JP2014164170A - 光走査ミラーデバイス及びこれを備えた画像描画装置 - Google Patents

Abstract

【課題】走査角を大きくしながら低電圧で駆動できる光走査ミラーデバイス、及びこれを備えた画像描画装置を提供する。
【解決手段】光走査ミラーデバイス１は、反射ミラー７を可動枠８に対して回転可能に連結する第一捩り梁１２Ａ，１２Ｂと、可動枠８を固定枠１０に対して回転可能に連結する第二捩り梁１３Ａ、１３Ｂと、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２を中心として互いに線対称となるように、可動枠８に付設された剛性電極板９Ａ，９Ｂと、剛性電極板９Ａ，９Ｂにそれぞれ対向するように設けられ、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂに対向した部分が片持ち支持された可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂと、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に印加する電圧を可変制御する垂直走査用電圧制御部２３Ａと、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に印加する電圧を可変制御する垂直走査用電圧制御部２３Ａとを有する。
【選択図】図９

Description

本発明は、光走査ミラーデバイス及びこれを備えた画像描画装置に関する。

近年、画像描画装置のキーデバイスとして、光走査ミラーデバイスが注目されている。光走査ミラーデバイスは、画像信号に合わせてレーザ光を２次元的に走査して、画像を描画する。そして、レーザ光を利用することから、光学系の小型化や焦点レス等の利点を有しており、曲面上への画像描画も可能である。そのため、例えば、自動車に搭載されるヘッドアップディスプレイや、携帯電話に搭載される超小型プロジェクタ等への適用が考えられており、消費電力の低減等が求められている。

ここで、電磁駆動方式と比べて消費電力が低減できるため、静電駆動方式を採用した光走査ミラーデバイスが開示されている（例えば特許文献１参照）。この光走査ミラーデバイスは、反射ミラーと、反射ミラーの外側に配置された可動枠と、可動枠の外側に配置された固定枠と、反射ミラーを可動枠に対して回転可能に連結する第一捩り梁と、可動枠を固定枠に対して回転可能に連結する一対の第二捩り梁と、反射ミラーを可動枠に対して回転させる第一の静電アクチュエータと、可動枠を固定枠に対して回転させる第二の静電アクチュエータとを有している。なお、第一捩り梁の回転軸と第二捩り梁の回転軸は、互いに直交している。

そして、第一の静電アクチュエータの電極間に印加する電圧を可変制御して、電極間で発生する静電力を可変させる。これにより、第一捩り梁の回転軸を中心として反射ミラーを回転させ、反射ミラーで反射したレーザ光を水平方向に走査する。また、第二の静電アクチュエータの電極間に印加する電圧を可変制御して、電極間で発生する静電力を可変させる。これにより、第二捩り梁の回転軸を中心として可動枠と共に反射ミラーを回転させ、反射ミラーで反射したレーザ光を垂直方向に走査する。その結果、反射ミラーで反射したレーザ光を２次元的に走査して、画像を描画するようになっている。

なお、一般的には、画面の走査線の本数に基づき、水平走査の周波数を１０ｋＨｚ以上に設定し、垂直走査の周波数を数十Ｈｚに設定している。水平走査では、共振周波数に設定することにより、消費電力を低減することが可能である。一方、垂直走査では、水平走査線を一定間隔で描画する速度制御を行うため、非共振周波数に設定する必要がある。

特開昭６０−１０７０１７号公報（第５図参照）

上記従来技術では、次のような課題が存在する。特許文献１に記載の静電アクチュエータは、可動枠側の可動電極と、この可動電極に対向するように設けられた固定電極とで構成されている。これら電極間で発生する静電力は、電極間に印加する電圧に比例し、電極間の距離の２乗に反比例する。それ故、低電圧で駆動するためには、電極間の距離が小さくなるように構成することが考えられる。ところが、反射ミラーの回転角（すなわち、走査角）を大きくするためには、電極間の距離が大きくなるように構成する必要がある。したがって、走査角を大きくしながら低電圧で駆動することが困難であった。

本発明の目的は、走査角を大きくしながら低電圧で駆動できる光走査ミラーデバイス、及びこれを備えた画像描画装置を提供することにある。

上記目的を達成するために、本発明は、反射ミラーと、前記反射ミラーの外側に配置された可動枠と、前記可動枠の外側に配置された固定枠と、前記可動枠に対して前記反射ミラーを回転可能に連結する第一捩り梁と、前記固定枠に対して前記可動枠を回転可能に連結し、その回転軸が前記第一捩り梁の回転軸と直交する一対の第二捩り梁と、前記第二捩り梁の回転軸を中心として互いに線対称となるように、前記可動枠に付設された一方の剛性電極板及び他方の剛性電極板と、前記一方の剛性電極板に対向するように設けられ、前記第二捩り梁に対向した部分が片持ち支持された一方の可撓性電極板と、前記他方の剛性電極板に対向するように設けられ、前記第二捩り梁に対向した部分が片持ち支持された他方の可撓性電極板と、前記一方の可撓性電極板と前記一方の剛性電極板との間に印加する電圧を可変制御して、前記一方の可撓性電極板の自由端側が前記一方の剛性電極板に吸着する領域を可変させる第一の電圧制御部と、前記他方の可撓性電極板と前記他方の剛性電極板との間に印加する電圧を可変制御して、前記他方の可撓性電極板の自由端側が前記他方の剛性電極板に吸着する領域を可変させる第二の電圧制御部とを有する。

本発明においては、例えば、一方の可撓性電極板と一方の剛性電極板との間に印加する電圧と、他方の可撓性電極板と他方の剛性電極板との間に印加する電圧が同じであれば、一方の可撓性電極板と一方の剛性電極板との吸着領域と、他方の可撓性電極板と他方の剛性電極板との吸着領域が同じ大きさになる。このとき、固定枠に対する可動枠の回転角がゼロとなる。すなわち、第二捩り梁の回転軸を中心とした反射ミラーの回転角がゼロとなる。また、一方の可撓性電極板と一方の剛性電極板との間に印加する電圧が、他方の可撓性電極板と他方の剛性電極板との間に印加する電圧より大きくなれば、一方の可撓性電極板と一方の剛性電極板との吸着領域が、他方の可撓性電極板と他方の剛性電極板との吸着領域より広くなる。このとき、固定枠に対して可動枠が一方側に回転する。すなわち、第二捩り梁の回転軸を中心として反射ミラーが一方側に回転する。また、他方の可撓性電極板と他方の剛性電極板との間に印加する電圧が、一方の可撓性電極板と一方の剛性電極板との間に印加する電圧より大きくなれば、他方の可撓性電極板と他方の剛性電極板との吸着領域が、一方の可撓性電極板と一方の剛性電極板との吸着領域より広くなる。このとき、固定枠に対して可動枠が他方側に回転する。すなわち、第二捩り梁の回転軸を中心として反射ミラーが他方側に回転する。

このように本発明においては、一方の可撓性電極板の自由端側が一方の剛性電極板に吸着し、他方の可撓性電極板の自由端側が他方の剛性電極板に吸着しており、それらの吸着領域を可変させて駆動する。そのため、電極板間の距離が短く、低電圧で駆動できる。また、第二捩り梁の回転軸を中心とした反射ミラーの回転角（すなわち、走査角）を大きくするため、電圧を印加しない状態における電極板間の距離が大きくなるように構成した場合であっても、低電圧で駆動できる。したがって、本発明においては、走査角を大きくしながら低電圧で駆動できる。

本発明によれば、走査角を大きくしながら低電圧で駆動できる。

本発明の一実施形態による光走査ミラーデバイスの構成を表す図であり、積層構造体の上面図を含む。 図１中断面II−IIにおける積層構造体の断面図であり、電極板間に電圧を印加しない状態を示す。 図１及び図２で示された積層構造体を構成するミラー基板の上面図である。 図３中断面IV−IVにおける断面図であり、ミラー基板とともに固定枠支持部及び可動枠リブ部を示す。 図３中断面Ｖ−Ｖにおける断面図であり、ミラー基板とともに固定枠支持部及び可動枠リブ部を示す。 図１及び図２で示された積層構造体を構成する電極基板の上面図である。 図１及び図２で示された積層構造体を構成する電極基板支持部の上面図である。 本発明の一実施形態における垂直走査用電圧制御部の電圧印加パターンを説明するためのタイムチャートである。 図２に相当し、電極板間に電圧を印加した状態を示す。 本発明の第１の変形例におけるミラー基板の構造を表す上面図である。 本発明の第１の変形例におけるミラー基板の剛性電極板の表層構造を表す断面図である。 本発明の第２の変形例における積層構造体の断面図である。 本発明の他の実施形態による光走査ミラーデバイスを備えた画像描画装置の構成を一例として表す図である。

本発明の一実施形態を、図面を参照しつつ説明する。

図１は、本実施形態による光走査ミラーデバイスの構成を表す図であり、積層構造体の上面図を含む。図２は、図１中断面II−IIにおける積層構造体の断面図であり、後述する電極板間に電圧を印加しない状態を示す。図３は、積層構造体を構成するミラー基板の上面図である。図４は、図３中断面IV−IVにおける断面図であり、ミラー基板とともに固定枠支持部及び可動枠リブ部を示す。図５は、図３中断面Ｖ−Ｖにおける断面図であり、ミラー基板とともに固定枠支持部及び可動枠リブ部を示す。図６は、積層構造体を構成する電極基板の上面図である。図７は、積層構造体を構成する電極基板支持部の上面図である。

本実施形態の光走査ミラーデバイス１は、固定枠支持部２、ミラー基板３、電極基板４、及び電極基板支持部５がその順序で積層されて接合された積層構造体６を備えている。なお、固定枠支持部２、ミラー基板３、電極基板４、及び電極基板支持部５は導電性材質（詳細には、例えば導電性シリコン）で形成されており、それらの間には絶縁膜（詳細には、例えばシリコン酸化膜）が介在している。

ミラー基板３は、略円形状の反射ミラー７と、この反射ミラー７の外側に配置された略円環状の可動枠８と、この可動枠８の外側に付設された剛性電極板９Ａ，９Ｂと、可動枠８及び剛性電極板９Ａ，９Ｂの外側に配置された固定枠１０とを有している。固定枠支持部２は、固定枠１０とほぼ同じ平面形状をなしており、固定枠１０に絶縁膜を介して接合されている。可動枠８には、略円環状の可動枠リブ部１１が絶縁膜を介して接合されている。

反射ミラー７と可動枠８は、弾性変形可能な第一捩り梁１２Ａ，１２Ｂを介して連結されている。これにより、反射ミラー７は、可動枠８に対して回転可能とし、すなわち、第一捩り梁１２Ａ，１２Ｂの回転軸（走査軸）Ｌ１を中心に回転可能としている。可動枠８と固定枠１０は、弾性変形可能な第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂを介して連結されている。これにより、可動枠８は、固定枠１０に対して回転可能とし、すなわち、反射ミラー７とともに第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸（走査軸）Ｌ２を中心に回転可能としている。なお、回転軸Ｌ１と回転軸Ｌ２は、互いに直交している。

ミラー基板３には、可動枠８に対して反射ミラー７を回転させる櫛歯型の静電アクチュエータ１４Ａ，１４Ｂが設けられている。静電アクチュエータ１４Ａは、詳細を図示しないが、反射ミラー７に形成された櫛歯状電極と、可動枠８（詳細には、後述する部分１７ｃ）に形成された櫛歯状電極とで構成されている。同様に、静電アクチュエータ１４Ｂは、反射ミラー７に形成された櫛歯状電極と、可動枠８（詳細には、後述する部分１７ｂ）に形成された櫛歯状電極とで構成されている。なお、静電アクチュエータ１４Ａと静電アクチュエータ１４Ｂは、基板厚さ方向における反射ミラー７の櫛歯状電極と可動枠８の櫛歯状電極の配置関係が反対になっている。

固定枠１０には電極パッド１５Ａ，１５Ｂが設けられている。電極パッド１５Ａは、固定枠１０の一部分１６ａ、第二捩り梁１３Ａ、可動枠８の大部分１７ａ、及び第一捩り梁１２Ａ，１２Ｂを介して、反射ミラー７に電気的に接続されている。したがって、電極パッド１５Ａは、剛性電極板９Ａ，９Ｂや、静電アクチュエータ１４Ａ，１４Ｂをそれぞれ構成する反射ミラー７側の櫛歯状電極に電気的に接続されている。なお、固定枠１０の一部分１６ａと他の大部分１６ｂとの間には分離溝（分離空間）が形成され、それらが電気的に分離されている。

電極パッド１５Ｂは、固定枠１０の大部分１６ｂ、第二捩り梁１３Ｂ、及び可動枠８の一部分１７ｂを介して、静電アクチュエータ１４Ａを構成する可動枠８側の櫛歯状電極に電気的に接続されている。また、可動枠８の一部分１７ｂと一部分１７ｃは連結部材（図示せず）を介して電気的に接続されており、電極パッド１５Ｂは、静電アクチュエータ１４Ｂを構成する可動枠８側の櫛歯状電極に電気的に接続されている。なお、可動枠８の一部分１７ｂと大部分１７ａとの間には分離溝が形成され、それらが電気的に分離されている。また、可動枠８の一部分１７ｃと大部分１７ａとの間には分離溝が形成され、それらが電気的に分離されている。

電極パッド１５Ａは、アースに接続されており、反射ミラー７側の櫛歯状電極や剛性電極板９Ａ，９Ｂをアース電位としている。一方、電極パッド１５Ｂは、水平走査用電圧制御部１８に接続されている。水平走査用電圧制御部１８は、電極パッド１５Ｂ等を介して可動枠８側の櫛歯状電極に印加する電圧を可変制御する。言い換えれば、静電アクチュエータ１４Ａを構成する可動枠８側の櫛歯状電極と反射ミラー７側の櫛歯状電極との間に印加する電圧を可変制御するとともに、静電アクチュエータ１４Ｂを構成する可動枠８側の櫛歯状電極と反射ミラー７側の櫛歯状電極との間に印加する電圧を可変制御する。そして、電極間で発生する静電力により、第一捩り梁１２Ａ，１２Ｂの回転軸Ｌ１を中心として反射ミラー７を回転させる。これにより、反射ミラー７で反射したレーザ光を水平方向に走査するようになっている。

電極基板４は、弾性変形可能な可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂと、これら可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂの外側に配置された固定部２０Ａ，２０Ｂと、可撓性電極板１９Ａと固定部２０Ａを連結する一対の連結部２１Ａと、可撓性電極板１９Ｂと固定部２０Ｂを連結する一対の連結部２１Ｂとを有している。

固定部２０Ａには電極パッド２２Ａが設けられ、固定部２０Ｂには電極パッド２２Ｂが設けられている。電極パッド２２Ａは、固定部２０Ａ及び連結部２１Ａを介して可撓性電極板１９Ａに電気的に接続されている。電極パッド２２Ｂは、固定部２０Ｂ及び連結部２１Ｂを介して可撓性電極板１９Ｂに電気的に接続されている。なお、可撓性電極板１９Ａ、固定部２０Ａ、及び連結部２１Ａと可撓性電極板１９Ｂ、固定部２０Ｂ、及び連結部２１Ｂとの間には分離溝が形成され、それらが電気的に分離されている。

固定部２０Ａ，２０Ｂは、電極パッド１５Ａ，１５Ｂとの干渉を避けるための部分を除いてミラー基板３の固定枠１０と重なるような形状をなし、固定枠１０に絶縁膜を介して接合されている。電極基板支持部５は、電極パッド２２Ａ，２２Ｂとの干渉を避けるための部分を除いて固定部２０Ａ，２０Ｂと重なり、かつ連結部２１Ａ，２１Ｂ及び可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂの基端部（言い換えれば、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂに対向した部分）と重なるような形状をなし、それらに絶縁膜を介して接合されている。

剛性電極板９Ａ，９Ｂは、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２を中心として互いに線対称となるように、可動枠８に付設されている。詳細には、第二捩り梁１３Ａから第二捩り梁１３Ｂに向かって延在するように略コの字状に形成されて、可動枠８の外側に付設されている。可撓性電極板１９Ａは、剛性電極板９Ａに対向するように略コの字状に形成されて設けられ、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂに対向した基端部が固定部２０Ａ、連結部２１Ａ、及び電極基板支持部５によって片持ち支持されている。同様に、可撓性電極板１９Ｂは、剛性電極板９Ｂに対向するように略コの字状に形成されて設けられ、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂに対向した基端部が固定部２０Ｂ、連結部２１Ｂ、及び電極基板支持部５によって片持ち支持されている。

可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂ及び連結部２１Ａ，２１Ｂは、固定部２０Ａ，２０Ｂより薄く、固定部２０Ａ，２０Ｂの下面からオフセットするように設けられている。これにより、電圧を印加しない状態における電極板９Ａと電極板１９Ａとの間の距離及び電極板９Ｂと電極板１９Ｂとの間の距離を確保するようになっている。

電極パッド２２Ａは、垂直走査用電圧制御部２３Ａに接続されている。垂直走査用電圧制御部２３Ａは、電極パッド２２Ａ等を介して可撓性電極板１９Ａに印加する電圧を可変制御する。言い換えれば、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に印加する電圧を可変制御する。そして、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間で発生する静電力により、可撓性電極板１９Ａの自由端側（図６中左側、図２及び後述の図９中左側）を剛性電極板９Ａに吸着させる。また、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間で発生する静電力と、可撓性基板１９Ａの変形反力と、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの変形反力との釣合いによって、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの吸着領域（言い換えれば、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２に対して垂直な方向における吸着範囲）を可変させるとともに、可動枠８の回転トルクを発生させるようになっている。なお、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａの短絡を防止するために、それらのうちの一方の表面には絶縁膜が形成されている。

同様に、電極パッド２２Ｂは、垂直走査用電圧制御部２３Ｂに接続されている。垂直走査用電圧制御部２３Ｂは、電極パッド２２Ｂ等を介して可撓性電極板１９Ｂに印加する電圧を可変制御する。言い換えれば、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間に印加する電圧を可変制御する。そして、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間で発生する静電力により、可撓性電極板１９Ｂの自由端側（図６中右側、図２及び後述の図９中右側）を剛性電極板９Ｂに吸着させる。また、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間で発生する静電力と、可撓性基板１９Ｂの変形反力と、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの変形反力との釣合いによって、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着領域（言い換えれば、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２に対して垂直な方向における吸着範囲）を可変させるとともに、可動枠８の回転トルクを発生させるようになっている。なお、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂの短絡を防止するために、それらのうちの一方の表面には絶縁膜が形成されている
そして、垂直走査用電圧制御部２３Ａによって可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に印加する電圧と、垂直走査用電圧制御部２３Ｂによって可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間に印加する電圧が同じであれば、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの吸着領域と、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着領域が同じ大きさになる。このとき、固定枠１０に対する可動枠８の回転角がゼロとなる。すなわち、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２を中心とした反射ミラー７の回転角がゼロとなる。また、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に印加する電圧が、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間に印加する電圧より大きくなれば、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの吸着領域が、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着領域より広くなる。このとき、固定枠１０に対して可動枠８が一方側に回転する。すなわち、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２を中心として反射ミラー７が一方側に回転する。また、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間に印加する電圧が、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に印加する電圧より大きくなれば、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着領域が、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着領域より広くなる。このとき、固定枠１０に対して可動枠８が他方側に回転する。すなわち、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２を中心として反射ミラー７が他方側に回転する。このような方法により、反射ミラー７で反射したレーザ光を垂直方向に走査するようになっている。

走査制御部２４は、上述した電圧制御部１８，２３Ａ，２３Ｂを連携させるように制御する。これにより、反射ミラー７で反射したレーザ光を２次元的に走査するようになっている。

次に、垂直走査用電圧制御部２３Ａ，２３Ｂの電圧制御について説明する。

図８は、本実施形態における垂直走査用電圧制御部２３Ａ，２３Ｂの電圧印加パターンを説明するためのタイムチャートである。図９（ａ）〜図９（ｃ）は、上述の図２に相当するものであり、電極板１９Ａ，９Ａ間及び電極板１９Ｂ，９Ｂ間に電圧を印加した状態を示す。なお、図９（ａ）は、電極板１９Ａ，９Ａ間及び電極板１９Ｂ，９Ｂ間に待機電圧Ｖ１（但し、Ｖ１≠０）を印加した状態を示している。図９（ｂ）は、電極板１９Ａ，９Ａ間に最大電圧Ｖ２（但し、Ｖ２＞Ｖ１）を印加し、電極板１９Ｂ，９Ｂ間に待機電圧Ｖ１を印加した状態を示している。図９（ｃ）は、電極板１９Ａ，９Ａ間に待機電圧Ｖ１を印加し、電極板１９Ｂ，９Ｂ間に最大電圧Ｖ２を印加した状態を示している。

最初は電圧を印加していないので、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａが離脱し、可撓性電極板１９Ｂと電極板９Ｂが離脱している（図２参照）。そのため、準備段階では、まず、垂直走査用電圧制御部２３Ａは、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に最大電圧Ｖ２（具体的には、例えば２０Ｖ程度）を印加する。これにより、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間で静電力が発生し、この静電力によって可撓性電極板１９Ａの自由端側が剛性電極板９Ａに吸着し、剛性電極板９Ａが可動枠８等とともに図中時計廻りに回動する。その後、垂直走査用電圧制御部２３Ａは、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に印加する電圧を待機電圧Ｖ１（具体的には、例えば２Ｖ程度）まで下げる。これにより、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａと間で発生する静電力が減少して、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの吸着領域が狭くなり、剛性電極板９Ａが可動枠８等とともに図中時計廻りに回動する。そして、固定枠１０に対する可動枠８の回転角がゼロに近い値となる。

その後、垂直走査用電圧制御部２３Ｂは、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間に最大電圧Ｖ２を印加する。これにより、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間で静電力が発生し、この静電力によって可撓性電極板１９Ｂの自由端側が剛性電極板９Ｂに吸着し、剛性電極板９Ｂが可動枠８等とともに図中反時計廻りに回動する。その後、垂直走査用電圧制御部２３Ｂは、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間に印加する電圧を待機電圧Ｖ１まで下げる。これにより、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂと間で発生する静電力が減少して、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着領域が狭くなり、剛性電極板９Ｂが可動枠８等とともに図中時計廻りに回動する。これにより、固定枠１０に対する可動枠８の回転角がゼロとなる（図９（ａ）参照）。すなわち、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２を中心とした反射ミラー７の回転角（以降、適宜、水平走査角という）がゼロとなる。

なお、この状態において、可撓性電極板１９Ａの自由端側では、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間の距離がゼロであり、可撓性電極板１９Ａの自由端側から基端側（固定端側）に向かうに従って、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間の距離が徐々に大きくなっている。同様に、可撓性電極板１９Ｂの自由端側では、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間の距離がゼロであり、可撓性電極板１９Ｂの自由端側から基端側（固定端側）に向かうに従って、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間の距離が徐々に大きくなっている。

次に、水平走査角を走査開始値にするための初期化段階に移る。この初期化段階では、電圧制御部２３Ｂは、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間に印加する電圧を徐々に増加させて、待機電圧Ｖ１から最大電圧Ｖ２まで上げる。これにより、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間で発生する静電力が増加して、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着領域が広くなり、剛性電極板９Ｂが可動枠８等とともに図中反時計廻りに回動する（図９（ｂ）参照）。

次に、水平走査角を走査開始値から走査終止値に徐々に変化させて、反射ミラー７で反射したレーザ光を垂直方向に走査する走査段階（走査モード）に移る。この走査段階では、電圧制御部２３Ａは、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に印加する電圧を徐々に増加させて、待機電圧Ｖ１から最大電圧Ｖ２まで上げる。これと同時に、電圧制御部２３Ｂは、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間に印加する電圧を徐々に減少させて、最大電圧Ｖ２から待機電圧Ｖ１まで下げる。これにより、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間で発生する静電力が増加して、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの吸着領域が広くなり、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間で発生する静電力が減少して、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着領域が狭くなり、剛性電極板９Ａ，９Ｂが可動枠８等とともに図中時計廻りに回動する（図９（ｃ）参照）。なお、図８では電圧の増加率及び減少率を一定にしているが、走査速度を安定させるために変化させてもよい。

次に、水平走査角を走査開始値に戻すための復帰段階（復帰モード）に移る。この復帰段階では、電圧制御部２３Ａは、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間に印加する電圧を急激に減少させて、最大電圧Ｖ２から待機電圧Ｖ１まで下げる。これと同時に、電圧制御部２３Ｂは、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間に印加する電圧を急激に増加させて、待機電圧Ｖ１から最大電圧Ｖ２まで上げる。これにより、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの間で発生する静電力が減少して、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの吸着領域が狭くなり、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの間で発生する静電力が増加して、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着領域が広くなり、剛性電極板９Ａ，９Ｂが可動枠８等とともに図中反時計廻りに回動する（図９（ｂ）参照）。

以上のような本実施形態においては、可撓性電極板１９Ａの自由端側が剛性電極板９Ａに吸着し、可撓性電極板１９Ｂの自由端側が剛性電極板９Ｂに吸着しており、それらの吸着領域を可変させて駆動する。そのため、電極板１９Ａ，９Ａ間の距離及び電極板１９Ｂ，９Ｂ間の距離が短く、低電圧で駆動できる。また、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２を中心とした反射ミラー７の回転角（すなわち、走査角）を大きくするため、電圧を印加しない状態における電極板１９Ａ，９Ａ間の距離及び電極板１９Ｂ，９Ｂ間の距離が大きくなるように構成した場合であっても、低電圧で駆動できる。したがって、本実施形態においては、走査角を大きくしながら低電圧で駆動できる。

なお、上記一実施形態においては、特に説明しなかったが、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの吸着・離脱の動作性、及び可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着・離脱の動作性が向上するように、可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂ又は剛性電極板９Ａ，９Ｂに表面起伏部を設けてもよい。例えば剛性電極板９Ａ，９Ｂに表面起伏部を設けた場合の変形例を、図１０及び図１１により説明する。図１０は、本変形例におけるミラー基板３の構造を表す上面図である。図１１は、本変形例における剛性電極板９Ａ，９Ｂの表層構造を表す断面図である。

本変形例では、剛性電極板９Ａは、垂直走査用電圧制御部２３Ａが待機電圧Ｖ１を印加した場合に可撓性電極板１９Ａが吸着する領域に形成された表面平坦部２５Ａと、垂直走査用電圧制御部２３Ａが最大電圧Ｖ２を印加した場合に可撓性電極板１９Ａがさらに吸着する領域に形成された表面起伏部２６Ａとを有している。表面起伏部２６Ａは、一定の間隔で凹凸が形成されている。なお、剛性電極板９Ａの表面には絶縁膜２７が形成されている。

同様に、剛性電極板９Ｂは、垂直走査用電圧制御部２３Ｂが待機電圧Ｖ１を印加した場合に可撓性電極板１９Ｂが吸着する領域に形成された表面平坦部２５Ｂと、垂直走査用電圧制御部２３Ｂが最大電圧Ｖ２を印加した場合に可撓性電極板１９Ｂがさらに吸着する領域に形成された表面起伏部２６Ｂとを有している。表面起伏部２６Ｂは、一定の間隔で凹凸が形成されている。なお、剛性電極板９Ｂの表面には絶縁膜２７が形成されている。

このような本変形例においては、可撓性電極板１９Ａと剛性電極板９Ａとの吸着・離脱の動作性が向上するとともに、可撓性電極板１９Ｂと剛性電極板９Ｂとの吸着・離脱の動作性が向上するので、走査制御の精度を高めることができる。

また、上記一実施形態においては、特に説明しなかったが、反射ミラー７、可動枠８、剛性電極板９Ａ，９Ｂ、及び可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂを気密封止するように積層構造体を構成してもよい。このような変形例を図１２により説明する。図１２は、本変形例における積層構造体の断面図である。

本変形例では、蓋部２８Ａ、固定枠支持部２、ミラー基板３、電極基板４、電極基板支持部５、及び蓋部２８Ｂがその順序で積層された積層構造体６Ａを備えている。すなわち、反射ミラー７、可動枠８、剛性電極板９Ａ，９Ｂ、及び可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂを気密封止するように、蓋部２８Ａ，２８Ｂを設けている。なお、蓋部２８Ｂは、反射ミラー７に入射するレーザ光を透過するとともに、反射ミラー７で反射したレーザ光を透過するようになっている。

また、図示しないが、電極パッド１５Ａとアースとの接続、電極パッド１５Ｂと水平走査用電圧制御部１８との接続、電極パッド２２Ａと垂直走査用電圧制御部２３Ａとの接続、及び電極パッド２２Ｂと垂直走査用電圧制御部２３Ｂとの接続は、例えば蓋板２８Ａ又は２８Ｂの貫通孔に充填された貫通電極を用いて行われている。

気密封止は、真空装置内で窒素やアルゴンなどを用いて気密圧力を制御して行う。詳細には、蓋部２８Ａ，２８Ｂを接合する際に気密封止してもよいし、あるいは、蓋部２８Ａ，２８Ｂを接合してからリーク孔を用いて気密封止し、その後、リーク孔を埋めてもよい。なお、例えば積層構造体６Ａ内の圧力を長期に亘って一定に保つ必要がある場合、蓋部２８Ｂにおいてレーザ光が透過しない部分には、ガス吸着膜を成膜するなどの処理を施してもよい。また、例えば一定の圧力以下でよい場合、気密封止前に積層構造体６Ａの内壁に吸着している分子を除去する前処理を行うことで対応可能である。

また、蓋部２８Ｂにおいてレーザ光が透過しない部分には、レーザ光が反射しないように反射防止膜をコーティングするなどの処理を施してもよい。この場合、気密封止時には、その機能が損なわれないように低温プロセスが適用される。低温での蓋部２８Ａ，２８Ｂの接合方法としては、例えば、接合界面が同じ材質となるように成膜などの前処理をし、高真空中で表面を活性化して常温で接合する方法がある。また、例えば、低融点ガラスや共晶を用いた２００℃程度での溶融接合を行う方法がある。また、例えば、耐熱ガラスを用いた２８０℃程度での陽極接合を行う方法がある。

このような本変形例においては、動作不良を防止することができる。具体的に説明すると、上述したように、可撓性電極板１９Ａの自由端側が剛性電極板９Ａに吸着し、可撓性電極板１９Ｂの自由端側が剛性電極板９Ｂに吸着しており、それらの吸着領域を可変させて駆動している。そのため、反射ミラー７、可動枠８、剛性電極板９Ａ，９Ｂ、及び可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂを気密封止しない場合には、例えば湿気や大気中の浮遊分子（詳細には、揮発性有機物等）が原因で可撓性電極板と剛性電極板との接触部が固着するか、あるいは、可撓性電極板と剛性電極板との非接触部（隙間）にゴミが入り込み、動作不良を起こす可能性がある。本変形例においては、反射ミラー７、可動枠８、剛性電極板９Ａ，９Ｂ、及び可撓性電極板１９Ａ，１９Ｂを気密封止することにより、動作不良の要因となる周辺環境からそれらを保護することができ、動作不良を防止することができる。

また、上記一実施形態においては、特に説明しなかったが、第二捩り梁１３Ａ，１３Ｂの回転軸Ｌ２を中心とした反射ミラー７の回転角を検出する検出部を設けてもよい。具体的には、例えば、静電容量センサを設けて、反射ミラー７の回転角を検出してもよい。あるいは、捩り梁１３Ａ又は／及び１３Ｂにピエゾ抵抗素子を設け、ホイーストンブリッジ回路を用いてピエゾ抵抗素子の抵抗値を計測し、この抵抗値によって捩り梁１３Ａ又は／及び１３Ｂの歪み、すなわち反射ミラー７の回転角を検出してもよい。そして、垂直走査用電圧制御部２３Ａ，２３Ｂは、検出部で検出された反射ミラー７の回転角を入力し、これに基づいて印加電圧を可変制御する。すなわち、検出部で検出される反射ミラー７の回転角が目標値に追従するように、印加電圧をフィードバック制御する印加する。これにより、走査制御の精度を高めることができる。

次に、本発明の他の実施形態として、上述した光走査ミラーデバイス１を備えた画像描画装置について説明する。図１３は、本実施形態による光走査ミラーデバイス１を備えた画像描画装置の構成を表す図である。

図１３で示す画像描画装置は、レーザ光源部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃ、ダイクロイックミラー３１Ａ，３１Ｂ，３１Ｃ、及び光走査ミラーデバイス１を備えている。

レーザ光源部３０Ａ，３０Ｂ，３０Ｃは、例えばレーザ光源及びコリメートレンズで構成されており、赤色レーザ光、緑色レーザ光、及び青色レーザ光をそれぞれ出射する。

ダイクロイックミラー３１Ａは、レーザ光源部３０Ａからの赤色レーザ光を反射する。ダイクロイックミラー３１Ｂは、ダイクロイックミラー３１Ａからの赤色レーザ光を透過し、レーザ光源部３０Ｂからの緑色レーザ光を反射して、それらの光軸を一致させる。ダイクロイックミラー３１Ｃは、ダイクロイックミラー３１Ｂからの赤色レーザ光及び緑色レーザ光を透過し、レーザ光源部３０Ｃからの青色レーザ光を反射して、それらの光軸を一致させる。このようにして合成された三色のレーザ光が光走査ミラーデバイス１の反射ミラー７に入射される。光走査ミラーデバイス１は、画像信号に合わせてレーザ光を水平方向／垂直方向に走査して、画像投影面３２に画像を描画する。

このような画像描画装置では、光走査ミラーデバイス１以降のレーザ光経路に光学機器が存在せず、光学系の小型化や焦点レス等の利点を有している。また、画像投影面３２が曲面であっても画像を投影可能としている。そのため、例えば、自動車のフロントガラスに画像を投影するナビゲーションシステムや、携帯型プロジェクタ等への適用が可能である。そして、上述した通り、光走査ミラーデバイスを低電圧で駆動でき且つ走査角が大きくできることから、長時間にわたって画像を拡大して投影することができる。

１ 光走査ミラーデバイス
７ 反射ミラー
８ 可動枠
９Ａ，９Ｂ 剛性電極板
１０ 固定枠
１２Ａ，１２Ｂ 第一捩り梁
１３Ａ，１３Ｂ 第二捩り梁
１９Ａ，１９Ｂ 可撓性電極板
２３Ａ，２３Ｂ 垂直走査用電圧制御部
２６Ａ，２６Ｂ 表面起伏部
２８Ａ，２８Ｂ 蓋部

Claims (6)

1. 反射ミラーと、
   前記反射ミラーの外側に配置された可動枠と、
   前記可動枠の外側に配置された固定枠と、
   前記可動枠に対して前記反射ミラーを回転可能に連結する第一捩り梁と、
   前記固定枠に対して前記可動枠を回転可能に連結し、その回転軸が前記第一捩り梁の回転軸と直交する一対の第二捩り梁と、
   前記第二捩り梁の回転軸を中心として互いに線対称となるように、前記可動枠に付設された一方の剛性電極板及び他方の剛性電極板と、
   前記一方の剛性電極板に対向するように設けられ、前記第二捩り梁に対向した部分が片持ち支持された一方の可撓性電極板と、
   前記他方の剛性電極板に対向するように設けられ、前記第二捩り梁に対向した部分が片持ち支持された他方の可撓性電極板と、
   前記一方の可撓性電極板と前記一方の剛性電極板との間に印加する電圧を可変制御して、前記一方の可撓性電極板の自由端側が前記一方の剛性電極板に吸着する領域を可変させる第一の電圧制御部と、
   前記他方の可撓性電極板と前記他方の剛性電極板との間に印加する電圧を可変制御して、前記他方の可撓性電極板の自由端側が前記他方の剛性電極板に吸着する領域を可変させる第二の電圧制御部とを有することを特徴とする光走査ミラーデバイス。
2. 請求項１記載の光走査ミラーデバイスにおいて、
   前記一方の剛性電極板及び前記他方の剛性電極板は、それぞれ、前記一対の第二捩り梁のうちの一方から他方に向かって延在するように略コの字状に形成されて、前記可動枠の外側に付設されており、
   前記一方の可撓性電極板及び前記他方の可撓性電極板は、それぞれ、前記剛性電極板に対向するように略コの字状に形成されて設けられ、前記第二捩り梁の回転軸に対向した部分が片持ち支持されたことを特徴とする光走査ミラーデバイス。
3. 請求項１記載の光走査ミラーデバイスにおいて、
   前記可撓性電極板及び前記剛性電極板のうちの一方は、前記可撓性電極板と前記剛性電極板との吸着・離脱の動作性が向上するように、表面起伏部を設けたことを特徴とする光走査ミラーデバイス。
4. 請求項１記載の光走査ミラーデバイスにおいて、
   前記反射ミラー、前記可動枠、前記剛性電極板、及び前記可撓性電極板を気密封止するように蓋部を設けたことを特徴とする光走査ミラーデバイス。
5. 請求項１記載の光走査ミラーデバイスにおいて、
   前記第二捩り梁の回転軸を中心とした前記反射ミラーの回転角を検出する検出部を設け、
   前記電圧制御部は、前記検出部で検出される前記反射ミラーの回転角が目標値に追従するように、印加電圧をフィードバック制御することを特徴とする光走査ミラーデバイス。
6. 請求項１〜５のいずれか１項記載の光走査ミラーデバイスを備えたことを特徴とする画像描画装置。

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