WO2022180822A1 - アクチュエーター - Google Patents

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WO2022180822A1
WO2022180822A1 PCT/JP2021/007501 JP2021007501W WO2022180822A1 WO 2022180822 A1 WO2022180822 A1 WO 2022180822A1 JP 2021007501 W JP2021007501 W JP 2021007501W WO 2022180822 A1 WO2022180822 A1 WO 2022180822A1
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electromagnet
axis
mirror
actuator
reference plane
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Inventor
新吾 岩崎
清朗 大島
友崇 矢部
Original Assignee
パイオニア株式会社
パイオニアスマートセンシングイノベーションズ株式会社
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    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements
    • G02B26/0833Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD
    • G02B26/085Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light by means of one or more reflecting elements the reflecting element being a micromechanical device, e.g. a MEMS mirror, DMD the reflecting means being moved or deformed by electromagnetic means
    • GPHYSICS
    • G02OPTICS
    • G02BOPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10Scanning systems
    • G02B26/101Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners

Definitions

  • the present invention relates to actuators.
  • Movable mirrors are used in measuring devices that scan and measure a predetermined area with light, in order to change the direction of light emission.
  • Patent Document 1 describes an optical scanning device that causes a permanent magnet fixed to a mirror and an electromagnet to interact with each other to generate driving torque on the mirror.
  • the miniaturization of the actuator that drives the mirror is important for the miniaturization of the entire measuring device including it.
  • two sets of electromagnets are required, which poses a problem of increasing the size of the actuator.
  • One example of the problem to be solved by the present invention is miniaturization of the actuator that biaxially drives the mirror.
  • the invention according to claim 1, a mirror provided with a permanent magnet and capable of swinging with respect to a reference plane with a first axis and a second axis non-parallel to the first axis as swing axes; a first electromagnet for oscillating the mirror about the first axis; a second electromagnet for swinging the mirror about the second axis; (A) the first electromagnet is not symmetrical about the first axis when viewed in a direction perpendicular to the reference plane; and (B) when viewed in a direction perpendicular to the reference plane, the first electromagnet
  • the second electromagnet is an actuator that satisfies at least one of the following conditions: the second electromagnet is not line-symmetrical with respect to the second axis.
  • FIG. 3 is a plan view illustrating a structure including mirrors, an outer frame, and an inner frame; 3 is a perspective view illustrating structures of a first electromagnet and a second electromagnet;
  • FIG. 10 is a diagram showing a comparative example of arrangement of electromagnets;
  • FIG. 10 is a diagram showing a comparative example of arrangement of electromagnets;
  • FIG. 10 is a diagram showing a modification of the cross-sectional shape of the yoke of the second electromagnet; It is a figure which shows the modification of the winding method of a coil.
  • FIG. 10 is a diagram illustrating the shape of a second electromagnet according to the second embodiment; It is a figure which shows the modification of the shape of the 2nd electromagnet which concerns on 2nd Embodiment. It is a figure which shows the modification of the shape of the 2nd electromagnet which concerns on 2nd Embodiment. It is a figure which shows the modification of the shape of the 2nd electromagnet which concerns on 2nd Embodiment. It is a figure which shows the modification of the shape of the 2nd electromagnet which concerns on 2nd Embodiment. It is a figure which shows the modification of the shape of the 2nd electromagnet which concerns on 2nd Embodiment.
  • FIG. 11 is a diagram illustrating the configuration of an actuator according to a third embodiment; It is a figure which illustrates the structure of the 1st electromagnet which concerns on 4th Embodiment.
  • FIG. 1 and 2 are diagrams illustrating the configuration of an actuator 10 according to the first embodiment.
  • 1 is a plan view of the actuator 10
  • FIG. 2 is a side view of the actuator 10.
  • FIG. In each figure, an x-axis, a y-axis, and a z-axis are also shown as three mutually orthogonal axes.
  • the x-axis is parallel to the first axis 201 and the y-axis is parallel to the second axis 202 .
  • 3 is a plan view illustrating structure 12 including mirror 20, outer frame 50, and inner frame 60.
  • FIG. 4 is a perspective view illustrating the structure of the first electromagnet 30 and the second electromagnet 40.
  • the actuator 10 includes a mirror 20 , a first electromagnet 30 and a second electromagnet 40 .
  • a permanent magnet 21 is provided on the mirror 20 .
  • the mirror 20 can swing with respect to the reference plane 101 with a first axis 201 and a second axis 202 as swing axes.
  • the first axis 201 and the second axis 202 are non-parallel.
  • the first electromagnet 30 swings the mirror 20 about the first axis 201 .
  • the second electromagnet 40 causes the mirror 20 to oscillate about the second axis 202 . At least one of the following (A) and (B) is established in the actuator 10 .
  • the first electromagnet 30 is not line-symmetrical with respect to the first axis 201 when viewed from the direction (z-axis direction) perpendicular to the reference plane 101 .
  • the second electromagnet 40 is not line-symmetrical with respect to the second axis 202 when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101 .
  • the mirror 20 has a reflecting surface 22, and a permanent magnet 21 is fixed at the center of the surface opposite to the reflecting surface 22.
  • a first pole 211 which is one pole of the permanent magnet 21, faces the mirror 20, and a second pole 212, which is the other pole, faces the opposite side of the mirror 20, that is, the first electromagnet 30 and the second pole. It faces the side where the electromagnet 40 is provided.
  • the reference plane 101 is a plane including the reflecting surface 22 of the mirror 20 in a state in which no current is flowing in the coils of all the electromagnets provided in the actuator 10, that is, in a reference state in which the permanent magnets 21 are not subjected to force. . 1 and 2 both show the reference state.
  • a reference plane 101 is parallel to the xy plane.
  • the actuator 10 is a biaxial actuator and can swing the mirror 20 about the first axis 201 and the second axis 202 . Thereby, the direction of the light reflected by the reflecting surface 22 of the mirror 20 can be changed two-dimensionally.
  • the first axis 201 and the second axis 202 are substantially vertical or vertical.
  • the coil 32 is wound around at least part of the yoke 34.
  • a magnetic flux is generated between the ends 341 and 342 by the current flowing through the coil 32 .
  • the mirror 20 can be oscillated about the first axis 201 .
  • the coil 42 is wound around at least part of the yoke 44 .
  • a magnetic flux extending from the first end 441 and the second end 442 is generated by the current flowing through the coil 42 .
  • the mirror 20 can be oscillated about the second axis 202 .
  • FIGS. 5 and 6 are diagrams showing comparative examples of the arrangement of electromagnets. 5 and 6 each show two electromagnets for oscillating a mirror (not shown) about two axes.
  • the electromagnet 91 drives the mirror with the axis 910 as the swing axis
  • the electromagnet 92 drives the mirror with the axis 920 as the swing axis.
  • the electromagnet 91 is symmetrical about the axis 910 and the electromagnet 92 is symmetrical about the axis 920 .
  • FIG. 5 each show two electromagnets for oscillating a mirror (not shown) about two axes.
  • the electromagnet 91 drives the mirror with the axis 910 as the swing axis
  • the electromagnet 92 drives the mirror with the axis 920 as the swing axis.
  • the electromagnet 91 is symmetrical about the axis 910
  • the electromagnet 92 is symmetrical about the axis 920
  • the electromagnet 93 drives the mirror with the axis 930 as the swing axis
  • the electromagnet 94 drives the mirror with the axis 940 as the swing axis.
  • the electromagnet 93 is symmetrical about the axis 930
  • the electromagnet 94 is symmetrical about the axis 940 .
  • two magnetic flux generating ends are provided for each of the swing shafts and arranged symmetrically. As a result, one electromagnet must straddle the other to avoid structural interference with each other. Such a structure inevitably results in an increase in size as a whole.
  • the actuator 10 by arranging a plurality of electromagnets asymmetrically, it is possible to avoid increasing the size of the actuator 10 .
  • first electromagnet 30 and the second electromagnet 40 each have a coil and a yoke.
  • first electromagnet 30 comprises coil 32 and yoke 34 .
  • a second electromagnet 40 comprises a coil 42 and a yoke 44 .
  • the first electromagnet 30 is U-shaped or C-shaped and the second electromagnet 40 is I-shaped.
  • both ends (end portion 341 and end portion 342) of the yoke 34 of the first electromagnet 30 face each other with at least part of the permanent magnet 21 interposed therebetween when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101.
  • the yoke 44 of the second electromagnet 40 has a first end 441 located on the side of the reference plane 101 with the coil 42 of the second electromagnet 40 as a reference when viewed in a direction parallel to the reference plane 101 and and a second end 442 located on the opposite side. At least a portion of the first end portion 441 overlaps the second end portion 442 when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101 .
  • End 341, end 342, first end 441, and second end 442 are all magnetic flux generating ends.
  • (A) above does not hold, and (B) holds. However, it may be a configuration in which (A) holds and (B) does not hold, or a configuration in which both (A) and (B) hold.
  • the first electromagnet 30 does not surround the second electromagnet 40. Specifically, the first electromagnet 30 and the second electromagnet 40 do not overlap each other when viewed from at least one direction parallel to the reference plane 101 (for example, the y-axis direction).
  • the portion of the yoke 34 of the first electromagnet 30 around which the coil 32 is wound extends parallel to the reference plane 101 .
  • the coil 32 is located on the opposite side of the second electromagnet 40 with respect to the second axis 202 when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101 .
  • the ends 341 and 342 are closer to the mirror 20 than the coil 32 is.
  • a yoke 44 of the second electromagnet 40 extends in a direction perpendicular to the reference plane 101 , and only one end of the yoke 44 faces the mirror 20 .
  • the cross section of the yoke 44 around which the coil 42 is wound is square.
  • the number of magnetic flux generating ends facing structure 12 differs between first electromagnet 30 and second electromagnet 40 .
  • FIG. Actuator 10 further comprises outer frame 50 , torsion bars 52 , inner frame 60 and torsion bars 62 .
  • the outer frame 50 and inner frame 60 are connected via two torsion bars 52 .
  • the inner frame 60 and mirror 20 are connected via two torsion bars 62 .
  • Outer frame 50, torsion bar 52, inner frame 60, torsion bar 62, and mirror 20 are integrally formed by, for example, microfabrication of a semiconductor wafer, and actuator 10 is a MEMS actuator.
  • the first electromagnet 30 and the second electromagnet 40 are mounted on one side of the structure 12 including the outer frame 50, the torsion bar 52, the inner frame 60, the torsion bar 62, and the mirror 20. is located.
  • the outer frame 50 is fixed to the housing (not shown) of the actuator 10.
  • the inner frame 60 can swing with respect to the outer frame 50 with the first shaft 201 as a swing axis.
  • Two torsion bars 52 coincide with the first axis 201 . That is, the two torsion bars 52 overlap along the first axis 201 , and the inner frame 60 swings with respect to the outer frame 50 as the torsion bars 52 twist.
  • the mirror 20 can swing with respect to the inner frame 60 with the second axis 202 as a swing axis.
  • Two torsion bars 62 coincide with the second axis 202 .
  • the two torsion bars 62 overlap along the second axis 202 , and the mirror 20 swings with respect to the inner frame 60 as the torsion bars 62 twist.
  • the torsion bars 52 and 62 are not twisted, and one surface of the outer frame 50 , the inner frame 60 and the mirror 20 are positioned on the same plane as the reference surface 101 .
  • the magnetic flux is applied not only to the surfaces of the ends 341 and 342 facing each other (the surfaces perpendicular to the y-axis in the example of this figure) but also to the sides of the ends 341 and 342 (in the example of this figure). It can extend from the plane perpendicular to the x-axis) or the upper surface (the plane perpendicular to the z-axis in the example of this figure). These magnetic fluxes act on permanent magnet 21 to drive mirror 20 .
  • the center of the first end 441 and the center of the mirror 20 do not overlap. That is, the first end 441 and the mirror 20 are misaligned. Specifically, in the example of this figure, the center of the first end portion 441 is shifted from the center of the mirror 20 in the direction perpendicular to the second axis 202 (x-axis direction). On the other hand, the center of the first end portion 441 is not deviated from the center of the mirror 20 in the direction parallel to the second axis 202 (y-axis direction).
  • the magnetic flux is applied to the upper surface of the first end portion 441 (the surface perpendicular to the z-axis in the example of this drawing), the lower surface of the second end portion 442 (the surface perpendicular to the z-axis in the example of this drawing), and the first end It can extend from the side surface of the portion 441 and the second end portion 442 (the plane perpendicular to the y-axis or the x-axis in the example of this figure). These magnetic fluxes act on permanent magnet 21 to drive mirror 20 .
  • the reflecting surface 22 can be oriented in a desired direction.
  • the second electromagnet 40 drives the mirror 20 to oscillate at the resonance frequency.
  • the mirror 20 drives the mirror 20 to oscillate at the resonance frequency.
  • the driving force tends to be smaller than in the case.
  • the mirror 20 can be sufficiently driven with a small force.
  • FIG. 7 is a diagram showing a modification of the cross-sectional shape of the yoke of the second electromagnet 40.
  • FIG. 8 is a diagram showing a modification of the winding method of the coil 42.
  • the coil 42 is lap wound around the yoke 44 in the second electromagnet 40 .
  • the magnetic force generated by the second electromagnet 40 can be strengthened.
  • the mirror 20 can be sufficiently driven.
  • At least one of the above (A) and (B) is established.
  • the degree of freedom in arranging the two electromagnets in the design is increased, and the actuator 10 can be miniaturized.
  • FIG. 9 is a diagram illustrating the shape of the second electromagnet 40 according to the second embodiment.
  • the actuator 10 according to this embodiment is the same as the actuator 10 according to the first embodiment except for the shape of the second electromagnet 40 described below. 9 to 16 described below, the upper portion of each drawing shows a plan view of the second electromagnet 40, and the lower portion thereof shows a side view.
  • At least one of the first end portion 441 and the second end portion 442 is provided with a protruding portion 444 protruding toward the permanent magnet 21 when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101 .
  • the protruding portion 444 By providing the protruding portion 444 , the magnetic flux generating end portion of the yoke 44 and the permanent magnet 21 can be brought closer, and the driving force of the mirror 20 can be strengthened.
  • the portion where the coil 42 is wound becomes thick, and it becomes necessary to separate the central axis of the yoke 44 from the permanent magnet 21 . Even in such a case, the magnetic flux can sufficiently act on the permanent magnet 21 by providing the projecting portion 444 .
  • the first end portion 441 is provided with the projecting portion 444 .
  • the driving force can be strengthened more effectively.
  • the size and weight of the actuator 10 can be reduced as compared with the case where the projecting portion 444 is provided.
  • 10 to 16 are diagrams showing modified examples of the shape of the second electromagnet 40 according to this embodiment. They will be explained in order below.
  • the protruding portion 444 protrudes not only toward the permanent magnet 21 but also toward the y-axis direction.
  • the projecting portion 444 also projects to the side opposite to the permanent magnet 21 side. By widening the projecting portion 444, the driving force can be increased.
  • the second end 442 is provided with the projecting portion 444 . Even with such a configuration, the driving force of the mirror 20 by the second electromagnet 40 can be strengthened.
  • the shape of the projecting portion 444 on the second end portion 442 side is also not particularly limited, and may be, for example, as shown in FIG. 10 or 11 .
  • protrusions 444 are provided on both the first end 441 and the second end 442 . By doing so, the driving force can be stronger than in the case where only one of the protrusions 444 is provided.
  • the projecting portion 444 on the first end portion 441 side and the projecting portion 444 on the second end portion 442 side have the same shape.
  • the projecting portion 444 on the first end portion 441 side and the projecting portion 444 on the second end portion 442 side have different shapes.
  • the same actions and effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • at least one of the first end portion 441 and the second end portion 442 is provided with a protruding portion 444 protruding toward the permanent magnet 21 when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101 .
  • the magnetic flux of the second electromagnet 40 can be made to act more strongly on the permanent magnet 21 to strengthen the driving force of the mirror 20 .
  • FIG. 17 is a diagram illustrating the configuration of the actuator 10 according to the third embodiment.
  • the actuator 10 according to this embodiment is the same as the actuator 10 according to at least one of the first and second embodiments, except that the first electromagnet 30 drives the mirror 20 to oscillate at the resonance frequency. is.
  • the inner frame 60 can swing with respect to the outer frame 50 with the second shaft 202 as the swing axis.
  • Two torsion bars 52 coincide with the second axis 202 . That is, the two torsion bars 52 overlap along the second axis 202 , and the inner frame 60 swings with respect to the outer frame 50 as the torsion bars 52 twist.
  • the mirror 20 can swing with respect to the inner frame 60 with the first axis 201 as a swing axis.
  • Two torsion bars 62 coincide with the first axis 201 . That is, the two torsion bars 62 overlap along the first axis 201 and the mirror 20 swings with respect to the inner frame 60 as the torsion bars 62 twist.
  • FIG. 18 is a diagram illustrating the structure of the first electromagnet 30 according to this embodiment.
  • the actuator 10 according to this embodiment is the same as the actuator 10 according to at least one of the first to third embodiments except for the points described below.
  • the permanent magnets 21 are indicated by dashed lines.
  • the first electromagnet 30 consists of two electromagnets, an electromagnet 70 and an electromagnet 80 .
  • the yoke 34 of the first electromagnet 30 is split in two.
  • the first electromagnet 30 as a whole is line-symmetrical with respect to the first axis 201 .
  • Electromagnet 70 and electromagnet 80 each extend parallel to first axis 201 when viewed from a direction perpendicular to reference plane 101 .
  • the first electromagnet 30 does not overlap the first axis 201 when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101 .
  • the electromagnet 70 has a coil 72 and a yoke 74
  • the electromagnet 80 has a coil 82 and a yoke 84.
  • Coil 72 is wound around at least a portion of yoke 74
  • Coil 82 is wound around at least a portion of yoke 84 .
  • the first electromagnet 30 functions in the same manner as the first electromagnet 30 according to the first embodiment. Specifically, the end portion 741 and the end portion 841 are opposed to form a pair.
  • the end 741 of the electromagnet 70 functions as the end 341 described in the first embodiment
  • the end 841 of the electromagnet 80 functions as the end 342 described in the first embodiment.
  • the same actions and effects as those of the first embodiment can be obtained.
  • the yoke 34 of the first electromagnet 30 is split in two. By doing so, the degree of freedom in arranging the two electromagnets in the design is further increased, and the actuator 10 can be made more compact.
  • the actuator 10 may further include, in addition to the constituent elements shown in the drawing, a portion that supports each constituent element, wiring, a control section, and the like. Further, the shapes of the mirror 20, the first electromagnet 30, the second electromagnet 40, the structure 12, etc. are not limited to the example of this embodiment.

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Abstract

アクチュエーター(10)は、ミラー(20)、第1の電磁石(30)、および第2の電磁石(40)を備える。ミラー(20)には、永久磁石(21)が設けられている。ミラー(20)は、基準面(101)に対し、第1の軸(201)と第1の軸(201)に非平行な第2の軸(202)とを揺動軸として揺動可能である。第1の電磁石(30)は、ミラー(20)を、第1の軸(201)に対して揺動させる。第2の電磁石(40)は、ミラー(20)を、第2の軸(202)に対して揺動させる。そして、アクチュエーター(10)において、以下の(A)および(B)の少なくともいずれかが成り立つ。(A)基準面(101)に垂直な方向から見て、第1の電磁石(30)は第1の軸(201)に対して線対称ではない。(B)基準面(101)に垂直な方向から見て、第2の電磁石(40)は第2の軸(202)に対して線対称ではない。

Description

アクチュエーター
 本発明は、アクチュエーターに関する。
 光で所定の領域を走査して測定する測定装置等では、光の出射方向を可変とするために可動ミラーが用いられる。
 特許文献1には、ミラーに固定された永久磁石と、電磁石とを相互作用させて、ミラーに駆動トルクを生じさせる光走査装置が記載されている。
特開2009-69676号公報
 ミラーを駆動するアクチュエーターの小型化が、それを含む測定装置等の全体の小型化のために重要である。一方、ミラーを二軸に対して駆動しようとすると、二組の電磁石が必要となり、アクチュエーターが大型化するという問題があった。
 本発明が解決しようとする課題としては、ミラーを二軸駆動するアクチュエーターを小型化することが一例として挙げられる。
 請求項1に記載の発明は、
 永久磁石が設けられ、基準面に対し、第1の軸と前記第1の軸に非平行な第2の軸とを揺動軸として揺動可能なミラーと、
 前記ミラーを、前記第1の軸に対して揺動させる第1の電磁石と、
 前記ミラーを、前記第2の軸に対して揺動させる第2の電磁石とを備え、
 (A)前記基準面に垂直な方向から見て、前記第1の電磁石は前記第1の軸に対して線対称ではない、および(B)前記基準面に垂直な方向から見て、前記第2の電磁石は前記第2の軸に対して線対称ではない、の少なくともいずれかが成り立つ
アクチュエーターである。
第1の実施形態に係るアクチュエーターの構成を例示する図である。 第1の実施形態に係るアクチュエーターの構成を例示する図である。 ミラー、外側フレーム、および内側フレームを含む構造体を例示する平面図である。 第1の電磁石および第2の電磁石の構造を例示する斜視図である。 電磁石の配置の比較例を示す図である。 電磁石の配置の比較例を示す図である。 第2の電磁石のヨークの断面形状の変形例を示す図である。 コイルの巻き方の変形例を示す図である。 第2の実施形態に係る第2の電磁石の形状を例示する図である。 第2の実施形態に係る第2の電磁石の形状の変形例を示す図である。 第2の実施形態に係る第2の電磁石の形状の変形例を示す図である。 第2の実施形態に係る第2の電磁石の形状の変形例を示す図である。 第2の実施形態に係る第2の電磁石の形状の変形例を示す図である。 第2の実施形態に係る第2の電磁石の形状の変形例を示す図である。 第2の実施形態に係る第2の電磁石の形状の変形例を示す図である。 第2の実施形態に係る第2の電磁石の形状の変形例を示す図である。 第3の実施形態に係るアクチュエーターの構成を例示する図である。 第4の実施形態に係る第1の電磁石の構造を例示する図である。
 以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(第1の実施形態)
 図1および図2は、第1の実施形態に係るアクチュエーター10の構成を例示する図である。図1はアクチュエーター10の平面図であり、図2は、アクチュエーター10の側面図である。各図には互いに直交する3軸としてx軸、y軸、およびz軸をあわせて示している。本実施形態において、x軸は第1の軸201に平行であり、y軸は第2の軸202に平行である。また、図3は、ミラー20、外側フレーム50、および内側フレーム60を含む構造体12を例示する平面図である。図4は、第1の電磁石30および第2の電磁石40の構造を例示する斜視図である。
 本実施形態に係るアクチュエーター10は、ミラー20、第1の電磁石30、および第2の電磁石40を備える。ミラー20には、永久磁石21が設けられている。ミラー20は、基準面101に対し、第1の軸201と第2の軸202とを揺動軸として揺動可能である。第1の軸201と第2の軸202とは非平行である。第1の電磁石30は、ミラー20を、第1の軸201に対して揺動させる。第2の電磁石40は、ミラー20を、第2の軸202に対して揺動させる。そして、アクチュエーター10において、以下の(A)および(B)の少なくともいずれかが成り立つ。
(A)基準面101に垂直な方向(z軸方向)から見て、第1の電磁石30は第1の軸201に対して線対称ではない。
(B)基準面101に垂直な方向から見て、第2の電磁石40は第2の軸202に対して線対称ではない。
 以下に詳しく説明する。
 ミラー20は、反射面22を有し、反射面22とは反対側の面の中心には永久磁石21が固定されている。永久磁石21の一方の極である第1の極211がミラー20側に向き、他方の極である第2の極212がミラー20とは反対側、すなわち、第1の電磁石30および第2の電磁石40が設けられている側に向いている。基準面101は、アクチュエーター10に設けられた全ての電磁石においてコイルに電流が流れていない状態、すなわち、永久磁石21が力を受けていない基準状態における、ミラー20の反射面22を含む平面である。なお、図1および図2はいずれも基準状態を示している。基準面101はxy平面に平行である。
 アクチュエーター10は2軸アクチュエーターであり、ミラー20を第1の軸201と第2の軸202に対して揺動させる事ができる。それにより、ミラー20の反射面22で反射された光の方向を2次元的に変化させることができる。本実施形態において、第1の軸201と第2の軸202とは略垂直または垂直である。
 第1の電磁石30では、コイル32がヨーク34の少なくとも一部に巻きつけられている。コイル32に電流が流れることにより、端部341と端部342との間に磁束が発生する。この磁束が永久磁石21に作用することにより、ミラー20を第1の軸201に対して揺動させる事ができる。また、第2の電磁石40では、コイル42がヨーク44の少なくとも一部に巻きつけられている。コイル42に電流が流れることにより、第1端部441および第2端部442から伸びる磁束が発生する。この磁束が永久磁石21に作用する事により、ミラー20を第2の軸202に対して揺動させる事ができる。
 上記した通り、本実施形態のアクチュエーター10では、上記(A)および(B)の少なくともいずれかが成り立つ。このように複数の電磁石を非対称に配置することにより、アクチュエーター10の小型化を実現できる。
 図5および図6はそれぞれ、電磁石の配置の比較例を示す図である。図5および図6には、それぞれ、ミラー(不図示)を2軸について揺動させるための2つの電磁石が示されている。図5において、電磁石91は軸910を揺動軸としてミラーの駆動を行い、電磁石92は軸920を揺動軸としてミラーの駆動を行う。2つの電磁石をz軸方向から見ると、電磁石91は軸910に対して線対称であり、かつ、電磁石92は軸920に対して線対称である。また図6において、電磁石93は軸930を揺動軸としてミラーの駆動を行い、電磁石94は軸940を揺動軸としてミラーの駆動を行う。2つの電磁石をz軸方向から見ると、電磁石93は軸930に対して線対称であり、かつ、電磁石94は軸940に対して線対称である。これらの例では、揺動軸に対して磁束発生端部を2つずつ設け、対称的に配置している。その結果、互いの構造的な干渉を避けるために一方の電磁石を他方の電磁石がまたぐ必要が生じる。このような構造では、全体として大型化が避けられない。
 それに対し、本実施形態に係るアクチュエーター10では、複数の電磁石を非対称に配置する事により、アクチュエーター10の大型化を避けることができる。
  図1、図2、および図4を参照し、第1の電磁石30および第2の電磁石40についてさらに説明する。本実施形態に係るアクチュエーター10では、第1の電磁石30および第2の電磁石40はそれぞれコイルとヨークとを有する。具体的には、第1の電磁石30はコイル32およびヨーク34を備える。第2の電磁石40は、コイル42およびヨーク44を備える。第1の電磁石30はU字型またはC字型であり、第2の電磁石40はI字型である。具体的には、第1の電磁石30のヨーク34の両端(端部341および端部342)は、基準面101に垂直な方向から見て、永久磁石21の少なくとも一部を挟んで互いに対向している。第2の電磁石40のヨーク44は、基準面101に平行な方向から見て、第2の電磁石40のコイル42を基準に、基準面101側に位置する第1端部441と、基準面101側とは反対側に位置する第2端部442とを有する。基準面101に垂直な方向から見て、第1端部441は少なくとも一部が第2端部442に重なる。端部341、端部342、第1端部441、および第2端部442はいずれも磁束発生端部である。
 図1の例においては、上記の(A)が成り立たず、(B)が成り立つ。ただし、(A)が成り立ち、(B)が成り立たない構成であっても良いし、(A)と(B)の両方が成り立つ構成であっても良い。
 本実施形態において、第1の電磁石30は第2の電磁石40を囲っていない。具体的には、基準面101に平行な少なくともいずれかの方向(たとえばy軸方向)から見て、第1の電磁石30と第2の電磁石40とは互いに重ならない。本実施形態において、第1の電磁石30のヨーク34のうちコイル32が巻かれている部分は基準面101に平行に延在している。基準面101に垂直な方向から見て、コイル32は、第2の軸202を基準に第2の電磁石40とは反対側に位置している。また、端部341および端部342はコイル32よりもミラー20に近い。第2の電磁石40のヨーク44は、基準面101に垂直な方向に延在しており、ヨーク44の両端のうち、一方のみがミラー20に対向している。本図の例において、コイル42が巻かれている部分のヨーク44の断面は正方形である。構造体12に対向する磁束発生端部の数は、第1の電磁石30と第2の電磁石40とで異なっている。
 次に、図1および図3を参照し、ミラー20、外側フレーム50、および内側フレーム60を含む構造体12について説明する。アクチュエーター10は、外側フレーム50、トーションバー52、内側フレーム60、およびトーションバー62をさらに備える。外側フレーム50と内側フレーム60は2つのトーションバー52を介して接続されている。内側フレーム60とミラー20とは、2つのトーションバー62を介して接続されている。外側フレーム50、トーションバー52、内側フレーム60、トーションバー62およびミラー20は、たとえば半導体ウエハを微細加工することにより一体に構成されており、アクチュエーター10はMEMSアクチュエーターである。本実施形態において、第1の電磁石30および第2の電磁石40は、外側フレーム50、トーションバー52、内側フレーム60、トーションバー62、およびミラー20を含む構造体12の一方の面側に、全体が位置している。
 たとえば外側フレーム50は、アクチュエーター10の筐体(不図示)に対して固定されている。内側フレーム60は外側フレーム50に対して第1の軸201を揺動軸として揺動可能である。2つのトーションバー52は第1の軸201に一致する。すなわち2つのトーションバー52は第1の軸201に沿って重なり、トーションバー52のねじれを伴って内側フレーム60が外側フレーム50に対して揺動する。また、ミラー20は内側フレーム60に対して第2の軸202を揺動軸として揺動可能である。2つのトーションバー62は第2の軸202に一致する。すなわち2つのトーションバー62は第2の軸202に沿って重なり、トーションバー62のねじれを伴ってミラー20が内側フレーム60に対して揺動する。上記した基準状態において、トーションバー52およびトーションバー62にはねじれが生じておらず、外側フレーム50、内側フレーム60およびミラー20の一方の面は基準面101と同一平面上に位置する。
 図1および図2を参照し、第1の電磁石30によるアクチュエーター10の駆動について以下に説明する。第1の電磁石30のコイル32に電流が流れると、端部341と端部342との間に磁束が発生する。このとき端部341と端部342とは互いに異なる極となる。そして、端部341と端部342の内、第2の極212とは異極である端部側へ永久磁石21が向くように、ミラー20の向きが変化する。コイル32に流す電流の向きおよび大きさを変化させることによりミラー20の反射面22の向きを制御する事ができる。なお、磁束は、端部341と端部342との互いに向かい合う面(本図の例においてy軸に垂直な面)のみならず、端部341および端部342の各側面(本図の例においてx軸に垂直な面)や上面(本図の例においてz軸に垂直な面)からも伸びうる。これらの磁束が永久磁石21に作用してミラー20を駆動する。
 第2の電磁石40によるアクチュエーター10の駆動について以下に説明する。基準面101に垂直な方向から見て、第1端部441の中心とミラー20の中心とは重なっていない。すなわち、第1端部441とミラー20とがずれている。本図の例において、具体的には、第1端部441の中心は、ミラー20の中心から、第2の軸202と垂直な方向(x軸方向)にずれている。一方、第1端部441の中心は、ミラー20の中心から、第2の軸202と平行な方向(y軸方向)にはずれていない。第2の電磁石40のコイル42に電流が流れると、第1端部441から伸びる磁束が発生する。この第1端部441からの磁束が永久磁石21に作用する事によりミラー20を第2の軸202に対して揺動させる。具体的には、第1端部441の極性が第2の極212と異極である場合、永久磁石21が第1端部441側に向くようにミラー20の向きが変化する。一方、第1端部441の極性が第2の極212と同極である場合、永久磁石21が第1端部441から離れる方向に向くようにミラー20の向きが変化する。コイル42に流す電流の向きおよび大きさを変化させることによりミラー20の反射面22の向きを制御する事ができる。なお、磁束は、第1端部441の上面(本図の例においてz軸に垂直な面)、第2端部442の下面(本図の例においてz軸に垂直な面)や第1端部441および第2端部442の側面(本図の例においてy軸またはx軸に垂直な面)から伸びうる。これらの磁束が永久磁石21に作用してミラー20を駆動する。
 上記した第1の電磁石30と第2の電磁石40による駆動を同時に行うことにより、反射面22を所望の方向へ向ける事ができる。
 本実施形態において、第2の電磁石40はミラー20を共振周波数で揺動するよう駆動する。第2の電磁石40のように1つの磁束発生端部のみを永久磁石21側に向けて駆動する場合、第1の電磁石30のように2つの磁束発生端部を永久磁石21に向けて駆動する場合よりも、駆動力が小さくなりやすい。それに対し、ミラー20を共振周波数で揺動するよう駆動することで、小さな力でも十分にミラー20を駆動する事ができる。
 図7は、第2の電磁石40のヨークの断面形状の変形例を示す図である。本図の例では、第2の電磁石40においてコイル42が巻かれている部分のヨーク44の断面は長方形である。そうすることにより、ヨークの断面積を大きくして第2の電磁石40が発生させる磁力を強める事ができる。その結果、1つの磁束発生端部のみを永久磁石21側に向けて駆動する場合でも、ミラー20を十分に駆動することができる。
 図8は、コイル42の巻き方の変形例を示す図である。本図の例では、第2の電磁石40において、コイル42はヨーク44に対して重ね巻きされている。そうすることにより、第2の電磁石40が発生させる磁力を強める事ができる。その結果、1つの磁束発生端部のみを永久磁石21側に向けて駆動する場合でも、ミラー20を十分に駆動することができる。
 以上、本実施形態によれば、上記した(A)および(B)の少なくともいずれかが成り立つ。そうすることにより、設計における2つの電磁石の配置自由度が増し、アクチュエーター10を小型化することができる。
(第2の実施形態)
 図9は、第2の実施形態に係る第2の電磁石40の形状を例示する図である。本実施形態に係るアクチュエーター10は、以下に説明する第2の電磁石40の形状を除いて第1の実施形態に係るアクチュエーター10と同じである。以下に説明する図9~図16において、各図の上部分には第2の電磁石40の平面図を示し、下部分には側面を示している。
 本実施形態において、第1端部441および第2端部442の少なくとも一方には、基準面101に垂直な方向から見て永久磁石21側に突き出た突出部444が設けられている。突出部444が設けられていることにより、ヨーク44の磁束発生端部と永久磁石21とをより近づけて、ミラー20の駆動力を強めることができる。また、コイル42を重ね巻きした場合、コイル42が巻かれた部分が太くなり、ヨーク44の中心軸を永久磁石21から離す必要が生じる。その場合でも、突出部444を設けることにより、永久磁石21へ十分に磁束を作用させる事ができる。
 図9の例では、第1端部441のみに突出部444が設けられている。第1端部441に突出部444を設ける事により、より効果的に駆動力を強める事ができる。また、第2端部442に突出部444を設けない事により、設ける場合よりもアクチュエーター10の小型化および軽量化を図れる。
 図10~図16は、本実施形態に係る第2の電磁石40の形状の変形例をそれぞれ示す図である。以下に順に説明する。
 図10の例では、突出部444は永久磁石21側のみならず、y軸方向側にも突出している。また、図11の例では、突出部444はさらに永久磁石21側とは反対側へも突出している。突出部444を広げる事により、駆動力をより強くする事ができる。
 図12の例では、第2端部442のみに突出部444が設けられている。このような構成でも第2の電磁石40によるミラー20の駆動力を強める事ができる。なお、第2端部442側の突出部444の形状も特に限定されず、たとえば図10または図11の様であってもよい。
 図13~図16の例では、第1端部441と第2端部442の両方に突出部444が設けられている。そうすることにより、どちらか一方のみに突出部444を設ける場合よりも駆動力を強める事ができる。 図13~図15の例では、第1端部441側の突出部444と第2端部442側の突出部444とは、同じ形状である。図16の例では、第1端部441側の突出部444と第2端部442側の突出部444とは、形状が異なる。
 以上、本実施形態によれば、第1の実施形態と同様の作用および効果が得られる。くわえて、第1端部441および第2端部442の少なくとも一方に、基準面101に垂直な方向から見て永久磁石21側に突き出た突出部444が設けられている。そうすることにより、第2の電磁石40の磁束をより強く永久磁石21に作用させてミラー20の駆動力を強めることができる。
(第3の実施形態)
 図17は、第3の実施形態に係るアクチュエーター10の構成を例示する図である。本実施形態に係るアクチュエーター10は、第1の電磁石30がミラー20を共振周波数で揺動するよう駆動する点を除いて、第1および第2の実施形態の少なくともいずれかに係るアクチュエーター10と同じである。
 本実施形態において、内側フレーム60は外側フレーム50に対して第2の軸202を揺動軸として揺動可能である。2つのトーションバー52は第2の軸202に一致する。すなわち2つのトーションバー52は第2の軸202に沿って重なり、トーションバー52のねじれを伴って内側フレーム60が外側フレーム50に対して揺動する。また、ミラー20は内側フレーム60に対して第1の軸201を揺動軸として揺動可能である。2つのトーションバー62は第1の軸201に一致する。すなわち2つのトーションバー62は第1の軸201に沿って重なり、トーションバー62のねじれを伴ってミラー20が内側フレーム60に対して揺動する。
 以上、本実施形態によれば、第1の実施形態と同様の作用および効果が得られる。
(第4の実施形態)
 図18は、本実施形態に係る第1の電磁石30の構造を例示する図である。本実施形態に係るアクチュエーター10は、以下に説明する点を除いて第1から第3の実施形態の少なくともいずれかに係るアクチュエーター10と同じである。本図において、永久磁石21を破線で示している。
 本実施形態において、第1の電磁石30は、電磁石70および電磁石80の2つの電磁石からなる。言い換えると、第1の電磁石30のヨーク34は2つに別れている。第1の電磁石30は、全体として第1の軸201に対し線対称である。電磁石70および電磁石80は、それぞれ、基準面101に垂直な方向から見て第1の軸201に平行に延在している。基準面101に垂直な方向から見て、第1の電磁石30は第1の軸201と重なっていない。
 電磁石70はコイル72およびヨーク74を備え、電磁石80はコイル82およびヨーク84を備える。コイル72はヨーク74の少なくとも一部に巻きつけられている。コイル82はヨーク84の少なくとも一部に巻きつけられている。本実施形態に係る構成でも、第1の電磁石30は、第1の実施形態に係る第1の電磁石30と同様に機能する。具体的には、端部741と端部841が対向して対を構成する。電磁石70の端部741が第1の実施形態で説明した端部341として機能し、電磁石80の端部841が第1の実施形態で説明した端部342として機能する。
 以上、本実施形態によれば、第1の実施形態と同様の作用および効果が得られる。くわえて、第1の電磁石30のヨーク34は2つに別れている。そうすることにより、設計における2つの電磁石の配置自由度がさらに増し、アクチュエーター10をより小型化することができる。
 以上、図面を参照して実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。たとえばアクチュエーター10は、図に示した構成要素の他、各構成要素を支持する部分や配線、制御部等をさらに含んでも良い。また、ミラー20、第1の電磁石30、第2の電磁石40、構造体12等の形状は本実施形態の例に限定されない。
10 アクチュエーター
12 構造体
20 ミラー
21 永久磁石
22 反射面
30 第1の電磁石
32 コイル
34 ヨーク
40 第2の電磁石
42 コイル
44 ヨーク
50 外側フレーム
52 トーションバー
60 内側フレーム
62 トーションバー
70 電磁石
72 コイル
74 ヨーク
80 電磁石
82 コイル
84 ヨーク
101 基準面
201 第1の軸
202 第2の軸
211 第1の極
212 第2の極
341 端部
342 端部
441 第1端部
442 第2端部
444 突出部

Claims (7)

  1.  永久磁石が設けられ、基準面に対し、第1の軸と前記第1の軸に非平行な第2の軸とを揺動軸として揺動可能なミラーと、
     前記ミラーを、前記第1の軸に対して揺動させる第1の電磁石と、
     前記ミラーを、前記第2の軸に対して揺動させる第2の電磁石とを備え、
     (A)前記基準面に垂直な方向から見て、前記第1の電磁石は前記第1の軸に対して線対称ではない、および(B)前記基準面に垂直な方向から見て、前記第2の電磁石は前記第2の軸に対して線対称ではない、の少なくともいずれかが成り立つ
    アクチュエーター。
  2.  請求項1に記載のアクチュエーターにおいて、
     前記第1の電磁石および前記第2の電磁石はそれぞれコイルとヨークとを有し、
     前記第1の電磁石のヨークの両端は、前記基準面に垂直な方向から見て、前記永久磁石の少なくとも一部を挟んで互いに対向し、
     前記第2の電磁石のヨークは、前記基準面に平行な方向から見て、前記第2の電磁石のコイルを基準に、前記基準面側に位置する第1端部と、前記基準面側とは反対側に位置する第2端部とを有する
    アクチュエーター。
  3.  請求項2に記載のアクチュエーターにおいて、
     前記第2の電磁石は前記ミラーを共振周波数で揺動するよう駆動する
    アクチュエーター。
  4.  請求項2または3に記載のアクチュエーターにおいて、
     前記基準面に垂直な方向から見て、前記第1端部の中心と前記ミラーの中心とが重ならない
    アクチュエーター。
  5.  請求項2~4のいずれか一項に記載のアクチュエーターにおいて、
     前記第1端部および前記第2端部の少なくとも一方には、前記基準面に垂直な方向から見て前記永久磁石側に突き出た突出部が設けられている
    アクチュエーター。
  6.  請求項2~5のいずれか一項に記載のアクチュエーターにおいて、
     前記第2の電磁石においてコイルが巻かれている部分のヨークの断面は長方形である
    アクチュエーター。
  7.  請求項2~6のいずれか一項に記載のアクチュエーターにおいて、
     前記第2の電磁石において、コイルは重ね巻きされている
    アクチュエーター。
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