JP2009204916A - Two-axis driving device and light deflector - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a compact two-axis driving device with superior response and a light deflector. <P>SOLUTION: The two-axis driving device is provided, which includes: a support pin 3 supporting a driven member 2; a fixing member 4 to which the support pin 3 is fixed; a magnetic driving part which rotates the driven member 2 with a part 3a of the support pin 3 as a fulcrum brought into contact with the driven member 2 and includes magnets 6 and coils 8; and encoders 9A9B optically detecting the amount of rotation of the driven member 2 by the magnetic driving part. One of the magnet 6 and the coil 8 is fixed to one of the driven member 2 and the fixing member 4. The other of the magnet 6 and the coil 8 is fixed to the other of the driven member 2 and the fixing member 4. The magnet 6 includes four magnet parts 6d<SB>1</SB>to 6d<SB>4</SB>arranged around the support pin 3. The two magnet parts at an opposite side with respect to the support pin 3 have the same directions of N-poles and S-poles. The neighboring two magnet parts around the support pin have opposite directions of the N-poles and the S-poles. The coil 8 is spaced apart from and disposed opposite to the magnet 6, wherein the number of the coils is a natural number multiple of 4. <P>COPYRIGHT: (C)2009,JPO&INPIT

Description

本発明は2軸駆動装置及び光偏向装置に関する。   The present invention relates to a biaxial drive device and an optical deflection device.

図12は、従来の2軸駆動装置の斜視図である。100は第1のミラーであり、主軸101に設けられ、1軸のみ駆動可能なアクチュエータ102により回転駆動される。103は第2のミラーであり、主軸104に設けられ、1軸のみ駆動可能なアクチュエータ105により回転駆動される。主軸101と104が延びる方向は直交する。このように、2軸駆動装置は、第1のミラー100とアクチュエータ102からなるスキャンユニットと、第2のミラー103とアクチュエータ105からなるスキャンユニットから構成される。これら1組のスキャンユニットにおいてアクチュエータ102、105を連動させて回転することにより、光源からの光束106を第1のミラー100と第2のミラー103で順次反射させて走査面107上に導光し、走査面上をXY方向に2次元的に走査する。この2軸駆動装置は、2個のアクチュエータ102、105の位置関係を厳密に調整する必要があり、また、2つのアクチュエータ102、105により、装置が大型化する、という問題がある。   FIG. 12 is a perspective view of a conventional biaxial drive device. Reference numeral 100 denotes a first mirror, which is provided on the main shaft 101 and is rotationally driven by an actuator 102 that can drive only one axis. Reference numeral 103 denotes a second mirror, which is provided on the main shaft 104 and is rotationally driven by an actuator 105 that can drive only one axis. The directions in which the main shafts 101 and 104 extend are orthogonal. As described above, the biaxial drive device includes the scan unit including the first mirror 100 and the actuator 102 and the scan unit including the second mirror 103 and the actuator 105. By rotating the actuators 102 and 105 in conjunction with each other in these one set of scanning units, the light beam 106 from the light source is sequentially reflected by the first mirror 100 and the second mirror 103 and guided onto the scanning surface 107. The scanning surface is scanned two-dimensionally in the XY directions. This two-axis drive device has a problem that the positional relationship between the two actuators 102 and 105 needs to be strictly adjusted, and the two actuators 102 and 105 increase the size of the device.

これに対して、特許文献1及び2は、半球体の上面に反射面を設けて任意の角度に光束を反射可能な光偏向装置を開示している。アクチュエータを一つにすることによって小型化を図っている。また、特許文献3は、磁気駆動機構によりミラーを駆動する2軸型アクチュエータを開示している。
特開2004−125896号公報 特開平11−149049号公報 特開2007−73133号公報
On the other hand, Patent Documents 1 and 2 disclose an optical deflecting device that can provide a reflecting surface on the upper surface of a hemisphere to reflect a light beam at an arbitrary angle. Miniaturization is achieved by using one actuator. Patent Document 3 discloses a biaxial actuator that drives a mirror by a magnetic drive mechanism.
JP 2004-125896 A JP-A-11-149049 JP 2007-73133 A

特許文献1は、半球体を載置台に接触した状態で駆動する接触式の駆動方式であり、駆動応答性が悪い。特許文献2は、非接触の駆動方式であるが、半球体を支持体に対して非接触で支持するために半球体と支持体との間とミラーの上にシリコンオイルなどの誘電性液体を充填する必要がある。この点、特許文献3は、磁気駆動機構を使用して液体を必要としないが、回転中心がミラーから離れており、小型化が不十分である。   Patent Document 1 is a contact-type driving method in which a hemisphere is driven in contact with a mounting table, and the drive response is poor. Patent Document 2 is a non-contact driving method. In order to support the hemisphere in a non-contact manner with respect to the support, a dielectric liquid such as silicon oil is placed between the hemisphere and the support and on the mirror. Need to be filled. In this regard, Patent Document 3 does not require liquid using a magnetic drive mechanism, but the rotation center is away from the mirror, and the size reduction is insufficient.

そこで、本発明は、小型化で応答性に優れた2軸駆動装置及び光偏向装置を提供することを例示的な目的とする。   Accordingly, an object of the present invention is to provide a two-axis drive device and an optical deflection device that are small in size and excellent in responsiveness.

本発明の一側面としての2軸駆動装置は、被駆動部材を直交する2軸の各々の周りに回転駆動する2軸駆動装置であって、前記被駆動部材を支持する支持ピンと、前記支持ピンが固定される固定部材と、前記支持ピンの前記被駆動部材と接触する部分を支点として前記被駆動部材を回転させ、磁石とコイルを含む磁気駆動部と、前記磁気駆動部による前記被駆動部材の回転量を光学的に検出するエンコーダと、を有し、前記磁石と前記コイルの一方は前記被駆動部材と前記固定部材の一方に固定され、前記磁石と前記コイルの他方は前記被駆動部材と前記固定部材の他方に固定され、前記磁石は、前記支持ピンの周りに配置された4つの磁石部を有し、前記支持ピンに関して反対側にある2つの磁石部はN極とS極の向きが同じであり、前記支持ピンの周りで隣り合う2つの磁石部はN極とS極の向きが反対であり、前記コイルは、前記磁石と離れて対向し、4の自然数倍個設けられることを特徴とする。   A biaxial drive device according to one aspect of the present invention is a biaxial drive device that rotationally drives a driven member around each of two orthogonal axes, a support pin that supports the driven member, and the support pin A fixed member to which the driven member is fixed, a portion that contacts the driven member of the support pin to rotate the driven member, a magnetic drive unit including a magnet and a coil, and the driven member by the magnetic drive unit An encoder for optically detecting the amount of rotation of the magnet, wherein one of the magnet and the coil is fixed to one of the driven member and the fixed member, and the other of the magnet and the coil is the driven member The magnet has four magnet portions arranged around the support pin, and the two magnet portions on the opposite side with respect to the support pin have N pole and S pole. The direction is the same, Two magnet portions adjacent around lifting pins is opposite the direction of N and S poles, said coils faces away with the magnet, and which are located a natural number multiple number of 4.

本発明の別の側面としての光偏向装置は、入射光束を反射する反射面を有する反射部材と、被駆動対象としての前記反射部材を駆動する上述の2軸駆動装置と、を有することを特徴とする。   An optical deflecting device according to another aspect of the present invention includes a reflecting member having a reflecting surface that reflects an incident light beam, and the above-described biaxial driving device that drives the reflecting member as a driven object. And

本発明によれば、小型化で応答性に優れた2軸駆動装置及び光偏向装置を提供することができる。   According to the present invention, it is possible to provide a two-axis drive device and an optical deflection device that are small in size and excellent in responsiveness.

図1は、本実施例の2軸駆動装置の断面図である。2軸駆動装置は、被駆動部材であるミラー(反射部材)2を回転駆動する。本実施例では、2軸駆動装置は光偏向装置の一部である。ミラー2は、外部の光源からの入射光束1を反射する多角形の形状をした反射面2aと、反射面2aの裏面としての被支持面2bと、を有する。反射面2aは、反射コーティングされている。ミラー2の側面は平行板ガラスの役目を果たすように鏡面処理が施されている。ミラー2の被支持面2bには、図示しない板バネやベアリングなどが設けられ、2軸回りに回転可能となっている。ミラー2は、多角形柱形状をしているが、円筒形状など形状は特に限定されない。被支持面2bには、凹部2cが形成されている。   FIG. 1 is a cross-sectional view of the biaxial drive device of this embodiment. The biaxial driving device rotationally drives a mirror (reflection member) 2 that is a driven member. In this embodiment, the biaxial drive device is a part of the optical deflection device. The mirror 2 has a polygonal reflecting surface 2a that reflects the incident light beam 1 from an external light source, and a supported surface 2b as the back surface of the reflecting surface 2a. The reflective surface 2a is reflectively coated. The side surface of the mirror 2 is mirror-finished so as to serve as a parallel plate glass. The supported surface 2b of the mirror 2 is provided with a leaf spring, a bearing, or the like (not shown) so that it can rotate about two axes. Although the mirror 2 has a polygonal column shape, the shape such as a cylindrical shape is not particularly limited. A recessed portion 2c is formed in the supported surface 2b.

2軸駆動装置は、ピボット支持ピン3と、固定ヨーク(固定部材)4と、磁気駆動部と、エンコーダと、を有する。   The biaxial drive device includes a pivot support pin 3, a fixed yoke (fixed member) 4, a magnetic drive unit, and an encoder.

ピボット支持ピン3は、Z方向に延びる棒状又は軸部材であり、ミラー2を支持する。ピボット支持ピン3は、先端部3a、胴体部3b、末端部3cを有する。   The pivot support pin 3 is a rod-like or shaft member extending in the Z direction, and supports the mirror 2. The pivot support pin 3 has a tip portion 3a, a body portion 3b, and a terminal portion 3c.

先端部3aは、ミラー2の被支持面2bの凹部2cに嵌合し、ミラー2と接触する部分であり、円錐形状、円錐台形状、多角錐形状、半球形状などを有する。先端部3aが凹部2cに挿入されることにより、先端部3aがミラー2とミラー2が回転する場合にも接続することができる。また、先端部3aの形状により、先端部3aは、ミラー2の被支持面2bに点接触又はそれに近い微小な領域で接触し、ミラー2が接触部を支点として回転又は傾斜することができる。このように、本実施例は、ミラー2の回転の中心をミラー2の被支持面に設けており、両者が離れる場合よりも装置の小型化を図っている。凹部2cの形状と大きさは、ミラー2が先端部3aを支点として回転することができるように設定される。胴体部3bは円筒形状や多角柱形状を有し、中心軸はZ軸に一致する。また、ピボット支持ピン3は、末端部3cにおいて、固定ヨーク4の表面4aに設けられた凹部4bに挿入されて固定される。   The tip portion 3a is a portion that fits into the concave portion 2c of the supported surface 2b of the mirror 2 and comes into contact with the mirror 2, and has a conical shape, a truncated cone shape, a polygonal pyramid shape, a hemispherical shape, and the like. By inserting the tip 3a into the recess 2c, the tip 3a can be connected even when the mirror 2 and the mirror 2 rotate. Further, depending on the shape of the tip portion 3a, the tip portion 3a can contact the supported surface 2b of the mirror 2 at a point contact or a minute region close thereto, and the mirror 2 can be rotated or inclined with the contact portion as a fulcrum. In this way, in this embodiment, the center of rotation of the mirror 2 is provided on the supported surface of the mirror 2, and the apparatus is made smaller than when both are separated. The shape and size of the recess 2c are set so that the mirror 2 can rotate with the tip 3a as a fulcrum. The body portion 3b has a cylindrical shape or a polygonal column shape, and the central axis coincides with the Z axis. Further, the pivot support pin 3 is inserted into and fixed to the concave portion 4b provided on the surface 4a of the fixed yoke 4 at the end portion 3c.

固定ヨーク4は、Z軸方向に垂直な平板部材である。固定ヨーク4は、ミラー2に対して固定され、従って、ピボット支持ピン3もミラー2に対して固定される。固定ヨーク4は、強磁性体から構成される。固定ヨーク4は、上から見ると円形、矩形又は多角形形状をしているが、その形状は限定されない。固定ヨーク4の表面4aには、中央に設けられた凹部4bと、搭載部4cが設けられる。凹部4bはピボット支持ピン3の末端部3cに係合する形状を有する。搭載部4cは、コイル8が固定される部位であり、凹部、貫通穴、その他の係合部として形成される。   The fixed yoke 4 is a flat plate member perpendicular to the Z-axis direction. The fixed yoke 4 is fixed to the mirror 2, and thus the pivot support pin 3 is also fixed to the mirror 2. The fixed yoke 4 is made of a ferromagnetic material. The fixed yoke 4 has a circular, rectangular, or polygonal shape when viewed from above, but the shape is not limited. The surface 4a of the fixed yoke 4 is provided with a recess 4b provided in the center and a mounting portion 4c. The recess 4 b has a shape that engages with the end portion 3 c of the pivot support pin 3. The mounting portion 4c is a portion to which the coil 8 is fixed, and is formed as a concave portion, a through hole, or other engaging portion.

磁気駆動部は、ヨーク5、磁石6及びコイル8を有する。磁気駆動部は、ピボット支持ピン3のミラー2と接触する部分(先端部3a)を支点としてミラー2を回転させる。磁気駆動部は、磁石6とコイル8とが非接触であり、駆動応答性がよくオイルを使用しない。   The magnetic drive unit has a yoke 5, a magnet 6 and a coil 8. The magnetic drive unit rotates the mirror 2 with a portion (tip portion 3a) of the pivot support pin 3 contacting the mirror 2 as a fulcrum. In the magnetic drive unit, the magnet 6 and the coil 8 are not in contact with each other, and the drive response is good and oil is not used.

ヨーク5は、強磁性体から構成され、中央に中空孔5aを有するドーナツ形状、中空円板形状又は中空円錐台形状を有する。ヨーク5は、ミラー2の被支持面2bに固定される上面5bと、上面5bの裏面である下面5cを有する平板部材である。ヨーク5の下面5cは、固定部材4側を向いている。中空孔5aにはピボット支持ピン3(の胴体部3b)が配置される。中空孔5aとピボット支持ピン3との間には一定の空隙G1がある。この空隙G1のため、ヨーク5は、ミラー2と共にピボット支持ピン3の周りに回転することができる。   The yoke 5 is made of a ferromagnetic material and has a donut shape, a hollow disk shape, or a hollow frustum shape having a hollow hole 5a in the center. The yoke 5 is a flat plate member having an upper surface 5b fixed to the supported surface 2b of the mirror 2 and a lower surface 5c that is the back surface of the upper surface 5b. The lower surface 5c of the yoke 5 faces the fixing member 4 side. The pivot support pin 3 (the body portion 3b) is disposed in the hollow hole 5a. There is a certain gap G1 between the hollow hole 5a and the pivot support pin 3. Because of this gap G1, the yoke 5 can rotate around the pivot support pin 3 together with the mirror 2.

ヨーク5の下面5cには、磁石6が取り付けられている。磁石6は、中央に中空孔6aを有するドーナツ形状、中空円板形状又は中空円錐台形状を有する。磁石6は、ヨーク5の下面5cに固定される上面6bと、上面6bの裏面である下面6cを有する。磁石6の下面6cは、固定部材4側を向いている。中空孔6aにはピボット支持ピン3(の胴体部3b)が配置される。中空孔6aとピボット支持ピン3との間には一定の空隙G2がある。この空隙G2のため、磁石6は、ヨーク5とミラー2と共にピボット支持ピン3の周りに回転することができる。   A magnet 6 is attached to the lower surface 5 c of the yoke 5. The magnet 6 has a donut shape, a hollow disk shape, or a hollow frustum shape having a hollow hole 6a in the center. The magnet 6 has an upper surface 6b that is fixed to the lower surface 5c of the yoke 5, and a lower surface 6c that is the back surface of the upper surface 6b. The lower surface 6c of the magnet 6 faces the fixing member 4 side. The pivot support pin 3 (the body portion 3b) is disposed in the hollow hole 6a. There is a certain gap G2 between the hollow hole 6a and the pivot support pin 3. Due to this gap G 2, the magnet 6 can rotate around the pivot support pin 3 together with the yoke 5 and the mirror 2.

図2は、磁石6の概略斜視図である。同図における矢印は磁束である。磁石6は、同図に示すように、ピボット支持ピン3の周りに配置された4つの磁石部6d、6d、6d、6dを有する。図2に示す磁石6は4極に磁化されているが、各磁石部は離れていてもよい。ピボット支持ピン3に関して反対側にある2つの磁石部、即ち、図2において180°回転した位置関係にある磁石部は、N極とS極の向きが同じである。例えば、磁石部6dと磁石部6dは上面6b側にS極があり、下面6c側にN極がある。また、磁石部6dと磁石部6dは上面6b側にN極があり、下面6c側にS極がある。また、ピボット支持ピン3の周りで隣り合う2つの磁石部はN極とS極の向きが反対である。例えば、磁石部6dは上面6b側にS極があり、下面6c側にN極があるが、磁石部6dは上面6b側にN極があり、下面6c側にS極がある。 FIG. 2 is a schematic perspective view of the magnet 6. The arrow in the figure is the magnetic flux. As shown in the figure, the magnet 6 has four magnet portions 6d 1 , 6d 2 , 6d 3 , 6d 4 arranged around the pivot support pin 3. The magnet 6 shown in FIG. 2 is magnetized to four poles, but each magnet portion may be separated. The two magnet portions on the opposite side with respect to the pivot support pin 3, that is, the magnet portions in a positional relationship rotated by 180 ° in FIG. 2 have the same orientation of the N pole and the S pole. For example, the magnet portion 6d 1 and the magnet portion 6d 3 has S pole on the upper surface 6b side, there is a N pole on the lower surface 6c side. Further, the magnet portion 6d 2 and the magnet portion 6d 4 has N-pole on the upper surface 6b side, there is a S-pole on the lower surface 6c side. Further, two magnet portions adjacent to each other around the pivot support pin 3 have opposite directions of the N pole and the S pole. For example, the magnet portion 6d 1 has S pole on the upper surface 6b side, there is a N pole on the lower surface 6c side, the magnet portion 6d 2 has an N pole on the upper surface 6b side, there is a S-pole on the lower surface 6c side.

図3は、コイル8の概略平面図である。コイル8は、磁石6に対向し、所定の間隔を有して平面状に配列されている。コイル8は、4の自然数倍個設けられている。各コイル8は、熱融着可能な樹脂で覆われた被覆線材をボビンの外周に巻き付けてコイル状に成形し、高温環境下に配置して樹脂を溶かして各線材間を固定し、常温に戻した後でボビンから引き抜いた空心コイルである。図1、図3において、8aはコイル部であり、8bは空心部である。図2において180°回転した位置関係にある磁石部に対応するコイル8は一本の線材で形成されて直列接続されている。各磁石部が形成する磁束によって形成される磁気回路(磁路)の方向はコイル8の巻線方向と直交している。このため、直列接続されたコイル8に電流を流すと電磁力を発生させることができる。電磁力の方向はZ方向の上向きであるZ方向又はZ方向の下向きであるZ方向である。対向して配置されるコイル8には、互いに逆向きの電磁力が生じることにより、ミラー2を傾けている。例えば、図1では、左側のコイルにおいてZ2方向に電磁力が生じ、右側のコイルにおいてはZ1方向に電磁力が生じている。このときのコイル8に流れる電流の方向も合わせて記載している。 FIG. 3 is a schematic plan view of the coil 8. The coil 8 faces the magnet 6 and is arranged in a plane with a predetermined interval. The coil 8 is provided as a natural number multiple of four. Each coil 8 is formed by winding a coated wire covered with a heat-sealable resin around the outer periphery of the bobbin, forming it in a coil shape, placing it in a high temperature environment, melting the resin, and fixing each wire to a room temperature. It is an air core coil pulled out from the bobbin after returning. 1 and 3, 8a is a coil portion, and 8b is an air core portion. In FIG. 2, the coil 8 corresponding to the magnet portion having a positional relationship rotated by 180 ° is formed of a single wire and connected in series. The direction of the magnetic circuit (magnetic path) formed by the magnetic flux formed by each magnet portion is orthogonal to the winding direction of the coil 8. For this reason, an electromagnetic force can be generated when a current is passed through the coils 8 connected in series. Direction of the electromagnetic force is Z 2 direction is downward in the Z 1 direction or Z-direction is upward in the Z-direction. The mirrors 2 are tilted by generating opposite electromagnetic forces in the coils 8 arranged to face each other. For example, in FIG. 1, an electromagnetic force is generated in the Z2 direction in the left coil, and an electromagnetic force is generated in the Z1 direction in the right coil. The direction of the current flowing through the coil 8 at this time is also shown.

ヨーク5の下面5cには、磁石6の周りに樹脂材7が固定されている。樹脂材7は、非磁性体からなる半球体形状を有し、樹脂から構成され、半球体の円形部7aが開口したお椀形状を有する。半球体は、開口した円形部7aの側がヨーク5の下面5c側を向き、円形部7aを規定する縁部7bがヨーク5の下面5cに固定される。   A resin material 7 is fixed around the magnet 6 on the lower surface 5 c of the yoke 5. The resin material 7 has a hemispherical shape made of a nonmagnetic material, is made of resin, and has a bowl shape in which a circular portion 7a of the hemispherical body is opened. In the hemisphere, the side of the open circular portion 7 a faces the lower surface 5 c of the yoke 5, and the edge 7 b that defines the circular portion 7 a is fixed to the lower surface 5 c of the yoke 5.

なお、本実施例は、磁石6をミラー2に固定し、コイル8を固定ヨーク4に固定しているが、これは逆でもよい。即ち、磁石6とコイル8の一方をミラー2と固定ヨーク4の一方に固定し、磁石6とコイル8の他方をミラー2と固定ヨーク4の他方に固定すれば足りる。   In this embodiment, the magnet 6 is fixed to the mirror 2 and the coil 8 is fixed to the fixed yoke 4. However, this may be reversed. That is, it is sufficient to fix one of the magnet 6 and the coil 8 to one of the mirror 2 and the fixed yoke 4 and the other of the magnet 6 and the coil 8 to the other of the mirror 2 and the fixed yoke 4.

樹脂材7は、底部中央に中空孔7cを有する。中空孔7cにはピボット支持ピン3(の胴体部3b)が配置される。中空孔7cとピボット支持ピン3との間には一定の空隙G3がある。この空隙G3のため、樹脂材7は、ミラー2と共にピボット支持ピン3の周りに回転することができる。本実施例では、空隙G1、G2及びG3の図1に示す水平方向の長さは等しく設定されているが、これに限定されない。ヨーク5、磁石6、樹脂材7とミラー2は稼動部を構成している。稼動部は、ピボット支持ピン3により、2軸周りの回転が可能である。   The resin material 7 has a hollow hole 7c at the bottom center. The pivot support pin 3 (the body portion 3b) is disposed in the hollow hole 7c. There is a certain gap G3 between the hollow hole 7c and the pivot support pin 3. Due to the gap G3, the resin material 7 can rotate around the pivot support pin 3 together with the mirror 2. In the present embodiment, the lengths of the gaps G1, G2, and G3 in the horizontal direction shown in FIG. 1 are set equal, but the present invention is not limited to this. The yoke 5, the magnet 6, the resin material 7 and the mirror 2 constitute an operating part. The moving part can be rotated about two axes by the pivot support pin 3.

エンコーダは、磁気駆動部によるミラー2の回転量を光学的に検出する。エンコーダは、読み取り部9A、9Bと、樹脂材7の半球体の球面7dの表面に明暗を持って形成された光学スケール10を有する。光学スケール10は、半球体のZ方向に直交する二軸を中心とする一対のパターンを含む。各パターンに、読み取り部9A又は9Bが配置される。読み取り部は、光学スケール10に光を照射する発光素子と、光が光学スケール10で干渉して戻る光を受光する受光素子と、を有し、樹脂材7と所定の間隔を持って配列されている。光学スケール10は、同心円状の反射部と非反射部を交互に有する格子状のパターンである。   The encoder optically detects the amount of rotation of the mirror 2 by the magnetic drive unit. The encoder includes reading units 9A and 9B and an optical scale 10 formed on the surface of the spherical surface 7d of the hemisphere of the resin material 7 with brightness and darkness. The optical scale 10 includes a pair of patterns centered on two axes orthogonal to the Z direction of the hemisphere. A reading unit 9A or 9B is arranged in each pattern. The reading unit includes a light emitting element that irradiates light to the optical scale 10 and a light receiving element that receives light that interferes with the optical scale 10 and returns, and is arranged with a predetermined interval from the resin material 7. ing. The optical scale 10 is a lattice-like pattern having concentric reflecting portions and non-reflecting portions alternately.

図4(a)及び図4(b)は、樹脂材7と読み取り部9A、9Bの側面図である。図4(a)は、ミラー2の回転前の状態を示し、図4(b)は、ミラー2の回転後の状態を示している。光学スケールは、樹脂材7の外周に設けられ、ミラー2が2軸方向に回転駆動した際に読み取り部が回転量を読み取ることができる明暗である。光学スケール10は、2軸周りに回転中心から同心円状に同ピッチでスケールを構成している。読み取り部9A、9Bは、互いに直交する位置に配置されている。   4A and 4B are side views of the resin material 7 and the reading units 9A and 9B. FIG. 4A shows a state before the mirror 2 rotates, and FIG. 4B shows a state after the mirror 2 rotates. The optical scale is provided on the outer periphery of the resin material 7 and is light and dark so that the reading unit can read the rotation amount when the mirror 2 is rotationally driven in the biaxial direction. The optical scale 10 forms a scale at the same pitch concentrically from the center of rotation about two axes. The reading units 9A and 9B are arranged at positions orthogonal to each other.

図4(b)に示すように、光学スケール10を軸回りに回転中心から同心円状にスケールを構成することにより、読み取り部9A側が軸回りに回転駆動した際にも直交する読み取り部9Bと光学スケール10との関係が変わらない。読み取り部9B側が軸回りに回転駆動した際にも光学スケール10を読み取ることが可能となる。   As shown in FIG. 4B, the optical scale 10 is configured to be concentrically around the axis from the center of rotation so that the reading unit 9B and the optical unit orthogonal to each other even when the reading unit 9A is rotationally driven about the axis. The relationship with the scale 10 does not change. The optical scale 10 can be read even when the reading unit 9B side is driven to rotate about the axis.

ここで、エンコーダの原理をより詳細に説明する。図5は、球面体又は半球面体などの球面の一部からなる物体(以下、「球面体」と略する)の2軸周りの回転方向と回転量を光学的に測定するための光学スケールの斜視図である。光学スケールは、測定対象である球面体20の表面に形成される。球面体20の表面は金属鏡面反射面であり、スケールパターンとなる非反射部20a、20bが形成される。このとき、球面体20は、金属鏡面反射面を有する金属、または、表面、もしくは、中空の内部に、金属反射膜等の反射面を設けた部材からなる。スケールパターンとなる非反射部20a、20bの形成には、レーザーマーキングを用いてもよいし、エッチングなどを用いてもよい。   Here, the principle of the encoder will be described in more detail. FIG. 5 shows an optical scale for optically measuring the rotation direction and amount of rotation about two axes of an object composed of a part of a spherical surface such as a spherical body or a hemispherical body (hereinafter abbreviated as “spherical body”). It is a perspective view. The optical scale is formed on the surface of the spherical body 20 to be measured. The surface of the spherical body 20 is a metal specular reflection surface, and non-reflective portions 20a and 20b serving as a scale pattern are formed. At this time, the spherical body 20 is made of a metal having a metal mirror reflection surface, or a member provided with a reflection surface such as a metal reflection film on the surface or inside the hollow. Laser marking may be used to form the non-reflective portions 20a and 20b to be a scale pattern, or etching or the like may be used.

図6は、図4(a)に対応する斜視図であり、光学スケール10を読み取り部9A用の光学スケールパターン10aと読み取り部9B用の光学スケールパターン10bに区別している。光学スケールパターン10aと10bは、それぞれ直交する回転軸10c、10dを回転中心とした同心円状のパターンであって、測定対象である2軸に対して読み取り部9A及び9Bが配置される。スケールパターンとなる同心円状パターンの半径は、読み取り部9A及び9Bの光センサの構成と球面体の半径から決定できる。   FIG. 6 is a perspective view corresponding to FIG. 4A, and the optical scale 10 is distinguished into an optical scale pattern 10a for the reading unit 9A and an optical scale pattern 10b for the reading unit 9B. The optical scale patterns 10a and 10b are concentric patterns with the rotation axes 10c and 10d orthogonal to each other as the rotation center, and the reading units 9A and 9B are arranged with respect to the two axes to be measured. The radius of the concentric pattern as the scale pattern can be determined from the configuration of the photosensors of the reading units 9A and 9B and the radius of the spherical body.

例えば、図7に示されるような、発散光束で照明するための点光源(発光素子)13aと、受光素子13b(検出ピッチ:P)からなる受光素子と、を備える読み取り部13を用いる場合を考える。スケールピッチをPsとすると、受光素子13b上にはスケールピッチPsの2倍周期にあたる干渉縞が形成される。樹脂材7の球面体の半径をRとすると、スケールパターンとなる同心円状パターンの半径(Rs)は、図8を参照すると、以下のように、設定することができる。   For example, as shown in FIG. 7, a case where a reading unit 13 including a point light source (light emitting element) 13a for illuminating with a divergent light beam and a light receiving element including a light receiving element 13b (detection pitch: P) is used. Think. Assuming that the scale pitch is Ps, interference fringes corresponding to twice the scale pitch Ps are formed on the light receiving element 13b. When the radius of the spherical body of the resin material 7 is R, the radius (Rs) of the concentric pattern that becomes the scale pattern can be set as follows with reference to FIG.

ここで、θはスケールピッチPsがPs=P/2を満たすような角度である。また、直交する2軸の回転軸10c、10dを回転中心とした同心円状パターンが互いに干渉しないようにするために、各軸の所望の可動範囲に対して、同心円状パターンの範囲を適宜設定することもできる。以上のように設定されたパターンを用いれば、2軸の回転移動に対して、それぞれの軸の移動量を独立して検出することが可能である。   Here, θ is an angle such that the scale pitch Ps satisfies Ps = P / 2. Further, in order to prevent the concentric circular patterns centering on the two rotation axes 10c and 10d perpendicular to each other from interfering with each other, the range of the concentric circular pattern is appropriately set for a desired movable range of each axis. You can also. If the pattern set as described above is used, it is possible to independently detect the amount of movement of each axis with respect to the biaxial rotational movement.

つまり、図6に示すように、回転軸10cの周りの回転に対しては、読み取り部9Bがパターン10bを読み取り、回転軸10c周りの回転方向と回転量を検出する。回転軸10c周りにある角度θa回転し、更に回転軸10d周りの回転がある場合は、図9に示すように、同心円状のパターンを用いたことにより、読み取り部9Aがパターン10aを読み取ることができる。図9は、図6に示すエンコーダの動作を説明する図であり、2軸の回転移動に対してそれぞれの軸の移動量を独立して検出することを説明するための断面図である。図9(a)は、樹脂材7の回転前の状態を示す断面図、図9(b)は、樹脂材7の回転後の状態を示す断面図である。   That is, as shown in FIG. 6, with respect to rotation around the rotation axis 10c, the reading unit 9B reads the pattern 10b and detects the rotation direction and rotation amount around the rotation axis 10c. When the rotation is performed at an angle θa around the rotation axis 10c and further around the rotation axis 10d, the reading unit 9A can read the pattern 10a by using a concentric pattern as shown in FIG. it can. FIG. 9 is a diagram for explaining the operation of the encoder shown in FIG. 6, and is a cross-sectional view for explaining that the movement amounts of the respective axes are independently detected with respect to the rotational movement of the two axes. 9A is a cross-sectional view showing a state before the resin material 7 is rotated, and FIG. 9B is a cross-sectional view showing a state after the resin material 7 is rotated.

球面体の回転により、読み取り部が読み取るパターン10a、10bの半径が小さくなる場合、受光素子13bによる回転検出が困難になる場合がある。例えば、図10に示すように、読み取り部9A、9Bに対して180°反対の位置に読み取り部9C、9Dを設置することで、読み取り部9A、9Bと読み取り部9C、9Dを適宜切換ながら広い範囲の回転検出を行うことが可能になる。ここで、図10は、回転検出範囲の拡大を説明するための側面図であり、図10(a)は回転前の状態を示し、図10(b)は回転後の状態を示している。   When the radius of the patterns 10a and 10b read by the reading unit is reduced due to the rotation of the spherical body, it may be difficult to detect the rotation by the light receiving element 13b. For example, as shown in FIG. 10, by installing the reading units 9C and 9D at positions opposite to the reading units 9A and 9B by 180 °, the reading units 9A and 9B and the reading units 9C and 9D are switched appropriately. Range rotation detection can be performed. Here, FIG. 10 is a side view for explaining the expansion of the rotation detection range. FIG. 10A shows a state before rotation, and FIG. 10B shows a state after rotation.

読み取り部9E、9Fを、図11に示すように、中空の球面体30の内部に配置することもできる。11a、11bは、10a、10bに対応する光学スケールのパターンであり、球面体30の内面に形成される。これにより、更なる省スペース化が可能である。また、この場合、透光性の球面体内部に金属薄膜又は誘電体反射膜等の反射膜を設け、球面体の外部からエンコーダで回転を検出する場合、球面体30の表面が機械的に磨耗した場合も、パターン自体はその影響を受けずに安定したエンコーダ信号を生成可能である。   The reading units 9E and 9F can also be arranged inside a hollow spherical body 30 as shown in FIG. 11 a and 11 b are optical scale patterns corresponding to 10 a and 10 b, and are formed on the inner surface of the spherical body 30. Thereby, further space saving is possible. In this case, when a reflection film such as a metal thin film or a dielectric reflection film is provided inside the translucent spherical body and rotation is detected by an encoder from the outside of the spherical body, the surface of the spherical body 30 is mechanically worn. In this case, a stable encoder signal can be generated without being affected by the pattern itself.

なお、エンコーダは反射型に限らず、例えば、中空の球面体に所望のピッチのスリットを形成し、透過型であってもよい。   The encoder is not limited to the reflective type, and may be a transmissive type in which slits having a desired pitch are formed in a hollow spherical body.

本実施例によれば、1つのユニットにより同時に2軸方向を駆動、制御することが可能となり、全体のシステムを従来に比べて小型化することが可能となる。また、2つのユニットを厳密に位置決めする必要がなくなるため、システム構築の時間を短縮することができる。   According to the present embodiment, it is possible to simultaneously drive and control two axial directions by one unit, and it is possible to reduce the size of the entire system as compared with the conventional system. In addition, since it is not necessary to position the two units strictly, the system construction time can be shortened.

本実施例の2軸駆動装置の断面図である。It is sectional drawing of the biaxial drive device of a present Example. 図1に示す2軸駆動装置の磁石の概略斜視図である。It is a schematic perspective view of the magnet of the biaxial drive device shown in FIG. 図1に示す2軸駆動装置のコイルの概略平面図である。It is a schematic plan view of the coil of the biaxial drive device shown in FIG. 図1に示す2軸駆動装置の樹脂材と読み取り部の側面図である。It is a side view of the resin material and reading part of the biaxial drive device shown in FIG. 図4に示すエンコーダの原理を説明する斜視図である。It is a perspective view explaining the principle of the encoder shown in FIG. 図4(a)のエンコーダに対応する斜視図である。It is a perspective view corresponding to the encoder of Fig.4 (a). エンコーダの読み取り部の構造を示す斜視図である。It is a perspective view which shows the structure of the reading part of an encoder. エンコーダの光学スケールパターンの構造を説明するための概略図である。It is the schematic for demonstrating the structure of the optical scale pattern of an encoder. 図6に示すエンコーダの動作を説明する断面図である。It is sectional drawing explaining operation | movement of the encoder shown in FIG. 図6に示すエンコーダの変形例の側面図である。It is a side view of the modification of the encoder shown in FIG. 図6に示すエンコーダの別の変形例の斜視図である。It is a perspective view of another modification of the encoder shown in FIG. 従来の2軸駆動装置の斜視図である。It is a perspective view of the conventional biaxial drive device.

符号の説明Explanation of symbols

1 光束
2 ミラー(反射部材、被駆動部材)
3 ピボット支持ピン
4 固定ヨーク(固定部材)
5 ヨーク
6 磁石
6d〜6d 磁石部
7 樹脂材
8 コイル
9A〜9F、13 読み取り部
10 光学スケール
10a、10b、11a、11b パターン
10c、10d 軸
20、30 球面体
1 Light beam 2 Mirror (reflective member, driven member)
3 Pivot support pin 4 Fixed yoke (fixed member)
5 yoke 6 magnets 6d 1 ~6d 4 magnet unit 7 resin material 8 coils 9A-9F, 13 reading unit 10 optical scale 10a, 10b, 11a, 11b pattern 10c, 10d shaft 20,30 spherical body

Claims (3)

被駆動部材を直交する2軸の各々の周りに回転駆動する2軸駆動装置であって、
前記被駆動部材を支持する支持ピンと、
前記支持ピンが固定される固定部材と、
前記支持ピンの前記被駆動部材と接触する部分を支点として前記被駆動部材を回転させ、磁石とコイルを含む磁気駆動部と、
前記磁気駆動部による前記被駆動部材の回転量を光学的に検出するエンコーダと、
を有し、
前記磁石と前記コイルの一方は前記被駆動部材と前記固定部材の一方に固定され、前記磁石と前記コイルの他方は前記被駆動部材と前記固定部材の他方に固定され、
前記磁石は、前記支持ピンの周りに配置された4つの磁石部を有し、前記支持ピンに関して反対側にある2つの磁石部はN極とS極の向きが同じであり、前記支持ピンの周りで隣り合う2つの磁石部はN極とS極の向きが反対であり、
前記コイルは、前記磁石と離れて対向し、4の自然数倍個設けられることを特徴とする2軸駆動装置。
A biaxial drive device that rotationally drives a driven member around each of two orthogonal axes,
A support pin for supporting the driven member;
A fixing member to which the support pin is fixed;
Rotating the driven member around a portion of the support pin that contacts the driven member as a fulcrum, and a magnetic driving unit including a magnet and a coil;
An encoder that optically detects the amount of rotation of the driven member by the magnetic drive unit;
Have
One of the magnet and the coil is fixed to one of the driven member and the fixing member, and the other of the magnet and the coil is fixed to the other of the driven member and the fixing member,
The magnet has four magnet portions arranged around the support pin, and the two magnet portions on the opposite side with respect to the support pin have the same N-pole and S-pole orientations, The direction of the N pole and the S pole is opposite in the two adjacent magnet parts.
The two-axis drive device according to claim 1, wherein the coil is spaced apart from the magnet and provided with a natural multiple of four.
前記2軸駆動装置は、
前記被駆動部材に固定され、非磁性体の樹脂から構成される半球体を更に有し、
前記エンコーダは、
前記2軸の各軸周りに同心円状のパターンとして前記半球体の表面又は内面に形成された光学スケールと、
各々が、光を照射する発光素子と、前記発光素子からの前記光が前記光学スケールで干渉した光を受光する受光素子と、を有する少なくとも一対の読み取り部と、
を有することを特徴とする請求項1に記載の2軸駆動装置。
The biaxial drive device includes:
A hemisphere that is fixed to the driven member and made of a non-magnetic resin;
The encoder is
An optical scale formed on the surface or the inner surface of the hemisphere as a concentric pattern around each of the two axes;
At least a pair of reading units each having a light emitting element that irradiates light, and a light receiving element that receives light from which the light from the light emitting element interferes with the optical scale,
The two-axis drive device according to claim 1, comprising:
入射光束を反射する反射面を有する反射部材と、
被駆動部材としての前記反射部材を駆動する請求項1又は2に記載の2軸駆動装置と、
を有することを特徴とする光偏向装置。
A reflecting member having a reflecting surface for reflecting the incident luminous flux;
The biaxial drive device according to claim 1 or 2, which drives the reflecting member as a driven member;
An optical deflecting device comprising:
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