JP5585478B2 - 光偏向用mems素子 - Google Patents

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Description

本発明は、レーザビーム等の光を反射させて光偏向を行う光偏向用MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)素子に関する。
電子写真式複写機、レーザビームプリンタ、バーコードリーダ等の光学機器の走査装置や、光ディスクのトラッキング制御装置の光偏向装置や、レーザ光をスキャニングして映像を投影する表示装置などには光偏向子が使用されており、近年では光偏向子としてさまざまな形態のMEMS素子が使用されるようになってきた。
従来技術の代表的な構造として、偏向角が大きくなった場合でも機械的強度が有利な4本のメインアームで反射ミラーの動作をさせるMEMS素子が知られている(例えば、特許文献1参照。)。
反射ミラーの両端には2本ずつメインアームの一端が接続され、各メインアームの他端は4本のサブアームの一端にそれぞれ接続されている。各サブアームの他端は振動系に影響されない質量の固定部(基板)に固定されている。各サブアームの表面には圧電膜が設けられている。
このMEMS素子は、メインアームと反射ミラーで構成される振動系の中で、対向する2つのメインアームの中心軸の軸回りに回転を生ずる共振モード(2次モード)を用いる。2次モードの共振周波数の電圧をそれぞれの圧電膜に印加することにより、効率的な回転運動が可能となる。回転運動をしている反射ミラーに外部からの入射光を反射させることにより偏向を行う。
この構造のMEMS素子において、使用する2次モードの近傍にメインアームの曲げ方向に共振する共振モード(1次モード及び3次モード)が存在している。これらの使用しない共振モードに起因して、反射ミラーのブレや誤動作が生じる場合がある。これらを回避するため、振動板の駆動回路に複数のフィルターなどを設置する必要があり、コストが増大し、且つ小型化を図る障害となっていた。
この問題を解決すべく共振周波数を調整する方法として、振動系の質量を変化させて調整する方法(例えば、特許文献2参照。)や、振動系の長さを可変させる方法(例えば、特許文献3参照。)が知られている。
特許3552601号 特開2006−121653号公報 特開2005−266567号公報
しかしながら、特許文献2及び3に記載された方法では、全ての共振モードの共振周波数がそのまま上下にシフトするだけであり、使用する2次モードの共振周波数と、使用しない1次モード及び3次モードの共振周波数との差を変化させることはできなかった。
上述した問題点を鑑み、本発明の目的は、光偏向性能を維持しつつ、使用しない共振モードに起因する反射ミラーのブレや誤動作を安価に且つ大型化せず防止することができる光偏向用MEMS素子を提供することである。
本発明の一態様によれば、光を反射する反射面を有する反射ミラー(1)と、反射ミラー(1)に一端がそれぞれ接続され、一方向に互いに平行に延伸する第1及び第2のメインアーム(2a,2b)と、第1及び第2のメインアーム(2a,2b)と反射ミラー(1)を挟んで対称に、反射ミラー(1)に一端がそれぞれ接続され、一方向に互いに平行に延伸する第3及び第4のメインアーム(2c,2d)と、第1及び第2のメインアーム(2a,2b)の他端に自由端である一端がそれぞれ接続され、第1及び第2のメインアーム(2a,2b)間の中心軸(L1)から離れるように、一方向と直交する方向にそれぞれ延伸し、反射面に対して垂直方向を曲げ方向として振動可能な第1及び第2のサブアーム(3a,3b)と、 第1及び第2のサブアーム(3a,3b)と反射ミラー(1)を挟んで対称に、第3及び第4のメインアーム(2c,2d)の他端に自由端である一端がそれぞれ接続され、中心軸(L1)から離れるように、直交する方向にそれぞれ延伸し、曲げ方向に振動可能な第3及び第4のサブアーム(3c,3d)と、第1及び第2のサブアーム(3a,3b)の他端を固定する第1の固定部(4a)と、第3及び第4のサブアーム(3c,3d)の他端を固定する第2の固定部(4b)とを備え、第1〜第4のサブアーム(3a〜3d)の曲げ方向の振動により第1〜第4のメインアーム(2a〜2d)を捩れ方向に振動させ、中心軸(L1)の軸回りに反射ミラー(1)を振動させて光偏向を行うときの共振周波数に対して、第1〜第4のサブアーム(3a〜3d)の曲げ方向の振動により第1〜第4のメインアーム(2a〜2d)が曲げ方向に振動するときの共振周波数が離れるように、第1〜第4のサブアーム(3a〜3d)のばね係数をそれぞれ変化させる光偏向用MEMS素子が提供される。
本発明の一態様において、第1〜第4のサブアーム(3a〜3d)のそれぞれの一部の厚さ(D1)を他の部分の厚さ(D2)より薄くしても良い。また、本発明の一態様において、第1〜第4のサブアーム(3a〜3d)に開口部(7a〜7d)又は座ぐりが設けられていても良い。また、本発明の一態様において、第1〜第4のサブアーム(3a〜3d)の一部の部材(8a〜8d)が、他の部分と弾性率が異なっていても良い。
本発明によれば、光偏向性能を維持しつつ、使用しない共振モードに起因する反射ミラーのブレや誤動作を安価に且つ大型化せず防止することができる光偏向用MEMS素子を提供することができる。
図1(a)は本発明の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子の一例を示す平面図である。図1(b)は図1(a)のA−A線に沿った断面図である。 本発明の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子の動作を説明するための断面図(図1(a)のB−B線に沿った断面図)である。 本発明の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子の共振モード(2次モード)を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子の共振モード(1次モード)を説明するための概略図である。 本発明の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子の共振モード(3次モード)を説明するための概略図である。 図6(a)は本発明のその他の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子の一例を示す平面図である。図6(b)は図6(a)のA−A線に沿った断面図である。 図7(a)は本発明のその他の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子の他の一例を示す平面図である。図7(b)は図7(a)のA−A線に沿った断面図である。
次に、図面を参照して、本発明の実施の形態を説明する。以下の図面の記載において、同一又は類似の部分には同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は現実のものとは異なることに留意すべきである。したがって、具体的な厚みや寸法は以下の説明を参酌して判断すべきものである。又、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることはもちろんである。
また、以下に示す実施の形態は、この発明の技術的思想を具体化するための装置や方法を例示するものであって、この発明の技術的思想は、構成部品の材質、形状、構造、配置等を下記のものに特定するものでない。この発明の技術的思想は、特許請求の範囲において、種々の変更を加えることができる。
本発明の実施の形態において、マイクロプロジェクターなどの表示用装置に用いられる光偏向用MEMS素子を一例として説明する。本発明の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子は、図1(a)に示すように、反射ミラー1と、第1〜第4のメインアーム2a〜2dと、第1〜第4のサブアーム3a〜3dと、第1及び第2の固定部4a,4bを備える。
反射ミラー1の表面には、アルミニウム(Al)や金(Au)等の金属薄膜からなる反射面が形成されている。
第1及び第2のメインアーム2a,2bは、反射ミラー1に一端がそれぞれ接続され、一方向に互いに平行に延伸する。第3及び第4のメインアーム2c,2dは、第1及び第2のメインアーム2a,2bと反射ミラー1を挟んで対称に、反射ミラー1に一端がそれぞれ接続され、一方向に互いに平行に延伸する。対向する第1及び第2のメインアーム2a,2b間及び第3及び第4のメインアーム2c,2d間の中心軸L1は反射ミラー1の略重心を通る。
第1及び第2のサブアーム3a,3bは、第1及び第2のメインアーム2a,2bの他端に自由端である一端がそれぞれ接続されている。第1及び第2のサブアーム3a,3bは、中心軸L1から離れるように、第1及び第2のメインアーム2a,2bが延伸する一方向と直交する方向にそれぞれ延伸する。
第3及び第4のサブアーム3c,3dは、第1及び第2のサブアーム3a,3bと反射ミラー1を挟んで対称に、第3及び第4のメインアーム2c,2dの他端に自由端である一端がそれぞれ接続されている。第3及び第4のサブアーム3c,3dは、中心軸L1から離れるように、第3及び第4のメインアーム2c,2dが延伸する一方向と直交する方向にそれぞれ延伸する。
図1(b)に示すように、第1及び第2のサブアーム3a,3bには圧電膜5a,5bがそれぞれ形成されている。第3及び第4のサブアーム3c,3dにも同様に圧電膜(図示省略)がそれぞれ形成されている。第1〜第4のサブアーム3a〜3dは、反射ミラー1の反射面に対して垂直方向を曲げ方向として振動可能である。また、図1(a)及び図1(b)に示すように、第1〜第4のサブアーム3a〜3dのそれぞれの根元部6a〜6dの厚さD1が、他の部分の厚さD2より薄くなるように加工されている。
図1(a)に示した第1の固定部4aは、第1及び第3のサブアーム3a,3cの他端を固定する。第2の固定部4bは、第2及び第4のサブアーム3b,3dの他端を固定する。第1及び第2の固定部4a,4bは振動の影響がないように十分な質量を有する。
本発明の実施の形態において、反射ミラー1の直径は約1mm、厚さは0.05mmである。第1〜第4のメインアーム2a〜2dのそれぞれの幅は0.05mm、長さは0.6mm、厚さは0.05mmである。第1〜第4のサブアーム3a〜3dのそれぞれの幅は0.4mm、長さは1mm、厚さ(D2)は0.05mmである。
反射ミラー1、第1〜第4のメインアーム2a〜2d、第1〜第4のサブアーム3a〜3d及び第1及び第2の固定部4a,4bの材料としては、シリコン(Si)等が使用可能である。反射ミラー1、第1〜第4のメインアーム2a〜2d、第1〜第4のサブアーム3a〜3d及び第1及び第2の固定部4a,4bは、例えばMEMSプロセスで一体で形成することができる。
次に、本発明の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子の動作を説明する。第1〜第4のサブアーム3a〜3dに形成された圧電膜5a,5b及び図示を省略した圧電膜に駆動電圧をそれぞれ印加すると、図2及び図3に示すように第1〜第4のサブアーム3a〜3dに曲げ変形を生じ、第1〜第4のサブアーム3a〜3dがそれぞれ反射ミラー1の反射面と垂直方向を曲げ方向として振動する。この振動により第1〜第4のメインアーム2a〜2dが捩れ方向に振動し、メインアーム2a,2cとメインアーム2b,2dとの中心軸L1の軸回りに反射ミラー1を振動(回転運動)して光偏向を行う。反射ミラー1を効率よく回転運動させるために、第1〜第4のメインアーム2a〜2dが捩れ方向に共振する共振モード(以下、「2次モード」という。)となるときの共振周波数で圧電膜5a,5b及び図示を省略した圧電膜に駆動電圧を印加する。2次モードの共振周波数の狙いは約30kHzである。
この振動系において、図2及び図3に示した2次モードの他に、2次モードの共振周波数より低次の共振周波数において、図4に示すように第1〜第4のメインアーム2a〜2dが曲げ方向に振動し、反射ミラー1が図1に示した軸L1と直交する軸L2の軸回りに回転運動する共振モード(以下、「1次モード」という。)が存在する。更に、2次モードの共振周波数より高次の共振周波数において、図5に示すように第1〜第4のメインアーム2a〜2dが曲げ方向に振動し、反射ミラー1が反射面に垂直方向に振動する共振モード(以下、「3次モード」という。)が存在する。本発明の実施の形態において、1次モードの共振周波数は22kHz、2次モードの共振周波数は29kHz、3次モードの共振周波数は47kHzである。
ここで、使用する2次モードの共振周波数が29kHzであるのに対し、使用しない1次モードの共振周波数が22kHzと、2次モードの共振周波数の比較的近傍に存在することが問題となる。
2次モードの共振周波数は、第1〜第4のメインアーム2a〜2dと第1〜第4のサブアーム3a〜3dの接続部分におけるバネ係数に大きく依存する。一方、1次モード及び3次モードの共振周波数は、第1〜第4のサブアーム3a〜3dと第1及び第2の固定部4a,4bの接続部分におけるバネ係数に依存する。
使用するのは2次モードの振動であり、2次モードの共振周波数は光偏向性能に大きく関わってくる。つまり光偏向性能を変化させることなく問題点を解決するためには、2次モードの共振周波数は設計値のままで、その近傍にある1次モード及び3次モードの共振周波数を変化させることが必要である。
ここで、共振周波数fは、以下の式(1)で表すことができる。

f=(1/2π)×(k/m)0.5 …(1)

ここで、kはばね係数であり、mは振動系の質量である。
1次モード及び3次モードの共振周波数に影響する第1〜第4のサブアーム3a〜3dを、第1及び第2の固定部4a,4bに固定された片持ち梁とすると、曲げのバネ係数kは以下の式(2)で表すことができる。

k=3EI/l …(2)

ここで、Eはヤング率、Iは断面2次モーメント、lは梁の長さである。断面2次モーメントIは、以下の式(3)で表すことができる。

I=bh/1 …(3)

ここで、bが梁の幅、hが梁の高さである。
式(1)〜(3)によれば、梁の断面積を変化させることによりバネ係数を小さくし、共振周波数を変化させることができる。しかし、第1〜第4のサブアーム3a〜3d全体の断面積を一様に変化させると2次モードの共振周波数に影響を及ぼす。
そこで、第1〜第4のメインアーム2a〜2dと第1〜第4のサブアーム3a〜3dの接続部分のバネ係数に影響を及ぼす第1〜第4のメインアーム2a〜2dの寸法、反射ミラー1の寸法、及び第1〜第4のサブアーム3a〜3dと第1〜第4のメインアーム2a〜2dの接続部分の寸法はそのまま維持しつつ、第1〜第4のサブアーム3a〜3dと第1及び第2の固定部4a,4bとの接続部分のバネ係数に影響を及ぼす第1〜第4のサブアーム3a〜3dの固定端側の根元部6a〜6dの厚さD1を変化させる。根元部6a〜6dのサイズ及び厚さD1は適宜設定可能である。第1〜第4のサブアーム3a〜3dの加工はMEMS製造工程において用いるドライエッチングやウェットエッチングなどの一般的な手法にて可能である。
根元部6a〜6dの厚さD1を変化させることにより、第1〜第4のサブアーム3a〜3dの断面二次モーメントを変化させ、バネ係数を変化させる。この結果、使用する2次モードの共振周波数は略維持しつつ、使用しない1次モード及び3次モードの共振周波数を2次モードの共振周波数の近傍から離れた値に変化させ、2次モードの動作に影響を及ぼさない値まで変化させることができる。
本発明の実施の形態では、第1〜第4のサブアーム3a〜3dの第1及び第2の固定部4a,4bとの接続部分から0.2mmの領域の根元部6a〜6dの厚さD1を0.01mmとした。この結果、2次モードの共振周波数は29kHzから28kHzと略維持された。一方、1次モードの共振周波数は22kHzから7.5kHzに変化し、3次モードの共振周波数は47kHzから14kHzに変化し、2次モードの共振周波数近傍から十分に離れた値となった。
本発明の実施の形態に係る光偏向用MEMS素子によれば、使用する2次モードの共振周波数を略維持することで光偏向性能は維持しつつ、使用しない1次モード及び3次モードの共振周波数を影響を及ぼさない値まで変化させることができる。よって、1次モード及び3次モードに起因する反射ミラー1のブレや誤動作を駆動回路のフィルターを必要とせずに安価に且つ光偏向用MEMS素子を大型化せず防止することができる。
なお、本発明の実施の形態においては、第1〜第4のメインアーム2a〜2d及び第1〜第4のサブアーム3a〜3dの材料としてSiを用いた場合の共振周波数の値を述べたが、他の金属や有機材料を用いた場合でも同様な効果を得ることが可能である。
(その他の実施の形態)
上記のように、本発明は実施の形態によって記載したが、この開示の一部をなす論述及び図面はこの発明を限定するものであると理解すべきではない。この開示から当業者には様々な代替実施の形態、実施例及び運用技術が明らかとなろう。
例えば、図6(a)及び図6(b)に示すように、第1〜第4のサブアーム3a〜3dに貫通穴7a〜7dを設けることにより、第1〜第4のサブアーム3a〜3dのバネ係数を変化させても良い。又は、第1〜第4のサブアーム3a〜3dに所定の深さで座ぐりを設けることにより、第1〜第4のサブアーム3a〜3dのバネ係数を変化させても良い。貫通穴7a〜7dや座ぐりの位置、サイズ、座ぐりの深さ等は適宜設計可能である。貫通穴7a〜7dや座ぐりを設けることにより、本発明の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、図7(a)及び図7(b)に示すように、第1〜第4のサブアーム3a〜3dと固定部との接続部分に、第1〜第4のサブアーム3a〜3dを構成する材料と弾性率の異なる他の材料からなる部材8a〜8dを配置することにより、第1〜第4のサブアーム3a〜3dのバネ係数を変化させても良い。部材8a〜8dの種類は適宜採用可能であり、部材8a〜8dの位置及びサイズ等は適宜設計可能である。この場合でも、本発明の実施の形態と同様の効果を得ることができる。
また、本発明の実施の形態においてはマイクロプロジェクター用の光偏向用MEMS素子を一例として説明したが、本発明の光偏向用MEMS素子はマイクロプロジェクターに限定されるものではなく、光スキャナーやヘッドマウントディスプレイなど種々の電子機器に適用可能である。
このように、本発明はここでは記載していない様々な実施の形態等を含むことは勿論である。したがって、本発明の技術的範囲は上記の説明から妥当な特許請求の範囲に係る発明特定事項によってのみ定められるものである。
1…反射ミラー
2a〜2d…第1〜第4のメインアーム
3a〜3d…第1〜第4のサブアーム
4a,4b…第1及び第2の固定部
5a,5b…圧電膜
6a〜6d…根元部
7a〜7d…貫通穴
8a〜8d…部材

Claims (3)

  1. 光を反射する反射面を有する反射ミラーと、
    前記反射ミラーに一端がそれぞれ接続され、一方向に互いに平行に延伸する第1及び第2のメインアームと、
    前記第1及び第2のメインアームと前記反射ミラーを挟んで対称に、前記反射ミラーに一端がそれぞれ接続され、前記一方向に互いに平行に延伸する第3及び第4のメインアームと、
    前記第1及び第2のメインアームの他端に自由端である一端がそれぞれ接続され、前記第1及び第2のメインアーム間の中心軸から離れるように、前記一方向と直交する方向にそれぞれ延伸し、前記反射面に対して垂直方向を曲げ方向として振動可能な第1及び第2のサブアームと、
    前記第1及び第2のサブアームと前記反射ミラーを挟んで対称に、前記第3及び第4のメインアームの他端に自由端である一端がそれぞれ接続され、前記中心軸から離れるように、前記直交する方向にそれぞれ延伸し、前記曲げ方向に振動可能な第3及び第4のサブアームと、
    前記第1及び第2のサブアームの他端を固定する第1の固定部と、
    前記第3及び第4のサブアームの他端を固定する第2の固定部
    とを備え、
    前記第1〜第4のサブアームの前記曲げ方向の振動により前記第1〜第4のメインアームを捩れ方向に振動させ、前記中心軸の軸回りに前記反射ミラーを振動させて光偏向を行うときの共振周波数に対して、前記第1〜第4のサブアームの前記曲げ方向の振動により前記第1〜第4のメインアームが前記曲げ方向に振動するときの共振周波数が離れるように、前記第1〜第4のサブアームのそれぞれの一部の厚さを他の部分の厚さより薄くすることにより前記第1〜第4のサブアームのばね係数をそれぞれ変化させることを特徴とする光偏向用MEMS素子。
  2. 光を反射する反射面を有する反射ミラーと、
    前記反射ミラーに一端がそれぞれ接続され、一方向に互いに平行に延伸する第1及び第2のメインアームと、
    前記第1及び第2のメインアームと前記反射ミラーを挟んで対称に、前記反射ミラーに一端がそれぞれ接続され、前記一方向に互いに平行に延伸する第3及び第4のメインアームと、
    前記第1及び第2のメインアームの他端に自由端である一端がそれぞれ接続され、前記第1及び第2のメインアーム間の中心軸から離れるように、前記一方向と直交する方向にそれぞれ延伸し、前記反射面に対して垂直方向を曲げ方向として振動可能な第1及び第2のサブアームと、
    前記第1及び第2のサブアームと前記反射ミラーを挟んで対称に、前記第3及び第4のメインアームの他端に自由端である一端がそれぞれ接続され、前記中心軸から離れるように、前記直交する方向にそれぞれ延伸し、前記曲げ方向に振動可能な第3及び第4のサブアームと、
    前記第1及び第2のサブアームの他端を固定する第1の固定部と、
    前記第3及び第4のサブアームの他端を固定する第2の固定部
    とを備え、
    前記第1〜第4のサブアームの前記曲げ方向の振動により前記第1〜第4のメインアームを捩れ方向に振動させ、前記中心軸の軸回りに前記反射ミラーを振動させて光偏向を行うときの共振周波数に対して、前記第1〜第4のサブアームの前記曲げ方向の振動により前記第1〜第4のメインアームが前記曲げ方向に振動するときの共振周波数が離れるように、前記第1〜第4のサブアームに開口部又は座ぐり設けることにより前記第1〜第4のサブアームのばね係数をそれぞれ変化させることを特徴とす光偏向用MEMS素子。
  3. 光を反射する反射面を有する反射ミラーと、
    前記反射ミラーに一端がそれぞれ接続され、一方向に互いに平行に延伸する第1及び第2のメインアームと、
    前記第1及び第2のメインアームと前記反射ミラーを挟んで対称に、前記反射ミラーに一端がそれぞれ接続され、前記一方向に互いに平行に延伸する第3及び第4のメインアームと、
    前記第1及び第2のメインアームの他端に自由端である一端がそれぞれ接続され、前記第1及び第2のメインアーム間の中心軸から離れるように、前記一方向と直交する方向にそれぞれ延伸し、前記反射面に対して垂直方向を曲げ方向として振動可能な第1及び第2のサブアームと、
    前記第1及び第2のサブアームと前記反射ミラーを挟んで対称に、前記第3及び第4のメインアームの他端に自由端である一端がそれぞれ接続され、前記中心軸から離れるように、前記直交する方向にそれぞれ延伸し、前記曲げ方向に振動可能な第3及び第4のサブアームと、
    前記第1及び第2のサブアームの他端を固定する第1の固定部と、
    前記第3及び第4のサブアームの他端を固定する第2の固定部
    とを備え、
    前記第1〜第4のサブアームの前記曲げ方向の振動により前記第1〜第4のメインアームを捩れ方向に振動させ、前記中心軸の軸回りに前記反射ミラーを振動させて光偏向を行うときの共振周波数に対して、前記第1〜第4のサブアームの前記曲げ方向の振動により前記第1〜第4のメインアームが前記曲げ方向に振動するときの共振周波数が離れるように、前記第1〜第4のサブアームの一部の部材の弾性率を他の部分の弾性率と異ならせることにより前記第1〜第4のサブアームのばね係数をそれぞれ変化させることを特徴とす光偏向用MEMS素子。
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