JP2007312592A - アクチュエータ及び二次元スキャナ - Google Patents
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Abstract
【課題】アクチュエータ及び二次元スキャナを提供する。
【解決手段】ベース板100と、互いに直交する仮想の第1軸または第2軸のうち、少なくともいずれか一つを中心に回動する可動板300と、第1軸の位置で最小の大きさを有し、第2軸に平行した方向に作用する磁力を形成する磁場形成部200と、第1軸または第2軸のうち、いずれか一つと同軸に設けられ、ベース板100及び可動板300を連結し、可動板の回動軸になる支持部材と、第1軸と同軸に配置される同軸部、同軸部と第2軸方向に離隔される離隔部、及び同軸部420と離隔部410とを連結する連結部430を具備する駆動コイル部400を備えるアクチュエータ及び二次元スキャナである。
【選択図】図16
【解決手段】ベース板100と、互いに直交する仮想の第1軸または第2軸のうち、少なくともいずれか一つを中心に回動する可動板300と、第1軸の位置で最小の大きさを有し、第2軸に平行した方向に作用する磁力を形成する磁場形成部200と、第1軸または第2軸のうち、いずれか一つと同軸に設けられ、ベース板100及び可動板300を連結し、可動板の回動軸になる支持部材と、第1軸と同軸に配置される同軸部、同軸部と第2軸方向に離隔される離隔部、及び同軸部420と離隔部410とを連結する連結部430を具備する駆動コイル部400を備えるアクチュエータ及び二次元スキャナである。
【選択図】図16
Description
本発明は、アクチュエータ及び二次元スキャナに係り、特に、磁石とコイルとの間に作用する電磁力によって作動するアクチュエータ及び二次元スキャナに関する。
アクチュエータ及び二次元スキャナは、バーコードのような一次元光信号、または動映像のような二次元光信号を可視画像にスキャンして出力するディスプレイ装置や、直線上に配列された一次元光信号、または平面上に配列された二次元光信号を読み込み、二進データ化するリーディング装置などさまざまな用途に用いられており、ビームプロジェクタ、携帯用プロジェクタ、光ジャイロスコープ、イメージリーダ機、その他ディスプレイ装置など多様な例を挙げることができる。
二次元ディスプレイ装置に用いられる例を挙げれば、アクチュエータ及び二次元スキャナは、光を反射するミラー部を備え、前記ミラー部を水平及び垂直の方向に回動させながら光信号をスキャンすることにより、任意の平面上にフレーム(frame)単位の可視画像を生成する。前記ミラー部が水平周波数及び垂直周波数で回動しつつ、光信号を水平及び垂直の方向に走査すれば、複数の走査線(ここで、「複数の走査線」は、ミラー部の水平周波数に相応する回動で具現される)を有する単位フレームが(ここで、「単位フレーム」は、ミラー部の垂直方向の1周期回動で具現される)単位時間当たり複数個スキャンされながら、高解像度の動画像を(ここで、「動画像」は、ミラー部の水平及び垂直の周波数に相応する回動で具現される)具現できる。
図1は、二対の永久磁石4、5を具備した従来のアクチュエータを図示した斜視図である。図2は、図1のアクチュエータで、磁束が歪曲される状態を図示した平面図である。図1及び図2を参照すれば、水平軸に沿って対面する一対の磁石4、5、垂直軸に沿って対面する一対の磁石4’、5’、前記二対の磁石4、4’および5、5’間に位置して駆動電源が印加されるコイル部を具備するスキャナ本体10、前記スキャナ本体10に設けられて水平軸及び垂直軸を中心に回動しながら光を反射するミラー部16が図示されている。
ミラー部16は、互いに直交する水平軸及び垂直軸の方向にそれぞれ光を反射することにより、仮想の二次元平面に所望の光画像をスキャンするためのものである。互いに対面する二対の磁石4、4’、5、5’は、水平軸及び垂直軸それぞれに平行した磁場を形成し、スキャナ本体10に設けられたコイル部に駆動電源が印加されることにより、水平軸及び垂直軸それぞれを中心にミラー部16を回動させるモーメント力M1、M2が発生する。
しかし、4個の磁石4、4’、5、5’の配置のための空間と費用とが必要なので、MEMS(Micro Electro Mechanical System)工程により、半導体チップ状のマイクロスキャナ1として具現される場合、チップの小型化が困難であり、部品コストが上昇するという問題点が発生する。また、互いに直交するように配置された二対の磁石4、4’、5、5’によって磁場の相互干渉及び撹乱が発生し、これは、ミラー部16を駆動させる電磁力に対してノイズ(noise)成分として作用するという問題点がある。
図3は、一対の永久磁石4、5と傾斜するように配置される従来のスキャナ本体10を図示した斜視図である。図4は、図3のスキャナ本体10に対する詳細図である。図5は、図4に係る、磁力とモーメントとの関係を図示した説明図である。図1及び図2の説明で言及された磁場の干渉及び撹乱問題を改善するために、図3ないし図5に図示されたスキャナ1は、一対の磁石4、5のみを具備し、磁力線に傾斜するように配置されたスキャナ本体10を具備する。図3ないし図5に開示されたスキャナ1は、特許文献1に開示される。
図3を参照すれば、MEMS装置の一種として、半導体チップ状に設けられる二次元スキャナ1が図示されている。二次元スキャナ1は、絶縁板2と、絶縁板2上に回動可能に設けられ、光を反射して二次元画像をスキャンするスキャナ本体10と、スキャナ本体10と対角線方向に配置される一対の磁石4、5と、磁石4、5の周囲に設けられ、磁力線の漏れを防止する磁性体ヨーク3と、外部からスキャナ本体10に駆動電源を入力する連結ピン6a、6b、6c、6dと、スキャナ本体10に設けられたコイル部15A及び15B(図4参照)に駆動電源を供給するために、連結ピン6a、6b、6c、6dとコイル部とを連結するボンディングワイヤ8a、8b、8c、8dと、ボンディングパッド7a、7b、7c、7dとを具備する。
図4を参照すれば、一対の磁石4、5間に対角線方向に配置されたスキャナ本体10が図示されている。スキャナ本体10は、基板11と、基板11に連結される第1トーションバー13Aを中心に回動する外部可動板(outer movable plate)12Aと、第1トーションバー13Aと垂直の状態に外部可動板12Aに連結される第2トーションバー13Bを中心に回動する内部可動板(inner movable plate)12Bと、外部可動板12A上に設けられる外部コイル15Aと、内部可動板12B上に設けられる内部コイル15Bと、外部コイル15Aの両端部に設けられる外部コイル端子14Aと、内部コイル15Bの両端部に設けられる内部コイル端子14Bと、内部可動板12Bに設けられて光を反射するミラー部16とを具備する。
図5を参照すれば、外部コイル15Aへの電源印加時、第1トーションバー13Aを中心に外部可動板12Aを回動させるモーメント力H2及び内部コイル15Bへの電源印加時、第2トーションバー13Bを中心に内部可動板12Bを回動させるモーメント力H1が図示されている。2つのモーメント力を同時に調節しながらその合力を制御すれば、磁力に垂直な方向及び平行した方向を中心にした内部可動板12Bの回動を制御できる。
しかし、内部コイル15B及び外部コイル15Aのうち、いずれか一つに印加される電源を独立的に制御するのではなく、内部コイル15B及び外部コイル15Aに印加される電源を同時に制御してこそ、初めて内部可動板12Bの1軸制御(例えば、磁力に平行した方向を中心にした内部可動板12Bの回動制御)が可能なので、内部可動板12Bを所望の振動数で回動させるための制御動作が複雑になるという問題がある。
2軸制御(磁力に平行及び垂直方向を中心にした内部可動板12Bの回動制御)時に、その制御動作は、さらに複雑になるが、内部コイル15B及び外部コイル15Aを同時に制御し、磁力に平行した方向を中心にしたモーメント力の合力を制御することはもとより、磁力に垂直な方向を中心にしたモーメント力の合力も独立的に制御しなければならない。
また、スキャナ本体10の傾斜した配置は、チップの小型化を困難にし、磁石4、5とスキャナ本体10との離隔距離が増大することにより、モーメント力の分力が浪費されるので、入力(内部コイル15B及び外部コイル15Aに印加される電源)対比の出力(内部可動板12Bの回動角)の効率が落ちるという問題点がある。
米国特許第5912608号明細書
本発明は、前述の問題点を解決するために成されたものであり、磁場の漏れや撹乱が防止され、可動板の回動制御が容易であり、チップの小型化及び効率化に有利なアクチュエータ及び二次元スキャナを提供することを目的とする。
前記目的を達成するための本発明に係るアクチュエータは、ベース板と、前記ベース板と連結される可動板と、いずれか1つの磁石から他の1つの磁石に向かう方向に磁力を発生させる一対の磁石とを備え、前記可動板は、前記一対の磁石間に位置し、前記磁力と平行した仮想の軸を中心に回動することを特徴とする。
一実施形態として、前記アクチュエータは、前記ベース板と可動板とを連結する支持部材をさらに備える。
一実施形態として、前記可動板は、駆動源としての駆動コイル部を具備する。
一実施形態として、前記駆動コイル部は、前記可動板の中心に対して点対称形状に配置される。
一実施形態として、前記磁力に垂直な方向に沿って延長しつつ、前記可動板の中心を通過する他の仮想の追加軸が想定されるとき、前記駆動コイル部の一部分は、前記追加軸を基準に一側に配置され、前記駆動コイル部の他部分は、前記追加軸を基準に他側に配置されることにより、前記駆動コイル部が前記追加軸に対して非対称形状に配置される。
一実施形態として、前記支持部材は、前記磁力に平行した方向に沿い、前記可動板から延長される。
一実施形態として、前記支持部材は、前記可動板の回動時にねじり変形される。
一実施形態として、ミラー部が前記可動板に設けられる。
一方、本発明のアクチュエータは、ベース板と、回動可能な可動板と、前記可動板から前記ベース板まで延長する支持部材と、いずれか1つの磁石から他の1つの磁石に向かう方向に磁力を発生させる一対の磁石とを備え、前記可動板は、駆動源としての駆動コイル部を具備し、前記磁力に垂直な方向に沿って延長しつつ、前記可動板の中心を通過する仮想の第1軸、及び前記磁力に平行した方向に沿って延長する仮想の第2軸が想定されるとき、前記駆動コイル部の第1部分は、前記第1軸を基準に一側に配置され、前記駆動コイル部の第2部分は、前記第1軸を基準に他側に配置されることにより、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記第1軸に対して非対称形状に配置されることを特徴とする。
一実施形態として、前記支持部材は、前記可動板の一側及び他側に向かってそれぞれ延長する2個の部分からなる。
一実施形態として、前記駆動コイル部は、前記可動板の中心に対して点対称形状に配置される。
一実施形態として、前記支持部材は、前記磁力に垂直な方向に沿い、前記可動板から延長される。
一実施形態として、前記支持部材は、前記可動板の回動時にねじり変形される。
一実施形態として、第1振動数及び前記可動板の固有振動数と一致する第2振動数を重畳的に有する駆動電源が前記駆動コイル部に印加されることにより、前記可動板は、前記第1軸を中心に前記第1振動数で回動し、前記第2軸を中心に前記第2振動数で共振する。
一実施形態として、前記アクチュエータは、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分の周囲に楕円状に配置される補助コイル部をさらに具備する。
一実施形態として、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と同じストランドのコイルで設けられる。
一実施形態として、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と互いに異なるストランドのコイルで設けられる。
一実施形態として、前記可動板には、光を反射するミラー部が設けられる。
一方、本発明のアクチュエータは、ベース板と、回動可能な可動板と、前記可動板の外側に設けられるジンバルと、前記ジンバルから前記ベース板まで延長する第1軸支持部材と、前記可動板から前記ジンバルまで延長する第2軸支持部材とを備え、前記可動板は、駆動源としての駆動コイル部を具備し、前記ジンバルは、補助コイル部を具備し、前記第1軸支持部材と同軸に延長する仮想の第1軸、及び前記第2軸支持部材と同軸に延長する仮想の第2軸を想定するとき、前記駆動コイル部の第1部分は、前記第1軸を基準に一側に配置され、前記駆動コイル部の第2部分は、前記第1軸を基準に他側に配置されることにより、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記第1軸に対して非対称形状に配置されることを特徴とする。
一実施形態として、前記アクチュエータは、いずれか1つの磁石から他の1つの磁石に向かう方向に磁力を発生させる一対の磁石とをさらに備え、前記可動板及びジンバルは、前記一対の磁石間に配置される。
一実施形態として、前記駆動コイル部は、前記可動板の中心に対して点対称形状に配置される。
一実施形態として、前記第1軸支持部材は、前記磁力に垂直な方向に沿い、前記ジンバルから延長される。
一実施形態として、前記第2軸支持部材は、前記磁力に平行した方向に沿い、前記可動板から延長される。
一実施形態として、前記第1軸支持部材及び第2軸支持部材は、前記可動板及びジンバルの回動時にねじり変形される。
一実施形態として、第1振動数及び前記可動板の固有振動数と一致する第2振動数を重畳的に有する駆動電源が前記駆動コイル部及び補助コイル部に印加されることにより、前記可動板及びジンバルは、前記第1軸を中心に前記第1振動数で回動し、前記可動板は、前記第2軸を中心に前記第2振動数で共振する。
一実施形態として、前記補助コイル部は、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分の周囲に楕円状に配置される。
一実施形態として、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と同じストランドのコイルで設けられる。
一実施形態として、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と互いに異なるストランドのコイルで設けられる。
一実施形態として、前記可動板には、光を反射するミラー部が設けられる。
一方、本発明の二次元スキャナは、ベース板と、回動可能な可動板と、前記可動板の外側に設けられるジンバルと、前記ジンバルから前記ベース板まで延長する第1軸支持部材と、前記可動板から前記ジンバルまで延長する第2軸支持部材とを備え、前記ジンバルは、駆動源としての駆動コイル部を具備し、前記第1軸支持部材と同軸に延長する仮想の第1軸、及び前記第2軸支持部材と同軸に延長する仮想の第2軸を想定するとき、前記駆動コイル部の第1部分は、前記第1軸を基準に一側に配置され、前記駆動コイル部の第2部分は、前記第1軸を基準に他側に配置されることにより、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記第1軸に対して非対称形状に配置されることを特徴とする。
一実施形態として、前記スキャナは、いずれか1つの磁石から他の1つの磁石に向かう方向に磁力を発生させる一対の磁石とをさらに備え、前記可動板及びジンバルは、前記一対の磁石間に配置される。
一実施形態として、前記駆動コイル部は、前記可動板の中心に対して点対称形状に配置される。
一実施形態として、前記第1軸支持部材は、前記磁力に垂直な方向に沿い、前記ジンバルから延長される。
一実施形態として、前記第2軸支持部材は、前記磁力に平行した方向に沿い、前記可動板から延長される。
一実施形態として、前記第1軸支持部材及び第2軸支持部材は、前記可動板及びジンバルの回動時にねじり変形される。
一実施形態として、第1振動数及び前記可動板の固有振動数と一致する第2振動数を重畳的に有する駆動電源が前記駆動コイル部に印加されることにより、前記可動板は、前記第1軸を中心に前記第1振動数で回動し、前記第2軸を中心に前記第2振動数で共振する。
一実施形態として、前記スキャナは、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分の周囲に楕円状に配置される補助コイル部をさらに具備する。
一実施形態として、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と同じストランドのコイルで設けられる。
一実施形態として、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と互いに異なるストランドのコイルで設けられる。
一実施形態として、前記スキャナは、前記ジンバル及び可動板間に設けられる振動抑制板をさらに備え、第1振動数及び前記可動板の固有振動数と一致する第2振動数を重畳的に有する駆動電源が前記駆動コイル部に印加されるとき、前記振動抑制板は、前記可動板に対して前記第2振動数の回動成分を抑制する。
一実施形態として、前記第2振動数は、前記第1振動数より大きい。
一実施形態として、前記可動板には、光を反射するミラー部が設けられる。
一実施形態として、前記第2振動数は、前記可動板の固有振動数と一致し、前記振動抑板は、前記可動板の前記第1軸を中心にした前記第2振動数の回動成分を抑制する。
一実施形態として、前記可動板は、前記第2軸を中心に前記第2振動数で共振する。
一実施形態として、前記振動抑制板は、前記第1軸を中心にした回動に対する固有振動数が前記第1振動数より大きく、前記第2振動数より小さな値を有する。
一実施形態として、前記振動抑制板は、前記固有振動数が前記第2振動数の70%以下である値を有することにより、前記第1軸を中心にした前記可動板の回動に対して低域通過フィルタとなる。
本発明のアクチュエータ及び二次元スキャナによれば、一対の磁石及びヨークが設けられるので、磁場の漏れや撹乱が防止され、可動板の駆動源である駆動コイル部及び補助コイル部に周波数重畳された電源を印加したり、または互いに異なる周波数の独立的な駆動電源を印加したりすることにより、可動板の回動制御が容易になり、駆動コイル部の形状、ジンバル、可動板の配置が革新的に改善される。この結果、チップの小型化及び消費電力が減少し、振動抑制板によって可動板の第2振動数回動成分が抑制されることにより、スキャン品質が著しく改善される。
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の一実施形態について詳細に説明する。本発明の実施形態は、図面に示されたものに限定されず、本発明を逸脱しない範囲内で多様に変形可能であるということを明らかにしておく。
図6A、図6B、図6Cは、本発明における二次元スキャニング法を図示した説明図である。図6Aで、垂直軸は水平走査角、水平軸は時間を表す。後述の図10を参照すれば、可動板300の中央部には、ミラー部320が設けられて光信号を反射する。ここで、水平走査角は、第2軸を中心にした可動板300(図10)の回動角である。水平振動数は、第2軸を中心にした可動板300の回転振動数であり、垂直振動数より高周波である。例えば、可動板300は、水平走査角−15゜〜+15゜の範囲で、水平振動数25kHzで順方向及び逆方向に周期的に回動する。
図6Bで、垂直軸は垂直走査角、水平軸は時間を表す。ここで、垂直走査角は、第1軸を中心にした可動板300の回動角である。垂直振動数は、第1軸を中心に可動板300の回動周波数であり、水平振動数より低周波である。例えば、可動板300(図10)は、垂直走査角0〜7゜の範囲で、垂直振動数60Hzで順方向及び逆方向に周期的に回動する。
図6Cで、垂直軸は可動板の垂直走査角、水平軸は水平走査角を表す。可動板が水平走査角及び垂直走査角ほど同時に回動すれば、1フレームの可視画像が形成される。走査線の歪曲の激しいフレームのエッジは捨て、有効フレーム領域のみをディスプレイ領域として使用することが望ましい。水平振動数が25kHzであり、垂直振動数が60Hzである場合、400個ほど(すなわち、25000/60個である)の走査線で構成される1つの有効フレームが1秒当たり60個ディスプレイされることにより、高解像度の可視画像を表示できる。ここで、水平走査角、垂直走査角、水平振動数、及び垂直振動数に関する具体的な数値は、説明の便宜上、例示したものであり、本発明を限定するためのものではない。
図7は、本発明の磁場形成部200を図示した平面図である。図8Aは、本発明における磁力の大きさ勾配を数値解析的に求めたグラフである。図8Bは、図8Aの結果を得るための磁石210a、210bの配置関係を図示した斜視図である。図7〜図8Bを共に参照すれば、磁場形成部200は、一対の磁石210a、210bを具備する。磁場形成部200は、磁石210a、210bの周辺を取り囲み、磁性体からなるヨーク220を共に具備することがさらに望ましい。図8Bには説明の便宜上、ヨークが図示されていない。以下、第1軸は、磁力線に垂直の方向(x軸方向と一致)をいい、第1軸に直交する第2軸は、磁力線に平行した方向(y軸方向と一致)と定義する。
磁場形成部200は、第1軸位置で最小の大きさを有し、第2軸に平行した方向に作用する磁力を形成する。ヨーク220は、漏れる磁力を防止して磁力をy軸方向へ誘導する。図8Aには、一対の磁石210a、210bが離隔される距離D及び着磁条件を異にする場合、磁力の大きさ勾配が示されている。図8Aの水平軸は、第1軸及び第2軸の交点80から第2軸に沿った距離を、垂直軸は、磁力の大きさを表す。磁力の大きさは、第1軸及び第2軸の交点80位置から第1軸に沿って最小値Bminを有し、第2軸に沿って磁石210a、210bに接近するほど増大し、磁石210a、210bの表面で最大値Bmaxを有する。
図10は、本発明において、第2軸と同軸に位置する支持部材を具備したアクチュエータの主要部を図示した平面図である。ベース板100、可動板300、支持部材、磁石210a、210b、駆動コイル部400が図示されている。図10以下では、説明の便宜上、磁石210a、210bの周囲に設けられるヨーク220が省略されている。ベース板100は、アクチュエータ本体(図示せず)に固定される。ベース板100には、駆動コイル部400の末端が連結され、駆動信号が入出力され端子部110が設けられる。磁場形成部200として、可動板300の周囲に一対の磁石210a、210bが設けられ、第2軸に平行した方向の磁力を可動板300に作用させる。磁力の大きさは、第1軸及び第2軸の交点80で最小値を有し、磁石210a、210bの表面で最大値を有する。
可動板300は、第1軸または第2軸のうち、少なくともいずれか一つを中心に回動する。図10に図示された可動板300の場合、第2軸を中心に回動すれば、一次元アクチュエータになり、第1軸及び第2軸で同時に回動すれば、二次元アクチュエータになる。支持部材は、第1軸または第2軸のうち、いずれか一つと同軸に設けられ、ベース板100及び可動板300を連結して可動板300の回動軸になる。図10に図示された支持部材は、第2軸支持部材152として第2軸と同軸に設けられ、可動板300の回動軸になる。可動板300の回動方向により、曲げ変形またはねじり変形される支持部材は、弾性を有する材質により形成されることが望ましい。図示された第2軸支持部材152は、可動板300の第1軸回動時に、曲げ変形(bending deformation)され、可動板300の第2軸回動時に、ねじり変形(torsional deformation)される。
駆動コイル部400は、同軸部420、離隔部410、及び連結部430を具備し、第1軸及び第2軸の交点80に対して点対称形状を有するように可動板300上に設けられる。駆動コイル部400には、可動板300の駆動電源が印加される。同軸部420は、第1軸と同軸に配置され、離隔部410は、同軸部420と第2軸方向に沿って所定距離離隔される。同軸部420と離隔部410は、互いに平行するように離隔された直線状であることが望ましい。連結部430は、同軸部420と離隔部410とを互いに連結する。連結部430は、同軸部420と離隔部410とを曲線状で連結し、特に、一定の曲率半径を有する円弧状であることが望ましい。
すなわち、離隔部410は、第1軸及び第2軸の交点80から第2軸方向に離隔された位置から始まって第1軸に平行するように延び、連結部430は、離隔部410の末端から始まって第1軸に達するまで円弧状に延長され、同軸部420は、連結部430の末端から始まって第1軸及び第2軸の交点80に向けて離隔部410と同じ長さほど直線状に延長されることが望ましい。駆動コイル部400は、互いに連結される離隔部410、連結部430、及び同軸部420を複数に具備することにより、第1軸及び第2軸の交点80に対して点対称をなす閉曲線状に配置されることが望ましい。
図9A及び図9Bは、本発明において曲線状の連結部430に対する効果を説明するための図面である。図9Aには、曲線状の連結部430を有するラウンド型コイル401を図示し、図9Bには、直角に曲がった連結部430’を有する四角形コイル401’を図示した。次の表1には、それらコイル401の性能に係る数値解析結果を表示した。
表1を参照すれば、図9Aに図示された曲線型連結部430を有するラウンド型コイル401が、図9Bに図示された直角連結部430’を有する四角形コイル401’に比べ、モーメント同一条件で、電流消耗量、コイル長、消耗電力の側面で有利な効果(電流消費量及びコイル長で7%ほど、消費電力で17%ほど)を有するということが分かる。
再び図10を参照すれば、可動板300は、フレミングの左手法則により、第1軸を中心に回動する。すなわち、磁力の方向及び電流の方向(図示されたところによれば、時計回り方向)が図示されたところのようであるとすれば、第1四分面I及び第2四分面IIに位置した離隔部410及び連結部430には、x−y平面から突出する方向(z軸の正方向)の電磁力411、431が発生し、負のx軸と同軸に位置した同軸部420には、x−y平面から突出する方向(z軸の正方向)の電磁力が発生し、第3四分面III及び第4四分面IVに位置した離隔部410及び連結部430には、x−y平面に向けて入っていく方向(z軸の負方向)の電磁力が発生し、正のx軸と同軸に位置しる同軸部420には、x−y平面に向けて入っていく方向(z軸の負方向)の電磁力421が発生する。
同軸部420で発生する電磁力は、第1軸を中心にしたモーメント力Txに影響を及ぼすことができない。離隔部410及び連結部430で発生する電磁力が第1軸に対して対称であるので、第1軸を中心にしたモーメント力Txが発生するのは、フレミングの左手法則によって明らかである。
以下では、第1四分面I及び第4四分面IVに位置した離隔部410、同軸部420、連結部430を参照し、第2軸を中心にしたモーメント力Tyについて述べる。可動板300は、第2軸に沿った磁力の大きさ勾配及び駆動コイル部400の配置形状によって発生する回転モーメントにより、第2軸を中心に回動する。
すなわち、同軸部420の位置で磁力の大きさが最小であるから、同軸部420で発生する電磁力は、離隔部410で発生する電磁力よりも小さい。第1四分面Iに位置した連結部430に作用する磁力勾配は、第4四分面IVに位置した連結部430に作用する磁力勾配と実質的に同一なので、第1四分面I及び第4四分面IVに位置した連結部430で類似した大きさの電磁力が発生する。しかし、第1四分面Iに位置した連結部430が第4四分面IVに位置した連結部430より第2軸からさらに遠く離れている。従って、第1四分面I及び第4四分面IVで発生する電磁力の合力は、x−y平面から突出する方向(z軸の正方向)に作用し、第2四分面II及び第3四分面IIIで発生する電磁力の合力は、これと対称であり、x−y平面に向けて入っていく方向(z軸の負方向)に作用し、可動板300は、第2軸を中心に右側から左側の方向に回動する。
第2軸を中心にしたモーメント力Tyの大きさは、駆動コイル部400の形状が図10と同じであると仮定すれば、磁力の大きさ勾配によって変わる。表2は、磁力の大きさ勾配により、第1軸を中心にしたモーメント力Txと第2軸を中心にしたモーメント力Tyとの大きさに対する数値解析結果を表す。
一実施形態として、可動板300は、第1軸または第2軸のうち、いずれか一つを中心に共振によって回動することにより、第1軸及び第2軸を中心に互いに異なる振動数で回動する。駆動コイル部400には、可動板300の回動のための駆動電源が印加される。一実施形態として、第1振動数及び第2振動数(可動板300の第2軸回動に対する固有振動数と一致)を重畳的に有する駆動電源が駆動コイル部400に印加されることにより、可動板300は、第1軸を中心に第1振動数で回動し、第2軸を中心に第2振動数で共振によって回動する。
単一ストランドのコイル401で形成される駆動コイル部400に、単一周波数の駆動電源が入力されれば、可動板300は、第1軸及び第2軸を中心に同じ振動数で回動する。駆動コイル部400に、2個以上の周波数が重畳された駆動電源が入力されれば、可動板300は、第1軸及び第2軸を中心に互いに異なる振動数で回動される。例えば、駆動電源に第1振動数及び第2振動数が重畳されており、可動板300の第2軸回動に対する固有振動数が第2振動数と一致する場合、可動板300は、第1軸を中心に第1振動数で回動し、第2軸を中心に第2振動数で共振によって回動する。もちろん、駆動電源の周波数重畳により、第1軸を中心にした第2振動数の回動成分が存在するが、相対的に高周波である第2振動数成分は、第1振動数に対するノイズとして無視され、第2軸を中心にした第1振動数の回動成分が存在するが、その振幅(順逆方向の回動角をいう)が第2軸を中心にした第2振動数の共振振幅に比べて小さいので、無視される。
なお、図示されたところに限定されず、駆動コイル部400が2ストランドのコイル401で形成される場合、1つの駆動コイル部400に第1振動数の駆動電源が入力され、残りの駆動コイル部400に第2振動数の駆動電源が入力される実施形態も可能である。その場合にも、可動板300の第1軸及び第2軸を中心にした駆動は、前述したものと同一である。
図11は、本発明において、第1軸と同軸に位置する支持部材を具備したアクチュエータの主要部を図示した平面図である。なお、図10と同じ参照符号は同じ構成要素を表し、同じ構成要素およびその作用についての説明は、重複記載を避けるため省略する。
図示された可動板300の場合、第1軸を中心に回動すれば、一次元アクチュエータになり、第1軸及び第2軸で同時に回動すれば、二次元アクチュエータになる。図示された支持部材は、第1軸支持部材151として第1軸と同軸に設けられ、ベース板100と可動板300とを弾力的に連結し、可動板300の回動軸になる。第1軸支持部材151は、可動板300の第2軸回動時に曲げ変形され、可動板300の第1軸回動時にねじり変形される。
図12は、図11の実施形態において、補助コイル部500をさらに具備したアクチュエータの主要部を図示した平面図である。なお、図11と同じ参照符号は同じ構成要素を表し、同じ構成要素およびその作用についての説明は、重複記載を避けるため省略する。
図示されたアクチュエータは、補助コイル部500をさらに具備する。補助コイル部500は、駆動コイル部400の周囲に配置され、第1軸及び第2軸の交点80を中心に楕円状に配置される。補助コイル部500に時計回り方向の電流が印加されるとすれば、第1軸を基準に一側の電磁力は、x−y平面から突出する方向(z軸の正方向)に作用し、他側の電磁力は、これとx軸対称であり、x−y平面に向けて入っていく方向(z軸の負方向)に作用し、可動板300は、第1軸を中心に上方から下方に回動する。
一実施形態として、駆動コイル部400及び補助コイル部500が同じストランドのコイル401で形成される場合、駆動コイル部400及び補助コイル部500の末端は、同じ端子部110に連結される。また、第1振動数及び第2振動数(可動板300の第2軸回動に対する固有振動数と一致)を重畳的に有する駆動電源が駆動コイル部400及び補助コイル部500に印加されることにより、可動板300は、第1軸を中心に第1振動数で回動し、第2軸を中心に第2振動数で共振によって回動する。第1軸を中心にしたモーメント力Txは、駆動コイル部400及び補助コイル部500のそれぞれから発生するので、補助コイル部500は、第1軸モーメント力Txを増大させる役割を果たす。第2軸を中心にしたモーメント力Tyは、駆動コイル部400によってのみ発生する。 図13は、図12の実施形態において、駆動コイル部400及び補助コイル部500が互いに異なるストランドのコイル401、402で設けられるアクチュエータの主要部を図示した平面図である。なお、図12と同じ参照符号は同じ構成要素を表し、同じ構成要素およびその作用についての説明は、重複記載を避けるため省略する。
一実施形態として、駆動コイル部400及び補助コイル部500は、互いに異なるストランドのコイル401、402で設けられることにより、互いに異なる振動数の駆動電源を独立的に印加できる。
一実施形態として、第1振動数を有する駆動電源が補助コイル部500に印加され、第2振動数(可動板300の第2軸回動に対する固有振動数と一致)を有する駆動電源が駆動コイル部400にそれぞれ印加されることにより、可動板300は、第1軸を中心に第1振動数で回動し、第2軸を中心に第2振動数で共振によって回動する。
一実施形態として、ベース板100には、駆動コイル部400の両端部が連結される端子部110と、補助コイル部500の両端部が連結される補助端子部120とが設けられる。
図14は、本発明において、ジンバル600を具備したアクチュエータの主要部を図示した平面図である。なお、図13と同じ参照符号は同じ構成要素を表し、同じ構成要素およびその作用についての説明は、重複記載を避けるため省略する。
図示されたアクチュエータは、ベース板100、一対の磁石210a、210b、ジンバル600、可動板300、駆動コイル部400、第1軸支持部材151を具備する。ジンバル600は、第1軸支持部材151を中心に回動する。第1軸支持部材151は、ベース板100とジンバル600とを弾力的に連結し、ジンバル600の回動軸になる。可動板300は、ジンバル600の内側に位置し、第2軸支持部材152を中心に回動する。第2軸支持部材152は、ジンバル600と可動板300とを弾力的に連結し、可動板300の回動軸になる。図示された第1軸支持部材151及び第2軸支持部材152は、ジンバル600及び可動板300の回動方向によって曲げ変形されることもあるが、互いに独立的にねじり変形のみされることもある。すなわち、第1軸支持部材151及び第2軸支持部材152がいずれも設けられる場合、ジンバル600及び可動板300の第1軸回動時に、第1軸支持部材151がねじり変形され、ジンバル600の第2軸回動は、第1軸支持部材151によって抑制され、可動板300の第2軸回動時に、第2軸支持部材152がねじり変形されることが望ましい。
駆動コイル部400は、可動板300上に設けられ、同軸部420、離隔部410、連結部430を具備する。補助コイル部500は、ジンバル600上に設けられ、第1軸及び第2軸の交点80を中心に楕円状に配置される。
可動板300は、第2軸に沿った磁力の大きさ勾配及び駆動コイル部400の配置形状によって発生する回転モーメントにより、第2軸を中心に回動する。ジンバル600及び可動板300は、駆動コイル部400及び補助コイル部500で発生する電磁力により、第1軸を中心に回動する。
一実施形態として、駆動コイル部400及び補助コイル部500は、同じストランドのコイル401で形成される。駆動コイル部400及び補助コイル部500に単一周波数の駆動電源が印加されれば、ジンバル600及び可動板300は、同じ振動数で回動する。第1振動数及び第2振動数(可動板300の第2軸回動に対する固有振動数と一致)を重畳的に有する駆動電源が駆動コイル部400及び補助コイル部500に印加されることにより、ジンバル600及び可動板300は、第1軸を中心に第1振動数で回動し、可動板300は、第2軸を中心に第2振動数で共振によって回動する。ベース板100は、駆動コイル部400に電源を印加する端子部110を具備する。
図示されていないが、駆動コイル部400及び補助コイル部500は、互いに異なるストランドのコイル401、402で形成されることにより、互いに異なる振動数の駆動電源を独立的に印加できる。一実施形態として、第1振動数を有する駆動電源が補助コイル部500に印加され、可動板300の固有振動数と一致する第2振動数を有する駆動電源が駆動コイル部400にそれぞれ印加されることにより、ジンバル600及び可動板300は、第1軸を中心に第1振動数で回動し、可動板300は、第2軸を中心に第2振動数で共振によって回動する。ベース板100は、補助コイル部500に電源を印加する補助端子部120をさらに具備できる。
可動板300には、光を反射するミラー部320が備えることができる。例えば、ジンバル600が垂直走査角0°〜7゜の範囲で、垂直振動数60Hzで順方向及び逆方向に周期的に回動する。垂直振動数は、第1振動数をいう。一方、可動板300の第2軸中心回動に対する固有振動数は、25kHzである。可動板300は、水平走査角−15゜〜+15゜の範囲で、水平振動数25kHzで順方向及び逆方向に共振によって回動する。水平振動数は、第2振動数をいう。ジンバル600及び可動板300が垂直振動数で回動し、可動板300が水平振動数で回動する。このとき、図6に図示されているように、400個(すなわち、25000/60個である)ほどの走査線により構成される1つの有効フレームが1秒当たり60個ディスプレイされながら高解像度の可視画像をディスプレイできる。可動板300は、前述のような二次元画像のスキャナ装置以外に、図示されていない多様な用途に使用することができる。 図15は、本発明の二次元スキャナの主要部を図示した平面図である。なお、図14と同じ参照符号は同じ構成要素を表し、同じ構成要素およびその作用についての説明は、重複記載を避けるため省略する。
本発明の二次元スキャナは、ベース板100、一対の磁石210a、210b、ジンバル600、可動板300、ジンバル600上に設けられる駆動コイル部400を具備する。
ジンバル600は、第1軸と同軸にベース板100に連結される第1軸支持部材151を中心に回動する。可動板300は、ジンバル600の内側に位置し、光を反射するミラー部320を具備し、第2軸と同軸にジンバル600に連結される第2軸支持部材152を中心に回動する。駆動コイル部400は、第1軸及び第2軸の交点80に対して点対称形状に設けられ、第1軸と同軸に配置される同軸部420、同軸部420と第2軸方向に離隔される離隔部410、及び同軸部420と離隔部410とを連結する連結部430を具備する。駆動コイル部400の周囲に配置され、前記第1軸及び第2軸の交点80を中心に楕円状に配置される補助コイル部500がさらに設けられることが望ましい。
駆動コイル部400及び補助コイル部500についての構成及び作用は、すでに述べたところと同一である。垂直走査角及び垂直振動数と水平走査角及び水平振動数とに係る可動板300の駆動も、すでに述べたところと同一である。駆動コイル部400がジンバル600上に設置されることが図14の実施形態と区別され、かかる差異点により、可動板300の大きさ及び回転慣性を減らすことができ、可動板300の固有振動数を図14に比べて増大させることができる。
すでに述べた通り、駆動コイル部400及び補助コイル部500には、第1振動数及び第2振動数を重畳的に有する同じ駆動電源が入力されたり、または第1振動数及び第2振動数を有する独立的な駆動電源がそれぞれ入力されたりして、可動板300は、第1軸及び第2軸を中心に互いに異なる振動数で回動される。
例えば、可動板300の第2軸回動に係る固有振動数が第2振動数と一致し、第1軸支持部材151及び第2軸支持部材152がねじり変形のみ可能である場合、ジンバル600及び可動板300は、第1軸を中心に第1振動数で回動し、第2軸を中心に第2振動数で共振によって回動する。もちろん、駆動電源の周波数重畳により、第1軸を中心にした第2振動数の回動成分が存在するが、相対的に高周波である第2振動数成分は、第1振動数に対するノイズとして無視され、第2軸を中心にした第1振動数の回動成分が存在するが、その振幅(順逆方向の回動角をいう)が第2振動数の共振振幅に比べて小さいので、無視されうる。
図16は、本発明において、振動抑制板700を具備した二次元スキャナの主要部を図示した平面図である。図示された振動抑制板700は、ジンバル600の内側に位置し、第1軸と同軸であってジンバル600に連結される中間支持部材153を中心に回動する。可動板300は、振動抑制板700の内側に位置し、光を反射するミラー部320を具備し、第2軸と同軸であって振動抑制板700に連結される第2軸支持部材152を中心に回動する。駆動コイル部400は、ジンバル600上に設けられる。
図15以前の実施形態では、第1振動数(図6の垂直振動数であり、例えば、60Hz)及び第2振動数(図6の水平振動数であり、例えば、25kHz)の駆動電源がいずれも印加される場合、第1軸を中心にした第2振動数(25kHz)の回動成分が存在するが、相対的に高周波である第2振動数成分は、第1振動数に対するノイズとして無視されるといえる。
しかし、第1軸を中心にした第2振動数の回動成分がジンバル600に作用することは無視できるが、可動板300に作用する成分は、除去されることが望ましい。光信号の垂直振動数に影響を与えるのは、ジンバル600の回動ではなく、可動板300の回動であり、可動板300が第1軸を中心に第1振動数(例えば、60Hz)及び第2振動数(例えば、25kHz)で回動する場合、垂直振動数に重畳された25kHzの成分を振動抑制板700によって除去すれば、スキャン品質を大きく改善できる。すなわち、第1軸を中心に第1振動数及び第2振動数が重畳された状態で回動する可動板300に対し、振動抑制板700は、第2振動数の回動成分を抑制する。
図17A及び図17Bは本発明において、可動板300及びジンバル600の振動モデルを図示した説明図である。第1軸支持部材151を中心にしたジンバル600の回動角は、参照符号θ2と図示されている。第1軸に対する回転体であるジンバル600及び可動板300の質量慣性モーメント(mass moment of inertia)はJ2、第1軸支持部材151のねじり弾性係数(torsional elasticity coefficient)はK2、ダンピング係数(damping coefficient)はB2、駆動コイル部400で発生したモーメント力はT2と表示される。J2、K2、B2は一定の定数であり、θ2及びT2は時間の関数であって変数である。前記振動モデルの動的方程式(dynamic equation)は、次の通り表現される。
T2(t)を入力変数、θ2(t)を出力変数とし、伝達関数(transfer function)を求めるために、θ2(t)に対する初期条件を0とおく。そして、数式1をラプラス変換して伝達関数M2(s)を求めるならば、次の通りである。
Wnは固有振動数であり、ξは減衰比(damping ratio)を表す。伝達関数M2(s)に対する周波数応答(frequency response)M2(jw)を求めるために、数式2にs=jwを代入する。説明の便宜上、利得成分である1/K2の影響を除去するために、周波数応答の大きさである|M2(jw)|を正規化する。正規化された(normalized)周波数応答の大きさである|m2(jw)|は、次の通りである。
図19は、図17A及び図17Bに図示された可動板300及びジンバル600の振動モデルについての周波数応答を図示したグラフである。x軸は振動数を表し、y軸は正規化された周波数応答の大きさ|m2(jw)|を表す。固有振動数が定数である場合に、減衰比ξの変化が周波数応答の大きさ|m2(jw)|に与える影響が図示される。ほとんどのシステムは、1より小さな減衰比を有する不足減衰システム(under damped system)である。減衰比を増大させれば、周波数応答の大きさ|m2(jw)|を減少させることができる。しかし、ダンピング装置をアクチュエータまたは二次元スキャナに設けることは、材質選択及び費用側面で見るとき、本発明で追求するところではない。
本発明のアクチュエータまたは二次元スキャナは、非常に小さなダンピングを有する。図19を参照すれば、減衰比ξが0に接近するとき、周波数応答の大きさ|m2(jw)|が1になる振動数(説明の便宜上、これを臨界振動数と呼ぶ)は、(21/2)Wnである。これは、数式2から、容易に誘導される。一般的な振動システムで加振周波数が前記臨界振動数よりも大きい場合、周波数応答の大きさが1よりも小さくなるので、振動抑制効果を期待することができる。本発明では、可動板300及びジンバル600に振動抑制板700を追加した全体システムの臨界振動数を加振周波数よりも小さな値にすることが目的である。以下では、これについて具体的に説明する。
図18A及び図18Bは、本発明において、可動板300、振動抑制板700、及びジンバル600の振動モデルを図示した説明図である。第1軸支持部材151を中心にしたジンバル600の回動角は、参照符号θ2で図示されている。ジンバル600の質量慣性モーメントはJ2、第1軸支持部材151のねじり弾性係数はK2、ジンバル600のダンピング係数はB2、駆動コイル部400で発生してジンバル600に作用するモーメント力はT2と表示される。J2、K2、B2は一定の定数であり、θ2及びT2は、時間の関数として変数である。
中間支持部材153を中心にした振動抑制板700及び可動板300の回動角はθ1、中間支持部材153を中心にした振動抑制板700及び可動板300の質量慣性モーメントはJ1、中間支持部材153のねじり弾性係数はK1、振動抑制板700及び可動板300のダンピング係数はB1、振動抑制板700及び可動板300に作用するモーメント力はT1と表示される。J1、K1、B1は一定の定数であり、θ1及びT1は時間の関数であり、変数である。第1軸と同軸である中間支持部材153を中心にした振動抑制板700及び可動板300の回動に関心があるので、入力はT1であり、出力はθ1である。第1振動数及び第2振動数の加振力を含んだ入力T1を考慮する条件で、θ1に対する周波数応答を求めたものを、図20に示す。
図20は、図18A及び図18Bに図示された可動板300、ジンバル600、及び振動抑制板700の振動モデルに対する周波数応答を数値解析的に求めたグラフである。x軸は振動数を表し、y軸は周波数応答の大きさを表す。図19は、伝達関数(θ2/T2)の周波数応答であり、インパルス入力に対する周波数応答を図示したグラフであるのに対し、図20は、入力T1を具体的に考慮し、θ1の周波数応答を図示したグラフである。
中間支持部材153は、第1軸と同軸に設けられるので、第1のピーク値は、第1振動数である60Hzで発生する。第2のピーク値は、振動抑制板700の固有振動数(中間支持部材153を中心にした回動に対するもの)である8kHzで発生する。第3のピーク値は、第2振動数である25kHzで発生する。それ以外にも異なるピーク値が存在しうるが、大きく見れば、前記3つのピーク値が代表的である。
すなわち、振動抑制板700は、第1軸を中心にした回動に対する固有振動数が第1振動数より大きく、第2振動数より小さな値を有することが望ましい。ここで、振動抑制板700は、第1軸を中心にした回動に対する固有振動数が第2振動数の70%(すなわち、2(-1/2))以下である値を有することが望ましい。
その理由は、加振周波数である第2振動数で、周波数応答大きさを1よりも小さな値に抑制しようとする場合、前述のように、振動抑制板700を追加した全体システムの臨界振動数を第2振動数よりも小さな値にしなければならないからである。これは、可動板300の質量慣性モーメントなどを無視すれば、振動抑制板700の固有振動数(前記臨界振動数の70%に近似)が第2振動数の70%以下である値を有することと等価である。そして、振動抑制板700の固有振動数が第1振動数より大きいのは、第1振動数で、可動板300の周波数応答が減衰されることを防止するためである。
図20に示すように、振動抑制板700の固有振動数は、8kHzであり、第1振動数である60Hzよりも大きく、第2振動数である25kHzの70%以下である値である。従って、振動抑制板700は、第1軸を中心にした可動板300の回動に対し、第1振動数帯域の振動は通過させ、第2振動数帯域の振動は抑制する低域通過フィルタとなる。
図21及び図22は、振動抑制板700の振動抑制効果に係る数値解析結果を図示したグラフである。水平軸は時間を、垂直軸は垂直走査角を表す。図21は、第1軸支持部材151を中心にしたジンバル600の回動角であるθ2に関する第1振動数(垂直周波数であって60Hz)及びこれに重畳された第2振動数(水平周波数であって25kHz)の成分を図示する。図22は、中間支持部材153を中心にした振動抑制板700及び可動板300の回動角であるθ1に関する第1振動数(垂直周波数であって60Hz)を図示する。θ1において、第2振動数(水平周波数であって25kHz)成分が大きく抑制されるということが分かる。
以上、具体的な数値を使用して振動抑制板700の作用について述べたが、それらは説明の便宜のためであるだけであり、本発明の範囲を限定するためのものでない。添付図面には、説明の便宜のために、本発明の実施形態が大きく拡大されて図示されているが、本発明のアクチュエータと二次元スキャナは、MEMS(Micro Electro Mechanical System)工程により、半導体チップ状のマイクロスキャナとして具現されるのに非常に適した構造である。
図23は、本発明によるスキャナの動作を図示した斜視図である。一実施形態として、本発明の二次元スキャナは、マイクロ光学装置712、レーザモジュレータ708、アクチュエータ704を具備する。マイクロ光学装置712にRGB色相の光710を走査するレーザモジュレータ708が設けられる。光710は、マイクロ光学装置712によって組み合わされてアクチュエータ704に向かう。アクチュエータ704は、本発明の実施形態に基づいて作動され、スクリーン720に光710をスキャニングする。
本発明は、図面に図示された実施形態を参考として説明されたが、それらは例示的なものに過ぎず、当技術が属する分野で当業者ならば、それらから多様な変形及び均等な他の実施形態が可能であるという点を理解することができるであろう。従って、本発明の技術的範囲は、特許請求の範囲によって定められる。
本発明のアクチュエータ及び二次元スキャナは、例えば、光信号関連の技術分野に効果的に適用可能である。
1 マイクロスキャナ、
2 絶縁板、
3 磁性体ヨーク、
4、4’、5、5’、210a、210b 永久磁石、
6a、6b、6c、6d 連結ピン、
7a、7b、7c、7d ボンディングパッド、
8a、8b、8c、8d ボンディングワイヤ、
10 スキャナ本体、
11 シリコン基板、
12A 外部可動板、
12B 内部可動板、
13A 第1トーションバー、
13B 第2トーションバー、
14A 外部コイル端子、
14B 内部コイル端子、
15A 外部コイル、
15B 内部コイル、
16、320 ミラー部、
80 第1軸と第2軸との交点、
100 ベース板、
110 端子部、
120 補助端子部、
151 第1軸支持部材、
152 第2軸支持部材、
153 中間支持部材、
200 磁場形成部、
220 ヨーク、
300 可動板、
400 駆動コイル部、
401、402 コイル、
401’ 四角形コイル、
410 離隔部、
411、421、431 電磁力、
420 同軸部、
430 曲線状の連結部、
430’ 直角に曲がった連結部、
500 補助コイル部、
600 ジンバル、
700 振動抑制板、
704 アクチュエータ、
708 レーザモジュレータ、
710 光、
712 マイクロ光学装置、
720 スクリーン、
H1、H2、M1、M2、Tx、Ty モーメント力。
2 絶縁板、
3 磁性体ヨーク、
4、4’、5、5’、210a、210b 永久磁石、
6a、6b、6c、6d 連結ピン、
7a、7b、7c、7d ボンディングパッド、
8a、8b、8c、8d ボンディングワイヤ、
10 スキャナ本体、
11 シリコン基板、
12A 外部可動板、
12B 内部可動板、
13A 第1トーションバー、
13B 第2トーションバー、
14A 外部コイル端子、
14B 内部コイル端子、
15A 外部コイル、
15B 内部コイル、
16、320 ミラー部、
80 第1軸と第2軸との交点、
100 ベース板、
110 端子部、
120 補助端子部、
151 第1軸支持部材、
152 第2軸支持部材、
153 中間支持部材、
200 磁場形成部、
220 ヨーク、
300 可動板、
400 駆動コイル部、
401、402 コイル、
401’ 四角形コイル、
410 離隔部、
411、421、431 電磁力、
420 同軸部、
430 曲線状の連結部、
430’ 直角に曲がった連結部、
500 補助コイル部、
600 ジンバル、
700 振動抑制板、
704 アクチュエータ、
708 レーザモジュレータ、
710 光、
712 マイクロ光学装置、
720 スクリーン、
H1、H2、M1、M2、Tx、Ty モーメント力。
Claims (46)
- ベース板と、
前記ベース板と連結される可動板と、
いずれか1つの磁石から他の1つの磁石に向かう方向に磁力を発生させる一対の磁石と、を備え、
前記可動板は、前記一対の磁石間に位置し、前記磁力と平行した仮想の軸を中心に回動することを特徴とするアクチュエータ。 - 前記ベース板と可動板とを連結する支持部材をさらに備えることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記可動板は、駆動源としての駆動コイル部を備えることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記駆動コイル部は、前記可動板の中心に対して点対称形状に配置されることを特徴とする請求項3に記載のアクチュエータ。
- 前記磁力に垂直な方向に沿って延長されると共に、前記可動板の中心を通過する他の仮想の軸である追加軸が想定されるとき、前記駆動コイル部の一部分は、前記追加軸を基準に一側に配置され、前記駆動コイル部の他部分は、前記追加軸を基準に他側に配置されることにより、前記駆動コイル部が前記追加軸に対して非対称形状に配置されることを特徴とする請求項3に記載のアクチュエータ。
- 前記支持部材は、前記磁力に平行した方向に沿って、前記可動板から延長されることを特徴とする請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記支持部材は、前記可動板の回動時にねじり変形されることを特徴とする請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記可動板には、光を反射するミラー部が備えられることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。
- ベース板と、
回動可能な可動板と、
前記可動板から前記ベース板まで延長する支持部材と、
いずれか1つの磁石から他の1つの磁石に向かう方向に磁力を発生させる一対の磁石と、を備え、
前記可動板は、駆動源としての駆動コイル部を備え、
前記磁力に垂直な方向に沿って延長されると共に、前記可動板の中心を通過する仮想の第1軸、及び前記磁力に平行した方向に沿って延長する仮想の第2軸が想定されるとき、前記駆動コイル部の第1部分は、前記第1軸を基準に一側に配置され、前記駆動コイル部の第2部分は、前記第1軸を基準に他側に配置されることにより、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記第1軸に対して非対称形状に配置されることを特徴とするアクチュエータ。 - 前記支持部材は、前記可動板の一側及び他側に向かってそれぞれ延長する2個の部分からなることを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ。
- 前記駆動コイル部は、前記可動板の中心に対して点対称形状に配置されることを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ。
- 前記支持部材は、前記磁力に垂直な方向に沿って、前記可動板から延長されることを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ。
- 前記支持部材は、前記可動板の回動時にねじり変形されることを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ。
- 第1振動数及び前記可動板の固有振動数と一致する第2振動数を重畳的に有する駆動電源が前記駆動コイル部に印加されることにより、前記可動板は、前記第1軸を中心に前記第1振動数で回動し、前記第2軸を中心に前記第2振動数で共振することを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ。
- 前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分の周囲に楕円状に配置される補助コイル部をさらに備えることを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ。
- 前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と同じストランドのコイルで形成されることを特徴とする請求項15に記載のアクチュエータ。
- 前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と互いに異なるストランドのコイルで形成されることを特徴とする請求項15に記載のアクチュエータ。
- 前記可動板には、光を反射するミラー部が備えられることを特徴とする請求項9に記載のアクチュエータ。
- ベース板と、
回動可能な可動板と、
前記可動板の外側に設けられるジンバルと、
前記ジンバルから前記ベース板まで延長する第1軸支持部材と、
前記可動板から前記ジンバルまで延長する第2軸支持部材と、を備え、
前記可動板は駆動源としての駆動コイル部を備え、前記ジンバルは補助コイル部を備え、前記第1軸支持部材と同軸に延長される仮想の第1軸及び前記第2軸支持部材と同軸に延長される仮想の第2軸を想定するとき、前記駆動コイル部の第1部分は、前記第1軸を基準に一側に配置され、前記駆動コイル部の第2部分は、前記第1軸を基準に他側に配置されることにより、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記第1軸に対して非対称形状に配置されることを特徴とするアクチュエータ。 - いずれか1つの磁石から他の1つの磁石に向かう方向に磁力を発生させる一対の磁石をさらに備え、
前記可動板及び前記ジンバルは、前記一対の磁石間に配置されることを特徴とする請求項19に記載のアクチュエータ。 - 前記駆動コイル部は、前記可動板の中心に対して点対称形状に配置されることを特徴とする請求項19に記載のアクチュエータ。
- 前記第1軸支持部材は、前記磁力に垂直な方向に沿って、前記ジンバルから延長されることを特徴とする請求項20に記載のアクチュエータ。
- 前記第2軸支持部材は、前記磁力に平行した方向に沿って、前記可動板から延長されることを特徴とする請求項22に記載のアクチュエータ。
- 前記第1軸支持部材及び前記第2軸支持部材は、前記可動板及び前記ジンバルの回動時にねじり変形されることを特徴とする請求項19に記載のアクチュエータ。
- 第1振動数及び前記可動板の固有振動数と一致する第2振動数を重畳的に有する駆動電源が前記駆動コイル部及び補助コイル部に印加されることにより、前記可動板及び前記ジンバルは前記第1軸を中心に前記第1振動数で回動し、前記可動板は前記第2軸を中心に前記第2振動数で共振することを特徴とする請求項19に記載のアクチュエータ。
- 前記補助コイル部は、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分の周囲に楕円状に配置されることを特徴とする請求項19に記載のアクチュエータ。
- 前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と同じストランドのコイルで形成されることを特徴とする請求項19に記載のアクチュエータ。
- 前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と互いに異なるストランドのコイルで形成されることを特徴とする請求項19に記載のアクチュエータ。
- 前記可動板には、光を反射するミラー部が備えられることを特徴とする請求項19に記載のアクチュエータ。
- ベース板と、
回動可能な可動板と、
前記可動板の外側に設けられるジンバルと、
前記ジンバルから前記ベース板まで延長する第1軸支持部材と、
前記可動板から前記ジンバルまで延長する第2軸支持部材と、を備え、
前記ジンバルは、駆動源としての駆動コイル部を備え、
前記第1軸支持部材と同軸に延長される仮想の第1軸及び前記第2軸支持部材と同軸に延長される仮想の第2軸を想定するとき、前記駆動コイル部の第1部分は前記第1軸を基準に一側に配置され、前記駆動コイル部の第2部分は前記第1軸を基準に他側に配置されることにより、前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記第1軸に対して非対称形状に配置されることを特徴とする二次元スキャナ。 - いずれか1つの磁石から他の1つの磁石に向かう方向に磁力を発生させる一対の磁石をさらに備え、
前記可動板及び前記ジンバルは、前記一対の磁石間に配置されることを特徴とする請求項30に記載の二次元スキャナ。 - 前記駆動コイル部は、前記可動板の中心に対して点対称形状に配置されることを特徴とする請求項30に記載の二次元スキャナ。
- 前記第1軸支持部材は、前記磁力に垂直な方向に沿って、前記ジンバルから延長されることを特徴とする請求項31に記載の二次元スキャナ。
- 前記第2軸支持部材は、前記磁力に平行した方向に沿って、前記可動板から延長されることを特徴とする請求項33に記載の二次元スキャナ。
- 前記第1軸支持部材及び第2軸支持部材は、前記可動板及び前記ジンバルの回動時にねじり変形されることを特徴とする請求項30に記載の二次元スキャナ。
- 第1振動数及び前記可動板の固有振動数と一致する第2振動数を重畳的に有する駆動電源が前記駆動コイル部に印加されることにより、前記可動板は前記第1軸を中心に前記第1振動数で回動し、前記第2軸を中心に前記第2振動数で共振することを特徴とする請求項30に記載の二次元スキャナ。
- 前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分の周囲に楕円状に配置される補助コイル部をさらに具備することを特徴とする請求項30に記載の二次元スキャナ。
- 前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と同じストランドのコイルで形成されることを特徴とする請求項37に記載の二次元スキャナ。
- 前記駆動コイル部の第1部分及び第2部分は、前記補助コイル部と互いに異なるストランドのコイルで形成されることを特徴とする請求項37に記載の二次元スキャナ。
- 前記ジンバル及び前記可動板間に設けられる振動を抑制する振動抑制板をさらに備え、
第1振動数及び前記可動板の固有振動数と一致する第2振動数を重畳的に有する駆動電源が前記駆動コイル部に印加されるとき、前記振動抑制板は、前記可動板に対して前記第2振動数の回動成分を抑制することを特徴とする請求項30に記載の二次元スキャナ。 - 前記第2振動数は、前記第1振動数よりも大きいことを特徴とする請求項40に記載の二次元スキャナ。
- 前記可動板には、光を反射するミラー部が備えられることを特徴とする請求項30に記載の二次元スキャナ。
- 前記第2振動数は、前記可動板の固有振動数と一致し、
前記振動抑制板は、前記可動板の前記第1軸を中心にした前記第2振動数の回動成分を抑制することを特徴とする請求項40に記載の二次元スキャナ。 - 前記可動板は、前記第2軸を中心に前記第2振動数で共振することを特徴とする請求項40に記載の二次元スキャナ。
- 前記振動抑制板は、
前記第1軸を中心にした回動に対する固有振動数が前記第1振動数よりも大きく、前記第2振動数よりも小さな値を有することを特徴とする請求項40に記載の二次元スキャナ。 - 前記振動抑制板は、
前記固有振動数が前記第2振動数の70%以下である値を有することにより、前記第1軸を中心にした前記可動板の回動に対して低域通過フィルタとしての機能を備えることを特徴とする請求項40に記載の二次元スキャナ。
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