JP4889026B2 - Optical scanning device - Google Patents

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本発明は、ミラー部材により光源からの光ビームを偏向させる光走査装置に係り、より詳しくは、一対のトーションバネにより支持されたミラー部材を、そのトーションバネを捻り回転軸として往復振動させるタイプの光走査装置に関する。   The present invention relates to an optical scanning device that deflects a light beam from a light source by a mirror member. More specifically, the mirror member supported by a pair of torsion springs is reciprocally oscillated with the torsion spring as a torsion rotating shaft. The present invention relates to an optical scanning device.

一対のトーションバネで支持されたミラー部材に可動電極を設け、この可動電極と固定電極との間の静電力を駆動力として、ミラー部材を、トーションバネを捻り回転軸として往復振動させる光走査装置が知られている(例えば特許文献1,2参照)。このような光走査装置は、ミラー部材の共振周波数に駆動周波数を一致させた場合に、ミラー部材の振れ角を最大にすることができる。   An optical scanning device in which a movable electrode is provided on a mirror member supported by a pair of torsion springs, and the mirror member is reciprocally oscillated with a torsion spring as a rotational axis by using an electrostatic force between the movable electrode and the fixed electrode as a driving force. Is known (see, for example, Patent Documents 1 and 2). Such an optical scanning device can maximize the deflection angle of the mirror member when the drive frequency is matched with the resonance frequency of the mirror member.

特許文献1に記載されている光走査装置においては、ミラー部材に、レーザビームの照射により容易に割断可能な1つ又は複数の切片が設けられており、この切片の割断によってミラー部材の慣性モーメントを調節することにより共振周波数を調整可能である。   In the optical scanning device described in Patent Document 1, the mirror member is provided with one or a plurality of pieces that can be easily cleaved by laser beam irradiation, and the moment of inertia of the mirror member is obtained by cleaving the pieces. By adjusting the resonance frequency, the resonance frequency can be adjusted.

特許文献2に記載されている光走査装置においては、ミラー部材(ステージ)の裏面に対向する基板面に設けられた平板状のチューニング電極、あるいは、ミラー部材の裏面に設けられた電極と噛み合うように基板面に設けられた櫛歯状のチューニング電極への印加電圧の調節によって共振周波数を調節可能である。   In the optical scanning device described in Patent Document 2, a flat tuning electrode provided on the substrate surface facing the back surface of the mirror member (stage) or an electrode provided on the back surface of the mirror member is engaged. The resonance frequency can be adjusted by adjusting the voltage applied to the comb-shaped tuning electrode provided on the substrate surface.

ミラー部材の駆動に圧電素子を用いる光走査装置も知られている。例えば特許文献3には、圧電素子が形成された2対の圧電ユニモルフ振動板をミラー部材に連結し、各対の圧電ユニモルフ振動板の圧電素子に逆位相の交流電圧を印加することにより、ミラー部材を、トーションバネを回転軸として往復振動させる光走査装置が記載されている。   An optical scanning device using a piezoelectric element for driving a mirror member is also known. For example, in Patent Document 3, two pairs of piezoelectric unimorph diaphragms on which piezoelectric elements are formed are connected to a mirror member, and an AC voltage having an opposite phase is applied to the piezoelectric elements of each pair of piezoelectric unimorph diaphragms. An optical scanning device that reciprocally vibrates a member about a torsion spring as a rotation axis is described.

ミラー部材を電磁力により駆動する光走査装置も知られている。例えば特許文献4には、一対のバネ部により支持された可動部にミラー面とコイルパターンが形成されており、この可動部を永久磁石によるバイアス磁界中に配置し、コイルパターンに通電することによって可動部を正弦的に往復振動させる構成の光走査装置(光偏向素子)と、これを用いたレーザプリンタ等の光書込装置が記載されている。   An optical scanning device that drives a mirror member with electromagnetic force is also known. For example, in Patent Document 4, a mirror surface and a coil pattern are formed on a movable part supported by a pair of spring parts, and this movable part is placed in a bias magnetic field by a permanent magnet, and the coil pattern is energized. An optical scanning device (optical deflection element) configured to reciprocally oscillate the movable portion and an optical writing device such as a laser printer using the optical scanning device are described.

以上に挙げた光走査装置とは振動系の構造及び挙動が異なるものであるが、鏡面を持つ振動部と固定部とを弾性変形部(トーションバネ)を介して連結した振動子と、その固定部に弾性変形部に直交する方向の高周波振動を加える加振装置(例えば圧電素子)とを有し、振動子を共振振動させる光走査装置(光スキャン)が特許文献5に記載されている。この光走査装置においては、弾性変形部に設けた抵抗発熱素子又は圧電素子によって弾性変形部を加熱又は変形させ、弾性変形部のバネ定数を変化させることにより振動子の共振特性を調整可能である。   Although the structure and behavior of the vibration system are different from those of the optical scanning device described above, a vibrator in which a mirror-like vibration part and a fixed part are connected via an elastic deformation part (torsion spring), and its fixing Patent Document 5 discloses an optical scanning device (optical scanning) that includes a vibration device (for example, a piezoelectric element) that applies high-frequency vibration in a direction orthogonal to the elastic deformation portion in the portion and causes the vibrator to resonate and vibrate. In this optical scanning device, the resonance characteristics of the vibrator can be adjusted by heating or deforming the elastic deformation portion by a resistance heating element or a piezoelectric element provided in the elastic deformation portion and changing the spring constant of the elastic deformation portion. .

特開2003−84226号公報JP 2003-84226 A 特開2005−128551号公報JP 2005-128551 A 特開2005−128147号公報JP 2005-128147 A 特許第3584595号公報Japanese Patent No. 3585595 特許第2981600号公報Japanese Patent No. 2981600

一対のトーションバネを捻り回転軸としてミラー部材を往復振動させるような光走査装置は、ミラー部材の共振周波数と駆動周波数とが一致したときにミラー部材の変位角が最大となる。しかしながら、製造工程におけるトーションバネやミラー部材の寸法のばらつき等によって共振周波数のばらつきが生じ、所望の駆動周波数が共振周波数帯域から外れるようなサンプルがある程度の割合で生じてしまう。   In an optical scanning device in which a mirror member is reciprocally oscillated using a pair of torsion springs as a rotational axis, the displacement angle of the mirror member becomes maximum when the resonance frequency of the mirror member coincides with the drive frequency. However, the resonance frequency varies due to variations in the dimensions of the torsion spring and mirror member in the manufacturing process, and a sample in which a desired drive frequency deviates from the resonance frequency band is generated at a certain rate.

200μm厚のSi基板を用い、図35に示すようなミラー部材202を一対のトーションバネ201で支持し、ミラー部材202を駆動するための静電トルクを発生するための櫛歯状の電極203,204をミラー部材の202の自由端とフレーム部200にそれぞれ有する光走査装置を試作した。ミラー部材202のサイズは長さが2mm、幅が1mmであり、ミラー部材202の振動空間は減圧封止した。この試作した光走査装置について共振周波数を測定した。電極203,204に印加される駆動電圧は40(V)である。
図36に測定した共振周波数の分布を示す。この図から、共振周波数の平均は3076.105(Hz)、ばらつきは±41(Hz,3σ)であることがわかる。
共振周波数が平均値に近い1サンプル(共振周波数3080Hz)と、共振周波数が、そのばらつき±41(Hz)の境界に近い2サンプル(共振周波数3050Hz、3100Hz)について、振れ角周波数特性を測定した。その結果を図37に示す。横軸は駆動周波数、縦軸は最大振れ角である。この図から、共振周波数のばらつきに伴って、振れ角周波数特性が周波数軸上でシフトしているのがわかる。この3サンプルを平均共振周波数(3080Hz)で駆動した場合、振れ角のばらつきは約2°〜約15°となる。このような共振周波数のばらつき、それに伴う振れ角のばらつきは、光走査装置を応用する際に大きな支障となる。
Using a Si substrate having a thickness of 200 μm, a mirror member 202 as shown in FIG. 35 is supported by a pair of torsion springs 201, and comb-like electrodes 203 for generating electrostatic torque for driving the mirror member 202, An optical scanning apparatus having 204 on the free end of the mirror member 202 and the frame part 200 was made as a prototype. The size of the mirror member 202 is 2 mm in length and 1 mm in width, and the vibration space of the mirror member 202 is sealed under reduced pressure. The resonant frequency was measured for this prototype optical scanning device. The drive voltage applied to the electrodes 203 and 204 is 40 (V).
FIG. 36 shows the distribution of the measured resonance frequency. From this figure, it can be seen that the average resonance frequency is 3076.105 (Hz) and the variation is ± 41 (Hz, 3σ).
The vibration angular frequency characteristics were measured for one sample (resonance frequency 3080 Hz) whose resonance frequency is close to the average value and two samples (resonance frequencies 3050 Hz and 3100 Hz) where the resonance frequency is close to the boundary of the variation ± 41 (Hz). The result is shown in FIG. The horizontal axis is the drive frequency, and the vertical axis is the maximum deflection angle. From this figure, it can be seen that the fluctuation angular frequency characteristic shifts on the frequency axis as the resonance frequency varies. When these three samples are driven at an average resonance frequency (3080 Hz), the variation of the swing angle is about 2 ° to about 15 °. Such variations in the resonance frequency and accompanying variations in the deflection angle are a major obstacle when applying the optical scanning device.

例えば、このような光走査装置を特許文献4に記載されている光書込装置の光偏向器として用いる場合、振れ角のばらつきは画像品質の低下を招く。また、この場合に要求される最大振れ角は、感光体・光偏向器間の距離(特許文献4の図7参照)によって決まる。一例を挙げれば、用紙サイズA4まで対応できる光書込装置で、感光体・光偏向器間の距離300(mm)のときには、±25゜の最大振れ角が必要となる。上に述べたような共振周波数、振れ角のばらつきのある光走査装置を平均共振周波数で駆動し、2mm×1mmのミラー部材を最大振れ角±25゜で振動させるには、駆動用電極間に印可する駆動電圧を40(V)よりも相当に高電圧化する必要があり、これも好ましくない。   For example, when such an optical scanning device is used as an optical deflector of an optical writing device described in Patent Document 4, variations in shake angles cause a reduction in image quality. Further, the maximum deflection angle required in this case is determined by the distance between the photoconductor and the optical deflector (see FIG. 7 of Patent Document 4). For example, in an optical writing apparatus capable of handling paper size A4, a maximum deflection angle of ± 25 ° is required when the distance between the photosensitive member and the optical deflector is 300 (mm). In order to drive an optical scanning device having a variation in resonance frequency and deflection angle as described above at an average resonance frequency and to vibrate a 2 mm × 1 mm mirror member with a maximum deflection angle of ± 25 °, between the drive electrodes The applied drive voltage needs to be considerably higher than 40 (V), which is also not preferable.

本発明は以上の点に鑑みてなされたものであって、その目的は、トーションバネを捻り回転軸としてミラー部材が往復振動するタイプの改良した光走査装置を提供することにあり、より詳細には、共振周波数を十分な範囲で連続的に調整可能な共振周波数調整手段を持ち、かつ、ミラー部材が比較的大い場合でも低い駆動電圧でミラー部材を大きな振れ角で共振往復振動させることが可能な光走査装置を提供することにある。   The present invention has been made in view of the above points, and an object thereof is to provide an improved optical scanning device of a type in which a mirror member reciprocally vibrates about a torsion spring as a rotational axis. Has resonance frequency adjustment means that can continuously adjust the resonance frequency within a sufficient range, and even when the mirror member is relatively large, it can resonate and resonate the mirror member with a large swing angle with a low driving voltage. The object is to provide a possible optical scanning device.

本発明に係る光走査装置は、フレーム部材に一対のトーションバネにより支持されたミラー部材が前記トーションバネを捻り回転軸として往復振動するタイプのものである。   The optical scanning device according to the present invention is of a type in which a mirror member supported on a frame member by a pair of torsion springs reciprocally vibrates about the torsion spring as a torsion rotating shaft.

請求項1、2記載の発明によれば、前記各トーションバネは、その前記フレーム部材との結合端の近傍位置で一対の連結部材により前記フレーム部材と連結され、前記各連結部材に、それを変形させることによって前記ミラー部材の駆動用トルクを生じさせるための圧電素子が設けられ、前記ミラー部材の共振周波数調整用の静電バネとして作用させるための櫛歯状の第1の電極と第2の電極が、互いに噛み合う位置関係で、前記第1の電極はは前記トーションバネに、前記第2の電極は前記フレーム部材にそれぞれ設けられる。そして、請求項1記載の発明では、前記トーションバネの前記フレーム部材への固定端から前記ミラー部材との結合端までの長さをLとして、前記トーションバネの該固定端寄りの長さ2L/3の範囲内にのみ、前記第1の電極と前記第2の電極が設けられている。また、請求項2の記載の発明では、前記第1の電極の長さは、前記ミラー部材に近いものほど短く、前記第2の電極の長さは一定となっている。
このような構成によれば、後に実施形態に関連して詳細に述べるように、第1と第2の電極間に印加する電圧を変化させることによりミラー部材の共振周波数を十分広い範囲で調整することが可能であり、また、比較的低い電圧を圧電素子に印加することにより大きなミラー部材駆動用トルクを発生させることが可能である。したがって、所望の共振周波数でミラー部材を大きな振れ角で往復振動させることができる。さらに、ミラー部材の振動時における高次モード振動による第1の電極と第2の電極とのショート(短絡)が起きにくくなる。
According to the first and second aspects of the present invention, each of the torsion springs is connected to the frame member by a pair of connecting members in the vicinity of the connecting end with the frame member. A piezoelectric element for generating a driving torque for the mirror member by being deformed is provided, and a comb-shaped first electrode and a second electrode for acting as an electrostatic spring for adjusting the resonance frequency of the mirror member The first electrode is provided on the torsion spring, and the second electrode is provided on the frame member. According to the first aspect of the present invention, the length from the fixed end of the torsion spring to the frame member to the coupling end of the mirror member is L, and the length of the torsion spring near the fixed end is 2L / The first electrode and the second electrode are provided only within the range of 3. In the invention according to claim 2, the length of the first electrode is shorter as it is closer to the mirror member, and the length of the second electrode is constant.
According to such a configuration, the resonance frequency of the mirror member is adjusted in a sufficiently wide range by changing the voltage applied between the first and second electrodes, as will be described in detail later in connection with the embodiment. In addition, it is possible to generate a large mirror member driving torque by applying a relatively low voltage to the piezoelectric element. Therefore, the mirror member can be reciprocally oscillated with a large swing angle at a desired resonance frequency. Furthermore, a short circuit between the first electrode and the second electrode due to higher-order mode vibration during the vibration of the mirror member is less likely to occur.

請求項3記載の発明によれば、請求項1又は2記載の発明に係る構成において、絶縁膜を介して第1と第2のシリコン基板が接合されたSOI基板の前記第1のシリコン基板に、前記フレーム部材、前記トーションバネ、前記ミラー部材、前記連結部材、前記第1の電極及び前記第2の電極が一体的に形成され、前記第2のシリコン基板に前記ミラー部材の振動空間が形成される。 According to the invention described in claim 3 , in the configuration according to the invention described in claim 1 or 2 , the first silicon substrate of the SOI substrate in which the first and second silicon substrates are bonded via the insulating film is provided. The frame member, the torsion spring, the mirror member, the connecting member, the first electrode, and the second electrode are integrally formed, and a vibration space for the mirror member is formed on the second silicon substrate. Is done.

請求項4記載の発明によれば、請求項1又は2記載の発明に係る構成において、前記第1の電極とともに前記ミラー部材の共振周波数調整用の静電バネとして作用させるための櫛歯状の第3の電極が、前記第2の電極よりその厚さ方向にずらして、前記第1の電極と噛み合う位置関係で設けられる。
後に実施形態に関連して詳細に説明するように、第3の電極の追加によって、より広い範囲でミラー部材の共振周波数を調整することが可能となる。
According to a fourth aspect of the present invention, in the configuration according to the first or second aspect of the present invention, a comb-teeth shape for acting as an electrostatic spring for adjusting the resonance frequency of the mirror member together with the first electrode. The third electrode is provided in a positional relationship such that the third electrode is shifted in the thickness direction from the second electrode and meshes with the first electrode.
As will be described later in detail in connection with the embodiment, the resonance frequency of the mirror member can be adjusted in a wider range by adding the third electrode.

請求項5記載の発明によれば、請求項4記載の発明に係る構成において、絶縁膜を介して第1と第2のシリコン基板が接合されたSOI基板の前記第1のシリコン基板に、前記フレーム部材、前記トーションバネ、前記ミラー部材、前記連結部材、前記第1の電極及び前記第2の電極が一体的に形成され、前記第2のシリコン基板に前記第3の電極及び前記ミラー部材の振動空間が一体的に形成される。 According to a fifth aspect of the present invention, in the configuration according to the fourth aspect of the present invention, the first silicon substrate of the SOI substrate in which the first and second silicon substrates are bonded via the insulating film, The frame member, the torsion spring, the mirror member, the connecting member, the first electrode, and the second electrode are integrally formed, and the third electrode and the mirror member are formed on the second silicon substrate. The vibration space is integrally formed.

請求項6記載の発明によれば、請求項4又は5記載の発明に係る構成において、前記第2の電極と前記第1の電極は同じ厚さとされる。このような厚さ関係とすることにより、後に実施形態に関連して説明するように、第1と第3の電極間の静電バネのバネ定数を大きくし、共振周波数調整範囲を広げることができる。 According to a sixth aspect of the present invention, in the configuration according to the fourth or fifth aspect of the present invention, the second electrode and the first electrode have the same thickness. By adopting such a thickness relationship, the spring constant of the electrostatic spring between the first and third electrodes can be increased and the resonance frequency adjustment range can be expanded, as will be described later in connection with the embodiment. it can.

請求項7記載の発明によれば、請求項1乃至6のいずれか1項記載の発明に係る構成において、前記ミラー部材の振動周波数検出用の電極が、前記ミラー部材の各自由端と前記フレーム部材の対応部位に形成される。このような構成によれば、後に実施形態に関連して説明するように、ミラー部材の共振周波数の検出及び調整を自動的に行うことが容易になる。 According to a seventh aspect of the present invention, in the configuration according to any one of the first to sixth aspects, the vibration frequency detection electrode of the mirror member includes the free end of the mirror member and the frame. It is formed at a corresponding part of the member. Such a configuration facilitates automatic detection and adjustment of the resonance frequency of the mirror member, as will be described later in connection with the embodiment.

請求項8記載の発明によれば、請求項3記載の発明に係る構成において、前記ミラー基板の変位角検出用の電極が、前記ミラー部材の各自由端と前記第2のシリコン基板の対応部位に形成される。このような構成によれば、後に実施形態に関連して説明するように、第1と第2の電極間に印加する電圧をミラー部材の変位角に応じ変化させるような制御を容易に行うことが可能になる。 According to an eighth aspect of the present invention, in the configuration according to the third aspect of the invention, the electrode for detecting the displacement angle of the mirror substrate is a corresponding portion between each free end of the mirror member and the second silicon substrate. Formed. According to such a configuration, as will be described later in connection with the embodiment, it is possible to easily perform control to change the voltage applied between the first and second electrodes in accordance with the displacement angle of the mirror member. Is possible.

本発明によれば、共振周波数を十分な範囲で連続的に調整可能であり、ミラー部材が比較的大い場合でも低い駆動電圧でミラー部材を大きな振れ角で共振往復振動させることが可能である等の利点を有し、例えば特許文献4の光書込装置の光偏光器等として好適な改良された光走査装置を提供することができる。   According to the present invention, the resonance frequency can be continuously adjusted within a sufficient range, and even when the mirror member is relatively large, it is possible to resonate and resonate the mirror member with a large swing angle with a low driving voltage. For example, an improved optical scanning device suitable as an optical polarizer of an optical writing device disclosed in Patent Document 4 can be provided.

以下、添付図面を参照し、本発明の実施の形態について詳細に説明する。以下の説明で参照される複数の図面において、説明の重複を減らすため、同一もしくは対応する要素には同一もしくは同様の参照番号が用いられる。   Hereinafter, embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings. In the drawings referred to in the following description, the same or similar reference numerals are used for the same or corresponding elements in order to reduce duplication of description.

[第1の実施形態]
本発明の第1の実施形態に係る光走査装置について、図1乃至図11を参照して説明する。
[First Embodiment]
An optical scanning device according to a first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図1は、本実施形態に係る光走査装置の概略分解斜視図である。この光走査装置は、第1の基板1に第2の基板2を接合した全体構造である。図示されていないが、基板1と基板2の間は絶縁膜によって絶縁されている。この光走査装置は、後述するのようにSi基板/絶縁膜/Si基板からなるSOI(Silicon On Insulator)基板を用いて製作される。基板1,2の材質等については製造方法に関連して後述する。   FIG. 1 is a schematic exploded perspective view of the optical scanning device according to the present embodiment. This optical scanning device has an overall structure in which a second substrate 2 is bonded to a first substrate 1. Although not shown, the substrate 1 and the substrate 2 are insulated by an insulating film. As will be described later, this optical scanning device is manufactured using an SOI (Silicon On Insulator) substrate made of Si substrate / insulating film / Si substrate. The materials of the substrates 1 and 2 will be described later in relation to the manufacturing method.

基板1には、表面にミラー面を有する可動板(ミラー部材)3が一対のトーションバネ4によってフレーム部5に支持された形で一体的に対形成されている。可動板3は、トーションバネ4を捻り回転軸として往復振動可能である。基板2は基板1の補強部材として働くものであり、基板2には可動板3の振動空間が形成される。   A movable plate (mirror member) 3 having a mirror surface on the surface is integrally formed on the substrate 1 in a form supported by a frame portion 5 by a pair of torsion springs 4. The movable plate 3 can reciprocate with the torsion spring 4 as a torsional rotation shaft. The substrate 2 serves as a reinforcing member for the substrate 1, and a vibration space of the movable plate 3 is formed in the substrate 2.

各トーションバネ4のフレーム部5への固定端の近傍部分は、トーションバネ4と直交する一対の連結部材(カンチレバー)7によってフレーム部5と連結されている。各連結部材7上には、図2に模式的に示すように、圧電素子8が形成されている。この圧電素子8は、その連結部材7の長さ方向へ伸縮して連結部材7を変形させることによって、可動板3の駆動用トルクを発生させるためのものである。11は各圧電素子8のための電極パッドである。   The vicinity of the fixed end of each torsion spring 4 to the frame portion 5 is connected to the frame portion 5 by a pair of connecting members (cantilevers) 7 orthogonal to the torsion spring 4. A piezoelectric element 8 is formed on each connecting member 7 as schematically shown in FIG. The piezoelectric element 8 is for generating a driving torque for the movable plate 3 by expanding and contracting in the length direction of the connecting member 7 to deform the connecting member 7. Reference numeral 11 denotes an electrode pad for each piezoelectric element 8.

各トーションバネ4には、櫛歯状の第1の電極9が形成されている。フレーム部5には、第1の電極9と噛み合う位置関係で櫛歯状の第2の電極10が形成されている。第1の電極9と第2の電極10は、可動板(ミラー部材)3の共振周波数を調整するための静電バネとして作用させるためのものである。12は第1の電極9のための電極パッドであり、13は第2の電極10のための電極パッドである。フレーム部5の各トーションバネ4の固定部分15に分離溝14が形成されることにより、トーションバネ4及び第1の電極9と第2の電極10とが電気的に分離されている。   Each torsion spring 4 is formed with a comb-shaped first electrode 9. A comb-like second electrode 10 is formed in the frame portion 5 in a positional relationship to mesh with the first electrode 9. The first electrode 9 and the second electrode 10 serve to act as electrostatic springs for adjusting the resonance frequency of the movable plate (mirror member) 3. 12 is an electrode pad for the first electrode 9, and 13 is an electrode pad for the second electrode 10. By forming the separation groove 14 in the fixed portion 15 of each torsion spring 4 of the frame portion 5, the torsion spring 4, the first electrode 9 and the second electrode 10 are electrically separated.

この光走査装置の構造及び材質をより明確にするため、ここで、その製造方法を説明する。図3−1及び図3−2は工程説明図であり、図1のA−A’断面に対応した断面形状を略示している。   In order to clarify the structure and material of the optical scanning device, the manufacturing method will be described here. 3A and 3B are explanatory diagrams of processes, and schematically show a cross-sectional shape corresponding to the cross section A-A ′ of FIG. 1.

工程(a):第1のSi基板100と第2のSi基板102が絶縁層101を介して接合されたSOI基板の表面に、絶縁のため熱酸化膜103,104を例えば0.5μm厚に形成する。なお、第1のSi基板100は低抵抗基板(導体)であり、特別に金属を形成することなく基板自体が電極を兼ねることができる。   Step (a): On the surface of the SOI substrate where the first Si substrate 100 and the second Si substrate 102 are bonded via the insulating layer 101, the thermal oxide films 103 and 104 are made to have a thickness of 0.5 μm, for example, for insulation. Form. Note that the first Si substrate 100 is a low-resistance substrate (conductor), and the substrate itself can also serve as an electrode without forming a metal.

工程(b):第1のSi基板100側に、駆動トルク発生用の圧電素子8(図2)のための下部電極膜105と、電圧印加により連結部材7の長手方向へ伸縮する圧電材料膜106と、上部電極膜107とをこの順に成膜する。膜厚及び材料の例を挙げれば次の通りである。下部電極膜105として0.05μm厚のTi膜と0.15μm厚のPt膜がこの順に成膜される。圧電材料膜106として3μm厚のチタン酸ジルコン酸塩(PZT)膜が成膜される。上部電極膜107として0.15μ厚のPt膜が成膜される。成膜方法としては、下部電極膜及び上部電極膜にはスパッタリング法を用いることができる。圧電材料膜には、スパッタリング法、CVD(Chemical Vapor Deposition)法、イオンプレーティング法等を用いることができる。   Step (b): On the first Si substrate 100 side, the lower electrode film 105 for the piezoelectric element 8 (FIG. 2) for generating driving torque, and the piezoelectric material film that expands and contracts in the longitudinal direction of the connecting member 7 by applying a voltage. 106 and the upper electrode film 107 are formed in this order. Examples of film thickness and materials are as follows. As the lower electrode film 105, a Ti film having a thickness of 0.05 μm and a Pt film having a thickness of 0.15 μm are formed in this order. A 3 μm thick zirconate titanate (PZT) film is formed as the piezoelectric material film 106. A Pt film having a thickness of 0.15 μm is formed as the upper electrode film 107. As a film formation method, a sputtering method can be used for the lower electrode film and the upper electrode film. A sputtering method, a CVD (Chemical Vapor Deposition) method, an ion plating method, or the like can be used for the piezoelectric material film.

工程(c):上部電極膜107及び圧電材料膜106をドライエッチングするためのレジストパターン108を形成する。   Step (c): A resist pattern 108 for dry etching the upper electrode film 107 and the piezoelectric material film 106 is formed.

工程(d):RIE(Reactive Ion Etching)によって、上部電極膜107及び圧電材料膜106をドライエッチングし、その後、レジストを除去する。   Step (d): The upper electrode film 107 and the piezoelectric material film 106 are dry-etched by RIE (Reactive Ion Etching), and then the resist is removed.

工程(e):下部電極膜105及び熱酸化膜103をドライエッチングするためのレジストパターン109を形成する。   Step (e): A resist pattern 109 for dry etching the lower electrode film 105 and the thermal oxide film 103 is formed.

工程(f):下部電極膜105及び熱酸化膜103をRIEにてドライエッチングし、その後、レジストを除去する。これで圧電素子8が形成された。   Step (f): The lower electrode film 105 and the thermal oxide film 103 are dry etched by RIE, and then the resist is removed. Thus, the piezoelectric element 8 was formed.

工程(g):可動板(ミラー部材)3のミラー面としての反射膜110を成膜する。具体的には、例えば0.05μm厚のTi膜、0.05μm厚のPt膜、0.1μm厚のAu膜をこの順に成膜する。ここでは、これらの膜を、ステンシルマスクを用いるスパッタリング法で成膜するが、この時に、静電バネ用の電極9,10のための電極パッド12,13も形成する。   Step (g): A reflective film 110 is formed as a mirror surface of the movable plate (mirror member) 3. Specifically, for example, a 0.05 μm thick Ti film, a 0.05 μm thick Pt film, and a 0.1 μm thick Au film are formed in this order. Here, these films are formed by a sputtering method using a stencil mask. At this time, electrode pads 12 and 13 for electrodes 9 and 10 for electrostatic springs are also formed.

工程(h):可動板(ミラー部材)3、静電バネ用の電極9,10、連結部材(カンチレバー)7、分離溝14をドライエッチングで形成するためのレジストパターン111を形成する。   Step (h): A resist pattern 111 for forming the movable plate (mirror member) 3, the electrodes 9 and 10 for electrostatic springs, the connecting member (cantilever) 7 and the separation groove 14 by dry etching is formed.

工程(i):RIEにてドライエッチングし、その後、レジストを除去する。これにより、SOI基板の絶縁層101に達するまで、可動板(ミラー部材)3、静電バネ用の電極9,10、連結部材(カンチレバー)7、分離溝14がパターンニングされる。   Step (i): Dry etching is performed by RIE, and then the resist is removed. Thus, the movable plate (mirror member) 3, the electrodes 9 and 10 for the electrostatic spring, the connecting member (cantilever) 7 and the separation groove 14 are patterned until reaching the insulating layer 101 of the SOI substrate.

工程(j):SOI基板の第2のSi基板102側の熱酸化膜104上に、可動板(ミラー部材)3の揺動空間6をドライエッチングにより形成するためのレジストパターン112が形成される。   Step (j): A resist pattern 112 for forming the oscillating space 6 of the movable plate (mirror member) 3 by dry etching is formed on the thermal oxide film 104 on the second Si substrate 102 side of the SOI substrate. .

工程(k),(l):熱酸化膜104をRIEによりドライエッチングし、続いて、第2のSi基板102及び絶縁層101をRIEにてドライエッチングする。これにより、光走査装置が完成した。   Steps (k), (l): The thermal oxide film 104 is dry etched by RIE, and then the second Si substrate 102 and the insulating layer 101 are dry etched by RIE. Thereby, the optical scanning device was completed.

以上の説明においては、静電バネ用の電極9,10及び連結部材(カンチレバー)7の厚さは、第1のSi基板100の厚さと同一となっているが、これに限らない。静電バネ用の電極9,10は厚さが大きいほど静電トルクを増大させることができる。しかし、連結部材(カンチレバー)7は厚すぎると圧電素子8により変形させにくくなる懸念がある。この懸念がある場合、例えば最終工程に、連結部材(カンチレバー)7のみに対するエッチング加工を追加し、連結部材(カンチレバー)7の厚さを減らすことも可能である。   In the above description, the thicknesses of the electrodes 9 and 10 for the electrostatic spring and the connecting member (cantilever) 7 are the same as the thickness of the first Si substrate 100, but are not limited thereto. The electrostatic torque can be increased as the thickness of the electrodes 9 and 10 for electrostatic springs increases. However, if the connecting member (cantilever) 7 is too thick, there is a concern that it is difficult to be deformed by the piezoelectric element 8. When there is this concern, for example, it is also possible to add an etching process only to the connecting member (cantilever) 7 in the final process to reduce the thickness of the connecting member (cantilever) 7.

次に、この光走査装置の駆動について説明する。圧電素子8の圧電材料膜(PZT膜)は、その上部電極・下部電極間への電圧の印加により連結部材(カンチレバー)7の長手方向に伸縮する。対をなす一方の連結部材(カンチレバー)7上の圧電素子8と、もう一方の連結部材(カンチレバー)7上の圧電素子8とに、それぞれ逆位相の正弦波電圧P1,P2を印加する。そうすると、図4に模式的に示すように、印加正弦波電圧のある周期では、対をなす一方の連結部材(カンチレバー)7(図4では左側のもの)は上面側が伸びるため凸方向に変形し、もう一方の連結部材(カンチレバー)7(図4では右側のもの)は上面側が縮むため凹方向に変形する結果、トーションバネ4にトルクTpztが作用する。印加正弦波電圧の次の周期においては、各連結部材(カンチレバー)7は逆向きに変形し、逆向きのトルクTpztがトーションバネ4に作用する。かくして、可動板(ミラー部材)3はトーションバネ4を捻り回転軸として、印加正弦波電圧の周波数Fで往復振動する。印加正弦波電圧の周波数Fを可動板(ミラー部材)3の共振周波数と一致させるならば、小さなエネルギーで、可動板(ミラー部材)3を大きな振れ角で往復振動させることができる。なお、正弦波電圧に代えてパルス電圧を圧電素子8に印加して駆動することも可能である。   Next, driving of the optical scanning device will be described. The piezoelectric material film (PZT film) of the piezoelectric element 8 expands and contracts in the longitudinal direction of the connecting member (cantilever) 7 by applying a voltage between the upper electrode and the lower electrode. Sine wave voltages P1 and P2 having opposite phases are applied to the piezoelectric element 8 on one connecting member (cantilever) 7 and the piezoelectric element 8 on the other connecting member (cantilever) 7, respectively. Then, as schematically shown in FIG. 4, in a certain cycle of the applied sine wave voltage, one pair of connecting members (cantilevers) 7 (the left side in FIG. 4) is deformed in a convex direction because the upper surface side extends. The other connecting member (cantilever) 7 (the one on the right side in FIG. 4) is deformed in the concave direction because the upper surface side contracts, and as a result, torque Tpzt acts on the torsion spring 4. In the next cycle of the applied sine wave voltage, each connecting member (cantilever) 7 is deformed in the reverse direction, and a reverse torque Tpzt acts on the torsion spring 4. Thus, the movable plate (mirror member) 3 reciprocally vibrates at the frequency F of the applied sine wave voltage with the torsion spring 4 as a torsional rotation axis. If the frequency F of the applied sine wave voltage is matched with the resonance frequency of the movable plate (mirror member) 3, the movable plate (mirror member) 3 can be reciprocally oscillated with a large deflection angle with small energy. It is also possible to drive by applying a pulse voltage to the piezoelectric element 8 instead of the sine wave voltage.

次に、櫛歯状の電極9,10による共振周波数調整作用について、図5乃至図9を参照して説明する。   Next, the resonance frequency adjusting action by the comb-like electrodes 9 and 10 will be described with reference to FIGS.

図5は、共振周波数調整のための静電バネとして作用する第1の電極9と第2の電極10の対を模式的に示している。ただし、第1の電極9は角度θだけ回転した状態である。第1の電極9は接地され、第2の電極10に電圧Vが印加されている。この印加電圧Vは、可動板3の変位角θ(これは第1の電極9の変位角と同じである)にかかわらず一定である。電極9,10間には、電極9を電極10の中心線18に引き戻そうとするトルクTs1が作用する。   FIG. 5 schematically shows a pair of the first electrode 9 and the second electrode 10 acting as an electrostatic spring for adjusting the resonance frequency. However, the first electrode 9 is rotated by an angle θ. The first electrode 9 is grounded, and the voltage V is applied to the second electrode 10. The applied voltage V is constant regardless of the displacement angle θ of the movable plate 3 (this is the same as the displacement angle of the first electrode 9). A torque Ts1 is applied between the electrodes 9 and 10 to pull the electrode 9 back to the center line 18 of the electrode 10.

このトルクTs1と変位角θとの関係を図6に示す。このトルクの計算には有限要素法を用いた。図6において、電極9,10間には働くトルクTs1は、それら電極間に係合が無くなる角度±θ1までは、変位角θにほぼ比例して直線的に増加し、可動板3に対して戻り力として作用する。角度±θ1を越えるとトルクTs1は減少し始める。変位角θが−θ1<θ<θ1の範囲内にあるときのトルク直線の傾きをKs1とすると、トルクTs1は次式で与えられる。   FIG. 6 shows the relationship between the torque Ts1 and the displacement angle θ. The finite element method was used to calculate this torque. In FIG. 6, the torque Ts1 acting between the electrodes 9 and 10 increases linearly in proportion to the displacement angle θ up to an angle ± θ1 at which the engagement between the electrodes is lost. Acts as a return force. When the angle ± θ1 is exceeded, the torque Ts1 starts to decrease. If the inclination of the torque line when the displacement angle θ is in the range of −θ1 <θ <θ1 is Ks1, the torque Ts1 is given by the following equation.

Figure 0004889026
電極9,10間の静電容量をCとすると、トルクTs1は次式で与えられる。
Figure 0004889026
If the capacitance between the electrodes 9 and 10 is C, the torque Ts1 is given by the following equation.

Figure 0004889026
すなわち、トルクTs1は印加電圧Vの2乗に比例し、したがってKs1は印加電圧Vの2乗に比例する。
Figure 0004889026
That is, the torque Ts1 is proportional to the square of the applied voltage V, and thus Ks1 is proportional to the square of the applied voltage V.

図7は、トルクTs1及びトーションバネ4によるトルクTmの変位角θとの関係を示すグラフである。トルクTmとトルクTs1は、変位角θに対して作用方向が同じであり、可動板3に働く戻り力は、トルクTs1とトルクTmを加え合わせたトルクである。図7中の各トルク直線の傾きKs1,Kmが、電極9,10による静電バネのバネ定数とトーションバネ4のバネ定数となる。   FIG. 7 is a graph showing the relationship between the torque Ts1 and the displacement angle θ of the torque Tm by the torsion spring 4. The torque Tm and the torque Ts1 have the same direction of action with respect to the displacement angle θ, and the return force acting on the movable plate 3 is a torque obtained by adding the torque Ts1 and the torque Tm. The slopes Ks1 and Km of the torque lines in FIG. 7 are the spring constant of the electrostatic spring by the electrodes 9 and 10 and the spring constant of the torsion spring 4.

以上から、可動板3を表現する慣性(I)と、バネ定数Kmのトーションバネ、バネ定数Ks1の静電バネ、粘性抵抗CからなるダッシュポットCで構成される図8に示すような一自由度モデルで光走査装置を表現することができる。このモデルにより、静電トルクTs1が作用した状態での可動板3の運動方程式は次式で与えられる。   From the above, an inertia (I) expressing the movable plate 3, a torsion spring having a spring constant Km, an electrostatic spring having a spring constant Ks1, and a dashpot C composed of a viscous resistance C as shown in FIG. The optical scanning device can be expressed by a degree model. With this model, the equation of motion of the movable plate 3 in a state where the electrostatic torque Ts1 is applied is given by the following equation.

Figure 0004889026
−θ1<θ<θ1では、Ts1=Ks1・θと表すことができるから、
Figure 0004889026
Since −θ1 <θ <θ1 can be expressed as Ts1 = Ks1 · θ,

Figure 0004889026
すなわち、バネ定数(Km+Ks1)、慣性Iの自由振動となる。よって、共振振動数fは次式で表される。
Figure 0004889026
In other words, the spring constant (Km + Ks1) and the inertia I free vibration. Therefore, the resonance frequency f is expressed by the following equation.

Figure 0004889026
前述の通りKs1は印加電圧Vの2乗に比例する。よって、印加電圧Vを増減することによって共振周波数fを調節可能である。
Figure 0004889026
As described above, Ks1 is proportional to the square of the applied voltage V. Therefore, the resonance frequency f can be adjusted by increasing or decreasing the applied voltage V.

可動板(ミラー部材)3の形状が4mm(長辺)×1mm(短辺)、基板1の厚さが200μm、電極9,10間ギャップが6μmの場合に計算した印加電圧Vと共振周波数の関係を図9に示す。
印加電圧V=0(V)時の共振周波数:3050(Hz)
トーションバネ定数Km:9.71232×103(dyn・cm/rad)
静電バネ定数Ks1:0.03(dyn・cm/rad/V2
可動板慣性モーメントI:2.56×10−5(g・cm2)
The applied voltage V and resonance frequency calculated when the shape of the movable plate (mirror member) 3 is 4 mm (long side) × 1 mm (short side), the thickness of the substrate 1 is 200 μm, and the gap between the electrodes 9 and 10 is 6 μm. The relationship is shown in FIG.
Resonance frequency when applied voltage V = 0 (V): 3050 (Hz)
Torsion spring constant Km: 9.71232 × 10 3 (dyn · cm / rad)
Electrostatic spring constant Ks1: 0.03 (dyn · cm / rad / V 2 )
Movable plate inertia moment I: 2.56 × 10 −5 (g · cm 2 )

図9から分かるように、この例では、電極9,10間に100(V)を印加すると、電圧を印加しない時(印加電圧が0(V)の時)より共振周波数を約50(Hz)だけ上げることができる。つまり、印加電圧を0(V)から100(V)まで変化させることにより共振周波数を約50(Hz)の範囲で調整可能であるということである。この調整範囲は、例えば図36に示した共振周波数のばらつきを考慮するならば、十分に広いと云うことができる。   As can be seen from FIG. 9, in this example, when 100 (V) is applied between the electrodes 9 and 10, the resonance frequency is about 50 (Hz) than when no voltage is applied (when the applied voltage is 0 (V)). Can only raise. That is, the resonance frequency can be adjusted in the range of about 50 (Hz) by changing the applied voltage from 0 (V) to 100 (V). This adjustment range can be said to be sufficiently wide if, for example, the variation in resonance frequency shown in FIG. 36 is taken into consideration.

具体的数値は提示しないが、電極間に作用する静電トルクでミラー部材を駆動する静電方式に比べ、低い電圧で圧電素子8を駆動して比較的大きな駆動トルクTpztを発生させることができる。また、製造工程等の関係で共振周波数のばらつきがあっても、共振周波数を所望の駆動周波数に一致させるように容易に調整することができる。したがって、本実施形態の光走査装置は、可動板3のサイズが比較的大きい場合でも、低い駆動電圧で、可動板3を所望の駆動周波数で大きな振れ角で共振往復振動させることが可能であるため、例えば特許文献4の光書込装置の光偏光器として好適に利用できる。   Although specific numerical values are not presented, it is possible to generate a relatively large driving torque Tpzt by driving the piezoelectric element 8 with a lower voltage compared to the electrostatic method in which the mirror member is driven by the electrostatic torque acting between the electrodes. . Further, even if there is a variation in the resonance frequency due to a manufacturing process or the like, the resonance frequency can be easily adjusted to coincide with a desired drive frequency. Therefore, even when the size of the movable plate 3 is relatively large, the optical scanning device according to the present embodiment can resonate and reciprocate the movable plate 3 at a desired drive frequency with a large deflection angle even with a low drive voltage. Therefore, for example, it can be suitably used as an optical polarizer of the optical writing device of Patent Document 4.

[第2の実施形態]
本発明の第2の実施形態に係る光走査装置について、図10乃至図18を用いて説明する。
[Second Embodiment]
An optical scanning device according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図10は本実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。図示のように、この光走査装置は基板1と基板2を接合した全体的構成であり、前記第1の実施形態の場合と同様な製造工程により、Si基板/絶縁膜/Si基板からなるSOI基板を用いて製作することができる。21はSOI基板の層間絶縁膜である。基板1に関する構造は前記第1の実施形態の場合と同一である。基板2には、前記第1の実施形態の場合と同様に可動板(ミラー部材)3の振動空間(9)が形成されるが、図11及び図12に示すように、櫛歯状の第2の電極10の真下にさらに共振周波数調整のための櫛歯状の第3の電極22が形成される点が前記第1の実施形態と相違する。なお、図11は図10のA−A断面を示し、図12は図10のB−B断面を示している。第2の電極10と第3の電極22とは絶縁膜21によって絶縁されている。図10において、19は第3の電極22のための電極パッドであり、これに対応して基板1に透孔が形成されている。   FIG. 10 is a schematic perspective view of the optical scanning device according to the present embodiment. As shown in the figure, this optical scanning device has an overall configuration in which a substrate 1 and a substrate 2 are joined, and an SOI composed of Si substrate / insulating film / Si substrate is manufactured by the same manufacturing process as in the first embodiment. It can be manufactured using a substrate. Reference numeral 21 denotes an interlayer insulating film of the SOI substrate. The structure relating to the substrate 1 is the same as that in the first embodiment. A vibration space (9) of the movable plate (mirror member) 3 is formed on the substrate 2 as in the case of the first embodiment. However, as shown in FIGS. The third embodiment is different from the first embodiment in that a comb-like third electrode 22 for adjusting the resonance frequency is further formed immediately below the second electrode 10. 11 shows the AA cross section of FIG. 10, and FIG. 12 shows the BB cross section of FIG. The second electrode 10 and the third electrode 22 are insulated by the insulating film 21. In FIG. 10, reference numeral 19 denotes an electrode pad for the third electrode 22, and a through hole is formed in the substrate 1 corresponding to this.

この光走査装置において、可動板(ミラー部材)3は、連結部材(カンチレバー)7上に形成された圧電素子8(図10には示されていない)によって生じる駆動トルクにより、一対のトーションバネ4を捻り回転軸として往復振動することは、前記第1の実施形態の場合と同様である。   In this optical scanning device, the movable plate (mirror member) 3 has a pair of torsion springs 4 by a driving torque generated by a piezoelectric element 8 (not shown in FIG. 10) formed on a connecting member (cantilever) 7. The reciprocating vibration with the twisting rotation axis as in the case of the first embodiment.

次に、電極9,10,22による共振周波数調整作用について説明する。第1の電極9と第2の電極10との間に作用する静電トルクTs1については、前記第1の実施形態に関して説明した。ここでは、第1の電極9と第3の電極22との間に作用する静電トルクについて説明する。   Next, the resonance frequency adjusting action by the electrodes 9, 10, and 22 will be described. The electrostatic torque Ts1 acting between the first electrode 9 and the second electrode 10 has been described with respect to the first embodiment. Here, electrostatic torque acting between the first electrode 9 and the third electrode 22 will be described.

図13は、第1の電極9と、第2,第3の電極10,22の1組を表している。電極9は角度θだけ回転した状態である。第1の電極9は接地され、第3の電極22に可動板3の変位角に関わらず一定の電圧Vが印加されている。この時に、電極9,22間に、電極22の中心線23に電極9を引き戻そうとするトルクTs2が作用する。変位角θを変えてトルクTs2を計算した結果の概略を図14に示す。この計算は有限要素法によった。図14には、第1の電極9と第2の電極10の間に作用するトルクTs1とそのバネ定数Ks1、トーションバネ4のトルクTmとそのバネ定数Kmも示されている。これらのトルク及びバネ定数については前記第1の実施形態に関連して説明済みである。   FIG. 13 shows one set of the first electrode 9 and the second and third electrodes 10 and 22. The electrode 9 is rotated by an angle θ. The first electrode 9 is grounded, and a constant voltage V is applied to the third electrode 22 regardless of the displacement angle of the movable plate 3. At this time, a torque Ts2 is applied between the electrodes 9 and 22 to pull the electrode 9 back to the center line 23 of the electrode 22. FIG. 14 shows an outline of the result of calculating the torque Ts2 by changing the displacement angle θ. This calculation was based on the finite element method. FIG. 14 also shows the torque Ts1 acting between the first electrode 9 and the second electrode 10 and its spring constant Ks1, the torque Tm of the torsion spring 4 and its spring constant Km. These torques and spring constants have already been described in relation to the first embodiment.

図14において、トルクTs2は、電極9,22間に係合が無くなる角度±θ2までは、変位角θにほぼ比例して直線的に増加し、可動板3に対して電極22の中心線23に戻す力として作用する。角度±θ2を越えるとトルクTs2は減少し始める。−θ2<θ<θ2の範囲でのトルク直線の傾きをKs2とすると、変位角θの時のトルクTs2は次式で与えられる。   In FIG. 14, the torque Ts2 increases linearly in proportion to the displacement angle θ until the angle ± θ2 at which the electrodes 9 and 22 are not engaged, and the center line 23 of the electrode 22 with respect to the movable plate 3. Acts as a force to return. When the angle ± θ2 is exceeded, the torque Ts2 starts to decrease. Assuming that the slope of the torque line in the range of −θ2 <θ <θ2 is Ks2, the torque Ts2 at the displacement angle θ is given by the following equation.

Figure 0004889026
電極9,22間の静電容量をCとするとき、トルクTs2は次式で与えられる。
Figure 0004889026
When the capacitance between the electrodes 9 and 22 is C, the torque Ts2 is given by the following equation.

Figure 0004889026
このように、トルクTs2は印加電圧Vの2乗に比例し、したがって、トルク曲線の傾きすなわちバネ定数Ks2は印加電圧Vの2乗に比例する。図14に示されるように、トルクTs2は、トルクTm,Ts1とは、変位角θに対して作用方向が逆である。よって、可動板3を表す慣性I、バネ定数Kmのトーションバネ、バネ定数Ks1の静電バネ、バネ定数Ks2の静電バネ、粘性抵抗CからなるダッシュポットCで構成される図15に示すような一自由度モデルにより光走査装置を表現することができ、トルクTs1,Ts2が共に作用した状態での可動板3の運動方程式は次式で与えられる。
Figure 0004889026
Thus, the torque Ts2 is proportional to the square of the applied voltage V. Therefore, the slope of the torque curve, that is, the spring constant Ks2 is proportional to the square of the applied voltage V. As shown in FIG. 14, the torque Ts2 has a direction of action opposite to the torques Tm and Ts1 with respect to the displacement angle θ. Therefore, as shown in FIG. 15, which is constituted by a dashpot C comprising an inertia I representing the movable plate 3, a torsion spring having a spring constant Km, an electrostatic spring having a spring constant Ks 1, an electrostatic spring having a spring constant Ks 2, and a viscous resistance C. The optical scanning device can be expressed by a single-degree-of-freedom model, and the equation of motion of the movable plate 3 with the torques Ts1 and Ts2 acting together is given by the following equation.

Figure 0004889026
−θ1<θ<θ1では、Ts1=Ks1・θ、Ts2=Ks2・θ と表すことができるから、
Figure 0004889026
Since −θ1 <θ <θ1 can be expressed as Ts1 = Ks1 · θ and Ts2 = Ks2 · θ,

Figure 0004889026
すなわち、バネ定数(Km+Ks1−Ts2)、慣性Iの自由振動となる。よって、共振周波数fは次式で与えられる。
Figure 0004889026
In other words, the spring constant (Km + Ks1-Ts2) and inertia I free vibration. Therefore, the resonance frequency f is given by the following equation.

Figure 0004889026
前述の通り、Ks1、Ks2は印加電圧Vの2乗に比例して変化するので、印加圧Vを変化させることにより共振周波数fを調整することができる。すなわち、電極9,10間の印加電圧を増加させると静電バネ定数Ks1が増加して共振周波数fが上昇し、電極9,22間の印加電圧を増加させると静電バネ定数Ks2が増加して共振周波数fが低下する。
Figure 0004889026
As described above, since Ks1 and Ks2 change in proportion to the square of the applied voltage V, the resonance frequency f can be adjusted by changing the applied pressure V. That is, when the applied voltage between the electrodes 9 and 10 is increased, the electrostatic spring constant Ks1 is increased and the resonance frequency f is increased, and when the applied voltage between the electrodes 9 and 22 is increased, the electrostatic spring constant Ks2 is increased. As a result, the resonance frequency f decreases.

可動板3の形状が4mm(長辺)×1mm(短辺)、基板1,2の厚さが200μm、電極9,10間ギャップ及び電極9,22間ギャップを6μm、電極9,10間又は電極9,22間のいずれ一方にのみ電圧を印加した場合について、共振周波数を計算した結果を図16に示す。図16では、電極9,10間の印加電圧をプラス極性、電極9,22間の印加電圧をマイナス極性として表されているが、これは便宜上のものであって、いずれの電極間の印加電圧も同一極性で構わない。
印加電圧=0(V)の時の共振周波数:3100(Hz)
トーションバネ定数Km:9.71232×10(dyn・cm/rad)
静電バネ定数Ks1:0.03(dyn・cm/rad/V2
静電バネ定数Ks2:0.015(dyn・cm/rad/V2
可動板慣性モーメントI:2.56×10−5(g・cm2)
The shape of the movable plate 3 is 4 mm (long side) × 1 mm (short side), the thicknesses of the substrates 1 and 2 are 200 μm, the gap between the electrodes 9 and 10 and the gap between the electrodes 9 and 22 are 6 μm, FIG. 16 shows the result of calculating the resonance frequency when a voltage is applied only to one of the electrodes 9 and 22. In FIG. 16, the applied voltage between the electrodes 9 and 10 is represented as a positive polarity, and the applied voltage between the electrodes 9 and 22 is represented as a negative polarity. May have the same polarity.
Resonance frequency when applied voltage = 0 (V): 3100 (Hz)
Torsion spring constant Km: 9.71232 × 10 3 (dyn · cm / rad)
Electrostatic spring constant Ks1: 0.03 (dyn · cm / rad / V 2 )
Electrostatic spring constant Ks2: 0.015 (dyn · cm / rad / V 2 )
Movable plate inertia moment I: 2.56 × 10 −5 (g · cm 2 )

図16から分かるように、この例では、電極10又は22に印加する電圧を0(V)から100(V)の範囲で変化させることにより、共振周波数fを約75(Hz)の幅で調整することが可能である。この調整幅は、例えば図36に示したような共振周波数のばらつきを補償するために十分な広さである。このように、本実施形態に係る光走査装置は、十分に広い共振周波数調整範囲を有し、また、圧電素子に印加する低い駆動電圧を印加することで比較的大きな駆動トルクを発生させることができるため、可動板3が比較的大きい場合であっても、所望の駆動周波数で可動板3を大きな振れ角で共振往復振動させることができ、したがって特許文献4に記載されているような光書込装置の光偏光器等として好適である。   As can be seen from FIG. 16, in this example, by changing the voltage applied to the electrode 10 or 22 in the range of 0 (V) to 100 (V), the resonance frequency f is adjusted with a width of about 75 (Hz). Is possible. This adjustment range is wide enough to compensate for variations in the resonance frequency as shown in FIG. 36, for example. As described above, the optical scanning device according to the present embodiment has a sufficiently wide resonance frequency adjustment range, and can generate a relatively large driving torque by applying a low driving voltage applied to the piezoelectric element. Therefore, even when the movable plate 3 is relatively large, the movable plate 3 can be reciprocally oscillated with a large swing angle at a desired driving frequency. It is suitable as an optical polarizer of the insertion device.

さて、本実施形態では、基板1,2の厚さは同一であり、したがって電極10,22の厚さ(高さ方向のサイズ)は同一である。このようするメリットについて説明する。図17及び図18は、その説明図である。   In the present embodiment, the thicknesses of the substrates 1 and 2 are the same, and thus the thicknesses (sizes in the height direction) of the electrodes 10 and 22 are the same. The merit of doing this will be described. 17 and 18 are explanatory diagrams thereof.

第1の電極9と第3の電極22の間に電圧を印加すると、図17及び図18に示すように、第1の電極9を第3の電極22の中心線23に引き込もうとする静電トルクTs2が作用し、このトルクTs2は前記(7)式で与えられることは既に説明した。   When a voltage is applied between the first electrode 9 and the third electrode 22, as shown in FIGS. 17 and 18, the electrostatic force that tries to draw the first electrode 9 into the center line 23 of the third electrode 22. It has already been described that the torque Ts2 acts and this torque Ts2 is given by the above-described equation (7).

基板1,2の厚さ(電極10,22の厚さ)が同一の場合(図17)と、基板1(電極10)より基板2(電極22)を厚くした場合(図18)とでは、前者の方が電極間静電容量Cの変化が急峻になり、dC/dθが大きくなるため、前者の方が同じ印加電圧で大きい静電トルクTs2を得られ、したがって共振周波数調整範囲を広くすることができるというメリットがある。   When the thicknesses of the substrates 1 and 2 (thicknesses of the electrodes 10 and 22) are the same (FIG. 17), and when the substrate 2 (electrode 22) is thicker than the substrate 1 (electrode 10) (FIG. 18), In the former, the change in the capacitance C between the electrodes becomes steeper and dC / dθ becomes larger. Therefore, the former can obtain a larger electrostatic torque Ts2 with the same applied voltage, and thus the resonance frequency adjustment range is widened. There is an advantage that you can.

[第3の実施形態]
本発明の第3の実施形態に係る光走査装置について、図19乃至図21を参照して説明する。
[Third Embodiment]
An optical scanning device according to a third embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図19は、本実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。この光走査装置の全体的構成は前記第1の実施形態(又は第2の実施形態)と同様であり、相違点は共振周波数調整のための静電バネを構成する電極9,10(又は電極9,10,22)が台形状の平面形状を有する点のみである。   FIG. 19 is a schematic perspective view of the optical scanning device according to the present embodiment. The overall configuration of the optical scanning device is the same as that of the first embodiment (or the second embodiment), and the difference is that the electrodes 9 and 10 (or electrodes) constituting an electrostatic spring for adjusting the resonance frequency. 9, 10, 22) is only a point having a trapezoidal planar shape.

前記第1の実施形態(又は第2の実施形態)における電極9,10(又は9,10,22)の平面形状を図20の上段に、本実施形態における電極9,10(又は9,10,22)の平面形状を図20の下段にそれぞれ示す。本実施形態においては、各電極の基端で最大の幅W2を有し、先端(自由端)に近づくほど幅が減少し、先端(自由端)で最小の幅W1を有する。電極ピッチPは前記第1(又は第2)の実施形態の場合と同じである。   The planar shape of the electrodes 9, 10 (or 9, 10, 22) in the first embodiment (or the second embodiment) is shown in the upper part of FIG. 20, and the electrodes 9, 10 (or 9, 10 in the present embodiment). , 22) are shown in the lower part of FIG. In the present embodiment, each electrode has the maximum width W2 at the base end, the width decreases as it approaches the tip (free end), and the tip (free end) has the minimum width W1. The electrode pitch P is the same as in the first (or second) embodiment.

図20の上段に示すような電極形状であると、可動板3の振動時に電極9に図21に模式的に示すような共振振動が発生しやすく、電極9と電極10(又は22)との間のショート(短絡)が発生するおそれがある。本実施形態では、図20の下段に示すような電極形状であるため、電極9は剛性が大きく共振振動が生じにくくなり、電極9と電極10(又は22)との間のショートを防止できる。なお、電極9のみ上に述べたような台形状の平面形状とし、電極10(22)の幅は基端から先端まで同一幅とすることも可能である。   When the electrode shape is as shown in the upper part of FIG. 20, resonance vibration as schematically shown in FIG. 21 is likely to occur in the electrode 9 when the movable plate 3 vibrates, and the electrode 9 and the electrode 10 (or 22) There is a risk of short circuit between them. In the present embodiment, since the electrode shape is as shown in the lower part of FIG. 20, the electrode 9 has high rigidity and is less likely to cause resonance vibration, and a short circuit between the electrode 9 and the electrode 10 (or 22) can be prevented. Only the electrode 9 may have a trapezoidal planar shape as described above, and the width of the electrode 10 (22) may be the same from the proximal end to the distal end.

さて、可動板(ミラー部材)3が振動時に図22に破線で模式的にしめすような高次モードの振動も発生する。この高次モード振動は、共振周波数の約2倍の周波数で、その振動方向は図22に矢印で示す方向である。この高次モード振動によって、トーションバネ4は破線で示すような変形をし、これにより図23に模式的に示すように、可動板3寄りに設けられている電極9が傾き、電極10(又は22)とショートしやすい。一方、可動板3から遠い電極9は、その位置でのトーションバネ3の変形が少ないため傾きは小さく、電極10(又は22)とのショートは生じにくい。このようなことに考慮した実施形態について次に説明する。   Now, when the movable plate (mirror member) 3 vibrates, high-order mode vibrations schematically shown by broken lines in FIG. 22 also occur. This higher-order mode vibration has a frequency that is about twice the resonance frequency, and the vibration direction is the direction indicated by the arrow in FIG. Due to this higher-order mode vibration, the torsion spring 4 is deformed as indicated by a broken line, whereby the electrode 9 provided closer to the movable plate 3 is tilted as shown schematically in FIG. 22) Easily short-circuited. On the other hand, the electrode 9 far from the movable plate 3 has a small inclination because there is little deformation of the torsion spring 3 at that position, and short-circuiting with the electrode 10 (or 22) hardly occurs. Next, an embodiment in consideration of this will be described.

[第4の実施形態]
図24は、本発明の第4の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。この光走査装置の全体的構成は前記第1の実施形態(又は第2の実施形態)と同様であり、相違点は、図示のように、共振周波数調整用の電極9,10(又は9,10,11)が、可動板3からの距離がL/3以内の範囲には設けられず、それよりもトーションバネ4の固定端部15寄り位置にのみ設けられていることである。ここで、Lはトーションバネ3の長さである。換言すれば、トーションバネ4の固定端よりの長さ2L/3の範囲内にのみ電極9,10(又は9,10,11)が設けられる。このような位置関係で設けられた電極9は図23で説明した高次モード振動による傾きが小さいため、電極間ショートの発生を効果的に防止できる。なお、電極10,22は必ずしもそのような制限に従わずに設けても構わないが、電極9と係合しない部位に設けた電極10,22は静電バネとしては何ら作用しないため無意味である。
[Fourth Embodiment]
FIG. 24 is a schematic perspective view of an optical scanning device according to the fourth embodiment of the present invention. The overall configuration of this optical scanning device is the same as that of the first embodiment (or the second embodiment). The difference is that, as shown in the figure, electrodes 9 and 10 (or 9, 9) for adjusting the resonance frequency are used. 10, 11) is not provided in a range where the distance from the movable plate 3 is within L / 3, but is provided only at a position closer to the fixed end 15 of the torsion spring 4 than that. Here, L is the length of the torsion spring 3. In other words, the electrodes 9, 10 (or 9, 10, 11) are provided only within the range of the length 2L / 3 from the fixed end of the torsion spring 4. Since the electrode 9 provided in such a positional relationship has a small inclination due to the higher-order mode vibration described with reference to FIG. 23, the occurrence of a short-circuit between the electrodes can be effectively prevented. The electrodes 10 and 22 may not necessarily be provided without following such restrictions. However, the electrodes 10 and 22 provided in a portion not engaged with the electrode 9 are meaningless because they do not act as electrostatic springs. is there.

[第5の実施形態]
本発明の第5の実施形態に係る光走査装置は、その全体的構成は前記第1又は第2の実施形態とものと同様であるが、図25に模式的に示すように、トーションバネ4に設けられる電極9の長さが可動板3に近いものほど短くなるように設定されている。本実施形態では、トーションバネ4の固定端側に設けられた電極9の長さL1が最大、可動板3寄りの位置に設けられた電極9の長さL2が最小、中間的位置に設けられた電極9の長さはL1より小さく、L2より大きくなるように設定されている。このように、高次モード振動による傾きの大きい可動板3に近い位置にある電極9ほど長さが短くなっているため、電極10(又は10,22)と電極9とのショートを効果的に防止できる。
[Fifth Embodiment]
The optical scanning apparatus according to the fifth embodiment of the present invention has the same overall configuration as that of the first or second embodiment, but as shown schematically in FIG. The length of the electrode 9 provided on the electrode 9 is set to be shorter as the electrode 9 is closer to the movable plate 3. In this embodiment, the length L1 of the electrode 9 provided on the fixed end side of the torsion spring 4 is the maximum, and the length L2 of the electrode 9 provided near the movable plate 3 is the minimum, provided at the intermediate position. The length of the electrode 9 is set to be smaller than L1 and larger than L2. Thus, since the length of the electrode 9 located closer to the movable plate 3 having a large inclination due to higher-order mode vibration is shorter, the short circuit between the electrode 10 (or 10, 22) and the electrode 9 is effectively prevented. Can be prevented.

[第6の実施形態]
図26乃至図29を参照し、本発明の第6の実施形態について説明する。
[Sixth Embodiment]
The sixth embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.

図26は、本実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。この光走査装置においては、振動周波数検出用の電極として、可動板(ミラー部材)3の自由端に電極30が形成され、これに対応してフレーム部5側に電極31が形成されている。これら電極30,31も櫛歯状の電極とすることができる。電極31を電気的に分離するための分離溝32がフレーム部5に形成されるとともに、電極30のための電極パッド33も形成される。この光走査装置の他の構成は前記第1の実施形態のものと同様である。ただし、図26においては基板1上の一部の構造が省略されている。なお、共振周波数調整用の電極9,10は前記第3乃至第5の実施形態のような形状もしくは配置にしてもよく、かかる態様も本実施形態に包含される。また、前記第2の実施形態のように共振周波数調整用の電極22を設ける態様も本実施形態に包含される。ただし、電極22が追加された場合、電極10と電極22に選択的に電圧を印加する制御が必要である。   FIG. 26 is a schematic perspective view of the optical scanning device according to the present embodiment. In this optical scanning device, an electrode 30 is formed at the free end of the movable plate (mirror member) 3 as an electrode for vibration frequency detection, and an electrode 31 is formed on the frame portion 5 side correspondingly. These electrodes 30 and 31 can also be comb-shaped electrodes. A separation groove 32 for electrically separating the electrode 31 is formed in the frame portion 5, and an electrode pad 33 for the electrode 30 is also formed. Other configurations of the optical scanning device are the same as those of the first embodiment. However, a part of the structure on the substrate 1 is omitted in FIG. The resonance frequency adjusting electrodes 9 and 10 may be shaped or arranged as in the third to fifth embodiments, and this embodiment is also included in this embodiment. Further, the embodiment in which the resonance frequency adjusting electrode 22 is provided as in the second embodiment is also included in the present embodiment. However, when the electrode 22 is added, control for selectively applying a voltage to the electrode 10 and the electrode 22 is necessary.

本実施形態に係る光走査装置は、共振周波数を目標の周波数に自動調整することができる。図27は、光走査装置に対する共振周波数自動調整と通常駆動とを行う回路系の一例を示すブロック図である。   The optical scanning device according to the present embodiment can automatically adjust the resonance frequency to a target frequency. FIG. 27 is a block diagram illustrating an example of a circuit system that performs automatic resonance frequency adjustment and normal driving for the optical scanning device.

図27において、101はマイクロコンピュータ(以下、CPUと記す)、102はデジタル/アナログ変換器、103は電圧制御発振器(VCO)、104はパルス整形回路、105と108はANDゲート、107はフリップフロップ、106はモノマルチバイプレータである。C1は一方の電極30,31間の静電容量を示し、C2はもう一方の電極30,31間の静電容量を示している。109,110は静電容量C1,C2を電圧レベルに変換するC/V変換器、111はC/V変換器109,110の変換電圧信号を加算する加算器である。112は同期検波回路、113は増幅器である。120は可動板3の駆動のための圧電素子8の各ペアに逆位相の駆動パルスを印加する圧電素子駆動回路、121は共振周波数調整用の電極10に電圧を印加する調整電圧印加回路である。   In FIG. 27, 101 is a microcomputer (hereinafter referred to as CPU), 102 is a digital / analog converter, 103 is a voltage controlled oscillator (VCO), 104 is a pulse shaping circuit, 105 and 108 are AND gates, and 107 is a flip-flop. 106 are mono multivibrators. C1 indicates the capacitance between one electrode 30 and 31, and C2 indicates the capacitance between the other electrode 30 and 31. Reference numerals 109 and 110 denote C / V converters that convert the capacitances C1 and C2 into voltage levels. Reference numeral 111 denotes an adder that adds the converted voltage signals of the C / V converters 109 and 110. Reference numeral 112 denotes a synchronous detection circuit, and 113 denotes an amplifier. Reference numeral 120 denotes a piezoelectric element drive circuit that applies a drive pulse having an opposite phase to each pair of piezoelectric elements 8 for driving the movable plate 3, and 121 denotes an adjustment voltage application circuit that applies a voltage to the resonance frequency adjusting electrode 10. .

まず、電極10への印加電圧を調整することによって、共振周波数を目標周波数に自動調整する動作について説明する。図28は、この動作の全体的な流れを説明するためのフローチャートである。   First, the operation of automatically adjusting the resonance frequency to the target frequency by adjusting the voltage applied to the electrode 10 will be described. FIG. 28 is a flowchart for explaining the overall flow of this operation.

CPU101は、電圧値レジスタRVを0に初期化し、この電圧値レジスタRVの値を調整電圧印加回路121に設定する(ステップS1)。したがって、この段階では調整電圧印加回路121により電極10に0(V)が印加される。   The CPU 101 initializes the voltage value register RV to 0, and sets the value of the voltage value register RV in the adjustment voltage application circuit 121 (step S1). Therefore, at this stage, the adjustment voltage application circuit 121 applies 0 (V) to the electrode 10.

CPU101は共振周波数検出ルーチンを呼び出す(ステップS2)。このルーチンの詳細は後述するが、検出された共振周波数は後述するレジスタRFに保持されている。CPU101は、レジスタRFの値(共振周波数)と目標周波数Foとの差の絶対値と所定の閾値THとの比較判定を行う(ステップS3)。差の絶対値が閾値THを超えていると判定した場合(ステップS3,No)、さらに調整が必要であるため、電圧値レジスタRVの値をdV分だけ増加させ、増加後の電圧値レジスタRVの値を調整電圧印加回路121に設定して電極10への印加電圧をdVだけ増加させ(ステップS4)、再び共振周波数検出ルーチンを呼び出す(ステップS2)。   The CPU 101 calls a resonance frequency detection routine (step S2). Although details of this routine will be described later, the detected resonance frequency is held in a register RF described later. The CPU 101 performs a comparison determination between the absolute value of the difference between the value of the register RF (resonance frequency) and the target frequency Fo and a predetermined threshold value TH (step S3). If it is determined that the absolute value of the difference exceeds the threshold value TH (step S3, No), further adjustment is necessary. Therefore, the value of the voltage value register RV is increased by dV, and the voltage value register RV after the increase is increased. Is set in the adjustment voltage application circuit 121, the voltage applied to the electrode 10 is increased by dV (step S4), and the resonance frequency detection routine is called again (step S2).

ステップS3の判定結果がNoである間、ステップS2〜S4の処理ループが繰り返される。ステップS3の判定結果がYesになると、共振周波数の目標周波数Foへの調整が完了したということであるので、この動作は終了する。この時の電圧値レジスタRVの値が、共振周波数を目標周波数Foに調整するために電極10に印加すべき電圧値を示している。   While the determination result of step S3 is No, the processing loop of steps S2 to S4 is repeated. If the determination result in Step S3 is Yes, it means that the adjustment of the resonance frequency to the target frequency Fo has been completed, so this operation ends. The value of the voltage value register RV at this time indicates the voltage value to be applied to the electrode 10 in order to adjust the resonance frequency to the target frequency Fo.

図29は、図28のステップS2で呼び出される共振周波数検出ルーチンを説明するためのフローチャートである。以下、図29を参照して説明する。   FIG. 29 is a flowchart for explaining the resonance frequency detection routine called in step S2 of FIG. Hereinafter, a description will be given with reference to FIG.

CPU101は、信号CをHレベルに設定し(ステップS11)、繰り返し回数のカウンタであるレジスタRCを0に初期化し(ステップS12)、増幅器113の出力電圧のピーク値を一時的に保持するためのレジスタRGLfを0に初期化し(ステップS13)、駆動周波数を保持するためのレジスタRFに最低値Fminを設定し、レジスタRFの値(ここではFmin)に相当する周波数データDfをデジタル/アナログ変換器102に出力する(ステップS14)。デジタル/アナログ変換器102から周波数データDfに対応した電圧がVCO103に入力され、VCO103は周波数Dfの一定振幅の正弦波を発生する。パルス整形回路104は、この正弦波を、その正半波区間でHレベル、負半波区間でLレベルの矩形パルスに整形する。この矩形パルスはANDゲート105,108に入力される。   The CPU 101 sets the signal C to the H level (step S11), initializes the register RC, which is a counter of the number of repetitions, to 0 (step S12), and temporarily holds the peak value of the output voltage of the amplifier 113. The register RGLf is initialized to 0 (step S13), the minimum value Fmin is set in the register RF for holding the driving frequency, and the frequency data Df corresponding to the value of the register RF (here, Fmin) is converted into a digital / analog converter. It outputs to 102 (step S14). A voltage corresponding to the frequency data Df is input from the digital / analog converter 102 to the VCO 103, and the VCO 103 generates a sine wave having a constant amplitude of the frequency Df. The pulse shaping circuit 104 shapes the sine wave into a rectangular pulse having an H level in the positive half wave section and an L level in the negative half wave section. This rectangular pulse is input to AND gates 105 and 108.

次に、CPU101はHレベルのリセットパルスBを1発出力する(ステップS15)。このリセットパルスBによりフリップフロップ107がリセットされ、そのQバー出力がLレベルからHレベルへ変化する。信号CはHレベルであるので、パルス整形回路104の出力がHレベルの時にANDゲート105の出力がHレベルへ変化し、これによりフリップフロップ107がセットされ、そのQバー出力はLレベルへ戻り、ANDゲート105の出力はLベルに戻る。ANDゲート105の出力はモノマルチバイプレータ106のトリガ入力に接続されており、ANDゲート105の出力のLレベルからHレベルへの遷移(又はHレベルからLレベルへの遷移)によりモノマルチバイプレータ106がトリガされ、モノマルチバイブレータ106の出力は設定時間だけHレベルになる。このHレベルの期間に、圧電素子駆動回路120は対をなす一方の圧電素子8に正電圧を、もう一方の圧電素子8に負電圧を印加する。これにより、図4に模式的に示したように連結部材(カンチレバー)7が変形する。設定時間後、圧電素子8への電圧印加が断たれ、可動板(ミラー部材)3は前記(5)式に示す周波数で減衰自由振動する。   Next, the CPU 101 outputs one H level reset pulse B (step S15). The flip-flop 107 is reset by this reset pulse B, and its Q bar output changes from L level to H level. Since the signal C is at the H level, when the output of the pulse shaping circuit 104 is at the H level, the output of the AND gate 105 changes to the H level, thereby setting the flip-flop 107 and returning the Q bar output to the L level. The output of the AND gate 105 returns to the L bell. The output of the AND gate 105 is connected to the trigger input of the mono multivibrator 106, and the mono multivibrator is changed by the transition from the L level to the H level (or the transition from the H level to the L level) of the AND gate 105. 106 is triggered, and the output of the mono multivibrator 106 becomes H level for the set time. During this H level period, the piezoelectric element drive circuit 120 applies a positive voltage to one of the paired piezoelectric elements 8 and a negative voltage to the other piezoelectric element 8. As a result, the connecting member (cantilever) 7 is deformed as schematically shown in FIG. After the set time, the voltage application to the piezoelectric element 8 is cut off, and the movable plate (mirror member) 3 oscillates and oscillates freely at the frequency shown in the equation (5).

この振動時に、各対の電極30,31間の静電容量C1,C2は、図30に模式的に示すように可動板3の振動と同じ周波数で正弦波状に変化し、それに対応してC/V変換器109,110による変換電圧信号が変化する。この変換電圧信号を加算した信号(静電容量検出信号)が加算器111より同期検波器112に入力する。同期検波器112は、VCO103の発生する周波数Dfの正弦波を同期信号として、静電容量検出信号を同期検波する。同期検波器112の検波出力信号は、静電容量検出信号の周波数(可動板3の振動周波数)が周波数Dfと合致していると最高レベルとなり、両周波数のずれが大きいほどレベルが下がる。検波出力信号は増幅器113により増幅されてGLf信号としてCPU101のアナログ/デジタル変換ポート(A/D)に入力する。   During this vibration, the capacitances C1 and C2 between each pair of electrodes 30 and 31 change sinusoidally at the same frequency as the vibration of the movable plate 3 as schematically shown in FIG. The conversion voltage signal by the / V converters 109 and 110 changes. A signal (capacitance detection signal) obtained by adding the converted voltage signals is input from the adder 111 to the synchronous detector 112. The synchronous detector 112 synchronously detects the capacitance detection signal using the sine wave of the frequency Df generated by the VCO 103 as a synchronous signal. The detection output signal of the synchronous detector 112 has the highest level when the frequency of the electrostatic capacitance detection signal (vibration frequency of the movable plate 3) matches the frequency Df, and the level decreases as the deviation between the two frequencies increases. The detection output signal is amplified by the amplifier 113 and input to the analog / digital conversion port (A / D) of the CPU 101 as a GLf signal.

CPU101は、リセットパルスBを出力してから所定の遅れ時間後に、GLf信号のピークレベルをデジタル値として読み込む(ステップS16)。この遅れ時間は、同期検波器112内のローパスフィルタをリセットパルスBでリセットトしてから、ローパスフィルタの平滑コンデンサの電圧が安定するまでに必要な時間である。   The CPU 101 reads the peak level of the GLf signal as a digital value after a predetermined delay time from the output of the reset pulse B (step S16). This delay time is a time required until the voltage of the smoothing capacitor of the low-pass filter is stabilized after the low-pass filter in the synchronous detector 112 is reset by the reset pulse B.

CPU101は、読み込んだGLf値とレジスタRGLfの値(初期値は0)以上であるか判定する(ステップS17)。GLf値がレジスタRGLfの値以上ならば(ステップS17,Yes)、GLf値をレジスタRGLfにセットし(ステップS18)、レジスタRCの値を1だけインクリメントする(ステップS19)。インクリメント後のレジスタRCの値が設定値PN未満であるならば(ステップS20,No)、レジスタRFの値をdFだけ増加させる更新を行い、更新後のレジスタRFの値に対応した周波数データDfをデジタル/アナログ変換器102に出力する(ステップS21)。これで、VCO103の発生する正弦波の周波数がdFだけ上昇する。   The CPU 101 determines whether or not the read GLf value and the value of the register RGLf (initial value is 0) or more (step S17). If the GLf value is greater than or equal to the value of the register RGLf (step S17, Yes), the GLf value is set in the register RGLf (step S18), and the value of the register RC is incremented by 1 (step S19). If the value of the register RC after the increment is less than the set value PN (step S20, No), an update is performed to increase the value of the register RF by dF, and the frequency data Df corresponding to the value of the register RF after the update is obtained. The data is output to the digital / analog converter 102 (step S21). This increases the frequency of the sine wave generated by the VCO 103 by dF.

CPU101はリセットパルスBを発生し、圧電素子8を駆動させて可動板3を振動せしめ、それから所定時間後にGLf信号のピークレベルをデジタル値として読み込む(ステップS16)。今回の周波数Dfが前回よりも可動板3の共振周波数に近づいているのであれば、GLf値は前回より大きいはずであるので(ステップS17,Yes)、ステップS18,S19,S20を経由してステップS21に進み、レジスタRFの値をdFだけ増加させる更新を行い、VCO103で発生する正弦波の周波数をdF分だけ上昇させ、再びリセットパルスBを出力し(ステップS15)、所定時間後にGLf信号のピークレベルをデジタル値として読み込む(ステップS16)。   The CPU 101 generates a reset pulse B, drives the piezoelectric element 8 to vibrate the movable plate 3, and then reads the peak level of the GLf signal as a digital value after a predetermined time (step S16). If the current frequency Df is closer to the resonance frequency of the movable plate 3 than the previous time, the GLf value should be higher than the previous time (step S17, Yes), and therefore the steps go through steps S18, S19, and S20. In S21, the value of the register RF is updated to increase by dF, the frequency of the sine wave generated by the VCO 103 is increased by dF, the reset pulse B is output again (step S15), and after a predetermined time, the GLf signal The peak level is read as a digital value (step S16).

以上のように、VCO103で発生する正弦波の周波数をdF分ずつ段階的に上昇させながら、可動板3を励振し、その時のGLf信号ピークレベルと前回のGLf信号ピークレベルとの比較を行う。VCO103の生成する正弦波の周波数Dfと可動板3の共振周波数とが最も近くなった時にGLf信号のピークレベルは最高になり、次に周波数DFをdFだけ増加させるとGLf信号のピークレベルは前記レベルより下がる。すなわち、ステップS17の判定結果はNoとなり、共振周波数検出ルーチンから抜けて図28に示すメインルーチンに戻る。CPU101は、今回検出された共振周波数すなわちレジスタRFの値と目標周波数Foとの差の絶対値が閾値THより大きいときには(ステップS3,No)、レジスタRVの値をdVだけ増加させる更新を行い、更新後のレジスタRVの値を調整電圧印加回路121に設定する(ステップS4)。かくして、共振周波数調整用の電極10への印加電圧がdVだけ増加するため、その分だけ可動板3の共振周波数は上昇する。CPU101は再び共振周波数検出ルーチンを呼び出して共振周波数検出処理を再開する(ステップS2)。   As described above, the movable plate 3 is excited while gradually increasing the frequency of the sine wave generated by the VCO 103 by dF, and the GLf signal peak level at that time is compared with the previous GLf signal peak level. When the frequency Df of the sine wave generated by the VCO 103 and the resonance frequency of the movable plate 3 are closest, the peak level of the GLf signal becomes the highest. Next, when the frequency DF is increased by dF, the peak level of the GLf signal is Lower than level. That is, the determination result in step S17 is No, and the process returns from the resonance frequency detection routine to the main routine shown in FIG. When the absolute value of the difference between the resonance frequency detected this time, that is, the value of the register RF and the target frequency Fo is larger than the threshold value TH (step S3, No), the CPU 101 performs an update to increase the value of the register RV by dV, The updated value of the register RV is set in the adjustment voltage application circuit 121 (step S4). Thus, since the voltage applied to the resonance frequency adjusting electrode 10 increases by dV, the resonance frequency of the movable plate 3 increases accordingly. The CPU 101 calls the resonance frequency detection routine again to restart the resonance frequency detection process (step S2).

このように、電極10への印加電圧をdVずつ順次上げながら共振周波数を検出して目標周波数Foとのずれを調べ、共振周波数と目標周波数Foとの差の絶対値が閾値TH以下になったならば(ステップS3)、共振周波数は目標周波数Foに調整されたと判断し共振周波数調整処理を終了する。なお、図29のステップS20で、レジスタRCの値が最大繰り返し回数PNに達したと判定した場合には、共振周波数検出に失敗したと判断し共振周波数調整処理を中止する。   As described above, the resonance frequency is detected while sequentially increasing the voltage applied to the electrode 10 in increments of dV to check the deviation from the target frequency Fo, and the absolute value of the difference between the resonance frequency and the target frequency Fo is equal to or less than the threshold value TH. If so (step S3), it is determined that the resonance frequency has been adjusted to the target frequency Fo, and the resonance frequency adjustment processing is terminated. If it is determined in step S20 of FIG. 29 that the value of the register RC has reached the maximum number of repetitions PN, it is determined that the resonance frequency detection has failed, and the resonance frequency adjustment process is stopped.

次に、光走査装置の通常の駆動動作について説明する。CPU101は信号CをLレベルに設定し、目標周波数Foに対応した周波数データDfをデジタル/アナログ変換器102に出力することにより、目標周波数Foの正弦波をVCO103で発生させる。また、共振周波数調整処理の終了時におけるレジスタRVの値を調整電圧印加回路121に設定し、当該レジスタ値に対応した値の電圧を電極10に印加させることにより、可動板3の共振周波数をFoに調整する。信号CがLレベルであるため、パルス整形回路104により整形された周波数Foの矩形パルスがANDゲート108を通じて圧電素子駆動回路120に入力される。圧電素子駆動回路120は、入力する矩形パルスのHレベル期間に、対をなす一方の圧電素子8に正電圧を、もう一方の圧電素子8に負電圧を印加し、矩形パルスのLレベル期間に、それら圧電素子8に逆の極性の電圧を印加する。かくして、可動板3(ミラー部材)3は、トーションバネ4を捻り回転軸として、その共振周波数Foで往復振動する。圧電素子駆動回路120は、例えば、矩形パルスに応じて電源と圧電素子8との間をスイッチングするような回路構成とすることができる。   Next, a normal driving operation of the optical scanning device will be described. The CPU 101 sets the signal C to the L level and outputs frequency data Df corresponding to the target frequency Fo to the digital / analog converter 102, thereby generating a sine wave of the target frequency Fo in the VCO 103. Further, the value of the register RV at the end of the resonance frequency adjustment process is set in the adjustment voltage application circuit 121, and the voltage corresponding to the register value is applied to the electrode 10, whereby the resonance frequency of the movable plate 3 is changed to Fo. Adjust to. Since the signal C is at the L level, the rectangular pulse having the frequency Fo shaped by the pulse shaping circuit 104 is input to the piezoelectric element driving circuit 120 through the AND gate 108. The piezoelectric element driving circuit 120 applies a positive voltage to one of the paired piezoelectric elements 8 and a negative voltage to the other piezoelectric element 8 during the H level period of the input rectangular pulse, and during the L level period of the rectangular pulse. Then, a voltage having a reverse polarity is applied to the piezoelectric elements 8. Thus, the movable plate 3 (mirror member) 3 reciprocally vibrates at the resonance frequency Fo using the torsion spring 4 as a torsion rotating shaft. The piezoelectric element driving circuit 120 can be configured to switch between a power source and the piezoelectric element 8 in accordance with a rectangular pulse, for example.

なお、前記第2の実施形態のように、共振周波数調整のための電極10に加え電極22を設ける場合には、共振周波数調整時及び通常駆動時に、電極10と電極22のいずれを利用するかCPU101側で調整電圧印加回路121に指示する必要がある。   When the electrode 22 is provided in addition to the electrode 10 for adjusting the resonance frequency as in the second embodiment, which of the electrode 10 and the electrode 22 is used at the time of resonance frequency adjustment and normal driving? It is necessary to instruct the adjustment voltage application circuit 121 on the CPU 101 side.

[第7の実施形態]
前記第1の実施形態に関連して説明したように、電極9,10間に働くトルクTs1は、図6に示すように変位角が±θ1の近辺から飽和し、それを超えた変位角では静電バネ定数Ks1が減少する。±θ1を超える大きな変位角で可動板3を振動させる場合、変位角が±θ1を超えた範囲での静電バネ定数Ks1の減少を抑え、より広い変位角範囲で静電バネ定数Ks1を略一定に保つと好ましい。それを実現する方法として、変位角が±θ1を超えた期間に電極9,10間に印加する電圧を増加させるように制御することが考えられる。ここに述べる本発明の第7の実施形態は、そのような制御を可能にするものである。
[Seventh Embodiment]
As described in connection with the first embodiment, the torque Ts1 acting between the electrodes 9 and 10 is saturated from the vicinity of ± θ1 as shown in FIG. The electrostatic spring constant Ks1 decreases. When the movable plate 3 is vibrated with a large displacement angle exceeding ± θ1, the decrease of the electrostatic spring constant Ks1 in the range where the displacement angle exceeds ± θ1 is suppressed, and the electrostatic spring constant Ks1 is substantially reduced in a wider displacement angle range. It is preferable to keep it constant. As a method for realizing this, it is conceivable to perform control so as to increase the voltage applied between the electrodes 9 and 10 during a period in which the displacement angle exceeds ± θ1. The seventh embodiment of the present invention described here enables such control.

図31は、本実施形態に係る光走査装置の概略分解斜視図である。この光走査装置は、全体的構成は前記第1の実施形態のものと同様であるが、可動板3の変位角検出用の電極として、可動板3の各自由端に電極40が形成され、この電極40に対応させて基板2側に2個の電極41が形成されている。なお、電極40,41は櫛歯状としてもよい。基板2には、各電極41を電気的に分離するための分離溝42が形成され、また、各電極41のための電極パッド42が形成されている。基板1には、各電極パッド42に対応した透孔43が形成されている。これ以外の構成は前記第1の実施形態に係る光走査装置と同様であるが、基板1の一部の構造は図中省略されている。なお、静電バネ用の電極9,10は前記第3乃至5の実施形態のような形状もしくは配置としてもよく、かかる態様も本実施形態に包含される。   FIG. 31 is a schematic exploded perspective view of the optical scanning device according to the present embodiment. The overall configuration of this optical scanning device is the same as that of the first embodiment, but an electrode 40 is formed at each free end of the movable plate 3 as an electrode for detecting the displacement angle of the movable plate 3, Two electrodes 41 are formed on the substrate 2 side so as to correspond to the electrodes 40. The electrodes 40 and 41 may have a comb shape. In the substrate 2, separation grooves 42 for electrically separating the respective electrodes 41 are formed, and electrode pads 42 for the respective electrodes 41 are formed. The substrate 1 has through holes 43 corresponding to the electrode pads 42. Other configurations are the same as those of the optical scanning device according to the first embodiment, but a part of the structure of the substrate 1 is omitted in the drawing. The electrodes 9 and 10 for electrostatic springs may be shaped or arranged as in the third to fifth embodiments, and such an embodiment is also included in this embodiment.

図32は、可動板3の変位角と電極40,41との関係を模式的に示している。可動板3の振動により、一方の電極40,41が接近するときに、もう一方の電極40,41は遠ざかる位置関係にあることが分かる。したがって、一方の電極40,41間の静電容量と、もう一方の電極40,41間の静電容量とは相補的に増減する。   FIG. 32 schematically shows the relationship between the displacement angle of the movable plate 3 and the electrodes 40 and 41. It can be seen that the vibration of the movable plate 3 causes the other electrode 40, 41 to move away when the one electrode 40, 41 approaches. Therefore, the capacitance between one electrode 40 and 41 and the capacitance between the other electrode 40 and 41 increase or decrease in a complementary manner.

図33は、電極40,412を利用して可動板3の変位角を検出する回路の一例を示している。図中、C1は一方の電極40,41間の静電容量であり、C2はもう一方の電極40,41間の静電容量である。130は、高い周波数の微小交流電圧を各電極41(静電容量C1,C2の非接地端)に印加する電圧発生装置である。R1〜R6は抵抗であり、131は差動増幅器(オペアンプ)である。静電容量C1,C2に流れる電流の差が差動増幅器131によって増幅される。静電容量C1,C2は可動板3の変位角の変化によって相補的に増減するため、差動増幅器131の出力電圧信号のレベルは図34に示すように変位角θに略比例して変化する。   FIG. 33 shows an example of a circuit that detects the displacement angle of the movable plate 3 using the electrodes 40 and 412. In the figure, C1 is a capacitance between one electrode 40, 41, and C2 is a capacitance between the other electrode 40, 41. Reference numeral 130 denotes a voltage generator that applies a high-frequency minute alternating voltage to each electrode 41 (non-grounded ends of the capacitances C1 and C2). R1 to R6 are resistors, and 131 is a differential amplifier (op amp). The difference between the currents flowing through the capacitances C1 and C2 is amplified by the differential amplifier 131. Since the capacitances C1 and C2 increase and decrease in a complementary manner according to the change in the displacement angle of the movable plate 3, the level of the output voltage signal of the differential amplifier 131 changes substantially in proportion to the displacement angle θ as shown in FIG. .

したがって、差動増幅器131の出力電圧信号に基づいて変位角が±θ1を超えているか否かを判定し、この判定結果を電極10に電圧を印加するための回路(不図示)に与えることにより、この回路において、変位角が±θ1の範囲内にある期間に電極10へ電圧V1を印加するが、変位角が±θ1を超えた期間には、より高い電圧V2を印加するような制御を行うことができる。このような制御により、±θ1を超えた変位角での静電バネ定数Ks1の減少を抑制することができる。   Therefore, by determining whether or not the displacement angle exceeds ± θ1 based on the output voltage signal of the differential amplifier 131, the determination result is given to a circuit (not shown) for applying a voltage to the electrode 10. In this circuit, the voltage V1 is applied to the electrode 10 during a period in which the displacement angle is within the range of ± θ1, but control is performed such that a higher voltage V2 is applied during the period in which the displacement angle exceeds ± θ1. It can be carried out. By such control, it is possible to suppress a decrease in the electrostatic spring constant Ks1 at a displacement angle exceeding ± θ1.

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明に係る光走査装置の構造、寸法、材質、製造工程等は必要に応じて適宜変更し得ることは云うまでもない。また、本発明に係る光走査装置は、特許文献4に示したような光書込装置の光偏光器として好適であるが、それ以外の様々な用途にも好適に利用し得るものである。   Although the embodiments of the present invention have been described above, it is needless to say that the structure, dimensions, material, manufacturing process, and the like of the optical scanning device according to the present invention can be appropriately changed as necessary. The optical scanning device according to the present invention is suitable as an optical polarizer of an optical writing device as shown in Patent Document 4, but can be suitably used for various other applications.

本発明の第1の実施形態に係る光走査装置の概略分割斜視図である。1 is a schematic divided perspective view of an optical scanning device according to a first embodiment of the present invention. 連結部材に設けられる駆動用の圧電素子を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the piezoelectric element for a drive provided in a connection member. 図1のA−A’断面に対応した工程説明図である。It is process explanatory drawing corresponding to the A-A 'cross section of FIG. 図3−1に続く工程説明図である。It is process explanatory drawing following FIG. 3-1. 圧電素子による連結部材の変形の様子を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the mode of a deformation | transformation of the connection member by a piezoelectric element. 共振周波数調整用トルクTs1について説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the resonance frequency adjustment torque Ts1. 共振周波数調整用トルクTs1と変位角θとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between torque Ts1 for resonance frequency adjustment, and displacement angle (theta). 共振周波数調整用トルクTs1及びトーションバネによるトルクTmと変位角θとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between torque Tm by resonance frequency adjustment torque Ts1, the torsion spring, and displacement angle (theta). 本発明の第1の実施形態に係る光走査装置を表現する一自由度モデルを示す図である。It is a figure which shows the 1 degree-of-freedom model expressing the optical scanning device which concerns on the 1st Embodiment of this invention. 共振周波数調整用電圧と共振周波数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the voltage for resonance frequency adjustment, and resonance frequency. 本発明の第2の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the optical scanning device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 図10のA−A断面を拡大して示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which expands and shows the AA cross section of FIG. 図10のB−B断面を拡大して示す模式的断面図である。It is typical sectional drawing which expands and shows the BB cross section of FIG. 共振周波数調整用の第3の電極によるトルクTs2を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating torque Ts2 by the 3rd electrode for resonance frequency adjustment. 共振周波数調整用トルクTs1,Ts2及びトーションバネによるトルクTmと変位角θとの関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between torque Tm by resonance frequency adjustment torque Ts1, Ts2, and the torque Tm by a torsion spring, and displacement angle (theta). 本発明の第2の実施形態に係る光走査装置を表現する一自由度モデルを示す図である。It is a figure which shows the one-degree-of-freedom model expressing the optical scanning device which concerns on the 2nd Embodiment of this invention. 共振周波数調整用電圧と共振周波数との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the voltage for resonance frequency adjustment, and resonance frequency. 第1の基板の厚さと第2の基板の厚さとの大小関係と共振周波数調整用電極の作用との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the magnitude | size relationship of the thickness of a 1st board | substrate and the thickness of a 2nd board | substrate, and the effect | action of the electrode for resonance frequency adjustment. 第1の基板の厚さと第2の基板の厚さとの大小関係と共振周波数調整用電極の作用との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the magnitude | size relationship of the thickness of a 1st board | substrate and the thickness of a 2nd board | substrate, and the effect | action of the electrode for resonance frequency adjustment. 本発明の第3の実施形態に係る光走査装置の画略斜視図である。FIG. 6 is a schematic perspective view of an optical scanning device according to a third embodiment of the present invention. 共振周波数調整用電極の平面形状を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the planar shape of the electrode for resonance frequency adjustment. 可動板の振動時に発生するトーションバネに設けられた電極の共振振動を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the resonant vibration of the electrode provided in the torsion spring generated at the time of vibration of a movable plate. 可動板の振動時に発生する高次モード振動を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the higher mode vibration which generate | occur | produces at the time of the vibration of a movable plate. 高次モード振動によるトーションバネに設けられた電極の傾きを説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the inclination of the electrode provided in the torsion spring by higher mode vibration. 本発明の第4の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the optical scanning device which concerns on the 4th Embodiment of this invention. 本発明の第5の実施形態に係る光走査装置を説明するための模式的斜視図である。It is a typical perspective view for demonstrating the optical scanning device which concerns on the 5th Embodiment of this invention. 本発明の第6の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the optical scanning device which concerns on the 6th Embodiment of this invention. 光走査装置に対する共振周波数自動調整と通常駆動を行う回路系の一例を示すブロック図である。It is a block diagram which shows an example of the circuit system which performs resonance frequency automatic adjustment and normal drive with respect to an optical scanning device. 共振周波数自動調整動作の流れを示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the flow of resonance frequency automatic adjustment operation. 共振周波数検出処理ルーチンのフローチャートである。It is a flowchart of a resonance frequency detection processing routine. 光走査装置を励振時の振動周波数検出用電極間の静電容量の変化を示す図である。It is a figure which shows the change of the electrostatic capacitance between the electrodes for vibration frequency detection at the time of exciting an optical scanning device. 本発明の第7の実施形態に係る光走査装置の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the optical scanning device concerning a 7th embodiment of the present invention. 変位角検出用電極の作用説明のための模式図である。It is a schematic diagram for explanation of an operation of a displacement angle detection electrode. 変位角検出用電極間の静電容量から変位角を検出する回路の一例を示す回路図である。It is a circuit diagram which shows an example of the circuit which detects a displacement angle from the electrostatic capacitance between the electrodes for displacement angle detection. 図33に示す回路の出力電圧信号レベルと変位角との関係を示すグラフである。It is a graph which shows the relationship between the output voltage signal level of a circuit shown in FIG. 33, and a displacement angle. 共振周波数のばらつきを調べるために試作した静電駆動方式の光走査装置の概略斜視図である。FIG. 3 is a schematic perspective view of an electrostatic drive type optical scanning device that was experimentally manufactured for examining variations in resonance frequency. 測定した共振周波数のばらつきを示すグラフである。It is a graph which shows the dispersion | variation in the measured resonance frequency. 測定した振れ角周波数特性を示すグラフである。It is a graph which shows the measured deflection angular frequency characteristic.

符号の説明Explanation of symbols

1 第1の基板
2 第2の基板
3 可動板(ミラー部材)
4 トーションバネ
5 フレーム
7 連結部材(カンチレバー)
8 駆動用圧電素子
9,10,22 共振周波数調整用電極
30,31 振動周波数検出用電極
40,41 変位角検出用電極
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 1st board | substrate 2 2nd board | substrate 3 Movable plate (mirror member)
4 Torsion spring 5 Frame 7 Connecting member (cantilever)
8 Piezoelectric elements for driving 9, 10, 22 Resonance frequency adjusting electrodes 30, 31 Vibration frequency detecting electrodes 40, 41 Displacement angle detecting electrodes

Claims (8)

フレーム部材に一対のトーションバネにより支持されたミラー部材が前記トーションバネを捻り回転軸として往復振動する光走査装置であって、
前記各トーションバネは、その前記フレーム部材との結合端の近傍位置で一対の連結部材により前記フレーム部材と連結され、
前記各連結部材に、それを変形させることによって前記ミラー部材の駆動用トルクを生じさせるための圧電素子が設けられ、
前記ミラー部材の共振周波数調整用の静電バネとして作用させるために、櫛歯状の第1の電極が前記トーションバネに、前記第1の電極と噛み合う位置関係で、櫛歯状の第2の電極が前記フレーム部材にそれぞれ設けられ、
かつ、前記トーションバネの前記フレーム部材への固定端から前記ミラー部材との結合端までの長さをLとして、前記トーションバネの該固定端寄りの長さ2L/3の範囲内にのみ前記第1の電極と前記第2の電極が設けられていることを特徴とする光走査装置。
An optical scanning device in which a mirror member supported by a frame member by a pair of torsion springs reciprocally vibrates with the torsion spring as a torsional rotation shaft,
Each of the torsion springs is connected to the frame member by a pair of connecting members at a position near the coupling end with the frame member,
Each of the connecting members is provided with a piezoelectric element for generating a driving torque for the mirror member by deforming it.
In order to act as an electrostatic spring for adjusting the resonance frequency of the mirror member, the comb-shaped first electrode is in a positional relationship where the comb-shaped first electrode meshes with the first electrode. An electrode is provided on each of the frame members,
The length from the fixed end of the torsion spring to the frame member to the coupling end with the mirror member is L, and the length of the torsion spring is within the range of 2L / 3 near the fixed end. An optical scanning device comprising: one electrode and the second electrode.
フレーム部材に一対のトーションバネにより支持されたミラー部材が前記トーションバネを捻り回転軸として往復振動する光走査装置であって、An optical scanning device in which a mirror member supported by a frame member by a pair of torsion springs reciprocally vibrates with the torsion spring as a torsional rotation shaft,
前記各トーションバネは、その前記フレーム部材との結合端の近傍位置で一対の連結部材により前記フレーム部材と連結され、Each of the torsion springs is connected to the frame member by a pair of connecting members at a position near the coupling end with the frame member,
前記各連結部材に、それを変形させることによって前記ミラー部材の駆動用トルクを生じさせるための圧電素子が設けられ、Each of the connecting members is provided with a piezoelectric element for generating a driving torque for the mirror member by deforming it.
前記ミラー部材の共振周波数調整用の静電バネとして作用させるために、櫛歯状の第1の電極が前記トーションバネに、前記第1の電極と噛み合う位置関係で、櫛歯状の第2の電極が前記フレーム部材にそれぞれ設けられ、In order to act as an electrostatic spring for adjusting the resonance frequency of the mirror member, the comb-shaped first electrode is in a positional relationship where the comb-shaped first electrode meshes with the first electrode. An electrode is provided on each of the frame members,
かつ、前記第1の電極の長さは前記ミラー部材に近いものほど短く、前記第2の電極の長さは一定となっていることを特徴とする光走査装置。The length of the first electrode is shorter as it is closer to the mirror member, and the length of the second electrode is constant.
絶縁膜を介して第1と第2のシリコン基板が接合されたSOI基板の前記第1のシリコン基板に、前記フレーム部材、前記トーションバネ、前記ミラー部材、前記連結部材、前記第1の電極及び前記第2の電極が一体的に形成され、前記第2のシリコン基板に前記ミラー部材の振動空間が形成されたことを特徴とする請求項1又は2に記載の光走査装置。The frame member, the torsion spring, the mirror member, the connecting member, the first electrode, and the first silicon substrate of the SOI substrate in which the first and second silicon substrates are bonded via an insulating film 3. The optical scanning device according to claim 1, wherein the second electrode is integrally formed, and a vibration space of the mirror member is formed in the second silicon substrate. 前記第1の電極とともに前記ミラー部材の共振周波数調整用の静電バネとして作用させるための櫛歯状の第3の電極が、前記第2の電極よりその厚さ方向にずらして、前記第1の電極と噛み合う位置関係で設けられたことを特徴とする請求項1又は2に記載の光走査装置。A comb-like third electrode for acting as an electrostatic spring for adjusting the resonance frequency of the mirror member together with the first electrode is shifted in the thickness direction from the second electrode, and the first electrode The optical scanning device according to claim 1, wherein the optical scanning device is provided in a positional relationship to mesh with the electrode. 絶縁膜を介して第1と第2のシリコン基板が接合されたSOI基板の前記第1のシリコン基板に、前記フレーム部材、前記トーションバネ、前記ミラー部材、前記連結部材、前記第1の電極及び前記第2の電極が一体的に形成され、前記第2のシリコン基板に前記第3の電極及び前記ミラー部材の振動空間が一体的に形成されたことを特徴とする請求項4に記載の光走査装置。The frame member, the torsion spring, the mirror member, the connecting member, the first electrode, and the first silicon substrate of the SOI substrate in which the first and second silicon substrates are bonded via an insulating film 5. The light according to claim 4, wherein the second electrode is integrally formed, and the vibration space of the third electrode and the mirror member is integrally formed on the second silicon substrate. Scanning device. 前記第2の電極と前記第1の電極は同じ厚さを有することを特徴とする請求項4又は5に記載の光走査装置。The optical scanning device according to claim 4, wherein the second electrode and the first electrode have the same thickness. 前記ミラー部材の振動周波数検出用の電極が、前記ミラー部材の各自由端と前記フレーム部材の対応部位に形成されたことを特徴する請求項1乃至6のいずれか1項に記載の光走査装置。The optical scanning device according to claim 1, wherein an electrode for detecting a vibration frequency of the mirror member is formed at a corresponding portion of each free end of the mirror member and the frame member. . 前記ミラー基板の変位角検出用の電極が、前記ミラー部材の各自由端と前記第2のシリコン基板の対応部位に形成されることを特徴とする請求項3記載の光走査装置。4. The optical scanning device according to claim 3, wherein an electrode for detecting a displacement angle of the mirror substrate is formed at a corresponding portion of each free end of the mirror member and the second silicon substrate.
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