WO2019098285A1

WO2019098285A1 - 光偏向器

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Publication number: WO2019098285A1
Application number: PCT/JP2018/042317
Authority: WO
Inventors: 友崇矢部; 研至河合; 大島　清朗
Original assignee: パイオニア株式会社
Priority date: 2017-11-16
Filing date: 2018-11-15
Publication date: 2019-05-23

Abstract

揺動部の振角を大きくすることができる光偏向器を提供する。揺動部（２）の外縁（２４）における第１位置（Ｐ１）とベース部（３）との間の空間が、第１位置（Ｐ１）よりも揺動軸に近い第２位置（Ｐ２）とベース部（３）との間の空間よりも広いことで、速度が高く空気抵抗を受けやすい部分において空気抵抗を低減することができる。従って、揺動部の外縁とベース部との間隔を一定とする構成と比較して、駆動素子（４）の平面視面積を確保して駆動力を大きくしつつ、空気抵抗の増大を抑制することができ、揺動部（２）の振角を大きくすることができる。

Description

光偏向器

　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、圧電アクチュエータ（駆動素子）によってミラー部（揺動部）を揺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、圧電アクチュエータの内縁が、円形のミラー部の外縁に沿うように円弧状に形成されている。

特開２０１３－２００３３７号公報

　このような光偏向器では、例えば光を走査する範囲を広げるために、揺動部の振角（揺動時の可動角度）を大きくすることが求められる場合がある。このとき、駆動素子の平面視面積を大きくして駆動力を大きくする対応が考えられるが、同時に光偏向器全体を小型化しようとする場合、光偏向器における駆動素子の面積占有率を大きくする必要がある。しかしながら、駆動素子と揺動部との間の空間が狭くなると、揺動時において揺動部に生じる空気抵抗による抵抗力が大きくなってしまう。即ち、駆動素子の駆動力を向上させても、抵抗力が大きくなってしまうため、揺動部の振角を大きくすることが困難であった。

　したがって、本発明の課題は、揺動部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、揺動部と、所定の揺動軸を中心に前記揺動部を揺動可能に支持するベース部と、を備えた光偏向器であって、前記揺動部の外縁は、前記揺動軸からの最短距離が第１距離だけ離れた第１位置と、前記揺動軸からの最短距離が前記第１距離よりも短い第２距離だけ離れた第２位置と、を有し、前記第１位置と前記ベース部との間の空間が、前記第２位置と前記ベース部との間の空間よりも広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揺動部とベース部との間隔と、揺動時に生じる抵抗力と、の関係を示すグラフである。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。本発明の第３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４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、揺動部と、所定の揺動軸を中心に揺動部を揺動可能に支持するベース部と、を備える。揺動部の外縁は、揺動軸からの最短距離が第１距離だけ離れた第１位置と、揺動軸からの最短距離が第１距離よりも短い第２距離だけ離れた第２位置と、を有する。第１位置とベース部との間の空間が、第２位置と前記ベース部との間の空間よりも広い。

　揺動部が揺動する際、その外縁の速度は、揺動軸からの距離に比例して高くなる。尚、外縁の揺動軸からの距離とは、揺動軸と直交する方向における距離を意味する。また、揺動部が受ける空気抵抗は、その速度の２乗に比例して大きくなる。従って、揺動部は、その外縁のうち揺動軸から離れた位置ほど、受ける空気抵抗が大きくなる。本実施形態の光偏向器では、揺動部の外縁が、揺動軸から第１距離だけ離れた第１位置と、第１距離よりも短い第２距離だけ離れた第２位置と、を有しており、第１位置と前記ベース部との間の空間が、第２位置とベース部との間の空間よりも広いことで、速度が高く空気抵抗を受けやすい部分において空気抵抗を低減することができる。尚、各位置とベース部の間の空間とは、単にこれらの間の最短距離だけでなく外縁に沿った方向の寸法も含むものであり、平面視面積を意味する。

　これにより、揺動部の外縁とベース部との間隔を一定とする構成と比較して、駆動素子の平面視面積を確保して駆動力を大きくしつつ、空気抵抗の増大を抑制することができ、揺動部の振角を大きくすることができる。尚、光偏向器は、上記のような第１位置と第２位置との組み合わせを少なくとも１対有していればよい。即ち、揺動軸からの距離と、揺動部の外縁とベース部との間の空間の広さと、の関係が、第１位置および第２位置における関係とは逆となる部分を有していてもよい。

　第１位置は、搖動部における搖動軸の中心から、搖動軸と直交する方向の揺動部の外縁であることが好ましい。例えば、揺動部が円状または楕円状の場合には、外縁のうち揺動軸から最も離れた位置を第１位置とすることが好ましい。

　揺動部は、光を反射する反射部を有することが好ましい。また、第１位置からベース部までの最短距離が、第２位置からベース部までの最短距離よりも長いことが好ましい。

　ベース部に配置されて搖動部を搖動させる駆動素子を備え、駆動素子は、ベース部のうち、少なくとも揺動部の外縁と隣接する領域に配置されていることが好ましい。これにより、駆動素子の平面視面積を大きくし、駆動力を大きくすることができる。

　ベース部は、揺動軸に交差するように延びる一対の梁状部を有し、揺動部は、一対の梁状部の間に配置されるとともに、揺動軸に沿って延びる支持部によって梁状部に支持されていることが好ましい。これにより、駆動素子がベース部の面直方向に沿って振動した際に、この振動が梁状部に伝達され、支持部によって梁状部に支持された揺動部が揺動する。

　ベース部が、揺動軸を挟むように揺動部の両側に配置されてもよいし、揺動軸との直交方向において揺動部の片側に配置されてもよい。駆動素子を両側に配置すれば、合計の駆動力を大きくすることができ、揺動部の振角を大きくしやすい。一方、駆動素子を片側に配置すれば、光偏向器全体の構成を簡略化することができる。

　揺動部の外縁とベース部との間に、揺動部の外縁が揺動軸から離れるにしたがってこれらの間の空間が広くなる漸拡大領域が形成されていることが好ましい。これにより、揺動部に生じる空気抵抗による抵抗力を、外縁における各位置において略等しくしやすい。尚、漸拡大領域は、前記ミラーの外縁と前記ベース部との間の全体に亘って形成されていてもよいし、一部にのみ形成されていてもよい。また、漸拡大領域において、外縁やベース部に局所的な凹凸が形成されていてもよい。

　第１位置とベース部との間の空間が第２位置とベース部との間の空間よりも広くなるように、揺動部の外縁と、これに対向するベース部の縁部と、のうち少なくとも一方に凹部が形成されていてもよい。これにより、揺動部のうち特に大きな空気抵抗を受けやすい部分（例えば外縁のうち揺動軸から最も離れた位置）において、効果的に空気抵抗を低減することができる。尚、ここでの「凹部」とは、内縁または外縁における他の部分と不連続に形成されることにより、連続的に形成された場合よりも後退した形状を有するものを意味する。例えば、平面視円形状の揺動部においてその一部を切り取った場合、この切り取られた部分が凹部となる。

　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１は、図１に示すように、揺動部２と、ベース部３と、駆動素子４と、フレーム５と、を備える。光偏向器１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、揺動部２の揺動軸の方向をＸ方向とし、後述するように板状に形成されたベース部３の面内においてＸ方向と直交する方向をＹ方向とし、ベース部３の面直方向をＺ方向とする。

　揺動部２は、光を反射する反射部２１を片面に有し、円板状に形成されている。揺動部２のＸ方向両側の端部には、Ｘ方向に沿って延びる支持部２２、２３が一体に形成されている。

　ベース部３は、Ｙ方向を長辺方向とするとともにＸ方向を長辺方向とする長方形板状のベース本体３０を有し、フレーム５の内側に配置されている。ベース本体３０の一方の長辺がフレーム５と一体に形成されるかまたは固定され、他方の長辺に切欠き部３１が形成されている。ベース本体３０の短辺はいずれもフレーム５から離れている。ベース本体３０の他方の長辺からは、切欠き部３１を挟む位置において、一対の梁状部３２、３３が突出している。梁状部３２、３３は、Ｙ方向に沿って延びている。

　梁状部３２、３３は、揺動部２をＸ方向から挟むように位置し、それぞれ支持部２２、２３と一体に形成されている。即ち、揺動部２は、一対の梁状部３２、３３の間に配置されるとともに、揺動軸に沿って延びる支持部２２、２３によって梁状部３２、３３に支持されている。

　駆動素子４は、ベース部３のうちベース本体３０に配置されている。駆動素子４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ものであって、電極間に電圧が印加されることにより、Ｚ方向を振動方向として振動するものである。駆動素子４が振動する際の周波数は、揺動部２の共振周波数と略一致しており、駆動素子４の振動によって揺動部２が支持部２２、２３を揺動軸として揺動する。これにより、揺動部２の反射部２１の角度が変化し、反射部２１に照射されて反射される赤外線が走査される。

　フレーム５は、矩形枠状に形成されたものであって、揺動部２とベース部３と駆動素子４とをその内側に収容する。

　ここで、揺動部２およびベース部３の詳細な形状及び配置について説明する。まず、ベース部３に形成された切欠き部３１は、その内縁３１１が、Ｙ方向を長手方向とするオーバル形状の一部となっている。尚、オーバル形状とは、楕円および角丸四角形を含む概念であって、切欠き部３１の内縁３１１は、楕円の一部（例えば略半分）であってもよいし、Ｙ方向に沿って延びる一対の直線部と、これらの間に位置する円弧部と、により構成されていてもよい。

　円形状の揺動部２は、その一部が切り欠き部３１に位置付けられるとともに、その中心が切欠き部３１の外側に位置している。揺動部２の外縁２４と、切欠き部３１の内縁３１１と、は間隔をあけつつ隣接（対向）する。駆動素子４にはベース本体３０の切欠き部３１と同様の切欠きが形成されており、駆動素子４は、ベース部３のうち、揺動部２の外縁２４と隣接する領域に配置されている。

　上記のように揺動部２が円形状であり、切欠き部３１の内縁３１１がＹ方向を長手方向とするオーバル形状であることから、外縁２４と内縁３１１との間の空間（すなわち、外縁２４と内縁３１１との距離）は、外縁２４が支持部２２、２３から離れるにしたがって広くなっており、これらの間の全体に漸拡大領域Ａ１が形成されている。

　揺動部２の外縁２４における揺動軸（支持部２２、２３を通る軸、一点鎖線で図示）から搖動軸と直交する方向に第１距離Ｌ０１だけ離れた位置を第１位置Ｐ１とし、外縁２４における揺動軸から搖動軸と直交する方向に第１距離Ｌ０１よりも短い第２距離Ｌ０２だけ離れた位置を第２位置Ｐ２とする。このとき、第１位置Ｐ１からベース部３までの最短距離Ｌ１が、第２位置Ｐ２からベース部３までの最短距離Ｌ２よりも長くなる。従って、第１位置Ｐ１とベース部３との間の空間が、第２位置Ｐ２とベース部３との間の空間よりも広くなる。

　尚、図示の例では、外縁２４における揺動軸から最も離れた位置（搖動部２における搖動軸の中心から、搖動軸と直交する方向の揺動部２の外縁２４）を第１位置Ｐ１としているが、上記のように外縁２４と内縁３１１との間の全体に漸拡大領域Ａ１が形成されていることから、任意の二点を第１位置および第２位置とした場合、最短距離Ｌ１が最短距離Ｌ２よりも長くなる。

　ここで、外縁２４と内縁３１１との間隔（最短距離）と、揺動部２の揺動時にベース部３との間に生じる空気抵抗による抵抗力との関係を図２に示す。間隔が大きくなるほど抵抗力が小さくなる。尚、図２のグラフでは、揺動時の速度を一定と仮定している。一方、外縁２４の速度は、揺動軸からの距離に比例して高くなり、空気抵抗の抵抗力は速度の２乗に比例して高くなる。切欠き部３１の形状は、外縁２４の各位置に生じる抵抗力が略等しくなるように設定されている。

　上記の構成により、第１位置Ｐ１とベース部３との間の空間が、第１位置Ｐ１よりも揺動軸に近い第２位置Ｐ２とベース部３との間の空間よりも広いことで、速度が高く空気抵抗を受けやすい部分において空気抵抗を低減することができる。従って、揺動部の外縁とベース部との間隔を一定とする構成と比較して、駆動素子４の平面視面積を確保して駆動力を大きくしつつ、空気抵抗の増大を抑制することができ、揺動部２の振角を大きくすることができる。

　また、駆動素子４がベース部３のうち揺動部２の外縁２４と隣接する領域に配置されていることで、駆動素子４の平面視面積を大きくし、駆動力を大きくすることができる。

　また、揺動部２の外縁２４とベース部３の内縁３１１との間に漸拡大領域Ａ１が形成されていることで、揺動部２に生じる抵抗力を、外縁２４における各位置において略等しくしやすい。

　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、揺動部２の外縁２４とベース部３の内縁３１１との間の全体に漸拡大領域Ａ１が形成されているものとしたが、これらの間の一部にのみ漸拡大領域が形成されていてもよい。また、漸拡大領域を形成せずに、ベース部の切欠き部の内縁と、揺動部の外縁と、のうち少なくとも一方に凹部を形成してもよい。この一例を図３に示す。

　図３に示す変形例の光偏向器１Ｂでは、ベース部３の切欠き部３１の内縁３１１に、さらに凹部３１１Ａが形成されている。凹部３１１Ａは内縁３１１のうち揺動軸から最も離れた位置に形成されている。揺動部２の外縁２４のうち凹部３１１Ａに対向する任意の位置を第１位置Ｐ３とし、第１位置Ｐ３から搖動軸と直交する方向における揺動軸までの距離を第１距離Ｌ０３とする。外縁２４における揺動軸から搖動軸と直交する方向に第１距離Ｌ０３よりも短い第２距離Ｌ０４だけ離れた位置を第２位置Ｐ４とする。このとき、第１位置Ｐ３からベース部３までの最短距離Ｌ３が、第２位置Ｐ４からベース部３までの最短距離Ｌ４よりも長くなり、第１位置Ｐ３とベース部３との間の空間が、第２位置Ｐ４とベース部３との間の空間よりも広くなる。

　尚、揺動部の外縁のうち、例えば揺動軸から最も離れた領域に凹部を形成してもよい。このとき、凹部は、外縁における他の部分と不連続に形成されることにより、連続的に形成された場合よりも後退した形状を有するものを意味しており、例えば、平面視円形状の揺動部において、外縁近傍の一部を切り取った形状とし、この切り取られた部分を凹部としてもよい。また、上記のような漸拡大領域と、凹部と、の両方を形成してもよい。

　また、前記実施例では、ベース部３がＹ方向において揺動部２の片側に配置されているものとしたが、図４、５に示すように、両側に配置されるものとしてもよい。図４に示す光偏向器１Ｃでは、ベース部３が、支持部２２、２３を挟むように揺動部２の両側に配置されている。また、一対のベース本体３０によって梁状部３２、３３がＹ方向から挟み込まれている。このとき、一対のベース部３のそれぞれに設けられた駆動素子４は、互いに逆位相で振動するように電圧が印加される。このように一対のベース部３および駆動素子４を設けることにより、揺動部２を揺動させるための駆動力を向上させることができる。

　図５に示す光偏向器１Ｄでは、梁状部３４、３５が、フレーム５と一体に形成されるかまたは固定されるとともにＸ方向に沿って延びている。また、ベース本体３０が、Ｙ方向の外側（揺動部２と反対側）においてフレーム５に固定されずに離隔している。即ち、ベース本体３０は、梁状部３４、３５によってフレーム５に支持されている。尚、図５に示すようにベース本体３０がＹ方向外側においてフレーム５に固定されない構成において、ベース部３が揺動部２に対してＹ方向の片側にのみ設けられてもよい。

　また、前記実施例では、揺動部２が円形状であり、切欠き部３１の内縁３１１がオーバル形状であるものとしたが、このような形状に限定されない。例えば、揺動部がＸ方向を長手方向とするオーバル形状であるとともに、切欠き部の内縁が円弧状であるものとしてもよい。また、図６に変形例の光偏向器１Ｅとして示すように、揺動部２および切欠き部３１Ｂの内縁３１１Ｂを矩形状としてもよい。このとき、揺動部２の外縁２４Ｂのうち、搖動時に最も大きく搖動する部分である長辺（Ｘ方向に沿って延びる辺）における任意の位置を第１位置Ｐ５とし、長辺と交わる方向に延びる短辺（Ｙ方向に沿って延びる辺）における任意の位置を第２位置Ｐ６とする。第１位置Ｐ５からベース部３までの最短距離Ｌ５が、第２位置Ｐ６からベース部３までの最短距離Ｌ６よりも長くなり、第１位置Ｐ５とベース部３との間の空間が、第２位置Ｐ６とベース部３との間の空間よりも広くなっている。

　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          揺動部
　２１        反射部
　２２、２３  支持部
　２４        外縁
　３          ベース部
　３２、３３  梁状部
　４          駆動素子
　Ｐ１        第１位置
　Ｐ２        第２位置
　Ａ１        漸拡大領域
　３１１Ａ    凹部

Claims

　揺動部と、
　所定の揺動軸を中心に前記揺動部を揺動可能に支持するベース部と、を備えた光偏向器であって、
　前記揺動部の外縁は、前記揺動軸からの最短距離が第１距離だけ離れた第１位置と、前記揺動軸からの最短距離が前記第１距離よりも短い第２距離だけ離れた第２位置と、を有し、
　前記第１位置と前記ベース部との間の空間が、前記第２位置と前記ベース部との間の空間よりも広いことを特徴とする光偏向器。
　前記第１位置は、前記搖動部における前記搖動軸の中心から、前記搖動軸と直交する方向の前記揺動部の外縁であることを特徴とする請求項１に記載の光偏光器。
　前記第１位置から前記ベース部までの最短距離が、前記第２位置から前記ベース部までの最短距離よりも長いことを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
　前記揺動部は、光を反射する反射部を有することを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
　前記ベース部に配置されて前記搖動部を搖動させる駆動素子を備え、
　前記駆動素子は、前記ベース部のうち、少なくとも前記揺動部の外縁と隣接する領域に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
　前記ベース部は、前記揺動軸に交差するように延びる一対の梁状部を有し、
　前記揺動部は、前記一対の梁状部の間に配置されるとともに、前記揺動軸に沿って延びる支持部によって前記梁状部に支持されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
　前記ベース部が、前記揺動軸を挟むように前記揺動部の両側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
　前記ベース部が、前記揺動軸との直交方向において前記揺動部の片側に配置されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
　前記揺動部の外縁と前記ベース部との間に、前記揺動部の外縁が前記揺動軸から離れるにしたがってこれらの間の空間が広くなる漸拡大領域が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
　前記第１位置と前記ベース部との間の空間が前記第２位置と前記ベース部との間の空間よりも広くなるように、前記揺動部の外縁と、これに対向する前記ベース部の縁部と、のうち少なくとも一方に凹部が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。