JP6261923B2 - 光偏向ミラー及びこれを用いた光偏向器 - Google Patents

Description

本発明はプロジェクタ、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザリードアンプ、ヘッドマウントディスプレイ等の光スキャナとして用いられる光偏向器、特に、その光偏向ミラーに関する。

最近、光スキャナに用いられる光偏向器として、半導体製造技術及びマイクロマシン技術を用いて製造されたMEMS（Micro Electro Mechanical System）装置が知られている。以下、従来のMEMS光偏向器を説明する。

図６の裏面側斜視図に示す第１の従来の光偏向器においては、光偏向ミラー１０１がトーションバー１０２−１、１０２−２によって図示しない支持枠に接続され、支持枠とトーションバー１０２−１、１０２−２との間には、図示しないアクチュエータが設けられている。これにより、アクチュエータはトーションバー１０２−１、１０２−２を介して光偏向ミラー１をＸ軸回りに揺動させる（参照：特許文献１の図１６）。

図６においては、光偏向ミラー１０１の厚さはトーションバー１０２−１、１０２−２の厚さと同一であり、従って、光偏向ミラー１０１は非常に薄い。この結果、光偏向ミラー１０１の慣性モーメントが非常に小さくなるので、光偏向ミラー１０１の共振周波数fは非常に大きくなる。たとえば、光偏向ミラー１０１の厚さ、直径が約40μm、約1.2mmであれば、共振周波数fは30.0kHz以上となる（参照：図４）。このように、高解像度プロジェクタ用光スキャナとして要求される共振周波数f_R（=26.5kHz）以上の条件を満足し、光偏向ミラー１０１の高速駆動が可能となる。

しかしながら、図６に示す第１の従来の光偏向器においては、光偏向ミラー１０１が非常に薄い分、光偏向ミラー１０１の剛性が非常に小さく、従って、光偏向ミラー１０１の振れ角が大きくなると光偏向ミラー１０１は大きく撓み、光偏向ミラー１０１の動的面変形量（動的面撓み量とも言う）D（peak-to-valley値）は非常に大きくなる。たとえば、上述のごとく、光偏向ミラー１０１の厚さ、直径が約40μm、約1.2mmであれば、動的面変形量Dは156nmとなり（参照：図４）、高解像度プロジェクタ用光スキャナに要求される動的面変形量D_R（=45nm）以下の条件を満足せず、従って、光偏向ミラー１０１の反射光の光学的特性は高解像度プロジェクタ用光スキャナの要求光学的特性を満足しない。尚、要求動的面変形量D_Rはたとえば光偏向ミラーに照射されるレーザビームの波長（λ=450nm）の1/10で規定される。

図７の裏面側斜視図に示す第２の従来の光偏向器においては、光偏向ミラー２０１全体の厚さをトーションバー２０２−１、２０２−２の厚さより大きくして光偏向ミラー２０１の剛性を非常に大きくしている（参照：特許文献２）。

図７においては、光偏向ミラー２０１の剛性が大きいので、光偏向ミラー２０１の振れ角が大きくなっても、光偏向ミラー２０１は撓まず、その動的面変形量Dは非常に小さくなる。たとえば、光偏向ミラー２０１の厚さ、直径が約200μm、約1.2mmとすれば、動的面変形量Dは数nmとなり（参照：図４）、要求動的面変形量D_R（=45nm）以下の条件を満足し、従って、光偏向ミラー２０１の反射光の光学的特性は高解像度プロジェクタ用光スキャナの要求光学的特性を満足する。

しかしながら、図７に示す第２の従来の光偏向器においては、光偏向ミラー２０１の慣性モーメントは非常に大きくなるので、光偏向ミラー２０１の共振周波数fは非常に小さくなる。たとえば、上述のごとく、光偏向ミラー２０１の厚さ、直径が約200μm、1.2mmとすれば、共振周波数fは15kHz以下となる（参照：図４）。このように、要求共振周波数f_R（=26.5kHz）以上の条件を満足せず、高解像度プロジェクタ用光スキャナにおける光偏向ミラー２０１の高速駆動は不可能となる。

図８の裏面側斜視図に示す第３の従来の光偏向器においては、トーションバー３０２−１、３０２−２に接続された光偏向ミラー３０１は、反射表面を有するミラー３０１ａ、及びミラー３０１ａの裏面外周に設けられた補強用のリング状リブ３０１ｂを有し、光偏向ミラー３０１の平均の厚さはトーションバー３０２−１、３０２−２の厚さより大きくしてある（参照：特許文献３の図３）。

図８に示す第３の従来の光偏向器においては、リング状リブ３０１ｂの存在により、光偏向ミラー３０１の剛性は、図６の光偏向ミラー１０１の剛性より大きくなるが、図７の光偏向ミラー２０１の剛性より小さくなる。他方、リング状リブ３０１ｂの存在により、光偏向ミラー３０１の共振周波数fは、図６の光偏向ミラー１０１の共振周波数fより小さくなるが、図７の光偏向ミラー２０１の共振周波数fより大きくなる。たとえば、ミラー３０１ａの厚さ、直径を約40μm、1.2mmとし、リング状リブ３０１ｂの幅、高さを約100μm、約150μmとすれば、光偏向ミラー３０１の動的面変形量Dは約80nmとなり、他方、光偏向ミラー３０１の共振周波数fは約25.6kHzとなる（参照：図４）。

特開２００１−２４９３００号公報 特開平７−０９２４０９号公報 特開２０１０−１２８１１６号公報

しかしながら、図８に示す第３の従来の光偏向器においては、ミラー３０１ａの中央部にはリング状リブ３０１ｂが存在しないので、依然として、光偏向ミラー３０１の剛性が低く、この結果、光偏向ミラー３０１の振れ角が大きくなると、光偏向ミラー３０１はお椀状に撓み、光偏向ミラー３０１の動的面変形量Dは上述のごとく約80nmと大きくなり、要求動的面変形量D_R以下の条件を満足せず、光偏向ミラー３０１の反射光の光学的特性は高解像度プロジェクタ用光スキャナの要求光学的特性を満足しないという課題がある。

他方、図８に示す第３の従来の光偏向器においては、リング状リブ３０１ｂがミラー３０１ａの外周全体にあるので、依然として、光偏向ミラー３０１の慣性モーメントが大きく、光偏向ミラー３０１の共振周波数fは上述のごとく約25.6kHzと要求共振周波数f_Rより小さくなり、要求共振周波数f_R（=26.5kHz）以上の条件も満足せず、高解像度プロジェクタ用光スキャナにおける光偏向ミラー３０１の高速駆動は不可能となるという課題もある。

また、図９の比較例に示すごとく、図８に示す第３の従来の光偏向器に対して、ミラー３０１ａ上にリング状リブ３０１ｂに加えてミラー３０１ａの中央部にＹ軸方向に沿ってつまり揺動軸に直交に中央リブ３０１ｃを付加することにより光偏向ミラー３０１’の剛性を大きくしてお椀状の撓みを小さくすることも考えられる。これにより、動的面変形量Dはたとえば約12nmと小さくなって要求動的面変形量D_R以下の条件を満足するが、共振周波数fはたとえば25.3kHzと小さくなり、要求共振周波数f_R以上の条件を満足しない（参照：図４）。

このように、従来の光偏向器及び比較例においては、光偏向ミラーの動的面変形量Dの抑制と共振周波数fの増大とはトレードオフの関係にあり、動的面変形量Dの抑制と共振周波数fの増大の両立は不可能であった。

上述の課題を解決するために、本発明に係る光偏向ミラーは、光ビームを偏向させるための光偏向ミラーにおいて、反射表面を有する円形もしくは楕円形のミラーと、ミラーの裏面に設けられ、ミラーの揺動軸に沿って並んで配置された２つのリング状リブよりなるミラーの揺動軸に対称な“８”字形状リブとを具備し、２つのリング状リブの結合部はミラーの揺動軸に垂直な軸に対して±１５〜３０度の傾きを有するＸ字部分であるものである。これにより、図９に示す上述の比較例に比べて、“８”字形状リブのＸ字部分により剛性を維持すると共に、揺動軸に直交するリブ成分及び揺動軸から最遠のリブ成分が存在しないので、慣性モーメントは減少する。

さらに、ミラーの裏面に設けられ、ミラーの揺動軸に沿った直線状リブを具備する。これにより、慣性モーメントの増大を抑制しつつ、剛性をさらに大きくする。

また、“８”字形状リブのミラーの揺動軸の端部側を凹ました。これにより、ミラーの揺動軸の端部側の応力集中が援和される。

さらに、本発明に係る光偏向器は、上述の光偏向ミラーと、光偏向ミラーを囲む支持枠と、支持枠と光偏向ミラーとの間に設けられ、光偏向ミラーの揺動軸に沿った少なくとも1つのトーションバーとを具備するものである。

本発明によれば、上述の比較例に比べて、光偏向ミラーの剛性を維持するので、光偏向ミラーの動的面変形量Dを抑制でき、従って、光偏向ミラーの反射光の光学的特性を向上できると共に、光偏向ミラーの慣性モーメントが減少するので、光偏向ミラーの共振周波数fを増大できる。つまり、動的面変形量Dの抑制と共振周波数fの増大との両立を図ることができる。

また、光偏向ミラーの揺動軸の端部側の応力集中が緩和するので、光偏向ミラーの機械的破損を防止できる。

本発明に係る光偏向器の第１の実施の形態を示す裏面側斜視図である。 本発明に係る光偏向器の第２の実施の形態を示す裏面側斜視図である。 本発明に係る光偏向器の第３の実施の形態を示す裏面側斜視図である。 図１、図２、図３の光偏向器の動的面変形量及び共振周波数特性を従来例及び比較例と対比して示す図である。 図１の光偏向器を適用した2次元光偏向器を示す表面側斜視図である。 第１の従来の光偏向器を示す裏面側斜視図である。 第２の従来の光偏向器を示す裏面側斜視図である。 第３の従来の光偏向器を示す裏面側斜視図である。 比較例としての光偏向器を示す裏面側斜視図である。

図１は本発明に係る光偏向器の第１の実施の形態を示す裏面側斜視図である。

図１の光偏向器は1次元光偏向器であり、光偏向ミラー１と、光偏向ミラー１を囲む支持枠２と、支持枠２と光偏向ミラー１とを接続する1対のトーションバー３−１、３−２と、支持枠２とトーションバー３−１、３−２との間に設けられ、トーションバー３−１、３−２を介して光偏向ミラー１をＸ軸回りに揺動させるための2対の圧電アクチュエータ４−１、４−２；５−１、５−２とからなる。

また、光偏向ミラー１は、反射表面を有する円形ミラー１ａ、及び円形ミラー１ａのＸ軸（揺動軸）に沿って対称に設けられ“８”字形状した“８”字形状リブ１ｂを有する。“８”字形状リブ１ｂと円形ミラー１ａの外縁との最小距離はたとえば約40μmである。また、円形ミラー１ａの厚さはトーションバー３−１、３−２と同一の厚さたとえば約40μmであり、さらに、“８”字形状リブ１ｂの幅、厚さは約100μm、約150〜200μmである。他方、支持枠２の厚さは約400〜500μmである。

図１の“８”字形状リブ１ｂにおいては、図９における中央リブ３０１ｃを削除しかつリング状リブ３０１ｂのＸ軸から最遠のリブ成分を削除し、その代りに、“８”字形状リブ１ｂはＹ軸に対して±15〜30度の傾きを有するX字部分を有する。これにより、図１の光偏向ミラー１の慣性モーメントは図９の光偏向ミラー３０１’の慣性モーメントより小さくなる。たとえば、光偏向ミラー１のサイズが上述のごとくであれば、図４に示すごとく、図１の光偏向ミラー１の共振周波数fは約26.8kHzとなって要求共振周波数f_R（=26.5kHz）以上の条件を満足する。この結果、光偏向ミラー１の高速駆動が可能となる。

他方、図１の“８”字形状リブ１ｂを有する光偏向ミラー１の剛性は図９のリング状リブ３０１ｂ及び中央リブ３０１ｃを有する光偏向ミラー３０１’の剛性より小さくなるが、図１の“８”字形状リブ１ｂのＸ字部分が図９のリング状リブ３０１ｂ及び中央リブ３０１ｃによる剛性の減少分を補償しているので、その減少分は小さく、従って、図１の光偏向ミラー１の動的面変形量Dの増加分は小さい。実際に、図１の光偏向ミラー１の動的面変形量Dは、図４に示すごとく、図９の光偏向ミラー３０１’の動的面変形量D（=12nm）に比較してわずかだけ増加し、D=25nmとなる。従って、要求動的面変形量D_R（=45nm）以下の条件を満足し、この結果、光偏向ミラー１の反射光特性は高解像度プロジェクタ用光スキャナの要求光学的特性を満足することになる。

このように、図１の光偏向器の光偏向ミラー１によれば、動的面変形量Dの抑制と共振周波数fの増大との両立を図ることができる。

図２は本発明に係る光偏向器の第２の実施の形態を示す裏面側斜視図である。

図２の光偏向ミラー１’においては、図１の光偏向ミラー１に対してＸ軸（揺動軸）に沿った直線状リブ１ｃを付加してある。直線状リブ１ｃの幅、厚さは“８”字形状リブ１ｂの幅、厚さとほぼ同一である。

図２の光偏向ミラー１’においては、直線状リブ１ｃの付加によって光偏向ミラー１’の剛性は図１の光偏向ミラー１の剛性より大きくなり、この結果、図４に示すごとく、動的面変形量DはD=20nmと減少する。他方、直線状リブ１ｃはＸ軸（揺動軸）に沿っているので、慣性モーメントの増加分は少なく、この結果、図４に示すごとく、共振周波数fは僅かしか減少せず、f=約26.7kHzとなる。従って、図２の光偏向ミラー１’においては、動的面変形量Dは改良し、共振周波数fは若干劣るものの、図２の光偏向ミラー１’の動的面変形量D及び共振周波数fは要求動的面変形量D_R以下の条件及び要求共振周波数f_R以上の条件を共に満足する。

図３は本発明に係る光偏向器の第３の実施の形態を示す裏面側斜視図である。

図３の光偏向ミラー１”においては、図１の光偏向ミラー１の“８”字形状リブ１ｂのＸ軸（揺動軸）の端部側を凹ました“８”字形状リブ１ｂ’を設けてある。つまり、トーションバー３−１、３−２に対抗した凹部１ｂ”を“８”字形状リブ１ｂ’に形成してある。凹部１ｂ”のサイズ（奥行き）はたとえば約200〜250μmである。これにより、円形ミラー１ａとトーションバー３−１、３−２との結合部Ｃ’における応力集中を緩和してこの結合部Ｃ’の機械的破損を防止する。

図１の光偏向器において、光偏向ミラー１をトーションバー３−１、３−２を用いて揺動させる際には、光偏向ミラー１とトーションバー３−１、３−２との結合部Ｃにおいて応力集中が発生する。具体的には、光偏向ミラー１の結合部Ｃの裏面側の応力（この場合、ミーゼス応力）が“８”字形状リブ１ｂの存在のために非等方的に大きくなり、この結果、裏面側の応力勾配が大きくなる。他方、光偏向ミラー１の結合部Ｃの表面側の応力は“８”字形状リブ１ｂの不存在のために等方的に大きくなり、表面側の応力勾配は裏面側に比較して大きくならない。この結果、光偏向ミラー１の結合部Ｃの裏面側の応力分布と表面側の応力分布とが非対称となり、光偏向ミラー１とトーションバー３−１、３−２との結合部Ｃ、特に、そのトーションバー３−１、３−２の部分が機械的に破損する可能性がある。たとえば、捩り角（偏向角）が10°以上の場合には、上記機械的破損が頻発する。

これに対し、図３の光偏向器においては、“８”字形状リブ１ｂ’には、トーションバー３−１、３−２に対抗して凹部１ｂ”を設けているので、光偏向ミラー１”の円形ミラー１ａとトーションバー３−１、３−２との結合部Ｃ’においては、裏面側の応力も等方的に大きくなって裏面側の応力集中は緩和される。この結果、結合部Ｃ’の裏面側の応力分布と表面側の応力分布とがほぼ対称的となり、光偏向ミラー１”とトーションバー３−１、３−２との結合部Ｃ’の機械的破損を防止できる。

尚、図３の光偏向ミラー１”においては、“８”字形状リブ１ｂ’に凹部１ｂ”を設けた分、図４に示すごとく、剛性が小さくなって動的面変形量Dは約30nmと僅かに増加し、また、慣性モーメントも大きくなり、図４に示すごとく、共振周波数fは約26.7kHzと僅かに減少するが、要求動的面変形量D_R以下の条件及び要求共振周波数f_R以上の条件を共に満足する。

上述の第１、第２、第３の実施の形態は1次元の光偏向器であるが、本発明は2次元の光偏向器にも適用できる。

図５は図１の光偏向器を適用した2次元光偏向器を示す表面側斜視図である。

図５においては、図１の支持枠２をトーションバー３−１、３−２の厚さと同一の厚さを有する内側支持枠２’とする。さらに、内側支持枠２’を囲む外側支持枠６、外側支持枠６と内側支持枠２’とを接続する1対のミアンダ形状アクチュエータ７ａ、７ｂを設けてある。この場合、外側支持枠６の厚さは約400〜500μmである。これにより、ミアンダ形状アクチュエータ７ａ、７ｂは内側支持枠２’を介して円形ミラー１ａをＹ軸回りに揺動させる。

尚、図５においては、1対のミアンダ形状アクチュエータ７ａ、７ｂの代りに、内側と同様な構成、つまり、外側支持枠６と内側支持枠２’とを接続する1対の外側トーションバーと、外側支持枠６とこれらの外側トーションバーとの間に設けられ、外側トーションバーを介して内側支持枠２’をＹ軸方向に沿って揺動させるための2対の圧電アクチュエータを設けてもよい。

また、図２、図３の光偏向器も図５の2次元光偏向器に適用し得る。

さらに、上述の実施の形態においては、円形ミラー１ａを楕円形ミラーに変更し得る。

さらにまた、上述の実施の形態においては、ミラーのＸ軸回りの揺動のために1対のトーションバーを設けているが、1つのトーションバーでもよい。また同様に、ミラーのＹ軸回りの揺動のために1対のミアンダ形状アクチュエータあるいは1対のトーションバーを設けているが、1つのミアンダ形状アクチュエータあるいはトーションバーでもよい。

さらにまた、上述の実施の形態におけるアクチュエータは圧電駆動式であるが、静電駆動式、電磁駆動式等であってもよい。

本発明は、上述の実施の形態の自明の範囲内のいかなる変更にも適用し得る。

本発明は、高解像度プロジェクタ用光スキャナ以外に、低解像度プロジェクタ、バーコードリーダ、レーザプリンタ、レーザリードアンプ、ヘッドマウントディスプレイ等の光スキャナにも利用できる。

１、１’、１”...光偏向ミラー
１ａ...円形ミラー
１ｂ、１ｂ’...“８”字形状リブ
１ｂ”...凹部
１ｃ...直線状リブ
２...支持枠
２’...内側支持枠
３−１、３−２...トーションバー
４−１、４−２；５−１、５−２...圧電アクチュエータ
６...外側支持枠
７ａ、７ｂ...ミアンダ形状圧電アクチュエータ
１０１、２０１、３０１、３０１’...光偏向ミラー
３−１、３−２...トーションバー
３０１ａ...ミラー
３０１ｂ...リング状リブ
３０１ｃ...中央リブ
Ｃ、Ｃ’...結合部

Claims (5)

1. 光ビームを偏向させるための光偏向ミラーにおいて、
   反射表面を有する円形もしくは楕円形のミラーと、
   該ミラーの裏面に設けられ、該ミラーの揺動軸に沿って並んで配置された２つのリング状リブよりなる前記ミラーの揺動軸に対称な“８”字形状リブと
   を具備し、
   前記２つのリング状リブの結合部は前記ミラーの揺動軸に垂直な軸に対して±１５〜３０度の傾きを有するＸ字部分であることを特徴とする光偏向ミラー。
2. さらに、前記ミラーの裏面に設けられ、該ミラーの揺動軸に沿った直線状リブを具備する請求項１に記載の光偏向ミラー。
3. 前記“８”字形状リブの前記ミラーの揺動軸の端部側は凹んでいる請求項１に記載の光偏向ミラー。
4. 請求項１〜３のいずれかに記載の光偏向ミラーと、
   該光偏向ミラーを囲む第１の支持枠と、
   該第１の支持枠と前記光偏向ミラーとの間に設けられ、該光偏向ミラーの揺動軸に沿った少なくとも1つの第１のトーションバーと
   を具備する光偏向器。
5. さらに、
   前記第１の支持枠を囲む第２の支持枠と、
   該第２の支持枠と前記第１の支持枠との間に設けられた少なくとも1つのミアンダ形状アクチュエータもしくは第２のトーションバーと
   を具備する請求項４に記載の光偏向器。

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