JP4691704B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ビームの走査によりスキャンを行う光スキャナに関し、特に捻れ梁（トーションバー）に支持された微小なミラーを揺動させて光ビームを偏光させる構成の光走査装置に関するものである。

近年におけるレーザ光等の光ビームを走査する光スキャナは、バーコードリーダ、レーザープリンタ、ヘッドマウントディスプレー等の光学機器、あるいは赤外線カメラ等入力デバイスの光取り入れ装置として用いられている。この種の光スキャナとして、シリコンマイクロマシニング技術を利用した微小ミラーを揺動させる構成のものが提案されている。例えば、図１４は、特開平１１−５２２７８号公報（特許文献１）に開示されたシリコンマイクロミラーを有する光スキャナを示している（以下「従来技術１」という。）。この光スキャナはシリコンマイクロマシニング技術を用いて作製され全体サイズは数ミリ角に形成される。支持基板１は矩形の厚板で形成され、その中央部分には凹部１ａが形成され、この凹部１ａ内にシリコン薄板で形成されたミラー２が内装支持されている。このミラー２には一体的に形成された２本のトーションバー３ａ、３ｂが両端方向に突出されており、これらトーションバー３ａ、３ｂの先端部は前記支持基板１に固定され、それぞれパッド４ａ、４ｂに接続されている。これにより、前記ミラー２は、トーションバー３ａ、３ｂの捻れにより、ミラーの平面方向と垂直な方向に揺動することが可能とされている。そして、前記ミラー２の少なくとも周辺領域あるいは表面には不純物イオンの打ち込みや拡散が行われ、あるいは、アルミニウムや銀あるいは導電性を有する有機薄膜などが被着されており、これらの領域が導電性を有する電極部５として構成されている。

一方、前記支持基板１は、前記凹部１ａを挟む両側位置の表面上に、絶縁体６を介してそれぞれ固定電極７ａ、７ｂが配置されている。これらの固定電極７ａ、７ｂは半導体あるいは有機材料からなる導電性材料で形成されており、かつそれぞれの内側縁部は前記ミラー２の両側縁の電極部５に近接配置され、これら電極部５と前記各固定電極７ａ、７ｂとの間でコンデンサが形成されている。
一方の固定電極７ａのパッド８ａと、トーションバー３ａ、３ｂのパッド４ａ、４ｂとの間に所定の電圧を印加すると、これらパッド４ａ、４ｂにつながるミラー電極部５に電圧が印加され、固定電極７ａとミラー電極部５の表面にお互いに逆の極性の電荷が蓄積してコンデンサが構成され、固定電極７ａとミラー電極部５との間に静電引力が働き、ミラー２は回転が開始される。次に、ミラー２が元の位置に復帰された後は、今度は反対側の固定電極７ｂとミラー電極部５との間に電圧を印加することにより、今度は、回転方向は逆であるがミラー２が回転される。このような動作を繰り返して行うことにより、ミラー２は版と警報光及び時計方向のそれぞれの最大回転位置にまで回転する動作を繰り返す揺動動作が行われることになる。

また、シリコンマイクロマシニング技術を利用した微小ミラーを揺動させるための光スキャナとして特開平１０−１９７８１９号公報（特許文献２）に記載のものが知られている（以下「従来技術２」という。）。
この光スキャナは、図１５に示すように、光を反射するための板状のマイクロミラー１と、一直線上に位置してマイクロミラー１の両側を支持する一対の回転支持体２と、一対の回転支持体２が接続され、ミラー１の周辺を囲う枠部３と、枠部３に並進運動を加える圧電素子４とを備え、かつ、一対の回転支持体２を結ぶ直線上以外の場所にミラー１の重心を位置させた構成となっている。
圧電素子４に電圧を加えると、圧電素子４は伸縮を行い、Ｚ軸方向に振動し、この振動は枠部３に伝達される。マイクロミラー１は、駆動された枠部３に対して相対運動を起こし、Ｚ軸方向の振動成分がマイクロミラー１に伝えられると、マイクロミラー１はＸ軸回転支持体２で成す軸線に対して左右非対称の質量成分を持つので、Ｘ軸回転支持体２を中心にマイクロミラー１に回転モーメントが生じる。このようにして、圧電素子４によって枠部３に加えられた並進運動は、マイクロミラー１のＸ軸回転支持体２を中心とした回転運動に変換される。
特開平１１−５２２７８号公報 特開平１０−１９７８１９号公報

上記した従来技術１の光スキャナでは、シリコンマイクロマシニング技術を用いて数ミリ角に作製されるものであり、ミラー２の少なくとも周辺領域あるいは表面に電極部５を形成するとともにトーションバー３ａ、３ｂにパッド４ａ、４ｂを設け、さらに、支持基板１の両側位置の表面上に絶縁体６を介してそれぞれ固定電極７ａ、７ｂ及びパッド８ａ、８ｂを配置する必要があった。
このように、ミラー２の少なくとも周辺領域あるいは表面に電極部５を、また、トーションバー３ａ、３ｂにパッド４ａ、４ｂを、さらに、支持基板１の両側位置の表面上に絶縁体６を介してそれぞれ固定電極７ａ、７ｂ及びパッド８ａ、８ｂを、形成するため、構造が複雑になり、故障発生の要因が増加するだけでなく、製造に時間がかかり、コストアップにつながるという問題があった。

また、上記した従来技術２の光スキャナでは、圧電素子４によって枠部３に加えられる並進運動をマイクロミラー１のＸ軸回転支持体２を中心とした回転運動に変換する構造であるため、マイクロミラー１の重心位置を捻れ梁に対してずらす必要があった。 また、装置がＸ−Ｙ軸方向だけでなくＺ軸方向にも厚みが必要であり、薄型化が困難であった。

本発明は、ミラー部を支持する捻れ梁部を有する基板に圧電体、磁歪体又は永久磁石体を配置し、基板の板波を利用してミラーに捻れ振動を生じさせることにより、簡単な構造で効率的にミラーに捻れ振動を発生することができる光走査装置を提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するための本発明の板波発生原理および装置の基本的事項について図１乃至５を参照しながら以下に説明する。
〔板波発生原理〕
板波を基板１０に発生させるには、基板上に固定された圧電体を振動させる。このとき上記圧電体は、基板上に直接形成された圧電膜である場合、板波の励起効率は高くなる。以下では、この様な圧電膜を用いた場合の板波発生原理を説明する。圧電膜１１への厚み方向に印加される電圧により、基板１０の面に平行方向に伸縮する横方向変位モード（ｄ３１モード）を主に利用するのが効率的で、この場合、圧電膜１１直下の基板１０は圧電膜１１と一緒に、図１に示すように曲げたわみを生じ、基板１０に板波を発生する。すなわち、図１（ａ）に示すように圧電膜１１側にプラスの電圧を印加すると圧電膜１１は延び、逆に図１（ｂ）に示すように圧電膜１１側にマイナスの電圧を印加すると圧電膜１１は縮む。この時、基板１０上に発生された板波は、図２に示す捻れ梁部１２で支持された水平状態にあるミラー部１３に回転モーメントを与える力を作用させることができ、捻れ振動を誘起する。なお、このときミラー部１３が捻れ梁部１２の軸に対し垂直方向（Ｙ軸方向）の重心位置からずれた位置（Ｌ１≠Ｌ２）で支持されていれば、板波がミラー部近傍に発生する基板面に垂直なＺ軸方向の上下振動により、容易にミラー部に回転モーメントを生じさせられるが、ミラー部１３がその重心位置（Ｌ１＝Ｌ２）で捻れ梁部１２により支持されていても、振動発生源である圧電膜１１が基板１０上のミラー部１３の配置場所に対しＸ軸方向に対し非対称な位置に配置すれば、ミラー部１３ならび捻れ梁部１２近傍に回転モーメントを与える捻れ振動を誘起し、その結果ミラー部１３に回転モーメントを生じせしめ、光ビームを走査するような捻れ振動動作を実現することができる。
また、基板１０は片持ち状にその一端が支持されることで、上記板波の振動エネルギーは、ミラー部１３近傍に解放されやすくなり、より効率的にミラー部１３に回転モーメントを与えやすくなり、より効率的に捻り振動を発生できる。
尚、上記ミラー部の捻れ振動駆動原理は、圧電膜を用いた場合で説明したが、圧電膜の代わりに外部印加交番磁界により伸び縮する磁歪膜や外部印加交番磁界に吸引、反発される永久磁石膜を用いても同様の原理に基づき、ミラー部に回転モーメントを発生し、駆動することが可能である。特に磁歪膜として超磁歪材料を用いるとエネルギー的には圧電膜を用いるより駆動効率の高いことが期待される。このとき外部から印加する交番磁界は、上記磁歪膜、永久磁石膜が形成された基板部近傍に設けられたコイルに交流電流を流すことで発生できる。この場合、圧電駆動に比べ、電流駆動のため駆動電圧を低くすることが容易になり、回路設計が簡素化される場合がある。また、この様な磁歪膜や永久磁石膜で基板に板波を発生する場合、基板材料は非磁性材料である方が、より効率的に板波を発生することができる。
以上のように、駆動源に圧電膜を用いる場合も磁歪膜や永久磁石膜を用いる場合も、板波発生に於いて本質的な違いがないため、以下では、圧電膜を用いた場合で、本発明の説明を行う。

〔圧電膜の配置〕
ミラー部１３から離れた位置に配置された圧電膜１１で板波を発生し、一定の駆動電圧下でミラー捻れ角度の最大振幅を得るためには、ミラー部１３に対する圧電膜１１の配置が重要である。これには、まず捻れ梁部１２の軸方向（Ｘ軸）のミラー重心位置の軸上（Ｙ軸：基板面内で捻れ梁部の軸とは垂直方向）に圧電膜１１を形成すると効率が高くなる。さらに、光スキャナーのミラー部１３を支持する捻れ梁部１２の取り付け位置が、捻れ梁部１２の軸に対し垂直方向のミラー部１３の重心位置からずれた場合、ミラー部１３を支持している捻れ梁部１２と基板１０の接続箇所近傍に板波が最大振幅になる様に配置する。このとき、圧電膜１１の中心と捻れ梁部１２の軸間での距離（Ｄ）が、λ／２の整数倍になるように配置（板波の腹の部分）するのが好適である。ただし、λは板波の波長を表す。
しかしながら、上述のミラー部１３重心位置を捻れ梁部１２の取り付け位置と一致させた場合は、ミラー部１３を支持している捻れ梁部１２と基板１０の接続箇所近傍に板波の振幅が最小になる様に配置（板波の節の部分）する。これには、圧電膜１１の中心と捻れ梁部１２の軸間での距離（Ｄ）が、λ／２の整数倍＋λ／４になるように配置すると捻れ梁部１２に容易に回転モーメントを与えられ好適である。また、このとき上記上述のミラー部１３重心位置を捻れ梁部１２の取り付け位置と一致させた場合、一致させない場合のいづれの場合に対しても、図３に示すようにミラー部１３近傍に形成される基板振動の最大振幅箇所Ａｍａｘ（板波振動の腹）、または、最小振幅位置Ａｍｉｎ（板波振動の節）は、捻れ梁部１２と基板１０の接続部より、僅かにずれた位置に形成すると、捻れ梁部１２に発生する上下振動（Ｚ軸方向の変位）を最小にできると共に、より効率的にミラー部１３に回転モーメントを与えることができ、効率的な駆動を行うことが可能となる。

〔圧電膜の厚み、大きさ及び形状〕
光スキャナーの基板１０に形成され、ミラーを振動させる板波を発生させる圧電膜１１の厚みと、大きさは、基板１０の厚みと大きさに応じて最適なサイズを取る必要がある。
上記のミラー駆動原理に於いて、電圧により基板１０上に誘起される曲げたわみの振幅は、圧電ユニモルフアクチュエータ構造の変位を表す下記の式で１次元近似され、図４のＢに示すように圧電膜１１に印加する電界強度（Ｖ／ｍ）一定のもとで、基板材料がＳｉかステンレス材（ＳＵＳ）で、圧電膜１１が典型的なチタン酸ジルコン酸鉛系材料の場合、圧電膜１１の厚みが基板１０の厚みとほぼ同程度の時に最大となる。
ｌ：厚圧電膜の長さ、ｔ_ｐ：圧電膜の厚み、ｔ_ｓ：基板の厚み、ｘ＝ｔ_ｓ／ｔ_ｐ、
ｙ＝Ｙ_ｓ／Ｙ_ｐ（ただし、Ｙ_ｓは基板のヤング率、Ｙ_ｐは圧電膜のヤング率を表す。）、 ｄ_３１：圧電膜の横方向圧電定数。
一方で、光スキャナーの使用条件を考えると、駆動電圧（圧電膜印加電圧）一定のもとでは、膜厚が薄くなればなるほど、大きな変位が得られることになる。実際には、特にＡＤ法により形成された膜で金属基板上に形成した圧電膜の特性、膜厚に関して依存性があり、薄すぎると圧電特性の低下やリーク電流の増加などの膜特性が低下し、厚すぎると分極処理が困難になる。また、基板１０の厚みに関しては、動作中のミラーの平坦性やプロジェクターデバイスなどへの応用で要求されるミラーサイズを考慮し、Ｓｉ、ステンレス材の基板を想定すると、少なくとも１０μｍ以上の厚みが要求される。以上のような点を考慮し、光スキャナーデバイスの駆動に適した最適な圧電膜の膜厚範囲は、おおよそ１μｍ〜１００μｍの範囲にあり、好ましくは５μｍ〜５０μｍの範囲が適切で、このとき同一面積の膜厚に対し、最小の駆動電圧、消費電力で最大のミラー走査角度を得ることができる。
また、圧電膜の形状や面積については、上記、膜厚範囲に於いて、基板上での板波や振動の伝搬方向に対して、圧電膜１１の長さが、おおよそ光スキャナーを駆動する共振周波数と基板材料の音速で決まる板波の波長より小さい範囲であれば効率的に駆動できる。さらにその範囲に於いて、圧電膜１１の形成（駆動）面積は、大きければ大きいほど、大きなミラー走査角度を得ることができるが、この場合、同時に消費電力も大きくなる。従って、携帯機器に応用するなど実際の光スキャナーデバイスの使用目的を想定すると、最適な膜面積（Ｓ）があり、実験からはおおよそ上記板波の波長をλとして、（λ／１００）²＜Ｓ＜λ²の範囲、好ましくは（λ／１０）²＜Ｓ＜（λ／２）²の範囲にある。約２５ｋＨｚの共振周波数に光スキャナーを設計した場合、λ＝４ｍｍで、このとき圧電膜の形状は一辺λ／４＝１ｍｍ角の正方形とし、その結果、光走査角３０度で消費電力１００ｍＷ以下であった。

〔ミラー部の重心位置〕
光スキャナーのミラー部１３を支持する捻り梁１２の取り付け位置であるが、捻れ梁部１２の軸に対し垂直方向のミラー部１３の重心位置からずれた場合、図５に示すように梁の軸（Ｘ軸）を中心とする捻れ共振モードとミラー部１３の重心位置（Ｘｍ）を中心とする捻れ共振モードの２つの共振ｆ１、ｆ２が存在する。このときに二つの共振周波数ｆ１、ｆ２の差はわずかで、駆動周波数が低周波数側から共振周波数に近づくときと、高周波側から共振周波数に近づく場合で、共振周波数近傍でのミラーの捻れ振動の角度の振幅（光走査角度）は同一にならず、大きなヒステリシス（履歴）が発生する。このヒステリシスは実用上大きな問題になる。例えば、環境温度の変動などにより光スキャナーの機械定数が変化し、これに応じて共振周波数が変化、光走査角度が変動する場合が考えられるが、この様な変動は、通常、圧電膜１１に印加する駆動周波数を変化させ補償制御するが、上述のようなヒステリシスが存在すると、その非線形性のために非常に複雑な制御が必要となり、実用的でない。これに対して、ミラー部１３の重心位置と、捻り梁の支持位置を一致させると、上述したようなヒステリシスは現れず、良好な共振特性を得ることができる。
しかしながら、上述のミラー部１３重心位置を捻り梁１２の取り付け位置と一致させた場合、圧電膜１１の振動開始から共振状態での最大光走査角度（ミラーの最大捻れ角度の振幅）に達するまでの時間（立ち上がり動作）は、ミラー部１３重心位置を捻り梁１２の取り付け位置から僅かにずれた場合に比べ、時間がかかり、例えば携帯機器などでの応用でバッテリー駆動を行った場合、消費電力削減のために、光走査をしない場合は動作をＯＦＦする場合があり、この様な状態から光走査を開始する場合、定常状態になるのに要する時間が問題になる。
従って、実際のデバイスでは、この相反する光スキャナーデバイスに求められる特性を両立させるために適切な量だけ、ミラー部１３重心位置を捻り梁１２の取り付け位置からずらすことが必要な場合がある。実験から求めた実用的なずれ量（ΔＬ＝（Ｌ１−Ｌ２）／（Ｌ１+Ｌ２））は、０≦ΔＬ≦０．２の範囲、好ましくは０≦ΔＬ≦０．０５の範囲が適切であった。
この様な上述した課題を解決するもう一つの方法は、基板材料がステンレスなどの金属材料の場合、延性があるためＳｉ部材の場合と異なり、基板材料に弾性限界以上の力を加え、ミラー支持部に僅かな捻りを与えミラー角度を基板面と平行な水平位置から数度程度捻った角度にしてやると、基板に誘起された板波や振動の力をより効率的にミラー部の回転モーメントに変えることができ、上述したミラー共振動作のヒステリシスを押さえ、速い動作の立ち上がりを実現できる。

〔捻れ梁部の断面〕
ミラー部１３を支持する捻れ梁部１２の断面は、理想的には軸対象な円形であることが好ましいが、実際の加工では板材から形成されるので、有限の幅を持ち、その断面は矩形状である。このため、梁の幅（Ｗ）が大きくなりすぎると、僅かな加工誤差などに於いて、梁の幅（Ｗ）内で共振時の捻れ梁部１２の軸の位置が移動するなどの現象を起こし、先述したような共振周波数近傍での駆動周波数に対し、捻れ角度の振幅（光走査角度）にヒステリシス現象を生じ駆動制御を困難にする。この様な問題を解決するためには、捻れ梁部の幅についてもある幅以下にする必要がある。実験的には、捻れ梁部の長さ（Ｔ_１）、基板厚み（Ｔ₂）に対し、Ｗ／Ｔ_１≦０．２または０．１≦Ｔ₂／Ｗ≦１の範囲にあることが必要で、Ｗ／Ｔ_１≦０．１または０．５≦Ｔ₂／Ｗ≦１の範囲にあることがより好ましい。

〔ミラー部の大きさ、厚み、平面度及び表面荒さ〕
光スキャナーなどの光学部品として、この様な捻れ梁部構造を用いた共振振動子を用いるには、動作中のミラー部１３の平坦性がλ０／８（ここでλ０は、ミラーで反射させる光の波長）以下であることが要求され、このためには大気圧中の共振動作の状態で、この平坦性を確保できる機械的強度が必要となる。実験的には、基板材料にＳｉやステンレス材を想定するとミラー厚みは少なくとも１０μｍ以上が必要となる。さらに、プロジェクターデバイスなどへの応用を想定すると、光走査ビームを十分に集光し、焦点位置に十分に明るく小さな光スポット径を結ぶには、光ビームの開口角（Ｎ．Ａ．）と光スポットの光量とがミラーサイズによって決まるため、実用的には、少なくとも２００μｍ角あるいは２００μｍφから１ｍｍ角あるいは１ｍｍφ程度に設定する必要がある。この大きさのミラー部１３に対して、大気中駆動で上記ミラー部１３の平坦性を確保するには、実用的には、ミラー厚みは少なくとも３０μｍ以上、好ましくは５０μｍ程度の厚みが必要である。また、表面荒さについても、Ｒａで５０ｎｍ以下が要求される。金属基板材料で低コストに上記平坦度や表面荒さが得られない場合は、Ｓｉやガラスに高反射率の膜が形成されたミラーをミラー部１３に貼り付けてもよい。

〔圧電膜の形成方法と基板材料〕
圧電膜の形成方法については、エアロゾルデポジション法を用いて形成すれば、低温高速プロセスのため、容易に短時間で数ミクロン以上の厚膜を金属基板上などに直接形成できるが、これに限ったものでなく、例えば、Ｓｉ基板など耐熱温度のある材料を利用すれば、スパッター法やＣＶＤ法、ゾル−ゲル法などの従来の薄膜技術を用いて、エピタキシャル成長した高性能の圧電薄膜を形成することも可能で、より低電圧駆動で低消費電力の光走査装置を構成する場合などに有用である。
また、基板材料については、この様なミラーの機械的共振を利用する光スキャナーの場合、使用環境の温度変動に対する安定性も重要で、これは主に基板材料の熱膨張係数が大きく影響する。基板材料として、低熱膨張係数のＳｉや石英（熱膨張係数：3.5×１０^-6／Ｋ、0.5×１０^-6／Ｋ）を用いるのは好適であるが、本実施例に記載したように、より安価にスキャナー構造を形成するためにステンレスなど金属基板を用いた場合は、実施例のＳＵＳ３０４（熱膨張係数：17.3×１０^-6／Ｋ）に代わりに、インバーやスーパーインバー、コバール（熱膨張係数：1〜3×１０^-6／Ｋ）などの低熱膨張係数の金属基板を用いてもよい。

本発明は、上記の知見に基づいて成されたもので、その要旨とするところは次のとおりである。
（１）本発明の光走査装置は、基板と、
前記基板に振動の腹と振動の節とを有する板波振動を発生させるための、該基板の一部に固定あるいは形成してなる圧電体、磁歪体又は永久磁石体と、
前記圧電体、磁歪体又は永久磁石体から離れた位置において前記基板に形成され、ミラー部を支持する捻れ梁部と、
前記ミラー部に走査ビームを照射する走査ビーム源と、
を備え、前記捻れ梁部と前記基板との接続箇所より僅かにずれた位置にミラー部近傍に形成される基板振動の最小振幅箇所（節）を形成し、前記基板に誘起される板波を利用してミラー部に捻れ振動を生じさせ、ミラー部で反射した走査ビームを所定の角度で振れさせてなることを特徴としている。
（２）また、本発明の光走査装置は、上記（１）において、前記ミラー部の重心位置と前記捻れ梁部の基板との接続個所とのずれ量；ΔＬは、０≦ΔＬ≦０．２（ΔＬ＝（Ｌ１−Ｌ２）/（Ｌ１＋Ｌ２）、（Ｌ１；捻れ梁部の中心線からミラー部の一端までの距離、Ｌ２；捻れ梁部の中心線からミラー部の他端までの距離）であることを特徴としている。
（３）また、本発明の光走査装置は、基板と、
前記基板に振動の腹と振動の節とを有する板波振動を発生させるための、該基板の一部に固定あるいは形成してなる圧電体、磁歪体又は永久磁石体と、
前記圧電体、磁歪体又は永久磁石体から離れた位置において前記基板に形成され、ミラー部を支持する捻れ梁部と、
前記ミラー部に走査ビームを照射する走査ビーム源と、
を備え、前記捻れ梁部の取り付け位置が前記ミラー部重心位置と一致しており、前記捻れ梁部と前記基板との接続箇所近傍に板波の振幅が最小（板波の節）になるようにし、前記基板に誘起される板波を利用してミラー部に捻れ振動を生じさせ、ミラー部で反射した走査ビームを所定の角度で振れさせることを特徴としている。
（４）また、本発明の光走査装置は、上記（３）において、前記圧電体、磁歪体又は永久磁石体の中心と前記捻れ梁部の軸との距離は、λ/２の整数倍にλ/４（λ；板波の波長）を加えた値であることを特徴としている。

本発明は、以下のような優れた効果を奏する。
（１）ディスプレーデバイス分野における動画表示サイズ及び画像精細度から求められる１ｍｍφ程度のミラーサイズで少なくとも１０ｋＨｚ以上の高速走査速度及び２０°以上の大振幅光学走査角を有する高性能な光走査装置を提供できる。
（２）ミラー部を、重心及び重心から外れた位置のどちらで支持してもミラー部の捻れ振動を可能とする。
（３）ミラー部の重心位置を捻れ梁部の取り付け位置から僅かにずらすことにより、ミラー部を効率的に励振することができるとともに、ヒステリスの発生を防止することができる。
（４）構造の単純化、製造コストの低減を図ることができる。
（５）小型の振動源でミラー部に大きな振動を与えることができる。
（６）振動源となる圧電膜の消費電力を大幅に低減できる。
（７）圧電膜の配置に自由度が増すため、光スキャナー装置の小型、薄型化を図ることができる。

本発明に係る光走査装置を実施するための最良の形態を実施例に基づいて図面を参照して以下に説明する。

図６は、実施例１に係る光走査装置の斜視図である。
なお、以下に記載する部材のサイズはその一例を示すものであり、これに限定されないことはいうまでもない。
基板１０は、厚さ３０あるいは５０μｍのＳＵＳ３０４の方形をした板材をエッチングあるいはプレス加工により、捻れ梁部１２及びミラー部１３を残して中抜きされた形状に作製される。基板１０の一端は支持部材１６により片持ち状に支持されている。
この様に導電性があるＳＵＳ３０４、さらに低熱膨張係数のＳＵＳ４３０などの金属基板を用いることで、下部電極形成の必要が無くなり、光走査装置のより小型化、構造の簡素化を図ることができる。
ミラー部１３のサイズは、長さｌ_１＝１．１ｍｍ、幅ｂ_１＝１００〜５００μｍの範囲に形成される。また、ミラー部１３の両側の捻れ梁部１２は、それぞれの捻れ梁部１２の幅がｂ_２＝８０〜１００μｍに形成される。
図６においては、ミラー部１３を支持する捻れ梁部１２の位置は、捻れ梁部１２の軸に対して垂直な方向のミラー部１３の重心位置より１００μｍ以下ずれた位置に設定している。ミラー部１３を支持する捻れ梁部１２の位置を、捻れ梁部１２の軸に対して垂直な方向のミラー部１３の重心位置に設定しても、目的を達成することができる。

基板１０上の一部には、本発明の発明者により発明された公知のＡＤ法によるマスク成膜法で圧電膜や磁歪膜、永久磁石膜１１が接着剤を介さずに直接形成されている。
圧電膜１１は、例えば代表的な圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなり、そのサイズは１ｍｍ角で膜厚は１０〜２０μｍである。
磁歪膜１１は、例えばＲＴｙ（ここで、Ｒは１種類以上の希土類金属、Ｔは１種類以上の遷移金属であり、ｙは１＜ｙ＜４を表す。）で示す組成の超磁歪合金からなり、そのサイズは１ｍｍ角で膜厚は１０〜２０μｍである。
ここで、Ｒは、Ｙを含むランタノイド系列、アクチノイド系列の希土類金属から選択される１種以上を表している。これらの中で、Ｒとしては、特に、Ｎｄ、Ｐｒ、Ｓｍ、Ｔｂ、Ｄｙ、Ｈｏの希土類金属が好ましく、Ｔｂ、Ｄｙがより一層好ましく、これらを混合して用いることができる。Ｔは、１種以上の遷移金属を表している。これらの中で、Ｔとしては、特に、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ、Ｍｎ、Ｃｒ、Ｍｏ等の遷移金属が好ましく、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉが一層好ましく、これらを混合して用いることができる。
永久磁石膜１１は、例えば、ネオジウム鉄ボロン系、窒化鉄系の高エネルギー密度の永久磁石材料からなり、そのサイズは１ｍｍ角で膜厚は１０〜２０μｍである。
基板１０上に公知のＡＤ法により圧電膜１１を直接形成する手法を簡単に説明する。
粒径０．１μｍ前後のチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）をガスと混合してエアロゾル化し、ノズルから高速のジエットにして基板１０上の所定の個所に吹き付け成膜する。成膜の際、ＰＺＴ微粒子の基板１への衝突によってＰＺＴ微粒子に大きな機械的衝撃が生じ、ＰＺＴ微粒子の破壊と新生表面の発生が同時に行われ、緻密な膜が形成される。このようにして形成される圧電膜１１は、強誘電特性を有している。

圧電膜１１は、ミラー部１３を支持する捻れ梁部１２の軸と基板上の面において垂直方向にずれた位置に配置されるものであり、さらに、ミラー部１３が圧電膜１１により基板１０上に起こされる板波振動の最大振幅の近傍に位置するような位置に圧電膜１１が形成されるものである。
圧電膜１１の成膜後、大気中において６００℃で１０分間熱処理した後、圧電膜１１の上面に上部電極１４を、例えば、金スパッターで形成する。なお、金スパッターに代えて、ＡＤ法により圧電膜１１の成膜に続いて上部電極１４を形成することにより、製作工程を簡素化、低コスト化を実現できる。

形成された上部電極１４と下部電極としての基板１０に、電源１５から電圧を印加できるように配線する。
基板１０及び上部電極１４に電圧を印加すると、圧電膜１１は圧電振動し、この振動が基板１０に板波を発生させる。この基板１０に発生する板波は、捻れ梁部１２を介してミラー部１３に回転モーメントを生じさせ、共振状態で大きな捻れ振幅を発生させる。

図６に示すように、電極である基板１０及び上部電極１４に電圧を印加した状態でミラー部１３にレーザビーム１７を照射すると、ミラー部１３が捻れ振動するため、ミラー部１３で反射したレーザ光１８は一定の振れ角αで振動する。

図７は、実際の操作ビームの投影像を示すもので、歪みやブレは見られない。
次の表１に、駆動に用いたＡＤ法により作製されたＰＺＴ膜の電気特性を示す。

表１：ＰＺＴ膜の電気特性と基板特性
比誘電率（ａｔ １ｋＨｚ） ７００〜１８００
誘電損失（ｔａｎδ，ａｔ１ｋＨｚ） ０．０１〜０．０５
横方向圧電定数（ｄ_３１ ） −６０〜−１２０ｐｍ／Ｖ
膜密度 ７．５〜８．１ｇ／ｃｍ^３
膜ヤング率 ６０〜９０ＧＰａ
基板ヤング率 １５０〜２００ＧＰａ

また、図８には、駆動に用いたＡＤ法により作製されたＰＺＴ膜の強誘電特性を示す。

図９は、上記のようにして製作した光走査装置を光スキャナーとして用いる場合の周波数特性を示す一例で、捻れ振動１次の共振周波数が２３．７ｋＨｚと非常に高く、高速動作が可能なことが確認できた。ミラー部１３の共振構造のみを考慮した理論計算では、少し高く２７ｋＨｚになる。また、Ｑ値（注：Ｑ値の説明が必要）もＳｉ−ＭＥＭＳスキャナーの６００以上に比べ、１１０程度と低く、光スキャナーに適していることが分かる。

図１０は、駆動電圧に対する走査ビームの振れ角を示している。
厚さが３０μｍ及び５０μｍのＳＵＳ基板上に膜厚１０μｍの圧電膜をＡＤ法により直接形成した場合と、駆動源に積層アクチュエータ（1mm角×2mm厚みの積層ピエゾ(70mmピッチ)）の接着を用いた場合とを比較した。
ＡＤ法で形成した膜厚１０のμｍの圧電膜を用いた場合、４０Ｖの駆動電圧で約２０゜の振れ角が得られた。これは、従来のＳｉ−ＭＥＭＳスキャナーの共振周波数を一桁上回る性能である。
基板の厚みの違いは、ミラー部を支持する捻れ梁部のバネ定数を変化させ、共振周波数は大きく変化するが、ミラー部の振れ角の方は、あまり影響を受けないことが分かる。
また、ＡＤ法で形成した圧電膜の代わりに、接着剤で接着した積層圧電アクチュエータを振動源に用いた場合は、ＡＤ法で形成した圧電膜の約２倍の圧電定数にもかかわらず、振れ角、すなわちスキャナーの走査角度は半分以下になる。これは、圧電積層体厚みが２ｍｍと厚すぎることと、接着剤による振動の吸収の影響が大きいためと考えられ、ＡＤ方による１００μｍ以下の圧電膜の直接形成が優れた効果を奏することが確認できた。

図１１は、実施例２に係る光走査装置の基板１０、圧電膜１１、捻れ梁部１２及びミラー部１３を示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。
図１１に示す光走査装置は、基板１０の自由端側が切り落とされて捻れ梁部１２の両端をそれぞれ支持する両側部１９、１９が図に示すように片持ち梁の形状に形成されている点で実施例１と相違するものであるが、その他は実施例１と同様である。

図１２は、図１１に示す装置において、Ｌ１＝Ｌ２とし、ミラー部１３近傍に形成される基板振動の最小振幅箇所Ａｍｉｎ（板波振動の節）を、捻れ梁部１２の軸Ｘ−Ｘより僅かにずれた位置に形成するようにしたものである。
捻れ梁部１２の両端をそれぞれ支持する両側部１９、１９が片持ち梁の形状であるため、捻れ梁部１２を支持する部分がより変形し易くなり、図の（ｂ）及び（ｃ）に示すように効率的にミラー部１３に回転モーメントを与えることができ、効率的な駆動を行うことが可能となる。
また、基板振動の最小振幅箇所Ａｍｉｎ（板波振動の節）を、捻れ梁部１２の軸Ｘ−Ｘより僅かにずれた位置に形成しているため、図のようにミラー部１３がその重心位置で捻れ梁部１２に支持されたものでもミラー部１３に回転モーメントを与え捻れ振動を効率的に励振することが可能となる。図１３は、これを実際に確認例で、圧電膜１１に印加する励起信号に同期してレーザードップラー変位計で、ミラー部１３の捻れ振動が共振時に最大となるとき基板表面に発生する振動変位分布を測定したものである。基板上、捻れ梁部１２の基板接続部は、板波振動の節近傍になっており振動変位は最小となっている。

本発明の板波発生原理を説明するための概念図である。 本発明の基本的事項を説明する概念図である。 本発明において基板振動の最大振幅箇所を捻れ梁部の軸より僅かにずれた位置に形成するように圧電膜を配置する場合の説明図である。 本発明において圧電ユニモルフ構造変位特性の圧電膜の膜厚依存性を示す図である。 捻れ梁部の軸に対し垂直方向にミラー部の重心位置がずれた場合に、駆動周波数が低周波数側から共振周波数に近づくときと、高周波側から共振周波数に近づく場合で、大きなヒステリシス（履歴）が発生する状況を説明した図である。 本発明の実施の形態に係る実施例１を示す斜視図である。 本発明の実施の形態に係る実施例１の操作ビームの投影像を示す図である。 本発明の実施の形態に係る実施例１の駆動に用いたＡＤ法により作製されたＰＺＴ膜の強誘電特性を示す図である。 本発明の実施の形態に係る実施例１の光走査装置を光スキャナーとして用いる場合の周波数特性を示す図である。 駆動電圧に対する走査ビームの振れ角を示す図である。 本発明の実施の形態に係る実施例２を示すもので、（ａ）が斜視図、（ｂ）が平面図である。 本発明の実施の形態に係る実施例２において、基板振動の最大振幅箇所を捻れ梁部の軸より僅かにずれた位置に形成した場合の動作説明図である。 自由端が切り落とされた図１２記載の光走査装置表面に誘起される板波振動を示すものであり、（ａ）はその平面図、（ｂ）はその斜視図である。 従来技術１を示すもので、上側が平面図、下側が正面断面図である。 従来技術２を示す斜視図である。

符号の説明

１０ 基板
１１ 圧電膜
１２ 捻れ梁部
１３ ミラー部
１４ 上部電極
１５ 電源
１６
支持部材
１７
レーザビーム
１８ レーザ光
１９
捻れ梁部の両端を支持する両側部

Claims (4)

1. 基板と、
   前記基板に振動の腹と振動の節とを有する板波振動を発生させるための、該基板の一部に固定あるいは形成してなる圧電体、磁歪体又は永久磁石体と、
   前記圧電体、磁歪体又は永久磁石体から離れた位置において前記基板に形成され、ミラー部を支持する捻れ梁部と、
   前記ミラー部に走査ビームを照射する走査ビーム源と、
   を備え、前記捻れ梁部と前記基板との接続箇所より僅かにずれた位置にミラー部近傍に形成される基板振動の最小振幅箇所（節）を形成し、前記基板に誘起される板波を利用してミラー部に捻れ振動を生じさせ、ミラー部で反射した走査ビームを所定の角度で振れさせてなる光走査装置。
2. 前記ミラー部の重心位置と前記捻れ梁部の基板との接続個所とのずれ量；ΔＬは、０≦ΔＬ≦０．２（ΔＬ＝（Ｌ１−Ｌ２）/（Ｌ１＋Ｌ２）、（Ｌ１；捻れ梁部の中心線からミラー部の一端までの距離、Ｌ２；捻れ梁部の中心線からミラー部の他端までの距離））であることを特徴とする請求項１記載の光走査装置。
3. 基板と、
   前記基板に振動の腹と振動の節とを有する板波振動を発生させるための、該基板の一部に固定あるいは形成してなる圧電体、磁歪体又は永久磁石体と、
   前記圧電体、磁歪体又は永久磁石体から離れた位置において前記基板に形成され、ミラー部を支持する捻れ梁部と、
   前記ミラー部に走査ビームを照射する走査ビーム源と、
   を備え、前記捻れ梁部の取り付け位置が前記ミラー部重心位置と一致しており、前記捻れ梁部と前記基板との接続箇所近傍に板波の振幅が最小（板波の節）になるようにし、前記基板に誘起される板波を利用してミラー部に捻れ振動を生じさせ、ミラー部で反射した走査ビームを所定の角度で振れさせてなる光走査装置。
4. 前記圧電体、磁歪体又は永久磁石体の中心と前記捻れ梁部の軸との距離は、λ/２の整数倍にλ/４（λ；板波の波長）を加えた値であることを特徴とする請求項３記載の光走査装置。