JP5267370B2

JP5267370B2 - 光スキャナ

Info

Publication number: JP5267370B2
Application number: JP2009171867A
Authority: JP
Inventors: 仁志武田
Original assignee: Brother Industries Ltd
Current assignee: Brother Industries Ltd
Priority date: 2009-07-23
Filing date: 2009-07-23
Publication date: 2013-08-21
Anticipated expiration: 2029-07-23
Also published as: JP2011027881A; US20110019251A1; US8681410B2

Description

本発明は、レーザプリンタや投影型表示装置などに用いられる光スキャナに関する。

従来よりレーザプリンタや投影型表示装置等には光スキャナが使用されている。この光スキャナとして、一般に、ポリゴンミラーを用いるものや、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ−Ｅｌｅｃｔｒｏ−ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ）ミラーを用いるものがある。このうち、ＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナは、ミラー部と、ミラー部を支持し、ミラー部に駆動力を伝達する梁と、梁に連結し、ミラー部と梁とを囲う外枠との一体成形により製造されることなどから、ポリゴンミラーと比較して、軽量・小型の光スキャナに適している。

図９は、特許文献１に開示されているＭＥＭＳミラーを用いた光スキャナ１００の斜視図である。光スキャナ１００は、基板１１０と、基板上に形成された駆動部１１１と、基板１１０に連結する一対の捻れ梁部１１２と、一対の捻れ梁部１１２で支持され、入射した光束を反射する反射面を備えたミラー部１１３と、を備える。駆動部１１１は圧電体を備える。駆動部１１１の圧電体は、駆動部１１１に電圧が印加されることで、基板１１０の駆動部１１１近傍の部分に曲げたわみを生じさせる。基板１１０の曲げたわみが、基板１１０に板波を発生する。基板１１０上に発生された板波は、捻れ梁部１１２で支持されたミラー部１１３並びに捻れ梁部１１２に回転モーメントを生じさせ、ミラー部１１３、並びに捻れ梁部１１２の捻れ振動を誘起する。ミラー部１１３、並びに捻れ梁部１１２が捻れ振動することで、ミラー部１１３は揺動し、ミラー部１１３の反射面に入射した光束は走査される。

特開２００６−２９３１１６号公報

しかしながら、特許文献１に開示されている光スキャナ１００の大きな光学振れ角を得ようとすると、ミラー部１１３、または捻れ梁部１１２を大きく捻れ振動させて、ミラー部１１３を大きく揺動させる必要がある。ミラー部１１３を大きく揺動させると、ミラー部１１３の動的歪みが大きくなり、高精度の走査を行うことができないという問題がある。

本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ミラー部の動的歪みを低減し、高精度の走査が可能な光スキャナを提供することを目的とするものである。

上記目的を達成するために、請求項１記載の本発明は、基板部と、前記基板部の表裏両面のうちの一方の面である接着面に接着されて設けられ、入射した光束を反射する反射部とを有するミラー部と、前記ミラー部に連結され、前記基板部と同一の材料で前記基板部と一体形成され、捻れ振動可能な捻れ梁部と、を備え、前記反射部は、補強部と反射面とを備え、前記補強部は、前記基板部の密度ρ１より低い密度ρ２であり、且つ前記基板部のヤング率Ｅ１より高いヤング率Ｅ２であり、比率ρ２／Ｅ２が１．０×１０ ^-8 （ｓ ² ｍ ^-2 ）以下である材料により形成され、前記反射面は、前記補強部の表裏両面のうちの一方の面である設置面に設けられ、前記入射した光束を反射し、
前記基板部と一体形成された前記捻れ梁部が捻れ振動し、前記ミラー部が揺動することで、前記反射面に入射した光束を反射して、走査することを特徴とするものである。

請求項２記載の本発明は、請求項１に記載の発明において、前記補強部の表裏両面のうちの設置面の反対側の面である非設置面は、前記基板部の前記接着面に接着されることを特徴とするものである。

請求項３記載の本発明は、請求項１または２に記載の発明において、前記補強部は、アルミナ、サファイア、ルビー、炭化ケイ素、及びダイアモンドのいずれかにより形成されたことを特徴とするものである。

請求項４記載の本発明は、請求項１〜３のいずれかに記載の発明において、前記反射面に垂直な方向における前記補強部の厚みは、前記基板部の厚みの５倍以下であることを特徴とするものである。

請求項５記載の本発明は、請求項１〜４のいずれかに記載の発明において、前記捻れ梁部は、前記基板部の両側に連結することを特徴とするものである。

請求項６記載の本発明は、請求項１に記載の発明において、前記反射面は、前記基板部の前記接着面に接着され、前記補強部は、光を透過することのできる材料で形成され、前記基板部と一体形成された前記捻れ梁部が捻れ振動し、前記ミラー部が揺動することで、前記補強部に入射して前記補強部を透過し、前記反射面に入射した光束を反射して、走査することを特徴とするものである。

請求項７記載の本発明は、請求項６に記載の発明において、前記補強部は、サファイア、ルビー、及びダイアモンドのいずれかにより形成されたことを特徴とするものである。

請求項８記載の本発明は、請求項６または７のいずれかに記載の発明において、前記反射面に垂直な方向における前記補強部の厚みは、前記基板部の厚みの５倍以下であることを特徴とするものである。

請求項９記載の本発明は、請求項６〜８のいずれかに記載の発明において、前記捻れ梁部は、前記基板部の両側に連結することを特徴とするものである。

請求項１記載の光スキャナによれば、入射した光束を反射する反射面が、基板部のヤング率Ｅ１より高いヤング率Ｅ２である補強部の設置面に設けられている。これにより、ミラー部が補強部を備えず、反射面が基板部の表面に直に設けられる場合と比較して、ミラー部が揺動した際の、ミラー部の動的歪みを低減することができる。また、ミラー部の動的歪みが低減されることで、ミラー部の反射面の動的歪みを低減することができる。また、補強部の密度ρ２は、基板部の密度ρ１より低いことから、補強部を含む反射部が基板部の接着面に設けられていることによるミラー部全体の質量増加を小さく抑えることができる。従って、ミラー部の揺動への影響が少なくて済む。以上により、ミラー部を大きく揺動させた際に生ずるミラー部の反射面の動的歪みを小さく抑えることができ、高精度の走査が可能となる。さらに、比率ρ２／Ｅ２が１．０×１０ ^-8 （ｓ ² ｍ ^-2 ）以下である材料により形成された補強部の非設置面が基板部の接着面に接着されている。従って、ミラー部が揺動した際の、ミラー部の反射面の動的歪みを低減することができる。これにより、ミラー部を大きく揺動させた際に生ずるミラー部の反射面の動的歪みを小さく抑えることができ、高精度の走査が可能となる。

なお、反射面が、基板部の表裏両面のうちの一方の面に設けられ、補強部が、反射面が設けられる基板部の一方の面の反対側の面に接着される場合、補強部が基板部のヤング率Ｅ１より高いヤング率Ｅ２であることにより、基板部との接着の際に、反射面が配置される基板部の一方の面側に静的歪みが生ずる。このように、反射面が配置される基板部の一方の面側に静的歪みが生ずることにより、この一方の面側に設けられる反射面にも静的歪みが生ずることになる。

請求項１記載の光スキャナによれば、補強部と反射面とを備える反射部が、基板部の表裏両面のうちの一方の接着面に接着されて設けられている。これにより、補強部を備える反射部と基板部との接着により生ずる静的歪みは、反射面が設けられる補強部の設置面には生じず、基板部の接着面の反対側の面に生ずる。これにより、ミラー部を大きく揺動させた際に生ずるミラー部の反射面の動的歪みを小さく抑えるだけでなく、反射部が基板部に接着される際に、静的歪みが反射面に生ずるのを防ぐことができる。従って、ミラー部の反射面の歪みを可及的に低減でき、高精度の走査が可能となる。

請求項２記載の光スキャナによれば、入射した光束を反射する反射面が、基板部の密度ρ１より低い密度ρ２であり、且つ基板部のヤング率Ｅ１より高いヤング率Ｅ２である補強部の設置面に設けられ、補強部の非設置面が、基板部の接着面に接着されている。従って、ミラー部が揺動した際の、ミラー部の反射面の動的歪みを低減することができる。

また、請求項２記載の光スキャナによれば、補強部が、基板部と反射面との間に配置され、基板部の接着面に接着されている。従って、補強部と基板部との接着により生ずる静的歪みは、反射面が設けられる補強部の設置面には生じず、基板部の接着面と反対側の面に生ずる。これにより、ミラー部を大きく揺動させた際に生ずるミラー部の反射面の動的歪みを小さく抑えるだけでなく、補強部が基板部に接着される際に、静的歪みが反射面に生ずるのを防ぐことができる。従って、ミラー部の反射面の歪みを低減でき、高精度の走査が可能となる。

請求項３記載の光スキャナによれば、アルミナ、サファイア、ルビー、炭化ケイ素、及びダイアモンドのいずれかにより形成された補強部の非設置面が基板部の接着面に接着されている。従って、ミラー部が揺動した際の、ミラー部の反射面の動的歪みを低減することができる。これにより、ミラー部を大きく揺動させた際に生ずるミラー部の反射面の動的歪みを小さく抑えることができ、高精度の走査が可能となる。

請求項４記載の光スキャナによれば、反射面に垂直な方向の補強部の厚みは基板部の厚みの５倍以下である。従って、ミラー部を大型化することなく、ミラー部の反射面の動的歪みを低減でき、高精度の走査が可能となる。

請求項５記載の光スキャナによれば、捻れ梁部は、基板部の両側に連結する。従って、光スキャナが駆動された際に、たわみといった捻れ振動とは異なる固有モードが捻れ梁部に発生する可能性が低減される。従って、捻れ梁部の安定的な捻れ振動が得られ、高精度の走査が可能となる。

請求項６記載の光スキャナによれば、基板部の密度ρ１より低い密度ρ２であり、且つ基板部のヤング率Ｅ１より高いヤング率Ｅ２である補強部の設置面に設けられた反射面が基板部の接着面に接着されている。従って、捻れ梁部が捻れ振動し、ミラー部が揺動した際の、ミラー部の反射面の動的歪みを低減することができる。これにより、ミラー部を大きく揺動させた際に生ずるミラー部の反射面の動的歪みを小さく抑えることができ、高精度の走査が可能となる。

また、請求項６記載の光スキャナによれば、反射面が補強部の設置面に設けられ、基板部の接着面に接着されている。これにより、ミラー部を大きく揺動させた際に生ずるミラー部の反射面の動的歪みを小さく抑えるだけでなく、補強部に設けられた反射面が基板部に接着される際に、静的歪みが反射面に生ずるのを防ぐことができる。従って、ミラー部の反射面の歪みを低減でき、高精度の走査が可能となる。

更に、請求項６記載の光スキャナによれば、反射面が基板部と補強部との間に配置されているため、反射面が保護される。従って、反射面が外部の温度や衝撃などによって変形することを防ぐことができ、高精度の走査が可能となる。

請求項７記載の光スキャナによれば、サファイア、ルビー、及びダイアモンドのいずれかにより形成された補強部の設置面に反射面が設けられている。従って、ミラー部が揺動した際の、ミラー部の反射面の動的歪みを低減することができる。これにより、ミラー部を大きく揺動させた際に生ずるミラー部の反射面の動的歪みを小さく抑えることができ、高精度の走査が可能となる。

請求項８記載の光スキャナによれば、反射面に垂直な方向の補強部の厚みは基板部の厚みの５倍以下である。従って、ミラー部を大型化することなく、ミラー部の反射面の動的歪みを低減でき、高精度の走査が可能となる。

請求項９記載の光スキャナによれば、捻れ梁部は、基板部の両側に連結する。従って、光スキャナが駆動された際に、たわみといった捻れ振動とは異なる固有モードが捻れ梁部に発生する可能性が低減される。従って、捻れ梁部の安定的な捻れ振動が得られ、高精度の走査が可能となる。

本発明の一実施形態に係る光スキャナ１の外観を示す上面図である。上記光スキャナ１のＡ−Ａ線に従う断面図である。上記光スキャナ１のＢ−Ｂ線に従う断面図である。上記光スキャナ１の製造工程を示すフローチャートである。上記光スキャナ１の圧電素子１１Ｌ、１１Ｒが揺動板４ａ上に設けられる際の工程を示すフローチャートである。上記光スキャナ１の上部電極１２Ｌ、１２Ｒが、各々、圧電素子１１Ｌ、１１Ｒ上に設けられる際の工程を示すフローチャートである。上記光スキャナ１のミラー部２を示す側面図である。上記光スキャナ１の補強部７の厚さＴＲとミラー部２の反射面８に生ずる動的歪みＤＤとの関係を示す図である。基板部６と補強部７との接着時に基板部６に生ずる静的歪みを説明するための説明図である。上記光スキャナ１のミラー部２の変形例を示す側面図である。従来の光スキャナを示す斜視図である。

［光スキャナ外観］
以下、本発明の一実施形態について図面を用いて詳細に説明する。図１は、光スキャナ１の外観を示す図である。図２は、図１に示した光スキャナ１のＡ−Ａ線に従う断面図である。図３は、図１に示した光スキャナ１のＢ−Ｂ線に従う断面図である。ただし、図１、及び図２には、光スキャナ１とともに駆動制御部３０が示されているが、駆動制御部３０はどの位置に配置されていてもよい。そのため、駆動制御部３０の位置関係は、図１と図２とで厳密に対応付けられていない。図１に示すように、光スキャナ１は、ミラー部２と、捻れ梁部３と、揺動板４ａと、固定枠４ｂと、駆動部５Ｌ、５Ｒとを備える。ミラー部２と、捻れ梁部３と、揺動板４ａと、固定枠４ｂと、駆動部５Ｌ、５Ｒとは、図２、図３に示すベース台２０上に設置される。なお、図１に示したＢ−Ｂ線は、図３に示したミラー部２の揺動軸線ＡＸ２と略一致しており、ミラー部２は、揺動軸線ＡＸ２回りに揺動する。

ミラー部２は、図２、図３に示すように、基板部６と、補強部７と、反射面８とを備える。捻れ梁部３は基板部６の両側に連結され、揺動板４ａに連結される。以後、図１に示す捻れ梁部３に平行な方向をＸ軸方向、反射面８に平行な面上で、且つ捻れ梁部３に垂直な方向をＹ軸方向、反射面８に垂直な方向をＺ軸方向として定義する。Ｘ軸方向、Ｙ軸方向、Ｚ軸方向の定義は他の図面においても共通のものとする。

捻れ梁部３と、揺動板４ａと、固定枠４ｂと、基板部６とは弾性を有する導電性材料であるステンレスにより形成されている。揺動板４ａは、図１、及び図２に示すようにＹ軸方向に配置された揺動板４ａＬと揺動板４ａＲとから構成される。固定枠４ｂは、図１に示すように、ミラー部２と、捻れ梁部３と、揺動板４ａとを取り囲む外枠である。固定枠４ｂは、図１、及び図２に示すようにＹ軸方向に配置された固定枠４ｂＬと固定枠４ｂＲとを有する。揺動板４ａは、図１に示すように、一対の貫通孔９を備える。光スキャナ１は、揺動板４ａと固定枠４ｂとの間に一対の貫通孔１０を備える。貫通孔９、及び貫通孔１０は、捻れ梁部３と、揺動板４ａと、固定枠４ｂと、基板部６とからなる基板が後述のエッチング処理によりエッチングされる際に、基板が、各々図２、及び図３に示すように、Ｚ軸方向に貫通されることで形成される。貫通孔９は、図１に示すように、ＸＹ平面上において、長方形状である。貫通孔１０は、図１に示すように、ＸＹ平面上において、Ｙ軸方向に延びる細長な形状である。

一対の駆動部５Ｌ、５Ｒは、圧電素子１１Ｌ、１１Ｒと上部電極１２Ｌ、１２Ｒとを備える。一対の駆動部５Ｌ、５Ｒは、図１に示すように揺動板４ａ上に、ミラー部２を挟んだＹ軸方向の両側に各々設けられる。駆動制御部３０は、図１、及び図２に示すように、光スキャナ１の上部電極１２Ｌ、１２Ｒと固定枠４ｂＬ、４ｂＲとに接続される。駆動制御部３０は、固定枠４ｂＬと上部電極１２Ｌとの間、及び固定枠４ｂＲと上部電極１２Ｒとの間に駆動電圧を印加する。この駆動電圧の印加により、圧電素子１２Ｌ、１２ＲはＹ軸方向に平行な変位軸ＡＸ１の方向に変位する。この圧電素子１２Ｌ、１２Ｒの変位により、光スキャナ１が駆動され、ミラー部２が揺動する。

［光スキャナ製造方法］
図面を用いて、本実施形態に係る光スキャナ１の製造方法について、詳細に説明する。

先ず、図４Ａに示すように、弾性を有する導電性材料であるステンレスの基板が被エッチング材として準備される（ステップＳＡ１、以下ＳＡ１と記す）。次に、被エッチング材にエッチング処理が施され、捻れ梁部３と、揺動板４ａと、固定枠４ｂと、基板部６とが一体形成される（ＳＡ２）。

捻れ梁部３と、揺動板４ａと、固定枠４ｂと、基板部６とが一体形成されると、一対の圧電素子１１Ｌ、１１Ｒが揺動板４ａ上に、ミラー部２を挟んだＹ軸方向の両側に各々設けられる（ＳＡ３）。ＳＡ３の処理では、図４Ｂに示すように先ず揺動板４ａの表面のうち一対の圧電素子１１Ｌ、１１Ｒが設けられる箇所を除いた領域に、レジスト膜が形成される（ＳＢ１）。レジスト膜が形成されると、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（以下、「ＰＺＴ」と記す）のエアロゾルが、表面にレジスト膜が形成された揺動板４ａに吹き付けられる（ＳＢ２）。ＳＢ２の処理により、揺動板４ａの表面のうち一対の圧電素子１１Ｌ、１１Ｒが設けられる箇所に、ＰＺＴの圧電膜が成膜され、圧電素子１１Ｌ、１１Ｒが形成される。圧電素子１１Ｌ、１１Ｒが形成されると、レジスト膜が揺動板４ａの表面から除去される（ＳＢ３）。

図４Ａに示したＳＡ３の処理が行われると、一対の上部電極１２Ｌ、１２Ｒが、各々、圧電素子１１Ｌ、１１Ｒ上に設けられる（ＳＡ４）。ＳＡ４の処理では、図４Ｃに示すように、先ず揺動板４ａの表面のうち一対の上部電極１２Ｌ、１２Ｒが設けられる箇所を除いた領域に、レジスト膜が形成される（ＳＣ１）。レジスト膜が形成されると、白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等の金属が、表面にレジスト膜が形成された揺動板４ａに蒸着される（ＳＣ２）。ＳＣ２の処理により、揺動板４ａの表面のうち一対の上部電極１２Ｌ、１２Ｒが設けられる箇所に、金属の上部電極１２Ｌ、１２Ｒが積層される。上部電極１２Ｌ、１２Ｒが積層されると、レジスト膜が揺動板４ａの表面から除去される（ＳＣ３）。

図４Ａに示したＳＡ４の処理が行われると、基板部６上に、サファイア等の高ヤング率、且つ低密度の材料からなる補強部７が接着される（ＳＡ５）。接着材としては、ヘンケルジャパン株式会社製ＬＯＣＴＩＴＥ３９２＋７９２３が用いられる。補強部７が基板部６上に接着されると、図４Ｃに示した方法と同様の方法により、補強部７上にアルミニウム（Ａｌ）や金（Ａｕ）等の金属膜の反射面８が形成される（ＳＡ６）。反射面８が形成されると、以上の方法で製造されたミラー部２と、捻れ梁部３と、揺動板４ａと、固定枠４ｂと、駆動部５Ｌ、５Ｒとが、図２、図３に示したベース台２０上に設置される（ＳＡ７）。以上の製造方法により、光スキャナ１が製造される。

［動作説明］
図面を用いて光スキャナ１の動作について説明する。

図１、図２に示すように、駆動制御部３０は、固定枠４ｂＬ、４ｂＲ、及び上部電極１２Ｌ、１２Ｒに連結される。駆動制御部３０は、固定枠４ｂＬと上部電極１２Ｌとの間、及び固定枠４ｂＲと上部電極１２Ｒとの間に逆位相の駆動信号を供給する。駆動信号は、時間とともに周期的に変化する駆動電圧の信号である。駆動信号が供給されることで、固定枠４ｂＬと上部電極１２Ｌとの間、及び固定枠４ｂＲと上部電極１２Ｒとの間に周期的に電圧値が変化する駆動電圧が印加される。固定枠４ｂＬと上部電極１２Ｌとの間、及び固定枠４ｂＲと上部電極１２Ｒとの間に逆位相の駆動信号が供給されることで、圧電素子１２Ｌ、１２Ｒは、共に、変位軸ＡＸ１の同じ方向に変位する。即ち、圧電素子１２ＬがＹ軸の正方向に伸びた際には、圧電素子１２ＲはＹ軸の正方向に縮み、圧電素子１２ＬがＹ軸の負方向に縮んだ際には、圧電素子１２ＲはＹ軸の負方向に伸びる。圧電素子１２Ｌ、１２Ｒが、共に、変位軸ＡＸ１の同じ方向に変位することで、揺動板４ａＬ、４ａＲは、Ｚ軸の相反する方向側に屈曲する。即ち、揺動板４ａＬが、Ｚ軸の正方向側に屈曲した際には、４ａＲは、Ｚ軸の負方向側に屈曲し、揺動板４ａＬが、Ｚ軸の負方向側に屈曲した際には、４ａＲは、Ｚ軸の正方向側に屈曲する。従って、揺動板４ａＬ、４ａＲが周期的に屈曲し、揺動軸ＡＸ２を節とする定在的な波が揺動板４ａに発生する。

揺動板４ａに発生した揺動軸ＡＸ２を節とする定在的な波は、捻れ梁部３の揺動軸ＡＸ２を中心とした捻れ振動を誘起する。また、ミラー部２は揺動軸ＡＸ２周りに揺動する。ミラー部２が揺動することで、ミラー部２の反射面８が揺動軸ＡＸ２周りに揺動し、入射した光束を反射する。以上のようにして、光スキャナ１は反射面８に入射した光束を反射して、走査する。本実施形態におけるミラー部２が、本発明のミラー部の一例である。本実施形態における捻れ梁部３が、本発明の捻れ梁部の一例である。本実施形態における基板部６が、本発明の基板部の一例である。本実施形態における補強部７が、本発明の補強部の一例である。本実施形態における反射面８が、本発明の反射面の一例である。本実施形態における補強部７と反射面８とが、本発明の反射部の一例である。

［動的歪み］
表、及び図面を用いて、ミラー部２の反射面８に生じる動的歪みに関するシミュレーションによる解析結果を示す。一般的に、揺動部材の動的歪みＤＤは、比例定数Ｃｔと、揺動部材の揺動時の共振周波数ωと、光学振れ角θと、揺動部材の静止時の端部と中心との距離ＭＬと、揺動部材の厚みＴＤと、揺動部材の密度ρと、ヤング率Ｅとを用いて数式１により定義される。本実施形態において、ミラー部２が揺動部材に相当する。なお、数式１に示すように、動的歪みＤＤは、共振周波数ωと光学振れ角θとに依存し、変化する。補強部７に用いられる部材や補強部７の厚さを変えることによって、共振周波数ωと光学振れ角θとは当然変化する。しかし、今回のように補強部７に用いられる部材や補強部７の厚さを変えて、各々の場合の解析結果を比較する場合、共振周波数ωと光学振れ角θとを同一条件下におき、比較する必要がある。以下に示す解析結果は、全て共振周波数ω＝３２１６（Ｈｚ）、光学振れ角θ＝３４（ｄｅｇ）と設定した際の動的歪みＤＤに関する解析結果である。また、シミュレーションに際しては、図５に示したミラー部２のみをモデルとして揺動させており、図１等に示したような光スキャナ１全体をモデルとして揺動させていない。しかし、動的歪みＤＤは、数式１に示すように、ミラー部２の大きさ、物性、揺動時の共振周波数ω、光学振れ角θのみに依存するものであるため、図１等に示した光スキャナ全体をモデルとしてシミュレーションを行っても今回行った解析結果と同じ結果が得られる。また、実測の場合も同様である。表１は、シミュレーションに際して用いた基板部６、及び補強部７の材料の、密度ρとヤング率Ｅと比率ρ／Ｅとを示す。

（数１）
ＤＤ＝Ｃｔ・ω^２θ・（ＭＬ^５／ＴＤ^２）・（ρ／Ｅ）

表２は、基板部６に厚さＴＢ＝１００（μｍ）のステンレスを用い、補強部７に厚さＴＲ＝１００（μｍ）のアルミナ、サファイア、炭化ケイ素、及びダイアモンドのいずれかを用いた際に、反射面８に生じる動的歪みＤＤに関する解析結果を示す。なお、シミュレーションに際して、反射面８は補強部７上に形成されていないものとして解析を行った。従って、以後に記す反射面８に生じた動的歪みＤＤは、正確に言えば、補強部７の表面に生じた動的歪みである。しかし、反射面８は金属の薄膜であるため、補強部７の表面に形成される反射面８の歪みは、補強部７の表面に生じた歪みとほぼ同じ値であるので、以後、補強部７の表面に生じた動的歪みを「反射面８に生じた動的歪みＤＤ」と記す。

表２に示すように、補強部７が基板部６に接着されていない従来の光スキャナにおいて、反射面の動的歪みＤＤは約４．１４（μｍ）であるのに対し、基板部６にアルミナ、サファイア、炭化ケイ素、及びダイアモンドのいずれかの補強部７が接着された光スキャナ１では、反射面の動的歪みＤＤは約０．３（μｍ）から０．６（μｍ）程度である。従って、ステンレスの基板部６に直に反射面８が形成される場合と比較して、基板部６にアルミナ、サファイア、炭化ケイ素、及びダイアモンドのいずれかの補強部７が接着され、補強部７の表面に反射面８が形成されることにより、反射面の動的歪みＤＤが約９０％低減されることが分かる。アルミナ、サファイア、炭化ケイ素、及びダイアモンドは、いずれもステンレスよりヤング率の高い材料である。ある材料のヤング率が高いほど、その材料の表面は歪みにくくなる。従って、基板部６に基板部６よりヤング率の高い補強部７が接着され、補強部７の表面に反射面８が形成されることにより、基板部６に直に反射面８が形成される場合よりも、反射面８の動的歪みＤＤが小さくなることが分かる。

表３、及び図６は、基板部６に厚さＴＢ＝１００（μｍ）のステンレスを用い、補強部７に厚さＴＲ＝１００（μｍ）、２００（μｍ）、３００（μｍ）、４００（μｍ）、５００（μｍ）のいずれかのサファイアを用いた際に、反射面８に生じた動的歪みＤＤに関する解析結果を示す。

表３、及び図６に示すように、補強部７の厚さＴＲが大きいほど、反射面８の動的歪みＤＤが低減されていることが分かる。従って、反射面８が基板部６からＺ軸方向に離れるほど、反射面８に生じる動的歪みＤＤが低減されることが分かる。図６に示すように、補強部７の厚さＴＲが大きいほど、反射面８の動的歪みＤＤは低減されるが、厚さＴＲ＝５００μｍ近傍の範囲で動的歪みＤＤの値が収束することが分かる。従って、ミラー部２を大型化することなく、ミラー部２の反射面８の動的歪みＤＤを低減するためにも、補強部７の厚さＴＲは基板部６の厚さＴＢの５倍以下とするのが望ましい。

［静的歪み］
表４、及び図７を用いて、ミラー部２の反射面８に生じる静的歪みに対する実験結果を示す。なお、図７において、基板部６、及び補強部７の「表」「裏」とは、各々、基板部６、及び補強部７の「Ｚ軸の正の側」「Ｚ軸の負の側」を指す。図４Ａに示すＳＡ５において、基板部６よりもヤング率の高い補強部７の裏面ＵＲに接着剤ＢＮを塗布し、補強部７の裏面ＵＲを基板部６の表面ＦＢに接着する際、図７に示すように、基板部６の裏面ＵＢに静的歪みが生じる。基板部６の裏面ＵＢに静的歪みが生じるのは、接着剤ＢＮが固化する際に、基板部６の表面ＦＢが、図７に示すように、基板部６よりもヤング率の高い補強部７と接着剤ＢＮとに押し出されて、変形し、基板部６の裏面ＵＢが歪むためである。

表４は、ステンレスの基板部６とサファイアの補強部７とが接着された際の、基板部６の裏面ＵＢと補強部７の表面ＦＲとの歪みの変化を示す。接着剤として、ヘンケルジャパン株式会社製ＬＯＣＴＩＴＥ３９２＋７９２３を用いた。静的歪みは、ＶｅｅｃｏＩｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ社製ＷＹＫＯ表面形状測定器ＮＴ−３３００を用いて測定した。なお、接着前の基板部６の裏面ＵＢと補強部７の表面ＦＲとの歪みとは、各々、接着前の基板部６の裏面ＵＢと補強部７の表面ＦＲとに存在する元々の静的歪みを意味する。表４に示すように、基板部６の裏面ＵＢは接着後、５４０（ｎｍ）歪んだのに対し、補強部７の表面ＦＲは、３５（ｎｍ）しか歪んでいない。従って、反射面８を、基板部６の裏面ＵＢに形成する場合と比較し、反射面８を、補強部７の表面ＦＲに形成する場合の方が、接着時に反射面８に生じる静的歪みを小さく抑えることができる。本実施形態における補強部７の表面ＦＲが、本発明の設置面の一例である。本実施形態における補強部７の裏面ＵＲが、本発明の非設置面の一例である。本実施形態における基板部６の表面ＦＢが、本発明の接着面の一例である。

なお、基板部６は捻れ梁部３と一体形成されているため、ミラー部２の揺動時に基板部６と捻れ梁部３との連結部において基板部６の表面ＦＢ、及び裏面ＵＢが局所的に歪み得る。従って、反射面８が基板部６の裏面ＵＢに形成されている場合、基板部６と捻れ梁部３との連結部において反射面８に局所的な動的歪みが生ずる。しかし、本実施形態における光スキャナ１において、反射面８は補強部７の表面ＦＲに形成されているため、このような局所的な動的歪みは生じない。反射面８に局所的に動的歪みが生じた場合、反射面８の局所的な動的歪みが生じた箇所で光を反射させると高精度の走査ができない。従って、反射面８の走査領域からこの箇所を除く必要が出てき、その結果、反射面８の走査領域が狭まってしまう。本実施形態における光スキャナ１は、反射面８は補強部７の表面ＦＲに形成されているため、このような局所的な動的歪みは生じず、反射面８の可及的に広い走査領域を確保でき、高精度の走査が可能である。

本実施形態において、反射面８は金属膜により形成されていた。使用される金属としては、反射率の大きいアルミニウム、または金が望ましい。反射率の大きい金属として銀も挙げられるが、銀は空気との化学反応や移動現象等を起こすため、反射面８に使用する金属としては望ましくない。

本実施形態において、基板部６は、ステンレス等の金属であり、補強部７は、ステンレス等の金属よりもヤング率の高いサファイア、アルミナ、炭化ケイ素、及びダイアモンド等の材料であった。ステンレス等の金属は弾性限界が大きいのに対し、上記サファイア等の材料は弾性限界が小さい。そのため、サファイア等の材料を補強部７だけでなく、基板部６にも用いると、捻れ梁部３が捻れ振動し、ミラー部２が揺動した際に、サファイア等の材料の基板部６と基板部６と一体形成された捻れ梁部３との連結部で破損が生ずる。従って、サファイア等の材料を補強部７だけでなく、基板部６にも用いることは好ましくない。また、サファイア等の材料を補強部７だけでなく、基板部６にも用い、更に、捻れ梁部３を回転軸として用い、捻れ梁部３の端部にモータをつけることで、回転軸としての捻れ梁部３を回転させ、ミラー部２を揺動させる形態も考え得る。この場合、捻れ梁部３の端部にモータをつけることで、光スキャナ全体が大型化し、好ましくない。従って、本実施形態における光スキャナ１は、ステンレス等の基板部６と、サファイア、アルミナ、炭化ケイ素、及びダイアモンド等の補強部７とを備えることにより、反射面８の歪みを可及的に低減しているのみならず、ミラー部２の揺動時の基板部６と捻れ梁部３との連結部における破損や、光スキャナ１の大型化といった諸問題を起こすことなく、光束の高精度の走査が可能である。

[光スキャナ使用例]
本実施形態に係る光スキャナ１、及び駆動制御部３０は、特開２００８−８３６０３号公報に開示されているように、レーザプリンタや網膜走査ディスプレイ等の画像表示装置に適用可能である。光スキャナ１がこれらの装置に適用される場合、光スキャナ１は画像を形成するための画像光を走査する偏向素子として用いられる。本実施形態に係る光スキャナ１が用いられることにより、高精度の走査が可能となり、高画質な画像が形成可能となる。

（変形例）
本実施形態において、補強部７の裏面ＵＲが、基板部６の表面ＦＢに接着され、反射面８が補強部７の表面ＦＲに形成されることで、ミラー部２が形成されていたがこれに限らず、図８に示すように、反射面８を補強部７の裏面ＵＲに形成し、基板部６の表面ＦＢに反射面８を接着することで、ミラー部２を形成してもよい。この場合、補強部７は光を透過する物性を有する必要があるため、サファイア、ルビー及びダイアモンド等の透過性を有する低密度、且つ高ヤング率な材料が補強部７に用いられる必要がある。この場合、光スキャナ１は、補強部７に入射して補強部７を透過し、反射面８に入射した光束を反射して走査する。この場合においても、反射面８に生ずる動的歪み、静的歪みの値は、本実施形態における動的歪み、静的歪みの値と同じ小さな値となり、光スキャナ１は高精度な走査が可能である。

本実施形態において、補強部７の材料として、サファイア、アルミナ、炭化ケイ素、及びダイアモンドのいずれか１つが用いられていたが、これに限らず、基板部６の材料よりも高ヤング率、且つ低密度な材料であればよく、例えばルビーであってもよい。ただし、補強部７の材料としては、補強部７の材料として必要とされる物性値を満足し、入手可能なサファイア、及びアルミナが望ましい。更に望ましくは、表面粗さの小さいサファイアが望ましい。

接着剤ＢＮとして、本実施形態において示したＬＯＣＴＩＴＥ３９２＋７９２３は、耐衝撃性、及び冷熱サイクル性を有し、更に常温接着が可能なため、本発明の補強部、基板部、及び反射面を接着する接着剤として適しているが、これに限らず、例えば、エポキシ樹脂系接着剤等が用いられても良い。なお、基板部６上に補強部７、及び反射面８とを設置する方法として、接着剤を用いずに、拡散接合を用いる手法も考えられる。しかし、拡散接合を用いる場合、高熱と高圧力とが必要とされるため、基板部６、補強部７、及び反射面８の物性や形状が変化することになり、望ましくない。

本実施形態において、捻れ梁部３と、揺動板４ａと、固定枠４ｂと、基板部６とを一体形成するＳＡ２の処理には、エッチングが用いられていたが、これに限らず例えばプレス加工、及び放電加工が用いられても良い。また、ＳＢ２の圧電素子１１Ｌ、１１Ｒの形成、及び設置処理にエアロゾルデポジション法が用いられていたが、これに限らず、真空蒸着法や物理気相成長法、化学気相成長法などが用いられても良い。また、エアロゾルデポジション法等により形成、及び設置される圧電素子の代わりに、圧電素子１１Ｌ、１１Ｒにバルク圧電素子が用いられてもよい。また、ＳＣ２の上部電極１２Ｌ、１２Ｒの設置処理に真空蒸着法が用いられていたが、これに限らず、例えば物理気相成長法や化学気相成長法などが用いられても良い。

なお、光スキャナの構造に関しては、本実施形態に係る光スキャナ１の構造に限らず、入射した光束を反射するミラー部とミラー部に連結される捻れ梁部とを有する光スキャナであれば構造は何でもよい。例えば、特開２００４−１９１９５３号公報に開示されているように、ミラー部とミラー部の両側に連結する二股形状の捻れ梁部とを有する構造のものであってもよい。

本実施形態において、補強部７の裏面ＵＲの全面が、基板部６の表面ＦＢの全面に接着されていたが、これに限らず、例えば、基板部６の表面ＦＢの一部に補強部７の裏面ＵＲが接着されてもよい。また、基板部６の表面ＦＢ上に層が特別に設けられ、表面ＦＢ上の層に補強部７の裏面ＵＲが接着されてもよい。また、本実施形態において、補強部７の裏面ＵＲに接着剤ＢＮが塗布され、補強部７の裏面ＵＲが基板部６の表面ＦＢに接着されていたが、これに限らず、例えば、基板部６の表面ＦＢに接着剤ＢＮが塗布され、補強部７の裏面ＵＲが基板部６の表面ＦＢに接着されてもよい。

１光スキャナ
２ミラー部
３捻れ梁部
４ａ揺動板
４ｂ固定枠
５Ｌ、５Ｒ駆動部
６基板部
７補強部
８反射面
ＦＢ基板部６の表面
ＵＢ基板部６の裏面
ＦＲ補強部７の表面
ＵＲ補強部７の裏面

Claims

基板部と、前記基板部の表裏両面のうちの一方の面である接着面に接着されて設けられ、入射した光束を反射する反射部とを有するミラー部と、
前記ミラー部に連結され、前記基板部と同一の材料で前記基板部と一体形成され、捻れ振動可能な捻れ梁部と、を備え、
前記反射部は、補強部と反射面とを備え、
前記補強部は、前記基板部の密度ρ１より低い密度ρ２であり、且つ前記基板部のヤング率Ｅ１より高いヤング率Ｅ２であり、比率ρ２／Ｅ２が１．０×１０ ^-8 （ｓ ² ｍ ^-2 ）以下である材料により形成され、
前記反射面は、前記補強部の表裏両面のうちの一方の面である設置面に設けられ、前記入射した光束を反射し、
前記基板部と一体形成された前記捻れ梁部が捻れ振動し、前記ミラー部が揺動することで、前記反射面に入射した光束を反射して、走査することを特徴とする光スキャナ。
前記補強部の表裏両面のうちの設置面の反対側の面である非設置面は、前記基板部の前記接着面に接着されることを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。
前記補強部は、アルミナ、サファイア、ルビー、炭化ケイ素、及びダイアモンドのいずれかにより形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の光スキャナ。
前記反射面に垂直な方向における前記補強部の厚みは、前記基板部の厚みの５倍以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の光スキャナ。
前記捻れ梁部は、前記基板部の両側に連結することを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の光スキャナ。
前記反射面は、前記基板部の前記接着面に接着され、
前記補強部は、光を透過することのできる材料で形成され、
前記基板部と一体形成された前記捻れ梁部が捻れ振動し、前記ミラー部が揺動することで、前記補強部に入射して前記補強部を透過し、前記反射面に入射した光束を反射して、走査することを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。
前記補強部は、サファイア、ルビー、及びダイアモンドのいずれかにより形成されたことを特徴とする請求項６に記載の光スキャナ。
前記反射面に垂直な方向における前記補強部の厚みは、前記基板部の厚みの５倍以下であることを特徴とする請求項６または７のいずれかに記載の光スキャナ。
前記捻れ梁部は、前記基板部の両側に連結することを特徴とする請求項６〜８のいずれかに記載の光スキャナ。