JP6559336B2

JP6559336B2 - ２次元光偏向器

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Description

本発明は、光ビームを２次元的に偏向する２次元光偏向器に関する。

光ビームを２次元的に偏向する２次元光偏向器のひとつに、それぞれがミラーを有する二個のガルバノ偏向器を直交配置した構成のものがある。このような２次元光偏向器では、実際に光ビームを２次元的に偏向すると、像面上で光ビームの軌跡が歪む。

米国特許第４８３８６３２号明細書は、このような歪みを低減した２次元光偏向器を開示している。図１８と図１９は、米国特許第４８３８６３２号明細書に開示されている２次元光偏向器を示している。図１８は、その２次元光偏向器の側面図であり、図１９は、その２次元光偏向器の正面図である。図１８と図１９に示されるように、この２次元光偏向器５００は、第１偏向器５１０と第２偏向器５２０とを備えている。第１偏向器５１０は、反射面を有する可動部５１２と、可動部５１２を第１軸Ａ_１の周りに揺動可能に支持するブラケット５１４とを有している。第２偏向器５２０は、第１偏向器５１０を第１軸Ａ_１に直交する第２軸Ａ_２の周りに揺動させる。第１偏向器５１０は、非偏向時の可動部５１２の反射面が第２軸Ａ_２に対して４５°の角度となるように、第２偏向器５２０に固定されている。偏向される光ビームＬＢ_１は、第２軸Ａ_２に平行に第１偏向器５１０に入射する。可動部５１２の反射面で反射された光ビームＬＢ_２は、レンズ５３２を介して、像面５３４に入射する。

２次元光偏向器５００は、単純な構成で非常に小型でありながら、像面上の光ビームの軌跡の歪みの低減を実現している。

２次元光偏向器５００においては、第２偏向器５２０は、第１偏向器５１０を一体的に入射光ビームに平行な揺動軸の周りに揺動させている。そのため、第１偏向器５１０のサイズ・質量・慣性モーメントは、単純な構成で非常に小型の２次元光偏向器の実現には重要な要素である。しかし、米国特許第４８３８６３２号明細書は、第１偏向器の具体的な構成については示唆も教示もない。また、非偏向時の可動部５１２の反射面が第２軸Ａ_２に対して４５°の角度となるようにする手法についても示唆も教示もない。

第１偏向器５１０を第２偏向器５２０と一体的に構成した場合、第１偏向器５１０に必要な構成を鑑みれば、第１偏向器５１０の質量・慣性モーメントが大きくなることは想像に難くなく、第２偏向器５２０の駆動には大きな駆動力が必要となり、結果として大きな消費電力が必要になると容易に想像できる。

本発明はこのような現状を踏まえてなされたものであり、その目的は、像面上の光ビームの軌跡の歪みが低減された消費電力の少ない２次元光偏向器を提供することである。

本発明は、コリメート光ビームを２次元的に偏向する２次元光偏向器に向けられている。その２次元光偏向器は、コリメート光ビームを一つの平面内において偏向する第１偏向器と、コリメート光ビームを別の一つの平面内において偏向する第２偏向器と、前記第１偏向器と前記第２偏向器を共に直接固定している固定部材を備えている。前記第１偏向器は、光導波手段によって導光された光から前記コリメート光ビームを生成して出射する光出射部を備えている。前記光出射部は、前記光出射部の外を通って延びている第１軸の周りに揺動可能に支持されている。前記光出射部は、前記第１軸に垂直な第１平面内において、前記第１軸に向けてコリメート光ビームを出射する。したがって、前記光出射部の揺動は、前記第１平面内のコリメート光ビームの偏向を引き起こす。前記第２偏向器は、前記光出射部から出射されたコリメート光ビームを反射する揺動可能な反射面を有している。前記反射面は、非揺動時において、前記第１軸に対して４５度傾斜しており、さらに、非揺動時の前記光出射部から出射されるコリメート光ビームの主光線に一致する第２軸に対しても４５度傾斜している。したがって、前記反射面は、前記第１平面内のコリメート光ビームの偏向を、前記第２軸に垂直な第２平面内のコリメート光ビームの偏向に変換する。さらに、前記反射面は、前記第１軸と前記第２軸の交点を通るとともに前記第１軸と前記第２軸の両方に垂直な第３軸の周りに揺動可能に支持されており、したがって、前記反射面の前記第３軸の周りの揺動は、前記第３軸に垂直な第３平面内のコリメート光ビームの偏向を引き起こす。

本発明によれば、像面上の光ビームの軌跡の歪みが低減された消費電力の少ない２次元光偏向器が提供される。

図１は、本発明の第１実施形態の２次元光偏向器の斜視図を示している。図２は、本発明の第１実施形態の２次元光偏向器の側面図を示している。図３は、本発明の第１実施形態の２次元光偏向器の上面図を示している。図４は、光出射部とクラッド固定部の構成例を示している。図５は、光出射部とクラッド固定部の別の構成例を示している。図６は、光出射部の揺動によるコリメート光ビームの第２平面内における偏向を示している。図７は、反射面の揺動によるコリメート光ビームの第３平面内における偏向を示している。図８は、光出射部の揺動と反射面の揺動の組み合わせによるコリメート光ビームの２次元的な偏向を示している。図９は、第１偏向器の可動部とヒンジ部の斜視図を示している。図１０は、図９に示された可動部とヒンジ部の側面図を示している。図１１は、本発明の第１実施形態の変形例の２次元光偏向器の斜視図を示している。図１２は、本発明の第２実施形態の２次元光偏向器の側面図を示している。図１３は、本発明の第２実施形態の２次元光偏向器の上面図を示している。図１４は、本発明の第３実施形態の２次元光偏向器の側面図を示している。図１５は、本発明の第３実施形態の２次元光偏向器の上面図を示している。図１６は、本発明の第３実施形態の変形例の２次元光偏向器の側面図を示している。図１７は、本発明の第３実施形態の変形例の２次元光偏向器の上面図を示している。図１８は、米国特許第４８３８６３２号明細書に開示された従来例の２次元光偏向器の側面図を示している。図１９は、米国特許第４８３８６３２号明細書に開示された従来例の２次元光偏向器の上面図を示している。

＜第１実施形態＞
図１と図２と図３は、それぞれ、本発明の第１実施形態の２次元光偏向器１００の斜視図と側面図と上面図を示している。続く説明において、各要素の位置関係や方向等は、図１に示されたＸＹＺ直交座標系にしたがって説明する。また、図１にしたがって、便宜上、＋Ｙ方向を上方、−Ｙ方向を下方とし、また、＋Ｘ方向を前方、−Ｘ方向を後方とする。また、ＺＸ平面に平行な平面を水平面とする。

２次元光偏向器１００は、コリメート光ビームを２次元的に偏向する光学デバイスであり、コリメート光ビームを一つの平面内たとえばＹＺ平面に沿って偏向する第１偏向器１１０と、コリメート光ビームを別の一つの平面たとえばＸＹ平面に沿って偏向する第２偏向器１５０と、第１偏向器と第２偏向器を共に直接固定している固定部材１８０を備えている。

固定部材１８０は、ベース部１８２から上方向に突出した二つの凸部、第１偏向器固定台１８４と第２偏向器固定台１８６を有している。第１偏向器固定台１８４は、第１偏向器１１０が固定される第１偏向器固定面１８４ａを有しており、この第１偏向器固定面１８４ａは、ＺＸ平面に平行である。一方、第２偏向器固定台１８６は、第２偏向器１５０が固定される第２偏向器固定面１８６ａを有しており、この第２偏向器固定面１８６ａは、ＺＸ平面に対してＺ軸の周りに４５度傾斜している。ここにおいて、４５度との表記は、機能的に相違が実質的に生じない範囲を含むものとする。

第１偏向器１１０は、光導波手段であるところの光ファイバ１３０によって導光された光からコリメート光ビームを生成して出射する光出射部１２０と、光出射部１２０の外を通って延びている第１軸Ａ_１の周りに光出射部１２０を揺動可能に支持している片持ち梁１１２を備えている。図示されていないが、第１偏向器１１０はまた、片持ち梁１１２を揺動駆動するための駆動機構すなわちドライブを備えている。ドライブの駆動には、電磁駆動、静電駆動、圧電駆動など、公知の任意の駆動が適用されてよい。

片持ち梁１１２は、固定部材１８０の第１偏向器固定台１８４の第１偏向器固定面１８４ａに片持ちに固定されており、第１軸Ａ_１は、片持ち梁１１２の固定端１１２ａを通って延びている。片持ち梁１１２は、その自由端１１２ｂの近傍に、第１軸Ａ_１に平行して延伸している延伸部１１４を有しており、延伸部１１４の先端部に光出射部１２０が設けられている。光出射部１２０は、第１軸Ａ_１に垂直なＹＺ平面に沿って、第１軸Ａ_１に向けてコリメート光ビームを出射する。したがって、第１軸Ａ_１の周りの光出射部１２０の揺動は、ＹＺ平面に沿ったコリメート光ビームの偏向を引き起こす。さらに、光出射部１２０から出射されたコリメート光ビームは常に第１軸Ａ_１を通過する。

第２偏向器１５０は、光出射部１２０から出射されたコリメート光ビームを反射する揺動可能な反射面１５２を有している。反射面１５２は、非揺動時において、第１軸Ａ_１を含むＺＸ平面に対して４５度傾斜している。反射面１５２はさらに、非揺動時の光出射部１２０から出射されるコリメート光ビームの主光線に一致する第２軸Ａ_２を含むＹＺ平面に対しても４５度傾斜している。したがって、反射面１５２は、ＹＺ平面内のコリメート光ビームの偏向を、第２軸Ａ_２に垂直なＸＹ平面に沿ったコリメート光ビームの偏向に変換する。

さらに、反射面１５２は、第１軸Ａ_１と第２軸Ａ_２の交点を通るとともに第１軸Ａ_１と第２軸Ａ_２の両方に垂直な第３軸Ａ_３の周りに揺動可能に支持されている。したがって、反射面１５２の第３軸Ａ_３の周りの揺動は、第３軸Ａ_３に垂直なＸＹ平面に沿ったコリメート光ビームの偏向を引き起こす。

したがって、第１軸Ａ_１の周りの光出射部１２０の揺動と第３軸Ａ_３の周りの反射面１５２の揺動の組み合わせによって、コリメート光ビームは、ＹＺ平面に沿って２次元的に偏向される。

第２偏向器１５０は、たとえばＭＥＭＳ偏向器によって構成されている。ＭＥＭＳ偏向器によって構成された第２偏向器１５０は、反射面１５２が設けられた可動部１５４と、可動部１５４を第３軸Ａ_３の周りに揺動可能に支持している一対のヒンジ部１５６と、ヒンジ部１５６を支持している一対の支持部１５８を備えている。支持部１５８は、スペーサ１６０を介して、第２偏向器固定台１８６の第２偏向器固定面１８６ａに固定されている。これによって、可動部１５４は、第２偏向器固定面１８６ａから間隔を置いて揺動可能に支持されている。図示されていないが、第２偏向器１５０はまた、可動部１５４を揺動駆動するための駆動機構すなわちドライブを備えている。ドライブの駆動には、電磁駆動、静電駆動、圧電駆動など、公知の任意の駆動が適用されてよい。実際のＭＥＭＳ偏向器は、ドライブが設けられるため、図示した構成よりも複雑かつ大型化されることは容易に想定される。

ＭＥＭＳ偏向器によって構成された第２偏向器１５０は、ラスタースキャンにおいて、高速スキャン側として用いられる。高速スキャンでは、Ｑ値の利得を活用できる共振駆動を採用した方が消費電力を低減することができる。また、第２偏向器１５０の主材はＭＥＭＳ技術によって作製されるため、シリコン基板を主材として用いられる場合が多い。ただし、ヒンジ部１５６についてはシリコンのみならず、シリコン窒化物等のシリコン化合物やポリイミドなどの有機物が採用されることもある。また、図示では、ヒンジ部１５６は、ストレート形状をしているが、屈曲ヒンジなどで構成されていてもよい。

図２に示されるように、第１偏向器固定台１８４の第１偏向器固定面１８４ａの高さは、第２偏向器１５０の反射面１５２の揺動軸とちょうど同じ高さになるように設計されている。また、片持ち梁１１２は、図３に示されるように、片持ち梁１１２の厚みの中心（Ｚ軸方向）を第２偏向器１５０の方向に延長すると、片持ち梁１１２の厚みの中心線が第２偏向器１５０の反射面１５２の中心で交差するように配置されている。この設計が第２偏向器１５０の可動部１５４の慣性モーメント低減（高速化）の観点から望ましい位置関係となる。

図２に示されるように、片持ち梁１１２の長さ（Ｙ軸方向の寸法）は、片持ち梁１１２の自由端１１２ｂの高さが第２偏向器固定面１８６ａよりも高くなる様に設計されている。片持ち梁１１２の自由端１１２ｂの近傍に設けられた延伸部１１４は、第２偏向器１５０に向かって前方すなわち＋Ｘ方向に延びている。延伸部１１４の端部に設けられた光出射部１２０は、第２偏向器１５０の反射面１５２の上方すなわち＋Ｙ方向に位置している。

図４に示されるように、片持ち梁１１２は、特に延伸部１１４は、光ファイバ１３０のクラッド１３４を固定しているクラッド固定部１１６を有している。クラッド固定部１１６は、光ファイバ１３０のクラッド１３４がフィットして収容される空洞部１１６ａを有している。この空洞部１１６ａは、第１軸Ａ_１に平行して延びている。空洞部１１６ａは、たとえば溝または貫通孔で構成されている。光ファイバ１３０のクラッド１３４は、接着によって溝または貫通孔に固定されている。

クラッド固定部１１６の空洞部１１６ａに挿入される光ファイバ１３０の部分は、光ファイバ１３０からジャケット１３８とコーティング部１３６が剥ぎ取られたクラッド１３４となっている。光ファイバ１３０のコーティング部１３６やジャケット１３８の直径は公差が大きいため、コーティング部１３６やジャケット１３８の直径に合わせて空洞部１１６ａの直径を大きくすると、光ファイバ１３０からの光の出射方向の再現性良く光ファイバ１３０を固定することが難しくなる。これに対して、クラッド１３４の直径は、コーティング部１３６やジャケット１３８に比べて公差が小さいので、空洞部１１６ａの直径を適切に設計することができ、光ファイバ１３０からの光の出射方向の高い再現性が得られる。

図４と図５に示されるように、光出射部１２０は、光ファイバ１３０から出射される光をコリメート光ビームに成形するコリメートレンズ１２２を備えている。したがって、コリメート光ビームは、コリメートレンズ１２２から第１軸Ａ_１に沿って出射される。光出射部１２０はさらに、コリメートレンズ１２２から第１軸Ａ_１に沿って出射されたコリメート光ビームを第２軸Ａ_２に沿って反射面に向けて偏向させるプリズム１２４を備えている。プリズム１２４は、プリズム取付部１２４ａを介して、延伸部１１４に固定されている。

コリメートレンズ１２２は、たとえば図４に示されるように、光ファイバ１３０に直に固定されている。また、図５に示されるように、クラッド固定部１１６が、空洞部１１６ａの前方端に、空洞部１１６ａよりも小径の光ファイバ位置決め部１１６ｂを有し、延伸部１１４がさらに、光ファイバ位置決め部１１６ｂの前方に、光ファイバ１３０からの出射光に影響を与えない径の伝播部１１８を有し、伝播部１１８の前方端である延伸部１１４の先端にコリメートレンズ１２２が取付けられている構成であってもよい。この場合、光ファイバ位置決め部１１６ｂと伝播部１１８は、光ファイバ１３０からの出射光に影響を与えない直径を有するように設計されている。

図１〜図３において、このように構成された２次元光偏向器１００において、光ファイバ１３０からの出射光は、＋Ｘ軸方向に進行する間にコリメートレンズ１２２によってコリメート光ビームに変えられ、その後、プリズム１２４によって反射されて−Ｙ軸方向に偏向された後、第２偏向器１５０の反射面１５２に到達する。

片持ち梁１１２は、第１偏向器固定面１８４ａ上を通るＸ軸に平行な第１軸Ａ_１の周りに揺動する。第１偏向器固定面１８４ａが第２偏向器１５０の反射面１５２の揺動軸と同じ高さになっているため、片持ち梁１１２が揺動することに応じて、プリズム１２４によって反射されたコリメート光ビームの進行方向は変化するものの、プリズム１２４によって反射されたコリメート光ビームは常に第１軸Ａ_１と第３軸Ａ_３の交点に向かう。その後、コリメート光ビームは、第１軸Ａ_１と第３軸Ａ_３の交点に配置された反射面１５２によって前方すなわち＋Ｘ方向に反射される。反射面１５２によって反射されたコリメート光ビームは、光出射部１２０の揺動によって第２平面内において偏向され、また、反射面１５２の揺動によって第３平面内において偏向される。

以下、２次元光偏向器１００におけるコリメート光ビームの偏向動作について図６〜図８を参照しながら詳しく説明する。続く説明では、第１軸Ａ_１に垂直な平面を第１平面Ｐ_１、第２軸Ａ_２に垂直な平面を第２平面Ｐ_２、第３軸Ａ_３に垂直な平面を第３平面Ｐ_３とする。

光出射部１２０は、第１平面Ｐ_１上において、第１軸Ａ_１の周りに揺動可能に配置されている。光出射部１２０は、揺動時、第１軸Ａ_１から一定の半径の円周上を所定の角度範囲で往復移動する。光出射部１２０は、第１平面Ｐ_１上において、第１軸Ａ_１に向けてコリメート光ビームを出射するため、光出射部１２０から出射されたコリメート光ビームは常に、第１軸Ａ_１と第１平面Ｐ_１の交点に到達する。第１軸Ａ_１と第１平面Ｐ_１の交点上には反射面１５２が配置されている。反射面１５２は、第３軸Ａ_３の周りに揺動可能に配置されている。第３軸Ａ_３は、第１軸Ａ_１と第１平面Ｐ_１の交点上を通り、第１軸Ａ_１と第２軸Ａ_２の両方に垂直に延びている。反射面１５２は、非揺動時において、第１平面Ｐ_１に対して第３軸Ａ_３の周りに４５度傾斜している。

非揺動時の光出射部１２０から出射されたコリメート光ビームは、第２軸Ａ_２に沿って進行した後に反射面１５２に入射し、非揺動時の反射面１５２によって、第１軸Ａ_１に沿って反射される。

図６に示されるように、光出射部１２０が第１軸Ａ_１の周りに揺動されると、非揺動時の反射面１５２によって反射されたコリメート光ビームは第２平面Ｐ_２内において偏向される。

また図７に示されるように、反射面１５２が第３軸Ａ_３の周りに揺動されると、非揺動時の光出射部１２０から出射され反射面１５２によって反射されたコリメート光ビームは、第３平面Ｐ_３内において偏向される。

したがって、第１軸Ａ_１の周りの光出射部１２０の揺動と、第３軸Ａ_３の周りの反射面１５２の揺動が組み合わされることによって、図８に示されるように、反射面１５２によって反射されたコリメート光ビームは、２次元的に走査され得る。

次にこの２次元光偏向器１００を用いてラスタースキャンを行った場合について説明する。ここで、第１偏向器１１０は低速スキャンに適用され、第２偏向器１５０は高速スキャンに適用される。光出射部１２０から出射され反射面１５２によって反射されたコリメート光ビームは、光出射部１２０の揺動によって、図８に示される低速スキャンＳＬ方向にスキャンされる。また光出射部１２０から出射され反射面１５２によって反射されたコリメート光ビームは、反射面１５２の揺動によって、図８に示される高速スキャンＳＨ方向にスキャンされる。これらの光出射部１２０の揺動と反射面１５２の揺動が組み合わされることによって、コリメート光ビームがラスタースキャンされる。この場合の揺動周波数は、高速スキャンに対しては例えば４ｋＨｚや８ｋＨｚ、低速スキャンに対しては１５Ｈｚ〜６０Ｈｚ程度が想定される。

ここで、第２偏向器１５０の反射面１５２の揺動軸である第３軸Ａ_３は、厳密には第２偏向器１５０の反射面１５２上にはなく、図９と図１０に示されるように、ヒンジ部１５６の断面の中央にあり、第３軸Ａ_３と反射面１５２の間にはオフセットｄが存在している。ただし、ＭＥＭＳ技術によって作製された第２偏向器１５０は一般的にヒンジ部１５６の厚みが薄いため、このオフセットｄは現実的には無視しても差し支えない。つまり、本明細書において、反射面１５２が第３軸Ａ_３の周りに揺動するとは、不具合が生じない範囲内において、反射面１５２から外れた第３軸Ａ_３の周りに揺動することを許容するものとする。

本実施形態の２次元光偏向器１００は、米国特許第４８３８６３２号明細書に開示された従来例の２次元光偏向器５００のように偏向器の上に別の偏向器が搭載された構成ではないが、従来例の２次元光偏向器５００と同様に、ほぼ長方形の走査面となるラスタースキャンが実現できる。一方において、片持ち梁１１２に搭載されている要素は、小型で軽量な光ファイバ１３０とコリメートレンズ１２２とプリズム１２４だけであるので、従来例の２次元光偏向器５００に比べて、片持ち梁１１２の慣性モーメントは大幅に低減されている。このため、従来例の２次元光偏向器５００と同等の応答性を確保した場合でも、それに必要な駆動力は大幅に低減されることとなり、揺動に必要な消費電力が大幅に低減される。また、駆動力の低減に伴い、駆動に必要な容積も低減され、従来例の２次元光偏向器５００と比べて大幅な小型化も達成することができる。

＜変形例＞
図１１は第１実施形態の変形例を示している。図１に示された２次元光偏向器１００では、片持ち梁１１２は、延伸部１１４を片側に有しているため、外力による衝撃等によって延伸部１１４が予期せぬ動きをする可能性がある。本変形例の２次元光偏向器１００Ａは、図１１に示されるように、片持ち梁１１２Ａは、その自由端近傍に、第１軸Ａ_１に平行して延伸部１１４とは逆の方向に延伸している調整用延伸部１１９を有している。この調整用延伸部１１９は、延伸部１１４と同様の機械的特性を有している。例えば、調整用延伸部１１９は延伸部１１４と同じ長さ同じ質量を有している。このように、片持ち梁１１２Ａが、延伸部１１４と同様の調整用延伸部１１９を延伸部１１４の反対側に有しているため、振動等に対するバランスが向上し、外部からの衝撃に対して強くなる。

＜第２実施形態＞
図１２と図１３は、それぞれ、本発明の第２実施形態の２次元光偏向器の側面図と正面図を示している。図１２と図１３において、図１〜図３に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第１実施形態と同様である。

第１実施形態では、光出射部１２０を揺動する機構が、片持ち梁を利用して構成されていたが、本実施形態では、可動板を利用して構成されている。

２次元光偏向器２００は、コリメート光ビームを一つの平面内たとえばＹＺ平面に沿って偏向する第１偏向器２１０と、コリメート光ビームを別の一つの平面たとえばＸＹ平面に沿って偏向する第２偏向器１５０と、第１偏向器と第２偏向器を共に直接固定している固定部材２８０を備えている。

固定部材２８０は、ベース部２８２から上方向に突出した二つの凸部、支柱部２８４と第２偏向器固定台２８６を有している。第２偏向器固定台２８６は、第１実施形態の第２偏向器固定台１８６と同様の構成をしている。つまり、第２偏向器固定台２８６の第２偏向器固定面は、ＹＺ平面に対してＺ軸の周りに４５度傾斜している。第２偏向器１５０は、第１実施形態で説明した通りである。

第１偏向器２１０は、固定部材２８０から第１軸Ａ_１に沿って延びている２本のトーションヒンジ２１４と、トーションヒンジ２１４によって支持された揺動部材２１２と、揺動部材２１２に取り付けられた光出射部１２０を備えている。光出射部１２０の構成は、第１実施形態において説明された通りである。図示されていないが、第１偏向器２１０はまた、揺動部材２１２を揺動駆動するための駆動機構すなわちドライブを備えている。ドライブの駆動には、電磁駆動、静電駆動、圧電駆動など、公知の任意の駆動が適用されてよい。

一方のトーションヒンジ２１４は、固定部材２８０の支柱部２８４から第１軸Ａ_１に沿って延びており、もう一方のトーションヒンジ２１４は、第２偏向器固定台２８６から第１軸Ａ_１に沿って延びている。２本のトーションヒンジ２１４は、互いの中心軸が一致するように同軸上に配置されている。２本のトーションヒンジ２１４は、揺動部材２１２を固定部材２８０に対して第１軸Ａ_１の周りに揺動可能に支持している。

揺動部材２１２は、その上方すなわち＋Ｙ方向の側の端部に、第１軸Ａ_１に平行して前方すなわち＋Ｘ方向に延伸している延伸部２１６を有しており、光出射部１２０は、延伸部２１６の先端部に設けられている。延伸部２１６は、第１実施形態と同様に、光導波手段であるところの光ファイバ１３０のクラッドを固定しているクラッド固定部を有している。延伸部２１６に設けられたクラッド固定部は、図示されていないが、第１実施形態において説明されたクラッド固定部１１６と同様の構成をしている。

揺動部材２１２はさらに、その下方すなわち−Ｙ方向の側の端部に、第１軸Ａ_１に平行して後方すなわち−Ｘ方向に第１軸Ａ_１に平行して延伸部２１６とは逆の方向に延伸している調整用延伸部２１８を有している。調整用延伸部２１８は、延伸部２１６と同様の機械的特性を有している。延伸部２１６と調整用延伸部２１８は、第１軸Ａ_１上の一点に対して対称に配置されている。つまり、延伸部２１６と調整用延伸部２１８は、第１軸Ａ_１を基準にして反対側に位置し、互いに逆方向に延びている。

このように光出射部１２０が設けられた側の反対側の揺動部材２１２の端部にも調整用延伸部２１８が形成されていることによって、揺動部材２１２は、トーションヒンジ２１４の中心軸を中心として、その両側で同じ慣性モーメントになるように構成されている。

本実施形態の２次元光偏向器２００において、第１偏向器２１０の揺動軸は第１軸Ａ_１上に延びており、第２偏向器１５０の反射面１５２の揺動軸は第３軸Ａ_３上に位置し、第３軸Ａ_３は、第１軸Ａ_１上の一点を通って横切り、第１軸Ａ_１に垂直に延びている。

このような構成のため、本実施形態の２次元光偏向器２００においても、第１実施形態の２次元光偏向器１００と同様に、光出射部１２０から出射されるコリメート光ビームは常に第２偏向器１５０の反射面１５２に、その揺動軸上に入射する。第２偏向器１５０の反射面１５２によって反射されたコリメート光ビームは、第１偏向器２１０の揺動部材２１２の第１軸Ａ_１の周りの揺動によってＹＺ平面に沿って偏向され、また、第２偏向器１５０の反射面１５２の第３軸Ａ_３の周りの揺動によってＸＹ平面に沿って偏向される。

本実施形態の２次元光偏向器２００も、第１実施形態の２次元光偏向器１００と同様に、米国特許第４８３８６３２号明細書に開示された偏向器の上に別の偏向器が搭載された従来例の２次元光偏向器５００と同様に、ほぼ長方形の走査面となるラスタースキャンが実現できる。一方において、揺動部材２１２に搭載されている要素は、小型で軽量な光ファイバ１３０とコリメートレンズ１２２とプリズム１２４だけであるので、従来例の２次元光偏向器５００に比べて、揺動部材２１２の慣性モーメントは大幅に低減されている。このため、従来例の２次元光偏向器５００と同等の応答性を確保した場合でも、それに必要な駆動力は大幅に低減されることとなり、揺動に必要な消費電力が大幅に低減される。また、駆動力の低減に伴い、駆動に必要な容積も低減され、従来例の２次元光偏向器５００と比べて大幅な小型化も達成することができる。

さらに、本実施形態の２次元光偏向器２００は、第１実施形態の２次元光偏向器１００に比べて、外力に対するロバスト性がさらに高い構成となっている。第１実施形態の様に第１偏向器１１０が片持ち梁１１２を有している場合には、外部からの強い振動によよって、光ファイバ１３０からのコリメート光ビームが想定外の揺動を起こす可能性がある。これに対して、本実施形態では、揺動部材２１２がトーションヒンジ２１４を中心としてその両側に同じ慣性モーメントを持ってバランスされているため、外部からの振動により、想定外の揺動が発生しづらい。このため、第１偏向器２１０が揺動部材２１２を有している本実施形態の２次元光偏向器２００は、第１偏向器１１０が片持ち梁１１２を有している第１実施形態の２次元光偏向器１００に比べて、外力に対するロバスト性がさらに高い構成となっている。

＜第３実施形態＞
図１４と図１５は、それぞれ、本発明の第３実施形態の２次元光偏向器の側面図と正面図を示す。図１４と図１５において、図１〜図３に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。つまり、以下の説明で触れない部分は、第１実施形態と同様である。

本実施形態の２次元光偏向器３００は、米国特許第４８３８６３２号明細書に開示された従来例の２次元光偏向器５００と同じく、ガルバノ偏向器３１２を備えている。ただし、ガルバノ偏向器３１２に第２偏向器１５０は搭載されていない。

２次元光偏向器３００は、コリメート光ビームを一つの平面内たとえばＹＺ平面内において偏向する第１偏向器３１０と、コリメート光ビームを別の一つの平面たとえばＸＹ平面内において偏向する第２偏向器１５０と、第１偏向器と第２偏向器を共に直接固定している固定部材３８０を備えている。

固定部材３８０は、ベース部３８２から上方向に突出した二つ凸部、第１偏向器固定台３８４と第２偏向器固定台３８６を有している。第２偏向器固定台３８６は、第１実施形態の第２偏向器固定台１８６と同様の構成をしている。つまり、第２偏向器固定台３８６の第２偏向器固定面は、ＹＺ平面に対してＺ軸の周りに４５度傾斜している。第２偏向器１５０は、第１実施形態で説明した通りである。

第１偏向器３１０は、第１偏向器固定台３８４に固定されたガルバノ偏向器３１２を備えている。ガルバノ偏向器３１２は、第１軸Ａ_１の周りに揺動可能な回転シャフト３１２ａを有している。第１偏向器３１０はさらに、ガルバノ偏向器３１２の回転シャフト３１２ａに取り付けられた光導波手段であるところの光ファイバを固定する光ファイバ固定冶具３１４と、光ファイバ固定冶具３１４に設けられた光出射部１２０を備えている。

光ファイバ固定冶具３１４は、第１軸Ａ_１に平行して延伸している延伸部３１６を有している。光出射部１２０は、延伸部３１６の先端部に設けられている。光出射部１２０は、延伸部３１６の先端部に形成された貫通孔に挿入され固定された光ファイバ１３０と、光ファイバ１３０の先端に設けられたコリメートレンズ１２２を有している。

図１４と図１５には詳しく示されていないが、延伸部３１６は、光ファイバ１３０のクラッドを固定しているクラッド固定部３２０を有している。クラッド固定部３２０は、第１実施形態と同様に、光ファイバ１３０のクラッドがフィットして収容される空洞部を有している。空洞部は、たとえば溝または貫通孔で構成されている。光ファイバ１３０は、延伸部３１６に形成された空洞部にクラッドが挿入されて接着されることによって、光ファイバ固定冶具３１４に固定されている。光ファイバ１３０のクラッドが収容される空洞部は、延伸部３１６の先端部を貫通し、第１軸Ａ_１に向かって延びている。このため、光出射部１２０から出射されるコリメート光ビームは常に第１軸Ａ_１を通過する。

光ファイバ固定冶具３１４はさらに、第１軸Ａ_１を基準にして延伸部３１６の反対側の部分に調整用延伸部３１８を有している。調整用延伸部３１８は、延伸部３１６と同様の機械的特性たとえば重量を有しており、揺動軸を中心として慣性モーメントのバランスが取れるように配慮された設計となっている。当然のことながら、調整用延伸部３１８は、厚みを変えることによって慣性モーメントが調整されてもよい。

第２偏向器１５０は、反射面１５２の揺動軸が第１軸Ａ_１上の一点を通って横切るように配置されている。したがって、光ファイバ１３０から出射されたコリメート光ビームは、ガルバノ偏向器３１２の揺動軸と第２偏向器１５０の揺動軸の交点に入射するように構成されている。ガルバノ偏向器３１２の揺動によってコリメート光ビームの第２偏向器１５０の反射面１５２に入射する方向は変化するが、コリメート光ビームが入射する第２偏向器１５０の反射面１５２上の位置は変化しない。第２偏向器１５０の反射面１５２によって反射されたコリメート光ビームは、第１偏向器３１０によって、すなわち光ファイバ固定冶具３１４の揺動によってＺＸ平面に沿って偏向され、また、第２偏向器１５０によって、すなわち反射面１５２の揺動によって、ＸＹ平面に沿って偏向される。したがって、これらの揺動を組み合わせることによって、第２偏向器１５０の反射面１５２によって反射されたコリメート光ビームは２次元的にスキャンすることができる。このとき、ガルバノ偏向器３１２が低速スキャンに適用され、第２偏向器１５０が高速スキャンに適用されることによって、良好なラスタースキャンが実現される。

以上の構成において、第１および第２実施形態と同様に、米国特許第４８３８６３２号明細書に開示された偏向器の上に別の偏向器が搭載された従来例の２次元光偏向器５００と同様に、ほぼ長方形の走査面となるラスタースキャンが実現できる。一方において、ガルバノ偏向器３１２に搭載されている要素は、小型で軽量な光ファイバ固定冶具３１４と光ファイバ１３０とコリメートレンズ１２２だけであるので、従来例の２次元光偏向器５００に比べて、ガルバノ偏向器３１２の回転シャフト３１２ａにかかる慣性モーメントが大幅に低減されている。このため、従来例の２次元光偏向器５００と同等の応答性を確保した場合でも、それに必要な駆動力は大幅に低減されることとなり、揺動に必要な消費電力が大幅に低減される。

また、本実施形態の２次元光偏向器３００の構成は、ガルバノ偏向器の上に第２偏向器が配置された従来例の２次元光偏向器５００の構成に近く、またガルバノ偏向器３１２は一般的に市販されており、ガルバノ偏向器の上に第２偏向器が配置された構成からの転換も容易である。

＜変形例＞
図１６と図１７は、それぞれ、本発明の第３実施形態の変形例の側面図と正面図を示している。図１６と図１７において、図１４と図１５に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。以下、相違部分に重点をおいて説明する。

本変形例の２次元光偏向器３００Ａは、図１４と図１５に示された第１偏向器３１０に代えて、第１偏向器３１０Ａを備えている。第１偏向器３１０Ａは、図１４と図１５に示された光ファイバ固定冶具３１４に代えて、光ファイバ固定冶具３１４Ａを備えている。

本変形例の２次元光偏向器３００Ａでは、光ファイバ固定冶具３１４Ａは、第１軸Ａ_１に平行して延伸している延伸部３１６Ａを有している。光出射部１２０は、延伸部３１６Ａの先端部に設けられている。

図１６と図１７には詳しく示されていないが、延伸部３１６Ａは、光ファイバ１３０のクラッドを固定しているクラッド固定部３２０Ａを有している。クラッド固定部３２０Ａは、第１実施形態と同様に、光ファイバ１３０のクラッドがフィットして収容される空洞部を有している。空洞部は、たとえば溝または貫通孔で構成されている。光ファイバ１３０は、延伸部３１６Ａに形成された空洞部にクラッドが挿入されて接着されることによって、光ファイバ固定冶具３１４Ａに固定されている。光ファイバ１３０のクラッドが収容される空洞部は、延伸部３１６Ａの少なくとも先端の近くにおいては、第１軸Ａ_１に平行して延びている。

光出射部１２０は、光ファイバ１３０から出射される光をコリメート光ビームに成形するコリメートレンズ１２２と、コリメートレンズ１２２から第１軸Ａ_１に沿って出射されたコリメート光ビームを第２軸Ａ_２に沿って反射面に向けて偏向させるプリズムを備えている。光出射部１２０は、第１実施形態と同様に構成されている。

本変形例の２次元光偏向器３００Ａでは、図１４と図１５に示された２次元光偏向器３００に比べて、光ファイバ１３０の設置用の空洞部３１６ａが長く確保されている。このため、光ファイバ１３０から出射されるコリメート光ビームの方向の再現性が向上されており、光ファイバ１３０を所望の方向に向けて容易に固定することができ、組み立て性が改善されている。

Claims

コリメート光ビームを２次元的に偏向する２次元光偏向器であって、
コリメート光ビームを一つの平面内において偏向する第１偏向器と、
コリメート光ビームを別の一つの平面内において偏向する第２偏向器と、
前記第１偏向器と前記第２偏向器を共に直接固定している固定部材を備えており、
前記第１偏向器は、光導波手段によって導光された光から前記コリメート光ビームを生成して出射する光出射部を備えており、前記光出射部は、前記光出射部の外を通って延びている第１軸の周りに揺動可能に支持されており、前記光出射部は、前記第１軸に垂直な第１平面に沿って、前記第１軸に向けてコリメート光ビームを出射し、したがって、前記光出射部の揺動は、前記第１平面に沿ったコリメート光ビームの偏向を引き起こし、
前記第２偏向器は、前記光出射部から出射されたコリメート光ビームを反射する揺動可能な反射面を有し、前記反射面は、非揺動時において、前記第１軸を含む平面に対して４５度傾斜しており、さらに、非揺動時の前記光出射部から出射されるコリメート光ビームの主光線に一致する第２軸を含む平面に対しても４５度傾斜しており、したがって、前記反射面は、前記第１平面内のコリメート光ビームの偏向を、前記第２軸に垂直な第２平面に沿ったコリメート光ビームの偏向に変換し、さらに、前記反射面は、前記第１軸と前記第２軸の交点を通るとともに前記第１軸と前記第２軸の両方に垂直な第３軸の周りに揺動可能に支持されており、したがって、前記反射面の前記第３軸の周りの揺動は、前記第３軸に垂直な第３平面内のコリメート光ビームの偏向を引き起こす２次元光偏向器。
請求項１に記載の２次元光偏向器において、前記第２偏向器はＭＥＭＳ偏向器によって構成されており、前記ＭＥＭＳ偏向器は、前記反射面が設けられた可動部と、前記可動部を前記第３軸の周りに揺動可能に支持しているヒンジ部を備えている請求項１に記載の２次元光偏向器。
請求項１または２に記載の２次元光偏向器において、前記第１偏向器は、前記光出射部を前記第１軸の周りに揺動可能に支持している片持ち梁を備えており、前記片持ち梁は、前記固定部材に片持ちに固定されており、前記第１軸は、前記片持ち梁の固定端を通って延びており、前記片持ち梁は、前記第１軸に平行して延伸している延伸部を有しており、前記光出射部は、前記延伸部の先端部に設けられており、前記延伸部は、前記光導波手段のクラッドを固定しているクラッド固定部を有している２次元光偏向器。
請求項３に記載の２次元光偏向器において、前記片持ち梁は、前記第１軸に平行して前記延伸部とは逆の方向に延伸している調整用延伸部を有しており、前記調整用延伸部は、前記延伸部と同様の機械的特性を有している２次元光偏向器。
請求項３または４に記載の２次元光偏向器において、
前記クラッド固定部は、前記光導波手段の前記クラッドがフィットして収容される空洞部を有しており、前記空洞部は、前記第１軸に平行して延びており、
前記光出射部は、前記光導波手段から出射される光を前記コリメート光ビームに成形するコリメートレンズと、前記コリメートレンズから前記第１軸に沿って出射された前記コリメート光ビームを前記第２軸に沿って前記反射面に向けて偏向させるプリズムを備えている２次元光偏向器。
請求項１または２に記載の２次元光偏向器において、前記第１偏向器は、前記固定部材から前記第１軸に沿って延びている２本のトーションヒンジと、前記トーションヒンジによって前記固定部材に対して前記第１軸の周りに揺動可能に支持された揺動部材を備えており、前記揺動部材は、前記第１軸に平行して延伸している延伸部を有しており、前記光出射部は、前記延伸部の先端部に設けられており、前記延伸部は、前記光導波手段のクラッドを固定しているクラッド固定部を有している２次元光偏向器。
請求項６に記載の２次元光偏向器において、前記揺動部材は、前記第１軸に平行して、前記延伸部とは逆の方向に延伸している調整用延伸部を有しており、前記調整用延伸部は、前記延伸部と同様の機械的特性を有している２次元光偏向器。
請求項３または４に記載の２次元光偏向器において、
前記クラッド固定部は、前記光導波手段の前記クラッドがフィットして収容される空洞部を有しており、前記空洞部は、前記第１軸に平行して延びており、
前記光出射部は、前記光導波手段から出射される光を前記コリメート光ビームに成形するコリメートレンズと、前記コリメートレンズから前記第１軸に沿って出射された前記コリメート光ビームを前記第２軸に沿って前記反射面に向けて偏向させるプリズムを備えている２次元光偏向器。
請求項１または２に記載の２次元光偏向器において、
前記第１偏向器は、前記第１軸の周りに揺動可能な回転シャフトを有しているガルバノ偏向器と、前記ガルバノ偏向器の前記回転シャフトに取り付けられた光導波手段固定冶具を有しており、
前記光導波手段固定冶具は、前記第１軸に平行して延伸している延伸部を有しており、前記光出射部は、前記延伸部の先端部に設けられており、前記延伸部は、前記光導波手段のクラッドを固定しているクラッド固定部を有している２次元光偏向器。
請求項９に記載の２次元光偏向器において、前記光導波手段固定冶具は、前記回転シャフトを基準にして前記延伸部の反対側に調整用延伸部を有しており、前記調整用延伸部は、前記延伸部と同様の機械的特性を有している２次元光偏向器。
請求項９または１０に記載の２次元光偏向器において、
前記クラッド固定部は、前記光導波手段の前記クラッドがフィットして収容される空洞部を有しており、前記空洞部は、前記第１軸に平行して延びており、
前記光出射部は、前記光導波手段から出射される光を前記コリメート光ビームに成形するコリメートレンズと、前記コリメートレンズから前記第１軸に沿って出射された前記コリメート光ビームを前記第２軸に沿って前記反射面に向けて偏向させるプリズムを備えている２次元光偏向器。