JP5103876B2 - Two-dimensional optical scanning device - Google Patents
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Description
本発明は、2次元的に光ビームの走査を行う2次元光走査装置に関する。 The present invention relates to a two-dimensional optical scanning device that scans a light beam two-dimensionally.
近年、光走査装置の小型化を目的として、MEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を利用した光走査装置が種々提案されている。
これに対して本願出願人は、3自由度捻り振動系を圧電バイモルフで加振することにより2個の振動モードを励振して、中央に配置されたミラーを2方向に捻り振動させ、2次元の光走査をするように構成した光走査装置を提案している(特許文献1参照)。
In recent years, various optical scanning devices using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology have been proposed for the purpose of downsizing the optical scanning device.
On the other hand, the applicant of the present application excites two vibration modes by exciting a three-degree-of-freedom torsional vibration system with a piezoelectric bimorph, and torsionally vibrates a mirror disposed in the center in two directions. An optical scanning device configured to perform the optical scanning is proposed (see Patent Document 1).
また、1次元光走査装置において、圧電バイモルフを加振および振動検出に利用するものを提案している(特許文献2参照)。
また、シリコンで形成したミラー部の両側に設けた櫛歯と、これに対向する固定側に配置した櫛歯との間に静電気力を発生させることでミラー部を加振したり、上記櫛歯間の静電容量の変化によりミラー部の角度を検出したりするものを提案している(特許文献3参照)。
Further, the mirror portion can be vibrated by generating an electrostatic force between the comb teeth provided on both sides of the mirror portion formed of silicon and the comb teeth disposed on the fixed side opposite to the comb teeth. The angle of a mirror part is detected by the change of the electrostatic capacity in between (refer patent document 3).
ところで、特許文献1に記載の技術では、3自由度捻り振動子を加振するために、圧電バイモルフアクチュエータと、捻り加振力を得るための変位拡大機構とを採用していた。しかし、圧電バイモルフアクチュエータに用いた圧電素子はセラミックであるために剛性が大きい。このため、変位拡大機構を用いても十分な変位量が得られず、低電圧で大きい振幅を得ることは難しかった。
By the way, in the technique described in
また、特許文献2に記載の技術では、圧電バイモルフを検出素子として利用して、梃子の原理でミラーの回転角度の変位を圧電素子の曲げ変位に変換している。しかし、圧電素子は剛性が大きいため変形しにくく、S/N比の良好な信号を得ることが難しかった。つまり、精度よくミラー部の角度変位を検出することが難しかった。
In the technique described in
また、特許文献3に記載の技術では、ミラーとミラー両側の櫛歯は一体で振動するため、ミラーの角度振幅が大きくなると、ミラー部側の櫛歯(以下、ミラー部櫛歯という)と固定側の櫛歯(以下、固定側櫛歯という)とが対向する期間は、周期運動のうちの一瞬でしかない。即ち、周期内の加振力を与えられる時間が短いため、大きい加振力を与えることができず、大きい走査角を得ることができなかった。また、走査角を大きくするために電圧を大きくしても、櫛歯間で放電してしまうため、印加電圧の大きさには限界があった。また、櫛歯間の容量検出においては、ミラー部側櫛歯と固定側櫛歯とが対向している間は静電容量が検出されるが、角度変位が大きくなりミラー部側櫛歯と固定側櫛歯とが対向しなくなると静電容量はゼロになってしまう。このため、周期運動中において、ミラー部櫛歯と固定側櫛歯とが対向する一瞬でしか静電容量を検出することができず、周期運動の全期間で精度よくミラー部の角度変位を検出することが難しかった。 In the technique disclosed in Patent Document 3, the mirror and the comb teeth on both sides of the mirror vibrate integrally. Therefore, when the angular amplitude of the mirror increases, the mirror side comb teeth (hereinafter referred to as the mirror portion comb teeth) are fixed. The period in which the side comb teeth (hereinafter referred to as “fixed side comb teeth”) face each other is only an instant of the periodic motion. That is, since the time during which the excitation force within the cycle is applied is short, a large excitation force cannot be applied and a large scanning angle cannot be obtained. Further, even if the voltage is increased to increase the scanning angle, discharge occurs between the comb teeth, and therefore there is a limit to the magnitude of the applied voltage. In the capacitance detection between the comb teeth, the capacitance is detected while the mirror side comb teeth and the fixed side comb teeth face each other, but the angular displacement becomes large and the mirror side comb teeth are fixed. When the side comb teeth do not face each other, the capacitance becomes zero. For this reason, during periodic movement, the capacitance can be detected only in the moment when the mirror comb teeth and the fixed comb teeth face each other, and the angular displacement of the mirror section can be detected accurately over the entire period of the periodic movement. It was difficult to do.
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、低電圧で大きい加振力を得ることができるとともに、精度よく角度変位を検出することができる2次元光走査装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of these problems, and an object of the present invention is to provide a two-dimensional optical scanning apparatus that can obtain a large excitation force at a low voltage and can accurately detect an angular displacement. To do.
上記目的を達成するためになされた請求項1に記載の2次元光走査装置は、光を反射させる反射面を有する板状の第3剛体部材と、前記第3剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第2剛体部材と、前記第2剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第1剛体部材と、前記第1剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第0剛体部材と、前記第3剛体部材と前記第2剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第3剛体部材の重心を通る第3中心軸を回転軸として、前記第3剛体部材を捩じり振動させる第3弾性変形部材と、前記第2剛体部材と前記第1剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第3剛体部材と前記第2剛体部材との重心を通る第2中心軸を回転軸として、前記第2剛体部材を捩じり振動させる第2弾性変形部材と、前記第1剛体部材と前記第0剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第3剛体部材と前記第2剛体部材と前記第1剛体部材との重心を通る第1中心軸を回転軸として、前記第1剛体部材を捩じり振動させる第1弾性変形部材とを備えて、前記第3剛体部材、前記第2剛体部材、前記第1剛体部材、前記第3弾性変形部材、前記第2弾性変形部材及び前記第1弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成し、更に、前記第0剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第0櫛歯状電極部と、前記第1剛体部材に設けられ、前記第0櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第1櫛歯状電極部とを有し、前記第0櫛歯状電極部に周期的な電気信号を入力することにより、前記3自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第1外力作用手段と、前記第0剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第2櫛歯状電極部と、前記第1剛体部材に設けられ、前記第2櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第3櫛歯状電極部とを有し、前記第2櫛歯状電極部と前記第3櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、前記第1剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する第1角度検出手段とを備え、前記第3剛体部材及び前記第2剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、前記第1剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、前記第1剛体部材の捩じり振動の振幅が、前記第1剛体部材の板厚に略等しくなるようにして、前記第1剛体部材の捩じり振動の1周期の間で、前記第0櫛歯状電極部と前記第1櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間が存在することがないように構成されることを特徴とする。
The two-dimensional optical scanning device according to
このように構成された請求項1に記載の2次元光走査装置では、第3剛体部材、第2剛体部材、第1剛体部材、第3弾性変形部材、第2弾性変形部材及び第1弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成する。
In the two-dimensional optical scanning device according to
このため、2次元光走査装置は、第0剛体部材を固定端として、第1中心軸,第2中心軸,第3中心軸に対しての捻り自由度を持つ3自由度捻り振動子になっている。
この3自由度捻り振動子は、理論上3つの振動モードを持つ。即ち、3つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる(これは振動モードと呼ばれる)。以下、これら3つの振動モードをそれぞれ、振動モード1、振動モード2、振動モード3という。
Therefore, the two-dimensional optical scanning device is a three-degree-of-freedom torsional vibrator having a zero-th rigid member as a fixed end and a degree of freedom in twisting with respect to the first central axis, the second central axis, and the third central axis. ing.
This three-degree-of-freedom torsional vibrator has theoretically three vibration modes. That is, the three vibration modes have different resonance frequencies, and the ratio of the angular amplitude of the torsional vibration of each frame to each resonance frequency is different (this is called a vibration mode). Hereinafter, these three vibration modes are referred to as
そして第1外力作用手段は、第0櫛歯状電極部に周期的な電気信号を入力することにより、第0櫛歯状電極部と第1櫛歯状電極部との間に静電気力が発生させ、3自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。 The first external force acting means generates an electrostatic force between the 0th comb-shaped electrode portion and the first comb-shaped electrode portion by inputting a periodic electrical signal to the 0th comb-shaped electrode portion. And a periodic external force specific to the three-degree-of-freedom coupled vibration system is applied.
また第1角度検出手段は、第0剛体部材に設けられた第2櫛歯状電極部と、第1剛体部材に設けられた第3櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、第1剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する。 Further, the first angle detection means is adapted to detect a change in capacitance between the second comb-shaped electrode portion provided on the 0th rigid member and the third comb-shaped electrode portion provided on the first rigid member. Based on this, the amplitude angle of the torsional vibration of the first rigid member is detected.
そして、第1外力作用手段により、振動モード1、振動モード2、振動モード3の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
Then, if a periodic excitation force having a frequency corresponding to each of
ここで、例えば、
振動モード1の共振周波数f1を1000Hz、
振動モード2の共振周波数f2を5000Hz、
振動モード3の共振周波数f3を40000Hz、
振動モード1における第1剛体部材、第2剛体部材、第3剛体部材の振幅比r1を「1:−20:0.5」、
振動モード2における第1剛体部材、第2剛体部材、第3剛体部材の振幅比r2を「1:0.01:−50」、
振動モード3における第1剛体部材、第2剛体部材、第3剛体部材の振幅比r3を「1:0.02:−0.03」、
として設計した場合の、3自由度捻り振動子の動作を説明する。
Here, for example,
The resonance frequency f1 of
The resonance frequency f2 of
The resonance frequency f3 of vibration mode 3 is 40000 Hz,
The amplitude ratio r1 of the first rigid member, the second rigid member, and the third rigid member in the
The amplitude ratio r2 of the first rigid member, the second rigid member, and the third rigid member in the
The amplitude ratio r3 of the first rigid member, the second rigid member, and the third rigid member in the vibration mode 3 is “1: 0.02: −0.03”,
The operation of the three-degree-of-freedom torsional vibrator will be described.
尚、各振動モードにおける振幅比は、左から第1剛体部材、第2剛体部材、第3剛体部材の順で記述している。例えば、上記の振幅比r1は、第1剛体部材の振幅が「1」とすると、第2剛体部材の振幅が「−20」、第3剛体部材の振幅が「0.5」となることを示す。 The amplitude ratio in each vibration mode is described from the left in the order of the first rigid member, the second rigid member, and the third rigid member. For example, when the amplitude of the first rigid member is “1”, the amplitude ratio r1 indicates that the amplitude of the second rigid member is “−20” and the amplitude of the third rigid member is “0.5”. Show.
また、3自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各剛体部材間の位相角は0度または180度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が0度の場合は符号を「+」、180度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比r1は、第1剛体部材と第3剛体部材との位相角の差が0度となり、第1剛体部材と第2剛体部材との位相角の差が180度となることを示す。 Further, in the resonance state of the 3-DOF torsional vibrator, the phase angle between the rigid members is theoretically 0 degree or 180 degrees. Therefore, when describing the amplitude ratio, the sign is “+” when the phase angle difference is 0 degree, and the sign is “−” when the difference is 180 degrees. For example, in the amplitude ratio r1, the phase angle difference between the first rigid member and the third rigid member is 0 degree, and the phase angle difference between the first rigid member and the second rigid member is 180 degrees. Indicates.
そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード1では、主に第2剛体部材と、第2剛体部材に繋がった第3剛体部材とが1000Hzで大きく捻り振動する。また、振動モード2では、主に第3剛体部材が5000Hzで大きく捻り振動する。
When the resonance frequency and amplitude ratio of each vibration mode are designed as described above, in
このため、第3剛体部材の反射面でレーザ光を反射させるとともに、振動モード1と振動モード2とを同時に励振させることにより、振動モード2を主走査方向(5000Hz)、振動モード1を副走査方向(1000Hz)として、2次元的にレーザ光を走査することができる。
For this reason, the laser beam is reflected by the reflecting surface of the third rigid member, and the
そして、本発明の2次元光走査装置は3自由度連成振動系を構成しているため、第3剛体部材及び第2剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、第1剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなるように構成されている。 Since the two-dimensional optical scanning device of the present invention constitutes a three-degree-of-freedom coupled vibration system, the angle of the torsional vibration amplitude of the third rigid member and the second rigid member is the same as that of the first rigid member. It is configured to be sufficiently large with respect to the angle of the amplitude of torsional vibration.
例えば、振動モード1における上記の振幅比r1は「1:−20:0.5」である。即ち、第1剛体部材の振幅を「1」とすると第2剛体部材の振幅は「20」であり、第2剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、第1剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
For example, the amplitude ratio r1 in the
また、振動モード2における上記の振幅比r2は「1:0.01:−50」である。即ち、第1剛体部材の振幅を「1」とすると第3剛体部材の振幅は「50」であり、第3剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、第1剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
The amplitude ratio r2 in the
更に、第1剛体部材の捩じり振動の振幅が、第1剛体部材の板厚に略等しくなるように構成されている。
このため、第1剛体部材の捩じり振動の1周期の間で、第0櫛歯状電極部と第1櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間が存在することがなく、第0櫛歯状電極部と第1櫛歯状電極部との間で静電気力が常に作用する。
Furthermore, the amplitude of the torsional vibration of the first rigid member is configured to be substantially equal to the plate thickness of the first rigid member.
For this reason, there is no period in which the 0th comb-shaped electrode portion and the first comb-shaped electrode portion do not face each other during one period of torsional vibration of the first rigid body member, and the 0th comb An electrostatic force always acts between the tooth-like electrode part and the first comb-like electrode part.
一方、第1剛体部材の捩じり振動の振幅が、第1剛体部材の板厚より大きい場合には、第1剛体部材の捩じり振動の1周期で、第0櫛歯状電極部と第1櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間があり、この期間には、第0櫛歯状電極部と第1櫛歯状電極部との間で静電気力が作用しない。 On the other hand, when the amplitude of the torsional vibration of the first rigid body member is larger than the plate thickness of the first rigid body member, the 0th comb-like electrode portion and the first torsional vibration of the first rigid body member There is a period in which the first comb-shaped electrode part does not face the electrode, and no electrostatic force acts between the 0th comb-shaped electrode part and the first comb-shaped electrode part during this period.
つまり、第1剛体部材の振幅が第1剛体部材の板厚以下である場合には、捻り振動の1周期の全区間で加振力が作用するが、それより振幅が大きくなると加振力が作用する区間が狭くなる。即ち、第1剛体部材の振幅が第1剛体部材の板厚より大きくなると、加振力が作用しない区間においても、第0櫛歯状電極部に電気信号を入力することになる。このため、無駄に電力を消費することになり、低電圧で大きい加振力を得ることができなくなる。 That is, when the amplitude of the first rigid member is equal to or less than the plate thickness of the first rigid member, the excitation force acts in all sections of one cycle of torsional vibration, but when the amplitude becomes larger than that, the excitation force is increased. The acting section is narrowed. That is, when the amplitude of the first rigid member becomes larger than the plate thickness of the first rigid member, an electric signal is input to the 0th comb-like electrode portion even in a section where no excitation force is applied. For this reason, power is consumed wastefully, and a large excitation force cannot be obtained at a low voltage.
また、第1剛体部材の振幅が第1剛体部材の板厚より小さくなるほど、0櫛歯状電極部と第1櫛歯状電極部とが対向する面積の変化が小さくなる。これにより、第0櫛歯状電極部と第1櫛歯状電極部との間で作用する静電気力の変化量が小さくなり、大きい加振力を得ることができなくなる。 Further, as the amplitude of the first rigid member becomes smaller than the plate thickness of the first rigid member, the change in the area where the 0 comb-shaped electrode portion and the first comb-shaped electrode portion face each other becomes smaller. As a result, the amount of change in the electrostatic force acting between the 0th comb-shaped electrode portion and the first comb-shaped electrode portion is reduced, and a large excitation force cannot be obtained.
従って、第1剛体部材の振幅が第1剛体部材の板厚にほぼ等しい場合、静電気力の変化量は最大であり、かつ、加振力の作用する区間が最大となる。つまり、第1剛体部材の捩じり振動の振幅が第1剛体部材の板厚にほぼ等しくなるようにすることによって、低電圧で大きい加振力を得ることができる。 Therefore, when the amplitude of the first rigid member is substantially equal to the plate thickness of the first rigid member, the amount of change in the electrostatic force is maximum, and the section in which the excitation force acts is maximum. That is, by making the torsional vibration amplitude of the first rigid member approximately equal to the plate thickness of the first rigid member, a large excitation force can be obtained at a low voltage.
また、第1剛体部材の捩じり振動の振幅が第1剛体部材の板厚に略等しいことにより、第1剛体部材の捩じり振動の1周期の間に第2櫛歯状電極部と第3櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間が存在するということがなく、第2櫛歯状電極部と第3櫛歯状電極部との間の静電容量は、第1剛体部材の角度に対して、1対1の関係で変化する。このため、高精度の角度信号が得られ、第1角度検出手段は、第1剛体部材の角度変位を精度よく検出することができる。尚、上述したように、3自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各剛体部材間の位相角は0度または180度となる。このため、第1剛体部材の角度変位を検出することより、第2剛体部材及び第3剛体部材の角度変位を検出することができる。 In addition, since the amplitude of the torsional vibration of the first rigid member is substantially equal to the plate thickness of the first rigid member, the second comb-like electrode portion and the first rigid body member during one cycle of the torsional vibration of the first rigid member. There is no period in which the third comb-shaped electrode portion does not face the third comb-shaped electrode portion, and the capacitance between the second comb-shaped electrode portion and the third comb-shaped electrode portion is the same as that of the first rigid member. It changes in a one-to-one relationship with respect to the angle. For this reason, a highly accurate angle signal is obtained, and the first angle detection means can accurately detect the angular displacement of the first rigid member. As described above, in the resonance state of the three-degree-of-freedom torsional vibrator, the phase angle between the rigid members is theoretically 0 degree or 180 degrees. For this reason, the angular displacement of the second rigid member and the third rigid member can be detected by detecting the angular displacement of the first rigid member.
次に、請求項2に記載の2次元光走査装置は、光を反射させる反射面を有する第8剛体部材と、前記第8剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第7剛体部材と、前記第7剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第6剛体部材と、前記第6剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第5剛体部材と、前記第5剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第4剛体部材と、前記第8剛体部材と前記第7剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第8剛体部材の重心を通る第8中心軸を回転軸として、前記第8剛体部材を捩じり振動させる第8弾性変形部材と、前記第7剛体部材と前記第6剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第8剛体部材と前記第7剛体部材の重心を通る第7中心軸を回転軸として、前記第7剛体部材を捩じり振動させる第7弾性変形部材と、前記第6剛体部材と前記第5剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第8剛体部材と前記第7剛体部材と前記第6剛体部材の重心を通る第6中心軸を回転軸として、前記第6剛体部材を捩じり振動させる第6弾性変形部材と、前記第5剛体部材と前記第4剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第8剛体部材と前記第7剛体部材と前記第6剛体部材と前記第5剛体部材の重心を通る第5中心軸を回転軸として、前記第5剛体部材を捩じり振動させる第5弾性変形部材とを備えて、前記第8剛体部材、前記第7剛体部材、前記第6剛体部材、前記第5剛体部材、前記第8弾性変形部材、前記第7弾性変形部材、前記第6弾性変形部材及び前記第5弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する4自由度連成振動系を構成し、更に、前記第4剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第4櫛歯状電極部と、前記第5剛体部材に設けられ、前記第4櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第5櫛歯状電極部とを有し、前記4自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第2外力作用手段と、前記第4剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第6櫛歯状電極部と、前記第5剛体部材に設けられ、前記第4櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第7櫛歯状電極部とを有し、前記第6櫛歯状電極部と前記第7櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、前記第5剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する第2角度検出手段とを備え、前記第6剛体部材、前記第7剛体部材及び前記第8剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、前記第5剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して大きく、前記第5剛体部材の捩じり振動の振幅が、前記第5剛体部材の板厚に略等しくなるようにして、前記第5剛体部材の捩じり振動の1周期の間で、前記第4櫛歯状電極部と前記第5櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間が存在することがないように構成されることを特徴とする。
Next, the two-dimensional optical scanning device according to
このように構成された請求項2に記載の2次元光走査装置では、第8剛体部材、第7剛体部材、第6剛体部材、第5剛体部材、第8弾性変形部材、第7弾性変形部材、第6弾性変形部材及び第5弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する4自由度連成振動系を構成する。
In the two-dimensional optical scanning device according to
このため、2次元光走査装置は、第4剛体部材を固定端として、第5中心軸,第6中心軸,第7中心軸,第8中心軸に対しての捻り自由度を持つ4自由度捻り振動子になっている。 For this reason, the two-dimensional optical scanning device has four degrees of freedom having a degree of freedom of twisting with respect to the fifth central axis, the sixth central axis, the seventh central axis, and the eighth central axis with the fourth rigid member as a fixed end. It is a torsional vibrator.
そして第2外力作用手段は、第4櫛歯状電極部に周期的な電気信号を入力することにより、第4櫛歯状電極部と第5櫛歯状電極部との間に静電気力が発生させ、4自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。これにより、4自由度捻り振動子を共振状態にできる。 Then, the second external force acting means generates an electrostatic force between the fourth comb-shaped electrode portion and the fifth comb-shaped electrode portion by inputting a periodic electric signal to the fourth comb-shaped electrode portion. And a periodic external force specific to the four-degree-of-freedom coupled vibration system is applied. As a result, the four-degree-of-freedom twisted vibrator can be brought into a resonance state.
また第2角度検出手段は、第4剛体部材に設けられた第6櫛歯状電極部と、第5剛体部材に設けられた第7櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、第5剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する。 In addition, the second angle detection means is adapted to change the electrostatic capacitance between the sixth comb-shaped electrode portion provided on the fourth rigid member and the seventh comb-shaped electrode portion provided on the fifth rigid member. Based on this, the amplitude angle of the torsional vibration of the fifth rigid member is detected.
また、本発明の2次元光走査装置は4自由度連成振動系を構成しているため、第6剛体部材、第7剛体部材及び第8剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、第5剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなるように構成されている。 Further, since the two-dimensional optical scanning device of the present invention constitutes a 4-degree-of-freedom coupled vibration system, the angle of the torsional vibration amplitude of the sixth rigid member, the seventh rigid member, and the eighth rigid member is The fifth rigid member is configured to be sufficiently large with respect to the angle of the amplitude of torsional vibration.
更に、第5剛体部材の捩じり振動の振幅が、第5剛体部材の板厚に略等しくなるように構成されている。このため、請求項1に記載の2次元光走査装置と同様に、低電圧で大きい加振力を得ることができるとともに、第5剛体部材の角度変位を精度よく検出することができる。 Furthermore, the amplitude of the torsional vibration of the fifth rigid member is configured to be approximately equal to the plate thickness of the fifth rigid member. Therefore, similarly to the two-dimensional optical scanning device according to the first aspect, a large excitation force can be obtained with a low voltage, and the angular displacement of the fifth rigid member can be accurately detected.
(第1実施形態)
以下に本発明の第1実施形態について図面をもとに説明する。
図1は、本発明が適用された第1実施形態の2次元光走査装置100の構成を示す平面図、図2(a)は図1における領域R1の拡大図、図2(b)は図1における領域R2の拡大図、図3は2次元光走査装置100の断面の構造を説明する図である。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 1 is a plan view showing a configuration of a two-dimensional
2次元光走査装置100は、SOI(Silicon On Insulator)ウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものである。SOIウエハは、図3に示すように、3層構造となっており、本実施形態では、厚さ50umのSOI層11と、厚さ1umのシリコン酸化膜層12と、厚さ400umのベースシリコン層13とからなる。
The two-dimensional
2次元光走査装置100は、図1に示すように、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成された円形状の第3フレーム104と、SOI層表面からシリコン酸化膜層までトレンチエッチングを行うことで形成された溝(以下、トレンチ溝という)103a及びトレンチ溝103bによって第3フレーム104に対して所定の隙間を介して設けられた八角形状の第2フレーム103と、トレンチ溝102a及びトレンチ溝102bによって第2フレーム103に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第1フレーム102と、トレンチ溝101aによって第1フレーム102に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第0フレーム101とを備える。
As shown in FIG. 1, the two-dimensional
また、第3フレーム104、第2フレーム103、及び第1フレーム102が形成されている領域には、裏面からベースシリコン層13とシリコン酸化膜層12とをエッチング除去することで形成された凹部108が形成されている(図1及び図3参照)。即ち、第3フレーム104、第2フレーム103、及び第1フレーム102は、SOI層11で構成されている。
Further, in the region where the
更に、第3フレーム104と第2フレーム103との間は、トレンチ溝103a及びトレンチ溝103bによって第2フレーム103に対して所定の隙間を介して設けられたSOI層107(以下、第3捻りバネ107という)により、互いに対向する2箇所で連結されている。これら2つの第3捻りバネ107は、第3フレーム104の重心を通る中心軸k上に設けられている。これにより、第3フレーム104は、中心軸kを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
Further, an SOI layer 107 (hereinafter referred to as a third torsion spring) provided between the
同様に、第2フレーム103と第1フレーム102との間は、トレンチ溝102a及びトレンチ溝102bによって第1フレーム102に対して所定の隙間を介して設けられたSOI層106(以下、第2捻りバネ106という)により、互いに対向する2箇所で連結されている。これら2つの第2捻りバネ106は、第3フレーム104と第2フレーム103との重心を通る中心軸j上に設けられている。これにより、第1フレーム102は、中心軸jを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
Similarly, an SOI layer 106 (hereinafter referred to as a second twist) provided between the
また、第1フレーム102と第0フレーム101との間は、トレンチ溝101aによって第0フレーム101に対して所定の隙間を介して設けられたSOI層105(以下、第1捻りバネ105という)により、互いに対向する2箇所で連結されている。これら2つの第1捻りバネ105は、第3フレーム104と第2フレーム103と第1フレーム102との重心を通る中心軸i上に設けられている。これにより、第1フレーム102は、中心軸iを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
Further, an SOI layer 105 (hereinafter referred to as a first torsion spring 105) provided between the
尚、第0フレーム101には、第1フレーム102と連結されていない側の第1捻りバネ105の端部105aが連結される連結部113が形成されている。この連結部113は、トレンチ溝101aによって、第0フレーム101のその他の領域と電気的に絶縁されたSOI層により構成されている。
The
従って、連結部113と第1フレーム102とは第1捻りバネ105を介して電気的に接続されている。同様に、第1フレーム102と第2フレーム103とは第2捻りバネ106を介して、第2フレーム103と第3フレーム104とは第3捻りバネ107を介して電気的に接続されている。
Accordingly, the connecting
また、第1捻りバネ105、第2捻りバネ106、及び第3捻りバネ107は、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生するように構成されている。
In addition, the
従って、第0フレーム101が固定されることにより、第3フレーム104、第2フレーム103、及び第1フレーム102は3自由度構造を構成する。
以下、第1フレーム102、第2フレーム103、第3フレーム104、第1捻りバネ105、第2捻りバネ106、第3捻りバネ107、及び連結部113をまとめて振動子領域114という。
Therefore, by fixing the
Hereinafter, the
また、第1フレーム102の左側端縁102c及び右側端縁102dには、図2(a),(b)に示すように、櫛歯状に形成された櫛歯部112(図2(a)参照)及び櫛歯部110(図2(b)参照)が設けられている。そして、第0フレーム101には、第1フレーム102の櫛歯部112及び櫛歯部110と対向する位置にそれぞれ、櫛歯部112と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部111(図2(a)参照)、及び櫛歯部110と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部109(図2(b)参照)が設けられている。
Further, on the
以下、櫛歯部110及び櫛歯部112をまとめて可動側櫛歯部、櫛歯部109及び櫛歯部111をまとめて固定側櫛歯部ともいう。
また、連結部113には端子部115が設けられる。この端子部115は、連結部113のSOI層上に形成されたシリコン酸化膜(図3中のシリコン酸化膜21を参照)をエッチング処理により除去してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内にアルミ薄膜を堆積することにより形成される(図3中のアルミ薄膜22を参照)。この端子部115を介して電圧を印加することにより、振動子領域114のSOI層全体を等電位にすることができる。
Hereinafter, the
In addition, the connecting
また、トレンチ溝116によって分離形成された領域117のSOI層上にはシリコン酸化膜が形成されており、このシリコン酸化膜上に、櫛歯部109の表面上まで覆ってアルミ薄膜118が形成されている(図3中のアルミ薄膜23を参照)。このアルミ薄膜118に電圧を印加することで、櫛歯部109の表面に電圧を印加することができる。また、領域117には端子部119が設けられている。これにより、端子部119を介して電圧を印加することにより、櫛歯部109のSOI層にも電圧を印加することができる。そして、この領域117に、周期的な電圧を印加することにより、振動子領域114に加振力を印加することができる。
Further, a silicon oxide film is formed on the SOI layer in the
なお、ここでは、端子部とは、SOI層上に形成されたシリコン酸化膜(図3中のシリコン酸化膜21を参照)をエッチング処理により除去してコンタクトホールを形成し、このコンタクトホール内にアルミ薄膜を堆積することにより形成されるものを指すものとする(図3中のアルミ薄膜22を参照)。
Here, the term “terminal portion” refers to a contact hole formed by removing a silicon oxide film (see the
また、トレンチ溝120によって分離形成された領域121のSOI層上にはシリコン酸化膜(図3中のシリコン酸化膜21を参照)が形成されており、このシリコン酸化膜上に、櫛歯部111の表面上まで覆ってアルミ薄膜122が形成されている(図3中のアルミ薄膜23を参照)。このアルミ薄膜122を電極として、櫛歯部111と櫛歯部112との間の静電容量を検出することができる。また、領域121には端子部123が設けられており、端子部123を電極として、櫛歯部111のSOI層と櫛歯部112との間の静電容量を検出することができる。
Further, a silicon oxide film (see the
また、トレンチ溝124によって分離形成された領域125は、領域117と領域121とを電気的に隔てるために設けられている。尚、領域125の略全面には端子部が設けられており、この端子部を接地することにより、領域125のSOI層を接地電位に保持することができる。
In addition, the
次に、2次元光走査装置100の動作原理を説明する。
2次元光走査装置100は、第0フレーム101を固定端として、中心軸i,j,kに対しての捻り自由度を持つ3自由度捻り振動子になっている。
Next, the operation principle of the two-dimensional
The two-dimensional
3自由度捻り振動子は、理論上3つの振動モードを持つ。即ち、3つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる(これは振動モードと呼ばれる)。以下、これら3つの振動モードをそれぞれ、振動モード1、振動モード2、振動モード3という。
A three-degree-of-freedom torsional vibrator theoretically has three vibration modes. That is, the three vibration modes have different resonance frequencies, and the ratio of the angular amplitude of the torsional vibration of each frame to each resonance frequency is different (this is called a vibration mode). Hereinafter, these three vibration modes are referred to as
尚、櫛歯部109に電圧を印加すると、櫛歯部110との間に静電気力が発生する。また、第1フレーム102が1周期振動する間に櫛歯部110は櫛歯部109に2回最接近する。このため、共振周波数の2倍に近い周期的静電気力が加われば、3自由度捻り振動子を共振状態にできる(以下、共振状態にするための加振力を周期的加振力という)。また、櫛歯部110が櫛歯部109に最接近する毎に、周期的加振力を作用させることができる。
When a voltage is applied to the
そして、振動モード1、振動モード2、振動モード3の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
If a periodic excitation force having a frequency corresponding to each of
ここで、例えば、
振動モード1の共振周波数f1を1000Hz、
振動モード2の共振周波数f2を5000Hz、
振動モード3の共振周波数f3を40000Hz、
振動モード1における第1フレーム102、第2フレーム103、第3フレーム104の振幅比r1を「1:−20:0.5」、
振動モード2における第1フレーム102、第2フレーム103、第3フレーム104の振幅比r2を「1:0.01:−50」、
振動モード3における第1フレーム102、第2フレーム103、第3フレーム104の振幅比r3を「1:0.02:−0.03」、
として設計した場合の、3自由度捻り振動子の動作を説明する。
Here, for example,
The resonance frequency f1 of
The resonance frequency f2 of
The resonance frequency f3 of vibration mode 3 is 40000 Hz,
The amplitude ratio r1 of the
The amplitude ratio r2 of the
The amplitude ratio r3 of the
The operation of the three-degree-of-freedom torsional vibrator will be described.
尚、各振動モードにおける振幅比は、左から第1フレーム102、第2フレーム103、第3フレーム104の順で記述している。例えば、上記の振幅比r1は、第1フレーム102の振幅が「1」とすると、第2フレーム103の振幅が「−20」、第3フレーム104の振幅が「0.5」となることを示す。
The amplitude ratio in each vibration mode is described in the order of the
また、3自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は0度または180度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が0度の場合は符号を「+」、180度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比r1は、第1フレーム102と第3フレーム104との位相角の差が0度となり、第1フレーム102と第2フレーム103との位相角の差が180度となることを示す。
In the resonance state of the three-degree-of-freedom torsional vibrator, the phase angle between the frames is theoretically 0 degree or 180 degrees. Therefore, when describing the amplitude ratio, the sign is “+” when the phase angle difference is 0 degree, and the sign is “−” when the difference is 180 degrees. For example, in the amplitude ratio r1, the phase angle difference between the
そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード1では、主に第2フレーム103と、第2フレーム103に繋がった第3フレーム104とが1000Hzで大きく捻り振動する。また、振動モード2では、主に第3フレーム104が5000Hzで大きく捻り振動する。
When the resonance frequency and amplitude ratio of each vibration mode are designed as described above, in the
このため、第3フレーム104の鏡面部分でレーザ光を反射させるとともに、振動モード1と振動モード2とを同時に励振させることにより、振動モード2を主走査方向(5000Hz)、振動モード1を副走査方向(1000Hz)として、2次元的にレーザ光を走査することができる。
For this reason, the laser beam is reflected by the mirror surface portion of the
尚、各振動モードの共振周波数と振幅比は、3自由度捻り振動子の運動方程式を導出して、固有値と固有ベクトルを計算することにより求めることができる。固有値が共振周波数に相当し、各固有値に対する固有ベクトルが振幅比に相当する。所望の固有値と固有ベクトルが得られるように、各フレームの慣性モーメントと各捻りバネのバネ定数を設計すればよい。 The resonance frequency and amplitude ratio of each vibration mode can be obtained by deriving the equation of motion of the three-degree-of-freedom torsional vibrator and calculating the eigenvalue and eigenvector. The eigenvalue corresponds to the resonance frequency, and the eigenvector for each eigenvalue corresponds to the amplitude ratio. What is necessary is just to design the inertia moment of each frame and the spring constant of each torsion spring so that a desired eigenvalue and eigenvector can be obtained.
そして、2次元光走査装置100では、第3フレーム104及び第2フレーム103の捩じり振動の振幅の角度が、第1フレーム102の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、第1フレーム102の捩じり振動の振幅が、第1フレーム102の板厚に略等しくなるように設計されている。
In the two-dimensional
次に、2次元光走査装置100を駆動する駆動回路200の構成を図4をもとに説明する。図4は、駆動回路200の構成を示すブロック図である。
駆動回路200は、図4に示すように、レーザ光を発生するレーザ光発生部201と、2次元光走査装置100を振動させるための電気信号を発生させる信号発生部202と、2次元光走査装置100の振動振幅を検出する振幅検出部203と、振幅検出部203により検出された振幅に基づいてレーザ光発生部201及び信号発生部202を制御する制御回路204とから構成される。
Next, the configuration of the
As shown in FIG. 4, the
これらのうちレーザ光発生部201は、レーザ光の発光源となる半導体レーザ211を、制御回路204からの指示に基づいて半導体レーザ211に駆動信号を伝えるレーザ駆動回路212とから構成される。
Among these, the laser
また信号発生部202は、振動モード1を励振する周波数の電気信号(以下、モード1励振信号RS1という)及び振動モード2を励振する周波数の電気信号(以下、モード2励振信号RS2という)を発生する信号発生器221と、信号発生器221から入力される2つの周波数の電気信号(モード1励振信号RS1及びモード2励振信号RS2)を加算する加算器222と、加算器222により加算された電気信号を増幅して2次元光走査装置100へ出力する増幅器223と、増幅器223により増幅された電気信号の電流値が過大になった場合にこの電気信号が2次元光走査装置100に入力するのを遮断する過大電流遮断回路224とから構成される。
The
尚、過大電流遮断回路224は、櫛歯部109,110,111,112の破損を防止するために設けられている。即ち、櫛歯部同士は数ミクロンというきわめて小さい空隙で対向しているため、過大な電流が流入するとスパークが発生し局所的な発熱で破壊する危険性がある。また、操作上の手違い、電波ノイズ、雷等で急激な電位差が発生するとそのような事故の可能性がある。そして、スパークが発生する直前には弱いグロー放電が発生し、定常値より異常に大きい電流が櫛歯間で発生する。そこで、異常電流が検出されたら直ちに回路を遮断することにより、櫛歯部の破損を未然に防止する。
The excessive
このように構成された信号発生部202によって、振動モード1及び振動モード2の周波数が重畳された加振力(図5(a)参照)が第1フレーム102に与えられる。以下、振動モード1の周波数を振動モード周波数f1、振動モード2の周波数を振動モード周波数f2という。
The
これにより、図5(b)に示すように、第1フレーム102が振動モード周波数f2で加振され(振動波形SD1参照)、第2フレーム103が振動モード周波数f1で振動する(振動波形SD2参照)ともに、第3フレーム104が振動モード周波数f2で振動する(振動波形SD3参照)。
As a result, as shown in FIG. 5B, the
また振幅検出部203は、櫛歯部間の静電容量変化を電圧信号に変換するCV変換回路231と、CV変換回路により変換された電圧信号(図5(c)参照)を振動モード周波数f1の電気信号(図6(a)参照。以下、モード1検出信号MK1という)と振動モード周波数f2の電気信号(図6(b)参照。以下、モード2検出信号MK2という)とに分離する周波数分離フィルタ232と、モード1検出信号MK1の振動振幅に比例した直流電圧に変換し信号発生器221へ出力する整流回路233と、モード2検出信号MK2の振動振幅に比例した直流電圧に変換し信号発生器221へ出力する整流回路234と、モード1検出信号MK1とモード2検出信号MK2との位相差を測定してこの位相差を示す位相差信号を信号発生器221へ出力する位相差測定回路235と、モード1検出信号MK1をパルス信号に変換し制御回路204へ出力する2値化回路236と、モード2検出信号MK2をパルス信号に変換し制御回路204へ出力する2値化回路237とから構成される。
The
このように構成された振幅検出部203から出力される信号に基づいて、信号発生部202は、信号発生器221のゲインの調整と、モード1励振信号RS1とモード2励振信号RS2との間の位相差の調整を行う。
Based on the signal output from the
具体的には、信号発生器221は、整流回路233及び整流回路234から入力される直流電圧が一定値になるように、信号発生器221のゲインを自動調整する。これにより、第1フレーム102及び第2フレーム103の振動振幅を一定に制御することができる。
Specifically, the
また信号発生器221は、位相差測定回路235から入力される位相差信号により示される位相差が一定となるように、モード1励振信号RS1とモード2励振信号RS2との間の位相差を自動調整する。これにより、第1フレーム102の振動と第2フレーム103の振動との間の位相差を一定に制御することができる。
Further, the
また、振幅検出部203から出力される上記パルス信号に基づいて、制御回路204は、2次元光走査装置100の振動のタイミングに合わせて、半導体レーザ211、レーザ駆動回路212及び光変調器(不図示)を駆動させて、画像生成を行うことができる。
Further, based on the pulse signal output from the
このように構成された2次元光走査装置100では、第3フレーム104、第2フレーム103、第1フレーム102、第3捻りバネ107、第2捻りバネ106及び第1捻りバネ105が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成する。
In the two-dimensional
また、櫛歯部109に周期的な電気信号を入力することにより、櫛歯部109と櫛歯部110との間に静電気力が発生させ、3自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。
Further, by inputting a periodic electrical signal to the
また、第0フレーム101に設けられた櫛歯部111と、第1フレーム102に設けられた櫛歯部112との間の静電容量の変化に基づいて、第1フレーム102の捩じり振動の振幅の角度を検出する。
Further, the torsional vibration of the
そして、2次元光走査装置100は3自由度連成振動系を構成しているため、第3フレーム104及び第2フレーム103の捩じり振動の振幅の角度が、第1フレーム102の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなるように構成されている。
Since the two-dimensional
本実施形態では、振動モード1における振幅比r1は「1:−20:0.5」である。即ち、第1フレーム102の振幅を「1」とすると第2フレーム103の振幅は「20」であり、第2フレーム103の捩じり振動の振幅の角度が、第1フレーム102の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
In the present embodiment, the amplitude ratio r1 in the
また、振動モード2における振幅比r2は「1:0.01:−50」である。即ち、第1フレーム102の振幅を「1」とすると第3フレーム104の振幅は「50」であり、第3フレーム104の捩じり振動の振幅の角度が、第1剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなっている。
The amplitude ratio r2 in the
そして、第1フレーム102の捩じり振動の振幅が、第1フレーム102の板厚に略等しくなるように構成されている。このため、低電圧で大きい加振力を得ることができるとともに、精度よく第3フレーム104、第2フレーム103及び第1フレーム102の角度変位を検出することができる。
The amplitude of the torsional vibration of the
以下に、この理由を説明する。
まず、第1フレーム102は捻り振動しているので、第1フレーム102の角度変位量θ1は、サイン関数で表現できる。そして第1フレーム102の振幅角を「A」、周波数を「f」とすると、角度変位量θ1は式(1)で表される。尚、式(1)における「t」は時間を表す。
The reason for this will be described below.
First, since the
θ1=A・sin(2πft) ・・・(1)
ここで、θ1をAで割り正規化角度とすると、 「2πft」は0〜 2πラジアンまでの変化を繰り返す。即ち、角度で表すと0度〜360度までの変化を繰り返すので、位相角で表現することができる。従って、正規化角度は、図7(a)に示すように、「正規化角度=sin(位相角)」と表すことができる。
θ 1 = A · sin (2πft) (1)
Here, when θ 1 is divided by A to be a normalized angle, “2πft” repeats a change from 0 to 2π radians. In other words, since the change from 0 degree to 360 degrees is repeated in terms of angle, it can be expressed in terms of phase angle. Accordingly, the normalized angle can be expressed as “normalized angle = sin (phase angle)” as shown in FIG.
尚、第1フレーム102は中心軸iを回転軸として捻り振動しているので、櫛歯部112及び櫛歯部110も中心軸iを回転中心とする円運動をしている。そして、第1フレーム102の板厚に対して回転半径が十分大きければ近似的に直線運動をみなすことができる。そこで、計算の簡単化のため、櫛歯部112及び櫛歯部110は板厚方向へ直線運動するものと近似して、以下の計算を行う。
Since the
ここで、櫛歯部間の静電力は、櫛歯部間の静電容量に依存する。一般に平行平板間の静電容量Cは式(2)で表される。尚、式(2)における「ε」は真空の誘電率、「S」は対向面積、「d」は対向距離を表す。 Here, the electrostatic force between the comb teeth depends on the capacitance between the comb teeth. In general, the capacitance C between the parallel plates is expressed by Expression (2). In Expression (2), “ε” represents the dielectric constant of vacuum, “S” represents the facing area, and “d” represents the facing distance.
C=ε・S/d ・・・(2)
そして、櫛歯部109〜112については、真空の誘電率εと対向距離dが不変であり、櫛歯部112及び櫛歯部110の運動により対向面積Sが変化する。
C = ε · S / d (2)
And about the comb-tooth part 109-112, the dielectric constant (epsilon) of vacuum and opposing distance d are unchanged, and the opposing area S changes with the movement of the comb-
また、櫛歯の板厚を「w」、櫛歯部同士が対向する部分の長さを「L」とすると、対向面積Sは式(3)で表される。
S=L×w ・・・(3)
更に、櫛歯部112及び櫛歯部110は板厚方向へ直線運動するので、櫛歯部112及び櫛歯部110の移動量を「x」とすると、対向面積Sは式(4),(5)で表される。
Further, when the plate thickness of the comb teeth is “w” and the length of the portion where the comb teeth portions are opposed to each other is “L”, the facing area S is expressed by Expression (3).
S = L × w (3)
Further, since the
S=L(w−|x|), (「0≦x≦w」のとき) ・・・(4)
S=0, (「w<x」のとき) ・・・(5)
ここで、式(5)は、櫛歯部の対向面の重なる部分がないときの対向面積Sを表す。
S = L (w− | x |), (when “0 ≦ x ≦ w”) (4)
S = 0, (when “w <x”) (5)
Here, Formula (5) represents the facing area S when there is no overlapping portion of the facing surface of the comb tooth portion.
尚、式(2)及び(5)によれば、「w<x」のときに静電容量Cが「0」になるが、実際には、櫛歯部同士の重なり部分が無くなっても静電容量は「0」にはならない。しかし、ここでは、計算の簡略化のために「0」とする。 According to the equations (2) and (5), the capacitance C becomes “0” when “w <x”, but actually, even if there is no overlapping portion between the comb teeth portions, The electric capacity does not become “0”. However, here, it is set to “0” for simplification of calculation.
次に、対向面積Sと、「x=0」のときの対向面積S(以下、最大対向面積Smaxという)との比H(以下、正規化櫛歯部間対向面積Hという)は式(6),(7)で表される。
H =S/Smax=L(w−|x|)/Lw=(w−|x|)/w=1−|x|/w, (「0≦x≦w」のとき) ・・・(6)
H=0, (「w<x」のとき) ・・・(7)
また、上述のように、第1フレーム102が直線振動していると近似して計算している。このため、移動量xはサイン関数で表される。ここで、サイン運動の振幅を櫛歯の厚さの倍数aで表すと、移動量xは式(8)で表される。
Next, a ratio H (hereinafter, referred to as a normalized inter-comb portion opposing area H) of the opposing area S and the opposing area S when “x = 0” (hereinafter, referred to as the maximum opposing area S max ) is expressed by an equation ( 6) and (7).
H = S / Smax = L (w− | x |) / Lw = (w− | x |) / w = 1− | x | / w (when “0 ≦ x ≦ w”) (6)
H = 0, (when “w <x”) (7)
Further, as described above, the calculation is performed by approximating that the
x=awsinθ ・・・(8)
従って、正規化櫛歯部間対向面積Hは式(9),(10)で表される。
H =(1−|awsinθ|)/w=1−a|sinθ|, (「0≦x≦w」のとき) ・・・(9)
H=0, (「w<x」のとき) ・・・(10)
ここで、倍数a=1,1.5,2,4の場合についての正規化櫛歯部間対向面積Hを図7(b)をもとに説明する。図7(b)は、位相角を横軸に取り、正規化櫛歯部間対向面積Hを縦軸に取ったグラフである。
x = awsin θ (8)
Accordingly, the normalization area H between the comb teeth is expressed by the equations (9) and (10).
H = (1- | awsin θ |) / w = 1-a | sin θ |, (when “0 ≦ x ≦ w”) (9)
H = 0, (when “w <x”) (10)
Here, the normalizing area H between the comb teeth when the multiple a = 1, 1.5, 2, 4 will be described with reference to FIG. FIG. 7B is a graph in which the phase angle is taken on the horizontal axis and the opposed area H between the normalized comb teeth is taken on the vertical axis.
図7(b)に示すように、倍数a=1の場合、即ち、可動側櫛歯部の振幅が第1フレーム102の板厚にほぼ等しい場合に、正規化櫛歯部間対向面積Hは、位相角が0度の時に最大で、90度に向かって小さくなり、90度の時に「0」になる(図中の曲線SM1参照)。つまり、0度〜90度の範囲で加振力が作用する。即ち、捻り振動の1周期の全区間で加振力が増減しながら作用している。
As shown in FIG. 7 (b), when the multiple a = 1, that is, when the amplitude of the movable comb tooth portion is substantially equal to the plate thickness of the
また、倍数a=1.5の場合、即ち、可動側櫛歯部の振幅が第1フレーム102の板厚の1.5倍程度の場合に、正規化櫛歯部間対向面積Hは位相角が45度に向かって小さくなり、45度の時に「0」になる(図中の曲線SM2参照)。つまり、0度〜45度の範囲で加振力が作用する。即ち、捻り振動の1周期のほぼ半分の区間で加振力が増減しながら作用している。
Further, when the multiple a = 1.5, that is, when the amplitude of the movable comb-tooth portion is about 1.5 times the plate thickness of the
また、倍数a=2の場合、即ち、可動側櫛歯部の振幅が第1フレーム102の板厚の2倍程度の場合、正規化櫛歯部間対向面積Hは位相角が30度に向かって小さくなり、30度の時に「0」になる(図中の曲線SM3参照)。つまり、0度〜30度の範囲で加振力が作用する。即ち、捻り振動の1周期のほぼ1/3の区間で加振力が増減しながら作用している。
Further, when the multiple a = 2, that is, when the amplitude of the movable comb tooth portion is about twice the plate thickness of the
また、倍数a=4の場合、即ち、可動側櫛歯部の振幅が第1フレーム102の板厚の4倍程度の場合、正規化櫛歯部間対向面積Hは位相角が20度に向かって小さくなり、20度の時に「0」になる(図中の曲線SM4参照)。つまり、0度〜20度の範囲で加振力が作用する。即ち、捻り振動の1周期のほぼ1/4.5の区間で加振力が増減しながら作用している。
Further, when the multiple a = 4, that is, when the amplitude of the movable comb teeth is about four times the plate thickness of the
従って、可動側櫛歯部の振幅が第1フレーム102の板厚にほぼ等しい場合、捻り振動の1周期の全区間で加振力が増減しながら作用するが、それより振幅が大きくなると加振力が作用する区間が狭くなり、加振力が小さくなる。即ち、可動側櫛歯部の振幅が第1フレーム102の板厚より大きくなると、加振力が作用しない区間においても、櫛歯部109に電気信号を入力することになる。このため、無駄に電力を消費することになり、低電圧で大きい加振力を得ることができなくなる。
Accordingly, when the amplitude of the movable comb tooth portion is substantially equal to the plate thickness of the
ここで、可動側櫛歯部の振幅が第1フレーム102の板厚より小さい場合には、正規化櫛歯部間対向面積Hは「0」にはならず、正規化櫛歯部間対向面積Hの変化量は小さくなる。これにより、櫛歯部109と櫛歯部110との間で作用する静電気力の変化量が小さくなり、大きい加振力を得ることができなくなる。
Here, when the amplitude of the movable comb-tooth portion is smaller than the plate thickness of the
従って、可動側櫛歯部の振幅が第1フレーム102の板厚にほぼ等しい場合、正規化櫛歯部間対向面積Hの変化量は最大であり、かつ、加振力の作用する区間が最大となる。この状態で加振力を作用させる場合に加振力が最も大きくなり、低電圧での加振が可能になる。
Accordingly, when the amplitude of the movable comb tooth portion is substantially equal to the plate thickness of the
また、振幅検出部203は、櫛歯部111と櫛歯部112との間の静電容量変化を検出する。この際、第1フレーム102の角度振幅は第1フレーム102の板厚に等しい程度であるため、加振力を印加する場合と同様の原理で、櫛歯部111と櫛歯部112との間の静電容量は、第1フレーム102の角度に対して、1対1の関係で変化し、高精度の角度信号が得られる。このため、第1フレーム102の角度変位を精度よく検出することができる。尚、上述したように、3自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各剛体部材間の位相角は0度または180度となる。このため、第1フレーム102の角度変位を検出することより、第2フレーム103及び第3フレーム104の角度変位を検出することができる。
In addition, the
また領域125を接地電位に保持することで、領域121に混入するノイズを低減することができる。櫛歯部109には加振のための電力が供給されており、ノイズ源になる可能性がある。また櫛歯部111の静電容量は比較的に小さいため、ノイズの混入はS/N比の低下をもたらす。従って、領域125でノイズを低減することは好適である。
Further, by holding the
また、上述したように、第1フレーム102の捩じり振動の振幅が、第1フレーム102の板厚に略等しくなるように設計されているために、低電圧駆動が可能となる。このため、加振用の櫛歯部(櫛歯部109,110)の櫛歯の数を減らして、角度検出用の櫛歯部(櫛歯部111,112)の櫛歯の数を増やしてもよい。これにより、角度検出用の櫛歯部間(櫛歯部111と櫛歯部112との間)の静電容量が大きくなり、さらに高精度でS/N比の高い角度検出信号を得ることができる。
Further, as described above, since the torsional vibration amplitude of the
以上説明した実施形態において、第0フレーム101は本発明における第0剛体部材、第1フレーム102は本発明における第1剛体部材、第2フレーム103は本発明における第2剛体部材、第3フレーム104は本発明における第3剛体部材、第1捻りバネ105は本発明における第1弾性変形部材、第2捻りバネ106は本発明における第2弾性変形部材、第3捻りバネ107は本発明における第3弾性変形部材、櫛歯部109と櫛歯部110と信号発生器221と加算器222と増幅器223とは本発明における第1外力作用手段、櫛歯部109は本発明における第0櫛歯状電極部、櫛歯部110は本発明における第1櫛歯状電極部、櫛歯部111と櫛歯部112と振幅検出部203とは本発明における第1角度検出手段、櫛歯部111は本発明における第2櫛歯状電極部、櫛歯部112は本発明における第3櫛歯状電極部、中心軸iは本発明における第1中心軸、中心軸jは本発明における第2中心軸、中心軸kは本発明における第3中心軸である。
In the embodiment described above, the
(第2実施形態)
以下に本発明の第2実施形態について図面をもとに説明する。
図8は、本発明が適用された第2実施形態の2次元光走査装置300の構成を示す平面図である。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
FIG. 8 is a plan view showing a configuration of a two-dimensional
2次元光走査装置300は、SOIウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものである。SOIウエハは、図3に示すように、3層構造となっており、本実施形態では、厚さ50umのSOI層11と、厚さ1umのシリコン酸化膜層12と、厚さ400umのベースシリコン層13とからなる。
The two-dimensional
2次元光走査装置300は、図8に示すように、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成された円形状の第4フレーム305と、トレンチ溝によって第4フレーム305に対して所定の隙間を介して設けられた円形状の第3フレーム304と、トレンチ溝によって第3フレーム304に対して所定の隙間を介して設けられた八角形状の第2フレーム303と、トレンチ溝によって第2フレーム303に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第1フレーム302と、トレンチ溝によって第1フレーム302に対して所定の隙間を介して設けられた矩形状の第0フレーム301とを備える。
As shown in FIG. 8, the two-dimensional
また、第4フレーム305、第3フレーム304、第2フレーム303、及び第1フレーム302が形成されている領域には、裏面からベースシリコン層とシリコン酸化膜層とをエッチング除去することで形成された凹部320が形成されている。即ち、第4フレーム305、第3フレーム304、第2フレーム303、及び第1フレーム302は、SOI層で構成されている。
The region where the
更に、第4フレーム305と第3フレーム304との間は、トレンチ溝によって第3フレーム304に対して所定の隙間を介して設けられたSOI層309(以下、第4捻りバネ309という)により、互いに対向する2箇所で連結されている。これら2つの第4捻りバネ309は、第4フレーム305の重心を通る中心軸l上に設けられている。これにより、第4フレーム305は、中心軸lを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
Further, an SOI layer 309 (hereinafter referred to as a fourth torsion spring 309) provided between the
また、第3フレーム304と第2フレーム303との間は、トレンチ溝によって第2フレーム303に対して所定の隙間を介して設けられたSOI層308(以下、第3捻りバネ308という)により、互いに対向する2箇所で連結されている。これら2つの第3捻りバネ308は、第4フレーム305と第3フレーム104との重心を通る中心軸k上に設けられている。これにより、第3フレーム304は、中心軸kを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
In addition, an SOI layer 308 (hereinafter referred to as a third torsion spring 308) provided between the
また、第2フレーム303と第1フレーム302との間は、トレンチ溝によって第1フレーム302に対して所定の隙間を介して設けられたSOI層307(以下、第2捻りバネ307という)により、互いに対向する2箇所で連結されている。これら2つの第2捻りバネ307は、第4フレーム305と第3フレーム304と第2フレーム303との重心を通る中心軸j上に設けられている。これにより、第2フレーム303は、中心軸jを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
Also, an SOI layer 307 (hereinafter referred to as a second torsion spring 307) provided between the
また、第1フレーム302と第0フレーム301との間は、トレンチ溝によって第0フレーム301に対して所定の隙間を介して設けられたSOI層306(以下、第1捻りバネ306という)により、互いに対向する2箇所で連結されている。これら2つの第1捻りバネ306は、第4フレーム305と第3フレーム304と第2フレーム303と第1フレーム302との重心を通る中心軸i上に設けられている。これにより、第1フレーム302は、中心軸iを回転軸として、捩じり振動可能に構成される。
In addition, an SOI layer 306 (hereinafter referred to as a first torsion spring 306) provided between the
また、第1捻りバネ306、第2捻りバネ307、第3捻りバネ308、及び第4捻りバネ309は、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生するように構成されている。
In addition, the
従って、第0フレーム301が固定されることにより、第4フレーム305、第3フレーム304、第2フレーム303、及び第1フレーム302は4自由度構造を構成する。
また、第1フレーム302の左側端縁及び右側端縁には、櫛歯状に形成された櫛歯部113及び櫛歯部311が設けられている。そして、第0フレーム301には、第1フレーム302の櫛歯部313及び櫛歯部311と対向する位置にそれぞれ、櫛歯部313と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部312、及び櫛歯部311と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯部310が設けられている。
Accordingly, by fixing the
Further, the left and right edges of the
そして、2次元光走査装置300では、第4フレーム305、第3フレーム304、及び第2フレーム303の捩じり振動の振幅の角度が、第1フレーム302の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、第1フレーム302の捩じり振動の振幅が、第1フレーム302の板厚に略等しくなるように設計されている。
In the two-dimensional
尚、上記以外の構成については、第1実施形態の2次元光走査装置100と同様である。
このように構成された2次元光走査装置300では、第4フレーム305、第3フレーム304、第2フレーム303、第1フレーム302、第4捻りバネ309、第3捻りバネ308、第2捻りバネ307、第1捻りバネ306が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する4自由度連成振動系を構成する。
The configuration other than the above is the same as that of the two-dimensional
In the two-dimensional
また、櫛歯部310に周期的な電気信号を入力することにより、櫛歯部310と櫛歯部311との間に静電気力が発生させ、4自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。
Further, by inputting a periodic electric signal to the
また、第0フレーム301に設けられた櫛歯部312と、第1フレーム302に設けられた櫛歯部313との間の静電容量の変化に基づいて、第1フレーム302の捩じり振動の振幅の角度を検出する。
Further, the torsional vibration of the
そして、2次元光走査装置300は4自由度連成振動系を構成しているため、第4フレーム305、第3フレーム304及び第2フレーム303の捩じり振動の振幅の角度が、第1フレーム302の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きくなるように構成されている。
Since the two-dimensional
そして、第1フレーム302の捩じり振動の振幅が、第1フレーム302の板厚に略等しくなるように構成されている。このため、低電圧で大きい加振力を得ることができるとともに、精度よく第4フレーム305、第3フレーム304、第2フレーム303及び第1フレーム302の角度変位を検出することができる。
The amplitude of the torsional vibration of the
以上説明した実施形態において、第0フレーム301は本発明における第4剛体部材、第1フレーム302は本発明における第5剛体部材、第2フレーム303は本発明における第6剛体部材、第3フレーム304は本発明における第7剛体部材、第4フレーム305は本発明における第8剛体部材、第1捻りバネ306は本発明における第5弾性変形部材、第2捻りバネ307は本発明における第6弾性変形部材、第3捻りバネ308は本発明における第7弾性変形部材、第4捻りバネ309は本発明における第8弾性変形部材、櫛歯部310と櫛歯部311と信号発生器221と加算器222と増幅器223とは本発明における第2外力作用手段、櫛歯部310は本発明における第4櫛歯状電極部、櫛歯部311は本発明における第5櫛歯状電極部、櫛歯部312と櫛歯部313と振幅検出部203とは本発明における第2角度検出手段、櫛歯部312は本発明における第6櫛歯状電極部、櫛歯部313は本発明における第7櫛歯状電極部、中心軸iは本発明における第5中心軸、中心軸jは本発明における第6中心軸、中心軸kは本発明における第7中心軸、中心軸lは本発明における第8中心軸である。
In the embodiment described above, the
以上、本発明の一実施例について説明したが、本発明は上記実施例に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
例えば上記第1実施形態においては、加算器222で2つの周波数の電気信号(モード1励振信号RS1及びモード2励振信号RS2)を加算して、2つの周波数の電気信号が重畳された信号を生成し、この信号を2次元光走査装置100に印加するものを示した。しかし、複数の電気信号を加算して印加した場合に、加算された電気信号の電圧は、複数の電気信号の電圧が加算された値となり、この電圧が高すぎると絶縁破壊の原因となる。例えば、振幅60Vと振幅40Vの電気信号を加算すれば、加算された電気信号のピーク電圧は100Vとなる。このため、電気信号のピーク電圧が高くならないようにすることが望ましい。
As mentioned above, although one Example of this invention was described, this invention is not limited to the said Example, As long as it belongs to the technical scope of this invention, a various form can be taken.
For example, in the first embodiment, the
そこで、モード1励振信号RS1とモード2励振信号RS2とを加算することなく2次元光走査装置100に印加するようにしてもよい。
具体的には、例えば、第1フレーム102の左側端縁102c側に設けられた櫛歯部109にモード1励振信号RS1を印加し、右側端縁102d側に設けられた櫛歯部109にモード2励振信号RS2を印加するようにするとよい。このようにすることにより、左右それぞれの櫛歯部109に印加される電気信号のピーク電圧を低く抑えることができるため、過大電圧による絶縁破壊を回避することができる。
Therefore, the
Specifically, for example, the
また上記第1実施形態においては、櫛歯部111及び櫛歯部112を用いて、第1フレーム102の角度変位を検出するものを示した。しかし、図9(a)に示すように、第1フレーム102に平行光(図中の破線で示される光NK参照)を照射する平行光源401と、第1フレーム102の表面で反射した反射光(図中の破線で示される光HK参照)を受光して、受光した反射光の到達位置を検出する光学的位置検出素子402(例えばPSDなど)とを備えるようにしてもよい。即ち、第1フレーム102が振動すると、反射光の光学的位置検出素子402上での到達位置が変化するため、第1フレーム102の捩じれ角を正確に検出することができる。尚、平行光源401は本発明における光照射手段、光学的位置検出素子402は本発明における到達位置検出手段である。
Moreover, in the said 1st Embodiment, what detected the angular displacement of the 1st flame |
また第1フレーム102の角度変位を、捻りバネの歪量を測定することで検出するようにしてもよい。具体的には、第1捻りバネ105の表面にイオンドーピング処理を行うことで、図9(b)に示すように、ドーピング領域411,412を形成し、歪ゲージとして利用する。これにより、第1捻りバネ105の捩れ角を検出できる。
Further, the angular displacement of the
また上記実施形態においては、2次元光走査装置を用いた画像生成(ディスプレイ)を例に挙げて説明したが、本発明の2次元光走査装置の用途はこれに限られるものではなく、車載用ヘッドアップディスプレイ、プロジェクタ、リアプロディスプレイ、QRコードリーダ、レンジファインダ、物体検出センサ、レーザレーダなど幅広い用途に応用が可能である。 In the above embodiment, the image generation (display) using the two-dimensional optical scanning device has been described as an example. However, the application of the two-dimensional optical scanning device of the present invention is not limited to this, It can be applied to a wide range of applications such as head-up displays, projectors, rear pro displays, QR code readers, range finders, object detection sensors, and laser radars.
11…SOI層、12…シリコン酸化膜層、13…ベースシリコン層、21…シリコン酸化膜、22,23…アルミ薄膜、100…2次元光走査装置、101…第0フレーム、102…第1フレーム、103…第2フレーム、104…第3フレーム、105…第1捻りバネ、106…第2捻りバネ、107…第3捻りバネ、108…凹部、109,110,111,112…櫛歯部、200…駆動回路、201…レーザ光発生部、202…信号発生部、203…振幅検出部、204…制御回路、211…半導体レーザ、212…レーザ駆動回路、221…信号発生器、222…加算器、223…増幅器、224…過大電流遮断回路、231…CV変換回路、232…周波数分離フィルタ、233,234…整流回路、235…位相差測定回路、236,237…2値化回路、300…2次元光走査装置、301…第0フレーム、302…第1フレーム、303…第2フレーム、304…第3フレーム、305…第4フレーム、306…第1捻りバネ、307…第2捻りバネ、308…第3捻りバネ、309…第4捻りバネ、310,311,312,313…櫛歯部、320…凹部、401…平行光源、402…光学的位置検出素子、411,412…ドーピング領域
DESCRIPTION OF
Claims (2)
前記第3剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第2剛体部材と、
前記第2剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第1剛体部材と、
前記第1剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた板状の第0剛体部材と、
前記第3剛体部材と前記第2剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第3剛体部材の重心を通る第3中心軸を回転軸として、前記第3剛体部材を捩じり振動させる第3弾性変形部材と、
前記第2剛体部材と前記第1剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第3剛体部材と前記第2剛体部材との重心を通る第2中心軸を回転軸として、前記第2剛体部材を捩じり振動させる第2弾性変形部材と、
前記第1剛体部材と前記第0剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第3剛体部材と前記第2剛体部材と前記第1剛体部材との重心を通る第1中心軸を回転軸として、前記第1剛体部材を捩じり振動させる第1弾性変形部材と
を備えて、前記第3剛体部材、前記第2剛体部材、前記第1剛体部材、前記第3弾性変形部材、前記第2弾性変形部材及び前記第1弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する3自由度連成振動系を構成し、
更に、前記第0剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第0櫛歯状電極部と、前記第1剛体部材に設けられ、前記第0櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第1櫛歯状電極部とを有し、前記第0櫛歯状電極部に周期的な電気信号を入力することにより、前記3自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第1外力作用手段と、
前記第0剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第2櫛歯状電極部と、前記第1剛体部材に設けられ、前記第2櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第3櫛歯状電極部とを有し、前記第2櫛歯状電極部と前記第3櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、前記第1剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する第1角度検出手段とを備え、
前記第3剛体部材及び前記第2剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、前記第1剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、
前記第1剛体部材の捩じり振動の振幅が、前記第1剛体部材の板厚に略等しくなるようにして、前記第1剛体部材の捩じり振動の1周期の間で、前記第0櫛歯状電極部と前記第1櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間が存在することがないように構成される
ことを特徴とする2次元光走査装置。 A plate-like third rigid member having a reflecting surface for reflecting light;
A plate-like second rigid member provided through a predetermined gap with respect to the third rigid member;
A plate-like first rigid body member provided via a predetermined gap with respect to the second rigid body member;
A plate-like 0th rigid body member provided through a predetermined gap with respect to the first rigid body member;
The third rigid member and the second rigid member are connected to each other and twisted when a rotational torque is applied, and the rotational torque is in a direction corresponding to the rotational angle of the twist and in the direction opposite to the twisted direction. A third elastic deformation member configured to generate and torsionally vibrate the third rigid member with a third central axis passing through the center of gravity of the third rigid member as a rotation axis;
The second rigid member and the first rigid member are connected to each other and twisted when a rotational torque is applied, and the rotational torque is in a direction corresponding to the rotational angle of the twist and in the direction opposite to the twisted direction. A second elastically deformable member configured to generate and torsionally vibrate the second rigid member about a second central axis passing through the center of gravity of the third rigid member and the second rigid member; ,
The first rigid member and the zeroth rigid member are connected and twisted when a rotational torque is applied, and the rotational torque is in a direction corresponding to the rotational angle of the twist and in the direction opposite to the twisted direction. The first rigid body member is torsionally oscillated with a first central axis that is formed of an elastic body and passes through the center of gravity of the third rigid member, the second rigid member, and the first rigid member as a rotation axis. A first elastic deformation member, and the third rigid member, the second rigid member, the first rigid member, the third elastic deformation member, the second elastic deformation member, and the first elastic deformation member, A three-degree-of-freedom coupled vibration system that torsionally vibrates at a large rotation angle when an inherent periodic external force is applied,
Further, a 0th comb-shaped electrode portion provided in the 0th rigid body member and formed in a comb-tooth shape, and a comb tooth provided in the first rigid body member and meshable with the 0th comb-toothed electrode portion. A first comb-like electrode portion formed in a shape, and by inputting a periodic electrical signal to the 0th comb-like electrode portion, the inherent period of the three-degree-of-freedom coupled vibration system First external force application means for applying an external force,
A second comb-like electrode portion provided on the 0th rigid member and formed in a comb-like shape; and a comb-teeth shape provided on the first rigid member and engageable with the second comb-like electrode portion. A third comb-shaped electrode portion formed on the basis of a change in capacitance between the second comb-shaped electrode portion and the third comb-shaped electrode portion. First angle detecting means for detecting the angle of the amplitude of the torsional vibration of
An angle of torsional vibration amplitude of the third rigid member and the second rigid member is sufficiently large with respect to an angle of torsional vibration amplitude of the first rigid member;
The amplitude of the torsional vibration of the first rigid member is substantially equal to the plate thickness of the first rigid member, and the first rigid member has the first torsional vibration during one cycle of the torsional vibration of the first rigid member. A two-dimensional optical scanning device characterized in that there is no period in which the 0 comb-shaped electrode portion and the first comb-shaped electrode portion do not face each other.
前記第8剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第7剛体部材と、
前記第7剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第6剛体部材と、
前記第6剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第5剛体部材と、
前記第5剛体部材に対して所定の隙間を介して設けられた第4剛体部材と、
前記第8剛体部材と前記第7剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第8剛体部材の重心を通る第8中心軸を回転軸として、前記第8剛体部材を捩じり振動させる第8弾性変形部材と、
前記第7剛体部材と前記第6剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第8剛体部材と前記第7剛体部材の重心を通る第7中心軸を回転軸として、前記第7剛体部材を捩じり振動させる第7弾性変形部材と、
前記第6剛体部材と前記第5剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第8剛体部材と前記第7剛体部材と前記第6剛体部材の重心を通る第6中心軸を回転軸として、前記第6剛体部材を捩じり振動させる第6弾性変形部材と、
前記第5剛体部材と前記第4剛体部材とを連結させるとともに、回転トルクが作用するときに捩じれ、この捩じれの回転角に応じた大きさで前記捩じれの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体から構成され、前記第8剛体部材と前記第7剛体部材と前記第6剛体部材と前記第5剛体部材の重心を通る第5中心軸を回転軸として、前記第5剛体部材を捩じり振動させる第5弾性変形部材と
を備えて、前記第8剛体部材、前記第7剛体部材、前記第6剛体部材、前記第5剛体部材、前記第8弾性変形部材、前記第7弾性変形部材、前記第6弾性変形部材及び前記第5弾性変形部材が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する4自由度連成振動系を構成し、
更に、前記第4剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第4櫛歯状電極部と、前記第5剛体部材に設けられ、前記第4櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第5櫛歯状電極部とを有し、前記4自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる第2外力作用手段と、
前記第4剛体部材に設けられ、櫛歯状に形成された第6櫛歯状電極部と、前記第5剛体部材に設けられ、前記第4櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第7櫛歯状電極部とを有し、前記第6櫛歯状電極部と前記第7櫛歯状電極部との間の静電容量の変化に基づいて、前記第5剛体部材の捩じり振動の振幅の角度を検出する第2角度検出手段とを備え、
前記第6剛体部材、前記第7剛体部材及び前記第8剛体部材の捩じり振動の振幅の角度が、前記第5剛体部材の捩じり振動の振幅の角度に対して十分大きく、
前記第5剛体部材の捩じり振動の振幅が、前記第5剛体部材の板厚に略等しくなるようにして、前記第5剛体部材の捩じり振動の1周期の間で、前記第4櫛歯状電極部と前記第5櫛歯状電極部とが対向しなくなる期間が存在することがないように構成される
ことを特徴とする2次元光走査装置。 An eighth rigid member having a reflective surface for reflecting light;
A seventh rigid member provided through a predetermined gap with respect to the eighth rigid member;
A sixth rigid member provided through a predetermined gap with respect to the seventh rigid member;
A fifth rigid member provided through a predetermined gap with respect to the sixth rigid member;
A fourth rigid member provided through a predetermined gap with respect to the fifth rigid member;
The eighth rigid member and the seventh rigid member are connected to each other and twisted when a rotational torque is applied, and the rotational torque is in a direction corresponding to the rotational angle of the twist and in the direction opposite to the twisted direction. An eighth elastic deformation member configured to generate and torsionally vibrate the eighth rigid member with an eighth central axis passing through the center of gravity of the eighth rigid member as a rotation axis;
The seventh rigid member and the sixth rigid member are connected to each other and twisted when a rotational torque is applied, and the rotational torque is in a direction corresponding to the rotational angle of the twist and in the direction opposite to the twisted direction. A seventh elastic deformation member configured to generate and torsionally vibrate the seventh rigid member with a seventh central axis passing through the center of gravity of the eighth rigid member and the seventh rigid member as a rotation axis;
The sixth rigid member and the fifth rigid member are connected to each other and twisted when a rotational torque is applied, and the rotational torque is in a direction corresponding to the rotational angle of the twist and in a direction opposite to the twisted direction. The sixth rigid member is configured to twist and vibrate with a sixth central axis passing through the center of gravity of the eighth rigid member, the seventh rigid member, and the sixth rigid member as a rotation axis. 6 elastically deformable members;
The fifth rigid member and the fourth rigid member are connected to each other and twisted when a rotational torque is applied, and the rotational torque is in a direction corresponding to the rotational angle of the twist and in the direction opposite to the twisted direction. The fifth rigid member is formed of an elastic body that generates, with a fifth central axis passing through the center of gravity of the eighth rigid member, the seventh rigid member, the sixth rigid member, and the fifth rigid member as a rotation axis. A fifth elastic member for torsional vibration, the eighth rigid member, the seventh rigid member, the sixth rigid member, the fifth rigid member, the eighth elastic deformable member, and the seventh elastic member. The deformable member, the sixth elastic deformable member, and the fifth elastic deformable member constitute a four-degree-of-freedom coupled vibration system that torsionally vibrates at a large rotation angle when an inherent periodic external force is applied,
Further, a fourth comb-like electrode portion provided on the fourth rigid member and formed in a comb-like shape, and a comb tooth provided on the fifth rigid member and engageable with the fourth comb-like electrode portion. A second comb-like electrode portion formed in a shape, and a second external force acting means for applying the inherent periodic external force to the four-degree-of-freedom coupled vibration system,
A comb-like electrode portion provided on the fourth rigid body member and formed in a comb-like shape; and a comb-tooth shape provided on the fifth rigid member and engageable with the fourth comb-like electrode portion. A fifth comb member formed on the basis of a change in capacitance between the sixth comb electrode portion and the seventh comb electrode portion. Second angle detection means for detecting the angle of the amplitude of the torsional vibration of
The angle of the torsional vibration amplitude of the sixth rigid member, the seventh rigid member, and the eighth rigid member is sufficiently large with respect to the amplitude of the torsional vibration amplitude of the fifth rigid member,
The amplitude of the torsional vibration of the fifth rigid member is substantially equal to the plate thickness of the fifth rigid member, and the first rigid member has the first torsional vibration during one period of the torsional vibration of the fifth rigid member. The two-dimensional optical scanning device is configured such that there is no period in which the four comb-shaped electrode portions and the fifth comb-shaped electrode portion do not face each other.
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