JP2014182189A

JP2014182189A - 光偏向器

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Publication number: JP2014182189A
Application number: JP2013054964A
Authority: JP
Inventors: Masanao Tani; 雅直谷
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2013-03-18
Filing date: 2013-03-18
Publication date: 2014-09-29
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Also published as: EP2781948A1; US20140268271A1; US9323048B2; EP2781948B1; JP6055701B2

Abstract

【課題】光偏向器において製造容易化、耐衝撃性の増大、及び非正規の固有振動モードの発生抑制を図る。
【解決手段】光偏向器１は、ミラー部２を挟んで対向するように配置された１対のミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂにより、ミラー部２を軸線周りに駆動するように構成される。各ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂは、端部が隣り合うように並んで配置されて圧電駆動により湾曲変形を行う複数のカンチレバー１１ａ〜１１ｄと、隣り合うカンチレバー１１ａ〜１１ｄの端部に対して折り返すように機械的に連結すると共にミラー部２の両側で対称位置に設定された折返し部１２ａ〜１２ｃとを有する。１対のミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂにおいて対称位置に設定された折返し部のうち少なくとも１対の折返し部１２ｃが連結梁１５で連結されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）により創製される光偏向器に関する。

ＭＥＭＳデバイスとしての光偏向器が知られている。例えば、特許文献１に開示される光偏向器は、支持枠の内側の中央部に配設されるミラー部を、両側のミアンダ型アクチュエータを介して支持枠に支持する。ここで、両側のミアンダ型アクチュエータは、基端部及び先端部をそれぞれ支持枠及びミラー部に結合した圧電変形カンチレバー部において、圧電体への電圧印加により先端部を基端部に対して変位させることにより、所定の軸線の周りのミラー部の揺動角を変化させる。

上記のミラー部が所定の軸線周りに揺動するとき、該軸線の位置や方向が変化すると、ミラー部からの走査光線は、照射先に設定した走査軌跡を描くことができず、照射領域における走査光線の走査に支障が生じる。そのため、両側のミアンダ型アクチュエータは、各々の先端が、支持枠の表面に対して法線方向及び上下方向には同一位置、左右方向には所定の対称面に対して対称位置に揃うように、制御電圧により制御される必要がある。しかしながら、両側のミアンダ型アクチュエータの製造上のばらつき等のため、両側のミアンダ型アクチュエータの先端を上記のように揃わせることは難しい。

また、両側のミアンダ型アクチュエータの構造は脆弱であって、ミアンダ型アクチュエータの各部は外部からの衝撃により大きく変位してしまう。したがって、ミアンダ型アクチュエータの各部位が外部からの衝撃により光偏向器の左右方向及び上下方向へ設定外の相対変位関係で相対変位し、ミアンダ型アクチュエータとミラー部とが干渉したり、ねじれたりして、切損や破断が起こり易い。

さらに、両側のミアンダ型アクチュエータの対称部位が対称の位置関係を保持して固有振動する正規の固有振動モードの周波数の近傍に、正規の固有振動モードとは別に、両側のミアンダ型アクチュエータの対称部位が表裏方向及び上下方向に段違いになって固有振動する非正規の固有振動モードの周波数が存在する。このため、両側のミアンダ型アクチュエータを正規の固有振動モードの周波数に対応する制御電圧で制御しているにもかかわらず、非正規の固有振動モードで異常振動することが起こり易い。

特許文献２は、これらの問題に対処して、ダンパ部材を備える光偏向器を開示する。詳しくは、この光偏向器では、所定の粘度又は塗布後の加熱や紫外線照射により粘度が増大するゲル材料が、各ミアンダ型アクチュエータの圧電変形カンチレバー部に塗布されて、ダンパ部材を形成するようにしている。

特許第４９２６５９６号公報特開２０１２−１２３３６４号公報

特許文献２の光偏向器は、ダンパ部材により衝撃を緩和したり、ミアンダ型アクチュエータの上下方向の運動を抑制したりするものの、ミアンダ型アクチュエータの幅狭の圧電変形カンチレバー部に裏側からゲル材等を線状に塗布していくので、製造が煩雑となり、コストも増大する。また、この光偏向器は、両側のミアンダ型アクチュエータに対して個々にダンパ部材を付加するので、両側のミアンダ型アクチュエータにおけるダンパ部材の粘度のばらつきやミアンダ型アクチュエータ自体の製造のばらつきのために、両側のミアンダ型アクチュエータの先端側が、相互の対称性を保持しつつ、ミラー部を操作することが難しい。

本発明の目的は、製造が容易で、耐衝撃性が増大し、非正規の固有振動モードの発生を抑制できる光偏向器を提供することである。

本発明の光偏向器は、反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を挟んで対向するように配置された１対の圧電アクチュエータとを備え、各圧電アクチュエータの一端が前記ミラー部に連結され、該１対の圧電アクチュエータにより前記ミラー部を第１軸線の周りに駆動するように構成された光偏向器であって、前記各圧電アクチュエータは、端部が隣り合うように並んで配置されて圧電駆動により湾曲変形を行う複数の圧電カンチレバーと、隣り合う圧電カンチレバーの端部に対して折り返すように機械的に連結すると共に前記ミラー部の両側で対称位置に設定された折返し部とを有し、前記１対の圧電アクチュエータにおいて前記対称位置に設定された折返し部のうち少なくとも１対の折返し部が連結梁で連結されていることを特徴とする。

本発明によれば、光偏向器に外部から衝撃が加わっても、少なくとも連結梁により連結された対の折返し部同士は、連結梁の方向の距離を保持される。この結果、圧電アクチュエータの各部位が光偏向器が外部から衝撃を受けた時に、両側の圧電変形カンチレバー部が、不揃いに相対変位するのが抑制され、圧電アクチュエータとミラー部との間の干渉やねじれを回避し、切損や破断を防止できる。これにより、耐衝撃性が増大することができる。

また、連結梁により連結された対の折返し部同士が、圧電アクチュエータによるミラー部の操作中に非対称に運動することが抑制され、ミラー部及びその両側の圧電アクチュエータが非正規の固有振動モードで振動することを抑制することができる。

本発明によれば、耐衝撃性の増大や非正規の固有振動モードの発生抑制を図ることにおいて、圧電アクチュエータの幅狭の圧電変形カンチレバー部に裏側からゲル材等を線状に塗布する工程に代えて、両側の圧電アクチュエータにおいて対関係にある折返し部を連結梁により連結するだけであるので、製造が容易となる。

好ましくは、前記連結梁は、前記ミラー部に最も近い１対の折返し部を連結している。

圧電アクチュエータによるミラー部の操作中、圧電アクチュエータにおいて最大変位する折返し部は、ミラー部に最も近い折返し部である。これによれば、連結梁がミラー部に最も近い１対の折返し部を連結することにより、両側の圧電アクチュエータによるミラー部の操作中の両側の圧電アクチュエータの運動の対称性を効率的に保持することができる。

好ましくは、折返し部の複数の対のうち、前記第１軸線に対して直交する方向において前記ミラー部に対して前記連結梁で連結された折返し部とは反対側にある対の折返し部が別の連結梁で連結されている。

これによれば、連結梁及び別の連結梁がミラー部の両側に配設されることになるので、連結梁及び別の連結梁の配列方向における圧電アクチュエータの運動が安定化し、ミラー部の揺動を安定化することができる。

好ましくは、光偏向器は、前記ミラー部と前記圧電アクチュエータとの間に介在し前記圧電アクチュエータの先端部が外周側に結合する可動支持枠と、前記可動支持枠と前記ミラー部との間に介在して前記ミラー部を前記第１軸線とは直角の第２軸線の周りに揺動させる内側アクチュエータとを備える。

これによれば、ミラー部の向きを二次元で制御する光偏向器においても、製造を容易化しつつ、耐衝撃性の増大、及び非正規の固有振動モードの発生抑制及を図ることができる。

光偏向器の斜視図。図１の光偏向器を、正対する方向から見た図。光偏向器のチップ構造の模式的な縦断面図。連結梁が未装備である光偏向器において生じる各種モードにおける可動部の振動挙動を示す斜視図。ミラー部における振動周波数と振幅との関係について実施形態の光偏向器及び従来品の光偏向器の場合を対比して示すグラフ。アクチュエータの圧電素子層への印加電圧とミラー部の揺動角との関係について実施形態の光偏向器の場合及び従来品の場合を対比して示すグラフ。二次元走査用の走査光を出射する光偏向器の斜視図。図７の光偏向器を、正対する方向から見た図。

図１及び図２を参照して、光偏向器１の構造について説明する。なお、光偏向器１の可動部は、光偏向器１への制御電圧に応じて相対位置や形状が変化するが、図１及び図２は、制御電圧が光偏向器１に供給されていない時、すなわち光偏向器１の後述の圧電素子層３３（図３）が電圧の無印加状態にある時の相対位置及び形状で示したものになっている。

光偏向器１は、後述の図３において説明するように、ＭＥＭＳ技術を用いて製造される。光偏向器１は、中心に配置されるミラー部２、ミラー部２を外側から包囲する矩形枠３、及び矩形枠３の内側にかつ矩形枠３の長辺方向にミラー部２を挟んで対向するように配置されたミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂを備えている。

反射面５は、ミラー部２の表側（図２において見えている側を光偏向器１の表側、後ろの見えない側を光偏向器１の裏側と定義する。）に形成される。この光偏向器１では、ミラー部２は矩形であり、反射面５の形状も、ミラー部２の形状に合わせて矩形になっているが、反射面５の形状は、ミラー部２の形状と異ならせて、例えば円にすることもできる。反射面５の形状を円にする場合は、該円の中心は、ミラー部２の中心、すなわち矩形のミラー部２の２つの対角線の交点に設定する。

光偏向器１の各部素子の相対位置関係を説明する便宜上、直交座標のｘ軸，ｙ軸及びｚ軸を定義する。ｘ軸，ｙ軸及びｚ軸が交わる原点ｏは、光偏向器１が非作動状態（後述の圧電素子層３３に電圧が印加されていない状態）にあるときのミラー部２の位置の中心に設定される。ｘ軸及びｙ軸は、それぞれ矩形枠３の長辺方向及び短辺方向に平行に設定され、ｚ軸は光偏向器１の表裏方向に設定される。光偏向器１が非作動状態にある時、光偏向器１は、ｙ−ｚ平面に対して左右対称構造になるように、設計されている。

圧電式の１対のミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂは、ｘ軸方向にミラー部２の両側に配設される。ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂは、ｙ−ｚ平面に対して対称構造になっているので、ミアンダ型アクチュエータ４ａの構造についてのみ説明し、ミアンダ型アクチュエータ４ｂの構造の説明は省略する。

ミアンダ型アクチュエータ４ａは、矩形枠３の短辺部に近い方から順番にカンチレバー１１ａ〜１１ｄ及び折返し部１２ａ〜１２ｃを有している。カンチレバー１１ａ〜１１ｄは、それらに装備される圧電素子層３３（図３）が電圧の無印加状態にある時では、湾曲することなく、直線になっている。カンチレバー１１ａ〜１１ｄは、端部が隣り合うように並んで配置されるように、長手方向をｙ軸方向に揃えて、相互に平行にｘ軸方向に配列されている。

折返し部１２ａ，１２ｃはカンチレバー１１ａ〜１１ｄの配列に対してｙ軸方向正側（図２において上側）に位置し、折返し部１２ｂはカンチレバー１１ａ〜１１ｄの配列に対してｙ軸方向負側（図２において下側）に位置する。折返し部１２ａ〜１２ｃ全体としては、隣り合う１１ａ〜１１ｄの端部に対して折り返すように機械的に連結する。この結果、ミアンダ型アクチュエータ４ａは、両端間においてカンチレバーと折返し部とを交互に連ねた構造になる。カンチレバー１１ａの基端部は、矩形枠３のｙ軸方向負側の長辺部のｘ軸方向負側（図２において左側）の端部に結合している。カンチレバー１１ｄの先端部は、ミラー部２のｘ軸方向負側の辺部のｙ軸方向負側の端部に結合している。

連結梁１５は、長手方向をｘ軸方向に揃えて、ミラー部２に対してｙ軸方向正側に配置され、ｘ軸方向の両端部をミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ｃに連結している。連結梁１６は、長手方向をｘ軸方向に揃えて、ミラー部２に対してｙ軸方向負側に、すなわち、連結梁１５とは反対側に配置され、ｘ軸方向の両端部をミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ｂに結合している。ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ａ同士、折返し部１２ｂ同士及び折返し部１２ｃ同士は、光偏向器１の非作動中（圧電素子層３３への電圧無印加中）、ミラー部２の両側で対称位置関係を設定されている折返し部の対となっている。各対におけるｘ軸方向距離は、折返し部１２ｃの対の距離が最小になっており、折返し部１２ｃの対、折返し部１２ｂの対、及び折返し部１２ａの対の順番に増大する。

電極パッド６ａ，６ｂは、矩形枠３の表側の面の短辺部のｙ軸方向負側の端部に設けられ、それぞれミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂへ供給する制御電圧を供給される。レーザ光源８は、原点ｏへ向けて、光線Ｌaを出射する。光線Ｌaは、反射面５において原点ｏにおける反射面５の法線の向きに応じた反射角度で反射し、走査光線Ｌbとなって照射先へ向かう。

なお、典型的には、光線Ｌaは、進路をｚ軸に設定され、ｚ軸上のビームスプリッタ（図示せず）を直進で通過して、反射面５において反射する。そして、光線Ｌaが反射面５で反射して生成された走査光線Ｌbが、該ビームスプリッタの方へ進み、該ビームスプリッタのハーフミラーにおける反射より向きを９０°変更されてから照射先へ向かう。この場合は、ハーフミラーで反射した走査光線Ｌbは、該ハーフミラーの反射面に対して４５°で傾斜する１つの平面上を進む。

図３を参照して、ＭＥＭＳで創成する光偏向器１のチップ構造について説明する。光偏向器１は、表側から裏側へ（ｚ軸方向の正側がら負側へ）順番に積層体２５、ＳＯＩ層２６、ＢＯＸ層２７及びハンドル層２８から成る。

積層体２５は、裏側から表側へ順番に、Ｔi（チタン。ＴｉＯ_xでも可）から成る下部電極密着層３１、Ｐｔ（プラチナ）から成る下部電極層３２、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）から成る圧電素子層３３、及びＰｔ（プラチナ）から成る上部電極層３４を有している。被覆層３７は、ＳiＯ₂（二酸化ケイ素）から成り、下部電極密着層３１、下部電極層３２、圧電素子層３３及び上部電極層３４の表面を被覆している。配線層３８は、被覆層３７の上に形成され、一端側を電極パッド６ａ，６ｂへ接続され、被覆層３７のホール内の導体を介して上部電極層３４に接続される。

ＳＯＩ層２６はＳi（ケイ素）から成る。ＢＯＸ層２７は酸化膜としてのＳiＯ₂（二酸化ケイ素）から成る。ハンドル層２８はＳi（ケイ素）から成る。接合層２９はＳiＯ₂（二酸化ケイ素）から成る。支持基板２０はＳi（ケイ素）の層から成る。

積層体２５及びＳＯＩ層２６からは、ＭＥＭＳ構造物として、ミラー部２、矩形枠３の表側部分、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂ及び電極パッド６ａ，６ｂが作製される。ハンドル層２８からは、ミラー部２の後ろ側ＭＥＭＳ構造物として矩形枠３の裏側部分及び環状リブ２１が作製される。環状リブ２１は、ミラー部２を補強して、反射面５の歪みを防止する。

内側空間４０は、外側矩形枠部２４の内側に画成され、表側からのＳＯＩ層２６により表側空間部分を形成され、また、裏側からのＢＯＸ層２７及びハンドル層２８のエッチングにより裏側空間部分を形成される。内側空間４０は、ミラー部２及びミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの可動部を収容しつつ、それら可動部の変位を許容する空間となっている。

連結梁１５，１６は、図３には図示を省略されているが、ＳＯＩ層２６、ＢＯＸ層２７及び被覆層３７から構成される。連結梁１５，１６は、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂに対応するパターンを、基板表面にフォトリソ技術及びドライエッチング技術により、形成する時に、一緒に作製される。この結果、連結梁１５，１６の作製は非常に簡単となる。

反射面５は、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂ上の表面に配線パターン及び電極パッド６ａ，６ｂをＡｌＣｕ膜により形成した後、フォトリソでレジストパターンを形成してから、Ｔｉ、Ａｇを順次スパッタ成膜し、リフトオフによって形成される。

光偏向器１の全体の作用について説明する。なお、この実施形態では、光偏向器１とレーザ光源８とは光スキャナに実装され、該光スキャナは、例えば、プロジェクタ、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザヘッドアンプ、又はヘッドアップディスプレイ等に装備される。

ミラー部２をｘ軸の周りに所定の周波数で往復揺動させるために、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの各カンチレバー１１ａ〜１１ｄの圧電素子層３３には、電極パッド６ａ，６ｂを介して所定の周波数で振幅を変化させる制御電圧が正弦波、三角波、又は矩形波等の波形形態で供給される。ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂのカンチレバー１１ａ〜１１ｄにおいて、下部電極密着層３１はアース電圧に維持され、電極パッド６ａ，６ｂからの制御電圧は上部電極層３４に印加される。

ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの電圧制御方式は、ユニポーラ制御方式となっている。カンチレバー１１は、圧電素子層３３を表側の近くに有するので、圧電素子層３３への印加電圧としての制御電圧により圧電駆動されると、該制御電圧の増大に連れて、表側の長さが縮小し、表側を凹に、裏側を凸になるように湾曲変形する。制御電圧＝０の時は、カンチレバー１１は、湾曲を解除され、直線状態に復元する。

ここで、説明の便宜上、カンチレバー１１ａ〜１１ｄについて、基端側から先端側へ順番に番号１〜４を付ける。カンチレバー１１ａ〜１１ｄの番号はそれぞれ１〜４になる。

ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂにおいて、奇数番のカンチレバー１１ａ，１１ｃの上部電極層３４に印加される制御電圧と偶数番のカンチレバー１１ｂ，１１ｄの上部電極層３４に印加される制御電圧とは、相互に逆位相にされる。この結果、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂのカンチレバー１１ｄの先端部は、制御電圧の周波数で表裏方向（ｚ軸方向）に往復動し、ミラー部２は、ｘ軸の周りに該周波数で往復揺動するように、駆動される。

次に、光偏向器１における連結梁１５，１６の作用について説明する前に、光偏向器１から連結梁１５，１６を省略した場合のミラー部２及びミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの振動挙動について説明する。図４（ａ）〜（ｃ）はそれぞれモード１〜３の振動挙動の可動部（ミラー部２及びミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂ）の斜視図である。なお、光偏向器１から連結梁１５，１６を省略した構造は従来の光偏向器（従来品）の構造を意味する。

図４（ａ）のモード１は、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂが、ミラー部２に対してｘ軸方向の両側で対称の操作運動を行って、ミラー部２をｘ軸の周りに往復揺動させている場合の可動部の挙動モードである。光偏向器１は、モード１が正規のモードとなるように、すなわち、ミラー部２の回転軸線がｘ軸に一致するように、設計又は設定されている。

モード１では、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂにおいて、対称位置の部位同士は、ｙ−ｚ平面に対して対称位置に保持されている。したがって、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂにおいて、可動部の対称位置の部位同士はｙ軸方向及びｚ軸方向に同一位置に保持されている。

図４（ｂ）のモード２は、両側のミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ｃの対（ｘ軸方向にミラー部２に最も近い対）が、ｚ軸方向に逆位相で運動しているモードとなっている。

図４（ｃ）のモード３は、両側のミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ｂの対（ｘ軸方向にミラー部２に２番目に近い対）が、ｚ軸方向に逆位相で運動しているモードとなっている。

本実施形態の光偏向器１では、連結梁１５，１６が装備される。連結梁１５，１６は、それぞれミラー部２の往復揺動中のミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ｃの対及び折返し部１２ｂの対のｘ軸方向距離を固定する。この結果、光偏向器１にモード１に対応する制御電圧が供給されている場合に、可動部がモード２，３で挙動することが抑制され、可動部は正規のモード１で安定して挙動することができる。

図５は、回転軸線の周りのミラー部２の振動について周波数と振幅との関係について光偏向器１（実線）及び従来品（波線）を対比して示している。図５のモード１〜３は、図４（ａ）〜（ｃ）の挙動に対応する。

図５において、従来品とは、前述したように連結梁１５，１６を装備しない光偏向器を意味する。従来品では、ミラー部２及びミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの可動部が、モード１と共にモード２，３の固有振動も有するので、モード１〜３の固有振動数における振幅が増大する。なお、光偏向器１及び従来品共に、モード１の低調波（１／２低調波）が存在し、その振幅も増大する。

従来品（図５の破線）では、モード２，３の固有振動が生ずる。これに対し、実施形態（図５の実線）では、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ｃの対及び折返し部１２ｂの対が、それぞれ連結梁１５，１６により連結されて、ｘ軸方向間隔を固定されるので、モード２，３の固有振動が排除されている。ただし、実施形態では、連結梁１５，１６の追加により可動部の質量が増すので、光偏向器１におけるモード１の固有振動数は、従来品におけるモード１の固有振動数より少し低下する。

図６を参照して、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの印加電圧と回転軸線の周りのミラー部２の揺動角との関係について光偏向器１（実施形態）の場合と従来品の場合とを対比して説明する。揺動角は、ｘ軸周りのミラー部２の回転角度と定義し、ミラー部２の反射面５の法線がｚ軸方向になった時のミラー部２の回転角度を０°と定義する。図５の揺動角は、各印加電圧においてミラー部２の回転角度が＋側に最大になった時の回転角度を意味する。

図６では、横軸の印加電圧は、位相を考慮することなく奇数番又は偶数番の両方のカンチレバーの圧電素子層３３に印加される電圧を意味する。図６の実験結果によれば、光偏向器１に連結梁１５，１６が付加されても、揺動角の低下は非常に小さいことが分かる。したがって、連結梁１５，１６が付加されても、光偏向器１の作動に支障はない。

連結梁１５，１６には、光偏向器１におけるモード２，３の発生防止の他に、外部から光偏向器１への衝撃を緩和する作用も存在する。すなわち、連結梁１５はミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ｃ間のｘ軸方向距離を一定に保持し、連結梁１６はミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ｂ間のｘ軸方向距離を一定に保持する。したがって、外部から光偏向器１へのｘ軸方向の衝撃に対しては、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂのカンチレバー１１ｄとミラー部２とがｘ軸方向に相互に当接することが抑制され、この結果、カンチレバー１１ｄとミラー部２との間の干渉に因る切損や破断を防止することができる。

また、連結梁１５，１６は、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの個々において、カンチレバー間の間隔の増減を抑制する効果があるので、外部から光偏向器１へのｙ軸方向の衝撃に対しても、ミラー部２がｙ軸方向へ変位することが抑制される、この結果、ミラー部２とカンチレバー１１ｄとのｙ軸方向相対変位が抑制されるので、カンチレバー１１ｄの先端部とミラー部２の周部との結合部範囲の破断を抑制することができる。

図７及び図８を参照して、ミラー部２を２軸の周りに揺動させて二次元走査用の走査光線を出射する光偏向器５０について説明する。図１及び図２の光偏向器１では、走査光線Ｌbの走査方向がｙ軸方向のみであったのに対し、光偏向器５０では、走査光線Ｌbの走査方向が相互に直角の二方向になる。なお、光偏向器５０の場合も、光偏向器１の場合と同様に、典型的には、ビームスプリッタのハーフミラーを使用して、光偏向器５０からの走査光線Ｌbは、進行方向を該ハーフミラーにより９０°変更されてから、照射先へ向かう。

図７は光偏向器５０の斜視図、図８は光偏向器５０を、正対した方向から見た図になっている。光偏向器５０において、図１及び図２の光偏向器１の要素と同一の要素については同符号で指示して、説明は省略し、相違点についてのみ説明する。

光偏向器１に対する光偏向器５０の主要な相違点は、可動支持枠としての内側支持枠６０が、ミラー部２とミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂとの間に介在し、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの先端部が内側支持枠６０の外周側に結合していること、及び内側アクチュエータ６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂが、内側支持枠６０とミラー部２との間に介在していることである。

内側支持枠６０は、ｙ軸方向には連結梁１５と連結梁１６との間に、ｘ軸方向にはミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂのカンチレバー１１ｄの間に形成されている矩形空間内に配設される。反射面５５は、内側支持枠６０の中央部に配設される。原点ｏは、光偏向器５０が非作動状態、すなわち制御電圧器を供給されていない時の設定位置のミラー部５２の反射面５５に対して、その中心に設定される。ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂのカンチレバー１１ｄの先端部は、内側支持枠６０のｙ軸方向負側（図８において下側）の端部のｘ軸方向（図８において左右方向）両側の端部（該端部は内側支持枠６０の外周側に存在する）に結合する。トーションバー６１ａ，６１ｂは、長手方向をｙ軸方向に揃え、基端部を内側支持枠６０に結合し、先端部をミラー部５２の周部に結合している。一側の内側アクチュエータ６３ａ，６３ｂ及び他側の内側アクチュエータ６４ａ，６４ｂは、長手方向をｘ軸方向に揃え、基端部を内側支持枠６０に結合し、先端部をトーションバー６１ａ，６１ｂの周部にそれぞれ結合している。

電極パッド５６ａ，５６ｂは、矩形枠３のｘ軸方向両側の短辺部に設けられる。内側アクチュエータ６３ａ，６３ｂの制御電圧は相互に逆位相になっている。内側アクチュエータ６４ａ，６４ｂの制御電圧は相互に逆位相になっている。内側アクチュエータ６３ａ，６４ａの制御電圧は、同一位相になっており、電極パッド５６ａから供給される。内側アクチュエータ６３ｂ，６４ｂの印加電圧は、同一位相になっており、電極パッド５６ｂから供給される。

トーションバー６１ａ，６１ｂは、ｘ軸方向の負側（図８において左側）の内側アクチュエータ６３ａ，６４ａとｘ軸方向の正側（図８において右側）の内側アクチュエータ６３ｂ，６４ｂとにより表裏方向に逆位相で操作され、ミラー部５２は、トーションバー６１ａ，６１ｂの軸線の周りに揺動する。また、内側支持枠６０は、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂからの操作によりｘ軸の周りに揺動する。この結果、ミラー部５２は、トーションバー６１ａ，６１ｂの軸線の周りの往復揺動により該軸線周りの揺動角を変化させつつ、該軸線対してミラー部５２の反射面５５上で直交する軸線の周りの揺動角を変化させる。こうして、走査光線Ｌbは、照射領域に２次元方向で走査される。

光偏向器５０でも、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂは、連結梁１５，１６によりミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ｃ同士及び折返し部１２ｂ同士のｘ軸方向距離を固定して、耐衝撃性の増大、及び非正規の固有振動モードとしてのモード２，３の発生抑制及を図ることができる。また、連結梁１５，１６の作製は、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂに対応するパターンを、基板表面にフォトリソ技術及びドライエッチング技術により、形成する時に、一緒に作製されるので、製造コストも低減することができる。

以上、本発明を実施形態について説明した。ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂは「圧電アクチュエータ」の一例である。カンチレバー１１ａ〜１１ｄは「圧電カンチレバー」の一例である。連結梁１６は「別の連結梁」の一例である。内側支持枠６０は「可動支持枠」の一例である。光偏向器１において、ｘ軸は「第１軸線」の一例である。光偏向器５０において、トーションバー６１ａ，６１ｂの軸線は、「第２軸線」の一例である。光偏向器５０では、ミラー部が第２軸線の周りに揺動するので、第１軸線は、第２軸線と直交するものの、ｘ軸に一致せず、第２軸線の周りに揺動する軸線となる。

本発明は、実施形態に限定されることなく、種々に変形して、実施することができる。例えば、実施形態の光偏向器１，５０では、ミラー部２，５２を固有振動の周波数で回転軸線の周りに振動させているが、走査光線Ｌbのベクタスキャンにより照射先に映像を生成する用途に使用する場合には、ミラー部２を回転軸線の周りに固有振動数で揺動させることはせず、ミラー部２，５２の向きを、向きごとに対応の制御電圧をミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂ及び内側アクチュエータ６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂへ供給する。

実施形態の光偏向器１，５０は、２つの連結梁１５，１６を備えているが、本発明の光偏向器は、連結梁を少なくとも１つ備えればよいとする。光偏向器１，５０が連結梁を１つだけ備える場合には、その連結梁は連結梁１５とすることが好ましい。なぜならば、光偏向器１，５０の作動中、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂにおいて変位量は、大きい方から折返し部１２ｃ，１２ｂ，１２ａの順番になる。変位量が大きい折返し部同士を連結梁で連結した方が、変位量が小さい折返し部同士を連結梁で連結するよりも、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの対称運動が促進される。したがって、配置スペース等の都合により、連結梁を１つだけとする場合には、連結梁１５とすることが有利となる。

実施形態の光偏向器１，５０では、ミアンダ型アクチュエータ４ａ，４ｂの折返し部１２ａ同士は、連結梁により連結されていないが、連結梁１５の上側のスペースを広げて、左右の折返し部１２ａ同士を連結する連結梁を該スペースに通してもよい。

１，５０・・・光偏向器、２，５２・・・ミラー部、３・・・矩形枠（支持枠）、４ａ，４ｂ・・・ミアンダ型アクチュエータ（圧電アクチュエータ）、５，５５・・・反射面、１１ａ〜１１ｄ・・・カンチレバー（圧電カンチレバー）、１２ａ〜１２ｃ・・・折返し部、１５・・・連結梁、１６・・・連結梁（別の連結梁）、６０・・・内側支持枠（可動支持枠）、６３ａ，６３ｂ，６４ａ，６４ｂ・・・内側アクチュエータ。

Claims

反射面を有するミラー部と、前記ミラー部を挟んで対向するように配置された１対の圧電アクチュエータとを備え、各圧電アクチュエータの一端が前記ミラー部に連結され、該１対の圧電アクチュエータにより前記ミラー部を第１軸線の周りに駆動するように構成された光偏向器であって、
前記各圧電アクチュエータは、端部が隣り合うように並んで配置されて圧電駆動により湾曲変形を行う複数の圧電カンチレバーと、隣り合う圧電カンチレバーの端部に対して折り返すように機械的に連結すると共に前記ミラー部の両側で対称位置に設定された折返し部とを有し、
前記１対の圧電アクチュエータにおいて前記対称位置に設定された折返し部のうち少なくとも１対の折返し部が連結梁で連結されていることを特徴とする光偏向器。
請求項１記載の光偏向器において、
前記連結梁は、前記ミラー部に最も近い１対の折返し部を連結していることを特徴とする光偏向器。
請求項２記載の光偏向器において、
折返し部の複数の対のうち、前記第１軸線に対して直交する方向において前記ミラー部に対して前記連結梁で連結された折返し部とは反対側にある対の折返し部が別の連結梁で連結されていることを特徴とする光偏向器。
請求項１〜３のいずれか１項に記載の光偏向器において、
前記ミラー部と前記圧電アクチュエータとの間に介在し前記圧電アクチュエータの先端部が外周側に結合する可動支持枠と、
前記可動支持枠と前記ミラー部との間に介在して前記ミラー部を前記第１軸線とは直角の第２軸線の周りに揺動させる内側アクチュエータとを備えることを特徴とする光偏向器。