JP2016206235A - 光走査装置 - Google Patents

Abstract

【課題】捩り梁の破壊を抑制できる光走査装置を提供する。【解決手段】反射面１１ａを有する反射部１と、反射部１を中心として、反射面１１ａの平面上における一方向の両側に延設された捩り梁２と、反射部１を中心として一方向の両側に配置され、反射部１に向かって開口したＵ字形状の中央部３１において捩り梁２の端部と接合し、中央部３１の両端から、反射面１１ａの平面上における一方向に垂直な他方向の外側に延設された両端部３２を有する連結部３と、連結部３の両端を互いに接続する支持部４１と、を備え、中央部３１に、該中央部３１の反射部１側の側面に開口し、連結部３を反射面１１ａに垂直な厚み方向に貫通して他方向に伸びるように凹まされた第１凹部６が捩り梁２の両側それぞれに形成され、捩り梁２を挟んで対向する第１凹部６の底部の間の距離が、中央部３１の他方向において対向する側面の間の距離よりも大きくされている。【選択図】図１

Description

本発明は、圧電駆動式の光走査装置に関するものである。

従来、反射部と駆動部とを捩り梁を介して連結し、駆動部に備えられた圧電膜に電圧を印加することで、捩り梁の固有の共振周波数に基づく固有振動によって反射部を回転させ、反射部による光ビームの走査を可能とする光走査装置が提案されている。

このような光走査装置については、構造破壊の発生を抑制するため、駆動中に生じる応力を分散させることが重要な課題である。例えば、特許文献１に記載の光走査装置は、応力を分散させるために、ミラーの回転軸となる支持梁と駆動源が形成された可動枠とをつなぐ連結部を備えている。

特開２０１０−２８８４３５号公報

しかしながら、特許文献１に記載の光走査装置では、ミラーが大きく傾いた際に連結部が十分に曲がらないため、支持梁が連結部に対して大きく捩れる。このため、支持梁の上面と側面に大きな応力が発生する。

また、支持梁と連結部との接合部の表面のうち、特にミラーおよび可動枠に対向する側面には、構造を形成する際の加工で発生した小さな凹凸が存在する。例えば、支持梁、連結部等のパターニングはいわゆるボッシュプロセスを用いて行われるが、ボッシュプロセスではエッチングした側面（側壁）に多段の凹凸が形成される。このため、小さな応力でも亀裂が発生し構造破壊に進展してしまう。したがって、大きな走査角を得ることができないという問題がある。

本発明は上記点に鑑みて、捩り梁の破壊を抑制できる光走査装置を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、請求項１に記載の発明では、光ビームを反射させる反射面（１１ａ）を有する反射部（１）と、反射部を中心として、反射面の平面上における一方向の両側に延設され、反射部を一方向に平行な軸周りに揺動可能とする捩り梁（２）と、反射部を中心として一方向の両側に配置され、反射部に向かって開口したＵ字形状の中央部（３１）と、中央部の両端から、反射面の平面上における一方向に垂直な他方向の外側に延設された両端部（３２）とを有し、中央部において捩り梁の反射部と反対側の端部と接合する連結部（３）と、反射部を中心として、他方向の両側に配置されると共に一方向の両側に延設され、連結部の両端を互いに接続する支持部（４１）と、を備え、中央部に、該中央部の反射部側の側面に開口し、連結部を反射面に垂直な厚み方向に貫通して他方向に伸びるように凹まされた第１凹部（６）が捩り梁の両側それぞれに形成されることにより、捩り梁を挟んで対向する第１凹部の底部の間の距離が、中央部の他方向において対向する側面の間の距離よりも大きくされていることを特徴としている。

これによれば、連結部に第１凹部が形成され、連結部が曲げ変形を起こしやすい形状とされている。そのため、反射部が傾いた際に捩り梁の側面にかかる応力を低減して、捩り梁の破壊を抑制することができる。

なお、上記各手段の括弧内の符号は、後述する実施形態に記載の具体的手段との対応関係の一例を示すものである。

第１実施形態における光走査装置の平面図である。 図１のII−II線における断面図である。 第２実施形態における光走査装置の平面図である。 第３実施形態における光走査装置の平面図である。 解析用モデルの平面図である。 図５のモデルを用いた解析結果を示す図である。 第４実施形態における光走査装置の平面図である。 第５実施形態における光走査装置の平面図である。

以下、本発明の実施形態について図に基づいて説明する。なお、以下の各実施形態相互において、互いに同一もしくは均等である部分には、同一符号を付して説明を行う。

（第１実施形態）
本発明の第１実施形態について図１、図２を用いて説明する。本実施形態の光走査装置１００は、例えば自動車のヘッドアップディスプレイに用いられるが、本実施形態の光走査装置１００を他の用途に用いてもよい。

光走査装置１００は、反射部１と、捩り梁２と、連結部３と、支持枠４と、駆動部５とを備える。図１では、上記の構成要素のみを図示しているが、これらの構成要素が図示しない強制走査部もしくは単なる基板に支持されることで、光走査装置１００が構成される。

光走査装置１００が備える上記の構成要素は、板状の基板１０を用いて形成されている。本実施形態では、基板１０は、支持基板１０ａと活性層１０ｂとで犠牲層となる埋込酸化膜１０ｃを挟み込んだ構造とされたＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板にて構成されている。活性層１０ｂは、図１に示すように、光走査装置１００が備える上記の構成要素にパターニングされている。

反射部１は、光走査装置１００に照射された光ビームを反射させるものであり、ミラー１１と、リブ１２とを備える。ミラー１１は、反射部１のうち、活性層１０ｂをパターニングすることにより形成された部分であり、上面が円形状とされている。反射部１は、ミラー１１の上面である反射面１１ａにおいて光ビームを反射させる。

反射面１１ａの平面における一方向をｘ方向、反射面１１ａの平面におけるｘ方向に垂直な方向をｙ方向とする。また、反射面１１ａに垂直な方向をｚ方向とする。ｘ方向、ｙ方向、ｚ方向は、それぞれ、本発明の一方向、他方向、厚み方向に相当する。

ミラー１１の裏面には、リブ１２が形成されている。リブ１２は、ミラー１１を補強し、光走査装置１００の駆動中にミラー１１が振動により変形することを抑制するためのものである。リブ１２は、反射部１において、支持基板１０ａと埋込酸化膜１０ｃとを部分的に除去することにより形成され、本実施形態では、中空円筒形状とされている。

反射部１は、反射部１を中心としてｘ方向の両側に延設された捩り梁２により両持ち支持されている。捩り梁２は、反射部１をｘ方向に平行な軸周りに揺動可能とするものである。捩り梁２のｚ方向の厚みは、反射部１のうち活性層１０ｂの厚みと等しくされている。

捩り梁２の反射部１と反対側の端部は、連結部３と接合されている。連結部３は、捩り梁２と支持枠４および駆動部５とを連結するものであり、中央部３１と、両端部３２とを有する。中央部３１は、反射部１を中心としてｘ方向の両側に配置され、反射部１に向かって開口したＵ字形状とされている。両端部３２は、中央部３１の両端から、ｙ方向の外側に延設されている。連結部３は、中央部３１において捩り梁２の反射部１と反対側の端部と接合している。中央部３１のうち捩り梁２との接合部付近はｙ方向に延設され、ｘｙ平面において、中央部３１のうち捩り梁２との接合部付近は捩り梁２に対し垂直に配置されている。連結部３のｚ方向の厚みは、捩り梁２の厚みと等しくされている。

連結部３には、中央部３１の反射部１側の側面に開口し、連結部３をｚ方向に貫通してｙ方向に伸びるように凹まされた第１凹部に相当する直線状の第１スリット６が、捩り梁２の両側それぞれに形成されている。これにより、捩り梁２を挟んで対向する第１スリット６の底部の間の距離ｗ１が、中央部３１のｙ方向において対向する側面の間の距離ｗ２よりも大きくされている。なお、連結部３の表面のうち、活性層１０ｂをｚ方向に除去することによって形成された面を、連結部３の側面とする。第１スリット６は、ここでは、中央部３１の反射部１側の側面のうち、ｘ方向において反射部１から最も離れた部分に開口し、捩り梁２のｙ方向における両側それぞれに形成されている。

これにより、反射部１が傾いた際、捩り梁２の捩れとともに連結部３が曲げ変形を起こし、捩り梁２の側面にかかる応力が連結部３の上面に分散される。なお、捩り梁２の表面のうち、活性層１０ｂをｚ方向に除去することによって形成された面を、捩り梁２の側面とする。

なお、第１スリット６は、幅ｗ３と幅ｗ４とが互いに等しくなるように形成されている。ここで、幅ｗ３は、中央部３１のうち、ｘ方向において第１スリット６よりも反射部１から遠い部分のｘ方向における幅である。また、幅ｗ４は、中央部３１のうち、ｙ方向において第１スリット２よりも捩り梁２から遠い部分のｙ方向における幅である。

両端部３２の中央部３１と反対側の４つの端部は、支持枠４により互いに接続されている。支持枠４は、捩り梁２および連結部３を通して反射部１を支持する枠体であり、反射部１、捩り梁２、連結部３を内側に配置した長方形状とされている。支持枠４は、第１支持部４１と、第２支持部４２とを有する。

第１支持部４１は、支持枠４を構成する枠体のうちｘ方向に延設された部分であり、反射部１を中心として、ｙ方向の両側に配置されると共にｘ方向の両側に延設されている。第１支持部４１は、連結部３の両端を互いに接続している。具体的には、ｙ方向において反射部１の一方側に配置された連結部３の２つの端部を互いに接続し、ｙ方向において反射部１の他方側に配置された連結部３の２つの端部を互いに接続している。第１支持部４１は、本発明の支持部に相当する。

第２支持部４２は、支持枠４を構成する枠体のうちｙ方向に延設された部分であり、第１支持部４１の両端は、第２支持部４２により連結されている。支持枠４のｚ方向の厚みは、捩り梁２および連結部３の厚みよりも大きく、ＳＯＩ基板の厚みと等しくされている。

連結部３の両端部３２から支持枠４に至って、駆動部５が形成されている。駆動部５は、捩り梁２を共振振動させることにより、反射部１を捩り梁２の軸周りに揺動させるものであり、連結部３の両端部３２から支持枠４に至る部分の上面に圧電素子を形成することで構成されている。

圧電素子は、図２に示すように、下部電極５０ａと、圧電膜５０ｂと、上部電極５０ｃとが順に積層された構造とされ、活性層１０ｂの表面のうち、両端部３２から支持枠４に至る部分の上面に形成されている。下部電極５０ａおよび上部電極５０ｃは、例えばＡｌ、Ａｕ、Ｐｔ等により構成されている。また、圧電膜５０ｂは、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）等の圧電材料により構成されている。

また、圧電素子は、両端部３２と支持枠４との４箇所の接合部それぞれに１つずつ形成されており、４つの圧電素子は、それぞれ、上面が長方形状とされている。４つの圧電素子のうち、図１の紙面右上、右下、左上、左下に位置するものを、それぞれ、圧電素子５１、５２、５３、５４とする。

圧電素子５１、５２は、下部電極５０ａ同士、上部電極５０ｃ同士が図示しない配線により電気的に接続されている。また、圧電素子５３、５４は、下部電極５０ａ同士、上部電極５０ｃ同士が図示しない配線により電気的に接続されている。また、各圧電素子は、図示しない配線を通して、外部に備えられた図示しない制御装置に電気的に接続されている。

以上のようにして、本実施形態にかかる光走査装置１００が構成されている。このような光走査装置１００は、基板１０をパターニングして反射部１等の上面形状および厚みを上記のように形成し、フォトリソグラフィおよびエッチングにより、活性層１０ｂの表面に各圧電素子および各配線を形成することで製造できる。

このように構成された光走査装置１００では、駆動部５の各圧電素子が備える電極に対して共振走査用電圧を印加することで、各圧電素子が備える圧電膜５０ｂを変形させ、捩り梁２を共振振動させる。これにより、反射部１を捩り梁２の軸周りに揺動させる。また、光走査装置１００の反射部１等の構成要素が図示しない強制走査部に支持される場合、強制走査部に形成された圧電素子により、支持枠４がｙ方向に平行な軸周りに揺動される。これにより、反射部１がｘ方向に平行な軸およびｙ方向に平行な軸周りに揺動され、２次元での走査が可能となる。

このとき、連結部３が十分に変形しない場合、走査動作による反射部１の傾きは、主に捩り梁２の捩れにより発生させられることになる。そのため、捩り梁２には、大きな応力がかかる。

これに対して、本実施形態では、連結部３に第１スリット６が形成され、連結部３のうち捩り梁２との接合部付近が曲げ変形を起こしやすい形状とされている。つまり、反射部１の傾きは、捩り梁２の捩れと、連結部３の変形とによって発生させられる。

そのため、連結部３が十分に変形しない場合に比べて、捩り梁２にかかる応力が小さくなる。具体的には、連結部３の捩り梁２との接合部付近が、捩り梁２の軸周りの回転に応じて、捩り梁２の軸を中心としてＳ字状にたわみ、連結部３に対する捩り梁２の捩れが小さくなる。これにより、捩り梁２にかかる応力が小さくなる。

また、連結部３にかかる曲げ応力により、捩り梁２と連結部３との接合部付近において連結部３の上面が変形するが、上面は加工面である側面よりも凹凸が少なく、変形による亀裂が発生しにくい。そのため、特許文献１に記載の光走査装置のように連結部３に対して捩り梁２が大きく捩れ、加工面である側面に大きな応力がかかる場合に比べて、走査角を大きくしても構造破壊を起こしにくい。

このように、本実施形態の光走査装置１００では、連結部３に第１スリット６を形成することにより、光走査装置１００の駆動時に、連結部３の上面に応力を分散し、捩り梁２の側面にかかる応力を低減している。そのため、捩り梁２の破壊を抑制することができる。また、これにより、光走査装置１００を大きな走査角において使用することができる。

なお、捩り梁２と連結部３との接合部に生じる応力集中を緩和するため、捩り梁２と連結部３との接合部において捩り梁２の側面と連結部３の側面との角部に丸みをつけることが好ましい。

（第２実施形態）
本発明の第２実施形態について説明する。本実施形態は、第１実施形態に対して連結部３の形状を変更したものであり、その他に関しては第１実施形態と同様であるため、第１実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、連結部３に第２スリット７が形成されている。第２スリット７は、図３に示すように、連結部３のうちｘ方向において第１スリット６よりも反射部１に近い部分に、中央部３１の捩り梁２と反対側の側面に開口し、連結部３をｚ方向に貫通してｙ方向に伸びるように凹まされた第２凹部に相当するものであり、直線状に形成されている。第２スリット７は、ここでは、中央部３１の捩り梁２と反対側の側面のうち、ｘ方向において反射部１に最も近い部分に開口し、捩り梁２のｙ方向における両側に形成されている。

このような構成の本実施形態においても、第１実施形態と同様の効果が得られる。また、連結部３に第２スリット７を形成し、連結部３を折り返し構造とすることで、連結部３がさらに変形しやすい形状となるため、捩り梁２の側面にかかる応力をさらに低減し、捩り梁２の破壊をさらに抑制することができる。

なお、連結部３のうち、捩り梁２から支持枠４に至る経路において捩り梁２から遠い部分よりも捩り梁２に近い部分を変形しやすくするために、幅ｗ５が幅ｗ３、ｗ４よりも大きいことが好ましい。ここで、幅ｗ５は、中央部３１の第２スリット７を囲む部分のうち、ｙ方向において第２スリット７よりも捩り梁２に近い部分のｙ方向における幅である。

（第３実施形態）
本発明の第３実施形態について説明する。本実施形態は、第２実施形態に対して駆動部５の位置を変更したものであり、その他に関しては第２実施形態と同様であるため、第２実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、図４に示すように、駆動部５が連結部３の中央部３１から両端部３２、支持枠４に至る部分に配置されている。また、駆動部５は、各圧電素子の上面を長方形状としたまま、中央部３１のうちｘ方向において第２スリット７よりも反射部１に近い部分の捩り梁２側の先端まで形成されている。

第２実施形態のように第２スリット７を形成し、連結部３を折り返し構造にすることで、本実施形態のように、駆動部５のｙ方向における幅を大きくすることができる。これにより、中央部３１、両端部３２のうち、駆動部５が形成された部分の変位を大きくし、走査角を大きくすることができる。また、本実施形態においても、第２実施形態と同様の効果が得られる。

発明者らは、図５に示すモデルを用いて、光走査装置１００の動作について解析を行った。図５に示すモデルは、本実施形態の変形例であり、本実施形態に対して、連結部３および駆動部５の形状を変更したものである。具体的には、連結部３のうち駆動部５が形成された部分を反射部１および捩り梁２の外縁に沿って延設し、圧電素子５１、５２を一体化し、圧電素子５３、５４を一体化したものである。

また、図５に示すモデルでは、反射部１と捩り梁２との接合部、捩り梁２と連結部３との接合部において、反射部１の側面と捩り梁２の側面との角部、捩り梁２の側面と連結部３の側面との角部に丸みがつけられている。なお、反射部１の表面のうち、活性層１０ｂをｚ方向に除去することによって形成された面を、反射部１の側面とする。

図６に示すように、反射部１が傾いた際、連結部３の捩り梁２との接合部付近が捩り梁２の軸を中心としてＳ字状にたわみ、連結部３に対する捩り梁２の捩れが小さくなっていることがわかる。

（第４実施形態）
本発明の第４実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対して連結部３の形状を変更したものであり、その他に関しては第３実施形態と同様であるため、第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、図７に示すように、連結部３の中央部３１のうち捩り梁２との接合部付近が湾曲した形状とされ、第１スリット６が開口部から底部に向かってｘ方向の幅が小さくなる形状とされている。また、連結部３のうち第１スリット６を囲む部分の側面同士の角部に丸みがつけられ、中央部３１の上面が第１スリット６の周りで円弧状に折り返す形状とされている。また、本実施形態では、第２スリット７が開口部から底部に向かってｘ方向の幅が小さくなる形状とされている。

このような構成の本実施形態においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。また、本実施形態では、中央部３１を円弧状に折り返す形状とすることで、中央部３１の折り返しの角部に集中する応力を低減している。そのため、捩り梁２の破壊をさらに抑制し、また、連結部３の破壊を抑制することができる。

（第５実施形態）
本発明の第５実施形態について説明する。本実施形態は、第３実施形態に対して捩り梁２および連結部３の形状を変更したものであり、その他に関しては第３実施形態と同様であるため、第３実施形態と異なる部分についてのみ説明する。

本実施形態では、捩り梁２および連結部３に第３スリット８が形成されている。第３スリット８は、図８に示すように、中央部３１の反射部１と反対側の側面に開口し、連結部３および捩り梁２をｚ方向に貫通し、ｘ方向に伸びるように形成されている。これにより、反射部１の両側それぞれにおいて捩り梁２が２本ずつ形成されている。第３スリット８は、本発明の第３凹部に相当する。

このような構成の本実施形態においても、第３実施形態と同様の効果が得られる。また、 第３スリット８を形成し、捩り梁２を２つに分け、反射部１の両側それぞれにおいて捩り梁２を２本ずつ形成することで、捩り梁２のうち連結部３と接続される部分が変位しやすくなるため、捩り梁２に捩りのみでなく曲げの力がかかる。すなわち、捩り梁２において捩りの応力が低減され、曲げの応力が大きくなるため、第１実施形態における連結部３の曲げ変形による効果と同様に、捩り梁２の破壊をさらに抑制することができる。

なお、図８においては、第３スリット８は捩り梁２の反射部１側の端部まで伸びているが、第３スリット８が捩り梁２の反射部１側の端部まで伸びていなくてもよい。

（他の実施形態）
なお、本発明は上記した実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載した範囲内において適宜変更が可能である。

例えば、第１凹部として上記第１〜第３、第５実施形態では直線状の第１スリット６を挙げたが、第１凹部を、捩り梁２と反対側に向かって凹まされた他の形状の凹部としてもよい。また、第２凹部として上記第２、第３、第５実施形態では直線状の第２スリット７を挙げたが、第２凹部を、捩り梁２に向かって凹まされた他の形状の凹部としてもよい。

また、上記第１実施形態では、駆動部５は連結部３の両端部３２から支持枠４に至る部分に形成されているが、駆動部５を別の場所に形成してもよい。例えば、駆動部５を両端部３２のみに形成してもよい。

また、上記第１実施形態では、支持枠４は第２支持部４２を備えているが、支持枠４が第２支持部４２を備えていなくてもよい。

また、上記第２実施形態では、第１スリット６および第２スリット７により中央部３１が１回折り返す形状とされているが、中央部３１をｚ方向に貫通するスリットを追加して、中央部３１を２回以上折り返す形状としてもよい。

また、上記第４実施形態では、連結部３の中央部３１のうち捩り梁２との接合部付近が湾曲した形状とされているが、捩り梁２との接合部付近を直線状とし、中央部３１の上面を第１スリット６の底部の周りで円弧状に折り返す形状としてもよい。

また、上記各実施形態は、互いに無関係なものではなく、組み合わせが明らかに不可な場合を除き、適宜組み合わせが可能である。

例えば、上記第５実施形態において、第４実施形態のように、中央部３１を円弧状に折り返す形状としてもよい。

１ 反射部
１１ａ 反射面
２ 捩り梁
３ 連結部
３１ 中央部
３２ 両端部
４１ 第１支持部
６ 第１スリット

Claims (5)

1. 光ビームを反射させる反射面（１１ａ）を有する反射部（１）と、
   前記反射部を中心として、前記反射面の平面上における一方向の両側に延設され、前記反射部を前記一方向に平行な軸周りに揺動可能とする捩り梁（２）と、
   前記反射部を中心として前記一方向の両側に配置され、前記反射部に向かって開口したＵ字形状の中央部（３１）と、前記中央部の両端から、前記反射面の平面上における前記一方向に垂直な他方向の外側に延設された両端部（３２）とを有し、前記中央部において前記捩り梁の前記反射部と反対側の端部と接合する連結部（３）と、
   前記反射部を中心として、前記他方向の両側に配置されると共に前記一方向の両側に延設され、前記連結部の両端を互いに接続する支持部（４１）と、を備え、
   前記中央部に、該中央部の前記反射部側の側面に開口し、前記連結部を前記反射面に垂直な厚み方向に貫通して前記他方向に伸びるように凹まされた第１凹部（６）が前記捩り梁の両側それぞれに形成されることにより、前記捩り梁を挟んで対向する前記第１凹部の底部の間の距離が、前記中央部の前記他方向において対向する側面の間の距離よりも大きくされていることを特徴とする光走査装置。
2. 前記中央部のうち前記一方向において前記第１凹部よりも前記反射部に近い部分に、前記中央部の前記捩り梁と反対側の側面に開口し、前記連結部を前記厚み方向に貫通して前記他方向に伸びるように凹まされた第２凹部（７）が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
3. 前記中央部から前記両端部に至る部分の表面に、下部電極（５０ａ）と、圧電膜（５０ｂ）と、上部電極（５０ｃ）とを積層して構成された圧電素子（５１、５２、５３、５４）が形成され、
   前記圧電素子が、前記中央部のうち前記一方向において前記第２凹部よりも前記反射部に近い部分の前記捩り梁側の先端まで形成されていることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
4. 前記中央部が、前記第１凹部の周りで円弧状に折り返す形状とされていることを特徴とする請求項２または３に記載の光走査装置。
5. 前記中央部の前記反射部と反対側の側面に開口し、前記連結部および前記捩り梁を前記厚み方向に貫通し、前記一方向に伸びる第３凹部（８）が形成されることにより、前記反射部の両側それぞれにおいて前記捩り梁が２本ずつ形成されていることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１つに記載の光走査装置。

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