JP7181448B2 - アクチュエータ及び光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータ及び光走査装置に関する。

従来から、ミラー部を回転軸回りに回転させて光を走査する光走査装置が知られている。このような光走査装置の一つとして共振／非共振２軸駆動ＭＥＭＳミラーが挙げられる。ＭＥＭＳミラーを構成するアクチュエータは、水平駆動梁と垂直駆動梁を有する。水平駆動梁の共振駆動によって水平回転軸の周りを回転する方向にミラーを変位させ、さらに、垂直駆動梁の非共振駆動によって垂直回転軸の周りを回転する方向にミラーを変位させる。これにより、ミラーによって反射される光を水平及び垂直方向に走査する（例えば、特許文献１参照）。

上記の共振／非共振２軸駆動ＭＥＭＳミラー等の光走査装置を構成するアクチュエータの周波数に対する振角の特性曲線において、一般に、圧電素子への印加電圧を高めて振角を拡大した時に共振点を結んだ曲線を背骨曲線と呼ぶ。周波数を固定して印加電圧を高めると、振角は拡大する。

ここで、光走査装置のアクチュエータの共振駆動時に振角を拡大していくと、周波数応答に非線形跳躍現象が現れることがある。非線形跳躍現象とは、振角の周波数応答において、ある周波数で振角が急激に変化する現象である。非線形跳躍現象は、圧電素子が持つ逆圧電特性の非線形性（圧電非線形性）と、アクチュエータが持つ構造非線形性の総和である非線形性に起因して出現する。

特許第５９６７１４５号公報

上記の光走査装置のアクチュエータにおいて非線形性が最適化されていない場合、周波数に対する振角の特性曲線において、非線形性に起因して背骨曲線が低周波数側あるいは高周波数側に傾く現象が生じていた。この場合、駆動電圧を高めても振角が飽和してしまい、大振角を実現できないという問題があった。

本発明は、上記の点に鑑みてなされたもので、アクチュエータとそれを用いた光走査装置において、アクチュエータの共振駆動時の非線形振動による跳躍現象の発生を抑制し、大振角での安定な駆動を可能とすることを目的とする。

本発明の一態様に係るアクチュエータは、駆動対象物（１２０）を支持する捻れ梁（１３０Ａ、１３０Ｂ）と、圧電素子である駆動源が形成された駆動梁（１５０Ａ、１５０Ｂ）と、前記捻れ梁と前記駆動梁を連結する連結梁（１４０Ａ、１４０Ｂ）と、前記駆動梁が固定される枠体（１６０）と、を備え、前記駆動源に駆動される前記駆動梁の共振駆動によって前記捻れ梁に所定の軸の周りを回転する方向の力を加えて前記駆動対象物を揺動させる、アクチュエータであり、前記アクチュエータの構造非線形定数をβ［Ｎｍ／ｒａｄ３］とし、前記アクチュエータのばね定数をｋ［Ｎｍ／ｒａｄ］としたときに、下記式（１）を満たす。

ここで、３．５≦Ａ≦１５．５である。

なお、上記括弧内の参照符号は、理解を容易にするために付したものであり、一例にすぎず、図示の態様に限定されるものではない。

開示の技術によれば、アクチュエータとそれを用いた光走査装置において、アクチュエータの共振駆動時の非線形振動による跳躍現象の発生を抑制し、大振角での安定な駆動が可能である。

実施の形態に係る光走査装置の一例を示す斜視図（その１）である。 実施の形態に係る光走査装置の一例を示す斜視図（その２）である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す上面側の平面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す下面側の平面図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の駆動時の姿勢を示す斜視図である。 従来例に係る光走査装置の光走査部の背骨曲線の特性図である。 背骨曲線に関する問題点を説明するための図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部のｋ（バネ定数）に対するβ（構造非線形定数）の関係（非線形０ライン）を示す図である。 実施例及び比較例に係る光走査装置の光走査部のｋ（バネ定数）に対するβ（構造非線形定数）の関係を示す図である。 実施例１に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。 実施例２に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。 比較例１に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。 実施例３に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。 比較例２に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。 実施例４に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。 実施例５に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。 実施例６に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。 実施の形態に係る光走査装置の光走査部の要部を拡大した平面図である。 変形例１に係る光走査装置の光走査部の斜視図である。 変形例２に係る光走査装置の光走査部の斜視図である。

以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。

＜実施の形態＞
まず、実施の形態に係る光走査装置について説明する。図１及び図２は、実施の形態に係る光走査装置の一例を示す斜視図であり、図１はパッケージカバーを取り外した状態の光走査装置を示し、図２はパッケージカバーを取り付けた状態の光走査装置を示している。

図１及び図２に示されるように、光走査装置１０００は、光走査部１００と、光走査部１００を搭載するセラミックパッケージ２００と、セラミックパッケージ２００上に配されて光走査部１００を覆うパッケージカバー３００とを有する。光走査装置１０００は、セラミックパッケージ２００の下側に、基板や制御回路等を備えてもよい。

光走査装置１０００において、パッケージカバー３００の略中央部には光反射面を有するミラー１１０の近傍を露出する開口部３００Ａが設けられている。開口部３００Ａは、ミラー１１０へのレーザ入射光Ｌｉ及びミラー１１０からのレーザ出射光Ｌｏ（走査光）を遮らない形状とされている。

なお、開口部３００Ａにおいて、レーザ入射光Ｌｉが通る側は、レーザ出射光Ｌｏが通る側よりも小さく開口されている。すなわち、レーザ入射光Ｌｉ側が略半円形状に狭く開口しているのに対し、レーザ出射光Ｌｏ側は略矩形状に広く開口している。これは、レーザ入射光Ｌｉは一定の方向から入射するのでその方向のみを開口すればよいのに対し、レーザ出射光Ｌｏは２次元に走査されるため、２次元に走査されるレーザ出射光Ｌｏを遮らないように、走査される全範囲を開口する必要があるためである。

次に、光走査装置１０００の光走査部１００について説明する。図３は、実施の形態に係る光走査装置の一例に係る光走査部１００Ａを示す上面側の平面図である。図４は実施の形態に係る光走査装置の光走査部の一例を示す下面側の平面図である。

図３及び図４に示されるように、光走査部１００Ａは、ミラー１１０を揺動させて光源から照射されるレーザ入射光を走査する部分である。光走査部１００Ａは、例えば圧電素子によりミラー１１０を駆動させるＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）ミラー等である。

光走査部１００Ａは、ミラー１１０と、ミラー支持部１２０と、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂと、連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂと、可動枠１６０と、垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂと、固定枠１８０とを有する。ミラー支持部１２０の上面にミラー１１０が支持されている。本実施の形態においては、ミラー支持部１２０と、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂと、連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂと、可動枠１６０をまとめて、ミラー１１０を支持するミラー支持体１６１と称する。

ミラー支持体１６１の両側に、ミラー支持体１６１に接続される一対の垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂが配置されている。ミラー支持体１６１と垂直駆動梁１７０Ａは、ミラー支持体接続部Ａ１１により接続される。固定枠１８０と垂直駆動梁１７０Ａは、固定枠接続部Ａ１２により接続される。ミラー支持体１６１と垂直駆動梁１７０Ｂは、ミラー支持体接続部Ａ１３により接続される。固定枠１８０と垂直駆動梁１７０Ｂは、固定枠接続部Ａ１４により接続される。垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂの詳細については後述する。

図３及び図４に示されるように、ミラー１１０を支持するミラー支持部１２０の両側に、ミラー支持部１２０に接続される一対の水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂが配置されている。また、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ、連結梁１４０Ａ、１４０Ｂ、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂ、ミラー支持部１２０及びミラー１１０は、可動枠１６０によって外側から支持されている。即ち、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、可動枠１６０にそれぞれの一方の側が支持されている。水平駆動梁１５０Ａの他方の側は内周側に延びて連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと連結している。水平駆動梁１５０Ｂの他方の側も同様に、内周側に延びて連結梁１４０Ａ、１４０Ｂと連結している。連結梁１４０Ａ、１４０Ｂは、水平回転軸Ｈ方向に延びる捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂに接続されており、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂは水平回転軸Ｈ方向の両側からミラー支持部１２０を支持している。上記のように、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂの延びる水平回転軸Ｈ方向と直交する方向に、ミラー１１０及びミラー支持部１２０を挟むように、対をなして設けられている。水平回転軸Ｈ方向については後述する。

水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂは、それぞれ水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂを有する。また、垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、それぞれ垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂを有する。捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂ、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂに連結梁１４０Ａ、１４０Ｂを介して接続された水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂに接続された枠体である可動枠１６０、可動枠１６０に接続された垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂ、及び垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂに接続された固定枠１８０は、ミラー支持部１２０上のミラー１１０を上下又は左右に揺動してレーザ光を走査するアクチュエータとして機能する。

水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの上面には、水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂがそれぞれ形成されている。水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂは、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂの上面の圧電素子の薄膜（以下「圧電薄膜」ともいう。）の上に形成された上部電極と、圧電薄膜の下面に形成された下部電極とを含む。水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂは、上部電極と下部電極に印加する駆動電圧の極性に応じて伸長したり縮小したりする。

このため、水平駆動梁１５０Ａと水平駆動梁１５０Ｂとで逆位相となる正弦波の駆動電圧を印加すれば、ミラー１１０の左側と右側で水平駆動梁１５０Ａと水平駆動梁１５０Ｂとが上下反対側に交互に振動する。これにより、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂを揺動軸又は回転軸として、ミラー１１０を水平回転軸Ｈの軸周りに揺動させることができる。ミラー１１０が捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂの軸周りに揺動する方向を水平方向と呼び、ミラー１１０の光反射面の中心を通る上記の揺動軸を水平回転軸Ｈという。例えば水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂによる水平駆動には、共振振動が用いられ、高速にミラー１１０を揺動駆動することができる。

ミラー支持部１２０には、ミラー１１０の円周に沿うようにスリット１２２が形成されている。スリット１２２により、ミラー支持部１２０を軽量化しつつ捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂによる捻れをミラー１１０へ伝達することができる。

また、図３及び図４に示されるように、垂直駆動梁１７０Ａは、水平回転軸Ｈ方向に延在する複数の矩形状の垂直梁を有し、隣接する垂直梁の端部同士が連結され、全体としてジグザグ状の形状を有する。

例えば、ミラー支持体１６１側から数えて１番目の垂直梁１７３Ｘ１の端部と２番目の垂直梁１７３Ｘ２の端部とが折り返し部１７１Ｘ１により連結されている。又、２番目の垂直梁１７３Ｘ２の端部と３番目の垂直梁１７３Ｘ３の端部とが折り返し部１７１Ｘ２により連結されている。又、３番目の垂直梁１７３Ｘ３の端部と４番目の垂直梁１７３Ｘ４の端部とが折り返し部１７１Ｘ３により連結されている。又、４番目の垂直梁１７３Ｘ４の端部と５番目の垂直梁１７３Ｘ５の端部とが折り返し部１７１Ｘ４により連結されている。又、５番目の垂直梁１７３Ｘ５の端部と６番目の垂直梁１７３Ｘ６の端部とが折り返し部１７１Ｘ５により連結されている。

垂直駆動梁１７０Ｂも同様に、水平回転軸Ｈ方向に延在する複数の矩形状の垂直梁を有し、隣接する垂直梁の端部同士が連結され、全体としてジグザグ状の形状を有する。

例えば、ミラー支持体１６１側から数えて１番目の垂直梁１７３Ｙ１の端部と２番目の垂直梁１７３Ｙ２の端部とが折り返し部１７１Ｙ１により連結されている。又、２番目の垂直梁１７３Ｙ２の端部と３番目の垂直梁１７３Ｙ３の端部とが折り返し部１７１Ｙ２により連結されている。又、３番目の垂直梁１７３Ｙ３の端部と４番目の垂直梁１７３Ｙ４の端部とが折り返し部１７１Ｙ３により連結されている。又、４番目の垂直梁１７３Ｙ４の端部と５番目の垂直梁１７３Ｙ５の端部とが折り返し部１７１Ｙ４により連結されている。又、５番目の垂直梁１７３Ｙ５の端部と６番目の垂直梁１７３Ｙ６の端部とが折り返し部１７１Ｙ５により連結されている。

垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂの上面には、それぞれ曲線部を含まない矩形単位である垂直梁１７３Ｘ１、１７３Ｘ２、１７３Ｘ３、１７３Ｘ４、１７３Ｘ５、１７３Ｘ６、１７３Ｙ１、１７３Ｙ２、１７３Ｙ３、１７３Ｙ４、１７３Ｙ５、１７３Ｙ６ごとに垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂが形成されている。垂直駆動源１７１Ａは、垂直駆動梁１７０Ａを構成する１番目から６番目の各垂直梁の上にそれぞれ形成された６つの垂直駆動源１７１Ａ１、１７１Ａ２、１７１Ａ３、１７１Ａ４、１７１Ａ５及び１７１Ａ６を含む。また、垂直駆動源１７１Ｂは、垂直駆動梁１７０Ｂを構成する１番目から６番目の各垂直梁の上にそれぞれ形成された６つの垂直駆動源１７１Ｂ１、１７１Ｂ２、１７１Ｂ３、１７１Ｂ４、１７１Ｂ５及び１７１Ｂ６を含む。垂直駆動源１７１Ａは、垂直駆動梁１７０Ａの上面の圧電薄膜の上に形成された上部電極と、圧電薄膜の下面に形成された下部電極とを含む。垂直駆動源１７１Ｂは、垂直駆動梁１７０Ｂの上面の圧電薄膜の上に形成された上部電極と、圧電薄膜の下面に形成された下部電極とを含む。

垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、垂直梁ごとに隣接している垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂ同士で、駆動波形の中央値を基準に上下反転した波形の駆動電圧を印加することにより、隣接する垂直梁の上方向への変形量を変化させ、各垂直梁の上下動の蓄積を可動枠１６０に伝達する。垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂの動作によりミラー１１０及びミラー支持部１２０が水平回転軸Ｈの方向と直交する方向に揺動され、この揺動する方向を垂直方向と呼び、ミラー１１０の光反射面の中心を通る上記の揺動軸を垂直回転軸Ｖという。例えば垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂによる垂直駆動には、非共振振動を用いることができる。

例えば、垂直駆動源１７１Ａ１、１７１Ｂ１、１７１Ａ３、１７１Ｂ３、１７１Ａ５、１７１Ｂ５を同波形、垂直駆動源１７１Ａ２、１７１Ｂ２、１７１Ａ４、１７１Ｂ４、１７１Ａ６及び１７１Ｂ６を前者と位相の異なる同波形で駆動することで、ミラー１１０及びミラー支持体１６１を垂直方向へ揺動できる。

また、光走査部１００Ａは、水平駆動源１５１Ａ、１５１Ｂに駆動電圧が印加されてミラー１１０が水平方向に揺動している状態におけるミラー１１０の水平方向の傾き具合（水平方向の振角）を検出する水平振角センサとして、圧電センサ１９１、１９２を有する。圧電センサ１９１は連結梁１４０Ａに設けられ、圧電センサ１９２は連結梁１４０Ｂに設けられている。

また、光走査部１００Ａは、垂直駆動源１７１Ａ、１７１Ｂに駆動電圧が印加されてミラー１１０が垂直方向に遥動している状態におけるミラー１１０の垂直方向の傾き具合（垂直方向の振角）を検出する垂直振角センサとして、圧電センサ１９５、１９６を有する。圧電センサ１９５は垂直駆動梁１７０Ａを構成する垂直梁の一つに設けられており、圧電センサ１９６は垂直駆動梁１７０Ｂを構成する垂直梁の一つに設けられている。

本実施の形態の光走査装置において、光走査部は、例えば、活性層、埋め込み酸化（ＢＯＸ）膜及び支持層を有するＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から形成されている。固定枠１８０と可動枠１６０、及びリブの部分は、活性層、埋め込み酸化膜及び支持層から構成される。一方で、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂ、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ及び垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、活性層により構成されている。あるいは、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂ、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ及び垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂは、活性層及び埋め込み酸化膜から構成されていてもよい。従って、固定枠１８０と可動枠１６０及びリブは、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂ、水平駆動梁１５０Ａ、１５０Ｂ及び垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂよりも重い部分となっている。

本実施の形態の光走査装置は、垂直駆動梁１７０Ａの裏面において、垂直梁の連結位置にリブが形成されている。最も内側の垂直梁１７３Ｘ１が可動枠１６０に連結する位置にリブ１７４Ｘ０が形成されている。垂直梁１７３Ｘ１、１７３Ｘ２と折り返し部１７１Ｘ１の連結位置にリブ１７４Ｘ１が形成されている。垂直梁１７３Ｘ２、１７３Ｘ３と折り返し部１７１Ｘ２の連結位置にリブ１７４Ｘ２が形成されている。垂直梁１７３Ｘ３、１７３Ｘ４と折り返し部１７１Ｘ３の連結位置にリブ１７４Ｘ３が形成されている。垂直梁１７３Ｘ４、１７３Ｘ５と折り返し部１７１Ｘ４の連結位置にリブ１７４Ｘ４が形成されている。垂直梁１７３Ｘ５、１７３Ｘ６と折り返し部１７１Ｘ５の連結位置にリブ１７４Ｘ５が形成されている。ここで、リブ１７４Ｘ５は折り返し部１７１Ｘ５側に幅広に形成されており、垂直梁１７３Ｘ５、１７３Ｘ６と折り返し部１７１Ｘ５の連結位置が他の連結位置に比べて重量化されている。

また、垂直駆動梁１７０Ｂの裏面において、同様に、垂直梁の連結位置にリブが形成されている。最も内側の垂直梁１７３Ｙ１が可動枠１６０に連結する位置にリブ１７４Ｙ０が形成されている。垂直梁１７３Ｙ１、１７３Ｙ２と折り返し部１７１Ｙ１の連結位置にリブ１７４Ｙ１が形成されている。垂直梁１７３Ｙ２、１７３Ｙ３と折り返し部１７１Ｙ２の連結位置にリブ１７４Ｙ２が形成されている。垂直梁１７３Ｙ３、１７３Ｙ４と折り返し部１７１Ｙ３の連結位置にリブ１７４Ｙ３が形成されている。垂直梁１７３Ｙ４、１７３Ｙ５と折り返し部１７１Ｙ４の連結位置にリブ１７４Ｙ４が形成されている。垂直梁１７３Ｙ５、１７３Ｙ６と折り返し部１７１Ｙ５の連結位置にリブ１７４Ｙ５が形成されている。ここで、リブ１７４Ｙ５は折り返し部１７１Ｙ５側に幅広に形成されており、垂直梁１７３Ｙ５、１７３Ｙ６と折り返し部１７１Ｙ５の連結位置が他の連結位置に比べて重量化されている。

図４に示されるように、固定枠１８０の固定枠の回収側の固定枠接続部Ａ１２、Ａ１４の内側に固定部１８１Ｘ、１８１Ｙが張り出しており、垂直梁１７３Ｘ６、１７３Ｙ６に接続されている。固定部１８１Ｘ、１８１Ｙは固定枠１８０と同様にＳＯＩ基板の活性層、埋め込み酸化膜、支持層の３層で形成されており、垂直駆動梁１７０Ａ、１７０Ｂより重い部分であり、垂直駆動梁１７０Ａ，１７０Ｂの振動の起点となる。

本実施の形態の光走査装置において、垂直梁１７３Ｘ５、１７３Ｘ６と折り返し部１７１Ｘ５の連結位置と、垂直梁１７３Ｙ５、１７３Ｙ６と折り返し部１７１Ｙ５の連結位置が、他の連結位置に比べて重量化されている。垂直駆動梁が共振振動する時、重量化した折り返し部に位相遅れが発生し、他の梁の振動を抑制するカウンター効果がある。

また、本実施の形態に係る光走査装置において、ミラー１１０とミラー支持体１６１の重心は垂直回転軸Ｖ上に位置する。これは、可動枠１６０が、垂直回転軸Ｖに対して一方の側よりも一方の側の反対側（ミラー支持体接続部Ａ１１、Ａ１３が設けられている側）で重く形成されていること等で実現されている。さらに、上記のようにミラー１１０を垂直回転軸Ｖ方向と水平回転軸Ｈ方向に揺動させることができる本実施の形態の光走査装置においては、ミラー１１０及びミラー支持部１２０の重心は、垂直回転軸Ｖと水平回転軸Ｈの交点に位置する。これにより、ミラー１１０とミラー支持体１６１の重量バランスが最適化され、垂直駆動時のリンギングの発生を抑制することができる。

図５は本実施の形態に係る光走査装置の光走査部の駆動時の姿勢を示す斜視図である。上記の本実施の形態に係る光走査装置の光走査部において、水平駆動梁１５０Ａと水平駆動梁１５０Ｂに所定の電圧を印加することで、捻れ梁１３０Ａ、１３０Ｂを揺動軸又は回転軸として、ミラー支持部１２０に設けられたミラー１１０を水平共振駆動ＨＲにより揺動させることができる。

図６は、従来例に係る光走査装置の光走査部の背骨曲線（圧電素子への印加電圧を高めて振角を拡大した時に共振点を結んだ曲線）の特性図である。周波数を固定して印加電圧を高めると、振角は拡大する。ここで、従来例の光走査装置のアクチュエータでは非線形性が最適化されておらず、共振駆動時に振角を拡大していくと背骨曲線をＢＣは低周波数側あるいは高周波数側に傾く。図面上は高周波数側に傾いている。背骨曲線ＢＣが大きく傾くと、周波数応答に非線形跳躍現象ＮＬが現れやすくなる。非線形跳躍現象ＮＬは、振角の周波数応答において、ある周波数で振角が急激に変化する現象である。非線形跳躍現象ＮＬは、圧電素子が持つ逆圧電特性の非線形性（圧電非線形性）と、アクチュエータが持つ構造非線形性の総和である非線形性に起因して出現する。

上記のように非線形性が最適化されていない従来例では、周波数に対する振角の特性曲線において、非線形性に起因して背骨曲線が低周波数側あるいは高周波数側に傾く現象が生じていた。この場合、駆動電圧を高めても振角が飽和してしまい、大振角を実現できない。

また、上記の従来例では、背骨曲線で示される通り、共振点で駆動させようとすると振角拡大により共振周波数がシフトしてしまう。さらに、少しでも振角を拡大するため非線形跳躍現象発生付近の周波数帯で駆動すると、外部温度変化や経年劣化により周波数変化が発生した際、急激に振角が減少してしまう。

図７は背骨曲線に関する問題点を説明するための図である。背骨曲線は、図７（Ａ）に示されるように圧電非線形性が強いと周波数が高い側へ傾き、図７（Ｂ）に示されるように構造非線形性が強いと周波数が低い側へ傾く。圧電非線形性と構造非線形性のつり合いが取れれば、アクチュータ全体としての非線形がなくなる。

しかしながら、ある一定値を取る圧電非線形に対し、アクチュエータは構造非線形を変化させると、同時にばね定数ｋも変化するため、構造非線形定数βに応じたばね定数ｋの最適値が存在する。

非線形方程式の理論式としてのダフィング方程式を下記式（２）に示す。

ここで、Ｊ：イナーシャ、θ：ミラー振角、ｔ：時間、Ｃ：減衰係数、ｋ：バネ定数、β：構造非線形定数、Ｔ：トルク（逆電圧による回転力）、ω：角周波数である。

ダフィング方程式を用いてβとｋの関係式として、実験的に求めた周波数が高い側へ傾く圧電非線形背骨曲線とつり合うように周波数が低い側へ傾く構造非線形を求めた結果を下記式（３）に示す。

図８は、上記の式（３）をグラフ化したものであり、本実施の形態に係る光走査装置の光走査部のｋ（バネ定数）に対するβ（構造非線形定数）の関係を示す図である。横軸はｋ［Ｎｍ／ｒａｄ］、縦軸はβ［Ｎｍ／ｒａｄ^３］である。式（３）に対応する直線を非線形０ラインとして示している。図中、非線形０ラインよりもβが大きい領域Ａ１では、背骨曲線が低周波数側へ傾く。非線形０ラインよりもβが小さい領域Ａ２では、背骨曲線が高周波数側へ傾く。

＜第１実施例＞
図９は実施例１～６及び比較例１～２に係る光走査装置の光走査部のｋ（バネ定数）に対するβ（構造非線形定数）の関係を示す図である。図９に示されるβとｋの関係を有する光走査装置の光走査部について、振角の周波数応答（周波数に対する振角の特性）をシミュレーションにより算出した。

図１０は実施例１に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。実施例１は、背骨曲線の傾きは見られず、非線形振動は生じていない。尚、以下の実施例２～６と比較例１～２に関する背骨曲線は、実施例１の最大振角で規格化した振角により示している。

図１１は実施例２に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。実施例２は、構造非線形性が強めで、背骨曲線は低周波数側に傾いているが、非線形跳躍現象は発生していない。

図１２は比較例１に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。比較例１は、構造非線形性が強く、背骨曲線は低周波数側に大きく傾き、非線形跳躍現象が発生している。

図１３は実施例３に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。実施例３は、圧電非線形性が強めで、背骨曲線は高周波数側に傾いているが、非線形跳躍現象は発生していない。

図１４は比較例２に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。比較例２は、圧電非線形性が強く、背骨曲線は高周波数側に大きく傾き、非線形跳躍現象が発生している。

図１５は実施例４に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。実施例４は実施例１とほぼ同等の特性であり、背骨曲線の傾きは見られず、非線形振動は生じていない。

図１６は実施例５に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。実施例５は実施例２とほぼ同等の特性であり、構造非線形性が強めで、背骨曲線は低周波数側に傾いているが、非線形跳躍現象は発生していない。

図１７は実施例６に係る光走査装置の光走査部の周波数に対する振角の特性を示す図である。実施例６は実施例３とほぼ同等の特性であり、圧電非線形性が強めで、背骨曲線は高周波数側に傾いているが、非線形跳躍現象は発生していない。

実施例１と実施例４は、上記の半実験、半理論的に求めた下記式（３）で示される非線形０ライン上に乗ったβとｋの組み合わせを有する。実施例１と実施例４では、背骨曲線の傾きは見られず、非線形振動は生じていない。

実施例２と実施例５は、下記式（４）で示される非線形上限ライン上に乗ったβとｋの組み合わせを有する。実施例２と実施例５では、構造非線形性が強めで、背骨曲線は低周波数側に傾いているが、非線形跳躍現象は発生していない。非線形上限ラインよりの上方の領域においては、比較例１にように、背骨曲線は低周波数側に大きく傾き、非線形跳躍現象が発生している。

実施例３と実施例６は、下記式（５）で示される非線形下限ライン上に乗ったβとｋの組み合わせを有する。実施例３と実施例６では、圧電非線形性が強めで、背骨曲線は低周波数側に傾いているが、非線形跳躍現象は発生していない。非線形下限ラインよりの下方の領域においては、比較例２にように、背骨曲線は高周波数側に大きく傾き、非線形跳躍現象が発生している。

上記の式（３）、式（４）及び式（５）をまとめて、非線形下限ラインと非線形上限ラインで挟まれた領域を示す式として、以下のように記載できる。

ここで、３．５≦Ａ≦１５．５である。

上記の本実施の形態に係る光走査装置の光走査部を構成するアクチュエータは、アクチュエータの共振駆動時の非線形振動による跳躍現象の発生を抑制し、大振角での安定な駆動が可能である。背骨曲線の傾きがない、あるいは非常に小さく、共振点で駆動させて振角拡大したとき共振周波数のシフトがない、あるいは非常に小さい。非線形跳躍現象が発生しないので、外部温度変化や経年劣化による周波数変化が発生した際の急激に振角減少を抑制できる。

＜第２実施例＞
図１８は実施の形態に係る光走査装置の光走査部の要部を拡大した平面図である。非線形０ライン上の実施例１の光走査装置に対して、非線形上限ライン上の実施例２は、以下の点のサイズを変更して実現した。（１）領域Ｔ１における捻れ梁の最小部の幅を小さくする。（２）領域Ｔ２における連結梁の最小部の幅を大きくする。（３）領域Ｔ２における連結梁の長さを短くする。（４）水平駆動梁の幅ＷＤＢを大きくする。

非線形０ライン上の実施例１の光走査装置に対して、非線形下限ライン上の実施例３は、以下の点のサイズを変更して実現した。（１）領域Ｔ１における捻れ梁の最小部の幅を大きくする。（２）領域Ｔ２における連結梁の最小部の幅を小さくする。（３）領域Ｔ２における連結梁の長さを長くする。（４）水平駆動梁の幅ＷＤＢを小さくする。

上記のように、領域Ｔ１の捻れ梁の剛性が高く、領域Ｔ２の連結梁および水平駆動梁の剛性が低いとβは小さくなる傾向がある。逆に、領域Ｔ１の捻れ梁の剛性が低く、領域Ｔ２の連結梁および水平駆動梁の剛性が高いとβは大きくなる傾向がある。

また、βとｋを変化させると、（１）駆動共振周波数、（２）駆動電圧感度、（３）ミラーの静的／動的平面度、（４）使用振角と最大振角（応力限界）、（５）垂直駆動源の共振周波数との整合性の各特性も変化するため、光走査装置の仕様を考慮しながら、最適なβとｋの組み合わせを導出する必要がある。

＜変形例１＞
図１９は変形例１に係る光走査装置の光走査部の斜視図である。図１９に示される光走査装置の光走査部は、共振１軸駆動ＭＥＭＳミラーである。光走査部は、ミラー１１１０を支持するミラー支持部１１２０の両側に捻れ梁１１３０Ａ、１１３０Ｂが接続され、捻れ梁１１３０Ａ、１１３０Ｂは連結梁を介して水平駆動梁１１５０Ａ、１１５０Ｂが接続され、水平駆動梁１１５０Ａ、１１５０Ｂは固定枠に接続されている。上記の図３及び図４に示される構成の光走査装置の光走査部に対して、垂直駆動梁をなくし、可動枠を固定枠に変更した構成に相当する。変形例１の光走査部の水平駆動梁は、共振駆動によりミラー支持部を駆動する。図１９に示される光走査装置の光走査部であるアクチュエータにおいても、上記の式（１）を満たす構成とすることで、アクチュエータの共振駆動時の非線形振動による跳躍現象の発生を抑制し、大振角での安定な駆動が可能である。

＜変形例２＞
図２０は変形例２に係る光走査装置の光走査部の斜視図である。図２０に示される光走査装置の光走査部は、共振／共振２軸駆動ＭＥＭＳミラーである。光走査部は、ミラーを支持するミラー支持部１１２０の両側に捻れ梁１１３０Ａ、１１３０Ｂが接続され、捻れ梁１１３０Ａ、１１３０Ｂは連結梁を介して水平駆動梁１１５０Ａ、１１５０Ｂが接続され、水平駆動梁１１５０Ａ、１１５０Ｂは可動枠１１６０に接続されている。可動枠１１６０には垂直駆動梁１１７０Ａ、１１７０Ｂが接続され、水平駆動源１１７１Ａ、１１７１Ｂが形成された梁を介して固定枠に接続されている。変形例２の光走査部の水平駆動梁は、水平駆動部の共振駆動により水平回転軸の周りを回転する方向にミラー支持部を駆動し、さらに、垂直駆動部及び垂直駆動源１７０の共振駆動により垂直回転軸の周りを回転する方向にミラー支持部を含む可動枠を駆動する。図２０に示される光走査装置の光走査部であるアクチュエータにおいても、上記の式（１）を満たす構成とすることで、アクチュエータの共振駆動時の非線形振動による跳躍現象の発生を抑制し、大振角での安定な駆動が可能である。

以上、好ましい実施の形態について説明したが、上述した実施の形態に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施の形態に種々の変形及び置換を加えることができる。例えば、上記の実施の形態では、ミラーを有する光走査装置にアクチュエータを適用した形態を説明しているが、アクチュエータの駆動対象物はミラーでなくてもよく、本発明はミラーを持たないアクチュエータにも適用することが可能である。また、本発明の光走査装置は、プロジェクション装置にも適用可能である。

１００、１００Ａ 光走査部
１１０ ミラー
１２０ ミラー支持部
１２２ スリット
１３０Ａ、１３０Ｂ 捻れ梁
１４０Ａ、１４０Ｂ 連結梁
１５０Ａ、１５０Ｂ 水平駆動梁
１５１Ａ、１５１Ｂ 水平駆動源
１６０ 可動枠
１６１ ミラー支持体
１７０Ａ、１７０Ｂ 垂直駆動梁
１７１Ａ、１７１Ｂ 垂直駆動源
１７１Ｘ１～１７１Ｘ５、１７１Ｙ１～１７１Ｙ５ 折り返し部
１７３Ｘ１～１７３Ｘ６、１７３Ｙ１～１７３Ｙ６ 垂直梁
１７４Ｘ０～１７４Ｘ５、１７４Ｙ０～１７４Ｙ５ リブ
１８１Ｘ、１８１Ｙ 固定部
１８０ 固定枠
１９１、１９２、１９５、１９６ 圧電センサ
２００ セラミックパッケージ
３００ パッケージカバー
３００Ａ 開口部
１０００ 光走査装置

Claims (6)

1. 駆動対象物を支持する捻れ梁と、
   圧電素子である 駆動源が形成された駆動梁と、
   前記捻れ梁と前記駆動梁を連結する連結梁と、
   前記駆動梁が固定される枠体と、を備え、
   前記駆動源に駆動される 前記駆動梁の共振駆動によって前記捻れ梁に所定の軸の周りを回転する方向の力を加えて前記駆動対象物を揺動させる、アクチュエータであり、
   前記アクチュエータの構造非線形定数をβ［Ｎｍ／ｒａｄ^３］とし、前記アクチュエータのばね定数をｋ［Ｎｍ／ｒａｄ］としたときに、下記式（１）を満たす、アクチュエータ。
   

   

   
   ここで、３．５≦Ａ≦１５．５である。
2. 前記枠体の外周に設けられた固定枠と、
   前記枠体と前記固定枠とを接続して設けられた第２の駆動梁と、を有する
   請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第２の駆動梁の駆動によって前記所定の軸と直交する第２の軸の周りを回転する方向に前記枠体を含む前記駆動対象物を揺動させる
   請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記第２の駆動梁の表面に前記第２の駆動梁を駆動する圧電素子である第２の駆動源が形成されている
   請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記第２の駆動梁の根元に設けられた梁に前記第２の駆動梁を駆動する圧電素子である第２の駆動源が形成されている
   請求項３に記載のアクチュエータ。
6. 光反射面を有するミラーと、
   前記ミラーを支持するミラー支持部と、
   前記ミラー支持部を支持する捻れ梁と、
   圧電素子である 駆動源が形成された駆動梁と、
   前記捻れ梁と前記駆動梁を連結する連結梁と、
   前記駆動梁が固定される枠体と、を備え、
   前記駆動源に駆動される 前記駆動梁の共振駆動によって前記捻れ梁に所定の軸の周りを回転する方向の力を加えて前記ミラー支持部を揺動させる、アクチュエータを含み、
   前記アクチュエータの構造非線形定数をβ［Ｎｍ／ｒａｄ^３］とし、前記アクチュエータのばね定数をｋ［Ｎｍ／ｒａｄ］としたときに、下記式（１）を満たす、光走査装置。
   

   

   
   ここで、３．５≦Ａ≦１５．５である。

Images