JP2007206480A - 光走査素子 - Google Patents

Abstract

【課題】 単一圧電素子により生じた撓み進行波を利用し、ミラーの光軸傾斜回転運動を発生させることにより、複数の圧電素子を使用する場合の周波数バラツキ問題をなくす。
【解決手段】 傾斜可能なミラーパネルが圧電体によって揺動される光走査素子において、実質的に4つに分割された中心に対して対称な同じ面積の電極を具えた圧電体が少なくとも一方の表面に設けられた環状の弾性体のフレームを具え、環状のフレームの径方向に伸びるトーションバーによって4つの電極の中心部の当該フレームと接続された当該フレームの内側に位置するミラーパネルを具える。
2軸を利用することで2次元走査が可能となる。
【選択図】 図１

Description

本発明はレーザポインターやレーザ式障害物検知装置などに使われる光走査素子の構造に関するものである。

光走査素子は可動ミラーなどの光偏向素子を利用することにより、レーザ光の反射角度を連続的に変化させるものであり、レーザプリンタや、パターン表示装置、高速光スイッチ、バーコードリーダー、障害物検知などに幅広く利用される。光走査素子は直線走査の１軸可動ミラーと二次元走査の２軸可動ミラーがある。その駆動原理としては、例えばクーロン力を利用する静電型のアクチュエータや、電磁駆動型のアクチュエータ、圧電モルフの撓み変位を利用した圧電駆動型のアクチュエータなどがある。

従来、特開2003-295102号公報に開示される、障害物検知などの測定装置におけるレーザ光走査機構として、磁界中のコイルへの通電によって生ずる電磁力を利用して２次元方向に旋回する走査装置が提案されている。この旋回型２次元走査装置は、図４に示される支持筐体７の内側に、図示しない外周コイルが形成される可動枠体６と内周コイルが形成されるミラーパネル５を配置し、支持筐体７と可動枠体６とミラーパネル５とを、互いに直交する方向に延設されたトーションバー８、９により保持してなる機構部を、永久磁石１０による磁界中に配置したものである。ミラーパネル５上の内周コイルに電流を流すと、磁界との相互作用によって電流値に応じた電磁力が生じ、ミラーパネル５をトーションバー９にのバネ性による力と平衡する位置まで旋回させる。同様に可動枠体６の外周コイルに電流を流すと、可動枠体６をトーションバー８のバネ性による力と平衡する位置まで旋回させる。２軸の駆動コイルを９０度の位相差で駆動すれば、ミラー光軸（ミラーの法線）の傾斜位置が３６０度で順次に変わるので、光軸の傾斜回転運動が生じる。この場合、レザー光をミラーに照射すると、その反射光が円か楕円パターンとなる。

図５（Ａ），（Ｂ）は圧電駆動の２軸走査素子の構造例を示す。すなわち、圧電セラミック１と金属フレーム２からなる四つの独立した圧電ユニモルフ（1）〜（4）の片端が固定されるとともに、他端の金属フレーム２に延設された直線形またはＬ字形のトーションバー４１〜４４によってミラーパネル５が固定される。対向する二つの圧電ユニモルフ（1）と（3）のＺ方向の撓み変位が反方向になるように正弦波電圧を印加すると、ｘ方向においてミラーの光軸傾斜振動が起こる。同様に、対向する二つの圧電ユニモルフ（2）と（4）のＺ方向の撓み変位が反方向になるように正弦波電圧を印加すると、ｙ方向においてミラーの光軸傾斜振動が起こる。さらに、ｘ方向の光軸傾斜振動とｙ方向の光軸傾斜振動が９０度の位相差で同時に励起されると、ミラー光軸の傾斜角を保ちながら面内に回転するような振動が起こる。

電磁駆動型２軸ミラーは大きな傾斜角が得られることなどのメリットが挙げられるが、幾つかの問題点がある。
（１）可動部分においてのコイル形成や永久磁石の取付けが必要なほか、永久磁石によるノイズ発生や外部磁界によるミラー動作への影響を防ぐための対策を取らなければならない。
（２）最近では、ＭＥＭＳ技術を利用して上記の２軸ミラー機構の微細化が進んでいるが、必要な電磁力を得るためにはバルク材の永久磁石を使用しなければならないので、ＭＥＭＳ構造の整合性が悪くサイズも大きくなってしまう。
（３）ミラーパネル５の旋回と可動枠体６の旋回を共振させるためには、ミラーなどの寸法設計の自由度が制限される。
（4）等傾斜角光軸回転を実現するには、両相の駆動信号の振幅をそれぞれ設定する必要なので、制御系の設計が相対的に複雑である。
また、図５（Ａ）、（Ｂ）に示す圧電駆動型によれば、上記の問題を解決できるが、四つの独立した圧電ユニモルフには共振周波数のバラツキが生じやすいので、同じ変位を発生させるためには、各圧電ユニモルフの駆動電圧を微調整する厄介な作業が必要である。
特開２００３−２９５１０２号公報 特開２０００−３３９７２５号公報 特開２００１−３３７１３号公報 特開２００３−２０９９８１号公報

本発明は、単一圧電素子により生じた撓み進行波を利用し、ミラーの光軸傾斜回転運動を発生させることにより、複数の圧電素子を使用する場合の周波数バラツキ問題をなくすものである。

本発明は、環状の圧電体をユニモルフまたはバイモルフ構造に形成することによって、上記の課題を解決するものである。すなわち、傾斜可能なミラーパネルが圧電体によって揺動される光走査素子において、実質的に4つに分割された中心に対して対称な電極を具えた圧電体が少なくとも一方の表面に設けられた環状の弾性体のフレームを具え、トーションバーによって4つの電極の中心部の当該フレームと接続されたミラーパネルを具えたことに特徴を有するものである。

本発明によれば、単一圧電素子に発生する進行波によりミラーの光軸傾斜回転振動を発生させることで、以下の効果が得られる。
（１）従来の電磁型に比較して、構造が簡素になり、機構部分のすべてをＭＥＭＳ化することができるので、より小型化が可能となる。
（２）複数の圧電素子を使用する従来の２軸光走査素子に比べて、圧電素子間の周波数バラツキの問題がないので、等傾斜角の光軸回転を実現するには、各相入力電圧の調整が不要となり制御系の設計が容易になる。

以下、図面を参照して、本発明の実施例について説明する。図１（Ａ）は本発明による光軸回転ミラー素子の構造を示す。すなわち、リング状圧電体１と金属フレーム２とを貼り合せしてなる圧電ユニモルフにおいて、圧電体１は表面に形成された中心対称の四つの電極31〜34によって仮想的に（1）〜（4）の四部分に等分割され、対向する二つの圧電部分（1）と（3）（または（2）と（4））が厚み方向に逆の向きに分極され、径方向に対向する二つの電極（31と33、32と34）には同一電圧、隣り合いの電極には90度位相差の電圧が印加され、中央にあるミラーパネル５は、（1）〜（4）各部の金属フレーム２の内周中央部から径方向へ延設された４本のトーションバー41〜44により保持されるものである。上記の光走査素子は外周部の数ポイントで固定すればよい。

ここで、対向する二つの圧電部分（1）と（3）において、分極方向（図示矢印）が逆方向なので、表面電極31と33に同一の正弦波駆動電圧Ｖ１＊ＳＩＮ（ωｔ)を印加すれば、圧電ユニモルフの（1）部と（3）部の内側縁に逆方向の撓み振動が生じるので、ミラーパネル５は図１（Ｂ）に示すように、（1）-（3）方向での光軸傾斜振動が励起される。同様に、表面電極３２と34に同一の駆動電圧Ｖ２＊ＣＯＳ（ωｔ)を印加すれば、（2）-（4）方向での光軸傾斜振動が励起される。さらに、（1）-（3）方向の光軸傾斜振動と（2）―（4）方向の光軸傾斜振動を同時に励起すれば、両方向での駆動電圧は90度の位相差があるので、圧電ユニモルフ全体に撓み振動の進行波が励起される。この場合、圧電素子内側縁の進行波変位をトーションバー41〜44によってミラーに伝搬する結果、ミラー光軸が傾斜角を一定にしながら面内に回転する。

上記の光軸回転振動を利用しレーザ光を走査すれば、二次元のパターン表示装置を実現できる。図２に示す様に、レーザ光をミラーに当てると、反射光の軌跡が周回運動となる。圧電部分（1）と（3）の駆動電圧Ｖ１と圧電部分（2）と（4）の駆動電圧Ｖ２において、Ｖ１＝Ｖ２の場合、トーションバー41〜44の変位振幅が等しいので、反射光軌跡が円になる一方、Ｖ１≠Ｖ２の場合は直交するトーションバーの変位が異なるので、反射光軌跡が楕円になる。また、圧電体を振動させない、すなわちＶ１＝Ｖ２＝０の場合、反射光軌跡が点となるが、片方のみ駆動（例えば、Ｖ１＝０、Ｖ２≠０）の場合は反射光軌跡が直線になる。よって、本発明による光軸傾斜回転ミラーを利用すれば、単一の振動子だけで、点−線−楕円の３パターンを持つレーザポインタを実現できる。一方、駆動電圧を０〜Ｖmaxの間に掃引することにより、反射光の直径が０〜最大値の間に走査するような面掃引を実現できるので、レーザ光式の障害物検知などの応用も可能である。

図１（Ａ）に示す圧電駆動素子は図５（Ａ）又は図５（Ｂ）に示す４個の圧電ユニモルフを一体化したものと見なされても良いので、複数の圧電ユニモルフを使う場合の共振周波数バラツキ問題が存在しない。

図１に示す圧電素子は丸いリング状だが、図３に示す正方形リング状にすれば、同様の光軸傾斜回転運動が確認された。また、図１と図３に示す圧電素子は、金属基板２の片面に圧電体１を設けた圧電ユニモルフとされたが、金属基板２の表裏ともに圧電体を設ける圧電バイモルフにすれば、より低い電圧で駆動することができる。なお、図面に示された圧電式光軸傾斜回転ミラー素子はバルク材で加工されたものであるが、シリコンなどの基板に形成される圧電膜を微細加工したマイクロマシン構造も容易に実現できる。

上記のように、本発明はレーザポインタをはじめとしてレーザ光式の障害物検知など光軸を走査させる装置に広く応用できる。

本発明の実施例を示す斜視図で、（Ａ）は構造、（Ｂ）は変位状態を示す。 本発明の実施例の動作を説明する斜視図 本発明の他の実施例を示す斜視図 従来の光走査素子を示す斜視図 従来の光走査素子を示す斜視図

符号の説明

１：圧電体
２：金属フレーム
５：ミラーパネル
31〜34：電極
41〜44：トーションバー

Claims (3)

1. 傾斜可能なミラーパネルが圧電体によって揺動される光走査素子において、
   実質的に4つに分割された中心に対して対称な電極を具えた圧電体が少なくとも一方の表面に設けられた環状の弾性体のフレームを具え、
   環状のフレームの径方向に伸びるトーションバーによって4つの電極の中心部の当該フレームと接続された当該フレームの内側に位置するミラーパネルを具えたことを特徴とする光走査素子。
2. シリコン基板とその表面に形成された圧電薄膜がエッチングによって加工された請求項１記載の光走査素子。
3. ４つの電極が位相差をもって駆動させるようにして光軸が傾斜しながら回転可能とされる請求項１と請求項２記載の光走査素子。

Images