JP2019184858A - 光スキャナ装置 - Google Patents

Abstract

【課題】コイルへと繋がる配線に加わる応力を抑制することができる光スキャナ装置を提供する。【解決手段】光スキャナ装置１は、対向する一対の壁部１０ａを有する支持部１０と、対向する一対の壁部１０ａから向かい合って突出した一対のトーションビーム１２と、入射する光を反射するミラー１６を有し、一対のトーションビーム１２を介して回転可能に支持部１０に支持されたミラー部１４と、ミラー１６を囲むようにミラー部１４に設けられたコイル１８と、支持部１０とミラー部１４とに繋がると共に一対のトーションビーム１２の少なくとも一方に隣接して設けられ、トーションビーム１２の長さよりも長く、またコイル１８と電気的に接続された配線５が設けられ、ミラー部１４の回転によって配線５に加わる応力をトーションビーム１２上に設けられた場合よりも緩和する応力緩和部４と、を備えて概略構成されている。【選択図】図１

Description

本発明は、光スキャナ装置に関する。

従来の技術として、支持体と、光を反射するための鏡面が形成された可動板と、この可動板と支持体との間を連結し、可動板を偏向可能に保持する弾性部材と、可動板が偏向運動する際の運動端近傍を通るよう可動板上にリング状に形成された駆動コイルと、駆動コイルに対して可動板平面と略平行な方向に磁界を印加するための閉磁気回路を生成する磁石及び磁気ヨークと、を備えた光偏向器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。

この光偏向器は、弾性部材上に駆動コイルと繋がる配線が配置されている。

特開平１１−２３１２５２号公報

しかし従来の光偏向器は、可動板が偏向運動する際、弾性部材上の配線が応力を受けてストレスマイグレーションが発生し、断線などの不具合が生じる可能性がある。

従って本発明の目的は、コイルへと繋がる配線に加わる応力を緩和することができる光スキャナ装置を提供することにある。

本発明の一態様は、対向する一対の壁部を有する支持部と、対向する一対の壁部から向かい合って突出した一対のトーションビームと、入射する光を反射するミラーを有し、一対のトーションビームを介して回転可能に支持部に支持されたミラー部と、ミラーを囲むようにミラー部に設けられたコイルと、支持部とミラー部とに繋がると共に一対のトーションビームの少なくとも一方に隣接して設けられ、トーションビームの長さよりも長く、またコイルと電気的に接続された配線が設けられ、ミラー部の回転によって配線に加わる応力をトーションビーム上に設けられた場合よりも緩和する応力緩和部と、を備えた光スキャナ装置を提供する。

本発明によれば、コイルへと繋がる配線に加わる応力を緩和することができる。

図１（ａ）は、実施の形態に係る光スキャナ装置の斜視図の一例であり、図１（ｂ）は、光スキャナの一例を示す上面図である。 図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施の形態に係る光スキャナ装置のミラー部の回転の一例を説明するための図１（ｂ）のＡ−Ａ線で切断した断面を矢印方向から見た断面図である。 図３（ａ）は、実施の形態に係る光スキャナ装置のブロック図の一例であり、図３（ｂ）は、応力緩和部の一例を拡大した概略図であり、図３（ｃ）は、コイルと磁場の関係の一例を説明するための概略図である。 図４は、変形例に係る光スキャナ装置の一例を示す上面図である。

（実施の形態の要約）
実施の形態に係る光スキャナ装置は、対向する一対の壁部を有する支持部と、対向する一対の壁部から向かい合って突出した一対のトーションビームと、入射する光を反射するミラーを有し、一対のトーションビームを介して回転可能に支持部に支持されたミラー部と、ミラーを囲むようにミラー部に設けられたコイルと、支持部とミラー部とに繋がると共に一対のトーションビームの少なくとも一方に隣接して設けられ、トーションビームの長さよりも長く、またコイルと電気的に接続された配線が設けられ、ミラー部の回転によって配線に加わる応力をトーションビーム上に設けられた場合よりも緩和する応力緩和部と、を備えて概略構成されている。

この光スキャナ装置は、トーションビーム上に配線がないので、トーションビーム上に配線が設けられている場合と比べて、ミラー部の回転によって配線に作用する応力が抑制される。

[実施の形態]
（光スキャナ装置１の概要）
図１（ａ）は、実施の形態に係る光スキャナ装置の斜視図の一例であり、図１（ｂ）は、光スキャナの一例を示す上面図である。図２（ａ）及び図２（ｂ）は、実施の形態に係る光スキャナ装置のミラー部の回転の一例を説明するための図１（ｂ）のＡ−Ａ線で切断した断面を矢印方向から見た断面図である。図３（ａ）は、実施の形態に係る光スキャナ装置のブロック図の一例であり、図３（ｂ）は、応力緩和部の一例を拡大した概略図であり、図３（ｃ）は、コイルと磁場の関係の一例を説明するための概略図である。図４は、変形例に係る光スキャナ装置の一例を示す上面図である。

なお以下に記載する実施の形態に係る各図において、図形間の比率は、実際の比率とは異なる場合がある。また図３（ａ）では、主な電流や信号の流れを矢印で示している。さらに数値範囲を示す「Ａ〜Ｂ」は、Ａ以上Ｂ以下の意味で用いるものとする。

光スキャナ装置１は、例えば、図１（ａ）〜図２（ｂ）に示すように、対向する一対の壁部１０ａを有する支持部１０と、対向する一対の壁部１０ａから向かい合って突出した一対のトーションビーム１２と、入射する光（レーザ光９０）を反射するミラー１６を有し、一対のトーションビーム１２を介して回転可能に支持部１０に支持されたミラー部１４と、ミラー１６を囲むようにミラー部１４に設けられたコイル１８と、支持部１０とミラー部１４とに繋がると共に一対のトーションビーム１２の少なくとも一方に隣接して設けられ、トーションビーム１２の長さよりも長く、またコイル１８と電気的に接続された配線５が設けられ、ミラー部１４の回転によって配線５に加わる応力をトーションビーム１２上に設けられた場合よりも緩和する応力緩和部４と、を備えて概略構成されている。

また光スキャナ装置１は、さらに磁石５０及び磁石５１を備えている。この磁石５０及び磁石５１は、例えば、アルニコ磁石などの永久磁石、又はフェライト系などの磁性体材料とポリスチレン系などの合成樹脂材料とを混合して所望の形状に成形したプラスチックマグネット、或いは電磁石である。

支持部１０は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、一対の壁部１０ａと他の一対の壁部１０ｂを備えた筒形状を有している。磁石５０及び磁石５１は、他の一対の壁部１０ｂのそれぞれの側面側に配置され、各々の磁場の合成としてトーションビーム１２と交差する方向の磁場５５を生成する。つまり磁石５０及び磁石５１は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、異なる磁極が対向するように配置される。

この光スキャナ装置１は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスであり、車両の周囲に複数配置され、車両の周囲の物や車両との距離を測定する距離測定装置の一部として使用される。この距離測定装置は、一例として、レーザ装置９、光スキャナ装置１、受光装置及び制御装置などから構成される。

光スキャナ装置１は、一例として、レーザ装置９から出力されたレーザ光９０をミラー１６で予め定められた領域に反射させる。受光装置は、一例として、予め定められた領域に対象物が存在した場合、この対象物を反射して戻ってきたレーザ光９０を受光し、レーザ装置９から出力されたレーザ光９０、受光したレーザ光９０、出力から受光までの時間などに基づいて車両から対象物までの距離を算出する。制御装置は、一例として、レーザ装置９、光スキャナ装置１及び受光装置を総合的に制御するように構成されている。

また光スキャナ装置１は、一例として、図３（ａ）に示すように、コイル１８に対する電流Ｉ_ａの供給を制御する制御部７を備えている。この制御部７は、一例として、制御装置の指示に応じた回転角となるようにミラー部１４を回転させる。

（支持部１０、トーションビーム１２及びミラー部１４の構成）
支持部１０、トーションビーム１２及びミラー部１４、そして応力緩和部４は、例えば、１つのＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から形成されている。具体的には、支持部１０、トーションビーム１２、ミラー部１４及び応力緩和部４は、例えば、フォトリソグラフィ法及びエッチング法などによってＳＯＩ基板を微細加工して形成される。従って支持部１０の表面は、例えば、図１（ａ）〜図２（ｂ）に示すように、トーションビーム１２の表面とミラー部１４の表面と応力緩和部４の表面と面一である。

支持部１０は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、その表面にＳｉＯ_２（二酸化ケイ素）からなるＢＯＸ層である絶縁膜３が形成されている。本実施の形態では、支持部１０の表面１００とは、ＳＯＩ基板の表面に形成された絶縁膜３の表面であるものとする。

支持部１０は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、中央には孔１１が形成されている。この孔１１は、縁の形状が矩形であり、支持部１０の表面１００から裏面１０１を貫通する貫通孔となっているがこれに限定されず、ミラー部１４の回転が阻害されない程度の凹形状を有していれば良い。

本実施の形態の支持部１０は、一例として、図１（ｂ）の紙面における縦横の一辺が５ｍｍ程度の正方形状を有している。

また支持部１０は、トーションビーム１２、ミラー部１４及び応力緩和部４が表面１００側の孔１１に形成されている。このトーションビーム１２及び応力緩和部４は、支持部１０の一対の壁部１０ａと繋がるようにされている。またミラー部１４は、孔１１の縁の中央に位置するように形成される。

トーションビーム１２は、ミラー部１４の回転において回転軸となり、回転によるねじれによって回転方向と逆向きの弾性力を発生する。従ってミラー部１４は、コイル１８に対する電流Ｉ_ａが停止されると、この弾性力によって元の位置に復帰する。

ミラー部１４は、矩形状を有する。このミラー部１４は、主に一対のトーションビーム１２に支持されることにより、一軸方向に回転する。つまり光スキャナ装置１は、一次元のジンバル構造を有している。このミラー部１４の回転角は、一例として、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、駆動されていない状態を基準として±５°である。

このミラー部１４には、その中央にミラー１６が形成されている。このミラー１６は、一例として、蒸着法などを用いてミラー部１４の表面に形成されたアルミニウムなどの金属膜である。

（コイル１８の構成）
コイル１８は、一例として、鉄、フェライト、パーマロイなどの磁性体（強磁性体）であり、蒸着法やスパッタ法などを用いて形成される。このコイル１８は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、ミラー１６の周囲に形成され、その端部が後述する応力緩和部４の第１の応力緩和部４１と第２の応力緩和部４２、及び支持部１０の一方の壁部１０ａの表面１００に形成された配線５となっている。このコイル１８は、配線５の端部に設けられたパッド２０及びパッド２２を介して制御部７と電気的に接続されている。

なお本実施の形態のコイル１８は、ミラー１６の周囲を一周したコイルであるがこれに限定されず、複数周囲むようにされても良い。

コイル１８は、例えば、図３（ｃ）に示すように、主に、平行部１８０、第１の垂直部１８１、第２の垂直部１８２を有する。この平行部１８０は、磁場５５が略平行に作用する部分である。また第１の垂直部１８１及び第２の垂直部１８２は、磁場５５が略垂直に作用する部分である。

コイル１８は、磁場５５によってローレンツ力を受ける。具体的には、コイル１８には、一対の磁石（磁石５０及び磁石５１）によって生成される磁場５５（磁束密度Ｂ）、この磁場５５の作用を受ける配線長（Ｌ）、及び電流Ｉ_ａによって以下の式に基づくローレンツ力Ｆが作用する。
Ｆ＝Ｉ_ａＢＬ
なお配線長Ｌは、例えば、図３（ｃ）に示すように、コイル１８の第１の垂直部１８１及び第２の垂直部１８２のそれぞれの長さである。

ここでローレンツ力は、磁場５５に対して略垂直となる、ミラー部１４から第１の応力緩和部４１及び第２の応力緩和部４２に伸びる配線５の第３の垂直部１８３などにも生じる。しかしこの第３の垂直部１８３は、回転半径が第１の垂直部１８１及び第２の垂直部１８２よりも小さい。従ってミラー部１４を回転させるローレンツ力は、主に第１の垂直部１８１及び第２の垂直部１８２に生じるローレンツ力である。そこで以下では、ミラー部１４を回転させるローレンツ力を第１の垂直部１８１及び第２の垂直部１８２に生じるローレンツ力とし、これをローレンツ力Ｆ_１及びローレンツ力Ｆ_２として記載する。

磁石５０及び磁石５１は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）の紙面の右から左に向かう磁場５５を発生させる。

電流Ｉ_ａは、パッド２２からパッド２０に向かって流れる場合、例えば、図２（ａ）の紙面において、コイル１８の第１の垂直部１８１には紙面手前から奥に向かって流れ、第２の垂直部１８２には紙面奥から手前に向かって流れる。

従って第１の垂直部１８１に作用するローレンツ力Ｆ_１は、例えば、図２（ａ）に示すように、上向きである。また第２の垂直部１８２に作用するローレンツ力Ｆ_２は、例えば、図２（ａ）に示すように、下向きである。このローレンツ力Ｆ_１及びローレンツ力Ｆ_２は、実質的に大きさが同じで向きが逆である。よってミラー部１４は、例えば、図２（ａ）の紙面において反時計回りに回転する。

また電流Ｉ_ａは、パッド２０からパッド２２に向かって流れる場合、例えば、図２（ｂ）の紙面において、コイル１８の第１の垂直部１８１には紙面奥から手前に向かって流れ、第２の垂直部１８２には紙面手前から奥に向かって流れる。

従って第１の垂直部１８１に作用するローレンツ力Ｆ_１は、例えば、図２（ｂ）に示すように、下向きである。また第２の垂直部１８２に作用するローレンツ力Ｆ_２は、例えば、図２（ｂ）に示すように、上向きである。このローレンツ力Ｆ_１及びローレンツ力Ｆ_２は、実質的に大きさが同じで向きが逆である。よってミラー部１４は、例えば、図２（ｂ）の紙面において時計回りに回転する。

ミラー部１４は、ローレンツ力Ｆ_１及びローレンツ力Ｆ_２と、主に一対のトーションビーム１２の弾性力と、の釣り合いの位置で停止する。応力緩和部４は、ミラー部１４が回転した場合、回転方向と逆向きの弾性力を発生するがトーションビーム１２の弾性力と比べて無視できるほど小さくなるように形成される。従って制御部７は、ローレンツ力Ｆ_１及びローレンツ力Ｆ_２を調整することによって、つまり電流Ｉ_ａの大きさや向きを制御することによってミラー部１４の回転角を所望の角度とすることができる。

なお変形例としてコイル１８は、例えば、抵抗値の低いアルミニウムや銅などの金属材料を用いて形成されても良い。

（応力緩和部４の構成）
応力緩和部４は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、第１の応力緩和部４１〜第４の応力緩和部４４を有している。第１の応力緩和部４１及び第２の応力緩和部４２は、一対のトーションビーム１２の一方（パッド２０及びパッド２２側のトーションビーム１２）の両側に隣接して設けられ、それぞれに配線５が設けられている。第３の応力緩和部４３及び第４の応力緩和部４４は、一対のトーションビーム１２の他方の両側に隣接して設けられている。この第１の応力緩和部４１〜第４の応力緩和部４４は、例えば、図３（ｂ）に示すように、トーションビーム１２との間にスリット４５が形成されている。

なお応力緩和部４は、例えば、一方のトーションビーム１２の片側だけに配線５と共に設けられても良いが、ミラー部１４の回転が正逆方向（時計回り及び反時計回り）とも同一条件で行われることが好ましいので、一対のトーションビーム１２のそれぞれの両側に設けられることが好ましい。

応力緩和部４は、例えば、図１（ａ）及び図１（ｂ）に示すように、トーションビーム１２の長さより長くなるように折返し形状を有している。つまり第１の応力緩和部４１〜第４の応力緩和部４４は、例えば、トーションビーム１２の長さの数倍の長さを有している。また応力緩和部４は、幅Ｗ_２がトーションビーム１２の幅Ｗ_１よりも細い。このトーションビーム１２の幅Ｗ_１は、一例として、４０〜５０μｍである。また応力緩和部４の幅Ｗ_２は、一例として、１０μｍ程度である。

第１の応力緩和部４１は、例えば、図３（ｂ）に示すように、少なくとも２回折り返す形状を有している。第２の応力緩和部４２は、トーションビーム１２を軸に第１の応力緩和部４１の回転対称となる形状を有している。また第３の応力緩和部４３及び第４の応力緩和部４４は、第１の応力緩和部４１及び第２の応力緩和部４２と同様の形状を有しているが配線５が設けられていない。

トーションビーム１２は、壁部１０ａとミラー部１４とを直線で結ぶので、ミラー部１４が回転すると、壁部１０ａ側が固定された状態でミラー部１４側が回転して全体的に捻れ、大きな応力が生じる。

一方第１の応力緩和部４１〜第４の応力緩和部４４は、壁部１０ａとミラー部１４とを直線で結ぶのではなく、何度か折り返す形状を有すると共に幅が狭い。その結果、第１の応力緩和部４１〜第４の応力緩和部４４は、ミラー部１４が回転すると、壁部１０ａ側のみならずミラー部１４側も形状の変化が小さく、折り返し部分が回転に応じて捻れる。この捻れは、折り返し部分が長いため、直線で結ぶ場合と比べて非常に小さい捻れとなり、第１の応力緩和部４１〜第４の応力緩和部４４に作用する応力が緩和される。

また第１の応力緩和部４１〜第４の応力緩和部４４は、作用する応力が小さいので、回転と逆方向の弾性力が小さく、その結果、ミラー部１４の回転を殆ど阻害しない。従って応力緩和部４は、ミラー部１４の回転を殆ど阻害することなく、配線５に作用する応力を大きく緩和することができる。

なお本実施の形態の第１の応力緩和部４１〜第４の応力緩和部４４は、折返し形状を有するがこれに限定されず、トーションビーム１２の長さよりも長くなるような形状であれば良い。変形例として応力緩和部４の第１の応力緩和部４１ａ〜第４の応力緩和部４４ａは、例えば、図４に示すように、支持部１０とミラー部１４を繋ぐ中央近傍が膨らむことでトーションビーム１２の長さより長くなっている。

応力緩和部４の第１の応力緩和部４１及び第２の応力緩和部４２上に設けられた配線５は、例えば、蒸着法やスパッタ法などによって抵抗値の低いアルミニウムや銅などの金属材料を用いて形成される。なお配線５は、例えば、より大きな電流Ｉ_ａを流せるようにするため、その表面にメッキ処理を行って膜厚が大きくされても良い。

なお光スキャナ装置１は、少なくとも配線５及びコイル１８を保護するように絶縁膜３上に保護膜を形成しても良い。

（制御部７の構成）
制御部７は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部７が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。

制御部７は、一例として、電源部８から供給された電流Ｉに基づいて配線５を介してコイル１８に電流Ｉ_ａを供給する。この電源部８は、例えば、車両のバッテリーから供給された電流に基づいて光スキャナ装置１を駆動するための電流Ｉを生成するものである。

電流Ｉ_ａは、例えば、上述の距離測定装置の制御装置から出力された角度指示信号Ｓに基づいた電流値とされる。この角度指示信号Ｓは、ミラー部１４の回転角に関する信号である。

制御部７は、例えば、ミラー部１４の回転角を指示する角度指示信号Ｓが入力すると、この角度指示信号Ｓに基づいて電流Ｉ_ａの方向と電流値とを定め、コイル１８に出力する。ミラー部１４は、コイル１８に電流Ｉ_ａが流れることによってローレンツ力を受けて角度指示信号Ｓに基づく回転角となるまで回転する。

そしてミラー部１４は、電流Ｉ_ａの供給が停止されると、一対のトーションビーム１２の弾性力によって基準の位置まで回転する。

（実施の形態の効果）
本実施の形態に係る光スキャナ装置１は、コイル１８へと繋がる配線５に加わる応力を緩和することができる。具体的には、光スキャナ装置１は、配線５がトーションビーム１２ではなく、応力緩和部４（第１の応力緩和部４１及び第２の応力緩和部４２）に設けられている。この第１の応力緩和部４１及び第２の応力緩和部４２は、トーションビーム１２の長さの数倍の長さを有すると共に幅が狭く形成されているので、ミラー部１４の回転に伴う捻れがトーションビーム１２に比べて非常に小さく、ストレスマイグレーションが抑制される。その結果、第１の応力緩和部４１及び第２の応力緩和部４２は、作用する応力がトーションビーム１２に作用する応力と比べて非常に小さく緩和されるので、配線５に作用する応力が抑制される。

光スキャナ装置１は、応力緩和部４がミラー部１４の回転を殆ど阻害することなく、配線５に作用する応力を大きく緩和することができる。

以上、本発明の実施の形態及び変形例を説明したが、この実施の形態及び変形例は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。この新規な実施の形態及び変形例は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更などを行うことができる。また、この実施の形態及び変形例の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、この実施の形態及び変形例は、発明の範囲及び要旨に含まれると共に、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１…光スキャナ装置、３…絶縁膜、４…応力緩和部、５…配線、７…制御部、８…電源部、９…レーザ装置、１０…支持部、１０ａ，１０ｂ…壁部、１１…孔、１２…トーションビーム、１４…ミラー部、１６…ミラー、１８…コイル、２０，２２…パッド、４１〜４４…第１の応力緩和部〜第４の応力緩和部、４１ａ〜４４ａ…第１の応力緩和部〜第４の応力緩和部、４５…スリット、５０，５１…磁石、５５…磁場、９０…レーザ光、１００…表面、１０１…裏面、１８０…平行部、１８１〜１８３…第１の垂直部〜第３の垂直部

Claims (5)

1. 対向する一対の壁部を有する支持部と、
   前記対向する一対の壁部から向かい合って突出した一対のトーションビームと、
   入射する光を反射するミラーを有し、前記一対のトーションビームを介して回転可能に前記支持部に支持されたミラー部と、
   前記ミラーを囲むように前記ミラー部に設けられたコイルと、
   前記支持部と前記ミラー部とに繋がると共に前記一対のトーションビームの少なくとも一方に隣接して設けられ、前記トーションビームの長さよりも長く、また前記コイルと電気的に接続された配線が設けられ、前記ミラー部の駆動によって前記配線に加わる応力を前記トーションビーム上に設けられた場合よりも緩和する応力緩和部と、
   を備えた光スキャナ装置。
2. 前記応力緩和部は、前記一対のトーションビームの一方の両側に隣接して設けられ、それぞれに前記配線が設けられた、
   請求項１に記載の光スキャナ装置。
3. 前記応力緩和部は、前記一対のトーションビームの他方の両側に隣接して設けられる、
   請求項２に記載の光スキャナ装置。
4. 前記応力緩和部は、前記トーションビームの長さより長くなるように折返し形状を有する、
   請求項１乃至３のいずれか１項に記載の光スキャナ装置。
5. 前記応力緩和部は、幅が前記トーションビームの幅よりも細い、
   請求項１乃至４のいずれか１項に記載の光スキャナ装置。

Images