(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】
(24)【登録日】2024-06-18
(45)【発行日】2024-06-26
(54)【発明の名称】光走査装置
(51)【国際特許分類】
G02B 26/10 20060101AFI20240619BHJP
G02B 26/08 20060101ALI20240619BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20240619BHJP
【FI】
G02B26/10 104Z
G02B26/08 E
B81B3/00
(21)【出願番号】P 2020115171
(22)【出願日】2020-07-02
【審査請求日】2023-06-14
(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】デロイトトーマツ弁理士法人
(72)【発明者】
【氏名】小田 優太朗
【審査官】磯崎 忠昭
(56)【参考文献】
【文献】国際公開第2012/172652(WO,A1)
【文献】特開2015-087443(JP,A)
【文献】米国特許出願公開第2009/0080051(US,A1)
【文献】中国特許出願公開第104793331(CN,A)
【文献】国際公開第2012/172653(WO,A1)
(58)【調査した分野】(Int.Cl.,DB名)
G02B 26/10
G02B 26/08
B81B 3/00
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
光ビームを反射するミラー部と、
前記ミラー部を第1駆動軸の周りに回動する第1駆動部と、
前記第1駆動軸上で前記ミラー部と接続され、且つ前記ミラー部の周囲に配置された可動枠と、
前記第1駆動軸と垂直な第2駆動軸上で前記可動枠と接続され、前記ミラー部を前記第2駆動軸の周りに回動する第2駆動部と、を備え、
前記可動枠は、矩形状で、裏面側に前記可動枠の
四辺の各辺に沿って設けられた
第1リブを有し、
前記可動枠は、さらに、その両脇に前記第2駆動軸に沿って延びて裏面側に前記第1リブに連なる第2リブを有する固定バーを含み、
前記第2駆動部は前記固定バーに結合し、
前記可動枠の四隅の角部領域は、前記
第1リブが部分的に設けられていない、又は前記
第1リブの厚みが他領域よりも薄い不在領域を有し
、
前記不在領域は、前記第1リブを構成する四辺のうち方向が互いに異なる二辺が重なる重畳部分と、前記重畳部分から前記第1駆動軸及び前記第2駆動軸に向かって所定の長さの辺部分とを合わせた領域であることを特徴とする光走査装置。
【請求項2】
光ビームを反射するミラー部と、
前記ミラー部を第1駆動軸の周りに回動する第1駆動部と、
前記第1駆動軸上で前記ミラー部と接続され、且つ前記ミラー部の周囲に配置された可動枠と、
前記第1駆動軸と垂直な第2駆動軸上で前記可動枠と接続され、前記ミラー部を前記第2駆動軸の周りに回動する第2駆動部と、を備え、
前記可動枠は矩形状で、裏面側に前記可動枠の
四辺の各辺に沿って設けられたリブを有し、
前記可動枠の四隅の角部領域は、前記リブが部分的に設けられていない、又は前記リブの厚みが他領域よりも薄い不在領域を有し
、
前記不在領域は、前記リブを構成する四辺のうち方向が異なる二辺が重なる重畳部分を除いた、前記重畳部分から前記第1駆動軸及び前記第2駆動軸に向かって所定の長さの辺部分であることを特徴とする光走査装置。
【請求項3】
ビームを反射するミラー部と、
前記ミラー部を第1駆動軸の周りに回動する第1駆動部と、
前記第1駆動軸上で前記ミラー部と接続され、且つ前記ミラー部の周囲に配置された可動枠と、
前記第1駆動軸と垂直な第2駆動軸上で前記可動枠と接続され、前記ミラー部を前記第2駆動軸の周りに回動する第2駆動部と、を備え、
前記可動枠は、矩形状で、裏面側に前記可動枠の四辺の各辺に沿って設けられた第1リブを有し、
前記可動枠は、さらに、その両脇に前記第2駆動軸に沿って延びて裏面側に前記第1リブに連なる第2リブを有する固定バーを含み、
前記第2駆動部は前記固定バーに結合し、
前記可動枠の四隅の角部領域は、前記第1リブが部分的に設けられていない、又は前記第1リブの厚みが他領域よりも薄い不在領域を有し、
前記不在領域は、前記第1リブを構成する四辺のうち方向が異なる二辺が重なる重畳部分を除いた、前記重畳部分から前記第1駆動軸及び前記第2駆動軸に向かって所定の長さの辺部分であることを特徴とする光走査装置。
【請求項4】
前記
固定バーは、前記第
1駆動軸の前記ミラー部の振れ角1°当たりの振れ角の値が0.0353°以下であるように設けられていることを特徴とする請求項1
又は3に記載の光走査装置。
【請求項5】
前記重畳部分は、前記第1駆動軸の前記ミラー部の振れ角1°当たりの振れ角の値が0.0151°以上であるように設けられていることを特徴とする請求項4に記載の光走査装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、配光パターンの生成等に用いられる光偏向器を備える光走査装置に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、車両用ヘッドライト等に用いられる光走査装置として、光源から出射された光を走査する、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)技術により製作された光偏向器が知られている。
【0003】
例えば、特許文献1の光走査装置において、光走査部は、ミラーと、ミラー支持部と、捻れ梁と、連結梁と、水平駆動梁と、可動枠と、垂直駆動梁と、固定枠とを有し、ミラー支持部の上面にミラーが支持されている。
【0004】
領域X2における可動枠は、内周面が垂直回転軸V及び水平回転軸Hに対して斜めの角度を有する部分と、内周面が垂直回転軸Vと平行な部分を有する。また、内周面が垂直回転軸V及び水平回転軸Hに対して斜めの角度を有する部分は、垂直回転軸Vから遠ざかるほど可動枠の幅が広くなり、この部分に角部が設けられている。
【0005】
領域X1においては、リブがなくなることで、軽量化が図られている。これにより、ミラーとミラー支持部は、垂直回転軸Vに対して一方の側よりも一方の側の反対側の方が重くなるように調整されている(特許文献1/段落0021,0038、
図4)。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
特許文献1の光走査装置においては、ミラーの振動が水平回転軸Hから可動枠を介して垂直回転軸Vに伝搬される。しかしながら、振動が垂直駆動軸Vに伝搬すると、ミラーの異常振動を引き起こし、光走査に悪影響を及ぼすおそれがある。
【0008】
本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ミラーに生じる異常振動を防止することができる光走査装置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】
【0009】
本発明の光走査装置は、光ビームを反射するミラー部と、前記ミラー部を第1駆動軸の周りに回動する第1駆動部と、前記第1駆動軸上で前記ミラー部と接続され、且つ前記ミラー部の周囲に配置された可動枠と、前記第1駆動軸と垂直な第2駆動軸上で前記可動枠と接続され、前記ミラー部を前記第2駆動軸の周りに回動する第2駆動部と、を備え、前記可動枠は矩形状で、裏面側に前記可動枠の外周に沿って設けられたリブを有し、前記可動枠の四隅の角部領域は、前記リブが部分的に設けられていない、又は前記リブの厚みが他領域よりも薄い不在領域を有していることを特徴とする。
【0010】
本発明の光走査装置は、ミラー部を第1駆動軸周り及び第2駆動軸周りに回動することで、光ビームを走査することができる。また、可動枠が第2駆動軸上で第2駆動部と接続されているため、可動枠が回動することで、ミラー部が第2駆動軸周りを回動する。
【0011】
可動枠の裏面側には補強用のリブが設けられているが、当該可動枠の四隅の角部領域は、リブが部分的に設けられていないか、他領域よりもリブの厚みを薄くしたリブの不在領域を有している。これにより、ミラー部の第1駆動軸周りの回動による振動が、当該不在領域で途切れて第2駆動軸の位置まで伝搬しなくなるため、ミラー部に生じる異常振動を防止することができる。
【0012】
本発明の光走査装置において、前記不在領域は、前記リブを構成する四辺のうち方向が互いに異なる二辺が重なる重畳部分に設けられていることが好ましい。
【0013】
この構成によれば、不在領域は、方向が互いに異なる二辺の重畳部分であって、矩形状のリブの四隅の正方形又は長方形となる。これにより、可動枠の角部領域において振動の伝搬が抑えられるので、ミラー部の異常振動の防止に役立つ。
【0014】
また、本発明の光走査装置において、前記不在領域は、前記重畳部分と前記重畳部分から所定の長さの辺部分と合わせた領域であってもよい。
【0015】
この構成によれば、不在領域は、矩形状のリブの四隅の前記重畳部分と前記辺部分とを合わせたL字型部分となる。不在領域の形状を変更することで、ミラー部の異常振動が発生しやすい振動モードを効果的に取り除くことができる。
【0016】
また、本発明の光走査装置において、前記不在領域は、前記リブを構成する四辺のうち方向が異なる二辺が重なる重畳部分を除いた、前記重畳部分から所定の長さの辺部分に設けられていてもよい。
【0017】
この構成によれば、不在領域は、矩形状のリブの四隅のL字型部分のうち、当該重畳部分(四隅の正方形又は長方形)を除いた形状となる。これにより、ミラー部の異常振動を抑えつつ、可動枠の角部領域の振動の大きさを調整することができる。
【0018】
また、本発明の光走査装置において、前記角部領域は、前記第2駆動軸の前記ミラー部の振れ角1°当たりの振れ角の値が0.0353°以下であるように設けられていることが好ましい。
【0019】
可動枠の角部領域は、第2駆動軸のミラー部の振れ角1°当たりの振れ角の値が0.0353°以下となるように振動するとき、ミラー部の振れ角の低下を抑えることができる。これにより、ミラー部の異常振動を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【0020】
【
図1】本発明の実施形態に係る光走査装置の斜視図。
【
図2】光走査装置の二次元光偏向器の詳細を説明する図。
【
図3】二次元光偏向器の可動枠(裏面側)を説明する図。
【
図5A】変更形態の可動枠(除去領域:L字型)の例を説明する図。
【
図5B】変更形態の可動枠(除去領域:L字型の辺残し)の例を説明する図。
【
図6A】除去領域が異なる可動枠の振動シミュレーション結果(数値一覧)。
【
図6B】除去領域が異なる可動枠の振動シミュレーション結果(グラフ)。
【
図7】(a)可動枠の振動シミュレーション結果(変位量分布)。(b)可動枠(除去領域:L字型)の振動シミュレーション結果(変位量分布)。(c)可動枠(除去領域:L字型の辺残し)の振動シミュレーション結果(変位量分布)。
【発明を実施するための形態】
【0021】
図1は、本発明の光走査装置1の斜視図である。光走査装置1は、例えば、小型プロジェクタ、シームレスADB(Adaptive Driving Beam)、LIDAR(Light Detection and Ranging)等に用いられる装置であり、主に二次元光偏向器2、レーザ光源3及び制御装置5で構成される。
【0022】
二次元光偏向器2は、半導体プロセスやMEMS技術を利用して作製され、一定の方向から入射する光を、軸を中心に回動するマイクロミラー9(本発明の「ミラー部」)で反射し、走査光として出射する。
【0023】
二次元光偏向器2の可動枠2aの内側には、マイクロミラー9、矩形型圧電アクチュエータ10、水平駆動梁であるトーションバー13a、13b(本発明の「第1駆動部」)等が配設されている。レーザ光源3から出射されたレーザ光4aはマイクロミラー9で反射され、反射光(レーザ光4b)が、例えば、小型プロジェクタの投射面を走査する。
【0024】
制御装置5は、図示しない配線により可動枠2a及びレーザ光源3に制御信号を送信する。この制御信号により可動枠2aの矩形型圧電アクチュエータ10が駆動され、これと結合したトーションバー13a、13bが捩れることで、マイクロミラー9を回動させる。また、この制御信号により、レーザ光源3は、レーザ光4aのオン、オフや輝度が制御される。
【0025】
図2に示すように、二次元光偏向器2は、外枠支持体11の中央に可動枠2aが配設されている。また、可動枠2aの両脇(図中のX軸方向)には、垂直駆動部であるミアンダ型圧電アクチュエータ6a、6b(本発明の「第2駆動部」)が配設されている。ミアンダ型圧電アクチュエータ6a、6bは、可動枠2aの外辺部、外枠支持体11の内辺部でそれぞれ結合されている。
【0026】
ミアンダ型圧電アクチュエータ6a、6bは、複数のカンチレバーを長手方向が隣り合う向きに並べて、上下方向端部で折り返して直列結合した構造になっている。詳細は後述するが、ミアンダ型圧電アクチュエータ6a、6bを駆動させることにより、可動枠2aが図中のX軸(本発明の「第2駆動軸」)周りを往復回動する。
【0027】
また、上述したように、矩形型圧電アクチュエータ10を駆動させることにより、マイクロミラー9がトーションバー13a、13bの軸と一致する、図中のY軸(本発明の「第1駆動軸」)周りを往復回動する。
【0028】
マイクロミラー9は、Y軸方向のトーションバー13a、13bに支持され、矩形型圧電アクチュエータ10の中心に配設される。マイクロミラー9の反射面は、Au、Pt、Al等の金属薄膜を、例えば、スパッタ法や電子ビーム蒸着法により形成する。なお、マイクロミラー9の形状は円形に限られず、楕円形やその他の形状であってもよい。
【0029】
トーションバー13a、13bは、一端がマイクロミラー9、他端が矩形型圧電アクチュエータ10との結合部を越えて、可動枠2aと結合している。このように、トーションバー13a、13bが可動枠2aと結合していることで、Y軸周りの往復回動が安定する。
【0030】
また、矩形型圧電アクチュエータ10は、Y軸上でトーションバー13a、13bと結合し、X軸上で可動枠2aの一部である固定バー14a、14bと結合している。なお、固定バー14a、14bの他端は、それぞれミアンダ型圧電アクチュエータ6a、6bと結合している。
【0031】
この結果、二次元光偏向器2は、レーザ光4aをマイクロミラー9で反射する際、光を二次元光偏向器2の前方に出射して、さらにX軸方向とY軸方向の2方向に走査することができる。
【0032】
外枠支持体11の下方には、電極パッド7a~7e(以下、電極パッド7という)と、電極パッド8a~8e(以下、電極パッド8という)が配設されている。電極パッド7、8は、ミアンダ型圧電アクチュエータ6a、6b及び矩形型圧電アクチュエータ10の各電極に駆動電圧を印加できるように電気的に接続されている。
【0033】
次に、
図3、
図4を参照して、二次元光偏向器2の可動枠2aの詳細を説明する。
【0034】
図3は、可動枠2aの裏面側を示している。図示するように、可動枠2aは、その強度を補強するため、可動枠2aの外周に沿ってリブ30が設けられている。なお、可動枠2aの四隅の角部領域Rは、リブ30が部分的に取り除かれた除去領域31を有している。なお、除去領域31は、リブ30が設けられていない領域(すなわち、リブ30が存在しない不在領域)であればよい。
【0035】
図3において、除去領域31は、リブ30を構成する四辺(縦方向の辺は、固定バー14a、14bの部分まで覆う)のうち、方向が異なる二辺が重なる重畳部分の正方形(一辺200μm)に設けられている。マイクロミラー9はトーションバー13a、13bが存在するY軸周りに駆動(水平駆動)するが、このとき生じる振動がX軸の位置まで伝搬して異常振動を引き起こすことがある。
【0036】
この点、角部領域Rのそれぞれに除去領域31を設けることでリブ30が途切れるので、当該駆動によって生じた振動がX軸の位置まで伝搬せず、異常振動を防止することができる。リブ30は、X軸及び(又は)Y軸に関して対称な形状を有していることが好ましい。これにより、リブ30を非対称の形状とした場合と比較して、可動枠2aのY軸周りの回動(X軸の素子面外方向への傾き)が低減されるため、振動の伝搬を抑えることができる。
【0037】
各種測定によれば、マイクロミラー9を水平駆動させたとき、ミアンダ型圧電アクチュエータ6a、6bの動作に影響する振動モード(例えば、28次振動モードの第2低調波)が発見された。このため、リブ30が部分的に設けられていない不在領域を形成し、当該駆動による振動がX軸の位置に伝搬しないようにした。
【0038】
図4は、
図3の可動枠2aのIV-IV断面図を示している。可動枠2aは、図下方(実際は、可動枠2aの表面側)から上部電極層21(0.15μm)、PZT膜22(5.0μm)、下部電極層23(0.1μm)、Si素子層24(50μm)、Si酸化膜25(1.0μm)、Siリブ層30(上述のリブ30、130μm)の順に薄膜が形成されている。なお、各薄膜(層)の膜厚は一例に過ぎない。
【0039】
Siリブ層30はSOIウェハの一部であり、チョクラルスキー法によって製造された単結晶である。また、可動枠2aの四隅の除去領域31は、エッチングにより形成する。このとき、Si酸化膜25は、エッチングストップ層となる。
【0040】
図4において、端部は除去領域31であり、Siリブ層30が取り除かれている。なお、除去領域31は、Siリブ層30が所定の膜厚(例えば、30μm)残っているような状態であってもよい。
【0041】
図5Aに示すように、リブ30の除去領域の形状を変更してもよい。
図5Aは、角部領域Rにおいて、L字型の除去領域32を有する可動枠40aを示している。除去領域32は、可動枠40aの角部端面から各方向に500μmの位置までリブ30を除去した形状となっている。なお、除去領域32は、リブ30が設けられていない領域(すなわち、リブ30が存在しない不在領域)であればよい。
【0042】
図3で示した除去領域31よりも広範囲の除去領域32を形成することで、可動枠40aの端部(角部領域R)が動き易くなり、ばねの役割を果たす。その結果、マイクロミラー9の振動エネルギーが当該端部で消費されるので、水平駆動により生じた振動がX軸の位置まで伝搬し難くなる。
【0043】
また、
図5Bは、角部領域Rにおいて、除去領域33を有する可動枠50aを示している。除去領域33は、
図5Aの除去領域32(L字型)のうち、可動枠50aの角部の正方形(一辺200μm)を残した形状となっている。なお、除去領域33は、リブ30が設けられていない領域(すなわち、リブ30が存在しない不在領域)であればよい。
【0044】
除去領域33の厚みは、リブ30に対して相対的に柔らかくなっていればよいので、リブ30よりも薄いことが好ましい。また、当該正方形の部分の厚みについても、除去領域33の厚み以上とするとよい。
【0045】
除去領域33では、当該正方形の部分を残すことで可動枠50aの端部に、ばねの役割に加えておもりの役割を持たせることができる。すなわち、当該端部の重量が増加し、局所的な振動が増幅するので、水平駆動により生じた振動がX軸の位置まで伝搬する現象を抑えることができる。
【0046】
次に、
図6A、
図6B及び
図7を参照して、リブの除去領域の形状が異なる複数種類の可動枠の振動シミュレーション結果を説明する。
【0047】
図6Aは、リブ30の除去サイズ(μm)と垂直駆動部(ミアンダ型圧電アクチュエータ6a、6b)のY軸を回転軸とした振れ角Z
1(°)、可動枠の端部のY軸を回転軸とした振れ角Z
2(°)の関係を示した一覧表である。
【0048】
図3の可動枠2aの例では、振れ角Z
1として、Y軸に対して対称なX軸上の2点(図中の「〇」印)の角度を測定し、振れ角Z
2として、Y軸に対して対称な角部領域Rの2点(図中の「△」印)の角度を測定した。なお、振れ角は、マイクロミラー9の振れ角で規格化した値、すなわち、ミラー振れ角1°当たりの振れ角である。
【0049】
リブ30の除去サイズは可動枠端面からの距離であり、除去サイズ200(μm)は、可動枠2aの除去領域31に等しい(
図4参照)。このとき、振れ角Z
1は0.0402°、振れ角Z
2は0.00333°であった。
【0050】
また、除去サイズ500(μm)は、可動枠40aの除去領域32に等しい(
図5A参照)。このとき、振れ角Z
1は0.0232°、振れ角Z
2は0.0151°であった。さらに、除去サイズ500+200残し(μm)は、可動枠50aの除去領域33に等しい(
図5B参照)。このとき、振れ角Z
1は0.0042°、振れ角Z
2は0.0228°であった。
【0051】
図6Bは、横軸にリブ30の除去サイズ(μm)、縦軸に振れ角Z
1(°)及び振れ角Z
2(°)をプロットしたグラフである。
【0052】
図示するように、リブ30の除去サイズを大きくしていくことで振れ角Z1の値は減少し、除去サイズが500(μm)で極小値となる。一方、リブ30の除去サイズを大きくしていくことで、振れ角Z2の値の増加傾向が見られる。
【0053】
さらに、除去サイズ500+200残し(μm)では、振れ角Z1の値が最小値(0.0042°)となり、振れ角Z1は、除去領域がない従来の可動枠の11%程度の数値となることが分かった。
【0054】
固定バー14a,14bは、Y軸のマイクロミラー9の振れ角1°当たりの振れ角Z
1
が0.0353°以下の範囲となるように振動させると、マイクロミラー9の振れ角の低下が抑えられ、異常振動の発生を防止できることが分かった。
【0055】
なお、振れ角Z1は値が小さいほど良い。これは、垂直駆動部(ミアンダ型圧電アクチュエータ6a、6b)に伝搬する振動が小さくなって、異常振動が生じ難くなるためである。
【0056】
最後に、
図7に、リブ30の除去領域の形状が異なる、3種類の可動枠の振動シミュレーション結果(変位量分布)を示す。
【0057】
図7(a)は、可動枠2a(
図3参照)の変位量分布である。また、
図7(b)は可動枠40a(
図5A参照)の変位量分布であり、
図7(c)は可動枠50a(
図5B参照)の変位量分布である。
【0058】
図示するように、可動枠の四隅(角部領域R)の変位については、可動枠2aよりも可動枠40aが大きく、可動枠40aよりも可動枠50aが大きいことが分かる。一方、垂直駆動軸(X軸)については、何れの場合も大きく変位していないことが分かる。以上のように、リブ30に除去領域31(除去領域32,33)を設けることで、異常振動の伝搬を抑える効果があることが検証された。
【0059】
以上、本発明を実施するための実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更することができる。
【0060】
本実施形態の二次元光偏向器2は、可動枠2aと矩形型圧電アクチュエータ10が同じ形状(矩形)であったが、異なる形状でもよい。可動枠が矩形状で、水平駆動部の圧電アクチュエータがマイクロミラー9を取り囲む、円環形状の光偏向器が一般的であるが、リブ30は可動枠の裏面側の外周に沿う形で設けられ、角部領域Rにリブ30の除去領域を形成すればよい。
【0061】
また、可動枠の形状に関わらず、水平駆動軸と垂直駆動軸の間の領域にリブの除去領域を形成すれば、水平駆動により生じた振動が垂直駆動軸の方向に伝搬する現象を抑えることができる。
【符号の説明】
【0062】
1…光走査装置、2…二次元光偏向器、2a,40a,50a…可動枠、3…レーザ光源、5…制御装置、6a,6b…ミアンダ型圧電アクチュエータ、7,8…電極パッド、9…マイクロミラー、10…矩形型圧電アクチュエータ、11…外枠支持体、13a,13b…トーションバー、14a,14b…固定バー、30…リブ、31~33…除去領域。