JP2007312465A - 駆動装置、光走査型装置及び物体情報検知装置 - Google Patents

駆動装置、光走査型装置及び物体情報検知装置 Download PDF

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Abstract

【課題】変位量を確保しながら耐衝撃性を向上させることができる駆動装置を提供する。
【解決手段】光スキャナ2は、可動枠7と、可動枠7の対向する二辺8a・8bを両外側から支持する支持基板6と、可動枠7の対向する二辺8a・8bを、可動枠7の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、可動枠7上に設けられた圧電素子12a・12b・12c・12dとを備える。
【選択図】図1

Description

本発明は、光センサ及びレーザ応用機器などの光走査に用いられて、小型で高速に動作する2次元的に光走査可能な光走査型装置(2次元光スキャナ)及びこれに使用する駆動装置に関し、特に、マイクロマシニングプロセスで一体形成した圧電駆動式2次元光スキャナ及びこれに使用する駆動装置に関するものである。
従来から、光走査型装置として、ポリゴン・ガルバノミラーがレーザプリンタ等の光学機器に広く使われている。図19は、従来の光走査型装置51の構成を示す模式図である。光走査型装置51は、レーザ光源52とポリゴンミラー53とガルバノミラー54とを備えている。レーザ光源51から出射したレーザ光は、多角柱ミラーをモータで回転させるポリゴンミラー53によって反射され、平面ミラーを電磁アクチュエータによって回転振動させるガルバノミラー54によって反射されて走査される。
また、MEMS技術を利用した電磁駆動式ジンバル構造型マイクロ光スキャナが広く使用されている。図20は、従来の光走査型装置61の構成を示す斜視図である。光走査型装置61に設けられたミラー62は、その外側に配置された永久磁石63によって電磁駆動されて変位し、傾きが制御される。
また、MEMS技術を利用した圧電駆動式片持ち梁型マイクロ光スキャナが知られている。図21は、従来の光スキャナの構成を示す斜視図である。この光スキャナは、振動子202と圧電素子等の微小振動を発生する小型の駆動源206とから構成されている。振動子202は、曲げモードθaとねじれ変形モードθの2つの弾性変形モードを有する弾性変形部203の一端に振動入力部204が設けられ、他端にミラー支持部208とミラー部207とからなるスキャン部205が設けられている。
上記の構成では、振動源206からの振動によって、弾性変形部203が曲げ振動とねじれ振動とを起こす。弾性変形部203は曲げとねじれとのそれぞれに固有の共振振動モードを持っているので、これら2つの共振周波数と等しい周波数の振動を振動源206で発生させることにより、振動入力部204を通して弾性変形部203が上記共振周波数で共振し、スキャン部205を曲げ方向(θa)及びねじれ方向(θ)に回動させる。これにより、ミラー部207に光を照射すると反射光が2次元的に走査される。
また、MEMS技術を利用した圧電駆動式ジンバル構造型マイクロ光スキャナが知られている(例えば、特許文献1参照)。図22は従来の光走査型装置92の構成を示す平面図であり、図23はその要部斜視図である。
光走査型装置92は、枠状の支持基板96を備えている。支持基板96の内側には、枠状の可動枠97が設けられている。可動枠97は、互いに対向する辺材98a・98bと辺材99a・99bとを有している。支持基板96に設けられて辺材99a・99bにそれぞれ接続されたトーションバー81a・81bによって可動枠97が支持されている。可動枠97の内側には、ミラー70が設けられている。ミラー70は、可動枠97に設けられたトーションバー80a・80bによって支持されている。
可動枠97には、ミラー70に接続された振動板65a・65b・65c・65dが設けられている。各振動板65a・65b・65c・65d上には、それぞれ圧電素子83a・83b・83c・83dが設けられている。支持基板96には、可動枠97に接続された振動板64a・64b・64c・64dが設けられている。各振動板64a・64b・64c・64d上には、それぞれ圧電素子82a・82b・82c・82dが設けられている。
図24は、従来の光走査型装置92の動作を説明するための模式図である。圧電素子83a・83bに電圧が印加されてY軸方向に沿って縮むと、振動板65a・65bは、それぞれ圧電素子83a・83b側に曲がる。圧電素子83c・83dに電圧が印加されてY軸方向に沿って伸びると、振動板65c・65dは、それぞれ圧電素子83c・83dと反対側に曲がる。その結果、ミラー70を支持するトーションバー80a・80bにねじり変形が生じ、ミラー70は、トーションバー80a・80bを中心に回動して傾く。
特開2005−148459号公報(平成17年6月9日(2005.6.9)公開)
しかしながら、上記図19に示す従来の構成は、モータ及び電磁アクチュエータで駆動する機械的構造であるので、小型化及び高速化に限度があるという問題がある。また、2次元光スキャンを行う場合、一般的にポリゴンミラー及びガルバノミラーを2つ組み合わせたものが用いられるが、正確な2次元光スキャンを行うためには、それぞれのミラーによる走査方向が互いに直交するように正確に位置決めをして配置する必要があり、光学調整が非常に難しいという問題を生じる。
また、上記図20に示す従来の構成では、ミラー62の外側に永久磁石63及びヨークを配置しなければならないので、デバイスのサイズが大きくなるという問題がある。また、ミラー62の変位を多く得ようとするためには、流す電流を大きくしなければならないので、低消費電力の光スキャナを構成することが難しいという問題がある。
上記図21に示す従来の構成では、トーションバーをミラーの中心からずらした位置に配置することで、圧電体を駆動させた時、曲げモードとねじりモードが同時に励振し、2次元光スキャンが可能な構成となっており、曲げモードについてはトーションバー軸を中心とした回動ではないために、ミラー部の中心が常に一定の位置を保持することができず、光スキャンの精度をあまり高くできないという問題がある。また、1本のトーションバーで曲げ振動とねじり振動を担うために、機械的な応力が1本のトーションバーに集中して破損しやすいという問題がある。
上記図22〜図24に示す従来の構成の光スキャナは、ジンバル構造を基準としたトーションバーを回転軸とするねじり駆動の光スキャナであるが、このねじり駆動では、ミラーの変位を得るためにどうしてもトーションバーの剛性を下げてしまわなければならず、Gの影響及びインパルス加振などの外乱を受けやすい車載用レーザーレーダやバーコードリーダなどへの実用化を考えると、破壊しやすいという問題がある。また、光スキャナの剛性を上げると、ミラーの変位量が十分に得られないという問題がある。
本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、その目的は、変位量を確保しながら耐衝撃性に優れた駆動装置及び光走査型装置(光スキャナ)を実現することにある。
本発明に係る駆動装置は、上記課題を解決するために、可動枠と、前記可動枠の対向する二辺を両外側から支持する支持体と、前記可動枠の対向する二辺を、前記可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、前記可動枠上に設けられた曲げ駆動素子とを備えたことを特徴とする。
上記特徴によれば、可動枠の対向する二辺を、可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、可動枠上に曲げ駆動素子を設けたので、この曲げ駆動素子によって、可動枠の対向する二辺が、可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形して変位する。このため、支持体に設けられて可動枠を支持する支持部をトーションバーとしてねじることなく、可動枠を変位させることができる。従って、可動枠を支持する支持部の剛性を高めることができるので、駆動装置の耐衝撃性を向上させることができる。
本発明に係る駆動装置では、前記可動枠の内周側に設けられた内側可動枠をさらに備え、前記可動枠の対向する二辺に垂直な前記内側可動枠の対向する二辺は、両外側から前記可動枠によって支持されており、前記内側可動枠の対向する二辺を、前記内側可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、前記内側可動枠上に設けられた内側曲げ駆動素子をさらに備えることが好ましい。
上記構成によれば、可動枠の対向する二辺の方向に沿って傾斜する可動枠の変位を得ることができるとともに、これに直交する方向に沿って傾斜する内側可動枠の変位を得ることができる。このため、この駆動装置を2次元光走査型装置に適用することができる。
本発明に係る駆動装置では、前記内側可動枠の対向する他の二辺を、前記内側可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、前記内側可動枠上に設けられた補強内側曲げ駆動素子をさらに備えることが好ましい。
上記構成によれば、補強内側曲げ駆動素子により、内側可動枠のさらに大きな変位を得ることができる。
本発明に係る駆動装置では、前記可動枠の対向する他の二辺を、前記可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、前記可動枠上に設けられた補強曲げ駆動素子をさらに備えることが好ましい。
上記構成によれば、補強曲げ駆動素子により、可動枠のさらに大きな変位を得ることができる。
本発明に係る駆動装置では、前記曲げ駆動素子は、圧電素子によって構成されることが好ましい。
上記構成によれば、小型な構成により、低消費電力で、且つ高速に、可動枠の対向する二辺を曲げ変形させることができる。
本発明に係る駆動装置では、前記支持体は、前記可動枠の対向する二辺にそれぞれ接続された一対の支持部を有していることが好ましい。
上記構成によれば、支持部は、従来の構成のように、トーションバーとしてねじる必要がなくなったので、幅をより広くすることができ、剛性を高めることができる。このため、駆動装置の耐衝撃性を向上させることができる。
本発明に係る駆動装置では、前記可動枠の対向する各二辺は、前記支持体による支持点を中心として互いに逆方向に曲げ変形することが好ましい。
上記構成によれば、可動枠によって支持される被駆動体の傾きを制御することができる。
本発明に係る駆動装置では、前記可動枠の対向する各二辺は、前記支持体による支持点を中心として互いに同方向に曲げ変形することが好ましい。
上記構成によれば、可動枠によって支持される被駆動体の平行移動量を制御することができ、フォーカスに関する変位量を制御できるので、この駆動装置を光ディスク用ヘッドに適用することができる。
本発明に係る光走査型装置は、上記課題を解決するために、本発明に係る駆動装置と、前記可動枠の内周側に設けられて前記可動枠によって支持される被駆動体とを備え、前記被駆動体は、前記可動枠の対向する他の二辺にそれぞれ設けられた一対の支持部によって支持されていることを特徴とする。
上記特徴によれば、可動枠の変位により、被駆動体の傾きを制御することができる。
本発明に係る光走査型装置では、前記被駆動体は、ミラーによって構成されることが好ましい。
上記構成によれば、可動枠の変位により、ミラーの傾きを制御することができるので、この駆動装置を光走査型装置に適用することができる。
本発明に係る物体情報検知装置は、上記課題を解決するために、本発明に係る駆動装置と、前記ミラーに向かってレーザ光を照射する光源と、前記ミラーにより反射され、対象物によってさらに反射されたレーザ光を受光する光センサとを備えたことを特徴とする。
上記特徴によれば、本発明に係る駆動装置の可動枠の対向する二辺を、可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、可動枠上に設けられた曲げ駆動素子を設けたので、この曲げ駆動素子によって、可動枠の対向する二辺が、可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形して変位する。このため、支持体に設けられて可動枠を支持する支持部をトーションバーとしてねじることなく、可動枠の変位させることができる。従って、可動枠を支持する支持部の剛性を高めることができるので、この駆動装置を設けた物体情報検知装置の耐衝撃性を向上させることができる。
本発明に係る駆動装置は、以上のように、前記可動枠の対向する二辺を、前記可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、前記可動枠上に設けられた曲げ駆動素子を備えているので、可動枠を支持する支持部の剛性を高めることができ、駆動装置の耐衝撃性を向上させることができるという効果を奏する。
本発明に係る光走査型装置は、以上のように、本発明に係る駆動装置と、前記可動枠の内周側に設けられて前記可動枠によって支持される被駆動体とを備え、前記被駆動体は、前記可動枠の対向する他の二辺にそれぞれ設けられた一対の支持部によって支持されているので、可動枠の変位により、被駆動体の傾きを制御することができる。
本発明に係る物体情報検知装置は、以上のように、本発明に係る駆動装置を備えているので、駆動装置の可動枠を支持する支持部の剛性を高めることができ、物体情報検知装置の耐衝撃性を向上させることができるという効果を奏する。
本発明の実施形態について図1ないし図18に基づいて説明すると以下の通りである。
(実施の形態1)
図1は、実施の形態1に係る物体情報検知装置1の構成を示す模式図である。物体情報検知装置1は、レーザ光を照射する光源3と、光源3から照射されたレーザ光を通過させるレンズ群21と、レンズ群21を通過したレーザ光を反射させる光走査型装置(光スキャナ2)と、対象物4によって反射された光スキャナ2からのレーザ光を受光する光センサ5とを備えている。
図2は、光スキャナ2の構成を示す平面図である。光スキャナ2は、枠状の支持基板6を備えている。支持基板6の内周に沿って、枠状の可動枠7が設けられている。可動枠7は、互いに対向する辺材8a・8bと辺材9a・9bとを有している。支持基板6の内周側に設けられて辺材8a・8bにそれぞれ接続された支持部11a・11bによって可動枠7が支持されている。可動枠7の内周に沿って、方形状のミラー20が設けられている。ミラー20は、可動枠7の辺材9a・9bの中央部にそれぞれ設けられた支持部10a・10bによって支持されている。
可動枠7の辺材8aの一端側には圧電素子12aが設けられており、他端側には圧電素子12cが設けられている。辺材8bの一端側には圧電素子12bが設けられており、他端側には圧電素子12dが設けられている。可動枠7の辺材9aの中央に圧電素子13aが設けられており、辺材9bの中央に圧電素子13bが設けられている。
これらのミラー20、支持部10a・10b、可動枠7、支持部11a・11b及び支持基板6は、シリコン基板のエッチング加工により一体的に形成されている。また、そのエッチング加工の際に、ミラー20及び可動枠7が所定の変位角で駆動するために支障のないように、ミラー20と可動枠7との間の空隙、及び、可動枠7と支持基板6との間の空隙も同時に形成される。
ミラー20の表面には金(Au)及びアルミニウム(Al)等の金属薄膜による反射膜が形成されており、入射光の反射率を高めるようになっている。また、エッチング加工された上記の各構成要素は、支持基板6の厚さに比べて薄くなっており、曲げ変形が容易にできる構造になっている。各圧電素子12a・12b・12c・12d・13a・13bは、それぞれ下部電極と圧電材と上部電極とがこの順番で可動枠7上に積層されて構成されている。下部電極と圧電材と上部電極とは、シリコン基板のエッチング加工前に、CVD、スパッタ、蒸着等の成膜手法でそれぞれ積層され、ウェットもしくはドライエッチングによってパターン加工して圧電素子12a・12b・12c・12d・13a・13bが形成されている。
図3(a)(b)は、光スキャナ2の動作を説明するための断面DDに沿った断面を模式的に示す図である。図4は、光スキャナ2の可動枠7とミラー20との動作を説明するための模式図である。
圧電素子12a・12bに同じ位相の交流電圧が印加されてY軸方向に沿って伸びると、辺材8aの圧電素子12aに対応する部分、及び辺材8bの圧電素子12bに対応する部分は、支持部11a・11bを支点として可動枠7の厚み方向に沿ってそれぞれ圧電素子12a・12bと反対側に曲がる。
圧電素子12c・12dに、圧電素子12a・12bに印加された交流電圧とは逆位相、あるいは、ずれた位相の交流電圧が印加されてY軸方向に沿って縮むと、辺材8aの圧電素子12cに対応する部分、及び辺材8bの圧電素子12dに対応する部分は、可動枠7の厚み方向に沿ってそれぞれ圧電素子12c・12d側に曲がる。その結果、ミラー70を支持する支持部10a・10bが設けられた辺材9a・9bは、互いに逆方向に変位するので、ミラー20が傾斜する。
図5(a)(b)は、光スキャナ2の動作を説明するためにX軸方向に沿った端面を模式的に示す図である。
圧電素子13aに交流電圧が印加されてX軸方向に沿って伸びると、辺材9aは、辺材8a・8bとの接続点を支点としてZ軸方向に向かって撓む。圧電素子13bに、圧電素子13aに印加された交流電圧とは逆位相、あるいは、ずれた位相の交流電圧が印加されてX軸方向に沿って縮むと、辺材9bは、辺材8a・8bとの接続点を支点として−Z軸方向に向かって撓む。
このように、Y軸方向に沿って伸縮する圧電素子12a・12b・12c・12dに追加して、X軸方向に沿って伸縮する圧電素子13a・13bを設けると、ミラー20を支持する可動枠7の変位量を増大させることができる。
図6〜図8は、光スキャナ2の可動枠7とミラー20との動作を説明するための斜視図である。図示を簡潔にするために、支持基板6は省略して描いている。まず、図6に示す可動枠7が曲げ変形していない状態から、圧電素子12a・12bが縮み、圧電素子13aが伸び、圧電素子12c・12dが伸び、圧電素子13bが縮むような電圧が各圧電素子に印加されると、図7に示すような可動枠7の曲げ変形による変位が生じ、可動枠7によって支持されるミラー20は傾く。
そして、図7とは逆に、圧電素子12a・12bが伸び、圧電素子13aが縮み、圧電素子12c・12dが縮み、圧電素子13bが伸びるような電圧が各圧電素子に印加されると、図6に示す状態を経由して、図8に示すような可動枠7の逆方向の曲げ変形による逆方向の変位が生じ、可動枠7によって支持されるミラー20は逆方向に傾く。交流電圧が圧電素子に印加されると、図6、図7、図6及び図8の順番の動作が繰り返されて駆動される。
このように、従来は、ジンバル構造型光スキャナのようなトーションバーを回動軸としてミラーの変位を得るねじり駆動であったが、本実施の形態では、支持部によって支持されている可動枠を曲げることによってミラーの変位を得る曲げ駆動に駆動方式を変更した。この曲げ駆動方式に変更することによって、支持部の幅を、従来のトーションバーの幅よりも広くすることができ、剛性を高めることができる。また、可動枠を曲げ駆動させるために可動枠上に圧電素子を設けている。このとき、光スキャナに設けられた支持部の剛性を上げることでミラーの変位量が減少することを防ぐために、可動枠上のX軸およびY軸上の2辺に圧電素子を成膜し、2方向の曲げ駆動を利用して、ミラーの変位量を増大させている。圧電素子13a(補強曲げ駆動素子)は、可動枠7上に設けられており、この圧電素子13aを設けた可動枠7の内側に配置されたミラー20を支持する支持部10aに接続する辺材9aの領域に設けられている。また、圧電素子13b(補強曲げ駆動素子)も、可動枠7上に設けられており、ミラー20を支持する支持部10bに接続する辺材9bの領域に設けられている。
図9(a)は上記光スキャナのユニモルフ駆動を説明するための模式断面図であり、図9(b)は上記光スキャナのバイモルフ駆動を説明するための模式断面図である。図10(a)は上記光スキャナのユニモルフ駆動を説明するための斜視図であり、(b)は上記光スキャナのバイモルフ駆動を説明するための斜視図である。
圧電素子12b・12d等は、辺材8b等の表面に設けてもよいし、辺材8b等の表面と裏面との双方に設けてもよい。圧電素子を辺材の一方の面にのみ設ける駆動方式をユニモルフ駆動方式といい、圧電素子を辺材の表面と裏面との双方に設ける駆動方式をバイモルフ駆動方式という。図10(a)(b)に示すように、バイモルフ駆動方式では、ユニモルフ駆動方式よりも大きな変位量を得ることができる。
バイモルフ駆動方式によれば、駆動電圧が同等である場合、ミラーの変位量は、ユニモルフ駆動による変位量の2倍になる。なお、バイモルフ駆動方式では、可動枠の裏面に圧電素子を成膜することが困難であり、裏面に配線を形成することも困難である。
(実施の形態2)
図11は、実施の形態2に係る光スキャナ2aの構成を示す平面図である。図12は、図11の面BBに沿った端面図である。図13は、図11の面CCに沿った端面図である。図2〜図10を参照して前述した光スキャナ2の構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付し、その詳細な説明は省略する。
光スキャナ2aは、支持基板6の内周に沿って枠状に設けられた外側可動枠14を有している。外側可動枠14は、互いに対向する辺材15a・15bと辺材16a・16bとを有している。支持基板6の内周側に設けられて辺材15a・15bの中央部にそれぞれ接続された支持部17a・17bによって外側可動枠14が支持されている。支持部17a・17bは、支持基板6に設けられた対向する辺材の中央部にそれぞれ設けられている。
外側可動枠14は、互いに対向する辺材15a・15bと辺材16a・16bとを有している。外側可動枠14の内周に沿って、枠状の可動枠7が設けられている。外側可動枠14は、可動枠7を支持する支持部11a・11bを有している。支持部11a・11bは、辺材16a・16bの内側側面の中央部に設けられている。
外側可動枠14の辺材15aの一端側には圧電素子18aが設けられており、他端側には圧電素子18cが設けられている。辺材15bの一端側には圧電素子18bが設けられており、他端側には圧電素子18dが設けられている。外側可動枠14の辺材16aの中央において支持部11aの外側に圧電素子19aが設けられており、辺材16bの中央において支持部11bの外側に圧電素子19bが設けられている。
可動枠7は、互いに対向する辺材8a・8bと辺材9a・9bとを有している。可動枠7の内周に沿って、方形状のミラー20が設けられている。ミラー20は、可動枠7の辺材9a・9bの中央部にそれぞれ設けられた支持部10a・10bによって支持されている。
可動枠7の辺材8aの一端側には圧電素子12aが設けられており、他端側には圧電素子12cが設けられている。辺材8bの一端側には圧電素子12bが設けられており、他端側には圧電素子12dが設けられている。可動枠7の辺材9aの中央において支持部10aの外側に圧電素子13aが設けられており、辺材9bの中央において支持部10bの外側に圧電素子13bが設けられている。
このように、圧電素子13a(補強曲げ駆動素子)は、可動枠7上に設けられており、この圧電素子13aを設けた可動枠7の内側に配置されたミラー20を支持する支持部10aに接続する辺材9aの領域に設けられている。また、圧電素子13b(補強曲げ駆動素子)も、可動枠7上に設けられており、ミラー20を支持する支持部10bに接続する辺材9bの領域に設けられている。
また、圧電素子19a(補強内側曲げ駆動素子)は、外側可動枠14上に設けられており、この圧電素子19aを設けた外側可動枠14の内側に配置された可動枠7を支持する支持部11aに接続する辺材16aの領域に設けられている。また、圧電素子19b(補強内側曲げ駆動素子)も、外側可動枠14上に設けられており、可動枠7を支持する支持部11bに接続する辺材16bの領域に設けられている。
これらのミラー20、支持部10a・10b、可動枠7、支持部11a・11b、外側可動枠14、支持部17a・17b及び支持基板6は、シリコン基板のエッチング加工により一体的に形成されている。また、そのエッチング加工の際に、ミラー20、可動枠7及び外側可動枠14が所定の変位角で駆動するために支障のないように、ミラー20と可動枠7との間の空隙、及び、可動枠7と外側可動枠14との間の空隙、及び、外側可動枠14と支持基板6との間の空隙も同時に形成される。
ミラー20のベース22の表面には金(Au)及びアルミニウム(Al)等の金属薄膜による反射膜23が形成されており、入射光の反射率を高めるようになっている。また、エッチング加工された上記の各構成要素は、図12及び図13に示すように、支持基板6の厚さに比べて薄くなっており、曲げ変形が容易にできる構造になっている。各圧電素子18a・18b・18c・18d・19a・19bは、それぞれ下部電極と圧電材と上部電極とがこの順番で外側可動枠14上に積層されて構成されている。下部電極と圧電材と上部電極とは、シリコン基板のエッチング加工前に、CVD、スパッタ、蒸着等の成膜手法でそれぞれ積層され、ウェットもしくはドライエッチングによってパターン加工して圧電素子18a・18b・18c・18d・19a・19bが形成されている。
このように、実施の形態2では、曲げ駆動で2次元走査を行うために、支持基板−可動枠−ミラーのジンバル構造から、支持基板−外側可動枠−可動枠−ミラーというように可動枠を1個追加したジンバル構造にしている。
このように構成された光スキャナ2aは、可動枠7によってY軸方向に沿ってミラー20を傾けるのみならず、外側可動枠14によってX軸方向にもミラー20を傾けることができるので、2次元光スキャナに適用することができる。
圧電素子12a・12b・13bに同位相、圧電素子12c・12d・13aに逆位相あるいは位相のずれた交流電圧(例えば正弦波)を印加して、可動枠7を振動させる。圧電素子12a・12b・12c・12dの一端は支持部11a・11bによって支持されているので、可動枠7上でY軸に平行な辺材8a・8bに配置された圧電素子12a・12b・12c・12dは基板の厚み方向に上下に曲げ振動する。また、圧電素子13a・13bの両端は辺材8a・8bのそれぞれ両端で支持されているので、可動枠7上でX軸に平行な辺材9a・9bに配置された圧電素子13a・13bは基板の厚み方向に上下に曲げ振動する。ただし、圧電素子12a・12b・13bと圧電素子12c・12d・13aとの振動には位相差がある。特に、上記印加電圧の位相が逆位相の場合には、圧電素子12a・12b・13bと圧電素子12c・12d・13aとの曲げ振動方向は正反対になる。
すなわち、圧電素子12a・12bがY軸方向に縮み、辺材8a、8bのうち、圧電素子12a、12bを設けた領域が支持部11a・11bを支点として圧電素子12a・12b側に曲がる時、圧電素子12c・12dはY軸方向に伸びて、辺材8aおよび8bのうち、圧電素子12a、12bを設けた領域が支持部11a・11bを支点として圧電素子12c・12dと反対側に曲がる。このように辺材8aおよび8bには、支持部11a・11bを中心に上の方向(Z方向)に曲がる領域と、下の方向(−Z方向)に曲がる領域ができる。また、辺材8aおよび8bの上の方向に曲がる領域と両端で繋がる辺材9aは、圧電素子13aを設けた中央部を変曲点として上の方向に曲がり、辺材8aおよび8bの下の方向に曲がる領域と両端で繋がる辺材9bは、圧電素子13bを設けた中央部を変曲点として下の方向に曲がる。このような駆動方式にすると、可動枠7上におけるX軸方向の辺材9aおよび9bの曲げ変位とY軸方向の辺材8aおよび8bの曲げ変位とが組み合わされ、支持部10a・10bを介して可動枠7に弾性的に支持されているミラー20も、可動枠7の動作に追従してY軸方向に大きく傾く。そして、各圧電素子12a・12b・12c・12d・13a・13bが交流電圧に追従して基板上下方向の曲げ振動を繰り返すと、上記原理で可動枠7及び支持部10a・10bを介して可動枠7に弾性的に支持されているミラー20は、対向する支持部11a・11bを中心軸として所定変位角度まで回動振動を繰り返す。
上記と同様の原理で、圧電素子18a・18b・18c・18d・19a・19bに交流電圧を印加すると、外側可動枠14は対向する支持部17a・17bを中心軸として傾く。また、外側可動枠14に支持部11a・11bを介して弾性的に支持されている可動枠7、支持部10a・10bを介して可動枠7に弾性的に支持されているミラー20も、外側可動枠14に追従して傾く。そして、各圧電素子18a・18b・18c・18d・19a・19bが交流電圧に追従して基板上下方向の曲げ振動を繰り返すと、上記原理で外側可動枠14、支持部11a・11bを介して外側可動枠14に弾性的に支持されている可動枠7、及び支持部10a・10bを介して可動枠7に弾性的に支持されているミラー20は、対向する支持部17a・17bを中心軸として所定変位角度まで回動振動を繰り返す。可動枠7に設けた圧電素子と、外側可動枠14に設けた圧電素子とに同時に交流電圧を印加することにより、外側可動枠14と可動枠7とが、互いに直交する方向にそれぞれ回動振動するので、ミラー20の反射面に入射された光の反射光は2次元的に走査されることになる。
圧電素子12a・12b・12c・12d・13a・13bの駆動周波数が、ミラー20、支持部10a・10b、可動枠7、及び支持部11a・11bを合わせた構造の機械的な共振周波数と一致もしくは近いときに、ミラー20の回動振動は最大になり、最大変位角が得られる。
同様に、圧電素子18a・18b・18c・18d・19a・19bの駆動周波数が、ミラー20、支持部10a・10b、可動枠7、支持部11a・11b、外側可動枠14、及び支持部17a・17bを合わせた構造の機械的な共振周波数と一致もしくは近いときに、ミラー20の回動振動は最大になり、最大変位角が得られる。
ここで、上記の実施の形態2の2次元光スキャナは、可動枠7と外側可動枠14とをそれぞれ独立した2系統の圧電素子で駆動するために、駆動周波数の制約がなく、また、直交方向の2つの回動振動間の干渉の問題が生じにくい。
また、シリコン基板から一体的に形成した構造体の上に圧電材を直接成膜して圧電素子を形成するために、圧電素子を光スキャナ上に一括して形成することができ、かつ、小型の光スキャナを提供することができるという利点がある。
2次元光スキャナ2aを構成する基板はシリコンを設定し、圧電材はPZTを設定した。圧電素子の全体サイズは幅:14mm、長さ:18mm、支持基板の厚さ:0.5mm、支持基板以外の厚さ:0.14mm、ミラーサイズは幅:7mm、長さ:11mm、厚さ:0.14mm、圧電材(PZT)の厚さは1μmとした。
上記で示した光スキャナ2aに関して固有値解析を試みたところ、1次の共振周波数が1kHzであり、内部可動枠7の駆動共振周波数が1.6kHz、中部可動枠14の駆動共振周波数が1.4kHzであった。そして、この光スキャナにGを印加して、耐衝撃性を解析したところ、4000Gまで耐えることを確認した。
次に、圧電素子12a・12b・13bに同位相の電圧10Vp−p、1.6kHzの正弦波バイアスを印加し、圧電素子12c・12d・13aに上記位相と逆位相の同じく電圧10Vp−p、1.6kHzの正弦波バイアスを印加して、可動枠7の曲げ振動を試みた。その結果、Y軸方向に±8degのミラー20の変位角が得られた。
同様に、圧電素子18a・18b・19bに同位相の電圧10Vp−p、1.4kHzの正弦波バイアスを印加し、圧電素子18c・18d・19aに上記位相と逆位相の同じく電圧10Vp−p、1.4kHzの正弦波バイアスを印加して、外側可動枠14の曲げ振動を試みた。その結果、X軸方向に±14degのミラー20の変位角が得られた。
可動枠7および外側可動枠14を上記条件で同時に共振駆動させた場合、可動枠7と外側可動枠14とがそれぞれ独立して共振駆動をしていることを確認した。
次に、図14に示す従来のトーションバーを回転軸としたねじり駆動式ジンバル構造型光スキャナを本実施の形態に係る光スキャナ2aと比較するためにシミュレートした。基板の材質、圧電素子の全体サイズ、ミラーサイズ及び可動枠幅は、実施の形態2の光スキャナ2aのそれらと同じ設定にした。また、電圧10Vp−pでY軸方向に±8deg、X軸方向に±14degのミラーの変位角が得られるようにトーションバーの幅を調整した。
そして、この図14に示す従来のねじり駆動式ジンバル構造型光スキャナにGを印加して、耐衝撃性を解析したところ、700Gまでしか耐えられないことを確認した。逆に、従来のねじり駆動式ジンバル構造型光スキャナの耐衝撃性を本実施の形態と同じ4000Gになるようにトーションバーの幅を調整したところ、Y軸方向にミラーを±8deg駆動させるのに60Vp−p、X軸方向にミラーを±14deg駆動させるのに140Vp−pの正弦波バイアスを印加する必要があることを確認した。
このように、実施の形態2の2次元光スキャナ2aは、耐衝撃性が4000Gと剛性の高い構造であり、また、2系統の圧電素子の駆動周波数を可動枠7、外側可動枠14の機械的共振周波数にそれぞれ合わせ、そして、同一可動枠上で支持部を軸として互いに向かい合う3つの圧電曲げ駆動を利用することにより、低電圧駆動でも大きなミラーの変位角を得られることが確認できた。
次に、図22〜図24で前述した従来の光走査型装置92の性能と実施の形態2のスキャナ2aの性能とを比較する。従来の光走査型装置92と実施の形態2のスキャナ2aとにおいて、全体サイズ・ミラーサイズ・支持部の長さ(従来の光走査型装置92においては、振動板とミラー・可動枠を繋ぐ梁の長さ)・可動枠/振動板の幅・圧電材の幅・圧電材の厚さを統一し、支持梁の幅をパラメータとして構造設計を行った。
従来の光走査型装置92の場合は、X軸駆動電圧の方が、Y軸駆動電圧よりも高いので、X軸駆動電圧が最も低くなるように支持梁(支持部)の幅を求め、その時のX軸駆動電圧及びY軸駆動電圧と耐衝撃性を下記の(表1)に示した。また、本実施の形態の光スキャナ2aの場合は、Y軸駆動電圧の方が、X軸駆動電圧よりも高いので、Y軸駆動電圧が最も低くなるように支持梁(支持部)の幅を求め、その時のX軸駆動電圧及びY軸駆動電圧と耐衝撃性を下記の(表1)に示した。
Figure 2007312465
(表1)に示されるように、ミラーのY軸駆動電圧は、従来の光走査型装置92と実施の形態2の光スキャナ2aとで、ほぼ同等であるが、ミラーのX軸駆動電圧と耐衝撃性とは、実施の形態2の光スキャナ2aの方が、従来の光走査型装置92よりもはるかに優れている。
また、実施の形態2の光スキャナ2aにおいては、圧電補強のための圧電素子19a・19bを設けたことにより、圧電素子19a・19b無しの構成に比較して、ミラー20のX軸方向変位は2倍になった。また、圧電補強のための圧電素子13a・13bを設けたことにより、圧電素子13a・13b無しの構成に比較して、ミラー20のY軸方向変位は1.4倍になった。
(実施の形態3)
図15は、実施の形態3に係るレーザプリンタ24の構成を模式的に示す斜視図である。レーザプリンタ24は、レーザ光を照射する光源25を備えている。光源25によって照射されたレーザ光は、シリンドリカルレンズ26を通過する。
レーザプリンタ24は、実施の形態2において前述した光スキャナ2aを備えている。光スキャナ2aは、シリンドリカルレンズ26を通過したレーザ光を反射する。光スキャナ2aによって反射されたレーザ光は、fθレンズ27を通過して感光ドラム28に向かう。感光ドラム28に巻き付けられた用紙は、fθレンズ27を通過したレーザ光により印字される。
本発明に係る光スキャナ2aは、このようなレーザプリンタにも利用できる。
(実施の形態4)
図16(a)(b)は、実施の形態4に係る光スキャナの動作を説明するためにY軸方向に沿った端面を模式的に示す図である。実施の形態4の光スキャナの構成は、実施の形態2で前述した光スキャナ2aの構成と同一である。実施の形態1において図3(a)(b)及び図5(a)(b)を参照して前述した構成要素と同一の構成要素には同一の参照符号を付している。従って、これらの構成要素の詳細な説明は省略する。
圧電素子12a・12bに交流電圧が印加されてY軸方向に沿って縮むと、辺材8aの圧電素子12aに対応する部分、及び辺材8bの圧電素子12bに対応する部分は、支持部11a・11bを支点として可動枠7の厚み方向に沿ってそれぞれ圧電素子12a・12b側に曲がる。
圧電素子12c・12dに交流電圧が印加されてY軸方向に沿って縮むと、辺材8aの圧電素子12cに対応する部分、及び辺材8bの圧電素子12dに対応する部分は、可動枠7の厚み方向に沿ってそれぞれ圧電素子12c・12d側に曲がる。その結果、ミラー70を支持する支持部10a・10bが設けられた辺材9a・9bは、両方とも同じZ軸方向に変位するので、ミラー20は、Z軸方向に平行移動する。
図17(a)(b)は、上記光スキャナの動作を説明するためにX軸方向に沿った端面を模式的に示す図である。
圧電素子13aに交流電圧が印加されてX軸方向に沿って伸びると、辺材9aは、辺材8a・8bとの接続点を支点としてZ軸方向に向かって撓む。圧電素子13bに交流電圧が印加されてX軸方向に沿って伸びると、辺材9bは、辺材8a・8bとの接続点を支点としてZ軸方向に向かって撓む。
このように、Y軸方向に沿って伸縮する圧電素子12a・12b・12c・12dに追加して、X軸方向に沿って伸縮する圧電素子13a・13bを設けると、ミラー20を支持する可動枠7の変位量を増大させることができる。
図18は、実施の形態4に係る光ディスク用ヘッド29の構成を示す模式図である。光ディスク用ヘッド29は、レーザダイオード30を備えている。レーザダイオード30は、レンズ31に向かってレーザ光を照射する。レンズ31を透過したレーザ光は、実施の形態4に係る光スキャナに設けられたミラー20によって反射され、レンズ群32を透過して、光ディスク33に照射される。
実施の形態4に係る光スキャナは、矢印34に示す方向に傾き調整可能なだけでなく、矢印35に示す方向にフォーカッシング調整も可能であるので、光ディスク33の表面が、矢印36の方向にぶれても、矢印35の方向にミラー20をフォーカッシング調整することによって、光ディスク33の表面に適切な焦点を結ぶことができる。
実施の形態4に係る光スキャナは、2次元光走査機能を有するだけでなく、フォーカッシングを行いながら1次元光走査を行うことができる。つまり、図11に示す圧電素子18a・18b・18c・18dに同位相の直流電圧を印加し、圧電素子19a・19bに逆位相の直流電圧を印加し、そして、圧電素子12a・12b・12c・12d・13a・13bは、実施の形態2で記した共振駆動をさせると、外側可動枠14でフォーカッシングを行いながら、可動枠7の共振駆動で1軸の光走査を行うことができる。
圧電素子18a・18b・18c・18dに±10Vの直流電圧を印加し、圧電素子19a・19bに逆位相の直流電圧を印加したとき、Z軸方向(紙面に垂直方向)に±3μmのフォーカッシングができ、かつ、可動枠7の共振駆動で電圧10Vp−pあたりY軸方向に±8degの光走査を行うことができることをシミュレーションにより確認した。
この方法は、図18に示すように、光ディスクドライブの光学ミラーに応用でき、半導体レーザから出てくるレーザ光を本実施の形態のミラー20に当て、そしてそのミラー20を振ることで光ディスク33内のピットを走査することができ、かつ、ピットの位置から生じるわずかな焦点ずれをフォーカッシングすることができる。
その他、走査型レーザ顕微鏡で用いられているガルバノミラーを本実施の形態に置き換えれば、従来の1軸光走査に加えて、フォーカッシング機能も付けることができ、さらに、小型化にも最適である。
上述した各実施形態では、圧電素子によってミラーを駆動する例を示したが、本発明はこれに限定されない。例えば、電磁駆動方式、静電駆動方式、形状記憶合金駆動方式及びバイメタル駆動方式のいずれかによって駆動してもよい。
本発明は上述した各実施形態に限定されるものではなく、請求項に示した範囲で種々の変更が可能であり、異なる実施形態にそれぞれ開示された技術的手段を適宜組み合わせて得られる実施形態についても本発明の技術的範囲に含まれる。
本発明は、光センサやレーザ応用機器などの光走査に用いられる小型で高速に動作する2次元的に光走査可能な光走査型装置(2次元光スキャナ)及びこれに使用する駆動装置に適用することができ、例えば、レーザプリンタ、光ディスク用ヘッド及び走査型レーザ顕微鏡に対しても適用することができる。
実施の形態1に係る物体情報検知装置の構成を示す模式である。 上記物体情報検知装置に設けられた駆動装置の構成を示す平面図である。 (a)(b)は、上記駆動装置の動作を説明するための図2の面DDに沿った断面を模式的に示す図である。 上記駆動装置の可動枠とミラーとの動作を説明するための模式図である。 (a)(b)は、上記駆動装置の動作を説明するためにX軸方向に沿った端面を模式的に示す図である。 上記駆動装置の可動枠とミラーとの動作を説明するための斜視図である。 上記駆動装置の可動枠とミラーとの動作を説明するための斜視図である。 上記駆動装置の可動枠とミラーとの動作を説明するための斜視図である。 (a)は上記駆動装置のユニモルフ駆動を説明するための模式断面図であり、(b)は上記駆動装置のバイモルフ駆動を説明するための模式断面図である。 (a)は上記駆動装置のユニモルフ駆動を説明するための斜視図であり、(b)は上記駆動装置のバイモルフ駆動を説明するための斜視図である。 実施の形態2に係る駆動装置の構成を示す平面図である。 図11の面BBに沿った端面図である。 図11の面CCに沿った端面図である。 従来のトーションバーを回転軸としたねじり駆動式ジンバル構造型光スキャナを本実施の形態と比較するために示す図である。 実施の形態3に係るレーザプリンタの構成を模式的に示す斜視図である。 (a)(b)は、実施の形態4に係る駆動装置の動作を説明するためにY軸方向に沿った端面を模式的に示す図である。 (a)(b)は、上記駆動装置の動作を説明するためにX軸方向に沿った端面を模式的に示す図である。 実施の形態4に係る光ディスク用ヘッドの構成を示す模式図である。 従来の光走査型装置の構成を示す模式図である。 従来の他の光走査型装置の構成を示す斜視図である。 従来のさらに他の光走査型装置の構成を示す斜視図である。 従来のさらに他の光走査型装置の構成を示す平面図である。 従来のさらに他の光走査型装置の構成を示す斜視図である。 従来のさらに他の光走査型装置の動作を説明するための模式図である。
符号の説明
1 物体情報検知装置
2 光スキャナ(光走査型装置)
3 光源
4 対象物
5 光センサ
6 支持基板(支持体)
7 可動枠(可動枠、内側可動枠)
8a、8b、9a、9b 辺材
10a、10b、11a、11b 支持部
12a、12b、12c、12d 圧電素子(曲げ駆動素子)
13a、13b 圧電素子(補強曲げ駆動素子)
14 外側可動枠(可動枠)
15a、15b 辺材
16a、16b 辺材
17a、17b 支持部
18a、18b、18c、18d 圧電素子(内側曲げ駆動素子)
19a、19b 圧電素子(補強内側曲げ駆動素子)
20 ミラー
21 レンズ群
22 ベース
23 反射膜
24 レーザプリンタ
25 光源
26 シリンドリカルレンズ
27 fθレンズ
28 感光ドラム
29 光ディスク用ヘッド
30 レーザダイオード
31 レンズ
32 レンズ群
33 光ディスク

Claims (11)

  1. 可動枠と、
    前記可動枠の対向する二辺を両外側から支持する支持体と、
    前記可動枠の対向する二辺を、前記可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、前記可動枠上に設けられた曲げ駆動素子とを備えたことを特徴とする駆動装置。
  2. 前記可動枠の内周側に設けられた内側可動枠をさらに備え、
    前記可動枠の対向する二辺に垂直な前記内側可動枠の対向する二辺は、両外側から前記可動枠によって支持されており、
    前記内側可動枠の対向する二辺を、前記内側可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、前記内側可動枠上に設けられた内側曲げ駆動素子をさらに備える請求項1記載の駆動装置。
  3. 前記内側可動枠の対向する他の二辺を、前記内側可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、前記内側可動枠上に設けられた補強内側曲げ駆動素子をさらに備えた請求項2記載の駆動装置。
  4. 前記可動枠の対向する他の二辺を、前記可動枠の表面に垂直な方向に沿って曲げ変形させるために、前記可動枠上に設けられた補強曲げ駆動素子をさらに備えた請求項1記載の駆動装置。
  5. 前記曲げ駆動素子は、圧電素子によって構成される請求項1記載の駆動装置。
  6. 前記支持体は、前記可動枠の対向する二辺にそれぞれ接続された一対の支持部を有している請求項1記載の駆動装置。
  7. 前記可動枠の対向する各二辺は、前記支持体による支持点を中心として互いに逆方向に曲げ変形する請求項1記載の駆動装置。
  8. 前記可動枠の対向する各二辺は、前記支持体による支持点を中心として互いに同方向に曲げ変形する請求項1記載の駆動装置。
  9. 請求項1記載の駆動装置と、
    前記可動枠の内周側に設けられて前記可動枠によって支持される被駆動体とを備え、
    前記被駆動体は、前記可動枠の対向する他の二辺にそれぞれ設けられた一対の支持部によって支持されていることを特徴とする光走査型装置。
  10. 前記被駆動体は、ミラーによって構成される請求項5記載の光走査型装置。
  11. 請求項9記載の光走査型装置と、
    前記ミラーに向かってレーザ光を照射する光源と、
    前記ミラーにより反射され、対象物によってさらに反射されたレーザ光を受光する光センサとを備えたことを特徴とする物体情報検知装置。
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