(57)【要約】【課題】本発明の目的は、配線のストレスマイグレーションが発生しない光スキャナ装置を提供する。【解決手段】第１回転軸Ｘの回りに第１トーションビーム１５で回転可能に支持され、入射する光を反射するミラー部５と、ミラー部５の周囲に巻回されて配置された第１の受電用コイル７と、を備えた第１可動部１０と、第１可動部１０を回転可能に支持する支持部３０と、支持部３０に配置され、第１交流電流Ｉ１０により第１の受電用コイル７に無線給電する給電用コイル４０と、支持部３０に装着され、受電用コイル７に発生する電流Ｉ１１にローレンツ力Ｆ１を付与する磁場発生部５０と、を有して光スキャナ装置を構成する。【選択図】図１
2020024312.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１回転軸の回りに第１トーションビームで回転可能に支持され、入射する光を反射するミラー部と、前記ミラー部の周囲に巻回されて配置された第１の受電用コイルと、を備えた第１可動部と、
前記第１可動部を回転可能に支持する支持部と、
前記支持部に配置され、第１交流電流により前記第１の受電用コイルに無線給電する給電用コイルと、
前記支持部に装着され、受電用コイルに発生する電流にローレンツ力を付与する磁場発生部と、
を有する光スキャナ装置。
【請求項２】
前記第１回転軸と直交する第２回転軸の回りに、第２の受電用コイルを備えて第２トーションビームで前記支持部に回転可能に支持された第２可動部を備え、前記第１可動部は、前記第２可動部に形成された第１トーションビームを介して前記支持部に支持されている、請求項１に記載の光スキャナ装置。
【請求項３】
前記第１交流電流の周波数は、第１可動部の共振周波数に一致する、請求項１又は２に記載の光スキャナ装置。
【請求項４】
前記給電用コイルは、第２交流電流により前記第２の受電用コイルに無線給電し、前記第２交流電流の周波数は、前記第１可動部と前記第２可動部を一体とした共振周波数に一致する、請求項２又は３に記載の光スキャナ装置。
【請求項５】
前記第１トーションビームは前記第１可動部を両端支持し、前記第２トーションビームは前記第２可動部を両端支持している、請求項１から４のいずれか１項に記載の光スキャナ装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光スキャナ装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の技術として、支持体と、光を反射するための鏡面が形成された可動板と、この可動板と支持体との間を連結し、可動板を偏向可能に保持する弾性部材と、可動板が偏向運動する際の運動端近傍を通るよう可動板上にリング状に形成された駆動コイルと、駆動コイルに対して可動板平面と略平行な方向に磁界を印加するための閉磁気回路を生成する磁石及び磁気ヨークと、を備えた光偏向器が知られている（例えば、特許文献１参照。）。
【０００３】
この光偏向器は、弾性部材上に駆動コイルと繋がる配線が配置されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開平１１−２３１２５２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかし、従来の光偏向器は、可動板が偏向運動する際、弾性部材上の配線が応力を受けてストレスマイグレーションが発生し、断線などの不具合が生じる可能性がある。
【０００６】
したがって、本発明の目的は、配線のストレスマイグレーションが発生しない光スキャナ装置を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
［１］上記目的を達成するため、第１回転軸の回りに第１トーションビームで回転可能に支持され、入射する光を反射するミラー部と、前記ミラー部の周囲に巻回されて配置された第１の受電用コイルと、を備えた第１可動部と、前記第１可動部を回転可能に支持する支持部と、前記支持部に配置され、第１交流電流により前記第１の受電用コイルに無線給電する給電用コイルと、前記支持部に装着され、受電用コイルに発生する電流にローレンツ力を付与する磁場発生部と、を有する光スキャナ装置を提供する。
［２］前記第１回転軸と直交する第２回転軸の回りに、第２の受電用コイルを備えて第２トーションビームで前記支持部に回転可能に支持された第２可動部を備え、前記第１可動部は、前記第２可動部に形成された第１トーションビームを介して前記支持部に支持されている、上記［１］に記載の光スキャナ装置であってもよい。
［３］また、前記第１交流電流の周波数は、第１可動部の共振周波数に一致する、上記［１］又は［２］に記載の光スキャナ装置であってもよい。
［４］また、前記給電用コイルは、第２交流電流により前記第２の受電用コイルに無線給電し、前記第２交流電流の周波数は、前記第１可動部と前記第２可動部を一体とした共振周波数に一致する、上記［２］又は［３］に記載の光スキャナ装置であってもよい。
［５］また、前記第１トーションビームは前記第１可動部を両端支持し、前記第２トーションビームは前記第２可動部を両端支持している、上記［１］から［４］のいずれか１に記載の光スキャナ装置であってもよい。
【発明の効果】
【０００８】
本発明の光スキャナ装置によれば、配線のストレスマイグレーションが発生しないようにすることができる。
【図面の簡単な説明】
【０００９】
【図１】図１（ａ）は、本発明の第１の実施の形態に係る光スキャナ装置の概略構成を示す斜視図であり、図１（ｂ）は、（ａ）の上平面図と電気的接続構成を示すブロック構成図である。
【図２】図２（ａ）は、図１（ａ）で示すＡ−Ａ断面における第１可動部における給電用コイル、第１の受電用コイル、ローレンツ力の関係を示す説明図であり、図２（ｂ）は、第１交流電流を示す電流波形図である。
【図３】図３（ａ）は、図１（ａ）で示すＢ−Ｂ断面における第２可動部における給電用コイル、第２の受電用コイル、ローレンツ力の関係を示す説明図であり、図３（ｂ）は、第２交流電流を示す電流波形図である。
【図４】図４は、本発明の第２の実施の形態に係る光スキャナ装置における、給電用コイルに印加される第１交流電流及び第２交流電流を示す電流波形図である。
【発明を実施するための形態】
【００１０】
（本発明の第１の実施の形態に係る光スキャナ装置）
本発明の実施の形態に係る光スキャナ装置１は、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、第１回転軸Ｘの回りに第１トーションビーム１５で回転可能に支持され、入射する光を反射するミラー部５と、ミラー部５の周囲に巻回されて配置された第１の受電用コイル７と、を備えた第１可動部１０と、第１可動部１０を回転可能に支持する支持部３０と、支持部３０に配置され、第１交流電流Ｉ１０により第１の受電用コイル７に無線給電する給電用コイル４０と、支持部３０に装着され、受電用コイル７に発生する電流Ｉ１１にローレンツ力Ｆ１を付与する磁場発生部５０と、を有して構成されている。
【００１１】
また、本実施の形態では、２軸動作構造とされており、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、第１回転軸Ｘと直交する第２回転軸Ｙの回りに、第２の受電用コイル１７を備えて第２トーションビーム２５で支持部３０に回転可能に支持された第２可動部２０を備え、第１可動部１０は、第２可動部２０に形成された第１トーションビーム１５を介して支持部３０に支持されている、構成とされている。
【００１２】
本実施の形態に係る光スキャナ装置１は、給電用コイル４０に第１交流電流Ｉ１０を印加して第１の受電用コイル７に電磁誘導で電流を発生させる。これにより、磁場発生部５０により発生する磁場Ｈによりローレンツ力Ｆ１を発生させることにより、第１可動部１０（ミラー部５を含む）を固有振動数ｆ１で、第１回転軸Ｘの回りに回転駆動する。このような無線給電により、ミラー部５で例えばレーザー光を固有振動数ｆ１でスキャンさせる光スキャナ装置１とすることができる。
【００１３】
さらに、上記のスキャンの方向と直交する方向にスキャンする２次元の光スキャナ装置１とすることができる。すなわち、給電用コイル４５に第２交流電流Ｉ２０を印加して第２の受電用コイル１７に電磁誘導で電流を発生させ、磁場発生部５０により発生する磁場Ｈによりローレンツ力Ｆ２を発生させる。これにより、第１可動部１０（ミラー部５を含む）と第２可動部２０を一体とした固有振動数ｆ２で、第２回転軸Ｙの回りに回転駆動する。このような無線給電により、ミラー部５のミラーで例えばレーザー光を固有振動数ｆ１でスキャンさせ、直交する方向に固有振動数ｆ２でスキャンさせる２軸動作（ＸＹ方向動作）の光スキャナ装置１とすることができる。
【００１４】
なお、図１は、２軸動作の光スキャナ装置１を図示して説明するが、１軸動作の構成としてもよい。
【００１５】
この光スキャナ装置１は、例えば、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）デバイスであり、一例として、車両の周囲に複数配置され、車両の周囲の物や車両との距離を測定する距離測定装置の一部として使用される。この距離測定装置は、一例として、レーザー装置９、光スキャナ装置１、受光装置及び制御装置などから構成される。
【００１６】
（ミラー部５、第１可動部１０、第１トーションビーム１５、第２可動部２０、第２トーションビーム２５及び支持部３０の構成）
ミラー部５、第１可動部１０、第１トーションビーム１５、第２可動部２０、第２トーションビーム２５、支持部３０は、例えば、１つのＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板から形成されている。具体的には、ミラー部５、第１可動部１０、第１トーションビーム１５、第２可動部２０、第２トーションビーム２５、支持部３０は、例えば、フォトリソグラフィ法及びエッチング法などによってＳＯＩ基板を微細加工して形成される。従って支持部３０の表面は、例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、ミラー部５、第１可動部１０、第１トーションビーム１５、第２可動部２０、第２トーションビーム２５の表面と面一である。
【００１７】
支持部３０は、例えば、図２（ａ）及び図２（ｂ）に示すように、その表面にＳｉＯ２（二酸化ケイ素）からなるＢＯＸ層である絶縁膜３が形成されている。本実施の形態では、支持部３０の表面とは、ＳＯＩ基板の表面に形成された絶縁膜３の表面であるものとする。
【００１８】
支持部３０は、例えば、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、中央には孔３１、３２が形成されている。孔３１により、第１可動部１０と第１トーションビーム１５が形成されている。また、孔３１と孔３２により、第２可動部２０と第２トーションビーム２５が形成されている。この孔３１、３２は、縁の形状が矩形であり、支持部３０の表面から裏面を貫通する貫通孔となっている。
【００１９】
第２可動部２０は、孔３２により支持部３０から分離されており、対向する一対の第２トーションビーム２５により支持部３０で両端支持されている。第２可動部２０は、一対の第２トーションビーム２５で形成される第２回転軸Ｙの回りに回転可能に両端支持されている。
【００２０】
第１可動部１０は、孔３１により第２可動部２０から分離されており、対向する一対の第１トーションビーム１５により第２可動部２０で両端支持されている。第１可動部１０は、一対の第１トーションビーム１５で形成される第１回転軸Ｘの回りに回転可能に支持されている。この第１回転軸Ｘと第２回転軸Ｙは、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、直交する。
【００２１】
ミラー部５は、第１可動部１０の中央付近に形成され、一例として、蒸着法などを用いてミラー部５の表面に形成されたアルミニウムなどの金属膜である。
【００２２】
第１可動部１０は、ミラー部５、第１の受電用コイル７を含んで所定の質量Ｍ１を有している。また、第１可動部１０は、第１トーションビーム１５により所定のバネ定数Ｋ１（ねじり剛性）で回転可能に支持されている。したがって、第１可動部１０は、第１回転軸Ｘのまわりに、所定の固有振動数ｆ１を有している。この固有振動数ｆ１は、
ｆ１＝（1/2π）・√(Ｋ１/Ｍ１）
で表される。
【００２３】
また、第２可動部２０は、第２の受電用コイル１７を含んで所定の質量Ｍ２を有している。また、第２可動部２０は、第２トーションビーム２５により所定のバネ定数Ｋ２（ねじり剛性）で回転可能に支持されている。したがって、第１可動部１０と第２可動部２０は一体となって、第２回転軸Ｙのまわりに、所定の固有振動数ｆ２を有している。この固有振動数ｆ２は、
ｆ２＝（1/2π）・√(Ｋ２/(Ｍ１＋Ｍ２）)
で表される。
【００２４】
なお、上記説明した第１可動部１０の第１回転軸Ｘのまわりの固有振動数ｆ１での振動と、第１可動部１０と第２可動部２０を一体とした第２回転軸Ｙのまわりの固有振動数ｆ２での振動は、第１回転軸Ｘと第２回転軸Ｙが直交するので、独立した振動（共振）であって、振動は連成しない。
【００２５】
（受電用コイル７、１７）
受電用コイル７は、図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）に示すように、絶縁膜３の上に、第１可動部１０においてミラー部５の周囲に巻回されて形成されている。この受電用コイル７は、１又は２以上の巻数で巻回された閉じた電磁コイルとされている。受電用コイル７は、一例として、鉄、フェライト、パーマロイなどの磁性体（強磁性体）であり、蒸着法やスパッタ法などを用いて形成される。
【００２６】
受電用コイル１７は、図１（ａ）、（ｂ）、図３（ａ）に示すように、絶縁膜３の上に、第２可動部２０において巻回されて形成されている。この受電用コイル７は、１又は２以上の巻数で巻回された閉じた電磁コイルとされている。受電用コイル７は、一例として、鉄、フェライト、パーマロイなどの磁性体（強磁性体）であり、蒸着法やスパッタ法などを用いて形成される。
【００２７】
（給電用コイル４０、４５）
給電用コイル４０、４５は、図１（ａ）、（ｂ）、図２（ａ）、図３（ａ）に示すように、絶縁膜３の上に、それぞれ、支持部３０において巻回されて形成されている。この給電用コイル４０、４５は、１又は２以上の巻数で巻回された電磁コイルであって、それぞれの端部は、制御部６０に接続されて、所定の電流により通電駆動されるように構成されている。給電用コイル４０、４５は、一例として、鉄、フェライト、パーマロイなどの磁性体（強磁性体）であり、蒸着法やスパッタ法などを用いて形成される。
【００２８】
（磁場発生部５０）
磁場発生部５０は、第１の受電用コイル７又は第２の受電用コイル１７にローレンツ力を付与する磁場Ｈを発生させるものである。本実施の形態では、図１（ａ）、（ｂ）に示すように、永久磁石を使用する。磁場発生部５０は、例えば、図２（ａ）、図３（ａ）に示す方向に着磁された永久磁石であるが、電磁石等の他の磁場発生手段であってもよい。永久磁石としては、ネオジウム磁石、希土類磁石、アルニコ磁石などの永久磁石、又はフェライト系などの磁性体材料とポリスチレン系などの合成樹脂材料とを混合して所望の形状に成形したプラスチックマグネット等が使用できる。
【００２９】
（制御部６０の構成）
制御部６０は、例えば、記憶されたプログラムに従って、取得したデータに演算、加工などを行うＣＰＵ（Central Processing Unit）、半導体メモリであるＲＡＭ（Random Access Memory）及びＲＯＭ（Read Only Memory）などから構成されるマイクロコンピュータである。このＲＯＭには、例えば、制御部６０が動作するためのプログラムが格納されている。ＲＡＭは、例えば、一時的に演算結果などを格納する記憶領域として用いられる。
【００３０】
制御部６０は、給電用コイル４０に第１交流電流Ｉ１０を印加して通電するための駆動部、及び、給電用コイル４５に第２交流電流Ｉ２０を印加して通電するための駆動部を備えている。
【００３１】
制御部６０は、第１交流電流Ｉ１０の周波数を振動数ｆ１に調整することが可能であり、また、出力電流値を適宜調節することが可能である。これにより、制御部６０は、第１可動部１０（ミラー部５を含む）を固有振動数ｆ１で、第１回転軸Ｘの回りに共振動作させることができる。
【００３２】
また、制御部６０は、第２交流電流Ｉ２０の周波数を振動数ｆ２に調整することが可能であり、出力電流値を適宜調節することが可能である。これにより、制御部６０は、第１可動部１０（ミラー部５を含む）と第２可動部２０を一体とした固有振動数ｆ２で、第２回転軸Ｙの回りに共振動作させることができる。
【００３３】
（光スキャナ装置１の第１回転軸Ｘの回りの動作）
制御部６０は、図２（ａ）、（ｂ）に示すように、給電用コイル４０に第１交流電流Ｉ１０を印加して第１の受電用コイル７に電磁誘導で電流を発生させる。第１の受電用コイル７に流れる電流Ｉ１１は、給電用コイル４０で発生する磁界を打ち消す方向である。また、図２（ａ）に示すように、磁場発生部５０により発生する磁場Ｈは、第１の受電用コイル７に第１回転軸Ｘの回りのモーメント力を発生させる方向に設定されている。
【００３４】
第１の受電用コイル７には、第１交流電流Ｉ１０に対応して、同じ周波数の第１交流電流Ｉ１１が流れる。この電流により、図２（ａ）に示すように、第１の受電用コイル７には、ローレンツ力Ｆ１が発生し、第１回転軸Ｘの回りのモーメント力が作用する。このモーメント力は、第１交流電流Ｉ１０に対応して、交番力である。前述したように、第１交流電流Ｉ１０の周波数を第１可動部１０（ミラー部５を含む）の固有振動数ｆ１に調整するので、第１可動部１０（ミラー部５を含む）は、第１回転軸Ｘの回りを共振動作する。
【００３５】
無線給電により、第１可動部１０（ミラー部５を含む）を、第１回転軸Ｘの回りに回転駆動させることができる。また、この回転駆動は、第１回転軸Ｘの回りの固有振動数ｆ１での共振動作であるので、小さな第１交流電流Ｉ１０を流すことにより実現可能である。
【００３６】
（光スキャナ装置１の第２回転軸Ｙの回りの動作）
制御部６０は、図３（ａ）、（ｂ）に示すように、給電用コイル４５に第２交流電流Ｉ２０を印加して第２の受電用コイル１７に電磁誘導で電流を発生させる。第２の受電用コイル１７に流れる電流Ｉ２１は、給電用コイル４５で発生する磁界を打ち消す方向である。また、図３（ａ）に示すように、磁場発生部５０により発生する磁場Ｈは、第２の受電用コイル１７に第２回転軸Ｙの回りのモーメント力を発生させる方向に設定されている。
【００３７】
第２の受電用コイル１７には、第２交流電流Ｉ２０に対応して、同じ周波数の第２交流電流Ｉ２１が流れる。この電流により、図３（ａ）に示すように、第２の受電用コイル１７には、ローレンツ力Ｆ２が発生し、第２回転軸Ｙの回りのモーメント力が作用する。このモーメント力は、第２交流電流Ｉ２０に対応して、交番力である。前述したように、第２交流電流Ｉ２０の周波数を第１可動部１０（ミラー部５を含む）と第２可動部２０を一体とした固有振動数ｆ２に調整するので、第１可動部１０（ミラー部５を含む）と第２可動部２０は一体的に、第２回転軸Ｙの回りを共振動作する。
【００３８】
無線給電により、第１可動部１０（ミラー部５を含む）と第２可動部２０を、第２回転軸Ｙの回りに一体的に回転駆動させることができる。また、この回転駆動は、第２回転軸Ｙの回りの固有振動数ｆ２での共振動作であるので、小さな第２交流電流Ｉ２０を流すことにより実現可能である。
【００３９】
また、上記説明した第１可動部１０の第１回転軸Ｘの回りの固有振動数ｆ１での振動と、第１可動部１０と第２可動部２０が一体となった第２回転軸Ｙの回りの固有振動数ｆ２での振動は、第１回転軸Ｘと第２回転軸Ｙが直交するので、独立した振動（共振）であって、振動は連成しない。これにより、２軸動作（ＸＹ方向動作）の光スキャナ装置１とすることができる。
【００４０】
（本発明の第２の実施の形態に係る光スキャナ装置）
第１の実施の形態では、第１の受電用コイル７に無線給電するための給電用コイル４０と、第２の受電用コイル１７に無線給電するための給電用コイル４５を備える構成としたが、第２の実施の形態では、第１の受電用コイル７、及び第２の受電用コイル１７に無線給電するための給電用コイルを共用とする。
【００４１】
第１可動部１０（ミラー部５を含む）の固有振動数ｆ１と、第１可動部１０（ミラー部５を含む）と第２可動部２０を一体とした固有振動数ｆ２を、異なる周波数に設定する。これにより、図４に示すように、共用の給電用コイルに、第１交流電流Ｉ１０と第２交流電流Ｉ２０を重畳して流しても、それぞれ独立に共振動作させることができる。
【００４２】
（実施の形態の効果）
本発明の実施の形態によれば、以下のような効果を有する。
（１）本発明の実施の形態に係る光スキャナ装置１は、第１回転軸Ｘの回りに第１トーションビーム１５で回転可能に支持され、入射する光を反射するミラー部５と、ミラー部５の周囲に巻回されて配置された第１の受電用コイル７と、を備えた第１可動部１０と、第１可動部１０を回転可能に支持する支持部３０と、支持部３０に配置され、第１交流電流Ｉ１０により第１の受電用コイル７に無線給電する給電用コイル４０と、支持部３０に装着され、受電用コイル７に発生する電流Ｉ１１にローレンツ力Ｆ１を付与する磁場発生部５０と、を有して構成されている。給電用コイル４０により、第１の受電用コイル７に無線給電するので、給電のための配線をトーションビーム上に通す必要がなく、駆動時に雄力を受けない。これにより、配線にストレスマイグレーションが発生することを抑制することが可能となる。
（２）第１可動部１０の第１回転軸Ｘの回りの駆動を固有振動数ｆ１で行ない、また、第１可動部１０と第２可動部２０が一体となった第２回転軸Ｙの回り駆動を固有振動数ｆ２で行なうので、無線給電による小電力駆動であっても光スキャナ装置として動作させることが可能である。
【００４３】
以上、本発明のいくつかの実施の形態を説明したが、これらの実施の形態は、一例に過ぎず、特許請求の範囲に係る発明を限定するものではない。また、これら新規な実施の形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、本発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更等を行うことができる。また、これら実施の形態の中で説明した特徴の組合せの全てが発明の課題を解決するための手段に必須であるとは限らない。さらに、これら実施の形態は、発明の範囲及び要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００４４】
１…光スキャナ装置、３…絶縁膜、５…ミラー部、７…受電用コイル、９…レーザー装置、１０…第１可動部、１５…第１トーションビーム、１７…受電用コイル、２０…第２可動部、２５…第２トーションビーム、３０…支持部、３１、３２…孔、４０、４５…給電用コイル、５０…磁場発生部、６０…制御部
【図１】
2020024312.tif 000003
【図２】
2020024312.tif 000004
【図３】
2020024312.tif 000005
【図４】
2020024312.tif 000006