JP2023026527A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】反射板の振角を大きくすることができる光偏向器を提供する。
【解決手段】駆動素子（６Ａ）、（６Ｂ）において、反射板（２）から第１距離（Ｌ１）だけ離れた第１位置（Ｐ１）におけるＹ方向寸法が、反射板（２）から第１距離（Ｌ１）よりも大きい第２距離（Ｌ２）だけ離れた第２位置（Ｐ２）におけるＹ方向寸法よりも大きいことから、第１位置（Ｐ１）における梁状部（５Ａ）、（５Ｂ）先端の変位量を大きくするとともに、梁状部（５Ａ）、（５Ｂ）全体の発生力を大きくし、反射板（２）の振角を大きくすることができる。
【選択図】図１

Description

本発明は、光偏向器に関する。

従来、光を走査するための光偏向器として、アーム部（梁状部）の自由端側にミラー部（反射板）が接続され、圧電素子（駆動素子）がアーム部に設けられることにより、ミラー部を回動させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載された光偏向器では、アーム部の自由端側に、圧電素子を設けない受動領域を形成することにより、アーム部が反り変形した際に圧電素子が損傷することを抑制している。

特開２０１４－１５３７０３号公報

特許文献１に記載されたような駆動方式の光偏向器においては、回動軸との直交方向における駆動素子の寸法が大きいほど梁状部の反り（先端の変位量）が大きくなる一方で、
梁状部に生じる発生力（反射板を回動させようとする力）が小さくなる。反射板の振角を大きくするためには、梁状部先端の変位量を大きくしつつ発生力も大きくする必要があるが、これらを両立することは困難であった。

したがって、本発明の課題は、反射板の振角を大きくすることができる光偏向器を提供することが一例として挙げられる。

前述した課題を解決し目的を達成するために、請求項１に記載の本発明の光偏向器は、反射板と、前記反射板の回動軸を定める一対の軸部と、前記一対の軸部を支持するとともに前記回動軸に交差するように延びる一対の梁状部と、前記梁状部を変形させることで前記反射板を回動させる駆動素子と、を備え、前記駆動素子は、前記梁状部に配置され、前記回動軸の軸方向に沿って前記反射板から第１距離だけ離れた位置における前記回動軸との直交方向の寸法が、前記軸方向に沿って前記反射板から前記第１距離よりも大きい第２距離だけ離れた位置における前記直交方向の寸法よりも大きいことを特徴としている。

本発明の実施例に係る光偏向器を示す平面図である。 前記光偏向器におけるアクチュエータ長さと発生力との関係を示すグラフである。 前記光偏向器の要部を拡大して示す平面図である。 本発明の第１の変形例に係る光偏向器を示す平面図である。 本発明の第２の変形例に係る光偏向器を示す平面図である。

以下、本発明の実施形態を説明する。本発明の実施形態に係る光偏向器は、反射板と、反射板の回動軸を定める一対の軸部と、一対の軸部を支持するとともに回動軸に交差するように延びる一対の梁状部と、梁状部を変形させることで反射板を回動させる駆動素子と、を備える。駆動素子は、梁状部に配置され、回動軸の軸方向に沿って反射板から第１距離だけ離れた位置における回動軸との直交方向の寸法が、軸方向に沿って反射板から第１距離よりも大きい第２距離だけ離れた位置における直交方向の寸法よりも大きい。

駆動素子において、反射板から第１距離だけ離れた位置（第１位置）における直交方向寸法が、反射板から第１距離よりも大きい第２距離だけ離れた位置（第２位置）における直交方向寸法よりも大きいことから、梁状部先端は、第１位置において第２位置よりも変位量が大きくなる。また、梁状部全域の直交方向寸法を第１位置における直交方向寸法と等しくする構成と比較して、梁状部全体の発生力が大きくなる。

梁状部先端のうち反射板に近い位置ほど、その変位量の大きさによって反射板の振角が影響を受けやすい。また、梁状部全体の発生力が反射板の振角に影響を与える。従って、第１位置における梁状部先端の変位量を大きくし、梁状部全体の発生力を大きくすることにより、反射板の振角を大きくすることができる。

駆動素子は、反射板から第１距離だけ離れた位置における所定幅の微小面積が、反射板から第２距離だけ離れた位置における所定幅の微小面積よりも大きいことが好ましい。これにより、第１位置における梁状部先端の変位量を大きくするとともに、梁状部全体の発生力を大きくすることができ、反射板の振角を大きくすることができる。

駆動素子における前記梁状部の基端側の第１辺は、前記軸方向に沿って前記反射板から離れるにしたがって前記回動軸に近づくように、前記軸方向に対して傾斜した傾斜部を有
することが好ましい。これにより、第１位置における駆動素子の直交方向寸法が、第２位置における駆動素子の直交方向寸法よりも大きくなり、第１位置における梁状部先端の変位量を大きくするとともに、梁状部全体の発生力を大きくすることができ、反射板の振角を大きくすることができる。

駆動素子における梁状部の先端側の第２辺は、軸部の延長線上に配置されていることが好ましい。これにより、反射板を好適に回転させることができる。

反射板及び梁状部を囲む枠状のフレームをさらに備え、梁状部とフレームとの間には、この梁状部の先端から基端にかけて延びるスリットが形成されていることが好ましい。これにより、好適に梁状部先端を変位させることができる。

一対の軸部と一対の梁状部と駆動素子とが駆動ユニットを構成し、回動軸に対して直交方向に並ぶように配置された２組の駆動ユニットを備えていてもよい。２組の駆動ユニットによって反射板を互いに反対向きに回動させるようにすれば、反射板の合計の振角を大きくすることができる。

以下、本発明の実施例について具体的に説明する。光偏向器１Ａは、図１に示すように、反射板２と、フレーム３と、２組の駆動ユニット１０Ａ、１０Ｂと、を備える。光偏向器１Ａは、例えば車両に搭載されて赤外線等の光を送受信することで他車両や設置物等との距離を検出する検出装置において、赤外線を走査するために用いられる。本実施例では、反射板２の回動軸Ｏ１、Ｏ２の軸方向をＸ方向とし、後述するように板状に形成された梁状部５Ａ、５Ｂの面内においてＸ方向と直交する方向をＹ方向とし、梁状部５Ａ、５Ｂの板厚方向をＺ方向とする。

反射板２は、光を反射する反射面を片面に有し、矩形板状に形成されている。フレーム３は、矩形枠状に形成されたものであって、反射板２と２組の駆動ユニット１０Ａ、１０Ｂとをその内側に収容する。

駆動ユニット１０Ａは、一対の軸部４Ａ、４Ｂと、一対の梁状部５Ａ、５Ｂと、一対の駆動素子６Ａ、６Ｂと、を備える。駆動ユニット１０Ｂも駆動ユニット１０Ａと同様の構成を有するとともに、ＺＸ平面を対称面として駆動ユニット１０Ａと対称な形状を有しており、以下では主として駆動ユニット１０Ａについて説明する。

軸部４Ａ、４Ｂは、反射板２におけるＹ方向に沿った辺のうち、中央部からＹ方向の一方側（図１における上側）にずれた位置に連続し、Ｘ方向に沿って延びている。

梁状部５Ａ、５Ｂは、フレーム３の角部近傍に配置されるとともに板状に形成され、フレーム３におけるＸ方向に沿った辺から、Ｙ方向に沿って内側に向かうように延びる。また、一対の梁状部５Ａ、５Ｂは、その先端かつＸ方向内側の角部を接続部５１として軸部４Ａ、４Ｂに接続されており、反射板２をＸ方向から挟むように配置される。このとき、梁状部５Ａ、５Ｂとフレーム３との間には、梁状部５Ａ、５Ｂの先端から基端にかけて延びるスリット５２が形成されている。即ち、フレーム３におけるＹ方向に沿って延在する部分と、梁状部５Ａ、５ＢのＸ方向外側の辺（反射板２から最も離れた辺）と、の間に隙間が形成されており、フレーム３のＸ方向に沿った辺から梁状部５Ａ、５Ｂが突き出た形状となっている。

駆動素子６Ａ、６Ｂは、例えばシリコン基板上に下部電極と圧電体と上部電極とがこの順に積層された圧電素子であって、電極間に電圧が印加されることにより伸縮するもので
ある。駆動素子６Ａ、６Ｂは梁状部５Ａ、５Ｂに配置されており、駆動素子６Ａ、６Ｂが伸縮することにより、梁状部５Ａ、５Ｂは、基端側（フレーム３側）を固定端とするとともに先端側を自由端として反り変形する。本実施例では、電圧印加時に梁状部５Ａ、５Ｂの先端がＺ方向の一方側（図１における紙面手前側）に向かうように変位する。

駆動素子６Ａ、６Ｂは、平面視台形状に形成され、梁状部５Ａ、５Ｂ基端側の第１辺６１と、先端側の第２辺６２と、フレーム３内におけるＸ方向内側の第３辺６３と、Ｘ方向外側の第４辺６４と、を有する。第１辺６１は、Ｘ方向に沿って反射板２から離れるにしたがって回動軸Ｏ１に近づくようにＸ方向に対して傾斜しており、その全体が傾斜部となっている。第２辺６２は、軸部４Ａ、４Ｂの延長線上に配置されるとともにＸ方向に沿って延在している。第３辺６３及び第４辺６４は、いずれもＹ方向に沿って延在している。

以下、駆動ユニット１０Ａ、１０Ｂによって反射板２を回動させる際の各部の動作について説明する。駆動ユニット１０Ａにおける駆動素子６Ａ、６Ｂには略同時に電圧が印加され、駆動ユニット１０Ｂにおける駆動素子６Ａ、６Ｂには略同時に電圧が印加される。駆動ユニット１０Ａの駆動素子６Ａ、６Ｂと、駆動ユニット１０Ｂの駆動素子６Ａ、６Ｂと、には互いに異なるタイミングで電圧が印加される。

駆動ユニット１０Ａの駆動素子６Ａ、６Ｂに電圧が印加されると、駆動ユニット１０Ａの梁状部５Ａ、５Ｂが反り変形し、その先端である接続部５１に接続された軸部４Ａ、４ＢがＺ方向一方側に移動しようとする。このとき、駆動ユニット１０Ｂにおいては梁状部５Ａ、５Ｂが変形せず、軸部４Ａ、４Ｂは移動しない。これにより、反射板２は、駆動ユニット１０Ａ側がＺ方向一方側に向かうとともに駆動ユニット１０Ｂ側がＺ方向他方側に向かうように、回動軸Ｏ２（駆動ユニット１０Ｂの軸部４Ａ、４Ｂを通る回動軸）を中心に回動する。

一方、駆動ユニット１０Ｂの駆動素子６Ａ、６Ｂに電圧が印加された場合、反射板２は、駆動ユニット１０Ｂ側がＺ方向一方側に向かうとともに駆動ユニット１０Ａ側がＺ方向他方側に向かうように、回動軸Ｏ１（駆動ユニット１０Ａの軸部４Ａ、４Ｂを通る回動軸）を中心に回動する。

ここで、梁状部が反り変形する際の駆動素子のＹ方向寸法（アクチュエータ長さ）と、梁状部全体が反射板を回動させようとする力（発生力）との関係を図２に示す。尚、図２のグラフは、駆動素子のＹ方向寸法がＸ方向全域に亘って略一定であるという条件下でのアクチュエータ長さと発生力との関係を示しており、アクチュエータ長さが長くなるほど、全体の発生力が小さくなっている。

駆動素子６Ａ、６Ｂの第１辺６１が上記のように傾斜しており、第２辺６２がＸ方向に沿って延在していることで、駆動素子６Ａ、６ＢのＹ方向寸法は、反射板２から離れるほど小さくなる。従って、駆動素子６Ａ、６Ｂは、図３に示すように、Ｘ方向に沿って反射板２から第１距離Ｌ１だけ離れた第１位置Ｐ１におけるＹ方向寸法ｙ１が、Ｘ方向に沿って反射板２から第２距離Ｌ２（Ｌ２＞Ｌ１）だけ離れた第２位置Ｐ２におけるＹ方向寸法ｙ２よりも大きい。

また、第１位置Ｐ１を中心とする幅Δｘの範囲における駆動素子６Ａ、６Ｂの微小面積ΔＳ１が、第２位置Ｐ２を中心とする幅Δｘの範囲における駆動素子６Ａ、６Ｂの微小面積ΔＳ２よりも大きい。

駆動素子６Ａ、６Ｂが上記のような形状を有していることにより、梁状部５Ａ、５Ｂは、反り変形する際、Ｘ方向内側ほどその先端の変位量が大きくなる。梁状部５Ａ、５Ｂ先端のうち反射板２に近い位置（Ｘ方向内側）ほど、その変位量の大きさによって反射板２の振角が影響を受けやすい。

また、梁状部５Ａ、５Ｂ先端のうち反射板２から遠い位置（Ｘ方向外側）ほど、発生力が大きくなる。従って、梁状部全域のＹ方向寸法を第３辺６３の長さと等しくする構成と比較して、梁状部５Ａ、５Ｂ全体の発生力が大きくなる。梁状部５Ａ、５Ｂ全体の発生力が反射板２の振角に影響を与える。

上記の構成により、駆動素子６Ａ、６Ｂにおいて、反射板２から第１距離Ｌ１だけ離れた第１位置Ｐ１におけるＹ方向寸法が、反射板２から第１距離Ｌ１よりも大きい第２距離Ｌ２だけ離れた第２位置Ｐ２におけるＹ方向寸法よりも大きいことから、第１位置Ｐ１における梁状部５Ａ、５Ｂ先端の変位量を大きくするとともに、梁状部５Ａ、５Ｂ全体の発生力を大きくし、反射板２の振角を大きくすることができる。

第１位置Ｐ１を中心とする幅Δｘの範囲における駆動素子６Ａ、６Ｂの微小面積ΔＳ１が、第２位置Ｐ２を中心とする幅Δｘの範囲における駆動素子６Ａ、６Ｂの微小面積ΔＳ２よりも大きいことで、第１位置Ｐ１における梁状部５Ａ、５Ｂ先端の変位量を大きくするとともに、第２位置Ｐ２において大きな発生力を得て、梁状部５Ａ、５Ｂ全体の発生力を大きくし、反射板２の振角を大きくすることができる。

駆動素子６Ａ、６Ｂの第１辺６１が、Ｘ方向に沿って反射板２から離れるにしたがって回動軸Ｏ１に近づくようにＸ方向に対して傾斜して延在していることで、第１位置Ｐ１における駆動素子６Ａ、６ＢのＹ方向寸法が、第２位置Ｐ２における駆動素子６Ａ、６ＢのＹ方向寸法よりも大きくなり、第１位置Ｐ１における梁状部５Ａ、５Ｂ先端の変位量を大きくするとともに、梁状部５Ａ、５Ｂ全体の発生力を大きくすることができ、反射板２の振角を大きくすることができる。

駆動素子６Ａ、６Ｂの第２辺６２が軸部４Ａ、４Ｂの延長線上に配置されていることで、梁状部５Ａ、５Ｂ先端の変位量を大きくすることができる。

梁状部５Ａ、５Ｂとフレーム３との間にスリット５２が形成されていることで、反射板２から離れた位置においても梁状部５Ａ、５Ｂ先端を変位させることができる。

光偏向器１Ａが２組の駆動ユニット１０Ａ、１０Ｂを備え、駆動ユニット１０Ａ、１０Ｂが反射板２を互いに反対向きに回動させることで、反射板２の合計の振角を大きくすることができる。

なお、本発明は、前記実施例に限定されるものではなく、本発明の目的が達成できる他の構成等を含み、以下に示すような変形等も本発明に含まれる。

例えば、前記実施例では、反射板２が矩形板状に形成されているものとしたが、反射板は適宜な形状を有していればよい。図４に示す光偏向器１Ｂのように、円板状の反射板２Ｂを用いてもよい。また、楕円板状の反射板を用いてもよい。

また、前記実施例では、反射板２が回動軸Ｏ１、Ｏ２を中心に回動するものとしたが、反射板は、互いに異なる方向に延びる複数の回動軸を中心に回動するように構成されていてもよい。例えば、図５に示す光偏向器１Ｃのように、反射板２Ｃが、Ｘ方向に沿った回動軸Ｏ１、Ｏ２を中心に回動可能であるとともに、Ｙ方向に沿った回動軸Ｏ３を中心に回動可能な構成としてもよい。

光偏向器１Ｃは、光偏向器１Ａにおける反射板２を回動ユニット７に置き換えたものである。回動ユニット７は、反射板２Ｃと、一対の軸部７１Ａ、７１Ｂと、枠部７２と、駆動手段と、を備える。一対の軸部７１Ａ、７１ＢはＹ方向に沿って延びており、回動軸Ｏ３を定める。駆動手段は、駆動素子６Ａ、６Ｂとは独立に制御され、回動軸Ｏ３を中心に反射板２Ｃを回動させる。このような構成によれば、光を二次元的に走査することができる。

また、前記実施例では、駆動素子６Ａ、６Ｂの第１辺６１が、Ｘ方向に沿って反射板２から離れるにしたがって回動軸Ｏ１に近づくようにＸ方向に対して傾斜して延在し、その全体が傾斜部となっているものとしたが、駆動素子の第１辺は、その一部に傾斜部を有していてもよい。

また、前記実施例では、駆動素子６Ａ、６Ｂの第２辺６２が軸部４Ａ、４Ｂの延長線上に配置されているものとしたが、このような構成に限定されない。即ち、梁状部５Ａ、５Ｂの先端部分に駆動素子が配置されていなくてもよいし、軸部４Ａ、４ＢからＹ方向にはみ出すように駆動素子が設けられていてもよい。

また、前記実施例では、光偏向器１Ａが２組の駆動ユニット１０Ａ、１０Ｂを備えるものとしたが、光偏向器は１組の駆動ユニットのみを備えていてもよく、振角の設計値に応じて駆動ユニットの数を適宜に設定すればよい。

また、前記実施例では、駆動素子６Ａ、６Ｂの第１辺６１が傾斜していることにより、駆動素子６Ａ、６Ｂの第１位置Ｐ１におけるＹ方向寸法が第２位置Ｐ２におけるＹ方向寸法よりも大きいものとしたが、このような構成に限定されない。例えば第１辺は、Ｘ方向内側から順に、Ｘ方向に沿って延在する部分と、Ｙ方向内側に向かって延在する部分と、Ｘ方向に沿って延在する部分と、を有することにより段状に形成されていてもよい。また、第１辺は、Ｘ方向に沿って延びる部分と、傾斜した部分と、段状の部分と、が適宜に組み合わされたものであってもよい。

また、駆動素子のＸ方向全域に亘って、Ｘ方向内側ほどＹ方向寸法が大きい形状となっていなくてもよい。即ち、Ｘ方向外側位置において部分的に内側位置よりもＹ方向寸法が大きくなっていてもよく、駆動素子は、前記実施例のような関係を満たす少なくとも１組の第１位置及び第２位置を有していればよい。

その他、本発明を実施するための最良の構成、方法などは、以上の記載で開示されているが、本発明は、これに限定されるものではない。すなわち、本発明は、主に特定の実施例に関して特に図示され、且つ、説明されているが、本発明の技術的思想および目的の範囲から逸脱することなく、以上述べた実施例に対し、形状、材質、数量、その他の詳細な構成において、当業者が様々な変形を加えることができるものである。従って、上記に開示した形状、材質などを限定した記載は、本発明の理解を容易にするために例示的に記載したものであり、本発明を限定するものではないから、それらの形状、材質などの限定の一部、もしくは全部の限定を外した部材の名称での記載は、本発明に含まれるものである。

１ 光偏向器
２ 反射板
３ フレーム
４Ａ、４Ｂ 軸部
５Ａ、５Ｂ 梁状部
５２ スリット
６Ａ、６Ｂ 駆動素子
６１ 第１辺
６２ 第２辺
１０Ａ、１０Ｂ 駆動ユニット

Claims (1)

1. 反射板と、
   前記反射板の回動軸を定める一対の軸部と、
   前記一対の軸部を支持するとともに前記回動軸に交差するように延びる一対の梁状部と、
   前記梁状部を変形させることで前記反射板を回動させる駆動素子と、を備え、
   前記駆動素子は、前記梁状部に配置され、前記回動軸の軸方向に沿って前記反射板から第１距離だけ離れた位置における前記回動軸との直交方向の寸法が、前記軸方向に沿って前記反射板から前記第１距離よりも大きい第２距離だけ離れた位置における前記直交方向の寸法よりも大きく、
   前記駆動素子において前記梁状部の基端側に位置する第１辺は、前記軸方向に沿って前記反射板から離れるにしたがって前記回動軸に近づくように、前記軸方向に対して傾斜した傾斜部を有することを特徴とする光偏向器。

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