WO2009098817A1 - 光スキャナ - Google Patents

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WO2009098817A1
WO2009098817A1 PCT/JP2008/072240 JP2008072240W WO2009098817A1 WO 2009098817 A1 WO2009098817 A1 WO 2009098817A1 JP 2008072240 W JP2008072240 W JP 2008072240W WO 2009098817 A1 WO2009098817 A1 WO 2009098817A1
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WO
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optical scanner
pair
base
portions
swing
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Application number
PCT/JP2008/072240
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English (en)
French (fr)
Inventor
Hitoshi Takeda
Original Assignee
Brother Kogyo Kabushiki Kaisha
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Filing date
Publication date
Application filed by Brother Kogyo Kabushiki Kaisha filed Critical Brother Kogyo Kabushiki Kaisha
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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • B81B3/0035—Constitution or structural means for controlling the movement of the flexible or deformable elements
    • B81B3/0059—Constitution or structural means for controlling the movement not provided for in groups B81B3/0037 - B81B3/0056
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2201/00—Specific applications of microelectromechanical systems
    • B81B2201/04—Optical MEMS
    • B81B2201/042—Micromirrors, not used as optical switches
    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B2203/00—Basic microelectromechanical structures
    • B81B2203/01—Suspended structures, i.e. structures allowing a movement
    • B81B2203/0109—Bridges

Definitions

  • the present invention relates to an optical scanner.
  • FIG. 9 is a side view showing an example of driving a conventional optical scanner in a resonance state.
  • a driving voltage is applied to a piezoelectric element 112 formed on a substrate 111 to generate a plate wave, thereby causing a mirror in a resonance state.
  • a twist amplitude is generated in the portion 113.
  • the other end side of the substrate 111 is displaced in the amplitude direction. For this reason, there is a problem that the oscillation shaft 115 of the mirror portion 112 is displaced in the amplitude direction by the vibration in the amplitude direction generated in the torsion beam portion 114, and the efficiency of the reflected light reflected by the reflecting surface is lowered.
  • the present invention has been made to solve the above-described problems, and an object thereof is to provide an optical scanner in which the swing axis of the mirror portion is not displaced in any direction when the mirror portion swings.
  • an optical scanner is an optical scanner that scans light in a predetermined direction by swinging a mirror portion around a swing shaft, and moving the mirror portion along the swing shaft of the mirror portion.
  • a pair of torsion beam portions whose one ends are connected to both ends of the rocking axis direction of the pair, and a pair of supports formed so that the other ends of the pair of torsion beam portions are coupled to the center portion in the longitudinal direction and face each other
  • a pair of inner edge portions connected to the longitudinal ends of the pair of support beam portions across the beam portion and the mirror portion, and symmetrically arranged in a direction perpendicular to the swing axis.
  • the edge of the excitation means on the outer side perpendicular to the swing axis is Characterized in that it is formed from the outer edge of the base portion away on the mirror side direction.
  • each inner end edge portion of the pair of base portions is connected by a pair of support beam portions, and each outer end edge portion of the pair of base portions is fixed to a fixing member. It is possible to generate a standing wave having a swing axis as a node by the excitation means in each base portion and each support beam portion. Thereby, since the mirror part is supported by a pair of torsion beam parts formed on the swing shaft, the mirror part can be swung without displacing the swing shaft of the mirror part in any direction. Is possible.
  • the excitation means is formed so as to be separated from the outer edge of the base part connected to the fixing member in the mirror part side direction, it is possible to reliably generate standing waves on each base part and each support beam part. Can be generated.
  • the excitation unit may be formed on an axis passing through a center position in the swing axis direction on the swing axis of the mirror portion and orthogonal to the swing axis. .
  • the excitation means is formed on an axis that passes through the center position in the swing axis direction on the swing axis of the mirror section and is orthogonal to the swing axis.
  • the excitation unit may be formed on each surface of the pair of base units, and may be formed on one base unit of the pair of base units and the other base unit.
  • the excited means may be driven so as to vibrate in mutually opposite phases.
  • the excitation means are formed on the respective surfaces of the pair of base portions and are driven so as to vibrate in mutually opposite phases. Therefore, the excitation means is excited by the base portions and the support beam portions. It is possible to increase the amplitude of the existing wave and easily increase the amount of displacement of the mirror portion around the swing axis.
  • the excitation means may be formed so as to be point-symmetric with respect to the center position in the swing axis direction on the swing axis of the mirror section with the mirror section interposed therebetween.
  • the excitation means is formed so as to be point-symmetric with respect to the center position in the swing axis direction on the swing axis of the mirror section with the mirror section interposed therebetween. It is possible to easily excite a standing wave having a swing axis as a node in the support beam portion.
  • the excitation unit may sandwich the mirror portion on an axis that passes through a central position in the swing axis direction on the swing shaft of the mirror portion and is orthogonal to the swing shaft. It may be formed so as to be symmetrical.
  • the excitation means is symmetric with the mirror portion interposed on an axis passing through the center position in the swing axis direction on the swing shaft of the mirror portion and orthogonal to the swing shaft. Therefore, the amplitude of the standing wave with the pivot axis excited by each base part and each support beam part as a node is increased, and the displacement amount around the pivot axis of the mirror part is ensured. It is possible to make it larger.
  • the mirror portion may be formed so as to be symmetric with respect to the swing axis.
  • the mirror portion is formed so as to be symmetric with respect to the swing axis, the mirror portion can be swung reliably without being displaced in any direction around the swing shaft. Is possible.
  • the excitation means may be driven so that the mirror portion swings in the same phase as the pair of support beam portions.
  • the excitation means is driven so that the mirror portion swings in the same phase as the swing of the pair of support beam portions, so that the mirror portion has an opposite phase to the swing of the pair of support beam portions.
  • the amount of displacement of the mirror portion around the oscillating axis can be reliably increased.
  • the excitation means may include a piezoelectric element.
  • the excitation means includes a piezoelectric element
  • a standing wave having a swing axis as a node in each base portion and each support beam portion. Can be easily excited.
  • the pair of base portions may be formed of a conductive material
  • the excitation means including the piezoelectric element may include an upper electrode stacked on the piezoelectric element.
  • the pair of base portions are formed of a non-conductive material, and the excitation means including the piezoelectric element is laminated on the surface portion of the base portion, and the piezoelectric element is disposed on the upper side. You may make it have the lower electrode laminated
  • the upper electrode, the piezoelectric element, and the lower electrode can be formed by a conventional thin film technique such as sputtering or CVD.
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a schematic configuration of an optical scanner according to an embodiment. It is a top view of an optical scanner.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along arrow X1-X1 in FIG. 2.
  • It is a figure which shows an example of the rocking drive of a reflective mirror part.
  • It is a figure which shows the 1st resonance state to which each support beam part and a reflective mirror part rock
  • FIG. 1 is an exploded perspective view schematically showing a schematic configuration of the optical scanner 1.
  • FIG. 2 is a plan view of the optical scanner 1.
  • FIG. 3 is a cross-sectional view taken along arrow X1-X1 in FIG.
  • the optical scanner 1 is configured by mounting a main body 2 on a base 3.
  • the main body 2 is formed by pressing or etching using a conductive material having elasticity such as stainless steel (for example, SUS304, SUS430, etc.), titanium, iron, or the like.
  • the thickness of the main body 2 is about 30 ⁇ m to 100 ⁇ m.
  • the main body 2 has a thin plate rectangular shape as shown in the upper part of FIG. 1 and FIGS. 2 and 3.
  • the main body 2 includes a fixed frame 5 on the outside, and a pair of slit-shaped through holes 6 are formed on the inner side of the fixed frame 5 along both side edges in the longitudinal direction so as to face each other.
  • a vibrating body 8 having a rectangular shape in plan view is provided.
  • the vibrating body 8 is formed with a through hole 10 having a rectangular shape in plan view through which light can pass at the center position in the longitudinal direction.
  • a reflection mirror portion 12 having a substantially rectangular shape in plan view formed with a reflection surface 11 is formed at a central portion of the through hole 10 in a direction perpendicular to the swing shaft 15, that is, a longitudinal direction of the reflection mirror portion 12. It is provided to be symmetrical.
  • the reflection mirror unit 12 is not limited to a rectangle, but may be a square, a substantially square, a diamond, a polygon, a circle, an ellipse, or the like.
  • the base 3 is a support portion on which the fixed frame 5 is to be mounted in the mounted state with the main body 2 as shown in the lower part of FIG. 1 and FIGS. 18 and a recess 19 facing the vibrating body 8.
  • the recess 19 is formed so as to have a shape that does not interfere with the base 3 even when the vibrating body 8 is displaced by vibration in a state where the main body 2 is mounted on the base 3.
  • the reflecting surface 11 of the reflecting mirror section 12 is swung around a swinging shaft 15 that is also a symmetrical centerline in the longitudinal direction.
  • the vibrating body 8 further extends on the same surface outward from both side surfaces on the swing shaft 15 of the reflection mirror portion 12, and forms opposite side edges of the through-hole 10 on the reflection mirror portion 12.
  • the reflection mirror section 12 is formed so that the longitudinal direction in the plan view is about 800 ⁇ m to 1200 ⁇ m, and the short side direction in the plan view (width direction) is about 100 ⁇ m to 500 ⁇ m.
  • the pair of torsion beam portions 22A and 22B are formed so that a short side direction (width direction) in a plane view orthogonal to the swing shaft 15 is about 80 ⁇ m to 150 ⁇ m, and a longitudinal direction along the swing shaft 15 Is formed to be about 250 ⁇ m to 1500 ⁇ m.
  • the pair of support beam portions 21A and 21B facing each other are formed symmetrically with respect to the swing shaft 15 in the longitudinal direction.
  • the longitudinal ends of the pair of support beam portions 21A and 21B have a pair of flat base portions 25A disposed symmetrically in a direction perpendicular to the swing axis 15 with the reflection mirror portion 12 in between. 25B is connected to both ends of the edge portion on the reflection mirror portion 12 side.
  • the outer edge portions of the pair of base portions 25 ⁇ / b> A and 25 ⁇ / b> B are fixed to the base 3 via the fixed frame 5. Therefore, the reflection mirror portion 12, the pair of support beam portions 21A and 21B, and the pair of base portions 25A and 25B are provided so as to be symmetrical with respect to the swing shaft 15 in a direction perpendicular thereto.
  • a pair of piezoelectric elements 26A and 26B are formed on the respective surface portions of the pair of base portions 25A and 25B and are stacked in a substantially square shape with a thickness of about 1 ⁇ m to 10 ⁇ m and a square of about 500 ⁇ m to 1500 ⁇ m in plan view. Yes.
  • Each of the piezoelectric elements 26A and 26B is not limited to a square in plan view, but may be a rectangle in plan view, a substantially square shape, a rhombus, a polygon, a circle, an ellipse, or the like.
  • the pair of piezoelectric elements 26 ⁇ / b> A and 26 ⁇ / b> B passes through the center position in the swing axis direction on the swing shaft 15 of the reflection mirror section 12, and the center position is on an axis line 27 orthogonal to the swing shaft 15. It is formed so as to be symmetric with respect to the swing shaft 15 with the reflection mirror portion 12 interposed therebetween.
  • each piezoelectric element 26A, 26B on the outer side in the direction perpendicular to the swing axis 15 is the outer edge of each base 25A, 25B, that is, the fixed frame 5 of each base 25A, 25B. It is formed so as to be separated from the connecting part by a predetermined distance in the direction of the reflection mirror part 12. Therefore, the outer edge of each piezoelectric element 26A, 26B on the outer side in the direction perpendicular to the swing shaft 15 is formed at a position away from the inner surface of the support portion 18 of the base 3 by a predetermined distance. Thereby, as will be described later, standing waves having the swing shaft 15 as a node can be generated in each of the base portions 25A and 25B and the support beam portions 21A and 21B (see FIG. 5).
  • a resist film or a separately prepared piezoelectric element is provided on the surface portion of the fixed frame 5 and the vibrating body 8 except for the piezoelectric elements 26A and 26B.
  • Masking is performed using a metal piece from which the shape portions forming 26A and 26B are cut out.
  • piezoelectric elements such as PZT are stacked by about 1 ⁇ m to 10 ⁇ m by an aerosol deposition method (AD method) in which film formation is performed by spraying nano-sized fine particles of piezoelectric elements such as PZT.
  • AD method aerosol deposition method
  • each piezoelectric element 26A, 26B a pair of upper electrodes laminated with a thickness of about 0.2 ⁇ m to 0.6 ⁇ m is formed above each piezoelectric element 26A, 26B so as to form a predetermined gap with the peripheral edge of each piezoelectric element 26A, 26B. 28A and 28B are formed.
  • the upper electrodes 28A and 28B are formed on the piezoelectric elements 26A and 26B on the surface portions of the fixed frame 5 and the vibrating body 8, respectively.
  • a resist film is formed on the portion excluding the surface portion where the electrodes 28A and 28B are formed and masked.
  • platinum (Pt), gold (Au), etc. are laminated by about 0.2 ⁇ m to 0.6 ⁇ m by physical vapor deposition (PVD) or vacuum deposition to form the upper electrodes 28A and 28B.
  • PVD physical vapor deposition
  • the resist film is removed.
  • 0.05 ⁇ m of titanium (Ti) may be stacked on the upper electrodes 28A and 28B, and then 0.5 ⁇ m of platinum (Pt) may be stacked on the upper side, and then the resist film may be removed.
  • the portions on the fixed frame 5 facing the outer edge portions of the base portions 25A and 25B and the upper electrodes 28A and 28B are wire-bonded and formed on the base portions 25A and 25B.
  • a drive voltage can be applied to each of the piezoelectric elements 26A and 26B (see FIG. 4). That is, it is possible to apply a driving voltage without applying a load to the reflection mirror unit 12, the torsion beam portions 22A and 22B, and the support beam portions 21A and 21B.
  • the piezoelectric elements 26A and 26B are formed by the AD method as the piezoelectric element layer, and the upper electrodes 28A and 28B are formed by the physical vapor deposition method or the vacuum deposition method as the upper electrode layer. did.
  • the piezoelectric elements 26A and 26B may also be formed by physical vapor deposition or vacuum deposition.
  • the upper electrodes 28A and 28B may be formed by the AD method. In this physical vapor deposition method, for example, a DC voltage or an AC voltage was applied between the substrate and the target while introducing an inert gas into the vacuum, and the ionized inert gas was made to collide with the target and repelled.
  • the present invention is not limited to this, and at least one of the piezoelectric element layer and the upper electrode layer may be formed by a chemical vapor deposition method (CVD: Chemical Vapor Deposition).
  • CVD Chemical Vapor Deposition
  • FIG. 4 is a diagram illustrating an example of the swing drive of the reflection mirror unit 12.
  • FIG. 5 is a diagram showing a first resonance state in which the support beam portions 21A and 21B and the reflection mirror portion 12 swing in the same phase.
  • FIG. 6 is a diagram showing a second resonance state in which the support beam portions 21A and 21B and the reflection mirror portion 12 are swung in opposite phases.
  • a predetermined drive voltage for example, an alternating voltage with an amplitude of about 30 V
  • a drive circuit 31 This is a voltage with a bias voltage of 30 V added).
  • the piezoelectric element 26A formed on the base portion 25A is displaced in the direction perpendicular to the direction of application, that is, in the direction of the axis 27 perpendicular to the swing shaft 15.
  • a drive voltage having the same voltage as that of the output voltage of the drive circuit 31 is applied to the fixed frame 5 of the main body 2 and the upper electrode 28B formed on the base body 25B via the drive circuit 32.
  • each free end is displaced upward or downward in the same direction as each piezoelectric element 26A, 26B. That is, the free ends are displaced in opposite directions. Thereby, a standing wave having the swing shaft 15 as a node can be generated in each of the base portions 25A and 25B and the support beam portions 21A and 21B.
  • the standing wave having the swing shaft 15 as a node can act on the reflecting mirror portion 12 in a horizontal state supported by the torsion beam portions 22A and 22B to apply a force that gives a rotational moment. Induces torsional vibration.
  • the reflection mirror unit 12 is swung around the swinging shaft 15 that is the axis of each torsion beam portion 22A, 22B. Further, since the oscillating shaft 15 is located at this standing wave node, it does not move in any direction.
  • the first resonance state in which the reflection mirror unit 12 swings in the same phase as the support beam portions 21A and 21B, and the second resonance state in which the reflection mirror unit 12 swings in the opposite phase with the support beam portions 21A and 21B. Can be set respectively.
  • the amount of displacement around the swing axis 15 at both ends in the direction of the axis 27 orthogonal to the swing axis 15 of the reflection mirror section 12 is such that the reflection mirror section 12 swings in the same phase as the support beam sections 21A and 21B.
  • the one resonance state is larger than the second resonance state in which the reflection mirror portion 12 swings in the opposite phase to the support beam portions 21A and 21B.
  • FIG. 7 is an explanatory diagram showing an example of a change in the amount of displacement at both outer ends of the reflection mirror portion 12 when the center positions of the piezoelectric elements 26A and 26B are moved on the axis 27.
  • L1 shown in the upper diagram of FIG. 7 is the length from the outer edge of the base portions 25A and 25B on the fixed frame 5 side to the inner edge of the reflecting mirror portion 12, that is, the support portion 18 of the base 3. The distance along the axis line 27 from the inner side surface of each of the base portions 25A and 25B to the inner edge of the mirror portion 12 side is shown.
  • L2 shown in the upper diagram of FIG. 7 is the distance from the outer edge of each base portion 25A, 25B on the fixed frame 5 side to the center position of each piezoelectric element 26A, 26B, that is, the support portion 18 of the base 3. The distance along the axis line 27 from the inner surface of the piezoelectric element 26A to the center position of each piezoelectric element 26A is shown.
  • H shown in the upper diagram of FIG. The amount of vertical displacement of both ends of the reflecting mirror 12 in the direction of the axis 27 when moving dynamically is shown.
  • the amount of displacement H at both outer ends of the reflecting mirror 12 was measured with a laser Doppler displacement meter in synchronization with the driving voltage of the opposite phase applied to each piezoelectric element 26A, 26B.
  • FIG. 35 shows a displacement amount change diagram 35 shown in the lower part of FIG. 7, which is an actual confirmation example. From the outer edge of the base portions 25A and 25B on the fixed frame 5 side to the center position of the piezoelectric elements 26A and 26B. The respective displacement amounts H in the vertical direction at both ends on the outer side in the direction of the axis 27 of the reflection mirror portion 12 when the distance L2 is changed are shown.
  • the displacement amount change diagram shows that the piezoelectric elements 26A and 26B are driven in opposite phases so that the reflection mirror section 12 is in the first resonance state in which the reflection mirror section 12 swings in the same phase as the support beam sections 21A and 21B. This is a confirmation example performed by applying a voltage.
  • the change curve 36 in FIG. 35 shows the distance L2 from the outer edge of the base portions 25A and 25B on the fixed frame 5 side to the center position of the piezoelectric elements 26A and 26B.
  • the change of the displacement amount H of the outer both ends of the reflective mirror part 12 with respect to (L2 / L1) divided by the length L1 is shown.
  • drive voltages having opposite phases with each other having a bias voltage of about 30 V added to an alternating voltage with an amplitude of about 30 V are applied to the piezoelectric elements 26A and 26B.
  • Each piezoelectric element 26A, 26B was formed into a square having a thickness of about 5 ⁇ m and a 1 mm square in plan view.
  • the displacement amount H at both outer ends of the reflection mirror portion 12 is obtained when the maximum displacement amount H is about 100 as the value of (L2 / L1) increases from about 0.04.
  • the displacement amount H gradually increases from about 50, and when the value of (L2 / L1) is about 0.34, the maximum displacement amount H of about 100 is reached.
  • the displacement amount H at both outer ends of the reflection mirror portion 12 decreases as the value of (L2 / L1) increases from about 0.34, and when the value of (L2 / L1) is about 0.69.
  • the maximum displacement amount H is about 100, the displacement amount H is reduced to about 32.5.
  • the distance L2 from the outer edge of the base portions 25A and 25B on the fixed frame 5 side to the center position of the piezoelectric elements 26A and 26B is a predetermined distance range.
  • FIG. 8 is an arrangement example table 41 showing another arrangement example of the piezoelectric elements 26A and 26B on the base portions 25A and 25B.
  • the arrangement example table 41 indicates “Type” indicating the type of the optical scanner in which the arrangement of the piezoelectric elements 26A and 26B is changed, and the arrangement state of the piezoelectric elements 26A and 26B of each “Type”.
  • “Piezoelectric element arrangement example” and “mirror end portion displacement amount H” representing the maximum displacement amount H (see FIG. 7) of the outer end portions of the reflection mirror portion 12 are configured.
  • Type 1 is the optical scanner 1 described above.
  • the configuration of the main body 2 of the optical scanners 51 to 54 of “Type 2” to “Type 5” is the same as the configuration of the main body 2 of the optical scanner 1, and the arrangement state of the piezoelectric elements 26A and 26B is different. Yes.
  • the same reference numerals as those of the optical scanner 1 in the optical scanners 51 to 54 indicate the same parts as those of the optical scanner 1.
  • the piezoelectric mirrors 26A and 26B of the optical scanners 51 to 54 are in a first resonance state in which the reflection mirror unit 12 swings in the same phase as the support beam units 21A and 21B.
  • a drive voltage was applied so that Further, the displacement amount H at the outer end portions of the reflection mirror portion 12 of each optical scanner 1, 51 to 54 was measured with a laser Doppler displacement meter in synchronization with the drive voltage applied to each piezoelectric element 26A, 26B.
  • the maximum displacement amount H of the part was set to about 100 as described above (see FIG. 7).
  • a driving voltage obtained by adding a bias voltage of about 30 V to an alternating voltage having an amplitude of about 30 V is applied to the piezoelectric element 26B, the maximum displacement amount H at both outer ends of the reflecting mirror unit 12 in the first resonance state is “ When the maximum displacement amount H of “Type 1” was set to about 100, it was about 49.4.
  • the optical scanner 51 was able to swing the reflection mirror unit 12 about the swing shaft 15 by applying the drive voltage as described above to the piezoelectric element 26B. Further, since the reflecting mirror unit 12 can be driven to swing in the first resonance state, the swinging shaft 15 of the reflecting mirror unit 12 was not displaced in any direction.
  • the “Type 3” optical scanner 52 of the arrangement example table 41 forms the piezoelectric element 26B only on the base portion 25B, and the center position of the piezoelectric element 26B is outside the axis 27 and the reflection mirror. It is the structure formed so that it might become a position near the part 12 side.
  • a driving voltage obtained by adding a bias voltage of about 30 V to an alternating voltage having an amplitude of about 30 V is applied to the piezoelectric element 26B, the maximum displacement amount H at both outer ends of the reflecting mirror unit 12 in the first resonance state is “ When the maximum displacement amount H of “Type 1” is about 100, it is about 16.5.
  • the optical scanner 52 can swing the reflection mirror unit 12 around the swing shaft 15 by applying the drive voltage as described above to the piezoelectric element 26B. Further, since the reflecting mirror unit 12 can be driven to swing in the first resonance state, the swinging shaft 15 of the reflecting mirror unit 12 was not displaced in any direction.
  • both outer ends of the reflection mirror portion 12 in the first resonance state when a drive voltage having an opposite phase to each other, in which a bias voltage of about 30 V is applied to an alternating voltage having an amplitude of about 30 V, are applied to the piezoelectric elements 26A and 26B.
  • the maximum displacement amount H of the portion was about 19.9 when the maximum displacement amount H of “Type 1” was about 100.
  • the optical scanner 53 was able to swing the reflection mirror unit 12 around the swing shaft 15 by applying the drive voltages having the opposite phases to each other as described above to the piezoelectric elements 26A, 26B. Further, since the reflecting mirror unit 12 can be driven to swing in the first resonance state, the swinging shaft 15 of the reflecting mirror unit 12 was not displaced in any direction.
  • each of the piezoelectric elements 26A and 26B passes through the center position of the reflection mirror portion 12 on the swing axis 15 on the swing axis 15 and passes through the swing axis 15.
  • both outer ends of the reflection mirror portion 12 in the first resonance state when a drive voltage having an opposite phase to each other, in which a bias voltage of about 30 V is applied to an alternating voltage having an amplitude of about 30 V, are applied to the piezoelectric elements 26A and 26B.
  • the maximum displacement amount H of the part was about 27.4 when the maximum displacement amount H of “Type 1” was about 100.
  • the optical scanner 54 can swing the reflection mirror unit 12 around the swing shaft 15 by applying the drive voltages having the opposite phases to each other as described above to the piezoelectric elements 26A and 26B. Further, since the reflecting mirror unit 12 can be driven to swing in the first resonance state, the swinging shaft 15 of the reflecting mirror unit 12 was not displaced in any direction.
  • the edge portions of the base portions 25A and 25B on the reflection mirror portion 12 side are connected to the both ends by the support beam portions 21A and 21B.
  • the outer edge portions of the base portions 25 ⁇ / b> A and 25 ⁇ / b> B are fixed to the fixed frame 5.
  • the piezoelectric elements 26A and 26B on which the upper electrodes 28A and 28B are formed are formed on the base portions 25A and 25B, respectively.
  • the base portions 25A and 25B, the support beam portions 21A and 21B, and the piezoelectric elements 26A and 26B are provided so as to be symmetric with respect to the swing shaft 15 in the direction perpendicular thereto.
  • the torsion beam portions 22A and 22B extend from the both side surface portions on the swing shaft 15 of the reflection mirror portion 12 to the same surface in the outer direction, and are connected to the support beam portions 21A and 21B.
  • the reflection mirror portion 12 is subjected to a rotational moment by the standing waves via the torsion beam portions 22A and 22B, and swings around the swing shaft 15 that is the axis of the torsion beam portions 22A and 22B. Moved. Accordingly, since this standing wave has the swing shaft 15 as a node, the reflection mirror portion 12 can be swung without displacing the swing shaft 15 of the reflection mirror portion 12 in any direction. It becomes possible. Further, since the swing shaft 15 of the reflection mirror unit 12 is not displaced in any direction, it is possible to improve the effective efficiency of the reflected light of the reflection mirror unit 12.
  • each piezoelectric element 26A, 26B is formed so as to be separated from the end edge portion of each base portion 25A, 25B on the fixed frame 5 side in the direction of the reflection mirror portion 12, and therefore each base portion 25A, 25B and each base portion 25A, 25B. It is possible to reliably generate a standing wave having the swing shaft 15 as a node in the support beam portions 21A and 21B.
  • Each of the piezoelectric elements 26A and 26B passes through the center position of the reflection mirror portion 12 on the swing shaft 15 in the swing axis direction and is perpendicular to the swing shaft 15 on the reflection mirror portion 12. Is formed so as to be symmetrical with respect to each other, so that the amplitude of the standing wave having the swing shaft 15 excited by each of the base portions 25A and 25B and the support beam portions 21A and 21B as a node is increased. Thus, it is possible to reliably increase the amount of displacement of the reflection mirror portion 12 around the swing shaft 15.
  • the main body 2 by forming the main body 2 from a conductive material having elasticity, such as stainless steel, titanium, or iron, it is not necessary to form the lower electrodes of the piezoelectric elements 26A and 26B, and the structure can be simplified. It becomes.
  • a conductive material having elasticity such as stainless steel, titanium, or iron
  • this invention is not limited to the said Example, Of course, various improvement and deformation
  • transformation are possible within the range which does not deviate from the summary of this invention. For example, the following may be used.
  • the main body 2 may be formed of a non-conductive material having an elastic thickness of about 30 ⁇ m to 100 ⁇ m, such as silicon or quartz.
  • a resist film is formed on a portion of the thin rectangular silicon substrate having a thickness of about 30 ⁇ m to 100 ⁇ m except for the portions of the through holes 6 and the through holes 10, masked, etched, After forming each through hole 6 and through hole 10, the resist film is removed. Thereby, the fixed frame 5, the reflection mirror part 12, each torsion beam part 22A, 22B, each support beam part 21A, 21B, and each base
  • platinum (Pt), gold (Au), etc. are about 0.2 ⁇ m to 0 over the fixed frame 5 from the portions where the piezoelectric elements 26A, 26B are formed on the base portions 25A, 25B.
  • a pair of lower electrodes 61A and 61B (not shown) are formed by stacking 6 ⁇ m. Then, after forming the piezoelectric elements 26A and 26B on the lower electrodes 61A and 61B, the upper electrodes 28A and 28B may be formed on the piezoelectric elements 26A and 26B.
  • the lower electrodes 61A and 61B and the upper electrodes 28A and 28B on the fixed frame 5 are wire-bonded, and the piezoelectric elements 26A and 26B formed on the base portions 25A and 25B have phases opposite to each other.
  • a drive voltage can be applied.
  • the upper electrodes 28A and 28B, the piezoelectric elements 26A and 26B, and the lower electrodes 61A and 61B can be formed by a thin film technique such as a conventional sputtering method or a CVD method.
  • a magnetostrictive film such as a super magnetostrictive material that expands and contracts by an alternating magnetic field from the outside, or a permanent magnet film that is attracted and repelled by an alternating magnetic field from the outside.
  • a coil may be provided in the vicinity of each of the base portions 25A and 25B, and an alternating current may be passed through the coil to form an alternating magnetic field.
  • a standing wave having the swing shaft 15 as a node is generated in each of the base portions 25A and 25B and the support beam portions 21A and 21B, and the reflection mirror portion 12 is driven to swing around the swing shaft 15.
  • the main body 2 is preferably formed of a nonmagnetic material.
  • the outer edge portions of the base portions 25A and 25B are extended to the support portions 18 of the base 3 to directly support the base portions 25A and 25B. It may be fixed on the portion 18. As a result, the main body 2 can be reduced in size.

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Abstract

　各基体部２５Ａ、２５Ｂの各反射ミラー部１２側の端縁部は、その両端部を各支持梁部２１Ａ、２１Ｂによって連結され、この各基体部２５Ａ、２５Ｂの外側端縁部は、固定枠５に固定されている。また、各基体部２５Ａ、２５Ｂには、各上部電極２８Ａ、２８Ｂが形成された各圧電素子２６Ａ、２６Ｂが形成されている。更に、各基体部２５Ａ、２５Ｂ、各支持梁部２１Ａ、２１Ｂ及び各圧電素子２６Ａ、２６Ｂは、揺動軸１５に対して直角方向に対称になるように設けられている。また、各捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂは、反射ミラー部１２の揺動軸１５上の両側面部から外側方向に同一面上に延びて、各支持梁部２１Ａ、２１Ｂに連結されている。

Description

光スキャナ
　本発明は、光スキャナに関するものである。
　従来より、ミラー部を揺動軸回りに揺動駆動して所定方向に光を走査する光スキャナに関して種々提案されている。
　例えば、ミラー部と、このミラー部の両側に一端側が接続された一対の捻れ梁部とを残して中抜きされた基板が、その一端側を支持部材によって片持ち状に支持されると共に、この基板上の一部に圧電素子が形成された光スキャナがある（例えば、特許文献１参照。）。
特開２００６－２９３１１６号公報（段落（００１８）～（００２７）、図６～図１３）
　上述した特許文献１に記載される構成の光スキャナを駆動した一例について図９に基づいて説明する。図９は従来の光スキャナを共振状態で駆動した一例を示す側面図である。
　図９に示すように、特許文献１に記載される構成の光スキャナ１００では、基板１１１上に形成された圧電素子１１２に駆動電圧を印加して板波を発生させることによって、共振状態でミラー部１１３に捻れ振幅を発生させている。
　しかしながら、基板１１１は一端側が片持ち状に支持されているため、基板１１１の他端側は振幅方向に変位する。このため、捻れ梁部１１４に発生する振幅方向の振動によって、ミラー部１１２の揺動軸１１５が振幅方向に変位して、反射面で反射される反射光の効率が低下するという問題がある。
　そこで、本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものであり、ミラー部の揺動時に、このミラー部の揺動軸がどの方向にも変位しない光スキャナを提供することを目的とする。
　前記目的を達成するため本発明の光スキャナは、ミラー部を揺動軸回りに揺動駆動して所定方向に光を走査する光スキャナにおいて、前記ミラー部の揺動軸に沿って前記ミラー部の揺動軸方向両端に一端が接続される一対の捻れ梁部と、前記一対の捻れ梁部のそれぞれの他端が長手方向中央部に連結されて相対向するように形成される一対の支持梁部と、前記ミラー部を挟んで前記一対の支持梁部の各長手方向端部にそれぞれ内側端縁部が連結されて、前記揺動軸に対して直角方向に対称に配置される一対の平板状の基体部と、前記一対の基体部の外側端縁部が連結される固定部材と、前記一対の基体部の少なくとも一方の基体部の表面部に形成された励振手段と、を備え、前記励振手段の前記揺動軸に対して直角方向外側の端縁部は、前記基体部の外側端縁部から前記ミラー部側方向に離れるように形成されていることを特徴とする。
　このような光スキャナでは、一対の基体部の各内側端縁部は、一対の支持梁部によって連結され、この一対の基体部の各外側端縁部は、固定部材に固定されているため、励振手段によって揺動軸を節とする定在的な波を各基体部及び各支持梁部に発生させることが可能となる。これにより、ミラー部は、揺動軸上に形成された一対の捻れ梁部によって支持されるため、このミラー部の揺動軸をどの方向にも変位させることなく、ミラー部を揺動させることが可能となる。
　また、励振手段は、固定部材に連結された基体部の外側端縁部からミラー部側方向に離れるように形成されているため、各基体部及び各支持梁部に定在的な波を確実に発生させることが可能となる。
  また、本発明の光スキャナにおいて、前記励振手段は、前記ミラー部の揺動軸上の揺動軸方向中央位置を通り前記揺動軸に対して直交している軸線上に形成してもよい。
　このような光スキャナでは、励振手段は、ミラー部の揺動軸上の揺動軸方向中央位置を通りこの揺動軸に対して直交している軸線上に形成されているため、各基体部及び各支持梁部に揺動軸を節とする定在的な波を容易に励起することが可能となる。
　また、本発明の光スキャナにおいて、前記励振手段は、前記一対の基体部のそれぞれの表面に形成され、前記一対の基体部の一方の基体部に形成された励振手段と他方の基体部に形成された励振手段とは、互いに逆位相で振動するように駆動するようにしてもよい。
　このような光スキャナでは、励振手段は、一対の基体部のそれぞれの表面に形成されて、互いに逆位相で振動するように駆動されるため、各基体部及び各支持梁部に励起される定在的な波の振幅を大きくし、ミラー部の揺動軸回りの変位量を容易に大きくすることが可能となる。
  また、本発明の光スキャナにおいて、前記励振手段は、前記ミラー部の揺動軸上の揺動軸方向中央位置に対して前記ミラー部を挟んで点対称になるように形成してもよい。
　このような光スキャナでは、励振手段は、ミラー部の揺動軸上の揺動軸方向中央位置に対してミラー部を挟んで点対称になるように形成されているため、各基体部及び各支持梁部に揺動軸を節とする定在的な波を容易に励起することが可能となる。
  また、本発明の光スキャナにおいて、前記励振手段は、前記ミラー部の揺動軸上の揺動軸方向中央位置を通り前記揺動軸に対して直交している軸線上に前記ミラー部を挟んで対称になるように形成してもよい。
　このような光スキャナでは、励振手段は、ミラー部の揺動軸上の揺動軸方向中央位置を通りこの揺動軸に対して直交している軸線上に、ミラー部を挟んで対称になるように形成されているため、各基体部及び各支持梁部に励起される揺動軸を節とする定在的な波の振幅を大きくし、ミラー部の揺動軸回りの変位量を確実に大きくすることが可能となる。
  また、本発明の光スキャナにおいて、前記ミラー部は、前記揺動軸に対して対称になるように形成してもよい。
　このような光スキャナでは、ミラー部は、揺動軸に対して対称になるように形成されているため、ミラー部を揺動軸回りにどの方向にも変位させることなく確実に揺動させることが可能となる。
  また、本発明の光スキャナにおいて、前記励振手段は、前記ミラー部が前記一対の支持梁部の揺動と同位相で揺動するように駆動してもよい。
　このような光スキャナでは、励振手段は、ミラー部が一対の支持梁部の揺動と同位相で揺動するように駆動されるため、ミラー部が一対の支持梁部の揺動と逆位相で揺動するように駆動された場合に比較して、ミラー部の揺動軸回りの変位量を確実に大きくすることが可能となる。
  また、本発明の光スキャナにおいて、前記励振手段は、圧電素子を含むようにしてもよい。
　このような光スキャナでは、励振手段は、圧電素子を含むため、この圧電素子に駆動電圧を印加することによって、各基体部及び各支持梁部に揺動軸を節とする定在的な波を容易に励起することが可能となる。
  また、本発明の光スキャナにおいて、前記一対の基体部は導電性材料で形成され、前記圧電素子を含む励振手段は、前記圧電素子上に積層された上部電極を有するようにしてもよい。
　このような光スキャナでは、一対の基体部を導電性材料で形成することによって、圧電素子の下部電極を形成する必要がなくなり、構造の簡素化を図ることが可能となる。
  更に、本発明の光スキャナにおいて、前記一対の基体部は非導電性材料で形成され、前記圧電素子を含む励振手段は、前記基体部の表面部に積層されると共にその上側に前記圧電素子が積層される下部電極と、前記圧電素子上に積層された上部電極と、を有するようにしてもよい。
　このような光スキャナでは、一対の基体部をシリコン等の非導電性材料で形成することによって、低熱膨張係数の材料を使用することが可能となり、使用環境の温度変動に対する安定性の向上を図ることが可能となる。また、上部電極、圧電素子及び下部電極を従来のスパッター法やＣＶＤ法等の薄膜技術で形成することが可能となる。
本実施例に係る光スキャナの概略構成を模式的に示す分解斜視図である。 光スキャナの平面図である。 図２のＸ１－Ｘ１矢視断面図である。 反射ミラー部の揺動駆動の一例を示す図である。 各支持梁部と反射ミラー部が同位相で揺動する第１共振状態を示す図である。 各支持梁部と反射ミラー部が逆位相で揺動する第２共振状態を示す図である。 各圧電素子の中心位置を軸線上で移動させた場合の、反射ミラー部の外側両端部の変位量の変化の一例を示す説明図である。 各基体部上における各圧電素子の他の配置例を示す配置例テーブルである。 従来の光スキャナを共振状態で駆動した一例を示す側面図である。
　以下、本発明に係る光スキャナについて具体化した一実施例に基づき図面を参照しつつ詳細に説明する。
　［光スキャナの概略構成］
　先ず、本実施例に係る光スキャナ１の概略構成について図１乃至図３に基づき説明する。図１は光スキャナ１の概略構成を模式的に示す分解斜視図である。図２は光スキャナ１の平面図である。図３は図２のＸ１－Ｘ１矢視断面図である。
　図１乃至図３に示すように、光スキャナ１は、本体部２がベース３に装着されて構成されている。この本体部２は、ステンレス（例えば、ＳＵＳ３０４やＳＵＳ４３０等である。）、チタン、鉄等、弾性を有する導電性材料を用いて、プレス加工又はエッチングによって形成されている。本体部２の厚さは、約３０μｍ～１００μｍとされている。
　この本体部２は、図１の上部、図２及び図３に示すように、概略的には薄板長方形状を成している。本体部２は、外側に固定枠５を備え、その固定枠５の内側には、長手方向両側縁部に沿ってスリット状の一対の貫通孔６が、相互に対向するように形成されて、平面視長方形状の振動体８が設けられている。
　また、振動体８は、長手方向中央位置に光が通過し得る平面視長方形状の貫通孔１０が形成されている。そして、この貫通孔１０の中央部には、反射面１１が形成された平面視略長方形状の反射ミラー部１２が、揺動軸１５に対して直角方向、つまり、反射ミラー部１２の長手方向対称になるように設けられている。尚、反射ミラー部１２は、長方形に限らず、正方形、略四角形、菱形、多角形、円形、楕円形等であってもよい。
　このような本体部２の構成に対応して、ベース３は、図１の下部、図２及び図３に示すように、本体部２との装着状態において固定枠５が装着されるべき支持部１８と、振動体８と対向する凹部１９とを有するように構成されている。凹部１９は、本体部２をベース３に装着した状態において、振動体８が振動によって変位してもベース３と干渉しない形状を有するために形成されている。
　また、反射ミラー部１２の反射面１１は、その長手方向の対称中心線でもある揺動軸１５を中心として揺動させられる。振動体８は、さらに、その反射ミラー部１２の揺動軸１５上の両側面部から外側方向に同一面上に延びて、その反射ミラー部１２を貫通孔１０の相対向する両側縁部を形成する一対の支持梁部２１Ａ、２１Ｂに連結する一対の捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂを備えている。つまり、反射ミラー部１２の両側面部から、揺動軸１５に沿って一対の捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂがそれぞれ互いに逆向きに延び出して、それぞれ相対向する一対の支持梁部２１Ａ、２１Ｂに連結されている。
　ここで、反射ミラー部１２は、平面視長手方向が約８００μｍ～１２００μｍで、平面視短手方向（幅方向）が約１００μｍ～５００μｍに形成されている。また、一対の捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂは、揺動軸１５に対して直交している平面視短手方向（幅方向）が約８０μｍ～１５０μｍに形成され、揺動軸１５に沿った長手方向が約２５０μｍ～１５００μｍに形成されている。
　また、相対向する一対の支持梁部２１Ａ、２１Ｂは、揺動軸１５に対して長手方向対称に形成されている。また、この一対の支持梁部２１Ａ、２１Ｂの長手方向両端部は、反射ミラー部１２を挟んで、揺動軸１５に対して直角方向に対称に配置された一対の平板状の基体部２５Ａ、２５Ｂの反射ミラー部１２側の端縁部の両端にそれぞれ連結されている。また、この一対の基体部２５Ａ、２５Ｂの外側端縁部は、固定枠５を介してベース３に固定されている。従って、反射ミラー部１２、一対の支持梁部２１Ａ、２１Ｂ及び一対の基体部２５Ａ、２５Ｂは、揺動軸１５に対して直角方向に対称になるように設けられている。
　また、一対の基体部２５Ａ、２５Ｂのそれぞれの表面部には、約１μｍ～１０μｍの厚さで平面視約５００μｍ～１５００μｍ角の略正方形に積層された一対の圧電素子２６Ａ、２６Ｂが形成されている。尚、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂは、平面視正方形に限らず、平面視長方形、略四角形、菱形、多角形、円形、楕円形等であってもよい。
　また、一対の圧電素子２６Ａ、２６Ｂは、反射ミラー部１２の揺動軸１５上の揺動軸方向中央位置を通り、この揺動軸１５に対して直交している軸線２７上に中心位置が位置し、且つ、反射ミラー部１２を挟んで揺動軸１５に対して対称になるように形成されている。
　また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの揺動軸１５に対して直角方向外側の端縁部は、各基体部２５Ａ、２５Ｂの外側端縁部、つまり、各基体部２５Ａ、２５Ｂの固定枠５との連結部から反射ミラー部１２側方向に所定距離離れるように形成されている。従って、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの揺動軸１５に対して直角方向外側の端縁部は、ベース３の支持部１８の内側面から所定距離離れた位置に形成されている。これにより、後述のように各基体部２５Ａ、２５Ｂ及び各支持梁部２１Ａ、２１Ｂに揺動軸１５を節とする定在的な波を発生させることができる（図５参照）。
　この一対の圧電素子２６Ａ、２６Ｂの作製方法は、先ず、固定枠５と振動体８との表面部において、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂを除いた部分にレジスト膜、若しくは、別途用意した各圧電素子２６Ａ、２６Ｂを形成する形状部分が切り抜かれた金属片を用いてマスキングする。その後、ＰＺＴ等の圧電素子のナノサイズの微粒子を吹付けることによって成膜を行なうエアロゾルデポジション法（ＡＤ法）によって、ＰＺＴ等の圧電素子を約１μｍ～１０μｍ積層して各圧電素子２６Ａ、２６Ｂを形成後、レジスト膜、若しくは、金属片を除去する。
　また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの上側には、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの周縁部と所定隙間を形成するように、約０．２μｍ～０．６μｍの厚さで積層された一対の上部電極２８Ａ、２８Ｂが形成されている。
　この一対の上部電極２８Ａ、２８Ｂの作製方法は、先ず、固定枠５と振動体８との表面部において、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂ上に各上部電極２８Ａ、２８Ｂを形成するように、各上部電極２８Ａ、２８Ｂを形成する表面部分を除いた部分にレジスト膜を形成してマスキングする。その後、物理気相成長法（ＰＶＤ：Physical Vapor Deposition）や真空蒸着法によって、白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等を約０．２μｍ～０．６μｍ積層して各上部電極２８Ａ、２８Ｂを形成後、レジスト膜を除去する。例えば、各上部電極２８Ａ、２８Ｂの部分にチタン（Ｔｉ）を０．０５μｍ積層し、続いて、その上側に白金（Ｐｔ）を０．５μｍ積層後、レジスト膜を除去するようにしてもよい。
　従って、後述のように、各基体部２５Ａ、２５Ｂの外側端縁部に対向する固定枠５上の部分と各上部電極２８Ａ、２８Ｂとにワイヤボンディングして、各基体部２５Ａ、２５Ｂ上に形成された各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに駆動電圧を印加することが可能となる（図４参照）。つまり、反射ミラー部１２、各捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂ及び各支持梁部２１Ａ、２１Ｂに負荷を与えることなく、駆動電圧を印加することが可能となる。
　尚、上述した本体部２の製造方法においては、圧電素子層として各圧電素子２６Ａ、２６ＢをＡＤ法で、上部電極層として各上部電極２８Ａ、２８Ｂを物理気相成長法や真空蒸着法で形成した。また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂも物理気相成長法や真空蒸着法で形成してもよい。また、各上部電極２８Ａ、２８ＢをＡＤ法で形成してもよい。この物理気相成長法には、例えば、真空中に不活性ガスを導入しながら基板とターゲット間に直流電圧あるいは交流電圧を印加し、イオン化した不活性ガスをターゲットに衝突させて、はじき飛ばされたターゲット物質を基板に成膜させるスパッタリングがある。但し、これに限らず、化学気相成長法（ＣＶＤ：Chemical Vapor Deposition）によって、圧電素子層、上部電極層のうち、少なくとも一つの層を形成してもよい。
　［揺動駆動］
　次に、光スキャナ１の揺動駆動について図４乃至図６に基づいて説明する。
　図４は反射ミラー部１２の揺動駆動の一例を示す図である。図５は各支持梁部２１Ａ、２１Ｂと反射ミラー部１２が同位相で揺動する第１共振状態を示す図である。図６は各支持梁部２１Ａ、２１Ｂと反射ミラー部１２が逆位相で揺動する第２共振状態を示す図である。
　図４に示すように、本体部２の固定枠５と基体部２５Ａ上に形成された上部電極２８Ａとに、駆動回路３１を介して所定駆動電圧（例えば、振幅約３０Ｖの交番電圧に、約３０Ｖのバイアス電圧を付加した電圧である。）を印加する。それにより、基体部２５Ａ上に形成された圧電素子２６Ａには、その印加方向と直交する向き、即ち、揺動軸１５に直交している軸線２７方向の変位が発生される。
　また、本体部２の固定枠５と基体部２５Ｂ上に形成された上部電極２８Ｂとに駆動回路３２を介して、駆動回路３１の出力電圧と逆位相で同電圧の駆動電圧を印加する。それにより、基体部２５Ｂ上に形成された圧電素子２６Ｂには、その印加方向と直交する向き、即ち、揺動軸１５に直交している軸線２７方向の変位が、圧電素子２６Ａと反対方向に発生される。
　そして、図５に示すように、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの変位により、各基体部２５Ａ、２５Ｂは、固定枠５側端部を固定端とし、各支持梁部２１Ａ、２１Ｂ側端部を自由端として、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの変位が上向きであるか下向きであるかにより、各自由端は、上向き又は下向きに各圧電素子２６Ａ、２６Ｂと同方向に変位する。つまり、各自由端は互いに反対方向に変位する。それにより、各基体部２５Ａ、２５Ｂ及び各支持梁部２１Ａ、２１Ｂには、揺動軸１５を節とする定在的な波を発生させることができる。
　また、この揺動軸１５を節とする定在的な波は、各捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂで支持された水平状態にある反射ミラー部１２に回転モーメントを与える力を作用させることができ、捻れ振動を誘起する。その結果、反射ミラー部１２は、各捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂの軸心である揺動軸１５回りに揺動される。また、揺動軸１５は、この定在的な波の節に位置するため、どの方向にも変位することがない。
　また、図５及び図６に示すように、各基体部２５Ａ、２５Ｂ上に形成された各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに互いに逆位相の駆動電圧を印加して定在的な波を発生させることによって、反射ミラー部１２が各支持梁部２１Ａ、２１Ｂと同位相で揺動する第１共振状態と、反射ミラー部１２が各支持梁部２１Ａ、２１Ｂと逆位相で揺動する第２共振状態とをそれぞれ設定することが可能である。
　また、反射ミラー部１２の揺動軸１５に直交する軸線２７方向両端部の揺動軸１５回りの変位量は、反射ミラー部１２が各支持梁部２１Ａ、２１Ｂと同位相で揺動する第１共振状態の方が、反射ミラー部１２が各支持梁部２１Ａ、２１Ｂと逆位相で揺動する第２共振状態よりも大きくなっている。
　次に、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの中心位置を揺動軸１５に対して対称になるように軸線２７上で移動させた場合の、反射ミラー部１２の軸線２７方向外側両端部の変位量の変化を図７に基づいて説明する。図７は各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの中心位置を軸線２７上で移動させた場合の、反射ミラー部１２の外側両端部の変位量の変化の一例を示す説明図である。
　図７の上図に示すＬ１は、各基体部２５Ａ、２５Ｂの固定枠５側の外側端縁部から反射ミラー部１２側の内側端縁部までの長さ、つまり、ベース３の支持部１８の内側面から各基体部２５Ａ、２５Ｂのミラー部１２側の内側端縁部までの軸線２７に沿った距離を示している。また、図７の上図に示すＬ２は、各基体部２５Ａ、２５Ｂの固定枠５側の外側端縁部から各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの中心位置までの距離、つまり、ベース３の支持部１８の内側面から各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの中心位置までの軸線２７に沿った距離を示している。
　また、図７の上図に示すＨは、各駆動回路３１、３２を介して各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに互いに逆位相の駆動電圧を印加して反射ミラー部１２を揺動軸１５回りに揺動駆動した場合の、反射ミラー部１２の軸線２７方向外側両端部の上下方向の変位量を示している。この反射ミラー部１２の外側両端部の変位量Ｈは、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに印加する逆位相の駆動電圧に同期してレーザードップラー変位計で測定した。
　そして、図７の下図に示す変位量変化図３５は、実際に行った確認例で、各基体部２５Ａ、２５Ｂの固定枠５側の外側端縁部から各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの中心位置までの距離Ｌ２を変化させた場合の、反射ミラー部１２の軸線２７方向外側両端部の上下方向の各変位量Ｈを示している。尚、変位量変化図３５は、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに、反射ミラー部１２が各支持梁部２１Ａ、２１Ｂと同位相で揺動する第１共振状態になるように、互いに逆位相の駆動電圧を印加して行った確認例である。
　この変位量変化図３５の変化曲線３６は、各基体部２５Ａ、２５Ｂの固定枠５側の外側端縁部から各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの中心位置までの距離Ｌ２を各基体部２５Ａ、２５Ｂの長さＬ１で割り算した（Ｌ２／Ｌ１）に対する、反射ミラー部１２の外側両端部の変位量Ｈの変化を表している。尚、この確認例では、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに振幅約３０Ｖの交番電圧に約３０Ｖのバイアス電圧を付加した、互いに逆位相となる駆動電圧を印加した。また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂは、厚さ約５μｍで平面視１ｍｍ角の正方形に形成して測定した。
　この変化曲線３６に示すように、反射ミラー部１２の外側両端部の変位量Ｈは、（Ｌ２／Ｌ１）の値が約０．０４から増加するに従って、最大変位量Ｈを約１００とした場合に、約５０の変位量Ｈから徐々に増加し、（Ｌ２／Ｌ１）の値が約０．３４のときに、約１００の最大変位量Ｈに達している。そして、この反射ミラー部１２の外側両端部の変位量Ｈは、（Ｌ２／Ｌ１）の値が約０．３４から増加するに従って減少し、（Ｌ２／Ｌ１）の値が約０．６９のときに最大変位量Ｈを約１００とした場合に、約３２．５の変位量Ｈまで減少している。
　従って、変位量変化図３５の変化曲線３６に示すように、各基体部２５Ａ、２５Ｂの固定枠５側の外側端縁部から各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの中心位置までの距離Ｌ２を所定距離範囲（例えば、Ｌ２／Ｌ１＝０．３２～０．３６の範囲である。）に設定することによって、反射ミラー部１２の外側両端部の変位量Ｈをほぼ最大変位量Ｈに設定することが可能である。
　次に、各基体部２５Ａ、２５Ｂ上における各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの他の配置例について図８に基づいて説明する。図８は各基体部２５Ａ、２５Ｂ上における各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの他の配置例を示す配置例テーブル４１である。
　図８に示すように、配置例テーブル４１は、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの配置を変更した光スキャナの種類を表す「Ｔｙｐｅ」と、各「Ｔｙｐｅ」の圧電素子２６Ａ、２６Ｂの配置状態を示す「圧電素子の配置例」と、反射ミラー部１２の外側両端部の最大変位量Ｈ（図７参照）を表す「ミラー端部変位量Ｈ」とから構成されている。
　尚、「Ｔｙｐｅ１」は、上記光スキャナ１である。また、「Ｔｙｐｅ２」～「Ｔｙｐｅ５」の各光スキャナ５１～５４の本体部２の構成は、上記光スキャナ１の本体部２の構成と同一で、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの配置状態が異なっている。また、各光スキャナ５１～５４の上記光スキャナ１と同一符号は、上記光スキャナ１と同一部分を示すものである。また、各光スキャナ５１～５４の各圧電素子２６Ａ、２６Ｂには、上記光スキャナ１と同様に、反射ミラー部１２が各支持梁部２１Ａ、２１Ｂと同位相で揺動する第１共振状態になるように駆動電圧を印加した。また、各光スキャナ１、５１～５４の反射ミラー部１２の外側両端部の変位量Ｈは、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに印加する駆動電圧に同期してレーザードップラー変位計で測定した。
　従って、配置例テーブル４１の「Ｔｙｐｅ１」の光スキャナ１は、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの中心位置が、軸線２７上の（Ｌ２／Ｌ１）＝０．３４の位置（図７参照）になるように配置した状態を示している。また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに振幅約３０Ｖの交番電圧に約３０Ｖのバイアス電圧を付加した、互いに逆位相となる駆動電圧を印加した際の、第１共振状態における反射ミラー部１２の外側両端部の最大変位量Ｈを、上記の通り約１００とした（図７参照）。
　また、配置例テーブル４１の「Ｔｙｐｅ２」の光スキャナ５１は、基体部２５Ｂ上だけに、圧電素子２６Ｂを形成すると共に、この圧電素子２６Ｂの中心位置が、軸線２７上の（Ｌ２／Ｌ１）＝０．３４の位置になるように形成した構成である。また、圧電素子２６Ｂに振幅約３０Ｖの交番電圧に約３０Ｖのバイアス電圧を付加した駆動電圧を印加した際の、第１共振状態における反射ミラー部１２の外側両端部の最大変位量Ｈは、「Ｔｙｐｅ１」の最大変位量Ｈを約１００とした場合に、約４９．４であった。
　従って、光スキャナ５１は、圧電素子２６Ｂに上述したような駆動電圧を印加することによって、反射ミラー部１２を揺動軸１５回りに揺動駆動することができた。また、第１共振状態で反射ミラー部１２を揺動駆動できるため、この反射ミラー部１２の揺動軸１５は、どの方向にも変位しなかった。
　また、配置例テーブル４１の「Ｔｙｐｅ３」の光スキャナ５２は、基体部２５Ｂ上だけに、圧電素子２６Ｂを形成すると共に、この圧電素子２６Ｂの中心位置が、軸線２７の外側で、かつ、反射ミラー部１２側寄りの位置になるように形成した構成である。また、圧電素子２６Ｂに振幅約３０Ｖの交番電圧に約３０Ｖのバイアス電圧を付加した駆動電圧を印加した際の、第１共振状態における反射ミラー部１２の外側両端部の最大変位量Ｈは、「Ｔｙｐｅ１」の最大変位量Ｈを約１００とした場合に、約１６．５であった。
　従って、光スキャナ５２は、圧電素子２６Ｂに上述したような駆動電圧を印加することによって、反射ミラー部１２を揺動軸１５回りに揺動駆動することができた。また、第１共振状態で反射ミラー部１２を揺動駆動できるため、この反射ミラー部１２の揺動軸１５は、どの方向にも変位しなかった。
　また、配置例テーブル４１の「Ｔｙｐｅ４」の光スキャナ５３は、基体部２５上に、圧電素子２６Ａの中心位置が、軸線２７の外側（図８中、下側である。）で、かつ、反射ミラー部１２側寄りの位置になるように形成されている。また、基体部２５Ｂ上に、圧電素子２６Ｂの中心位置が、軸線２７の圧電素子２６Ａと同方向外側（図８中、下側である。）に位置し、かつ、（Ｌ２／Ｌ１）＝０．３４の位置になるように形成した構成である。また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに振幅約３０Ｖの交番電圧に約３０Ｖのバイアス電圧を付加した、互いに逆位相となる駆動電圧を印加した際の、第１共振状態における反射ミラー部１２の外側両端部の最大変位量Ｈは、「Ｔｙｐｅ１」の最大変位量Ｈを約１００とした場合に、約１９．９であった。
　従って、光スキャナ５３は、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに上述したような互いに逆位相の駆動電圧を印加することによって、反射ミラー部１２を揺動軸１５回りに揺動駆動することができた。また、第１共振状態で反射ミラー部１２を揺動駆動できるため、この反射ミラー部１２の揺動軸１５は、どの方向にも変位しなかった。
　また、配置例テーブル４１の「Ｔｙｐｅ５」の光スキャナ５４は、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂは、反射ミラー部１２の揺動軸１５上の揺動軸方向中央位置を通り、この揺動軸１５に対して斜めに交差している直線５５上で、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの中心位置が（Ｌ２／Ｌ１）＝０．３４の位置（図７参照）になるように、各基体部２５Ａ、２５Ｂ上形成されている。つまり、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂは、反射ミラー部１２の揺動軸１５上の揺動軸方向中央位置に対して、この反射ミラー部１２を挟んで点対称になるように、各基体部２５Ａ、２５Ｂ上に形成されている。また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに振幅約３０Ｖの交番電圧に約３０Ｖのバイアス電圧を付加した、互いに逆位相となる駆動電圧を印加した際の、第１共振状態における反射ミラー部１２の外側両端部の最大変位量Ｈは、「Ｔｙｐｅ１」の最大変位量Ｈを約１００とした場合に、約２７．４であった。
　従って、光スキャナ５４は、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに上述したような互いに逆位相の駆動電圧を印加することによって、反射ミラー部１２を揺動軸１５回りに揺動駆動することができた。また、第１共振状態で反射ミラー部１２を揺動駆動できるため、この反射ミラー部１２の揺動軸１５は、どの方向にも変位しなかった。
　以上説明した通り、本実施例に係る光スキャナ１では、各基体部２５Ａ、２５Ｂの各反射ミラー部１２側の端縁部は、その両端部を各支持梁部２１Ａ、２１Ｂによって連結され、この各基体部２５Ａ、２５Ｂの外側端縁部は、固定枠５に固定されている。また、各基体部２５Ａ、２５Ｂには、各上部電極２８Ａ、２８Ｂが形成された各圧電素子２６Ａ、２６Ｂが形成されている。更に、各基体部２５Ａ、２５Ｂ、各支持梁部２１Ａ、２１Ｂ及び各圧電素子２６Ａ、２６Ｂは、揺動軸１５に対して直角方向に対称になるように設けられている。また、各捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂは、反射ミラー部１２の揺動軸１５上の両側面部から外側方向に同一面上に延びて、各支持梁部２１Ａ、２１Ｂに連結されている。
　これにより、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに互いに逆位相の駆動電圧を印加することによって、揺動軸１５を節とする定在的な波を各基体部２５Ａ、２５Ｂ及び各支持梁部２１Ａ、２１Ｂに発生させることが可能となる。また、反射ミラー部１２は、この定在的な波によって各捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂを介して回転モーメントが作用し、各捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂの軸心である揺動軸１５回りに揺動される。従って、この定在的な波は、揺動軸１５を節とするため、この反射ミラー部１２の揺動軸１５をどの方向にも変位させることなく、反射ミラー部１２を揺動させることが可能となる。また、反射ミラー部１２の揺動軸１５がどの方向にも変位しないため、反射ミラー部１２の反射光の実効効率の向上を図ることが可能となる。
　また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂは、各基体部２５Ａ、２５Ｂの固定枠５側の端縁部から反射ミラー部１２側方向に離れるように形成されているため、各基体部２５Ａ、２５Ｂ及び各支持梁部２１Ａ、２１Ｂに揺動軸１５を節とする定在的な波を確実に発生させることが可能となる。
　また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂは、反射ミラー部１２の揺動軸１５上の揺動軸方向中央位置を通りこの揺動軸１５に対して直交している軸線２７上に、反射ミラー部１２を挟んで対称になるように形成されているため、各基体部２５Ａ、２５Ｂ及び各支持梁部２１Ａ、２１Ｂに励起される揺動軸１５を節とする定在的な波の振幅を大きくし、反射ミラー部１２の揺動軸１５回りの変位量を確実に大きくすることが可能となる。
　また、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに互いに逆位相の駆動電圧を印加して、反射ミラー部１２が各支持梁部２１Ａ、２１Ｂの揺動と同位相で揺動する第１共振状態で揺動駆動することによって、反射ミラー部１２が各支持梁部２１Ａ、２１Ｂの揺動と逆位相で揺動する第２共振状態で揺動駆動する場合に比較して、この反射ミラー部１２の外側両端部の揺動軸１５回りの変位量Ｈを確実に大きくすることが可能となる。
　また、本体部２をステンレス、チタン、鉄等、弾性を有する導電性材料で形成することによって、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂの下部電極を形成する必要がなくなり、構造の簡素化を図ることが可能となる。
　尚、本発明は前記実施例に限定されることはなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内で種々の改良、変形が可能であることは勿論である。例えば、以下のようにしてもよい。
　（Ａ）本体部２をシリコン、石英等、弾性を有する厚さ約３０μｍ～１００μｍの非導電性材料で形成してもよい。この場合には、厚さ約３０μｍ～１００μｍの薄長四角形のシリコン基材上等に各貫通孔６及び貫通孔１０の部分を除いた部分にレジスト膜を形成してマスキング後、エッチングして、各貫通孔６及び貫通孔１０を形成した後、レジスト膜を除去する。これにより、固定枠５、反射ミラー部１２、各捻れ梁部２２Ａ、２２Ｂ、各支持梁部２１Ａ、２１Ｂ及び各基体部２５Ａ、２５Ｂが形成される。
　また、この場合には、各基体部２５Ａ、２５Ｂ上に各圧電素子２６Ａ、２６Ｂを形成する部分から固定枠５に渡って、白金（Ｐｔ）や金（Ａｕ）等を約０．２μｍ～０．６μｍ積層して一対の下部電極６１Ａ、６１Ｂ（不図示）を形成する。その後、各下部電極６１Ａ、６１Ｂ上に各圧電素子２６Ａ、２６Ｂを形成後、この各圧電素子２６Ａ、２６Ｂ上に各上部電極２８Ａ、２８Ｂを形成するようにしてもよい。
　これにより、固定枠５上の各下部電極６１Ａ、６１Ｂと各上部電極２８Ａ、２８Ｂとにワイヤボンディングして、各基体部２５Ａ、２５Ｂ上に形成された各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに互いに逆位相の駆動電圧を印加することが可能となる。また、各上部電極２８Ａ、２８Ｂ、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂ及び各下部電極６１Ａ、６１Ｂを従来のスパッター法やＣＶＤ法等の薄膜技術で形成することが可能となる。
　（Ｂ）また、例えば、各圧電素子２６Ａ、２６Ｂに替えて、外部からの交番磁界により延び縮みする超磁歪材料等の磁歪膜や、外部からの交番磁界によって吸引・反発される永久磁石膜をＡＤ法等で形成してもよい。そして、各基体部２５Ａ、２５Ｂの近傍位置にコイルを設け、このコイルに交流電流を流して交番磁界を形成するようにしてもよい。これによって、揺動軸１５を節とする定在的な波を各基体部２５Ａ、２５Ｂ及び各支持梁部２１Ａ、２１Ｂに発生させ、反射ミラー部１２を揺動軸１５回りに揺動駆動することが可能となる。尚、この場合には、本体部２は、非磁性材料で形成することが望ましい。
　（Ｃ）また、例えば、固定枠５を形成することなく、各基体部２５Ａ、２５Ｂの外側端縁部をそれぞれベース３の支持部１８上まで延出して、各基体部２５Ａ、２５Ｂを直接支持部１８上に固着するようにしてもよい。これにより、本体部２を小型化することが可能となる。

Claims (10)

  1. 　ミラー部を揺動軸回りに揺動駆動して所定方向に光を走査する光スキャナにおいて、
    　前記ミラー部の揺動軸に沿って前記ミラー部の揺動軸方向両端に一端が接続される一対の捻れ梁部と、
    　前記一対の捻れ梁部のそれぞれの他端が長手方向中央部に連結されて相対向するように形成される一対の支持梁部と、
    　前記ミラー部を挟んで前記一対の支持梁部の各長手方向端部にそれぞれ内側端縁部が連結されて、前記揺動軸に対して直角方向に対称に配置される一対の平板状の基体部と、
    　前記一対の基体部の外側端縁部が連結される固定部材と、
    　前記一対の基体部の少なくとも一方の基体部の表面部に形成された励振手段と、
    　を備え、
    　前記励振手段の前記揺動軸に対して直角方向外側の端縁部は、前記基体部の外側端縁部から前記ミラー部側方向に離れるように形成されていることを特徴とする光スキャナ。
  2. 　前記励振手段は、前記ミラー部の揺動軸上の揺動軸方向中央位置を通り前記揺動軸に対して直交している軸線上に形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。
  3. 　前記励振手段は、前記一対の基体部のそれぞれの表面に形成され、
    　前記一対の基体部の一方の基体部に形成された励振手段と他方の基体部に形成された励振手段とは、互いに逆位相で振動するように駆動されることを特徴とする請求項１に記載の光スキャナ。
  4. 　前記励振手段は、前記ミラー部の揺動軸上の揺動軸方向中央位置に対して前記ミラー部を挟んで点対称になるように形成されていることを特徴とする請求項３に記載の光スキャナ。
  5. 　前記励振手段は、前記ミラー部の揺動軸上の揺動軸方向中央位置を通り前記揺動軸に対して直交している軸線上に前記ミラー部を挟んで対称になるように形成されていることを特徴とする請求項４に記載の光スキャナ。
  6. 　前記ミラー部は、前記揺動軸に対して対称になるように形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の光スキャナ。
  7. 　前記励振手段は、前記ミラー部が前記一対の支持梁部の揺動と同位相で揺動するように駆動されることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の光スキャナ。
  8. 　前記励振手段は、圧電素子を含むことを特徴とする請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の光スキャナ。
  9. 　前記一対の基体部は導電性材料で形成され、
    　前記圧電素子を含む励振手段は、前記圧電素子上に積層された上部電極を有することを特徴とする請求項８に記載の光スキャナ。
  10. 　前記一対の基体部は非導電性材料で形成され、
    　前記圧電素子を含む励振手段は、
    　　　前記基体部の表面部に積層されると共にその上側に前記圧電素子が積層される下部電極と、
    　　　前記圧電素子上に積層された上部電極と、
    　を有することを特徴とする請求項８に記載の光スキャナ。
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