WO2008041585A1

WO2008041585A1 - Dispositif de balayage optique

Info

Publication number: WO2008041585A1
Application number: PCT/JP2007/068674
Authority: WO
Inventors: Jun Akedo; Jaehyuk Park; Harumichi Sato
Original assignee: National Institute Of Advanced Industrial Science And Technology
Priority date: 2006-09-27
Filing date: 2007-09-26
Publication date: 2008-04-10
Also published as: JP5229899B2; JP2013101388A; US8125699B2; US20100014142A1; JPWO2008041585A1; JP5476589B2

Description

明細書

光走査装置

技術分野

[0001] 本発明は、光ビームの走査によりスキャンを行う光スキャナに関し、特に捻れ梁（トシヨンバ )に支持された微小なミラを揺動させて光ビムを偏向させる構成の光走査装置に関するものである。

背景技術

[0002] 近年におけるレーザ光等の光ビームを走査する光スキャナは、バーコードリーダ、レーザープリンタ、ヘッドマウントディスプレー等の光学機器、あるいは赤外線カメラ等入力デバイスの光取り入れ装置として用いられてレ、る。この種の光スキャナとして、シリコンマイクロマシユング技術を利用した微小ミラーを揺動させる構成のものが提案されている。例えば、特開平 7— 65098 (特許文献 1)に記載のものが知られている（以下「従来技術 1」という。）。この光スキャナは、図 15に示すように、光源 100から照射される光をミラー部 101で反射して被検出体 102に照射し、該ミラー部 101を振動させることによって被検出体 102の所定方向に光を走査する光スキャナにおいて、片持ち梁状に各一端を固定端として併設された 2個の曲げ運動を行う駆動源 103、 10 3と、該 2個の駆動源 103、 103の自由端側同士を連結する連結部材 104と、該連結部材 104の中央部から延出されたねじり変形部材 105と、該ねじり変形部材 105に設けられたミラ-部 101とを備え、該ミラ-部 101の重心がねじり変形部材のねじり中心軸上に位置せしめられていることを特徴とし、例えば、該 2個の駆動源 103、 103 が圧電材料を貼り付けたバイモルフ構造で駆動され、逆位相で振動することで、ねじり変形部 105に捻れ振動を誘起し、ねじり変形部 105の共振周波数で駆動することにより、大きな振幅で該ミラー部を振動させることを可能にしている。

[0003] また、特開平 4 95917 (特許文献 2、以下「従来技術 2」という。）に記載の光スキャナは、図 16に示すように、曲げ変形モードとねじれ変形モードの 2つの弾性変形モードをもつ振動子 110の一面をミラー面 111とし、この振動子を 2つのモードのそれぞれの共振周波数で振動させ、振動子のミラー面に向けて投射された光ビームをそのミラー面で反射させて 2方向に光を走査し、振動子を一方のモドで振動させれば一次元走査光スキャナとなる。

[0004] また、シリコンマイクロマシユング技術を利用した微小ミラーを揺動させるための光スキヤナとして特開平 10— 197819号公報（特許文献 3)に記載のものが知られている (以下「従来技術 3」という。）。

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一 12 1と、一直線上に位置してマイクロミラー 121の両側を支持する一対の回転支持体 12 2と、一対の回転支持体 122が接続され、ミラー 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ー 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。マイクロミラー 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ー 121に伝えられると、マイク口ミラー 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一 121に回転モ一メントが生じる。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、マイクロミラ一 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。

[0005] また、特開平 9 197334号公報 (特許文献 4、以下「従来技術 4」という。）に記載の光スキャナは、図 18に示すように、一面に鏡面をもつ振動部 131と、振動が加えられる固定部 132と、振動部 131を固定部 132に連結し弾性的に変形する弾性変形部 133を有し、弾性変形部 133に共振特性を調整するばね定数可変素子 134を設けたものである。

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つて弾性変形部 133のパネ定数が変化し、振動の共振特性を調整できるようになつている。

[0006] また、図 25に示すように、振動子 141において可動部 142の両側からはり部 143、 143が互いに反対方向にのび、固定部 146の 2つの腕部 144、 144につながっており、固定部 146の腕部 144、 144にはそれぞれ圧電薄膜 145、 145が設けられ、これらの圧電薄膜 145、 145は高次振動周波数を含む同じ信号により駆動されるようにした光走査装置が特開平 10— 104543号公報 (特許文献 5参照。以下「従来技術 5」という。）に記載されている。

特許文献 1 :特開平 7— 65098号公報

特許文献 2：特開平 4 95917号公報

特許文献 3：特開平 10— 197819号公報

特許文献 4：特開平 9 197334号公報

特許文献 5：特開平 10— 104543号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] 上記した従来技術 1、 2、 3、 4の光スキャナでは、このような振動子の共振振動を利用した光スキャナの性能（光走査角度、光走査速度、光走査軌跡等）は、振動子の共振特性に大きく依存する。振動子の共振特性のうち、特に共振周波数、位相および振幅が光スキャナから出射される光ビームの光走査角度や光走査線の軌跡に大きな影響を与える。

[0008] この共振周波数 fは、例えば、従来技術 4の弾性変形部（捻れ梁部）のばね定数を k 、回転軸 (Y軸または Z軸）のまわりのモーメントを Iとすると、振動子 1における共振周波数 fは次式で表される。

[数 1] 式 1

弾性変形部の曲げ変形モード（ θ B方向）におけるばね定数を kB、ねじれ変形モード（ θ T方向）におけるばね定数を kTとする。これらのばね定数 kB、 kTを式 1のばね定数 kと置きかえると、式 1は曲げ変形モードにおける共振周波数 fB、ねじれ変形モドにおける共振周波数 fTを表すものとなり、曲げ変形モドにおけるばね定数 kB は次式で表される。

[数 2] K = ^Ewt 式 2

^B ~ 4L

[0010] ここで Eはヤング率、 wは弾性変形部の幅 (Y方向の長さ）、 tは弹性変形部の厚さ（

X方向の長さ）、 Lは弾性変形部の長さ（Z方向の長さ）である。

[0011] ねじれ変形モードにおけるばね定数 kTは次式で表される。

國

K _{( t < w)} 式 ₃

- 12L

[0012] ここで Gは横弾性係数、 /3は断面形状に関する係数である。式 3において、より一般的には wは弾性変形部の断面の長辺の長さを、 tは同断面の短辺の長さを表す。

[0013] ばね定数 kが変化することにより、振動子の共振周波数が変化することが式 1から分かる。また、式 2のヤング率 Eおよび式 3の横弾性係数 Gは材料定数ともいわれ、外部温度環境の変化に応じ、弾性変形部の原子間力や形状が熱膨張により変化するため上記材料定数が変化する。

[0014] 従って、光スキャナーの使用環境温度が変化したり、駆動源からの発生熱で、光スキヤナー自体の温度が上昇したりすると、共振周波数が変化するため、駆動源の周波数を固定すると、ミラーの走査角度が小さくなり、これを一定に保つことができない。また、これは、該光スキャナーの駆動電圧を下げるかあるいは、ミラーの走査角度を大きくするため、該光スキャナーの機械的共振系の Q値（quarity factor value, Q = co Om/r、 m :質量、 r :抵抗）を大きくすればするほど、この環境温度に対するミラー走査角度の変化は鋭敏かつ大きくなり、該光スキャナーを実環境で使用されるディスプレー装置や精密測定装置に応用することは困難であった。

[0015] また、通常シリコン基板や金属を加工することによって振動子を作製するの、振動子を作製するプロセス（たとえばシリコン 'エッチング、メタル'エッチング等）において、振動子の形状に加工時のばらつきが生じやすい。振動子の形状のばらつきは、振動子の共振特性のばらつきの原因となる。

[0016] 振動子の特定の位置にウェイトを付加したり、振動子の一部に櫛歯をあらかじめ形成しておき、櫛歯を 1つずつ削除することにより、振動子の共振特性を調整することが考えられるが、ウェイトを付加する位置にばらつきが生じやすい、櫛歯を形成するためには微細加工が必要である等の問題がある。この調整によって振動子に変形、破損が起こりやすぐ共振特性の調整を繰り返し行うことが困難である。なによりも、ゥェイトの付加や櫛歯の削除では、調整量が大きすぎて細かい調整が困難ないしは不可能である。

[0017] この様な問題点があるため、光スキャナ装置の光走査性能（共振周波数、ミラー走查角度、位相）を、周囲環境温度の変化や製造上のバラツキに対して一定にするために、光スキャナの駆動回路ゃ受光信号処理回路において回路定数の補正を行う必要があり、その調整のためのコストが高くつくことが実用的に大きな問題点であった

〇

[0018] 従来知られる、先行技術 1、 2、 3、 4では、ミラー部が捻れ梁部によって支えられた振動子の捻れ振動の共振周波数 fは、先述した式 1、式 3で表現され、ミラー部の重さ (この場合は、ミラー部の回転モーメント I)と捻れ梁部の長さ L、捻れ梁部の捻れ方向のパネ定数 Ktでき決まる。これに対して、図 1 (a)に示される、本発明の対象となる板波あるいは振動を利用した光走査装置のミラー部の捻れ振動の共振周波数は、ミラ一部の重さ（この場合は、ミラー部の回転モーメント I)と捻れ梁部の長さし、捻れ梁部の捻れ方向のパネ定数 Ktだけでは決まらず、上記ミラー部と捻り梁部が連結 ·支持されている基板 (フレーム構造部）自体の形状や大きさ、厚み、パネ定数 Kfの影響も大きく受け決定される。図 1、図 2はこの違いを有限要素法によるシミュレーションで説明するもので、図 1 (a) (b)に示された光走査装置は、共にミラー部と捻れ梁部の形状、機械特性は全く同じだ力図 1 (b)の光走査装置は、それを支える片持ち上に支持された基板 (フレーム構造部）部分の厚みだけを図 1 (a)の 2倍にし、パネ定数 kf (剛性）を増加してある。図 2に両者の共振周波数 fと走査角度 Θの比較を示す。上記共振周波数は大きく高周波側にシフトする。

[0019] 従って、捻れ梁部の捻れ方向のパネ定数 Ktや捻れ梁部自体の形状（断面形状、長さ L)だけでなぐ上記ミラー部と捻り梁部が結合、支えられている基板 (フレーム構造部）自体のパネ定数 Kfや形状を変化させることで、上記ミラー部が捻れ梁部によつて支えられた振動子の捻れ振動の共振周波数 fを変化させることができる。 [0020] また、逆に、上記光走査装置の周囲環境温度が変化すると、上記捻れ梁部の捻れ方向のパネ定数 Ktや捻れ梁部自体の形状（断面形状、長さ L)あるいは、上記ミラー部と捻り梁部が結合、支えられている基板 (フレーム構造部）自体のパネ定数 Kfや形状が変化し、上記ミラー部が捻れ梁部によって支えられた振動子の捻れ振動の共振周波数 fは変化する。

[0021] また、上記した従来技術 5の光走査装置では、可動部 142の振れ角が大きくとれないという欠点があった。

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レ、。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、幅が細レ、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。

[0022] 図 26は、従来技術 5の場合と同様のもので、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となっており、ミラー部走査角度の駆動効率をシミュレーション計算により調べたものである。 y=0の面を対称面とし、半分のみモデル化した。

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 IV 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、スキャナ一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。

[0023] 本発明は、上記捻れ梁部の捻れ方向のパネ定数 Ktや捻れ梁部自体の形状（断面形状、長さ L)だけでは問題が解決されないことに鑑み、上記ミラー部と捻り梁部が連結-支持されている基板 (フレーム構造部）自体のパネ定数 Kfや形状を、周囲環境温度の変化や量産時のバラツキに合わせて変化させることにより、上記ミラー部が捻れ梁部によって支えられた振動子の捻れ振動の共振周波数 fを一定に保つ機能と構造を有する光走査装置を提供することを第 1の目的とする。

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!/、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。

課題を解決するための手段

[0024] 上記目的を達成するための本発明の温度変化及び量産時のバラツキを補償する原理および装置の基本的事項について図を参照しながら以下に説明する。

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 1 1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、ミラー部 11、捻れ梁部 12を除く装置のフレー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をフレー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ー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ー部 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ー部 1 1に捻れ振動を発生すること力 Sでさる。

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ー部 11に光源 18から光ビームを照射すると、ミラー部 11が振動するため、ミラー部 11で反射した光は一定の振れ角で振動する。

[0025] 温度変化及び量産時のバラツキを補償するための具体的な構造としては、図 4に示すように、ミラ-部 11と捻り梁部 12が連結 '支持されている基板 10上に、上記共振周波数 fを調整するための変形力を印加できる応力印加用圧電膜 20を形成し、別途検出された周囲環境温度や量産時のバラツキによる上記共振周波数 fの変化を補正するような電気制御信号を印加すれば、上記応力印加用圧電膜 20の発生力により、ミラー部 11と捻り梁部 12が連結 '支持されている基板 10が変形し、ミラー部 11と捻り梁部 12が連結 ·支持されて!/、る基板 10のパネ定数や形状が変化するため、上記共振周波数 fが調整、補正され、周囲環境温度の変化や量産時のバラツキによる上記共振周波数 fの変化を無くし、上記共振周波数 fが一定になるように制御することができる。

なお、本明細書において、基板 10自体のパ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。

[0026] また、ミラー部 11と捻り梁部 12が連結 '支持されている基板 10上に、上記共振周波数 fを調整するための変形力を印加する方法として、基板 10を磁性材料にするか基板 10上に磁性材料を形成し、外部磁界を印加することで、上記共振周波数 fを調整するための変形力を誘起し、別途検出された周囲環境温度や量産時のバラツキによる上記共振周波数 fの変化を補正するような電気制御信号により外部から印加する磁界を調整すれば、ミラー部 11と捻り梁部 12が連結 ·支持されている基板 10が変形し、ミラー部 11と捻り梁部 12が連結 '支持されている基板 10のパネ定数が調整、補正され、周囲環境温度の変化や量産時のバラツキによる上記共振周波数 fの変化を無くし、上記共振周波数 fが一定になるように制御することができる。

[0027] また、ミラー部 11と捻り梁部 12が連結 '支持されている基板 10上に、上記共振周波数 fを調整するための変形力を印加する方法として、ミラ—部 11と捻り梁部 12が連結 •支持されている基板 10上に、周囲環境温度に応答し、上記共振周波数 fの変化を補正するような変形力を印加するように形状記憶合金や熱膨張係数が異なる材料を形成すれば、温度変化に応じてミラー部 11と捻り梁部 12が連結 ·支持されて!/、る基板 10が変形し、ミラー部 11と捻り梁部 12が連結 '支持されている基板 10のパネ定数が自動的に調整され、上記電気制御信号による制御を行うことなぐさらに、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ぐ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。また、上記応力印加用部材として形状記憶合金材を用いる場合は、基板 10の変形を他の手段を用いた場合より容易に大きくすることができ、従って、周波数の調整範囲を大きくでき、より効果的であ

[0028] また、本発明では、捻れ梁部 12の捻れ方向のバネ定数 Ktや捻れ梁部 12自体の形状（断面形状、長さ L)だけでは問題が解決されないことに鑑み、ミラー部 11と捻り梁部 12が連結 ·支持されている基板 10自体のパネ定数 Kfや形状を周囲環境温度の変化や量産時のバラツキに合わせて変化させる手段を施すものである力基板 10自体のみならず、捻れ梁部にも同様な手段を施しても良いことはもちろんである。

[0029] また、本発明は上記第 2の目的を達成するため、図 6に示すように、捻れ梁部 12を支持する片持ち梁部 14の幅 Lhを基板 10の幅 Lwに対して 1/6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。

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 V、温度範囲に対して走査角度の安定を図って!/、る。

また、本発明は上記第 4の目的を達成するため、本発明は、振動源である圧電膜（体）をフレーム部に 1つ形成することにより、 2つの片持ち梁部の剛性を下げ、効率よくミラーの捻じれ振動を誘起すると同時に、ミラーを駆動する振動源を一つにすることで、上記、振動源の不均等などに起因する不要な振動モードの誘起ならびに振幅低下の問題を解消する。また、このように振動源となる圧電膜形成部分とミラー部ならびにミラー部を支持する捻れ梁部から構成されるミラー捻れ振動部を上記 2つの片持ち梁部で分離することにより、駆動源の圧電膜の面積を片持ち梁部の幅に関係なく自由に設定でき、ミラー捻れ振動部により効率的に大きな駆動力を投入することが可能となり、さらに、圧電膜駆動用の電極形成も容易になり、工業的生産における歩留まりを向上することが可能となる。

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查装置を、 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 IV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力この場合、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才卬えること力 Sできる。

[0031] 図 3に示す本発明のようなミラー部 1 1から離れた位置で発生させた振動エネルギ一を効率よくミラー部 11の捻り振動になるエネルギーとして伝達するには、主にミラー部 11の重量と捻り梁部 12のバネ定数で決定されるミラー部 11の共振周波数 (fm)とフレーム部自体の分割振動モードも含めた共振周波数 (fb)とを大きくずらす必要が有る。ミラー部 11の捻れ振動の共振周波数 (fm)に合うように光走査装置の圧電膜 1 5を駆動したとき、基板 10にも共振モードが誘起されると、振動源で発生された振動エネルギーは、エネルギー保存則からミラー部 11の捻れ振動と基板 10の 2次元分割振動に分配されることになる。従って、基板 10の 2次元分割振動に駆動源からの振動エネルギーが消費された分だけ、ミラー部 11の捻れ振動の振幅 (捻れ角度）は小さくなり、効率よく光走査装置を駆動することができない。また、基板 10に不要な 2次元分割振動が誘起されると、その先端に位置するミラー部 11にも捻れ梁部 12を回転軸とする純粋なねじれ振動以外の振動モードが重畳される場合もあり、直進走査性にすぐれた高精度の光走査を実現することができない。これに対して、本発明では、図 7に示すようにミラー部に誘起される高次まで含む捻れ共振周波数 a (fm (n) : n = 0, 1 , 2, · · · · )が基板 10に誘起される高次まで含む共振周波数 b (fb (n) : n = 0, 1 , 2, · · · · )と重ならないように設計される。

[0032] 本発明による光走査装置は、基本構造として、図 3に示す薄板状の基板 10がミラー部 11と反対側で、支持部材 13により片持ち支持された構造になっており、このため光走査装置の全体に上下の外乱振動が加わると、光走査装置全体が振動し、ミラー部 11で反射、走査される光ビームは、この振動の影響を受け不安定に振動し、正確な光走査が保証できない問題点があった。従って、携帯機器などでの実用的な応用を想定すると、この光走査装置全体が片持ち構造で不安定なことを改善する必要がる。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 3 3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。

[0033] 図 13、図 14は、この様子を調べたもので、図 13 aに示すように、ミラー部 11が捻り共振して!/、る時に振動の腹に近!/、振動振幅が大き!/、片持ち梁部 14の付け根で、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の走査振幅は、固定されていない場合の約 55° の走査振幅に対し、約 17° と大幅に低下する。これは、光走査装置の外縁部で振動振幅の大きな箇所を固定し、その振動を抑制すると、光走查装置基板 10全体の振動モードを変化させ、結果、ミラー部 11の捻れ振動に効率よくエネルギーを伝えられなくなるためである。

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!/、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、かつなるベ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ぐ光走查装置を外乱振動に対し安定に支持することができる。

[0034] 以上の本発明による光走査装置の光ビームの走査ジッタと走査ゥォブル (ビーム走查速度の安定性）を、エーエルティー株式会社製： MEMSスキャナ計測システム [A LT 9A44]で評価したところ、従来のシリコン製 MEMS光スキャナー（日本信号製 )が走査ジッタが、 Jp_p : 0.2〜0.3%であるのに対し、本発明の光走査装置は、金属材料で構成されているにもかかわらず、走査共振周波数 6kHz、 16kHz, 24kHzに対し、 Jp-p : 0.06%以下と一桁小さぐ従来ポリゴンミラー方式に相当する高精度な光ビーム走査を実現できている。また、従来ポリゴンミラー方式では、走査ゥォブル力 Wp -p : 30〜40秒程度有り、 f Θレンズなどで補正をかけ、値を 1桁下げる必要が有るが、本発明による光走査装置では、走査ゥォブル力 Wp-p ： 5秒以下と、一桁低い値となっており、補正レンズ系なしで高安定なビーム走査速度を実現できており、小型、低コスト化を容易に可能とする。以上の測定結果から、本発明による光走査装置は、レーザプリンターなどに使用できる高い光ビーム走査精度が得られていることが明ら力、である。

発明の効果

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。

(1)ミラー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パネ定数及び形状を制御し、捻れ梁部に支持されたミラー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力 S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力 Sでさる。

(5)ミラー部の重量と捻り梁のパ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ェ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力離れた位置で、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ぐ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。

図面の簡単な説明

[図 1]図 1 (a)は、本発明の対象となる板波あるいは振動を利用した光走査装置の斜視図であり、図 1 (b)は、図 1 (a)の光走査装置の基板部分の厚みだけを 2倍にした状態を説明する要部の斜視図である。

[図 2]図 1 (a)の薄板モデルと図 1 (b)の厚板モデルの共振周波数 fと走査角度 Θの比較を説明した図である。

[図 3]本発明の対象となる光走査装置の基本構成を示す斜視図である。

[図 4]周波数調整の駆動源として応力印加用圧電膜をもちいた場合の本発明の実施例 1に係る光走査装置の説明図である。

[図 5]図 4に示す実施例 1の実験結果を示す図である。

[図 6]光走査装置のミラー部の捻れ方向の捻れ共振周波数 fと走査角度 Θの温度依存性とそれに対応する基板の幅 Lwに対する片持ち梁部の幅 Lhの比を変えた場合の実験結果を示した図である。

[図 7]光走査装置のミラー部の捻れ方向の捻れ共振周波数 fと走査角度 Θの温度依存性とそれに対応する捻れ梁部の厚み tと幅 wの比を変えた場合の実験結果を示した図である。

[図 8]光走査装置のミラー部の捻れ方向の走査角度 Θの温度依存性とそれに対応する捻れ梁部の片持ち梁部における取付位置を変えた場合の実験結果を示した図である。

[図 9]本発明に係る圧電膜を基板本体に 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。

[図 10]図 9に示す装置のミラー部の振れ角を示す図である。 [図 11]本発明に係る光走査装置の基板及びミラー部の共振周波数を示す図である。園 12]本発明に係る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た装置の平面図である。

[図 13]基板と基板固定フレームとを接続する基板接続用梁の位置を変化させた場合のミラー振れ角を説明する図である。

[図 14]基板と基板固定フレームとが基板接続用梁で接続されていない状況で、ミラー部が捻り共振している時の基板の縁部分の共振振幅の状態を説明する説明図であ園 15]ミラー部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を基板形状制御にもちいた場合の本発明の実施例 2に係る光走査装置の平面図である。

園 16]周波数調整の駆動源として形状記憶合金を用いた場合の本発明の実施例 3 に係る光走査装置の説明図である。

園 17]周波数調整の駆動源として熱膨張係数の異なる材質で構成されたバイメタノレ構造をもちいた場合の本発明の実施例 4に係る光走査装置の説明図であって、 (a) は平面図、（b) (c)は動作を説明する側面図である。

[図 18]片持ち梁部に形状記憶合金、あるいは熱膨張係数の異なる材質で構成されたバイメタル構造が形成され、その変形により捻れ梁部の張力が調整される場合の本発明の実施例 5に係る光走査装置の平面図である。

園 19]基板の一部あるいは全体を構成する磁性材料と外部磁場の相互作用により基板に変形を与えた場合の本発明の実施例 6に係る光走査装置の説明図である。園 20]図 20 (a)は、駆動源となる圧電部材として通常のバルク材から作製した薄板を貼り付けた場合の走査角度 Θおよび共振周波数 fの実験結果を示した図である。図 20 (b)は、駆動源となる圧電部材としてエアロゾルデポジション (AD)法で形成した圧電膜を貼り付けた場合の走査角度 Θおよび共振周波数 fの実験結果を示した図である。

[図 21]従来技術 1を説明する概略図である。

[図 22]従来技術 2を説明する概略図である。 [図 23]従来技術 3を説明する概略図である。

[図 24]従来技術 4を説明する概略図である。

[図 25]従来技術 5を説明する概略図である。

[図 26]従来技術 5の場合と同様のものであって、 y=0の面を対称面とし、本文のみモデル化した図である。

園 27]図 26に示す構成の装置のミラー部の振れ角を示す図である。

符号の説明

10 基板

11

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

発明を実施するための最良の形態

[0038] 本発明に係る光走査装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

実施例 1

[0039] 図 4 (a)は、周波数調整の駆動源として応力印加用圧電膜をもちいた場合の実施例 1に係る光走査装置の平面図であり、基板 10を支持する支持部材 13は省略している。本実施例の対象となる光走査装置は図 3のものと基本構成は同じであり、図 3 に示したと同じ符号は特にことわらない限り同じ部材を指している。

光ビーム（図示省略)を反射、走査するミラー部 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!/、。

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、ミラー部 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ー部 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よりミラー部 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（SUS30 4)で形成されている。

[0040] 図 4 (b)は、図 4 (a)の装置の動作を説明するものであり、基板 10上で、ミラー部 11 を支える捻れ梁部 12と平行方向に細長い応力印加用圧電膜 20を形成、配置し、直流電圧を印加すると、基板 10と応力印加用圧電膜 20が積層されてュニモルフ構造になっているので、捻れ梁部 12と垂直方向の馬の背状に上方向、あるいは下方向に変形し、その結果、基板 10は、応力印加用圧電膜 20への印加電圧の極性に関係なぐその絶対値が増加するに伴い、捻れ梁部 12と垂直方向には曲がりにくくなり、実質的に基板 10のパネ定数 (剛性）が増加することになるため、ミラ-部 11の捻れ共振周波数 fは増加する。

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ー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ぐ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、基板 10のパネ定数 (剛性）を変化させるための応力印加用圧電膜 20の基板 10上での配置や形状、面積、厚みは、なるべく小さな印加電圧で、大きく基板 10を変形させる様にすることが好ましい。例えば、基板 10全面に応力印加用圧電膜 20を形成、応力印加用圧電膜 20の膜厚を基板 10の厚みに応じて最小電圧で最大変位が得られるように決定 (本件出願人の先の出願である特願平 2005— 115352に詳細に記載)すれば、基板 10全体のパネ率（剛性）がー様に増加しより好適である。

[0042] 図 5に示すように、実験結果では、共振周波数の変化量は応力印加用圧電膜 20 への印加電圧の極性に応じて 2次関数的に増加あるいは減少している力 S、これは印加電圧ゼロの状態の時、すなわち応力印加用圧電厚膜 20が基板 10上に形成されただけで、基板 10が変形していたためで、マイナスの電圧が応力印加用圧電膜 20 に印加されて、基板 10がフラットになり変形量がゼロになるまでは、共振周波数が減少するためである。また、共振周波数 fが 500Hzから 30kHz程度の光走査装置サンプルに対し、 100ボルト (V)の印加電圧で、共振周波数 fを約 200Hz程度増加することができた。

[0043] 図 6から図 8は、光走査装置のミラー部 11の捻れ方向の捻れ共振周波数 fと走査角度 Θの温度依存性とそれに対応する光走査装置の基板 10、片持ち梁部 14、捻れ梁部 12等の形状 (以下、「光走査装置の形状」ということがある。）との関係を示したものである。走査角度 Θは、温度変化に伴う共振周波数 fの変化に対応して、駆動周波数を常に最大の走査角度になるように調整し、測定したものである。

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°Cから 80°Cまでの温度範囲で、ミラー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；!〜 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、 11Ηζ〜800 Hz程度である。 1 走査装置の共振周波数温度依存性

[0044] 以上から、周囲温度の上昇に伴う光走査装置のミラー部 11の捻れ共振周波数 fの低下は、光走査装置の基板 10に応力印加用圧電膜 20を形成し、直流電圧を印加することで十分に制御できることが判った。尚、この様な基板 10への変形の与え方は、磁歪材料などに置き換えても同様なのは明らかである。また、光走査装置の基板 1 0を構成する材料もステンレスのような金属材料に限ったものでなぐ先行文献 1、 2、 3にあるようなマイクロマシユングで形成された、 Si構造体でも同様の効果を実現できるのは明らかである。

実施例 2

[0045] 図 15は、上記光走査装置において、周波数調整のために基板 10を変形させ、そのパネ定数を変化させる駆動源として用いた応力印加用圧電膜 20や応力印加用磁歪膜の代わりに、ミラー部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を基板形状制御にもちいた場合の実施例 2に係る光走査装置の平面図であって、基板 10を支持する支持部材 13は省略している。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。

[0046] 本実施例では、光走査駆動用圧電膜 15は、ミラー部 11を共振させる振動源を兼ねており、駆動信号として、光走査駆動信号発生回路 21により発生したミラー部 11 の捻り共振周波数 fに一致した交流信号 S に上記捻り共振周波数を調整するための

ac

周波数調整信号発生回路 22で発生した直流バイアス信号 S を重畳し、この S + bias ac

S の信号をミラー部 11を高速走査させるための板波発生源である光走査駆動用 bias

圧電膜 15に印加し、ミラー部 11の共振周波数を一定になるように駆動、調整する。基板 10と光走査駆動用圧電膜 15が積層されてュニモルフ構造になっているので、光走査駆動用圧電膜 15形成部分を中心に基板 10が凸状あるいは凹状に変形し、基板 10の内部応力の増加や形状変化による曲げ弾性の増加によりパネ定数が上昇し、その結果、ミラー部 11の共振周波数は高周波側にシフトする。実験では、約 10k Hzの捻れ共振周波数の光走査装置の場合、上記直流バイアス信号により 100Hz程度の上記共振周波数の変化を与えることができた。

以上から、周囲温度の上昇に伴う光走査装置のミラー部 11の捻れ共振周波数 fの低下は、光走査装置の基板 10に形成されたミラー部 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ィァス信号 S 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

bias

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。

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 15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 20 (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、これを光走査駆動用圧電膜 15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。このときの上記共振周波数の減少を補正するような直流バイアス信号は、図 15に示すように、光走査駆動信号に重畳し、直接、光走査駆動用圧電膜 15に印加する。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力 S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 15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、従来技術に様に周囲温度変化に対する光走査装置のミラー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ぐ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。

実施例 3

[0048] 図 16は、周波数調整の駆動源として、先述した応力印加用圧電膜ゃ応力印加用磁歪膜の代わりに、形状記憶合金を用いた場合の実施例 3に係る光走査装置の図であって、（a)は平面図、（b) (c)は動作を説明する側面図であり、基板 10を支持する支持部材 13および駆動電源系統は省略して!/、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、実施例 1と同じ符号は特にことわらない限り同じ部材を指している。

[0049] 形状記憶合金材料としては、市販されている KIOKALLOY : Ni—Ti元素系合金

2

材料で Ni含有率が、 47%〜56%で相転移温度（回復温度）が 40°Cから 90°C程度のものがもちいられる。この材料からなる周波数調整用形状記憶合金薄板 23を光走查装置の基板 10に貼り付ける。この周波数調整用形状記憶合金薄板 23は、あらかじめ基板 10に与える変形量を見込んだ適切な変形量の曲げを与えて、熱処理を行 V、これを記憶させてお!/、たものを用いる。この様にして周波数調整用形状記憶合金薄板 23を上記応力印加用圧電膜ゃ応力印加用磁歪膜の代わりに、基板 10に貼り付ける。実施にあたっては、光走査装置の設計に応じて、周波数調整用形状記憶合金薄板 23は、光走査装置の基板 10の表面側あるいは裏面側のどちらから張り合わせても良ぐまた、相転移時に同方向に曲がるように方向を揃えれば、両面に張り合わせると、より効果的に変形を生じさせることができる。

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

[0050] この様にして作製された光走査装置は、周囲環境温度が上昇し、上記相転移温度

(回復温度）近傍になると上記光走査装置の基板 10は記憶させた形状に復帰しょうとし、その結果、上記光走査装置の基板 10に変形を生じさせ、周波数調整用形状記憶合金薄板 23の貼り付け部分を中心に基板 10が凸状あるいは凹状に変形し、基板 10の内部応力の増加や形状変化による曲げ弾性の増加によりパネ定数が上昇し、その結果、ミラー部 11の共振周波数は高周波側にシフトする。以上から、周囲環境温度の上昇に伴う光走査装置のミラ一部 11捻れ共振周波数 fの低下は、光走査装置の基板 10に周波数調整用形状記憶合金薄板 23を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ぐさらに、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ぐ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力 Sできる。また、本実施例のように、周波数調整用として形状記憶合金材を用いる場合は、基板 10の変形を他の手段を用いた場合より容易に大きくすること力 Sでき、従って、周波数の調整範囲を大きくでき、より効果的である。

実施例 4

[0051] 図 17は、周波数調整の駆動源として、先述した応力印加用圧電膜ゃ応力印加用磁歪膜の代わりに、熱膨張係数の異なる材質で構成されたバイメタル構造をもちレ、た場合の実施例 4に係る光走査装置の説明図であって、（a)は平面図、 (b) (c)は動作を説明する側面図であって、基板 10を支持する支持部材 13および駆動電源系統は省略している。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、実施例 1と同じ符号は特にことわらない限り同じ部材を指している。

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!/、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力、、エアロゾルデポジション法 (AD法）やスパッター法などの薄膜法を用いる、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。

[0052] 実際には、基板 10の材料には、 SUS304 (熱膨張係数： 17.3 X 10_⁶/K)を、それに貼り合わせる周波数調整用低熱膨張材料膜 24として、アルミナ薄板 (熱膨張係数： 7.7 X 10—ソ Κ)ゃ窒化珪素基板 (熱膨張係数： 3.5 X 10— ⁶/Κ)、炭化珪素基板（熱膨張係数: 4.0 X 10—ソ Κ)、石英薄板 (熱膨張係数: 0.54 X 10— ⁶/Κ)を用いれば、熱膨張係数で約 2倍〜 32倍程度の差をつけることができ、基板 10の厚みとその上に形成あるいは張り合わせる周波数調整用低熱膨張材料膜 24の厚みを調整し、上昇温度あたりの変形量が最大となるようにする。さらに、基板 10の材料に、インバ— やス―パ—インバー、コバ—ル (熱膨張係数： 1〜3 X 10— 6/K)などの低熱膨張係数の金属基板を用いれば、温度変動に対する共振周波数の変化をより効果的に低減できる。

[0053] この様にして作製された光走査装置は、周囲環境温度が上昇すると、上記光走査装置の基板 10上の周波数調整用低熱膨張材料膜 24が形成された部分はバイメタル構造を形成しているため、光走査装置の基板 10との熱膨張係数差から、屈曲変形を生じ、バイメタル構造を取っている部分を中心に基板 10が凸状あるいは凹状に変形、基板 10の内部応力の増加や形状変化による曲げ弾性の増加によりパネ定数が上昇し、その結果、ミラー部 11の共振周波数は高周波側にシフトする。

以上から、周囲環境温度の上昇に伴う光走査装置のミラー部 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ぐさらに、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ぐ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。

実施例 5

[0054] 図 18は、ミラー部 11が支持された捻れ梁部 12を支持する光走査装置の基板 10の一部である片持ち梁部 14に形状記憶合金、あるいは熱膨張係数の異なる材質で構成されたバイメタル構造が形成され、その変形により、上記捻れ梁部 12の張力が調整される場合の実施例 5に係る光走査装置の平面図であって、基板 10を支持する支持部材 13ならびに駆動電源系統および駆動源は省略している。

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。

[0055] 本実施例では、図 18に示すようにミラー部 11が接続された捻れ梁部 12を支持する光走査装置の基板 10の一部である片持ち梁部 14の一部もしくは全体に形状記憶合金、あるいは熱膨張係数の異なる材質で構成されたバイメタル構造 25を形成し、光走査装置の基板 10の一部である片持ち梁部 14を基板 10面内で引っ張るか、あるいは圧縮するように変形させることで、ミラ一部 11を支持する捻れ梁部 12の張力を調整し、周囲環境温度の変化に対応し捻れ梁部 12のパネ定数を変化させ、ミラー部 1 1の捻れ共振周波数を制御し、気制御信号などによる制御を行うことなぐさらに、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ぐ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。

[0056] 尚、光走査装置製造時の共振周波数のバラツキを押さえるための工夫としては、片持ち梁部 14の一部もしくは全体に形成された形状記憶合金、あるいは熱膨張係数の異なる材質で構成されたバイメタル構造 25を圧電膜ゃ磁歪膜に置き換え、外部電気信号で制御してもよい。

実施例 6

[0057] 図 19は、上記光走査装置の基板 10の一部あるいは全体を構成する磁性材料と外部磁場の相互作用により基板 10に変形を与えた場合の実施例 6に係る光走査装置の説明図であって、駆動電源系統は省略している。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様であり、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。

[0058] 本実施例では、上記光走査装置の基板 10の材質は磁性を持つステンレス材料で構成され、ミラー部 11と反対側は、図 19 (a)に示すように固定部 26に固定されており、基板 10全体は片持ち梁の構成になっている。これに永久磁石や電磁石 27を近づけると、磁性材料でできた基板 10近傍の磁場勾配の大きさに応じて、片持ち梁状の基板 10はたわみ、変形し（図 19 (b)参照。）、その結果、基板 10は、永久磁石ゃ電磁石 27の極性に関係なぐその絶対値が増加するに伴い、実質的に基板 10のパネ定数 (剛性）が増加することになるため、ミラー部の捻れ共振周波数 fは増加する。実験では、図 19に示すように約 10kHzの捻れ共振周波数の光走査装置の場合、外部印加磁界により 200Hz程度の上記共振周波数の変化を与えることができた。以上から、周囲温度の上昇に伴う光走査装置のミラー部捻れ共振周波数 fの低下は、光走查装置の基板 10に電磁石などを用いて制御された外部磁場を印加することで、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卸することカでさる。

[0059] 尚、光走査装置の基板 10が金属材料など塑性変形する材質でできている場合は、駆動前にあらかじめ基板 10を僅かに塑性変形させておき、この状態で応力印加用圧電厚膜に電圧を印加して、基板 10に変形を与える事も可能で、この場合、電圧印加前にあらかじめ与えた基板 10の塑性変形量を調整することで、印加電圧値に対する上記共振周波数 fの変化範囲を最適な値を調整することができ、実用上、システム全体の調整を容易にするという利点がある。また、この手段は、本発明記載の全ての共振周波数調整方法に適用できることは言うまでもない。

[0060] また、各種実験結果から走査角度 Θの温度依存性は、例えば図 6に示されるように、共振周波数 fの減少に合わせて、駆動周波数を調整しても、光走査装置の基板 10 の幅 Lwに対し、ミラー部 11が接続された捻れ梁部 12を支持する光走査装置の基板 10の一部である片持ち梁部 14の幅 Lh力 Lh/Lw= l/6以上と広くなると、単調増加でなく 40°C〜50°Cぐらいから減少し始める（右側の図参照。）。これに対し Lh/ Lw= 1/6以下と狭くなると、走査角度 Θは、僅かに単調増加するが、その変化は最小限に抑えられる（左側の図参照。）。従って、上記光走査装置では、上記基板 10の幅 Lwに対し、ミラー部 11が接続された捻れ梁部 12を支持する光走査装置の基板 1 0の一部である片持ち梁部 14の幅 Lhの比 Lh/Lwが 1/6以下になるように設計すると、容易に温度補償を行うことが可能で、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。

[0061] また、各種実験結果から図 7に示されるように、上記ミラー部 11が接続された捻れ梁部 12断面の厚み tと幅 wの比 w/tが 1.5以上であると、走査角度 Θは、周囲環境温度の上昇に伴い、単調増加でなく 40°C〜50°Cぐらいから減少し始める。これに対し w/tが 1.5以下であると、走査角度 Θは、僅かに単調増加するが、その変化は最小限に抑えられる。従って、上記光走査装置では、上記ミラー部 11が接続された捻れ梁部 12断面の厚み tと幅 wの比 w/tが 1.5以下になるように設計すると、容易に温度補償を行うことが可能で、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力 Sできる。

[0062] また、各種実験結果から図 8に示されるように、ミラー部 11が接続された捻れ梁部 1 2を支持する光走査装置の基板 10の一部である片持ち梁部 14の捻れ梁部 12接続部から開放端部までの長さ L1が、片持ち梁部 14の捻れ梁部 12接続部から上記走查装置の基板 10に上記片持ち梁部 14が接続されている固定端までの長さ L2より長い L1〉L2と、走査角度 Θは、周囲環境温度の上昇に伴い、単調増加でなく 40°C〜 50°Cぐらいから減少し始める。これに対し、ミラー部 11が接続された捻れ梁部 12を支持する光走査装置の基板 10の一部である片持ち梁部 14の捻れ梁部 12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接続部から上記走査装置の基板 10の片持ち梁部 14が接続されている固定端までの長さより短い、すなわち L2 〉L1であると、走査角度 Θは、僅かに単調増加するが、その変化は最小限に抑えられる。従って、ミラー部 11が接続された捻れ梁部 12を支持する光走査装置の基板 1 0の一部である片持ち梁部 14の捻れ梁部 12接続部から開放端部までの長さ L1が、片持ち梁部 14の捻れ梁部 12接続部から走査装置の基板 10に片持ち梁部 14が接続されている固定端までの長さ L2より短ぐすなわち L2〉L1となるように設計すると、容易に温度補償を行うことが可能で、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。

[0063] 尚、上記光走査装置でミラー部 11を共振させる振動源や上記共振周波数を制御するために基板 10を変形させる駆動源 15となる圧電部材は、図 20 (a)に示すように、通常のバルク材力作製した薄板を貼り付けた場合は、走査角度 Θは、周囲環境温度の上昇に伴い、単調増加でなく 40°C〜50°Cぐらいから減少し始める。これに対し、エアロゾルデポジション (AD)法で形成した圧電膜を用いると、図 20 (b)に示すように、上記走査角度 Θは、上記温度変動に対し単調に変化し、また、その変動幅も小さくすることが可能で、容易に温度補償がおこなえ、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。

Claims

請求の範囲

[1] 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ー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によつて基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向力ラー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。

[2] 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。

[3] 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。

[4] 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。

[5] 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。

[6] 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力なることを特徴とする請求項 1記載の光走査装置。

[7] 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ノィ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。

[8] 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ー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によつて基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向力ラー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。

[9] 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ー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によつて基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向がミラー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。

[10] 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ー部と、基板を振動させる駆動源と、ミラー部に光を投射する光源とを備え、ミラー部は駆動源によつて基板に加えられる振動に応じて共振振動し、光源からミラー部に投射される光の反射光の方向がミラー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。

[11] ミラー部の重量と捻り梁のパ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。

[12] 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。