JP6130734B2 - Optical deflector - Google Patents

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Description

本発明は、圧電駆動方式の光偏向器に関する。   The present invention relates to a piezoelectric drive type optical deflector.

MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術を利用して製作する圧電駆動方式の光偏向器が知られている。このような光偏向器は、支持体と、光を反射するミラー部と、先端部においてミラー部に結合しているトーションバーと、基端部において支持体に結合し、先端部においてトーションバーと結合し、トーションバーをその軸線回りに往復回転させる圧電アクチュエータと、ミラー部の回転角等を検出する圧電センサを備える(特許文献1,2)。   2. Description of the Related Art A piezoelectric drive type optical deflector manufactured using MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) technology is known. Such an optical deflector includes a support, a mirror that reflects light, a torsion bar that is coupled to the mirror at the distal end, a torsion bar that is coupled to the support at the proximal end, and a torsion bar that is coupled to the distal end. A piezoelectric actuator that couples and rotates the torsion bar back and forth around its axis and a piezoelectric sensor that detects the rotation angle of the mirror portion, etc. are provided (Patent Documents 1 and 2).

特許文献1の光偏向器では、圧電センサは、ミラー部の周縁部にミラー部と一体に形成されて、ミラー部と一体に往復回転し、ミラー部の回転角等を検出する(特許文献1/図1)。このような光偏向器では、以下の問題点がある。
(a)圧電センサがミラー部と一体に往復回転するために、ミラー部の共振周波数が低下する。
(b)圧電センサの信号線は、トーションバーのほぼ全長にわたって形成されているために、長大化し、これにより、ミラー部の共振周波数は、該信号線の配線面積、膜質及び材質からの影響を受け易くなり、設計値からのずれが増大する。
(c)圧電センサの面積が増大するために、圧電センサにおいて伸びる部分と縮む部分とが同時に出現して、全体としての検出出力が低下してしまう。
In the optical deflector of Patent Document 1, the piezoelectric sensor is formed integrally with the mirror part at the peripheral part of the mirror part, and reciprocates together with the mirror part to detect the rotation angle of the mirror part (Patent Document 1). / Figure 1). Such an optical deflector has the following problems.
(A) Since the piezoelectric sensor reciprocates together with the mirror unit, the resonance frequency of the mirror unit is lowered.
(B) Since the signal line of the piezoelectric sensor is formed over substantially the entire length of the torsion bar, the length of the resonance line of the mirror portion is increased. Thus, the resonance frequency of the mirror part is affected by the wiring area, film quality and material of the signal line. It becomes easier to receive and the deviation from the design value increases.
(C) Since the area of the piezoelectric sensor increases, the extending portion and the contracting portion of the piezoelectric sensor appear simultaneously, and the detection output as a whole decreases.

一方、特許文献2の光偏向器では、圧電センサが、トーションバーの先端側ではなくトーションバーの基端側にある圧電アクチュエータ上に配置されている(特許文献2/図16〜図18)。これにより、特許文献1の光偏向器における上述の問題点(a)〜(c)を解消することかできる。   On the other hand, in the optical deflector of Patent Document 2, the piezoelectric sensor is arranged on the piezoelectric actuator on the base end side of the torsion bar instead of the front end side of the torsion bar (Patent Document 2 / FIGS. 16 to 18). Thereby, the above-mentioned problems (a) to (c) in the optical deflector of Patent Document 1 can be solved.

特開2011−150055号公報JP 2011-150055 A 特開2010−197994号公報JP 2010-197994 A

しかしながら、特許文献2の光偏向器には、次のような問題がある。まず、本発明者は、トーションバーの軸線方向において圧電アクチュエータの幅をほぼ5分割し、5つの分割区分についてトーションバーの基端に向かって順番に1〜5の番号を付け、各区分に1〜5番の圧電センサをそれぞれ配置して、各圧電センサの出力を調べた。その結果、ミラー部の共振周波数に対して、1,2番の圧電センサの出力ピークの周波数はほぼ一致するが、3〜5番の圧電センサの出力ピークの周波数は大きくずれていた。   However, the optical deflector of Patent Document 2 has the following problems. First, the present inventor roughly divides the width of the piezoelectric actuator into 5 in the axial direction of the torsion bar, assigns numbers 5 to 5 in order toward the base end of the torsion bar, and assigns 1 to each section. ˜5 piezoelectric sensors were arranged, and the output of each piezoelectric sensor was examined. As a result, the frequency of the output peak of the first and second piezoelectric sensors almost coincided with the resonance frequency of the mirror part, but the frequency of the output peak of the third and fifth piezoelectric sensors was greatly shifted.

上記特許文献2の光偏向器では、圧電センサは、圧電アクチュエータの幅全体に亘って配置されているので、圧電センサの出力は、1〜5番の圧電センサの出力を合計したものに相当する。そのため、精度の低い3〜5番の圧電センサの出力成分が含まれており、圧電センサの出力全体の精度は悪化していると認められる。   In the optical deflector of Patent Document 2, the piezoelectric sensor is arranged over the entire width of the piezoelectric actuator, and therefore the output of the piezoelectric sensor corresponds to the sum of the outputs of the first to fifth piezoelectric sensors. . Therefore, the output components of the third to fifth piezoelectric sensors with low accuracy are included, and it is recognized that the accuracy of the entire output of the piezoelectric sensor is deteriorated.

また、光偏向器をプロジェクタに装備する場合には、ミラー部を共振周波数以外の周波数で往復振動させる必要があるので、共振周波数を含む所定周波数範囲において共振周波数とは別の周波数でのミラー部の往復回転を十分な精度で検出する必要がある。   Further, when the projector is equipped with an optical deflector, it is necessary to reciprocally vibrate the mirror unit at a frequency other than the resonance frequency, so that the mirror unit at a frequency different from the resonance frequency in a predetermined frequency range including the resonance frequency. Must be detected with sufficient accuracy.

しかしながら、特許文献2の光偏向器における圧電センサでは、圧電アクチュエータの駆動電圧の位相を基準位相としたとき、基準位相に対する圧電センサの出力電圧の位相差が、基準位相に対するミラー部の往復振動の位相差から大きくずれており、そのずれ量はミラー部の往復振動の周波数に応じて変化することも分かった。このため、所定の周波数範囲内でミラー部の往復振動の周波数を十分な精度で検出することは難しい。   However, in the piezoelectric sensor in the optical deflector of Patent Document 2, when the phase of the driving voltage of the piezoelectric actuator is used as a reference phase, the phase difference of the output voltage of the piezoelectric sensor with respect to the reference phase is the reciprocal vibration of the mirror unit with respect to the reference phase. It was also found that there was a large deviation from the phase difference, and the deviation amount changed according to the frequency of the reciprocating vibration of the mirror part. For this reason, it is difficult to detect the frequency of the reciprocating vibration of the mirror portion within a predetermined frequency range with sufficient accuracy.

本発明の目的は、共振周波数を含む所定の周波数範囲でミラー部の往復振動数を十分な精度で検出できる光偏向器を提供することである。   An object of the present invention is to provide an optical deflector that can detect the reciprocating frequency of a mirror part with sufficient accuracy in a predetermined frequency range including a resonance frequency.

本発明の光偏向器は、支持体と、表側において光を反射するミラー部と、先端部が前記ミラー部に結合しているトーションバーと、基端部において前記支持体に結合し、先端部において前記トーションバーに結合し、前記トーションバーをその軸線回りに往復回転させる圧電アクチュエータと、前記トーションバーと前記圧電アクチュエータとにまたがった領域に配備され該領域の歪みを検出する圧電センサとを備え、前記領域は、前記トーションバーの軸線方向において、前記圧電アクチュエータの前記ミラー部側の端からその反対側の端までの長さ(b2,d2)が、前記トーションバーと前記圧電アクチュエータとの結合部の長さ(b1,d1)の20%以下となるように設定され、前記領域において、前記圧電センサの前記トーションバーにまたがる部分の長さ(a3,c3)は、前記トーションバーの幅の半分(a1,c1)より小さく、前記圧電センサの前記圧電アクチュエータにまたがる部分の長さ(a4,c4)は、前記トーションバーの幅の半分(a1,c1)の25%以下であることを特徴とする。   The optical deflector according to the present invention includes a support, a mirror part that reflects light on the front side, a torsion bar having a tip part coupled to the mirror part, and a base part that is coupled to the support body, and a tip part. A piezoelectric actuator coupled to the torsion bar and reciprocatingly rotating the torsion bar about its axis, and a piezoelectric sensor disposed in a region extending between the torsion bar and the piezoelectric actuator to detect strain in the region. In the axial direction of the torsion bar, the region has a length (b2, d2) from the end on the mirror portion side to the end on the opposite side of the piezoelectric actuator, and the coupling between the torsion bar and the piezoelectric actuator. In the region, the torsion of the piezoelectric sensor is set to be 20% or less of the length (b1, d1) of the portion. The length (a3, c3) of the part straddling the bar is smaller than half the width (a1, c1) of the torsion bar, and the length (a4, c4) of the part of the piezoelectric sensor straddling the piezoelectric actuator is It is characterized by being 25% or less of half the width (a1, c1) of the torsion bar.

発明者は、圧電アクチュエータの先端部が結合したトーションバーの軸線方向において圧電アクチュエータの幅を、圧電アクチュエータのミラー部側の端からその反対側の端の方へ順番に20:8:26:16:16の比率で分割するととともに、その順番に分割区分に1〜5番の番号を付けて、それぞれ1〜5番の圧電センサを配置し、各圧電センサの出力を調べた。この結果、1番の圧電センサの出力が大きさ及び位相差のみが規準を満たす知見を得た。   The inventor sets the width of the piezoelectric actuator in the axial direction of the torsion bar to which the tip of the piezoelectric actuator is coupled, in order from the mirror-side end of the piezoelectric actuator toward the opposite end, 20: 8: 26: 16. The number was divided at a ratio of 16 and the numbers 1 to 5 were assigned to the divisions in that order, and the number 1 to number 5 piezoelectric sensors were arranged, and the output of each piezoelectric sensor was examined. As a result, it was found that the output of the first piezoelectric sensor satisfies the criteria only in magnitude and phase difference.

発明者は、さらに、1番の分割区分について、所定の応力(例:66MPa)について位相のずれがなく検出できる領域を調べた。その結果、トーションバーと圧電アクチュエータとの境から、圧電アクチュエータ側へ、トーションバーの幅の半分(a1,c1)に対する25%の長さの箇所まで位相差のずれがないことを確認した。   The inventor further examined an area where a predetermined stress (for example, 66 MPa) can be detected without a phase shift for the first division. As a result, it was confirmed that there was no phase difference deviation from the boundary between the torsion bar and the piezoelectric actuator to the piezoelectric actuator side up to a location having a length of 25% with respect to half the width (a1, c1) of the torsion bar.

本発明によれば、圧電センサが歪みを検出する領域は、圧電アクチュエータのミラー部側の端からその反対側の端までの長さが、トーションバーと圧電アクチュエータとの結合部の長さの20%以下となるように設定されているとともに、圧電センサにおいて圧電アクチュエータにまたがる部分の長さ(a4,c4)は、前記トーションバーの幅の半分(a1,c1)の25%以下にされる。こうして、共振周波数を含む所定の周波数範囲でミラー部の往復振動数を十分な精度で検出することができる。   According to the present invention, the region in which the piezoelectric sensor detects the strain has a length from the mirror-side end of the piezoelectric actuator to the opposite end that is 20 times the length of the coupling portion between the torsion bar and the piezoelectric actuator. The length (a4, c4) of the portion of the piezoelectric sensor that spans the piezoelectric actuator is set to 25% or less of the half of the width of the torsion bar (a1, c1). Thus, the reciprocating frequency of the mirror part can be detected with sufficient accuracy in a predetermined frequency range including the resonance frequency.

本発明において、前記トーションバーは、その基端部で前記支持体に結合し、前記圧電センサは、前記トーションバーの前記基端部に形成された信号線を介して前記支持体の配線に接続されていることが好ましい。   In the present invention, the torsion bar is coupled to the support at its base end, and the piezoelectric sensor is connected to the wiring of the support via a signal line formed at the base end of the torsion bar. It is preferable that

この構成によれば、圧電センサからの信号線が、圧電アクチュエータの圧電膜上に配線されないので、圧電アクチュエータの圧電膜の駆動電圧に起因するノイズが信号線に混入することを抑制することができる。   According to this configuration, since the signal line from the piezoelectric sensor is not wired on the piezoelectric film of the piezoelectric actuator, it is possible to suppress noise caused by the driving voltage of the piezoelectric film of the piezoelectric actuator from being mixed into the signal line. .

本発明において、グランド線が、前記圧電アクチュエータの圧電膜と前記圧電センサの圧電膜との間、及び前記信号線と前記圧電アクチュエータの圧電との間に形成されていることが好ましい。
In the present invention, a ground line, between the piezoelectric film and the piezoelectric film of the piezoelectric sensor of the piezoelectric actuator, and that is formed between the piezoelectric film of said piezoelectric actuator and said signal lines preferred.

この構成によれば、グランド線が、ノイズを吸収し、信号線へのノイズの混入を抑制することができる。   According to this configuration, the ground line can absorb noise and suppress the mixing of noise into the signal line.

本発明において、前記圧電アクチュエータの圧電膜は、前記圧電アクチュエータの先端部側において前記圧電アクチュエータの長手方向に前記領域の範囲に延び出す部分を有していることが好ましい。   In the present invention, it is preferable that the piezoelectric film of the piezoelectric actuator has a portion extending in the range of the region in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator on the tip end side of the piezoelectric actuator.

この構成によれば、圧電アクチュエータの圧電膜が、先端側において圧電アクチュエータの長手方向へ圧電センサと重複する部分を有することにより、圧電アクチュエータによるトーションバーの往復回転駆動力を増大することができる。   According to this configuration, the piezoelectric film of the piezoelectric actuator has a portion that overlaps the piezoelectric sensor in the longitudinal direction of the piezoelectric actuator on the distal end side, whereby the reciprocating rotational driving force of the torsion bar by the piezoelectric actuator can be increased.

光偏向器を装備する光スキャナの構成図。The block diagram of the optical scanner provided with an optical deflector. 図1の直線状圧電アクチュエータの圧電センサの配置部位を含む範囲の拡大図。The enlarged view of the range containing the arrangement | positioning site | part of the piezoelectric sensor of the linear piezoelectric actuator of FIG. 図2の圧電センサについての寸法説明図。FIG. 3 is an explanatory diagram of dimensions of the piezoelectric sensor of FIG. 2. 図1の光偏向器の作動時の光偏向器の各部の応力分布を所定のソフトで解析した応力分布図。FIG. 2 is a stress distribution diagram obtained by analyzing the stress distribution of each part of the optical deflector during operation of the optical deflector of FIG. 1 with predetermined software. 圧電センサの最適位置を調べるための実験に利用した光偏向器の主要部構造図。The principal part structure figure of the optical deflector utilized for the experiment for investigating the optimal position of a piezoelectric sensor. 図5の各圧電センサに対する評価試験における出力特性図。The output characteristic figure in the evaluation test with respect to each piezoelectric sensor of FIG. 別の評価試験における各圧電センサの出力特性図。The output characteristic figure of each piezoelectric sensor in another evaluation test. 図7の一部を抽出した出力特性図。The output characteristic figure which extracted a part of FIG. 図6〜図8の実験結果に基づいて圧電センサのさらに適切な領域を探った実験に利用した光偏向器の主要部構造図。FIG. 9 is a structural diagram of a main part of an optical deflector used in an experiment for searching for a more appropriate region of the piezoelectric sensor based on the experimental results of FIGS. 図9の圧電センサを圧電アクチュエータ側に延長したときの横寸法割合と圧電センサ151の位相差との関係を示す図。The figure which shows the relationship between the horizontal dimension ratio when the piezoelectric sensor of FIG. 9 is extended to the piezoelectric actuator side, and the phase difference of the piezoelectric sensor 151. FIG. 別の光偏向器を正面視で見た構造図。The structure figure which looked at another light deflector by front view. 図11の光偏向器において圧電センサの配置部位を含む範囲の拡大図。FIG. 12 is an enlarged view of a range including an arrangement site of a piezoelectric sensor in the optical deflector of FIG. 11. 図12の圧電センサについての寸法説明図。FIG. 13 is an explanatory diagram of dimensions of the piezoelectric sensor in FIG. 12. 図11の光偏向器の作動時の光偏向器の各部の応力分布を所定のソフトで解析した応力分布図。FIG. 12 is a stress distribution diagram obtained by analyzing stress distribution of each part of the optical deflector during operation of the optical deflector of FIG. 11 with predetermined software.

図1を参照して、光偏向器1を装備する光スキャナ100の構成を概略的に説明する。光スキャナ100は、光偏向器1、レーザ光源90及び制御部95を内蔵する。   With reference to FIG. 1, the structure of the optical scanner 100 equipped with the optical deflector 1 is demonstrated roughly. The optical scanner 100 includes an optical deflector 1, a laser light source 90, and a control unit 95.

光偏向器1は、MEMS技術を利用して製作される。光偏向器1は、一定の方向から入射する光としてレーザ光源90からの入射光91に対して、反射角度を一定の周波数で増減させることにより走査光としての反射光92を出射する。光スキャナ100は、この走査光を利用して、所定のスクリーン(図示せず)に像を表示する。   The optical deflector 1 is manufactured using MEMS technology. The optical deflector 1 emits reflected light 92 as scanning light by increasing or decreasing a reflection angle at a constant frequency with respect to incident light 91 from the laser light source 90 as light incident from a certain direction. The optical scanner 100 displays an image on a predetermined screen (not shown) using the scanning light.

制御部95は、圧電センサ6の検出信号を含む各種入力信号を受けて、入力信号に基づいて直線状圧電アクチュエータ5,8を制御する。具体的には、制御部95は、直線状圧電アクチュエータ5,8の圧電膜の印加電圧を制御する。制御部95は、さらに、レーザ光源90のオン、オフや、場合によってはレーザ光源90の輝度も制御する。   The control unit 95 receives various input signals including the detection signal of the piezoelectric sensor 6 and controls the linear piezoelectric actuators 5 and 8 based on the input signal. Specifically, the control unit 95 controls the voltage applied to the piezoelectric film of the linear piezoelectric actuators 5 and 8. The control unit 95 further controls on / off of the laser light source 90 and, in some cases, the luminance of the laser light source 90.

図1において光偏向器1を説明する便宜上、光偏向器1について、上下左右を定義する。光偏向器1について上下左右を言う場合は、図1の正面視で光偏向器1を見たときの上下左右であるとする。なお、光偏向器1について説明の便宜上定義した上下左右は、光偏向器1の現実の使用における上下左右を規定するものではない。静止時のミラー部2のミラー面と対峙する方向視とは、正面視に対して方向が平行関係にあり、時計回りの回転角度は任意とする。   For convenience of describing the optical deflector 1 in FIG. When the light deflector 1 is referred to as up, down, left, and right, it is assumed that the light deflector 1 is up, down, left, and right when viewed from the front of FIG. Note that the vertical and horizontal directions defined for the convenience of description of the optical deflector 1 do not define the vertical and horizontal directions in the actual use of the optical deflector 1. The direction view facing the mirror surface of the mirror unit 2 at rest is parallel to the front view, and the clockwise rotation angle is arbitrary.

光偏向器1は、ミラー部2、2つのトーションバー3、矩形枠4、1つの直線状圧電アクチュエータ5、及び3つの直線状圧電アクチュエータ8を備える。ミラー部2は、矩形枠4の中心に配置される。左右のトーションバー3は、その軸線を円形のミラー部2の左右方向の直径に揃えて、ミラー部2の左右に配設される。トーションバー3は、先端部において、ミラー部2の周縁に結合し、基端部において矩形枠4の短辺の内周側面に結合している。   The optical deflector 1 includes a mirror unit 2, two torsion bars 3, a rectangular frame 4, one linear piezoelectric actuator 5, and three linear piezoelectric actuators 8. The mirror unit 2 is disposed at the center of the rectangular frame 4. The left and right torsion bars 3 are arranged on the left and right sides of the mirror unit 2 with their axes aligned with the diameter in the left-right direction of the circular mirror unit 2. The torsion bar 3 is coupled to the peripheral edge of the mirror unit 2 at the distal end and is coupled to the inner peripheral side surface of the short side of the rectangular frame 4 at the proximal end.

ミラー部2は、レーザ光源90からの入射光91を表側のミラー面(図示せず)に受け、トーションバー3の軸線の回りの回転角に応じた向きに反射光92を出射する。   The mirror unit 2 receives incident light 91 from the laser light source 90 on a front-side mirror surface (not shown), and emits reflected light 92 in a direction according to the rotation angle around the axis of the torsion bar 3.

ミラー部2の右側において、直線状圧電アクチュエータ5,8は、右側のトーションバー3の基端部の上下にそれぞれ配設され、トーションバー3の基端側の部位に先端側を結合している。ミラー部2の左側において、2つの直線状圧電アクチュエータ8は、左側のトーションバー3の基端部の上下にそれぞれ配設され、トーションバー3の基端側の部位に先端側を結合している。   On the right side of the mirror portion 2, the linear piezoelectric actuators 5 and 8 are respectively disposed above and below the base end portion of the right torsion bar 3, and the front end side is coupled to the base end side portion of the torsion bar 3. . On the left side of the mirror portion 2, the two linear piezoelectric actuators 8 are respectively disposed above and below the base end portion of the left torsion bar 3, and the front end side is coupled to the base end side portion of the torsion bar 3. .

直線状圧電アクチュエータ5と直線状圧電アクチュエータ8との構造上の相違は、直線状圧電アクチュエータ5は、先端側に圧電センサ6を装備するのに対し、直線状圧電アクチュエータ8は圧電センサ6を装備しない点である。   The structural difference between the linear piezoelectric actuator 5 and the linear piezoelectric actuator 8 is that the linear piezoelectric actuator 5 is equipped with a piezoelectric sensor 6 on the tip side, whereas the linear piezoelectric actuator 8 is equipped with a piezoelectric sensor 6. It is a point not to do.

直線状圧電アクチュエータ8は、全面で圧電アクチュエータとして機能するのに対し、直線状圧電アクチュエータ5は、圧電センサ6を除く残りのアクチュエータ部分9において圧電アクチュエータとして機能する。圧電センサ6は、直線状圧電アクチュエータ5とトーションバー3との結合部にまたがって超えて、トーションバー3の領域まで延び出している。   The linear piezoelectric actuator 8 functions as a piezoelectric actuator on the entire surface, whereas the linear piezoelectric actuator 5 functions as a piezoelectric actuator in the remaining actuator portion 9 except the piezoelectric sensor 6. The piezoelectric sensor 6 extends beyond the connecting portion between the linear piezoelectric actuator 5 and the torsion bar 3 and extends to the region of the torsion bar 3.

直線状圧電アクチュエータ5は、MEMS技術により製作する際、直線状圧電アクチュエータ8として製作した後、圧電センサ6とアクチュエータ部分9との境界にエッチングにより分断溝を形成して、圧電センサ6の圧電膜とアクチュエータ部分9の圧電膜とを分断溝により分断することにより製作される。圧電センサ6の圧電膜は、直線状圧電アクチュエータ5の部分とトーションバー3の部分とを同時に作成される。   When the linear piezoelectric actuator 5 is manufactured by the MEMS technique, the linear piezoelectric actuator 5 is manufactured as the linear piezoelectric actuator 8, and then a dividing groove is formed by etching at the boundary between the piezoelectric sensor 6 and the actuator portion 9. And the piezoelectric film of the actuator portion 9 are separated by a dividing groove. The piezoelectric film of the piezoelectric sensor 6 is formed simultaneously with the linear piezoelectric actuator 5 portion and the torsion bar 3 portion.

図2は、光偏向器1において、直線状圧電アクチュエータ5の圧電センサ6の配置部位を含む範囲の拡大図である。図2は光偏向器1の正面視で該範囲を示している。該正面視で直線状圧電アクチュエータ5は、ミラー部2の近い側及び遠い側の側縁として直線の内側縁5a及び外側縁5bを有する。   FIG. 2 is an enlarged view of a range including the arrangement site of the piezoelectric sensor 6 of the linear piezoelectric actuator 5 in the optical deflector 1. FIG. 2 shows the range in front view of the optical deflector 1. The linear piezoelectric actuator 5 has a straight inner edge 5a and an outer edge 5b as side edges on the near side and the far side of the mirror part 2 in the front view.

トーションバー3は、先端から基端の方へ順番に第1部分3a、第2部分3b及び第3部分3cを有している。第2部分3bは、トーションバー3が、その軸線方向に直線状圧電アクチュエータ5及び8に結合している軸線方向部分である。第1部分3a及び第3部分3cは、トーションバー3においてそれぞれ第2部分3bに対して先端側及び基端側に位置する軸線方向部分である。   The torsion bar 3 includes a first portion 3a, a second portion 3b, and a third portion 3c in order from the distal end to the proximal end. The second portion 3b is an axial portion in which the torsion bar 3 is coupled to the linear piezoelectric actuators 5 and 8 in the axial direction. The first portion 3a and the third portion 3c are axial portions located on the distal end side and the proximal end side with respect to the second portion 3b in the torsion bar 3, respectively.

直線状圧電アクチュエータ8において、圧電膜は、直線状圧電アクチュエータ8の直線の端縁11にほぼ達している。これに対し、直線状圧電アクチュエータ5のアクチュエータ部分9の圧電膜は、直線状圧電アクチュエータ5の先端側を区画線12〜14により区画されている。   In the linear piezoelectric actuator 8, the piezoelectric film almost reaches the straight edge 11 of the linear piezoelectric actuator 8. On the other hand, in the piezoelectric film of the actuator portion 9 of the linear piezoelectric actuator 5, the front end side of the linear piezoelectric actuator 5 is partitioned by partition lines 12 to 14.

区画線12,14は直線状圧電アクチュエータ5の幅方向に平行であり、区画線13は直線状圧電アクチュエータ5の長手方向に平行となっている。区画線14は、直線状圧電アクチュエータ5の先端側の端縁と重なり、区画線12は区画線14より区画線13の長さだけ直線状圧電アクチュエータ5の基端側へ引きこまれている。直線状圧電アクチュエータ5の先端側の端縁は、トーションバー3と圧電センサ6との結合部に含まれる。   The dividing lines 12 and 14 are parallel to the width direction of the linear piezoelectric actuator 5, and the dividing line 13 is parallel to the longitudinal direction of the linear piezoelectric actuator 5. The lane marking 14 overlaps with the edge on the distal end side of the linear piezoelectric actuator 5, and the lane marking 12 is drawn to the base end side of the linear piezoelectric actuator 5 by the length of the lane marking 13 from the lane marking 14. The edge on the tip side of the linear piezoelectric actuator 5 is included in a joint portion between the torsion bar 3 and the piezoelectric sensor 6.

圧電センサ6は、トーションバー3と直線状圧電アクチュエータ5との結合部をまたがってトーションバー3及び直線状圧電アクチュエータ5に配設されている。圧電センサ6の直線状圧電アクチュエータ5側の部分は、区画線12,13により画成される矩形領域内に存在する。   The piezoelectric sensor 6 is disposed on the torsion bar 3 and the linear piezoelectric actuator 5 across the coupling portion between the torsion bar 3 and the linear piezoelectric actuator 5. A portion of the piezoelectric sensor 6 on the linear piezoelectric actuator 5 side exists in a rectangular region defined by the dividing lines 12 and 13.

アクチュエータ部分9の圧電膜は、直線状圧電アクチュエータ5の先端側では、直線状圧電アクチュエータ5の長手方向へ圧電センサ6の範囲と重なって、区画線14の箇所まで延び出しているので、この分が圧電膜の面積の増大となり、直線状圧電アクチュエータ5の駆動力が増大する。   The piezoelectric film of the actuator portion 9 extends on the tip side of the linear piezoelectric actuator 5 so as to overlap the range of the piezoelectric sensor 6 in the longitudinal direction of the linear piezoelectric actuator 5 and extend to the location of the partition line 14. However, the area of the piezoelectric film increases, and the driving force of the linear piezoelectric actuator 5 increases.

信号線19は、第2部分3b及び第3部分3cにおいてトーションバー3の軸線に沿って形成されている。信号線19は、一端において、圧電センサ6のトーションバー3側の部分に接続され、他端において、矩形枠4の信号線20に接続されている。信号線20は、矩形枠4の図示していない電極へ接続されている。   The signal line 19 is formed along the axis of the torsion bar 3 in the second portion 3b and the third portion 3c. The signal line 19 is connected at one end to a portion on the torsion bar 3 side of the piezoelectric sensor 6 and is connected at the other end to the signal line 20 of the rectangular frame 4. The signal line 20 is connected to an electrode (not shown) of the rectangular frame 4.

グランド線23は、直線状圧電アクチュエータ5、第2部分3b及び第3部分3cに形成され、矩形枠4のグランド線25に接続されている。グランド線23は、直線状圧電アクチュエータ5において圧電センサ6と区画線12,13との間に形成され、第2部分3bにおいて区画線14と信号線19との間に形成されている。   The ground line 23 is formed in the linear piezoelectric actuator 5, the second portion 3 b and the third portion 3 c, and is connected to the ground line 25 of the rectangular frame 4. The ground line 23 is formed between the piezoelectric sensor 6 and the partition lines 12 and 13 in the linear piezoelectric actuator 5, and is formed between the partition line 14 and the signal line 19 in the second portion 3b.

グランド線24は、第2部分3b及び第3部分3cに形成され、矩形枠4のグランド線26に接続されている。グランド線24は、第2部分3bにおいて圧電センサ6及び信号線19と直線状圧電アクチュエータ8の端縁11との間に形成されている。   The ground line 24 is formed in the second part 3 b and the third part 3 c and is connected to the ground line 26 of the rectangular frame 4. The ground line 24 is formed between the piezoelectric sensor 6 and the signal line 19 and the edge 11 of the linear piezoelectric actuator 8 in the second portion 3b.

信号線19は、アクチュエータ部分9の表面に配線されないので、アクチュエータ部分9の圧電膜の駆動電圧に起因するノイズが、信号線19に混入することが抑制される。グランド線23,24は、圧電センサ6及び信号線19を外側に対して静電シールドする機能を有し、外側からのノイズが圧電センサ6及び信号線19に混入することが抑制される。   Since the signal line 19 is not wired on the surface of the actuator portion 9, noise due to the drive voltage of the piezoelectric film of the actuator portion 9 is suppressed from being mixed into the signal line 19. The ground lines 23 and 24 have a function of electrostatically shielding the piezoelectric sensor 6 and the signal line 19 to the outside, and noise from the outside is suppressed from being mixed into the piezoelectric sensor 6 and the signal line 19.

図3を参照して圧電センサ6の寸法について説明する。図3は、図2の光偏向器1の要部を時計回りに90°回転して見た図である。図3において上方がミラー部2側、下方が矩形枠4側になっている。   The dimensions of the piezoelectric sensor 6 will be described with reference to FIG. FIG. 3 is a view of the main part of the optical deflector 1 of FIG. In FIG. 3, the upper side is the mirror unit 2 side and the lower side is the rectangular frame 4 side.

図3の各部の寸法は、ミラー部2が静止状態にある時に、すなわち、中心の法線を真っ直ぐ前方に向けている時に、ミラー部2に対峙する方向視で光偏向器1を見た寸法で定義している。中心線35は、該方向視でトーションバー3の軸線に重なっている。   The dimensions of the respective parts in FIG. 3 are the dimensions of the optical deflector 1 as viewed from the direction facing the mirror part 2 when the mirror part 2 is in a stationary state, that is, when the normal line of the center is directed straight forward. Defined in The center line 35 overlaps the axis of the torsion bar 3 in the direction view.

図3における各寸法記号の意味は、次の通りである。
a1:トーションバー3の幅の半分の寸法
a2:トーションバー3の長さ方向の中心線35に対して直交方向の圧電センサ6の長さ(a2=a3+a4)
a3:中心線35に対して直交方向の圧電センサ6のトーションバー3側の部分の長さ
a4:中心線35に対して直交方向の圧電センサ6の直線状圧電アクチュエータ5側部分の長さ
b1:中心線35の方向の第2部分3bの長さ(=直線状圧電アクチュエータ5の幅=トーションバー3と直線状圧電アクチュエータ5との結合部の長さ)
b2:中心線35の方向へ第1部分3aと第2部分3bとの境界線から圧電センサ6の下辺(第3部分3c側の辺)までの距離(b2=b3+b4)
b3:中心線35の方向へ第1部分3aと第2部分3bとの境界線から圧電センサ6の上辺(第1部分3a側の辺)までの距離
b4:中心線35の方向へ圧電センサ6の上辺と下辺との距離
a1〜a4は、0<a3<a1、0<a4≦0.25・a1の関係が成り立つように設定される。0<a3<a1は、圧電センサ6の中心線35側の辺が、中心線35に達していないことを意味する。b1〜b4は、0<b2≦0.20・b1の関係が成り立つように設定される。
The meaning of each dimension symbol in FIG. 3 is as follows.
a1: Half the width of the torsion bar 3 a2: Length of the piezoelectric sensor 6 in the direction perpendicular to the center line 35 in the length direction of the torsion bar 3 (a2 = a3 + a4)
a3: Length of the portion of the piezoelectric sensor 6 on the torsion bar 3 side in the direction orthogonal to the center line 35 a4: Length b1 of the portion of the piezoelectric sensor 6 in the direction orthogonal to the center line 35 on the side of the linear piezoelectric actuator 5 : Length of the second portion 3b in the direction of the center line 35 (= width of the linear piezoelectric actuator 5 = length of the coupling portion between the torsion bar 3 and the linear piezoelectric actuator 5)
b2: Distance from the boundary line between the first portion 3a and the second portion 3b in the direction of the center line 35 to the lower side (side on the third portion 3c side) of the piezoelectric sensor 6 (b2 = b3 + b4)
b3: Distance from the boundary line between the first part 3a and the second part 3b in the direction of the center line 35 to the upper side of the piezoelectric sensor 6 (side on the first part 3a side) b4: The piezoelectric sensor 6 in the direction of the center line 35 The distances a1 to a4 between the upper side and the lower side are set such that 0 <a3 <a1 and 0 <a4 ≦ 0.25 · a1. 0 <a3 <a1 means that the side on the center line 35 side of the piezoelectric sensor 6 does not reach the center line 35. b1 to b4 are set so that the relationship of 0 <b2 ≦ 0.20 · b1 is established.

図4は、光偏向器1の直線状圧電アクチュエータ5を直線状圧電アクチュエータ8に取り替えて、光偏向器1の作動時の光偏向器1の各部の応力分布を所定のソフトウエアで解析した応力分布図である。   FIG. 4 shows the stress obtained by replacing the linear piezoelectric actuator 5 of the optical deflector 1 with the linear piezoelectric actuator 8 and analyzing the stress distribution of each part of the optical deflector 1 during operation of the optical deflector 1 with predetermined software. It is a distribution map.

実際の解析結果は、カラーで応力分布が表示されるのに対し、図4では、モノクロのために、トーションバー3の赤の領域Cr(高応力領域)と、ミラー部2の青の領域Cb(低応力領域)とが同一の濃さになって、分かり難くなっている。黄色の領域Cy(応力=66MPaの領域)は、トーションバー3と直線状圧電アクチュエータ8との結合線から直線状圧電アクチュエータ8側へはa1(図3)の25%の長さに達している。   In the actual analysis result, the stress distribution is displayed in color. In FIG. 4, for the monochrome, the red region Cr (high stress region) of the torsion bar 3 and the blue region Cb of the mirror unit 2 are displayed. (Low stress area) is the same density and is difficult to understand. The yellow region Cy (region of stress = 66 MPa) reaches a length of 25% of a1 (FIG. 3) from the coupling line between the torsion bar 3 and the linear piezoelectric actuator 8 to the linear piezoelectric actuator 8 side. .

図5は、圧電センサ6の最適位置を調べるための実験に利用した光偏向器105の構造を示している。光偏向器105は、光偏向器1の一部構造を変形したものである。図5は、光偏向器1の変更部のみを示している。図5において、図2に示した同一構造の部分は、図2で用いた符号と同一の符号で指示し、説明は省略し、変更点の構造部分について、符号を追加して説明する。   FIG. 5 shows the structure of the optical deflector 105 used in an experiment for examining the optimum position of the piezoelectric sensor 6. The optical deflector 105 is obtained by modifying a partial structure of the optical deflector 1. FIG. 5 shows only the changing part of the optical deflector 1. 5, parts having the same structure shown in FIG. 2 are designated by the same reference numerals as those used in FIG. 2, description thereof is omitted, and the structural parts of the changed points are described by adding reference numerals.

直線状圧電アクチュエータ5は、先端側においてアクチュエータ部分9の先端側の区画線109を有している。直線状圧電アクチュエータ5において、区画線109より先端側がセンサ領域110とされる。   The linear piezoelectric actuator 5 has a dividing line 109 on the distal end side of the actuator portion 9 on the distal end side. In the linear piezoelectric actuator 5, the tip end side from the partition line 109 is a sensor region 110.

図5に係る実験では、直線状圧電アクチュエータ5の長さをLと定義すると、センサ領域110の長さは、L/3以下に設定される。センサ領域110は、直線状圧電アクチュエータ5の幅方向に5等分され、5等分した区分に対しトーションバー3の先端側(図5の左側)から基端側(図5の右側)へ順番に1番〜5番の番号を付ける。   In the experiment according to FIG. 5, if the length of the linear piezoelectric actuator 5 is defined as L, the length of the sensor region 110 is set to L / 3 or less. The sensor region 110 is divided into five equal parts in the width direction of the linear piezoelectric actuator 5 and sequentially from the distal end side (left side in FIG. 5) to the proximal end side (right side in FIG. 5) of the section divided into five. Give numbers 1-5.

圧電センサ111〜115は、センサ領域110の1番〜5番の区分にそれぞれ形成され、1番〜5番の区分の歪みを検出する。以降、圧電センサ111〜115を適宜「センサNo.1」〜「センサNo.5」と呼ぶことにする。   The piezoelectric sensors 111 to 115 are formed in the first to fifth sections of the sensor region 110, respectively, and detect distortions in the first to fifth sections. Hereinafter, the piezoelectric sensors 111 to 115 will be appropriately referred to as “sensor No. 1” to “sensor No. 5”.

図6を参照して、圧電センサ111〜115の出力についての評価試験結果を説明する。図6において、横軸はミラー部2の往復回転の周波数、縦軸はミラー部2の機械半角(往復振動回転角の半分の値)及びセンサNo.1〜No.5のセンサ出力(波高値:peak to peak)である。   With reference to FIG. 6, the evaluation test result about the output of the piezoelectric sensors 111-115 is demonstrated. 6, the horizontal axis represents the frequency of reciprocating rotation of the mirror unit 2, and the vertical axis represents the mechanical half angle of the mirror unit 2 (a value half the reciprocating vibration rotation angle) and the sensor No. 1-No. 5 sensor output (peak value: peak to peak).

Se1〜Se5は、センサNo.1〜No.5の出力特性を示している。Maは、ミラー部2について実際の機械半角と振動数との関係特性である。   Se1 to Se5 are sensor Nos. 1-No. 5 shows the output characteristics. Ma is a relational characteristic between the actual mechanical half angle and the frequency of the mirror unit 2.

図6によると、ミラー部2の機械半角は、周波数25132Hz時に最大となり、当該周波数がミラー部2の共振周波数となっている。センサNo.1では、周波数は25132Hzで最大となり、出力は0.4Vpp以上となる。センサNo.2でも、周波数25132Hzで最大となったが、出力は、0.235Vppとなり、センサNo.1よりも劣ることが分かった。   According to FIG. 6, the mechanical half angle of the mirror unit 2 is maximum at a frequency of 25132 Hz, and this frequency is the resonance frequency of the mirror unit 2. Sensor No. In 1, the frequency is maximum at 25132 Hz, and the output is 0.4 Vpp or more. Sensor No. 2 was the maximum at a frequency of 25132 Hz, but the output was 0.235 Vpp. It turned out to be inferior to 1.

センサNo.3では、周波数25136Hz時にセンサ出力が最大となり、最大出力は、0.250Vであり、センサNo.1よりも小さい。センサNo.4では、周波数25136Hz時にセンサ出力が最大の0.282Vとなった。センサNo.5では、周波数25136Hz時にセンサ出力が最大の0.143Vとなった。   Sensor No. 3 has a maximum sensor output at a frequency of 25136 Hz, and the maximum output is 0.250 V. Less than 1. Sensor No. 4, the sensor output reached a maximum of 0.282 V at a frequency of 25136 Hz. Sensor No. 5, the sensor output reached a maximum of 0.143 V at a frequency of 25136 Hz.

以上の結果より、センサNo.1,No.2は、ピーク出力の周波数が共振周波数に一致するとともに、共振周波数時に十分な出力を有する。これに対し、センサNo.3〜No.5は、ピーク出力の周波数が共振周波数からずれるとともに、出力が不十分である。   From the above results, sensor no. 1, No. 1 2 has a sufficient output at the resonance frequency while the frequency of the peak output matches the resonance frequency. On the other hand, sensor No. 3-No. In No. 5, the peak output frequency deviates from the resonance frequency, and the output is insufficient.

図7及び図8を参照して、圧電センサ111〜115の出力についての別の評価試験結果を説明する。図7及び図8において、横軸はミラー部2の往復回転の周波数、縦軸は、センサNo.1等の出力位相差及びミラー部2の機械半角である。   With reference to FIG.7 and FIG.8, another evaluation test result about the output of the piezoelectric sensors 111-115 is demonstrated. 7 and 8, the horizontal axis represents the frequency of reciprocating rotation of the mirror unit 2, and the vertical axis represents the sensor No. The output phase difference of 1 etc. and the mechanical half angle of the mirror unit 2.

図7においてRはミラー部2の共振周波数を示している。Se1〜Se5は、センサNo.1〜No.5の出力の位相差特性を示している。Mbは、ミラー部2の位相差特性を示している。Maは、ミラー部2について実際の機械半角と振動数との関係特性である。図8は、図7からSe1,Se2,Ma,Mbのみを抽出したものである。   In FIG. 7, R indicates the resonance frequency of the mirror unit 2. Se1 to Se5 are sensor Nos. 1-No. 5 shows the phase difference characteristics of the output No. 5. Mb represents the phase difference characteristic of the mirror unit 2. Ma is a relational characteristic between the actual mechanical half angle and the frequency of the mirror unit 2. FIG. 8 shows only Se1, Se2, Ma, and Mb extracted from FIG.

ここで位相差とは、直線状圧電アクチュエータ8の圧電膜に印加する駆動電圧の位相を基準位相として、基準位相に対するセンサNo.1〜No.5の圧電センサの出力の位相差又はミラー部2の往復回転の位相差を意味する。図7において、MbとSe1とは、ほぼ重なっており、区別し難くなっている。   Here, the phase difference means that the phase of the drive voltage applied to the piezoelectric film of the linear piezoelectric actuator 8 is the reference phase and the sensor No. 1-No. 5 represents the phase difference of the output of the piezoelectric sensor 5 or the phase difference of the reciprocating rotation of the mirror unit 2. In FIG. 7, Mb and Se1 are almost overlapped and are difficult to distinguish.

図7から、位相差に関しては、Se1とMbとは、共振周波数Rを含む十分に広い周波数範囲においてほぼ同一であることが判明した。これに対し、Se2とMbとは、共振周波数R以下の周波数範囲におけるずれが大きいことが判明した。   From FIG. 7, it was found that Se1 and Mb are substantially the same in a sufficiently wide frequency range including the resonance frequency R with respect to the phase difference. On the other hand, it has been found that Se2 and Mb have a large deviation in the frequency range below the resonance frequency R.

光スキャナ100では、所定の像をスクリーンに描画するために、ミラー部2を共振周波数R以外の周波数で往復回転する必要があるので、光スキャナ100における圧電センサとしては、センサNo.1が優れていることが判明した。   In the optical scanner 100, in order to draw a predetermined image on the screen, it is necessary to reciprocate and rotate the mirror unit 2 at a frequency other than the resonance frequency R. 1 was found to be excellent.

光偏向器1の圧電センサ6(図1〜図3)の配備領域は、2番〜5番の区分を除外し、1番の区分のみを含む領域として設定されている。したがって、圧電センサ6の出力から高精度でミラー部2の往復振動の周波数及び位相差を検出することができる。   The deployment area of the piezoelectric sensor 6 (FIGS. 1 to 3) of the optical deflector 1 is set as an area including only the first section, excluding the second to fifth sections. Therefore, the frequency and phase difference of the reciprocating vibration of the mirror unit 2 can be detected from the output of the piezoelectric sensor 6 with high accuracy.

図9は、図6〜図8の実験結果に基づいて圧電センサのさらに適切な領域を探った実験に利用した光偏向器140の構造を示している。光偏向器140のトーションバー143、及び圧電アクチュエータ145,148は、光偏向器1のトーションバー3、及び直線状圧電アクチュエータ5,8に対応している。また、中心線141は、図3の中心線35に対応している。   FIG. 9 shows the structure of the optical deflector 140 used in an experiment for searching for a more appropriate region of the piezoelectric sensor based on the experimental results of FIGS. The torsion bar 143 and the piezoelectric actuators 145 and 148 of the optical deflector 140 correspond to the torsion bar 3 and the linear piezoelectric actuators 5 and 8 of the optical deflector 1. The center line 141 corresponds to the center line 35 in FIG.

圧電アクチュエータ145の先端側に位置するトーションバー143の部分を中心線141の方向に5分割し、5分割した5つの区分に対し、ミラー部側(図9の上側)から順番に1〜5番の番号を付けた。各区分には、圧電センサ151〜155を配設し、圧電センサ151〜155に対して、1〜5番の番号を付けた。   The portion of the torsion bar 143 located on the distal end side of the piezoelectric actuator 145 is divided into five in the direction of the center line 141, and the five sections divided into five are sequentially numbered 1 to 5 from the mirror part side (upper side in FIG. 9). Numbered. Piezoelectric sensors 151 to 155 are arranged in each section, and numbers 1 to 5 are assigned to the piezoelectric sensors 151 to 155.

図9において、「%」のついていない数値は、長さを示している。%付きの数値は、割合を示している。1〜5番の区分及び圧電センサの縦及び横を、中心線141の方向及び圧電アクチュエータ145の長手方向と定義する。1〜5番の区分の縦寸法は、83,74,107,66,66となっており、比率で示すと、20:8:26:16:16の割合となっている。   In FIG. 9, a numerical value without “%” indicates a length. Numbers with% indicate percentages. The sections 1 to 5 and the vertical and horizontal directions of the piezoelectric sensor are defined as the direction of the center line 141 and the longitudinal direction of the piezoelectric actuator 145. The vertical dimensions of the 1st to 5th sections are 83, 74, 107, 66, and 66, and the ratio is 20: 8: 26: 16: 16.

1番の圧電センサの横寸法は、186となっており、5つの圧電センサの横寸法は番号順に増大している。圧電アクチュエータ145のトーションバー3側の本来の端縁は、中心線141に平行になるが、実験では、図9のように、圧電アクチュエータ145のトーションバー3側の端縁は、本来の位置より引きこませている。したがって、図9の1〜5番の圧電センサは、ミラー部の中心に対する中心角を等しく設定されており、本来の光偏向器では、圧電アクチュエータの領域に入り込んでいることになる。   The lateral dimension of the first piezoelectric sensor is 186, and the lateral dimensions of the five piezoelectric sensors increase in the order of the numbers. The original edge of the piezoelectric actuator 145 on the torsion bar 3 side is parallel to the center line 141. However, in the experiment, the edge of the piezoelectric actuator 145 on the torsion bar 3 side is closer to the original position as shown in FIG. I'm drawing in. Accordingly, the first to fifth piezoelectric sensors in FIG. 9 have the same central angle with respect to the center of the mirror portion, and the original optical deflector enters the region of the piezoelectric actuator.

圧電センサ151〜155における出力試験においても、圧電センサ111〜115(図5)の場合と同様な図6〜図8の実験結果が得られた。   Also in the output test in the piezoelectric sensors 151 to 155, the experimental results of FIGS. 6 to 8 similar to those of the piezoelectric sensors 111 to 115 (FIG. 5) were obtained.

さらに、1番の圧電センサ151をトーションバー143と圧電アクチュエータ145との結合線を超えて圧電アクチュエータ145側にどれだけ延長できるか調べた。図10は、横寸法割合(横軸)と、位相差のずれ(縦軸)との関係を示している。横寸法割合とは、トーションバー143の幅の半分の長さに対する、1番の圧電センサ151をトーションバー143と圧電アクチュエータ145との結合線を越えて圧電アクチュエータ145側に延長した長さの割合である。位相差ずれとは、圧電アクチュエータ145の駆動電圧の位相に対するミラー部の実際の振れ角の位相の差と、圧電アクチュエータ145の駆動電圧の位相に対する圧電センサ151の出力の位相の差との差分である。   Further, it was examined how much the first piezoelectric sensor 151 can be extended to the piezoelectric actuator 145 side beyond the coupling line between the torsion bar 143 and the piezoelectric actuator 145. FIG. 10 shows the relationship between the horizontal dimension ratio (horizontal axis) and the phase difference deviation (vertical axis). The horizontal dimension ratio is the ratio of the length of the first piezoelectric sensor 151 extending to the piezoelectric actuator 145 side beyond the coupling line between the torsion bar 143 and the piezoelectric actuator 145 with respect to half the width of the torsion bar 143. It is. The phase difference shift is a difference between the phase difference of the actual deflection angle of the mirror unit with respect to the phase of the driving voltage of the piezoelectric actuator 145 and the phase difference of the output of the piezoelectric sensor 151 with respect to the phase of the driving voltage of the piezoelectric actuator 145. is there.

図10において、横寸法割合は、トーションバー143の幅の1/2をe1として、圧電センサ151がトーションバー143と圧電アクチュエータ145との結合線を越えて圧電アクチュエータ145側に延長した長さe4の割合(e4/e1の%)を示したものである。図10より横寸法割合が25%までは、縦軸の位相差が0°維持されることが判明した。   In FIG. 10, the horizontal dimension ratio is the length e4 that the piezoelectric sensor 151 extends to the piezoelectric actuator 145 side beyond the coupling line between the torsion bar 143 and the piezoelectric actuator 145, with e1 being 1/2 of the width of the torsion bar 143. The ratio (% of e4 / e1) is shown. From FIG. 10, it was found that the phase difference on the vertical axis was maintained at 0 ° up to a horizontal dimension ratio of 25%.

図11は、別の光偏向器41を正面視で見た構造図である。前述した光偏向器1に対して、この光偏向器41の主な相違点は、円弧状圧電アクチュエータ45が直線状でなく、半円環状になっていることである。   FIG. 11 is a structural view of another optical deflector 41 as viewed from the front. The main difference of the optical deflector 41 with respect to the optical deflector 1 described above is that the arc-shaped piezoelectric actuator 45 is not linear but semicircular.

光偏向器41においてミラー部42、トーションバー43及び支持体としての矩形枠44は、光偏向器1のミラー部2、トーションバー3及び矩形枠4にそれぞれ対応し、それらと同一の構造となっている。円弧状圧電アクチュエータ45,48は、同一の半円環状であり、ミラー部42の中心と2つのトーションバー43の軸線50(図13)とを含む直線に対して線対称に配置されて、両端部をトーションバー43の基端部に結合している。   In the optical deflector 41, the mirror part 42, the torsion bar 43 and the rectangular frame 44 as a support correspond to the mirror part 2, the torsion bar 3 and the rectangular frame 4 of the optical deflector 1, respectively, and have the same structure as them. ing. The arc-shaped piezoelectric actuators 45 and 48 have the same semi-annular shape, and are arranged in line symmetry with respect to a straight line including the center of the mirror portion 42 and the axis 50 (FIG. 13) of the two torsion bars 43. The portion is coupled to the proximal end portion of the torsion bar 43.

なお、円弧状圧電アクチュエータ45,48では、両端部が先端部となっており、中点部が基端部になっている。すなわち、円弧状圧電アクチュエータ45,48には、先端部が2つあり、基端部が1つある構造になっている。   In the arc-shaped piezoelectric actuators 45 and 48, both end portions are distal end portions, and midpoint portions are proximal end portions. In other words, the arc-shaped piezoelectric actuators 45 and 48 have a structure in which there are two distal end portions and one proximal end portion.

円弧状圧電アクチュエータ45と円弧状圧電アクチュエータ48との構造上の相違点は、光偏向器1における直線状圧電アクチュエータ5と直線状圧電アクチュエータ8との相違と同じく、円弧状圧電アクチュエータ45は、圧電センサ46を装備するのに対し、円弧状圧電アクチュエータ48は、圧電センサ46を装備しない点である。円弧状圧電アクチュエータ48は、全面で圧電アクチュエータとして機能するのに対し、直線状圧電アクチュエータ5は、圧電センサ46を除く残りのアクチュエータ部分55において圧電アクチュエータとして機能する。   The difference in structure between the arc-shaped piezoelectric actuator 45 and the arc-shaped piezoelectric actuator 48 is the same as the difference between the linear piezoelectric actuator 5 and the linear piezoelectric actuator 8 in the optical deflector 1. Whereas the sensor 46 is equipped, the arc-shaped piezoelectric actuator 48 is not equipped with the piezoelectric sensor 46. The arc-shaped piezoelectric actuator 48 functions as a piezoelectric actuator over the entire surface, whereas the linear piezoelectric actuator 5 functions as a piezoelectric actuator in the remaining actuator portion 55 except for the piezoelectric sensor 46.

各トーションバー43は、第1部分43a、第2部分43b及び第3部分43cを有する。第2部分43bは、トーションバー43の軸線方向へ円弧状圧電アクチュエータ45又は円弧状圧電アクチュエータ48が結合するトーションバー43の軸線方向部分である。第1部分43a及び第3部分43cは、トーションバー43の軸方向へトーションバー43に対してそれぞれ先端側及び基端側に存在するトーションバー43の軸線方向部分である。   Each torsion bar 43 has a first portion 43a, a second portion 43b, and a third portion 43c. The second portion 43 b is a portion in the axial direction of the torsion bar 43 to which the arc-shaped piezoelectric actuator 45 or the arc-shaped piezoelectric actuator 48 is coupled in the axial direction of the torsion bar 43. The first portion 43a and the third portion 43c are axial portions of the torsion bar 43 that exist on the distal end side and the proximal end side with respect to the torsion bar 43 in the axial direction of the torsion bar 43, respectively.

1対の連結部49は、ミラー部42に対してそれぞれ上側及び下側に配置され、円弧状圧電アクチュエータ45及び円弧状圧電アクチュエータ48の外周側中点を44の内周側の側縁に連結している。トーションバー43及び連結部49は、ミラー部42の周方向へ90°間隔で交互に配置される関係になっている。   The pair of connecting portions 49 are respectively arranged on the upper side and the lower side with respect to the mirror portion 42, and connect the outer peripheral side midpoint of the arc-shaped piezoelectric actuator 45 and the arc-shaped piezoelectric actuator 48 to the inner peripheral side edge of 44. doing. The torsion bars 43 and the connecting portions 49 are arranged alternately at 90 ° intervals in the circumferential direction of the mirror portion 42.

図12は、図11の光偏向器41において、圧電センサ46の配置部位を含む範囲の拡大図である。図12は光偏向器41の正面視で該範囲を示している。該正面視で円弧状圧電アクチュエータ45は内周側及び外周側に内周線55a及び外周線55bをもつ。円弧状圧電アクチュエータ45は、正面視で半円環状であるので、内周線55a及び外周線55bは円周線である。   FIG. 12 is an enlarged view of a range including the arrangement site of the piezoelectric sensor 46 in the optical deflector 41 of FIG. FIG. 12 shows the range in front view of the optical deflector 41. When viewed from the front, the arcuate piezoelectric actuator 45 has an inner peripheral line 55a and an outer peripheral line 55b on the inner peripheral side and the outer peripheral side. Since the arcuate piezoelectric actuator 45 is semicircular when viewed from the front, the inner circumferential line 55a and the outer circumferential line 55b are circumferential lines.

円弧状圧電アクチュエータ48において、圧電膜は、円弧状圧電アクチュエータ48の直線の端縁51にほぼ達している。これに対し、圧電センサ46のアクチュエータ部分55の圧電膜は、圧電センサ46の先端側を区画線52〜54により規定される。   In the arc-shaped piezoelectric actuator 48, the piezoelectric film almost reaches the straight edge 51 of the arc-shaped piezoelectric actuator 48. On the other hand, in the piezoelectric film of the actuator portion 55 of the piezoelectric sensor 46, the tip side of the piezoelectric sensor 46 is defined by the partition lines 52 to 54.

区画線52は、内周線55aの法線の向きで円弧状圧電アクチュエータ45内に設定される。区画線53は、内周線55aからの等距離を保持しつつ、内周線55aに沿って所定長さ延びている。区画線54は、円弧状圧電アクチュエータ45の直線の端縁と重なっている。   The partition line 52 is set in the arc-shaped piezoelectric actuator 45 in the direction of the normal line of the inner peripheral line 55a. The partition line 53 extends a predetermined length along the inner peripheral line 55a while maintaining an equal distance from the inner peripheral line 55a. The partition line 54 overlaps the straight edge of the arc-shaped piezoelectric actuator 45.

区画線52は、区画線54より区画線53の長さだけ円弧状圧電アクチュエータ45の基端側へ引きこまれている。円弧状圧電アクチュエータ45の先端側の端縁は、トーションバー43と圧電センサ46との結合部に含まれる。   The dividing line 52 is drawn from the dividing line 54 to the proximal end side of the arcuate piezoelectric actuator 45 by the length of the dividing line 53. The edge of the arcuate piezoelectric actuator 45 on the front end side is included in the coupling portion between the torsion bar 43 and the piezoelectric sensor 46.

圧電センサ46は、トーションバー43と円弧状圧電アクチュエータ45との結合部をまたがってトーションバー43及び円弧状圧電アクチュエータ45に延び出している。圧電センサ46の円弧状圧電アクチュエータ45側の部分は、区画線52,53により円弧状圧電アクチュエータ45の基端側及び外周線55b側を画成される領域内に配設される。   The piezoelectric sensor 46 extends to the torsion bar 43 and the arcuate piezoelectric actuator 45 across the coupling portion between the torsion bar 43 and the arcuate piezoelectric actuator 45. The portion of the piezoelectric sensor 46 on the side of the arc-shaped piezoelectric actuator 45 is disposed in a region that defines the base end side and the outer peripheral line 55 b side of the arc-shaped piezoelectric actuator 45 by the partition lines 52 and 53.

信号線59は、第2部分43b及び第3部分43cにおいてトーションバー43の軸線50に沿って形成されている。信号線59は、一端において、圧電センサ46のトーションバー43側の部分に接続され、他端において、矩形枠44の信号線60に接続されている。信号線60は、矩形枠44の図示していない電極へ接続されている。   The signal line 59 is formed along the axis 50 of the torsion bar 43 in the second portion 43b and the third portion 43c. The signal line 59 is connected at one end to a portion of the piezoelectric sensor 46 on the torsion bar 43 side, and at the other end is connected to the signal line 60 of the rectangular frame 44. The signal line 60 is connected to an electrode (not shown) of the rectangular frame 44.

グランド線63は、円弧状圧電アクチュエータ45、第2部分43b及び第3部分43cに形成され、矩形枠44のグランド線65に接続されている。グランド線63は、円弧状圧電アクチュエータ45において圧電センサ46と区画線52及び区画線53との間に形成され、第2部分43bにおいて区画線54と信号線59との間に形成されている。   The ground line 63 is formed in the arc-shaped piezoelectric actuator 45, the second portion 43b, and the third portion 43c, and is connected to the ground line 65 of the rectangular frame 44. The ground line 63 is formed between the piezoelectric sensor 46 and the partition line 52 and the partition line 53 in the arc-shaped piezoelectric actuator 45, and is formed between the partition line 54 and the signal line 59 in the second portion 43b.

グランド線64は、第2部分43b及び第3部分43cに形成され、矩形枠44のグランド線66に接続されている。グランド線64は、第2部分43bにおいて圧電センサ46及び信号線59と円弧状圧電アクチュエータ48の端縁51との間に形成されている。   The ground line 64 is formed in the second portion 43 b and the third portion 43 c and is connected to the ground line 66 of the rectangular frame 44. The ground line 64 is formed in the second portion 43 b between the piezoelectric sensor 46 and the signal line 59 and the end edge 51 of the arc-shaped piezoelectric actuator 48.

図13を参照して、圧電センサ46の寸法について説明する。図13は、図12の光偏向器41についての正面視を時計回りに90°回転した方向視で見ており、各記号が意味する寸法は、該方向視での寸法で定義している。該方向視では、図13において上側がミラー部42側、下側が矩形枠44側になっている。軸線50は、該方向視でトーションバー43の軸線に重なっている。   The dimensions of the piezoelectric sensor 46 will be described with reference to FIG. FIG. 13 is a front view of the optical deflector 41 of FIG. 12 as viewed in a direction rotated 90 ° clockwise, and the dimensions that each symbol means are defined by the dimensions in the direction of view. In the direction view, the upper side is the mirror part 42 side and the lower side is the rectangular frame 44 side in FIG. The axis 50 overlaps the axis of the torsion bar 43 in the direction view.

図13において、内周側延長線56及び外周側延長線57は、内周線45a及び外周線55bを同一の曲率で内周線45a及び外周線45bの端から延ばした延長線である。   In FIG. 13, an inner peripheral side extension line 56 and an outer peripheral side extension line 57 are extension lines obtained by extending the inner peripheral line 45a and the outer peripheral line 55b from the ends of the inner peripheral line 45a and the outer peripheral line 45b with the same curvature.

図13における各寸法記号の意味は、次の通りである。
c1:トーションバー43の幅の半分の寸法
c2:圧電センサ46の上辺(内周線55a側の辺)の長さ
(c2=c3+c4)
c3:圧電センサ46の上辺のうち、トーションバー43側の部分の、内周側延長線56に沿う長さ
c4:圧電センサ46の上辺のうち、円弧状圧電アクチュエータ45側の部分の、内周線55aに沿う長さ
d1:第2部分43bの長さ
d2:軸線50の方向へ内周側延長線56から圧電センサ46の下辺(外周線55b側の辺)までの距離(d2=d3+d4)
d3:軸線50の方向へ内周線55aと圧電センサ46の上辺との距離
d4:軸線50の方向へ圧電センサ46の上辺と下辺との距離
c1〜c4は、0<c3<c1、0<c4≦0.25・c2の関係が成り立つように設定される。0<c3<c1は、圧電センサ46の中心線58側の辺が中心線58に達していないことを意味する。d1〜d4は、0<d2≦0.20・d1の関係が成り立つように設定される。
The meaning of each dimension symbol in FIG. 13 is as follows.
c1: Half the width of the torsion bar 43 c2: Length of the upper side (side on the inner peripheral line 55a side) of the piezoelectric sensor 46 (c2 = c3 + c4)
c3: Length of the upper side of the piezoelectric sensor 46 on the torsion bar 43 side along the inner peripheral extension line c4: Inner circumference of the upper side of the piezoelectric sensor 46 on the arcuate piezoelectric actuator 45 side Length d1 along the line 55a: Length d2 of the second portion 43b: Distance from the inner peripheral extension line 56 in the direction of the axis 50 to the lower side of the piezoelectric sensor 46 (side on the outer peripheral line 55b side) (d2 = d3 + d4)
d3: distance between the inner circumference 55a and the upper side of the piezoelectric sensor 46 in the direction of the axis 50 d4: distance between the upper side and the lower side of the piezoelectric sensor 46 in the direction of the axis 50 c1 to c4 are 0 <c3 <c1, 0 < It is set so that the relationship of c4 ≦ 0.25 · c2 is established. 0 <c3 <c1 means that the side of the piezoelectric sensor 46 on the center line 58 side does not reach the center line 58. d1 to d4 are set so that the relationship of 0 <d2 ≦ 0.20 · d1 is established.

図14は、光偏向器41の円弧状圧電アクチュエータ45を円弧状圧電アクチュエータ48に取り替えて、光偏向器41の作動時の光偏向器41の各部の応力分布を所定のソフトで解析した応力分布図である。図14の応力分布図から、図4の応力分布図のときと同様に、トーションバー43と円弧状圧電アクチュエータ48との結合部においてミラー部42側の領域部分に十分に大きい応力が生じていることが理解される。   FIG. 14 shows a stress distribution obtained by replacing the arc-shaped piezoelectric actuator 45 of the optical deflector 41 with an arc-shaped piezoelectric actuator 48 and analyzing the stress distribution of each part of the optical deflector 41 when the optical deflector 41 is operated with predetermined software. FIG. From the stress distribution diagram of FIG. 14, as in the case of the stress distribution diagram of FIG. 4, a sufficiently large stress is generated in the region portion on the mirror portion 42 side at the coupling portion between the torsion bar 43 and the arcuate piezoelectric actuator 48. It is understood.

また、光偏向器41に関して、光偏向器1についての図6〜図8の分析図は省略しているが、光偏向器41についても、光偏向器1についての図6〜図8の分析と同様な分析結果が得られることは容易に理解される。   Further, regarding the optical deflector 41, the analysis diagrams of FIGS. 6 to 8 for the optical deflector 1 are omitted, but the analysis of the optical deflector 41 in FIGS. It is easily understood that similar analysis results can be obtained.

光偏向器41の圧電センサ46の配備領域は、円弧状圧電アクチュエータ45について、光偏向器1の直線状圧電アクチュエータ5と同様な1番〜5番の区分を定義した場合に、2番〜5番の区分を除外し、1番の区分のみを含む領域として設定されている。この結果、圧電センサ46の出力から高精度でミラー部42の往復振動の周波数及び位相差を検出することができる。   The area where the piezoelectric sensor 46 of the optical deflector 41 is disposed is that the arc-shaped piezoelectric actuator 45 is defined as Nos. 2 to 5 when the first to fifth segments similar to the linear piezoelectric actuator 5 of the optical deflector 1 are defined. This area is set as an area including only the first section. As a result, the frequency and phase difference of the reciprocating vibration of the mirror unit 42 can be detected from the output of the piezoelectric sensor 46 with high accuracy.

本発明を実施形態について説明した。矩形枠4,44は支持体の例である。直線状圧電アクチュエータ5及び円弧状圧電アクチュエータ48は圧電アクチュエータの例である。信号線60は、トーションバーの基端部に形成された信号線が接続される支持体の配線の一例である。   The invention has been described with reference to embodiments. The rectangular frames 4 and 44 are examples of supports. The linear piezoelectric actuator 5 and the arc-shaped piezoelectric actuator 48 are examples of piezoelectric actuators. The signal line 60 is an example of a support wiring to which a signal line formed at the base end portion of the torsion bar is connected.

図3のa1及び図13のc1は、静止時のミラー部の表側に対峙する方向視で、トーションバーの幅の半分の長さの例である。   A1 in FIG. 3 and c1 in FIG. 13 are examples of a length that is half the width of the torsion bar as viewed in the direction facing the front side of the mirror portion when stationary.

図3のb1及び図13のd1は、トーションバーと圧電アクチュエータとの結合部について、トーションバーの軸線方向へ結合部の長さの例である。   B1 in FIG. 3 and d1 in FIG. 13 are examples of the length of the coupling portion in the axial direction of the torsion bar with respect to the coupling portion between the torsion bar and the piezoelectric actuator.

実施形態では、圧電アクチュエータとして直線状圧電アクチュエータ5及び円弧状圧電アクチュエータ45が説明されているが、本発明の圧電アクチュエータは直線及び円弧以外の形状であってもよい。   In the embodiment, the linear piezoelectric actuator 5 and the arc-shaped piezoelectric actuator 45 are described as the piezoelectric actuators, but the piezoelectric actuator of the present invention may have a shape other than the straight line and the arc.

実施形態では、圧電センサ46のトーションバー43側の部分は、トーションバー43と円弧状圧電アクチュエータ45との結合部から内周側延長線56に沿って延びているが、軸線50に対して直角に延びていてもよい。   In the embodiment, the portion of the piezoelectric sensor 46 on the torsion bar 43 side extends along the inner peripheral extension line 56 from the coupling portion between the torsion bar 43 and the arc-shaped piezoelectric actuator 45, but is perpendicular to the axis 50. It may extend to.

実施形態では、トーションバー3及びトーションバー43は、基端部においてそれぞれ矩形枠4及び44に結合しているが、矩形枠4及び44に結合していなくてもよい。   In the embodiment, the torsion bar 3 and the torsion bar 43 are coupled to the rectangular frames 4 and 44 at the base end portions, respectively, but may not be coupled to the rectangular frames 4 and 44.

実施形態では、光偏向器が装備される光スキャナ100がプロジェクタに適用されるが、本発明の光偏向器が装備される光スキャナは、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザヘッドランプ、又はヘッドアップディスプレイ等にも適用可能である。   In the embodiment, the optical scanner 100 equipped with the optical deflector is applied to the projector. However, the optical scanner equipped with the optical deflector of the present invention may be a barcode reader, a laser printer, a laser headlamp, or a head-up. It can be applied to a display or the like.

1,41・・・光偏向器、2,42・・・ミラー部、3,43・・・トーションバー、4,44・・・矩形枠(支持体)、5・・・直線状圧電アクチュエータ(圧電アクチュエータ)、6,46・・・圧電センサ、19,60・・・信号線、23,24,63,64・・・グランド線、45・・・円弧状圧電アクチュエータ(圧電アクチュエータ)、46・・・圧電センサ、48・・・円弧状圧電アクチュエータ(圧電アクチュエータ)。
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1,41 ... Optical deflector, 2,42 ... Mirror part, 3,43 ... Torsion bar, 4,44 ... Rectangular frame (support), 5 ... Linear piezoelectric actuator ( Piezoelectric actuator), 6, 46 ... Piezoelectric sensor, 19, 60 ... Signal line, 23, 24, 63, 64 ... Ground wire, 45 ... Arc-shaped piezoelectric actuator (piezoelectric actuator), 46. ..Piezoelectric sensor, 48... Arc-shaped piezoelectric actuator (piezoelectric actuator)

Claims (4)

支持体と、
表側において光を反射するミラー部と、
先端部が前記ミラー部に結合しているトーションバーと、
基端部が前記支持体に結合し、先端部が前記トーションバーに結合し、前記トーションバーをその軸線回りに往復回転させる圧電アクチュエータと、
前記トーションバーと前記圧電アクチュエータとにまたがった領域に配置され、該領域の歪みを検出する圧電センサとを備え、
前記領域は、前記トーションバーの軸線方向において、前記圧電アクチュエータの前記ミラー部側の端からその反対側の端までの長さ(b2,d2)が、前記トーションバーと前記圧電アクチュエータとの結合部の長さ(b1,d1)の20%以下となるように設定され、
前記領域において、前記圧電センサの前記トーションバーにまたがる部分の長さ(a3,c3)は、前記トーションバーの幅の半分(a1,c1)より小さく、前記圧電センサの前記圧電アクチュエータにまたがる部分の長さ(a4,c4)は、前記トーションバーの幅の半分(a1,c1)の25%以下であることを特徴とする光偏向器。
A support;
A mirror part that reflects light on the front side;
A torsion bar having a tip part coupled to the mirror part;
A piezoelectric actuator that has a proximal end coupled to the support, a distal end coupled to the torsion bar, and reciprocally rotates the torsion bar about its axis;
A piezoelectric sensor that is disposed in a region extending between the torsion bar and the piezoelectric actuator and detects distortion in the region;
In the axial direction of the torsion bar, the region has a length (b2, d2) from an end on the mirror portion side to an end on the opposite side of the piezoelectric actuator, and a coupling portion between the torsion bar and the piezoelectric actuator. Is set to be 20% or less of the length (b1, d1) of
In the region, the length (a3, c3) of the portion of the piezoelectric sensor that spans the torsion bar is smaller than half the width (a1, c1) of the torsion bar, and the length of the portion of the piezoelectric sensor that spans the piezoelectric actuator. The length (a4, c4) is 25% or less of a half (a1, c1) of the width of the torsion bar.
請求項1記載の光偏向器において、
前記トーションバーは、その基端部で前記支持体に結合し、
前記圧電センサは、前記トーションバーの基端部に形成された信号線を介して前記支持体の配線に接続されていることを特徴とする光偏向器。
The optical deflector according to claim 1.
The torsion bar is coupled to the support at its proximal end,
The optical deflector, wherein the piezoelectric sensor is connected to a wiring of the support through a signal line formed at a base end portion of the torsion bar.
請求項2記載の光偏向器において、
前記圧電アクチュエータの圧電膜と前記圧電センサの圧電膜との間、及び前記信号線と前記圧電アクチュエータの圧電との間に、グランド線が形成されていることを特徴とする光偏向器。
The optical deflector according to claim 2, wherein
Wherein between the piezoelectric film of the piezoelectric actuator and a piezoelectric film of the piezoelectric sensor, and between the piezoelectric film of said piezoelectric actuator and said signal line, an optical deflector, wherein the ground line is formed.
請求項1〜3のいずれか1項に記載の光偏向器において、
前記圧電アクチュエータの圧電膜は、前記圧電アクチュエータの先端部側において前記圧電アクチュエータの長手方向に前記領域の範囲に延び出す部分を有していることを特徴とする光偏向器。
The optical deflector according to any one of claims 1 to 3,
The optical deflector according to claim 1, wherein the piezoelectric film of the piezoelectric actuator has a portion extending in a range of the region in a longitudinal direction of the piezoelectric actuator on a tip end side of the piezoelectric actuator.
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