JPWO2008041585A1 - 光走査装置 - Google Patents
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Abstract
Description
この光スキャナは、図17に示すように、光を反射するための板状のマイクロミラ−121と、一直線上に位置してマイクロミラ−121の両側を支持する一対の回転支持体122と、一対の回転支持体122が接続され、ミラ−1の周辺を囲う枠部123と、枠部123に並進運動を加える圧電素子124とを備え、かつ、一対の回転支持体122を結ぶ直線上以外の場所にミラ−121の重心を位置させた構成となっている。
圧電素子124に電圧を加えると、圧電素子124は伸縮を行い、Z軸方向に振動し、この振動は枠部123に伝達される。マイクロミラ−121は、駆動された枠部123に対して相対運動を起こし、Z軸方向の振動成分がマイクロミラ−121に伝えられると、マイクロミラ−121はX軸回転支持体122で成す軸線に対して左右非対称の質量成分を持つので、X軸回転支持体122を中心にマイクロミラ−121に回転モ−メントが生じる。このようにして、圧電素子124によって枠部123に加えられた並進運動は、マイクロミラ−121のX軸回転支持体122を中心とした回転運動に変換される。
上記ばね定数可変素子134としては、発熱源である電気抵抗素子あるいはひずみ発生源である圧電素子が用いられ、弾性変形部133の温度の変化または変形によって弾性変形部133のバネ定数が変化し、振動の共振特性を調整できるようになっている。
すなわち、フレーム部から出た2本の捻じれ梁を支持する2本の幅の細い片持ち梁部分に圧電膜を形成すると、この部分の剛性が増加し、圧電膜に誘起された振動が、効率よく捻り梁部に伝達されず、結果、ミラーの捻じれ振動が小さくなる。また、2つの片持ち梁部とその上に形成される圧電膜とで構成される振動源部分の振動特性を正確に一致させないと、ミラーの捻じれ振動の振動振幅が抑制されるのと同時に、捻じれ振動以外の振動モードが重畳し、正確なレーザービームの走査が実現できない。さらに、ミラーの駆動力を増加させるため圧電膜部分の面積を大きくするには、上記片持ち梁部の幅を大きくする必要が有り、このため同片持ち梁部に2次元的な不要の振動モードを発生させ、ミラーの捻じれ振動の振動振幅が抑制されるのと同時に、捻じれ振動以外の振動モードが重畳し、正確なレーザービームの走査が実現できないなどの問題がある。また、上記片持ち梁の幅が細く制限されるため、この部位に形成された圧電膜を駆動するための上部電極の形成は、幅が細いため容易でなく、量産時の歩留まりに大きく影響するなどの問題点があった。
図27に、図23に示すフレーム部から出た2本の捻じれ梁を支持する2本の幅の細い片持ち梁部分に圧電膜を形成する構成のミラーの振れ角を示す。駆動電圧は1Vとし、圧電体の電気特性は、典型的なパラメータであるPZT−5Aの特性、スキャナーフレーム本体の材質はSUS304の特性を用いた。ミラー部の振れ角は、0.63度と小さいものであった。
また、本発明は、捻れ梁部を支持する片持ち梁部の形状及び捻れ梁部の取付け位置を工夫することにより、より広い温度範囲に対して走査角度の安定した光走査装置を提供することを第2の目的とする。
また、本発明は、捻れ梁部の断面形状を工夫することにより、より広い温度範囲に対して走査角度の安定した光走査装置を提供することを第3の目的とする。
また、本発明は、効率的にミラー部に捻れ振動を発生することができる光走査装置を提供することを第4の目的とする。
まず、図3に本発明の対象となる光走査装置の基本構成を示す。
図3において、基板10は、例えば、板材をエッチングあるいはプレス加工等により、ミラ−部11及び捻れ梁部12を残して中抜きされた形状に作製されており、ミラ−部11は基板10に連結された捻れ梁部12、12により両側から支持され、また、捻れ梁部12、12の外側端はそれぞれ片持ち梁部14に支持される構造となっている。
また、基板10は、例えば、その一端が支持部材13に片持ち状に支持されている。
本明細書において、基板10とは、ミラ−部11、捻れ梁部12を除く装置のフレ−ム構造部を指しており、片持ち梁部14を含むものであり、片持ち梁部14を含まない部分を基板本体部という。(以下、基板10をフレ−ム構造部ということがある。)。なお、基板10のうち、片持ち梁部14を除いた部分を基板本体という。
基板10と捻れ梁部12との連結部から離れた基板10の本体部の一部に、エアロゾルデポジション法(以下、「AD法」と略す場合がある。)、スパッタリング法あるいはゾル−ゲル法等の薄膜形成技術を用いて、あるいはバルク材の圧電薄板を張り付けて、光走査駆動用圧電膜15を形成し、電源16から光走査駆動用圧電膜15上の上部電極17及び下部電極としての基板10に電圧を印加すると光走査駆動用圧電膜15が圧電振動し、基板10に板波あるいは振動を誘起し、これを利用してミラ−部11に捻れ振動を生じさせることにより、簡単な構造で効率的にミラ−部11に捻れ振動を発生することができる。
この場合、光走査駆動用圧電膜15が基板10を振動させる駆動源となる。
駆動源である光走査駆動用圧電膜15に電圧を印加した状態でミラ−部11に光源18から光ビ−ムを照射すると、ミラ−部11が振動するため、ミラ−部11で反射した光は一定の振れ角で振動する。
なお、本明細書において、基板10自体のバネ定数及び形状を変化させる手段を基板形状制御手段と総称する。
また、本発明は同目的を達成するため、図8に示すように、捻れ梁部12を支持する片持ち梁部14の捻れ梁部12との接続部から開放端部までの長さが、片持ち梁部14の捻れ梁部12との接続部から片持ち梁部14の基端までの長さより短くして、容易に温度補償が可能で、より広い温度範囲に対して走査角度の安定を図っている。
また、本発明は上記第3の目的を達成するため、図7に示すように、捻れ梁部12の断面の厚みtと幅wの比(w/t)を1.5以下にして、容易に温度補償が可能で、より広い温度範囲に対して走査角度の安定を図っている。
図9は、本発明に係る振動源である圧電膜15を基板10に1つ形成する構成の光走査装置を、y=0の面を対称面とし、半分のみモデル化した平面図である。
光走査装置の基本構成となるミラー部11の寸法や捻れ梁部12の寸法、捻れ梁部12のミラー部11への取り付け位置(ミラー部の重心位置)、基板10の形状ならびにその支持方法、さらに圧電膜15の厚みや膜面積の合計値も同じにしてある。違いは、圧電膜15の形成位置だけである。
図10に、図9に示す装置のミラー部11の振れ角を示す。駆動電圧は1Vとし、圧電体の電気特性は、典型的なパラメータであるPZT−5Aの特性、スキャナーフレーム本体の材質はSUS304の特性を用いた。基本的に、図16に示す従来技術4と図5に示す本発明の共振周波数はほぼ同じだが、ミラー部11の振れ角は、従来技術4のものでは0.63度であるのに対し、図5に示す本発明によるものでは2.69度(30V換算で80.7度)と、4.3倍程度大きく振れることが確認された。
尚、ミラーの走査振幅を大きくするために、基板に配置される振動源を複数もう於けることも可能であるが、この場合、振動源の特性や取り付け位置、接着、成膜による取り付け状態のバラツキのため、基板部にミラー部を支持する捻れ梁に垂直方向の対称軸に対し非対称な2次元振動が誘起され易くなり、ミラーの捻れ振動による光ビームの走査精度は低下する。これに対し本発明では、振動源が一つでも効率よくミラー部に捻れ振動を誘起し、光ビームの走査ジッターの低減と製品のバラツキを大幅に抑えることができる。
そこで、本発明では、図12に示すように、片持ち支持されている光走査装置全体を囲むように配置された剛性の高い基板固定フレーム32に、幅の細い基板接続用梁33で、光走査装置を支持部材13による支持部から離れた位置で固定する。
このとき、基板接続用梁33の固定位置によって光走査装置自体の共振状態が変化し、ミラー部11の走査角度や共振周波数が影響を受ける。
これに対して、図14に示す基板接続用梁33で接続されていない状況で、ミラー部11が捻り共振している時に、光走査装置基板10の縁部分(図14の符号34で示された箇所)のZ軸方向の振動振幅が最小となる節35近傍の箇所で、図13−dに示すように基板接続用梁33で接続固定した場合は、ミラー部11の走査振幅は、約55°と基板固定フレーム32に固定しない場合よりもむしろ若干大きな走査振幅となる。この場合は、光走査装置基板10全体の振動モードを変化させないので、固定していない場合とほぼ等価な共振状態を維持でき、基板接続用梁23による光走査装置基板10固定のミラー部11の走査振幅への影響は、最小となる。
従って、光走査装置の外縁部で、ミラー共振時に振動の節あるいは、振動振幅が最も小さく、かつなるべく光走査装置支持部材13から遠い箇所で、基板接続用梁33により光走査装置を固定すると、ミラー部11の走査振幅を減衰させることなく、光走査装置を外乱振動に対し安定に支持することができる。
(1)ミラ−部を支持する捻れ梁部を有する基板に、基板自体の形状を制御する基板形状制御手段を設けることにより、周囲環境温度の変化により共振周波数が変動してもその変化を打ち消すように基板のバネ定数及び形状を制御し、捻れ梁部に支持されたミラ−部の捻れ振動の共振周波数を一定に保つことができる。
(2)捻れ梁部を支持する片持ち梁部の幅を基板の幅の1/6以下とすることにより、容易に温度補償が可能で、より広い温度範囲に対し走査角度の安定した光走査装置を提供することができる。
(3)捻れ梁部を支持する片持ち梁部の捻れ梁部との接続部から開放端部までの長さが、片持ち梁部の捻れ梁部との接続部から片持ち梁部の基端までの長さより短くすることにより、容易に温度補償が可能で、より広い温度範囲に対し走査角度の安定した光走査装置を提供することができる。
(4)捻れ梁部の断面の厚みtと幅wの比(w/t)が1.5以下とすることにより、容易に温度補償が可能で、より広い温度範囲に対し走査角度の安定した光走査装置を提供することができる。
(5)ミラー部の重量と捻り梁のバネ定数で決定されるミラー部の共振周波数と基板の共振周波数とを大きくずらすことにより、ミラー部から離れた位置で発生させた振動エネルギーを効率よくミラー部の捻り振動になるエネルギーとして伝達することができる。
(6)基板本体及び片持ち梁部を囲むように基板固定フレームを配置して基板本体の固定端部側で固定するとともに、基板本体と基板固定フレームとを支持部材から離れた位置で、かつ、基板振動の最小振幅の近傍において基板接続用梁で接続することにより、ミラー部の走査振幅を減衰させることなく、光走査装置を外乱振動に対し安定に支持することができる。
11 ミラ−部
12 捻れ梁部
13 支持部材
14 片持ち梁部
15 光走査駆動用圧電膜
16 電源
17 上部電極
18 光源
19 連結部
20 応力印加用圧電厚膜
21 光走査駆動信号発生回路
22 周波数調整信号発生回路
23 周波数調整用形状記憶合金薄板
24 周波数調整用低熱膨張材料膜
25 バイメタル構造
26 固定部
27 永久磁石または電磁石
30 基板本体
32 基板固定フレーム
33 基板接続用梁
34 基板の縁部分
35 基板振動の振幅最小位置
光ビ−ム(図示省略)を反射、走査するミラ−部11は、2つの捻れ梁部12により基板10に接続され、基板10の片持ち梁部14と捻れ梁部12との連結部19から離れた基板上の一部に光走査駆動用圧電膜15が形成されている。連結部19から離れた基板上の一部に光走査駆動用圧電膜15を形成するには、少なくとも片持ち梁部14に光走査駆動用圧電膜15を形成することはせず、基板本体部の一部、例えば図に示すように、基板本体部の中央部に形成するとよい。
光走査駆動用圧電膜15に光走査駆動信号発生回路28より駆動信号を印加することにより光走査駆動用圧電膜15は圧電振動し、基板10に板波あるいは振動を誘起し、ミラ−部11に捻れ振動を誘起する。また、基板10上には、別途、基板10に機械的歪みを与えミラ−部11の共振周波数fを変化させるための基板形状制御手段である応力印加用圧電膜20が光走査駆動用圧電膜15よりミラ−部11側に形成、配置され、周波数調整信号発生回路29から調整信号を印加される。応力印加用圧電厚膜20の面積や形状、厚みは、なるべく小さな印加電圧で、大きく上記基板10を変形させる様にすることが好ましい。本実施例では、基板10は、導電性の金属基板(SUS304)で形成されている。
このような光走査装置において、周囲環境温度の変化に伴う、共振周波数のズレやそれに伴う最大走査角度の補正方法を説明する。まず、図4(a)に示すように、温度センサによって周囲を検出、これに基づいて、図14(a)、(b)に示されるような温度上昇に伴う共振周波数の減少を補正するような直流バイアス信号を、周波数調整信号発生回路22より発生し、これを応力印加用圧電膜20に印加して、上記光走査装置の共振周波数自体を変化させ、温度変化に伴う共振周波数のズレを補正する。以上のような構成で、周囲環境温度の変化に伴う光走査装置の共振周波数の変化を大幅に低減、補正でき、画像表示機器やセンサなどに応用する際の精度を向上することができる。また、このとき最大走査角度の増加も光走査装置の共振周波数が一定に保たれるため、安定するが、僅かな変化は生じる。これには図4(a)に示すように、別途設けられた、走査角度検出センサにより検出された走査角度の増加に応じて、光走査駆動信号発生回路21により発生する光走査駆動信号の駆動振幅を低下せしめ、光走査装置にの走査角度が一定になるように補正すれば、周囲環境温度の変化に伴う走査安定性の精度はさらに向上する。
以上のように、本発明によると、従来技術のように周囲温度変化に対する光走査装置のミラ−部の捻れ共振周波数の変化に合わせて、光走査駆動信号発生回路の駆動信号の周波数を調整し、光走査装置の最大走査角度を一定にするのではなく、温度変動に伴う光走査装置の共振周波数そのものを一定に保ち同時に最大走査角度も一定できるという特徴がある。このことにより、共振周波数により決定されるクロック(時間軸)を一定にすることができ、高精度なディスプレ−装置や精密測長器、光センサなどより広範囲の用途に、共振原理を用いた光走査装置を高精度に適用することが可能となる。
図6から図8に示された全ての光走査装置の形状に対して、捻れ共振周波数fは、温度上昇と共に単調に減少する。
表1は、−20℃から80℃までの温度範囲で、ミラ−部の捻れ共振周波数fの異なる各種光走査装置について、共振周波数の変化幅を調べた結果である。数百Hzから30kHz以上の共振周波数のものまで、全て周囲環境温度の変化に伴って、単調に共振周波数fは減少し、その減少幅は、共振周波数で規格化すると、最大でおおよそ1〜2%程度、具体的な周波数変化量としては、上記周波数範囲で、11Hz〜800Hz程度である。
以上から、周囲温度の上昇に伴う光走査装置のミラ−部11の捻れ共振周波数fの低下は、光走査装置の基板10に形成されたミラ−部11を高速走査させるための板波あるいは振動の発生源である光走査駆動用圧電膜15に周波数調整用の直流バイアス信号Sbiasを印加することで、周囲環境温度の変動に対する上記共振周波数fの変化を無くし、上記共振周波数fを一定になるように制御することができた。
以上のように、本発明によると、従来技術に様に周囲温度変化に対する光走査装置のミラ−部の捻れ共振周波数の変化に合わせて、光走査駆動信号発生回路の駆動信号の周波数を調整し、光走査装置の最大走査角度を一定にするのではなく、温度変動に伴う光走査装置の共振周波数そのものを一定に保ち同時に最大走査角度も一定できるという特徴がある。このことにより、共振周波数により決定されるクロック(時間軸)を一定にすることができ、高精度なディスプレ−装置や精密測長器、光センサなどより広範囲の用途に、共振原理を用いた光走査装置を高精度に適用することが可能となる。
また、この実施例では、周波数調整用形状記憶合金薄板23上に光走査駆動用圧電膜15を貼り付けている
上記バイメタル構造とは、熱膨張係数の異なる材料を2層あるいは3層以上重ねた構造であって、構造体の温度が変化すると、その熱膨張係数の違いから曲げ運動を生じるものである。本実施例では、例えば、基板10がステンレスなどの金属材料からなる場合、それに重ねて熱膨張係数の小さなセラミックス材料やガラス材料などを貼り付けるか、エアロゾルデポジション法(AD法)やスパッタ−法などの薄膜法を用いるか、熱酸化法や陽極酸化法などを用いて形成し、構成することができる。
以上から、周囲環境温度の上昇に伴う光走査装置のミラ−部11の捻れ共振周波数fの低下は、光走査装置の基板10上に周波数調整用低熱膨張材料を薄板あるいは膜状に形成することにより補償され、上記電気制御信号による制御を行うことなく、さらに、周囲環境温度の変化を検出するセンサや制御用の電子回路を用いることなく、非常に簡単な構造で、周囲環境温度の変動に対する上記共振周波数fの変化を無くし、上記共振周波数fを一定になるように制御することができる。
本実施例の対象となる光走査装置は実施例1のものと基本構成は同じであり、特にことわらない限り実施例1と同じ符号は同じ部材を指している。
Claims (12)
- 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−部と、基板を振動させる駆動源と、ミラ−部に光を投射する光源とを備え、ミラ−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−部に投射される光の反射光の方向がミラ−部の振動に応じて変化する光走査装置において、基板と捻れ梁部との連結部から離れた基板の一部に駆動源を設けるとともに、基板自体の形状を制御する基板形状制御手段を基板に設けることを特徴とする光走査装置。
- 基板形状制御手段が、基板の一部に応力印加用圧電膜を設けることからなることを特徴とする請求項1記載の光走査装置。
- 基板形状制御手段が、基板を磁性材料で形成するか又は基板上に磁性材料を設けることからなることを特徴とする請求項1記載の光走査装置。
- 基板形状制御手段が、基板を振動させる駆動源の光走査駆動信号発生回路に周波数調整信号回路で発生した直流バイアス信号を重畳させることからなることを特徴とする請求項1記載の光走査装置。
- 基板形状制御手段が、基板の一部に周波数調整用形状記憶合金薄板を設けることからなることを特徴とする請求項1記載の光走査装置。
- 基板形状制御手段が、基板の一部に周波数調整用低熱膨張材料膜を設けることからなることを特徴とする請求項1記載の光走査装置。
- 基板形状制御手段が、捻れ梁部を支持する片持ち梁部に形状記憶合金薄板又はバイメタル構造部材を設けることからなることを特徴とする請求項1記載の光走査装置。
- 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−部と、基板を振動させる駆動源と、ミラ−部に光を投射する光源とを備え、ミラ−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−部に投射される光の反射光の方向がミラ−部の振動に応じて変化する光走査装置において、捻れ梁部を支持する片持ち梁部の幅を基板の幅の1/6以下にす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−部と、基板を振動させる駆動源と、ミラ−部に光を投射する光源とを備え、ミラ−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−部に投射される光の反射光の方向がミラ−部の振動に応じて変化する光走査装置において、捻れ梁部を支持する片持ち梁部の捻れ梁部との接続部から開放端部までの長さが、片持ち梁部の捻れ梁部との接続部から片持ち梁部の基端までの長さより短い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−部と、基板を振動させる駆動源と、ミラ−部に光を投射する光源とを備え、ミラ−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−部に投射される光の反射光の方向がミラ−部の振動に応じて変化する光走査装置において、捻れ梁部の断面の厚みtと幅wの比(w/t)が1.5以下であることを特徴とする光走査装置。
- ミラー部の重量と捻り梁のバネ定数で決定されるミラー部の共振周波数と基板の共振周波数とを大きくずらすことを特徴とする請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の光走査装置。
- 基板本体及び片持ち梁部を囲むように基板固定フレームを配置して基板本体の固定端部側で固定するとともに、基板本体と基板固定フレームとを支持部材から離れた位置で、かつ、基板振動の最小振幅の近傍において基板接続用梁で接続することを特徴とする請求項1乃至請求項11のいずれか1項に記載の光走査装置。
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