JP5319939B2 - Optical deflector and optical device - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、入射光を偏向して光走査する光偏向器に関し、特に、高速かつ大振幅動作が可能な可動板を有する光偏向器およびそれを用いた光学装置に関する。 The present invention relates to an optical deflector that deflects incident light and performs optical scanning, and more particularly to an optical deflector having a movable plate capable of high-speed and large-amplitude operation and an optical device using the same.
本発明は、レーザ光等の光ビームを偏向、走査する光学機器全般、電子写真方式の複写機、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ、レーザ光をスキャニングして映像を投影する表示装置、ヘッドアップディスプレイ(自動車および民生機器用)、携帯機器用ラスタスキャンディスプレイ、測距センサ、形状測定センサ、光空間通信ユニット等に広く適用することができる。 The present invention relates to general optical equipment that deflects and scans a light beam such as a laser beam, an electrophotographic copying machine, a laser beam printer, a barcode reader, a display device that scans a laser beam and projects an image, and a head-up display. It can be widely applied to raster scan displays for mobile devices (for automobiles and consumer devices), distance measuring sensors, shape measuring sensors, optical space communication units, and the like.
従来、レーザ光等の光ビームを偏向、走査する光偏向器は、電子写真方式の複写機、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の光学機器に広く用いられている。また、レーザ光をスキヤニングして映像を投影する表示装置などにも使用されている。 2. Description of the Related Art Conventionally, an optical deflector that deflects and scans a light beam such as a laser beam is widely used in an optical apparatus such as an electrophotographic copying machine, a laser beam printer, and a barcode reader. It is also used in display devices that project images by scanning laser light.
このような機械的に光偏向を行う光偏向器としては、一般には回転多面鏡(ポリゴンミラー)や振動型反射鏡(ガルバノミラー)等が知られているが(例えば、特許文献1、特許文献2、特許文献3参照)、ガルバノミラー型の方が小型化に優れている。特に、小型の光偏向器としては、マイクロマシン技術を用いて作製されたシリコン基板を用いたマイクロミラーの試作が報告されている
As such an optical deflector that mechanically deflects light, a rotating polygon mirror (polygon mirror), a vibrating reflector (galvano mirror), and the like are generally known (for example,
上記特許文献1に開示された光偏向器は、電磁力を利用して駆動するところに特徴があり、ベース上に配置された左右一対の永久磁石と反射ミラーの外周部に配置された駆動用コイルとを有し、この駆動用コイルに正逆交互の駆動電流を通電するように構成されている。正逆交互の駆動電流が通電されると、一対の永久磁石の外部磁界と駆動用コイルの電流とによるローレンツ力で反射ミラー部が振動するというものである。
The optical deflector disclosed in
上記の電磁力を利用した光偏向器は、角度が大きくなるにつれてローレンツ力が低下するので、ミラーの回転角を大きく設定するためには永久磁石の磁力を強めるか、コイル電流を大きくする必要があり、それぞれサイズアップや消費電力の増大を招くという課題があった。また、永久磁石を接着する必要があるので、あまり素子サイズを小さくできないという課題があった。 In the optical deflector using the above electromagnetic force, the Lorentz force decreases as the angle increases. Therefore, in order to set the mirror rotation angle large, it is necessary to increase the magnetic force of the permanent magnet or increase the coil current. There was a problem of increasing the size and increasing the power consumption. In addition, since it is necessary to bond a permanent magnet, there is a problem that the element size cannot be reduced too much.
また、特許文献2に記載された光偏向器は、静電力を利用して駆動するものであり、反射ミラーのすぐ下にわずかなギャップを空けて駆動電極が対向配置され、導体からなるミラーとでコンデンサが構成されている。駆動電極はミラーの回転軸を対称軸として左右に分割して形成されている。ミラーと駆動電極間に電圧を加えると、静電力が生じるため、ミラーは駆動電極に引き寄せられるが、左右の駆動電極に交互に電圧を印加することにより、ミラーは回転軸を中心にして振動するというものである。
In addition, the optical deflector described in
この静電力を利用した光偏向器は、半導体プロセスのみで作製できるので小型化できる利点があるが、静電力がミラーと駆動電極間の距離の2乗に反比例するため、ミラーを駆動するのに十分な静電力を与えるためにはギャップを狭くすることが必要である。
そのため、ミラーの回転運動は駆動電極との接触により制限され、ミラーの回転角を大きくできないという課題があった。また、静電駆動方式では一般に駆動電圧が50V以上の高い電圧が必要で、専用のドライバICが必要になることも課題の一つであった。
An optical deflector using this electrostatic force can be manufactured only by a semiconductor process and thus has an advantage that it can be miniaturized. However, since the electrostatic force is inversely proportional to the square of the distance between the mirror and the drive electrode, it is necessary to drive the mirror. In order to provide a sufficient electrostatic force, it is necessary to narrow the gap.
Therefore, the rotational motion of the mirror is limited by contact with the drive electrode, and there is a problem that the rotational angle of the mirror cannot be increased. In addition, the electrostatic driving method generally requires a high driving voltage of 50 V or more, and a dedicated driver IC is also required.
また、特許文献3に記載された光偏向器は、静電力を利用して駆動するものであり、反射ミラーのすぐ横にわずかなギャップを空けて駆動電極が櫛歯状に対向配置され、対向する櫛歯電極間でコンデンサが構成されている。対向する櫛歯電極間に電圧を加えると、静電力が生じるため、ミラーは両側に引き寄せられる、ミラーが持つ初期の傾きがこの引き付ける力により、ミラーは回転軸を中心にして回転させる力を与え、それによりミラーを揺動させるというものである。
In addition, the optical deflector described in
この静電力を利用した光偏向器は、半導体プロセスのみで作製できるので小型化できる利点があるが、ミラーの揺動角が大きくなり対向する櫛歯の噛み合いが外れると静電力がはたらかなくなるためミラーの回転角を大きくできないという課題があった。 The optical deflector using this electrostatic force can be manufactured only by a semiconductor process and has the advantage that it can be downsized. However, if the mirror swing angle increases and the meshing of the opposing comb teeth is disengaged, the electrostatic force does not work. There has been a problem that the rotation angle of cannot be increased.
以上のように、従来の電磁力および静電力を利用した光偏向器においては、ミラーの回転角を大きく設定できないという課題があった。 As described above, the conventional optical deflector using electromagnetic force and electrostatic force has a problem that the rotation angle of the mirror cannot be set large.
そこで、このような課題を解決する技術として、圧電アクチュエータの振動を利用した光偏向器が提案されている(例えば、特許文献4、特許文献5、特許文献6参照)。
Therefore, as a technique for solving such a problem, an optical deflector using vibration of a piezoelectric actuator has been proposed (see, for example, Patent Document 4,
特許文献4に記載された光偏向器は、板状のマイクロミラーと、マイクロミラーの両側を支持する一対の回転支持体と、それらの周辺を囲う枠部と、枠部に並進運動を加える圧電アクチュエータとを備えている。 The optical deflector described in Patent Document 4 includes a plate-like micromirror, a pair of rotating supports that support both sides of the micromirror, a frame portion that surrounds the periphery, and a piezoelectric that translates the frame portion. And an actuator.
特許文献5に記載された光偏向器は、支持体と、支持体に固定されて往復運動する圧電振動子と、圧電振動子に接続された弾性体と、弾性体を介して圧電振動子により駆動されて振動する反射板とを有している。
The optical deflector described in
特許文献6に記載の光偏向器は、その変換機構において、一対の柱状部の一端側をヒンジ部で連結し、他端側にアクチュエータを介在させるとともに、ヒンジ部の上方位置に可動ミラー部として、ミラー、弾性支持部、および支持基板を配置している。
In the optical deflector described in
上述の従来技術に共通しているのは、圧電アクチュエータを弾性体を介してミラー素子基板と接合し、圧電アクチュエータの振動をミラーの回転運動に変換させていることである。これら圧電アクチュエータを利用した光偏向器では、ミラーの回転に制限がないため、大きな偏向角が得られている。 What is common to the above-described prior art is that the piezoelectric actuator is joined to the mirror element substrate via an elastic body, and the vibration of the piezoelectric actuator is converted into the rotational motion of the mirror. In the optical deflector using these piezoelectric actuators, since there is no limitation on the rotation of the mirror, a large deflection angle is obtained.
しかしながら、上述の従来技術では、圧電アクチュエータの並進運動を弾性体を介してミラーの回転運動に変換する仕組みの光偏向器においては、ベースの基板、圧電アクチュエータ、弾性体、そしてミラー基板等と複数の構成部品を精度良く接合、接着させないと、圧電アクチュエータからの振動がミラーにうまく伝播しなかったり、接合に問題がなくても圧電アクチュエータの並進運動がすべて回転運動に変換されずに、ミラーが回転だけでなく並進運動も行い、ビーム光がずれてしまいがちになったりするという問題があった。 However, in the above-described prior art, in the optical deflector configured to convert the translational motion of the piezoelectric actuator into the rotational motion of the mirror via the elastic body, the base substrate, the piezoelectric actuator, the elastic body, the mirror substrate, etc. If the components are not bonded and bonded accurately, the vibration from the piezoelectric actuator does not propagate well to the mirror, or even if there is no problem with the bonding, all the translational motion of the piezoelectric actuator is not converted into rotational motion. There was a problem that not only the rotation but also the translational movement was performed, and the beam light tends to be shifted.
また、バルクセラミクスである圧電アクチュエータや金属板あるいはロッドからなる弾性体を構成部品として使用するために小型化するのが難しく、更に、各構成要素を接着剤やハンダ等で接合、組立てるので、半導体デバイスのようにシリコンウェハレベルでアッセンブリできないというプロセス上の問題もあった。 Also, it is difficult to reduce the size because it uses bulk ceramics piezoelectric actuators and metal plates or rods as elastic components, and each component is joined and assembled with adhesives, solder, etc. There was also a process problem that the device could not be assembled at the silicon wafer level like a device.
このように、上記従来の技術では、ポリゴンミラーやガルバノミラーに比べて著しく小型で、かつ、高速、大変位角を実現する光偏向器として十分であるとはいえず、半導体プロセス技術での製作が容易で、更に高速で大変位角の光偏向器が望まれていた。 As described above, the conventional technique is not sufficiently small as an optical deflector that realizes a high speed and a large displacement angle as compared with a polygon mirror or a galvanometer mirror. Therefore, there has been a demand for an optical deflector that is easy to operate and has a high displacement angle and a high speed.
そこで、これらの問題を解決するものとして、半導体プロセス技術での製作に適した振動ミラーの提案がなされている(例えば、特許文献7参照)。 Thus, as a solution to these problems, a vibration mirror suitable for manufacturing by semiconductor process technology has been proposed (see, for example, Patent Document 7).
この特許文献7に記載の技術は、光偏向器は圧電ユニモルフ振動体と、支持体上に直接成膜された圧電膜からなる圧電ユニモルフ板の一端を固定して支持する空洞部を有した支持体と、圧電ユニモルフ振動体に接続された弾性体と、弾性体に接続され、弾性体を介して圧電ユニモルフ振動体の駆動により空洞部内で回転振動する反射板とからなり、圧電ユニモルフ振動体、支持体、弾性体および反射板を一体形成したものである。
In the technique described in
すなわち、特許文献7に記載のものは、図7に示すように、反射板01と、これを支持する支持体09と、反射板01を回動振動させる圧電ユニモルフ振動体010とを備えている。圧電ユニモルフ振動体010は、振動板03a〜03dと、支持体09上に直接成膜された圧電膜からなる圧電アクチュエータ08a〜08dとを備え、振動板03a〜03dが、それぞれ支持体09と反射板01とに接続されている。また、反射板01は、弾性支持部02a,02bを介して支持体09に支持されている。
That is, the device described in
そして、上記振動板03a〜03d、支持体09、弾性支持部02a,02bおよび反射板01が一体形成されている。
The
この従来の光偏向器の動作について、図8を用いて説明する。図8は図7におけるS10−S10線断面図である。 The operation of this conventional optical deflector will be described with reference to FIG. 8 is a cross-sectional view taken along line S10-S10 in FIG.
圧電アクチュエータ08a,08bに同位相、圧電アクチュエータ08c,08dに逆位相あるいは位相のずれた交流電圧(例えば正弦波)を印加し、振動板03a,03bおよび03c,03dを振動させる。各振動板03a,03bおよび03c,03dの一端は、支持体09に固定、保持されているので、先端駆動部04a,04b、04c,04dが矢印Rの上下方向に振動するが、先端駆動部04a,04bと04c,04dの振動には位相差がある。特に、上記印加電圧の位相が逆位相の場合には、先端駆動部04a,04bと04c,04dの振動方向は正反対になる。
An AC voltage (for example, a sine wave) having the same phase and an opposite phase or phase shift is applied to the
すなわち、先端駆動部04a,04bが上の方向に動くとき、先端駆動部04c,04dは下の方向に動く。このとき、反射板01には弾性支持部02a,02bを中心とした回転トルクが作用し、弾性支持部02a,02bを中心軸として傾く。そして、各先端駆動部04a,04bと04c,04dが交流印加電圧に追従して上下方向の振動を繰り返すと、上述の原理で反射板01にはシーソー的な回転トルクが作用し、反射板01は所定角度まで回転振動を繰り返す。なお、逆位相でなく位相差がある振動の場合においても、上記と同様に反射板01が回転振動する。
That is, when the
圧電アクチュエータ08a,08b,08c,08dの駆動周波数が、反射板01と弾性支持部02a,02bとを合わせた構造(可動ミラー部)の機械的な共振周波数と−致または近いときに、反射板01の回転振動は最大になり、最大変位角が得られる。また、振動板03a,03b,03c,03dの共振周波数を可動ミラー部の共振周波数と一致または近くに設定すると、圧電アクチュエータ08a,08b,08c,08dの駆動力が小さくても、大きな可動ミラー部の回転角を得ることが可能である。もちろん、回転角は小さくなるものの、圧電アクチュエータ08a,08b,08c,08dの駆動周波数で反射板01を回転振動させることも可能である。
When the driving frequency of the
図9に先端駆動部04dと反射板01の接合部の拡大図を示しており、この図に示すように、振動板03dは先端駆動部04dを介して反射板01と接合されている。
しかしながら、各先端駆動部04a,04b,04c,04dの幅W01は、弾性支持部02a,02bの幅W02よりも大きく、捻れにくいようにしてあるが、各先端駆動部04a,04b,04c,04dを大きくしすぎると各先端駆動部04a,04b,04c,04dの重量が過大になり、各先端駆動部04a,04b,04c,04dの振幅が小さくなるので、各先端駆動部04a,04b,04c,04dの剛性を上げるのには限界がある。
However, the width W01 of each of the
そのため、実際に各先端駆動部04a,04b,04c,04dが振動している場合には、振動板03a〜03dが振動している時、それにより発生した力が反射板01に伝達される場合、図10に示すように、各先端駆動部04a〜04dの変形が生じてしまい、力が十分に伝達されず、振れ角を大きくできないという問題が生じている。
Therefore, when the
このように、上記従来の技術では、ポリゴンミラーやガルバノミラーに比べて著しく小型で、かつ、高速、大変位角を実現する光偏向器として十分であるとはいえず、半導体プロセス技術での製作が容易で、更に高速で大変位角の光偏向器が望まれていた。 As described above, the conventional technique is not sufficiently small as an optical deflector that realizes a high speed and a large displacement angle as compared with a polygon mirror or a galvanometer mirror. Therefore, there has been a demand for an optical deflector that is easy to operate and has a high displacement angle and a high speed.
そこで、本発明は、上記のような従来の問題点に鑑みてなされたもので、その目的は、ミラー基板(支持体)と圧電アクチュエータとの一体形成を可能とし、軸ずれを抑えて、圧電振動の影響によるミラーの並進運動を防止できるとともに、高速動作が可能で、大きな偏向角および大振幅動作が得られ、また、小型化、薄型化、および軽量化を図ることができる光偏向器および光学装置を提供することにある。 Therefore, the present invention has been made in view of the above-described conventional problems, and an object of the present invention is to make it possible to integrally form a mirror substrate (support) and a piezoelectric actuator, thereby suppressing axial deviation and piezoelectricity. An optical deflector that can prevent translational movement of the mirror due to the influence of vibration, can operate at high speed, can obtain a large deflection angle and large amplitude operation, and can be reduced in size, thickness, and weight. It is to provide an optical device.
上述の目的を達成するため、本発明は、光を反射可能な可動板と、一端が前記可動板に固定され、他端が支持体に固定され、前記可動板を回転振動可能に軸支する一対のトーションバーと、振動板およびこの振動板を駆動させる圧電アクチュエータを備え、前記可動板を回転振動させる二対の圧電ユニモルフ振動体と、を備え、一対の前記圧電ユニモルフ振動体が、前記一対のトーションバーの一方を挟んで対称に配置され、もう一対の前記圧電ユニモルフ振動体が、前記一対のトーションバーのもう一方を挟んで対称に配置され、 前記振動板が、両端の一方をトーションバーに接続され、両端のもう一方を前記支持体に接続され、前記振動板、可動板、トーションバー、支持体が一体に形成されており、それぞれの前記圧電ユニモルフ振動体が、それぞれ、複数の前記振動板および圧電アクチュエータを備え、前記圧電アクチュエータの駆動時に、前記トーションバーを挟んだ位置にある前記圧電アクチュエータに印加される交流電圧は、互いに180°位相が異なる二つの交流電圧であり、さらに、前記交流電圧は、直流オフセット電圧を重畳させることにより正または負のユニポーラ領域で振幅することを特徴とする光偏向器とした。 In order to achieve the above-described object, the present invention provides a movable plate capable of reflecting light, one end fixed to the movable plate, the other end fixed to a support, and pivotally supporting the movable plate in a rotatable manner. a pair of torsion bars, comprising a piezoelectric actuator for driving the diaphragm and the diaphragm, and a piezoelectric unimorph vibrator two pairs of rotating vibrate the movable plate, a pair of the piezoelectric unimorph vibrating member, the pair The other pair of piezoelectric unimorph vibrators are arranged symmetrically across the other of the pair of torsion bars, and the vibration plate has one end at both ends. is connected to, is connect the other ends to the support, the diaphragm, the movable plate, torsion bars, the support is integrally formed, each of the piezoelectric unimorph vibrating But each example Bei a plurality of said diaphragm and a piezoelectric actuator, when driving of the piezoelectric actuator, an AC voltage the is applied to the piezoelectric actuator at a position sandwiching the torsion bar, 180 ° different phases two The AC deflector has an amplitude in a positive or negative unipolar region by superimposing a DC offset voltage .
請求項2に記載の発明は、請求項1に記載の光偏向器において、前記振動板および前記圧電アクチュエータは、前記トーションバーに垂直な辺を長辺とする長方形形状であることを特徴とする光偏向器とした。 According to a second aspect of the present invention, in the optical deflector according to the first aspect, the diaphragm and the piezoelectric actuator have a rectangular shape having a side perpendicular to the torsion bar as a long side. An optical deflector was used.
請求項3に記載の発明は、請求項1に記載の光偏向器において、前記圧電ユニモルフ振動体は、前記可動板の両側においてそれぞれ一対以上設けられていることを特徴とする光偏向器とした。 According to a third aspect of the present invention, in the optical deflector according to the first aspect, the piezoelectric unimorph vibrator is provided in pairs on both sides of the movable plate. .
請求項4に記載の発明は、請求項1に記載の光偏向器において、前記ユニモルフ振動体が、前記可動板を挟んで対称に設けられていることを特徴とする光偏向器とした。 According to a fourth aspect of the present invention, there is provided the optical deflector according to the first aspect, wherein the unimorph vibrator is provided symmetrically with the movable plate in between.
請求項5に記載の発明は、請求項1に記載の光偏向器において、前記圧電ユニモルフ振動体は、前記振動板および前記圧電アクチュエータが、前記トーションバーに垂直な方向に延在されているとともに、前記トーションバーの延在方向で複数に分離されていることを特徴とする光偏向器とした。 According to a fifth aspect of the present invention, in the optical deflector according to the first aspect, the piezoelectric unimorph vibrating body includes the diaphragm and the piezoelectric actuator extending in a direction perpendicular to the torsion bar. The optical deflector is divided into a plurality of parts in the extending direction of the torsion bar.
請求項6に記載の発明は、請求項1に記載の光偏向器において、前記振動板と前記トーションバーとの連結部に、前記トーションバーから外方に突出させて前記振動板との接触面積を拡大した突出部が設けられていることを特徴とする光偏向器とした。 According to a sixth aspect of the present invention, in the optical deflector according to the first aspect, the contact area between the diaphragm and the torsion bar protrudes outward from the torsion bar in the connecting portion between the diaphragm and the torsion bar. The optical deflector is characterized in that a projecting portion is provided which is enlarged.
請求項7に記載の発明は、請求項6に記載の光偏向器において、前記突出部が、2面以
上の平面を備えていることを特徴とする光偏向器とした。
A seventh aspect of the present invention is the optical deflector according to the sixth aspect of the present invention, wherein the projecting portion has two or more planes.
請求項8に記載の発明は、請求項6に記載の光偏向器において、前記突出部が、曲面を
備えていることを特徴とする光偏向器とした。
According to an eighth aspect of the present invention, in the optical deflector according to the sixth aspect , the protrusion has a curved surface.
請求項9に記載の発明は、請求項1に記載の光偏向器において、前記複数の振動板が、前記トーションバー側の端部で合体されて、前記トーションバーに1本の結合部で連結され、かつ、この結合部の前記トーションバーへの連結部分の断面積が、前記振動板の断面積を合計したものより小さな面積に形成されていることを特徴とする光偏向器とした。 According to a ninth aspect of the present invention, in the optical deflector according to the first aspect, the plurality of diaphragms are united at an end portion on the torsion bar side and connected to the torsion bar by a single coupling portion. In addition, an optical deflector is characterized in that a cross-sectional area of a connection portion of the coupling portion to the torsion bar is formed in an area smaller than a sum of cross-sectional areas of the diaphragm.
請求項10に記載の発明は、請求項1に記載の光偏向器において、前記振動板の剛性が、前記トーションバーおよび可動板の剛性よりも低く設定されていることを特徴とする光偏向器とした。 According to a tenth aspect of the present invention, in the optical deflector according to the first aspect, the rigidity of the diaphragm is set lower than the rigidity of the torsion bar and the movable plate. It was.
請求項11に記載の発明は、請求項1に記載の光偏向器において、前記圧電ユニモルフ振動体を構成する圧電アクチュエータは、前記支持体上に直接成膜された圧電膜であることを特徴とする光偏向器とした。
The invention according to claim 11 is the optical deflector according to
請求項12に記載の発明は、請求項11に記載の光偏向器において、前記圧電膜は、アーク放電プラズマを利用した反応性イオンプレーティング法により成膜された圧電膜であることを特徴とする光偏向器とした。 The invention according to claim 12 is the optical deflector according to claim 11 , wherein the piezoelectric film is a piezoelectric film formed by a reactive ion plating method using arc discharge plasma. An optical deflector is used.
請求項13に記載の発明は、請求項12に記載の光偏向器において、前記圧電膜の材料が、チタン酸ジルコン酸鉛であり、その組成がチタンとジルコニウムの比で、0.4/0.6〜0.48/0.52の範囲であることを特徴とする光偏向器とした。 According to a thirteenth aspect of the present invention, in the optical deflector according to the twelfth aspect , the material of the piezoelectric film is lead zirconate titanate, and the composition is 0.4 / 0 in terms of the ratio of titanium to zirconium. The optical deflector is characterized in that it is in the range of .6 to 0.48 / 0.52.
請求項14に記載の発明は、請求項11に記載の光偏向器において、前記圧電膜に対して駆動電圧の2倍以上の直流電圧を数分〜数10分印加して分極処理を行い、分極処理の極性と同極性でユニポーラ駆動することを特徴とする光偏向器とした。 According to a fourteenth aspect of the present invention, in the optical deflector according to the eleventh aspect , a polarization process is performed by applying a direct current voltage twice or more a drive voltage to the piezoelectric film for several minutes to several tens of minutes, The optical deflector is characterized in that it is unipolarly driven with the same polarity as that of the polarization treatment.
請求項15に記載の発明は、請求項1〜請求項14のいずれか1項に記載の光偏向器を備えたことを特徴とする光学装置とした。 According to a fifteenth aspect of the present invention, there is provided an optical device comprising the optical deflector according to any one of the first to fourteenth aspects.
本発明の光偏向器では、圧電ユニモルフ振動体により発生する力が、直接トーションバーに伝達され、トーションバーを回転させるトルクとなる場合に、圧電ユニモルフ振動体の1個あたりの振動板および圧電アクチュエータの数を増やし、駆動力を大きくし、圧電ユニモルフ振動体がトーションバーに与えるトルクを大きくさせることが可能となり、トーションバーにかけるトルクを増大させ、より大きな振れ角が取れるようになる。 In the optical deflector of the present invention, when the force generated by the piezoelectric unimorph vibrating body is directly transmitted to the torsion bar and becomes a torque for rotating the torsion bar, the diaphragm and piezoelectric actuator per piezoelectric unimorph vibrating body It is possible to increase the driving force and increase the torque applied to the torsion bar by the piezoelectric unimorph vibrator, and increase the torque applied to the torsion bar to obtain a larger deflection angle.
さらに、本発明では、トーションバーを挟んで対称の位置にある圧電ユニモルフ振動体からトーションバーへ、トルクが相殺されることなく伝達されるため、有効にトーションバーを回転させるためのトルクを発生させることができるようになり、より大きな振れ角が取れるようになる。
また、本発明では、トーションバーに伝わる両側の圧電ユニモルフ振動体のトルクに打ち消される成分がなく、有効に伝えることができるので、トーションバーに伝わるトルクを大きくしやすく、大きな振れ角が取れるようになる。
加えて、本発明では、従来の極性が反転する電圧印加に比べ大きな変位が得られ、それにより大きな振れ角が得られるようになる。
Furthermore, in the present invention , torque is transmitted from the piezoelectric unimorph vibrating body located symmetrically with the torsion bar to the torsion bar without being canceled out, so that torque for effectively rotating the torsion bar is generated. And a larger deflection angle can be obtained.
Further, in the present invention, there is no component that is canceled out by the torque of the piezoelectric unimorph vibrating bodies on both sides transmitted to the torsion bar, and the torque can be effectively transmitted, so that the torque transmitted to the torsion bar can be easily increased and a large deflection angle can be obtained. Become.
In addition, in the present invention, a large displacement can be obtained as compared with the conventional voltage application in which the polarity is reversed, thereby obtaining a large deflection angle.
請求項2に記載の発明では、圧電アクチュエータは、トーションバーにトルクを加えるために必要なアクチュエータの変位の方向と直交方向の圧電アクチュエータの変位を低減できるので、有効にトーションバーにトルクを与えることができるようになる。
In the invention described in
請求項3および請求項4に記載の発明では、トーションバーを挟んで対称の位置にある圧電ユニモルフ振動体から、トーションバーへトルクが相殺されることなく伝達されるため、有効にトーションバーを回転させるためのトルクを発生させることができるようになり、より大きな振れ角が取れるようになる。 In the third and fourth aspects of the present invention, torque is transmitted from the piezoelectric unimorph vibrating body located symmetrically with the torsion bar to the torsion bar without being canceled, so that the torsion bar is effectively rotated. Torque can be generated, and a larger deflection angle can be obtained.
請求項5に記載の発明では、大きな力を発生させるために圧電アクチュエータを大面積に作製した場合に、その圧電アクチュエータのトルク発生のために必要な変位の発生方向と直交する方向の変位量を抑制でき、有効にトーションバーにトルクを与えることができるようになる。 According to the fifth aspect of the present invention, when a piezoelectric actuator is produced in a large area in order to generate a large force, the amount of displacement in a direction orthogonal to the direction in which the displacement necessary for generating torque of the piezoelectric actuator is obtained. Thus, torque can be effectively applied to the torsion bar.
請求項6〜請求項8に記載の発明では、振動板とトーションバーとの連結部に、トーションバーから外方に突出部を形成して、振動板との接触面積を拡大したため、圧電ユニモルフ振動体からトーションバーへのトルクを伝達の時の接合面にかかる単位面積当たりの力を、小さく抑え、接合面に生ずる応力をおさえることで、接合面の破断を抑制できるので、トーションバーに伝わるトルクを大きくでき、大きな振れ角が取れるようになる。
さらに、請求項8に記載の発明では、突出部に応力が集中しやすい角がないことで、接合面の破断をより抑制でき、トーションバーに伝わるトルクをより大きくでき、大きな振れ角が取れるようになる。
In the inventions according to
Furthermore, in the invention described in claim 8, since there is no corner at which stress tends to concentrate on the protrusion, the fracture of the joint surface can be further suppressed, the torque transmitted to the torsion bar can be increased, and a large deflection angle can be obtained. become.
請求項9に記載の発明では、複数の圧電ユニモルフ振動体で発生したトルクを、1つの結合部からトーションバーの1箇所に伝達できるため、同じ結合部に繋がっている複数の圧電ユニモルフ振動体を同じ変位と位相で駆動すればよく、容易な駆動方法でトーションバーに伝わるトルクが大きくしやすく、大きな振れ角が取れるようになる。 In the ninth aspect of the present invention, torque generated by a plurality of piezoelectric unimorph vibrators can be transmitted from one coupling portion to one location of the torsion bar. Therefore, a plurality of piezoelectric unimorph vibrators connected to the same coupling portion are provided. It is only necessary to drive with the same displacement and phase, and it is easy to increase the torque transmitted to the torsion bar by an easy driving method, and a large deflection angle can be obtained.
また、請求項10に記載の発明では、振動板が容易に撓むことができ、トーションバーに伝わるトルクが大きくなるため、大きな振れ角が取れるようになる。
In the invention according to
請求項11に記載の発明では、全て半導体プロセスで作製できるようになり、光偏向器を安価なコストで大量に作れるようになる。 In the invention according to the eleventh aspect , all can be manufactured by a semiconductor process, and a large number of optical deflectors can be manufactured at low cost.
請求項12に記載発明では、高性能の圧電膜を安価なコストで大量に作れるようになり、光偏向器を安価なコストで大量に作れるようになる。 In the invention described in claim 12 , high-performance piezoelectric films can be manufactured in large quantities at low cost, and optical deflectors can be manufactured in large quantities at low cost.
請求項13に記載の発明では、チタン酸ジルコン酸鉛の組成がモルフォトロピック相境界(MPB)に近くなり、発生トルクが大きくなるため、大きな振れ角をとることが可能になる。 In the invention described in claim 13 , since the composition of lead zirconate titanate is close to the morphotropic phase boundary (MPB) and the generated torque is increased, a large deflection angle can be obtained.
請求項14に記載の発明では、従来の極性が反転する電圧印加にくらべ大きな変位が得られ、それにより大きな振れ角が得られるようになる。 In the invention according to the fourteenth aspect , a large displacement can be obtained as compared with the conventional voltage application in which the polarity is reversed, thereby obtaining a large deflection angle.
請求項15記載の発明では、高性能で安価な光学装置を提供することができるようになる。 In the invention according to the fifteenth aspect , a high-performance and inexpensive optical device can be provided.
以下、本発明の実施の形態を図面に基づいて説明する。
この実施の形態における光偏向器は、光を反射可能な可動板(1)と、一端が前記可動板(1)に固定され、他端が支持体(9)に固定され、前記可動板(1)を回転振動可能に軸支する一対のトーションバー(2a,2b)と、振動板(23a〜23d)およびこの振動板を駆動させる圧電アクチュエータ(28a〜28d)を備え、前記可動板(1)を回転振動させる圧電ユニモルフ振動体(210a〜210d)と、を備えた光偏向器であって、前記振動板(23a〜23d)が、両端の一方をトーションバー(2a,2b)に接続され、両端のもう一方を前記支持体(9)に接続され、前記振動板(23a〜23d)、可動板(1)、トーションバー(2a,2b)、支持体(9)が一体に形成されており、前記圧電ユニモルフ振動体(210a〜210d)が、それぞれ複数の振動板(23a−1〜3、23b−1〜3、23c−1〜3、23d−1〜3)および圧電アクチュエータ(28a−1〜3、28b−1〜3、28c−1〜3、28d−1〜3)を備えていることを特徴とする光偏向器である。
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
The optical deflector in this embodiment includes a movable plate (1) capable of reflecting light, one end fixed to the movable plate (1) and the other end fixed to a support (9). 1) A pair of torsion bars (2a, 2b) that pivotally support 1) so as to be capable of rotational vibration, a diaphragm (23a-23d) and a piezoelectric actuator (28a-28d) for driving the diaphragm, And a piezoelectric unimorph vibrating body (210a to 210d) that rotationally vibrates, and the diaphragms (23a to 23d) are connected at one end to the torsion bars (2a, 2b). The other end of each end is connected to the support (9), and the diaphragm (23a to 23d), the movable plate (1), the torsion bars (2a, 2b), and the support (9) are integrally formed. The piezoelectric unimorph vibration (210a to 210d) are respectively a plurality of diaphragms (23a-1 to 23, 23b-1 to 23, 23c-1 to 23, 23d-1 to 3) and piezoelectric actuators (28a-1 to 28b-1). -3, 28c-1 to 3 and 28d-1 to 3).
以下に、図1〜図3に基づいて、この発明の最良の実施の形態の実施例1の光偏向器Aについて説明する。 The optical deflector A according to Example 1 of the best mode for carrying out the invention will be described below with reference to FIGS.
この実施例1の光偏向器Aは、請求項1〜7,9,11〜15の発明を適用した例であり、図1の斜視図に示すように、支持体9と、反射板(可動板)1と、弾性支持部(トーションバー)2a,2bと、弾性支持部2a.2bのそれぞれの両側に設けられた圧電ユニモルフ振動体210a,210b,210c,210dと、を備え、これら圧電ユニモルフ振動体210a,210b,210c,210dによる回転トルクが弾性支持部2a,2bを介して反射板1に伝達されるようになっている。
The optical deflector A according to the first embodiment is an example to which the inventions of
以下、各構成について順に説明する。
支持体9は、反射板1を、所定変位角の回転が可能に支持するもので、一対の縦枠9c,9cと一対の横枠9d,9dとにより、略長方形の空隙9bを囲む略長方形の枠状に形成されている。
そして、空隙9bの中央部分に、反射板1を一対の弾性支持部2a,2bにより、これらの弾性支持部2a,2bを中心として所定変位角の回転が可能に弾性支持している。
Hereafter, each structure is demonstrated in order.
The
The
すなわち、各弾性支持部2a,2bは、略長方形の断面の角柱状に形成され、同一軸状に配置され、かつ、一方の端部が、支持体9の縦枠9c,9cの長手方向中央に一体に形成されているとともに、もう一方の端部が、反射板1の重心位置で反射板1に一体に形成されている。そして、弾性支持部2a,2bの幅Wは、反射板1が所定の変位角まで回転できるように十分ねじれる設定となっている。
よって、反射板1は、これらの弾性支持部2a,2bを回転軸として所定変位角まで傾くことができるようになっている。
That is, each
Therefore, the reflecting
各弾性支持部2a,2bは、それぞれ、一対の圧電ユニモルフ振動体210a,210cおよび210b,210dを介して、支持体9の横枠9d,9dに連結されている。
The
一対の圧電ユニモルフ振動体210a,210cは、弾性支持部2aを挟んで対称に配置され、もう一対の圧電ユニモルフ振動体210b,210dも、弾性支持部2bを挟んで対称に配置されている。
さらに、圧電ユニモルフ振動体210aと圧電ユニモルフ振動体210bとは、反射板1を中心に弾性支持部2a,2bに沿う方向で対称に配置されているとともに、圧電ユニモルフ振動体210cと圧電ユニモルフ振動体210dとが、反射板1を中心に弾性支持部2a,2bに沿う方向で対称に配置されている。
The pair of piezoelectric unimorph vibrators 210a and 210c are arranged symmetrically with the
Furthermore, the piezoelectric unimorph vibrator 210a and the
各圧電ユニモルフ振動体210a,210b,210c,210dは、それぞれ、一方の端部が弾性支持部2a,2bに接続され、もう一方の端部が支持体9の横枠9dに接続された振動板23a,23b,23c,23dと、各振動板23a〜23dを振動させる圧電アクチュエータ28a,28b,28c,28dと、を備えている。
Each of the piezoelectric
そして、本実施例1では、各振動板23a〜23dは、それぞれ、弾性支持部2a,2bの延在方向に分離された3枚の並列振動板23a−1,23a−2,23a−3、23b−1,23b−2,23b−3、23c−1,23c−2,23c−3、23d−1,23d−2,23d−3を備えている。また、これらの各並列振動板23a−1〜3,23b−1〜3,23c−1〜3,23d−1〜3は、図示のように、弾性支持部2a,2bに垂直な辺を長辺とする長方形形状に形成されている。
In the first embodiment, each of the
同様に、各圧電アクチュエータ28a,28b,28c,28dも、各並列振動板23a−1〜3,23b−1〜3,23c−1〜3,23d−1〜3をそれぞれ振動可能に、各並列振動板23a−1〜3,23b−1〜3,23c−1〜3,23d−1〜3の上面のそれぞれに敷設され、弾性支持部2a,2bの延在方向に分離された3枚の並列アクチュエータ28a−1,28a−2,28a−3、28b−1,28b−2,28b−3、28c−1,28c−2,28c−3、28d−1,28d−2,28d−3で構成されている。また、これら並列アクチュエータ28a−1〜3,28b−1〜3,28c−1〜3,28d−1〜3も、弾性支持部2a,2bに垂直な方向を長辺とする長方形形状に形成されている。
Similarly, each
なお、各振動板23a,23b,23c,23dの各並列振動板23a−1〜3、23b−1〜3、23c−1〜3、23d−1〜3の板厚は、反射板1および弾性支持部2a,2bの板厚よりも薄く形成されることで、その剛性が反射板1および弾性支持部2a,2bよりも低く形成されている。
In addition, the plate | board thickness of each
さらに、図2に示すように、弾性支持部2a,2bと、各弾性支持部2a,2bを挟んで配置される一対の各並列振動板23a−1〜3、23b−1〜3、23c−1〜3、23d−1〜3との連結部211には、弾性支持部2a,2bの側面から半楕円状に膨出されて各並列振動板23a−1〜3、23b−1〜3、23c−1〜3、23d−1〜3との結合面積を増加させる楕円状の側面211aを有した突出部211bが形成されている。
Furthermore, as shown in FIG. 2, the
なお、上述の反射板1、弾性支持部2a,2b、振動板23a,23b,23c,23dおよび突出部211bは、直方体の単結晶シリコン基板により支持体9の不要部を除去加工することで一体に形成されており、接合や接着等の加工法に比べて、各構成要素のアライメント精度を向上させることができるもので、その製造手順の詳細については、後述する。
The
圧電アクチュエータ28a〜28dは、それぞれ、上部電極25a,25b,25c,25dと、圧電膜26a,26b,26c,26dと、下部電極27a,27b,27c,27dと、を積層して構成されている。
Each of the
そして、各圧電アクチュエータ28a〜28dにおいて、上部電極25a,25b,25c,25dと下部電極27a,27b,27c,27dとにそれぞれ所定の電圧を印加して、各圧電アクチュエータ28a,28b,28c,28dを駆動させることにより、支持体9と両弾性支持部2a,2bとが接続される端部を支点として、各振動板23a,23b,23c,23dの各並列振動板23a−1〜3、23b−1〜3、23c−1〜3、23d−1〜3が、ユニモルフ的に振動する。
In each of the
なお、この各圧電アクチュエータ28a,28b,28c,28dの駆動時には、位相の異なる交流電圧を印加するようにしており、具体的には、互いに180°位相が異なる二つの交流電圧を印加するようにしている。
It is to be noted that when the
また、圧電アクチュエータ28a,28b,28c,28dは、シリコン基板の除去加工前に、CSD(科学溶液堆積法(Chemical Solution Deposition)、MOCVD(有機金属気相成長法(MetalOrganic Chemical Vapor Depositon))、スパッタ、反応性イオンプレーティング等の手法で支持体9上に直接成膜し、ウェットまたはドライエッチングによってパターン加工して形成されている。具体的には、アーク放電プラズマを利用したイオンプレーティング法により成膜した圧電膜とする。
The
次に、実施例1の光偏向器Aの製作手順を図3を用いて説明する。なお、図3では、各圧電ユニモルフ振動体210a〜210dのうち、弾性支持部2a,2bの一側側の圧電ユニモルフ振動体210a,210bの部分を示しているが、反対側の圧電ユニモルフ振動体210c,210dについても同様である。
この実施例1では、支持体9として厚さ552μmの単結晶シリコン(トップ層)/酸化シリコン(中間酸化膜層)/単結晶シリコン(ベース層)の貼り合せ基板(SOI基板)を用いた。各層の厚みはそれぞれ25μm/2μm/525μmであり、上記トップ層の表面は光学研磨処理が施されている。
Next, a manufacturing procedure of the optical deflector A according to the first embodiment will be described with reference to FIG. FIG. 3 shows the piezoelectric unimorph vibrators 210a and 210b on one side of the
In Example 1, a single crystal silicon (top layer) / silicon oxide (intermediate oxide film layer) / single crystal silicon (base layer) bonded substrate (SOI substrate) having a thickness of 552 μm was used as the
そこで、まず、図3の(A)に示すように、上記のSOI基板の表面に拡散炉によって厚さ500nm〜1000nmの熱酸化シリコン膜を形成した。 Therefore, first, as shown in FIG. 3A, a thermal silicon oxide film having a thickness of 500 nm to 1000 nm was formed on the surface of the SOI substrate by a diffusion furnace.
次に、図3の(B)に示すように、トップ層側(基板表面)にスパッタ法によってTi(チタン)およびPt(プラチナ)をそれぞれの厚みが50nmおよび150nmになるように順次成膜し、下部電極7を形成した。
次に、反応性アーク放電イオンプレーティング法(例えば、特開2001−234331号公報、特開2002−177765号公報、および特開2003−81694号公報参照)によって、圧電材料であるチタン酸ジルコン酸鉛(PZT)の膜を厚み3μmで上部電極5の上に成膜し、圧電膜6を形成した。
その後、スパッタ法によってPtを厚み150nmで上記圧電膜6の上に成膜して、上部電極5を形成した。
Next, as shown in FIG. 3B, Ti (titanium) and Pt (platinum) are sequentially formed on the top layer side (substrate surface) by sputtering so that their thicknesses become 50 nm and 150 nm, respectively. The
Next, zirconate titanate, which is a piezoelectric material, is prepared by a reactive arc discharge ion plating method (for example, see JP-A Nos. 2001-234331, 2002-177765, and 2003-81694). A lead (PZT) film having a thickness of 3 μm was formed on the
Thereafter, Pt was formed on the
次に、図3の(C)に示すように、基板表面にフォトリソ技術およびドライエッチング技術により、上部電極5、圧電膜6、下部電極7のパターニングを行い、各圧電アクチュエータ28a,28bの各並列アクチュエータ28a−1〜3、28b−1〜3を作成した。
このとき、反射板1の上の下部電極7のPt/Ti層を、ドライエッチングからレジストで保護して反射膜として残した。反射板1の光反射効率を高めたい場合には、その後、アルミニウム(Al)や金(Au)をスパッタ成膜した上でフォトリソ技術とドライエッチング技術を用いて、反射板1のPt上に反射膜の形成を行う。
Next, as shown in FIG. 3C, patterning of the
At this time, the Pt / Ti layer of the
次に、図3の(D)に示すように、基板表面全体を厚膜レジストで保護しておき、裏側の上記ベース層表面の熱酸化膜をバッファードフッ酸(BHF)で除去した後、アルミニウム層をスパッタ成膜してフォトリソ技術およびウェットエッチング技術でパターニングして、ICP−RIE(Inductive Coupled Plasma - Reactive Ion Etching)のハードマスクを形成した。その後、図3の(E)に示すように、基板表面の保護レジストを剥離し、再度フォトリソを行ってレジストパターンをマスクにし、ICP−RIE装置にてトップ層の熱酸化膜と単結晶シリコンをドライエッチングによって除去加工し、反射板1、弾性支持部2a,2b、振動板23a,23b(23c,23d)を残して、最終的には支持体9の空隙9bとなる溝を形成した。
Next, as shown in FIG. 3D, after protecting the entire substrate surface with a thick film resist, and removing the thermal oxide film on the surface of the base layer on the back side with buffered hydrofluoric acid (BHF), An aluminum layer was formed by sputtering and patterned by photolithography and wet etching techniques to form an ICP-RIE (Inductive Coupled Plasma-Reactive Ion Etching) hard mask. Thereafter, as shown in FIG. 3E, the protective resist on the surface of the substrate is peeled off, photolithography is performed again using the resist pattern as a mask, and the top layer thermal oxide film and single crystal silicon are removed with an ICP-RIE apparatus. Removal processing was performed by dry etching to leave the
次に、図3の(F)に示すように、ICP−RIE装置によって、裏側からベ−ス層の単結晶シリコンをドライエッチング加工し、支持体9の空隙9bになる深溝を形成した。最後に、図3の(G)に示すように、中間酸化膜層をBHF(バッファードフッ酸)を用いて除去し、支持体9の空隙9bを形成して、図1の光偏向器Aを完成させた。
Next, as shown in FIG. 3F, the base layer single crystal silicon was dry-etched from the back side by an ICP-RIE apparatus to form a deep groove to be a
次に、実施例1の光偏向器Aの動作について説明する。
弾性支持部2a,2bを挟んで一方の圧電ユニモルフ振動体210a,210bに同位相、もう一方の圧電ユニモルフ振動体210c,210dに逆位相あるいは位相のずれた交流電圧(例えば正弦波)を印加し、振動板23a,23bおよび23c,23dを振動させる。
Next, the operation of the optical deflector A according to the first embodiment will be described.
An AC voltage (for example, a sine wave) having the same phase and an opposite phase or shifted phase is applied to one piezoelectric unimorph vibrator 210a, 210b and the other
各振動板23a,23b,23c,23dの基端は、支持体9と一体となって固定されているので、もう一方の端部である弾性支持部2a,2b側の先端部が自由端として上下方向に振動する。
上記のように圧電ユニモルフ振動体210a,210bと圧電ユニモルフ振動体210c,210dとで位相を異ならせるため、弾性支持部2aに連結された振動板23a,23bと弾性支持部2bに連結された振動板23c,23dとの先端部の振動には位相差が生じる。特に、上記印加電圧の位相が逆位相の場合には、これら先端部の振動方向は正反対になる。すなわち、振動板23a,23bの弾性支持部2a,2b側の先端部が上の方向に動くとき、振動板23c,23dの弾性支持部2a,2b側の先端部は下の方向に動く。
Since the base ends of the
As described above, the piezoelectric unimorph vibrators 210a and 210b and the piezoelectric
このとき、反射板1には弾性支持部2a,2bを中心とした回転トルクが作用し、これら弾性支持部2a,2bを中心軸として傾く。そして、各振動板23a,23b,23c,23dの先端部が交流印加電圧に追従して上下方向の振動を繰り返すと、上述の原理で反射板1にはシーソー的な回転トルクが作用し、反射板1は所定角度まで回転振動を繰り返す。なお、印加電圧の位相が逆位相でなく位相差がある振動の場合においても、上記と同様に反射板1が回転振動する。
At this time, a rotational torque centering on the
この一例として、圧電ユニモルフ振動体210a,210bの圧電アクチュエータ28a,28bに同位相の電圧20Vpp、3.2kHzの正弦波バイアスを印加し、圧電ユニモルフ振動体210c,210dの圧電アクチュエータ28c,28dに上記位相と逆位相の同じく電圧20Vpp、3.2kHzの正弦波バイアスを印加して、反射板1の回転振動を試みた。そして、He−Neレーザ光を反射板1に入射し、その反射光を所定の距離を持って配置したスクリーン上で観察し、反射板1の回転角を測定したところ、±23°の回転角が得られた。このとき、反射板1によって偏向された光走査を経時的に観察したところ、安定した直線性の良い光走査を確認できた。この回転角は、例えば、各圧電ユニモルフ振動体210a,210b,210c,210dの振動板および圧電アクチュエータを単体とした場合には、±10°程度である。
これは、1つの圧電ユニモルフ振動体210a,210b,210c,210dの振動板23a,23b,23c,23dが、それぞれ3枚の並列振動板23a−1〜3、23b−1〜3、23c−1〜3、23d−1〜3および3対の並列アクチュエータ28a−1〜3,28b−1〜3,28c−1〜3,23d−1〜3を備えており、それらの圧電ユニモルフ振動体210a〜210dにより発生する力が、従来のように1つの圧電ユニモルフ振動体が1枚の振動板および1つの圧電アクチュエータで構成されているものよりも大きな力が発生できるので、弾性支持部2a,2bに作用する回転トルクが向上したためである。
As an example of this, a sine wave bias having a voltage of 20 Vpp and 3.2 kHz having the same phase is applied to the
This is because the
ここで、圧電ユニモルフ振動体210a,210b,210c,210dの駆動周波数が、反射板1と弾性支持部2a,2bとを合わせた構造(可動ミラー部)の機械的な共振周波数と一致または近いときに、反射板1の回転振動は最大になり、最大変位角が得られる。
また、各振動板23a,23b,23c,23dの共振周波数を、反射板1の共振周波数と一致または近くに設定すると、圧電アクチュエータ28a,28b,28c,28dの駆動力が小さくても大きな反射板1の回転角を得ることが可能である。もちろん、回転角は小さくなるものの、圧電アクチュエータ28a,28b,28c,28dの駆動周波数で反射板1を回転振動させることも可能である。
さらに、反射板1は、重心で連結した弾性支持部2a,2bを回転軸として回転振動するので、並進的な動きを抑制することができる。
Here, when the driving frequency of the piezoelectric unimorph vibrators 210a, 210b, 210c, and 210d is equal to or close to the mechanical resonance frequency of the structure (movable mirror portion) in which the
Further, when the resonance frequency of each of the
Furthermore, since the
また、各振動板23a,23b,23c,23dの先端部が上下方向に振動し、これが連結された弾性支持部2a,2bに力が伝達する時、この連結部211では、振動の方向と同じ向きのせん断力が作用する。そのため、連結部211の構造強度が不足している場合や、連結部211の一部にせん断力による応力が集中した場合、この部分が破断するという問題が発生する。
これに対して、実施例1では、弾性支持部2a,2bにおける各振動板23a,23b,23c,23dの各並列振動板23a−1〜3、23b−1〜3、23c−1〜3、23d−1〜3との連結部211に、それぞれ、突出部211bを形成しているため、この連結部211に発生するせん断力の分散と、一部への集中を抑制し、この連結部211に、破断が発生するのを抑制している。
Further, when the tip portions of the
On the other hand, in Example 1, each
本実施例1の光偏向器Aでは、圧電ユニモルフ振動体210a,210b,210c,210dの駆動周波数を、弾性支持部2a,2bを含む反射板1の機械的共振周波数に合わせることで、低電圧駆動でも大きな回転角を得られることを確認できた。
また、実施例1の光偏向器Aは、圧電ユニモルフ振動体210a,210b,210c,210dからの回転トルクの作用点を反射板1から分離した構造であるため、反射板1では、弾性支持部2a,2bを中心軸とした回転運動のみが励振されて、安定した光走査を行えることを確認できた。
In the optical deflector A of the first embodiment, the driving frequency of the piezoelectric unimorph vibrators 210a, 210b, 210c, and 210d is adjusted to the mechanical resonance frequency of the
In addition, since the optical deflector A according to the first embodiment has a structure in which the operating point of the rotational torque from the piezoelectric unimorph vibrators 210a, 210b, 210c, and 210d is separated from the reflecting
以上説明したように、実施例1の光偏向器Aでは、以下に列挙する効果が得られる。
(1)支持体9、振動板23a,23b,23c,23d、弾性支持部2a,2b、反射板1を、一体に形成したため、接合や接着作業が不要で、製作が容易である。
(2)圧電アクチュエータ28a〜28dとして、支持体9に直接成膜した圧電膜を使用しているため、Siウェハ単位での一括加工が可能であり、この点でも製作が容易である。
(3)上記(1)(2)により、小型化、薄型化、軽量化が可能となる。
(4)圧電アクチュエータ28a〜28dの小型化により、従来よりも高速動作が可能で、かつ、大きな偏向角が得られる。
さらに、弾性支持部2a,2bにおける各並列振動板23a−1〜3、23b−1〜3、23c−1〜3、23d−1〜3との連結部211に突出部211bを形成しているため、この連結部211に発生するせん断力の分散と、一部への集中を抑制し、この連結部211に、破断が発生するのを抑制している。このため、この連結部の剛性を上げて振れ角を大きくでき、この高速動作ならびに大きな偏向角を、さらに達成可能となる。
(5)圧電アクチュエータ28a〜28dにより、各振動板23a,23b,23c,23dを直接駆動するようにしたため、非共振モードでも動作が可能である。
(6)各圧電ユニモルフ振動体210a,210b,210c,210dが、それぞれ3枚の並列振動板23a−1〜3、23b−1〜3、23c−1〜3、23d−1〜3および3対の並列アクチュエータ28a−1〜3、28b−1〜3、28c−1〜3、23d−1〜3を備えた構成としたため、それらの圧電ユニモルフ振動体210a〜210dにより発生する力が、従来のように1つの圧電ユニモルフ振動体が1枚の振動板および1つの圧電アクチュエータで構成されているものよりも大きな力が発生でき、弾性支持部2a,2bに作用する回転トルクが向上した。したがって、弾性支持部2a,2bにかけるトルクを増大させて、反射板1が、より大きな振れ角を取れるようになった。
As described above, in the optical deflector A of the first embodiment, the effects listed below can be obtained.
(1) Since the
(2) Since the piezoelectric films directly formed on the
(3) By the above (1) and (2), it is possible to reduce the size, the thickness, and the weight.
(4) Due to the miniaturization of the
Furthermore, the
(5) Since the
(6) Each piezoelectric
次に、図4に基づいて本発明の実施の形態の実施例2の光偏向器Bについて説明する。なお、この実施例2は、実施例1の変形例であるため、その相違点についてのみ説明し、実施例1と同一ないし均等な構成については、同一の符号を付して説明を省略し、また、実施例1と同一の作用効果についても説明を省略する。 Next, an optical deflector B according to Example 2 of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, since this Example 2 is a modification of Example 1, only the difference will be described, and the same or equivalent configuration as in Example 1 is denoted by the same reference numeral, and description thereof is omitted. Also, the description of the same effect as the first embodiment is omitted.
この実施例2の光偏向器Bは、請求項1〜7,9,10〜15の発明を適用したもので、図4に示すように、圧電ユニモルフ振動体310a,310b,310c,310dの構造が実施例1と異なっている。
The optical deflector B of the second embodiment applies the invention of
これらの圧電ユニモルフ振動体310a,310b,310c,310dは、実施例1と同様に、振動板33a,33b,33c,33dが、それぞれ3枚ずつの並列振動板33a−1,33a−2,33a−3、33b−1,33b−2,33b−3、33c−1,33c−2,33c−3、33d−1,33d−2,33d−3を備えている。そして、各振動板33a,33b,33c,33dは、それぞれの並列振動板33a−1〜3,33b−1〜3,33c−1〜3,33d−1〜3が、一つの結合部13a,13b,13c,13dに結合されて、各弾性支持部2a,2bに連結されている。
These piezoelectric unimorph vibrators 310a, 310b, 310c, and 310d have three
これにより、弾性支持部2a,2bに連結する圧電ユニモルフタイプの各振動板33a,33b,33c,33dにおいて、並列振動板33a−1〜3、33b−1〜3、33c−1〜3、33d−1〜3の枚数を増やしても、振動板33a,33b,33c,33dから弾性支持部2a,2bにトルクを伝達する位置を、共振周波数を考慮した最適位置に設定可能であり、同じ結合部13a,13b,13c,13dに繋がっている複数の振動板33a−1,33a−2,33a−3、33b−1,33b−2,33b−3、33c−1,33c−2,33c−3、33d−1,33d−2,33d−3を同じ変位と位相で駆動すれば、容易な駆動方法で弾性支持部2a,2bに伝わるトルクを大きくしやすく、大きな振れ角が取れるようになる。そこで、本実施例3では、振動板33a,33b,33c,33dの共振周波数を、反射板1の共振周波数に一致、あるいは近くに設定している。
Thereby, in each piezoelectric
なお、圧電アクチュエータ28a,28b,28c,28dは、実施例1で示したものと同様のものを用いている。
The
以上説明した実施例2の光偏向器Bにおいて、実施例1と同様に圧電アクチュエータ28a,28bに同位相の電圧を、圧電アクチュエータ28c,28dに上記位相と逆位相の正弦波電圧を印加して、反射板1の回転振動を試みた。ただし、電圧は20Vpp、3kHzとした。
In the optical deflector B of the second embodiment described above, a voltage having the same phase is applied to the
このとき、実施例1と同様に反射板1の回転角を測定したところ、±27°と実施例1よりも大きな回転角が得られた。これは、実施例1と同様に振動板33a,33b,33c,33dが、それぞれ3枚の並列振動板33a−1〜3、33b−1〜3、33c−1〜3、33d−1〜3を備えており、高い回転トルクが得られるのに加えて、複数の圧電アクチュエータ28a−1〜3,28b−1〜3,28c−1〜3,28d−1〜3で発生したトルクを、それぞれ、各結合部13a〜13dから弾性支持部2a,2bの1箇所に集中して伝達できるようにしたためである。
At this time, when the rotation angle of the reflecting
また、圧電アクチュエータ28a〜28dと弾性支持部2a,2bとが、結合部13a〜13dで連結されているため、弾性支持部2a,2bの実効的なバネ定数の算出が容易であり、前述の共振周波数の設計が容易である。
Further, since the
ゆえに、本実施例2の光偏向器Cでは、圧電アクチュエータ28a〜28dの駆動周波数を、弾性支持部2a,2bを含む反射板1の機械的共振周波数に合わせることで、低電圧駆動でも大きな回転角を得られることを確認できた。また、実施例1と同様に安定した光走査が行えることを確認できた。
Therefore, in the optical deflector C according to the second embodiment, the driving frequency of the
以上説明した本実施例1,2の光偏向器A,Bを備えた光学装置は、電子写真方式の複写機や、レーザプリンタ等の感光体への画像形成用の光走査装置(光スキャナ)や、バーコードリーダの光走査装置に応用が可能である。 The optical apparatus including the optical deflectors A and B according to the first and second embodiments described above is an optical scanning apparatus (optical scanner) for forming an image on a photosensitive member such as an electrophotographic copying machine or a laser printer. It can also be applied to a barcode reader optical scanning device.
したがって、高速動作が可能で、大きな偏向角および大振幅動作が得られ、また、小型化、薄型化、および軽量化を図ることができる光偏向器A,Bを備えた光学装置を提供することが可能となる。 Therefore, an optical device provided with optical deflectors A and B that can operate at high speed, obtain a large deflection angle and large amplitude operation, and can be reduced in size, thickness, and weight. Is possible.
次に、図5に基づいて本発明の実施の形態の実施例3の光偏向器について説明する。なお、この実施例3は、実施例1の変形例であるため、その相違点についてのみ説明し、実施例1と同一ないし均等な構成については、同一の符号を付して説明を省略し、また、実施例1と同一の作用効果についても説明を省略する。 Next, an optical deflector according to Example 3 of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, since this Example 3 is a modification of Example 1, only the difference is demonstrated, about the same or equivalent structure as Example 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted, Also, the description of the same effect as the first embodiment is omitted.
この図5に示す実施例3は、連結部411が実施例1の連結部211と異なっている。なお、本実施例3では、複数の連結部411のうちで、弾性支持部2aと並列振動板23a−1,23c−1とを連結するもののみを代表して示し、他の連結部411の図示は省略している。
In the third embodiment shown in FIG. 5, the connecting
この連結部411は、突出部411bが、その横断面形状が略三角錐形状に形成され、側面411aが三面で形成されている。
As for this
この実施例4の場合も、連結部411に、突出部411bを形成しているため、この連結部411に発生するせん断力の分散と、一部への集中を抑制し、この連結部411に、破断が発生するのを抑制している。
Also in the case of the fourth embodiment, since the protruding
次に、図6に基づいて本発明の実施の形態の実施例4の光偏向器について説明する。なお、この実施例4は、実施例1の変形例であるため、その相違点についてのみ説明し、実施例1と同一ないし均等な構成については、同一の符号を付して説明を省略し、また、実施例1と同一の作用効果についても説明を省略する。 Next, an optical deflector according to Example 4 of the embodiment of the present invention will be described with reference to FIG. In addition, since this Example 4 is a modification of Example 1, only the difference is demonstrated, about the same or equivalent structure as Example 1, the same code | symbol is attached | subjected and description is abbreviate | omitted, Also, the description of the same effect as the first embodiment is omitted.
この図6に示す実施例4は、連結部511が実施例1の連結部211と異なっている。なお、本実施例4では、複数の連結部511のうちで、弾性支持部2aと並列振動板23a−1,23c−1とを連結するもののみを代表して示し、他の連結部511の図示は省略している。
In the fourth embodiment shown in FIG. 6, the connecting
この実施例5では、連結部511において突出部を廃止して、弾性支持部2aを一定断面形状に形成した例である。
The fifth embodiment is an example in which the protruding portion is eliminated in the connecting
以上、図面を参照して、本発明の実施の形態および実施例1〜4を詳述してきたが、具体的な構成は、これらの実施の形態および実施例1〜4に限らず、本発明の要旨を逸脱しない程度の設計的変更は、本発明に含まれる。 As mentioned above, although embodiment and Example 1-4 of this invention were explained in full detail with reference to drawings, specific structure is not restricted to these embodiment and Example 1-4, this invention. Design changes that do not depart from the gist of the present invention are included in the present invention.
例えば、実施例1〜4では、振動板として長方形の薄板状のものを示したが、その形状は、実施例1〜4で示したものに限られず、長方形以外の形状に形成してもよい。
For example, in
1 反射板(可動板)
2a 弾性支持部(トーションバー)
2b 弾性支持部(トーションバー)
23a 振動板
23b 振動板
23c 振動板
23d 振動板
23a−1 並列振動板
23a−2 並列振動板
23a−3 並列振動板
23b−1 並列振動板
23b−2 並列振動板
23b−3 並列振動板
23c−1 並列振動板
23c−2 並列振動板
23c−3 並列振動板
23d−1 並列振動板
23d−2 並列振動板
23d−3 並列振動板
28a 圧電アクチュエータ
28b 圧電アクチュエータ
28c 圧電アクチュエータ
28d 圧電アクチュエータ
28a−1 並列アクチュエータ
28a−2 並列アクチュエータ
28a−3 並列アクチュエータ
28b−1 並列アクチュエータ
28b−2 並列アクチュエータ
28b−3 並列アクチュエータ
28c−1 並列アクチュエータ
28c−2 並列アクチュエータ
28c−3 並列アクチュエータ
28d−1 並列アクチュエータ
28d−2 並列アクチュエータ
28d−3 並列アクチュエータ
9 支持体
210a 圧電ユニモルフ振動体
210b 圧電ユニモルフ振動体
210c 圧電ユニモルフ振動体
210d 圧電ユニモルフ振動体
211 連結部
211b 突出部
13a 結合部
13b 結合部
13c 結合部
13d 結合部
1 Reflector (movable plate)
2a Elastic support (torsion bar)
2b Elastic support (torsion bar)
Claims (15)
一端が前記可動板に固定され、他端が支持体に固定され、前記可動板を回転振動可能に軸支する一対のトーションバーと、
振動板およびこの振動板を駆動させる圧電アクチュエータを備え、前記可動板を回転振動させる二対の圧電ユニモルフ振動体と、
を備え、
一対の前記圧電ユニモルフ振動体が、前記一対のトーションバーの一方を挟んで対称に配置され、
もう一対の前記圧電ユニモルフ振動体が、前記一対のトーションバーのもう一方を挟んで対称に配置され、
前記振動板が、両端の一方をトーションバーに接続され、両端のもう一方を前記支持体に接続され、
前記振動板、可動板、トーションバー、支持体が一体に形成されており、
それぞれの前記圧電ユニモルフ振動体が、それぞれ、複数の前記振動板および圧電アクチュエータを備え、
前記圧電アクチュエータの駆動時に、前記トーションバーを挟んだ位置にある前記圧電アクチュエータに印加される交流電圧は、互いに180°位相が異なる二つの交流電圧であり、さらに、前記交流電圧は、直流オフセット電圧を重畳させることにより正または負のユニポーラ領域で振幅することを特徴とする光偏向器。 A movable plate capable of reflecting light;
One end is fixed to the movable plate, the other end is fixed to the support, and a pair of torsion bars that pivotally support the movable plate so as to be able to rotate and vibrate,
Comprising a diaphragm and a piezoelectric actuator for driving the diaphragm, and two pairs of piezoelectric unimorph vibrators for rotating and vibrating the movable plate;
With
The pair of piezoelectric unimorph vibrators are arranged symmetrically across one of the pair of torsion bars,
The other pair of piezoelectric unimorph vibrators are arranged symmetrically across the other of the pair of torsion bars,
The diaphragm is connected at one end to a torsion bar and connected at the other end to the support,
The diaphragm, movable plate, torsion bar, and support are integrally formed,
Each of the piezoelectric unimorph vibrators, respectively, e Bei a plurality of said diaphragm and a piezoelectric actuator,
When the piezoelectric actuator is driven, the AC voltage applied to the piezoelectric actuator at a position sandwiching the torsion bar is two AC voltages that are 180 ° out of phase with each other, and the AC voltage is a DC offset voltage. An optical deflector that is amplified in the positive or negative unipolar region by superimposing the two .
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