JP2014215534A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】反射部の振幅角を大きくしても最低共振周波数が低くなり難い光走査装置を提供すること。【解決手段】光走査装置（１）は、光ビームを反射させる反射面（１９）を有する反射部（３）と、前記反射部を支持する支持部とを有し、前記反射部の両端と前記支持部にそれぞれ接続し捩れ振動可能にした一対の梁部材（７）を、前記反射部の中心を通る第１の軸（１８）に沿って配置し、前記反射部に前記第１の軸を中心軸とする捩れ振動を行わせる第１の駆動部（９）を、前記反射部における前記第１の軸から離間した位置Ａ（３Ａ）と前記支持部とを接続するように配置し、屈曲変形することで前期位置Ａを変位させる構造とした。【選択図】図１

Description

本発明は、光ビームを走査する光走査装置に関する。

近年、光走査装置の小型化を目的として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用した光走査装置が種々提案されている。この光走査装置は、光ビームを反
射させる反射面を有する反射部を、圧電駆動部により変位させることで、光ビームを走査する。特許文献１には、蛇腹型の構造を有する圧電駆動部を用いることで、反射部の振幅角（変位の幅）を大きくする技術が開示されている。

特開２００８−４０２４０号公報

特許文献１記載の圧電駆動部は、蛇腹型の構造を有し、その全体の長さが長くなるため、反射部の最低共振周波数が低くなる。最低共振周波数が低いと、外部から伝わる外乱振動（例えば車両から伝わる車載振動）の影響を受けてしまう。

本発明は以上の点に鑑みなされたものであり、反射部の振幅角を大きくしても最低共振周波数が低くなり難い光走査装置を提供することを目的とする。

本発明の光走査装置は、光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、反射部の中心を通る第１の軸に沿って配置され、反射部の両端にそれぞれ接続した、捩れ振動可能な一対の梁部材と、一対の梁部材を介して反射部を支持する支持部と、反射部における第１の軸から離間した位置Ａと支持部とを接続し、屈曲変形することで位置Ａを変位させ、反射部に第１の軸を中心軸とする捩れ振動を行わせる第１の駆動部とを備える。

本発明において、反射部は、一対の梁部材と、第１の駆動部との両方を介して、支持部に取り付けられている。そのため、反射部の剛性が全体として高くなり、反射部の最低共振周波数が高くなる。また、反射部の振幅角を大きくすることができる。

光走査装置１の構成を表す平面図である。 図１のII-II断面における断面図である。 図１のIII−III断面における断面図である。 光走査装置１における第１の駆動部９付近の構成を表す平面図である。 反射部３が第１の軸１８を中心として揺動する態様を表す説明図である。 Ａ及びＢは内周部１３が第２の軸２１を中心として揺動する態様を表す説明図である。 光走査装置１の構成を表す平面図である。 光走査装置１の構成を表す平面図である。 光走査装置１の構成を表す平面図である。 光走査装置１の構成を表す平面図である。 図１０のXI−XI断面における断面図である。

本発明の実施形態を図面に基き説明する。
＜第１の実施形態＞
１．光走査装置１の構成
光走査装置１の構成を図１〜図６に基き説明する。光走査装置１は、反射部３と、支持部５と、一対の梁部材７と、一対の第１の駆動部９とを備えている。

反射部３は、さらに、外周部１１と、内周部１３と、一対の反射部内梁部材１５と、第２の駆動部１７とを備えている。
外周部１１は矩形の枠であり、その枠内に、円板状の内周部１３及び第２の駆動部１７が配置されている。外周部１１は、その外側の両端において、一対の梁部材７に接続している。梁部材７は棒状の部材である。一対の梁部材７は、内周部１３の中心を通る一直線（以下、第１の軸１８とする）上に配置されている。

内周部１３は、その一方の面全体にわたって、光ビームを反射させる反射面１９を有している。反射面１９は、厚さ０．２μｍのアルミニウム薄膜である。内周部１３は、図２、図３に示すように、縁に沿ってリブが設けられており、リブの内側は外周部１１と比べて板厚が小さい。

一対の反射部内梁部材１５は、内周部１３の両端において、内周部１３と外周部１１とを捩れ振動可能に接続する。反射部内梁部材１５は棒状の部材である。反射部内梁部材１５は、内周部１３の中心を通り、第１の軸１８と直交する直線（以下、第２の軸２１とする）上に配置されている。反射部内梁部材１５は、図２に示すように、外周部１１及び後述する突出部５Ａ、５Ｂに比べて板厚が小さい。

第２の駆動部１７は、屈曲変形が可能な４つの駆動部材２３、２５、２７、２９から構成される。駆動部材２３、２５、２７、２９は同様の構造を有する。駆動部材２３は、外周部１１における左上部分と、上側の反射部内梁部材１５における左側とを接続する。駆動部材２５は、外周部１１における右上部分と、上側の反射部内梁部材１５における右側とを接続する。駆動部材２７は、外周部１１における右下部分と、下側の反射部内梁部材１５における右側とを接続する。駆動部材２９は、外周部１１における左下部分と、下側の反射部内梁部材１５における左側とを接続する。なお、ここでの上下左右は、図１における上下左右を意味し、光走査装置１を使用する状態での上下左右とは必ずしも一致しない。

駆動部材２３、２５、２７、２９はそれぞれ、図３に示すように、板状の基板３１と、その上に形成された圧電薄膜３３とから構成される。圧電薄膜３３は、上部電極３５、厚さ３μｍのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸）膜３７、及び下部電極３９を積層した周知の構造を有する。上部電極３５及び下部電極３９は、それぞれ、厚さ０．２μｍのＰｔ膜と厚さ０．１μｍのＴｉ膜とを積層した膜である。

駆動部材２３、２５、２７、２９は、配線４１により、端子４３に電気的に接続されている。端子４３は支持部５上に形成されており、配線４１は、後述する接続部９Ａ、及び基板４５の上を通り、端子４３に至る。第２の駆動部１７は、図３に示すように、外周部１１に比べて板厚が小さい。

支持部５は、矩形の枠であり、その枠内に、反射部３、及び一対の第１の駆動部９が配置されている。支持部５は、その内側において、一対の突出部５Ａ、５Ｂを有している。突出部５Ａ、５Ｂは、反射部３を両側から挟むように配置されている。一対の梁部材７は
、それぞれ、上述したとおり、１端において外周部１１に接続しているが、その反対側の端部において、突出部５Ａ、５Ｂに接続している。よって、突出部５Ａ、５Ｂは、一対の梁部材７を介して反射部３を支持する。

一対の第１の駆動部９は、反射部３の左右にそれぞれ１つずつ設けられている。２つの第１の駆動部９は同様の構造を有する。第１の駆動部９は、その下端９Ｃにおいて支持部５に接続するとともに、その上端９Ｄの側において、反射部３に接続している。さらに詳しくは、第１の駆動部９は、その上端９Ｄの側において、反射部３の方向に張り出す接続部９Ａを備えており、その接続部９Ａの先端を、反射部３における上端３Ａに接続させている。なお、上端３Ａは、第１の軸１８から離間した位置にあり、位置Ａの一実施形態である。

第１の駆動部９は、基板４５と、その上に形成された２枚の圧電薄膜４７、４９とを備えている。圧電薄膜４７、４９は、それぞれ、第１の駆動部９の下端９Ｃ側から、上端９Ｄ側まで達している。圧電薄膜４７、４９の層構成は圧電薄膜３３と同様である。圧電薄膜４７、４９の間には一定幅の隙間が存在する。基板４５は、圧電薄膜４７、４９の間において、それらの長手方向に沿ったスリット（基板４５が切り欠かれた部分）５１を有する。

第１の駆動部９は、圧電薄膜４７、４９の屈曲動作により、屈曲変形可能である。その屈曲の方向は、第１の駆動部９のうち、上端９Ｄ側の部分が、図１の紙面に直交する方向に移動する方向である。ここで、図１における上下方向（圧電薄膜４７、４９の長手方向）を圧電薄膜４７、４９の屈曲方向とする。

図４に示すように、第１の駆動部９のうち、屈曲変形する部分（圧電薄膜４７、４９が設けられており、屈曲方向に直交する方向での幅が十分小さい部分）９Ｂにおける屈曲方向での中点５２は、第１の軸１８上にある。圧電薄膜４７、４９は、それぞれ、配線５３により、端子５５に電気的に接続されている。配線５３、及び端子５５はともに支持部５上に形成されている。

２．光走査装置１の製造方法
光走査装置１は、以下の方法で製造することができる。まず、Ｓｉから成る厚さ３５０μｍの支持層、ＳｉＯ₂から成る厚さ２μｍの中間酸化膜、及びＳｉから成る厚さ１０μ
ｍの活性層を積層したＳＯＩウエハを用意する。

このＳＯＩウエハを選択的にエッチングすることで、支持部５（突出部５Ａ、５Ｂを含む）、梁部材７、基板４５、接続部９Ａ、外周部１１、反射部内梁部材１５、及び内周部１３（反射面１９を除く）を含む一体の部材を形成する。このとき、図２、図３に示すように、支持部５、内周部１３の一部、及び外周部１１は、支持層２０１、中間酸化膜２０３、及び活性層２０５を有する。一方、梁部材７、基板４５、接続部９Ａ、反射部内梁部材１５、及び内周部１３の一部は活性層２０５から成る。

また、反射面１９、圧電薄膜３３、４７、４９、配線４１、５３、端子４３、５５をＳＯＩウエハの片面に製膜する。
３．光走査装置１の動作
光走査装置１の動作を、図１、図５、図６に基き説明する。図１に示すように、一対の端子５５に、それぞれ、第１駆動信号源１０１を接続し、６０Ｈｚの駆動信号Ｓ１を印加する。駆動信号Ｓ１により、第１の駆動部９における圧電薄膜４７、４９が図５に示すように屈曲する。反射部３の上端３Ａは第１の駆動部９の接続部９Ａに接続しているので、第１の駆動部９の上述した屈曲により、反射部３の上端３Ａは、図１における紙面に直交
する方向（図５における上下方向）に変位する。

その結果、反射部３が、梁部材７（第１の軸１８）を中心軸とする捩れ振動を行う。この振動は非共振振動である。
また、一対の端子４３のうちの一方に、第２駆動信号源１０３を直接接続するとともに、他方の端子４３に、位相反転回路１０５を介して第２駆動信号源１０３を接続する。この結果、一対の端子４３のうちの一方には、３０ｋＨｚの駆動信号Ｓ２が印加され、他方の端子４３には、駆動信号Ｓ２とは逆位相の駆動信号Ｓ３が印加される。駆動信号Ｓ２、Ｓ３により、第２の駆動部１７が、図６Ａ、６Ｂに示すように屈曲し、内周部１３に、反射部内梁部材１５（第２の軸２１）を中心軸とする捩れ振動を行わせる。この振動は共振振動である。

よって、反射部３の内周部１３に設けられた反射面１９は、第１の軸１８、及び第２の軸２１のそれぞれについて揺動可能であり、反射面１９で反射した反射光を２次元に走査できる。

４．光走査装置１が奏する効果
（１）反射部３は、梁部材７と、第１の駆動部９との両方を介して、支持部５に取り付けられている。そのため、反射部３の剛性が全体として高くなり、反射部３の最低共振周波数が高くなる。

（２）また、一対の第１の駆動部９は、それぞれ、２つの圧電薄膜４７、４９を備えており、それらは同一方向に屈曲する。そのため、反射部３の振幅角を大きくすることができる。また、第１の駆動部９が、圧電薄膜４７、４９の間にスリット５１を有することにより、第１の駆動部９が本来の屈曲方向とは異なる方向に屈曲しにくくなる。その結果、第１の駆動部９が、本来の屈曲方向に一層屈曲し易くなり、反射部３の振幅角を一層大きくすることができる。

（３）第１の駆動部９のうち、屈曲変形する部分９Ｂにおける屈曲変形する方向での中点５２が、第１の軸１８上にあるので、第１の駆動部９による反射部３の回転中心が、第１の軸１８に一層近くなる。その結果、梁部材７を図１における紙面に直交する方向（図５における上下方向）に変位させる力を小さくすることができ、梁部材７に掛かる応力を小さくすることができる。それにより、梁部材７が破断することを無くすことができると共に、反射部３を一層スムーズに揺動させることができる。

（４）光走査装置１は、反射部３の支持部５に対する捩れ振動に加えて、内周部１３の外周部１１に対する捩れ振動を行わせることができる。そのため、反射面１９で反射した反射光を２次元に走査することができる。
＜第２の実施形態＞
１．光走査装置１の構成及び製造方法
光走査装置１の構成は基本的には前記第１の実施形態と同様であるが一部において相違する。以下では、相違点を中心に説明する。

反射部３は、前記第１の実施形態と同様に、外周部１１、内周部１３、及び一対の反射部内梁部材１５を備えているが、第２の駆動部１７は備えていない。また、光走査装置１は、配線４１及び端子４３も備えていない。本実施形態の光走査装置１は、前記第１の実施形態と同様の方法で製造できる。

２．光走査装置１の動作
光走査装置１の動作を、図５、図７に基き説明する。一対の端子５５に、それぞれ、第
１駆動信号源１０１を接続し、６０Ｈｚの駆動信号Ｓ１を印加する。駆動信号Ｓ１により、第１の駆動部９における圧電薄膜４７、４９が図５に示すように屈曲する。反射部３の上端３Ａは第１の駆動部９の接続部９Ａに接続しているので、第１の駆動部９の上述した屈曲により、反射部３の上端３Ａは、図７における紙面に直交する方向（図５における上下方向）に変位する。

その結果、反射部３が、梁部材７（第１の軸１８）を中心軸とする捩れ振動を行う。この振動は非共振振動である。
また、一対の端子５５のうちの一方に、第２駆動信号源１０３を直接接続するとともに、他方の端子５５に、位相反転回路１０５を介して第２駆動信号源１０３を接続する。この結果、一対の端子５５のうちの一方には、３０ｋＨｚの駆動信号Ｓ２が重畳して印加され、他方の端子５５には、駆動信号Ｓ２とは逆位相の駆動信号Ｓ３が重畳して印加される。

このことにより、第１の駆動部９は前述した図７における紙面に直交する方向（図５における上下方向）に変位する動きと共に、３０ｋＨｚの駆動信号Ｓ２に対応して第１の駆動部９の一方はさらに図７における紙面に直行する方向（図５における上下方向）に変位し、第１の駆動部９の他方は３０ｋＨｚの駆動信号Ｓ３に対応してさらに逆位相で図７における紙面に直行する方向（図５における上下方向）に変位する。

なお、内周部１３、及び外周部１１は連成振動系であり、内周部１３が第２の軸２１を中心軸として捩れ振動する振幅角が大きく、外周部１１が第２の軸２１を中心軸として捩れ振動する振幅角が小さくなる振動モードを持つ。
ここで、例えば、内周部１３の振幅角と外周部１１の第２の軸２１を中心軸として捩れ振動する振幅角の比を「１０：１」にし、この振動モードの共振周波数が３０ｋＨｚとなるように設計した場合、第１の駆動部９の一方に３０ｋＨｚの駆動信号を印加し、第１の駆動部９の他方に３０ｋＨｚの駆動信号を逆位相で印加すると、前述の振動モードが励起され、内周部１３を大きく共振振動できる。

よって、反射部３の内周部１３に設けられた反射面１９は、第１の軸１８、及び第２の軸２１のそれぞれについて独立に揺動可能であり、反射面１９で反射した反射光を２次元に走査できる。

３．光走査装置１が奏する効果
（１）本実施形態の光走査装置１は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏することができる。

（２）本実施形態の光走査装置１は、第２の駆動部１７、配線４１、及び端子４３を備えないので、構造を単純化できると共に、小型化ができる。
＜第３の実施形態＞
１．光走査装置１の構成及び製造方法
光走査装置１の構成は基本的には前記第１の実施形態と同様であるが一部において相違する。以下では、相違点を中心に説明する。

図８に示すように、反射部３は、外周部１１、内周部１３の区別がなく、一体である。そのため、一対の反射部内梁部材１５は存在しない。反射面１９は、反射部３の中央に設けられている。また、配線５３及び端子５５は、一対の第１の駆動部９のうち、一方にのみ設けられている。本実施形態の光走査装置１は、前記第１の実施形態と同様の方法で製造できる。

２．光走査装置１の動作
光走査装置１の動作を、図５、図８に基き説明する。端子５５に、第１駆動信号源１０１を接続し、６０Ｈｚの駆動信号Ｓ１を印加する。駆動信号Ｓ１により、第１の駆動部９における圧電薄膜４７、４９が図５に示すように屈曲する。反射部３の上端３Ａは第１の駆動部９の接続部９Ａに接続しているので、第１の駆動部９の上述した屈曲により、反射部３の上端３Ａは、図８における紙面に直交する方向（図５における上下方向）に変位する。その結果、反射部３が、梁部材７（第１の軸１８）を中心軸とする捩れ振動を行う。

よって、反射部３に設けられた反射面１９は、第１の軸１８について揺動可能であり、反射面１９で反射した反射光を１次元に走査できる。
３．光走査装置１が奏する効果
（１）本実施形態の光走査装置１は、前記第１の実施形態と略同様の効果を奏することができる。

（２）本実施形態の光走査装置１は、反射部３の構造を単純化できる。
＜第４の実施形態＞
１．光走査装置１の構成及び製造方法
光走査装置１の構成は基本的には前記第３の実施形態と同様であるが一部において相違する。以下では、相違点を中心に説明する。

図９に示すように、一対の第１の駆動部９は、それぞれ、１枚の圧電薄膜４７を備える。また、一対の第１の駆動部９は、いずれも、スリット５１を有していない。
本実施形態の光走査装置１は、前記第１の実施形態と同様の方法で製造できる。

２．光走査装置１の動作
光走査装置１の動作を、図５、図９に基き説明する。端子５５に、第１駆動信号源１０１を接続し、６０Ｈｚの駆動信号Ｓ１を印加する。駆動信号Ｓ１により、第１の駆動部９における圧電薄膜４７が図５に示すように屈曲する。反射部３の上端３Ａは第１の駆動部９の接続部９Ａに接続しているので、第１の駆動部９の上述した屈曲により、反射部３の上端３Ａは、図９における紙面に直交する方向（図５における上下方向）に変位する。その結果、反射部３が、梁部材７（第１の軸１８）を中心軸とする捩れ振動を行う。

よって、反射部３に設けられた反射面１９は、第１の軸１８について揺動可能であり、反射面１９で反射した反射光を１次元に走査できる。
３．光走査装置１が奏する効果
（１）本実施形態の光走査装置１は、前記第３の実施形態と略同様の効果を奏することができる。

（２）本実施形態の光走査装置１は、第１の駆動部９の構造を単純化できる。
＜第５の実施形態＞
１．光走査装置１の構成及び製造方法
光走査装置１の構成は基本的には前記第２の実施形態と同様であるが一部において相違する。以下では、相違点を中心に説明する。

図１０、図１１に示すように、光走査装置１は、リブ５７と、リブ５９とを備える。リブ５７は、一対の第１の駆動部９における上端９Ｄ及び接続部９Ａ、及び外周部１１の上端側を含む範囲にわたって設けられている。また、リブ５９は、外周部１１における外周側の４辺のうち、リブ５７が設けられた一辺を除く３辺に形成されている。

リブ５７は、図１１に示すように、第１の駆動部９における基板４５、及び外周部１１
において、板厚が周囲に比べて大きい部分である。また、リブ５９は、外周部１１において、板厚が周囲に比べて大きい部分である。

リブ５７、５９は、ＳＯＩウエハをエッチングするとき、リブ５７、５９に対応する部分をエッチングせずに残すことで形成できる。
２．光走査装置１の動作
光走査装置１は、前記第２の実施形態と同様に動作させることができる。

３．光走査装置１が奏する効果
（１）本実施形態の光走査装置１は、前記第２の実施形態と略同様の効果を奏することができる。

（２）本実施形態の光走査装置１は、リブ５７を備えるので、第１の駆動部９を屈曲させたとき、上端９Ｄ及び接続部９Ａが撓みにくい。そのため、第１の駆動部９の屈曲動作が効率的に反射部３に伝わり、反射部３の振幅角を一層大きくすることができる。

（３）本実施形態の光走査装置１は、リブ５９を備えるので、第１の駆動部９を屈曲させたとき、外周部１１が撓みにくい。そのため、第１の駆動部９の屈曲動作が効率的に反射部３に伝わり、反射部３の振幅角を一層大きくすることができる。

尚、本発明は前記実施の形態になんら限定されるものではなく、本発明を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
例えば、前記第１〜第５の実施形態において、第１の駆動部９は、反射部３の一方の側にのみに設けられていてもよい。

また、前記第１〜第５の実施形態において、第１の駆動部９のうち、屈曲変形する部分９Ｂにおける屈曲方向での中点５２は、第１の軸１８上からずれた位置にあってもよい。

１…光走査装置、３…反射部、３Ａ…上端、５…支持部、５Ａ、５Ｂ…突出部、７…梁部材、９…第１の駆動部、９Ａ…接続部、９Ｃ…下端、９Ｄ…上端、１１…外周部、１３…内周部、１５…反射部内梁部材、１７…第２の駆動部、１８…第１の軸、１９…反射面、２１…第２の軸、２３、２５、２７、２９…駆動部材、３１…基板、３３…圧電薄膜、３５…上部電極、３７…ＰＺＴ膜、３９…下部電極、４１…配線、４３…端子、４５…基板、４７…圧電薄膜、５１…スリット、５２…中点、５３…配線、５５…端子、５７、５９…リブ、１０１…第１駆動信号源、１０３…第２駆動信号源、１０５…位相反転回路、２０１…支持層、２０３…中間酸化膜、２０５…活性層

Claims (6)

1. 光ビームを反射させる反射面（１９）を有する反射部（３）と、
   前記反射部の中心を通る第１の軸（１８）に沿って配置され、前記反射部の両端にそれぞれ接続した、捩れ振動可能な一対の梁部材（７）と、
   前記一対の梁部材を介して前記反射部を支持する支持部（５）と、
   前記反射部における前記第１の軸から離間した位置Ａ（３Ａ）と前記支持部とを接続し、屈曲変形することで前記位置Ａを変位させ、前記反射部に前記第１の軸を中心軸とする捩れ振動を行わせる第１の駆動部（９）と、
   を備えることを特徴とする光走査装置（１）。
2. 前記反射部が、
   前記一対の梁部材に接続する外周部（１１）と、
   前記反射面を有する内周部（１３）と、
   前記内周部の中心を通る第２の軸（２１）に沿って配置され、前記外周部と前記内周部とを捩れ振動可能に接続する一対の反射部内梁部材（１５）と、
   を備えることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記外周部と前記内周部とを接続し、屈曲変形することで内周部に前記第２の軸を中心軸とする捩れ振動を行わせる第２の駆動部（１７）を備えることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記第１の駆動部は、前記屈曲変形する方向に沿ったスリット（５１）を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の光走査装置。
5. 前記第１の駆動部のうち、屈曲変形する部分における前記屈曲変形する方向での中点（５２）が、前記第１の軸上にあることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の光走査装置。
6. 前記第１の駆動部は、前記位置Ａと接続する部分を含む範囲にリブ（５７）を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれか１項に記載の光走査装置。

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