JP6732651B2 - ミラーデバイスおよび光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光の進行方向の制御が可能なミラーデバイスおよびそれを用いた光走査装置に関する。

光反射面を有するミラーの向きを変えることによって光の進行方向の制御を行なうミラーデバイスがある。このミラーデバイスは、複写機やレーザープリンタ、ディスプレイ、バーコードリーダー、通信用の光スイッチ等の光学機器に利用されている。

このようなミラーデバイスは、固定部と、回転軸周りに傾斜可能なミラー部と、ミラー部と固定部とを接続する接続部と、ミラー部を回転軸周りに傾斜させるための駆動部を有している（特許文献１参照）。駆動部は、固定部およびミラー部に互いに噛みあう櫛歯電極を有している。これらの櫛歯電極に駆動信号を印加することにより、静電的な力でミラー部を傾斜させることができる。

また、ミラーデバイスは、ミラー部の傾斜角度を検出するために、固定部に角度検出部を有している。角度検出部はミラー部から伝達された振動を検出することができ、これによってミラー部の傾斜角度を検出する。

特開２０１１−２０３５７５号公報

ミラーデバイスには、光の進行方向の制御において、さらなる精度の向上が要求されている。

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、高い精度を有するミラーデバイスおよびそれを用いた光走査装置を提供することを目的とする。

本発明の一態様に係るミラーデバイスは、固定部と、光反射面を有するミラー部と、前
記固定部と前記ミラー部とを接続する接続部と、前記ミラー部に位置するジャイロセンサとを具備するミラーデバイスであって、前記ジャイロセンサは前記ミラー部の前記光反射面とは反対側の部位に位置している振動型ジャイロセンサである。

本発明の一態様に係る光走査装置は、上記のミラーデバイスと、前記光反射面に向けて光を出射する光出射部と、前記ジャイロセンサからの信号に基づいて角度補正値を算出し、前記角度補正値に基づいて前記ミラー部の角度調整を行なう制御部とを具備する。

本発明のいずれの態様によっても、光の進行方向の制御を高い精度で行なうことが可能となる。

第１実施形態のミラーデバイスの平面図である。 図１のII−II線におけるミラーデバイスの断面図である。 図２のミラーデバイスの要部を拡大した断面図である。 図１のミラーデバイスのジャイロセンサの斜視図である。 第２実施形態のミラーデバイスの断面図である。 第３実施形態のミラーデバイスの平面図である。 光走査装置の処理手順を示す説明図である。

ミラーデバイスおよび光走査装置の各種実施形態について、図面を参照しながら説明する。なお、図１〜図６には、右手系のＸＹＺ座標系が付されており、以下では、便宜上、Ｚ軸方向を上下方向として説明をする。

＜第１実施形態のミラーデバイス＞
図１は、第１実施形態のミラーデバイス１０の斜視図である。また、図２は図１のII−II線におけるミラーデバイス１０の断面図であり、図３はさらに拡大したミラーデバイス１０の断面図である。また、図４は、ミラーデバイス１０のジャイロセンサ４の斜視図である。

ミラーデバイス１０は、固定部１と、ミラー部２と、接続部３と、ジャイロセンサ４とを具備している。

固定部１は、ミラー部２を支持している。また、固定部１は、ミラーデバイス１０を外部回路基板等に実装するための実装部としても用いられる。固定部１の形状は、特に限定されず、例えば図１のようなミラー部２を取り囲む枠状体であってもよい。また、固定部１は、平面視において、ミラー部２の全体を取り囲んでいなくてもよく、ミラー部２を部分的に取り囲む矩形状あるいは直線状の棒状体であってもよい。また、固定部１の平面視における外形は、四角形状、円形状または楕円形状等、特に限定されない。

固定部１は、図１に示すように、枠状体１ａと、枠状体１ａの内側において枠状体１ａの対向する部位同士を接続する梁部１ｂとを有するものであってもよい。この場合、梁部１ｂにミラー部２を接続するとともに梁部１ｂにミラー部２を可動させるための駆動部５を配置することで、安定してミラー部２の向きを変えることができる。

図１のような四角形の枠状体である固定部１の大きさの一例としては、その外形における一辺の長さが例えば２〜３０ｍｍである。また、枠状体１ａを構成するアームの幅（アームの長手方向と直交する方向の幅）が例えば０．２〜６ｍｍであり、枠状体１ａの厚み（Ｚ軸方向の長さ）が例えば０．１〜１ｍｍである。また、梁部１ｂは、平面視したときの幅（Ｘ軸方向の長さ）が例えば０．０５〜０．５ｍｍであり、厚み（Ｚ軸方向の長さ）が例えば０．０１〜０．３ｍｍである。

固定部１の材質としては、シリコン、酸化ケイ素またはガラス等の絶縁体であってもよく、水晶等の圧電体であってもよい。また、固定部１は、複数種の互いに異なる材質の層が積層された積層体であってもよい。固定部１は、例えば、公知のＭＥＭＳ加工技術等を用いて作製することができる。固定部１が枠状体１ａおよび梁部１ｂを有する場合、枠状体１ａおよび梁部１ｂは、１つの基板をエッチング加工して一体的に作製したものであってもよい。すなわち、枠状体１ａおよび梁部１ｂは互いに継ぎ目なく一体化されたものであってもよい。

梁部１ｂが絶縁体である場合、駆動部５としては、圧電素子を用いることができる（圧電素子に電気的に接続された回路配線は図示せず）。圧電素子としては、圧電体に一対の電極を有するものが挙げられる。圧電素子に電圧を印加することで圧電体が歪み、それによって梁部１ｂを変形させることができる。そして、梁部１ｂが変形することで接続部３を介して梁部１ｂに接続されたミラー部２の向きを変えることができる。

また、梁部１ｂが圧電体である場合、駆動部５としては、電極を用いてもよい。この駆動部５としての電極に電圧を印加することで、圧電体である梁部１ｂを変形させることができ、それによってミラー部２の向きを変えることができる。

ミラー部２は、第１面（図１〜図３におけるミラー部２の＋Ｚ側の面）に光反射面を有する部材である。ミラー部２は、例えば図２に示すように、第１面を有する本体部２ａと、その第１面に位置する、金属薄膜等の光反射率の高い光反射部材２ｂとから成るものであってもよい。

ミラー部２の平面視形状は四角形状や円形状、楕円形状等である。図１に示すような平面視形状が四角形状のミラー部２の一例としては、接続部３が接続されている長辺（Ｙ軸方向の長さ）が例えば１〜１０ｍｍであり、短辺（Ｘ軸方向の長さ）が例えば０．３〜１ｍｍであり、厚み（Ｚ軸方向の長さ）が例えば０．０１〜１ｍｍである。

本体部２ａの材質としては、シリコン、酸化ケイ素またはガラス等の絶縁体であってもよく、水晶等の圧電体であってもよい。また、本体部２ａは、複数種の異なる材質の層が積層された積層体であってもよい。本体部２ａは、例えば、公知のＭＥＭＳ加工技術等を用いて作製することができる。

接続部３は、第１端がミラー部２に接続しており、第１端とは反対側の第２端が梁部１ｂに接続している。接続部３は、駆動部５に電圧を印加した際の梁部１ｂの変形に追従して、Ｘ軸方向を回転軸とした回転運動をする。この回転運動によって、ミラー部２の向きを変えることができる。

接続部３は、梁部１ｂの変形に追従してミラー部２の向きを変えやすくするという観点からは、平面視したときのＹ軸方向の幅が、例えば０．０１〜０．１ｍｍであり、Ｘ軸方向の長さが例えば０．１０〜２ｍｍであり、厚みが例えば０．０１〜０．３ｍｍである。また、接続部３のＸ軸方向に垂直な断面（ＹＺ断面）の形状は、特に限定されず、多角形状や円形状、楕円形状等であってもよい。

接続部３の材質としては、シリコン、酸化ケイ素またはガラス等の絶縁体であってもよく、水晶等の圧電体であってもよい。また、接続部３は、複数種の異なる材質の層が積層された積層体であってもよい。接続部３は、例えば、公知のＭＥＭＳ加工技術等を用いて作製することができる。接続部３は、１つの基板をエッチング加工してミラー部２および固定部１と一体的に作製したものであってもよい。すなわち、接続部３、ミラー部２および固定部１は互いに継ぎ目なく一体化されたものであってもよい。

ジャイロセンサ４は、ミラー部２に位置している。これによって、ミラー部２の傾きを直接、検知することができるため、ミラー部２による光の進行方向の制御の精度を高めることができる。

ジャイロセンサ４は、小型にしてミラー部２の動きを妨げにくくするという観点からは、振動型ジャイロセンサであってもよい。振動型ジャイロセンサは、素子を振動させて素子に加わるコリオリの力から角速度を検出するセンサである。

ジャイロセンサ４が振動型ジャイロセンサである場合、素子を振動させる方法としては、櫛歯電極等を用いた静電駆動方式であってもよく、圧電膜を用いたピエゾ方式であってもよく、あるいは磁石を用いたローレンツ駆動方式であってもよい。ジャイロセンサ４をより小型化してミラー部２の動きを良好にするという観点からは、ジャイロセンサ４としてピエゾ方式を採用してもよい。

図３の例では、ジャイロセンサ４がミラー部２の内部に位置している（ジャイロセンサ４に電気的に接続された回路配線は図示せず）。つまり、ミラー部２の本体部２ａが、下部６と上部７とを有しており、下部６の上側部の凹部内にジャイロセンサ４が位置している。そして、この凹部を覆うようにして下部６の上に上部７が積層されており、この上部７の上面に光反射部材２ｂが積層されている。

また、ジャイロセンサ４は、ミラー部２の傾きを良好に検知するという観点からは、図３に示すように接続部３の回転軸上に位置していてもよい。

ジャイロセンサ４としては、例えば図４に示すような形状のピエゾ方式のジャイロセンサを用いることができる。ピエゾ方式のジャイロセンサとしては、この形状に限定されず、公知の他の構造を用いてもよい。また、ピエゾ方式以外の方式のジャイロセンサを用いてもよい。

ジャイロセンサ４がピエゾ方式のジャイロセンサである場合、ジャイロセンサ４の材質としては、シリコン、酸化ケイ素またはガラス等の絶縁体であってもよく、水晶等の圧電体であってもよい。ジャイロセンサ４が絶縁体である場合、その表面に圧電素子を配置することで素子を振動させることができる。また、ジャイロセンサ４が圧電体である場合、その表面に電極を配置することで素子を駆動させることができる。ジャイロセンサ４は、例えば、公知のＭＥＭＳ加工技術等を用いて作製することができる。ジャイロセンサ４は、１つの基板をエッチング加工してミラー部２の本体部２ａと一体的に作製したものであってもよい。すなわち、ジャイロセンサ４および本体部２ａは互いに継ぎ目なく一体化されたものであってもよい。

ジャイロセンサ４が振動型ジャイロセンサである場合、ジャイロセンサ４の動作周波数はミラー部２の動作周波数よりも大きくてもよい。この場合、ジャイロセンサ４で検知する信号をより精度よく検出することができる。例えば、ジャイロセンサ４の動作周波数は、ミラー部２の動作周波数の１０〜１００倍であってもよい。

＜第２実施形態のミラーデバイス＞
ミラーデバイスは上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。例えば、図５に示すような第２実施形態のミラーデバイス２０であってもよい。なお、図５はミラーデバイス２０の断面図である。

第２実施形態のミラーデバイス２０は、ジャイロセンサ２４がミラー部２２の光反射面とは反対側の部位に位置している点で第１実施形態のミラーデバイス１０と異なっている。ミラー部２２は、第１面を有する本体部２２ａと、その第１面に位置する、金属薄膜等の光反射率の高い光反射部材２２ｂとから成るものであってもよい。

また、接続部２３は、ミラー部２２の下面近傍部と接続されており、ジャイロセンサ２４と同じ高さに位置している。これによって、接続部２３の回転軸とジャイロセンサ２４の回転軸とが同じとなり、ジャイロセンサ２４による検出精度を高めることができる。

また、固定部２１は、第１実施形態のミラーデバイス１０と同様に枠状体２１ａおよび梁部２１ｂを有している。なお、梁部２１ｂは、接続部２３の高さ位置となるように枠状体２１ａの下面近傍部に接続されている。

ジャイロセンサ２４は、第１実施形態のジャイロセンサ４と同様のものを用いることができる。ジャイロセンサ２４は本体部２２ａの下面に有する凹部内に位置している。このような構成であれば、本体部２２ａにおけるジャイロセンサ２４の位置と光反射部材２２ｂの位置が反対になるため、それぞれの部材の作製が容易となり、工程が簡略化できる。なお、ジャイロセンサ２４は、図５のように本体部２２ａの内部になくともよく、本体部２２ａの下面上に位置していてもよい。

このような第２実施形態のミラーデバイス２０であっても、ジャイロセンサ２４によってミラー部２２の傾きを直接、検知することができるため、ミラー部２２による光の進行方向の制御の精度を高めることができる。

＜第３実施形態のミラーデバイス＞
他の変形例としての第３実施形態のミラーデバイス３０の平面図を図６に示す。ミラーデバイス３０は、ミラー部３２の向きを変えるための駆動方法として櫛歯電極等を用いた静電駆動方式である点で、第１実施形態のミラーデバイス１０と異なっている。なお、ミラーデバイスにおけるミラー部の駆動方法としては、第１実施形態のミラーデバイス１０のような圧電体を用いたピエゾ方式、および第３実施形態のミラーデバイス３０のような静電駆動方式に限定されず、磁石を用いたローレンツ駆動方式等の他の方式であってもよい。

ミラーデバイス３０では、固定部３１に複数の突起部３８を有するとともにミラー部３２に複数の突起部３９を有しており、これらの複数の突起部３８および複数の突起部３９は交互に配置されている。そして、各突起部３８、３９の表面には電極が形成されており、これらの電極がいわゆる櫛歯電極を構成している。このような櫛歯電極に電圧を印加することでミラー部３２を静電駆動することが可能となる。

接続部３３は固定部３１とミラー部３２とを接続しており、ジャイロセンサ３４はミラー部３２の内部または表面部に位置している。

このような第３実施形態のミラーデバイス３０であっても、ジャイロセンサ３４によってミラー部３２の傾きを直接、検知することができるため、ミラー部３２による光の進行方向の制御の精度を高めることができる。

＜光走査装置＞
本開示のミラーデバイスを用いた光走査装置について説明する。一実施形態の光走査装置は、本開示のミラーデバイスと、光出射部と、制御部とを具備している。以下では、図７を参照しながら、光走査装置に用いるミラーデバイスとして、第１実施形態のミラーデバイス１０を用いて説明するが、これに限定されない。

光走査装置は、画像表示装置、画像認識装置、または計測装置等に適用可能である。具体的には、例えば、複写機、プリンタ、スキャナ、プロジェクタまたはレーザレーダ装置等に用いられる。

光出射部は、ミラーデバイス１０の光反射面に向けて光を出射する光源であり、ＬＥＤまたはＬＤ等が挙げられる。光出射部はレンズまたはフィルタ等の光学部材を有していてもよい。

制御部５０は、ミラーデバイス１０のジャイロセンサ４からの信号に基づいて角度補正値を算出する。そして、この角度補正値に基づいてミラー部２の角度調整を行なう。

具体的には、まず、光出射部から光をミラー部２に向けて出射する。そして、ドライバ５２によってミラー部２の向きを所定の角度に傾斜させる。このとき、ドライバ５１でジャイロセンサ４を駆動しておき、ジャイロセンサ４でミラー部２の角度を検出し、ジャイロセンサ４から制御部５０に信号を送る。そして、制御部５０は、ジャイロセンサ４からの信号と、ドライバ５２で制御中のミラー部２の角度のデータとを比較し、角度のずれに対する補正値を算出する。そして、制御部５０は、この補正値に基づいて、ドライバ５２を介してミラー部２の角度調整を行なう。その後、光出射部から出射された光をミラー部２で所望の方向に反射させる。これによって、光の進行方向の制御を精度よく行なうことができる。

光走査装置は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良などが可能である。

１、２１、３１：固定部
２、２２、３２：ミラー部
３、２３、３３：接続部
４、２４、３４：ジャイロセンサ
１０、２０、３０：ミラーデバイス
５０：制御部

Claims (6)

1. 固定部と、
   光反射面を有するミラー部と、
   前記固定部と前記ミラー部とを接続する接続部と、
   前記ミラー部に位置するジャイロセンサと
   を具備するミラーデバイスであって、
   前記ジャイロセンサは前記ミラー部の前記光反射面とは反対側の部位に位置している振動型ジャイロセンサであるミラーデバイス。
2. 前記ジャイロセンサは前記ミラーデバイスの内部に位置している、請求項１に記載のミラーデバイス。
3. 前記ジャイロセンサは圧電膜を用いたピエゾ方式である、請求項１または２に記載のミラーデバイス。
4. 前記ジャイロセンサの動作周波数は前記ミラー部の動作周波数よりも大きい、請求項１乃至３のいずれかに記載のミラーデバイス。
5. 前記ミラーデバイスの少なくとも一部および前記ジャイロセンサの少なくとも一部は同じ材質である、請求項１乃至４のいずれかに記載のミラーデバイス。
6. 請求項１乃至５のいずれかに記載のミラーデバイスと、
   前記光反射面に向けて光を出射する光出射部と、
   前記ジャイロセンサからの信号に基づいて補正値を算出し、前記補正値に基づいて前記ミラー部の角度調整を行なう制御部と
   を具備する光走査装置。