JP2010243746A

JP2010243746A - 反射ミラー駆動機構

Info

Publication number: JP2010243746A
Application number: JP2009091754A
Authority: JP
Inventors: Tatsuo Shiozawa; 龍雄塩沢
Original assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Current assignee: Tamagawa Seiki Co Ltd
Priority date: 2009-04-06
Filing date: 2009-04-06
Publication date: 2010-10-28

Abstract

【課題】従来の反射ミラー駆動機構は、コイル磁石から発生される磁力の向き及び大きさを制御して反射ミラーの角度を決定してレーザ光線を走査させるので、より確実に反射ミラーを回転揺動させるためにヒンジの反発力よりも大きな駆動力が必要となり、消費電力が大きくなっている。
【解決手段】本発明による反射ミラー駆動機構では、反射ミラー３０は、フレクチャヒンジ体２０を介して枠体１０に取付けられている。フレクチャヒンジ体２０には、トルカ４０と角度検出器５０とが設けられており、駆動制御部６０は、角度検出器５０からの角度信号５０ａに基づいてとるか４０への入力電流６０９ａを制御して、反射ミラー３０を共振周波数ｆ_０で回転揺動させる。
【選択図】図１

Description

本発明は、反射ミラー駆動機構に関し、特に、フレクチャヒンジ体を介して枠体に取付けられた反射ミラーを共振周波数ｆ_０で回転揺動させるようにすることで、反射ミラーを回転揺動させるために必要とされる駆動力を小さくでき、消費電力を低減できるようにするための新規な改良に関するものである。

従来用いられていたこの種の反射ミラー駆動機構としては、例えば下記の特許文献１等に記載されたものがある。すなわち、従来の反射ミラー駆動機構では、永久磁石の前面に取付けられた反射ミラーは、ヒンジによって連結された複数の枠から構成されたジンバルによって支持されている。そして、ジンバルの外方には複数のコイル磁石が配置されており、コイル磁石から発生される磁力の向き及び大きさを制御することにより、反射ミラーの角度が決定される。そして、反射ミラーが回転揺動するようにコイル磁石の励磁を制御することにより、反射ミラーに照射されたレーザ光線が走査される。

特開平７−１４６４４７号公報

上記のような従来の反射ミラー駆動機構では、ヒンジの反発力よりも大きな駆動力を用いて強制的に反射ミラーを回転揺動させているので、消費電力が大きくなっている。

本発明は、上記のような課題を解決するためになされたものであり、その目的は、反射ミラーを回転揺動させるために必要とされる駆動力を小さくでき、消費電力を低減できる反射ミラー駆動機構を提供することである。

本発明に係る反射ミラー駆動機構は、枠体に取付けられたフレクチャヒンジ体と、前記フレクチャヒンジ体を介して前記枠体に取付けられ、前記フレクチャヒンジ体がねじり変形されることで回転揺動される反射ミラーと、前記フレクチャヒンジ体に設けられた永久磁石部と、前記枠体に設けられるとともに、前記永久磁石部とともにトルカを構成する励磁コイル部と、前記フレクチャヒンジ体に設けられた鉄心部と、前記枠体に設けられるとともに、前記鉄心部とともに角度検出器を構成する角度検出用コイル部と、前記励磁コイル部及び前記角度検出用コイル部に接続され、前記角度検出用コイル部からの角度信号に基づいて前記励磁コイル部への入力電流を制御することにより前記反射ミラーの回転揺動を制御する駆動制御部とを備え、前記駆動制御部は、前記フレクチャヒンジ体のバネ定数をＫとし、前記フレクチャヒンジ体、前記永久磁石部、前記鉄心部、及び前記反射ミラーの全体としての慣性モーメントをＩとした場合に、

で表される共振周波数ｆ_０で前記反射ミラーを回転揺動させることを特徴とする反射ミラー駆動機構。

また、前記駆動制御部は、前記反射ミラーの回転角度を示し反射ミラーの回転揺動の周波数で値が変動する信号を入力として、前記共振周波数ｆ_０でレベルが変動するパルス信号を出力する位相同期回路を含み、前記パルス信号を用いて前記励磁コイル部への入力電流を生成することにより、前記共振周波数ｆ_０で前記反射ミラーを回転揺動させる。

本発明の反射ミラー駆動機構によれば、フレクチャヒンジ体を介して枠体に取付けられた反射ミラーを共振周波数ｆ_０で回転揺動させるので、反射ミラーの回転揺動にフレクチャヒンジ体の反発力を利用できる。これにより、反射ミラーを回転揺動させるために必要とされる駆動力を小さくでき、消費電力を低減できる。
また、駆動制御部は、位相同期回路が出力するパルス信号を用いて励磁コイル部への入力電流を生成することにより、共振周波数ｆ_０で反射ミラーを回転揺動させるので、より確実に共振周波数ｆ_０で反射ミラーを回転揺動させることができる。

本発明の実施の形態１による反射ミラー駆動機構を一部断面で示す平面図である。図１の反射ミラー駆動機構を一部断面で示す側面図である。図２の反射ミラー駆動機構を示す斜視図である。図１の駆動制御部を示すブロック図である。

以下、本発明を実施するための最良の形態について、図面を参照して説明する。
実施の形態１．
図１は、本発明の実施の形態１による反射ミラー駆動機構を一部断面で示す平面図であり、図２は、図１の反射ミラー駆動機構を一部断面で示す側面図であり、図３は、図２の反射ミラー駆動機構を示す斜視図である。なお、図１及び図２では、断面で示す部分にハッチングを施している。図１において、反射ミラー駆動機構には、枠体１０、フレクチャヒンジ体２０、反射ミラー３０、トルカ４０、角度検出器５０、及び駆動制御部６０が設けられている。

枠体１０には、四角形の枠である枠本体１１と、略コ字状の枠である第１及び第２側部枠体１２，１３とが設けられている。枠本体１１の両側の側部には貫通孔１１ａが設けられている。第１及び第２側部枠体１２，１３は、枠本体１１の両側に固定されており、貫通孔１１ａに対向する側板１２ａ，１３ａを有している。

フレクチャヒンジ体２０には、断面十字状の第１及び第２ヒンジ２１，２２が設けられている。第１ヒンジ２１の一端２１ａは第１側部枠体１２の側板１２ａに固定されており、第１ヒンジ２１の他端２１ｂは貫通孔１１ａを通って枠本体１１の内側に進入されている。同様に、第２ヒンジ２２の一端２２ａは第２側部枠体１３の側板１３ａに固定されており、第２ヒンジ２２の他端２２ｂは貫通孔１１ａを通って枠本体１１の内側に進入されている。これら第１及び第２ヒンジ２１，２２は、同一直線上に延在されている。また、第１及び第２ヒンジ２１，２２は、可撓性を有する材料によって構成されており、ねじり変形可能とされている。

反射ミラー３０は、有底円筒形状の支持枠３１と、この支持枠３１に支持された円板状のミラー本体３２とから構成されている。これら支持枠３１及びミラー本体３２は、枠本体１１の内側に配置されている。第１及び第２ヒンジ２１，２２の他端２１ｂ，２２ｂは、反射ミラー３０の側部にそれぞれ固定されている。すなわち、反射ミラー３０は、第１及び第２ヒンジ２１，２２を介して枠体１０に取付けられており、第１及び第２ヒンジ２１，２２がねじり変形されることで、第１及び第２ヒンジ２１，２２の延在方向（回転軸２３）を軸として回転揺動される。すなわち、フレクチャヒンジ体２０は、反射ミラー３０を支持するためのジンバルである。反射ミラー３０は、図示しないレーザ照射器からのレーザ光線を反射するためのものである。反射ミラー３０で反射されたレーザ光線は、反射ミラー３０の回転揺動により走査される。

トルカ４０には、永久磁石部４１と励磁コイル部４２とが設けられている。永久磁石部４１には、磁石保持体４１ａと４個の永久磁石４１ｂとが含まれている。磁石保持体４１ａは、第１ヒンジ２１の他端２１ｂに固定された部材であり、長手状の永久磁石４１ｂを保持するためのものである。永久磁石４１ｂは、図１に示すように、回転軸２３を中心に枠体１０の奥行方向１０ａに沿って前後に離間された二組に分けられている。前後に離間された各組の永久磁石４１ｂは、回転軸２３を中心とした外方に互いに同じ磁極が現れる向きで配置されている。また、各組の永久磁石４１ｂは、図２に示すように、枠体１０の高さ方向１０ｂに沿って上下に配置されている。上下に離間された永久磁石４１ｂは、外方に互いに異なる磁極が現れる向きで配置されている。

図１及び図３に示すように、励磁コイル部４２には、一対の励磁用鉄心４２ａと一対の励磁コイル４２ｂとが含まれている。励磁用鉄心４２ａは、前後に離間された各組の永久磁石４１ｂの外方にそれぞれ配置されており、両端が枠本体１１に固定されたコ字状に形成されている。励磁コイル４２ｂは、各励磁用鉄心４２ａに巻回されている。励磁コイル４２ｂに電流が流されると磁界が生じ、永久磁石４１ｂに回転モーメントが付加される。すなわち、トルカ４０は、第１及び第２ヒンジ２１，２２と反射ミラー３０とに回転モーメントを与えるものであり、反射ミラー３０を回転揺動させるための駆動力を発生するものである。

角度検出器５０は、周知のレゾルバと同等の構成を有しており、反射ミラー３０の回転角度を検出するためのものである。具体的には、角度検出器５０には、鉄心部５１と角度検出用コイル部５２とが設けられている。鉄心部５１には、鉄心保持体５１ａと４個の鉄心５１ｂとが含まれている。鉄心保持体５１ａは、第２ヒンジ２２の他端２２ｂに固定された部材であり、長方形の鉄心５１ｂを保持するためのものである。鉄心５１ｂは、永久磁石４１ｂと同様に、前後二組に分けられるとともに（図１参照）、上下２段に配置されている（図３参照）。図１及び図３に示すように、角度検出用コイル部５２には、一対の角度検出用鉄心５２ａと一対の角度検出用コイル５２ｂとが含まれている。励磁用鉄心４２ａは、鉄心５１ｂの端面に対向する端部を有するようにＬ字状に形成されている。角度検出用コイル５２ｂは、角度検出用コイル５２ｂの端部に巻回されており、鉄心５１ｂの変位、すなわち反射ミラー３０の回転角度に応じた信号を出力する。

駆動制御部６０は、トルカ４０の励磁コイル４２ｂと角度検出器５０の角度検出用コイル５２ｂとに接続されている。この駆動制御部６０は、角度検出用コイル５２ｂからの信号に基づいて励磁コイル４２ｂへの入力電流を制御することにより、反射ミラー３０の回転揺動を制御する。具体的には、駆動制御部６０は、フレクチャヒンジ体２０のバネ定数をＫ［Ｎｍ／ｒａｄ］とし、フレクチャヒンジ体２０、永久磁石部４１、鉄心部５１、及び反射ミラー３０の全体としての慣性モーメントをＩ［ｋｇ・ｍ^２］とした場合に、以下の式で表すことができる共振周波数ｆ_０［Ｈｚ］で反射ミラー３０を回転揺動させる。これにより、反射ミラー３０を回転揺動させるために必要とされる駆動力を小さくでき、消費電力を低減できる。

次に、駆動制御部６０の具体的構成について説明する。
図４は、図１の駆動制御部６０を示すブロック図である。図において、駆動制御部６０には、発振回路６００、第１オペアンプ６０１、デモジュレータ６０２、絶対値化回路６０３、振幅指令部６０４、減算器６０５、第２オペアンプ６０６、位相同期回路６０７（ＰＬＬ６０７）、第１乗算器６０８、及びトルカアンプ６０９が含まれている。

発振回路６００は、高周波信号であるリファレンス信号６００ａを出力するものである。第１オペアンプ６０１は、発振回路６００からリファレンス信号６００ａを増幅するとともに、増幅したリファレンス信号６０１ａを角度検出器５０とデモジュレータ６０２とに入力する。角度検出器５０は、リファレンス信号６０１ａを搬送波とするＡＣ角度信号５０ａを出力する。デモジュレータ６０２は、リファレンス信号６０１ａを用いてＡＣ角度信号５０ａの同期整流を行い、ＤＣ角度信号６０２ａを生成する。このＤＣ角度信号６０２ａは、反射ミラー３０の回転角度を示す電圧信号であり、反射ミラー３０の回転揺動の周波数で値が変動する。デモジュレータ６０２は、ＤＣ角度信号６０２ａを絶対値化回路６０３と位相同期回路６０７とに入力する。

絶対値化回路６０３は、ＤＣ角度信号６０２ａの絶対値化を行い、その時点の反射ミラー３０の回転角度の絶対値（反射ミラー３０の回転量）を求める。振幅指令部６０４は、反射ミラー３０の回転揺動の振幅の大きさを指定する振幅指令値６０４ａを出力する。減算器６０５は、絶対値化回路６０３の出力６０３ａと振幅指令値６０４ａとの差を求め、反射ミラー３０の駆動量を示す入力電流振幅指令値６０５ａを生成する。第２オペアンプ６０６は、減算器６０５からの入力電流振幅指令値６０５ａを増幅する。

位相同期回路６０７には、第２乗算器６１０、積算器６１１、及び電圧制御発振器６１２（ＶＣＯ６１２）が含まれている。第２乗算器６１０は、デモジュレータ６０２からのＤＣ角度信号６０２ａと電圧制御発振器６１２からのパルス信号６１２ａとの乗算を行う。積算器６１１は第２乗算器６１０の出力６１０ａを積算し、電圧制御発振器６１２は積算器６１１の出力６１１ａの大きさに応じた周波数のパルス信号６１２ａを出力する。パルス信号６１２ａは、前記周波数でレベルが１と−１とで変化する信号である。すなわち、位相同期回路６０７は、パルス信号６１２ａの周波数を一定値すなわち共振周波数ｆ_０に安定させるように動作する。

第１乗算器６０８は、第２オペアンプ６０６の出力６０６ａと電圧制御発振器６１２からのパルス信号６１２ａとを乗算する。すなわち、第１乗算器６０８の出力６０８ａは、反射ミラー３０の駆動量を示す振幅と共振周波数ｆ_０とを有する信号となる。トルカアンプ６０９は、第１乗算器６０８の出力６０８ａを増幅して入力電流６０９ａを生成し、この入力電流６０９ａをトルカ４０に入力する。これにより、反射ミラー３０が、振幅指令値６０４ａによって指定される振幅でかつ共振周波数ｆ_０で回転揺動される。

１０枠体
２０フレクチャヒンジ体
３０反射ミラー
４０トルカ
４１永久磁石部
４２励磁コイル部
５０角度検出器
５０ａ角度信号
５１鉄心部
５２角度検出用コイル部
６０駆動制御部
６０７位相同期回路
６０９ａ入力電流
６１２ａパルス信号

Claims

枠体（１０）に取付けられたフレクチャヒンジ体（２０）と、
前記フレクチャヒンジ体（２０）を介して前記枠体（１０）に取付けられ、前記フレクチャヒンジ体（２０）がねじり変形されることで回転揺動される反射ミラー（３０）と、
前記フレクチャヒンジ体（２０）に設けられた永久磁石部（４１）と、
前記枠体（１０）に設けられるとともに、前記永久磁石部（４１）とともにトルカ（４０）を構成する励磁コイル部（４２）と、
前記フレクチャヒンジ体（２０）に設けられた鉄心部（５１）と、
前記枠体（１０）に設けられるとともに、前記鉄心部（５１）とともに角度検出器（５０）を構成する角度検出用コイル部（５２）と、
前記励磁コイル部（４２）及び前記角度検出用コイル部（５２）に接続され、前記角度検出用コイル部（５２）からの角度信号（５０ａ）に基づいて前記励磁コイル部（４２）への入力電流（６０９ａ）を制御することにより前記反射ミラー（３０）の回転揺動を制御する駆動制御部（６０）と
を備え、
前記駆動制御部（６０）は、前記フレクチャヒンジ体（２０）のバネ定数をＫとし、前記フレクチャヒンジ体（２０）、前記永久磁石部（４１）、前記鉄心部（５１）、及び前記反射ミラー（３０）の全体としての慣性モーメントをＩとした場合に、

で表される共振周波数ｆ_０で前記反射ミラー（３０）を回転揺動させることを特徴とする反射ミラー駆動機構。
前記駆動制御部（６０）は、
前記反射ミラー（３０）の回転角度を示し反射ミラー（３０）の回転揺動の周波数で値が変動する信号（６０２ａ）を入力として、前記共振周波数ｆ_０でレベルが変動するパルス信号（６１２ａ）を出力する位相同期回路（６０７）を含み、
前記パルス信号（６１２ａ）を用いて前記励磁コイル部（４２）への入力電流（６０９ａ）を生成することにより、前記共振周波数ｆ_０で前記反射ミラー（３０）を回転揺動させることを特徴とする請求項１記載の反射ミラー駆動機構。