WO2024084875A1 - 光偏向器 - Google Patents

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WO2024084875A1
WO2024084875A1 PCT/JP2023/033853 JP2023033853W WO2024084875A1 WO 2024084875 A1 WO2024084875 A1 WO 2024084875A1 JP 2023033853 W JP2023033853 W JP 2023033853W WO 2024084875 A1 WO2024084875 A1 WO 2024084875A1
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WO
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optical deflector
torsion bar
mirror
rotation axis
side edge
Prior art date
Application number
PCT/JP2023/033853
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English (en)
French (fr)
Inventor
春輝 田中
Original Assignee
スタンレー電気株式会社
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    • B—PERFORMING OPERATIONS; TRANSPORTING
    • B81—MICROSTRUCTURAL TECHNOLOGY
    • B81B—MICROSTRUCTURAL DEVICES OR SYSTEMS, e.g. MICROMECHANICAL DEVICES
    • B81B3/00—Devices comprising flexible or deformable elements, e.g. comprising elastic tongues or membranes
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • H—ELECTRICITY
    • H10—SEMICONDUCTOR DEVICES; ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N—ELECTRIC SOLID-STATE DEVICES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H10N30/00—Piezoelectric or electrostrictive devices
    • H10N30/20—Piezoelectric or electrostrictive devices with electrical input and mechanical output, e.g. functioning as actuators or vibrators

Definitions

  • the present invention relates to an optical deflector that is installed in a scanning device and emits scanning light.
  • Optical deflectors manufactured as MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) devices reflect an incoming laser beam onto a mirror that rotates back and forth around a rotation axis, and emit the reflected light from the mirror as scanning light (e.g., Patent Documents 1 to 3).
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • the optical deflector of Patent Document 1 comprises a mirror section, a pair of torsion bars extending from the mirror section along the rotation axis, one on each side of the mirror section in the extension direction of the rotation axis of the mirror section, and a piezoelectric actuator coupled to the tip end of each torsion bar to rotate the torsion bar back and forth around the rotation axis.
  • the optical deflector in Patent Document 2 comprises a mirror section, a total of four torsion bars, two on each side of the mirror section in the extension direction of the rotation axis of the mirror section, extending parallel to the rotation axis with equal gaps between them, and a piezoelectric actuator that is connected to the tip end of each torsion bar and rotates the torsion bar back and forth around the rotation axis.
  • the optical deflector in Patent Document 3 is equipped with a mirror section, four torsion bars, two on each side of the mirror section in the direction of extension of the rotation axis, with holes drilled so that the distance between the two becomes narrower toward the tip (i.e., in a figure of eight), and an electrostatic actuator that rotates the mirror section back and forth around the rotation axis from both sides perpendicular to the rotation axis.
  • an optical deflector it is desirable for an optical deflector to have a large scanning angle, which corresponds to the reciprocating rotation angle of the mirror part around the axis of rotation.
  • the maximum reciprocating rotation angle of the mirror part is limited by the maximum allowable stress of the torsion bar to prevent the torsion bar from being damaged as it rotates reciprocatingly.
  • the ratio of the width of the torsion bar in the front view to the thickness of the torsion bar is defined as the aspect ratio A.R. (Aspect Ratio).
  • A.R. Aspect Ratio
  • A.R. ⁇ 1 it is the corner, which is the point farthest from the axis of rotation in the cross section of the torsion bar.
  • the optical deflector in Patent Document 1 has an A.R. ⁇ 1, and the points of maximum stress in the mirror are the four corners of the mirror's cross section.
  • the only way is to narrow the width or thickness of the torsion bar. Reducing the width or thickness of the torsion bar increases the harmonics generated in the mirror, inducing abnormal vibrations in the mirror (such as vibrations in the extension direction of the rotation axis or perpendicular to the rotation axis).
  • the two torsion bars on each side of the mirror are completely open at the end opposite the mirror, with gaps extending in the width direction, reducing the transmission efficiency of the rotational force transmitted from the piezoelectric actuator to the torsion bars.
  • the two torsion bars on each side of the mirror section are connected to the mirror section at two points separated in a direction perpendicular to the axis of rotation, so compared to when there is only one point, the rotational driving force of the torsion bars or the reversal driving force when the rotation is reversed is increased, and the load on the actuator is increased.
  • the object of the present invention is to provide an optical deflector that overcomes the above-mentioned problems of the prior art and can increase the maximum allowable rotation angle of the torsion bar when the aspect ratio A.R. of the torsion bar is A.R. ⁇ 1.
  • the optical deflector of the present invention comprises: A mirror portion having a mirror surface on one side in a thickness direction and reciprocatingly rotating around a rotation axis (Da) perpendicular to the thickness direction; a pair of torsion bars extending along the rotation axis from inner joining positions at both ends of the mirror part in an extension direction of the rotation axis; an actuator that couples the torsion bar from both sides in a width direction at an outer coupling position separated from the inner coupling position in the extension direction, and rotates the torsion bar reciprocally around the rotation axis at the outer coupling position; a slit formed in the torsion bar such that, in a front view as a direction when the mirror surface is viewed from the one side in the thickness direction, both ends in the extension direction are closed, and the both ends extend along the rotation axis within a range of lengths reaching the inner coupling position and the outer coupling position; Equipped with The torsion bar has a dimension between both ends of Wa and a thickness of Ta when viewed
  • slits are formed in the torsion bar so that, when viewed from the front, both ends in the extension direction are closed, and the slits extend along the rotation axis over a length range that reaches the inner and outer bonding regions at both ends.
  • the stress acting on each torsion bar during reciprocal rotation around the rotation axis is distributed to four areas: the side surfaces of the torsion bar and the inner surfaces of the slits, so that the reciprocal rotation angle when the maximum allowable stress is generated in the torsion bar can be increased.
  • FIG. 1 is a schematic diagram of a light deflector as viewed obliquely from the front.
  • FIG. 2 is an enlarged front view of the torsion bar and its surroundings in FIG. 1 .
  • FIG. 2B is an enlarged view of the outer bond area of FIG. 2A.
  • FIG. 2B is an enlarged view of the inner bond area of FIG. 2A.
  • FIG. 2B is a front view showing an area having an inner extension portion with a shape different from that of the inner extension portion of FIG. 2A together with the inner ends of the torsion bars on both sides thereof.
  • FIG. 3B is a close-up of the inner bond area of FIG. 3A.
  • 2 is a cross-sectional view of the optical deflector cut in the thickness direction along the axis Ax in FIG.
  • FIG. 1 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the cross section of FIG. 4 at the position of the equal-width extension portion of the torsion bar.
  • FIG. FIG. 4 is an explanatory diagram of the aspect ratio of a torsion bar.
  • FIG. 13 is a stress distribution diagram around a slit when the slit is composed only of an equal-width extension portion.
  • optical deflector/overall 1 is a schematic diagram of an optical deflector 10 as viewed obliquely from the front.
  • the optical deflector 10 is manufactured as a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) device from an SOI substrate.
  • MEMS Micro Electro Mechanical Systems
  • a view in a thickness direction of the optical deflector 10 (which is also the thickness direction of the mirror section 11) from the incident side of the incident light La (the mirror surface side in the thickness direction of the mirror section 11) is referred to as a "front view.”
  • the overall configuration of the optical deflector 10 will be described briefly with reference to FIG. 1. Details of the overall configuration of the optical deflector 10 are as described, for example, in JP 2012-201386 A of the present applicant.
  • the optical deflector 10 is installed in any device equipped as an optical scanner, such as a projector (including a picoprojector), a head-up display, an automobile headlamp, or eyewear.
  • the optical deflector 10 has a symmetrical structure when viewed from the front, and includes a mirror section 11, upper and lower torsion bars 12a, 12b, left and right inner actuators 13a, 13b, a movable frame 14, left and right outer actuators 15a, 15b, and a fixed frame 16.
  • the inner actuators 13a, 13b and the outer actuators 15a, 15b are all piezoelectric actuators.
  • orthogonal axes Ax and Ay are defined at the center O of the mirror section 11.
  • the axes Ax and Ay are defined as coordinate axes parallel to the mirror surface (reflective film 64 in FIG. 4) of the mirror section 11, and are also two orthogonal rotation axes of the mirror section 11.
  • the sides closer to and farther from the center O are referred to as the inside and outside, respectively.
  • the circular mirror section 11 has a reflective film 64 ( Figure 4) on the front side (one side in the thickness direction of the mirror section 11) that acts as a mirror surface.
  • Incident light La is emitted from a laser light source (not shown), enters the mirror section 11, is reflected by the mirror section 11, and is emitted from the mirror section 11 as scanning light Lb.
  • the torsion bars 12a, 12b extend along the axis Ay and interconnect the mirror section 11 and the movable frame 14.
  • the inner actuators 13a, 13b have a peripheral contour shape that is long from top to bottom when viewed from the front when interconnected from the left and right, and each has an elliptical arc shape that is a semi-ellipse on the left and right.
  • the torsion bars 12a and 12b extend from the mirror section 11, pass beyond the joints with the inner actuators 13a and 13b, reach the movable frame 14, and are joined to the inner circumference of the movable frame 14.
  • the torsion bars 12a and 12b can also be structured so that they remain at the joints with the inner actuators 13a and 13b without reaching the inner circumference of the movable frame 14.
  • the movable frame 14 When viewed from the front, the movable frame 14 has a vertically elongated elliptical contour shape similar to the overall shape of the left and right inner actuators 13a, 13b connected to each other, and surrounds the mirror part 11, the torsion bars 12a, 12b, and the inner actuators 13a, 13b from the outside.
  • the inner actuators 13a, 13b are interposed between the torsion bars 12a, 12b and the movable frame 14.
  • the inner actuators 13a and 13b are supplied with sinusoidal drive voltages of opposite phases and resonant frequency Fy from a drive device (not shown), causing the torsion bars 12a and 12b to rotate back and forth around the axis Ay at the resonant frequency Fy.
  • the outer actuators 15a and 15b are disposed on the left and right sides of the movable frame 14, and are interposed between the outer circumference of the movable frame 14 and the inner circumference of the fixed frame 16.
  • the outer actuators 15a and 15b are composed of multiple linear piezoelectric cantilevers connected in series in a meandering pattern.
  • the outer actuators 15a and 15b are numbered in sequence from the outside to the inside in the horizontal direction (parallel to the long side of the rectangular fixed frame 16)
  • the odd-numbered piezoelectric cantilevers and the even-numbered piezoelectric cantilevers are supplied with sawtooth or triangular wave drive voltages of mutually opposite phase non-resonant frequency Fx (Fx ⁇ Fy) from a control device (not shown).
  • Fx phase non-resonant frequency
  • optical deflector 10 The overall general function of the optical deflector 10 is explained below.
  • a drive voltage is supplied to the torsion bar 12 (general term for the torsion bars 12a and 12b) and the outer actuator 15 (general term for the outer actuators 15a and 15b) from a drive device (not shown).
  • This causes the mirror section 11 to rotate back and forth around the axes Ax and Ay at the non-resonant frequency Fx and the resonant frequency Fy, respectively.
  • Fx and Fy are, for example, 60 Hz and 25 kHz, respectively.
  • incident light La of a laser beam from a laser light source is incident on the mirror section 11 which rotates back and forth around the axes Ax and Ay.
  • scanning light Lb which is the reflected light of the incident light La, is emitted from the mirror section 11 as a two-dimensional scanning beam.
  • the incident light La may be three laser beams of different colors, red, green, and blue, or may be a single predetermined color.
  • the light source control device (not shown) is capable of controlling the brightness (intensity) of the incident light La emitted from the laser light source for each color.
  • Fig. 2A is an enlarged front view of the range including the torsion bars 12a, 12b and their surroundings in Fig. 1.
  • Da is the vertical rotation axis of the mirror part 11, which extends on the axis Ay in Fig. 1.
  • the outer ends (ends farther from the center O) of the torsion bars 12a, 12b do not reach the inner periphery of the movable frame 14, and remain at the joint positions with the torsion bars 12a, 12b.
  • Slits 20a and 20b are formed in the torsion bars 12a and 12b, respectively.
  • the structure is vertically symmetrical with respect to the axis Ax (Fig. 1) when viewed from the front. For this reason, the structure and function of the upper torsion bar 12a and slit 20a will be explained, and an explanation of the structure and function of the lower torsion bar 12b and slit 20b will be omitted.
  • the slit 20a is formed in the torsion bar 12a so as to extend along the rotation axis Da and penetrate in the thickness direction.
  • the slit 20a has an equal-width extension portion 22 that extends along the rotation axis Da with an equal width, and an outer extension end 24a and an inner extension end 24b that are connected to the outer and inner ends of the equal-width extension portion 22, respectively.
  • the circumference of the mirror part 11 disappears at the joint between the mirror part 11 and the torsion bar 12a. If the boundary line between the mirror part 11 and the torsion bar 12a is set on the disappeared circumference line, the equal-width extension part 22 of the slit 20 reaches at least the boundary line inward, and typically crosses the boundary line and enters the mirror part 11. Note that the boundary line means the joint position between the mirror part 11 and the torsion bar 12a.
  • the torsion bar 12a and the inner actuators 13a, 13b are bonded to each other in the outer bonding region 36.
  • the outer bonding region 36 is defined as the region inside the left and right ends of the left and right curved outer corners (first corners) 30a, 30b in the width direction, outside the ends of the left and right curved outer corners 30a, 30b on the center O side in the extension direction, and inside the outer peripheral contours of the inner actuators 13a, 13b in the extension direction.
  • the outer bonding region 36 refers to the bonding position between the torsion bar 12a and the mirror section 11 as a whole.
  • the mirror section 11 and the torsion bar 12a are bonded to each other at the inner bonding region 38.
  • the inner bonding region 38 is defined as a region that is inside the left and right ends of the left and right curved inner corners (second corners) 32a, 32b in the width direction, and is closer to the center O than the ends of the left and right curved inner corners 32a, 32b farther from the center O in the extension direction. Furthermore, the inner bonding region 38 is defined as a region in the mirror section 11 where a predetermined stress is generated when the mirror section 11 rotates back and forth around the rotation axis Da.
  • the inner bonding region 38 as a whole refers to the bonding position between the torsion bar 12a and the mirror section 11.
  • the curved outer corners 30a, 30b are formed at the corners between the side edges of the torsion bar 12a and the inner circumferential edges of the inner actuators 13a, 13b as first curved lines that extend outward from the side edges of the torsion bar 12a in the width direction of the torsion bar 12a (perpendicular to the extension direction of the rotation axis Da and the thickness direction) and are curved inwardly of the outer bonding region 36.
  • the curved inner corners (second corners) 32a, 32b are formed at the corners between the periphery of the mirror section 11 and the side edges of the torsion bar 12a as second curved lines that extend outward from the side edges of the torsion bar 12a in the width direction and are curved inwardly of the inner bonding region 38.
  • FIG. 2B and 2C are enlarged views of the outer bonded region 36 and inner bonded region 38 of FIG. 2A, respectively.
  • the outer expanded end 24a and inner expanded end 24b of the slit 20a are formed in the outer bonded region 36 and inner bonded region 38, respectively.
  • the stress relaxation effect of the outer expanded end 24a and inner expanded end 24b will be described in detail in FIG. 7 below.
  • FIG. 7 Only the configuration of the outer expanded end 24a and inner expanded end 24b will be described with reference to FIG. 2B and FIG. 2C.
  • the outer extension end 24a is circular (an example of a first curved contour shape) in front view, except for the boundary between the outer extension end 24a and the equal-width extension 22.
  • the contour of the boundary is set to a contour that extends parallel to the first curved line of the curved outer corners 30a, 30b with approximately equal width.
  • the diameter of the outer expansion end 24a is larger than the width of the uniform width extension 22 (Wb in FIG. 6 described below), and the outer expansion end 24a is wider in the width direction of the slit 20a than the uniform width extension 22.
  • the curved outer corners 30a, 30b serve to reinforce the outer expansion end 24a against widthwise expansion.
  • the inner extension end 24b is formed in a shape (an example of a second curved contour shape) that is symmetrical with respect to the rotation axis Da when viewed from the front.
  • the inner extension end 24b is formed as a through hole defined by the outer curved contour portions 44a, 44b closer to the periphery of the mirror portion 11 and the inner curved contour portion 46 closer to the center O.
  • the outer curved contour portions 44a, 44b are set to contour lines that are parallel and of approximately equal width from the second curved lines of the curved inner corner portions 32a, 32b. The significance of such contour lines of the inner extension end 24b will be described later in comparison with the inner extension end 24c of the cylindrical hole in FIG. 3A and FIG. 3C.
  • the inner curved contour portion 46 is set to the contour line of a circular arc concentric with the circle of the mirror portion 11.
  • the width of the inner extension end 24b is greater than the width of the equal-width extension portion 22, and the inner extension end 24b is wider in the width direction of the slit 20a than the equal-width extension portion 22.
  • the curved inner corners 32a, 32b serve to reinforce the inner extension end 24b against widthwise expansion.
  • Figure 3A is a front view of the range including the mirror portion 11 and the inner ends of the torsion bars 12a, 12b in the extension direction of the rotation axis Da.
  • Figure 3B is an enlarged view of the inner bonding region 38.
  • the inner extension end 24c has the same cylindrical hole shape (another example of the second curved contour shape) as the outer extension end 24a, and is formed in the inner bonding region 38 symmetrically with respect to the rotation axis Da, penetrating the mirror portion 11.
  • the boundary between the equal-width extension portion 22 and the inner extension end 24c is set to a contour line extending parallel to the second curved line.
  • the diameter of the inner expansion end 24c is larger than the width of the uniform width extension 22, and the inner expansion end 24c is wider in the width direction of the slit 20a than the uniform width extension 22.
  • the curved outer corners 30a and 30b serve to reinforce the inner expansion end 24c against widthwise expansion.
  • FIG. 4 is a cross-sectional view taken along the axis Ax in FIG. 1 in the thickness direction of the optical deflector 10 with the mirror portion 11 in a stationary state
  • FIG. 5 is a cross-sectional view taken along a plane parallel to the cross section of FIG. 4 at the position of the equal-width extension portion 22 of the torsion bar 12a.
  • the SOI substrate 50 has a five-layered structure of, from the top, an oxide film layer 51, an active layer 52, an oxide film layer 53, a handling layer 54, and an oxide film layer 55.
  • the oxide film layers 51, 53, and 55 are made of SiO2.
  • the active layer 52 and the handling layer 54 are made of Si.
  • the piezoelectric element 58 has a three-layered structure of, from the top, an upper electrode layer 59, a PZT (lead zirconate titanate) film layer 60, and a lower electrode layer 61.
  • the mirror section 11, torsion bar 12a and fixed frame 16 are composed of all layers of the SOI substrate 50.
  • the inner actuators 13a, 13b and the outer actuators 15a, 15b are composed of two oxide film layers 51 and an active layer 52 from the top of the SOI substrate 50, and a three-layer laminate of a piezoelectric element 58 stacked on top of that.
  • the surface of the mirror section 11 is covered with a reflective film 64 made of a metal component.
  • the reflective film 64 acts as a mirror surface that reflects the incident light La ( Figure 1).
  • the equal-width extension 22 of the slit 20a penetrates the torsion bar 12a in the thickness direction.
  • the outer extension end 24a and the inner extension end 24b of the slit 20a also penetrate the outer extension end 24a of the torsion bar 12a and the inner extension end 24b of the mirror portion 11 in the thickness direction, just like the equal-width extension 22.
  • the slits 20a in the torsion bar 12a are manufactured by deep RIE.
  • Typical deep RIE methods include using high-density plasma to cool the sample to a low temperature, using an etching technique called the Bosch process, or using both.
  • the cross-sectional laminated structure in the outer bonding region 36 will be described.
  • the upper electrode layer 59 and PZT film layer 60 of the three-layer laminate of the piezoelectric element 58 are removed by etching, and only the lower electrode layer 61, the bottom layer, remains without being removed.
  • the lower electrode layer 61 is a layer of earth voltage, and as a result of the lower electrode layer 61 remaining in the outer bonding region 36, the lower electrode layers 61 of the left and right inner actuators 13a, 13b are electrically connected to each other in the outer bonding region 36. Meanwhile, the left and right inner actuators 13a, 13b are separated in the outer bonding region 36 by the upper electrode layer 59 and the PZT film layer 60, so that they can be individually driven by being supplied with individual drive voltages.
  • (aspect ratio) 6 is an explanatory diagram of the aspect ratio A.R. of the torsion bar 12a.
  • the definitions of the symbols are as follows: Wa: Width of both ends of the torsion bar 12a in front view Wb: Width of the equal-width extension portion 22 in front view Wc: Width of the left and right portions of the torsion bar 12a divided left and right by the equal-width extension portion 22 in front view Ta: Thickness of the torsion bar 12a
  • the significance of formula (5) is that although the slits 20a, 20b are originally formed to prevent damage from occurring at the corners of the cross sections of the torsion bars 12a, 12b, if Wa/Ta ⁇ 1, damage may occur first on the rotation axis of the torsion bars 12a, 12b, which may defeat the purpose of forming the slits 20a, 20b.
  • the significance of formula (6) is that if Wb>2 ⁇ Wc, the oscillation (pumping) of the mirror part 11 in the extension direction of the rotation axis Da becomes dominant. It is also advantageous for Wb to be 25 ⁇ m or more.
  • the torsion bar is subjected to stress when it rotates back and forth around the axis of rotation, but by providing the slits of the present invention in the torsion bar, it is possible to alleviate the stress.
  • the torsion bar 12 has slits 20 (a collective term for slits 20a and 20b) with equal-width extensions 22, so that the total area of the side surface is the area of the outer side surface in the width direction plus the area of the inner surface of the slit 20 as the inner side surface.
  • the area of the side surface increases, dispersing the stress acting on the side surface. This leads to a reduction in the stress in the torsion bar 12, and increases the maximum allowable rotation angle of the torsion bar 12 around the rotation axis Da without breaking.
  • the lateral scanning angle of the scanning light Lb around the rotation axis Da increases.
  • the stress dispersion effect of the inner surface of the slit 20 reduced the unit rotation angle (unit deflection angle: Mpa/deg) of the torsion bar 12 around the rotation axis Da by 25%. This means that the limit deflection angle of the torsion bar 12 around the rotation axis Da became 1.33 times larger.
  • Fig. 7 is a stress distribution diagram around the slit 20a when the slits 20a and 20b of the optical deflector 10 do not have the outer extended end portion 24a and the inner extended end portions 24b and 24c, but have only the equal-width extension portion 22.
  • Fig. 7 is a diagram showing a screen display based on the analysis results of the simulation, and shows that the stress increases from the dark areas to the light areas.
  • the maximum stress points appear at both ends of the equal-width extension portion 22.
  • the white dashed circles Ca and Cb are shown as circles centered on the outer end and inner end of the equal-width extension portion 22 of the slit 20a. It can be seen that the areas of high stress extend outward and inward from the outer end and inner end of the equal-width extension portion 22, respectively, in the extension direction of the equal-width extension portion 22.
  • the circumferential line of the mirror portion 11 disappears at the bonding portion between the mirror portion 11 and the torsion bar 12a.
  • the inner bonding region 38 is set as the region on the mirror portion 11 side of the boundary line where a stress equal to or greater than a predetermined value is generated in the mirror portion 11.
  • the equal-width extension portion 22 is connected to both ends with an outer extension end 24a and an inner extension end 24b or an inner extension end 24c, so that the maximum stress in the torsion bars 12a and 12b is equal to or less than a predetermined upper limit.
  • the stress transmitted from the mirror portion 11 to the torsion bars 12a, 12b in the outward direction along the rotation axis Da is split into left and right portions of the torsion bars 12a, 12b on both sides of the slit 20 in the width direction and transmitted in parallel to the outer bonding region 36.
  • the circular shape of the outer extension end 24a in front view has the effect of appropriately dispersing the stress transmitted in parallel to the left and right, making the stress in the outer bonding region 36 uniform and reducing the maximum stress.
  • the reduction in maximum stress leads to an increase in the maximum allowable reciprocating angle of the mirror portion 11 around the rotation axis Da.
  • the effect of the inner extension end 24c will be described before the effect of the inner extension end 24b.
  • the effect of the inner extension end 24c is the same as that of the outer extension end 24a. That is, the stress transmitted inward from the torsion bars 12a, 12b along the rotation axis Da in the mirror part 11 is divided into the left and right parts of the torsion bars 12a, 12b on both sides of the slit 20 in the width direction and transmitted in parallel to the mirror part 11.
  • the circular shape of the inner extension end 24c in front view like the outer extension end 24a, appropriately distributes the stress that is divided into the left and right and transmitted in parallel to the left and right, uniformizing the stress in the inner joint region 38 and reducing the maximum stress.
  • the inner extension end 24c has a simpler shape than the inner extension end 24b, and therefore has the advantage of being less expensive to manufacture.
  • the outer end and/or the inner end of the slit 20 may be advantageous in some cases to move the outer end and/or the inner end of the slit 20 slightly outward and inward along the rotation axis Da from that shown in FIG. 7, and then connect the outer extension end 24a and the inner extension end 24b, 24c.
  • the outer end and/or the inner end of the slit 20 are not fixed to that shown in FIG. 7, but are appropriately advanced deeply into the outer bonded region 36 and the inner bonded region 38 along the rotation axis Da, and the positions of the outer extension end 24a and the inner extension end 24b, 24c are then set.
  • the inner end of the inner extension end 24b is located outward in the extension direction of the rotation axis Da from the inner end of the inner extension end 24c. This means that the beam cross section of the incident light La is irradiated onto the entire surface of the mirror section 11, which is approximately circular.
  • the closest point to the center O penetrates deep into the mirror part 11 toward the center O.
  • the effective diameter of the mirror part 11 in the extension direction of the rotation axis Da is reduced, which causes a decrease in the resolution of the image generated by the scanning light Lb in the irradiation area of a screen or the like.
  • the inner extension end 24b is formed along the circumferential contour of the mirror part 11, and the closest point to the center O can be moved sufficiently farther away than the inner extension end 24c. Therefore, the torsion bar 12a relieves the stress on the inner ends of the torsion bars 12a and 12b while minimizing the reduction in the effective diameter of the mirror part 11. This makes it possible to increase the reciprocating rotation angle of the mirror part 11 around the rotation axis Da while avoiding the reduction in the effective diameter of the mirror part 11.
  • the slits 20a, 20b are closed at both ends in the direction in which the rotation axis extends, so that the torsion bars 12a, 12b, in which the slits 20a, 20b are formed on the inner periphery, do not separate into two, but maintain a single torsion bar, and the optical deflector 10 is configured to have only one torsion bar on each side of the mirror section 11.
  • the optical deflector 10 is a two-axis scanning type optical deflector, but the optical deflector of the present invention may be a one-axis scanning type optical deflector as long as it has a configuration in which an actuator rotates the mirror portion back and forth around a rotation axis via a torsion bar.
  • the outer extension end 24a and the inner extension end 24c of the slits 20a, 20b are substantially circular in front view.
  • the outer end and the inner end of the slit of the present invention may be through holes that are symmetrical with respect to the rotation axis Da and have a regular polygonal shape (e.g., an equilateral triangle, a square, a regular pentagon, etc.) in front view.
  • the equal-width extension 22 has been described as being of equal width, but in the present invention, the extension at the location where the equal-width extension 22 of the optical deflector 10 is formed does not have to be of equal width over the entire length when viewed from the front.
  • both ends of the extension may be of the same width when viewed from the front, and the middle may be wider or narrower, or the widths of both ends of the extension may be different from each other, so long as the driving force of the inner actuators 13a, 13b is not significantly increased.
  • 10 optical deflector
  • 11 mirror portion
  • 12a, 12b torsion bars
  • 13a, 13b inner actuator
  • 14 movable frame
  • 20a, 20b slit
  • 22 equal width extension portion
  • 24a outer extension end (outer end)
  • 24b, 24c inner extension end (inner end)
  • 30a, 30b curved outer corner (first corner)
  • 32a, 32b curved inner corner (second corner)
  • 36 outer bonding region
  • 38 inner bonding region
  • 44 outer curved contour portion
  • 46 inner curved contour portion
  • Da rotation axis.

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Abstract

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。

Description

光偏向器
　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）の誘因となる。
　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）にトーションバー１２ａ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、幅方向にトーションバー１２ａ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、内側拡張端部２４ｂ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５１，５３，５５は、ＳｉＯ2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，１３ｂ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外側結合領域３６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、外側結合領域３６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２４ｃ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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