WO2023190068A1 - 電磁波偏向装置及び電磁波走査装置 - Google Patents

Abstract

電磁波偏向装置は、電磁波を反射するミラーと、第１駆動部と、第２駆動部と、錘とを備える。第１駆動部は、第１軸を傾斜軸としてミラーを傾斜させる。第２駆動部は、第１軸に交差する第２軸を傾斜軸としてミラーを傾斜させる。錘は、第２駆動部の共振周波数が第１駆動部の共振周波数の自然数倍と異なるように第１駆動部又は第２駆動部の少なくとも一方に配置される。

Description

電磁波偏向装置及び電磁波走査装置 関連出願へのクロスリファレンス

　本出願は、日本国特許出願２０２２－５４３７３号（２０２２年３月２９日出願）の優先権を主張するものであり、当該出願の開示全体を、ここに参照のために取り込む。

　本開示は、電磁波偏向装置及び電磁波走査装置に関する。

　ミラーを回動させるときに回転軸の位置がずれることを抑制する光偏向器が知られている（例えば、特許文献１参照）。

特開２０１６－９０５０号公報

　本開示の一実施形態に係る電磁波偏向装置は、電磁波を反射するミラーと、第１駆動部と、第２駆動部と、錘とを備える。前記第１駆動部は、第１軸を傾斜軸として前記ミラーを傾斜させる。前記第２駆動部は、前記第１軸に交差する第２軸を傾斜軸として前記ミラーを傾斜させる。前記錘は、前記第２駆動部の共振周波数が前記第１駆動部の共振周波数の自然数倍と異なるように前記第１駆動部又は前記第２駆動部の少なくとも一方に配置される。

　本開示の一実施形態に係る電磁波走査装置は、前記電磁波偏向装置と、前記電磁波偏向装置に対して電磁波を入射させる照射装置とを備える。

本開示の一実施形態に係る電磁波偏向装置の構成例を示す平面図である。 ミラーが第２駆動部に重なる場合の電磁波偏向装置の構成例を示す平面図である。 図２のＡ－Ａ断面図である。 錘が第１駆動部の開口の周囲に位置する場合の電磁波偏向装置の構成例を示す平面図である。 第２駆動部が複数の折り返し部を有する場合の電磁波偏向装置の構成例を示す平面図である。

（電磁波偏向装置１の構成例）
　図１に示されるように、一実施形態に係る電磁波偏向装置１は、基板４０と、ミラー３０とを備える。ミラー３０は入射する電磁波を反射させる反射面を有する。基板４０は、第１駆動部１０と、第２駆動部２０とを備える。第１駆動部１０は、第１支持部１２と、第１アクチュエータ１４とを備える。第２駆動部２０は、第２支持部２２と、第２アクチュエータ２４とを備える。第１支持部１２は、Ｘ軸方向に並んだ２つの第２支持部２２の間に位置する。第２支持部２２は、第１支持部１２を支持する。基板４０は枠状の外枠部分を有し、第２支持部２２がこの外枠部分に接続されている。言い換えれば、基板４０は、外枠と、第１支持部１２と、第２支持部２２とを備える。基板４０の外枠部分、第１支持部１２及び第２支持部２２は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術に基づく製造プロセスによって形成されてもよい。なお、Ｘ軸方向は、基板４０の面方向の一方に対応する。Ｙ軸方向は、Ｘ軸方向に直交する方向に対応する。Ｚ軸方向は、基板４０の面に垂直な方向に対応する。

　第１支持部１２は、ミラー３０と、ミラー３０を支持するミラー支持部３２とを支持する。第１支持部１２は、例えば四角形を有しその内側に開口を有する。言い換えれば、第１支持部１２は、枠形状を有する。ミラー支持部３２は、第１支持部１２の内側の開口の中でＹ軸方向に延びる梁として構成される。第１支持部１２の内側の開口は、四角形であってよい。ミラー支持部３２は、細長い梁状の形状を有し、その端部が第１支持部１２の内側の開口の一辺と、その辺に対向する辺とに接続される。ミラー３０は、柱状部材３２Ａを介して、ミラー支持部３２の上に位置し、ミラー支持部３２を軸として傾斜可能に構成される。ミラー３０は、ＭＥＭＳ技術に基づく製造プロセスによって基板４０の上に形成されてよい。ミラー支持部３２は、ＭＥＭＳ技術に基づく製造プロセスによって基板４０の上に、又は、基板４０と一体に形成されてよい。ミラー３０は、柱状部材３２Ａを介することなく、２つのミラー支持部３２によって、第１支持部１２の開口を形成する辺に支持されてもよい。ミラー３０がミラー支持部３２を軸として傾斜するときの軸は、Ｙ軸方向に延びる第１軸１６として表される。

　第１アクチュエータ１４は、第１支持部１２に位置する。第１アクチュエータ１４は、ミラー支持部３２の長手方向を挟んで両側に位置してよい。第１アクチュエータ１４は、ミラー支持部３２の長手方向を対称軸として対称に位置してもよい。第１アクチュエータ１４は、第１支持部１２の内側の開口の縁に沿って位置してよい。第１アクチュエータ１４は、Ｙ軸方向に伸縮可能に構成される。第１アクチュエータ１４は、例えば圧電素子又はモータ等として構成されてよい。第１アクチュエータ１４がＹ軸方向に伸縮することによって、第１支持部１２の開口を形成する辺の部分に振動が生じる。第１支持部１２の開口の縁の振動は、ミラー支持部３２を通じてミラー３０に伝達する。ミラー３０に伝達した振動は、ミラー３０をミラー支持部３２の上で第１軸１６を軸として傾斜する方向に共振させる。ミラー３０は、第１軸１６の周りで傾斜する方向に共振することによって、第１軸１６の周りで揺動する。仮に電磁波がＺ軸の正の方向からミラー３０に入射する場合、第１軸１６の周りで揺動するミラー３０で反射された電磁波は、Ｘ軸方向に走査される。

　第２支持部２２は、いわゆるミアンダ形状（折り返す形状）で構成されてよい。第２支持部２２は、ミアンダ形状で構成される場合、Ｙ軸に沿った方向に延びる部分と折り返す部分とを含む。折り返す部分は、Ｘ軸に沿った方向に延びて、Ｙ軸に沿った方向に延びる部分同士を接続する。Ｙ軸に沿った方向に延びる部分は、折り返す部分よりも長く形成されてよい。第２支持部２２は、第１支持部１２を基板４０の外枠部分と接続する。第１支持部１２がＸ軸方向及びＹ軸方向に延びる辺を有する四角形の場合、第２支持部２２は、Ｙ軸方向に延びる辺の一端と基板４０とを接続する。なお、第２支持部２２は、ミアンダ形状に限られない。第２アクチュエータ２４は、第２支持部２２のうちＹ軸方向に延びる部分に位置する。第２アクチュエータ２４は、Ｙ軸方向に長く延びる形状を有する。第２アクチュエータ２４は、Ｙ軸方向に伸縮可能に構成される。第２アクチュエータ２４は、例えば圧電素子又はモータ等として構成されてよい。第２アクチュエータ２４がＹ軸方向に伸縮することによって、第２支持部２２のＹ軸方向に延びる部分がＸ軸方向に沿った軸の周りで傾斜する。第２支持部２２の傾斜軸は、第２軸２６として表される。第２軸２６は、第１軸１６に交差する軸であるとする。第２支持部２２のＹ軸方向に延びる部分が第２軸２６の周りで傾斜することによって、第１支持部１２が第２軸２６の周りで傾斜する。第１支持部１２が第２軸２６の周りで傾斜することによって、第１支持部１２の内側の開口に位置するミラー支持部３２によって支持されているミラー３０は、第２軸２６の周りで傾斜する。第２アクチュエータ２４の伸縮量に応じて第２軸２６の周りにおけるミラー３０の傾斜角度が制御される。仮に電磁波がＺ軸の正の方向からミラー３０に入射する場合、第２軸２６の周りで傾斜角度が制御されるミラー３０で反射された電磁波は、Ｙ軸方向に走査される。

　ミラー３０は、第１駆動部１０に固有の共振周波数で共振することによって、第１軸１６の周りで揺動する。一方で、ミラー３０は、第１駆動部１０の共振にかかわらず、第２アクチュエータ２４の伸縮によって第２駆動部２０を変形させて第１駆動部１０を第２軸２６の周りで傾斜させることによって、第２軸２６の周りで傾斜する。ミラー３０の第２軸２６の周りでの傾斜角度は、第２アクチュエータ２４の伸縮量によって制御され得る。

　第２駆動部２０は、第２駆動部２０が支持する第１駆動部１０及びミラー３０を第２軸２６の周りで傾斜させるために、第２軸２６の周りで傾斜可能に構成される。そうすると、第２駆動部２０は、外部からの振動の伝達によって共振した場合に第２軸２６の周りで傾斜するように揺動する。仮に第２駆動部２０の共振周波数が第１駆動部１０の共振周波数又はその自然数倍（１倍、２倍、３倍・・・）の周波数に一致する場合、第１駆動部１０から第２駆動部２０に伝達する第１駆動部１０の共振周波数の振動によって第２駆動部２０が共振しやすい。第２駆動部２０は、共振することによって第２軸２６の周りで揺動する。第２駆動部２０が共振した場合、電磁波偏向装置１は、第２駆動部２０の第２軸２６の周りの傾斜角度を、第２アクチュエータ２４の伸縮量によって制御できない。

　逆に言えば、第２駆動部２０の共振周波数が第１駆動部１０の共振周波数の自然数倍（１倍、２倍、３倍・・・）の周波数と異なる場合、第１駆動部１０の共振周波数の振動が第２駆動部２０に伝達しても第２駆動部２０が共振しにくい。例えば、第２駆動部２０の共振周波数が第１駆動部１０の共振周波数の奇数倍の半分（１．５倍、２．５倍、３．５倍・・・）の周波数である場合、第１駆動部１０の共振周波数の振動が第２駆動部２０に伝達したときに第２駆動部２０がほとんど共振しない。

　そこで、本実施形態に係る電磁波偏向装置１は、第１駆動部１０の振動によって第２駆動部２０が共振しにくいように、第２駆動部２０の共振周波数が第１駆動部１０の共振周波数の自然数倍と異なるように構成される。この場合、第２駆動部２０及び第２駆動部２０が支持する第１駆動部１０及びミラー３０が第２軸２６の周りで共振しにくくなる。つまり、ミラー３０を主軸（第１軸１６）で共振させる場合に、主軸に交差する副軸（第２軸２６）での共振が低減され得る。

　図２に示されるように、電磁波偏向装置１の基板４０の平面視（Ｚ軸の正の方向に見た場合）において、ミラー３０は第２駆動部２０と重なることがある。図３の断面図に示されるように、ミラー３０は、Ｘ軸の正の方向に向かって時計回り方向に傾斜してミラー３０Ａの位置に移動し得る。また、第２駆動部２０が共振することによって、第２支持部２２は、Ｚ軸の正の方向に変位して第２支持部２２Ａの位置に移動し得る。この場合、ミラー３０Ａと第２支持部２２Ａとが衝突し得る。第２駆動部２０が第２軸２６の周りで共振しにくいように電磁波偏向装置１が構成されることによって、ミラー３０と第２支持部２２とが衝突しにくくなる。その結果、電磁波偏向装置１の信頼性が向上し得る。

　また、ミラー３０を支持する第１駆動部１０は、第２駆動部２０における第２軸２６の周りでの共振の影響を受け得る。第２駆動部２０における第２軸２６の周りでの共振が第１駆動部１０に伝達した場合、第１駆動部１０に支持されているミラー３０が第２軸２６の周りで振動し得る。ミラー３０が第２軸２６の周りで振動する場合、ミラー３０の第２軸２６の周りの傾斜角度の制御が難しくなる。そこで、第２駆動部２０が第２軸２６の周りで共振しにくいように電磁波偏向装置１が構成されることによって、電磁波偏向装置１は、ミラー３０の第２軸２６の周りの傾斜角度を制御しやすくなる。その結果、電磁波偏向装置１の信頼性が向上し得る。

　第２駆動部２０の共振周波数は、第２支持部２２の弾性係数と第２軸２６の周りでの慣性モーメントとによって定まる。第２支持部２２の弾性係数が小さいほど共振周波数は低くなる。よって、第２支持部２２の弾性係数の調整によって第２駆動部２０の共振周波数が調整されてもよい。第２支持部２２の弾性係数は、第２支持部２２の材質によって調整されてもよいし、第２支持部２２の形状によって調整されてもよい。

　また、第２支持部２２の第２軸２６の周りの慣性モーメントが大きいほど共振周波数は低くなる。第２支持部２２の第２軸２６の周りの慣性モーメントの調整によって第２駆動部２０の共振周波数が調整されてもよい。第２支持部２２の第２軸２６の周りの慣性モーメントは、第２支持部２２の各部の第２軸２６からの距離と各部の質量との積の総和として定まる。図１に示されるように、本実施形態に係る電磁波偏向装置１は、第２駆動部２０の共振周波数を調整するために、第２支持部２２の第２軸２６から離れた折り返し部分に錘５０を備える。第２駆動部２０の共振周波数は、錘５０の質量が大きいほど、又は、第２軸２６から錘５０の位置まで遠いほど、低くなる。

　錘５０は、第２駆動部２０に設置される場合、基板４０の平面視において、第２アクチュエータ２４に重ならないように配置されてよい。このようにすることで、第２アクチュエータ２４の出力が第１駆動部１０及びミラー３０を傾斜させやすくなる。その結果、ミラー３０を第２軸２６の周りに傾斜させる際のエネルギー効率が錘５０によって低下しにくい。

　電磁波偏向装置１は、第２駆動部２０の共振周波数が第１駆動部１０の共振周波数よりも低くなるように構成されてもよい。この場合、第２駆動部２０の共振周波数は、第１駆動部１０の共振周波数の自然数倍のいずれの周波数からも離れた値になる。このようにすることで、第２駆動部２０が共振しにくくなる。つまり、主軸で共振させる場合に、主軸に交差する副軸での共振が低減され得る。

　図４に示されるように、錘５０は、第１駆動部１０に設置されてもよい。図４の例において、錘５０は、第１支持部１２の開口を囲むように配置されている。錘５０は、このような位置に限られず、第１支持部１２の少なくとも一部に配置されてよい。錘５０は、例えば、第１支持部１２の開口の少なくとも１辺に沿って配置されてよい。錘５０は、第１支持部１２の開口の縁のうち第１軸１６に沿った辺に沿って配置されてもよいし、第１軸１６に交差する辺に沿って配置されてもよい。錘５０は、開口の対向する２辺のそれぞれに沿って配置されてもよい。錘５０は、開口の左右の２辺（第１軸１６に沿った辺）のそれぞれに沿って配置されてもよいし、開口の上下の２辺（第１軸１６に交差する辺）のそれぞれに沿って配置されてもよい。

　錘５０は、第１駆動部１０に設置される場合、基板４０の平面視において第１アクチュエータ１４に重ならないように配置されてよい。また、錘５０は、第１アクチュエータ１４よりもミラー支持部３２から遠くなるように配置されてよい。このようにすることで、第１アクチュエータ１４の出力がミラー３０に伝達しやすくなる。その結果、ミラー３０を振動させる際のエネルギー効率が錘５０によって低下しにくい。

　図５に示されるように、第２駆動部２０が複数の折り返し部を有する場合において、錘５０は、各折り返し部に配置されてもよい。錘５０は、全ての折り返し部に配置されず、一部の折り返し部だけに配置されてもよい。錘５０は、第１駆動部１０に近い折り返し部だけに配置されてもよい。錘５０は、第２駆動部２０のうち基板４０の平面視においてミラー３０と重なる部分につながる折り返し部分だけに配置されてもよい。錘５０は、第２駆動部２０のうち第１駆動部１０に接続する部分の第２軸２６の周りの共振周波数が第１駆動部１０の共振周波数と異なるように配置されてもよい。

　基板４０において第１駆動部１０又は第２駆動部２０は、種々の振動モードで振動し得る。振動モードは、第１次モード（副軸掃引）、第２次モード（副軸掃引の別形態）、第３次モード（ミアンダ交互振動）、第４次モード（ミアンダ同時振動）、第５次モード（主軸掃引）、又は、第６次モード（主軸掃引の別形態）等であり得る。第１次モードは、第２支持部２２が基板４０の外枠に接続している部分を支点としてＸ軸の周りに振動するモードである。第２次モードは、第２支持部２２が基板４０の外枠に接続している部分からＹ軸に沿って反対側の部分を支点としてＸ軸の周りに振動するモードである。第３次モードは、第２支持部２２の、第１支持部１２を挟んでＸ軸の正の側と負の側とにそれぞれ位置する部分が互いにＺ軸に沿った逆方向に振動するモードである。第４次モードは、第２支持部２２の、第１支持部１２を挟んでＸ軸の正の側と負の側とにそれぞれ位置する部分が両方ともＺ軸に沿った同じ方向に振動するモードである。第５次モードは、第１支持部１２がＹ軸の周りに傾斜したときの傾斜方向とミラー３０の傾斜方向とが一致するように振動するモードである。第６次モードは、第１支持部１２がＹ軸の周りに傾斜したときの傾斜方向とミラー３０の傾斜方向とが互いに逆になるように振動するモードである。電磁波偏向装置１が電磁波を反射する方向は、第１駆動部１０におけるミラー３０の振動によって定まる。したがって、電磁波偏向装置１は、第１駆動部１０においてミラー３０が所定の振動モードで振動するように構成される。このとき、ミラー３０が所定の振動モードで振動することを、第２駆動部２０の振動が阻害しないようにすることが求められる。第２駆動部２０は、ミラー３０が所定の振動モードで振動することを阻害するモードで振動することがある。したがって、錘５０は、ミラー３０が所定の振動モードで振動することを阻害するモードで第２駆動部２０が振動しないように、第２駆動部２０に配置されてよい。電磁波偏向装置１が所定の振動モードとして上述した第１次モードと第５次モードとで振動する場合、第５次モードの振動に共鳴して第４次モードの振動が阻害するモードとして生じることがある。錘５０は、第４次モードの振動が生じないように、第２駆動部２０に配置されてよい。

　錘５０は、第１支持部１２又は第２支持部２２の少なくとも一部を厚くすることによって形成されてもよい。第１支持部１２又は第２支持部２２の厚く形成した部分は、他の部分よりも重くなる。つまり、錘５０は、第１支持部１２又は第２支持部２２の厚い部分として設置されてもよい。錘５０は、基板４０と別体の部品として構成されてもよい。この場合、錘５０は、第１支持部１２又は第２支持部２２に接合されてよい。錘５０は、第１支持部１２又は第２支持部２２のいずれか一方の面に設けられてもよいし、両方の面に設けられてもよい。ミラー３０が、Ｚ軸方向において第１アクチュエータ１４又は第２アクチュエータ２４に重なる大きさを有する場合、錘５０を裏面（すなわち、ミラー３０がある側と反対側の面）に設けることで、錘５０とミラー３０とが干渉しにくくなる。言い換えれば、ミラー３０は、ミラー３０の反射面に垂直な方向において第１アクチュエータ１４又は第２アクチュエータ２４に重複する大きさを有してよい。錘５０は、第１駆動部１０又は第２駆動部２０の、ミラー３０がある側と反対側の面に配置されてよい。

（電磁波走査装置）
　電磁波偏向装置１は、電磁波を照射する照射装置と組み合わせて用いられてよい。この場合、電磁波が照射装置から電磁波偏向装置１のミラー３０に入射し、第１軸１６又は第２軸２６を回転軸として回動するミラー３０によって走査されてよい。電磁波偏向装置１と照射装置とを組み合わせた構成は、電磁波走査装置とも称される。照射装置は、可視光、赤外光又は紫外光等の種々の光を射出する光源として構成されてもよい。照射装置は、ミリ波又はテラヘルツ波等の種々の電磁波を射出するように構成されてもよい。

　本開示に係る実施形態について説明する図は模式的なものである。図面上の寸法比率等は、現実のものとは必ずしも一致していない。

　本開示に係る実施形態について、諸図面及び実施例に基づき説明してきたが、当業者であれば本開示に基づき種々の変形又は改変を行うことが可能であることに注意されたい。従って、これらの変形又は改変は本開示の範囲に含まれることに留意されたい。例えば、各構成部などに含まれる機能などは論理的に矛盾しないように再配置可能であり、複数の構成部などを１つに組み合わせたり、或いは分割したりすることが可能である。本開示の範囲にはこれらも包含されるものと理解されたい。

　本開示において「第１」及び「第２」等の記載は、当該構成を区別するための識別子である。本開示における「第１」及び「第２」等の記載で区別された構成は、当該構成における番号を交換することができる。例えば、第１軸１６は、第２軸２６と識別子である「第１」と「第２」とを交換することができる。識別子の交換は同時に行われる。識別子の交換後も当該構成は区別される。識別子は削除してよい。識別子を削除した構成は、符号で区別される。本開示における「第１」及び「第２」等の識別子の記載のみに基づいて、当該構成の順序の解釈、小さい番号の識別子が存在することの根拠に利用してはならない。

　本開示において、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸は、説明の便宜上設けられたものであり、互いに入れ替えられてよい。本開示に係る構成は、Ｘ軸、Ｙ軸、及びＺ軸によって構成される直交座標系を用いて説明されてきた。本開示に係る各構成の位置関係は、直交関係にあると限定されるものではない。

　１　電磁波偏向装置
　１０　第１駆動部（１２：第１支持部、１４：第１アクチュエータ、１６：第１軸）
　２０　第２駆動部（２２：第２支持部、２４：第２アクチュエータ、２６：第２軸）
　３０　ミラー（３２：ミラー支持部、３２Ａ：柱状部材）
　４０　基板
　５０　錘

Claims (7)

1. 　電磁波を反射するミラーと、
   　第１軸を傾斜軸として前記ミラーを傾斜させる第１駆動部と、
   　前記第１軸に交差する第２軸を傾斜軸として前記ミラーを傾斜させる第２駆動部と、
   　前記第２駆動部の共振周波数が前記第１駆動部の共振周波数の自然数倍と異なるように前記第１駆動部又は前記第２駆動部の少なくとも一方に配置される錘と、
   を備える電磁波偏向装置。
2. 　前記錘は、前記第２駆動部の共振周波数が前記第１駆動部の共振周波数より低くなるように前記第１駆動部又は前記第２駆動部の少なくとも一方に配置される、
   請求項１に記載の電磁波偏向装置。
3. 　前記第１駆動部は、前記ミラーを支持する第１支持部と、前記第１支持部に配置される第１アクチュエータとを備え、
   　前記錘は、前記第１アクチュエータに重ならないように前記第１支持部に配置される、
   請求項１又は２に記載の電磁波偏向装置。
4. 　前記第２駆動部は、前記第１支持部を支持する第２支持部と、前記第２支持部に配置される第２アクチュエータとを備え、
   　前記錘は、前記第２アクチュエータに重ならないように前記第２支持部に配置される、
   請求項３に記載の電磁波偏向装置。
5. 　前記ミラーは、前記ミラーの反射面に垂直な方向において前記第１アクチュエータ又は前記第２アクチュエータに重複する大きさを有し、
   　前記錘は、前記第１駆動部又は前記第２駆動部の、前記ミラーがある側と反対側の面に配置される、
   請求項４に記載の電磁波偏向装置。
6. 　前記錘は、前記ミラーが所定の振動モードで振動することを阻害するモードで前記第２駆動部が振動しないように前記第２駆動部に配置される、
   請求項１から５までのいずれか一項に記載の電磁波偏向装置。
7. 　請求項１から６までのいずれか一項に記載の電磁波偏向装置と、前記電磁波偏向装置に対して電磁波を入射させる照射装置とを備える、
   電磁波走査装置。
    

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