CN112204450B - 光偏转器 - Google Patents

Abstract

光偏转器(1)具备：具有反射面(2a)的可动部(2)；弹性部件(3)，其以使可动部(2)能够绕摆动轴(A)摆动的方式支承可动部(2)；以及支承弹性部件(3)的支承部(4)，弹性部件(3)具有刚性连续变化的第一连接部(3b)，并在第一连接部(3b)处与可动部(2)连接，刚性经由第一连接部(3b)在弹性部件(3)和可动部(2)之间连续地变化。

Description

光偏转器

技术领域

本发明涉及光偏转器，特别涉及通过由弹性部件构成的梁将具有反射面的可动部支承为能够摆动、并使可动部绕梁的扭转轴摆动来改变在反射面反射的光的方向的光偏转器。

背景技术

使用微型机械技术制作的光偏转器受到关注。微型机械技术是以半导体制造技术为基础的微细加工技术，在能够实现光偏转器的小型化和廉价的大量生产方面优良。近年来，在光偏转器中存在要求提高光束的扫描速度的倾向。通过提高扫描速度，光偏转器的可动部的动能增加，因此驱动时的反射面的动态应变增加，射束点的形状劣化成为课题之一。为了解决这样的课题，提出了几个方案(例如，参照专利文献1)。

专利文献1所记载的光偏转器通过扭转梁从两侧支承具有反射面的可动板，并以扭转梁为轴使可动板摆动，从而扫描被反射的光。在专利文献1中，以抑制由扭转运动产生的扭转梁的应力引起的反射面的变形为目的，在可动板与扭转梁的连接部附近设置有肋。

在先技术文献

专利文献

专利文献1：日本专利第5168659号公报

发明内容

发明要解决的问题

如上所述，在光偏转器中，要求降低具有反射面的可动板的动态应变和提高扫描速度。为了提高扫描速度，需要降低可动板的惯性力矩，或者提高扭转梁的扭转刚性。在提高了扭转梁的扭转刚性的情况下，一般偏转时产生的应力增加。在产生的应力达到扭转梁的破坏应力时，扭转梁破损。偏转时产生的应力在应力集中部达到最大值。因此，如果是不产生应力集中部的扭转梁，则能够降低随着提高刚性而增加的应力的最大值。因此，期望不产生应力集中部的扭转梁。

但是，根据专利文献1，为了抑制反射面的变形，在可动板与扭转梁的连接部设有肋，在扭转梁与可动板的连接部处刚性不连续。因此，偏转时产生的扭转梁的应力集中在连接部。因此，如果为了提高扫描速度而提高扭转梁的刚性，则专利文献1所记载的光偏转器容易破损。

本发明就是鉴于上述情况而提出的，其目的在于提供一种光偏转器，其可以抑制由扭转梁的应力引起的可动板的变形，并且即使提高扭转梁的扭转刚性也难以破损。

用于解决问题的手段

为了实现上述目的，本发明提供以下手段。

本发明的一个方式是一种光偏转器，该光偏转器具备：具有反射面的可动部；弹性部件，其以使该可动部能够绕摆动轴摆动的方式支承该可动部；以及支承该弹性部件的支承部，所述弹性部件具有刚性连续变化的第一连接部，并在该第一连接部处与所述可动部连接，刚性经由所述第一连接部在所述弹性部件和所述可动部之间连续变化。

发明效果

根据本发明，能够抑制由扭转梁的应力引起的可动板的变形，能够提供一种光偏转器，其能够抑制由扭转梁的应力引起的可动板的变形，并且即使提高扭转梁的扭转刚性也难以破损。

附图说明

图1A是本发明的一个实施方式的光偏转器的俯视立体图。

图1B是从反射面侧沿高度方向观察的图1A的光偏转器的俯视图。

图2是表示在具有作为刚性连续区域的第一连接部的弹性部件扭转时在光偏转器中产生的第一主应力的模拟结果的一例的图。

图3A是表示不具有作为刚性连续区域的第一连接部的弹性部件扭转时产生的第一主应力的模拟结果的图。

图3B是图3A的局部放大图。

图4是表示具有作为刚性连续区域的第一连接部的弹性部件扭转时产生的第一主应力的模拟结果的另一例的图。

图5是表示具有作为刚性连续区域的第一连接部的弹性部件扭转时产生的第一主应力的模拟结果的另一例的图。

图6是表示第一连接部的尺寸与第一主应力及弹簧常数(扭转刚性)的关系的图。

图7是表示第一连接部的尺寸与第一主应力相对于扭转刚性之比的关系的图。

图8A是图1A的光偏转器的变形例的俯视立体图。

图8B是图8A的光偏转器的俯视图。

图9A是图1A的光偏转器的其他变形例的俯视立体图。

图9B是图9A的光偏转器的第一可动板的仰视立体图。

图9C是图9A的光偏转器的第二可动板的俯视立体图。

图10是表示电磁驱动方式的光偏转器中的驱动力产生部件的结构的图。

图11是表示静电驱动方式的光偏转器中的驱动力产生部件的结构的图。

具体实施方式

以下，参照附图说明本发明的一个实施方式的光偏转器。

本发明并不限定于以下的实施方式。即，在实施方式的说明中，为了例示而包含较多特定的详细内容，但即使对这些详细内容施加各种变化或变更，也不超过本发明的范围。因此，以下说明的本发明的例示性的实施方式是对权利要求的发明不丧失一般性、并且不进行任何限定地叙述的。

如图1A和图1B所示，本实施方式的光偏转器1具有：可动部2，其具有反射面2a；一对弹性部件3，它们以使可动部2能够绕摆动轴A摆动的方式支承可动部2；一对支承部4，它们分别支承弹性部件3；以及设置于可动部2的驱动力产生部件5(参照图10和图11。)。

在以下的说明中，长度是与摆动轴A平行的长度方向的尺寸，宽度是与摆动轴A垂直且与静止状态的反射面2a平行的宽度方向的尺寸，高度是与长度方向及宽度方向垂直的方向的尺寸。

可动部2由单一的可动板2A形成，可动板2A和弹性部件3由具有大致恒定的高度的单一的层形成。可动板2A是以长方形的反射面2a为端面的立体，可动板2A的侧面与反射面2a垂直。与反射面2a相反的一侧的面是驱动力产生面2b。在驱动力产生面2b上设置有用于使可动部2摆动的驱动力产生部件5。优选反射面2a以及驱动力产生面2b都具有高的平面性。

驱动力产生部件5产生使可动部2绕摆动轴A旋转的驱动力。驱动力产生部件5根据光偏转器1的驱动方法而不同。例如，在电磁驱动方式中，驱动力产生部件5是围绕可动部2的边缘的驱动线圈。在静电驱动方式中，驱动力产生部件5是散布在可动部2的大致整个面的一对驱动电极。关于驱动力产生部件5的结构例在后面叙述。

一对弹性部件3是具有矩形截面的棱柱状，从可动部2向两侧对称地延伸。各弹性部件3是比可动部2细的梁状的部件，可动部2的刚性比各弹性部件3的刚性大。摆动轴A穿过弹性部件3的内部并沿弹性部件3的长度方向延伸。可动部2相对于一对支承部4能够绕摆动轴A摆动地被支承。可动部2的反射面2a通过反射光束而使光束偏转。另外，在从驱动力产生部件5对可动部2施加驱动力时，可动部2一边将一对弹性部件3绕摆动轴A扭转一边摆动，即振动。其结果是，由可动部2的反射面2a偏转的光束以一定的角度幅度周期性地被扫描。

各弹性部件3具有沿摆动轴A延伸的直线部3a和位于直线部3a的两侧的两个连接部3b、3c。各弹性部件3在第一连接部3b与可动部2连接，在第二连接部3c与支承部4连接。支承部4是在光偏转器1周围的构造物上固定的部分，设置在可动部2的长度方向的两侧。支承部4例如与可动板2A和弹性部件3由单一的层形成。

与摆动轴A垂直的方向的直线部3a的横截面形状为大致正方形。直线部3a的宽度大致恒定，直线部3a的刚性大致恒定。

第一连接部3b是刚性在与摆动轴A平行的方向上连续变化的刚性连续区域。具体而言，第一连接部3b具有在宽度方向上相互对置的两个第一侧面。各第一侧面是具有第一曲率半径R1的凹状曲面。各第一侧面的直线部3a侧的一端部与直线部3a的侧面平滑地连续，各第一侧面的可动部2侧的另一端部与可动部2的侧面平滑地连续。第一连接部3b的宽度从直线部3a侧的一端朝向可动部2侧的另一端逐渐增大，宽度相对于高度的比从一端朝向另一端逐渐增大。因此，第一连接部3b的刚性从一端朝向另一端逐渐增大。由此，刚性在直线部3a与可动部2之间经由第一连接部3b连续地变化。

如图1B所示，第一连接部3b在与可动部2连接的另一端具有最大宽度W'，最大宽度W'是直线部3a的宽度W的3倍以上。第一连接部3b的长度L'为弹性部件3的全长L的十分之一以上。

这种光偏转器1例如利用半导体工艺由单晶硅基板形成。单晶硅具有高的刚性，材料的内部衰减少，所以适合于谐振驱动用的弹性部件3的材料，也适合于与外部部件粘接的支承部4的材料。

图2示出通过模拟对应力(第一主应力)的分布进行分析的结果的一例，该应力(第一主应力)在具有作为刚性连续区域的第一连接部3b的弹性部件3绕摆动轴A扭转时在光偏转器1中产生。在图2的模拟中，使用了图1B中由矩形包围的光偏转器1的一部分的模型。从图2可知，通过设置作为刚性连续区域的第一连接部3b，可动部2摆动时产生的惯性力被封闭在弹性部件3的内部，并且在弹性部件3的内部分散。即，弹性部件3的应力不会传递到可动部2，并且不会产生应力集中。因此，即使提高了弹性部件3的扭转刚性，也难以发生由弹性部件3的应力引起的可动部2的变形及弹性部件3的破损。

图3A和图3B示出当不具有作为刚性连续区域的第一连接部的比较例的光偏转器的弹性部件3'绕摆动轴A扭转时在光偏转器中产生的应力(第一主应力)的分布的模拟结果。图3B是图3A的局部放大图。

在图3A和图3B中，在弹性部件3'和可动部2之间的连接位置处刚性不连续。在该情况下，可动部2摆动时产生的惯性力的作用点成为连接位置，如图3B所示，在连接位置产生应力集中。弹性部件3'的扭转刚性越高，应力集中处的应力越大。因此，随着弹性部件3'的高扭转刚性化，光偏转器容易破损。

图3A至图7示出作为刚性连续区域的第一连接部3b的最佳尺寸的分析结果。

如图3A、图4和图5所示，对于第一曲率半径R1不同的弹性部件3，使用有限元法分析了使可动部2绕摆动轴A摆动一定角度时产生的第一主应力和弹簧常数(扭转刚性)。图3A示出第一曲率半径R1为零、即在弹性部件3'未设置作为刚性连续区域的第一连接部3b的比较例的光偏转器的模拟结果。图4和图5示出在弹性部件3设置有作为刚性连续区域的第一连接部3b的光偏转器1的模拟结果的例子。在图3A至图5的模拟中，使用了图1B中由矩形包围的光偏转器1的一部分的模型。

图6示出曲率半径R1与第一主应力及弹簧常数(扭转刚性)的关系。图7示出第一连接部3b的曲率半径R1和第一主应力相对于扭转刚性之比的关系。在图6及图7中，曲率半径R1被转换为W'/W(第一横轴)及L'/L(第二横轴)。图7的纵轴表示第一主应力除以弹簧常数(扭转刚性)而得的值。

针对扭转刚性产生的应力越小，即使使弹性部件3高刚性化也越难以破损，越适于扫描速度的提高。如图7所示，针对扭转刚性的应力在W'/W＝L'/L＝1(即，不具有作为刚性连续区域的第一连接部3b的情况)下最大，随着W'/W及L'/L变大(即，随着曲率半径R1变大)而减小。根据该分析结果，优选以第一连接部3b的宽度W'为弹性部件3的宽度W的3倍以上，第一连接部3b的长度L'为弹性部件3的全长L的1/10以上的方式，设计第一连接部3b的曲率半径R1和尺寸W'、L'。

如上所述，根据本实施方式的光偏转器1，通过在弹性部件3上设置作为刚性连续区域的第一连接部3b，将在可动部2摆动时产生的弹性部件3的应力封闭在弹性部件3的内部，并且防止应力集中的产生。由此，能够抑制由弹性部件3的应力引起的可动部2的变形，并且能够兼顾弹性部件3的高扭转刚性和光偏转器1的高耐破损性。

在本实施方式中，支承部4具有比直线部3a大的刚性。因此，优选第二连接部3c是刚性在与摆动轴A平行的方向上连续变化的刚性连续区域。

具体而言，如图1A及图1B所示，第二连接部3c具有在宽度方向上相互对置的两个第二侧面。各第二侧面是具有第二曲率半径R2的凹状曲面。各第二侧面的直线部3a侧的一端部与直线部3a的侧面平滑地连续，各第二侧面的支承部4侧的另一端部与支承部4的侧面平滑地连续。第二连接部3c的宽度从直线部3a侧的一端朝向支承部4侧的另一端逐渐增大，宽度相对于高度的比从一端朝向另一端逐渐增大。因此，第二连接部3c的刚性从一端朝向另一端逐渐增大。由此，刚性在直线部3a与支承部4之间经由第二连接部3c连续地变化。

这样，通过使第二连接部3c为刚性连续区域，能够更可靠地防止因可动部2的摆动而弹性部件3绕摆动轴A扭转时的应力集中的发生，能够更可靠地防止弹性部件3的破损。

优选第一连接部3b的最大宽度W'比第二连接部3c的最大宽度W"大，因此，优选第一曲率半径R1比第二曲率半径R2大。

通过使第一曲率半径R1大于第二曲率半径R2，使弹性部件3扭转时产生的应力的作用点远离可动部2，由此，能够进一步抑制由弹性部件3产生的应力引起的可动部2的变形。

在本实施方式中，第一连接部3b的侧面是具有一定的第一曲率半径R1的曲面，但只要第一连接部3b的刚性从直线部3a侧向可动部2侧逐渐增大，刚性在弹性部件3和可动部2之间连续变化，则侧面的形状也可以是其他形状。例如，第一连接部3b的侧面的曲率半径也可以在第一连接部3b的一端和另一端之间变化。或者，第一连接部3b的侧面的一部分也可以是平面。

与第一连接部3b相同，第二连接部3c的侧面也可以是其他形状，只要第二连接部3c的刚性从直线部3a侧朝向支承部4侧逐渐增大，刚性在弹性部件3和支承部4之间连续变化即可。

在本实施方式中，可动部2具有单一的可动板2A，但是，也可以取而代之，如图8A和图8B所示，可动部21具有两个可动板21A、21B。

第一可动板21A具有椭圆形的反射面2a，第一可动板21A的侧面与反射面2a垂直。第二可动板21B具有长方形的驱动力产生面2b，第二可动板21B的侧面与驱动力产生面2b垂直。第一可动板21A和第二可动板21B以反射面2a和驱动力产生面2b配置在相反侧的外侧的方式接合。

反射面2a具有比驱动力产生面2b小的面积。例如，驱动力产生面2b在宽度方向上较长，反射面2a在宽度方向上具有长径。在沿高度方向观察的俯视图中，特别优选反射面2a的椭圆形大致内切于驱动力产生面2b的长方形。

优选第二可动板21B由与弹性部件3相同的层形成。根据该结构，与由与弹性部件3相同的层形成第一可动板21A的结构相比，能够降低弹性部件3传递到反射面2a的反作用力。

图8A和图8B的可动部21通过与图1A和图1B的可动部2相比增大高度，实现动态应变的降低。在这种情况下，由于可动部21的惯性力矩增加，所以为了提高扫描速度，需要进一步提高弹性部件3的扭转刚性。根据本变形例的光偏转器10，通过在弹性部件3上设置作为刚性连续区域的第一连接部3b，能够将可动部21摆动时产生的弹性部件3的应力封闭在弹性部件3的内部，并且能够防止应力集中的产生。因此，能够实现具有高扭转刚性且难以破损的弹性部件3。

如图9A至图9C所示，也可以在第一可动板21A和第二可动板21B上分别设置第一肋61和第二肋62。

第一肋61形成在反射面2a的背面。第一肋61从反射面2a的背面突出，沿与摆动轴A平行的方向延伸。

第二肋62形成在驱动力产生面2b的背面。第二肋62从驱动力产生面2b的背面突出，并且在垂直于摆动轴A的方向上延伸。

第一肋61和第二肋62立体地相互交叉，第一肋61的一部分和第二肋62的一部分相互接合。在此，两个部件立体地相互交叉是指，一个部件位于另一个部件之上，并且在与另一个部件的长度方向交叉的方向上延伸。第一肋61和第二肋62在相互交叉的位置相互接合。

第一可动板21A是以反射面2a为端面的立体，具有形成于反射面2a的外周部的椭圆环状的第一框71。与第一肋61同样，第一框71从反射面2a的背面突出。

第二可动板21B具有与第一框71接合的第二框72。第二框72具有与第一框71相同的椭圆形的轮廓形状。第二可动板21B是具有矩形端面的立体，具有形成在矩形端面的外周部的方环状的第三框73。与第二肋62同样，第二框72和第三框73从驱动力产生面2b的背面突出。

图9A至图9C的可动部22通过可动部22的中空化来实现扫描速度的提高。在该情况下，中空的可动部22与不是中空的可动部2，21相比，针对惯性力的刚性降低。因此，为了抑制中空的可动部22的变形，需要防止对可动部22施加应力。根据本变形例的光偏转器11，通过设置在弹性部件3上的作为刚性连续区域的第一连接部3b，将可动部22摆动时产生的弹性部件3的应力封闭在弹性部件3的内部，防止应力向可动部22传递。因此，与可动板21A、21B的中空化无关，能够抑制由弹性部件3的应力引起的可动板21A的动态应变。

图10及图11示出设置在可动部2、21、22上的驱动力产生部件5的结构例。如上所述，设置在可动部2、21、22上的驱动力产生部件5根据光偏转器1、10、11的驱动方式而不同。

图10是设置在电磁驱动方式的光偏转器1、10、11上的驱动力产生部件5的结构例，示意性地示出作为驱动力产生部件5的驱动线圈5a的布局。在图10中，省略了保护驱动线圈5a等的绝缘膜等的图示。

如图10所示，驱动线圈5a围绕可动部2、21、22的周缘部。驱动线圈5a的一个端部在一个弹性部件3中延伸，与设置在一个支承部4上的电极垫8a电连接。驱动线圈5a的另一个端部越过围绕可动部2、21、22的周缘部的部分，在另一个弹性部件3中延伸，与设置在另一个支承部4上的电极垫8b电连接。

在电磁驱动方式的光偏转器1、10、11的附近设置有一对永久磁铁9。一对永久磁铁9与摆动轴A大致平行地配置在可动部2、21、22的两侧附近。一对永久磁铁9的磁化方向是相互相同的方向，与静止状态的可动部2、21、22的驱动力产生面2b大致平行。永久磁铁9对位于可动部2、21、22的两侧部分的驱动线圈5a的部分，在驱动力产生面2b内的方向上产生与摆动轴A大致垂直的方向的磁场。

响应于向支承部4上的两个电极垫8a、8b施加交流电压，在驱动线圈5a中流过交流电流。在驱动线圈5a的靠近永久磁铁9的部分中流动的电流通过与由永久磁铁9产生的磁场的相互作用而受到洛伦兹力。其结果，可动部2、21、22在板厚方向上受到与交流电压的施加对应地周期性地切换方向的力偶。因此，可动部2、21、22绕沿两根弹性部件3的长度方向延伸的摆动轴A摆动即振动。其结果，由可动部2、21、22的反射面2a反射的光束以一定的角度幅度周期性地偏转。

图11是设置在静电驱动方式的光偏转器1、10、11上的驱动力产生部件5的结构例，示意性地示出作为驱动力产生部件5的一对驱动电极5b的布局。在图11中，省略了保护驱动电极5b等的绝缘膜等的图示。

如图11所示，一对驱动电极5b具有相互相同的形状，关于摆动轴A相互对称地配置，散布在几乎整个驱动力产生面2b。一个驱动电极5b经由在一个弹性部件3中延伸的布线，与设置在一个支承部4上的电极垫8c电连接。另一个驱动电极5b经由在另一个弹性部件3中延伸的布线，与设置在另一个支承部4上的电极垫8d电连接。

在静电驱动方式的光偏转器1、10、11中设置有与设置在可动部2、21、22上的驱动电极5b对置的固定电极8e。固定电极8e被固定在未图示的部件上，以一定的朝向被支承。固定电极8e例如被保持为接地电位，经由分别对应的电极垫8c、8d向一对驱动电极5b交替施加规定的电位。由此，驱动电极5b受到与和固定电极8e之间的电位差对应的静电引力。其结果，可动部2、21、22在板厚方向上受到对应于电位的交替施加而周期性地切换方向的力偶。因此，可动部2、21、22绕沿一对弹性部件3的长度方向延伸的摆动轴A摆动即振动。其结果，由可动部2、21、22的反射面2a反射的光束以一定的角度幅度周期性地偏转。

符号说明

1、10、11 光偏转器

2、21、22 可动部

2a 反射面

2b 驱动力产生面

21A 第一可动板

21B 第二可动板

3 弹性部件

3a 直线部

3b 第一连接部

3c 第二连接部

4 支承部

61 第一肋

62 第二肋

A 摆动轴

Claims (6)

1.一种光偏转器，其中，该光偏转器具备：

具有反射面的可动部；

弹性部件，其以使该可动部能够绕摆动轴摆动的方式支承该可动部；以及

支承该弹性部件的支承部，

所述弹性部件具有刚性连续变化的第一连接部，并在该第一连接部处与所述可动部连接，

刚性经由所述第一连接部在所述弹性部件和所述可动部之间连续变化，

所述弹性部件具备具有大致恒定的宽度的直线部，

所述弹性部件具有第二连接部，该第二连接部设置在所述直线部和所述支承部之间并连接所述直线部和所述支承部，

所述第二连接部的宽度朝向所述支承部逐渐增大，

所述第一连接部的最大宽度大于所述第二连接部的最大宽度。

2.根据权利要求1所述的光偏转器，其中，

所述可动部具有比所述弹性部件的刚性大的刚性，

所述第一连接部的刚性朝向所述可动部逐渐增大。

3.根据权利要求2所述的光偏转器，其中，

所述弹性部件与所述摆动轴大致平行地延伸，

所述第一连接部在与所述摆动轴垂直的宽度方向上的宽度朝向所述可动部逐渐增大。

4.根据权利要求3所述的光偏转器，其中，

所述弹性部件具备具有大致恒定的宽度的直线部，

所述第一连接部设置在所述直线部和所述可动部之间，并连接所述直线部和所述可动部，

所述第一连接部的最大宽度为所述直线部的宽度的3倍以上，

在与所述摆动轴平行的长度方向上，所述第一连接部的长度为所述弹性部件的全长的1/10以上。

5.根据权利要求1所述的光偏转器，其中，

所述第一连接部具有在宽度方向上相互对置的两个第一侧面，该两个第一侧面是以第一曲率半径弯曲并与所述直线部的侧面和所述可动部的侧面连续的曲面，

所述第二连接部具有在所述宽度方向上相互对置的2个第二侧面，该2个第二侧面是以第二曲率半径弯曲并与所述直线部的侧面和所述支承部的侧面连续的曲面，

所述第一曲率半径大于所述第二曲率半径。

6.一种光偏转器，其中，该光偏转器具备：

具有反射面的可动部；

弹性部件，其构成为以使该可动部绕摆动轴摆动的方式支承该可动部；以及

支承该弹性部件的支承部，

所述弹性部件具有构成为刚性连续变化的第一连接部，并在该第一连接部处与所述可动部连接，

刚性经由所述第一连接部在所述弹性部件和所述可动部之间连续变化，

所述可动部由具有所述反射面的第一可动板和具有驱动力产生面的第二可动板形成，

所述第一可动板具有形成在所述反射面的背面的至少一个第一肋，

所述第二可动板具有形成在所述驱动力产生面的背面的至少一个第二肋，

所述第一肋和所述第二肋在相互交叉的方向上延伸，

所述第一肋的一部分和所述第二肋的一部分在相互交叉的位置接合。

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