JPH01200321A - 高速振動光偏向装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 この発明は、反射鏡を用いた光の偏向装置に係り、その
反射鏡を圧電振動子と交流電源とを用いて高速で振動で
きるようにした光の偏向装置に用いる。その特徴は、半
導体集積回路の作製過程で用いられるような微細加工技
術を利用し、機械的な固有振動モードを有するように形
状加工を施した反射鏡と圧電振動子とを組合せ、該反射
鏡に入射した光線の光軸方向を時間的に連続偏向させる
装置に係り、特に振動源として圧電振動子を用いること
で外部からの電気信号に応じて固有の定在波を反射鏡に
生じさせて、光の偏向を効率良く行わせるものであり、
最大偏向角が大きく、かつ、数百ＫＨｚという高周波に
おける光線の繰り返し走査を可能とした高速振動光偏向
装置（旦ｉｇｈｓｐｅｅｄ−−Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ　
０ｓｃｉｌｌａｔｅｄ　Ｄｅｆｌｅｃｔｏｒ）に関する
ものである。

〔従来の技術〕

従来の光の偏向装置としては、センサ技術（昭和６２年
５月号、情報調査会発行）に開示されているようにポリ
ゴンミラー等で代表される回転反射鏡方式や音叉の共振
を利用する音叉方式（特開昭第５２−１１７１４号）等
が考え出されている。

回転反射鏡方式は、高精度に加工された多面反射鏡を機
械的に回転させるものであり、レーザプリンタ等に応用
されている。

この回転反射鏡方式によるものは構造が非常に簡単でし
かも大きな偏向角を取り得るという特徴を有している。

しかしながら、回転機構にモータ等を用いた機械的駆動
方式であるために耐久性及び信頼性に欠け、構造も大が
かりなものとなる。また、偏向の繰り返し走査周波数も
特殊なものを除けば、概ね数１０に七以下である。

一方、音叉方式の光の偏向装置は、例えば、同一出願人
による発明「音叉を用いた振動装置（特開昭第５２−１
１７１４１号）」のように音叉の先端に反射鏡を取り付
け、該音叉を電磁石で励振することにより共振させて、
前記音叉の先端に取り付けられた反射鏡を振動させ、入
射した光線の光軸を振らせることにより偏向させるもの
である。

この音叉方式によるものは、音叉本来の物理的性質を利
用したものであるために、前記した回転反射鏡方式によ
るものと比較し、耐久性及び信頼性で優れており、また
高速（数〜数１０Ｋ　Ｈｚ　）に光を偏向させることが
可能である。

その上、偏向角も大きく取れることから、種々の光応用
計測装置、例えば非接触変位測定器（特開昭第６１−１
６８３号）等の内部で光を走査する装置として応用され
ている。

しかしながら、光応用計測の分野では、生産現場の自動
化、省力化のために現在よりもさらに高速性の優れた製
品が要求されるようになってきている。したがって、数
１０ＫＨｚ以上の高速度で繰り返し走査可能な高速光偏
向装置が必要である。

この音叉方式を用いた光の偏向装置は、現在よりさらに
、高速な繰り返し周波数（数〜数百Ｋ　）Ｉｚ以上）で
光を偏向させようとすれば音叉そのものが高速振動する
ように作製しなければならない。

しかし、音叉の固有振動数を現在のものより高くするに
は物理上の問題及び構造上の問題により困難な点が多い
。

この他に、偏向の繰り返し走査周波数を高くすることを
主目的として開発された同一出願人による発明「定在波
を利用した光変向装置（特願昭筒５９−２７４１４８号
）」では、偏向の繰り返し走査周波数を数百Ｋ　Ｉｉｚ
と非常に高速にすることが可能であるが、しかし、偏向
角が０．１５度と小さいために実用上制限があった。

〔発明が解決しようとする課題〕

以上、述べたように、従来技術による光の偏向装置では
、回転反射鏡方式の場合、構造が簡単で大きな偏向角が
得られるが機械的駆動方式であるために耐久性及び信頼
性に欠け、その上、繰り返し走査周波数も低いという欠
点がある。

また、音叉方式を用いた光の偏向装置では、現在よりも
さらに高速なサンプリングを必要とする場合など、音叉
の物理上の問題及び構造上の問題により実現が困難であ
った。

さらに、定在波を利用した光の偏向装置は、容易に数百
Ｋ　Ｉ（ｚという非常に高速な繰り返し周波数を達する
ことができるとともに圧電振動子の物理的厚み振動を反
射鏡の振動源として利用しているために信頼性及び耐久
性に優れる等の特徴を有しζいるが、しかし、質量の分
散を施していない反射鏡は振動による変形を起こし難く
、さらに圧電振動子の厚み振動の振幅が本質的に小さい
という理由も加わって反射鏡上に生じる定在波の振幅が
小さく、その結果、最大偏向角が０．１５度程度しか得
られていなかった。

〔課題を解決するための手段〕

この発明は、以上述べたような課題を解決するためにな
されたもので、その表面に第１の電極を備えた基板に共
振周波数の高い（数百Ｋ　Ｈｚ以上）圧電振動子を設置
し、該圧電振動子の上部に第２の電極を設け、さらに、
半導体集積回路の作成過程で用いられるような微細加工
技術で質量の分散が生じるように表面もしくは裏面に凹
凸加工を施した反射鏡を、その両端が片持ちの状態とな
るように前記第２の電極上に該反射鏡のほぼ中央部分を
載置するような構成を採用している。

〔作用〕

この構成によれば、前記圧電振動子に共振周波数の電気
信号を加えた場合、該圧電振動子が共振を起こし、最大
振幅で厚み振動を生じる。

その結果、該圧電振動子に固定された前記反射鏡は振動
のエネルギーを受けることになる。

しかしながら、該反射鏡は両端とも片側支持すなわち、
両端とも自由端となっているために該反射鏡上に定在波
が生じる。

この定在波は、該反射鏡に質量の分散を施しであるため
に微細加工を施していない均一な反射鏡と比較して振幅
が大きなものとなる。

このようにして生じた前記反射鏡における大きな振幅を
もつ定在波の節で光を反射させることにより入射してき
た光の反射光軸方向を偏向させれば、光の偏向を効率良
く行わせることが可能である。さらに、定在波の振幅が
大きいために最大偏向角を大きく取ることが可能となる
。

したがって、このような手段を用いると、従来技術の光
の偏向装置では、なし得なかった高い繰り返し走査周波
数で偏向が可能で、かつ、大きな最大偏向角が得られる
ようになる。

〔実施例〕

第１図は、本発明に係る高速振動光偏向装置の一実施例
を示す構造図である。

同図において、ｌは電極形成が可能な基板を示し、２は
該基板１上に形成された第１の電極を示す。この第１の
電極２は、該基板１を導電性のあるアルミ、銅などによ
り作製するか、金メツキ等の表面処理により作製する。

３は前記基板１上に固着された共振周波数の高い圧電振
動子を示す。

この圧電振動子３と該基板ｌとの固着には銀ペースト等
のように導電性があり、その上、硬化後の硬度が高い材
料の接着剤を用いる。４は該圧電振動子３の上部に形成
された第２の電極を示す。５は該第２の電極４上に中央
部を固着し、その両端が自由振動できるようにした反射
鏡を示す。この反射鏡５には半導体集積回路の作製過程
で用いられるような微細加工技術を利用し、機械的な固
有振動モードを有するような形状加工を施したものを用
いる。６は前記圧電振動子３に電力を供給するための交
流電源を示す。７は前記第１の電極２と該交流電源６と
を接続するための第１のリード線を示す。８は前記第２
の電極４と該交流電源６とを接続するための第２のリー
ド線を示す。９は本発明に係る高速振動光偏向装置の全
体を示す。

以下、この発明の動作原理を第２図（ａ）、第２図（ロ
）、第３図及び第４図を用いて説明する。

第２図（ａ）及び第２図（ロ）は、本発明に係る高速振
動光偏向装置９の動作を示す。

圧電振動子３の上部に形成された第２の電極４と基板１
上に形成された第１の電極２との間に交流の電気信号を
加えると圧電振動子３自体が、加えた電気信号の周波数
に応じた厚み振動を繰り返す。そのために該圧電振動子
３のｔ部に固着された反射鏡５に振動が伝わり、該反射
鏡５は中央部固定、すなわち両端が自由振動できる片持
ち状態であるため、前記圧電振動子３の厚み振動の周波
数が該反射鏡５の固有振動数に一致する振動数で該反射
鏡５に定在波が生じる。この定在波の振動は、時間的に
第２図（ａ）及び第２図（ｂ）に示すような状態を繰り
返している。そのため、ある一定方向から入射してくる
入射光に対し、該反射鏡５の反射面の角度方向が時間と
ともに変化し、該反射鏡５で反射される光の光軸方向が
変化する光の偏向装置となる。

この発明に係る高速振動光偏向装置における最大偏向角
度は反射鏡の傾きに依存する。この反射線の傾きをΔと
すると、次式で表わされる。

Δ＝π・Ａｌ１　　−・−・・・−・−・・・−（１）
ここで、Ａは反射ｗｔｓ上に生じた定在波の振動の振幅
であり、λは定在波の波長を示している。

したがって、上記（１）式より定在波の振幅を大きくす
るか、定在波の波長を小さくすることができれば、光の
最大偏向角度も大きくすることが可能である。

第３図は、定在波の振動の振幅を大きくする目的で半導
体集積回路の作製過程に用いられる微細加工技術を利用
し、質量の分散を行った前記反射鏡５の構造図である。

試作素子では、厚みの厚い部分が約２００μ請となるよ
うに、また、薄い部分が約１００μ−となるように微細
加工を行った。第３図の中央１部分Ｂに前記圧電振動子
３が取り付けられ、該圧電振動子３から与えられる振動
のエネルギーが前記反射鏡５全体に伝わる形状をしてい
る。

この振動のエネルギーは、該反射鏡５に定在波を生じさ
せるが、第３図に示したように該反射鏡５に質量の分散
があるため振動の運動エネルギーの分布が場所によって
異なる。

大きな振幅の振動が得られる状態は板厚の厚い部分が主
に運動エネルギーを吸収して振動する状態であり、該反
射鏡５の板厚の厚い部分にエネルギーは集中し、定在波
は生じる。

そのため、板厚の厚い部分は重りとして、また薄い部分
は板ばねとして働くようになり、これらは定在波が生じ
た場合、各々腹の部分と節の部分に相当することになる
。

以上、述べたように微細加工技術を利用し、該反射鏡５
の質量の分散を行うことにより振動の運動エネルギーを
部分的に集中し、定在波の振幅を大きくすることができ
、最大偏向角度が大きな光の偏向装置が得られる。試作
した本発明に係る高速振動光偏向装置の最大偏向角度は
、２度以上取れることが確認されている。

第４図は、試作した本発明に係る高速振動光偏向装置の
実験結果を示すオシロスコープにおける波形を模式した
図である。

図において、上部信号はＨ，−Ｎ、レーザ光を本発明に
係る高速振動光偏向装置に入射し、偏向させた状態で２
００μｍのピンホール上を走査させ°ζ光電変換器によ
り電気信号を得たものである。

下部信号は前記圧電振動子３に外部から加えた電気信号
を示している。

以−ヒの実験結果より、試作した本発明に係る高速振動
光偏向装置が繰り返し走査周波数４００Ｋｌｌｚで高速
偏向動作していることが分かる。

〔発明の効果〕

以−ヒ、説明したように、この発明の高速振動光偏向装
置は、半導体４ＪＡ積回路の作製過程で用いられるよう
な微細加工技術を利用し、機械的な固有振動モードを有
するように形状加工を施した反射鏡と、電気信号で制御
できる共振周波数の高い圧電振動子（数百ＫＨｚ以上）
とを組み合せ、光の偏向効率を良くしたために最大偏向
角が大きく、かつ、数百ＫＨｚという高速での光線の繰
り返し走査が可能となった。

したがって、光の高速走査による光信号の変調を得るこ
とが可能となるために高速（数百ＫＨｚ以上）なサンプ
リング等が可能となり、構造が非常に簡単で、しかも、
信頼性が高い。そのため、生産現場の自動化、省力化に
適した非接触変位測定器等の光応用計測機器に利用でき
る。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る高速振動光偏向装置の一実施例に
よる構造図を示す。 第２図（ａ）及び第２図（ｂ）は本発明に係る高速振動
光偏向装置の基本的動作状態を示す。 第３図は微細加工技術を利用し、機械的な固有モードを
有するように形状加工を施した反射鏡の構造図を示す。 第４図は実際に試作した本発明に係る高速振動光偏向装
置の実験結果（走査周波数）をオシロスコープで観廁し
た波形を模式したものである。 図において、ｌは基板、２は第１の電極、３は圧電振動
子、４は第２の電極、５は反射鏡、６は交流電源、７は
第１のリード線、８は第２のリード線、９は本発明に係
る高速振動光偏向装置の全体をそれぞれ示す。 特許出願人　　　　　アンリッ株式会社代理人　　弁理
士　　小　池　龍　太　部第１図 第３図

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 　表面に第１の電極（２）を備えた基板（１）と；該第
   １の電極（２）上に設置され、電気信号を加えると厚み
   振動をする圧電振動子（３）と；該圧電振動子（３）の
   上部に、設けられた第２の電極（４）と；該第２の電極
   （４）上にほぼ中央部を固着し、両端が自由振動可能で
   、かつ、質量の分散を行うために表面もしくは裏面に凹
   凸加工を施した反射鏡（５）とを備えた高速振動光偏向
   装置。