JP2022012967A

JP2022012967A - 光走査装置

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Publication number: JP2022012967A
Application number: JP2020115171A
Authority: JP
Inventors: 優太朗小田; Yutaro Oda
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2020-07-02
Filing date: 2020-07-02
Publication date: 2022-01-18
Anticipated expiration: 2040-07-02
Also published as: US11971538B2; US20220003984A1

Abstract

【課題】マイクロミラーの異常振動を防止することができる光走査装置を提供する。【解決手段】本発明の光走査装置１は、光ビームを反射するマイクロミラー９と、マイクロミラー９をＹ軸周りに回動するトーションバー１３ａ、１３ｂと、マイクロミラー９の周囲に配置された可動枠２ａと、マイクロミラー９をＸ軸周りに回動するミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂを備えている。可動枠２ａは矩形状で、その裏面側に可動枠２ａの外周に沿って設けられたリブ３０を有している。可動枠２ａの四隅の角部領域Ｒは、リブ３０が部分的に設けられていない、又はリブ３０の厚みが他領域よりも薄い除去領域３１を有している。【選択図】図３

Description

本発明は、配光パターンの生成等に用いられる光偏向器を備える光走査装置に関する。

従来、車両用ヘッドライト等に用いられる光走査装置として、光源から出射された光を走査する、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製作された光偏向器が知られている。

例えば、特許文献１の光走査装置において、光走査部は、ミラーと、ミラー支持部と、捻れ梁と、連結梁と、水平駆動梁と、可動枠と、垂直駆動梁と、固定枠とを有し、ミラー支持部の上面にミラーが支持されている。

領域Ｘ２における可動枠は、内周面が垂直回転軸Ｖ及び水平回転軸Ｈに対して斜めの角度を有する部分と、内周面が垂直回転軸Ｖと平行な部分を有する。また、内周面が垂直回転軸Ｖ及び水平回転軸Ｈに対して斜めの角度を有する部分は、垂直回転軸Ｖから遠ざかるほど可動枠の幅が広くなり、この部分に角部が設けられている。

領域Ｘ１においては、リブがなくなることで、軽量化が図られている。これにより、ミラーとミラー支持部は、垂直回転軸Ｖに対して一方の側よりも一方の側の反対側の方が重くなるように調整されている（特許文献１／段落００２１，００３８、図４）。

特開２０１９－１１３６０５号公報

特許文献１の光走査装置においては、ミラーの振動が水平回転軸Ｈから可動枠を介して垂直回転軸Ｖに伝搬される。しかしながら、振動が垂直駆動軸Ｖに伝搬すると、ミラーの異常振動を引き起こし、光走査に悪影響を及ぼすおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、ミラーに生じる異常振動を防止することができる光走査装置を提供することを目的とする。

本発明の光走査装置は、光ビームを反射するミラー部と、前記ミラー部を第１駆動軸の周りに回動する第１駆動部と、前記第１駆動軸上で前記ミラー部と接続され、且つ前記ミラー部の周囲に配置された可動枠と、前記第１駆動軸と垂直な第２駆動軸上で前記可動枠と接続され、前記ミラー部を前記第２駆動軸の周りに回動する第２駆動部と、を備え、前記可動枠は矩形状で、裏面側に前記可動枠の外周に沿って設けられたリブを有し、前記可動枠の四隅の角部領域は、前記リブが部分的に設けられていない、又は前記リブの厚みが他領域よりも薄い不在領域を有していることを特徴とする。

本発明の光走査装置は、ミラー部を第１駆動軸周り及び第２駆動軸周りに回動することで、光ビームを走査することができる。また、可動枠が第２駆動軸上で第２駆動部と接続されているため、可動枠が回動することで、ミラー部が第２駆動軸周りを回動する。

可動枠の裏面側には補強用のリブが設けられているが、当該可動枠の四隅の角部領域は、リブが部分的に設けられていないか、他領域よりもリブの厚みを薄くしたリブの不在領域を有している。これにより、ミラー部の第１駆動軸周りの回動による振動が、当該不在領域で途切れて第２駆動軸の位置まで伝搬しなくなるため、ミラー部に生じる異常振動を防止することができる。

本発明の光走査装置において、前記不在領域は、前記リブを構成する四辺のうち方向が互いに異なる二辺が重なる重畳部分に設けられていることが好ましい。

この構成によれば、不在領域は、方向が互いに異なる二辺の重畳部分であって、矩形状のリブの四隅の正方形又は長方形となる。これにより、可動枠の角部領域において振動の伝搬が抑えられるので、ミラー部の異常振動の防止に役立つ。

また、本発明の光走査装置において、前記不在領域は、前記重畳部分と前記重畳部分から所定の長さの辺部分と合わせた領域であってもよい。

この構成によれば、不在領域は、矩形状のリブの四隅の前記重畳部分と前記辺部分とを合わせたＬ字型部分となる。不在領域の形状を変更することで、ミラー部の異常振動が発生しやすい振動モードを効果的に取り除くことができる。

また、本発明の光走査装置において、前記不在領域は、前記リブを構成する四辺のうち方向が異なる二辺が重なる重畳部分を除いた、前記重畳部分から所定の長さの辺部分に設けられていてもよい。

この構成によれば、不在領域は、矩形状のリブの四隅のＬ字型部分のうち、当該重畳部分（四隅の正方形又は長方形）を除いた形状となる。これにより、ミラー部の異常振動を抑えつつ、可動枠の角部領域の振動の大きさを調整することができる。

また、本発明の光走査装置において、前記角部領域は、前記第２駆動軸の前記ミラー部の振れ角１°当たりの振れ角の値が０．０３５３°以下であるように設けられていることが好ましい。

可動枠の角部領域は、第２駆動軸のミラー部の振れ角１°当たりの振れ角の値が０．０３５３°以下となるように振動するとき、ミラー部の振れ角の低下を抑えることができる。これにより、ミラー部の異常振動を防止することができる。

本発明の実施形態に係る光走査装置の斜視図。光走査装置の二次元光偏向器の詳細を説明する図。二次元光偏向器の可動枠（裏面側）を説明する図。図３の可動枠のIV－IV断面図。変更形態の可動枠（除去領域：Ｌ字型）の例を説明する図。変更形態の可動枠（除去領域：Ｌ字型の辺残し）の例を説明する図。除去領域が異なる可動枠の振動シミュレーション結果（数値一覧）。除去領域が異なる可動枠の振動シミュレーション結果（グラフ）。（ａ）可動枠の振動シミュレーション結果（変位量分布）。（ｂ）可動枠（除去領域：Ｌ字型）の振動シミュレーション結果（変位量分布）。（ｃ）可動枠（除去領域：Ｌ字型の辺残し）の振動シミュレーション結果（変位量分布）。

図１は、本発明の光走査装置１の斜視図である。光走査装置１は、例えば、小型プロジェクタ、シームレスＡＤＢ（Adaptive Driving Beam）、ＬＩＤＡＲ（Light Detection and Ranging）等に用いられる装置であり、主に二次元光偏向器２、レーザ光源３及び制御装置５で構成される。

二次元光偏向器２は、半導体プロセスやＭＥＭＳ技術を利用して作製され、一定の方向から入射する光を、軸を中心に回動するマイクロミラー９（本発明の「ミラー部」）で反射し、走査光として出射する。

二次元光偏向器２の可動枠２ａの内側には、マイクロミラー９、矩形型圧電アクチュエータ１０、水平駆動梁であるトーションバー１３ａ、１３ｂ（本発明の「第１駆動部」）等が配設されている。レーザ光源３から出射されたレーザ光４ａはマイクロミラー９で反射され、反射光（レーザ光４ｂ）が、例えば、小型プロジェクタの投射面を走査する。

制御装置５は、図示しない配線により可動枠２ａ及びレーザ光源３に制御信号を送信する。この制御信号により可動枠２ａの矩形型圧電アクチュエータ１０が駆動され、これと結合したトーションバー１３ａ、１３ｂが捩れることで、マイクロミラー９を回動させる。また、この制御信号により、レーザ光源３は、レーザ光４ａのオン、オフや輝度が制御される。

図２に示すように、二次元光偏向器２は、外枠支持体１１の中央に可動枠２ａが配設されている。また、可動枠２ａの両脇（図中のＸ軸方向）には、垂直駆動部であるミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂ（本発明の「第２駆動部」）が配設されている。ミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂは、可動枠２ａの外辺部、外枠支持体１１の内辺部でそれぞれ結合されている。

ミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂは、複数のカンチレバーを長手方向が隣り合う向きに並べて、上下方向端部で折り返して直列結合した構造になっている。詳細は後述するが、ミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂを駆動させることにより、可動枠２ａが図中のＸ軸（本発明の「第２駆動軸」）周りを往復回動する。

また、上述したように、矩形型圧電アクチュエータ１０を駆動させることにより、マイクロミラー９がトーションバー１３ａ、１３ｂの軸と一致する、図中のＹ軸（本発明の「第１駆動軸」）周りを往復回動する。

マイクロミラー９は、Ｙ軸方向のトーションバー１３ａ、１３ｂに支持され、矩形型圧電アクチュエータ１０の中心に配設される。マイクロミラー９の反射面は、Ａｕ、Ｐｔ、Ａｌ等の金属薄膜を、例えば、スパッタ法や電子ビーム蒸着法により形成する。なお、マイクロミラー９の形状は円形に限られず、楕円形やその他の形状であってもよい。

トーションバー１３ａ、１３ｂは、一端がマイクロミラー９、他端が矩形型圧電アクチュエータ１０との結合部を越えて、可動枠２ａと結合している。このように、トーションバー１３ａ、１３ｂが可動枠２ａと結合していることで、Ｙ軸周りの往復回動が安定する。

また、矩形型圧電アクチュエータ１０は、Ｙ軸上でトーションバー１３ａ、１３ｂと結合し、Ｘ軸上で可動枠２ａの一部である固定バー１４ａ、１４ｂと結合している。なお、固定バー１４ａ、１４ｂの他端は、それぞれミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂと結合している。

この結果、二次元光偏向器２は、レーザ光４ａをマイクロミラー９で反射する際、光を二次元光偏向器２の前方に出射して、さらにＸ軸方向とＹ軸方向の２方向に走査することができる。

外枠支持体１１の下方には、電極パッド７ａ～７ｅ（以下、電極パッド７という）と、電極パッド８ａ～８ｅ（以下、電極パッド８という）が配設されている。電極パッド７、８は、ミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂ及び矩形型圧電アクチュエータ１０の各電極に駆動電圧を印加できるように電気的に接続されている。

次に、図３、図４を参照して、二次元光偏向器２の可動枠２ａの詳細を説明する。

図３は、可動枠２ａの裏面側を示している。図示するように、可動枠２ａは、その強度を補強するため、可動枠２ａの外周に沿ってリブ３０が設けられている。なお、可動枠２ａの四隅の角部領域Ｒは、リブ３０が部分的に取り除かれた除去領域３１を有している。なお、除去領域３１は、リブ３０が設けられていない領域（すなわち、リブ３０が存在しない不在領域）であればよい。

図３において、除去領域３１は、リブ３０を構成する四辺（縦方向の辺は、固定バー１４ａ、１４ｂの部分まで覆う）のうち、方向が異なる二辺が重なる重畳部分の正方形（一辺２００μｍ）に設けられている。マイクロミラー９はトーションバー１３ａ、１３ｂが存在するＹ軸周りに駆動（水平駆動）するが、このとき生じる振動がＸ軸の位置まで伝搬して異常振動を引き起こすことがある。

この点、角部領域Ｒのそれぞれに除去領域３１を設けることでリブ３０が途切れるので、当該駆動によって生じた振動がＸ軸の位置まで伝搬せず、異常振動を防止することができる。リブ３０は、Ｘ軸及び（又は）Ｙ軸に関して対称な形状を有していることが好ましい。これにより、リブ３０を非対称の形状とした場合と比較して、可動枠２ａのＹ軸周りの回動（Ｘ軸の素子面外方向への傾き）が低減されるため、振動の伝搬を抑えることができる。

各種測定によれば、マイクロミラー９を水平駆動させたとき、ミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂの動作に影響する振動モード（例えば、２８次振動モードの第２低調波）が発見された。このため、リブ３０が部分的に設けられていない不在領域を形成し、当該駆動による振動がＸ軸の位置に伝搬しないようにした。

図４は、図３の可動枠２ａのIV－IV断面図を示している。可動枠２ａは、図下方（実際は、可動枠２ａの表面側）から上部電極層２１（０．１５μｍ）、ＰＺＴ膜２２（５．０μｍ）、下部電極層２３（０．１μｍ）、Ｓｉ素子層２４（５０μｍ）、Ｓｉ酸化膜２５（１．０μｍ）、Ｓｉリブ層３０（上述のリブ３０、１３０μｍ）の順に薄膜が形成されている。なお、各薄膜（層）の膜厚は一例に過ぎない。

Ｓｉリブ層３０はＳＯＩウェハの一部であり、チョクラルスキー法によって製造された単結晶である。また、可動枠２ａの四隅の除去領域３１は、エッチングにより形成する。このとき、Ｓｉ酸化膜２５は、エッチングストップ層となる。

図４において、端部は除去領域３１であり、Ｓｉリブ層３０が取り除かれている。なお、除去領域３１は、Ｓｉリブ層３０が所定の膜厚（例えば、３０μｍ）残っているような状態であってもよい。

図５Ａに示すように、リブ３０の除去領域の形状を変更してもよい。図５Ａは、角部領域Ｒにおいて、Ｌ字型の除去領域３２を有する可動枠４０ａを示している。除去領域３２は、可動枠４０ａの角部端面から各方向に５００μｍの位置までリブ３０を除去した形状となっている。なお、除去領域３２は、リブ３０が設けられていない領域（すなわち、リブ３０が存在しない不在領域）であればよい。

図３で示した除去領域３１よりも広範囲の除去領域３２を形成することで、可動枠４０ａの端部（角部領域Ｒ）が動き易くなり、ばねの役割を果たす。その結果、マイクロミラー９の振動エネルギーが当該端部で消費されるので、水平駆動により生じた振動がＸ軸の位置まで伝搬し難くなる。

また、図５Ｂは、角部領域Ｒにおいて、除去領域３３を有する可動枠５０ａを示している。除去領域３３は、図５Ａの除去領域３２（Ｌ字型）のうち、可動枠５０ａの角部の正方形（一辺２００μｍ）を残した形状となっている。なお、除去領域３３は、リブ３０が設けられていない領域（すなわち、リブ３０が存在しない不在領域）であればよい。

除去領域３３の厚みは、リブ３０に対して相対的に柔らかくなっていればよいので、リブ３０よりも薄いことが好ましい。また、当該正方形の部分の厚みについても、除去領域３３の厚み以上とするとよい。

除去領域３３では、当該正方形の部分を残すことで可動枠５０ａの端部に、ばねの役割に加えておもりの役割を持たせることができる。すなわち、当該端部の重量が増加し、局所的な振動が増幅するので、水平駆動により生じた振動がＸ軸の位置まで伝搬する現象を抑えることができる。

次に、図６Ａ、図６Ｂ及び図７を参照して、リブの除去領域の形状が異なる複数種類の可動枠の振動シミュレーション結果を説明する。

図６Ａは、リブ３０の除去サイズ（μｍ）と垂直駆動部（ミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂ）のＹ軸を回転軸とした振れ角Ｚ_１（°）、可動枠の端部のＹ軸を回転軸とした振れ角Ｚ_２（°）の関係を示した一覧表である。

図３の可動枠２ａの例では、振れ角Ｚ_１として、Ｙ軸に対して対称なＸ軸上の２点（図中の「〇」印）の角度を測定し、振れ角Ｚ_２として、Ｙ軸に対して対称な角部領域Ｒの２点（図中の「△」印）の角度を測定した。なお、振れ角は、マイクロミラー９の振れ角で規格化した値、すなわち、ミラー振れ角１°当たりの振れ角である。

リブ３０の除去サイズは可動枠端面からの距離であり、除去サイズ２００（μｍ）は、可動枠２ａの除去領域３１に等しい（図４参照）。このとき、振れ角Ｚ_１は０．０４０２°、振れ角Ｚ_２は０．００３３３°であった。

また、除去サイズ５００（μｍ）は、可動枠４０ａの除去領域３２に等しい（図５Ａ参照）。このとき、振れ角Ｚ_１は０．０２３２°、振れ角Ｚ_２は０．０１５１°であった。さらに、除去サイズ５００＋２００残し（μｍ）は、可動枠５０ａの除去領域３３に等しい（図５Ｂ参照）。このとき、振れ角Ｚ_１は０．００４２°、振れ角Ｚ_２は０．０２２８°であった。

図６Ｂは、横軸にリブ３０の除去サイズ（μｍ）、縦軸に振れ角Ｚ_１（°）及び振れ角Ｚ_２（°）をプロットしたグラフである。

図示するように、リブ３０の除去サイズを大きくしていくことで振れ角Ｚ_１の値は減少し、除去サイズが５００（μｍ）で極小値となる。一方、リブ３０の除去サイズを大きくしていくことで、振れ角Ｚ_２の値の増加傾向が見られる。

さらに、除去サイズ５００＋２００残し（μｍ）では、振れ角Ｚ_１の値が最小値（０．００４２°）となり、振れ角Ｚ_１は、除去領域がない従来の可動枠の１１％程度の数値となることが分かった。

可動枠の端部（角部領域）は、Ｘ軸のマイクロミラー９の振れ角１°当たりの振れ角Ｚ_２が０．０３５３°以下の範囲となるように振動させると、マイクロミラー９の振れ角の低下が抑えられ、異常振動の発生を防止できることが分かった。

なお、振れ角Ｚ_１は値が小さいほど良い。これは、垂直駆動部（ミアンダ型圧電アクチュエータ６ａ、６ｂ）に伝搬する振動が小さくなって、異常振動が生じ難くなるためである。

最後に、図７に、リブ３０の除去領域の形状が異なる、３種類の可動枠の振動シミュレーション結果（変位量分布）を示す。

図７（ａ）は、可動枠２ａ（図３参照）の変位量分布である。また、図７（ｂ）は可動枠４０ａ（図５Ａ参照）の変位量分布であり、図７（ｃ）は可動枠５０ａ（図５Ｂ参照）の変位量分布である。

図示するように、可動枠の四隅（角部領域Ｒ）の変位については、可動枠２ａよりも可動枠４０ａが大きく、可動枠４０ａよりも可動枠５０ａが大きいことが分かる。一方、垂直駆動軸（Ｘ軸）については、何れの場合も大きく変位していないことが分かる。以上のように、リブ３０に除去領域３１（除去領域３２，３３）を設けることで、異常振動の伝搬を抑える効果があることが検証された。

以上、本発明を実施するための実施形態を説明したが、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において、適宜変更することができる。

本実施形態の二次元光偏向器２は、可動枠２ａと矩形型圧電アクチュエータ１０が同じ形状（矩形）であったが、異なる形状でもよい。可動枠が矩形状で、水平駆動部の圧電アクチュエータがマイクロミラー９を取り囲む、円環形状の光偏向器が一般的であるが、リブ３０は可動枠の裏面側の外周に沿う形で設けられ、角部領域Ｒにリブ３０の除去領域を形成すればよい。

また、可動枠の形状に関わらず、水平駆動軸と垂直駆動軸の間の領域にリブの除去領域を形成すれば、水平駆動により生じた振動が垂直駆動軸の方向に伝搬する現象を抑えることができる。

１…光走査装置、２…二次元光偏向器、２ａ，４０ａ，５０ａ…可動枠、３…レーザ光源、５…制御装置、６ａ，６ｂ…ミアンダ型圧電アクチュエータ、７，８…電極パッド、９…マイクロミラー、１０…矩形型圧電アクチュエータ、１１…外枠支持体、１３ａ，１３ｂ…トーションバー、１４ａ，１４ｂ…固定バー、３０…リブ、３１～３３…除去領域。

Claims

光ビームを反射するミラー部と、
前記ミラー部を第１駆動軸の周りに回動する第１駆動部と、
前記第１駆動軸上で前記ミラー部と接続され、且つ前記ミラー部の周囲に配置された可動枠と、
前記第１駆動軸と垂直な第２駆動軸上で前記可動枠と接続され、前記ミラー部を前記第２駆動軸の周りに回動する第２駆動部と、を備え、
前記可動枠は矩形状で、裏面側に前記可動枠の外周に沿って設けられたリブを有し、
前記可動枠の四隅の角部領域は、前記リブが部分的に設けられていない、又は前記リブの厚みが他領域よりも薄い不在領域を有していることを特徴とする光走査装置。
前記不在領域は、前記リブを構成する四辺のうち方向が互いに異なる二辺が重なる重畳部分であることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
前記不在領域は、前記重畳部分と前記重畳部分から所定の長さの辺部分と合わせた領域であることを特徴とする請求項２に記載の光走査装置。
前記不在領域は、前記リブを構成する四辺のうち方向が異なる二辺が重なる重畳部分を除いた、前記重畳部分から所定の長さの辺部分であることを特徴とする請求項１に記載の光走査装置。
前記角部領域は、前記第２駆動軸の前記ミラー部の振れ角１°当たりの振れ角の値が０．０３５３°以下であるように設けられていることを特徴とする請求項１～４の何れか１項に記載の光走査装置。