JP2017207631A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】光偏向器において可動支持体の往復回動の周波数が低くても、回動角センサの出力が十分なＳ／Ｎ比となるようにする。【解決手段】光偏向器１は、第１軸線Ｌｘの回りにミラー部２と一体に往復回動する可動枠４と、可動枠４を第１軸線Ｌｘの回りに往復回動させる外側圧電アクチュエータ５と、第１軸線Ｌｘに対する直交方向の第２軸線Ｌｙを駆動振動方向にして可動枠４に第２軸線Ｌｙの外側から結合する音叉型ジャイロセンサ１１とを備える。【選択図】図１

Description

本発明は、ミラー部を往復回動させて、入射光をミラー部で反射して出射する光偏向器に関する。

一般的な構造の光偏向器は、ミラー部と、圧電アクチュエータとを備え、圧電アクチュエータがミラー部を所定の軸線の回りに往復回動させる。そして、光源からの入射光を、ミラー部で反射して、ミラー部の回動角に対応する方向に出射する。

このような光偏向器は、種々の機器に装備されるとき、各時点の出射方向を正確に制御する必要がある。このため、光偏向器には、軸線の回りのミラー部の回動角を検出するセンサが装備される。

特許文献１の光偏向器の回動角センサは、圧電センサとして圧電アクチュエータ等の他の圧電素子と一緒に製造されるとともに、圧電アクチュエータを介してミラー部を支持する支持部に配置されている。該圧電センサは、ミラー部の往復回動に伴って、圧電アクチュエータから支持部に伝達されて来る振動を検出する。

特許文献２の光偏向器は、圧電アクチュエータのカンチレバーと、回動角センサとしての圧電センサのカンチレバーとを別々に有する。圧電センサのカンチレバーは、一端が可動支持体に結合し、他端が自由端になっている。圧電センサは、圧電アクチュエータ等の他の圧電素子と一緒に製造され、該圧電センサは、ミラー部の往復回動時のカンチレバーの変形に応じた電圧を出力する。

特許文献３の光偏向器の回動角センサは、圧電センサとして圧電アクチュエータ等の他の圧電素子と一緒に製造される。該圧電センサは、軸線に対する直交方向の外側からミラー部に結合している。そして、該圧電センサは、軸線の回りにミラー部と一体に往復回動して、圧電層の変形に応じた電圧を出力する。

特開２０１３−００７７８０号公報 特開２０１４−１６４１０１号公報 国際公開第２０１３／１３６７５９号

特許文献１の光偏向器の圧電センサは、ミラー部の往復回動に伴って変位する部位ではなく、固定されている支持部に形成され、ミラー部や圧電アクチュエータの変位部から該支持部に伝達されて来る振動を検出する。したがって、ミラー部の回動角の検出精度が劣るという問題がある。

特許文献２の光偏向器では、圧電センサは、光偏向器の製造時に、圧電アクチュエータ等の他の圧電素子と一緒に作り込まれる。圧電アクチュエータの圧電層は、圧電アクチュエータの作用力を確保するために、十分な厚みが必要となるので、圧電センサの圧電層も厚くなってしまう。圧電センサは、加速度による圧電膜の変形を電気に変換して出力するので、圧電層が厚いと、変形量が低下して出力が低下する。また、ミラー部の往復回動の周波数が低いときも（例：６０Ｈｚ）、ミラー部の加速度が低下するので、圧電センサの出力が低下する。したがって、該圧電センサは、ミラー部の往復回動の周波数が低いときには、出力が大幅に低下して、圧電センサのＳ／Ｎ比を十分に確保することが難しいという問題がある。

特許文献３の光偏向器の圧電センサは、軸線の回りにミラー部と一体に往復回動するので、ミラー部の回動角の検出精度は高まる。しかしながら、特許文献２の光偏向器の圧電センサと同様に、加速度を圧電層の変形により検出するものなので、ミラー部の往復回動の周波数が低いときの出力が大幅に低下し、圧電センサのＳ／Ｎ比を十分に確保することが難しいという問題がある。

本発明の目的は、上記問題を克服した光偏向器を提供することである。

本発明の光偏向器は、
光を反射するミラー部と、
前記ミラー部を支持する可動支持体と、
前記可動支持体を支持する固定支持体と、
前記可動支持体を第１軸線の回りに往復回動させる第１アクチュエータと、
前記第１軸線に対する直交方向を駆動振動方向にして前記可動支持体に該直交方向の外側から結合する振動式ジャイロセンサとを備えることを特徴とする。

本発明によれば、第１軸線に対する直交方向を駆動振動方向にして可動支持体に該直交方向の外側から結合する振動式ジャイロセンサが備えられる。第１アクチュエータによる第１軸線の回りの可動支持体の往復回動に伴い、振動式ジャイロセンサには、駆動振動方向に対して直角方向にコリオリ力が作用し、振動式ジャイロセンサは、第１軸線の回りの可動支持体の回動方向の加速度を検出し、該検出した加速度に基づいて第１軸線の回りの可動支持体の回動角を検出することができる。

本発明によれば、振動式ジャイロセンサは、可動支持体と一体に往復回動するので、ミラー部の回動角の検出精度を高くすることができる。

本発明によれば、振動式ジャイロセンサは、第１軸線の回りの可動支持体の加速度をコリオリ力により検出するので、第１軸線の回りの可動支持体の往復回動周波数が低くても、十分な変形が確保される。これにより、振動式ジャイロセンサの出力低下を抑制して、十分なＳ／Ｎ比の出力を確保することができる。

本発明の光偏向器において、前記振動式ジャイロセンサは、１対のアームの対峙方向を前記駆動振動方向に一致させた音叉型ジャイロセンサであることが好ましい。

この構成によれば、振動式ジャイロセンサとして、１対のアームの対峙方向を駆動振動方向に一致させた音叉型ジャイロセンサが選択される。この結果、第１軸線に対する直交方向における可動支持体と振動式ジャイロセンサとを合わせた寸法を短くして、光偏向器を小型にすることができる。

本発明の光偏向器において、前記第１アクチュエータは圧電アクチュエータであり、前記音叉型ジャイロセンサは圧電式であることが好ましい。

この構成によれば、音叉型ジャイロセンサの圧電構造と、圧電アクチュエータの圧電構造とを同一工程で製造することが可能となり、振動式ジャイロセンサ装備の光偏向器の製造を簡単化することができる。

本発明の光偏向器において、前記第１アクチュエータ及び前記音叉型ジャイロセンサは、圧電層と該圧電層の下側に配設された下側電極層とを有し、前記固定支持体から前記第１アクチュエータ及び前記可動支持体を経由して前記音叉型ジャイロセンサに連続的に延びる導電層が形成され、前記導電層は前記第１アクチュエータ及び前記音叉型ジャイロセンサの位置において前記第１アクチュエータ及び前記音叉型ジャイロセンサの前記下側電極層を構成することが好ましい。

この構成によれば、導電層が第１アクチュエータ及び音叉型ジャイロセンサの下側電極層として使用されるので、光偏向器の配線数を低減することができる。

本発明の光偏向器において、前記振動式ジャイロセンサを、前記第１軸線から前記直交方向の一方及び他方に離してそれぞれ１以上備えることが好ましい。

この構成によれば、振動式ジャイロセンサは、第１軸線に対して直交方向の各側に存在する。各側の振動式ジャイロセンサの出力の絶対値は、第１軸線に対する直交方向の第１軸線と振動式ジャイロセンサとの間の距離に関係する。第１軸線は、ミラー部の中心点からずれることがあるが、各側の振動式ジャイロセンサからの出力に基づいて、第１軸線回りのミラー部の回動角以外の因子の値（例：第１軸線のずれの方向や量）を検出することも可能になる。また、両側の振動式ジャイロセンサの出力の絶対値の平均値に基づいてミラー部の回動角を検出すれば、振動式ジャイロセンサごとの出力のばらつきを抑制することができる。

本発明の光偏向器において、前記第１アクチュエータは、前記ミラー部を、前記第１軸線の回りに非共振周波数で往復回動させることが好ましい。

この構成によれば、振動式ジャイロセンサは、コリオリ力を利用して非共振周波数で第１軸線の回りを往復回動するミラー部の回動角を検出する。非共振周波数での第１軸線の回りのミラー部の往復回動は、周波数が低く、加速度も低下するが、コリオリ力を利用して加速度を検出することにより、十分に大きなＳ／Ｎ比の出力を振動式ジャイロセンサから得ることができる。

本発明の光偏向器において、前記可動支持体に支持された前記ミラー部を、該ミラー部の中心において前記第１軸線と直交する第２軸線の回りに、前記非共振周波数より高い前記ミラー部の共振周波数で往復回動させる第２アクチュエータを備えることが好ましい。

この構成によれば、振動式ジャイロセンサを使って、第１軸線の回りに非共振周波数で往復回動するミラー部の回動角を検出する光偏向器を、第１及び第２軸線の回りにミラー部を回動させる二軸式光偏向器に円滑に適用することができる。

光偏向器の正面図。 図１の音叉型ジャイロセンサの範囲の拡大図。 可動枠をｘ軸の方向視で見た側面図 音叉型ジャイロセンサによる加速度検出の原理を説明する図。 光偏向器の製造方法の工程図。 可動枠及び音叉型ジャイロセンサの積層構造の拡大図。 音叉型ジャイロセンサの制御装置の回路図。 外側圧電アクチュエータの駆動電圧と音叉型ジャイロセンサの出力との関係を示すタイミングチャート。

図１は光偏向器１の正面図である。光偏向器１は、ＭＥＭＳとして製造され、主要要素として、ミラー部２、内側圧電アクチュエータ３ａ，３ｂ、可動枠４、外側圧電アクチュエータ５ａ，５ｂ、及び固定枠６を含む。

以下、構成の説明の便宜上、図１の光偏向器１の正面視での上下左右を、光偏向器１の上下左右と呼ぶことにする。

ミラー部２は、正面視が円形であり、円形の中心が光偏向器１の中心（矩形の固定枠６の対角線の交点）に一致するように、配設される。説明の便宜上、ミラー部２の表面（ミラー面）上に、中心ｏ、ｘ軸及びｙ軸を定義する。ｘ軸及びｙ軸は、中心ｏにおいて直交するとともに、ミラー部２が正面向きである時に、それぞれ光偏向器１の左右方向及び上下方向に一致する。さらに、ミラー部２の中心ｏにおける法線の向きにｚ軸（図３）を定義する。ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、ミラー部２の表面上に定義されているので、ミラー部２の上下左右の首振りに伴い、ミラー部２と一体に変位する。

図１において、第１軸線Ｌｘ及び第２軸線Ｌｙは、ミラー部２の回転軸線を意味する。第１軸線Ｌｘ及び第２軸線Ｌｙは、中心ｏにおいて直交し、光偏向器１の左右方向及び上下方向に延在する。第１軸線Ｌｘ及び第２軸線Ｌｙは、本発明の第１軸線及び第２軸線に相当し、ミラー部２は、第１軸線Ｌｘ及び第２軸線Ｌｙの回りにそれぞれ非共振周波数及び共振周波数で往復回動する。なお、共振周波数（例：３０ｋＨｚ）は非共振周波数（例：６０Ｈｚ）より高い。

第２軸線Ｌｙとｙ軸とは、ミラー部２の往復回動にもかかわらず、一致する。第１軸線Ｌｘとｘ軸とは、ミラー部２の往復回動期間では、ｚ軸が光偏向器１の厚み方向に平行になった時のみ、一致する。第２軸線Ｌｙの回りのミラー部２の往復回動に伴い、ｘ軸と第１軸線Ｌｘとの交角は増減する。なお、ミラー部２の中心ｏは、第１軸線Ｌｘ及び第２軸線Ｌｙの回りのミラー部２の往復回動中、不動となっている。

内側圧電アクチュエータ３ａ，３ｂは、ミラー部２に対してそれぞれ左側及び右側に配設される。上下の端部において相互に結合し、全体では、ミラー部２を包囲する縦長の楕円環を構成する。可動枠４は、内外周が光偏向器１の上下方向に縦長の楕円輪郭の環状枠として形成され、内周側において内側圧電アクチュエータ３ａ，３ｂから構成される楕円環を包囲する。

音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄは、共に、可動枠４に対してｙ軸の方向の外側に配設され、可動枠４と一体に変位するように、可動枠４に結合している。音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｂは可動枠４に対して上側に配置され、音叉型ジャイロセンサ１１ｃ，１１ｄは可動枠４に対して下側に配置される。音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｃは、第２軸線Ｌｙの左側に配設され、音叉型ジャイロセンサ１１ｂ，１１ｄは第２軸線Ｌｙの右側に配設される。

音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｂと音叉型ジャイロセンサ１１ｃ，１１ｄとは第１軸線Ｌｘに対して対称の配置となっている。音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｃと音叉型ジャイロセンサ１１ｂ，１１ｄとは、第２軸線Ｌｙに対して対称の配置となっている。音叉型ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｄについては、後述の図２〜図４において別途説明する。

トーションバー２１ａ，２１ｂは、ミラー部２からｙ軸に沿ってそれぞれ上下に直線状に突出し、中間部において内側圧電アクチュエータ３ａ，３ｂの結合部に結合し、突出端において可動枠４の内周に結合する。第２軸線Ｌｙは、トーションバー２１ａ，２１ｂの中心線に一致するので、第１軸線Ｌｘの回りのミラー部２の往復回動中、ミラー部２と共に上下方向に首振りする。

外側圧電アクチュエータ５ａ，５ｂは、矩形の固定枠６の内周側でかつ可動枠４に対してそれぞれ左側及び右側に配設される。外側圧電アクチュエータ５は、ミアンダ配列の複数のカンチレバー２３から構成される。

具体的には、各カンチレバー２３は、長手方向を上下方向に揃えて、左右方向に一列に配列される。複数のカンチレバー２３は、全体として直列接続となるように、上下の端部において左隣り又は右隣りのカンチレバー２３に結合している。なお、配列における左右両端のカンチレバー２３の長さは、他のカンチレバー２３の長さの半分となっており、該左右両端のカンチレバー２３は、それぞれ第１軸線Ｌｘ上の端部において可動枠４及び固定枠６に結合している。

電極パッド１６ａ，１６ｂは、横長の矩形の固定枠６の左右の側辺部の表面に複数ずつ配設されている。電極パッド１６ａは、光偏向器１の左半部の電気素子（例：内側圧電アクチュエータ３ａ及び外側圧電アクチュエータ５ａ）に積層方向下側の連続導電層（図５で後述）や積層方向上側の配線を介して接続されている。電極パッド１６ｂは、光偏向器１の右半部の電気素子（例：内側圧電アクチュエータ３ｂ及び外側圧電アクチュエータ５ｂ）に積層方向下側の連続導電層（図５で後述）や積層方向上側の配線を介して接続されている。

音叉型ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｄは、駆動振動（図４の駆動振動方向Ｗｄの振動）を行う駆動電圧を共通にし、出力信号を個々に出力するようになっている。音叉型ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｄの駆動電圧は、同一であるので、電極パッド１６ａ，１６ｂのどちらからでも供給されてよい。音叉型ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｄの各出力については、例えば、音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｂは電極パッド１６ａの方から、また、音叉型ジャイロセンサ１１ｃ，１１ｄは電極パッド１６ｂの方からというように、分配することもできる。

光偏向器１の全体的な作用について説明する。なお、以下、内側圧電アクチュエータ３ａ，３ｂを特に区別しないときは、「内側圧電アクチュエータ３」と総称する。外側圧電アクチュエータ５ａ，５ｂを特に区別しないときは、「外側圧電アクチュエータ５」と総称する。電極パッド１６ａ，１６ｂを特に区別しないときは、「電極パッド１６」と総称する。

光偏向器１は、二次元スキャナとして、映像器や車両用ヘッドライト等に装備される。光偏向器１は、パッケージ内に収納されて、光偏向器１の電極パッド１６とパッケージの端子とは、ボンディングワイヤにより接続されている。内側圧電アクチュエータ３及び外側圧電アクチュエータ５には、電極パッド１６から印加電圧が供給される。

図示していない光源（例：レーザ光源）からの光（例：レーザ光）が、光偏向器１のミラー部２の中心ｏに入射する。

外側圧電アクチュエータ５は、電極パッド１６からの駆動電圧により作動して、可動枠４を第１軸線Ｌｘの回りに往復回動させる。外側圧電アクチュエータ５の作動について詳説する。各外側圧電アクチュエータ５は、ミアンダ配列の複数のカンチレバー２３から成り、第１軸線に平行な軸線の回りの各カンチレバー２３の両端の相対回転量の合計が、第１軸線Ｌｘの回りの可動枠４の回動量に関係するようになっている。したがって、外側圧電アクチュエータ５における固定枠６との結合端側から可動枠４との結合端の方に順番にカンチレバー２３に番号を付けると、奇数番のカンチレバー２３と偶数番のカンチレバー２３とは、印加電圧を逆位相にして、湾曲変形の向きが逆になるように設定される。

各外側圧電アクチュエータ５において、奇数番のカンチレバー２３と偶数番のカンチレバー２３とに、逆位相の電圧を印加するために、電極パッド１６において、奇数番のカンチレバー２３の上側電極に印加電圧を供給する電極パッドと偶数番のカンチレバー２３の上側電極に印加電圧を供給する電極パッドとを別々にしている。

外側圧電アクチュエータ５の駆動電圧の周波数は、例えば６０Ｈｚであり、ミラー部２の共振周波数（例：３０ｋＨｚ）よりはるかに小さい。なお、共振周波数を考える際、トーションバー２１の質量はミラー部２の質量に対して無視できる。

第１軸線Ｌｘの回りの可動枠４の往復回動により、ミラー部２及び可動枠４は第１軸線Ｌｘの回りに一体的に往復回動する。

内側圧電アクチュエータ３は、電極パッド１６からの駆動電圧により作動して、トーションバー２１を第２軸線Ｌｙの回りに往復回動させる。内側圧電アクチュエータ３の作動について詳説する。内側圧電アクチュエータ３ａ，３ｂは、逆位相の駆動電圧を供給されて、トーションバー２１を左右両側から光偏向器１の厚み方向に逆向きに変位させて、回転駆動する。内側圧電アクチュエータ３による第２軸線Ｌｙの回りのミラー部２の往復回動の周波数は、ｙ軸の回りのミラー部２の共振周波数に整合される。

こうして、ミラー部２は、第２軸線Ｌｙの回りに共振周波数で往復回動しつつ、第１軸線Ｌｘの回りに非共振周波数で往復回動する。この結果、ミラー部２は、中心ｏを中心に左右には共振周波数で、上下には非共振周波数で首振りする。

光源から光偏向器１の入射光は、ミラー部２の中心ｏに入射する。そして、法線としてのｚ軸を間に挟んで反射角＝入射角となる反射角でｚ軸の向きに応じた方向の反射光となって出射する。

図２は図１の音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｂの範囲の拡大図である。音叉型ジャイロセンサ１１ｃ，１１ｄの範囲の拡大図は省略しているが、図２と同一となる。

図２において、音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｂは、Ｕ字形状の音叉型ジャイロセンサである。Ｕ字形状の音叉型ジャイロセンサ自体の構造は、周知の圧電式であり、１対のアームとして第２軸線Ｌｙ方向の外側（可動枠４から遠い側）のアーム３１ａと、第２軸線Ｌｙの内側（可動枠４に近い側）のアーム３１ｂとを有する。アーム３１ａ，３１ｂの間には基体層３２が形成されている。

音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｂは、共通の基体層３２の上に、上部積層体３５を積層したものから構成される。上部積層体３５は、アーム３１ａ，３１ｂの対応位置に配置されている。間隙３６は、アーム３１ａ，３１ｂとの間に形成されている。なお、上部積層体３５の具体的な構造は、図６で後述するように、下側電極層７０を含む圧電構造である。

基体層３２は、長手方向中心部において音叉型ジャイロセンサ１１ａ，１１ｂの基端部を第１軸線Ｌｘの方向に相互に結合するとともに、第２軸線Ｌｙの方向に可動枠４の長軸の上端部に結合している。

図３は、可動枠４をｘ軸の方向視（図１の正面図において左から右の向き）で見た側面図である。図３において、ミラー部２は、可動枠４の後ろに隠れている。ｚ軸は、ミラー部２のミラー面の中心ｏにおける法線方向として定義されている。図３において右側が光偏向器１の正面側、左側が光偏向器１の背面側になっている。

図３において、ミラー部２及び可動枠４も、音叉型ジャイロセンサ１１と同様に、基体層３２を有している。ただし、ミラー部２及び可動枠４は、上部積層体３５を有しない。

以下、音叉型ジャイロセンサ１１ａ〜１１ｄを、特に区別しないときは、「音叉型ジャイロセンサ１１」と総称する。アーム３１ａ，３１ｂを、特に区別しないときは、「アーム３１」と総称する。

図４は、音叉型ジャイロセンサ１１による加速度検出の原理を説明する図である。図４において、Ｗｄは音叉型ジャイロセンサ１１の駆動振動方向を示し、Ｆｃはコリオリ力を示している。駆動振動方向Ｗｄは、第２軸線Ｌｙ及びｙ軸に平行な方向であり、コリオリ力Ｆｃの方向はｚ軸に平行な方向である。音叉型ジャイロセンサ１１は第１軸線Ｌｘの回りに可動枠４と一体的に回動する。第１軸線Ｌｘの回りの加速度（ここでは、角加速度ではなく、単に加速度について言及している）は、第１軸線Ｌｘから遠くなるほど、増大するので、コリオリ力Ｆｃは、第１軸線Ｌｘから遠いアーム３１ａと第１軸線Ｌｘに近いアーム３１ｂとでは、第１軸線Ｌｘの回りの回動方向に逆向きになる。この結果、アーム３１ａとアーム３１ｂとは、第１軸線Ｌｘの回りの回動方向に逆向きに変形し、アーム３１ａの上部積層体３５とアーム３１ｂの上部積層体３５とから逆位相の電圧が第１軸線Ｌｘの回りの加速度として出力される。

アーム３１ａ，３１ｂの詳細な構造及び作動については図６及び図７で後述する。

図５は光偏向器１の製造方法の工程図である。ＳＴＥＰ１では、ウェハ基板６０が用意される。１枚のウェハ基板６０からは複数の光偏向器１が同時に製造される。ウェハ基板６０は、裏面側から表面側に順番にＳｉ６１、ＳｉＯ_２６２及びＳｉ６３が配設される３層の積層構造を有している。ＳＴＥＰ１では、ウェハ基板６０の裏面側及び表面側にＳｉＯ_２６４及びＳｉＯ_２６５を形成する。

ＳＴＥＰ２では、ＳｉＯ_２６５の表面側に下側電極層７０、圧電層としてのＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）層７１及び上側電極層７２を順次、形成する。

ＳＴＥＰ３では、表面側及び裏面側からのエッチングにより可動枠４、外側圧電アクチュエータ５、固定枠６及び音叉型ジャイロセンサ１１の各素子の輪郭を形成する。なお、ミラー部２は、可動枠４の後ろに隠れるので、図示されていない。

ＳＴＥＰ３における各素子の積層構造を裏面側から表面側へ順番に述べる。可動枠４は、Ｓｉ６３及びＳｉＯ_２６５の積層構造になっている。外側圧電アクチュエータ５は、Ｓｉ６３、ＳｉＯ_２６５、下側電極層７０、ＰＺＴ層７１及び上側電極層７２の積層構造になっている。固定枠６は、ＳｉＯ_２６４、Ｓｉ６１、ＳｉＯ_２６２、Ｓｉ６３及びＳｉＯ_２６５の積層構造になっている。

図６は、可動枠４及び音叉型ジャイロセンサ１１の積層構造の拡大図である。音叉型ジャイロセンサ１１のアーム３１ａ，３１ｂの積層構造は、下から順番に、Ｓｉ６３、ＳｉＯ_２６５、下側電極層７０、ＰＺＴ層７１及び上側電極層７２の層から構成される。Ｓｉ６３及びＳｉＯ_２６５は、基体層３２（図２及び図３）を構成する。下側電極層７０、ＰＺＴ層７１及び上側電極層７２は上部積層体３５を構成する。

アーム３１ａは、第２軸線Ｌｙ方向に音叉型ジャイロセンサ１１の外側から内側（ミラー部２側）へ駆動電極Ｄ＋、出力電極Ｓ−及び駆動電極Ｄ−が配列される。アーム３１ｂは、第２軸線Ｌｙ方向に外側から内側へ駆動電極Ｄ−、出力電極Ｓ＋及び駆動電極Ｄ＋が配列される。

アーム３１ａにおける駆動電極Ｄ＋、出力電極Ｓ−及び駆動電極Ｄ−は、ＰＺＴ層７１及び上側電極層７２は、個々に有するものの、下側電極層７０とそれより下の積層構造が共通になっている。アーム３１ｂにおける駆動電極Ｄ−、出力電極Ｓ＋及び駆動電極Ｄ＋も、ＰＺＴ層７１及び上側電極層７２は個々に有するものの、下側電極層７０とそれより下の積層構造が共通になっている。

光偏向器１では、下側電極層７０は、内側圧電アクチュエータ３、可動枠４、外側圧電アクチュエータ５及び固定枠６に共通に存在する。そして、下側電極層７０は、固定枠６から外側圧電アクチュエータ５及び可動枠４を経由し、可動枠４から内側圧電アクチュエータ３と音叉型ジャイロセンサ１１とに分岐して、内側圧電アクチュエータ３及び音叉型ジャイロセンサ１１に連続的に延びる導電層（以下、「連続導電層」という）として形成されている（図６と共に、図５のＳＴＥＰ３の構造図参照）。連続導電層としての下側電極層７０は、内側圧電アクチュエータ３及び可動枠４において圧電構造の下側電極層を構成するとともに、音叉型ジャイロセンサ１１の駆動電極Ｄ＋等の各電極の下側電極層を構成する。これにより、音叉型ジャイロセンサ１１の配線を低減することができる。

なお、下側電極層７０は、固定枠６においてアース用の電極パッド１６のうちのアースの電極パッドに接続されている。この結果、下側電極層７０が構成する下側電極層はアース電位に維持される。

アーム３１ａの駆動電極Ｄ＋とアーム３１ｂの駆動電極Ｄ＋、及びアーム３１ａの駆動電極Ｄ−とアーム３１ｂの駆動電極Ｄ−は、同一電位がミラー部２及び可動枠４の共振周波数で供給される。これにより、アーム３１ａ，３１ｂの自由端は、第２軸線Ｌｙ方向に音叉型ジャイロセンサ１１の共振周波数で振動する。

音叉型ジャイロセンサ１１が第１軸線Ｌｘの回りの可動枠４の回動方向に加速度を受けると、アーム３１ａ，３１ｂにはコリオリ力Ｆｃが発生し、アーム３１ａ，３１ｂに該回動方向に相互に逆向きに変形する。この逆向きの変形に伴い、出力電極Ｓ＋，Ｓ−には電圧差が生じ、この電圧差が音叉型ジャイロセンサ１１から出力される。

音叉型ジャイロセンサ１１は、第１軸線Ｌｘの回りの可動枠４の往復回動に伴い、図４で説明したコリオリ力Ｆｃを受ける。コリオリ力Ｆｃは、アーム３１ａとアーム３１ｂとで逆向きであるので、アーム３１ａとアーム３１ｂとは逆向きに変形し、出力電極Ｓ＋と出力電極Ｓ−の出力は逆位相になる。

図７は音叉型ジャイロセンサ１１の制御装置の回路図である。振幅自動調整器４１は、発振回路４２の発振周波数が音叉型ジャイロセンサ１１の共振周波数になるように、発振回路４２の発振周波数を制御する。駆動アンプ４３は、発振回路４２からの発振電圧を増幅して、音叉型ジャイロセンサ１１の駆動電極Ｄ＋及び駆動電極Ｄ−に供給する。

センスアンプ４７は、音叉型ジャイロセンサ１１の出力電極Ｓ＋及び出力電極Ｓ−から出力される信号を増幅する。バンドパスフィルタ４８は、センスアンプ４７の出力から所定の周波数帯域の信号成分を抽出して、同期検波器４９に出力する。該所定の周波数帯域には、第１軸線Ｌｘの回りの可動枠４の往復回動周波数を含むものとなっている。

９０°位相シフト器５０は、発振回路４２の出力を９０°シフトする。同期検波器４９は、バンドパスフィルタ４８の出力と９０°位相シフト器５０の出力とに基づいて、バンドパスフィルタ４８の出力から第１軸線Ｌｘの回りの可動枠４の往復回動周波数に係る信号を検波する。ローパスフィルタ５４は、同期検波器４９からの検波信号のうち、遮断周波数以下の周波数成分を抽出し、アンプ５５へ出力する。アンプ５５は、ローパスフィルタ５４の出力を増幅し、第１軸線Ｌｘの回りの可動枠４の回動角に係る信号として出力する。

図８は外側圧電アクチュエータ５の駆動電圧と音叉型ジャイロセンサ１１の出力との関係を示すタイミングチャートである。外側圧電アクチュエータ５の駆動電圧は、時刻ｔ１で漸増開始して時刻ｔ２で立下がるのこぎり波となっている。図８では、図示の簡便化上、のこぎり波は１つしか記載されていないが、光偏向器１を実際に作動させるときの外側圧電アクチュエータ５の駆動電圧は、図８ののこぎり波が一定の周期で繰り返される。

図８の外側圧電アクチュエータ５の駆動電圧は、奇数番のカンチレバー２３の駆動電圧をカンチレバー２３の代表として示している。なお、外側圧電アクチュエータ５の駆動電圧の周波数は、例えば６０Ｈｚであり、ミラー部２及び内側圧電アクチュエータ３の共振周波数（例：３０ｋＨｚ）より十分に低い。

音叉型ジャイロセンサ１１は、第１軸線Ｌｘの回りの可動支持体の角加速度をコリオリ力により検出するので、第１軸線Ｌｘの回りの可動枠４の往復回動周波数が低くても、音叉型ジャイロセンサ１１の出力低下を抑制して、十分なＳ／Ｎ比の出力を確保することができる。

光偏向器１は、振動式ジャイロセンサとして音叉型ジャイロセンサ１１を選択している。音叉型ジャイロセンサ１１は、１対のアーム３１ａ，３１ｂの対峙方向を駆動振動方向に一致させている。この結果、第１軸線Ｌｘに対する直交方向における可動枠４と振動式ジャイロセンサとを合わせた寸法を短くして、光偏向器を小型にすることができる。

音叉型ジャイロセンサ１１の圧電構造と、内側圧電アクチュエータ３及び外側圧電アクチュエータ５の圧電構造とを同一工程で製造することが可能である。したがって、音叉型ジャイロセンサ１１を装備する光偏向器１の製造を簡単化することができる。

連続導電層としての下側電極層７０が第１アクチュエータとしての外側圧電アクチュエータ５及び音叉型ジャイロセンサ１１の下側電極層として使用される。したがって、配線を簡単化することができる。

音叉型ジャイロセンサ１１は、第１軸線Ｌｘに対する直交方向として第２軸線Ｌｙの方向に可動枠４の両側に備えられる。各側の音叉型ジャイロセンサ１１の出力の絶対値は、第１軸線に対する第２軸線Ｌｙの方向の第１軸線Ｌｘと音叉型ジャイロセンサ１１との間の距離に関係する。第１軸線Ｌｘは、ミラー部２の中心点としての中心ｏからずれることがあるが、各側の音叉型ジャイロセンサ１１からの出力を利用して、第１軸線Ｌｘの回りのミラー部２の回動角以外の因子の値（例：第１軸線Ｌｘのずれの方向や量）を検出することも可能になる。

この光偏向器１は、音叉型ジャイロセンサ１１を異なる位置に計４つの音叉型ジャイロセンサ１１を備える。これら４つの音叉型ジャイロセンサ１１の出力を利用して、第１軸線Ｌｘの回りのミラー部２の回動角以外の因子の値（例：第１軸線Ｌｘのずれの方向や量）を検出することも可能になる。

音叉型ジャイロセンサ１１は、コリオリ力を利用して非共振周波数で第１軸線Ｌｘの回りを往復回動するミラー部２の回動角を検出する。非共振周波数での第１軸線Ｌｘの回りのミラー部２の往復回動は、周波数が低く、加速度も低下するが、コリオリ力を利用して加速度を検出することにより、十分に大きなＳ／Ｎ比の出力を音叉型ジャイロセンサ１１から得ることができる。

光偏向器１は、第１軸線Ｌｘ及び第２軸線Ｌｙの回りにミラー部２を回動させる二軸式となっている。このような二軸式の光偏向器１において、第１軸線Ｌｘの回りに非共振周波数で往復回動するミラー部２の回動角を円滑に検出することができる。

本発明は、実施形態に限定されることなく、本発明の技術思想の範囲内で種々に変形例を含む。

実施形態の光偏向器１では、計４つの音叉型ジャイロセンサ１１から第１軸線Ｌｘの回りのミラー部２の回動角（図３の回動角θ）を個々に検出している。しかしながら、４つの音叉型ジャイロセンサ１１を第１軸線Ｌｘ及び第２軸線Ｌｙの両方に対して対称に配置したのは、主に、ミラー部２が第１軸線Ｌｘ及び第２軸線Ｌｙの回りに往復回動する時の往復回動を円滑化するための重量バランスを得るためである。したがって、４つの音叉型ジャイロセンサ１１のうちの１つのみから出力を得るようにして、他の３つからは出力を得ないようにしてもよい。

ただし、音叉型ジャイロセンサ１１を第２軸線Ｌｙの方向に可動枠４の両側にそれぞれ１以上とする場合には、複数の音叉型ジャイロセンサ１１の出力を平均化して、出力のばらつきを抑制することができる。また、複数の音叉型ジャイロセンサ１１の出力のうち、逆位相のものは位相を逆転した後、複数の出力を合計して、出力を増大させることができる。

さらに、第１軸線Ｌｘは、ミラー部２の往復回動中、静止しておらず、その直角方向に変位することがある。一方、音叉型ジャイロセンサ１１に作用するコリオリ力は、第１軸線Ｌｘから第２軸線Ｌｙの方向に遠くなるほど、増大する。４つの音叉型ジャイロセンサ１１をそれぞれ異なる位置に配設し、各位置のコリオリ力を検出することにより、４つの音叉型ジャイロセンサ１１の出力の組合せにより、第１軸線Ｌｘの回りのミラー部２の回動角以外の因子の値（例：基準位置からの第１軸線Ｌｘの偏倚量）を検出することも可能になる。

実施形態における外側圧電アクチュエータ５の駆動電圧は、のこぎり波となっている（図８）。本発明の第１アクチュエータの駆動電圧の波形は、のこぎり波に限定されず、正弦波や三角波とすることも可能である。

実施形態の光偏向器１では、ミラー部を支持する可動支持体として可動枠４の形状は楕円環状であるが、本発明の可動支持体は、線形、円環又は矩形等のその他の形状を採用可能である。

実施形態の可動枠４において、第１軸線Ｌｘに対して上側及び下側の部分は、本発明において第１軸線に対する直交方向に、該第１軸線に対して一方の側に配置されている部分と他方の側に配置されている部分とにそれぞれ対応する。

実施形態の光偏向器１では、固定支持体として固定枠６の形状は矩形であるが、本発明の固定支持体は円形や正方形等のその他の形状を採用可能である。

実施形態の光偏向器１では、第１アクチュエータとしての外側圧電アクチュエータ５及び第２アクチュエータとしての内側圧電アクチュエータ３は共にカンチレバー型であるが、本発明のアクチュエータはカンチレバー型に限定されない。

１・・・光偏向器、２・・・ミラー部、３・・・内側圧電アクチュエータ（第２アクチュエータ及び圧電アクチュエータ）、４・・・可動枠（可動支持体）、５・・・外側圧電アクチュエータ（第１アクチュエータ及び圧電アクチュエータ）、６・・・固定枠（固定支持体）、１１・・・音叉型ジャイロセンサ（振動式ジャイロセンサ）、１５・・・固定枠、１６・・・電極パッド、２３・・・カンチレバー、３１・・・アーム、７０・・・下側電極層、７１・・・ＰＺＴ層（圧電層）。

Claims (7)

1. 光を反射するミラー部と、
   前記ミラー部を支持する可動支持体と、
   前記可動支持体を支持する固定支持体と、
   前記可動支持体を第１軸線の回りに往復回動させる第１アクチュエータと、
   前記第１軸線に対する直交方向を駆動振動方向にして前記可動支持体に結合する振動式ジャイロセンサとを備えることを特徴とする光偏向器。
2. 請求項１記載の光偏向器において、
   前記振動式ジャイロセンサは、１対のアームの対峙方向を前記駆動振動方向に一致させた音叉型ジャイロセンサであることを特徴とする光偏向器。
3. 請求項２記載の光偏向器において、
   前記第１アクチュエータは圧電アクチュエータであり、
   前記音叉型ジャイロセンサは圧電式であることを特徴とする光偏向器。
4. 請求項３記載の光偏向器において、
   前記第１アクチュエータ及び前記音叉型ジャイロセンサは、圧電層と該圧電層の下側に配設された下側電極層とを有し、
   前記固定支持体から前記第１アクチュエータ及び前記可動支持体を経由して前記音叉型ジャイロセンサに連続的に延びる導電層が形成され、
   前記導電層は前記第１アクチュエータ及び前記音叉型ジャイロセンサの位置において前記第１アクチュエータ及び前記音叉型ジャイロセンサの前記下側電極層を構成することを特徴とする光偏向器。
5. 請求項１〜４のいずれか１項に記載の光偏向器において、
   前記振動式ジャイロセンサを、前記第１軸線から前記直交方向の一方及び他方に離してそれぞれ１以上備えることを特徴とする光偏向器。
6. 請求項１〜５のいずれか１項に記載の光偏向器において、
   前記第１アクチュエータは、前記ミラー部を、前記第１軸線の回りに非共振周波数で往復回動させることを特徴とする光偏向器。
7. 請求項６記載の光偏向器において、
   前記可動支持体に支持された前記ミラー部を、該ミラー部の中心において前記第１軸線と直交する第２軸線の回りに、前記非共振周波数より高い前記ミラー部の共振周波数で往復回動させる第２アクチュエータを備えることを特徴とする光偏向器。