JP2014092630A - 光走査装置および製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】光走査装置は、光ビームを反射させる反射面を有するミラーと、ミラーを捻り振動させるための回転軸kとなる弾性連結部と、回転軸kを中心にしてミラーを捻り振動させるための駆動力を発生させる圧電ユニモルフ4xとを備える。また圧電ユニモルフ4xが、圧電膜層31を上部電極層32と下部電極層33との間で挟んで形成された駆動層23と、駆動層23を支持する支持層21とを、回転軸kに対して垂直な方向に沿って積層して構成され、さらに圧電ユニモルフ4xは、一端が固定端として固定されており、上部電極層32と下部電極層33との間に電圧が印加されることで屈曲して、他端が自由端として変位するように構成されている。そして支持層21には、深さが支持層21の厚さと同一の凹部41,42,43,44が形成されている。
【選択図】図2
Description
これに対して本願出願人は、反射面が表面に形成された第3フレームと、第3フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第2フレームと、第2フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第1フレームと、第1フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第0フレームとを備え、さらに、第3フレームと第2フレームと第1フレームとをそれぞれの回転軸を中心に捻り振動可能に構成されることで、3自由度連成振動系を構成した光走査装置を提案している(例えば、特許文献1を参照)。
以下に本発明の第1実施形態を図面とともに説明する。
光走査装置1は、図1に示すように、光ビームを走査する光ビーム走査部2と、光ビーム走査部2を支持する支持部3と、光ビーム走査部2を回転駆動させる駆動部4とを備える。
これらのうちミラー13は、円形状であり、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成される。
また弾性連結部16aは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル12の枠内に配置され、ミラー13と内ジンバル12とを連結する。また弾性連結部16bは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル12の枠内に配置され、ミラー13を挟んで弾性連結部16aと反対側において、ミラー13と内ジンバル12とを連結する。なお、弾性連結部16aおよび弾性連結部16bは、ミラー13の重心JSを通る同一直線上に配置されており、ミラー13の回転軸kとなる。これによりミラー13は、回転軸kを中心に捻り振動可能に構成される。
光走査装置1は、支持部3を固定端として、回転軸i,j,kに対しての捻り自由度を持つ3自由度捻り振動子になっている。
振動モード1の共振周波数f1を1000Hz、
振動モード2の共振周波数f2を5000Hz、
振動モード3の共振周波数f3を40000Hz、
振動モード1における外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の振幅比r1を「1:−20:0.5」、
振動モード2における外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の振幅比r2を「1:0.5:−0.1」、
振動モード3における外ジンバル11、内ジンバル12、ミラー13の振幅比r3を「1:0.01:−30」、
として設計した場合の、3自由度捻り振動子の動作を説明する。
圧電ユニモルフ4xは、図2(a)に示すように、シリコンを材料として形成された支持層21と、酸化膜層(本実施形態では酸化シリコン)22と、圧電膜層31(本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT))を上部電極層32と下部電極層33とで挟んで形成された駆動層23とが順に積層方向D1に沿って積層されて構成されている。
凹部41,42,43,44は、図2(a)に示すように、支持層21を積層方向D1に沿って貫通している。すなわち、凹部41,42,43,44の深さは支持層21の厚さと同じである。さらに凹部41,42,43,44は、図2(b)に示すように、矩形板状に形成されている圧電ユニモルフ4xの短手方向D2に沿って支持層21を貫通している。したがって、凹部41,42,43,44の断面は、圧電ユニモルフ4xの短手方向D2に沿った長さL1(以下、縦方向長さL1という)が圧電ユニモルフ4xの短手方向D2の長さに等しい矩形状である。
光走査装置1を製造するために、まず図3(a)に示すように、シリコン基板100に対して熱酸化処理を行う。これにより、シリコン基板100の表面に熱酸化膜110が形成されるとともに、シリコン基板100の裏面にも熱酸化膜120が形成される。
以下に本発明の第2実施形態について図面とともに説明する。なお第2実施形態では、第1実施形態と異なる部分を説明する。
そして第2実施形態の圧電ユニモルフ4xは、図5に示すように、凹部41,42,43,44の代わりに凹部51,52,53,54が形成されている点以外は第1実施形態と同じである。
そして凹部51,52,53,54は、その断面の矩形を形成する四辺の全てが圧電ユニモルフ4xの内部に配置されている。すなわち凹部51,52,53,54は、凹部41,42,43,44と異なり、矩形板状に形成されている圧電ユニモルフ4xの長辺と交差しておらず、四角孔状に形成されている。
(第3実施形態)
以下に本発明の第3実施形態について図面とともに説明する。なお第3実施形態では、第2実施形態と異なる部分を説明する。
そして第3実施形態の圧電ユニモルフ4xは、図7に示すように、凹部51,52,53,54の代わりに凹部61,62が形成されている点以外は第2実施形態と同じである。
このように構成された光走査装置1では、圧電ユニモルフ4xを効率良く変位させることができる。この理由を以下に説明する。
(第4実施形態)
以下に本発明の第4実施形態について図面とともに説明する。なお第4実施形態では、第1実施形態と異なる部分を説明する。
そして第4実施形態の圧電ユニモルフ4xは、図11に示すように、凹部41,42,43,44の代わりに凹部71,72,73,74,75,76,77が形成されている点以外は第1実施形態と同じである。
すなわち、凹部71,72,73,74,75,76,77は、圧電ユニモルフ4xの長手方向D3に沿って、圧電ユニモルフ4xの固定端E1に近付くほど、隣り合う凹部間の間隔が長くなるように配置されている点以外は第1実施形態と同じである。なお固定端E1は、圧電ユニモルフ4xの矩形を構成する2つの短辺のうち、支持部3に固定される側の短辺である。
以下に本発明の第5実施形態について図面とともに説明する。なお第5実施形態では、第1実施形態と異なる部分を説明する。
図12(a)は圧電ユニモルフ4xの側面図、図12(b)は圧電ユニモルフ4xの底面図である。
以下に本発明の第6実施形態について図面とともに説明する。なお第6実施形態では、第1実施形態と異なる部分を説明する。
第6実施形態における光走査装置1は、リブ90が追加された点以外は第1実施形態と同じである。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
また上記第5実施形態では、凹部の縦方向長さL1が圧電ユニモルフ4xの短手方向D2の長さに等しいものを示したが、図18(a)に示すように、第2実施形態と同様にして、縦方向長さL1が圧電ユニモルフ4xの短手方向D2の長さよりも短くなるようにしてもよい。また図18(b)に示すように、縦方向長さL1が圧電ユニモルフ4xの短手方向D2の長さよりも短くなるとともに矩形の角が丸まっている形状としてもよい。また図18(c)に示すように、圧電ユニモルフ4xの短手方向D2に沿って円形状または楕円形状の凹部を配置するようにしてもよい。
光走査装置401は、図19に示すように、光ビームを走査する光ビーム走査部402と、光ビーム走査部402を支持する支持部403と、光ビーム走査部402を回転駆動させる駆動部404とを備える。
これらのうちミラー412は、第1実施形態のミラー13と同一である。
また弾性連結部414aは、弾性変形可能な材料で構成されており、ジンバル411の枠内に配置され、ミラー412とジンバル411とを連結する。また弾性連結部414bは、弾性変形可能な材料で構成されており、ジンバル411の枠内に配置され、ミラー412を挟んで弾性連結部414aと反対側において、ミラー412とジンバル411とを連結する。なお、弾性連結部414aおよび弾性連結部414bは、ミラー412の回転軸kとなる。これによりミラー412は、回転軸kを中心に捻り振動可能に構成される。
圧電ユニモルフ404a,404b,404c,404dは、矩形板状に形成されており、その長手方向が回転軸iに直交するように配置される。そして圧電ユニモルフ404aは、その長手方向の一端が左側支持部403cに固定され、他端がジンバル411の上辺411aに連結される。圧電ユニモルフ404bは、その長手方向の一端が左側支持部403cに固定され、他端がジンバル411の下辺411bに連結される。圧電ユニモルフ404cは、その長手方向の一端が右側支持部403dに固定され、他端がジンバル411の上辺411aに連結される。圧電ユニモルフ404dは、その長手方向の一端が右側支持部403dに固定され、他端がジンバル411の下辺411bに連結される。
Claims (9)
- 光ビームを反射させる反射面を有する反射部(13,412)と、
前記反射部を捻り振動させるための第1回転軸となる第1弾性変形部材(16a,16b,414a,414b)と、
前記第1回転軸を中心にして前記反射部を捻り振動させるための駆動力を発生させる駆動部(4a,4b,4c,4d,404a,404b,404c,404d,404e,404f,404g,404h)とを備える光走査装置(1,401)であって、
前記駆動部は、圧電膜層(31)を第1電極層(32)と第2電極層(33)との間で挟んで形成された駆動層(23)と、前記駆動層を支持する支持層(21)とを、前記第1回転軸に対して垂直な方向に沿って積層して構成され、
さらに前記駆動部は、一端が固定端として固定されており、前記第1電極層と前記第2電極層との間に電圧が印加されることで屈曲して、他端が自由端として変位するように構成されており、
前記支持層には、深さが前記支持層の厚さと同一の凹部(41,42,43,44,51,52,53,54,61,62,71,72,73,74,75,76,77,81,82,83,84,85,86)が複数形成されている
ことを特徴とする光走査装置。 - 前記支持層の面上において前記固定端から前記自由端に向かう方向を第1方向とし、前記支持層の面上において第1方向に対して垂直な方向を第2方向として、
前記凹部(51,52,53,54)の前記第2方向に沿った長さが、前記支持層の前記第2方向に沿った長さよりも短い
ことを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。 - 前記支持層の面上において前記固定端から前記自由端に向かう方向を第1方向とし、前記支持層の面上において第1方向に対して垂直な方向を第2方向として、
前記第1方向に沿って隣接する2つの前記凹部の間隔が、前記固定端に近づくほど長くなるように、複数の前記凹部(71,72,73,74,75,76)が配置されている
ことを特徴とする請求項1または請求項2に記載の光走査装置。 - 前記支持層の面上において前記固定端から前記自由端に向かう方向を第1方向として、
前記凹部(81,82,83,84,85,86)の前記第1方向に沿った長さが、前記固定端に近づくほど短くなる
ことを特徴とする請求項1〜請求項3の何れか1項に記載の光走査装置。 - 前記支持層の面上において前記固定端から前記自由端に向かう方向を第1方向として、
前記第1方向に沿って隣接する2つの前記凹部のうち、前記固定端に近い前記凹部を第1凹部(61)とし、残りの前記凹部を第2凹部(62)として、
前記第1凹部の前記第1方向に沿った長さを第1凹部幅とし、
前記第1凹部と前記第2凹部との間の間隔を凹部間隔とし、
前記第1凹部幅は、前記第1凹部幅と前記凹部間隔との加算値の0.8〜0.9倍である
ことを特徴とする請求項1〜請求項4の何れか1項に記載の光走査装置。 - 前記圧電膜層は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)からなる
ことを特徴とする請求項1〜請求項5の何れか1項に記載の光走査装置。 - 前記第1弾性変形部材(414a,414b)を支持する第1支持部(411)と、
前記第1支持部に連結された弾性変形可能な第2弾性変形部材(413a,413b)を有し、該第2弾性変形部材を第2回転軸として前記第1支持部を揺動可能に支持する第2支持部(403)とを備え、
前記第2回転軸は、前記第1回転軸と交差するように配置され、
前記第2回転軸を中心にして前記第1支持部を揺動させると共に、前記第1回転軸を中心にして前記反射部を揺動させることにより、前記反射面により反射された光ビームを2次元に走査する
ことを特徴とする請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の光走査装置(401)。 - 前記第1弾性変形部材(16a,16b)を支持する第1支持部(12)と、
前記第1支持部に連結された弾性変形可能な第2弾性変形部材(15a,15b)を有し、該第2弾性変形部材を第2回転軸として前記第1支持部を揺動可能に支持する第2支持部(11)と、
前記第2支持部に連結された弾性変形可能な第3弾性変形部材(14a,14b)を有し、該第3弾性変形部材を第3回転軸として前記第2支持部を揺動可能に支持する第3支持部(3)とを備え、
前記第2回転軸は、前記第1回転軸と交差するように配置され、
前記第3回転軸は、前記第1回転軸および前記第2回転軸と交差するように配置され、
前記反射部、前記第1支持部、前記第2支持部、前記第3支持部、前記第1弾性変形部材、前記第2弾性変形部材、および前記第3弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捻り振動する3自由度連成振動系を構成し、
前記3自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させることにより、前記第3回転軸を中心にして前記第2支持部を揺動させるとともに、前記第2回転軸を中心にして前記第1支持部を揺動させ、さらに前記第1回転軸を中心にして前記反射部を揺動させることにより、前記反射面により反射された光ビームを2次元に走査する
ことを特徴とする請求項1〜請求項6の何れか1項に記載の光走査装置(1)。 - 請求項1〜請求項8の何れか1項に記載の光走査装置の製造方法であって、
第1シリコン基板(100)の一方の面側からエッチングすることにより前記凹部を形成する第1形成工程と、
前記第1シリコン基板の前記一方の面側で、前記第1シリコン基板と第2シリコン基板(140)とを張り合わす張合工程と、
前記第1シリコン基板の他方の面側に前記駆動部を形成する第2形成工程と、
前記第1シリコン基板の前記他方の面側からエッチングすることにより前記反射部および前記第1弾性変形部材を形成する第3形成工程と、
前記第1シリコン基板と前記第2シリコン基板とが張り合わされた面を張合面として、前記第2シリコン基板の前記張合面と反対側の面側からエッチングすることにより、前記反射部が捻り振動することができる空間を形成する第4形成工程とを備える
ことを特徴とする製造方法。
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