マイクロスキャナ装置及び光学機器
【課題】設計の自由度を向上させるとともに、印加電圧を少なくして偏向角を大きくする。
【解決手段】光スキャナOSは、外枠となる固定枠1と、主軸トーションバー3と、主軸トーションバー3の直交方向に長尺となるよう配設されるとともに、一端を主軸トーションバー3に接続し、他端を固定枠1に固定した片持ち梁構造の保持部41と、保持部41を変形させるための力を電圧印加に応じて生じさせる圧電素子42と、主軸トーションバー3を基準に揺動するミラー部21とを含む。駆動回路から圧電素子42に対して印加される電圧は、光スキャナOS自身の固有振動数に近似または一致するとともに、保持部41に、当該の保持部41の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数である。保持部41は、前記短手方向におけるミラー部21側の部分のみで、主軸トーションバー3に接続される。
【解決手段】光スキャナOSは、外枠となる固定枠1と、主軸トーションバー3と、主軸トーションバー3の直交方向に長尺となるよう配設されるとともに、一端を主軸トーションバー3に接続し、他端を固定枠1に固定した片持ち梁構造の保持部41と、保持部41を変形させるための力を電圧印加に応じて生じさせる圧電素子42と、主軸トーションバー3を基準に揺動するミラー部21とを含む。駆動回路から圧電素子42に対して印加される電圧は、光スキャナOS自身の固有振動数に近似または一致するとともに、保持部41に、当該の保持部41の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数である。保持部41は、前記短手方向におけるミラー部21側の部分のみで、主軸トーションバー3に接続される。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロスキャナ装置及び光学機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を走査し、壁面やスクリーンに画像を投影する小型プロジェクタが種々開発されている。このような小型プロジェクタは、レーザ光を出射する光源と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスを用いてレーザ光を走査するマイクロスキャナとを備えている。
【０００３】
このマイクロスキャナは、図９に示すように、固定枠９１と、主軸トーションバー９３と、固定枠９１に固定されて主軸トーションバー９３を支持する保持部９４と、保持部９４を変形させるための力を電圧印加により生じさせる圧電素子９４２と、主軸トーションバー９３の変位によって当該主軸トーションバー９３を基準に揺動する可動部９２とを備えている。
【０００４】
主軸トーションバー９３は、所定方向（図中のＸ方向）に延在するとともに、可動部９２を揺動（振動）可能に支持している。
保持部９４は、主軸トーションバー９３を挟んで対向配置されており、主軸トーションバー９３の直交方向（図中のＹ軸方向）に長尺となっている。この保持部９４は、一端が主軸トーションバー９３に接続されるとともに、他端が固定枠９１に固定された片持ち梁構造をなしており、主軸トーションバー９３にねじれ方向の変位（力）を付与するようになっている。
【０００５】
なお、これらの主軸トーションバー９３及び保持部９４は固定枠９１と一体に形成されている。また、対向配置された保持部９４のそれぞれと主軸トーションバー９３とは、接続部９５を介して接続されている。
圧電素子９４２は、保持部９４の表面に配設されており、保持部９４とによってユニモルフ構造をなしている。
【０００６】
可動部９２は、レーザ光を反射するためのミラー部９２１と、ミラー部９２１を囲む可動枠９２２と、主軸トーションバー９３の直交方向（図中のＹ方向）に延在して可動枠９２２に連結されるとともに、ミラー部９２１を揺動可能に支持するミラートーションバー９２３とを備えている。
【０００７】
以上のマイクロスキャナにおいては、対向配置された保持部９４が圧電素子９４２への電圧印加によって振動し、各保持部９４における主軸トーションバー９３との接続部分同士の変位差によって主軸トーションバー９３がねじられ、主軸トーションバー９３に支持されている可動部９２全体がＸ軸周りに揺動される。また、保持部９４の振動による共振によってミラートーションバー９２３がねじられ、ミラー部９２１がＹ軸周りに揺動される。このように、可動部９２が主軸トーションバー９３を軸として揺動されるとともに、ミラー部９２１がミラートーションバー９２３を軸として揺動されることで、レーザ光を２次元走査することができる。
【０００８】
そして、このようなマイクロスキャナでは、近年、保持部９４と主軸トーションバー９３との接続部９５にスリットを設けて蛇行構造とすることにより、当該接続部９５を変形し易くしている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国開公開第２００９／８７８８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のマイクロスキャナでは、図１０に示すように、保持部９４の長手方向に交差して節が生じるように保持部９４を共振させるため、共振周波数の設計値によって圧電素子９４２の長さが自動的に定まってしまい、設計の自由度が低下してしまうという問題がある。また、このようなマイクロスキャナに対しては、よりいっそう印加電圧を少なくし、ミラー部９２１の偏向角を大きくして欲しいとの要望がある。なお、図１０では、マイクロスキャナの図示を簡略化するとともに、保持部９４の各領域を変位量に応じて網掛けしている。より具体的には、保持部９４に対する網掛けは、紙面手前側（図９におけるＺ方向の手前側）への変位量が大きい領域ほど濃く、紙面奥行き側（図９におけるＺ方向の奥側）への変位量が大きい領域ほど薄くなっている。
【００１１】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、設計の自由度を向上させるとともに、印加電圧を少なくして偏向角を大きくすることのできるマイクロスキャナ装置及び光学機器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の第１の側面によれば、マイクロスキャナと駆動回路とを含むマイクロスキャナ装置において、
前記マイクロスキャナは、
外枠となる固定枠と、
軸部と、
前記軸部の直交方向に長尺となるよう配設されるとともに、一端を前記軸部に接続し、他端を前記固定枠に固定した片持ち梁構造の保持部と、
前記保持部を変形させるための力を電圧印加に応じて生じさせる駆動部と、
前記軸部の変位によって当該軸部を基準に揺動する変動部と、
を含み、
前記駆動回路から前記駆動部に対して印加される電圧は、
前記マイクロスキャナ自身の有する固有振動数に近似または一致するとともに、前記保持部に、当該の保持部の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数であり、
前記保持部は、
前記短手方向における前記変動部側の部分のみで、前記軸部に接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、駆動回路から前記駆動部に対して印加される電圧はマイクロスキャナ自身の有する固有振動数に近似または一致するとともに、保持部に、当該の保持部の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数であるので、保持部の長手方向に対し交差する節を発生させる周波数である場合と比較して、印加電圧を少なくして偏向角を大きくすることができる。また、保持部の長手方向に対し交差する節を発生させる必要がないため、設計の自由度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】光スキャナを示す平面図である。
【図２】光スキャナに備えられる接続部の概略構造を示す図である。
【図３】光スキャナに備えられる接続部の概略構造を示す図である。
【図４】図１に示す光スキャナをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図と、その一部の拡大図である。
【図５】図１に示す光スキャナが駆動しているときの拡大断面図である。
【図６】圧電素子及びミラー部の周波数特性を示す図である。
【図７】短手方向に交差する節が変位部に発生したときの当該変位部の変位量分布を示す図である。
【図８】短手方向に交差する節が変位部に発生した状態を示す概念図である。
【図９】従来のマイクロスキャナを示す図である。
【図１０】従来のマイクロスキャナにおいて長手方向に対して交差する節が発生したときの当該変位部の変位量分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明にかかるマイクロスキャナ装置について図面を参照して説明する。
本発明にかかるマイクロスキャナ装置は、マイクロスキャナと駆動回路とを備えている。なお、本実施の形態においては、変動する部材（変動部）としてミラー部を例に挙げるとともに、このミラー部を変動させることで光を反射しスキャン動作を行うマイクロスキャナとして、２次元走査型の光スキャナを例に挙げる。なお、理解を容易にするために（部分の区別を容易にするために）、平面図にハッチングを付す場合もある。また、便宜上、部材符号及び（又は）ハッチングを省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。
【００１６】
図１は光スキャナＯＳを示す平面図である。
この図に示すように光スキャナＯＳは、固定部である固定枠１と、可動部２（図中の右上りハッチング部分）と、主軸トーションバー３（軸部）と、変位部４と、接続部５とを備えている。なお、図１に示す光スキャナＯＳの平面図において、左右方向をＸ方向とし、光スキャナＯＳの上下方向中央をＸ方向に横切る軸をＸ軸としている。また、上下方向をＹ方向とし、光スキャナＯＳの左右方向中央をＹ方向に横切る軸をＹ軸としている。そして、厚み方向をＺ方向としている。以下の説明においても、特に断りのない限り、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸及びＹ軸を用いて説明する。
【００１７】
固定枠１は、可動部２、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５を囲む長方形状の外枠である。さらに詳しく説明すると、変形可能なシリコン基板等で形成された長方形板状の基体にエッチングを施すことで、可動部２、主軸トーションバー３、変位部４における後述の保持部４１及び接続部５を形成する。そして、エッチング後の基体のうち、これらの部材を取り囲むように残った部分が固定枠１となる。
【００１８】
なお、図１に示すように、固定枠１、主軸トーションバー３、変位部４の保持部４１及び接続部５とは一体に形成されている。なお、エッチングを施す基体は、１００μｍ程度の厚さのシリコン基板が用いられるが、それに限定されるものではない。このように一枚の基体（基板）にエッチングを施して上述の各部を形成することで、それぞれの部分の大きさや、部分同士の間隔の精度を高めることが可能である。なお、加工法としてはエッチングに限定されるものではないし、複数の部材を組み合わせて形成するものであってもよい。
【００１９】
可動部２は、光源（不図示）からの光（レーザ光）を反射する部材である。可動部２は、主軸トーションバー３に支持されている。可動部２は、ミラー部２１と、可動枠２２と、ミラートーションバー２３と、連結部２４とを含んでいる。
【００２０】
ミラー部２１は円板形状であり、光源からの光を反射する反射部材である。ミラー部２１の表面には光源からの光を反射するため、アルミニウム等の金属薄膜が反射膜として成膜されている。なお、金属薄膜は蒸着やスパッタリング等の方法で形成されているものを挙げることができる。また、ミラー部２１の表面は、このような金属薄膜に限定されるものではなく、表面が滑らかで光を均一に反射できるように形成された鏡面状のものを広く採用することができる。そして、ミラー部２１は中心を挟んで対向した部分をミラートーションバー２３に保持されている。なお、ミラー部２１のミラートーションバー２３に保持されている部分は、可動部２が停止している状態のときＹ方向の両端部となっているが、これに限定されるものではない。また、可動部２の説明を行う限りにおいて、ミラートーションバー２３の軸線をＹ軸として説明する。
【００２１】
可動枠２２はミラー部２１を囲むように配置されており、エッチングによって形成されたひし形状の部材である。可動部２は線対称の基準となる２本の対称軸が直交している。２本の対称軸のうち、一方の対称軸（ここでは、短い方の対称軸）はＸ軸と重なっており、他方の対称軸（ここでは、長い方の対称軸）はＸ軸と直交している（可動枠２２が停止状態のとき、Ｙ軸と重なる）。
【００２２】
ミラートーションバー２３は一対の長尺な部材であり、Ｙ軸上に配置されてミラー部２１を保持している。各ミラートーションバー２３は同じ断面形状及び同じ長さの部材である。各ミラートーションバー２３のミラー部２１と反対側は、可動枠２２と一体的に連結されている。なお、ミラートーションバー２３は弾性変形可能な部材であり、ミラートーションバー２３が弾性的にねじれることで、ミラー部２１がＹ軸周りに揺動（振動）される。一対のミラートーションバー２３が同一の形状であるので、各ミラートーションバー２３のねじれ量、速度が同じであり、ミラー部２１はＹ軸周りに揺動できる。
【００２３】
連結部２４は長方形状の部材であり、可動枠２２のＸ方向の両端部と一体連結されている。連結部２４は各辺がＸ軸又はＹ軸と平行となっており、Ｙ軸と平行な辺の一方が可動枠２２と連結している。また、他方のＹ軸と平行な辺の中央部に主軸トーションバー３が連結されている。これによって、可動枠２２、すなわち、ミラー部２１、ミラートーションバー２３を含む可動部２が、Ｘ軸周りに揺動可能となっている。
【００２４】
次に主軸トーションバー３について説明する。主軸トーションバー３は弾性変形可能な長尺部材である。光スキャナＯＳでは、停止状態のとき、主軸トーションバー３の中心軸がＸ軸と重なるものとする。主軸トーションバー３は可動部２のＸ方向の両端部に配置された連結部２４のそれぞれを支持している。なお、以下の説明では、便宜上、図１のＹ軸よりも左にある主軸トーションバー３を３ＡＣ、右にある主軸トーションバー３を３ＢＤと表す場合がある。
【００２５】
主軸トーションバー３は、長手方向の端部のうち、一方が固定枠１と連結し、他方が可動部２の連結部２４と連結している。そして、主軸トーションバー３は可動部２の近傍で接続部５を介して、変位部４と接続している。なお、主軸トーションバー３の一方の端部が固定枠１と連結していることで、主軸トーションバー３がねじられ、可動部２が揺動するとき、主軸トーションバー３がＸ軸からずれにくい。これによって、可動部２のＸ軸周りの揺動の精度低下を抑制することができる。
【００２６】
変位部４は正面視長方形状であり、固定枠１と一体に形成された保持部４１と、保持部４１の表面に貼り付けられた圧電素子４２（図中のクロスハッチング部分）とを備えている。保持部４１はＹ方向に長尺となるよう配設されており、一方の短辺で主軸トーションバー３に接続され、他方の短辺で固定枠１に連結固定された片持ち梁様の構造を有している。ここで、前記一方の短辺では、固定枠１の中心側の端部（Ｘ方向におけるミラー部２１側の部分）のみが主軸トーションバー３に接続されている。圧電素子４２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を含む素子である。この圧電素子４２は、本発明における駆動部であり、図示しない駆動回路から電圧が印加されると力（変位）を出力する逆圧電効果を発揮する。これにより、圧電素子４２は、保持部４１を変形させるための力を、電圧印加に応じて生じさせる。
【００２７】
この変位部４は保持部４１と圧電素子４２を張り合わせたユニモルフ構造であり、圧電素子４２に電力を供給することで、固定枠１と連結されていない側の短辺（自由端側の短辺）のうち、少なくとも主軸トーションバー３との接続部分が厚み方向（図１において、Ｚ方向手前又は奥方向）に変位する。
【００２８】
詳説すると、圧電素子４２に電圧を印加することで、圧電素子４２には圧縮方向或いは引っ張り方向の力が作用する。圧電素子４２に圧縮方向の力が作用すると、圧電素子４２が貼り付けられている保持部４１が圧電素子４２側に曲げられる。逆に圧電素子４２に引っ張り方向の力が作用すると、保持部４１は圧電素子４２と反対側に曲げられる。このように、圧電素子４２に作用する圧縮方向の力と引っ張り方向の力とをタイミングよく交互に発生させることで、変位部４は自由端のうち、少なくとも主軸トーションバー３との接続部分が振動する。
【００２９】
光スキャナＯＳは４個の変位部４を備えており、Ｙ軸を挟んで対称となるように２個ずつ配置されている。同様に４個の変位部４は、Ｘ軸を挟んで対称となるように２個ずつ配置されている。すなわち、４個の変位部４はＸ軸及びＹ軸を基準に対称となるように配置されている。なお、説明の便宜上、図１において左上の変位部４を変位部４Ａ、左下を４Ｃ、右上を４Ｂ及び右下を４Ｄと称して区別する場合があるが、形状及び大きさは全て同じである。また、図１に示す変位部４では、保持部４１に対して圧電素子４２が小さいものが採用されているが、それに限定されるものではなく、端縁部が重なるように形成された圧電素子４２を張り合わせるものであってもよく、圧電素子４２が保持部４１よりも大きいものを採用してもよい。
【００３０】
接続部５は、主軸トーションバー３と、保持部４１とを接続している。図１及び図２に示すように、接続部５は、複数個の片持ち梁様のレバー部５１と、隣り合うレバー部５１の端部を接続する折り返し部５２とを備えており、接続部５は平面視蛇行状に形成されている。隣り合うレバー部５１の間には、スリットＳＴが形成されている。図１及び図２に示しているように、接続部５においては、左辺から切れ込んだスリットＳＴと右辺から切れ込んだスリットＳＴとがレバー部５１を挟んでＹ方向に交互に並んでいる。
【００３１】
なお、接続部５において、スリットＳＴは左右から２個ずつ形成されているが、それに限定されるものではない。また、以下の説明において、それぞれの接続部を区別するために、変位部４Ａと接続する接続部５を接続部５Ａ、変位部４Ｃと接続する接続部５を接続部５Ｃ、変位部４Ｂと接続する接続部５を接続部５Ｂ、変位部４Ｄと接続する接続部５を接続部５Ｄと示す場合もある。そして、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは左側の主軸トーションバー３ＡＣと、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄは右側の主軸トーションバー３ＢＤとそれぞれ接続している。
【００３２】
接続部５はレバー部５１とスリットＳＴとが交互に並んだ形状であるので、接続部５の両端部にＺ方向のせん断力が作用すると、レバー部５１がねじれつつ曲げられる。よって、接続部５は平面視で同じ大きさの平板に比べてＹ軸に沿った平面曲げ（Ｙ軸に沿った方向の曲げ）が容易な（柔軟性が高い）構成となっている。例えば、図１において、変位部４Ａが紙面手前側、変位部４Ｃが紙面奥側に変形した場合（後述の図５の状態）、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは変位部４Ａ、変位部４Ｃの先端にあわせて移動する。このとき、接続部５Ａ及び接続部５ＣがＹ軸に沿ってＺ方向に曲げ変形されるので、変位部４Ａと主軸トーションバー３ＡＣ及び変位部４Ｃと主軸トーションバー３ＡＣとの角度の変化をある程度許容することができる。これにより、変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端のＺ方向の変位が、柔軟性の低い接続部を使う場合に比べて大きくなる。
【００３３】
そして、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは主軸トーションバー３ＡＣをねじることができる弾力を備えている。これにより、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端部の変位にあわせ、主軸トーションバー３ＡＣの接続部分をＺ方向に引っ張る。変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端部の変位量が大きいので、主軸トーションバー３ＡＣの接続部が引っ張られる量も大きくなり、ねじれも大きくなる。なお、接続部５Ｂ、５Ｄで接続される変位部４Ｂ、４Ｄ及び主軸トーションバー３ＢＤも同様である。
【００３４】
なお、本発明の光スキャナＯＳに用いられる接続部として、図２等に示すように蛇行状に形成されている接続部５を用いているが、これに限定されるものではない。図３に示すような、貫通孔形状のスリットＳＴ１と、左右両側から形成された凹形状のスリットＳＴ２とを交互に配置した形状の接続部７を利用しても、同様に主軸トーションバー３のせん断ひずみを大きくすることが可能である。なお、以下の説明では、主に接続部として図２に示す接続部５として説明するが、接続部７を用いても同様である。以上に示したように、接続部５及び７は、変位部４の変位を妨げにくく、且つ、主軸トーションバー３をねじる方向に引っ張ることができる程度の柔軟性を有するものである。
【００３５】
次に、光スキャナＯＳで光を走査（二次元走査）するときの駆動について詳しく説明する。まず、可動部２のＸ軸周りの揺動について説明する。
【００３６】
可動部２は、主軸トーションバー３（３ＡＣ、３ＢＤ）のねじれによって、Ｘ軸周りに揺動（振動）される。主軸トーションバー３のねじれ変形を説明するため、左側の主軸トーションバー３ＡＣのねじれ変形について説明する。なお、主軸トーションバー３ＢＤのねじれ変形もＹ軸に対して対称となっているだけで、実質上同じ動きであり、詳細は省略する。
【００３７】
主軸トーションバー３ＡＣは、変位部４Ａ及び変位部４Ｃが変位することでＸ軸周りにねじられる。例えば、図１，図４において、変位部４ＡをＺ方向手前側、変位部４ＣをＺ方向奥側に変位させるとする。この場合、接続部５Ａは変位部４Ａの自由端側の辺に引っ張られＺ方向手前側に移動し、逆に接続部５Ｃは変位部４Ｃの自由端側の辺に引っ張られＺ方向奥側に移動する（図５参照）。
【００３８】
接続部５Ａ、接続部５Ｃの柔軟性が高い（変形しやすい）ので、上述したように、変位部４Ａ及び変位部４Ｂの自由端側の辺の変位が大きくなる。これにより、接続部５Ａ及び接続部５Ｃを介して変位部４Ａ及び変位部４Ｃと接続されている主軸トーションバー３ＡＣのせん断ひずみ（ねじり方向のひずみ）が大きくなる。
【００３９】
そして変位部４Ａ及び変位部４Ｃが、Ｚ方向手前側とＺ方向奥側にタイミングを合わせて振動することで、主軸トーションバー３ＡＣがＸ軸周りのねじれを繰り返すように振動する。上述したように、変位部４Ｂ及び４Ｄの変位が接続部５Ｂ及び５Ｄで伝達されることで、主軸トーションバー３ＢＤも振動する。そして、変位部４Ａと変位部４Ｂを一組、変位部４Ｃ及び変位部４Ｄを一組とし、それぞれの組の変位部がＺ方向に同じ方向、異なる組の変位部がＺ方向に逆方向となるよう振動させることで、主軸トーションバー３ＡＣと主軸トーションバー３ＢＤの振動を同期させることができる。なお、各変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）が同期していることはいうまでもないことである。
【００４０】
主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤは、ともにＸ軸上に配置されているとともに、可動枠２２のＸ方向の端部に一体連結された連結部２４と連結されている。主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤがねじれ方向に振動することで、連結部２４で主軸トーションバー３ＡＣ、３ＢＤと連結された可動枠２２、すなわち、ミラー部２１及びミラートーションバー２３を含む可動部２がＸ軸周りに揺動（振動）される。
【００４１】
なお、ミラー部２１はミラートーションバー２３に揺動可能に保持されているが、ミラートーションバー２３は、可動部２の揺動の中心であるＸ軸と直交しているので、可動部２の揺動によってねじれ方向の力が作用することはない。すなわち、可動部２のＸ軸を中心とする揺動はミラー部２１のミラートーションバー２３による揺動にほとんど影響しない。
【００４２】
次に、ミラー部２１のＸ軸と直交する軸（Ｙ軸）周りの揺動について説明する。ミラー部２１はミラートーションバー２３に保持されており、ミラートーションバー２３のねじれによって揺動される。ミラートーションバー２３は変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）がミラートーションバー２３の共振周波数で振動することで、共振し、揺動する。
【００４３】
さらに詳しく説明すると、以下のとおりである。変位部４Ａ及び変位部４Ｃを組とし、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄを組として、同じ組の変位部はＺ方向の同方向に、異なる組の変位部はＺ方向の異なる方向に振動させる。まず、図１において、変位部４Ａ及び４ＣをＺ方向手前側、変位部４Ｂ及び変位部４ＤをＺ方向奥側に変位させた場合を例に説明する。変位部４Ａ及び変位部４ＣがＺ方向手前側に変位すると、接続部５Ａ及び５ＣがともにＺ方向手前側に変位する。そして、主軸トーションバー３ＡＣは接続部５Ａ及び接続部５Ｃに引っ張られ、可動部２側がＺ方向手前側となるように曲げられる。主軸トーションバー３ＡＣの曲げ変形によって、可動部２の連結部２４が持ち上げられる。なお、接続部５Ａ及び接続部５Ｃが蛇行状に形成されているので、ねじれ方向にも変形しやすく、主軸トーションバー３ＡＣの変位を大きくすることができる。
【００４４】
主軸トーションバー３ＢＤも主軸トーションバー３ＡＣと同様に、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄ、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄによって曲げられる。なお、主軸トーションバー３ＢＤの曲げ方向は主軸トーションバー３ＡＣと反対のＺ方向奥側である。主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤの曲げ変形によって、可動部２がＹ軸周りにねじられる。
【００４５】
そして、変位部４Ａ及び変位部４Ｃの組、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄの組を交互に変位させることで、可動部２がミラートーションバー２３の主軸周りに揺動（振動）する。この可動部２の揺動の振動数をミラートーションバー２３及びミラー部２１の共振周波数とすることで、ミラートーションバー２３は励振されてねじれ方向の振動が発生する。これにより、ミラートーションバー２３に保持されているミラー部２１がＹ軸回りに揺動される。
【００４６】
ここで、本実施の形態における光スキャナＯＳの駆動特性を、従来の光スキャナ（マイクロスキャナ）（図９，図１０参照）と比較しつつ説明する。
従来の光スキャナにおいてミラー部９２１がＹ軸周りに揺動する場合には、ミラー部９２１の共振周波数は3.05E+4[Hz]付近であり、図６に点線で示すように、3.05Ｅ＋０４［Ｈｚ］程度の周波数で駆動回路（図示せず）が圧電素子９４２に電圧を印加する。この周波数は、光スキャナ自身の有する固有振動数に近似または一致する周波数となっている。このような周波数の電圧が印加されることにより、図１０に示すように、各変位部（保持部）９４には、当該変位部９４の長手方向（Y方向）に対して交差する節、つまり変位部４の短手方向に延在する節が少なくとも1つ発生し、変位部４Ａ及び変位部４Ｃにおける主軸トーションバー３ＡＣ側の端部と、変位部４Ｃ及び変位部４Ｄにおける主軸トーションバー３ＢＤ側の端部とがＺ方向に大きく離れる結果、Ｙ軸周りでのミラー部２１の偏向角が大きくなる。
これに対し、本実施の形態における光スキャナＯＳにおいてミラー部２１がY軸周りに揺動する場合には、ミラー部２１の共振周波数は42.0E+04[Hz]程度であり、図６に実線で示すように、42.0Ｅ＋０4［Ｈｚ］程度の周波数で駆動回路（図示せず）が圧電素子４２に電圧を印加する。このような周波数の電圧が印加されることにより、図７に示すように、各変位部４には、当該変位部４の短手方向（X方向）に対して交差する節、つまり変位部４の長手方向に延在する節が少なくとも1つ発生し、変位部４Ａ及び変位部４Ｃにおける主軸トーションバー３ＡＣ側の端部と、変位部４Ｃ及び変位部４Ｄにおける主軸トーションバー３ＢＤ側の端部とが従来の光スキャナよりもＺ方向に大きく離れ、Ｙ軸周りでのミラー部２１の偏向角が従来と比べてより一層大きくなる。つまり、効率よくミラー部２１が駆動される。なお、図７では、光スキャナＯＳの図示を簡略化するとともに、変位部４の各領域を変位量に応じて網掛けしている。より具体的には、変位部４に対する網掛けは、紙面手前側（図１におけるＺ方向の手前側）への変位量が大きい領域ほど濃く、紙面奥行き側（図１におけるＺ方向の奥側）への変位量が大きい領域ほど薄くなっている。
なお、本実施の形態では、ミラー部２１やミラートーションバー２３の形状を調整することによって、ミラー部２１の共振周波数を42.0E+04[Hz]程度としている。また、本実施の形態では、変位部４の駆動特性（駆動周波数が42.0E+04[Hz]程度である場合に、短手方向（X方向）に対して交差する節を生じる特性）に合わせてミラー部２１の共振周波数を3.05E+04[Hz]程度から42.0E+04[Hz]程度に変更しているが、ミラー部２１の共振周波数を3.05E+04[Hz]程度に維持しつつ、変位部４の駆動特性を調整し、駆動周波数が3.05E+04[Hz]程度である場合に、短手方向（X方向）に対して交差する節を生じるようにしても良い。
【００４７】
そして、変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）を以上のように振動させることで、可動部２がＸ軸周りに揺動されるとともに、可動枠２２と独立してミラー部２１がＹ軸周りに揺動される。ミラー部２１で光を反射しつつ可動部２を低周波で、ミラー部２１を高周波で揺動させることで、光スキャナＯＳは光を２次元走査する。
【００４８】
なお、以上の光スキャナＯＳは、その小型、軽量であるという特徴から、携帯電話、デジタルカメラ等の携帯用の電子機器に搭載されることが想定されている。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば、ミラー部２１をＹ軸周りに揺動させる場合に駆動回路から圧電素子４２に対して印加される電圧は光スキャナＯＳ自身の有する固有振動数に近似または一致するとともに、保持部４１に、当該の保持部４１の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数（４．２０Ｅ＋０［Ｈｚ］程度）であるので、保持部４１の長手方向に対し交差する節を発生させる周波数（３．０５Ｅ＋０［Ｈｚ］程度）である場合と比較して、印加電圧を少なくしてＹ軸周りの偏向角を大きくすることができる（図６参照）。また、保持部４１の長手方向に対し交差する節を発生させる必要がないため、設計の自由度を向上させることができる。
【００５０】
なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００５１】
例えば、上記の実施形態においては、本発明のマイクロスキャナの例として、光を２次元走査する光スキャナを挙げているが、光を直線上に走査する１次元走査の光スキャナに用いることも可能である。また、上記各実施例において、マイクロスキャナとして、ミラー部で光を反射する光スキャナを例に説明しているが、それに限定されるものではなく、ミラー部に替わる光学素子としてレンズを用いるものやＬＥＤ、レーザダイオード等の自発光素子を用いるものであってもよい。さらに、可動部の動力源（アクチュエータ）として片持ち梁状の保持部に圧電素子を貼り付けたユニモルフ構造の変位部を採用しているが、それに限定されるものではなく、片持ち梁形状であるとともに、コイル、永久磁石等を用い、電磁気力で変位する変位部を採用してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 固定枠
３ 主軸トーションバー
２１ ミラー部
４１ 保持部
４２ 圧電素子
ＯＳ 光スキャナ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロスキャナ装置及び光学機器に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、レーザ光を走査し、壁面やスクリーンに画像を投影する小型プロジェクタが種々開発されている。このような小型プロジェクタは、レーザ光を出射する光源と、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスを用いてレーザ光を走査するマイクロスキャナとを備えている。
【０００３】
このマイクロスキャナは、図９に示すように、固定枠９１と、主軸トーションバー９３と、固定枠９１に固定されて主軸トーションバー９３を支持する保持部９４と、保持部９４を変形させるための力を電圧印加により生じさせる圧電素子９４２と、主軸トーションバー９３の変位によって当該主軸トーションバー９３を基準に揺動する可動部９２とを備えている。
【０００４】
主軸トーションバー９３は、所定方向（図中のＸ方向）に延在するとともに、可動部９２を揺動（振動）可能に支持している。
保持部９４は、主軸トーションバー９３を挟んで対向配置されており、主軸トーションバー９３の直交方向（図中のＹ軸方向）に長尺となっている。この保持部９４は、一端が主軸トーションバー９３に接続されるとともに、他端が固定枠９１に固定された片持ち梁構造をなしており、主軸トーションバー９３にねじれ方向の変位（力）を付与するようになっている。
【０００５】
なお、これらの主軸トーションバー９３及び保持部９４は固定枠９１と一体に形成されている。また、対向配置された保持部９４のそれぞれと主軸トーションバー９３とは、接続部９５を介して接続されている。
圧電素子９４２は、保持部９４の表面に配設されており、保持部９４とによってユニモルフ構造をなしている。
【０００６】
可動部９２は、レーザ光を反射するためのミラー部９２１と、ミラー部９２１を囲む可動枠９２２と、主軸トーションバー９３の直交方向（図中のＹ方向）に延在して可動枠９２２に連結されるとともに、ミラー部９２１を揺動可能に支持するミラートーションバー９２３とを備えている。
【０００７】
以上のマイクロスキャナにおいては、対向配置された保持部９４が圧電素子９４２への電圧印加によって振動し、各保持部９４における主軸トーションバー９３との接続部分同士の変位差によって主軸トーションバー９３がねじられ、主軸トーションバー９３に支持されている可動部９２全体がＸ軸周りに揺動される。また、保持部９４の振動による共振によってミラートーションバー９２３がねじられ、ミラー部９２１がＹ軸周りに揺動される。このように、可動部９２が主軸トーションバー９３を軸として揺動されるとともに、ミラー部９２１がミラートーションバー９２３を軸として揺動されることで、レーザ光を２次元走査することができる。
【０００８】
そして、このようなマイクロスキャナでは、近年、保持部９４と主軸トーションバー９３との接続部９５にスリットを設けて蛇行構造とすることにより、当該接続部９５を変形し易くしている（例えば特許文献１参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００９】
【特許文献１】国開公開第２００９／８７８８３号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１０】
しかしながら、従来のマイクロスキャナでは、図１０に示すように、保持部９４の長手方向に交差して節が生じるように保持部９４を共振させるため、共振周波数の設計値によって圧電素子９４２の長さが自動的に定まってしまい、設計の自由度が低下してしまうという問題がある。また、このようなマイクロスキャナに対しては、よりいっそう印加電圧を少なくし、ミラー部９２１の偏向角を大きくして欲しいとの要望がある。なお、図１０では、マイクロスキャナの図示を簡略化するとともに、保持部９４の各領域を変位量に応じて網掛けしている。より具体的には、保持部９４に対する網掛けは、紙面手前側（図９におけるＺ方向の手前側）への変位量が大きい領域ほど濃く、紙面奥行き側（図９におけるＺ方向の奥側）への変位量が大きい領域ほど薄くなっている。
【００１１】
本発明は以上のような事情に鑑みてなされたものであり、設計の自由度を向上させるとともに、印加電圧を少なくして偏向角を大きくすることのできるマイクロスキャナ装置及び光学機器を提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明の第１の側面によれば、マイクロスキャナと駆動回路とを含むマイクロスキャナ装置において、
前記マイクロスキャナは、
外枠となる固定枠と、
軸部と、
前記軸部の直交方向に長尺となるよう配設されるとともに、一端を前記軸部に接続し、他端を前記固定枠に固定した片持ち梁構造の保持部と、
前記保持部を変形させるための力を電圧印加に応じて生じさせる駆動部と、
前記軸部の変位によって当該軸部を基準に揺動する変動部と、
を含み、
前記駆動回路から前記駆動部に対して印加される電圧は、
前記マイクロスキャナ自身の有する固有振動数に近似または一致するとともに、前記保持部に、当該の保持部の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数であり、
前記保持部は、
前記短手方向における前記変動部側の部分のみで、前記軸部に接続されることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、駆動回路から前記駆動部に対して印加される電圧はマイクロスキャナ自身の有する固有振動数に近似または一致するとともに、保持部に、当該の保持部の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数であるので、保持部の長手方向に対し交差する節を発生させる周波数である場合と比較して、印加電圧を少なくして偏向角を大きくすることができる。また、保持部の長手方向に対し交差する節を発生させる必要がないため、設計の自由度を向上させることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】光スキャナを示す平面図である。
【図２】光スキャナに備えられる接続部の概略構造を示す図である。
【図３】光スキャナに備えられる接続部の概略構造を示す図である。
【図４】図１に示す光スキャナをＩＩ−ＩＩ線で切断した断面図と、その一部の拡大図である。
【図５】図１に示す光スキャナが駆動しているときの拡大断面図である。
【図６】圧電素子及びミラー部の周波数特性を示す図である。
【図７】短手方向に交差する節が変位部に発生したときの当該変位部の変位量分布を示す図である。
【図８】短手方向に交差する節が変位部に発生した状態を示す概念図である。
【図９】従来のマイクロスキャナを示す図である。
【図１０】従来のマイクロスキャナにおいて長手方向に対して交差する節が発生したときの当該変位部の変位量分布を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明にかかるマイクロスキャナ装置について図面を参照して説明する。
本発明にかかるマイクロスキャナ装置は、マイクロスキャナと駆動回路とを備えている。なお、本実施の形態においては、変動する部材（変動部）としてミラー部を例に挙げるとともに、このミラー部を変動させることで光を反射しスキャン動作を行うマイクロスキャナとして、２次元走査型の光スキャナを例に挙げる。なお、理解を容易にするために（部分の区別を容易にするために）、平面図にハッチングを付す場合もある。また、便宜上、部材符号及び（又は）ハッチングを省略する場合もあるが、かかる場合、他の図面を参照するものとする。
【００１６】
図１は光スキャナＯＳを示す平面図である。
この図に示すように光スキャナＯＳは、固定部である固定枠１と、可動部２（図中の右上りハッチング部分）と、主軸トーションバー３（軸部）と、変位部４と、接続部５とを備えている。なお、図１に示す光スキャナＯＳの平面図において、左右方向をＸ方向とし、光スキャナＯＳの上下方向中央をＸ方向に横切る軸をＸ軸としている。また、上下方向をＹ方向とし、光スキャナＯＳの左右方向中央をＹ方向に横切る軸をＹ軸としている。そして、厚み方向をＺ方向としている。以下の説明においても、特に断りのない限り、Ｘ方向、Ｙ方向、Ｚ方向、Ｘ軸及びＹ軸を用いて説明する。
【００１７】
固定枠１は、可動部２、主軸トーションバー３、変位部４及び接続部５を囲む長方形状の外枠である。さらに詳しく説明すると、変形可能なシリコン基板等で形成された長方形板状の基体にエッチングを施すことで、可動部２、主軸トーションバー３、変位部４における後述の保持部４１及び接続部５を形成する。そして、エッチング後の基体のうち、これらの部材を取り囲むように残った部分が固定枠１となる。
【００１８】
なお、図１に示すように、固定枠１、主軸トーションバー３、変位部４の保持部４１及び接続部５とは一体に形成されている。なお、エッチングを施す基体は、１００μｍ程度の厚さのシリコン基板が用いられるが、それに限定されるものではない。このように一枚の基体（基板）にエッチングを施して上述の各部を形成することで、それぞれの部分の大きさや、部分同士の間隔の精度を高めることが可能である。なお、加工法としてはエッチングに限定されるものではないし、複数の部材を組み合わせて形成するものであってもよい。
【００１９】
可動部２は、光源（不図示）からの光（レーザ光）を反射する部材である。可動部２は、主軸トーションバー３に支持されている。可動部２は、ミラー部２１と、可動枠２２と、ミラートーションバー２３と、連結部２４とを含んでいる。
【００２０】
ミラー部２１は円板形状であり、光源からの光を反射する反射部材である。ミラー部２１の表面には光源からの光を反射するため、アルミニウム等の金属薄膜が反射膜として成膜されている。なお、金属薄膜は蒸着やスパッタリング等の方法で形成されているものを挙げることができる。また、ミラー部２１の表面は、このような金属薄膜に限定されるものではなく、表面が滑らかで光を均一に反射できるように形成された鏡面状のものを広く採用することができる。そして、ミラー部２１は中心を挟んで対向した部分をミラートーションバー２３に保持されている。なお、ミラー部２１のミラートーションバー２３に保持されている部分は、可動部２が停止している状態のときＹ方向の両端部となっているが、これに限定されるものではない。また、可動部２の説明を行う限りにおいて、ミラートーションバー２３の軸線をＹ軸として説明する。
【００２１】
可動枠２２はミラー部２１を囲むように配置されており、エッチングによって形成されたひし形状の部材である。可動部２は線対称の基準となる２本の対称軸が直交している。２本の対称軸のうち、一方の対称軸（ここでは、短い方の対称軸）はＸ軸と重なっており、他方の対称軸（ここでは、長い方の対称軸）はＸ軸と直交している（可動枠２２が停止状態のとき、Ｙ軸と重なる）。
【００２２】
ミラートーションバー２３は一対の長尺な部材であり、Ｙ軸上に配置されてミラー部２１を保持している。各ミラートーションバー２３は同じ断面形状及び同じ長さの部材である。各ミラートーションバー２３のミラー部２１と反対側は、可動枠２２と一体的に連結されている。なお、ミラートーションバー２３は弾性変形可能な部材であり、ミラートーションバー２３が弾性的にねじれることで、ミラー部２１がＹ軸周りに揺動（振動）される。一対のミラートーションバー２３が同一の形状であるので、各ミラートーションバー２３のねじれ量、速度が同じであり、ミラー部２１はＹ軸周りに揺動できる。
【００２３】
連結部２４は長方形状の部材であり、可動枠２２のＸ方向の両端部と一体連結されている。連結部２４は各辺がＸ軸又はＹ軸と平行となっており、Ｙ軸と平行な辺の一方が可動枠２２と連結している。また、他方のＹ軸と平行な辺の中央部に主軸トーションバー３が連結されている。これによって、可動枠２２、すなわち、ミラー部２１、ミラートーションバー２３を含む可動部２が、Ｘ軸周りに揺動可能となっている。
【００２４】
次に主軸トーションバー３について説明する。主軸トーションバー３は弾性変形可能な長尺部材である。光スキャナＯＳでは、停止状態のとき、主軸トーションバー３の中心軸がＸ軸と重なるものとする。主軸トーションバー３は可動部２のＸ方向の両端部に配置された連結部２４のそれぞれを支持している。なお、以下の説明では、便宜上、図１のＹ軸よりも左にある主軸トーションバー３を３ＡＣ、右にある主軸トーションバー３を３ＢＤと表す場合がある。
【００２５】
主軸トーションバー３は、長手方向の端部のうち、一方が固定枠１と連結し、他方が可動部２の連結部２４と連結している。そして、主軸トーションバー３は可動部２の近傍で接続部５を介して、変位部４と接続している。なお、主軸トーションバー３の一方の端部が固定枠１と連結していることで、主軸トーションバー３がねじられ、可動部２が揺動するとき、主軸トーションバー３がＸ軸からずれにくい。これによって、可動部２のＸ軸周りの揺動の精度低下を抑制することができる。
【００２６】
変位部４は正面視長方形状であり、固定枠１と一体に形成された保持部４１と、保持部４１の表面に貼り付けられた圧電素子４２（図中のクロスハッチング部分）とを備えている。保持部４１はＹ方向に長尺となるよう配設されており、一方の短辺で主軸トーションバー３に接続され、他方の短辺で固定枠１に連結固定された片持ち梁様の構造を有している。ここで、前記一方の短辺では、固定枠１の中心側の端部（Ｘ方向におけるミラー部２１側の部分）のみが主軸トーションバー３に接続されている。圧電素子４２はＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）を含む素子である。この圧電素子４２は、本発明における駆動部であり、図示しない駆動回路から電圧が印加されると力（変位）を出力する逆圧電効果を発揮する。これにより、圧電素子４２は、保持部４１を変形させるための力を、電圧印加に応じて生じさせる。
【００２７】
この変位部４は保持部４１と圧電素子４２を張り合わせたユニモルフ構造であり、圧電素子４２に電力を供給することで、固定枠１と連結されていない側の短辺（自由端側の短辺）のうち、少なくとも主軸トーションバー３との接続部分が厚み方向（図１において、Ｚ方向手前又は奥方向）に変位する。
【００２８】
詳説すると、圧電素子４２に電圧を印加することで、圧電素子４２には圧縮方向或いは引っ張り方向の力が作用する。圧電素子４２に圧縮方向の力が作用すると、圧電素子４２が貼り付けられている保持部４１が圧電素子４２側に曲げられる。逆に圧電素子４２に引っ張り方向の力が作用すると、保持部４１は圧電素子４２と反対側に曲げられる。このように、圧電素子４２に作用する圧縮方向の力と引っ張り方向の力とをタイミングよく交互に発生させることで、変位部４は自由端のうち、少なくとも主軸トーションバー３との接続部分が振動する。
【００２９】
光スキャナＯＳは４個の変位部４を備えており、Ｙ軸を挟んで対称となるように２個ずつ配置されている。同様に４個の変位部４は、Ｘ軸を挟んで対称となるように２個ずつ配置されている。すなわち、４個の変位部４はＸ軸及びＹ軸を基準に対称となるように配置されている。なお、説明の便宜上、図１において左上の変位部４を変位部４Ａ、左下を４Ｃ、右上を４Ｂ及び右下を４Ｄと称して区別する場合があるが、形状及び大きさは全て同じである。また、図１に示す変位部４では、保持部４１に対して圧電素子４２が小さいものが採用されているが、それに限定されるものではなく、端縁部が重なるように形成された圧電素子４２を張り合わせるものであってもよく、圧電素子４２が保持部４１よりも大きいものを採用してもよい。
【００３０】
接続部５は、主軸トーションバー３と、保持部４１とを接続している。図１及び図２に示すように、接続部５は、複数個の片持ち梁様のレバー部５１と、隣り合うレバー部５１の端部を接続する折り返し部５２とを備えており、接続部５は平面視蛇行状に形成されている。隣り合うレバー部５１の間には、スリットＳＴが形成されている。図１及び図２に示しているように、接続部５においては、左辺から切れ込んだスリットＳＴと右辺から切れ込んだスリットＳＴとがレバー部５１を挟んでＹ方向に交互に並んでいる。
【００３１】
なお、接続部５において、スリットＳＴは左右から２個ずつ形成されているが、それに限定されるものではない。また、以下の説明において、それぞれの接続部を区別するために、変位部４Ａと接続する接続部５を接続部５Ａ、変位部４Ｃと接続する接続部５を接続部５Ｃ、変位部４Ｂと接続する接続部５を接続部５Ｂ、変位部４Ｄと接続する接続部５を接続部５Ｄと示す場合もある。そして、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは左側の主軸トーションバー３ＡＣと、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄは右側の主軸トーションバー３ＢＤとそれぞれ接続している。
【００３２】
接続部５はレバー部５１とスリットＳＴとが交互に並んだ形状であるので、接続部５の両端部にＺ方向のせん断力が作用すると、レバー部５１がねじれつつ曲げられる。よって、接続部５は平面視で同じ大きさの平板に比べてＹ軸に沿った平面曲げ（Ｙ軸に沿った方向の曲げ）が容易な（柔軟性が高い）構成となっている。例えば、図１において、変位部４Ａが紙面手前側、変位部４Ｃが紙面奥側に変形した場合（後述の図５の状態）、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは変位部４Ａ、変位部４Ｃの先端にあわせて移動する。このとき、接続部５Ａ及び接続部５ＣがＹ軸に沿ってＺ方向に曲げ変形されるので、変位部４Ａと主軸トーションバー３ＡＣ及び変位部４Ｃと主軸トーションバー３ＡＣとの角度の変化をある程度許容することができる。これにより、変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端のＺ方向の変位が、柔軟性の低い接続部を使う場合に比べて大きくなる。
【００３３】
そして、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは主軸トーションバー３ＡＣをねじることができる弾力を備えている。これにより、接続部５Ａ及び接続部５Ｃは変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端部の変位にあわせ、主軸トーションバー３ＡＣの接続部分をＺ方向に引っ張る。変位部４Ａ及び変位部４Ｃの先端部の変位量が大きいので、主軸トーションバー３ＡＣの接続部が引っ張られる量も大きくなり、ねじれも大きくなる。なお、接続部５Ｂ、５Ｄで接続される変位部４Ｂ、４Ｄ及び主軸トーションバー３ＢＤも同様である。
【００３４】
なお、本発明の光スキャナＯＳに用いられる接続部として、図２等に示すように蛇行状に形成されている接続部５を用いているが、これに限定されるものではない。図３に示すような、貫通孔形状のスリットＳＴ１と、左右両側から形成された凹形状のスリットＳＴ２とを交互に配置した形状の接続部７を利用しても、同様に主軸トーションバー３のせん断ひずみを大きくすることが可能である。なお、以下の説明では、主に接続部として図２に示す接続部５として説明するが、接続部７を用いても同様である。以上に示したように、接続部５及び７は、変位部４の変位を妨げにくく、且つ、主軸トーションバー３をねじる方向に引っ張ることができる程度の柔軟性を有するものである。
【００３５】
次に、光スキャナＯＳで光を走査（二次元走査）するときの駆動について詳しく説明する。まず、可動部２のＸ軸周りの揺動について説明する。
【００３６】
可動部２は、主軸トーションバー３（３ＡＣ、３ＢＤ）のねじれによって、Ｘ軸周りに揺動（振動）される。主軸トーションバー３のねじれ変形を説明するため、左側の主軸トーションバー３ＡＣのねじれ変形について説明する。なお、主軸トーションバー３ＢＤのねじれ変形もＹ軸に対して対称となっているだけで、実質上同じ動きであり、詳細は省略する。
【００３７】
主軸トーションバー３ＡＣは、変位部４Ａ及び変位部４Ｃが変位することでＸ軸周りにねじられる。例えば、図１，図４において、変位部４ＡをＺ方向手前側、変位部４ＣをＺ方向奥側に変位させるとする。この場合、接続部５Ａは変位部４Ａの自由端側の辺に引っ張られＺ方向手前側に移動し、逆に接続部５Ｃは変位部４Ｃの自由端側の辺に引っ張られＺ方向奥側に移動する（図５参照）。
【００３８】
接続部５Ａ、接続部５Ｃの柔軟性が高い（変形しやすい）ので、上述したように、変位部４Ａ及び変位部４Ｂの自由端側の辺の変位が大きくなる。これにより、接続部５Ａ及び接続部５Ｃを介して変位部４Ａ及び変位部４Ｃと接続されている主軸トーションバー３ＡＣのせん断ひずみ（ねじり方向のひずみ）が大きくなる。
【００３９】
そして変位部４Ａ及び変位部４Ｃが、Ｚ方向手前側とＺ方向奥側にタイミングを合わせて振動することで、主軸トーションバー３ＡＣがＸ軸周りのねじれを繰り返すように振動する。上述したように、変位部４Ｂ及び４Ｄの変位が接続部５Ｂ及び５Ｄで伝達されることで、主軸トーションバー３ＢＤも振動する。そして、変位部４Ａと変位部４Ｂを一組、変位部４Ｃ及び変位部４Ｄを一組とし、それぞれの組の変位部がＺ方向に同じ方向、異なる組の変位部がＺ方向に逆方向となるよう振動させることで、主軸トーションバー３ＡＣと主軸トーションバー３ＢＤの振動を同期させることができる。なお、各変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）が同期していることはいうまでもないことである。
【００４０】
主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤは、ともにＸ軸上に配置されているとともに、可動枠２２のＸ方向の端部に一体連結された連結部２４と連結されている。主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤがねじれ方向に振動することで、連結部２４で主軸トーションバー３ＡＣ、３ＢＤと連結された可動枠２２、すなわち、ミラー部２１及びミラートーションバー２３を含む可動部２がＸ軸周りに揺動（振動）される。
【００４１】
なお、ミラー部２１はミラートーションバー２３に揺動可能に保持されているが、ミラートーションバー２３は、可動部２の揺動の中心であるＸ軸と直交しているので、可動部２の揺動によってねじれ方向の力が作用することはない。すなわち、可動部２のＸ軸を中心とする揺動はミラー部２１のミラートーションバー２３による揺動にほとんど影響しない。
【００４２】
次に、ミラー部２１のＸ軸と直交する軸（Ｙ軸）周りの揺動について説明する。ミラー部２１はミラートーションバー２３に保持されており、ミラートーションバー２３のねじれによって揺動される。ミラートーションバー２３は変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）がミラートーションバー２３の共振周波数で振動することで、共振し、揺動する。
【００４３】
さらに詳しく説明すると、以下のとおりである。変位部４Ａ及び変位部４Ｃを組とし、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄを組として、同じ組の変位部はＺ方向の同方向に、異なる組の変位部はＺ方向の異なる方向に振動させる。まず、図１において、変位部４Ａ及び４ＣをＺ方向手前側、変位部４Ｂ及び変位部４ＤをＺ方向奥側に変位させた場合を例に説明する。変位部４Ａ及び変位部４ＣがＺ方向手前側に変位すると、接続部５Ａ及び５ＣがともにＺ方向手前側に変位する。そして、主軸トーションバー３ＡＣは接続部５Ａ及び接続部５Ｃに引っ張られ、可動部２側がＺ方向手前側となるように曲げられる。主軸トーションバー３ＡＣの曲げ変形によって、可動部２の連結部２４が持ち上げられる。なお、接続部５Ａ及び接続部５Ｃが蛇行状に形成されているので、ねじれ方向にも変形しやすく、主軸トーションバー３ＡＣの変位を大きくすることができる。
【００４４】
主軸トーションバー３ＢＤも主軸トーションバー３ＡＣと同様に、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄ、接続部５Ｂ及び接続部５Ｄによって曲げられる。なお、主軸トーションバー３ＢＤの曲げ方向は主軸トーションバー３ＡＣと反対のＺ方向奥側である。主軸トーションバー３ＡＣ及び主軸トーションバー３ＢＤの曲げ変形によって、可動部２がＹ軸周りにねじられる。
【００４５】
そして、変位部４Ａ及び変位部４Ｃの組、変位部４Ｂ及び変位部４Ｄの組を交互に変位させることで、可動部２がミラートーションバー２３の主軸周りに揺動（振動）する。この可動部２の揺動の振動数をミラートーションバー２３及びミラー部２１の共振周波数とすることで、ミラートーションバー２３は励振されてねじれ方向の振動が発生する。これにより、ミラートーションバー２３に保持されているミラー部２１がＹ軸回りに揺動される。
【００４６】
ここで、本実施の形態における光スキャナＯＳの駆動特性を、従来の光スキャナ（マイクロスキャナ）（図９，図１０参照）と比較しつつ説明する。
従来の光スキャナにおいてミラー部９２１がＹ軸周りに揺動する場合には、ミラー部９２１の共振周波数は3.05E+4[Hz]付近であり、図６に点線で示すように、3.05Ｅ＋０４［Ｈｚ］程度の周波数で駆動回路（図示せず）が圧電素子９４２に電圧を印加する。この周波数は、光スキャナ自身の有する固有振動数に近似または一致する周波数となっている。このような周波数の電圧が印加されることにより、図１０に示すように、各変位部（保持部）９４には、当該変位部９４の長手方向（Y方向）に対して交差する節、つまり変位部４の短手方向に延在する節が少なくとも1つ発生し、変位部４Ａ及び変位部４Ｃにおける主軸トーションバー３ＡＣ側の端部と、変位部４Ｃ及び変位部４Ｄにおける主軸トーションバー３ＢＤ側の端部とがＺ方向に大きく離れる結果、Ｙ軸周りでのミラー部２１の偏向角が大きくなる。
これに対し、本実施の形態における光スキャナＯＳにおいてミラー部２１がY軸周りに揺動する場合には、ミラー部２１の共振周波数は42.0E+04[Hz]程度であり、図６に実線で示すように、42.0Ｅ＋０4［Ｈｚ］程度の周波数で駆動回路（図示せず）が圧電素子４２に電圧を印加する。このような周波数の電圧が印加されることにより、図７に示すように、各変位部４には、当該変位部４の短手方向（X方向）に対して交差する節、つまり変位部４の長手方向に延在する節が少なくとも1つ発生し、変位部４Ａ及び変位部４Ｃにおける主軸トーションバー３ＡＣ側の端部と、変位部４Ｃ及び変位部４Ｄにおける主軸トーションバー３ＢＤ側の端部とが従来の光スキャナよりもＺ方向に大きく離れ、Ｙ軸周りでのミラー部２１の偏向角が従来と比べてより一層大きくなる。つまり、効率よくミラー部２１が駆動される。なお、図７では、光スキャナＯＳの図示を簡略化するとともに、変位部４の各領域を変位量に応じて網掛けしている。より具体的には、変位部４に対する網掛けは、紙面手前側（図１におけるＺ方向の手前側）への変位量が大きい領域ほど濃く、紙面奥行き側（図１におけるＺ方向の奥側）への変位量が大きい領域ほど薄くなっている。
なお、本実施の形態では、ミラー部２１やミラートーションバー２３の形状を調整することによって、ミラー部２１の共振周波数を42.0E+04[Hz]程度としている。また、本実施の形態では、変位部４の駆動特性（駆動周波数が42.0E+04[Hz]程度である場合に、短手方向（X方向）に対して交差する節を生じる特性）に合わせてミラー部２１の共振周波数を3.05E+04[Hz]程度から42.0E+04[Hz]程度に変更しているが、ミラー部２１の共振周波数を3.05E+04[Hz]程度に維持しつつ、変位部４の駆動特性を調整し、駆動周波数が3.05E+04[Hz]程度である場合に、短手方向（X方向）に対して交差する節を生じるようにしても良い。
【００４７】
そして、変位部４（４Ａ、４Ｂ、４Ｃ、４Ｄ）を以上のように振動させることで、可動部２がＸ軸周りに揺動されるとともに、可動枠２２と独立してミラー部２１がＹ軸周りに揺動される。ミラー部２１で光を反射しつつ可動部２を低周波で、ミラー部２１を高周波で揺動させることで、光スキャナＯＳは光を２次元走査する。
【００４８】
なお、以上の光スキャナＯＳは、その小型、軽量であるという特徴から、携帯電話、デジタルカメラ等の携帯用の電子機器に搭載されることが想定されている。
【００４９】
以上のように、本実施形態によれば、ミラー部２１をＹ軸周りに揺動させる場合に駆動回路から圧電素子４２に対して印加される電圧は光スキャナＯＳ自身の有する固有振動数に近似または一致するとともに、保持部４１に、当該の保持部４１の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数（４．２０Ｅ＋０［Ｈｚ］程度）であるので、保持部４１の長手方向に対し交差する節を発生させる周波数（３．０５Ｅ＋０［Ｈｚ］程度）である場合と比較して、印加電圧を少なくしてＹ軸周りの偏向角を大きくすることができる（図６参照）。また、保持部４１の長手方向に対し交差する節を発生させる必要がないため、設計の自由度を向上させることができる。
【００５０】
なお、本発明を適用可能な実施形態は、上述した実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。
【００５１】
例えば、上記の実施形態においては、本発明のマイクロスキャナの例として、光を２次元走査する光スキャナを挙げているが、光を直線上に走査する１次元走査の光スキャナに用いることも可能である。また、上記各実施例において、マイクロスキャナとして、ミラー部で光を反射する光スキャナを例に説明しているが、それに限定されるものではなく、ミラー部に替わる光学素子としてレンズを用いるものやＬＥＤ、レーザダイオード等の自発光素子を用いるものであってもよい。さらに、可動部の動力源（アクチュエータ）として片持ち梁状の保持部に圧電素子を貼り付けたユニモルフ構造の変位部を採用しているが、それに限定されるものではなく、片持ち梁形状であるとともに、コイル、永久磁石等を用い、電磁気力で変位する変位部を採用してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 固定枠
３ 主軸トーションバー
２１ ミラー部
４１ 保持部
４２ 圧電素子
ＯＳ 光スキャナ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロスキャナと駆動回路とを含むマイクロスキャナ装置において、
前記マイクロスキャナは、
外枠となる固定枠と、
軸部と、
前記軸部の直交方向に長尺となるよう配設されるとともに、一端を前記軸部に接続し、他端を前記固定枠に固定した片持ち梁構造の保持部と、
前記保持部を変形させるための力を電圧印加に応じて生じさせる駆動部と、
前記軸部の変位によって当該軸部を基準に揺動する変動部と、
を含み、
前記駆動回路から前記駆動部に対して印加される電圧は、
前記マイクロスキャナ自身の有する固有振動数に近似または一致するとともに、前記保持部に、当該の保持部の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数であり、
前記保持部は、
前記短手方向における前記変動部側の部分のみで、前記軸部に接続されることを特徴とするマイクロスキャナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロスキャナ装置を搭載することを特徴とする光学機器。
【請求項１】
マイクロスキャナと駆動回路とを含むマイクロスキャナ装置において、
前記マイクロスキャナは、
外枠となる固定枠と、
軸部と、
前記軸部の直交方向に長尺となるよう配設されるとともに、一端を前記軸部に接続し、他端を前記固定枠に固定した片持ち梁構造の保持部と、
前記保持部を変形させるための力を電圧印加に応じて生じさせる駆動部と、
前記軸部の変位によって当該軸部を基準に揺動する変動部と、
を含み、
前記駆動回路から前記駆動部に対して印加される電圧は、
前記マイクロスキャナ自身の有する固有振動数に近似または一致するとともに、前記保持部に、当該の保持部の短手方向に対し交差する節を少なくとも1つ発生させる周波数であり、
前記保持部は、
前記短手方向における前記変動部側の部分のみで、前記軸部に接続されることを特徴とするマイクロスキャナ装置。
【請求項２】
請求項１に記載のマイクロスキャナ装置を搭載することを特徴とする光学機器。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図７】
【図１０】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図８】
【図９】
【図７】
【図１０】
【公開番号】特開２０１３−３４７４（Ｐ２０１３−３４７４Ａ）
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１３６８３５（Ｐ２０１１−１３６８３５）
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年１月７日（２０１３．１．７）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年６月２１日（２０１１．６．２１）
【出願人】（３０３０００４０８）コニカミノルタアドバンストレイヤー株式会社 (3,255)
【Ｆターム（参考）】
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