JP7546752B2 - アクチュエーター - Google Patents

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。

特開２００９－６９６７６号公報

ミラーを駆動するアクチュエーターの小型化が、それを含む測定装置等の全体の小型化のために重要である。一方、ミラーを２軸に対して駆動しようとすると、二組の電磁石が必要となり、アクチュエーターが大型化するという問題があった。

本発明が解決しようとする課題としては、ミラーを駆動するアクチュエーターを小型化す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、
永久磁石が設けられ、基準面に対し、第１の軸と前記第１の軸に非平行な第２の軸とをそれぞれ揺動軸として揺動可能なミラーと、
ヨークおよびコイルを有し、前記永久磁石に磁束を作用させる電磁石とを備え、
前記ヨークの両端はギャップを挟んで少なくとも一部が互いに対向しており、
前記基準面に垂直な方向から見て、前記ギャップの中心は前記永久磁石の中心とは重ならず、
前記コイルには、前記ミラーを、前記第１の軸に対して揺動させるための電流と前記第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳されて流される
アクチュエーターである。

実施形態に係るアクチュエーターの構成を例示する図である。 実施形態に係るアクチュエーターの構成を例示する図である。 実施形態に係るアクチュエーターの構成を例示する図である。 制御部のハードウエア構成を例示する図である。 ミラーを、第１の軸に対して揺動させるための電流の波形を例示する図である。 ミラーを、第２の軸に対して揺動させるための電流の波形を例示する図である。 ミラーを、第１の軸に対して揺動させるための電流と第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳された電流の波形を例示する図である。 電磁石の位置と発生トルクとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。 電磁石の位置とミラーの振幅との関係を測定した結果を示すグラフである。

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～図３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の斜視図であり、図２はアクチュエーター１０の側面図であり、図３はアクチュエーター１０の平面図である。各図に示された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と電磁石３０とを備える。ミラー２０には永久磁石２１が設けられている。ミラー２０は、基準面１０１に対し、第１の軸２０１と第２の軸２０２とをそれぞれ揺動軸として揺動可能である。第２の軸２０２は第１の軸２０１とは非平行である。電磁石３０は、ヨーク３４およびコイル３２を有し、永久磁石２１に磁束を作用させる。ヨーク３４の両端（端部３４１および端部３４２）はギャップ３４０を挟んで少なくとも一部が互いに対向している。基準面１０１に垂直な方向（ｚ軸方向）から見て、ギャップ３４０の中心Ｃｇは永久磁石２１の中心Ｃｍとは重ならない。そしてコイル３２には、ミラー２０を、第１の軸２０１に対して揺動させるための電流Ｉ_１と第２の軸２０２に対して揺動させるための電流Ｉ_２とが重畳されて流される。以下に詳しく説明する。

なお、ミラー２０を第１の軸２０１に対して揺動させるとは、ミラー２０を第１の軸２０１を揺動軸として揺動させることと同意であり、ミラー２０を第２の軸２０２に対して揺動させるとは、ミラー２０を第２の軸２０２を揺動軸として揺動させることと同意である。

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、電磁石３０が設けられている側に向いている。基準面１０１は、電磁石３０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～図３はいずれも基準状態を示している。基準面１０１はｘｙ平面に平行である。

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とは略直交するまたは直交する。

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および第２の軸２０２に対して揺動させる事ができる。

本実施形態に係るアクチュエーター１０では、同一の電磁石３０を用いて、ミラー２０の第１の軸２０１に対する駆動と第２の軸２０２に対する駆動とを実現する。すなわち、ミラー２０を第１の軸２０１に対して揺動させるための電磁石と、ミラー２０を第２の軸２０２に対して揺動させるための電磁石とが分けられていない。そうすることで、複数の揺動軸ごとに電磁石を設ける必要がなく、アクチュエーター１０を小型化することができる。

電磁石３０はＵ字型またはＣ字型である。具体的には、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および端部３４２はいずれも磁束発生端部である。なお、電磁石３０は、磁束発生端部の少なくとも一部がギャップ３４０を挟んで互いに対向するように構成された、複数の電磁石からなっていても良い。すなわち、電磁石３０のヨーク３４およびコイル３２が複数に分かれていてもよい。図１～図３の例において、端部３４１および端部３４２はコイル３２よりもミラー２０に近い。また、コイル３２は基準面１０１に平行な方向に延在している。

次に、図１および図３を参照し、ミラー２０、外側フレーム５０、および内側フレーム６０を含む構造体１２について説明する。アクチュエーター１０は、外側フレーム５０、トーションバー５２、内側フレーム６０、およびトーションバー６２をさらに備える。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、電磁石３０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１～図３、図５および図６を参照し、電磁石３０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。まず第１の軸２０１を揺動軸とした駆動について説明する。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。電磁石３０のコイル３２に、たとえば後述する図５のように電流Ｉ_１が流れると、電流の極性がプラスからマイナスに、マイナスからプラスに切り替わるごとにミラー２０の向きが変化する。次いで、第２の軸２０２を揺動軸とした駆動について説明する。電磁石３０のコイル３２に電流が流れると、電磁石３０が永久磁石２１をギャップ３４０側へ引き込み、第２の軸２０２に沿ったトーションバー６２がねじられる。ねじられたトーションバーは元に戻ろうとするため、コイル３２に流れる電流の大きさが小さくなると永久磁石２１がギャップ３４０から離れる方向に動く。電磁石３０のコイル３２に、たとえば後述する図６のように、ミラー２０の共振周波数で電流Ｉ_２を流すと、永久磁石２１とともにミラー２０が共振周波数で揺動する。したがって、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。

本実施形態に係るアクチュエーター１０では、端部３４１および端部３４２は、第２の軸２０２に垂直な端面を有している。そしてヨーク３４の端部３４１および端部３４２は、互いに第２の軸２０２に平行な方向（ｙ軸方向）に対向する。こうすることで、第１の軸２０１に対する揺動と第２の軸２０２に対する揺動とのクロストークを低減できる。ただし、ヨーク３４は、両端が第２の軸２０２に対して斜めに対向するように配置されても良い。また、端部３４１および端部３４２は、第１の軸２０１に垂直な端面を有していてもよい。そしてヨーク３４の端部３４１および端部３４２は、互いに第１の軸２０１に平行な方向（ｘ軸方向）に対向してもよい。ヨーク３４は、両端が第１の軸２０１に対して斜めに対向するように配置されても良い。

なお、ヨーク３４の端部３４１および端部３４２が、互いに第２の軸２０２に平行な方向（ｙ軸方向）に対向する場合、第２の軸２０２を揺動軸とした駆動のために発生させる事ができるトルクが、第１の軸２０１を揺動軸とした駆動のために発生させる事ができるトルクよりも小さくなる。これに対し、本実施形態では、ミラー２０は、第２の軸２０２に対して共振周波数で揺動するよう駆動される。したがって、比較的小さい駆動トルクでも十分にミラー２０を揺動させる事ができる。

また、本実施形態に係るアクチュエーター１０では、上述した通り、基準面１０１に垂直な方向（ｚ軸方向）から見て、ギャップ３４０の中心Ｃｇは永久磁石２１の中心Ｃｍとは重ならない。詳しくは、基準面１０１に垂直な方向から見て、ギャップ３４０の中心は、永久磁石２１の中心から第１の軸２０１に平行な方向（ｘ軸方向）にずれている。こうすることで、第２の軸２０２を揺動軸として、ミラー２０を揺動させるためのトルクを大きくすることができる。一方、ギャップ３４０の中心は、永久磁石２１の中心から第１の軸２０１に垂直な方向（ｙ軸方向）には、ずれていない。こうすることで、第１の軸２０１に対する揺動と第２の軸２０２に対する揺動とのクロストークを低減できる。ただし、ギャップ３４０は、永久磁石２１の中心から第１の軸２０１に対し斜め方向にずれていても良いし、第２の軸２０２に対し斜め方向にずれていても良い。

アクチュエーター１０は、制御部７０をさらに備える。制御部７０は、ミラー２０を第１の軸２０１に対して揺動させるための電流Ｉ_１と第２の軸２０２に対して揺動させるための電流Ｉ_２とが重畳された信号を生成する。制御部７０はたとえば駆動回路７２および集積回路４０を含んで構成される。

図４は、制御部７０のハードウエア構成を例示する図である。本図において制御部７０は、集積回路４０を用いて実装されている。集積回路４０は、例えば SoC（System On Chip）である。制御部７０は集積回路４０および駆動回路７２を含んで構成される。

集積回路４０は、バス４０２、プロセッサ４０４、メモリ４０６、ストレージデバイス４０８、入出力インタフェース４１０、及びネットワークインタフェース４１２を有する。バス４０２は、プロセッサ４０４、メモリ４０６、ストレージデバイス４０８、入出力インタフェース４１０、及びネットワークインタフェース４１２が、相互にデータを送受信するためのデータ伝送路である。ただし、プロセッサ４０４などを互いに接続する方法は、バス接続に限定されない。プロセッサ４０４は、マイクロプロセッサなどを用いて実現される演算処理装置である。メモリ４０６は、RAM（Random Access Memory）などを用いて実現されるメモリである。ストレージデバイス４０８は、ROM（Read Only Memory）やフラッシュメモリなどを用いて実現されるストレージデバイスである。

入出力インタフェース４１０は、集積回路４０を周辺デバイスと接続するためのインタフェースである。本図において、入出力インタフェース４１０には少なくとも駆動回路７２が接続されている。

ネットワークインタフェース４１２は、集積回路４０を通信網に接続するためのインタフェースである。この通信網は、例えば CAN（Controller Area Network）通信網である。なお、ネットワークインタフェース４１２が通信網に接続する方法は、無線接続であってもよいし、有線接続であってもよい。

ストレージデバイス４０８は、制御部７０の機能を実現するためのプログラムモジュールをそれぞれ記憶している。プロセッサ４０４は、このプログラムモジュールをメモリ４０６に読み出して実行することで、制御部７０の機能を実現する。

集積回路４０のハードウエア構成は本図に示した構成に限定されない。例えば、プログラムモジュールはメモリ４０６に格納されてもよい。この場合、集積回路４０は、ストレージデバイス４０８を備えていなくてもよい。

図５は、ミラー２０を、第１の軸２０１に対して揺動させるための電流Ｉ_１の波形を例示する図である。図６は、ミラー２０を、第２の軸２０２に対して揺動させるための電流Ｉ_２の波形を例示する図である。図７は、ミラー２０を、第１の軸２０１に対して揺動させるための電流と第２の軸２０２に対して揺動させるための電流とが重畳された電流（Ｉ_１＋Ｉ_２）の波形を例示する図である。

ミラー２０を、第１の軸２０１に対して揺動させるための電流Ｉ_１はたとえばノコギリ波または三角波である。ミラー２０を、第２の軸２０２に対して揺動させるための電流Ｉ_２はたとえば正弦波である。上述した通り、ミラー２０は、第２の軸２０２に対して共振周波数で揺動するよう駆動される。上述した制御部７０で電流Ｉ_１と電流Ｉ_２とが重畳された駆動電流（Ｉ_１＋Ｉ_２）が生成され、制御部７０からコイル３２へ駆動電流が流される。図７のような駆動電流を用いると、反射面２２で反射した光でラスタスキャンを行うように、ミラー２０を駆動することができる。ただし、電流Ｉ_１および電流Ｉ_２の波形はそれぞれ図５および図６に示した例に限定されない。

以上、本実施形態によれば、基準面１０１に垂直な方向から見て、ギャップ３４０の中心Ｃｇは永久磁石２１の中心Ｃｍとは重ならない。したがって、同一の電磁石３０を用いて、ミラー２０の第１の軸２０１に対する駆動と第２の軸２０２に対する駆動とを実現することができる。ひいてはアクチュエーター１０を小型化することができる。

図８は電磁石３０の位置と発生トルクとの関係をシミュレーションした結果を示すグラフである。図１～図３に示した構造において、永久磁石２１とヨーク３４との距離をｚ方向に複数の値（図８中の単位はｍｍ）に変えて、シミュレーションを行った。グラフの横軸は、ｚ軸方向から見たギャップ３４０の中心Ｃｇと永久磁石２１の中心Ｃｍとの距離（オフセット）である。また、グラフの縦軸は、電磁石３０により発生する、ミラー２０を第２の軸２０２に対して揺動させるトルクの大きさである。

本図に示すように、中心Ｃｍに対して中心Ｃｇのオフセットが無い場合には、永久磁石２１とヨーク３４との距離に関わらず、トルクはほぼ０であった。一方、オフセットを大きくするとトルクは徐々に増加し、オフセットが２．５ｍｍのときにピークを示した。

図９は電磁石３０の位置とミラーの振幅との関係を測定した結果を示すグラフである。図１～図３に示した構造において、ミラー２０を第２の軸２０２について揺動させ、揺動振幅を測定した。測定は複数のオフセット値について行い、駆動信号は同一の正弦波とした。本図に示すように、オフセットが２．５ｍｍのときに。光学振角で６０°近くまで揺動させる事ができた。

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。
以下、参考形態の例を付記する。
１． 永久磁石が設けられ、基準面に対し、第１の軸と前記第１の軸に非平行な第２の軸とをそれぞれ揺動軸として揺動可能なミラーと、
ヨークおよびコイルを有し、前記永久磁石に磁束を作用させる電磁石とを備え、
前記ヨークの両端はギャップを挟んで少なくとも一部が互いに対向しており、
前記基準面に垂直な方向から見て、前記ギャップの中心は前記永久磁石の中心とは重ならず、
前記コイルには、前記ミラーを、前記第１の軸に対して揺動させるための電流と前記第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳されて流される
アクチュエーター。
２． １．に記載のアクチュエーターにおいて、
前記ミラーは、前記第２の軸に対して共振周波数で揺動するよう駆動され、
前記ヨークの両端は、互いに前記第２の軸に平行な方向に対向する
アクチュエーター。
３． １．または２．に記載のアクチュエーターにおいて、
前記基準面に垂直な方向から見て、前記ギャップの中心は、前記永久磁石の中心から前記第１の軸に平行な方向にずれている
アクチュエーター。
４． １．～３．のいずれか一つに記載のアクチュエーターにおいて、
前記ミラーを、前記第１の軸に対して揺動させるための電流はノコギリ波または三角波であり、
前記ミラーを、前記第２の軸に対して揺動させるための電流は正弦波である
アクチュエーター。
５． １．～４．のいずれか一つに記載のアクチュエーターにおいて、
前記第１の軸に対して揺動させるための電流と前記第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳された信号を生成する制御部をさらに有する
アクチュエーター。
６． １．～５．のいずれか一つ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。

この出願は、２０２１年３月２日に出願された日本出願特願２０２１－０３２４２０号を基礎とする優先権を主張し、その開示の全てをここに取り込む。

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 電磁石
３２ コイル
３４ ヨーク
４０ 集積回路
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
７０ 制御部
７２ 駆動回路
１０１ 基準面
２０１ 第１の軸
２０２ 第２の軸
３４０ ギャップ
３４１ 端部
３４２ 端部

Claims (7)

1. 永久磁石が設けられ、基準面に対し、第１の軸と前記第１の軸に非平行な第２の軸とをそれぞれ揺動軸として揺動可能なミラーと、
   ヨークおよびコイルを有し、前記永久磁石に磁束を作用させる電磁石とを備え、
   前記ヨークの両端はギャップを挟んで少なくとも一部が互いに対向しており、
   前記基準面に垂直な方向から見て、前記ギャップの中心は前記永久磁石の中心とは重ならず、
   前記コイルには、前記ミラーを、前記第１の軸に対して揺動させるための電流と前記第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳されて流され、
   前記ヨークの両端は、互いに前記第１の軸または前記第２の軸に平行な方向に対向する、
   アクチュエーター。
2. 永久磁石が設けられ、基準面に対し、第１の軸と前記第１の軸に非平行な第２の軸とをそれぞれ揺動軸として揺動可能なミラーと、
   ヨークおよびコイルを有し、前記永久磁石に磁束を作用させる電磁石とを備え、
   前記ヨークの両端はギャップを挟んで少なくとも一部が互いに対向しており、
   前記基準面に垂直な方向から見て、前記ギャップの中心は前記永久磁石の中心とは重ならず、
   前記コイルには、前記ミラーを、前記第１の軸に対して揺動させるための電流と前記第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳されて流され、
   前記ヨークの両端は前記第１の軸に垂直な端面を有している、または、前記ヨークの両端は前記第２の軸に垂直な端面を有している、
   アクチュエーター。
3. 請求項１または２に記載のアクチュエーターにおいて、
   前記ミラーは、前記第２の軸に対して共振周波数で揺動するよう駆動される
   アクチュエーター。
4. 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、
   前記基準面に垂直な方向から見て、前記ギャップの中心は、前記永久磁石の中心から前記第１の軸に平行な方向にずれている
   アクチュエーター。
5. 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、
   前記ミラーを、前記第１の軸に対して揺動させるための電流はノコギリ波または三角波であり、
   前記ミラーを、前記第２の軸に対して揺動させるための電流は正弦波である
   アクチュエーター。
6. 請求項１～５のいずれか一項に記載のアクチュエーターにおいて、
   前記第１の軸に対して揺動させるための電流と前記第２の軸に対して揺動させるための電流とが重畳された信号を生成する制御部をさらに有する
   アクチュエーター。
7. 請求項１～６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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