JP2012212022A - Optical scanner - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、レーザ等の光を走査する光スキャナに関する。 The present invention relates to an optical scanner that scans light such as a laser.
現在、振動するミラーによりレーザ光などの光を走査する光スキャナが知られている。例えば、特許文献1に記載の光スキャナは、捩れ梁部で揺動可能に支持されたミラーが、圧電素子などの駆動部によって共振状態にて揺動することにより、ミラーに入射する光を走査する。そして、ミラーを含む構造体(本体部)は、台座(ベース)に固定されている。
Currently, an optical scanner that scans light such as laser light with a vibrating mirror is known. For example, the optical scanner described in
光スキャナの共振周波数は、様々な要因によって変化する。例えば、光スキャナの共振周波数は、ミラーを含む構造体のヤング率に依存して変化する。この説明として、図1(後記)に示される光スキャナ100の形状において、構造体110を異なるヤング率(=剛性)の材料で形成した場合の、光スキャナ100の共振周波数の振る舞いを、図10に示す。図10では、横軸にヤング率の相対値が、縦軸に共振周波数の変動量が、それぞれ示される。なお、図10の横軸は、3点あるデータ点のうち、横軸において真ん中のデータ点のヤング率を基準とした相対値で示される。図10の縦軸は、3点あるデータ点のうち、縦軸において真ん中のデータ点の共振周波数を基準(100%)とて、その値からの変動量の割合が示される。図10から明らかに、ヤング率と共振周波数とは、正比例の関係にある。構造体110のヤング率は、基本的には、構造体110を構成する材料の種類によって決まる。しかし、材料のヤング率は、一般に温度依存性を有する。具体的には、同一種類の材料であっても、温度が高くなればヤング率が下がり、温度が低くなればヤング率が上がる。共振周波数はヤング率に依存するので、共振周波数も温度依存性を有する。従って、光スキャナが置かれる雰囲気温度の変化は、光スキャナの共振周波数に変化をもたらす。
The resonant frequency of the optical scanner varies depending on various factors. For example, the resonance frequency of the optical scanner varies depending on the Young's modulus of the structure including the mirror. As an explanation thereof, the behavior of the resonance frequency of the
光スキャナが利用される装置としては、例えば、レーザープリンタや走査型画像表示装置などが考えられる。これらの装置では、走査速度の変化は出力の歪みとなるため、走査速度は一定であることが望まれる。即ち、共振状態で揺動される光スキャナが利用される場合、光スキャナの共振周波数は、所定の値に保たれることが要求される。しかし、前記したように、光スキャナが置かれる雰囲気温度が変化した場合、同一の光スキャナであっても、共振周波数が変化してしまう。従って、安定して駆動可能な光スキャナを得るためには、この共振周波数の温度依存性が低減される必要がある。そこで、本発明は、共振周波数の温度依存性を低減することが可能な光スキャナと、その光スキャナの製造方法とを提供することを目的とする。 As an apparatus using the optical scanner, for example, a laser printer, a scanning image display apparatus, or the like can be considered. In these apparatuses, since the change in the scanning speed results in output distortion, it is desirable that the scanning speed be constant. That is, when an optical scanner that is swung in a resonance state is used, the resonance frequency of the optical scanner is required to be maintained at a predetermined value. However, as described above, when the ambient temperature in which the optical scanner is placed changes, the resonance frequency changes even in the same optical scanner. Therefore, in order to obtain an optical scanner that can be driven stably, the temperature dependence of the resonance frequency needs to be reduced. Therefore, an object of the present invention is to provide an optical scanner capable of reducing the temperature dependence of the resonance frequency, and a method for manufacturing the optical scanner.
上記課題を解決するために、本発明の一側面は、光を反射する反射面を含み、第1軸線を中心として揺動可能に構成されるミラー部分と、その一端が前記ミラー部分の両側に連結され、前記第1軸線に平行に前記ミラー部分から延出する一対の捩れ梁部分と、前記一対の捩れ梁部分の他端に連結され、前記ミラー部分から離間し且つ前記第1軸線に交差する方向に延出する本体部分と、を有し、第1材料によって構成される平板状の構造体と、少なくとも前記構造体に設けられ、前記ミラー部分を所定の共振周波数にて前記第1軸線回りに揺動可能に構成される駆動部と、前記構造体が固定される台座とを備え、前記構造体は、前記本体部分の一部であって前記一対の捩れ梁部分及び前記ミラー部分を挟んで対向する一対の被固定部分において、少なくとも前記台座に固定され、前記台座は、前記第1材料と異なる線膨張係数を有する第2材料によって構成され、前記第2材料の線膨張係数は、前記第1材料の線膨張係数よりも大きく、且つ、前記共振周波数の温度依存性の絶対値が、前記台座が前記第1材料によって構成された場合の前記共振周波数の温度依存性の絶対値よりも小さくなる値に設定される、ことを特徴とする光スキャナである。 In order to solve the above-described problem, one aspect of the present invention includes a mirror portion that includes a reflecting surface that reflects light and is configured to be swingable about a first axis, and one end of the mirror portion on both sides of the mirror portion. A pair of torsion beam portions extending from the mirror portion parallel to the first axis and connected to the other end of the pair of torsion beam portions, spaced apart from the mirror portion and intersecting the first axis A flat plate-like structure that is formed of a first material and is provided at least in the structure, and the mirror portion is configured to have the first axis at a predetermined resonance frequency. A drive unit configured to be swingable around, and a pedestal to which the structure is fixed. The structure is a part of the main body part, and includes the pair of torsion beam parts and the mirror part. A pair of fixed parts facing each other The pedestal is constituted by a second material having a linear expansion coefficient different from that of the first material, and the linear expansion coefficient of the second material is larger than the linear expansion coefficient of the first material. The absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency is set to a value that is larger and smaller than the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency when the pedestal is made of the first material. This is an optical scanner.
これによれば、構造体は、一対の被固定部分において、少なくとも台座に固定される。そして、一対の被固定部分は、一対の捩れ梁部分及びミラー部分を挟んで対向する、本体部分の一部分である。換言すれば、一対の捩れ梁部分及びミラー部分を間に挟んだ本体部分の両側において、構造体と台座とが固定される。そして、台座を構成する第2材料の線膨張係数の値は、以下の2条件を満たすように設定される。(1)構造体を構成する第1材料の線膨張係数よりも大きな値、(2)共振周波数の温度依存性の絶対値が、台座が第1材料によって構成された場合の絶対値よりも小さくなる値。ここで、構造体よりも台座の線膨張係数が大きいので、温度変化によって構造体に熱応力が発生する。具体的には、温度が上昇すると、台座の方が構造体よりも多く膨張する。この膨張量の差は、台座と構造体との固定部分に挟まれた捩れ梁部分及びミラー部分に対して、捩れ梁の長手方向に張力を与える。捩れ梁に張力がかかると、見かけ上、捩れ梁の剛性が上昇する。そして、捩れ梁の剛性が高いほど、光スキャナの共振周波数は高くなる。一方、ヤング率は、温度が上昇するほど減少する。即ち、温度上昇に起因する第1材料のヤング率変化は、共振周波数を低くする方向に働く。しかし、第2材料の線膨張係数が第1材料の線膨張係数よりも大きいので、構造体に発生する熱応力は、温度上昇に伴い共振周波数を高くする方向に働く。従って、共振周波数の温度依存性が低減される。なお、温度が下降する場合は、台座の方が構造体よりも多く収縮するため、捩れ梁を長手方向に圧縮する力が働く。即ち、捩れ梁の見かけ上の剛性が低下し、共振周波数は低下する。従って、温度が下降する場合であっても同様に、構造体のヤング率変化に起因する共振周波数の変化(高くする方向に働く)は、台座と構造体との膨張量の差に起因する共振周波数の変化(低くする方向に働く)によって低減される。 According to this, the structure is fixed to at least the pedestal in the pair of fixed portions. The pair of fixed parts is a part of the main body part that faces the pair of torsion beam parts and the mirror part. In other words, the structure and the base are fixed on both sides of the main body portion with the pair of torsion beam portions and the mirror portion interposed therebetween. And the value of the linear expansion coefficient of the 2nd material which comprises a base is set so that the following 2 conditions may be satisfy | filled. (1) A value larger than the linear expansion coefficient of the first material constituting the structure, and (2) the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency is smaller than the absolute value when the pedestal is made of the first material. Value. Here, since the linear expansion coefficient of the pedestal is larger than that of the structure, thermal stress is generated in the structure due to temperature change. Specifically, when the temperature rises, the pedestal expands more than the structure. This difference in the amount of expansion applies tension in the longitudinal direction of the torsion beam to the torsion beam part and the mirror part sandwiched between the fixed parts of the base and the structure. When tension is applied to the torsion beam, the rigidity of the torsion beam is apparently increased. The higher the rigidity of the torsion beam, the higher the resonance frequency of the optical scanner. On the other hand, the Young's modulus decreases as the temperature increases. That is, the change in Young's modulus of the first material due to the temperature rise works in the direction of lowering the resonance frequency. However, since the linear expansion coefficient of the second material is larger than the linear expansion coefficient of the first material, the thermal stress generated in the structure acts in the direction of increasing the resonance frequency as the temperature rises. Therefore, the temperature dependence of the resonance frequency is reduced. When the temperature decreases, the pedestal contracts more than the structure, and thus a force that compresses the torsion beam in the longitudinal direction works. That is, the apparent rigidity of the torsion beam is lowered, and the resonance frequency is lowered. Therefore, even when the temperature is lowered, similarly, the change in the resonance frequency due to the change in the Young's modulus of the structure (which works in the direction of increasing) is caused by the difference in the expansion amount between the pedestal and the structure. It is reduced by a change in frequency (which works in the direction of lowering).
また、前記台座は、前記第2材料によって構成される第1層と、前記第1層と前記構造体との間に設けられ、前記第2材料とは異なる線膨張係数を有する第3材料によって構成される第2層とを有し、前記第2層は、前記構造体の前記被固定部分に固定され、前記第1層は、前記第2層に固定されてもよい。 Further, the pedestal is provided by a first material constituted by the second material, and a third material having a linear expansion coefficient different from that of the second material provided between the first layer and the structure. A second layer configured, and the second layer may be fixed to the fixed portion of the structure, and the first layer may be fixed to the second layer.
これによれば、台座が第1層と第2層とを有する。第1層と第2層は異なる線膨張係数を有する材料によって構成されるので、材料の組み合わせによって、より共振周波数の温度依存性を低減可能な台座の選択範囲が広がる。 According to this, the pedestal has the first layer and the second layer. Since the first layer and the second layer are made of materials having different linear expansion coefficients, the selection range of the pedestal that can further reduce the temperature dependence of the resonance frequency is expanded depending on the combination of materials.
さらに、前記第2層は、前記第1層よりも厚みが薄くなるように構成されてもよい。 Furthermore, the second layer may be configured to be thinner than the first layer.
これによれば、構造体に接する第2層は、第1層よりも厚みが薄い。従って。台座全体での線膨張係数は第1層によって大枠が決められ、第2層の材質を選択することで、細かな調整が可能となる。 According to this, the second layer in contact with the structure is thinner than the first layer. Therefore. The linear expansion coefficient of the entire pedestal is roughly determined by the first layer, and fine adjustment is possible by selecting the material of the second layer.
さらに、前記第1材料及び前記第2材料は、金属であってよい。 Further, the first material and the second material may be a metal.
これによれば、構造体及び台座が、ともに延性材料である金属から構成される。仮に、例えばシリコンなどの脆性材料で構造体や台座が構成された場合、材料の組み合わせによっては、熱応力が原因で、構造体や台座が破損する可能性がある。そのため、構造体及び台座が金属から構成されることで、材料の組み合わせの自由度が増す。また、プレスなどの機械加工による製造も可能となるため、低コストで光スキャナを提供できる。 According to this, both a structure and a base are comprised from the metal which is a ductile material. If the structure or pedestal is made of a brittle material such as silicon, for example, depending on the combination of materials, the structure or pedestal may be damaged due to thermal stress. Therefore, the structure and the pedestal are made of metal, thereby increasing the degree of freedom in combining materials. Further, since it can be manufactured by machining such as a press, an optical scanner can be provided at low cost.
さらに、前記駆動部は、前記本体部分に設けられ、前記本体部分に板波を励起することで、前記本体部分及び前記一対の捩れ梁部分を介して前記ミラー部分を前記第1軸線回りに揺動させることが可能な圧電素子であってもよい。 Further, the drive unit is provided in the main body portion, and excites plate waves in the main body portion, thereby swinging the mirror portion around the first axis via the main body portion and the pair of torsion beam portions. It may be a piezoelectric element that can be moved.
これにより、圧電素子によって励起された板波がミラーを揺動させる、いわゆる外部励振型の光スキャナが得られる。従って、大きな振れ角が得られる。 As a result, a so-called external excitation type optical scanner in which the plate wave excited by the piezoelectric element swings the mirror can be obtained. Therefore, a large deflection angle can be obtained.
上記課題を解決するために、本発明の他の側面は、前記した光スキャナの製造方法であって、前記構造体を構成する前記第1材料の線膨張係数よりも大きい値であって、互いに異なる線膨張係数の値を有する複数の材料を含む母集団から、前記台座を構成する前記第2材料としての候補となる材料である第2材料候補を決定する候補決定工程と、前記第2材料候補を前記第2材料として用いた場合における、前記光スキャナの共振周波数の温度依存性を決定する依存性決定工程と、前記依存性決定工程によって前記温度依存性が決定された2つ以上の前記第2材料候補の中から、前記温度依存性の絶対値が最小となった前記第2材料候補を、前記第2材料として決定する第2材料決定工程と、前記第2材料決定工程によって決定された前記第2材料を用いて、前記光スキャナを作成する作成工程と、有することを特徴とする光スキャナの製造方法である。 In order to solve the above-mentioned problem, another aspect of the present invention is a method for manufacturing the above-described optical scanner, which is a value larger than the linear expansion coefficient of the first material constituting the structure, and A candidate determining step of determining a second material candidate that is a candidate material for the second material constituting the pedestal from a population including a plurality of materials having different values of linear expansion coefficient; and the second material. In a case where a candidate is used as the second material, a dependency determining step for determining temperature dependency of a resonance frequency of the optical scanner, and two or more of the temperature dependencies determined by the dependency determining step Among the second material candidates, the second material candidate having the absolute value of the temperature dependency having the minimum value is determined by the second material determining step and the second material determining step. Said first Using the materials, the generation step of generating said optical scanner, a method for manufacturing an optical scanner and having.
これによれば、光スキャナの共振周波数の温度依存性が最小となる第2材料によって、台座が構成される。従って、共振周波数の温度依存性が低減された光スキャナが得られる。 According to this, the pedestal is constituted by the second material that minimizes the temperature dependency of the resonance frequency of the optical scanner. Therefore, an optical scanner in which the temperature dependence of the resonance frequency is reduced can be obtained.
さらに、前記2つ以上の前記第2材料候補の線膨張係数を取得する取得工程と、前記2つ以上の前記第2材料候補の線膨張係数の値と、前記依存性決定工程によって決定された前記2つ以上の第2材料候補における前記温度依存性との相関関係を決定する関係決定工程をさらに備え、前記第2材料決定工程は、前記関係決定工程によって決定された前記相関関係に基づいて、前記2つ以上の前記第2材料候補に加えて、前記母集団の中から前記温度依存性の絶対値が最小に近い値に対応する線膨張係数を有する材料を、前記第2材料として決定してもよい。 Furthermore, the acquisition step of acquiring the linear expansion coefficient of the two or more second material candidates, the value of the linear expansion coefficient of the two or more second material candidates, and the dependency determining step are determined. A relationship determining step of determining a correlation with the temperature dependence in the two or more second material candidates, the second material determining step based on the correlation determined by the relationship determining step; In addition to the two or more second material candidates, a material having a linear expansion coefficient corresponding to a value whose absolute value of temperature dependency is close to a minimum is determined as the second material from the population. May be.
これによれば、線膨張係数と、共振周波数の温度依存性との相関関係に基づいて、温度依存性が最小となる第2材料が決定される。従って、全ての第2材料候補に対して共振周波数の温度依存性を決定しなくても、その線膨張係数の値に基づいて、第2材料としての決定が可能となる。 According to this, based on the correlation between the linear expansion coefficient and the temperature dependence of the resonance frequency, the second material having the minimum temperature dependence is determined. Therefore, it is possible to determine the second material based on the value of the linear expansion coefficient without determining the temperature dependence of the resonance frequency for all the second material candidates.
さらに、前記第2材料決定工程によって決定された前記第2材料における前記温度依存性が、所定の範囲内に収まるか否かを判断する判断工程と、前記判断工程において前記温度依存性が所定の範囲内に収まらないと判断された場合に、前記母集団の中から、前記台座の前記第2層を構成する前記第3材料として用いる材料を決定する第3材料決定工程とをさらに有し、前記第3材料決定工程は、前記温度依存性が負の値の場合、前記第2材料よりも大きな線膨張係数を有する材料を前記第3材料として決定し、前記温度依存性が正の値の場合、前記第2材料よりも小さな線膨張係数を有する材料を前記第3材料として決定し、前記作成工程は、前記判断工程において前記温度依存性が所定の範囲内に収まらないと判断された場合に、前記第2材料を前記台座の前記第1層とし、前記第3材料を前記第2層とする前記台座を用いて、前記光スキャナを製造してもよい。 Further, a determination step for determining whether or not the temperature dependency of the second material determined by the second material determination step is within a predetermined range, and the temperature dependency is predetermined in the determination step. A third material determining step of determining a material to be used as the third material constituting the second layer of the pedestal from the population when it is determined that it does not fall within a range; In the third material determination step, when the temperature dependency is a negative value, a material having a larger linear expansion coefficient than the second material is determined as the third material, and the temperature dependency is a positive value. A material having a smaller linear expansion coefficient than the second material is determined as the third material, and the creation step is determined in the determination step that the temperature dependence does not fall within a predetermined range. The above The material and the first layer of the pedestal, with the pedestal of the third material and the second layer may be produced the optical scanner.
これによれば、共振周波数の温度依存性が所定の範囲内に収まらない場合、第1層と第2層とを有する積層構造の台座が作成される。そして、第2材料のみで構成された台座の共振周波数の温度依存性が正の値の場合、換言すれば、温度上昇に伴い共振周波数も上昇する場合、第2材料よりも小さな線膨張係数を有する材料が、第2層を構成する第3材料として決定される。これにより、台座全体で見たときの線膨張係数を小さくすることができ、共振周波数の温度依存性を低減できる。一方、第2材料のみで構成された台座の共振周波数の温度依存性が負の値の場合、換言すれば、温度上昇に伴い共振周波数が低下する場合、第2材料よりも大きな線膨張係数を有する材料が、第2層を構成する第3材料として決定される。これにより、台座全体で見たときの線膨張係数を大きくすることができ、共振周波数の温度依存性を低減できる。 According to this, when the temperature dependency of the resonance frequency does not fall within a predetermined range, a pedestal having a laminated structure including the first layer and the second layer is created. When the temperature dependency of the resonance frequency of the pedestal made of only the second material is a positive value, in other words, when the resonance frequency also increases as the temperature rises, the linear expansion coefficient is smaller than that of the second material. The material having is determined as the third material constituting the second layer. Thereby, the linear expansion coefficient when it sees with the whole base can be made small, and the temperature dependence of a resonant frequency can be reduced. On the other hand, when the temperature dependence of the resonance frequency of the pedestal made of only the second material is negative, in other words, when the resonance frequency decreases with increasing temperature, a linear expansion coefficient larger than that of the second material is obtained. The material having is determined as the third material constituting the second layer. Thereby, the linear expansion coefficient when it sees with the whole base can be enlarged, and the temperature dependence of a resonant frequency can be reduced.
本発明によれば、共振周波数の温度依存性を低減することが可能な光スキャナと、その光スキャナの製造方法とが提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the optical scanner which can reduce the temperature dependence of a resonant frequency, and the manufacturing method of the optical scanner are provided.
<第1実施形態>
以下に図面を参照しつつ、本発明の一側面に係る実施の形態を示す。なお、本発明の一側面は以下に記載の構成に限定されるものではなく、同一の技術的思想において種々の構成を採用することができる。例えば、以下に説明する各構成において、所定の構成を省略し、または他の構成などに置換してもよい。また、他の構成を含むようにしてもよい。
<First Embodiment>
Embodiments according to one aspect of the present invention will be described below with reference to the drawings. Note that one aspect of the present invention is not limited to the configuration described below, and various configurations can be employed in the same technical idea. For example, in each configuration described below, a predetermined configuration may be omitted or replaced with another configuration. Moreover, you may make it include another structure.
[光スキャナ100の構成]
図1に示されるように、光スキャナ100は、構造体110と、台座120とを有する。構造体110のミラー部分111は、圧電素子114によって、第1軸線aを中心軸として揺動する。この揺動によって、ミラー部分111に入射した光は走査される。
[Configuration of Optical Scanner 100]
As shown in FIG. 1, the
構造体110は、第1軸線aに平行な一対の短辺と、第1軸線aに直交する一対の長辺とから構成される、平面視矩形の板状構造である。構造体110は、ミラー部分111、一対の捩れ梁部分112、本体部分113を有する。本体部分113の一方の面(例えば、上面)には、圧電素子114が設けられる。構造体110は、例えば、金属である第1材料によって構成される。以下、構造体110の説明を行う。
The
ミラー部分111は、レーザ等の光を反射する反射面を含む。ミラー部分111の形状は、本実施形態では、平面視において矩形である。しかし、ミラー部分111の形状は、これに限定されず、平面視において円形、楕円形、多角形など、任意の形状であっても差し支えない。反射面は、例えば、ミラー部分111の表面を鏡面研磨する、アルミニウムや銀などの金属薄膜が成膜されたサファイヤやダイヤモンドなどの誘電体をミラー部分111に貼り付ける、などの方法によって設けられる。
The
一対の捩れ梁部分112の一端は、ミラー部分111の両側に連結される。一対の捻れ梁部分112は、ミラー部分111から離れる方向にそれぞれ延出する。本実施形態では、一対の捩れ梁部分112の延出方向は、第1軸線aに平行である。具体的には、第1軸線aは、一対の捩れ梁部分112の中心を通る。一対の捩れ梁部分112によって、ミラー部分111の両側が、第1軸線a回りに揺動可能に弾性的に支持される。つまり、一対の捩れ梁部分112は、ミラー部分111を第1軸線a回りに揺動可能に支持するトーションバーとしての役割を持っている。
One end of the pair of
本体部分113は、一対の捩れ梁部112の他端に連結され、ミラー部分111から離間し、且つ第1軸線aに交差する方向に延出する。本実施形態では、本体部分113は、一対の捩れ梁部112との連結部分から、第1軸線aに直交する方向の両側へと延出する。本体部分113は、被固定部分113aと、節連結部分113bとを有する。被固定部分113aは、一対の捩れ梁部分112及びミラー部分111を挟んで、一対設けられる。本実施形態では、本体部分113の第1軸線a方向における端部に、第1軸線aに直交する長辺に沿って矩形の貫通孔が設けられる。第1軸線a方向において、この貫通孔よりもミラー部分111から遠い位置に存在する本体部分の領域が、被固定部分113aである。この被固定部分113aにおいて、構造体110と台座120とが固定される。節固定部分113bは、矩形の貫通孔の第1軸線aに直交する方向の中心部分に設けられる。節固定部分113bは、第1軸線a方向に伸長し、矩形の貫通孔よりもミラー部分113に近い本体部分113と、被固定部分113aとを連結する。より具体的には、節固定部分113bは、一対の捩れ梁部分112と同一直線状に位置する。これにより、構造体110と台座120との線膨張係数の差による熱応力は、節固定部分113bを介して、一対の捩れ梁部分112の引張/収縮に効率よく変換される。
The
本体部分113の上面には、駆動部としての圧電素子114が設けられる。圧電素子114は、本体部分113の第1軸線a方向における中間位置であって、第1軸線aに直交する方向における両端部に、一対設けられる。圧電素子114は、例えば、厚さ30μm〜100μmの平板状に成形されたチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料の両面に対して、電極層として金や白金等を0.2μm〜0.6μm積層することで形成される。圧電素子114と本体部分113とは、導電性接着剤で接着される。そして、圧電素子114の上面に、ワイヤボンディングなどで金などの金属細線(非図示)が接続される。
A
台座120は、平面視矩形の形状を示す。台座120は、矩形に刳り抜かれた矩形孔を、その中央部分に有する。この矩形孔の長手方向に沿って、構造体110の被固定部分113aは、台座120の矩形孔の隣接部分に固定される。台座120の厚みは、構造体110の厚みに比べて十分に大きい。そのため、構造体110が揺動しても、台座120は、殆ど変形しない。台座120は、第1層121のみで構成される、単一の層構造を示す。第1層121を構成する第2材料は、例えば、構造体110を構成する第1材料とは異なる線膨張係数を有する金属である。より具体的には、第2材料の線膨張係数の値は、以下の2条件を満たすように設定される。(1)第1材料の線膨張係数よりも大きな値、(2)共振周波数の温度依存性の絶対値が、台座120が構造体110と同じ第1材料によって構成された場合の共振周波数の温度依存性の絶対値よりも小さくなる値。
The
構造体110は金属で形成されるので、構造体110と圧電素子114の上面の電極層との間に電圧を印加することで、圧電素子114を変形させることが可能となる。第1軸線aに対して一方の側に設けられる圧電素子114と、他方の側に設けられる圧電素子114とには、逆位相となるように交流電圧がそれぞれ印加される。この交流電圧の周波数が、光スキャナ100の共振周波数に相当する場合、圧電素子114の変形に伴い、本体部分114に板波が励起される。この板波が、本体部分113及び一対の捩れ梁部分112を介してミラー部分111に伝達されることで、ミラー部分111は、所定の共振周波数において第1軸線a回りに揺動する。ここで、構造体110は、被固定部分113aにおいて台座120に固定され、被固定部分113aに挟まれる本体部分113は、台座120によって宙に浮いた状態となっている。そのため、光スキャナ100の駆動時に、本体部分113は上下方向に変位する。しかし、捩れ梁部分112は、本体部分113の振動の節となる位置に設けられるので、本体部分113が上下に変位しても、捩れ梁部分112は、上下に変位しない。さらに、捩れ梁部分112と同一直線上に設けられた節固定部分113bが、被固定部分113aと捩れ梁部分112とを接続する。そのため、捩れ梁部分112は、上下方向の変位がより抑制される。そのため、ミラー部分111は第1軸線a回りに揺動される際に、上下方向の変位が抑制される。従って、ミラー部分111に入射する光は、常にミラー部分111上の同じ位置に入射するので、安定した光走査が可能になる。
Since the
[台座120の構成材料の検討]
図2に示されるように、異なる線膨張係数を有する材料が台座120に用いられることによって、光スキャナ100の共振周波数の温度依存性は変化する。本実施形態では、構造体110の材料として、SUS430が利用される。SUS430の線膨張係数αは、10.4×10−6[/℃]である。SUS430の構造体110に対して、台座120の構成材料は、SUS420(α=10.3×10−6[/℃])、SECC(α=11.7×10−6[/℃])、SUS309(α=14.5×10−6[/℃])、SUS316(α=16.5×10−6[/℃])、SUS304(α=17.3×10−6[/℃])の5種類の金属を含む母集団の中から選定される。なお、図2において、共振周波数の温度依存性は、1℃の温度上昇に対する共振周波数の変化量(Hz/℃)の単位で示される。
[Examination of constituent materials of pedestal 120]
As shown in FIG. 2, the temperature dependence of the resonance frequency of the
図2(A)には、図1に示される光スキャナ100において、SUS430によって構造体110を形成し、台座120の材料(=線膨張係数)を変化させた場合の、共振周波数の温度依存性をシミュレーションによって求めた結果が示される。図2(B)には、図1に示される光スキャナ100において、SUS430によって構造体110を形成し、台座120の材料(=線膨張係数)を変化させた場合の、共振周波数の温度依存性を実際に光スキャナ100を製造した上での実測によって求めた結果が示される。図2(A)と図2(B)との間では、台座120と構造体110との接着条件や、製造上のサイズばらつきなどの様々な不定性により、同一材料であっても、温度依存性の絶対値は異なる。しかし、どちらの結果であっても、台座120の材料の線膨張係数が大きいほど、共振周波数の温度依存性も大きくなるという傾向は一致した。より具体的には、SUS420で台座120が構成される場合、共振周波数の温度依存性は、シミュレーション、実測どちらも−0.5〜−0.6[Hz/℃]であった。SUS420の線膨張係数(α=10.3×10−6[/℃])は、構造体110の構成材料であるSUS430の線膨張係数(α=10.4×10−6[/℃])とほぼ等しい。即ち、SUS420で台座120が形成される場合の共振周波数の温度依存性は、構造体110と台座120との線膨張係数がほぼ同じ場合の値と見なせる。ヤング率は温度上昇に伴い低下するため、構造体110と台座120との線膨張係数がほぼ同じ場合、共振周波数の温度依存性は負の値を示す(温度が上昇するほど、共振周波数が下がる)。そして、台座120の線膨張係数が、構造体110よりも大きくなると、共振周波数の温度依存性は緩和される。これは、前記したように、構造体110と台座120との線膨張係数の差に起因して構造体110に働く熱応力によって、一対の捩れ梁部分112が引っ張られ、見かけ上、一対の捩れ梁部分112の剛性が上昇するためである。図2の結果に従えば、SECC及びSUS309が台座120に用いられる場合、構造体110と同一材料にて台座120が構成される場合と比較して、共振周波数の温度依存性は緩和される。なお、共振周波数の温度依存性は低減されるほど望ましいので、この結果から、共振周波数の温度依存性の絶対値が最小となる材料が、台座120の構成材料として決定されてよい。例えば、図2(A)の結果に従えば、SECCを用いて台座120が形成される。また、図2(B)の結果に従えば、SECC又はSUS309を用いて台座120が形成される。
2A shows the temperature dependence of the resonance frequency when the
台座120の材料の線膨張係数を横軸に、共振周波数の温度依存性を縦軸に取ることで、両者の相関関係を調べる。図3から明らかに、台座120の構成材料の線膨張係数と、共振周波数の温度依存性との間には、正の相関、より具体的には一次比例の関係がある。なお、シミュレーションと実測とにおける共振周波数の温度依存性の差は、比例係数の違いとして図3には表れている。この一次比例の関係(相関関係)を用いて、例えば、共振周波数の温度依存性の絶対値が最小となる材料を、台座120の材料として選定できる。さらに言えば、例えば、母集団の中から少なくとも2つの材料に対する共振周波数の温度依存性を決定すれば、線膨張係数と共振周波数の温度依存性との比例係数が決定できる。即ち、この比例係数を利用すれば、共振周波数の温度依存性を決定していない材料に対しても、その線膨張係数の値のみに基いて、共振周波数の温度依存性が最小となる材料の選定が可能になる。
By taking the linear expansion coefficient of the material of the
<第2実施形態>
図4を用いて、本発明の好ましい他の実施の形態を示す。図4に示されるように、光スキャナ200は、構造体210と、台座220とを有する。光スキャナ200は、台座220の構成において、前記した光スキャナ100と相違する。
Second Embodiment
FIG. 4 shows another preferred embodiment of the present invention. As shown in FIG. 4, the
[光スキャナ200の構成]
構造体210は、ミラー部分211、一対の捩れ梁部分212、本体部分213を有する。本体部分213の上面には、圧電素子214が設けられる。構造体210が有するこれらの構成は、前記した構造体110が有する構成と同様である。そのため、構造体210の詳細な説明は省略される。
[Configuration of Optical Scanner 200]
The
台座220は、第1層221と第2層222とを有する。第1層221の構成材料と、第2層222の構成材料とは、線膨張係数が互いに異なる金属である。第2層222は、平面視矩形に構成され、矩形に刳り抜かれた矩形孔をその中心部分に有する。第2層222は、前記した実施形態における第1層121と同様に、構造体210の被固定部分213aに固定される。第1層221は、平面視において、第2層222と同一に形成される。第1層221は、第2層222の下面に固定される。即ち、第2層222は、その一方の面(上面)が構造体210に固定され、その他方の面(下面)が第1層221に固定される。なお、第2層222の厚さは、第1層221の厚さよりも薄い。一例として、第1層221の厚さが2mm程度の場合、第2層222の厚さは、0.4mm程度に設定される。なお、構造体210の厚さは、例えば、0.1mm程度である。
The
[台座220の構成材料の検討]
前記した第1実施形態では、台座120の構成材料を変化させ、その線膨張係数を調整することで、共振周波数の温度依存性が調整可能なことを示した。ここでは、さらに、線膨張係数が異なる金属材料の積層によって、台座220を構成することで、共振周波数の温度依存性をさらに微調整できることを示す。
[Examination of constituent materials of pedestal 220]
In the first embodiment described above, it has been shown that the temperature dependence of the resonance frequency can be adjusted by changing the constituent material of the
図5は、図4に示される光スキャナ200において、第1層221の材料に対して、第2層222の材料を組み合わせた場合における、共振周波数の温度依存性をシミュレーションで求めた結果を示す図である。一例として、第1層221の材料としては、SUS420(α=10.3×10−6[/℃])、SECC(α=11.7×10−6[/℃])、SUS304(α=17.3×10−6[/℃])が検討される。また、第2層222の材料としては、SUS430(α=10.4×10−6[/℃])、高機能バネ鋼(α=14.0×10−6[/℃])、SUS304(α=17.3×10−6[/℃])が検討される。なお、構造体210は、光スキャナ100の場合と同様に、SUS430によって構成される。また、高機能バネ鋼としては、例えば、日新製鋼(株)製のHT2000などが利用可能である。
FIG. 5 shows the result of the simulation for the temperature dependence of the resonance frequency when the material of the
図5より、第1層221の材料を固定して、第2層222の材料を変化させた場合、共振周波数の温度依存性が変化していることが分かる。例えば、第2層222にSUS430とSUS304とが使われる場合を比較すると、第1層221の材料に関らず、両者の共振周波数の温度依存性は、約0.2[Hz/℃]程度の差がある。そして、線膨張係数が大きい材料が第2層222に利用されるほど、共振周波数の温度依存性は大きくなる傾向にある。一方、第1層221にSUS420とSUS304とが使われる場合を比較すると、第2層222の材料に関らず、両者の共振周波数の温度依存性は、約0.5〜0.8[Hz/℃]程度の差がある。即ち、台座220全体での線膨張係数は、厚みが大きい第1層221によって大枠が決められ、第2層222の材質を選択することで、細かな調整が可能となる。この性質を利用して、第1層221の材料を共振周波数の温度依存性の絶対値が最小となるものを選択した上で、第2層222の材質を選択することで、共振周波数の温度依存性をより0に近づけることが可能となる。例えば、SUS420で第1層221を構成した場合に、共振周波数の温度依存性が負の値であるので、第1層221よりも大きな線膨張係数を有する材料で第2層222を構成することによって、共振周波数の温度依存性をより低減できる。一方、例えば、SUS304で第1層221を構成した場合に、共振周波数の温度依存性が正の値であるので、第1層221よりも小さな線膨張係数を有する材料で第2層222を構成することによって、共振周波数の温度依存性をより低減できる。
FIG. 5 shows that the temperature dependence of the resonance frequency changes when the material of the
<第3実施形態>
以上得られた知見に基づいて、共振周波数の温度依存性が緩和された光スキャナの製造が可能となる。ここでは、その工程について図6〜図8を用いて説明する。
<Third Embodiment>
Based on the knowledge obtained above, it becomes possible to manufacture an optical scanner in which the temperature dependence of the resonance frequency is relaxed. Here, the process will be described with reference to FIGS.
先ず、工程S1において、光スキャナの構造体(前記した実施形態の構造体110又は構造体210)を構成する第1材料の、線膨張係数が取得される。なお、構造体を構成する材料は、例えば光スキャナの共振周波数の設計値などに従って、予め選定されている。線膨張係数は、材料を直接測定することによって取得されてもよいし、データシートなどの既存の値を利用することによって取得されてもよい。
First, in step S1, the linear expansion coefficient of the first material constituting the optical scanner structure (
次に、工程S2において、構造体を構成する材料のヤング率の、温度依存性が取得される。前記したように、構造体のヤング率は、光スキャナの共振周波数に影響を与える。ヤング率が高いほど、共振周波数も高くなる。そのため、ヤング率の温度依存性を取得することで、構造体のみに起因する、光スキャナの共振周波数の温度依存性が分かる。なお、ヤング率の温度依存性は、データシートなどの既存の値を係数に利用した数式の適用や、実測など、任意の方法で取得されてよい。 Next, in step S2, the temperature dependence of the Young's modulus of the material constituting the structure is acquired. As described above, the Young's modulus of the structure affects the resonance frequency of the optical scanner. The higher the Young's modulus, the higher the resonant frequency. Therefore, by obtaining the temperature dependence of the Young's modulus, the temperature dependence of the resonance frequency of the optical scanner caused only by the structure can be understood. Note that the temperature dependence of the Young's modulus may be acquired by any method such as application of a mathematical formula using an existing value such as a data sheet as a coefficient, actual measurement, or the like.
次に、工程S3において、台座を構成する第2材料の候補が決定され、その線膨張係数が取得される。先ず、互いに異なる線膨張係数の値を有する複数の材料(例えば、図2に第2材料として示される5種類の材料)が、第2材料としての候補の母集団として存在する。この母集団には、構造体を構成する第1材料の線膨張係数よりも、大きな線膨張係数を有する材料が含まれている。なお、第1材料の線膨張係数よりも小さな線膨張係数を有する材料が、この母集団に含まれていても差し支えない。そして、この母集団から、1つの材料(例えば、SUS420)が、第2材料の候補として決定される。その上で、この第2材料候補の線膨張係数が取得される。なお、線膨張係数の取得は、実測やデータシートの値を利用など、任意の方法で達成されてよい。 Next, in step S3, candidates for the second material constituting the pedestal are determined, and the linear expansion coefficient is obtained. First, a plurality of materials having different linear expansion coefficient values (for example, five types of materials shown as the second material in FIG. 2) exist as a candidate population as the second material. This population includes a material having a linear expansion coefficient larger than that of the first material constituting the structure. Note that a material having a linear expansion coefficient smaller than that of the first material may be included in this population. Then, from this population, one material (for example, SUS420) is determined as a candidate for the second material. Then, the linear expansion coefficient of the second material candidate is acquired. In addition, acquisition of a linear expansion coefficient may be achieved by arbitrary methods, such as using measurement and the value of a data sheet.
次に、工程S4において、工程S3にて決定された第2材料候補のヤング率の温度依存性が取得される。ここでも、ヤング率の温度依存性は、データシートなどの既存の値を係数利用した数式や、実測など、任意の方法で取得されてよい。 Next, in step S4, the temperature dependence of the Young's modulus of the second material candidate determined in step S3 is acquired. Again, the temperature dependence of the Young's modulus may be obtained by any method such as a mathematical expression using a coefficient of an existing value such as a data sheet or an actual measurement.
次に、工程S5において、第2材料候補が台座に用いられる光スキャナにおける、共振周波数の温度依存性が決定される。この工程は、例えば、実際に光スキャナを作成した上で、光スキャナの置かれる雰囲気温度を変化させながら、光スキャナの共振周波数を測定することで達成される。共振周波数は、例えば、光スキャナが走査する光が入射する位置に光センサを配置し、その光センサが検出する走査光のタイミングから決定されてよい。勿論、実際の測定でなくても、シミュレーションを用いて光スキャナの共振周波数の温度依存性が取得されても差し支えない。或いは、共振周波数の温度依存性が、2つ以上の第2材料候補に対して得られている場合であれば、前記した共振周波数の温度依存性と材料の線膨張係数との相関関係に基づいて、線膨張係数の値から共振周波数の温度依存性を取得することも可能である。例えば、図2において、SUS420とSUS304とで台座が構成された場合における、共振周波数の温度依存性が、実測によってそれぞれ得られていたとする。この場合、工程S3で得られたSUS420とSUS304との線膨張係数を用いて、線膨張係数と共振周波数の温度依存性との間の比例係数が決定される。この比例係数を用いれば、例えば実測をしていないSECC、SUS309及びSUS316で台座が構成された場合の、共振周波数の温度依存性が決定可能となる。即ち、一旦比例係数さえ定まれば、その材料が台座に用いられた場合における共振周波数の温度依存性が、その材料の線膨張係数の値にのみ基づいて決定できる。なお、さらに拡張するのであれば、例え第2材料の候補として母集団に含まれない材料(例えば、図2に記載されていない材料)であっても、その材料の線膨張係数の値にのみ基づいて、共振周波数の温度依存性が決定できる。 Next, in step S5, the temperature dependence of the resonance frequency in the optical scanner in which the second material candidate is used for the pedestal is determined. This step is achieved, for example, by actually creating an optical scanner and measuring the resonance frequency of the optical scanner while changing the ambient temperature in which the optical scanner is placed. The resonance frequency may be determined from, for example, the timing of the scanning light detected by the optical sensor disposed at the position where the light scanned by the optical scanner enters. Of course, even if it is not an actual measurement, the temperature dependence of the resonance frequency of the optical scanner may be obtained using simulation. Alternatively, if the temperature dependency of the resonance frequency is obtained for two or more second material candidates, based on the correlation between the temperature dependency of the resonance frequency and the linear expansion coefficient of the material. Thus, it is also possible to obtain the temperature dependence of the resonance frequency from the value of the linear expansion coefficient. For example, in FIG. 2, it is assumed that the temperature dependence of the resonance frequency is obtained by actual measurement in the case where the pedestal is configured by SUS420 and SUS304. In this case, a proportional coefficient between the linear expansion coefficient and the temperature dependence of the resonance frequency is determined using the linear expansion coefficients of SUS420 and SUS304 obtained in step S3. If this proportionality coefficient is used, for example, the temperature dependence of the resonance frequency can be determined when the pedestal is constituted by SECC, SUS309, and SUS316 that are not actually measured. That is, once the proportionality coefficient is determined, the temperature dependence of the resonance frequency when the material is used for the pedestal can be determined based only on the value of the linear expansion coefficient of the material. If further expanding, even if the material is not included in the population as a candidate for the second material (for example, a material not shown in FIG. 2), only the value of the linear expansion coefficient of the material is used. Based on this, the temperature dependence of the resonance frequency can be determined.
次に、工程S6において、工程S3にて決定された第2材料候補の共振周波数の温度依存性の絶対値が、最小であるか否かが判断される。そして、第2材料候補の共振周波数の温度依存性の絶対値が最小である場合(S6:Y)、工程S7において、その第2材料候補が台座を構成する第2材料として決定された後で、工程S8に移行する。一方、第2材料候補の共振周波数の温度依存性の絶対値が最小でない場合(S6:N)、工程S8に移行する。例えば、図2においてSUS420が最初に第2材料候補として決定された場合であれば、それより前に決定された第2材料候補が無いため、SUS420の共振周波数の温度依存性の絶対値が最小となる(工程S6:Y)。そのため、SUS420が、台座を構成する第2材料として決定される(S7)。一方、SUS420の次に、SECCが第2材料候補として決定された場合であれば、SECCの共振周波数の温度依存性の絶対値は、SUS420の共振周波数の温度依存性の絶対値よりも小さい。そのため、SECCの共振周波数の温度依存性の絶対値が最小となる(工程S6:Y)。従って、SUS420に代わって、SECCが、台座を構成する第2材料として決定される(S7)。一方、SECCの次に、SUS309が第2材料候補として決定された場合であれば、SUS309の共振周波数の温度依存性の絶対値は、SECCの共振周波数の温度依存性の絶対値よりも大きい。そのため、SECCの共振周波数の温度依存性の絶対値が最小のままである(工程S6:N)。この場合、工程S7は実行されないので、台座を構成する第2材料は、SECCのままである。 Next, in step S6, it is determined whether or not the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency of the second material candidate determined in step S3 is the minimum. If the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency of the second material candidate is minimum (S6: Y), after the second material candidate is determined as the second material constituting the pedestal in step S7. The process proceeds to step S8. On the other hand, when the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency of the second material candidate is not minimum (S6: N), the process proceeds to step S8. For example, if SUS420 is first determined as the second material candidate in FIG. 2, there is no second material candidate determined before that, so the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency of SUS420 is minimized. (Step S6: Y). Therefore, SUS420 is determined as the second material constituting the pedestal (S7). On the other hand, if SECC is determined as the second material candidate after SUS420, the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency of SECC is smaller than the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency of SUS420. Therefore, the absolute value of the temperature dependence of the SECC resonance frequency is minimized (step S6: Y). Therefore, instead of SUS420, SECC is determined as the second material constituting the pedestal (S7). On the other hand, if SUS309 is determined as the second material candidate after SECC, the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency of SUS309 is larger than the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency of SECC. For this reason, the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency of SECC remains minimal (step S6: N). In this case, since step S7 is not performed, the second material constituting the pedestal remains SECC.
次に、工程S8において、他の第2材料候補が、まだ母集団に残っているか否かが判断される。まだ他の第2材料候補が残っている場合(S8:Y)、工程S3に戻り、他の第2材料候補に対して工程S3〜S7が実行される。一方、他の第2材料候補が残っていない場合、換言すれば、母集団に含まれる全ての第2材料候補に対する検討が終了した場合(S8:N)、工程S9に移行する。 Next, in step S8, it is determined whether other second material candidates still remain in the population. When other second material candidates still remain (S8: Y), the process returns to step S3, and steps S3 to S7 are performed on the other second material candidates. On the other hand, when no other second material candidates remain, in other words, when the study on all second material candidates included in the population is completed (S8: N), the process proceeds to step S9.
次に、工程S9において、工程S7において決定された台座材料を用いた場合の共振周波数の温度依存性が、仕様の範囲内に収まるか否かが判断される。この仕様の範囲は、光スキャナを利用するプリンタや走査型画像表示装置などの装置性能に基づいて決定されてよい。或いは、光スキャナ単体の性能として、所定の値に定められてよい。共振周波数の温度依存性が仕様の範囲内に収まる場合(S9:Y)、その台座材料を用いて、光スキャナが作成される(S11)。即ち、この場合、台座が単一の層からなる、前記した光スキャナ100が作成される。一方、共振周波数の温度依存性が仕様の範囲内に収まらない場合(S9:N)、前記した光スキャナ200のように、台座を積層構造にすることで共振周波数の温度依存性をより低減する検討がなされる(S10)。
Next, in step S9, it is determined whether or not the temperature dependence of the resonance frequency when using the pedestal material determined in step S7 is within the specification range. The range of this specification may be determined based on the performance of a printer such as a printer that uses an optical scanner or a scanning image display device. Alternatively, the performance of the optical scanner alone may be set to a predetermined value. When the temperature dependence of the resonance frequency falls within the specification range (S9: Y), an optical scanner is created using the base material (S11). That is, in this case, the above-described
工程S10の詳細は、図7に示される。先ず、工程S100において、工程S7で決定された第2材料の共振周波数の温度依存性(工程S5にて取得)が、正の値か否かが判断される。例えば、図2に示される場合であれば、SECCが第2材料として決定されている。台座がSECCから構成された場合、共振周波数の温度依存性は負(シミュレーションで−0.162[Hz/℃]、実測で−0.323[Hz/℃])であるため、工程S110の判断は否定される(S100:N)。この場合、工程S102が実行される。一方、共振周波数の温度依存性が正の値であれば、工程S110の判断は肯定される(S100:Y)。この場合、工程S101が実行される。 Details of step S10 are shown in FIG. First, in step S100, it is determined whether or not the temperature dependence (obtained in step S5) of the resonance frequency of the second material determined in step S7 is a positive value. For example, in the case shown in FIG. 2, SECC is determined as the second material. When the pedestal is composed of SECC, the temperature dependency of the resonance frequency is negative (−0.162 [Hz / ° C. in simulation, −0.323 [Hz / ° C.] in actual measurement). Is denied (S100: N). In this case, step S102 is performed. On the other hand, if the temperature dependency of the resonance frequency is a positive value, the determination in step S110 is affirmed (S100: Y). In this case, step S101 is performed.
工程S101では、台座220の第2層222の材料として、第1層221の材料よりも線膨張係数が小さい材料が選択される。これによって、台座220全体での実質的な線膨張係数を下げることができ、共振周波数の温度依存性を0に近づけることができる。例えば、SUS304が第1層221の材料として決定されている場合であれば、SUS304よりも線膨張係数の小さな材料である、高機能バネ鋼やSUS430が、第2層222の材料として決定される(図5参照)。その後、台座の積層構造の検討は終了し、工程S11に移行する。
In step S101, a material having a smaller linear expansion coefficient than the material of the
工程S102では、台座220の第2層222の材料として、第1層221の材料よりも線膨張係数が大きい材料が選択される。これによって、台座220全体での実質的な線膨張係数を上げることができ、共振周波数の温度依存性を0に近づけることができる。例えば、SECCが第1層221の材料として決定されている場合であれば、SECCよりも線膨張係数の大きな材料である、高機能バネ鋼やSUS304が、第2層222の材料として決定される。その後、台座の積層構造の検討は終了し、工程S11に移行する。
In step S102, a material having a larger linear expansion coefficient than the material of the
図6の工程S11において、光スキャナが作成される。ここで、工程S9の判断が肯定(S9:Y)の場合は、単一層からなる台座120を備える光スキャナ100が形成される。一方、工程S9の判断が否定(S9:N)の場合は、第1層221及び第2層222を有する台座220を備える光スキャナ200が形成される。なお、工程S11の詳細は、図8に示される。
In step S11 of FIG. 6, an optical scanner is created. Here, when the determination in step S9 is affirmative (S9: Y), the
先ず、工程S110において、構造体が形成される。構造体を構成する金属板(例えば、SUS430)が、構造体の外形と等しい大きさに分割される。そして、分割された金属板の、ミラー部分、捩れ梁部分、本体部分に対応する位置に、マスキングのためのレジスト膜が形成される。その後、ウェットエッチングによって構造体の外形が形成された後に、レジスト膜が除去される。なお、構造体の外形に比して十分大きな金属板に複数の構造体の外形が形成された後に、個々の構造体に分割される多数個取りが実行されても差し支えない。または、ウェットエッチングでなく、プレス加工などの機械的な加工によって構造体が形成されても差し支えない。 First, in step S110, a structure is formed. A metal plate (for example, SUS430) constituting the structure is divided into a size equal to the outer shape of the structure. Then, a resist film for masking is formed at positions corresponding to the mirror portion, the torsion beam portion, and the main body portion of the divided metal plate. Thereafter, after the outer shape of the structure is formed by wet etching, the resist film is removed. It should be noted that, after the outer shapes of a plurality of structures are formed on a metal plate that is sufficiently larger than the outer shape of the structures, a large number of pieces can be divided into individual structures. Alternatively, the structure may be formed not by wet etching but by mechanical processing such as press processing.
次に、工程S111において、予め圧電素子の両面に電極層を備えたバルクの圧電材料が、構造体に実装される。この実装は、例えば、エポキシ系、アクリル系、シリコン系等の合成樹脂材料に金属フィラーなどの導電材を含有する導電性接着剤を用いて行われる。具体的には、構造体の本体部分に塗布された導電性接着剤の上に、バルクの圧電材料が設置される。圧電材料の設置後、100〜200℃の雰囲気に保たれた加熱炉内に構造体が30〜60分間装入されることによって、導電性接着剤が硬化する。以上で、圧電素子の実装が完了する。 Next, in step S111, a bulk piezoelectric material provided with electrode layers on both surfaces of the piezoelectric element in advance is mounted on the structure. This mounting is performed using, for example, a conductive adhesive containing a conductive material such as a metal filler in a synthetic resin material such as epoxy, acrylic or silicon. Specifically, a bulk piezoelectric material is placed on a conductive adhesive applied to the main body portion of the structure. After installation of the piezoelectric material, the conductive adhesive is cured by placing the structure in a heating furnace maintained at 100 to 200 ° C. for 30 to 60 minutes. This completes the mounting of the piezoelectric element.
次に、工程S112において、台座が作成される。台座の外形は、構造体の場合と同様に、台座の構成材料となる金属板に対して、エッチングやプレスなどの除去加工を施すことで得られる。なお、台座が第1層と第2層との積層構造の場合、第1層を構成するための金属板と、第2層を構成するための金属板とに対して、それぞれ除去加工が施される。なお、第1層及び第2層の厚みは、対応する厚みを有する金属板を加工することで、自動的に設定される。その後、第1層と第2層とが、接着や溶着などによって固定される。 Next, in step S112, a pedestal is created. The outer shape of the pedestal can be obtained by performing removal processing such as etching or pressing on the metal plate that is a constituent material of the pedestal, as in the case of the structure. When the pedestal has a laminated structure of the first layer and the second layer, the metal plate for constituting the first layer and the metal plate for constituting the second layer are respectively subjected to removal processing. Is done. Note that the thicknesses of the first layer and the second layer are automatically set by processing a metal plate having a corresponding thickness. Thereafter, the first layer and the second layer are fixed by adhesion, welding, or the like.
次に、工程S113において、台座と構造体とが固定される。この固定は、例えば、レーザ溶接などによって、構造体の被固定部と台座とが溶着されることで行われる。ただし、熱硬化接着剤を利用した接着など、他の固定方法によって、構造体と台座とが固定されても差し支えない。 Next, in step S113, the base and the structure are fixed. This fixing is performed, for example, by welding the fixed portion of the structure and the pedestal by laser welding or the like. However, the structure and the base may be fixed by other fixing methods such as bonding using a thermosetting adhesive.
そして、工程S114において、圧電素子と構造体とに対して、ワイヤボンディングによって信号線が接続される。この信号線は、非図示の交流電源に接続される。構造体と圧電素子とは導電性接着剤によって接着されているので、この信号線を介して圧電素子と構造体との間に電圧が印加される。以上で、光スキャナの製造工程が終了する。 In step S114, the signal line is connected to the piezoelectric element and the structure by wire bonding. This signal line is connected to an AC power source (not shown). Since the structure and the piezoelectric element are bonded by a conductive adhesive, a voltage is applied between the piezoelectric element and the structure via the signal line. This completes the optical scanner manufacturing process.
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。以下にその一例を述べる。 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 is described below.
前記した光スキャナ200において、台座220は、第1層221と第2層222とを有する。しかし、この実施例は、台座が3層以上の積層構造を有する構成を排除するものではない。台座が3層以上の積層構造で形成される場合、前記したように第1層及び第2層の材料が決定された上で、第3層以降の材料が決定されればよい。
In the
前記した光スキャナ200において、第2層222の材料は、構成材料の種類、より具体的には構成材料の線膨張係数を変数として、共振周波数の温度依存性を低減するものに決定された。しかし、共振周波数の温度依存性を低減するために、第2層222の構造を決定する他の変数がさらに導入されても差し支えない。例えば、図9に示されるように、第2層222の厚みが変化すると、共振周波数の温度依存性も変化する。なお、図9に示される例は、構造体210がSUS430で、台座220の第1層221がSECCで、第2層222がSUS304で、それぞれ構成される。また、構造体210の厚みは100μmに、第1層221の厚みは2000μmに、それぞれ設定される。図9から明らかに、第2層222が厚くなるに従って、共振周波数の温度依存性が上昇する。即ち、例えば図7に示される工程S101又は工程S102の後で、第2層222の厚みを決定する工程が実行されても差し支えない。これによって、線膨張係数という変数に加えて、台座の厚みという変数を用いて、共振周波数の温度依存性の絶対値がさらに小さくなるように、台座の構造を決定することが可能になる。
In the
前記した実施形態において、構造体及び台座は金属で構成される。しかし、本発明は、構造体と台座との線膨張係数を異ならせることで、共振周波数の温度依存性を緩和することに特徴がある。そのため、台座や構造体が例えばシリコンなどの非金属で構成されても、本発明の範囲に含まれる。同様に、構造体や台座の形状も、前記した実施例には限定されない。ミラー部分と捩れ梁部分と本体部分を有する平板状の構造体が、台座に対して固定されるタイプの光スキャナは、全て本発明の範囲に含まれる。また、前記した実施形態では、駆動部として圧電素子が利用される。しかし、磁石とコイルパターンとの組み合わせによる電磁駆動方式や、極板間に働く静電気力による静電駆動方式など、他の駆動方式を採用した光スキャナであっても、本発明の範囲に含まれる。 In the above-described embodiment, the structure and the base are made of metal. However, the present invention is characterized in that the temperature dependence of the resonance frequency is relaxed by making the linear expansion coefficients of the structure and the pedestal different. Therefore, even if the pedestal or the structure is made of a nonmetal such as silicon, it is within the scope of the present invention. Similarly, the shapes of the structure and the pedestal are not limited to the above-described embodiments. Any type of optical scanner in which a flat plate-like structure having a mirror portion, a torsion beam portion, and a main body portion is fixed to a pedestal is included in the scope of the present invention. In the embodiment described above, a piezoelectric element is used as the drive unit. However, even an optical scanner that employs another driving method such as an electromagnetic driving method using a combination of a magnet and a coil pattern or an electrostatic driving method using an electrostatic force acting between electrode plates is included in the scope of the present invention. .
100,200 光スキャナ
110,210 構造体
111,211 ミラー部分
112,212 捩れ梁分
113,213 本体部分
113a,213a 被固定部分
113b,213b 節連結部分
114,214 圧電素子
120,220 台座
121,221 第1層
222 第2層
100, 200
Claims (8)
その一端が前記ミラー部分の両側に連結され、前記第1軸線に平行に前記ミラー部分から延出する一対の捩れ梁部分と、
前記一対の捩れ梁部分の他端に連結され、前記ミラー部分から離間し且つ前記第1軸線に交差する方向に延出する本体部分と、
を有し、第1材料によって構成される平板状の構造体と、
少なくとも前記構造体に設けられ、前記ミラー部分を所定の共振周波数にて前記第1軸線回りに揺動可能に構成される駆動部と、
前記構造体が固定される台座とを備え、
前記構造体は、前記本体部分の一部であって前記一対の捩れ梁部分及び前記ミラー部分を挟んで対向する一対の被固定部分において、少なくとも前記台座に固定され、
前記台座は、前記第1材料と異なる線膨張係数を有する第2材料によって構成され、
前記第2材料の線膨張係数は、前記第1材料の線膨張係数よりも大きく、且つ、前記共振周波数の温度依存性の絶対値が、前記台座が前記第1材料によって構成された場合の前記共振周波数の温度依存性の絶対値よりも小さくなる値に設定される、
ことを特徴とする光スキャナ。 A mirror portion including a reflecting surface for reflecting light and configured to be swingable about a first axis;
A pair of torsion beam portions, one end of which is connected to both sides of the mirror portion and extends from the mirror portion parallel to the first axis;
A body portion connected to the other end of the pair of torsion beam portions, extending from the mirror portion and extending in a direction intersecting the first axis;
A flat plate-like structure composed of the first material;
A drive unit that is provided at least in the structure and configured to be able to swing the mirror portion around the first axis at a predetermined resonance frequency;
A pedestal to which the structure is fixed;
The structure is a part of the main body part and is fixed to at least the pedestal in a pair of fixed parts facing each other with the pair of torsion beam parts and the mirror part interposed therebetween,
The pedestal is constituted by a second material having a linear expansion coefficient different from that of the first material,
The linear expansion coefficient of the second material is larger than the linear expansion coefficient of the first material, and the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency is the value when the pedestal is formed of the first material. Set to a value smaller than the absolute value of the temperature dependence of the resonance frequency,
An optical scanner characterized by that.
前記第2材料によって構成される第1層と、
前記第1層と前記構造体との間に設けられ、前記第2材料とは異なる線膨張係数を有する第3材料によって構成される第2層とを有し、
前記第2層は、前記構造体の前記被固定部分に固定され、
前記第1層は、前記第2層に固定される、
請求項1に記載の光スキャナ。 The pedestal is
A first layer composed of the second material;
A second layer configured by a third material provided between the first layer and the structure and having a linear expansion coefficient different from that of the second material;
The second layer is fixed to the fixed portion of the structure;
The first layer is fixed to the second layer;
The optical scanner according to claim 1.
請求項2に記載の光スキャナ。 The second layer is configured to be thinner than the first layer.
The optical scanner according to claim 2.
請求項1〜3の何れか1項に記載の光スキャナ。 The first material and the second material are metals.
The optical scanner according to claim 1.
前記本体部分に設けられ、
前記本体部分に板波を励起することで、前記本体部分及び前記一対の捩れ梁部分を介して前記ミラー部分を前記第1軸線回りに揺動させることが可能な圧電素子である、
請求項4に記載の光スキャナ。 The drive unit is
Provided in the body portion;
A piezoelectric element capable of swinging the mirror portion around the first axis via the main body portion and the pair of torsion beam portions by exciting plate waves in the main body portion;
The optical scanner according to claim 4.
前記構造体を構成する前記第1材料の線膨張係数よりも大きい値であって、互いに異なる線膨張係数の値を有する複数の材料を含む母集団から、前記台座を構成する前記第2材料としての候補となる材料である第2材料候補を決定する候補決定工程と、
前記第2材料候補を前記第2材料として用いた場合における、前記光スキャナの共振周波数の温度依存性を決定する依存性決定工程と、
前記依存性決定工程によって前記温度依存性が決定された2つ以上の前記第2材料候補の中から、前記温度依存性の絶対値が最小となった前記第2材料候補を、前記第2材料として決定する第2材料決定工程と、
前記第2材料決定工程によって決定された前記第2材料を用いて、前記光スキャナを作成する作成工程と、
を有することを特徴とする光スキャナの製造方法。 A method for manufacturing an optical scanner according to any one of claims 1 to 5,
As the second material constituting the pedestal from a population including a plurality of materials having values of linear expansion coefficients different from each other, the values being larger than the linear expansion coefficient of the first material constituting the structure A candidate determination step of determining a second material candidate that is a candidate material of
A dependency determining step for determining temperature dependency of a resonance frequency of the optical scanner when the second material candidate is used as the second material;
Among the two or more second material candidates whose temperature dependency is determined by the dependency determining step, the second material candidate whose absolute value of the temperature dependency is minimized is selected as the second material. A second material determination step determined as:
Using the second material determined by the second material determination step, the creation step of creating the optical scanner;
A method for manufacturing an optical scanner, comprising:
前記2つ以上の前記第2材料候補の線膨張係数の値と、前記依存性決定工程によって決定された前記2つ以上の第2材料候補における前記温度依存性との相関関係を決定する関係決定工程をさらに備え、
前記第2材料決定工程は、前記関係決定工程によって決定された前記相関関係に基づいて、前記2つ以上の前記第2材料候補に加えて、前記母集団の中から前記温度依存性の絶対値が最小に近い値に対応する線膨張係数を有する材料を、前記第2材料として決定する、
請求項6に記載の光スキャナの製造方法。 An obtaining step of obtaining a linear expansion coefficient of the two or more second material candidates;
Determination of a relationship for determining a correlation between values of linear expansion coefficients of the two or more second material candidates and the temperature dependency of the two or more second material candidates determined by the dependency determination step. A further process,
In the second material determination step, based on the correlation determined in the relationship determination step, in addition to the two or more second material candidates, an absolute value of the temperature dependency from the population. A material having a coefficient of linear expansion corresponding to a value close to a minimum is determined as the second material;
The manufacturing method of the optical scanner of Claim 6.
前記判断工程において前記温度依存性が所定の範囲内に収まらないと判断された場合に、前記母集団の中から、前記台座の前記第2層を構成する前記第3材料として用いる材料を決定する第3材料決定工程とをさらに有し、
前記第3材料決定工程は、
前記温度依存性が負の値の場合、前記第2材料よりも大きな線膨張係数を有する材料を前記第3材料として決定し、
前記温度依存性が正の値の場合、前記第2材料よりも小さな線膨張係数を有する材料を前記第3材料として決定し、
前記作成工程は、前記判断工程において前記温度依存性が所定の範囲内に収まらないと判断された場合に、前記第2材料を前記台座の前記第1層とし、前記第3材料を前記第2層とする前記台座を用いて、前記光スキャナを製造する、
請求項6又は7に記載の光スキャナの製造方法。 A determination step of determining whether or not the temperature dependence of the second material determined by the second material determination step is within a predetermined range;
When it is determined in the determination step that the temperature dependence does not fall within a predetermined range, a material used as the third material constituting the second layer of the pedestal is determined from the population. A third material determination step,
The third material determination step includes
When the temperature dependency is a negative value, a material having a larger linear expansion coefficient than the second material is determined as the third material,
If the temperature dependency is a positive value, a material having a smaller linear expansion coefficient than the second material is determined as the third material,
In the creation step, when it is determined in the determination step that the temperature dependency does not fall within a predetermined range, the second material is the first layer of the pedestal, and the third material is the second layer. Using the pedestal as a layer, the optical scanner is manufactured.
The manufacturing method of the optical scanner of Claim 6 or 7.
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