光走査装置
【課題】３自由度連成振動系を構成した光走査装置において走査範囲を大きくする
【解決手段】光走査装置１は、ミラー１３、内ジンバル１２、外ジンバル１１、支持部３、弾性連結部１６ａ，１６ｂ、弾性連結部１５ａ，１５ｂ、及び弾性連結部１４ａ，１４ｂが、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成する。このため、櫛歯電極部１７，１９と櫛歯電極部４ａ，４ｂとの間に電圧を印加して、固有の周期的外力を外ジンバル１１に作用させることにより、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。そして、ミラー１３の振幅角を大きくするために、｛（ミラー１３のねじりバネ定数Ｋ１）／（ミラー１３の慣性モーメントＩ１）｝＞｛（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）｝となるように光走査装置１を構成する。
【解決手段】光走査装置１は、ミラー１３、内ジンバル１２、外ジンバル１１、支持部３、弾性連結部１６ａ，１６ｂ、弾性連結部１５ａ，１５ｂ、及び弾性連結部１４ａ，１４ｂが、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成する。このため、櫛歯電極部１７，１９と櫛歯電極部４ａ，４ｂとの間に電圧を印加して、固有の周期的外力を外ジンバル１１に作用させることにより、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。そして、ミラー１３の振幅角を大きくするために、｛（ミラー１３のねじりバネ定数Ｋ１）／（ミラー１３の慣性モーメントＩ１）｝＞｛（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）｝となるように光走査装置１を構成する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを走査する光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光走査装置の小型化を目的として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用した光走査装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
これに対して本願出願人は、鏡面部が表面に形成された第３フレームと、第３フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第２フレームと、第２フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第１フレームと、第１フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第０フレームとを備え、さらに、第３フレームと第２フレームと第１フレームとをそれぞれの回転軸を中心に捩じり振動可能に構成されることで、３自由度連成振動系を構成した光走査装置を提案している（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
このように構成された光走査装置では、第１フレームに固有の周期的加振力を作用させることにより、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。そして、第２フレームと第３フレームそれぞれの振動に対応した周期的加振力を重畳して与えることにより、第２フレームと第３フレームをそれぞれ異なる周波数および振幅で振動させ、さらに第３フレームの鏡面部で光を反射させることで、光を２次元走査することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６７８６０号公報
【特許文献２】特開２００８−１２９０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献２に記載の光走査装置では、第１フレームのみへの加振で、第２フレームと第３フレームの２つのフレームを振動させるため、走査範囲が小さいという問題があった。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、３自由度連成振動系を構成した光走査装置において走査範囲を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の光走査装置は、光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、反射部に連結された弾性変形可能な第１弾性連結部を有し、第１弾性連結部を回転軸として反射部を揺動可能に支持する第１支持部と、第１支持部に連結された弾性変形可能な第２弾性連結部を有し、第２弾性連結部を回転軸として第１支持部を揺動可能に支持する第２支持部と、第２支持部に連結された弾性変形可能な第３弾性連結部を有し、第３弾性連結部を回転軸として第２支持部を揺動可能に支持する第３支持部とを備えて、反射部、第１支持部、第２支持部、第３支持部、第１弾性連結部、第２弾性連結部、及び第３弾性連結部が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成する。
【０００８】
このため、請求項１に記載の光走査装置は、第３支持部を固定端として、第１弾性連結部，第２弾性連結部，第３弾性連結部に対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子になっている。
【０００９】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する反射部、第１支持部、および第２支持部の捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。したがって、或る振動モードにおいて、第２支持部の角度振幅が大きくなると、この振動モードにおける角度振幅の比に応じて、反射部および第１支持部の角度振幅が大きくなる。
【００１０】
そして、外力作用手段が、３自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。これにより、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。
また、３つの振動モードの各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００１１】
したがって、反射部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力と、第１支持部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることにより、反射部で反射するレーザ光を２次元的に走査することができる。
【００１２】
図３は、反射部の振幅角と第３弾性連結部のねじれバネ定数との関係の一例を示すグラフである。
図３に示すように、反射部の振幅角の大きさは、第３弾性連結部のねじれバネ定数に応じて大きく変化する。なお図３では、反射部の振幅角の最大値（図３の点Ｐ１を参照）が、反射部の振幅角の最小値（図３の点Ｐ２を参照）の約３．５倍の大きさとなる。すなわち、第３弾性連結部のねじれバネ定数の値を調整することにより、反射部の振幅角を大きくすることができ、走査範囲を大きくすることができる。
【００１３】
図５は、反射部の振幅角および第１支持部の振幅角と「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」との関係の一例を示すグラフである。
なお図５において、曲線Ｌ１は、第２支持部と反射部との位相角の差が０度（すなわち、同相）となる場合の反射部の振幅角を示し、曲線Ｌ２は、第２支持部と反射部との位相角の差が１８０度（すなわち、逆相）となる場合の反射部の振幅角を示し、曲線Ｌ３は、第１支持部の振幅角を示す。また、破線Ｌ４は、「（第２弾性連結部のねじりバネ定数）／（第１支持部の慣性モーメント）」の大きさ（図５では、約５Ｅ＋０７）を示し、破線Ｌ５は、「（第１弾性連結部のねじりバネ定数）／（反射部の慣性モーメント）」の大きさ（図５では、約１．６Ｅ＋１０）を示す。
【００１４】
図５に示すように、反射部の振幅角は、「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」が「（第１弾性連結部のねじりバネ定数）／（反射部の慣性モーメント）」未満であるときに最大値になっている。
【００１５】
このため、反射部の振幅角を大きくするためには、第１弾性連結部のねじれバネ定数、及び第３弾性連結部のねじれバネ定数をそれぞれ、Ｋ１，Ｋ３とし、反射部の慣性モーメント、及び第２支持部の慣性モーメントをそれぞれ、Ｉ１，Ｉ３として、下式（１）で表される関係式を満たすように構成されるようにするとよい。
【００１６】
（Ｋ１／Ｉ１） ＞ （Ｋ３／Ｉ３） …（１）
図６（ａ），（ｂ）は、反射部の振幅角および第１支持部の振幅角と「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」との関係の一例を示すグラフである。
【００１７】
図６（ａ）に示すように、「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」に応じて、「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」が小さい順に、第２支持部と反射部とが逆相になる領域Ｒ１（以下、逆相領域Ｒ１ともいう）と、第２支持部と反射部とが同相または逆相になる領域Ｒ２（以下、不安定領域Ｒ２ともいう）と、第２支持部と反射部とが同相になる領域Ｒ３（以下、同相領域Ｒ３ともいう）とに分割される。
【００１８】
このため、請求項１に記載の光走査装置において、第２支持部と反射部との位相角の差が０度となるように当該光走査装置が捩じり振動することを同相振動、第２支持部と反射部との位相角の差が１８０度となるように当該光走査装置が捩じり振動することを逆相振動とし、当該光走査装置は、（Ｋ３／Ｉ３）の値に応じて、同相振動のみが発生する振動状態である同相振動発生状態、逆相振動のみが発生する振動状態である逆相振動発生状態、同相振動または逆相振動が発生する振動状態である不安定振動状態の何れかの状態に遷移する場合には、請求項２に記載のように、不安定振動状態とならない（Ｋ３／Ｉ３）の値に設定されているようにするとよい。
【００１９】
これにより、光走査装置の動作が比較的安定するようになり、光ビーム走査の乱れを抑制することができる。
また図６（ｂ）に示すように、第１支持部の振幅角は、逆相領域Ｒ１で最大値になっており、逆相領域Ｒ１での第１支持部の振幅角は、同相領域Ｒ３での第１支持部の振幅角よりも大きい。
【００２０】
このため、請求項２に記載の光走査装置において、請求項３に記載のように、逆相振動発生状態となる（Ｋ３／Ｉ３）の値に設定されているようにするとよい。
これにより、第１支持部の振幅角が比較的大きくなる状態で光走査装置を動作させることができ、２次元で光ビーム走査を行う場合に、走査範囲を拡大することができる。
【００２１】
また、図５に示すように、第１支持部の振幅角は、「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」が「（第２弾性連結部のねじりバネ定数）／（第１支持部の慣性モーメント）」より大きいときに最大値になっている。
【００２２】
このため、第１支持部の振幅角を大きくして、走査範囲を大きくするために、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光走査装置において、請求項４に記載のように、第２弾性連結部のねじれバネ定数をＫ２とし、第１支持部の慣性モーメントをＩ２として、下式（２）で表される関係式を満たすように構成されるようにするとよい。
【００２３】
（Ｋ３／Ｉ３） ＞ （Ｋ２／Ｉ２） …（２）
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】光走査装置１の構成を示す平面図である。
【図２】光走査装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】ミラー振幅角と外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３との関係の一例を示すグラフである。
【図４】ミラー振幅角または内ジンバル振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示すグラフである。
【図５】ミラー振幅角および内ジンバル振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示す第１のグラフである。
【図６】ミラー振幅角および内ジンバル振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示す第２，３のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に本発明の実施形態について図面とともに説明する。
図１は、本発明が適用された実施形態の光走査装置１の構成を示す平面図である。
光走査装置１は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものであり、図１に示すように、光ビームを走査する光ビーム走査部２と、光ビーム走査部２を支持する支持部３と、光ビーム走査部２に回転駆動力を印加する駆動部４と、光ビーム走査部２の回転角度を検出する角度検出部５とを備える。
【００２６】
光ビーム走査部２は、外ジンバル１１と内ジンバル１２とミラー１３と弾性連結部１４ａ，１４ｂと弾性連結部１５ａ，１５ｂと弾性連結部１６ａ，１６ｂと、櫛歯電極部１７，１８，１９，２０とから構成される。
【００２７】
これらのうちミラー１３は、円形状であり、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成される。また内ジンバル１２は、矩形枠状であり、枠内にミラー１３が配置される。また外ジンバル１１は、矩形枠状であり、枠内に内ジンバル１２が配置される。
【００２８】
また弾性連結部１６ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル１２の枠内に配置され、ミラー１３と内ジンバル１２とを連結する。また弾性連結部１６ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル１２の枠内に配置され、ミラー１３を挟んで弾性連結部１６ａと反対側において、ミラー１３と内ジンバル１２とを連結する。なお、弾性連結部１６ａ及び弾性連結部１６ｂは、ミラー１３の重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、ミラー１３の回転軸ｋとなる。これによりミラー１３は、回転軸ｋを中心に捩じり振動可能に構成される。
【００２９】
また弾性連結部１５ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の枠内に配置され、内ジンバル１２と外ジンバル１１とを連結する。また弾性連結部１５ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の枠内に配置され、内ジンバル１２を挟んで弾性連結部１５ａと反対側において、内ジンバル１２と外ジンバル１１とを連結する。なお、弾性連結部１５ａ及び弾性連結部１５ｂは、ミラー１３と内ジンバル１２との重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、ミラー１３の回転軸ｊとなる。これにより内ジンバル１２は、回転軸ｊを中心に捩じり振動可能に構成される。
【００３０】
また弾性連結部１４ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の上辺１１ａと支持部３とを連結する。また弾性連結部１４ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１を挟んで弾性連結部１４ａと反対側において、外ジンバル１１の下辺１１ｂと支持部３とを連結する。なお、弾性連結部１４ａ及び弾性連結部１４ｂは、ミラー１３と内ジンバル１２と外ジンバル１１との重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、外ジンバル１１の回転軸ｉとなる。これにより外ジンバル１１は、回転軸ｉを中心に捩じり振動可能に構成される。
【００３１】
また櫛歯電極部１７は、外ジンバル１１の左辺１１ｃに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部１８は、櫛歯電極部１７の上方において、左辺１１ｃに沿って櫛歯状に形成されている。
【００３２】
また櫛歯電極部１９は、外ジンバル１１の右辺１１ｄに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部２０は、櫛歯電極部１７の上方において、右辺１１ｄに沿って櫛歯状に形成されている。
【００３３】
次に支持部３は、上辺１１ａと連結されていない側の弾性連結部１４ａの端部と連結される上側支持部３ａと、下辺１１ｂと連結されていない側の弾性連結部１４ｂの端部と連結される下側支持部３ｂとから構成される。
【００３４】
さらに駆動部４は、櫛歯電極部１７と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部４ａと、櫛歯電極部１９と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部４ｂとから構成される。
【００３５】
また角度検出部５は、櫛歯電極部１８と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部５ａと、櫛歯電極部２０と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部５ｂとから構成される。
【００３６】
次に、光走査装置１の電気的構成について説明する。図２は、光走査装置１の電気的構成を示すブロック図である。
光走査装置１は、図２に示すように、光ビーム走査部２を回転駆動するための駆動信号としてのパルス電圧を出力する駆動信号発生回路３１と、駆動信号発生回路３１により出力された駆動信号を増幅して櫛歯電極部４ａ，４ｂに印加する増幅回路３２と、櫛歯電極部５ａ，５ｂと櫛歯電極部１９，２０との間の静電容量を電圧値に変換するＣ−Ｖ変換回路３３ａ，３３ｂ（以下、Ｃ−Ｖ変換回路３３ａ，３３ｂをまとめてＣ−Ｖ変換回路３３ともいう）と、光ビームの発光源となる半導体レーザ３４と、Ｃ−Ｖ変換回路３３から出力される電圧をモニタし、この電圧値に基づいて半導体レーザ３４を制御するとともに、駆動信号発生回路３１を制御する制御回路３５とを備える。
【００３７】
次に、光走査装置１の動作原理を説明する。
光走査装置１は、支持部３を固定端として、回転軸ｉ，ｊ，ｋに対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子になっている。
【００３８】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。以下、これら３つの振動モードをそれぞれ、振動モード１、振動モード２、振動モード３という。
【００３９】
なお、櫛歯電極部４ａ，４ｂに電圧を印加すると、櫛歯電極部１７，１９との間に静電気力が発生する。また、外ジンバル１１が１周期振動する間に櫛歯電極部１７，１９は櫛歯電極部４ａ，４ｂに２回最接近する。このため、共振周波数の２倍に近い周期的静電気力が加われば、３自由度捻り振動子を共振状態にできる（以下、共振状態にするための加振力を周期的加振力という）。また、櫛歯電極部１７，１９が櫛歯電極部４ａ，４ｂに接近する毎に、周期的加振力を作用させることができる。
【００４０】
そして、振動モード１、振動モード２、振動モード３の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００４１】
ここで、例えば、
振動モード１の共振周波数ｆ１を１０００Ｈｚ、
振動モード２の共振周波数ｆ２を５０００Ｈｚ、
振動モード３の共振周波数ｆ３を４００００Ｈｚ、
振動モード１における外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の振幅比ｒ１を「１：−２０：０．５」、
振動モード２における外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の振幅比ｒ２を「１：０．０１：−５０」、
振動モード３における外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の振幅比ｒ３を「１：０．０２：−０．０３」、
として設計した場合の、３自由度捻り振動子の動作を説明する。
【００４２】
尚、各振動モードにおける振幅比は、左から外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の順で記述している。例えば、上記の振幅比ｒ１は、外ジンバル１１の振幅が「１」とすると、内ジンバル１２の振幅が「−２０」、ミラー１３の振幅が「０．５」となることを示す。
【００４３】
また、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は０度または１８０度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が０度の場合は符号を「＋」、１８０度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比ｒ１は、外ジンバル１１とミラー１３との位相角の差が０度となり、外ジンバル１１と内ジンバル１２との位相角の差が１８０度となることを示す。
【００４４】
そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード１では、主に内ジンバル１２と、内ジンバル１２に繋がったミラー１３とが１０００Ｈｚで大きく捻り振動する。また、振動モード２では、主にミラー１３が５０００Ｈｚで大きく捻り振動する。
【００４５】
このため、ミラー１３の鏡面部分でレーザ光を反射させるとともに、振動モード１と振動モード２とを同時に励振させることにより、振動モード２を主走査方向（５０００Ｈｚ）、振動モード１を副走査方向（１０００Ｈｚ）として、２次元的にレーザ光を走査することができる。
【００４６】
次に、光走査装置１の動作について説明する。
制御回路３５による制御に基づいて駆動信号発生回路３１が駆動信号を出力すると、増幅回路３２によりこの駆動信号の電圧値が増幅されて櫛歯電極部４ａ，４ｂに印加される。これにより、櫛歯電極部４ａ，４ｂと、櫛歯電極部１７，１９との間にパルス電圧が印加されて周期的に変化する静電引力が生じ、弾性連結部１４ａ，１４ｂが弾性変形してねじれることにより、光ビーム走査部２が弾性連結部１４ａ，１４ｂを回転軸ｉとして往復振動する。
【００４７】
ここで、駆動信号発生回路３１は、ミラー１３の角度振幅が、外ジンバル１１および内ジンバル１２よりも大きい振動モードの共振周波数の２倍の周波数の駆動信号を出力するようになっており、これにより、光ビーム走査部２と弾性連結部１４ａ，１４ｂとからなる振動系が共振し、光ビーム走査部２が共振周波数で往復振動する。
【００４８】
そして、この状態でミラー１３に半導体レーザ３４から光ビームが照射されると、その光ビームがミラー１３の鏡面で反射されることにより出射されるとともに、ミラー１３の往復振動に伴い、ミラー１３の回転角度に応じた方向に走査される。
【００４９】
一方、外ジンバル１１の往復振動に伴い、櫛歯電極部５ａ，５ｂと櫛歯電極部１８，２０との距離も周期的に変化する。これにより、櫛歯電極部５ａ，５ｂと櫛歯電極部１８，２０との間の静電容量が、外ジンバル１１の回転角度に応じて変化する。そして制御回路３５は、これらの静電容量に基づき、外ジンバル１１の回転角度を検出する。なお上述したように、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は０度または１８０度であるため、外ジンバル１１の回転角度を検出することにより、ミラー１３の回転角度を検出することができる。
【００５０】
このように構成された光走査装置１は、光ビームを反射させる鏡面部を有するミラー１３と、ミラー１３に連結された弾性変形可能な弾性連結部１６ａ，１６ｂを有し、弾性連結部１６ａ，１６ｂを回転軸ｋとしてミラー１３を揺動可能に支持する内ジンバル１２と、内ジンバル１２に連結された弾性変形可能な弾性連結部１５ａ，１５ｂを有し、弾性連結部１５ａ，１５ｂを回転軸ｊとして内ジンバル１２を揺動可能に支持する外ジンバル１１と、外ジンバル１１に連結された弾性変形可能な弾性連結部１４ａ，１４ｂを回転軸ｉとして外ジンバル１１を揺動可能に支持する支持部３とを備えて、ミラー１３、内ジンバル１２、外ジンバル１１、支持部３、弾性連結部１６ａ，１６ｂ、弾性連結部１５ａ，１５ｂ、及び弾性連結部１４ａ，１４ｂが、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成する。
【００５１】
このため光走査装置１は、支持部３を固定端として、弾性連結部１６ａ，１６ｂ、弾性連結部１５ａ，１５ｂ、及び弾性連結部１４ａ，１４ｂに対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子になっている。
【００５２】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対するミラー１３、内ジンバル１２、外ジンバル１１の捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。したがって、或る振動モードにおいて、外ジンバル１１の角度振幅が大きくなると、この振動モードにおける角度振幅の比に応じて、ミラー１３および内ジンバル１２の角度振幅が大きくなる。
【００５３】
そして、櫛歯状に形成された櫛歯電極部１７，１９が外ジンバル１１に設けられるとともに、櫛歯電極部１７，１９と噛み合い可能な櫛歯状に形成された櫛歯電極部４ａ，４ｂが櫛歯電極部１７，１９と噛み合い可能な位置に固定して設置され、駆動信号発生回路３１が、櫛歯電極部１７，１９と櫛歯電極部４ａ，４ｂとの間に電圧を印加して、両電極部間に静電引力を発生させる。
【００５４】
このため、駆動信号発生回路３１が、櫛歯電極部１７，１９と櫛歯電極部４ａ，４ｂとの間に電圧を印加して、固有の周期的外力を外ジンバル１１に作用させることにより、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。
【００５５】
また、３つの振動モードの各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００５６】
したがって、ミラー１３の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力と、内ジンバル１２の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることにより、ミラー１３で反射するレーザ光を２次元的に走査することができる。
【００５７】
図３は、ミラー１３の振幅角（以下、ミラー振幅角ともいう）と弾性連結部１４ａ，１４ｂのねじりバネ定数Ｋ３との関係の一例を示すグラフである。なお以下、弾性連結部１４ａ，１４ｂのねじりバネ定数Ｋ３を外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３と称す。
【００５８】
図３に示すように、ミラー振幅角の大きさは、外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３に応じて大きく変化する。なお図３では、ミラー振幅角の最大値（図３の点Ｐ１を参照）が、ミラー振幅角の最小値（図３の点Ｐ２を参照）の約３．５倍の大きさとなる。すなわち、外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３の値を調整することにより、ミラー振幅角を大きくすることができ、走査範囲を大きくすることができる。
【００５９】
図４（ａ）は、ミラー１３の振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示すグラフである。なお図４（ａ）において、曲線Ｌ１は、外ジンバル１１とミラー１３との位相角の差が０度（すなわち、同相）となる場合のミラー振幅角を示し、曲線Ｌ２は、外ジンバル１１とミラー１３との位相角の差が１８０度（すなわち、逆相）となる場合のミラー振幅角を示す。
【００６０】
図４（ａ）に示すように、ミラー振幅角の大きさは、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」に応じて大きく変化する。また、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」に応じて、（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」が小さい順に、外ジンバル１１とミラー１３とが逆相になる領域Ｒ１（以下、逆相領域Ｒ１ともいう）と、外ジンバル１１とミラー１３とが同相または逆相になる領域Ｒ２（以下、不安定領域Ｒ２ともいう）と、外ジンバル１１とミラー１３とが同相になる領域Ｒ３（以下、同相領域Ｒ３ともいう）とに分割される。
【００６１】
図４（ｂ）は、内ジンバル１２の振幅角（以下、内ジンバル振幅角ともいう）と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示すグラフである。図４（ｂ）に示すように、内ジンバル振幅角の大きさは、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」に応じて大きく変化する。
【００６２】
図５、図６（ａ）、図６（ｂ）は、ミラー振幅角および内ジンバル振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示すグラフである。なお、図５、図６（ａ）、図６（ｂ）は、図４（ａ）と図４（ｂ）を重ねて示したものである。
【００６３】
図５において、破線Ｌ４は、「（弾性連結部１５ａ，１５ｂのねじりバネ定数Ｋ２）／（内ジンバル１２の慣性モーメントＩ２）」の大きさ（図５では、約５Ｅ＋０７）を示し、破線Ｌ５は、「（弾性連結部１６ａ，１６ｂのねじりバネ定数Ｋ１）／（ミラー１３の慣性モーメントＩ１）」の大きさ（図５では、約１．６Ｅ＋１０）を示す。なお以下、「弾性連結部１５ａ，１５ｂのねじりバネ定数Ｋ２」を「内ジンバル１２のねじりバネ定数Ｋ２」と、「弾性連結部１６ａ，１６ｂのねじりバネ定数Ｋ１」を「ミラー１３のねじりバネ定数Ｋ１」と称す。
【００６４】
図５に示すように、ミラー振幅角は、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」が「（ミラー１３のねじりバネ定数Ｋ１）／（ミラー１３の慣性モーメントＩ１）」未満である領域Ｒ４で最大値になっている。
【００６５】
このため、ミラー振幅角を大きくするためには、｛（ミラー１３のねじりバネ定数Ｋ１）／（ミラー１３の慣性モーメントＩ１）｝＞｛（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）｝となるように光走査装置１を構成するとよい。
【００６６】
また図６（ａ）に示すように、領域Ｒ４のうち、上記不安定領域Ｒ２を除外するように「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」の値を設定することにより、光走査装置１の動作が比較的安定するようになり、光ビーム走査の乱れを抑制することができる。
【００６７】
また図６（ｂ）に示すように、領域Ｒ４のうち、上記不安定領域Ｒ２および上記同相領域Ｒ３を除外するように「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」の値を設定することにより、内ジンバル振幅角が比較的大きくなる領域で光走査装置１を動作させることができ、２次元で光ビーム走査を行う場合に、走査範囲を拡大することができる。
【００６８】
また図５に示すように、内ジンバル振幅角は、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」が「（内ジンバル１２のねじりバネ定数Ｋ２）／（内ジンバル１２の慣性モーメントＩ２）」より大きい領域で最大値になっている。
【００６９】
このため、内ジンバル振幅角を大きくして、走査範囲を大きくするためには、｛（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）｝＞｛（内ジンバル１２のねじりバネ定数Ｋ２）／（内ジンバル１２の慣性モーメントＩ２）｝となるように光走査装置１を構成するとよい。
【００７０】
以上説明した実施形態において、ミラー１３は本発明における反射部、弾性連結部１６ａ，１６ｂは本発明における第１弾性連結部、内ジンバル１２は本発明における第１支持部、弾性連結部１５ａ，１５ｂは本発明における第２弾性連結部、外ジンバル１１は本発明における第２支持部、弾性連結部１４ａ，１４ｂは本発明における第３弾性連結部、支持部３は本発明における第３支持部、駆動部４は本発明における外力作用手段である。
【００７１】
また、同相領域Ｒ３は本発明における同相振動発生状態、逆相領域Ｒ１は本発明における逆相振動発生状態、不安定領域Ｒ２は本発明における不安定振動状態である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
【００７２】
例えば上記実施形態においては、櫛歯電極部４ａ，４ｂと、櫛歯電極部１７，１９との間に静電引力を生じさせることにより、外ジンバル１１を往復振動させるものを示した。しかし、圧電駆動または電磁駆動により外ジンバル１１を往復振動させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１…光走査装置、２…光ビーム走査部、３…支持部、４…駆動部、４ａ，４ｂ…櫛歯電極部、５…角度検出部、５ａ，５ｂ…櫛歯電極部、１１…外ジンバル、１２…内ジンバル、１３…ミラー、１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ…弾性連結部、１７，１８，１９，２０…櫛歯電極部、３１…駆動信号発生回路、３２…増幅回路、３３…Ｃ−Ｖ変換回路、３４…半導体レーザ、３５…制御回路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを走査する光走査装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、光走査装置の小型化を目的として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を利用した光走査装置が種々提案されている（例えば、特許文献１参照）。
これに対して本願出願人は、鏡面部が表面に形成された第３フレームと、第３フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第２フレームと、第２フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第１フレームと、第１フレームに対し所定の隙間を介して設けられた第０フレームとを備え、さらに、第３フレームと第２フレームと第１フレームとをそれぞれの回転軸を中心に捩じり振動可能に構成されることで、３自由度連成振動系を構成した光走査装置を提案している（例えば、特許文献２参照）。
【０００３】
このように構成された光走査装置では、第１フレームに固有の周期的加振力を作用させることにより、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。そして、第２フレームと第３フレームそれぞれの振動に対応した周期的加振力を重畳して与えることにより、第２フレームと第３フレームをそれぞれ異なる周波数および振幅で振動させ、さらに第３フレームの鏡面部で光を反射させることで、光を２次元走査することができる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００６−１６７８６０号公報
【特許文献２】特開２００８−１２９０６８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、特許文献２に記載の光走査装置では、第１フレームのみへの加振で、第２フレームと第３フレームの２つのフレームを振動させるため、走査範囲が小さいという問題があった。
【０００６】
本発明は、こうした問題に鑑みなされたものであり、３自由度連成振動系を構成した光走査装置において走査範囲を大きくすることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記目的を達成するためになされた請求項１に記載の光走査装置は、光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、反射部に連結された弾性変形可能な第１弾性連結部を有し、第１弾性連結部を回転軸として反射部を揺動可能に支持する第１支持部と、第１支持部に連結された弾性変形可能な第２弾性連結部を有し、第２弾性連結部を回転軸として第１支持部を揺動可能に支持する第２支持部と、第２支持部に連結された弾性変形可能な第３弾性連結部を有し、第３弾性連結部を回転軸として第２支持部を揺動可能に支持する第３支持部とを備えて、反射部、第１支持部、第２支持部、第３支持部、第１弾性連結部、第２弾性連結部、及び第３弾性連結部が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成する。
【０００８】
このため、請求項１に記載の光走査装置は、第３支持部を固定端として、第１弾性連結部，第２弾性連結部，第３弾性連結部に対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子になっている。
【０００９】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する反射部、第１支持部、および第２支持部の捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。したがって、或る振動モードにおいて、第２支持部の角度振幅が大きくなると、この振動モードにおける角度振幅の比に応じて、反射部および第１支持部の角度振幅が大きくなる。
【００１０】
そして、外力作用手段が、３自由度連成振動系に固有の周期的外力を作用させる。これにより、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。
また、３つの振動モードの各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００１１】
したがって、反射部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力と、第１支持部の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることにより、反射部で反射するレーザ光を２次元的に走査することができる。
【００１２】
図３は、反射部の振幅角と第３弾性連結部のねじれバネ定数との関係の一例を示すグラフである。
図３に示すように、反射部の振幅角の大きさは、第３弾性連結部のねじれバネ定数に応じて大きく変化する。なお図３では、反射部の振幅角の最大値（図３の点Ｐ１を参照）が、反射部の振幅角の最小値（図３の点Ｐ２を参照）の約３．５倍の大きさとなる。すなわち、第３弾性連結部のねじれバネ定数の値を調整することにより、反射部の振幅角を大きくすることができ、走査範囲を大きくすることができる。
【００１３】
図５は、反射部の振幅角および第１支持部の振幅角と「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」との関係の一例を示すグラフである。
なお図５において、曲線Ｌ１は、第２支持部と反射部との位相角の差が０度（すなわち、同相）となる場合の反射部の振幅角を示し、曲線Ｌ２は、第２支持部と反射部との位相角の差が１８０度（すなわち、逆相）となる場合の反射部の振幅角を示し、曲線Ｌ３は、第１支持部の振幅角を示す。また、破線Ｌ４は、「（第２弾性連結部のねじりバネ定数）／（第１支持部の慣性モーメント）」の大きさ（図５では、約５Ｅ＋０７）を示し、破線Ｌ５は、「（第１弾性連結部のねじりバネ定数）／（反射部の慣性モーメント）」の大きさ（図５では、約１．６Ｅ＋１０）を示す。
【００１４】
図５に示すように、反射部の振幅角は、「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」が「（第１弾性連結部のねじりバネ定数）／（反射部の慣性モーメント）」未満であるときに最大値になっている。
【００１５】
このため、反射部の振幅角を大きくするためには、第１弾性連結部のねじれバネ定数、及び第３弾性連結部のねじれバネ定数をそれぞれ、Ｋ１，Ｋ３とし、反射部の慣性モーメント、及び第２支持部の慣性モーメントをそれぞれ、Ｉ１，Ｉ３として、下式（１）で表される関係式を満たすように構成されるようにするとよい。
【００１６】
（Ｋ１／Ｉ１） ＞ （Ｋ３／Ｉ３） …（１）
図６（ａ），（ｂ）は、反射部の振幅角および第１支持部の振幅角と「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」との関係の一例を示すグラフである。
【００１７】
図６（ａ）に示すように、「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」に応じて、「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」が小さい順に、第２支持部と反射部とが逆相になる領域Ｒ１（以下、逆相領域Ｒ１ともいう）と、第２支持部と反射部とが同相または逆相になる領域Ｒ２（以下、不安定領域Ｒ２ともいう）と、第２支持部と反射部とが同相になる領域Ｒ３（以下、同相領域Ｒ３ともいう）とに分割される。
【００１８】
このため、請求項１に記載の光走査装置において、第２支持部と反射部との位相角の差が０度となるように当該光走査装置が捩じり振動することを同相振動、第２支持部と反射部との位相角の差が１８０度となるように当該光走査装置が捩じり振動することを逆相振動とし、当該光走査装置は、（Ｋ３／Ｉ３）の値に応じて、同相振動のみが発生する振動状態である同相振動発生状態、逆相振動のみが発生する振動状態である逆相振動発生状態、同相振動または逆相振動が発生する振動状態である不安定振動状態の何れかの状態に遷移する場合には、請求項２に記載のように、不安定振動状態とならない（Ｋ３／Ｉ３）の値に設定されているようにするとよい。
【００１９】
これにより、光走査装置の動作が比較的安定するようになり、光ビーム走査の乱れを抑制することができる。
また図６（ｂ）に示すように、第１支持部の振幅角は、逆相領域Ｒ１で最大値になっており、逆相領域Ｒ１での第１支持部の振幅角は、同相領域Ｒ３での第１支持部の振幅角よりも大きい。
【００２０】
このため、請求項２に記載の光走査装置において、請求項３に記載のように、逆相振動発生状態となる（Ｋ３／Ｉ３）の値に設定されているようにするとよい。
これにより、第１支持部の振幅角が比較的大きくなる状態で光走査装置を動作させることができ、２次元で光ビーム走査を行う場合に、走査範囲を拡大することができる。
【００２１】
また、図５に示すように、第１支持部の振幅角は、「（第３弾性連結部のねじりバネ定数）／（第２支持部の慣性モーメント）」が「（第２弾性連結部のねじりバネ定数）／（第１支持部の慣性モーメント）」より大きいときに最大値になっている。
【００２２】
このため、第１支持部の振幅角を大きくして、走査範囲を大きくするために、請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光走査装置において、請求項４に記載のように、第２弾性連結部のねじれバネ定数をＫ２とし、第１支持部の慣性モーメントをＩ２として、下式（２）で表される関係式を満たすように構成されるようにするとよい。
【００２３】
（Ｋ３／Ｉ３） ＞ （Ｋ２／Ｉ２） …（２）
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】光走査装置１の構成を示す平面図である。
【図２】光走査装置１の電気的構成を示すブロック図である。
【図３】ミラー振幅角と外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３との関係の一例を示すグラフである。
【図４】ミラー振幅角または内ジンバル振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示すグラフである。
【図５】ミラー振幅角および内ジンバル振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示す第１のグラフである。
【図６】ミラー振幅角および内ジンバル振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示す第２，３のグラフである。
【発明を実施するための形態】
【００２５】
以下に本発明の実施形態について図面とともに説明する。
図１は、本発明が適用された実施形態の光走査装置１の構成を示す平面図である。
光走査装置１は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）ウエハを半導体プロセスで加工して製造されたものであり、図１に示すように、光ビームを走査する光ビーム走査部２と、光ビーム走査部２を支持する支持部３と、光ビーム走査部２に回転駆動力を印加する駆動部４と、光ビーム走査部２の回転角度を検出する角度検出部５とを備える。
【００２６】
光ビーム走査部２は、外ジンバル１１と内ジンバル１２とミラー１３と弾性連結部１４ａ，１４ｂと弾性連結部１５ａ，１５ｂと弾性連結部１６ａ，１６ｂと、櫛歯電極部１７，１８，１９，２０とから構成される。
【００２７】
これらのうちミラー１３は、円形状であり、アルミ薄膜の鏡面部が表面に形成される。また内ジンバル１２は、矩形枠状であり、枠内にミラー１３が配置される。また外ジンバル１１は、矩形枠状であり、枠内に内ジンバル１２が配置される。
【００２８】
また弾性連結部１６ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル１２の枠内に配置され、ミラー１３と内ジンバル１２とを連結する。また弾性連結部１６ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、内ジンバル１２の枠内に配置され、ミラー１３を挟んで弾性連結部１６ａと反対側において、ミラー１３と内ジンバル１２とを連結する。なお、弾性連結部１６ａ及び弾性連結部１６ｂは、ミラー１３の重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、ミラー１３の回転軸ｋとなる。これによりミラー１３は、回転軸ｋを中心に捩じり振動可能に構成される。
【００２９】
また弾性連結部１５ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の枠内に配置され、内ジンバル１２と外ジンバル１１とを連結する。また弾性連結部１５ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の枠内に配置され、内ジンバル１２を挟んで弾性連結部１５ａと反対側において、内ジンバル１２と外ジンバル１１とを連結する。なお、弾性連結部１５ａ及び弾性連結部１５ｂは、ミラー１３と内ジンバル１２との重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、ミラー１３の回転軸ｊとなる。これにより内ジンバル１２は、回転軸ｊを中心に捩じり振動可能に構成される。
【００３０】
また弾性連結部１４ａは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１の上辺１１ａと支持部３とを連結する。また弾性連結部１４ｂは、弾性変形可能な材料で構成されており、外ジンバル１１を挟んで弾性連結部１４ａと反対側において、外ジンバル１１の下辺１１ｂと支持部３とを連結する。なお、弾性連結部１４ａ及び弾性連結部１４ｂは、ミラー１３と内ジンバル１２と外ジンバル１１との重心ＪＳを通る同一直線上に配置されており、外ジンバル１１の回転軸ｉとなる。これにより外ジンバル１１は、回転軸ｉを中心に捩じり振動可能に構成される。
【００３１】
また櫛歯電極部１７は、外ジンバル１１の左辺１１ｃに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部１８は、櫛歯電極部１７の上方において、左辺１１ｃに沿って櫛歯状に形成されている。
【００３２】
また櫛歯電極部１９は、外ジンバル１１の右辺１１ｄに沿って櫛歯状に形成されている。さらに櫛歯電極部２０は、櫛歯電極部１７の上方において、右辺１１ｄに沿って櫛歯状に形成されている。
【００３３】
次に支持部３は、上辺１１ａと連結されていない側の弾性連結部１４ａの端部と連結される上側支持部３ａと、下辺１１ｂと連結されていない側の弾性連結部１４ｂの端部と連結される下側支持部３ｂとから構成される。
【００３４】
さらに駆動部４は、櫛歯電極部１７と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部４ａと、櫛歯電極部１９と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部４ｂとから構成される。
【００３５】
また角度検出部５は、櫛歯電極部１８と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部５ａと、櫛歯電極部２０と一定間隔を空けて噛み合う櫛歯状に形成された櫛歯電極部５ｂとから構成される。
【００３６】
次に、光走査装置１の電気的構成について説明する。図２は、光走査装置１の電気的構成を示すブロック図である。
光走査装置１は、図２に示すように、光ビーム走査部２を回転駆動するための駆動信号としてのパルス電圧を出力する駆動信号発生回路３１と、駆動信号発生回路３１により出力された駆動信号を増幅して櫛歯電極部４ａ，４ｂに印加する増幅回路３２と、櫛歯電極部５ａ，５ｂと櫛歯電極部１９，２０との間の静電容量を電圧値に変換するＣ−Ｖ変換回路３３ａ，３３ｂ（以下、Ｃ−Ｖ変換回路３３ａ，３３ｂをまとめてＣ−Ｖ変換回路３３ともいう）と、光ビームの発光源となる半導体レーザ３４と、Ｃ−Ｖ変換回路３３から出力される電圧をモニタし、この電圧値に基づいて半導体レーザ３４を制御するとともに、駆動信号発生回路３１を制御する制御回路３５とを備える。
【００３７】
次に、光走査装置１の動作原理を説明する。
光走査装置１は、支持部３を固定端として、回転軸ｉ，ｊ，ｋに対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子になっている。
【００３８】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対する各フレームの捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。以下、これら３つの振動モードをそれぞれ、振動モード１、振動モード２、振動モード３という。
【００３９】
なお、櫛歯電極部４ａ，４ｂに電圧を印加すると、櫛歯電極部１７，１９との間に静電気力が発生する。また、外ジンバル１１が１周期振動する間に櫛歯電極部１７，１９は櫛歯電極部４ａ，４ｂに２回最接近する。このため、共振周波数の２倍に近い周期的静電気力が加われば、３自由度捻り振動子を共振状態にできる（以下、共振状態にするための加振力を周期的加振力という）。また、櫛歯電極部１７，１９が櫛歯電極部４ａ，４ｂに接近する毎に、周期的加振力を作用させることができる。
【００４０】
そして、振動モード１、振動モード２、振動モード３の各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００４１】
ここで、例えば、
振動モード１の共振周波数ｆ１を１０００Ｈｚ、
振動モード２の共振周波数ｆ２を５０００Ｈｚ、
振動モード３の共振周波数ｆ３を４００００Ｈｚ、
振動モード１における外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の振幅比ｒ１を「１：−２０：０．５」、
振動モード２における外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の振幅比ｒ２を「１：０．０１：−５０」、
振動モード３における外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の振幅比ｒ３を「１：０．０２：−０．０３」、
として設計した場合の、３自由度捻り振動子の動作を説明する。
【００４２】
尚、各振動モードにおける振幅比は、左から外ジンバル１１、内ジンバル１２、ミラー１３の順で記述している。例えば、上記の振幅比ｒ１は、外ジンバル１１の振幅が「１」とすると、内ジンバル１２の振幅が「−２０」、ミラー１３の振幅が「０．５」となることを示す。
【００４３】
また、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は０度または１８０度となる。そこで、振幅比を記述する際に、位相角の差が０度の場合は符号を「＋」、１８０度の場合は符号を「−」とする。例えば、上記の振幅比ｒ１は、外ジンバル１１とミラー１３との位相角の差が０度となり、外ジンバル１１と内ジンバル１２との位相角の差が１８０度となることを示す。
【００４４】
そして、各振動モードの共振周波数と振幅比を上記のように設計すると、振動モード１では、主に内ジンバル１２と、内ジンバル１２に繋がったミラー１３とが１０００Ｈｚで大きく捻り振動する。また、振動モード２では、主にミラー１３が５０００Ｈｚで大きく捻り振動する。
【００４５】
このため、ミラー１３の鏡面部分でレーザ光を反射させるとともに、振動モード１と振動モード２とを同時に励振させることにより、振動モード２を主走査方向（５０００Ｈｚ）、振動モード１を副走査方向（１０００Ｈｚ）として、２次元的にレーザ光を走査することができる。
【００４６】
次に、光走査装置１の動作について説明する。
制御回路３５による制御に基づいて駆動信号発生回路３１が駆動信号を出力すると、増幅回路３２によりこの駆動信号の電圧値が増幅されて櫛歯電極部４ａ，４ｂに印加される。これにより、櫛歯電極部４ａ，４ｂと、櫛歯電極部１７，１９との間にパルス電圧が印加されて周期的に変化する静電引力が生じ、弾性連結部１４ａ，１４ｂが弾性変形してねじれることにより、光ビーム走査部２が弾性連結部１４ａ，１４ｂを回転軸ｉとして往復振動する。
【００４７】
ここで、駆動信号発生回路３１は、ミラー１３の角度振幅が、外ジンバル１１および内ジンバル１２よりも大きい振動モードの共振周波数の２倍の周波数の駆動信号を出力するようになっており、これにより、光ビーム走査部２と弾性連結部１４ａ，１４ｂとからなる振動系が共振し、光ビーム走査部２が共振周波数で往復振動する。
【００４８】
そして、この状態でミラー１３に半導体レーザ３４から光ビームが照射されると、その光ビームがミラー１３の鏡面で反射されることにより出射されるとともに、ミラー１３の往復振動に伴い、ミラー１３の回転角度に応じた方向に走査される。
【００４９】
一方、外ジンバル１１の往復振動に伴い、櫛歯電極部５ａ，５ｂと櫛歯電極部１８，２０との距離も周期的に変化する。これにより、櫛歯電極部５ａ，５ｂと櫛歯電極部１８，２０との間の静電容量が、外ジンバル１１の回転角度に応じて変化する。そして制御回路３５は、これらの静電容量に基づき、外ジンバル１１の回転角度を検出する。なお上述したように、３自由度捻り振動子の共振状態においては、理論上、各フレーム間の位相角は０度または１８０度であるため、外ジンバル１１の回転角度を検出することにより、ミラー１３の回転角度を検出することができる。
【００５０】
このように構成された光走査装置１は、光ビームを反射させる鏡面部を有するミラー１３と、ミラー１３に連結された弾性変形可能な弾性連結部１６ａ，１６ｂを有し、弾性連結部１６ａ，１６ｂを回転軸ｋとしてミラー１３を揺動可能に支持する内ジンバル１２と、内ジンバル１２に連結された弾性変形可能な弾性連結部１５ａ，１５ｂを有し、弾性連結部１５ａ，１５ｂを回転軸ｊとして内ジンバル１２を揺動可能に支持する外ジンバル１１と、外ジンバル１１に連結された弾性変形可能な弾性連結部１４ａ，１４ｂを回転軸ｉとして外ジンバル１１を揺動可能に支持する支持部３とを備えて、ミラー１３、内ジンバル１２、外ジンバル１１、支持部３、弾性連結部１６ａ，１６ｂ、弾性連結部１５ａ，１５ｂ、及び弾性連結部１４ａ，１４ｂが、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成する。
【００５１】
このため光走査装置１は、支持部３を固定端として、弾性連結部１６ａ，１６ｂ、弾性連結部１５ａ，１５ｂ、及び弾性連結部１４ａ，１４ｂに対しての捻り自由度を持つ３自由度捻り振動子になっている。
【００５２】
３自由度捻り振動子は、理論上３つの振動モードを持つ。すなわち、３つの振動モードはそれぞれ異なる共振周波数を持ち、各共振周波数に対するミラー１３、内ジンバル１２、外ジンバル１１の捻り振動の角度振幅の比はそれぞれ異なる（これは振動モードと呼ばれる）。したがって、或る振動モードにおいて、外ジンバル１１の角度振幅が大きくなると、この振動モードにおける角度振幅の比に応じて、ミラー１３および内ジンバル１２の角度振幅が大きくなる。
【００５３】
そして、櫛歯状に形成された櫛歯電極部１７，１９が外ジンバル１１に設けられるとともに、櫛歯電極部１７，１９と噛み合い可能な櫛歯状に形成された櫛歯電極部４ａ，４ｂが櫛歯電極部１７，１９と噛み合い可能な位置に固定して設置され、駆動信号発生回路３１が、櫛歯電極部１７，１９と櫛歯電極部４ａ，４ｂとの間に電圧を印加して、両電極部間に静電引力を発生させる。
【００５４】
このため、駆動信号発生回路３１が、櫛歯電極部１７，１９と櫛歯電極部４ａ，４ｂとの間に電圧を印加して、固有の周期的外力を外ジンバル１１に作用させることにより、３自由度捻り振動子を共振状態にできる。
【００５５】
また、３つの振動モードの各々に対応した周波数の周期的加振力を与えれば、それぞれの振動モードを励振できる。また、複数の周波数の周期的加振力を重畳して与えれば、複数の振動モードを同時に励振できる。
【００５６】
したがって、ミラー１３の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力と、内ジンバル１２の角度振幅が大きい振動モードに対応する周期的加振力とを重畳して与えることにより、ミラー１３で反射するレーザ光を２次元的に走査することができる。
【００５７】
図３は、ミラー１３の振幅角（以下、ミラー振幅角ともいう）と弾性連結部１４ａ，１４ｂのねじりバネ定数Ｋ３との関係の一例を示すグラフである。なお以下、弾性連結部１４ａ，１４ｂのねじりバネ定数Ｋ３を外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３と称す。
【００５８】
図３に示すように、ミラー振幅角の大きさは、外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３に応じて大きく変化する。なお図３では、ミラー振幅角の最大値（図３の点Ｐ１を参照）が、ミラー振幅角の最小値（図３の点Ｐ２を参照）の約３．５倍の大きさとなる。すなわち、外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３の値を調整することにより、ミラー振幅角を大きくすることができ、走査範囲を大きくすることができる。
【００５９】
図４（ａ）は、ミラー１３の振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示すグラフである。なお図４（ａ）において、曲線Ｌ１は、外ジンバル１１とミラー１３との位相角の差が０度（すなわち、同相）となる場合のミラー振幅角を示し、曲線Ｌ２は、外ジンバル１１とミラー１３との位相角の差が１８０度（すなわち、逆相）となる場合のミラー振幅角を示す。
【００６０】
図４（ａ）に示すように、ミラー振幅角の大きさは、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」に応じて大きく変化する。また、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」に応じて、（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」が小さい順に、外ジンバル１１とミラー１３とが逆相になる領域Ｒ１（以下、逆相領域Ｒ１ともいう）と、外ジンバル１１とミラー１３とが同相または逆相になる領域Ｒ２（以下、不安定領域Ｒ２ともいう）と、外ジンバル１１とミラー１３とが同相になる領域Ｒ３（以下、同相領域Ｒ３ともいう）とに分割される。
【００６１】
図４（ｂ）は、内ジンバル１２の振幅角（以下、内ジンバル振幅角ともいう）と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示すグラフである。図４（ｂ）に示すように、内ジンバル振幅角の大きさは、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」に応じて大きく変化する。
【００６２】
図５、図６（ａ）、図６（ｂ）は、ミラー振幅角および内ジンバル振幅角と「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」との関係の一例を示すグラフである。なお、図５、図６（ａ）、図６（ｂ）は、図４（ａ）と図４（ｂ）を重ねて示したものである。
【００６３】
図５において、破線Ｌ４は、「（弾性連結部１５ａ，１５ｂのねじりバネ定数Ｋ２）／（内ジンバル１２の慣性モーメントＩ２）」の大きさ（図５では、約５Ｅ＋０７）を示し、破線Ｌ５は、「（弾性連結部１６ａ，１６ｂのねじりバネ定数Ｋ１）／（ミラー１３の慣性モーメントＩ１）」の大きさ（図５では、約１．６Ｅ＋１０）を示す。なお以下、「弾性連結部１５ａ，１５ｂのねじりバネ定数Ｋ２」を「内ジンバル１２のねじりバネ定数Ｋ２」と、「弾性連結部１６ａ，１６ｂのねじりバネ定数Ｋ１」を「ミラー１３のねじりバネ定数Ｋ１」と称す。
【００６４】
図５に示すように、ミラー振幅角は、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」が「（ミラー１３のねじりバネ定数Ｋ１）／（ミラー１３の慣性モーメントＩ１）」未満である領域Ｒ４で最大値になっている。
【００６５】
このため、ミラー振幅角を大きくするためには、｛（ミラー１３のねじりバネ定数Ｋ１）／（ミラー１３の慣性モーメントＩ１）｝＞｛（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）｝となるように光走査装置１を構成するとよい。
【００６６】
また図６（ａ）に示すように、領域Ｒ４のうち、上記不安定領域Ｒ２を除外するように「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」の値を設定することにより、光走査装置１の動作が比較的安定するようになり、光ビーム走査の乱れを抑制することができる。
【００６７】
また図６（ｂ）に示すように、領域Ｒ４のうち、上記不安定領域Ｒ２および上記同相領域Ｒ３を除外するように「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」の値を設定することにより、内ジンバル振幅角が比較的大きくなる領域で光走査装置１を動作させることができ、２次元で光ビーム走査を行う場合に、走査範囲を拡大することができる。
【００６８】
また図５に示すように、内ジンバル振幅角は、「（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）」が「（内ジンバル１２のねじりバネ定数Ｋ２）／（内ジンバル１２の慣性モーメントＩ２）」より大きい領域で最大値になっている。
【００６９】
このため、内ジンバル振幅角を大きくして、走査範囲を大きくするためには、｛（外ジンバル１１のねじりバネ定数Ｋ３）／（外ジンバル１１の慣性モーメントＩ３）｝＞｛（内ジンバル１２のねじりバネ定数Ｋ２）／（内ジンバル１２の慣性モーメントＩ２）｝となるように光走査装置１を構成するとよい。
【００７０】
以上説明した実施形態において、ミラー１３は本発明における反射部、弾性連結部１６ａ，１６ｂは本発明における第１弾性連結部、内ジンバル１２は本発明における第１支持部、弾性連結部１５ａ，１５ｂは本発明における第２弾性連結部、外ジンバル１１は本発明における第２支持部、弾性連結部１４ａ，１４ｂは本発明における第３弾性連結部、支持部３は本発明における第３支持部、駆動部４は本発明における外力作用手段である。
【００７１】
また、同相領域Ｒ３は本発明における同相振動発生状態、逆相領域Ｒ１は本発明における逆相振動発生状態、不安定領域Ｒ２は本発明における不安定振動状態である。
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の形態を採ることができる。
【００７２】
例えば上記実施形態においては、櫛歯電極部４ａ，４ｂと、櫛歯電極部１７，１９との間に静電引力を生じさせることにより、外ジンバル１１を往復振動させるものを示した。しかし、圧電駆動または電磁駆動により外ジンバル１１を往復振動させるようにしてもよい。
【符号の説明】
【００７３】
１…光走査装置、２…光ビーム走査部、３…支持部、４…駆動部、４ａ，４ｂ…櫛歯電極部、５…角度検出部、５ａ，５ｂ…櫛歯電極部、１１…外ジンバル、１２…内ジンバル、１３…ミラー、１４ａ，１４ｂ，１５ａ，１５ｂ，１６ａ，１６ｂ…弾性連結部、１７，１８，１９，２０…櫛歯電極部、３１…駆動信号発生回路、３２…増幅回路、３３…Ｃ−Ｖ変換回路、３４…半導体レーザ、３５…制御回路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、
前記反射部に連結された弾性変形可能な第１弾性連結部を有し、該第１弾性連結部を回転軸として前記反射部を揺動可能に支持する第１支持部と、
前記第１支持部に連結された弾性変形可能な第２弾性連結部を有し、該第２弾性連結部を回転軸として前記第１支持部を揺動可能に支持する第２支持部と、
前記第２支持部に連結された弾性変形可能な第３弾性連結部を有し、該第３弾性連結部を回転軸として前記第２支持部を揺動可能に支持する第３支持部と
を備えて、前記反射部、前記第１支持部、前記第２支持部、前記第３支持部、前記第１弾性連結部、前記第２弾性連結部、及び前記第３弾性連結部が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成し、
更に、前記３自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる外力作用手段を備える光走査装置であって、
前記第１弾性連結部のねじれバネ定数、及び第３弾性連結部のねじれバネ定数をそれぞれ、Ｋ１，Ｋ３とし、
前記反射部の慣性モーメント、及び前記第２支持部の慣性モーメントをそれぞれ、Ｉ１，Ｉ３として、
下式（１）で表される関係式を満たすように構成されることを特徴とする光走査装置。
（Ｋ１／Ｉ１） ＞ （Ｋ３／Ｉ３） …（１）
【請求項２】
前記第２支持部と前記反射部との位相角の差が０度となるように当該光走査装置が前記捩じり振動することを同相振動、前記第２支持部と前記反射部との位相角の差が１８０度となるように当該光走査装置が前記捩じり振動することを逆相振動とし、
当該光走査装置は、前記（Ｋ３／Ｉ３）の値に応じて、前記同相振動のみが発生する振動状態である同相振動発生状態、前記逆相振動のみが発生する振動状態である逆相振動発生状態、前記同相振動または前記逆相振動が発生する振動状態である不安定振動状態の何れかの状態に遷移し、
前記不安定振動状態とならない前記（Ｋ３／Ｉ３）の値に設定されている
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】
前記逆相振動発生状態となる前記（Ｋ３／Ｉ３）の値に設定されている
ことを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第２弾性連結部のねじれバネ定数をＫ２とし、
前記第１支持部の慣性モーメントをＩ２として、
下式（２）で表される関係式を満たすように構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光走査装置。
（Ｋ３／Ｉ３） ＞ （Ｋ２／Ｉ２） …（２）
【請求項１】
光ビームを反射させる反射面を有する反射部と、
前記反射部に連結された弾性変形可能な第１弾性連結部を有し、該第１弾性連結部を回転軸として前記反射部を揺動可能に支持する第１支持部と、
前記第１支持部に連結された弾性変形可能な第２弾性連結部を有し、該第２弾性連結部を回転軸として前記第１支持部を揺動可能に支持する第２支持部と、
前記第２支持部に連結された弾性変形可能な第３弾性連結部を有し、該第３弾性連結部を回転軸として前記第２支持部を揺動可能に支持する第３支持部と
を備えて、前記反射部、前記第１支持部、前記第２支持部、前記第３支持部、前記第１弾性連結部、前記第２弾性連結部、及び前記第３弾性連結部が、固有の周期的外力が作用した場合に大きい回転角で捩じり振動する３自由度連成振動系を構成し、
更に、前記３自由度連成振動系に前記固有の周期的外力を作用させる外力作用手段を備える光走査装置であって、
前記第１弾性連結部のねじれバネ定数、及び第３弾性連結部のねじれバネ定数をそれぞれ、Ｋ１，Ｋ３とし、
前記反射部の慣性モーメント、及び前記第２支持部の慣性モーメントをそれぞれ、Ｉ１，Ｉ３として、
下式（１）で表される関係式を満たすように構成されることを特徴とする光走査装置。
（Ｋ１／Ｉ１） ＞ （Ｋ３／Ｉ３） …（１）
【請求項２】
前記第２支持部と前記反射部との位相角の差が０度となるように当該光走査装置が前記捩じり振動することを同相振動、前記第２支持部と前記反射部との位相角の差が１８０度となるように当該光走査装置が前記捩じり振動することを逆相振動とし、
当該光走査装置は、前記（Ｋ３／Ｉ３）の値に応じて、前記同相振動のみが発生する振動状態である同相振動発生状態、前記逆相振動のみが発生する振動状態である逆相振動発生状態、前記同相振動または前記逆相振動が発生する振動状態である不安定振動状態の何れかの状態に遷移し、
前記不安定振動状態とならない前記（Ｋ３／Ｉ３）の値に設定されている
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】
前記逆相振動発生状態となる前記（Ｋ３／Ｉ３）の値に設定されている
ことを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
【請求項４】
前記第２弾性連結部のねじれバネ定数をＫ２とし、
前記第１支持部の慣性モーメントをＩ２として、
下式（２）で表される関係式を満たすように構成されることを特徴とする請求項１〜請求項３の何れか１項に記載の光走査装置。
（Ｋ３／Ｉ３） ＞ （Ｋ２／Ｉ２） …（２）
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１１−１７５１７７（Ｐ２０１１−１７５１７７Ａ）
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−４０４５９（Ｐ２０１０−４０４５９）
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２３年９月８日（２０１１．９．８）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年２月２５日（２０１０．２．２５）
【出願人】（０００００４２６０）株式会社デンソー (27,639)
【Ｆターム（参考）】
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