特許 6333079 光スキャナ

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6333079

(24)【登録日】2018年5月11日

(45)【発行日】2018年5月30日

(54)【発明の名称】光スキャナ

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20180521BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20180521BHJP

   H04N 1/113 20060101ALI20180521BHJP

【ＦＩ】

   G02B26/10 104Z

   B81B3/00

   H04N1/04 104Z

【請求項の数】5

【全頁数】17

(21)【出願番号】特願2014-121658(P2014-121658)

(22)【出願日】2014年6月12日

(65)【公開番号】特開2016-1275(P2016-1275A)

(43)【公開日】2016年1月7日

【審査請求日】2017年5月17日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】池上 景一

(72)【発明者】

【氏名】小川 昭雄

【審査官】 右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１３−１６０８８７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−１７１２２７（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１０−２６３７３６（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−１７８１７３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００７／０００８４０１（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

Ｇ０２Ｂ ２６／００ − ２６／０８

Ｂ８１Ｂ １／００ − ７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００ − ９９／００

Ｂ４１Ｊ ２／４７

Ｈ０４Ｎ １／１１３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を反射するミラー部と、
前記ミラー部を包囲して支持する内枠部と、
前記内枠部を包囲して支持する外枠部と、
前記ミラー部と前記内枠部との間に介在して、前記ミラー部の回転軸線の回りに前記ミラー部を回動させる内側圧電アクチュエータと、
前記内枠部と前記外枠部との間に介在して、前記回転軸線の回りに前記内枠部を回動させる外側圧電アクチュエータと、
前記内側圧電アクチュエータに印加される第１駆動電圧と、前記外側圧電アクチュエータに印加される第２駆動電圧とを生成する駆動電圧生成手段とを備え、
前記第１駆動電圧と前記第２駆動電圧のいずれか一方が、前記外枠部に対する前記ミラー部の前記回転軸線回りのオフセット角に対応するオフセット電圧であり、
前記オフセット電圧の波形は、ゼロ電位から前記オフセット角に対応する電位に立ち上がり、前記電位からゼロ電位に立ち下がる矩形波状であることを特徴とする光スキャナ。

【請求項2】

請求項１記載の光スキャナであって、
前記オフセット電圧が印加される各圧電アクチュエータは、
電極間でオフセット電圧が印加される圧電体と、前記圧電体及び前記電極を支持し前記圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する複数の圧電カンチレバーで構成され、
各圧電カンチレバーは、互いに隣り合うように並んで配置され、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対して折り返すように各圧電カンチレバーの端部が連結されることを特徴とする光スキャナ。

【請求項3】

請求項１又は２記載の光スキャナであって、
前記オフセット電圧の前記オフセット角に対応する電位からゼロ電位に立ち下がる波形部分は、パルス状に形成されることを特徴とする光スキャナ。

【請求項4】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スキャナであって、
前記駆動電圧生成手段で生成されたオフセット電圧以外の電圧は、波形が正弦波であり、極大電圧となる時点を含む所定時間幅の極大電圧期間と、極小電圧となる時点を含む所定時間幅の極小電圧期間との両方に、前記オフセット電圧がゼロ電位である時点を含むことを特徴とする光スキャナ。

【請求項5】

請求項１〜３のいずれか１項に記載の光スキャナであって、
前記駆動電圧生成手段で生成されたオフセット電圧以外の電圧は、波形がノコギリ波状であり、極大電圧となる時点及び極小電圧となる時点を含む所定時間幅の期間に、前記オフセット電圧がゼロ電位である時刻を含むことを特徴とする光スキャナ。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスとして製造される光スキャナに関する。

【背景技術】

【0002】

近年、マイクロマシニング技術等を利用して製造されるＭＥＭＳデバイスの一種としてＭＥＭＳ光スキャナの開発が各研究機関で盛んに行われている。ＭＥＭＳ光スキャナは、入射光を反射するミラー部と、ミラー部を回転軸線の回りに往復回動させるアクチュエータとを備え、回転軸線の回りのミラー部の往復回動によりミラー部の揺動角を制御し反射光を出射するものである。ＭＥＭＳ光スキャナは、例えばレーザプロジェクタ、レーザビームプリンタ、レーザレーダー、バーコードリーダ、エリアセンサ等、種々の光学機器への応用が可能であり、これら光学機器の小型化に寄与するものである。

【0003】

ＭＥＭＳ光スキャナのアクチュエータとして、圧電膜の伸縮を利用する圧電アクチュエータがある。圧電アクチュエータは耐熱性が高いことから、車両内等の高温環境下でも動作可能であり、例えば、車載レーザレーダーに使用されている。車載レーザレーダーでは、より大きな照射角を得るために、より大きな揺動角でミラー部が回動し得る光スキャナが提案されている（例えば、特許文献１）。

【0004】

この光スキャナは、固定枠に対してミラー部を回転軸線回りに初期状態において傾かせるオフセット角を設定するためのオフセット電圧とミラー部を揺動させる電圧とを合成した合成電圧を圧電アクチュエータに印加し、ミラー部を揺動させるとともにミラー部の回転軸線回りの傾きを補正する。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１２−１９８３１４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

しかしながら、特許文献１に記載された光スキャナでは、圧電アクチュエータに印加される電圧が、固定枠に対するミラー部の最大揺動角に対応する限界電圧以上になると、圧電アクチュエータが破損する可能性がある。そのため、圧電アクチュエータに印加される合成電圧は、限界電圧を超えない範囲内の電圧に制御されなければならない。

【0007】

従って、より大きいオフセット角を確保するために、より大きいオフセット電圧を圧電アクチュエータに印加する場合には、合成電圧が限界電圧を超えないようにミラー部を揺動させる電圧を下げなければならず、それによってミラー部の揺動角が小さくなるという問題がある。一方、ミラー部の所定の揺動角を確保するためには、合成電圧が限界電圧を超えないようにオフセット電圧を下げなければならず、それによってミラー部のオフセット角が小さくなるという問題がある。

【0008】

本発明は、以上の状況に鑑み、光偏向器のミラー部に対して所望のオフセット角とより大きい揺動角を与えることができる光スキャナを提供することを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0009】

本発明は、光を反射するミラー部と、前記ミラー部を包囲して支持する内枠部と、前記内枠部を包囲して支持する外枠部と、前記ミラー部と前記内枠部との間に介在して、前記ミラー部の回転軸線の回りに前記ミラー部を回動させる内側圧電アクチュエータと、前記内枠部と前記外枠部との間に介在して、前記回転軸線の回りに前記内枠部を回動させる外側圧電アクチュエータと、前記内側圧電アクチュエータに印加される第１駆動電圧と、前記外側圧電アクチュエータに印加される第２駆動電圧とを生成する駆動電圧生成手段とを備え、前記第１駆動電圧と前記第２駆動電圧のいずれか一方が、前記外枠部に対する前記ミラー部の前記回転軸線回りのオフセット角に対応するオフセット電圧であり、前記オフセット電圧の波形は、ゼロ電位から前記オフセット角に対応する電位に立ち上がり、前記電位からゼロ電位に立ち下がる矩形波状であることを特徴とする。

【0010】

本発明によれば、内側圧電アクチュエータに印加される第１駆動電圧と、外側圧電アクチュエータに印加される第２駆動電圧のいずれか一方をオフセット電圧にすることにより、内側圧電アクチュエータと外側圧電アクチュエータの一方にのみオフセット電圧を印加し、他方にミラー部を揺動させる電圧を印加することができる。これにより、ミラー部に対して最大揺動角に対応する限界電圧値の電圧を印加するとともに、その限界電圧に制限されることなく所望のオフセット電圧を印加できる。その結果、ミラー部に対して所望のオフセット角を設定するとともに、ミラー部を大きい所定の揺動角で揺動させることができる光スキャナが提供される。

【0011】

ところで、本発明の前提となる光スキャナにおいては、オフセット電圧を圧電アクチュエータに印加した状態が継続すると、当該圧電アクチュエータの圧電体に電荷が蓄積され、圧電体内での分極が小さくなり、圧電体の電極間の電位差が小さくなる結果、オフセット角が小さくなる。そこで、本発明によれば、オフセット電圧の波形は、ゼロ電位から前記オフセット角に対応する電位に立ち上がり、この電位からゼロ電位に立ち下がる矩形波状とされる。さらに、前記オフセット電圧の前記オフセット角に対応する電位からゼロ電位に立ち下がる波形部分は、パルス状に形成されてもよい。

【0012】

このような矩形波状のオフセット電圧を印加することにより、オフセット電圧がゼロ電位である瞬間に、圧電体内に蓄積された電荷が放出されるので、圧電体に蓄積された電荷によりオフセット角が小さくなることを防止して、オフセット電圧に対応するオフセット角を維持することができる。

【0013】

本発明の光スキャナにおいて、前記オフセット電圧が印加される各圧電アクチュエータは、電極間でオフセット電圧が印加される圧電体と、前記圧電体及び前記電極を支持し前記圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する複数の圧電カンチレバーで構成され、各圧電カンチレバーは、互いに隣り合うように並んで配置され、それぞれ隣り合う圧電カンチレバーに対して折り返すように各圧電カンチレバーの端部が連結されることが好ましい。

【0014】

この構成によれば、オフセット電圧が印加される圧電アクチュエータが複数の圧電カンチレバーで構成されるので、例えば、圧電アクチュエータと１対のトーションバーを用いた場合と比較して、外枠部に対するミラー部の回転軸線回りのオフセット角を大きくすることができる。これにより、外枠部に対するミラー部の回転軸線回りにおいてより大きいオフセット角を維持しながら、ミラー部を回転軸線回りに所定の揺動角で揺動させることができる。

【0015】

本発明の光スキャナにおいて、前記駆動電圧生成手段で生成されたオフセット電圧以外の電圧は、波形が正弦波であり、極大電圧となる時点を含む所定時間幅の大電圧期間と、極小電圧となる時点を含む所定時間幅の小電圧期間の両方に、前記オフセット電圧がゼロ電位となる時点を含むことが好ましい。これによれば、オフセット電圧以外の電圧の波形が正弦波の波形である場合、極大電圧期間及び極小電圧期間以外の期間で、ミラー部から出射する光の投影面での走査速度をほぼ一定にすることができる。

【0016】

また、前記オフセット電圧以外の電圧は、波形がノコギリ波状であり、極大電圧となる時点及び極小電圧となる時点を含む所定時間幅の期間に、前記オフセット電圧がゼロ電位となる時点を含むことが好ましい。これによれば、極大電圧及び極小電圧となる時点を含む所定時間幅の期間で、ミラー部から出射する光の投影面での走査速度をほぼ一定にすることができる。

【0017】

上記のように、オフセット電圧以外の電圧の波形を正弦波又はノコギリ波状とすることにより、当該電圧の１周期の大部分を有効走査期間として活用できるとともに、有効走査期間以外の期間で圧電体内に蓄積された電荷が放出されることにより、所望のオフセット角を維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1】第１実施形態に係る１軸型光偏向器を装備する１軸型光スキャナの構成図。

【図2】オフセット角と揺動角の説明図。

【図3】図１の１軸型光スキャナの駆動電圧の波形の説明図。

【図4】第１実施形態に係る１軸型光スキャナの第１変形例の平面図。

【図5】図４の１軸型光スキャナの駆動電圧の波形の説明図。

【図6】第１実施形態に係る１軸型光スキャナの第２変形例の平面図。

【図7】第１実施形態に係る１軸型光スキャナの第３変形例の平面図。

【図8】第１実施形態に係る１軸型光スキャナの第４変形例の平面図。

【図9】第１実施形態に係る１軸型光スキャナの第５変形例の平面図。

【図10】第１実施形態に係る１軸型光スキャナの第６変形例の平面図。

【図11】第１実施形態に係る１軸型光スキャナの第７変形例の平面図。

【図12A】第２実施形態に係る、図１の１軸型光偏向器を用いた２軸型光スキャナの平面図。

【図12B】第２実施形態に係る２軸型光スキャナの変形例の平面図。

【発明を実施するための形態】

【0019】

［第１実施形態］
図１を参照して、第１実施形態の１軸型光スキャナ１００の構成を説明する。光スキャナ１００は、例えば、レーザレーダー、超小型プロジェクタ、バーコードリーダ等に用いられる部品であり、主に光偏向器１、レーザ光源８０及び制御装置９０から構成される。光偏向器１は、ＭＥＭＳデバイスとして、マイクロマシニング技術を利用して製造される。

【0020】

光偏向器１は、矩形のミラー部１０と、ミラー部１０を包囲する環状矩形の内枠部２０と、内枠部２０を包囲する環状矩形の外枠部３０とを、中心点を同一に揃えて備えている。また、光偏向器１は、ミラー部１０と内枠部２０との間に介在する内側圧電アクチュエータ４０と、内枠部２０と外枠部３０との間に介在する外側圧電アクチュエータ５０とを備える。

【0021】

構造の説明の便宜上、図１を用いて、ｘ−ｙ−ｚの３軸直交座標系を定義する。図１に示されるように、３軸直交座標系において、原点Ｏを矩形のミラー部１０の前面のミラー面の中心に位置付け、ｘ軸及びｙ軸を外枠部３０の長辺及び短辺に対してそれぞれ平行な方向に定義する。ｚ軸は、光偏向器１の後側から前側に向かう方向を正と定義する。

【0022】

図１に図示されるように、ミラー部１０は、矩形形状であり、かつ、原点Ｏを通るｘ軸が対称軸となる部材である。ただし、ミラー部の形状は矩形形状に限定されるものではなく、原点Ｏに対して点対称、又は原点Ｏを通る線に対して線対称の形状、例えば楕円形状であってもよい。ミラー部１０は、対称軸上でミラー部１０外側のｘ軸方向両側に配設される一対の連結部２１，２１によって、内側圧電アクチュエータ４０と連結される。

【0023】

ミラー部１０は、金属蒸着法等により例えばＡｌ等の金属を珪素層の表面に形成したミラー面を前面に有する。ミラー面に対して、レーザ光源８０からのレーザ光が入射され、入射光８１をミラー面においてミラー部１０の法線の向きに応じた反射角で反射して、走査光８２として出射する。

【0024】

内枠部２０は、ミラー部１０を包囲する環状矩形の部材であり、ｘ軸に対して線対称に形成されている。内枠部２０は、対称軸上でｘ軸方向に内枠部２０の内側両側に配設される一対の連結部２２，２２によって、内側圧電アクチュエータ４０と連結される。また、内枠部２０は、対称軸上で内枠部２０外側のｘ軸方向両側に配設され、ｘ軸に沿って延在する一対のトーションバー６０が連結される。

【0025】

内枠部２０は、光偏向器の後側から順番に、珪素（Ｓｉ）層、中間酸化膜層、珪素層及び表面酸化膜層の積層構造を有する。また、応力による珪素（Ｓｉ）層の歪みを緩和するため、珪素（Ｓｉ）層上にＡｌ（アルミニウム）薄膜を設けてもよい。なお、中間酸化膜層及び表面酸化膜層の酸化膜はＳｉＯ_２で形成されている。珪素層、中間酸化膜層及び珪素層はＳＯＩ（Silicon on Insulator）ウェハを構成し、Ａｌ薄膜は、ＳＯＩウェハの裏面側に蒸着により形成され、表面酸化膜層は、珪素層の表面を酸化することにより形成される。このＳＯＩウェハの上部にＡｌ配線、最外層酸化膜層を形成し、内側圧電アクチュエータ４０に給電を行う。なお、最外層酸化膜はＳｉＯ_２やＳｉＮ(窒化珪素)により形成される。

【0026】

内側圧電アクチュエータ４０は、内枠部２０の内側で、かつ、ミラー部１０外側のｘ軸方向両側に配設され、ミラー部１０及び内枠部２０に連結するための連結部２１，２２を備える。内側圧電アクチュエータ４０において、連結部２１の端部は内側圧電アクチュエータ４０の作動端（先端）として、連結部２２の端部は内側圧電アクチュエータ４０の支持端（基端）として機能する。

【0027】

内側圧電アクチュエータ４０は、ミアンダ構造を有する圧電アクチュエータであり、折返し部４４ａ〜４４ｂにより直列に連結された一対の３つの圧電カンチレバー４２ａ〜４２ｃを備える。圧電カンチレバー４２ａ〜４２ｃ及び折返し部４４ａ〜４４ｂの符号末尾のアルファベットは、ミラー部１０に近い方からの順番に付されている。尚、一対の圧電カンチレバーの数は３には限定されず、４以上にすることも可能である。

【0028】

圧電カンチレバー４２ａ〜４２ｃは、圧電体と、圧電体を厚み方向の両側から挟む２つの電極と、圧電体及び電極を支持して圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する。電極は、図示しない配線を介して、電極間の圧電体に電圧を印加できるように制御装置９０に電気的に接続されている。制御装置９０により、ミアンダ構造を有する内側圧電アクチュエータ４０に、外枠部３０に対するミラー部の回転軸線の回りにおけるオフセット角に対応するオフセット電圧が印加される。

【0029】

外枠部３０は、内枠部２０を包囲する環状矩形の部材であり、ｘ軸に対して線対称に形成されている。外枠部３０は、ｘ軸と平行な外枠部３０内面において、ｙ軸と平行な外側圧電アクチュエータ５０と連結される。

【0030】

外枠部３０は、内枠部２０と同様に、光偏向器の後側から順番に、Ａｌ（アルミニウム）薄膜、珪素（Ｓｉ）層、中間酸化膜層、珪素層及び表面酸化膜層の積層構造を有する。なお、中間酸化膜層及び表面酸化膜層の酸化膜はＳｉＯ_２で形成されている。このＳＯＩウェハの上部にＡｌ配線、最外層酸化膜層を形成し、内側圧電アクチュエータ４０と外側圧電アクチュエータ５０に給電を行う。なお、最外層酸化膜はＳｉＯ_２やＳｉＮにより形成される。

【0031】

外側圧電アクチュエータ５０は、外枠部３０のｙ軸方向と平行で、所定同一幅で所定同一長さの４つの直線状圧電アクチュエータであり、全面で圧電アクチュエータとして機能する。

【0032】

図１に示されるように、外側圧電アクチュエータ５０は、内枠部２０から延在する１つのトーションバー６０の端部に、一対の外側圧電アクチュエータ５０がトーションバー６０を対称軸線ａとして線対称に連結される。従って、一対の外側圧電アクチュエータ５０はそれぞれ、内枠部２０と外枠部３０との間でｘ軸方向に形成される空間部に、トーションバー６０が対称軸線上になるように、トーションバー６０の端部と、外枠部３０のｘ軸と平行な外枠部３０の内面とに連結される。

【0033】

直線状圧電アクチュエータは、圧電体と、圧電体を厚み方向の両側から挟む２つの電極と、圧電体及び電極を支持して圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する。電極は、図示しない配線を介して、電極間の圧電体に電圧を印加できるように電気的に制御装置９０に接続されている。

【0034】

制御装置９０は、内側圧電アクチュエータ４０及び外側圧電アクチュエータ５０を別個独立に駆動するために、内側圧電アクチュエータ４０及び外側圧電アクチュエータ５０それぞれに印加される駆動電圧を生成する駆動電圧生成手段９２と、制御信号をレーザ光源８０に送信し、レーザ光８１のオン・オフ及び輝度を制御するレーザ光源制御部９４とを備える。

【0035】

制御装置９０は、駆動電圧生成手段９２により生成された内側圧電アクチュエータ４０及び外側圧電アクチュエータ５０の駆動電圧を、それぞれの圧電アクチュエータに別個独立に印加することにより、内側圧電アクチュエータ４０及び外側圧電アクチュエータ５０を駆動させ、ミラー部１０を原点Ｏを通るｘ軸に平行な回転軸線ａの回りに回転させる。

【0036】

その結果、レーザ光源からミラー部１０の中心（原点Ｏの位置）に入射したレーザ光が、回転軸線ａの回りのミラー部１０の揺動角に応じた反射角で反射して、光偏向器１から出射する。ミラー部１０からの反射光は、ｙ−ｚ平面内において出射方向が変化する走査光として光偏向器１から出射される。

【0037】

次に、本実施形態の光スキャナ１００の作動について説明する。光スキャナ１００は、外枠部３０に対するミラー部１０の回転軸線ａの回りにおけるオフセット角に対応するオフセット電圧と、所定の揺動角でミラー部１０を揺動させる電圧とが、駆動電圧生成手段９２で生成され、オフセット電圧が内側圧電アクチュエータ４０に、所定の揺動角でミラー部１０を揺動させる電圧が外側圧電アクチュエータ５０に独立して印加される。尚、本実施形態の光スキャナ１００では、圧電アクチュエータ４０，５０が内枠部２０を介して接続されているので、圧電アクチュエータ４０，５０各々に対して独立して電圧を印加することが可能である。

【0038】

ここで、本明細書において、「揺動」とは、所定の一本の仮想的な軸の周りの繰り返し往復回動をいう。しかしながら、これに限られるものではなく、所定の仮想的な軸の周りの単なる傾斜も含む。例えば、ミラー部１０が揺動するとは、ミラー部１０が軸の周りに傾斜すること及び繰り返し振動することを意味する。また、「揺動角」とはミラー部１０が揺動するときの角度をいい、「オフセット角」とは固定枠である外枠部３０に対してミラー部１０を回転軸線ａの回りに初期状態において傾斜させる角度をいう。

【0039】

図２に、初期状態のミラー部１０のミラー面ｍと、オフセット後のミラー面ｍ’を示す。アクチュエータに駆動電圧が印加されると、ミラー部１０はミラー面ｍの法線ｎを中心に所定の揺動角（例えば、−１０°〜＋１０°）で左右に振動する。そして、例えば、オフセット角θ_１が＋５°設定されると、ミラー面ｍの法線ｎは法線ｎ’に移動し、ミラー部１０はミラー面ｍ’の法線ｎ’を中心に揺動角（−５°〜＋１５°）で左右に振動する。

【0040】

まず、外側圧電アクチュエータ５０によるｘ軸周りの回転駆動について説明する。光偏向器１では、一方の対の直線状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂに対して、直線状圧電アクチュエータそれぞれの電極間にそれぞれ第１の電圧、第２の電圧を印加して駆動させると、互いに逆方向に屈曲変形する。なお、第１の電圧と第２の電圧とは、互いに逆位相の交流電圧（例えば正弦波）とする。これらの屈曲変形により、トーションバー６０ａにねじれ変位が生じて、ミラー部１０にトーションバー６０ａを中心とした回転トルクが作用する。

【0041】

同様に、他方の対の直線状圧電アクチュエータ５０ｃ，５０ｄに対して、直線状圧電アクチュエータそれぞれの電極間にそれぞれ第１の電圧、第２の電圧を印加して駆動させることにより、トーションバー６０ｂにトーションバー６０ａと同じ方向にねじれ変位が生じて、ミラー部１０にトーションバー６０ｂを中心とした回転トルクが作用する。

【0042】

外側圧電アクチュエータ５０の駆動により、ミラー部１０にはトーションバー６０ａ，６０ｂを中心とした回転トルクが作用する。これにより、ミラー部１０は、トーションバー６０ａ，６０ｂを中心軸として回転軸線ａ周りで回転するので、ミラー部１０を回転させてｙ軸方向に所定周波数で所定の偏向角で光走査することができる。このとき、外側圧電アクチュエータ５０ａ〜５０ｄでは、駆動電圧としてトーションバー６０ａ，６０ｂを含むミラー部１０の機械的な共振周波数付近の周波数の交流電圧を印加して共振駆動させることで、より大きな偏向角で光走査することができる。

【0043】

次に、内側圧電アクチュエータ４０による、外枠部３０に対するミラー部１０の回転軸線の回りにおけるオフセット角を生成させる回転駆動について説明する。

【0044】

内側圧電アクチュエータ４０の各圧電カンチレバーの圧電体には、ゼロ電位からオフセット角に対応する電位に立ち上がり、当該電位からゼロ電位に立ち下がる矩形波状の電圧が印加される。具体的には、連結部２１から近い順番の奇数番の圧電カンチレバー４２ａ，４２ｃの圧電体と偶数番の圧電カンチレバー４２ｂの圧電体の一方に、ゼロ電位からオフセット角に対応する電位に立ち上がり、当該電位からゼロ電位に立ち下がる矩形波状のオフセット電圧が印加される。矩形波状のオフセット電圧は、オフセット角に対応する電位をゼロ電位に立ち下げるパルスを印加することで、瞬間的にゼロ電位となる。このような、オフセット電圧として、直流電圧とパルス電圧との合成電圧が印加されることが好ましい。また、オフセット電圧が印加されていない他方の圧電体は、電圧が印加されても、あるいは電圧が印加されなくとも構わない。例えば、他方の圧電体に逆バイアスの電圧が印加されていると、圧電体が分極反転しない範囲では、より大きなオフセット角にすることができる。

【0045】

各圧電カンチレバーの圧電体は、各圧電体に印加された電圧に応じて、圧電カンチレバーの長手方向に伸縮し、これに伴い、各圧電カンチレバーは、厚み方向に湾曲変形し、連結部２１を作動端としてミラー部１０に、ｘ軸の回りの回転駆動力を付与する。この結果、ミラー部１０の往復回動の中心は、オフセット電圧に応じた外枠部３０に対するミラー部１０の回転軸線の回りにおけるオフセット角の角度位置に設定される。

【0046】

従って、本実施形態の光スキャナ１００によれば、オフセット電圧に応じた外枠部３０に対するミラー部１０の回転軸線ａの回りにおけるオフセット角の角度位置を中心に、所定の揺動角でミラー部１０を回転軸線の回りで揺動させることができる。

【0047】

ここで、外側圧電アクチュエータ５０に印加される電圧と、ミアンダ構造を有する内側圧電アクチュエータ４０に印加されるオフセット電圧との関係について、図３を用いて説明する。図３（ａ）は外側圧電アクチュエータ５０に印加される第１及び第２の電圧の一方である、ミラー部１０を一定周期で揺動する駆動電圧の波形（正弦波）であり、図３（ｂ）はミアンダ構造を有する内側圧電アクチュエータ４０に印加されるオフセット電圧の波形を示す。

【0048】

図３中、ブランキング時間ｔ１は、外側圧電アクチュエータ５０に印加される駆動電圧の極大電圧に対応する時刻を含む所定時間幅の極大電圧期間と、極小電圧に対応する時刻を含む所定時間幅の極小電圧期間とを示し、アクティブ時間ｔ２はブランキング時間ｔ１以外の時間を示す。

【0049】

例えば、光スキャナ１００を画像表示に用いた場合、アクティブ時間ｔ２は出射光８２の投射面上での光走査速度がほぼ一定とみなすことができるが、ブランキング時間ｔ１では当該光走査速度が変化して分解能が低下する。図３（ａ）では、アクティブ時間ｔ２で画像表示を行ない、ブランキング時間ｔ１では画像表示に使用しないことを示している。

【0050】

図３（ｂ）に示されるように、ミアンダ構造を有する内側圧電アクチュエータ４０に印加されるオフセット電圧の波形は、ゼロ電位からオフセット角に対応する電位に立ち上がり、電位からゼロ電位に立ち下がる矩形波状であり、ブランキング時間ｔ１内にオフセット電圧がゼロ電位となる瞬間を含む。図３（ｂ）では、周期的にゼロ電位に立ち下がるオフセット電圧の波形が示されているが、オフセット電圧の波形は周期的な波形に限定されない。例えば、制御装置内に圧電アクチュエータの位置検出器を備えていれば、圧電アクチュエータのオフセット角が閾値より小さな角度となったときにオフセット電圧をゼロ電位に立ち下げる逆パルスを印加するようにしてもよい。

【0051】

オフセット電圧を圧電アクチュエータに印加した状態が継続すると、当該圧電アクチュエータの圧電体に電荷が蓄積され、圧電体内での分極が小さくなり、圧電体の電極間の電位差が小さくなる結果、オフセット角が小さくなる。しかしながら、オフセット電圧がゼロ電位である瞬間に、圧電体内に蓄積された電荷を放出し、圧電体に蓄積された電荷によりオフセット角が小さくなることを防止して、オフセット電圧に対応するオフセット角を維持する。

【0052】

本実施形態の光スキャナは、内側圧電アクチュエータ４０と外側圧電アクチュエータ５０のうちの少なくとも１つの圧電アクチュエータがミアンダ構造を有する圧電アクチュエータであれば、様々な構成の光スキャナを形成することができる。

【0053】

［変形例］
図４に、第１実施形態の光スキャナの光偏向器の第１変形例を示す。第１変形例は、第１実施形態の直線状圧電アクチュエータとトーションバーとの構成を、ミアンダ構造を有する圧電アクチュエータに置き換えて外側圧電アクチュエータとして形成したものである。尚、本実施形態の構成と同一の構成については説明を省略し、図面においても付号を省略した。

【0054】

第１変形例の外側圧電アクチュエータは、ミラー部１０の原点Ｏを通るｙ軸に平行な線に対して線対称の位置で内枠部２０と外枠部３０との間に介在して、内枠部２０及び外枠部３０にｘ軸線上で連結するための連結部２３，２４を備える。外側圧電アクチュエータにおいて、連結部２３の端部は外側圧電アクチュエータの作動端（先端）として、連結部２４の端部は外側圧電アクチュエータの支持端（基端）として機能する。

【0055】

第１変形例の外側圧電アクチュエータは、折返し部４８ａ〜４８ｂにより直列に連結された一対の３つの圧電カンチレバー４６ａ〜４６ｃを備える。圧電カンチレバー４６ａ〜４６ｃ及び折返し部４８ａ〜４８ｂの符号末尾のアルファベットは、ミラー部１０に近い方からの順番に付されている。

【0056】

第１変形例の内側圧電アクチュエータと外側圧電アクチュエータはいずれも、ミアンダ構造を有する圧電アクチュエータである。従って、いずれか一方の圧電アクチュエータにオフセット電圧を印加して、他方の圧電アクチュエータにミラー部１０を一定周期で揺動させる駆動電圧をすることにより、オフセット電圧に応じた外枠部３０に対するミラー部１０の回転軸線の回りにおけるオフセット角の角度位置を中心に、所定の揺動角でミラー部１０を回転軸線の回りで揺動させることができる。

【0057】

ここで、第１変形例の外側圧電アクチュエータ及び内側圧電アクチュエータに印加される駆動電圧の関係について、図５を用いて説明する。ここでは、当該関係を説明するために、外側圧電アクチュエータにミラー部１０を一定周期で揺動させるノコギリ波状の駆動電圧が印加され、内側圧電アクチュエータにオフセット電圧が印加される例を挙げている。或いは、内側圧電アクチュエータにミラー部１０を一定周期で揺動させるノコギリ波状の駆動電圧を印加し、外側圧電アクチュエータにオフセット電圧を印加してもよい。

【0058】

図５（ａ）は外側圧電アクチュエータに印加される第１の電圧及び第１の電圧と逆位相の第２の電圧の一方である、ミラー部１０を一定周期で揺動する駆動電圧の波形（ノコギリ波）であり、図５（ｂ）はミアンダ構造を有する内側圧電アクチュエータに印加されるオフセット電圧の波形を示す。

【0059】

図５中、ブランキング時間ｔ１は、外側圧電アクチュエータに印加される駆動電圧の極大電圧及び極小電圧（ゼロ電位）それぞれに対応する時刻を含む所定時間幅の期間を示し、アクティブ時間ｔ２はブランキング時間以外の時間を示す。変形例１の光スキャナも、オフセット電圧がゼロ電位である瞬間に、圧電体内に蓄積された電荷を放出し、オフセット電圧に対応するオフセット角を維持する。

【0060】

尚、内側圧電アクチュエータと外側圧電アクチュエータがいずれもミアンダ構造を有する圧電アクチュエータである場合、いずれか一方の圧電アクチュエータにオフセット電圧を印加して、他方の圧電アクチュエータにミラー部１０を一定周期で揺動させる駆動電圧をすることができる。以下に、種々の変形例（第２変形例〜第７変形例）を示すが、各変形例において本実施形態及び第１変形例の構成と同一の構成については説明を省略し、図面においても付号を省略する。

【0061】

図６に、本実施形態における光偏向器の第２変形例を示す。第２変形例は、内側圧電アクチュエータに関して、第１変形例の（対称軸線）に対して線対称なミアンダ構造を有する圧電アクチュエータを、対称軸線に対して点対称なミアンダ構造を有する圧電アクチュエータに置き換え、外側圧電アクチュエータに関して、対称軸線に対して線対称なミアンダ構造を有する圧電アクチュエータを、対称軸線に対して点対称なミアンダ構造を有する圧電アクチュエータに置き換えたものである。

【0062】

図７に、本実施形態の光スキャナの光偏向器の第３変形例を示す。第３変形例は、外側圧電アクチュエータの支持端に関して、第１変形例の回転軸線ａ上に設けられた支持端を、外側圧電アクチュエータのｙ軸方向端部、すなわち折返し部の位置に設け、連結部２４ａによって外枠部３０に連結した。

【0063】

さらに、外側圧電アクチュエータの内枠部２０側作動端に関して、第１変形例の回転軸線ａ上に設けられた支持端を、回転軸線ａに対して支持端と反対側の外側圧電アクチュエータのｙ軸方向端部、すなわち折返し部の位置に設け、連結部２３ａによって内枠部２０に連結した。

【0064】

図８に、本実施形態の光スキャナの光偏向器の第４変形例を示す。第４変形例は、内側圧電アクチュエータの支持端に関して、第１変形例の回転軸線ａ線上に設けられた支持端を、内側圧電アクチュエータのｙ軸方向端部、すなわち折返し部の位置に設け、連結部２２ａによって内枠部２０に連結した。

【0065】

さらに、内側圧電アクチュエータのミラー部１０側作動端に関して、第１変形例の回転軸線ａ上に設けられた支持端を、ｘ軸に対して支持端と反対側の内側圧電アクチュエータのｙ軸方向端部、すなわち折返し部の位置に設け、連結部２１ａによってミラー部１０に連結した。

【0066】

図９〜図１１に、本実施形態の光スキャナの光偏向器の第５〜第７変形例を示す。第５変形例は、第３変形例の外側圧電アクチュエータと、第４変形例の内側圧電アクチュエータとを組み合わせたものである（図９）。第６変形例は、第５変形例の内側圧電アクチュエータを、ミラー部１０の原点Ｏに対して点対称なミアンダ構造を有する圧電アクチュエータに置き換えたものである（図１０）。第７変形例は、第５変形例の内側圧電アクチュエータ及び外側圧電アクチュエータをそれぞれ、ミラー部１０の原点Ｏに対して点対称なミアンダ構造を有する圧電アクチュエータに置き換えたものである（図１１）。

【0067】

［第２実施形態］
図１２Ａを参照して、第２実施形態の２軸型光スキャナ２００の構成を説明する。光スキャナ２００の光偏向器２は、第１実施形態の光偏向器１（ミラー部１０、内枠部２０、外枠部３０（以下、第１外枠部３０という。）、内側圧電アクチュエータ４０、外側圧電アクチュエータ５０（以下、第１外側圧電アクチュエータ５０という。）、及び、トーションバー６０からなる構成）と、光偏向器１を包囲して支持する環状矩形の第２外枠部７０とを、中心点を同一に揃えて備えている。

【0068】

また、光スキャナ２００は、第１外枠部３０と第２外枠部７０との間に介在する第２外側圧電アクチュエータ７２と、ｙ軸方向に第１外枠部３０の外側両側に配設され、ｙ軸に沿って延在する一対のトーションバー７４ａ，７４ｂと、図示しないレーザ光源８０及び制御装置９０とを備える。

【0069】

第２外枠部７０は、第１外枠部３０を包囲する環状矩形の部材であり、原点Ｏを通るｙ軸に平行な対称軸線に対して線対称に形成され、第１外枠部３０と同様に、下側から順番に、Ａｌ（アルミニウム）薄膜、珪素（Ｓｉ）層、中間酸化膜層、珪素層及び表面酸化膜層の積層構造を有する。第２外枠部７０は、ｙ軸方向に第１外枠部３０の外側両側に配設され、対称軸線に沿って延在する一対のトーションバー７４ａ，７４ｂが第２外側圧電アクチュエータ７２を介して連結される。

【0070】

第２外側圧電アクチュエータ７２は、ｘ軸方向と平行で、所定同一幅で所定同一長さの４つの直線状圧電アクチュエータ７２ａ〜７２ｄであり、全面で圧電アクチュエータとして機能する。図１２Ａに示されるように、第１外枠部３０から延在する１つのトーションバー７４ａ，７４ｂの端部には、一対の第２外側圧電アクチュエータ７２がトーションバー７４ａ，７４ｂを対称軸として対称に連結される。一対の第２外側圧電アクチュエータ７２はそれぞれ、第１外枠部３０と第２外枠部７０との間でｙ軸方向に形成される空間部に、トーションバー７４ａ，７４ｂが対称軸線上になるように、トーションバー７４ａ，７４ｂの端部と、第２外枠部７０のｙ軸と平行な第２外枠部７０の内面とに連結される。

【0071】

直線状圧電アクチュエータ７２ａ〜７２ｄは、第１実施形態の直線状圧電アクチュエータと同様、圧電体と、圧電体を厚み方向の両側から挟む２つの電極と、圧電体及び電極を支持して圧電体と共に屈曲変形する支持体とを有する。電極は、図示しない配線を介して、電極間の圧電体に電圧を印加できるように電気的に制御装置９０に接続されている。

【0072】

次に、第２実施形態の光スキャナ２００の作動について説明する。光スキャナ２００は、第１外枠部３０に対するミラー部１０の回転軸線ａの回りにおけるオフセット角に対応するオフセット電圧と、所定の揺動角でミラー部１０を回転軸線ａ周りに揺動させる第１電圧と、所定の揺動角でミラー部１０をｙ軸に平行な対称軸線周りに揺動させる第２電圧とを駆動電圧生成手段９２で生成し、オフセット電圧が内側圧電アクチュエータ４０に、第１電圧が第１外側圧電アクチュエータ５０に、第２電圧が第２外側圧電アクチュエータ７２に独立して印加される。

【0073】

第１実施形態に追加された第２外側圧電アクチュエータ７２によるｙ軸と平行な対称軸線周りの回転駆動について説明する。光偏向器２では、一方の対の直線状圧電アクチュエータ７２ａ，７２ｂに対して、直線状圧電アクチュエータそれぞれの電極間にそれぞれ第３の電圧、第４の電圧を印加して駆動させると、互いに逆方向に屈曲変形する。なお、第３の電圧と第４の電圧とは、互いに逆位相の交流電圧（例えば正弦波）とする。これらの屈曲変形により、トーションバー７４ａにねじれ変位が生じて、ミラー部１０にトーションバー７４ａを中心とした回転トルクが作用する。

【0074】

同様に、他方の対の直線状圧電アクチュエータ７２ｃ，７２ｄに対して、直線状圧電アクチュエータそれぞれの電極間にそれぞれ第３の電圧、第４の電圧を印加して駆動させることにより、トーションバー７４ｂに同じ方向にねじれ変位が生じて、第１外枠部３０にトーションバー７４ｂを中心とした回転トルクが作用する。

【0075】

第２外側圧電アクチュエータ７２の駆動により、第１外枠部３０にはトーションバー７４ａ，７４ｂを中心とした回転トルクが作用する。これにより、第１外枠部３０は、トーションバー７４ａ，７４ｂを中心軸としてｙ軸と平行な対称軸線周りで回転するので、ミラー部１０を回転させてｙ軸方向に所定周波数で所定の偏向角で光走査することができる。

【0076】

従って、光スキャナ２００によれば、オフセット電圧に応じた第１外枠部３０に対するミラー部１０の回転軸線ａの回りにおけるオフセット角の角度位置を中心に、所定の揺動角でミラー部１０を回転軸線ａの回りで第１外枠部３０に対して揺動させるともに、所定の揺動角でミラー部１０を支持する第１外枠部３０をｙ軸と平行な対称軸線の回りで第２外枠部７０に対して揺動させることができる。

【0077】

また、図１２Ｂに示されるように、第２実施施形態の光スキャナ２００の光偏向器２の変形例として、第２外側圧電アクチュエータ７２に関して、直線状圧電アクチュエータとトーションバーとの構成を、ミアンダ構造を有する圧電アクチュエータに置き換えて第２外側圧電アクチュエータとして形成することもできる。

【0078】

尚、第１本実施形態、第２実施形態、及びそれらの変形例の光スキャナは、例えば、プロジェクタ、バーコードリーダ、レーザプリンタ、ヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ、レーザレーダー、顕微鏡用レーザースキャン光源、医療用３Ｄスキャナ、光硬化樹脂硬化用光源、ヘッドランプ、スキャンタイプＡＦＳ光源等の光走査装置に用いることができる。

【符号の説明】

【0079】

１００，２００…光スキャナ、１，１ａ〜１ｇ，２…光偏向器、１０…ミラー部、２０…内枠部、２１，２２，２３，２３ａ，２３ａ’，２４，２４ａ，２４ａ’，７５，７６…連結部、３０…外枠部（第１外枠部）、４０…内側圧電アクチュエータ、４２ａ〜４２ｆ，４２ａ’〜４２ｆ’，４６ａ〜４６ｆ，４６ａ’〜４６ｆ’…圧電カンチレバー、４４ａ〜４４ｄ，４４ａ’〜４４ｄ’，４８ａ〜４８ｄ，４８ａ’〜４８ｄ’…折返し部、５０，５０ａ〜５０ｄ…外側圧電アクチュエータ（第１外側圧電アクチュエータ）、６０，６０ａ，６０ｂ…トーションバー、７０…第２外枠部、７２…第２外側圧電アクチュエータ、７４ａ，７４ｂ…トーションバー、７５，７６…トーションバー、７７ａ〜７７ｃ…圧電カンチレバー、７８ａ，７８ｂ…折返し部、８０…レーザ光源、９０…制御装置。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12A】

【図12B】