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技術 駆動装置

出願人 日本信号株式会社
発明者 鈴木純
出願日 2016年7月1日 (4年0ヶ月経過) 出願番号 2016-132110
公開日 2018年1月11日 (2年5ヶ月経過) 公開番号 2018-004972
状態 未査定
技術分野 機械的光走査系 機械的光制御・光スイッチ マイクロマシン 往復動・振動型電動機
主要キーワード 共振ピーク周波数 周期的加 反復回転 回転振幅 変形振動 ねじり弾性 ループ形 相対動
関連する未来課題
重要な関連分野

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図面 (16)

課題

共振の合成を利用することで、高効率、長寿命、高動作周波数駆動装置を提供する。

解決手段

本駆動装置弾性部(トーションバー)上に配置されたコイル部を電磁的周期加振することにより、ベース部、弾性部及びコイル部を定常波状に連成振動させ、この連成振動を利用し、ベース部に支持される被駆動部(ミラー)を前記被駆動部及び前記弾性部により定まる共振周波数とは異なる前記連成振動の周波数で共振回転させる。

概要

背景

ミラー駆動装置は、例えば、スキャナーバーコードリーダープリンティング装置レーザーレーダーディスプレイ網膜走査ディスプレイ精密測定精密加工情報記録再生などの様々な技術分野において利用されている。半導体工程技術によって製造されるMEMSデバイスや、半導体技用微細細加工技術を用いず、金属エッチング、精密金属打ち抜き加工レーザーカット加工等の安価な加工方法を利用した装置がある。所定の画面領域に対して光を走査して反射された光を受光して画像情報を読み取るスキャニング分野、または光源から入射された光を所定の画面領域に対して走査して画像を表示するディスプレイ分野では、微小構造のミラー駆動装置(MEMSミラー駆動装置)が注目されている。

ミラー駆動装置には特許文献1に示されている以下のような駆動装置が知られている。
駆動装置は、ベース部(可動枠)と、回転可能な被駆動部(ミラー)と、前記ベース部と前記被駆動部とを接続し、且つ前記被駆動部を一の方向に沿った軸を中心軸として回転させるような弾性を有する弾性部(トーションバー)と、前記被駆動部及び前記弾性部により定まる共振周波数で前記被駆動部が前記一の方向に沿った軸を中心軸として共振しながら回転するように前記被駆動部を回転させるための微振動を前記ベース部に加える印加部とを備える。

概要

共振の合成を利用することで、高効率、長寿命、高動作周波数の駆動装置を提供する。本駆動装置は弾性部(トーションバー)上に配置されたコイル部を電磁的周期加振することにより、ベース部、弾性部及びコイル部を定常波状に連成振動させ、この連成振動を利用し、ベース部に支持される被駆動部(ミラー)を前記被駆動部及び前記弾性部により定まる共振周波数とは異なる前記連成振動の周波数で共振回転させる。

目的

第2ベース部とコイル部との連成振動により被駆動部の共振周波数を遷移させ、かつ的確に共振の合成を行うことで、前記被駆動をより大きな回転角で回転し、より高効率、低消費電力の駆動装置を提供する

効果

実績

技術文献被引用数
0件
牽制数
0件

この技術が所属する分野

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請求項1

第1ベース部と、第1ベース部によって支持される第2ベース部と、前記第1ベース部と前記第2ベース部とを接続し、且つ前記第2ベース部を他の方向に沿った軸を回転軸として回転させるような弾性を有する第1弾性部と、前記第2ベース部から離間して第1弾性部上に配置されるコイル部と、前記コイル部に対して磁界を付与する磁界付与部と、回転可能な被駆動部と、前記第2ベース部と前記被駆動部とを接続し、且つ前記被駆動部を前記他の方向とは異なる一の方向に沿った軸を回転軸として回転させるような弾性を有する第2弾性部とを備え、前記コイル部からの周期的加振力により前記他の方向に沿って前記第1弾性部、前記第2ベース部、及び前記コイル部は定常波状に変形振動し、前記定常波状の変形振動に起因して前記被駆動部は前記一の方向に沿った軸を回転軸として回転し前記被駆動部の共振周波数は前記被駆動部及び前記第2弾性部より定まる共振周波数とは異なる周波数であることを特徴とする駆動装置

請求項2

前記被駆動部の共振周波数は前記定常波状の変形共振の共振周波数と一致することを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。

請求項3

前記被駆動部の共周波数は前記被駆動部及び前記第2弾性部より定まる共振周波数より高いことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。

請求項4

前記被駆動部の周波数は前記被駆動部及び前記第2弾性部より定まる共振周波数より0.03%から30%高いことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。

請求項5

前記被駆動部の周波数は前記被駆動部及び前記第2弾性部より定まる共振周波数より0.03%から10%高いことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。

請求項6

前記被駆動部の周波数は前記被駆動部及び前記第2弾性部より定まる共振周波数より0.03%から10%低いことを特徴とする請求項1に記載の駆動装置。

請求項7

前記周期的加振力の周波数は前記被駆動部の共振周波数であることを特徴とする請求項1乃至6に記載の駆動装置

請求項8

前記コイル部は単一のコイル部であることを特徴とする請求項1乃至7に記載の駆動装置。

請求項9

前記第1弾性部上に第2のコイル部を備え、前記被駆動部を挟み両側にコイル部を配置したことを特徴とする請求項1乃至7に記載の駆動装置。

請求項10

前記被駆動部を前記一の方向に沿った軸を回転軸として回転させるための周期的加振力を加えるコイル部と、前記被駆動部を他の方向に沿った軸を回転軸として回転させるための加振力を加えるコイル部、を其々一つ備えることを特徴とする請求項9に記載の駆動装置。

技術分野

0001

本発明は、例えばミラー等の被駆動物を回転させるMEMSミラー駆動装置等の駆動装置の技術分野に関する。

背景技術

0002

ミラー駆動装置は、例えば、スキャナーバーコードリーダープリンティング装置レーザーレーダーディスプレイ網膜走査ディスプレイ精密測定精密加工情報記録再生などの様々な技術分野において利用されている。半導体工程技術によって製造されるMEMSデバイスや、半導体技用微細細加工技術を用いず、金属エッチング、精密金属打ち抜き加工レーザーカット加工等の安価な加工方法を利用した装置がある。所定の画面領域に対して光を走査して反射された光を受光して画像情報を読み取るスキャニング分野、または光源から入射された光を所定の画面領域に対して走査して画像を表示するディスプレイ分野では、微小構造のミラー駆動装置(MEMSミラー駆動装置)が注目されている。

0003

ミラー駆動装置には特許文献1に示されている以下のような駆動装置が知られている。
駆動装置は、ベース部(可動枠)と、回転可能な被駆動部(ミラー)と、前記ベース部と前記被駆動部とを接続し、且つ前記被駆動部を一の方向に沿った軸を中心軸として回転させるような弾性を有する弾性部(トーションバー)と、前記被駆動部及び前記弾性部により定まる共振周波数で前記被駆動部が前記一の方向に沿った軸を中心軸として共振しながら回転するように前記被駆動部を回転させるための微振動を前記ベース部に加える印加部とを備える。

先行技術

0004

特許第4958195号 特許公報
特願2014−514403

発明が解決しようとする課題

0005

このような構成を有するミラー駆動装置では、被駆動部(ミラー)及び前記弾性部により定まる共振周波数の加振信号をベース部(可動枠)に印可し、ベース部から被駆動部へ振動を伝播させ、前記共振周波数において、前記被駆動部を共振駆動する例が示されている。しかしながらこのような従来型駆動装置では振動の伝達率が十分ではなく、必要なミラーの回転角を得られない、または大きな消費電力を必要とする等の問題がある。また、ミラーの共振周波数を高くすることができないという問題がある。

0006

このような従来のミラー駆動装置では、ミラー回転角の拡大、低消費電力化等の課題やミラーの共振周波数を高くし、高精細化を図るという課題がある。

課題を解決するための手段

0007

上記課題に鑑み、本発明の駆動装置は、第1ベース部と、第1ベース部によって支持される第2ベース部と、前記第1ベース部と前記第2ベース部とを接続し、且つ前記第2ベース部を他の方向に沿った軸を回転軸として回転させるような弾性を有する第1弾性部と、回転可能な被駆動部(ミラー)と、前記第2ベース部と前記被駆動部とを接続し、且つ前記被駆動部を前記他の方向とは異なる一の方向に沿った軸を回転軸として回転させるような弾性を有する第2弾性部と、前記第1弾性部上に配置されるコイル部と(言いかえれば第1弾性部bにより第2ベース部に離間、接続されるコイル部と)、前記コイル部に対して磁界を付与する磁界付与部とを備え、前記コイル部は前記他の方向に沿って前記第1弾性部a、前記第2ベース部(第2弾性部、被駆動部を含む)、第1弾性部b、前記コイル部及び前記第1弾性部cが連なって定常波状に変形振動し且つ当該変形振動が共振となるように周期的加振力を加え、前記定常波状の変形振動に起因して前記被駆動部は前記一の方向に沿った軸を回転軸として共振回転する。ここで前記被駆動部の共振周波数は前記定常波状の振動により遷移させられ、前記被駆動部及び第2弾性部より定まる共振周波数とは異なる周波数である。

発明の効果

0008

本発明では定常波状の第2ベース部とコイル部との連成振動による周波数の遷移効果及び共振の合成効果を的確に利用したので、より大きな回転角が得られ、より高効率、低消費電力の駆動装置を提供できる。さらに被駆動部(ミラー)の共振周波数を高周波数化し高精細化することができる、という利点がある。

0009

本発明のこのような作用及び利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。

図面の簡単な説明

0010

第1実施例に係るMEMSミラー駆動装置の構成を概念的に示す平面図である。
第1実施例に係るMEMSミラー駆動装置による動作の態様を概念的に示す平面図である。
第1実施例に係るMEMSミラー駆動装置による動作の態様を概念的に示す平面図である。
第1実施例に係るMEMSミラー駆動装置による動作の態様を概念的に示す側面図である。
第1実施例に係るMEMSミラー駆動装置による動作の態様を概念的に示す側面図である。
第2実施例に係るMEMSミラー駆動装置の構成を概念的に示す平面図である。
第2実施例に係るMEMSミラー駆動装置による動作の態様を概念的に示す側面図である。
第3実施例に係るMEMSミラー駆動装置の構成を概念的に示す平面図である。
第3実施例に係るMEMSミラー駆動装置による動作の態様を概念的に示す側面図である。
第4実施例に係るMEMSミラー駆動装置の構成を概念的に示す平面図である。
第4実施例に係るMEMSミラー駆動装置による動作の態様を概念的に示す側面図である。
第5実施例に係るMEMSミラー駆動装置の構成を概念的に示す平面図である。
第5実施例に係るMEMSミラー駆動装置による動作の態様を概念的に示す側面図である。
第6実施例に係るMEMSミラー駆動装置の構成を概念的に示す平面図である。
第6実施例に係るMEMSミラー駆動装置による動作の態様を概念的に示す側面図である。

0011

以下、駆動装置に係る実施形態について順に説明する。
本実施形態の駆動装置は、第1ベース部と、第1ベース部によって支持される第2ベース部と、前記第1ベース部と前記第2ベース部とを接続し、且つ前記第2ベース部を他の方向に沿った軸を回転軸として回転させるような弾性を有する第1弾性部と、回転可能な被駆動部と、前記第2ベース部と前記被駆動部とを接続し且つ前記被駆動部を前記他の方向とは異なる一の方向に沿った軸を回転軸として回転させるような弾性を有する第2弾性部と、前記第1弾性部上に配置されるコイル部と(言いかえれば第1弾性部bにより第2ベース部に離間、接続されるコイル部と)、前記コイル部に対して磁界を付与する磁界付与部とを備え、前記コイル部は前記他の方向に沿って前記第1弾性部a、前記第2ベース部(第2弾性部、被駆動部を含む)、第1弾性部b、前記コイル部及び前記第1弾性部cが連なって定常波状に変形振動し且つ当該変形振動が共振となるように周期的加振力を加え、前記定常波状の変形振動に起因して前記被駆動部は前記一の方向に沿った軸を中心軸として共振回転し、前記定常波状の変形振動により、前記被駆動部の共振周波数は遷移させられ、前記被駆動部の共振周波数は前記被駆動部及び第2弾性部より定まる共振周波数とは異なる。

0012

本実施形態の駆動装置によれば、基礎となる第1ベース部と当該第1ベース部に支持される第2ベース部とが、弾性を有する第1弾性部によって接続されている。更に、第2ベース部と回転可能に支持される被駆動部(例えば、後述するミラー等)とが、弾性を有する第2弾性部によって接続されている。第2ベース部は、第1弾性部のねじり弾性(例えば、第2ベース部を他の方向(例えば、後述のX軸方向)に沿った軸を回転軸として回転させることができるという弾性)によって、一の方向とは異なる(好ましくは直交する)他の方向に沿った軸を回転軸として回転する。従って、第2ベース部と第2弾性部を介して接続されている被駆動部もまた、他の方向に沿った軸を回転軸として(第2ベース部と被駆動部が一体となって)回転する。

0013

加えて、被駆動部は、第2弾性部のねじり弾性により、(例えば、被駆動部を一の方向(後述のY軸方向)に沿った軸を回転軸として回転させることができるという弾性)一の方向に沿った軸を回転軸として回転する。つまり、本実施形態の駆動装置は、一の方向に沿った軸を回転軸とした被駆動部の1軸駆動と、一の方向に沿った軸と他の方向に沿った軸の両方の軸を回転軸とした被駆動部の2軸駆動、を行うことができる。
但し、本実施形態の駆動装置は、被駆動部の多軸駆動(例えば、3軸駆動、4軸駆動・・・)を行ってもよい。

0014

本実施形態では特に、コイル部は、被駆動部から離間して配置され、第1弾性部上に配置される。言い換えれば、コイル部は、第1弾性部bを間に挟んで被駆動部とは離間して配置される。つまり、コイル部は、被駆動部が配置される箇所から所定方向(他の方向、後述のX軸方向)にシフトした位置に配置される。より具体的には、コイル部は、被駆動部の中心が配置される箇所から所定方向にシフトした位置にコイル部の中心(例えば、巻き線の中心)が配置されるように第1弾性部上に配置される。言い換えれば、コイル部は第1弾性部bと第1弾性部cの間に配置される。

0015

加えて本実施形態では第2ベース部と離間してコイル部が配置される。よって特許文献2のように第2ベース部にコイル部が配置される例と比較して、コイル部のゆがみが直接的に第2ベース部のゆがみとなることはない。よって、第2ベース部に支持されている被駆動部の回転特性が第2ベース部のゆがみにより劣化してしまうこともない。言い換えればコイル部にゆがみが発生しても、第2ベース部の不要なゆがみとはならず、被駆動部の好適な回転を維持でき、動作の安定化が可能になる。加えて、コイル部のゆがみが第2ベース部に影響を与えないため、コイル部の剛性を高める必要がなく軽薄な形状とすることも可能となり、より軽量化した高効率な設計が可能となる。

0016

本実施形態の駆動装置では、コイル部に流れる電流に起因した力によって、被駆動部が回転する。言い換えれば、被駆動部が回転するための駆動力は、コイル部と磁界付与部との間の電磁相互作用に起因した電磁力である。

0017

より具体的には、コイル部には、一の方向に沿った軸を回転軸として被駆動部を回転させるための制御電流が供給される。この制御電流は、例えば、一の方向に沿った軸を回転軸として被駆動部が回転する周波数と同一の周波数を有する交流電流であることが好ましい。つまり制御電流は、被駆動部及び第2弾性部及び第1弾性部、コイル部、第2ベース部を含めた後述する連成振動の周波数と同一の周波数を有する交流電流であることが好ましい。一方で、コイル部には、磁界付与部から磁界が付与される。このため、コイル部に供給される制御電流と磁界付与部が付与する磁界との電磁相互作用により、コイル部には、ローレンツ力が発生する。

0018

このローレンツ力によって発生するコイル部の回転力はY軸方向に沿った軸を中心軸としてコイル部をねじる力として第1弾性部に伝達される。そして前記コイル部のねじり力は定常波状の連成振動を発生させる。言い換えれば、コイル部の発生する電磁力は定常波状の第2ベース部とコイル部との連成振動を発生させる。そしてこの連成振動が被駆動部を共振回転させる。

0019

このとき、Y軸方向に沿ったコイル部の回転軸は、Y軸方向に沿った被駆動部の回転軸とは異なっている。具体的には、Y軸方向に沿ったコイル部141の回転軸は、Y軸方向に沿ったミラーの回転軸を基準として、X軸方向に所定距離シフトした位置に存在する。このため、Y軸方向に沿った軸を回転軸とするコイル部141の回転は、Y軸方向に沿った軸を回転軸として被駆動部を直接的に回転させることはない。

0020

ここで前述の連成振動(定常波状の第2ベース部とコイル部との連成振動)について説明する。本実施形態の駆動装置ではコイル部が発生する周期電磁加振力により、各部(第1弾性部、第2ベース部、(被駆動部及び第2弾性部を含む)、コイル部)のバネ弾性及び質量による共振を発生する。この共振において、第1弾性部a、第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)、第1弾性部b、コイル部、及び第1弾性部cは他の方向に沿い、連なって、弦の3倍モードのような変形姿態を示す。

0021

この時、前記連成振動には他の方向に沿って腹及び節が現れる。つまり第1弾性部aは腹となり、第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)は節となり、第1弾性部bは腹となり、コイル部は節となり、第1弾性部cは腹となるようなモードの共振が発生する。このような第1弾性部、第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)及びコイル部の連成された変形振動(以下、第2ベース部とコイル部との連成振動または連成振動と略す。)は、いわゆる定常波状の変形姿態を示し、その腹及び節の位置は実質的には固定されている。

0022

そして、本実施形態の駆動装置では被駆動部の回転共振と前記第2ベース部とコイル部との連成振動(連成共振)が同一の周波数で発生する。更に厳密に言えば、前記第2ベース部とコイル部との連成振動によって前記被駆動部の共振周波数の遷移が行われる。よってこの時の前記被駆動部の共振周波数は、被駆動部及び第2弾性部より定まる共振周波数とは異なる。

0023

加えて、第2ベース部とコイル部との連成振動により、被駆動部の共振周波数の遷移を行ったので、前記被駆動部の共振周波数は典型的には、前記被駆動部及び第2弾性部より定まる共振周波数より高い共振周波数となり、前記被駆動はより大きな回転角で回転し、より高効率、低消費電力の駆動装置が提供できる。従って、本実施形態の駆動装置によれば、同一の電力を用いてねじり振動が印加された場合には、第2ベース部とコイル部との連成振動による被駆動部の共振周波数の遷移を行わない場合に比較して、被駆動部の回転量を増大させることができる。つまり、単位電力当たりの被駆動部の振幅回転振幅であり、実質的には振り角感度)を増大させることができる。

0024

更に、本実施形態の駆動装置では、コイル部が発生する電磁加振力(及びこれに起因したねじり振動)により前記第2ベース部とコイル部との連成振動、つまりは第1弾性部a、第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)、第1弾性部b、コイル部及び第1弾性部cが連なって、他の方向に沿って定常波状に変形し共振振動する場合において、コイル部の回転中心は節に対応する位置にある。ただし、ここでの節の位置とは厳密な意味ではなく節に近い位置と解釈してよい。この時コイル部は回転中心を含む軸(第二弾性部の伸長方向に平行な軸=後述するY軸方向)を回転軸とした回転運動を行う。よって、コイル部が発生する電磁力による駆動力も回転中心を含む軸(第二弾性部の伸長方向に平行な軸=後述するY軸方向)を回転軸とした回転力が好ましい。

0025

そして、コイル部の共振による振動形態加振力の形態を一致させることで、共振を好適に増大させることができる。このようにコイル部に回転力(及び回転力に起因したねじり振動)を加えれば共振を好適に増大させることになり、第2ベース部とコイル部との連成振動を増大させ、その結果被駆動部との共振(連成振動)により、より小さな駆動力でより大きな被駆動部の回転振幅を得ることが可能になる。ただしここで言う上述のコイル部の振動形態と加振力の形態の一致とは厳密な一致でなくともよい、前記回転軸がずれ、例えば回転動並進動が混在しても振幅の増大効果を得ることができる。よってその他設計条件との兼ね合いを考慮し適宜、振動形態と加振力の形態の合致調整を行えばよい。

0026

更に、前記第2ベース部とコイル部との連成振動において第2ベース部上にある振動の節の位置を被駆動部の回転軸に対応する位置、つまりは第2弾性部の回転軸の位置に一致させることが好ましい。このようにすると被駆動部の不要振動(並進動)が抑制され、効率的に被駆動部を回転させることが出来る。ただしここで言う一致とは厳密な一致でなくともよい、その他設計条件との兼ね合いを考慮し適宜節の位置を調整すればよい。

0027

上述の連成振動を実現するために、第1弾性部a、第2ベース部(第2弾性部、被駆動部を含む)、第1弾性部b、コイル部及び第1弾性部cの剛性、質量、長さ、幅等が調整される。具体的には第1弾性部の長さ、幅、形状、断面形状、剛性、第2ベース部の形状、質量、剛性、コイル部の形状、質量、剛性等を調整することが好ましい。これらを調整することで節、腹の位置が適切となり、被駆動部の共振周波数の遷移が行われ、上述の連成振動が好適に実現され、被駆動部の好適な回転が実現される。

0028

本実施形態ではコイル部が単一の場合に、2軸以上の駆動を行うためには2以上の信号の重畳が必要となる。つまり、一の方向に沿った軸周りを担う駆動信号と、他の方向に沿った軸周りを担うための、2つの駆動用信号が必要になり、前記2つの信号を重畳する。よって、2つの信号を重畳した駆動信号がコイル部に供給されるとよい。

0029

本実施形態の駆動装置の他の態様2では、コイル部が発生する電磁加振力により第2ベース部とコイル部との連成振動、つまり第1弾性部a、第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)、第1弾性部b、コイル部、及び前記第1弾性部cが連なって、他の方向に沿って定常波状に変形振動し、連成振動となる場合において、第1弾性部a、は腹となり、第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)は節となり、第1弾性部bは腹(及び節を含む)となり、コイル部は腹となるようなモードの共振が発生する。この時コイル部は腹の位置となっている。そしてコイル部は他の方向及び一の方向の両方に直行する二の方向(Z軸方向)への並進運動を行う。よって、コイル部に加えられる電磁力に起因した駆動力も二の方向(Z軸方向)への並進力が好ましい。

0030

このようにコイル部に二の方向(Z軸方向)への並進力を加えれば、共振姿態と加振力の方向が一致し、共振を好適に増大させることができる。コイル部の共振を好適に増大させることにより、第2ベース部とコイル部との連成振動を増大させ、その結果被駆動部との共振(周波数の遷移効果等を含む)により、より小さな駆動力でより大きな被駆動部の回転振幅を得ることが可能になる。この態様によれば、コイル部の動作は並進運動であり、被駆動部の回転運動とな別の運動となる。言い換えればコイル部の並進運動を用いて、被駆動部の回転運動を得ることが可能になる。

0031

本実施形態の駆動装置の他の態様3では、コイル部が発生する電磁加振力により前記前記第2ベース部とコイル部との連成振動、つまり第1弾性部a、第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)、第1弾性部b、コイル部、及び前記第1弾性部cが連なって、他の方向に沿って定常波状に変形振動し、共振振動となる場合において、第1弾性部a、は腹となり、前記第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)は節となり、前記第1弾性部bは腹(及び節を含む)となり、前記コイル部は節に似たモードの共振となる。この時コイル部は他の方向(トーションバーの軸方向)に沿ってコイル部が他の方向に沿った並進運動を行う形態の動きとなる。よって、コイル部に加えられる電磁力に起因した駆動力も他の方向(トーションバーの軸方向)に沿った並進力が好ましい。

0032

このようにコイル部に他の方向へ他の方向に沿った並進力を加えれば、コイル部の共振による振動姿態と加振力の形態を一致させることができコイル部の共振を好適に増大させることが出来る。そして第2ベース部とコイル部との連成振動を増大させ、その結果被駆動部の共振(周波数の遷移による効果を含む)により、より小さな駆動力でより大きな被駆動部の回転振幅を得ることが可能になる。

0033

さらに、他の方向へ沿った相対力を加えるための磁気回路は(扁平なコイル部に)二の方向に沿った磁界を発生させる形態の磁気回路となり、磁気ギャップを小さく構成することができる。このため小さな磁石で大きな磁界が得られ、さらなる小型化が可能になる。

0034

本実施形態の駆動装置の他の態様4では、コイル部が発生する電磁加振力により前記第2ベース部とコイル部との連成振動、つまり第1弾性部a、第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)、第1弾性部b、コイル部、及び前記第1弾性部cが連なって、他の方向に沿って定常波状に変形振動し、共振振動となる場合において、第1弾性部a、は腹となり、前記第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)は節となり、前記第1弾性部bは腹(及び節を含む)となり、前記コイル部は節に似たモードの共振が発生する。この時コイル部は他の方向(トーションバーの軸方向)に沿ってコイル部の対辺同士が近づいたり離れたりするコイル自体の相対運動となる。よって、コイル部に加えられる電磁力に起因した駆動力も他の方向(トーションバーの軸方向)に沿ってコイル自体の対辺同士が近づいたり離れたりする方向への相対力が好ましい。

0035

このようにコイル部に他の方向へ沿った相対力を加えれば、コイル部の共振による振動姿態と加振力の形態を一致させることができ、コイル部の共振を好適に増大させることが出来る。コイル部の共振を好適に増大させることにより、第2ベース部とコイル部との連成振動を増大させ、その結果被駆動部との共振(周波数の遷移による効果を含む)により、より小さな駆動力でより大きな被駆動部の回転振幅を得ることが可能になる。

0036

さらに、他の方向へ沿った相対力を加えるための磁気回路は(扁平なコイル部)に二の方向に沿った磁界を発生させる形態の磁気回路となり、磁気ギャップを小さく構成することができる。このため小さな磁石で大きな磁界が得られ、さらなる小型化が可能になる。

0037

本実施形態の駆動装置の他の態様5では(駆動源部を増設し)コイル部を2つとし、コイル部は被駆動部を挟んで対象に配置する。このように配置することで、第2ベース部とコイル部との連成振動、つまり第1弾性部a、第2コイル部、第1弾性部b、第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)、第1弾性部b、コイル部、及び前記第1弾性部cが連なって、他の方向に沿って定常波状に変形振動し、共振振動となる場合において、前記第2ベース部(被駆動部及び第2弾性部を含む)は節となり、実質上固定される。言い換えれば、被駆動部を挟んで、対象形となるため、連成振動の振動モードが対称形となり、被駆動部の節位置の調整が容易となる。

0038

本例では追加された2つ目のコイル部の動きをコイル部が回転する例としたが、言うまでもなく、他の態様2〜4に示した、上下動左右動相対動、その他の動き、としてもよい、同様に2つのコイル部の形状は同じでなくともよいし、同じでもよい。この態様5によれば左右対称の配置とすることで、実質的に被駆動部の中心位置と節位置を一致させることが容易になり、設計の自由度を高めることができる。

0039

本実施形態の駆動装置の他の態様6では、駆動源部を増設し、コイル部を被駆動部の両側に配置した例である。右側駆動源部140についてはY軸の方向に沿った軸周りの共振駆動を担う駆動源部とし、付与される磁界はX軸方向に沿った向きとする。左側駆動源部はX軸の方向に沿った軸周りの駆動を担う駆動源部とし、付与される磁界はY軸方向に沿った向きとする。

0040

本態様では右側コイル部の動きをコイル部が回転する例を示したが、言うまでもなく、上下動、左右動、相対動、その他、を組み合わせてもよい。
この態様6によれば磁界付与手段を単純化することにより磁界の磁束密度を高めることができ、より効率的な駆動が可能となる。また左右対称の配置とすることにより態様5と同様の効果も享受することができる。

0041

本実施形態のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施例から明らかにされる。
以上説明したように、本実施形態の駆動装置によれば、第1ベース部と、第1ベース部によって支持される第2ベース部と、前記第1ベース部と前記第2ベース部とを接続し、且つ前記第2ベース部を他の方向に沿った軸を回転軸として回転させるような弾性を有する第1弾性部と、回転可能な被駆動部と、前記第2ベース部と前記被駆動部とを接続し、且つ前記被駆動部を前記他の方向とは異なる一の方向に沿った軸を回転軸として回転させるような弾性を有する第2弾性部と、前記第1弾性部上に配置されるコイル部と(言いかえれば第1弾性部bにより第2ベース部に離間、接続されるコイル部と)、前記コイル部に対して磁界を付与する磁界付与部とを備え、前記コイル部は前記他の方向に沿って前記第1弾性部a、前記第2ベース部(第2弾性部、被駆動部を含む)、第1弾性部b、前記コイル部及び前記第1弾性部cが連なって定常波状に変形振動(連成振動)し且つ当該変形振動が共振となるように周期的加振力を加え、前記定常波状の変形振動に起因して前記被駆動部が前記一の方向に沿った軸を中心軸として共振回転し、前記被駆動部の共振周波数は前記連成振動により遷移され、前記被駆動部の共振周波数は前記被駆動部及び第2弾性部より定まる共振周波数とは異なり(典型的には高い共振周波数に設定され)、前記連成振動による共振の合成効果を的確に利用したので、前記被駆動はより大きな回転角で回転し、より高効率、低消費電力の駆動装置を提供できる。

0042

以下、図面を参照しながら、駆動装置の実施例について説明する。尚、以下では、駆動装置をMEMSミラー駆動装置に適用した例について説明する
(1)第1実施例
初めに、図1から図5を参照して、MEMSミラー駆動装置の第1実施例について説明する。
(1−1)基本構成

0043

図1を参照して、第1実施例のMEMSミラー駆動装置100の基本構成について説明する。図1は、第1実施例のMEMSミラー駆動装置100の基本構成を概念的に示す平面図である。

0044

図1に示すように、第1実施例のMEMSミラー駆動装置100は、第1ベース部110−1と、第1弾性部120a−1、120b−1及び120c−1からなる第1弾性部120と、第2ベース部110−2と、第2弾性部120a−2及び120b−2からなる第2弾性部120−2と、ミラー130と、コイル部141と磁界付与部としての磁極142a〜fを含む駆動源部140とを備えている。

0045

第1ベース部110−1は、内部に空隙を備える枠形状を有している。つまり、第1ベース部110−1は、図1中のY軸方向に延伸する2つの辺と図1中のX軸方向に延伸する2つの辺とを有すると共に、Y軸方向に延伸する2つの辺とX軸方向に延伸する2つの辺とによって取り囲まれた空隙を有する枠形状を有している。図1に示す例では、第1ベース部110−1は、長方形の形状を有しているが、これに限定されることはなく、例えばその他の形状(例えば、正方形等の矩形の形状や円形の形状等)を有していてもよい。また、第1ベース部110−1は、第1実施例のMEMSミラー駆動装置100の基礎となる構造体であって、不図示の基板ないしは支持部材に対して固定されている(言い換えれば、MEMSミラー駆動装置100という系の内部においては固定されている)ことが好ましい。

0046

尚、上述のように図1では、第1ベース部110−1が枠形状を有している例を示しているが、その他の形状を有していてもよいことは言うまでもない。例えば、第1ベース部110−1は、その一部の辺が開口となるコの字型形状を有していてもよい。或いは、例えば、第1ベース部110−1は、内部に空隙を備える箱型形状を有していてもよい。つまり、第1ベース部110−1は、X軸及びY軸によって規定される平面上に分布する2つの面と、X軸及び不図示のZ軸(つまり、X軸及びY軸の双方に直交する軸)によって規定される平面上に分布する2つの面と、Y軸及び不図示のZ軸によって規定される平面上に分布する2つの面とを有すると共に、これらの6つの面によって取り囲まれた空隙を有する箱形状を有していてもよい。或いは、ミラー130が配置される態様に応じて適宜第1ベース部110−1の形状を任意にかえてもよい。

0047

第1弾性部120a−1は、例えばシリコン銅合金鉄系合金、その他金属、樹脂等を材料とするバネ等のような弾性を有する部材である。第1弾性部120a−1は、図1中X軸の方向に延伸するように配置される。言い換えれば、第1弾性部120a−1は、X軸の方向に延伸する長手を有すると共にY軸の方向に延伸する短手を有する形状を有している。但し、後述する共振周波数の設定状況に応じて、第1弾性部120a−1は、X軸の方向に延伸する短手を有すると共にY軸の方向に延伸する長手を有する形状を有していてもよく、その他任意の形状を有していてもよい。第1弾性部120a−1の一方の端部は、第1ベース部110−1の内側の辺115−1に接続される。第1弾性部120a−1の他方の端部は、X軸の方向に沿って第1ベース部110−1の内側の辺115−1に対向する第2ベース部110−2の外側の辺に接続される。

0048

第1弾性部120b−1は、例えばシリコン、銅合金、鉄系合金、その他金属、樹脂等を材料とするバネ等のような弾性を有する部材である。第1弾性部120b−1は、図1中X軸の方向に延伸するように配置される。言い換えれば、第1弾性部120b−1は、X軸の方向に延伸する長手を有すると共にY軸の方向に延伸する短手を有する形状を有している。但し、後述する共振周波数の設定状況に応じて、第1弾性部120b−1は、X軸の方向に延伸する短手を有すると共にY軸の方向に延伸する長手を有する形状を有していてもよい。また、第1弾性部120b−1は任意の形状をしていてもよい、具体的には第2ベース部110−2とコイル部141を接続する形状であって、三角形ひし形台形多角形円型楕円形自由曲線型、その他任意の形状を有していてもよい。第1弾性部120b−1の一方の端部は、X軸の方向に沿って第2ベース部110−2の外側の辺に接続される。第1弾性部120b−1の他方の端部は、X軸の方向に沿ってコイル部141の外側の辺に接続される。

0049

第1弾性部120c−1は、例えばシリコン、銅合金、鉄系合金、その他金属、樹脂等を材料とするバネ等のような弾性を有する部材である。第1弾性部120c−1は、図1中X軸の方向に延伸するように配置される。言い換えれば、第1弾性部120c−1は、X軸の方向に延伸する長手を有すると共にY軸の方向に延伸する短手を有する形状を有している。但し、後述する共振周波数の設定状況に応じて、第1弾性部120c−1は、X軸の方向に延伸する短手を有すると共にY軸の方向に延伸する長手を有する形状を有していてもよく、その他任意の形状を有していてもよい。第1弾性部120c−1の一方の端部は、X軸の方向に沿ってコイル部141の外側の辺に接続される。第1弾性部120c−1の他方の端部は、X軸の方向に沿って第1ベース部110−1の内側の辺116−1に接続される。

0050

第2ベース部110−2は、内部に空隙を備える枠形状を有している。つまり、第2ベース部110−2は、図1中のY軸方向に延伸する2つの辺と図1中のX軸方向(つまり、Y軸に直交する軸方向)に延伸する2つの辺とを有すると共に、Y軸方向に延伸する2つの辺とX軸方向に延伸する2つの辺とによって取り囲まれた空隙を有する枠形状を有している。図1に示す例では、第2ベース部110−2は、長方形の形状を有しているが、これに限定されることはなく、例えばその他の形状(例えば、ひし形や六角形八角形、円形、楕円の形状等)を有していてもよい。

0051

第2ベース部110−2は、第1ベース部110−1の内部の空隙に、第1弾性部120a−1及び120b−1(及びコイル部141、第1弾性部120c−1)によって吊り下げられる又は支持されるように配置される。第2ベース部110−2は、第1弾性部120a−1及び120b−1(及びコイル部141、第1弾性部120c−1)の弾性によって、X軸に沿った方向を中心軸として回転するように構成されている。

0052

第2弾性部120a−2は、例えばシリコン、銅合金、鉄系合金、その他金属、樹脂等を材料とするバネ等のような弾性を有する部材である。第2弾性部120a−2は、図1中Y軸の方向に延伸するように配置される。言い換えれば、第2弾性部120a−2は、Y軸の方向に延伸する長手を有すると共にX軸の方向に延伸する短手を有する形状を有している。但し、後述する共振周波数の設定状況に応じて、第2弾性部120a−2は、Y軸の方向に延伸する短手を有すると共にX軸の方向に延伸する長手を有する形状を有していてもよい。第2弾性部120a−2の一方の端部は、第2ベース部110−2の内側の辺に接続される。第2弾性部120a−2の他方の端部は、Y軸の方向に沿って第2ベース部110−2の内側の辺に対向するミラー130の一方の端部に接続される。

0053

第2弾性部120b−2は、例えばシリコン、銅合金、鉄系合金、その他金属、樹脂等を材料とするバネ等のような弾性を有する部材である。第2弾性部120b−2は、図1中Y軸の方向に延伸するように配置される。言い換えれば、第2弾性部120b−2は、Y軸の方向に延伸する長手を有すると共にX軸の方向に延伸する短手を有する形状を有している。但し、後述する共振周波数の設定状況に応じて、第2弾性部120b−2は、Y軸の方向に延伸する短手を有すると共にX軸の方向に延伸する長手を有する形状を有していてもよい。第2弾性部120b−2の一方の端部は、Y軸の方向に沿って第2ベース部110−2の内側の辺に接続される。第2弾性部120b−2の他方の端部は、Y軸の方向に沿って第2ベース部110−2の内側の辺に対向するミラー130の(120a−2が接続されていない側の)端部に接続される。

0054

ミラー130は、第2ベース部110−2の内部の空隙に、第2弾性部120a−2及び120b−2によって吊り下げられる又は支持されるように配置される。ミラー130は、第2弾性部120a−2及び120b−2の弾性によって、Y軸方向に沿った軸を回転軸として回転するように構成されている。

0055

駆動源部140は、ミラー130をY軸の方向に沿った軸を中心軸として回転させるために必要なねじり振動を、第1弾性部120b−1、第2ベース部110−2、第2弾性部120а−2、第2弾性部120b−2を通してミラー130に加える。すなわち、後述するように、第1弾性部120а−1、第2ベース部110−2(ミラー130、第2弾性部120а−2、120b−2を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、第1弾性部120c−1が連なって定常波状に共振(後述の連成振動)するための加振力を加えることができる。また第2ベース部110−2に対して力を加えることが出来るように構成されてもよい。具体的には第2ベース部110−2に他の方向に沿った軸周りのねじり力を加えることにより、第2ベース部110−2及びこれに接続されるミラー130を回転させる力を加えてもよい。

0056

より具体的には、駆動源部140は、電磁力に起因した力を加える駆動源部であって、コイル部141と、第1ベース部110−1に固定される磁界付与部を形成する磁極142a、142b、142c、142d、142e及び142fとを備える。この場合、コイル部141には、不図示の駆動源部制御回路から所望のタイミングで、所望の電流がコイル部141へ印加され、コイル部141と磁極142a〜142fとの間に電磁相互作用が生ずる。その結果、電磁相互作用による電磁力が発生する。この電磁力はねじり振動として、及び駆動力としてミラー130及び第1弾性部120(120a−1、120b−1、120c−1)等に伝えられる。

0057

コイル部141は、例えば相対的に導電率の高い材料(例えば、金や銅、アルミ等)から構成される巻き線を備える。第1弾性部またはベース部(第1ベース部110−1、第2ベース部110−2)と同じ材質構造材上にメッキ或いは蒸着等で形成してもよい。またはその他の材質の構造材上にメッキ或いは蒸着等或いはエッチング等で形成してもよい。第1実施例では、コイル部141は、矩形の板形状を有している。特に、コイル部141の4つの辺のうちX軸方向に沿った2つの辺の長さが、コイル部141の4つの辺のうちY軸方向に沿った2つの辺の長さよりも短い。つまり、第1実施例では、コイル部141は、長方形状の形状を有している。但し、コイル部141は、任意の形状(例えば、正方形やひし形や平行四辺形や円形や楕円形や多角形やその他の任意のループ形状)を有していてもよい。

0058

コイル部141は、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)から離間して配置され、第1弾性部120上に配置される。言い換えれば、コイル部141は、第1弾性部120b−1を間に挟んで第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)とは離間して配置される。つまり、コイル部141は、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)が配置される箇所から所定方向(他の方向、X軸方向)にシフトした位置に配置される。より具体的には、コイル部141は、第2ベース部110−2の中心(つまりミラー130の回転中心ないし重心)が配置される箇所から所定方向にシフトした位置にコイル部の中心(例えば、巻き線の中心ないし重心)が配置されるように第1弾性部120上に配置される。言い換えれば、コイル部は第1弾性部120b−1と第1弾性部120c−1の間に配置される。加えてコイル部141は第1弾性部120а−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、第1弾性部120c−1がX軸方向に沿って並ぶように第1ベース部110−1の内部に配置される。

0059

コイル部141は第2ベース部110−2に比較して剛性の低い構造としてもよい、具体的には図1における紙面垂直方向のコイル部141部厚みを第2ベース部110−2部に比較して薄くしてもよいし、剛性の低い材料で構成してもよい。または形状的に剛性の低い構造としてもよい。尚ここで言う剛性の低いとはその部品の共振周波数(固有振動数または固有値)が低いと捉えるのが好ましい。例えば、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)の共振周波数(固有振動数)よりも、コイル部141の共振周波数(固有振動数)が低いと捉えるのが好ましい。

0060

磁界付与部は永久磁石及び磁界を誘導するヨーク(鉄等の磁性材料)等で構成され、磁極142a〜磁極142fより磁界をコイル部141に与える。磁極142a〜磁極142fはコイル部141の周囲に配置される。磁極142a及び142bはY軸方向に沿ってコイル部141を挟み込むように配置される。磁極142aが磁界の出射側(N極)になり磁極142bが磁界の入射側(S極)になる例を用いて説明を行うが、言うまでもなく、出射側(N極)と入射側(S極)が入れ替わってもかまわない。同様にX軸の方向に沿ってコイル部141を挟み込むように磁極142c、142e及び磁極142d及び142fが配置される。磁極142c、142dが磁界の出射側(N極)になり磁極142e、142fが磁界の入射側(S極)になる例を用いて説明を行うが、言うまでもなく、出射側(N極)と入射側(S極)が入れ替わってもかまわない。また言うまでもなく、磁極の数は上記数値に限定することなく適宜設定してかまわない。また、永久磁石の代わりに電磁石を用いてもかまわない。

0061

続いて図4を参照して駆動源部140を含めた構成について説明する。
図4は第1弾性部120а−1、第2ベース部110−2(ミラー130、第2弾性部120а−2、120b−2を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、第1弾性部120c−1及び磁極142c〜142fを側面から見た図である。

0062

図4に示すように第1弾性部120а−1、第2ベース部110−2(ミラー130、第2弾性部120а−2、120b−2を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、第1弾性部120c−1が連なり、定常波状に共振する。この時の振動姿態は、ミラー130の中心に対応する位置、つまりは第2ベース部110−2と第2弾性部110−2の接続部に節が現れ、コイル部141の中心位置に節が現れ、また第1弾性部120a−1、120b−1、120c−1に腹が現れる。この共振については動作の態様の項で定常波状の第2ベース部とコイル部との連成振動として詳細に説明するため、ここではその概要の説明にとどめる。
(1−2)MEMSミラー駆動装置の動作

0063

続いて、図2図3図4図5を参照して、第1実施例のMEMSミラー駆動装置100の動作の態様(具体的には、ミラー130を回転させる動作の態様)について説明する。ここに、図2図3は、第1実施例に係るMEMSミラー駆動装置100による動作の態様を概念的に示す平面図である。図4図5は、第1実施例に係るMEMSミラー駆動装置100による動作の態様を概念的に示す側面図である。(磁極142a、142bは省略して示す。)

0064

初めに、ミラー130のX軸の方向に沿った軸を中心軸とした回転について説明する。
第1実施例のMEMSミラー駆動装置100の動作時には、コイル部141には、不図示の駆動源部制御回路から所望のタイミングで、所望の電流が印加され、コイル部141と磁極142a及び142bとの間に電磁相互作用が生ずる。その結果、電磁相互作用による電磁力が発生する。この電磁力はコイル部141をX軸方向に沿った軸を中心軸としてねじる力またはねじり振動として第1弾性部を介し、第2ベース部110−2に伝えられる。

0065

ここで、コイル部141と磁極142aとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は、図2中奥側(紙面奥側)から手前側(紙面手前側)方向である。コイル部141と磁極142bとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は、図4中手前側から奥側方向である。その結果、この電磁力は、第1弾性部120a−1、120b−1及び120c−1の伸長方向(X軸に沿った方向)を回転軸方向として、第1弾性部120a−1、120b−1及び120c−1を回転させたり、コイル部141を回転させたりする。その結果、第2ベース部110−2が、X軸の方向に沿った軸を中心軸として回転し、第2ベース部110−2に支持されているミラー130も上記X軸の方向に沿った軸を中心軸として回転する。

0066

尚、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)は後述するミラー共振周波数よりも低い若しくは高い周波数での回転動作を繰り返してもよい。例えば、第1実施例のMEMSミラー駆動装置100をディスプレイ(或いは、ヘッドマウントディスプレイ)に適用する場合には、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)は、例えばディスプレイの走査周期又はフレームレートに応じた周波数(例えば、60Hz)での回転動作を繰り返してもよい。

0067

或いは、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)は、第2ベース部110−2及びミラー130等の被懸架部並びに第1弾性部120より定まる共振周波数での回転動作を繰り返してもよい。具体的には、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)は、第2ベース部110−2及びコイル部141等の被懸架部並びに第1弾性部120a−1、120b−1及び120c−1に応じて定まる共振周波数で共振するように回転してもよい。例えば、第2ベース部110−2(ミラー130等を含む)及びコイル部141等の被懸架部のX軸に沿った軸回り慣性モーメント(より具体的には、第2ベース部110−2内に備えられる第2弾性部120a−2及び120b−2並びにミラー130の夫々の質量をも加味した第2ベース部110−2という系全体からなる被懸架設部のX軸に沿った軸回りの慣性モーメント)がI1であり且つ第1弾性部120a−1、120b−1及び120c−1を1本のバネとみなした場合のねじりバネ定数がk1であるとすれば、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)は、(1/(2π))×√(k1/I1)にて特定される共振周波数、若しくは共振周波数近傍(或いは、(1/(2π))×√(k1/I1)のN倍(但し、Nは1以上の整数)の共振周波数)で共振するように、X軸の方向に沿った軸を中心軸として回転してもよい。

0068

続いて、図3図4図5を参照して、ミラー130のY軸の方向に沿った軸を中心軸とした回転について説明する。第1実施例のMEMSミラー駆動装置100の動作時には、コイル部141には、不図示の駆動源部制御回路から所望のタイミングで、所望の制御電流が印加される。

0069

制御電流は、Y軸方向に沿った軸を回転軸としてミラー130を回転させるための電流成分を含んでいる。第1実施例では、ミラー130は、ミラー130及び第2弾性部120a−2及び120b−2より定まる共振周波数を第2ベース部110−2とコイル部141との連成振動で遷移させた周波数で共振するように、Y軸方向に沿った軸を回転軸として回転する。

0070

上述のミラー130の共振周波数の遷移については後述する、連成振動における共振周波数の調整方法にて詳細に説明を行う。

0071

ここで、図3に示すように、反時計周りの方向に流れる制御電流がコイル部141に供給されており、磁極142c、142dから磁極142e、142fに向かう磁界がコイル部141に付与されている。コイル部141への電流の印加によって、コイル部141と磁極142c磁極142d、磁極142e及び142fとの間に電磁相互作用が生ずる。

0072

コイル部141と磁極142c、磁極142dとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は、図3中奥側(紙面奥側)から手前側(紙面手前側)方向である。コイル部141と磁極142e、磁極142fとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は図3中手前側から奥側方向である。

0073

言い換えれば、図4に示すように、コイル部141aと磁極142c、磁極142dとの電磁相互作用による電磁力の方向は、図4中、下側から上側方向である。コイル部141bと磁極142e、磁極142fとの電磁相互作用による電磁力の方向は、図4中、上側から下側方向である。つまり、X軸方向に沿って対向するコイル部141の2つの長辺には、相互に異なる方向の電磁力が発生する。言い換えれば、X軸方向に沿って対向するコイル部141の2つの長辺141a、141bには、偶力となる電磁力が発生する。従って、コイル部141は、図4における時計周りの方向に回転する。

0074

一方で、制御電流が交流電流であるため、半周期後には時計周りの方向に流れる制御電流がコイル部141に供給される。従って、コイル部141は、図4における半時計周りの方向に向かって回転する。その結果コイル部141はY軸方向に沿った軸を回転軸として反復回転する。

0075

上述のようなコイル141の反復回転は、Y軸方向に沿った軸を中心軸としたコイル部141のねじり振動として、第1弾性部120及び第2ベース部110−2に伝達され、定常波状の連成振動を発生させる。

0076

このとき、Y軸方向に沿ったコイル部141の回転軸は、Y軸方向に沿ったミラー130の回転軸とは異なっている。具体的には、Y軸方向に沿ったコイル部141の回転軸は、Y軸方向に沿ったミラー130の回転軸を基準として、X軸方向に所定距離シフトした位置に存在する。このため、Y軸方向に沿った軸を回転軸とするコイル部141の回転は、Y軸方向に沿った軸を回転軸としてミラー130を直接的に回転させることはない。言い換えれば、コイル部141は、ミラー130(第2ベース部110−2に支持される)そのものに回転方向ねじれを与える力を加えることに代えて、ミラー130を回転させるための連成振動のエネルギー源として加振力(ねじり振動)を加える。

0077

続いて前記定常波状の第2ベース部とコイル部との連成振動について図4を用いて説明する。コイル部141の発生する回転力により、第1弾性部120a−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1は連なって、他の方向に沿って定常波状に変形振動し、共振となる。言い換えれば、第1弾性部120a−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1は連なって、X軸方向に沿って弦の3倍モードのような姿態で変形振動する。つまり、第1弾性部120a−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1は、そのある一部分が連成振動の腹となり且つその他の一部分が連成振動の節となるような変形振動を示す。

0078

上述の定常波状の連成振動において、コイル部141の中心には節が現れる。第2ベース部110−2の中心つまりはミラー130の回転中心であり、かつ第2弾性部の回転軸の中心には節が現れる。第1弾性部120a−1、120b−1、120c−1には腹が現れる。
つまりコイル部141は定常波状の波における節の位置にあり、そしてコイル部141の発生する(反復回転)力の形態が連成振動におけるコイル部141の動きの形態と一致する。
一方で、ミラー130の回転中心は節の位置にある。このため図4に示すように動きの形態には上下(Z軸に沿った方向)の動きはなく、Y軸の方向に沿った軸を中心とした回転動のみとなる。尚、上述の連成振動は、いわゆる定常波状の変形姿態を示し、その腹及び節の位置は実質的には固定されている。
ただし上述のミラー130またはコイル部141が節の位置にあるとは、厳密に位置しているという意味ではなく、ミラー130またはコイル部141が節に近い位置にあると解釈してよい。節に近いほど効率良く回転すると捉えるのがよい。

0079

このような、第1弾性部120a−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1の連成振動に起因して、ミラー130は回転させられる。
そして、ミラー130の回転共振と前記定常波状の第2ベース部とコイル部との連成振動は同じ周波数で発生する。
更に厳密に言い換えれば、ミラー130の共振周波数は前記第2ベース部とコイル部との連成振動により遷移させられる、その結果ミラー130はミラー130と第2弾性部より定まる共振周波数とは異なる周波数で共振を発生する。この時のミラー130の共振周波数は典型的にはミラー130と第2弾性部より定まる共振周波数より高くなる。更にこの時ミラー130の回転角は連成振動により周波数が遷移させられていない場合と比較して大きくなる傾向がある。

0080

上述の連成振動を実現するために、第1弾性部120a−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1の剛性、質量、長さ等が調整される。具体的には第1弾性部の長さ、断面形状、剛性、第2ベース部110−2の形状、質量、剛性、コイル部141の形状、質量、剛性等を調整してもよい。これらを調整することで節、腹の位置及び共振周波数が適切となり、上述の連成振動が好適に実現され、ミラー130の好適な回転が実現される。

0081

ここで更に詳細に連成振動における共振周波数の調整方法について図4図5を用いて説明を行う。近年では計算技術が発達し、試作を行わなくてもパソコンで等で簡便にシミュレーションが行え、また試作とシミュレーションの値も高い精度で一致するようになった。ここではパソコンでのシミュレーションによる例として連成振動における共振周波数の調整方法、剛性の調整方法について説明する。目標とするミラー130の共振周波数を約25kHzとする。

0082

(調整1)まず、ミラー130及び第2弾性部120−2より定まるミラー130の共振周波数を計算する。ミラー130、第2弾性部(120a−2、120b−2)、第2ベース部110−2を装備し、厚み、直径、長さ、幅等を適切に調整する。そして第2ベース部110−2の境界条件として完全固定を入力する。この状態でシミュレーションソフトにて固有値解析(共振周波数解析)を行えば、ミラー130と第2弾性部120−2により定まるミラー130の共振周波数が計算される。この時ミラー130のY軸方向に沿った回転方向の共振周波数が25kHとなるように各部の寸法を(繰り返し計算により)決定する。

0083

(調整2)次に第1弾性部120a−1、部120b−1及び120c−1、コイル部141、及び第1ベース部110−1を追加装備し、厚み、長さ、幅等を適切に調整する。この状態で今度は第1ベース部−1の境界条件として完全固定を入力すると、第1弾性部120a−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1の回転運動と並進運動の連成された共振周波数及び共振モードが計算される(連成振動)。この時の共振モードが図4のような弦の3倍モードのような変形姿態となるよう各部の寸法(厚み、長さ、幅、大きさ)を調整する。またミラー130の回転軸に対応する位置(ミラーの回転中心)及びコイル部141の回転中心の位置に節が現れるように各部の微調整を行うことが好ましい。

0084

そして上述の振動姿態での共振周波数が25.000kHzと計算されれば、この状態は連成振動の周波数が、ミラー130の共振周波数(ミラー130(被駆動部)及び第2弾性部120で定まる)に合致調整された状態である。

0085

(調整3)しかしながら前述の状態(25.000kHz)が本実施例での最良の状態ではない。次に例えば第1弾性部120b−1の厚みを少々増やした場合を想定する。バネ剛性は厚みの3乗に比例して高くなり質量は厚みの1乗に比例するため(言いかえれば剛性は高くなるが質量は大きくならない)、第1弾性部120b−1を含んだ系の共振周波数は上がり、連成振動の共振周波数は上昇する。

0086

そしてシミュレーションによる計算結果は25.25KHz(連成振動の周波数=被駆動部の周波数)に変化する(第1弾性部120b−1の厚みは調整される)。この時の振動姿態の概念を図5に示す。連成振動の振幅は減少し、ミラーの回転角は大きくなる。そしてこの時ミラー130はミラー130及び第2弾性部120−2より定まる周波数とは異なる周波数で共振することが分かる。

0087

また逆に第1弾性部120b−1の厚みを薄くして同様のシミュレーションをした場合には、先ほどとは逆に連成振動の共振周波数は下がり24.75KHとなり、連成振動の振幅は大きくなり、ミラー130の触れ角は小さくなる。(調整3、終了)

0088

このように本実施例においては、ミラー130はミラー130及び第2弾性部120−2より定まる共振周波数とは異なる共振周波数で共振する。言い換えれば連成振動によりミラー130の共振周波数は遷移する。

0089

また様々な態様の計算によれば、典型的には、ミラー130の共振周波数が連成振動により、高い周波数に遷移させられる場合にミラーの回転角が大きくなる。

0090

尚コイル部141の回転方向とミラー130の回転方向が互いに同じ向きとなる(同相と呼ぶ)場合には、上述の遷移周波数偏差)は大きくなる傾向があり、その偏差は1%から10%程度となる例がある。また図4に示すように、第2ベース部110−2とミラー130の動きが逆向きとなる場合(逆相と呼ぶ)には、上述の偏差は小さく、その偏差は0.03%から2%程度となる例がある。

0091

或いは、1例ではあるが、連成振動の振動モードをより低次のモード、つまりは弦の2倍モードに近い振動モードにした場合、上述の遷移周波数(偏差)は大きくなる傾向があり、30%になる例が確認されている。

0092

また、上述の典型例とは逆に前記ミラー130の共振周波数が連成振動により低く遷移させられることが好適な例もあり、よって前記ミラー130の共振周波数を前記ミラー130及び第2弾性部120−2より定まる周波数よりも低く設定してもよいことを付け加えておく。

0093

ここでミラー130の共振周波数に関し、前記の異なる共振周波数(周波数偏差)について触れておく。MEMS等のシリコン及び金属バネ等で構成される構造物は材料としての減衰が小さく、周波数特性図における共振は鋭く急峻な形状をしている。この共振峰の鋭さを表す数値として代表的なものにQ値がある。前記MEMS及び金属では、Q値が大きく、典型的には1500程度である。ここで、Q値を用いて共振周波数の偏差について説明する。

0094

Q値の定義は、ωを共振ピークでの共振周波数、ω1をωより低い周波数側において振動エネルギーが共振ピークの半値となる周波数、ω2をωより高い周波数側において振動エネルギーが共振ピークの半値となる周波数とすれば、Q値は、Q=ω/(ω2−ω1)で表わされる。ここに前記のω=25000Hz、Q=1500を代入して変形すれば、ω2−ω1=25000/1500=16.67Hzとなる。また共振峰の対称性より、共振ピーク周波数ωとω1(ω2)との差は16.67/2=8.34Hzとなる。つまり駆動装置の周波数特性において、加振共振周波数が共振ピーク周波数ωから8.34Hz離れると、その系の共振エネルギーは半分(回転角は√(0.5))に低下するということになる。8.34Hzは25kHzの0.0334%≒0.03%となる。よって0.03%の共振周波数(ピーク周波数)の偏差によりその共振エネルギーは半分になる。従って共振周波数の0.03%の差は十分な差であると考えてよいことになる。上述の例は共振エネルギーが半分になる場合についての考察例であり、この計算に限らず任意に、前記異なる共振周波数を定めてもよい。

0095

以上説明したように、第1実施例のMEMSミラー駆動装置100はX軸方向に沿った軸を回転軸としてミラー130を回転させることが出来ると同時にY軸方向に沿った軸を回転軸としてミラー130を共振回転させることが出来る。つまり第1実施例のMEMSミラー駆動装置100は2軸駆動を行うことが出来る。

0096

ここでY軸方向に沿った軸を回転軸としてミラー130を回転共振させるための力は直接的にミラー130を回転させる態様ではなく、コイル部に連成振動のエネルギー源として加振力を加えることにより、ミラー130を共振駆動する。

0097

加えて、第1実施例では、ミラー130を保持する第2ベース部110−2とコイル部141の間に第1弾性部120b−1が配置される。このことにより上述の定常波状の連成振動の腹は第1弾性部120b−1に現れる。(言い換えれば第2ベース部110−2は腹ではない)。よって特許文献2(枠駆動ミラー)に示したような第2ベース部110−2の一部を腹にして変形共振する場合と比較して、第2ベース部の変形振動がないため、疲労破壊が起きにくくなり、MEMSミラー駆動装置100の寿命延ばすことが可能となる。

0098

加えて、第2ベース部110−2から離間してコイル部141を配置していることにより、特許文献2に示すようなミラー130の脇にコイル部141が配置される比較例、言い換えれば第2ベース部110−2にコイル部141が配置される形態のMEMSミラー駆動装置と比較して、コイル部141のゆがみは直接的な第2ベース部110−2のゆがみとはならず、ミラー130の支持部である第2弾性部120−2にひずみが及ぶことはなく、ミラー130の回転特性の劣化にはつながることはない。加えて、コイル部141のゆがみが第2ベース部110−2に影響を与えないため、コイル部141の剛性を必要以上に高める必要がなく軽薄かつ大きな形状とすることも可能となる。このため、コイル部141をより軽量化した高効率な設計が可能となる。

0099

特に前記被駆動部の共振周波数は、前記被駆動部及び第2弾性部より定まる共振周波数とは異なる。第2ベース部とコイル部との連成振動により被駆動部の共振周波数を遷移させ、かつ的確に共振の合成を行うことで、前記被駆動をより大きな回転角で回転し、より高効率、低消費電力の駆動装置を提供することが可能となる。
(2)第2実施例
図6図7を参照して、MEMSミラー駆動装置の第2実施例について説明する。
(2−1)基本構成

0100

図6を参照して、第2実施例のMEMSミラー駆動装置101について説明する。図6は、第2実施例のMEMSミラー駆動装置101の基本構成を概念的に示す平面図である。尚、ミラー130のX軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する構成、動作については第1実施例と同様であるため省略し、Y軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する構成、動作について説明する。また上述の第1実施例のMEMSミラー駆動装置100と同一の構成については、同一の参照符号を付することでその詳細な説明を省略する。

0101

図6に示すように、第1実施例のMEMSミラー駆動装置100は、第1ベース部110−1と、第1弾性部120a−1、120b−1及び120c−1と、第2ベース部110−2と、第2弾性部120a−2及び120b−2と、ミラー130と、コイル部141と磁界付与部142からなる駆動源部140とを備えている。基本的な構成は第1実施例と同様であり、磁界の付与の仕方及びこれに起因するコイル部141の動きの方向、そして連成振動の形態が異なっている。
磁極142c〜磁極142fはコイル142の周囲に配置され、磁極142c〜磁極142fから出る磁界はコイル部の外側から内側に向かう方向である。
(2−2)MEMSミラー駆動装置の動作

0102

続いて、図7を参照して、Y軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する動作について説明する。図7は、第2実施例に係るMEMSミラー駆動装置101による動作の態様を概念的に示す側面図である。第1実施例とはコイル部141の位置が異なっており第2実施例ではコイル部141は連成振動の腹の位置に配置される。(尚、ここでいう腹の位置に配置するとは厳密に腹の位置するという意味ではなく。腹に近い位置であるほど効率が良いというように捉えてかまわない。)

0103

コイル部141には、不図示の駆動源部制御回路から所望のタイミングで、所望の電流が印加される。磁極142a〜磁極142fから出る磁界との相互作用によりコイル部141は図中上下方向(Z軸に沿った方向)の駆動力が発生する。この電磁力によって、コイル部141は、上下に往復駆動する。この往復運動はは第2ベース部とコイル部との連成振動を発生させる。つまり第1弾性部120a−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1が連なって定常波状の共振を発生する。コイル部141の電磁力の力の方向と、前記連成振動でのコイル部141の動きの方向を一致させることにより、好適に連成振動の振幅は増大される。そして、第1実施例と同様の原理に基づき共振の節に位置するミラー130を好適に回転させる。

0104

ここで、コイル部141は直接的にミラー130を回転させることはない。言い換えれば、コイル部141は、ミラー130(第2ベース部110−2に支持される)そのものに回転方向のねじれを与える力を加えることに代えて、ミラー130を回転させるための連成振動のエネルギー源として、コイル部141に前記上下方向(Z軸に沿った方向)の加振力を加える。そして、連成振動によりミラー130を回転させる。
よって第2実施例のMEMSミラー駆動装置101は第1実施例と同様に各種の効果を好適に享受することが出来る。
(3)第3実施例
図8図9を参照して、MEMSミラー駆動装置の第2実施例について説明する。
(3−1)基本構成

0105

図8を参照して、第3実施例のMEMSミラー駆動装置102について説明する。図8は、第3実施例のMEMSミラー駆動装置102の基本構成を概念的に示す平面図である。尚、ミラー130のX軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する構成、動作については第1実施例と同様であるため省略し、Y軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する構成、動作について説明する。また上述の第1実施例のMEMSミラー駆動装置100と同一の構成については、同一の参照符号を付することでその詳細な説明を省略する。

0106

図8に示すように、第3実施例のMEMSミラー駆動装置102は、第1ベース部110−1と、第1弾性部120a−1、120b−1及び120c−1と、第2ベース部110−2と、第2弾性部120a−2及び120b−2と、ミラー130と、コイル部141と磁界付与部142からなる駆動源部140とを備えている。基本的な構成は第1実施例と同様であり、磁界の付与の仕方及びこれに起因するコイル部141の動きの方向、これに関連する連成振動の形態が異なっている。
図9に示すように磁極142c、142dはコイル部の上方に、磁極142e、142fはコイル部の下方に配置される。磁界は磁極142eから磁極142cへ下から上の方向へ向かい、磁極142dから磁極142fへ上から下の方向へ向かう。
(3−2)MEMSミラー駆動装置の動作

0107

続いて、図9、を参照して、Y軸の方向に沿った軸を中心とした回転動作について説明する。図9は、第3実施例に係るMEMSミラー駆動装置102による動作の態様を概念的に示す側面図である。第1実施例とは、コイル部141に発生する振動のモードが異なっている。

0108

コイル部141には、不図示の駆動源部制御回路から所望のタイミングで、所望の電流が印加される。磁極142a〜磁極142fから出る磁界との相互作用によりコイル部141には第1弾性部の軸方向(X軸に沿った方向)に沿った駆動力が発生する。第1弾性部120a−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1よりなる連成振動の節近傍の位置にコイル部141があり、コイル部141には第1弾性部の軸方向(X軸に沿った方向)に沿った動きが発生する、コイル部141の電磁力による力の方向と、前記連成振動でのコイル部141の動きの方向が一致し、第1実施例、第2実施例と同様に連成振動が形成され、ミラー130が回転する。

0109

本実施例においても、コイル部141は直接的にミラー130を回転させるわけではなく、連成振動のエネルギー源としてコイル部141にX軸に沿った方向の並進動としての加振力を加える。
よって第3実施例のMEMSミラー駆動装置102は第1実施例と同様に各種の効果を好適に享受することが出来る。
(4)第4実施例
図10図11を参照して、MEMSミラー駆動装置の第2実施例について説明する。
(4−1)基本構成

0110

図10を参照して、第4実施例のMEMSミラー駆動装置103について説明する。図10は、第4実施例のMEMSミラー駆動装置103の基本構成を概念的に示す平面図である。尚、ミラー130のX軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する構成、動作については第1実施と同様であるため省略し、Y軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する構成、動作について説明する。また上述の第1実施例のMEMSミラー駆動装置100と同一の構成については、同一の参照符号を付することでその詳細な説明を省略する。

0111

図10に示すように、第4実施例のMEMSミラー駆動装置100は、第1ベース部110−1と、第1弾性部120a−1、120b−1及び120c−1と、第2ベース部110−2と、第2弾性部120a−2及び120b−2と、ミラー130と、コイル部141と磁界付与部142からなる駆動源部140とを備えている。基本的な構成は第1実施例と同様であり、磁界の付与の仕方及びこれに起因するコイル部141の動きの方向、これに関連する連成振動の形態が異なっている。
図11に示すように磁極142cはコイル部の上方に、磁極142eはコイル部の下方に配置される。磁界は磁極142eから磁極142fへ下から上へ向かう方向である。
(4−2)MEMSミラー駆動装置の動作

0112

続いて、図11、を参照して、ミラー130のY軸の方向に沿った軸を中心とした回転動作について説明する。図11は、第4実施例に係るMEMSミラー駆動装置103による動作の態様を概念的に示す側面図である。第1実施例とはコイル部141に発生する振動のモードが異なっている。
コイル部141には、不図示の駆動源部制御回路から所望のタイミングで、所望の電流が印加される。磁極142c、磁極142eから出る磁界との相互作用によりコイル部141aは図中左右方向、141bは図中右左方向の駆動力が発生し、コイル部の対辺同士が逆方向に相対変位する力を受ける。この結果コイル部141にはコイル自身がX軸方向に伸長収縮する力が発生する。

0113

第1弾性部120a−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1よりなる連成振動の節近傍の位置にコイル部141があり、コイル部141にはX軸方向の動きが発生する。よってコイル部141の電磁力による力の方向と、前記連成振動でのコイル部141の動きの方向が一致し、好適に共振が増大される。

0114

本実施例においても、コイル部141は直接的にミラー130を回転させるわけではなく、連成振動のエネルギー源として前記相変位する力を加えることによりミラー130を共振駆動する。
よって第4実施例のMEMSミラー駆動装置100は第1実施例と同様に各種の効果を好適に享受することが出来る。
(5)第5実施例
図12図13を参照して、MEMSミラー駆動装置の第5実施例について説明する。
(5−1)基本構成及び動作

0115

図12は、第5実施例のMEMSミラー駆動装置104の基本構成を概念的に示す平面図である。図13は、第5実施例のMEMSミラー駆動装置104の基本動作を概念的に示す側面図である。

0116

第5実施例は第1実施例に比較して、駆動源部150を増設し、コイル部を2つとし、ミラー130の両側に配置した例である。第1弾性部120は120b2−1を追加し、第1弾性部120a−1、120b2−1、120b−1及び120c−1よりなる。コイル部151は、コイル部141の縦長の長方形に対し正方形に近い形状である。言うまでもなく、第1実施例と同様にコイル部151は任意の形状をしていてもよい。

0117

第1弾性部120a−1の一方の端部は、第1ベース部110−1の内側の辺115−1に接続される。第1弾性部120a−1の他方の端部は、X軸の方向に沿ってコイル部151の左側の辺に接続される。 第1弾性部120b2−1の一方の端部はX軸の方向に沿ってコイル部151の右側の辺に接続される。第1弾性部120b2−1の他方の端部は第2ベース部110−2の外側の辺に接続される。第1弾性部120b−1の一方の端部は、X軸の方向に沿って第2ベース部110−2の外側の辺に接続される。第1弾性部120b−1の他方の端部は、X軸の方向に沿ってコイル部141の外側の辺に接続される。第1弾性部120c−1の他方の端部は、X軸の方向に沿って第1ベース部110−1の内側の辺116−1に接続される。

0118

第2ベース部110−2は、第1ベース部110−1の内部の空隙に、第1弾性部120b2−1及び120b−1(及びコイル部141、150、第1弾性部120a−1、120c−1)によって吊り下げられる又は支持されるように配置される。第2ベース部110−2は、第1弾性部120b2−1及び120b−1(及びコイル部141、150、第1弾性部120a−1、120c−1)の弾性によって、X軸に沿った方向を中心軸として回転するように構成されている。

0119

コイル151を含む駆動源部150の基本構成は駆動源部140と同様である。また上述の第1実施例のMEMSミラー駆動装置100と同一の構成については、同一の参照符号を付することでその詳細な説明を省略する。

0120

尚、ミラー130のX軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する動作に関し、駆動源部140が駆動するコイル部141と駆動源部150が駆動するコイル部151は同相の駆動としてもよく、基本的な動作については第1実施例と同様であるため省略する。

0121

次に、Y軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する構成、動作について説明する。不図示の駆動源部制御回路から所望の制御電流が印加され、駆動源部の磁界付与部とコイル部との電磁相互作用によりコイル部141、151には回転力が発生する。

0122

前記回転力はY軸方向に沿った其々の軸を中心軸としてコイル部141,151をねじる力として第1弾性部120に伝達され、図13に示すように、第1弾性部120a−1、コイル部151、第1弾性部120b2−2、第2ベース部110−2(ミラー130、第2弾性部120a−2、120a−2を含む)第1弾性部120b−1、コイル部141、第1弾性部120c−1が連なって定常波状の連成振動を発生する。そしてこの連成振動がミラー130の共振周波数を遷移させ、回転振幅を増大させる。

0123

ここでのミラー130の共振回転、及び回転振幅増大の原理は第1実施例と同様であるが、第1実施例と異なる点は、ミラー130を挟んでコイル部141,151が左右対称配置となっていることである。このため連成振動の中心である節の位置はミラー中心と一致する。よって容易に好適な定常波状の連成振動を形成することが可能となる。

0124

本実施例では右側コイル部141の動きを第1実施例と同様のコイルに回転力を加える例としたが、言うまでもなく、第2実施例〜4に示した、回転、上下動、左右動、相対動、その他の動きとしてもよい、同様にコイル151もコイル部に回転力が加わるタイプ以外としてもよく、左右別々の駆動態様の組み合わせとしてもよい。

0125

特に第5実施例ではミラー130を挟みコイル部を左右対称に配置したため、前記連成振動の振動モードがミラー130を中心として対称形となるため、ミラー130の節の位置調整が容易となっている。言い換えれば左右対称配置とすることにより、自然にミラー中心位置に節が来る連成モードが形成出来る。

0126

本実施例においても、コイル部141及びコイル部151は直接的にミラー130を回転させるわけではなく、コイル部に連成振動のエネルギー源として加振力(回転、上下動左右動、相対動、その他動き)を加えることによりミラー130を共振駆動する。
よって第5実施例のMEMSミラー駆動装置104は第1実施例〜第4実施例と同様に各種の効果を好適に享受することが出来る。
(6)第6実施例
図14、を参照して、MEMSミラー駆動装置の第6実施例について説明する。
(6−1)基本構成及び動作

0127

図14は、第6実施例のMEMSミラー駆動装置105の基本構成及び動作を概念的に示す平面図である。図15は、第6実施例のMEMSミラー駆動装置105の基本動作を概念的に示す側面図である。上述の第1実施例のMEMSミラー駆動装置100と同一の構成については、同一の参照符号を付することでその詳細な説明を省略する。

0128

第6実施例は第1実施例と比較し、駆動源部160を増設しコイル部を2つとし、ミラー130の両側に配置した例である。右側駆動源部140についてはY軸の方向に沿った軸を中心とした回転を担う駆動源部とし、磁極は142c〜142fとする。駆動源部160はX軸の方向に沿った軸を中心とした回転を担う駆動源部とし、磁極は162a、162bとする。本実施例ではコイル部141の動きを第1実施例と同様のコイル部に回転力を加える例としたが、言うまでもなく、第2実施例〜4に示した、コイル部に対し、上下動、左右動、相対動、その他を与えてもよい。またコイル部の形状も第1実施例と同様に任意の形状としてもよい。

0129

このように構成したため本実施例の動作については、左側コイル部161にてX軸の方向に沿った軸を中心とした回転を担う駆動を行い、右側コイル部141にて、Y軸の方向に沿った軸を中心とした回転の共振駆動を担う。

0130

初めに、図14、を参照して、第6実施例のMEMSミラー駆動装置105に関し、ミラー130のX軸の方向に沿った軸を中心軸とした回転動作について説明する。
コイル部161には、不図示の駆動源部制御回路から所望のタイミングで、図中左回りの電流が印加され、コイル部161と磁極162a及び162bとの間に電磁相互作用が生ずる。その結果、電磁相互作用による電磁力が発生する。

0131

ここで、コイル部161と磁極162aとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は、図14中奥側(紙面奥側)から手前側(紙面手前側)方向である。コイル部161と磁極162bとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は、図14中手前側から奥側方向である。その結果、この電磁力は、第1弾性部120a−1、120b2−1、120b−1及び120c−1の伸長方向(X軸に沿った方向)を回転軸方向として、第1弾性部120a−1、120b2−1、120b−1及び120c−1を回転させたり、コイル部161を回転させたりする。その結果、第2ベース部110−2が、X軸の方向に沿った軸を中心軸として回転し、第2ベースに支持されているミラー130も上記X軸の方向に沿った軸を中心軸として回転する。

0132

尚、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)は後述するミラー共振周波数よりも低い若しくは高い周波数での回転動作を所定の角度の範囲内で繰り返してもよい。例えば、第6実施例のMEMSミラー駆動装置105をディスプレイ(或いは、ヘッドマウントディスプレイ)に適用する場合には、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)は、例えばディスプレイの走査周期又はフレームレートに応じた周波数(例えば、60Hz)での回転動作を繰り返してもよい。

0133

或いは、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)は、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)及びコイル部160、等の被懸架部並びに第1弾性部120より定まる共振周波数での回転動作を所定の角度の範囲内で繰り返してもよい。尚厳密には上記共振周波数はコイル部140のX軸周りのバネ性及び慣性質量、その他の影響を加味した値になるがここでは省略して表現する。

0134

次に、ミラー130のY軸の方向に沿った軸を中心とした回転(共振駆動)に関する動作について説明する。図15は、第6実施例に係るMEMSミラー駆動装置105による動作の態様を概念的に示す側面図である。(磁極162a、162bは省略して示す。)第6実施例のMEMSミラー駆動装置100の動作時には、コイル部141には、不図示の駆動源部制御回路から所望のタイミングで、所望の制御電流が印加される。

0135

制御電流は、Y軸方向に沿った軸を回転軸としてミラー130を回転させるための電流成分を含んでいる。

0136

ここで、図14に示すように、反時計周りの方向に流れる制御電流がコイル部141に供給されており、磁極142c、142dから磁極142e、142fに向かう磁界がコイル部141に付与されている。コイル部141への電流の印加によって、コイル部141と磁極142c磁極142d、磁極142e及び142fとの間に電磁相互作用が生ずる。

0137

その結果、電磁相互作用による電磁力が発生する。コイル部141と磁極142c、磁極142dとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は、図14中奥側(紙面奥側)から手前側(紙面手前側)方向である。コイル部141と磁極142e、磁極142fとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は図3中手前側から奥側方向である。

0138

よって、X軸方向に沿って対向するコイル部141の2つの長辺141a、141bには、偶力となる電磁力が発生する。従って、コイル部141は、図15における時計周りの方向に回転する。

0139

一方で、制御電流が交流電流であるため、半周期後には時計周りの方向に流れる制御電流がコイル部141に供給される。従って、コイル部141は、図4における半時計周りの方向に向かって回転する。

0140

このような電磁力によって、コイル部141は、Y軸方向に沿った軸を回転軸として反復回転する。コイル部141の反復回転力はY軸方向に沿った軸を中心軸として、コイル部141の反復ねじり力として第1弾性部120、第2ベース部110−2及びコイル部160に伝達され、後述する定常波状の連成振動を発生させる。

0141

このとき、Y軸方向に沿ったコイル部141の回転軸は、Y軸方向に沿ったミラー130の回転軸とは異なっている。具体的には、Y軸方向に沿ったコイル部141の回転軸は、Y軸方向に沿ったミラー130の回転軸を基準として、X軸方向に所定距離シフトした位置に存在する。このため、Y軸方向に沿った軸を回転軸とするコイル部141の回転は、Y軸方向に沿った軸を回転軸としてミラー130を直接的に回転させることはない。言い換えれば、コイル部141は、ミラー130(第2ベース部110−2に支持される)そのものに回転方向のねじれを与える力を加えることに代えて、ミラー130を回転させるための後述する連成振動のエネルギー源として加振力を加える。

0142

続いて上記の定常波状の第2ベース部とコイル部との連成振動(連成共振)について図15を用いて説明する。コイル部141の発生する反復回転力により、第1弾性部120a−1、コイル部161、第1弾性部120b2−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1は連なって、他の方向に沿って定常波状に変形振動し、共振振動となる。言い換えれば、第1弾性部120a−1、コイル部161、第1弾性部120b2−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1は連なって、弦の4倍モードのようにX軸方向に沿って波打つように変形振動する。つまり、第1弾性部120a−1、コイル部161、第1弾性部120b2−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1は、そのある一部分が連成振動の腹となり且つその他の一部分が連成振動の節となるような変形振動を示す。

0143

前記連成振動に起因して、ミラー130は回転させられる。
つまり、ミラー130の回転共振と前記定常波状の第2ベース部とコイル部との連成振動は同じ周波数で発生する。
更に厳密に言い換えれば、ミラー130の共振周波数は前記第2ベース部とコイル部との連成振動により遷移させられる、その結果ミラー130はミラー130と第2弾性部より定まる共振周波数とは異なる周波数で共振を発生する。この時のミラー130の共振周波数は典型的にはミラー130と第2弾性部より定まる共振周波数よりわずかに高くなる。更にこの時ミラー130の回転角は連成振動により周波数が遷移させられていない場合と比較して大きくなる傾向がある。

0144

ここで、Y軸方向に沿った軸を回転軸とするコイル部141の回転と、X軸方向に沿った第1弾性部120、コイル部161、第2ベース部及びコイル部141の定常波状の連成振動と、Y軸方向に沿った軸を回転軸とするミラー130の回転の関係について、図15を参照しながらより詳細に説明する。

0145

図15に示すような前述の連成振動においてコイル部141の中心は節の位置にある。第2ベース部110−2の中心つまりはミラー130の回転中心であり、かつ第2弾性部の回転軸の中心は節となる。第1弾性部120a−1、120b−1、120c−1は腹の位置となる。つまりコイル部141は定常波状の波における節の位置にあり、コイル部141が発生する力の形態が連成振動におけるコイル部141の動きに一致する。そしてミラー130は節の位置にあるため図中の上下の動きはなく、Y軸の方向沿った回転軸周りの回転のみとなるため、効率的に回転力を享受し回転させられる。尚、上述の連成振動は、いわゆる定常波状の変形姿態を示し、その腹及び節の位置は実質的には固定されている。ただし上述のミラー130またはコイル部141が節の位置にあるとは、厳密に位置しているという意味ではなく、ミラー130またはコイル部141が節に近い位置にあると解釈してよい。節に近いほど効率良く回転すると捉えるのがよい。

0146

また上述の連成振動において、中心にはミラー130(第2ベース部110−2)がありその両側にコイル部161,141が位置しており、ミラー130を中心として各部材、すなわち第1弾性部120a−1、コイル部161、第1弾性部120b2−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1は点対象の配置となっている。よってその中心であるミラー中心の位置と節の位置を合致させることが容易となる。

0147

上述の連成振動を実現するために、第1弾性部120a−1、コイル部161、第1弾性部120b2−1、第2ベース部110−2(第2弾性部120a−2、120b−2及びミラー130を含む)、第1弾性部120b−1、コイル部141、及び第1弾性部120c−1の剛性、質量、長さ、幅、形状等が調整される。具体的には第1弾性部の長さ、幅、形状、断面形状、剛性、第2ベース部110−2の形状、質量、剛性、コイル部141、161の形状、質量、剛性等を調整してもよい。これらを調整することで節、腹の位置及び周波数が適切となり、上述の連成振動が好適に実現され、ミラー130の好適な回転が実現される。

0148

尚、図15に示すように、典型的には、第2ベース部110−2とミラー130の動きは逆向きとなるため、コイル部141の回転方向とミラー130の回転方向とは、互いに同じ向きとなる。ただし上述の共振モードは一例であって、他の共振モード、(例えば第2ベースとミラーが同じ向きのモード、更に多くの節を持つ高次のモード)であってもかまわない。

0149

本実施例においても、ミラー130のX軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する動作については第1実施例と同様に直接的なねじり力により駆動するが、Y軸に沿った方向の回転軸を中心とした回転に関する動作については、コイル部141は直接的にミラー130を回転させるわけではなく、ミラー130を回転させるための連成振動のエネルギー源として、コイル部141に加振力を加える。
よって第6実施例のMEMSミラー駆動装置105は第1実施例と同様に各種の効果を好適に享受することが出来る。

実施例

0150

尚、上述した第1実施例のMEMSミラー駆動装置100から第6実施例のMEMSミラー駆動装置105は、例えば、ヘッドアップディスプレイや、ヘッドマウントディスプレイや、網膜走査ディスプレイや、レーザスキャナや、レーザプリンタや、走査型駆動装置等の各種電子機器に対して適用することができる。従って、これらの電子機器もまた、本発明の範囲に含まれるものである。
また、本発明は、請求の範囲及び明細書全体から読み取るこのできる発明の要旨又は思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴う駆動装置もまた本発明の技術思想に含まれる。

0151

101〜105MEMSミラー駆動装置
110−1 第1ベース部
110−2 第2ベース部
120 第1弾性部
120−2 第2弾性部
120a−1、120b−1 、120b2−1、120c−1 第1弾性部
120a−2、120b−2 第2弾性部
130ミラー
140駆動源部
141コイル部
142a、142b、142c、142d、142e、142f磁極
150 駆動源部
151 コイル部
152a、152b、152c、152d、152e、152f 磁極
160 駆動源部
161 コイル部
162a、162b 磁極

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