JPWO2009136637A1 - 光走査用アクチュエータおよび光走査用アクチュエータの製造方法 - Google Patents

光走査用アクチュエータおよび光走査用アクチュエータの製造方法 Download PDF

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Abstract

走査光を出射するミラーのミラー面の面積を小さくすることができ、狭い空間にも配置することが可能な光走査用アクチュエータおよび光走査用アクチュエータの製造方法を提供する。この目的のため、板バネと、板バネの一端部を固定する固定部材と、板バネの他端部を保持し、板バネの動きに応じて移動可能な可動部材と、可動部材に取り付けられ、外部から投射された光を反射するミラーと、可動部材およびミラーを揺動させる揺動手段と、を備え、ミラーのミラー面は、固定部材によって固定される板バネの固定端と可動部材によって保持される板バネの自由端との間を通過する平面上に位置することとする。

Description

本発明は、外部へ向けて出射した光によって所定の範囲を走査する光走査用アクチュエータおよび光走査用アクチュエータの製造方法に関する。
従来、レーザ光等の走査装置を利用した装置として、走査型レーザレーダ装置、レーザスキャナ、レーザプリンタ、レーザマーカ、物体監視装置等が知られている。これらの装置の中で、車両の衝突防止のための走査型レーザレーダ装置で使用する光走査用アクチュエータとして、1枚の可動ミラーをモータによって揺動または回転運動させ、レーザ光源からの光を可動ミラーに向けて照射し、その反射光を探査光として所定の範囲を走査する技術が知られている(例えば、特許文献1を参照)。
図10は、従来の光走査用アクチュエータの構成を示す斜視図である。同図に示す光走査用アクチュエータ31は、ベース部材32に組み付けられた固定部材33に、上下に並設される一対の板バネ34a、34bの基端部が固定されている(板バネ34bは図示せず)。板バネ34a、34bの各先端部は、所定の光源から照射された光を反射するミラー36を保持するミラーホルダ35に固着されている。ミラーホルダ35は、板バネ34a、34bの動きに応じて移動可能である。ミラーホルダ35には、一対のコイル37a、37bが、板バネ34a、34bの原点位置を中心として左右対称な位置に配設されている。
光走査用アクチュエータ31のベース部材32には、弧状のヨーク38が締結されている。このヨーク38の弧状部分は、互いに平行な下側部分38aと上側部分38bとからなり、下側部分38aはコイル37a、37bの各開口面を貫通している。また、上側部分38bの表面のうち下側部分38aと対向する表面には、磁石39が固着されている。
以上の構成を有する光走査用アクチュエータ31は、ヨーク38および磁石39が閉じた磁気回路を形成している。このため、コイル37a、37bに流れる電流に応じて発生する電磁力によってコイル37a、37bを保持するミラーホルダ35が駆動し、ミラー36とともに揺動する。したがって、ミラー36が外部へ向けて出射する光によって所定の範囲を走査することが可能となる。
国際公開第02/008818号
上述した従来の光走査用アクチュエータ31では、固定部材33から見たとき、ミラー36が板バネ34a、34bの先端よりも外周側に位置しているため、ミラーホルダ35が揺動する際のミラー36の移動量が大きかった。このため、固定された光源からの光をミラー36が常に反射できるようにするには、ミラー36のミラー面の面積をミラー36の移動量に応じて大きくしなければならず、狭い空間に光走査用アクチュエータ31を配置することが困難な場合があった。
本発明は、上記に鑑みてなされたものであって、走査光を出射するミラーのミラー面の面積を小さくすることができ、幅が狭い空間にも配置することが可能な光走査用アクチュエータおよび光走査用アクチュエータの製造方法を提供することを目的とする。
上述した課題を解決し、目的を達成するために、本発明に係る光走査用アクチュエータは、外部へ向けて出射した光によって所定の範囲を走査する光走査用アクチュエータであって、板バネと、前記板バネの一端部を固定する固定部材と、前記板バネの他端部を保持し、前記板バネの動きに応じて移動可能な可動部材と、前記可動部材に取り付けられ、外部から投射された光を反射するミラーと、前記可動部材および前記ミラーを揺動させる揺動手段と、を備え、前記ミラーのミラー面は、前記固定部材によって固定される前記板バネの固定端と前記可動部材によって保持される前記板バネの自由端との間を通過する平面上に位置することを特徴とする。
また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記ミラー面は、前記板バネがたわんでいない初期状態で前記板バネの主面と直交することを特徴とする。
また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記ミラー面は、前記板バネの所定のたわみ位置における前記自由端の接平面と前記初期状態における前記板バネの主面との交線または該交線の近傍を通過し、前記接平面と直交することを特徴とする。
また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記揺動手段は、前記初期状態における前記板バネの主面および前記ミラー面とそれぞれ平行な軸を中心軸とする偶力を前記可動部材に加えることを特徴とする。
また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記揺動手段は、磁石と、前記磁石が固着され、前記磁石とともに閉じた磁気回路を形成するヨークと、前記可動部材に保持され、前記磁気回路の磁束が貫通するコイルと、を備え、前記コイルの開口面は、前記初期状態における前記板バネの主面と平行であり、前記ミラー面を含む平面と交わることを特徴とする。
また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記板バネを複数有し、前記初期状態において、各板バネの主面が同じ平面上に位置するとともに各板バネの長手方向が互いに略平行な状態で並列に配置され、前記磁石、前記ヨークおよび前記コイルは、隣り合ういずれか二つの前記板バネの間に位置することを特徴とする。
また、本発明に係る光走査用アクチュエータは、上記発明において、前記可動部材および前記ミラーが揺動する揺動方向に沿った前記ミラー面の幅は、前記揺動方向に沿った前記可動部材の幅以下であることを特徴とする。
また、本発明に係る光走査用アクチュエータの製造方法は、上記発明に記載の光走査用アクチュエータを製造する光走査用アクチュエータの製造方法であって、前記ミラーの設置位置の候補として複数の候補位置を設定し、この設定した複数の候補位置の各々に前記ミラーを配置したときの前記板バネのたわみ量に応じた前記ミラーの前記初期状態からの移動量を求め、この移動量が最小となる候補位置を前記ミラーの設置位置とする工程を含むことを特徴とする。
本発明によれば、板バネと、板バネの一端部を固定する固定部材と、板バネの他端部を保持し、板バネの動きに応じて移動可能な可動部材と、可動部材に取り付けられ、外部から投射された光を反射するミラーと、可動部材およびミラーを揺動させる揺動手段と、を備え、ミラーのミラー面が、固定部材によって固定される板バネの固定端と可動部材によって保持される板バネの自由端との間を通過する平面上に位置することとしたため、ミラーが揺動する揺動方向の移動量を小さくすることができる。したがって、ミラーのミラー面の面積を小さくすることができ、幅が狭い空間にも配置することが可能となる。
図1は、本発明の一実施の形態に係る光走査用アクチュエータを備えた物体検出装置の構成を示すブロック図である。 図2は、本発明の一実施の形態に係る光走査用アクチュエータの構成を示す斜視図である。 図3は、図2のA−A線部分断面図に物体検出装置の構成の一部を加えた図である。 図4は、本発明の一実施の形態に係る光走査用アクチュエータが備えるミラーの設置位置を説明する図である。 図5は、図3のC−C線断面図である。 図6は、本発明の一実施の形態に係る光走査用アクチュエータの駆動の態様を示す図である。 図7は、本発明の一実施の形態に係る光走査用アクチュエータの製造方法においてミラーの設置位置を決める工程の概要を模式的に示す図である。 図8は、ミラーの回転軸の移動量を示す図である。 図9は、板バネのたわみと移動量との関係を示す図である。 図10は、従来の光走査用アクチュエータの構成を示す斜視図である。
以下、添付図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。なお、図面は模式的なものであって、同じ物体を異なる図面で示す場合には、寸法や縮尺等が異なる場合もある。
図1は、本発明の一実施の形態に係る光走査用アクチュエータを備え、この光走査用アクチュエータが出射する光を用いて物体を検出する物体検出装置の構成を示すブロック図である。同図に示す物体検出装置100は、外部へ向けて光を出射し、この出射した光によって所定の範囲を走査する光走査用アクチュエータ1と、光走査用アクチュエータ1に対して光を照射する投光部2と、光走査用アクチュエータ1の所定箇所の位置を検出する位置検出部3と、光走査用アクチュエータ1が出射した光の反射光を受光する受光部4と、物体検出装置100の制御を行う制御部5と、を備える。投光部2はレーザダイオードを有し、光走査用アクチュエータ1に対してレーザ光を照射する。受光部4はレーザ光を受光するフォトダイオードを有する。
図2は、本実施の形態に係る光走査用アクチュエータ1の構成を示す斜視図である。図3は、光走査用アクチュエータ1の要部の構成を示す図であり、図2のA−A線部分断面図に物体検出装置100の構成の一部を加えた図である。光走査用アクチュエータ1は、薄板状をなす2枚の板バネ11、12と、所定の場所に固設され、板バネ11、12の一端部を固定する固定部材13と、板バネ11、12の他端部を保持し、板バネ11、12の動きに応じて移動可能な可動部材14と、可動部材14に取り付けられ、投光部2が照射したレーザ光を反射するミラー15と、2枚の磁石16、17と、磁石16、17が固着され、磁石16、17とともに閉じた磁気回路を形成するヨーク18と、可動部材14に保持され、磁石16、17およびヨーク18の近傍に位置するコイル19と、を備える。
板バネ11、12は同じ形状をなし、各板バネがたわんでいない初期状態(図2に示す状態)で各々の主面が同じ平面上に位置する。また、板バネ11、12は、初期状態における各々の長手方向が平行である。図3に示すように、板バネ11の固定端11aは、板バネ11が固定部材13に保持されている部分と保持されていない部分との境界である。他方、板バネ11の自由端11bは、板バネ11が可動部材14に保持されている部分と保持されていない部分との境界である。板バネ12の固定端12aおよび自由端12bも、板バネ11の固定端11aおよび自由端11bとそれぞれ同様の位置である。
板バネ11、12の端部のうち固定部材13に保持されている端部には、板バネ11、12がそれぞれ延びている方向と反対側へ突出する電極端子部111、121がそれぞれ設けられている。電極端子部111、121には、板バネ11、12と制御部5とを電気的に接続するリード線がそれぞれ取り付けられている。一方、板バネ11、12の端部のうち可動部材14に固定されている端部付近には、一端がコイル19の巻き線端部に接続されたリード線の他端が接続されている。このため、制御部5とコイル19は、板バネ11、12を介して電気的に接続されている。このようにして板バネ11、12をリード線の代わりとして機能させることにより、コイル通電用の回路を簡略化することができる。
板バネ11、12は、ベリリウム銅、リン青銅またはステンレスなどの薄板バネ材からなり、プレス加工による打ち抜き成形やエッチング成形によってそれぞれ形成される。
可動部材14は、板バネ11、12の初期状態において板バネ11、12の長手方向と直交する略柱状をなし、板バネ11、12の自由端11b、12bよりもそれぞれ先端側を保持する板バネ保持部141と、板バネ保持部141の上端から板バネ保持部141と直交して固定部材13側に延びる略柱状をなし、上面にミラー15が取り付けられるミラー取付部142と、板バネ保持部141の略中央部から板バネ11、12の初期状態における長手方向に沿って固定部材13側へ互いに平行に延びる二つの柱状部分からなり、この二つの柱状部分によってコイル19を挟持した状態で保持するコイル保持部143と、を有する。
固定部材13および可動部材14は、軽量かつ高剛性なガラス繊維などを充填した液晶ポリマー(LCP)やポリフェニレンサルファイド(PPS)などのエンジニアリングプラスチックを射出成形することによって形成されている。なお、固定部材13および可動部材14を成形する際に、板バネ11、12をインサート材として一体成形してもよい。
ミラー15は、可動部材14およびミラー15が揺動する揺動方向に沿ったミラー面の幅が、可動部材14の揺動方向に沿った幅と等しい。より一般には、揺動方向のミラー面の幅が揺動方向の可動部材の幅以下であってもよい。ミラー15は、ガラス、合成樹脂またはアルミニウムなどの軽金属を用いて実現され、アルミニウム蒸着などによって平滑に形成したミラー面を有する。このミラー面に対して二酸化ケイ素などの薄膜からなる保護層を設けてもよい。
図4は、ミラー15の設置位置を説明する図であり、図2の矢視B方向から見たときの板バネ11とミラー15の位置関係を示す図である。以下、板バネ11と板バネ12は、ほぼ同じ態様で揺動するものとする。図4において、板バネ11、12は、所定のたわみ角θ0(0°<θ0<90°)でそれぞれたわんでいる。ここでいう「たわみ角」とは、板バネ11、12の初期状態における主面を通過する平面P0と、板バネ11の自由端11bの接平面(図4に示す場合には平面P1)とのなす角である。本実施の形態では、ミラー15のミラー面上を通過し、揺動時の回転中心となる回転軸Qを、平面P0とたわみ角θ0における板バネ11の自由端11bの接平面P1との交線と一致する位置とする。ミラー15の設置位置を定めるたわみ角θ0の値は任意に設定可能であり、例えば板バネ11、12が最もたわんだときの値とすることができる。
図5は、図3のC−C線断面図である。ヨーク18は、純鉄等の軟磁性材からなり、略E字状の均一な断面を有するブロックであり、E字の3本の横線のうち中央の横線に相当する部分がコイル19の中空部を貫通している。また、E字の3本の横線のうち上下2本の横線に相当する部分には、内周側に平板状の磁石16、17がそれぞれ固着されている。ヨーク18は、固定部材13に固定されている。ヨーク18の固定位置は、可動部材14が揺動する際、可動部材14の板バネ保持部141とコイル保持部143とによって囲まれた凹部14aを通り抜けることが可能な位置である。なお、ヨーク18の略E字状の断面の開いた部分に平板状の軟磁性材を取り付けることにより、略B字状の閉じた断面を有するヨークを構成してもよい。
コイル19は、可動部材14のコイル保持部143によって保持されている。板バネ11、12の初期状態において、コイル19の開口面は板バネ11、12の主面と平行である。また、コイル19の開口面は、ミラー15のミラー面を含む平面と交わっている。上述したように、ヨーク18のうちE字の中央の横線に相当する部分はコイル19の中空部を貫通している。なお、固定部材13および可動部材14を成形する際に、コイル19をインサート材として加えてもよい。
以上の構成を有する光走査用アクチュエータ1の動作を説明する。図2、図3および図5に示す初期状態において制御部5がコイル19に駆動電流を流すと、コイル19には、板バネ11、12の主面およびミラー15のミラー面とそれぞれ平行であり、コイル19の中心を通過する軸(図5の軸O)を中心軸とする偶力(大きさ2F)が発生し、可動部材14およびミラー15を駆動する駆動力として可動部材14に作用する。この意味で、磁石16、17、ヨーク18およびコイル19は、制御部5から送られてくる駆動電流に基づいて可動部材14およびミラー15を揺動させる揺動手段を構成する。
図6は、図3の矢視B方向から見た光走査用アクチュエータ1の駆動の態様を示す図である。可動部材14は、コイル19から駆動力を受けると、板バネ11および12とともに図6の上下方向へ揺動を開始する。揺動するミラー15に対して投光部2がレーザ光を照射すると、ミラー15はレーザ光を反射する。光走査用アクチュエータ1は、この反射光によって所定の範囲を走査する。
可動部材14およびミラー15が揺動している間、位置検出部3は、板バネ11、可動部材14またはミラー15の所定箇所の位置を検出して制御部5へ出力する。制御部5は、位置検出部3から送られてくる板バネ11、可動部材14またはミラー15の位置情報を用いることにより、コイル19に流す駆動電流を制御する。
光走査用アクチュエータ1は、ミラー15の回転軸Qの位置がミラー15の揺動によってほとんど動かない。このため、上述した特許文献1の従来技術のようにミラー15のミラー面の面積を大きくしなくても、投光部2が照射する光を確実に光をミラー面に到達させることができる。したがって、ミラー15の揺動方向の幅を小さくすることができ、これに応じて固定部材13や可動部材14の揺動方向の幅も小さくすることができる。この結果、光走査用アクチュエータ1全体を小型化し、幅の狭い空間にも設置することが可能となる。
ところで、可動部材14およびミラー15は、各部分が完全な円弧を描いて揺動するわけではない。このため、ミラー15の回転軸Qの位置は、たわみ角θ0の大きさとともにわずかに変化する。
図7は、本発明の一実施の形態に係る光走査用アクチュエータの製造方法においてミラー15の設置位置を決める工程の概要を示す図である。ミラー15の設置位置を決める際には、複数の候補位置(図7に示す場合には4つの候補位置15a〜15d)に対し、たわみ角θが所定のたわみ角θ0に達するまで徐々に大きくしていったときのミラー15の回転軸の初期状態からの移動量を求め、この移動量が最小となる候補位置をミラー15の設置位置とする。
図8は、ミラー15を候補位置15aに設置した場合のミラー15の回転軸の移動量の具体例を示す図である。図8では、板バネ11、12が初期状態にあるときのミラー15の回転軸をQaとする一方、板バネ11、12があるたわみ角θ(≦θ0)でたわんだときのミラー15の回転軸をQa'とし、回転軸Qaから回転軸Qa’への移動量をhaとしている。また、図8では、たわみ角θにおける板バネ11の自由端11bの接平面をP2としている(θ=θ0の場合の接平面P2は接平面P1に他ならない)。
図9は、板バネ11、12のたわみνと移動量hとの関係を示す図である。図9では、たわみ角θ0でたわんだときの自由端11b、12bのたわみ量をνmaxとしている。図9に示す4本の直線La〜Ldは、ミラー15を候補位置15a〜15dにそれぞれ配置した場合に対応している。4本の直線La〜Ldのうち、同じたわみνに対する移動量hが最も小さいのは直線Lcである。したがって、図9に示す場合には、候補位置15cがミラー15の設置位置となる。
ところで、設置位置として最も好ましいのは、図4に示す回転軸Qである。しかしながら、実際には有限個の候補位置しか調べることはできないため、候補位置におけるミラー15の回転軸が回転軸Qに一致するとは限らない。また、候補位置におけるミラー15の回転軸が回転軸Qの近傍にあれば、その回転軸の移動量は、板バネ11、12の先端部の揺動時の移動量に比べて微小である。このため、候補位置におけるミラー15の回転軸が回転軸Qに一致しなくても、実用上は問題とならない。
なお、図9に示す関係を求める場合には、実測によって求めてもよいし、コンピュータを用いたシミュレーションによって求めてもよい。
このようにして、板バネ11、12の初期状態からのたわみ量に応じたミラー15の回転軸の移動量が最小となる位置にミラーを設置するため、揺動時のミラーの移動をできるだけ少なくすることができる。
以上説明した本発明の一実施の形態によれば、板バネと、板バネの一端部を固定する固定部材と、板バネの他端部を保持し、板バネの動きに応じて移動可能な可動部材と、可動部材に取り付けられ、外部から投射された光を反射するミラーと、可動部材およびミラーを揺動させる揺動手段と、を備え、ミラーのミラー面が、固定部材によって固定される板バネの固定端と可動部材によって保持される板バネの自由端との間を通過する平面上に位置することとしたため、ミラーが揺動する揺動方向の移動量を小さくすることができる。したがって、ミラーのミラー面の面積を小さくすることができ、幅が狭い空間にも配置することが可能となる。
ここまで、本発明を実施するための最良の形態を説明してきたが、本発明は上述した一実施の形態によってのみ限定されるべきものではない。例えば、本発明において、ミラーを設置する位置は、必ずしも板バネの上方でなくてもよい。
また、本発明において、ミラーのミラー面が板バネの固定端側を向いていてもよい。
また、本発明において、板バネが、固定部材によって保持される固定端側から可動部材によって保持される自由端側へ向けて徐々にその幅が狭くなる形状をなしていてもよい。
また、本発明において適用する板バネの枚数は2枚に限られるわけではなく、1枚でもよいし、3枚以上でもよい。
また、本発明において、板バネを介さずにコイルと制御部とを電気的に接続してもよい。
本発明は、走査型レーザレーダ装置、レーザスキャナ、レーザプリンタ、レーザマーカ、物体監視装置等において、外部へ向けてレーザ光を照射し、この照射したレーザ光によって所定の範囲を走査するのに好適である。
1、31 光走査用アクチュエータ
2 投光部
3 位置検出部
4 受光部
5 制御部
11a、12a 固定端
11b、12b 自由端
11、12、34a、34b 板バネ
13、33 固定部材
14 可動部材
14a 凹部
15、36 ミラー
15a、15b、15c、15d 候補位置
16、17、39 磁石
18、38 ヨーク
19、37a、37b コイル
32 ベース部材
35 ミラーホルダ
38a 下側部分
38b 上側部分
100 物体検出装置
111、121 電極端子部
141 板バネ保持部
142 ミラー取付部
143 コイル保持部

Claims (8)

  1. 外部へ向けて出射した光によって所定の範囲を走査する光走査用アクチュエータであって、
    板バネと、
    前記板バネの一端部を固定する固定部材と、
    前記板バネの他端部を保持し、前記板バネの動きに応じて移動可能な可動部材と、
    前記可動部材に取り付けられ、外部から投射された光を反射するミラーと、
    前記可動部材および前記ミラーを揺動させる揺動手段と、
    を備え、
    前記ミラーのミラー面は、前記固定部材によって固定される前記板バネの固定端と前記可動部材によって保持される前記板バネの自由端との間を通過する平面上に位置することを特徴とする光走査用アクチュエータ。
  2. 前記ミラー面は、
    前記板バネがたわんでいない初期状態で前記板バネの主面と直交することを特徴とする請求項1に記載の光走査用アクチュエータ。
  3. 前記ミラー面は、
    前記板バネの所定のたわみ位置における前記自由端の接平面と前記初期状態における前記板バネの主面との交線または該交線の近傍を通過し、前記接平面と直交することを特徴とする請求項2に記載の光走査用アクチュエータ。
  4. 前記揺動手段は、
    前記初期状態における前記板バネの主面および前記ミラー面とそれぞれ平行な軸を中心軸とする偶力を前記可動部材に加えることを特徴とする請求項2または3に記載の光走査用アクチュエータ。
  5. 前記揺動手段は、
    磁石と、
    前記磁石が固着され、前記磁石とともに閉じた磁気回路を形成するヨークと、
    前記可動部材に保持され、前記磁気回路の磁束が貫通するコイルと、
    を備え、
    前記コイルの開口面は、
    前記初期状態における前記板バネの主面と平行であり、前記ミラー面を含む平面と交わることを特徴とする請求項2〜4のいずれか一項に記載の光走査用アクチュエータ。
  6. 前記板バネを複数有し、前記初期状態において、各板バネの主面が同じ平面上に位置するとともに各板バネの長手方向が互いに略平行な状態で並列に配置され、
    前記磁石、前記ヨークおよび前記コイルは、隣り合ういずれか二つの前記板バネの間に位置することを特徴とする請求項5に記載の光走査用アクチュエータ。
  7. 前記可動部材および前記ミラーが揺動する揺動方向に沿った前記ミラー面の幅は、前記揺動方向に沿った前記可動部材の幅以下であることを特徴とする請求項1〜6のいずれか一項に記載の光走査用アクチュエータ。
  8. 請求項1〜7のいずれか一項に記載の光走査用アクチュエータを製造する光走査用アクチュエータの製造方法であって、
    前記ミラーの設置位置の候補として複数の候補位置を設定し、この設定した複数の候補位置の各々に前記ミラーを配置したときの前記板バネのたわみ量に応じた前記ミラーの前記初期状態からの移動量を求め、この移動量が最小となる候補位置を前記ミラーの設置位置とする工程を含むことを特徴とする光走査用アクチュエータの製造方法。
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