JP2024019458A

JP2024019458A - ミラースキャナ

Info

Publication number: JP2024019458A
Application number: JP2023207800A
Authority: JP
Inventors: 友崇矢部; Tomotaka Yabe; 新吾岩崎; Shingo Iwasaki; 清朗大島; Kiyoaki Oshima; 正吾北澤; Shogo Kitazawa
Original assignee: Pioneer Electronic Corp
Current assignee: Pioneer Corp
Priority date: 2019-11-19
Filing date: 2023-12-08
Publication date: 2024-02-09
Also published as: JPWO2021100803A1; WO2021100803A1; EP4047410A4; EP4047410A1; US20220390738A1

Abstract

【課題】
装置規模を抑えつつミラーを十分に駆動して光走査を行うことが可能なミラースキャナを提供する。
【解決手段】
光を反射する第１の面を有し、揺動軸廻りに揺動可能なミラーと、ミラーの第１の面とは反対側の面である第２の面に配された永久磁石と、ミラーの第２の面側において永久磁石に対向する位置に配された一対の磁界発生端部と、ミラーの第２の面に沿って伸長する一対の伸長部と、を有するヨークと、を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ミラースキャナに関する。

光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走査装置が知られている。このような走査装置において、光を偏向する部分として、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）ミラー等の可動式のミラーが設けられている。可動式のミラーを有する光走査装置として、ヨーク及びヨークに巻き付けられたコイルからなる電磁石を有し、コイルに交番電流を流して磁界を発生させ、永久磁石の磁界との相互作用によってミラーを駆動する光走査装置が提案されている（例えば、特許文献１）。

特開２００９－６９６７６号公報

上記従来技術のような光走査装置では、ヨークがＣ字型（又はＵ字型）の形状を有しており、ヨークの端部である磁界発生端がミラーの光反射面の反対側の面（すなわち、裏面）に設けられた永久磁石と対向するように配置される。このため、磁界発生端を上にしてＣ字型のヨークを縦に配置した場合の高さに相当するスペースがミラーの裏面側に必要となり、装置全体の規模が大きくなる。従って、光走査装置の配置場所が限定されてしまうという問題があった。

本発明は上記した点に鑑みてなされたものであり、装置規模を抑えつつミラーを十分に駆動して光走査を行うことが可能なミラースキャナ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、光を反射する第１の面を有し、揺動軸廻りに揺動可能なミラーと、前記ミラーの前記第１の面とは反対側の面である第２の面に配された永久磁石と、前記ミラーの前記第２の面側において前記永久磁石に対向する位置に配された一対の磁界発生端部と、前記ミラーの前記第２の面に沿って伸長する一対の伸長部と、を有するヨークと、を有することを特徴とする。

本実施例のミラースキャナ全体の構成を示す図である。ミラー本体部とヨークとの配置関係を示す図である。ヨーク及びヨークを挟持する治具を示す図である。比較例のミラースキャナの構成を示す図である。比較例のミラー本体部とヨークとの配置関係を示す図である。駆動電流とミラーの振角との関係を本実施例及び比較例の各々について示す図である。

以下に本発明の好適な実施例を詳細に説明する。なお、以下の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部分には同一の参照符号を付している。

図１は、本実施例に係るミラースキャナ１００の全体構成を示す斜視図である。ミラースキャナ１００は、可動式のミラーを周期的に揺動することで光の偏向動作を行う光走査装置である。

ミラースキャナ１００は、光偏向を行うミラー本体部（以下、単に本体部と称する）１０と、磁界発生源であるヨーク２０及び駆動回路３０と、を有する。本実施例のミラースキャナ１００は、ヨーク２０及び駆動回路３０によって発生した磁界を本体部１０に印加することにより、本体部１０を動作させる磁気駆動型のＭＥＭＳ装置である。

本体部１０は、支持部としての板状の支持板１１と、支持板１１から揺動軸ＡＸに沿って伸びる一対のトーションバー１２と、支持板１１及びトーションバー１２によって揺動可能に支持されたミラー１３と、を含む。トーションバー１２の各々は、一端が支持板１１に固定され他端がミラー１３に固定されている。トーションバーが揺動軸廻りにねじれることで、ミラー１３が支持板１１に対して揺動する。

例えば、支持板１１、トーションバー１２及びミラー１３は、半導体材料で形成されている。支持板１１、トーションバー１２及びミラー１３からなる本体部１０は、例えば半導体ウェハを加工することで一体的に形成することができる。

ミラー１３は、平板状の部材であり、所定の光に対して反射性を有する光反射面１３Ｓを有する。光反射面１３Ｓは、例えば、ミラー１３を形成する板状の材料の表面に金属を蒸着することで形成されてもよい。ミラー１３の光反射面１３Ｓと反対側の面の中央部には、永久磁石１４が配置されている。以下の説明では、ミラー１３の光反射面１３Ｓを第１の面、光反射面１３Ｓとは反対側の面を第２の面とも称する。

本実施例のミラースキャナ１００では、ヨーク２０及び駆動回路３０により発生した磁界が永久磁石１４に作用することにより、ミラー１３が基準位置を中心として揺動する。例えば、ミラー１３は、光反射面１３Ｓが支持板１１の板面と平行になる位置を基準位置として揺動する。すなわち、ミラー１３は、基準位置を０度位置として、揺動軸廻りに正方向及び負方向の回動方向に回動する。

ミラー１３の揺動に応じて、基準位置から見た光反射面１３Ｓの角度（すなわち、振り角）が変化する。具体的には、トーションバー１２が揺動軸ＡＸ廻りにねじれるように永久磁石１４に磁界が印加されると、ミラー１３は、支持板１１に支持されつつ揺動軸ＡＸ廻りに揺動する。そして、図示せぬ光源から出射された光がミラー１３の光反射面１３Ｓによって反射され、ミラー１３の揺動によって反射方向が変化することにより、光走査が行われる。なお、本実施例では揺動軸が１つであるため走査方向は一次元的に変化するが、例えば線状に並んだ複数の光源（例えば、マルチエミッタ）からの出射光をミラー１３で反射させることにより、２次元的な走査を行うことが可能である。

ヨーク２０は、軟磁性体材料から構成されている。ヨーク２０は、互いに略平行に同じ方向に沿って伸長する一対のコア部であるコア部２１Ａ及び２１Ｂと、コア部２１Ａ及び２１Ｂを連結する連結部２２と、を含む。すなわち、本実施例において、ヨーク２０はＣ字型（Ｕ字型）の形状を有する。

第１コイル部２３Ａは、ヨーク２０のコア部２１Ａに巻き付けられた鋼線によって形成されている。また、第２コイル部２３Ｂは、コア部２１Ｂに巻き付けられた鋼線によって形成されている。なお、本実施例においては、第１コイル部２３Ａ及び第２コイル部２３Ｂは、一本の共通の鋼線を用いて構成されている。すなわち、第１コイル部２３Ａと第２コイル部２３Ｂに同時に電流が流れるように構成されている。なお、第１コイル部２３Ａと第２コイル部２３Ｂとがそれぞれ別個の鋼線を用いて構成され、それぞれに流れる電流が個別に制御可能であってもよい。

また、ヨーク２０は、一対の磁界発生端部である磁界発生端２４Ａ及び２４Ｂを有する。磁界発生端２４Ａは、コア部２１Ａの連結部２３との接続部分とは反対側の端部付近に設けられ、コア部２１Ａの伸長方向に対して垂直な方向に突出する凸形状を有する。同様に、磁界発生端２４Ｂは、コア部２１Ｂの連結部２３との接続部分とは反対側の端部付近に設けられ、コア部２１Ｂの伸長方向に対して垂直な方向に突出する凸形状を有する。

換言すれば、磁界発生端２４Ａ及び２４Ｂは、コア部２１Ａ及び２１Ｂの伸長方向に沿った直線の各々を含む平面（すなわち、コア部２１Ａ、コア部２１Ｂ及び連結部２２の表面によって構成される１の平面）から垂直な方向に突出した形状を有する。例えば、磁界発生端２４Ａ及び２４Ｂは、図１に示すように、例えば三角柱の形状に加工された金属材料がコア部２１Ａ及びコア部２１Ｂの各々の端部付近に付加されることにより形成されている。

駆動回路３０は、第１コイル部２３Ａ及び第２コイル部２３Ｂに駆動電流を印加する回路である。例えば、駆動回路３０は、ミラー１３を共振駆動するための交流電流を駆動電流として第１コイル部２３Ａ及び第２コイル部２３Ｂに印加する。これにより、ヨーク２０が電磁石として機能し、磁界発生端２４Ａ及び磁界発生端２４Ｂから交流磁界が発生する。

本実施例のミラースキャナ１００では、ミラー１３の第２の面（すなわち、光反射面１３Ｓとは反対側の面）側において、ヨーク２０のコア部２１Ａ及び２１Ｂが支持板１１の板面及び基準位置におけるミラー１３の第２の面に沿って伸長するように配置される。例えば、ヨーク２０は、コア部２１Ａ及び２１Ｂの伸長方向が支持板１１の板面及び基準位置におけるミラー１３の第２の面と略平行になるように配置される。また、ヨーク２０は、ミラー１３の第２の面側において、磁界発生端２４Ａ及び２４Ｂが永久磁石１４と対向する位置となるように配置される。

図２Ａは、本体部１０とヨーク２０との配置関係を示す図である。なお、ここでは駆動回路３０の図示を省略している。

なお、ヨーク２０は、図２Ｂに示すような治具２５によって基台２６上に固定され、図２Ａに示す位置に配置される。治具２５は、ヨーク２０の連結部２２をコア部２１Ａ及び２１Ｂの伸長方向に垂直な方向（すなわち、支持板１１の板面に垂直な方向）に挟持することにより、ヨーク２０を基台２６上に固定する。治具２５は、例えばアルミニウム等の熱伝導率が高く且つ非磁性体の材料から構成されている。治具２５は、ヨーク２０を固定する機能の他、ミラースキャナ１００の駆動によりヨーク２０に生じた熱を熱伝導により放熱する機能も有する。

図２Ａに示すように、本実施例のミラースキャナ１００では、本体部１０の主たる面（すなわち、支持板１１の板面及び基準位置におけるミラー１３の第２の面）に沿ってヨーク２０が伸長するように（すなわち、コア部２１Ａ及び２１Ｂが基準位置におけるミラー１３の第２の面に沿って伸長するように）ヨーク２０が配置される。このため、本体部１０の主たる面に垂直な方向におけるミラースキャナ１００の幅が小さい。換言すると、本実施例のミラースキャナ１００は、ヨーク２０の載置面を基準とした高さ方向の長さが小さい。

図３は、本実施例のミラースキャナ１００とはヨークの形状及び配置が異なる比較例のミラースキャナ２００の構成を示す図である。比較例のミラースキャナ２００は、本体部１０、ヨーク４０及び駆動回路３０から構成されている。

ヨーク４０は、コア部４１と、コア部４１の両端から互いに平行に伸長する伸長部４２Ａ及び４２Ｂと、からなるＣ字型の形状を有する。コア部４１には、コイル４３が巻き付けられている。

また、ヨーク４０は、伸長部４２Ａ及び４２Ｂのコア部４１との接続部分とは反対側の端部から連続して伸長する磁界発生端４４Ａ及び４４Ｂを有する。磁界発生端４４Ａ及び４４Ｂは、本実施例のミラースキャナ１００の磁界発生端２４Ａ及び２４Ｂ（図１を参照）とは異なり、伸長部４２Ａ及び４２Ｂの伸長方向に沿った直線の各々を含む平面に垂直な方向には突出しておらず、当該平面内においてＣ字型の先端をなす方向に突出している。

ヨーク４０は、ミラー１３の第２の面側において磁界発生端４４Ａ及び４４Ｂが永久磁石１４と対向するように配置される。そのため、例えば比較例のミラースキャナ２００を水平に載置する場合、ヨーク４０はコア部４１を底面として、伸長部４２Ａ及び４２Ｂの伸長方向が垂直方向（すなわち、高さ方向）となるように配置される。

図４は、比較例のミラースキャナ２００における本体部１０とヨーク４０との配置関係を示す図である。なお、ここでは駆動回路３０の図示を省略している。

比較例のミラースキャナ２００では、ヨーク２０は、支持板１１の板面及び基準位置におけるミラー１３の第２の面と伸長部４２Ａ及び４２Ｂとが垂直になるように配置される。また、磁界発生端４４Ａ及び４４Ｂは、それぞれ伸長部４２Ａ及び４２Ｂの端部から連続して伸長している。このため、支持板１１の板面に垂直な方向におけるミラースキャナ１００の幅（すなわち、ヨーク２０の本体部１０に対向する面とは反対側の面を底面とした場合の、本体部１０及びヨーク２０を合算した高さ）が大きい。

これに対し、本実施例のミラースキャナ１００では、磁界発生端２４Ａ及び２４Ｂは、コア部２１Ａ及び２１Ｂの伸長方向に沿った直線の各々を含む平面から突出した形状を有する。このため、図２Ａに示すように、ヨーク２０が本体部１０の主たる面に沿って伸長するように（例えば、コア部２１Ａ及び２１Ｂの伸長方向が本体部１０の主たる面と略平行になるように）ヨーク２０を配置することが可能である。

従って、本実施例のミラースキャナ１００では、比較例のミラースキャナ２００と比べて、本体部１０の主たる面に垂直な方向におけるミラースキャナ１００の幅（すなわち、ヨーク２０の載置面を基準とした高さ方向の長さ）を短くすることができる。これにより、ミラースキャナ１００全体としての装置規模を小さく抑えることが可能となる。

また、比較例のミラースキャナ２００では、コイル４３が永久磁石１４の直下に位置することになる。このため、永久磁石１４の動作がコイル４３の影響を直接受けないようにするため、磁界発生端４４Ａ及び４４Ｂをある程度以上の高さにして永久磁石１４とコイル４３との距離を離す必要がある。これに対し、本実施例のミラースキャナ１００では、第１コイル部２３Ａ及び第２コイル部２３Ｂが永久磁石１４の直下からはずれた位置に配置されるため、磁界発生端２４Ａ及び２４Ｂの高さを低く抑えることが可能となる。

また、本実施例のミラースキャナ１００では、一対のコア部であるコア部２１Ａ及び２１Ｂにコイルが巻き付けられる。そして、コア部２１Ａ及び２１Ｂは、支持板１１の板面及び基準位置におけるミラー１３の第２の面に沿って伸長する（例えば、略平行となる）ように配置される。かかる構成によれば、コア部２１Ａ及びコア部２１Ｂの長さがミラースキャナ１００の高さに影響しないため、ミラースキャナ１００の高さを増大させることなく、コイルを巻く部分であるコア部２１Ａ、２１Ｂの長さを延長してコイルの巻き数を多くすることが可能となる。

また、本実施例のミラースキャナ１００は、比較例のミラースキャナ２００と比べて高さが低いにも関わらず、コア部に巻き付けられるコイルの巻き数を多くすることが可能である。例えば、ミラースキャナ１００及びミラースキャナ２００の幅が同じ、すなわちコア部４１とコア部２１Ａ、２１Ｂの各々との長さが同じである場合、コア部に巻くことができるコイル線は約２倍となる。すなわち、高さを抑えつつかつ幅方向の大きさ（すなわち、コア部２１Ａ及び２１Ｂの伸長方向の長さ）を変えることなくコイルの巻き数を増大させ、より小さい駆動電流でミラー１３を揺動させることができる。

図５は、駆動回路３０が印加する駆動電流と、ミラー１３の揺動における振角（すなわち、基準位置を中心とした揺動角の最大値）との関係を示すグラフである。横軸は駆動電流の電流値（ｍＡ）の実効値、縦軸はミラーの振角を示している。なお、ここでは本実施例のミラースキャナ１００を実線、比較例のミラースキャナ２００を破線で示している。

本実施例のミラースキャナ１００では、比較例のミラースキャナ２００と比べて半分以下の電流値の駆動電流で同じ振れ角を得ることができる。例えば、比較例のミラースキャナ２００では、７５°の振角を得るために実効値１００ｍＡ以上の駆動電流を必要とするが、本実施例のミラースキャナ１００によれば実効値５０ｍＡ未満の駆動電流で７５°の振角が得られる。

このように、本実施例のミラースキャナ１００では、比較例と比べて少ない電力で同等の力を得ることができる。従って、本実施例のミラースキャナ１００によれば、消費電力を低減しつつ従来と同等の光走査を行うことが可能となる。

なお、比較例のミラースキャナ２００でコイルの巻き数を増やしたい場合、図３に示す伸長部４２Ａ及び４２Ｂにコイルを巻き付けることが考えられる。しかし、伸長部４２Ａ及び４２Ｂは、支持板１１の板面及びミラー１３の第２の面に垂直な方向に伸長しており、コイルの巻き数に応じた長さが必要であるため、支持板１１の板面に垂直な方向の長さ（すなわち、ミラースキャナ２００の高さ）が大きくなってしまう。従って、比較例のミラースキャナ２００では、ミラースキャナ２００の高さを抑えつつコイルの巻き数を増やすことができない。

以上のように、本実施例のミラースキャナ１００によれば、装置全体の高さを低く抑えることが可能である。また、装置の高さを増大させることなく、コイルの巻き数を増やすことが可能である。従って、本実施例のミラースキャナ１００を用いることにより、装置規模及び電力消費を抑えつつミラーを十分に駆動して光走査を行うことが可能となる。

また、ヨークの温度が上昇するとコイルの導線の抵抗値が上昇し、消費電力が増大する。このため、消費電力の低減にはヨークの放熱が有用である。本実施例のミラースキャナ１００では、図２Ｂに示すように、ヨーク２０は、治具２５によって基台２６上に固定される。治具２５は、例えばアルミニウム等の熱伝導率が高い材料から構成されており、連結部２２全体を挟持するように固定するため、ヨーク２０との接触面の面積が大きい。従って、ヨーク２０の放熱を効率よく行うことができる。

また、上記のようにミラースキャナ１００の高さを低く抑えることが可能であるため、配置場所の制約が少ない。従って、例えば車載用の光走査装置として用いる場合、自動車のバンパーやダッシュボード等のスペースにミラースキャナ１００を配置することが可能である。

なお、本発明は上記実施形態に限定されない。例えば、上記実施例では、１つの揺動軸ＡＸ廻りにミラー１３を揺動させる例について説明した。しかし、これとは異なり、２つの揺動軸廻りにミラー１３を揺動させるように構成してもよい。例えば、ミラーを互いに直交する２つの揺動軸廻りに揺動可能に構成し、上記実施例のヨーク２０と同様の構成を有する２つのヨークを、各々の一対のコア部が支持板の板面に沿って伸長し且つ磁界発生端が永久磁石に対向するように配置することにより、２つの揺動軸廻りにミラー１３を揺動させることが可能となる。

また、上記実施例では、一対のコア部であるコア部２１Ａ及び２１Ｂが互いに略平行に同じ方向に沿って伸長している場合について説明した。しかし、これに限られず、コア部２１Ａ及び２１Ｂは、各々の伸長方向が互いに１８０度未満の角度をなすように構成されていてもよい。また、コア部２１Ａ及び２１Ｂの長さは互いに異なっていてもよい。

また、上記実施例では、コア部２１Ａに第１コイル部２３Ａが巻き付けられ、コア部２１Ｂに第２コイル部２３Ｂが巻き付けられている場合について説明した。しかし、コア部２１Ａ及び２１Ｂのいずれか一方にのみコイルが巻き付けられていてもよい。また、連結部２２にコイルが巻き付けられていてもよい。

１００ミラースキャナ
１０本体部
１１支持板
１２トーションバー
１３ミラー
１３Ｓ光反射面
１４永久磁石
２０ヨーク
２１Ａコア部
２１Ｂコア部
２２連結部
２３Ａ第１コイル部
２３Ｂ第２コイル部
２４Ａ磁界発生端
２４Ｂ磁界発生端
３０駆動回路

Claims

光を反射する第１の面を有し、揺動軸廻りに揺動可能なミラーと、
前記ミラーの前記第１の面とは反対側の面である第２の面に配された永久磁石と、
前記ミラーの前記第２の面側において前記永久磁石に対向する位置に配された一対の磁界発生端部と、前記ミラーの前記第２の面に沿って伸長する一対の伸長部と、を有するヨークと、
を有することを特徴とするミラースキャナ。