JP5521691B2 - 振動装置、二次元振動装置、光走査装置及び二次元光走査装置 - Google Patents
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Description
この二次元MEMSスキャナは、いわゆるジンバル機構を構成しており、軸周りに捻れるY走査軸を介してSOIウエハに固定された外ジンバルと、軸周りに捻れるX走査軸を介して外ジンバルに固定されたミラーを備えている。
角度=Asin(ωt) [ωは角周波数2πf]
で振動している。
このような、振動装置では、ベースシリコン層(13)、シリコン酸化膜層(12)、SOI層(11)からなるSOIウエハにおいて、SOI層(11)に形成された振動子領域(114)が、加振手段(109,110)によって周期的に所定の第1周波数で第1中心軸周りに回転振動する。
このとき、加振手段(109,110)と角度検出手段(30,40)とは、第1弾性変形部材(105)、第20弾性変形部材(36)及びSOI層(11)により電気的に分離(絶縁)されているので、加振手段(109,110)を回転振動させる駆動信号によって発生するノイズが検出手段に混入することがない。したがって、ノイズによって振動子領域(114)の回転角度の検出精度が劣化することがない。
角度検出手段(30,40)は、振動検出子(32,42)に設けられ、櫛歯状に形成された第3櫛歯状電極部(34,44)と、第2領域(31)に設けられ、第3櫛歯状電極部(34,44)と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第4櫛歯状電極部(35,45)とを備えるようにする。
このような、振動装置では、第1弾性変形部材(105)及び第20弾性変形部材(36)を、回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体、いわゆるトーションバーで容易に構成することができる。
このとき、二次元振動部(100)と第20振動検出子(32)は、トレンチ溝により電気的に絶縁され、第20角度検出手段(30)は、第20振動検出子(32)及び第2領域(31)にとトレンチ溝により電気的に絶縁されている。
したがって、第30振動検出子(42)の第30中心軸周りの回転角度を第30角度検出手段(40)で検出することにより、二次元振動部(100)の駆動信号のノイズの影響を受けることなく、二次元振動部(100)の回転角度を正確に検出することができる。
また、第20角度検出部(30)を、第20振動検出子(32)に設けられ、櫛歯状に形成された第20櫛歯状電極部(34)と、第2領域(31)に設けられ、第20櫛歯状電極部(34)と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第21櫛歯状電極部(35)とを有するように構成する。
さらに、第30角度検出部(40)を、第30振動検出子(42)に設けられ、櫛歯状に形成された第30櫛歯状電極部(44)と、第4領域(41)に設けられ、第30櫛歯状電極部(44)と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第31櫛歯状電極部(45)とを有するように構成する。
電極部(35)、第30及び第31櫛歯状電極部(45))で構成することができる。相互に噛み合い可能な一対の櫛歯状電極を形成することは従来の半導体加工技術で容易に実現することができ、また、構成も簡易であるので、振動装置を小型化することができる。
すなわち、板状に形成された振動子(104)と、振動子(104)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(103)と、第2剛体部材(103)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(102)と、第1剛体部材(102)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(101)と、振動子(104)と第2剛体部材(103)とを連結させるとともに、振動子(104)と第2剛体部材(103)との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、振動子(104)の重心を通る主走査軸を回転軸として、振動子(104)を振動させる第3弾性変形部材(107)と、第2剛体部材(103)と第1剛体部材(102)とを連結させるとともに、第2剛体部材(103)と第1剛体部材(102)との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、振動子(104)と第2剛体部材(103)との重心を通る副走査軸を回転軸として、第2剛体部材(103)を振動させる第2弾性変形部材(106)と、第1剛体部材(102)と第0剛体部材(101)とを連結させるとともに、第1剛体部材(102)と第0剛体部材(101)との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、振動子(104)と第2剛体部材(103)と第1剛体部材(102)との重心を通る主走査軸を回転軸として、第1剛体部材(102)を振動させる第1弾性変形部材(105)と、を備え、振動子(104)、第2剛体部材(103)、第1剛体部材(102)、第3弾性変形部材(107)、第2弾性変形部材(106)及び第1弾性変形部材(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振動する3自由度連成振動系を構成し、さらに、第0剛体部材(101)に設けられ、櫛歯状に形成された第0櫛歯状電極部(109)と、第1剛体部材(102)に設けられ、第0櫛歯状電極部(109)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(110)とを有し、第0櫛歯状電極部(109)に周期的な電気信号を入力することにより、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(109,110)と、振動子(104)及び第2剛体部材(103)の振動の振幅の角度が、前記第1剛体部材(102)の振動の振幅の角度より大きく、第1剛体部材(102)の振動の振幅が、第1剛体部材(102)の板厚に略等しくなるように構成されるようにするのである。
るとよい。
請求項8に記載の発明は、請求項1に記載の振動装置において、板状に形成した振動子(104)の表面側を反射面とする走査装置である。
[第1実施形態]
図1は、本発明が適用された二次元光走査装置10の概略の構成を示す平面図であり、図2は二次元光走査装置10の断面の構造を示す断面図であり、図3は、図1における領域R1及びR2の拡大図である。
二次元光走査部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2に示すように、3層構造となっており、本第1実施形態では、厚さ50μmのSOI層11、厚さ2μmのシリコン酸化膜層12、厚さ400μmのベースシリコン層13とからなっている。
さらに、ミラー部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。
以下、第1フレーム102、第2フレーム103、ミラー部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。
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2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2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。
次に、二次元光走査部100の作動原理を説明する。
二次元光走査部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。
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、ミラー部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、ミラー部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、ミラー部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作動を説明する。
次に、図1、図2、図3及び図4に基づき、第20角度検出部30及び第30角度検出部40について説明する。図4は、第20角度検出部30及び第30角度検出部40の拡大図である。
ここで、図5に基づき、二次元光走査装置10において、ミラー部104(振動子)から第20振動検出子32及び第30振動検出子42に振動が伝わるメカニズムについて説明する。
また、図5中で明らかなように、駆動されているミラー部104と第20振動検出子32は、トレンチで空間的に分離されており、絶縁体であるSiO層11上に形成されているため、互いに電気的に分離されている。これにより、電気的ノイズの周り込みを抑制したS/N日の高い検出が可能となる。
次に、二次元光走査部100を駆動する駆動回路200の構成を図6に基づき説明する。図6は、駆動回路200の概略の構成を示すブロック図である。
(CV変換回路の説明)
ここで、櫛歯部34,35間の静電容量の変化を電圧信号に変換するCV変換回路231について図9に基づいて詳細に説明する。なお、第30振動検出子42の角度を検出するためのCV変換回路231は、第20振動検出子32の角度を検出する回路と同じ構成であるので、第20振動検出子32について説明し、第30振動検出子42についての説明は省略する。
第20振動検出子32が回転すると、端子部39bL,39bRでは位相角が180度ずれている。したがって、端子部39bL側で静電容量が増加する場合は、端子部39bR側では静電容量は減少する。この作用を利用して、S/N比を大きくして、ゲインを大きくするために図9に示すように反転増幅回路を2系統と作動増幅回路を用いる。
以下に、この理由を説明する。
第20角度検出部30の第20振動検出子32は捻り振動しているので、第20振動検出子32の角度変位量θ1は、サイン関数で表現できる。そして第20振動検出子32の振幅角を「A」、周波数を「f」とすると、角度変位量θ1は、下記式1で表される。なお、式1における「t」は時間を表す。
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。すなわち、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。したがって、正規化角度は、「正規化角度=sin(位相角)」と表すことができる。
そして、櫛歯部34、35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34及び櫛歯部35の運動により対向面積Sが変化する。
S=L×w ・・・式3
さらに、櫛歯部34及び櫛歯部35は板厚方向へ直線運動するので、櫛歯部34及び櫛歯部35の移動量を「x」とすると、対向面積Sは、下記式4、式5で表される。
S=0, (「w<x」のとき) ・・・式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。
H=0, (「w<x」のとき) ・・・式7
また、上述のように、櫛歯部34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、下記式8で表される。
したがって、正規化櫛歯部間対向面積Hは、下記式9、式10で表される。
H=1−Abs(2awsinθ)/w (「0≦x≦w」のとき) ・・・式9
H=0, (「w<x」のとき) ・・・式10
したがって、櫛歯部の移動量xに従って、角度変位量を検出することができる。
このとき、二次元光走査部100と第20振動検出子32は、トレンチ溝32a、42a、101a等により電気的に分離され、第20角度検出部30は、二次元光走査部100に対して空間的に分離して配置されている。
したがって、第30振動検出子42の第30中心軸周りの回転角度を第30角度検出部40で検出することにより、二次元光走査部100の駆動信号からのノイズの影響を受けることなく、二次元光走査部100の回転角度を正確に検出することができる。
以下に本発明の第2実施形態について図面に基づき説明する。
図10は、本発明が適用された第2実施形態の二次元光走査部300の構成を示す平面図である。第1実施形態では、捻り振動型の振動子(ミラー部104)及びその振動子の角度検出手段について説明したが、第2実施形態で説明する平面内振動型振動子でも本発明を実施できる。
二次元光走査部300は、第1実施形態における二次元光走査部100と同様に、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り、第1実施形態の二次元光走査装置10と異なる点を以下の(ア)〜(オ)に示す。
したがって、第2実施形態における二次元光走査部300においても、第1実施形態の二次元光走査部100と同じ効果を得ることができる。
(1)上記実施形態では、二次元光走査装置10としたが、一次元振動装置としてもよい。つまり、第1フレーム102をフレーム構造とせず、板状の振動子とし、中心軸i方向に直線振動するようにする。また、第20角度検出部30のみを残し、第30角度検出部40を削除する。
Claims (9)
- ベースシリコン層(13)、シリコン酸化膜層(12)、SOI層(11)からなるSOIウエハにおいて、
前記SOI層(11)に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第1領域(108)に形成され、第1中心軸周りに回転振動するように、第1弾性変形部材(105)によって前記シリコン酸化膜層(12)を介して前記ベースシリコン層(13)に結合された振動子領域(114)と、
前記SOI層(11)に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第1領域(108)に形成され、駆動信号により静電的又は電磁的な力で前記振動子領域(114)を前記第1中心軸周りに周期的に所定の第1周波数で回転振動させる加振手段(109,110)と、
前記SOI層(11)に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁され、前記第1領域(108)の近傍に配置された第2領域(31)に形成された第2中心軸周りに回転振動するように第20弾性変形部材(36)によって、前記シリコン酸化膜層(12)を介して前記ベースシリコン層(13)に結合され、前記加振手段(109,110)で前記振動子領域(114)を回転振動させる前記所定の第1周波数と同じ第2固有周波数を有する振動検出子(32.42)と、
前記振動検出子(32.42)が前記第2固有周波数で第2中心軸周りに回転振動する際の前記第2中心軸周りの回転角度を検出する角度検出手段(30,40)と、
を備え、
前記第1弾性変形部材(105)及び前記第20弾性変形部材(36)は、
回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで前記捻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、
前記振動子領域(114)及び前記振動検出子(32.42)は、板状に形成され、
前記加振手段(109,110)は、前記振動子領域(114)に設けられ、櫛歯状に形成された第1櫛歯状電極部(110)と、前記第1領域(108)に設けられ、前記第1櫛歯状電極部(110)と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第2櫛歯状電極部(109)とを有し、前記第2櫛歯状電極部(109)に周期的な電気信号を入力することにより、前記振動子領域(114)に周期的外力を作用させて、前記振動子領域(114)を前記第1中心軸周りに回転振動させ、
前記角度検出手段(30,40)は、
前記振動検出子(32.42)に設けられ、櫛歯状に形成された第3櫛歯状電極部(34,44)と、前記第2領域(31)に設けられ、前記第3櫛歯状電極部(34,44)と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第4櫛歯状電極部(35、45)とを有し、前記第3櫛歯状電極部(34,44)と前記第4櫛歯状電極部(35、45)との間の静電容量の変化に基づいて、前記第2弾性変形部材(106)の捻り振動の振幅の角度を検出することを特徴とする振動装置。 - ベースシリコン層(13)、シリコン酸化膜層(12)、SOI層(11)からなるSOIウエハにおいて、
前記SOI層(11)に形成されたトレンチ溝により電気的に絶縁された第1領域(108)に形成され、振動子が、前記シリコン酸化膜層(12)を介してベースシリコン層(13)に機械的に結合され、駆動信号により主走査軸及び前記主走査軸に交差する副走査軸周りに回転振動する二次元振動部(100)と、
前記SOI層(11)において、前記第1領域(108)の近傍に形成され、トレンチ溝により電気的に絶縁された第2領域(31)に、第20中心軸周りに回転振動するように第20弾性変形部材(36)によって、前記シリコン酸化膜層(12)を介してベースシリコン層(13)に結合され、前記二次元振動部(100)が前記主走査軸周りに回転振動する際の第10周波数と同じ第20固有周波数を有する第20振動検出子(32)と、
前記第20振動検出子(32)及び前記第2領域(31)は、トレンチ溝により電気的に絶縁された第3領域(37)に設置され、前記第20振動検出子(32)が前記第20固有周波数で第20中心軸周りに回転振動する際の前記第20中心軸周りの回転角度を検出する第20角度検出部(30)と、
前記SOI層(11)において、前記第1領域(108)の近傍に形成され、トレンチ溝により電気的に絶縁された第4領域(41)に、第30中心軸周りに回転振動するように第30弾性変形部材(46)によって前記シリコン酸化膜層(12)を介してベースシリコン層(13)に結合され、前記二次元振動部(100)が、前記副走査軸周りに回転振動する際の第20周波数と同じ第30固有周波数を有する第30振動検出子(42)と、
前記第30振動検出子(42)及び前記第4領域(41)はトレンチ溝により電気的に絶縁された第5領域(47)に設置され、前記第30振動検出子(42)が前記第30固有周波数で第30中心軸周りに回転振動する際の前記第30中心軸周りの回転角度を検出する第30角度検出部(40)と、
を備えたことを特徴とする振動装置 - 請求項2に記載の二次元振動装置において、
前記第20振動検出子(32)及び前記第30振動検出子(42)は、板状に形成され、
前記第20角度検出部(30)は、
前記第20振動検出子(32)に設けられ、櫛歯状に形成された第20櫛歯状電極部(34)と、前記第2領域(31)に設けられ、前記第20櫛歯状電極部(34)と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第21櫛歯状電極部(35)とを有し、前記第20櫛歯状電極部(34)と前記第21櫛歯状電極部(35)との間の静電容量の変化に基づいて、前記第20弾性変形部材(36)の捻り振動の振幅の角度を検出し、
前記第30角度検出部(40)は、
前記第30振動検出子(42)に設けられ、櫛歯状に形成された第30櫛歯状電極部(44)と、前記第4領域(41)に設けられ、前記第30櫛歯状電極部(44)と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第31櫛歯状電極部(45)とを有し、前記第30櫛歯状電極部(44)と前記第31櫛歯状電極部(45)との間の静電容量の変化に基づいて、前記第30弾性変形部材(46)の捻り振動の振幅の角度を検出することを特徴とする二次元振動装置。 - 請求項2又は請求項3に記載の二次元振動装置において、
前記二次元振動部(100)は、
板状に形成された振動子(104)と、
前記振動子(104)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(103)と、
前記第2剛体部材(103)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(102)と、
前記第1剛体部材(102)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(101)と、
前記振動子(104)と前記第2剛体部材(103)とを連結させるとともに、前記振動子(104)と前記第2剛体部材(103)との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、前記振動子(104)の重心を通る主走査軸を回転軸として、前記振動子(104)を振動させる第3弾性変形部材(107)と、
前記第2剛体部材(103)と前記第1剛体部材(102)とを連結させるとともに、前記第2剛体部材(103)と前記第1剛体部材(102)との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、前記振動子(104)と前記第2剛体部材(103)との重心を通る副走査軸を回転軸として、前記第2剛体部材(103)を捻り振動させる第2弾性変形部材(106)と、
前記第1剛体部材(102)と前記第0剛体部材(101)とを連結させるとともに、前記第1剛体部材(102)と前記第0剛体部材(101)との間に回転トルクが作用するときに弾性変形する弾性体から構成され、前記振動子(104)と前記第2剛体部材(103)と前記第1剛体部材(102)との重心を通る主走査軸を回転軸として、前記第1剛体部材(102)を振動させる第1弾性変形部材(105)と
を備え、
前記振動子(144)、前記第2剛体部材(103)、前記第1剛体部材(102)、前記第3弾性変形部材(107)、前記第2弾性変形部材(106)及び前記第1弾性変形部材(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振動する3自由度連成振動系を構成し、
さらに、前記第0剛体部材(101)に設けられ、櫛歯状に形成された第0櫛歯状電極部(109)と、前記第1剛体部材(102)に設けられ、前記第0櫛歯状電極部(109)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(110)とを有し、前記第0櫛歯状電極部(109)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(109,110)と、
前記振動子(104)及び前記第2剛体部材(103)の振動の振幅の角度が、前記第1剛体部材(102)の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(102)の振動の振幅が、前記第1剛体部材(102)の板厚に略等しくなるように構成されることを特徴とする二次元振動装置。 - 請求項4に記載の二次元振動装置において、
前記第3弾性変形部材(107)は、
前記振動子(104)と前記第2剛体部材(103)との間に回転トルクが作用するとき捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで前記捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体であって、前記振動子(104)の重心を通る第3中心軸を回転軸として、前記振動子(104)を捻り振動させ、
第2弾性変形部材(106)は、
前記第2剛体部材(103)と前記第1剛体部材(102)との間に回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで前記捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体であって、前記振動子(104)と前記第2剛体部材(103)との重心を通る副走査軸を回転軸として、前記第2剛体部材(103)を捻り振動させ、
第1弾性変形部材(105)は、
前記第1剛体部材(102)と前記第0剛体部材(101)との間に回転トルクが作用するときに捻れ、この捻れの回転角に応じた大きさで前記捻れの方向とは逆の方向に回転トルクが発生する弾性体であって、前記振動子(104)と前記第2剛体部材(103)と前記第1剛体部材(102)との重心を通る主走査軸を回転軸として、前記第1剛体部材(102)を捻り振動させ、
前記振動子(104)、前記第2剛体部材(103)、前記第1剛体部材(102)、前記第3弾性変形部材(107)、前記第2弾性変形部材(106)及び前記第1弾性変形部材(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捻り振動する3自由度連成振動系を構成し、
前記第1外力作用手段(109,110)により第0櫛歯状電極部(109)に周期的な電気信号を入力したときに、前記振動子(104)及び前記第2剛体部材(103)の捻り振動の振幅の角度が、前記第1剛体部材(102)の捻り振動の振幅の角度より大きく、
前記第1剛体部材(102)の捻り振動の振幅が、前記第1剛体部材(102)の板厚に略等しくなるように構成されることを特徴とする二次元振動装置。 - 請求項4又は請求項5に記載の二次元振動装置において、
前記第1外力作用手段(109,110)は、
前記第1剛体部材(102)が1周期振動する間に、複数箇所で前記第0櫛歯状電極部(109)と前記第1櫛歯状電極部(110)とが噛み合うように、前記複数箇所に前記第0櫛歯状電極部(109)及び前記第1櫛歯状電極部(110)が設けられ、
前記複数箇所に設けられた前記第0櫛歯状電極部(109)には、それぞれ異なる周波数の電気信号が入力されることを特徴とする二次元振動装置。 - 請求項3〜請求項6のいずれか1項に記載の二次元振動装置において、
前記周期的な電気信号は、少なくとも2種類の周波数が重畳されており、
前記第1外力作用手段(109,110)は、
前記少なくとも2種類の周波数の位相差を検出し、該検出された位相差に基づいて、上記重畳されている少なくとも2種類の周波数の位相差を調整するように構成される
ことを特徴とする二次元振動装置。 - 請求項1に記載の振動装置において、
前記板状に形成した前記振動子(104)の表面を反射面とすることを特徴とする光走査装置。 - 請求項3〜請求項7のいずれか1項に記載の二次元振動装置において、
前記板状に形成した前記振動子(104)の表面を反射面とすることを特徴とする二次元光走査装置。
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