JP2016009050A

JP2016009050A - 光偏向器

Info

Publication number: JP2016009050A
Application number: JP2014128938A
Authority: JP
Inventors: 孝明小山; Takaaki Koyama
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2014-06-24
Filing date: 2014-06-24
Publication date: 2016-01-18
Anticipated expiration: 2034-06-24
Also published as: JP6310786B2

Abstract

【課題】ミラー部を往復回動させた場合、ミラー部の回転軸線として設定したミラー部の対称線に位置に対して当該回転軸線の位置がずれることを抑制する。【解決手段】光偏向器１は、光を反射するミラー部２と、ミラー部２を包囲して支持する枠部３と、ミアンダパターン配列で直列に連結する複数の圧電カンチレバー５を有し、ミラー部２と枠部３との間に介在して、ミラー部２の対称線Ｘを回転軸線としてその回りにミラー部２を往復回動させる圧電アクチュエータ４とを備える。ミラー部２に隣り合う第１圧電カンチレバー５ａは、第１半部１０ａと第２半部１０ｂとからなり、第１半部１０ａは、対称線Ｘから第１圧電カンチレバー５ａと第１圧電カンチレバー５ａに隣り合う第２圧電カンチレバー５ｂとを連結する折返し部６ａまで延在し、第２半部１０ｂは、対称線Ｘから折返し部６ａと反対側に延在し、第２半部１０ｂが第１半部１０より重くなる。【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偏向器に関する。

近年、マイクロマシニング技術などを利用して製造されるＭＥＭＳデバイスの一種として光偏向器の開発が各研究機関で盛んに行われている。光偏向器は、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反射光を出射するものである。光偏向器は、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。

光偏向器のアクチュエータとして、圧電膜の伸縮を利用する圧電アクチュエータが用いられている。特に、複数の圧電カンチレバーをミアンダパターン配列で折返し部を介して連結した圧電アクチュエータ（以下、「ミアンダ構造圧電アクチュエータ」という。）は、大きな駆動力と変位量を得られるので、ミラー部を共振周波数以外の周波数で駆動する場合に適している（例えば、特許文献１参照）。

特開２００８−４０２４０号公報

ミアンダ構造圧電アクチュエータを有する光偏向器では、円形、矩形等の幾何学形状のミラー部の対称線を回転軸線として設定し、ミラー部が当該対称線の回りに往復回動するように、ミラー部に連結するミアンダ構造圧電アクチュエータの作動端を変位させる。そして、隣り合う圧電カンチレバーが折返し部を基点として運動する。

折返し部は、所定の剛性を有し、隣り合う圧電カンチレバーを連結しているので、隣り合う圧電カンチレバーが折返し部を基点に運動すると、圧電カンチレバーが折返し部側に移動する傾向がある。ミアンダ構造圧電アクチュエータの作動端の位置が所望の位置からずれた場合、ミラー部の回転軸線が回転軸線として設定されたミラー部の対称線からずれるという不都合が生じる。

図４〜図６を参照して、光偏向器を光学機器に応用した場合において、往復回動するミラー部１０１の回転軸線の位置がミラー部１０１の対称線（設定された回転軸線）の位置からずれることにより、光の照射位置が所定位置からずれるという問題点を説明する。

図４〜図６は、ミラー部１０１の回転軸線回りの往復回動により、ミラー部１０１が、所定方向からミラー部１０１に入射した入射光１０２を反射し、反射光を走査光１０３として出射し、走査光１０３により照射パターンをスクリーン１０４上に生成することを示す図である。尚、ミラー部１０１は、軸線に対して線対称な部材、例えば、円形、矩形等の部材であり、ミラー部１０１の軸線の回りに往復回動するように、対称線が回転軸線として設定されているものとする。

図４〜図６において、対称線位置Ｍ_０は、ミラー部１０１の回転軸線として設定されたミラー部１０１の対称線の位置を示す。回転軸線位置Ｒ_０は、ミラー部１０１がミアンダ構造圧電アクチュエータの作用により往復回動する回転軸線の位置を示している。

そして、図４Ａ，図５Ａ，図６Ａは、対称線位置Ｍ_０と回転軸線位置Ｒ_０とが一致した場合の走査光１０３の設定進路を示し、図４Ｂ，図５Ｂ，図６Ｂは回転軸線位置Ｒ_０が対称線位置Ｍ_０からずれた場合の走査光１０３の進路を示している。また、図４Ｂ，図５Ｂ，図６Ｂに示されるように、回転軸線位置Ｒ_０はミラー部１０１の端部に位置しているので、ミラー部１０１の回動角範囲Ａは、図４Ａ，図５Ａ，図６Ａの回動角範囲Ａのほぼ２倍となっている。

図４Ａ，図５Ａ，図６Ａにおいて、入射光１０２は、図示しないレーザ光源から、対称線位置Ｍ_０と回転軸線位置Ｒ_０とが一致しているときの対称線位置Ｍ_０に入射する。尚、スクリーン１０４は、図４Ａ，図５Ａ，図６Ａにおいて、走査光１０３による照射領域Ｂが生成される位置で固定されて配設され、入射光１０２を通過させ、走査光１０３により照射パターンを生成するように形成された仮想スクリーンである。

図４〜図６において、ミラー部１０１に対する入射光１０２の入射角度を、図４Ａ，図５Ａ，図６Ａにおける回転軸線回りで最大回動角となるミラー部１０１の２つの回動位置（実線の引出し線で示した位置と破線の引出し線で示した位置）の中間に位置する基準回動位置（２点鎖線の引出し線で示した位置）にあるときのミラー部１０１の法線に対して入射光がなす角度と定義する。

図４は、基準回動位置のミラー部１０１に対する入射光１０２の入射角度が０°である状態を示す図であり、スクリーン１０４の面は基準回動位置のミラー部１０１から０°の出射角度で出射する走査光に対して垂直に設定される。図４Ａの照射領域Ｂに対して、回転軸線位置Ｒ_０が対称線位置Ｍ_０からずれた図４Ｂの照射領域Ｂは、図４Ａに示された所定位置からずれが生じていることがわかる。

図５は、基準回動位置のミラー部１０１に対する入射光１０２の入射角度が左４５°である状態を示す図であり、スクリーン１０４の面は基準回動位置のミラー部１０１から右４５°の出射角度で出射する走査光に対して垂直に設定される。図５Ａの照射領域Ｂに対して、回転軸線位置Ｒ_０が対称線位置Ｍ_０からずれた図５Ｂの照射領域Ｂは拡大し、間延びした像が生成されていることがわかる。

図６は、基準回動位置のミラー部１０１に対する入射光１０２の入射角度が右４５°である状態を示す図であり、スクリーン１０４の面は基準回動位置のミラー部１０１から左４５°の出射角度で出射する走査光に対して垂直に設定される。図６Ａの照射領域Ｂに対して、回転軸線位置Ｒ_０が対称線位置Ｍ_０からずれた図６Ｂの照射領域Ｂは縮小し、縮んだ像が生成されていることがわかる。

本発明は、ミアンダ構造圧電アクチュエータによりミラー部を往復回動させた場合、ミラー部の回転軸線として設定したミラー部の対称線の位置に対して当該回転軸線の位置がずれることを抑制する光偏向器を提供することを目的とする。

第１発明の光偏向器は、線対称な形状を有し、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枠部と、ミアンダパターン配列で直列に連結する複数の圧電カンチレバーを有し、前記ミラー部と前記枠部との間に介在して、前記ミラー部の対称線を回転軸線としてそ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、前記複数の圧電カンチレバーのうち前記ミラー部に隣り合う第１圧電カンチレバーは、第１半部と第２半部とからなり、前記第１半部は、前記対称線から前記第１圧電カンチレバーと前記第１圧電カンチレバーに隣り合う第２圧電カンチレバーとを連結する折返し部まで延在し、前記第２半部は、前記対称線から前記折返し部と反対側に延在し、前記第２半部が前記第１半部より重くなるように形成されていることを特徴とする。

ミアンダパターン配列で連結する圧電カンチレバーは、隣り合う圧電カンチレバーに連結する折返し部を基点に湾曲運動するので、圧電カンチレバーが基点である折返し部側に移動する傾向がある。また、折返し部が複数存在する場合、ミラー部に連結する圧電アクチュエータの作動端の位置への影響は、折返し部が作動端に近いほど強くなる。

本発明によれば、ミラー部に隣り合う第１圧電カンチレバーと第２圧電カンチレバーとの間の折返し部に対して対称線から反対側に延在する第２半部が第１半部の重量より重くなるように形成されている。そのため、回転軸線の回りの往復回動に伴う圧電アクチュエータの重心移動が抑制される。従って、ミラー部の回転軸線がミラー部の対称線からずれることを抑制できる。

第１発明において、前記第２半部に錘を付加することにより、又は前記第１半部に切欠きを設けることにより、前記第２半部が前記第１半部より重くなるように形成されていることが好ましい。

このように、錘又は切欠きを第１圧電カンチレバーの半部に設けることにより、第２半部が第１半部の重量より重くなるように形成される構成を簡易に実現できる。

第２発明の光偏向器は、光を反射するミラー部と、線対称な形状を有し、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連結し、他端部が前記内枠部と連結する１対のトーションバーと、前記ミラー部と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回転軸線の回りに往復回動させ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連結す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、前記第１回転軸線に直交する前記内枠部の対称線を第２回転軸線としてその回りに前記内枠部を往復回動させる外側圧電アクチュエータとを備え、前記複数の圧電カンチレバーのうち前記内枠部に隣り合う第１圧電カンチレバーは、第１半部と第２半部とからなり、前記第１半部は、前記対称線から前記第１圧電カンチレバーと前記第１圧電カンチレバーに隣り合う第２圧電カンチレバーを連結する折返し部まで延在し、前記第２半部は、前記対称線から前記折返し部と反対側に延在し、前記第２半部が前記第１半部より重くなるように形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、内枠部に隣り合う第１圧電カンチレバーと第２圧電カンチレバーとの間の折返し部に対してミラー部の対称線から反対側に延在する第２半部が第１半部の重量より重くなるように形成されている。そのため、第２回転軸線の回りの往復回動に伴う圧電アクチュエータの重心移動が抑制され、第２回転軸線が内枠部の対称線からずれることを抑制する。

従って、ミラー部が第１回転軸線及び第２回転軸線の回りに往復回動する２軸型光偏向器であっても、第２回転軸線が対称線からずれることを抑制し、ミラー部の第１回転軸線及び第２回転軸線の交点が所定位置からずれることを抑制することができる。

第２発明において、前記第２半部に錘を付加することにより、又は前記第１半部に切欠きを設けることにより、前記第２半部が前記第１半部より重くなるように形成されていることが好ましい。

第１実施形態の光偏向器を示す斜視図。シミュレーション結果を示した図。第２実施形態の光偏向器を示す斜視図。基準回動位置のミラー部１０１に対する入射光１０２の入射角度が０°である図。基準回動位置のミラー部１０１に対する入射光１０２の入射角度が左４５°である図。基準回動位置のミラー部１０１に対する入射光１０２の入射角度が右４５°である図。

［第１実施形態］
図１は、１軸型光偏向器１を示す斜視図である。光偏向器１は、矩形状のミラー部２と、ミラー部２を包囲する矩形枠３とを、中心を同一に揃えて備えている。

図１に示されるように、光偏向器１の構造を説明するために、ｘ−ｙ−ｚの３軸直交座標系を定義する。３軸直交座標系において、原点Ｏを矩形状のミラー部２前面のミラー面の中心と定義する。また、ｘ軸及びｙ軸は静止部材である矩形枠３の長辺及び短辺に対してそれぞれ平行な方向と定義する。そして、ｚ軸は、図１に示されるように、光偏向器１の厚み方向において、後側から前側に向かう向きを正と定義する。

ミラー部２は、矩形板状の部材であり、前面視（ｚ軸方向視）で２つの対称線を有する。１の対称線は中心Ｏを通り、ｘ軸と平行な直線（対称線Ｘ）であり、他の対称線は中心点Ｏを通り、ｙ軸に平行な直線である。尚、ミラー部２の形状は、矩形板状に限定されず、円板等の中心Ｏを通る対称線Ｘに対して線対称な形状であれば他の形状でもよい。対称線Ｘは、ミラー部２の回転軸線として設定される。

ミラー部２は、前面にミラー面を有し、図示しないレーザ光源から照射されたレーザ光が中心Ｏに入射され、ミラー部２のミラー面で、入射角に応じた反射角でレーザ光を反射して、走査光として出射する。尚、図１は、光偏向器１の作動停止中の状態を示しており、ミラー部２のミラー面上の中心Ｏの法線はｚ軸に一致している。また、光偏向器１は、ｙ−ｚ平面に対して、線対称な構造に形成されている。

矩形枠３は、ミラー部２を包囲する環状矩形状の部材であり、中心Ｏを通るｘ軸及びｙ軸それぞれに対して線対称に形成されている。

圧電アクチュエータ４は、ミラー部２及び矩形枠３との間に介在する。具体的に、圧電アクチュエータ４は、矩形枠３の内周側でかつｘ軸方向にミラー部２の両側に配設され、そして、連結部８により対称線Ｘでミラー部２に連結し、連結部９により対称線Ｘで矩形枠３に連結している。

連結部８側の圧電アクチュエータ４の端部はアクチュエータの作動端（先端）として、連結部９側の圧電アクチュエータ４の端部は支持端（基端）として機能する。圧電アクチュエータ４は、複数の圧電カンチレバーがミアンダパターンで配列されて直列に連結しているミアンダ構造を有する。

圧電アクチュエータ４は、ミアンダ構造の圧電アクチュエータとして、ミアンダパターンで配列されて折返し部６ａ〜６ｄにより直列に連結された圧電カンチレバー５ａ〜５ｅを備えている。圧電カンチレバー５ａ〜５ｅ及び折返し部６ａ〜６ｄは、符号末尾のアルファベット順にミラー部２に近い方から順番に付番されている。以下、圧電カンチレバー５ａ〜５ｅ及び折返し部６ａ〜６ｄを総称するときは、それぞれ単に「圧電カンチレバー５」及び「折返し部６」という。

圧電カンチレバー５は、圧電膜と、圧電膜を厚み方向の両側から挟む２つの電極とを含む積層構造を有する。具体的に、圧電カンチレバー５は、前面視（ｚ軸方向視）で、下層から順に、基板と、熱酸化膜、電極と接する薄膜の密着性を高めるための下部電極密着膜、下部電極、圧電膜の配向性を制御する層間膜、圧電膜、上部電極、上部電極密着膜、層間絶縁膜、配線部、水分や金属イオンから配線や回路素子を保護するための機能を持つ外層膜で構成される積層体とからなる積層構造を有する。

基板の材料としてＳｉ等が挙げられる。また、基板上に形成された積層体の材料として、熱酸化膜はＳｉＯ_２等、下部電極密着膜はＴｉＯ_Ｘ等、下部電極及び上部電極はＰｔ等、圧電膜の配向性を制御する層間膜はＳＲＯ（ルテニウム酸ストロンチウム）、圧電膜はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）等、上部電極密着膜はＴｉ等、層間絶縁膜はＳｉＯ_２、ＳｉＮ等、配線部はＡｌ等が挙げられる。

積層体は、基板の上に、例えば、スパッタ法、電子ビーム蒸着法、反応性アーク放電を利用したイオンプレーティング法等の公知の方法を用いて、下層から順に成膜することにより形成される。尚、本実施形態のミラー部２、矩形枠３、及び、圧電アクチュエータ４は、上記基板を共通に有する。

外層膜の材料として、例えばＳｉＮ、ＳｉＯＮ、ＴＥＯＳ、ＳｉＯ_２、Ａｌ_２Ｏ_３等が挙げられるが、外部環境の水分から積層体を保護するために疎水性があり、大気環境に対して膜質が経時変化（応力変化）し難く、不純物の透過率が低い膜応力制御が容易なＳｉＮが好ましい。

図１に示されるように、ミラー部２に隣り合う圧電カンチレバー５ａは、第１半部１０ａと、第２半部１０ｂとから構成される。第１半部１０ａは、対称線Ｘから圧電カンチレバー５ａと圧電カンチレバー５ａに隣り合う圧電カンチレバー５ｂとを連結する折返し部６ａまで延在し、第２半部１０ｂは、対称線Ｘから折返し部６ａと反対側に延在する。第１半部１０ａは基板上に上記積層体を有する部材であり、第２半部１０ｂは上記積層体が表面に形成されていない基板により形成された部材である。

尚、圧電カンチレバー５ａは、連結部８により、対称線Ｘ付近でミラー部２と連結し、そして、連結部８と連結する部分以外のミラー部２（圧電カンチレバー５ａと対面するミラー部２の部分）と離間するように形成されている。

図１に示されるように、圧電カンチレバー５ａは、前面視（ｚ軸方向視）で、第２半部１０ｂの裏面に錘１１が設けられ、第２半部１０ｂが第１半部１０ａの重量より重くなるように形成されている。錘１１は、円板状、円錐状、矩形板状等の形状に形成されてもよい。

また、第２半部１０ｂは、第１半部１０ａの重量より重くなるように形成されれば、錘１１を設けることなく、第２半部１０ｂの厚さを厚くすることにより、第１半部１０ａの重量より重くなるように形成してもよい。また、対称線Ｘからの第２半部１０ｂの長さを延長することにより第２半部１０ｂの重量を増加させてもよい。尚、長さを延長した第２半部１０ｂが矩形枠３と接触する場合は、長さ延長した第２半部１０ｂの一部を折り曲げてもよく、また、第１半部１０ａに切欠きを設けてもよい。

矩形枠３は、ミラー部２を包囲して支持する環状矩形状の部材であり、中心Ｏを通るｘ軸及びｙ軸それぞれに対して線対称に形成されている。また、矩形枠３は、連結部９により圧電アクチュエータ４と対称線Ｘ上で連結している。また、矩形枠３には、電極パッド７が、矩形枠３の前面に配置され、図示しない配線を介して圧電カンチレバー５の電極に電気的に接続されている。

次に、第１実施形態の１軸型光偏向器１の作動について説明する。各圧電カンチレバー５の圧電膜には、同一の駆動周波数Ｆａで増減する駆動電圧が電極パッド７を介して供給される。但し、圧電カンチレバー５ａ，５ｃ，５ｅに印加される駆動電圧と、圧電カンチレバー５ｂ，５ｄに印加される駆動電圧は、相互に逆位相の電圧である。

そして、各圧電カンチレバー５の圧電膜は、印加された駆動電圧及び駆動周波数Ｆａに応じて、圧電カンチレバー５の長手方向に伸縮し、各圧電カンチレバー５は厚み方向に湾曲変形するので、連結部８を作動端としてミラー部２に、回転軸の回りの回転駆動力を駆動周波数Ｆａで付与する。従って、ミラー部２は、駆動周波数Ｆａで回転軸の回りに往復回動する。

尚、ミアンダパターン配列の両端の圧電カンチレバー５ａ，５ｅの長さは、中間の圧電カンチレバー５ｂ〜５ｄの長さの半分になっている。従って、圧電膜への駆動電圧印加時では、圧電カンチレバー５ａ，５ｅの変形量は、圧電カンチレバー５ｂ〜５ｄの変形量の約半分になる。

そして、図示しないレーザ光源からレーザ光がミラー部２の中心（原点）Ｏの位置に入射した入射光は、回転軸の回りの回動角に応じた反射角でミラー部２から反射し、光偏向器１から出射される。ミラー部２の反射光は、ｙ−ｚ平面内において出射方向が変化する走査光として光偏向器１から出射される。

圧電カンチレバー５ａの第２半部１０ｂが第１半部１０ａの重量より重くなるように形成したことによる作用効果を調べるシミュレーションを行った。本シミュレーション結果について、図２Ａ及び図２Ｂを参照して説明する。尚、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、ｘ−ｙ−ｚの３軸直交座標系は、図１のｘ−ｙ−ｚの３軸直交座標系に対応している。

尚、本シミュレーションでは、第２半部１０ｂの裏面に錘１１を設けることなく、圧電体の積層体を有しない基板からなる第２半部１０ｂが対称線Ｘからの長さを第１半部１０ａより長くすることにより、第１半部１０ａの重量より重くなるように設定した。図２Ａは第２半部１０ｂが折り曲げられることなく第１半部１０ａより長く形成された場合を、図２Ｂは第２半部１０ｂが裏面側に折り曲げられて第１半部１０ａより長く形成された場合において、光偏向器３１，３１’のｚ軸方向変位量のシミュレーション結果を示す。

ｚ軸方向変位量のシミュレーションは、ＭＥＭＳ構造のモード解析をＦＥＭ（有限要素法）により行った。モード解析とは、各固有の共振点における動作（変移）を計算するものである。シミュレーションソフトとして、Ｏｐｅｎ−Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ社製の「Ｏｏｆｅｌｉｅ（登録商標）」を使用した。

図２Ａ及び図２Ｂにおいて、色の濃い部位ほどｚ軸方向の変位量が大きく、色の薄い部位ほどｚ軸方向の変位量が小さい。白色の領域は、シミュレーション結果においてｚ軸方向に変位しなかったことを示している。また、図２Ａ及び図２Ｂにおいて、符号３３はミラー部３２の回転軸線を示している。

図２Ａ及び図２Ｂにおいて、ｚ軸方向の変位量が０になる領域が対称線Ｘを含み、ミラー部３２の回転軸線３３が対称線Ｘと一致している。従って、光偏向器３１，３１’において、ミラー部３２を往復回動させた場合でも、ミラー部２の実際の回転軸線３３がミラー部２の対称線Ｘの位置からずれるのを抑制したことが確認できた。

［第２実施形態］
図３は、作動停止時の２軸型光偏向器５１の斜視図である。光偏向器５１は、円板状のミラー部５２と、ミラー部５２を包囲して支持する内枠部５５と、内枠部５５を包囲して支持する外枠部６０とを、中心点を同一に揃えて、備えている。

図３に示されるように、光偏向器５１の構造を説明するために、ｘ−ｙ−ｚの３軸直交座標系を定義する。３軸直交座標系において、原点Ｏを円板状のミラー部５２前面のミラー面の中心に置く。また、ｘ軸及びｙ軸は静止部材である外枠部６０の長辺及び短辺に対してそれぞれ平行な方向と定義する。そして、ｚ軸は、図３に示されるように、光偏向器５１の厚み方向において、後側から前側に向かう向きを正と定義する。

図３に示されるように、ミラー部５２は、円板状の部材である。また、ミラー部５２において、前面視（ｚ軸方向視）で、中心Ｏを通りｘ軸と平行な直線を対称線Ｘと、中心Ｏを通りｙ軸に平行な直線を対称線Ｙと定義する。

ミラー部５２は、前面にミラー面を有し、図示しないレーザ光源から照射されたレーザ光が中心点Ｏに入射され、ミラー部５２のミラー面で、入射角に応じた反射角でレーザ光を反射して、走査光として出射する。尚、図３は、光偏向器５１の作動停止中の状態を示しており、ミラー部５２のミラー面上の中心点Ｏの法線はｚ軸に一致している。また、光偏向器５１は、ｙ−ｚ平面に対して対称な構造に形成されている。

尚、ミラー部５２の形状は、円板状に限定されず、矩形、正方形、正六角形等の平板状等の中心Ｏを通る対称線Ｘ及び対称線Ｙに対して対称な形状であれば他の形状でもよい。

なお、光偏向器５１が作動する場合、ミラー部５２の対称線Ｘは、中心Ｏを通るｘ軸線上に留まることなく、ｘ−ｚ平面内においてｙ軸と平行な直線（第１回転軸線）の回りに往復回動する。一方、ミラー部５２の対称線Ｙは、内枠部５５の対称線と一致し、中心Ｏを通るｙ軸線上に留まることなく、ｙ−ｚ平面内においてｘ軸と平行な直線（第２回転軸線）の回りに往復回動する。

トーションバー５４は、図３に示されるように、ミラー部５２のｙ軸方向両外側に配設され、ミラー部５２から内枠部５５にｙ軸に沿って延在し、各トーションバー５４の両端部がミラー部５２と内枠部５５と連結している。トーションバー５４の軸線は、ミラー部５２の対称線Ｙと一致するように形成されている。

内側圧電アクチュエータ５３は、図３に示されるように、所定幅の半円環形状であり、ミラー部５２のｘ軸方向両外側でかつ内枠部５５の内側に配設され、半円環状形状の両端部において各トーションバー５４に結合している。内側圧電アクチュエータ５３は、連結部５６により、内側圧電アクチュエータ５３の半円環形状の中央部分と内枠部５５の内周とを対称線Ｘ上で連結している。

内枠部５５は、図３に示されるように対称線Ｙを有し、ミラー部２を包囲する環状矩形状の部材であり、中心Ｏを通るｘ軸及び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５５は、連結部６６により外側圧電アクチュエータ６１と対称線Ｘ上で連結している。

外側圧電アクチュエータ６１は、外枠部６０の内周側でかつｘ軸方向に内枠部５５の両外側に配設され、対称線Ｘ上に配設された連結部６６，６７により内枠部５５及び外枠部６０に連結している。外側圧電アクチュエータ６１は、ミアンダ構造の圧電アクチュエータとして、ミアンダパターンで配列されて折返し部６３ａ〜６３ｄにより直列に連結された圧電カンチレバー６２ａ〜６２ｅを備えている。圧電カンチレバー６２ａ〜６２ｅ及び折返し部６３ａ〜６３ｄは、符号末尾のアルファベット順にミラー部２に近い方からの順番に付番されている。以下、圧電カンチレバー６２ａ〜６２ｅ及び折返し部６３ａ〜６３ｄを総称するときは、それぞれ単に「圧電カンチレバー６２」及び「折返し部６３」という。

圧電カンチレバー６２は、第１実施形態の圧電カンチレバー５と同様、圧電膜と、圧電膜を厚み方向の両側から挟む２つの電極とを含む積層構造を有する。具体的に、圧電カンチレバー６２は、前面視（ｚ軸方向視）で、下層から順に、基板と、下部電極、圧電膜、上部電極を含む積層体とからなる積層構造を有する。第２実施形態の内側圧電アクチュエータ５３と外側圧電アクチュエータ６１の圧電カンチレバー６２は同様の積層構造を含むように形成され、また、ミラー部５２、内枠部５５、内側圧電アクチュエータ５３と外側圧電アクチュエータ６１、及び、外枠部６０は、上記基板を共通に有する。

図３に示されるように、内枠部５５に隣り合う圧電カンチレバー６２ａは、対称線Ｘから圧電カンチレバー６２ａに隣り合う圧電カンチレバー６２ｂに連結する折返し部６３ａに延在する第１半部８０ａと、対称線Ｘから折返し部６３ａと反対側に延在する第２半部８０ｂとを有する。第１半部８０ａは基板上に上記積層体を有する部材であり、第２半部８０ｂは上記積層体が表面に形成されていない基板により形成された部材である。

尚、圧電カンチレバー６２ａは、連結部６６により、対称線Ｘ付近で内枠部５５と連結し、そして、連結部６６と連結する部分以外の内枠部５５（圧電カンチレバー６２ａと対面する内枠部５５の部分）と離間するように形成されている。

図３に示されるように、圧電カンチレバー６２ａは、前面視（ｚ軸方向視）で、第２半部８０ｂの裏面に錘８１が設けられ、第２半部８０ｂが第１半部８０ａの重量より重くなるように形成されている。錘８１は、円板状、円錐状、矩形板状等の形状に形成されてもよい。

また、第２半部８０ｂは、第１半部８０ａの重量より重くなるように形成されれば、錘８１を設けることなく、第２半部８０ｂの厚さを厚くすることにより、第１半部８０ａの重量より重くなるように形成してもよい。また、対称線Ｘからの第２半部８０ｂの長さを延長することにより第２半部８０ｂの重量を増加させてもよい。尚、長さを延長した第２半部８０ｂが外枠部６０と接触する場合は、長さ延長した第２半部８０ｂの一部を折り曲げてもよく、また、第１半部８０ａに切欠きを設けてもよい。

外枠部６０は、内枠部５５を包囲して支持する環状矩形状の部材であり、中心Ｏを通るｘ軸及び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６０は、連結部６７により外側圧電アクチュエータ６１と対称線Ｘ上で連結している。また、外枠部６０の前面には、電極パッド７０が配置され、図示しない配線を介して内側圧電アクチュエータ５３及び圧電カンチレバー６２の電極層に電気的に接続されている。

次に、第２実施形態の２軸型光偏向器５１の作動について説明する。光偏向器５１では、ミラー部５２の中心Ｏを通るｙ軸線回りにミラー部５２を往復回動させる内側圧電アクチュエータ５３に印加される駆動電圧、及び、ミラー部５２の中心Ｏを通るｘ軸線回りに内枠部５５を往復回動させる外側圧電アクチュエータ６１に印加される駆動電圧がそれぞれ、内側圧電アクチュエータ５３及び外側圧電アクチュエータ６１に独立して印加される。

外側圧電アクチュエータ６１による内枠部５５のｘ軸線回りの往復回動は、第１実施形態の光偏向器１と同様、ミアンダ構造圧電アクチュエータである外側圧電アクチュエータ６１に駆動電圧を印加することにより行われる。

次に、内側圧電アクチュエータ５３によるミラー部５２のｙ軸線回りの往復回動について説明する。一対の内側圧電アクチュエータ５３，５３の一方に対して第１電圧を印加して、他方に対して第１電圧と逆位相の第２電圧を印加すると、内側圧電アクチュエータ５３，５３はそれぞれ屈曲変形する。これらの屈曲変形により、トーションバー５４にねじれ変位が生じて、ミラー部５２にトーションバー５４を中心とした回転トルクが作用する。

そして、ミラー部５２は、トーションバー５４，５４を回転軸としてミラー部５２の中心Ｏを通るｙ軸線回りで往復回動することにより、ミラー部５２を往復回動させてｘ軸方向の光走査を行う。

第２実施形態の光偏向器５１によれば、第１実施形態の光偏向器１と同様、ミラー部５２をｘ軸線及びｙ軸線それぞれの回りで往復回動させた場合でも、ｘ軸線回りで回動するミラー部５２の実際の回転軸線が対称線Ｘの位置からずれることを抑制する。ミラー部５２は第１回転軸線上のトーションバー５４，５４によって支持されているので、ミラー部５２の第１回転軸線及び第２回転軸線の交点である中心Ｏからずれることを抑制する。

第１実施形態の光偏向器１及び第２実施形態の光偏向器５１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、エリアセンサ等に使用され得る。

１，３１，３２’，５１…光偏向器、２，３２，５２…ミラー部、３…矩形枠（枠部）、４…圧電アクチュエータ、５，５ａ〜５ｅ，３５ａ〜３５ｅ，３５ａ’，６２，６２ａ〜６２ｅ…圧電カンチレバー、６，６ａ〜６ｄ，６３，６３ａ〜６３ｄ…折返し部、１０ａ，１０ａ’，８０ａ…第１半部、１０ｂ，１０ｂ’，８０ｂ…第２半部、１１，８１…錘、５３…内側圧電アクチュエータ、５５…内枠部、６０…外枠部、６１…外側圧電アクチュエータ。

Claims

線対称な形状を有し、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枠部と、
ミアンダパターン配列で直列に連結する複数の圧電カンチレバーを有し、前記ミラー部と前記枠部との間に介在して、前記ミラー部の対称線を回転軸線としてそ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、
前記複数の圧電カンチレバーのうち前記ミラー部に隣り合う第１圧電カンチレバーは、第１半部と第２半部とからなり、
前記第１半部は、前記対称線から前記第１圧電カンチレバーと前記第１圧電カンチレバーに隣り合う第２圧電カンチレバーとを連結する折返し部まで延在し、
前記第２半部は、前記対称線から前記折返し部と反対側に延在し、
前記第２半部が前記第１半部より重くなるように形成されていることを特徴とする光偏向器。
請求項１記載の光偏向器であって、
前記第２半部に錘を付加することにより、又は前記第１半部に切欠きを設けることにより、前記第２半部が前記第１半部より重くなるように形成されていることを特徴とする光偏向器。
光を反射するミラー部と、
線対称な形状を有し、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連結し、他端部が前記内枠部と連結する１対のトーションバーと、
前記ミラー部と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回転軸線の回りに往復回動させ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連結す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、前記第１回転軸線に直交する前記内枠部の対称線を第２回転軸線としてその回りに前記内枠部を往復回動させる外側圧電アクチュエータとを備え、
前記複数の圧電カンチレバーのうち前記内枠部に隣り合う第１圧電カンチレバーは、第１半部と第２半部とからなり、
前記第１半部は、前記対称線から前記第１圧電カンチレバーと前記第１圧電カンチレバーに隣り合う第２圧電カンチレバーを連結する折返し部まで延在し、
前記第２半部は、前記対称線から前記折返し部と反対側に延在し、
前記第２半部が前記第１半部より重くなるように形成されていることを特徴とする光偏向器。
請求項３記載の光偏向器であって、
前記第２半部に錘を付加することにより、又は前記第１半部に切欠きを設けることにより、前記第２半部が前記第１半部より重くなるように形成されていることを特徴とする光偏向器。