JP2008197139A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】共振周波数を広い範囲で調整でき、低い駆動電圧で大きな振れ角を得られる光走査装置を提供する。
【解決手段】一対のトーションバネ４を捻り回転軸としてミラー部材３が往復振動するタイプの光走査装置。トーションバネ４の固定部近傍とフレーム部５とを連結する部材（カンチレバー）７に、その長手方向に変形する駆動用圧電素子が設けられる。トーションバネ４とフレーム５とに、共振周波数調整用の静電バネとして作用させるための電極９，１０が形成される。電極９，１０間に印加する電圧の増減によって共振周波数を広範囲に調整することができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミラー部材により光源からの光ビームを偏向させる光走査装置に係り、より詳しくは、一対のトーションバネにより支持されたミラー部材を、そのトーションバネを捻り回転軸として往復振動させるタイプの光走査装置に関する。

一対のトーションバネで支持されたミラー部材に可動電極を設け、この可動電極と固定電極との間の静電力を駆動力として、ミラー部材を、トーションバネを捻り回転軸として往復振動させる光走査装置が知られている（例えば特許文献１，２参照）。このような光走査装置は、ミラー部材の共振周波数に駆動周波数を一致させた場合に、ミラー部材の振れ角を最大にすることができる。

特許文献１に記載されている光走査装置においては、ミラー部材に、レーザビームの照射により容易に割断可能な１つ又は複数の切片が設けられており、この切片の割断によってミラー部材の慣性モーメントを調節することにより共振周波数を調整可能である。

特許文献２に記載されている光走査装置においては、ミラー部材（ステージ）の裏面に対向する基板面に設けられた平板状のチューニング電極、あるいは、ミラー部材の裏面に設けられた電極と噛み合うように基板面に設けられた櫛歯状のチューニング電極への印加電圧の調節によって共振周波数を調節可能である。

ミラー部材の駆動に圧電素子を用いる光走査装置も知られている。例えば特許文献３には、圧電素子が形成された２対の圧電ユニモルフ振動板をミラー部材に連結し、各対の圧電ユニモルフ振動板の圧電素子に逆位相の交流電圧を印加することにより、ミラー部材を、トーションバネを回転軸として往復振動させる光走査装置が記載されている。

ミラー部材を電磁力により駆動する光走査装置も知られている。例えば特許文献４には、一対のバネ部により支持された可動部にミラー面とコイルパターンが形成されており、この可動部を永久磁石によるバイアス磁界中に配置し、コイルパターンに通電することによって可動部を正弦的に往復振動させる構成の光走査装置（光偏向素子）と、これを用いたレーザプリンタ等の光書込装置が記載されている。

以上に挙げた光走査装置とは振動系の構造及び挙動が異なるものであるが、鏡面を持つ振動部と固定部とを弾性変形部（トーションバネ）を介して連結した振動子と、その固定部に弾性変形部に直交する方向の高周波振動を加える加振装置（例えば圧電素子）とを有し、振動子を共振振動させる光走査装置（光スキャン）が特許文献５に記載されている。この光走査装置においては、弾性変形部に設けた抵抗発熱素子又は圧電素子によって弾性変形部を加熱又は変形させ、弾性変形部のバネ定数を変化させることにより振動子の共振特性を調整可能である。

特開２００３−８４２２６号公報 特開２００５−１２８５５１号公報 特開２００５−１２８１４７号公報 特許第３５８４５９５号公報 特許第２９８１６００号公報

一対のトーションバネを捻り回転軸としてミラー部材を往復振動させるような光走査装置は、ミラー部材の共振周波数と駆動周波数とが一致したときにミラー部材の変位角が最大となる。しかしながら、製造工程におけるトーションバネやミラー部材の寸法のばらつき等によって共振周波数のばらつきが生じ、所望の駆動周波数が共振周波数帯域から外れるようなサンプルがある程度の割合で生じてしまう。

２００μｍ厚のＳｉ基板を用い、図３５に示すようなミラー部材２０２を一対のトーションバネ２０１で支持し、ミラー部材２０２を駆動するための静電トルクを発生するための櫛歯状の電極２０３，２０４をミラー部材の２０２の自由端とフレーム部２００にそれぞれ有する光走査装置を試作した。ミラー部材２０２のサイズは長さが２ｍｍ、幅が１ｍｍであり、ミラー部材２０２の振動空間は減圧封止した。この試作した光走査装置について共振周波数を測定した。電極２０３，２０４に印加される駆動電圧は４０（Ｖ）である。
図３６に測定した共振周波数の分布を示す。この図から、共振周波数の平均は3076.105（Hz）、ばらつきは±41(Hz,3σ)であることがわかる。
共振周波数が平均値に近い１サンプル（共振周波数3080Hz）と、共振周波数が、そのばらつき±41(Hz)の境界に近い２サンプル（共振周波数3050Hz、3100Hz）について、振れ角周波数特性を測定した。その結果を図３７に示す。横軸は駆動周波数、縦軸は最大振れ角である。この図から、共振周波数のばらつきに伴って、振れ角周波数特性が周波数軸上でシフトしているのがわかる。この３サンプルを平均共振周波数(3080Hz)で駆動した場合、振れ角のばらつきは約２°〜約１５°となる。このような共振周波数のばらつき、それに伴う振れ角のばらつきは、光走査装置を応用する際に大きな支障となる。

例えば、このような光走査装置を特許文献４に記載されている光書込装置の光偏向器として用いる場合、振れ角のばらつきは画像品質の低下を招く。また、この場合に要求される最大振れ角は、感光体・光偏向器間の距離（特許文献４の図７参照）によって決まる。一例を挙げれば、用紙サイズＡ４まで対応できる光書込装置で、感光体・光偏向器間の距離300(mm)のときには、±25゜の最大振れ角が必要となる。上に述べたような共振周波数、振れ角のばらつきのある光走査装置を平均共振周波数で駆動し、２ｍｍ×１ｍｍのミラー部材を最大振れ角±25゜で振動させるには、駆動用電極間に印可する駆動電圧を４０（Ｖ）よりも相当に高電圧化する必要があり、これも好ましくない。

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的は、トーションバネを捻り回転軸としてミラー部材が往復振動するタイプの改良した光走査装置を提供することにあり、より詳細には、共振周波数を十分な範囲で連続的に調整可能な共振周波数調整手段を持ち、かつ、ミラー部材が比較的大い場合でも低い駆動電圧でミラー部材を大きな振れ角で共振往復振動させることが可能な光走査装置を提供することにある。

本発明に係る光走査装置は、フレーム部材に一対のトーションバネにより支持されたミラー部材が前記トーションバネを捻り回転軸として往復振動するタイプのものである。

請求項１記載の発明によれば、前記各トーションバネは、その前記フレーム部材との結合端の近傍位置で一対の連結部材により前記フレーム部材と連結され、前記各連結部材に、それを変形させることによって前記ミラー部材の駆動用トルクを生じさせるための圧電素子が設けられ、前記ミラー部材の共振周波数調整用の静電バネとして作用させるための櫛歯状の第１の電極と第２の電極が、互いに噛み合う位置関係で、前記トーションバネと前記フレーム部材にそれぞれ設けられる。
このような構成によれば、後に実施形態に関連して詳細に述べるように、第１と第２の電極間に印加する電圧を変化させることによりミラー部材の共振周波数を十分広い範囲で調整することが可能であり、また、比較的低い電圧を圧電素子に印加することにより大きなミラー部材駆動用トルクを発生させることが可能である。したがって、所望の共振周波数でミラー部材を大きな振れ角で往復振動させることができる。

請求項２記載の発明によれば、請求項１記載の発明に係る構成において、絶縁膜を介して第１と第２のシリコン基板が接合されたＳＯＩ基板の前記第１のシリコン基板に、前記フレーム部材、前記トーションバネ、前記ミラー部材、前記連結部材、前記第１の電極及び前記第２の電極が一体的に形成され、前記第２のシリコン基板に前記ミラー部材の振動空間が形成される。

請求項３記載の発明によれば、請求項１記載の発明に係る構成において、前記第１の電極とともに前記ミラー部材の共振周波数調整用の静電バネとして作用させるための櫛歯状の第３の電極が、前記第２の電極よりその厚さ方向にずらして、前記第１の電極と噛み合う位置関係で設けられる。
後に実施形態に関連して詳細に説明するように、第３の電極の追加によって、より広い範囲でミラー部材の共振周波数を調整することが可能となる。

請求項４記載の発明によれば、請求項３記載の発明に係る構成において、絶縁膜を介して第１と第２のシリコン基板が接合されたＳＯＩ基板の前記第１のシリコン基板に、前記フレーム部材、前記トーションバネ、前記ミラー部材、前記連結部材、前記第１の電極及び前記第２の電極が一体的に形成され、前記第２のシリコン基板に前記第３の電極及び前記ミラー部材の振動空間が一体的に形成される。

請求項５記載の発明によれば、請求項３又は４記載の発明に係る構成において、前記第２の電極と前記第１の電極は同じ厚さとされる。このような厚さ関係とすることにより、後に実施形態に関連して説明するように、第１と第３の電極間の静電バネのバネ定数を大きくし、共振周波数調整範囲を広げることができる。

請求項６記載の発明によれば、請求項１乃至５のいずれか１項記載の発明に係る構成において、前記第１の電極の幅は、その基端で最も大きく、その先端に近づくほど減少するように設定される。これによって、ミラー部材の振動時における第１の電極の共振を抑制し、第１の電極と第２又は第３の電極とのショートを防止することができる。

請求項７記載の発明によれば、請求項１乃至５のいずれか１項記載の発明に係る構成において、前記トーションバネの前記フレーム部材への固定端から前記ミラー部材との結合端までの長さをＬとして、前記トーションバネの該固定端寄りの長さ２Ｌ／３の範囲内にのみ前記第１の電極が設けられる。このような構成によれば、後に実施形態に関連して説明するように、ミラー部材の振動時における高次モード振動による第１の電極と第２又は第３の電極とのショート（短絡）が起きにくい。

請求項８記載の発明によれば、請求項１乃至５のいずれか１項記載の発明に係る構成において、前記第１の電極の長さを前記ミラー部材に近いものほど小さくする。かかる構成によれば、後に実施形態に関連して説明するように、ミラー部材の振動時における高次モード振動による第１の電極と第２又は第３の電極とのショート（短絡）が起きにくい。

請求項９記載の発明によれば、請求項１乃至５のいずれか１項記載の発明に係る構成において、前記ミラー部材の振動周波数検出用の電極が、前記ミラー部材の各自由端と前記フレーム部材の対応部位に形成される。このような構成によれば、後に実施形態に関連して説明するように、ミラー部材の共振周波数の検出及び調整を自動的に行うことが容易になる。

請求項１０記載の発明によれば、請求項２記載の発明に係る構成において、前記ミラー基板の変位角検出用の電極が、前記ミラー部材の各自由端と前記第２のシリコン基板の対応部位に形成される。このような構成によれば、後に実施形態に関連して説明するように、第１と第２の電極間に印加する電圧をミラー部材の変位角に応じ変化させるような制御を容易に行うことが可能になる。

本発明によれば、共振周波数を十分な範囲で連続的に調整可能であり、ミラー部材が比較的大い場合でも低い駆動電圧でミラー部材を大きな振れ角で共振往復振動させることが可能である等の利点を有し、例えば特許文献４の光書込装置の光偏光器等として好適な改良された光走査装置を提供することができる。

以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下の説明で参照される複数の図面において、説明の重複を減らすため、同一もしくは対応する要素には同一もしくは同様の参照番号が用いられる。

［第１の実施形態］
本発明の第１の実施形態に係る光走査装置について、図１乃至図１１を参照して説明する。

図１は、本実施形態に係る光走査装置の概略分解斜視図である。この光走査装置は、第１の基板１に第２の基板２を接合した全体構造である。図示されていないが、基板１と基板２の間は絶縁膜によって絶縁されている。この光走査装置は、後述するのようにＳｉ基板／絶縁膜／Ｓｉ基板からなるＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製作される。基板１，２の材質等については製造方法に関連して後述する。

基板１には、表面にミラー面を有する可動板（ミラー部材）３が一対のトーションバネ４によってフレーム部５に支持された形で一体的に対形成されている。可動板３は、トーションバネ４を捻り回転軸として往復振動可能である。基板２は基板１の補強部材として働くものであり、基板２には可動板３の振動空間が形成される。

各トーションバネ４のフレーム部５への固定端の近傍部分は、トーションバネ４と直交する一対の連結部材（カンチレバー）７によってフレーム部５と連結されている。各連結部材７上には、図２に模式的に示すように、圧電素子８が形成されている。この圧電素子８は、その連結部材７の長さ方向へ伸縮して連結部材７を変形させることによって、可動板３の駆動用トルクを発生させるためのものである。１１は各圧電素子８のための電極パッドである。

各トーションバネ４には、櫛歯状の第１の電極９が形成されている。フレーム部５には、第１の電極９と噛み合う位置関係で櫛歯状の第２の電極１０が形成されている。第１の電極９と第２の電極１０は、可動板（ミラー部材）３の共振周波数を調整するための静電バネとして作用させるためのものである。１２は第１の電極９のための電極パッドであり、１３は第２の電極１０のための電極パッドである。フレーム部５の各トーションバネ４の固定部分１５に分離溝１４が形成されることにより、トーションバネ４及び第１の電極９と第２の電極１０とが電気的に分離されている。

この光走査装置の構造及び材質をより明確にするため、ここで、その製造方法を説明する。図３−１及び図３−２は工程説明図であり、図１のＡ−Ａ’断面に対応した断面形状を略示している。

工程（ａ）：第１のＳｉ基板１００と第２のＳｉ基板１０２が絶縁層１０１を介して接合されたＳＯＩ基板の表面に、絶縁のため熱酸化膜１０３，１０４を例えば０．５μｍ厚に形成する。なお、第１のＳｉ基板１００は低抵抗基板（導体）であり、特別に金属を形成することなく基板自体が電極を兼ねることができる。

工程（ｂ）：第１のＳｉ基板１００側に、駆動トルク発生用の圧電素子８（図２）のための下部電極膜１０５と、電圧印加により連結部材７の長手方向へ伸縮する圧電材料膜１０６と、上部電極膜１０７とをこの順に成膜する。膜厚及び材料の例を挙げれば次の通りである。下部電極膜１０５として０．０５μｍ厚のＴｉ膜と０．１５μｍ厚のＰｔ膜がこの順に成膜される。圧電材料膜１０６として３μｍ厚のチタン酸ジルコン酸塩（ＰＺＴ）膜が成膜される。上部電極膜１０７として０．１５μ厚のＰｔ膜が成膜される。成膜方法としては、下部電極膜及び上部電極膜にはスパッタリング法を用いることができる。圧電材料膜には、スパッタリング法、ＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法、イオンプレーティング法等を用いることができる。

工程（ｃ）：上部電極膜１０７及び圧電材料膜１０６をドライエッチングするためのレジストパターン１０８を形成する。

工程（ｄ）：ＲＩＥ（Reactive Ion Etching）によって、上部電極膜１０７及び圧電材料膜１０６をドライエッチングし、その後、レジストを除去する。

工程（ｅ）：下部電極膜１０５及び熱酸化膜１０３をドライエッチングするためのレジストパターン１０９を形成する。

工程（ｆ）：下部電極膜１０５及び熱酸化膜１０３をＲＩＥにてドライエッチングし、その後、レジストを除去する。これで圧電素子８が形成された。

工程（ｇ）：可動板（ミラー部材）３のミラー面としての反射膜１１０を成膜する。具体的には、例えば０．０５μｍ厚のＴｉ膜、０．０５μｍ厚のＰｔ膜、０．１μｍ厚のＡｕ膜をこの順に成膜する。ここでは、これらの膜を、ステンシルマスクを用いるスパッタリング法で成膜するが、この時に、静電バネ用の電極９，１０のための電極パッド１２，１３も形成する。

工程（ｈ）：可動板（ミラー部材）３、静電バネ用の電極９，１０、連結部材（カンチレバー）７、分離溝１４をドライエッチングで形成するためのレジストパターン１１１を形成する。

工程（ｉ）：ＲＩＥにてドライエッチングし、その後、レジストを除去する。これにより、ＳＯＩ基板の絶縁層１０１に達するまで、可動板（ミラー部材）３、静電バネ用の電極９，１０、連結部材（カンチレバー）７、分離溝１４がパターンニングされる。

工程（ｊ）：ＳＯＩ基板の第２のＳｉ基板１０２側の熱酸化膜１０４上に、可動板（ミラー部材）３の揺動空間６をドライエッチングにより形成するためのレジストパターン１１２が形成される。

工程（ｋ），（ｌ）：熱酸化膜１０４をＲＩＥによりドライエッチングし、続いて、第２のＳｉ基板１０２及び絶縁層１０１をＲＩＥにてドライエッチングする。これにより、光走査装置が完成した。

以上の説明においては、静電バネ用の電極９，１０及び連結部材（カンチレバー）７の厚さは、第１のＳｉ基板１００の厚さと同一となっているが、これに限らない。静電バネ用の電極９，１０は厚さが大きいほど静電トルクを増大させることができる。しかし、連結部材（カンチレバー）７は厚すぎると圧電素子８により変形させにくくなる懸念がある。この懸念がある場合、例えば最終工程に、連結部材（カンチレバー）７のみに対するエッチング加工を追加し、連結部材（カンチレバー）７の厚さを減らすことも可能である。

次に、この光走査装置の駆動について説明する。圧電素子８の圧電材料膜（ＰＺＴ膜）は、その上部電極・下部電極間への電圧の印加により連結部材（カンチレバー）７の長手方向に伸縮する。対をなす一方の連結部材（カンチレバー）７上の圧電素子８と、もう一方の連結部材（カンチレバー）７上の圧電素子８とに、それぞれ逆位相の正弦波電圧Ｐ１，Ｐ２を印加する。そうすると、図４に模式的に示すように、印加正弦波電圧のある周期では、対をなす一方の連結部材（カンチレバー）７（図４では左側のもの）は上面側が伸びるため凸方向に変形し、もう一方の連結部材（カンチレバー）７（図４では右側のもの）は上面側が縮むため凹方向に変形する結果、トーションバネ４にトルクＴpztが作用する。印加正弦波電圧の次の周期においては、各連結部材（カンチレバー）７は逆向きに変形し、逆向きのトルクＴpztがトーションバネ４に作用する。かくして、可動板（ミラー部材）３はトーションバネ４を捻り回転軸として、印加正弦波電圧の周波数Ｆで往復振動する。印加正弦波電圧の周波数Ｆを可動板（ミラー部材）３の共振周波数と一致させるならば、小さなエネルギーで、可動板（ミラー部材）３を大きな振れ角で往復振動させることができる。なお、正弦波電圧に代えてパルス電圧を圧電素子８に印加して駆動することも可能である。

次に、櫛歯状の電極９，１０による共振周波数調整作用について、図５乃至図９を参照して説明する。

図５は、共振周波数調整のための静電バネとして作用する第１の電極９と第２の電極１０の対を模式的に示している。ただし、第１の電極９は角度θだけ回転した状態である。第１の電極９は接地され、第２の電極１０に電圧Ｖが印加されている。この印加電圧Ｖは、可動板３の変位角θ（これは第１の電極９の変位角と同じである）にかかわらず一定である。電極９，１０間には、電極９を電極１０の中心線１８に引き戻そうとするトルクＴs1が作用する。

このトルクＴs1と変位角θとの関係を図６に示す。このトルクの計算には有限要素法を用いた。図６において、電極９，１０間には働くトルクＴs1は、それら電極間に係合が無くなる角度±θ１までは、変位角θにほぼ比例して直線的に増加し、可動板３に対して戻り力として作用する。角度±θ１を越えるとトルクＴs1は減少し始める。変位角θが−θ１＜θ＜θ１の範囲内にあるときのトルク直線の傾きをＫs1とすると、トルクＴs1は次式で与えられる。

電極９，１０間の静電容量をＣとすると、トルクＴs1は次式で与えられる。

すなわち、トルクＴs1は印加電圧Ｖの２乗に比例し、したがってＫｓ１は印加電圧Ｖの２乗に比例する。

図７は、トルクＴs1及びトーションバネ４によるトルクＴmの変位角θとの関係を示すグラフである。トルクＴmとトルクＴs1は、変位角θに対して作用方向が同じであり、可動板３に働く戻り力は、トルクＴs1とトルクＴmを加え合わせたトルクである。図７中の各トルク直線の傾きＫｓ１，Ｋｍが、電極９，１０による静電バネのバネ定数とトーションバネ４のバネ定数となる。

以上から、可動板３を表現する慣性（Ｉ）と、バネ定数Ｋｍのトーションバネ、バネ定数Ｋｓ1の静電バネ、粘性抵抗ＣからなるダッシュポットＣで構成される図８に示すような一自由度モデルで光走査装置を表現することができる。このモデルにより、静電トルクＴs1が作用した状態での可動板３の運動方程式は次式で与えられる。

−θ1＜θ＜θ1では、Ｔｓ１＝Ｋｓ1・θと表すことができるから、

すなわち、バネ定数（Ｋm＋Ｋs1）、慣性Ｉの自由振動となる。よって、共振振動数ｆは次式で表される。

前述の通りＫｓ1は印加電圧Ｖの２乗に比例する。よって、印加電圧Ｖを増減することによって共振周波数ｆを調節可能である。

可動板（ミラー部材）３の形状が４ｍｍ（長辺）×１ｍｍ（短辺）、基板１の厚さが200μｍ、電極９，１０間ギャップが６μｍの場合に計算した印加電圧Ｖと共振周波数の関係を図９に示す。
印加電圧Ｖ＝０(Ｖ)時の共振周波数：3050（Hz）
トーションバネ定数Ｋm：9.71232×10³（dyn・cm/rad）
静電バネ定数Ｋs1：0.03（dyn・cm/rad/Ｖ²）
可動板慣性モーメントＩ：2.56×10^−５(ｇ・cm²)

図９から分かるように、この例では、電極９，１０間に１００(Ｖ)を印加すると、電圧を印加しない時（印加電圧が０(Ｖ)の時）より共振周波数を約50(Hz)だけ上げることができる。つまり、印加電圧を０(Ｖ)から１００(Ｖ)まで変化させることにより共振周波数を約50(Hz)の範囲で調整可能であるということである。この調整範囲は、例えば図３６に示した共振周波数のばらつきを考慮するならば、十分に広いと云うことができる。

具体的数値は提示しないが、電極間に作用する静電トルクでミラー部材を駆動する静電方式に比べ、低い電圧で圧電素子８を駆動して比較的大きな駆動トルクＴpztを発生させることができる。また、製造工程等の関係で共振周波数のばらつきがあっても、共振周波数を所望の駆動周波数に一致させるように容易に調整することができる。したがって、本実施形態の光走査装置は、可動板３のサイズが比較的大きい場合でも、低い駆動電圧で、可動板３を所望の駆動周波数で大きな振れ角で共振往復振動させることが可能であるため、例えば特許文献４の光書込装置の光偏光器として好適に利用できる。

なお、以上の説明から明らかなように、本実施形態は請求項１，２に係る発明の一実施形態に相当する。

［第２の実施形態］
本発明の第２の実施形態に係る光走査装置について、図１０乃至図１８を用いて説明する。

図１０は本実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。図示のように、この光走査装置は基板１と基板２を接合した全体的構成であり、前記第１の実施形態の場合と同様な製造工程により、Ｓｉ基板／絶縁膜／Ｓｉ基板からなるＳＯＩ基板を用いて製作することができる。２１はＳＯＩ基板の層間絶縁膜である。基板１に関する構造は前記第１の実施形態の場合と同一である。基板２には、前記第１の実施形態の場合と同様に可動板（ミラー部材）３の振動空間（９）が形成されるが、図１１及び図１２に示すように、櫛歯状の第２の電極１０の真下にさらに共振周波数調整のための櫛歯状の第３の電極２２が形成される点が前記第１の実施形態と相違する。なお、図１１は図１０のＡ−Ａ断面を示し、図１２は図１０のＢ−Ｂ断面を示している。第２の電極１０と第３の電極２２とは絶縁膜２１によって絶縁されている。図１０において、１９は第３の電極２２のための電極パッドであり、これに対応して基板１に透孔が形成されている。

この光走査装置において、可動板（ミラー部材）３は、連結部材（カンチレバー）７上に形成された圧電素子８（図１０には示されていない）によって生じる駆動トルクにより、一対のトーションバネ４を捻り回転軸として往復振動することは、前記第１の実施形態の場合と同様である。

次に、電極９，１０，２２による共振周波数調整作用について説明する。第１の電極９と第２の電極１０との間に作用する静電トルクＴs1については、前記第１の実施形態に関して説明した。ここでは、第１の電極９と第３の電極２２との間に作用する静電トルクについて説明する。

図１３は、第１の電極９と、第２，第３の電極１０，２２の１組を表している。電極９は角度θだけ回転した状態である。第１の電極９は接地され、第３の電極２２に可動板３の変位角に関わらず一定の電圧Ｖが印加されている。この時に、電極９，２２間に、電極２２の中心線２３に電極９を引き戻そうとするトルクＴs2が作用する。変位角θを変えてトルクＴs2を計算した結果の概略を図１４に示す。この計算は有限要素法によった。図１４には、第１の電極９と第２の電極１０の間に作用するトルクＴs1とそのバネ定数Ｋs1、トーションバネ４のトルクＴｍとそのバネ定数Ｋｍも示されている。これらのトルク及びバネ定数については前記第１の実施形態に関連して説明済みである。

図１４において、トルクＴs2は、電極９，２２間に係合が無くなる角度±θ２までは、変位角θにほぼ比例して直線的に増加し、可動板３に対して電極２２の中心線２３に戻す力として作用する。角度±θ２を越えるとトルクＴs2は減少し始める。−θ２＜θ＜θ２の範囲でのトルク直線の傾きをＫs2とすると、変位角θの時のトルクＴs2は次式で与えられる。

電極９，２２間の静電容量をＣとするとき、トルクＴs2は次式で与えられる。

このように、トルクＴs2は印加電圧Ｖの２乗に比例し、したがって、トルク曲線の傾きすなわちバネ定数Ｋｓ2は印加電圧Ｖの２乗に比例する。図１４に示されるように、トルクＴs2は、トルクＴm，Ｔs1とは、変位角θに対して作用方向が逆である。よって、可動板３を表す慣性Ｉ、バネ定数Ｋｍのトーションバネ、バネ定数Ｋs1の静電バネ、バネ定数Ｋs2の静電バネ、粘性抵抗ＣからなるダッシュポットＣで構成される図１５に示すような一自由度モデルにより光走査装置を表現することができ、トルクＴs1,Ｔs2が共に作用した状態での可動板３の運動方程式は次式で与えられる。

−θ1＜θ＜θ1では、Ｔs1＝Ｋs1・θ、Ｔs2＝Ｋs2・θ と表すことができるから、

すなわち、バネ定数（Ｋm＋Ｋs1−Ｔs2）、慣性Ｉの自由振動となる。よって、共振周波数ｆは次式で与えられる。

前述の通り、Ｋs1、Ｋs2は印加電圧Ｖの２乗に比例して変化するので、印加圧Ｖを変化させることにより共振周波数ｆを調整することができる。すなわち、電極９，１０間の印加電圧を増加させると静電バネ定数Ｋs1が増加して共振周波数ｆが上昇し、電極９，２２間の印加電圧を増加させると静電バネ定数Ｋs2が増加して共振周波数ｆが低下する。

可動板３の形状が4mm（長辺）×１mm（短辺）、基板１，２の厚さが200μｍ、電極９，１０間ギャップ及び電極９，２２間ギャップを６μｍ、電極９，１０間又は電極９，２２間のいずれ一方にのみ電圧を印加した場合について、共振周波数を計算した結果を図１６に示す。図１６では、電極９，１０間の印加電圧をプラス極性、電極９，２２間の印加電圧をマイナス極性として表されているが、これは便宜上のものであって、いずれの電極間の印加電圧も同一極性で構わない。
印加電圧＝０(Ｖ)の時の共振周波数：3100(Hz)
トーションバネ定数Ｋm：9.71232×10^３（dyn・cm/rad）
静電バネ定数Ｋs1：0.03（dyn・cm/rad/Ｖ²）
静電バネ定数Ｋs2：0.015（dyn・cm/rad/Ｖ²）
可動板慣性モーメントＩ：2.56×10^−５(ｇ・cm²)

図１６から分かるように、この例では、電極１０又は２２に印加する電圧を０(Ｖ)から１００(Ｖ)の範囲で変化させることにより、共振周波数ｆを約７５（Ｈｚ）の幅で調整することが可能である。この調整幅は、例えば図３６に示したような共振周波数のばらつきを補償するために十分な広さである。このように、本実施形態に係る光走査装置は、十分に広い共振周波数調整範囲を有し、また、圧電素子に印加する低い駆動電圧を印加することで比較的大きな駆動トルクを発生させることができるため、可動板３が比較的大きい場合であっても、所望の駆動周波数で可動板３を大きな振れ角で共振往復振動させることができ、したがって特許文献４に記載されているような光書込装置の光偏光器等として好適である。

さて、本実施形態では、基板１，２の厚さは同一であり、したがって電極１０，２２の厚さ（高さ方向のサイズ）は同一である。このようするメリットについて説明する。図１７及び図１８は、その説明図である。

第１の電極９と第３の電極２２の間に電圧を印加すると、図１７及び図１８に示すように、第１の電極９を第３の電極２２の中心線２３に引き込もうとする静電トルクＴs2が作用し、このトルクＴs2は前記（７）式で与えられることは既に説明した。

基板１，２の厚さ（電極１０，２２の厚さ）が同一の場合（図１７）と、基板１（電極１０）より基板２（電極２２）を厚くした場合（図１８）とでは、前者の方が電極間静電容量Ｃの変化が急峻になり、ｄＣ／ｄθが大きくなるため、前者の方が同じ印加電圧で大きい静電トルクＴs2を得られ、したがって共振周波数調整範囲を広くすることができるというメリットがある。

なお、以上の説明から明らかなように、本実施形態は請求項３，４，５に係る発明の一実施形態に相当する。

［第３の実施形態］
本発明の第３の実施形態に係る光走査装置について、図１９乃至図２１を参照して説明する。

図１９は、本実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。この光走査装置の全体的構成は前記第１の実施形態（又は第２の実施形態）と同様であり、相違点は共振周波数調整のための静電バネを構成する電極９，１０（又は電極９，１０，２２）が台形状の平面形状を有する点のみである。

前記第１の実施形態（又は第２の実施形態）における電極９，１０（又は９，１０，２２）の平面形状を図２０の上段に、本実施形態における電極９，１０（又は９，１０，２２）の平面形状を図２０の下段にそれぞれ示す。本実施形態においては、各電極の基端で最大の幅Ｗ２を有し、先端（自由端）に近づくほど幅が減少し、先端（自由端）で最小の幅Ｗ１を有する。電極ピッチＰは前記第１（又は第２）の実施形態の場合と同じである。

図２０の上段に示すような電極形状であると、可動板３の振動時に電極９に図２１に模式的に示すような共振振動が発生しやすく、電極９と電極１０（又は２２）との間のショート（短絡）が発生するおそれがある。本実施形態では、図２０の下段に示すような電極形状であるため、電極９は剛性が大きく共振振動が生じにくくなり、電極９と電極１０（又は２２）との間のショートを防止できる。なお、電極９のみ上に述べたような台形状の平面形状とし、電極１０（２２）の幅は基端から先端まで同一幅とすることも可能である。

なお、以上の説明から明らかなように、本実施形態は請求項６に係る発明の一実施形態に相当する。

さて、可動板（ミラー部材）３が振動時に図２２に破線で模式的にしめすような高次モードの振動も発生する。この高次モード振動は、共振周波数の約２倍の周波数で、その振動方向は図２２に矢印で示す方向である。この高次モード振動によって、トーションバネ４は破線で示すような変形をし、これにより図２３に模式的に示すように、可動板３寄りに設けられている電極９が傾き、電極１０（又は２２）とショートしやすい。一方、可動板３から遠い電極９は、その位置でのトーションバネ３の変形が少ないため傾きは小さく、電極１０（又は２２）とのショートは生じにくい。このようなことに考慮した実施形態について次に説明する。

［第４の実施形態］
図２４は、本発明の第４の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。この光走査装置の全体的構成は前記第１の実施形態（又は第２の実施形態）と同様であり、相違点は、図示のように、共振周波数調整用の電極９，１０（又は９，１０，１１）が、可動板３からの距離がＬ／３以内の範囲には設けられず、それよりもトーションバネ４の固定端部１５寄り位置にのみ設けられていることである。ここで、Ｌはトーションバネ３の長さである。換言すれば、トーションバネ４の固定端よりの長さ２Ｌ／３の範囲内にのみ電極９，１０（又は９，１０，１１）が設けられる。このような位置関係で設けられた電極９は図２３で説明した高次モード振動による傾きが小さいため、電極間ショートの発生を効果的に防止できる。なお、電極１０，２２は必ずしもそのような制限に従わずに設けても構わないが、電極９と係合しない部位に設けた電極１０，２２は静電バネとしては何ら作用しないため無意味である。

なお、以上の説明から明らかなように、本実施形態は請求項７に係る発明の一実施形態に相当する。

［第５の実施形態］
本発明の第５の実施形態に係る光走査装置は、その全体的構成は前記第１又は第２の実施形態とものと同様であるが、図２５に模式的に示すように、トーションバネ４に設けられる電極９の長さが可動板３に近いものほど短くなるように設定されている。本実施形態では、トーションバネ４の固定端側に設けられた電極９の長さＬ１が最大、可動板３寄りの位置に設けられた電極９の長さＬ２が最小、中間的位置に設けられた電極９の長さはＬ１より小さく、Ｌ２より大きくなるように設定されている。このように、高次モード振動による傾きの大きい可動板３に近い位置にある電極９ほど長さが短くなっているため、電極１０（又は１０，２２）と電極９とのショートを効果的に防止できる。

なお、本実施形態は請求項８に係る発明の一実施形態に相当する。

［第６の実施形態］
図２６乃至図２９を参照し、本発明の第６の実施形態について説明する。

図２６は、本実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。この光走査装置においては、振動周波数検出用の電極として、可動板（ミラー部材）３の自由端に電極３０が形成され、これに対応してフレーム部５側に電極３１が形成されている。これら電極３０，３１も櫛歯状の電極とすることができる。電極３１を電気的に分離するための分離溝３２がフレーム部５に形成されるとともに、電極３０のための電極パッド３３も形成される。この光走査装置の他の構成は前記第１の実施形態のものと同様である。ただし、図２６においては基板１上の一部の構造が省略されている。なお、共振周波数調整用の電極９，１０は前記第３乃至第５の実施形態のような形状もしくは配置にしてもよく、かかる態様も本実施形態に包含される。また、前記第２の実施形態のように共振周波数調整用の電極２２を設ける態様も本実施形態に包含される。ただし、電極２２が追加された場合、電極１０と電極２２に選択的に電圧を印加する制御が必要である。

本実施形態に係る光走査装置は、共振周波数を目標の周波数に自動調整することができる。図２７は、光走査装置に対する共振周波数自動調整と通常駆動とを行う回路系の一例を示すブロック図である。

図２７において、１０１はマイクロコンピュータ（以下、ＣＰＵと記す）、１０２はデジタル／アナログ変換器、１０３は電圧制御発振器（ＶＣＯ）、１０４はパルス整形回路、１０５と１０８はＡＮＤゲート、１０７はフリップフロップ、１０６はモノマルチバイプレータである。Ｃ１は一方の電極３０，３１間の静電容量を示し、Ｃ２はもう一方の電極３０，３１間の静電容量を示している。１０９，１１０は静電容量Ｃ１，Ｃ２を電圧レベルに変換するＣ／Ｖ変換器、１１１はＣ／Ｖ変換器１０９，１１０の変換電圧信号を加算する加算器である。１１２は同期検波回路、１１３は増幅器である。１２０は可動板３の駆動のための圧電素子８の各ペアに逆位相の駆動パルスを印加する圧電素子駆動回路、１２１は共振周波数調整用の電極１０に電圧を印加する調整電圧印加回路である。

まず、電極１０への印加電圧を調整することによって、共振周波数を目標周波数に自動調整する動作について説明する。図２８は、この動作の全体的な流れを説明するためのフローチャートである。

ＣＰＵ１０１は、電圧値レジスタＲＶを０に初期化し、この電圧値レジスタＲＶの値を調整電圧印加回路１２１に設定する（ステップＳ１）。したがって、この段階では調整電圧印加回路１２１により電極１０に０(Ｖ)が印加される。

ＣＰＵ１０１は共振周波数検出ルーチンを呼び出す（ステップＳ２）。このルーチンの詳細は後述するが、検出された共振周波数は後述するレジスタＲＦに保持されている。ＣＰＵ１０１は、レジスタＲＦの値（共振周波数）と目標周波数Ｆｏとの差の絶対値と所定の閾値ＴＨとの比較判定を行う（ステップＳ３）。差の絶対値が閾値ＴＨを超えていると判定した場合（ステップＳ３，Ｎｏ）、さらに調整が必要であるため、電圧値レジスタＲＶの値をｄＶ分だけ増加させ、増加後の電圧値レジスタＲＶの値を調整電圧印加回路１２１に設定して電極１０への印加電圧をｄＶだけ増加させ（ステップＳ４）、再び共振周波数検出ルーチンを呼び出す（ステップＳ２）。

ステップＳ３の判定結果がＮｏである間、ステップＳ２〜Ｓ４の処理ループが繰り返される。ステップＳ３の判定結果がＹｅｓになると、共振周波数の目標周波数Ｆｏへの調整が完了したということであるので、この動作は終了する。この時の電圧値レジスタＲＶの値が、共振周波数を目標周波数Ｆｏに調整するために電極１０に印加すべき電圧値を示している。

図２９は、図２８のステップＳ２で呼び出される共振周波数検出ルーチンを説明するためのフローチャートである。以下、図２９を参照して説明する。

ＣＰＵ１０１は、信号ＣをＨレベルに設定し（ステップＳ１１）、繰り返し回数のカウンタであるレジスタＲＣを０に初期化し（ステップＳ１２）、増幅器１１３の出力電圧のピーク値を一時的に保持するためのレジスタＲＧＬｆを０に初期化し（ステップＳ１３）、駆動周波数を保持するためのレジスタＲＦに最低値Ｆminを設定し、レジスタＲＦの値（ここではＦmin）に相当する周波数データＤｆをデジタル／アナログ変換器１０２に出力する（ステップＳ１４）。デジタル／アナログ変換器１０２から周波数データＤｆに対応した電圧がＶＣＯ１０３に入力され、ＶＣＯ１０３は周波数Ｄｆの一定振幅の正弦波を発生する。パルス整形回路１０４は、この正弦波を、その正半波区間でＨレベル、負半波区間でＬレベルの矩形パルスに整形する。この矩形パルスはＡＮＤゲート１０５，１０８に入力される。

次に、ＣＰＵ１０１はＨレベルのリセットパルスＢを１発出力する（ステップＳ１５）。このリセットパルスＢによりフリップフロップ１０７がリセットされ、そのＱバー出力がＬレベルからＨレベルへ変化する。信号ＣはＨレベルであるので、パルス整形回路１０４の出力がＨレベルの時にＡＮＤゲート１０５の出力がＨレベルへ変化し、これによりフリップフロップ１０７がセットされ、そのＱバー出力はＬレベルへ戻り、ＡＮＤゲート１０５の出力はＬベルに戻る。ＡＮＤゲート１０５の出力はモノマルチバイプレータ１０６のトリガ入力に接続されており、ＡＮＤゲート１０５の出力のＬレベルからＨレベルへの遷移（又はＨレベルからＬレベルへの遷移）によりモノマルチバイプレータ１０６がトリガされ、モノマルチバイブレータ１０６の出力は設定時間だけＨレベルになる。このＨレベルの期間に、圧電素子駆動回路１２０は対をなす一方の圧電素子８に正電圧を、もう一方の圧電素子８に負電圧を印加する。これにより、図４に模式的に示したように連結部材（カンチレバー）７が変形する。設定時間後、圧電素子８への電圧印加が断たれ、可動板（ミラー部材）３は前記（５）式に示す周波数で減衰自由振動する。

この振動時に、各対の電極３０，３１間の静電容量Ｃ１，Ｃ２は、図３０に模式的に示すように可動板３の振動と同じ周波数で正弦波状に変化し、それに対応してＣ／Ｖ変換器１０９，１１０による変換電圧信号が変化する。この変換電圧信号を加算した信号（静電容量検出信号）が加算器１１１より同期検波器１１２に入力する。同期検波器１１２は、ＶＣＯ１０３の発生する周波数Ｄｆの正弦波を同期信号として、静電容量検出信号を同期検波する。同期検波器１１２の検波出力信号は、静電容量検出信号の周波数（可動板３の振動周波数）が周波数Ｄｆと合致していると最高レベルとなり、両周波数のずれが大きいほどレベルが下がる。検波出力信号は増幅器１１３により増幅されてＧＬｆ信号としてＣＰＵ１０１のアナログ／デジタル変換ポート（Ａ／Ｄ）に入力する。

ＣＰＵ１０１は、リセットパルスＢを出力してから所定の遅れ時間後に、ＧＬｆ信号のピークレベルをデジタル値として読み込む（ステップＳ１６）。この遅れ時間は、同期検波器１１２内のローパスフィルタをリセットパルスＢでリセットトしてから、ローパスフィルタの平滑コンデンサの電圧が安定するまでに必要な時間である。

ＣＰＵ１０１は、読み込んだＧＬｆ値とレジスタＲＧＬｆの値（初期値は０）以上であるか判定する（ステップＳ１７）。ＧＬｆ値がレジスタＲＧＬｆの値以上ならば（ステップＳ１７，Ｙｅｓ）、ＧＬｆ値をレジスタＲＧＬｆにセットし（ステップＳ１８）、レジスタＲＣの値を１だけインクリメントする（ステップＳ１９）。インクリメント後のレジスタＲＣの値が設定値ＰＮ未満であるならば（ステップＳ２０，Ｎｏ）、レジスタＲＦの値をｄＦだけ増加させる更新を行い、更新後のレジスタＲＦの値に対応した周波数データＤｆをデジタル／アナログ変換器１０２に出力する（ステップＳ２１）。これで、ＶＣＯ１０３の発生する正弦波の周波数がｄＦだけ上昇する。

ＣＰＵ１０１はリセットパルスＢを発生し、圧電素子８を駆動させて可動板３を振動せしめ、それから所定時間後にＧＬｆ信号のピークレベルをデジタル値として読み込む（ステップＳ１６）。今回の周波数Ｄｆが前回よりも可動板３の共振周波数に近づいているのであれば、ＧＬｆ値は前回より大きいはずであるので（ステップＳ１７，Ｙｅｓ）、ステップＳ１８，Ｓ１９，Ｓ２０を経由してステップＳ２１に進み、レジスタＲＦの値をｄＦだけ増加させる更新を行い、ＶＣＯ１０３で発生する正弦波の周波数をｄＦ分だけ上昇させ、再びリセットパルスＢを出力し（ステップＳ１５）、所定時間後にＧＬｆ信号のピークレベルをデジタル値として読み込む（ステップＳ１６）。

以上のように、ＶＣＯ１０３で発生する正弦波の周波数をｄＦ分ずつ段階的に上昇させながら、可動板３を励振し、その時のＧＬｆ信号ピークレベルと前回のＧＬｆ信号ピークレベルとの比較を行う。ＶＣＯ１０３の生成する正弦波の周波数Ｄｆと可動板３の共振周波数とが最も近くなった時にＧＬｆ信号のピークレベルは最高になり、次に周波数ＤＦをｄＦだけ増加させるとＧＬｆ信号のピークレベルは前記レベルより下がる。すなわち、ステップＳ１７の判定結果はＮｏとなり、共振周波数検出ルーチンから抜けて図２８に示すメインルーチンに戻る。ＣＰＵ１０１は、今回検出された共振周波数すなわちレジスタＲＦの値と目標周波数Ｆｏとの差の絶対値が閾値ＴＨより大きいときには（ステップＳ３，Ｎｏ）、レジスタＲＶの値をｄＶだけ増加させる更新を行い、更新後のレジスタＲＶの値を調整電圧印加回路１２１に設定する（ステップＳ４）。かくして、共振周波数調整用の電極１０への印加電圧がｄＶだけ増加するため、その分だけ可動板３の共振周波数は上昇する。ＣＰＵ１０１は再び共振周波数検出ルーチンを呼び出して共振周波数検出処理を再開する（ステップＳ２）。

このように、電極１０への印加電圧をｄＶずつ順次上げながら共振周波数を検出して目標周波数Ｆｏとのずれを調べ、共振周波数と目標周波数Ｆｏとの差の絶対値が閾値ＴＨ以下になったならば（ステップＳ３）、共振周波数は目標周波数Ｆｏに調整されたと判断し共振周波数調整処理を終了する。なお、図２９のステップＳ２０で、レジスタＲＣの値が最大繰り返し回数ＰＮに達したと判定した場合には、共振周波数検出に失敗したと判断し共振周波数調整処理を中止する。

次に、光走査装置の通常の駆動動作について説明する。ＣＰＵ１０１は信号ＣをＬレベルに設定し、目標周波数Ｆｏに対応した周波数データＤｆをデジタル／アナログ変換器１０２に出力することにより、目標周波数Ｆｏの正弦波をＶＣＯ１０３で発生させる。また、共振周波数調整処理の終了時におけるレジスタＲＶの値を調整電圧印加回路１２１に設定し、当該レジスタ値に対応した値の電圧を電極１０に印加させることにより、可動板３の共振周波数をＦｏに調整する。信号ＣがＬレベルであるため、パルス整形回路１０４により整形された周波数Ｆｏの矩形パルスがＡＮＤゲート１０８を通じて圧電素子駆動回路１２０に入力される。圧電素子駆動回路１２０は、入力する矩形パルスのＨレベル期間に、対をなす一方の圧電素子８に正電圧を、もう一方の圧電素子８に負電圧を印加し、矩形パルスのＬレベル期間に、それら圧電素子８に逆の極性の電圧を印加する。かくして、可動板３（ミラー部材）３は、トーションバネ４を捻り回転軸として、その共振周波数Ｆｏで往復振動する。圧電素子駆動回路１２０は、例えば、矩形パルスに応じて電源と圧電素子８との間をスイッチングするような回路構成とすることができる。

なお、前記第２の実施形態のように、共振周波数調整のための電極１０に加え電極２２を設ける場合には、共振周波数調整時及び通常駆動時に、電極１０と電極２２のいずれを利用するかＣＰＵ１０１側で調整電圧印加回路１２１に指示する必要がある。

なお、本実施形態は請求項９に係る発明の一実施形態に相当することは以上の説明から明らかである。

［第７の実施形態］
前記第１の実施形態に関連して説明したように、電極９，１０間に働くトルクＴs1は、図６に示すように変位角が±θ１の近辺から飽和し、それを超えた変位角では静電バネ定数Ｋs1が減少する。±θ１を超える大きな変位角で可動板３を振動させる場合、変位角が±θ１を超えた範囲での静電バネ定数Ｋs1の減少を抑え、より広い変位角範囲で静電バネ定数Ｋs1を略一定に保つと好ましい。それを実現する方法として、変位角が±θ１を超えた期間に電極９，１０間に印加する電圧を増加させるように制御することが考えられる。ここに述べる本発明の第７の実施形態は、そのような制御を可能にするものである。

図３１は、本実施形態に係る光走査装置の概略分解斜視図である。この光走査装置は、全体的構成は前記第１の実施形態のものと同様であるが、可動板３の変位角検出用の電極として、可動板３の各自由端に電極４０が形成され、この電極４０に対応させて基板２側に２個の電極４１が形成されている。なお、電極４０，４１は櫛歯状としてもよい。基板２には、各電極４１を電気的に分離するための分離溝４２が形成され、また、各電極４１のための電極パッド４２が形成されている。基板１には、各電極パッド４２に対応した透孔４３が形成されている。これ以外の構成は前記第１の実施形態に係る光走査装置と同様であるが、基板１の一部の構造は図中省略されている。なお、静電バネ用の電極９，１０は前記第３乃至５の実施形態のような形状もしくは配置としてもよく、かかる態様も本実施形態に包含される。

図３２は、可動板３の変位角と電極４０，４１との関係を模式的に示している。可動板３の振動により、一方の電極４０，４１が接近するときに、もう一方の電極４０，４１は遠ざかる位置関係にあることが分かる。したがって、一方の電極４０，４１間の静電容量と、もう一方の電極４０，４１間の静電容量とは相補的に増減する。

図３３は、電極４０，４１２を利用して可動板３の変位角を検出する回路の一例を示している。図中、Ｃ１は一方の電極４０，４１間の静電容量であり、Ｃ２はもう一方の電極４０，４１間の静電容量である。１３０は、高い周波数の微小交流電圧を各電極４１（静電容量Ｃ１，Ｃ２の非接地端）に印加する電圧発生装置である。Ｒ１〜Ｒ６は抵抗であり、１３１は差動増幅器（オペアンプ）である。静電容量Ｃ１，Ｃ２に流れる電流の差が差動増幅器１３１によって増幅される。静電容量Ｃ１，Ｃ２は可動板３の変位角の変化によって相補的に増減するため、差動増幅器１３１の出力電圧信号のレベルは図３４に示すように変位角θに略比例して変化する。

したがって、差動増幅器１３１の出力電圧信号に基づいて変位角が±θ１を超えているか否かを判定し、この判定結果を電極１０に電圧を印加するための回路（不図示）に与えることにより、この回路において、変位角が±θ１の範囲内にある期間に電極１０へ電圧Ｖ１を印加するが、変位角が±θ１を超えた期間には、より高い電圧Ｖ２を印加するような制御を行うことができる。このような制御により、±θ１を超えた変位角での静電バネ定数Ｋｓ１の減少を抑制することができる。

なお、本実施形態は請求項１０に係る発明の一実施形態に相当する。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明に係る光走査装置の構造、寸法、材質、製造工程等は必要に応じて適宜変更し得ることは云うまでもない。また、本発明に係る光走査装置は、特許文献４に示したような光書込装置の光偏光器として好適であるが、それ以外の様々な用途にも好適に利用し得るものである。

本発明の第１の実施形態に係る光走査装置の概略分割斜視図である。 連結部材に設けられる駆動用の圧電素子を説明するための模式図である。 図１のＡ−Ａ’断面に対応した工程説明図である。 図３−１に続く工程説明図である。 圧電素子による連結部材の変形の様子を示す模式図である。 共振周波数調整用トルクＴs1について説明するための模式図である。 共振周波数調整用トルクＴs1と変位角θとの関係を示すグラフである。 共振周波数調整用トルクＴs1及びトーションバネによるトルクＴｍと変位角θとの関係を示すグラフである。 本発明の第１の実施形態に係る光走査装置を表現する一自由度モデルを示す図である。 共振周波数調整用電圧と共振周波数との関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。 図１０のＡ−Ａ断面を拡大して示す模式的断面図である。 図１０のＢ−Ｂ断面を拡大して示す模式的断面図である。 共振周波数調整用の第３の電極によるトルクＴs2を説明するための模式図である。 共振周波数調整用トルクＴs1，Ｔｓ２及びトーションバネによるトルクＴｍと変位角θとの関係を示すグラフである。 本発明の第２の実施形態に係る光走査装置を表現する一自由度モデルを示す図である。 共振周波数調整用電圧と共振周波数との関係を示すグラフである。 第１の基板の厚さと第２の基板の厚さとの大小関係と共振周波数調整用電極の作用との関係を説明するための模式図である。 第１の基板の厚さと第２の基板の厚さとの大小関係と共振周波数調整用電極の作用との関係を説明するための模式図である。 本発明の第３の実施形態に係る光走査装置の画略斜視図である。 共振周波数調整用電極の平面形状を説明するための模式図である。 可動板の振動時に発生するトーションバネに設けられた電極の共振振動を説明するための模式図である。 可動板の振動時に発生する高次モード振動を説明するための模式図である。 高次モード振動によるトーションバネに設けられた電極の傾きを説明するための模式図である。 本発明の第４の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。 本発明の第５の実施形態に係る光走査装置を説明するための模式的斜視図である。 本発明の第６の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。 光走査装置に対する共振周波数自動調整と通常駆動を行う回路系の一例を示すブロック図である。 共振周波数自動調整動作の流れを示すフローチャートである。 共振周波数検出処理ルーチンのフローチャートである。 光走査装置を励振時の振動周波数検出用電極間の静電容量の変化を示す図である。 本発明の第７の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。 変位角検出用電極の作用説明のための模式図である。 変位角検出用電極間の静電容量から変位角を検出する回路の一例を示す回路図である。 図３３に示す回路の出力電圧信号レベルと変位角との関係を示すグラフである。 共振周波数のばらつきを調べるために試作した静電駆動方式の光走査装置の概略斜視図である。 測定した共振周波数のばらつきを示すグラフである。 測定した振れ角周波数特性を示すグラフである。

符号の説明

１ 第１の基板
２ 第２の基板
３ 可動板（ミラー部材）
４ トーションバネ
５ フレーム
７ 連結部材（カンチレバー）
８ 駆動用圧電素子
９，１０，２２ 共振周波数調整用電極
３０，３１ 振動周波数検出用電極
４０，４１ 変位角検出用電極

Claims (10)

1. フレーム部材に一対のトーションバネにより支持されたミラー部材が前記トーションバネを捻り回転軸として往復振動する光走査装置であって、
   前記各トーションバネは、その前記フレーム部材との結合端の近傍位置で一対の連結部材により前記フレーム部材と連結され、
   前記各連結部材に、それを変形させることによって前記ミラー部材の駆動用トルクを生じさせるための圧電素子が設けられ、
   前記ミラー部材の共振周波数調整用の静電バネとして作用させるための櫛歯状の第１の電極と第２の電極が、互いに噛み合う位置関係で、前記トーションバネと前記フレーム部材にそれぞれ設けられたことを特徴する光走査装置。
2. 絶縁膜を介して第１と第２のシリコン基板が接合されたＳＯＩ基板の前記第１のシリコン基板に、前記フレーム部材、前記トーションバネ、前記ミラー部材、前記連結部材、前記第１の電極及び前記第２の電極が一体的に形成され、前記第２のシリコン基板に前記ミラー部材の振動空間が形成されたことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記第１の電極とともに前記ミラー部材の共振周波数調整用の静電バネとして作用させるための櫛歯状の第３の電極が、前記第２の電極よりその厚さ方向にずらして、前記第１の電極と噛み合う位置関係で設けられたことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
4. 絶縁膜を介して第１と第２のシリコン基板が接合されたＳＯＩ基板の前記第１のシリコン基板に、前記フレーム部材、前記トーションバネ、前記ミラー部材、前記連結部材、前記第１の電極及び前記第２の電極が一体的に形成され、前記第２のシリコン基板に前記第３の電極及び前記ミラー部材の振動空間が一体的に形成されたことを特徴とする請求項３に記載の光走査装置。
5. 前記第２の電極と前記第１の電極は同じ厚さを有することを特徴とする請求項３又は４に記載の光走査装置。
6. 前記第１の電極の幅は、その基端で最も大きく、その先端に近づくほど減少することを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置。
7. 前記トーションバネの前記フレーム部材への固定端から前記ミラー部材との結合端までの長さをＬとして、前記トーションバネの該固定端寄りの長さ２Ｌ／３の範囲内にのみ前記第１の電極が設けられたことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置。
8. 前記第１の電極の長さは、前記ミラー部材に近いものほど小さいことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置。
9. 前記ミラー部材の振動周波数検出用の電極が、前記ミラー部材の各自由端と前記フレーム部材の対応部位に形成されたことを特徴する請求項１乃至５のいずれか１項に記載の光走査装置。
10. 前記ミラー基板の変位角検出用の電極が、前記ミラー部材の各自由端と前記第２のシリコン基板の対応部位に形成されることを特徴とする請求項２記載の光走査装置。

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