(57)【要約】      （修正有）【課題】ミアンダパターン配列で直列に連結した複数のカンチレバー式圧電アクチュエータを有するアクチュエータ部を備える光偏向器の耐衝撃性を向上させる光偏向器を提供する。【解決手段】光偏向器は、アクチュエータ部（外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂ）の先端部の作動時変位方向において、アクチュエータ部の基端部の作動時変位範囲を含み該基端部が衝撃時に破損しない変位範囲に、該基端部の変位を制限する第１のストッパ（ストッパ５１ｅ，５１ｆ）を備える。【選択図】図９
2015102671.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チップと、パッケージとを備え、
前記チップが、ミラー部と、支持部と、前記ミラー部と前記支持部との間に介在してミアンダパターン配列で直列に連結した複数のカンチレバー式圧電アクチュエータの協働作用により前記ミラー部を往復回動させるアクチュエータ部とを備える光偏向器であって、
前記支持部への前記アクチュエータ部の結合部分を基端部とし、
前記アクチュエータ部の先端部の作動時変位方向において、前記アクチュエータ部の前記基端部の作動時変位範囲を含み前記基端部が衝撃時に破損しない範囲に、前記基端部の変位を制限する第１のストッパを備えることを特徴とする光偏向器。
【請求項２】
請求項１記載の光偏向器において、
前記ミアンダパターン配列の前記複数のカンチレバー式圧電アクチュエータの直列連結において前記基端部に近い順に１番と２番のカンチレバー式圧電アクチュエータの連結部に対し、前記作動時変位方向において、前記連結部の作動時変位範囲を含み前記連結部が衝撃時に破損しない範囲に、前記連結部の変位を制限する第２のストッパを備えることを特徴とする光偏向器。
【請求項３】
請求項２記載の光偏向器において、
前記第１及び前記第２のストッパは前記パッケージに固定されていることを特徴とする光偏向器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＭＥＭＳ（Micro−Electro−Mechanical Systems）技術により製造される光偏向器に関する。
【背景技術】
【０００２】
光偏向器は、チップと、パッケージとを備え、チップが、ミラー部と、支持部と、ミラー部と支持部との間に介在してミアンダパターン配列で直列に連結した複数のカンチレバー式圧電アクチュエータの協働作用によりミラー部を往復回動させるアクチュエータ部とを備える（例：特許文献１）。
【０００３】
このような光偏向器は、反射面が設けられたミラー部を揺動させて、その反射面に入射した光ビーム等をスキャンする装置であり、自動車分野やディスプレイ分野、精密機器分野等に活用されている。具体例としては、光スキャナをスマートフォン等のモバイル機器に組み込んだ、携帯できるほど小型のレーザプロジェクタや車載搭載のヘッドアップディスプレイ等が挙げられる。しかし、これらの用途においては従来問題にならなかった衝撃を超える外部衝撃を受ける可能性がある。例えば、胸ポケットから床への落下や自動車の急停止や衝突時の衝撃である。したがって、光偏向器に所定の耐衝撃性が必要になる。一般的に必要とされる耐衝撃性は、光偏向器をおおよそ２ｍの高さから剛性の床に落下した時に受ける２０００〜３０００Ｇの衝撃に耐えられることが目安となっている。
【０００４】
近年では、耐衝撃性の高い光スキャナの提供が様々な方法でなされている。特許文献２のＭＥＭＳデバイス（光偏向器）は、駆動体と、駆動体をその回転軸線の方向の両側においてフレーム（支持部）に結合する１対のトーションバネ（トーションバー）と、駆動体の上面側に隔離コラムを介して取付けられるステージ（ミラー部）とを備える。そして、上昇制限ストッパ及び下降制限ストッパが、それぞれフレーム及び駆動体に取付けられ、上昇制限ストッパは、衝撃時の駆動体の上昇を駆動体との当接により制限し、下降制限ストッパは、衝撃時の駆動体の下降をフレームとの当接により制限する。この結果、ステージ（ミラー部）の静止時のミラー面に対して直角方向の衝撃に対するトーションバネの破損が有効に防止される。
【０００５】
特許文献３の光走査ミラー（光偏向器）は、可動板（ミラー部）と、可動板の両側部に一端部がそれぞれ接続されており、可動板の１つの揺動軸を構成する１対のヒンジ（トーションバー）と、可動板の周囲を囲むように配され、各ヒンジ３の他端部を支持する固定フレーム（支持部）と、固定フレームに形成されたストッパ部を備えている。ストッパ部は、ヒンジの側方にヒンジ３に沿うように形成されており、その先端部が、可動板のヒンジが接続された部位に形成された凹部の内側に位置するように配置されている。可動板がその面方向に変位すると、ストッパ部が凹部の側縁部に接触し、可動板の面方向への変位が制限される。この結果、可動板（ミラー部）の面方向の衝撃に対するヒンジの破損が防止される。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００８−４０２４０号公報
【特許文献２】特開２０１１−４２０２９号公報
【特許文献３】特開２０１０−２６１４７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ミアンダパターン配列で直列に連結した複数のカンチレバー式圧電アクチュエータの協働作用によりミラー部を往復回動させるアクチュエータ部を備える光偏向器では、衝撃時では、ミラー部の静止時の面方向に対して直角方向、すなわちアクチュエータ部の先端部の作動時変位方向に大きな荷重を受ける。このため、支持部へのアクチュエータ部の結合部分である基端部や、アクチュエータ部の基端部側の２つのカンチレバー式圧電アクチュエータ間の連結部が破損し易い。これは、アクチュエータ部の先端部の作動時変位方向において、衝撃時の可動部の各変位量は、先端側ほど増大するものの、曲げ応力は、基端側ほど先端側の質量が積算されて、アクチュエータ部の基端側の方が大きくなることや、アクチュエータ部の基端側の２つのカンチレバー式圧電アクチュエータの連結部に集中し易いことが原因であると考えられる。
【０００８】
特許文献２のＭＥＭＳデバイス（光偏向器）における上昇制限ストッパ及び下降制限ストッパは、ステージ（ミラー部）の静止時の面方向に対して直角方向の衝撃に対処しているものの、ステージと一体に回動する駆動体の変位を制限して、可動部先端側の細いトーションバネ（トーションバー）の破損を防止するものである。したがって、特許文献２のＭＥＭＳデバイス（光偏向器）の破損防止構造を、ミアンダパターンのアクチュエータ部を装備する光偏向器に適用しても、基端側の可動部分としての該アクチュエータ部の耐衝撃性の改善には寄与しない。
【０００９】
また、特許文献２の下降制限ストッパは、ステージと一体に回動する駆動体に形成されるので、ステージ（ミラー部）近辺が厚くなる。このことは、衝撃時の可動部の基端側の曲げ応力を増大させるとともに、アクチュエータの駆動力の増大が必要となる。
【００１０】
さらに、特許文献２の上昇制限ストッパ及び下降制限ストッパは、ステージと一体に回動する駆動体と固定フレーム（支持部）との間を延在するので、長さがほぼトーションバネ（トーションバー）の長さだけ必要になり、長大となる。
【００１１】
特許文献３の光走査ミラー（光偏向器）におけるトーションバー破損防止構造は、ヒンジ（トーションバー）の軸線方向における可動板（ミラー部）側の凹部と固定フレーム側のストッパとの当接によりヒンジの軸線方向における耐衝撃性は改善できるものの、可動板の静止時の面方向に対して直角方向の耐衝撃性改善にはつながらない。
【００１２】
本発明の目的は、ミアンダパターン配列で直列に連結した複数のカンチレバー式圧電アクチュエータを有するアクチュエータ部を備える光偏向器の耐衝撃性を向上させることである。
【課題を解決するための手段】
【００１３】
本発明の光偏向器は、チップと、パッケージとを備え、前記チップが、ミラー部と、支持部と、前記ミラー部と前記支持部との間に介在してミアンダパターン配列で直列に連結した複数のカンチレバー式圧電アクチュエータの協働作用により前記ミラー部を往復回動させるアクチュエータ部とを備える光偏向器であって、前記支持部への前記アクチュエータ部の結合部分を基端部とし、前記アクチュエータ部の先端部の作動時変位方向において、前記アクチュエータ部の前記基端部の作動時変位範囲を含み前記基端部が衝撃時に破損しない範囲に、前記基端部の変位を制限する第１のストッパを備えることを特徴とする。
【００１４】
本発明によれば、ミアンダパターン配列で直列に連結した複数のカンチレバー式圧電アクチュエータを有するアクチュエータ部が、衝撃時に作動時変位方向に変位する際に、第１のストッパが、衝撃に対して最も破損し易い１番のカンチレバー式圧電アクチュエータの基端部の作動時変位方向の変位を、衝撃時に破損しない変位範囲に制限して、光偏向器の耐衝撃性を向上させることができる。
【００１５】
本発明において、光偏向器は、前記ミアンダパターン配列の前記複数のカンチレバー式圧電アクチュエータの直列連結において前記基端部に近い順に１番と２番のカンチレバー式圧電アクチュエータの連結部に対し、前記作動時変位方向において、前記連結部の作動時変位範囲を含み前記連結部が衝撃時に破損しない範囲に、前記連結部の変位を制限する第２のストッパを備えることが好ましい。
【００１６】
ミアンダパターン配列の複数のカンチレバー式圧電アクチュエータの直列連結において基端部に近い順に１番と２番のカンチレバー式圧電アクチュエータの連結部は、光偏向器において、１番のカンチレバー式圧電アクチュエータの基端部の次に破損し易い部位となっている。この構成によれば、追加された第２のストッパは、該連結部の作動時変位方向の変位を、該連結部が衝撃時に破損しない変位範囲に制限して、光偏向器の耐衝撃性を向上させることができる。
【００１７】
本発明において、前記第１及び前記第２のストッパは前記パッケージに固定されていることが好ましい。
【００１８】
この構成によれば、第１及び前記第２のストッパはパッケージに設けられることにより、ストッパ形成のためのチップ側の追加加工が不要となり、光偏向器の構造を簡単することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】一次元走査型の光偏向器チップの斜視図。
【図２】一次元走査型の光偏向器チップの正面図。
【図３】図１の光偏向器チップの積層構造を示す断面図。
【図４】二次元走査型の光偏向器チップの斜視図。
【図５】二次元走査型の光偏向器チップの正面図。
【図６】図４の光偏向器チップの衝撃対策構造の概略説明図。
【図７】光偏向器チップの前後方向及び左右方向に平行な横断面で衝撃対策構造を示す図。
【図８】光偏向器チップの前後方向及び上下方向に平行な横断面で衝撃対策構造を示す図。
【図９】衝撃対策構造付きの光偏向器チップを装備する光偏向器の断面図。
【図１０】前側ストッパ部材の斜視図。
【図１１】後ろ側ストッパ部材の斜視図である。
【図１２】光偏向器の製造工程の説明図
【図１３】カンチレバー型圧電アクチュエータにおける変位量計算についての説明図。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
図１及び図２は一次元走査型の光偏向器チップ１の斜視図及び正面図である。光偏向器チップ１は、所定のパッケージに収納されて、光偏向器として使用される。説明の便宜上、光偏向器チップ１の「上下方向」及び「左右方向」を、正面視が矩形となっている光偏向器チップ１の短辺方向及び長辺方向とする。説明の便宜上使用する「上下方向」及び「左右方向」は、光偏向器チップ１の現実の使用を限定するものではない。図１において、Ｃ方向は、上下方向及び左右方向の両方向に対する直角方向であり、光偏向器チップ１の前後方向を意味する。ミラー部２の正面側が光偏向器チップ１の前側であり、ミラー部２の背面側が光偏向器チップ１の後ろ側である。
【００２１】
光偏向器チップ１は、左右対称構造となっている。光偏向器チップ１は、主要要素として、矩形のミラー部２と、ミラー部２の左右に配設されたアクチュエータ部３ａ，３ｂと、ミラー部２及びアクチュエータ部３ａ，３ｂを包囲する矩形枠部４と、矩形枠部４の左右の辺部の前面に配設された左右の電極パッド６ａ，６ｂとを備える。
【００２２】
ミラー部２は、光偏向器チップ１の中心に配設され、前面側に光反射面をもつ。ミラー部２は、図示していないレーザ光源からの入射光を前方から入射され、光反射面で反射した反射光を走査光として前方へ出射する。
【００２３】
アクチュエータ部３ａ，３ｂは、対称構造になっているので、左側のアクチュエータ部３ａの構造のみを説明する。アクチュエータ部３ａは、ミラー部２と矩形枠部４との間に介在し、基端部において、矩形枠部４の下辺部の内周側の端部から上方へ所定量突出する突出部１０ａに結合し、先端部においてミラー部２の左辺の下端部に結合している。
【００２４】
アクチュエータ部３ａは、４つのカンチレバー式の圧電アクチュエータ５を備える。４つの圧電アクチュエータ５は、全体がミアンダパターン配列で連結部１１により直列に連結されている。各圧電アクチュエータ５は、ＰＺＴ（チタン酸ジルコン酸鉛）層１１４（図３）を有し、図示しない制御器から電極パッド６ａ及び光偏向器チップ１の配線層１１７（図３）を介して電圧を供給される。なお、圧電膜層としてのＰＺＴ層１１４（図３）は、圧電材料をＰＺＴに限定されることなく、その他の圧電材料として例えばＰＮＺＴ、ＡｌＮ又はＫＮＮを選択することもできる。
【００２５】
ＰＺＴ層１１４に電圧が印加されると、圧電アクチュエータ５は、その印加電圧の大きさに応じた湾曲量で湾曲し、先端側（圧電アクチュエータ５の直列連結においてミラー部２に近い側）を基端側（圧電アクチュエータ５の直列連結において矩形枠部４に近い側）に対してＣ方向に変位させる。
【００２６】
直列に連結している複数の圧電アクチュエータ５に対して、アクチュエータ部３ａの基端部側から先端部側に順番に１番、２番、３番及び４番の番号を付ける。各圧電アクチュエータ５のＰＺＴ層１１４に供給される駆動電圧は、所定周波数で変化する駆動電圧となっている。光偏向器チップ１の作動時では、圧電アクチュエータ５において奇数番同士、又は偶数番同士は、駆動電圧の位相が同一とされる。また、圧電アクチュエータ５において、奇数番と偶数番との駆動電圧は相互に逆位相にされる。
【００２７】
これにより、アクチュエータ部３ａは、複数の圧電アクチュエータ５の協働作用により、ミラー部２の下端部をＣ方向へ往復変位させ、ミラー部２は、左右方向に対して平行でかつミラー部２の中心を通る軸線の回りに往復回動する。光偏向器チップ１が装備された光偏向器では、ミラー部２の往復回動に伴い、走査光がその照射領域に対して一次元方向としての上下方向へ往復走査することになる。
【００２８】
図２において、衝撃時の光偏向器チップ１の破損について説明する。光偏向器チップ１は、所定のパッケージに収納されてから、車載用照明装置、車載用ヘッドアップディスプレイ、又は携帯型小型レーザ等に装備される。したがって、車載用照明装置等に衝撃がかかると、光偏向器チップ１にも衝撃がかかる。衝撃時では、光偏向器チップ１の可動部（ミラー部２及びアクチュエータ部３ａ，３ｂ）の最大変位の方向は、Ｃ方向となる。
【００２９】
図２において、Ｂ１，Ｂ２ａ，Ｂ２ｂは、衝撃対策が施されていないときの衝撃時に破損し易い箇所を示している。なお、Ｂ１が最も破損し易く、Ｂ２ａ，Ｂ２ｂがＢ１の次に破損し易い箇所である。Ｂ１は、１番の圧電アクチュエータ５が矩形枠部４側の突出部１０ａに結合する結合部分（基端部）になっている。Ｂ２ａは、アクチュエータ部３ａ，３ｂの連結部１１について、基端部に近い方から遠い方へ順番に１番、２番及び３番の番号を付けると、１番の連結部１１の箇所になっている。１番の連結部１１は、１番の圧電アクチュエータ５の先端部と２番の圧電アクチュエータ５の基端部とを連結している。Ｂ２ｂは、１番の圧電アクチュエータ５が１番の連結部１１に結合する先端側結合端部分と、２番の圧電アクチュエータ５が１番の連結部３６に結合する基端側結合端部分となっている。
【００３０】
図３は、光偏向器チップ１の積層構造が示される断面図である。該断面図は、左右方向及びＣ方向に共に平行な断面となっており、簡略化のために、光偏向器チップ１の一部の構成要素は省略している。
【００３１】
光偏向器チップ１は、ＭＥＭＳ技術により製造され、基板１００と、基板１００の上に積層される積層部１０２とを備える。可動部収納空間１０１は、基板１００の内周側に画成される。ミラー部２及びアクチュエータ部３ａ，３ｂは、可動部として、光偏向器チップ１の作動時では、変位範囲の下側半分を可動部収納空間１０１内で変位する。基板１００は、上から順番に、表面側酸化シリコン層１０５、シリコン層１０６、中間酸化シリコン層１０７、ハンドリング層１０８及び裏面側酸化シリコン層１０９の層を備える。
【００３２】
圧電アクチュエータ５は、表面側酸化シリコン層１０５の上に下から順番に下側電極層１１３、ＰＺＴ層１１４及び上側電極層１１５が積層されている。圧電アクチュエータ５において、層間絶縁膜１１６は、下端面においてシリコン層１０６の上面に固着しつつ、下側電極層１１３、圧電膜としてのＰＺＴ層１１４及び上側電極層１１５を包み込むように被膜している。配線層１１７は、層間絶縁膜１１６の上面に形成されているとともに、該上面の一部に穿設されたコンタクトホール内を満たして上側電極層１１５に接続されている。
【００３３】
ミラー部２では、表面側酸化シリコン層１０５の上に反射膜としての金属薄膜１２１が積層され、さらに、その上に、誘電体の多層膜から成る増反射膜１２２が積層されている。
【００３４】
図４及び図５は二次元走査型の光偏向器チップ２１の斜視図及び正面図である。光偏向器チップ２１は、所定のパッケージに収納されて、光偏向器として使用される。光偏向器チップ２１について、説明の便宜上、「上下方向」、「左右方向」、「Ｃ方向（前後方向）」を、図１の光偏向器チップ１の場合と同様に定義する。ミラー部２２の正面側が光偏向器チップ２１の前側であり、ミラー部２２の背面側が光偏向器チップ２１の後ろ側である。
【００３５】
光偏向器チップ２１は、左右対称構造となっている。光偏向器チップ２１は、主要要素として、ミラー部２２と、上下のトーションバー２３ｕ，２３ｖと、上側の左右の内側アクチュエータ２４ａ，２４ｂと、下側の左右の内側アクチュエータ２５ａ，２５ｂと、内側枠部２６と、左右の外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂと、外側枠部２９と、左右の電極パッド３０ａ，３０ｂとを備える。
【００３６】
光偏向器チップ２１は、二次元走査型の構成とするために、図１及び図２の一次元走査型の光偏向器チップ１に対し、内側枠部２６より内側の構造部分が追加された構造になっている。したがって、内側枠部２６より外側の構造部分としての光偏向器チップ２１の左右の外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂと、外側枠部２９と、左右の電極パッド３０ａ，３０ｂとは、本発明に係る構成及び作用において、光偏向器チップ１のミラー部２２、左右のアクチュエータ部３ａ，３ｂと、矩形枠部４と、左右の電極パッド６ａ，６ｂとそれぞれ同一となっている。また、光偏向器チップ２１の突出部３５ａ，３５ｂ、連結部３６も、本発明に係る構成及び作用において、光偏向器チップ１の突出部１０ａ，１０ｂ、及び連結部１１と同一となっている。
【００３７】
光偏向器チップ２１において、光偏向器チップ１と実質的に相違する構成についてのみ説明する。
【００３８】
内側枠部２６は、ミラー部２２と、上下のトーションバー２３ｕ，２３ｖと、上側の左右の内側アクチュエータ２４ａ，２４ｂと、下側の左右の内側アクチュエータ２５ａ，２５ｂとを包囲している。内側枠部２６の縦辺部の外周側の下端は外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂの先端部に結合されている。
【００３９】
図４において、Ｄ方向は、トーションバー２３ｕ，２３ｖの軸線（第１軸線）回りの方向を示している。上下のトーションバー２３ｕ，２３ｖは、両端においてミラー部２２と内側枠部２６の内周とに結合している。なお、第１軸線の方向は、外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂのよる内側枠部２６の左右方向軸線（第２軸線）回りの往復回動のために、光偏向器チップ２１の作動中は変化する。
【００４０】
内側アクチュエータ２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、配置部位のみが相違し、構造及び作用は同一であるので、それらの代表として内側アクチュエータ２４ａについてのみ説明する。内側アクチュエータ２４ａは、左右方向に延在し、基端部において内側枠部２６の内周に結合し、先端部においてミラー部２２から所定距離離れたトーションバー２３ｕの部位に結合している。内側アクチュエータ２４ａは、圧電アクチュエータ３１と同様に、１つのアクチュエータとして作動可能な構成を有している。
【００４１】
内側アクチュエータ２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、図示していない制御器から第１周波数の印加電圧を供給される。第１周波数は、内側枠部２６より内側に配設されたミラー部２２等の可動部の共振周波数に設定される。これに対し、外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂの圧電アクチュエータ３１の圧電膜に印加される電圧は、第２周波数（第２周波数＜第１周波数）に設定される。
【００４２】
内側アクチュエータ２４ａ及び２５ａの第１周波数の駆動電圧は同一位相である。内側アクチュエータ２４ｂ及び２５ｂの第１周波数の駆動電圧は同一位相である。内側アクチュエータ２４ａ，２５ａの駆動電圧と内側アクチュエータ２４ｂ，２５ｂの駆動電圧とは、相互に逆位相の関係になっている。
【００４３】
これにより、内側アクチュエータ２４ａ，２４ｂ，２５ａ，２５ｂは、協働して、トーションバー２３ｕ，２３ｖの基端部をＤ方向に往復回動させるとともに、ミラー部２２をＤ方向に往復回動させる。この結果、ミラー部２２からの走査光は、第１周波数でほぼ左右に走査する光となる。
【００４４】
光偏向器チップ２１の作動時では、また、外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂが、内側枠部２６を、第２軸線回りに内側枠部２６を第２周波数で往復回動させるので、ミラー部２２からの走査光は、第２周波数でほぼ上下に走査する光となる。こうして、光偏向器チップ２１の走査光は、第１及び第２軸線回りの二次元の走査光となる。
【００４５】
図５において、衝撃時の光偏向器チップ２１の破損について説明する。光偏向器チップ２１は、所定のパッケージに収納されてから、車載用照明装置等に装備される。したがって、車載用照明装置等に衝撃がかかると、光偏向器チップ２１にも衝撃がかかる。衝撃時では、光偏向器チップ２１の可動部（ミラー部２２と、ミラー部２２−外側枠部２９間の介在物）の最大変位の方向は、Ｃ方向となる。
【００４６】
図５において、Ｂ３〜Ｂ５は、衝撃対策が施されていないときの衝撃時に破損し易い箇所を示している。なお、Ｂ３が最も破損し易く、Ｂ４，Ｂ５がＢ３の次に破損し易い箇所である。
【００４７】
Ｂ３は、１番の圧電アクチュエータ３１が外側枠部２９側の突出部３５ａに結合する結合部分（基端部）になっている。
【００４８】
Ｂ４は、外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂの連結部３６について、基端部に近い方から遠い方へ順番に１番、２番及び３番の番号を付けると、１番の連結部３６の箇所になっている。１番の連結部３６は、１番の圧電アクチュエータ３１の先端部と２番の圧電アクチュエータ３１の基端部とを連結している。
【００４９】
Ｂ５は、１番の圧電アクチュエータ３１が１番の連結部３６に結合する先端側結合端部分と、２番の圧電アクチュエータ３１が１番の連結部３６に結合する基端側結合端部分となっている。
【００５０】
図６〜図８は、光偏向器チップ２１の衝撃対策構造としてのストッパ５１ｅ等（ストッパ５１ｅ，５１ｆ，５５ｅ，５５ｆ）の説明図である。図６は、光偏向器チップ２１の正面視で衝撃対策構造の位置及び大きさ（寸法）を示し、図７は、前後方向及び左右方向に平行な横断面で衝撃対策構造を示し、図８は、前後方向及び上下方向に平行な横断面で衝撃対策構造を示している。
【００５１】
図６では、ストッパ５１ｅ等のストッパ面の位置及び大きさが正面視で示されている。正面視では、ストッパ５１ｅ等は、位置及び大きさが左右対称になる。範囲Ａ１は、ストッパ５１ｅ，５１ｆ（図７）の位置及び大きさを示し、左右に１つずつ存在する。範囲Ａ２は、ストッパ５５ｅ，５５ｆの位置及び大きさを示し、左右に１つずつ存在する。これらの位置及び大きさは、左右方向に隣接する圧電アクチュエータ３１の定格変位（光偏向器チップ２１の作動時変位）を干渉しないように設定されている。
【００５２】
図６の正面視では、範囲Ａ１は、突出部３５ａ，３５ｂを覆いつつ、１番の圧電アクチュエータ３１の基端部と僅かに重なる大きさ及び位置になっている。範囲Ａ１が、正面視で、１番の圧電アクチュエータ３１の基端部よりも、突出部３５ａ，３５ｂを中心にして重複させている理由は、突出部３５ａ，３５ｂの先端部の裏面は、該先端部の結合先の１番の圧電アクチュエータ３１の裏面と合わせられるので、該先端部は、固定側の外側枠部２９に属するものの、外側枠部２９の本体部より薄くなっていて、衝撃時には１番の圧電アクチュエータ３１の基端部と共にＣ方向へ変位するからである。
【００５３】
範囲Ａ２は、１番の連結部３６を必要最小限に覆う位置及び大きさになっており、３番の圧電アクチュエータ３１の先端部と干渉しないようになっている。
【００５４】
図６に図示の範囲Ａ１の形状及び位置は、ストッパ５１ｅ，５１ｆの正面視の寸法及び形状を示している。図６に図示の範囲Ａ２の形状及び位置は、ストッパ５５ｅ，５５ｆの正面視の寸法及び形状を示している。範囲Ａ１は、正面視が正方形であり、辺の長さは、２番の圧電アクチュエータ３１と干渉しない長さとしてのｉ１に設定されている。ｉ１は、１番の圧電アクチュエータ３１の幅より大きく、ｉ１の端が２番の圧電アクチュエータ３１に達しない長さになっている。
【００５５】
範囲Ａ２は、左右方向に長い矩形であり、長辺の長さｉ２は、１番の連結部３６の左右方向寸法より長く、範囲Ａ２は、１番の連結部３６の左右方向範囲を含み、かつ３番の圧電アクチュエータ３１の先端部の側縁に達しない範囲とされる。なお、範囲Ａ２は、正面視では図５のＢ５と重ならないものの、ストッパ５５ｅ，５５ｆの位置、形状及び大きさを、範囲Ａ２の位置、形状及び大きさに一致させれば、図５の箇所Ｂ４と共に箇所Ｂ５の破損も有効に防止することができる。
【００５６】
図７及び図８は、可動部がＣ方向に中立位置にあるとき、すなわち光偏向器チップ１の作動停止中（静止中）の断面位置を示しており、可動部は、Ｃ方向に対して直角方向に一列に整列している。可動部の各部位は、光偏向器チップ２１の作動中は、Ｃ方向に中立位置に対して両側に等しい振れ幅で往復変位する。可動部におけるＣ方向の変位（定格変位）は、ミラー部２２において最大となり、基端部側の部位ほど小さくなる。
【００５７】
図７において、ｃ１は、１番の圧電アクチュエータ３１の基端部の作動時変位範囲（定格変位範囲）を示している。図８において、ｊ１は、可動部が中立位置にあるときにおいて、ストッパ５１ｅ，５１ｆのストッパ面（当接面）と、１番の圧電アクチュエータ３１の基端部の対峙面との間隙寸法を示している。ｊ２は、可動部が中立位置にあるときにおいて、ストッパ５１ｅ，５１ｆのストッパ面（当接面）と、１番の連結部３６の対峙面との間隙寸法を示している。
【００５８】
なお、図７において、４１は、下側のシリコン層４０と上側の加工層４２との中間に介在する埋込み酸化膜層を示している。
【００５９】
図９は光偏向器６０の断面図である。光偏向器６０は、光偏向器チップ２１と、光偏向器チップ２１を収納したパッケージ６１とを備える。パッケージ６１は、本体６２と、本体６２の開口側にかぶせられる蓋６３とを備えている。パッケージ６１は、奥側から開口側へ順番に第１凹部６８、第２凹部６９及び第３凹部７０を有している。Ｃ方向に対して直角の面方向の径は、第１凹部６８、第２凹部６９及び第３凹部７０の順番に増大している。前側（チップ表面側）ストッパ部材５０は、蓋６３の内面側に固定され、後ろ側（チップ裏面側）ストッパ部材５６は、第１凹部６８に挿入され、固定されている。
【００６０】
図１０は前側ストッパ部材５０の斜視図である。前側ストッパ部材５０は、基板５２と、基板５２の中央部に穿設された窓５３と、２つのストッパ５１ｅと、２つのストッパ５５ｅとを備える。ストッパ５１ｅ，５５ｅは、基板５２の４隅部に立設される。窓５３は、光偏向器チップ２１のミラー部２２にパッケージ６１の外から内へ入射する光、及び該光がミラー部２２に反射してパッケージ６１の内から外へ出射する反射光としての走査光が通過する。
【００６１】
図１１は後ろ側ストッパ部材５６の斜視図である。後ろ側ストッパ部材５６は、基板５７と、２つのストッパ５１ｆ、２つのストッパ５５ｆとを備える。ストッパ５１ｆ，５５ｆは、基板５７の４隅部に立設される。
【００６２】
図９に戻って、後ろ側ストッパ部材５６は、基板５７を第１凹部６８の底面に固着される。外側枠部２９は、後ろ側ストッパ部材５６の前端部が外側枠部２９の内周側に配置されるように、後端を第２凹部６９の底面に固定される。蓋６３がパッケージ６１の前端開口を閉じると、前側ストッパ部材５０のストッパ５１ｅ，５５ｅは、外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂの圧電アクチュエータ３１を間に挟んで後ろ側ストッパ部材５６のストッパ５１ｆ，５５ｆと正対する位置になる。圧電アクチュエータ３１が中立位置にあるとき、ストッパ５１ｅと圧電アクチュエータ３１との間及びストッパ５１ｆと圧電アクチュエータ３１との間の距離は、Ｃ方向にｊ１となっている。また、圧電アクチュエータ３１が中立位置にあるとき、ストッパ５５ｅと圧電アクチュエータ３１との間及びストッパ５５ｆと圧電アクチュエータ３１との間の距離は、Ｃ方向にｊ２となっている。
【００６３】
圧電アクチュエータ３１の各部位は、光偏向器６０の作動時、Ｃ方向へ所定範囲（以下、「定格変位範囲」という。）内で変位する。ｊ１，ｊ２は、Ｃ方向へ、それぞれストッパ５１ｅ，５１ｆ，５５ｅ，５５ｆが対峙している圧電アクチュエータ３１側の部位の定格変位範囲の外側に位置している。
【００６４】
ストッパ５１等の作用について説明する。例えば光偏向器６０が自動車のヘッドアップディスプレイとして車両に搭載されたとき、光偏向器６０に大きな衝撃がかかることがある。可動部の最大変位が生じる方向はＣ方向であり、可動部においてＣ方向の最大変位量の部位は、ミラー部２２となるが、曲げ応力は小さい。衝撃時の変位に伴う曲げ応力は、可動部の基端側の部位ほど、また、横断面に小さい部位ほど、増大し、破損し易くなる。さらに、可動部における破損し易い部位は、Ｃ方向の変位量の増大に連れても、増大する。したがって、光偏向器６０において、衝撃時に曲げ応力が大きい方向から１番、２番の部位を挙げると、１番は、１番の圧電アクチュエータ３１の基端部を中心とした所定範囲内（例：図５のＢ３）となり、２番は、１番の連結部３６を中心とした所定範囲内（例：図５のＢ４，Ｂ５）となる。
【００６５】
これに対し、ストッパ５１ｅ，５１ｆは、衝撃時に、１番の圧電アクチュエータ３１の基端部にＣ方向に当接することにより、１番の圧電アクチュエータ３１の基端部のＣ方向最大変位量をｊ１以下に制限する。これにより、衝撃時の１番の圧電アクチュエータ３１の基端部における最大曲げ応力は、許容値内に収まり、破損が防止される。
【００６６】
光偏向器チップ２１における１番の連結部３６は、１番の圧電アクチュエータ３１の基端部がストッパ５１ｅ，５１ｆに当接した後も、Ｃ方向に変位し続ける。しかしながら、ストッパ５５ｅ，５５ｆがＣ方向の前側及び後ろ側から１番の連結部３６にＣ方向に当接することにより、１番の連結部３６の最大変位量をｊ２以下に制限する。これにより、衝撃時の１番の連結部３６における最大曲げ応力は、許容値内に収まり、破損が防止される。
【００６７】
図１２は、光偏向器６０の製造工程の説明図である。ＳＴＥＰ１では、基板５７をＣ方向後ろ側にして、後ろ側ストッパ部材５６をパッケージ６１の本体６２内に下降させる。
【００６８】
ＳＴＥＰ２では、後ろ側ストッパ部材５６の基板５７の下部を本体６２の第１凹部６８に嵌合し、基板５７の下面を第１凹部６８の底面に固着する。
【００６９】
ＳＴＥＰ３では、光偏向器チップ２１の外側枠部２９の内側開口空間をＣ方向後ろ側に向けて、該内側開口空間内に後ろ側ストッパ部材５６の前端部が収まるように、光偏向器チップ２１をパッケージ６１の本体６２内へＣ方向後ろ側へ移動させる。
【００７０】
ＳＴＥＰ４では、光偏向器チップ２１の外側枠部２９の内側開口空間内に後ろ側ストッパ部材５６の前端部を収めて、外側枠部２９の後面を第２凹部６９の底面に固着する。
【００７１】
ＳＴＥＰ５では、光偏向器チップ２１−パッケージ６１間にワイヤ７４を接続する。詳細には、ワイヤ７４は、ワイヤボンディング処理により光偏向器チップ２１の電極パッド３０ａ，３０ｂ（図４）と、パッケージ６１の電極（図示せず）との間に接続される。
【００７２】
ＳＴＥＰ６では、パッケージ６１の蓋６３の内面側が本体６２の前部開口に対峙するように、パッケージ６１を本体６２のＣ方向前方の位置に移動する。
【００７３】
ＳＴＥＰ７では、蓋６３の内面の周縁部を本体６２の前部周縁部に固着する。
【００７４】
図１３は、１番の圧電アクチュエータ３１の基端における衝撃時の曲げ応力を許容値内に納めるｊ２の寸法を計算についての説明図である。図１３（ａ）は、圧電アクチュエータ３１の横断面の寸法を示している。圧電アクチュエータ３１の幅（光偏向器チップ２１の左右方向の寸法）をｂ、厚さ（Ｃ方向の寸法）をｈとする。
【００７５】
断面２次モーメントＩ＝ｂ・ｈ３／１２・・・（１）式
断面係数Ｚ＝ｂ・ｈ２／６・・・（２）式
シリコンの密度２．３３[ｇ／ｃｍ３]・・・（３）式
同ヤング率Ｅ＝１９０[ＧＰａ]・・・（４）式
【００７６】
図１３（ｂ）は、カンチレバーとしての圧電アクチュエータ３１の集中荷重の説明図である。圧電アクチュエータ３１の長さをＬ、自由端の荷重をＷ、Ｃ方向の自由端の変位量をδとする。
最大曲げ応力σmax ＝Ｗ・Ｌ／Ｚ・・・（５）式
最大たわみ量δ＝Ｗ・Ｌ３／６Ｅ・Ｉ・・・（６）式
【００７７】
ここで、圧電アクチュエータ３１の長さを４[ｍｍ]、突出部３５ａの左端から突出部３５ｂの右端までの左右方向距離を１０[ｍｍ]、圧電アクチュエータ３１のシリコン層１０６の厚さを０．０４[ｍｍ]とする。
【００７８】
圧電アクチュエータ３１が支持している部分の体積をＶ、同部分の質量をｍとする。
Ｖ＝１×０．４×０．００４＝１．６×１０-３[ｃｍ３]・・・（７）式
ｍ＝２．３３×１．６×１０-３[ｇ]＝３．７２８×１０-６[ｋｇ]・・・（８）式
【００７９】
３０００Ｇの加速度ａが掛かったときの荷重（力）Ｗとする。
Ｗ＝ｍ・ａ＝３．７２８×１０-６[ｋｇ]×９．８×３０００[ｍ／ｓｅｃ２]＝０．１１[ｋｇ・ｍ／ｓｅｃ２]＝０．１１[Ｎ]・・・（９）式
【００８０】
これを代入すると、次のようになる。
σmax ＝Ｗ・Ｌ／Ｚ＝０．１１[Ｎ]×４×１０-３m×６／｛（０．５×１０-３）×（０．０４×１０-３）２｝＝３×１０９[Ｎ／ｍ２] ＝３[ＧＰａ]・・・（１０）式
δ＝Ｗ・Ｌ３／６Ｅ・Ｉ＝２Ｗ・Ｌ３／Ｅ・ｂ・ｈ３＝２×０．１１[Ｎ]×（４×１０-３）３／｛１９０×１０９×０．５×１０-３×（０．０４×１０-３）３｝＝０．００２３[ｍ]＝２．３[ｍｍ]・・・（１１）式
【００８１】
図１３（ｃ）は、カンチレバーとしての圧電アクチュエータ３１の振れ角θ及び先端変位量ｄとを示している。図１３（ｂ）の先端変位量δに対し、図１３（ｃ）の先端変位量をｄとしたのは、衝撃時の先端変位量δと、定格作動時の変位量ｄとを区別するためである。
【００８２】
図１３（ｃ）に基づいた計算は、外側アクチュエータ部２８ａ全体の振れ角を±１０°（機械半角）とする。４本の圧電アクチュエータ３１に均等に割り付けると、２．５°／本となる。ただし、１番の圧電アクチュエータ３１は動き難いので実際には２°以下の角度となる。４[ｍｍ]長の圧電アクチュエータ３１が２°角度変位したときの先端変位量ｄはつぎのようになる。
ｄ＝Ｌ・ｓｉｎθ＝４×ｓｉｎ（２°）＝４×０．０３５＝０．１４[ｍｍ]＝１４０[μｍ]・・・（１２）式
【００８３】
（１）〜（１１）式は、衝撃加速度３０００Ｇについてカンチレバーとしての圧電アクチュエータ３１の先端変位量ｄを算出したものであるが、他の衝撃加速度についても同様に先端変位量ｄを計算したものを次の表１にまとめて示す。表１において、最大たわみ量は、各衝撃加速度に対する圧電アクチュエータ３１の先端変位量としてのδを示している。
【００８４】
【表１】
2015102671.tif 000003
【００８５】
表１から、シリコンの曲げ破壊応力が６[ＧＰａ]であることを考慮すると、光偏向器チップ２１が２０００Ｇ以上の衝撃加速度を受けると、外側アクチュエータ部２８ａにおいて破壊が起きる確率が高くなることが予想される。また、外側アクチュエータ部２８ａが応力で破壊しなくても、圧電アクチュエータ３１の先端変位量がパッケージに対する間隙（最小０．５[ｍｍ]）を大きく超えているので、パッケージ６１の本体６２又は蓋６３に衝突して破壊に至る可能性が大であることが十分に予測される。
【００８６】
衝撃加速度を３０００Ｇにして計算したδは、（１１）式及び表１に示したように、２．３[ｍｍ]である。これに対し、（１２）式で計算した圧電アクチュエータ３１の先端部の定格変位量としてのｄは、０．１４[ｍｍ]となっている。圧電アクチュエータ３１の先端に対応するストッパ５５ｅ，５５ｆが、１番の圧電アクチュエータ３１の定格作動時の変位アクチュエータ長さの５％未満を妨げないために、圧電アクチュエータ３１の長さ４[ｍｍ]の５％以上として図９のｊ２は２００[μｍ]以上必要になる。図９のｊ２について、例えばｊ２＝２００[μｍ]に設定すると、表１によれば、２００[μｍ]は、加速度が１／１０に減衰する変位の０．２３と０．１５との値であるので、衝撃加速度としては２０００／１０〜３０００／１０、すなわち２００〜３００Ｇの間になる。
【００８７】
したがって、ｊ２＝２００[μｍ]に設定することにより、光偏向器チップ２１が大きな衝撃を受けても、１番の連結部３６の衝撃加速度は、２５０Ｇくらいに減衰して、破損を防止できる。
【００８８】
一方、圧電アクチュエータ３１の基端部もＬ＝０．５[ｍｍ]として同様の計算を行うと、変位量は１７．５[μｍ]になる。定格の動作を妨げない間隙としては加工公差を考慮して、ｊ１は５０[μｍ]以上が必要になる。したがって、例えば、ｊ１＝５０[μｍ]に設定して、定格の変位の確保と、Ｃ方向の衝撃の減衰による破損防止を図ることができる。なお、ｊ１＝５０[μｍ]は、圧電アクチュエータ３１の長さ４[ｍｍ]の１．２５％となっている。
【００８９】
以上、本発明の実施形態を説明した。図６〜図１３では、光偏向器チップ２１の衝撃防止構造について説明しているが、光偏向器チップ１の圧電アクチュエータ５についても、同様に、衝撃防止構造を付与することができる。
【００９０】
光偏向器チップ１，２１は、本発明のチップの実施例である。図１等のＣ方向は、本発明の作動時変位方向の例である。矩形枠部４及び外側枠部２９は、本発明の支持部の実施例である。
【００９１】
圧電アクチュエータ５，３１は、本発明のカンチレバー式圧電アクチュエータの実施例である。左右のアクチュエータ部３ａ，３ｂ及び左右の外側アクチュエータ部２８ａ，２８ｂは本発明のアクチュエータ部の実施例である。左右のアクチュエータ部３ａ，３ｂにおいて１番の圧電アクチュエータ５の基端部は、本発明において支持部へのアクチュエータ部の結合部分の実施例である。左右の外側アクチュエータ部３ａ，３ｂにおいて１番の圧電アクチュエータ３１の基端部は、本発明において支持部へのアクチュエータ部の結合部分の実施例である。ストッパ５１ｅ，５１ｆは、本発明の第１のストッパの一例である。ストッパ５５ｅ，５５ｆは、本発明の第２のストッパの実施例である。
【符号の説明】
【００９２】
１，２１・・・光偏向器チップ（チップ）、２，２２・・・ミラー部、３・・・アクチュエータ部、４・・・矩形枠部（支持部）、５，３１・・・圧電アクチュエータ（カンチレバー式圧電アクチュエータ）、２８・・・外側アクチュエータ部（アクチュエータ部）、２９・・・外側枠部（支持部）、５１ｅ，５１ｆ，５５ｅ，５５ｆ・・・ストッパ、６０・・・光偏向器、６１・・・パッケージ。
【図１】
2015102671.tif 000004
【図２】
2015102671.tif 000005
【図３】
2015102671.tif 000006
【図４】
2015102671.tif 000007
【図５】
2015102671.tif 000008
【図６】
2015102671.tif 000009
【図７】
2015102671.tif 000010
【図８】
2015102671.tif 000011
【図９】
2015102671.tif 000012
【図１０】
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【図１１】
2015102671.tif 000014
【図１２】
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【図１３】
2015102671.tif 000016