JPH10197819A

JPH10197819A - 光スキャナ

Info

Publication number: JPH10197819A
Application number: JP442197A
Authority: JP
Inventors: Keizo Yamada; 恵三山田; Toshihide Kuriyama; 敏秀栗山
Original assignee: NEC Corp
Current assignee: NEC Corp
Priority date: 1997-01-14
Filing date: 1997-01-14
Publication date: 1998-07-31
Anticipated expiration: 2017-01-14
Also published as: JP3129219B2

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の静電気を利用した光スキャナでは、ミ
ラーの回転角を大きく取れない事や構造が複雑になる事
などの課題があり、また、２次元の光スキャンにおい
て、低い周波数で駆動される部分の中に高い周波数で駆
動される部分が配置され、２軸周りの回転運動の駆動周
波数が大きく異なる場合は、ミラーの回転運動を効率良
く起こすことが困難であった。【解決手段】この光スキャナは、光を反射するための
板状のマイクロミラー１と、一直線上に位置してマイク
ロミラー１の両側を支持する一対の回転支持体２と、一
対の回転支持体２が接続され、ミラー１の周辺を囲う枠
部３と、枠部３に並進運動を加える圧電素子４とを備
え、かつ、一対の回転支持体２を結ぶ直線上以外の場所
にミラー１の重心を位置させてなる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は光を偏向して光走査
する光スキャナに関し、特に、シリコンマイクロマシン
ニング技術を利用して作られた大振幅動作が可能な小型
可動ミラーを持つ光スキャナに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、小型化できる光スキャナとして、
ミラーを回転して光を偏向する装置が幾種類か開発され
ている。例えば、特開平６−４３３６８号公報及び特開
平６−１８０４２８号公報に示される様に、直交する２
つの軸回りの回転振動系を持つミラーが知られている。
このミラーによれば、１つの光スキャナで２軸方向に光
を偏向できるという利点がある。また、上記各公報に記
載の装置は静電力を利用して駆動するところに特徴があ
る。この様な装置では、駆動されるミラーの直ぐ下にわ
ずかなギャップを空けて駆動電極が配置され、導電体か
らなるミラーと、駆動電極とで一つのコンデンサが構成
される。

【０００３】ミラーと、このミラーに対向する駆動電極
との間に電圧を加えると、ミラーと駆動電極の間に静電
力が生じるため、ミラーは駆動電極に引き寄せられる。
そのため、ミラーは回転軸を中心とした回転運動を起こ
す。駆動電極は２つの軸ごとに設けられており、それぞ
れの軸周りの回転運動は、それぞれの軸に対応した駆動
電極とミラーの間に制御電圧を加えることによって行わ
れる。

【０００４】以下、従来の光スキャナの構成例を図１９
を参照して説明する。図１９は、特開平６−１８０４２
８号公報に示された従来の光スキャナを示し、同図
（ａ）は平面図、同図（ｂ）は断面図である。

【０００５】図１９において、従来の光スキャナは、光
を反射し、Ｘ軸方向に変位可能なミラー２０１と、ミラ
ー２０１を両側から支持するＸ軸走査用の梁部２０２
と、Ｘ軸走査用の梁部２０２と一体でその外側に形成さ
れ、前記Ｘ軸方向と直交するＹ軸方向に変位可能な静電
吸引部２０３と、静電吸引部２０３を両側から支持する
Ｙ軸走査用の梁部２０４と、ミラー２０１と静電吸引部
２０３の裏面に対向する位置に配置されたＸ軸，Ｙ軸方
向駆動電極２０５，２０６と、これらの駆動電極が形成
された電極基板２０７と、前記駆動電極２０５，２０６
とミラー２０１の間に存在して前記駆動電極２０５，２
０６を絶縁するための絶縁膜２０８と、ミラーの変位に
対しミラーの撓みが生じないように支持し、ミラーと前
記駆動電極間のギャップを決める支持スペーサ部２０９
とから構成されている。前記ミラー２０１、Ｘ，Ｙ軸走
査用の梁部２０２，２０４、および静電吸引部２０３は
シリコン基板２１０を形成してなる。さらに、前記駆動
電極２０５，２０６の配線部２１１は、静電力がミラー
２０１に作用しない平面上に形成されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】上記従来の静電気を利
用した光スキャナは、静電力がミラーと駆動電極間距離
の２乗に反比例するため、ミラーを駆動するのに十分な
静電力を与えるためには、ミラーに対向して狭いギャッ
プを介して駆動電極を配置することが必要であった。そ
のため、ミラーの運動は駆動電極との接触により制限さ
れ、ミラーの回転角を大きく設定できないという課題が
あった。

【０００７】また、２軸の回転を制御する場合、従来は
それぞれの回転を制御するために独立した駆動電極を複
数配置し、かつ、それぞれに独立した電圧を給電する必
要があり、さらに電極の配線部による静電力がミラーに
作用することを防ぐためには、特開平６−１８０４２８
に示されたように配線部は駆動電極とは別の平面上に形
成することが必要であるなど構造が複雑になるという課
題があった。

【０００８】また、低い周波数で駆動される部分の中に
高い周波数で駆動される部分を有した２次元の光スキャ
ナでは、低い周波数で駆動される部分を支える回転支持
体は、細長い棒状のトーションバー（torsion bar）で
形成されていて、回転方向（ねじれ方向）のスティッフ
ネス（stiffness）が小さいだけでなく、曲がり方向
（たわみ方向）のスティッフネスも小さい。このような
構成において、２軸周りの回転運動の駆動周波数が大き
く異なる場合、高い共振周波数をもつ回転振動系の回転
運動を起こすために静電力を生じさせると、目的とする
高い共振周波数で回転する力が生じる前に、低い周波数
で駆動される回転振動系の支持体が容易に曲がる。その
結果、ミラー全体として並進運動が起こり、ミラーの回
転運動を効率良く起こすことが不可能であった。これを
防ぐ方法として特開平６−１８０４２８号公報に記載の
発明では、ミラーの中央部に支持スペーサ部を設けてい
るが、支持スペーサをミラーの回転軸位置に正確にあわ
せることが必要で、構造が複雑で製造も困難になるとい
う課題があった。

【０００９】本発明は、上記従来技術の課題を解消する
ため、構造が簡単で容易にミラーの回転運動を駆動する
ことができ、かつ、光を偏向するミラーの回転角を大き
くすることを可能にする光スキャナを提供することにあ
る。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に第１の発明は、光を反射するための板状のミラーと、
一直線上に位置して前記ミラーの両側を支持する一対の
回転支持体と、前記一対の回転支持体が接続され、前記
ミラーの周辺を囲う枠部と、前記枠部に並進運動を加え
る装置とを備え、かつ、前記一対の回転支持体を結ぶ直
線上以外の場所に前記ミラーの重心を位置させてなる光
スキャナを特徴とする。

【００１１】この発明において前記ミラーが前記一対の
回転支持体を結ぶ直線に対して左右非対称な質量分布を
有するものが考えられ、この場合、前記装置の並進振動
は、前記ミラーと直交するＺ軸方向に沿って加えられる
ことが好ましい。また、前記ミラーが、前記一対の回転
支持体を含む、前記ミラーと平行な面に対して表裏非対
称な質量分布を有しているものの場合、前記装置の並進
振動は、前記ミラーと平行で前記一対の回転支持体を結
ぶ直線と直交するＹ軸方向に沿って発生されることが好
ましい。また、前記ミラーが、前記一対の回転支持体を
結ぶ直線に対して非対称な質量分布を有し、かつ、前記
一対の回転支持体を含む、前記ミラーと平行な面に対し
て非対称な質量分布を有しているものの場合、前記装置
の並進振動は、前記ミラーと直交するＺ軸方向および、
前記ミラーと平行で前記一対の回転支持体を結ぶ直線と
直交するＹ軸方向に沿って発生されることが好ましい。

【００１２】前記枠部に並進運動を加える装置は、前記
ミラーと前記一対の回転支持体とで構成された振動系の
共振周波数と同一ないし近傍の周波数を持つ並進振動を
発生するものである。

【００１３】また第２の発明は、光を反射するための板
状のミラーと、一直線上に位置して前記ミラーの両側を
支持する一対のＹ軸回転支持体と、前記一対のＹ軸回転
支持体が接続され、前記ミラーと平行な面内で前記ミラ
ーの周辺を囲う板状の中間支持部と、前記ミラーと平行
で前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線と直交する一直
線上に位置して、前記中間支持部の両側を支持する一対
のＸ軸回転支持体と、前記一対のＸ軸回転支持体が接続
され、前記中間支持部の周辺を囲う枠部と、前記枠部に
並進運動を加える装置とを備え、かつ、前記一対のＹ軸
回転支持体を結ぶ直線上以外の場所に前記ミラーの重心
を位置させると共に、前記一対のＸ軸回転支持体を結ぶ
直線上以外の場所に前記ミラーあるいは前記中間支持部
の重心を位置させてなる光スキャナを特徴とする。

【００１４】この発明において前記ミラーが前記一対の
Ｙ軸回転支持体を結ぶ直線に対して左右非対称な質量分
布を有し、前記中間支持部が前記一対のＸ軸回転支持体
を結ぶ直線に対して左右非対称な質量分布を有している
ことが考えられ、この場合、前記枠部に並進運動を加え
る装置は、前記ミラーと直交するＺ軸方向に沿って並進
振動を発生すると共に、複数のお互いに異なった振動周
波数を成分としてもち、少なくとも第１の振動周波数
が、前記ミラーと前記一対のＹ軸回転支持体とで構成さ
れた第１の振動系の共振周波数と同一ないし近傍の周波
数であり、第２の振動周波数が、前記第１の振動系と前
記中間支持部と前記一対のＸ軸回転支持体とで構成され
た第２の振動系の共振周波数と同一ないし近傍の周波数
であることが好ましい。

【００１５】また、前記ミラーが、前記一対のＹ軸回転
支持体を含む、前記ミラーと平行な面に対して表裏非対
称な質量分布を有し、前記中間支持部が前記一対のＸ軸
回転支持体を結ぶ直線に対して左右非対称な質量分布を
有している場合、前記枠部に並進運動を加える装置は、
前記ミラーと前記一対のＹ軸回転支持体とで構成された
第１の振動系の共振周波数と同一ないし近傍の周波数
で、前記一対のＸ軸回転支持体を結ぶ直線と平行なＸ軸
方向に沿って並進振動を発生する手段と、前記第１の振
動系と前記中間支持部と前記一対のＸ軸回転支持体とで
構成された第２の振動系の共振周波数と同一ないし近傍
の周波数で、前記ミラーと直交するＺ軸方向に沿って並
進振動を発生する手段とを備えていることが好ましい。

【００１６】また、前記ミラーが、前記一対のＹ軸回転
支持体を含む、前記ミラーと平行な面に対して表裏非対
称な質量分布を有し、前記中間支持部が、前記一対のＸ
軸回転支持体を含む、前記中間支持部と平行な面に対し
て表裏非対称な質量分布を有する場合は、前記枠部に並
進運動を加える装置は、前記ミラーと前記一対のＹ軸回
転支持体とで構成された第１の振動系の共振周波数と同
一ないし近傍の周波数で、前記一対のＸ軸回転支持体を
結ぶ直線と平行なＸ軸方向に沿って並進振動を発生する
手段と、前記第１の振動系と前記中間支持部と前記一対
のＸ軸回転支持体とで構成された第２の振動系の共振周
波数と同一ないし近傍の周波数で、前記一対のＹ軸回転
支持体を結ぶ直線と平行なＹ軸方向に沿って並進振動を
発生する手段とを備えていることが好ましい。

【００１７】また第３の発明は、光を反射するための板
状のミラーと、一直線上に位置して前記ミラーの両側を
支持する一対のＹ軸回転支持体と、前記一対のＹ軸回転
支持体が接続され、前記ミラーと平行な面内で前記ミラ
ーの周辺を囲う板状の中間支持部と、前記一対のＹ軸回
転支持体を結ぶ直線と平行に位置して前記中間支持部の
片側を支持する片持ち梁である一対のＸ軸回転支持体
と、前記一対のＸ軸回転支持体が接続され、前記中間支
持部の周辺を囲う枠部と、前記枠部に並進運動を加える
装置とを備え、かつ、前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ
直線上以外の場所に前記ミラーの重心を位置させてなる
光スキャナを特徴とする。

【００１８】この発明において前記ミラーが前記一対の
Ｙ軸回転支持体を結ぶ直線に対して左右非対称な質量分
布を有することが考えられ、この場合、前記枠部に並進
運動を加える装置は、前記ミラーと直交するＺ軸方向に
沿って並進振動を発生すると共に、複数のお互いに異な
った振動周波数を成分としてもち、少なくとも第１の振
動周波数が、前記ミラーと前記一対のＹ軸回転支持体と
で構成された第１の振動系の共振周波数と同一ないし近
傍の周波数であり、第２の振動周波数が、前記第１の振
動系と前記中間支持部と前記一対のＸ軸回転支持体とで
構成された第２の振動系の共振周波数と同一ないし近傍
の周波数であることが好ましい。

【００１９】また前記ミラーが、前記一対のＹ軸回転支
持体を含む、前記ミラーと平行な面に対して表裏非対称
な質量分布を有する場合、あるいは、前記中間支持部
が、前記一対のＸ軸回転支持体を含む、前記中間支持部
と平行な面に対して表裏非対称な質量分布を有する場合
は、前記枠部に並進運動を加える装置は、前記ミラーと
前記一対のＹ軸回転支持体とで構成された第１の振動系
の共振周波数と同一ないし近傍の周波数で、前記ミラー
と平行で前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線と直交す
るＸ軸方向に沿って並進振動を発生する手段と、前記第
１の振動系と前記中間支持部と前記一対のＸ軸回転支持
体とで構成された第２の振動系の共振周波数と同一ない
し近傍の周波数で、前記ミラーと直交するＺ軸方向に沿
って並進振動を発生する手段とを備えることが好まし
い。

【００２０】また前記ミラーが、前記一対のＹ軸回転支
持体を含む、前記ミラーと平行な面に対して表裏非対称
な質量分布を有する場合で、かつ、前記中間支持部が、
前記一対のＸ軸回転支持体を含む、前記中間支持部と平
行な面に対して表裏非対称な質量分布を有する場合は、
前記枠部に並進運動を加える装置は、前記ミラーと前記
一対のＹ軸回転支持体とで構成された第１の振動系の共
振周波数と同一ないし近傍の周波数で、前記ミラーと平
行で前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線と直交するＸ
軸方向に沿って並進振動を発生する手段と、前記第１の
振動系と前記中間支持部と前記一対のＸ軸回転支持体と
で構成された第２の振動系の共振周波数と同一ないし近
傍の周波数で、前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線と
平行なＹ軸方向に沿って並進振動を発生する手段とを備
えることが好ましい。

【００２１】上述の第１から第３の発明は、前記一対の
回転支持体を結ぶ直線上以外の場所に前記ミラー又は前
記中間支持部の重心を位置させるため、前記ミラーに
穴、溝もしくは重りが形成されているものや、前記中間
支持部に穴、溝もしくは重りが形成されているものでも
よい。

【００２２】そして前記枠部に並進振動を加える装置は
圧電アクチュエータあるいは電磁アクチュエータである
ことが考えられる。

【００２３】また、前記ミラーと直交するＺ軸方向に沿
った振動により２軸回りの回転運動を行う場合、前記圧
電アクチュエータあるいは電磁アクチュエータの駆動信
号は、複数のお互いに異なった周期的電気信号を個別に
発生させて、それぞれの周期的電気信号の振幅及び位相
を調整した後、合成したものである。

【００２４】また、Ｘ軸方向とＺ軸方向、あるいはＸ軸
方向とＹ軸方向に沿った並進振動により各軸回りに個別
に供給する圧電アクチュエータあるいは電磁アクチュエ
ータへの駆動信号は、周期的電気信号を発生させて、そ
の周期的電気信号の振幅及び位相を調整したものであ
る。

【００２５】（作用）本発明は、一対の回転支持体で両
持ち支持されたミラーの質量分布に非対称性を待たせる
ことにより、外部から加えられた並進運動に対して２つ
の回転支持体を結ぶ線を軸とした回転モーメントを発生
させ、ミラーの回転運動を行わせる原理を用いている。

【００２６】特に、回転振動系の共振周波数と等しい周
波数の並進振動を加えると、わずかな駆動力で非常に大
きな回転角度を持つ規則正しいサイン波に近い回転運動
を得ることができる。

【００２７】また、２軸方向に光を偏向する場合、２つ
の振動系の回転運動の振幅と位相を独立に制御する必要
があるが、２つの振動系の共振周波数を互いに異なった
値にとることによって機械的な振動モード分離を行うこ
とにより、１個の並進振動を発生する装置を用いて２つ
の回転運動の振幅と位相を独立に制御できる。例えば、
Ｘ軸回りの回転の共振周波数を６０Ｈｚ、Ｙ軸回りの回
転の共振周波数を１５ｋＨｚにとると、枠部に加える並
進振動の周波数成分の内、６０Ｈｚの振動振幅および位
相を制御することでＸ軸回りの回転の振幅と位相が制御
可能であり、１５ｋＨｚの振幅と位相を制御することで
Ｙ軸回りの回転の振幅と位相が独立に制御できる。

【００２８】さらに、一般的には、ｌつの構造体が、低
い周波数で駆動される部分の中に高い周波数で駆動され
る部分を有して構成される場合、外部から力を加える
と、低い周波数で駆動される部分がローパスフィルター
となって高い周波数成分を吸収してしまい、高い周波数
の駆動力が、高い周波数で駆動されるべき部分に伝達さ
れなくなるので、２軸の駆動を行うことは困難である。
しかし本発明では、低い共振周波数を持つ回転支持体の
長手方向のスティッフネスが回転方向のスティッフネス
に比べ非常に大きいことを利用して、この回転支持体の
長手方向に沿って並進振動を加えられるように構成する
ことにより、高い周波数の駆動力が吸収されることなく
内部に伝達でき、高い共振周波数を持つ部分の回転運動
も容易に駆動できる。

【００２９】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態につい
て図面を参照して説明する。

【００３０】（第１の実施形態）図１は本発明の光スキ
ャナの第１の実施形態の構成を模式的に表した斜視図で
ある。この図に示される形態の光スキャナは、シリコン
チップから形成された、全体で５ｍｍ角程度の大きさで
数ミリグラムの重さの小型可動ミラーを備えている。小
型可動ミラーは、約２ｍｍ角の大きさのマイクロミラー
１と、マイクロミラー１を非対称の質量分布を持つよう
に配分する、Ｘ軸もしくはＹ軸と平行な軸線上に位置し
てマイクロミラー１の両側を支持する幅１０ミクロン厚
み５ミクロン長さ３００ミクロンの大きさの一対のＸ軸
回転支持体２と、Ｘ軸回転支持体２が接続された、マイ
クロミラー１の周辺を囲う幅５００ミクロン程度の枠部
３とをシリコンチップより一体に形成して成る。ここで
「幅」とは図中ＸＹ平面と平行な面における短手方向の
寸法を、「長さ」とは図中ＸＹ平面と平行な面における
長手方向の寸法を、「厚み」とは図１中Ｚ軸方向と平行
な方向の寸法をいう。

【００３１】枠部３の裏側には、平面の面積が前記小型
可動ミラーと同じ程度の大きさで厚みが１ｍｍ程度の圧
電素子４が接合されている。小型可動ミラーと圧電素子
４との総合重量は１ｇ程度である。圧電素子４に求めら
れる駆動力は振動の振幅としてＺ軸に沿った数ミクロン
から数１０ミクロンであり、この圧電素子４に好ましい
ものとして、積層型、バイモルフ型、あるいはムーニー
型などが利用される。

【００３２】このような形態において、圧電素子４に電
圧を加えると、圧電素子４は伸縮を行い、Ｚ軸方向に振
動する。この振動は枠部３に伝達される。マイクロミラ
ー１は、駆動された枠部３に対して相対運動を起こし、
Ｚ軸方向の振動成分がマイクロミラー１に伝えられる
と、マイクロミラー１はＸ軸回転支持体２で成す軸線に
対して左右非対称の質量分布を持つので、Ｘ軸回転支持
体２を中心にマイクロミラー１に回転モーメントが生じ
る。このようにして、圧電素子４によって枠部３に加え
られた並進振動は、マイクロミラー１のＸ軸回転支持体
２を中心とした回転運動に変換される。

【００３３】このマイクロミラー１を利用して光走査を
行って通常のテレビ信号を再生する場合には、上記構成
の光スキャナーを２個用い、それぞれのＸ軸回転の駆動
周波数を垂直走査に対し６０Ｈｚ近傍に、水平走査に対
し１５ｋＨｚ近傍に設定する。

【００３４】２０Ｖ程度の電圧を持つ、共振周波数に対
応する電気信号を圧電素子４に加えると、数ミリアンペ
アの電流が流れて並進振動が起こり、それに準じて１０
度近いマイクロミラー１の回転振動が生じ、光の偏向角
として２０度以上が得られる。

【００３５】（第２の実施形態）図２は本発明の光スキ
ャナの第２の実施形態の構成を模式的に表した斜視図で
ある。この図に示される形態の光スキャナは、第１の実
施形態と同様、シリコンチップから形成された小型可動
ミラーを備えている。小型可動ミラーは、マイクロミラ
ー２１と、マイクロミラー２１を対称の質量分布を持つ
ように配分する、Ｘ軸と平行な軸線上に位置してマイク
ロミラー２１の両側を支持する一対のＸ軸回転支持体２
２と、Ｘ軸回転支持体２２が接続された、マイクロミラ
ー２１の周辺を囲う枠部２３と、マイクロミラー２１の
ミラー面と反対側に配設された回転用おもり２５とをシ
リコンチップより一体に形成して成る。枠部２３の裏側
には、Ｙ軸方向に振動可能な圧電素子２４が接合されて
いる。

【００３６】すなわち本形態では、一対のＸ軸回転支持
体２２を結ぶ直線に対して左右対称の質量分布を持つマ
イクロミラー２１の裏面に回転用おもり２５を形成する
ことによって、マイクロミラー２１が、Ｘ軸回転支持体
２２を含む、ミラー２１と平行な面に対して表裏非対称
の質量分布を持つようにしたことに特徴がある。

【００３７】図２に示した形態では、圧電素子２４によ
りＹ軸に沿った並進振動を枠部２３に加えることで、マ
イクロミラー２１にＸ軸回転支持体２２を中心とした回
転運動を生じさせることができる。回転用おもり３５は
ミラー領域を作る際にシリコンを厚く残すことによって
形成してもよいし、ポリシリコンあるいは他の金属を堆
積して作ってもよい。

【００３８】（第３の実施形態）図３は本発明の光スキ
ャナの第３の実施形態の構成を模式的に表した斜視図で
ある。この図に示される形態の光スキャナは、第１の実
施形態と同様、シリコンチップから形成された小型可動
ミラーを備えている。小型可動ミラーは、マイクロミラ
ー３１と、マイクロミラー３１を非対称の質量分布を持
つように配分する、Ｘ軸と平行な軸線上に位置してマイ
クロミラー３１の両側を支持する一対のＸ軸回転支持体
３２と、Ｘ軸回転支持体３２が接続された、マイクロミ
ラー３１の周辺を囲う枠部３３と、マイクロミラー３１
のミラー面と反対側に配設された回転用おもり３５とを
シリコンチップより一体に形成して成る。枠部３３の裏
側には、Ｙ軸およびＺ軸方向に振動可能な圧電素子３４
が接合されている。

【００３９】すなわち本形態では、Ｘ軸回転支持体３２
を中心とした回転振動系の重心が、Ｘ軸回転支持体３２
の軸線上以外で、かつ、Ｘ軸回転支持体３２を含む、ミ
ラー３１と平行な面以外にある事に特徴がある。言い換
えれば、回転用おもり３５を備えたマイクロミラー３１
の質量分布が、Ｘ軸回転支持体３２を通る軸線に対して
左右非対称になっていると同時に、回転用おもり３５に
より、Ｘ軸回転支持体３２を含む、ミラー３１と平行な
面に対して非対称になっている事に特徴がある。したが
って、マイクロミラー３１は、圧電素子３４により枠部
３３がＹ軸に沿った振動およびＺ軸に沿った振動のどち
らの振動を受けても、Ｘ軸回転支持体３２を中心に回転
運動を生じる。

【００４０】（第４の実施形態）図４は本発明の光スキ
ャナの第４の実施形態の構成を模式的に表した斜視図で
ある。この図に示される形態の光スキャナは、第１の実
施形態と同様、シリコンチップから形成された小型可動
ミラーを備えている。小型可動ミラーは、マイクロミラ
ー４１と、マイクロミラー４１を非対称の質量分布を持
つように配分する、Ｙ軸と平行な軸線上に位置してマイ
クロミラー４１の両側を支持する一対のＹ軸回転支持体
４２と、Ｙ軸回転支持体４２が接続された、マイクロミ
ラー４１の周辺を囲う中間支持部４３と、中間支持部４
３を非対称の質量分布を持つように配分する、Ｘ軸と平
行な軸線上に位置して中間支持部４３の両側を支持する
一対のＸ軸回転支持体４４と、Ｘ軸回転支持体４４が接
続された、中間支持部４３の周辺を囲う枠部４５とを、
シリコンチップより一体に形成して成る。枠部４５の裏
側には、Ｚ軸方向に振動可能な圧電素子４６が接合され
ている。

【００４１】すなわち本形態では小型可動ミラーの回転
軸を２つにし、１つの光スキャナで２次元の光スキャン
を行えるところに特徴がある。２つの独立した回転振動
系を与えるために、小型可動ミラーは同一平面内で互い
に９０度の角度をなすＸ軸回転支持体４２およびＹ軸回
転支持体４３を備えている。マイクロミラー４１は、Ｙ
軸回転支持体４３で成す軸線に対して左右非対称な質量
分布をしている。また、中間支持部４３はＸ軸回転支持
体４４で成す軸線に対して左右非対称な質量分布を有し
ている。

【００４２】このマイクロミラー４１で光走査を行って
通常のビデオ信号を再生する場合には、垂直走査に対応
するＸ軸回転の駆動周波数を６０Ｈｚ、水平走査に対応
するＹ軸回転の駆動周波数を１５ｋＨｚ近傍に設定す
る。

【００４３】圧電素子４６によりＺ軸方向に並進振動さ
せると、マイクロミラー４１は回転支持体で成す軸線に
対して左右非対称な質量分布をしているので、回転支持
体周りに回転モーメントが生じ、マイクロミラー４１は
回転支持体を中心に回転運動を行う。

【００４４】また、２軸の各々の回転を行う共振周波数
が合成された信号で圧電素子４６のＺ軸方向の並進運動
を駆動することにより、一つの圧電素子４６でミラーの
２軸方向の回転振動を効率よく励振することができる。
この場合にも光走査角度１０度以上の性能が容易に得ら
れる。

【００４５】（第５の実施形態）図５は本発明の光スキ
ャナの第５の実施形態の構成を模式的に表した斜視図で
ある。この図に示される形態の光スキャナは、第１の実
施形態と同様、シリコンチップから形成された小型可動
ミラーを備えている。小型可動ミラーは、マイクロミラ
ー５１と、マイクロミラー５１を非対称の質量分布を持
つように配分する、Ｙ軸と平行な軸線上に位置してマイ
クロミラー５１の両側を支持する一対のＹ軸回転支持体
５２と、Ｙ軸回転支持体５２が接続された、マイクロミ
ラー５１の周辺を囲う中間支持部５３と、中間支持部５
３を非対称の質量分布を持つように配分する、Ｘ軸と平
行な軸線上に位置して中間支持部５３の両側を支持する
一対のＸ軸回転支持体５４と、Ｘ軸回転支持体５４が接
続された、中間支持部５３の周辺を囲う枠部５５とを、
シリコンチップより一体に形成して成る。

【００４６】枠部５５のＸ軸方向の一側部には、Ｘ軸方
向に振動可能な圧電素子５６が接合され、枠部５５の裏
側には、Ｚ軸方向に振動可能な圧電素子５７が接合され
ている。

【００４７】すなわち本実施の形態では、第４の実施形
態に代わり、圧電素子が各軸ごとに分離配置した事に特
徴がある。

【００４８】この場合、圧電素子５６はマイクロミラー
５１のＹ軸回りの回転を生じさせるために使われ、圧電
素子５７はＸ軸回りの回転を生じさせるために利用され
る。この様に軸ごとに圧電素子を配置すると、各回転振
動系の共振周波数に適した特性を待つ圧電素子を個別に
使用することが可能になる。そのため、例えば、それぞ
れの圧電素子の駆動周波数を、駆動しようとする回転振
動系の共振周波数に一致あるいは近傍にする事によっ
て、著しく駆動効率を向上できる。

【００４９】なお、第２の実施形態のようにマイクロミ
ラー５１のミラー面と反対側に回転用おもりを付加し
て、マイクロミラー５１が、Ｙ軸回転支持体５２を含
む、ミラー５１と平行な面に対して非対称の質量分布を
持つようにすると、Ｙ軸回りの回転を効率良く生じさせ
ることができる。

【００５０】（第６の実施形態）図６は本発明の光スキ
ャナの第６の実施形態の構成を模式的に表した斜視図で
ある。この図に示される形態の光スキャナは、第１の実
施形態と同様、シリコンチップから形成された小型可動
ミラーを備えている。小型可動ミラーは、マイクロミラ
ー６１と、マイクロミラー６１を非対称の質量分布を持
つように配分する、Ｙ軸と平行な軸線上に位置してマイ
クロミラー６１の両側を支持する一対のＹ軸回転支持体
６２と、Ｙ軸回転支持体６２が接続された、マイクロミ
ラー６１の周辺を囲う中間支持部６３と、中間支持部６
３を非対称の質量分布を持つように配分する、Ｘ軸と平
行な軸線上に位置して中間支持部６３の両側を支持する
一対のＸ軸回転支持体６４と、Ｘ軸回転支持体６４が接
続された、中間支持部６３の周辺を囲う枠部６５とを、
シリコンチップより一体に形成して成る。

【００５１】この実施形態では、第５の実施形態に代わ
り、圧電素子がＸ軸とＹ軸に沿った方向に分離配置され
ている事に特徴がある。すなわち、枠部６５のＸ軸方向
の一側部に、Ｘ軸方向に振動可能な圧電素子６６が接合
され、枠部５５のＹ軸方向の一側部に、Ｙ軸方向に振動
可能な圧電素子６７が接合されている。

【００５２】この場合、圧電素子６５はマイクロミラー
６１のＹ軸回りの回転を生じさせるために利用され、圧
電素子６６は中間支持部６３のＸ軸回りの回転を生じさ
せるために利用される。

【００５３】なお、第２の実施形態のようにマイクロミ
ラー６１のミラー面と反対側に回転用おもりを付加し
て、マイクロミラー６１が、Ｙ軸回転支持体６２を含
む、ミラー６１と平行な面に対して表裏非対称の質量分
布を持つようにすると、Ｙ軸回りの回転を効率良く生じ
させることができ、また同様に、中間支持部６３に回転
用おもりを付加して、中間支持部６３が、Ｘ軸回転支持
体６４を含む、中間支持部６３と平行な面に対して表裏
非対称の質量分布を持つようにしても、Ｙ軸回りの回転
を効率良く生じさせることができる。このようにＸＹ平
面と平行な面に対して表裏非対称の質量分布を持つ場合
に、本形態の圧電素子の配置方式が有効である。

【００５４】（第７の実施形態）ビデオ信号の再生のよ
うに低い垂直周波数と高い水平光走査周波数が同時に必
要な場合には、トーションバ−による支持方法では低い
周波数を実現困難な場合がある。その場合には低い周波
数を受け持つ回転振動系の回転支持体を片持ち梁で構成
すると良い。本実施形態を含めて第９の実施形態まで
は、上記の片持ち梁を備えた構造を説明する。

【００５５】図７は、本発明の光スキャナの第７の実施
形態として上記の片持ち梁を備えた構造を模式的に表し
た斜視図である。この図に示される形態の光スキャナ
は、第１の実施形態と同様、シリコンチップから形成さ
れた小型可動ミラーを備えている。小型可動ミラーは、
マイクロミラー７１と、マイクロミラー７１を非対称の
質量分布を持つように配分する、Ｙ軸と平行な軸線上に
位置してマイクロミラー７１の両側を支持する一対のＹ
軸回転支持体７２と、Ｙ軸回転支持体７２が接続され
た、マイクロミラー７１の周辺を囲う中間支持部７３
と、Ｘ軸と平行な軸線上に位置して中間支持部４３の片
側を支持する一対のＸ軸回転支持体７４と、Ｘ軸回転支
持体７４が接続された、中間支持部７３の周辺を囲う枠
部７５とを、シリコンチップより一体に形成して成る。
枠部７５の裏側には、Ｚ軸方向に振動可能な圧電素子７
６が接合されている。

【００５６】このような実施形態では、低い駆動周波数
を持つ回転振動系が、枠部７５に対して片持ち梁である
Ｘ軸回転支持体７４で支持された中間支持部７３で実現
され、その中間支持部７３の中に、Ｙ軸回転支持体７２
で成す軸線によって左右非対称の質量分布を持つように
両持ち支持されたマイクロミラー７１が配置されている
ところに特徴がある。

【００５７】Ｘ軸回転支持体７４となる片持ち梁の梁厚
みは１ミクロンから数十１０ミクロンであり、梁幅は１
０ミクロン程度である。梁の長さは、駆動周波数による
が、数十ミクロンから１ミリメートル程度である。

【００５８】片持ち梁であるＸ軸回転支持体７４はＺ軸
方向に移動するのが容易なので、圧電素子７６をＺ軸方
向に変位させてマイクロミラー７１のＸ軸回りの運動を
駆動するために利用する。マイクロミラー７１はＹ軸回
転支持体７２で成す軸線に対して左右非対称の質量分布
を持っているので、Ｚ軸に沿った振動を加えることによ
ってＹ軸回りに回転を生じる。従って、Ｚ軸方向の振動
を加えることによって、Ｘ軸回りとＹ軸回りの回転を同
時に起こさせることができる。

【００５９】（第８の実施形態）図８は本発明の光スキ
ャナの第８の実施形態の構成を模式的に表した斜視図で
ある。この図に示される形態の光スキャナは、第１の実
施形態と同様、シリコンチップから形成された小型可動
ミラーを備えている。小型可動ミラーは、マイクロミラ
ー８１と、マイクロミラー８１を非対称の質量分布を持
つように配分する、Ｙ軸と平行な軸線上に位置してマイ
クロミラー８１の両側を支持する一対のＹ軸回転支持体
８２と、Ｙ軸回転支持体８２が接続された、マイクロミ
ラー８１の周辺を囲う中間支持部８３と、Ｘ軸と平行な
軸線上に位置して中間支持部８３の片側を支持する一対
のＸ軸回転支持体８４と、Ｘ軸回転支持体８４が接続さ
れた、中間支持部８３の周辺を囲う枠部５５とを、シリ
コンチップより一体に形成して成る。

【００６０】枠部８５のＸ軸方向の一側部には、Ｘ軸方
向に振動可能な圧電素子８６が接合され、枠部８５の裏
側には、Ｚ軸方向に振動可能な圧電素子８７が接合され
ている。

【００６１】すなわち本実施の形態では、低い周波数を
受け持つ回転振動系の回転支持体が片持ち梁で構成され
るとともに、第７の実施形態に代わり、圧電素子が各軸
ごとに分離配置した事に特徴がある。

【００６２】この様に軸ごとに圧電素子を配置すると、
それぞれの圧電素子の駆動周波数を異ならせることがで
きるので、例えば、Ｘ軸回りの振動を起こさせる圧電素
子８７の駆動周波数を６０Ｈｚ、Ｙ軸回りの振動を起こ
させる圧電素子８６の駆動周波数を１５ｋＨｚに設定で
きる。当然、圧電素子の駆動周波数を回転振動系の共振
周波数に合わせると、大きな振幅が得られる。

【００６３】なお、第２の実施形態のようにマイクロミ
ラー８１のミラー面と反対側に回転用おもりを付加し
て、マイクロミラー８１が、Ｙ軸回転支持体８２を含
む、ミラー８１と平行な面に対して表裏非対称の質量分
布を持つようにすると、Ｙ軸回りの回転を効率良く生じ
させることができる。

【００６４】（第９の実施形態）図９は本発明の光スキ
ャナの第９の実施形態の構成を模式的に表した斜視図で
ある。この図に示される形態の光スキャナは、第１の実
施形態と同様、シリコンチップから形成された小型可動
ミラーを備えている。小型可動ミラーは、マイクロミラ
ー９１と、マイクロミラー９１を非対称の質量分布を持
つように配分する、Ｙ軸と平行な軸線上に位置してマイ
クロミラー９１の両側を支持する一対のＹ軸回転支持体
９２と、Ｙ軸回転支持体９２が接続された、マイクロミ
ラー９１の周辺を囲う中間支持部９３と、Ｘ軸と平行な
軸線上に位置して中間支持部９３の片側を支持する一対
のＸ軸回転支持体９４と、Ｘ軸回転支持体９４が接続さ
れた、中間支持部９３の周辺を囲う枠部９５とを、シリ
コンチップより一体に形成して成る。

【００６５】枠部９５のＸ軸方向の一側部には、Ｘ軸方
向に振動可能な圧電素子９６が接合され、枠部９５のＹ
軸方向の一側部には、Ｙ軸方向に振動可能な圧電素子９
７が接合されている。

【００６６】すなわち本実施の形態では、低い周波数を
受け持つ回転振動系の回転支持体が片持ち梁で構成され
るとともに、圧電素子がＸ軸とＹ軸に沿った方向に分離
配置されている事に特徴がある。

【００６７】一般に、上記のように中間支持部９３の片
側を支持する一対の片持ち梁はＺ軸方向のスティッフネ
ス（stiffness）が他の軸方向に比較して著しく小さい
ので、片持ち梁の共振周波数よりも高いＺ軸並進周波数
成分は内部に導入されない性質がある。そのため本形態
では、圧電素子９６あるいは圧電素子９７の振動方向
が、Ｘ軸回転支持体９４の振動容易な方向であるＺ軸方
向とは異なった方向に起こるように配置されている。こ
のように配置すると、Ｘ軸回転支持体９４のＸ軸周りの
曲げスティッフネスが非常に小さい場合でもＸ軸回転支
持体９４の長手方向であるＹ軸に沿ったスティッフネ
ス、あるいはＸ軸方向に沿ったスティッフネスは非常に
大きいので、枠部９５の外側に配置された圧電素子の振
動を枠部９５の内側にあるマイクロミラー９１に対して
効果的に加えることができる。内部にあるマイクロミラ
ー９１は、ミラーの非対称性より回転力を得るが、マイ
クロミラー９１の一面の一部または全部に回転用のおも
りが備えられていると、Ｙ軸回りに効率良く回転を生じ
させることができる。また同様に、中間支持部９３の一
面の一部または全部に回転用のおもりが備えられている
と、Ｘ軸回りに効率良く回転を生じさせることができ
る。

【００６８】（第１０の実施形態）本実施形態から第１
６の実施形態までは非対称な質量分布を持った振動系を
作成するための構造例を挙げる。

【００６９】図１０は本発明の光スキャナの第１０の実
施形態を構成する小型可動ミラーを模式的に表した斜視
図である。この図に示される形態の小型可動ミラーは、
マイクロミラー１０１と、Ｘ軸と平行な軸線上に位置し
てマイクロミラー１０１の中央の両側を支持する一対の
Ｘ軸回転支持体１０２と、Ｘ軸回転支持体１０２が接続
された、マイクロミラー１０１の周辺を囲う枠部１０３
とを、シリコンチップより一体に形成して成る。そし
て、マイクロミラー１０１が、Ｘ軸回転支持体１０２で
成す軸線に対して左右非対称な質量分布を持つように、
マイクロミラー１０１の表面に穴１０４あるいは溝が設
けられている。

【００７０】穴１０４の大きさはマイクロミラー１０１
の大きさにも依るが、数ミクロンから数百ミクロンの範
囲が望ましい。貫通穴を開けてしまうとミラーの面積が
減少するので、穴はミラー面とは逆側から形成し、途中
で止められていることが望ましい。もちろん、穴を掘っ
たあと穴の空間を質量密度の違うもので埋めても構わな
い。この工程には超ＬＳＩで利用される埋め込み配線に
使われる研磨プロセスを用いてもよい。穴はマイクロミ
ラー周辺部に設けるほど振動効果が大きくなる。

【００７１】（第１１の実施形態）図１１は本発明の光
スキャナの第１１の実施形態を構成する小型可動ミラー
を模式的に表した斜視図である。この図に示される形態
の小型可動ミラーは、マイクロミラー１１１と、Ｙ軸と
平行な軸線上に位置してマイクロミラー１１１の中央の
両側を支持する一対のＹ軸回転支持体１１２と、Ｙ軸回
転支持体１１２が接続された、マイクロミラー１１１の
周辺を囲う中間支持部１１３と、Ｘ軸と平行な軸線上に
位置して中間支持部１１３の中央の両側を支持する一対
のＸ軸回転支持体１１４と、Ｘ軸回転支持体１１４が接
続された、中間支持部１１３の周辺を囲う枠部１１５と
を、シリコンチップより一体に形成して成る。そして、
マイクロミラー１１１が、Ｙ軸回転支持体１１２で成す
軸線に対して左右非対称な質量分布を持つように、マイ
クロミラー１１１の表面に穴１１６あるいは溝が設けら
れ、同様に、中間支持部１１３が、Ｘ軸回転支持体１１
４で成す軸線に対して左右非対称な質量分布を持つよう
に、中間支持部１１３の表面に穴１１７あるいは溝が設
けられている。言い換えれば、穴１１６あるいは溝は、
Ｙ軸回転支持体１１２で成す軸線からマイクロミラー１
１１の重心がずれるように位置し、穴１１７あるいは溝
は、Ｘ軸回転支持体１１２で成す軸線から中間支持部１
１３の重心がずれるように位置している。

【００７２】（第１２の実施形態）図１２は本発明の光
スキャナの第１２の実施形態を構成する小型可動ミラー
を模式的に表した斜視図である。この図に示される形態
の小型可動ミラーは、マイクロミラー１２１と、Ｙ軸と
平行な軸線上に位置してマイクロミラー１２１の中央の
両側を支持する一対のＹ軸回転支持体１２２と、Ｙ軸回
転支持体１２２が接続された、マイクロミラー１２１の
周辺を囲う中間支持部１２３と、Ｘ軸と平行な軸線上に
位置して中間支持部１２３の中央の両側を支持する一対
のＸ軸回転支持体１２４と、Ｘ軸回転支持体１２４が接
続された、中間支持部１２３の周辺を囲う枠部１２５と
を、シリコンチップより一体に形成して成る。そして、
マイクロミラー１１１が、Ｙ軸回転支持体１１２で成す
軸線に対して左右非対称な質量分布を持つと同時に、マ
イクロミラー１２１が接続された中間支持部１１３が、
Ｘ軸回転支持体１２４で成す軸線に対して左右非対称な
質量分布を持つように、２軸支持されたマイクロミラー
１２１の角隅の領域に穴１２６あるいは溝が設けられて
いる。この様に穴１２６あるいは溝を配置すると、Ｚ軸
方向に振動を加えた場合にマイクロミラー１２１はＸ軸
あるいはＹ軸回りに回転する。

【００７３】（第１３の実施形態）図１３は本発明の光
スキャナの第１３の実施形態を構成する小型可動ミラー
をミラー面と反対側から見た斜視図である。この図に示
される形態の小型可動ミラーは、不図示のマイクロミラ
ーと、Ｙ軸と平行な軸線上に位置してマイクロミラーの
中央の両側を支持する一対のＹ軸回転支持体１３２と、
Ｙ軸回転支持体１３２が接続された、マイクロミラーの
周辺を囲う中間支持部１３３と、Ｘ軸と平行な軸線上に
位置して中間支持部１３３の中央の両側を支持する一対
のＸ軸回転支持体１３４と、Ｘ軸回転支持体１３４が接
続された、中間支持部１３３の周辺を囲う枠部１３５
と、マイクロミラーが、Ｙ軸回転支持体１３２を含む、
ミラーと平行な面に対して表裏非対称な質量分布を持つ
ように、マイクロミラーのミラー面と反対側全体に配さ
れた回転用おもり１３１とを、シリコンチップより一体
に形成して成る。

【００７４】回転用おもり１３１は半導体加速度センサ
の製造プロセス等で良く知られている方法である異方性
エッチングによって、枠部１３５と同時に形成される。
もちろん、薄膜のマイクロミラーを形成した後にめっ
き、フォトレジスト等の樹脂類などを利用して回転用お
もり１３１を付加してもよい。

【００７５】（第１４の実施形態）図１４は本発明の光
スキャナの第１４の実施形態を構成する小型可動ミラー
をミラー面と反対側から見た斜視図である。この図に示
される形態の小型可動ミラーは、マイクロミラー１４１
と、Ｙ軸と平行な軸線上に位置してマイクロミラー１４
１の中央の両側を支持する一対のＹ軸回転支持体１４２
と、Ｙ軸回転支持体１４２が接続された、マイクロミラ
ー１４１の周辺を囲う中間支持部１４３と、Ｘ軸と平行
な軸線上に位置して中間支持部１４３の中央の両側を支
持する一対のＸ軸回転支持体１４４と、Ｘ軸回転支持体
１４４が接続された、中間支持部１４３の周辺を囲う枠
部１４５と、マイクロミラー１４１が、Ｙ軸回転支持体
１４２を含む、ミラー１４１と平行な面に対して表裏非
対称な質量分布を持つように、マイクロミラーのミラー
面と反対側に配された回転用おもり１４１とを、シリコ
ンチップより一体に形成して成る。特に本形態は、第１
３の実施形態に代えて、小型可動ミラーの質量分布が、
Ｙ軸回転支持体１４２を含む、ミラー１４１と平行な面
に対してのみならず、Ｘ軸回転支持体１４４で成す軸線
に対しても非対称に成っていることを特徴とする。この
ような形態にすると、Ｘ軸方向の振動をＹ軸回りの回転
に、Ｚ軸方向の振動をＸ軸回りの回転に変換できる。

【００７６】（第１５の実施形態）図１５は本発明の光
スキャナの第１５の実施形態を構成する小型可動ミラー
を模式的に表した斜視図である。この図に示される形態
の小型可動ミラーは、マイクロミラー１５１と、Ｙ軸と
平行な軸線上に位置してマイクロミラー１５１の中央の
両側を支持する一対のＹ軸回転支持体１５２と、Ｙ軸回
転支持体１５２が接続された、マイクロミラー１５１の
周辺を囲う中間支持部１５３と、Ｘ軸と平行な軸線上に
位置して中間支持部１５３の中央の両側を支持する一対
のＸ軸回転支持体１５４と、Ｘ軸回転支持体１５４が接
続された、中間支持部１５３の周辺を囲う枠部１５５と
を、シリコンチップより一体に形成して成る。そして、
マイクロミラー１５１が、Ｙ軸回転支持体１４２を含
む、ミラー１５１と平行な面に対して表裏非対称な質量
分布を持つように、マイクロミラー１２１のミラー面と
反対側には、マイクロミラー１２１を構成するシリコン
材料を掘ってなる除去部１５６あるいは溝が設けられて
いる。

【００７７】このような形態によれば、一般にマイクロ
ミラー１２１にエッチングにより精度高く回転用おもり
を残すことは困難であるが、掘ることは精度高くできる
ので、製造が容易である。

【００７８】（第１６の実施形態）図１６は本発明の光
スキャナの第１６の実施形態を構成する小型可動ミラー
を模式的に表した斜視図である。この図に示される形態
の小型可動ミラーは、マイクロミラー１６１と、Ｙ軸と
平行な軸線上に位置してマイクロミラー１６１の中央の
両側を支持する一対のＹ軸回転支持体１６２と、Ｙ軸回
転支持体１６２が接続された、マイクロミラー１６１の
周辺を囲う中間支持部１６３と、Ｘ軸と平行な軸線上に
位置して中間支持部１６３の中央の両側を支持する一対
のＸ軸回転支持体１６４と、Ｘ軸回転支持体１６４が接
続された、中間支持部１６３の周辺を囲う枠部１６５と
を、シリコンチップより一体に形成して成る。特に本形
態は、第１５の実施形態に代えて、小型可動ミラーの質
量分布が、Ｙ軸回転支持体１６２を含む、ミラー１６１
と平行な面に対してのみならず、Ｘ軸回転支持体１６４
で成す軸線に対しても非対称になるように、マイクロミ
ラー１６１のミラーと反対側の一部に除去部１６６ある
いは溝を形成した事を特徴とする。

【００７９】このような形態にすると、Ｘ軸方向の振動
をＹ軸回りの回転に、Ｚ軸方向の振動をＸ軸回りの回転
に変換できる。

【００８０】（第１７の実施形態）上述の第４および第
７の実施形態で説明したように１個の圧電素子でＸ軸周
り、Ｙ軸周り等の２つの回転軸周りに同時に回転を起こ
すことが可能であるが、それぞれの回転の振幅と位相を
独立に制御することが実用上必要である。

【００８１】図１７は、本発明の光スキャナの第１７の
実施形態として、１個の圧電素子で２軸方向に光走査す
る場合の駆動方式を表した構成図である。この場合の駆
動方式は、Ｘ軸駆動周波数発生回路１７１、およびＹ軸
駆動周波数発生回路１７２の２つの周波数発生回路を有
しており、それぞれ発生された駆動信号は、それぞれ振
幅位相調節回路１７３、１７４に導入され、その振幅と
位相が決定される。その後、電気信号合成回路１７５に
導入されて１つの電気信号に変換され、最後に出力回路
１７６によって電力増幅された後に圧電素子１７７に供
給される。

【００８２】発生される波形は正弦波（サイン波）が基
本的であるが、矩形波や鋸波である場合もある。さらに
は、これらの波形はアナログ的に発生される場合もある
し、デジタル的に発生する場合もある。この駆動方式
は、発生する信号の同期をとるための入力信号を受け付
けることができ、例えば、外部からの映像信号に同期し
て発振を開始する機能を有している。

【００８３】（第１８の実施形態）ここでは、上述の第
５、６、８、９等の実施形態のように圧電素子を軸毎に
持った場合に必要とされる駆動方式を説明する。

【００８４】図１８は、本発明の光スキャナの第１８の
実施形態として、光走査する軸方向ごとに圧電素子を持
つ場合の駆動方式を表した構成図である。この場合の駆
動方式では、Ｘ軸駆動周波数発生回路１８１および、Ｙ
軸駆動周波数発生回路１８２で発生された信号はそれぞ
れ振幅位相調節回路１８３、１８４に導入され、振幅と
位相が調節される。その後、電力増幅を行うための出力
回路１８５、１８６にそれぞれ導入されて、Ｘ軸圧電素
子１８７およびＹ軸圧電素子１８８にそれぞれ電気信号
が供給される。供給される電圧は数ボルトから１００ボ
ルト程度であり、電流は最大数十ミリアンペアである。
圧電素子は、各軸ごとに複数持つこともできる。例え
ば、基本的な振動振幅を与えるための圧電素子と、外部
からの外乱があった場合に対処するための振幅制御を行
うための圧電素子である。このようにすると、変動分は
基準量よりも小さいので、制御に必要とする電力や回路
規模を小さくすることが可能となる。

【００８５】以上説明した各実施形態では、小型可動ミ
ラーに加えられる並進振動を誘起さえるアクチュエータ
として圧電素子を用いたが、本発明はこれに限らず、電
磁気、熱、光、等を用いた場合にも同様な効果が認めら
れるのは、言うまでもない。また、並進振動の方向にお
いて、開示した軸以外からの加振やその組み合わせが存
在するが、それも本発明に含まれるのは言うまでもな
い。

【００８６】圧電素子の固定は、振動すべきミラーとの
間は、強固に行うが、パッケージとの接続は圧電素子の
一部を強固に固定しても良いし、ミラーを含む圧電体全
体をシリコンゴムのような柔らかい材料でパッケージか
ら浮かして、固定してもよい。

【００８７】

【発明の効果】以上説明した本発明によれば、以下に記
載する効果を奏する。

【００８８】ミラーの重心の位置あるいは中間支持部の
重心の位置をそれを支える一対の回転支持体で成す軸線
上からはずすことにより、並進振動を回転運動に変換す
るので、非常に効率高く回転運動を起こさせることがで
きる。並進振動を起こす駆動周波数を回転振動系の共振
周波数に合わせると、著しく大きな振動を得ることが可
能であり、かつ、２軸の回転振動系の共振周波数を別々
に設定することで、それぞれの回転運動を独立に制御可
能である。従来、多自由度を駆動するためには複数のア
クチュエータを必要としたが、１つのアクチュエータで
構成できるのでミラー構造を著しく簡単にできる。その
ため、製造が非常に簡単で、コストを下げられる。

【００８９】共振駆動周波数が著しく離れている場合に
は、同一アクチュエータを使用すると圧電アクチュエー
タの効率が下がるので、複数の周波数領域に分けて振動
を加えると全体としての効率が向上する。従来の静電気
を利用したアクチュエータとは異なり外部から加振する
アクチュエータを利用するので、通常の静電力を用いた
駆動方法に比較して非常に大きな力を利用可能で、走査
速度１０ＫＨｚ、走査角度１０度以上の様な高速大振幅
動作を必要とする光スキャナを容易に実現できる。

【００９０】外部から加えられた並進振動を回転に変換
するために利用される非対称構造を作るには、ミラー自
身を非対称に支持する方法、質量分布が等価に支持され
たミラーにおもりを加えたり、穴や溝を設ける方法等が
活用できる。中でもミラーに穴あるいは溝を設けて非対
称質量分布を実現すると、工程が簡単である。

【００９１】１個の並進振動を発生する装置を用い二つ
の異なる周波数で駆動することにより、駆動するための
電気回路が１つで済むので、電気回路が簡単となり、コ
ストを低くできる。

【００９２】ｌつの構造体が、低い周波数で駆動される
回転振動系の中に高い周波数で駆動される回転振動系を
持つ場合、低い共振周波数を持つ回転支持体の長手方向
のスティッフネスが回転方向のスティッフネスに比べ非
常に大きいことを利用して、この回転支持体の長手方向
に沿って並進振動を加えられるように構成することによ
り、高い周波数の駆動力が吸収されることなく内部に伝
達でき、高い共振周波数を持つ部分の回転運動も容易に
駆動できる。

【００９３】回転支持体の両持ち構造では低い共振周波
数を小さな領域で実現することは困難であるが、片持ち
支持構造と両持ち支持構造を１つの構造体中に同居させ
ることによって、低い周波数の駆動と高い周波数での駆
動を同時に実現することが可能であり、両者の信号を同
時に含むミラーの走査（例えばテレビの水平垂直走査）
が可能となる。

【００９４】中間支持部や重り部、あるいは梁厚みなど
は同じである必要はなく、利用する共振周波数に対して
適切な値に調節して利用する。

【００９５】静電力を使用しないので、ミラー表面を導
体にする必要がなく、反射膜として、有機材料などが使
用できる。ミラー自身に配線する必要がないので、プロ
セスが著しく簡単になる。

【００９６】圧電素子自身の共振周波数に並進振動の駆
動周波数を併せることで、同一電力投入によるアクチュ
エータ自身の振幅が大きくなるので、高効率駆動が可能
となる。

【００９７】回転振動系の共振周波数はどのような周波
数にも設定することが可能であり、高精彩画像のように
水平周波数が７５ｋＨｚとか垂直走査周波数が２００Ｈ
ｚとか言う場合にも対応できるのは言うまでもない。圧
電素子などを駆動に使用した場合、非常に小さな電力で
ミラーを駆動することが可能であるが、電圧を強くすれ
ば、数ミリワットの消費電力にて３０度以上の振幅を容
易に得ることができる。当然、これ以上のミラー振幅が
必要である場合にはミラーを複数段重ねて多重反射させ
ることにより反射角度を増大させることができる。

【００９８】本発明に係る光スキャナは発光素子や受光
素子と同時に利用して光を走査して画像を表示する表示
装置や撮像装置として利用できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の光スキャナの第１の実施形態の構成を
模式的に表した斜視図である。

【図２】本発明の光スキャナの第２の実施形態の構成を
模式的に表した斜視図である。

【図３】本発明の光スキャナの第３の実施形態の構成を
模式的に表した斜視図である。

【図４】本発明の光スキャナの第４の実施形態の構成を
模式的に表した斜視図である。

【図５】本発明の光スキャナの第５の実施形態の構成を
模式的に表した斜視図である。

【図６】本発明の光スキャナの第６の実施形態の構成を
模式的に表した斜視図である。

【図７】本発明の光スキャナの第７の実施形態として片
持ち梁を備えた構造を模式的に表した斜視図である。

【図８】本発明の光スキャナの第８の実施形態の構成を
模式的に表した斜視図である。

【図９】本発明の光スキャナの第９の実施形態の構成を
模式的に表した斜視図である。

【図１０】本発明の光スキャナの第１０の実施形態を構
成する小型可動ミラーを模式的に表した斜視図である。

【図１１】本発明の光スキャナの第１１の実施形態を構
成する小型可動ミラーを模式的に表した斜視図である。

【図１２】本発明の光スキャナの第１２の実施形態を構
成する小型可動ミラーを模式的に表した斜視図である。

【図１３】本発明の光スキャナの第１３の実施形態を構
成する小型可動ミラーをミラー面と反対側から見た斜視
図である。

【図１４】本発明の光スキャナの第１４の実施形態を構
成する小型可動ミラーをミラー面と反対側から見た斜視
図である。

【図１５】本発明の光スキャナの第１５の実施形態を構
成する小型可動ミラーを模式的に表した斜視図である。

【図１６】本発明の光スキャナの第１６の実施形態を構
成する小型可動ミラーを模式的に表した斜視図である。

【図１７】本発明の光スキャナの第１７の実施形態とし
て、１個の圧電素子で２軸方向に光走査する場合の駆動
方式を表した構成図である。

【図１８】本発明の光スキャナの第１８の実施形態とし
て、光走査する軸方向ごとに圧電素子を持つ場合の駆動
方式を表した構成図である。

【図１９】特開平６−１８０４２８号公報に示された従
来の光スキャナを示し、同図（ａ）は平面図、同図
（ｂ）は断面図である。

【符号の説明】

１，２１，３１，４１，５１，６１，７１，８１，９
１，１０１，１１１，１２１，１４１，１５１，１６１
マイクロミラー２，２２，３２，４４，５４，６４，７４，８４，９
４，１０２，１１４，１２４，１３４，１４４，１５
４，１６４Ｘ軸回転支持体３，２３，３３，４５，５５，６５，７５，８５，９
５，１０３，１１５，１２５，１３５，１４５，１５
５，１６５枠部４，２４，３４，４６，５６，５７，６６，６７，７
６，８６，８７，９６，９７圧電素子２５，３５，１３１回転用おもり４２，５２，６２，７２，８２，９２，１１２，１２
２，１３２，１４２，１５２，１６２Ｙ軸回転支持
体４３，５３，６３，７３，８３，９３，１１３，１２
３，１３３，１４３，１５３，１６３中間支持部１０４，１１６，１１７，１２６穴１５６，１６６除去部１７１，１８１Ｘ軸駆動周波数発生回路１７２，１８２Ｙ軸駆動周波数発生回路１７３，１７４，１８３，１８４振幅調節回路１７５合成回路１７６，１８５，１８６出力回路１７７圧電素子１８７Ｘ軸圧電素子１８８Ｙ軸圧電素子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】光を反射するための板状のミラーと、一直線上に位置して前記ミラーの両側を支持する一対の
回転支持体と、前記一対の回転支持体が接続され、前記ミラーの周辺を
囲う枠部と、前記枠部に並進運動を加える装置とを備え、かつ、前記一対の回転支持体を結ぶ直線上以外の場所に前記ミ
ラーの重心を位置させてなる光スキャナ。
【請求項２】前記ミラーは、前記一対の回転支持体を
結ぶ直線に対して左右非対称な質量分布を有する請求項
１に記載の光スキャナ。
【請求項３】前記装置の並進振動は、前記ミラーと直
交するＺ軸方向に沿って加えられる請求項２に記載の光
スキャナ。
【請求項４】前記ミラーは、前記一対の回転支持体を
含む、前記ミラーと平行な面に対して表裏非対称な質量
分布を有している請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項５】前記装置の並進振動は、前記ミラーと平
行で前記一対の回転支持体を結ぶ直線と直交するＹ軸方
向に沿って発生される請求項４に記載の光スキャナ。
【請求項６】前記ミラーは、前記一対の回転支持体を
結ぶ直線に対して左右非対称な質量分布を有し、かつ、
前記一対の回転支持体を含む、前記ミラーと平行な面に
対して表裏非対称な質量分布を有している請求項１に記
載の光スキャナ。
【請求項７】前記装置の並進振動は、前記ミラーと直
交するＺ軸方向および、前記ミラーと平行で前記一対の
回転支持体を結ぶ直線と直交するＹ軸方向に沿って発生
される請求項６に記載の光スキャナ。
【請求項８】前記装置は、前記ミラーと前記一対の回
転支持体とで構成された振動系の共振周波数と同一ない
し近傍の周波数を持つ並進振動を発生するものである請
求項１から７の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項９】前記ミラーに穴、溝、もしくは重りを設
けることにより、前記一対の回転支持体を結ぶ直線上以
外の場所に前記ミラーの重心を位置させてなる請求項１
から８の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項１０】光を反射するための板状のミラーと、一直線上に位置して前記ミラーの両側を支持する一対の
Ｙ軸回転支持体と、前記一対のＹ軸回転支持体が接続され、前記ミラーと平
行な面内で前記ミラーの周辺を囲う板状の中間支持部
と、前記ミラーと平行で前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直
線と直交する一直線上に位置して、前記中間支持部の両
側を支持する一対のＸ軸回転支持体と、前記一対のＸ軸回転支持体が接続され、前記中間支持部
の周辺を囲う枠部と、前記枠部に並進運動を加える装置とを備え、かつ、前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線上以外の場所に前
記ミラーの重心を位置させると共に、前記一対のＸ軸回
転支持体を結ぶ直線上以外の場所に前記ミラーあるいは
前記中間支持部の重心を位置させてなる光スキャナ。
【請求項１１】前記ミラーは、前記一対のＹ軸回転支
持体を結ぶ直線に対して左右非対称な質量分布を有し、
前記中間支持部は、前記一対のＸ軸回転支持体を結ぶ直
線に対して左右非対称な質量分布を有する請求項１０に
記載の光スキャナ。
【請求項１２】前記装置は、前記ミラーと直交するＺ
軸方向に沿って並進振動を発生すると共に、複数のお互
いに異なった振動周波数を成分としてもち、少なくとも
第１の振動周波数が、前記ミラーと前記一対のＹ軸回転
支持体とで構成された第１の振動系の共振周波数と同一
ないし近傍の周波数であり、第２の振動周波数が、前記
第１の振動系と前記中間支持部と前記一対のＸ軸回転支
持体とで構成された第２の振動系の共振周波数と同一な
いし近傍の周波数である請求項１１に記載の光スキャ
ナ。
【請求項１３】前記ミラーは、前記一対のＹ軸回転支
持体を含む、前記ミラーと平行な面に対して表裏非対称
な質量分布を有し、前記中間支持部は、前記一対のＸ軸
回転支持体を結ぶ直線に対して左右非対称な質量分布を
有する請求項１０に記載の光スキャナ。
【請求項１４】前記装置は、前記ミラーと前記一対の
Ｙ軸回転支持体とで構成された第１の振動系の共振周波
数と同一ないし近傍の周波数で、前記一対のＸ軸回転支
持体を結ぶ直線と平行なＸ軸方向に沿って並進振動を発
生する手段と、前記第１の振動系と前記中間支持部と前
記一対のＸ軸回転支持体とで構成された第２の振動系の
共振周波数と同一ないし近傍の周波数で、前記ミラーと
直交するＺ軸方向に沿って並進振動を発生する手段とを
備えた請求項１１または１３に記載の光スキャナ。
【請求項１５】前記ミラーは、前記一対のＹ軸回転支
持体を含む、前記ミラーと平行な面に対して表裏非対称
な質量分布を有し、前記中間支持部は、前記一対のＸ軸
回転支持体を含む前記中間支持部と平行な面に対して表
裏非対称な質量分布を有する請求項１０に記載の光スキ
ャナ。
【請求項１６】前記装置は、前記ミラーと前記一対の
Ｙ軸回転支持体とで構成された第１の振動系の共振周波
数と同一ないし近傍の周波数で、前記一対のＸ軸回転支
持体を結ぶ直線と平行なＸ軸方向に沿って並進振動を発
生する手段と、前記第１の振動系と前記中間支持部と前
記一対のＸ軸回転支持体とで構成された第２の振動系の
共振周波数と同一ないし近傍の周波数で、前記一対のＹ
軸回転支持体を結ぶ直線と平行なＹ軸方向に沿って並進
振動を発生する手段とを備えた請求項１１または１５に
記載の光スキャナ。
【請求項１７】光を反射するための板状のミラーと、一直線上に位置して前記ミラーの両側を支持する一対の
Ｙ軸回転支持体と、前記一対のＹ軸回転支持体が接続され、前記ミラーと平
行な面内で前記ミラーの周辺を囲う板状の中間支持部
と、前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線と平行に位置して
前記中間支持部の片側を支持する片持ち梁である一対の
Ｘ軸回転支持体と、前記一対のＸ軸回転支持体が接続され、前記中間支持部
の周辺を囲う枠部と、前記枠部に並進運動を加える装置とを備え、かつ、前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線上以外の場所に前
記ミラーの重心を位置させてなる光スキャナ。
【請求項１８】前記ミラーは、前記一対のＹ軸回転支
持体を結ぶ直線に対して左右非対称な質量分布を有する
請求項１７に記載の光スキャナ。
【請求項１９】前記ミラーは、前記一対のＹ軸回転支
持体を含む、前記ミラーと平行な面に対して表裏非対称
な質量分布を有する請求項１７に記載の光スキャナ。
【請求項２０】前記中間支持部は、前記一対のＸ軸回
転支持体を含む、前記中間支持部と平行な面に対して表
裏非対称な質量分布を有する請求項１９に記載の光スキ
ャナ。
【請求項２１】前記装置は、前記ミラーと直交するＺ
軸方向に沿って並進振動を発生すると共に、複数のお互
いに異なった振動周波数を成分としてもち、少なくとも
第１の振動周波数が、前記ミラーと前記一対のＹ軸回転
支持体とで構成された第１の振動系の共振周波数と同一
ないし近傍の周波数であり、第２の振動周波数が、前記
第１の振動系と前記中間支持部と前記一対のＸ軸回転支
持体とで構成された第２の振動系の共振周波数と同一な
いし近傍の周波数である請求項１８に記載の光スキャ
ナ。
【請求項２２】前記装置は、前記ミラーと前記一対の
Ｙ軸回転支持体とで構成された第１の振動系の共振周波
数と同一ないし近傍の周波数で、前記ミラーと平行で前
記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線と直交するＸ軸方向
に沿って並進振動を発生する手段と、前記第１の振動系
と前記中間支持部と前記一対のＸ軸回転支持体とで構成
された第２の振動系の共振周波数と同一ないし近傍の周
波数で、前記ミラーと直交するＺ軸方向に沿って並進振
動を発生する手段とを備えた請求項１８または１９に記
載の光スキャナ。
【請求項２３】前記装置は、前記ミラーと前記一対の
Ｙ軸回転支持体とで構成された第１の振動系の共振周波
数と同一ないし近傍の周波数で、前記ミラーと平行で前
記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線と直交するＸ軸方向
に沿って並進振動を発生する手段と、前記第１の振動系
と前記中間支持部と前記一対のＸ軸回転支持体とで構成
された第２の振動系の共振周波数と同一ないし近傍の周
波数で、前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直線と平行な
Ｙ軸方向に沿って並進振動を発生する手段とを備えた請
求項１８、１９または２０に記載の光スキャナ。
【請求項２４】前記ミラーに穴、溝、もしくは重りを
設けることにより、前記一対のＹ軸回転支持体を結ぶ直
線上以外の場所に前記ミラーの重心を位置させてなる請
求項９から２３の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項２５】前記中間支持部に穴、溝もしくは重り
を設けることにより、前記一対のＸ軸回転支持体を結ぶ
直線上以外の場所に前記中間支持部の重心を位置させて
なる請求項９から１６の何れか１項に記載の光スキャ
ナ。
【請求項２６】前記装置は圧電アクチュエータあるい
は電磁アクチュエータである請求項１から２３の何れか
１項に記載の光スキャナ。
【請求項２７】前記装置は圧電アクチュエータあるい
は電磁アクチュエータからなり、該圧電アクチュエータ
あるいは電磁アクチュエータの駆動信号は、複数のお互
いに異なった周期的電気信号を個別に発生させて、それ
ぞれの周期的電気信号の振幅及び位相を調整した後、合
成したものである請求項１２または２１に記載の光スキ
ャナ。
【請求項２８】前記Ｘ軸方向に沿って並進振動を発生
する手段と前記Ｚ軸方向に沿って並進振動を発生する手
段はそれぞれ、圧電アクチュエータあるいは電磁アクチ
ュエータからなり、該圧電アクチュエータあるいは電磁
アクチュエータの駆動信号は、周期的電気信号を発生さ
せて、その周期的電気信号の振幅及び位相を調整したも
のである請求項１４または２２に記載の光スキャナ。
【請求項２９】前記Ｘ軸方向に沿って並進振動を発生
する手段と前記Ｙ軸方向に沿って並進振動を発生する手
段はそれぞれ、圧電アクチュエータあるいは電磁アクチ
ュエータからなり、該圧電アクチュエータあるいは電磁
アクチュエータの駆動信号は、周期的電気信号を発生さ
せて、その周期的電気信号の振幅及び位相を調整したも
のである請求項１６または２３に記載の光スキャナ。