JP5876345B2

JP5876345B2 - 光偏向器

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Publication number: JP5876345B2
Application number: JP2012067984A
Authority: JP
Inventors: 雅直谷
Original assignee: Stanley Electric Co Ltd
Current assignee: Stanley Electric Co Ltd
Priority date: 2012-03-23
Filing date: 2012-03-23
Publication date: 2016-03-02
Anticipated expiration: 2032-03-23
Also published as: US9097894B2; US20130250390A1; JP2013200404A

Description

本発明は、走査用光束を出射する光偏向器に関する。

例えば、スキャナや車両用前照灯等に装備される光偏向器は、所定の軸線回りに往復揺動しつつ、光源から入射された光束を反射する反射部を備える。

従来の光偏向器（例：特許文献１）では、円形の反射部と円環部と支持部とが、中心点を揃えて、径方向内側から外側へ順番に配設され、反射部と円環部とは同一の直径方向上で反射部の両側の２つのトーションバーにより結合され、円環部と支持部とは、２つのトーションバーが並ぶ直径方向に対して直角をなす直径方向上で円環部の両側の２つの結合バーにより結合され、圧電素子が、円環部における所定部位に積層され、所定の周波数で収縮して、円環部を撓ませることにより、反射部をトーションバーの軸線回りに往復揺動させている。

特開２００８−２０７０１号公報

従来の光偏向器では、上記のように、２つのトーションバーが配置される直径方向と２つの結合バーが配置される直径方向とが直交関係となっている。すなわち、２つのトーションバーと２つの結合バーとは周方向に９０°間隔で交互に配置されている。

従来の光偏向器に対し、発明者は、円環部が共振している時の円環部の各部位の振幅を調べた。それによると、円環部において２つのトーションバーが配置される直径方向に対して垂直な直径方向の部位は、共振振動の腹に相当し、両直径方向に対してほぼ４５°の直径方向の部位が円環部において共振振動時の節に相当することを知見した。

一方、光偏向器の反射部を軸線回りに高周波数で往復揺動させる場合は、共振を利用することが有利であるので、一般的に、円環は共振振動数で作動する。また、大きい回転角で往復揺動する反射部では、反射面の動的な変形を抑制するために、反射部の裏面側に補強部が設けられることがある。その場合、補強部が付加された分、反射部の慣性モーメントは増大するので、結合バーが円環部の共振時の腹の相当位置に結合していることは、結合バーの耐久性にとって不利である。

本発明は、圧電素子により反射部をトーションバーの軸線の回りに往復揺動させつつ、反射部に光束を入射させて、反射光を走査用光束として出射する光偏向器において、圧電素子が固着されている環状部を支持する結合バーの耐久性を向上させることを目的とする。

第１発明の光偏向器は、光源からの光束を反射する反射部と、前記反射部と同心に配置され前記反射部の径方向外側から前記反射部を包囲する湾曲輪郭の環状部と、前記反射部と同心に配置され前記環状部の外周側から前記環状部を包囲する支持部と、前記反射部の往復揺動軸線上でかつ前記反射部の両側に配置されて前記反射部と前記環状部とを結合する２つのトーションバーと、４５°を含む所定角度範囲内で前記反射部の中心点において前記往復揺動軸線と交差する２つの交差軸線上でかつ前記環状部の両側に配置されて前記環状部と前記支持部とを結合する４つの結合バーと、前記環状部に固着され印加電圧により収縮して前記反射部を前記往復揺動軸線の回りに往復揺動させる圧電素子とを備えることを特徴とする。

第１発明によれば、結合バーは、環状部において反射部の共振振動時に節位置になっている交差軸線上で環状部と結合するので、結合バーの耐久性を向上させることができる。

第１発明によれば、結合バーは合計４つ設けられるので、反射部の良好な共振振動を確保しつつ、結合バーが２つである従来の光偏向器に比して、環状部の支持を安定化させることができる。

第２発明の光偏向器は、第１発明において、前記圧電素子は、前記２つの交差軸線上を外した前記環状部の部位に固設されていることを特徴とする。

第２発明によれば、圧電素子は、交差軸線上にならない環状部上の位置、すなわち、反射部の共振振動時に環状部の腹位置において環状部に固設される。この結果、圧電素子の収縮に伴い、環状部が共振振動の腹部の部位において大きく変位するので、圧電素子による往復揺動軸線回りの反射部の往復揺動の増進効果が高まる。

走査光生成装置の概略構成図。光偏向器の斜視図。補強環付き反射部を装備する光偏向器の斜視図。共振振動時の光偏向器の各部位の変位について測定したときの各部位の説明図。共振振動時の光偏向器の各部位の変位について測定グラフ。図４の所定の２位置間の円弧線上の各部位の共振振動を示す図。

図１において、走査光生成装置１は光偏向器２と光源３と制御装置４とを備える。制御装置４は光偏向器２及び光源３へ制御信号を送る。制御装置４から光偏向器２への制御信号は反射部９の往復揺動を制御する。制御装置４から光源３への制御信号は光源３のオン・オフ（点灯・消灯）を反射部９の往復揺動に同期して制御する。走査光生成装置１の作動中は、光源３を常時、点灯状態にして、制御装置４から光源３への制御信号は省略することもできる。

図２は、光偏向器２を前面側から見た斜視図である。光偏向器２は、半導体プロセスやマイクロマシン技術を用いた周知のＭＥＭＳ（micro electro mechanical systems）デバイスとして、半導体基板上にミラーや圧電アクチュエータ等の機構部品を一体的に形成して、製造される（例：本出願人による特開２００９−１６９３２６号公報及び特開２００９−２２３１６５号公報等）。

光偏向器２は、中心Ｏに揃えて同心に配設された反射部９、環状部１０及び支持枠部１１を内側から外側へ順番に有する。円形の反射部９は前面側が鏡面になっている。環状部１０は、内外周の輪郭が円形の円環として形成され、内周側において反射部９を包囲する。支持枠部１１は、中心Ｏを中心とする内周１２を有し、内周１２において環状部１０を包囲する。

軸線Ｃ１〜Ｃ４は、反射部９の鏡面を含む平面内に存在するものとして定義しており、軸線Ｃ１は、反射部９の揺動軸線に一致するものとして定義している。なお、厳密には、軸線Ｃ１と反射部９の揺動軸線とは反射部９の厚さの１／２だけずれるが、反射部９の厚さは微小であるので、ずれは無視することができる。

軸線Ｃ１〜Ｃ４は共に中心Ｏを通過する。軸線Ｃ１〜Ｃ４は、光偏向器２の前面に正対する側から光偏向器２を見て，時計方向にその順番で４５°間隔で配置されている。

トーションバー１３ａ，１３ｂは、軸線Ｃ１上において中心Ｏの両側に配設され、反射部９の周部と環状部１０の内周部とを連結する。結合バー１４ａ，１４ｃは軸線Ｃ３上において中心Ｏの両側に配設され、結合バー１４ｂ，１４ｄは軸線Ｃ４上において中心Ｏの両側に配設される。結合バー１４ａ〜１４ｄは環状部１０の外周部と内周１２とを連結する。

圧電素子１５ａ〜１５ｆは、環状部１０の前面に積層により固着され、制御装置４からの制御信号により環状部１０の周方向に収縮する。環状部１０における各圧電素子１５ａ〜１５ｆの周方向位置は後述の図６で説明する環状部１０の共振振動の腹に相当する部位となっている。圧電素子１５ａ〜１５ｆの収縮により環状部１０における圧電素子１５ａ〜１５ｆの設置部位は圧電素子１５ａ〜１５ｆ内に撓み込まれ、この結果、トーションバー１３ａ，１３ｂを軸線Ｃ１の回りにねじる。

環状部１０において、圧電素子１５ａ，１５ｆはトーションバー１３ａを周方向に間に挟んで固設され、圧電素子１５ｃ，１５ｄはトーションバー１３ｂを周方向に間に挟んで固設され、圧電素子１５ｂ，１５ｅは軸線Ｃ２にまたがって固設されている。圧電素子１５ｂ，圧電素子１５ｅの周方向寸法は圧電素子１５ａ，１５ｃ，１５ｄ，１５ｆの周方向寸法の２倍となっている。

光偏向器２の作動について説明する。なお、支持枠部１１は本発明の支持部に相当する。反射部９、環状部１０及びトーションバー１３ａ，１３ｂは、軸線Ｃ１の回りに一体的に往復揺動するのに伴い、図４で後述のｚ軸方向に所定の共振振動を行う。以下、該共振振動時の周波数を「共振周波数」という。

制御装置４は、軸線Ｃ１に対して一方の側の圧電素子１５ａ〜１５ｃの組と、他方の側の圧電素子１５ｄ〜１５ｆの組とを、収縮が相互に逆の関係になるように、かつ共振周波数の半周期ごとに収縮と収縮解除とが交互に切り替わるように、圧電素子１５ａ〜１５ｆに対して駆動電圧を送る。この結果、トーションバー１３ａ，１３ｂは、軸線Ｃ１の回りに共振周波数の半周期ごとにねじりの向きを切替えられるとともに、反射部９は、軸線Ｃ１の回りに共振周波数を往復揺動周波数として往復揺動する。

光源３は、光束５を反射部９の中心Ｏへ向けて出射し、反射部９は、光源３からの光束５を各時点における反射部９の揺動角に対応する反射角で反射する。反射部９からの反射光は、照射点の光スポットを所定の軌跡で移動させる走査光となる。軸線Ｃ１の回りの反射部９の往復揺動周波数は、共振周波数に等しいので、走査光が走査方向に往復する走査周波数は共振周波数に等しくなる。

後述の図６で説明するように、結合バー１４ａ〜１４ｄの周方向位置は、共振振動時の節の位置に相当する。したがって、共振振動時の結合バー１４ａ〜１４ｄのｚ軸方向（後述の図４）の変位量は小さく、これにより、結合バー１４ａ〜１４ｄの耐久性が向上する。

結合バー１４ａ〜１４ｄは、計４つ存在するので、従来の光偏向器の場合の２つの結合バーに比べて、個数が増大するとともに、周方向の配置密度も増大する。したがって、光偏向器２では、結合バー１４ａ〜１４ｄの太さを細くしつつ、反射部９の支持を安定化することができる。

制御装置４は、光源３を常時点灯することなく、軸線Ｃ１回りの反射部９の一方の回転方向の期間（走査方向の往路に対応する。）のみ光源３を点灯させ、他方の回転方向の期間（走査方向の復路に対応する。）では光源３を消灯させることもできる。

図３は光偏向器２の変形例としての光偏向器１７の斜視図である。図３（ａ）及び（ｂ）は光偏向器１７をそれぞれ前面側及び後面側から見ている。光偏向器１７の各構成部において、光偏向器２に対応構成部があるものは、該対応構成部に付けた符号と同一の符号が付けられている。光偏向器１７については、光偏向器２との相違点を中心に説明する。

光偏向器１７では、補強環１８が反射部９の裏面（後面）側に設けられている。補強環１８は、反射部９の裏面側において反射部９の周部に沿って形成され反射部９から所定寸法、起立している。補強環１８は反射部９の剛性を増大させる。

軸線Ｃ１回りの反射部９の往復揺動が高速となったり、往復揺動角が大きくなったりすると、反射部９の鏡面が歪んで、反射部９から反射光として出射する光束５の方向が乱れる原因になる。光偏向器１７は、反射部９の鏡面の歪みを抑制する役目を果たす。

図４は共振振動時の光偏向器４０における環状部１０上の各部位の変位を測定した時の各部位を定義する説明図である。光偏向器４０は従来構造の光偏向器として図示している。光偏向器４０の構造部において、光偏向器２に同一の構造部が存在するものは、該同一の構造部に付けた符号と同一の符号で指示する。光偏向器４０の構造について、光偏向器２との相違点を中心に説明する。

光偏向器４０は、光偏向器２，１７のように、結合バー１４ａ〜１４ｄが軸線Ｃ３，Ｃ４上に配設されたものではなく、結合バー４１ａ，４１ｂが軸線Ｃ２上に配設されたものとなっている。すなわち、光偏向器４０における結合バー４１ａ，４１ｂの周方向位置はトーションバー１３ａ，１３ｂの周方向位置から９０°離れた位置になっている。

半軸線Ｄ１〜Ｄ５は、軸線Ｃ１〜Ｃ４（図２）の場合と同じく、反射部９の鏡面を含む平面上に定義される。中心Ｏを端点とする半直線としての半軸線Ｄ１〜Ｄ５は、中心Ｏの回りに２２．５°間隔で定義されている。半軸線Ｄ１は軸線Ｃ１に含まれ、半軸線Ｄ５は軸線Ｃ２に含まれ、半軸線Ｄ３は軸線Ｃ３に含まれる。Ｌは、半径が環状部１０の内周の半径と外周の半径との平均値であり、中心Ｏを中心とする半円弧となっている。

位置Ｐ１〜Ｐ５は半軸線Ｄ１〜Ｄ５とＬとの交点である。位置Ｐ０は、半軸線Ｄ５を中心Ｏから位置Ｐ５とは反対方向へ延長したときの延長線とＬとの交点である。位置Ｐ０と位置Ｐ５とはＬの両端でもある。

ｘ軸は半軸線Ｄ５に対して平行な方向、ｙは半軸線Ｄ１に対して平行な方向として定義される。ｚ軸はｘ軸及びｙ軸の両方に直角な方向として定義される。なお、図４で定義しているｘ−ｙ−ｚ座標系の原点は、反射部９の中心Ｏではなく、光偏向器４０の前方から光偏向器４０を見たときの支持枠部１１の右上付近の位置に設定している。

図５は光偏向器４０の共振振動時の環状部１０上の各部位のｚ軸方向の振幅を測定したものである。各部位の座標及び振幅の単位はすべてｍｍとなっている。各部位の振幅は円の直径の大きさに対応している。図５では、位置Ｐ１〜Ｐ５の振幅と共に、環状部１０上にあって位置Ｐ１〜Ｐ５とはｘ座標が同一でかつｙ軸方向両側から位置Ｐ１〜Ｐ５を挟んでいる近傍点の振幅も測定している。

図５から、共振振動時の位置Ｐ１〜Ｐ５のｚ軸方向振幅について、位置Ｐ３が最小の０．３ｍｍ、位置Ｐ１が最大の４．４ｍｍ、位置Ｐ５は２．２ｍｍとなっている。また、位置Ｐ２及び位置Ｐ４の振幅はそれぞれ中間の１．６ｍｍ，１．５ｍｍとなっている。

位置Ｐ５が位置Ｐ１より振幅が小さいのは、結合バー４１ａ，４１ｂが位置Ｐ５に存在するためと考えられる。結合バー４１ａ，４１ｂが存在しなければ、位置Ｐ５の振幅は位置Ｐ１の振幅と同程度と推測される。したがって、軸線Ｃ２上に結合バーが存在しない光偏向器２，１７では、共振時の位置Ｐ５の振幅は２．２ｍｍより大と推測される。

従来構造の光偏向器４０では、結合バー４１ａ，４１ｂが振幅の大きい部位に存在している事が知見されるとともに、位置Ｐ３は共振振動の節の部位となり、位置Ｐ１，Ｐ５は共振振動の腹の部位となっていることが知見される。

図６は図５の測定結果に基づいて共振振動時のＬ上の各部位のｚ軸方向の振動状態を表している。環状部１０において共振振動時の腹に相当する周方向部位は、位置Ｐ０，Ｐ１，Ｐ５となり、節に相当する周方向部位は腹と腹との間の位置Ｐ３であることが知見できた。

光偏向器２，１７では、前述したように、図５の知見に基づいて、結合バー１４ａ〜１４ｄの周方向位置は共振振動時の環状部１０の節位置に合わせているとともに、圧電素子１５ａ〜１５ｆの周方向位置は共振振動時の環状部１０の腹位置に合わせている。

この結果、結合バー１４ａ〜１４ｄの耐久性が向上するとともに、圧電素子１５ａ〜１５ｆによるトーションバー１３ａ，１３ｂの軸線回りの反射部９の往復揺動の増進効果が高まる。

さらに、環状部１０は、周方向に等角度間隔の４つの結合バー１４ａ〜１４ｄにより支持枠部１１に支持されるので、２つの結合バーにより支持される場合に比して、軸線Ｃ１の回りの反射部９の往復揺動が安定化する。

本発明を実施の形態について説明したが、本発明は、実施の形態に限定されることなく、発明の要旨の範囲内で種々に変形して、実施可能である。

例えは、発明の実施の形態では、円環の環状部１０が使用されているが、該環状部１０に代えて、内外周が楕円の環状部を採用することもできる。

発明の実施の形態では、結合バー１４ａ〜１４ｄの周方向位置は、軸線Ｃ１に対して±４５°の軸線Ｃ３，Ｃ４上になっているが、所定の範囲で軸線Ｃ３，Ｃ４からずらした軸線上、例えば、軸線Ｃ１に対して±３０°〜±６０°の軸線上としても、結合バー１４ａ〜１４ｄの所定の耐久性向上が確保される。特に、環状部が、円環ではなく、楕円型の環状部とされた場合は、節位置は軸線Ｃ３，Ｃ４上の周方向位置から所定の角度範囲内でずれる。

１・・・走査光生成装置、２，１７・・・光偏向器、３・・・光源、５・・・光束、９・・・反射部、１０・・・環状部、１１・・・支持枠部（支持部）、１３ａ，１３ｂ・・・トーションバー、１４ａ〜１４ｄ・・・結合バー、１５ａ〜１５ｆ・・・圧電素子。

Claims

光源からの光束を反射する反射部と、
前記反射部と同心に配置され前記反射部の径方向外側から前記反射部を包囲する湾曲輪郭の環状部と、
前記反射部と同心に配置され前記環状部の外周側から前記環状部を包囲する支持部と、
前記反射部の往復揺動軸線上でかつ前記反射部の両側に配置されて前記反射部と前記環状部とを結合する２つのトーションバーと、
４５°を含む所定角度範囲内で前記反射部の中心点において前記往復揺動軸線と交差する２つの交差軸線上でかつ前記環状部の両側に配置されて前記環状部と前記支持部とを結合する４つの結合バーと、
前記環状部に固着され印加電圧により収縮して前記反射部を前記往復揺動軸線の回りに往復揺動させる圧電素子とを備えることを特徴とする光偏向器。
請求項１記載の光偏向器において、
前記圧電素子は、前記２つの交差軸線上を外した前記環状部の部位に固設されていることを特徴とする光偏向器。