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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11月14日 (3年7ヶ月経過) 出願番号 2016-221975
公開日 2018年5月24日 (2年1ヶ月経過) 公開番号 2018-081155
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
主要キーワード 反復力 ミラー支持枠 仮想回転軸 変形振動 ループ形 逆相モード 同相モード ミラー回転角
関連する未来課題
重要な関連分野

この項目の情報は公開日時点(2018年5月24日)のものです。
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図面 (6)

課題

ミラーに対し点対称に配置した2つのコイルを用い、小型で単純構成の大きな振り角を発生するミラー駆動装置を提供する。

解決手段

一の方向に沿った磁界を付与する磁界付与部とミラーを挟んで点対象に配置される2つのコイル部と、前記磁界付与部とコイル部による電磁相互作用により、前記一の方向とほぼ直交する他の方向に沿った2つの軸まわり回転力を発生させ、前記コイル部の発生する互いに平行な2つの軸まわりの回転力の合力により、ミラーを一の方向に沿った軸まわりに共振回転させ、他の方向に沿った軸周りに回転させる。

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の実施形態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。
第1の揺動体と、前記第1の揺動体を第1のトーションスプリングにより第1の回転軸のまわりにねじり回転可能に支持する第2の揺動体と、前記第2の揺動体を第2のトーションスプリングにより前記第1の揺動体の第1の回転軸と角度を成す第2の回転軸の回りにねじり回転可能に支持する支持体と、前記第2の揺動体に配置されるコイルと、前記コイルに電流信号印加する電流印加手段と、前記コイルに磁場を作用させる磁場発生手段と、を有する揺動体装置であって、前記コイルが、前記第1の揺動体を周回せず、且つ前記第1及び第2の回転軸の延長線により4分割された前記第2の揺動体の、前記4分割された領域のうち一対の対角な位置関係にある領域に設けられる。

概要

ミラーに対し点対称に配置した2つのコイルを用い、小型で単純構成の大きな振り角を発生するミラー駆動装置を提供する。一の方向に沿った磁界を付与する磁界付与部とミラーを挟んで点対象に配置される2つのコイル部と、前記磁界付与部とコイル部による電磁相互作用により、前記一の方向とほぼ直交する他の方向に沿った2つの軸まわり回転力を発生させ、前記コイル部の発生する互いに平行な2つの軸まわりの回転力の合力により、ミラーを一の方向に沿った軸まわりに共振回転させ、他の方向に沿った軸周りに回転させる。

目的

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、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、前記一の方向に沿った磁界を付与する磁界付与部と、前記第2ベース部上に配置され前記被駆動部を挟んで点対象に配置される二つのコイル部と、前記二つのコイル部の各々は前記磁界付与部の発生する磁界との電磁相互作用によって前記他の方向に沿った軸を回転軸とする回転力を発生し、前記被駆動部は前記他の方向に沿った軸を回転軸として回転し、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とを特徴とするミラー駆動装置

請求項2

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、前記一の方向に沿った磁界を付与する磁界付与部と、前記第2ベース部上に配置され前記被駆動部を挟んで点対象に配置される二つのコイル部と、前記二つのコイル部の各々は前記磁界付与部の発生する磁界との電磁相互作用によって前記他の方向に沿った軸を回転軸とする回転力を発生し、前記第2ベース部及び前記第1弾性部は前記他の方向に沿って定常波状に共振し、この共振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駆動され、前記被駆動部は前記他の方向に沿った軸を回転軸として回転されることを特徴とするミラー駆動装置。

請求項3

前記被駆動部を挟んで点対象に配置される2つのコイル部の2次元対称基準点ミラーの中心であることを特徴とする請求項1及び請求項2に記載のミラー駆動装置。

請求項4

前記第2ベース部上に被駆動部を取り囲む第3のコイルを有することを特徴とする請求項1乃至請求項3に記載のミラー駆動装置

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の実施形態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。
第1の揺動体と、前記第1の揺動体を第1のトーションスプリングにより第1の回転軸のまわりにねじり回転可能に支持する第2の揺動体と、前記第2の揺動体を第2のトーションスプリングにより前記第1の揺動体の第1の回転軸と角度を成す第2の回転軸の回りにねじり回転可能に支持する支持体と、前記第2の揺動体に配置されるコイルと、前記コイルに電流信号印加する電流印加手段と、前記コイルに磁場を作用させる磁場発生手段と、を有する揺動体装置であって、前記コイルが、前記第1の揺動体を周回せず、且つ前記第1及び第2の回転軸の延長線により4分割された前記第2の揺動体の、前記4分割された領域のうち一対の対角な位置関係にある領域に設けられる。

先行技術

0004

特開2008−203497
特願2014−514403

発明が解決しようとする課題

0005

しかしながらこのような構成を有する従来型駆動装置では、コイルに対向配置される磁場発生手段の磁束密度が十分でなく、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。また特許文献2の第2実施例に示されるような互いに直交する2つの軸周りにミラーを回転させる2軸ミラーの場合には、コイルに対して他の方向に沿った磁界を付与する磁石と、他の方向に直交する一の方向に沿った磁界を付与する磁石とが必要になる。従って、異なる方向に沿った2種類の磁界を付与する2種類の磁石が必要になる。また前記2種類の磁界の代わりに斜め約45度の磁界を付与する例もあるが、斜め方向の磁場を必要とするため、MEMSスキャナの構成が相対的に複雑になってしまうという技術的問題点が生ずる。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、小型化、低コスト化の課題がある。

課題を解決するための手段

0006

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、前記一の方向に沿った磁界を付与する磁界付与部と、前記第2ベース部上に配置され前記被駆動部を挟んで点対象に配置される2つのコイル部と、前記コイル部の各々は前記磁界付与部の発生する磁界によって前記他の方向に沿った2つの軸を回転軸とする回転力を発生する。このようにコイル部を配置したことで、他の方向に平行かつシフトした回転軸を持つ前記2つのコイル部の作る回転合力は、前記回転軸に対し斜めの軸まわりの回転力を形成する。言いかえれば前記2つのコイルの回転合力の擬似的な回転軸は前記他の方向に対して傾いた軸を持つ。このような擬似的な傾いた軸まわりの回転力により、前記被駆動部は前記他の方向に沿った軸まわりに回転駆動され、前記一の方向に沿った軸まわりに共振回転される。
更に第2ベース部を変形共振させる態様においては、前記第2ベース部と前記第1弾性部の定常波状の変形振動により、共振の重ね合わせが行われ、前記被駆動部はより大きな回転角で回転する。

発明の効果

0007

本発明では互いにオフセットした平行な2つのコイルの回転合力を利用し、擬似的に斜めの回転軸を持つ回転力を発生させ、ミラーを2軸に駆動する。上記互いにオフセットした平行な回転軸を持つ2つのコイルに与える磁束は、コイルの回転軸に直交し、(静止時の)ミラー面と平行な方向の磁束である。よって単純で短磁路の磁場発生手段で構成が可能となり、高い磁束密度の付与が可能となる。その結果回転角の大きな2軸ミラーを提供することができる。

0008

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

0009

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、コイルに対して反時計周りに流れる制御電流が供給された場合に発生する駆動力を示す側面図である。
第1実施例に係る、コイルに対して反時計周りに流れる制御電流が供給された場合に発生する駆動力、回転軸及び合成された回転軸を示す平面図である。
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。

0010

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、前記一の方向に沿った磁界を付与する磁界付与部と、前記第2ベース部上に配置され前記被駆動部を挟んで点対象に配置される2つのコイル部と、前記コイル部の各々は前記磁界付与部の発生する磁界によって前記他の方向に沿った2つの軸を回転軸とする回転力を発生する。このようにコイル部を配置したことで、他の方向に平行かつシフトした回転軸を持つ前記2つのコイル部の作る回転合力は、前記回転軸に対し斜めの軸まわりの回転力を形成する。言いかえれば前記2つのコイルの回転合力の擬似的な回転軸は前記他の方向に対して傾いた軸を持つ。このような擬似的な傾いた軸まわりの回転力により、前記被駆動部は前記他の方向に沿った軸まわりに回転駆動され、前記一の方向に沿った軸まわりに共振回転される。
更に第2ベース部を変形共振させる態様においては、前記第2ベース部と前記第1弾性部の定常波状の変形振動により、共振の重ね合わせが行われ、前記被駆動部はより大きな回転角で回転する。

0011

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4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

0012

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。

0013

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及び120b−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、第1コイル部141及び第2コイル部151からなるコイル部と、磁界付与部としての磁極142a、142bを含む駆動源部140及び磁極152a、152bを含む駆動源部150とを備えている。

0014

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。

0015

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。

0016

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。

0017

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く、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軸の方向に沿って第1ベース部110−1の内側の辺116−1に接続される。

0018

第2ベース部110−2は、内部に空隙を備える枠形状を有したミラー130の支持枠と、ミラー130を中心に点対象に配置された2つのコイル装着部よりなる。典型的には上記ミラー130支持枠と2つのコイル装着部は同一材料で構成されるが、これに限るものではない。

0019

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つの長辺と図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つの短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したミラー130の支持枠と、前記支持枠の両側に接続される長方形(X軸方向に延伸する長辺とY軸方向に延伸する短辺を有する)の2つのコイル装着部よりなる。

0020

図1に示す例では、第2ベース部110−2のミラー支持枠は、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、ひし形六角形八角形、円形、楕円の形状等)を有していてもよい。コイル装着部は長方形の形状をしているが、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。

0021

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の弾性によって、X軸に沿った方向を回転軸として回転するように構成されている。言いかえればX軸に平行な軸のまわりに回転するように構成されている。

0022

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。

0023

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。

0024

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。言いかえればY軸に平行な軸のまわりに回転するように構成されている。

0025

駆動源部140、及び150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2弾性部を通してミラー130に加える。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る。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る。

0026

第1コイル部は第2ベース部の右側に、第2コイル部151は第2ベース部の左側にそれぞれ配置される。前記第1コイル部141及び第2コイル部151は第2ベース部110−2の中心すなわちミラー130の中心点を基準にして点対象に配置されることが好ましい。このようにすることで後述する定常波状の第2ベース部(ミラー130、第2弾性部、及びコイル部を含む)及び第1弾性部の振動における節の位置調整が行いやすくなる。

0027

駆動源部140及び150は、電磁力に起因した力を加える駆動源部であって、第1コイル部141及び第2コイル部151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、152a、152b、とを備える。この場合、第1コイル部141及び第2コイル部151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、第1コイル部141及び第2コイル部151と磁極142a、142b、152a、152b、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。

0028

この電磁力は第1コイル部141及び第2コイル部151をX軸に沿った各々の軸を回転軸として回転させる力を発生する。第1コイル部141と第2コイル部151は直列または並列に接続され、電流の流れる方向は各々反時計まわりとなるように接続される。このように接続すれば、2つのコイルが発生する電磁力は同じ回転方向(X軸から見て)の回転力を発生する、尚、第1コイル部141と第2コイル部151の発生する力の合力に関しては動作の項で詳述する。

0029

第1コイル部141、第2コイル部151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よりなる。第2ベース部上にメッキ或いは蒸着、エッチング等で形成される。第1実施例では、第1コイル部141、第2コイル部151はほぼ同形状であり矩形のドーナツ形状を有している。特に、各々のコイル部の4つの辺のうちX軸方向に沿った2つの辺の長さが、Y軸方向に沿った2つの辺の長さよりも長い。つまり、第1実施例では、第1コイル部141、第2コイル部151は、長方形状の形状を有している。但し、第1コイル部141、第2コイル部151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。

0030

磁界付与部142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142bより磁界を第1コイル部141に与える。図1中、磁極142a、磁極142bは第1コイル部141の上下に配置される。磁極142a及び142bはY軸方向に沿って第1コイル部141を挟み込むように配置される。よって磁極142a及び142bの形成する磁界はY軸方向に沿った磁界となる。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。また磁極142a及び142bの発生するY軸方向に沿った磁界とは厳密にY軸に平行である必要はなく少々の傾きはあってもよい。

0031

同様に磁界付与部152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152a、磁極152bより磁界を第2コイル部151に与える。図1中、磁極152a、磁極152bは第2コイル部151の上下に配置される。磁極152a及び152bはY軸方向に沿って第2コイル部151を挟み込むように配置される。よって磁極152a及び152bの形成する磁界はY軸方向に沿った磁界となる。磁極152aが磁界の出射側(N極)になり磁極152b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。また磁極152a及び152bの発生するY軸方向に沿った磁界とは厳密にY軸に平行である必要はなく少々の傾きはあってもよい。
(1−2)MEMSミラー駆動装置の動作

0032

続いて、図1から図4を参照して、第1実施例のMEMSミラー駆動装置100の動作について説明する。

0033

初めに、2つのコイル部141と151の発生する回転の合力について説明する。
第1実施例のMEMSミラー駆動装置100の動作時には、第1コイル部141、第2コイル部151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、第1コイル部141と磁極142a及び142bとの間、第2コイル部151と磁極152a及び152b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。この電磁力は第1コイル部141、第2コイル部151をX軸方向に沿った軸を中心軸としてねじる力及びねじり反復力(ねじり振動)となる。

0034

ここで、第1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1中、奥側(紙面奥側)から手前側(紙面手前側)方向である。第1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1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コイル部141の中心を通るX軸に沿った軸を回転軸とする回転力となる。

0035

同様に第2コイル部151と磁極152aとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は、図1中、奥側(紙面奥側)から手前側(紙面手前側)方向である。第2コイル部151と磁極152bとの間の電磁相互作用による電磁力の方向は、図1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コイル部141の中心を通るX軸に沿った軸を回転軸とする回転力となる。

0036

図2に、X軸方向から見た上述の第1コイル部141、第2コイル部151が発生する回転力の概念図を示す。図2に示すように第1弾性部120を基準(中心)として、第1コイル部141の回転軸はY軸の+方向にシフト位置しており、第2コイル部151の回転軸はY軸の−方向にシフトして位置している。各々の回転軸を回転中心として反時計まわりの回転力が働いている。この第1弾性部を回転の中心とした回転力の合力はコイル部のシフト量によらず、第1コイル部141と第2コイル部151の回転力の和となる。(後述のX軸の方向に沿った軸を中心軸とした回転のための力)

0037

図3に正面から見た、上述の第1コイル部141、第2コイル部151が発生する回転力の方向、各々の回転軸、及び合力の回転軸の概念図を示す(図中には合成された回転軸と表記)。図3に示すように、第1コイル部141及び第2コイル部151が発生する合力の回転軸を表す直線はミラーの中心を通り各々のコイル部の中心を結ぶ、(X軸及びY軸に対して)傾いた直線となる。よって第1コイル部141と第2コイル部151の発生する合力は前記傾いた直線を回転軸とする回転力と考えることができる。そして、この傾いた直線を回転軸とした回転力は、X軸まわりの回転力とY軸まわりの回転力の合力と考えることができる。よってコイル部はX軸まわりの回転力とY軸まわりの回転力の2つの回転力を発生すると考えることができる。さらに言いかえれば、コイル部はX軸まわりのねじり力またはねじり反復力とY軸まわりのねじり力またはねじり反復力を発生すると考えることができる。(以下Y軸まわりの仮想ねじり回転力(反復力)と呼ぶ)

0038

上述のようなコイル部の発生するX軸まわりの回転力(ねじり力、ねじり反復力)及びY軸まわりの回転力(ねじり力、ねじり反復力)によりミラー130は2軸の回転を行うことができる。続いて各軸まわりの回転についてさらに詳細に説明を行う。

0039

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コイル部141には、前述のように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、電磁相互作用により上述のように前記X軸まわりに回転力が発生する。このX軸まわりの回転力は第2ベースをねじる力またはねじり振動となる。X軸まわりのねじり力により、第1弾性部に支持された第2ベース部は第1弾性部の回転弾性により、第1弾性部を回転軸として回転する。よって第2ベース部に支持されているミラー130は第1弾性部を回転軸として回転する。

0040

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。

0041

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の被懸架部並びに第1弾性部120a−1、120b−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)及び第1コイル部141等の被懸架部のX軸に沿った軸まわりの慣性モーメント(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軸に沿った軸まわりの慣性モーメント)がI1であり且つ第1弾性部120a−1及び120b−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軸まわりりに回転してもよい。

0042

続いてY軸まわりの回転について説明する。前述のように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、第1コイル部141、第2コイル部151の発生する合力により、コイル部には前記Y軸まわりの仮想ねじり回転力(反復力)が発生する。このコイル部のY軸まわりの仮想ねじり回転力(ねじり力、ねじり反復力)により、第2ベース部11−2には、第2弾性部120−2を仮想回転軸とする回転力が発生する。しかしながら第1弾性部の弾性により支持されているため、第2ベース部は大きくは回転せず(ごくわずかな量の回転を伴う)、第2弾性部をおおよその仮想回転軸とするねじり振動を発生する。この第2ベース部110−2のねじり振動は第2弾性部120を通しミラー130に伝達され、ミラー130は共振駆動される。この場合の共振周波数は、典型的には第2弾性部120のねじり剛性及び被駆動130の慣性モーメントで決まる共振周波数であり、更に厳密に言えば、第2ベース部等の質量、慣性モーメント、振動状態を加味し補正した共振周波数であるがここでは詳細は省略する。

0043

また、第2ベース部の剛性によっては図4に示すような定常波状の第2ベース部(コイル部)の変形を伴う場合もある。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が連なり、定常波状に共振する。この時の振動姿態は、コイル部を含めた第2ベース部が弦の二次の振動モードに似た変形振動を発生する。

0044

具体的には、ミラー130の中心点を中心とした点対称の振動モードが発生する。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る。適切な変形モード偶数次のモード)においては必然的に変形モードにおける節は中心に位置することとなりミラー130の回転中心と一致する。よって好適にミラーの回転角を増幅させることができる。尚この場合のミラー130は典型的には上述の定常波状の第2ベース部110−2(第1コイル部141、第2コイル部151を含む)の変形振動の共振周波数において共振駆動されるが、少々の共振周波数の微調整が行われてもよい。

0045

図4に示した例ではコイル部を含めた第2ベース部が弦の二次の振動モードに似た変形振動を発生する例を示したが、より高次のモード(3次、4次・・・)であってもかまわない。
更に、第1弾性部120a−1、120a−1、の振動モードは2次のモードの例を示したが、これに限らず、3次、4次・・・と高次のモードを使用してもよい。
更に、ミラー130の回転方向と第2ベース部110−2の回転方向が逆方向(逆相モード)となっている例を示したが、これに限らず、ミラー130の回転方向と第2ベース部110−2の回転方向が同じ方向(同相モード)となってもよいことは言うまでもない。

0046

(1)第2実施例
図5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

0047

図5を参照して、第2実施例のMEMSミラー駆動装置101の基本構成について説明する。図5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、第3コイル部及び磁極162a、162bを含む駆動源部160以外は第1実施例と同一の構成であるため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。

0048

図5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及び120b−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、第1コイル141部、第2コイル部151及び第3コイル部161からなるコイル部と、磁界付与部としての磁極142a、142bを含む駆動源部140、磁極152a、152bを含む駆動源部150、磁極162a、162bを含む駆動源部160とを備えている。

0049

第3コイル部は第1コイル部、第2コイル部と同様に、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よりなる。第2ベース部上にメッキ或いは蒸着、エッチング等で形成される。第2実施例では、第3コイル部161、は矩形のドーナツ形状を有しており、ミラー130の周囲に巻回される。第3コイル部は第1コイル部、第2コイル部と同様に反時計周りに電流が流れるように結線される。

0050

磁界付与部162は、磁界付与部142、152と同様に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162a、磁極162bより磁界を第3コイル部161に与える。図5中、磁極162a、磁極162bは第3コイル部161の上下に配置される。磁極162a及び162bはY軸方向に対してやや斜めに第3コイル部161を挟み込むように配置される。磁極162aが磁界の出射側(N極)になり磁極162b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。

0051

(2−2)MEMSミラー駆動装置の動作
第3コイル部及び磁界付与部が追加されることで少々の駆動力の増減はあるが、基本的な動作の態様は第1実施例と同様である。よって第2実施例においても第1実施例と同様の効果を享受することができる。

実施例

0052

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。

0053

100〜101MEMS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 第1弾性部
120a−2、120b−2 第2弾性部
130ミラー
140 第1駆動源部
141 第1コイル部
142a、142b磁極
150 第2駆動源部
151 第2コイル部
152a、152b 磁極
160 駆動源部
161 第3コイル部
162a、162b 磁極

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