JP5846097B2 - Optical scanning device - Google Patents
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Description
本発明は、光ビームを走査する光走査装置に関する。 The present invention relates to an optical scanning device that scans a light beam.
近年、光走査装置の小型化を目的として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用した光走査装置が種々提案されている。
これに対して本願出願人は、反射面が表面に形成された第３フレームと、第３フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第２フレームと、第２フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第１フレームと、第１フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第０フレームとを備え、さらに、第３フレームと第２フレームと第１フレームとをそれぞれの回転軸を中心に捻り振動可能に構成されることで、３自由度連成振動系を構成した光走査装置を提案している（例えば、特許文献１を参照）。
In recent years, various optical scanning devices using MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology have been proposed for the purpose of downsizing the optical scanning device.
In contrast, the applicant of the present application provides a third frame having a reflective surface formed on the surface, a second frame provided with a predetermined gap with respect to the third frame, and a predetermined gap with respect to the second frame. And a 0th frame provided with a predetermined gap with respect to the first frame, and the third frame, the second frame, and the first frame are respectively connected to the respective rotation shafts. An optical scanning device having a three-degree-of-freedom coupled vibration system has been proposed (see, for example, Patent Document 1).
このように構成された光走査装置では、第１フレームに固有の周期的加振力を作用させることにより、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。そして、第２フレームと第３フレームそれぞれの振動に対応した周期的加振力を重畳して与えることにより、第２フレームと第３フレームをそれぞれ異なる周波数および振幅で振動させ、さらに第３フレームの反射面で光を反射させることで、光を２次元走査することができる。 In the optical scanning device configured as described above, the three-degree-of-freedom torsional vibrator can be brought into a resonance state by applying an inherent periodic excitation force to the first frame. Then, by superimposing periodic excitation forces corresponding to the vibrations of the second frame and the third frame, the second frame and the third frame are vibrated at different frequencies and amplitudes, respectively. The light can be scanned two-dimensionally by reflecting the light on the reflecting surface.
しかし、特許文献１に記載の光走査装置では、環境温度が変化すると３自由度捻り振動子の共振周波数が変化し、これにより、図１３に示すように、走査振幅が低下するという問題があった。これは、回転軸を中心に捻り振動可能に構成するために、弾性変形可能な部材（以下、弾性変形部材という）を上記回転軸として利用しており、環境温度の変化に応じて弾性変形部材のバネ定数が変化することに起因している。 However, the optical scanning device described in Patent Document 1 has a problem that when the environmental temperature changes, the resonance frequency of the three-degree-of-freedom torsional vibrator changes, thereby reducing the scanning amplitude as shown in FIG. It was. This uses a member that can be elastically deformed (hereinafter referred to as an elastic deformation member) as the rotation shaft in order to be able to twist and vibrate around the rotation shaft, and the elastic deformation member according to changes in the environmental temperature. This is due to the change in the spring constant.
本発明は、こうした問題に鑑みてなされたものであり、捻り振動を用いた光走査装置において温度変化による走査特性の変化を抑制することを目的とする。 SUMMARY An advantage of some aspects of the invention is that it suppresses a change in scanning characteristics due to a temperature change in an optical scanning device using torsional vibration.
上記目的を達成するためになされた光走査装置は、光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、反射部を捻り振動させるための第１回転軸となる第１弾性変形部材とを備え、第１回転軸を中心にして反射部を揺動させることにより、反射面により反射された光ビームを走査する光走査装置である。 An optical scanning device made to achieve the above object includes a reflecting portion having a reflecting surface for reflecting a light beam, and a first elastic deformation member serving as a first rotation shaft for twisting and vibrating the reflecting portion, The optical scanning device scans the light beam reflected by the reflecting surface by swinging the reflecting portion around the first rotation axis.
ところで、第１弾性変形部材を回転軸として反射部を捻り振動させる場合の共振周波数ｆは、下式（１）で表される。 By the way, the resonance frequency f in the case where the reflecting portion is torsionally vibrated with the first elastic deformation member as the rotation axis is expressed by the following expression (1).
なお式（１）において、ｋは第１弾性変形部材のバネ定数、Ｊは反射部の慣性モーメントである。
そして、第１弾性変形部材のバネ定数ｋは、下式（２）で表される。
In Equation (1), k is the spring constant of the first elastic deformation member, and J is the moment of inertia of the reflecting portion.
And the spring constant k of a 1st elastic deformation member is represented by the following Formula (2).
なお式（２）において、βは、第１弾性変形部材の断面の形状から決まる係数である。また、ａは、第１弾性変形部材の断面の長辺の長さである。また、ｂは、第１弾性変形部材の断面の短辺の長さである。また、Ｅはヤング率（横弾性係数）である。また、νはポアソン比である。また、ｌは第１弾性変形部材の長さである。すなわち、ヤング率Ｅが低下するとバネ定数ｋが低下する。 In Equation (2), β is a coefficient determined from the shape of the cross section of the first elastic deformation member. Further, a is the length of the long side of the cross section of the first elastic deformation member. Moreover, b is the length of the short side of the cross section of the first elastic deformation member. E is Young's modulus (lateral elastic modulus). Further, ν is a Poisson's ratio. L is the length of the first elastic deformation member. That is, when the Young's modulus E decreases, the spring constant k decreases.
さらに、ヤング率Ｅは、温度をＴとして、下式（３）で表される。 Further, the Young's modulus E is expressed by the following equation (3), where T is the temperature.
なお式（３）において、Ｅ0は、０℃でのヤング率である。また、Δｈtは温度係数である。すなわち、温度が高くなるほどヤング率Ｅは低下する。 In Equation (3), E 0 is the Young's modulus at 0 ° C. In addition, Δh t is the temperature coefficient. That is, the Young's modulus E decreases as the temperature increases.
したがって、温度の上昇に伴いヤング率Ｅが低下し、第１弾性変形部材のバネ定数ｋが低下すると、共振周波数ｆが低下する。
これに対し、光走査装置では、連結変位部が、錘部材が第１回転軸を中心にして反射部と一体に揺動可能となるように錘部材を連結する。
Therefore, when the Young's modulus E decreases with increasing temperature and the spring constant k of the first elastically deforming member decreases, the resonance frequency f decreases.
On the other hand , in the optical scanning device, the connecting displacement portion connects the weight member so that the weight member can swing integrally with the reflecting portion about the first rotation axis.
このため、第１弾性変形部材を回転軸として反射部を捻り振動させる場合の共振周波数ｆを表す式（１）において、慣性モーメントＪは、反射部の慣性モーメントと錘部材の慣性モーメントとを加算したものとなる。 For this reason, in the equation (1) representing the resonance frequency f when the reflecting portion is torsionally vibrated with the first elastic deformation member as the rotation axis, the inertia moment J is the sum of the inertia moment of the reflecting portion and the inertia moment of the weight member. Will be.
さらに、光走査装置では、連結変位部が、温度が高くなるほど錘部材の第１回転軸周りの慣性モーメントが低くなるように錘部材を変位させる。
したがって、温度上昇に伴うヤング率の低下に対応して、錘部材の第１回転軸周りの慣性モーメントを低下させることにより、式（１）で表される共振周波数ｆにおける温度上昇に伴う変化を抑制することができる。これにより、温度変化による走査特性の変化を抑制することができる。
Further , in the optical scanning device, the connection displacement portion displaces the weight member so that the moment of inertia around the first rotation axis of the weight member decreases as the temperature increases.
Therefore, by changing the moment of inertia around the first rotation axis of the weight member in response to a decrease in Young's modulus accompanying a temperature increase, a change accompanying a temperature increase in the resonance frequency f expressed by the equation (1) is achieved. Can be suppressed. Thereby, the change of the scanning characteristic by the temperature change can be suppressed.
例えば図７に示すように、温度変化に伴いヤング率が変化すると共振周波数が変化する（図７の曲線Ｌ１１を参照）。このときの仕様共振周波数からのずれ量をΔｆａとする。一方、ヤング率が一定という条件の下で、温度変化に伴い錘部材の第１回転軸周りの慣性モーメントが変化すると、共振周波数が変化する（図７の曲線Ｌ１２を参照）。このときの仕様共振周波数からのずれ量をΔｆｂとする。 For example, as shown in FIG. 7, when the Young's modulus changes with temperature change, the resonance frequency changes (see curve L11 in FIG. 7). The amount of deviation from the specified resonance frequency at this time is represented by Δfa. On the other hand, under the condition that the Young's modulus is constant, the resonance frequency changes when the moment of inertia around the first rotation axis of the weight member changes as the temperature changes (see curve L12 in FIG. 7). The amount of deviation from the specified resonance frequency at this time is Δfb.
したがって、温度変化によりヤング率と慣性モーメントが同時に変化した場合の仕様共振周波数からのずれ量は｜Δｆａ―Δｆｂ｜となる。このため、｜Δｆａ―Δｆｂ｜が、許容誤差Δεより小さくなるように設計することによって（図７の曲線Ｌ１３を参照）、温度上昇に伴う共振周波数ｆの変化を抑制することができる。 Accordingly, when the Young's modulus and the moment of inertia change simultaneously due to a temperature change, the deviation from the specified resonance frequency is | Δfa−Δfb |. For this reason, by designing | Δfa−Δfb | to be smaller than the allowable error Δε (see curve L13 in FIG. 7), it is possible to suppress the change in the resonance frequency f accompanying the temperature rise.
また、慣性モーメントＪを変化させるために反射部を変位させる必要がなくなる。このため、反射部を変位させることに起因して、光走査装置が光ビームを走査するときの走査方向が変動してしまうということがなく、光ビームの走査を安定して行うことができる。 Further, it is not necessary to displace the reflecting portion in order to change the moment of inertia J. For this reason, the scanning direction when the optical scanning device scans the light beam does not fluctuate due to the displacement of the reflecting portion, and the scanning of the light beam can be performed stably.
（第１実施形態）
以下に本発明の第１実施形態を図面とともに説明する。
光走査装置１は、図１に示すように、光ビームを走査する光ビーム走査部２と、光ビーム走査部２を支持する支持部３と、光ビーム走査部２を回転駆動させる駆動部４とを備える。
(First embodiment)
A first embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings.
As shown in FIG. 1, the optical scanning device 1 includes a light beam scanning unit 2 that scans a light beam, a support unit 3 that supports the light beam scanning unit 2, and a drive unit 4 that rotationally drives the light beam scanning unit 2. With.
光ビーム走査部２は、外ジンバル１１と内ジンバル１２と光反射部１３と弾性連結部１４ａ，１４ｂと弾性連結部１５ａ，１５ｂと弾性連結部１６ａ，１６ｂとから構成される。
これらのうち光反射部１３は、ミラー３１と錘部材３２と支持弾性体３３と熱アクチュエータ３４とを備え、ミラー３１により光ビームを反射するように構成されている。光反射部１３の構成についての詳細は後述する。
The light beam scanning unit 2 includes an outer gimbal 11, an inner gimbal 12, a light reflecting unit 13, elastic coupling portions 14a and 14b, elastic coupling portions 15a and 15b, and elastic coupling portions 16a and 16b.
Among these, the light reflecting portion 13 includes a mirror 31, a weight member 32, a support elastic body 33, and a thermal actuator 34, and is configured to reflect a light beam by the mirror 31. Details of the configuration of the light reflecting portion 13 will be described later.
また内ジンバル１２は、矩形枠状であり、枠内に光反射部１３が配置される。また外ジンバル１１は、矩形枠状であり、枠内に内ジンバル１２が配置される。
また弾性連結部１６ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル１２の枠内に配置され、光反射部１３と内ジンバル１２とを連結する。また弾性連結部１６ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル１２の枠内に配置され、光反射部１３を挟んで弾性連結部１６ａと反対側において、光反射部１３と内ジンバル１２とを連結する。なお、弾性連結部１６ａおよび弾性連結部１６ｂは、光反射部１３の重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、光反射部１３の回転軸ｋとなる。これにより光反射部１３は、回転軸ｋを中心に捻り振動可能に構成される。
The inner gimbal 12 has a rectangular frame shape, and the light reflecting portion 13 is disposed in the frame. The outer gimbal 11 has a rectangular frame shape, and the inner gimbal 12 is arranged in the frame.
The elastic connecting portion 16 a is made of an elastically deformable material, and is disposed within the frame of the inner gimbal 12 to connect the light reflecting portion 13 and the inner gimbal 12. The elastic connecting portion 16b is made of an elastically deformable material, and is disposed within the frame of the inner gimbal 12, and on the side opposite to the elastic connecting portion 16a with the light reflecting portion 13 in between, The gimbal 12 is connected. The elastic connecting portion 16 a and the elastic connecting portion 16 b are arranged on the same straight line passing through the center of gravity JS of the light reflecting portion 13 and serve as the rotation axis k of the light reflecting portion 13. Thereby, the light reflection part 13 is comprised so that a torsional vibration is possible centering | focusing on the rotating shaft k.
また弾性連結部１５ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の枠内に配置され、内ジンバル１２と外ジンバル１１とを連結する。また弾性連結部１５ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の枠内に配置され、内ジンバル１２を挟んで弾性連結部１５ａと反対側において、内ジンバル１２と外ジンバル１１とを連結する。なお、弾性連結部１５ａおよび弾性連結部１５ｂは、光反射部１３と内ジンバル１２との重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、光反射部１３の回転軸ｊとなる。これにより内ジンバル１２は、回転軸ｊを中心に捻り振動可能に構成される。 The elastic connecting portion 15 a is made of an elastically deformable material, and is disposed in the frame of the outer gimbal 11 to connect the inner gimbal 12 and the outer gimbal 11. The elastic connecting portion 15b is made of an elastically deformable material, and is arranged in the frame of the outer gimbal 11. The inner gimbal 12 and the outer gimbal 11 are disposed on the opposite side of the inner connecting gimbal 12 from the elastic connecting portion 15a. And The elastic connecting portion 15 a and the elastic connecting portion 15 b are arranged on the same straight line passing through the center of gravity JS of the light reflecting portion 13 and the inner gimbal 12 and serve as the rotation axis j of the light reflecting portion 13. Accordingly, the inner gimbal 12 is configured to be capable of torsional vibration about the rotation axis j.
また弾性連結部１４ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の上辺１１ａと支持部３とを連結する。また弾性連結部１４ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１を挟んで弾性連結部１４ａと反対側において、外ジンバル１１の下辺１１ｂと支持部３とを連結する。なお、弾性連結部１４ａおよび弾性連結部１４ｂは、光反射部１３と内ジンバル１２と外ジンバル１１との重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、外ジンバル１１の回転軸ｉとなる。これにより外ジンバル１１は、回転軸ｉを中心に捻り振動可能に構成される。 The elastic connecting portion 14 a is made of an elastically deformable material, and connects the upper side 11 a of the outer gimbal 11 and the support portion 3. The elastic connecting portion 14b is made of an elastically deformable material, and connects the lower side 11b of the outer gimbal 11 and the support portion 3 on the opposite side of the elastic connecting portion 14a across the outer gimbal 11. The elastic connecting portion 14 a and the elastic connecting portion 14 b are arranged on the same straight line passing through the center of gravity JS of the light reflecting portion 13, the inner gimbal 12, and the outer gimbal 11, and serve as the rotation axis i of the outer gimbal 11. Accordingly, the outer gimbal 11 is configured to be able to twist and vibrate about the rotation axis i.
次に支持部３は、上辺１１ａと連結されていない側の弾性連結部１４ａの端部と連結される上側支持部３ａと、下辺１１ｂと連結されていない側の弾性連結部１４ｂの端部と連結される下側支持部３ｂと、駆動部４を支持する左側支持部３ｃおよび右側支持部３ｄとから構成される。 Next, the support portion 3 includes an upper support portion 3a connected to an end portion of the elastic connection portion 14a on the side not connected to the upper side 11a, and an end portion of the elastic connection portion 14b on the side not connected to the lower side 11b. The lower support portion 3b to be connected, and the left support portion 3c and the right support portion 3d that support the drive portion 4 are configured.
さらに駆動部４は、圧電ユニモルフ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄから構成される。圧電ユニモルフ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、矩形板状に形成されており、その長手方向が回転軸ｉに直交するように配置される。 Furthermore, the drive part 4 is comprised from piezoelectric unimorph 4a, 4b, 4c, 4d. The piezoelectric unimorphs 4a, 4b, 4c, 4d are formed in a rectangular plate shape, and are arranged so that the longitudinal direction thereof is orthogonal to the rotation axis i.
そして圧電ユニモルフ４ａは、その長手方向の一端が左側支持部３ｃに固定され、他端が外ジンバル１１の上辺１１ａに連結される。圧電ユニモルフ４ｂは、その長手方向の一端が左側支持部３ｃに固定され、他端が外ジンバル１１の下辺１１ｂに連結される。圧電ユニモルフ４ｃは、その長手方向の一端が右側支持部３ｄに固定され、他端が外ジンバル１１の上辺１１ａに連結される。圧電ユニモルフ４ｄは、その長手方向の一端が右側支持部３ｄに固定され、他端が外ジンバル１１の下辺１１ｂに連結される。 The piezoelectric unimorph 4 a has one end in the longitudinal direction fixed to the left support portion 3 c and the other end connected to the upper side 11 a of the outer gimbal 11. One end of the piezoelectric unimorph 4b in the longitudinal direction is fixed to the left support 3c, and the other end is connected to the lower side 11b of the outer gimbal 11. One end of the piezoelectric unimorph 4c in the longitudinal direction is fixed to the right support 3d, and the other end is connected to the upper side 11a of the outer gimbal 11. One end of the piezoelectric unimorph 4 d in the longitudinal direction is fixed to the right support portion 3 d and the other end is connected to the lower side 11 b of the outer gimbal 11.
これにより、圧電ユニモルフ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄは、電圧が印加されると、外ジンバル１１に連結されている側の端部が曲げ変位し、回転軸ｉを中心にして回転する方向に沿って外ジンバル１１を移動させることができる。なお、圧電ユニモルフ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄにはそれぞれ給電線ＦＬ１，ＦＬ２，ＦＬ３，ＦＬ４を介して電圧が印加される。 Accordingly, when a voltage is applied to the piezoelectric unimorphs 4a, 4b, 4c, and 4d, the end portion on the side connected to the outer gimbal 11 is bent and displaced, and the piezoelectric unimorphs 4a, 4b, 4c, and 4d are rotated along the rotation axis i. Thus, the outer gimbal 11 can be moved. A voltage is applied to the piezoelectric unimorphs 4a, 4b, 4c, and 4d via the feeder lines FL1, FL2, FL3, and FL4, respectively.
そして、圧電ユニモルフ４ａと圧電ユニモルフ４ｂとが同位相で曲げ振動するとともに圧電ユニモルフ４ｃと圧電ユニモルフ４ｄとが同位相で曲げ振動するように且つ圧電ユニモルフ４ａ，４ｂと圧電ユニモルフ４ｃ，４ｄとが逆位相で曲げ振動するように、圧電ユニモルフ４ａ，４ｂ，４ｃ，４ｄへの電圧印加が制御される。これにより、外ジンバル１１が回転軸ｉを中心にして回転振動する。そして、外ジンバル１１を所定の共振周波数で振動させることにより、以下に説明する動作原理に基づいて、ミラー３１で反射する光ビームを２次元的に走査することができる。 The piezoelectric unimorph 4a and the piezoelectric unimorph 4b bend and vibrate in the same phase, the piezoelectric unimorph 4c and the piezoelectric unimorph 4d bend and vibrate in the same phase, and the piezoelectric unimorphs 4a and 4b and the piezoelectric unimorphs 4c and 4d are reversed. Voltage application to the piezoelectric unimorphs 4a, 4b, 4c, and 4d is controlled so as to bend and vibrate in phase. As a result, the outer gimbal 11 rotates and vibrates around the rotation axis i. Then, by vibrating the outer gimbal 11 at a predetermined resonance frequency, the light beam reflected by the mirror 31 can be scanned two-dimensionally based on the operating principle described below.
次に、光走査装置１の動作原理を説明する。
光走査装置１は、支持部３を固定端として、回転軸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。
Next, the operation principle of the optical scanning device 1 will be described.
The optical scanning device 1 is a three-degree-of-freedom torsional vibrator having a degree of freedom of twisting with respect to the rotation axes i, j, and k with the support portion 3 as a fixed end.
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。以下、これら３つの振動モードをそれぞれ、振動モード１、振動モード２、振動モード３という。 A three-degree-of-freedom torsional vibrator theoretically has three vibration modes. That is, the three vibration modes have different resonance frequencies, and the ratio of the angular amplitude of the torsional vibration of each frame to each resonance frequency is different (this is called a vibration mode). Hereinafter, these three vibration modes are referred to as vibration mode 1, vibration mode 2, and vibration mode 3, respectively.
そして、振動モード１、振動モード２、振動モード３の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。 If a periodic excitation force having a frequency corresponding to each of vibration mode 1, vibration mode 2, and vibration mode 3 is applied, the respective vibration modes can be excited. In addition, if a plurality of periodic excitation forces with a plurality of frequencies are superimposed and applied, a plurality of vibration modes can be excited simultaneously.
ここで、例えば、
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における外ジンバル１１、内ジンバル１２、光反射部１３の振幅比ｒ１を「１：−２０：０．５」、
振動モード２における外ジンバル１１、内ジンバル１２、光反射部１３の振幅比ｒ２を「１：０．５：−０．１」、
振動モード３における外ジンバル１１、内ジンバル１２、光反射部１３の振幅比ｒ３を「１：０．０１：−３０」、
として設計した場合の、３自由度捻り振動子の動作を説明する。
Here, for example,
The resonance frequency f1 of vibration mode 1 is 1000 Hz,
The resonance frequency f2 of vibration mode 2 is 5000 Hz,
The resonance frequency f3 of vibration mode 3 is 40000 Hz,
The amplitude ratio r1 of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the light reflecting portion 13 in the vibration mode 1 is “1: −20: 0.5”,
The amplitude ratio r2 of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the light reflecting portion 13 in the vibration mode 2 is set to “1: 0.5: −0.1”,
The amplitude ratio r3 of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the light reflecting portion 13 in the vibration mode 3 is “1: 0.01: −30”,
The operation of the three-degree-of-freedom torsional vibrator will be described.
尚、各振動モードにおける振幅比は、左から外ジンバル１１、内ジンバル１２、光反射部１３の順で記述している。例えば、上記の振幅比ｒ１は、外ジンバル１１の振幅が「１」とすると、内ジンバル１２の振幅が「−２０」、光反射部１３の振幅が「０．５」となることを示す。 The amplitude ratio in each vibration mode is described in the order of the outer gimbal 11, the inner gimbal 12, and the light reflecting portion 13 from the left. For example, when the amplitude of the outer gimbal 11 is “1”, the amplitude ratio r1 indicates that the amplitude of the inner gimbal 12 is “−20” and the amplitude of the light reflecting portion 13 is “0.5”.
また、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は０度または１８０度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が０度の場合は符号を「＋」、１８０度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比ｒ１は、外ジンバル１１と光反射部１３との位相角の差が０度となり、外ジンバル１１と内ジンバル１２との位相角の差が１８０度となることを示す。 In the resonance state of the three-degree-of-freedom torsional vibrator, the phase angle between the frames is theoretically 0 degree or 180 degrees. Therefore, when describing the amplitude ratio, the sign is “+” when the phase angle difference is 0 degree, and the sign is “−” when the difference is 180 degrees. For example, the amplitude ratio r1 indicates that the phase angle difference between the outer gimbal 11 and the light reflecting portion 13 is 0 degree, and the phase angle difference between the outer gimbal 11 and the inner gimbal 12 is 180 degrees.
そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード１では、主に内ジンバル１２が１０００Ｈｚで大きく捻り振動する。また、振動モード３では、主に光反射部１３が４００００Ｈｚで大きく捻り振動する。 When the resonance frequency and amplitude ratio of each vibration mode are designed as described above, in the vibration mode 1, the inner gimbal 12 is largely torsionally vibrated at 1000 Hz. Moreover, in the vibration mode 3, the light reflection part 13 mainly torsionally vibrates at 40000 Hz.
このため、光反射部１３の鏡面部分でレーザ光を反射させるとともに、振動モード１と振動モード３とを同時に励振させることにより、振動モード３を主走査方向（４００００Ｈｚ）、振動モード１を副走査方向（１０００Ｈｚ）として、２次元的にレーザ光を走査することができる。 For this reason, the laser beam is reflected by the mirror surface portion of the light reflecting portion 13 and the vibration mode 1 and the vibration mode 3 are simultaneously excited, so that the vibration mode 3 is in the main scanning direction (40000 Hz) and the vibration mode 1 is sub-scanned. Laser light can be scanned two-dimensionally in the direction (1000 Hz).
次に、光反射部１３の構成を説明する。
光反射部１３は、図２（ａ）に示すように、ミラー３１と錘部材３２と支持弾性体３３と熱アクチュエータ３４とを備える。
Next, the configuration of the light reflecting portion 13 will be described.
As shown in FIG. 2A, the light reflecting unit 13 includes a mirror 31, a weight member 32, a support elastic body 33, and a thermal actuator 34.
ミラー３１は、円形状であり、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成される。またミラー３１は、同一直線上に配置されている弾性連結部１６ａおよび弾性連結部１６ｂがミラー３１を挟んで互いに反対側に位置するようにして、ミラー３１の周縁部で弾性連結部１６ａおよび弾性連結部１６ｂの端部に連結されている。これにより、ミラー３１は、回転軸ｋを中心に捻り振動可能となる。 The mirror 31 has a circular shape, and a mirror surface portion of an aluminum thin film is formed on the surface. Further, the mirror 31 is arranged such that the elastic connecting portion 16a and the elastic connecting portion 16b arranged on the same straight line are located on the opposite sides of the mirror 31, and the elastic connecting portion 16a and the elastic portion are arranged at the peripheral edge of the mirror 31. It is connected to the end of the connecting part 16b. Thereby, the mirror 31 can be twisted and vibrated around the rotation axis k.
錘部材３２は、回転軸ｋに対して垂直方向に変位させるために設けられた部材である。本実施形態では、２個の錘部材３２が、ミラー３１を挟んで互いに反対側に位置するように配置される。さらに錘部材３２は、その表面が、ミラー３１の反射面と平行になるように配置される。 The weight member 32 is a member provided for displacement in the direction perpendicular to the rotation axis k. In the present embodiment, the two weight members 32 are arranged so as to be located on opposite sides of the mirror 31. Furthermore, the weight member 32 is disposed so that the surface thereof is parallel to the reflection surface of the mirror 31.
支持弾性体３３は、弾性変形可能な材料（本実施形態ではシリコン）で円弧状に形成された部材である。そして支持弾性体３３は、その円弧がミラー３１の反射面と同一の平面上に位置するようにして、一端が弾性連結部１６ａまたは弾性連結部１６ｂに接続されるとともに他端が錘部材３２に接続されている。 The supporting elastic body 33 is a member formed in an arc shape with an elastically deformable material (silicon in this embodiment). The supporting elastic body 33 has one end connected to the elastic connecting portion 16a or the elastic connecting portion 16b and the other end connected to the weight member 32 so that the arc is located on the same plane as the reflecting surface of the mirror 31. It is connected.
熱アクチュエータ３４は、直線状に形成された部材であり、その長手方向が回転軸ｋに対して垂直方向になるようにして、一端が弾性連結部１６ａまたは弾性連結部１６ｂに接続されるとともに他端が錘部材３２に接続されている。 The thermal actuator 34 is a member formed in a straight line. One end of the thermal actuator 34 is connected to the elastic coupling portion 16a or the elastic coupling portion 16b so that the longitudinal direction thereof is perpendicular to the rotation axis k. The end is connected to the weight member 32.
そして熱アクチュエータ３４は、図３に示すように、シリコンを材料として棒状に形成された棒状部材４１と、酸化膜（本実施形態では酸化シリコン）４２と、圧電膜４４（本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））を上部電極４５と下部電極４６とで挟んで棒状に形成された圧電棒状部材４３とが、その長手方向に直交する方向に沿って積層されて構成されている。 As shown in FIG. 3, the thermal actuator 34 includes a rod-like member 41 formed into a rod shape using silicon as a material, an oxide film (silicon oxide in this embodiment) 42, and a piezoelectric film 44 (titanium in this embodiment). A piezoelectric rod-like member 43 formed in a rod shape by sandwiching lead zirconate (PZT) between the upper electrode 45 and the lower electrode 46 is laminated along a direction orthogonal to the longitudinal direction.
そして図４（ａ）に示すように、圧電棒状部材４３に一定電圧が常時印加される。なお、熱アクチュエータ３４には給電線ＦＬ５を介して電圧が印加される（図１を参照）。
温度が変化しない場合には、印加される電圧値に応じて、圧電棒状部材４３の長手方向（以下、Ｘ方向という）に沿って圧電棒状部材４３が伸縮する。なお、圧電体の物性値である圧電定数ｄ３１の値は、温度が高くなるにつれて大きくなることが知られている。つまり、環境温度が変化すると圧電定数ｄ３１の値が変化し、これにより、圧電体の伸縮量が変化する。
And as shown to Fig.4 (a), a fixed voltage is always applied to the piezoelectric rod-shaped member 43. FIG. Note that a voltage is applied to the thermal actuator 34 via the feeder line FL5 (see FIG. 1).
When the temperature does not change, the piezoelectric rod member 43 expands and contracts along the longitudinal direction of the piezoelectric rod member 43 (hereinafter referred to as the X direction) according to the applied voltage value. It is known that the value of the piezoelectric constant d31, which is a physical property value of the piezoelectric body, increases as the temperature increases. That is, when the environmental temperature changes, the value of the piezoelectric constant d31 changes, thereby changing the expansion / contraction amount of the piezoelectric body.
このため、温度が室温である状況下では、図４（ａ）に示すように、圧電棒状部材４３に電圧を印加すると、圧電棒状部材４３がＸ方向に縮む。これにより熱アクチュエータ３４は、その積層方向（以下、Ｚ方向という）に撓む。したがって熱アクチュエータ３４は、Ｚ方向に沿ってへこむ凹形状となり、Ｘ方向への縮みが発生する。 For this reason, when the temperature is room temperature, as shown in FIG. 4A, when a voltage is applied to the piezoelectric rod member 43, the piezoelectric rod member 43 contracts in the X direction. As a result, the thermal actuator 34 bends in the stacking direction (hereinafter referred to as the Z direction). Accordingly, the thermal actuator 34 has a concave shape that is recessed along the Z direction, and contraction in the X direction occurs.
そして、温度が室温より高い状況下では、圧電定数ｄ３１が大きくなるため、図４（ｂ）に示すように、圧電棒状部材４３のＸ方向への縮み量が大きくなる。これにより、熱アクチュエータ３４のＺ方向への撓みが大きくなる。したがって、Ｘ方向への縮み量は、室温時よりも大きくなる（図中の縮み量差ΔＬ１を参照）。 Under the condition where the temperature is higher than room temperature, the piezoelectric constant d31 increases, so that the amount of contraction in the X direction of the piezoelectric rod member 43 increases as shown in FIG. 4B. This increases the deflection of the thermal actuator 34 in the Z direction. Therefore, the amount of shrinkage in the X direction is larger than that at room temperature (see the shrinkage amount difference ΔL1 in the figure).
一方、温度が室温より低い状況下では、圧電定数ｄ３１が小さくなるため、図４（ｃ）に示すように、圧電棒状部材４３のＸ方向への縮み量が小さくなる。これにより、熱アクチュエータ３４のＺ方向への撓みが小さくなる。したがって、Ｘ方向への縮み量は、室温時よりも小さくなる（図中の縮み量差ΔＬ２を参照）。 On the other hand, when the temperature is lower than room temperature, the piezoelectric constant d31 is small, so that the amount of contraction in the X direction of the piezoelectric rod-like member 43 is small as shown in FIG. Thereby, the bending of the thermal actuator 34 in the Z direction is reduced. Therefore, the amount of shrinkage in the X direction is smaller than that at room temperature (refer to the amount of shrinkage ΔL2 in the figure).
このため、熱アクチュエータ３４では、図５（ａ），（ｂ）に示すように、低温時における長手方向長さＬ１（図５（ａ）を参照）よりも、高温時における長手方向長さＬ２（図５（ｂ）を参照）のほうが短くなる。 Therefore, in the thermal actuator 34, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the longitudinal length L2 at the high temperature is longer than the longitudinal length L1 at the low temperature (see FIG. 5 (a)). (See FIG. 5B) is shorter.
したがって、温度が室温より高くなると、図２（ｂ）に示すように、熱アクチュエータ３４が縮み、回転軸ｋと錘部材３２との間の距離が短くなる。これにより、温度が高くなるほど回転軸ｋ周りの慣性モーメントが小さくなるように構成することができる。 Therefore, when the temperature becomes higher than room temperature, the thermal actuator 34 contracts as shown in FIG. 2B, and the distance between the rotary shaft k and the weight member 32 becomes shorter. Thereby, it can comprise so that the moment of inertia around the rotating shaft k may become small, so that temperature becomes high.
次に、光走査装置１の製造方法を図６を用いて説明する。
光走査装置１を製造するために、まず図６（ａ）に示すように、ＳＯＩ基板１００に対して熱酸化処理を行う。ＳＯＩ基板１００は、シリコン基板１１０上に埋込酸化膜層１２０と単結晶シリコン層１３０が順次積層された構造を有する。このため、上記の熱酸化処理により、単結晶シリコン層１３０の表面に熱酸化膜１４０が形成されるとともに、シリコン基板１１０の裏面にも熱酸化膜１５０が形成される。
Next, a method for manufacturing the optical scanning device 1 will be described with reference to FIG.
In order to manufacture the optical scanning device 1, first, as shown in FIG. 6A, a thermal oxidation process is performed on the SOI substrate 100. The SOI substrate 100 has a structure in which a buried oxide film layer 120 and a single crystal silicon layer 130 are sequentially stacked on a silicon substrate 110. For this reason, the thermal oxidation film 140 is formed on the surface of the single crystal silicon layer 130 and the thermal oxide film 150 is also formed on the back surface of the silicon substrate 110 by the above thermal oxidation treatment.
そして、熱酸化膜１４０上にＴｉ／Ｐｔ層１６０を堆積し、さらにＴｉ／Ｐｔ層１６０上にＰＺＴ層１７０を堆積し、その後にパターニングする。これにより、図６（ｂ）に示すように、熱アクチュエータ３４の圧電膜４４と下部電極４６が形成される。 Then, a Ti / Pt layer 160 is deposited on the thermal oxide film 140, a PZT layer 170 is further deposited on the Ti / Pt layer 160, and then patterned. Thereby, as shown in FIG. 6B, the piezoelectric film 44 and the lower electrode 46 of the thermal actuator 34 are formed.
さらに、Ｔｉ／Ａｕ層１８０を堆積しパターニングする。これにより、熱アクチュエータ３４の上部電極４５と、ミラー３１の鏡面部１８５が形成される。
そして図６（ｃ）に示すように、光ビーム走査部２の隙間に対応する領域（図６（ｃ）では、ミラー３１と熱アクチュエータ３４との間の隙間）の単結晶シリコン層１３０をＤＲＩＥによりエッチングする。
Further, a Ti / Au layer 180 is deposited and patterned. Thereby, the upper electrode 45 of the thermal actuator 34 and the mirror surface portion 185 of the mirror 31 are formed.
Then, as shown in FIG. 6C, the single crystal silicon layer 130 in the region corresponding to the gap of the light beam scanning unit 2 (the gap between the mirror 31 and the thermal actuator 34 in FIG. 6C) is formed by DRIE. Etch with
その後、図６（ｄ）に示すように、シリコン基板１１０の裏面の熱酸化膜１５０のうち光ビーム走査部２に対応する領域をエッチングにより除去し、その後、除去されなかった熱酸化膜１５０をマスクとしてシリコン基板１１０をエッチングすることにより、シリコン基板１１０に凹部１９０が形成される。 Thereafter, as shown in FIG. 6D, a region corresponding to the light beam scanning unit 2 in the thermal oxide film 150 on the back surface of the silicon substrate 110 is removed by etching, and then the thermal oxide film 150 that has not been removed is removed. By etching the silicon substrate 110 as a mask, a recess 190 is formed in the silicon substrate 110.
また図６（ｅ）に示すように、埋込酸化膜層１２０のうち凹部１９０の領域と、シリコン基板１１０の裏面の熱酸化膜１５０をエッチングにより除去する。これにより光走査装置１は、光ビーム走査部２が回転可能となるように構成される。 Further, as shown in FIG. 6E, the region of the recess 190 in the buried oxide film layer 120 and the thermal oxide film 150 on the back surface of the silicon substrate 110 are removed by etching. Thus, the optical scanning device 1 is configured such that the light beam scanning unit 2 can rotate.
このように構成された光走査装置１は、光ビームを反射させる反射面を有するミラー３１と、ミラー３１を捻り振動させるための回転軸ｋとなる弾性連結部１６ａ，１６ｂとを備え、回転軸ｋを中心にしてミラー３１を揺動させることにより、反射面により反射された光ビームを走査する。 The optical scanning device 1 configured as described above includes a mirror 31 having a reflecting surface that reflects a light beam, and elastic coupling portions 16a and 16b serving as a rotation axis k for torsionally vibrating the mirror 31, and the rotation axis. The light beam reflected by the reflecting surface is scanned by swinging the mirror 31 around k.
ところで、弾性連結部１６ａ，１６ｂを回転軸としてミラー３１を捻り振動させる場合の共振周波数ｆは、下式（１）で表される。 By the way, the resonance frequency f when the mirror 31 is torsionally oscillated with the elastic coupling portions 16a and 16b as the rotation axes is expressed by the following expression (1).
なお式（１）において、ｋは弾性連結部１６ａ，１６ｂのバネ定数、Ｊは光反射部１３の慣性モーメントである。 In Equation (1), k is the spring constant of the elastic coupling portions 16a and 16b, and J is the moment of inertia of the light reflecting portion 13.
そして、弾性連結部１６ａ，１６ｂのバネ定数ｋは、下式（２）で表される。 And the spring constant k of the elastic connection parts 16a and 16b is represented by the following formula (2).
なお式（２）において、βは、弾性連結部１６ａ，１６ｂの断面の形状から決まる係数である。また、ａは、弾性連結部１６ａ，１６ｂの断面の長辺の長さである。また、ｂは、弾性連結部１６ａ，１６ｂの断面の短辺の長さである。また、Ｅはヤング率（横弾性係数）である。また、νはポアソン比である。また、ｌは弾性連結部１６ａ，１６ｂの長さである。すなわち、ヤング率Ｅが低下するとバネ定数ｋが低下する。 In equation (2), β is a coefficient determined from the cross-sectional shape of the elastic coupling portions 16a and 16b. Moreover, a is the length of the long side of the cross section of the elastic connection parts 16a and 16b. Moreover, b is the length of the short side of the cross section of the elastic connection parts 16a and 16b. E is Young's modulus (lateral elastic modulus). Further, ν is a Poisson's ratio. In addition, l is the length of the elastic connecting portions 16a and 16b. That is, when the Young's modulus E decreases, the spring constant k decreases.
さらに、ヤング率Ｅは、温度をＴとして、下式（３）で表される。 Further, the Young's modulus E is expressed by the following equation (3), where T is the temperature.
なお式（３）において、Ｅ0は、０℃でのヤング率である。また、Δｈtは温度係数である。すなわち、温度が高くなるほどヤング率Ｅは低下する。 In Equation (3), E 0 is the Young's modulus at 0 ° C. In addition, Δh t is the temperature coefficient. That is, the Young's modulus E decreases as the temperature increases.
したがって、温度の上昇に伴いヤング率Ｅが低下し、弾性連結部１６ａ，１６ｂのバネ定数ｋが低下すると、共振周波数ｆが低下する。
これに対し、光走査装置１では、熱アクチュエータ３４が、錘部材３２が回転軸ｋを中心にしてミラー３１と一体に揺動可能となるように錘部材３２を連結し、温度が高くなるほど錘部材３２の回転軸ｋ周りの慣性モーメントが低くなるように錘部材３２を変位させる。
Therefore, when the Young's modulus E decreases as the temperature increases and the spring constant k of the elastic coupling portions 16a and 16b decreases, the resonance frequency f decreases.
In contrast, in the optical scanning device 1, the thermal actuator 34 connects the weight member 32 so that the weight member 32 can swing integrally with the mirror 31 about the rotation axis k, and the weight increases as the temperature increases. The weight member 32 is displaced so that the moment of inertia around the rotation axis k of the member 32 becomes low.
したがって、温度上昇に伴うヤング率Ｅの低下に対応して、光反射部１３の回転軸ｋ周りの慣性モーメントを低下させることにより、温度上昇に伴う共振周波数ｆの変化を抑制することができる。これにより、温度変化による走査特性の変化を抑制することができる。 Accordingly, by reducing the moment of inertia around the rotation axis k of the light reflecting portion 13 in response to a decrease in Young's modulus E accompanying a temperature rise, it is possible to suppress a change in the resonance frequency f accompanying a temperature rise. Thereby, the change of the scanning characteristic by the temperature change can be suppressed.
例えば図７に示すように、温度変化に伴いヤング率が変化すると共振周波数が変化する（図７の曲線Ｌ１１を参照）。このときの仕様共振周波数からのずれ量をΔｆａとする。一方、ヤング率が一定という条件の下で、温度変化に伴い光反射部１３の回転軸ｋ周りの慣性モーメントが変化すると、共振周波数が変化する（図７の曲線Ｌ１２を参照）。このときの仕様共振周波数からのずれ量をΔｆｂとする。 For example, as shown in FIG. 7, when the Young's modulus changes with temperature change, the resonance frequency changes (see curve L11 in FIG. 7). The amount of deviation from the specified resonance frequency at this time is represented by Δfa. On the other hand, under the condition that the Young's modulus is constant, the resonance frequency changes when the moment of inertia around the rotation axis k of the light reflecting portion 13 changes as the temperature changes (see curve L12 in FIG. 7). The amount of deviation from the specified resonance frequency at this time is Δfb.
したがって、温度変化によりヤング率と慣性モーメントが同時に変化した場合の仕様共振周波数からのずれ量は｜Δｆａ―Δｆｂ｜となる。このため、｜Δｆａ―Δｆｂ｜が、許容誤差Δεより小さくなるように設計することによって（図７の曲線Ｌ１３を参照）、温度上昇に伴う共振周波数ｆの変化を抑制することができる。 Accordingly, when the Young's modulus and the moment of inertia change simultaneously due to a temperature change, the deviation from the specified resonance frequency is | Δfa−Δfb |. For this reason, by designing | Δfa−Δfb | to be smaller than the allowable error Δε (see curve L13 in FIG. 7), it is possible to suppress the change in the resonance frequency f accompanying the temperature rise.
また、光反射部１３の慣性モーメントを変化させるためにミラー３１を変位させる必要がなくなる。このため、ミラー３１を変位させることに起因して、光走査装置１が光ビームを走査するときの走査方向が変動してしまうということがなく、光ビームの走査を安定して行うことができる。 Further, it is not necessary to displace the mirror 31 in order to change the moment of inertia of the light reflecting portion 13. Therefore, the scanning direction when the optical scanning device 1 scans the light beam does not change due to the displacement of the mirror 31, and the light beam can be scanned stably. .
また熱アクチュエータ３４は、ミラー３１の反射面に対して平行な面（以下、変位平面という）に沿って錘部材３２を変位させるように構成され、支持弾性体３３は、熱アクチュエータ３４が錘部材３２を変位させることにより錘部材３２が上記変位平面に対して垂直方向に変位するのを抑制するように錘部材３２を支持する。 The thermal actuator 34 is configured to displace the weight member 32 along a plane parallel to the reflecting surface of the mirror 31 (hereinafter referred to as a displacement plane), and the support elastic body 33 includes the thermal actuator 34. The weight member 32 is supported so as to suppress the weight member 32 from being displaced in the direction perpendicular to the displacement plane by displacing the weight 32.
これにより、ミラー３１と錘部材３２を一体とした光反射部１３の重心が回転軸ｋから外れるのを抑制することができる。
なお、錘部材３２が上記変位平面から外れる方向へ変位すると、光反射部１３の重心が回転軸ｋから外れる。このために、光反射部１３の揺動運動に伴い光反射部１３に遠心力が働き、ミラー３１の反射面が回転軸ｋから外れてしまう。すなわち、光反射部１３が偏心運動をし、ミラー３１へ向けて照射される光ビームがミラー３１の反射面から外れてしまうおそれがある。
Thereby, it can suppress that the gravity center of the light reflection part 13 which united the mirror 31 and the weight member 32 remove | deviates from the rotating shaft k.
When the weight member 32 is displaced in a direction away from the displacement plane, the center of gravity of the light reflecting portion 13 deviates from the rotation axis k. For this reason, a centrifugal force acts on the light reflecting portion 13 as the light reflecting portion 13 swings, and the reflecting surface of the mirror 31 deviates from the rotation axis k. That is, there is a possibility that the light reflecting portion 13 performs an eccentric motion, and the light beam irradiated toward the mirror 31 is detached from the reflecting surface of the mirror 31.
これに対し光走査装置１では、上述のように、光反射部１３の重心が回転軸ｋから外れるのを抑制することができるため、光反射部１３の偏心運動を抑制し、光ビームがミラー３１の反射面から外れてしまう事態の発生を抑制することができる。 On the other hand, in the optical scanning device 1, as described above, since the center of gravity of the light reflecting portion 13 can be suppressed from deviating from the rotation axis k, the eccentric motion of the light reflecting portion 13 is suppressed, and the light beam is mirrored. Generation | occurrence | production of the situation which remove | deviates from the reflective surface of 31 can be suppressed.
また熱アクチュエータ３４は、弾性連結部１６ａ，１６ｂと同じ材料からなる棒状部材４１と、圧電膜４４を上部電極４５と下部電極４６との間で挟んで形成された圧電棒状部材４３とを積層して構成され、上部電極４５と下部電極４６との間に、予め設定された一定値の電圧が常時印加される。 The thermal actuator 34 is formed by laminating a rod-shaped member 41 made of the same material as the elastic coupling portions 16 a and 16 b and a piezoelectric rod-shaped member 43 formed by sandwiching the piezoelectric film 44 between the upper electrode 45 and the lower electrode 46. A constant voltage set in advance is always applied between the upper electrode 45 and the lower electrode 46.
そして圧電棒状部材４３は、上部電極４５と下部電極４６との間に一定値の電圧が印加されることにより、上部電極４５から下部電極４６へ向かう方向に対して垂直な面（以下、電極対向面という）に沿って伸び又は縮みが発生する。 The piezoelectric rod-like member 43 has a surface perpendicular to the direction from the upper electrode 45 to the lower electrode 46 (hereinafter referred to as electrode facing) by applying a constant voltage between the upper electrode 45 and the lower electrode 46. Stretch or shrink along the surface).
なお、圧電体の物性値の一つである圧電定数ｄ３１は、圧電体に電圧が印加されたときの電極対向面に沿った伸縮のし易さを示す値であり、温度が高くなるほど、圧電定数ｄ３１の値が大きくなることが知られている。つまり、温度が変化すると、圧電定数ｄ３１の値が変化し、圧電体における電極対向面に沿った伸縮量が変化する。 The piezoelectric constant d31, which is one of the physical property values of the piezoelectric body, is a value indicating the ease of expansion and contraction along the electrode facing surface when a voltage is applied to the piezoelectric body. It is known that the value of the constant d31 increases. That is, when the temperature changes, the value of the piezoelectric constant d31 changes, and the amount of expansion and contraction along the electrode facing surface of the piezoelectric body changes.
このため、温度が高くなると、圧電棒状部材４３が電極対向面に沿って棒状部材４１よりも縮むため、圧電棒状部材４３と棒状部材４１とが積層されて構成されている熱アクチュエータ３４は上部電極４５から下部電極４６へ向かう方向へ撓む。すなわち熱アクチュエータ３４は、温度が高くなるほど、電極対向面に沿った長さが短くなり、温度に応じた位置に自動的に錘部材３２を変位させることができる。 For this reason, when the temperature rises, the piezoelectric rod-shaped member 43 contracts more than the rod-shaped member 41 along the electrode facing surface, so that the thermal actuator 34 formed by stacking the piezoelectric rod-shaped member 43 and the rod-shaped member 41 is the upper electrode. It bends in a direction from 45 toward the lower electrode 46. That is, the higher the temperature, the shorter the length along the electrode facing surface, and the thermal actuator 34 can automatically displace the weight member 32 to a position corresponding to the temperature.
これにより、温度を検出する温度センサ、および温度検出結果に基づいて温度補正を行う制御回路などを用いることなく錘部材３２を変位させることができるため、光走査装置１の構成を簡略化することができる。 Thereby, since the weight member 32 can be displaced without using a temperature sensor for detecting the temperature and a control circuit for performing temperature correction based on the temperature detection result, the configuration of the optical scanning device 1 is simplified. Can do.
また圧電棒状部材４３は、上部電極４５と下部電極４６との間に印加される電圧値が大きくなるほど、電極対向面に沿った伸縮量が大きくなる。
このため、経年変化に伴い弾性連結部１６ａ，１６ｂの剛性が変化して光走査装置１の共振周波数ｆが変化することや、圧電棒状部材４３の剛性が変化して電極対向面に沿った伸縮量が変化することに対し、上部電極４５と下部電極４６との間に印加される電圧値を調整することにより光反射部１３の回転軸ｋ周りの慣性モーメントを変化させ、経年変化に伴う共振周波数ｆの変化を抑制することが可能となる。
In addition, the piezoelectric rod-shaped member 43 has a larger amount of expansion and contraction along the electrode facing surface as the voltage value applied between the upper electrode 45 and the lower electrode 46 increases.
For this reason, as the secular change occurs, the rigidity of the elastic coupling portions 16a and 16b changes to change the resonance frequency f of the optical scanning device 1, and the rigidity of the piezoelectric rod-like member 43 changes to expand and contract along the electrode facing surface. As the amount changes, the moment of inertia around the rotation axis k of the light reflecting portion 13 is changed by adjusting the voltage value applied between the upper electrode 45 and the lower electrode 46, and resonance due to secular change. It becomes possible to suppress the change of the frequency f.
また圧電膜４４は、一般に利用されている圧電体のなかで圧電定数ｄ３１が最も大きいチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）からなるため、熱アクチュエータ３４による錘部材３２の変位量を大きくすることができる。 Further, since the piezoelectric film 44 is made of lead zirconate titanate (PZT) having the largest piezoelectric constant d31 among the commonly used piezoelectric bodies, the displacement amount of the weight member 32 by the thermal actuator 34 can be increased. .
以上説明した実施形態において、ミラー３１は本発明における反射部、回転軸ｋは本発明における第１回転軸、弾性連結部１６ａ，１６ｂは本発明における第１弾性変形部材、熱アクチュエータ３４は本発明における連結変位部である。 In the embodiment described above, the mirror 31 is the reflecting portion in the present invention, the rotation axis k is the first rotating shaft in the present invention, the elastic connecting portions 16a and 16b are the first elastic deformation member in the present invention, and the thermal actuator 34 is in the present invention. It is a connection displacement part in.
また、支持弾性体３３は本発明における変位抑制部材、棒状部材４１は本発明における基板部材、圧電膜４４は本発明における圧電体、上部電極４５は本発明における第１電極、下部電極４６は本発明における第２電極、圧電棒状部材４３は本発明における圧電部材である。 Further, the support elastic body 33 is the displacement suppressing member in the present invention, the rod-shaped member 41 is the substrate member in the present invention, the piezoelectric film 44 is the piezoelectric body in the present invention, the upper electrode 45 is the first electrode in the present invention, and the lower electrode 46 is the main electrode. The second electrode and the piezoelectric rod-shaped member 43 in the invention are the piezoelectric members in the present invention.
また、内ジンバル１２は本発明における第１支持部、弾性連結部１５ａ，１５ｂは本発明における第２弾性変形部材、回転軸ｊは本発明における第２回転軸、外ジンバル１１は本発明における第２支持部、弾性連結部１４ａ，１４ｂは本発明における第３弾性変形部材、回転軸ｉは本発明における第３回転軸、支持部３は本発明における第３支持部である。 Further, the inner gimbal 12 is the first support portion in the present invention, the elastic connecting portions 15a and 15b are the second elastic deformation members in the present invention, the rotation axis j is the second rotation shaft in the present invention, and the outer gimbal 11 is the first in the present invention. 2 is a third elastic deformation member in the present invention, the rotation shaft i is a third rotation shaft in the present invention, and the support portion 3 is a third support portion in the present invention.
（第２実施形態）
以下に本発明の第２実施形態について図面とともに説明する。なお第２実施形態では、第１実施形態と異なる部分を説明する。
(Second Embodiment)
A second embodiment of the present invention will be described below with reference to the drawings. In the second embodiment, parts different from the first embodiment will be described.
第２実施形態における光走査装置１は、光反射部１３の構成が変更された点以外は第１実施形態と同じである。
第２実施形態の光反射部１３は、図８（ａ）に示すように、支持弾性体３３が省略された点と、熱アクチュエータ３４の代わりに熱アクチュエータ５０が設けられた点以外は第１実施形態と同じである。
The optical scanning device 1 in the second embodiment is the same as that in the first embodiment except that the configuration of the light reflecting unit 13 is changed.
As shown in FIG. 8A, the light reflecting portion 13 of the second embodiment is the first except for the point that the support elastic body 33 is omitted and the thermal actuator 50 is provided instead of the thermal actuator 34. This is the same as the embodiment.
熱アクチュエータ５０は、直線状に形成された２本の棒状部材５１，５２を備える。棒状部材５１，５２は、その長手方向が回転軸ｋに対して垂直方向になるようにして、且つミラー３１の鏡面に対して平行な面に沿って互いに平行となるようにして、一端が弾性連結部１６ａまたは弾性連結部１６ｂに接続されるとともに他端が錘部材３２に接続されている。 The thermal actuator 50 includes two rod-like members 51 and 52 formed in a straight line. One end of each of the rod-shaped members 51 and 52 is elastic so that the longitudinal direction thereof is perpendicular to the rotation axis k and parallel to the mirror surface of the mirror 31. The other end is connected to the weight member 32 while being connected to the connecting portion 16a or the elastic connecting portion 16b.
また棒状部材５１，５２は、図８（ｂ）に示すように、シリコンを材料として棒状に形成された基板棒状部材５３と、酸化膜（不図示）と、圧電膜（本実施形態では、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ））を上部電極と下部電極とで挟んで棒状に形成された圧電棒状部材５４とが、その長手方向に直交する方向に沿って積層されて構成されている。 Further, as shown in FIG. 8B, the rod-shaped members 51 and 52 are a substrate rod-shaped member 53 formed in a rod shape using silicon as a material, an oxide film (not shown), and a piezoelectric film (in this embodiment, titanium). A piezoelectric rod-shaped member 54 formed in a rod shape by sandwiching lead zirconate (PZT) between an upper electrode and a lower electrode is laminated along a direction orthogonal to the longitudinal direction.
但し、棒状部材５１では、基板棒状部材５３を挟んでミラー３１の鏡面と同じ側に圧電棒状部材５４が配置され、棒状部材５２では、基板棒状部材５３を挟んでミラー３１の鏡面とは反対側に圧電棒状部材５４が配置される。 However, in the rod-shaped member 51, the piezoelectric rod-shaped member 54 is disposed on the same side as the mirror surface of the mirror 31 with the substrate rod-shaped member 53 interposed therebetween. In the rod-shaped member 52, the mirror surface of the mirror 31 opposite to the mirror surface of the mirror 31 is disposed. A piezoelectric rod-shaped member 54 is disposed on the surface.
このため、Ｘ方向へ縮むことによりＺ方向に沿って突出する向きは、棒状部材５１と棒状部材５２とで逆となる。
また、熱アクチュエータ５０では、第１実施形態の熱アクチュエータ３４と同様に、低温時における長手方向長さよりも、高温時における長手方向長さのほうが短くなる。したがって、第１実施形態と同様に、温度が高くなるほど回転軸ｋ周りの慣性モーメントが小さくなるように構成することができる。
For this reason, the direction projecting along the Z direction by contracting in the X direction is reversed between the rod-shaped member 51 and the rod-shaped member 52.
Further, in the thermal actuator 50, as in the thermal actuator 34 of the first embodiment, the length in the longitudinal direction at the high temperature is shorter than the length in the longitudinal direction at the low temperature. Therefore, similarly to the first embodiment, the moment of inertia around the rotation axis k can be reduced as the temperature increases.
次に、光走査装置１の製造方法を図９および図１０を用いて説明する。
光走査装置１を製造するために、まず図９（ａ）に示すように、シリコン基板２００に対して熱酸化処理を行う。これにより、シリコン基板２００の表面に熱酸化膜２１０が形成されるとともに、シリコン基板２００の裏面にも熱酸化膜２２０が形成される。
Next, a method for manufacturing the optical scanning device 1 will be described with reference to FIGS.
In order to manufacture the optical scanning device 1, first, as shown in FIG. 9A, a thermal oxidation process is performed on the silicon substrate 200. Thereby, a thermal oxide film 210 is formed on the surface of the silicon substrate 200 and a thermal oxide film 220 is also formed on the back surface of the silicon substrate 200.
そして図９（ｂ）に示すように、シリコン基板２００の裏面側において棒状部材５２が形成される部分に、棒状部材５２の下部電極と上部電極に電圧を印加するためのトレンチ２２１，２２２を形成する。なおトレンチ２２１，２２２は、熱酸化膜２２０を貫通し、シリコン基板２００内に底面を有する。 9B, trenches 221 and 222 for applying a voltage to the lower electrode and the upper electrode of the rod-shaped member 52 are formed in the portion where the rod-shaped member 52 is formed on the back surface side of the silicon substrate 200. To do. The trenches 221 and 222 penetrate the thermal oxide film 220 and have a bottom surface in the silicon substrate 200.
そして、熱酸化処理を行うことにより、図９（ｃ）に示すように、トレンチ２２１，２２２の側壁に熱酸化膜２３０を形成する。
その後、Ｔｉ／Ｐｔ層２４０を堆積しパターニングする。さらに、Ｔｉ／Ａｕ層２５０を堆積しパターニングする。これにより、図９（ｄ）に示すように、トレンチ２２１内にＴｉ／Ｐｔ層２４０が埋め込まれるとともに、トレンチ２２２内にＴｉ／Ａｕ層２５０が埋め込まれる。
Then, by performing a thermal oxidation process, a thermal oxide film 230 is formed on the side walls of the trenches 221 and 222 as shown in FIG.
Thereafter, a Ti / Pt layer 240 is deposited and patterned. Further, a Ti / Au layer 250 is deposited and patterned. As a result, as shown in FIG. 9D, the Ti / Pt layer 240 is embedded in the trench 221 and the Ti / Au layer 250 is embedded in the trench 222.
さらに、Ｔｉ／Ｐｔ層２６０を堆積しパターニングし、その後にＰＺＴ層２７０を堆積しパターニングする。さらに、Ｔｉ／Ａｕ層２８０を堆積しパターニングする。これにより、図９（ｅ）に示すように、トレンチ２２１の開口部上に棒状部材５２の圧電棒状部材５４が形成されるとともに、トレンチ２２２内のＴｉ／Ａｕ層２５０と圧電棒状部材５４の上部電極とが電気的に接続される。 Further, a Ti / Pt layer 260 is deposited and patterned, and then a PZT layer 270 is deposited and patterned. Further, a Ti / Au layer 280 is deposited and patterned. As a result, as shown in FIG. 9E, the piezoelectric rod-shaped member 54 of the rod-shaped member 52 is formed on the opening of the trench 221, and the Ti / Au layer 250 and the upper portion of the piezoelectric rod-shaped member 54 in the trench 222 are formed. The electrode is electrically connected.
そして図９（ｆ）に示すように、シリコン基板２００の裏面側となる熱酸化膜２２０上に有機樹脂２９０を塗布する。その後、有機樹脂２９０を接着剤として、図９（ｇ）に示すように、裏面に熱酸化膜３００が形成されたシリコン基板３１０をシリコン基板２００に張り合わせる。 Then, as shown in FIG. 9F, an organic resin 290 is applied on the thermal oxide film 220 on the back side of the silicon substrate 200. Thereafter, using the organic resin 290 as an adhesive, as shown in FIG. 9G, the silicon substrate 310 having the thermal oxide film 300 formed on the back surface is bonded to the silicon substrate 200.
さらに図９（ｈ）に示すように、トレンチ２２１内のＴｉ／Ｐｔ層２４０とトレンチ２２２内のＴｉ／Ａｕ層２５０が露出するまで、シリコン基板２００の表面を研削研磨する。
その後、熱酸化処理を行うことにより、図１０（ａ）に示すように、シリコン基板２００の表面においてＴｉ／Ｐｔ層２４０およびＴｉ／Ａｕ層２５０が露出している領域以外に熱酸化膜３２０を形成する。
Further, as shown in FIG. 9H, the surface of the silicon substrate 200 is ground and polished until the Ti / Pt layer 240 in the trench 221 and the Ti / Au layer 250 in the trench 222 are exposed.
Thereafter, by performing thermal oxidation treatment, as shown in FIG. 10A, the thermal oxide film 320 is formed on the surface of the silicon substrate 200 other than the region where the Ti / Pt layer 240 and the Ti / Au layer 250 are exposed. Form.
そして、シリコン基板２００の表面側にＴｉ／Ｐｔ層３３０を堆積しパターニングする。その後、シリコン基板２００の表面側にＰＺＴ層３４０を堆積しパターニングする。さらに、シリコン基板２００の表面側にＴｉ／Ａｕ層３５０を堆積しパターニングする。 Then, a Ti / Pt layer 330 is deposited on the surface side of the silicon substrate 200 and patterned. Thereafter, a PZT layer 340 is deposited on the surface side of the silicon substrate 200 and patterned. Further, a Ti / Au layer 350 is deposited on the surface side of the silicon substrate 200 and patterned.
これにより、図１０（ｂ）に示すように、シリコン基板２００の裏面側のＴｉ／Ｐｔ層２４０と電気的に接続されるＴｉ／Ｐｔ層３３０のパターンがシリコン基板２００の表面側に形成される。また、シリコン基板２００の裏面側のＴｉ／Ａｕ層２５０と電気的に接続されるＴｉ／Ａｕ層３５０のパターンがシリコン基板２００の表面側に形成される。さらに、シリコン基板２００の表面側に、棒状部材５１の圧電棒状部材５４と、ミラー３１の鏡面部３５５が形成される。 As a result, as shown in FIG. 10B, a pattern of the Ti / Pt layer 330 that is electrically connected to the Ti / Pt layer 240 on the back surface side of the silicon substrate 200 is formed on the front surface side of the silicon substrate 200. . Further, a pattern of the Ti / Au layer 350 that is electrically connected to the Ti / Au layer 250 on the back surface side of the silicon substrate 200 is formed on the front surface side of the silicon substrate 200. Furthermore, the piezoelectric rod-shaped member 54 of the rod-shaped member 51 and the mirror surface portion 355 of the mirror 31 are formed on the surface side of the silicon substrate 200.
そして図１０（ｃ）に示すように、光ビーム走査部２の隙間に対応する領域（図１０（ｃ）では、ミラー３１と熱アクチュエータ５０との間の隙間）のシリコン基板２００をＤＲＩＥによりエッチングする。 Then, as shown in FIG. 10C, the silicon substrate 200 in the region corresponding to the gap of the light beam scanning unit 2 (the gap between the mirror 31 and the thermal actuator 50 in FIG. 10C) is etched by DRIE. To do.
その後、図１０（ｄ）に示すように、シリコン基板３１０の裏面の熱酸化膜３００のうち光ビーム走査部２に対応する領域をエッチングにより除去し、その後、除去されなかった熱酸化膜３００をマスクとしてシリコン基板３１０をエッチングすることにより、シリコン基板３１０に凹部３６０が形成される。 Thereafter, as shown in FIG. 10D, a region corresponding to the light beam scanning unit 2 in the thermal oxide film 300 on the back surface of the silicon substrate 310 is removed by etching, and then the thermal oxide film 300 that has not been removed is removed. A recess 360 is formed in the silicon substrate 310 by etching the silicon substrate 310 as a mask.
また図１０（ｅ）に示すように、有機樹脂２９０のうち凹部３６０の領域をエッチングにより除去する。そして図１０（ｆ）に示すように、熱酸化膜２２０のうち凹部３６０の領域と、シリコン基板３１０の裏面の熱酸化膜３００をエッチングにより除去する。これにより、光走査装置１は、光ビーム走査部２が回転可能となるように構成される。 Further, as shown in FIG. 10E, the region of the recess 360 in the organic resin 290 is removed by etching. Then, as shown in FIG. 10F, the region of the recess 360 in the thermal oxide film 220 and the thermal oxide film 300 on the back surface of the silicon substrate 310 are removed by etching. Accordingly, the optical scanning device 1 is configured such that the light beam scanning unit 2 can rotate.
このように構成された光走査装置１では、熱アクチュエータ５０は、基板棒状部材５３と圧電棒状部材５４とを積層して構成された棒状部材５１と、基板棒状部材５３と圧電棒状部材５４とを積層して構成された棒状部材５２とを備えて、棒状部材５１，５２により、ミラー３１の反射面に対して平行な面（以下、変位平面という）に沿って錘部材３２を変位させるように構成され、棒状部材５１，５２は、上記変位平面に対して垂直方向に基板棒状部材５３と圧電棒状部材５４が積層される。 In the optical scanning device 1 configured as described above, the thermal actuator 50 includes a rod-shaped member 51 configured by stacking the substrate rod-shaped member 53 and the piezoelectric rod-shaped member 54, and the substrate rod-shaped member 53 and the piezoelectric rod-shaped member 54. And a rod-shaped member 52 formed by stacking, and the weight members 32 are displaced by the rod-shaped members 51 and 52 along a plane parallel to the reflecting surface of the mirror 31 (hereinafter referred to as a displacement plane). The rod-shaped members 51 and 52 are configured by laminating a substrate rod-shaped member 53 and a piezoelectric rod-shaped member 54 in a direction perpendicular to the displacement plane.
このため棒状部材５１，５２は、上部電極４５と下部電極４６との間に一定値の電圧が印加されることによりＺ方向へ撓み、これにより、Ｘ方向に沿って伸び又は縮みが発生する。
そして、棒状部材５１の基板棒状部材５３と棒状部材５２の基板棒状部材５３は、上記変位平面に沿って互いに平行となるように配置され、棒状部材５２の圧電棒状部材５４は、棒状部材５２の基板棒状部材５３を挟んで棒状部材５１の圧電棒状部材５４とは反対側に配置される。このため、上部電極４５と下部電極４６との間に一定値の電圧が印加されることによりＺ方向に沿って突出する向きは、棒状部材５１と棒状部材５２とで逆となる。すなわち、錘部材３２をＸ方向に沿って変位させることにより錘部材３２がＺ方向に沿って変位する向きは、棒状部材５１と棒状部材５２とで逆となる。
For this reason, the rod-shaped members 51 and 52 are bent in the Z direction when a voltage having a constant value is applied between the upper electrode 45 and the lower electrode 46, thereby causing expansion or contraction along the X direction.
The substrate rod-shaped member 53 of the rod-shaped member 51 and the substrate rod-shaped member 53 of the rod-shaped member 52 are arranged so as to be parallel to each other along the displacement plane, and the piezoelectric rod-shaped member 54 of the rod-shaped member 52 is The rod-shaped member 51 is disposed on the opposite side of the piezoelectric rod-shaped member 54 with the substrate rod-shaped member 53 interposed therebetween. For this reason, when the voltage of a constant value is applied between the upper electrode 45 and the lower electrode 46, the direction protruding along the Z direction is reversed between the rod-shaped member 51 and the rod-shaped member 52. That is, the direction in which the weight member 32 is displaced along the Z direction by displacing the weight member 32 along the X direction is opposite between the rod-shaped member 51 and the rod-shaped member 52.
このため熱アクチュエータ５０は、熱アクチュエータ５０が錘部材３２をＸ方向に沿って変位させることにより錘部材３２が上記変位平面に対して垂直方向（すなわちＺ方向）に変位するのを抑制するように錘部材３２を支持することができる。 Therefore, the thermal actuator 50 suppresses the displacement of the weight member 32 in the direction perpendicular to the displacement plane (that is, the Z direction) by the displacement of the weight member 32 along the X direction. The weight member 32 can be supported.
これにより、第１実施形態の支持弾性体３３を用いることなく、ミラー３１と錘部材３２を一体とした光反射部１３の重心が回転軸ｋから外れるのを抑制することができ、光ビームがミラー３１の反射面から外れてしまう事態の発生を抑制することができる。 Thereby, without using the support elastic body 33 of 1st Embodiment, it can suppress that the gravity center of the light reflection part 13 which united the mirror 31 and the weight member 32 remove | deviates from the rotating shaft k, and a light beam is Generation | occurrence | production of the situation which remove | deviates from the reflective surface of the mirror 31 can be suppressed.
以上説明した実施形態において、熱アクチュエータ５０は本発明における連結変位部、棒状部材５１は本発明における第１積層部材、棒状部材５２は本発明における第２積層部材である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
In the embodiment described above, the thermal actuator 50 is the connecting displacement portion in the present invention, the rod-shaped member 51 is the first laminated member in the present invention, and the rod-shaped member 52 is the second laminated member in the present invention.
As mentioned above, although one Embodiment of this invention was described, this invention is not limited to the said embodiment, As long as it belongs to the technical scope of this invention, a various form can be taken.
例えば上記第１実施形態では、支持弾性体３３が錘部材３２と弾性連結部１６ａ，１６ｂとを連結するものを示したが、支持弾性体３３が錘部材３２とミラー３１とを連結するようにしてもよい。ただし、支持弾性体３３が錘部材３２とミラー３１とを連結するようにした場合には、錘部材３２が上記変位平面から外れる方向へ変位するとミラー３１の平面度が保たれなくなり、光ビームの集光性が悪化し、光走査により形成される表示の劣化が生じる。従って、ミラー３１の平面度に影響を及ぼさないようにするために、支持弾性体３３は錘部材３２と弾性連結部１６ａ，１６ｂとを連結するようにすることが望ましい。 For example, in the first embodiment, the support elastic body 33 connects the weight member 32 and the elastic connecting portions 16a and 16b. However, the support elastic body 33 connects the weight member 32 and the mirror 31. May be. However, when the support elastic body 33 connects the weight member 32 and the mirror 31, if the weight member 32 is displaced in a direction away from the displacement plane, the flatness of the mirror 31 cannot be maintained, and the light beam The light condensing property is deteriorated, and the display formed by optical scanning is deteriorated. Therefore, in order not to affect the flatness of the mirror 31, it is desirable that the supporting elastic body 33 connects the weight member 32 and the elastic connecting portions 16a and 16b.
また上記第１実施形態においては、支持弾性体３３を備えているものを示したが、図１１（ａ）および図１１（ｂ）に示すように、支持弾性体３３を省略するようにしてもよい。
また上記実施形態においては、３自由度連成振動系を構成する光走査装置１を適用したものを示したが、以下に示す光走査装置に本発明の連結変位部を適用してもよい。
In the first embodiment, the support elastic body 33 is shown. However, as shown in FIGS. 11A and 11B, the support elastic body 33 may be omitted. Good.
In the above embodiment, the optical scanning device 1 constituting the three-degree-of-freedom coupled vibration system is applied. However, the connecting displacement portion of the present invention may be applied to the optical scanning device described below.
光走査装置４０１は、図１２に示すように、光ビームを走査する光ビーム走査部４０２と、光ビーム走査部４０２を支持する支持部４０３と、光ビーム走査部４０２を回転駆動させる駆動部４０４とを備える。 As shown in FIG. 12, the optical scanning device 401 includes a light beam scanning unit 402 that scans a light beam, a support unit 403 that supports the light beam scanning unit 402, and a drive unit 404 that rotationally drives the light beam scanning unit 402. With.
光ビーム走査部４０２は、ジンバル４１１と光反射部４１２と弾性連結部４１３ａ，４１３ｂと弾性連結部４１４ａ，４１４ｂとから構成される。
これらのうち光反射部４１２は、第１実施形態の光反射部１３と同様に、ミラー３１と錘部材３２と支持弾性体３３と熱アクチュエータ３４とから構成される。
The light beam scanning unit 402 includes a gimbal 411, a light reflecting unit 412, elastic coupling units 413a and 413b, and elastic coupling units 414a and 414b.
Among these, the light reflection part 412 is comprised from the mirror 31, the weight member 32, the support elastic body 33, and the thermal actuator 34 similarly to the light reflection part 13 of 1st Embodiment.
またジンバル４１１は、矩形枠状であり、枠内に光反射部４１２が配置される。
また弾性連結部４１４ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、ジンバル４１１の枠内に配置され、光反射部４１２とジンバル４１１とを連結する。また弾性連結部４１４ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、ジンバル４１１の枠内に配置され、光反射部４１２を挟んで弾性連結部４１４ａと反対側において、光反射部４１２とジンバル４１１とを連結する。なお、弾性連結部４１４ａおよび弾性連結部４１４ｂは、光反射部４１２の回転軸ｋとなる。これにより光反射部４１２は、回転軸ｋを中心に捻り振動可能に構成される。
The gimbal 411 has a rectangular frame shape, and the light reflecting portion 412 is disposed in the frame.
The elastic connecting portion 414a is made of an elastically deformable material and is disposed within the frame of the gimbal 411, and connects the light reflecting portion 412 and the gimbal 411. The elastic connecting portion 414b is made of an elastically deformable material, and is disposed within the frame of the gimbal 411. The light reflecting portion 412 and the gimbal 411 are disposed on the opposite side of the elastic connecting portion 414a with the light reflecting portion 412 interposed therebetween. And The elastic connecting portion 414a and the elastic connecting portion 414b serve as the rotation axis k of the light reflecting portion 412. As a result, the light reflecting portion 412 is configured to be capable of torsional vibration about the rotation axis k.
また弾性連結部４１３ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、ジンバル４１１の上辺４１１ａと支持部４０３とを連結する。また弾性連結部４１３ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、ジンバル４１１を挟んで弾性連結部４１３ａと反対側において、ジンバル４１１の下辺４１１ｂと支持部４０３とを連結する。なお、弾性連結部４１３ａおよび弾性連結部４１３ｂは、ジンバル４１１の回転軸ｉとなる。これによりジンバル４１１は、回転軸ｉを中心に捻り振動可能に構成される。 The elastic connecting portion 413 a is made of an elastically deformable material, and connects the upper side 411 a of the gimbal 411 and the support portion 403. The elastic connecting portion 413b is made of an elastically deformable material, and connects the lower side 411b of the gimbal 411 and the support portion 403 on the opposite side of the elastic connecting portion 413a with the gimbal 411 interposed therebetween. The elastic coupling portion 413a and the elastic coupling portion 413b serve as the rotation axis i of the gimbal 411. Thereby, the gimbal 411 is configured to be able to twist and vibrate about the rotation axis i.
次に支持部４０３は、上辺４１１ａと連結されていない側の弾性連結部４１３ａの端部と連結される上側支持部４０３ａと、下辺４１１ｂと連結されていない側の弾性連結部４１３ｂの端部と連結される下側支持部４０３ｂと、駆動部４を支持する左側支持部４０３ｃおよび右側支持部４０３ｄとから構成される。 Next, the support portion 403 includes an upper support portion 403a connected to the end portion of the elastic connection portion 413a on the side not connected to the upper side 411a, and an end portion of the elastic connection portion 413b on the side not connected to the lower side 411b. The lower support part 403b to be connected, and a left support part 403c and a right support part 403d that support the drive part 4 are configured.
さらに駆動部４０４は、圧電ユニモルフ４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄ，４０４ｅ，４０４ｆ，４０４ｇ，４０４ｈから構成される。
圧電ユニモルフ４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄは、矩形板状に形成されており、その長手方向が回転軸ｉに直交するように配置される。そして圧電ユニモルフ４０４ａは、その長手方向の一端が左側支持部４０３ｃに固定され、他端がジンバル４１１の上辺４１１ａに連結される。圧電ユニモルフ４０４ｂは、その長手方向の一端が左側支持部４０３ｃに固定され、他端がジンバル４１１の下辺４１１ｂに連結される。圧電ユニモルフ４０４ｃは、その長手方向の一端が右側支持部４０３ｄに固定され、他端がジンバル４１１の上辺４１１ａに連結される。圧電ユニモルフ４０４ｄは、その長手方向の一端が右側支持部４０３ｄに固定され、他端がジンバル４１１の下辺４１１ｂに連結される。
Furthermore, the drive part 404 is comprised from piezoelectric unimorph 404a, 404b, 404c, 404d, 404e, 404f, 404g, 404h.
The piezoelectric unimorphs 404a, 404b, 404c, 404d are formed in a rectangular plate shape, and are arranged so that the longitudinal direction thereof is orthogonal to the rotation axis i. The piezoelectric unimorph 404a has one end in the longitudinal direction fixed to the left support 403c and the other end connected to the upper side 411a of the gimbal 411. One end of the piezoelectric unimorph 404b in the longitudinal direction is fixed to the left support portion 403c, and the other end is connected to the lower side 411b of the gimbal 411. One end of the piezoelectric unimorph 404c in the longitudinal direction is fixed to the right support portion 403d, and the other end is connected to the upper side 411a of the gimbal 411. One end of the piezoelectric unimorph 404d in the longitudinal direction is fixed to the right support portion 403d, and the other end is connected to the lower side 411b of the gimbal 411.
また圧電ユニモルフ４０４ｅ，４０４ｆ，４０４ｇ，４０４ｈは、矩形板状に形成されており、その長手方向が回転軸ｋに直交するように配置される。そして圧電ユニモルフ４０４ｅは、その長手方向の一端がジンバル４１１に固定され、他端が弾性連結部４１４ｂに連結される。また圧電ユニモルフ４０４ｆは、光反射部４１２を挟んで圧電ユニモルフ４０４ｅと反対側に配置され、その長手方向の一端がジンバル４１１に固定され、他端が弾性連結部４１４ａに連結される。また圧電ユニモルフ４０４ｇは、弾性連結部４１４ｂを挟んで圧電ユニモルフ４０４ｅと反対側に配置され、その長手方向の一端がジンバル４１１に固定され、他端が弾性連結部４１４ｂに連結される。また圧電ユニモルフ４０４ｈは、弾性連結部４１４ａを挟んで圧電ユニモルフ４０４ｆと反対側に配置され、その長手方向の一端がジンバル４１１に固定され、他端が弾性連結部４１４ａに連結される。 The piezoelectric unimorphs 404e, 404f, 404g, and 404h are formed in a rectangular plate shape, and are arranged so that the longitudinal direction thereof is orthogonal to the rotation axis k. The piezoelectric unimorph 404e has one end in the longitudinal direction fixed to the gimbal 411 and the other end connected to the elastic connecting portion 414b. The piezoelectric unimorph 404f is disposed on the opposite side of the piezoelectric unimorph 404e across the light reflecting portion 412, and one end in the longitudinal direction is fixed to the gimbal 411, and the other end is connected to the elastic connecting portion 414a. The piezoelectric unimorph 404g is disposed on the opposite side of the piezoelectric unimorph 404e across the elastic coupling portion 414b, one end in the longitudinal direction thereof is fixed to the gimbal 411, and the other end is coupled to the elastic coupling portion 414b. The piezoelectric unimorph 404h is disposed on the opposite side of the piezoelectric unimorph 404f across the elastic coupling portion 414a, one end in the longitudinal direction thereof is fixed to the gimbal 411, and the other end is coupled to the elastic coupling portion 414a.
なお、圧電ユニモルフ４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄ，４０４ｅ，４０４ｆ，４０４ｇ，４０４ｈにはそれぞれ給電線ＦＬ１１，ＦＬ１２，ＦＬ１３，ＦＬ１４，ＦＬ１５，ＦＬ１６，ＦＬ１７，ＦＬ１８を介して電圧が印加される。また光反射部４１２の熱アクチュエータ３４には給電線ＦＬ１９を介して電圧が印加される。 A voltage is applied to the piezoelectric unimorphs 404a, 404b, 404c, 404d, 404e, 404f, 404g, and 404h via power supply lines FL11, FL12, FL13, FL14, FL15, FL16, FL17, and FL18, respectively. In addition, a voltage is applied to the thermal actuator 34 of the light reflecting portion 412 via the feeder line FL19.
そして、圧電ユニモルフ４０４ａと圧電ユニモルフ４０４ｂとが同位相で曲げ振動するとともに圧電ユニモルフ４０４ｃと圧電ユニモルフ４０４ｄとが同位相で曲げ振動するように且つ圧電ユニモルフ４０４ａ，４０４ｂと圧電ユニモルフ４０４ｃ，４０４ｄとが逆位相で曲げ振動するように、圧電ユニモルフ４０４ａ，４０４ｂ，４０４ｃ，４０４ｄへの電圧印加が制御される。これにより、ジンバル４１１が回転軸ｉを中心にして回転振動する。 Then, the piezoelectric unimorph 404a and the piezoelectric unimorph 404b bend and vibrate in the same phase, the piezoelectric unimorph 404c and the piezoelectric unimorph 404d bend and vibrate in the same phase, and the piezoelectric unimorphs 404a and 404b and the piezoelectric unimorphs 404c and 404d are reversed. Voltage application to the piezoelectric unimorphs 404a, 404b, 404c, and 404d is controlled so as to bend and vibrate in phase. As a result, the gimbal 411 rotates and vibrates around the rotation axis i.
また、圧電ユニモルフ４０４ｅと圧電ユニモルフ４０４ｆとが同位相で曲げ振動するとともに圧電ユニモルフ４０４ｇと圧電ユニモルフ４０４ｈとが同位相で曲げ振動するように且つ圧電ユニモルフ４０４ｅ，４０４ｆと圧電ユニモルフ４０４ｇ，４０４ｈとが逆位相で曲げ振動するように、圧電ユニモルフ４０４ｅ，４０４ｆ，４０４ｇ，４０４ｈへの電圧印加が制御される。これにより、光反射部４１２が回転軸ｋを中心にして回転振動する。 Also, the piezoelectric unimorph 404e and the piezoelectric unimorph 404f are bent and vibrated in the same phase, the piezoelectric unimorph 404g and the piezoelectric unimorph 404h bend and vibrated in the same phase, and the piezoelectric unimorphs 404e and 404f and the piezoelectric unimorphs 404g and 404h are reversed. Voltage application to the piezoelectric unimorphs 404e, 404f, 404g, and 404h is controlled so as to bend and vibrate in phase. As a result, the light reflecting portion 412 rotates and oscillates around the rotation axis k.
このように構成された光走査装置４０１によれば、回転軸ｋを中心とした揺動と、回転軸ｉを中心とした揺動によって、ミラー３１で反射する光ビームを２次元的に走査することができる。さらに、光走査装置４０１では、熱アクチュエータ３４が、錘部材３２が回転軸ｋを中心にしてミラー３１と一体に揺動可能となるように錘部材３２を連結し、温度が高くなるほど錘部材３２の回転軸ｋ周りの慣性モーメントが低くなるように錘部材３２を変位させることができる。したがって、温度上昇に伴うヤング率の低下に対応して、光反射部４１２の回転軸ｋ周りの慣性モーメントを低下させることにより、温度上昇に伴う共振周波数の変化を抑制することができる。これにより、温度変化による走査特性の変化を抑制することができる。 According to the optical scanning device 401 configured as described above, the light beam reflected by the mirror 31 is two-dimensionally scanned by swinging about the rotation axis k and swinging about the rotation axis i. be able to. Further, in the optical scanning device 401, the thermal actuator 34 connects the weight member 32 so that the weight member 32 can swing integrally with the mirror 31 about the rotation axis k, and the weight member 32 increases as the temperature increases. The weight member 32 can be displaced so that the moment of inertia around the rotation axis k becomes low. Accordingly, by reducing the moment of inertia around the rotation axis k of the light reflecting portion 412 in response to a decrease in Young's modulus accompanying a temperature increase, it is possible to suppress a change in resonance frequency due to a temperature increase. Thereby, the change of the scanning characteristic by the temperature change can be suppressed.
なお、弾性連結部４１４ａ，４１４ｂは本発明における第１弾性変形部材、ジンバル４１１は本発明における第１支持部、弾性連結部４１３ａ，４１３ｂは本発明における第２弾性変形部材、回転軸ｉは本発明における第２回転軸、支持部４０３は本発明における第２支持部である。 The elastic connecting portions 414a and 414b are the first elastic deforming members in the present invention, the gimbal 411 is the first supporting portion in the present invention, the elastic connecting portions 413a and 413b are the second elastic deforming members in the present invention, and the rotating shaft i is the main shaft. The 2nd rotating shaft in this invention and the support part 403 are the 2nd support parts in this invention.
１,４０１…光走査装置、１６ａ,１６ｂ,４１４ａ, ４１４ｂ…弾性連結部、３１…ミラー、３２…錘部材、３４,５０…熱アクチュエータ DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,401 ... Optical scanning device, 16a, 16b, 414a, 414b ... Elastic connection part, 31 ... Mirror, 32 ... Weight member, 34, 50 ... Thermal actuator
Claims (6)
前記反射部を捻り振動させるための第１回転軸となる第１弾性変形部材（１６ａ，１６ｂ，４１４ａ，４１４ｂ）とを備え、
前記第１回転軸を中心にして前記反射部を揺動させることにより、前記反射面により反射された光ビームを走査する光走査装置（１，４０１）であって、
錘部材（３２）と、
前記錘部材が前記第１回転軸を中心にして前記反射部と一体に揺動可能となるように前記錘部材を連結し、温度が高くなるほど前記錘部材の前記第１回転軸周りの慣性モーメントが低くなるように前記錘部材を変位させる連結変位部（３４，５０）とを備え、
前記連結変位部（３４）は、予め設定された変位平面に沿って前記錘部材を変位させるように構成され、
前記連結変位部が前記錘部材を変位させることにより前記錘部材が前記変位平面に対して垂直方向に変位するのを抑制するように前記錘部材を支持する変位抑制部材（３３）を備える
ことを特徴とする光走査装置。 A reflecting portion (31) having a reflecting surface for reflecting the light beam;
A first elastic deformation member (16a, 16b, 414a, 414b) serving as a first rotation shaft for torsionally vibrating the reflecting portion;
An optical scanning device (1, 401) that scans the light beam reflected by the reflecting surface by swinging the reflecting portion about the first rotation axis,
A weight member (32);
The weight member is connected so that the weight member can swing integrally with the reflecting portion about the first rotation axis, and the moment of inertia of the weight member around the first rotation axis increases as the temperature increases. And a connecting displacement portion (34, 50) for displacing the weight member so as to be low ,
The connection displacement portion (34) is configured to displace the weight member along a preset displacement plane.
A displacement suppressing member (33) for supporting the weight member so as to suppress the weight member from being displaced in a direction perpendicular to the displacement plane when the connecting displacement portion displaces the weight member. optical scanning device shall be the features.
前記第１弾性変形部材と同じ材料からなる基板部材（４１）と、圧電体（４４）を第１電極（４５）と第２電極（４６）との間で挟んで形成された圧電部材（４３）とを積層して構成され、
前記第１電極と前記第２電極との間に、予め設定された一定値の電圧が常時印加される
ことを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。 The connecting displacement portion is
A substrate member (41) made of the same material as the first elastic deformation member, and a piezoelectric member (43) formed by sandwiching the piezoelectric body (44) between the first electrode (45) and the second electrode (46). ) And laminated,
The optical scanning device according to claim 1 , wherein a constant voltage set in advance is always applied between the first electrode and the second electrode.
前記基板部材と前記圧電部材とを積層して構成された第１積層部材（５１）と、前記基板部材と前記圧電部材とを積層して構成された第２積層部材（５２）とを備えて、前記第１積層部材および前記第２積層部材により、予め設定された変位平面上に沿って前記錘部材を変位させるように構成され、
前記第１積層部材および前記第２積層部材は、前記変位平面に対して垂直方向に前記基板部材と前記圧電部材が積層され、
前記第１積層部材の前記基板部材と前記第２積層部材の前記基板部材は、前記変位平面に沿って互いに対向するように配置され、
前記第２積層部材の前記圧電部材は、前記第２積層部材の前記基板部材を挟んで前記第１積層部材の前記圧電部材とは反対側に配置される
ことを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。 The connecting displacement portion (50)
A first laminated member (51) configured by laminating the substrate member and the piezoelectric member; and a second laminated member (52) configured by laminating the substrate member and the piezoelectric member. And the first laminated member and the second laminated member are configured to displace the weight member along a preset displacement plane,
In the first laminated member and the second laminated member, the substrate member and the piezoelectric member are laminated in a direction perpendicular to the displacement plane,
The substrate member of the first laminated member and the substrate member of the second laminated member are arranged to face each other along the displacement plane,
The piezoelectric element of the second laminated member, according to claim 2, characterized in that disposed on the opposite side of the piezoelectric member of the first laminated member across said substrate member of the second laminated member Optical scanning device.
ことを特徴とする請求項２または請求項３に記載の光走査装置。 The piezoelectric body, an optical scanning apparatus according to claim 2 or claim 3, characterized in that it consists of lead zirconate titanate (PZT).
前記第１支持部に連結された弾性変形可能な第２弾性変形部材（４１３ａ，４１３ｂ）を有し、該第２弾性変形部材を第２回転軸として前記第１支持部を揺動可能に支持する第２支持部（４０３）とを備え、
前記第２回転軸は、前記第１回転軸と交差するように配置され、
前記第２回転軸を中心にして前記第１支持部を揺動させると共に、前記第１回転軸を中心にして前記反射部を揺動させることにより、前記反射面により反射された光ビームを２次元に走査する
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光走査装置（４０１）。 A first support part (411) for supporting the first elastic deformation member (414a, 414b);
A second elastically deformable member (413a, 413b) that is elastically deformable connected to the first support part, and the first support part is swingably supported by using the second elastically deformable member as a second rotating shaft. A second support portion (403) that
The second rotation axis is arranged to intersect the first rotation axis,
The first support portion is swung about the second rotation axis, and the reflection portion is swung about the first rotation axis, so that the light beam reflected by the reflection surface is 2 The optical scanning device (401) according to any one of claims 1 to 4 , wherein scanning is performed in a dimension.
前記第１支持部に連結された弾性変形可能な第２弾性変形部材（１５ａ，１５ｂ）を有し、該第２弾性変形部材を第２回転軸として前記第１支持部を揺動可能に支持する第２支持部（１１）と、
前記第２支持部に連結された弾性変形可能な第３弾性変形部材（１４ａ，１４ｂ）を有し、該第３弾性変形部材を第３回転軸として前記第２支持部を揺動可能に支持する第３支持部（３）とを備え、
前記第２回転軸は、前記第１回転軸と交差するように配置され、
前記第３回転軸は、前記第１回転軸および前記第２回転軸と交差するように配置され、
前記反射部、前記第１支持部、前記第２支持部、前記第３支持部、前記第１弾性変形部材、前記第２弾性変形部材、および前記第３弾性変形部材が、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ことにより、前記第３回転軸を中心にして前記第２支持部を揺動させるとともに、前記第２回転軸を中心にして前記第１支持部を揺動させ、さらに前記第１回転軸を中心にして前記反射部を揺動させることにより、前記反射面により反射された光ビームを２次元に走査する
ことを特徴とする請求項１〜請求項４の何れか１項に記載の光走査装置（１）。 A first support part (12) for supporting the first elastic deformation member (16a, 16b);
A second elastically deformable member (15a, 15b) that is elastically deformable connected to the first support part, and the first support part is swingably supported using the second elastically deformable member as a second rotating shaft. A second support part (11)
A third elastic deformation member (14a, 14b) that is elastically deformable connected to the second support part, and the second support part is swingably supported by using the third elastic deformation member as a third rotating shaft. And a third support part (3)
The second rotation axis is arranged to intersect the first rotation axis,
The third rotation axis is arranged to intersect the first rotation axis and the second rotation axis,
The reflective portion, the first support portion, the second support portion, the third support portion, the first elastic deformation member, the second elastic deformation member, and the third elastic deformation member have inherent periodic external forces. A three-degree-of-freedom coupled vibration system that twists and vibrates at a large rotation angle when
By causing the inherent periodic external force to act on the three-degree-of-freedom coupled vibration system, the second support portion is swung about the third rotation axis, and the second rotation axis is the center. The light beam reflected by the reflecting surface is scanned two-dimensionally by swinging the first support portion and further swinging the reflection portion about the first rotation axis. The optical scanning device (1) according to any one of claims 1 to 4 .
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