JP2024060686A - 光偏向器 - Google Patents

Abstract

【課題】トーションバーのアスペクト比＜１である場合に、トーションバーの最大許容回動角を増大させることができる光偏向器を提供する。
【解決手段】光偏向器１０は、ミラー部１１と、ミラー部１１の各側から回転軸線Ｄａに沿って延び出るトーションバー１２ａ，１２ｂと、トーションバー１２ａ，１２ｂの外側結合領域３６に両側から結合してトーションバー１２ａ，１２ｂを回転軸線Ｄａの回りに往復回動させる内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂと、閉じた両端を有し、内側結合領域３８及び外側結合領域３６に達する長さ範囲にわたり回転軸線Ｄａに沿って延在してトーションバー１２ａ，１２ｂに形成されているスリット２０ａ，スリット２０ｂとを備えている。
【選択図】図２Ａ

Description

本発明は、走査装置に装備されて、走査光を出射する光偏向器に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスとして製造される光偏向器は、回転軸線の回りに往復回動するミラー部に、入射して来るレーザビームを反射させて、反射光を走査光としてミラー部から出射している（例：特許文献１～３）。

特許文献１の光偏向器は、ミラー部と、ミラー部の回転軸線の延在方向にミラー部に対して各側に１つずつあって、回転軸線に沿ってミラー部から延在する１対のトーションバーと、各トーションバーの先端側端部に結合してトーションバーを回転軸線の回りに往復回動させる圧電アクチュエータとを備えている。

特許文献２の光偏向器は、ミラー部と、ミラー部の回転軸線の延在方向にミラー部に対して各側に２つずつあって、間に等幅の間隙を挟んで回転軸線に沿って平行に延在する計４つのトーションバーと、各トーションバーの先端側端部に結合してトーションバーを回転軸線の回りに往復回動させる圧電アクチュエータとを備えている。

特許文献３の光偏向器では、ミラー部と、ミラー部に対して回転軸線の延在方向の各側に２つずつあって、２つの間の間隔が大きく離間した先端側ほど狭くなるように（つまり、八の字状）穴加工された計４つのトーションバーと、ミラー部を回転軸線に対して垂直方向の両側から回転軸線の回りに往復回動させる静電アクチュエータとを備えている。

特開２００９－１６９２９０号公報 特開２０１６－１５１６８１号公報 特許第３９０５５３９号公報

光偏向器は、回転軸線の回りのミラー部の往復回動角に対応する走査角が大きいことが望ましい。一方、ミラー部の最大往復回動角は、トーションバーが往復回動に伴って破損しないようにするために、トーションバーの最大許容応力により制限される。

ミラー部の厚さ方向から見た方向視を正面視としたとき、正面視におけるトーションバーの幅と、トーションバーの厚さとの比をアスペクト比Ａ．Ｒ．（Aspect Ratio）と定義する。トーションバーにおける最大応力の発生箇所、すなわちトーションバーの往復回動に伴い最も破損し易い箇所は、Ａ．Ｒ．＞１のときは、トーションバーの正面視で回転軸線上の箇所となる。また、Ａ．Ｒ．＜１のときは、トーションバーの横断面において回転軸線から最も離れている箇所としての隅部となる。

特許文献１の光偏向器は、Ａ．Ｒ．＜１であり、ミラー部の最大応力の箇所は、ミラー部の横断面の四隅であり、この構造でミラー部の最大往復回動角を増大させるためには、トーションバーの幅を狭くするか、厚さを薄くするしかない。トーションバーの幅や厚さの減少は、ミラー部に生じる高調波を増大させ、ミラー部に異常振動（回転軸線の延在方向や回転軸線に対して垂直方向の振動等）を誘因する。

特許文献２は、ミラー部に対して各側にある２つのトーションバーがミラー部とは反対側の端において幅方向に延在する隙間によって完全に開いてしまっているので、圧電アクチュエータからトーションバーに伝達される回転力の伝達効率が低下してしまう。

特許文献３の光偏向器は、ミラー部の各側の２つのトーションバーがミラー部に結合する結合点が、回転軸線に対して垂直方向に離された２箇所となるので、１箇所のときに比して、トーションバーの回動駆動力又は回動反転時の反転駆動力が増大して、アクチュエータの負荷が増大する。

本発明の目的は、トーションバーのアスペクト比Ａ．Ｒ．が、Ａ．Ｒ．＜１である場合に、従来技術の上記の問題を克服して、トーションバーの最大許容回動角を増大させることができる光偏向器を提供することである。

本発明の光偏向器は、
厚さ方向の一方側にミラー面を有し、前記厚さ方向に対して垂直な回転軸線（Ｄａ）の回りに往復回動するミラー部と、
前記回転軸線の延在方向の前記ミラー部の両端の内側結合位置から前記回転軸線に沿って延在している１対のトーションバーと、
前記延在方向に前記内側結合位置から離れた外側結合位置において前記トーションバーの幅方向の両側から結合し、前記外側結合位置において前記トーションバーを前記回転軸線の回りに往復回動させるアクチュエータと、
前記厚さ方向に前記一方側から前記ミラー面を見るときの方向視としての正面視で、前記延在方向の両端が閉じられているとともに、前記両端が前記内側結合位置と前記外側結合位置とに達する長さで範囲では前記回転軸線に沿って延在するように、前記トーションバーに形成されているスリットと、
を備え、
前記トーションバーは、前記正面視で両端間の寸法がＷａで、厚さはＴａであり、
前記スリットは、前記正面視で幅がＷｂであり、
（ＷａーＷｂ）／Ｔａ＜１である。

本発明によれば、トーションバーのアスペクト比Ａ．Ｒ．が、Ａ．Ｒ．＜１である光偏向器において、正面視で、延在方向の両端において閉じられているとともに、両端において内側結合領域及び外側結合領域に達する長さ範囲にわたり回転軸線に沿って延在するように、スリットがトーションバーに形成されている。これにより、回転軸線の回りの往復回動時に各トーションバーにかかる応力は、トーションバーの側面と、スリットの内側面との４つに分散されるので、トーションバーに最大許容応力が生じるときの往復回動角を増大させることができる。

光偏向器を正面の斜め前方から見た模式図である。 図１におけるトーションバーとその周辺とを含む範囲を拡大した正面図である。 図２Ａの外側結合領域の範囲の拡大図である。 図２Ａの内側結合領域の範囲の拡大図である。 図２Ａの内側拡張部とは形状の異なる内側拡張部を備える範囲をその両側のトーションバーの内側端部と共に示した正面図である。 図３Ａの内側結合領域の拡大図である。 ミラー部の静止状態において図１の軸Ａｘに沿って光偏向器の厚さ方向に切ったときの断面図である。 トーションバーの等幅延在部の位置において図４の断面に対して平行な平面で切ったときの断面図である。 トーションバーのアスペクト比についての説明図である。 スリットが等幅延在部のみから構成されるときのスリット周辺の応力分布図である。

以下、本発明の実施形態について説明する。本発明は、当業者の設計事項の範囲内で実施形態を種々変更した構成形態を包含する。なお、複数の実施形態間で共通する構成要素については、全図を通して同一の符号を使用する。

（光偏向器／全体）
図１は、光偏向器１０を正面の斜め前方から見た模式図である。光偏向器１０は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスとして、ＳＯＩ基板から製造される。説明の便宜上、光偏向器１０の厚さ方向（ミラー部１１の厚さ方向でもある。）に入射光Ｌａの入射側（ミラー部１１の厚さ方向にミラー面側）から見た方向視を「正面視」と呼ぶことにする。

図１を参照して、光偏向器１０の全体構成を概略的に説明する。光偏向器１０の全体構成の詳細は、例えば、本出願人に係る特開２０１２－２０１３８６号公報等に記載されているとおりである。

光偏向器１０は、光スキャナとして装備される任意の機器、例えば、プロジェクタ（ピコプロジェクタも含む。）、ヘッドアップディスプレイ、自動車前照灯、又はアイウェア等に装備される。

光偏向器１０は、正面視で、左右対称の構造を有しており、ミラー部１１、上下のトーションバー１２ａ，１２ｂ、左右の内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂ、可動枠１４、左右の外側アクチュエータ１５ａ，１５ｂ及び固定枠１６を備えている。内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂ及び外側アクチュエータ１５ａ，１５ｂは、いずれも圧電アクチュエータである。

光偏向器１０の構成についての説明の便宜上、ミラー部１１の中心Ｏにおいて直交する軸Ａｘ，Ａｙを定義する。軸Ａｘ，Ａｙは、ミラー部１１のミラー面（図４の反射膜６４）に平行な座標軸として定義されている一方、ミラー部１１の直交する２つの回転軸線でもある。また、光偏向器１０において、中心Ｏに近い方及び遠い方をそれぞれ内側及び外側と呼ぶことにする。

円形のミラー部１１は、ミラー面として作用する反射膜６４（図４）を表面側（ミラー部１１の厚さ方向の一方側）に有している。入射光Ｌａは、不図示のレーザ光源から出射されて、ミラー部１１に入射し、ミラー部１１において反射して、走査光Ｌｂとしてミラー部１１から出射する。

トーションバー１２ａ，１２ｂは、軸Ａｙに沿って延在し、ミラー部１１と可動枠１４とを相互に結合している。内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂは、左右から相互に結合した全体の正面視で上下に長い楕円の周輪郭の形状を有し、個々には、左右の半楕円の楕円弧の形状を有している。

図１の例では、トーションバー１２ａ，１２ｂは、ミラー部１１から延び出て、内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂとの結合部を超え、可動枠１４に達して、可動枠１４の内周に結合している。しかしながら、トーションバー１２ａ，１２ｂは、可動枠１４の内周に達することなく、内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂとの結合部の位置に留まる構造とすることもできる。

可動枠１４は、正面視で、左右の内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂを相互に結合した全体形状と相似の縦長楕円輪郭形状を有し、ミラー部１１、トーションバー１２ａ，１２ｂ、及び内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂを外側から囲っている。内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂは、トーションバー１２ａ，１２ｂと可動枠１４との間に介在している。

内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂは、不図示の駆動装置から相互に逆位相の共振周波数Ｆｙの正弦波形の駆動電圧が供給されて、トーションバー１２ａ，１２ｂを軸Ａｙの回りに共振周波数Ｆｙで往復回動させる。

外側アクチュエータ１５ａ，１５ｂは、可動枠１４の左右に配設され、可動枠１４の外周と固定枠１６の内周との間に介在している。外側アクチュエータ１５ａ，１５ｂは、ミアンダパターンで直列に結合した複数の直線状の圧電カンチレバーから構成されている。外側アクチュエータ１５ａ，１５ｂにおいて横方向（矩形の固定枠１６の長辺に平行な方向）に外側から内側に順番に番号付けしたとき、奇数番号の圧電カンチレバーと偶数番号の圧電カンチレバーとは、不図示の制御装置からの相互に逆位相の非共振周波数Ｆｘ（Ｆｘ＜Ｆｙ）の鋸波や三角波の駆動電圧が供給される。これにより、外側アクチュエータ１５ａ，１５ｂは、横方向の回転軸線（軸Ａｘとは別のもの）の回りに可動枠１４を往復回動させる。

光偏向器１０の全体の概略的な作用について説明する。

光偏向器１０の作動中、トーションバー１２（トーションバー１２ａ，１２ｂの総称）及び外側アクチュエータ１５（外側アクチュエータ１５ａ，１５ｂの総称）には、不図示の駆動装置から駆動電圧が供給される。これにより、ミラー部１１は、軸Ａｘ，Ａｙの回りにそれぞれ非共振周波数Ｆｘ及び共振周波数Ｆｙで往復回動する。Ｆｘ及びＦｙは、例えばそれぞれ６０Ｈｚ及び２５ｋＨｚである。

一方、不図示のレーザ光源からレーザビームの入射光Ｌａが、軸Ａｘ，Ａｙの回りに往復回動しているミラー部１１に入射する。これにより、ミラー部１１からは、入射光Ｌａの反射光としての走査光Ｌｂが二次元の走査ビームとして出射する。

入射光Ｌａは、赤色、緑色及び青色と異なる色の３つのレーザビームであってもよいし、所定の一色であってもよい。不図示の光源制御装置は、レーザ光源から出射する入射光Ｌａの輝度（強さ）を色ごとに制御可能になっている。

（実施形態のスリットの構成）
図２Ａは、図１におけるトーションバー１２ａ，１２ｂとその周辺とを含む範囲の拡大正面図である。Ｄａは、ミラー部１１の縦方向の回転軸線であり、図１の軸Ａｙ上を延在している。なお、図２Ａ以降の図では、トーションバー１２ａ，１２ｂの外側の端（中心Ｏから遠い方の端）は、可動枠１４の内周に達することなく、トーションバー１２ａ，トーションバー１２ｂとの結合位置に留まっている。

トーションバー１２ａ，１２ｂにはそれぞれスリット２０ａ，２０ｂが形成されている。ミラー部１１、トーションバー１２ａ，１２ｂ及び内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂを含む範囲では、正面視で、軸Ａｘ（図１）に対して上下対称構造となっている。このため、上側のトーションバー１２ａ及びスリット２０ａの構成及び作用について、説明し、下側のトーションバー１２ｂ及びスリット２０ｂの構成及び作用についての説明は省略する。

図２Ａにおいて、スリット２０ａは、回転軸線Ｄａに沿って延在し、かつ厚さ方向に貫通するように、トーションバー１２ａに形成されている。スリット２０ａは、等幅で回転軸線Ｄａに沿って延在している等幅延在部２２と、それぞれ等幅延在部２２の外側及び内側の端に連設されている外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂとを有している。

ミラー部１１とトーションバー１２ａとの結合部ではミラー部１１の円周線が消失している。ミラー部１１とトーションバー１２ａとの境界線を当該消失した円周線上に設定すると、スリット２０の等幅延在部２２は、内側の方へは、少なくとも当該境界線まで達し、典型的には、当該境界線を越えて、ミラー部１１内に進入している。なお、当該境界線は、ミラー部１１とトーションバー１２ａとの結合位置を意味する。

トーションバー１２ａと内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂとは、外側結合領域３６において相互に結合している。外側結合領域３６は、幅方向に左右の湾曲状外側隅部（第１隅部）３０ａ，３０ｂのそれぞれの左端及び右端より内側で、延在方向に左右の湾曲状外側隅部３０ａ，３０ｂの中心Ｏ側の端より外側の領域で、延在方向に内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂの外周輪郭より内側の領域として定義される。なお、外側結合領域３６は、全体がトーションバー１２ａとミラー部１１との結合位置を意味する。

ミラー部１１とトーションバー１２ａとは、内側結合領域３８において相互に結合している。内側結合領域３８は、幅方向に左右の湾曲状内側隅部（第２隅部）３２ａ，３２ｂのそれぞれの左端及び右端より内側で、延在方向に左右の湾曲状内側隅部３２ａ，３２ｂの、中心Ｏから遠い方の端より中心Ｏ側の領域として定義される。さらに、内側結合領域３８は、ミラー部１１内では、回転軸線Ｄａの回りのミラー部１１の往復回動時に所定の応力が生じる領域として定義される。なお、内側結合領域３８は、全体がトーションバー１２ａとミラー部１１との結合位置を意味する。

湾曲状外側隅部３０ａ，３０ｂは、トーションバー１２ａの側縁と内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂの内周縁との間の隅部に、トーションバー１２ａの幅方向（回転軸線Ｄａの延在方向及び厚さ方向に対して垂直な方向）にミラー部１１の側縁より外側に広がり、かつ外側結合領域３６の内側に凸の曲線である第１湾曲線として形成されている。湾曲状内側隅部（第２隅部）３２ａ，３２ｂは、ミラー部１１の周縁とトーションバー１２ａの側縁との間の隅部に、幅方向にミラー部１１の側縁より外側に広がり、かつ内側結合領域３８の内側に凸の曲線である第２湾曲線として形成されている。

図２Ｂ及び図２Ｃは、それぞれ図２Ａの外側結合領域３６及び内側結合領域３８の範囲の拡大図である。外側結合領域３６及び内側結合領域３８には、それぞれスリット２０ａの外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂが形成されている。外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂの効果としての応力緩和については、後述の図７において詳説する。ここでは、図２Ｂ及び図２Ｃを参照して、外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂの構成についてのみ説明する。

図２Ｂにおいて、正面視で、外側拡張端部２４ａと等幅延在部２２との境界部分を除いて、外側拡張端部２４ａは円形（第１湾曲輪郭形状の一例）となっている。一方、当該境界部分の輪郭線は、湾曲状外側隅部３０ａ，３０ｂの第１湾曲線からほぼ等幅で並行して延在する輪郭線に設定されている。

外側拡張端部２４ａの直径は、等幅延在部２２の幅（後述の図６のＷｂ）より大きく、外側拡張端部２４ａは、スリット２０ａの幅方向に等幅延在部２２より広げられている。湾曲状外側隅部３０ａ，３０ｂは、外側拡張端部２４ａの幅方向拡張に対する補強の意義がある。

図２Ｃにおいて、内側拡張端部２４ｂは、正面視で回転軸線Ｄａに対して左右対称の形状（第２湾曲輪郭形状の一例）に形成されている。内側拡張端部２４ｂは、ミラー部１１の周縁に近い方の外側湾曲輪郭部４４ａ，４４ｂと中心Ｏに近い方の内側湾曲輪郭部４６とにより画成される貫通孔として形成されている。外側湾曲輪郭部４４ａ，４４ｂは、湾曲状内側隅部３２ａ，３２ｂの第２湾曲線からほぼ等幅で並行する輪郭線に設定されている。内側拡張端部２４ｂの、このような輪郭線の意義は、図３Ａ及び図３Ｃの円柱孔の内側拡張端部２４ｃと対比して後述する。

内側湾曲輪郭部４６は、ミラー部１１の円と同心円の円弧の輪郭線に設定されている。内側拡張端部２４ｂの幅は、等幅延在部２２の幅より大きく、内側拡張端部２４ｂは、スリット２０ａの幅方向に等幅延在部２２より広げられている。湾曲状内側隅部３２ａ，３２ｂは、外側拡張端部２４ａの幅方向拡張に対する補強の意義がある。

図３Ａは、回転軸線Ｄａの延在方向にミラー部１１とトーションバー１２ａ，１２ｂの内側端部とを含む範囲の正面図である。図３Ｂは、内側結合領域３８の部分を拡大して示す図である。内側拡張端部２４ｃは、形状は外側拡張端部２４ａと同じ円柱孔（第２湾曲輪郭形状の別例）であり、内側結合領域３８において回転軸線Ｄａに対して左右対称でミラー部１１を貫通して形成されている。等幅延在部２２と内側拡張端部２４ｃとの境界部は、第２湾曲線に並行して延在する輪郭線に設定されている。

内側拡張端部２４ｃの直径は、等幅延在部２２の幅より大きく、内側拡張端部２４ｃは、スリット２０ａの幅方向に等幅延在部２２より広げられている。湾曲状外側隅部３０ａ，３０ｂは、内側拡張端部２４ｃの幅方向拡張に対する補強の意義がある。

（断面構造）
図４は、ミラー部１１の静止状態において図１の軸Ａｘに沿って光偏向器１０の厚さ方向に切ったときの断面図、図５は、トーションバー１２ａの等幅延在部２２の位置において図４の断面に対して平行な平面で切ったときの断面図である。

図４及び図５において、ＳＯＩ基板５０は、上から順番に酸化膜層５１、活性層５２、酸化膜層５３、ハンドリング層５４及び酸化膜層５５の５層の積層構造を有している。酸化膜層５１、酸化膜層５３及び酸化膜層５５は、ＳｉＯ_２を成分とする。活性層５２及びハンドリング層５４は、Ｓｉを成分とする。ピエゾ素子５８は、上から順番に上側電極層５９、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）膜層６０及び下側電極層６１の３層の積層構造を有している。

ミラー部１１、トーションバー１２ａ及び固定枠１６は、ＳＯＩ基板５０の全層から構成されている。これに対し、内側アクチュエータ１３ａ及び外側アクチュエータ１５ａ，１５ｂは、ＳＯＩ基板５０の上から２層の酸化膜層５１及び活性層５２と、その上に積層されたピエゾ素子５８の３層積層体とから構成されている。ミラー部１１は、表面において金属成分の反射膜６４により被覆されている。反射膜６４は、入射光Ｌａ（図１）を反射するミラー面の役割をもつ。

図５において、スリット２０ａの等幅延在部２２は、トーションバー１２ａを厚さ方向に貫通している。図示は省略しているが、スリット２０ａの外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂも等幅延在部２２と同様に、トーションバー１２ａの外側拡張端部２４ａ及びミラー部１１の内側拡張端部２４ｂを厚さ方向に貫通している。

トーションバー１２ａにおけるスリット２０ａは、深掘りＲＩＥ（Deep RIE）により製造される。典型的な深掘ＲＩＥの方法として、高密度プラズマを使い、サンプルを低温に冷やす方法と、ボッシュプロセスと呼ばれるエッチング技術を用いる方法、その両方を用いるものがある。

図示は省略しているが、外側結合領域３６における断面の積層構造について説明する。外側結合領域３６では、ピエゾ素子５８の３層積層体のうち上側の上側電極層５９及びＰＺＴ膜層６０は、エッチングにより除去され、最下層の下側電極層６１のみが除去されることなく、残存している。下側電極層６１は、アース電圧の層であり、外側結合領域３６における下側電極層６１の残存の結果、左右の内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂの下側電極層６１は、外側結合領域３６において相互に電気的に接続状態になっている。一方、左右の内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂは、上側電極層５９及びＰＺＴ膜層６０において外側結合領域３６において分離されるので、個々に駆動電圧が供給されて、個々に駆動可能になっている。

（アスペクト比）
図６は、トーションバー１２ａのアスペクト比Ａ．Ｒ．の説明図である。図６において、各符号の定義は次のとおりである。
Ｗａ：正面視のトーションバー１２ａの両端幅
Ｗｂ：正面視の等幅延在部２２の幅
Ｗｃ：等幅延在部２２により左右に分断されたトーションバー１２ａの左右の部分の正面視の幅
Ｔａ：トーションバー１２ａの厚さ

図６から明らかなように、次の（１）式が成り立つ。
の関係は本発明において必須である。
（１）式：Ｗａ＝Ｗｂ＋２・Ｗｃ

本発明では、次の（２）式のように、設定されている。
（２）式：（ＷａーＷｂ）／Ｔａ＜１

実施形態の光偏向器１０では、高調波抑制の観点から、次の（３）～（６）式のように、寸法を設定することが好ましい。
（３）式：０．１≦（ＷａーＷｂ）
（４）式：Ｗｂ＝Ｗｃ
（５）式：Ｗａ／Ｔａ＜１
（６）式：Ｗｂ≦２・Ｗｃ

（５）式の意義は、スリット２０ａ，２０ｂは本来的にトーションバー１２ａ，１２ｂの横断面のコーナに損傷が生じるのを防止するために形成されているにもかかわらず、もしＷａ／Ｔａ≧１であると、損傷がトーションバー１２ａ，１２ｂの回転軸線上に先に生じてしまい、スリット２０ａ，２０ｂの形成の意義が喪失してしまう可能性があるからである。（６）式の意義は、Ｗｂ＞２・Ｗｃであると、回転軸線Ｄａの延在方向のミラー部１１の揺れ（ポンピング）が支配的になるからである。また、Ｗｂは、２５μｍ以上であることが有利である。

特許文献３の幅方向に対向する２つのトーションバーは、八の字状の穴が形成され、トーションバー同士が離れすぎているため、本発明によるところのスリットとは言えないが、数式的にはＷｂ＞２・Ｗｃに含まれる。そのため、トーションバーの回動駆動力又は回動反転時の反転駆動力が増大して、アクチュエータの負荷が増大する。

また、スリット２０ａを形成する前のトーションバーのアスペクト比が、Ｗａ／Ｔａ＝（Ｗａ＋２・Ｗｃ）／Ｔａ＜１の場合、回転軸線の回りの往復回動時に当該トーションバーに応力が掛かるが、本発明のスリットをトーションバーに設けることにより、応力を緩和することが可能になる。

（等幅延在部の作用効果）
トーションバー１２（トーションバー１２ａ，１２ｂの総称）の作用効果について説明する。最初に、スリット２０が、両端の外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂを省略して、中間の等幅延在部２２のみを有する構成についての作用効果を説明する。

トーションバー１２は、等幅延在部２２付きのスリット２０（スリット２０ａ，２０ｂの総称）を有する結果、側面の総面積は、幅方向の外側の側面の面積に内側の側面としてのスリット２０の内側面の面積が加算されたものとなる。この結果、側面の面積が増大して、側面にかかる応力が分散される。これは、トーションバー１２における応力の低下につながり、回転軸線Ｄａの回りのトーションバー１２の耐破損の最大許容回動角が増大する。こうして、回転軸線Ｄａ回りの走査光Ｌｂの横方向走査角が増大する。

発明者の計算では、スリット２０の内側面による応力分散効果により、 回転軸線Ｄａの回りのトーションバー１２の単位回動角（単位振れ角：Ｍｐａ／ｄｅｇ）は、２５％減少した。これは、回転軸線Ｄａの回りのトーションバー１２の限界振れ角が１．３３倍となったことを意味する。

（応力緩和構造）
図７は、光偏向器１０のスリット２０ａ，２０ｂが外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂ，２４ｃを有さず、等幅延在部２２のみを有する構造としたときのスリット２０ａの周辺の応力分布図である。図７は、シミュレーションの解析結果による画面表示を図で示したものであり、黒っぽい箇所から白っぽい箇所に移るほど、応力が増大していることを示している。

スリット２０ａ，２０ｂにおいて外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂを省略して、等幅延在部２２のみが形成されている場合、最大応力点が等幅延在部２２の両端に出現している。白色の破線円Ｃａ，Ｃｂは、スリット２０ａの等幅延在部２２の外側端及び内側端を中心とする円として示している。応力の大きい領域は、等幅延在部２２の延在方向に等幅延在部２２の外側端及び内側端からそれぞれ外側及び内側に広がっていることが分かる。

図７を参照して、内側結合領域３８の位置を説明する。前述したように、ミラー部１１とトーションバー１２ａとの結合部ではミラー部１１の円周線が消失している。ミラー部１１とトーションバー１２ａとの境界線を当該消失した円周線上に設定すると、内側結合領域３８は、当該境界線に対してミラー部１１側でかつミラー部１１において所定値以上の応力が生じている領域として設定されている。

光偏向器１０では、トーションバー１２ａ，１２ｂにおける最大応力が所定の上限以下になるように、等幅延在部２２に両端にそれぞれ外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂ又は内側拡張端部２４ｃが連設されている。

トーションバー１２ａ，１２ｂにおいてミラー部１１の方から回転軸線Ｄａに沿って外側方向に伝わってくる応力は、幅方向にスリット２０の両側のトーションバー１２ａ，１２ｂの左右部分に分かれて内側結合領域３８に並行して伝わって来る。正面視における外側拡張端部２４ａの円形は、この左右に分かれて並行して伝わってくる応力を左右に適切に分散させて、内側結合領域３８における応力を均一化し、かつ最大応力を低減させる作用効果がある。最大応力の低減は、回転軸線Ｄａの回りのミラー部１１の最大許容往復動角の増大につながる。

内側拡張端部２４ｃの作用効果を内側拡張端部２４ｂより先に説明する。内側拡張端部２４ｃの作用効果は、外側拡張端部２４ａと同様である。すなわち、ミラー部１１においてトーションバー１２ａ，１２ｂ方から回転軸線Ｄａに沿って内側方向に伝わってくる応力は、幅方向にスリット２０の両側のトーションバー１２ａ，１２ｂの左右部分に分かれてミラー部１１に並行して伝わって来る。正面視で内側拡張端部２４ｃの円形は、外側拡張端部２４ａと同様に、この左右に分かれて並行して伝わってくる応力を左右に適切に分散させて、内側結合領域３８における応力を均一化し、かつ最大応力を低減させる作用効果がある。内側拡張端部２４ｃは、内側拡張端部２４ｂより形状が単純であるので、製造コストが易い利点がある。

なお、外側結合領域３６及び内側結合領域３８における最大応力を低減させるために、場合によっては、スリット２０の外側端及び／又は内側端を図７に図示のものより回転軸線Ｄａに沿ってそれぞれ外側及び内側へ少しだけ移動させてから外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂ，２４ｃを連設させた方が有利となることがある。そのような場合には、スリット２０の外側端及び／又は内側端は、図７に図示のものに固定することなく、適宜、回転軸線Ｄａに沿ってそれぞれ外側結合領域３６及び内側結合領域３８に深く進入させてから、外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂ，２４ｃの位置を設定する。

次に内側拡張端部２４ｃに対する内側拡張端部２４ｂの利点を説明する。内側拡張端部２４ｂの内側端は、内側拡張端部２４ｃの内側端より回転軸線Ｄａの延在方向に外側に位置する。このことは、入射光Ｌａのビーム断面がほぼ円形のミラー部１１の表面全体に照射されることを意味する。

内側拡張端部２４ｃ（図３Ａ及び図３Ｂ）において、中心Ｏに対する最近点は、ミラー部１１において深く中心Ｏの方へ侵入している。このことは、回転軸線Ｄａの延在方向のミラー部１１の有効径が減少することを意味し、走査光Ｌｂがスクリーン等の照射領域に生成する画像の解像度の低下の原因になる。これに対し、内側拡張端部２４ｂは、ミラー部１１の円周輪郭に沿って形成されて、中心Ｏに対する最近点を内側拡張端部２４ｃより十分に遠ざけることができる。このため、トーションバー１２ａは、ミラー部１１の有効径の減少を最小限に抑えつつ、トーションバー１２ａ，１２ｂの内側端の応力を緩和する。これにより、ミラー部１１の有効径の減少を回避しつつ、回転軸線Ｄａの回りのミラー部１１の往復回動角を増大させることができる。

前述の特許文献２の光偏向器では、ミラー部の各側にはトーションバーが１つずつではなく、２つずつ設けられている。すなわち、２つのトーションバーの間には、間隙が形成され、この間隙は、内側、すなわちミラー部側は閉じているものの、外側、すなわちミラー部の反対側では、閉じられることなく、開放されている。これは、トーションバーがミラー部の各側に２つずつ設けられていることを意味する。

これに対し、光偏向器１０では、スリット２０ａ，２０ｂは、回転軸線の延在方向の両端において閉じられているので、スリット２０ａ，２０ｂが内周側に形成されているトーションバー１２ａ，１２ｂは、各々２つに分離することなく、１つのトーションバーを維持して、光偏向器１０は、ミラー部１１の各側にトーションバーを１つのみ備える構成となっている。この結果、光偏向器１０における内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂからトーションバー１２ａ，１２ｂへの力の伝達効率が特許文献２の光偏向器の各側に２つのトーションバーの構成に比して高まり、発明者の計算によると、回転軸線Ｄａ回りのミラー部１１の駆動効率が２９％向上した。

（変形例）
光偏向器１０は、二軸走査式の光偏向器であるが、本発明の光偏向器は、アクチュエータがトーションバーを介してミラー部を回転軸線の回りを往復回動させる構成を備えれば、一軸走査式の光偏向器であってもよい。

スリット２０ａ，２０ｂの外側拡張端部２４ａ及び内側拡張端部２４ｂは、正面視がほぼ円形である。しかしながら、本発明のスリットの外側端部及び内側端部は、正面視が回転軸線Ｄａに対して左右対称の正面視が正多角形（例：正三角形、正方形及び正五角形等）の貫通孔であってもよい。

光偏向器１０では、等幅延在部２２は、等幅として説明しているが、本発明では、光偏向器１０の等幅延在部２２の形成箇所の延在部を正面視で全長にわたり等幅の延在部としなくてもよい。例えば、内側アクチュエータ１３ａ，１３ｂによる駆動力が顕著に増大しない程度で、当該延在部の両端は、正面視で同一幅とし、中間は、幅を広げたり、狭くしたりしても構わないし、当該延在部の両端の幅を相互に相違させることもできる。

１０・・・光偏向器、１１・・・ミラー部、１２ａ，１２ｂ・・・トーションバー、１３ａ，１３ｂ・・・内側アクチュエータ、１４・・・可動枠、２０ａ，２０ｂ・・・スリット、２２・・・等幅延在部、２４ａ・・・外側拡張端部（外側端部）、２４ｂ，２４ｃ・・・内側拡張端部（内側端部）、３０ａ，３０ｂ・・・湾曲状外側隅部（第１隅部）、３２ａ，３２ｂ・・・湾曲状内側隅部（第２隅部）、３６・・・外側結合領域、３８・・・内側結合領域、４４・・・外側湾曲輪郭部、４６・・・内側湾曲輪郭部、Ｄａ・・・回転軸線。

Claims (8)

1. 厚さ方向の一方側にミラー面を有し、前記厚さ方向に対して垂直な回転軸線（Ｄａ）の回りに往復回動するミラー部と、
   前記回転軸線の延在方向の前記ミラー部の両端の内側結合位置から前記回転軸線に沿って延在している１対のトーションバーと、
   前記延在方向に前記内側結合位置から離れた外側結合位置において前記トーションバーの幅方向の両側から結合し、前記外側結合位置において前記トーションバーを前記回転軸線の回りに往復回動させるアクチュエータと、
   前記厚さ方向に前記一方側から前記ミラー面を見るときの方向視としての正面視で、前記延在方向の両端が閉じられているとともに、前記延在方向の前記内側結合位置と前記外側結合位置との間に含まれる長さ範囲では前記回転軸線に沿って延在するように、前記トーションバーに形成されているスリットと、
   を備え、
   前記トーションバーは、前記正面視で両端間の寸法がＷａで、厚さはＴａであり、
   前記スリットは、前記正面視で幅がＷｂであり、
   （ＷａーＷｂ）／Ｔａ＜１である、光偏向器。
2. 請求項１記載の光偏向器において、
   前記正面視で、前記トーションバーの側縁と前記アクチュエータの側縁との間の第１隅部の側縁は、前記幅方向に前記トーションバーの前記側縁より外側に広がりかつ前記第１隅部の内側に凸の曲線である第１湾曲線で形成され、
   前記スリットは、前記幅方向の幅が前記Ｗｂより広い第１湾曲輪郭形状で、前記外側結合位置を内に含む領域として設定されている外側結合領域内に、形成されている外側端部を有している、光偏向器。
3. 請求項１記載の光偏向器において、
   前記正面視で、前記ミラー部の側縁と前記トーションバーの側縁との間の第２隅部の側縁は、前記幅方向に前記トーションバーの前記側縁より外側に広がりかつ前記第２隅部の内側に凸の曲線である第２湾曲線で形成され、
   前記スリットは、前記幅方向の幅が前記Ｗｂより広い第２湾曲輪郭形状で、前記内側結合位置を内に含む領域として設定されている内側結合領域内に、形成されている内側端部を有している、光偏向器。
4. 請求項３記載の光偏向器において、
   前記ミラー部は、前記正面視で円形であり、
   前記正面視で、前記第２湾曲輪郭形状は、前記円形と同心円の円弧で延在する内側湾曲輪郭部と、前記内側湾曲輪郭部より前記ミラー部の周縁側に位置し前記内側湾曲輪郭部の両端から前記第２湾曲線に並行して延在する外側湾曲輪郭部とを含む、光偏向器。
5. 請求項３又は４記載の光偏向器において、
   前記正面視で、前記トーションバー（の側縁と前記アクチュエータの側縁との間の第１隅部の側縁は、前記幅方向に前記トーションバーの前記側縁より外側に広がりかつ前記第１隅部の内側に凸の曲線である第１湾曲線で形成され、
   前記スリットは、前記幅方向の幅が前記Ｗｂより広い第１湾曲輪郭形状で、前記外側結合位置を内に含む領域として設定されている外側結合領域内に、形成されている外側端部を有している、光偏向器。
6. 請求項１～４のいずれかに記載の光偏向器において、
   前記スリットは、前記延在方向の前記内側結合位置と前記外側結合位置との間に含まれる長さ範囲では、前記正面視で前記回転軸線に沿って等幅で延在している、光偏向器。
7. 請求項１～４のいずれか１項に記載の光偏向器において、
   Ｗａ／Ｔａ＜１である、光偏向器。
8. 請求項１～４のいずれか１項に記載の光偏向器において、
   Ｗｂ≦２・Ｗｃである、光偏向器。

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