CN115549425A - 旋转往复驱动致动器 - Google Patents

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Abstract

本发明的课题为，在确保芯的刚性的同时容易组装，并且抑制制作成本，以更高振幅驱动可动对象物。旋转往复驱动致动器具备：可动体，其具有连接可动对象物的轴部和固定于所述轴部的磁铁；以及固定体，其具有芯组装体，该芯组装体包括：包括多个磁极的一体结构的磁极芯、与多个磁极分别相邻配置的多个线圈、以及组装有磁极芯的磁路芯，固定体以使多个磁极与磁铁的外周对置的方式配置有芯组装体，通过向多个线圈通电，产生通过磁路的磁通，该磁路由一体结构的磁极芯和磁路芯构成，通过磁通与磁铁的电磁相互作用，使可动体绕轴部的轴旋转往复。

Description

旋转往复驱动致动器
技术领域
本发明涉及旋转往复驱动致动器。
背景技术
以往，作为在复合机、激光束打印机等扫描仪中使用的致动器，使用旋转驱动致动器。具体而言，旋转往复驱动致动器通过使扫描仪的反射镜往复旋转，来变更激光的反射角度而实现对对象物的光扫描。
在专利文献1中公开了使用检流计电动机作为这种旋转往复驱动致动器的装置。作为检流计电动机，除了专利文献1所公开的构造的类型的电动机、将线圈安装于反射镜的线圈可动型以外，还已知有各种类型的电动机。
在专利文献1中公开了如下的射束扫描仪：四个永久磁铁以在旋转轴径向上磁化的方式设置于安装有反射镜的旋转轴，具有卷绕有线圈的磁极的芯以夹着旋转轴的方式配置。
现有技术文献
专利文献
专利文献1：日本专利第4727509号公报
发明内容
发明所要解决的课题
然而，在线圈可动型的旋转往复驱动致动器中，由于驱动时的线圈的发热，有可能对反射镜的表面状态、反射镜向旋转轴的接合状态、包含翘曲的反射镜的形状等造成不良影响。另外，在线圈可动型的旋转往复驱动致动器中，若考虑通电时的线圈的发热，则向线圈的输入电流也难以变大，存在作为可动体的反射镜的大型化、高振幅化困难的问题。而且，相对于作为可动体的反射镜，需要将向线圈的配线向固定体侧引出，存在组装性差的问题。
另外，在专利文献1中，将磁铁配置在可动体侧。由此，虽然能够消除上述的线圈可动型的问题，但为了使磁铁相对于芯静止在中立位置，即，为了使磁铁的磁极的切换部分位于芯的中心，每1极芯需要2极的磁铁，合计需要4极的磁铁。
因此，例如，与使用2极的磁铁构成同样的旋转往复驱动致动器的情况相比，存在可动体的振幅变小、即摆动范围减少的问题。另外，由于使用至少四个磁铁，因此部件数量多，结构复杂，组装困难。近年来，作为用于扫描仪的旋转往复驱动致动器，设想作为可动体的反射镜的大型化等，期望具备刚性、具有耐冲击性、耐振动性、并且实现组装性的提高、能够实现进一步的高振幅化的旋转往复驱动致动器。
另外，在专利文献1中，在作为芯的凸极形磁轭中，相互平行地配置，并且从卷绕有线圈的部位的前端部分别向相互面对的方向弯曲地突出有多个作为磁极的槽，以夹着旋转轴的磁铁的方式形成。
在像这样为凸极形磁轭那样复杂的形状的芯的情况下，存在加工费事、装置自身的成本增加的问题。
本发明是考虑以上的点而完成的，提供一种旋转往复驱动致动器，该旋转往复驱动致动器能够在确保芯的刚性的同时容易组装，并且能够抑制制作成本而以更高振幅驱动可动对象物。
用于解决课题的手段
本发明的旋转往复驱动致动器的一个方式的特征在于，其采用如下结构：其具备：可动体，其具有连接可动对象物的轴部和固定于所述轴部的磁铁；以及固定体，其具有芯组装体，该芯组装体包括：包括多个磁极的一体结构的磁极芯、与所述多个磁极分别相邻配置的多个线圈、以及组装有所述磁极芯的磁路芯，所述固定体以使所述多个磁极与所述磁铁的外周对置的方式配置有所述芯组装体，通过向所述多个线圈通电，产生通过磁路的磁通，该磁路由所述一体结构的磁极芯和所述磁路芯构成，通过所述磁通与所述磁铁的电磁相互作用，使所述可动体绕所述轴部的轴旋转往复。
发明的效果
根据本发明，能够在确保芯的刚性的同时容易组装，并且能够抑制制作成本，以更高振幅驱动可动对象物。
附图说明
图1是实施方式的旋转往复驱动致动器的外观立体图。
图2是旋转往复驱动致动器的分解立体图。
图3是表示旋转往复驱动致动器的驱动部的主要部分结构的左侧视图。
图4是表示芯组装体的结构的立体图。
图5是表示芯体的芯部的结构的左侧面侧立体图。
图6是图5所示的芯部的分解图。
图7是用于说明旋转往复驱动致动器的磁性回路的动作的图。
图8是用于说明旋转往复驱动致动器的磁性回路的动作的图。
图9是表示使用了旋转往复驱动致动器的扫描仪系统的主要部分结构的图。
图10是表示芯组装体的变形例1的结构的立体图。
图11是表示在图10所示的变形例1中从线圈体取下第一壳体的状态的立体图。
图12是变形例1的第一壳体的立体图。
图13是表示芯组装体的变形例2的结构的立体图。
图14是表示在芯组装体的变形例2中从线圈体取下第二壳体的状态的立体图。
图中：1：旋转往复驱动致动器；4、4A、4B：芯组装体；10：可动体；12：反射镜部(可动对象物)；13：旋转轴(轴部)；20：固定体；21：基座部；211、212：壁部；22、23：轴承；30：驱动部；32：磁铁；32a：S极；32b：N极；32c、32d：磁极切换部(边界部分)；40、40A、40B：芯体；40a、40b：安装孔；41：磁极芯；42、42A、42B：磁路芯；44、45：线圈；46、47：绕线管；48、48A、48B：旋转角度位置保持部(磁铁位置保持部)；51、51A：第一壳体；51a：贯通孔；51b：轴承安装部；52、52B：第二壳体(接合体)；52a：插通孔；53：第一轴承；58、58B：突出边部；70：传感器部；61、62：紧固件；100：扫描仪系统；101：激光发光部；102：激光控制部；103：驱动信号供给部；104：位置控制信号计算部；121：反射镜；122：反射镜支架；122a、211a、212a：插通孔；211、212：壁部；211b、212b：切口孔；213：底部；411、412：棒状体；411a、412a：磁极；411b、412b、421b、422b：基端部；413：连接体；413a：磁极侧接触面；413b：芯固定片部；421、422：腿部；423、423A、423B：桥接部；424：磁路侧连接体；424a：磁路侧接触面；425、425A、425B：切口；510A：主体部。
具体实施方式
以下，参照附图对本发明的实施方式进行说明。
图1是实施方式的旋转往复驱动致动器的外观立体图。图2是旋转往复驱动致动器的分解立体图。图3是表示旋转往复驱动致动器的驱动部的主要部分结构的左侧面，是在驱动部中拆下了第一壳体的左侧面图。
旋转往复驱动致动器1例如用于激光雷达(LiDAR：Laser Imaging Detection andRanging)装置。此外，旋转往复驱动致动器1也能够应用于复合机、激光束打印机等光扫描装置。
旋转往复驱动致动器1大致分为具备：可动体10、旋转自如地支承可动体10的基座部21、以及驱动可动体10相对于基座部21旋转往复的驱动部30。基座部21和驱动部30构成旋转往复驱动自如地支承可动体10的固定体20。
可动体10具有旋转轴13、反射镜部12以及可动磁铁(以下，简称为“磁铁”)32。此外，关于磁铁32的详细内容与后述的驱动部30一起详细地进行说明。
反射镜部12是旋转往复驱动致动器1中的可动对象物，与旋转轴13连接。反射镜部12例如通过在反射镜支架122的一面粘贴反射镜121而形成。旋转轴13插通并固接于反射镜支架122的插通孔122a。
基座部21具有一对壁部211、212。一对壁部211、212以在平板状的底部213的轴向两端相互对置的方式立起设置。基座部21的截面形成为大致コ字状(U字状)。
在一对壁部211、212分别形成有供旋转轴13插通的插通孔211a、212a。另外，在一对壁部211、212分别形成有将插通孔211a、212a与一对壁部211、212的外缘连通的切口孔211b、212b。
由此，在使反射镜部12固接于旋转轴13的状态下，能够将旋转轴13经由切口孔211b、212b配置于插通孔211a、212a的位置。在没有切口孔211b、212b的情况下，在使反射镜部12配置于一对壁部211、212之间的状态下，将旋转轴13插通于一对壁部211、212的插通孔211a、212a以及反射镜支架122的插通孔122a双方。而且，还需要使旋转轴13与反射镜支架122固接这样的繁杂的组装作业。与此相对，在本实施方式中，由于形成有切口孔211b、212b，因此能够简单地使预先固接有反射镜部12的旋转轴13插通于插通孔211a、212a。
在一对壁部211、212中，在设置于插通孔211a、212a的安装部(省略图示)安装有轴承22、23。轴承22、23可以由基座部21用的滚动轴承(例如球轴承)、滑动轴承构成。例如，若轴承22、23为滚动轴承，则摩擦系数低，能够使旋转轴13顺畅地旋转，因此旋转往复驱动致动器1的驱动性能提高。由此，旋转轴13经由轴承22、23旋转自如地安装于基座部21，在一对壁部211、212之间配置有作为可动对象物的反射镜部12。
轴承22、23从旋转轴13的轴向两侧插通，在旋转轴13配置于插通孔211a、212a之后，安装于在插通孔211a、212a设置的轴承安装部。这样，旋转轴13经由轴承22、23旋转自如地安装于基座部21。
另外，在旋转轴13的一端固接有磁铁32。磁铁32配置在后述的驱动部30内，通过由驱动部30产生的磁通而被旋转往复驱动。
这样，在本实施方式中，安装有作为可动对象物的反射镜部12的旋转轴13被基座部21的一对壁部211、212以从两侧支承反射镜部12的方式轴支承。由此，与以悬臂方式轴支承旋转轴13相比，反射镜部12的支承变得牢固，耐冲击性、耐振动性提高。
<驱动部30>
如图2～图3所示，驱动部30具有包含芯体40和线圈44、45的芯组装体4和磁铁32。
<芯组装体4>
图4是表示芯组装体4的结构(除去第一壳体51、第二壳体52以及第一轴承53)的立体图。
图3和图4所示的芯组装体4除了芯体40、线圈44、45之外，还具有旋转角度位置保持部48、第一壳体51、第二壳体52以及第一轴承53等。
芯组装体4固定于基座部21，构成固定体20的一部分。在本实施方式中，芯组装体4形成为在内侧配设有磁极411a、412a的矩形板状。
<芯体40>
芯体40具有：一体结构的磁极芯41，其包括多个磁极411a、412a；以及磁路芯42，其与磁极芯41磁耦合而一体化，与磁极芯41一起构成磁路。
磁极芯41和磁路芯42使对线圈44、45通电时产生的磁通通过多个磁极411a、412a。磁极芯41和磁路芯42例如是将硅钢板等电磁钢板(层叠部件)层叠而成的层叠芯。通过将芯体40设为层叠构造，能够构成低成本且具有复杂的形状的磁极芯41和磁路芯42。
图5是表示芯体的芯部的结构的左侧面侧立体图，图6是图5所示的芯部的分解图。
<磁极芯41>
磁极芯41以一体结构具有在前端部分别具有多个磁极411a、412a的多个棒状体411、412和连接体413。
棒状体411、412从基端部411b、412b到前端部(包括磁极411a、412a)相互并行地延伸，在中间部分别外装有多个线圈44、45。
在通过向线圈44、45通电而励磁时，棒状体411、412的前端部的磁极411a、412a产生与通电方向对应的极性。
棒状体411、412是与芯体40的厚度(旋转轴13的延伸方向的长度)相同的厚度，与连接体413在左侧面共面，但在右侧面设置为比连接体413突出。另外，棒状体411右侧面的突出部分配置在磁路芯42的内部。
磁极411a、412a的与磁铁32对置的部分具有沿着磁铁32的外周面弯曲的形状。这些弯曲的形状例如以在与棒状体411、412的延伸方向正交的方向上对置的方式配置。
磁极411a、412a例如具有能够将卷绕有线圈44、45的绕线管46、47从前端侧外插的外形尺寸。由此，能够从棒状体411、412的延伸方向的前端侧、即磁极411a、412a的前端外插绕线管46、47，使其位于包围棒状体411、412的位置。
连接体413在棒状体411、412的基端部沿与棒状体411、412的平行方向交叉的方向延伸，将棒状体411、412相互连接。
连接体413形成为矩形柱状，在与棒状体411、412的平行方向正交的方向上延伸，以从棒状体411、412各自的基端部411b、412b向侧方正交地突出的方式形成。
连接体413主要形成连接棒状体411、412的基端部411b、412b和磁路芯42的腿部421、422的基端部421b、422b的磁路。
连接体413的突出部分的前端部具有用于固定磁极芯41和磁路芯42的芯固定片部413b，在芯固定片部413b设置有安装孔40a。
将紧固件61插入安装孔40a，插通并固定磁路芯42、进而插通并固定后述的第一壳体51或第二壳体52各自的安装孔。
连接体413具有与磁路芯42的磁路侧接触面424a面接触的面状的磁极侧接触面413a。磁极侧接触面413a设置于连接体413中的与磁路芯42相对的部位的整个面。连接体413通过使磁极侧接触面413a与磁路芯42的磁路侧接触面424a面接触而接合，从而以整面层叠的状态接合于磁路芯42的磁路侧连接体424。
在磁极芯41中，棒状体411、412以及连接体413为一体结构，因此在组装旋转往复驱动致动器1时，多个磁极411a、412a的位置关系不会变化。
即，作为与磁路芯42一起的芯组装体4的芯体，在将磁极411a、412a配置在与磁铁32相对的位置而配置驱动部30的情况下，能够使磁极411、412彼此在相对的正确的位置相互不偏移地定位。
<磁路芯42>
磁路芯42与磁极芯41连接，在向线圈44、45通电时，形成磁通通过磁极411a、412a的磁路。
磁路芯42在旋转轴13的延伸方向上与连接体413面对并相互面接触，并且在以旋转轴13为中心对多个磁极411a、412a进行了定位的状态下与磁极芯41组装。
磁路芯42与连接体413一起构成以包围磁极411a、412a以及线圈44、45的方式配置于旋转轴13的周围的磁路。即，磁路芯42具有包围线圈44、45的包围部，在该包围部的一部分(磁路侧连接体424)与磁极芯41的连接体413面接触。根据该结构，磁路芯42具有高强度，能够稳定地定位磁极411a、412a。另外，磁路芯42以环状包围线圈44、45，因此能够防止从外部向线圈44、45的接触。
磁路芯42与连接体413连接，将磁极芯41的棒状体411、412的基端部411b、412b与腿部421、422的基端部421b、422b连接。通过该连接，磁路芯42的包围部与连接体413一起形成包围磁极411a、412a间磁极411a、412a、线圈44、45以及磁铁32且连结磁极411a、412a间的磁性回路。
磁路芯42的包围部具有以面接触的方式与连接体413的磁极侧接触面413a接触的磁路侧连接体424、腿部421、422以及桥接部423。磁路侧连接体424连接一对腿部421、422的基端部421b、422b之间。
在连接体413和磁路侧连接体424中，在棒状体411、421的向外侧延长的部位、特别是两端部，以从两连接体413、424的一面立起的方式接触的状态连接有一对腿部421、422。由此，磁通构成为在连接体413中主要从两端部通过一对腿部、桥接部423以及棒状体411、磁铁32、棒状体412。
磁路侧连接体424具有与连接体413相对的磁路侧接触面424a，在该磁路侧接触面424a以与连接体413的磁极侧接触面413a整面重叠的方式接触。磁路侧连接体424能够减少连接体413的磁极侧接触面413a的接合部分的磁阻。
腿部421、422以夹着一对棒状体411、412的方式且沿着一对棒状体411、412的并行方向延伸、并分离地配置。腿部421、422在基端部421b、422b从磁路侧连接体424的两端部向与磁路侧连接体424交叉的方向延伸并接合。在腿部421、422的前端部之间架设有桥接部423。
腿部421、422各自的厚度(旋转轴13的延伸方向的长度)例如形成为与桥接部423、棒状体411、412的厚度、以及将连接体413和磁路侧连接体424合起来的厚度相同的厚度。在腿部421、422中，从磁路侧连接体424立起的基端部421b、422b的端面优选形成为以面与连接体413抵接。
桥接部423与磁路侧连接体424平行地配置。桥接部423与接合于连接体413的磁路侧连接体424和基端部接合于磁路侧连接体424且相互平行地配置的腿部421、422一起形成为矩形框状。
此外，磁路芯42中作为磁路的弯曲部分的角部(腿部421、422与桥接部423的连结部分)既可以具有带有圆角的R形状，也可以具有直线地弯折的形状。另外，在本实施方式中，在桥接部423设置有旋转角度位置保持部48。
在本实施方式中，将腿部421、422以与桥接部423抵接的方式连接。在桥接部423中，在从腿部421、422的接合部分向两侧方突出的部位设置有安装孔40b。在安装孔40b中，与安装孔40a一起分别插入紧固件61，在经由这些紧固件61组装旋转往复驱动致动器1时，芯组装体4固定于基座部21。
在组装了旋转往复驱动致动器1的状态下，旋转轴13插通于由磁极411a、412a包围的空间。另外，安装于旋转轴13的磁铁32位于该空间，磁极411a、412a在正确的位置隔着气隙G与该磁铁32对置。
线圈44、45卷绕于筒状的绕线管46、47。由线圈44、45和绕线管46、47构成的线圈体外插于磁极芯41的棒状体411、412，由此线圈44、45以卷绕棒状体411、412的方式配置。这样，线圈44、45与棒状体411、412的前端部的磁极411a、412a相邻配置。
线圈44、45的绕线方向被设定为，在进行通电时，从磁极芯41的磁极411a、412a的一方朝向另一方适当地产生磁通。
<旋转角度位置保持部(磁铁位置保持部)48＞
旋转角度位置保持部48在组装了旋转往复驱动致动器1的状态下，以隔着气隙G与磁铁32对置的方式组装于芯组装体4。旋转角度位置保持部48例如以磁极与磁铁32对置的姿势安装于磁路芯42的桥接部423(磁极芯41的棒状体411、412的上方的部分)。
旋转角度位置保持部48例如由磁铁32构成，在与磁铁32之间产生磁吸引力，吸引磁铁32。即，旋转角度位置保持部48与棒状体411、412一起在与磁铁32之间形成磁性弹簧。通过该磁性弹簧，在未进行向线圈44、45的通电的常态时(非通电时)，磁铁32的旋转角度位置、即旋转轴13的旋转角度位置被保持在中立位置。
中立位置是指磁铁32的旋转往复动作的基准位置、即摆动的中心。在磁铁32保持于中立位置时，磁铁32的边界部分32c、32d与棒状体411、412的磁极411a、412a正对。另外，以磁铁32处于中立位置的状态为基准，调整反射镜部12的安装姿势。此外，旋转角度位置保持部48也可以由在与磁铁32之间产生磁吸引力的磁性体构成。
第一壳体51和第二壳体52由导电材料构成，作为电磁屏蔽件发挥功能。第一壳体51和第二壳体52分别配置于芯体40的轴向的两侧。通过第一壳体51和第二壳体52，能够抑制噪声从外部向芯体40的入射以及噪声从芯体40向外部的射出。
第一壳体51和第二壳体52优选由铝合金形成。铝合金的设计自由度高，能够容易地赋予所希望的刚性。因此，适合于使第一壳体51作为支承旋转轴13的支承体发挥功能的情况。
旋转轴13经由第一轴承53旋转自如地安装于第一壳体51。第一轴承53配置于与形成于第一壳体51的贯通孔51a连续的轴承安装部。轴承安装部例如与贯通孔51a连续地在第一壳体51的背面侧形成为凹状，并嵌入到该凹状内。第一轴承53将旋转轴13的配置磁铁32的一侧的端部旋转自如地容易安装于第一壳体51。此外，第一轴承53例如是滚动轴承或者滑动轴承，具有与轴承22、23相同的功能。第一轴承53与壁部211的轴承22一起将旋转轴13在磁铁32的两侧支承为旋转往复移动自如。
第二壳体(接合体)52将芯组装体4定位并接合于基座部21的壁部211。第二壳体52与第一壳体51一起夹着芯体40并经由紧固件61固定为一体，经由紧固件62定位并固定于壁部211。
第二壳体52具有比磁铁32的外形大的插通孔52a。安装有磁铁32的旋转轴13经由第二壳体52的插通孔52a插入到芯组装体4内。
由磁极芯41和磁路芯42构成的芯体40被第一壳体51和第二壳体52夹持，并被紧固件61固定，从而作为芯组装体4而一体化。另外，芯组装体4通过紧固件62固定于基座部21的左侧的壁部211，与基座部21一体化。
磁铁32是S极32a和N极32b在周向上交替配置的环型磁铁。磁铁32在组装了旋转往复驱动致动器1的状态下，以位于由芯体40的磁极411a、412a包围的空间的方式安装于旋转轴13的周面。若对线圈44、45进行通电，则棒状体411、412和磁路芯42被励磁而在磁极411a、412a产生与通电方向对应的极性，在磁极411a、412a与磁铁32之间产生磁力(吸引力和排斥力)。
在本实施方式中，磁铁32以沿着旋转轴13的轴向的平面为边界而被磁化为不同的极性。即，磁铁32是以等分割为S极32a和N极32b的方式被磁化的2极磁铁。磁铁32的磁极的数量(在本实施方式中为两个)与芯体40的磁极411a、412a的数量相等。另外，磁铁32也可以根据可动时的振幅而被磁化为2极以上。在该情况下，芯体40的磁极部与磁铁32的磁极对应地设置。
磁铁32在S极32a与N极32b的边界部分32c、32d(以下，称为“磁极切换部”)切换极性。磁极切换部32c、32d在磁铁32被保持在中立位置时，分别与磁极411a、412a正对。
在中立位置，磁铁32的磁极切换部32c、32d与磁极411a、412a正对，由此驱动部30能够产生最大转矩而稳定地驱动可动体10。
另外，通过由2极磁铁构成磁铁32，通过与芯体40的协作，容易以高振幅驱动可动对象物，并且能够实现驱动性能的提高。此外，在实施方式中，对磁铁32具有一对磁极切换部32c、32d的情况进行了说明，但也可以具有两对以上的磁极切换部。
此外，在驱动部30中，旋转轴13的配置有磁铁32的部分被第一壳体51和左侧的壁部211这2点支承，因此即使磁铁32与旋转角度位置保持部48之间的磁吸引力变大，也能够确保旋转轴13的直线性。即，在旋转轴13的配置有磁铁32的部分仅由左侧的壁部211支承而成为悬臂的情况下，若磁铁32与旋转角度位置保持部48之间的磁吸引力变大，则旋转轴13向旋转角度位置保持部48侧挠曲而直线性有可能降低，但不会产生这样的问题。
接下来，使用图3、图7以及图8对旋转往复驱动致动器1的动作进行说明。图7和图8是用于说明旋转往复驱动致动器1的磁性回路的动作的图。
芯组装体4的芯体40的两个磁极411a、412a以隔着气隙G夹着磁铁32的方式配置。在向线圈44、45的非通电时，如图3所示，磁铁32通过与旋转角度位置保持部48之间的磁吸引力而被保持在中立位置。
在该中立位置，磁铁32的S极32a和N极32b的一方(在图7中为S极32a)被旋转角度位置保持部48吸引(参照图7的磁性弹簧转矩FM)。此时，磁极切换部32c、32d与芯体40的磁极411a、412a的中心位置对置。
当对线圈44、45进行通电时，芯体40被励磁，在磁极411a、412a产生与通电方向对应的极性。如图7所示，当对线圈44、45进行通电时，在芯体40的内部产生磁通，磁极411a成为S极，磁极412a成为N极。由此，被磁化为S极的磁极411a与磁铁32的N极32b相互吸引，被磁化为N极的磁极412a与磁铁32的S极32a相互吸引。并且，在磁铁32上绕旋转轴13产生F方向的转矩，磁铁32向F方向旋转。伴随于此，旋转轴13也向F方向旋转，固定于旋转轴13的反射镜部12也向F方向旋转。
接着，如图8所示，当对线圈44、45反向进行通电时，在芯体40的内部产生的磁通的流动成为反向，磁极411a成为N极，磁极412a成为S极。被磁化为N极的磁极411a与磁铁32的S极32a相互吸引，被磁化为S极的磁极412a与磁铁32的N极32b相互吸引。并且，在磁铁32上产生绕旋转轴13的轴与F方向反向的转矩-F，磁铁32向-F方向旋转。伴随于此，旋转轴13也旋转，固定于旋转轴13的反射镜部12也旋转。
旋转往复驱动致动器1通过反复进行以上的动作，对反射镜部12进行旋转往复驱动。
实际上，旋转往复驱动致动器1由从电源供给部(例如相当于图9的驱动信号供给部103)向线圈44、45输入的交流波驱动。即，线圈44、45的通电方向周期性地切换。在通电方向的切换时，通过旋转角度位置保持部48与磁铁32之间的磁吸引力、即磁性弹簧的复原力(图7和图8所示的磁性弹簧转矩FM、-FM)，磁铁32以返回中立位置的方式被施力。由此，F方向的转矩和与F方向相反的方向(-F方向)的转矩绕轴交替地作用于可动体10。由此，可动体10被旋转往复驱动。
以下，对旋转往复驱动致动器1的驱动原理进行简单说明。在本实施方式的旋转往复驱动致动器1中，在将可动体(可动体10)的惯性力矩设为J[kg·m2]，将磁性弹簧(磁极411a、412a、旋转角度位置保持部48以及磁铁32)的扭转方向的弹簧常数设为Ksp的情况下，可动体相对于固定体(固定体20)以通过式(1)计算出的共振频率Fr[Hz]振动(旋转往复)。
[数学式1]
Figure BDA0003705938240000121
Fr：共振频率[Hz]
J：惯性力矩[kg·m2]
Ksp：弹簧常数[N·m/rad]
由于可动体构成弹簧质量系统的振动模型中的质量部，因此当向线圈44、45输入与可动体的共振频率Fr相等的频率的交流波时，可动体成为共振状态。即，通过从电源供给部对线圈44、45输入与可动体的共振频率Fr大致相等的频率的交流波，能够使可动体高效地振动。
以下示出表示旋转往复驱动致动器1的驱动原理的运动方程式和回路方程式。旋转往复驱动致动器1基于式(2)所示的运动方程式和式(3)所示的回路方程式进行驱动。
[数学式2]
Figure BDA0003705938240000131
J：惯性力矩[kg·m2]
θ(t)：角度[rad]
Kt：转矩常数
i(t)：电流[A]
Ksp：弹簧常数[N·m/rad]
D：衰减系数[N·m/(rad/s)]
TLoss：负载转矩[N·m]
[数学式3]
Figure BDA0003705938240000132
e(t)：电压[V]
R：电阻[Ω]
L：电感[H]
Ke：反电动势常数[V/(rad/s)]
即，旋转往复驱动致动器1中的可动体的惯性力矩J[kg·m2]、旋转角度θ(t)[rad]、转矩常数Kt[N·m/A]、电流i(t)[A]、弹簧常数Ksp[N·m/rad]、衰减系数D[N·m/(rad/s)]、负载转矩TLoss[N·m]等能够在满足式(2)的范围内适当变更。另外，电压e(t)[V]、电阻R[Ω]、电感L[H]、反电动势常数Ke[V/(rad/s)]能够在满足式(3)的范围内适当变更。
这样，旋转往复驱动致动器1在利用与由可动体的惯性力矩J和磁性弹簧的弹簧常数Ksp决定的共振频率Fr对应的交流波对线圈进行通电的情况下，能够得到高效的大的振动输出。
此外，旋转往复驱动致动器1也可以具备检测旋转轴13的旋转角度的角度传感器部70(参照图6)。角度传感器部70例如固定于基座部21的右侧的壁部212。
角度传感器部70例如具有光传感器和编码器盘。编码器盘安装于旋转轴13，与磁铁32和反射镜部12一体地旋转。即，编码器盘的旋转位置与旋转轴13的旋转位置相同。光传感器向编码器盘射出光并基于其反射光来检测编码器盘的旋转位置(角度)。由此，能够检测磁铁32和反射镜部12的旋转位置。
通过具备角度传感器部70，能够检测包含磁铁32和旋转轴13的可动体10的旋转角度，能够控制驱动时的可动体，具体而言，能够控制作为可动对象物的反射镜部12的旋转角度位置和旋转速度。
图9是表示使用了旋转往复驱动致动器1的扫描仪系统100的主要部分结构的框图。
扫描仪系统100除了旋转往复驱动致动器1之外，还具有激光发光部101、激光控制部102、驱动信号供给部103以及位置控制信号计算部104。
激光发光部101例如具有作为光源的LD(激光二极管)和用于使从该光源输出的激光会聚的透镜系统等。激光控制部102控制激光发光部101。从激光发光部101照射的激光入射到旋转往复驱动致动器1的反射镜121。
位置控制信号计算部104参照由角度传感器部70取得的旋转轴13(反射镜121)的角度位置和目标角度位置，生成并输出以使旋转轴13(反射镜121)成为目标角度位置的方式进行控制的驱动信号。例如，位置控制信号计算部104基于所取得的旋转轴13(反射镜121)的角度位置、和表示使用存储于未图示的波形存储器的锯齿波形数据等变换后的目标角度位置的信号来生成位置控制信号，并将该位置控制信号输出到驱动信号供给部103。
驱动信号供给部103基于位置控制信号，向旋转往复驱动致动器1的线圈44、45供给使旋转轴13(反射镜121)的角度位置成为所希望的角度位置的驱动信号。由此，扫描仪系统100能够从旋转往复驱动致动器1向规定的扫描区域射出扫描光。
<总结>
如以上说明的那样，本实施方式的旋转往复驱动致动器1具有：可动体10，其具有连接反射镜部(可动对象物)的旋转轴(轴部)13和固定于旋转轴13的磁铁32。此外，磁铁32是在外周面沿周向交替地配置有S极32a和N极32b的环型磁铁。此外，旋转往复驱动致动器1具有：固定体20，其具有芯组装体4。
芯组装体4具有：芯体40，其包括包含多个磁极411a、412a的一体结构的磁极芯41以及与磁极芯41分体且与磁极芯41磁耦合并与磁极芯41一起构成磁路的磁路芯42；以及多个线圈44、45，其与多个磁极411a、412a分别相邻配置。使多个磁极411a、412a与磁铁32的外周对置地配置磁极芯41。磁极411a、412a与磁铁32的外周面隔着气隙G相对配置。
芯体40由磁极芯41和磁路芯42的分体构成，在磁极芯41中，磁极411a、412a在与磁铁32的外周对置的位置为一体结构，因此，即使具有磁极芯41和磁路芯42的芯体40的形状复杂，也能够不降低多个磁极411a、412a的配置精度而容易地制造。
此外，磁铁32的磁极的数量与磁极411a、412a的数量相等。固定体20具有隔着气隙G与磁铁32对置设置的旋转角度位置保持部(磁铁位置保持部)48。旋转角度位置保持部48通过在与磁铁32之间产生的磁吸引力，将磁铁32保持在基准位置，即，将旋转轴13或磁铁32的旋转角度位置保持在中立位置。基准位置是磁铁32的旋转往复的旋转中心位置。
通过切换向多个线圈44、45的通电方向，切换通过一体结构的磁极芯41和磁路芯42的磁通的流动而使芯组装体4产生，通过磁通与磁铁32的电磁相互作用，可动体10绕旋转轴13的轴旋转往复。
由于磁极芯41和磁路芯42是层叠部件，因此制造不费事，能够以低成本构成复杂形状的磁极芯41和磁路芯42。磁极芯41以一体结构具有多个棒状体411、412和将多个棒状体411、412相互连接的连接体413。多个棒状体411、412在前端部分别具有多个磁极411a、412a，从基端部411b、412b到前端部相互并行地延伸，在中间部分别外装有多个线圈44、45。连接体413在基端部411b、412b沿与棒状体411、412的平行方向交叉的方向延伸。
磁路芯42在旋转轴13的延伸方向上与连接体413面对而相互面接触，并且以旋转轴13为中心将多个磁极411a、412a在使线圈44、45邻接的状态下定位，从而组装磁极芯41。
由此，即使是具有以夹着磁铁32而相对的方式配置的磁极411a、412a的芯，也能够实现高输出化，并且实现制造成本的低廉化，提高磁极411a、412a的配置精度，能够无偏差地配置。因此，能够实现旋转往复驱动致动器1的可靠性的提高。
另外，磁路芯42具有向棒状体411、412的外侧延长的延长部(腿部421、422、桥接部423)，延长部以与连接体413一起包围线圈44、45的方式配置于旋转轴13的周围。由此，能够抑制从被通电的线圈44、45产生的电磁噪声，进而能够抑制来自线圈44、45和磁铁32的漏磁通，能够防止对外部设备的电磁影响。
另外，若旋转角度位置保持部48、48A、48B为磁铁，则能够使其更准确地位于对可动体进行旋转往复驱动时的可动体的基准位置，并从该位置进行往复驱动，从而能够可靠地进行往复驱动。
另外，可动对象物是反射扫描光的反射镜部12(特别是反射镜121)。由此，能够将旋转往复驱动致动器1用于进行光扫描的扫描仪的用途。
以上，基于实施方式具体地说明了由本发明人完成的发明，但本发明并不限定于上述实施方式，能够在不脱离其主旨的范围内进行变更。
例如，在实施方式中，叙述了可动对象物为反射镜部12的情况，但可动对象物不限于此。可动对象物例如也可以是照相机等摄像装置。
另外，例如，在实施方式中，说明了对旋转往复驱动致动器1进行共振驱动的情况，但本发明也能够应用于非共振驱动的情况。
另外，驱动部30的结构并不限定于在实施方式中说明的结构。例如，芯具有通过向线圈通电而励磁并产生极性的磁极部，在将旋转轴安装于固定体时，磁极部与磁铁的外周面隔着气隙对置即可。另外，线圈只要具有在通电时从芯的磁极部的一方朝向另一方适当地产生磁通的结构即可。
并且，采用了将设置于固定体20的旋转角度位置保持部48在芯组装体4中安装于磁路芯42的桥接部423的结构，但不限于此，如图10～图14所示，也可以采用设置于固定体20的其他构成要素的结构。另外，在这些情况下，旋转角度位置保持部48也可以收容于架桥部423。
图10是表示芯组装体4的变形例1的结构(除了第二壳体和辅助轴承)的立体图，图11是表示在图10所示的变形例1中从线圈体取下第一壳体后的状态的立体图，图12是芯组装体的变形例1的第一壳体的立体图。另外，图13是表示芯组装体的变形例2的结构(第一壳体和第一轴承除外)的立体图，图14是表示在芯组装体的变形例2中从线圈体取下第二壳体后的状态的立体图。
此外，图10～图14所示的芯组装体4A、4B与将旋转角度位置保持部48设置于芯体40的芯组装体4相比，主要在将旋转角度位置保持部48A、48B分别设置于第一壳体51A、第二壳体52B这一点上不同。因此，在图11～图14中，对于与实施方式相同的构成要素，对相同的名称、相同的符号标注A、B，并省略重复的说明。
图10和图11所示的芯组装体4A与芯组装体4相比，磁路芯42A、旋转角度位置保持部48A和第一壳体51A的结构不同。
如图10和图11所示，在芯组装体4A中，旋转角度位置保持部48A设置于与由磁极芯41和磁路芯42构成的芯体40A相邻配置的第一壳体51A。
如图11和图12所示，第一壳体51A在芯体40B的左侧面侧对置的板状的主体部510A，在与芯体40A对置的面具有向芯体40A侧突出的突出边部58。在该突出边部58安装有旋转角度位置保持部48A。此外，在主体部510A的芯体40A侧的面设置有与贯通孔51a连续的轴承安装部51b。在轴承安装部51b嵌入有第一轴承53。
另一方面，在芯体40A中，在磁路芯42A中的桥接部423A的中央部，沿着作为旋转轴方向的芯体40A的厚度方向延伸地形成有凹状的切口425A。在将第一壳体51A安装于芯体40A时，突出边部58嵌入切口425A内。安装于突出边部58的旋转角度位置保持部48A配置于与磁铁32对置的旋转角度位置保持部48相同的位置。旋转角度位置保持部48A具有与旋转角度位置保持部48相同的功能。
另外，图13和图14所示的芯组装体4B将旋转角度位置保持部48B设置于第二壳体52侧。即，芯组装体4B与芯体40A同样地构成。芯体40B具有：磁极芯41，其在棒状体411、421上卷绕有线圈44、45；以及磁路芯42B，其与设置有切口425A的磁路芯42A同样地具有切口425B。
磁路芯42B与磁路芯42A的切口425A同样地，在桥接部423B设有凹状的切口425B。在该切口425B嵌入突出边部58B，在突出边部58B安装旋转角度位置保持部48B，配置在与磁铁32对置的规定的位置。
在这些变形例1、2的芯组装体4A、4B中，作为磁性体的旋转角度位置保持部48A、48B设置于第一壳体51A、第二壳体52，未设置于磁路芯42A、42B。
由此，能够从磁通通过的芯体40A、40B分离旋转角度位置保持部48A、48B，不增加部件个数而具有旋转角度保持的功能，不会导致芯体40、例如磁路芯42的磁饱和，能够防止转矩特性降低。
本次公开的实施方式在所有方面都是例示而不应被认为是限制性的。本发明的范围不是由上述的说明表示，而是由权利要求书表示，意图包含与权利要求书等同的意思和范围内的全部变更。
产业上的利用可能性
本发明适合于例如LiDAR装置、扫描仪系统等。

Claims (14)

1.一种旋转往复驱动致动器，其特征在于，具备：
可动体，其具有连接可动对象物的轴部和固定于所述轴部的磁铁；以及
固定体，其具有芯组装体，该芯组装体包括：包括多个磁极的一体结构的磁极芯、与所述多个磁极分别相邻配置的多个线圈、以及组装有所述磁极芯的磁路芯，所述固定体以使所述多个磁极与所述磁铁的外周对置的方式配置有所述芯组装体，
通过向所述多个线圈通电，产生通过磁路的磁通，该磁路由所述一体结构的磁极芯和所述磁路芯构成，通过所述磁通与所述磁铁的电磁相互作用，使所述可动体绕所述轴部的轴旋转往复。
2.根据权利要求1所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述磁极芯以所述一体结构具有多个棒状体和连接体，
所述多个棒状体在前端部分别具有所述多个磁极，从基端部至所述前端部相互并行地延伸，在中间部分别外装有所述多个线圈，
所述连接体在所述基端部沿与所述棒状体的并行方向交叉的方向延伸，将所述多个棒状体相互连接。
3.根据权利要求2所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述磁路芯在所述轴部的延伸方向与所述连接体面对并相互面接触，并且在以所述轴部为中心对所述多个磁极进行了定位的状态下与所述磁极芯进行组装。
4.根据权利要求3所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述磁极芯和所述磁路芯是层叠部件。
5.根据权利要求3所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述磁路芯具有包围部，该包围部包围所述线圈，并在其一部分与所述磁极芯的所述连接体面接触。
6.根据权利要求5所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述包围部具有：
一对腿部，其从所述连接体的两端部沿着所述多个棒状体的并行方向延伸；
桥接部，其架设于所述一对腿部的前端部之间；以及
磁路侧连接体，其连接在所述一对腿部的基端部之间，并与所述磁极芯的所述连接体面接触，
在所述桥接部设置有磁铁位置保持部，其利用与所述磁铁之间产生的磁吸引力将所述磁铁吸引到基准位置。
7.根据权利要求6所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述磁铁位置保持部配置于所述桥接部与所述磁铁之间且在所述多个磁极之间的位置，并且配置在与所述磁铁的径向对置的位置。
8.根据权利要求6所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述磁铁位置保持部是磁铁。
9.根据权利要求7所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述磁铁位置保持部是磁铁。
10.根据权利要求6所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述磁铁位置保持部是磁性体。
11.根据权利要求7所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述磁铁位置保持部是磁性体。
12.根据权利要求6所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述固定体具有将所述芯组装体定位并接合的接合体，
所述磁铁位置保持部设置于所述接合体。
13.根据权利要求7所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述固定体具有将所述芯组装体定位并接合的接合体，
所述磁铁位置保持部设置于所述接合体。
14.根据权利要求1至13中任一项所述的旋转往复驱动致动器，其特征在于，
所述可动对象物是反射扫描光的反射镜。
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