JP5298985B2 - 光走査装置 - Google Patents

Description

本発明は、光ビームを走査する光走査装置に関する。

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。
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１参照）。

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。

特開２００８−１２９０６８号公報

しかし、特許文献１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、鏡面部が形成された第３フレームの振動振幅が小さいという問題があった。

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鏡面部の振動振幅を大きくすることを目的とする。

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。

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。

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。

そして、櫛歯状に形成された第１櫛歯状電極部が第２支持部に設けられるとともに、第１櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成された第２櫛歯状電極部が第１櫛歯状電極部と噛み合い可能な位置に固定して設置され、電圧印加手段が、第１櫛歯状電極部と第２櫛歯状電極部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。

このため電圧印加手段が、第１櫛歯状電極部と第２櫛歯状電極部との間に電圧を印加して、固有の周期的外力を第２支持部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。

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。

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。

そして電圧印加制御手段が、第３弾性連結部を回転軸とした第２支持部の回転角度を第２支持部回転角度とし、電圧印加手段による電圧印加で発生する静電気力によって第２支持部に作用するトルクを第２支持部トルクとし、第２支持部トルクが最大となるときの第２支持部回転角度をトルク最大回転角度として、第２支持部回転角度が、トルク最大回転角度を含む予め設定された第２支持部回転角度の範囲である電圧印加角度範囲内にあるときのみにおいて常に、電圧印加手段に一定電圧を印加させる。

したがって、第２支持部に作用するトルクが最大となるときに、この最大トルクを第２支持部に作用させることができる。これにより、第２支持部に最大トルクが作用しない場合よりも大きいトルクを第２支持部に作用させることができ、第２支持部の角度振幅を大きくすることができる。そして上述のように、第２支持部の角度振幅が大きくなると、振動モードにおける角度振幅の比に応じて、反射部の角度振幅が大きくなるため、反射部の角度振幅を大きくすることができる。

また請求項１に記載の光走査装置において、電圧印加角度範囲は、第２支持部トルクの最大値との差が１０％となる第２支持部トルクが発生するときの第２支持部回転角度であり且つトルク最大回転角度より大きいものを、当該電圧印加角度範囲の上限角度とし、第２支持部トルクの最大値との差が１０％となる第２支持部トルクが発生するときの第２支持部回転角度であり且つトルク最大回転角度より小さいものを、当該電圧印加角度範囲の下限角度とし、電圧印加角度範囲内でのトルク曲線は平坦である。

このように構成された光走査装置では、電圧印加角度範囲を、第２支持部に作用するトルクの大きさが最大値近傍であるときのみとすることができる。換言すると、第２支持部に作用するトルクが小さいときには電圧印加手段が電圧を印加しないようにすることができる。このため、第２支持部に作用するトルクが小さくて反射部の角度振幅の増加に寄与し難いときに無駄に電圧が印加されることを抑制し、当該光走査装置の消費電力を低減することができる。

光走査装置１の構成を示す平面図である。 光走査装置１の電気的構成を示すブロック図である。 外ジンバル１１と内ジンバル１２とミラー１３の角度振幅比を示す図である。 櫛歯間静電トルクと外ジンバル回転角度との関係を示すグラフである。 外ジンバル回転角度θと印加電圧と櫛歯間静電トルクの時間変化を示すグラフである。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

ここで、駆動信号発生回路３１は、図３に示すように、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。

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。

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。

図４（ａ）は、櫛歯電極部４ａ，４ｂと櫛歯電極部１７，１９との間で発生する静電トルク（以下、櫛歯間静電トルクともいう）と、外ジンバル１１の回転角度（以下、外ジンバル回転角度ともいう）との関係を示すグラフである。なお図４（ａ）において、櫛歯間静電トルクの正負符号は、櫛歯間静電トルクが作用する向きを示す。また、図４（ａ）に示す櫛歯間静電トルクの値の絶対値を、櫛歯間静電トルク絶対値という。

図４（ａ）に示すように、櫛歯間静電トルクは、外ジンバル回転角度が０°で櫛歯間静電トルクが０である点を中心として点対称な特性を示す。そして、外ジンバル回転角度θが負である領域Ｒ１では、櫛歯間静電トルク絶対値の変化率に応じて、４つの領域Ｒ１１，Ｒ１２，Ｒ１３，Ｒ１４に分割される。なお、第１負領域Ｒ１１は外ジンバル回転角度θが０以上θ１１未満の領域、第２負領域Ｒ１２は外ジンバル回転角度θがθ１１以上θ１２未満の領域、第３負領域Ｒ１３は外ジンバル回転角度θがθ１２以上θ１３未満の領域、第４負領域Ｒ１４は外ジンバル回転角度θがθ１３以上の領域である（但し、θ１１＞θ１２＞θ１３）。

まず第１負領域Ｒ１１では、外ジンバル回転角度θが０°から負方向へ変化するにつれて、櫛歯間静電トルク絶対値が０から急激に増加する。そして第２負領域Ｒ１２では、外ジンバル回転角度θの負方向への変化に対して、櫛歯間静電トルク絶対値の変化が小さくなる。すなわち第２負領域Ｒ１２では、櫛歯間静電トルク曲線が略平坦になる。なお、第２負領域Ｒ１２内で櫛歯間静電トルク絶対値が最大となる。さらに第３負領域Ｒ１３では、外ジンバル回転角度θが負方向へ変化するにつれて、櫛歯間静電トルク絶対値が急激に減少する。そして第４負領域Ｒ１４では、外ジンバル回転角度θの負方向への変化に対して、櫛歯間静電トルク絶対値の変化が小さくなる。すなわち第４負領域Ｒ１４では、櫛歯間静電トルク絶対値は０近傍の値を維持する。

また、外ジンバル回転角度θが正である領域Ｒ２では、櫛歯間静電トルク絶対値の変化率に応じて、４つの領域Ｒ２１，Ｒ２２，Ｒ２３，Ｒ２４に分割される。なお、第１正領域Ｒ２１は外ジンバル回転角度θが０以上θ２１未満の領域、第２正領域Ｒ２２は外ジンバル回転角度θがθ２１以上θ２２未満の領域、第３正領域Ｒ２３は外ジンバル回転角度θがθ２２以上θ２３未満の領域、第４正領域Ｒ２４は外ジンバル回転角度θがθ２３以上の領域である（但し、θ２１＜θ２２＜θ２３）。

まず第１正領域Ｒ２１では、外ジンバル回転角度θが０°から正方向へ変化するにつれて、櫛歯間静電トルク絶対値が０から急激に増加する。そして第２正領域Ｒ２２では、外ジンバル回転角度θの正方向への変化に対して、櫛歯間静電トルク絶対値の変化が小さくなる。すなわち第２正領域Ｒ２２では、櫛歯間静電トルク曲線が略平坦になる。なお、第２負領域Ｒ２２内で櫛歯間静電トルク絶対値が最大となる。さらに第３正領域Ｒ２３では、外ジンバル回転角度θが正方向へ変化するにつれて、櫛歯間静電トルク絶対値が急激に減少する。そして第４正領域Ｒ２４では、外ジンバル回転角度θの正方向への変化に対して、櫛歯間静電トルク絶対値の変化が小さくなる。すなわち第４正領域Ｒ２４では、櫛歯間静電トルク絶対値は０近傍の値を維持する。

図４（ｂ）は、図４（ａ）における領域Ｒ１の拡大図である。図５は、電圧印加タイミングを示すための外ジンバル回転角度θと印加電圧と櫛歯間静電トルクの時間変化を示すグラフである。なお図５において、波形Ｗθは外ジンバル回転角度θの時間変化、波形ＷＶは駆動部４で印加される電圧の時間変化、波形ＷＴは外ジンバル１１に作用する静電トルクの時間変化を示す。

そして制御回路３５は、図４（ｂ）および図５に示すように、櫛歯間静電トルク絶対値が最大値Ｔｍａｘの９０％以上となる外ジンバル回転角度θの角度範囲（−｜θ２｜〜−｜θ１｜）と（＋｜θ１｜〜＋｜θ２｜）をトルク最大範囲ＲＴとして、角度検出部５による検出結果に基づいて、図５に示すように、外ジンバル回転角度θが、トルク最大範囲ＲＴに含まれる予め設定された電圧印加角度範囲ＲＶ（−｜θｕ｜〜−｜θｄ｜）と（＋｜θｄ｜〜＋｜θｕ｜）内であるときに（図５中の回転角度波形Ｗθを参照）、駆動信号発生回路３１に駆動信号を出力させる（図５中の駆動電圧波形ＷＶを参照）。なお、電圧印加角度範囲ＲＶは、櫛歯間静電トルクが最大となるときの外ジンバル回転角度θを含んでいる。

詳細には、まず、外ジンバル回転角度θが０以上であり且つ（＋｜θｕ｜）未満であるときには、駆動信号は出力されない。その後、外ジンバル回転角度θが（＋｜θｕ｜）以上となると駆動信号が出力される。さらに外ジンバル回転角度θが大きくなり、ミラー１３が揺動しているときにおけるミラー１３の回転角度の最大値（＋｜θｍ｜）（以下、ミラー最大角度（＋｜θｍ｜）ともいう）に到達し、その後に外ジンバル回転角度θが（＋｜θｄ｜）未満になるまで出力される。

そして、外ジンバル回転角度θが（＋｜θｄ｜）未満になり、（−｜θｕ｜）以下になるまでは駆動信号は出力されない。その後、外ジンバル回転角度θが（−｜θｕ｜）以下になると駆動信号が出力される。さらに外ジンバル回転角度θが大きくなり、ミラー１３が揺動しているときにおけるミラー１３の回転角度の最小値（−｜θｍ｜）（以下、ミラー最小角度（−｜θｍ｜）ともいう）に到達し、その後に外ジンバル回転角度θが（−｜θｄ｜）以上になるまで出力される。

なお以下、ミラー最大角度（＋｜θｍ｜）とミラー最小角度（−｜θｍ｜）をまとめてミラー目標角度θｍという。
また光走査装置１は、ミラー１３の回転角度がθｍであるときの外ジンバル回転角度θをθｊとすると、ミラー目標角度θｍが、下式（５），（６）で表される範囲内となるように設計されている。

｛−｜θ２｜×（θｍ／θｊ）｝ ＜ （−｜θｍ｜） ＜ ｛−｜θ１｜×（θｍ／θｊ）｝ …（５）
｛＋｜θ１｜×（θｍ／θｊ）｝ ＜ （＋｜θｍ｜） ＜ ｛＋｜θ２｜×（θｍ／θｊ）｝ …（６）
なお、式（５），（６）における「（θｍ／θｊ）」は、ミラー１３と外ジンバル１１の振幅比を表す。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

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。

そして制御回路３５が、櫛歯間静電トルクが最大となるときの外ジンバル回転角度θ（以下、トルク最大回転角度ともいう）を含む予め設定された電圧印加角度範囲ＲＶ内にあるときに、駆動信号発生回路３１に電圧を印加させる。

したがって、外ジンバル１１に作用するトルクが最大となるときに、この最大トルクを外ジンバル１１に作用させることができる。これにより、外ジンバル１１に最大トルクが作用しない場合よりも大きいトルクを外ジンバル１１に作用させることができ、外ジンバル１１の角度振幅を大きくすることができる。そして上述のように、外ジンバル１１の角度振幅が大きくなると、振動モードにおける角度振幅の比に応じて、ミラー１３の角度振幅が大きくなるため、ミラー１３の角度振幅を大きくすることができる。

また、電圧印加角度範囲ＲＶは、トルク最大範囲ＲＴに含まれており、櫛歯間静電トルクの最大値との差が１０％となる櫛歯間静電トルクが発生するときの外ジンバル回転角度θであり且つトルク最大回転角度より大きいものを、電圧印加角度範囲ＲＶの上限角度（−｜θ１｜または＋｜θ２｜）とし、櫛歯間静電トルクの最大値との差が１０％となる櫛歯間静電トルクが発生するときの外ジンバル回転角度θであり且つトルク最大回転角度より小さいものを、電圧印加角度範囲ＲＶの下限角度（−｜θ２｜または＋｜θ１｜）とする。

このため電圧印加角度範囲ＲＶを、外ジンバル１１に作用するトルクの大きさが最大値近傍であるときのみとすることができる。換言すると、外ジンバル１１に作用するトルクが小さいときには駆動信号発生回路３１が電圧を印加しないようにすることができる。このため、外ジンバル１１に作用するトルクが小さくてミラー１３の角度振幅の増加に寄与し難いときに無駄に電圧が印加されることを抑制し、光走査装置１の消費電力を低減することができる。

また光走査装置１は、ミラー目標角度θｍが、上式（５），（６）で表される範囲内となるように設計されている。これにより、ミラー目標角度θｍ近傍において、外ジンバル１１に作用するトルクが最大となるため、櫛歯電極部１７，１９と櫛歯電極部４ａ，４ｂとの間で発生するトルクを最大限に利用することができ、低い消費電力で且つ広い角度振幅でミラー１３を走査させることができる。

また、外ジンバル回転角度θの予め設定された所定変化角度の変化に対する櫛歯間静電トルクの変化量を櫛歯間静電トルク変化率として、電圧印加角度範囲ＲＶ内における櫛歯間静電トルク変化率は、電圧印加角度範囲ＲＶ外であり且つ電圧印加角度範囲ＲＶの上限角度近傍および下限角度近傍の領域における櫛歯間静電トルク変化率よりも充分小さくなるように構成されており、制御回路３５は、外ジンバル回転角度θが、電圧印加角度範囲ＲＶ内にあるときのみに、駆動信号発生回路３１に電圧を印加させる。

なお、電圧印加角度範囲ＲＶ内での櫛歯間静電トルク変化率が充分小さいため、電圧印加角度範囲ＲＶ内でのトルク曲線は略平坦となる。そして、トルク曲線が略平坦である電圧印加角度範囲ＲＶ内にあるときのみに駆動信号発生回路３１に電圧を印加させるため、外ジンバル１１には、矩形波に近似する形状の静電トルクが作用する。

これにより、矩形波に近似する形状の静電トルクのうち３自由度捻り振動子を共振状態にするための共振周波数の成分の振幅が、共振周波数で振動する正弦波の静電トルクの振幅よりも大きくなる。このため、正弦波の静電トルクを作用させる場合よりも、共振周波数で揺動するミラー１３の角度振幅を大きくすることができる。

詳細には、矩形波をフーリエ展開すると式（２）で表され、矩形波における共振周波数ｆの成分は式（３）で表される。一方、共振周波数ｆの正弦波は式（４）で表される。

したがって、矩形波における共振周波数ｆの成分の振幅は、共振周波数ｆの正弦波の振幅より、（４／π）倍大きい。

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、櫛歯電極部１７，１９は本発明における第１櫛歯状電極部、櫛歯電極部４ａ，４ｂは本発明における第２櫛歯状電極部、駆動信号発生回路３１は本発明における電圧印加手段、制御回路３５は本発明における電圧印加制御手段である。

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。
例えば上記実施形態においては、電圧印加角度範囲ＲＶ内でのトルク曲線が略平坦となるものを示した。しかし、矩形波に近似する形状の静電トルクを作用させる必要がない場合には、電圧印加角度範囲ＲＶ内でのトルク曲線が平坦でなくてもよい。

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

Claims (1)

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、
   さらに、前記第２支持部に設けられ、櫛歯状に形成された第１櫛歯状電極部と、
   前記第１櫛歯状電極部と噛み合い可能な櫛歯状に形成され、該第１櫛歯状電極部と噛み合い可能な位置に固定して設置された第２櫛歯状電極部と、
   前記第１櫛歯状電極部と前記第２櫛歯状電極部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電圧印加手段と、
   前記第３弾性連結部を回転軸とした前記第２支持部の回転角度を第２支持部回転角度とし、前記電圧印加手段による電圧印加で発生する静電気力によって前記第２支持部に作用するトルクを第２支持部トルクとし、該第２支持部トルクが最大となるときの前記第２支持部回転角度をトルク最大回転角度として、前記第２支持部回転角度が、前記トルク最大回転角度を含む予め設定された前記第２支持部回転角度の範囲である電圧印加角度範囲内にあるときのみにおいて常に、前記電圧印加手段に一定電圧を印加させる電圧印加制御手段とを備え、
   前記電圧印加角度範囲は、
   前記第２支持部トルクの最大値との差が１０％となる前記第２支持部トルクが発生するときの前記第２支持部回転角度であり且つ前記トルク最大回転角度より大きいものを、当該電圧印加角度範囲の上限角度とし、
   前記第２支持部トルクの最大値との差が１０％となる前記第２支持部トルクが発生するときの前記第２支持部回転角度であり且つ前記トルク最大回転角度より小さいものを、当該電圧印加角度範囲の下限角度とし、
   前記電圧印加角度範囲内でのトルク曲線は平坦である
   ことを特徴とする光走査装置。