JP2021162661A

JP2021162661A - 光偏向器

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Publication number: JP2021162661A
Application number: JP2020062423A
Authority: JP
Inventors: 清朗大島; Kiyoaki Oshima
Original assignee: Pioneer Electronic Corp; Pioneer Smart Sensing Innovations Corp
Current assignee: Pioneer Corp; Pioneer Smart Sensing Innovations Corp
Priority date: 2020-03-31
Filing date: 2020-03-31
Publication date: 2021-10-11
Anticipated expiration: 2040-03-31
Also published as: JP7469940B2

Abstract

【課題】ミラー反射面の拡大化と低周波数による駆動が可能な光偏向器を提供する。【解決手段】光偏向器１０は、各々が揺動軸ＡＺと交差する方向に伸長し揺動軸回りに揺動する一対の梃子部１１Ｔ、及び光反射面１１Ｓを有しかつ梃子部の各々の伸長方向における一端に配された接続部分に接続されたミラー本体１１Ｈを有するミラー部１１と、梃子部の揺動軸から離間した被駆動部分に力を加えて梃子部を揺動軸回りに揺動させる駆動部３０と、を有する。【選択図】図１

Description

本発明は、光偏向器に関する。

レーザ光ビームを偏向しつつ所定の領域に向けて出射し、当該所定の領域から戻ってきた反射光を検出することによって、当該所定の領域内に位置する物体に関する種々の情報を得るライダ(LiDAR：Light Detection And Ranging)装置等の光走査装置が知られている。このような光走査装置において、光ビームを偏向する光偏向器として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー等の可動磁石式のミラーを用いているものが知られている。例えば、特許文献１に記載されたように、ＭＥＭＳミラーの裏面に永久磁石を配置した光偏向器が知られている。

特開2009-69676号公報

ライダ装置のように遠方へ投光しその反射光を利用する分野においては、投光時の光ビームのフットプリントを大きくする要望があるが、小型化が可能なＭＥＭＳミラーでは、製造上、その反射面の拡大に困難な場合がある。また、自動車へライダ装置を搭載した場合、当該装置内のＭＥＭＳミラーを共振駆動により揺動させるためのミラー駆動周波数が比較的高いため、例えばラインスキャンを利用して低フレームレート化するための低周波数駆動が困難な場合がある。

このように、共振駆動によりミラーを揺動させる光偏向器は、ミラー反射面の拡大化や、低い周波数による駆動が難しいということが課題の一例として挙げられる。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、ミラー反射面の拡大化や、低周波数による駆動が可能な光偏向器を提供することを目的の一つとしている。

請求項１に記載の発明は、各々が揺動軸と交差する方向に伸長しかつ前記揺動軸回りに揺動する一対の梃子部、及び光反射面を有しかつ前記梃子部の各々の伸長方向における一端に配された接続部分に接続された板状のミラー本体を有するミラー部と、
前記梃子部の前記揺動軸から離間した被駆動部分に力を加えて前記梃子部を前記揺動軸回りに揺動させる駆動部と、
を有することを特徴とする。

実施例１に係る光偏向器の全体構成を説明する構成図である。実施例１に係る光偏向器の正面図である。実施例１に係る光偏向器のミラー部の斜視図である。実施例１に係る光偏向器の駆動部の電磁石の斜視図である。実施例１に係る光偏向器の電磁石とミラー部の斜視図である。図５のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。実施例２に係る光偏向器の全体構成を説明する構成図である。図７のＶ−Ｖ線に沿った断面図である。

以下に本発明の実施例を詳細に説明する。なお、以下の各実施例における説明及び添付図面においては、実質的に同一または等価な構成要素には同一の参照符号を付しているので、それら構成要素の重複説明を省略する。

図１は、実施例１の光偏向器１０の全体構成を説明する構成図であって、光偏向器１０の主要部分の概略分を示す斜視図とブロック図を含む。図１は、互いに直交するＸ方向、Ｙ方向及びＺ方向を定義して、Ｚ方向に平行な揺動軸ＡＺを備えＸＹ平面内に光ビームＬを走査する光偏向器１０を示している。図２は、光偏向器１０のＹ方向において眺めた正面図である。

光偏向器１０は、光偏向を行う矩形板体であるミラー部１１と、ミラー部１１を揺動させための磁界を発生させる磁界発生源である電磁石２０を含む駆動部３０と、を有する。本実施例の光偏向器１０は、揺動軸ＡＺの一軸回りでミラー部１１を揺動させ、光ビームの偏向動作を行う光走査装置（光スキャナ）である。

本実施例の光偏向器１０は、図示しない固定部材により固定された、Ｘ方向に伸長する一対の支持部１３を有する。支持部１３はＺ方向に離れて対向配置されている。

光偏向器１０では、電磁石２０によって発生した磁界がミラー部１１に設けられた永久磁石１２に印加されることで、支持部１３にされるトーションバー１４の回りでミラー部１１を揺動させる。

［ミラー部］
図３は、実施例１の光偏向器１０のミラー部１１の斜視図である。

ミラー部１１は、一対の支持部１３との間に一対の空隙を隔てて配置され、揺動軸ＡＺに沿って延びるトーションバー１４によって一対の支持部１３に接続及び支持され、揺動軸ＡＺの回りに揺動可能となっている。ミラー部１１は、非駆動時にはＸＺ平面内に位置する。

ミラー部１１は、Ｘ方向に平行に伸長する一対の梃子部１１Ｔと、これら梃子部に挟まれ接続されたミラー本体１１Ｈとを有する。一対の梃子部１１Ｔは、その中間の支点ＦＵＬにおいてトーションバー１４に支持されかつ揺動軸ＡＺと交差する。

ミラー本体１１Ｈを挟む一対の梃子部１１Ｔの各々は、ミラー本体１１Ｈとの接続部分である一端の作用点部Ｆｏｕｔと、被駆動部分である他端の力点部Ｆｉｎを有する長方形板体である。一対の梃子部１１Ｔは、ミラー部１１の揺動軸ＡＺに直交する対称軸ＳＸ（又は仮想平面）に関して対称に配置されている。

長方形板体であるミラー本体１１Ｈは、一対の梃子部１１Ｔの間の内側に配置され、一対の梃子部１１Ｔのそれぞれの一端の作用点部Ｆｏｕｔで接続且つ支持される。

永久磁石１２は、一対の梃子部１１Ｔのそれぞれの他端（被駆動部分）の力点部Ｆｉｎ上に対称軸ＳＸに関して対称に固定されている。これにより、電磁石２０（図１、参照）により磁界が永久磁石１２に印加されることで、磁界の変化に応じて、力点部Ｆｉｎの永久磁石１２が引力及び斥力により移動して、梃子部１１Ｔの各々は、中間の支点ＦＵＬにおいてトーションバー１４（揺動軸ＡＺ）回りにねじれ、ミラー部１１を揺動する。すなわち、駆動部３０は、梃子部１１Ｔにおける一端（ミラー本体１１Ｈの接続部）とはトーションバー１４を挟んで反対側に配された力点部Ｆｉｎ（被駆動部分）に磁力を加えて梃子部１１Ｔを揺動させる。なお、被駆動部分としてはかならずしも梃子部１１Ｔの末端に限らず揺動軸ＡＺに間隙を置いて近づけて設定してもよい。

永久磁石１２は一対の永久磁石１２ａ、１２ｂである。永久磁石１２ａ、１２ｂは、各梃子部１１Ｔの力点部Ｆｉｎの両面にて、それぞれ対極のＳ極及びＮ極が外側を向くように、すなわち、ミラー部１１の表面と裏面で対極となるように、設けられている。さらに、永久磁石１２ａ、１２ｂは、対称軸ＳＸに関して対称に配置されている一対の梃子部１１Ｔにおいて一方の磁化の向き（Ｓ極からＮ極へ）と他方の磁化の向き（Ｎ極からＳ極へ）が互いに反対方向となるように設定されている。

以上のミラー本体１１Ｈから延びる一対の梃子部１１Ｔを有するミラー構成によれば、ミラー本体１１Ｈの共振周波数を２００Ｈｚ以上に設定したとしても自動車の振動を拾うことが減り、２５Ｈｚ以下の低い周波数で線形駆動させることができる。すなわち、比較的大面積のミラー本体１１Ｈを線形駆動により低周波数で駆動させる構造が達成できると共に、ミラー本体１１Ｈから支点ＦＵＬ（揺動軸ＡＺ）と力点部Ｆｉｎ（永久磁石１２）を離すことによってミラー本体１１Ｈに応力が掛かりにくく変形しにくいミラー構造が達成できる。

本実施例においては、一対の梃子部１１Ｔに永久磁石１２ａ、１２ｂを配置することによって、ミラー裏面のリブを廃止できるようになる（従来のミラー裏面磁石配置の装置では強度補強用リブを設けたものがある）。ミラー本体１１Ｈは、平板状の部材であり、その両面が光反射面１１Ｓとして機能する。

以上の一対の梃子部１１Ｔを有するミラー構成によれば、一対の支持部１３とトーションバー１４とミラー部１１の一対の梃子部１１Ｔ及びミラー本体１１Ｈとは、金属板の抜き打ち加工で形成することができる。これにより、ミラー部１１の材料をＳＯＩ（Silicon on Insulator)基板を用いずに、Ｓｉやそれ以外の金属等の打ち抜き品を使うことができ、製造コストを下げることができる。

また、一対の梃子部１１Ｔとミラー本体１１Ｈとは１枚の金属板からスリットＳＬＴによって離隔されていてもよい。

ミラー本体１１Ｈは一対の梃子部１１Ｔの力点部Ｆｉｎ（被駆動部分）及び作用点部Ｆｏｕｔ（接続部分）の間の長さと同等の長さすなわち、（Ｘ方向）を有する。

［駆動部］
図２に示すように、駆動部３０の電磁石２０は、一対の梃子部１１Ｔを介してミラー部１１を揺動軸ＡＺの回りに揺動させる。電磁石２０は、ミラー部１１から離れてＺ方向に伸長するヨーク２１と、ヨーク２１のヨーク中間部に巻き付けられたコイル２２とから構成される。ヨーク２１は例えば、軟質磁性体材料例えば電磁鋼板から作成される。

ヨーク２１の両端には端部２１Ｅが設けられている。一対の端部２１Ｅは、ヨーク中間部から屈曲して、ミラー部１１の一対の梃子部１１Ｔへ向けてＸ方向に平行に伸長している。

ヨーク２１の両端の端部２１Ｅの各々は、Ｙ方向に離れて対向する一対のヨーク先端ＹＳを有する二股のＣ字型（Ｕ字型）の形状を有する（図４、参照）。図２に示すように、一対のヨーク先端ＹＳは、梃子部１１Ｔの力点部Ｆｉｎ（被駆動部分）の表面と裏面に垂直な方向において対向して当該被駆動部分を挟む。一対のヨーク先端ＹＳは、一対の永久磁石１２を、隙間を保って挟むように互いに各梃子部１１Ｔに関して対称に位置している（非駆動時）。すなわち、一対のヨーク先端ＹＳも、ミラー部１１の対称軸ＳＸに関して対称に配置されている。よって、一対のヨーク先端ＹＳは、一対の永久磁石１２ａ、１２ｂを挟むように配置されている。

駆動部３０は駆動回路３１を有し、駆動回路３１が、コイル２２に接続され、コイル２２に駆動信号を印加することによりヨーク２１の一対の端部２１から磁界を発生させる。駆動回路３１は、コイル２２へ交流電流を駆動信号として印加することによって、電磁石２０のヨーク２１の一対の端部２１Ｅの間に交流磁界が発生させる。駆動信号としては、例えば正弦波の電流波形信号が挙げられる。

コイル２２に所定周波数の交流電流を流した際、ヨーク２１の一対の端部２１Ｅの一方がＮ極となり他方がＳ極となる、又は一方がＳ極となり他方がＮ極となるように磁極が交互に入れ替わる交流磁界が発生する。交流磁界により、２組の永久磁石１２ａ、１２ｂの対は一対の梃子部１１Ｔを介して揺動軸ＡＺ回りにミラー本体１１Ｈを所定周波数で揺動させる。

以上のように、梃子部１１Ｔにおける一対の永久磁石１２ａ、１２ｂの構成、すなわち、ミラー部１１のＺ方向で互いに離れた一対の梃子部１１Ｔの端の力点部Ｆｉｎに一対の永久磁石１２ａ、１２ｂを配置しかつ梃子部１１Ｔそれぞれの磁化の向き（Ｓ極とＮ極）が逆になるように配置したことによって、Ｚ方向で互いに離れたヨーク端部２１ＥがそれぞれＳ極、Ｎ極に切り替わると吸引と反発により、小さな磁力すなわちエネルギーで、一対の梃子部１１Ｔ（ミラー本体１１Ｈ）に回転力を生ぜしめる故に、磁気回路（駆動回路、電磁石）の規模の小型化が可能となる。

また、光反射面のリブを廃止したことにより、ミラー本体１１Ｈの両面が使えるようになるため、光源を２つ使うことにより視野角（ＦＯＶ）を広げることができる。例えば、図５、図６に示すように、電磁石２０側から静止時のミラー本体１１Ｈの反射面に対し３０°で光ビームＬ入射させると、揺動時のミラー部１１の振角は３０°程度でも１２０°スキャンすることができる。振角を小さくすることで小さな駆動力で大きなミラー部１１を線形駆動できる。

図７は、実施例２に係る光偏向器１０の全体構成を説明する構成図である。

実施例２では、実施例１の電磁石の二股のダブルのヨーク先端をシングルのヨーク先端の変更した以外、実施例１と同様の構成を有する。よって、変更した構成部分を説明する。

本実施例では、ヨーク先端ＹＳをミラー部１１の片面側だけに配置して、ミラー部１１の片面側からの磁力による吸引と反発だけで駆動する構成を有する。すなわち、電磁石２０は、駆動部３０は、一対の梃子部１１Ｔの力点部Ｆｉｎ（被駆動部分）の表面と裏面のいずれか一方の面に垂直な方向において対向する一組のヨーク先端ＹＳを両端に備えたヨークを有する。この場合、実施例１のものに比べてヨーク先端ＹＳ形状は単純になる。本実施例では、ミラー本体１１Ｈの静止位置が少し片側のヨーク先端ＹＳ側に傾く可能性があるけれども、Ｙ方向でミラー本体１１Ｈを均等に揺動駆動させるために駆動部３０における駆動電流にオフセットを施すことで解消できる。

以上の実施例のいずれの光偏向器におけるミラー部の一対の梃子部１１Ｔの構成により、駆動部３０の磁気回路の規模を抑えることが可能となる。また、ミラー部の製造コストの増大を抑えることが可能となる。

１０光偏向器
１１ミラー部
１２永久磁石
１３支持部
１４トーションバー
１１ミラー部
１１Ｔ梃子部
１１Ｈミラー本体
１１Ｓ光反射面
２０電磁石
２１ヨーク
２２コイル
３０駆動部
３１駆動回路
ＳＸ対称軸
ＡＺ揺動軸
Ｆｏｕｔ作用点部
Ｆｉｎ力点部

Claims

各々が揺動軸と交差する方向に伸長しかつ前記揺動軸回りに揺動する一対の梃子部、及び光反射面を有しかつ前記梃子部の各々の伸長方向における一端に配された接続部分に接続された板状のミラー本体を有するミラー部と、
前記梃子部の前記揺動軸から離間した被駆動部分に力を加えて前記梃子部を前記揺動軸回りに揺動させる駆動部と、
を有することを特徴とする光偏向器。
前記ミラー部は１の板によって形成され、前記一対の梃子部と前記ミラー本体とは前記接続部分以外の部分で前記１の板に形成されたスリットによって離隔している
ことを特徴とする請求項１に記載の光偏向器。
前記ミラー部と前記揺動軸に沿って伸張したトーションバーによって接続された支持部を有し、前記支持部、前記トーションバー、前記ミラー部の前記梃子部及び前記ミラー本体は前記１の板を抜き打くことで形成されている
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の光偏向器。
前記ミラー本体は、前記一対の梃子部の各々の前記接続部分と前記被駆動部分との間の長さと同等の長さを有する
ことを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の光偏向器。
前記一対の梃子部は、前記揺動軸に直交する面に対して対称に配置され、前記被駆動部分には前記ミラー部の表面と裏面で対極となる永久磁石が各々設けられている
ことを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の光偏向器。
前記一対の梃子部は前記揺動軸に直交する面に対して対称に配置され、前記駆動部は、前記被駆動部分の表面と裏面に垂直な方向において対向して挟む一対のヨーク先端の一組を両端に備えたヨークを有する電磁石を有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光偏向器。
前記一対の梃子部は前記揺動軸に直交する面に対して対称に配置され、前記駆動部は、前記被駆動部分の表面と裏面のいずれか一方の面に垂直な方向において対向する一組のヨーク先端を両端に備えたヨークを有する電磁石を有する
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の光偏向器。
前記一対の梃子部の前記被駆動部分部に前記永久磁石に代わり強磁性体が各々設けられている
ことを特徴とする請求項７に記載の光偏向器。
前記ミラー本体は両面が光反射面を有する
ことを特徴とする請求項１乃至８のいずれか一項に記載の光偏向器。
前記駆動部は非共振で、共振周波数以下の周波数で前記ミラー部を線形駆動する
ことを特徴とする請求項１乃至９のいずれか一項に記載の光偏向器。
前記駆動部は、前記一端とは前記揺動軸を挟んで反対側に配された前記被駆動部分に力を加えて前記梃子部を揺動させることを特徴とする請求項１乃至１０のいずれか一項に記載の光偏向器。