JP2011053570A - Optical scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザープリンタや画像表示装置に用いられる光スキャナ、特にMEMSミラーを有する光スキャナに関する。 The present invention relates to an optical scanner used in a laser printer or an image display device, and more particularly to an optical scanner having a MEMS mirror.
従来、レーザープリンタや光を走査して画像を表示する画像表示装置等には、光スキャナが利用されてきた。一般に、この光スキャナとしては、ポリゴンミラーを用いるものやガルバノミラー、MEMS(Micro−Electro−Mechanical Systems)ミラーを用いるものが存在する。特に、MEMSミラーを用いた光スキャナは、光の反射面が一面だけで良く、またミラー、トーションバー、支持枠を一体加工できるので、ポリゴンミラー及びガルバノミラーを用いた光スキャナに対し小型化、軽量化が可能になる。 Conventionally, optical scanners have been used in laser printers and image display devices that display light by scanning light. In general, there are optical scanners using a polygon mirror, galvanometer mirrors, and MEMS (Micro-Electro-Mechanical Systems) mirrors. In particular, the optical scanner using the MEMS mirror needs only one light reflecting surface, and the mirror, the torsion bar, and the support frame can be integrally processed. Therefore, the optical scanner using the polygon mirror and the galvanometer mirror can be downsized. Weight reduction is possible.
MEMSミラーを用いた光スキャナ(以下、単に光スキャナと表記する)の機械的構造に関する発明が、今日までに多く出願されている。その一例として、特許文献1に記載された光スキャナを図9に示す。光スキャナ500は、基体510と台座520とに分けられる。基体510の中心には、ミラー部511が位置する。ミラー部511は一対の第1弾性梁512によって両持支持される。一対の第1弾性梁512は、二股に分かれた第2弾性梁513に夫々接続される。第2弾性梁513は、固定部514に接続される。ミラー部511、第1弾性梁512及び第2弾性梁513を揺動させるための圧電駆動部530は、第2弾性梁513の上面から固定部514に亘り形成される。台座520は、固定部514と台座接合部521とが接合されるようにして、基体510の下に設けられる。
Many inventions related to the mechanical structure of an optical scanner using a MEMS mirror (hereinafter simply referred to as an optical scanner) have been filed. As an example, an optical scanner described in Patent Document 1 is shown in FIG. The
光スキャナ500の動作を説明する。圧電駆動部530に含まれる圧電素子は、電圧が印加されることで分極する。圧電素子の分極によって、圧電駆動部530は、第2弾性梁513の長手方向へ伸び、又は縮む。圧電駆動部530は第2弾性梁513及び固定部514に固定されているので、圧電駆動部530の伸縮は、第2弾性梁513が基体510の厚み方向に変形する撓み変形に変換される。即ち、圧電駆動部530は、ユニモルフとして働く。第2弾性梁513の撓み変形は、第1弾性梁512と第2弾性梁513との連結位置を介して、第1弾性梁512,第2弾性梁513及びミラー部511を揺動させるための回転トルクに変換される。
The operation of the
MEMSミラーを用いた光スキャナは、ポリゴンミラー及びガルバノミラーを用いた光スキャナに対し小型化、軽量化が可能になる。そのため、軽量小型の装置に対して用いるのが好適である。この場合、電源の軽量化につながるので、光スキャナを駆動するための電圧(駆動電圧)は低い程望ましい。 An optical scanner using a MEMS mirror can be made smaller and lighter than an optical scanner using a polygon mirror and a galvanometer mirror. Therefore, it is preferable to use it for a light and small device. In this case, the power supply is reduced in weight, so the voltage (drive voltage) for driving the optical scanner is preferably as low as possible.
光スキャナが揺動されるとき、光スキャナのミラー部は、揺動軸線を中心とした回転方向に加速と減速とを行い、光の反射方向を変える。この加速及び減速は、ミラー部に力を及ぼす。このミラー部に及ぼされる力は、ミラー部自体の形状をも一時的に歪める。ミラー部が歪むと、ミラー部によって反射される光の反射方向や波面形状が変化する等の光学特性の劣化を及ぼす。従って、揺動駆動時におけるミラー部の歪み量は、低減されることが望ましい。 When the optical scanner is oscillated, the mirror portion of the optical scanner accelerates and decelerates in the rotation direction about the oscillation axis, and changes the light reflection direction. This acceleration and deceleration exerts a force on the mirror part. The force exerted on the mirror part temporarily distorts the shape of the mirror part itself. When the mirror section is distorted, optical characteristics such as a reflection direction and a wavefront shape of light reflected by the mirror section are deteriorated. Therefore, it is desirable that the amount of distortion of the mirror portion during the swing drive is reduced.
本発明は、揺動駆動時における駆動電圧の低減と、ミラー歪みの低減とが可能な光スキャナを提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical scanner capable of reducing a driving voltage and a mirror distortion at the time of swing driving.
本発明を反映した第1の課題解決手段は、揺動軸線の回りに揺動され、入射した光を所定方向に走査するミラー部と、前記揺動軸線を含む平面上で、前記ミラー部から離れる方向に前記ミラー部から延出する一組の第1梁と、前記ミラー部を囲むように配置され、前記一組の第1梁が接続する枠部と、前記揺動軸線に沿う方向に前記枠部から延出する、相対する一組の第2梁と、前記第2梁が接続される固定部と、前記ミラー部を揺動駆動させるための駆動部とを備え、前記ミラー部は、その重心が、前記一組の第2梁を前記揺動軸線に沿う方向に結ぶ第2梁延長線に対して、前記揺動軸線に直交する方向に離間するように配置される、ことを特徴とする。 A first problem-solving means reflecting the present invention includes a mirror unit that is oscillated around an oscillation axis and scans incident light in a predetermined direction, and a plane including the oscillation axis from the mirror unit. A pair of first beams extending from the mirror portion in a direction away from the mirror portion, a frame portion disposed so as to surround the mirror portion and connected to the pair of first beams, and a direction along the swing axis A pair of opposing second beams extending from the frame portion; a fixed portion to which the second beam is connected; and a drive portion for swinging the mirror portion; The center of gravity is arranged so as to be separated in a direction perpendicular to the swing axis with respect to a second beam extension line connecting the pair of second beams in the direction along the swing axis. Features.
本発明を反映した第2の課題解決手段は、第1の課題解決手段において、前記一組の第1梁は、前記一組の第1梁を結ぶ第1梁延長線が前記第2梁延長線に対して直交するように、前記ミラー部から相対して延出する、ことを特徴とする。 The second problem-solving means reflecting the present invention is the first problem-solving means, wherein the set of first beams includes a first beam extension line connecting the set of first beams. It extends relative to the mirror so as to be orthogonal to the line.
本発明を反映した第3の課題解決手段は、第2の課題解決手段において、前記一組の第1梁は、前記第1梁延長線及び前記第2梁延長線に直交する方向から見た前記ミラー部の形状が、前記第1梁延長線に対して線対称になるように、前記ミラー部から相対して延出する、ことを特徴とする。 A third problem-solving means reflecting the present invention is the second problem-solving means, wherein the pair of first beams is viewed from a direction orthogonal to the first beam extension line and the second beam extension line. The shape of the mirror part extends relative to the mirror part so as to be symmetrical with respect to the first beam extension line.
本発明を反映した第4の課題解決手段は、第1〜第3の何れか1つの課題解決手段において、前記枠部は、前記第2梁延長線に対して前記ミラー部の重心が存在する側とは反対側における、前記ミラー部と前記枠部との前記揺動軸線に直交する方向の間隔である第1間隔が、前記第2梁延長線に対して前記ミラー部の重心が存在する側における、前記ミラー部と前記枠部との前記揺動軸線に直交する方向の間隔である第2間隔よりも大きくなるように、前記ミラー部を囲むように配置される、ことを特徴とする。 According to a fourth problem solving means reflecting the present invention, in any one of the first to third problem solving means, the frame portion has a center of gravity of the mirror portion with respect to the second beam extension line. The first distance that is the distance in the direction perpendicular to the swing axis between the mirror part and the frame part on the side opposite to the side is the center of gravity of the mirror part with respect to the second beam extension line The mirror portion and the frame portion on the side are arranged so as to surround the mirror portion so as to be larger than a second interval that is an interval in a direction orthogonal to the swing axis. .
本発明を反映した第5の課題解決手段は、第4の課題解決手段において、前記第1間隔及び前記第2間隔は、前記揺動軸線が前記ミラー部の重心に一致するように決定される、ことを特徴とする。 According to a fifth problem-solving means reflecting the present invention, in the fourth problem-solving means, the first interval and the second interval are determined so that the swing axis coincides with the center of gravity of the mirror portion. It is characterized by that.
本発明を反映した第6の課題解決手段は、第5の課題解決手段において、前記ミラー部は、前記第2梁延長線と前記ミラー部の重心との間隔である第3間隔が、前記第2梁延長線に直交する方向における前記ミラー部の幅の2割以上4割以下になるように、構成される、ことを特徴とする。 A sixth problem-solving means reflecting the present invention is the fifth problem-solving means, wherein the mirror portion has a third interval that is an interval between the second beam extension line and the center of gravity of the mirror portion. It is configured to be 20% to 40% of the width of the mirror portion in the direction orthogonal to the two beam extension lines.
本発明を反映した第7の課題解決手段は、第1〜第6の何れか1つの課題解決手段において、前記ミラー部は、前記第1梁延長線及び前記第2梁延長線に直交する方向から見た形状が、円形になるように形成される、ことを特徴とする。尚、円形とは、円形形状そのものに加えて、矩形よりも頂点の数が多い多角形(六角形、八角形等)も含むと解されるべきである。 The seventh problem-solving means reflecting the present invention is any one of the first to sixth problem-solving means, wherein the mirror portion is in a direction orthogonal to the first beam extension line and the second beam extension line. It is characterized in that the shape seen from the above is formed in a circular shape. In addition, it should be understood that a circle includes a polygon (hexagon, octagon, etc.) having more vertices than a rectangle in addition to the circle itself.
本発明を反映した第8の課題解決手段は、第1〜第7の何れか1つの課題解決手段において、前記第2梁は、前記枠部に接続され、前記揺動軸線に沿う方向に伸長する枠連結部分と、前記枠連結部分に接続され、前記揺動軸線を含む平面上で前記揺動軸線に直交する方向に伸長する梁連結部分と、前記梁連結部分の両端に接続され、前記揺動軸線に沿う方向に伸長する、相対する一組の固定部連結部分とを含み、前記駆動部は、前記固定部から前記固定部連結部分に亘って設けられた圧電素子を含む、ことを特徴とする。 An eighth problem-solving means reflecting the present invention is the problem-solving means of any one of the first to seventh aspects, wherein the second beam is connected to the frame portion and extends in a direction along the swing axis. A frame connecting portion, a beam connecting portion connected to the frame connecting portion and extending in a direction perpendicular to the swing axis on a plane including the swing axis, and connected to both ends of the beam connect portion, A pair of opposing fixed portion connecting portions extending in a direction along the swing axis, and the driving portion includes a piezoelectric element provided from the fixed portion to the fixed portion connecting portion. Features.
本発明を反映した第1の課題解決手段では、枠部が設けられることにより、ミラー部の歪みが低減される。また、ミラー部の重心が第2梁延長線に対して揺動軸線に直交する方向に離間することにより、所定の振れ角を得るために必要な駆動電圧を低減することができる。従って、ミラー歪みの低減と駆動電圧の低電圧化の両立が可能になる。 In the first problem solving means reflecting the present invention, the distortion of the mirror portion is reduced by providing the frame portion. In addition, since the center of gravity of the mirror portion is separated in the direction perpendicular to the swing axis with respect to the second beam extension line, it is possible to reduce the driving voltage necessary for obtaining a predetermined deflection angle. Therefore, both reduction of mirror distortion and lowering of the drive voltage are possible.
ミラー部は、揺動軸線を中心に揺動される。そのため、揺動軸線から離れるほど、ミラー部の歪みは大きくなる。本発明を反映した第2の課題解決手段では、一組の第1梁が、一組の第1梁を結ぶ第1梁延長線が第2梁延長線に対して直交するように、ミラー部から相対して延出する。換言すれば、本発明を反映した第2の課題解決手段では、第1梁がミラー部の歪が大きくなる箇所から延出する。従って、駆動電圧の低電圧化を維持しつつ、ミラー部の歪みはさらに低減される。 The mirror unit is swung around the swing axis. For this reason, the further the distance from the swing axis, the greater the distortion of the mirror portion. In the second problem-solving means reflecting the present invention, the mirror section is configured such that the first beam extension line connecting the first beam set is orthogonal to the second beam extension line. Extends relative to each other. In other words, in the second problem solving means reflecting the present invention, the first beam extends from a portion where the distortion of the mirror portion increases. Therefore, the distortion of the mirror portion is further reduced while maintaining the drive voltage low.
本発明を反映した第3の課題解決手段では、第1梁延長線及び第2梁延長線に直交する方向から見たミラー部の形状が第1梁延長線に対して線対称となるように、第1梁がミラー部から相対して延出する。このミラー部の線対称な形状によって、第2梁延長線に平行な方向のミラー部の歪みが、第1梁延長線に対して線対称に生じる。その結果、ミラー部の歪みの偏りが緩和されるので、駆動電圧の低電圧化を維持しつつ、ミラー部の歪みがさらに低減される。 In the third problem solving means reflecting the present invention, the shape of the mirror portion viewed from the direction orthogonal to the first beam extension line and the second beam extension line is symmetrical with respect to the first beam extension line. The first beam extends relative to the mirror portion. Due to the line-symmetrical shape of the mirror part, distortion of the mirror part in a direction parallel to the second beam extension line occurs line-symmetrically with respect to the first beam extension line. As a result, the uneven distortion of the mirror part is alleviated, so that the distortion of the mirror part is further reduced while maintaining a low drive voltage.
ミラー部の重心が第2梁延長線に対して揺動軸線に直交する方向に離間するので、揺動軸線は第2梁延長線に一致しない。揺動軸線は、第2梁延長線に対して、ミラー部の重心と同じ側に離間する。このとき、揺動軸線は、ミラー部の重心よりもさらに、第2梁延長線に対して離間する。本発明を反映した第4の課題解決手段では、枠部が、第1間隔が第2間隔よりも長くなるようにして、ミラー部を囲むように配置される。従って、揺動軸線がミラー部の重心に近づくことによって、揺動軸線に直交する方向におけるミラー部の歪みの分布が、揺動軸線に対して線対称の状態に近づく。その結果、ミラー部の歪みの偏りが緩和されるので、駆動電圧の低電圧化を維持しつつ、ミラー部の歪みがさらに低減される。 Since the center of gravity of the mirror portion is separated from the second beam extension line in a direction perpendicular to the swing axis, the swing axis does not coincide with the second beam extension line. The swing axis is separated from the second beam extension line on the same side as the center of gravity of the mirror portion. At this time, the swing axis is further away from the second beam extension line than the center of gravity of the mirror portion. In the fourth problem solving means reflecting the present invention, the frame portion is disposed so as to surround the mirror portion so that the first interval is longer than the second interval. Therefore, when the swing axis approaches the center of gravity of the mirror portion, the distortion distribution of the mirror portion in the direction orthogonal to the swing axis approaches a state of line symmetry with respect to the swing axis. As a result, the uneven distortion of the mirror part is alleviated, so that the distortion of the mirror part is further reduced while maintaining a low drive voltage.
本発明を反映した第5の課題解決手段では、ミラー部の重心が前記揺動軸線に一致する。この一致により、揺動軸線に直交する方向におけるミラー部の歪みの分布が、揺動軸線に対して線対称になる。その結果、ミラー部の歪みの偏りが緩和されるので、駆動電圧の低電圧化を維持しつつ、ミラー部の歪みがさらに低減される。 In the fifth problem solving means reflecting the present invention, the center of gravity of the mirror portion coincides with the swing axis. Due to this coincidence, the distribution of distortion of the mirror portion in the direction orthogonal to the swing axis is axisymmetric with respect to the swing axis. As a result, the uneven distortion of the mirror part is alleviated, so that the distortion of the mirror part is further reduced while maintaining a low drive voltage.
本発明を反映した第6の課題解決手段では、第2梁延長線とミラー部の重心との間隔が、第2梁延長線に直交する方向におけるミラー部の幅の2割以上4割以下になるように、ミラー部が構成される。この構成によって、後記する実施形態に示されるように、駆動電圧の低電圧化を維持しつつ、ミラー部の歪みがより低減される。 In the sixth problem-solving means reflecting the present invention, the distance between the second beam extension line and the center of gravity of the mirror part is 20% to 40% of the width of the mirror part in the direction orthogonal to the second beam extension line. Thus, a mirror unit is configured. With this configuration, as shown in an embodiment described later, distortion of the mirror portion is further reduced while maintaining a low drive voltage.
本発明を反映した第7の課題解決手段では、ミラー部は、第1梁延長線及び第2梁延長線に直交する方向から見た形状が、円形になるように形成される。そのため、例えば矩形等である場合よりも、ミラー部の質量が小さくなり、揺動軸線周りの慣性モーメントが減少する。その結果、駆動電圧の低電圧化を維持しつつ、ミラー部の歪みがより低減される。 In the seventh problem-solving means reflecting the present invention, the mirror portion is formed so that the shape seen from the direction orthogonal to the first beam extension line and the second beam extension line is circular. Therefore, for example, the mass of the mirror portion becomes smaller than in the case of a rectangle or the like, and the moment of inertia around the swing axis is reduced. As a result, the distortion of the mirror portion is further reduced while maintaining a low drive voltage.
本発明を反映した第8の課題解決手段では、駆動部が、圧電素子を含む。これによって、入力される駆動信号に対する応答性が高く、且つ駆動力の高さを利用して低電圧化が可能な光スキャナを提供できる。また、第2梁に含まれる一組の固定部連結部分は、梁連結部分の両端に接続され、揺動軸線に沿う方向に伸長する、所謂二股状の構造をしている。固定部連結部分は、ミラー部の揺動駆動に伴い、撓み変形をする。この撓み変形は、梁連結部分を介することで、ミラー部の揺動に効率良く変換される。従って、低電圧化が可能な光スキャナが提供される。そして、圧電素子が固定部から固定部連結部分に亘って設けられることで、撓み運動をする固定部連結部分に直接駆動力を与えることができ、低電圧化が可能な光スキャナが提供される。 In the eighth problem-solving means reflecting the present invention, the drive unit includes a piezoelectric element. Accordingly, it is possible to provide an optical scanner that has high responsiveness to an input drive signal and can reduce the voltage by using high drive force. In addition, the pair of fixed portion connecting portions included in the second beam has a so-called bifurcated structure that is connected to both ends of the beam connecting portion and extends in a direction along the swing axis. The fixed portion connecting portion bends and deforms as the mirror portion swings. This bending deformation is efficiently converted into the swing of the mirror portion through the beam connecting portion. Therefore, an optical scanner capable of lowering the voltage is provided. Then, since the piezoelectric element is provided from the fixed portion to the fixed portion connecting portion, an optical scanner capable of directly applying a driving force to the fixed portion connecting portion that performs the bending motion and capable of reducing the voltage is provided. .
<第1の実施形態>
[光スキャナ100の構成]
図1は、本発明の第1の実施形態に係る光スキャナ100の平面図である。図2は、光スキャナ100のミラー部110周辺の部分拡大平面図である。x方向は、光スキャナ100の揺動軸線ARに平行な方向である。y方向は、図1,図2における紙面垂直方向である光スキャナ100の厚み方向及びx方向に直交する方向である。光スキャナ100は、ミラー部110、一組の第1梁111、枠部112、一組の第2梁120、一組の圧電駆動部130及び固定部140を含む。尚、光スキャナ100は、図示しない台座に接着される。以下、図1及び図2を用いて、光スキャナ100の個々の構成要素について説明を行う。
<First Embodiment>
[Configuration of Optical Scanner 100]
FIG. 1 is a plan view of an
ミラー部110は、入射した光を所定方向に走査するために、揺動軸線ARを中心として揺動可能に構成される。ミラー110の平面視における形状は、略矩形である。ミラー部110の重心位置CMは、揺動軸線ARよりもy方向正側に位置する。
The
相対する一組の第1梁111は、揺動軸線ARを含む平面上で、ミラー部110から離れる方向に、ミラー部110から延出する。具体的には、一組の第1梁111は、ミラー部110からy方向に延出する。このとき、一組の第1梁111を結ぶ第1梁延長線EL1(図2参照)は、ミラー部110の重心CM上に配置される。即ち、ミラー部110の平面視形状は、第1梁延長線EL1に対して、線対称になる。そして、第1梁延長線EL1は、y方向に沿う。換言すれば、一組の第1梁111は、ミラー部110のx方向に平行な辺の中央部から、y方向に延出する。
The pair of opposed
枠部112は、ミラー部110を囲むように配置される。枠部112の平面視形状は、ミラー部110と同様に、略矩形である。枠部112には、一組の第1梁111が接続される。
The
相対する一組の第2梁120は、揺動軸線ARに沿う方向に、枠部112から延出する。より詳細には、第2梁120は、枠連結部分121、梁連結部分122及び固定部連結部分123を含む。枠連結部分121は、枠部112に接続され、揺動軸線ARに沿う方向に伸長する。梁連結部分122は、枠連結部分121に接続され、y方向に伸長する。一組の固定部連結部分123は、梁連結部分122の両端に接続され、揺動軸線ARに沿う方向に伸長する。枠連結部分121、梁連結部分122及び固定部連結部分123は、一組の第2梁120を揺動軸線ARに沿う方向に結ぶ第2梁延長線EL2(図2参照)に対して、線対称となるように配置される。ここで、第2梁延長線EL2は、第1梁延長戦EL1に直交する。さらに、第2梁延長線EL2は、揺動軸線AR及びミラー部110の重心CMよりもy方向正側に位置する。換言すれば、ミラー部110は、その重心CMが、第2梁延長線EL2に対して、y方向負側に離間するように配置される。ここで、ミラー部110の重心CMは、ミラー部110の質量中心を意味する。
The pair of opposing
固定部140は、特許文献1に開示されているような、ミラー部110、一組の第1梁111、枠部112及び一組の第2梁120を囲う外枠である。しかし、簡略化のため、図1では一組の第2梁120と固定部140との連結部近傍のみが示される。固定部140には、固定部連結部分123が接続される。
The fixing
圧電駆動部130は、ミラー部110を揺動駆動する。具体的には、圧電駆動部130は、固定部140の一部から固定部連結部分123に亘って形成される。圧電駆動部130は、図示しない下部電極、圧電素子及び上部電極を含む。
The
光スキャナ100の作用を説明する。まず、下部電極と上部電極との間に電圧が周期的に印加されることにより、分極した圧電素子はx方向に伸び、又は縮む。圧電駆動部130が固定部連結部分123及び固定部140に固定されているので、圧電素子のx方向の伸縮は、固定部連結部分123の光スキャナ100の厚み方向への撓み変形に変換される。この撓み変形は、梁連結部分122を介して、ミラー部110を揺動させるための回転トルクに変換される。ミラー部110が揺動されることによって、光スキャナ100は、ミラー部110に入射した光を所定方向に走査することができる。
The operation of the
[光スキャナ100の製造方法]
光スキャナ100の製造方法を説明する。まず、厚さ約30μm〜200μmの薄長矩形のシリコン基材上において、ミラー部110、一組の第1梁111、枠部112、一組の第2梁120及び固定部140に対応する部分に、マスキングのためのレジスト膜が形成される。その後、シリコン基材はエッチングされる。エッチングによって、シリコン基材においてレジスト膜が形成されている部分が、ミラー部110、一組の第1梁111、枠部112、一組の第2梁120及び固定部140として形成される。最後に、レジスト膜が除去されることによって、光スキャナ100の外形が形成される。
[Method for Manufacturing Optical Scanner 100]
A method for manufacturing the
次に、下部電極が、切り抜かれたシリコン基材の上に形成される。具体的には、下部電極は、固定部140の一部から固定部連結部分123に亘って、白金(Pt)や金(Au)等を0.2μm〜0.6μmの厚さで堆積することで形成される。この堆積には、例えばスパッタや蒸着等の製膜方法が用いられる。
Next, a lower electrode is formed on the cut silicon substrate. Specifically, the lower electrode is formed by depositing platinum (Pt), gold (Au), or the like with a thickness of 0.2 μm to 0.6 μm from a part of the
次に、圧電素子が、前記した下部電極の上に形成される。具体的には、圧電素子は、固定部140の一部から固定部連結部分123に亘って、PZT等の圧電素材を1μm〜3μmの厚さで堆積することで形成される。この堆積には、例えばナノサイズの微粒子を吹付けることによって成膜を行うエアロゾルデポジション法(例えば、特開2007−31737号公報を参照)等の製膜方法が用いられる。
Next, a piezoelectric element is formed on the aforementioned lower electrode. Specifically, the piezoelectric element is formed by depositing a piezoelectric material such as PZT with a thickness of 1 μm to 3 μm from a part of the
最後に、上部電極が、圧電素子の上に形成される。具体的には、上部電極は、固定部140の一部から固定部連結部分123に亘って、圧電素子の上に白金(Pt)や金(Au)等を0.2μm〜0.6μmの厚さで堆積することで形成される。この堆積には、下部電極の場合と同様に、スパッタや蒸着等の製膜方法が用いられる。
Finally, the upper electrode is formed on the piezoelectric element. Specifically, the upper electrode has a thickness of 0.2 μm to 0.6 μm of platinum (Pt), gold (Au), etc. on the piezoelectric element from a part of the
[シミュレーションデータの説明]
本実施形態においては、(1)枠部112が設けられる、(2)ミラー部110の重心CMが、第2梁延長線EL2に対してy方向負側に離間する、ことによって、揺動駆動時における駆動電圧の低減及びミラー歪みの低減が可能になる。図2に示されるように、第2梁延長線EL2に対してミラー部の重心CMが存在する側とは反対側における、ミラー部110と枠部112とのy方向の間隔、即ちミラー部110と枠部112とのy方向正側の間隔を間隔W1とする。第2梁延長線EL2に対してミラー部の重心CMが存在する側における、ミラー部110と枠部112とのy方向の間隔、即ちミラー部110と枠部112とのy方向負側の間隔を間隔W2とする。ミラー部110の重心CMと第2梁延長線EL2とのy方向における間隔を間隔W3とする。尚、ミラー部110のy方向における幅は、本実施形態においては1000μmである。ここでは、間隔W1、W2及びW3の値と、駆動電圧の低減及びミラー歪みの低減との関係を、シミュレーションによって調べる。
[Explanation of simulation data]
In this embodiment, (1) the
図3は、間隔W1、W2及びW3の値を変化させた場合における、ミラー歪み及び駆動電圧をシミュレーションによって求めた結果を示す図である。ミラー歪みは、ミラー部110が所定の駆動周波数で揺動駆動される際に、ミラー部110の静止状態に対する傾きが所定の角度になったときの、ミラー部110を含む平面内での厚み方向変位の最大値と最小値との差である。尚、本実施形態において、所定の駆動周波数は32KHzであり、所定の角度は6.25°である。駆動電圧は、ミラー部110の振れ角が所定の角度である6.25°になるために必要な電圧の値である。尚、図3における実施例1〜5は、光スキャナ100と同一の構成を有し、その構成の配置、即ち間隔W1、W2及びW3の値において相違する。実施例1における構成の配置は、光スキャナ100と同一である。
FIG. 3 is a diagram illustrating a result of obtaining the mirror distortion and the driving voltage by simulation when the values of the intervals W1, W2, and W3 are changed. The mirror distortion is a thickness direction in a plane including the
図3に比較例1及び比較例2として示されるように、本実施形態の効果を説明するために、2つの比較例についてもシミュレーションを行った。図4(A)は、比較例1である光スキャナ300のミラー部110周囲の部分拡大平面図である。図4(A)に示されるように、光スキャナ300は、光スキャナ100から枠部112を取り除いた構造である。尚、光スキャナ300において、光スキャナ100と共通する構成に対しては、同一の番号を付与してある。図4(B)は、比較例2である光スキャナ400のミラー部110周囲の部分拡大平面図である。図4(B)に示されるように、光スキャナ400は、ミラー部110の重心CMが、揺動軸線AR上に位置する。この場合、揺動軸線ARは、第2梁延長線EL2に一致する。尚、光スキャナ400において、光スキャナ100と共通する構成に対しては、同一の番号を付与してある。
As shown in FIG. 3 as Comparative Example 1 and Comparative Example 2, simulations were also performed for two comparative examples in order to explain the effects of the present embodiment. 4A is a partially enlarged plan view of the periphery of the
図5を用いて、間隔W1及びW2の値を変化させた場合における、駆動電圧及びミラー歪みの変化を説明する。図5において、3つのデータ点は、左から順に実施例2、実施例1、実施例3に対応する。図5において、縦軸はミラー歪み及び駆動電圧を表す。図5において、駆動電圧は、実施例1、実施例2、実施例3の間で大きな変化はない。一方、ミラー歪みは、実施例2において最小となり、実施例3で最大となる。図3に示されるように、実施例1、実施例2、実施例3の間では、間隔W3の値は同一である(W3=300μm)。一方、間隔W1と間隔W2との関係は、これらの実施例の間で異なる。具体的には、実施例2においては、間隔W1は間隔W2よりも大きい(W1=270μm、W2=135μm)。実施例1においては、間隔W1は間隔W2と等しい(W1=135μm、W2=135μm)。実施例3においては、間隔W1は間隔W2よりも小さい(W1=135μm、W2=270μm)。即ち、間隔W1が間隔W2よりも大きい場合、駆動電圧の低電圧化を維持しつつ、ミラー部の歪みがさらに低減される。 A change in drive voltage and mirror distortion when the values of the intervals W1 and W2 are changed will be described with reference to FIG. In FIG. 5, three data points correspond to Example 2, Example 1, and Example 3 in order from the left. In FIG. 5, the vertical axis represents mirror distortion and driving voltage. In FIG. 5, the drive voltage does not change greatly between the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment. On the other hand, the mirror distortion is minimum in the second embodiment and is maximum in the third embodiment. As shown in FIG. 3, the value of the interval W3 is the same between the first embodiment, the second embodiment, and the third embodiment (W3 = 300 μm). On the other hand, the relationship between the interval W1 and the interval W2 differs between these embodiments. Specifically, in Example 2, the interval W1 is larger than the interval W2 (W1 = 270 μm, W2 = 135 μm). In the first embodiment, the interval W1 is equal to the interval W2 (W1 = 135 μm, W2 = 135 μm). In the third embodiment, the interval W1 is smaller than the interval W2 (W1 = 135 μm, W2 = 270 μm). That is, when the interval W1 is larger than the interval W2, distortion of the mirror portion is further reduced while maintaining a low drive voltage.
ここでは、間隔W1が間隔W2よりも大きい場合、ミラー部の歪みがさらに低減される理由を考察する。図2に示されるように、光スキャナ100において、ミラー部110の重心CMが、第2梁延長線EL2からy方向負側に離間するので、揺動軸線ARは第2梁延長線EL2に一致しない。揺動軸線ARは、第2梁延長線EL2に対して、ミラー部110の重心CMと同じ側に離間する。このとき、揺動軸線ARは、ミラー部110の重心CMよりもさらに、第2梁延長線EL2に対して離間する。仮に、間隔W1を間隔W2よりも大きくすれば、換言すれば、ミラー部110と第2梁120との相対位置を変化させることなく枠部112をy方向正側に伸長すれば、枠部112の重心は、第2梁延長線EL2に近づく。そして、ミラー部110が揺動される場合に、枠部112及び第1梁111もまた、ミラー部110と一体として揺動される。即ち、枠部112の重心が第2梁延長線EL2に近づくことは、ミラー部110、第1梁111及び枠部112からなる系全体の重心、即ち揺動軸線ARが、第2梁延長線EL2に近づくことに等価である。従って、間隔W1を間隔W2よりも大きくすることは、揺動軸線ARをミラー部110の重心CMに近付ける効果を発揮する。揺動軸線ARがミラー部110の重心CMに近づくことによって、y方向におけるミラー部110の歪みの分布が、揺動軸線ARに対して線対称の状態に近づく。その結果、ミラー部の歪みの偏りが緩和される。換言すれば、間隔W1と間隔W2とが、揺動軸線ARがミラー部110の重心CMに一致するように決定されれば、ミラー部の歪みがさらに低減される。
Here, the reason why the distortion of the mirror part is further reduced when the interval W1 is larger than the interval W2 will be considered. As shown in FIG. 2, in the
次に、図6を用いて、間隔W3の値を変化させた場合における、駆動電圧及びミラー歪みの変化を説明する。図6において、横軸は間隔W3の値を表す。尚、3つのデータ点は、左から順に、図3における実施例4、実施例2、実施例5に対応する。尚、図3に示される様に、実施例2、実施例4、実施例5の間では、間隔W1及びW2の値は同一である(W1=270μm、W2=135μm)。図6において、縦軸はミラー歪み及び駆動電圧を表す。駆動電圧は、間隔W3が大きくなるほど減少する。従って、駆動電圧を低減するという観点からは、間隔W3は200μm以上であるのが望ましい。一方、ミラー歪みは、間隔W3が200μmから300μmの範囲では、間隔W3が大きくなるほど減少し、間隔W3が300μmから400μmの範囲では、間隔W3が大きくなるほど増加する。そして、ミラー歪みは、実施例2(W3=300μm)において最小となる。従って、ミラー歪みを低減するという観点からは、間隔W3は400μm以下であるのが望ましい。揺動駆動時における駆動電圧の低減とミラー歪みの低減との両観点を考慮すると、間隔W3は200μm以上400μm以下の範囲内に収まるのが望ましい。ここで、ミラー部110のy方向の幅は1000μmなので、この間隔W3の範囲は、ミラー部110のy方向の幅の2割以上4割以下に相当する。より望ましくは、間隔W3は300μmが良い。この間隔W3の値は、ミラー部110のy方向の幅の3割に相当する。
Next, changes in drive voltage and mirror distortion when the value of the interval W3 is changed will be described with reference to FIG. In FIG. 6, the horizontal axis represents the value of the interval W3. The three data points correspond to Example 4, Example 2, and Example 5 in FIG. 3 in order from the left. As shown in FIG. 3, the values of the intervals W1 and W2 are the same between the second embodiment, the fourth embodiment, and the fifth embodiment (W1 = 270 μm, W2 = 135 μm). In FIG. 6, the vertical axis represents mirror distortion and driving voltage. The drive voltage decreases as the interval W3 increases. Therefore, from the viewpoint of reducing the driving voltage, the interval W3 is preferably 200 μm or more. On the other hand, the mirror distortion decreases as the interval W3 increases when the interval W3 ranges from 200 μm to 300 μm, and increases as the interval W3 increases when the interval W3 ranges from 300 μm to 400 μm. The mirror distortion is minimum in Example 2 (W3 = 300 μm). Therefore, from the viewpoint of reducing mirror distortion, the interval W3 is desirably 400 μm or less. Considering both viewpoints of reduction of driving voltage and reduction of mirror distortion at the time of swing driving, it is desirable that the interval W3 is within a range of 200 μm or more and 400 μm or less. Here, since the width of the
<第2の実施形態>
[光スキャナ200の構成]
図7は、本発明の第2の実施形態に係る光スキャナ200の、ミラー部110周辺の部分拡大平面図である。光スキャナ200は、ミラー部210の形状において、第1の実施形態における光スキャナ100と相違する。具体的には、ミラー部210の平面視における形状は、略円形である。ミラー部210の重心位置CMは、ミラー部110と同様に、揺動軸線ARよりもy方向正側に位置する。尚、光スキャナ200において、光スキャナ100と共通する構成に対しては、同一の番号を付与してある。
<Second Embodiment>
[Configuration of Optical Scanner 200]
FIG. 7 is a partially enlarged plan view of the periphery of the
[シミュレーション結果説明]
図8は、ミラー部の形状が異なる場合における、駆動電圧及びミラー歪みの変化を説明する図である。尚、図8における実施例1は、第1の実施形態における実施例1(図3参照)に同一である。また、光スキャナ200は、実施例6として図8に示される。図8において、実施例1と実施例6との間で、間隔W1、W2及びW3の値は同一である、一方、ミラー部の形状は、実施例1では矩形であるのに対し、実施例6では円形である。実施例1と実施例6との間で、駆動電圧は殆ど変化しない。一方、ミラー歪みに関しては、実施例6の方が、実施例1に対して1割程度減少している。これは、ミラー部210の形状が円形であるため、矩形である場合よりもミラー部210の質量が小さくなり、結果として揺動軸線AR周りの慣性モーメントが減少したことに起因すると考えられる。即ち、平面視形状が略円形であるミラー部210は、ミラー歪みの低減という観点からは、平面視形状が略矩形であるミラー部110(第1の実施形態参照)よりも望ましい形態と言える。
[Explanation of simulation results]
FIG. 8 is a diagram for explaining changes in driving voltage and mirror distortion when the shape of the mirror portion is different. Note that Example 1 in FIG. 8 is the same as Example 1 (see FIG. 3) in the first embodiment. An
<変形例>
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその変形の一例を述べる。
<Modification>
The present invention is not limited to the embodiments described so far, and various modifications and changes can be made without departing from the spirit of the present invention. An example of the modification will be described below.
前記した実施形態において、ミラー部110は、圧電駆動部130によって揺動駆動される。しかし、これ以外の駆動機構によってミラー部110が揺動駆動されても良い。例えば、ミラー部110の裏面と図示しない台座とに一対の電極が設けられることによって、クーロン力を利用して反射ミラーを揺動駆動する静電駆動方式が採用されても良い。あるいは、ミラー部110の裏面にコイルが、台座に永久磁石が夫々設けられることによって、磁力を利用して反射ミラーを揺動駆動する電磁駆動方式が採用されても良い。
In the above-described embodiment, the
前記した実施形態において、一組の第1梁111は、ミラー部110からy方向に延出する。しかし、一組の第1梁111は、例えばx方向等、他の方向に延出しても良い。さらに言えば、一方の第1梁111はy方向に延出し、他方の第1梁111はx方向に延出するような構成であっても差し支えない。要は、一組の第1梁111は、揺動軸線ARを含む平面上で、ミラー部110から離れる方向に、ミラー部110から延出すれば良い。
In the above-described embodiment, the set of
前記した実施形態において、枠部112の平面視形状は、ミラー部110と同様に、矩形である。しかし、枠部112は、ミラー部110の周囲を囲むことができれば、例えば円形等の他の平面視形状であっても差し支えない。但し、加工の容易性という観点からは、枠部112の平面視形状は、矩形が望ましい。
In the above-described embodiment, the planar view shape of the
前記した実施形態において、第2梁120は、枠連結部分121、梁連結部分122及び固定部連結部分123を含む。しかし、第2梁120は、他の構成であっても良い。例えば、枠部112と固定部140とを、1本の梁によって直接つなぐような構成であっても差し支えない。
In the above-described embodiment, the
前記した実施形態において、ミラー部110が第2延長線EL2に対してy方向負側に配置されることで、ミラー部110の重心CMは、第2延長線EL2に対してy方向負側に位置する。しかし、ミラー部110の重心CMが他の方法、例えばミラー部110の裏面に錘を付加する、凹溝を設ける等、によって、第2延長線EL2に対してy方向負側に位置するように調整されても良い。
In the embodiment described above, the
100,200,300,400,500 光スキャナ
110,210,511 ミラー部
111 第1梁
112 枠部
120 第2梁
121 枠連結部分
122 梁連結部分
123 固定部連結部分1
140,514 固定部
130,530 圧電駆動部
510 基体
512 第1弾性梁
513 第2弾性梁
520 台座
521 台座接合部
AR 揺動軸線
CM ミラー部110の重心位置
EL1 第1梁延長線
EL2 第2梁延長線
W1 ミラー部110と枠部112とのy方向正側の間隔
W2 ミラー部110と枠部112とのy方向負側の間隔
W3 ミラー部110の重心CMと第2梁延長線EL2とのy方向における間隔
100, 200, 300, 400, 500
140, 514
Claims (8)
前記揺動軸線を含む平面上で、前記ミラー部から離れる方向に前記ミラー部から延出する一組の第1梁と、
前記ミラー部を囲むように配置され、前記一組の第1梁が接続する枠部と、
前記揺動軸線に沿う方向に前記枠部から延出する、相対する一組の第2梁と、
前記第2梁が接続される固定部と、
前記ミラー部を揺動駆動させるための駆動部とを備え、
前記ミラー部は、その重心が、前記一組の第2梁を前記揺動軸線に沿う方向に結ぶ第2梁延長線に対して、前記揺動軸線に直交する方向に離間するように配置される、
ことを特徴とする光スキャナ。 A mirror that is swung around a swing axis and scans incident light in a predetermined direction;
A set of first beams extending from the mirror portion in a direction away from the mirror portion on a plane including the swing axis;
A frame portion arranged so as to surround the mirror portion and connected to the pair of first beams;
A pair of opposing second beams extending from the frame in a direction along the swing axis;
A fixing portion to which the second beam is connected;
A drive unit for swinging and driving the mirror unit,
The mirror portion is arranged such that the center of gravity thereof is separated in a direction orthogonal to the swing axis with respect to a second beam extension line that connects the pair of second beams in a direction along the swing axis. The
An optical scanner characterized by that.
ことを特徴とする請求項1に記載の光スキャナ。 The set of first beams extends relative to the mirror portion such that a first beam extension line connecting the set of first beams is orthogonal to the second beam extension line.
The optical scanner according to claim 1.
ことを特徴とする請求項2に記載の光スキャナ。 The pair of first beams has a mirror symmetrical shape with respect to the first beam extension line when viewed from a direction orthogonal to the first beam extension line and the second beam extension line. And extending relative to the mirror part,
The optical scanner according to claim 2.
前記第2梁延長線に対して前記ミラー部の重心が存在する側とは反対側における、前記ミラー部と前記枠部との前記揺動軸線に直交する方向の間隔である第1間隔が、前記第2梁延長線に対して前記ミラー部の重心が存在する側における、前記ミラー部と前記枠部との前記揺動軸線に直交する方向の間隔である第2間隔よりも大きくなるように、前記ミラー部を囲むように配置される、
ことを特徴とする請求項1〜3の何れか1項に記載の光スキャナ。 The frame is
A first interval which is an interval in a direction perpendicular to the swing axis between the mirror portion and the frame portion on the side opposite to the side where the center of gravity of the mirror portion exists with respect to the second beam extension line, To be larger than a second interval which is an interval in a direction perpendicular to the swing axis between the mirror portion and the frame portion on the side where the center of gravity of the mirror portion exists with respect to the second beam extension line. , Arranged to surround the mirror part,
The optical scanner according to any one of claims 1 to 3.
ことを特徴とする請求項4に記載の光スキャナ。 The first interval and the second interval are determined so that the swing axis coincides with the center of gravity of the mirror part.
The optical scanner according to claim 4.
前記第2梁延長線と前記ミラー部の重心との間隔である第3間隔が、前記第2梁延長線に直交する方向における前記ミラー部の幅の2割以上4割以下になるように、構成される、
ことを特徴とする請求項5に記載の光スキャナ。 The mirror part is
The third interval, which is the interval between the second beam extension line and the center of gravity of the mirror part, is 20% to 40% of the width of the mirror part in the direction orthogonal to the second beam extension line, Composed,
The optical scanner according to claim 5.
ことを特徴とする請求項1〜6の何れか1項に記載の光スキャナ。 The mirror portion is formed so that a shape seen from a direction orthogonal to the first beam extension line and the second beam extension line is circular.
The optical scanner according to claim 1, wherein the optical scanner is an optical scanner.
前記枠部に接続され、前記揺動軸線に沿う方向に伸長する枠連結部分と、
前記枠連結部分に接続され、前記揺動軸線を含む平面上で前記揺動軸線に直交する方向に伸長する梁連結部分と、
前記梁連結部分の両端に接続され、前記揺動軸線に沿う方向に伸長する、相対する一組の固定部連結部分とを含み、
前記駆動部は、
前記固定部から前記固定部連結部分に亘って設けられた圧電素子を含む、
ことを特徴とする請求項1〜7の何れか1項に記載の光スキャナ。 The second beam is
A frame connecting portion connected to the frame portion and extending in a direction along the swing axis;
A beam connecting portion connected to the frame connecting portion and extending in a direction perpendicular to the swing axis on a plane including the swing axis;
A pair of opposing fixed portion connecting portions connected to both ends of the beam connecting portion and extending in a direction along the swing axis,
The drive unit is
Including a piezoelectric element provided from the fixed portion to the fixed portion connecting portion,
The optical scanner according to claim 1, wherein the optical scanner is an optical scanner.
Priority Applications (1)
Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
---|---|---|---|
JP2009204162A JP2011053570A (en) | 2009-09-03 | 2009-09-03 | Optical scanner |
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Cited By (1)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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CN111854935A (en) * | 2020-09-24 | 2020-10-30 | 歌尔股份有限公司 | Projection system illumination measuring method, apparatus and readable storage medium |
-
2009
- 2009-09-03 JP JP2009204162A patent/JP2011053570A/en active Pending
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