JP2023097199A - Mirror device for scanning - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体製造技術を利用して小型化を実現した走査用ミラー装置に関する。 1. Field of the Invention The present invention relates to a scanning mirror device that has been miniaturized using semiconductor manufacturing technology.
レーザ光源から照射されたレーザ光を走査させ、2次元画像にして投影するための2次元走査MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)ミラー装置(プレーナ型アクチュエータ)が知られている(例えば、特許文献1参照)。特許文献1に記載されたミラー装置は、例えば、レーザ光を反射するミラーと、ミラーの周囲に設けられ第1回転軸によりミラーを回転自在に支持する第1フレームと、第1フレームの周囲に設けられ第1回転軸に直交する方向の第2回転軸により第1フレームを回転自在に支持する第2フレームと、を備えている。
A two-dimensional scanning MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) mirror device (planar actuator) for scanning laser light emitted from a laser light source and projecting a two-dimensional image is known (see, for example, Patent Document 1). ). The mirror device described in
そして、このミラー装置は、第1回転軸に沿った方向に少なくとも1つの第1磁界を発生する第1磁石と、第2回転軸に沿った方向に少なくとも1つの第2磁界を発生する第2磁石とを備えている。また、このミラー装置は、ミラーにおいて第2磁界と直交する方向に電流が流れる少なくとも1つの第1電極を備えている。また、このミラー装置は、第1フレームにおいて第1磁界と直交する方向に電流が流れる少なくとも1つの第2電極を備えている。 This mirror device includes a first magnet that generates at least one first magnetic field in the direction along the first rotation axis, and a second magnet that generates at least one second magnetic field in the direction along the second rotation axis. with a magnet. The mirror arrangement also comprises at least one first electrode through which current flows in the mirror in a direction perpendicular to the second magnetic field. The mirror arrangement also comprises at least one second electrode through which current flows in the first frame in a direction perpendicular to the first magnetic field.
このミラー装置は、第1電極に流れる交流電流に基づいてローレンツ力を発生させ、共振に基づいてミラーを第1回転軸回りに振動させると共に、第2電極に流れる交流電流に基づいてローレンツ力を発生させ、第1フレームと共にミラーを共振に基づいて第2回転軸回りに振動させ、ミラーに反射するレーザ光を走査可能に構成されている。 This mirror device generates a Lorentz force based on the alternating current flowing through the first electrode, vibrates the mirror around the first rotation axis based on resonance, and generates the Lorentz force based on the alternating current flowing through the second electrode. The first frame and the mirror are vibrated around the second rotation axis based on resonance, and the laser beam reflected on the mirror can be scanned.
特許文献1に記載されたミラー装置によれば、磁界発生のためにはMEMSミラー素子の周りに合計2対(4つ)の永久磁石を配置する必要があり、装置の小型化や、低コスト化することを阻んでいた。装置の小型化・低コスト化を行うためにはMEMS素子に比べ大きい高コストな永久磁石の個数を減らすことが望ましい。特許文献1には、上記構成の他に1対の磁石をミラーやフレームの対角線上に配置して2つの軸方向にそれぞれ磁界成分を発生させる他のミラー装置が記載されている。
According to the mirror device described in
しかしながら、特許文献1に記載された他のミラー装置によれば、1つの磁界を直交分解して2方向の磁力を得ようとするため各軸方向の磁界が弱くなり、結果として磁界に比例する電磁力も弱くなり、ミラーの回転角度が制限され性能低下するという課題がある。また、特許文献1に記載された他のミラー装置によれば、磁界方向に対して45度傾けてミラーを配置する必要があるため、装置構成に必要な面積が増大するという課題がある。
However, according to the other mirror device described in
更に特許文献1に記載された技術によれば、ミラーや第1フレームの可動部に電磁的に振動を発生させるためのコイル構造を設ける必要がある。そうすると、特許文献1に記載された技術によれば、ミラーや第1フレームの可動部は、回転軸部分でのみ第2フレームに接続され、第2フレームからは分離されている。このため、特許文献1に記載された技術では、ミラーや第1フレームに設けられる配線が複雑化するという課題があった。
Furthermore, according to the technique described in
さらに、特許文献1に記載された技術では、ミラーや第1フレームを含む可動部は、第2フレームからは熱的に分離されている構成を有し、ミラーや第1フレームに設けられた電極に通電した際に可動部が加熱され、共振周波数が変化したり、ミラー面にたわみを生じさせたりして、装置の動作が不安定になるという課題があった。
Furthermore, in the technique described in
特許文献1に記載された技術において、可動部の1つの駆動用コイルに基づいて、ミラーに第1軸方向の回転と第2軸方向の回転を実現しようとすると、可動部の外部に加えられる磁界は2方向必要であり、さらには2つの周波数信号を電気的に加算合成する必要があった。そのため、特許文献1に記載された技術によれば、駆動用コイルを駆動するための駆動回路を増やしてしまうだけでなく、加算回路により最大電流を制限してしまう問題があった。
In the technique described in
本発明は、装置構成を簡略化すると共に、駆動時の発熱の影響を低減可能な走査用ミラー装置を提供することを目的とする。 SUMMARY OF THE INVENTION It is an object of the present invention to provide a scanning mirror device capable of simplifying the device configuration and reducing the influence of heat generated during driving.
上記の目的を達するために、本発明は、ミラー面が形成されたミラー部と、前記ミラー部を支持する第1ミラー支持部と、前記第1ミラー支持部を、第1質量を有する第1領域と、前記第1質量に比して大きい質量の第2質量を有する第2領域とに分割する位置において回転可能に支持する第1軸と、前記第1領域の第1共振周波数と同じ振動数の第1波を発生し前記第1領域を共振させ前記第1ミラー支持部を前記第1軸回りに振動させる第1振動源と、を備える走査用ミラー装置である。 To achieve the above object, the present invention provides a mirror portion having a mirror surface formed thereon, a first mirror support portion for supporting the mirror portion, and a first mirror support portion having a first mass. a first shaft rotatably supported at a position dividing a region and a second region having a second mass having a mass larger than the first mass; and a first vibration source that generates a first wave of a number to resonate the first region and vibrate the first mirror support portion around the first axis.
本発明によれば、装置構成を簡略化すると共に、駆動時の発熱の影響を低減することができる。 According to the present invention, the device configuration can be simplified and the influence of heat generated during driving can be reduced.
以下、図面を参照しつつ、本発明に係る走査用ミラー装置の実施形態について説明する。以下の説明では、XYZ座標が設定される。各軸方向に対して適宜、一方側、他方側等と呼ぶ。設定された座標は相対的なものであり、この限りではない。走査用ミラー装置は、例えば、半導体製造技術を利用したMEMSにより小型化を実現した2次元走査ミラー素子である。走査用ミラー装置は、電気的に駆動される電磁アクチュエータに構成されている。走査用ミラー装置は例えば、小型プロジェクタやLiDAR(Light Detection And Ranging)の光を含む電磁波射出源に利用される。 An embodiment of a scanning mirror device according to the present invention will be described below with reference to the drawings. In the following description, XYZ coordinates are set. Each axial direction is appropriately referred to as one side, the other side, or the like. The set coordinates are relative and are not limited to this. The scanning mirror device is, for example, a two-dimensional scanning mirror element that has been miniaturized by MEMS using semiconductor manufacturing technology. The scanning mirror device is configured in an electrically driven electromagnetic actuator. Scanning mirror devices are used, for example, as sources of electromagnetic waves including light from small projectors and LiDAR (Light Detection and Ranging).
図1に示されるように、走査用ミラー装置1は、波源部40から照射された電磁波を反射し、電源部20から入力された交流電流により駆動され、反射した電磁波を2次元的に走査するように構成されている。波源部40及び電源部20は、後述のように制御装置10により制御される。
As shown in FIG. 1, the
走査用ミラー装置1は、1枚の基板2により形成されている。基板2には、例えば、波源部40から照射されたレーザ光やレーダ波等の電磁波を反射するミラー面M1が形成されている。ミラー面M1は、ミラー部M上に形成されている。基板2には、ミラー部Mを支持する第1ミラー支持部3が形成されている。第1ミラー支持部3は、例えば、矩形の板状体に形成されている。第1ミラー支持部3の周囲には、第1ミラー支持部3と基板2とを分離する第1溝H1が形成されている。第1ミラー支持部3は、例えば、長手方向がX軸に沿って形成され、短手方向がY軸方向に沿って配置されている。第1ミラー支持部3は、例えば、図のY軸方向に沿った第1軸S1により基板2に対して回転可能に支持されている。
The
第1軸S1は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されている。第1軸S1は、基板2に第1溝H1を形成する際に、所定幅の棒状に残置されることにより形成されている。第1軸S1は、第1ミラー支持部3のY軸方向に沿った軸方向一方側の第1側面3Pを支持する第1トーションバーS1Aと、第1ミラー支持部3のY軸方向に沿った軸方向他方側の第2側面3Qを支持する第2トーションバーS1Bとを備えている。第1トーションバーS1Aは、第1側面3Pと基板2(後述の第1振動板)とを連結している。第2トーションバーS1Bは、第2側面3Qと基板2(後述の第2振動板)とを連結している。
The first shaft S1 is formed in a torsion bar that elastically deforms in the twisting direction. The first axis S<b>1 is formed by leaving a bar shape with a predetermined width when forming the first groove H<b>1 in the
第1軸S1は、第1ミラー支持部3を、第1領域3Aと、第2領域3Bとに分割する位置に配置されている。第1領域3Aは、第1質量を有するように分割されている。第1領域3Aは、第1軸に直交する方向の軸方向一方側において第1幅Laを有する第1板状体Cに形成されている。第1板状体Cは、第1軸S1回りに振動可能である。第1板状体Cは、第1共振周波数f1を有している。第1板状体Cは、外部から入力される第1共振周波数f1を有する波により共振し第1軸S1回りに振動する。
The first axis S1 is arranged at a position dividing the
第2領域3Bは、第1板状体Cの第1質量に比して大きい質量の第2質量を有するように分割されている。第2領域3Bは、第1軸S1に直交する方向の軸方向他方側において第1幅Laに比して長い第2幅Lbの第2板状体Dに形成されている。第2板状体Dは、第1軸S1回りに振動可能である。第2板状体Dは、第2共振周波数f2を有している。第2板状体Dは、外部から入力される第2共振周波数f2を有する波により共振し第1軸S1回りに振動する。
The
第1ミラー支持部3には、ミラー部Mを分離して支持する第2ミラー支持部4が設けられている。第2ミラー支持部4は、第1軸S1と直交する方向に沿った第2軸S2を備えている。第2ミラー支持部4は、第2軸S2により第1ミラー支持部3に回転可能に支持されている。第2ミラー支持部4は、例えば、円環状に形成された枠部4Aを有している。枠部4Aは、ミラー部Mの周囲に延在するように形成されている。枠部4Aの周囲には、枠部4Aと第1ミラー支持部3とを分離する第2溝H2が形成されている。第2ミラー支持部4は、第1軸S1及び第2軸S2に関して線対称に形成されている。
A second
第2軸S2は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されている。第2軸S2は、第1ミラー支持部3に第2溝H2を形成する際に、所定幅の棒状に残置されることにより形成されている。第2軸S2は、第2ミラー支持部4のX軸方向に沿った軸方向一方側を支持する第3トーションバーS2Aと、第2ミラー支持部4のX軸方向に沿った軸方向他方側を支持する第4トーションバーS2Bとを備えている。第3トーションバーS2Aは、第2ミラー支持部4のX軸方向に沿った軸方向一方側と第1ミラー支持部3とを連結している。第4トーションバーS2Bは、第2ミラー支持部4のX軸方向に沿った軸方向他方側と第1ミラー支持部3とを連結している。
The second shaft S2 is formed in a torsion bar that elastically deforms in the twisting direction. The second axis S<b>2 is formed by leaving a bar shape with a predetermined width when forming the second groove H<b>2 in the first
第2ミラー支持部4には、更にミラー部Mを分離して支持している。ミラー部Mは、円板状に形成されている。ミラー部Mの表面には、円形のミラー面M1が形成されている。ミラー部Mの周囲には、ミラー部Mと第2ミラー支持部4とを分離する第3溝H3が形成されている。ミラー部Mは、第1軸S1と同軸に配置された第3軸S3を備えている。第3軸S3は、ミラー部Mを第2ミラー支持部4に対して回転可能に支持している。第3軸は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されている。
The second
第3軸S3は、ミラー部MのY軸方向に沿った軸方向一方側を支持する第5トーションバーS3Aと、ミラー部MのY軸方向に沿った軸方向他方側を支持する第6トーションバーS3Bとを備えている。第5トーションバーS3Aは、ミラー部MのY軸方向に沿った軸方向一方側と第2ミラー支持部4とを連結している。第6トーションバーS3Bは、ミラー部MのY軸方向に沿った軸方向他方側と第2ミラー支持部4とを連結している。第3軸S3は、ミラー部Mを、Y軸方向において均等に分割する位置に配置されている。
The third axis S3 consists of a fifth torsion bar S3A that supports one axial side of the mirror portion M along the Y-axis direction, and a sixth torsion bar S3A that supports the other axial side of the mirror portion M along the Y-axis direction. bar S3B. The fifth torsion bar S3A connects one axial side of the mirror portion M along the Y-axis direction and the second
第2ミラー支持部4(ミラー部Mを含む)は、第2軸S2回りに第3共振周波数f3を有している。第2ミラー支持部4は、外部から入力される第3共振周波数f3を有する波により共振し第2軸S2回りに振動する。
The second mirror support portion 4 (including the mirror portion M) has a third resonance frequency f3 around the second axis S2. The second
第1ミラー支持部3の第1側面3P側には、振動発生源となる第1振動源5が設けられている。第1振動源5は、外力を受けて弾性変形して撓む第1振動板5Aを備えている。第1振動板5Aは、矩形の板状に形成されている。第1振動板5Aの周囲には、第1振動板5Aと基板2とを分離するU状の第4溝H4が形成されている。第4溝H4は、第1側面3P側において第1溝H1と一部共有している。
A
上記構成により、第1振動板5Aは、Y軸方向に沿った軸方向一方側を基端とし、軸方向他方側を先端として振動可能なカンチレバーに形成されている。第1振動板5AのY軸方向に沿った軸方向他方側には、第1軸S1(X軸)と直交する方向に沿って第1電極5Dが延在して形成されている。第1電極5Dは、例えば、複数の線状配線構造を持つ配線層により構成されている。
With the above configuration, the
第1電極5DのX軸方向に沿った軸方向一方側及び軸方向他方側には、それぞれ第1電極5Dに直交するY軸方向に沿って延在する一対の配線5Eが電気的に接続されている。一対の配線5Eは、第1振動板5Aの軸方向一方側に設けられた一対の端子5Fにそれぞれ電気的に接続されている。一対の端子5Fは、後述の第1電源部21に電気的に接続されている。第1電極5D、一対の配線5E、一対の端子5Fは、第1振動板5A上に線状配線構造を持つ配線層により形成されている。このため、第1電極5D、一対の配線5E、一対の端子5Fは、配線経路が簡略化される。
A pair of
第1ミラー支持部3の第2側面3Q側には、振動発生源となる第2振動源6が設けられている。第2振動源6は、外力を受けて弾性変形して撓む第2振動板6Aを備えている。第2振動板6Aは、矩形の板状に形成されている。第2振動板6Aの周囲には、第2振動板6Aと基板2とを分離するU状の第5溝H5が形成されている。第5溝H5は、第2側面3Q側において第1溝H1と一部共有している。
A
上記構成により、第2振動板6Aは、Y軸方向に沿った軸方向他方側を基端とし、軸方向一方側を先端として振動可能なカンチレバーに形成されている。第2振動板6AのY軸方向に沿った軸方向一方側には、第1軸S1(X軸)と直交する方向に沿って第2電極6Dが延在して形成されている。第2電極6Dは、例えば、複数の線状配線構造を持つ配線層により構成されている。
With the above configuration, the
第2電極6DのX軸方向に沿った軸方向一方側及び軸方向他方側には、それぞれ第2電極6Dに直交するY軸方向に沿って延在する一対の配線6Eが電気的に接続されている。一対の配線6Eは、第2振動板6Aの軸方向一方側に設けられた一対の端子6Fにそれぞれ電気的に接続されている。一対の端子6Fは、後述の第2電源部22に電気的に接続されている。第2電極6D、一対の配線6E、一対の端子6Fは、第2振動板6A上にプリント配線により形成されている。このため、第2電極6D、一対の配線6E、一対の端子6Fは、配線経路が簡略化される。第1振動源5及び第2振動源6は、第1軸S1方向に沿った方向に磁界B1を発生させる磁界発生部30の間に配置されている。
A pair of
磁界発生部30は、第1振動源5のY軸方向に沿った軸方向一方側に隣接して設けられた第1永久磁石31と、第2振動源6のY軸方向に沿った軸方向他方側に隣接して設けられた第2永久磁石32と、を備えている。磁界発生部30は、例えば、第1永久磁石31から第2永久磁石に向かう方向に磁界B1を発生している。第1永久磁石31及び第2永久磁石32は、例えば、ネオジム磁石である。第1永久磁石31は、例えば、N極を第1振動源5に向けて配置されている。第2永久磁石32は、例えば、S極を第2振動源6に向けて配置されている。第1永久磁石31及び第2永久磁石32の配置方向はこれに限らず、逆方向であってもよいし、N極或いはS極が対向するように配置されていてもよい。
The
第1電極5Dは、電源部20に設けられた第1電源部21により電流が入力される。第2電極6Dは、電源部20に設けられた第2電源部22により電流が入力される。第1電源部21及び第2電源部22は、例えば、電源装置23から入力された電源電力を交流変換、ダウンコバート、周波数変換等をする電源回路を有する。第1電源部21及び第2電源部22は、電源電力に基づいて所定の周波数、所定の電圧、所定の電流に調整された交流電流を発生させ、それぞれ第1電極5D及び第2電極6Dに入力する。電源装置23は、商用電源や蓄電池から入力された電力に基づいて第1電源部21及び第2電源部22に電源電力を供給する。
A current is input to the
第1電源部21は、例えば、第1共振周波数f1に対応する第1周波数の交流電流を第1電極5Dに入力する。これにより、後述のように、第1電極5Dにローレンツ力を発生させ、第1振動板5Aを第1共振周波数f1と同じ振動数で振動させる。第1電源部21は、同様に第1電極5Dに第2共振周波数f2に対応する第2周波数の交流電流を第1電極5Dに入力し、ローレンツ力を発生させ、第1振動板5Aを第2共振周波数f2と同じ振動数で振動させる。
The first
また、第2電源部22は、同様に、第3共振周波数f3に対応する第3周波数の交流電流を第2電極6Dに入力する。これにより、後述のように、第2電極6Dに第3共振周波数f3に対応する第3周波数に応じたローレンツ力を発生させ、第2振動板6Aを第3共振周波数f3と同じ振動数で振動させる。電源部20は、制御装置10により制御される。
Similarly, the second
制御装置10は、電源部20を制御する制御部12と、制御に必要なデータを記憶する記憶部14とを備える。制御装置10は、例えば、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置である。制御装置10と電源部20とは、有線或いは無線通信により通信可能に接続されている。制御装置10は、ネットワークに接続され、遠隔操作に基づいて電源部20を制御するものであってもよい。ネットワークは、例えば、LAN(Local Area Network)、車内LAN、WAN(Wide Area Network)、公衆無線通信網等であってもよい。
The
制御部12は、例えば、CPU(Central Processing Unit)などのハードウェアプロセッサがプログラム(ソフトウェア)を実行することにより実現される。これらの構成要素のうち一部または全部は、LSI(Large Scale Integration)やASIC(Application Specific Integrated Circuit)、FPGA(Field-Programmable Gate Array)またはGPU(Graphics Processing Unit)などのハードウェア(回路部;circuitryを含む)によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予め記憶部14に設けられたHDDやフラッシュメモリなどの記憶装置(非一過性の記憶媒体を備える記憶装置)に格納されていてもよいし、DVDやCD-ROMなどの着脱可能な記憶媒体(非一過性の記憶媒体)に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることで記憶装置にインストールされてもよい。
The
制御部12は、波源部40を制御して電磁波41を出力させる。波源部40は、例えば、プロジェクタやLiDAR等の光源である場合はレーザ光を出力し、レーダ等である場合は電磁波を出力する。電磁波41は、ミラー面M1に入力される。制御部12は、第1電源部21及び第2電源部22から出力される交流電流を制御する。
The
制御部12は、第1電源部21を制御し、第1電極5Dに所定の交流電流を入力し、第1振動源5を振動させる。第1振動源5に発生した振動に共振し、第1ミラー支持部3が第1軸S1回りに振動する。即ち、制御部12は、第1振動源5の制御に基づいて第1ミラー支持部3の振動を制御する。
The
制御部12は、第2電源部22を制御し、第2電極6Dに所定の交流電流を入力し、第2振動源6を振動させる。第2振動源6に発生した振動に共振し、第2ミラー支持部4が第2軸S2回りに振動する。即ち、制御部12は、第2振動源6の制御に基づいて第2ミラー支持部4の振動を制御する。
The
以下、走査用ミラー装置1の動作原理について説明する。
The principle of operation of the
図2に示されるように、第1ミラー支持部3は、第1軸S1回りに回転可能に基板2に支持されている。第1軸S1は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されているため、第1ミラー支持部3は、第1軸S1周りに生じる捩じり振動に基づいて振動する。第1ミラー支持部3の第1領域3A側は、第1共振周波数f1を有し、外部から第1共振周波数f1と同一の波が入力された場合、重心G1に生じる力T1に基づいて第1軸S1回りに共振により振動する。第1ミラー支持部3の第2領域3B側は、第2共振周波数f2を有し、外部から第2共振周波数f2と同一の波が入力された場合、重心G2に生じる力T2に基づいて第1軸S1回りに共振により振動する。
As shown in FIG. 2, the
第1ミラー支持部3は、例えば、隣接する第1振動源5に生じる振動に共振して振動する。第1振動源5は、例えば、第1領域3Aの第1共振周波数f1と同じ振動数の第1波を発生し第1領域3Aを共振させ第1ミラー支持部3を第1軸回S1回りに振動させる。第1振動源5は、第1電極5Dに入力される交流電流に基づいて第1振動板5Aを振動させる。磁界発生部30によりY軸方向に沿って磁界B1が生じている。第1電極5Dに第1周波数の交流電流が入力されると、第1共振周波数f1に応じて第1電極5Dに+Z軸方向と-Z軸方向とに周期的にローレンツ力が作用する。
The
第1電極5Dに作用する第1共振周波数f1に応じた周期的なローレンツ力に応じて、第1振動板5Aが振動する。これにより、第1振動源5は、第1共振周波数f1と同じ振動数で振動する。第1振動源5が第1共振周波数f1と同じ振動数で振動した場合、第1ミラー支持部3の第1領域3Aは、第1共振周波数f1により共振し振動する。このとき、第1領域3Aの重心G1は、ミラー部Mに位置しているので、共振により生じる力はミラー部Mに加わる。そのため、ミラー部Mは、第3軸S3回りに振動する。即ち、第1電源部21により第1共振周波数f1に対応する第1周波数の交流電流が第1電極5Dに入力されると、第1電極5Dに発生するローレンツ力に基づいて第1振動板5Aが振動し、ミラー部Mが第1共振周波数により共振し第3軸S3回りに振動する。
The
同様に、第1振動源5は、例えば、第2領域3Bの第2共振周波数f2と同じ振動数の第2波を発生し第2領域3Bを共振させ第1ミラー支持部3を第1軸回S1回りに振動させる。第1振動源5は、第1電極5Dに入力される交流電流に基づいて第1振動板5Aを振動させる。第1電極5Dに第2周波数の交流電流が入力されると、第2共振周波数f2に応じて第1電極5Dに+Z軸方向と-Z軸方向とに周期的にローレンツ力が作用する。
Similarly, the
第1電極5Dに作用する第2共振周波数f2に応じた周期的なローレンツ力に応じて、第1振動板5Aが振動する。これにより、第1振動源5は、第2共振周波数f2と同じ振動数で振動する。第1振動源5が第2共振周波数f2と同じ振動数で振動した場合、第1ミラー支持部3の第2領域3Bは、第2共振周波数f2により共振し振動する。
The
このとき、第2領域3Bの重心G2は、ミラー部Mに位置していないので、共振により生じる力はミラー部Mに加わらない。そのため、ミラー部Mは、第2領域3Bと共に第1軸S1回りに振動する。即ち、第1電源部21により第2共振周波数f2に対応する第2周波数の交流電流が第1電極5Dに入力されると、ローレンツ力に基づいて第1電極5Dが振動し、ミラー部Mが第2領域3Bと共に第2共振周波数f2により共振し第1軸S1回りに振動する。
At this time, the center of gravity G2 of the
図3に示されるように、第2ミラー支持部4は、第2軸S2回りに回転可能に基板2に支持されている。第2軸S2は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されているため、第2ミラー支持部4は、第2軸S2周りに生じる捩じり振動に基づいて振動する。第2ミラー支持部4は、第3共振周波数f3を有し、外部から第3共振周波数f3と同一の波が入力された場合、重心G3に生じる力T3に基づいて第2軸S2回りに共振により振動する。
As shown in FIG. 3, the
第2ミラー支持部4は、例えば、隣接する第2振動源6に生じる振動に共振して振動する。第2振動源6は、例えば、第2ミラー支持部4の第3共振周波数f3と同じ振動数の第3波を発生し第2ミラー支持部4を共振させ第2ミラー支持部4を第2軸回S2回りに振動させる。第2振動源6は、第2電極6Dに入力される交流電流に基づいて第2振動板6Aを振動させる。磁界発生部30によりY軸方向に沿って磁界B1が生じている。第2電極6Dに第3共振周波数f3に対応する第3周波数の交流電流が入力されると、第3共振周波数f3に応じて第2電極6Dに+Z軸方向と-Z軸方向とに周期的にローレンツ力が作用する。
The second
第2電極6Dに作用する第3共振周波数f3に応じた周期的なローレンツ力に応じて、第2振動板6Aが振動する。これにより、第2振動源6は、第3共振周波数f3と同じ振動数で振動する。第2振動源6が第3共振周波数f3と同じ振動数で振動した場合、第2ミラー支持部4は、第3共振周波数f3により共振し振動する。即ち、第2電源部22により第3共振周波数f3に対応する第3周波数の交流電流が第2電極6Dに入力されると、第2電極6Dに発生するローレンツ力に基づいて第2振動板6Aが振動し、第2ミラー支持部4が第3共振周波数f3により共振し第2軸S2回りに振動する。
The
上記の通り、走査用ミラー装置1において、第1ミラー支持部3及び第2ミラー支持部4は、第1振動源5及び第2振動源6から分離されて構成されている。このため、走査用ミラー装置1においては、第1振動源5及び第2振動源6が駆動中に加熱されても、第1ミラー支持部3及び第2ミラー支持部4に熱が伝わらず、第1ミラー支持部3及び第2ミラー支持部4に歪を生じたり、共振周波数が変化したりすることが防止され装置を安定して稼働させることができる。
As described above, in the
図4には、第1周波数により振動するミラー部Mの状態が示されている。ミラー部Mは、第1振動源5に発生した第1共振周波数f1と同一の振動に共振してY軸方向に沿った第3軸S3(第1軸S1)回りに振動する。実施形態に係る走査用ミラー装置1において、第1共振周波数f1は例えば、2.582kHzである。
FIG. 4 shows the state of the mirror portion M vibrating at the first frequency. The mirror portion M resonates with the same vibration as the first resonance frequency f1 generated in the
図5には、第2周波数により振動する第2領域3Bの状態が示されている。第2領域3Bは、ミラー部Mと共に、第1振動源5に発生した第2共振周波数f2と同一の振動に共振してY軸方向に沿った第1軸S1回りに振動する。実施形態に係る走査用ミラー装置1において、第2共振周波数f2は例えば、234Hzである。ミラー部Mは、第1周波数において高速に振動させることができ、第1周波数に比して低い第2周波数において低速に振動させることができる。
FIG. 5 shows the state of the
図6には、第3周波数により振動するミラー部Mの状態が示されている。ミラー部Mは、第1振動源5に発生した第3共振周波数f3と同一の振動に共振してX軸方向に沿った第2軸S2回りに振動する。実施形態に係る走査用ミラー装置1において、第3共振周波数f3は例えば、1.461kHzである。第3周波数は、第1周波数及び第2周波数と異なる値である。
FIG. 6 shows the state of the mirror portion M vibrating at the third frequency. The mirror portion M resonates with the same vibration as the third resonance frequency f3 generated in the
このため、走査用ミラー装置1によれば、第1振動源5から第1周波数或いは第2周波数の波を発生させ、第2振動源6から第1周波数及び第2周波数と異なる第3周波数の波を発生させることによりミラー部Mの第1軸S1回りの振動と第2軸S2回りの振動とを個別に制御することができる。
Therefore, according to the
図7には、ミラー部Mが第4周波数に基づいてZ軸方向に沿って振動する状態が示されている。ミラー部Mには、第1軸S1回りと第2軸S2回りに振動するモードに加え、ミラー部Mの中心に発生する力T4に基づいてZ軸に沿って振動するモードも存在し得る。このときの第4周波数は、例えば、945Hzである。 FIG. 7 shows a state in which the mirror portion M vibrates along the Z-axis direction based on the fourth frequency. In addition to the mode of vibration about the first axis S1 and the second axis S2, the mirror section M may also have a mode of vibration along the Z-axis based on the force T4 generated at the center of the mirror section M. The fourth frequency at this time is, for example, 945 Hz.
図8には、作成した走査用ミラー装置1の性能試験において変位を計測した箇所が示されている。各計測点において、レーザードップラー計測器を用いて変位が計測された。ミラー部Mが第1軸S1(Y軸)回りに振動した際の変位は、Y軸計測点において計測された。ミラー部Mが第2軸S2(X軸)回りに振動した際の変位は、X軸計測点において計測された。
FIG. 8 shows locations where displacement was measured in the performance test of the fabricated
図9には、走査用ミラー装置1の性能試験の計測結果が示されている。図示するように、第1軸S1(Y軸)回りの振動モード及び第2軸S2(X軸)回りの振動モードが計測されている。この他、1.75kHz付近に走査用ミラー装置1においては使用しないX軸周りの振動モードが計測された。また、945Hzにおいて走査用ミラー装置1においては使用しないZ軸に沿った振動モードが計測された。
FIG. 9 shows measurement results of a performance test of the
図10には、駆動された走査用ミラー装置1にレーザ光を照射し、発生させた走査光が示されている。図示するように、走査用ミラー装置1によれば、ミラー部Mを第1軸S1回りに振動させると共に、第2軸S2周りに振動させることによって、レーザ光を2次元平面上に走査させ、2次元画像的な投影を実現できる。
FIG. 10 shows scanning light generated by irradiating the driven
上述したように、走査用ミラー装置1によれば、ミラー部Mの第1軸S1回りの振動と第2軸S2回りの振動とを第1振動源5及び第2振動源6に基づいて個別に制御することができる。走査用ミラー装置1によれば、ミラー部Mが設けられた第1ミラー支持部3及び第2ミラー支持部4が、第1振動源5及び第2振動源6と分離されているため、第1振動源5及び第2振動源6において発生した熱が第1ミラー支持部3及び第2ミラー支持部4に伝わることが防止される。走査用ミラー装置1によれば、第1ミラー支持部3及び第2ミラー支持部4に第1振動源5及び第2振動源6において発生した熱が伝わらないため、ミラー部Mに歪を生じたり、共振周波数が変化したりすることが防止され装置を安定して稼働させることができる。
As described above, according to the
以下、走査用ミラー装置1の変形例について説明する。以下の説明では、上記実施形態と同一の構成については、同一の名称及び符号を用い、重複する説明については適宜省略する。
[変形例]
磁界発生部30は、一対の第1永久磁石31及び第2永久磁石32により磁界B1を発生させるものの他、電磁コイルにより磁界を発生させてもよい。第1振動源5及び第2振動源6は、例示された電磁アクチュエータの他に、機械的に構成されたアクチュエータであってもよい。例えば、第1振動源5及び第2振動源6は、ピエゾ素子を用いた振動膜により構成されていてもよい。第1振動源5及び第2振動源6は、モータと錘を用いたバイブレータや、ソレノイドコイルを用いたリニアアクチュエータにより構成されていてもよい。第1振動源5及び第2振動源6は、所定の周波数の振動を発生させることができればどのようなものを用いてもよい。
Modifications of the
[Modification]
The
第1振動源5及び第2振動源6は、必ずしも第1ミラー支持部3に隣接して設けられていなくてもよく、ミラー部Mを共振に基づいて駆動可能であれば任意の位置に設けられていてもよい。また、第1ミラー支持部3は、第1領域3Aと第2領域3Bとに分割し、第1領域3Aを第1質量に、第2領域3Bを第2質量に調整することを例示した。第1ミラー支持部3やミラー部Mは、任意の形状に形成されてもよく、第1軸S1周りの振動の共振周波数と第2軸S2回りの振動の共振周波数は、錘の重量や錘の配置位置に基づいて調整されていてもよい。
The
以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、走査用ミラー装置は、光源やLiDARだけでなく、超音波や電磁波用いた3次元計測装置に用いられてもよい。 An embodiment of the present invention has been described above, but the present invention is not limited to the above-described embodiment, and can be modified as appropriate without departing from the scope of the invention. For example, the scanning mirror device may be used not only for light sources and LiDAR, but also for three-dimensional measurement devices using ultrasonic waves and electromagnetic waves.
1 走査用ミラー装置
3 第1ミラー支持部
3A 第1領域
3B 第2領域
4 第2ミラー支持部
5 第1振動源
5A 第1振動板
5D 第1電極
6 第2振動源
6A 第2振動板
6D 第2電極
20 電源部
21 第1電源部
22 第2電源部
30 磁界発生部
B1 磁界
C 第1板状体
D 第2板状体
M ミラー部
M1 ミラー面
S1 第1軸
S2 第2軸
S3 第3軸
1 Scanning
Claims (8)
前記ミラー部を支持する第1ミラー支持部と、
前記第1ミラー支持部を、第1質量を有する第1領域と、前記第1質量に比して大きい質量の第2質量を有する第2領域とに分割する位置において回転可能に支持する第1軸と、
前記第1領域の第1共振周波数と同じ振動数の第1波を発生し前記第1領域を共振させ前記第1ミラー支持部を前記第1軸回りに振動させる第1振動源と、を備える、
走査用ミラー装置。 a mirror section having a mirror surface;
a first mirror support portion that supports the mirror portion;
A first mirror supporting part rotatably supported at a position where the first mirror supporting part is divided into a first region having a first mass and a second region having a second mass larger than the first mass. axis and
a first vibration source that generates a first wave having the same frequency as the first resonance frequency of the first region, resonates the first region, and vibrates the first mirror support portion about the first axis. ,
Scanning mirror device.
請求項1に記載の走査用ミラー装置。 The first vibration source generates a second wave having the same frequency as the second resonance frequency of the second region, resonates the second region, and vibrates the first mirror support portion around the first axis.
2. A scanning mirror device according to claim 1.
前記第1軸は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成され、
前記第1領域は、前記第1ミラー支持部における前記第1軸に直交する方向の一方側において第1幅の第1板状体に形成され、
前記第2領域は、前記第1ミラー支持部における前記第1軸に直交する方向の他方側において第1幅に比して長い第2幅の第2板状体に形成されている、
請求項1または2に記載の走査用ミラー装置。 The first mirror support part is formed in a plate shape,
The first shaft is formed on a torsion bar that elastically deforms in a torsional direction,
The first region is formed on a first plate-shaped body having a first width on one side of the first mirror supporting portion in a direction perpendicular to the first axis,
The second region is formed in a second plate-shaped body having a second width longer than the first width on the other side of the first mirror support portion in a direction orthogonal to the first axis,
3. A scanning mirror device according to claim 1 or 2.
前記第1振動源は、外力を受けて弾性変形して撓む第1振動板と、前記第1軸と直交する方向に沿って前記第1振動板に形成された第1電極と、を備え、
前記第1共振周波数と同一の振動数の交流電流を前記第1電極に入力し、前記磁界により前記第1電極に生じるローレンツ力に基づいて前記第1振動板を振動させ、前記第1領域を前記第1共振周波数により共振させて振動させる第1電源部と、を備える、
請求項1から3のうちいずれか1項に記載の走査用ミラー装置。 A magnetic field generator that generates a magnetic field in a direction along the first axis,
The first vibration source includes a first diaphragm elastically deformed and bent by receiving an external force, and a first electrode formed on the first diaphragm along a direction orthogonal to the first axis. ,
An alternating current having the same frequency as the first resonance frequency is input to the first electrode, and the first diaphragm is vibrated based on the Lorentz force generated in the first electrode by the magnetic field to vibrate the first region. a first power supply section that resonates and vibrates at the first resonance frequency,
A scanning mirror device according to any one of claims 1 to 3.
請求項4に記載の走査用ミラー装置。 The first power supply unit inputs an alternating current having the same second resonance frequency as the second region to the first electrode, vibrates the first electrode based on Lorentz force, and causes the second region to move to the second region. Resonate and vibrate with two resonance frequencies,
5. A scanning mirror device according to claim 4.
前記第2ミラー支持部を前記第1ミラー支持部に回転可能に支持する前記第1軸と直交する第2軸と、
前記第2ミラー支持部の第3共振周波数と同じ振動数の第2波を発生し前記第2ミラー支持部を共振させ前記第2ミラー支持部を前記第2軸回りに振動させる第2振動源と、を備える、
請求項5に記載の走査用ミラー装置。 a second mirror support part that separates and supports the mirror part in the first mirror support part;
a second axis perpendicular to the first axis that rotatably supports the second mirror support section on the first mirror support section;
A second vibration source that generates a second wave having the same frequency as the third resonance frequency of the second mirror support section, resonates the second mirror support section, and vibrates the second mirror support section about the second axis. and
6. A scanning mirror device according to claim 5.
前記第2軸は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成され、
前記第2振動源は、外力を受けて弾性変形して撓む第2振動板と、前記第1軸と直交する方向に沿って前記第2振動板に形成された第2電極と、を備え、
前記第3共振周波数と同一の振動数の交流電流を前記第2電極に入力し前記磁界により前記第2電極に生じるローレンツ力に基づいて前記第2振動板を振動させ、前記第2ミラー支持部を前記第3共振周波数により共振させて前記第2軸回りに振動させる第2電源部と、を備える、
請求項6に記載の走査用ミラー装置。 The second mirror support part is formed in a plate shape,
The second shaft is formed on a torsion bar that elastically deforms in a twisting direction,
The second vibration source includes a second diaphragm elastically deformed and bent by receiving an external force, and a second electrode formed on the second diaphragm along a direction perpendicular to the first axis. ,
An alternating current having the same frequency as the third resonance frequency is input to the second electrode to vibrate the second diaphragm based on the Lorentz force generated in the second electrode by the magnetic field, and the second mirror support portion is provided. a second power supply unit that resonates at the third resonance frequency and vibrates about the second axis,
7. A scanning mirror device according to claim 6.
前記ミラー部を前記第2ミラー支持部に対して回転可能に支持し前記第1軸と同軸に配置された第3軸を備え、
前記第3軸は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成され、
前記第1電源部は、前記第1共振周波数と同一の振動数の交流電流を前記第1電極に入力し、前記磁界により前記第1電極に生じるローレンツ力に基づいて前記第1振動板を振動させ、前記ミラー部を前記第1共振周波数により共振させて前記第3軸回りに振動させる、
請求項7に記載の走査用ミラー装置。 The mirror section is separately supported by the second mirror support section,
a third shaft that rotatably supports the mirror portion with respect to the second mirror support portion and that is arranged coaxially with the first shaft;
The third shaft is formed on a torsion bar that elastically deforms in a torsional direction,
The first power supply unit inputs an alternating current having the same frequency as the first resonance frequency to the first electrode, and vibrates the first diaphragm based on a Lorentz force generated in the first electrode by the magnetic field. and vibrating the mirror portion around the third axis by resonating at the first resonance frequency;
8. A scanning mirror device according to claim 7.
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