WO2022186178A1 - アクチュエーター - Google Patents

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WO2022186178A1
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axis
mirror
actuator
current
permanent magnet
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清朗 大島
友崇 矢部
新吾 岩崎
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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    • G—PHYSICS
    • G02—OPTICS
    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
    • G02B26/00—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements
    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/0816—Optical 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
    • G02B26/0833—Optical 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
    • G02B26/085—Optical 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
    • G—PHYSICS
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    • G02B—OPTICAL ELEMENTS, SYSTEMS OR APPARATUS
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/101—Scanning systems with both horizontal and vertical deflecting means, e.g. raster or XY scanners
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    • G02B26/08—Optical devices or arrangements for the control of light using movable or deformable optical elements for controlling the direction of light
    • G02B26/10—Scanning systems
    • G02B26/105—Scanning systems with one or more pivoting mirrors or galvano-mirrors

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, and there is a problem that the size of the actuator increases.
  • One example of the problem to be solved by the present invention is miniaturization of the actuator that drives the mirror.
  • 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; an electromagnet that has a yoke and a coil and applies a magnetic flux to the permanent magnet; both ends of the yoke are at least partially opposed to each other across a gap; When viewed from a direction perpendicular to the reference plane, the center of the gap does not overlap the center of the permanent magnet,
  • the coil is an actuator in which a current for swinging the mirror about the first axis and a current for swinging the mirror about the second axis are superimposed and flowed.
  • FIG. 4 is a diagram illustrating current waveforms for swinging a mirror about a first axis
  • FIG. 10 is a diagram illustrating current waveforms for oscillating a mirror about a second axis
  • 5 is a diagram illustrating waveforms of currents in which a current for swinging a mirror about a first axis and a current for swinging a mirror about a second axis are superimposed;
  • 4 is a graph showing the result of simulating the relationship between the position of an electromagnet and generated torque.
  • 4 is a graph showing the results of measuring the relationship between the position of the electromagnet and the amplitude of the mirror;
  • FIG. 1 to 3 are diagrams illustrating the configuration of an actuator 10 according to an embodiment.
  • 1 is a perspective view of the actuator 10
  • FIG. 2 is a side view of the actuator 10
  • FIG. 3 is a plan view of the actuator 10.
  • the x-axis, y-axis and z-axis shown in each figure are three axes orthogonal to each other.
  • An actuator 10 according to this embodiment includes a mirror 20 and an electromagnet 30 .
  • 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 second axis 202 is non-parallel to the first axis 201 .
  • Electromagnet 30 has yoke 34 and coil 32 and applies magnetic flux to permanent magnet 21 . Both ends (end portion 341 and end portion 342 ) of yoke 34 are at least partially opposed to each other with gap 340 interposed therebetween. The center Cg of the gap 340 does not overlap the center Cm of the permanent magnet 21 when viewed from the direction (z-axis direction) perpendicular to the reference plane 101 .
  • a current I1 for swinging the mirror 20 about the first axis 201 and a current I2 for swinging the mirror 20 about the second axis 202 are superimposed and flowed through the coil 32. .
  • to oscillate the mirror 20 about the first axis 201 is the same as to oscillate the mirror 20 about the first axis 201 , and to oscillate the mirror 20 about the second axis 202 .
  • to oscillate means to oscillate the mirror 20 with the second axis 202 as the oscillation axis.
  • 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 side
  • a second pole 212 which is the other pole, faces the opposite side of the mirror 20, that is, the side where the electromagnet 30 is provided.
  • the reference plane 101 is a plane including the reflecting surface 22 of the mirror 20 in a reference state in which no current is flowing through the coils of the electromagnet 30, that is, in a reference state in which the permanent magnet 21 receives no force. 1 to 3 all 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 orthogonal or orthogonal.
  • 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 and the second axis 202 .
  • the same electromagnet 30 is used to drive the mirror 20 along the first axis 201 and the second axis 202 . That is, the electromagnet for swinging the mirror 20 about the first axis 201 and the electromagnet for swinging the mirror 20 about the second axis 202 are not separated. By doing so, it is possible to reduce the size of the actuator 10 without providing an electromagnet for each of the plurality of swing axes.
  • the electromagnet 30 is U-shaped or C-shaped. Specifically, both ends (end portion 341 and end portion 342 ) of yoke 34 of electromagnet 30 face each other with at least part of permanent magnet 21 interposed therebetween when viewed from the direction perpendicular to reference plane 101 . Both ends 341 and 342 are magnetic flux generating ends.
  • the electromagnet 30 may be composed of a plurality of electromagnets configured so that at least a part of the magnetic flux generating end faces each other with a gap 340 interposed therebetween. That is, the yoke 34 and the coil 32 of the electromagnet 30 may be divided into a plurality of parts. In the example of FIGS. 1-3, ends 341 and 342 are closer to mirror 20 than coil 32 is. Also, the coil 32 extends in a direction parallel to the reference plane 101 .
  • 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.
  • electromagnet 30 is located entirely on one side of structure 12 including outer frame 50 , torsion bar 52 , inner frame 60 , torsion bar 62 and mirror 20 .
  • 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 plane 101 .
  • FIG. 1 Driving the actuator 10 by the electromagnet 30 will now be described with reference to FIGS. 1 to 3, 5 and 6.
  • FIG. First driving with the first shaft 201 as the swing axis will be described.
  • current flows through the coil 32 of the electromagnet 30 .
  • magnetic flux is generated between the ends 341 and 342 .
  • the ends 341 and 342 have different poles.
  • the direction of the mirror 20 is changed so that the permanent magnet 21 is directed toward the end portion 341 and the end portion 342 that has a different pole from the second pole 212 .
  • the orientation of the mirror 20 changes each time the polarity of the current changes from positive to negative and vice versa.
  • the end portion 341 and the end portion 342 have end faces perpendicular to the second axis 202 .
  • the ends 341 and 342 of the yoke 34 face each other in the direction parallel to the second axis 202 (y-axis direction). By doing so, it is possible to reduce crosstalk between the rocking movement about the first axis 201 and the rocking movement about the second axis 202 .
  • the yoke 34 may be arranged so that both ends obliquely face the second shaft 202 .
  • the end portion 341 and the end portion 342 may have end faces perpendicular to the first axis 201 .
  • the ends 341 and 342 of the yoke 34 may face each other in the direction parallel to the first axis 201 (x-axis direction).
  • the yoke 34 may be arranged so that both ends obliquely face the first shaft 201 .
  • the vibration is generated due to driving with the second axis 202 as the swing axis.
  • the torque that can be generated is smaller than the torque that can be generated for driving with the first shaft 201 as the swing axis.
  • the mirror 20 is driven to oscillate at the resonance frequency with respect to the second axis 202 . Therefore, it is possible to sufficiently swing the mirror 20 even with a relatively small driving torque.
  • the center Cg of the gap 340 does not overlap the center Cm of the permanent magnet 21 when viewed from the direction (z-axis direction) perpendicular to the reference plane 101 .
  • the center of the gap 340 is displaced from the center of the permanent magnet 21 in the direction parallel to the first axis 201 (x-axis direction). By doing so, it is possible to increase the torque for swinging the mirror 20 with the second axis 202 as the swing axis.
  • the center of the gap 340 is not displaced from the center of the permanent magnet 21 in the direction perpendicular to the first axis 201 (y-axis direction). By doing so, it is possible to reduce crosstalk between the rocking movement about the first axis 201 and the rocking movement about the second axis 202 .
  • the gap 340 may be shifted diagonally from the center of the permanent magnet 21 with respect to the first axis 201 or may be shifted diagonally with respect to the second axis 202 .
  • the actuator 10 further includes a control section 70 .
  • the control unit 70 generates a signal in which the current I1 for oscillating the mirror 20 about the first axis 201 and the current I2 for oscillating it about the second axis 202 are superimposed.
  • Control unit 70 includes, for example, drive circuit 72 and integrated circuit 40 .
  • FIG. 4 is a diagram illustrating the hardware configuration of the control unit 70. As shown in FIG. In this figure, the controller 70 is implemented using the integrated circuit 40 .
  • the integrated circuit 40 is, for example, an SoC (System On Chip).
  • the control unit 70 includes an integrated circuit 40 and a drive circuit 72 .
  • the integrated circuit 40 has a bus 402 , a processor 404 , a memory 406 , a storage device 408 , an input/output interface 410 and a network interface 412 .
  • the bus 402 is a data transmission path through which the processor 404, memory 406, storage device 408, input/output interface 410, and network interface 412 exchange data with each other.
  • the method of connecting the processors 404 and the like to each other is not limited to bus connection.
  • the processor 404 is an arithmetic processing device implemented using a microprocessor or the like.
  • the memory 406 is a memory implemented using a RAM (Random Access Memory) or the like.
  • the storage device 408 is a storage device implemented using a ROM (Read Only Memory), flash memory, or the like.
  • the input/output interface 410 is an interface for connecting the integrated circuit 40 with peripheral devices.
  • at least the drive circuit 72 is connected to the input/output interface 410 .
  • a network interface 412 is an interface for connecting the integrated circuit 40 to a communication network.
  • This communication network is, for example, a CAN (Controller Area Network) communication network.
  • a method for connecting the network interface 412 to the communication network may be a wireless connection or a wired connection.
  • the storage device 408 stores program modules for realizing the functions of the control unit 70 respectively.
  • the processor 404 implements the functions of the control unit 70 by reading this program module into the memory 406 and executing it.
  • the hardware configuration of the integrated circuit 40 is not limited to the configuration shown in this figure.
  • program modules may be stored in memory 406 .
  • integrated circuit 40 may not include storage device 408 .
  • FIG. 5 is a diagram illustrating the waveform of the current I1 for swinging the mirror 20 about the first axis 201.
  • FIG. 6 is a diagram illustrating the waveform of the current I2 for swinging the mirror 20 about the second axis 202.
  • FIG. 7 shows the current (I 1 +I 2 ) obtained by superimposing the current for oscillating the mirror 20 about the first axis 201 and the current for oscillating it about the second axis 202 .
  • FIG. 4 is a diagram illustrating waveforms;
  • Current I1 for oscillating mirror 20 about first axis 201 is, for example, a sawtooth wave or a triangular wave.
  • Current I2 for oscillating mirror 20 about second axis 202 is, for example, a sine wave.
  • the mirror 20 is driven to oscillate about the second axis 202 at the resonant frequency.
  • a drive current (I 1 +I 2 ) in which the currents I 1 and I 2 are superimposed is generated by the control unit 70 described above, and the drive current is supplied from the control unit 70 to the coil 32 .
  • the driving current as shown in FIG. 7, the mirror 20 can be driven so that the light reflected by the reflecting surface 22 performs raster scanning.
  • the waveforms of current I1 and current I2 are not limited to the examples shown in FIGS. 5 and 6, respectively.
  • the center Cg of the gap 340 does not overlap the center Cm of the permanent magnet 21 when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101 . Therefore, the same electromagnet 30 can be used to drive the mirror 20 along the first axis 201 and the second axis 202 . As a result, the actuator 10 can be miniaturized.
  • FIG. 8 is a graph showing the result of simulating the relationship between the position of the electromagnet 30 and the generated torque.
  • the simulation was performed by changing the distance between the permanent magnet 21 and the yoke 34 to a plurality of values (the unit in FIG. 8 is mm) in the z direction.
  • the horizontal axis of the graph is the distance (offset) between the center Cg of the gap 340 and the center Cm of the permanent magnet 21 as seen from the z-axis direction.
  • the vertical axis of the graph is the magnitude of the torque generated by the electromagnet 30 that swings the mirror 20 about the second axis 202 .
  • FIG. 9 is a graph showing the results of measuring the relationship between the position of the electromagnet 30 and the amplitude of the mirror.
  • the mirror 20 was oscillated about the second axis 202 and the oscillation amplitude was measured. Measurements were made for multiple offset values, and the drive signal was the same sine wave. When the offset is 2.5 mm, as shown in this figure. It was possible to oscillate up to nearly 60° in terms of optical oscillation angle.

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Abstract

アクチュエーター（１０）は、ミラー（２０）と電磁石（３０）とを備える。ミラー（２０）は、永久磁石（２１）が設けられ、基準面（１０１）に対し、第１の軸（２０１）と第２の軸（２０２）とをそれぞれ揺動軸として揺動可能である。第２の軸（２０２）は第１の軸（２０１）とは非平行である。電磁石（３０）は、ヨーク（３４）およびコイル（３２）を有し、永久磁石（２１）に磁束を作用させる。ヨーク（３４）の両端はギャップ（３４０）を挟んで少なくとも一部が互いに対向している。基準面（１０１）に垂直な方向から見て、ギャップ（３４０）の中心Ｃｇは永久磁石（２１）の中心Ｃｍとは重ならない。コイル（３２）には、ミラー（２０）を、第１の軸（２０１）に対して揺動させるための電流Ｉ１と第２の軸（２０２）に対して揺動させるための電流Ｉ２とが重畳されて流される。

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２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の軸とをそれぞれ揺動軸として揺動可能なミラーと、
　ヨークおよびコイルを有し、前記永久磁石に磁束を作用させる電磁石とを備え、
　前記ヨークの両端はギャップを挟んで少なくとも一部が互いに対向しており、
　前記基準面に垂直な方向から見て、前記ギャップの中心は前記永久磁石の中心とは重ならず、
　前記コイルには、前記ミラーを、前記第１の軸に対して揺動させるための電流と前記第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳されて流される
アクチュエーターである。
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。 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。 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。 制御部のハードウエア構成を例示する図である。 ミラーを、第１の軸に対して揺動させるための電流の波形を例示する図である。 ミラーを、第２の軸に対して揺動させるための電流の波形を例示する図である。 ミラーを、第１の軸に対して揺動させるための電流と第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳された電流の波形を例示する図である。 電磁石の位置と発生トルクとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。 電磁石の位置とミラーの振幅との関係を測定した結果を示すグラフである。
　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。
（実施形態）
　図１～図３は、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の斜視図であり、図２はアクチュエーター１０の側面図であり、図３はアクチュエーター１０の平面図である。各図に示されたｘ軸、ｙ軸およびｚ軸は互いに直交する三軸である。本実施形態に係るアクチュエーター１０は、ミラー２０と電磁石３０とを備える。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とをそれぞれ揺動軸として揺動可能である。第２の軸２０２は第１の軸２０１とは非平行である。電磁石３０は、ヨーク３４およびコイル３２を有し、永久磁石２１に磁束を作用させる。ヨーク３４の両端（端部３４１および端部３４２）はギャップ３４０を挟んで少なくとも一部が互いに対向している。基準面１０１に垂直な方向（ｚ軸方向）から見て、ギャップ３４０の中心Ｃｇは永久磁石２１の中心Ｃｍとは重ならない。そしてコイル３２には、ミラー２０を、第１の軸２０１に対して揺動させるための電流Ｉ１と第２の軸２０２に対して揺動させるための電流Ｉ２とが重畳されて流される。以下に詳しく説明する。
　なお、ミラー２０を第１の軸２０１に対して揺動させるとは、ミラー２０を第１の軸２０１を揺動軸として揺動させることと同意であり、ミラー２０を第２の軸２０２に対して揺動させるとは、ミラー２０を第２の軸２０２を揺動軸として揺動させることと同意である。
　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、電磁石３０が設けられている側に向いている。基準面１０１は、電磁石３０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～図３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とは略直交するまたは直交する。
　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および第２の軸２０２に対して揺動させる事ができる。
　本実施形態に係るアクチュエーター１０では、同一の電磁石３０を用いて、ミラー２０の第１の軸２０１に対する駆動と第２の軸２０２に対する駆動とを実現する。すなわち、ミラー２０を第１の軸２０１に対して揺動させるための電磁石と、ミラー２０を第２の軸２０２に対して揺動させるための電磁石とが分けられていない。そうすることで、複数の揺動軸ごとに電磁石を設ける必要がなく、アクチュエーター１０を小型化することができる。
　電磁石３０はＵ字型またはＣ字型である。具体的には、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。端部３４１および端部３４２はいずれも磁束発生端部である。なお、電磁石３０は、磁束発生端部の少なくとも一部がギャップ３４０を挟んで互いに対向するように構成された、複数の電磁石からなっていても良い。すなわち、電磁石３０のヨーク３４およびコイル３２が複数に分かれていてもよい。図１～図３の例において、端部３４１および端部３４２はコイル３２よりもミラー２０に近い。また、コイル３２は基準面１０１に平行な方向に延在している。
　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、電磁石３０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。上述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～図３、図５および図６を参照し、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。まず第１の軸２０１を揺動軸とした駆動について説明する。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。電磁石３０のコイル３２に、たとえば後述する図５のように電流Ｉ１が流れると、電流の極性がプラスからマイナスに、マイナスからプラスに切り替わるごとにミラー２０の向きが変化する。次いで、第２の軸２０２を揺動軸とした駆動について説明する。電磁石３０のコイル３２に電流が流れると、電磁石３０が永久磁石２１をギャップ３４０側へ引き込み、第２の軸２０２に沿ったトーションバー６２がねじられる。ねじられたトーションバーは元に戻ろうとするため、コイル３２に流れる電流の大きさが小さくなると永久磁石２１がギャップ３４０から離れる方向に動く。電磁石３０のコイル３２に、たとえば後述する図６のように、ミラー２０の共振周波数で電流Ｉ２を流すと、永久磁石２１とともにミラー２０が共振周波数で揺動する。したがって、コイル３２に流す電流の極性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。
　本実施形態に係るアクチュエーター１０では、端部３４１および端部３４２は、第２の軸２０２に垂直な端面を有している。そしてヨーク３４の端部３４１および端部３４２は、互いに第２の軸２０２に平行な方向（ｙ軸方向）に対向する。こうすることで、第１の軸２０１に対する揺動と第２の軸２０２に対する揺動とのクロストークを低減できる。ただし、ヨーク３４は、両端が第２の軸２０２に対して斜めに対向するように配置されても良い。また、端部３４１および端部３４２は、第１の軸２０１に垂直な端面を有していてもよい。そしてヨーク３４の端部３４１および端部３４２は、互いに第１の軸２０１に平行な方向（ｘ軸方向）に対向してもよい。ヨーク３４は、両端が第１の軸２０１に対して斜めに対向するように配置されても良い。
　なお、ヨーク３４の端部３４１および端部３４２が、互いに第２の軸２０２に平行な方向（ｙ軸方向）に対向する場合、第２の軸２０２を揺動軸とした駆動のために発生させる事ができるトルクが、第１の軸２０１を揺動軸とした駆動のために発生させる事ができるトルクよりも小さくなる。これに対し、本実施形態では、ミラー２０は、第２の軸２０２に対して共振周波数で揺動するよう駆動される。したがって、比較的小さい駆動トルクでも十分にミラー２０を揺動させる事ができる。
　また、本実施形態に係るアクチュエーター１０では、上述した通り、基準面１０１に垂直な方向（ｚ軸方向）から見て、ギャップ３４０の中心Ｃｇは永久磁石２１の中心Ｃｍとは重ならない。詳しくは、基準面１０１に垂直な方向から見て、ギャップ３４０の中心は、永久磁石２１の中心から第１の軸２０１に平行な方向（ｘ軸方向）にずれている。こうすることで、第２の軸２０２を揺動軸として、ミラー２０を揺動させるためのトルクを大きくすることができる。一方、ギャップ３４０の中心は、永久磁石２１の中心から第１の軸２０１に垂直な方向（ｙ軸方向）には、ずれていない。こうすることで、第１の軸２０１に対する揺動と第２の軸２０２に対する揺動とのクロストークを低減できる。ただし、ギャップ３４０は、永久磁石２１の中心から第１の軸２０１に対し斜め方向にずれていても良いし、第２の軸２０２に対し斜め方向にずれていても良い。
　アクチュエーター１０は、制御部７０をさらに備える。制御部７０は、ミラー２０を第１の軸２０１に対して揺動させるための電流Ｉ１と第２の軸２０２に対して揺動させるための電流Ｉ２とが重畳された信号を生成する。制御部７０はたとえば駆動回路７２および集積回路４０を含んで構成される。
　図４は、制御部７０のハードウエア構成を例示する図である。本図において制御部７０は、集積回路４０を用いて実装されている。集積回路４０は、例えば SoC（System On Chip）である。制御部７０は集積回路４０および駆動回路７２を含んで構成される。
　集積回路４０は、バス４０２、プロセッサ４０４、メモリ４０６、ストレージデバイス４０８、入出力インタフェース４１０、及びネットワークインタフェース４１２を有する。バス４０２は、プロセッサ４０４、メモリ４０６、ストレージデバイス４０８、入出力インタフェース４１０、及びネットワークインタフェース４１２が、相互にデータを送受信するためのデータ伝送路である。ただし、プロセッサ４０４などを互いに接続する方法は、バス接続に限定されない。プロセッサ４０４は、マイクロプロセッサなどを用いて実現される演算処理装置である。メモリ４０６は、RAM（Random Access Memory）などを用いて実現されるメモリである。ストレージデバイス４０８は、ROM（Read Only Memory）やフラッシュメモリなどを用いて実現されるストレージデバイスである。
　入出力インタフェース４１０は、集積回路４０を周辺デバイスと接続するためのインタフェースである。本図において、入出力インタフェース４１０には少なくとも駆動回路７２が接続されている。
　ネットワークインタフェース４１２は、集積回路４０を通信網に接続するためのインタフェースである。この通信網は、例えば CAN（Controller Area Network）通信網である。なお、ネットワークインタフェース４１２が通信網に接続する方法は、無線接続であってもよいし、有線接続であってもよい。
　ストレージデバイス４０８は、制御部７０の機能を実現するためのプログラムモジュールをそれぞれ記憶している。プロセッサ４０４は、このプログラムモジュールをメモリ４０６に読み出して実行することで、制御部７０の機能を実現する。
　集積回路４０のハードウエア構成は本図に示した構成に限定されない。例えば、プログラムモジュールはメモリ４０６に格納されてもよい。この場合、集積回路４０は、ストレージデバイス４０８を備えていなくてもよい。
　図５は、ミラー２０を、第１の軸２０１に対して揺動させるための電流Ｉ１の波形を例示する図である。図６は、ミラー２０を、第２の軸２０２に対して揺動させるための電流Ｉ２の波形を例示する図である。図７は、ミラー２０を、第１の軸２０１に対して揺動させるための電流と第２の軸２０２に対して揺動させるための電流とが重畳された電流（Ｉ１＋Ｉ２）の波形を例示する図である。
　ミラー２０を、第１の軸２０１に対して揺動させるための電流Ｉ１はたとえばノコギリ波または三角波である。ミラー２０を、第２の軸２０２に対して揺動させるための電流Ｉ２はたとえば正弦波である。上述した通り、ミラー２０は、第２の軸２０２に対して共振周波数で揺動するよう駆動される。上述した制御部７０で電流Ｉ１と電流Ｉ２とが重畳された駆動電流（Ｉ１＋Ｉ２）が生成され、制御部７０からコイル３２へ駆動電流が流される。図７のような駆動電流を用いると、反射面２２で反射した光でラスタスキャンを行うように、ミラー２０を駆動することができる。ただし、電流Ｉ１および電流Ｉ２の波形はそれぞれ図５および図６に示した例に限定されない。
　以上、本実施形態によれば、基準面１０１に垂直な方向から見て、ギャップ３４０の中心Ｃｇは永久磁石２１の中心Ｃｍとは重ならない。したがって、同一の電磁石３０を用いて、ミラー２０の第１の軸２０１に対する駆動と第２の軸２０２に対する駆動とを実現することができる。ひいてはアクチュエーター１０を小型化することができる。
　図８は電磁石３０の位置と発生トルクとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１～図３に示した構造において、永久磁石２１とヨーク３４との距離をｚ方向に複数の値（図８中の単位はｍｍ）に変えて、シミュレーションを行った。グラフの横軸は、ｚ軸方向から見たギャップ３４０の中心Ｃｇと永久磁石２１の中心Ｃｍとの距離（オフセット）である。また、グラフの縦軸は、電磁石３０により発生する、ミラー２０を第２の軸２０２に対して揺動させるトルクの大きさである。
　本図に示すように、中心Ｃｍに対して中心Ｃｇのオフセットが無い場合には、永久磁石２１とヨーク３４との距離に関わらず、トルクはほぼ０であった。一方、オフセットを大きくするとトルクは徐々に増加し、オフセットが２．５ｍｍのときにピークを示した。
　図９は電磁石３０の位置とミラーの振幅との関係を測定した結果を示すグラフである。図１～図３に示した構造において、ミラー２０を第２の軸２０２について揺動させ、揺動振幅を測定した。測定は複数のオフセット値について行い、駆動信号は同一の正弦波とした。本図に示すように、オフセットが２．５ｍｍのときに。光学振角で６０°近くまで揺動させる事ができた。
　以上、図面を参照して実施形態及び実施例について述べたが、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。
　この出願は、２０２１年３月２日に出願された日本出願特願２０２１－０３２４２０号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。
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　電磁石
３２　コイル
３４　ヨーク
４０　集積回路
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　制御部
７２　駆動回路
１０１　基準面
２０１　第１の軸
２０２　第２の軸
３４０　ギャップ
３４１　端部
３４２　端部

Claims (6)

  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の軸とをそれぞれ揺動軸として揺動可能なミラーと、
    　ヨークおよびコイルを有し、前記永久磁石に磁束を作用させる電磁石とを備え、
    　前記ヨークの両端はギャップを挟んで少なくとも一部が互いに対向しており、
    　前記基準面に垂直な方向から見て、前記ギャップの中心は前記永久磁石の中心とは重ならず、
    　前記コイルには、前記ミラーを、前記第１の軸に対して揺動させるための電流と前記第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳されて流される
    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、
    　前記ミラーは、前記第２の軸に対して共振周波数で揺動するよう駆動され、
    　前記ヨークの両端は、互いに前記第２の軸に平行な方向に対向する
    アクチュエーター。
  3. 　請求項１または２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、前記ギャップの中心は、前記永久磁石の中心から前記第１の軸に平行な方向にずれている
    アクチュエーター。
  4. 　請求項１～３のいずれか一項に記載のアクチュエーターにおいて、
    　前記ミラーを、前記第１の軸に対して揺動させるための電流はノコギリ波または三角波であり、
    　前記ミラーを、前記第２の軸に対して揺動させるための電流は正弦波である
    アクチュエーター。
  5. 　請求項１～４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の軸に対して揺動させるための電流と前記第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳された信号を生成する制御部をさらに有する
    アクチュエーター。
  6. 　請求項１～５のいずれか一項に記載のアクチュエーターにおいて、
    　ＭＥＭＳアクチュエーターである
    アクチュエーター。
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Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009069676A (ja) 2007-09-14 2009-04-02 Ricoh Co Ltd 光走査装置
JP2016092508A (ja) * 2014-10-31 2016-05-23 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置
WO2019172307A1 (ja) * 2018-03-09 2019-09-12 パイオニア株式会社 アクチュエータ付き反射板、光走査装置、及びミラーアクチュエータ
JP2021032420A (ja) 2019-08-14 2021-03-01 三菱パワー株式会社 貫流ボイラの制御装置、発電プラント、及び、貫流ボイラの制御方法
JP2021033087A (ja) * 2019-08-26 2021-03-01 パイオニア株式会社 ミラースキャナ

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP2009069676A (ja) 2007-09-14 2009-04-02 Ricoh Co Ltd 光走査装置
JP2016092508A (ja) * 2014-10-31 2016-05-23 セイコーエプソン株式会社 画像表示装置
WO2019172307A1 (ja) * 2018-03-09 2019-09-12 パイオニア株式会社 アクチュエータ付き反射板、光走査装置、及びミラーアクチュエータ
JP2021032420A (ja) 2019-08-14 2021-03-01 三菱パワー株式会社 貫流ボイラの制御装置、発電プラント、及び、貫流ボイラの制御方法
JP2021033087A (ja) * 2019-08-26 2021-03-01 パイオニア株式会社 ミラースキャナ

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