WO2022180736A1 - アクチュエーター - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to actuators.
- Movable mirrors are used in measuring devices that scan and measure a predetermined area with light, in order to change the direction of light emission.
- Patent Document 1 describes an optical scanning device that causes a permanent magnet fixed to a mirror and an electromagnet to interact with each other to generate driving torque on the mirror.
- a mirror oscillator is used in which a frame member, a mirror member, and a torsion bar are integrally formed.
- the torsion bars In the actuator that drives the mirror, when trying to drive the mirror along two axes, the torsion bars must be provided in each of the two axial directions, causing the problem of stress concentration in a specific area. On top of that, in order to ensure sufficient durability, it was necessary to lengthen the torsion bar, etc., leading to an increase in the size of the actuator and an increase in manufacturing costs.
- One example of the problem to be solved by the present invention is to improve the durability of the actuator.
- a mirror having a reflective surface; an inner frame supporting the mirror; an outer frame supporting the inner frame; a torsion bar connecting the outer frame and the inner frame; the inner frame is swingable with respect to the outer frame with a first axis as a swing axis; the mirror is swingable with respect to the inner frame about a second axis that is non-parallel to the first axis;
- the length of the torsion bar is L
- the thinnest part of the torsion bar is the actuator that is separated from the joints on both sides by L/5 or more.
- FIG. 2 illustrates a structure including mirrors, an inner frame, and an outer frame according to embodiments
- Fig. 10 shows one state while the mirror is swinging about the second axis
- FIG. 13 shows a comparative example of a structure including mirrors, outer frames, and inner frames
- FIGS. 1 and 2 are diagrams illustrating the configuration of an actuator 10 according to an embodiment. 1 is a plan view of the actuator 10, and FIG. 2 is a side view of the actuator 10. FIG. The x-axis, y-axis, and z-axis shown in each figure are three axes orthogonal to each other.
- the actuator 10 includes a mirror 20, an inner frame 60, an outer frame 50, and a torsion bar 52.
- Mirror 20 has a reflective surface 22 .
- Inner frame 60 supports mirror 20 .
- Outer frame 50 supports inner frame 60 .
- a torsion bar 52 connects the outer frame 50 and the inner frame 60 .
- the inner frame 60 can swing with respect to the outer frame 50 with the first shaft 201 as the swing axis.
- the mirror 20 can swing with respect to the inner frame 60 with the second axis 202 as a swing axis.
- the first axis 201 and the second axis 202 are non-parallel.
- the actuator 10 includes a structure 12, a first electromagnet 30 and a second electromagnet 40.
- the actuator 10 may further include a support member for each component, a housing, and a control section for applying current to the coils of the first electromagnet 30 and the second electromagnet 40 .
- the mirror 20 has a reflecting surface 22, and a permanent magnet 21 is fixed at the center of the surface opposite to the reflecting surface 22.
- a first pole 211 which is one pole of the permanent magnet 21, faces the mirror 20, and a second pole 212, which is the other pole, faces the opposite side of the mirror 20, that is, the first electromagnet 30 and the second pole. It faces the side where the electromagnet 40 is provided.
- the reference plane 101 is a plane including the reflecting surface 22 of the mirror 20 in a state in which no current is flowing in the coils of all the electromagnets provided in the actuator 10, that is, in a reference state in which the permanent magnets 21 are not subjected to force. . 1 and 2 both show the reference state.
- the actuator 10 is a biaxial actuator and can swing the mirror 20 about the first axis 201 and the second axis 202 . Thereby, the direction of the light reflected by the reflecting surface 22 of the mirror 20 can be changed two-dimensionally.
- the first axis 201 and the second axis 202 are substantially vertical or vertical.
- the mirror 20 By causing the magnetic fluxes of the first electromagnet 30 and the second electromagnet 40 to act on the permanent magnet 21, the mirror 20 can be oscillated. Details will be described later.
- FIG. 3 is a diagram illustrating the structure 12 including the mirror 20, the inner frame 60, and the outer frame 50 according to this embodiment.
- Structure 12 further includes torsion bar 52 and torsion bar 62 .
- the outer frame 50 and inner frame 60 are connected via two torsion bars 52 .
- the inner frame 60 and mirror 20 are connected via two torsion bars 62 .
- Outer frame 50, torsion bar 52, inner frame 60, torsion bar 62, and mirror 20 are integrally formed by, for example, microfabrication of a semiconductor wafer, and actuator 10 is a MEMS actuator.
- the structure 12 has a uniform thickness and is plate-shaped with holes.
- the first electromagnet 30 and the second electromagnet 40 are entirely positioned on one side of the structure 12 including the outer frame 50, the torsion bar 52, the inner frame 60, the torsion bar 62, and the mirror 20. ing.
- the outer frame 50 is fixed to the housing (not shown) of the actuator 10.
- the inner frame 60 can swing with respect to the outer frame 50 with the first shaft 201 as a swing axis.
- Two torsion bars 52 coincide with the first axis 201 . That is, the two torsion bars 52 overlap along the first axis 201 , and the inner frame 60 swings with respect to the outer frame 50 as the torsion bars 52 twist.
- the mirror 20 can swing with respect to the inner frame 60 with the second axis 202 as a swing axis.
- Two torsion bars 62 coincide with the second axis 202 .
- the two torsion bars 62 overlap along the second axis 202 , and the mirror 20 swings with respect to the inner frame 60 as the torsion bars 62 twist.
- the torsion bars 52 and 62 are not twisted, and one surface of the outer frame 50 , the inner frame 60 and the mirror 20 are positioned on the same plane as the reference surface 101 .
- a first axis 201 is parallel to the x-axis and a second axis 202 is parallel to the y-axis.
- stress generated in each of the torsion bar 62 and the torsion bar 52 will be described.
- a stress is generated in the torsion bar 62 due to swinging around the second shaft 202 .
- stress is generated in the torsion bar 52 due to swinging around the first shaft 201 .
- stress is generated in the torsion bar 52 due to the displacement of the inner frame 60 in the z-axis direction due to the rocking around the second shaft 202 .
- FIG. 4 is a diagram showing one state while the mirror 20 is swinging about the second axis 202.
- FIG. This figure corresponds to the AA section of FIG.
- the inner frame 60 also swings to some extent, and the connecting portion between the inner frame 60 and the torsion bar 52 swings in the z-axis direction.
- stress is generated in the connecting portion between the torsion bar 52 and the inner frame 60 and the connecting portion between the torsion bar 52 and the outer frame 50 .
- FIG. 5 is a diagram showing a comparative example of a structure including a mirror 90, an outer frame 91 and an inner frame 92.
- the torsion bar 93 of this comparative example has a constant thickness except for the vicinity of the connection with the outer frame 91 and the vicinity of the connection with the inner frame 92 .
- the stress caused by the oscillation about the axis 902 of the mirror 90 is mainly generated in the area ⁇ 1.
- the stress caused by the oscillation of the mirror 90 and the inner frame 92 about the axis 901 is mainly generated in the region ⁇ 1.
- regions ⁇ 1 and ⁇ 1 overlap in the vicinity of the connecting portion between the torsion bar 93 and the outer frame 91 and in the vicinity of the connecting portion between the torsion bar 93 and the inner frame 92 .
- stress exceeding the limit is applied to a specific portion of the torsion bar 93, it will lead to malfunction or breakage, so it is necessary to suppress the stress.
- the sum of the stress caused by the oscillation with the axis 902 as the oscillation axis and the stress caused by the oscillation with the axis 901 as the oscillation axis exceeds the limit value. need to go down.
- the stress can be suppressed by lengthening the torsion bar 93 .
- the thinnest portion 520 of the torsion bar 52 is separated from the joints on both sides by L/5 or more, as described above. Therefore, in the torsion bar 52, the stress caused by the oscillation about the second axis 202 of the mirror 20 is mainly generated in the area ⁇ 2 shown in FIG. On the other hand, the stress caused by the oscillation of the mirror 20 and the inner frame 60 about the first axis 201 is mainly generated in the region ⁇ 2. In this way, stress is dispersed by avoiding overlap between the regions ⁇ 1 and ⁇ 1. Therefore, the durability of the actuator 10 can be improved and the operation can be stabilized.
- first electromagnet 30 and the second electromagnet 40 each have a coil and a yoke.
- first electromagnet 30 comprises coil 32 and yoke 34 .
- a second electromagnet 40 comprises a coil 42 and a yoke 44 .
- the first electromagnet 30 is U-shaped or C-shaped. Specifically, both ends (ends 341 and 342) of the yoke 34 of the first electromagnet 30 cover at least a portion of the permanent magnet 21 when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101 (z-axis direction). They face each other across.
- the second electromagnet 40 is U-shaped or C-shaped. Specifically, both ends (end portion 441 and end portion 442) of the yoke 44 of the second electromagnet 40 face each other with at least a portion of the permanent magnet 21 interposed therebetween when viewed from the direction perpendicular to the reference plane 101. ing. End 341, end 342, end 441, and end 442 are all magnetic flux generating ends.
- the coil 32 is wound around at least part of the yoke 34.
- a magnetic flux is generated between the ends 341 and 342 by the current flowing through the coil 32 .
- the mirror 20 can be oscillated about the first axis 201 .
- the coil 42 is wound around at least part of the yoke 44 .
- a magnetic flux is generated between the ends 441 and 442 by the current flowing through the coil 42 .
- the mirror 20 can be oscillated about the second axis 202 .
- the driving of the actuator 10 by the first electromagnet 30 and the second electromagnet 40 will be described below.
- magnetic flux is generated between the ends 341 and 342 .
- the ends 341 and 342 have different poles.
- the direction of the mirror 20 is changed so that the permanent magnet 21 is directed toward the end portion 341 and the end portion 342 that has a different pole from the second pole 212 .
- the orientation of the reflecting surface 22 of the mirror 20 can be controlled by changing the polarity and magnitude of the current flowing through the coil 32 .
- the second electromagnet 40 drives the mirror 20 to oscillate at the resonant frequency.
- the reflecting surface 22 can be oriented in a desired direction.
- FIG. 6 is a diagram showing the shape of the torsion bar 52 according to this embodiment.
- the torsion bar 52 has a constant thickness in the direction (z-axis direction) perpendicular to the reference plane 101 .
- a torsion bar 52 directly connects the outer frame 50 and the inner frame 60 .
- the outer joint portion 521 is a joint portion between the torsion bar 52 and the outer frame 50 .
- the inner joint portion 522 is a joint portion between the torsion bar 52 and the inner frame 60 .
- the thinnest portion 520 of the torsion bar 52 is spaced from the joints on both sides by more than L/5.
- the thinnest portion 520 is spaced from the outer joint 521 by at least L/5 and from the inner joint 522 by at least L/5.
- the thinnest portion 520 is the portion of the torsion bar 52 that has the smallest cross-sectional area in a cross section perpendicular to the longitudinal direction of the torsion bar 52 .
- the lengthwise direction of the torsion bar 52 is the axial direction of the torsion bar 52 and is the direction from one connection portion to the other connection portion.
- the length direction of the torsion bar 52 is parallel to the x-axis in the figure.
- "cross-sectional area” means a cross-section perpendicular to the length direction of the torsion bar 52.
- L is the distance between the outer frame 50 and the inner frame 60 at the portion where the torsion bar 52 is provided.
- the thinnest portion 520 of the torsion bar 52 is more preferably separated from the joints on both sides by L/4 or more, and more preferably by L/3 or more.
- the cross-sectional area of the thinnest portion 520 is preferably 1/2 or more times T, for example, 2/3. More preferably, it is twice or more. Also, from the viewpoint of effectively dispersing stress, the cross-sectional area of the thinnest portion 520 is preferably 0.9 times or less than T, and more preferably 0.85 times or less.
- the cross-sectional area of the thinnest portion 520 is preferably 0.05 times or more of S, for example. It is more preferably 0.07 times or more. Also, from the viewpoint of effectively dispersing stress, the cross-sectional area of the thinnest portion 520 is preferably 0.8 times or less than S, and more preferably 0.75 times or less. However, the cross-sectional area of the thinnest portion 520 is not particularly limited.
- the thinnest portion 520 is one point in the lengthwise direction of the torsion bar 52 . That is, the thickness of the thinnest portion 520 does not continue in the lengthwise direction of the torsion bar 52 . Also, the torsion bar 52 has a portion that becomes thicker toward the outer joint portion 521 between the outer joint portion 521 and the thinnest portion 520 . Also, the torsion bar 52 has a portion that becomes thicker toward the inner joint portion 522 between the inner joint portion 522 and the thinnest portion 520 . In the example of this figure, the torsion bar 52 has a portion 523 and a portion 524 . A portion 523 is a portion whose thickness linearly changes from the thinnest portion 520 toward the outer joint portion 521 . A portion 524 is a portion whose thickness linearly changes from the thinnest portion 520 toward the inner joint portion 522 .
- a fillet 529 that constitutes the thinnest portion 520 is provided at the connecting portion between the portion 523 and the portion 524 .
- the thinnest portion of the fillet 529 becomes the thinnest portion 520 of the torsion bar 52 .
- the torsion bar 52 has no discontinuity in the differentiation of thickness (cross-sectional area) in the length direction. By doing so, the stress can be effectively dispersed.
- the torsion bar 52 further has a portion 525 that thickens in a curve toward the outer joint portion 521 .
- a curvilinearly thickened portion 525 is located between the outer joint 521 and the portion 523 .
- the torsion bar 52 further has a portion 526 that thickens curvilinearly toward the inner joint portion 522 .
- a curved thickened portion 526 is located between the inner joint 522 and the portion 524 . Since the torsion bar 52 has the portion 525 and the portion 526, the strength of the joint with the outer frame 50 and the inner frame 60 can be increased. In the example shown, portion 525 abuts portion 523 and outer frame 50 and portion 526 abuts portion 524 and inner frame 60 .
- FIG. 7 is a diagram showing a first modification of the torsion bar 52 according to this embodiment.
- the thinnest portion 520 has a length rather than a single point along the length of the torsion bar 52 . That is, the thinnest portion 520 has a constant thickness along the length of the torsion bar 52 .
- the length of the thinnest portion 520 is preferably L/3 or less, more preferably L/5 or less.
- the length of the thinnest portion 520 is preferably L/8 or longer, more preferably L/6 or longer.
- the length of the thinnest portion 520 is not particularly limited as long as the end of the thinnest portion 520 is separated from the outer joint portion 521 and the inner joint portion 522 by L/5 or more.
- the length of the thinnest portion 520 is the length of the torsion bar 52 in the longitudinal direction.
- the center of the thinnest portion 520 coincides with the center of the torsion bar 52.
- the center of the thinnest portion 520 is located away from the center of the torsion bar 52. It may be shifted.
- FIG. 8 is a diagram showing a second modification of the torsion bar 52 according to this embodiment.
- the center of the thinnest portion 520 is offset from the center of the torsion bar 52 .
- the distance Lc between the center of the thinnest portion 520 and the center of the torsion bar 52 in the length direction of the torsion bar 52 is preferably L/10 or less, and L/20. The following are more preferable.
- the distance Lc is not particularly limited.
- this figure shows an example in which the center of the thinnest portion 520 is displaced from the center of the torsion bar 52 toward the inner joint portion 522, the center of the thinnest portion 520 is located outside the center of the torsion bar 52. It may be shifted to the joint portion 521 side.
- FIG. 9 is a diagram showing a third modification of the torsion bar 52 according to this embodiment.
- the torsion bar 52 has a portion 527 that thickens from the thinnest portion 520 toward the outer joint portion 521 and a portion 528 that thickens from the thinnest portion 520 toward the inner joint portion 522 .
- a portion 527 that thickens toward the outer joint portion 521 and a portion 528 that thickens toward the inner joint portion 522 change in thickness in a curved line.
- the portion 527 and the portion 528 are in contact with each other, and the thinnest portion 520 is formed at their boundary.
- portion 528 abuts inner frame 60 and portion 527 abuts outer frame 50 . That is, in this modified example, the entire torsion bar 52 consists of a portion whose thickness changes in a curved line. Thereby, the stress can be effectively dispersed.
- the shape of the torsion bar 52 is not limited to the above example as long as the thinnest portion 520 of the torsion bar 52 is separated from the joints on both sides by L/5 or more. Also, the shapes of the two torsion bars 52 provided on the structure 12 may be different. However, from the viewpoint of durability and stabilization of operation, it is preferable that the two torsion bars 52 have the same shape.
- the thinnest portion 520 of the torsion bar 52 is separated from the joints on both sides by L/5 or more. Therefore, the stress on the torsion bar 52 due to the biaxial oscillation of the mirror 20 can be dispersed, and the durability of the actuator 10 can be improved and the operation can be stabilized.
- actuator 12 structure 20 mirror 21 permanent magnet 22 reflecting surface 30 first electromagnet 32 coil 34 yoke 40 second electromagnet 42 coil 44 yoke 50 outer frame 52 torsion bar 60 inner frame 62 torsion bar 101 reference surface 201 first Axis 202 Second Axis 520 Thinnest Portion 521 Outer Joint 522 Inner Joint
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Abstract
アクチュエーター(10)は、ミラー(20)、内側フレーム(60)、外側フレーム(50)、およびトーションバー(52)を備える。ミラー(20)は、反射面(22)を有する。内側フレーム(60)はミラー(20)を支持する。外側フレーム(50)は、内側フレーム(60)を支持する。トーションバー(52)は、外側フレーム(50)と内側フレーム(60)とをつなぐ。内側フレーム(60)は外側フレーム(50)に対し、第1の軸(201)を揺動軸として揺動可能である。ミラー(20)は内側フレーム(60)に対し、第1の軸(201)と非平行な第2の軸(202)を揺動軸として揺動可能である。そして、トーションバー(52)の長さをLとしたとき、トーションバー(52)の最も細い部分(520)が、両側の接合部からL/5以上離れている。
Description
本発明は、アクチュエーターに関する。
光で所定の領域を走査して測定する測定装置等では、光の出射方向を可変とするために可動ミラーが用いられる。
特許文献1には、ミラーに固定された永久磁石と電磁石とを相互作用させて、ミラーに駆動トルクを生じさせる光走査装置が記載されている。そして特許文献1に記載の光走査装置では、フレーム部材、ミラー部材、およびトーションバーが一体的に形成されてなるミラー振動子が用いられている。
ミラーを駆動するアクチュエーターにおいて、ミラーを2軸に対して駆動しようとする場合、トーションバーを2つの軸方向にそれぞれ設ける事となり、特定の部位に応力が集中するという問題があった。その上で十分な耐久性を確保するために、トーションバーを長くする等の必要があり、アクチュエーターの大型化や製造コストの増大につながっていた。
本発明が解決しようとする課題としては、アクチュエーターの耐久性を向上させることが一例として挙げられる。
請求項1に記載の発明は、
反射面を有するミラーと、
前記ミラーを支持する内側フレームと、
前記内側フレームを支持する外側フレームと、
前記外側フレームと前記内側フレームとをつなぐトーションバーとを備え、
前記内側フレームは前記外側フレームに対し、第1の軸を揺動軸として揺動可能であり、
前記ミラーは前記内側フレームに対し、前記第1の軸と非平行な第2の軸を揺動軸として揺動可能であり、
前記トーションバーの長さをLとしたとき、前記トーションバーの最も細い部分が、両側の接合部からL/5以上離れている
アクチュエーターである。
反射面を有するミラーと、
前記ミラーを支持する内側フレームと、
前記内側フレームを支持する外側フレームと、
前記外側フレームと前記内側フレームとをつなぐトーションバーとを備え、
前記内側フレームは前記外側フレームに対し、第1の軸を揺動軸として揺動可能であり、
前記ミラーは前記内側フレームに対し、前記第1の軸と非平行な第2の軸を揺動軸として揺動可能であり、
前記トーションバーの長さをLとしたとき、前記トーションバーの最も細い部分が、両側の接合部からL/5以上離れている
アクチュエーターである。
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
(実施形態)
図1および図2は、実施形態に係るアクチュエーター10の構成を例示する図である。図1はアクチュエーター10の平面図であり、図2は、アクチュエーター10の側面図である。各図に示すx軸、y軸、およびz軸は互いに直交する三軸である。
図1および図2は、実施形態に係るアクチュエーター10の構成を例示する図である。図1はアクチュエーター10の平面図であり、図2は、アクチュエーター10の側面図である。各図に示すx軸、y軸、およびz軸は互いに直交する三軸である。
本実施形態に係るアクチュエーター10は、ミラー20、内側フレーム60、外側フレーム50、およびトーションバー52を備える。ミラー20は、反射面22を有する。内側フレーム60はミラー20を支持する。外側フレーム50は、内側フレーム60を支持する。トーションバー52は、外側フレーム50と内側フレーム60とをつなぐ。内側フレーム60は外側フレーム50に対し、第1の軸201を揺動軸として揺動可能である。ミラー20は内側フレーム60に対し、第2の軸202を揺動軸として揺動可能である。第1の軸201と第2の軸202とは非平行である。そして、トーションバー52の長さをLとしたとき、トーションバー52の最も細い部分520が、両側の接合部からL/5以上離れている。以下に詳しく説明する。
アクチュエーター10は、構造体12、第1の電磁石30および第2の電磁石40を備える。アクチュエーター10は、各構成要素の支持部材や筐体、第1の電磁石30および第2の電磁石40のコイルに電流を流す制御部等をさらに備えても良い。
ミラー20は、反射面22を有し、反射面22とは反対側の面の中心には永久磁石21が固定されている。永久磁石21の一方の極である第1の極211がミラー20側に向き、他方の極である第2の極212がミラー20とは反対側、すなわち、第1の電磁石30および第2の電磁石40が設けられている側に向いている。基準面101は、アクチュエーター10に設けられた全ての電磁石においてコイルに電流が流れていない状態、すなわち、永久磁石21が力を受けていない基準状態における、ミラー20の反射面22を含む平面である。なお、図1および図2はいずれも基準状態を示している。
アクチュエーター10は2軸アクチュエーターであり、ミラー20を第1の軸201と第2の軸202に対して揺動させる事ができる。それにより、ミラー20の反射面22で反射された光の方向を2次元的に変化させることができる。本実施形態において、第1の軸201と第2の軸202とは略垂直または垂直である。
第1の電磁石30および第2の電磁石40の磁束を永久磁石21に作用させる事により、ミラー20を揺動させる事ができる。詳しくは後述する。
図3は、本実施形態に係るミラー20、内側フレーム60、および外側フレーム50を含む構造体12を例示する図である。構造体12はさらにトーションバー52、およびトーションバー62を含む。外側フレーム50と内側フレーム60は2つのトーションバー52を介して接続されている。内側フレーム60とミラー20とは、2つのトーションバー62を介して接続されている。外側フレーム50、トーションバー52、内側フレーム60、トーションバー62およびミラー20は、たとえば半導体ウエハを微細加工することにより一体に構成されており、アクチュエーター10はMEMSアクチュエーターである。本実施形態において、構造体12は厚さが一定であり、孔を有する板状である。また、第1の電磁石30および第2の電磁石40は、外側フレーム50、トーションバー52、内側フレーム60、トーションバー62、およびミラー20を含む構造体12の一方の面側に、全体が位置している。
たとえば外側フレーム50は、アクチュエーター10の筐体(不図示)に対して固定されている。内側フレーム60は外側フレーム50に対して第1の軸201を揺動軸として揺動可能である。2つのトーションバー52は第1の軸201に一致する。すなわち2つのトーションバー52は第1の軸201に沿って重なり、トーションバー52のねじれを伴って内側フレーム60が外側フレーム50に対して揺動する。また、ミラー20は内側フレーム60に対して第2の軸202を揺動軸として揺動可能である。2つのトーションバー62は第2の軸202に一致する。すなわち2つのトーションバー62は第2の軸202に沿って重なり、トーションバー62のねじれを伴ってミラー20が内側フレーム60に対して揺動する。上述した基準状態において、トーションバー52およびトーションバー62にはねじれが生じておらず、外側フレーム50、内側フレーム60およびミラー20の一方の面は基準面101と同一平面上に位置する。図において、第1の軸201はx軸に平行であり、第2の軸202はy軸に平行である。
次に、トーションバー62およびトーションバー52のそれぞれに発生する応力について説明する。トーションバー62には、第2の軸202を軸とした揺動による応力が発生する。また、トーションバー52には、第1の軸201を軸とした揺動による応力が発生する。それに加え、トーションバー52には、第2の軸202を軸とした揺動に起因した、内側フレーム60のz軸方向への変位による応力が発生する。
図4は、ミラー20が第2の軸202に対して揺動している間の一つの状態を示す図である。本図は、図3のA-A断面に対応する。ミラー20が基準面101に対して揺動することにより、内側フレーム60も少なからず揺動し、内側フレーム60とトーションバー52との接続部はz軸方向に振られる。そのことで、本図中の矢印に示すように、トーションバー52と内側フレーム60との接続部、およびトーションバー52と外側フレーム50との接続部には応力が生じる。
図5は、ミラー90、外側フレーム91、および内側フレーム92を含む構造体の比較例を示す図である。本比較例のトーションバー93は、外側フレーム91との接続部付近および内側フレーム92との接続部付近を除き、太さが一定である。この場合、トーションバー93において、ミラー90の軸902を揺動軸とした揺動に起因する応力は領域α1に主に生じる。また、ミラー90および内側フレーム92の軸901を揺動軸とした揺動に起因する応力は領域β1に主に生じる。このとき、トーションバー93と外側フレーム91との接続部付近、およびトーションバー93と内側フレーム92との接続部付近には、領域α1と領域β1との重なりが生じている。一方、トーションバー93の特定の部分に限度を超えた応力が加わると機能不全や破損につながることから、応力を抑制する必要がある。特に領域α1と領域β1とが重なる部分では、軸902を揺動軸とした揺動に起因する応力と、軸901を揺動軸とした揺動に起因する応力との合計が、限度値を下回る必要がある。たとえば、トーションバー93を長くすることで応力を抑制することができる。しかしこれはアクチュエーターの大型化やコスト高につながる。
それに対し、本実施形態に係るアクチュエーター10では、上述したように、トーションバー52の最も細い部分520が、両側の接合部からL/5以上離れている。したがって、トーションバー52において、ミラー20の第2の軸202を揺動軸とした揺動に起因する応力は図3に示す領域α2に主に生じる。一方、ミラー20および内側フレーム60の第1の軸201を揺動軸とした揺動に起因する応力は領域β2に主に生じる。このように、領域α1と領域β1との重なりを避けることにより、応力が分散される。したがって、アクチュエーター10の耐久性向上や、動作の安定化を図れる。
図1および図2に戻り、第1の電磁石30および第2の電磁石40について説明する。本実施形態に係るアクチュエーター10では、第1の電磁石30および第2の電磁石40はそれぞれコイルとヨークとを有する。具体的には、第1の電磁石30はコイル32およびヨーク34を備える。第2の電磁石40は、コイル42およびヨーク44を備える。第1の電磁石30はU字型またはC字型である。具体的には、第1の電磁石30のヨーク34の両端(端部341および端部342)は、基準面101に垂直な方向(z軸方向)から見て、永久磁石21の少なくとも一部を挟んで互いに対向している。第2の電磁石40はU字型またはC字型である。具体的には、第2の電磁石40のヨーク44の両端(端部441および端部442)は、基準面101に垂直な方向から見て、永久磁石21の少なくとも一部を挟んで互いに対向している。端部341、端部342、端部441、および端部442はいずれも磁束発生端部である。
第1の電磁石30では、コイル32がヨーク34の少なくとも一部に巻きつけられている。コイル32に電流が流れることにより、端部341と端部342との間に磁束が発生する。この磁束が永久磁石21に作用することにより、ミラー20を第1の軸201に対して揺動させる事ができる。また、第2の電磁石40では、コイル42がヨーク44の少なくとも一部に巻きつけられている。コイル42に電流が流れることにより、端部441と端部442との間に磁束が発生する。この磁束が永久磁石21に作用する事により、ミラー20を第2の軸202に対して揺動させる事ができる。
第1の電磁石30および第2の電磁石40によるアクチュエーター10の駆動について以下に説明する。第1の電磁石30のコイル32に電流が流れると、端部341と端部342との間に磁束が発生する。このとき端部341と端部342とは互いに異なる極となる。そして、端部341と端部342の内、第2の極212とは異極である端部側へ永久磁石21が向くように、ミラー20の向きが変化する。コイル32に流す電流の極性および大きさを変化させることによりミラー20の反射面22の向きを制御する事ができる。
第2の電磁石40のコイル42に電流が流れると、端部441と端部442との間に磁束が発生する。このとき端部441と端部442とは互いに異なる極となる。そして、端部441と端部442の内、第2の極212とは異極である端部側へ永久磁石21が向くように、ミラー20の向きが変化する。コイル42に流す電流の極性および大きさを変化させることによりミラー20の反射面22の向きを制御する事ができる。本実施形態において、第2の電磁石40はミラー20を共振周波数で揺動するよう駆動する。
上記した第1の電磁石30と第2の電磁石40による駆動を同時に行うことにより、反射面22を所望の方向へ向ける事ができる。
図6は、本実施形態に係るトーションバー52の形状を示す図である。本実施形態において、トーションバー52は基準面101に垂直な方向(z軸方向)の厚さが一定である。トーションバー52は、外側フレーム50と内側フレーム60とを直接つないでいる。外側接合部521は、トーションバー52と外側フレーム50との接合部である。内側接合部522は、トーションバー52と内側フレーム60との接合部である。上述した通り、トーションバー52の最も細い部分520は、両側の接合部からL/5以上離れている。すなわち、最も細い部分520は、外側接合部521からL/5以上離れており、かつ、内側接合部522からL/5以上離れている。最も細い部分520は、トーションバー52のうち、トーションバー52の長さ方向に垂直な断面の断面積が最も小さい部分である。なお、トーションバー52の長さ方向とは、トーションバー52の軸方向であり、一方の接続部から他方の接続部に向かう方向である。トーションバー52の長さ方向は、図中のx軸に平行である。以下において、「断面積」はいずれもトーションバー52の長さ方向に垂直な断面を意味する。また、Lはトーションバー52が設けられている部分における、外側フレーム50と内側フレーム60との距離であるとも言える。
最も細い部分520が外側接合部521および内側接合部522から離れていることにより、上述した通り、応力が分散され、アクチュエーター10の耐久性、および動作安定性の向上が図れる。トーションバー52の最も細い部分520は、両側の接合部からL/4以上離れていることがより好ましく、L/3以上離れていることがさらに好ましい。
トーションバー52の強度向上の観点から、トーションバー52の断面積の平均値をTとしたとき、最も細い部分520の断面積はたとえばTの1/2倍以上であることが好ましく、2/3倍以上であることがより好ましい。また、応力を効果的に分散させる観点から、最も細い部分520の断面積はたとえばTの0.9倍以下であることが好ましく、0.85倍以下であることがより好ましい。
トーションバー52の外側接合部521の断面積と内側接合部522の断面積との平均をSとしたとき、最も細い部分520の断面積はたとえばSの0.05倍以上であることが好ましく、0.07倍以上であることがより好ましい。また、応力を効果的に分散させる観点から、最も細い部分520の断面積はたとえばSの0.8倍以下であることが好ましく、0.75倍以下であることがより好ましい。ただし、最も細い部分520の断面積は特に限定されない。
図6の例において、最も細い部分520はトーションバー52の長さ方向において一点である。すなわち、最も細い部分520の太さは、トーションバー52の長さ方向において継続されない。また、トーションバー52は、外側接合部521と最も細い部分520との間に、外側接合部521に向かって太くなる部分を有する。また、トーションバー52は、内側接合部522と最も細い部分520との間に、内側接合部522に向かって太くなる部分を有する。本図の例において、トーションバー52は、部分523および部分524を有する。部分523は、最も細い部分520から外側接合部521に向かって太くなるよう直線的に太さが変化している部分である。部分524は、最も細い部分520から内側接合部522に向かって太くなるよう直線的に太さが変化している部分である。
部分523と部分524との接続部には、最も細い部分520を構成するフィレット529が設けられている。フィレット529の最も細い部分が、トーションバー52における最も細い部分520となる。本図の例において、部分523と部分524との間には角がない。言い換えると、トーションバー52では長さ方向において、太さ(断面積)の微分に不連続点が生じない。こうすることで、効果的に応力を分散させることができる。
トーションバー52は、外側接合部521に向かって曲線的に太くなる部分525をさらに有する。曲線的に太くなる部分525は、外側接合部521と部分523との間に位置する。また、トーションバー52は、内側接合部522に向かって曲線的に太くなる部分526をさらに有する。曲線的に太くなる部分526は、内側接合部522と部分524との間に位置する。トーションバー52が部分525および部分526を有することで、外側フレーム50および内側フレーム60との接合部の強度を高める事ができる。本図の例において、部分525は部分523および外側フレーム50と接しており、部分526は部分524および内側フレーム60と接している。
図7は、本実施形態に係るトーションバー52の第1の変形例を示す図である。本変形例において、最も細い部分520はトーションバー52の長さ方向に1点ではなく、長さを有する。すなわち、最も細い部分520では、一定の太さがトーションバー52の長さ方向に続いている。トーションバー52の強度の観点から、最も細い部分520の長さはL/3以下であることが好ましく、L/5以下であることがより好ましい。効果的に応力を分散させる観点から、最も細い部分520の長さはL/8以上であることが好ましく、L/6以上であることがより好ましい。ただし、最も細い部分520の端が外側接合部521および内側接合部522からL/5以上離れている限り、最も細い部分520の長さは特に限定されない。なお、最も細い部分520の長さとは、トーションバー52の長さ方向における長さである。本図の例において、最も細い部分520の中心はトーションバー52の中心と一致しているが、後述する第2の変形例のように、最も細い部分520の中心は、トーションバー52の中心からずれていてもよい。
図8は、本実施形態に係るトーションバー52の第2の変形例を示す図である。本変形例において、最も細い部分520の中心は、トーションバー52の中心からずれている。効果的に応力を分散させる観点から、トーションバー52の長さ方向において、最も細い部分520の中心とトーションバー52の中心との距離Lcは、L/10以下であることが好ましく、L/20以下であることがより好ましい。ただし、最も細い部分520の端が外側接合部521および内側接合部522からL/5以上離れている限り、距離Lcは特に限定されない。なお、本図では、最も細い部分520の中心がトーションバー52の中心から内側接合部522側にずれている例を示しているが、最も細い部分520の中心は、トーションバー52の中心から外側接合部521側にずれていても良い。
図9は、本実施形態に係るトーションバー52の第3の変形例を示す図である。本変形例において、トーションバー52は、最も細い部分520から外側接合部521に向かって太くなる部分527および最も細い部分520から内側接合部522に向かって太くなる部分528を有する。そして、外側接合部521に向かって太くなる部分527および内側接合部522に向かって太くなる部分528では、曲線的に太さが変化している。部分527と部分528とは互いに接しており、その境界において最も細い部分520が構成されている。また、部分528は内側フレーム60に接しており、部分527は外側フレーム50に接している。すなわち本変形例では、トーションバー52の全体が、曲線的に太さが変化する部分からなる。これにより、効果的に応力を分散させることができる。
なお、トーションバー52の最も細い部分520が、両側の接合部からL/5以上離れている限り、トーションバー52の形状は上記の例に限定されない。また、構造体12に設けられる二つのトーションバー52の形状は異なっていてもよい。ただし、耐久性および動作の安定化の観点から、二つのトーションバー52の形状は同じであることが好ましい。
以上、本実施形態によれば、トーションバー52の最も細い部分520が、両側の接合部からL/5以上離れている。したがって、ミラー20の二軸揺動によるトーションバー52への応力を分散させる事ができ、アクチュエーター10の耐久性向上や、動作の安定化を図れる。
以上、図面を参照して実施形態及び実施例について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
10 アクチュエーター
12 構造体
20 ミラー
21 永久磁石
22 反射面
30 第1の電磁石
32 コイル
34 ヨーク
40 第2の電磁石
42 コイル
44 ヨーク
50 外側フレーム
52 トーションバー
60 内側フレーム
62 トーションバー
101 基準面
201 第1の軸
202 第2の軸
520 最も細い部分
521 外側接合部
522 内側接合部
12 構造体
20 ミラー
21 永久磁石
22 反射面
30 第1の電磁石
32 コイル
34 ヨーク
40 第2の電磁石
42 コイル
44 ヨーク
50 外側フレーム
52 トーションバー
60 内側フレーム
62 トーションバー
101 基準面
201 第1の軸
202 第2の軸
520 最も細い部分
521 外側接合部
522 内側接合部
Claims (10)
- 反射面を有するミラーと、
前記ミラーを支持する内側フレームと、
前記内側フレームを支持する外側フレームと、
前記外側フレームと前記内側フレームとをつなぐトーションバーとを備え、
前記内側フレームは前記外側フレームに対し、第1の軸を揺動軸として揺動可能であり、
前記ミラーは前記内側フレームに対し、前記第1の軸と非平行な第2の軸を揺動軸として揺動可能であり、
前記トーションバーの長さをLとしたとき、前記トーションバーの最も細い部分が、両側の接合部からL/5以上離れている
アクチュエーター。 - 請求項1に記載のアクチュエーターにおいて、
前記最も細い部分の長さはL/3以下である
アクチュエーター。 - 請求項2に記載のアクチュエーターにおいて、
前記最も細い部分は前記トーションバーの長さ方向において一点である
アクチュエーター。 - 請求項1~3のいずれか一項に記載のアクチュエーターにおいて、
前記トーションバーの長さ方向において、前記最も細い部分の中心と前記トーションバーの中心との距離はL/10以下である
アクチュエーター。 - 請求項1~4のいずれか一項に記載のアクチュエーターにおいて、
前記トーションバーは、
前記トーションバーと前記外側フレームとの接合部である外側接合部と前記最も細い部分との間に、前記外側接合部に向かって太くなる部分を有し、
前記トーションバーと前記内側フレームとの接合部である内側接合部と前記最も細い部分との間に、前記内側接合部に向かって太くなる部分を有する
アクチュエーター。 - 請求項5に記載のアクチュエーターにおいて、
前記外側接合部に向かって太くなる部分および前記内側接合部に向かって太くなる部分では、曲線的に太さが変化している
アクチュエーター。 - 請求項5に記載のアクチュエーターにおいて、
前記外側接合部に向かって太くなる部分および前記内側接合部に向かって太くなる部分では、直線的に太さが変化している
アクチュエーター。 - 請求項7に記載のアクチュエーターにおいて、
前記外側接合部に向かって太くなる部分と前記内側接合部に向かって太くなる部分との接続部には、前記最も細い部分を構成するフィレットが設けられている
アクチュエーター。 - 請求項7または8に記載のアクチュエーターにおいて、
前記トーションバーは、
前記外側接合部と前記外側接合部に向かって太くなる部分との間に、前記外側接合部に向かって曲線的に太くなる部分をさらに有し、
前記内側接合部と前記内側接合部に向かって太くなる部分との間に、前記内側接合部に向かって曲線的に太くなる部分をさらに有する
アクチュエーター。 - 請求項1~9のいずれか一項に記載のアクチュエーターにおいて、
MEMSアクチュエーターである
アクチュエーター。
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PCT/JP2021/007053 WO2022180736A1 (ja) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | アクチュエーター |
Publications (1)
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PCT/JP2021/007053 WO2022180736A1 (ja) | 2021-02-25 | 2021-02-25 | アクチュエーター |
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Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002214560A (ja) * | 2001-01-22 | 2002-07-31 | Olympus Optical Co Ltd | アクチュエーター |
JP2004034256A (ja) * | 2002-07-05 | 2004-02-05 | Canon Inc | マイクロ構造体及びその製造方法 |
WO2004017119A1 (ja) * | 2002-08-14 | 2004-02-26 | Fujitsu Limited | トーションバーを備えるマイクロ揺動素子 |
JP2005177876A (ja) * | 2003-12-16 | 2005-07-07 | Canon Inc | マイクロ構造体及びその製造方法 |
JP2012063413A (ja) * | 2010-09-14 | 2012-03-29 | Ricoh Co Ltd | 光走査装置およびこの光走査装置を組み込んだ画像形成装置ならびに投影装置 |
JP2013035081A (ja) * | 2011-08-04 | 2013-02-21 | Seiko Epson Corp | アクチュエーターの製造方法、アクチュエーター、光スキャナーおよび画像形成装置 |
JP2017129783A (ja) * | 2016-01-21 | 2017-07-27 | 浜松ホトニクス株式会社 | アクチュエータ装置 |
US20190129163A1 (en) * | 2017-10-30 | 2019-05-02 | Infineon Technologies Ag | Mirror device having leaf spring with openings |
WO2019239478A1 (ja) * | 2018-06-12 | 2019-12-19 | オリンパス株式会社 | 光偏向器 |
-
2021
- 2021-02-25 WO PCT/JP2021/007053 patent/WO2022180736A1/ja active Application Filing
Patent Citations (9)
Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
---|---|---|---|---|
JP2002214560A (ja) * | 2001-01-22 | 2002-07-31 | Olympus Optical Co Ltd | アクチュエーター |
JP2004034256A (ja) * | 2002-07-05 | 2004-02-05 | Canon Inc | マイクロ構造体及びその製造方法 |
WO2004017119A1 (ja) * | 2002-08-14 | 2004-02-26 | Fujitsu Limited | トーションバーを備えるマイクロ揺動素子 |
JP2005177876A (ja) * | 2003-12-16 | 2005-07-07 | Canon Inc | マイクロ構造体及びその製造方法 |
JP2012063413A (ja) * | 2010-09-14 | 2012-03-29 | Ricoh Co Ltd | 光走査装置およびこの光走査装置を組み込んだ画像形成装置ならびに投影装置 |
JP2013035081A (ja) * | 2011-08-04 | 2013-02-21 | Seiko Epson Corp | アクチュエーターの製造方法、アクチュエーター、光スキャナーおよび画像形成装置 |
JP2017129783A (ja) * | 2016-01-21 | 2017-07-27 | 浜松ホトニクス株式会社 | アクチュエータ装置 |
US20190129163A1 (en) * | 2017-10-30 | 2019-05-02 | Infineon Technologies Ag | Mirror device having leaf spring with openings |
WO2019239478A1 (ja) * | 2018-06-12 | 2019-12-19 | オリンパス株式会社 | 光偏向器 |
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