JP2012073373A - マイクロスキャナおよびそれを備えた光学機器 - Google Patents

Abstract

【課題】消費電力の増加、偏向角や走査性能の低下を招くことなく、振動や衝撃による故障、破損を抑制できるマイクロスキャナを提供する。
【解決手段】可動部２と、可動部２を囲む固定枠１と、可動部２を揺動可能に支持する主軸部３と、可動部２又は主軸部３に変位を与える変位部４とを有し、変位部４のＺ方向の変位を規制する規制部６０を備えているマイクロスキャナＯＳ。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロスキャナおよびそれを備えた光学機器に関するものである。

近年、レーザ光を走査し、壁面やスクリーンに画像を投影する小型プロジェクタが種々開発されている。前記小型プロジェクタは、レーザ光を出射する光源と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスを用い、前記レーザ光を走査するマイクロスキャナとを備えている。

従来のマイクロスキャナについて図面を参照して説明する。図７は従来のマイクロスキャナの正面図である。図７に示すように、従来のマイクロスキャナは、固定枠９１と、可動部９２と、可動部９２を揺動（振動）可能に支持する主軸トーションバー９３と、主軸トーションバー９３と接続し、主軸トーションバー９３にねじれ方向の変位（力）を付与する変位部９４とを備えている。

可動部９２は、レーザ光を反射するためのミラー部９２１と、ミラー部９２１を囲む可動枠９２２と、ミラー部９２１を揺動可能に支持するとともに主軸トーションバー９３と直交し、可動枠９２２と連結されたミラートーションバー９２３とを備えている。

主軸トーションバー９３及び変位部９４は固定枠９１と一体に形成されている。変位部９４は主軸トーションバー９３を挟んで対向配置されており、対向配置された変位部９４のそれぞれと主軸トーションバー９３とは接続部５を介して接続されている。変位部９４は、表面に圧電素子９４２を備えており、ユニモルフ構造をなしている。

対向配置された変位部９４が振動することで、各変位部９４の先端の変位差によって、主軸トーションバー９３はねじられ、主軸トーションバー９３に支持されている可動部９２は揺動される。また、変位部９４の振動による共振によってミラートーションバー９２３がねじられ、ミラー部９１が揺動される。このように、可動部９２が主軸トーションバー９３を軸として揺動されるとともに、ミラー部９２１がミラートーションバー９２３を軸として揺動されることで、レーザ光を２次元走査することができる。

マイクロスキャナでは、レーザ光を走査するときの可動部９２の揺動の角度（偏向角）を大きくすることで、解像度を向上できるとともに、安全性を確保することが可能である。そこで、接続部５の変形しやすい構造とすることで主軸トーションバー９３のねじれ角を大きくし、可動部９２の偏向角を大きくすることが提案されている。

例えば、特開２００９−８０３７９号公報に記載のマイクロスキャナでは、図８に示すように、接続部５をレバー部５１とスリットＳＴを交互に配置した蛇行構造とすることで、接続部５がレバー部５１の配列方向に曲がりやすく（変形しやすく）なっている。また、特開２００８−２０３２９９号公報に記載のマイクロスキャナでは、図９に示すように、接続部７をその曲がり方向に複数個の貫通孔形状のスリットＳＴ１と、左右両側から形成された凹形状のスリットＳＴ２を配列した構造とすることで、接続部７がスリットＳＴ１、ＳＴ２の並び方向に曲がりやすく（変形しやすく）なっている。

このような、マイクロスキャナは、その小型、軽量という特徴から、携帯電話、デジタルカメラ等のモバイル機器に搭載されることが考えられる。前記モバイル機器に搭載されたマイクロスキャナには、据え置き型の機器に搭載されたマイクロスキャナに比べて、振動や落下等による衝撃が作用する可能性が高い。マイクロスキャナに衝撃が作用すると、主軸トーションバー９３に支持されている可動部９２にも大きな力が作用する。このとき、可動部９２が移動し、接続部５（７）が変形しやすい構造であるので、接続部５（７）が破損しやすい。

そこで、特表２００３−５２７６２１号公報に記載の発明では、可動部であるミラーコレクションプレート及びＴ型蝶番との変位を、カバーを利用して規制するものが記載されている。これによると、ミラーコレクションプレートの移動を規制し、Ｔ型蝶番を破損しにくい構成としている。

特開２００８−２０３２９９号公報或いは特開２００９−８０３７９号公報に特表２００３−５２７６２１号公報の構造を採用することで、可動部の移動を規制し、接続部５（７）の破損を抑えることができる。
特開２００８−２０３２９９号公報 特開２００９−８０３７９号公報 特表２００３−５２７６２１号公報

マイクロスキャナがモバイル機器に取り付けられていることで、使用者は手持ち状態で駆動する場合もある。マイクロスキャナが駆動しているときに、落下や振動等で衝撃が作用すると、変位部９４が最も変位した状態で衝撃が作用する場合もありえる。

特表２００３−５２７６２１号公報の構造のカバーを配置している場合、可動部９２或いは主軸トーションバー９３の移動が規制されるが、この規制によって、変位部９４と主軸トーションバー９３、変位部９４と可動部９２の変位差が大きくなる場合がある。このように、変位部９４と主軸トーションバー９３、変位部９４と可動部９２の変位差が大きくなると、変位部９４と主軸トーションバー９３又は変位部９４と可動部９２を接続する接続部５（７）の変形が大きくなり、変形による応力が破壊応力以上となる場合があり、接続部５（７）は破損してしまう。

そこで本発明は、消費電力の増加や偏向角度、走査性能の低下を招くことなく、振動や衝撃による故障、破損を抑制できるマイクロスキャナ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は、可動部と、前記可動部を囲む固定枠と、前記可動部を揺動可能に支持する主軸部と、前記可動部又は前記主軸部に変位を与える変位部とを有するマイクロスキャナであって、前記変位部の変位を規制する規制部を備えていることを特徴とする。

この構成によると、前記変位部の変位を規制することができるので、前記変位部と前記可動部又は前記主軸部との接続部の変形を小さく抑えることが可能である。これにより、前記マイクロスキャナに衝撃、振動等の力が作用しても、前記変位部と前記可動部又は前記主軸部との変位差によって接続部に応力が集中しにくく、その応力によって接続部が破損するのを抑制できる。また、前記可動部の重量を増やす必要が無いので、消費電力が上昇したり、振動特性の低下より走査性能が低下したりするのを抑制することができる。

上記構成において、前記可動部又は前記主軸部と前記変位部とは変形しやすい接続部を介して接続されている。この構成によると、前記接続部が変形しやすいので、前記変位部から前記可動部又は前記主軸部には変位だけを効率よく伝達することができる。これにより、前記可動部の揺動時の角度（偏向角度）を大きくすることができ、高い走査性能を発揮することが可能である。

上記構成において、前記規制部は前記可動部の変位も規制する。この構成によると、前記変位部と前記可動部との変位差を小さくすることが可能である。また、重量物である前記可動部の変位を規制するので、前記可動部と連結されている前記主軸部の破損を抑制することが可能である。なお、上記構成において、前記規制部が前記主軸部の変位も規制するようにしてもよい。

上記構成において、前記規制部が、前記固定枠の厚み方向の端面に貼り付け固定される枠状のカバー部に形成されているものを挙げることができる。さらにこのとき、前記規制部が前記カバー部より片持ち梁状に突出している構成であってもよい。

上記構成において、前記変位部が、前記固定枠と連結された片持ち梁状の保持部と、前記保持部の表面に貼り付けられた逆圧電効果を有する圧電素子と備えたユニモルフ構造であってもよく、前記固定枠と連結された片持ち梁状の保持部と、前記保持部にコイル又は磁石が配置されており、前記保持部が電磁力で変位するものであってもよい。さらには、前記変位部は梁状のレバー部を蛇行状に形成した保持部と、前記保持部の表面に貼り付けられた逆圧電効果を有する圧電素子とを備えたユニモルフ構造を有しており、前記規制部は前記変位部の前記保持部と一体に形成されており、前記規制部は前記固定枠に形成されている凹部内に配置されている構成であってもよい。

上記構成において、前記可動部が、少なくとも一部に光を反射するミラー部を備えていてもよい。この構成によると、光源より出射された光をミラー部で反射することで、一次元走査可能である。また、前記ミラー部を囲む可動枠と、前記ミラー部を前記可動枠に揺動可能に支持し、前記主軸方向と交差する方向に延びるミラートーションバーとを備えているものであってもよい。この構成によると、光源より出射された光をミラー部で反射することで、二次元走査可能である。

本発明のマイクロスキャナを光学機器に搭載することが可能である。なお、光学機器としては、携帯電話やデジタルカメラに搭載された小型のプロジェクション装置やイメージスキャナ、バーコードリーダ、レーザプリンタの光走査部等を挙げることができる。

本発明によると、消費電力の増加や偏向角度、走査性能の低下を招くことなく、振動や衝撃による故障、破損を抑制できるマイクロスキャナを提供することができる。

本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの平面図である。 図１に示す光スキャナをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図及び規制部の近傍を拡大した断面図である。 図１に示す光スキャナが駆動しているときの拡大断面図である。 本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの他の例の正面図である。 図４に示す光スキャナをＶ−Ｖ線で切断した断面図及び規制部を拡大した断面図である。 本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナのさらに他の例の正面図である。 従来のマイクロスキャナの正面図である。 マイクロスキャナに備えられる接続部の概略構造を示す図である。 マイクロスキャナに備えられる接続部の概略構造を示す図である。

本発明にかかるマイクロスキャナについて図面を参照して説明する。ここでは、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しスキャン動作を行うマイクロスキャナとして、２次元走査型の光スキャナを例に挙げる。なお、理解を容易にするために（部分の区別を容易にするために）、平面図にハッチングを付す場合もある。また、便宜上、部材符号及び（又は）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。

図１は本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの平面図であり、図２は図１に示す光スキャナをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図及び規制部の近傍を拡大した断面図であり、図３は図１に示す光スキャナが駆動しているときの拡大断面図である。

図１に示すように光スキャナＯＳは、固定部である固定枠１と、可動部２（右上りハッチ）、主軸トーションバー３（主軸部）と、変位部４と、接続部５と、規制部６０とを備えている。なお、図１に示す光スキャナＯＳの平面図において、左右方向をＸ方向とし、光スキャナＯＳの上下方向中央をＸ方向に横切る軸をＸ軸としている。また、上下方向をＹ方向とし、光スキャナＯＳの左右方向中央をＹ方向に横切る軸をＹ軸としている。そして、Ｚ方向厚み方向をＺ方向としている。以下の説明においても、特に断りのない限り、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸及びＹ軸を用いて説明する。

図１に示すように固定枠１は、可動部２、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５を囲む長方形状の部材である。さらに詳しく説明すると、変形可能なシリコン基板等で形成された長方形板状の基体にエッチングを施すことで、可動部２、主軸トーションバー３、変位部４の後述する保持部４１及び接続部５を形成する。そして、エッチング後の基体のうち、これらの部材を取り囲むように残った部分が固定枠１となる。

なお、図１に示すように、固定枠１、主軸トーションバー３、変位部４の保持部４１及び接続部５とは一体に形成されている。なお、エッチングを施す基体は、１００μｍ程度の厚さのシリコン基板が用いられるが、それに限定されるものではない。このように一枚の基体（基板）にエッチングを施して上述の各部を形成することで、それぞれの部分の大きさや、部分同士の間隔の精度を高めることが可能である。なお、加工法としてはエッチングに限定されるものではないし、複数の部材を組み合わせて形成するものであってもよい。

可動部２は、光源（不図示）からの光（レーザ光）を反射する部材である。図１に示すように、可動部２は、主軸トーションバー３に支持されている。可動部２は、ミラー部２１と、可動枠２２と、ミラートーションバー２３と、連結部２４とを含んでいる。

ミラー部２１は円板形状であり、光源からの光を反射する反射部材である。ミラー部２１の表面には光源からの光を反射するため、アルミニウム等の金属薄膜が反射膜として成膜されている。なお、金属薄膜は蒸着やスパッタリング等の方法で形成されているものを挙げることができる。また、ミラー部２１の表面は、このような金属薄膜に限定されるものではなく、表面が滑らかで光を均一に反射できるように形成された鏡面状のものを広く採用することができる。そして、ミラー部２１は中心を挟んで対向した部をミラートーションバー２３に保持されている。なお、ミラー部２１のミラートーションバー２３に保持されている部分は、可動部２が停止している状態のときＹ軸方向の両端部となっているが、これに限定されるものではない。また、可動部２の説明を行う限りにおいて、ミラートーションバー２３の軸線をＹ軸として説明する。

可動枠２２はミラー部２１を囲むように配置されており、エッチングによって形成されたひし形状の部材である。図１に示すように、可動部２は線対称の基準となる２本の対称軸が直交している。２本の対称軸のうち、一方の対称軸（ここでは、短い方の対称軸）はＸ軸と重なっており、他方の対称軸（ここでは、長い方の対称軸）はＸ軸と直交している（可動枠２２が停止状態のとき、Ｙ軸と重なる）。

ミラートーションバー２３は一対の長尺状の部材であり、各ミラートーションバー２３はミラー部２１を保持している。そして、一対のミラートーションバー２３はＹ軸上に配置されており、各ミラートーションバー２３は同じ断面形状及び同じ長さの部材である。そして、各ミラートーションバー２３のミラー部２１と反対側は、可動枠２２と一体的に連結されている。なお、ミラートーションバー２３は弾性変形可能な部材であり、ミラートーションバー２３が弾性的にねじれることで、ミラー部２１がＹ軸周りに揺動（振動）される。一対のミラートーションバー２３が同一の形状であるので、各ミラートーションバー２３のねじれ量、速度が同じであり、ミラー部２１はＹ軸周りに揺動できる。

連結部２４は長方形状の部材であり、可動枠２２のＸ方向の両端部と一体連結されている。連結部２４は各辺がＸ軸又はＹ軸と平行となっており、Ｙ軸と平行な辺の一方が可動枠２２と連結している。また、他方のＹ軸と平行な辺の中央部に主軸トーションバー３が連結されている。これによって、可動枠２２、すなわち、ミラー部２１、ミラートーションバー２３を含む可動部２が、Ｘ軸周りに揺動可能となっている。

次に主軸トーションバー３について説明する。主軸トーションバー３は弾性変形可能な長尺部材である。光スキャナＯＳでは、停止状態のとき、主軸トーションバー３の中心軸がＸ軸と重なるものとする。主軸トーションバー３は可動部２のＸ軸方向の両端部に配置された連結部２４のそれぞれを支持している。なお、以下の説明では、便宜上、図１のＹ軸よりも左にある主軸トーションバー３を３ＡＣ、右にある主軸トーションバー３を３ＢＤと表す場合がある。

図１に示すように、主軸トーションバー３は、長手方向の端部のうち、一方が固定枠１と連結し、他方が可動部２の連結部２４と連結している。そして、主軸トーションバー３は可動部２の近傍で接続部５を介して、変位部４と接続している。なお、主軸トーションバー３の一方の端部が固定枠１と連結していることで、主軸トーションバー３がねじられ、可動部２が揺動するとき、主軸トーションバー３がＸ軸からずれにくい。これによって、可動部２のＸ軸周りの揺動の精度低下を抑制することができる。

そして、変位部４は正面視長方形状であり、一方の短辺が固定枠１と連結された片持ち梁様の構造を有している。変位部４は、固定枠１と一体に形成された保持部４１と、保持部４１の表面に貼り付けられた圧電素子４２（クロスハッチ）とを備えている。保持部４１はＹ方向に延びており、長手方向に曲げ変形可能な部材である。また、圧電素子４２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を含む素子であり、電力が供給されると力（変位）を出力する逆圧電効果を備えている。変位部４は保持部４１と圧電素子４２を張り合わせたユニモルフ構造であり、圧電素子４２に電力を供給することで、固定枠１と連結されていない側の短辺（自由端側の短辺）が厚み方向（図１において、Ｚ方向手前又は奥方向）に変位する。

詳説すると、圧電素子４２に電圧を印加することで、圧電素子４２には圧縮方向或いは引っ張り方向の力が作用する。圧電素子４２に圧縮方向の力が作用すると、圧電素４２が貼り付けられている保持部４１が圧電素子４２側に曲げられる。逆に圧電素子４２に引っ張り方向の力が作用すると、保持部４１は圧電素子４２と反対側に曲げられる。このように、圧電素子４２に作用する圧縮方向の力と引っ張り方向の力とをタイミングよく交互に発生させることで、変位部４は自由端が振動する。

図１に示すように、光スキャナＯＳは４個の変位部４を備えており、Ｙ軸を挟んで対称となるように２個ずつ配置されている。同様に４個の変位部４は、Ｘ軸を挟んで対称となるように２個ずつ配置されている。すなわち、４個の変位部４はＸ軸及びＹ軸を基準に対称となるように配置されている。なお、説明の便宜上、図１において左上の変位部４を変位部４Ａ、左下を４Ｃ、右上を４Ｂ及び右下を４Ｄと称して区別する場合があるが、形状及び大きさは全て同じである。また、図１に示す変位部４では、保持部４１に対して圧電素子４２が小さいものが採用されているが、それに限定されるものではなく、端縁部が重なるように形成された圧電素子４２を張り合わせるものであってもよく、圧電素子４２が保持部４１よりも大きいものを採用してもよい。

接続部５は、主軸トーションバー３と変位部４とを接続している。接続部５の形状は従来例の接続部５と同じであり、従来例の図面である図８も参照して説明する。図１及び図８に示すように、接続部５は、複数個の片持ち梁様のレバー部５１と、隣り合うレバー部５１の端部を接続する折り返し部５２とを備えており、接続部５は平面視蛇行状に形成されている。隣り合うレバー部５１の間には、スリットＳＴが形成されている。図１及び図８に示しているように、接続部５は左辺から切れ込んだスリットＳＴと右辺から切れ込んだスリットＳＴとがレバー部５１を挟んでＹ方向に交互に並んでいる。

なお、接続部５において、スリットＳＴは左右から２個ずつ形成されているが、それに限定されるものではない。また、以下の説明において、それぞれの接続部を区別するために、変位部４Ａと接続する接続部５Ａ、変位部４Ｃと接続する接続部５Ｃ、変位部４Ｂと接続する接続部５Ｂ、変位部４Ｄと接続する５Ｄと示す場合もある。そして、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは左側の主軸トーションバー３ＡＣと、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄは右側の主軸トーションバー３ＢＤとそれぞれ接続している。

接続部５はレバー部５１とスリットＳＴとが交互に並んだ形状であるので、接続部５の両端部にＺ方向のせん断力が作用すると、レバー部５１がねじれつつ曲げられる。よって、接続部５は平面視同じ大きさの平板に比べてＹ軸に沿った平面曲げ（Ｙ軸に沿った方向の曲げ）が容易な（柔軟性が高い）構成となっている。例えば、図１において、変位部４Ａが紙面手前側、変位部４Ｃが紙面奥側に変形した場合（図３の状態）、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは変位部４Ａ、変位部４Ｃの先端の移動にあわせて移動する。このとき、接続部５Ａ及び接続部５ＣがＹ軸に沿ってＺ方向に曲げ変形されるので、変位部４Ａと主軸トーションバー３ＡＣ及び変位部４Ｃと主軸トーションバー３ＡＣとの角度の変化をある程度許容することができる。これにより、変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端のＺ方向の変位が柔軟性の低い接続部を使う場合に比べて大きくなる。

そして、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは主軸トーションバー３ＡＣをねじることができる弾力を備えている。これにより、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端部の変位にあわせ、主軸トーションバー３ＡＣの接続部分をＺ軸方向に引っ張る。変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端部の変位量が大きいので、主軸トーションバー３ＡＣの接続部が引っ張られる量も大きくなり、ねじれも大きくなる。なお、接続部５Ｂ、５Ｄで接続される変位部４Ｂ、４Ｄ及び主軸トーションバー３ＢＤも同様である。

また、本発明の光スキャナＯＳに用いられる接続部として、図８等に示すように蛇行状に形成されている接続部５（５Ａ）を用いているが、これに限定されるものではない。図９に示すような、貫通孔形状のスリットＳＴ１と、左右両側から形成された凹形状のスリットＳＴ２とを交互に配置した形状の接続部７Ａを利用しても、同様に主軸トーションバー３のせん断ひずみを大きくすることが可能である。なお、以下の説明では、主に接続部として図８に示す接続部５として説明するが、接続部７を用いても同様である。以上に示したように、接続部５及び７は、変位部４の変位を妨げにくく、且つ、主軸トーションバー３をねじる方向に引っ張ることができる程度の柔軟性を有するものである。

次に本発明にかかるマイクロスキャナの要部である規制部６０について、図面を参照して説明する。図２に示すように、規制部６０は、固定枠１のＺ方向の両面に貼り付けられたカバー部材６に形成されている。図１、図２に示しているように、規制部６０は主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５とＺ方向に対向している。

カバー部材６は、正面視長方形状の枠体であり、開口６１０を有する長方形状の枠部６１と、枠部６１の長辺の中央部に配置され外側に突出した規制部６０とを備えている。カバー部材６はステンレス等の金属板や樹脂のシートをエッチングすることで開口６１０を形成し、さらに規制部６０が枠部６１よりも薄くなるように、ハーフエッチングを施してある。規制部６０と枠部６１との厚みの差が、規制部６０と主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５のＺ方向の隙間（クリアランスＴ）となる（図２参照）。主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５はクリアランスＴだけ変位（移動）が可能である。なお、規制部６０と連結部２４、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５とのクリアランスＴは、変位部４の変位量、連結部２４の変位量よりも大きく、変位部４の振動や可動部２（連結部２４）の揺動を妨げないことは言うまでもない。

図１に示すように、枠部６１の両方の短辺が固定枠１に接着されており、カバー部材６は正面視において、長手方向がＹ方向と平行であり、可動部２が枠部６１の開口６１０の内部に入る。そして、枠部６１の２つの長辺は変位部４よりも内側に配置されている。カバー部材６が固定枠１にこのように固定されることで、カバー部材６が可動部２及びミラー部２１の揺動の邪魔にならない。そして、規制部６０が可動部２の連結部２４、主軸トーションバー３、変位部４（保持部４１）及び接続部５とＺ方向に対向する。

光スキャナＯＳに、衝撃力がＺ方向に作用した場合、固定枠１と一体の変位部４にはすぐに衝撃力が伝達され瞬時に変位を開始する。一方、主軸トーションバー３も固定枠１と連結されているが、重量の大きな可動部２の動きに引っ張られるので変位部４に対して移動開始が遅れる。このことから、衝撃力が作用した瞬間に、接続部５は変位部４と主軸トーションバー３に引っ張られ、変形量が大きくなる。

変位部４はクリアランスＴ変位すると規制部６０と接触し、それ以上変位しなくなる。一方で、一定時間経過後、可動部２も衝撃が作用した方向に移動するので、主軸トーションバー３も変位部４方向に変位し、接続部５の変形は小さくなる。そして、最終的には可動部２の連結部２４、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５は規制部６０に接触する。

これにより、変位部４と連結部２４、変位部４と主軸トーションバー３のＺ方向の変位差を小さく抑えることができ、接続部５の変形を抑えることができる。これにより、接続部５に作用する変形による応力が、破壊応力以上となるのを抑制し、接続部５の破壊を抑制することができる。また、図示しているように、規制部６０は片持ち梁形状であり、枠部６１より薄く形成されているので、弾性的に曲がりやすい。これにより、連結部２４、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５が接触したとき、弾性的に曲げ変形され、衝撃を緩和することも可能である。

なお、クリアランスＴは、主軸トーションバー３及び変位部４が規制部６０と接触したときに、これらの各部分に作用する変形による応力が破壊応力よりも小さくなるように設定されるものである。例えば、基体として１００μｍのシリコン基板を用いている場合、５０μｍ程度とすることができる。

また、規制部６０と枠部６１との厚みの差が小さいカバー部材６を形成し、枠部６１と固定枠１とをビーズが混入された接着剤を用いて接着してもよい。ビーズを含む接着剤を用いることで、ビーズの外径分、規制部６０を連結部２４、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５から遠ざかるので、十分なクリアランスを保つことができる。なおビーズとしては、クリアランスの不足分を補う大きさのものを挙げることができる。また、規制部６０と枠部６１とを同じ厚みで形成し、ビーズの大きさでクリアランスを確保するようにしてもよい。

さらに、カバー部材６として、金属板、樹脂シートの替わりに基体と同じシリコン基板を用いてもよい。この場合、陽極接合等の方法で固定枠１とカバー部材６とを接合することが可能である。また、カバー部材６をシリコン基板より製作する構成の場合、アレイ状に配列されたウエハ状態で接合し、ダイシングによりチップ化することができ、生産性を高めることも可能である。なお、以下で説明する、異なる実施形態のカバー部材でも同様である。

次に、光スキャナＯＳで光を走査（二次元走査）するときの駆動について詳しく説明する。まず、可動部２のＸ軸周りの揺動について説明する。可動部２は、主軸トーションバー３（３ＡＣ、３ＢＤ）のねじれによって、Ｘ軸周りに揺動（振動）される。主軸トーションバー３のねじれ変形を説明するため、左側の主軸トーションバー３ＡＣのねじれ変形について説明する。なお、主軸トーションバー３ＢＤのねじれ変形もＹ軸に対して対称となっているだけで、実質上同じ動きであり、詳細は省略する。

主軸トーションバー３ＡＣは、変位部４Ａ及び変位部４Ｃが変位することでＸ軸周りにねじられる。例えば、図１において、変位部４ＡをＺ方向手前側、変位部４ＣをＺ方向奥側に変位させるとする。この場合、接続部５Ａは変位部４Ａの自由端側の辺に引っ張られＺ方向手前側に移動し、逆に接続部５Ｃは変位部４Ｃの自由端側の辺に引っ張られＺ方向奥側に移動する（図３参照）。

接続部５Ａ、接続部５Ｃの柔軟性が高い（変形しやすい）ので、上述したように、変位部４Ａ及び変位部４Ｂの自由端側の辺の変位が大きくなる。これにより、接続部５Ａ及び接続部５Ｃを介して変位部４Ａ及び変位部４Ｃと接続されている主軸トーションバー３ＡＣのせん断ひずみ（ねじり方向のひずみ）が大きくなる。

そして変位部４Ａ及び変位部４Ｃが、Ｚ方向手前側とＺ方向奥側にタイミングを合わせて振動することで、主軸トーションバー３ＡＣがＸ軸周りのねじれを繰り返すように振動する。上述したように、変位部４Ｂ及び４Ｄの変位が接続部５Ｂ及び５Ｄで伝達されることで、主軸トーションバー３ＢＤも振動する。そして、変位部４Ａと変位部４Ｂを一組、変位部４Ｃ及び変位部４Ｄを一組とし、それぞれの組の変位部がＺ方向に同じ方向、異なる組の変位部がＺ方向に逆方向となるよう振動させることで、主軸トーションバー３ＡＣと主軸トーションバー３ＢＤの振動を同期させることができる。なお、各変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）が同期していることはいうまでもないことである。

主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤは、ともにＸ軸上に配置されているとともに、可動枠２２のＸ方向の端部に一体連結された連結部２４と連結されている。主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤがねじれ方向に振動することで、連結部２４で主軸トーションバー３ＡＣ、３ＢＤと連結された可動枠２２、すなわち、ミラー２１及びミラートーションバー２３を含む可動部２がＸ軸周りに揺動（振動）される。なお、可動部２の主軸トーションバー３ＡＣ、３ＢＤによる揺動、すなわち、Ｘ軸周りの揺動は数十Ｈｚ（例えば、６０Ｈｚ）程度の低周波である。

なお、ミラー部２１はミラートーションバー２３に揺動可能に保持されているが、ミラートーションバー２３は、可動部２の揺動の中心であるＸ軸と直交しているので、可動部２の揺動によってねじれ方向の力が作用することはない。すなわち、可動部２のＸ軸を中心とする揺動はミラー部２１のミラートーションバー２３による揺動にほとんど影響しない。

次に、ミラー部２１のＸ軸と直交する軸（Ｙ軸）周りの揺動について説明する。ミラー部２１はミラートーションバー２３に保持されており、ミラートーションバー２３のねじれによって揺動される。ミラートーションバー２３は変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）がミラートーションバー２３の共振周波数で振動することで、共振し、揺動する。

さらに詳しく説明すると、以下のとおりである。変位部４Ａ及び変位部４Ｃを組とし、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄを組として、同じ組の変位部はＺ方向の同方向に、異なる組の変位部はＺ方向の異なる方向に振動させる。まず、図１において、変位部４Ａ及び４ＣをＺ方向手前側、変位部４Ｂ及び変位部４ＤをＺ方向奥側に変位させた場合を例に説明する。変位部４Ａ及び変位部４ＣがＺ方向手前側に変位すると、接続部５Ａ及び５ＣがともにＺ方向手前側に変位する。そして、主軸トーションバー３ＡＣは接続部５Ａ及び接続部５Ｃに引っ張られ、可動部２側がＺ方向手前側となるように曲げられる。主軸トーションバー３ＡＣの曲げ変形によって、可動部２の連結部２４が持ち上げられる。なお、接続部５Ａ及び接続部５Ｃが蛇行状に形成されているので、ねじれ方向にも変形しやすく、主軸トーションバー３ＡＣの変位を大きくすることができる。

主軸トーションバー３ＢＤも主軸トーションバー３ＡＣと同様に、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄ、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄによって曲げられる。なお、主軸トーションバー３ＢＤの曲げ方向は主軸トーションバー３ＡＣと反対のＺ方向奥側である。主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤの曲げ変形によって、可動部２がＹ軸周りにねじられる。

そして、変位部４Ａ及び変位部４Ｃの組、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄの組を交互に変位させることで、可動部２がミラートーションバー２３の主軸周りに揺動（振動）する。この可動部２の揺動の振動数をミラートーションバー２３及びミラー部２１の共振周波数とすることで、ミラートーションバー２３は励振されてねじれ方向の振動が発生する。これにより、ミラートーションバー２３に保持されているミラー部２１が揺動される。なお、ミラー部２１のミラートーションバー２３のねじれによる揺動（振動）の周波数は、数十ｋＨｚ（例えば、３０ｋＨｚ）の高周波である。

変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）を以上のように振動させることで、可動部２がＸ軸周りに低周波で揺動されるとともに、可動枠２２と独立してミラー部２１がＹ軸周りに高周波で揺動される。ミラー部２１で光を反射しつつ可動部２を低周波で、ミラー部２１を高周波で揺動させることで、光スキャナＯＳは光を２次元走査している。

本発明にかかる光スキャナＯＳは、その小型、軽量であるという特徴から、携帯電話、デジタルカメラ等の携帯用の電子機器に搭載されることが想定されている。携帯用の電子機器は強く振り回されたり、落下したりすることがあり、この場合、光スキャナＯＳには強い衝撃（数千Ｇ程度の加速度）が作用することもある。光スキャナＯＳの場合、Ｚ方向に衝撃が作用すると、その衝撃力による移動は、固定枠１と直接連結されている部分、すなわち、主軸トーションバー３、変位部４にはすぐに伝わるが、可動部２には遅れて伝わる。このことは、光スキャナＯＳにＺ方向の衝撃が作用したとき、変位部４（の自由端）はすぐにＺ方向に移動（変位）するが、可動部２は少し遅れて移動することを意味している。

光スキャナＯＳの駆動中に、光スキャナＯＳにＺ方向に衝撃による力が作用した場合、変位部４が最も変位したときに衝撃が作用することもありえる。変位部４が最も変位しているとき、接続部５の変形も最大となっている。この状態でＺ方向に衝撃が作用すると、主軸トーションバー３は重量の大きな可動部２の動きに引っ張られるので移動開始が遅れる。一方で、変位部４はすぐに変位（変形）を開始するので、接続部５は変位部４と主軸トーションバー３に引っ張られ、変形量が大きくなる。

その後、変位部４は一定距離変位した後に規制部６０と接触し、それ以上変位しなくなる。一方で、可動部２も衝撃が作用した方向に移動するので、主軸トーションバー３も変位部４と同じ方向に変位し、接続部５の変形は小さくなる。そして、最終的には可動部２の連結部２４、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５は規制部６０に接触する。

以上のことより、変位部４と主軸トーションバー３或いは連結部２４との変位差で接続部５の変形を抑制し、変形による応力が破壊応力を超えるのを抑制することができる。このことから、接続部５の破壊を抑制することができる。なお、本実施形態の光スキャナＯＳにおいて、規制部６０は、変位部４の接続部５と接続している部分の近傍のみと対向しているが、これに限定されるものではなく、変位部４の自由端側の辺の半分と対向する形状であってもよいし、全部と対向する形状であってもよい。

また、本実施例の光スキャナＯＳにおいて、カバー部材６の枠部６１は、規制部６０のみが他の部分よりも薄くなるように形成されているが、それに限定されるものではなく、枠部６１の固定枠１との接着部分以外の部分を薄く形成してもよい。

本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの他の例について図面を参照して説明する。図４は本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナの他の例の正面図であり、図５は、図４に示す光スキャナをＶ−Ｖ線で切断した断面図及び規制部を拡大した断面図である。図４に示す光スキャナＯＳ２は規制部８０を含むカバー部材８の形状が異なる以外、図１等に示す光スキャナＯＳと同じ構成を有しており、実質上、同じ部分には同じ符号が付してある。

光スキャナＯＳ２は、固定枠１のＺ方向の両面に貼り付けられた正面視長方形状のカバー部材８を備えている。カバー部材８の材質、製造方法、固定枠１への接着方法は、カバー部材６と同じであり、詳細は省略する。カバー部材８は、正面視長方形状の枠部８１と、枠部８１の対向する辺の中間部分より、枠部８１に形成されている開口８１０に向かって突出する平面視長方形状の規制部８０とを備えている。

図４に示しているように、枠部８１は正面視、固定枠１と略同じ大きさの枠体である。なお、図４では、説明の便宜上、枠部８１は固定枠１よりも小さく表示しているが、同じ大きさであってもよく、枠部８１の方が固定枠１よりも大きくてもよい。正面視において、枠部８１の開口８１０は、内部に、可動部２、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５が入るように形成されている。また、枠部８１が固定枠１の外周部に接着固定されるので、枠部８１は、光スキャナＯＳ２の補強としても作用する。

図４に示すように、枠部８１を固定枠１に接着固定すると、規制部８０は、可動部２の連結部２４、主軸トーションバー３、変位部４の保持部４１の自由端及び接続部５とＺ軸方向に重なる（対向する）。カバー部６と同様に、カバー部８の規制部８０の厚さは枠部８１よりも薄いので、固定枠１に枠部８１を接着固定したとき、規制部８０と可動部２の連結部２４、主軸トーションバー３、変位部４の保持部４１の自由端及び接続部５との間には規制部６０と同様のクリアランスＴが形成される（図５参照）。

詳細な動作についてはカバー部６を備えた光スキャナＯＳと同じであり省略するが、光スキャナＯＳ２にＺ方向の衝撃力が作用した場合であっても、連結部２４、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５が規制部８０と接触し、変位部４と主軸トーションバー３との変位差を小さくすることができるので、接続部５の変形を抑えることができ、接続部５に変形により作用する応力が、破壊応力を超える応力となるのを抑制することができる。これにより、衝撃力が作用した場合であっても、接続部５が破損するのを抑制することができる。

本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナのさらに他の例について図面を参照して説明する。図６は本発明にかかるマイクロスキャナを採用した光スキャナのさらに他の例の正面図である。図６に示す光スキャナＯＳ３は固定枠１０、変位部４０及び規制部６００が異なる以外は図１に示す光スキャナＯＳと同じ構成であり、実質上、同じ部分には同じ符号が付してある。

図６に示すように、変位部４０は、Ｘ方向に延びる梁状のレバー部４００がＹ方向に配列されており、隣り合うレバー部４００のＸ方向の端部を交互に連設する連設部４０１とを備えている。そして、レバー部４００の上部に圧電素子４０２が貼り付けられている。そして、主軸トーションバー３と変位部４０とは接続部５を介して接続されている。そして、規制部６０は連設部４０１のＸ方向外側に配置される部分より、さらに外側に突出するように形成された正面視長方形状の板部材である。そして、固定枠１０には、規制部６０が非接触で配置されるように凹部１０１が形成されている。そして、規制部６０と凹部１０１とのＹ方向の隙間及びＸ方向の隙間は小さい。

図６に示す光スキャナＯＳ３は、変位部４０が蛇行状に形成されており、光スキャナＯＳ３にＸ方向或いはＹ方向に力が作用すると、変位部４０がＸ方向又はＹ方向に変形する。このような形状で、変位部４０がＸ方向に変形しても、Ｙ方向に変形しても規制部６００が凹部１０１の内壁部と接触し、力を支えるので、変位部４０、主軸トーションバーのＸ方向及び（又は）Ｙ方向の変位差を小さく抑えることができ、接続部５の変形を抑えることができる。これにより、接続部５の変形による応力が破壊応力以上となることを抑制し、接続部５が破損しにくい。なお、接続部として接続部５を採用しているが、接続部７が採用されている場合でも同様である。

上記各実施例では、本発明のマイクロスキャナの例として、光を２次元走査する光スキャナを挙げているが、光を直線上に走査する１次元走査の光スキャナに用いることも可能である。この場合、可動部の全体或いは一部がミラー部に形成されているとともに、ミラー部が可動枠に固定されている（ミラートーションバーに揺動可能に支持されていない）ものを挙げることができる。また、上記各実施例において、マイクロスキャナとして、ミラー部で光を反射する光スキャナを例に説明しているが、それに限定されるものではなく、ミラー部に替わる光学素子としてレンズを用いるものやＬＥＤ、レーザダイオード等の自発光素子を用いるものであってもよい。さらに、可動部の動力源（アクチュエータ）として片持ち梁状の保持部に圧電素子を貼り付けたバイモルフ構造の変位部を採用しているが、それに限定されるものではなく、片持ち梁形状であるとともに、コイル、永久磁石等を用い、電磁気力で変位する変位部を採用してもよい。

さらに、上述の各実施形態では、変位部で発生する変位で主軸トーションバーをねじることで、主軸トーションバーに保持されている可動部を揺動しているが、変位部と可動部とを接続部を介して接続する構成とし、変位部で発生する変位で可動部を揺動する構成であってもよい。

上記実施形態の説明は、本発明を説明するためのものであって、特許請求の範囲に記載の発明を限定し、或いは範囲を減縮する様に解すべきではない。本発明の各部構成は上記実施形態に限らず、特許請求の範囲に記載の技術的範囲内で種々の変形が可能であることは勿論である。

本発明は、携帯電話、デジタルカメラ等の小型の携帯型の電子機器に搭載されるマイクロスキャナに適用することが可能である。

ＯＳ 光スキャナ
１ 固定枠
１１ 包囲部
１２ 開口
２ 可動部
２１ ミラー部
２２ 可動枠
２３ ミラートーションバー
２４ 連結部
３ 主軸トーションバー
４ 変位部
４１ 保持部
４２ 圧電素子
５ 接続部
５１ レバー部
６ カバー部材
６０ 規制部
６１ 枠部
６００ 規制部
７ 接続部
８ カバー部材
８０ 規制部
８１ 枠部
ＳＴ スリット

Claims (12)

1. 可動部と、
   前記可動部を囲む固定枠と、
   前記可動部を揺動可能に支持する主軸部と、
   前記可動部又は前記主軸部に変位を与える変位部とを有するマイクロスキャナであって、
   前記変位部の変位を規制する規制部を備えていることを特徴とするマイクロスキャナ。
2. 前記可動部又は前記主軸部と前記変位部とは変形しやすい接続部を介して接続されている請求項１に記載のマイクロスキャナ。
3. 前記規制部は前記可動部の変位も規制する請求項１又は請求項２に記載のマイクロスキャナ。
4. 前記規制部は前記主軸部の変位も規制する請求項１から請求項３のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
5. 前記規制部は、前記固定枠の厚み方向の端面に貼り付け固定される枠状のカバー部に形成されている請求項１から請求項４のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
6. 前記規制部は前記カバー部より片持ち梁状に突出している請求項５に記載のマイクロスキャナ。
7. 前記変位部は、前記固定枠と連結された片持ち梁状の保持部と、前記保持部の表面に貼り付けられた逆圧電効果を有する圧電素子と備えたユニモルフ構造である請求項１から請求項６のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
8. 前記変位部は、前記固定枠と連結された片持ち梁状の保持部と、前記保持部にコイル又は磁石が配置されており、前記保持部が電磁力で変位する請求項１から請求項６のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
9. 前記変位部は梁状のレバー部を蛇行状に形成した保持部と、前記保持部の表面に貼り付けられた逆圧電効果を有する圧電素子とを備えたユニモルフ構造を有しており、
   前記規制部は前記変位部の前記保持部と一体に形成されており、
   前記規制部は前記固定枠に形成されている凹部内に配置されている請求項１又は請求項２に記載のマイクロスキャナ。
10. 前記可動部は、少なくとも一部に光を反射するミラー部を備えている請求項１から請求項９のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
11. 前記可動部は、前記ミラー部を囲む可動枠と、前記ミラー部を前記可動枠に揺動可能に支持し、前記主軸方向と交差する方向に延びるミラートーションバーとを備えている請求項１０に記載のマイクロスキャナ。
12. 請求項１〜請求項１１のいずれかに記載のマイクロスキャナを搭載する光学機器。

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