JP2013246382A

JP2013246382A - 偏向器

Info

Publication number: JP2013246382A
Application number: JP2012121812A
Authority: JP
Inventors: Isao Aoyanagi; 勲青柳; Kanae Murata; 香苗村田; Takashi Ozaki; 貴志尾崎; Tokuo Fujitsuka; 徳夫藤塚; Yutaka Nonomura; 裕野々村; Teruhisa Akashi; 照久明石
Original assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Current assignee: Toyota Central R&D Labs Inc
Priority date: 2012-05-29
Filing date: 2012-05-29
Publication date: 2013-12-09
Anticipated expiration: 2032-05-29
Also published as: JP5803812B2

Abstract

【課題】経度方向と緯度方向のいずれについてもスキャン可能な偏向器を実現することが可能な技術を提供する。
【解決手段】本明細書が開示する偏向器は、基板部と、基板部に対する位置が実質的に固定された支持点において、ピッチ軸、ロール軸およびヨー軸の三軸に関して揺動可能に支持された可動部と、反射面がヨー軸に直交するように可動部に形成された反射部と、可動部の接触縁を基板部の表面に接触させながら可動部をヨー軸周りに回転駆動する駆動機構を備えている。その偏向器では、可動部の形状が、支持点から接触縁までの距離が位相角に応じて変化する形状に形成されている。
【選択図】図１

Description

本明細書は、偏向器に関する。

特許文献１に、偏向器が開示されている。この偏向器は、基板部と、基板部に対する位置が実質的に固定された支持点において、ピッチ軸、ロール軸およびヨー軸の三軸に関して揺動可能に支持された可動部と、反射面がヨー軸に直交するように可動部に形成された反射部と、可動部の接触縁を基板部の表面に接触させながら可動部をヨー軸周りに回転駆動する駆動機構を備えている。この偏向器では、駆動機構によって可動部を回転駆動することで、反射角度を任意の方位角に調整することができる。この偏向器によれば、経度方向にスキャンすることができる。

特開２００８−３３０９号公報

特許文献１の技術では、基板部の表面に対する反射面の仰角は常に一定であり、反射面を任意の仰角に調整することはできず、緯度方向にスキャンすることができない。経度方向だけでなく、緯度方向にもスキャン可能な偏向器が期待されている。

本明細書は上記課題を解決する技術を提供する。本明細書では、経度方向と緯度方向のいずれについてもスキャン可能な偏向器を実現することが可能な技術を提供する。

本明細書が開示する偏向器は、基板部と、基板部に対する位置が実質的に固定された支持点において、ピッチ軸、ロール軸およびヨー軸の三軸に関して揺動可能に支持された可動部と、反射面がヨー軸に直交するように可動部に形成された反射部と、可動部の接触縁を基板部の表面に接触させながら可動部をヨー軸周りに回転駆動する駆動機構を備えている。その偏向器では、可動部の形状が、支持点から接触縁までの距離が位相角に応じて変化する形状に形成されている。

なお、本明細書でいう位相角とは、ヨー軸方向から可動部を平面視したときの可動部の基準線となす角度をいう。また、本明細書でいう方位角とは、基板部の表面を平面視したときの基板部の基準線となす角度をいう。本明細書でいう経度方向とは、方位角が増減する方向をいう。また、本明細書でいう仰角とは、基板部の表面となす角度をいう。本明細書でいう緯度方向とは、仰角が増減する方向をいう。

上記の偏向器では、可動部の形状が、支持点から接触縁までの距離が位相角αに応じて変化する形状に形成されている。接触縁を基板部に接触させながら可動部をヨー軸周りに回転させると、基板部から見た接触点の方位角θの変化に応じて、可動部から見た接触点の位相角αも変化し、それに応じて反射面の仰角φも変化する。このため、基板部から見た接触点の方位角θと、反射面の仰角φの関係は、例えば図４に示すようなものとなる。

図４に示すように、上記の偏向器では、可動部が１周回転する毎に、同一の方位角θに対して異なる仰角φが実現される。この原理については、実施例において詳述する。これにより、上記の偏向器によれば、可動部を繰り返し回転させることで、任意の方位角θと仰角φの組み合わせを実現することができる。経度方向と緯度方向のいずれについてもスキャンすることが可能となる。

上記の偏向器は、可動部の形状が、支持点から接触縁までのヨー軸に直交する方向の距離が位相角に応じて変化する形状に形成されているように構成することができる。このような構成とすることで、可動部の形状を、支持点から接触縁までの距離が位相角に応じて変化する形状とすることができる。この場合、例えば、ヨー軸に直交する面で見たときに、可動部の接触縁が支持点を中心とする楕円形状であるように構成することができる。あるいは、ヨー軸に直交する面で見たときに、可動部の接触縁が支持点からオフセットした位置を中心とする円形状であるように構成することもできる。あるいは、ヨー軸に直交する面で見たときに、可動部の接触縁が支持点を中心とする多角形状であるように構成することもできる。

上記の偏向器は、可動部の形状が、反射面から接触縁までのヨー軸方向の距離が位相角に応じて変化する形状に形成されているように構成することもできる。このような構成としても、可動部の形状を、支持点から接触縁までの距離が位相角に応じて変化する形状とすることができる。

上記の偏向器は、下端が基板部に固定された基板部側支持部を備えており、支持点が基板側支持部の上端に設けられているように構成することができる。また、上記の偏向器は、上端が可動部に固定された可動部側支持部を備えており、支持点が可動部側支持部の下端に設けられているように構成することができる。

本明細書が開示する技術によれば、経度方向と緯度方向のいずれについてもスキャン可能な偏向器を実現することができる。

偏向器１０の概略の構成を示す上面図である。可動板１６の短軸方向の端部が基板部１２に接触している状態を示す側面図である。可動板１６の長軸方向の端部が基板部１２に接触している状態を示す側面図である。基板部１２から見た接触点の方位角θと、可動板１６の反射面の仰角φの関係を示す図である。可動板１６が１周回転することによる、基板部１２と可動板１６の位相のずれを示す図である。基板部１２から見た接触点の方位角θと、可動板１６から見た接触点の位相角αの間に位相ずれが生じる原理を説明する図である。可動板１６の別の形態を示す上面図である。可動板１６の別の形態を示す上面図である。可動板１６の別の形態を示す上面図である。位相角αに対する仰角φの変動のパターンの例を示す図である。位相角αに対する仰角φの変動のパターンの別の例を示す図である。位相角αに対する仰角φの変動のパターンの別の例を示す図である。位相角αに対する仰角φの変動のパターンの別の例を示す図である。偏向器１０の別の形態を示す側面図である。偏向器１１０の概略の構成を示す上面図である。図１５のＡ−Ａ断面で見た縦断面図である。

図１は本実施例の偏向器１０を示している。偏向器１０は、基板部１２と、支持柱１４と、可動板１６と、駆動機構１８を備えている。基板部１２は、例えばシリコンウェハに形成されている。

図２や図３に示すように、支持柱１４は、下端が基板部１２の上面に固定されている。支持柱１４の上端は丸く形成されており、その上に可動板１６が載置されている。図１に示すように、可動板１６は楕円状の平板形状に形成されている。以下では、可動板１６の楕円の長軸方向をピッチ軸とし、可動板１６の楕円の短軸方向をロール軸とし、可動板１６に直交する方向をヨー軸とする。可動板１６は、例えばシリコンから形成されている。可動板１６の上面には、入射光を反射する反射膜１６ａが形成されている。反射膜１６ａは、例えばＡｌ等の蒸着膜である。

支持柱１４は、磁性体により形成されている。可動板１６の支持柱１４との当接部分には、永久磁石１６ｂが設けられている。永久磁石１６ｂは、磁力の極性の向きが可動板１６に直交する方向となるように配置されている。なお図２では、永久磁石１６ｂのＮ極をハッチで表現し、Ｓ極を白抜きで表現している。永久磁石１６ｂの磁力によって、可動板１６は支持柱１４に吸着している。支持柱１４の上端は丸く形成されており、可動板１６は三軸に関して揺動可能である。言い換えると、可動板１６は、支持柱１４の上端に設けられた支持点において、ピッチ軸、ロール軸およびヨー軸の三軸に関して揺動可能に支持されている。なお、ここでいう支持点とは、可動板１６が揺動する際の揺動軸が通過する点のことをいう。

駆動機構１８は、基板部１２に対して位置を固定された３つの電磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃを備えている。電磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、その中心の高さが可動板１６の永久磁石１６ｂの中心の高さとほぼ一致するように配置されている。電磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃは、その磁力の極性の向きが、基板部１２に対して平行な面に沿っており、かつ互いに２π／３ずつ相違する角度となるように配置されている。電磁石２０ａ，２０ｂ，２０ｃが発生させる磁力の強さは個別に調整可能であり、それらが重畳して永久磁石１６ｂに作用する磁力の向きは任意の方向に調整可能である。

例えば、可動板１６の永久磁石１６ｂに対して、駆動機構１８によりＹ方向（図１の上下方向）の磁力を作用させると、永久磁石１６ｂの磁力の極性の向きをＹ方向に傾けるように可動板１６にトルクが印加されて、可動板１６が揺動する。これにより、図２に示すように、可動板１６の短軸方向の一方の端部が基板部１２の表面に接触する。これとは異なり、駆動機構１８によりＸ方向（図１の左右方向）の磁力を作用させると、永久磁石１６ｂの磁力の極性の向きをＸ方向に傾けるように可動板１６にトルクが印加されて、可動板１６が揺動する。これにより、図３に示すように、可動板１６の長軸方向の一方の端部が基板部１２の表面に接触する。駆動機構１８が永久磁石１６ｂに作用する磁力の向きを、基板部１２に対して反時計回りに回転させると、可動板１６は接触縁を基板部１２の表面に接触させながらヨー軸周りに回転する。

図４は、接触縁を基板部１２に接触させながら可動板１６をヨー軸周りに回転させるときの、基板部１２から見た接触点の方位角θと、可動板１６の反射面の仰角φの関係を示している。ここで、方位角θはＸ軸からの回転角度を示しており、仰角φはＸＹ面（すなわち基板部１２の表面）に対する傾斜角度を示している。可動板１６は、支持点から接触縁までのヨー軸に直交する方向の距離が、位相角αに応じて変化する形状に形成されている。ここで、位相角αはピッチ軸からの回転角度を示している。従って、基板部１２から見た接触点の方位角θの変化に応じて、可動板１６から見た接触点の位相角αも変化し、それに応じて可動板１６の反射面の仰角φも変化する。基板部１２から見た接触点の方位角θと、可動板１６の反射面の仰角φにより、偏向器１０の反射角度が規定される。

図５に示すように、本実施例の偏向器１０では、可動板１６の基準点（例えば長軸方向の一方の端部）が基板部１２に接触した状態から、可動板１６をヨー軸周りに１周回転させて、再び基準点が基板部１２に接触した状態となると、基板部１２に対して可動板１６は所定角度δだけ位相がずれる。これは、次のような理由による。

図６に示すように、可動板１６が接触縁を基板部１２に接触させながらヨー軸周りに回転して、基板部１２から見た接触点の方位角θが微小角度ｄθだけ変化し、可動板１６から見た接触点の位相角αが微小角度ｄαだけ変化する場合、可動板１６と基板部１２の間に滑りが生じないとすると、幾何学的な関係から次式が成り立つ。

従って、基板部１２から見た接触点の方位角θと、可動板１６から見た接触点の位相角αの間の角度のずれ量を位相ずれδとすると、以下の関係が成り立つ。

従って、基板部１２から見た接触点の方位角θが２π増加する間に生じる位相ずれδは、次式で与えられる。

上記のような方位角θと位相角αの位相ずれδに起因して、図４に示すように、可動板１６が１周回転する毎に、同一の方位角θに対して異なる仰角φが実現される。これにより、本実施例の偏向器１０によれば、可動板１６を繰り返し回転させることで、任意の方位角θと仰角φの組み合わせを実現することができる。本実施例の偏向器１０によれば、経度方向と緯度方向の２方向にスキャンすることが可能となる。

なお、可動板１６のヨー軸に直交する面で見たときの形状は、上述のような楕円形状以外にも、種々の形状とすることができる。

例えば、図７に示すように、可動板１６を円形状とすることもできる。この場合、円の中心の位置は、支持点からオフセットした位置に配置される。この場合でも、可動板１６は支持点から接触縁までの距離Ｒが位相角αに応じて変化する形状となっているので、方位角θと仰角φの２方向のスキャンをすることが可能である。

あるいは、図８に示すように、可動板１６を多角形状とすることもできる。あるいは、図９に示すように、ルーローの多角形状とすることもできる。あるいは、ハート型や星型などの形状とすることもできる。この場合でも、可動板１６は支持点から接触縁までの距離が位相角に応じて変化する形状となっているので、方位角θと仰角φの２方向のスキャンをすることが可能である。

あるいは、方位角θに応じた仰角φの変化が所望のパターンとなるように、可動板１６の接触縁の形状を決定してもよい。例えば、図１０に示すように、仰角φが三角波形で変化するように可動板１６の接触縁の形状を決定することができる。この場合、可動板１６の接触縁は以下を満たす形状に形成する。

ここで、Ｌは基板部１２の表面から支持点までの高さであり、φ_oは仰角の中心値であり、φ_opは仰角の振幅である。

図１１に示すような三角波形で仰角φを変化させる場合は、可動板１６の接触縁を以下のような形状に形成する。

図１２に示すような三角波形で仰角φを変化させる場合は、可動板１６の接触縁を以下のような形状に形成する。

あるいは、図１３に示すように、仰角φが正弦波形で変化するように、可動板１６の接触縁の形状を決定することもできる。この場合、可動板１６の接触縁は以下を満たす形状に形成する。

ここで、ｎは周期の数である。

なお、上記では支持柱１４が基板部１２に対して固定されており、支持柱１４の上端において可動板１６が揺動可能に支持される構成を説明したが、これとは異なり、図１４に示すように、支持柱１４が可動板１６に固定されており、支持柱１４の下端において支持柱１４と可動板１６が基板部１２に揺動可能に支持される構成としてもよい。図１４に示す例では、基板部１２の上面に磁性体で形成された支持台１２ａが形成されており、永久磁石で形成された支持柱１４の下端が支持台１２ａと当接するように載置される。支持柱１４の下端は丸く形成されているので、支持柱１４の下端に位置する支持点において、支持柱１４と可動板１６は、ピッチ軸、ロール軸およびヨー軸の三軸に関して揺動可能に支持される。このような構成とした場合でも、可動板１６を繰り返し回転させることで、任意の方位角θと仰角φの組み合わせを実現することができ、経度方向と緯度方向の２方向にスキャンすることができる。

上記の実施例では、駆動機構１８が、磁力を利用して、可動板１６の接触縁を基板部１２の表面に接触させながら可動板１６をヨー軸周りに回転駆動する構成について説明したが、駆動機構１８は、上記以外にも様々な形態のものを用いることができる。例えば、可動板１６の内部に電極を形成し、基板部１２の上面に絶縁膜で覆われた電極を所定のパターンで複数配置し、可動板１６の電極と基板部１２の電極の間に選択的に電圧を印加することで、静電力を利用した駆動機構１８を実現することができる。この場合、基板部１２の特定の電極と可動板１６の電極の間に電圧を印加すると、静電力によって、その基板部１２の特定の電極に向けてその上方の可動板１６の端部が近づくように可動板１６にトルクが印加されて、可動板１６の接触縁が基板部１２の表面に接触する。可動板１６の電極との間で電圧を印加する基板部１２の電極を、次々に切り替えていくことで、可動板１６の接触縁を基板部１２の表面に接触させながら、可動板１６をヨー軸周りに回転駆動することができる。

上記の実施例では、可動板１６の下面に永久磁石１６ｂを設け、支持柱１４を磁性体により形成して、支持柱１４の上端を丸く形成することで、可動板１６をピッチ軸、ロール軸およびヨー軸の三軸に関して揺動可能に支持する構成について説明したが、可動板１６の支持形態は、これ以外にも、種々の形態とすることができる。例えば、可動板１６の下面に先端が球状に形成された突起部を設けて、支持柱１４の上端にその突起部と摺動可能に係合する係合部を設けて、突起部と係合部を係合することによって、可動板１６をピッチ軸、ロール軸およびヨー軸の三軸に関して揺動可能に支持する構成としてもよい。

（実施例２）
図１５は本実施例の偏向器１１０を示している。以下では実施例１の偏向器１０と同様の構成については、同一の参照符号を付して、詳細な説明を省略する。偏向器１１０は、基板部１２と、支持柱１４と、可動部１１６と、駆動機構１８を備えている。

図１６に示すように、可動部１１６は、円状の平板部１１８と、平板部１１８の周縁に形成されたスカート部１２０を有している。平板部１１８の上面には、入射光を反射する反射膜１１８ａが形成されている。反射膜１１８ａは、例えばＡｌ等の蒸着膜である。平板部１１８の下面には、磁性体の支持柱１４と当接する永久磁石１１８ｂが設けられている。本実施例では、平板部１１８に平行な方向をピッチ軸およびロール軸とし、平板部１１８に直交する方向をヨー軸とする。

スカート部１２０は、平板部１１８に直交する方向へ伸びている。可動部１１６が揺動すると、スカート部１２０の下端が可動部１１６の接触縁として、基板部１２の表面に接触する。図１６に示すように、スカート部１２０の高さは、位相角αに応じて変化している。従って、本実施例の可動部１１６は、支持点から接触縁までの距離が位相角αに応じて変化する形状となっている。

本実施例の偏向器１１０でも、基板部１２から見た接触点の方位角θと、可動部１１６から見た接触点の位相角αの間に位相ずれδが存在し、これにより可動部１１６が１周回転するごとに、同一の方位角θに対して異なる仰角φが実現される。これにより、本実施例の偏向器１１０によれば、可動部１１６を繰り返し回転させることで、任意の方位角θと仰角φの組み合わせを実現することができ、経度方向と緯度方向の２方向にスキャンすることが可能となる。

なお、スカート部１２０の形状は、位相角αに応じて高さが変化する形状であればよく、種々の形状とすることができる。

例えば、図１０に示すような三角波形で仰角φを変化させる場合は、スカート部１２０の高さｔが以下を満たすように可動板１６の形状を決定する。

ここで、Ｔは平板部１１８の厚みであり、Ｌは基板部１２の表面から支持点までの高さであり、φ_oは仰角の中心値であり、φ_opは仰角の振幅である。

図１１に示すような三角波形で仰角φを変化させる場合は、スカート部１２０の高さが以下を満たすように可動部１１６の形状を決定する。

図１２に示すような三角波形で仰角φを変化させる場合は、スカート部１２０の高さｔが以下を満たすように、可動部１１６の形状を決定する。

あるいは、図１３に示すように、仰角φが正弦波形で変化するように、可動部１１６の形状を決定することもできる。この場合、スカート部１２０の高さｔが以下を満たすように、可動部１１６の形状を決定する。

ここで、ｎは周期の数である。

なお、本実施例において、平板部１１８の形状は、種々の形状とすることができる。例えば、平板部１１８の形状を、図１の可動板１６と同様な楕円形状としてもよい。

以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。

本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。

１０偏向器；１２基板部；１２ａ支持台；１４支持柱；１６可動板；１６ａ反射膜；１６ｂ永久磁石；１８駆動機構；２０ａ，２０ｂ，２０ｃ電磁石；１１０偏向器；１１６可動部；１１８平板部；１１８ａ反射膜；１１８ｂ永久磁石；１２０スカート部

Claims

基板部と、
基板部に対する位置が実質的に固定された支持点において、ピッチ軸、ロール軸およびヨー軸の三軸に関して揺動可能に支持された可動部と、
反射面がヨー軸に直交するように可動部に形成された反射部と、
可動部の接触縁を基板部の表面に接触させながら可動部をヨー軸周りに回転駆動する駆動機構を備えており、
可動部の形状が、支持点から接触縁までの距離が位相角に応じて変化する形状に形成されている偏向器。
可動部の形状が、支持点から接触縁までのヨー軸に直交する方向の距離が位相角に応じて変化する形状に形成されている請求項１の偏向器。
ヨー軸に直交する面で見たときに、可動部の接触縁が支持点を中心とする楕円形状である請求項２の偏向器。
ヨー軸に直交する面で見たときに、可動部の接触縁が支持点からオフセットした位置を中心とする円形状である請求項２の偏向器。
ヨー軸に直交する面で見たときに、可動部の接触縁が支持点を中心とする多角形状である請求項２の偏向器。
可動部の形状が、反射面から接触縁までのヨー軸方向の距離が位相角に応じて変化する形状に形成されている請求項１から５の何れか一項の偏向器。
下端が基板部に固定された基板部側支持部を備えており、
支持点が基板側支持部の上端に設けられている請求項１から６の何れか一項の偏向器。
上端が可動部に固定された可動部側支持部を備えており、
支持点が可動部側支持部の下端に設けられている請求項１から７の何れか一項の偏向器。