JP2020020916A - Optical scanning element - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、光走査素子に関する。 The present invention relates to an optical scanning device.
光走査素子は、揺動するミラーにレーザ光等の光を反射させて光走査を行うものである。光走査素子は、例えば、レーザプロジェクタやヘッドアップディスプレイ(HUD:Head Up Display)等の様々な機器に用いられている。光走査素子は、例えば、マイクロ電気機械システム(MEMS:Micro Electro Mechanical System)技術を用いたMEMSミラーがある。 The optical scanning element performs optical scanning by reflecting light such as laser light on a swinging mirror. The optical scanning element is used in various devices such as a laser projector and a head-up display (HUD). As the optical scanning element, for example, there is a MEMS mirror using a micro electro mechanical system (MEMS) technology.
MEMSミラーは、例えば、シリコンウエハを加工して弾性を持たせた部分にコイルを配置して外部から磁力を与えて可動部とし、可動部に反射面を形成してレーザ光を反射させることで光を偏向して走査するものである。例えば、特許文献1では、X軸周りに揺動可能な枠体部と、枠体部をX軸周りに揺動可能に支持する軸部と、軸部の厚さよりも厚く形成され、軸部を支持する支持部と、枠体部に設けられたコイルと、コイルに作用する磁界を発生させる永久磁石と、支持部に設けられた軟磁性体とを備える光スキャナーが開示されている。
For example, a MEMS mirror is configured by processing a silicon wafer, placing a coil in a portion having elasticity, applying a magnetic force from the outside to a movable portion, forming a reflective surface on the movable portion and reflecting a laser beam. It scans by deflecting light. For example, in
しかしながら、従来のMEMSミラーは、シリコンウエハにコイルを配置したり、ピエゾ抵抗素子を形成して可動部の振れ角を検出しているが、複雑な製造プロセスが必要であり、改善の余地がある。 However, the conventional MEMS mirror detects the deflection angle of the movable part by disposing a coil on a silicon wafer or forming a piezoresistive element, but requires a complicated manufacturing process and has room for improvement. .
本発明は、製造プロセスを簡略化することができる光走査素子を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide an optical scanning element capable of simplifying a manufacturing process.
上記目的を達成するため、本発明に係る光走査素子は、光を反射する平板状の反射部と、前記反射部を揺動させる第1揺動軸と、前記反射部の前記第1揺動軸上に設けられ、台座に対して前記反射部を揺動自在に支持する一対の第1梁部と、を有するミラーと、前記ミラーを揺動させるミラー駆動部と、前記ミラーの揺動方向の振れ角を検出する第1振れ角検出部と、を備え、前記第1振れ角検出部は、前記ミラー駆動部が駆動から前記ミラーを揺動するまでのミラー揺動動作に起因する磁束の変化を前記ミラーの振れ角として検出することを特徴とする。 In order to achieve the above object, an optical scanning device according to the present invention includes a flat reflecting portion for reflecting light, a first swing axis for swinging the reflecting portion, and a first swinging motion of the reflecting portion. A mirror provided on a shaft and having a pair of first beams for swingably supporting the reflecting portion with respect to a base, a mirror driving unit for swinging the mirror, and a swinging direction of the mirror A first deflection angle detection unit for detecting a deflection angle of the mirror, wherein the first deflection angle detection unit detects a magnetic flux caused by a mirror swing operation from the driving of the mirror driving unit to the swing of the mirror. The change is detected as a deflection angle of the mirror.
また、上記光走査素子において、前記ミラーは、少なくとも前記第1梁部が、歪みが生じると磁束が変化する磁性材料で構成され、前記第1振れ角検出部は、少なくとも前記反射部の揺動に起因する前記第1梁部の磁束の変化を前記ミラーの振れ角として検出することが好ましい。 Further, in the optical scanning element, in the mirror, at least the first beam portion is made of a magnetic material whose magnetic flux changes when distortion occurs, and the first deflection angle detection unit includes at least a swing of the reflection unit. It is preferable to detect a change in the magnetic flux of the first beam portion caused by the deviation as a deflection angle of the mirror.
また、上記光走査素子において、前記ミラー駆動部は、前記台座のうち、前記第1揺動軸上とは異なる位置に少なくとも1つ配置され、かつ前記反射部に磁力を与えて揺動させることが好ましい。 Further, in the optical scanning element, at least one of the mirror driving units is disposed at a position on the pedestal different from the first oscillating axis, and oscillates by applying a magnetic force to the reflecting unit. Is preferred.
また、上記光走査素子において、前記ミラー駆動部は、前記ミラーの対角線上にあって前記第1揺動軸を挟んで対向する位置に配置されることが好ましい。 Further, in the above-mentioned optical scanning element, it is preferable that the mirror driving section is disposed at a position on a diagonal line of the mirror and opposed to the first swing axis.
また、上記光走査素子において、前記第1振れ角検出部は、巻き線コイルを含んで構成され、前記巻き線コイルの中心軸と前記第1梁部に対応する第1揺動軸とが重なる位置、または、平行となる位置に配置されることが好ましい。 In the optical scanning device, the first deflection angle detection unit includes a winding coil, and a center axis of the winding coil and a first swing axis corresponding to the first beam overlap. It is preferable to be arranged at a position or a parallel position.
また、上記光走査素子において、枠状に形成され、かつ内側に前記第1梁部を介して接続された前記ミラーを有する平板状の枠部と、平面視において前記第1揺動軸と直交する第2揺動軸と、前記枠部の前記第2揺動軸上に設けられ、前記台座に対して前記枠部を揺動自在に支持する一対の第2梁部と、を有するフレームと、前記フレームの揺動方向の振れ角を検出する第2振れ角検出部と、をさらに備え、前記第2振れ角検出部は、前記ミラー駆動部が駆動から前記フレームを揺動するまでのフレーム揺動動作に起因する磁束の変化を前記フレームの振れ角として検出し、前記フレームは、少なくとも前記第2梁部が、歪みが生じると磁束が変化する磁性材料で構成され、前記第2振れ角検出部は、巻き線コイルを含んで構成され、少なくとも前記巻き線コイルの中心軸と前記第2梁部に対応する第2揺動軸とが重なる位置に配置され、前記枠部の揺動に起因する前記第2梁部の磁束の変化を前記フレームの振れ角として検出する、ことが好ましい。 Further, in the optical scanning element, a flat frame portion formed in a frame shape and having the mirror connected to the inside through the first beam portion, wherein the flat frame portion is orthogonal to the first swing axis in plan view. A frame provided with a second swinging shaft to be driven and a pair of second beam portions provided on the second swinging shaft of the frame portion and swingably supporting the frame portion with respect to the base. A second deflection angle detection unit that detects a deflection angle of the frame in a swing direction, wherein the second deflection angle detection unit includes a frame from when the mirror driving unit is driven until the frame swings. A change in magnetic flux caused by the swinging operation is detected as a deflection angle of the frame. In the frame, at least the second beam portion is made of a magnetic material that changes a magnetic flux when distortion occurs, and the second deflection angle is changed. The detection unit is configured to include a winding coil, The center axis of the winding coil and a second swing axis corresponding to the second beam portion are also arranged at overlapping positions, and the change in the magnetic flux of the second beam portion caused by the swing of the frame portion is suppressed. It is preferable to detect it as the deflection angle of the frame.
本発明に係る光走査素子によれば、製造プロセスを簡略化することができるという効果を奏する。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to the optical scanning element which concerns on this invention, there exists an effect that a manufacturing process can be simplified.
以下に、本発明の実施形態に係る光走査素子を図面を参照しながら詳細に説明する。なお、以下に示す実施形態により本発明が限定されるものではない。また、下記の実施形態における構成要素には、当業者が置換可能かつ容易なもの、あるいは実質的に同一のものが含まれる。 Hereinafter, an optical scanning device according to an embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. The present invention is not limited by the embodiments described below. The components in the following embodiments include those that can be easily replaced by those skilled in the art, or those that are substantially the same.
[第1実施形態]
図1は、第1実施形態に係る光走査素子の概略構成を示す平面図である。図2は、第1実施形態に係る光走査素子の概略構成を示す縦断面図である。図3は、第1実施形態に係るミラーの揺動動作を示す模式図である。図4は、第1実施形態に係るミラーの振れ角検出を説明するための模式図である。図5は、第1実施形態の変形例1に係る光走査素子の概略構成を示す平面図である。図6は、第1実施形態の変形例2に係る光走査素子の概略構成を示す平面図である。なお、図2は、図1中のA−A断面図である。
[First Embodiment]
FIG. 1 is a plan view showing a schematic configuration of the optical scanning element according to the first embodiment. FIG. 2 is a longitudinal sectional view illustrating a schematic configuration of the optical scanning element according to the first embodiment. FIG. 3 is a schematic diagram illustrating the swinging operation of the mirror according to the first embodiment. FIG. 4 is a schematic diagram for explaining the deflection angle detection of the mirror according to the first embodiment. FIG. 5 is a plan view illustrating a schematic configuration of the optical scanning element according to the first modification of the first embodiment. FIG. 6 is a plan view illustrating a schematic configuration of an optical scanning element according to
以下の説明では、図示のX方向は、光走査素子を平面視した場合における幅方向を示すものとし、Y方向はX方向に直交する方向であって奥行き方向を示すものとする。図示のZ方向は、X方向およびY方向に直交する上下方向を示すものとする。 In the following description, the illustrated X direction indicates the width direction when the optical scanning element is viewed in plan, and the Y direction indicates the depth direction that is orthogonal to the X direction. The illustrated Z direction indicates a vertical direction orthogonal to the X direction and the Y direction.
第1実施形態に係る光走査素子1Aは、図1および図2に示すように、いわゆる1軸方式のMEMSミラーである。光走査素子1Aは、例えば、レーザプロジェクタやヘッドアップディスプレイ等に利用される。光走査素子1Aは、ミラー3が揺動軸12周りに揺動しながら、光源(不図示)から出射されたレーザ光をスクリーン(不図示)に向けて反射することで当該スクリーンに画像を投影する。光走査素子1Aは、ボディ2と、ミラー3と、ボディ用支柱4と、台座8と、振れ角検出部5と、振れ角検出部用支柱6と、ミラー駆動部7とを含んで構成される。
The
ボディ2は、平板状に形成されたMEMSミラーの本体部である。ボディ2は、磁性材料およびシリコンウエハにより構成される。この磁性材料は、磁歪材料であり、例えば、Ni、Fe−Ni系合金、Fe−Co系合金、ソフトフェライト等が含まれる。ボディ2は、例えば、磁歪材料の薄膜がシリコンウエハ上に形成されたものである。磁歪材料は、一般的に、外部からの磁界により弾性変形する特性を有する。また、磁性材料は、外力により歪みが生じると磁束が変化する特性を有する。例えば、磁歪材料から成る平行梁の軸方向に圧縮応力を加えると磁化が減少して、平行梁の周囲の磁束が低下する。ボディ2は、揺動軸12上の両端部に外側に向けた突起部2aを有する。ボディ2は、ミラー3の周囲に一対の打ち抜き孔14が形成されている。打ち抜き孔14は、ボディ2を上下方向に貫通する孔であり、ミラー3を形作るように形成されている。
The
ミラー3は、平板状のボディ2の一部を抜き打ち加工して弾性を持たせた可動部であり、レーザ光等の光を反射する部分である。ミラー3は、反射部11と、揺動軸12と、一対の梁部13とを有する。反射部11は、光を反射する反射面11aを有する。揺動軸12は、第1揺動軸である。揺動軸12は、反射部11を揺動させる軸であり、奥行き方向に延びている。梁部13は、第1梁部であり、反射部11の揺動軸12上に設けられ、台座8に対して反射部11を揺動自在に支持するものである。梁部13は、ボディ2と反射部11とを接続する。梁部13は、反射部11の揺動軸であると共に、反射部11の揺動を抑制するねじりバネとしても機能する。梁部13は、反射部11の揺動軸12周りの揺動により弾性変形し、歪みが付加されると周囲の磁束が変化する。
The
ボディ用支柱4は、ボディ2の幅方向の両端部をそれぞれ支持するものである。ボディ用支柱4は、それぞれが奥行き方向に長い四角柱で構成され、台座8に立設されている。台座8は、ボディ2と略同じ矩形状を有し、反射部11に平行に載置されている。
The body supports 4 support both ends of the
振れ角検出部5は、第1振れ角検出部であり、図3に示すように、ミラー3の揺動方向の振れ角±θ(以下、単に「振れ角θ」とする)を検出するものである。振れ角検出部5は、例えば、ボディ2を挟んで奥行き方向に対向する位置に配置されている。言い換えると、振れ角検出部5は、揺動軸12上にあってミラー3を挟んで対向する位置に配置されている。振れ角検出部5は、例えば、ミラー駆動部7が駆動からミラー3を揺動するまでのミラー揺動動作において、反射部11の揺動に起因する梁部13の磁束の変化をミラー3の振れ角θとして検出する。振れ角検出部5は、巻き線コイル5aと、鉄心5bとを含んで構成される。巻き線コイル5aは、鉄心5bに巻かれた銅線である。鉄心5bは、巻き線コイル5aの内部に入れて磁気回路として用いる鋼材である。本実施形態の振れ角検出部5は、巻き線コイル5aの中心軸と、梁部13に対応する揺動軸12とが重なるように配置される。
The deflection
振れ角検出部用支柱6は、それぞれが振れ角検出部5を支持するものである。振れ角検出部用支柱6は、それぞれが幅方向に長い四角柱で構成される。振れ角検出部用支柱6は、例えば、台座8に立設されることが好ましいが、これに限定されるものではない。
The
ミラー駆動部7は、反射部11に磁力を与えて揺動させるものであり、例えば、電磁石等で構成される。本実施形態のミラー駆動部7は、反射部11に磁力を与えて揺動させる位置に配置される。ミラー駆動部7は、例えば、図1に示すように、揺動軸12上とは異なる位置に配置される。ミラー駆動部7は、例えば、矩形状のミラー3の対角線上にあって揺動軸12を挟んで対向する位置に配置される。
The
次に、本実施形態に係る光走査素子1Aの動作について図3を参照して説明する。本実施形態に係る光走査素子1Aは、磁歪材料を含むミラー3が、電磁石であるミラー駆動部7の磁力により揺動軸12周りに揺動することで反射光を偏光させる。例えば、揺動軸12を挟んで対向する位置にある2つのミラー駆動部7a,7bへの通電電流を制御してミラー3を揺動させる場合、図示のミラー駆動部7aに通電して鉄心5bを励磁すると、ミラー駆動部7aの周囲に磁束30が発生する。この磁束30により反射部11に磁力が加わると、反射部11の幅方向の一方がミラー駆動部7a側に吸引されて、反射部11が揺動軸12を中心に右側に傾く。このとき、ミラー3には、梁部13の揺動方向のねじれに対して元に戻ろうとする反力が働き、反射部11が揺動軸12を中心に左側に傾こうとする。さらに、ミラー駆動部7bに、ミラー駆動部7aに流した電流と異なる向きの電流を流すと、ミラー駆動部7bの周囲に、磁束30と反対向きの磁束31が発生する。この磁束31により反射部11に磁力が加わると、反射部11の幅方向の他方がミラー駆動部7b側に吸引されて、反射部11が揺動軸12を中心に左側に傾く。このように、例えば対向する位置にある2つのミラー駆動部7a,7bへの通電電流を制御して、発生する磁束30,31の向きを交互に変更することで、反射部11が揺動軸12を中心として揺動方向に揺動させることができる。光走査素子1Aでは、反射部11の揺動に対する応力が梁部13を介してボディ2に働いてしまい、当該光走査素子1A全体が揺動する場合があるので、ミラー3を含むボディ2がボディ用支柱4により台座8に固定されていることが好ましい。
Next, the operation of the
次に、本実施形態に係る振れ角検出部5の振れ角検出動作について図4を参照して説明する。本実施形態に係る光走査素子1Aは、振れ角検出部5がミラー3の揺動方向の振れ角θを検出する。ミラー3が揺動方向に揺動すると、梁部13とボディ2との連結部分に応力による歪みが生じる。梁部13と連結するボディ2は、磁歪材料で構成されていることから、生じた歪みにより磁化が減少して周囲の磁束が低下する。梁部13の周囲の磁束が低下すると、振れ角検出部5の巻き線コイル5aの周囲の磁束も低下して、巻き線コイル5aに流れる励磁電流が低下する。振れ角検出部5は、例えば、巻き線コイル5aが振れ角検出装置32に接続されている。振れ角検出装置32は、巻き線コイル5aに流れる励磁電流を測定し、励磁電流の変化をミラー3の振れ角θとして検出する。振れ角検出装置32は、例えば、励磁電流の変化に対する振れ角θの関係を示すテーブル情報を有し、当該テーブル情報に基づいてミラー3の振れ角θを検出する。
Next, a shake angle detection operation of the shake
以上のように、第1実施形態に係る光走査素子1Aは、反射部11と、反射部11を揺動させる揺動軸12上に設けられ、反射部11を揺動自在に支持する梁部13とを有するミラー3と、ミラー3の揺動方向の振れ角θを検出する振れ角検出部5とを備える。ミラー3は、少なくとも梁部13が、歪みが生じると磁束が変化する磁性材料で構成される。振れ角検出部5は、反射部11の揺動に起因する梁部13の磁束の変化をミラー3の振れ角θとして検出する。
As described above, the
上記構成を有する光走査素子1Aによれば、従来のMEMSミラーの製造プロセスにおいて、振れ角センサを形成するために、シリコンウエハに対してピエゾ抵抗素子を形成する工程が不要となり、製造プロセスの一部を簡略化することができ、製造コストを低減することができる。また、光走査素子1Aは、反射部11の揺動に起因する梁部13の磁束の変化をミラー3の振れ角θとして検出するので、簡素な構造でミラー3の振れ角θを検出することができる。また、光走査素子1Aは、梁部13を含むミラー3が磁歪材料とシリコンウエハにより構成されるので、シリコンと特性が似る磁歪材料を利用することができ、ピエゾ抵抗素子のような特性が異なる材料が不要となる。また、磁歪材料は金属性を有するので、少なくともミラー3の強度を高くすることができる。
According to the
また、本実施形態に係る光走査素子1Aは、台座8のうち、揺動軸12上とは異なる位置に少なくとも1つ配置され、かつ反射部11に磁力を与えて揺動させるミラー駆動部7をさらに備える。これにより、従来のMEMSミラーの製造プロセスにおいて、シリコンウエハにコイルを配置する工程が不要となり、製造プロセスの一部を簡略化して、製造コストをさらに低減することができる。また、シリコンウエハへのコイルの配置が不要となるので、簡素な構造でミラー3を揺動することが可能となる。
In addition, at least one
また、本実施形態に係る光走査素子1Aは、ミラー駆動部7が、ミラー3の対角線上にあって揺動軸12を挟んで対向する位置に少なくとも1つ配置されるので、ミラー3を磁力により容易に揺動することが可能となる。
Further, in the
また、本実施形態に係る光走査素子1Aは、振れ角検出部5が、巻き線コイル5aを含んで構成され、巻き線コイル5aの中心軸と梁部13に対応する揺動軸12とが重なる位置に配置される。これにより、梁部13の磁束の変化を容易に検出することが可能となる。
Further, in the
なお、上記第1実施形態に係る光走査素子1Aは、振れ角検出部5が、ミラー揺動動作において、反射部11の揺動に起因する梁部13の磁束の変化をミラー3の振れ角θとして検出しているが、これに限定されるものではない。例えば、振れ角検出部5は、ミラー揺動動作において、ミラー駆動部7の駆動により生じる磁束の変化をミラー3の振れ角θとして検出してもよい。上述したように、本実施形態では、2つのミラー駆動部7a,7bへの通電電流を制御して、発生する磁束30,31の向きを交互に変更することで、反射部11を揺動軸12を中心として揺動方向に揺動させる。そこで、振れ角検出部5は、ミラー揺動動作におけるミラー駆動部7a,7bの駆動により生じる磁束の変化をミラー3の振れ角θとして検出する。このように、振れ角検出部5は、ミラー揺動動作において、ミラー駆動部7の駆動により生じる磁束の変化をミラー3の振れ角θとして検出するので、簡素な構造でミラー3の振れ角θを検出することができる。この結果、光走査素子1Aは、製造プロセスの一部を簡略することができ、製造コストを低減することができる。
In the
また、上記第1実施形態に係る光走査素子1Aは、振れ角検出部5が、ミラー駆動部7の駆動により生じる磁束の変化を、ボディ2を介してミラー3の振れ角θとして検出する構成であってもよい。ボディ2は、上述したように、磁性材料であることから、ミラー駆動部7の駆動により生じる磁界の磁束変化を、振れ角検出部5に伝達することができる。すなわち、振れ角検出部5は、ミラー揺動動作において、ミラー駆動部7の駆動により発生し、磁歪材料で構成されたボディ2を介して伝達される磁束の変化を、ミラー3の振れ角θとして検出する。これにより、簡素な構造でミラー3の振れ角θを検出することができる。この結果、光走査素子1Aは、振れ角センサを形成するための工程が不要となり、製造プロセスの一部を簡略することができ、製造コストを低減することができる。
In the
[第1実施形態の変形例1,2]
次に、第1実施形態の変形例1,2に係る光走査素子1B,1Cについて図5及び図6を参照して説明する。上記第1実施形態に係る光走査素子1Aでは、ミラー駆動部7が図1に示す位置に配置されているが、ミラー3に磁力を与えて揺動可能にする位置であれば、例えば、図5および図6に示す位置に配置されていてもよい。図5に示す光走査素子1Bは、ミラー駆動部7が、揺動軸12上とは異なる位置で、かつ矩形状のミラー3の対角線上に配置されている。図6に示す光走査素子1Cは、ミラー駆動部7が、揺動軸12上とは異なる位置で、かつミラー3の揺動軸12と直交する方向の両端側に配置されている。なお、図示のすべての位置にミラー駆動部7が配置されていてもよいし、いずれか1箇所にのみ配置されていてもよい。
[
Next,
[第2実施形態]
次に、本発明の第2実施形態に係る光走査素子について図7〜図14を参照して説明する。図7は、第2実施形態に係る光走査素子の概略構成を示す平面図である。図8は、第2実施形態に係る光走査素子の概略構成を示す縦断面図である。図9(A)、図9(B)は、第2実施形態に係る光走査素子の低周波の通電電流波形とミラーの振れ角との関係を示す図である。図10(A)、図10(B)は、第2実施形態に係る光走査素子の高周波の通電電流波形とミラーの振れ角との関係を示す図である。図11は、第2実施形態に係るミラーの振れ角検出を説明するための模式図である。図12は、第2実施形態の変形例1に係る光走査素子の概略構成を示す平面図である。図13は、第2実施形態の変形例2に係る光走査素子の概略構成を示す平面図である。図14は、第2実施形態に係る振れ角検出部の配置例を示す斜視図である。なお、図8は、図7中のB−B断面図である。
[Second embodiment]
Next, an optical scanning element according to a second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS. FIG. 7 is a plan view illustrating a schematic configuration of the optical scanning element according to the second embodiment. FIG. 8 is a longitudinal sectional view illustrating a schematic configuration of the optical scanning element according to the second embodiment. FIGS. 9A and 9B are diagrams illustrating the relationship between the low-frequency current flow waveform of the optical scanning element according to the second embodiment and the deflection angle of the mirror. FIGS. 10A and 10B are diagrams showing the relationship between the high-frequency current flow of the optical scanning element according to the second embodiment and the deflection angle of the mirror. FIG. 11 is a schematic diagram illustrating the detection of the deflection angle of the mirror according to the second embodiment. FIG. 12 is a plan view illustrating a schematic configuration of an optical scanning element according to Modification Example 1 of the second embodiment. FIG. 13 is a plan view illustrating a schematic configuration of an optical scanning element according to
第2実施形態に係る光走査素子1Dは、図7および図8に示すように、いわゆる2軸方式のMEMSミラーである。光走査素子1Dは、フレーム9と、振れ角検出部25とを含んで構成される点が上記第1実施形態に係る光走査素子1Aと異なる。なお、以下の説明において、上記第1実施形態と共通する構成は同一の符号を付して、その説明を省略または簡略化する。
The
フレーム9は、平板状の枠部21と、揺動軸22と、一対の梁部23とを有する。枠部21は、枠状に形成され、かつ内側に梁部13を介して接続されたミラー3を有する。揺動軸22は、第2揺動軸である。揺動軸22は、フレーム9を揺動させる軸であり、平面視において揺動軸12と直交する。本実施形態の揺動軸12は、第1揺動軸であり、幅方向に延びているものとする。梁部23は、第2梁部であり、枠部21の揺動軸22上に設けられ、台座8に対して枠部21を揺動自在に支持するものである。梁部23は、ボディ2とフレーム9とを接続する。ボディ2は、フレーム9の周囲に一対の打ち抜き孔24が形成されている。打ち抜き孔24は、ボディ2の上下方向に貫通する孔であり、フレーム9を形作るように形成されている。本実施形態の梁部13は、第1梁部であり、フレーム9と反射部11とを接続する。梁部23は、フレーム9の揺動軸であると共に、フレーム9の揺動を抑制するねじりバネとしても機能する。梁部23は、フレーム9の揺動軸22周りの揺動により弾性変形して、歪みが付加されると周囲の磁束が変化する。
The
振れ角検出部25は、第2振れ角検出部であり、フレーム9の揺動方向の振れ角θを検出するものである。本実施形態の振れ角検出部25は、フレーム9に含まれるミラー3の揺動方向の振れ角θを検出することができる。振れ角検出部25により検出されるミラー3の振れ方向と、振れ角検出部5により検出されるミラー3の振れ方向とは直交する。振れ角検出部25により検出されるミラー3の振れ方向は、例えば幅方向であり、副走査方向である。一方、振れ角検出部5により検出されるミラー3の振れ方向は、例えば奥行き方向であり、主走査方向である。振れ角検出部25は、ボディ2を挟んで奥行き方向に対向する位置に配置されている。振れ角検出部25は、揺動軸22上にあってミラー3を挟んで対向する位置に配置されている。振れ角検出部25は、例えば、ミラー駆動部7が駆動からフレーム9を揺動するまでのフレーム揺動動作において、枠部21の揺動に起因する梁部23の磁束の変化をフレーム9の振れ角θとして検出する。振れ角検出部25は、振れ角検出部5と同様に、巻き線コイル5aと、鉄心5bとを含んで構成される。本実施形態の振れ角検出部25は、巻き線コイル5aの中心軸と、梁部23に対応する揺動軸22とが重なる位置に配置される。
The deflection
本実施形態の振れ角検出部5は、第1振れ角検出部であり、ミラー3の揺動方向の振れ角θを検出するものである。振れ角検出部5は、巻き線コイル5aの中心軸と梁部13に対応する揺動軸12とが平行となる位置に配置される。振れ角検出部5は、例えば、ミラー3の対角線上にあって揺動軸12を挟んで対向する位置に配置される。振れ角検出部5は、上述したミラー揺動動作において、反射部11の揺動に起因する梁部13の磁束の変化をミラー3の振れ角θとして検出する。
The
本実施形態のミラー駆動部7は、反射部11およびフレーム9にそれぞれ磁力を与えて揺動させる位置に配置されることが好ましく、例えば、図7に示すように、揺動軸22とは異なる位置に配置される。ミラー駆動部7は、例えば、矩形状のフレーム9の対角線上にあって揺動軸22を挟んで対向する位置に配置される。
The
次に、本実施形態に係る光走査素子1Dの動作について図1、図9(A)、図9(B)、図10(A)、および図10(B)を参照して説明する。本実施形態に係る光走査素子1Dは、ミラー3が、ミラー駆動部7の磁力により、直交する2本の揺動軸12および揺動軸22の周りに揺動することで反射光を偏光させる。例えば、ミラー3の対角線上にあって揺動軸22を挟んで対向する位置にある2つのミラー駆動部7a,7bへの通電電流を制御してミラー3を揺動させる場合について説明する。ミラー駆動部7a,7bには、一般的なMEMSミラーと同じく、高周波成分と低周波成分とを重畳した電流Iを流す。ミラー駆動部7a,7bに電流Iをそれぞれ流すと(図9(A)、図10(A))、フレーム9は、低周波成分により揺動軸22を中心に幅方向(X方向)に揺動する(図9(B))。一方、電流Iの高周波成分は小さいので、フレーム9に対する影響は生じない(図10(B))。ミラー3は、高周波成分(例えば共振周波数f)により揺動軸12を中心に奥行き方向(Y方向)に揺動する(図10(B))。このように、電流Iの高周波成分をミラー3の共振周波数fに合わせて設定すると、ミラー駆動部7a,7bの駆動力が小さく(図10(A))、フレーム9の共振周波数からずれているため、その影響を無視することができる。一方、電流Iの高周波成分がミラー3の共振周波数fと一致するため、ミラー3を大きな振れ角で揺動することができる。例えば、レーザプロジェクタ用のMEMSミラーでは、揺動軸22を中心とするフレーム9の共振周波数が1KHz以下であり、揺動軸12を中心とするミラー3の共振周波数が20KHz以上である。
Next, the operation of the
次に、本実施形態に係る振れ角検出部5の振れ角検出動作について図11を参照して説明する。本実施形態に係る光走査素子1Dは、振れ角検出部5がミラー3の揺動方向の振れ角θを検出する。ミラー3が揺動方向に揺動すると、梁部13とフレーム9との連結部分に応力による歪みが生じる。梁部13と連結するフレーム9は、ボディ2と同様に、磁歪材料で構成されていることから、生じた歪みにより磁化が減少して周囲の磁束が低下する。梁部13の周囲の磁束が低下すると、振れ角検出部5の巻き線コイル5aの周囲の磁束も低下して、巻き線コイル5aに流れる励磁電流が低下する。振れ角検出部5は、例えば、巻き線コイル5aが振れ角検出装置32に接続されている。振れ角検出装置32は、巻き線コイル5aに流れる励磁電流を測定し、励磁電流の変化をミラー3の振れ角θとして検出する。振れ角検出装置32は、例えば、励磁電流の変化に対する振れ角θの関係を示すテーブル情報を有し、当該テーブル情報に基づいてミラー3の振れ角θを検出する。
Next, a shake angle detection operation of the shake
本実施形態に係る振れ角検出部25は、フレーム9が揺動方向に揺動すると、梁部23とボディ2との連結部分に応力による歪みが生じる。梁部23と連結するボディ2は、磁歪材料で構成されていることから、生じた歪みにより磁化が減少して周囲の磁束が低下する。梁部23の周囲の磁束が低下すると、振れ角検出部25の巻き線コイル5aの周囲の磁束も低下して、巻き線コイル5aに流れる励磁電流が低下する。振れ角検出部25は、巻き線コイル5aが振れ角検出装置32に接続されており、振れ角検出装置32によりフレーム9の振れ角θが検出される。
In the deflection
以上のように、第2実施形態に係る光走査素子1Dは、光走査素子1Aに対して、枠状に形成され、かつ内側に梁部13を介して接続されたミラー3を有する平板状の枠部21と、平面視において揺動軸12と直交する揺動軸22と、枠部21の揺動軸22上に設けられ、台座8に対して枠部21を揺動自在に支持する一対の梁部23と、を有するフレーム9と、フレーム9の揺動方向の振れ角θを検出する振れ角検出部25とをさらに備える。フレーム9は、少なくとも梁部23が磁性材料で構成される。振れ角検出部25は、枠部21の揺動に起因する梁部23の磁束の変化をフレーム9の振れ角θとして検出する。
As described above, the
上記構成を有する光走査素子1Dによれば、上記第1実施形態に係る光走査素子1Aと同様の効果を奏することができる。
According to the
また、本実施形態に係る光走査素子1Dは、振れ角検出部25は、巻き線コイル5aを含んで構成され、巻き線コイル5aの中心軸と梁部23に対応する揺動軸22とが重なる位置に配置される。これにより、梁部23の磁束の変化を容易に検出することが可能となる。
Further, in the
また、本実施形態に係る光走査素子1Dは、振れ角検出部5は、巻き線コイル5aの中心軸と梁部13に対応する揺動軸12とが平行となる位置に配置される。これにより、振れ角検出部25により検出される梁部23の磁束と干渉することなく、梁部13の磁束の変化を検出することが可能となる。
In the
また、本実施形態に係る光走査素子1Dは、ミラー駆動部7が、ミラー3の対角線上にあって揺動軸12を挟んで対向する位置に少なくとも1つ配置されるので、ミラー3を磁力により容易に揺動することが可能となる。
Further, in the
なお、上記第2実施形態に係る光走査素子1Dは、振れ角検出部25が、フレーム揺動動作において、枠部21の揺動に起因する梁部23の磁束の変化をフレーム9の振れ角θとして検出しているが、これに限定されるものではない。例えば、振れ角検出部25は、フレーム揺動動作において、ミラー駆動部7の駆動により生じる磁束の変化をフレーム9の振れ角θとして検出してもよい。上述したように、本実施形態では、2つのミラー駆動部7a,7bへの通電電流を制御して、発生する磁束30,31の向きを交互に変更することで、フレーム9を揺動軸22を中心として揺動方向に揺動させる。そこで、振れ角検出部25は、フレーム揺動動作におけるミラー駆動部7a,7bの駆動により生じる磁束の変化をフレーム9の振れ角θとして検出する。このように、振れ角検出部25は、フレーム揺動動作において、ミラー駆動部7の駆動により生じる磁束の変化をフレーム9の振れ角θとして検出するので、簡素な構造でフレーム9の振れ角θを検出することができる。この結果、光走査素子1Dは、上記光走査素子1Aと同様に、製造プロセスの一部を簡略することができ、製造コストを低減することができる。
In the
また、上記第2実施形態に係る光走査素子1Dは、振れ角検出部25が、ミラー駆動部7の駆動により生じる磁束の変化を、ボディ2を介してフレーム9の振れ角θとして検出する構成であってもよい。ボディ2は、上述したように、磁歪材料であることから、ミラー駆動部7の駆動により生じる磁界の磁束変化を、振れ角検出部25に伝達することができる。すなわち、振れ角検出部25は、フレーム揺動動作において、ミラー駆動部7の駆動により発生し、磁歪材料で構成されたボディ2を介して伝達される磁束の変化を、フレーム9の振れ角θとして検出する。これにより、簡素な構造でフレーム9の振れ角θを検出することができる。この結果、光走査素子1Dは、振れ角センサを形成するための工程が不要となり、製造プロセスの一部を簡略することができ、製造コストを低減することができる。
In the
[第2実施形態の変形例1,2]
次に、第2実施形態の変形例1,2に係る光走査素子1E,1Fについて図12及び図13を参照して説明する。上記第2実施形態に係る光走査素子1Dでは、ミラー駆動部7が図7に示す位置に配置されているが、フレーム9に磁力を与えて揺動可能にする位置であれば、例えば、図12および図13に示す位置に配置されていてもよい。図12に示す光走査素子1Eおよび図13に示す光走査素子1Fは、ミラー駆動部7が、揺動軸22上とは異なる位置で、かつ矩形状のフレーム9の対角線上にそれぞれ配置されている。図12に示すミラー駆動部7は、フレーム9の対角部分にそれぞれ配置されている。図13に示すミラー駆動部7は、揺動軸22を挟んで振れ角検出部5と対向する位置にそれぞれ配置されている。なお、図示のすべての位置にミラー駆動部7が配置されていてもよいし、いずれか1箇所にのみ配置されていてもよい。
[
Next,
また、上記第2実施形態に係る光走査素子1Dでは、振れ角検出部5が、図7、図8、図11〜図13に示す位置に配置されているが、これに限定されるものではない。すなわち、振れ角検出部5は、巻き線コイル5aの中心軸と梁部13に対応する揺動軸12とが平行となる位置に配置されていれば、図14に示すように、ボディ2の周囲に配置されていてもよい。振れ角検出部5は、例えば、ボディ2のうち、揺動軸22と直交する幅方向(X方向)上に配置されていてもよい。また、振れ角検出部5は、ボディ2のうち、ボディ用支柱4に接続された下面側に配置されていてもよいし、当該下面側と反対側の上面側に配置されていてもよい。また、振れ角検出部5は、ボディ2のうち、打ち抜き孔24内に配置されていてもよいし、突起部2a側に配置されていてもよい。
In addition, in the
なお、上記第1実施形態では、振れ角検出部5は、2つ配置されているが、いずれか一方に配置されていてもよい。また、上記第2実施形態では、振れ角検出部5,25がそれぞれ2つずつ配置されているが、いずれか一方に1つずつ配置されていてもよい。
In addition, in the said 1st Embodiment, although the deflection
また、上記第1および第2実施形態では、ミラー駆動部7が、複数の位置に配置されているが、いずれか1箇所に1つ配置されていてもよい。
In the first and second embodiments, the
1A,1B,1C,1D,1E,1F 光走査素子
2 ボディ
2a 突起部
3 ミラー
4 ボディ用支柱
5,25 振れ角検出部
5a 巻き線コイル
5b 鉄心
6 振れ角検出部用支柱
7,7a,7b ミラー駆動部
8 台座
9 フレーム
11 反射部
11a 反射面
12,22 揺動軸
13,23 梁部
14,24 打ち抜き孔
21 枠部
30,31 磁束
32 振れ角検出装置
1A, 1B, 1C, 1D, 1E, 1F
Claims (6)
前記ミラーを揺動させるミラー駆動部と、
前記ミラーの揺動方向の振れ角を検出する第1振れ角検出部と、
を備え、
前記第1振れ角検出部は、
前記ミラー駆動部が駆動から前記ミラーを揺動するまでのミラー揺動動作に起因する磁束の変化を前記ミラーの振れ角として検出する、
ことを特徴とする光走査素子。 A plate-like reflecting portion for reflecting light, a first swing axis for swinging the reflecting portion, and a first swinging axis of the reflecting portion, wherein the reflecting portion swings with respect to a base. A mirror having a pair of first beams for freely supporting;
A mirror driving unit for swinging the mirror,
A first deflection angle detection unit that detects a deflection angle of the mirror in the swing direction;
With
The first deflection angle detection unit includes:
The mirror drive unit detects a change in magnetic flux due to a mirror swing operation from driving to swinging the mirror as a swing angle of the mirror,
An optical scanning element characterized by the above-mentioned.
少なくとも前記第1梁部が、歪みが生じると磁束が変化する磁性材料で構成され、
前記第1振れ角検出部は、
少なくとも前記反射部の揺動に起因する前記第1梁部の磁束の変化を前記ミラーの振れ角として検出する、
請求項1に記載の光走査素子。 The mirror is
At least the first beam portion is made of a magnetic material whose magnetic flux changes when strain occurs,
The first deflection angle detection unit includes:
Detecting at least a change in magnetic flux of the first beam portion caused by the swing of the reflection portion as a deflection angle of the mirror;
The optical scanning device according to claim 1.
請求項1または2に記載の光走査素子。 The mirror drive unit is arranged at least one of the pedestals at a position different from the position on the first swing axis, and applies a magnetic force to the reflection unit to swing the mirror.
The optical scanning element according to claim 1.
前記ミラーの対角線上にあって前記第1揺動軸を挟んで対向する位置に配置される、
請求項3に記載の光走査素子。 The mirror driving unit,
Disposed on a diagonal line of the mirror and opposed to each other across the first swing axis;
The optical scanning device according to claim 3.
巻き線コイルを含んで構成され、
前記巻き線コイルの中心軸と前記第1梁部に対応する第1揺動軸とが重なる位置、または、平行となる位置に配置される、
請求項1〜4のいずれか1項に記載の光走査素子。 The first deflection angle detection unit includes:
It is configured to include a winding coil,
It is arranged at a position where a central axis of the winding coil and a first swing axis corresponding to the first beam portion overlap or are parallel.
The optical scanning element according to claim 1.
前記フレームの揺動方向の振れ角を検出する第2振れ角検出部と、
をさらに備え、
前記第2振れ角検出部は、
前記ミラー駆動部が駆動から前記フレームを揺動するまでのフレーム揺動動作に起因する磁束の変化を前記フレームの振れ角として検出し、
前記フレームは、
少なくとも前記第2梁部が、歪みが生じると磁束が変化する磁性材料で構成され、
前記第2振れ角検出部は、
巻き線コイルを含んで構成され、
少なくとも前記巻き線コイルの中心軸と前記第2梁部に対応する第2揺動軸とが重なる位置に配置され、
前記枠部の揺動に起因する前記第2梁部の磁束の変化を前記フレームの振れ角として検出する、
請求項1〜5のいずれか1項に記載の光走査素子。 A plate-shaped frame portion having a frame shape and having the mirror connected to the inside through the first beam portion, a second swing axis orthogonal to the first swing axis in plan view, A frame provided on the second swinging shaft of the frame, and having a pair of second beams for swingably supporting the frame with respect to the pedestal;
A second deflection angle detection unit that detects a deflection angle of the frame in the swing direction;
Further comprising
The second deflection angle detection unit includes:
Detecting a change in magnetic flux due to a frame swing operation from the drive of the mirror driving unit to swing the frame as a deflection angle of the frame,
The frame is
At least the second beam portion is made of a magnetic material whose magnetic flux changes when strain occurs,
The second deflection angle detection unit includes:
It is configured to include a winding coil,
At least a center axis of the winding coil and a second swing axis corresponding to the second beam portion are arranged at positions overlapping each other;
Detecting a change in magnetic flux of the second beam portion due to the swing of the frame portion as a deflection angle of the frame;
The optical scanning device according to claim 1.
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2018
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