JP2012128293A - 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】簡単な構成で、消費電力の増加、偏向角や走査性能の低下を招くことのないマイクロスキャナを提供する。
【解決手段】接続部５が、主軸部３又はアクチュエータ４の少なくとも一方と第１伝達部５３（５４）を介して接続されるトーションバー５１を有するとともに、主軸部３とアクチュエータ４との間に第２伝達部５２で連結される部分を有し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９は従来のマイクロスキャナの正面図である。図９に示すように、従来のマイクロスキャナは、固定枠９１と、変動部９２と、変動部９２を揺動（振動）可能に支持する主軸部９３と、主軸部９３と接続し、主軸部９３にねじれ方向の変位（力）を付与するアクチュエータ９４とを備えている。

変動部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部９３と直交し、可動枠９２２と接続されたミラートーションバー９２３とを備えている。

主軸部９３及びアクチュエータ９４は固定枠９１と一体に形成されている。アクチュエータ９４は主軸部９３を挟んで対向配置されており、対向配置されたアクチュエータ９４のそれぞれと主軸部９３とは接続部５を介して接続されている。アクチュエータ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。

対向配置されたアクチュエータ９４が振動することで、各アクチュエータ９４の先端の変位差によって、主軸部９３はねじられ、主軸部９３に支持されている変動部９２は揺動される。また、アクチュエータ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、変動部９２が主軸部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変動部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、小型化が可能である。そこで、アクチュエータ９４と主軸部９３とを接続する接続部９５を柔軟性を有する構成とし、偏向角を大きくする方法が提案されている。

例えば、特開２００８−２０３２９９号公報に記載のマイクロスキャナでは、図１０に示すように、接続部９５は、貫通孔形状のスリット９５０と、スリット９５０と近接したトーションバー９５１を配列した構造とすることで、接続部９５が曲がりやすく（変形しやすく）なっている。また、特開２００９−８０３７９号公報に記載のマイクロスキャナでは、図１１に示すように、接続部９７をレバー部９７１とスリット９７０を交互に配置した蛇行構造とすることで、接続部９７がレバー部９７１の配列方向に曲がりやすく（変形しやすく）なっている。
特開２００８−２０３２９９号公報 特開２００９−８０３７９号公報

特開２００８−２０３２９９号公報に記載の発明では、アクチュエータの短辺全体が接続部と接続しているので、前記アクチュエータの短辺と主軸部とのねじれを発生させにくく、ミラーを水平方向に走査させにくい。また、走査させることができるとしても、偏向角が小さくなったり、駆動電力（消費電力）が多く必要であったりして効率が悪い。

また、特開２００９−８０３７９号公報に記載の発明では、接続部が蛇行形状に形成されているので、前記レバー部が長く、前記レバー部で発生するモーメントが大きくなる。これにより、偏向角を大きくしたり、揺動速度を上げると、前記レバー部や前記レバー部を連結する部分に応力が集中しやすく破損しやすい。

そこで本発明は、簡単な構成で、消費電力の増加、偏向角や走査性能の低下を招きにくい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、光学素子を保持した揺動部と、前記揺動部を揺動可能に支持する支持軸部と、前記支持軸部を介し前記揺動部を支持する可動枠と、前記可動枠の外周部と連結され前記支持軸部と交差する方向に延びる主軸部と、前記主軸部に動力を伝達させるアクチュエータと、前記アクチュエータの端部と前記主軸部とを接続する接続部とを備えている。そして、前記接続部は、前記主軸部に平行なトーションバーと、前記トーションバーの長手方向の両端部に設置された２個の第１伝達部と、前記２個の第１伝達部の間で前記トーションバーに設置された第２伝達部とを有しており、前記接続部は、前記主軸部又は前記アクチュエータの少なくとも一方と前記第１伝達部を介して接続されるトーションバーを有するとともに、前記主軸部と前記アクチュエータとの間に前記第２伝達部で連結される部分を有している。

この構成によると、主軸部及び（又は）アクチュエータとトーションバーとの間にねじれが発生しにくく、前記トーションバーがたわみ変形しにくい。また、前記主軸部と前記アクチュエータとの間に前記第２伝達部で連結される部分を有しているので、前記アクチュエータと前記主軸部が位置的にねじれるように変形する場合でも、前記アクチュエータから前記主軸部に伝達される力を妨げる力が発生しにくい。

上記構成において、前記接続部が、前記アクチュエータの前記端部の前記可動枠に最も近い部分と前記主軸部とを接続していてもよい。この構成によると、前記アクチュエータの変位量が小さくても、前記主軸部の変位量を大きくすることができる。

上記構成において、前記第２伝達部が、前記トーションバーの中心に設置されていてもよい。

上記構成において、前記接続部は、平行に配置された２個のトーションバーを有しており、前記トーションバーの一方は前記２個の第１伝達部で前記主軸部と接続され、他方は前記２個の第１伝達部でアクチュエータと接続されており、前記２個のトーションバー同士が、前記第２伝達部で連結されていてもよい。

上記構成において、前記アクチュエータは、前記固定枠に接続し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を備えたユニモルフ構造であってもよい。

上記構成において、前記固定枠に接続し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。

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、簡単な構成で、消費電力の増加、偏向角や走査性能の低下を招きにくい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の一例の平面図である。 本発明にかかるマイクロスキャナのアクチュエータ及び主軸部とが接続されている部分の拡大図である。 本発明にかかるマイクロスキャナに備えられている接続部の拡大図である。 シミュレーションを行ったマイクロスキャナのモデルの平面図である。 図４に用いられた接続部の拡大図である。 本発明にかかるマイクロスキャナに採用されている接続部の他の例の拡大図である。 本発明にかかるマイクロスキャナに採用されている接続部の他の例の拡大図である。 本発明にかかるマイクロスキャナに採用されている接続部の他の例の拡大図である。 従来のマイクロスキャナの正面図である。 従来のマイクロスキャナに用いられている接続部の拡大図である。 従来のマイクロスキャナに用いられている接続部の拡大図である。

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次元走査型のマイクロ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の平面図である。図１に示すようにマイクロスキャナＯＳは、固定枠１と、変動部２（右上りハッチ）と、主軸部３と、アクチュエータ４と、接続部５とを備えている。なお、図１に示すマイクロスキャナＯＳの平面図に対して、左右方向をＸ方向とし、マイクロスキャナ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、マイクロスキャナ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、紙面厚み方向をＺ方向とし、Ｘ軸及びＹ軸の交差点からＺ方向に延びる軸をＺ軸としている。以下の説明においても、同様にＸ軸、Ｙ軸及びＺ軸を用いて説明する。

図１に示すように固定枠１は、変動部２、主軸部３、アクチュエータ４及び接続部５を囲む長方形状の板状部材である。固定枠１、変動部２、主軸部３、アクチュエータ４の後述の保持部４１及び接続部５は、変形可能なシリコン基板等で形成された平面視矩形状の基体にエッチングを施すことで、作製される。

なお、基体として、１００μｍ程度の厚さのものが用いられるが、それに限定されるものではない。上述の各部を一枚の基体（基板）にエッチングを施すことで形成しているので、上述の各部の大きさや、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。

変動部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、変動部２は、主軸部３と接続している。変動部２は、揺動部であるミラー部２１と、可動枠２２と、支持軸部であるミラートーションバー２３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、金属薄膜として、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分の両方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、Ｙ軸方向の両端部であるが、これに限定されるものではない。

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、変動部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に一体的に接続されている。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軸周りに精度良く揺動される。

次に主軸部３について新たな図面を参照して説明する。図２は本発明にかかるマイクロスキャナのアクチュエータと主軸部とが連結されている部分の拡大図である。図１及び図２に示しているように、主軸部３は可動枠２と連設された長尺部材である。マイクロスキャナＯＳでは、停止状態のとき、主軸部３の中心軸がＸ軸と重なっている。

図１に示すように、主軸部３の先端は、主軸部３よりも細く形成された梁部３０と接続しており、梁部３０を介して固定枠１の長辺部の中央部分と接続されている。なお、梁部３０も主軸部３と同様に、Ｘ軸と重なる。そして、主軸部３は変動部２の近傍で接続部５を介して、アクチュエータ４と連結されている。

アクチュエータ４は正面視長方形状であり、一方の短辺が固定枠１と接続され、長手方向が固定枠１の長手方向と同じ方向の片持ち梁様の構造を有している。他方の短辺（自由端側の短辺）は、主軸部３及び梁部３０と平行となっている、すなわち、短辺がＸ軸と平行となるように形成されている。なお、アクチュエータ４はこれに限定されるものではなく、主軸部３からＹ方向に遠ざかるにつれ広がる台形状であってもよい。アクチュエータ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（図中クロスハッチ部）とを備えている。保持部４１はＹ方向に延びており、長手方向にたわむことが可能な部材である。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発揮する。アクチュエータ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と接続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には縮み方向或いは伸び方向の力が作用する。圧電素子４２に縮み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との長さの差が発生し、保持部４１が圧電素子４２側に曲げられる。逆に圧電素子４２に伸び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に作用する縮み方向の力と伸び方向の力とをタイミングよく交互に発生させることで、アクチュエータ４は自由端がＺ方向に振動する。

図１に示すように、マイクロスキャナＯＳは形状及び大きさは全て同じ４個のアクチュエータ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個のアクチュエータ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個のアクチュエータ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。また、図１に示すアクチュエータ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。

次に、接続部５の詳細について図面を参照して説明する。図３は本発明にかかるマイクロスキャナに備えられている接続部の一例の拡大図である。接続部５は、主軸部３とアクチュエータ４とを接続している。図２、図３に示すように、接続部５は、平行に配置された２本のトーションバー５１と、トーションバー５１同士を連結する連結部５２と、トーションバー５２と主軸部３とを接続する主軸伝達部５３と、トーションバー５２とアクチュエータ４とを接続する駆動伝達部５４とを備えている。なお、ここでは、主軸伝達部５３及び駆動伝達部５４が第１伝達部であり、連結部５２が第２伝達部である。

図２、図３に示すように、トーションバー５１は、主軸部３とアクチュエータ４との間に間隙を開けて平行に配置された棒状の部材である。なお、便宜上、主軸部３側のトーションバー５１をトーションバー５１α、アクチュエータ４側のトーションバー５１をトーションバー５１βとして説明する。トーションバー５１αとトーションバー５１βは、主軸部３の長さ方向の位置が同じになるように配置されている。トーションバー５１αの長手方向両端部には主軸伝達部５３が連設されている。また、トーションバー５１βの長手方向両端部には駆動伝達部５４が連設されている。すなわち、トーションバー５１αは両端部の２カ所が主軸伝達部５３を介して主軸部３と接続されており、トーションバー５１βは両端部の２カ所が駆動伝達部５４を介してアクチュエータ４の保持部４１の自由端と接続されている。そして、トーションバー５１αとトーションバー５１βとは、長手方向中央で連結部５２を介して連結されている。

接続部５は、アクチュエータ４の動きによって、異なる変形をする。すなわち、主軸部３を挟んで配置されるアクチュエータ４の端部の変異が主軸部３を挟んで反対側に動く場合と同じ方向に動く場合とによって、接続部５の変形（力の伝達）は変わる。そこで、まず、反対方向に動く場合について説明し、その後、同じ方向に動く場合について説明する。

アクチュエータ４の端部が主軸部３を挟んで反対側に移動する場合、接続部５は、アクチュエータ４の端部のＺ方向の振動によるＺ方向の力を、主軸部３（及び梁部３０）をねじる力に変換している。すなわち、アクチュエータ４の端部の力が駆動伝達部５４を介してトーションバー５１βに伝達される。トーションバー５１βには長手方向の両端部に駆動伝達部５４からＺ方向の力が入力される。また、トーションバー５１βは、長手方向中央部で連結部５２を介し、トーションバー５１αと連結されている。駆動伝達部５４と連結部５２とは、トーションバー５１βを挟んで逆方向に延びており、トーションバー５１βに駆動伝達部５４から力が入力されると、トーションバー５１βはねじられる。これにより、アクチュエータ４から駆動伝達部５４に直線方向の力として入力された力は、トーションバー５１βでねじれ方向の力に変換され、連結部５２に伝達される。

連結部５２に伝達されたねじれ方向の力は、トーションバー５１αに伝達され、トーションバー５１αはねじられる。トーションバー５１αもトーションバー５１βと同じ構成、すなわち、連結部５２とＹ方向反対側の両端部に主軸部３と接続する主軸伝達部５３を備えている。トーションバー５１αのねじれ力は主軸伝達部５３を介し、主軸部３に伝達される。主軸伝達部５３は主軸部３の長手方向２カ所で接続しており、主軸伝達部５３からの力は、主軸部３にせん断力として伝達される。

このように、アクチュエータ４の力（変位）は、接続部５を介して主軸部３にせん断力、すなわち、主軸部３をねじる方向の力として伝達される。そして、マイクロスキャナＯＳでは、２個のアクチュエータ４が接続部５を介して主軸部３に接続しており、主軸部３に接続する２個のアクチュエータ４がＺ方向の異なる方向に振動するので、主軸部３はねじれ方向に変形する。

図２、図３に示しているように、接続部５において、トーションバー５１αとトーションバー５１βの長さが同じで、主軸の長さ方向に対する位置も同じになるように配置されている。また、主軸伝達部５３がトーションバー５１αの両端に連設されており、駆動伝達部５４がトーションバー５１βの両端に連接されている。そして、トーションバー５１α及びトーションバー５１βがそれぞれの中心で連結部５２に連結されている。さらに、主軸伝達部５３、駆動伝達部５４及び連結部５２がＹ軸と平行となるように形成されているので、接続部５は連結部５２の中心線を挟んで線対称となる形状を有している。

これにより、トーションバー５１αの各主軸伝達部５３から連結部５２までの部分の変形（伝達される力）は等しくなる。同様に、トーションバー５１βの各駆動伝達部５４から連結部５２までの部分の変形（伝達される力）も等しくなる。これにより、連結部５２、主軸伝達部５３及び駆動伝達部５４にねじれ方向の力が作用するのを抑制でき、主軸部３が回転振動するときの軸のぶれを抑制することが可能である。また、接続部５を従来の蛇行形状とする場合に比べ、トーションバー５１αの主軸伝達部５３と連結部５２との長さが短く、トーションバー５１βの駆動伝達部５３と連結部５２との長さが短いので、トーションバー５１α、トーションバー５１βに作用する曲げモーメントを減らすことができる。これにより、トーションバー５１α、トーションバー５１βの破損を抑制することができる。また、これにより、主軸伝達部５３及び駆動伝達部５４のＹ軸と平行な軸周りのねじりトルクの発生を抑えることができ、主軸伝達部５３及び駆動伝達部５４の破損も抑制することができる。

次に、主軸部３を挟んで配置されたアクチュエータ４の端部が、主軸部３に対し同じ方向に変形する場合について説明する。２個のアクチュエータ４の端部が主軸部３に対して同じ方向に変形すると、各アクチュエータ４と接続されたトーションバー５１βはアクチュエータ４の自由端と同じ方向に変位する。すなわち、主軸部３のＹ方向両側と接続している接続部５それぞれのトーションバー５１βは主軸部３に対してＺ方向の同じ側に変位する。このとき、主軸部３には、接続部５を介してＺ方向の力が作用している。主軸部３は先端が梁部３０を介して固定枠１と連結されているので、主軸部３にＺ方向の力が作用すると、可動枠２２と連接されている側が、梁部３０と連設されている側に比べて、Ｚ方向に遠くなるように変位する。すなわち、主軸部３は、Ｘ軸及びＹ軸で決定される平面に対して、角度をなすように変位する。一方でアクチュエータ４の自由端は、Ｘ軸と平行を保ったまま変位する。

このことから、アクチュエータ４が変位したとき、主軸部３とアクチュエータ４の自由端は、Ｙ軸と平行な軸周りにねじれの位置となる。主軸部３は主軸伝達部５３を介してトーションバー５１αと接続しており、アクチュエータ４の端部は駆動伝達部５４を介してトーションバー５１βと接続している。このとき、接続部５が上述したように連結部５２の中心線を挟んで線対称に形成されているので、連結部５２がねじれるときに軸ぶれしにくく、軸ぶれによる主軸部３の変位を妨げる力を抑えることができる。すなわち、アクチュエータ４より発生する力（変位）が小さくても主軸部３を変位させることが可能である。

次に、マイクロスキャナＯＳで光を走査するときの駆動について詳しく説明する。なお、以下の説明では、図１において左上のアクチュエータ４をアクチュエータ４Ａ、左下を４Ｃ、右上を４Ｂ及び右下を４Ｄと称して区別する。また、それぞれの接続部を、アクチュエータ４Ａと接続する接続部５Ａ、アクチュエータ４Ｃと接続する接続部５Ｃ、アクチュエータ４Ｂと接続する接続部５Ｂ、アクチュエータ４Ｄと接続する接続部５Ｄとする。そして、接続部５Ａ及び接続部５Ｃと接続する左側の主軸部３を主軸部３ＡＣ、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄと接続する右側の主軸部３を主軸部３ＢＤとする。

まず、変動部２のＸ軸周りの揺動について説明する。変動部２は、主軸部３（３ＡＣ、３ＢＤ）のねじれによって、Ｘ軸周りに揺動（振動）される。主軸部３のねじれ変形を説明するため、左側の主軸部３ＡＣのねじれ変形について説明する。なお、主軸部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。

主軸部３ＡＣは、上述しているように、アクチュエータ４Ａ及びアクチュエータ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、アクチュエータ４Ａを紙面手前側、アクチュエータ４Ｃを紙面奥側に変位させるとする。この場合、接続部５Ａはアクチュエータ４Ａの自由端に引っ張られ紙面手前側に移動し、逆に接続部５Ｃはアクチュエータ４Ｃの自由端に引っ張られ紙面奥側に移動する。

接続部５Ａ、接続部５Ｃの柔軟性が高い（変形しやすい）ので、アクチュエータ４Ａ及びアクチュエータ４Ｃの自由端の動きを抑制しにくく、アクチュエータ４Ａ及びアクチュエータ４Ｃの自由端の変位は大きくなる。これにより、接続部５Ａ及び接続部５Ｃを介してアクチュエータ４Ａ及びアクチュエータ４Ｃと接続されている主軸部３ＡＣのせん断ひずみ（ねじり方向のひずみ）も大きくなる。

そしてアクチュエータ４Ａ及び４Ｃは、紙面手前側と紙面奥側にタイミングを合わせて振動することで、主軸部３ＡＣはねじれを繰り返すように振動する。上述したように、アクチュエータ４Ｂ及び４Ｄの変位（せん断力）が接続部５Ｂ及び５Ｄで伝達されることで、主軸部３ＢＤも振動する。そして、アクチュエータ４Ａとアクチュエータ４Ｂを一組、アクチュエータ４Ｃ及びアクチュエータ４Ｄを一組とし、それぞれの組のアクチュエータが紙面（Ｘ軸及びＹ軸で決定される面）に対し同方向、異なる組のアクチュエータが紙面に対し逆方向となるよう振動させることで、主軸部３ＡＣと主軸部３ＢＤを同期させてねじれ方向に振動させることができる。なお、各アクチュエータ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。

主軸部３ＡＣ及び主軸部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方向の端部に接続されている。主軸部３ＡＣ及び主軸部３ＢＤがねじれ方向に振動されることで、主軸部３ＡＣ、３ＢＤと接続された可動枠２２、すなわち、ミラー２１及びミラートーションバー２３を含む変動部２がＸ軸周りにねじれ方向に振動（揺動）される。なお、変動部２の主軸部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、変動部２の揺動の中心であるＸ軸と直交しているので、変動部２の陽動によってねじれ方向の力が作用することはない。変動部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（変動部２が停止しているときの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はアクチュエータ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。アクチュエータ４Ａ及びアクチュエータ４Ｃを組とし、アクチュエータ４Ｂ及びアクチュエータ４Ｄを組として、同じ組のアクチュエータは紙面に対して同方向に、異なる組のアクチュエータは紙面に対して異なる方向に振動させる。まず、図１において、アクチュエータ４Ａ及び４Ｃを紙面手前側、アクチュエータ４Ｂ及びアクチュエータ４Ｄを紙面奥側に変位させた場合を例に説明する。アクチュエータ４Ａ及びアクチュエータ４Ｃが紙面手前側に変位すると、接続部５Ａ及び５Ｃがともに紙面手前側に変位する。そして、主軸部３ＡＣは接続部５Ａ及び接続部５Ｃに引っ張られ、変動部２側が紙面手前側となるように曲げられる。主軸部３ＡＣの曲げ変形によって、変動部２が持ち上げられる。なお、接続部５Ａ及び接続部５Ｃがねじれ方向にも変形しやすく、主軸部３ＡＣの変位を大きくすることができる。

主軸部３ＢＤも主軸部３ＡＣと同様に、アクチュエータ４Ｂ及びアクチュエータ４Ｄ、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄによって曲げられる。なお、主軸部３ＢＤの曲げ方向は主軸部３ＡＣと反対の紙面奥側である。主軸部３ＡＣ及び主軸部３ＢＤの曲げ変形によって、変動部２がＸ軸と直交する軸（ミラートーションバー２３の主軸であり停止時はＹ軸）周りにねじり方向に変位される。

そして、アクチュエータ４Ａ及びアクチュエータ４Ｃの組、アクチュエータ４Ｂ及びアクチュエータ４Ｄの組を交互に変位させることで、変動部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。この変動部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。

アクチュエータ４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）を以上のように振動させることで、変動部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Ｘ軸と直交する軸周りに高周波で揺動される。ミラー部２１で光を反射しつつ変動部２を低周波で、ミラー部２１を高周波で揺動させることで、光が走査される。

上述したように、マイクロスキャナＯＳによって、変動部２をＸ軸周りに低周波で揺動しつつ（垂直走査）、ミラートーションバー２３周りにミラー部２１を高周波で揺動することができる（水平走査）。

次に、接続部５のアクチュエータ４の端部の辺に対する位置について説明する。接続部５と主軸部３との接続部分の変動部２からの位置によって駆動に要する電力が変化することがわかっている。接続部５の変動部２からの位置と、同じ偏向角を発生させるために必要な供給電力の変化とを確認するためのシミュレーションを行った。シミュレーションを行ったマイクロスキャナのモデルを図面を参照して説明する。図４はシミュレーションを行ったマイクロスキャナのモデルの平面図であり、図５は図４に示すモデルの接続部の拡大図である。図４に示すように、アクチュエータ４は主軸との接続部側がの辺が短い台形状となっている。

接続部５は、図５に示しているように、２本のトーションバー５１と、連結部５２、主軸伝達部５３及び駆動伝達部５４を備える構成となっている。なお、連結部５２はトーションバー５１の中心と接続しており、主軸伝達部５３及び駆動伝達部５４はトーションバー５１の両端部と接続している。トーションバー５１の連結部５２と主軸伝達部５３又は駆動伝達部５４との間の長さが５０μｍであり、連結部５２、主軸伝達部５３及び駆動伝達部５４の幅が５μｍである。

そして、この接続部５がアクチュエータ４の短辺の最も変動部２と接続するもの、すなわち、変動部側の端部からの距離Ｌ１を０μｍに接続部５が形成されているモデルを作成した。さらに比較するために接続部５を変動部２に近接した部分から、順に２５０μｍ、５００μｍ、１４５０μｍ離れた位置に接続部を備えた複数のモデルを準備した。なお、モデル化及び解析にはシーメンス社のI-Deasを利用した。解析の手順は以下の通りである。なお、１４５０μｍのモデルでは、接続部５のＸ方向の中心と、アクチュエータ４の短辺のＸ方向の中心とが重なっている。

接続部５の位置を変えたそれぞれのモデルに対し、固有値解析を行い、Ｙ軸周りのミラー部２１の共振周波数を算出し、その共振周波数で一定の偏向角度が達成される駆動電圧を周波数応答解析によって求めた。各モデルにおける駆動電圧について表１に示す。

以上のシミュレーション結果より、接続部５がアクチュエータ４の短辺の変動部２側の端部に配置されているときの駆動電圧は５．８Ｖである。そして、接続部５が変動部２から遠ざかるほど、駆動電圧が大きくなっている。そして、接続部５がアクチュエータ４の短辺のＸ方向の中心と接続するもの（距離１４５０μｍのもの）の駆動電圧は９３．９Ｖとなった。すなわち、接続部５が、変動部２に近いほど、ミラー部２１を一定の偏向角で揺動させるための駆動電圧が低くなることが分かる。

このことは、接続部５が変動部２に近接している方が、主軸部３を挟んで配置されたアクチュエータ（図１において、４Ａと４Ｃ、４Ｂと４Ｄに対応するアクチュエータ）を組として互いに他方を反対方向に変位させたとき、アクチュエータ４のＺ方向の変位が小さくても、主軸部３に十分なＺ方向の変位を与えることができ、変動部２の変位量を大きくすることができたためであると考えられる。以上のことより、本発明のマイクロスキャナでは、接続部５がアクチュエータ４の短辺の変動部２に近接した位置に形成されているものとすることが好ましい。

本発明にかかる接続部の他の例について図面を参照して説明する。図６、図７、図８は本発明にかかるマイクロスキャナに採用されている接続部の他の例の拡大図である。図６に示す接続部６は、１個のトーションバー６１と、トーションバー６１の長手方向の両端部に接続されトーションバー６１とアクチュエータ４の保持部４１とを連結する２個の駆動伝達部６４（第１伝達部）と、トーションバー６１の駆動伝達部６４と反対側に接続され、トーションバー６１と主軸部３とを連結する主軸伝達部６３（第２伝達部）を備えている。主軸伝達部６３は、トーションバー６１の長手方向の中心部に配置されている。

主軸部３を挟んだアクチュエータ４がＺ方向に反対側に変位する場合を説明する。接続部６によると、アクチュエータ４の短辺の変位が駆動伝達部６４を介してトーションバー６１に伝達される。これにより、トーションバー６１はねじれ変形し、そのねじれ変形は、主軸伝達部６３を介して、主軸部３にねじれ方向のせん断力として伝達される。

一方、主軸部３を挟んだアクチュエータ４がＺ方向同じ側に変位する場合を説明する。アクチュエータ４の短辺の変位が駆動伝達部６４を介してトーションバー６１に伝達される。これにより、トーションバー６１はねじれ変形し、そのねじれ変形は、主軸伝達部６３を介して、主軸部３に伝達される。このとき、アクチュエータ４の短辺と主軸部３とはねじれた位置となり、主軸伝達部６３はＹ軸と平行な軸でねじれる。このとき、主軸伝達部６３にＺ方向に変位する力が伝達される。

また、図７に示す接続部７のように、トーションバー７１の長手方向の両端部が２個の主軸伝達部７３（第１伝達部）を介して主軸と接続され、トーションバー７１の主軸伝達部７３と反対側にされ、トーションバー７１の長手方向の中心部とアクチュエータ４の保持部４１とを接続する駆動伝達部７４（第２伝達部）を備えた構成であっても、接続部６と同様の効果を得ることができる。

さらに、接続部として、図８に示す接続部８のような構成であってもよい。すなわち、トーションバー８１αとトーションバー８１γがそれぞれ長手方向に並んで（連結されて）配置されており、トーションバー８１αとトーションバー８１γの長手方向両端部は、駆動伝達部８４（第１伝達部）を介してアクチュエータ４の保持部４１と連結されている。なお、図８に示しているように、トーションバー８１αとトーションバーγとは中央よりの駆動伝達部８４を共有している。

そして、トーションバー８１α及びトーションバー８１γと平行となるようにトーションバー８１βが備えられている。トーションバー８１βの両端部とトーションバー８１α及びトーションバー８１γの中央とは連結部８２で連結されている。ここで、連結部８２は、各トーションバーとの位置より、トーションバー８１α及びトーションバー８１γの第２伝達部であり、トーションバー８１βの第１連結部であるともいえる。すなわち、接続部８１は、トーションバー８１αの中央に設置される第２伝達部及びトーションバー８１γの中央に設置される第２伝達部と、トーションバー８１βの両端部に設置される第１伝達部とを連結した構成を有しているといえる。そして、トーションバー８１βの中央部は、主軸伝達部８３（第２伝達部）を介して主軸部３と連結されている。なお、主軸伝達部８３は１個である。

接続部８によると、トーションバー８１α、トーションバー８１β及びトーションバー８１γのねじれによって、アクチュエータ４の変位が主軸部３のねじれとして伝達される。また、主軸伝達部８３のＹ軸と平行な軸を中心としたねじれにより、アクチュエータ４の変位が主軸部３のＺ方向の変位として伝達される。なお、主軸伝達部８３が３個、連結部８２が２個、駆動伝達部８４が１個となる構造であっても、同様の効果を得ることができる。

以上に示した各接続部のように、トーションバーの長手方向の両端部に主軸部３又はアクチュエータ４の少なくとも一方と少なくとも２カ所で接続し、主軸部３又はアクチュエータ４の他方又はトーションバーとトーションバーの長手方向の中央で接続する構成を広く採用することができる。つまり、トーションバーの長手方向の１カ所で主軸部３とアクチュエータ４とを結ぶ方向に隣り合う部材同士（トーションバー同士、トーションバーと主軸部、トーションバーとアクチュエータ）が接続される構成のものを広く採用することができる。

また、マイクロスキャナには、光学素子としてミラーがミラートーションバーに支持されているものを、例に説明しているが、ミラー以外にも、レンズやプリズム等の光学素子を保持するようにしてもよい。

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 マイクロスキャナ
１ 固定枠
１１ 包囲部
１２ 開口
２ 変動部
２１ ミラー部
２２ 可動枠
２３ ミラートーションバー
３ 主軸部
４ アクチュエータ
４１ 保持部
４２ 圧電素子
５ 接続部
５１ トーションバー
５２ 連結部
５３ 主軸伝達部
５４ 駆動伝達部
６ 接続部
６１ トーションバー
６３ 主軸伝達部
６４ 駆動伝達部
７ 接続部
７１ トーションバー
７３ 主軸伝達部
７４ 駆動伝達部
８ 接続部
８１α、８１β、８１γ トーションバー
８２ 連結部
８３ 主軸伝達部
８４ 駆動伝達部

Claims (7)

1. 光学素子を保持した揺動部と、
   前記揺動部を揺動可能に支持する支持軸部と、
   前記支持軸部を介し前記揺動部を支持する可動枠と、
   前記可動枠の外周部と連結され前記支持軸部と交差する方向に延びる主軸部と、
   前記主軸部に動力を伝達させるアクチュエータと、
   前記アクチュエータの端部と前記主軸部とを接続する接続部とを備え、
   前記接続部は、前記主軸部に平行なトーションバーと、前記トーションバーの長手方向の両端部に設置された２個の第１伝達部と、前記２個の第１伝達部の間で前記トーションバーに設置された第２伝達部とを有しており、
   前記接続部は、前記主軸部又は前記アクチュエータの少なくとも一方と前記第１伝達部を介して接続されるトーションバーを有するとともに、前記主軸部と前記アクチュエータとの間に前記第２伝達部で連結される部分を有していることを特徴とするマイクロスキャナ。
2. 前記接続部が、前記アクチュエータの前記端部の前記可動枠に最も近い部分と前記主軸部とを接続している請求項１に記載のマイクロスキャナ。
3. 前記第２伝達部が、前記トーションバーの中心に設置されている請求項１又は２に記載のマイクロスキャナ。
4. 前記接続部は、平行に配置された２個のトーションバーを有しており、
   前記トーションバーの一方は前記２個の第１伝達部で前記主軸部と接続され、他方は前記２個の第１伝達部でアクチュエータと接続されており、
   前記２個のトーションバー同士が、前記第２伝達部で連結されている請求項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. 前記アクチュエータは、前記固定枠に接続し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を備えたユニモルフ構造である請求項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. 前記アクチュエータは、前記固定枠に接続し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４のいずれかに記載のマイクロスキャナ。
7. 請求項１〜請求項６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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