JP2016004240A - 光スキャナ - Google Patents

Abstract

【課題】鋸波状波形の駆動電圧をミアンダ構造の圧電アクチュエータに印加して非共振駆動をさせた場合に、ミアンダ構造の圧電アクチュエータの構造に由来する振動を抑制できる圧電アクチュエータを用いた光スキャナを提供する。
【解決手段】光を反射するミラー部１０を支持する内枠部２０と、内枠部を支持する外枠部３０と、ミアンダパターン配列で直列に結合している複数の圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄを有し、内枠部２０と外枠部３０との間に介在して、第１回転軸線に直交する第２回転軸線の回りにミラー部１０を往復回動させる外側圧電アクチュエータ５０とを備えた光スキャナ１において、内枠部２０と圧電カンチレバー５２ａとの間及び圧電カンチレバー同士の間に形成された間隙に粘性体７０を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスとして製造される光スキャナに関する。

近年、マイクロマシニング技術等を利用して製造されるＭＥＭＳデバイスの一種としてＭＥＭＳ光スキャナの開発が各研究機関で盛んに行われている。ＭＥＭＳ光スキャナは、入射光を反射するミラー部と、ミラー部を回転軸線の回りに往復回動させるアクチュエータとを備え、回転軸線の回りのミラー部の往復回動によりミラー部の揺動角を制御し反射光を出射するものである。ＭＥＭＳ光スキャナは、例えばレーザプロジェクタ、レーザビームプリンタ、レーザレーダー、バーコードリーダ、エリアセンサ等、種々の光学機器への応用が可能であり、これら光学機器の小型化に寄与するものである。

ＭＥＭＳ光スキャナのアクチュエータとして、ミアンダパターン配列で直列に結合している複数の圧電カンチレバーを有し、ミラー部の回転軸線の回りにミラー部を往復回動させる圧電アクチュエータがある。例えば、当該ＭＥＭＳ光スキャナをレーザプロジェクタに適用し、映像が所定方向に圧縮されることを防止するために、有効走査領域である直線領域が大きい鋸波状波形の駆動電圧が当該圧電アクチュエータに印加される光スキャナが提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００９−２２３１６５号公報

しかしながら、特許文献１に記載された光スキャナは、鋸波状波形の駆動電圧をミアンダ構造の圧電アクチュエータに印加して当該圧電アクチュエータを駆動させた場合、圧電アクチュエータ自体が有する固有振動モードも同時に励起され、圧電アクチュエータに振動が発生し、ミラー部の応答波形に振動成分が加わる（図６Ａ，図６Ｂ）。その結果、光スキャナが適用されたプロジェクタの画像に濃淡ノイズが現れ、画質が低下することがある。

そこで、本発明は、鋸波状波形の駆動電圧をミアンダ構造の圧電アクチュエータに印加して当該圧電アクチュエータを駆動させた場合に、圧電アクチュエータの構造に由来する振動を抑制できる圧電アクチュエータを用いた光スキャナを提供することを目的とする。

第１の発明は、光を反射するミラー部と、前記ミラー部を支持する支持部と、ミアンダパターン配列で直列に結合している複数の圧電カンチレバーを有し、前記ミラー部と前記支持部との間に介在して、前記ミラー部の回転軸線の回りに前記ミラー部を往復回動させる圧電アクチュエータとを備えた光スキャナにおいて、前記ミラー部と前記圧電カンチレバーとの間及び前記圧電カンチレバー同士の間に形成された間隙に粘性体を有することを特徴とする。

本発明によれば、各カンチレバーに駆動電圧が印加されると、印加された電圧に応じて、圧電カンチレバーの長手方向に伸縮し、これに伴い、各圧電カンチレバーは厚み方向に湾曲変形し、ミラー部の回転軸線回りに回転駆動力をミラー部に付与する。

本発明の光スキャナは、ミラー部と圧電カンチレバーの間、及び、圧電カンチレバー同士の間とに形成された間隙に粘性体を有するので、圧電カンチレバーが変位する方向と反対方向に減衰力（ダンピング効果）が発生する。

従って、ミアンダパターン配列で直列に結合している複数の圧電カンチレバーからなる圧電アクチュエータのミアンダ構造に由来する振動を減衰させることができ、アクチュエータの振動を抑制できる圧電アクチュエータを提供することができる。

尚、複数の圧電カンチレバーに印加される鋸波状波形の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段を備えることが好ましい。

特に、ミアンダ構造を有する圧電アクチュエータは、共振駆動以外に非共振駆動が可能である。従って、鋸波状波形の駆動電圧を圧電アクチュエータに印加して非共振駆動をさせた場合、圧電アクチュエータの振動を抑制できる圧電アクチュエータを用いた光スキャナを提供することができる。

また、第２の発明は、光を反射するミラー部と、前記ミラー部を包囲して支持する内枠部と、前記内枠部を包囲して支持する外枠部と、前記ミラー部の第１回転軸線上で、一端部が前記ミラー部と結合し、他端部が前記内枠部と結合する１対のトーションバーと、前記ミラー部と前記内枠部との間に介在して、前記トーションバーを前記第１回転軸線回りに往復回動させるように、先端部が前記トーションバーと結合し、かつ、少なくとも一部分が前記内枠部と結合する内側圧電アクチュエータと、ミアンダパターン配列で直列に結合している複数の圧電カンチレバーを有し、前記内枠部と前記外枠部との間に介在して、前記第１回転軸線に直交する第２回転軸線の回りに前記ミラー部を往復回動させる外側圧電アクチュエータとを備えた光スキャナにおいて、前記内枠部と前記圧電カンチレバーとの間及び前記圧電カンチレバー同士の間に形成された間隙に粘性体を有することを特徴とする。

本発明によれば、各カンチレバーに駆動電圧が印加されると、ミラー部の第２回転軸線の回りの回転駆動力をミラー部に付与する。

本発明の光スキャナは、内枠部と圧電カンチレバーの間、及び、圧電カンチレバー同士の間に形成された間隙に粘性体を有するので、圧電カンチレバーが変位する方向と反対方向に減衰力（ダンピング効果）が発生する。

従って、ミアンダパターン配列で直列に結合している複数の圧電カンチレバーからなる圧電アクチュエータのミアンダ構造に由来する振動を減衰させることができ、アクチュエータの振動を抑制できる圧電アクチュエータを用いた２軸型光スキャナを提供できる。

尚、第１の発明と同様、複数の圧電カンチレバーに印加される鋸波状波形の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段を備えることが好ましい。

また、第２の発明において、抵抗比例係数をｃ［Ｎ・ｓ／ｍ］、前記ミラー部、前記トーションバー及び前記内側圧電アクチュエータの総質量をｍ［ｋｇ］、前記複数の圧電カンチレバーのばね係数をｋ［Ｎ／ｍ］と表した場合、下記式（１）で表される減衰比ξが１〜３の範囲であることが好ましい。

Ｄは前記圧電カンチレバーの厚み［ｍ］、Ｌは前記圧電カンチレバーの長さ［ｍ］、μは粘性体の動粘度［ｍｍ^２／ｓｅｃ］、ρは粘性体の密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｗは前記圧電カンチレバーの幅、［ｍ］、Ｓ_ｍは前記圧電カンチレバーの合計面積［ｍ^２］、Ｓ_ｆは前記圧電カンチレバーと前記粘性体で充填された領域の合計面積［ｍ^２］を表す。

圧電アクチュエータのミアンダ構造に由来する振動は、ミアンダ構造を一本のばね、粘性体をダッシュポット（減衰機構）、ミラー部を錘とみなすことにより、ケルビン・フォークトモデルを用いてモデル化できる。

本発明によれば、減衰比ξが１〜３の範囲であるので、ミアンダ構造を有する圧電カンチレバーの構造由来の変位（振動）を「０」に減衰することができ、圧電アクチュエータの振動を抑制できる圧電アクチュエータを用いた光スキャナを提供することができる。

尚、減衰比ξが１未満の場合、時間の経過に従って振幅がξの値に応じて変化する可能性があるが、周期は一定のままの振動になり、圧電アクチュエータの振動を抑制し得ない。一方、減衰比ξが３を超える場合、粘性体を有しない光スキャナと比較して、圧電アクチュエータの変位が減少する。圧電アクチュエータの所望の変位を維持するために、圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を大きくする必要があり、その結果、駆動電圧の限界値に近づき、光スキャナの信頼性が損なわれる可能性がある。

本実施形態に係る光スキャナの構成図。 ミアンダ構造を有する圧電カンチレバーの変位に対する粘性体のダンピング効果の説明図。 ケルビン・フォークトモデルを用いた振動モデルの説明図。 実施例の光スキャナのミラー振れ角によるミラー応答波形を示す図。 比較例の光スキャナのミラー振れ角によるミラー応答波形を示す図。 （Ａ）光スキャナの鋸波状の駆動電圧を、（Ｂ）鋸波状の駆動電圧に対するとミラー振れ角によるミラー応答波形を示す図。

［光スキャナ］
図１を参照して、本実施形態の光スキャナ１の構成を説明する。光スキャナ１は、例えば、レーザレーダー、超小型プロジェクタ、バーコードリーダ等に用いられる部品であり、主に光偏向器２、レーザ光源８０及び制御装置９０から構成される。光偏向器２は、ＭＥＭＳデバイスとして、マイクロマシニング技術を利用して製造される。

光偏向器２は、円形のミラー部１０と、ミラー部１０を包囲する環状矩形の内枠部２０と、内枠部２０を包囲する環状矩形の外枠部３０とを、中心点を同一に揃えて備えている。また、光偏向器２は、ミラー部１０と内枠部２０との間に介在する内側圧電アクチュエータ４０と、内枠部２０と外枠部３０との間に介在する外側圧電アクチュエータ５０と、ミラー部の回転軸線上で、一端部がミラー部１０と結合し、他端部が内枠部２０と結合する１対のトーションバー６０ａ，６０ｂとを備える。

構造の説明の便宜上、図１を用いて、Ｘ−Ｙ−Ｚの３軸直交座標系を定義する。図１に示されるように、３軸直交座標系において、原点Ｏを矩形のミラー部１０の前面のミラー面の中心に位置付け、Ｘ軸及びＹ軸を外枠部３０の長辺及び短辺に対してそれぞれ平行な方向に定義する。Ｚ軸は、光偏向器２の後側から前側に向かう方向を正と定義する。

ミラー部１０は、原点Ｏを中心とする円形部材である。また、ミラー部１０は、ミラー部１０の縁部からＹ軸方向に延在し、一端部がミラー部１０と結合し、他端部が内枠部２０と結合する一対のトーションバー６０ａ，６０ｂが連結される。

ミラー部１０は、金属蒸着法等により例えばＡｌ等の金属を珪素層の表面に形成したミラー面を前面に有する。ミラー面に対して、レーザ光源８０からのレーザ光が入射され、入射光８１をミラー面においてミラー部１０の法線の向きに応じた反射角で反射して、走査光８２として出射する。

内枠部２０は、ミラー部１０を包囲する環状矩形の部材であり、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれに対して線対称に形成されている。また、内枠部２０は、ミラー部１０外側のＹ軸方向両側に配設され、Ｙ軸に沿って延在する一対のトーションバー６０ａ，６０ｂが連結される。

内枠部２０は、下側から順番に、Ａｌ（アルミニウム）薄膜、珪素（Ｓｉ）層、中間酸化膜層、珪素層及び表面酸化膜層の積層構造を有する。なお、中間酸化膜層及び表面酸化膜層の酸化膜はＳｉＯ_２で形成されている。珪素層、中間酸化膜層及び珪素層はＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウエハを構成し、Ａｌ薄膜は、ＳＯＩウエハの裏面側に蒸着により形成され、表面酸化膜層は、珪素層の表面を酸化することにより形成される。

内側圧電アクチュエータ４０は、内枠部２０のＸ軸方向と平行で、所定同一幅で所定同一長さの４つの直線状圧電アクチュエータであり、全面で圧電アクチュエータとして機能する。

図１に示されるように、内側圧電アクチュエータ４０は、ミラー部１０から延在する１つのトーションバー６０ａ（６０ｂ）の端部には、一対の内側圧電アクチュエータ４０ａ，４０ｂ（４０ｃ，４０ｄ）がトーションバー６０ａ（６０ｂ）を対称軸線として線対称に連結される。従って、一対の内側圧電アクチュエータ４０ａ，４０ｂ（４０ｃ，４０ｄ）はそれぞれ、内枠部２０と外枠部３０との間で形成される空間部に、トーションバー６０ａ，６０ｂがＹ軸線上になるように、トーションバー６０ａ，６０ｂの端部と、内枠部２０のＸ軸と平行な内枠部２０の内面とに連結される。

直線状圧電アクチュエータは、圧電体と、圧電体を厚み方向の両側から挟む２つの電極と、圧電体及び電極を支持して圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する。電極は、図示しない配線を介して、電極間の圧電体に電圧を印加できるように制御装置９０に電気的に接続されている。

外枠部３０は、内枠部２０を包囲する環状矩形の部材であり、Ｘ軸、Ｙ軸それぞれに対して線対称に形成されている。また、外枠部３０は、Ｙ軸と平行な外枠部３０内面において、外側圧電アクチュエータ５０と連結される。

外枠部３０は、内枠部２０と同様に、下側から順番に、Ａｌ（アルミニウム）薄膜、珪素（Ｓｉ）層、中間酸化膜層、珪素層及び表面酸化膜層の積層構造を有する。なお、中間酸化膜層及び表面酸化膜層の酸化膜はＳｉＯ_２で形成されている。

外側圧電アクチュエータ５０は、外枠部３０の内側で、かつ、内枠部２０外側のＸ軸方向両側に配設され、内枠部２０及び外枠部３０に連結するための連結部２１，２２を備える。外側圧電アクチュエータ５０において、連結部２１の端部は外側圧電アクチュエータ５０の作動端（先端）として、連結部２２の端部は外側圧電アクチュエータ５０の支持端（基端）として機能する。

外側圧電アクチュエータ５０は、ミアンダ構造を有する圧電アクチュエータであり、折返し部５４ａ〜５４ｃにより直列に連結された一対の４つの圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄを備える。圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄ及び折返し部５４ａ〜５４ｃの符号末尾のアルファベットは、ミラー部１０に近い方からの順番に付されている。尚、一対の圧電カンチレバーの数は４には限定されず、２〜３、又は５以上にすることも可能である。

圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄは、圧電体と、圧電体を厚み方向の両側から挟む２つの電極と、圧電体及び電極を支持して圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する。電極は、図示しない配線を介して、電極間の圧電体に電圧を印加できるように制御装置９０に電気的に接続されている。

圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄはそれぞれ、同一の長さ、同一の幅、同一の厚みを有するように形成された矩形状の部材である。図１において、Ｌは圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄの長さ［ｍ］を、ｗは圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄの幅［ｍ］を示している。また、ｄは内枠部２０の外縁から外枠部３０の内縁までのＸ軸方向の長さ［ｍ］を示している。

また、図１に示されるように、外側圧電アクチュエータ５０は、Ｘ軸方向に、内枠部２０と圧電カンチレバー５２ａとの間、圧電カンチレバー５２ａと５２ｂとの間、圧電カンチレバー５２ｂと５２ｃとの間、圧電カンチレバー５２ｃと５２ｄの間、圧電カンチレバー５２ｄと外枠部３０の間に形成された間隙に粘性体７０を有する。

外側圧電アクチュエータ５０が駆動された際、内枠部２０に最も近い圧電カンチレバー５２ａが最も変位が大きくなる。そこで、粘性体７０は、各間隙に充填される場合に限定されず、外側圧電アクチュエータ５０の駆動により最も変位が大きい圧電カンチレバー５２ａのまわりの間隙、すなわち、内枠部２０と圧電カンチレバー５２ａとの間、並びに、圧電カンチレバー５２ａと５２ｂとの間に形成された間隙のみに、粘性体７０を有することも可能である。

粘性体として、例えば、石油系鉱物油、炭化水素系合成油、動物性樹脂、エポキシ樹脂、メチルフェニルシリコーンオイル等が挙げられる。

制御装置９０は、内側圧電アクチュエータ４０及び外側圧電アクチュエータ５０を別個独立に駆動するために、内側圧電アクチュエータ４０及び外側圧電アクチュエータ５０それぞれに印加される駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段９２と、制御信号をレーザ光源８０に送信し、レーザ光８１のオン・オフ及び輝度を制御するレーザ光源制御部９４とを備える。

駆動電圧生成手段９２は、ミアンダ構造を有する複数の圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄ及び折返し部５４ａ〜５４ｃからなる外側圧電アクチュエータ５０に印加される鋸波状波形の駆動電圧を生成する。

制御装置９０は、駆動電圧生成手段９２により生成された内側圧電アクチュエータ４０及び外側圧電アクチュエータ５０の駆動電圧を、それぞれの圧電アクチュエータに別個独立に印加することにより、内側圧電アクチュエータ４０及び外側圧電アクチュエータ５０を駆動させ、原点Ｏを通るＹ軸線及びＸ軸線回りにミラー部１０を往復回動させる。

その結果、レーザ光源からミラー部１０の中心（原点Ｏの位置）に入射したレーザ光が、Ｘ軸線及びＹ軸線回りに回動したミラー部１０の振り角に応じた反射角で反射して、出射方向が変化する走査光として光偏向器２から出射される。

次に、本実施形態の光スキャナ１の作動について説明する。光スキャナ１では、ミラー部１０の中心Ｏを通るＹ転軸線回りにミラー部１０を往復回動させる内側圧電アクチュエータ４０に印加される電圧と、ミラー部１０の中心Ｏを通るＸ転軸線回りに内枠部２０を往復回動させる外側圧電アクチュエータ５０に印加される電圧とが駆動電圧生成手段９２で生成され、それぞれの電圧が内側圧電アクチュエータ４０及び外側圧電アクチュエータ５０に独立して印加される。

まず、内側圧電アクチュエータ４０によるＹ軸線回りの回転駆動について説明する。光偏向器２では、一方の対の直線状圧電アクチュエータ４０ａ，４０ｂに対して、直線状圧電アクチュエータそれぞれの電極間にそれぞれ第１の電圧、第２の電圧を印加して駆動させると、互いに逆方向に屈曲変形する。なお、第１の電圧と第２の電圧とは、互いに逆位相の交流電圧（例えば正弦波）とする。これらの屈曲変形により、トーションバー６０ａにねじれ変位が生じて、ミラー部１０にトーションバー６０ａを中心とした回転トルクが作用する。

同様に、他方の対の直線状圧電アクチュエータ４０ｃ，４０ｄに対して、直線状圧電アクチュエータそれぞれの電極間にそれぞれ第１の電圧、第２の電圧を印加して駆動させることにより、トーションバー６０ｂに同じ方向にねじれ変位が生じて、ミラー部１０にトーションバー６０ｂを中心とした回転トルクが作用する。

内側圧電アクチュエータ４０の駆動により、ミラー部１０にはトーションバー６０ａ，６０ｂを中心とした回転トルクが作用する。これにより、ミラー部１０は、トーションバー６０ａ，６０ｂを中心軸としてミラー部１０の中心Ｏを通るＹ軸線回りで回転する。従って、ミラー部１０を回転させてＸ軸方向に所定周波数で所定偏向角で光走査することができる。

このとき、内側圧電アクチュエータ４０ａ〜４０ｄでは、駆動電圧としてトーションバー６０ａ，６０ｂを含むミラー部１０の機械的な共振周波数付近の周波数の交流電圧を印加して共振駆動させることで、より大きな偏向角で光走査することができる。

次に、外側圧電アクチュエータ５０によるＸ軸線回りの回転駆動について説明する。外側圧電アクチュエータ５０は、ミラー部１０の原点Ｏを通るＹ軸を対称軸線として線対称の位置で内枠部２０と外枠部３０との間に介在し、内枠部２０及び外枠部３０に結合するための連結部２１，２２を備える。外側圧電アクチュエータ５０において、連結部２１の端部は外側圧電アクチュエータの作動端（先端）として、連結部２２の端部は内枠部２０の支持端（基端）として機能する。

外側圧電アクチュエータ５０は、駆動電圧生成手段９２により生成された鋸波状の駆動電圧である第１電圧が、奇数番目の圧電カンチレバー５２ａ、５２ｃに印加される。また、偶数番目の圧電カンチレバー５２ｂ、５２ｄに、第１の電圧とは逆位相の第２の電圧が印加される。

奇数番目の圧電カンチレバー５２ａ、５２ｃを上方向に屈曲変位させた場合、偶数番目の圧電カンチレバー５２ｂ、５２ｄを奇数番目の圧電カンチレバー５２ａ、５２ｃと逆方向の下方向に屈曲変位させることができる。また、奇数番目の圧電カンチレバー５２ａ、５２ｃを下方向に屈曲変位させた場合、偶数番目の圧電カンチレバー５２ｂ、５２ｄを上方向に屈曲変位させることができる。従って、ミラー部１０を支持する内枠部２０をミラー部１０の中心Ｏを通るＸ軸線回りに往復回動させることができる。

尚、外側圧電アクチュエータ５０に印加される駆動電圧は、走査領域を最大限に有効利用するために、走査領域の約９０％を利用し、１０％をブランキングとして使用できる９：１の鋸波状の駆動電圧が好ましい。

ここで、図２を用いて、外側圧電アクチュエータ５０の圧電カンチレバー５２ａ，５２ｂを例に、ミアンダ構造を有する圧電カンチレバーの変位に対する粘性体のダンピング効果を説明する。図２は、圧電カンチレバー５２ｂに対して圧電カンチレバー５２ａがＺ軸の正方向に変位したことを示す概念図である。図２において、図１と同様、Ｌは圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄの長さ［ｍ］を、ｗは圧電カンチレバー５２ａ〜５２ｄの幅［ｍ］を示している。

図２に示されるように、圧電カンチレバー５２ｂに対して圧電カンチレバー５２ａがＺ軸の正方向に変位した場合、粘性体７０により、圧電カンチレバー５２ａの変位方向と反対方向、すなわちＺ軸の負方向に働く減衰力が発生する。

圧電カンチレバーの変位は、非共振駆動による変位とミアンダ構造の固有振動に由来する変位とを合わせたものである。ミアンダ構造に由来する振動は、図３に示されるように、ミアンダ構造を一本のばねＳ、粘性体７０をダッシュポット（減衰機構）Ｄ、そして、ミラー部１０、トーションバー６０ａ，６０ｂ及び内側圧電アクチュエータ４０を錘Ｍとみなすことにより、ケルビン・フォークトモデルを用いてモデル化できる。

具体的には、ミアンダ構造の圧電アクチュエータ５０の振動は、圧電アクチュエータ５０自身を通して内枠部２０に伝わり、内枠部２０内側のミラー部１０とともに振動する。振動は、図３のモデルにおいて、ばねＳと錘Ｍの間で発生する振動であると考え、ケルビン・フォークトモデルを用いると、ばねＳと錘Ｍの間で発生する振動はダッシュポットＤによって減衰される。これらの関係は以下の運動方程式によって表される。

但し、ｔは時間［ｓｅｃ］、ｕは変位［ｍ］、ｍは錘Ｍの質量［ｋｇ］、ｃはダッシュポットの抵抗比例係数［Ｎ・ｓ／ｍ］、ｋはばね定数［Ｎ／ｍ］を表す。

式（２）は次式（３）に変形することができる。

Ｄは前記圧電カンチレバーの厚み［ｍ］、Ｌは前記圧電カンチレバーの長さ［ｍ］、μは粘性体の動粘度［ｍｍ^２／ｓｅｃ］、ρは粘性体の密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｗは前記圧電カンチレバーの幅、［ｍ］、Ｓ_ｍは前記圧電カンチレバーの合計面積［ｍ^２］、Ｓ_ｆは前記圧電カンチレバーと前記粘性体で充填された領域の合計面積［ｍ^２］を表す。

図１の光偏向器２では、圧電カンチレバーの合計面積Ｓ_ｍは、（圧電カンチレバーの合計個数）×Ｌｗ、圧電カンチレバーと粘性体で充填された領域の合計面積Ｓ_ｆは、２Ｌｄで表される。

ξは、減衰比と呼ばれ、減衰の挙動を示すパラメータである。０＜ξ＜１の場合を不足減衰、ξ＝１の場合を臨界減衰、ξ＞１の場合を過減衰という。臨界減衰又は過減衰の場合、振動の変位は０（零）に減衰される。従って、減衰比ξ≧１を満たす抵抗比例係数を有する粘性体を、ミアンダ構造を有する圧電アクチュエータの隙間に充填することで、ミアンダ構造を有する圧電アクチュエータの構造由来の振動を減衰させることができる。

（実施例１）
ミラー部、トーションバー、内側圧電アクチュエータの各直線状圧電アクチュエータ、及び内枠部の質量が、２３５．８［μｇ］、９．３［μｇ］、２２５［μｇ］、５４６．２［μｇ］であり、かつ、外側圧電アクチュエータの各圧電カンチレバーの厚さ、全長、幅が、それぞれ４０［μｍ］、３．９［ｍｍ］、０．７［ｍｍ］であり、そのバネ定数が１．６［Ｎ／μｍ］である光偏向器２を作成した。

また、Ｘ軸方向における、内枠部と圧電カンチレバーの間、圧電カンチレバー同士の間、及び、圧電カンチレバーと外枠部との間の隙間は、５０［μｍ］であった。そして、表面張力を利用して、当該隙間に信越シリコーン社製ＨＩＶＡＣ−Ｆ４（２５℃での動粘度：３７［ｍｍ^２／ｓｅｃ］、密度１．０５５［ｇ／ｃｍ^３］）を粘性体として充填した。

図１の光スキャナ１の外側圧電アクチュエータ５０に、振幅電圧５０［Ｖ］、周波数６０［Ｈｚ］、かつ、走査領域の約９０％を利用し、１０％をブランキングとして使用できる９：１の鋸波状の駆動電圧を印加した。非共振駆動させた内枠部２０に支持されたミラー部１０の応答波形、すなわち、時間経過［ｓｅｃ］に対するミラー部の振れ角［°］を図４に示す。

（実施例２）
粘性体として、信越シリコーン社製ＨＩＶＡＣ−Ｆ−４に代えて、ＵＬＶＡＣ社製ＵＬＶＯＩＬ Ｄ−１１（２５℃での動粘度：３２［ｍｍ^２／ｓｅｃ］、密度０．９１［ｇ／ｃｍ^３］）を用いた以外、実施例１と同様の光スキャナ１を用いた。

（実施例３）
粘性体として、信越シリコーン社製ＨＩＶＡＣ−Ｆ−４に代えて、東レ・ダウコーニング社製ＳＨ２００（２５℃での動粘度：１００［ｍｍ^２／ｓｅｃ］、密度０．９６６［ｇ／ｃｍ^３］）を用いた以外、実施例１と同様の光スキャナ１を用いた。

（比較例１）
粘性体として、信越シリコーン社製ＨＩＶＡＣ−Ｆ−４に代えて、純水（２５℃での動粘度：０．８９３［ｍｍ^２／ｓｅｃ］、密度１．０［ｇ／ｃｍ^３］）を用いた以外、実施例１と同様の光スキャナ１を用いた。図１の光スキャナ１の外側圧電アクチュエータ５０に、実施例１と同様の鋸波状の駆動電圧を印加し、非共振駆動させた内枠部２０に支持されたミラー部１０の応答波形、すなわち、時間経過［ｓｅｃ］に対するミラー部の振れ角［°］を図５に示す。

［評価］
図４及び図５において、図１のミアンダ構造の圧電カンチレバー同士の間等の隙間に粘性体を充填しない従来の光スキャナの当該圧電カンチレバーに対して、実施例１と同様の鋸波状の駆動電圧を印加した場合を、破線で示した。また、図４において、実施例１の駆動方法を実線で示し、図５において、比較例１の駆動方法を実線で示した。

実施例１〜実施例３及び比較例１の結果を表１に示す。表１において、減衰比ξは式（３）に基づいて算出した値であり、理想直線からのズレは図１の光スキャナ１に対して図６Ａに示すような光スキャナの鋸波状の駆動電圧を印加したとき、ミアンダ構造を有する圧電カンチレバーの構造由来の変位が「０」である理想的なミラー応答波形、すなわち、直線な応答波形に対して、実際に前述の変位を含んだミラー応答波形のばらつきにより求める値［％］であり、振幅倍率は、粘性体を充填した場合の光スキャナの振幅［°］を、粘性体を充填していない光スキャナの振幅［°］で除算した値である。

理想直線からのズレが２［％］未満であれば、圧電アクチュエータの構造に由来する振動を抑制できる。さらに、振幅倍率が０．８０以上あれば、鋸波状の駆動電圧に対するとミラー部振れ角によるミラー応答波形が実用上理想波形として用いることができる。そこで、理想波形の直線部分からのズレが２［％］未満であり、かつ、振幅倍率が０．８０以上ある場合、表１の評価の欄に「○」を記載し、理想波形の直線部分からのズレが２［％］未満であれば、振幅倍率が０．８０未満であっても、表１の評価の欄に「△」を記載し、それ以外の場合、「×」を記載した。

表１より、減衰比ξが１≦ξ≦３である実施例１及び実施例２では、ミアンダ構造を有する圧電カンチレバーの構造由来の変位（振動）を「０」に減衰することができ、圧電アクチュエータの振動を抑制できる圧電アクチュエータを用いた光スキャナを提供することができることが分かる。

減衰比ξがξ＝３．１３である実施例３では、実施例１及び実施例２同様、ミアンダ構造を有する圧電カンチレバーの構造由来の変位（振動）を「０」に減衰することができた。ただし、粘性体を有しない光スキャナと比較して、粘性体の動粘度が大きいため、振幅倍率が０．８０未満となり、圧電アクチュエータの変位が大きく減少する。そのため、圧電アクチュエータの所望の変位を維持するには、圧電アクチュエータに印加する駆動電圧を大きくする必要がある。

また、減衰比ξがξ＜１である比較例１では、時間の経過に従って振幅が変化しなかったが、周期は一定のままの振動になり、理想直線とのズレが大きいので、圧電アクチュエータの振動を抑制し得ない。

本実施形態の光スキャナは、２軸型光スキャナであるが、ミアンダ構造の圧電アクチュエータにより所定軸線回りに往復回動させる光スキャナであれば、１軸型光スキャナに変形することも可能である。この場合、図１の内側圧電アクチュエータ４０が不要となる。そして、ミラー部が、図１のミラー部１０と、内枠部１０と、トーションバー６０ａ，６０ｂとから新たに構成され、新たに構成されたミラー部と外枠部３０（支持部）との間にミアンダ構造の圧電アクチュエータ５０が介在する。

尚、本実施形態の光スキャナは、例えば、プロジェクタ、レーザプリンタ、レーザーヘッドランプ、ヘッドアップディスプレイ等の光走査装置に用いることができる。

１…光スキャナ、２…光偏向器、１０…ミラー部、２０…内枠部、３０…外枠部（支持部）、４０，４０ａ，４０ｂ，４０ｃ，４０ｄ…内側圧電アクチュエータ、５０，５０’…外側圧電アクチュエータ、５２ａ〜５２ｄ…圧電カンチレバー、５４ａ〜５４ｃ…折返し部、６０ａ，６０ｂ…トーションバー、７０…粘性体、８０…レーザ光源、９０…制御装置。

Claims (4)

1. 光を反射するミラー部と、
   前記ミラー部を支持する支持部と、
   ミアンダパターン配列で直列に結合している複数の圧電カンチレバーを有し、前記ミラー部と前記支持部との間に介在して、前記ミラー部の回転軸線の回りに前記ミラー部を往復回動させる圧電アクチュエータとを備えた光スキャナにおいて、
   前記ミラー部と前記圧電カンチレバーとの間及び前記圧電カンチレバー同士の間に形成された間隙に粘性体を有することを特徴とする光スキャナ。
2. 光を反射するミラー部と、
   前記ミラー部を包囲して支持する内枠部と、
   前記内枠部を包囲して支持する外枠部と、
   前記ミラー部の第１回転軸線上で、一端部が前記ミラー部と結合し、他端部が前記内枠部と結合する１対のトーションバーと、
   前記ミラー部と前記内枠部との間に介在して、前記トーションバーを前記第１回転軸線回りに往復回動させるように、先端部が前記トーションバーと結合し、かつ、少なくとも一部分が前記内枠部と結合する内側圧電アクチュエータと、
   ミアンダパターン配列で直列に結合している複数の圧電カンチレバーを有し、前記内枠部と前記外枠部との間に介在して、前記第１回転軸線に直交する第２回転軸線の回りに前記ミラー部を往復回動させる外側圧電アクチュエータとを備えた光スキャナにおいて、
   前記内枠部と前記圧電カンチレバーとの間及び前記圧電カンチレバー同士の間に形成された間隙に粘性体を有することを特徴とする光スキャナ。
3. 請求項２記載の光スキャナにおいて、
   抵抗比例係数をｃ［Ｎ・ｓ／ｍ］、前記ミラー部、前記トーションバー及び前記内側圧電アクチュエータの総質量をｍ［ｋｇ］、前記複数の圧電カンチレバーのばね係数をｋ［Ｎ／ｍ］と表した場合、下記式（１）で表される減衰比ξが１〜３の範囲であることを特徴とする光スキャナ。
   Ｄは前記圧電カンチレバーの厚み［ｍ］、Ｌは前記圧電カンチレバーの長さ［ｍ］、μは粘性体の動粘度［ｍｍ^２／ｓｅｃ］、ρは粘性体の密度［ｋｇ／ｍ^３］、ｗは前記圧電カンチレバーの幅、［ｍ］、Ｓ_ｍは前記圧電カンチレバーの合計面積［ｍ^２］、Ｓ_ｆは前記圧電カンチレバーと前記粘性体で充填された領域の合計面積［ｍ^２］を表す。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の光スキャナにおいて、
   前記複数の圧電カンチレバーに印加される鋸波状波形の駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段を備えることを特徴とする光スキャナ。