JP5282753B2 - 圧電アクチュエータ、光スキャナ、光走査型画像表示装置、画像形成装置 - Google Patents

Description

本発明は、駆動効率を向上させつつ、放電による電極間の短絡を防止することができる圧電アクチュエータ、かかる圧電アクチュエータを備えた光スキャナ、かかる光スキャナを備えた光走査型画像表示装置、かかる光スキャナを備えた画像形成装置に関する。

圧電アクチュエータとは、圧電素子を用いた可動装置のことである。圧電素子とは、圧電体が電圧の印加により変形する現象（以下、逆圧電効果と称する）を利用した受動素子である。

圧電アクチュエータは、光スキャナ、圧電スピーカ等に用いられ、プリンタ、プロジェクタ、スピーカ等に用いられている。圧電アクチュエータの例として、ここでは光スキャナを取り上げる。

例えば、導電性の基板を通して圧電体に電圧を印加することができる光スキャナが、特許文献１に開示されている。

また例えば、圧電層を挟んで両側に電極を有するバルクの圧電素子が接着層を介して基板に接着された光スキャナが、特許文献２に開示されている。

特開２００６−２９３１１６号公報（段落[００１４]、[００１８]、図２） 特開２００７−２７１７８８号公報（段落[０００３]〜[０００７]、図６）

そして、特許文献１に開示されている導電性の基板と、特許文献２に開示されているバルクの圧電素子と、が導電性接着層を介して接着されていた場合を考える。

一般的に、圧電素子の厚みを薄くすると、圧電素子が接着された基板の変位量は大きくなる。その結果、所望の基板の変位量を得るために必要な駆動電圧（以下、駆動効率と称する）を小さくすることができる。しかしながら、圧電素子の厚みを薄くすると、相対的に電極同士が対向する方向の電極間の距離が近くなる。このため、駆動電圧が電源から電極に印加された際に、一方の電極の導電性接着層から他方の電極へ放電が起こり、電極間の短絡が起こってしまう可能性がある。圧電アクチュエータの電極間に短絡が起こってしまうと、圧電アクチュエータが動作しなくなる恐れがある。これを踏まえ、電極間の短絡を防止する方法を考える。

例えば圧電体の厚みを厚くする方法が考えられるが、圧電体の厚みを厚くすると、相対的に電極同士が対向する方向の電極間の距離が遠くなる。このため、駆動電圧が印加された際に、電極間に放電が起こりにくく、その結果電極間の短絡が起こりにくくなる。このように、圧電体の厚みを十分厚くすることで、電極間の短絡を防止することができる。

しかしながら、圧電体の厚みを厚くすると、駆動効率が低下するという問題点があった。

本発明は、上記の問題点に鑑みてなされたものであり、駆動効率を向上させつつ、放電による電極間の短絡を防止することができる圧電アクチュエータを提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、請求項１に係る圧電アクチュエータは、所定の方向に厚みを有する板状の圧電体と、前記圧電体の両面のうち一方の面に設けられた第１の電極と、前記圧電体の両面のうち他方の面に設けられた第２の電極と、を含む圧電素子と、前記圧電素子の伸縮により、曲げ変形される導電性の振動板と、前記振動板と前記圧電素子とを接着する接着層と、を備え、前記接着層は、前記振動板の両面のうち片側の面と前記第１の電極の両面のうち前記圧電体が設けられる面とは反対側の面との間の領域に設けられ、前記片側の面と前記反対側の面とを接着する導電性接着層と、前記第１の電極の前記所定の方向に沿った側面全面と前記圧電体の前記所定の方向に沿った側面とを覆うように設けられ、前記片側の面と前記圧電体の前記所定の方向に沿った側面とを接着する絶縁性接着層と、を有し、前記片側の面からの前記所定の方向の前記絶縁性接着層の高さは、前記片側の面と前記反対側の面との間の前記所定の方向の前記導電性接着層の厚みと前記所定の方向の前記第１の電極の厚みとを足した長さ以上であり、
前記絶縁性接着層の弾性率は、前記導電性接着層の弾性率と同等以上であることを特徴とする。

請求項２に係る圧電アクチュエータは、請求項１に係る圧電アクチュエータにおいて、前記高さは、前記長さと前記圧電体の厚みとを足した長さ以上であることを特徴とする。

請求項３に係る光スキャナは、請求項１又は２に係る圧電アクチュエータを備える光スキャナであって、入射した光束を反射するミラーを有す板状のミラー部と、前記ミラー部の揺動軸に沿って延び、前記ミラー部を支持する１対の梁部と、前記振動板を含み、前記１対の梁部がそれぞれ連結され、前記ミラー部と前記１対の梁部とを囲むように設けられた枠状の枠板部と、を備える基板と、前記基板を支持する筐体と、を備えることを特徴とする。

請求項４に係る光走査型画像表示装置は、画像信号に応じた光束を出射する光源制御部と、前記光源制御部から出射された光束を前記ミラーに反射させ、第１方向に走査する請求項３に係る光スキャナと、前記光スキャナによって前記第１方向に走査された光束を、前記第１方向と略直交する第２方向に走査するスキャナ部と、前記スキャナ部によって前記第２方向に走査された光束を被投射対象に投射する投射部と、を備えることを特徴とする。

請求項５に係る画像形成装置は、画像信号に応じた光束を出射するレーザ光源と、前記レーザ光源から出射された光束を前記ミラーにより反射させ、第１方向に走査する請求項３に係る光スキャナと、前記光スキャナから前記第１方向に走査された光束が照射されることにより、静電潜像を形成する感光体と、を備えることを特徴とする。

請求項１に記載の圧電アクチュエータによれば、絶縁性接着層は、圧電体側面を覆うように設けられ、振動板の片側の面と圧電体の側面とを接着することを特徴とする。これにより、圧電体の側面の伸縮は、絶縁性接着層を通して、直接振動板に伝えられる。その結果、絶縁性接着層が圧電体の側面に設けられていない場合と比較して、圧電アクチュエータの駆動効率を向上させることができる。また、第１の電極の側面は絶縁性接着層で覆われているため、圧電アクチュエータの電極間の放電による短絡の発生を防ぐことができる。
絶縁性接着層は、導電性接着層と同等以上の弾性率を有することを特徴とする。これにより、絶縁性接着層が導電性接着層より弾性率が小さい場合と比較して、絶縁性接着層を通して、圧電体の側面の伸縮を減衰させることなく振動板に伝えることができる。その結果、絶縁性接着層が導電性接着層より弾性率が小さい場合と比較して、圧電アクチュエータの駆動効率を向上させることができる。

請求項２に記載の圧電アクチュエータによれば、絶縁性接着層の高さは、導電性接着層と第１の電極と圧電体の厚みとを足した長さ以上であることを特徴とする。即ち、絶縁性接着層は、圧電体の側面全面を覆うように設けられている。これにより、圧電体の側面全面の伸縮は、絶縁性接着層を通して、直接振動板に伝えられる。その結果、絶縁性接着層が圧電体側面全面に覆われていない場合と比較して、圧電アクチュエータの駆動効率を向上させることができる。

請求項３に記載の光スキャナによれば、枠板部と１対の梁部とミラー部とミラーとを備える基板と筐体とを備えることを特徴とする。これにより、圧電素子に電圧を印加することで、圧電体の側面の伸縮が直接枠板部に伝わり、枠板部が振動する。枠板部の振動が、１対の梁部を介してミラー部に伝わることで、絶縁性接着層が圧電体の側面に設けられていない場合と比較して、ミラーの振れ角を大きくすることができる。また、第１の電極の側面は絶縁性接着層で覆われている。このため、圧電素子の電極間の放電による短絡の発生を防ぐことができる。上記の理由により、絶縁性接着層が第１の電極の側面と圧電体の側面とに設けられていない場合と比較して、所望のミラー振れ角で揺動させるための駆動電圧が小さく、かつ圧電素子の電極間の短絡が起こらない光スキャナを提供することができる。

請求項４に記載の光走査型画像表示装置は、請求項３に記載の光スキャナを備えることを特徴とする。これにより、圧電素子に電圧を印加することで、圧電体の側面の伸縮が直接枠板部に伝わり、枠板部が振動する。枠板部の振動が、１対の梁部を介してミラー部に伝わる。このため、絶縁性接着層が圧電体の側面に設けられていない場合と比較して、ミラーの振れ角を大きくすることができる。また、第１の電極の側面は絶縁性接着層で覆われている。このため、圧電素子の電極間の放電による短絡の発生を防ぐことができる。上記の理由により、絶縁性接着層が第１の電極の側面と圧電体の側面とに設けられていない場合と比較して、所望の画像を表示するための駆動電圧が小さく、かつ圧電素子の電極間の短絡が起こらない光走査型画像表示装置を提供することができる。

請求項５に記載の画像形成装置は、請求項３に記載の光スキャナを備えることを特徴とする。これにより、圧電素子に電圧を印加することで、圧電体の側面の伸縮が直接枠板部に伝わり、枠板部が振動する。枠板部の振動が、１対の梁部を介してミラー部に伝わる。このため、絶縁性接着層が圧電体の側面に設けられていない場合と比較して、ミラーの振れ角を大きくすることができる。また、第１の電極の側面は絶縁性接着層で覆われている。このため、圧電素子の電極間の放電による短絡の発生を防ぐことができる。上記の理由により、絶縁性接着層が第１の電極の側面と圧電体の側面とに設けられていない場合と比較して、所望の画像を形成するための駆動電圧が小さく、かつ圧電素子の電極間の短絡が起こらない画像形成装置を提供することができる。

本発明の実施形態の光スキャナ１の概観を示す斜視図である。 光スキャナ１の圧電アクチュエータ３９を示す平面図である。 図２のＡ−Ａ線に従う矢視断面図である。 圧電アクチュエータ３９の側面を示す断面図である。 圧電素子４０と基板１０との接着工程を示す断面図である。 光スキャナ１が用いられた網膜走査ディスプレイ１０１の構成を示す図である。 圧電体４１の伸縮に伴う、応力の伝達を示す断面図である。 駆動電圧とミラー振れ角との関係を示すグラフである。 光スキャナ１が用いられたレーザプリンタ１２５の構成を示す図である。

〔実施形態〕
以下、本発明の一実施形態に係る圧電アクチュエータが組み込まれた光スキャナについて図面を参照しつつ説明する。

〔光スキャナ概観〕
まず図１を用いて、光スキャナと水平走査ドライバとについて説明する。図１は、本発明の光スキャナと水平走査ドライバとの概観を示す斜視図である。まず、光スキャナについて説明する。図１に示される光スキャナ１は、基板１０と、筐体２０と、圧電素子４０と、接着層５０と、を備える。本実施形態における光スキャナ１は、本発明の光スキャナの一例である。

本実施形態における方向を定義する。同一平面上において直交する方向をそれぞれＸ軸方向、Ｙ軸方向とする。また、そのＸ軸Ｙ軸がなす平面に直交する方向をＺ軸方向とする。本実施形態におけるＺ軸方向は、順に本発明の所定の方向の一例である。

基板１０は、導電性を有す部材であるステンレスにて形成される。基板１０は、厚みが１００μｍの四角い板形状を有す。基板１０は、ミラー部１１と、梁部１２、１３と、枠板部１４と、を備える。ミラー部１１は、四角い板形状を有している。さらに、ミラー１１ｍが、ミラー部１１の両面のうち一方の面に形成されている。梁部１２、１３は、ミラー部１１からＸ軸方向に延び、ミラー部１１を支持している。枠板部１４は、四角い枠形状を有している。さらに、枠板部１４は、ミラー部１１と、梁部１２、１３とを囲むように形成され、梁部１２、１３と連結されている。後述するが、枠板部１４の片側の面に接着層５０が塗布される。この枠板部１４の片側の面を枠板部１４の接着面１４ａと称する。本実施形態における接着面１４ａは、本発明の片側の面の一例である。本実施形態における基板１０、ミラー部１１、ミラー１１ｍ、枠板部１４は、順に本発明の基板、ミラー部、ミラー、枠板部の一例である。本実施形態における梁部１２、１３は、本発明の１対の梁部の一例である。

筐体２０は、支持部２１と、ベース部２２と、を備える。支持部２１は、Ｚ軸方向に長い直方体形状を有している。基板１０のＹ軸方向における両端のうち一端が、支持部２１と接続される。ベース部２２は、直方体形状を有している。支持部２１とベース部２２とは接続されている。本実施形態における筐体２０は、本発明の筐体の一例である。

次に、同じく図１を用いて水平走査ドライバについて説明する。図１に示される水平走査ドライバ３０は、駆動電圧を制御する装置である。そして、水平走査ドライバ３０は、配線３１を経由して基板１０に電気的に接続される。さらに、水平走査ドライバ３０は、配線３２を経由して、圧電素子４０に電気的に接続される。

〔圧電アクチュエータ概観〕
次に、図２、図３、図４を用いて、光スキャナ１の圧電アクチュエータ３９について説明する。図２は、光スキャナ１の圧電アクチュエータ３９を示す平面図である。図３は、図２のＡ−Ａ線に従う矢視断面図である。図４は、圧電アクチュエータ３９の側面を示す断面図である。圧電アクチュエータ３９は、圧電素子４０と、接着層５０と、基板１０の枠板部１４の一部と、を含む。本実施形態における枠板部１４の一部は、本発明の振動板の一例である。本実施形態における圧電アクチュエータ３９は、本発明の圧電アクチュエータの一例である。

圧電素子４０のＸ軸方向の距離を圧電素子４０の横幅Ｐｘ、圧電素子４０のＹ軸方向の距離を圧電素子４０の縦幅Ｐｙ、圧電素子４０のＺ軸方向の距離を圧電素子４０の厚みＰｚと称する。図２に示すように、圧電素子４０は、接着面１４ａに形成される。圧電素子４０は、圧電素子４０の横幅Ｐｘが３ｍｍ、圧電素子４０の縦幅Ｐｙが３ｍｍ、圧電素子４０の厚みＰｚが０．０６ｍｍである四角い板形状を有す。また、絶縁性接着層５２が圧電素子４０の側面に形成されている。

さらに、図３に示すように、圧電素子４０は、圧電体４１と、１対の電極４２と、を備える。圧電体４１の材料は、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛（以下、ＰＺＴと称する）を含む。圧電体４１は、板形状を有す。１対の電極４２は、圧電体４１のＺ軸方向における両面に設けられる。１対の電極４２は、導電性を有する材質である金にて形成される。１対の電極４２は、第１の電極４３と第２の電極４４とを有す。第２の電極４４は、図示しない配線３２を経由して、図示しない水平走査ドライバ３０と接続されている。図４に示すように、第１の電極４３は圧電体４１の両面のうち他方の面４１ｂに設けられ、第２の電極４４は圧電体４１のＺ軸方向における両面のうち一方の面４１ａに設けられる。本実施形態における圧電素子４０、圧電体４１、第１の電極４３、第２の電極４４、一方の面４１ａ、他方の面４１ｂは、順に本発明の圧電素子、圧電体の第１の電極、第２の電極、一方の面、他方の面の一例である。

図３に示すように、接着層５０は、熱硬化性を有している。接着層５０は、エポキシ樹脂材料にて形成される。接着層５０は、導電性接着層５１と、絶縁性接着層５２と、を有す。図４に示すように、導電性接着層５１は、第１の電極４３の両面のうち圧電体４１が設けられる面４３ａとは反対側の面４３ｂと、枠板部１４の接着面１４ａと、の間の領域に設けられている。導電性接着層５１は、第１の電極４３の面４３ｂと、枠板部１４の接着面１４ａと、を接着している。絶縁性接着層５２は、枠板部１４の接着面１４ａ上にあり、第１の電極４３のＺ軸方向に沿った側面４３ｅ全面と圧電体４１のＺ軸方向に沿った側面４１ｅ全面とを覆い、第２の電極４４のＺ軸方向に沿った側面４４ｅまで延びて設けられている。絶縁性接着層５２は、枠板部１４の接着面１４ａと圧電体４１の側面４１ｅとを接着している。導電性接着層５１は、圧電体４１の伸縮を枠板部１４に十分伝えることができる程度の弾性率を有する。また、絶縁性接着層５２の弾性率は、導電性接着層５１の弾性率と同等以上である。本実施形態における面４３ａ、面４３ｂ、接着層５０、導電性接着層５１、絶縁性接着層５２は、順に本発明の圧電体が設けられる面、反対側の面、接着層、導電性接着層、絶縁性接着層の一例である。本実施形態における側面４３ｅ、側面４１ｅは、順に本発明の第１の電極の前記所定の方向に沿った側面、圧電体の前記所定の方向に沿った側面の一例である。

接着層５０の距離について図４を用いて説明する。第１の電極４３の面４３ａと枠板部１４の接着面１４ａとの間における導電性接着層５１のＺ軸方向の距離（以下、導電性接着層５１の厚みＢｃｚと称する。）は１０μｍ、枠板部１４の接着面１４ａからの絶縁性接着層５２のＺ軸方向の距離（以下、絶縁性接着層５２の高さＢｉｚと称する。）は７１．５μｍ、第１の電極４３のＺ軸方向に沿った側面４３ｅからの絶縁性接着層５２のＸ軸方向の距離（以下、絶縁性接着層５２の横幅Ｂｉｘと称する。）と、第１の電極４３のＺ軸方向に沿った側面４３ｅからの絶縁性接着層５２のＹ軸方向の距離（以下、絶縁性接着層５２の縦幅Ｂｉｙと称する。図４には図示しない）とは、どちらも１００μｍとなる。本実施形態における導電性接着層５１の厚みＢｃｚ、絶縁性接着層５２の高さＢｉｚは、順に本発明の導電性接着層の厚み、絶縁性接着層の高さの一例である。

また、圧電素子４０の距離について図４を用いて説明する。第１の電極４３のＺ軸方向の距離（以下、第１の電極４３の厚みＰｅ１ｚと称する）は１μｍ、圧電体４１のＺ軸方向の距離（以下、圧電体４１の厚みＰｂｚと称する）は６０μｍ、第２の電極４４のＺ軸方向の距離（以下、第２の電極４４の厚みＰｅ２ｚと称する）は１μｍであった。さらに、第１の電極４３の厚みＰｅ１ｚと圧電体４１の厚みＰｂｚと第２の電極４４の厚みＰｅ２ｚとを足し合わせた距離（圧電素子４０の厚みＰｚ）は、６２μｍであった。本実施形態における第１の電極４３の厚みＰｅ１ｚ、圧電体４１の厚みＰｂｚは、順に本発明の第１の電極の厚み、圧電体の厚みの一例である。

〔光スキャナの製造方法〕
次に、作業者が光スキャナ１を製造する方法について図５を用いて説明する。

まず、図５（Ａ）に示すように、作業者は基板１０を用意する。

次に、図５（Ｂ）に示すように、作業者は、ディスペンサにより、導電性接着層５１を枠板部１４の接着面１４ａ上の１．５ｍｍ×１．５ｍｍ×０．０４ｍｍ（導電性接着層５１のＸ軸方向の距離×導電性接着層５１のＹ軸方向の距離×導電性接着層５１のＺ軸方向の距離）の領域に塗布する。

さらに、図５（Ｃ）に示すように、作業者は、ディスペンサにより、枠板部１４の接着面１４ａ上の導電性接着層５１の外周に絶縁性接着層５２を０．０９ｍｍ^３塗布する。

作業者は、圧電素子４０を用意する。そして、作業者は、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ製ＦＬＩＰ ＣＨＩＰ ＢＯＮＤＥＲ ＦＢ３０Ｔ−Ｍを用いて、圧電素子４０を枠板部１４に実装する。

具体的には、図５（Ｄ）に示すように、作業者は、Ｚ軸方向で枠板部１４の接着面１４ａと第１の電極４３とが近づく向きに、導電性接着層５１と第１の電極４３とが接触するまで、第１の電極４３を枠板部１４の接着面１４ａに近づける。

さらに、図５（Ｅ）に示すように、作業者は、Ｚ軸方向で枠板部１４の接着面１４ａと第１の電極４３とが近づく向きに、圧電素子４０の第２の電極４４側から例えば２ｋｇｆの圧力を１２０ｓｅｃかける。これにより、圧電素子４０と導電性接着層５１及び絶縁性接着層５２とが密着する。圧電素子４０と導電性接着層５１及び絶縁性接着層５２とが密着したことにより、絶縁性接着層５２は、圧電素子４０の外側にあふれ出し、圧電体４１の側面４１ｅと枠板部１４の接着面１４ａとが接着される。

さらに、作業者は、基板１０をオーブンに投入し、例えば１５０℃の状態で計３０分間保持する。これにより、導電性接着層５１及び絶縁性接着層５２が硬化される。そして、作業者は、ワイヤーボンディング装置により、第２の電極４４と水平走査ドライバ３０との間に配線３２を接続する。さらに、作業者は、基板１０と筐体２０とを接続する。このようにして、作業者は、光スキャナ１を製造する。

〔光スキャナの動作〕
光スキャナ１の動作について説明する。水平走査ドライバ３０内にて駆動電圧が生成される。第２の電極４４側では、駆動電圧が、水平走査ドライバ３０から配線３２を経由して第２の電極４４へ印加される。基板１０側では、駆動電圧が、水平走査ドライバ３０から配線３１を経由して基板１０に印加される。基板１０と第１の電極４３とは、導電性接着層５１により電気的に接続されている。ゆえに、駆動電圧が、基板１０から導電性接着層５１を経由して圧電素子４０の第１の電極４３へ印加される。駆動電圧が圧電素子４０の第１の電極４３と第２の電極４４とに印加されると、逆圧電効果が第１の電極４３と第２の電極４４とに挟まれた圧電体４１内に生じる。圧電素子４０と基板１０の枠板部１４とは導電性接着層５１及び絶縁性接着層５２で接着されている。このため、圧電素子４０の伸縮が、導電性接着層５１及び絶縁性接着層５２を経由して、枠板部１４に伝えられ、枠板部１４がたわむ。このたわみが枠板部１４から梁部１２、１３を介してミラー部１１へと伝わり、結果的にミラー部１１が梁部１２、１３の長手方向を揺動軸１５として共振揺動される。ミラー１１ｍが揺動された状態で光束がミラー１１ｍに入射される。すると、光束がミラー１１ｍに反射され、結果的に１方向に走査される。このように、光スキャナ１に水平走査ドライバ３０から駆動電圧を印加することで、光束を走査することができる。本実施形態における揺動軸１５は、本発明の揺動軸の一例である。

〔光スキャナの使用例〕
本実施形態に係る光スキャナ１は、網膜走査ディスプレイ等に用いられる。図６は、光スキャナ１が用いられた網膜走査ディスプレイ１０１の構成を示す図である。

図６に示すように、網膜走査ディスプレイ１０１は、光源制御部１０２を備える。光源制御部１０２は、映像信号供給回路１０３を備える。映像信号１０４、水平同期信号１０５、及び、垂直同期信号１０６は、映像信号供給回路１０３から出力される。本実施形態における網膜走査ディスプレイ１０１、光源制御部１０２は、順に本発明の光走査型画像表示装置、光源制御部の一例である。

光源制御部１０２は、光源としてのＲレーザ１１３，Ｇレーザ１１２，Ｂレーザ１１１と、その各光源を駆動するためのＲレーザドライバ１１０，Ｇレーザドライバ１０９，Ｂレーザドライバ１０８と、各光源より出射された光束をそれぞれ平行光化するように設けられたコリメート光学系１１４と、それぞれ平行光化された光束を合波するダイクロイックミラー１１５と、合波された光束を光ファイバ１１７に導くファイバ結合光学系１１６とを備える。

また、網膜走査ディスプレイ１０１は、光束を光源制御部１０２から伝搬する光ファイバ１１７と、光ファイバから出射された光束を受けるコリメート光学系１１８と、コリメート光学系１１８によって平行光化された光束を水平方向に走査する水平走査系１１９と、水平走査系１１９によって走査された光束を垂直走査系１２１に導く第１リレー光学系１２０と、水平走査系１１９によって走査され第１リレー光学系１２０を介して入射された光束を垂直方向に走査する垂直走査系１２１と、垂直走査系１２１に走査された光束を観察者の瞳孔１２４に導く第２リレー光学系１２２と、を有している。

水平走査系１１９は、表示すべき画像の１フレームごとに、光束を水平方向に走査する水平走査を行う光学系である。また、水平走査系１１９は、水平走査を行う光スキャナ１と、入射された光束を反射するミラー１１ｍ、その光スキャナ１の駆動制御を行う水平走査ドライバ３０とを備えている。本実施形態における水平方向は、本発明の第１方向の一例である。

これに対し、垂直走査系１２１は、水平走査系１１９にて水平走査された光束を垂直方向に垂直走査する垂直走査を行う光学系である。また、垂直走査系１２１は、光束を垂直方向に走査するスキャナ部１２１ａと、入射された光束を反射する垂直走査ミラー１２１ｂ、そのスキャナ部１２１ａの駆動制御を行う垂直走査ドライバ１２１ｃとを備えている。本実施形態における垂直方向は、本発明の第２方向の一例である。本実施形態におけるスキャナ部１２１ａは、本発明のスキャナ部の一例である。

第１リレー光学系１２０は、凸レンズ１４１、１４２を有している。第２リレー光学系１２２は、凸レンズ１５１、１５２を有している。第１リレー光学系１２０は、水平走査系１１９の光スキャナ１と、垂直走査系１２１のスキャナ部１２１ａとが共役となるように、また、第２リレー光学系１２２は、スキャナ部２１ａと、観察者の瞳孔１２４とが共役となるように、各々設けられている。本実施形態における第２リレー光学系１２２は、本発明の投射部の一例である。

よって、水平走査系１１９と垂直走査系１２１とは互いに直交する方向に走査を行うようになっている。

また、水平走査系１１９，垂直走査系１２１は、各々映像信号供給回路１０３に接続され、映像信号供給回路１０３より出力される水平同期信号１０５，垂直同期信号１０６にそれぞれ同期して光束を走査するように設けられている。

次に、本発明の一実施形態の網膜走査ディスプレイ１０１が、映像信号供給回路１０３が外部からの映像信号を受けてから、観察者の網膜上に映像を投影するまでの過程について図６を用いて説明する。

図６に示すように、光源制御部１０２に設けられた映像信号供給回路１０３が外部からの映像信号の供給を受ける。すると、映像信号供給回路１０３は、赤，緑，青の各色の光束出力を制御するためのＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号からなる映像信号１０４と、水平同期信号１０５と、垂直同期信号１０６とが出力する。Ｒレーザドライバ１１０，Ｇレーザドライバ１０９，Ｂレーザドライバ１０８は各々入力されたＲ映像信号，Ｇ映像信号，Ｂ映像信号に基づいてＲレーザ１１３，Ｇレーザ１１２，Ｂレーザ１１１に対してそれぞれ駆動信号を出力する。この駆動信号に基づいて、Ｒレーザ１１３，Ｇレーザ１１２，Ｂレーザ１１１はそれぞれ強度変調された光束を生成する。Ｒレーザ１１３，Ｇレーザ１１２，Ｂレーザ１１１によって生成された光束は、各々の光束をコリメート光学系１１４に出力する。出力された光束は、コリメート光学系１１４によってそれぞれ平行光化される。コリメート光学系１１４によって平行光化された光束は、ダイクロイックミラー１１５に入射され１つの光束となるよう合波される。ダイクロイックミラー１１５によって合波された光束は、ファイバ結合光学系１１６によって光ファイバ１１７に入射されるよう導かれる。

光ファイバ１１７によって伝搬された光束は、光ファイバ１１７からコリメート光学系１１８によって平行光化され水平走査系１１９に出射される。水平走査系１１９に出射された光束は、水平走査系１１９の光スキャナ１のミラー１１ｍに入射される。光スキャナ１のミラー１１ｍに入射された光束は水平同期信号１０５に同期して水平方向に走査される。水平方向に走査された光束は、第１リレー光学系１２０を介し、垂直走査系１２１のスキャナ部１２１ａの垂直走査ミラー１２１ｂに入射される。スキャナ部１２１ａに入射された光束は、垂直同期信号１０６に同期して、スキャナ部１２１ａによって垂直方向に走査される。水平走査系１１９及び垂直走査系１２１によって水平方向及び垂直方向に２次元走査された光束は、第２リレー光学系１２２により観察者の瞳孔１２４へ入射され、網膜上に投影される。このようにして、観察者は２次元走査されて網膜上に投影された光束による画像を認識することができる。本実施形態における瞳孔１２４は、本発明の被投射対象の一例である。

網膜走査ディスプレイ１０１は、観察者の頭部に搭載する頭部搭載型画像表示装置である。ゆえに、例えばめがね形状、ゴーグル形状、ヘルメット形状等の図示しない筐体に搭載され、観察者の頭部に装着した状態で使用する。

〔本実施形態の効果〕
圧電体４１の側面４１ｅの応力の伝達について説明する。圧電素子４０の第１の電極４３と第２の電極４４とに電圧が印加される。すると、図７に示すように、圧電体４１に逆圧電効果が起こり、圧電素子４０が伸縮する。一方、絶縁性接着層５２は、圧電体４１の側面４１ｅに接している。このため、応力Ｆ１が絶縁性接着層５２にかかる。さらに、絶縁性接着層５２は、枠板部１４の接着面１４ａと接している。このため、応力Ｆ２が枠板部１４に伝えられる。応力Ｆ２とは別に、圧電素子４０の伸縮により導電性接着層５１を通して枠板部１４の接着面１４ａに伝えられる応力がある。即ち、圧電素子４０から導電性接着層５１を通して枠板部１４に伝わる応力に加え、応力Ｆ２が枠板部１４に伝えられる。ゆえに、絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅに形成されていない場合と比較して、一層たわむ。従って、圧電アクチュエータ３９の駆動効率を、絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅに形成されていない場合と比較して、高くすることができる。

さらに、枠板部１４が大きく変形することにより、その変形力が梁部１２、１３を介してミラー部１１に伝わる。これにより、結果的にミラー部１１が一層揺動される。即ち、絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅに設けられていない場合と比較して、ミラー１１の振れ角を大きくすることができる。言い換えると、絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅに形成されていない場合と比較して、光スキャナ１を所望のミラー振れ角で揺動させるための駆動電圧を小さくすることができる。

また、圧電体４１の側面４１ｅにおける絶縁性接着層５２の有無による駆動効率の差異を明確化するため、シミュレーションを行った。図８は、駆動電圧と光スキャナ１のミラー振れ角との関係を示すグラフである。圧電素子４０の横幅Ｐｘを３ｍｍ、圧電素子４０の縦幅Ｐｙを３ｍｍ、圧電素子４０の厚みＰｚを６０μｍ、導電性接着層５１の厚みＢｃｚを２０μｍ、絶縁性接着層５２の高さＢｉｚを８０μｍ、絶縁性接着層５２の横幅Ｂｉｘを１２５μｍ、絶縁性接着層５２の縦幅Ｂｉｙを１２５μｍとして、シミュレーションソフトはＡＮＳＹＳを使用し、シミュレーションを行った。図８に実線で示された特性Ａは絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅにない場合のシミュレーション結果であり、図８に一点鎖線で示された特性Ｂは絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅにある場合のシミュレーション結果である。図８を見てみると、特性Ａ，Ｂともに、５Ｖ〜１０Ｖの間では、駆動電圧が大きくなると、振れ角が大きくなっている。また、５Ｖ〜１０Ｖの間では、特性Ｂは特性Ａより振れ角が大きい。例えば、ミラー振れ角２５°で揺動させるために、特性Ａだと駆動電圧が約１０Ｖ必要であるが、特性Ｂだと駆動電圧が約９Ｖしか必要ない。つまり、５Ｖ〜１０Ｖの間では、特性Ｂは、特性Ａより所望のミラー振れ角で揺動させるための駆動電圧が小さい。ゆえに、特性Ｂは特性Ａより駆動効率が高いと考えられる。このように、シミュレーション結果からも、絶縁性接着層５２が圧電素子４１の側面４１ｅに形成されていない場合と比較して、本実施形態に係る光スキャナにおいて、所望のミラー振れ角で揺動させるための駆動電圧が小さくなることは明らかである。

また、絶縁性接着層５２は、第１の電極４３のＺ軸方向に沿った側面４３ｅと圧電体４１のＺ軸方向に沿った側面４１ｅとを覆っている。このため、駆動電圧が圧電素子４０に印加された際に、第１の電極４３と第２の電極４４との間に放電による短絡が起こらない。ゆえに、短絡により光スキャナ１が動作しなくなる恐れがなくなる。従って、放電による電極間の短絡が起こらない圧電アクチュエータを提供することができる。本実施形態における光スキャナ及び光走査型画像表示装置は放電によるこの圧電アクチュエータを用いているため、同様の効果が得られる。即ち、放電による電極間の短絡が起こらない光スキャナ、光走査型画像表示装置を提供することができる。

さらに、絶縁性接着層５２は、圧電体４１の側面４１ｅ全面を覆い、第２の電極４４の側面４４ｅまで延びている。これにより、絶縁性接着層５２を通して、圧電体４１の側面４１ｅ全面の伸縮を直接枠板部１４に伝えることができる。ゆえに、絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅ全面に形成されていない場合と比較して、一層たわむ。即ち、圧電アクチュエータ３９の駆動効率を、絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅ全面を覆わない場合と比較して、一層高くすることができる。

接着層５０の弾性率について説明する。絶縁性接着層５２は、圧電体４１の側面４１ｅの伸縮を枠板部１４に伝える。一方、導電性接着層５１は、圧電体４１の伸縮を枠板部１４に十分伝えることができる程度の弾性率を有する。ゆえに、絶縁性接着層５２の弾性率が導電性接着層５１の弾性率より十分小さい、即ち絶縁性接着層５２が柔らかいと、圧電体４１が伸縮した際に、枠板部１４に伝わる応力が絶縁性接着層５２に吸収されやすくなる。これにより、圧電体４１の伸縮が枠板部１４に十分伝わらない恐れがある。即ち、絶縁性接着層５２を圧電体４１の側面４１ｅに形成したとしても、圧電アクチュエータ３９の駆動効率が高くならない可能性がある。しかしながら、絶縁性接着層５２の弾性率は、導電性接着層５１の弾性率と同等以上である。ゆえに、絶縁性接着層５２の弾性率が導電性接着層５１の弾性率より小さい場合と比較して、絶縁性接着層５２を経由して圧電体４１の側面４１ｅの伸縮を枠板部１４に十分伝えることができる。従って、絶縁性接着層５２の弾性率が導電性接着層５１の弾性率より小さい場合と比較して、圧電アクチュエータの駆動効率を高くすることができる。

また、光スキャナ１は、網膜走査ディスプレイ１０１等の光走査型画像表示装置に用いられる。これにより、圧電素子４０に駆動電圧を印加することで、圧電体４１の側面４１ｅの伸縮が直接枠板部１４に伝わり、枠板部１４が振動する。枠板部１４の振動が、梁部１２、１３を介してミラー部１１に伝わる。このため、絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅに設けられていない場合と比較して、ミラー１１の振れ角を大きくすることができる。これにより、網膜走査ディスプレイ１０１を用いて所望の画像を表示するために光スキャナ１のミラー１１ｍを揺動させる際に、所望のミラー振れ角でミラー１１ｍを揺動させるための駆動電圧を小さくすることができる。

接着層５０の材料について説明する。圧電素子４０と基板１０との接着工程においては、圧電素子４０と基板１０との接着を早く行い、一定時間に光スキャナ１を生産する数（以下、光スキャナ１の生産効率と称する。）を向上させることが求められる。一方、接着層５０は、熱硬化性を有している。このため、作業者が、圧電素子４０と基板１０とを接着した直後の接着層５０に熱を十分加えることで素早く硬化させることができる。接着層５０を素早く硬化させることができるので、光スキャナ１の生産効率を向上させることができる。

また、接着層５０はエポキシ樹脂材料を含む。エポキシ樹脂剤は、圧電体４１の伸縮を基板１０の枠板部１４に十分伝えることができるだけの弾性を有している。このため、圧電体４１の伸縮を基板１０の枠板部１４に伝えるのに適している。また、エポキシ樹脂剤は、熱硬化性を有す。このため、圧電素子４０と基板１０との接着工程において、圧電素子４０と基板１０とを接着した直後の接着層５０に熱を加えることで、接着層５０を素早く硬化させることができる。また、エポキシ樹脂剤は比較的安価である。ゆえに、光スキャナ１の製造コストを低くすることができる。

〔変形例〕
なお、以上のように、本発明の好ましい実施の形態について詳述したが、本発明は係る特定の実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本発明の要旨の範囲内において、種々の変形・変更が可能である。

本実施形態においては、圧電素子４０の大きさ、基板１０の厚み、導電性接着層５１、絶縁性接着層５２の塗布量等を具体的数値を用いて説明したが、この具体的数値はその一例を示すものであり、これに限定されないことは言うまでもない。

本実施形態においては、圧電素子４０と基板１０との接着を行うために、作業者は、ディスペンサを用いて接着層５０を塗布し、Ｐａｎａｓｏｎｉｃ製ＦＬＩＰ ＣＨＩＰ ＢＯＮＤＥＲ ＦＢ３０Ｔ−Ｍを用いて圧電素子４０を基板１０に実装し、オーブンを用いて接着層５０を硬化させ、ワイヤーボンディング装置を用いて配線３２を接続した。しかしながら、これに限らず、圧電素子４０と基板１０とを高精度に接着することができる装置であるならば、何でもよい。また、装置を用いずとも、人間が手動で、基板１０に接着層５０を塗布し、圧電素子４０を基板１０に実装してもよい。しかし、圧電素子４０と基板１０との接着は、比較的高い精度が求められる。このため、人間が手動で接着を行う方法は好適ではない。

本実施形態においては、接着層５０は、エポキシ樹脂材料を含む。しかしながら、エポキシ樹脂剤に限らず、アクリル樹脂剤、シリコン樹脂剤等であってもよい。また、これらに限らず、接着層５０が圧電素子４０と基板１０とを接着でき、かつ圧電素子４０の伸縮を基板１０に十分伝えることができる程度の弾性率を有している材料であるならば、何でもよい。

本実施形態においては、絶縁性接着層５２の弾性率は、導電性接着層５１の弾性率と同等以上であった。しかしながら、これに限らず、絶縁性接着層５２、導電性接着層５１の弾性率が圧電素子４０の伸縮を基板１０に十分伝えることができる程度に高いのであれば、絶縁性接着層５２の弾性率は、導電性接着層５１の弾性率より小さくても構わない。

本実施形態においては、接着層５０は、熱硬化性を有している。しかしながら、これに限らず、接着層５０は、熱硬化性を有していなくてもよい。しかし、光スキャナ１の生産効率を考慮すると、接着層５０は、熱硬化性を有していることが望ましい。

本実施形態においては、導電性接着層５１の厚みＢｃｚは１０μｍ、絶縁性接着層５２の高さＢｉｚは６０μｍ、絶縁性接着層５２の横幅Ｂｉｘ及び絶縁性接着層５２の縦幅Ｂｉｙは１００μｍ、であった。しかしながら、これに限らず、導電性接着層５１の厚みＢｃｚは０以外であるならば何でもよい。絶縁性接着層５２の高さＢｉｚは、導電性接着層５１の厚みＢｃｚと第１の電極４３の厚みＰｅ１ｚとを足した値以上であれば、何でもよい。絶縁性接着層５２の横幅Ｂｉｘ、絶縁性接着層５２の縦幅Ｂｉｙは、０以外であるならば何でもよい。

本実施形態においては、圧電体４１は、ＰＺＴを含む。しかしながら、ＰＺＴに限らず、圧電体４１が、水晶、酸化亜鉛、ニオブ酸リチウム、窒化アルミニウム等の種種の圧電材料のうち１種類を含んでいるならば、何でもよい。

本実施形態においては、基板１０はステンレスにて形成される。しかしながら、ステンレスに限らず、基板１０は、チタン、鉄等であってもよい。導電性を有す部材から形成され、かつ圧電体１１の伸縮により十分可動可能な弾性率を有しているのであれば、何でもよい。

本実施形態においては、一対の電極４２は金にて形成される。しかしながら、金に限らず、白金であってもよい。一対の電極４２は、導電性を有す部材から形成され、かつ圧電体１１の伸縮により十分変形可能な弾性率を有しているのであれば、何でもよい。

本実施形態においては、基板１０、ミラー部１１、圧電素子４０はいずれも四角い板形状を有し、枠板部１４は四角い枠形状を有している。しかしながら、四角に限らず、多角形、円形、楕円形等であっても板形状を有しているならば、何でもよい。

なお、本実施形態においては、光スキャナ１の圧電素子４０の数は、１つであった。しかしながら、１つに限らず、特開２００９−１８６６５２に示されるように、枠板部１４のＹ軸方向の両側にそれぞれ１つ、合計２つ設けてもよい。

なお、本実施形態においては、絶縁性接着層５２の横幅Ｂｉｘと、絶縁性接着層５２の縦幅Ｂｉｙは同じ値であった。しかしながら、これに限らず、絶縁性接着層５２の横幅Ｂｉｘと絶縁性接着層５２の縦幅Ｂｉｙが異なっていたとしてもよい。

上述した実施形態においては、光束は先に水平走査系１９によって水平方向に走査され、その後に、垂直走査系２１によって垂直方向に走査される構成であった。しかしながら、これに限らず、光束を先に垂直走査系２１によって垂直方向に走査し、その後に、水平走査系１９によって水平方向に走査する構成であってもよい。

また、図６においては光スキャナ１を網膜走査ディスプレイ１０１に適用した例を説明した。しかしながら、これに限らず、第２リレー光学系１２２を投射レンズ系に変更し、瞳孔１２４に変えて投影スクリーンあるいは建物の壁等とすれば、レーザプロジェクタとして使用することができる。本実施形態における投射レンズ系、レーザプロジェクタは、順に本発明の投射部、光走査型画像表示装置の一例である。本実施形態における投影スクリーン、建物の壁は、本発明の被投射対象の一例である。

また、光スキャナ１は網膜走査ディスプレイ、レーザプロジェクタ等の光走査型画像表示装置だけではなく、レーザプリンタ等の画像形成装置内で光束を走査する光スキャナにも応用できる。図９は、上記光スキャナ１を用いたレーザプリンタ１２５の構成を示す図である。同一の部分又は同一の機能の部分には同一の符号を付した。本実施形態におけるレーザプリンタ１２５は、本発明の画像形成装置の一例である。

図９において、外部からの画像信号に応じて、レーザ光源１２６は光束を光スキャナ１のミラー１１ｍに照射する。光スキャナ１のミラー１１ｍに入射された光束は水平方向に走査される。水平方向に走査された光束はＦθレンズ１２７を通過して凹面鏡１２９により反射されて回転ドラム上の感光体１２８に照射し、感光体１２８に静電潜像を形成する。さらに、回転ドラムが回転してこの静電潜像を図示しない複写紙に複写する。本実施形態におけるレーザ光源１２６、水平方向、感光体１２８は、順に本発明のレーザ光源、第１方向、感光体の一例である。

このように、光スキャナ１は画像形成装置に用いられる。本実施形態に係る光スキャナ１は、所望のミラー振れ角で揺動させるための駆動電圧を小さくすることができる。このため、レーザプリンタ１２５においては所望の画像を形成するために感光体１２８に光スキャナ１のミラー１１ｍを照射する際に、所望のミラー振れ角でミラー１１ｍを揺動させるための駆動電圧を小さくすることができる。すなわち絶縁性接着層５２が圧電体４１の側面４１ｅに設けられていない場合と比較して、所望の画像を形成するための駆動電圧が小さく、かつ電極間の短絡が起こらない画像形成装置を提供することができる。

図９によりレーザプリンタ１２５に用いられる光スキャナ１の実施の形態を説明したが、１次元又は２次元バーコード読み取り装置等においても光スキャナ１を使用することができる。

本発明の実施の形態に記載された効果は、本発明から生じる最も好適な効果を列挙したに過ぎず、本発明による効果は、本発明の実施の形態に記載されたものに限定されるものではない。

１ 光スキャナ
１０ 基板
１１ ミラー部
１１ｍ ミラー
１２、１３ 梁部
１４ 枠板部
１４ａ 接着面
１５ 揺動軸
２０ 筐体
２１ 支持部
２２ ベース部
３０ 水平走査ドライバ
３１、３２ 配線
３９ 圧電アクチュエータ
４０ 圧電素子
４１ 圧電体
４２ １対の電極
４３ 第１の電極
４４ 第２の電極
５０ 接着層
５１ 導電性接着層
５２ 絶縁性接着層

Claims (5)

1. 所定の方向に厚みを有する板状の圧電体と、
   前記圧電体の両面のうち一方の面に設けられた第１の電極と、
   前記圧電体の両面のうち他方の面に設けられた第２の電極と、
   を含む圧電素子と、
   前記圧電素子の伸縮により、曲げ変形される導電性の振動板と、
   前記振動板と前記圧電素子とを接着する接着層と、
   を備え、
   前記接着層は、
   前記振動板の両面のうち片側の面と前記第１の電極の両面のうち前記圧電体が設けられる面とは反対側の面との間の領域に設けられ、前記片側の面と前記反対側の面とを接着する導電性接着層と、
   前記第１の電極の前記所定の方向に沿った側面全面と前記圧電体の前記所定の方向に沿った側面とを覆うように設けられ、前記片側の面と前記圧電体の前記所定の方向に沿った側面とを接着する絶縁性接着層と、を有し、
   前記片側の面からの前記所定の方向の前記絶縁性接着層の高さは、前記片側の面と前記反対側の面との間の前記所定の方向の前記導電性接着層の厚みと前記所定の方向の前記第１の電極の厚みとを足した長さ以上であり、
   前記絶縁性接着層の弾性率は、前記導電性接着層の弾性率と同等以上であることを特徴とする圧電アクチュエータ。
2. 前記高さは、前記長さと前記圧電体の厚みとを足した長さ以上であることを特徴とする請求項１に記載の圧電アクチュエータ。
3. 請求項１又は２に記載の圧電アクチュエータを備える光スキャナであって、
   入射した光束を反射するミラーを有す板状のミラー部と、
   前記ミラー部の揺動軸に沿って延び、前記ミラー部を支持する１対の梁部と、
   前記振動板を含み、前記１対の梁部がそれぞれ連結され、前記ミラー部と前記１対の梁部とを囲むように設けられた枠状の枠板部と、
   を備える基板と、
   前記基板を支持する筐体と、
   を備えることを特徴とする光スキャナ。
4. 画像信号に応じた光束を出射する光源制御部と、
   前記光源制御部から出射された光束を前記ミラーに反射させ、第１方向に走査する請求項３に記載の光スキャナと、
   前記光スキャナによって前記第１方向に走査された光束を、前記第１方向と略直交する第２方向に走査するスキャナ部と、
   前記スキャナ部によって前記第２方向に走査された光束を被投射対象に投射する投射部と、
   を備えることを特徴とする光走査型画像表示装置。
5. 画像信号に応じた光束を出射するレーザ光源と、
   前記レーザ光源から出射された光束を前記ミラーにより反射させ、第１方向に走査する請求項３に記載の光スキャナと、
   前記光スキャナから前記第１方向に走査された光束が照射されることにより、静電潜像を形成する感光体と、
   を備えることを特徴とする画像形成装置。