振動装置、光スキャナ
【課題】電圧が印加されて圧電素子が伸縮することにより、導線と電極との接合部分に負荷が加わり、導線が破損することを防ぐ振動装置及び光スキャナを提供する。
【解決手段】電圧が印加されて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に設けられる第１電極と、前記圧電素子と別体に設けられ、電源からの電圧が印加される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する導線と、を備える振動装置であって、前記導線と前記第１電極との接続部分である第１接続部分と、前記導線と前記第２電極との接続部分である第２接続部分との少なくとも一方に設けられ、前記導線の太さが、前記接続部分に向けて太くなるネック部と、前記圧電素子による伸縮に伴って変位する前記ネック部の境界に設けられる補強材とを備える振動装置。
【解決手段】電圧が印加されて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に設けられる第１電極と、前記圧電素子と別体に設けられ、電源からの電圧が印加される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する導線と、を備える振動装置であって、前記導線と前記第１電極との接続部分である第１接続部分と、前記導線と前記第２電極との接続部分である第２接続部分との少なくとも一方に設けられ、前記導線の太さが、前記接続部分に向けて太くなるネック部と、前記圧電素子による伸縮に伴って変位する前記ネック部の境界に設けられる補強材とを備える振動装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極に接合されたワイヤを介して電力が加えられることにより、圧電素子が伸縮して駆動する振動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に配置された複数の電子部品を電気的に接続する方法に、ワイヤボンディング方法がある。ワイヤボンディング方法は、導線のワイヤの両端部を溶融させて、基板に形成された電極と導体とに接合し、それらを電気的に接続する方法である。例えば、特許文献１には、ワイヤによって、セラミック基板に形成された半導体チップの電極と配線電極とを、電気的に接続するワイヤボンディング方法が記載されている。具体的には、１次ボンディング工程において、ワイヤが半導体チップの電極に接合され、２次ボンディング工程において、ワイヤが配線電極に接合される。この結果、半導体チップと配線電極とが、電気的に接続される。ワイヤボンディング方法による電気的な接続が行われるとき、ワイヤの先端に、溶融されることによるボール溜が形成される。そして、溶融されたワイヤのボール溜が各電極に接合される。ワイヤのボール溜は、接合される電極の接合部分において、その径が、ワイヤの他の部分より太くなるように接合される。
【０００３】
このようなワイヤボンディング方法は、接合対象の電極が小さく、接合に精度を必要とする場合に用いられる。例えば、小型の振動装置に電気的な接続を行う場合、ワイヤボンディング方法により、ワイヤが、振動装置の圧電素子に設けられた電極と、電源に接続された電極とに接合される。圧電素子は、電源に接続された電極に接合されたワイヤを介して、電圧が印加されると、伸縮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４７１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
振動装置の圧電素子に設けられた電極には、ワイヤボンディング方法により接合されるワイヤを介して、電力が供給される。圧電素子の電極に接合されたワイヤは、接合部分において太くなるように接合される。圧電素子に設けられた電極に電圧が印加されると、圧電素子が伸縮する。圧電素子が伸縮することにより電極が振動するため、電極に接合されたワイヤは、太さが変化する接合部分に大きな負荷がかかり、断線するおそれがある。ワイヤが断線した振動装置は、製品不良となり、使用が不可能になる。また、ワイヤが断線した振動装置を再使用する場合は、改めて電気接続が必要になる。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものである。本発明は、電圧が印加されて圧電素子が伸縮することにより、圧電素子に電力を供給する導線と電極との接合部分に負荷が加わり、導線が切断されることがないような振動装置及び光スキャナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、請求項１記載の振動装置は、電圧が印加されて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に設けられる第１電極と、前記圧電素子と別体に設けられ、電源からの電圧が印加される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する導線と、を備える振動装置であって、前記導線と前記第１電極との接続部分である第１接続部分と、前記導線と前記第２電極との接続部分である第２接続部分との少なくとも一方に設けられ、前記導線の太さが、前記接続部分に向けて太くなるネック部と、前記圧電素子による伸縮に伴って変位する前記ネック部の境界に設けられる補強材と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の振動装置を備える光スキャナは、入射される光を反射するミラーを有し、前記圧電素子が載置される載置部と、前記載置部に隣接し、支持される支持部と、を備える基板を備え、前記基板は、前記圧電素子が伸縮することにより、前記支持部と前記載置部とを繋ぐ線上を中心軸として振動し、前記ミラーを走査させるものであり、前記補強材は、前記導線において、前記ネック部の前記第１接合部分と前記第２接合部分とを結ぶ線上に設けられることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の振動装置を備える光スキャナは、前記圧電素子は、伸縮することにより前記ミラーが駆動される前記基板の面に平行な方向であり、且つ、前記中心軸方向と交差する方向に少なくとも伸縮するものであり、前記補強材は、さらに、前記導線において、前記ネック部の前記中心軸に平行する線上に設けられることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の振動装置を備える光スキャナは、前記補強材は、前記導線の前記ネック部の前記境界と、前記第１電極とを覆うように設けられることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の振動装置を備える光スキャナは、前記補強材は、弾性率が１ＧＰａから１０ＧＰａの範囲である樹脂製の材料が用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の振動装置は、２つの電極を電気的に接続する導線において、接続部分に向けて太さが太くなるネック部に、補強材が設けられる。振動装置は、第１電極と第２電極とが電気的に接続されたとき、導線が、第１接続部分または第２接続部分に向けて太くなる形状である。このような振動装置において、導線の太さが変化するネック部に補強材を設けることにより、圧電素子が伸縮することによって導線にかかる負荷が分散し、ネック部の切断を防ぐことができる。
【００１３】
請求項２記載の振動装置を備える光スキャナは、補強材が、導線において、ネック部の第１接続部分と第２接続部分とを結ぶ線上に設けられる。光スキャナでは、電圧が印加された圧電素子が伸縮し、基板が振動すると、導線に基板の振動に起因する負荷がかかる。光スキャナの導線は、第１接続部分と第２接続部分とが固定された所定の長さで配線されている。そのため、基板が振動すると、配線方向に大きな負荷がかかる。そこで、導線の太さが太くなるネック部の配線方向に沿った方向に、補強材を設け、大きな負荷がかかるネック部の配線方向を補強する。この構成により、基板の振動に起因して導線に負荷がかかる場合であっても、配線方向にかかる負荷によるネック部の切断を防ぐことができる。
【００１４】
請求項３記載の振動装置を備える光スキャナは、さらに、導線のネック部において、基板の中心軸に平行する線上に、補強材が設けられる。圧電素子が伸縮することにより、基板が中心軸を中心に振動し、ミラーを走査させる。このとき、導線には、基板が振動することによる負荷がかかる。ネック部に補強材を設ける構成により、基板が振動することに起因して、導線にかかる負荷によるネック部の切断を防ぐことができる。
【００１５】
請求項４記載の振動装置を備える光スキャナは、ネック部の境界と第１電極とを覆うように、補強材が設けられる。圧電素子が伸縮することにより、導線と圧電素子に設けられる第１電極との接続部分にも負荷がかかる。補強材が、ネック部の境界と第１電極とを覆うように設けられることにより、導線が、接続される第１電極から剥離することを防ぐことができる。
【００１６】
請求項５記載の振動装置を備える光スキャナは、補強材として、弾性率が１ＧＰａから１０ＧＰａの範囲内の樹脂材料が用いられる。所定の範囲内の弾性率である補強材を用いることにより、ネック部を確実に補強し、圧電素子が伸縮することにより導線にかかる負荷を抑え、ネック部の破損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態における光スキャナ１の全体斜視図である。
【図２】光スキャナ１のボンディング方法の各工程を示す説明図である。
【図３Ａ】光スキャナ１のボンディングワイヤ５０と圧電素子２２の電極パッド２２ａとの接合部分の断面拡大図である。
【図３Ｂ】光スキャナ１のボンディングワイヤ５０のネック部５０ａにおける応力分布を示す拡大図である。
【図４Ａ】光スキャナ１の補強材６０が設けられたワイヤ５０と電極３５及び電極パッド２２ａとの接合部分の断面拡大図である。
【図４Ｂ】光スキャナ１の補強材６０が設けられたワイヤ５０のネック部５０ａにおける応力分布を示す拡大図である。
【図５】光スキャナ１のワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力と補強材６０の性質との相関関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１を用いて、本発明の実施形態に係る光スキャナ１の構造を説明する。図１は、光スキャナ１の全体を示す斜視図である。光スキャナ１は、走査ユニット２０と、固定台座３０により構成される。固定台座３０は、走査ユニット２０を固定する。尚、本実施形態の光スキャナ１において、図１に示すように上下方向、左右方向及び前後方向を設定し、以下を説明する。
【００２０】
図１に示す走査ユニット２０は、外形が四角形状である薄い板状の駆動基板２１を有する。駆動基板２１は、弾性を有する導電性材料、具体的にはＳＵＳ３０４やＳＵＳ４３０等のステンレス、チタン及び鉄等の金属材料を用いて形成される。駆動基板２１は、後方側において、固定台座３０に固定されている被固定部２１ａと、前方側に略正方形状の走査部２１ｂを備える。被固定部２１ａと走査部２１ｂとは、弾性部２１ｃを介して対向する辺の中央が接合されている。
【００２１】
走査部２１ｂの上面には、圧電素子２２が載置される。圧電素子２２は、圧電体を２枚の電極で挟んだ構成である。駆動基板２１の走査部２１ｂに載置される圧電素子２２の上面には、電極パッド２２ａが配置される。走査部２１ｂの前方には、左右方向に延びる棒状の梁２３が設けられ、梁２３の左右方向の中央に、丸形状のミラー２４が設けられる。駆動基板２１の弾性部２１ｃと、梁２３及びミラー２４は、長方形の金属板をエッチング又はプレス加工することにより形成される。
【００２２】
次に、図１を用いて、固定台座３０の構造を説明する。図１に示す固定台座３０は、駆動基板２１よりやや大きい四角形状であり、駆動基板２１と同様の材質の材料を用いて形成された平板状の底板部３１を備える。さらに、固定台座３０は、底板部３１の平板から、一辺が上方向に隆起した隆起部３２を備える。隆起部３２には、駆動基板２１の被固定部２１ａが固定される。
【００２３】
固定台座３０の隆起部３２の上面側に、駆動基板２１の被固定部２１ａの下面側が取り付けられることによって、走査ユニット２０が固定される。駆動基板２１と隆起部３２とは、例えばレーザ溶接法により取り付けられる。被固定部２１ａが隆起部３２に取り付けられると、駆動基板２１の走査部２１ｂは、底板部３１との間に空間が設けられる状態に配置される。
【００２４】
また、固定台座３０には、隆起部３２と隣接する領域に、電極基板３４が配置される。更に、電極基板３４の上側の面には、電極３５が配置される。本実施形態において、電極３５は、図１に示すように、駆動基板２１の圧電素子２２が配置される位置に平行して、圧電素子２２の右側に配置される。電極３５は、電極基板３４に形成された非図示の配線を介して、非図示の交流電源と接続されている。
【００２５】
圧電素子２２と電極３５とは、図１に示すようにワイヤ５０により接合されて、電気的に接続される。具体的には、ワイヤ５０は、図１に示す駆動基板２１に載置された圧電素子２２の電極パッド２２ａから、右方向に延びるようにして、駆動基板２１の右側に設けられた電極３５に接合される。光スキャナ１は、ワイヤ５０が接合されると、駆動可能となる。光スキャナ１は、非図示の交流電源から、固定台座３０の電極基板３４の図示外の配線を介して、電極３５に電力が供給される。電極３５に供給された電力は、ワイヤ５０により電極パッド２２ａに供給され、圧電素子２２を伸縮させる。
【００２６】
ワイヤ５０は、例えば金などの導線を用いてワイヤボンディング方法により接合される。本実施形態では、ワイヤ５０に、径が３７［μｍ］の導線を用いる。このとき、ワイヤ５０は、図示外のボンディング装置により、圧電素子２２の電極パッド２２ａに熱と加重と超音波が加えられ、圧力と摩擦と熱を利用して接合される。光スキャナ１の電極パッド２２ａと、電極３５とにワイヤ５０を接合するワイヤボンディング方法を、図２を用いて詳細に説明する。図２は、本実施形態において、光スキャナ１に行われるワイヤボンディング方法を説明する状態遷移図である。図２は、ワイヤ５０を側面方向から見た図である。本実施形態では、まず、光スキャナ１において、圧電素子２２の電極パッド２２ａにワイヤ５０が接合される１次ボンディング工程が行われる。電極パッド２２ａに１次ボンディング工程が行われたワイヤ５０は、引き延ばされて、固定台座３０の電極３５に接合される２次ボンディング工程が行われる。
【００２７】
まず、１次ボンディング工程において、圧電素子２２の電極パッド２２ａにワイヤ５０を接合するとき、ワイヤ５０の先端に熱が加えられる。ワイヤ５０は、先端が加熱され、溶融したボール溜が形成される（図２（ａ））。ボール溜は、直径がワイヤ５０の他の位置の太さより大きい球形状である。
【００２８】
ワイヤ５０のボール溜は、熱と加重と超音波とによって、圧電素子２２の電極パッド２２ａの上面に圧着される。そして、ワイヤ５０の先端のボール溜が、電極パッド２２ａに接合される（図２（ｂ））。これにより、ワイヤ５０を、走査ユニット２０の圧電素子２２の電極パッド２２ａと接合する１次ボンディング工程が完了する。１次ボンディング工程において、電極パッド２２ａには、ワイヤ５０の太さより直径が大きいボール溜が接合される。これにより、ワイヤ５０の電極パッド２２ａとの接合部分には、段差形状のネック部５０ａが形成される。ワイヤ５０のネック部５０ａの径は、ワイヤ５０のボール溜が形成されない他の位置の径より大きい。
【００２９】
１次ボンディング工程によりワイヤ５０の先端が電極パッド２２ａに接合されたあと、固定台座３０の電極３５へ２次ボンディング工程が行われる。２次ボンディング工程が行われるとき、電極パッド２２ａに接合されたワイヤ５０が、電極パッド２２ａから固定台座３０の電極３５に引き延ばされる。そして、引き延ばされたワイヤ５０が、電極３５に接合される（図２（ｃ））。２次ボンディング工程において、ワイヤ５０が電極３５に接合されるとき、電極３５に接合するワイヤ５０の箇所には、１次ボンディング工程と同様に熱が加えられる。熱が加えられて溶融したワイヤ５０が、熱と加重と超音波とによって電極３５に接合される。このとき、ワイヤ５０の電極３５との接合部分は、１次ボンディング工程による電極パッド２２ａとの接合部分と同様に、ワイヤ５０の熱が加えられない他の位置より径が大きい段差形状になる。これにより、ワイヤ５０を電極３５に接合する２次ボンディング工程が完了する（図２（ｄ））。
【００３０】
ワイヤ５０が、１次ボンディング及び２次ボンディングの工程を経て、圧電素子２２の電極パッド２２ａと電極３５とに接合されることにより、光スキャナ１の圧電素子２２が、非図示の交流電源と電気的に接続される。
【００３１】
上述したワイヤボンディング方法の各工程が行われると、ワイヤ５０が、左右方向に延びるように、圧電素子２２の電極パッド２２ａと電極３５とが接続される。圧電素子２２は、交流電源から電極３５及びワイヤ５０を介して電力が供給され、伸縮する。圧電素子２２が伸縮すると、圧電素子２２が載置された駆動基板２１が、図１の前後方向に延びる中心軸Ｘを軸として、上下方向に振動する。図１に示すように、駆動基板２１は、中心軸Ｘが、駆動基板２１の左右方向の中心となるように、被固定部２１ａが固定台座３０の隆起部３２に設けられる。
【００３２】
圧電素子２２に電圧が印加され、圧電素子２２が伸縮すると、駆動基板２１に振動が伝えられて、駆動基板２１の全体が振動する。駆動基板２１が振動すると、梁２３に振動が伝えられる。梁２３は、その振動を捻り駆動に変換して、ミラー２４を捻り駆動させる。ミラー２４は、捻り向きに応じて、図示外のレーザ光源からミラー２４の面に入射されるレーザ光を反射して走査し、所望の画像を形成する。
【００３３】
ワイヤ５０を介して電極パッド２２ａに電力が供給されると、圧電素子２２が左右方向に伸縮する。圧電素子２２の左右方向の伸縮が駆動基板２１に伝えられると、駆動基板２１が上下方向に振動する。その一方で、光スキャナ１において、ワイヤ５０は、左右方向に延びる配置がされている。すなわち、ワイヤ５０の配置されている左右方向に対し、駆動基板２１は交差する上下方向に振動する。駆動基板２１が振動すると、ワイヤ５０が接合された位置の電極パッド２２ａも移動するため、圧電素子２２と電極３５に接合されるワイヤ５０が配置されている状態が変化する。この結果、ワイヤ５０の電極パッド２２ａ及び電極３５の接合部分に負荷が生じる。特にワイヤ５０の接合部分のネック部５０ａは、ワイヤ５０の太さと径が異なる段差形状となっているため、負荷がかかると、ワイヤ５０が切断しやすい状態である。
【００３４】
その点について、図３Ａ及び図３Ｂを用いて、走査ユニット２０と固定台座３０とを、ワイヤ５０により電気的に接続した光スキャナ１を説明する。図３Ａは、図１に示す光スキャナ１をＡ−Ａ線で切断し、矢視方向から見た断面図である。図３Ｂは、図３Ａに占めす光スキャナ１のワイヤ５０に生じる負荷応力を示す図である。図３Ａ及び図３Ｂは、後述に示す図４Ａ及び図４Ｂとは異なり、走査ユニット２０及び固定台座３０のワイヤ５０の接続部分に、補強材６０が設けられていない状態の光スキャナ１を示す図である。
【００３５】
まず、図３Ａ及び図３Ｂを用いて、ワイヤ５０に、補強材６０が設けられていない状態の光スキャナ１を説明する。図３Ａは、走査ユニット２０及び固定台座３０とのワイヤ５０の接続部分に、補強材６０が設けられていない状態の光スキャナ１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図３Ｂは、図３Ａに示す光スキャナ１が駆動するとき、図３Ａに示すワイヤ５０のネック部５０ａに生じる負荷応力の分布を示す拡大図である。図３Ｂに示すワイヤ５０には、後述に説明する図４Ａのような補強材６０が設けられていない。光スキャナ１のワイヤ５０には、圧電素子２２に電力が供給され、駆動基板２１が振動するときに大きな負荷がかかる構成である。
【００３６】
本実施形態の光スキャナ１は、ワイヤ５０から電力が供給されると、圧電素子２２が伸縮する。このとき、圧電素子２２は、左右方向に大きく伸縮する。これにより、駆動基板２１の走査部２１ｂは、左右方向に捻り駆動し、上下動する。ワイヤ５０は、その一端が、駆動基板２１の走査部２１ｂの上面に載置される圧電素子２２の電極パッド２２ａに接合され、他端が、固定台座３０の電極３５に接合され、固定された状態で左右方向に配線されている。圧電素子２２が伸縮すると、駆動基板２１が振動するため、ワイヤ５０の圧電素子２２との接合点の位置が変化する。その一方、ワイヤ５０の電極３５との接合点の位置は変化しない。このように、圧電素子２２が伸縮すると、駆動基板２１のみが振動するため、ワイヤ５０の電極３５と圧電素子２２との間の配置状態が変化する。ワイヤ５０には、配線方向である左右方向に、駆動基板２１が振動することでかかる負荷を逃がそうとする力が生じる。
【００３７】
特に、図３Ａに示すように、ワイヤ５０は、圧電素子２２の電極パッド２２ａとの接合部分及び電極３５との接合部分とが、段差形状である。そのため、駆動基板２１が振動するとき、ワイヤ５０の接合部分のネック部５０ａには負荷がかかる。駆動基板２１が振動すると、ワイヤ５０の圧電素子２２の電極パッド２２ａとの接合部分のネック部５０ａには、図３Ｂに示すように、特に左右方向に大きく負荷がかかる。図３Ｂにおいては、図１に示す中心軸Ｘを走査ユニット２０の駆動の中心として、駆動基板２１が振動するときに、ワイヤ５０のネック部５０ａに生じる負荷応力の強度を示す指標として、応力強度を３段階に分別して表示する。具体的には、ワイヤ５０のネック部５０ａの断面において、かかる負荷応力が小さい領域を縦線で示し、負荷応力が中程度の領域を横線で示し、負荷応力が大きい領域を縦横線で示す。図３Ｂでは、中心軸Ｘに平行なワイヤ５０の前後方向を中心として、中心から３割の領域に、負荷応力が小さい領域が分布する。また、ワイヤ５０の負荷応力が小さい領域から外側の４割に、負荷応力が中程度の領域が分布する。さらに、負荷応力が中程度の領域より外側の最外周の３割に、負荷応力が大きい領域が分布する。
【００３８】
そこで、本実施形態では、光スキャナ１のワイヤ５０の接合部分に、補強材６０を設ける。光スキャナ１において、駆動基板２１が振動することにより、図３Ｂに示すようにワイヤ５０にかかる負荷を抑えるため、ワイヤ５０の接合部分に補強材６０を設ける。補強材６０を設けることにより、光スキャナ１の走査ユニット２０の駆動基板２１が振動することに起因して、ワイヤ５０の接合部分にかかる負荷を低減し、ワイヤ５０の切断を防ぐ。
【００３９】
このようにして、光スキャナ１にワイヤ５０の接合部分に補強材６０を設けた構成を、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、ワイヤ５０の走査ユニット２０及び固定台座３０との接合部分に、補強材６０が設けられた本実施形態の光スキャナ１を示す断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す光スキャナ１が駆動するとき、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる負荷応力の分布を示す拡大図である。図４Ａ及び図４Ｂは、光スキャナ１の走査ユニット２０及び固定台座３０において、ワイヤ５０の接合部分に、補強材６０が設けられている点で、図３Ａ及び図３Ｂと異なる。
【００４０】
本実施形態において、図４Ａに示すように光スキャナ１のワイヤ５０は、電極パッド２２ａとの接合部分及び電極３５との接合部分が段差形状に形成される。そのため、補強材６０を、図４Ａに示すように、ワイヤ５０のネック部５０ａの周囲と、電極パッド２２ａ及び電極３５との接合部分の周囲とを覆うように設ける。
【００４１】
本実施形態の光スキャナ１では、図４Ａに示すようにワイヤ５０の接合部分に補強材６０が設けられている。図４Ｂにおいては、図１に示す中心軸Ｘを走査ユニット２０の駆動の中心として、駆動基板２１が振動するときに、ワイヤ５０のネック部５０ａに生じる負荷応力の強度を３段階に分別して表示する。具体的には、応力が小さい領域を縦線で示し、応力が中程度の領域を横線で示し、応力が大きい領域を縦横線で示す。図４Ｂでは、中心軸Ｘに平行なワイヤ５０の前後方向を中心として、中心から７割は応力が小さい領域、応力が小さい領域より外側の２割は応力が中程度の領域、最外周の１割に応力が大きい領域の分布となる。図４Ｂに示すように、補強材６０を設けることにより、圧電素子２２の伸縮によりワイヤ５０のネック部５０ａにおいて、左右方向にかかる負荷を低減することができる。
【００４２】
図３Ｂと図４Ｂとの負荷分布図を比較すると、図４Ｂに示す補強材６０が設けられたネック部５０ａは、図３Ｂに示す補強材６０がないネック部５０ａと比べ、生じる負荷応力が小さい領域が大きく、負荷応力が大きい領域が小さい。この結果、ネック部５０ａの周囲に補強材６０が設けられている場合は、補強材６０が設けられていないネック部５０ａに比べ、かかる負荷が小さくなり、ワイヤ５０が切断されるおそれが少ない。
【００４３】
特に、補強材６０を、ワイヤ５０のネック部５０ａの左右方向に設けることにより、圧電素子２２の伸縮に起因するワイヤ５０の負荷にかかるネック部５０ａの切断を防ぐことができる。また、補強材６０を、ワイヤ５０のネック部５０ａの左右方向のみでなく、周囲に設けることによって、駆動基板２１の振動による負荷がかかり切断し易い構成である段差形状のネック部５０ａを補強し、ネック部５０ａが切断するおそれを防ぐことができる。
【００４４】
また、ワイヤ５０の電極パッド２２ａとの接合面においても、圧電素子２２の左右方向への伸縮に起因して、大きな負荷が生じることが考えられる。この結果、ワイヤ５０が、電極パッド２２ａから剥離するおそれがある。そこで、補強材６０を、駆動基板２１との接合部分の周囲に設けることにより、ワイヤ５０の剥離を防ぐことができる。本実施形態では、補強材６０を、電極パッド２２ａと接合されるワイヤ５０の左右方向に設けることにより、圧電素子２２の伸縮によりワイヤ５０にかかる負荷による破損を防ぐことができる。また、補強材６０を設けることにより、光スキャナ１の耐久性が向上する。
【００４５】
また、光スキャナ１は、圧電素子２２の伸縮に従って、駆動基板２１が上下方向に振動し、ミラー２４を駆動させる。駆動基板２１が振動することにより、ワイヤ５０と電極パッド２２ａとの間には、上下方向の負荷が生じる。そのため、ワイヤ５０が、電極パッド２２ａから剥離する、または切断するおそれがある。そこで、補強材６０を、電極パッド２２ａと接合されるワイヤ５０の左右方向のみでなく、ワイヤ５０の周にわたって設ける。この構成により、駆動基板２１が振動することに起因してワイヤ５０にかかる負荷によって、ワイヤ５０が切断するおそれを防ぐことができる。また、補強材６０を、ワイヤ５０の電極パッド２２ａとの接合部分に設けることにより、圧電素子２２の伸縮と駆動基板２１の振動とによる、ワイヤ５０の電極パッド２２ａからの剥離またはワイヤ５０の切断を防ぐことができる。
【００４６】
補強材６０は、例えば、エポキシ系樹脂や、アクリル系樹脂等の樹脂接着剤が用いられる。本実施形態において、補強材６０は、所定の弾性率の範囲内の材質が用いられることが望ましい。図５は、本実施形態の光スキャナ１においてワイヤ５０に設けられる補強材６０の材質に応じて、ワイヤ５０にかかる応力を数値化したシミュレーション結果である。図５は、ミラー２４が振れ角±６．２５度で揺動するように、周波数を３３［ｋＨｚ］で光スキャナ１を駆動させたシミュレーション結果である。図５に示すグラフでは、補強材６０の弾性率を、補強材６０の材質の特徴として示す。図５では、補強材６０が設けられない状態の光スキャナ１において、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力を線αに示す。補強材６０が設けられないワイヤ５０のネック部５０ａには、図５の線αで示す４５［ＭＰａ］の応力がかかる。また、補強材６０が設けられた状態の光スキャナ１にいて、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力を線βに示す。図５によれば、補強材６０をワイヤ５０に設けた場合は、設けない場合に比べ、ネック部５０ａにかかる応力を小さくすることができる。また、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力は、補強材６０の弾性率によっても異なる。例えば、ネック部５０ａに弾性率が１［Ｇｐａ］の補強材６０を設けた場合、約２７．５［ＭＰａ］の応力がかかる。また、弾性率が１０［Ｇｐａ］の補強材６０を設けた場合、約１１［ＭＰａ］の応力がかかる。
【００４７】
図５に示すように、弾性率が高い補強材６０を設けるほど、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力を小さくすることができる。特に、補強材６０は、その弾性率を１［ＧＰａ］以上とすることが望ましい。しかしながら、補強材６０は、樹脂製の材料であるとき、弾性率が高すぎると、流動しやすいことが考えられる。弾性率が大きい補強材６０を、補強したいワイヤ５０のネック部５０ａに塗布しても、補強材６０が固化する前に流動し、ネック部５０ａを補強することができないおそれがある。そのため、補強材６０は、弾性率を１０［ＧＰａ］以下とすることが望ましい。また、例えば、弾性率が１０［ＧＰａ］より大きい金属製の材料を用いると、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる負荷応力を軽減させることはできるが、ワイヤ５０の金属製の補強材との境界に大きな負荷がかかる。その結果、ワイヤ５０の金属製の補強材との境界が断線するおそれがある。
【００４８】
（本発明の構成との関係）
本実施形態の電極パッド２２ａが、本発明の第１電極の一例である。本実施形態の電極３５が、本発明の第２電極の一例である。本実施形態におけるワイヤ５０が電極パッド２２ａに接続される部分が、本発明の第１接続部分の一例である。本実施形態におけるワイヤ５０が電極３５に接続される部分が、本発明の第２接続部分の一例である。
【００４９】
また、本実施形態における駆動基板２１の走査部２１ｂが、本発明の基板の載置部の一例である。本実施形態における駆動基板２１の被固定部２１ａが、本発明の基板の支持部の一例である。尚、本実施形態において、圧電素子２２は、左右方向に大きく伸縮する構成である。本実施形態の圧電素子２２が大きく伸縮する左右方向が、本発明における圧電素子が伸縮する方向に相当する。また、本実施形態において駆動基板２１は、被固定部２１ａが固定され、左右方向の中心である中心軸Ｘを中心に、振動する。本実施形態において、図１の中心軸Ｘが延びる左右方向の中心が、本発明の中心軸に相当する。
【００５０】
（変形例）
本実施形態において、補強材６０は、ワイヤ５０と電極パッド２２ａとの接続部分のネック部及びワイヤ５０と電極３５との接続部分のネック部５０ａに設けられている。しかしながら、ワイヤ５０に設けられる補強材６０は、ワイヤ５０と電極パッド２２ａとの接続部分、またはワイヤ５０と電極３５との接続部分のいずれか一方であっても良い。また、補強材６０は、少なくともワイヤ５０と電極パッド２２ａとの接続部分のネック部５０ａに設けられていればよい。これにより、圧電素子２２が伸縮するとき、負荷が大きくかかる電極パッド２２ａとの接続部分のネック部５０ａの切断を防ぐことができる。
【００５１】
補強材６０は、伸縮する圧電素子２２からワイヤ５０にかかる力の位置に応じて、部分的に塗布してもよい。また、ネック部５０ａに設けられる補強材６０は、圧電素子２２からワイヤ５０にかかる力の大きさに応じて、部分的に塗布量を増減してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 光スキャナ
２０ 走査ユニット
２１ 駆動基板
２２ 圧電素子
２２ａ 電極パッド
２４ ミラー
３０ 固定台座
３４ 電極基板
３５ 電極
５０ ワイヤ
５０ａ ネック部
６０ 補強材
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電極に接合されたワイヤを介して電力が加えられることにより、圧電素子が伸縮して駆動する振動装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、基板上に配置された複数の電子部品を電気的に接続する方法に、ワイヤボンディング方法がある。ワイヤボンディング方法は、導線のワイヤの両端部を溶融させて、基板に形成された電極と導体とに接合し、それらを電気的に接続する方法である。例えば、特許文献１には、ワイヤによって、セラミック基板に形成された半導体チップの電極と配線電極とを、電気的に接続するワイヤボンディング方法が記載されている。具体的には、１次ボンディング工程において、ワイヤが半導体チップの電極に接合され、２次ボンディング工程において、ワイヤが配線電極に接合される。この結果、半導体チップと配線電極とが、電気的に接続される。ワイヤボンディング方法による電気的な接続が行われるとき、ワイヤの先端に、溶融されることによるボール溜が形成される。そして、溶融されたワイヤのボール溜が各電極に接合される。ワイヤのボール溜は、接合される電極の接合部分において、その径が、ワイヤの他の部分より太くなるように接合される。
【０００３】
このようなワイヤボンディング方法は、接合対象の電極が小さく、接合に精度を必要とする場合に用いられる。例えば、小型の振動装置に電気的な接続を行う場合、ワイヤボンディング方法により、ワイヤが、振動装置の圧電素子に設けられた電極と、電源に接続された電極とに接合される。圧電素子は、電源に接続された電極に接合されたワイヤを介して、電圧が印加されると、伸縮する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００４−１４７１９３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
振動装置の圧電素子に設けられた電極には、ワイヤボンディング方法により接合されるワイヤを介して、電力が供給される。圧電素子の電極に接合されたワイヤは、接合部分において太くなるように接合される。圧電素子に設けられた電極に電圧が印加されると、圧電素子が伸縮する。圧電素子が伸縮することにより電極が振動するため、電極に接合されたワイヤは、太さが変化する接合部分に大きな負荷がかかり、断線するおそれがある。ワイヤが断線した振動装置は、製品不良となり、使用が不可能になる。また、ワイヤが断線した振動装置を再使用する場合は、改めて電気接続が必要になる。
【０００６】
本発明は、上述した問題点を解決するためになされたものである。本発明は、電圧が印加されて圧電素子が伸縮することにより、圧電素子に電力を供給する導線と電極との接合部分に負荷が加わり、導線が切断されることがないような振動装置及び光スキャナを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
この目的を達成するために、請求項１記載の振動装置は、電圧が印加されて伸縮する圧電素子と、前記圧電素子に設けられる第１電極と、前記圧電素子と別体に設けられ、電源からの電圧が印加される第２電極と、前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する導線と、を備える振動装置であって、前記導線と前記第１電極との接続部分である第１接続部分と、前記導線と前記第２電極との接続部分である第２接続部分との少なくとも一方に設けられ、前記導線の太さが、前記接続部分に向けて太くなるネック部と、前記圧電素子による伸縮に伴って変位する前記ネック部の境界に設けられる補強材と、を備えることを特徴とする。
【０００８】
請求項２記載の振動装置を備える光スキャナは、入射される光を反射するミラーを有し、前記圧電素子が載置される載置部と、前記載置部に隣接し、支持される支持部と、を備える基板を備え、前記基板は、前記圧電素子が伸縮することにより、前記支持部と前記載置部とを繋ぐ線上を中心軸として振動し、前記ミラーを走査させるものであり、前記補強材は、前記導線において、前記ネック部の前記第１接合部分と前記第２接合部分とを結ぶ線上に設けられることを特徴とする。
【０００９】
請求項３記載の振動装置を備える光スキャナは、前記圧電素子は、伸縮することにより前記ミラーが駆動される前記基板の面に平行な方向であり、且つ、前記中心軸方向と交差する方向に少なくとも伸縮するものであり、前記補強材は、さらに、前記導線において、前記ネック部の前記中心軸に平行する線上に設けられることを特徴とする。
【００１０】
請求項４記載の振動装置を備える光スキャナは、前記補強材は、前記導線の前記ネック部の前記境界と、前記第１電極とを覆うように設けられることを特徴とする。
【００１１】
請求項５記載の振動装置を備える光スキャナは、前記補強材は、弾性率が１ＧＰａから１０ＧＰａの範囲である樹脂製の材料が用いられることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１２】
請求項１記載の振動装置は、２つの電極を電気的に接続する導線において、接続部分に向けて太さが太くなるネック部に、補強材が設けられる。振動装置は、第１電極と第２電極とが電気的に接続されたとき、導線が、第１接続部分または第２接続部分に向けて太くなる形状である。このような振動装置において、導線の太さが変化するネック部に補強材を設けることにより、圧電素子が伸縮することによって導線にかかる負荷が分散し、ネック部の切断を防ぐことができる。
【００１３】
請求項２記載の振動装置を備える光スキャナは、補強材が、導線において、ネック部の第１接続部分と第２接続部分とを結ぶ線上に設けられる。光スキャナでは、電圧が印加された圧電素子が伸縮し、基板が振動すると、導線に基板の振動に起因する負荷がかかる。光スキャナの導線は、第１接続部分と第２接続部分とが固定された所定の長さで配線されている。そのため、基板が振動すると、配線方向に大きな負荷がかかる。そこで、導線の太さが太くなるネック部の配線方向に沿った方向に、補強材を設け、大きな負荷がかかるネック部の配線方向を補強する。この構成により、基板の振動に起因して導線に負荷がかかる場合であっても、配線方向にかかる負荷によるネック部の切断を防ぐことができる。
【００１４】
請求項３記載の振動装置を備える光スキャナは、さらに、導線のネック部において、基板の中心軸に平行する線上に、補強材が設けられる。圧電素子が伸縮することにより、基板が中心軸を中心に振動し、ミラーを走査させる。このとき、導線には、基板が振動することによる負荷がかかる。ネック部に補強材を設ける構成により、基板が振動することに起因して、導線にかかる負荷によるネック部の切断を防ぐことができる。
【００１５】
請求項４記載の振動装置を備える光スキャナは、ネック部の境界と第１電極とを覆うように、補強材が設けられる。圧電素子が伸縮することにより、導線と圧電素子に設けられる第１電極との接続部分にも負荷がかかる。補強材が、ネック部の境界と第１電極とを覆うように設けられることにより、導線が、接続される第１電極から剥離することを防ぐことができる。
【００１６】
請求項５記載の振動装置を備える光スキャナは、補強材として、弾性率が１ＧＰａから１０ＧＰａの範囲内の樹脂材料が用いられる。所定の範囲内の弾性率である補強材を用いることにより、ネック部を確実に補強し、圧電素子が伸縮することにより導線にかかる負荷を抑え、ネック部の破損を防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】本実施形態における光スキャナ１の全体斜視図である。
【図２】光スキャナ１のボンディング方法の各工程を示す説明図である。
【図３Ａ】光スキャナ１のボンディングワイヤ５０と圧電素子２２の電極パッド２２ａとの接合部分の断面拡大図である。
【図３Ｂ】光スキャナ１のボンディングワイヤ５０のネック部５０ａにおける応力分布を示す拡大図である。
【図４Ａ】光スキャナ１の補強材６０が設けられたワイヤ５０と電極３５及び電極パッド２２ａとの接合部分の断面拡大図である。
【図４Ｂ】光スキャナ１の補強材６０が設けられたワイヤ５０のネック部５０ａにおける応力分布を示す拡大図である。
【図５】光スキャナ１のワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力と補強材６０の性質との相関関係を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。
【００１９】
図１を用いて、本発明の実施形態に係る光スキャナ１の構造を説明する。図１は、光スキャナ１の全体を示す斜視図である。光スキャナ１は、走査ユニット２０と、固定台座３０により構成される。固定台座３０は、走査ユニット２０を固定する。尚、本実施形態の光スキャナ１において、図１に示すように上下方向、左右方向及び前後方向を設定し、以下を説明する。
【００２０】
図１に示す走査ユニット２０は、外形が四角形状である薄い板状の駆動基板２１を有する。駆動基板２１は、弾性を有する導電性材料、具体的にはＳＵＳ３０４やＳＵＳ４３０等のステンレス、チタン及び鉄等の金属材料を用いて形成される。駆動基板２１は、後方側において、固定台座３０に固定されている被固定部２１ａと、前方側に略正方形状の走査部２１ｂを備える。被固定部２１ａと走査部２１ｂとは、弾性部２１ｃを介して対向する辺の中央が接合されている。
【００２１】
走査部２１ｂの上面には、圧電素子２２が載置される。圧電素子２２は、圧電体を２枚の電極で挟んだ構成である。駆動基板２１の走査部２１ｂに載置される圧電素子２２の上面には、電極パッド２２ａが配置される。走査部２１ｂの前方には、左右方向に延びる棒状の梁２３が設けられ、梁２３の左右方向の中央に、丸形状のミラー２４が設けられる。駆動基板２１の弾性部２１ｃと、梁２３及びミラー２４は、長方形の金属板をエッチング又はプレス加工することにより形成される。
【００２２】
次に、図１を用いて、固定台座３０の構造を説明する。図１に示す固定台座３０は、駆動基板２１よりやや大きい四角形状であり、駆動基板２１と同様の材質の材料を用いて形成された平板状の底板部３１を備える。さらに、固定台座３０は、底板部３１の平板から、一辺が上方向に隆起した隆起部３２を備える。隆起部３２には、駆動基板２１の被固定部２１ａが固定される。
【００２３】
固定台座３０の隆起部３２の上面側に、駆動基板２１の被固定部２１ａの下面側が取り付けられることによって、走査ユニット２０が固定される。駆動基板２１と隆起部３２とは、例えばレーザ溶接法により取り付けられる。被固定部２１ａが隆起部３２に取り付けられると、駆動基板２１の走査部２１ｂは、底板部３１との間に空間が設けられる状態に配置される。
【００２４】
また、固定台座３０には、隆起部３２と隣接する領域に、電極基板３４が配置される。更に、電極基板３４の上側の面には、電極３５が配置される。本実施形態において、電極３５は、図１に示すように、駆動基板２１の圧電素子２２が配置される位置に平行して、圧電素子２２の右側に配置される。電極３５は、電極基板３４に形成された非図示の配線を介して、非図示の交流電源と接続されている。
【００２５】
圧電素子２２と電極３５とは、図１に示すようにワイヤ５０により接合されて、電気的に接続される。具体的には、ワイヤ５０は、図１に示す駆動基板２１に載置された圧電素子２２の電極パッド２２ａから、右方向に延びるようにして、駆動基板２１の右側に設けられた電極３５に接合される。光スキャナ１は、ワイヤ５０が接合されると、駆動可能となる。光スキャナ１は、非図示の交流電源から、固定台座３０の電極基板３４の図示外の配線を介して、電極３５に電力が供給される。電極３５に供給された電力は、ワイヤ５０により電極パッド２２ａに供給され、圧電素子２２を伸縮させる。
【００２６】
ワイヤ５０は、例えば金などの導線を用いてワイヤボンディング方法により接合される。本実施形態では、ワイヤ５０に、径が３７［μｍ］の導線を用いる。このとき、ワイヤ５０は、図示外のボンディング装置により、圧電素子２２の電極パッド２２ａに熱と加重と超音波が加えられ、圧力と摩擦と熱を利用して接合される。光スキャナ１の電極パッド２２ａと、電極３５とにワイヤ５０を接合するワイヤボンディング方法を、図２を用いて詳細に説明する。図２は、本実施形態において、光スキャナ１に行われるワイヤボンディング方法を説明する状態遷移図である。図２は、ワイヤ５０を側面方向から見た図である。本実施形態では、まず、光スキャナ１において、圧電素子２２の電極パッド２２ａにワイヤ５０が接合される１次ボンディング工程が行われる。電極パッド２２ａに１次ボンディング工程が行われたワイヤ５０は、引き延ばされて、固定台座３０の電極３５に接合される２次ボンディング工程が行われる。
【００２７】
まず、１次ボンディング工程において、圧電素子２２の電極パッド２２ａにワイヤ５０を接合するとき、ワイヤ５０の先端に熱が加えられる。ワイヤ５０は、先端が加熱され、溶融したボール溜が形成される（図２（ａ））。ボール溜は、直径がワイヤ５０の他の位置の太さより大きい球形状である。
【００２８】
ワイヤ５０のボール溜は、熱と加重と超音波とによって、圧電素子２２の電極パッド２２ａの上面に圧着される。そして、ワイヤ５０の先端のボール溜が、電極パッド２２ａに接合される（図２（ｂ））。これにより、ワイヤ５０を、走査ユニット２０の圧電素子２２の電極パッド２２ａと接合する１次ボンディング工程が完了する。１次ボンディング工程において、電極パッド２２ａには、ワイヤ５０の太さより直径が大きいボール溜が接合される。これにより、ワイヤ５０の電極パッド２２ａとの接合部分には、段差形状のネック部５０ａが形成される。ワイヤ５０のネック部５０ａの径は、ワイヤ５０のボール溜が形成されない他の位置の径より大きい。
【００２９】
１次ボンディング工程によりワイヤ５０の先端が電極パッド２２ａに接合されたあと、固定台座３０の電極３５へ２次ボンディング工程が行われる。２次ボンディング工程が行われるとき、電極パッド２２ａに接合されたワイヤ５０が、電極パッド２２ａから固定台座３０の電極３５に引き延ばされる。そして、引き延ばされたワイヤ５０が、電極３５に接合される（図２（ｃ））。２次ボンディング工程において、ワイヤ５０が電極３５に接合されるとき、電極３５に接合するワイヤ５０の箇所には、１次ボンディング工程と同様に熱が加えられる。熱が加えられて溶融したワイヤ５０が、熱と加重と超音波とによって電極３５に接合される。このとき、ワイヤ５０の電極３５との接合部分は、１次ボンディング工程による電極パッド２２ａとの接合部分と同様に、ワイヤ５０の熱が加えられない他の位置より径が大きい段差形状になる。これにより、ワイヤ５０を電極３５に接合する２次ボンディング工程が完了する（図２（ｄ））。
【００３０】
ワイヤ５０が、１次ボンディング及び２次ボンディングの工程を経て、圧電素子２２の電極パッド２２ａと電極３５とに接合されることにより、光スキャナ１の圧電素子２２が、非図示の交流電源と電気的に接続される。
【００３１】
上述したワイヤボンディング方法の各工程が行われると、ワイヤ５０が、左右方向に延びるように、圧電素子２２の電極パッド２２ａと電極３５とが接続される。圧電素子２２は、交流電源から電極３５及びワイヤ５０を介して電力が供給され、伸縮する。圧電素子２２が伸縮すると、圧電素子２２が載置された駆動基板２１が、図１の前後方向に延びる中心軸Ｘを軸として、上下方向に振動する。図１に示すように、駆動基板２１は、中心軸Ｘが、駆動基板２１の左右方向の中心となるように、被固定部２１ａが固定台座３０の隆起部３２に設けられる。
【００３２】
圧電素子２２に電圧が印加され、圧電素子２２が伸縮すると、駆動基板２１に振動が伝えられて、駆動基板２１の全体が振動する。駆動基板２１が振動すると、梁２３に振動が伝えられる。梁２３は、その振動を捻り駆動に変換して、ミラー２４を捻り駆動させる。ミラー２４は、捻り向きに応じて、図示外のレーザ光源からミラー２４の面に入射されるレーザ光を反射して走査し、所望の画像を形成する。
【００３３】
ワイヤ５０を介して電極パッド２２ａに電力が供給されると、圧電素子２２が左右方向に伸縮する。圧電素子２２の左右方向の伸縮が駆動基板２１に伝えられると、駆動基板２１が上下方向に振動する。その一方で、光スキャナ１において、ワイヤ５０は、左右方向に延びる配置がされている。すなわち、ワイヤ５０の配置されている左右方向に対し、駆動基板２１は交差する上下方向に振動する。駆動基板２１が振動すると、ワイヤ５０が接合された位置の電極パッド２２ａも移動するため、圧電素子２２と電極３５に接合されるワイヤ５０が配置されている状態が変化する。この結果、ワイヤ５０の電極パッド２２ａ及び電極３５の接合部分に負荷が生じる。特にワイヤ５０の接合部分のネック部５０ａは、ワイヤ５０の太さと径が異なる段差形状となっているため、負荷がかかると、ワイヤ５０が切断しやすい状態である。
【００３４】
その点について、図３Ａ及び図３Ｂを用いて、走査ユニット２０と固定台座３０とを、ワイヤ５０により電気的に接続した光スキャナ１を説明する。図３Ａは、図１に示す光スキャナ１をＡ−Ａ線で切断し、矢視方向から見た断面図である。図３Ｂは、図３Ａに占めす光スキャナ１のワイヤ５０に生じる負荷応力を示す図である。図３Ａ及び図３Ｂは、後述に示す図４Ａ及び図４Ｂとは異なり、走査ユニット２０及び固定台座３０のワイヤ５０の接続部分に、補強材６０が設けられていない状態の光スキャナ１を示す図である。
【００３５】
まず、図３Ａ及び図３Ｂを用いて、ワイヤ５０に、補強材６０が設けられていない状態の光スキャナ１を説明する。図３Ａは、走査ユニット２０及び固定台座３０とのワイヤ５０の接続部分に、補強材６０が設けられていない状態の光スキャナ１のＡ−Ａ線で切断した断面図である。図３Ｂは、図３Ａに示す光スキャナ１が駆動するとき、図３Ａに示すワイヤ５０のネック部５０ａに生じる負荷応力の分布を示す拡大図である。図３Ｂに示すワイヤ５０には、後述に説明する図４Ａのような補強材６０が設けられていない。光スキャナ１のワイヤ５０には、圧電素子２２に電力が供給され、駆動基板２１が振動するときに大きな負荷がかかる構成である。
【００３６】
本実施形態の光スキャナ１は、ワイヤ５０から電力が供給されると、圧電素子２２が伸縮する。このとき、圧電素子２２は、左右方向に大きく伸縮する。これにより、駆動基板２１の走査部２１ｂは、左右方向に捻り駆動し、上下動する。ワイヤ５０は、その一端が、駆動基板２１の走査部２１ｂの上面に載置される圧電素子２２の電極パッド２２ａに接合され、他端が、固定台座３０の電極３５に接合され、固定された状態で左右方向に配線されている。圧電素子２２が伸縮すると、駆動基板２１が振動するため、ワイヤ５０の圧電素子２２との接合点の位置が変化する。その一方、ワイヤ５０の電極３５との接合点の位置は変化しない。このように、圧電素子２２が伸縮すると、駆動基板２１のみが振動するため、ワイヤ５０の電極３５と圧電素子２２との間の配置状態が変化する。ワイヤ５０には、配線方向である左右方向に、駆動基板２１が振動することでかかる負荷を逃がそうとする力が生じる。
【００３７】
特に、図３Ａに示すように、ワイヤ５０は、圧電素子２２の電極パッド２２ａとの接合部分及び電極３５との接合部分とが、段差形状である。そのため、駆動基板２１が振動するとき、ワイヤ５０の接合部分のネック部５０ａには負荷がかかる。駆動基板２１が振動すると、ワイヤ５０の圧電素子２２の電極パッド２２ａとの接合部分のネック部５０ａには、図３Ｂに示すように、特に左右方向に大きく負荷がかかる。図３Ｂにおいては、図１に示す中心軸Ｘを走査ユニット２０の駆動の中心として、駆動基板２１が振動するときに、ワイヤ５０のネック部５０ａに生じる負荷応力の強度を示す指標として、応力強度を３段階に分別して表示する。具体的には、ワイヤ５０のネック部５０ａの断面において、かかる負荷応力が小さい領域を縦線で示し、負荷応力が中程度の領域を横線で示し、負荷応力が大きい領域を縦横線で示す。図３Ｂでは、中心軸Ｘに平行なワイヤ５０の前後方向を中心として、中心から３割の領域に、負荷応力が小さい領域が分布する。また、ワイヤ５０の負荷応力が小さい領域から外側の４割に、負荷応力が中程度の領域が分布する。さらに、負荷応力が中程度の領域より外側の最外周の３割に、負荷応力が大きい領域が分布する。
【００３８】
そこで、本実施形態では、光スキャナ１のワイヤ５０の接合部分に、補強材６０を設ける。光スキャナ１において、駆動基板２１が振動することにより、図３Ｂに示すようにワイヤ５０にかかる負荷を抑えるため、ワイヤ５０の接合部分に補強材６０を設ける。補強材６０を設けることにより、光スキャナ１の走査ユニット２０の駆動基板２１が振動することに起因して、ワイヤ５０の接合部分にかかる負荷を低減し、ワイヤ５０の切断を防ぐ。
【００３９】
このようにして、光スキャナ１にワイヤ５０の接合部分に補強材６０を設けた構成を、図４Ａ及び図４Ｂを用いて説明する。図４Ａは、ワイヤ５０の走査ユニット２０及び固定台座３０との接合部分に、補強材６０が設けられた本実施形態の光スキャナ１を示す断面図である。図４Ｂは、図４Ａに示す光スキャナ１が駆動するとき、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる負荷応力の分布を示す拡大図である。図４Ａ及び図４Ｂは、光スキャナ１の走査ユニット２０及び固定台座３０において、ワイヤ５０の接合部分に、補強材６０が設けられている点で、図３Ａ及び図３Ｂと異なる。
【００４０】
本実施形態において、図４Ａに示すように光スキャナ１のワイヤ５０は、電極パッド２２ａとの接合部分及び電極３５との接合部分が段差形状に形成される。そのため、補強材６０を、図４Ａに示すように、ワイヤ５０のネック部５０ａの周囲と、電極パッド２２ａ及び電極３５との接合部分の周囲とを覆うように設ける。
【００４１】
本実施形態の光スキャナ１では、図４Ａに示すようにワイヤ５０の接合部分に補強材６０が設けられている。図４Ｂにおいては、図１に示す中心軸Ｘを走査ユニット２０の駆動の中心として、駆動基板２１が振動するときに、ワイヤ５０のネック部５０ａに生じる負荷応力の強度を３段階に分別して表示する。具体的には、応力が小さい領域を縦線で示し、応力が中程度の領域を横線で示し、応力が大きい領域を縦横線で示す。図４Ｂでは、中心軸Ｘに平行なワイヤ５０の前後方向を中心として、中心から７割は応力が小さい領域、応力が小さい領域より外側の２割は応力が中程度の領域、最外周の１割に応力が大きい領域の分布となる。図４Ｂに示すように、補強材６０を設けることにより、圧電素子２２の伸縮によりワイヤ５０のネック部５０ａにおいて、左右方向にかかる負荷を低減することができる。
【００４２】
図３Ｂと図４Ｂとの負荷分布図を比較すると、図４Ｂに示す補強材６０が設けられたネック部５０ａは、図３Ｂに示す補強材６０がないネック部５０ａと比べ、生じる負荷応力が小さい領域が大きく、負荷応力が大きい領域が小さい。この結果、ネック部５０ａの周囲に補強材６０が設けられている場合は、補強材６０が設けられていないネック部５０ａに比べ、かかる負荷が小さくなり、ワイヤ５０が切断されるおそれが少ない。
【００４３】
特に、補強材６０を、ワイヤ５０のネック部５０ａの左右方向に設けることにより、圧電素子２２の伸縮に起因するワイヤ５０の負荷にかかるネック部５０ａの切断を防ぐことができる。また、補強材６０を、ワイヤ５０のネック部５０ａの左右方向のみでなく、周囲に設けることによって、駆動基板２１の振動による負荷がかかり切断し易い構成である段差形状のネック部５０ａを補強し、ネック部５０ａが切断するおそれを防ぐことができる。
【００４４】
また、ワイヤ５０の電極パッド２２ａとの接合面においても、圧電素子２２の左右方向への伸縮に起因して、大きな負荷が生じることが考えられる。この結果、ワイヤ５０が、電極パッド２２ａから剥離するおそれがある。そこで、補強材６０を、駆動基板２１との接合部分の周囲に設けることにより、ワイヤ５０の剥離を防ぐことができる。本実施形態では、補強材６０を、電極パッド２２ａと接合されるワイヤ５０の左右方向に設けることにより、圧電素子２２の伸縮によりワイヤ５０にかかる負荷による破損を防ぐことができる。また、補強材６０を設けることにより、光スキャナ１の耐久性が向上する。
【００４５】
また、光スキャナ１は、圧電素子２２の伸縮に従って、駆動基板２１が上下方向に振動し、ミラー２４を駆動させる。駆動基板２１が振動することにより、ワイヤ５０と電極パッド２２ａとの間には、上下方向の負荷が生じる。そのため、ワイヤ５０が、電極パッド２２ａから剥離する、または切断するおそれがある。そこで、補強材６０を、電極パッド２２ａと接合されるワイヤ５０の左右方向のみでなく、ワイヤ５０の周にわたって設ける。この構成により、駆動基板２１が振動することに起因してワイヤ５０にかかる負荷によって、ワイヤ５０が切断するおそれを防ぐことができる。また、補強材６０を、ワイヤ５０の電極パッド２２ａとの接合部分に設けることにより、圧電素子２２の伸縮と駆動基板２１の振動とによる、ワイヤ５０の電極パッド２２ａからの剥離またはワイヤ５０の切断を防ぐことができる。
【００４６】
補強材６０は、例えば、エポキシ系樹脂や、アクリル系樹脂等の樹脂接着剤が用いられる。本実施形態において、補強材６０は、所定の弾性率の範囲内の材質が用いられることが望ましい。図５は、本実施形態の光スキャナ１においてワイヤ５０に設けられる補強材６０の材質に応じて、ワイヤ５０にかかる応力を数値化したシミュレーション結果である。図５は、ミラー２４が振れ角±６．２５度で揺動するように、周波数を３３［ｋＨｚ］で光スキャナ１を駆動させたシミュレーション結果である。図５に示すグラフでは、補強材６０の弾性率を、補強材６０の材質の特徴として示す。図５では、補強材６０が設けられない状態の光スキャナ１において、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力を線αに示す。補強材６０が設けられないワイヤ５０のネック部５０ａには、図５の線αで示す４５［ＭＰａ］の応力がかかる。また、補強材６０が設けられた状態の光スキャナ１にいて、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力を線βに示す。図５によれば、補強材６０をワイヤ５０に設けた場合は、設けない場合に比べ、ネック部５０ａにかかる応力を小さくすることができる。また、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力は、補強材６０の弾性率によっても異なる。例えば、ネック部５０ａに弾性率が１［Ｇｐａ］の補強材６０を設けた場合、約２７．５［ＭＰａ］の応力がかかる。また、弾性率が１０［Ｇｐａ］の補強材６０を設けた場合、約１１［ＭＰａ］の応力がかかる。
【００４７】
図５に示すように、弾性率が高い補強材６０を設けるほど、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる応力を小さくすることができる。特に、補強材６０は、その弾性率を１［ＧＰａ］以上とすることが望ましい。しかしながら、補強材６０は、樹脂製の材料であるとき、弾性率が高すぎると、流動しやすいことが考えられる。弾性率が大きい補強材６０を、補強したいワイヤ５０のネック部５０ａに塗布しても、補強材６０が固化する前に流動し、ネック部５０ａを補強することができないおそれがある。そのため、補強材６０は、弾性率を１０［ＧＰａ］以下とすることが望ましい。また、例えば、弾性率が１０［ＧＰａ］より大きい金属製の材料を用いると、ワイヤ５０のネック部５０ａにかかる負荷応力を軽減させることはできるが、ワイヤ５０の金属製の補強材との境界に大きな負荷がかかる。その結果、ワイヤ５０の金属製の補強材との境界が断線するおそれがある。
【００４８】
（本発明の構成との関係）
本実施形態の電極パッド２２ａが、本発明の第１電極の一例である。本実施形態の電極３５が、本発明の第２電極の一例である。本実施形態におけるワイヤ５０が電極パッド２２ａに接続される部分が、本発明の第１接続部分の一例である。本実施形態におけるワイヤ５０が電極３５に接続される部分が、本発明の第２接続部分の一例である。
【００４９】
また、本実施形態における駆動基板２１の走査部２１ｂが、本発明の基板の載置部の一例である。本実施形態における駆動基板２１の被固定部２１ａが、本発明の基板の支持部の一例である。尚、本実施形態において、圧電素子２２は、左右方向に大きく伸縮する構成である。本実施形態の圧電素子２２が大きく伸縮する左右方向が、本発明における圧電素子が伸縮する方向に相当する。また、本実施形態において駆動基板２１は、被固定部２１ａが固定され、左右方向の中心である中心軸Ｘを中心に、振動する。本実施形態において、図１の中心軸Ｘが延びる左右方向の中心が、本発明の中心軸に相当する。
【００５０】
（変形例）
本実施形態において、補強材６０は、ワイヤ５０と電極パッド２２ａとの接続部分のネック部及びワイヤ５０と電極３５との接続部分のネック部５０ａに設けられている。しかしながら、ワイヤ５０に設けられる補強材６０は、ワイヤ５０と電極パッド２２ａとの接続部分、またはワイヤ５０と電極３５との接続部分のいずれか一方であっても良い。また、補強材６０は、少なくともワイヤ５０と電極パッド２２ａとの接続部分のネック部５０ａに設けられていればよい。これにより、圧電素子２２が伸縮するとき、負荷が大きくかかる電極パッド２２ａとの接続部分のネック部５０ａの切断を防ぐことができる。
【００５１】
補強材６０は、伸縮する圧電素子２２からワイヤ５０にかかる力の位置に応じて、部分的に塗布してもよい。また、ネック部５０ａに設けられる補強材６０は、圧電素子２２からワイヤ５０にかかる力の大きさに応じて、部分的に塗布量を増減してもよい。
【符号の説明】
【００５２】
１ 光スキャナ
２０ 走査ユニット
２１ 駆動基板
２２ 圧電素子
２２ａ 電極パッド
２４ ミラー
３０ 固定台座
３４ 電極基板
３５ 電極
５０ ワイヤ
５０ａ ネック部
６０ 補強材
【特許請求の範囲】
【請求項１】
電圧が印加されて伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子に設けられる第１電極と、
前記圧電素子と別体に設けられ、電源からの電圧が印加される第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する導線と、
を備える振動装置であって、
前記導線と前記第１電極との接続部分である第１接続部分と、前記導線と前記第２電極との接続部分である第２接続部分との少なくとも一方に設けられ、前記導線の太さが、前記接続部分に向けて太くなるネック部と、
前記圧電素子による伸縮に伴って変位する前記ネック部の境界に設けられる補強材と、を備えることを特徴とする振動装置。
【請求項２】
入射される光を反射するミラーを有し、前記圧電素子が載置される載置部と、前記載置部に隣接し、支持される支持部と、を備える基板を備え、
前記基板は、前記圧電素子が伸縮することにより、前記支持部と前記載置部とを繋ぐ線上を中心軸として振動し、前記ミラーを走査させるものであり、
前記補強材は、前記導線において、前記ネック部の前記第１接合部分と前記第２接合部分とを結ぶ線上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の振動装置を備える光スキャナ。
【請求項３】
前記圧電素子は、伸縮することにより前記ミラーが駆動される前記基板の面に平行な方向であり、且つ、前記中心軸方向と交差する方向に少なくとも伸縮するものであり、
前記補強材は、さらに、前記導線において、前記ネック部の前記中心軸に平行する線上に設けられることを特徴とする請求項２に記載の振動装置を備える光スキャナ。
【請求項４】
前記補強材は、前記導線の前記ネック部の前記境界と、前記第１電極とを覆うように設けられることを特徴とする請求項１〜３に記載の振動装置を備える光スキャナ。
【請求項５】
前記補強材は、弾性率が１ＧＰａから１０ＧＰａの範囲である樹脂材料を用いることを特徴とする請求項１〜４に記載の振動装置を備える光スキャナ。
【請求項１】
電圧が印加されて伸縮する圧電素子と、
前記圧電素子に設けられる第１電極と、
前記圧電素子と別体に設けられ、電源からの電圧が印加される第２電極と、
前記第１電極と前記第２電極とを電気的に接続する導線と、
を備える振動装置であって、
前記導線と前記第１電極との接続部分である第１接続部分と、前記導線と前記第２電極との接続部分である第２接続部分との少なくとも一方に設けられ、前記導線の太さが、前記接続部分に向けて太くなるネック部と、
前記圧電素子による伸縮に伴って変位する前記ネック部の境界に設けられる補強材と、を備えることを特徴とする振動装置。
【請求項２】
入射される光を反射するミラーを有し、前記圧電素子が載置される載置部と、前記載置部に隣接し、支持される支持部と、を備える基板を備え、
前記基板は、前記圧電素子が伸縮することにより、前記支持部と前記載置部とを繋ぐ線上を中心軸として振動し、前記ミラーを走査させるものであり、
前記補強材は、前記導線において、前記ネック部の前記第１接合部分と前記第２接合部分とを結ぶ線上に設けられることを特徴とする請求項１に記載の振動装置を備える光スキャナ。
【請求項３】
前記圧電素子は、伸縮することにより前記ミラーが駆動される前記基板の面に平行な方向であり、且つ、前記中心軸方向と交差する方向に少なくとも伸縮するものであり、
前記補強材は、さらに、前記導線において、前記ネック部の前記中心軸に平行する線上に設けられることを特徴とする請求項２に記載の振動装置を備える光スキャナ。
【請求項４】
前記補強材は、前記導線の前記ネック部の前記境界と、前記第１電極とを覆うように設けられることを特徴とする請求項１〜３に記載の振動装置を備える光スキャナ。
【請求項５】
前記補強材は、弾性率が１ＧＰａから１０ＧＰａの範囲である樹脂材料を用いることを特徴とする請求項１〜４に記載の振動装置を備える光スキャナ。
【図１】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【図２】
【図３Ａ】
【図３Ｂ】
【図４Ａ】
【図４Ｂ】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２４７５２３（Ｐ２０１２−２４７５２３Ａ）
【公開日】平成２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−１１７６６７（Ｐ２０１１−１１７６６７）
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【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２４年１２月１３日（２０１２．１２．１３）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年５月２６日（２０１１．５．２６）
【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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