳについて説明するが、接続部７を採用した場合も同様である。

また、接続部として、レバー部５１とスリットＳＴを交互に配置した接続部５や、貫通孔形状のスリットＳＴ１と左右両側から形成された凹形状のスリットＳＴ２とを交互に配置した接続部７を採用しているが、それに限定されるものではなく、一枚の板状の接続部であってもよい。板状の接続部であっても、変位部４の幅よりも狭い幅であれば、変形しやすく、接続部５や接続部７ほどではないにしても主軸トーションバー３のねじれを大きくすることができる。また、板状の接続部の場合、変形しやすくするため、主軸トーションバー３や変位部４よりも薄い形状としてもよい。

本発明にかかる光スキャナＯＳは、その小型、軽量であるという特徴から、携帯電話、デジタルカメラ等の携帯用の電子機器に搭載されることが想定されている。携帯用の電子機器は強く振り回されたり、落下したりすることがあり、この場合、マイクロスキャナには強い衝撃（数千Ｇ程度の加速度）が作用することもありえる。図１に示すような光スキャナＯＳに衝撃が作用すると、可動部２にもＸ方向の力が作用する。光スキャナＯＳにＸ方向の力が作用した場合、可動部２を保持する主軸トーションバー３の長手方向がＸ方向であることから、主軸トーションバー３で軸方向の力を支えることが可能である。

光スキャナＯＳにＹ方向の力が作用した場合、可動部２にもＹ方向の力が作用する。可動部２はＹ方向と直交するＸ軸方向の両端部を主軸トーションバー３で保持されているとともに、主軸トーションバー３はねじれやすいために細く形成されている。そして、接続部５のレバー部５１も細く形成されている。そして、主軸トーションバー３及びレバー部５１はＸ方向に延びる梁状の部材であり、可動部２にＹ方向の力が作用すると主軸トーションバー３及びレバー部５１に曲げ方向の応力が作用する。この主軸トーションバー３及びレバー部５１は曲げ方向の応力によって破損しやすい。

図１、２に示す光スキャナＯＳでは接続部５のスリットＳＴのＹ方向の幅Ｔ１と規制部６と連結部２４とのＹ方向の幅Ｔ２とが、Ｔ２＜Ｔ１となっているので、可動部２が固定枠１に対してＹ方向に変位したとき、接続部５の隣り合うレバー部５１が接触する前に、連結部２４が規制部６に接触する。連結部２４が規制部６に接触することで、衝撃等によって可動部２に作用した力は規制部６が受ける。これにより、主軸トーションバー３及び接続部５に伝達される力が一定以上の大きさにならず、主軸トーションバー３及び接続部５の破損を抑えることが可能である。

上述の実施形態では、可動部２が固定枠１に対してＹ方向に変位したとき、主軸トーションバー３及び接続部５に作用する応力を減らすために、Ｔ２＜Ｔ１である光スキャナＯＳを例示しているが、それに限定されるものではなく、連結部２４と規制部６とが接触したとき、主軸トーションバー３及び接続部５のレバー部５１に作用する応力が、主軸トーションバー３及び接続部５のレバー部５１の破壊応力を超えない範囲で、連結部２４と規制部６との隙間を設定することが可能である。

次に、光スキャナＯＳで光を走査するときの駆動について詳しく説明する。まず、可動部２のＸ軸周りの揺動について説明する。可動部２は、主軸トーションバー３（３ＡＣ、３ＢＤ）のねじれによって、Ｘ軸周りに揺動（振動）される。主軸トーションバー３のねじれ変形を説明するため、左側の主軸トーションバー３ＡＣのねじれ変形について説明する。なお、主軸トーションバー３ＢＤのねじれ変形もＹ軸に対して対称となっているだけで、実質上同じ動きであり、詳細は省略する。

主軸トーションバー３ＡＣは、変位部４Ａ及び変位部４Ｃが変位することでＸ軸周りにねじられる。例えば、図１において、変位部４Ａを紙面手前側、変位部４Ｃを紙面奥側に変位させるとする。この場合、接続部５Ａは変位部４Ａの自由端側の辺に引っ張られ紙面手前側に移動し、逆に接続部５Ｃは変位部４Ｃの自由端側の辺に引っ張られ紙面奥側に移動する。

接続部５Ａ、接続部５Ｃの柔軟性が高い（変形しやすい）ので、上述したように、変位部４Ａ及び変位部４Ｂの自由端側の辺の変位が大きくなる。これにより、接続部５Ａ及び接続部５Ｃを介して変位部４Ａ及び変位部４Ｃと接続されている主軸トーションバー３ＡＣのせん断ひずみ（ねじり方向のひずみ）が大きくなる。

そして変位部４Ａ及び４Ｃは、紙面手前側と紙面奥側にタイミングを合わせて振動することで、主軸トーションバー３ＡＣはねじれを繰り返すように振動する。上述したように、変位部４Ｂ及び４Ｄの変位（せん断力）が接続部５Ｂ及び５Ｄで伝達されることで、主軸トーションバー３ＢＤも振動する。そして、変位部４Ａと変位部４Ｂを一組、変位部４Ｃ及び変位部４Ｄを一組とし、それぞれの組の変位部が紙面（Ｘ軸及びＹ軸で決定される面）に対し同方向、異なる組の変位部が紙面に対し逆方向となるよう振動させることで、主軸トーションバー３ＡＣと主軸トーションバー３ＢＤの振動を同期させることができる。なお、各変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）が同期していることはいうまでもないことである。

主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤは、ともにＸ軸上に配置されているとともに、可動枠２２のＸ方向の端部に一体連結された連結部２４と連結されている。主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤがねじれ方向に振動されることで、連結部２４で主軸トーションバー３ＡＣ、３ＢＤと連結された可動枠２２、すなわち、ミラー２１及びミラートーションバー２３を含む可動部２がＸ軸周りにねじれ方向に振動（揺動）される。なお、可動部２の主軸トーションバー３ＡＣ、３ＢＤによる揺動、すなわち、Ｘ軸周りの揺動は数十Ｈｚ（例えば、６０Ｈｚ）程度の低周波である。

なお、ミラー部２１はミラートーションバー２３に揺動可能に保持されているが、ミラートーションバー２３は、可動部２の揺動の中心であるＸ軸と直交しているので、可動部２の陽動によってねじれ方向の力が作用することはない。可動部２のＸ軸を中心とする揺動はミラー部２１のミラートーションバー２３による揺動にほとんど影響しない。

光スキャナＯＳは携帯用の電子機器に搭載されていることから、使用者が手持ちで駆動する場合もある。このように、光スキャナＯＳが手持ちで駆動される場合、上述したような、落下や振動による衝撃力は光スキャナＯＳが駆動しているときに作用することもありえる。ここで、可動部２が揺動しているときに衝撃が作用した場合について説明する。図４は図１に示す光スキャナの可動部の揺動角が最大となったときの側面図及び連結部周辺を拡大した拡大断面図である。

図４に示すように、可動部２がＸ軸周りに揺動したとき、可動部２のＹ軸方向の端部は固定枠１より大きく離れる。一方で、連結部２４の規制部６と対向する部分は、Ｘ軸の近傍に配置されているので、可動部２が最大角度で変位した場合であっても、連結部２４は規制部６（すなわち、固定枠１の厚み方向）から外れない。この状態で、Ｙ方向に力（衝撃、振動）が作用した場合、可動部２が変位した状態でＹ方向に移動する。図４の拡大断面図に実線で示しているように、最大角度で変位している状態でＹ方向に移動した場合であっても、連結部２４は規制部６からずれない。そして、図４の拡大断面図において２点鎖線で示しているように、可動部２がＹ方向に移動しても、連結部２４が規制部６と接触する。これにより、光スキャナＯＳは駆動中に衝撃を受けた場合であっても、主軸トーションバー３及び接続部５が破損しにくい。

なお、停止状態における連結部２４と規制部６との間の隙間は上述の通り１０μｍ〜２０μｍ以下であるものを例に挙げているが、それに限定されるものではなく、基体の厚さに対してエッチングで貫通孔を形成しやすい幅であって、主軸トーションバー３及び接続部５の破損を抑制できる幅を採用することができる。

次に、ミラー部２１のＸ軸と直交する軸（可動部２が停止しているときのＹ軸）周りの揺動について説明する。ミラー部２１はミラートーションバー２３に保持されており、ミラートーションバー２３のねじれによって揺動される。ミラートーションバー２３は変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）がミラートーションバー２３の共振周波数で振動することで、共振し、揺動する。

さらに詳しく説明すると、以下のとおりである。変位部４Ａ及び変位部４Ｃを組とし、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄを組として、同じ組の変位部は紙面に対して同方向に、異なる組の変位部は紙面に対して異なる方向に振動させる。まず、図１において、変位部４Ａ及び４Ｃを紙面手前側、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄを紙面奥側に変位させた場合を例に説明する。変位部４Ａ及び変位部４Ｃが紙面手前側に変位すると、接続部５Ａ及び５Ｃがともに紙面手前側に変位する。そして、主軸トーションバー３ＡＣは接続部５Ａ及び接続部５Ｃに引っ張られ、可動部２側が紙面手前側となるように曲げられる。主軸トーションバー３ＡＣの曲げ変形によって、可動部２の連結部２４が持ち上げられる。なお、接続部５Ａ及び接続部５Ｃが蛇行状に形成されているので、ねじれ方向にも変形しやすく、主軸トーションバー３ＡＣの変位を大きくすることができる。

主軸トーションバー３ＢＤも主軸トーションバー３ＡＣと同様に、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄ、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄによって曲げられる。なお、主軸トーションバー３ＢＤの曲げ方向は主軸トーションバー３ＡＣと反対の紙面奥側である。主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤの曲げ変形によって、可動部２がＸ軸と直交する軸（ミラートーションバー２３の主軸であり停止時はＹ軸）周りにねじり方向に変位される。

そして、変位部４Ａ及び変位部４Ｃの組、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄの組を交互に変位させることで、可動部２がミラートーションバー２３の主軸周りに揺動（振動）する。この可動部２の揺動の振動数をミラートーションバー２３及びミラー部２１の共振周波数とすることで、ミラートーションバー２３は励振されてねじれ方向の振動が発生する。これにより、ミラートーションバー２３に保持されているミラー部２１が揺動される。なお、ミラー部２１のミラートーションバー２３のねじれによる揺動（振動）の周波数は、数十ｋＨｚ（例えば、３０ｋＨｚ）の高周波である。

変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）を以上のように振動させることで、可動部２がＸ軸周りに低周波で揺動されるとともに、可動枠２２と独立してミラー部２１がＸ軸と直交する軸周りに高周波で揺動される。ミラー部２１で光を反射しつつ可動部２を低周波で、ミラー部２１を高周波で揺動させることで、光が走査される。

上述したように、本発明の光スキャナＯＳでは、可動部２を構成する各部分が薄くても、規制部６で可動部２のＹ方向の移動を確実に規制することができる。このことにより、可動部２が薄いことで軽量化することが可能である。光スキャナＯＳでは、可動部２をＸ軸周りに低周波で揺動しつつ（垂直走査）、ミラートーションバー２３周りにミラー部２１を高周波で揺動している（水平走査）。

このような光スキャナＯＳにおいて、水平走査線を等間隔で走査するため、Ｘ軸周りの揺動を等速で行う必要がある。そのため、Ｘ軸周りの揺動時の変位部４の駆動は、可動部２の揺動角度をひずみゲージ等の検出素子で検出しつつ振動制御を行う。この振動制御に大きく影響するのが、可動部２のＸ軸周りに揺動する振動モードの共振周波数であり、この共振周波数が実際の可動部２のＸ軸周りの揺動の周波数より十分に大きくないと、制御周期を十分には小さくできず、ノイズが出現し、品質が低下する。例えば、光スキャナＯＳをプロジェクタ装置に用いている場合、投影される画像に横縞等のノイズが発生することがある。

本発明の光スキャナＯＳの場合、上述しているように、可動部２を構成する部分を薄くし軽量に形成することができるので、Ｘ軸周りに揺動する振動モードの共振周波数を可動部２のＸ軸周りの揺動の周波数の十倍程度以上とすることができ、光スキャナＯＳの２次元走査の精度を低下させることなく、破損を効果的に抑制することが可能である。

本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの他の例について図面を参照して説明する。図５は本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの他の例の正面図である。図５に示す光スキャナＯＳ２は包囲部１１が形成されておらず、規制部６が異なる以外の部分は、図１に示す光スキャナＯＳと同じ構成を有しており、実質上同じ部分には、同じ符号が付してある。また、接続部５が採用されているものとして説明するが、接続部７が採用されているものも同様の構造、効果を有している。

図５に示すように、光スキャナＯＳ２は、固定枠１の中央に開口１２が形成されており、開口１２の中央に、可動部２が配置されており、主軸トーションバー３に揺動可能に保持されている。そして、規制部６が変位部４の保持部４１の自由端の近傍から開口１２の内部に突出している。なお、規制部６は可動部２の連結部２４とＹ方向に近接して配置されている。なお、規制部６と連結部２４とのＹ方向の幅をＴ２、接続部５のスリットＳＴのＹ方向の幅をＴ１とすると、規制部６はＴ２＜Ｔ１の条件を満たすように形成されている。

光スキャナＯＳ２にＹ方向の力が作用した場合であっても、主軸トーションバー３及び接続部５に、これらが破損する応力が作用する前に、連結部２４が規制部６に接触し、可動部２が移動する力を受ける。これによって、主軸トーションバー３及び接続部５の破損を抑制できる。

光スキャナＯＳ２のように、規制部６が変位部４の保持部４１と一体に形成されており、規制部６は変位部４の変位に伴って変位する。しかしながら、光スキャナＯＳ２の厚さ（連結部２４、規制部６等の厚さ）は１００μｍ程度であり、変位部４の変位（約１０μｍ）よりも十分に大きいので、可動部２が最大角度に変位した状態で可動部２がＹ方向に移動しても、連結部２４が規制部６と接触する。これにより、光スキャナＯＳ２が駆動時に衝撃、振動等でＹ方向の力が作用しても主軸トーションバー３及び（又は）接続部５の破損を抑制できる。

上述した実施形態において、主軸トーションバー３の連結部２４と連結しているのと反対側の端部は、固定枠１と連結しているが、連結されていない構成としてもよい。主軸トーションバー３が固定枠１と連結していない形状の場合、主軸トーションバー３の長さと同じ長さの接続部で変位部４と接続されていてもよい。

上記各実施例では、本発明の例として光を２次元走査する光スキャナを例に説明しているが、１次元走査する光スキャナにもちいてもよい。この場合、可動部の全体或いは一部がミラー部に形成されているものを挙げることができる。また、上記各実施例において、マイクロスキャナとして、ミラー部で光を反射しつつ走査するものを例に説明しているが、それに限定されるものではなく、ミラー部に替わる光学素子としてレンズを用いるものやＬＥＤ、レーザダイオード等の自発光型の光学素子を用いるものであってもよい。さらに、可動部の動力源（アクチュエータ）として片持ち梁状の保持部に圧電素子を貼り付けたバイモルフ構造の変位部を採用しているが、それに限定されるものではなく、片持ち梁形状であるとともに、コイル、永久磁石等を用い、電磁力で変位される変位部を採用してもよい。

さらに、上述の各実施形態では、変位部で発生する変位で主軸トーションバーをねじることで、主軸トーションバーに保持されている可動部を揺動しているが、変位部と可動部とを接続部を介して接続する構成とし、変位部で発生する変位で可動部を揺動する構成であってもよい。

以下に、本発明にかかる光スキャナを用いた光学機器の一例であるプロジェクタ装置について、図面を参照して説明する。図６は本発明にかかる光学機器の一例であるプロジェクタ装置の使用状態を示す図であり、図７は図６に示すプロジェクタ装置のブロック図である。なお、図７において、レーザ光は二点鎖線で表示している。図６に示すように、プロジェクタ装置ＰＪはレーザ光を水平走査及び垂直走査のラスタ走査をすることで、スクリーンＳＣ上に画像を投影する画像投影装置である。

図７に示すように、プロジェクタ装置Ａは、光源部７１と、投影部である走査部７２と、外部入力部７３と、記憶部７４と、映像情報処理部７５と、制御部７６とを備えている。

光源部７１には、赤色の波長のレーザ光を出射する赤色レーザ光源７１０Ｒと、緑色の波長のレーザ光を出射する緑色レーザ光源７１０Ｇと、青色の波長のレーザ光を出射する青色レーザ光源７１０Ｂとを備えている。なお、光源部７１として、レーザ光源（レーザダイオード）を用いたものを採用しているが、それに限定されるものではなく、小型で、大きな出力の光を出射することができるもの（例えば、ＬＥＤ素子、キセノンランプなど）を用いた光源を広く採用することができる。

光源部７１においてレーザ光源７１０Ｒ、７１０Ｇ，７１０Ｂごとに、発散光であるレーザ光を平行光に変換するためのコリメータレンズ７１１が備えられている。光源部７１は２個のダイクロイックプリズム７１２を用いて、赤色レーザ光、緑色レーザ光及び青色レーザ光を一本のビームにまとめている。さらに、光源部７１にはレーサドライバ７１３が備えられており、レーサドライバ７１３は赤色レーザ光源７１０Ｒ、緑色レーザ光源７１０Ｇ及び青色レーザ光源７１０Ｂから出射されるレーザ光の出力（光量）を調整している。レーサドライバ７１３が、赤色レーザ光源７１０Ｒ、緑色レーザ光源７１０Ｇ及び青色レーザ光源７１０Ｂの出力を調整することで、赤色、緑色、青色のレーザ光を合成し、色調を調整している。

走査部７２は、２次元走査型の光スキャナOS及び光スキャナ駆動部７２１を備えている。光スキャナＯＳは上述している本発明にかかるマイクロスキャナであり、光源部７１より出射された光を、揺動しているミラー部２１で反射することで、スクリーン上に映像を形成する。光スキャナ駆動部７２１は、光スキャナＯＳを駆動するためのドライバ回路である。プロジェクタ装置ＰＪでは、垂直走査周波数６０Ｈｚ、水平走査周波数約３０ｋＨｚであり、そのため、ミラーデバイス駆動部２２は、光スキャナＯＳのミラー部２１が、主軸トーションバー３周りに６０Ｈｚ、ミラートーションバー２３周りに約３０ｋＨｚで揺動するように、変位部４に駆動信号（駆動電力）を供給する。

外部入力部７３が、例えば、ＤＶＤ、ＢＤ等の外部からの入力情報（例えば、映像情報）を受信するものがある。外部入力部７３から入力された入力情報は、一端、記憶部７４に格納された後、映像情報処理部７５に送られる。このように、入力情報を一端記憶部７４に格納する構成の場合、通信の不具合やディスクの読み取りエラー等で入力情報の受信が途切れた場合でも、記憶部７４に記憶されている情報を利用するので、映像情報処理部７５に送る映像情報が途切れにくい。また、例えば、ＴＶ放送等のように、外部からの入力情報が途切れにくいものの場合、外部入力部７３から映像情報を直接、映像情報処理部７５に送る構成であってもよい。

なお、外部入力部７３で受信される入力情報の形式が、映像情報処理部７５で扱える形式ではない場合もある。その場合、外部入力部７３が入力情報を映像情報処理部７５で処理可能な形式の映像情報に変換する変換部を内蔵していてもよい。また、この変換部は映像情報処理部７５が備えていてもよく、独立して備えられるものであってもよい。

映像情報処理部７５は、映像情報に基づいて、赤色、緑色、青色各レーザ光源を駆動するための色情報信号と、光スキャナＯＳの駆動のタイミングを決定する駆動タイミング信号とを生成する。映像情報処理部７５は、制御部７６よりクロック信号を受信しており、そのクロック信号に基づいて、色情報信号と駆動タイミング信号とを同期させている。

そして、映像情報処理部７５は、色情報信号をレーサドライバ７１３に、駆動タイミング信号を光スキャナ駆動部７２１に送る。このように、色情報信号と駆動タイミング信号とを同期させて送信することで、ＲＧＢそれぞれの波長のレーザ光を適切な割合で混合したレーザ光を、スクリーンＳＣ上の適切な位置に照射し、スクリーンＳＣ上に正確な映像を表示する。なお、レーサドライバ７１３及び光スキャナ駆動部７２１にも、制御部７６よりクロック信号を供給し、クロック信号と色情報信号及び駆動タイミング信号を同期することで、色情報信号と駆動タイミング信号とを高精度で同期させることも可能である。

制御部７６は、ＣＰＵ等の処理装置を備えている。制御部７６は、外部入力部７３、記憶部７４及び映像情報処理部７５と接続されており、外部入力部７３及び映像情報処理部７５を駆動制御する。

本発明にかかる光スキャナは上述したとおり、消費電力の増加、偏向角や走査性能の低下を招くことなく、振動や衝撃による故障、破損を抑制できる。このことから、本発明にかかる光学機器であるプロジェクタ装置は、手持ち駆動可能な構成とすることや携帯電話やデジタルカメラ等のモバイル機器に内蔵することも可能である。また、上述の例では、本発明にかかる光スキャナをプロジェクタ装置の走査部に用いているが、これに限定されるものではなく、イメージスキャナ、バーコードリーダ、レーザプリンタの走査部等として利用することも可能である。

上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を減縮する様に解すべきではない。本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

本発明は、携帯電話、デジタルカメラ等の小型の携帯型の電子機器に搭載されるマイクロスキャナに適用することが可能である。

ＯＳ 光スキャナ
１ 固定枠
１１ 包囲部
１２ 開口
２ 可動部
２１ ミラー部
２２ 可動枠
２３ ミラートーションバー
２４ 連結部
３ 主軸トーションバー
４ 変位部
４１ 保持部
４２ 圧電素子
５ 接続部
５１ レバー部
６ 規制部
ＳＴ スリット

Claims (9)

1. 平面を有する可動部と、
   前記可動部を囲む固定枠と、
   前記可動部を揺動可能に支持する主軸部と、
   前記可動部又は前記主軸部に変位を与える変位部とを有するマイクロスキャナであって、
   前記可動部は前記主軸部が連結する連結部を備えており、
   前記連結部の、前記主軸部の軸方向と非揺動時の前記可動部平面の法線方向との両方に直交する方向に近接配置された規制部を備え、
   前記可動部又は前記主軸部は、前記主軸部の軸方向に伸びる複数の梁状のレバー部と前記複数のレバー部の間に配置された複数のスリットとが形成された接続部によって前記変位部と接続されており、前記連結部と前記規制部との間隔が前記スリットの幅よりも狭く形成されていることを特徴とするマイクロスキャナ。
2. 前記規制部は前記固定枠から延設されている請求項１に記載のマイクロスキャナ。
3. 前記規制部は前記変位部から延設されている請求項１に記載のマイクロスキャナ。
4. 少なくとも前記規制部と前記連結部とは一基板を加工することで形成される請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
5. 前記可動部は、少なくとも一部に光を反射するミラー部を備えている請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
6. 前記可動部は、前記ミラー部を囲む可動枠と、前記ミラー部を揺動可能に支持し、前記主軸方向と交差する方向に延びて前記可動枠と連結するミラートーションバーとを備えている請求項５に記載のマイクロスキャナ。
7. 前記変位部は、前記固定枠と連結された片持ち梁状の保持部と、前記保持部の表面に貼り付けられた逆圧電効果を有する圧電素子とを備えたユニモルフ構造である請求項１から請求項６のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
8. 前記変位部は、前記固定枠と連結された片持ち梁状の保持部と、前記保持部にコイル又は磁石が配置されており、前記保持部が電磁力で変位する請求項１から請求項６のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
9. 請求項１から請求項８のいずれかに記載のマイクロスキャナを搭載する光学機器。

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