説明

光走査装置

【課題】製造誤差による振動特性の相違を解消し得る、板波振動を利用した光走査装置を提供すること。
【解決手段】基板と、前記基板に板波振動を励起する駆動手段と、前記基板に連結されたねじりばね部材と、前記ねじりばね部材に連結され、前記基板の板波振動により励起される前記ねじりばね部材の捩れ振動により、前記ねじりばね部材を揺動中心軸として揺動する揺動部材と、前記揺動部材に形成された光反射面と、を備え、前記基板又は前記揺動部材の少なくともいずれか一方が、トリミング用の突出片部を有することを特徴とする。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、光走査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
近年、ディスプレイ、プリンタ等を含む広範な分野でMEMS(Micro Electro Mechanical System)技術を応用したデバイスの実用化が進んでいる。MEMS技術を応用したデバイスは、エレクトロニクス機器の小型化、低コスト化など高機能化の要望に答え得ることが期待されている。MEMS技術は、基板上に電気回路と共にセンサ、アクチュエーターなどのマイクロ構造体を半導体プロセスによって集積化する技術として発展し、半導体デバイス製造プロセスで形成可能な様々な材料を基板上に生成し、それらを高精度に加工する事を可能とした技術である。
【0003】
このMEMS技術の発展に伴い、様々な機器の高機能化・小型化が図られつつある。例えば、光走査装置を用いて光走査を行う、レーザビームプリンタ、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置、バーコードリーダ等の入力デバイスの光取り入れ装置等においても高機能化、小型化がなされ、より一層の小型化が要求されている。これらの要求を満たす光走査装置として、例えば、マイクロマシニング技術を用いて微小ミラーを捩り振動させる構成で光を走査する光走査装置が提案されている。このような、光を透過、反射、あるいは吸収する光学機能を持たせたデバイスは光学MEMSと呼ばれている。光学MEMSの中でも、例えばスキャナ等の描画機能を持つ反射ミラーとして作製されたMEMSミラーなどはマイクロミラーデバイスと呼ばれる。
【0004】
このようなマイクロミラーデバイスを用いた装置として、例えば、特許文献1に開示されてるような光走査装置がある。特許文献1に開示された光走査装置は、圧電体等の駆動源によって基板に板波振動を励起し、この板波振動を利用して基板と捩りばねで連結されたミラー部を揺動させるものである。そして、これらの共振を利用すれば、比較的小さな駆動力であっても大きな振れ角を得られ、少ない駆動エネルギで高速・高変位の駆動を可能としている。しかも、全体の構成が単純であり、かつ、基板、捩りばね及びミラー部を薄板から一体的に形成でき、コスト的な優位性がある。
【0005】
【特許文献1】特開2006−293116号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
しかし、このような光走査装置を大量生産する場合、各光走査装置に製造上のばらつきが生じ得る。このため、光走査装置間で振動特性が異なる場合があり、駆動条件を共通にすると、目的とする動作が得られない場合がある。例えば、共振周波数で駆動しようとする場合、光走査装置間で製造誤差により共振周波数が異なってしまい、駆動条件を共通にすると、共振しない場合がある。
【0007】
本発明の目的は、製造誤差による振動特性の相違を解消し得る、板波振動を利用した光走査装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【0008】
本発明によれば、基板と、前記基板に板波振動を励起する駆動手段と、前記基板に連結されたねじりばね部材と、前記ねじりばね部材に連結され、前記基板の板波振動により励起される前記ねじりばね部材の捩れ振動により、前記ねじりばね部材を揺動中心軸として揺動する揺動部材と、前記揺動部材に形成された光反射面と、を備え、前記基板又は前記揺動部材の少なくともいずれか一方が、トリミング用の突出片部を有することを特徴とする光走査装置が提供される。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、製造誤差による振動特性の相違を解消し得る、板波振動を利用した光走査装置を提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
<第1実施形態>
図1(A)は本発明の第1実施形態に係る光走査装置100の斜視図、図2は光走査装置100の動作説明図である。光走査装置100は、基板10と、揺動部材20と、捩りばね部材30と、駆動素子40と、支持部材50と、を備える。基板10は、その長手方向の一方端部は自由端、他方端部は支持部材50に固定された固定端となっており、支持部材50に片持ち支持されている。また、基板10の自由端側には、基板10の長手方向と直交する方向に離間した一対のアーム部11が形成されている。アーム部11には、突出片部11aが設けられている。その詳細は後述する。
【0011】
揺動部材20は、平面視で方形状の外形を有しており、その上面には光反射面21が形成されてミラー部を構成している。揺動部材20の外形は、例えば、円形、楕円形等としてもよい。光反射面21は、揺動部材20の表面に鏡面加工を施して形成してもよく、また、光反射材を揺動部材20に貼り付けて形成してもよい。光反射材としては、例えば、単結晶Siウエハ片が挙げられる。なお、揺動部材20を単結晶Siウエハから構成した場合、このような鏡面を形成する処理は不要である。これらの部材上に例えば、反射膜を真空蒸着法により成膜する事などにより、光反射面21を形成できる。揺動部材20には、突出片部20aが設けられている。詳細は後述する。
【0012】
捩りばね部材30は、揺動部材20の各側部にそれぞれ1つずつ設けられており、基板10の長手方向と直交する方向に延設されている。捩りばね部材30はその一端が基板10のアーム部11に他端が揺動部材20にそれぞれ連結されており、揺動部材20とアーム部11とを連結する梁を形成している。
【0013】
本実施形態の場合、基板10、揺動部材20及び捩りばね部材30は、一枚の板材から一体に形成されている。板材としては、金属薄板、例えば、厚さ数十から数百μmのステンレス薄板(SUS304)を挙げることができる。SUS304は機械的剛性に優れ、降伏応力が比較的大きいことから好適な材料の一つである。また、金属薄板を用いた場合、プレス加工により金属薄板を方形状に打ち抜くと共に開口部12、12を打ち抜くことで、簡易に基板10、揺動部材20及び捩りばね部材30を一体に備える部材を形成することができる。その際、金属薄板の表面に鏡面を形成し反射膜を生成しておけば、光反射面21を予め形成できる。基板10、揺動部材20及び捩りばね部材30は、また、Siウエハを用い、レジスト塗布とエッチングにより微細加工を行なう、いわゆるフォトリソプロセスからも一体に形成できるが、金属薄板をプレス加工する方が簡易である。
【0014】
駆動素子40は、基板10上に設けられており、その振動により基板10に板波振動を励起する。駆動素子40は、本実施形態の場合、圧電体である。圧電体は、基板10上に直接圧電膜を生成してもよいし、別途の圧電体を基板10上に接着して固定してもよい。駆動素子40は、圧電体以外にも磁性体等も採用可能である。
【0015】
次に、揺動部材20の揺動動作について図2を参照して説明する。圧電体である駆動素子40に対して、交流電圧を印加すると、駆動素子40が収縮を繰り返し、これにより基板10に板波振動が励起される。基板10の板波振動は、捩りばね部材30に連結された揺動部材20に対して回転モーメントを与える力を作用させることができ、捩りばね部材30が弾性的に捩れる。この結果、捩りばね部材30に捩り振動が励起されて、捩りばね部材30を揺動中心軸として揺動部材20が揺動することになる。そして、これらの系の共振を利用すれば、比較的小さな駆動力であっても大きな揺動部材20の振れ角を得られ、少ない電力で高速・高変位の駆動が可能となる。
【0016】
しかして、不図示の光源からレーザ光を光反射面21へ投射し、走査対象物へ反射させることで、走査対象物のレーザ光の走査を行うことができる。
【0017】
次に、光走査装置100の振動特性について説明する。基板10、揺動部材20及び捩りばね部材30の振動特性は、その形状に大きな影響を受ける。例えば、揺動部材20の慣性モーメントをI、捩りばね部材30のばね定数をkとすると、揺動部材20と捩りばね部材30とからなる振動モデルの共振周波数fは、
f=2π√(k/I)
で表される。共振周波数は、揺動部材20の慣性モーメントIや捩りばね部材30のばね定数kに大きく依存しており、これらは部材の物性のみならず、形状にも大きく依存する。
【0018】
一方、光走査装置100を大量生産する場合、基板10、揺動部材20及び捩りばね部材30の形状等には製造上の誤差が存在する。このため、光走査装置100間で振動特性が異なる場合があり、駆動条件を共通にすると、目的とする動作が得られない場合がある。例えば、共振周波数で駆動しようとする場合、光走査装置100間で製造誤差により共振周波数が異なってしまい、駆動条件を共通にすると、共振しない場合がある。
【0019】
このような製造誤差による振動特性の相違を解消するため、本実施形態では、トリミング用の突出片部11a、20aを設けている。そして、製造誤差は、突出片部11a、20aをトリミングすることにより較正する。突出片部11a、20aは、基板10、揺動部材20と一体に形成されている。本実施形態では、基板10及び揺動部材20の双方に突出片部を設けたが、いずれか一方でもよい。
【0020】
本実施形態の場合、突出片部11aは、基板10の自由端に設けられており、アーム部11の先端から突出するように形成されている。突出片部20aは、捩りばね部材30から最も遠い、揺動部材20の長手方向両端部から突出するように設けられている。なお、光反射面20aは突出片部20aに形成されないようにしている。これは、突出片部20aをトリミングした時に、光反射面20aが損傷しないようにしたものである。
【0021】
突出片部11a、20aは例えば、レーザにより局所的に破断したり、蒸発させることでトリミングする。図1(B)はトリミング後の光走査装置100の斜視図であり、突出片部11a'、20a'に対してトリミングを行っている。また、このようなトリミングを行う場合、トリミング後に回転等の揺動のバランスを崩さないように、可能な限り、各突出片部20aは、均等に加工することが好ましい。各突出片部11aについても同様である。
【0022】
このようなトリミングは、光走査装置100の共振周波数の調整等を目的として行うことができる。つまり、製造誤差により光走査装置100毎に共振周波数が異なる場合が生じ得るため、共振周波数を揃えて駆動素子40の駆動条件をなるべく共通化するようにする。共振周波数の調整を目的とした場合、本実施形態のように、突出片部11aは自由端側に、突出片部20aは、捩りばね部材30から最も遠い位置に設けることが望ましい。少量のトリミングで共振周波数を調整し易いからである。例えば、突出片部20aを捩りばね部材30から最も遠い位置に設けると、揺動部材20の慣性モーメントに対する影響が大きくなるので、少量のトリミングで共振周波数を調整し易くなる。
【0023】
トリミングは、例えば、基板10や、揺動部材20を大型化しておいて、これらに直接施すことも可能である。しかし、そうすると、光走査装置100全体が大きくなる等、問題が生じる。本実施形態のように、基板10や揺動部材20の一部を突出させてトリミングに用いることで、全体の大型化を招くことなく、製造誤差の較正ができる。
【0024】
そして、上記第1及び第2実施形態の光走査装置100として、本実施形態の光走査装置100を用いることで、製造誤差については、出荷前に較正しておき、出荷後の使用時の較正については、上記第1及び第2実施形態の制御で対応することができる。
【0025】
なお、本実施形態では、突出片部11a、20aの外形を直方体形状としたが、半球状としたり、櫛歯状にする等、他の外形も採用可能である。また、突出片部11a、20aの位置も任意に選択できる。
【0026】
<第2実施形態>
揺動部材20には、高速揺動、高剛性という性能が要求される。揺動部材20の剛性が不足すると、揺動時に慣性力により撓み(以下、動撓みという)が生じる場合がある。動撓みが生じると光反射面21も撓むことから、光反射面21で反射される反射光を歪めてしまい、光反射面21の光学特性を低下させる。
【0027】
動撓みによる撓み量は、揺動部材20のサイズや変位角、駆動周波数、更には揺動部材20の物性値である密度やヤング率などによって決定される。通常、揺動部材20のサイズや変位角、駆動周波数などは、光走査装置100の用途によって求められる仕様値が決まってしまう為、これらを調整する事で動撓みを低減する事には限界がある。
【0028】
一方、本実施形態では、揺動部材20にトリミング用の突出片部20aを設けており、共振周波数の調整の点では、上記の通り、捩りばね部材30から最も遠い位置に設けることが望ましい。しかし、その結果、揺動部材20の慣性モーメントが増大して、動撓みが生じ易くなる。
【0029】
本実施形態は、捩りばね部材30を分岐することで、揺動部材20の支持剛性を高めるものである。図3は本発明の第2実施形態に係る光走査装置100の斜視図である。上記第1実施形態と同様の構成については同じ符号を付して説明を割愛し、異なる構成のみ説明する。
【0030】
本実施形態の捩りばね部材30は、基板10に連結された分岐元部分31と、分岐元部分31から分岐して揺動部材20に連結された複数の分岐部分32と、を有している。図4(A)は捩りばね部材30の平面視図(静止時の基板10の法線方向から見た図)である。
【0031】
分岐元部分31は、基板10の長手方向と直交する方向に直線状に延設されており、揺動部材20の揺動中心軸となる。分岐部分32は、分岐元部分31と交差する方向に直線状に延設されており、分岐元部分31の長手方向の中心線CLの一側方と、他側方とにそれぞれ1つずつ、合計2つ配置されている。2つの分岐部分32は、分岐元部分31から分岐元部分31の長手方向と直交する方向に分岐しており、各分岐部分32の揺動部材20との連結端は中心線CLと直交する方向で、揺動部材20の面方向に互いに離間している。本実施形態の場合、分岐部分32は、中心線CLに対称に配置され、捩りばね部材30は平面視でY字型をなしている。また、中心線CL(突出片部20aのトリミングが無い設計上の形状での中心線。以下、同じ。)は揺動部材20の長手方向の長さをLとすると、その半分の位置(突出片部20aのトリミングが無い設計上の形状で半分の位置)を通過しており、したがって、平面視で揺動部材20の中心(重心)を通っている。なお、揺動部材20の形状は、平面視で中心線CLに対して対称である。また、同図の例の場合、光反射面21は揺動部材20の長手方向全体に渡って形成されるため、中心線CLは平面視で光反射面21の中心を通過している。このように捩りばね部材30を分岐することで、揺動部材20の支持剛性を高めることができ、動撓みを生じ難くすることができる。
【0032】
捩りばね部材30は図3及び図4(A)に示した形状以外に、種々の形状を採用できる。図4(B)乃至(E)及び図5(A)及び(B)は捩りばね部材30の他の形状例を示す平面視図である。
【0033】
図4(B)は、図4(A)の例において、分岐元部分31と分岐部分32との曲折部分(分岐点)に半径Rの丸みをつけたものである。本実施形態のように捩りばね部材30を分岐させた構成の場合、曲折部分に応力が集中する可能性がある。図4(B)の例では、曲折部分に丸みをつけることで、応力集中を回避するようにしている。なお、図4(B)の例では、分岐部分32と揺動部材20との連結部位においても半径Rの丸みを形成している。これも連結部位に応力が集中することを回避するものである。なお、図には示していないが、分岐元部分31と基板10(アーム部11)との連結部位においても丸みを形成することが望ましい。
【0034】
図4(C)及び(D)の例は、分岐部分32を弧状にしたものである。このように分岐部分32は湾曲していてもよい。
【0035】
また、図4(A)乃至(D)の例では、分岐部分32を、分岐元部分31の長手方向の中心線CLの一側方と、他側方とにそれぞれ1つずつ配置しているが、2つ以上配置してもよい。図4(E)の例は、分岐部分32を、分岐元部分31の長手方向の中心線CLの一側方と、他側方とにそれぞれ2つずつ配置し、合計4つ配置した例である。図4(E)の例においても、分岐部分32は、中心線CLに対称に配置されている。分岐部分32の数を増やすと、揺動部材20の支持剛性を更に高められる。
【0036】
図4(A)乃至(E)の例では、分岐部分32を、分岐元部分31の長手方向の中心線CLの一側方と、他側方とにそれぞれ同じ数だけ配置したが、異なっていてもよく、分岐元部分31の長手方向の中心線CLの一側方と、他側方とにそれぞれ少なくとも一つずつ分岐部分32を設ければよい。特に、平面視で中心線CLが揺動部材20の中心からずれた位置を通過している場合には、分岐部分32の数を異ならせるとよい。
【0037】
図5(A)の例は、平面視で中心線CLが揺動部材20の中心からずれた位置を通過している例である。中心線CLGは、揺動部材20の長手方向の長さの半分の位置を通る線であり、中心線CLは中心線CLGとずれている。この場合、揺動部材20の揺動中心軸は、揺動部材20の重心からずれた位置となる。
【0038】
捩りばね部材30は、分岐元部分31と、2つの分岐部分32aと、1つの分岐部分32bと、から構成されている。一方の分岐部分32a(同図左側)と、分岐部分32bとは、分岐元部分31の長手方向の中心線CLよりも揺動部材20の中心側(中心線CLG側)に配置され、他方の分岐部分32a(同図右側)は、中心線CLに対して反対側に配置されている。
【0039】
そして、分岐部分32bと揺動部材20の連結点から中心線CLまでの距離D1が、他方の分岐部分32aと揺動部材20の連結点から中心線CLまでの距離D2よりも、長くなっている。2つの分岐部分32aは中心線CLに対して対称である。
【0040】
図5(A)の例において、分岐部分32aのみの構成とすると、中心線CLは中心線CLGとがずれているため、揺動部材20の動撓みが、中心線CLG側、つまり、重心側において顕著に生じる可能性がある。図5(A)の例では、分岐部分32bを設けたことにより、揺動部材20の重心側での支持剛性を高めることができる。
【0041】
捩りばね部材30を分岐させることによる、支持剛性の向上は、光反射面21の歪み防止にある。したがって、光反射面21が揺動部材20の一部に形成されている場合には、その部分の支持剛性を向上できれば足りる。
【0042】
図5(B)は、光反射面21が揺動部材20の長手方向全体に渡って形成されておらず、揺動部材20の中心線CLGよりも同図で右に偏って形成されている。光反射面21の長手方向の長さをL'とすると、分岐元部分31の長手方向の中心線CLは、平面視で光反射面21の中心を通過している一方、図5(A)の例と同様に、揺動部材20の中心からずれた位置を通過している例である。
【0043】
一対の分岐部分32は、平面視で中心線CLに対して対称に配置されている。図5(B)の例の場合、揺動部材20の動撓みが、中心線CLG側、つまり、重心側において顕著に生じる可能性があるが、光反射面21の周囲については分岐部分32により支持剛性が高められ、光反射面21の歪みを防止できる。なお、図5(B)の例においても、図5(A)の分岐部分32bのような分岐部分を増設することは無論可能であり、中心線CLが平面視で光反射面21の中心を通過し、分岐部分が、中心線CLに対して対称な一対の分岐部分を少なくとも含めばよい。
【0044】
<第3実施形態>
本発明の光走査装置は、例えば、レーザビームプリンタ等の画像形成装置、ヘッドマウントディスプレイ等の画像表示装置、バーコードリーダ等の入力装置等の各種装置に適用可能である。また、本発明の光走査装置により2次元スキャナを構成した平板ディスプレイや、読取センサに対する原稿走査用光スキャナへの応用も可能である。
【0045】
また、本発明の光走査装置を上記のような各種の装置に適用する場合、光走査装置の配置方向に制約はないが、基板(10)の静的な撓みを考慮し、基板の長手方向を、重力方向となるように配置することが、より好ましい。
【図面の簡単な説明】
【0046】
【図1】(A)は本発明の第1実施形態に係る光走査装置100の斜視図、(B)はトリミング後の光走査装置100の斜視図である。
【図2】光走査装置100の動作説明図である。
【図3】本発明の第2実施形態に係る光走査装置100の斜視図である。
【図4】(A)乃至(E)は捩りばね部材30の形状例を示す平面視図である。
【図5】(A)及び(B)は捩りばね部材30の形状例を示す平面視図である。
【符号の説明】
【0047】
100 光走査装置
10 基板
11a、20a 突出片部
20 揺動部材
30 捩りばね部材

【特許請求の範囲】
【請求項1】
基板と、
前記基板に板波振動を励起する駆動手段と、
前記基板に連結されたねじりばね部材と、
前記ねじりばね部材に連結され、前記基板の板波振動により励起される前記ねじりばね部材の捩れ振動により、前記ねじりばね部材を揺動中心軸として揺動する揺動部材と、
前記揺動部材に形成された光反射面と、を備え、
前記基板又は前記揺動部材の少なくともいずれか一方が、トリミング用の突出片部を有することを特徴とする光走査装置。
【請求項2】
前記揺動部材が前記突出片部を有し、
前記光反射面は、前記突出片部には形成されていないことを特徴とする請求項1に記載の光走査装置。
【請求項3】
前記ねじりばね部材が、
前記基板に連結された分岐元部分と、
前記分岐元部分から分岐して前記揺動部材に連結された複数の分岐部分と、
を有することを特徴とする請求項1又は2に記載の光走査装置。
【請求項4】
前記分岐元部分と前記分岐部分との曲折部分に丸みをつけたことを特徴とする請求項3に記載の光走査装置。
【請求項5】
前記分岐元部分が直線状をなし、
前記分岐部分が、
前記分岐元部分の長手方向と直交する方向に分岐し、かつ、前記分岐元部分の長手方向の中心線の一側方と、他側方とにそれぞれ少なくとも1つずつ配置されていることを特徴とする請求項3又は請求項4に記載の光走査装置。
【請求項6】
複数の前記分岐部分が、
前記分岐元部分の長手方向の中心線に対して対称に配置された一対の前記分岐部分を少なくとも含むことを特徴とする請求項5に記載の光走査装置。
【請求項7】
前記ねじりばね部材及び前記揺動部材が、一枚の板材から一体に形成されており、
平面視で、前記分岐元部分の長手方向の中心線が、前記光反射面の中心を通過し、
平面視で、複数の前記分岐部分が、前記分岐元部分の長手方向の中心線に対して対称に配置された一対の前記分岐部分を少なくとも含むことを特徴とする請求項5に記載の光走査装置。
【請求項8】
平面視で、前記分岐元部分の長手方向の中心線が、前記揺動部材の中心からずれた位置を通過していることを特徴とする請求項7に記載の光走査装置。
【請求項9】
前記ねじりばね部材及び前記揺動部材が、一枚の板材から一体に形成されており、
平面視で、前記分岐元部分の長手方向の中心線が、前記揺動部材の中心からずれた位置を通過し、
複数の前記分岐部分が、
前記分岐元部分の長手方向の中心線よりも前記揺動部材の中心側に配置された第1の分岐部分と、前記分岐元部分の長手方向の中心線に対して前記第1の分岐部分と反対側に配置された第2の分岐部分と、を含み、
前記第1の分岐部分と前記揺動部材との連結点から前記中心線までの距離が、前記第2の分岐部分と前記揺動部材との連結点から前記中心線までの距離よりも長いことを特徴とする請求項5に記載の光走査装置。
【請求項10】
前記基板、前記ねじりばね部材及び前記揺動部材が、一枚の板材から一体に形成されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載の光走査装置。

【図1】
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【図2】
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【図3】
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【図4】
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【図5】
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【公開番号】特開2010−2637(P2010−2637A)
【公開日】平成22年1月7日(2010.1.7)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2008−160944(P2008−160944)
【出願日】平成20年6月19日(2008.6.19)
【出願人】(000104652)キヤノン電子株式会社 (876)
【Fターム(参考)】