JP7132481B2 - アクチュエータ及び光走査装置 - Google Patents

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Description

本発明は、アクチュエータ及び光走査装置に関する。
従来から、ミラー部を回転軸回りに回転させて光を走査する光走査装置が知られている。このような光走査装置の一つとして圧電型2軸駆動MEMSミラーが挙げられる。圧電型2軸駆動MEMSミラーでは、水平駆動梁の共振駆動時における水平駆動梁の振動が垂直駆動梁に伝搬し、垂直駆動梁の共振振動が励起されることで、水平駆動梁と垂直駆動梁の間での機械的クロストークが発生する。機械的クロストークの原因は水平駆動時の水平方向と直交する垂直方向への振動励起である。
機械的クロストークが発生すると、水平駆動梁を駆動しただけで垂直駆動梁が振動し、垂直方向に振動成分を持ってしまう。また、機械的クロストークが発生すると、走査光が垂直振動成分を持ち、照射光の品質を悪化させてしまう。
また、製造バラツキによる共振周波数のバラツキや、温度変化によるMEMS構造体のヤング率変化に起因する共振周波数変動などによっても機械的クロストークが発生する。
機械的クロストークを抑制するためには、水平共振駆動時のミラー反射面または垂直駆動梁で吊られる稼働枠の垂直方向の変動を抑制する必要がある。
光走査装置の走査軌跡が乱れないようにする技術の一つとして、反射部に捩れ振動を行わせる外側駆動部にリブが設けられた光走査装置を挙げることができる(例えば、特許文献1参照)。
特開2015-215562号公報
しかしながら、上記の光走査装置において機械的クロストークの発生をさらに抑制することが求められていた。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、光走査装置等を構成するアクチュエータにおいて機械的クロストークの発生をさらに抑制することを目的とする。
本発明の一態様に係るアクチュエータは、表面に第1の駆動源(151A、151B)が形成され、駆動対象物(120)を第1の軸(H)の周りに揺動駆動可能に設けられた第1の駆動梁(150A、150B)と、表面に第2の駆動源(171A、171B)が形成され、前記第1の軸に直交する第2の軸(V)に垂直な方向に延在する複数の梁(173X1~173X6、173Y1~173Y6)を有し、隣接する前記梁の端部同士が折り返し部(171X1~171X5、171Y1~171Y5)で連結されて全体としてジグザグ状の蛇腹構造を有し、前記駆動対象物を前記第2の軸の周りに揺動駆動可能に設けられた第2の駆動梁(170A、170B)と、記第2の駆動梁を支持する固定枠(180)と、前記第2の駆動梁の裏面に形成された第1リブ(174X0等)及び第2リブ(175X、175Y)と、を有し、前記第2リブは、前記第1リブから離間し、前記第1の軸の方向において前記第1リブよりも前記第2の軸に近い位置に形成されており、前記複数の梁(173X1~173X6、173Y1~173Y6)の内の最外梁(173X6、173Y6)は、前記固定枠(180)と接続する固定枠接続部(A12、A14)、及び前記固定枠接続部(A12、A14)から前記最外梁(173X6、173Y6)側に張り出して前記第2の駆動梁(170A、170B)の振動の起点となる固定部(181X、181Y)を介して、前記固定枠(180)に接続しており、前記第2リブ(175X、175Y)の少なくとも1つは、前記最外梁(173X6、173Y6)における前記第2の軸から前記固定部(181X、181Y)側に離間した位置に形成されている。
なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。
開示の技術によれば、アクチュエータにおいて機械的クロストークの発生を抑制することができる。
実施の形態に係る光走査装置の一例を示す斜視図(その1)である。 実施の形態に係る光走査装置の一例を示す斜視図(その2)である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す上面側の平面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す下面側の平面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の要部を拡大した斜視図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の梁幅に対するリブの長さとf2振角及びf0変位量の関係を示す図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の梁の厚さ対するリブの幅とf2振角及びf0変位量の関係を示す図である。 実施の形態と第1参考例に係る光走査装置の変位の周波数特性を示す図である。 実施の形態に係る光走査装置の各部位の位相の周波数特性を示す図である。 実施の形態に係る光走査装置の振角と変位の周波数特性を示す図である。 実施の形態に係る光走査装置の各部位の位相の周波数特性を示す図である。 第1変形例に係る光走査装置の斜視図である。 第2変形例に係る光走査装置の斜視図である。 第3変形例に係る光走査装置の斜視図である。 機械的クロストークの発生がない場合(A)とある場合(B)の水平単軸でレーザ走査したときのレーザ照射面の写真の模式図である。 第2参考例に係る光走査装置の光走査部を示す上面側の平面図である。 第2参考例に係る光走査装置の光走査部を示す下面側の平面図である。 重量化した折り返し部によるカウンター効果を説明するための図である。 第2参考例と第1参考例に係る光走査装置の各部位の位相の周波数特性を示す図である。 第2参考例に係る光走査装置の振角と変位の周波数特性を示す図である。 第3参考例に係る光走査装置の光走査部を示す上面側の平面図である。 第3参考例に係る光走査装置の光走査部を示す下面側の平面図である。 第3参考例に係る光走査装置の振角と変位の周波数特性を示す図である。 第4参考例に係る光走査装置の光走査部を示す上面側の平面図である。 第4参考例に係る光走査装置の光走査部を示す下面側の平面図である。 第4参考例と第1参考例に係る光走査装置の各部位の位相の周波数特性を示す図である。 第4参考例に係る光走査装置の振角と変位の周波数特性を示す図である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
<実施の形態>
まず、実施の形態に係る光走査装置について説明する。図1及び図2は、実施の形態に係る光走査装置の一例を示す斜視図であり、図1はパッケージカバーを取り外した状態の光走査装置を示し、図2はパッケージカバーを取り付けた状態の光走査装置を示している。
図1及び図2に示されるように、光走査装置1000は、光走査部100と、光走査部100を搭載するセラミックパッケージ200と、セラミックパッケージ200上に配されて光走査部100を覆うパッケージカバー300とを有する。光走査装置1000は、セラミックパッケージ200の下側に、基板や制御回路等を備えてもよい。
光走査装置1000において、パッケージカバー300の略中央部には光反射面を有するミラー110の近傍を露出する開口部300Aが設けられている。開口部300Aは、ミラー110へのレーザ入射光Li及びミラー110からのレーザ出射光Lo(走査光)を遮らない形状とされている。
なお、開口部300Aにおいて、レーザ入射光Liが通る側は、レーザ出射光Loが通る側よりも小さく開口されている。すなわち、レーザ入射光Li側が略半円形状に狭く開口しているのに対し、レーザ出射光Lo側は略矩形状に広く開口している。これは、レーザ入射光Liは一定の方向から入射するのでその方向のみを開口すればよいのに対し、レーザ出射光Loは2次元に走査されるため、2次元に走査されるレーザ出射光Loを遮らないように、走査される全範囲を開口する必要があるためである。
次に、光走査装置1000の光走査部100について説明する。図3は、実施の形態に係る光走査装置の一例に係る光走査部100Aを示す上面側の平面図である。図4は実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す下面側の平面図である。
図3及び図4に示されるように、光走査部100Aは、ミラー110を揺動させて光源から照射されるレーザ入射光を走査する部分である。光走査部100Aは、例えば圧電素子によりミラー110を駆動させるMEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー等である。
光走査部100Aは、ミラー110と、ミラー支持部120と、捻れ梁130A、130Bと、連結梁140A、140Bと、水平駆動梁150A、150Bと、可動枠160と、垂直駆動梁170A、170Bと、固定枠180とを有する。ミラー支持部120の上面にミラー110が支持されている。本実施の形態においては、ミラー支持部120と、捻れ梁130A、130Bと、連結梁140A、140Bと、水平駆動梁150A、150Bと、可動枠160をまとめて、ミラー110を支持するミラー支持体161と称する。
ミラー支持体161の両側に、ミラー支持体161に接続される一対の垂直駆動梁170A、170Bが配置されている。ミラー支持体161と垂直駆動梁170Aは、ミラー支持体接続部A11により接続される。固定枠180と垂直駆動梁170Aは、固定枠接続部A12により接続される。ミラー支持体161と垂直駆動梁170Bは、ミラー支持体接続部A13により接続される。固定枠180と垂直駆動梁170Bは、固定枠接続部A14により接続される。垂直駆動梁170A、170Bの詳細については後述する。
図3及び図4に示されるように、ミラー110を支持するミラー支持部120の両側に、ミラー支持部120に接続される一対の水平駆動梁150A、150Bが配置されている。また、水平駆動梁150A、150B、連結梁140A、140B、捻れ梁130A、130B、ミラー支持部120及びミラー110は、可動枠160によって外側から支持されている。即ち、水平駆動梁150A、150Bは、可動枠160にそれぞれの一方の側が支持されている。水平駆動梁150Aの他方の側は内周側に延びて連結梁140A、140Bと連結している。水平駆動梁150Bの他方の側も同様に、内周側に延びて連結梁140A、140Bと連結している。連結梁140A、140Bは、水平回転軸H方向に延びる捻れ梁130A、130Bに接続されており、捻れ梁130A、130Bは水平回転軸H方向の両側からミラー支持部120を支持している。上記のように、水平駆動梁150A、150Bは、捻れ梁130A、130Bの延びる水平回転軸H方向と直交する方向に、ミラー110及びミラー支持部120を挟むように、対をなして設けられている。水平回転軸H方向については後述する。
水平駆動梁150A、150Bは、それぞれ水平駆動源151A、151Bを有する。また、垂直駆動梁170A、170Bは、それぞれ垂直駆動源171A、171Bを有する。水平駆動梁150A、150B、垂直駆動梁170A、170B、及び垂直駆動梁170A、170Bに接続された固定枠180は、ミラー110を上下又は左右に揺動してレーザ光を走査するアクチュエータとして機能する。
水平駆動梁150A、150Bの上面には、水平駆動源151A、151Bがそれぞれ形成されている。水平駆動源151A、151Bは、水平駆動梁150A、150Bの上面の圧電素子の薄膜(以下「圧電薄膜」ともいう。)の上に形成された上部電極と、圧電薄膜の下面に形成された下部電極とを含む。水平駆動源151A、151Bは、上部電極と下部電極に印加する駆動電圧の極性に応じて伸長したり縮小したりする。
このため、水平駆動梁150Aと水平駆動梁150Bとで逆位相となる正弦波の駆動電圧を印加すれば、ミラー110の左側と右側で水平駆動梁150Aと水平駆動梁150Bとが上下反対側に交互に振動する。これにより、捻れ梁130A、130Bを揺動軸又は回転軸として、ミラー110を水平回転軸Hの軸周りに揺動させることができる。ミラー110が捻れ梁130A、130Bの軸周りに揺動する方向を水平方向と呼び、ミラー110の光反射面の中心Cを通る上記の揺動軸を水平回転軸Hという。例えば水平駆動梁150A、150Bによる水平駆動には、共振振動が用いられ、高速にミラー110を揺動駆動することができる。
ミラー支持部120には、ミラー110の円周に沿うようにスリット122が形成されている。スリット122により、ミラー支持部120を軽量化しつつ捻れ梁130A、130Bによる捻れをミラー110へ伝達することができる。
また、図3及び図4に示されるように、垂直駆動梁170Aは、水平回転軸H方向に延在する複数の矩形状の垂直梁を有し、隣接する垂直梁の端部同士が連結され、全体としてジグザグ状の形状を有する。
例えば、ミラー支持体161側から数えて1番目の垂直梁の端部と2番目の垂直梁の端部とが折り返し部171X1により連結されている。又、2番目の垂直梁の端部と3番目の垂直梁の端部とが折り返し部171X2により連結されている。又、3番目の垂直梁の端部と4番目の垂直梁の端部とが折り返し部171X3により連結されている。又、4番目の垂直梁の端部と5番目の垂直梁の端部とが折り返し部171X4により連結されている。又、5番目の垂直梁の端部と6番目の垂直梁の端部とが折り返し部171X5により連結されている。
垂直駆動梁170Bも同様に、水平回転軸H方向に延在する複数の矩形状の垂直梁を有し、隣接する垂直梁の端部同士が連結され、全体としてジグザグ状の形状を有する。
例えば、ミラー支持体161側から数えて1番目の垂直梁の端部と2番目の垂直梁の端部とが折り返し部171Y1により連結されている。又、2番目の垂直梁の端部と3番目の垂直梁の端部とが折り返し部171Y2により連結されている。又、3番目の垂直梁の端部と4番目の垂直梁の端部とが折り返し部171Y3により連結されている。又、4番目の垂直梁の端部と5番目の垂直梁の端部とが折り返し部171Y4により連結されている。又、5番目の垂直梁の端部と6番目の垂直梁の端部とが折り返し部171Y5により連結されている。
垂直駆動梁170A、170Bの上面には、それぞれ曲線部を含まない矩形単位である垂直梁ごとに垂直駆動源171A、171Bが形成されている。垂直駆動源171Aは、垂直駆動梁170Aの上面の圧電薄膜の上に形成された上部電極と、圧電薄膜の下面に形成された下部電極とを含む。垂直駆動源171Bは、垂直駆動梁170Bの上面の圧電薄膜の上に形成された上部電極と、圧電薄膜の下面に形成された下部電極とを含む。
垂直駆動梁170A、170Bは、垂直梁ごとに隣接している垂直駆動源171A、171B同士で、駆動波形の中央値を基準に上下反転した波形の駆動電圧を印加することにより、隣接する垂直梁の上方向への変形量を変化させ、各垂直梁の上下動の蓄積を可動枠160に伝達する。垂直駆動梁170A、170Bの動作によりミラー110及びミラー支持部120が水平回転軸Hの方向と直交する方向に揺動され、この揺動する方向を垂直方向と呼び、ミラー110の光反射面の中心を通る上記の揺動軸を垂直回転軸Vという。例えば垂直駆動梁170A、170Bによる垂直駆動には、非共振振動を用いることができる。
例えば、垂直駆動源171Aは、垂直駆動梁170Aを構成する1番目から6番目の各垂直梁の上にそれぞれ形成された6つの垂直駆動源171A1、171A2、171A3、171A4、171A5及び171A6を含む。また、垂直駆動源171Bは、垂直駆動梁170Bを構成する1番目から6番目の各垂直梁の上にそれぞれ形成された6つの垂直駆動源171B1、171B2、171B3、171B4、171B5及び171B6を含む。この場合、垂直駆動源171A1、171B1、171A3、171B3、171A5、171B5を同波形、垂直駆動源171A2、171B2、171A4、171B4、171A6及び171B6を前者と位相の異なる同波形で駆動することで、ミラー110及びミラー支持体161を垂直方向へ揺動できる。
また、光走査部100Aは、水平駆動源151A、151Bに駆動電圧が印加されてミラー110が水平方向に揺動している状態におけるミラー110の水平方向の傾き具合(水平方向の振角)を検出する水平振角センサとして、圧電センサ191、192を有する。圧電センサ191は連結梁140Aに設けられ、圧電センサ192は連結梁140Bに設けられている。
また、光走査部100Aは、垂直駆動源171A、171Bに駆動電圧が印加されてミラー110が垂直方向に遥動している状態におけるミラー110の垂直方向の傾き具合(垂直方向の振角)を検出する垂直振角センサとして、圧電センサ195、196を有する。圧電センサ195は垂直駆動梁170Aを構成する垂直梁の一つに設けられており、圧電センサ196は垂直駆動梁170Bを構成する垂直梁の一つに設けられている。
本実施の形態の光走査装置において、光走査部は、例えば、活性層、埋め込み酸化(BOX)膜及び支持層を有するSOI(Silicon on Insulator)基板から形成されている。固定枠180と可動枠160及びリブは、活性層、埋め込み酸化膜及び支持層から構成される。一方で、捻れ梁130A、130B、水平駆動梁150A、150B及び垂直駆動梁170A、170Bは、活性層により構成されている。あるいは、捻れ梁130A、130B、水平駆動梁150A、150B及び垂直駆動梁170A、170Bは、活性層及び埋め込み酸化膜から構成されていてもよい。従って、固定枠180と可動枠160及びリブは、捻れ梁130A、130B、水平駆動梁150A、150B及び垂直駆動梁170A、170Bよりも重い部分となっている。
本実施の形態の光走査装置は、垂直駆動梁170Aの裏面において、垂直梁の連結位置にリブが形成されている。最も内側の垂直梁173X1が可動枠160に連結する位置にリブ174X0が形成されている。垂直梁173X1、173X2と折り返し部171X1の連結位置にリブ174X1が形成されている。垂直梁173X2、173X3と折り返し部171X2の連結位置にリブ174X2が形成されている。垂直梁173X3、173X4と折り返し部171X3の連結位置にリブ174X3が形成されている。垂直梁173X4、173X5と折り返し部171X4の連結位置にリブ174X4が形成されている。垂直梁173X5、173X6と折り返し部171X5の連結位置にリブ174X5が形成されている。ここで、リブ174X5は折り返し部171X5側に幅広に形成されており、垂直梁173X5、173X6と折り返し部171X5の連結位置が他の連結位置に比べて重量化されている。
また、垂直駆動梁170Bの裏面において、同様に、垂直梁の連結位置にリブが形成されている。最も内側の垂直梁173Y1が可動枠160に連結する位置にリブ174Y0が形成されている。垂直梁173Y1、173Y2と折り返し部171Y1の連結位置にリブ174Y1が形成されている。垂直梁173Y2、173Y3と折り返し部171Y2の連結位置にリブ174Y2が形成されている。垂直梁173Y3、173Y4と折り返し部171Y3の連結位置にリブ174Y3が形成されている。垂直梁173Y4、173Y5と折り返し部171Y4の連結位置にリブ174Y4が形成されている。垂直梁173Y5、173Y6と折り返し部171Y5の連結位置にリブ174Y5が形成されている。ここで、リブ174Y5は折り返し部171Y5側に幅広に形成されており、垂直梁173Y5、173Y6と折り返し部171Y5の連結位置が他の連結位置に比べて重量化されている。
本実施の形態の光走査装置において、垂直梁173X5、173X6と折り返し部171X5の連結位置と、垂直梁173Y5、173Y6と折り返し部171Y5の連結位置が、他の連結位置に比べて重量化されている。垂直駆動梁が共振振動する時、重量化した折り返し部に位相遅れが発生し、他の梁の振動を抑制するカウンター効果がある。
また、本実施の形態に係る光走査装置において、ミラー110とミラー支持体161の重心は垂直回転軸V上に位置する。これは、可動枠160が、垂直回転軸Vに対して一方の側よりも一方の側の反対側(領域X2の側)で重く形成されていること等で実現されている。さらに、上記のようにミラー110を垂直回転軸V方向と水平回転軸H方向に揺動させることができる本実施の形態の光走査装置においては、ミラー110及びミラー支持部120の重心は、垂直回転軸Vと水平回転軸Hの交点に位置する。これにより、ミラー110とミラー支持体161の重量バランスが最適化され、垂直駆動時のリンギングの発生を抑制することができる。
本実施の形態の光走査装置は、さらに、垂直駆動梁170A、170Bの裏面において、垂直梁と折り返し部の連結位置から垂直回転軸V側に離間した位置にリブ175X、175Yが形成されている。リブは、複数の垂直梁の内の少なくとも1つに形成されている。即ち、本実施の形態では、垂直駆動梁170A、170Bの変形部の裏面に、垂直駆動梁の長手方向にほぼ直交する方向(垂直回転軸方向)にリブを追加した構成である。垂直駆動梁170A、170Bの変形部とは、垂直駆動梁170A、170Bを構成する矩形状の垂直梁173X1~173X6、173Y1~173Y6であり、この部分は、駆動電圧が印加されたときに変形する。本実施の形態において、リブは、複数の垂直梁の内の2つ以上に形成されていてもよい。リブは、垂直回転軸Vの方向は長手方向であり、水平回転軸Hの方向が短手方向である形状を有する。
また、リブは、複数の垂直梁の内の最外梁、つまり固定枠180と接続する固定枠接続部A12、A14によって固定枠180に接続される垂直梁173X6、173Y6に形成されており、リブの少なくとも1つは最外梁における垂直回転軸Vから固定枠接続部A12、A14側に離間した位置に形成されている構成とすることができる。図4に示されるように、固定枠180の固定枠接続部A12、A14から垂直梁173X6、173Y6側に張り出した部分は固定部181X、181Yである。固定部181X、181Yは固定枠180と同様にSOI基板の活性層、埋め込み酸化膜、支持層の3層で形成されており、垂直駆動梁170A、170Bより重い部分であり、垂直駆動梁170A,170Bの振動の起点となる。リブの位置は振動の起点に近いほど、リブ質量によるモーメントが低くなるため、最外梁である垂直梁173X6、173Y6において、固定部181X、181Yにリブを近づけて配置することで、垂直駆動梁170A、180Bの共振周波数の低下を防ぐことができる。
垂直駆動梁の変形部の裏面にリブを1か所以上設けることで、水平共振周波数や垂直共振周波数に影響を与えることなく、水平駆動時の垂直方向変動抑制と、f0およびf2の変位/振角の抑制が両立可能になる。これにより、リンギングを抑制しつつ、機械的クロストークを抑制することができる。ここで、f0及びf2は、固有振動モードにおける共振周波数であり、それぞれ1次モードと3次モードに対応する。また、各共振周波数における固有振動モードを指す。
図5は、実施の形態に係る光走査装置の光走査部の要部(リブ175Yの部分)を拡大した斜視図である。リブ(175Y)の形状として、垂直回転軸V方向のリブ長さをRL、水平回転軸H方向のリブ幅をRW、垂直梁(173Y6)の表面からのリブの高さをRTとする。
f0およびf2の振角が大きいとリンギング発生原因となる。また、f0は振角を抑制できても変位があると、垂直センサ出力が発生し制御で誤検出を起こしてしまう。よって、f0変位とf2振角によりリブ形状の最適化範囲を決定した。ここで、f0変位がなくなればf2振角もなくなる。以下において、正規化したf0変位量とf2振角のリブ形状依存性をシミュレーションにより算出し、グラフで示した。
図6は、本実施の形態に係る光走査装置の光走査部の梁幅に対するリブの長さとf2振角及びf0変位量の関係を示す図である。図中の横軸は、(リブ長さRL)=α×(梁幅BW)としたときの係数αである。f0変位量の規格値が0±0.2、f2振角の規格値が0±0.2とすると、リブ形状として許される許容範囲PLは、0.5×BW≦RL≦BWとなる。即ち、(リブ長さRL)=α×(梁幅BW)としたときの係数αで記載すれば、0.5≦α≦1となる。
図7は、本実施の形態に係る光走査装置の光走査部の梁の厚さ対するリブの幅とf2振角及びf0変位量の関係を示す図である。図中の横軸は、(リブ幅RW)=β×(梁の厚さBT)としたときの係数βである。f0変位量の規格値が0±0.2、f2振角の規格値が0±0.2とすると、リブ形状として許される許容範囲PLは、0.5×BT≦RW≦3×BTとなる。即ち、(リブ幅RW)=β×(梁の厚さBT)としたときの係数βで記載すれば、0.5≦β≦3となる。
また、水平駆動梁150A、150B、垂直駆動梁170A、170B、固定枠180及びリブ175X、175Yは、活性層、埋め込み酸化膜及び支持層を有するSOI基板から形成されている。このとき、リブの高さRTは、支持層及び埋め込み酸化膜の厚さの和に等しい。SOI基板の厚さをTとし、BOX膜の厚さが十分に薄いとすると、リブの高さRTは、SOI基板の厚さT-梁の厚さBTとなるといえる。即ち、RT≒T-BTとなる。
リブ175X、175Yは、垂直梁の長手方向にほぼ直行し、垂直回転軸V方向にほぼ平行である。即ち、リブ175X、175Yは、垂直回転軸Vの方向は長手方向であり、水平回転軸Hの方向が短手方向である形状を有する。
また、図5に示されるように、リブ175X、175Yの垂直回転軸V方向の両端部は、全円弧状または角部円弧形状等のラウンド形状Rが形成されていることが好ましい。これにより、リブ175X、175Yの長手方向(垂直回転軸V方向)の端部でのBOX層の応力集中を防ぐことができる。
<第1参考例>
第1参考例は、上記の本実施の形態の光走査装置に対して、以下の3つの点で異なり、それ以外は本実施の形態の光走査装置と同様である。(1)垂直梁173X5、173X6と折り返し部171X5の連結位置と、垂直梁173Y5、173Y6と折り返し部171Y5の連結位置が、他の連結位置に比べて重量化されていない。(2)可動枠160は、垂直回転軸Vに対して一方の側よりも一方の側の反対側(領域X2の側)で重く形成されておらず、ミラー110及びミラー支持部120の重心は、垂直回転軸V上に位置していない。(3)垂直駆動梁170A、170Bの裏面において、垂直梁と折り返し部の連結位置から垂直回転軸V側に離間した位置にリブ175X、175Yが形成されていない。
<周波数特性>
図8は、本実施の形態に係る光走査装置と第1参考例に係る光走査装置の変位の周波数特性を示す図である。本実施の形態に係る光走査装置を100Aで示し、第1参考例に係る光走査装置をCで示す。
図8に示されるように、第1参考例に係る光走査装置(図8中のC)によれば、水平共振点の変位が大きく、隣接共振点においても周波数に対する変位の特性変化が大きくなっている。本実施の形態に係る光走査装置(図8中の100A)によれば、水平共振点の変位が抑制され、さらに隣接共振点において周波数に対する変位の特性変化が小さく抑制されている。
図9は、本実施の形態に係る光走査装置の各部位の位相の周波数特性を示す図である。図9に示されるように、重量化した折り返し部171X5のリブ174X5に対し、折り返し部171X3のリブ174X3及び折り返し部171X1のリブ174X1は軽量となっている。折り返し部171X3及び折り返し部171X1の位相が折り返し部171X5から約180度遅れている。これにより、カウンター効果が現れて、ミラー垂直端MT(図3参照)の振動を抑制している。製造ばらつきや温度変化によってMEMSミラーの共振周波数は最大±600Hz程度変化するが、位相ずれはほぼ180度あることから、製造ばらつきや温度変化によっても機械的クロストークが発生しない。よって、水平駆動時の水平共振点およびその隣接共振点でのミラー反射面の垂直方向変位を抑制することが可能になる。このようにして、水平共振駆動時の垂直方向変動を抑制することができる。
図10は、本実施の形態に係る光走査装置の振角と変位の周波数特性を示す図である。700~800Hz近傍におけるf0の変位と振角の変動が抑制されている。また、3000Hz近傍のf2の変位と振角の変動が抑制されている。
図11は、本実施の形態に係る光走査装置の各部位の位相の周波数特性を示す図である。重量化した折り返し部171X5のリブ174X5に対し、折り返し部171X3のリブ174X3及び折り返し部171X1のリブ174X1は軽量となっている。折り返し部171X5に対し、折り返し部171X3、171X1の位相が180度遅れている。これにより、カウンター効果が現れて、f2でのミラー垂直端MTの振動を抑制している。製造ばらつきや温度変化によってMEMSミラーのf2は最大±40Hz程度変化するが、位相ずれはほぼ180度あることから、製造ばらつきや温度変化によってもf2振動を抑制可能でリンギングは発生しない。よって、ミラー反射面のf0およびf2の変位/振角を抑制することが可能になり、リンギングを抑制できる。
垂直駆動梁の変形部の裏面に、垂直梁の長手方向にほぼ直行する方向(垂直回転軸V方向)にリブを追加することで、f0およびf2に起因するリンギング振動を抑制しつつ、機械的クロストークの発生を防ぐことの両立が可能になる。また、製造ばらつきによる共振周波数ばらつきや温度変化による共振周波数変化が生じたとしても、リンギング振動を抑制しつつ、機械的クロストークの発生を防ぐことが可能になる。
<変形例>
図12は第1変形例に係る光走査装置の斜視図である。図13は第2変形例に係る光走査装置の斜視図である。図14は第3変形例に係る光走査装置の斜視図である。図12に示される第1変形例では、光走査部100Bの垂直駆動梁の最外梁かつ固定枠に近い垂直梁に、それぞれ2個、計4個のリブ176X1、176X2、176Y1、176Y2が形成されている。図13に示される第2変形例では、光走査部100Cの垂直駆動梁の最外梁かつ固定枠に近い垂直梁と、最外梁から3番目に垂直梁にそれぞれ1個、計4個のリブ177X1、177X2、177Y1、177Y2が形成されている。図14に示される第3変形例では、光走査部100Dの垂直駆動梁の各垂直梁に、それぞれ6個、計12個のリブ178X1、178X2、178X3、178X4、178X5、178X6、178Y1、178Y2、178Y3、178Y4、178Y5、178Y6が形成されている。
リブは垂直駆動梁の最外の垂直梁に形成されているが、他の垂直梁の裏面にリブを付けても、ほぼ同様の効果は得られる。しかし、f0の低下防止を考慮すると、垂直駆動梁を構成する垂直梁の内の最外梁かつ固定枠に近い位置に左右単数ずつ配置するのが好ましい。リブを垂直駆動梁の最外の垂直梁に形成する場合でも、固定枠接続部A12、A14に近いほど好ましい。但し、圧電センサ195、196の裏面にリブが設けられていると、リブの存在が圧電センサの振角測定に影響を与える可能性があるので、圧電センサ195、196の裏面に相当する部分は避けることが好ましい。
図15は、共振/非共振2軸駆動MEMSミラーにおいて、水平単軸で共振駆動させてレーザを走査したときのレーザ照射面の写真を模式的に示した図である。図15(A)は機械的クロストークの発生がない場合であり、図15(B)は機械的クロストークがある場合である。図中、レーザ光の照射部と非照射部の境界を実線で示している。機械的クロストークがない場合には、図15(A)に示されるように、垂直方向にレーザ光のスポット径しか広がりを有さず、水平方向にのみ延びたレーザ光照射部の像が得られる。機械的クロストークがある場合には、図15(B)に示されるように、垂直方向に垂直振動成分の広がりを有するレーザ光照射部の像が得られる。
図15(B)に示されるような機械的クロストークが発生していても、本実施の形態の光走査装置にように、垂直駆動梁の変形部の裏面に、垂直梁の長手方向にほぼ直行する方向(垂直回転軸V方向)にリブを追加することで、機械的クロストークを抑制できる。
<第2参考例>
図16は第2参考例に係る光走査装置の光走査部を示す上面側の平面図である。図17は第2参考例に係る光走査装置の光走査部を示す下面側の平面図である。第2参考例は、上記の本実施の形態の光走査装置に対して、以下の2つの点で異なり、それ以外は本実施の形態の光走査装置と同様である。(1)可動枠160は、垂直回転軸Vに対して一方の側よりも一方の側の反対側(領域X2の側)で重く形成されておらず、ミラー110及びミラー支持部120の重心は、垂直回転軸V上に位置していない。(2)垂直駆動梁170A、170Bの裏面において、垂直梁と折り返し部の連結位置から垂直回転軸V側に離間した位置にリブ175X、175Yが形成されていない。一方で、垂直梁173X5、173X6と折り返し部171X5の連結位置と、垂直梁173Y5、173Y6と折り返し部171Y5の連結位置が、他の連結位置に比べて重量化されていることは、実施の形態と同様である。
垂直駆動梁の隣接折り返し部の質量を変更して質量を最適化することにより、水平共振駆動時の垂直方向変動を抑制する効果がある。最内周折り返し部を重量化しても同様の効果を得ることができるが、f0が低下してしまい、これによって駆動波形のリニア駆動部が減り、解像度の低下が生じる。最外周折り返し部を重量化し、その他の部分を軽量化することで、f0の低下が生じない。
図18は重量化した折り返し部によるカウンター効果を説明するための図である。垂直駆動梁が共振振動する時、図18中の破線円CTで示す部分において、重量化した折り返し部に位相遅れが発生し、他の梁の振動を抑制するカウンター効果がある。
図19は第2参考例に係る光走査装置と第1参考例に係る光走査装置の変位の周波数特性を示す図である。第2参考例に係る光走査装置を100Xで示し、第1参考例に係る光走査装置をCで示す。
図19に示されるように、第1参考例に係る光走査装置(図8中のC)によれば、水平共振点の変位が大きく、隣接共振点においても周波数に対する変位の特性変化が大きくなっている。第2参考例に係る光走査装置(図8中の100X)によれば、水平共振点の変位が抑制され、さらに隣接共振点において周波数に対する変位の特性変化が小さく抑制されている。
図20は、第2参考例に係る光走査装置の振角と変位の周波数特性を示す図である。700~800Hz近傍におけるf0の変位が悪化している。また、3000Hz近傍のf2の変位と振角が悪化している。上記のように、垂直駆動梁の振動のカウンター効果により、水平駆動時の水平共振点及びその隣接共振点での垂直方向変位を抑制するとf0及びf2の変位/振角が変化してしまう。水平駆動時の垂直方向変動防止と、本来の目的であるf2振角の抑制を両立できない。
<第3参考例>
図21は第3参考例に係る光走査装置の光走査部を示す上面側の平面図である。図22は第3参考例に係る光走査装置の光走査部を示す下面側の平面図である。第3参考例は、上記の本実施の形態の光走査装置に対して、以下の2つの点で異なり、それ以外は本実施の形態の光走査装置と同様である。(1)垂直梁173X5、173X6と折り返し部171X5の連結位置と、垂直梁173Y5、173Y6と折り返し部171Y5の連結位置が、他の連結位置に比べて重量化されていない。(2)垂直駆動梁170A、170Bの裏面において、垂直梁と折り返し部の連結位置から垂直回転軸V側に離間した位置にリブ175X、175Yが形成されていない。一方で、可動枠160は、垂直回転軸Vに対して一方の側よりも一方の側の反対側(領域X2の側)で重く形成されており、ミラー110及びミラー支持部120の重心は、垂直回転軸V上に位置していることは、実施の形態と同様である。
図23は、第3参考例に係る光走査装置の振角と変位の周波数特性を示す図である。700~800Hz近傍におけるf0の変位は抑制されている。一方、3000Hz近傍のf2の変位と振角が悪化している。上記のように、可動枠重量調整によりf0、の変位/振角を最適化することは可能であるが、f2の変位/振角が最適化できない。
<第4参考例>
図24は第4参考例に係る光走査装置の光走査部を示す上面側の平面図である。図25は第4参考例に係る光走査装置の光走査部を示す下面側の平面図である。第4参考例は、上記の本実施の形態の光走査装置に対して、以下の1つの点で異なり、それ以外は本実施の形態の光走査装置と同様である。(1)垂直駆動梁170A、170Bの裏面において、垂直梁と折り返し部の連結位置から垂直回転軸V側に離間した位置にリブ175X、175Yが形成されていない。一方で、垂直梁173X5、173X6と折り返し部171X5の連結位置と、垂直梁173Y5、173Y6と折り返し部171Y5の連結位置が、他の連結位置に比べて重量化されていること、また、可動枠160は、垂直回転軸Vに対して一方の側よりも一方の側の反対側(領域X2の側)で重く形成されており、ミラー110及びミラー支持部120の重心は、垂直回転軸V上に位置していることは、実施の形態と同様である。
図26は第4参考例に係る光走査装置と第1参考例に係る光走査装置の変位の周波数特性を示す図である。第4参考例に係る光走査装置を100Zで示し、第1参考例に係る光走査装置をCで示す。
図26に示されるように、第1参考例に係る光走査装置(図8中のC)によれば、水平共振点の変位が大きく、隣接共振点においても周波数に対する変位の特性変化が大きくなっている。第4参考例に係る光走査装置(図26中の100Z)によれば、水平共振点の変位は抑制されていない。さらに隣接共振点において周波数に対する変位の特性変化が十分抑制されてはいない。
図27は、第4参考例に係る光走査装置の振角と変位の周波数特性を示す図である。700~800Hz近傍におけるf0の変位が抑制されている。また、3000Hz近傍のf2の変位と振角が抑制されている。上記のように、垂直駆動梁のカウンター効果及び可動枠重量バランスにより、f0及びf2の変位/振角を最適化すると、水平駆動時の水平共振点及びその隣接共振点での垂直方向の変位を抑制しようとしても最適化できない。
本実施の形態の光走査装置によれば、700~800Hz近傍におけるf0の変位と振角の変動が抑制されている。また、3000Hz近傍のf2の変位と振角の変動が抑制されている。また、垂直駆動梁の変形部の裏面に、垂直梁の長手方向にほぼ直行する方向(垂直回転軸V方向)にリブを追加することで、f0およびf2に起因するリンギング振動を抑制しつつ、機械的クロストークの発生を防ぐことの両立が可能になる。また、製造ばらつきによる共振周波数ばらつきや温度変化による共振周波数変化が生じたとしても、リンギング振動を抑制しつつ、機械的クロストークの発生を防ぐことが可能になる。
以上、好ましい実施の形態について説明したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、上記の実施の形態では、ミラーを有する光走査装置にアクチュエータを適用した形態を説明しているが、アクチュエータの駆動対象物はミラーでなくてもよく、本発明はミラーを持たないアクチュエータにも適用することが可能である。また、本発明の光走査装置は、プロジェクション装置にも適用可能である。
100 光走査部
100A、100X、100Y、100Z 光走査部
110 ミラー
120 駆動対象物
120 ミラー支持部
122 スリット
130A、130B 捻れ梁
140A、140B 連結梁
150A、150B 水平駆動梁
151A、151B 水平駆動源
160 可動枠
161 ミラー支持体
170A、170B 垂直駆動梁
171A、171B 垂直駆動源
171X1~171X5、171Y1~171Y5 折り返し部
173X1~173X6、173Y1~173Y6 垂直梁
174X0~174X5、174Y0~174Y5 リブ
175X、175Y リブ
176X1、176X2、176Y1、176Y2 リブ
177X1、177X2、177Y1、177Y2 リブ
178X1~178X6、178Y1~178Y6 リブ
180 固定枠
181X、181Y 固定部
191、192、195、196 圧電センサ
200 セラミックパッケージ
300 パッケージカバー
300A 開口部
1000 光走査装置

Claims (8)

  1. 表面に第1の駆動源が形成され、駆動対象物を第1の軸の周りに揺動駆動可能に設けられた第1の駆動梁と、
    表面に第2の駆動源が形成され、前記第1の軸に直交する第2の軸に垂直な方向に延在する複数の梁を有し、隣接する前記梁の端部同士が折り返し部で連結されて全体としてジグザグ状の蛇腹構造を有し、前記駆動対象物を前記第2の軸の周りに揺動駆動可能に設けられた第2の駆動梁と、
    記第2の駆動梁を支持する固定枠と、
    前記第2の駆動梁の裏面に形成された第1リブ及び第2リブと、を有し、
    前記第2リブは、前記第1リブから離間し、前記第1の軸の方向において前記第1リブよりも前記第2の軸に近い位置に形成されており、
    前記複数の梁の内の最外梁は、前記固定枠と接続する固定枠接続部、及び前記固定枠接続部から前記最外梁側に張り出して前記第2の駆動梁の振動の起点となる固定部を介して、前記固定枠に接続しており、
    前記第2リブの少なくとも1つは、前記最外梁における前記第2の軸から前記固定部側に離間した位置に形成されている、アクチュエータ。
  2. 前記第2リブは、前記複数の梁の内の2つ以上の前記梁に形成されている
    請求項1に記載のアクチュエータ。
  3. 前記第2リブは、前記第2の軸の方向は長手方向であり、前記第1の軸の方向が短手方向である形状を有する
    請求項1又は2に記載のアクチュエータ。
  4. 前記第2リブの前記第2の軸の方向の長さRLは、前記梁の前記第2の軸の方向の幅BWの0.5倍以上かつ1倍以下である
    請求項1乃至のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
  5. 前記第2リブの前記第2の軸の方向の幅RWは、前記梁の厚さBTの0.5倍以上かつ3倍以下である
    請求項1乃至のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
  6. 前記第1の駆動梁、前記第2の駆動梁、前記固定枠及び前記第2リブが、活性層、埋め込み酸化膜及び支持層を有するSOI(Silicon on Insulator)基板から形成されている
    請求項1乃至のいずれか1項に記載のアクチュエータ。
  7. 前記第2リブの高さRTは、前記支持層及び前記埋め込み酸化膜の厚さの和に等しい
    請求項に記載のアクチュエータ。
  8. 光反射面を有するミラーと、
    前記ミラーを支持するミラー支持部と、
    表面に第1の駆動源が形成され、前記ミラー支持部を第1の軸の周りに揺動駆動可能に設けられた第1の駆動梁と、
    表面に第2の駆動源が形成され、前記第1の軸に直交する第2の軸に垂直な方向に延在する複数の梁を有し、隣接する前記梁の端部同士が折り返し部で連結されて全体としてジグザグ状の蛇腹構造を有し、前記ミラー支持部を前記第2の軸の周りに揺動駆動可能に設けられた第2の駆動梁と、
    記第2の駆動梁を支持する固定枠と、
    前記第2の駆動梁の裏面に形成された第1リブ及び第2リブと、を有し、
    前記第2リブは、前記第1リブから離間し、前記第1の軸の方向において前記第1リブよりも前記第2の軸に近い位置に形成されており、
    前記複数の梁の内の最外梁は、前記固定枠と接続する固定枠接続部、及び前記固定枠接続部から前記最外梁側に張り出して前記第2の駆動梁の振動の起点となる固定部を介して、前記固定枠に接続しており、
    前記第2リブの少なくとも1つは、前記最外梁における前記第2の軸から前記固定部側に離間した位置に形成されている、光走査装置。
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