JP2019144374A

JP2019144374A - パッケージ型光偏向装置

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Publication number: JP2019144374A
Application number: JP2018027726A
Authority: JP
Inventors: 功之石井; Noriyuki Ishii
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2018-02-20
Filing date: 2018-02-20
Publication date: 2019-08-29
Anticipated expiration: 2038-02-20
Also published as: JP7049737B2

Abstract

【課題】軽量化したパッケージ型光偏向装置を提供する。【解決手段】ヘッダ１１には、ミラー１４１の揺動空間用空洞１１ａ、位置合わせ用フランジ１１ｂ、リード端子用開孔及びセンサリード端子用開孔が設けられている。リード端子用開孔には、リード端子１２ａ、１２ｂが低融点ガラス１２ａ−１、１２ｂ−１によって固定され、センサリード端子用開孔には、センサリード端子１３ａ、１３ｂが低融点ガラス１３ａ−１、１３ｂ−１によって固定される。ヘッダ１１の中央には、２次元光偏向器１４が載置され、電極パッドＰがリード端子１２ａ、１２ｂの台座１２ａ−２、１２ｂ−２にボンディングワイヤ１５によって接続される。キャップ１６の窓１６ａは低融点ガラス１７ａを用いた窓ガラス１７によって封止される。ヘッダ１１の台座１３ａ−２、１３ｂ−２とキャップ１６内側の電極パッドとの間には導電性部材２１ａ、２１ｂを挟む。【選択図】図２

Description

本発明は２次元光偏向器を有するパッケージ型光偏向装置に関する。

２次元光偏向器は、光走査器として、ピコプロジェクタ、ヘッドマウントディスプレイ（ＨＭＤ）、ヘッドアップディスプレイ（ＨＵＤ）、シームレスＡＤＢ（ＡｄａｐｔｉｖｅＤｒｉｖｉｎｇＢｅａｍ）、レーザレーダ、バーコードリーダ、エリアセンサ、ヘッドランプ、マーキングランプ等に適用され、半導体製造プロセス及びマイクロマシン技術を用いて製造されたマイクロ電気機械システム（ＭＥＭＳ）構造で構成されている。

上述の２次元光偏向器においては、ミラーからの反射光ビームの光路の途中に光検出器を設けて光ビームの振れ角を検出し、光ビームの照射領域を調整する必要がある。すなわち、車載用途たとえばヘッドライトに適用した場合、複数たとえば４つの２次元光偏向器を用いて同一の照射領域の照度を大きくする。この場合、光検出器を２次元光偏向器から離れて設けた場合、ミラーからの反射光ビームの方向に大きなスペースを必要とする。また、耐振動性、耐環境性、耐久力が低いので、車の振動等によって光検出器の位置が僅かにずれ、また、高湿環境に曝され、この結果、反射光ビームの検出精度が低下する。

小スペースで耐振動性、耐環境性、耐久力を考慮した従来のパッケージ型光偏向装置は、２次元光偏向器を底面に載置した枡形ケースと、枡形ケースの開口部を封止するように設けられ、２次元光偏向器からの反射光ビームを透過するための窓を有する保護部材と、保護部材の内側面に設けられた光検出器とを備えている（参照：特許文献１）。

特開２０１０−２５６７７４号公報

しかしながら、上述の従来のパッケージ型光偏向装置においては、枡形ケースは上面に硫化カドミウム（ＣｄＳ）を蒸着して形成してなる光検出部材を設けたカバーガラスを載置しているので、枡形ケースの側面を肉厚に形成しなければならず、大型かつ重量が大きく、従って、パッケージ型光偏向装置が重量化するという課題がある。また、光検出部材を蒸着により形成しケース側面の内面を用いて電気的接続を行うため、安定した電気的接続が得られにくいという課題もある。

上述の課題を解決するために、本発明に係るパッケージ型光偏向装置は、リード端子及びセンサリード端子が設けられたヘッダと、ヘッダ上に載置され、リード端子に電気的に接続された２次元光偏向器と、２次元光偏向器の反射光ビームを透過させるための窓を有するキャップと、キャップの窓を封止する窓ガラスと、窓ガラスの内側周辺に設けられ、センサリード端子に電気的に接続され、２次元光偏向器からの反射光ビームを検出するための光検出器とを具備し、キャップとヘッダとは結合されて２次元光偏向器と光検出器とを対向するようにしたものである。

本発明によれば、キャップが軽量なので、パッケージ型光偏向装置を軽量化できる。また、本発明の別の観点によれば、キャップの組み立てによる簡単な構成でセンサリード端子と回路基板との電気的接続を図ることができる。

本発明に係るパッケージ型光偏向装置の実施の形態を示す上面図である。図１のパッケージ型光偏向装置の断面図であり、（Ａ）はＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。図１、図２の２次元光偏向器の詳細上面図である。図１の制御ユニットの動作を説明するためのタイミング図である。図１の光検出器の変更例を示す図である。

図１は本発明に係るパッケージ型光偏向装置の実施の形態を示す上面図、図２は図１のパッケージ型光偏向装置の断面図であり、（Ａ）はＡ−Ａ線断面図、（Ｂ）はＢ−Ｂ線断面図である。

図１において、１０はパッケージ型光偏向装置、２０はパッケージ型光偏向装置１０を制御するための制御ユニット、３０はレーザ光Ｌ１を発生するためのレーザ光源である。Ｌ２はパッケージ型光偏向装置１０からの反射光ビームである。

図２をも参照してパッケージ型光偏向装置１０を詳述すると、鋼たとえばＳＰＣＣよりなるヘッダ１１を設ける。ヘッダ１１には、ミラー１４１の揺動空間のための空洞１１ａ、位置合わせ用フランジ１１ｂ、リード端子用開孔及びセンサリード端子用開孔が設けられている。リード端子用開孔には、リード端子１２ａ、１２ｂが低融点ガラス１２ａ−１、１２ｂ−１によって固定され、他方、センサリード端子用開孔には、センサリード端子１３ａ、１３ｂが低融点ガラス１３ａ−１、１３ｂ−１によって固定される。尚、リード端子１２ａ、１２ｂには上端部がヘッディング加工（頭部据え込み加工）された小さな台座１２ａ−２、１２ｂ−２が設けられている。他方、センサリード端子１３ａ、１３ｂはリード端子１２ａ、１２ｂより長く、センサリード端子１３ａ、１３ｂには上端部がヘッディング加工（頭部据え込み加工）された大きな台座１３ａ−２、１３ｂ−２が設けられている。ヘッダ１１の中央には、２次元光偏向器１４が載置され、２次元光偏向器１４の電極パッドＰがリード端子１２ａ、１２ｂの台座１２ａ−２、１２ｂ−２にボンディングワイヤ１５によって接続される。

他方、鋼たとえばＳＰＣＣよりなるＵ字断面形状のキャップ１６を設ける。キャップ１６は２次元光偏向器１４からの反射光ビームＬ２を透過させるための窓１６ａを有し、窓１６ａは低融点ガラス１７ａを用いた窓ガラス１７によって封止される。窓ガラス１７の裏面側には光検出器１８ａ、１８ｂを載置するためのパッド（図示せず）を有する回路基板１９ａ、１９ｂを設ける。光検出器１８ａ、１８ｂはＸ軸方向に沿って配置され、相異なる受光面積を有する。たとえば、光検出器１８ａはＹ軸方向に沿った矩形の受光面積を有し、光検出器１８ｂはＹ軸方向に沿った台形の受光面積を有する。但し、光検出器１８ａは矩形受光面積で形成し、マスクで台形受光面積にしてよい。

ヘッダ１１のセンサリード端子１３ａ、１３ｂの台座１３ａ−２、１３ｂ−２とキャップ１６の回路基板１９ａ、１９ｂの電極パッド（図示せず）との間には導電性部材（シリコーン）２１ａ、２１ｂを挟むことによりセンサリード端子１３ａ、１３ｂと光検出器１８ａ、１８ｂとの間の電気的接続を確保する。

リード端子１２ａ、１２ｂ及びセンサリード端子１３ａ、１３ｂは制御ユニット２０に接続される。

次に、図１、図２のパッケージ型光偏向装置１０の製造方法について説明する。

＜ヘッドの組立＞
空洞１１ａ、位置合わせ用フランジ１１ｂ、リード端子用開孔及びセンサリード端子用開孔を形成したヘッダ１１を準備する。

次に、リード端子１２ａ、１２ｂ及びセンサリード端子１３ａ、１３ｂをリード端子用開孔、センサリード端子用開孔に挿入し、低融点ガラス１２ａ、１３ｂで固定する。

次に、２次元光偏向器１４をヘッダ１１の中央に載置し、２次元光偏向器１４のアウタフレーム上の電極パッドＰとリード端子１２ａ、１２ｂの台座１２ａ―２、１２ｂ−２とをボンディングワイヤ１５によって電気的に接続する。これにより、ヘッダ１１側の組立は終了する。

＜キャップの組立＞
窓１６ａを有するＵ字断面形状のキャップ１６を準備する。

次に、キャップ１６に対して窓ガラス１７を低融点ガラス１７ａによって接着し、キャップ１６の内側から窓１６ａを封止する。

次に、窓ガラス１７の内側に回路基板１９ａ、１９ｂを載置する。

次に、回路基板１９ａ、１９ｂ上に光検出器１８ａ、１８ｂを搭載する。これにより、キャップ１６側の組立は終了する。

＜ヘッダとキャップとの結合＞
ヘッダ１１のセンサリード端子１３ａ、１３ｂの台座１３ａ―２、１３ｂ−２及び／又は回路基板１９ａ、１９ｂの電極パッドに導電性部材２１ａ、２１ｂを塗布してヘッダ１１のフランジ１１ｂとキャップ１６のフランジ１６ｂとを合わせ、溶接にて結合する。この場合、導電性部材２１ａ、２１ｂはヘッダ１１とキャップ１６との寸法のずれをも吸収する。このとき、ヘッダ１１とキャップ１６との間は真空状態にするか不活性ガスたとえばＮ_２ガス等を導入する。これにより、図１、図２のパッケージ型光偏向装置１０は気密封止されて完成する。

図３は図１、図２の２次元光偏向器１４の詳細を示す上面図である。図３において、２次元光偏向器１４はチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）を用いた円形のミラー１４１の水平駆動系と垂直駆動系よりなる。

水平駆動系は、ミラー１４１を囲む可動のインナフレーム１４２と、ミラー１４１とインナフレーム１４２との間に設けられ、ミラー１を水平走査軸（Ｙ軸）に沿って駆動するために、インナフレーム１４２の内側連結部によって支持され、連結された２つの半リング状圧電アクチュエータ（インナ圧電アクチュエータ）１４３ａ、１４３ｂとによって構成されている。また、ミラー１とインナ圧電アクチュエータ１４３ａ、１４３ｂとはＹ軸に沿ったトーションバー１４４ａ、１４４ｂによって連結されている。

他方、ミラー１の垂直駆動系は、ヘッダ１１に固定されるアウタフレーム１４５と、ミラー１を垂直走査軸（Ｘ軸）に沿って駆動するためにアウタフレーム１４５の連結部とインナフレーム１４２の外側連結部との間のトーションバー１４４ａ、１４４ｂに連結された２つの直線状圧電アクチュエータ（アウタ圧電アクチュエータ）１４６ａ、１４６ｂとによって構成されている。

半リング状の２つのインナ圧電アクチュエータ１４３ａ、１４３ｂには、周波数ｆ_ｙの互いに逆位相の正弦波電圧Ｖ_Ｙ１、Ｖ_Ｙ２がリード端子１２ａ、１２ｂ及び電極パッドＰを介して印加される。これにより、ミラーはＹ軸回りに揺動する。他方、直線状の２つのアウタ圧電アクチュエータ１４６ａ、１４６ｂには、非共振周波数ｆ_ｘの互いに逆位相の正弦波電圧Ｖ_Ｘ１、Ｖ_Ｘ２がリード端子１２ａ、１２ｂ及び電極パッドＰを介して印加される。この結果、ミラーがＸ軸回りに揺動する。

尚、図３の２次元光偏向器１４においては、インナアクチュエータ及びアウタアクチュエータは共にトーションバー型ＰＺＴアクチュエータであるが、いずれか一方又は両方をミアンダ状（蛇腹状）ＰＺＴアクチュエータとしてもよい。また、静電型アクチュエータを用いてもよい。

図４は図１の制御ユニット２０の動作を説明するためのタイミング図である。

図４において、制御ユニット２０がリード端子１２ａ、１２ｂ及び電極パッドＰを介して電圧Ｖ_Ｘ１、Ｖ_Ｘ２、Ｖ_Ｙ１、Ｖ_Ｙ２を２次元光偏向器１４に印加する。この結果、反射光ビームＬ２が２つの光検出器１８ａ、１８ｂを水平方向に横切り、図４の（Ａ）、（Ｂ）に示す光検出器１８ａ、１８ｂのセンサ信号Ｖ_ｓａ、Ｖ_ｓｂを得る。この場合、制御ユニット２０は反射光ビームＬ２のＹ軸方向位置をＴ_ｂ／Ｔ_ａに基づいて演算し、電圧Ｖ_Ｙ１、Ｖ_Ｙ２を修正できる。

図５は図１の光検出器の変更例を示す図である。

図５の（Ａ）に示すように、光検出器１８ａを省略できる。この場合、反射光ビームＬ２の水平周期Ｔが既知であれば、制御ユニット２０は反射光ビームＬ２のＹ軸方向位置をＴ_ｂ／Ｔに基づいて演算し、電圧Ｖ_Ｙ１、Ｖ_Ｙ２を修正できる。

図５の（Ｂ）に示すごとく、４つの光検出器１８ａ’、１８ｂ’、１８ｃ’、１８ｄ’を４方向に設け、制御ユニット２０は光検出器１８ａ’、１８ｂ’、１８ｃ’、１８ｄ’の４つのセンサ信号を用いて反射光ビームＬ２の振れ角を制御できる。

光検出器１８ａ、１８ｂはたとえばシリコンフォトダイオード（ＰＤ）素子であり、応答が確保されれば、窓ガラス１７の内側に直接形成されたアモルファスシリコンフォトダイオード（ＰＤ）素子、印刷による有機フォトダイオード（ＯＰＤ）素子でもよい。さらに、気密封止されるので、ベア素子でもよい。

また、光検出器１８ａ、１８ｂは回路基板１９ａ、１９ｂ上に載置されているが、窓ガラス１７に直接載置することもできる。この場合には、窓ガラス１７上に光検出器１８ａ、１８ｂに接続された電気配線及び電極パッドを設け、これらの電極パッドとセンサリード端子１３ａ、１３ｂの台座１３ａ―２、１３ｂ−２との間に導電性部材２１ａ、２１ｂを設ける。

尚、本発明は上述の実施の形態の自明の範囲のいかなる変更にも適用し得る。

１０：パッケージ型光偏向装置
２０：制御ユニット
３０：レーザ光源
１１：ヘッダ
１１ａ：空洞
１１ｂ：フランジ
１２ａ、１２ｂ：リード端子
１２ａ−１、１２ｂ−１：低融点ガラス
１３ａ、１３ｂ：センサリード端子
１３ａ−１、１３ｂ−１：低融点ガラス
１３ａ−２、１３ｂ−２：台座
１４：２次元光偏向器
１５：ボンディングワイヤ
１６：キャップ
１６ａ：空洞
１６ｂ：フランジ
１７：窓ガラス
１７ａ：低融点ガラス
１８ａ、１８ｂ：光検出器
１９ａ、１９ｂ：回路基板
２１ａ、２１ｂ：導電性部材（シリコーン）

Claims

リード端子及びセンサリード端子が設けられたヘッダと、
前記ヘッダ上に載置され、前記リード端子に電気的に接続された２次元光偏向器と、
前記２次元光偏向器の反射光ビームを透過させるための窓を有するキャップと、
前記キャップの窓を封止する窓ガラスと、
前記窓ガラスの内側周辺に設けられ、前記センサリード端子に電気的に接続され、前記２次元光偏向器からの反射光ビームを検出するための光検出器と
を具備し、
前記キャップと前記ヘッダとは結合されて前記２次元光偏向器と前記光検出器とを対向するようにしたパッケージ型光偏向装置。
さらに、前記窓ガラスと前記光検出器との間に設けられた回路基板を具備する請求項１に記載のパッケージ型光偏向装置。
さらに、前記センサリード端子の上端部台座と前記回路基板の電極パッドとの間に設けられた導電性部材を具備する請求項２に記載のパッケージ型光偏向装置。
さらに、前記センサリード端子の上端部台座と前記窓ガラス上の前記受光素子に接続された電極パッドとの間に設けられた導電性部材を具備する請求項１に記載のパッケージ型光偏向装置。
前記２次元光偏向器と前記リード端子との電気的接続は前記２次元光偏向器の電極パッドと前記リード端子の先端部台座との間のボンディングワイヤによって行われる請求項１に記載のパッケージ型光偏向装置。
前記光検出器は前記パッケージ型光偏向装置の光ビームの第１の走査方向の沿って配列された第１、第２の光検出器を具備し、前記第１の光検出器は第１の走査方向に直交する第２の走査方向に沿って矩形の受光面積を有し、前記第２の光検出器は前記第２の走査方向に対して台形の受光面積を有する請求項１に記載のパッケージ型光偏向装置。
前記第２の光検出器は矩形の受光面積を有する光検出器を具備し、マスクによって当該矩形の受光面積を前記台形の受光面積とした請求項６に記載のパッケージ型光偏向装置。
前記光検出器は４方向に設けられた第１、第２、第３、第４の光検出器を具備する請求項１に記載のパッケージ型光偏向装置。
前記キャップと前記ヘッダとの結合は溶接によって行われる請求項１に記載のパッケージ型光偏向装置。