特許 6289957 光偏向器

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6289957

(24)【登録日】2018年2月16日

(45)【発行日】2018年3月7日

(54)【発明の名称】光偏向器

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20180226BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20180226BHJP

【ＦＩ】

   G02B26/10 104Z

   G02B26/08 E

【請求項の数】6

【全頁数】19

(21)【出願番号】特願2014-62706(P2014-62706)

(22)【出願日】2014年3月25日

(65)【公開番号】特開2015-184590(P2015-184590A)

(43)【公開日】2015年10月22日

【審査請求日】2017年2月10日

(73)【特許権者】

【識別番号】000002303

【氏名又は名称】スタンレー電気株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110000800

【氏名又は名称】特許業務法人創成国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】四十物 孝憲

【審査官】 右田 昌士

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０１２−１３３２４２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２６８４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−００７７７９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０２０７０１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−１９９６８２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−０６１８８１（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１３−０８００６８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１４−２３５２４５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 米国特許出願公開第２００６／０２５０６７２（ＵＳ，Ａ１）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

Ｇ０２Ｂ ２６／００ − ２６／０８

Ｇ０９Ｇ ３／０２

Ｈ０４Ｎ １／０４ − １／２０

Ｂ８１Ｂ １／００ − ７／０４

Ｂ８１Ｃ １／００ − ９９／００

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

光を反射する反射部と、
前記反射部の中心線に沿って配設され、前記反射部に結合しているトーションバーと、
前記中心線の両側から前記トーションバーに結合して、前記トーションバーを前記中心線の回りに往復回動させる圧電アクチュエータと、
前記圧電アクチュエータを包囲し、第１連結部を介して前記圧電アクチュエータを支持する内側枠と、
前記内側枠を包囲し、第２連結部を介して前記内側枠を支持する外側枠とを備え、
前記内側枠は、前記圧電アクチュエータを包囲するように周回する周回リブと、該周回リブから分岐して前記第２連結部に結合する分岐リブとを備え、
前記第２連結部の厚みと、前記内側枠の前記周回リブ形成部位における厚みと、前記内側枠の前記分岐リブの形成部位における厚みとは、等しくされ、さらに、前記外側枠の厚みよりも薄く、かつ前記反射部の厚みよりも厚いことを特徴とする光偏向器。

【請求項2】

請求項１記載の光偏向器において、
前記周回リブは、前記内側枠の内周縁に沿って等幅で形成されていることを特徴とする光偏向器。

【請求項3】

請求項２記載の光偏向器において、
前記第１連結部の厚みは、前記内側枠の前記分岐リブの形成部位における厚みに等しく、前記第１連結部は、前記内側枠の前記分岐リブの形成部位に結合していることを特徴とする光偏向器。

【請求項4】

請求項３記載の光偏向器において、
前記第１連結部、前記分岐リブ及び前記第２連結部は、前記中心線と直交する前記反射部の別の中心線に沿って等幅で配設されていることを特徴とする光偏向器。

【請求項5】

請求項４記載の光偏向器において、
前記中心線の回りの前記反射部の共振時の周波数を下限周波数とし、該下限周波数から所定の上限周波数までの周波数範囲内の任意の周波数の駆動電圧で前記圧電アクチュエータを駆動したときに、前記駆動電圧と前記反射部の往復回動との位相差が、基準値に対して所定の制限幅内に収まるように、前記第１連結部、前記分岐リブ及び前記第２連結部の前記等幅の寸法が設定されていることを特徴とする光偏向器。

【請求項6】

請求項１〜４のいずれか１項に記載の光偏向器において、
前記第２連結部は、前記外側枠に直結しているか、又は前記反射部を、前記中心線と直交する前記反射部の別の中心線の回りに往復回動させる別の圧電アクチュエータを介して前記外側枠に結合していることを特徴とする光偏向器。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造される光偏向器に関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＥＭＳ技術による製造される光偏向器は、例えば、プロジェクタ、バーコードリーダ又は前照灯等に組み込まれて、走査光の生成等に使用されている。

【0003】

このような光偏向器の一例として、圧電素子で駆動される水平駆動梁が、ミラーからなる反射部と、これを包囲する可動枠との間に介在して、反射部の両側のトーションバーに作用して、反射部を垂直軸線の回りに往復回動させる光偏向器が知られている（特許文献１）。

【0004】

このような光偏向器では、可動枠が、被支持物である水平駆動梁等を支持するのに必要な剛性が確保されるように、水平駆動梁等より十分に厚く、例えば水平駆動梁の厚みの３倍以上の厚みで形成されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0005】

【特許文献1】特開２０１３−８００６８号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0006】

特許文献１の光偏向器では、可動枠の剛性の増大に伴う重量増大のために、また、可動枠と該可動枠を支持する外側の支持枠とを連結する外側連結部の相対的剛性低下のために、反射部の共振振動のエネルギーが、可動枠で消費されるとともに、外側の連結部を介して外に逃げる量が増大する。このことは、反射部を水平駆動梁（アクチュエータ）により共振周波数で駆動するときの駆動エネルギーが、共振周波数に集中せず、共振周波数を中心とした上下の周波数範囲に分散してしまい、反射部の共振振動のＱ値が低下することを意味する。

【0007】

反射部の共振振動のＱ値（Quality factor）は、共振周波数ωoと、共振周波数の下側及び上側にあって振動エネルギーが共振時の振動エネルギーの半分になる周波数ωa及びωbとにより算出式Ｑ＝ωo／（ωb−ωa）に算出される。

【0008】

特許文献１の光偏向器の例では、駆動エネルギーの分散により、ωoは不変であるが、ωb−ωaが増大し、Ｑ値が大幅に低下する。Ｑ値の低下は、共振時の反射部の所望の振れ角を確保するために必要となる水平駆動梁の駆動電圧の増大につながる。

【0009】

本発明の目的は、反射部に支持に必要な剛性を確保しつつ、反射部の共振振動のＱ値の低下を回避して、共振振動時の反射部の所望の振れ角の確保のためのアクチュエータの駆動電圧低下を防止することができる光偏向器を提供することである。

【課題を解決するための手段】

【0010】

本発明の光偏向器は、光を反射する反射部と、前記反射部の中心線に沿って配設され、前記反射部に結合しているトーションバーと、前記中心線の両側から前記トーションバーに結合して、前記トーションバーを前記中心線の回りに往復回動させる圧電アクチュエータと、前記圧電アクチュエータを包囲し、第１連結部を介して前記圧電アクチュエータを支持する内側枠と、前記内側枠を包囲し、第２連結部を介して前記内側枠を支持する外側枠とを備え、前記内側枠は、前記圧電アクチュエータを包囲するように周回する周回リブと、該周回リブから分岐して前記第２連結部に結合する分岐リブとを備え、前記第２連結部の厚みと、前記内側枠の前記周回リブ形成部位における厚みと、前記内側枠の前記分岐リブの形成部位における厚みとは、等しくされ、さらに、前記外側枠の厚みよりも薄く、かつ前記反射部の厚みよりも厚いことを特徴とする。

【0011】

本発明によれば、内側枠は、周回リブにより所定の剛性を付与される。また、周回リブは、分岐リブと、内側枠に分岐リブが形成された全体の厚みを有する第２連結部とを介して外側枠に支持されている。これにより、第１連結部を介して内側枠に伝達されて来る反射部の共振エネルギーは、周回リブにより周回リブの内周側に閉じ込められるとともに、外側枠の方への伝達を防止される。こうして、反射部に支持に必要な内側枠の剛性を確保しつつ、反射部の共振振動のＱ値の低下を回避して、共振振動時の反射部の所望の振れ角の確保のためのアクチュエータの駆動電圧低下を防止することができる。

【0012】

本発明の光偏向器において、前記周回リブは、前記内側枠の内周縁に沿って等幅で形成されていることが好ましい。

【0013】

この構成によれば、周回リブは、最小の周回長さと最小の最大幅で内側枠に形成することができる。この結果、周回リブの形成にもかかわらず内側枠の重量増大を抑制することができる。

【0014】

本発明の光偏向器において、前記第１連結部の厚みは、前記内側枠の前記分岐リブの形成部位における厚みに等しく、前記第１連結部は、前記内側枠の前記分岐リブの形成部位に結合していることが好ましい。

【0015】

この構成によれば、第１連結部の厚みは、内側枠の分岐リブの形成部位における厚みに等しく、第１連結部は、内側枠の分岐リブの形成部位に結合していることにより、内側枠の面に対して直角方向の反射部の振動が抑えられ、反射部のポンピングを有効に防止することができる。

【0016】

本発明の光偏向器において、前記第１連結部、前記分岐リブ及び前記第２連結部は、前記中心線と直交する前記反射部の別の中心線に沿って等幅で配設されていることが好ましい。

【0017】

この構成によれば、第１連結部、分岐リブ及び第２連結部の全長を短縮して、軽量化を図ることができる。

【0018】

本発明の光偏向器において、前記中心線の回りの前記反射部の共振時の周波数を下限周波数とし、該下限周波数から所定の上限周波数までの周波数範囲内の任意の周波数の駆動電圧で前記圧電アクチュエータを駆動したときに、前記駆動電圧と前記反射部の往復回動との位相差が、基準値に対して所定の制限幅内に収まるように、前記第１連結部、前記分岐リブ及び前記第２連結部の前記等幅の寸法が設定されていることが好ましい。

【0019】

この構成によれば、中心線方向の反射部の不適切な往復運動に伴い、反射部の共振時の周波数から上限周波数までの周波数範囲内に生じる、駆動電圧と反射部の往復回動との位相差が、基準値に対して所定の制限幅内に収まるようにして、中心線の回りの反射部の往復回動制御の精度を高めることができる。

【0020】

本発明の光偏向器において、前記第２連結部は、前記外側枠に直結しているか、又は前記反射部を、前記中心線と直交する前記反射部の別の中心線の回りに往復回動させる別の圧電アクチュエータを介して前記外側枠に結合していることが好ましい。

【0021】

この構成によれば、反射部が１つの中心線の回りのみに往復回動する一次元型、又は反射部が２つの中心線の回りに往復回動する二次元型として光偏向器を使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【0022】

【図1】実施例１の光偏向器の表側を斜めから見た斜視図。

【図2】（ａ）は実施例１の光偏向器の背面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ２−Ａ２の断面図。

【図3】実施例１の光偏向器において内側圧電アクチュエータの圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部の機械半角及び水平位相差との関係を示す図。

【図4】比較例１の光偏向器の背面図。

【図5】実施例１及び比較例１の光偏向器における内側圧電アクチュエータの圧電膜の駆動電圧と反射部の機械半角との関係を対比して示す図。

【図6】実施例１及び比較例１の光偏向器における内側圧電アクチュエータの圧電膜の駆動電圧の周波数と反射部の機械半角との関係を対比して示す図。

【図7】（ａ）は実施例２の光偏向器の背面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ７−Ａ７の断面図。

【図8】（ａ）は比較例２の光偏向器の背面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ８−Ａ８の断面図。

【図9】実施例２及び比較例２の光偏向器における内側圧電アクチュエータの圧電膜の駆動電圧と反射部の機械半角との関係を対比して示す図。

【図10】（ａ）は実施例３の光偏向器の背面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ１０−Ａ１０の断面図。

【図11】実施例３の光偏向器において、内側圧電アクチュエータの圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部の機械半角及び水平位相差との関係を示す図。

【図12】実施例４の光偏向器の背面図。

【図13】実施例４の光偏向器において、内側圧電アクチュエータの圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部の機械半角及び水平位相差との関係を示す図。

【図14】実施例５の光偏向器の背面図。

【図15】実施例５の光偏向器において、内側圧電アクチュエータの圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部の機械半角及び水平位相差との関係を示す図。

【図16】実施例６の光偏向器の背面図。

【図17】実施例６の光偏向器において、内側圧電アクチュエータの圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部の機械半角及び水平位相差との関係を示す図。

【図18】実施例７の光偏向器の背面図。

【図19】実施例７の偏向器において、内側圧電アクチュエータの圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部の機械半角及び水平位相差との関係を示す図である。

【発明を実施するための形態】

【0023】

図１は実施例１の光偏向器１の表側を斜めから見た斜視図である。光偏向器１は、反射部２、トーションバー３ａ，３ｂ、内側圧電アクチュエータ４ａ〜４ｄ、内側枠５、外側圧電アクチュエータ６ａ，６ｂ、外側枠７及び電極パッド８ａ，８ｂを備える。光偏向器１は、正面視（光偏向器１が光を出射する側を光偏向器１の表側として、該表側を光偏向器１の正面と呼ぶ）で左右対称の構造となっている。

【0024】

光偏向器１の実施例を含む全ての実施例及び後述の比較例において、構成要素のうち、左右両側に配設されるものについては、光偏向器１の正面視で左側のものには、符号の末尾を「ａ」とし、光偏向器１の正面視で右側のものには、符号の末尾を「ｂ」とする。また、左右の構成要素を総称するときは、符号の末尾の「ａ」及び「ｂ」を省略する。

【0025】

反射部２は、例えば円形又は楕円であり、表側に反射面としての鏡面を有し、図示していない光源からの光（光束）を反射する。

【0026】

以下、説明の便宜上、図１において、中心Ｏ、ｘ軸、ｙ軸、ｚ軸を定義する。中心Ｏは円形の反射部２の中心であり、ｘ軸、ｙ軸及びｚ軸は、中心Ｏにおいて相互に直交する。ｘ軸及びｙ軸は、矩形の外側枠７の長辺及び短辺に対してそれぞれ平行な方向として定義される。ｚ軸は、光偏向器１の裏側から表側の向きが正の向きとなっている。

【0027】

１対のトーションバー３ａ，３ｂは、ｙ軸−ｚ軸平面に含まれる反射部２の中心線（以下、「縦中心線」という）に沿って反射部２の両側に配設され、内側の端部を反射部２の周縁に結合している。縦中心線に対し、ｘ軸−ｚ軸平面に含まれるの中心線を、以下、横中心線（本発明の「別の中心線」の一例）という。縦中心線と横中心線とは、中心Ｏにおいて直交する。光偏向器１の作動中、縦中心線はｘ軸の回りを往復回動し（反射部２の縦の首振りに相当）、横中心線はｙ軸の回りを往復回動する（反射部２の横の首振りに相当）。

【0028】

円弧形の４つの内側圧電アクチュエータ４（本発明の「圧電アクチュエータ」の一例）は、反射部２の外側を周回する配列で、配設される。内側圧電アクチュエータ４ａ，４ｂは、先端部においてトーションバー３ａの中間部に結合している。内側圧電アクチュエータ４ｃ，４ｄは、先端部においてトーションバー３ｂの中間部に結合している。

【0029】

内側枠５は、内周線輪郭が円形に、外周線輪郭が正方形にそれぞれ形成され、中心を中心Ｏに揃え、内周側において４つの内側圧電アクチュエータ４を包囲している。トーションバー３は、外側の端部において内側枠５の内周に結合している。内側連結部１１（本発明の「第１連結部」の一例）はｘ軸に沿って延在し、内側枠５は内側連結部１１を介して内側圧電アクチュエータ４を支持する。

【0030】

外側圧電アクチュエータ６（本発明の「別のアクチュエータ」の一例）は、ｘ軸方向に内側枠５の両側に配設されている。外側連結部１３（本発明の「第２連結部」の一例）は、ｘ軸に沿って延在し、両端において内側枠５の外周と外側圧電アクチュエータ６の先端部とを連結している。外側圧電アクチュエータ６は、ミアンダパターンで配列されたカンチレバー式の圧電アクチュエータ要素１６ａ〜１６ｄを、内側の先端部から外側の基端部に順番に有している。以下、圧電アクチュエータ要素１６ａ〜１６ｄを総称するときは、単に「圧電アクチュエータ要素１６」と称する。複数の圧電アクチュエータ要素１６は、内側枠５側から順番に配列された折返し部１７ａ〜１７ｃにより直列に連結されている。以下、折返し部１７ａ〜１７ｃを総称するときは、単に「折返し部１７」と称する。

【0031】

外側圧電アクチュエータ６の最先端の圧電アクチュエータ要素１６ａ及び最基端の圧電アクチュエータ要素１６ｄの長さは、中間の圧電アクチュエータ要素１６ｂ，１６ｃの長さの半分になっている。

【0032】

外側枠７は、短辺及び長辺がそれぞれｘ軸及びｙ軸に平行な矩形輪郭に形成され、中心を中心Ｏに合わせている。固定部１４は、ｘ軸に沿って延在し、両端において外側圧電アクチュエータ６の基端部と外側枠７の短辺の中間部とを連結している。電極パッド８は、外側枠７の短辺部の表側に配設される。光偏向器１は、ＭＥＭＳのチップから成り、該チップは所定のパッケージ内に収納される。電極パッド８は、パッケージの電極とワイヤボンディングされる。

【0033】

内側枠５が、支持している反射部２、トーションバー３及び内側圧電アクチュエータ４を含む構造部分を以下、共振構造部分と呼ぶことにする。また、該共振構造部分（反射部２が回動するモード）の共振周波数（例：２５．３ｋＨｚ）を単に「共振周波数」という。

【0034】

内側圧電アクチュエータ４は、電極パッド８から共振周波数の電圧を供給される。正面視で左側の内側圧電アクチュエータ４ａ，４ｄと右側の内側圧電アクチュエータ４ｂ，４ｃとは、駆動電圧は逆位相になっている。これにより、内側圧電アクチュエータ４は、各時点で先端部を介してトーションバー３を縦中心線の回りに往復回動する。これに伴い、反射部２も、縦中心線の回りに往復回動する。

【0035】

外側圧電アクチュエータ６は、電極パッド８から所定周波数（例：６０Ｈｚ）の電圧を供給される。内側枠５側から数えて１番、３番の圧電アクチュエータ要素１６ａ，１６ｃの圧電膜と、２番、４番の圧電アクチュエータ要素１６ｂ，１６ｄの圧電膜とは、駆動電圧制御装置（図示せず）から電極パッド８（図１）を介して供給される駆動電圧（周波数は例えば６０Ｈｚ）が逆位相になっている。これにより、外側圧電アクチュエータ６の基端部に対する先端部のｘ軸回りの回転量は、４つの圧電アクチュエータ要素１６おける基端部に対する先端部のｘ軸回りの回転量の加算値となる。この結果、内側枠５は、外側圧電アクチュエータ６によりｘ軸回りに往復回動し、反射部２は横中心線回りに往復回動することになる。

【0036】

反射部２には、図示していないレーザ光源から光が入射する。反射部２は、縦中心線回りの往復回動により、レーザ光源から光を、ｘ軸方向に往復回動する反射光として出射する。反射部２は、また、横中心線回りの往復回動により、レーザ光源から光を、ｙ軸方向に往復回動する反射光として出射する。この結果、光偏向器１から出射光は、ｘ軸方向及びｙ軸方向の二次元の走査光となる。

【0037】

図２において、（ａ）は、光偏向器１の背面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ２−Ａ２の断面図である。なお、図２以降の光偏向器の断面図では、非主要部については図示を省略したり、簡略化している。また、正面図の左右は背面図では右左となる。図２（ａ）及び（ｂ）は、図示の簡略化のために、図１の一部の形状を少し変形して記載している。

【0038】

図２（ａ）並びに後述の図７（ａ）、図１０（ａ）、図１２、図１４、図１６及び図１８の背面図において、斜め破線のハッチングで示した領域は、光偏向器１の裏面側においてＳi層３３（図２（ｂ））の裏面から同一の隆起量で隆起している部位を示している。

【0039】

図２（ａ）の光偏向器１において、斜め破線のハッチングで示した領域は、内側枠５の周回リブ２５及び分岐リブ２６と、外側連結部１３とになっている。分岐リブ２６は、内側枠５において周回リブ２５の外周から分岐して、外側連結部１３と結合している。外側連結部１３の厚みと、内側枠５における周回リブ２５及び分岐リブ２６の形成部位の全体の厚みとは等しくなっている。

【0040】

内側枠５は、Ｓi層３３のみから成る本体部２４と、裏面側において本体部２４から隆起する周回リブ２５及び分岐リブ２６とを有している。内側枠５の本体部２４は、すなわち周回リブ２５及び分岐リブ２６による補強がなくても、内側枠５より内側に配設される反射部２及び内側圧電アクチュエータ４等の要素を支持することができる剛性が確保される厚みとなっている。光偏向器１では、このような本体部２４に対して、さらに、本体部２４の裏面の所定部位に周回リブ２５及び分岐リブ２６が付加された構成となっている。

【0041】

本体部２４からの周回リブ２５及び分岐リブ２６の隆起量は、この実施例では同一である。周回リブ２５は、内側枠５の円形の内周縁に沿って周回している。分岐リブ２６は、ｘ軸に沿って周回リブ２５から外側へ分岐し、内側枠５の外周縁に至り、そこで、外側連結部１３に同一の隆起量で連なる。外側連結部１３は、ｘ軸に沿って延在し、内側枠５と外側圧電アクチュエータ６のミアンダパターン配列における最も内側の圧電アクチュエータ要素１６ａの先端部と連結している。

【0042】

内側連結部１１は、表面及び裏面をｚ軸方向に内側枠５の本体部２４の表面及び裏面に揃えられ、すなわち本体部２４と等しい厚みとされている。ｙ軸方向に、内側連結部１１の寸法（幅）は、外側連結部１３の寸法（幅）と等しくなっている。内側連結部１１は、ｘ軸に沿って延在し、外側の端部（基端部）において内側枠５の周回リブ２５の上層の本体部２４に結合している。

【0043】

内側連結部１１は、内側の端部（先端部）において、周方向に隣接する内側圧電アクチュエータ４間に割り込んで、両側縁で内側圧電アクチュエータ４の基端部に結合し、内側の端は内側圧電アクチュエータ４の周方向配列の内側の円周線に達している。

【0044】

図２（ｂ）において、光偏向器１は、下から上へ順番に、Ｓi層３１、中間酸化膜層（酸化Ｓi層）３２、Ｓi層３３及びＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜層３９が積層されている。Ｓi層３１、中間酸化膜層３２及びＳi層３３は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板３６を構成する。内側圧電アクチュエータ４及び圧電アクチュエータ要素は、ＰＺＴ膜層３９を有している。光偏向器１は、ＳＯＩ基板３６からＭＥＭＳ技術によりＰＺＴ膜層３９等の所望の層を積層したり、表側及び裏側からエッチングされたりして、製造される。

【0045】

図２（ｂ）において、外側枠７の部位では、ＳＯＩ基板３６のＳi層３１がそのまま残されている。これに対し、外側枠７以外の外側連結部１３、周回リブ２５及び分岐リブ２６の部位では、Ｓi層３１は、全量ではないものの、リブとしての高さまでエッチング処理により削られている。また、反射部２及び内側連結部１１の部位は、Ｓi層３１がエッチングにより全量、削られているとともに、中間酸化膜層３２もエッチングにより全量削除されて、Ｓi層３３のみとなっている。図２（ｂ）の断面図には、現れないが、内側枠５の本体部２４もＳi層３３のみとなっている。

【0046】

図３は、光偏向器１において内側圧電アクチュエータ４の圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部２の機械振れ角（＝全体の振れ角の１／２。実線）及び水平位相差（破線）との関係を示す図である。なお、光偏向器１は、ｘ軸及びｙ軸がそれぞれ水平方向及び鉛直方向の軸となるように、配設されたと、仮定している。

【0047】

以下、ｙ軸−ｚ軸平面を光偏向器１の「中心鉛直面」という。また、中心鉛直面に対する内側圧電アクチュエータ４の反射面の法線の傾斜角を反射部２の「水平方向振れ角」という。内側圧電アクチュエータ４の反射面の法線が中心鉛直面に含まれるとき、水平方向振れ角は０°となる。

【0048】

反射部２は、内側圧電アクチュエータ４の作用により水平方向へ共振周波数で往復回動するときは、反射部２が、中心鉛直面に対して水平方向左右にそれぞれ最大に振れたときの水平方向振れ角の絶対値は等しくなる。図３の機械半角とは、内側圧電アクチュエータ４が中心鉛直面に対して水平方向左右にそれぞれ最大に振れたときの水平方向振れ角の絶対値と、定義する。

【0049】

図３では、内側圧電アクチュエータ４の駆動電圧の周波数を、２４ｋＨｚから２８ｋＨｚまで、掃引して、該周波数と機械半角等との関係を調べている。図３によれば、機械半角は、共振時の周波数２５．３ｋＨｚで最大値となり、該周波数の近辺で急峻に上昇する特性になっている。機械半角が最大となる周波数は、縦中心線（トーションバー３の軸線に一致する）の回りの反射部２の共振周波数であり、反射部２及びトーションバー３の重量、形状及び寸法等により決まる。

【0050】

光偏向器１では、駆動電圧制御装置（図示せず）から電極パッド８（図１）を介して内側圧電アクチュエータ４の圧電膜に共振周波数の駆動電圧が供給され、これにより、反射部２は、縦中心線の回りに共振周波数で往復回動し、トーションバー３の反射面からの反射光としての走査光を、該共振周波数の水平方向走査周波数で、出射することになる。

【0051】

水平位相差は、駆動電圧制御装置が電極パッド８を介して内側圧電アクチュエータ４の圧電膜に駆動電圧を供給して、反射部２を縦中心線回りに往復回動させるときの該駆動電圧波形と、縦中心線回りの反射部２の往復回動との位相差と定義する。

【0052】

図３によれば、水平位相差は、内側圧電アクチュエータ４の駆動電圧の周波数の増大に連れて、２５．３ｋＨｚの共振周波数より少し低い周波数から立ち上がり、その後は、３６０°近辺に維持されている。しかしながら、周波数が共振周波数以上になった後も、水平位相差が急峻に増大している箇所としてＰ１，Ｐ２が存在することが分かる。図３によれば、Ｐ１，Ｐ２の周波数はそれぞれ２５．７ｋＨｚと、２６．８ｋＨｚとなっている。

【0053】

反射部２は、縦中心線の回りに、２５．３ｋＨｚの共振周波数で往復回動する偏向モードの他に、種々の動作モードで往復振動する。Ｐ１の動作モードは、ポンピングモードと呼ばれるものであり、共振周波数より約５００Ｈｚ（図３では４００Ｈｚ）上の周波数において、反射部２がｚ軸方向に並進する動作モードである。Ｐ２の動作モードでは、外側圧電アクチュエータ６がｙ軸方向に往復動してしまうことに起因して、反射部２が揺動する動作モードであることが判明している。

【0054】

図３において、共振周波数の２５．３ｋＨｚを下限周波数、Ｐ２の周波数より大きい周波数を上限周波数として、下限周波数−上限周波数の所定の周波数範囲を設定する。図３では、該所定の周波数範囲において、Ｐ１，Ｐ２以外の水平位相差は、約３６０°になっている。反射部２を縦中心線の回りに共振周波数で往復回動させる際、内側圧電アクチュエータ４の圧電膜の一部を回転角センサに使って、該回転角センサの出力電圧から反射部２の水平方向振れ角を検出し、内側圧電アクチュエータ４の圧電膜の駆動電圧を水平方向振れ角の検出値に基づいてフィードバック制御する。

【0055】

したがって、フィードバック制御の精度を高めるためには、水平位相差は、下限周波数〜上限周波数の周波数範囲の任意の周波数において基準値（図３では、３６０°）に対して所定の制限幅内に収まることが望まれる。

【0056】

図４は比較例１としての光偏向器１０１の背面図である。図４の光偏向器１０１の要素のうち、図２の光偏向器１の要素と同一の要素は、図２の要素に付けた符号と同一の符号を付けている。

【0057】

実施例１の光偏向器１と比較例１の光偏向器１０１との相違点は、光偏向器１では、内側枠５の本体部２４に周回リブ２５及び分岐リブ２６が形成されているが、光偏向器１０１では、内側枠１０５の本体部１２４には、リブが形成されていない点、及び光偏向器１の外側連結部１３が外側連結部１１３に代えられている点である。内側枠５の本体部１２４、及び外側連結部１１３は、共に等しい厚みであるとともに、光偏向器１（図２）の本体部２４の厚みに等しくなっている。

【0058】

図５は、実施例１（光偏向器１）及び比較例１（光偏向器１０１）における内側圧電アクチュエータ４の圧電膜の駆動電圧と反射部２の機械半角との関係を対比して示している。駆動電圧の周波数は、実施例１及び比較例１共に共振周波数（前述の図３において機械半角のピークが生じる時の周波数）とされている。図５によれば、駆動電圧は、機械半角の大きい領域では、実施例１の方が比較例１より同一の駆動電圧に対して機械半角が増大することが分かる。

【0059】

図６は、実施例１及び比較例１における内側圧電アクチュエータ４の圧電膜の駆動電圧の周波数と反射部２の機械半角との関係を対比して示している。反射部２の機械半角の値と反射部２の振動エネルギーとは比例関係にあるので、特性線が急峻となっている実施例１のＱ値の方が比較例１のＱ値より高いことが分かる。計算では、Ｑ値は、実施例１では６３５であり、比較例１では１２７となった。

【0060】

実施例１では、比較例１に比して、図５において、共振周波数で同一の機械半角を得るための内側圧電アクチュエータ４の駆動電圧を小さくできたこと、及び図６においてＱ値を大きくできたことには、次のことが寄与したと考えられる。すなわち、実施例１では、内側枠５に周回リブ２５及び分岐リブ２６が形成され、かつ外側連結部１３の厚みが、内側枠５における周回リブ２５及び分岐リブ２６の形成部位の全体の厚みと等しくされたことである。なお、駆動電圧の低減及びＱ値の増大は、内側圧電アクチュエータ４の駆動電力の低減及び縦中心線回りの反射部２の往復回動周波数の制御精度向上につながる。

【0061】

図７は、第２実施例の一次元走査型の光偏向器４０の構造に関し、（ａ）は光偏向器４０の背面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ７−Ａ７の断面図である。図７の光偏向器４０の要素のうち、図２の光偏向器１の要素と同一の要素は、図２の要素に付けた符号と同一の符号を付けている。

【0062】

光偏向器４０では、光偏向器１の外側圧電アクチュエータ６及び外側枠７が省略され、代わりに、外側枠４７が設けられている。外側枠４７は、光偏向器１の外側枠７と同様に、Ｓi層３１を有していて、厚みが外側枠７と等しいものとなっている。外側連結部１３は、ｘ軸に沿って延在し、外側の端部において外側枠４７に直結している。

【0063】

図８は、比較例２としての光偏向器１４０の構造に関し、（ａ）は光偏向器１４０の背面図、（ｂ）は（ａ）の矢視Ａ８−Ａ８の断面図である。図８の光偏向器１４０の要素のうち、図７の光偏向器４０の要素と同一の要素は、図７の要素に付けた符号と同一の符号を付けている。なお、光偏向器１４０のうち、外側枠１４５以外の要素としての反射部２、トーションバー３及び内側圧電アクチュエータ４は、比較例１の光偏向器１０１（図４）のそれらと同一である。

【0064】

光偏向器１４０では、光偏向器１０１（図４）の外側圧電アクチュエータ６及び外側枠７が省略され、代わりに外側枠１４５が設けられている。外側枠１４５は、光偏向器４０（図７）と同様に、Ｓi層３１を有していて、厚みが光偏向器１の外側枠７と等しくなっている。光偏向器１４０において、内側連結部１１は、ｘ軸方向に延在し、外側の端において外側枠１４５の内周に結合している。

【0065】

図９は、実施例２（光偏向器４０）及び比較例２（光偏向器１４０）における内側圧電アクチュエータ４の圧電膜の駆動電圧と反射部２の機械半角との関係を対比して示している。駆動電圧の周波数は、実施例２及び比較例２共に共振周波数（機械半角のピークが生じる時の周波数）とされている。

【0066】

図９によれば、駆動電圧は、機械半角の大きい領域では、実施例２の方が比較例２より同一の駆動電圧に対して機械半角が増大することが分かる。図９において、実施例２では、比較例２に比して、同一の機械半角を得るための内側圧電アクチュエータ４の駆動電圧を小さくできたことは次のことが寄与していると考えられる。すなわち、実施例２では、実施例１と同様に、内側枠５に周回リブ２５及び分岐リブ２６が形成され、かつ外側連結部１３の厚みが、内側枠５における周回リブ２５及び分岐リブ２６の形成部位の全体の厚みと等しくされたことである。

【0067】

光偏向器４０は、光偏向器１と同様に、内側枠５に周回リブ２５及び分岐リブ２６が形成され、かつ外側連結部１３の厚みが、内側枠５における周回リブ２５及び分岐リブ２６の形成部位の全体の厚みと等しくされた構造となっている。したがって、光偏向器４０においても、光偏向器１と同様に、反射部２のポンピングを防止することができる。

【0068】

図１０は実施例３としての光偏向器５０の背面図である。光偏向器５０の要素のうち、図２の実施例１の光偏向器１の要素と同一の要素は、図２の要素に付けた符号と同一の符号を付けている。

【0069】

光偏向器５０では、光偏向器１の内側連結部１１に代えて、内側連結部５１が設けられている。内側連結部１１と内側連結部５１とは、厚みが相異するのみであり、位置や正面視の形状等の他の構造については両者は同一となっている。厚みに関して、前述の図２（ｂ）では、内側連結部１１の部位は、裏面側においてＳi層３１及び中間酸化膜層３２が全部削除されて、本体部２４の厚みと等しい厚みになっていた。これに対し、内側連結部５１の部位は、外側連結部１３及び分岐リブ２６の部位と同様に、Ｓi層３１は部分的に削除されるだけであり、内側枠５における周回リブ２５及び分岐リブ２６の形成部位の全体の厚みと等しい厚みになっている。

【0070】

図１１は、光偏向器５０において、内側圧電アクチュエータ４の圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部２の機械半角（実線）及び水平位相差（破線）との関係を示すグラフである。

【0071】

水平位相差について、図１１（光偏向器５０）と図３（光偏向器１）とを対比すると、図３におけるＰ１のポンピングモードが図１１では消滅していることが分かる。この消滅には、光偏向器１と光偏向器５０との構造対比から、周回リブ２５及び分岐リブ２６の形成部位の全体と等しい厚みにされた内側連結部５１が寄与していると考えられる。なお、光偏向器５０でも、ｙ軸方向の外側圧電アクチュエータ６の往復動に因るＰ２の動作モードは抑止できていない。

【0072】

図１２は実施例４としての光偏向器６０の背面図である。光偏向器６０の要素のうち、図１０の実施例３の光偏向器５０の要素と同一の要素は、図１０の要素に付けた符号と同一の符号を付けている。

【0073】

光偏向器６０では、光偏向器５０の外側連結部１３、分岐リブ２６及び内側連結部５１に代えて、外側連結部６３、分岐リブ６６及び内側連結部６１が設けられている。光偏向器５０（図１０）の外側連結部１３、分岐リブ２６及び内側連結部５１と、光偏向器６０の外側連結部６３、分岐リブ６６及び内側連結部６１との相違点は、背面視の幅（＝正面視の幅）である。すなわち、外側連結部６３、分岐リブ６６及び内側連結部６１の幅ｄ２は、外側連結部１３、分岐リブ２６及び内側連結部５１の幅ｄ１より大に設定されている（ｄ２＞ｄ１）。例えば、ｄ１は１２０μｍであるのに対し、ｄ２は、ｄ１より２００μｍ、大きい３２０μｍになっている。なお、光偏向器５０（図１０）の外側連結部１３、分岐リブ２６及び内側連結部５１と、光偏向器６０の外側連結部６３、分岐リブ６６及び内側連結部６１とは、幅はそれぞれｄ１，ｄ２となっていて相違するものの、厚みは等しくなっている。

【0074】

図１３は、光偏向器６０において、内側圧電アクチュエータ４の圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部２の機械半角（実線）及び水平位相差（破線）との関係を示す図である。

【0075】

水平位相差について図１３と図１１とを対比すると、図１１におけるＰ２の動作モードが図１３において消滅していることが分かる。この消滅には、光偏向器５０と光偏向器６０との構造対比から、外側連結部６３、分岐リブ６６及び内側連結部６１の幅のｄ１からｄ２への増大が寄与していると考えられる。

【0076】

図１４は実施例５としての光偏向器７０の背面図である。光偏向器７０の要素のうち、図１２の実施例４の光偏向器６０の要素と同一の要素は、光偏向器６０の要素に付けた符号と同一の符号を付けている。

【0077】

光偏向器７０では、光偏向器６０の幅ｄ２の幅広の外側連結部６３及び分岐リブ６６が、光偏向器１（図２）又は光偏向器５０（図１０）の幅ｄ１の幅狭の外側連結部１３及び分岐リブ２６に置き換えられている（ｄ１＜ｄ２）。

【0078】

図１５は、光偏向器７０において、内側圧電アクチュエータ４の圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部２の機械半角（実線）及び水平位相差（破線）との関係を示す図である。

【0079】

図１５によれば、図３におけるＰ１のポンピングモードが消滅していることが分かる。この消滅には、図１０と同様に、周回リブ２５及び分岐リブ２６の部位と内側連結部６１が寄与していると考えられる。ただし、図１３において消滅していたＰ２の動作モードが復活したことが分かる。このことから、光偏向器５０（図１０）が有していたＰ２の動作モードを消滅させるためには、光偏向器５０の幅狭の内側連結部１１を幅広の内側連結部６１に置き換えただけでは足らず、分岐リブ２６及び外側連結部１３も幅広の分岐リブ６６及び外側連結部６３に置き換える必要があることが理解できる。

【0080】

なお、図１４の光偏向器７０は、厚い厚みの周回リブ２５、分岐リブ２６及び外側連結部１３を有している点で、本発明の実施例であり、図５及び図６で説明した効果を奏することができる。

【0081】

図１６は実施例６としての光偏向器８０の背面図である。光偏向器８０の要素のうち、図１２の実施例４の光偏向器６０の要素と同一の要素は、光偏向器６０の要素に付けた符号と同一の符号を付けている。光偏向器８０では、光偏向器６０の内側連結部６１が、頂角を内側に向けた二等辺三角形の内側連結部８１に置き換えられている。なお、内側連結部８１の底辺の長さは、背面視の内側連結部６１の幅ｄ２に等しい。

【0082】

図１７は、光偏向器８０において、内側圧電アクチュエータ４の圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部２の機械半角（実線）及び水平位相差（破線）との関係を示す図である。

【0083】

図１７によれば、図３におけるＰ１のポンピングモードが消滅していることが分かる。この消滅には、図１０と同様に、周回リブ２５及び分岐リブ２６の部位と内側連結部６１が寄与していると考えられる。ただし、図１３において消滅していたＰ２の動作モードが復活したことが分かる。このことから、光偏向器５０（図１０）が有していたＰ２の動作モードを消滅させるためには、光偏向器５０において周回リブ２５より外側の外側連結部１３及び分岐リブ２６を幅広の外側連結部６３及び分岐リブ６６に置き換えただけでは足らず、周回リブ２５より内側の内側連結部１１も幅広の内側連結部６１に置き換える必要があることが分かる。

【0084】

なお、図１６の光偏向器８０は、厚い厚みの周回リブ２５、分岐リブ２６及び外側連結部６３を有している点で、本発明の実施例であり、図５及び図６で説明した効果を奏することができる。

【0085】

図１８は実施例７としての光偏向器９０の背面図である。光偏向器９０の要素のうち、図１２の実施例４の光偏向器６０の要素と同一の要素は、光偏向器６０の要素に付けた符号と同一の符号を付けている。光偏向器９０では、光偏向器６０の内側連結部６１が、光偏向器５０（図１０）の内側連結部５１に置き換えられている。

【0086】

図１９は、光偏向器８０において、内側圧電アクチュエータ４の圧電膜に印加する駆動電圧の周波数と反射部２の機械半角（実線）及び水平位相差（破線）との関係を示す図である。

【0087】

図１９によれば、図１７のＰ２の動作モードは消滅しているものの、それ以外のＰ３，Ｐ４の動作モードが新たに出現してしまったことが分かる。このことから、新たな不適切な動作モードの出現を回避しつつ、Ｐ２の動作モードを消滅するためには、光偏向器５０（図１０）の内側連結部５１、分岐リブ２６及び外側連結部１３に対し、光偏向器６０（図１２）のように、すべて幅広の内側連結部６１、分岐リブ６６及び外側連結部６３に置き換える必要があることが理解できる。

【0088】

なお、光偏向器８０は、光偏向器１と同様に、内側枠５に周回リブ２５及び分岐リブ６６が形成され、かつ外側連結部６３の厚みが、内側枠５における周回リブ２５及び分岐リブ６６の形成部位の全体と等しい厚みとされた構造となっている。したがって、光偏向器８０は、本発明の実施例である。そして、光偏向器１について説明した図５及び図６の効果を同様に奏することができる。

【0089】

本発明の実施形態について説明した。該実施形態の光偏向器は、光スキャナに装備され、該光スキャナは、例えば、走査光の出射が必要となるプロジェクタ、バーコードリーダ、レーザプリンタ、車両用ヘッドランプ、又は車両に装備されるヘッドアップディスプレイ等に装備される。

【0090】

本発明は、実施形態に限定されることなく、改良及び変形した構成を包含する。例えば、図示の実施形態では、反射部２は円形になっているか、正方形、矩形又は多角形にすることもできる。ただし、二次元走査型光偏向器に装備される反射部２は、直交する２つの中心線を有する形状（例：円、矩形又は正六角形）に限定される。

【0091】

内側圧電アクチュエータ４の内外周の形状は、円形の反射部２に合わせて、円形となっているが、反射部２が非円形であれば、該非円形に合わせた形状にすることができる。

【0092】

光偏向器１（図２の実施例１）では、周回リブ２５は、内側枠５の内周縁に沿って、内側枠５の全周を周回しているが、内側枠５の外周縁に沿って周回していたり、内周縁と外周縁との中間部を周回するようになっていても、図５及び図６の実施例１と同一の効果を得ることができる。ただし、周回リブ２５は、内側枠５の内周縁に沿って、背面視が全長にわたり等幅で周回する方が、全長及び最大幅が減少し、内側枠５の軽量化上、好ましい。

【0093】

光偏向器５０（図１０の実施例３）において、周回リブ２５を内側枠５の内周縁に沿ってではなく、内側枠５の内周縁から外周縁の方へ離して、周回させるようにすることもできる。しかしながら、その場合には、周回リブ２５と内側連結部５１との連結するリブが内側枠５の裏面に形成される必要がある。

【0094】

１，４０，５０，６０，７０，８０，９０・・・光偏向器、２・・・反射部、３・・・トーションバー、４・・・内側圧電アクチュエータ（圧電アクチュエータ）、５・・・内側枠、６・・・外側圧電アクチュエータ（別の圧電アクチュエータ）、７，４７・・・外側枠、１１，５１・・・内側連結部（第１連結部）、１３，６３・・・外側連結部（第２連結部）、１７・・・折返し部、２５・・・周回リブ、２６，６６・・・分岐リブ。

【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15】

【図16】

【図17】

【図18】

【図19】