WO2017149713A1

WO2017149713A1 - 光偏向装置

Info

Publication number: WO2017149713A1
Application number: PCT/JP2016/056523
Authority: WO
Inventors: 規裕 ▲浅▼田
Original assignee: 北陽電機株式会社
Priority date: 2016-03-03
Filing date: 2016-03-03
Publication date: 2017-09-08
Also published as: US9983404B2; US20170343794A1; EP3425440A1; JP6771132B2; JPWO2017149713A1; EP3425440A4; EP3425440B1

Abstract

光偏向部の揺動に起因する固定部に伝達される振動を抑制して固定部が取り付けられる筐体に騒音が生じることがない光偏向装置を提供する。　光反射部とコイルを備えた可動部３の両側に一対の梁部４が設けられた光偏向部５と、前記梁部４を介して前記光偏向部５が揺動可能に固定されるとともに磁界形成部を備えた固定部とを備え、前記コイルに流れる駆動電流と前記磁界形成部で形成される磁界とで発生する電磁力により、前記梁部４を捻り回転軸として前記可動部３を揺動する光偏向装置であって、前記光偏向部５の揺動位相と逆相で揺動するカウンター揺動体１５を、前記光偏向部５と対向するように前記固定部２に備えている。

Description

光偏向装置

　本発明は、光偏向装置に関し、詳述すると光反射部とコイルを備えた可動部の両側に一対の梁部が設けられた光偏向部と、梁部を介して光偏向部が揺動可能に固定されるとともに磁界形成部を備えた固定部とを備え、コイルに流れる電流と磁界形成部で形成される磁界とで発生する電磁力により、梁部を捻り回転軸として可動部を揺動する光偏向装置に関する。

　上述した光偏向装置は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術などを用いて製造される微小機械装置であり、測距装置やレーザービームプリンタなどに用いられている。

　特許文献１には、防振性に優れた光偏向用の共振型の振動モータを提供することを目的として、磁気空隙を形成する永久磁石およびヨークが配設されたバランサーと、磁気空隙内に配置される磁界発生用のコイルが固着された動作物と、サポートベースとを具備するとともに、動作物とバランサーとが共振可能にサポートベースに接続された共振型揺動モータが開示されている。

　当該光偏向用の共振型の振動モータは、サポートベースに対してバランサーと動作物とが例えば板バネなどを用いて接続され、コイルに駆動電流が流れると、コイルの磁界と永久磁石の磁界との相互作用によって動作物とバランサーとの間に大きさが等しく反対方向の駆動力が発生するように構成されている。

　動作物とバランサーは各々の振幅を有する共振状態に到達し、以後この共振状態に保持されることにより、サポートベースに接続される部材を介して光ビームの書き込みや読み取りに関係する部分への振動伝達が防止され、高精度な位置決めに適した振動モータが得られる。

　特許文献２には、揺動アクチュエータ装置から駆動トルクの反作用が周期的に作用する場合であっても、ミラーの角度を指令値に追従制御する際にミラーの振動を抑制するとともに加工精度を上げることを目的として、揺動アクチュエータ装置の回転軸にミラー支持させ、このミラーを回転軸の軸線の回りに位置決めするスキャナ装置であって、揺動アクチュエータ装置を支持するサポートと、サポートの共振周波数に等しい固有振動数を有する動吸振器とを備え、動吸振器がサポートに固定されているスキャナ装置が提案されている。

特開平０９－９３９０１号公報特開２００８－２９８８５７号公報

　しかし、上述した光反射部とコイルを備えた可動部の両側に一対の梁部が設けられた光偏向部と、梁部を介して光偏向部が揺動可能に固定されるとともに磁界形成部を備えた固定部とを備え、梁部を捻り回転軸として可動部を揺動する光偏向装置では、磁界形成部を備えた固定部に梁部を介して光偏向部が揺動可能に固定されるため、特許文献１に開示された防振構造を採用することができなかった。

　そのため、光偏向部の振動が、固定部を介して固定部が取り付けられた筐体に伝達されて、筐体側が光偏向部の駆動周波数と近い共振周波数を有する場合には、異常に振動して騒音が発生するという問題があった。

　特許文献２に開示されたスキャナ装置は、揺動アクチュエータ装置の停止時に慣性力によるミラーの振動を動吸振器の反力で抑制することにより、ミラーの停止時の応答性を上げるものであり、例えば揺動駆動されるミラーによって他の構造部材に及ぼす振動を抑制するような構造ではなかった。

　本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、光偏向部の揺動に起因する固定部に伝達される振動を抑制して固定部が取り付けられる筐体に騒音が生じることがない光偏向装置を提供する点にある。

　上述の目的を達成するため、本発明による光偏向装置の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、光反射部とコイルを備えた可動部の両側に一対の梁部が設けられた光偏向部と、前記梁部を介して前記光偏向部が揺動可能に固定されるとともに磁界形成部を備えた固定部とを備え、前記コイルに流れる駆動電流と前記磁界形成部で形成される磁界とで発生する電磁力により、前記梁部を捻り回転軸として前記可動部を揺動する光偏向装置であって、前記光偏向部の揺動位相と逆相で揺動するカウンター揺動体を、前記光偏向部と対向するように前記固定部に備えている点にある。

　梁部を介して光偏向部が固定部に揺動可能に固定され、当該固定部に光偏向部と対向するようにカウンター揺動体が配置される。そして、カウンター揺動体が光偏向部の揺動位相と逆相で揺動されることにより、光偏向部が固定部に作用する加振力がカウンター揺動体の加振力で相殺されるようになる。

　同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記カウンター揺動体は、巻回方向が前記可動部のコイルと逆向きに設定されたカウンターコイルを備えたカウンター可動部と、前記カウンター可動部の両側に設けられた一対のカウンター梁部で構成され、前記コイルに印加される駆動電流の向きと逆向きに前記カウンターコイルに前記駆動電流が印加されるように構成されている点にある。

　可動部に備えたコイルと、光偏向部に対向配置されたカウンター揺動体のコイルのそれぞれに流れる駆動電流が逆方向となり、光偏向部とカウンター揺動体が互いに逆相で揺動駆動されるようになる結果、光偏向部が固定部に作用する加振力が、カウンター揺動体の加振力によって相殺されるようになる。このとき、共通の駆動電流で、光偏向部とカウンター揺動体を逆相で揺動駆動することができるようになり、また、光偏向部とカウンター揺動体の共振周波数が一致していると両者は完全に逆相で揺動駆動されることになる。

　同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第二の特徴構成に加えて、前記光偏向部の共振周波数と前記カウンター揺動体の共振周波数が一致または近接するように設定されている点にある。

　駆動電流の周波数を光偏向部の共振周波数つまり固有周波数に設定すると、駆動効率は最大になるが、このような機械系の共振周波数は周囲温度による影響を受けて大きく変動する。温度変動に関わらず光偏向部の振幅を一定に制御するためには、常に共振周波数の変動を把握しておく必要があり、そうでない限り制御性が悪くなってしまう。そこで、駆動電流の周波数と光偏向部の共振周波数をずらし、駆動効率が最大効率より低くなる周波数域の駆動電流で駆動することで、周囲温度の変動があっても例えば駆動電流の周波数や電流値を調整することにより容易且つ安定的な振幅制御が可能になる。

　駆動電流の周波数が光偏向部の共振周波数と等しいときに光偏向部の揺動振幅が最大となり、光偏向部の揺動位相が駆動電流に対して９０度の位相遅れとなる。駆動電流の周波数が光偏向部の共振周波数より高い場合は揺動振幅が小さくなり、位相遅れは９０度より大きくなる。逆に駆動電流の周波数が光偏向部の共振周波数より低い場合は揺動振幅が小さくなり、位相遅れは９０度より小さくなる。

　カウンター揺動体を光偏向部と共通の駆動電流で駆動する場合に共振特性が光偏向部と同一であれば、カウンターコイルの巻回方向が可動部のコイルと逆であるために揺動方向が光偏向部と反転（位相差１８０度）する点を除いて、振幅特性と位相のずれは光偏向部と同一となる。即ち、光偏向部とカウンター揺動体の共振特性が同一で共振周波数が一致する場合は、光偏向部とカウンター揺動体は常に逆相かつ同一振幅で揺動される。

　その結果、常にカウンター揺動体が光偏向部に対して逆相で駆動され、光偏向部及びカウンター揺動体の固定部に作用する加振力が安定的に相殺されるようになる。また光偏向部とカウンター揺動体の共振特性が同一でなくても十分近接していれば揺動位相はほぼ逆相に保たれるため、固定部に作用する加振力はほぼ相殺される。

　同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一の特徴構成に加えて、前記カウンター揺動体は、カウンター可動部と前記カウンター可動部の両側に設けられた一対のカウンター梁部とで構成され、前記光偏向部の揺動により前記固定部に作用する応力を受けて前記光偏向部の揺動位相と略逆相で揺動するように構成されている点にある。

　光偏向部に備えた可動部のコイルに駆動電流が流れると、梁部を捻り回転軸として光偏向部が揺動駆動される。このとき、光偏向部の揺動により固定部に作用する応力を受けてカウンター揺動体が光偏向部の揺動周波数で揺動する。カウンター揺動体の共振周波数と揺動周波数の関係を適切に設定すると、光偏向部の揺動位相とカウンター揺動体の揺動位相が略逆相で揺動するようになり、光偏向部の固定部に作用する加振力に対しカウンター揺動体の固定部に作用する加振力が相殺する方向に働く。

　同第五の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、上述の第四の特徴構成に加えて、前記駆動電流の周波数は前記光偏向部の共振周波数の近傍に設定されるとともに、前記カウンター揺動体の共振周波数は前記駆動電流の周波数より小に設定されている点にある。

　既述したように、駆動電流の周波数が光偏向部の共振周波数に設定されると駆動効率は最大になるが、機械系の共振周波数は周囲温度により大きな影響を受ける。温度変動に関わらず光偏向部の振幅を一定に制御するためには、常に共振周波数の変動を把握しておく必要があり、そうでない限り制御性が悪くなってしまう。そのような場合でも、駆動電流の周波数と光偏向部の共振周波数をずらすことで安定的な揺動駆動が可能になる。

　駆動電流の周波数を光偏向部の共振周波数の近傍で高い領域または低い領域に設定することで、例えば駆動電流の電流値一定の下での周波数可変制御や、周波数一定の下での電流値可変制御等によって、光偏向部は安定して一定振幅に制御される。このときの駆動電流の周波数に従って揺動する光偏向部の加振力により固定部が振動し、当該固定部の振動の反力を受けてカウンター揺動体が揺動する。

　カウンター揺動体の共振周波数が駆動電流の周波数、即ち光偏向部の揺動周波数と同一の場合にはカウンター揺動体の振幅は最大となり、カウンター揺動体は光偏向部の揺動位相から９０度遅れて揺動する。カウンター揺動体の共振周波数が揺動周波数より低い場合は、振幅は小さくなる一方で光偏向部の揺動位相からの遅れは９０度より大きくなり、カウンター揺動体の共振周波数が揺動周波数より高い場合は、光偏向部の揺動位相からの遅れは９０度より小さくなる。

　即ち、カウンター揺動体の共振周波数が揺動周波数より低い場合は光偏向部の揺動位相からの位相遅れが９０度以上となり、カウンター揺動体による加振力が光偏向部の加振力を相殺する方向に作用する。一方カウンター揺動体の共振周波数が揺動周波数より高い場合は光偏向部の揺動位相からの位相遅れが９０度より小さくなり、カウンター揺動体による加振力が光偏向部の加振力を相殺する方向には働かない。

　同第六の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記カウンター可動部に前記可動部を臨む開口部が形成され、前記開口部を挟んで前記光偏向部の揺動周期を計測可能に構成されている点にある。

　カウンター可動部に形成された開口部を通して光偏向部の裏面から光偏向部の揺動周期を計測することができるようになる。

　同第七の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記可動部及び／または前記カウンター可動部に共振周波数を調整する質量調整部を備えている点にある。

　製造時に光偏向部及び／またはカウンター揺動体の共振周波数のばらつきが生じると、駆動電流の周波数に対して所期の周波数で光偏向部及び／またはカウンター揺動体を揺動駆動することが困難になる、また駆動時の温度上昇によって光偏向部及び／またはカウンター揺動体の共振周波数が変動する場合にも同様の問題が発生する。そのような場合に、可動部及び／またはカウンター可動部に質量調整部を備えていれば、共振周波数の製造時のばらつきや温度変化による変動を抑制して、予め設定した駆動電流の周波数に対して所期の周波数で光偏向部及び／またはカウンター揺動体を適正に駆動することができるようになる。

　カウンター揺動体で効率よく光偏向体の加振力を相殺するためには、光偏向体の共振周波数とカウンター揺動体の共振周波数及び駆動電流の駆動周波数の相対関係を精度よく設定する必要がある。質量調整部分を備えることにより製造時の相対的な共振周波数のばらつきを調整することができるため、加振力の相殺効果を高めることができる。

　同第八の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第一から第六の何れかの特徴構成に加えて、前記可動部または前記カウンター可動部と一体に揺動可能に構成され、前記可動部または前記カウンター可動部を挟んで外方から調整可能な質量調整部を備えている点にある。

　質量調整部が可動部またはカウンター可動部と一体に揺動するように、そして可動部またはカウンター可動部を挟んで外方から調整可能に構成することで、組み上がった後の光偏向装置に対してその後質量調整できるようになる。

　同第九の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第七または第八の特徴構成に加えて、前記質量調整部は質量の増量により共振周波数を粗調整し、質量の減量により共振周波数を微調整するように構成されている点にある。

　共振周波数の調整に際して、質量調整部の質量を増量することにより粗調整し、質量調整部の質量を減量することにより微調整すると、共振周波数の調整作業が迅速且つ正確にできるようになる。

　同第十の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、上述の第一から第九の何れかの特徴構成に加えて、前記梁部及びカウンター梁部は、テンションアニール法で圧延されたステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかの金属を用いて、集束イオンビーム法、エッチング法、及びメッキ法の何れかにより断面積が１ｍｍ^２以下に成形されている点にある。

　集束イオンビーム法、エッチング法、及びメッキ法の何れかにより梁部及びカウンター梁部が加工されると、応力振幅により亀裂に成長するような傷が表面に形成される確率が非常に小さくなり、疲労強度が低下する虞が極めて低くなる。そして、断面積１ｍｍ^２以下に成形されると、それだけ良好な実効耐力を示す梁部が構成できるようになり、テンションアニール法で圧延されたステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかの金属を用いて金属弾性部材を構成すれば、長期にわたり安定して動作可能な梁部が得られる。

　以上説明した通り、本発明によれば、光偏向部の揺動に起因する固定部に伝達される振動を抑制して固定部が取り付けられる筐体に騒音が生じることがない光偏向装置を提供することができるようになった。

図１は本発明の光偏向装置が組み込まれた測距装置の斜視図である。図２は光偏向装置の基本構造を示す斜視図である。図３（ａ）は光偏向部の平面図、図３（ｂ）は同断面図、図３（ｃ）は光偏向部の別実施形態を示す断面図である。図４（ａ）から図４（ｅ）は梁部の製作過程の説明図である。図５（ａ），図５（ｂ），図５（ｃ）は光偏向装置の組立手順の説明図である。図６（ａ）は光偏向部とカウンター揺動体（カウンター光偏向部）の説明図、図６（ｂ）は固定部に取付けられた光偏向部とカウンター揺動体（カウンター光偏向部）の断面図、図６（ｃ）は光偏向部またはカウンター揺動体（カウンター光偏向部）の共振周波数を調整するための質量調整部の説明図である。図７（ａ）は光偏向部とカウンター揺動体の説明図、図７（ｂ）は固定部に取付けられた光偏向部とカウンター揺動体の断面図、図７（ｃ）はカウンター揺動体の共振周波数を調整するための質量調整部の説明図である。図８は光偏向部の揺動角度検知構造の説明図である。図９（ａ）は別実施例を示し、光偏向部またはカウンター揺動体の説明図、図９（ｂ）は別実施例を示し、固定部に取付けられた光偏向部とカウンター揺動体の断面図、図９（ｃ）は別実施例を示し、光偏向部またはカウンター揺動体の共振周波数を調整するための質量調整部の説明図である。図１０（ａ）は光偏向部及びカウンター揺動体の双方が主体的に揺動する場合の駆動周波数と光偏向部とカウンター揺動体の共振周波数との関係の説明図、図１０（ｂ）は光偏向部に対してカウンター揺動体が受動的に揺動する場合の駆動周波数と光偏向部とカウンター揺動体の共振周波数との関係の説明図である。図１１（ａ）は周波数調整パターンと共振周波数の変動特性図、図１１（ｂ）は梁幅と共振周波数のばらつき特性図である。図１２（ａ）から図１２（ｅ）は別実施形態を示し、梁部の製作過程の説明図である。

　以下、本発明による光偏向装置の具体例を図面に基づいて説明する。
　図１には、光偏向装置１０が組み込まれた測距装置１が示されている。測距装置１００は、電源回路や信号処理回路が収容された直方体の本体ケーシング２０と、本体ケーシング２０の一側面に配置され、光偏向装置１０が回転可能に収容された半透明の光学機器ケーシング３０を備えている。

　光学機器ケーシング３０の内部には、基台４０と、基台４０に固定され縦軸心周りに回転する電磁モータを備えた回転走査部５０と、回転走査部５０の上部に固定された光偏向装置１０と、光偏向装置１０に向けて測定光を投光するレーザダイオードなどを用いた光源と光偏向装置１０で反射された反射光を受光するフォトトランジスタなどを用いた受光部とを備えた投受光部６０などが収容されている。

　図２に示すように、光偏向装置１０は、光偏向部５と固定部２を備えている。光偏向部５は、上面側に光反射部となる偏向ミラー３ａを備え、裏面側にコイルを備えた可動部３と、可動部３の両側に固定された一対の梁部４，４とで構成されている。

　固定部２はポリカーボネート等の樹脂で構成された直方体形状を呈し、平面視で可動部３よりもやや大きな面積の矩形形状となるように、厚み方向に刳り抜かれた開口空間が形成されている。開口空間を挟んだ一対の対向縁部には、光偏向部５が梁部４，４を介して軸心Ｐ周りに揺動可能に固定されている。

　さらに固定部２には、可動部３を両側から挟むように、磁界形成部６が配置されている。磁界形成部６は一方がＮ極となり他方６がＳ極となるように対向配置された一対の永久磁石６ａ，６ｂで構成され、各永久磁石６ａ，６ｂは高透磁率の磁性体保持部７に保持されている。

　図３（ａ），（ｂ）に示すように、可動部３は、ガラス基板またはシリコン基板に金またはアルミニウム等が蒸着された偏向ミラー３ａと、ガラスエポキシ基板に銅製のコイルＣと電極パッドＥが印刷形成されたコイル基板３ｃと、それら間に配置される同じくガラスエポキシ製のスペーサ３ｂを備えている。

　梁部４，４は金属弾性部材で構成され、所定長の金属棒状部４ａと、金属棒状部４ａの一端側に形成され固定部２に固定する固定側パッド４ｂと、金属棒状部４ａの他端側に形成され可動部３に固定する可動側パッド４ｃとを備えている。

　一対の梁部４，４の可動側パッド４ｃが電極パッドＥに接触するように位置決めされ、導電性接着剤を用いて偏向ミラー３ａとコイル基板３ｃとの間に接着固定されている。尚、コイル基板３ｃを、エポキシ樹脂等を用いた各基板層にコイルパターンを形成し、各基板層のコイルをビアで連結した多層基板で構成してもよい。

　スペーサ３ｂは中央部が絶縁部材３３で形成され、両端部が金属部材３４で構成されている。各電極パッドＥ，Ｅと各可動側パッド４ｃ，４ｃとが金属部材３４，３４を通して電気的に接続されている。

　図３（ｃ）に示すように、可動側パッド４ｃが上側のガラス基板でなる偏向ミラー３ａと下側のガラスエポキシ基板でなるコイル基板３ｃの縁部近傍に固定され、金属棒状部４ａが偏向ミラー３ａとコイル基板３ｃで覆われないように配置される場合であれば、上部偏向ミラー３ａの縁部に可動側パッド４ｃを収容する凹部が形成されていればよく、スペーサ３ｂを設ける必要は無い。

　図２に示すように、固定部２に設けられた位置決めピン２Ｐは金属で構成され、梁部４，４を介してコイル基板３ｃに形成されたコイルＣに交流電流を印加する電極ピンとなる。

　一対の梁部４，４を介してコイルＣに交流電流を印加すると、コイルＣに流れる交流電流と固定部２に備えた永久磁石６ａ，６ｂにより形成される磁界とによってコイルＣにローレンツ力が作用し、当該ローレンツ力によって梁部を捻り回転軸として可動部３が繰り返し揺動される。本実施形態では、可動部３が±１１．２５°揺動される。

　図１に戻り、この状態で回転走査部５０が縦軸心周りに回転すると、投受光部６０に備えた光源から出射された測定光が、偏向ミラー３ａで偏向されて、光学窓３０ａから測定対象区間に向けて回転走査される。そして、測定対象区間に存在する物体からの反射光が光学窓３０ａから偏向ミラー３ａに入射し、偏向ミラー３ａで偏向されて、投受光部６０に備えた受光部で受光される。

　つまり、測定光は、回転走査部５０によって縦軸心周りに回転走査されながら、同時に梁部４，４周りに揺動される偏向ミラー３ａによって上下方向に±２２．５°揺動走査されることで、三次元的に走査される。

　本体ケーシング２０に備えた信号処理回路では、光源からの測定光の出射時期と受光部での反射光の検出時期との時間差に基づいて、測距装置１から測定対象空間に存在する物体までの距離が算出される。

　図４（ａ）から（ｅ）には、梁部４，４を構成する金属弾性部材のエッチング法を用いた製作過程が示されている。本実施例では、母材にＳＵＳ３０４ＣＳＰ－Ｈのテンションアニール材を用いている。

　所定厚さ（本実施形態では０．２ｍｍ）のステンレス薄板４２（図４（ａ）参照）の表面にフォトレジスト４３を均一に塗布し（図４（ｂ）参照）、金属棒状部４ａ、固定側パッド４ｂ、可動側パッド４ｃ、枠体４０、支持部４１に対応する領域が遮光されるように形成されたフォトマスク（図示せず）を介して光露光する（図４（ｃ）参照）。

　露光された領域のフォトレジスト４３ｂを所定のエッチング液で除去すると、ステンレス薄板４２の表面のうち、枠体４０や梁部４に対応する領域にのみフォトレジスト４３層が形成される（図４（ｄ）参照）。

　その後、ステンレス薄板４２の表面にステンレスを溶かすエッチング液を吹きかけて徐々にエッチング処理を進め、エッチング処理が完了すると溶剤でフォトレジスト４３を除去する。

　以上のプロセスによって、一端側に固定側パッド４ｂが形成され他端側に可動側パッド４ｃが形成された一対の金属棒状部４ａが、枠体４０の内部で直線上に対称に配置され、各パッド４ｂ，４ｃが支持部４１を介して枠体４０に固定されるように一体に形成された金属弾性部材が出来上がる（図２（ｅ）参照）。

　メッキ法を用いて金属弾性部材を製作する場合には、図２（ｄ）に示したフォトレジスト４３の形状が凹部となる所定深さの型枠を作成し、型枠に離型材を塗布した後に、金属イオンを含む電解液を満たし、電解液中の金属を電着させることにより製作することができる。

　梁部４を構成する金属棒状部４ａをプレス加工や研削加工等の機械的加工法で形成すると、加工時に表面にできる複数の微小な傷に、応力振幅に起因する応力の集中が起こり、微小な傷が起点となって亀裂に成長して、疲労強度が低下するため、可動部３を長期にわたり安定して揺動することができない。

　しかし、上述したようなエッチング法、メッキ法、集束イオンビーム法等を用いて製作すれば、長期にわたり安定して揺動可能な梁部４，４を実現できる。梁部４，４の材料として、テンションアニール法で圧延されたステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかの金属を用いることができる。

　金属棒状部を断面積１ｍｍ^２以下に成形することにより、良好な実効耐力を示す梁部が構成できるようになり、周波数１５０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲で可動部３を長期にわたり安定して揺動することができるようになる。尚、可動部３を構成する偏向ミラー３ａの揺動角度は±１１．２５°に制限されることは無く、微小機械装置１の用途に応じて適宜設定される値である。

　図４（ｅ）に示す梁部４，４を構成する金属棒状部４ａは、断面積が１ｍｍ^２以下に形成されていればよく、０．００１ｍｍ^２～１ｍｍ^２の範囲で成形されていることが好ましい。

　本実施形態では、金属棒状部４ａは幅Ｗが１．０ｍｍ、厚さＴが０．２ｍｍ、長さＬが５ｍｍに形成され、断面積Ｓが０．２０ｍｍ^２に形成されている。尚、微小機械装置１の各部の大きさは以下の通りである。固定部２は幅２３ｍｍ、奥行き２６ｍｍ、厚さ５．５ｍｍ、可動部３は幅１２．０ｍｍ、奥行き１２．０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍに形成されている。

　可動部３を揺動駆動する周波数、つまりコイルＣに印加する交流電流の周波数は、可動部３を含む梁部４，４の機械的共振周波数から僅かにずらせた周波数に設定することが好ましく、可動部３の大きさ、金属棒状部４ａの断面積と長さとその物理的特性に依存して５０Ｈｚから約１ｋＨｚの範囲で設定可能である。

　例えば、可動ミラーの面積が１２ｍｍ×１２ｍｍの場合で、上述した金属弾性部材を用いた梁部４の場合には、１０Ｈｚから１８００Ｈｚの周波数範囲、特に１５０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数範囲が好適である。

　上述した金属弾性部材を用いて光偏向装置１０を組み立てる手順を説明する。
　図５（ａ）に示すように、固定部２に設けられた一対の位置決めピン２Ｐが各固定側パッド４ｂに形成された一対の位置決め用の孔部に嵌め込まれて接着固定される。

　次に、図５（ｂ）に示すように、可動側パッド４ｃに形成された一対の位置決め用孔部の上方から、偏向ミラー３ａの裏面に形成された一対の位置決めピンが嵌め込まれ、次に可動側パッド４ｃの下方から開放空間を通してスペーサ３ｂがあてがわれ、さらにコイル基板３ｃに形成された一対の位置決め用孔部に偏向ミラー３ａの位置決めピンが嵌め込まれ、それぞれが接着剤で接着固定される。

　図５（ｃ）に示すように、各支持部４１が切断されて枠体４０が離脱されて、固定側パッド４ｂが確実に固定される。一対の金属棒状部４ａで構成されるねじり回転軸の直線性が高精度に保たれた状態で可動部３を支持できるようになり、しかも組立作業も簡素化できるようになる。その後、下方から磁界形成部６が挿入固定される。

　上述した光偏向装置１０が組み込まれた測距装置１では、光偏向部５（３，４）の振動が、固定部２を介して固定部２が取り付けられた回転走査部５０を介して本体ケーシング２０や光学機器ケーシング３０に伝達されて、本体ケーシング２０や光学機器ケーシング３０が振動に共鳴して騒音が発生するという問題がある。

　そこで、図６（ａ），（ｂ）に示すように、本発明による光偏向装置１０には、光偏向部５の揺動位相と逆相で揺動するカウンター揺動体１５が、光偏向部５と対向するように固定部２に揺動可能に配置されている。尚、図６（ａ）には、光偏向部５と、光偏向部５と対称形状のカウンター揺動体１５の双方が、互いに対向するように配置された状態のみ示されている。

　尚、図２，３，５で説明した光偏向部５は、偏向ミラー３ａとコイル基板３ｃが同一サイズの矩形形状に構成されているが、図６（ａ），（ｂ）に示す光偏向部５は、略正方形形状に形成された偏向ミラー３ａと、梁部４に沿った方向の辺が梁部４に直交する辺よりも長い長方形形状に構成されている点、梁部４，４の長さが図２，３，５で説明した梁部４，４の長さより長い点で相違するが、基本的な構造は同じである。

　図６（ｂ）の例では、カウンター揺動体１５は光偏向部５と全くの同一構造であり、互いにコイル基板３ｃ，１３ｃ同士が対向するように対称に配置され、図示していないが、双方のコイル基板３ｃ，１３ｃを挟むように磁界形成部６が配置されている。固定部２に設けられた位置決めピン２Ｐを介して各コイル基板に形成されたコイルＣに交流電流が印加されると、光偏向部５とカウンター揺動体１５が略１８０°の位相差つまり反対方向に揺動駆動される。

　その結果、光偏向部５が固定部２に作用する加振力がカウンター揺動体１５の固定部２に作用する加振力で相殺され、本体ケーシング２０や光学機器ケーシング３０に伝達される振動が減衰して騒音の発生が抑制される。

　つまり、カウンター揺動体１５は、カウンターコイルを備えたカウンター可動部１３と、カウンター可動部１３の両側に設けられた一対のカウンター梁部１４で構成されている。

　位置決めピン２Ｐから梁部４を経由して光偏向部５のコイルＣに印加される駆動電流と同じ駆動電流が位置決めピン２Ｐからカウンター梁部１４を経由してカウンター光偏向部１５のカウンターコイルに印加される。コイルＣとカウンターコイルとは対称に巻回されているので、コイルＣとカウンターコイルに印加される駆動電流は互いに逆方向に印加され、光偏向部５とカウンター光偏向部１５とは互いに逆相で揺動駆動される。

　図１０（ａ）には、光偏向部５の共振周波数ｆと駆動電流の周波数ｆｉの関係が示されている。光偏向部５の共振周波数ｆが駆動電流の周波数ｆｉと一致する場合は、光偏向部は駆動電流より９０度位相がずれて、最大振幅で揺動する。光偏向部５の共振周波数ｆよりも駆動電流の周波数ｆｉが高い場合には振幅は小さくなり、光偏向部５の位相遅れは９０度より大きくなる。光偏向部５の共振周波数ｆよりも駆動電流周波数ｆｉが低い場合には振幅は同じく小さくなり、光偏向部５の位相遅れは９０度より小さくなる。

　本実施例では動作の安定性を確保するために、駆動電流の周波数ｆｉ（この周波数が揺動周波数となる）を光偏向部５の共振周波数ｆとは異なる値に設定し、最大振幅より少し小さな目標振幅で駆動している。温度変化等によって共振周波数が変動すると揺動振幅が変化するが、光偏向部５の揺動角度が光センサ等でモニタされ、目標となる揺動角度つまり制御角度に維持されるように、例えば駆動電流の電流値一定の下で周波数可変制御や、周波数一定の下での電流値可変制御、さらには周波数及び電流値の双方の可変制御等が行なわれる。

　カウンター揺動体１５は光偏向部５と全くの同一構造であればコイルｃには互いに逆回転の電流が流れ、揺動方向が反転する同一振幅で揺動される。即ち、理想的にはカウンター揺動体１５と光偏向部５が、温度特性を含めてまったく対称的に揺動駆動され、固定部２への加振力は等しく打ち消しあう方向に働く。

　しかし、実際には製造時の誤差や特性ばらつきなどの影響で共振周波数を含む物理的特性が完全に一致することはないので、カウンター揺動体１５の揺動振幅は光偏向体とは一致せず、加振力の打ち消し効果は減少する。

　カウンター揺動体１５と光偏向部５の特性ばらつきによって、互いの共振特性が異なる（ｆｃ≠ｆ）場合、その共振周波数を外部からモニターし、共振周波数を等しくしてやることで揺動振幅を等しく調整し、加振力を等しく、その打消し効果を最大にすることができる。

　このような共振周波数の調整機構が備わっていると、カウンター揺動体の構成が光偏向体とまったく同一でなくとも、予め共振周波数が近くなるように構造設計することにより、組み立て後の調整で加振力を打ち消しあうように設定することができる。

　またカウンター揺動体１５と光偏向部５の駆動電流を、駆動周波数は同一であるがそれぞれ異なる電流値で制御することができれば、より柔軟に加振力を打ち消しあうように振幅制御が可能となる。

　カウンター揺動体１５と光偏向部５の共振特性を一致させることが望ましいが、その共振周波数が十分近接していれば、騒音抑制効果が期待できる。

　図７（ａ），（ｂ）には、カウンター揺動体１５の別実施形態が示されている。
　カウンター揺動体１５は、カウンター可動部１３とカウンター可動部１３の両側に備えた一対のカウンター梁部１４，１４とを備えて構成され、光偏向部５の揺動により固定部２に作用する応力を受けて受動的に光偏向部５の揺動位相と略逆相で揺動するように構成されている。

　カウンター可動部１３及びカウンター梁部１４，１４は、ともに梁部４と同一材料で、図４で説明したエッチング法等によって一体に形成されている。

　光偏向部５に備えた可動部３のコイルに駆動電流が流れると、梁部４を捻り回転軸として光偏向部５が揺動駆動される。このとき、カウンター揺動体１５の共振特性を適切に設定すると光偏向部５の揺動により固定部２に作用する応力を受けてカウンター可動部１５が光偏向部５の揺動位相と逆相で揺動するようになり、光偏向部５及びカウンター揺動体１５の固定部に作用する加振力が相殺または減衰される。

　図１０（ｂ）に示すように、駆動電流の周波数ｆｉは光偏向部５の共振周波数ｆの近傍（本実施例では共振周波数ｆより大）に設定するとともに、カウンター揺動体１５の共振周波数ｆｃより大に設定されている。

　駆動電流の周波数ｆｉを光偏向部５の共振周波数ｆの近傍に設定することで、光偏向部５の揺動振幅を最大振幅より少し低めで安定的に制御することができる。

　カウンター揺動体１５の共振周波数ｆｃが駆動電流の周波数ｆｉ、即ち光偏向部５の揺動周波数と同一の場合、カウンター揺動体１５の振幅は最大となり、光偏向部５の揺動位相から９０度遅れて揺動する。カウンター揺動体１５の共振周波数が駆動電流の周波数より低い場合は、振幅は小さくなる一方で光偏向部５の揺動位相からの遅れは９０度より大きくなり、カウンター揺動体１５の共振周波数が駆動電流の周波数より高い場合は、光偏向部５の揺動位相からの遅れは９０度より小さくなる。

　そこで、カウンター揺動体１５の共振周波数ｆｃが光偏向部５の揺動周波数ｆｉよりも小に、つまり駆動電流の周波数ｆｉの下側で駆動電流の周波数ｆｉにより近い値に設定されることにより、カウンター揺動体１５の揺動は光偏向部５からの位相遅れが９０度以上となり、光偏向部５による加振力を相殺できる方向に働く。

　一方、駆動電流の周波数ｆｉがカウンター揺動体１５の共振周波数ｆｃより小に設定されると、カウンター揺動体１５の光偏向部からの位相遅れは９０度より小さくなり、光偏向部５の加振力を相殺する方向には働かない。

　カウンター揺動体１５の共振周波数ｆｃは、駆動電流の周波数ｆｉより低く光偏向部５の揺動位相より９０度以上の位相遅れを有し、且つ揺動振幅ができるだけ大きくなるように、できるだけｆｉに近いことが望ましい。即ち、駆動電流の周波数ｆｉとカウンター揺動体１５の共振周波数ｆｃの偏差は１Ｈｚ以下、できれば０．２Ｈｚ以下の値に設定することが望ましい。

　現実の製造ばらつき等を考慮すると、安定的にカウンター揺動体の周波数を駆動電流の周波数ｆｉからの偏差を１Ｈｚ以下、望ましくは０．２Ｈｚ以下に設定することはきわめて困難なため、光偏向部及びカウンター揺動体に共振周波数を調整する質量調整部を備えていることが望ましい。

　図７（ａ）に示すように、カウンター揺動体１５に備えたカウンター可動部１３には、光偏向部５の可動部３を臨む開口部１３ａが形成され、開口部１３ａを挟んで光偏向部５の揺動周期を計測可能に構成されていることが好ましい。

　例えば、表面に銅製のコイルＣが印刷されたガラスエポキシ基板のさらに上面にアルミ等を蒸着して鏡面に形成したコイル基板３ｃに対して、下方からモニタ光を照射し、コイル基板３ｃからの反射光をフォトセンサで検知することにより揺動周期が計測できるようになる。

　図８に示すように、光偏向部５のコイル基板３ｃに向けてカウンター揺動体１５の開口部１３ａよりも下方からモニタ光を照射するＬＥＤと、コイル基板３ｃで反射したモニタ光を検知するフォトセンサＰＳとを備え、光偏向部５の揺動に伴って、フォトセンサＰＳで検知されるモニタ光の周期を算出することにより光偏向部５の揺動周期を検知することができるようになる。例えば、モニタ光が静止時のコイル基板３ｃの揺動幅方向中央部に垂直に入射するようにＬＥＤを設置し、所定角度φ傾斜した位置にフォトセンサＰＳを設置すればよい。

　尚、カウンター揺動体にコイルを備え、駆動電流に能動的にカウンター揺動体を光偏向部に対して逆相で駆動する場合においても、コイル基板の形状等を適切に設計することにより、カウンター揺動体１５に光偏向部の揺動周期計測のための開口部を設けることができる。

　製造時に光偏向部５やカウンター揺動体１５の共振周波数が目標値に設定されていることが好ましいのであるが、実際にはばらつきが生じるため、製造後に共振周波数を調整するために、可動部３及び／またはカウンター可動部１３に質量調整部１８が設けられている。

　図６（ｃ）には、可動部３となるコイル基板３ｃに質量調整部１８が設けられた例が示されている。コイル基板３ｃのうち、固定側パッド４ｂと対向する端縁部に質量調整部１８が設けられている。コイル基板３ｃ，１３ｃの端縁部を例えばレーザトリミングして質量を調整することにより、共振周波数を目標値に調整するのである。図６（ｃ）では、梁４を中心軸として両側に所定距離Ｌ離れた対称位置１８ａ，１８ｂに０．２ｍｍ角のサイズでレーザトリミング加工した例が示されている。

　そのため、光偏向部５及び／またはカウンター揺動体１５のコイル基板３ｃ，１３ｃのサイズを偏向ミラー３ａよりも大きなサイズに構成し、固定部の上方或いは下方からコイル基板３ｃ，１３ｃをレーザトリミング加工できるように構成している。

　図１１（ａ）には、縦（長辺）１３ｍｍ×横（短辺）６ｍｍ×厚み０．５ｍｍのガラスエポキシ樹脂製の矩形の６層コイル基板３ｃに対して、中心軸から所定距離の位置を０．２ｍｍ角のサイズで、例えばレーザー加工機等によって高精度に打ち抜いた場合の共振周波数の調整特性が示されている。この例では、揺動回転中心軸から１．６ｍｍから２．４ｍｍの範囲の何れかを打ち抜くことにより、共振周波数がリニアな特性で調整できることが示されている。従って、目標値に調整するための加工位置が予め把握できるようになる。コイル基板３ｃを打ち抜くことなく、深堀加工すればさらに微妙な調整も可能になる。

　この例では質量を小さくすることにより共振周波数を上昇させる例を示しているが、逆に質量を大きくすることにより共振周波数を下降させることも可能になる。例えば、質量調整部１８に重錘を付加すればよい。重錘としてバインダ樹脂を活用できる。ディスペンサで計量されたバインダ樹脂を予め定めた位置に例えばインクジェット方式のディスペンサにより精度良く塗布することにより共振周波数を調整することができる。

　但し、レーザー加工のような高精度での質量調整は困難であるため、重錘の付加による質量の増量により共振周波数を粗調整し、レーザー加工等による質量の減量により共振周波数を微調整するように構成されている。

　図１１（ｂ）には、梁部１４の幅と共振周波数との関係が示されている。梁の幅に０．９８ｍｍから０．９９ｍｍのばらつきが生じた場合に、共振周波数が１１００Ｈｚを中心に±１０Ｈｚ程度変動することが分かる。このような場合には、重錘の付加による質量の増量により共振周波数を下方に粗調整した後に、レーザー加工等による質量の減量により微調整すればよい。

　図７（ｃ）の例では、カウンター可動部１３のうち、開口部１３ａを形成する対向辺部に質量調整部１８が設けられている。図７（ｃ）中、小さな矩形は０．２ｍｍ角のサイズで深堀加工された例が示されている。尚、カウンター梁部１４とカウンター可動部１３とは同一材料で構成されているが、捻り回転軸として機能するカウンター梁部１４に質量調整部１８を設けると揺動特性が変動する虞があるため、専らカウンター可動部１３に質量調整部１８が設けられることが好ましい。

　図６（ｃ）及び図７（ｃ）では、可動部及び／またはカウンター可動部に共振周波数を調整する質量調整部を備え、光偏向装置が組み上がった後に、上方または下方から質量調整部１８に対して質量の増加または減少のための操作を行なう例を説明したが、例えばコイル基板３ｃのサイズが偏向ミラー３ａのサイズよりも小さい場合には、偏向ミラー３ａに妨げられて光偏向装置が組み上がった後の質量調整のための質量調整部１８の加工が困難となる。

　図９（ａ），（ｂ），（ｃ）には、このような場合に備えた別実施形態が示されている。可動部及び／またはカウンター可動部以外に可動部及び／またはカウンター可動部と一体に揺動する部材９を偏向ミラー３ａと重畳しないような位置に露出するように付加し、当該部材９に質量調整部１８を設ければよい。部材９の材料として、可動部と同様の樹脂やガラス材料を用いることができ、また他の樹脂を用いることもできる。

　つまり、可動部３またはカウンター可動部１３と一体に揺動可能な部材９が設けられ、可動部３またはカウンター可動部１３を挟んで外方から調整可能な質量調整部１８を備えていればよい。図９（ｃ）には、質量調整部１８に所定量に計量されたバインダ樹脂が重錘１８ｗとして付加され、さらにレーザー加工により形成された所定サイズの打抜き部１８ｈが示されている。

　予め設定された駆動電流の周波数ｆｉに対して、組み上がった後の光偏向装置１０の光偏向部５の共振周波数ｆ及びカウンター揺動体１５の共振周波数ｆｃをそれぞれ調整するために質量調整部１８を備えている。

　内部摩擦による発熱を効率よく放熱して、長期にわたり安定して動作可能な梁部１４の構造として、梁部１４に回転軸と交差する方向に複数の突起が延出形成されていてもよい。

　このような突起を延出形成すると、梁部の揺動に伴って突起が雰囲気中で変位し、このときの風の流れで対流熱伝達が発生し、この現象を利用して梁部の捻り動作に伴う内部摩擦による発熱を効率的に放熱することができるようになり、長期間安定して捻り動作を継続させることができるようになる。

　図１２（ａ）から（ｅ）には、梁部１４に回転軸と交差する方向に複数の突起４ｄが、エッチング法によって形成される手順が示され、例えば突起４ｄは幅が０．５ｍｍ、長さが０．５ｍｍ、厚さが０．２ｍｍに形成される。

　上述した実施形態は、何れも本発明による金属弾性部材及び当該金属弾性部材を用いた微小機械装置の一例を説明したものであり、該記載により本発明の技術的範囲が限定されるものではなく、また突起の具体的な形状、サイズ、ピッチ等は本発明による作用効果を奏する範囲において適宜設定できることはいうまでもない。

１：微小機械装置
２：固定部
３：可動部
４：梁部
４ａ：金属棒状部
４ｂ：固定側パッド
４ｃ：可動側パッド
５：光偏向部
６：磁界形成部
６ａ，６ｂ：永久磁石
７：磁性体保持部
１０：光偏向装置
１３：カウンター可動部
１４：カウンター梁部
１５：カウンター揺動体

Claims

　光反射部とコイルを備えた可動部の両側に一対の梁部が設けられた光偏向部と、前記梁部を介して前記光偏向部が揺動可能に固定されるとともに磁界形成部を備えた固定部とを備え、前記コイルに流れる駆動電流と前記磁界形成部で形成される磁界とで発生する電磁力により、前記梁部を捻り回転軸として前記可動部を揺動する光偏向装置であって、
　前記光偏向部の揺動位相と逆相で揺動するカウンター揺動体を、前記光偏向部と対向するように前記固定部に備えている光偏向装置。
　前記カウンター揺動体は、巻回方向が前記可動部のコイルと逆向きに設定されたカウンターコイルを備えたカウンター可動部と、前記カウンター可動部の両側に設けられた一対のカウンター梁部で構成され、前記コイルに印加される駆動電流の向きと逆向きに前記カウンターコイルに前記駆動電流が印加されるように構成されている請求項１記載の光偏向装置。
　前記光偏向部の共振周波数と前記カウンター揺動体の共振周波数が一致または近接するように設定されている請求項２記載の光偏向装置。
　前記カウンター揺動体は、カウンター可動部と前記カウンター可動部の両側に設けられた一対のカウンター梁部とで構成され、前記光偏向部の揺動により前記固定部に作用する応力を受けて前記光偏向部の揺動位相と略逆相で揺動するように構成されている請求項１記載の光偏向装置。
　前記駆動電流の周波数は前記光偏向部の共振周波数の近傍に設定されるとともに、前記カウンター揺動体の共振周波数は前記駆動電流の周波数より小に設定されている請求項４記載の光偏向装置。
　前記カウンター可動部に前記可動部を臨む開口部が形成され、前記開口部を挟んで前記光偏向部の揺動周期を計測可能に構成されている請求項１から５の何れかに記載の光偏向装置。
　前記可動部及び／または前記カウンター可動部に共振周波数を調整する質量調整部を備えている請求項１から６の何れかに記載の光偏向装置。
　前記可動部または前記カウンター可動部と一体に揺動可能に構成され、前記可動部または前記カウンター可動部を挟んで外方から調整可能な質量調整部を備えている請求項１から６の何れかに記載の光偏向装置。
　前記質量調整部は質量の増量により共振周波数を粗調整し、質量の減量により共振周波数を微調整するように構成されている請求項７または８記載の光偏向装置。
　前記梁部及びカウンター梁部は、テンションアニール法で圧延されたステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかの金属を用いて、集束イオンビーム法、エッチング法、及びメッキ法の何れかにより断面積が１ｍｍ^２以下に成形されている請求項１から９の何れかに記載の光偏向装置。