JP2014232180A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】半環状圧電アクチュエータ型の光偏向器において、ミラー部の駆動力の増大する。【解決手段】光偏向器２は、トーションバー１３ａ，１３ｂを介してミラー部９を駆動する半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを備える。半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂは、分断溝１８により円弧区分１６ａ〜１６ｃ、１７ａ〜１７ｃにより区分され、個別に圧電膜を有している。中心ｏの時計回りに円弧区分１７ａから円弧区分１６ａへ順番に１〜６の番号を付け、奇数番と偶数番の円弧区分の圧電膜に対し、相互に逆位相の駆動電圧を供給する。【選択図】図２

Description

本発明は、ミラー部の往復回転により反射光を出射する光偏向器に関する。

スキャナや車両用前照灯等に装備され、ミラー部を所定の軸線回りに往復揺動しつつ、光源から入射された光をミラー部により反射して出射するＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）型の光偏向器が知られている（例：特許文献１，２）。

特許文献１の光偏向器は、１対のほぼ半環状圧電アクチュエータが、ミラー部の各半部の外側にそれぞれ配設され、ミラー部から延び出している２つのトーションバーに両側から結合して、トーションバーをその軸線の回りに往復回転させる構造になっている（特許文献１／図５）。

特許文献２の光偏向器は、直線状の圧電アクチュエータが、ミラー部から延び出している各トーションバーの基端部の両側に１個ずつ配備され、計４つの直線状の圧電アクチュエータが、２つのトーションバーをその軸線の回りに往復回転させる構造になっている（特許文献２／図１）。

特許文献２は、さらに、同一のトーションバーの基端部を両側から逆相駆動する直線型圧電アクチュエータにおいて、直線型圧電アクチュエータをトーションバー側の端から固定部（支持体）側の端の方へ直線型圧電アクチュエータの長さの２／３の箇所で分割し、トーションバー側の圧電膜と固定部側の圧電膜とにそれぞれ逆位相の駆動電圧を供給することを開示する（特許文献２／段落００５８及び００５９）。

特許文献２における直線型圧電アクチュエータの長さの区分箇所は、直線状圧電アクチュエータを単独で作動させて探索したものとなっている。その際、直線型圧電アクチュエータのトーションバー側及び固定部側の端は、それぞれ自由端及び固定端とされるとともに、選択される分割点は、自由端が最大変位する時の分割点とされる（特許文献２／段落００６０）。

特開２００８−２０７０１号公報 特開２０１０−１９７９９４号公報

半環状圧電アクチュエータの周方向の各部位は、ミラー部の往復回転中、静止時のミラー部の表側（ミラー面側）に対峙する方向（以下、「Ｚ軸方向」という。Ｚ軸は後述の図３に図示されている。）に振動している。本発明者らは、各半環状圧電アクチュエータが、全体としてＺ軸方向に同一の位相で振動しているのではなく、相互に逆位相で振動する複数の領域を有していることを確認した。

特許文献１の光偏向器は、各半環状圧電アクチュエータの圧電膜は一体となっており、一体の圧電膜を同一の駆動電圧で駆動している。したがって、駆動電圧に対するトーションバーの回転角度が低下している。

特許文献２の光偏向器は、半環状でなく、直線状の圧電アクチュエータの圧電膜を長さ方向に複数の区分に分け、各区分に個別の圧電膜を設けて、隣り関係の区分の圧電膜には相互に逆位相となる駆動電圧を印加している。しかしながら、区分箇所は、直線状圧電アクチュエータを単独で作動させるとともに、直線状圧電アクチュエータのトーションバー側の端が自由端として設定され、該自由端が最大変位する時の区分箇所が圧電膜の区分箇所として選定されている。

各半環状圧電アクチュエータは、支持体側の１つの支持端に対して、トーションバーに結合する端（特許文献２の「自由端」に相当）を２つ有している。また、光偏向器の実際の使用では、圧電アクチュエータにおけるトーションバー側の端は、自由端ではなく、該端のＺ軸方向変位量は０となっており、かつ該端にはミラー部の質量が作用している。

したがって、半環状圧電アクチュエータにおける圧電膜の区分箇所を、特許文献２の探索方式により探索しても、実際の適用において適切となる区分箇所からのずれが増大する。この結果、特許文献２の光偏向器におけるミラー部の駆動力は、各圧電アクチュエータの圧電膜を分割するものの、なお不十分と考えられる。

本発明の目的は、１対の半環状圧電アクチュエータにより２つのトーションバーを介してミラー部を往復回転させる光偏向器において、半環状圧電アクチュエータによるミラー部の駆動力の増大を図ることである。

本発明の光偏向器は、表側において光を反射するミラー部と、軸線を揃えて前記ミラー部の両側から延び出る１対のトーションバーと、前記ミラー部の各半部の外側にそれぞれ配設され、両トーションバーに結合して、前記トーションバーを軸線の回りに往復回転させる１対の半環状圧電アクチュエータと、静止時の前記ミラー部の表側と対峙する方向視において前記１対のトーションバーの軸線に対して直交する直線上の位置で各半環状圧電アクチュエータを支持する支持体とを備え、前記半環状圧電アクチュエータは、前記方向視でミラー部の中心の回りの角度であって、前記半環状圧電アクチュエータが前記ミラー部を往復回転させている状態にある時に前記半環状圧電アクチュエータに生じる振動定在波の節が生じる角度位置、又は前記１対の半環状圧電アクチュエータが共通で全周一体の仮想圧電膜を有すると仮定して前記ミラー部に前記トーションバーの軸線周りに所定の回転力を付与したときに前記仮想圧電膜に生じる分極分布において分極の極性が周方向両側で逆となっている角度位置で周方向に区分され、各周方向区分に個別の圧電膜を有し、前記１対の半環状圧電アクチュエータの周方向区分に対し、前記方向視で所定の周方向区分から時計方向に順番に１番から番号付けしたときの奇数番の周方向区分の圧電膜と偶数番の周方向区分の圧電膜とは、相互に逆位相の駆動電圧を供給されるようになっていることを特徴とする。

本発明によれば、半環状圧電アクチュエータにおいて個別に配置する圧電膜の範囲を規定する周方向区分は、半環状圧電アクチュエータがミラー部を往復回転させている状態にある時に半環状圧電アクチュエータに生じる振動定在波の節が生じる角度位置、又は１対の半環状圧電アクチュエータが共通で全周一体の仮想圧電膜を有すると仮定してミラー部にトーションバーの軸線周りに所定の回転力を付与したときの仮想圧電膜に生じる分極分布において分極の極性が周方向両側で逆となっている角度位置で定められる。したがって、半環状圧電アクチュエータの周方向区分が、半環状圧電アクチュエータのトーションバー側の端を自由端にして、その最大変位量に基づいて範囲を定められるときよりも、半環状圧電アクチュエータによるミラー部の駆動力の増大を図ることができる。

本発明の光偏向器において、各半環状圧電アクチュエータは、全部の周方向区分に圧電膜を有し、前記ミラー部の往復回転時に、全部の周方向区分の圧電膜に駆動電圧を供給されるようになっていることが好ましい。

この構成によれば、全部の周方向区分が、圧電膜によりトーションバーに駆動力を与えるので、ミラー部の駆動力を増大することができる。

本発明の光偏向器において、前記半環状圧電アクチュエータは、前記ミラー部の往復回転時に、前記トーションバー側の端の周方向区分のみに駆動電圧を供給されるようになっていることが好ましい。

この構成によれば、各半環状圧電アクチュエータにおいて、トーションバー側の端の周方向区分のみが圧電膜によりトーションバーに駆動力を与えるので、光偏向器の構造を簡単にすることかできる。また、半環状圧電アクチュエータの全部位は、前記方向視の方向に、同一位相で振動するか、無振動となるので、半環状圧電アクチュエータを一体の圧電膜で構成して、該一体の圧電膜に駆動電圧を供給するときに比して、ミラー部の駆動力を増大することができる。

本発明の光偏向器において、前記方向視で、前記半環状圧電アクチュエータは、前記支持体との結合部位における幅よりも前記トーションバーとの結合部位における幅の方が増大されていることが好ましい。

この構成によれば、圧電膜の面積が増大し、半環状圧電アクチュエータへの駆動電力に対するトーションバーの駆動力を増大することができる。

光スキャナの構成図。 光偏向器の表側を斜め前方から見た斜視図。 半円弧状圧電アクチュエータにおける角度位置についての説明図。 半円弧状圧電アクチュエータにおける角度位置及び近辺位置のＺ軸方向の振幅を測定したグラフ。 所定のシミュレーションソフトにより解析した光偏向器における分極分布図。 図５の解析に使用したシミュレーションソフトを使って別の光偏向器について解析した分極分布図。 図２の光偏向器の変形例を示す図。 光偏向器における駆動電圧の供給配線図。 図２の光偏向器の別の変形例を示す図。 図９の光偏向器における圧電センサの配備場所の一例を示す図。 二次元走査型光偏向器の斜視図。

図１を参照して、光スキャナモジュール１の主要部を説明する。光スキャナモジュール１は、主要構成要素として、光偏向器２、光源３、及び制御装置４とを備える。

光スキャナモジュール１は、例えば、プロジェクタ、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザヘッドアンプ、又はヘッドアップディスプレイ等に装備され、走査光を出射する。

光偏向器２は、半導体プロセスやマイクロマシン技術を用いた周知のＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスとして、半導体基板上にミラー部や圧電アクチュエータ等の機構部品を一体的に形成して、製造される（例：本出願人による特開２００９−１６９３２６号公報及び特開２００９−２２３１６５号公報等）。

制御装置４は、光偏向器２及び光源３へ制御信号を送る。制御装置４は、光偏向器２への制御信号により、ミラー部９の回転角度や往復回転の周波数等を制御する。制御装置４は、光源３への制御信号により、光源３のオン・オフ（点灯・消灯）や、場合によっては光源３からの光５の輝度を制御する。

光偏向器２は、ミラー部９を装備する。ミラー部９は、表側に反射面を有し、光源３からの光５を反射面で反射する。ミラー部９は、作動時は所定の回転軸線の回りを往復回転しており、光５は、ミラー部９から反射した後、走査光として光偏向器２から前方に出射する。

図２は、光偏向器２の表側を斜め前方から見た斜視図である。なお、光偏向器２の表側は光偏向器２の前面側又は正面側と同義である。ミラー部９は、図２に図示する状態で、静止状態にある。ミラー部９は、静止時では、中心ｏから表側に延び出す法線をまっすぐ前方に向けている。

ミラー部９は、円形であり、光偏向器２の中心に配設される。トーションバー１３ａ，１３ｂは、ミラー部９の中心ｏを通る１つの直線としての直線Ｃ１上に軸線を揃えて、ミラー部９の両側に配設されて、ミラー部９に結合している。尚、ミラー部９の形状は円形に限定されない。楕円形やその他の形状であってもよい。

光偏向器２の説明の便宜上、光偏向器２の正面視を定義する。正面視は、静止時のミラー部９の表側に対峙する方向視の１つである。正面視では、ミラー部９の中心からトーションバー１３ａ，１３ｂの延び出す方向をそれぞれ上及び下と定義する。静止時のミラー部９の表側に対峙する方向視は、正面視に対して時計回りに任意角度のものとする。

光偏向器２の説明の便宜上定義した光偏向器２の上下左右は、実際の使用時の光偏向器２の上下左右を規定するものではない。

正面視において中心ｏに対して時計回りに角度を定義し、中心ｏからトーションバー１３ａの方向を角度＝０°と定義する。図２において、直線Ｃ１は、中心ｏに対して上側を０°の方向に延び出ている。直線Ｃ２，Ｃ３は、中心ｏに対して６０°，１２０°の方向に右側へ延び出ている直線と定義される。

光偏向器２は、左右対称の構造となっている。半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂは、ミラー部９の左右の半部の外側に配設され、トーションバー１３ａ，１３ｂの基端部に左右の側から結合している。

矩形枠１１は、中心をミラー部９の中心ｏに揃えて、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂを外側から包囲するように、配設される。固定バー１４ａ，１４ｂは、それぞれ２７０°及び９０°の位置に配設され、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの外周縁を矩形枠１１の円形内周縁に結合している。

分断溝１８は、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂにおいて、直線Ｃ２，Ｃ３が通過する箇所に形成され、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの圧電膜を周方向に分断している。トーションバー１３ａ，１３ｂは、直線Ｃ１上に沿って延び、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａの圧電膜と半円弧状圧電アクチュエータ１０ｂの圧電膜とを周方向に分断している。

ＭＥＭＳ技術による光偏向器２の製作では、先に、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの全周，及びトーションバー１３ａ，１３ｂの全長に一律に圧電膜を形成し、その後、表側からのエッチングによりトーションバー１３ａ，１３ｂ及び分断溝１８の部分の圧電膜を除去している。

左側のトーションバー１３ａは、分断溝１８により上側から順番に円弧区分１６ａ〜１６ｃに区分される。右側のトーションバー１３ｂは、分断溝１８により上側から順番に円弧区分１７ａ〜１７ｃに区分される。これにより、円弧区分１６ａ〜１６ｃ，１７ａ〜１７ｃの圧電膜には、個別に駆動電圧が印加可能になる。

図３は、図４に示した位置Ｐ１〜Ｐ５について説明した図である。図４の実験では、光偏向器２に代えて、光偏向器２０が用いられている。光偏向器２０の全体を示した左側の図の黒枠の範囲が右側に拡大図として示されている。

光偏向器２の半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂと光偏向器２０の半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂとの相違点は、光偏向器２では、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの圧電膜が分断溝１８により分断されているのに対し、光偏向器２０では、圧電膜は、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々において分断溝１８により分断されることなく、一体となっていることである。ただし、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａの圧電膜と半円弧状圧電アクチュエータ１０ｂの圧電膜とは、両者の間のトーションバー１３ａ，１３ｂの存在により分断されている。

ミラー部９は、図３に図示された状態では静止状態（圧電膜の無印加電圧状態）にあって、光偏向器２０のまっすぐ前方に向けている。Ｘ軸及びＹ軸は、正面視でそれぞれ２７０°及び１８０°の方向に中心ｏから延びている。Ｚ軸は、Ｘ軸及びＹ軸に対して直角に中心ｏから光偏向器２のまっすぐ前方に延び出している。

Ｐ１〜Ｐ４は、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａにおいて、１８０°〜２７０°の９０°の周方向範囲を５等分したときに、トーションバー１３ｂに近い方から順番に位置する４つの等分割点の角度位置になっている。Ｐ５は、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａにおいて２７０°の角度位置にある。Ｐ１〜Ｐ５は、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａの幅の中心を連ねる円周上にあって、中心ｏから等距離の位置にある。

図４は光偏向器２０のミラー部９を共振振動（１８．８７７ｋＨｚ）で駆動した時のＰ１〜Ｐ５と共にその近辺位置のＺ軸方向の振幅を測定したものである。各位置の座標及び振幅の単位はすべてμｍとなっている。各位置のＺ軸方向の振幅は円の直径に比例する。

Ｐ１〜Ｐ５の近辺位置は、Ｘ座標の値は、Ｐ１〜Ｐ５のＸ座標の値と同一で、Ｙ座標の値のみがＰ１〜Ｐ５のＹ座標の値と僅かに相違させたものとなっている。

図４のＸ座標及びＹ座標の値は、図４のミラー部９の中心ｏを原点としたものではない。実験の都合上、光偏向器２の正面視で中心ｏに対して斜め上方の所定位置を（０，０）としたときのＸ座標及びＹ座標の値で示している。

図４から、共振振動時のＰ１〜Ｐ５のＺ軸方向振幅について、Ｐ３が最小の０．３ｍｍ、Ｐ１が最大の４．４ｍｍ、Ｐ５は２．２ｍｍとなっている。また、Ｐ２及びＰ４の振幅はそれぞれ中間の１．６ｍｍ，１．５ｍｍとなっている。

図４から、Ｐ３は共振振動の節の部位となることが知見される。前述の図２の直線Ｃ２は、Ｐ３を通過する直線として選定されている。

図５は所定のシミュレーションソフトにより解析した光偏向器２における分極分布図である。シミュレーションでは、圧電膜が光偏向器２の面全体に一体の仮想圧電膜として形成されているものとし、ミラー部９にトーションバー１３ａ，１３ｂの軸線周りに所定の回転力を付与したときの仮想圧電膜に生じる分極分布を調べることにし、得られた結果が図５の分極分布図となっている。

実際の解析ソフトの結果では、応力分布は、カラーで出力されるが、図５ではモノクロで表示されている。図５において、Ｇ１は色の濃い領域を表し、Ｇ２は色の薄い領域を示している。Ｇ１とＧ２とは、シミュレーションで生じた分極の極性が逆であることを意味する。

半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂにおいて、Ｇ１とＧ２との各境目に対し、境目の周方向両側の分極極性が逆になっている。左側の半円弧状圧電アクチュエータ１０ａにおいてトーションバー１３ａに隣接するＧ２の領域は、０°から反時計回りに６０°までの範囲を占めている。

光偏向器２は、正面視で左右対称及び上下対称の構造となっているので、左上側の境目と同様な境目が左下側、及び右側にも生じている。

図２において直線Ｃ１〜直線Ｃ３は、図５の半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂにおけるＧ１とＧ２との境目を通過しかつ中心ｏを通る直線として選定されている。

Ｇ１とＧ２との境目を区分個所として分断溝１８（図２）を形成し、ミラー部９の往復回転時では、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂにおいてＧ１の領域とＧ２との領域とで逆極性の駆動電圧を供給すれば、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々が全面にわたりＺ軸方向へ同一位相で変位することになる。そして、この結果として、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂによるトーションバー１３ａ，１３ｂの回転駆動力が増大することが理解できる。

図６は図５の分極分布の解析に使用したシミュレーションソフトを使って別の光偏向器３２について解析した分極分布図である。光偏向器３２も、光偏向器２と同様に、正面視で左右対称及び上下対称の構造になっている。

光偏向器３２では、半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂは、それらがトーションバー４３ａ，４３ｂに両側から結合した状態で、全体として菱形の周輪郭を形成するように、形状が設定されている。また、半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂを外側から包囲して、固定バー４４ａ，４４ｂを介して支持する支持枠５１の内周輪郭も菱形に選定されている。

光偏向器３２において、トーションバー４３ａ，４３ｂの軸線は、ミラー部３９の中心ｏからそれぞれ０°及び１８０°の放射方向へ延びている。固定バー４４ａ，４４ｂは、それぞれ２７０°及び９０°の角度位置において半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂの外周縁と支持枠５１の内周縁とを結合している。

光偏向器３２における分極分布の解析においても、圧電膜が光偏向器３２の面全体に一体の仮想圧電膜として形成されているものとし、円形のミラー部３９にトーションバー４３ａ，４３ｂの軸線周りに所定の回転力を付与したときの仮想圧電膜に生じる分極分布を調べた。

シミュレーション解析により、光偏向器３２においても、Ｇ１，Ｇ２の境目が、左右対称及び上下対称に、中心ｏから０°、６０°，１２０°，１８０°、２４０°、３００°の角度位置に出現していることが分かった。この位置は、図２の直線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の線上に一致する。

したがって、光偏向器３２の半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂにおいても、Ｇ１とＧ２との境目を区分個所として分断溝１８（図２）を形成し、ミラー部３９の往復回転時では、半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂにおいてＧ１の領域とＧ２との領域とで逆極性の駆動電圧を供給すれば、半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂの各々において、全部位がＺ軸方向に同位相で変位する。この結果、半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂによるトーションバー４３ａ，４３ｂの回転駆動力が増大する。

図６の光偏向器３２では、半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂにおいて、正面視の幅が、基端側（図６でＢで囲う範囲）から先端側（図６でＡで囲う範囲）へ向かって、漸増している。すなわち、半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂは、正面視で固定バー４４ａ，４４ｂとの結合部位における幅よりもトーションバー４３ａ，４３ｂとの結合部位における幅の方が増大されている。

この結果、トーションバー４３ａ，４３ｂと結合する範囲で圧電膜の面積を増大され、同一駆動電圧に対するトーションバー４３ａ，４３ｂの駆動力が増大し、トーションバー４３ａ，４３ｂの振れ角を増大させることができる。

図７は、図２の光偏向器２の変形例としての光偏向器６２を示している。光偏向器６２において、光偏向器２の要素と同一の要素は、同一の符号で指示して、説明は省略し、相違点についてのみ説明する。

光偏向器６２では、光偏向器２の半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂにおける円弧区分１６ｂ，１７ｂの圧電膜が、エッチングにより除去されるか、駆動電圧の配線の省略等により無効化される。そして、円弧区分１６ａ，１６ｃ，１７ａ，１７ｃの圧電膜のみが有効にアクチュエータ作用を行うようにされる。

図８（ａ）及び（ｂ）はそれぞれ光偏向器２，６２における駆動電圧の供給配線を示している。なお、図８では、円弧区分１６ａ，１６ｃ，１７ａ，１７ｃの円周角は３０°、円弧区分１６ｂ，１７ｂの円周角は１２０°で図示されている。図２では、直線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３は６０°間隔となっているが、光偏向器２，６２の種類により直線Ｃ１，Ｃ２，Ｃ３の間隔は変化する。通常、直線Ｃ２は、トーションバー１３ａの方向を０°として、直線Ｃ２は、４５°±１５°、直線Ｃ３は１３５°±１５°の範囲である。

図８において、駆動電圧ｖ１，ｖ２は、波形が同一で、位相が１８０°ずれたもの、すなわち相互に逆位相となっている。ｖ１，ｖ２は制御装置４から供給される。光偏向器２，６２の半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂのモノポーラ型であるので、ｖ１，ｖ２は、単一の極性を維持しつつ、相互に逆位相になるよう振幅を所定直流を維持しつつ、値を所定の周波数で増減するものとなっている。

図８（ａ）を先に説明する。円弧区分１６ａ〜１６ｃ，１７ａ〜１７ｃの６つの円弧区分に対し、円弧区分１７ａを１番として、時計回りに１〜６の番号を付ける。すなわち、円弧区分１７ａ，１７ｂ，１７ｃ，１６ｃ，１６ｂ，１６ａは、１番〜６番になる。

光偏向器２では、ｖ１は、奇数番の円弧区分１７ａ，１７ｃ，１６ｂの圧電膜に供給され、ｖ２は、偶数番の円弧区分１７ｂ，１６ｃ，１６ａの圧電膜に供給される。これにより、奇数番の円弧区分の圧電膜と偶数番との円弧区分とは、Ｚ軸方向へ同一位相で変位する。

この結果、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの先端側としてのトーションバー１３ａ，１３ｂとの結合部におけるＺ軸方向の変位量が増大し、トーションバー１３ａ，１３ｂの回転角が増大する。すなわち、ｖ１，ｖ２の振幅に対するミラー部９の回転角変化範囲が増大する。

図８（ｂ）について説明する。光偏向器６２では、光偏向器２における２番及び５番の円弧区分への駆動電圧の供給が行われない。すなわち、周方向にトーションバー１３ａ，１３ｂの両隣りの円弧区分の圧電膜のみに駆動電圧が制御装置４から供給される。

図８（ｂ）において、ｖ１は、６番及び４番の円弧区分１６ａ，１６ｃの圧電膜に供給される。ｖ２は、１番及び３番の円弧区分１７ａ，１７ｃの圧電膜に供給される。これにより、ミラー部９の往復振動時に、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々において、円弧区分は、フラットを維持しているか、Ｚ軸方向へ同一位相で変位する。この結果、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々において、円弧区分が、Ｚ軸方向へ逆位相関係で変位するのが防止され、ｖ１，ｖ２の振幅に対するミラー部９の回転角変化範囲が増大する。

光偏向器２を図８（ａ）の駆動方式で駆動する場合の一例では、るミラー部９を機械振れ角１０°で約２０ｋＨｚの共振周波数で駆動する場合の駆動電圧は１０Ｖであった。一方、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの各々について圧電膜を分断溝１８で分断することなく、一体にして、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂにｖ１，ｖ２の駆動電圧をそれぞれ供給する従来の光偏向器では、ミラー部を機械振れ角１０°で約２０ｋＨｚの共振周波数で駆動する場合の駆動電圧は２０Ｖ以上、必要であった。

したがって、光偏向器２を図８（ａ）の駆動方式で駆動する場合は、従来構造に対して消費電力を半減できたことになる。また、駆動電圧の低下により、制御装置４（図１）の駆動回路ＩＣのコストが低減し、光スキャナモジュール１全体のコストを大幅に低減することができる。

また、光偏向器６２を図８（ｂ）の駆動方式で駆動する場合の一例では、るミラー部９を機械振れ角１０°で約２０ｋＨｚの共振周波数で駆動する場合の駆動電圧は１１〜１２Ｖであった。これは、光偏向器２を図８（ａ）の駆動方式で駆動する場合よりも、若干劣るが、従来構造に対しては十分に消費電力を節減できることが分かった。また、光偏向器６２は光偏向器２に比して構造が簡単となるので、歩留まりを含めた製造コストを低減することができる。

従来構造では、圧電膜への印加電圧が比較的高いので、圧電膜の劣化による振れ角の減少が懸念されたが、光偏向器２，６２に対する図８（ａ）及び（ｂ）の駆動方式で使用することにより、圧電膜の劣化が大幅に抑制されるとともに、長期信頼性が向上する。

図９は光偏向器２の変形例としての光偏向器７２の斜視図である。光偏向器７２において、光偏向器２の要素と同一の要素は同一の符号で指示して、説明は省略し、相違点についてのみ説明する。

光偏向器７２では、トーションバー８３ａ，８３ｂは、基端側において、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂとの結合部を越えて延び出し、矩形枠１１の内周に結合している。

トーションバー８３ａ，８３ｂが矩形枠１１の内周に固定されているので、トーションバー８３ａ，８３ｂの往復回転が安定化する。

図１０は、光偏向器７２の半環状圧電アクチュエータ１０ｂにおける圧電センサ１００の配備場所を示している。圧電センサ１００は、半環状圧電アクチュエータ１０ｂの配備領域における歪みに応じた電圧を出力して、ミラー部９の回転角を検出する。図１０は光偏向器７２の正面視で示したものとなっている。

半円弧状圧電アクチュエータ１０ａにおいて、円弧区分１６ｃのアクチュエータ機能部としての圧電膜は、半環状圧電アクチュエータ１０ｂ側において、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａの直線の端縁１０１にほぼ達している。これに対し、半環状圧電アクチュエータ１０ｂの円弧区分１７ｃのアクチュエータ機能部としての圧電膜は、半環状圧電アクチュエータ１０ｂの先端側を区画線９２〜９４までに制限される。

区画線９２は、正面視における半環状圧電アクチュエータ１０ｂの円周の内周線に対して法線方向に半環状圧電アクチュエータ１０ｂ内に設定される。区画線９３は、半環状圧電アクチュエータ１０ｂの内周線からの等距離を保持しつつ、内周線に沿って所定長さ延びている。区画線９４は、半環状圧電アクチュエータ１０ｂの直線の端縁と重なっている。

区画線９２は、区画線９４より区画線９３の長さだけ半環状圧電アクチュエータ１０ｂの基端側の固定バー１４ｂの方へ引きこまれている。

圧電センサ１００は、トーションバー８３ｂと半環状圧電アクチュエータ１０ｂとの結合部をまたがってトーションバー８３ｂ及び半環状圧電アクチュエータ１０ｂに延び出している。圧電センサ１００の半環状圧電アクチュエータ１０ｂ側の部分は、区画線９２，９３により画成される領域内に配設される。

信号線１０５は、トーションバー８３ｂにおいてトーションバー８３ｂの軸線に沿って形成されている。信号線１０５は、一端において、圧電センサ１００のトーションバー８３ｂ側の部分に接続され、他端において、矩形枠１１の信号線１１０に接続されている。信号線１１０は、矩形枠１１の図示していない電極へ接続されている。

グランド線１０６は、トーションバー８３ｂに形成され、矩形枠１１のグランド線１１１に接続されている。グランド線１０６は、半円弧状圧電アクチュエータ１０ｂにおいて圧電センサ１００と区画線９２及び区画線９３との間に形成され、トーションバー８３ｂにおいて区画線９４と信号線１０５との間に形成されている。

グランド線１０７は、トーションバー８３ｂに形成され、矩形枠１１のグランド線１１２に接続されている。グランド線１０７は、トーションバー８３ｂにおいて圧電センサ１００及び信号線１０５と半円弧状圧電アクチュエータ１０ａの端縁１０１との間に形成されている。

正面視において、半円弧状圧電アクチュエータ１０の幅をＷ（図１０の半円弧状圧電アクチュエータ１０ｂの内周線と外周線との距離）、トーションバー８３ｂの幅（図１０のトーションバー８３ｂの左右の側縁間の寸法）の半分の長さをＬとする。

圧電センサ１００は、半円弧状圧電アクチュエータ１０ｂの幅方向には、円弧区分１７ｃにおいて内周線と該内周線から外周線の方へ最大０．１８Ｗ離れた位置までの範囲を占める。圧電センサ１００は、半円弧状圧電アクチュエータ１０ｂの長手方向に半円弧状圧電アクチュエータ１０ｂ側に、０．２５・Ｌ以下までの寸法内で延び出している。圧電センサ１００は、トーションバー８３ｂの幅方向に、トーションバー８３ｂ側に０からＬ／２未満までの寸法内で延び出し、０．２５・Ｌ以下までの範囲内で延び出している。

センサ配線１０５〜１０７を圧電アクチュエータの上または脇を通さずに、トーションバー８３ｂ上に通して、圧電アクチュエータの振動の影響を排除し、アクチュエータ信号とのクロストークを抑制することにより、圧電センサ１００の出力は、ミラー部９の共振周波数において十分な振幅を有する。また、ミラー部９の共振周波数を含む所定周波数範囲で、ｖ１又はｖ２の駆動電圧の位相を基準位相にして、基準位相に対する圧電センサ１００の出力位相差が、基準位相に対するミラー部９の往復振動の位相差に一致したものになる。

図１１は、二次元走査型光偏向器１３０の斜視図である。二次元走査型光偏向器１３０は、二次元走査光を出射する。二次元走査型光偏向器１３０は、中央に光偏向器２ｂを備える。光偏向器２ｂの構成は、図１の光偏向器２と同一であり、光偏向器２ｂは、ミラー部９、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂ、矩形枠１１、及びトーションバー１３ａ，１３ｂを備えている。

外側支持枠１３１は、光偏向器２ｂを外側から包囲する。蛇腹型圧電アクチュエータ１３２ａ，１３２ｂは、外側支持枠１３１内で光偏向器２ｂの左右にそれぞれ配設され、基端側を外側支持枠１３１の左右の辺部の下端に結合し、先端側を光偏向器２ｂの矩形枠１１の左右の辺部の下端に結合している。

蛇腹型圧電アクチュエータ１３２ａ，１３２ｂは、複数のカンチレバーを左右方向に並べて、上下方向端部で折り返して、直列結合した周知の構造になっている。

矩形枠１１は、蛇腹型圧電アクチュエータ１３２ａ，１３２ｂの作動により左右方向の第１回転軸線１４１の回りに往復回転する。ミラー部９は、半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂの作動によりトーションバー１３ａ，１３ｂの軸線に一致する第２回転軸線１４２の回りに往復回転する。

この結果、二次元走査型光偏向器１３０において、光源３（図１）からの光５は、ミラー部９に反射して、水平方向と鉛直方向との２方向の走査光となって、二次元走査型光偏向器１３０の前方に出射する。

本発明を実施形態について説明した。半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂは、半環状圧電アクチュエータの一例である。矩形枠１１は、支持体の一例である。円弧区分１６ａ〜１６ｃ，１７ａ〜１７ｃは、周方向区分の一例である。

実施形態では、半環状圧電アクチュエータとして半円弧状圧電アクチュエータ１０ａ，１０ｂや、半菱形状の半環状圧電アクチュエータ５０ａ，５０ｂが用いられているが、その他の形状の半環状圧電アクチュエータを採用することができる。

図２等の実施形態では、分断溝１８が、直線Ｃ１に対して６０°及び１２０°の交角を有する直線Ｃ２，Ｃ３上に形成されたが、６０°及び１２０°は一例であり、直線Ｃ１は、光偏向器の形状大きさ等により相違する。通常、直線Ｃ１をトーションバー１３ａ，１３ｂの軸線を含む直線と定義すると、おおよそ、直線Ｃ２は、直線Ｃ２は、直線Ｃ１に対して３０°〜６０°の交角を有する範囲となる。また、直線Ｃ３は、直線Ｃ１に対して１２０°〜１５０°の交角を有する範囲となる。

２，３２，６２，７２・・・光偏向器、３・・・光源、５・・・光、９，３９・・・ミラー部、１０ａ，１０ｂ・・・半円弧状圧電アクチュエータ、１１・・・矩形枠（支持体）、１３ａ，１３ｂ，４３ａ，４３ｂ，８３ａ，８３ｂ・・・トーションバー、１６ａ〜１６ｃ，１７ａ〜１７ｃ・・・円弧区分、１８・・・分断溝（区分箇所）、３９・・・ミラー部、５０ａ，５０ｂ，・・・半環状圧電アクチュエータ、５１・・・支持枠（支持体）、１３０・・・二次元走査型光偏向器。

Claims (4)

1. 表側において光を反射するミラー部と、
   軸線を揃えて前記ミラー部の両側から延び出る１対のトーションバーと、
   前記ミラー部の各半部の外側にそれぞれ配設され、両トーションバーに結合して、前記トーションバーを軸線の回りに往復回転させる１対の半環状圧電アクチュエータと、
   静止時の前記ミラー部の表側と対峙する方向視において前記１対のトーションバーの軸線に対して直交する直線上の位置で各半環状圧電アクチュエータを支持する支持体とを備え、
   前記半環状圧電アクチュエータは、
   前記方向視でミラー部の中心の回りの角度であって、前記半環状圧電アクチュエータが前記ミラー部を往復回転させている状態にある時に前記半環状圧電アクチュエータに生じる振動定在波の節が生じる角度位置、又は前記１対の半環状圧電アクチュエータが共通で全周一体の仮想圧電膜を有すると仮定して前記ミラー部に前記トーションバーの軸線周りに所定の回転力を付与したときに前記仮想圧電膜に生じる分極分布において分極の極性が周方向両側で逆となっている角度位置で周方向に区分され、各周方向区分に個別の圧電膜を有し、
   前記１対の半環状圧電アクチュエータの周方向区分に対し、前記方向視で所定の周方向区分から時計方向に順番に１番から番号付けしたときの奇数番の周方向区分の圧電膜と偶数番の周方向区分の圧電膜とは、相互に逆位相の駆動電圧を供給されるようになっている
   ことを特徴とする光偏向器。
2. 請求項１記載の光偏向器において、
   各半環状圧電アクチュエータは、全部の周方向区分に圧電膜を有し、前記ミラー部の往復回転時に、全部の周方向区分の圧電膜に駆動電圧を供給されるようになっていることを特徴とする光偏向器。
3. 請求項１記載の光偏向器において、
   前記半環状圧電アクチュエータは、前記ミラー部の往復回転時に、前記トーションバー側の端の周方向区分のみに駆動電圧を供給されるようになっていることを特徴とする光偏向器。
4. 請求項１〜３のいずれか１項に記載の光偏向器において、
   前記方向視で、前記半環状圧電アクチュエータの幅は、前記支持体との結合部位における幅よりも前記トーションバーとの結合部位における幅の方が増大されていることを特徴とする光偏向器。