JP7742133B2 - 走査用ミラー装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造技術を利用して小型化を実現した走査用ミラー装置に関する。

レーザ光源から照射されたレーザ光を走査させ、２次元画像にして投影するための２次元走査ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラー装置（プレーナ型アクチュエータ）が知られている（例えば、特許文献１参照）。特許文献１に記載されたミラー装置は、例えば、レーザ光を反射するミラーと、ミラーの周囲に設けられ第１回転軸によりミラーを回転自在に支持する第１フレームと、第１フレームの周囲に設けられ第１回転軸に直交する方向の第２回転軸により第１フレームを回転自在に支持する第２フレームと、を備えている。

そして、このミラー装置は、第１回転軸に沿った方向に少なくとも１つの第１磁界を発生する第１磁石と、第２回転軸に沿った方向に少なくとも１つの第２磁界を発生する第２磁石とを備えている。また、このミラー装置は、ミラーにおいて第２磁界と直交する方向に電流が流れる少なくとも１つの第１電極を備えている。また、このミラー装置は、第１フレームにおいて第１磁界と直交する方向に電流が流れる少なくとも１つの第２電極を備えている。

このミラー装置は、第１電極に流れる交流電流に基づいてローレンツ力を発生させ、共振に基づいてミラーを第１回転軸回りに振動させると共に、第２電極に流れる交流電流に基づいてローレンツ力を発生させ、第１フレームと共にミラーを共振に基づいて第２回転軸回りに振動させ、ミラーに反射するレーザ光を走査可能に構成されている。

特許文献１に記載されたミラー装置によれば、磁界発生のためにはＭＥＭＳミラー素子の周りに合計２対（４つ）の永久磁石を配置する必要があり、装置の小型化や、低コスト化することを阻んでいた。装置の小型化・低コスト化を行うためにはＭＥＭＳ素子に比べ大きい高コストな永久磁石の個数を減らすことが望ましい。特許文献１には、上記構成の他に１対の磁石をミラーやフレームの対角線上に配置して２つの軸方向にそれぞれ磁界成分を発生させる他のミラー装置が記載されている。

特開２００９－８９５０１号公報

しかしながら、特許文献１に記載された他のミラー装置によれば、１つの磁界を直交分解して２方向の磁力を得ようとするため各軸方向の磁界が弱くなり、結果として磁界に比例する電磁力も弱くなり、ミラーの回転角度が制限され性能低下するという課題がある。また、特許文献１に記載された他のミラー装置によれば、磁界方向に対して４５度傾けてミラーを配置する必要があるため、装置構成に必要な面積が増大するという課題がある。

更に特許文献１に記載された技術によれば、ミラーや第１フレームの可動部に電磁的に振動を発生させるためのコイル構造を設ける必要がある。そうすると、特許文献１に記載された技術によれば、ミラーや第１フレームの可動部は、回転軸部分でのみ第２フレームに接続され、第２フレームからは分離されている。このため、特許文献１に記載された技術では、ミラーや第１フレームに設けられる配線が複雑化するという課題があった。

さらに、特許文献１に記載された技術では、ミラーや第１フレームを含む可動部は、第２フレームからは熱的に分離されている構成を有し、ミラーや第１フレームに設けられた電極に通電した際に可動部が加熱され、共振周波数が変化したり、ミラー面にたわみを生じさせたりして、装置の動作が不安定になるという課題があった。

特許文献１に記載された技術において、可動部の１つの駆動用コイルに基づいて、ミラーに第１軸方向の回転と第２軸方向の回転を実現しようとすると、可動部の外部に加えられる磁界は２方向必要であり、さらには２つの周波数信号を電気的に加算合成する必要があった。そのため、特許文献１に記載された技術によれば、駆動用コイルを駆動するための駆動回路を増やしてしまうだけでなく、加算回路により最大電流を制限してしまう問題があった。

本発明は、装置構成を簡略化すると共に、駆動時の発熱の影響を低減可能な走査用ミラー装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達するために、本発明は、ミラー面が形成されたミラー部と、前記ミラー部を支持する第１ミラー支持部と、前記第１ミラー支持部を、第１質量を有する第１領域と、前記第１質量に比して大きい質量の第２質量を有する第２領域とに分割する位置において回転可能に支持する第１軸と、前記第１領域の第１共振周波数と同じ振動数の第１波を発生し前記第１領域を共振させ前記第１ミラー支持部を前記第１軸回りに振動させる第１振動源と、を備える走査用ミラー装置である。

本発明によれば、装置構成を簡略化すると共に、駆動時の発熱の影響を低減することができる。

本発明の実施形態に係る走査用ミラー装置の構成を示す図である。 走査用ミラー装置の概略的な構成を示す第１軸方向に見た断面図である。 走査用ミラー装置の概略的な構成を示す第２軸方向に見た断面図である。 第１周波数の共振に基づいて第１軸回りに振動するミラー部の状態を示す図である。 第２周波数の共振に基づいて第１軸回りに振動するミラー部の状態を示す図である。 第３周波数の共振に基づいて第２軸回りに振動するミラー部の状態を示す図である。 第４周波数の共振に基づいてＺ軸に沿って振動するミラー部の状態を示す図である。 走査用ミラー装置の性能試験における計測点を示す図である。 走査用ミラー装置の性能試験の結果を示す図である。

以下、図面を参照しつつ、本発明に係る走査用ミラー装置の実施形態について説明する。以下の説明では、ＸＹＺ座標が設定される。各軸方向に対して適宜、一方側、他方側等と呼ぶ。設定された座標は相対的なものであり、この限りではない。走査用ミラー装置は、例えば、半導体製造技術を利用したＭＥＭＳにより小型化を実現した２次元走査ミラー素子である。走査用ミラー装置は、電気的に駆動される電磁アクチュエータに構成されている。走査用ミラー装置は例えば、小型プロジェクタやＬｉＤＡＲ（Ｌｉｇｈｔ Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ Ａｎｄ Ｒａｎｇｉｎｇ）の光を含む電磁波射出源に利用される。

図１に示されるように、走査用ミラー装置１は、波源部４０から照射された電磁波を反射し、電源部２０から入力された交流電流により駆動され、反射した電磁波を２次元的に走査するように構成されている。波源部４０及び電源部２０は、後述のように制御装置１０により制御される。

走査用ミラー装置１は、１枚の基板２により形成されている。基板２には、例えば、波源部４０から照射されたレーザ光やレーダ波等の電磁波を反射するミラー面Ｍ１が形成されている。ミラー面Ｍ１は、ミラー部Ｍ上に形成されている。基板２には、ミラー部Ｍを支持する第１ミラー支持部３が形成されている。第１ミラー支持部３は、例えば、矩形の板状体に形成されている。第１ミラー支持部３の周囲には、第１ミラー支持部３と基板２とを分離する第１溝Ｈ１が形成されている。第１ミラー支持部３は、例えば、長手方向がＸ軸に沿って形成され、短手方向がＹ軸方向に沿って配置されている。第１ミラー支持部３は、例えば、図のＹ軸方向に沿った第１軸Ｓ１により基板２に対して回転可能に支持されている。

第１軸Ｓ１は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されている。第１軸Ｓ１は、基板２に第１溝Ｈ１を形成する際に、所定幅の棒状に残置されることにより形成されている。第１軸Ｓ１は、第１ミラー支持部３のＹ軸方向に沿った軸方向一方側の第１側面３Ｐを支持する第１トーションバーＳ１Ａと、第１ミラー支持部３のＹ軸方向に沿った軸方向他方側の第２側面３Ｑを支持する第２トーションバーＳ１Ｂとを備えている。第１トーションバーＳ１Ａは、第１側面３Ｐと基板２（後述の第１振動板）とを連結している。第２トーションバーＳ１Ｂは、第２側面３Ｑと基板２（後述の第２振動板）とを連結している。

第１軸Ｓ１は、第１ミラー支持部３を、第１領域３Ａと、第２領域３Ｂとに分割する位置に配置されている。第１領域３Ａは、第１質量を有するように分割されている。第１領域３Ａは、第１軸に直交する方向の軸方向一方側において第１幅Ｌａを有する第１板状体Ｃに形成されている。第１板状体Ｃは、第１軸Ｓ１回りに振動可能である。第１板状体Ｃは、第１共振周波数ｆ１を有している。第１板状体Ｃは、外部から入力される第１共振周波数ｆ１を有する波により共振し第１軸Ｓ１回りに振動する。

第２領域３Ｂは、第１板状体Ｃの第１質量に比して大きい質量の第２質量を有するように分割されている。第２領域３Ｂは、第１軸Ｓ１に直交する方向の軸方向他方側において第１幅Ｌａに比して長い第２幅Ｌｂの第２板状体Ｄに形成されている。第２板状体Ｄは、第１軸Ｓ１回りに振動可能である。第２板状体Ｄは、第２共振周波数ｆ２を有している。第２板状体Ｄは、外部から入力される第２共振周波数ｆ２を有する波により共振し第１軸Ｓ１回りに振動する。

第１ミラー支持部３には、ミラー部Ｍを分離して支持する第２ミラー支持部４が設けられている。第２ミラー支持部４は、第１軸Ｓ１と直交する方向に沿った第２軸Ｓ２を備えている。第２ミラー支持部４は、第２軸Ｓ２により第１ミラー支持部３に回転可能に支持されている。第２ミラー支持部４は、例えば、円環状に形成された枠部４Ａを有している。枠部４Ａは、ミラー部Ｍの周囲に延在するように形成されている。枠部４Ａの周囲には、枠部４Ａと第１ミラー支持部３とを分離する第２溝Ｈ２が形成されている。第２ミラー支持部４は、第１軸Ｓ１及び第２軸Ｓ２に関して線対称に形成されている。

第２軸Ｓ２は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されている。第２軸Ｓ２は、第１ミラー支持部３に第２溝Ｈ２を形成する際に、所定幅の棒状に残置されることにより形成されている。第２軸Ｓ２は、第２ミラー支持部４のＸ軸方向に沿った軸方向一方側を支持する第３トーションバーＳ２Ａと、第２ミラー支持部４のＸ軸方向に沿った軸方向他方側を支持する第４トーションバーＳ２Ｂとを備えている。第３トーションバーＳ２Ａは、第２ミラー支持部４のＸ軸方向に沿った軸方向一方側と第１ミラー支持部３とを連結している。第４トーションバーＳ２Ｂは、第２ミラー支持部４のＸ軸方向に沿った軸方向他方側と第１ミラー支持部３とを連結している。

第２ミラー支持部４には、更にミラー部Ｍを分離して支持している。ミラー部Ｍは、円板状に形成されている。ミラー部Ｍの表面には、円形のミラー面Ｍ１が形成されている。ミラー部Ｍの周囲には、ミラー部Ｍと第２ミラー支持部４とを分離する第３溝Ｈ３が形成されている。ミラー部Ｍは、第１軸Ｓ１と同軸に配置された第３軸Ｓ３を備えている。第３軸Ｓ３は、ミラー部Ｍを第２ミラー支持部４に対して回転可能に支持している。第３軸は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されている。

第３軸Ｓ３は、ミラー部ＭのＹ軸方向に沿った軸方向一方側を支持する第５トーションバーＳ３Ａと、ミラー部ＭのＹ軸方向に沿った軸方向他方側を支持する第６トーションバーＳ３Ｂとを備えている。第５トーションバーＳ３Ａは、ミラー部ＭのＹ軸方向に沿った軸方向一方側と第２ミラー支持部４とを連結している。第６トーションバーＳ３Ｂは、ミラー部ＭのＹ軸方向に沿った軸方向他方側と第２ミラー支持部４とを連結している。第３軸Ｓ３は、ミラー部Ｍを、Ｙ軸方向において均等に分割する位置に配置されている。

第２ミラー支持部４（ミラー部Ｍを含む）は、第２軸Ｓ２回りに第３共振周波数ｆ３を有している。第２ミラー支持部４は、外部から入力される第３共振周波数ｆ３を有する波により共振し第２軸Ｓ２回りに振動する。

第１ミラー支持部３の第１側面３Ｐ側には、振動発生源となる第１振動源５が設けられている。第１振動源５は、外力を受けて弾性変形して撓む第１振動板５Ａを備えている。第１振動板５Ａは、矩形の板状に形成されている。第１振動板５Ａの周囲には、第１振動板５Ａと基板２とを分離するＵ状の第４溝Ｈ４が形成されている。第４溝Ｈ４は、第１側面３Ｐ側において第１溝Ｈ１と一部共有している。

上記構成により、第１振動板５Ａは、Ｙ軸方向に沿った軸方向一方側を基端とし、軸方向他方側を先端として振動可能なカンチレバーに形成されている。第１振動板５ＡのＹ軸方向に沿った軸方向他方側には、第１軸Ｓ１（Ｘ軸）と直交する方向に沿って第１電極５Ｄが延在して形成されている。第１電極５Ｄは、例えば、複数の線状配線構造を持つ配線層により構成されている。

第１電極５ＤのＸ軸方向に沿った軸方向一方側及び軸方向他方側には、それぞれ第１電極５Ｄに直交するＹ軸方向に沿って延在する一対の配線５Ｅが電気的に接続されている。一対の配線５Ｅは、第１振動板５Ａの軸方向一方側に設けられた一対の端子５Ｆにそれぞれ電気的に接続されている。一対の端子５Ｆは、後述の第１電源部２１に電気的に接続されている。第１電極５Ｄ、一対の配線５Ｅ、一対の端子５Ｆは、第１振動板５Ａ上に線状配線構造を持つ配線層により形成されている。このため、第１電極５Ｄ、一対の配線５Ｅ、一対の端子５Ｆは、配線経路が簡略化される。

第１ミラー支持部３の第２側面３Ｑ側には、振動発生源となる第２振動源６が設けられている。第２振動源６は、外力を受けて弾性変形して撓む第２振動板６Ａを備えている。第２振動板６Ａは、矩形の板状に形成されている。第２振動板６Ａの周囲には、第２振動板６Ａと基板２とを分離するＵ状の第５溝Ｈ５が形成されている。第５溝Ｈ５は、第２側面３Ｑ側において第１溝Ｈ１と一部共有している。

上記構成により、第２振動板６Ａは、Ｙ軸方向に沿った軸方向他方側を基端とし、軸方向一方側を先端として振動可能なカンチレバーに形成されている。第２振動板６ＡのＹ軸方向に沿った軸方向一方側には、第１軸Ｓ１（Ｘ軸）と直交する方向に沿って第２電極６Ｄが延在して形成されている。第２電極６Ｄは、例えば、複数の線状配線構造を持つ配線層により構成されている。

第２電極６ＤのＸ軸方向に沿った軸方向一方側及び軸方向他方側には、それぞれ第２電極６Ｄに直交するＹ軸方向に沿って延在する一対の配線６Ｅが電気的に接続されている。一対の配線６Ｅは、第２振動板６Ａの軸方向一方側に設けられた一対の端子６Ｆにそれぞれ電気的に接続されている。一対の端子６Ｆは、後述の第２電源部２２に電気的に接続されている。第２電極６Ｄ、一対の配線６Ｅ、一対の端子６Ｆは、第２振動板６Ａ上にプリント配線により形成されている。このため、第２電極６Ｄ、一対の配線６Ｅ、一対の端子６Ｆは、配線経路が簡略化される。第１振動源５及び第２振動源６は、第１軸Ｓ１方向に沿った方向に磁界Ｂ１を発生させる磁界発生部３０の間に配置されている。

磁界発生部３０は、第１振動源５のＹ軸方向に沿った軸方向一方側に隣接して設けられた第１永久磁石３１と、第２振動源６のＹ軸方向に沿った軸方向他方側に隣接して設けられた第２永久磁石３２と、を備えている。磁界発生部３０は、例えば、第１永久磁石３１から第２永久磁石に向かう方向に磁界Ｂ１を発生している。第１永久磁石３１及び第２永久磁石３２は、例えば、ネオジム磁石である。第１永久磁石３１は、例えば、Ｎ極を第１振動源５に向けて配置されている。第２永久磁石３２は、例えば、Ｓ極を第２振動源６に向けて配置されている。第１永久磁石３１及び第２永久磁石３２の配置方向はこれに限らず、逆方向であってもよいし、Ｎ極或いはＳ極が対向するように配置されていてもよい。

第１電極５Ｄは、電源部２０に設けられた第１電源部２１により電流が入力される。第２電極６Ｄは、電源部２０に設けられた第２電源部２２により電流が入力される。第１電源部２１及び第２電源部２２は、例えば、電源装置２３から入力された電源電力を交流変換、ダウンコバート、周波数変換等をする電源回路を有する。第１電源部２１及び第２電源部２２は、電源電力に基づいて所定の周波数、所定の電圧、所定の電流に調整された交流電流を発生させ、それぞれ第１電極５Ｄ及び第２電極６Ｄに入力する。電源装置２３は、商用電源や蓄電池から入力された電力に基づいて第１電源部２１及び第２電源部２２に電源電力を供給する。

第１電源部２１は、例えば、第１共振周波数ｆ１に対応する第１周波数の交流電流を第１電極５Ｄに入力する。これにより、後述のように、第１電極５Ｄにローレンツ力を発生させ、第１振動板５Ａを第１共振周波数ｆ１と同じ振動数で振動させる。第１電源部２１は、同様に第１電極５Ｄに第２共振周波数ｆ２に対応する第２周波数の交流電流を第１電極５Ｄに入力し、ローレンツ力を発生させ、第１振動板５Ａを第２共振周波数ｆ２と同じ振動数で振動させる。

また、第２電源部２２は、同様に、第３共振周波数ｆ３に対応する第３周波数の交流電流を第２電極６Ｄに入力する。これにより、後述のように、第２電極６Ｄに第３共振周波数ｆ３に対応する第３周波数に応じたローレンツ力を発生させ、第２振動板６Ａを第３共振周波数ｆ３と同じ振動数で振動させる。電源部２０は、制御装置１０により制御される。

制御装置１０は、電源部２０を制御する制御部１２と、制御に必要なデータを記憶する記憶部１４とを備える。制御装置１０は、例えば、パーソナルコンピュータ等の情報処理装置である。制御装置１０と電源部２０とは、有線或いは無線通信により通信可能に接続されている。制御装置１０は、ネットワークに接続され、遠隔操作に基づいて電源部２０を制御するものであってもよい。ネットワークは、例えば、ＬＡＮ（Ｌｏｃａｌ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、車内ＬＡＮ、ＷＡＮ（Ｗｉｄｅ Ａｒｅａ Ｎｅｔｗｏｒｋ）、公衆無線通信網等であってもよい。

制御部１２は、例えば、ＣＰＵ（Ｃｅｎｔｒａｌ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのハードウェアプロセッサがプログラム（ソフトウェア）を実行することにより実現される。これらの構成要素のうち一部または全部は、ＬＳＩ（Ｌａｒｇｅ Ｓｃａｌｅ Ｉｎｔｅｇｒａｔｉｏｎ）やＡＳＩＣ（Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎ Ｓｐｅｃｉｆｉｃ Ｉｎｔｅｇｒａｔｅｄ Ｃｉｒｃｕｉｔ）、ＦＰＧＡ（Ｆｉｅｌｄ－Ｐｒｏｇｒａｍｍａｂｌｅ Ｇａｔｅ Ａｒｒａｙ）またはＧＰＵ（Ｇｒａｐｈｉｃｓ Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ Ｕｎｉｔ）などのハードウェア（回路部；ｃｉｒｃｕｉｔｒｙを含む）によって実現されてもよいし、ソフトウェアとハードウェアの協働によって実現されてもよい。プログラムは、予め記憶部１４に設けられたＨＤＤやフラッシュメモリなどの記憶装置（非一過性の記憶媒体を備える記憶装置）に格納されていてもよいし、ＤＶＤやＣＤ－ＲＯＭなどの着脱可能な記憶媒体（非一過性の記憶媒体）に格納されており、記憶媒体がドライブ装置に装着されることで記憶装置にインストールされてもよい。

制御部１２は、波源部４０を制御して電磁波４１を出力させる。波源部４０は、例えば、プロジェクタやＬｉＤＡＲ等の光源である場合はレーザ光を出力し、レーダ等である場合は電磁波を出力する。電磁波４１は、ミラー面Ｍ１に入力される。制御部１２は、第１電源部２１及び第２電源部２２から出力される交流電流を制御する。

制御部１２は、第１電源部２１を制御し、第１電極５Ｄに所定の交流電流を入力し、第１振動源５を振動させる。第１振動源５に発生した振動に共振し、第１ミラー支持部３が第１軸Ｓ１回りに振動する。即ち、制御部１２は、第１振動源５の制御に基づいて第１ミラー支持部３の振動を制御する。

制御部１２は、第２電源部２２を制御し、第２電極６Ｄに所定の交流電流を入力し、第２振動源６を振動させる。第２振動源６に発生した振動に共振し、第２ミラー支持部４が第２軸Ｓ２回りに振動する。即ち、制御部１２は、第２振動源６の制御に基づいて第２ミラー支持部４の振動を制御する。

以下、走査用ミラー装置１の動作原理について説明する。

図２に示されるように、第１ミラー支持部３は、第１軸Ｓ１回りに回転可能に基板２に支持されている。第１軸Ｓ１は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されているため、第１ミラー支持部３は、第１軸Ｓ１周りに生じる捩じり振動に基づいて振動する。第１ミラー支持部３の第１領域３Ａ側は、第１共振周波数ｆ１を有し、外部から第１共振周波数ｆ１と同一の波が入力された場合、重心Ｇ１に生じる力Ｔ１に基づいて第１軸Ｓ１回りに共振により振動する。第１ミラー支持部３の第２領域３Ｂ側は、第２共振周波数ｆ２を有し、外部から第２共振周波数ｆ２と同一の波が入力された場合、重心Ｇ２に生じる力Ｔ２に基づいて第１軸Ｓ１回りに共振により振動する。

第１ミラー支持部３は、例えば、隣接する第１振動源５に生じる振動に共振して振動する。第１振動源５は、例えば、第１領域３Ａの第１共振周波数ｆ１と同じ振動数の第１波を発生し第１領域３Ａを共振させ第１ミラー支持部３を第１軸回Ｓ１回りに振動させる。第１振動源５は、第１電極５Ｄに入力される交流電流に基づいて第１振動板５Ａを振動させる。磁界発生部３０によりＹ軸方向に沿って磁界Ｂ１が生じている。第１電極５Ｄに第１周波数の交流電流が入力されると、第１共振周波数ｆ１に応じて第１電極５Ｄに＋Ｚ軸方向と－Ｚ軸方向とに周期的にローレンツ力が作用する。

第１電極５Ｄに作用する第１共振周波数ｆ１に応じた周期的なローレンツ力に応じて、第１振動板５Ａが振動する。これにより、第１振動源５は、第１共振周波数ｆ１と同じ振動数で振動する。第１振動源５が第１共振周波数ｆ１と同じ振動数で振動した場合、第１ミラー支持部３の第１領域３Ａは、第１共振周波数ｆ１により共振し振動する。このとき、第１領域３Ａの重心Ｇ１は、ミラー部Ｍに位置しているので、共振により生じる力はミラー部Ｍに加わる。そのため、ミラー部Ｍは、第３軸Ｓ３回りに振動する。即ち、第１電源部２１により第１共振周波数ｆ１に対応する第１周波数の交流電流が第１電極５Ｄに入力されると、第１電極５Ｄに発生するローレンツ力に基づいて第１振動板５Ａが振動し、ミラー部Ｍが第１共振周波数により共振し第３軸Ｓ３回りに振動する。

同様に、第１振動源５は、例えば、第２領域３Ｂの第２共振周波数ｆ２と同じ振動数の第２波を発生し第２領域３Ｂを共振させ第１ミラー支持部３を第１軸回Ｓ１回りに振動させる。第１振動源５は、第１電極５Ｄに入力される交流電流に基づいて第１振動板５Ａを振動させる。第１電極５Ｄに第２周波数の交流電流が入力されると、第２共振周波数ｆ２に応じて第１電極５Ｄに＋Ｚ軸方向と－Ｚ軸方向とに周期的にローレンツ力が作用する。

第１電極５Ｄに作用する第２共振周波数ｆ２に応じた周期的なローレンツ力に応じて、第１振動板５Ａが振動する。これにより、第１振動源５は、第２共振周波数ｆ２と同じ振動数で振動する。第１振動源５が第２共振周波数ｆ２と同じ振動数で振動した場合、第１ミラー支持部３の第２領域３Ｂは、第２共振周波数ｆ２により共振し振動する。

このとき、第２領域３Ｂの重心Ｇ２は、ミラー部Ｍに位置していないので、共振により生じる力はミラー部Ｍに加わらない。そのため、ミラー部Ｍは、第２領域３Ｂと共に第１軸Ｓ１回りに振動する。即ち、第１電源部２１により第２共振周波数ｆ２に対応する第２周波数の交流電流が第１電極５Ｄに入力されると、ローレンツ力に基づいて第１電極５Ｄが振動し、ミラー部Ｍが第２領域３Ｂと共に第２共振周波数ｆ２により共振し第１軸Ｓ１回りに振動する。

図３に示されるように、第２ミラー支持部４は、第２軸Ｓ２回りに回転可能に基板２に支持されている。第２軸Ｓ２は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成されているため、第２ミラー支持部４は、第２軸Ｓ２周りに生じる捩じり振動に基づいて振動する。第２ミラー支持部４は、第３共振周波数ｆ３を有し、外部から第３共振周波数ｆ３と同一の波が入力された場合、重心Ｇ３に生じる力Ｔ３に基づいて第２軸Ｓ２回りに共振により振動する。

第２ミラー支持部４は、例えば、隣接する第２振動源６に生じる振動に共振して振動する。第２振動源６は、例えば、第２ミラー支持部４の第３共振周波数ｆ３と同じ振動数の第３波を発生し第２ミラー支持部４を共振させ第２ミラー支持部４を第２軸回Ｓ２回りに振動させる。第２振動源６は、第２電極６Ｄに入力される交流電流に基づいて第２振動板６Ａを振動させる。磁界発生部３０によりＹ軸方向に沿って磁界Ｂ１が生じている。第２電極６Ｄに第３共振周波数ｆ３に対応する第３周波数の交流電流が入力されると、第３共振周波数ｆ３に応じて第２電極６Ｄに＋Ｚ軸方向と－Ｚ軸方向とに周期的にローレンツ力が作用する。

第２電極６Ｄに作用する第３共振周波数ｆ３に応じた周期的なローレンツ力に応じて、第２振動板６Ａが振動する。これにより、第２振動源６は、第３共振周波数ｆ３と同じ振動数で振動する。第２振動源６が第３共振周波数ｆ３と同じ振動数で振動した場合、第２ミラー支持部４は、第３共振周波数ｆ３により共振し振動する。即ち、第２電源部２２により第３共振周波数ｆ３に対応する第３周波数の交流電流が第２電極６Ｄに入力されると、第２電極６Ｄに発生するローレンツ力に基づいて第２振動板６Ａが振動し、第２ミラー支持部４が第３共振周波数ｆ３により共振し第２軸Ｓ２回りに振動する。

上記の通り、走査用ミラー装置１において、第１ミラー支持部３及び第２ミラー支持部４は、第１振動源５及び第２振動源６から分離されて構成されている。このため、走査用ミラー装置１においては、第１振動源５及び第２振動源６が駆動中に加熱されても、第１ミラー支持部３及び第２ミラー支持部４に熱が伝わらず、第１ミラー支持部３及び第２ミラー支持部４に歪を生じたり、共振周波数が変化したりすることが防止され装置を安定して稼働させることができる。

図４には、第１周波数により振動するミラー部Ｍの状態が示されている。ミラー部Ｍは、第１振動源５に発生した第１共振周波数ｆ１と同一の振動に共振してＹ軸方向に沿った第３軸Ｓ３（第１軸Ｓ１）回りに振動する。実施形態に係る走査用ミラー装置１において、第１共振周波数ｆ１は例えば、２．５８２ｋＨｚである。

図５には、第２周波数により振動する第２領域３Ｂの状態が示されている。第２領域３Ｂは、ミラー部Ｍと共に、第１振動源５に発生した第２共振周波数ｆ２と同一の振動に共振してＹ軸方向に沿った第１軸Ｓ１回りに振動する。実施形態に係る走査用ミラー装置１において、第２共振周波数ｆ２は例えば、２３４Ｈｚである。ミラー部Ｍは、第１周波数において高速に振動させることができ、第１周波数に比して低い第２周波数において低速に振動させることができる。

図６には、第３周波数により振動するミラー部Ｍの状態が示されている。ミラー部Ｍは、第１振動源５に発生した第３共振周波数ｆ３と同一の振動に共振してＸ軸方向に沿った第２軸Ｓ２回りに振動する。実施形態に係る走査用ミラー装置１において、第３共振周波数ｆ３は例えば、１．４６１ｋＨｚである。第３周波数は、第１周波数及び第２周波数と異なる値である。

このため、走査用ミラー装置１によれば、第１振動源５から第１周波数或いは第２周波数の波を発生させ、第２振動源６から第１周波数及び第２周波数と異なる第３周波数の波を発生させることによりミラー部Ｍの第１軸Ｓ１回りの振動と第２軸Ｓ２回りの振動とを個別に制御することができる。

図７には、ミラー部Ｍが第４周波数に基づいてＺ軸方向に沿って振動する状態が示されている。ミラー部Ｍには、第１軸Ｓ１回りと第２軸Ｓ２回りに振動するモードに加え、ミラー部Ｍの中心に発生する力Ｔ４に基づいてＺ軸に沿って振動するモードも存在し得る。このときの第４周波数は、例えば、９４５Ｈｚである。

図８には、作成した走査用ミラー装置１の性能試験において変位を計測した箇所が示されている。各計測点において、レーザードップラー計測器を用いて変位が計測された。ミラー部Ｍが第１軸Ｓ１（Ｙ軸）回りに振動した際の変位は、Ｙ軸計測点において計測された。ミラー部Ｍが第２軸Ｓ２（Ｘ軸）回りに振動した際の変位は、Ｘ軸計測点において計測された。

図９には、走査用ミラー装置１の性能試験の計測結果が示されている。図示するように、第１軸Ｓ１（Ｙ軸）回りの振動モード及び第２軸Ｓ２（Ｘ軸）回りの振動モードが計測されている。この他、１．７５ｋＨｚ付近に走査用ミラー装置１においては使用しないＸ軸周りの振動モードが計測された。また、９４５Ｈｚにおいて走査用ミラー装置１においては使用しないＺ軸に沿った振動モードが計測された。

図１０には、駆動された走査用ミラー装置１にレーザ光を照射し、発生させた走査光が示されている。図示するように、走査用ミラー装置１によれば、ミラー部Ｍを第１軸Ｓ１回りに振動させると共に、第２軸Ｓ２周りに振動させることによって、レーザ光を２次元平面上に走査させ、２次元画像的な投影を実現できる。

上述したように、走査用ミラー装置１によれば、ミラー部Ｍの第１軸Ｓ１回りの振動と第２軸Ｓ２回りの振動とを第１振動源５及び第２振動源６に基づいて個別に制御することができる。走査用ミラー装置１によれば、ミラー部Ｍが設けられた第１ミラー支持部３及び第２ミラー支持部４が、第１振動源５及び第２振動源６と分離されているため、第１振動源５及び第２振動源６において発生した熱が第１ミラー支持部３及び第２ミラー支持部４に伝わることが防止される。走査用ミラー装置１によれば、第１ミラー支持部３及び第２ミラー支持部４に第１振動源５及び第２振動源６において発生した熱が伝わらないため、ミラー部Ｍに歪を生じたり、共振周波数が変化したりすることが防止され装置を安定して稼働させることができる。

以下、走査用ミラー装置１の変形例について説明する。以下の説明では、上記実施形態と同一の構成については、同一の名称及び符号を用い、重複する説明については適宜省略する。
［変形例］
磁界発生部３０は、一対の第１永久磁石３１及び第２永久磁石３２により磁界Ｂ１を発生させるものの他、電磁コイルにより磁界を発生させてもよい。第１振動源５及び第２振動源６は、例示された電磁アクチュエータの他に、機械的に構成されたアクチュエータであってもよい。例えば、第１振動源５及び第２振動源６は、ピエゾ素子を用いた振動膜により構成されていてもよい。第１振動源５及び第２振動源６は、モータと錘を用いたバイブレータや、ソレノイドコイルを用いたリニアアクチュエータにより構成されていてもよい。第１振動源５及び第２振動源６は、所定の周波数の振動を発生させることができればどのようなものを用いてもよい。

第１振動源５及び第２振動源６は、必ずしも第１ミラー支持部３に隣接して設けられていなくてもよく、ミラー部Ｍを共振に基づいて駆動可能であれば任意の位置に設けられていてもよい。また、第１ミラー支持部３は、第１領域３Ａと第２領域３Ｂとに分割し、第１領域３Ａを第１質量に、第２領域３Ｂを第２質量に調整することを例示した。第１ミラー支持部３やミラー部Ｍは、任意の形状に形成されてもよく、第１軸Ｓ１周りの振動の共振周波数と第２軸Ｓ２回りの振動の共振周波数は、錘の重量や錘の配置位置に基づいて調整されていてもよい。

以上、本発明の一実施形態について説明したが、本発明は上記の一実施形態に限定されるものではなく、その趣旨を逸脱しない範囲で適宜変更可能である。例えば、走査用ミラー装置は、光源やＬｉＤＡＲだけでなく、超音波や電磁波用いた３次元計測装置に用いられてもよい。

１ 走査用ミラー装置
３ 第１ミラー支持部
３Ａ 第１領域
３Ｂ 第２領域
４ 第２ミラー支持部
５ 第１振動源
５Ａ 第１振動板
５Ｄ 第１電極
６ 第２振動源
６Ａ 第２振動板
６Ｄ 第２電極
２０ 電源部
２１ 第１電源部
２２ 第２電源部
３０ 磁界発生部
Ｂ１ 磁界
Ｃ 第１板状体
Ｄ 第２板状体
Ｍ ミラー部
Ｍ１ ミラー面
Ｓ１ 第１軸
Ｓ２ 第２軸
Ｓ３ 第３軸

Claims (6)

1. ミラー面が形成されたミラー部と、
   前記ミラー部を支持する第１ミラー支持部と、
   前記第１ミラー支持部において、前記ミラー部を分離して支持する第２ミラー支持部と、
   前記第１ミラー支持部を、第１質量を有する第１領域と、前記第１質量に比して大きい質量の第２質量を有する第２領域とに分割する位置において回転可能に支持する第１軸と、
   前記第２ミラー支持部を前記第１ミラー支持部に回転可能に支持する、前記第１軸と直交する第２軸と、
   前記ミラー部を前記第２ミラー支持部に対して回転可能に支持し前記第１軸と同軸に配置された第３軸と、
   を備え、
   前記第３軸は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成され、
   前記第１ミラー支持部は、板状に形成され、
   前記第１軸は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成され、
   前記第１領域は、前記第１ミラー支持部における前記第１軸に直交する方向の一方側において第１幅の第１板状体に形成され、
   前記第２領域は、前記第１ミラー支持部における前記第１軸に直交する方向の他方側において第１幅に比して長い第２幅の第２板状体に形成され、
   前記第１領域の重心は、前記第１軸に直交する方向において、前記ミラー部と重なる位置に配置され、
   前記第２領域の重心は、前記第１軸に直交する方向において、前記第２領域の前記ミラー部から離れた位置に配置され、
   前記第１領域の第１共振周波数と同じ振動数の第１波を発生し前記第１領域を共振させ前記第１ミラー支持部を前記第１軸回りに振動させるとともに、前記ミラー部を前記第３軸回りに振動させ、前記第２領域の第２共振周波数と同じ振動数の第２波を発生し前記第２領域を共振させ前記第１ミラー支持部を前記第１軸回りに振動させるとともに、前記ミラー部および前記第２領域を前記第１軸回りに振動させる第１振動源と、を備える、
   走査用ミラー装置。
2. 前記第１軸に沿った方向に磁界を発生させる磁界発生部を備え、
   前記第１振動源は、外力を受けて弾性変形して撓む第１振動板と、前記第１軸と直交する方向に沿って前記第１振動板に形成された第１電極と、を備え、
   前記第１共振周波数と同一の振動数の交流電流を前記第１電極に入力し、前記磁界により前記第１電極に生じるローレンツ力に基づいて前記第１振動板を振動させ、前記第１領域を前記第１共振周波数により共振させて振動させる第１電源部と、を備える、
   請求項１に記載の走査用ミラー装置。
3. 前記第１電源部は、前記第２領域の第２共振周波数と同一の交流電流を前記第１電極に入力し、ローレンツ力に基づいて前記第１振動板を振動させ、前記第２領域を前記第２共振周波数により共振させて振動させる、
   請求項２に記載の走査用ミラー装置。
4. 前記第２ミラー支持部の第３共振周波数と同じ振動数の第２波を発生し前記第２ミラー支持部を共振させ前記第２ミラー支持部を前記第２軸回りに振動させる第２振動源と、を備える、
   請求項３に記載の走査用ミラー装置。
5. 前記第２ミラー支持部は、板状に形成され、
   前記第２軸は、捩じり方向に弾性変形するトーションバーに形成され、
   前記第２振動源は、外力を受けて弾性変形して撓む第２振動板と、前記第１軸と直交する方向に沿って前記第２振動板に形成された第２電極と、を備え、
   前記第３共振周波数と同一の振動数の交流電流を前記第２電極に入力し前記磁界により前記第２電極に生じるローレンツ力に基づいて前記第２振動板を振動させ、前記第２ミラー支持部を前記第３共振周波数により共振させて前記第２軸回りに振動させる第２電源部と、を備える、
   請求項４に記載の走査用ミラー装置。
6. 前記第１電源部は、前記第１共振周波数と同一の振動数の交流電流を前記第１電極に入力し、前記磁界により前記第１電極に生じるローレンツ力に基づいて前記第１振動板を振動させ、前記ミラー部を前記第１共振周波数により共振させて前記第３軸回りに振動させる、
   請求項５に記載の走査用ミラー装置。