JP2009002978A - マイクロスキャナ及びそれを備えた光走査装置。 - Google Patents

Abstract

【課題】変動部と可動枠とを連結する結合部の湾曲性を向上させることにより、変動部の回転角を大きくするとともに応力による結合部の破損を防止可能なマイクロスキャナ及びそれを備えた光走査装置を提供する。
【解決手段】ミラー部３は、主軸部４ａ、４ｂにより可動枠５ａ、５ｂに支持されており、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂは、可動枠５ａ上に主軸部４ａを挟持するようにして形成され、ユニモルフ駆動部６ｃ、６ｄも可動枠５ｂ上に主軸部４ｂを挟持するようにして形成される。そして、ユニモルフ駆動部６ａと６ｂの間、及びユニモルフ駆動部６ｃと６ｄの間の領域は、主軸部４ａ、４ｂの一端と繋がる結合部７となっている。結合部７には、ミラー回転軸（Ｘ軸）と平行な溝部８１、８２から成る屈曲部８が設けられている。
【選択図】図３

Description

本発明は、プロジェクタやレーザビームプリンタ等に用いられる光源からの光を走査するマイクロスキャナ（光スキャナ）に関する。また本発明は、そのような光スキャナを備えることにより光を高速に走査可能な光走査装置に関する。

従来から、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術を用いた小型の光スキャナ（マイクロスキャナ）は種々開発されている。例えば、図１１に示すような特許文献１の光スキャナ１０１は、スキャン用のミラー部１０３、ミラー部１０３を支えるトーションバーＴＢ、及びミラー部１０３に繋がる可動枠１０５を含んでおり、可動枠１０５上にはミラー部１０３を偏向させるためのユニモルフ駆動部１０６が配置されている。

そして、この光スキャナ１０１は、ミラー部１０３を極力大きく偏向させるために、可動枠１０５上に配置されるユニモルフ駆動部１０６の駆動周波数と、トーションバーＴＢを含むミラー部１０３の機械的共振周波数とを一致させている。このようにすれば、ユニモルフ駆動部１０６が低電圧駆動であっても、ミラー部１０３が共振して比較的大きく偏向するためである。

しかしながら、ミラー部１０３に繋がる可動枠１０５の先端部１１０はねじれにくくなっている。そのため、可動枠１０５に生じる力が回転トルクとしてミラー部１０３に作用しにくい。したがって、ミラー部１０３が十分に偏向しているとはいいがたい。

ここで、先端部１１０とミラー部１０３とが連結しないような光スキャナ１０１も考えられる。例えば、図１２に示すような光スキャナ１０１である。この光スキャナ１０１は、固定枠１０２、ミラー部１０３、ユニモルフ駆動部１０６ａ〜１０６ｄによって変形する可動枠１０５、及びミラー部１０３と可動枠１０５とをつなぐ主軸部１０４を含んでいる。

そして、この光スキャナ１０１は、可動枠１０５の撓み変形に応じて、ミラー部１０３をＸ方向を基準に正逆回転させる（Ｐ方向へ回転またはＲ方向へ回転させる）。このようなミラー部１０３の偏向動作で撓み変形する可動枠１０５を示した図が、図１３Ａ及び図１３Ｂになる。これらの図は図１２のＡ−Ａ’線矢視断面図であり、図１３Ａが正回転（Ｐ方向への回転）の場合を示し、図１３Ｂが逆回転（Ｒ方向への回転）の場合を示す。

なお、説明上、主軸部１０４の軸方向をＸ方向（Ｘ軸と称してもよい）、このＸ方向に対して直交する可動枠１０５の延び方向をＹ方向、Ｘ方向及びＹ方向に対する直交方向をＺ方向とする。また、図１２での紙面上側をＹ方向のプラス｛Ｙ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＹ方向のマイナス｛Ｙ（−）｝とするとともに、図１２での紙面表側をＺ方向のプラス｛Ｚ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＺ方向のマイナス｛Ｚ（−）｝とする。

また、以降では、２つの可動枠１０５（可動枠１０５ａ、１０５ｂ）のうち可動枠１０５ａのみについて説明するが、この可動枠１０５ａがミラー部１０３を正回転または逆回転させようとしている場合、残りの可動枠１０５ｂも同じようにミラー部１０３を正回転または逆回転させている。

ミラー部１０３が正回転する場合、図１３Ａに示すように、Ｙ（＋）側のユニモルフ駆動部１０６ａの圧電素子１０８が伸びることで、Ｙ（＋）側の可動枠１０５ａにおける主軸部１０４側はＺ（−）に垂れ下がる。一方、Ｙ（−）側のユニモルフ駆動部１０６ｂの圧電素子１０８が縮むことで、Ｙ（−）側の可動枠１０５ａにおける主軸部１０４側はＺ（＋）に跳ね上がる。すると、波打つように可動枠１０５ａが撓み、その撓みに追従して主軸部１０４も正回転して傾く。

また、ミラー部１０３が逆回転する場合、図１３Ｂに示すように、Ｙ（＋）側のユニモルフ駆動部１０６ａの圧電素子１０８が縮むことで、Ｙ（＋）側の可動枠１０５ａにおける主軸部１０４側はＺ（＋）に跳ね上がる。一方、Ｙ（−）側のユニモルフ駆動部１０６ｂの圧電素子１０８が伸びることで、Ｙ（−）側の可動枠１０５ａにおける主軸部１０４側はＺ（−）に垂れ下がる。すると、可動枠１０５ａは、図１３Ａとは逆向きに波打って撓み、その撓みに追従して主軸部１０４も逆回転して傾く。
特開２００５−１２８１４７号公報

図１２に示したような光スキャナ１０１をプロジェクタ等の走査型投影装置に用いる場合、ミラー部１０３の偏向角が投影可能な画面サイズを決定する大きな要因となる。また、ユニモルフ駆動部１０６の駆動周波数とミラー部１０３の振動周波数を一致させてミラー部１０３を共振させた場合、走査速度はサイン波形を描くため、走査中央部での走査速度が速く、走査両端側での走査速度が遅くなって画像ピッチが変動する。そのため、ミラー部１０３を共振させることなく、且つユニモルフ駆動部１０６ａ〜１０６ｄの僅かな変位でより大きな偏向角が得られるように、可動枠１０５の結合部１０７は他の部分に比べて湾曲し易くしておくことが望ましい。

結合部１０７の湾曲性を高める方法としては、結合部１０７の厚みや幅を小さくする方法が考えられるが、この方法では結合部１０７の強度も低下する。そのため、ユニモルフ駆動部１０６ａ〜１０６ｄの変位により大きな応力が加えられた際に結合部１０７が破損するおそれがあった。また、結合部１０７全体の厚みを均一に精度良くエッチング加工することは加工条件のバラツキの影響を受けやすく困難であった。さらに、加工のバラツキを抑制するためにシリコン基板と表面シリコン層の間にＳｉＯ₂を挿入したＳＯＩ基板を用いた場合、基板コストが高くなってしまい現実的ではなかった。

本発明はこのような状況に鑑みてなされたものであって、ミラー部と可動枠とを連結する結合部の湾曲性を向上させることにより、ミラーの偏向角を大きくするとともに応力による結合部の破損を防止可能な光スキャナ及びそれを備えた光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明のマイクロスキャナは、変動部と、該変動部を揺動可能に支持する主軸部と、該主軸部を保持する変形可能な可動枠と、該可動枠を湾曲させて変動部を傾斜させる駆動手段と、可動枠を湾曲可能に支持する固定枠と、を含むマイクロスキャナであり、主軸部が連結される可動枠の結合部には、表面側及び裏面側に形成された主軸部に対し略平行な一対の溝部から成る屈曲部が主軸部の両側に形成されている。

この構成によれば、結合部は屈曲部において比較的弱い力で変形するため、主軸部の回転量も大きくなる。そして、この増加した回転量に起因して、変動部は比較的大きく揺動する。その結果、マイクロスキャナは、変動部の偏向角を容易に増大させられる。また、一対の溝部の深さの和は結合部の厚みよりも大きくなっており、溝部は結合部の厚み方向に重ならない位置に形成される。これにより、屈曲部の断面がつづらおり状となって、湾曲性に加えて十分な強度も兼ね備えた屈曲部となる。

なお、屈曲部を構成する溝部は、例えば１つの基板から成る結合部の表裏面をエッチング加工することによって設けられており、マイクロスキャナ自身は一基板に形成されている。また、変動部が、金属膜を含むことで光を反射させるミラー部である場合、マイクロスキャナは光スキャナとも称せる。

また、屈曲部は、可動枠の延び方向に沿って複数並んでいると望ましい。このようになっていると、結合部の撓み変形が並列する複数の屈曲部に分散され、個々の屈曲部に加わる捩れは少なくて済む。従って、基板の厚みが大きく応力分散効果が小さい場合や、駆動手段により発生する駆動力が小さい場合に特に有効である。駆動手段としては、圧電素子とそれを挟む電極から成るユニモルフ駆動部が好適に用いられる。

ただし、可動枠の延び方向に沿って複数並んでいる各屈曲部では、屈曲部を構成する溝部の溝幅及び深さのうち少なくとも一つが異なっていると望ましい。詳説すると、各溝部の溝幅及び深さのうち少なくとも一つは、主軸部から離れるにつれて小さくなっていると望ましい。

通常、各屈曲部にかかるモーメントは主軸部から離れるほど大きくなる。また、溝幅及び深さが小さくなっている屈曲部ほど剛性は大きくなる。そこで、主軸部から離れるにつれて溝幅及び深さのうち少なくとも一つを小さくすることにより、モーメントの大きさに対して適正な剛性が得られることになり、主軸部から離れた屈曲部に過剰な捩れ変形が発生する事態は起きない。

また、以上のマイクロスキャナを搭載する光走査装置も本発明といえる。

本発明によれば、変動部と可動枠とを連結する結合部に、表裏面に形成され回転軸と平行な一対の溝部から成り、溝部の深さの和が結合部の厚みよりも大きい屈曲部を形成することにより、可動枠の撓み量が僅かであっても変動部を広角度に回転させることができる。これにより、マイクロスキャナの変動部の偏向角を容易に増大可能となる。また、可動枠の撓み変形により結合部に加わる応力が分散するため、結合部の曲げ疲労による破損を抑制することができる。

以下、本発明の実施形態について図面を参照しながら説明する。なお、理解を容易にすべく、平面図であってもハッチングを付している。また、説明の便宜上、部材符号、ハッチングを省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。また、図面上での黒丸は紙面に対し垂直方向を意味する。以下の実施形態では、マイクロスキャナの変動する部材(変動部)としてミラー部を例に挙げるとともに、このミラー部を変動させることで光を反射させスキャン動作を行う光スキャナを例に挙げる。

図１は、本発明のマイクロスキャナ及び光走査装置を備える画像投影装置の一例を示すブロック図である。図１において、画像投影装置１００は、例えばパソコンやテレビ等から出力される画像信号を入力し、その処理を行う光制御部２０と、光制御部２０から出力される信号を受けて光の走査を行い、例えばスクリーン３０に画像光を投影する光走査装置４０を含む構成である。

光走査装置４０は、図１に示すように、それぞれが赤色、緑色、青色（以下ＲＧＢと省略する）に対応する３つの光源２１〜２３と、色合成プリズム２４と、コリメータレンズ２５と、光スキャナ（マイクロスキャナ）１と、投影光学系２６と、ミラー位置検知用光源２７と、ミラー位置検出手段２８と、光走査制御部２９とから構成される。

そして、ＲＧＢに対応する３つの光源２１〜２３から出射された光は、色合成プリズム２４、コリメータレンズ２５の順に通過し、光スキャナ１で光走査された後、投影光学系２７を透過して、例えばスクリーン３０に結像する。

次に光走査装置４０の詳細について説明する。３つの光源２１〜２３は、例えば光源２１が赤色の半導体レーザダイオード、光源２２が緑色の半導体レーザダイオード、光源２３が青色の半導体レーザダイオードに対応する。そして、それぞれの半導体レーザダイオードの波長は、例えば、赤色が６６０ｎｍ、緑色が５３２ｎｍ、青色が４５０ｎｍに設定されている。

なお、本実施形態では光源に半導体レーザダイオードを用いているが、これに限定される趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で変更可能である。特に、緑色の半導体レーザダイオードは入手困難であることから、緑色のみ半導体レーザで結晶を励起する方式のＤＰＳＳ（Diode Pomping Solid State）レーザを外部変調器で変調するものを用いて構わない。また、赤色、緑色、青色の全ての色について、半導体レーザダイオードに代えて、発光ダイオード（ＬＥＤ）や固体レーザ等を光源に用いても構わない。ただし、光源のサイズは小さい方が好ましく、その点で半導体レーザダイオードが好ましい。

色合成プリズム２４は、光源２１〜２３から出射されたレーザ光を合成する役割を果たし、光源２１〜２３から出射されたレーザ光はここで合成され、合成された色をスクリーン３０に表示する。なお、本実施形態では色合成プリズムを用いているが、これに限定される趣旨ではない。例えば、図２に示すように２枚のダイクロイックミラー３１ａ、３１ｂを用いて、赤色光を反射し緑色光を透過するダイクロイックミラー３１ａで赤色と緑色の光源２１、２２から出射されたレーザ光を合成し、その後、青色光を反射し赤色光と緑色光は透過するダイクロイックミラー３１ｂを用いて、先に合成されたレーザ光に青色の光源２３から出射されたレーザ光を合成するような形態としても構わない。ただし、装置の部品点数を少なくすることと、装置全体のサイズを小さくできる点で色合成プリズム２４を用いるのが好ましい。

コリメータレンズ２５は、光源２１〜２３から出射され、色合成プリズム２４を通過してきた発散光を平行光へ変換するレンズである。また、コリメータレンズ２５は、投影光学系２７で発生する色収差を補正するようにピント位置が調整されている。光スキャナ１は、コリメータレンズ２５を透過してきたレーザ光を走査することができ、本実施形態においては、スクリーン３０に対して水平方向（図１の左右方向）と垂直方向（図１の紙面方向）にレーザ光を走査する。

図３は、本発明の第１実施形態の光スキャナを示す平面図である。本実施形態の光スキャナ１は、Ｘ軸周り（図３の縦回り）の走査のみを行う一次元走査型の光スキャナであり、固定枠２、ミラー部３、主軸部４ａ、４ｂ、可動枠５ａ、５ｂ、ユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄを含んでいる。なお、これらの部材は、変形可能なシリコン基板等をエッチングすることにより一体形成されている。

ミラー部３は、光源等からの光を反射させる部材である。かかるミラー部３は、平面視で矩形状の基板に、開孔Ｈ（第１開孔Ｈ１、第２開孔Ｈ２）を並べて設けることで、図１に示すような固定枠２及びその内側に生じる島状部分（第１開孔Ｈ１と第２開孔Ｈ２との間に位置する残部）を形成し、島状部分に金やアルミニウム等の反射膜を貼り付けることで形成される。

なお、第１開孔Ｈ１と第２開孔Ｈ２とが並ぶ方向をＹ方向と称し、第１開孔Ｈ１側のＹ方向をＹ方向のプラス｛Ｙ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＹ方向のマイナス｛Ｙ（−）｝とする。さらに、ミラー部３の中心からＹ方向に伸びる方向をＹ軸と称する。

主軸部４ａ、４ｂは、ミラー部３の外縁において対向する一端と他端とから外側に延びることで、そのミラー部３を挟持して支える部材である。かかる主軸部４ａ、４ｂは、ミラー部３に接する第１開孔Ｈ１、第２開孔Ｈ２の両隅を近接させることにより、基板の一部分を棒状にさせることで形成される。

なお、主軸部４ａ、４ｂは、Ｙ方向に対して交差する方向（例えば直交方向）に延びている。そこで、この方向をＸ方向と称し、主軸部４ｂ側のＸ方向をＸ方向のプラス｛Ｘ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＸ方向のマイナス｛Ｘ（−）｝とする。さらに、主軸部４ａ、４ｂに重畳してＸ方向に伸びる方向をＸ軸（主軸方向／Ｘ軸方向）と称する。

可動枠５ａ、５ｂは、主軸部４ａ、４ｂを保持すること（主軸部４ａ、４ｂに繋がること）によってミラー部３を保持する部材である。かかる可動枠５ａ、５ｂは、Ｙ方向に延びた開孔Ｈ（第３開孔Ｈ３、第４開孔Ｈ４）と第１開孔Ｈ１、第２開孔Ｈ２との間に橋渡し状に残存する基板の残部で形成される。

すなわち、第３開孔Ｈ３と第１開孔Ｈ１、第２開孔Ｈ２との間に位置する基板の残部と、第４開孔Ｈ４と第１開孔Ｈ１、第２開孔Ｈ２との間に位置する基板の残部とが可動枠５ａ、５ｂとなる。なお、このような残部から成る可動枠５ａ、５ｂは、Ｙ方向に延びる形状（線状）となるので撓みやすい（すなわち、Ｙ方向は可動枠５ａ、５ｂの延び方向である）。

ユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄは、電圧を力に変換するアクチュエータとして機能するものであり、分極処理されたＰＺＴ、ＺｎＯ、ＢＳＴ等の圧電素子６１と、この圧電素子６１を挟持する電極６２とを含んでいる（後述の図４参照）。そして、この圧電素子６１及び電極６２が可動枠５ａ、５ｂの表面に貼り付けられることで、ユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄが形成される。

ここで、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂは、可動枠５ａ上に主軸部４ａを挟持するようにして形成され、ユニモルフ駆動部６ｃ、６ｄも可動枠５ｂ上に主軸部４ｂを挟持するようにして形成される。そして、ユニモルフ駆動部６ａと６ｂの間、及びユニモルフ駆動部６ｃと６ｄの間の領域は、主軸部４ａ、４ｂの一端と繋がる結合部７となっている。そのため、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂ及びユニモルフ駆動部６ｃ、６ｄにおける圧電素子６１の伸縮変形に応じて、可動枠５ａ、５ｂも変形（撓み変形／曲げ変形）する。光スキャナ１では、この可動枠５ａ、５ｂの変形を利用して、ミラー部３が主軸部４ａ、４ｂ（主軸方向）を基準に正逆回転方向に傾く（揺動可能となる）。なお、詳細については後述する。

結合部７には、ミラー回転軸と平行な屈曲部８が設けられている。屈曲部８は、結合部７の表裏面に設けられた一対の溝部８１、８２（図４参照）から構成されており、主軸部４ａ、４ｂを挟んで対称の位置に一対ずつ設けられている。また、屈曲部８を構成する溝部８１、８２は、結合部７の厚み方向に重ならないような位置に形成されている。なお、結合部７の表面側｛図４のＺ（＋）側｝に形成される溝部を溝部８１、結合部７の裏面側｛図４のＺ（−）側｝に形成される溝部を溝部８２とする。

次に、光スキャナ１の製造方法の一例を説明する。光スキャナ１は、例えば厚さ１００μｍ程度のシリコン基板を用いて作製される。まず、シリコン基板をフォトレジストとエッチングにより加工して開口Ｈ１〜Ｈ４を形成することにより、図３に示した固定枠２、ミラー部３、主軸部４ａ、４ｂ、可動枠５ａ、５ｂを一体形成する。このとき、可動枠５ａ、５ｂの結合部７に溝部８１、８２を同時に形成して屈曲部８とする。次に、シリコン基板の表面側に電極６２、圧電素子６１、電極６２を順に貼り付けてユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄを形成する。そして、ミラー部３に反射膜となる金属膜を貼り付けて光スキャナ１を製造する。

なお、圧電素子６１、電極６２、及びミラー部３の金属膜は、シリコン基板上に直接薄膜形成することもできる。薄膜形成法としては、スパッタリング法、化学蒸着法（ＣＶＤ法）、ゾルゲル法、エアロゾルデポジション法(ＡＤ法)などが挙げられるが、エアロゾルデポジション法が好ましい。これによれば、スパッタリング法、ＣＶＤ法、ゾルゲル法に比べてエッチング工程等が省略でき、成膜速度の向上、工程短縮が可能となる。なお、エアロゾルデポジション法とは、あらかじめ他の手法で準備された微粒子、超微粒子原料をガスと混合してエアロゾル化し、減圧雰囲気下でノズルを通して基板に噴射して被膜を形成する技術のことを示している。

次に、本実施形態の光スキャナ１におけるミラー部３の偏向動作について、図４Ａ及び図４Ｂを用いながら説明する。図４Ａ及び図４Ｂは、図３におけるＡ−Ａ’線矢視断面図である。

図３の光スキャナ１は、主軸部４ａ、４ｂ（主軸方向）を基準にミラー部３を回動させる。そこで、主軸方向周りの一方向（Ｘ（＋）からＸ（−）に向いて時計回りの回転）を正回転、正回転に対して逆方向の回転（反時計回りの回転）を逆回転とし、図４Ａに正回転する主軸部４ａを示し、図４Ｂに逆回転する主軸部４ａを示す（正回転方向をＰ、逆回転方向をＲで図示）。

また、Ｘ方向及びＹ方向に対して垂直な方向をＺ方向（撓み方向）として図示し、便宜上、ミラー部３の光を受光する側をＺ方向のプラス｛Ｚ（＋）｝、この＋方向に対する逆方向をＺ方向のマイナス｛Ｚ（−）｝とする。さらに、Ｘ軸とＹ軸との交点からＺ方向に伸びる方向をＺ軸と称する。

なお、以降では、２つの可動枠５ａ、５ｂのうち可動枠５ａのみについて説明し、可動枠５ｂについては説明を省略するが、この可動枠５ａがミラー部３を正回転または逆回転させようとしている場合、可動枠５ｂも同じようにミラー部３を正回転または逆回転させている。

図４Ａ及び図４Ｂに示すように、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂには、圧電素子６１と、圧電素子６１を挟んで対向する電極６２とが含まれる。そして、この二枚の電極６２間に、分極反転を起こさせない範囲で±の電圧（交流電圧）が印加されることで圧電素子６１が伸縮し、その伸縮に応じてユニモルフ駆動部６ａ、６ｂが撓む。

具体的には、ミラー部３が正回転する場合、図４Ａに示すように、ユニモルフ駆動部６ａの圧電素子６１を伸ばす電圧が印加されるとともに、ユニモルフ駆動部６ｂの圧電素子６１を縮ませる電圧（ユニモルフ駆動部６ａ側に印加される電圧とは逆位相の電圧）が印加される。

このような電圧が印加されると、ユニモルフ駆動部６ａが貼り付けられた可動枠５ａの部分（可動片５ａａ）がＺ（＋）側を凸に撓む。その結果、可動片５ａａの主軸部４ａ側はＺ（−）に垂れ下がる。一方、ユニモルフ駆動部６ｂが貼り付けられた可動枠５ａの部分（可動片５ａｂ）が、Ｚ（−）側を凸に撓む。その結果、可動片５ａｂの主軸部４ａ側はＺ（＋）に跳ね上がる。そして、可動片５ａａ、５ｂｂの撓みに伴い、結合部７を介して主軸部４ａのＹ（＋）側が押し下げられるとともにＹ（−）側が押し上げられ、主軸部４ａが正回転する。

逆に、ミラー部３が逆回転する場合、図４Ｂに示すように、ユニモルフ駆動部６ａの圧電素子６１を縮ませる電圧が印加されるとともに、ユニモルフ駆動部６ｂの圧電素子６１を伸ばす電圧が印加される。このような電圧が印加されると、可動片５ａａがＺ（−）側を凸に撓み、可動片５ａａの主軸部４ａ側はＺ（＋）に跳ね上がる。一方、可動片５ａｂはＺ（＋）側を凸に撓み、可動片５ａｂの主軸部４ａ側はＺ（−）に垂れ下がる。

そして、可動片５ａａ、５ｂｂの撓みに伴い、結合部７を介して主軸部４ａのＹ（＋）側が押し上げられるとともにＹ（−）側が押し下げられる。即ち、主軸部４ａのＹ（＋）側、Ｙ（−）側が正回転の場合と逆に移動することで、主軸部４ａが逆回転する。

ここで、結合部７には溝部８１、８２から成る屈曲部８が形成されているため、結合部７は屈曲部８部分で急峻に湾曲可能となり、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂのＺ軸方向の変位が僅かであってもミラー回転軸（Ｘ軸）周りに大きく回転させることができる。また、溝部８１、８２により結合部７に加わる応力が分散するため、結合部７の曲げ疲労による破損を抑制することができる。このとき、屈曲部８を主軸部４ａにできるだけ近接して設けておけば、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂの変位量に対する主軸部４ａの回転角（偏向角）θをより大きくすることができる。

なお、回転角θとは、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂの影響を受けることなく不動状態にあるミラー部３と、変動するミラー部３との間に生じる角度のことである。

また、屈曲部８を構成する溝部８１、８２は、光スキャナ１を構成する固定枠２、ミラー部３、主軸部４ａ、４ｂ、可動枠５ａ、５ｂ等の他の部分と同時にエッチング加工により容易に形成できるため、溝部８１、８２を形成するために精度の高い別工程を設ける必要もない。

溝部８１、８２の深さや配置については、光スキャナ１の材料となるシリコン基板の厚みや結合部７に要求される湾曲性に応じて適宜設定することができる。例えば上述のように溝部８１、８２をエッチング加工により形成する場合、２０程度のアスペクト比で加工することは十分可能であるため、シリコン基板の厚みを数十〜数百μｍ程度とすると、溝幅１０μｍ以下で溝部８１、８２を形成できる。従って、主軸部４ａ、４ｂの連結部分からユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄまでの距離が僅かな小型の光スキャナ１であっても、屈曲部８を容易に形成することができる。

また、結合部７に十分な湾曲性を付与するため、図５に示すように、屈曲部８を構成する一対の溝部８１、８２が結合部７の厚み方向に重ならないように設けるとともに、各溝部８ａ、８ｂの深さをＤ、結合部７の厚み（＝シリコン基板厚）をＴとするとき、０．５＜Ｄ／Ｔ＜１の関係を満たすように、言い換えれば溝の深さの和（２Ｄ）がシリコン基板厚Ｔよりも大きくなるように設定する。これにより、屈曲部８の断面がつづらおり状（蛇腹状）となり、湾曲性に加えて十分な強度も兼ね備えた屈曲部８となる。屈曲部８の湾曲性をより一層高めるには、溝の深さＤをできる限り深くする（Ｄ／Ｔを１に近づける）ことが望ましい。なお、ここでは溝部８１、８２の深さＤを同一としたが、溝の深さの和がシリコン基板厚Ｔよりも大きければ、溝部８１、８２の深さが異なっていても良い。

図６は、結合部７に設けられる屈曲部８の他の例を示す断面拡大図である。図６（Ａ）においては、主軸部４ａの両側に複数箇所の屈曲部（ここでは３箇所の屈曲部８ａ、８ｂ、８ｃ）が設けられている。この構成とすれば、結合部７に加えられる捩れは屈曲部８ａ〜８ｃの３箇所に分散するため、個々の屈曲部に加わる捩れは少なくて済む。従って、シリコン基板の厚みが大きく応力分散効果が小さい場合や、ユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄにより発生する駆動力が小さい場合に特に有効である。

また、各屈曲部にかかるモーメントはミラー回転軸（＝主軸部４ａ）から離れるほど大きくなるため、図６（Ａ）のように同一形状の溝を設けた場合はミラー回転軸から遠くなる屈曲部８ａ、８ｂ、８ｃの順に大きな捩り変形が発生する。そこで、図６（Ｂ）においては、屈曲部８ａ、８ｂ、８ｃの順に溝部８１、８２の深さを小さくしている。これにより、ミラー回転軸から遠い溝部ほど捩り剛性が高くなり、図６（Ａ）の構成に比べて捩れ角のバランスが取れるようになる。

なお、図６（Ｂ）ではミラー回転軸からの距離に合わせて溝部８１、８２の深さを段階的に変化させたが、ミラー回転軸からの距離に合わせて溝部８１、８２の溝幅を段階的に変化させても良い。また、屈曲部８の断面形状についても任意に設定することができる。例えば図７（Ａ）のように断面鋸歯状の溝部８１、８２から成る屈曲部８を設けても良いし、図７（Ｂ）のように断面階段状の溝部８１、８２から成る屈曲部８を設けても良い。

図８は、本発明の第２実施形態に係る光スキャナの平面図である。本実施形態の光スキャナ１は、Ｘ軸周り（図８の縦方向）及びＹ軸周り（図８の横方向）の走査を行う二次元走査型の光スキャナである。図３に示した一次元走査型の光スキャナ１とでは、主軸部４ａ、４ｂ、可動枠５ａ、５ｂ、ユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄ等は同じであり、ミラー部３の構成のみが異なる。そこで、ミラー部３を主として説明し、第１実施形態と共通する部分には同一の符号を付して説明を省略する。なお、ミラー部３に含まれる各部材は、第１実施形態と同様に、変形可能なシリコン基板等をエッチングすることにより形成される。

ミラー部３は、ミラー枠３ａ、ミラー片３ｂ、及びミラー片トーションバー（副軸部）９ａ、９ｂを含んでいる。ミラー枠３ａは、ミラー片３ｂを囲む部材である。詳説すると、ミラー枠３ａは、枠内にミラー片３ｂを位置させつつ、ミラー片３ｂを挟持するように延びるミラー片トーションバー９ａ、９ｂに繋がっている。また、ミラー枠３ａは主軸部４ａ、４ｂによって可動枠５ａ、５ｂに支持される。そのため、このミラー枠３ａは第１実施形態のミラー部３と同様に、可動枠５ａ、５ｂの変形を利用して主軸部４ａ、４ｂを基準に正逆回転可能となっている。

ミラー片３ｂは、ミラー枠３ａにおいて並列する開孔Ｈ（第５開孔Ｈ５、第６開孔Ｈ６）によって生じる島状部分（第５開孔Ｈ５、第６開孔Ｈ６間に位置する残部）に、アルミニウム、金等の金属を反射膜として貼り付けることで形成される。つまり、ミラー片３ｂは、光を反射させる片材である。

ミラー片トーションバー９ａ、９ｂは、ミラー片３ｂの外縁において対向する一端と他端とから外側に延びることで、そのミラー片３ｂを挟持しつつ揺動可能に支える部材である。かかるミラー片トーションバー９ａ、９ｂは、ミラー片３ｂに接する第５開孔Ｈ５及び第６開孔Ｈ６の両端をＹ方向に沿って直線状に延ばすことで形成される。

次に、本実施形態の光スキャナ１におけるミラー部３の偏向動作について説明する。なお、主軸部４ａ、４ｂ方向（Ｘ軸方向）を基準とするミラー部３の偏向動作については図４Ａ及び図４Ｂに示した第１実施形態の光スキャナ１と同様であるため説明は省略する。

図９Ａ、図９Ｃは図８のＢ−Ｂ’線矢視断面図を示し、図９Ｂ、図９Ｄは図８のＣ−Ｃ’線矢視断面図を示している。本実施形態の光スキャナ１のＹ軸を基準とする回動動作について図９Ａ〜図９Ｄを用いて説明する。なお、図９Ａ及び図９ＢはＹ方向を基準とする正回転の動作を示す一方、図９Ｃ及び図９ＤはＹ方向を基準とする逆回転の動作を示す。ここで、Ｙ軸を基準とする正回転とは、Ｙ（＋）からＹ（−）に向いて時計回りの回転であり、逆回転は正回転に対して逆方向となる回転のことである（正回転方向をＰ、逆回転方向をＲで図示）。

ミラー部３がＹ方向を基準に正回転する場合、図９Ａに示すように、可動枠５ａ（可動片５ａａ、５ａｂ）のユニモルフ駆動部６ａ、６ｂを構成する圧電素子６１を伸ばす電圧が印加される。このような電圧が印加されると、伸長する圧電素子６１によって、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂが貼り付けられた可動片５ａａ、５ａｂがＺ（＋）側を凸に撓む。その結果、可動片５ａａ、５ａｂの主軸部４ａ側はＺ（−）に垂れ下がり、主軸部４ａもＺ（−）に向かって変位する。

一方で、図９Ｂに示すように、可動枠５ｂ（可動片５ｂａ、５ｂｂ）のユニモルフ駆動部６ｃ、６ｄを構成する圧電素子６１を縮ませる電圧が印加される。このような電圧が印加されると、収縮する圧電素子６１によって、ユニモルフ駆動部６ｃ、６ｄが貼り付けられた可動片５ｂａ、５ｂｂがＺ（−）側を凸に撓む。その結果、可動片５ｂａ、５ｂｂの主軸部４ｂ側はＺ（＋）に跳ね上がり、主軸部４ｂもＺ（＋）に向かって変位する。

このように、可動枠５ａが主軸部４ａをＺ（−）に向かって変位させ、可動枠５ｂが主軸部４ｂをＺ（＋）に向かって変位させると、主軸部４ａ及び４ｂによって挟持されているミラー枠３ａは傾く。これに伴い、ミラー枠３ａに備わっているミラー片３ｂも傾く。そして、この傾きはＹ軸からほぼ等間隔で乖離している主軸部４ａ及び主軸部４ｂの変位で生じる傾きである。そのため、Ｙ軸を基準にして考えると、ミラー片３ｂはこのＹ軸を基準にして正回転することになる。

次に、ミラー部３がＹ方向を基準に逆回転する場合、図９Ｃに示すように、可動枠５ａのユニモルフ駆動部６ａ、６ｂを構成する圧電素子６１を縮ませる電圧が印加される。このような電圧が印加されると、収縮する圧電素子６１によって、可動片５ａａ、５ａｂがＺ（−）に突き出るように撓む。その結果、可動片５ａａ、５ａｂの主軸部４ａ側はＺ（＋）に跳ね上がり、主軸部４ａもＺ（＋）に向かって変位する。

一方で、図９Ｄに示すように、可動枠５ｂのユニモルフ駆動部６ｃ、６ｄを構成する圧電素子６１を伸ばす電圧が印加される。このような電圧が印加されると、伸長する圧電素子６１によって、可動片５ｂａ、５ｂｂがＺ（＋）側を凸に撓む。その結果、可動片５ｂａ、５ｂｂの主軸部４ｂ側はＺ（−）に垂れ下がり、主軸部４ｂもＺ（−）に向かって変位する。

このように、可動枠５ａが主軸部４ａをＺ（＋）に向かって変位させ、可動枠５ｂが主軸部４ｂをＺ（−）に向かって変位させると、正回転の場合と逆方向にミラー片３ｂが傾き、ひいては、ミラー片３ｂはこのＹ軸を基準にして逆回転することになる。

ただし、以上のような、Ｙ軸を基準とするミラー片３ｂの正逆回転の回転角θ（偏向角θ）は、比較的小さい。しかしながら、ミラー枠３ａが傾くと、その傾きに追随して、Ｙ軸（Ｙ軸方向）に沿って延びているミラー片トーションバー９ａ、９ｂが回転しようとする。

そこで、本実施形態の光スキャナ１では、ミラー枠３ａを傾かせるために用いる圧電素子６１への印加電圧の周波数が、ミラー片トーションバー９ａ、９ｂ（Ｙ軸方向）を基準とするミラー片３ｂの、回転振動の共振周波数近傍の周波数となっている。このようになっていると、ミラー枠３ａの傾き量が比較的小さかったとしても、ミラー片３ｂが圧電素子６１に印加される電圧の周波数によって共振し、比較的大きく回動するためである。

なお、実際に圧電素子６１へ印加される電圧の信号は、Ｘ方向を基準にミラー部３を回動させる信号とＹ方向を基準にミラー部３を回動させる信号とを合成したものである。

本実施形態においても、結合部７に一対の溝部８１、８２（図５参照）から成る屈曲部８が形成されているため、結合部７は屈曲部８部分で急峻に湾曲可能となり、ユニモルフ駆動部６ａ、６ｂのＺ軸方向の変位が僅かであっても、ミラー部３をＸ軸及びＹ軸周りに大きく回転させることができる。また、溝部８１、８２により結合部７に加わる応力が分散するため、結合部７の曲げ疲労による破損を抑制することができる。

なお、屈曲部８を構成する溝部８１、８２の深さや溝幅、形状、屈曲部８の個数については第１実施形態と同様に設定可能である。また、光スキャナ１の製造方法についても第１実施形態と同様であるため説明を省略する。

以上、第１及び第２実施形態の光スキャナ１について説明したが、光スキャナの構成は本実施形態の構成に限る趣旨ではなく、本発明の目的を逸脱しない範囲で種々の変更が可能である。例えば、ユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄの形状やサイズ（面積）は特に限定されない。例えば、図３及び図８に示すように、矩形状のユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄであってもよいし、台形状等の他の形状であってもよい。

また、ユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄのサイズは、可動枠５ａ、５ｂの一面内に包含される程度の面積であってもよいし（可動枠５ａ、５ｂの面積よりも小さい面積；図３及び図８参照）、可動枠５ａ、５ｂの一面よりも大きな面積であってもよい。ただし、ユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄのサイズが大きいほど、可動枠５ａ、５ｂを撓ませる力は大きくなるので望ましいといえる。

また、上記実施形態では、可動枠５ａ、５ｂを駆動する駆動手段として圧電ユニモルフ構造を有するユニモルフ駆動部を例に挙げて説明したが、可動枠５ａ、５ｂを変形させる部材（駆動部）は、可動枠５ａ、５ｂの両面に圧電素子６１及び電極６２を積層したバイモルフ構造の駆動部を用いても良い。また、ミラー部の駆動方式は圧電素子を用いた圧電駆動方式に限らず、電磁方式や静電方式等の他の駆動方式を用いることもできる。

例えば、図１０に示すように、ユニモルフ駆動部６ａ〜６ｄに代えて、電磁コイル１０と永久磁石１１とから成る電磁ユニット１３を駆動手段としてもよい。このような電磁ユニット１３は、可動枠５ａ、５ｂ（可動片５ａａ〜５ａｄ）上に電磁コイル１０を形成し、永久磁石１１を可動枠５ａ（５ｂ）の上又は下、若しくは上下に設け、電磁コイル１０と永久磁石１１の間に電磁力を発生させて可動枠５ａ、５ｂを撓ませ、ミラー部３を回転させる。なお、ここでは可動枠５ａの一端（可動片５ａａ）のみを図示しているが、可動枠５ａの他端及び可動枠５ｂについても同様の構成である。

また、２個の電極から成る静電ユニットが駆動部であってもよい。このような静電ユニットでは、可動枠５ａ、５ｂの一面に一方の電極を配置するとともに、可動枠５ａ、５ｂから所定の間隔を隔てて他方の電極を配置し、両電極によって生じる静電力で可動枠５ａ、５ｂを撓ませる。

また、上記各実施形態では一枚のシリコン基板からマスキング及びエッチングにより光スキャナ１の各部材を一体形成することとしたが、光スキャナ１の製法は上述した方法に限定されず、固定枠２、ミラー部３、可動枠５ａ、５ｂ等の各部材を別個に作成した後、接合することも可能である。

なお、説明してきた光スキャナ１を搭載する光学機器は、種々想定される。例えば、図１に示したプロジェクタ（画像投影装置）の他、コピー機やプリンタ等の画像形成装置が一例として挙げられる。また、光スキャナ以外のマイクロスキャナとしては、ミラー部３に代えてレンズ（屈曲光学系）が搭載されたものや、光源（発光素子）が搭載されたものが挙げられる。

以上説明したように本発明のマイクロスキャナによれば、変動部と可動枠とを連結する結合部に回転軸と平行な一対の溝部から成り、溝部の深さの和が結合部の厚みよりも大きい屈曲部を形成した構成となっている。このため、簡易な構成で変動部を高速且つ広角度に回転でき、更にそのような条件で使用しても十分な耐久性を有するため、光走査装置に搭載することにより、高速に光走査を行う必要があるプロジェクタ等の画像表示装置や高速ＬＢＰへの適用が可能となる。また、光走査装置及びそれが搭載される画像表示装置の小型化、低コスト化にも寄与する。

は、本発明の画像表示装置の概略構成を示すブロック図である。 は、色合成プリズムを用いない画像表示装置の構成例を示す説明図である。 は、本発明の第１実施形態に係る光スキャナの構成を示す平面図である。 は、図３のＡ−Ａ’線矢視断面図であり、図４（Ａ）はＸ方向を基準に正回転する状態を示し、図４（Ｂ）はＸ方向を基準に逆回転する状態を示す。 は、第１実施形態の光スキャナにおける結合部の断面拡大図である。 は、主軸部の両側に複数対の屈曲部を設けた例を示す断面拡大図である。 は、結合部に設けられる屈曲部の他の形状を示す断面拡大図である。 は、本発明の第２実施形態に係る光スキャナの平面図である。 は、図８のＢ−Ｂ’線矢視断面図（図９（Ａ）、（Ｃ））、及びＣ−Ｃ’線矢視断面図（図９（Ｂ）、（Ｄ））を示しており、図９（Ａ）、（Ｂ）はＹ方向を基準とする正回転の動作を示し、図９（Ｃ）、（Ｄ）はＹ方向を基準とする逆回転の動作を示す。 は、駆動手段として電磁方式を採用した光スキャナの部分平面図である。 は、従来の光スキャナの斜視図である。 は、図１１とは異なる従来の光スキャナの平面図である。 は、図１２のＡ−Ａ’線矢視断面図である。

符号の説明

１ 光スキャナ（マイクロスキャナ）
２ 固定枠
３ ミラー部（変動部）
３ａ ミラー枠
３ｂ ミラー片
４ａ、４ｂ 主軸部
５ａ、５ｂ 可動枠
６ａ〜６ｄ ユニモルフ駆動部（駆動手段）
７ 結合部
８ 屈曲部
９ａ、９ｂ ミラー片トーションバー
１０ 電磁コイル（駆動手段）
１１ 永久磁石（駆動手段）
２１〜２３ 光源
２４ 色合成プリズム
４０ 光走査装置
６１ 圧電素子
６２ 電極
８１ 溝部（表面側）
８２ 溝部（裏面側）
１００ プロジェクタ

Claims (8)

1. 変動部と、
   該変動部を揺動可能に支持する主軸部と、
   該主軸部を保持する変形可能な可動枠と、
   該可動枠を湾曲させて前記変動部を傾斜させる駆動手段と、
   前記可動枠を湾曲可能に支持する固定枠と、
   を含むマイクロスキャナにあって、
   前記主軸部が連結される前記可動枠の結合部には、表面側及び裏面側に形成された前記主軸部に対し略平行な一対の溝部から成る屈曲部が前記主軸部の両側に形成されており、
   前記一対の溝部の深さの和は前記結合部の厚みよりも大きいことを特徴とするマイクロスキャナ。
2. 前記屈曲部は、前記可動枠の延び方向に沿って前記主軸部の両側にそれぞれ複数箇所形成されることを特徴とする請求項１に記載のマイクロスキャナ。
3. 前記各屈曲部は、それを構成する溝部の溝幅及び深さのうち少なくとも一つが異なることを特徴とする請求項２に記載のマイクロスキャナ。
4. 前記各屈曲部は、それを構成する溝部の溝幅及び深さのうち少なくとも一つが前記主軸部から遠ざかるにつれて段階的に小さくなるように形成されることを特徴とする請求項３に記載のマイクロスキャナ。
5. 上記変動部は、金属膜を含むことで光を反射させるミラー部であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか１項に記載のマイクロスキャナ。
6. 前記変動部、前記主軸部、前記可動枠及び前記固定枠は、シリコン基板を用いて一体形成されており、前記溝部はエッチング法により設けられることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のマイクロスキャナ。
7. 前記駆動手段は、圧電素子と、該圧電素子を挟む電極とが前記可動枠上に配置されたユニモルフ駆動部であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のマイクロスキャナ。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のマイクロスキャナが搭載された光走査装置。

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