光スキャナ
【課題】駆動時間に依存して共振周波数が低下することを防止可能な光スキャナと、その光スキャナの製造方法とを提供すること。
【解決手段】第１軸線を中心として揺動可能な揺動部分と、揺動部分の両側に連結される一対の捩れ梁部分と、一対の捩れ梁部分の他端に連結される本体部分と、を有する平板状の構造体と、揺動部分を揺動可能に構成される駆動部と、構造体と別体に形成され、入射した光を反射する反射面を有し、揺動部分の一方の面に固定されるミラー部と、を備える光スキャナである。揺動部分は、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に設けられ、揺動部分から第１軸線に沿って延出し、構造体を含む面に平行且つ第１軸線に沿う方向に交差する第２方向の長さが、一対の捩れ梁部分よりも大きく構成され、ミラー部と揺動部分との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造を含む。
【解決手段】第１軸線を中心として揺動可能な揺動部分と、揺動部分の両側に連結される一対の捩れ梁部分と、一対の捩れ梁部分の他端に連結される本体部分と、を有する平板状の構造体と、揺動部分を揺動可能に構成される駆動部と、構造体と別体に形成され、入射した光を反射する反射面を有し、揺動部分の一方の面に固定されるミラー部と、を備える光スキャナである。揺動部分は、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に設けられ、揺動部分から第１軸線に沿って延出し、構造体を含む面に平行且つ第１軸線に沿う方向に交差する第２方向の長さが、一対の捩れ梁部分よりも大きく構成され、ミラー部と揺動部分との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造を含む。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ等の光を走査する光スキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、揺動するミラーによりレーザ光などの光を走査する光スキャナが知られている。光スキャナの例として、捩れ梁部で揺動可能に支持されたミラーが、圧電素子などの駆動部によって揺動されるものが挙げられる。ミラーが揺動すると、ミラーには動的な歪が生じる。この動的な歪みを低減するために、特許文献１には、反射面を有する補強部を、捩れ梁部によって支持される基盤部に対して接着する構成が開示される。特許文献１において、補強部の平面視形状は、基盤部の平面視形状と同一に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２７８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らによって、共振周波数にて駆動される光スキャナにおいて補強部と基盤部とが同一平面視形状に形成される場合、光スキャナを駆動する時間に依存して、共振周波数が低下する傾向が発見された。駆動時間に依存して共振周波数が低下すると、光スキャナを製造し、製品に組み込んだ後で、光スキャナの共振周波数が低下することとなる。例えば、光スキャナが走査型画像表示装置に用いられる場合、光スキャナの共振周波数に合わせて画像光の強度変調が行われる。この場合、光スキャナが製品に組み込まれた後の共振周波数の低下は、画像が正しく表示されなくなる事態を生じる可能性がある。また、光スキャナがレーザプリンタに用いられる場合も、光スキャナの共振周波数に合わせて印刷のためのレーザの強度変調が行われる。そのため、製品に組み込んだ後の共振周波数の低下は、印刷される画質の低下を招く可能性がある。
【０００５】
本発明は、補強部を有する光スキャナにおいて、駆動時間に依存して共振周波数が低下することを防止可能な光スキャナと、その光スキャナの製造方法と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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一側面は、第１軸線を中心として揺動可能に構成され、前記第１軸線に対して線対称に形成される揺動部分と、その一端が前記揺動部分の両側に連結され、前記第１軸線に平行な第１方向に前記揺動部分から延出する一対の捩れ梁部分と、前記一対の捩れ梁部分の他端に連結され、前記揺動部分から離間し且つ前記第１軸線に交差する方向に延出する本体部分と、を有する平板状の構造体と、駆動電圧が印加されることで前記構造体に対して周期的に力を与え、前記揺動部分を前記第１軸線回りに揺動可能に構成される駆動部と、前記構造体と別体に形成され、入射した光を反射する反射面を有し、前記揺動部分の一方の面に固定されるミラー部と、を備え、前記揺動部分は、前記揺動部分と前記一対の捩れ梁部分との接続位置に設けられ、前記揺動部分から前記第１方向に延出し、前記構造体を含む面に平行且つ第１方向に直交する第２方向の長さである第１長さが前記一対の捩れ梁部分よりも大きく構成され、前記ミラー部と前記揺動部分との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造を含む、ことを特徴とする光スキャナである。
【０００７】
本発明者らの解析の結果、揺動部分が揺動する際に、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に、最も応力が集中することが分かった。本発明の一側面に係る光スキャナでは、ミラー部が、揺動部分の一方の面に固定される。そのため、仮に特許文献１のように、補強部と揺動部分とが同一平面視形状に形成される場合、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に対しても、ミラー部が固定されている。換言すれば、特許文献１に開示の光スキャナでは、ミラー部と揺動部分との固定位置が、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に一致する。そのため、光スキャナの駆動時に揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に集中する応力が、ミラー部と揺動部分との固定位置にも働くこととなる。ミラー部と揺動部分との固定位置にこの応力が働き続けることによって、ミラー部と揺動部分との固定状態が徐々に変化（例えばミラー部が剥離）する可能性がある。駆動時間に依存した共振周波数の低下は、このような固定状態の変化が原因の一つとして考えられる。なお、ミラー部は特許文献１における補強部に相当し、揺動部分は特許文献１における基板部に相当する。
【０００８】
本発明の一側面に係る光スキャナにおいて、揺動部分は、ミラー部と揺動部分との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造を含む。具体的には、応力緩和構造は、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に設けられる。応力緩和構造は、揺動部分から揺動の中心軸である第１軸線に平行な第１方向に延出する。応力緩和構造は、構造体を含む面に平行且つ第１方向に直交する第２方向において、一対の捩れ梁部分よりも幅広な第１長さを有する。この応力緩和構造により、ミラー部と揺動部分との固定位置が、応力が集中する位置である揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置から離間される。離間することでミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力が低減され、ミラー部と揺動部分との固定状態の変化が防止される。従って、光スキャナの駆動時間に依存した共振周波数の低下を防止することが可能となる。
【０００９】
また、前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における端部から延出し、前記揺動部分から離間するに従い前記第１長さが小さくなるテーパー状に形成されてもよい。
【００１０】
応力緩和構造は、揺動部分の第２方向における端部から延出する。揺動部分のサイズが予め決まっていれば、応力緩和構造の形状を決定する変数としては、第１方向における長さだけを設定すればよい。そのため、少ない試行錯誤の回数で、適切な応力緩和構造の形状を決定することが可能となる。即ち、設計上導入が容易となる。
【００１１】
また、前記応力緩和構造は、前記応力緩和構造の前記第１方向における長さである第２長さの変動に対して、前記固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定された前記第２長さを有してもよい。
【００１２】
応力緩和構造によって、ミラー部と揺動部分との固定位置における応力が緩和される。このとき、応力緩和構造が小さすぎると、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力を十分に低減できない可能性がある。そこで、応力緩和構造の第２長さは、第２長さの変動に対して固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定される。従って、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。
【００１３】
また、前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第１方向における長さに対する、前記第２長さの比が、０．２以上０．４以下となるように形成されてもよい。
【００１４】
後記する図１３に示されるように、揺動部分の第１方向における長さに対する第２長さの比が「０．２」以上であれば、第２長さの変動に対して、固定位置に働く応力の変動が緩やかになり、十分な応力の低減が可能になる。一方、図１４に示されるように、共振周波数の低下を防止するという観点からは、第２長さは小さいほど望ましい。揺動部分の第１方向における長さに対する第２長さの比が「０．４」以上の場合は、第２長さが増加しても応力は殆ど変わらない。そのため、応力の低減と共振周波数の低下防止という両観点を両立するためには、揺動部分の第１方向における長さに対する第２長さの比が「０．２」以上「０．４」未満となることが望ましい。
【００１５】
また、前記応力緩和構造は、前記揺動部分から前記第１方向に沿って延出する第１辺と、前記第１辺の前記揺動部分と反対側の端部に接続され、前記第２方向に沿って前記一対の捩れ梁に向かって伸長する第２辺とを含んでよい。
【００１６】
応力緩和構造は、第１辺と第２辺とを有する。即ち、応力緩和構造の形状を決定する変数としては、第１辺と第２辺との２つの形状を設定する必要がある。従って、応力緩和構造が取りうる形状の自由度が増し、より最適に近い応力緩和構造の形状に近づける設計が可能となる。
【００１７】
また、前記応力緩和構造は、前記第１長さの変動に対して、前記固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定された前記第１長さを有してもよい。
【００１８】
応力緩和構造によって、ミラー部と揺動部分との固定位置における応力が緩和される。このとき、応力緩和構造が小さすぎると、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力を十分に低減できない可能性がある。そこで、応力緩和構造の第１長さは、第１長さの変動に対して固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定される。従って、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。
【００１９】
また、前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における長さに対する前記第１長さの比が０．４以上１以下となるように形成されてもよい。
【００２０】
応力緩和構造の第１長さが変化すると、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力が変化する。後記する図５に示されるように、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０」（応力緩和構造が存在しない場合）から大きくなるに従い、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力が減少する。そして、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０．４」以上では、応力の減少は緩やかになる。従って、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０．４」以上「１」以下となるように応力緩和構造を形成することで、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。
【００２１】
さらに、前記応力緩和構造は、前記第１長さの変動に対して、前記光スキャナの共振周波数の値が飽和する値に設定された前記第１長さを有してもよい。
【００２２】
応力緩和構造が大きくなると、揺動部分の質量が増加することにより、揺動部分が揺動する際の慣性モーメントが増加する。慣性モーメントの増加は、共振周波数の低下に繋がる。そこで、応力緩和構造の第１長さは、第１長さの変動に対して揺動部分の揺動における共振周波数の値が飽和する値に設定される。従って、応力緩和構造によってミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減を行う際に、共振周波数の低下が防止できる。
【００２３】
さらに、前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における長さに対する前記第１長さの比が０．６以下となるように形成されてもよい。
【００２４】
応力緩和構造の第１長さが変化すると、光スキャナの共振周波数の値が変化する。後記する図６に示されるように、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０」（応力緩和構造が存在しない場合）から「０．６」程度までは、共振周波数の値は略一定となる。一方、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０．６」より大きい場合、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が増加するに伴い、共振周波数の値は減少する。従って、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０．６」以下となるように応力緩和構造を形成することで、応力緩和構造によってミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減を行う際に、共振周波数の低下が防止できる。
【００２５】
さらに、前記ミラー部は、前記構造体の材質と線膨張率の異なる材質によって構成され、デュロメータ硬度がＤ６５以下となる熱硬化性接着剤を用いて、前記揺動部分の一方の面に固定されてもよい。
【００２６】
これによれば、ミラー部は、構造体の材質と線膨張率の異なる材質によって構成される。ミラー部と揺動部分とが熱硬化性接着剤で固定される場合、接着剤の硬化時に熱が印加される。ミラー部と構造体との線膨張係数が異なるため、両者が加熱された状態で接着剤によって固定されると、常温に戻った際に線膨張係数の差に起因して両者の縮小量に差が生じる。この縮小量の差によって、応力がミラー部に発生する。この応力によって、ミラー部に静的歪みが発生する。ミラー部の静的歪みの量が大きくなると、入射光が反射される際に入射光の波面が乱れ、光学性能の低下に繋がる。そのため、ミラー部の静的歪みの量は小さいほどよい。後記する図７に示されるように、接着剤のデュロメータ硬度が高くなるほど、ミラー部１３０の変形量（＝静的歪み）が大きくなる。図７から明らかに、接着剤のデュロメータ硬度がＤ６５よりも大きい場合、ミラー部に変形が生じる。一方で、接着剤のデュロメータ硬度がＤ６５以下の場合、ミラー部に変形は殆ど生じない。従って、デュロメータ硬度がＤ６５以下となる熱硬化性接着剤を用いてミラー部が揺動部分の一方の面に固定されることで、ミラー部の静的歪みを抑えることが可能となる。
【００２７】
さらに、前記揺動部分の他方の面と、前記揺動部分の一方の面であって前記ミラー部から離間した位置との少なくとも一方に設けられ、前記構造体の共振周波数を調整する質量片をさらに備えてもよい。
【００２８】
これによれば、光スキャナの共振周波数を調整する質量片が、揺動部分の他方の面と、揺動部分の一方の面であってミラー部から離間した位置との少なくとも一方に設けられる。従って、質量片がミラー部への入射光を遮蔽することなく、光スキャナの共振周波数を調整できる。
【００２９】
上記課題を解決するために、本発明の他の側面は、上記した何れかの光スキャナを準備する準備工程と、前記光スキャナの共振周波数の値を決定する振動数決定工程と、前記決定工程において決定された前記共振周波数の値と、目標とする共振周波数の値とに基づいて、前記質量片が設けられる前記揺動部分上の位置を決定する位置決定工程と、前記位置決定工程において決定された前記揺動部分上の位置に対して、前記質量片を付加する付加工程とを備えることを特徴とする光スキャナの製造方法である。
【００３０】
これにより、準備された光スキャナの共振周波数を、目標とする共振周波数に合わせこむことができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、補強部を有する光スキャナにおいて光スキャナの駆動時間に依存して共振周波数が低下することを防止可能な光スキャナと、その光スキャナの製造方法とが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態に係る光スキャナ１００の斜視図。
【図２】比較例に係る光スキャナ５００の斜視図。
【図３】応力緩和構造１１１ａを有する場合（実施形態）と、有さない場合（比較例）とにおける、測定回数ごとの共振周波数の変化を説明する図。
【図４】光スキャナ１００の平面図。
【図５】応力緩和構造１１１ａの左右及び前後方向の幅を変化させた場合における、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置における応力の変化を説明する図。
【図６】応力緩和構造１１１ａの左右及び前後方向の幅を変化させた場合における、光スキャナ１００の共振周波数の変化を説明する図。
【図７】ミラー部１３０と揺動部分１１１とを固定する熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度を変化させた場合における、ミラー部１３０の変形量の変化を説明する図。
【図８】光スキャナ１００の共振周波数を調整する工程を説明する図。
【図９】光スキャナ１００の作成工程を説明する図。
【図１０】（Ａ）目標共振周波数と光スキャナ１００の共振周波数との差分に対し、質量片１４０の付加量及び付加位置とを対応付けたテーブル、（Ｂ）光スキャナ１００における質量片１４０の付加位置を説明する図。
【図１１】第２実施形態に係る光スキャナ２００の斜視図。
【図１２】光スキャナ２００の平面図。
【図１３】応力緩和構造２１１ａの前後方向の幅を変化させた場合における、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置における応力の変化を説明する図。
【図１４】応力緩和構造２１１ａの前後方向の幅を変化させた場合における、光スキャナ２００の共振周波数の変化を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
＜第１実施形態＞
［光スキャナ１００の構成］
以下に図面を参照しつつ、本発明の一側面を反映した第１実施形態を示す。図１に示されるように、光スキャナ１００は、構造体１１０と、台座１２０とを有する。ミラー部１３０は、圧電素子１１４によって、第１軸線ｓを中心軸として揺動する。この揺動によって、ミラー部１３０に入射した光は走査される。
【００３４】
構造体１１０は、前後方向に平行な一対の短辺と、左右方向に平行な一対の長辺とから構成される、平面視矩形の板状構造である。なお、前後方向は第１軸線ｓに平行である。構造体１１０は、揺動部分１１１、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３を有する。本体部分１１３の一方の面（例えば、上面）には、圧電素子１１４が設けられる。本実施形態では、構造体１１０は、ステンレスやチタンなどの金属材料によって構成される。但し、構造体１１０は、シリコンなどの半導体材料によって形成されてもよい。なお、構造体１１０は、図１において、前後左右面に平行である。また、構造体１１０の前後方向、左右方向、上下方向のサイズは、例えば、それぞれ２０ｍｍ、３０ｍｍ、０．１ｍｍ程度である。
【００３５】
揺動部分１１１の上面には、レーザ等の光を反射するミラー部１３０が固定される。平面視矩形のミラー部１３０は、サファイヤやダイヤモンドなどの誘電体によって構成される。そのため、ミラー部１３０は、揺動部分１１１と線膨張率が異なる。ミラー部１３０の上面又は下面には、レーザ等の光を反射するために、スパッタリングや蒸着などの方法で金属薄膜が成膜される。揺動部分１１１とミラー部１３０との固定は、例えばエポキシ系、フェノール系、シリコン系などの熱硬化性接着剤によって行われる。揺動部分１１１及びミラー部１３０は、第１軸線ｓに対して線対称に設けられる。
【００３６】
揺動部分１１１は、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造１１１ａを含む。応力緩和構造１１１ａは、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置に設けられる。換言すれば、応力緩和構造１１１ａは、揺動部分１１１から、第１方向の一例である前後方向に延出する。応力緩和構造１１１ａの左右方向の幅は、一対の捩れ梁部分１１２の左右方向の幅よりも大きい。応力緩和構造１１１ａは左右方向に幅広に構成されるので、前後方向の単位長さ辺りの面積に着目すると、応力緩和構造１１１ａの前後方向の単位長さ辺りの面積は、一対の捩れ梁部分１１２の前後方向の単位長さ辺りの面積よりも大きい。具体的には、応力緩和構造１１１ａは、第１辺と第２辺とを有する平面視矩形に形成される。第１辺は、揺動部分１１１から前後方向に沿って延出する辺である。第２辺は、第１辺の揺動部分１１１と反対側の端部に接続され、左右に沿って一対の捩れ梁１１２に向かって伸長する辺である。そして、応力緩和構造１１１ａは、孔などの空隙を有さずに、連続体として、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２とを繋ぐ。応力緩和構造１１１ａは、第１軸線ｓが一対の捩れ梁部分１１２の中心線に十分一致するように、線対称に形成される。なお、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置とは、前後方向において、ミラー部１３０が上面に載っていない揺動部分１１１の位置と、ミラー部１３０が上面に載っている揺動部分１１１の位置との境界部分に対応する。また、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置とは、前後方向において、一対の捩れ梁部分１１２の左右方向の幅が拡がる部分、即ち、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置との境界部分に対応する。
【００３７】
一対の捩れ梁部分１１２の一端は、揺動部分１１１の前後方向における両側にそれぞれ連結される。一対の捻れ梁部分１１２は、前後方向に平行に揺動部分１１１から延出する。ここで、第１軸線ｓは、一対の捩れ梁部分１１２の中心を通る。一対の捩れ梁部分１１２によって、揺動部分１１１は、第１軸線ｓ回りに揺動可能に弾性的に支持される。つまり、一対の捩れ梁部分１１２は、揺動部分１１１を第１軸線ｓ回りに揺動可能に支持するトーションバーとしての役割を持っている。
【００３８】
本体部分１１３は、一対の捩れ梁部１１２の他端に連結され、揺動部分１１１から離間し、且つ第１軸線ｓに交差する方向に延出する。本実施形態では、本体部分１１３は、一対の捩れ梁部１１２との連結部分から左右方向の両側へと延出する。本体部分１１３は、被固定部分１１３ａを有する。被固定部分１１３ａは、一対の捩れ梁部分１１２及び揺動部分１１１を挟んで、一対設けられる。本実施形態では、本体部分１１３の前後方向における端部に、左右方向に沿って矩形の貫通孔Ａが一対設けられる。前後方向において、この貫通孔Ａよりも揺動部分１１１から遠い位置に存在する本体部分の領域が、被固定部分１１３ａである。この被固定部分１１３ａにおいて、構造体１１０と台座１２０とが固定される。
【００３９】
本体部分１１３の上面には、駆動部としての圧電素子１１４が設けられる。圧電素子１１４は、本体部分１１３の前後方向おける中間位置であって、左右方向における両端部に、一対設けられる。圧電素子１１４は、例えば、厚さ３０μｍ〜１００μｍの平板状に成形されたチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料の両面に対して、電極層として金や白金等を０．２μｍ〜０．６μｍ積層することで形成される。圧電素子１１４と本体部分１１３とは、導電性接着剤で接着される。そして、圧電素子１１４の上面に、ワイヤボンディングなどで金などの金属細線（非図示）が接続される。
【００４０】
応力緩和構造１１１ａの上面には、質量片１４０が設けられる。質量片１４０は、第１軸線ｓに対して線対称となる位置に設けられる。質量片１４０は、第１軸線ｓを中心とした、揺動部分１１１の揺動時の慣性モーメントを増加させる機能を有する。質量片１４０が設けられる位置は、応力緩和構造１１１ａの上面に限定されない。慣性モーメントを調整することで、光スキャナ１００の共振周波数が所望の値となるように、質量片１４０が設けられる位置は適宜変更される。なお、質量片１４０は、アクリル系，エポキシ系，シリコン系等の接着剤が用いられてよい。質量片１４０の比重上昇や密着性向上のため、これらの接着剤に対して添加物が付加されてもよい。また、質量片１４０は、紫外線、加熱、湿度等の印加によって硬化される。なお、揺動部１１１の熱による歪や、工程の最適化を考慮すると、紫外線硬化型の接着剤が質量片１４０として用いられるのが望ましい。
【００４１】
台座１２０は、左右方向に伸びる一対の柱状部材で構成される。台座１２０は、構造体１１０の被固定部分１１３ａの下面に固定される。台座１２０の前後方向の幅は、被固定部分１１３ａの前後方向の幅と同一又はそれ以下に設定される。台座１２０の上下方向の厚みは、構造体１１０の上下方向の厚みに比べて十分に大きく、例えば１ｍｍ程度である。そのため、構造体１１０が揺動しても、台座１２０は、殆ど変形しない。換言すれば、光スキャナ１００が駆動される場合、被固定部分１１３ａは台座１２０と一体として殆ど変形せず、一対の貫通孔Ａの前後方向における内側の構造体１１０の部分が揺動する。台座１２０は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成される。
【００４２】
［光スキャナ１００の駆動］
構造体１１０は金属で形成されるので、構造体１１０と圧電素子１１４の上面に接続された金属細線との間に電圧を印加することで、圧電素子１１４を変形させることが可能となる。右側に設けられる圧電素子１１４と左側に設けられる圧電素子１１４とには、逆位相となるように交流電圧（駆動信号）がそれぞれ印加される。この交流電圧の周波数が、光スキャナ１００の共振周波数に相当する場合、圧電素子１１４の変形に伴い、本体部分１１４に板波が励起される。この板波が、本体部分１１３及び一対の捩れ梁部分１１２を介して揺動部分１１１に伝達されることで、揺動部分１１１は、所定の共振周波数において第１軸線ｓ回りに揺動する。ここで、構造体１１０は、被固定部分１１３ａにおいて台座１２０に固定され、被固定部分１１３ａに挟まれる本体部分１１３は、台座１２０によって宙に浮いた状態となっている。そのため、光スキャナ１００の駆動時に、本体部分１１３は上下方向に変位する。しかし、捩れ梁部分１１２は、本体部分１１３の振動の節となる位置に設けられるので、本体部分１１３が上下方向に変位しても、捩れ梁部分１１２は、上下方向への変位が抑制される。なお、交流電圧の周波数は、光スキャナ１００の共振周波数に厳密に一致しなくても差し支えない。光スキャナ１００のＱ値に応じて、交流電圧の周波数は、光スキャナ１００の共振周波数からオフセットされても差し支えない。
【００４３】
［共振周波数の駆動時間依存性］
本発明では、ミラー部１３０を有する光スキャナ１００において、応力緩和構造１１１ａのおかげで、駆動時間に依存して共振周波数が低下することが防止される。応力緩和構造１１１ａの効果を確認するため、比較例として、応力緩和構造１１１ａを有さない光スキャナ５００が作成された。
【００４４】
光スキャナ５００は、光スキャナ１００と比較して、構造体５１０の構成において異なる。より具体的には、揺動部分５１１に応力緩和構造１１１ａが設けられていない点において、光スキャナ５００は、光スキャナ１００に相違する。換言すれば、光スキャナ５００において、揺動部分５１１は、ミラー部１３０と平面視において同一形状に形成される。なお、光スキャナ５００において、光スキャナ１００と共通の構成は、光スキャナ１００と同一の番号を付与することで、説明を省略する。
【００４５】
図３を参照して、応力緩和構造１１１ａの効果を説明する。図３における横軸は、光スキャナの共振周波数を測定した回数を表す。測定回数を重ねる度に、光スキャナの累積駆動時間は増加する。即ち、図３の横軸は、光スキャナの製造完了からの駆動時間に対応している。図３における縦軸は、各測定回数における共振周波数を、初回の共振周波数で除算した割合を示す。図３において、四角と実線で示されるデータは、光スキャナ１００の実測データである。図３において、菱形と破線で示されるデータは、光スキャナ５００の実測データである。
【００４６】
光スキャナ１００の共振周波数は、測定回数を重ねても、殆ど変化しない。一方で、光スキャナ５００の共振周波数は、測定回数を重ねるごとに、徐々に減少する。この結果から、応力緩和構造１１１ａが設けられることによって、光スキャナ１００においては、駆動時間に依存して共振周波数が低下することが防止されていることが分かる。
【００４７】
駆動時間に依存して共振周波数が低下する原因は、必ずしも明らかになっていない。ただ、前記したように、揺動部分が揺動する際に、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に、最も応力が集中することは事実である。仮説として、この応力が揺動部分とミラー部との固定位置に作用することにより、揺動部分とミラー部との固定状態が変化すること（例えば接着剤の剥離など）が、駆動時間に依存して共振周波数が低下する原因の一つとして考えられる。
【００４８】
光スキャナ５００では、揺動部分５００とミラー部１３０との固定位置は、前後方向において、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置に一致する。そのため、光スキャナ５００では、揺動部分５１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置に働く応力は、そのままミラー部１３０と揺動部分１１１との固定部分に作用する。一方で、光スキャナ１００では、応力緩和構造１１１ａが設けられることで、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置が、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置から離間される。従って、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力が低減され、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定状態の変化が防止される。その結果、応力緩和構造１１１ａが設けられる光スキャナ１００においては、駆動時間に依存した共振周波数の低下が防止される。
【００４９】
［応力緩和構造１１１ａの検討］
応力緩和構造１１１ａが設けられる光スキャナ１００においては、応力緩和構造１１１ａが設けられない光スキャナ５００と比較して、駆動時間に依存した共振周波数の低下が防止される。ここでは、応力緩和構造１１１ａの望ましい形態を検討する。
【００５０】
図４を用いて、応力緩和構造１１１ａの形状を説明する。揺動部分１１１の左右方向における長さ及び応力緩和構造１１１ａの左右方向における長さは、それぞれＭｘ及びＸと標記される。なお、揺動部分１１１の左右方向における長さとは、一対の捩れ梁部分１１２からの揺動部分１１１の左右方向における端部までの長さのことである。同様に、応力緩和構造１１１ａの左右方向における長さとは、一対の捩れ梁部分１１２からの応力緩和構造１１１ａの左右方向における端部までの長さ、換言すれば、第２辺の左右方向における長さのことである。揺動部分１１１の前後方向の長さは、Ｍｙと標記される。前後方向において、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置からの応力緩和構造１１１ａの長さ、換言すれば、第１辺の前後方向における長さは、Ｙと標記される。以下、光スキャナ１００と同様の構造体１１０の条件（外形及び材質）において、Ｘ及びＹの値をシミュレーションによって変化させることで、応力緩和構造１１１ａの望ましい形態を検討する。
【００５１】
先ず、図５を用いて、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力に焦点を当てる。図５の縦軸は、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力の大きさを示す。具体的には、図５の縦軸は、ある形状を有する応力緩和構造１１１ａを備えた光スキャナ１００におけるミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力の値を、光スキャナ５００におけるミラー部１３０と揺動部分５１１との固定位置に働く応力の値で除した割合を示す。図５の横軸は、Ｘの値をＭｘで除した割合を示す。図５において、Ｙ／Ｍｙが「０」の場合、即ち応力緩和構造１１１ａが存在しない光スキャナ５００の場合が、菱形のプロットで示される。Ｙ／Ｍｙが「０．２１」、「０．４２」「０．８３」の場合は、四角と一点鎖線、三角と破線、丸と実線、でそれぞれ示される。
【００５２】
図５から明らかに、Ｘ／Ｍｘの値が「０」から大きくなるに従い、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力が減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値がある値以上の場合、応力の減少傾向が緩やかになる。具体的には、Ｙ／Ｍｙが「０．２１」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．２」未満の領域では、Ｘ／Ｍｘの値の増加に伴い応力の値は減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．２」以上の領域では、応力の値は、Ｘ／Ｍｘに関らずほぼ一定となる。Ｙ／Ｍｙが「０．４２」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．４」未満の領域では、Ｘ／Ｍｘの値の増加に伴い応力の値は減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．４」以上の領域では、応力の値はＸ／Ｍｘに関らずほぼ一定となる。Ｙ／Ｍｙが「０．８３」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．５」未満の領域では、Ｘ／Ｍｘの値の増加に伴い応力の値は減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．５」以上の領域では、応力の減少傾向が緩やかになる。Ｙ／Ｍｙの値が大きくなるほど、応力の減少傾向が緩やかになるＸ／Ｍｘの値は大きくなる傾向にある。しかし、図５を概して見た場合、全体的な傾向として、Ｘ／Ｍｘの値が「０．４」以上の場合、応力の減少傾向が飽和していると言える。即ち、Ｘ／Ｍｘの値を、Ｘ／Ｍｘの値の変動に対して、応力の値の変動量が飽和する値に設定することで、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。応力の値の変動量が飽和する値とは、例えば、Ｘ／Ｍｘの値が「０．４」以上「１」以下の範囲である。
【００５３】
次に、図６を用いて、光スキャナ１００の共振周波数に焦点を当てる。図６の縦軸は、光スキャナ１００の共振周波数の大きさを示す。具体的には、図６の縦軸は、ある形状を有する応力緩和構造１１１ａを備えた光スキャナ１００における共振周波数の値を、光スキャナ５００における共振周波数の値で除した割合を示す。図６の横軸は、図５の場合と同様に、Ｘの値をＭｘで除した割合を示す。図６において、Ｙ／Ｍｙのそれぞれの値に対して適用されるシンボルは、図５の場合と同様である。
【００５４】
図６から明らかに、Ｘ／Ｍｘの値が「０」から大きくなるに従い、光スキャナ１００の共振周波数が減少する。具体的には、Ｘ／Ｍｘの値がある値以下では、共振周波数は略一定に振舞う。そして、Ｘ／Ｍｘの値がある値を超えると、共振周波数はＸ／Ｍｘの増加に伴い減少に転じる。具体的には、Ｙ／Ｍｙが「０．２１」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の領域では、共振周波数の値はＸ／Ｍｘに関らずほぼ一定となる。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」を超える領域では、Ｘ／Ｍｘの増加に伴い、共振周波数の値は若干減少する。Ｙ／Ｍｙが「０．４２」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の領域では、共振周波数の値はＸ／Ｍｘに関らずほぼ一定となる。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」を超える領域では、Ｘ／Ｍｘの増加に伴い、共振周波数の値は減少する。Ｙ／Ｍｙが「０．８３」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の領域では、共振周波数の値はＸ／Ｍｘの増加にともない若干減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」を超える領域では、Ｘ／Ｍｘの増加に伴い、共振周波数の値は急激に減少する。Ｙ／Ｍｙの値が大きくなるほど、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」を超える領域における共振周波数の減少度合いは大きくなる。換言すれば、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の領域の場合、Ｙ／Ｍｙの値に関らず、Ｘ／Ｍｘの値の変動に対して、共振周波数の値は飽和していると言える。従って、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の場合、共振周波数の低下が防止できる。
【００５５】
本実施形態では、揺動部分１１１とミラー部１３０との固定は、熱硬化性接着剤によって行われる。ミラー部１３０と構造体１１０との線膨張率が異なるので、硬化時の温度と常温との差によって熱膨張による変形量の差が生まれる。この変形量の差が応力となり、ミラー部１３０の静的歪みを引き起こす。ミラー部１３０の静的歪みの量が大きくなると、入射光が反射される際に入射光の波面が乱れ、光学性能の低下に繋がる。光スキャナ１００の光学性能を維持するために、ここでは、接着剤の種類を検討する。
【００５６】
［ミラー部１３０の固定方法の検討］
図７を用いて、実測したミラー部１３０の変形量を、熱硬化性接着剤の硬度に着目して説明する。図７の縦軸は、熱硬化性接着剤の硬化によって変形したミラー部１３０の変形量の実測値を、硬化時の温度で除した割合である。熱膨張による変形量は温度に依存するため、硬化時の温度が高くなるほど、同じ接着剤を用いてもミラー部１３０の変形量は大きくなる。今回、接着剤の硬度によるミラー部１３０の変形量への影響を調べるため、ミラー部１３０の変形量を硬化時の温度で除することで、硬化時の温度の違いに起因するミラー部１３０の変形量の差を無くしている。図７の横軸は、硬化した熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度である。なお、測定にはタイプＤデュロメータを用いた。タイプＤにおける値であることを示すため、図７の横軸の値は、数値の前に「Ｄ」を付与している。
【００５７】
図７から明らかに、熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度が「Ｄ７０」以上の領域では、デュロメータ硬度の値の増加に伴って、ミラー部１３０の変形量は増加する。一方で、熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度が「Ｄ６０」の場合は、ミラー部１３０に変形は生じない。この傾向は、熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度が低い場合、硬化した接着剤が緩衝材の役割を果たし、ミラー部１３０と構造体１１０との線膨張率の差に起因する変形量の差を吸収するためと考えられる。即ち、デュロメータ硬度が「Ｄ６５」以下の熱硬化性接着剤を用いた場合、接着剤の硬化によっては、ミラー部１３０に静的歪みは生じない。
【００５８】
ミラーの静的歪みを防止する観点からは、硬化時にデュロメータ硬度の低い熱硬化接着剤、具体的には「Ｄ６５」以下の熱硬化接着剤が、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定に用いられるのがよい。ここで、デュロメータ硬度の低い接着剤は、一般的に剥離強度が低い。仮に、応力緩和構造１１１ａが設けられない光スキャナ５００の場合、剥離強度の低い接着剤は、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に集中する応力に耐え切れず、駆動時間の増加に伴い共振周波数の低下をより引き起こし易い。しかし、本実施形態では、応力緩和構造１１１ａが設けられているため、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に応力は集中しない。従って、接着剤の剥離強度を気にすることなく、ミラーの静的歪みを防止するために、デュロメータ硬度の低い接着剤の使用が可能となる。
【００５９】
［共振周波数の調整方法］
前記した光スキャナ１００は、質量片１４０が設けられる位置を適切に選定することで、共振周波数の値を調整することが可能となる。以下、図８から図１０を用いて、この調整方法を説明する。
【００６０】
工程Ｓ１１において、光スキャナ１００が作成される。なお、工程Ｓ１１の詳細は、図９を用いて後に説明される。
【００６１】
工程Ｓ１２において、作成された光スキャナ１００の共振周波数が取得される。共振周波数は、光スキャナ１００を実際に駆動することで実測を行う、光スキャナ１００の形状に基づいて、予め定められた対応関係を利用することで決定する、などの方法で取得されてよい。共振周波数の実測は、例えばミラー部１３０に対して光を入射し、反射された走査光を検出することで行われる。具体例としては、走査光の移動する走査領域内に光センサが設けられ、走査光の受光に対応する出力が光センサから得られるタイミングに基づいて、共振周波数が決定される。一方、光スキャナ１００の形状に基づく場合、例えば、揺動部分１３０や一対の捩れ梁部分１１２の設計値に対して、対応する共振周波数の値がシミュレーションや実測で求められる。そして、揺動部分１３０や一対の捩れ梁部分１１２のサイズの変化量に対する、共振周波数の変化量の値がシミュレーションや実測で求められる。このサイズの変化量と共振周波数の変化量との対応関係を用いて、構造体１１０のサイズの実測値から、光スキャナ１００の共振周波数が決定される。
【００６２】
工程Ｓ１３において、所望の共振周波数の範囲と、工程Ｓ１２において取得された光スキャナ１００の共振周波数の値とが比較される。ここで、所望の共振周波数の範囲は、例えば光スキャナ１００が組み込まれるプリンタやレーザディスプレイなどの製品の仕様に基づいて、予め決定されている。
【００６３】
工程Ｓ１４において、工程Ｓ１３にて比較された結果に基づき、取得された光スキャナ１００の共振周波数が、所望の共振周波数の範囲に含まれるか否かが判断される。光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲に含まれる場合（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、その光スキャナ１００は仕様を満たすため、工程Ｓ１５においてＯＫ判定がなされる。ＯＫ判定のなされた光スキャナ１００は、製品として利用される。
【００６４】
光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲に含まない場合（Ｓ１４：Ｎｏ）、工程Ｓ１６において、光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲よりも高いか否かが判断される。光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲よりも高い場合（Ｓ１６：Ｙ）、工程Ｓ１６にて、構造体１１０及び／又はミラー部１３０に対して質量片１４０が付加される。質量片１４０の付加位置及び付加量は、図１０を用いて後に説明される。その後、質量片１４０を付加された光スキャナ１００を用いて、工程Ｓ１２以降が再度実行される。
【００６５】
質量片１４０を付加することで、揺動部分１１１の慣性モーメントが上昇する。慣性モーメントの上昇は、光スキャナ１００の共振周波数を低下させる。従って、質量片１４０の付加によっては、共振周波数を下げる調整のみが可能となる。そのため、光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲よりも低い場合（Ｓ１６：Ｎ）、調整が不可能であるため、ＮＧ判定がなされる（Ｓ１８）。ＮＧ判定のなされた光スキャナ１００は、不良品として、製品として利用されない。
【００６６】
［光スキャナ１００の作成］
図９を用いて、光スキャナ１００の作成工程を説明する。ここでは、構造体１１０が金属で構成される場合を例に取り、説明を行う。先ず、工程Ｓ１１０において、構造体１１０が形成される。構造体１１０を構成する金属板（例えば、ステンレスやチタンなど）が、構造体１１０の外形と等しい大きさに分割される。そして、分割された金属板において、揺動部分１１１、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３が、所定の除去加工によって形成される。所定の除去加工には、例えば、エッチング、プレス加工、放電加工、レーザ加工などが含まれる。一例として、ウェットエッチングが行われる場合、分割された金属板の、揺動部分１１１、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３に対応する位置に、マスキングのためのレジスト膜が形成される。その後、ウェットエッチングによって構造体の外形が形成された後に、レジスト膜が除去される。なお、構造体の外形に比して十分大きな金属板に複数の構造体の外形が形成された後に、個々の構造体に分割される多数個取りが実行されても差し支えない。
【００６７】
次に、工程Ｓ１１１において、予め圧電材料の両面に電極層を備えたバルクの圧電素子１１４が、構造体１１０に実装される。この実装は、例えば、エポキシ系、アクリル系、シリコン系等の合成樹脂材料に金属フィラーなどの導電材を含有する導電性接着剤を用いて行われる。具体的には、構造体１１０の本体部分１１３に塗布された導電性接着剤の上に、圧電素子１１４が設置される。圧電素子１１４の設置後、１００〜２００℃の雰囲気に保たれた加熱炉内に構造体１１０が３０〜６０分間装入されることによって、導電性接着剤が硬化する。以上で、圧電素子１１４の実装が完了する。
【００６８】
次に、工程Ｓ１１２において、台座１２０が作成される。台座１２０の外形は、構造体１１０の場合と同様に、台座１２０の構成材料に対して、エッチングやプレスなどの除去加工を施すことで得られる。
【００６９】
次に、工程Ｓ１１３において、台座１２０と構造体１１０とが固定される。この固定は、例えば、レーザ溶接などによって、構造体の被固定部と台座とが溶着されることで行われる。ただし、熱硬化接着剤を利用した接着や、所定の締め具を利用したクランピングなど、他の固定方法によって、構造体１１０と台座１２０とが固定されても差し支えない。
【００７０】
そして、工程Ｓ１１４において、圧電素子１１４と構造体１１０とに対して、ワイヤボンディングによって信号線が接続される。この信号線は、非図示の交流電源に接続される。構造体１１０と圧電素子１１４とは導電性接着剤によって接着されているので、光スキャナ１００の駆動時には、この信号線を介して圧電素子１１４と構造体１１０との間に交流電圧（駆動信号）が印加される。以上で、光スキャナ１００の作成工程が終了する。
【００７１】
［質量片１４０の付加］
質量片１４０の付加は、目標とする共振周波数（例えば、所望の共振周波数範囲の中心値）と、工程Ｓ１２で取得された光スキャナ１００の共振周波数との差分（離間周波数ｄｆ）に対し、質量片１４０の付加量及び付加位置とを対応付けたテーブル（図１０（Ａ））に基づいて行われる。離間周波数ｄｆが３０Ｈｚ未満の場合、位置「Ｃ」に対して、ｄｆ×６５μｇの質量片が、第１軸線ｓに対して線対称となるように付加される。位置「Ｃ」は、図１０（Ｂ）に示されるように、応力緩和構造１１１ａの上下両面に対応する。位置「Ｃ」は、第１軸線ｓから比較的近い距離である。遠い距離に質量を塗布した場合に比べて周波数感度が低いため、位置「Ｃ」に質量を塗布することで、周波数の微調が可能となる。離間周波数ｄｆが３０Ｈｚ以上１００Ｈｚ未満の場合、位置「Ｂ」に対して、ｄｆ×４３μｇの質量片が、第１軸線ｓに対して線対称となるように付加される。位置「Ｂ」は、図１０（Ｂ）に示されるように、揺動部分１１１の前後方向における中心位置であって、第１軸線ｓから左右方向離間した揺動部分１１１の下面に対応する。離間周波数ｄｆが１００Ｈｚ以上の場合、位置「Ａ」に対して、ｄｆ×２８μｇの質量片が、第１軸線ｓに対して線対称となるように付加される。位置「Ａ」は、図１０（Ｂ）に示されるように、応力緩和構造１１１ａの第１軸線ｓから最も離間した上下両面、換言すれば、応力緩和構造１１１ａの４隅に対応する。位置「Ａ」は、第１軸線ｓから比較的遠い距離である。遠い距離に質量塗布した場合は周波数感度が高いため、位置「Ａ」に質量を塗布することで、周波数を大きく調節することが可能となる。このように、離間周波数ｄｆの値が大きいほど、第１軸線ｓからの離間距離が大きい位置に質量付加することで、質量片１４０の付加による慣性モーメントの上昇量が大きく設定されている。
【００７２】
＜第２実施形態＞
［光スキャナ２００の構成］
本発明の他の側面を反映した第２実施形態を示す。第２実施形態に係る光スキャナ２００は、第１実施形態に係る光スキャナ１００と比較して、揺動部分、具体的には応力緩和構造の形状において相違する。そのため、光スキャナ２００において、光スキャナ１００と同一の構造に対しては、同一の番号を付与することで説明が省略される。
【００７３】
図１１に示されるように、光スキャナ２００は、構造体２１０と、台座１２０とを有する。構造体２１０は、揺動部分２１１、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３を有する。構造体２１０において、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３の形状は、図１に示される構造体１１０の場合と同一である。
【００７４】
揺動部分２１１は、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造２１１ａを含む。応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置に設けられる。具体的には、応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１の左右方向の端部から延出する。応力緩和構造２１１ａは、前後方向において、揺動部分２１１から離間するに従い左右方向の幅が小さくなるように、換言すれば、テーパー状に形成される。例えば、揺動部分２１１に対して左後の部分に形成される応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１の左端から右後方向に延出し、一対の捩れ梁部分１１２に対して接続される。別の表現をすれば、応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１の左右方向の端部と一対の捩れ梁部分１１２の所定の位置とから延出し、両延出位置を概して直線的に接続する構造とも表される。
【００７５】
［応力緩和構造２１１ａの検討］
前記した第１実施形態における応力緩和構造１１１ａでは、第１辺と第２辺との長さを調整することで、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力及び共振周波数の変動が調べられた。第１実施形態では、第１辺と第２辺との長さという２つの変数が調整可能なため、設計の自由度が増し、固定位置に働く応力及び共振周波数をより精度よく設定できるという利点がある。一方で、応力緩和構造１１１ａでは、変数が２つあるため、より最適な形状を得るために多くの試行錯誤を必要とする。第２実施形態における応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１の左右方向の端部から延出するテーパー状の形状を示す。そのため、応力緩和構造２１１ａにおける調整可能な変数としては、前後方向における長さだけである。変数が１つだけになるので、設計上導入が容易となり、少ない試行錯誤の回数で、適切な応力緩和構造の形状を決定することが可能となる。
【００７６】
図１２を用いて、応力緩和構造２１１ａの形状をより詳細に説明する。揺動部分２１１の前後方向における長さ及び応力緩和構造２１１ａの前後方向における長さは、それぞれＭｙ及びＹと標記される。なお、揺動部分１１１の前後方向における長さＭｙは、ミラー部１３０の前後方向の長さに一致する。応力緩和構造２１１ａの前後方向における長さとは、揺動部分２１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置から、応力緩和構造２１１ａが一対の捩れ梁部分１１２に合流する位置までの長さのことである。以下、光スキャナ２００と同様の構造体２１０の条件（外形及び材質）において、Ｙの値をシミュレーションによって変化させることで、応力緩和構造２１１ａの望ましい形態を検討する。
【００７７】
先ず、図１３を用いて、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力に焦点を当てる。図１３の縦軸は、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力の大きさを示す。具体的には、図１３の縦軸は、ある形状を有する応力緩和構造２１１ａを備えた光スキャナ２００におけるミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力の値を、光スキャナ５００におけるミラー部１３０と揺動部分５１１との固定位置に働く応力の値で除した割合を示す。図１３の横軸は、Ｙの値をＹｘで除した割合を示す。
【００７８】
図１３から明らかに、Ｙ／Ｍｙの値が「０」から大きくなるに従い、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力が減少する。そして、Ｙ／Ｍｙの値がある値以上の場合、応力の減少傾向が緩やかになる。具体的には、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」未満の領域では、Ｙ／Ｍｙの値の増加に伴い応力の値は減少する。そして、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」以上「０．４」未満の領域では、応力の減少傾向が緩やかになる。そして、Ｙ／Ｍｙの値が「０．４」以上の領域では、応力の値は、Ｙ／Ｍｙの値に関らずほぼ一定となる。従って、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」以上となるように応力緩和構造２１１ａを形成することで、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。
【００７９】
次に、図１４を用いて、光スキャナ２００の共振周波数に焦点を当てる。図１４の縦軸は、光スキャナ２００の共振周波数の大きさを示す。具体的には、図１４の縦軸は、ある形状を有する応力緩和構造２１１ａを備えた光スキャナ２００における共振周波数の値を、光スキャナ５００における共振周波数の値で除した割合を示す。図１４の横軸は、図１３の場合と同様に、Ｙの値をＭｙで除した割合を示す。
【００８０】
図１４から明らかに、Ｙ／Ｍｙの値が「０」から大きくなるに従い、光スキャナ２００の共振周波数が減少する。そして、その減少傾向はほぼ単調減少である。従って、共振周波数の低下を防止するという観点からは、応力緩和構造２１１ａにおけるＹ／Ｍｙの値は小さいほど望ましい。先に説明したように、図１３における応力の低減という観点からは、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」以上が望ましい。また、図１３において、Ｙ／Ｍｙの値が「０．４」以上の場合は、Ｙ／Ｍｙの値が増加しても応力は殆ど変わらない。そのため、応力の低減と共振周波数の低下防止という両観点を両立するためには、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」以上「０．４」未満となることが望ましい。
【００８１】
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその一例を述べる。
【００８２】
前記した実施形態において、構造体１１０は金属で構成される。しかし、本発明は、応力緩和構造１１１ａが設けられることで、ミラー部１３０を有する光スキャナ１００において、駆動時間に依存して共振周波数が低下することを防止可能な点に特徴がある。そのため、構造体１１０が例えばシリコンなどの非金属で構成されても、本発明の範囲に含まれる。同様に、構造体１１０や台座１２０の形状も、前記した実施形態には限定されない。応力緩和構造１１１ａを含む揺動部分１１１と、一対の捩れ梁部分１１２と、本体部分１１３と、揺動部分１１１に固定されるミラー部１３０を有する平板状の構造体１１０が、台座に対して固定されるタイプの光スキャナ１００は、全て本発明の範囲に含まれる。また、前記した実施形態では、駆動部として圧電素子１１４が利用される。しかし、磁石とコイルパターンとの組み合わせによる電磁駆動方式や、極板間に働く静電気力による静電駆動方式など、他の駆動方式を採用した光スキャナであっても、本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８３】
１００，２００，５００ 光スキャナ
１１０，２１０ 構造体
１１１，２１１，５１１ 揺動部分
１１１ａ，２１１ａ 応力緩和構造
１１２ 捩れ梁分
１１３ 本体部分
１１３ａ 被固定部分
１１４ 圧電素子
１２０ 台座
１３０ ミラー部
１４０ 質量片
【技術分野】
【０００１】
本発明は、レーザ等の光を走査する光スキャナに関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、揺動するミラーによりレーザ光などの光を走査する光スキャナが知られている。光スキャナの例として、捩れ梁部で揺動可能に支持されたミラーが、圧電素子などの駆動部によって揺動されるものが挙げられる。ミラーが揺動すると、ミラーには動的な歪が生じる。この動的な歪みを低減するために、特許文献１には、反射面を有する補強部を、捩れ梁部によって支持される基盤部に対して接着する構成が開示される。特許文献１において、補強部の平面視形状は、基盤部の平面視形状と同一に形成される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特開２０１１−２７８８１号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
本発明者らによって、共振周波数にて駆動される光スキャナにおいて補強部と基盤部とが同一平面視形状に形成される場合、光スキャナを駆動する時間に依存して、共振周波数が低下する傾向が発見された。駆動時間に依存して共振周波数が低下すると、光スキャナを製造し、製品に組み込んだ後で、光スキャナの共振周波数が低下することとなる。例えば、光スキャナが走査型画像表示装置に用いられる場合、光スキャナの共振周波数に合わせて画像光の強度変調が行われる。この場合、光スキャナが製品に組み込まれた後の共振周波数の低下は、画像が正しく表示されなくなる事態を生じる可能性がある。また、光スキャナがレーザプリンタに用いられる場合も、光スキャナの共振周波数に合わせて印刷のためのレーザの強度変調が行われる。そのため、製品に組み込んだ後の共振周波数の低下は、印刷される画質の低下を招く可能性がある。
【０００５】
本発明は、補強部を有する光スキャナにおいて、駆動時間に依存して共振周波数が低下することを防止可能な光スキャナと、その光スキャナの製造方法と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】
【０００６】
上記課題を解決するために、本発明の一側面は、第１軸線を中心として揺動可能に構成され、前記第１軸線に対して線対称に形成される揺動部分と、その一端が前記揺動部分の両側に連結され、前記第１軸線に平行な第１方向に前記揺動部分から延出する一対の捩れ梁部分と、前記一対の捩れ梁部分の他端に連結され、前記揺動部分から離間し且つ前記第１軸線に交差する方向に延出する本体部分と、を有する平板状の構造体と、駆動電圧が印加されることで前記構造体に対して周期的に力を与え、前記揺動部分を前記第１軸線回りに揺動可能に構成される駆動部と、前記構造体と別体に形成され、入射した光を反射する反射面を有し、前記揺動部分の一方の面に固定されるミラー部と、を備え、前記揺動部分は、前記揺動部分と前記一対の捩れ梁部分との接続位置に設けられ、前記揺動部分から前記第１方向に延出し、前記構造体を含む面に平行且つ第１方向に直交する第２方向の長さである第１長さが前記一対の捩れ梁部分よりも大きく構成され、前記ミラー部と前記揺動部分との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造を含む、ことを特徴とする光スキャナである。
【０００７】
本発明者らの解析の結果、揺動部分が揺動する際に、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に、最も応力が集中することが分かった。本発明の一側面に係る光スキャナでは、ミラー部が、揺動部分の一方の面に固定される。そのため、仮に特許文献１のように、補強部と揺動部分とが同一平面視形状に形成される場合、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に対しても、ミラー部が固定されている。換言すれば、特許文献１に開示の光スキャナでは、ミラー部と揺動部分との固定位置が、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に一致する。そのため、光スキャナの駆動時に揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に集中する応力が、ミラー部と揺動部分との固定位置にも働くこととなる。ミラー部と揺動部分との固定位置にこの応力が働き続けることによって、ミラー部と揺動部分との固定状態が徐々に変化（例えばミラー部が剥離）する可能性がある。駆動時間に依存した共振周波数の低下は、このような固定状態の変化が原因の一つとして考えられる。なお、ミラー部は特許文献１における補強部に相当し、揺動部分は特許文献１における基板部に相当する。
【０００８】
本発明の一側面に係る光スキャナにおいて、揺動部分は、ミラー部と揺動部分との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造を含む。具体的には、応力緩和構造は、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に設けられる。応力緩和構造は、揺動部分から揺動の中心軸である第１軸線に平行な第１方向に延出する。応力緩和構造は、構造体を含む面に平行且つ第１方向に直交する第２方向において、一対の捩れ梁部分よりも幅広な第１長さを有する。この応力緩和構造により、ミラー部と揺動部分との固定位置が、応力が集中する位置である揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置から離間される。離間することでミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力が低減され、ミラー部と揺動部分との固定状態の変化が防止される。従って、光スキャナの駆動時間に依存した共振周波数の低下を防止することが可能となる。
【０００９】
また、前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における端部から延出し、前記揺動部分から離間するに従い前記第１長さが小さくなるテーパー状に形成されてもよい。
【００１０】
応力緩和構造は、揺動部分の第２方向における端部から延出する。揺動部分のサイズが予め決まっていれば、応力緩和構造の形状を決定する変数としては、第１方向における長さだけを設定すればよい。そのため、少ない試行錯誤の回数で、適切な応力緩和構造の形状を決定することが可能となる。即ち、設計上導入が容易となる。
【００１１】
また、前記応力緩和構造は、前記応力緩和構造の前記第１方向における長さである第２長さの変動に対して、前記固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定された前記第２長さを有してもよい。
【００１２】
応力緩和構造によって、ミラー部と揺動部分との固定位置における応力が緩和される。このとき、応力緩和構造が小さすぎると、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力を十分に低減できない可能性がある。そこで、応力緩和構造の第２長さは、第２長さの変動に対して固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定される。従って、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。
【００１３】
また、前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第１方向における長さに対する、前記第２長さの比が、０．２以上０．４以下となるように形成されてもよい。
【００１４】
後記する図１３に示されるように、揺動部分の第１方向における長さに対する第２長さの比が「０．２」以上であれば、第２長さの変動に対して、固定位置に働く応力の変動が緩やかになり、十分な応力の低減が可能になる。一方、図１４に示されるように、共振周波数の低下を防止するという観点からは、第２長さは小さいほど望ましい。揺動部分の第１方向における長さに対する第２長さの比が「０．４」以上の場合は、第２長さが増加しても応力は殆ど変わらない。そのため、応力の低減と共振周波数の低下防止という両観点を両立するためには、揺動部分の第１方向における長さに対する第２長さの比が「０．２」以上「０．４」未満となることが望ましい。
【００１５】
また、前記応力緩和構造は、前記揺動部分から前記第１方向に沿って延出する第１辺と、前記第１辺の前記揺動部分と反対側の端部に接続され、前記第２方向に沿って前記一対の捩れ梁に向かって伸長する第２辺とを含んでよい。
【００１６】
応力緩和構造は、第１辺と第２辺とを有する。即ち、応力緩和構造の形状を決定する変数としては、第１辺と第２辺との２つの形状を設定する必要がある。従って、応力緩和構造が取りうる形状の自由度が増し、より最適に近い応力緩和構造の形状に近づける設計が可能となる。
【００１７】
また、前記応力緩和構造は、前記第１長さの変動に対して、前記固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定された前記第１長さを有してもよい。
【００１８】
応力緩和構造によって、ミラー部と揺動部分との固定位置における応力が緩和される。このとき、応力緩和構造が小さすぎると、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力を十分に低減できない可能性がある。そこで、応力緩和構造の第１長さは、第１長さの変動に対して固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定される。従って、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。
【００１９】
また、前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における長さに対する前記第１長さの比が０．４以上１以下となるように形成されてもよい。
【００２０】
応力緩和構造の第１長さが変化すると、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力が変化する。後記する図５に示されるように、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０」（応力緩和構造が存在しない場合）から大きくなるに従い、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力が減少する。そして、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０．４」以上では、応力の減少は緩やかになる。従って、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０．４」以上「１」以下となるように応力緩和構造を形成することで、ミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。
【００２１】
さらに、前記応力緩和構造は、前記第１長さの変動に対して、前記光スキャナの共振周波数の値が飽和する値に設定された前記第１長さを有してもよい。
【００２２】
応力緩和構造が大きくなると、揺動部分の質量が増加することにより、揺動部分が揺動する際の慣性モーメントが増加する。慣性モーメントの増加は、共振周波数の低下に繋がる。そこで、応力緩和構造の第１長さは、第１長さの変動に対して揺動部分の揺動における共振周波数の値が飽和する値に設定される。従って、応力緩和構造によってミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減を行う際に、共振周波数の低下が防止できる。
【００２３】
さらに、前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における長さに対する前記第１長さの比が０．６以下となるように形成されてもよい。
【００２４】
応力緩和構造の第１長さが変化すると、光スキャナの共振周波数の値が変化する。後記する図６に示されるように、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０」（応力緩和構造が存在しない場合）から「０．６」程度までは、共振周波数の値は略一定となる。一方、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０．６」より大きい場合、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が増加するに伴い、共振周波数の値は減少する。従って、揺動部分の第２方向における長さに対する第１長さの比が「０．６」以下となるように応力緩和構造を形成することで、応力緩和構造によってミラー部と揺動部分との固定位置に働く応力の低減を行う際に、共振周波数の低下が防止できる。
【００２５】
さらに、前記ミラー部は、前記構造体の材質と線膨張率の異なる材質によって構成され、デュロメータ硬度がＤ６５以下となる熱硬化性接着剤を用いて、前記揺動部分の一方の面に固定されてもよい。
【００２６】
これによれば、ミラー部は、構造体の材質と線膨張率の異なる材質によって構成される。ミラー部と揺動部分とが熱硬化性接着剤で固定される場合、接着剤の硬化時に熱が印加される。ミラー部と構造体との線膨張係数が異なるため、両者が加熱された状態で接着剤によって固定されると、常温に戻った際に線膨張係数の差に起因して両者の縮小量に差が生じる。この縮小量の差によって、応力がミラー部に発生する。この応力によって、ミラー部に静的歪みが発生する。ミラー部の静的歪みの量が大きくなると、入射光が反射される際に入射光の波面が乱れ、光学性能の低下に繋がる。そのため、ミラー部の静的歪みの量は小さいほどよい。後記する図７に示されるように、接着剤のデュロメータ硬度が高くなるほど、ミラー部１３０の変形量（＝静的歪み）が大きくなる。図７から明らかに、接着剤のデュロメータ硬度がＤ６５よりも大きい場合、ミラー部に変形が生じる。一方で、接着剤のデュロメータ硬度がＤ６５以下の場合、ミラー部に変形は殆ど生じない。従って、デュロメータ硬度がＤ６５以下となる熱硬化性接着剤を用いてミラー部が揺動部分の一方の面に固定されることで、ミラー部の静的歪みを抑えることが可能となる。
【００２７】
さらに、前記揺動部分の他方の面と、前記揺動部分の一方の面であって前記ミラー部から離間した位置との少なくとも一方に設けられ、前記構造体の共振周波数を調整する質量片をさらに備えてもよい。
【００２８】
これによれば、光スキャナの共振周波数を調整する質量片が、揺動部分の他方の面と、揺動部分の一方の面であってミラー部から離間した位置との少なくとも一方に設けられる。従って、質量片がミラー部への入射光を遮蔽することなく、光スキャナの共振周波数を調整できる。
【００２９】
上記課題を解決するために、本発明の他の側面は、上記した何れかの光スキャナを準備する準備工程と、前記光スキャナの共振周波数の値を決定する振動数決定工程と、前記決定工程において決定された前記共振周波数の値と、目標とする共振周波数の値とに基づいて、前記質量片が設けられる前記揺動部分上の位置を決定する位置決定工程と、前記位置決定工程において決定された前記揺動部分上の位置に対して、前記質量片を付加する付加工程とを備えることを特徴とする光スキャナの製造方法である。
【００３０】
これにより、準備された光スキャナの共振周波数を、目標とする共振周波数に合わせこむことができる。
【発明の効果】
【００３１】
本発明によれば、補強部を有する光スキャナにおいて光スキャナの駆動時間に依存して共振周波数が低下することを防止可能な光スキャナと、その光スキャナの製造方法とが提供される。
【図面の簡単な説明】
【００３２】
【図１】第１実施形態に係る光スキャナ１００の斜視図。
【図２】比較例に係る光スキャナ５００の斜視図。
【図３】応力緩和構造１１１ａを有する場合（実施形態）と、有さない場合（比較例）とにおける、測定回数ごとの共振周波数の変化を説明する図。
【図４】光スキャナ１００の平面図。
【図５】応力緩和構造１１１ａの左右及び前後方向の幅を変化させた場合における、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置における応力の変化を説明する図。
【図６】応力緩和構造１１１ａの左右及び前後方向の幅を変化させた場合における、光スキャナ１００の共振周波数の変化を説明する図。
【図７】ミラー部１３０と揺動部分１１１とを固定する熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度を変化させた場合における、ミラー部１３０の変形量の変化を説明する図。
【図８】光スキャナ１００の共振周波数を調整する工程を説明する図。
【図９】光スキャナ１００の作成工程を説明する図。
【図１０】（Ａ）目標共振周波数と光スキャナ１００の共振周波数との差分に対し、質量片１４０の付加量及び付加位置とを対応付けたテーブル、（Ｂ）光スキャナ１００における質量片１４０の付加位置を説明する図。
【図１１】第２実施形態に係る光スキャナ２００の斜視図。
【図１２】光スキャナ２００の平面図。
【図１３】応力緩和構造２１１ａの前後方向の幅を変化させた場合における、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置における応力の変化を説明する図。
【図１４】応力緩和構造２１１ａの前後方向の幅を変化させた場合における、光スキャナ２００の共振周波数の変化を説明する図。
【発明を実施するための形態】
【００３３】
＜第１実施形態＞
［光スキャナ１００の構成］
以下に図面を参照しつつ、本発明の一側面を反映した第１実施形態を示す。図１に示されるように、光スキャナ１００は、構造体１１０と、台座１２０とを有する。ミラー部１３０は、圧電素子１１４によって、第１軸線ｓを中心軸として揺動する。この揺動によって、ミラー部１３０に入射した光は走査される。
【００３４】
構造体１１０は、前後方向に平行な一対の短辺と、左右方向に平行な一対の長辺とから構成される、平面視矩形の板状構造である。なお、前後方向は第１軸線ｓに平行である。構造体１１０は、揺動部分１１１、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３を有する。本体部分１１３の一方の面（例えば、上面）には、圧電素子１１４が設けられる。本実施形態では、構造体１１０は、ステンレスやチタンなどの金属材料によって構成される。但し、構造体１１０は、シリコンなどの半導体材料によって形成されてもよい。なお、構造体１１０は、図１において、前後左右面に平行である。また、構造体１１０の前後方向、左右方向、上下方向のサイズは、例えば、それぞれ２０ｍｍ、３０ｍｍ、０．１ｍｍ程度である。
【００３５】
揺動部分１１１の上面には、レーザ等の光を反射するミラー部１３０が固定される。平面視矩形のミラー部１３０は、サファイヤやダイヤモンドなどの誘電体によって構成される。そのため、ミラー部１３０は、揺動部分１１１と線膨張率が異なる。ミラー部１３０の上面又は下面には、レーザ等の光を反射するために、スパッタリングや蒸着などの方法で金属薄膜が成膜される。揺動部分１１１とミラー部１３０との固定は、例えばエポキシ系、フェノール系、シリコン系などの熱硬化性接着剤によって行われる。揺動部分１１１及びミラー部１３０は、第１軸線ｓに対して線対称に設けられる。
【００３６】
揺動部分１１１は、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造１１１ａを含む。応力緩和構造１１１ａは、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置に設けられる。換言すれば、応力緩和構造１１１ａは、揺動部分１１１から、第１方向の一例である前後方向に延出する。応力緩和構造１１１ａの左右方向の幅は、一対の捩れ梁部分１１２の左右方向の幅よりも大きい。応力緩和構造１１１ａは左右方向に幅広に構成されるので、前後方向の単位長さ辺りの面積に着目すると、応力緩和構造１１１ａの前後方向の単位長さ辺りの面積は、一対の捩れ梁部分１１２の前後方向の単位長さ辺りの面積よりも大きい。具体的には、応力緩和構造１１１ａは、第１辺と第２辺とを有する平面視矩形に形成される。第１辺は、揺動部分１１１から前後方向に沿って延出する辺である。第２辺は、第１辺の揺動部分１１１と反対側の端部に接続され、左右に沿って一対の捩れ梁１１２に向かって伸長する辺である。そして、応力緩和構造１１１ａは、孔などの空隙を有さずに、連続体として、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２とを繋ぐ。応力緩和構造１１１ａは、第１軸線ｓが一対の捩れ梁部分１１２の中心線に十分一致するように、線対称に形成される。なお、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置とは、前後方向において、ミラー部１３０が上面に載っていない揺動部分１１１の位置と、ミラー部１３０が上面に載っている揺動部分１１１の位置との境界部分に対応する。また、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置とは、前後方向において、一対の捩れ梁部分１１２の左右方向の幅が拡がる部分、即ち、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置との境界部分に対応する。
【００３７】
一対の捩れ梁部分１１２の一端は、揺動部分１１１の前後方向における両側にそれぞれ連結される。一対の捻れ梁部分１１２は、前後方向に平行に揺動部分１１１から延出する。ここで、第１軸線ｓは、一対の捩れ梁部分１１２の中心を通る。一対の捩れ梁部分１１２によって、揺動部分１１１は、第１軸線ｓ回りに揺動可能に弾性的に支持される。つまり、一対の捩れ梁部分１１２は、揺動部分１１１を第１軸線ｓ回りに揺動可能に支持するトーションバーとしての役割を持っている。
【００３８】
本体部分１１３は、一対の捩れ梁部１１２の他端に連結され、揺動部分１１１から離間し、且つ第１軸線ｓに交差する方向に延出する。本実施形態では、本体部分１１３は、一対の捩れ梁部１１２との連結部分から左右方向の両側へと延出する。本体部分１１３は、被固定部分１１３ａを有する。被固定部分１１３ａは、一対の捩れ梁部分１１２及び揺動部分１１１を挟んで、一対設けられる。本実施形態では、本体部分１１３の前後方向における端部に、左右方向に沿って矩形の貫通孔Ａが一対設けられる。前後方向において、この貫通孔Ａよりも揺動部分１１１から遠い位置に存在する本体部分の領域が、被固定部分１１３ａである。この被固定部分１１３ａにおいて、構造体１１０と台座１２０とが固定される。
【００３９】
本体部分１１３の上面には、駆動部としての圧電素子１１４が設けられる。圧電素子１１４は、本体部分１１３の前後方向おける中間位置であって、左右方向における両端部に、一対設けられる。圧電素子１１４は、例えば、厚さ３０μｍ〜１００μｍの平板状に成形されたチタン酸ジルコン酸鉛などの圧電材料の両面に対して、電極層として金や白金等を０．２μｍ〜０．６μｍ積層することで形成される。圧電素子１１４と本体部分１１３とは、導電性接着剤で接着される。そして、圧電素子１１４の上面に、ワイヤボンディングなどで金などの金属細線（非図示）が接続される。
【００４０】
応力緩和構造１１１ａの上面には、質量片１４０が設けられる。質量片１４０は、第１軸線ｓに対して線対称となる位置に設けられる。質量片１４０は、第１軸線ｓを中心とした、揺動部分１１１の揺動時の慣性モーメントを増加させる機能を有する。質量片１４０が設けられる位置は、応力緩和構造１１１ａの上面に限定されない。慣性モーメントを調整することで、光スキャナ１００の共振周波数が所望の値となるように、質量片１４０が設けられる位置は適宜変更される。なお、質量片１４０は、アクリル系，エポキシ系，シリコン系等の接着剤が用いられてよい。質量片１４０の比重上昇や密着性向上のため、これらの接着剤に対して添加物が付加されてもよい。また、質量片１４０は、紫外線、加熱、湿度等の印加によって硬化される。なお、揺動部１１１の熱による歪や、工程の最適化を考慮すると、紫外線硬化型の接着剤が質量片１４０として用いられるのが望ましい。
【００４１】
台座１２０は、左右方向に伸びる一対の柱状部材で構成される。台座１２０は、構造体１１０の被固定部分１１３ａの下面に固定される。台座１２０の前後方向の幅は、被固定部分１１３ａの前後方向の幅と同一又はそれ以下に設定される。台座１２０の上下方向の厚みは、構造体１１０の上下方向の厚みに比べて十分に大きく、例えば１ｍｍ程度である。そのため、構造体１１０が揺動しても、台座１２０は、殆ど変形しない。換言すれば、光スキャナ１００が駆動される場合、被固定部分１１３ａは台座１２０と一体として殆ど変形せず、一対の貫通孔Ａの前後方向における内側の構造体１１０の部分が揺動する。台座１２０は、例えば、ステンレス等の金属材料によって構成される。
【００４２】
［光スキャナ１００の駆動］
構造体１１０は金属で形成されるので、構造体１１０と圧電素子１１４の上面に接続された金属細線との間に電圧を印加することで、圧電素子１１４を変形させることが可能となる。右側に設けられる圧電素子１１４と左側に設けられる圧電素子１１４とには、逆位相となるように交流電圧（駆動信号）がそれぞれ印加される。この交流電圧の周波数が、光スキャナ１００の共振周波数に相当する場合、圧電素子１１４の変形に伴い、本体部分１１４に板波が励起される。この板波が、本体部分１１３及び一対の捩れ梁部分１１２を介して揺動部分１１１に伝達されることで、揺動部分１１１は、所定の共振周波数において第１軸線ｓ回りに揺動する。ここで、構造体１１０は、被固定部分１１３ａにおいて台座１２０に固定され、被固定部分１１３ａに挟まれる本体部分１１３は、台座１２０によって宙に浮いた状態となっている。そのため、光スキャナ１００の駆動時に、本体部分１１３は上下方向に変位する。しかし、捩れ梁部分１１２は、本体部分１１３の振動の節となる位置に設けられるので、本体部分１１３が上下方向に変位しても、捩れ梁部分１１２は、上下方向への変位が抑制される。なお、交流電圧の周波数は、光スキャナ１００の共振周波数に厳密に一致しなくても差し支えない。光スキャナ１００のＱ値に応じて、交流電圧の周波数は、光スキャナ１００の共振周波数からオフセットされても差し支えない。
【００４３】
［共振周波数の駆動時間依存性］
本発明では、ミラー部１３０を有する光スキャナ１００において、応力緩和構造１１１ａのおかげで、駆動時間に依存して共振周波数が低下することが防止される。応力緩和構造１１１ａの効果を確認するため、比較例として、応力緩和構造１１１ａを有さない光スキャナ５００が作成された。
【００４４】
光スキャナ５００は、光スキャナ１００と比較して、構造体５１０の構成において異なる。より具体的には、揺動部分５１１に応力緩和構造１１１ａが設けられていない点において、光スキャナ５００は、光スキャナ１００に相違する。換言すれば、光スキャナ５００において、揺動部分５１１は、ミラー部１３０と平面視において同一形状に形成される。なお、光スキャナ５００において、光スキャナ１００と共通の構成は、光スキャナ１００と同一の番号を付与することで、説明を省略する。
【００４５】
図３を参照して、応力緩和構造１１１ａの効果を説明する。図３における横軸は、光スキャナの共振周波数を測定した回数を表す。測定回数を重ねる度に、光スキャナの累積駆動時間は増加する。即ち、図３の横軸は、光スキャナの製造完了からの駆動時間に対応している。図３における縦軸は、各測定回数における共振周波数を、初回の共振周波数で除算した割合を示す。図３において、四角と実線で示されるデータは、光スキャナ１００の実測データである。図３において、菱形と破線で示されるデータは、光スキャナ５００の実測データである。
【００４６】
光スキャナ１００の共振周波数は、測定回数を重ねても、殆ど変化しない。一方で、光スキャナ５００の共振周波数は、測定回数を重ねるごとに、徐々に減少する。この結果から、応力緩和構造１１１ａが設けられることによって、光スキャナ１００においては、駆動時間に依存して共振周波数が低下することが防止されていることが分かる。
【００４７】
駆動時間に依存して共振周波数が低下する原因は、必ずしも明らかになっていない。ただ、前記したように、揺動部分が揺動する際に、揺動部分と一対の捩れ梁部分との接続位置に、最も応力が集中することは事実である。仮説として、この応力が揺動部分とミラー部との固定位置に作用することにより、揺動部分とミラー部との固定状態が変化すること（例えば接着剤の剥離など）が、駆動時間に依存して共振周波数が低下する原因の一つとして考えられる。
【００４８】
光スキャナ５００では、揺動部分５００とミラー部１３０との固定位置は、前後方向において、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置に一致する。そのため、光スキャナ５００では、揺動部分５１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置に働く応力は、そのままミラー部１３０と揺動部分１１１との固定部分に作用する。一方で、光スキャナ１００では、応力緩和構造１１１ａが設けられることで、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置が、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置から離間される。従って、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力が低減され、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定状態の変化が防止される。その結果、応力緩和構造１１１ａが設けられる光スキャナ１００においては、駆動時間に依存した共振周波数の低下が防止される。
【００４９】
［応力緩和構造１１１ａの検討］
応力緩和構造１１１ａが設けられる光スキャナ１００においては、応力緩和構造１１１ａが設けられない光スキャナ５００と比較して、駆動時間に依存した共振周波数の低下が防止される。ここでは、応力緩和構造１１１ａの望ましい形態を検討する。
【００５０】
図４を用いて、応力緩和構造１１１ａの形状を説明する。揺動部分１１１の左右方向における長さ及び応力緩和構造１１１ａの左右方向における長さは、それぞれＭｘ及びＸと標記される。なお、揺動部分１１１の左右方向における長さとは、一対の捩れ梁部分１１２からの揺動部分１１１の左右方向における端部までの長さのことである。同様に、応力緩和構造１１１ａの左右方向における長さとは、一対の捩れ梁部分１１２からの応力緩和構造１１１ａの左右方向における端部までの長さ、換言すれば、第２辺の左右方向における長さのことである。揺動部分１１１の前後方向の長さは、Ｍｙと標記される。前後方向において、揺動部分１１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置からの応力緩和構造１１１ａの長さ、換言すれば、第１辺の前後方向における長さは、Ｙと標記される。以下、光スキャナ１００と同様の構造体１１０の条件（外形及び材質）において、Ｘ及びＹの値をシミュレーションによって変化させることで、応力緩和構造１１１ａの望ましい形態を検討する。
【００５１】
先ず、図５を用いて、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力に焦点を当てる。図５の縦軸は、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力の大きさを示す。具体的には、図５の縦軸は、ある形状を有する応力緩和構造１１１ａを備えた光スキャナ１００におけるミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力の値を、光スキャナ５００におけるミラー部１３０と揺動部分５１１との固定位置に働く応力の値で除した割合を示す。図５の横軸は、Ｘの値をＭｘで除した割合を示す。図５において、Ｙ／Ｍｙが「０」の場合、即ち応力緩和構造１１１ａが存在しない光スキャナ５００の場合が、菱形のプロットで示される。Ｙ／Ｍｙが「０．２１」、「０．４２」「０．８３」の場合は、四角と一点鎖線、三角と破線、丸と実線、でそれぞれ示される。
【００５２】
図５から明らかに、Ｘ／Ｍｘの値が「０」から大きくなるに従い、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力が減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値がある値以上の場合、応力の減少傾向が緩やかになる。具体的には、Ｙ／Ｍｙが「０．２１」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．２」未満の領域では、Ｘ／Ｍｘの値の増加に伴い応力の値は減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．２」以上の領域では、応力の値は、Ｘ／Ｍｘに関らずほぼ一定となる。Ｙ／Ｍｙが「０．４２」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．４」未満の領域では、Ｘ／Ｍｘの値の増加に伴い応力の値は減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．４」以上の領域では、応力の値はＸ／Ｍｘに関らずほぼ一定となる。Ｙ／Ｍｙが「０．８３」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．５」未満の領域では、Ｘ／Ｍｘの値の増加に伴い応力の値は減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．５」以上の領域では、応力の減少傾向が緩やかになる。Ｙ／Ｍｙの値が大きくなるほど、応力の減少傾向が緩やかになるＸ／Ｍｘの値は大きくなる傾向にある。しかし、図５を概して見た場合、全体的な傾向として、Ｘ／Ｍｘの値が「０．４」以上の場合、応力の減少傾向が飽和していると言える。即ち、Ｘ／Ｍｘの値を、Ｘ／Ｍｘの値の変動に対して、応力の値の変動量が飽和する値に設定することで、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。応力の値の変動量が飽和する値とは、例えば、Ｘ／Ｍｘの値が「０．４」以上「１」以下の範囲である。
【００５３】
次に、図６を用いて、光スキャナ１００の共振周波数に焦点を当てる。図６の縦軸は、光スキャナ１００の共振周波数の大きさを示す。具体的には、図６の縦軸は、ある形状を有する応力緩和構造１１１ａを備えた光スキャナ１００における共振周波数の値を、光スキャナ５００における共振周波数の値で除した割合を示す。図６の横軸は、図５の場合と同様に、Ｘの値をＭｘで除した割合を示す。図６において、Ｙ／Ｍｙのそれぞれの値に対して適用されるシンボルは、図５の場合と同様である。
【００５４】
図６から明らかに、Ｘ／Ｍｘの値が「０」から大きくなるに従い、光スキャナ１００の共振周波数が減少する。具体的には、Ｘ／Ｍｘの値がある値以下では、共振周波数は略一定に振舞う。そして、Ｘ／Ｍｘの値がある値を超えると、共振周波数はＸ／Ｍｘの増加に伴い減少に転じる。具体的には、Ｙ／Ｍｙが「０．２１」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の領域では、共振周波数の値はＸ／Ｍｘに関らずほぼ一定となる。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」を超える領域では、Ｘ／Ｍｘの増加に伴い、共振周波数の値は若干減少する。Ｙ／Ｍｙが「０．４２」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の領域では、共振周波数の値はＸ／Ｍｘに関らずほぼ一定となる。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」を超える領域では、Ｘ／Ｍｘの増加に伴い、共振周波数の値は減少する。Ｙ／Ｍｙが「０．８３」の場合、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の領域では、共振周波数の値はＸ／Ｍｘの増加にともない若干減少する。そして、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」を超える領域では、Ｘ／Ｍｘの増加に伴い、共振周波数の値は急激に減少する。Ｙ／Ｍｙの値が大きくなるほど、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」を超える領域における共振周波数の減少度合いは大きくなる。換言すれば、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の領域の場合、Ｙ／Ｍｙの値に関らず、Ｘ／Ｍｘの値の変動に対して、共振周波数の値は飽和していると言える。従って、Ｘ／Ｍｘの値が「０．６」以下の場合、共振周波数の低下が防止できる。
【００５５】
本実施形態では、揺動部分１１１とミラー部１３０との固定は、熱硬化性接着剤によって行われる。ミラー部１３０と構造体１１０との線膨張率が異なるので、硬化時の温度と常温との差によって熱膨張による変形量の差が生まれる。この変形量の差が応力となり、ミラー部１３０の静的歪みを引き起こす。ミラー部１３０の静的歪みの量が大きくなると、入射光が反射される際に入射光の波面が乱れ、光学性能の低下に繋がる。光スキャナ１００の光学性能を維持するために、ここでは、接着剤の種類を検討する。
【００５６】
［ミラー部１３０の固定方法の検討］
図７を用いて、実測したミラー部１３０の変形量を、熱硬化性接着剤の硬度に着目して説明する。図７の縦軸は、熱硬化性接着剤の硬化によって変形したミラー部１３０の変形量の実測値を、硬化時の温度で除した割合である。熱膨張による変形量は温度に依存するため、硬化時の温度が高くなるほど、同じ接着剤を用いてもミラー部１３０の変形量は大きくなる。今回、接着剤の硬度によるミラー部１３０の変形量への影響を調べるため、ミラー部１３０の変形量を硬化時の温度で除することで、硬化時の温度の違いに起因するミラー部１３０の変形量の差を無くしている。図７の横軸は、硬化した熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度である。なお、測定にはタイプＤデュロメータを用いた。タイプＤにおける値であることを示すため、図７の横軸の値は、数値の前に「Ｄ」を付与している。
【００５７】
図７から明らかに、熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度が「Ｄ７０」以上の領域では、デュロメータ硬度の値の増加に伴って、ミラー部１３０の変形量は増加する。一方で、熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度が「Ｄ６０」の場合は、ミラー部１３０に変形は生じない。この傾向は、熱硬化性接着剤のデュロメータ硬度が低い場合、硬化した接着剤が緩衝材の役割を果たし、ミラー部１３０と構造体１１０との線膨張率の差に起因する変形量の差を吸収するためと考えられる。即ち、デュロメータ硬度が「Ｄ６５」以下の熱硬化性接着剤を用いた場合、接着剤の硬化によっては、ミラー部１３０に静的歪みは生じない。
【００５８】
ミラーの静的歪みを防止する観点からは、硬化時にデュロメータ硬度の低い熱硬化接着剤、具体的には「Ｄ６５」以下の熱硬化接着剤が、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定に用いられるのがよい。ここで、デュロメータ硬度の低い接着剤は、一般的に剥離強度が低い。仮に、応力緩和構造１１１ａが設けられない光スキャナ５００の場合、剥離強度の低い接着剤は、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に集中する応力に耐え切れず、駆動時間の増加に伴い共振周波数の低下をより引き起こし易い。しかし、本実施形態では、応力緩和構造１１１ａが設けられているため、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に応力は集中しない。従って、接着剤の剥離強度を気にすることなく、ミラーの静的歪みを防止するために、デュロメータ硬度の低い接着剤の使用が可能となる。
【００５９】
［共振周波数の調整方法］
前記した光スキャナ１００は、質量片１４０が設けられる位置を適切に選定することで、共振周波数の値を調整することが可能となる。以下、図８から図１０を用いて、この調整方法を説明する。
【００６０】
工程Ｓ１１において、光スキャナ１００が作成される。なお、工程Ｓ１１の詳細は、図９を用いて後に説明される。
【００６１】
工程Ｓ１２において、作成された光スキャナ１００の共振周波数が取得される。共振周波数は、光スキャナ１００を実際に駆動することで実測を行う、光スキャナ１００の形状に基づいて、予め定められた対応関係を利用することで決定する、などの方法で取得されてよい。共振周波数の実測は、例えばミラー部１３０に対して光を入射し、反射された走査光を検出することで行われる。具体例としては、走査光の移動する走査領域内に光センサが設けられ、走査光の受光に対応する出力が光センサから得られるタイミングに基づいて、共振周波数が決定される。一方、光スキャナ１００の形状に基づく場合、例えば、揺動部分１３０や一対の捩れ梁部分１１２の設計値に対して、対応する共振周波数の値がシミュレーションや実測で求められる。そして、揺動部分１３０や一対の捩れ梁部分１１２のサイズの変化量に対する、共振周波数の変化量の値がシミュレーションや実測で求められる。このサイズの変化量と共振周波数の変化量との対応関係を用いて、構造体１１０のサイズの実測値から、光スキャナ１００の共振周波数が決定される。
【００６２】
工程Ｓ１３において、所望の共振周波数の範囲と、工程Ｓ１２において取得された光スキャナ１００の共振周波数の値とが比較される。ここで、所望の共振周波数の範囲は、例えば光スキャナ１００が組み込まれるプリンタやレーザディスプレイなどの製品の仕様に基づいて、予め決定されている。
【００６３】
工程Ｓ１４において、工程Ｓ１３にて比較された結果に基づき、取得された光スキャナ１００の共振周波数が、所望の共振周波数の範囲に含まれるか否かが判断される。光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲に含まれる場合（Ｓ１４：Ｙｅｓ）、その光スキャナ１００は仕様を満たすため、工程Ｓ１５においてＯＫ判定がなされる。ＯＫ判定のなされた光スキャナ１００は、製品として利用される。
【００６４】
光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲に含まない場合（Ｓ１４：Ｎｏ）、工程Ｓ１６において、光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲よりも高いか否かが判断される。光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲よりも高い場合（Ｓ１６：Ｙ）、工程Ｓ１６にて、構造体１１０及び／又はミラー部１３０に対して質量片１４０が付加される。質量片１４０の付加位置及び付加量は、図１０を用いて後に説明される。その後、質量片１４０を付加された光スキャナ１００を用いて、工程Ｓ１２以降が再度実行される。
【００６５】
質量片１４０を付加することで、揺動部分１１１の慣性モーメントが上昇する。慣性モーメントの上昇は、光スキャナ１００の共振周波数を低下させる。従って、質量片１４０の付加によっては、共振周波数を下げる調整のみが可能となる。そのため、光スキャナ１００の共振周波数が所望の共振周波数の範囲よりも低い場合（Ｓ１６：Ｎ）、調整が不可能であるため、ＮＧ判定がなされる（Ｓ１８）。ＮＧ判定のなされた光スキャナ１００は、不良品として、製品として利用されない。
【００６６】
［光スキャナ１００の作成］
図９を用いて、光スキャナ１００の作成工程を説明する。ここでは、構造体１１０が金属で構成される場合を例に取り、説明を行う。先ず、工程Ｓ１１０において、構造体１１０が形成される。構造体１１０を構成する金属板（例えば、ステンレスやチタンなど）が、構造体１１０の外形と等しい大きさに分割される。そして、分割された金属板において、揺動部分１１１、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３が、所定の除去加工によって形成される。所定の除去加工には、例えば、エッチング、プレス加工、放電加工、レーザ加工などが含まれる。一例として、ウェットエッチングが行われる場合、分割された金属板の、揺動部分１１１、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３に対応する位置に、マスキングのためのレジスト膜が形成される。その後、ウェットエッチングによって構造体の外形が形成された後に、レジスト膜が除去される。なお、構造体の外形に比して十分大きな金属板に複数の構造体の外形が形成された後に、個々の構造体に分割される多数個取りが実行されても差し支えない。
【００６７】
次に、工程Ｓ１１１において、予め圧電材料の両面に電極層を備えたバルクの圧電素子１１４が、構造体１１０に実装される。この実装は、例えば、エポキシ系、アクリル系、シリコン系等の合成樹脂材料に金属フィラーなどの導電材を含有する導電性接着剤を用いて行われる。具体的には、構造体１１０の本体部分１１３に塗布された導電性接着剤の上に、圧電素子１１４が設置される。圧電素子１１４の設置後、１００〜２００℃の雰囲気に保たれた加熱炉内に構造体１１０が３０〜６０分間装入されることによって、導電性接着剤が硬化する。以上で、圧電素子１１４の実装が完了する。
【００６８】
次に、工程Ｓ１１２において、台座１２０が作成される。台座１２０の外形は、構造体１１０の場合と同様に、台座１２０の構成材料に対して、エッチングやプレスなどの除去加工を施すことで得られる。
【００６９】
次に、工程Ｓ１１３において、台座１２０と構造体１１０とが固定される。この固定は、例えば、レーザ溶接などによって、構造体の被固定部と台座とが溶着されることで行われる。ただし、熱硬化接着剤を利用した接着や、所定の締め具を利用したクランピングなど、他の固定方法によって、構造体１１０と台座１２０とが固定されても差し支えない。
【００７０】
そして、工程Ｓ１１４において、圧電素子１１４と構造体１１０とに対して、ワイヤボンディングによって信号線が接続される。この信号線は、非図示の交流電源に接続される。構造体１１０と圧電素子１１４とは導電性接着剤によって接着されているので、光スキャナ１００の駆動時には、この信号線を介して圧電素子１１４と構造体１１０との間に交流電圧（駆動信号）が印加される。以上で、光スキャナ１００の作成工程が終了する。
【００７１】
［質量片１４０の付加］
質量片１４０の付加は、目標とする共振周波数（例えば、所望の共振周波数範囲の中心値）と、工程Ｓ１２で取得された光スキャナ１００の共振周波数との差分（離間周波数ｄｆ）に対し、質量片１４０の付加量及び付加位置とを対応付けたテーブル（図１０（Ａ））に基づいて行われる。離間周波数ｄｆが３０Ｈｚ未満の場合、位置「Ｃ」に対して、ｄｆ×６５μｇの質量片が、第１軸線ｓに対して線対称となるように付加される。位置「Ｃ」は、図１０（Ｂ）に示されるように、応力緩和構造１１１ａの上下両面に対応する。位置「Ｃ」は、第１軸線ｓから比較的近い距離である。遠い距離に質量を塗布した場合に比べて周波数感度が低いため、位置「Ｃ」に質量を塗布することで、周波数の微調が可能となる。離間周波数ｄｆが３０Ｈｚ以上１００Ｈｚ未満の場合、位置「Ｂ」に対して、ｄｆ×４３μｇの質量片が、第１軸線ｓに対して線対称となるように付加される。位置「Ｂ」は、図１０（Ｂ）に示されるように、揺動部分１１１の前後方向における中心位置であって、第１軸線ｓから左右方向離間した揺動部分１１１の下面に対応する。離間周波数ｄｆが１００Ｈｚ以上の場合、位置「Ａ」に対して、ｄｆ×２８μｇの質量片が、第１軸線ｓに対して線対称となるように付加される。位置「Ａ」は、図１０（Ｂ）に示されるように、応力緩和構造１１１ａの第１軸線ｓから最も離間した上下両面、換言すれば、応力緩和構造１１１ａの４隅に対応する。位置「Ａ」は、第１軸線ｓから比較的遠い距離である。遠い距離に質量塗布した場合は周波数感度が高いため、位置「Ａ」に質量を塗布することで、周波数を大きく調節することが可能となる。このように、離間周波数ｄｆの値が大きいほど、第１軸線ｓからの離間距離が大きい位置に質量付加することで、質量片１４０の付加による慣性モーメントの上昇量が大きく設定されている。
【００７２】
＜第２実施形態＞
［光スキャナ２００の構成］
本発明の他の側面を反映した第２実施形態を示す。第２実施形態に係る光スキャナ２００は、第１実施形態に係る光スキャナ１００と比較して、揺動部分、具体的には応力緩和構造の形状において相違する。そのため、光スキャナ２００において、光スキャナ１００と同一の構造に対しては、同一の番号を付与することで説明が省略される。
【００７３】
図１１に示されるように、光スキャナ２００は、構造体２１０と、台座１２０とを有する。構造体２１０は、揺動部分２１１、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３を有する。構造体２１０において、一対の捩れ梁部分１１２、本体部分１１３の形状は、図１に示される構造体１１０の場合と同一である。
【００７４】
揺動部分２１１は、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造２１１ａを含む。応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置に設けられる。具体的には、応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１の左右方向の端部から延出する。応力緩和構造２１１ａは、前後方向において、揺動部分２１１から離間するに従い左右方向の幅が小さくなるように、換言すれば、テーパー状に形成される。例えば、揺動部分２１１に対して左後の部分に形成される応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１の左端から右後方向に延出し、一対の捩れ梁部分１１２に対して接続される。別の表現をすれば、応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１の左右方向の端部と一対の捩れ梁部分１１２の所定の位置とから延出し、両延出位置を概して直線的に接続する構造とも表される。
【００７５】
［応力緩和構造２１１ａの検討］
前記した第１実施形態における応力緩和構造１１１ａでは、第１辺と第２辺との長さを調整することで、ミラー部１３０と揺動部分１１１との固定位置に働く応力及び共振周波数の変動が調べられた。第１実施形態では、第１辺と第２辺との長さという２つの変数が調整可能なため、設計の自由度が増し、固定位置に働く応力及び共振周波数をより精度よく設定できるという利点がある。一方で、応力緩和構造１１１ａでは、変数が２つあるため、より最適な形状を得るために多くの試行錯誤を必要とする。第２実施形態における応力緩和構造２１１ａは、揺動部分２１１の左右方向の端部から延出するテーパー状の形状を示す。そのため、応力緩和構造２１１ａにおける調整可能な変数としては、前後方向における長さだけである。変数が１つだけになるので、設計上導入が容易となり、少ない試行錯誤の回数で、適切な応力緩和構造の形状を決定することが可能となる。
【００７６】
図１２を用いて、応力緩和構造２１１ａの形状をより詳細に説明する。揺動部分２１１の前後方向における長さ及び応力緩和構造２１１ａの前後方向における長さは、それぞれＭｙ及びＹと標記される。なお、揺動部分１１１の前後方向における長さＭｙは、ミラー部１３０の前後方向の長さに一致する。応力緩和構造２１１ａの前後方向における長さとは、揺動部分２１１と一対の捩れ梁部分１１２との接続位置から、応力緩和構造２１１ａが一対の捩れ梁部分１１２に合流する位置までの長さのことである。以下、光スキャナ２００と同様の構造体２１０の条件（外形及び材質）において、Ｙの値をシミュレーションによって変化させることで、応力緩和構造２１１ａの望ましい形態を検討する。
【００７７】
先ず、図１３を用いて、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力に焦点を当てる。図１３の縦軸は、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力の大きさを示す。具体的には、図１３の縦軸は、ある形状を有する応力緩和構造２１１ａを備えた光スキャナ２００におけるミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力の値を、光スキャナ５００におけるミラー部１３０と揺動部分５１１との固定位置に働く応力の値で除した割合を示す。図１３の横軸は、Ｙの値をＹｘで除した割合を示す。
【００７８】
図１３から明らかに、Ｙ／Ｍｙの値が「０」から大きくなるに従い、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力が減少する。そして、Ｙ／Ｍｙの値がある値以上の場合、応力の減少傾向が緩やかになる。具体的には、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」未満の領域では、Ｙ／Ｍｙの値の増加に伴い応力の値は減少する。そして、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」以上「０．４」未満の領域では、応力の減少傾向が緩やかになる。そして、Ｙ／Ｍｙの値が「０．４」以上の領域では、応力の値は、Ｙ／Ｍｙの値に関らずほぼ一定となる。従って、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」以上となるように応力緩和構造２１１ａを形成することで、ミラー部１３０と揺動部分２１１との固定位置に働く応力の低減が十分に可能となる。
【００７９】
次に、図１４を用いて、光スキャナ２００の共振周波数に焦点を当てる。図１４の縦軸は、光スキャナ２００の共振周波数の大きさを示す。具体的には、図１４の縦軸は、ある形状を有する応力緩和構造２１１ａを備えた光スキャナ２００における共振周波数の値を、光スキャナ５００における共振周波数の値で除した割合を示す。図１４の横軸は、図１３の場合と同様に、Ｙの値をＭｙで除した割合を示す。
【００８０】
図１４から明らかに、Ｙ／Ｍｙの値が「０」から大きくなるに従い、光スキャナ２００の共振周波数が減少する。そして、その減少傾向はほぼ単調減少である。従って、共振周波数の低下を防止するという観点からは、応力緩和構造２１１ａにおけるＹ／Ｍｙの値は小さいほど望ましい。先に説明したように、図１３における応力の低減という観点からは、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」以上が望ましい。また、図１３において、Ｙ／Ｍｙの値が「０．４」以上の場合は、Ｙ／Ｍｙの値が増加しても応力は殆ど変わらない。そのため、応力の低減と共振周波数の低下防止という両観点を両立するためには、Ｙ／Ｍｙの値が「０．２」以上「０．４」未満となることが望ましい。
【００８１】
本発明は、今までに述べた実施形態に限定されることは無く、その趣旨を逸脱しない範囲において種々の変形・変更が可能である。以下にその一例を述べる。
【００８２】
前記した実施形態において、構造体１１０は金属で構成される。しかし、本発明は、応力緩和構造１１１ａが設けられることで、ミラー部１３０を有する光スキャナ１００において、駆動時間に依存して共振周波数が低下することを防止可能な点に特徴がある。そのため、構造体１１０が例えばシリコンなどの非金属で構成されても、本発明の範囲に含まれる。同様に、構造体１１０や台座１２０の形状も、前記した実施形態には限定されない。応力緩和構造１１１ａを含む揺動部分１１１と、一対の捩れ梁部分１１２と、本体部分１１３と、揺動部分１１１に固定されるミラー部１３０を有する平板状の構造体１１０が、台座に対して固定されるタイプの光スキャナ１００は、全て本発明の範囲に含まれる。また、前記した実施形態では、駆動部として圧電素子１１４が利用される。しかし、磁石とコイルパターンとの組み合わせによる電磁駆動方式や、極板間に働く静電気力による静電駆動方式など、他の駆動方式を採用した光スキャナであっても、本発明の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８３】
１００，２００，５００ 光スキャナ
１１０，２１０ 構造体
１１１，２１１，５１１ 揺動部分
１１１ａ，２１１ａ 応力緩和構造
１１２ 捩れ梁分
１１３ 本体部分
１１３ａ 被固定部分
１１４ 圧電素子
１２０ 台座
１３０ ミラー部
１４０ 質量片
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１軸線を中心として揺動可能に構成され、前記第１軸線に対して線対称に形成される揺動部分と、
その一端が前記揺動部分の両側に連結され、前記第１軸線に平行な第１方向に前記揺動部分から延出する一対の捩れ梁部分と、
前記一対の捩れ梁部分の他端に連結され、前記揺動部分から離間し且つ前記第１軸線に交差する方向に延出する本体部分と、を有する平板状の構造体と、
駆動電圧が印加されることで前記構造体に対して周期的に力を与え、前記揺動部分を前記第１軸線回りに揺動可能に構成される駆動部と、
前記構造体と別体に形成され、入射した光を反射する反射面を有し、前記揺動部分の一方の面に固定されるミラー部と、を備え、
前記揺動部分は、前記揺動部分と前記一対の捩れ梁部分との接続位置に設けられ、前記揺動部分から前記第１方向に延出し、前記構造体を含む面に平行且つ前記第１方向に直交する第２方向の長さである第１長さが前記一対の捩れ梁部分よりも大きく構成され、前記ミラー部と前記揺動部分との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造を含む、
ことを特徴とする光スキャナ。
【請求項２】
前記応力緩和構造は、
前記揺動部分の前記第２方向における端部から延出し、
前記揺動部分から離間するに従い前記第１長さが小さくなるテーパー状に形成される、
請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項３】
前記応力緩和構造は、前記応力緩和構造の前記第１方向における長さである第２長さの変動に対して、前記固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定された前記第２長さを有する、
請求項２に記載の光スキャナ。
【請求項４】
前記応力緩和構造は、
前記揺動部分の前記第１方向における長さに対する、前記第２長さの比が、０．２以上０．４以下となるように形成される、
請求項３に記載の光スキャナ。
【請求項５】
前記応力緩和構造は、
前記揺動部分から前記第１方向に沿って延出する第１辺と、
前記第１辺の前記揺動部分と反対側の端部に接続され、前記第２方向に沿って前記一対の捩れ梁に向かって伸長する第２辺とを含む、
請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項６】
前記応力緩和構造は、前記第１長さの変動に対して、前記固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定された前記第１長さを有する、
請求項５に記載の光スキャナ。
【請求項７】
前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における長さに対する前記第１長さの比が０．４以上１以下となるように形成される、
請求項６に記載の光スキャナ。
【請求項８】
前記応力緩和構造は、前記第１長さの変動に対して、前記光スキャナの共振周波数の値が飽和する値に設定された前記第１長さを有する、
請求項５〜７の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項９】
前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における長さに対する前記第１長さの比が０．６以下となるように形成される、
請求項８に記載の光スキャナ。
【請求項１０】
前記ミラー部は、
前記構造体の材質と線膨張率の異なる材質によって構成され、
デュロメータ硬度がＤ６５以下となる熱硬化性接着剤を用いて、前記揺動部分の一方の面に固定される、
請求項１〜９の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項１１】
前記揺動部分の他方の面と、前記揺動部分の一方の面であって前記ミラー部から離間した位置との少なくとも一方に設けられ、前記構造体の共振周波数を調整する質量片をさらに備える、
請求項１〜１０の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光スキャナの製造方法であって、
請求項５〜１０の何れか１項に記載の光スキャナを準備する準備工程と、
前記光スキャナの共振周波数の値を決定する振動数決定工程と、
前記決定工程において決定された前記共振周波数の値と、目標とする共振周波数の値とに基づいて、前記質量片が設けられる前記揺動部分上の位置を決定する位置決定工程と、
前記位置決定工程において決定された前記揺動部分上の位置に対して、前記質量片を付加する付加工程と、
を備えることを特徴とする光スキャナの製造方法。
【請求項１】
第１軸線を中心として揺動可能に構成され、前記第１軸線に対して線対称に形成される揺動部分と、
その一端が前記揺動部分の両側に連結され、前記第１軸線に平行な第１方向に前記揺動部分から延出する一対の捩れ梁部分と、
前記一対の捩れ梁部分の他端に連結され、前記揺動部分から離間し且つ前記第１軸線に交差する方向に延出する本体部分と、を有する平板状の構造体と、
駆動電圧が印加されることで前記構造体に対して周期的に力を与え、前記揺動部分を前記第１軸線回りに揺動可能に構成される駆動部と、
前記構造体と別体に形成され、入射した光を反射する反射面を有し、前記揺動部分の一方の面に固定されるミラー部と、を備え、
前記揺動部分は、前記揺動部分と前記一対の捩れ梁部分との接続位置に設けられ、前記揺動部分から前記第１方向に延出し、前記構造体を含む面に平行且つ前記第１方向に直交する第２方向の長さである第１長さが前記一対の捩れ梁部分よりも大きく構成され、前記ミラー部と前記揺動部分との固定位置における応力を緩和する応力緩和構造を含む、
ことを特徴とする光スキャナ。
【請求項２】
前記応力緩和構造は、
前記揺動部分の前記第２方向における端部から延出し、
前記揺動部分から離間するに従い前記第１長さが小さくなるテーパー状に形成される、
請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項３】
前記応力緩和構造は、前記応力緩和構造の前記第１方向における長さである第２長さの変動に対して、前記固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定された前記第２長さを有する、
請求項２に記載の光スキャナ。
【請求項４】
前記応力緩和構造は、
前記揺動部分の前記第１方向における長さに対する、前記第２長さの比が、０．２以上０．４以下となるように形成される、
請求項３に記載の光スキャナ。
【請求項５】
前記応力緩和構造は、
前記揺動部分から前記第１方向に沿って延出する第１辺と、
前記第１辺の前記揺動部分と反対側の端部に接続され、前記第２方向に沿って前記一対の捩れ梁に向かって伸長する第２辺とを含む、
請求項１に記載の光スキャナ。
【請求項６】
前記応力緩和構造は、前記第１長さの変動に対して、前記固定位置における応力の値の変動量が飽和する値に設定された前記第１長さを有する、
請求項５に記載の光スキャナ。
【請求項７】
前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における長さに対する前記第１長さの比が０．４以上１以下となるように形成される、
請求項６に記載の光スキャナ。
【請求項８】
前記応力緩和構造は、前記第１長さの変動に対して、前記光スキャナの共振周波数の値が飽和する値に設定された前記第１長さを有する、
請求項５〜７の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項９】
前記応力緩和構造は、前記揺動部分の前記第２方向における長さに対する前記第１長さの比が０．６以下となるように形成される、
請求項８に記載の光スキャナ。
【請求項１０】
前記ミラー部は、
前記構造体の材質と線膨張率の異なる材質によって構成され、
デュロメータ硬度がＤ６５以下となる熱硬化性接着剤を用いて、前記揺動部分の一方の面に固定される、
請求項１〜９の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項１１】
前記揺動部分の他方の面と、前記揺動部分の一方の面であって前記ミラー部から離間した位置との少なくとも一方に設けられ、前記構造体の共振周波数を調整する質量片をさらに備える、
請求項１〜１０の何れか１項に記載の光スキャナ。
【請求項１２】
請求項１１に記載の光スキャナの製造方法であって、
請求項５〜１０の何れか１項に記載の光スキャナを準備する準備工程と、
前記光スキャナの共振周波数の値を決定する振動数決定工程と、
前記決定工程において決定された前記共振周波数の値と、目標とする共振周波数の値とに基づいて、前記質量片が設けられる前記揺動部分上の位置を決定する位置決定工程と、
前記位置決定工程において決定された前記揺動部分上の位置に対して、前記質量片を付加する付加工程と、
を備えることを特徴とする光スキャナの製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図７】
【図８】
【図９】
【図１０】
【図１１】
【図１２】
【図１３】
【図１４】
【公開番号】特開２０１３−６４８４３（Ｐ２０１３−６４８４３Ａ）
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−２０３０８９（Ｐ２０１１−２０３０８９）
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２５年４月１１日（２０１３．４．１１）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年９月１６日（２０１１．９．１６）
【出願人】（０００００５２６７）ブラザー工業株式会社 (13,856)
【Ｆターム（参考）】
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