JP7760314B2 - 磁気回路式ミラー駆動装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えばＭＥＭＳミラーを駆動するための磁場を発生させる磁気回路式ミラー駆動装置に関する。

特許文献１には、コイル部とミラー部が形成されたシリコンチップ（ＭＥＭＳミラー）を挟んで、磁束が反発するように磁石（ヨーク）を上下に２組配置し、均一な磁束を得るようにした磁気駆動システムが記載されている。

米国特許出願公開第２０１０／０１４１３６６号明細書

しかしながら、上記特許文献１の構成では、ミラー部（コイル部の内側に配置）の上方に磁石を配置しているため、入射される光束を遮ってしまい光路が制限される、という課題がある。また、ミラー部の上方に磁石を配置するため装置が大型化したり、下方の磁石に対して上方の磁石は同極を配置しなくてはならないため、反発力が発生して固定するための装置が大型化したりする、という課題もある。

本発明は上記のような事情に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、ミラー上部に磁石を配置することなく、磁気ギャップ内に均一で磁束密度の高い磁界を得ることができる磁気回路式ミラー駆動装置を提供することにある。

本発明の一態様に係る磁気回路式ミラー駆動装置は、センターポール付きの下ヨーク上に配置される第１磁石と、第１磁石上に設けられる第１上ヨークと、第１磁石よりもセンターポールから離隔して下ヨーク上に配置され、第１磁石よりも起磁力の高い第２磁石と、第２磁石上に設けられる第２上ヨークとを備え、第１上ヨークと第２上ヨークとは接しており、第１上ヨークとセンターポールとの間に磁気ギャップを形成し、当該磁気ギャップ内に配置したコイル部の電磁作用によりミラー部を駆動することを特徴とする。

本発明では、センターポール付の下ヨークの外側に、より起磁力の高い第２磁石を配置するとともに、第２磁石の上面から第２上ヨークを延伸させて配置して、センターポールとの間に磁気ギャップを形成する。付加した第２磁石による高い磁束は、第２上ヨークにより磁気ギャップに導かれ、第１上ヨークによる磁束と合成されて磁気ギャップに導かれる。
これにより、磁気ギャップ内の磁束は実質的に水平向きとなり、磁束密度も高くなることで、磁気ギャップ内に均一で磁束密度の高い磁界を得ることができる。
従って、本発明によれば、ミラー上部に磁石を配置することなく、磁気ギャップ内に均一で磁束密度の高い磁界を得ることができる磁気回路式ミラー駆動装置を提供できる。

本発明の実施形態に係る磁気回路式ミラー駆動装置の要部の断面図である。 本発明の第１実施形態に係る磁気回路式ミラー駆動装置の概略構成を示す斜視図である。 図２に示した磁気回路式ミラー駆動装置の分解図である。 図２に示した磁気回路式ミラー駆動装置をＸ１－Ｘ１’線に沿って切断した斜視図である。 図２に示した磁気回路式ミラー駆動装置をＸ２－Ｘ２’線に沿って切断した斜視図である。 図２に示した磁気回路式ミラー駆動装置をＸ３－Ｘ３’線に沿って切断した斜視図である。 本発明の第２実施形態に係る磁気回路式ミラー駆動装置の概略構成を示す斜視図である。 図７に示した磁気回路式ミラー駆動装置の分解図である。 図７に示した磁気回路式ミラー駆動装置をＺ１－Ｚ１’線に沿って切断した斜視図である。

以下、本発明の実施形態について図面を参照して説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る磁気回路式ミラー駆動装置の要部の断面構成を示している。本発明では、従来の磁気回路に対して磁石を追加し、オーバーヘッド（チップ上部）ヨークを用いて、磁気ギャップの磁束を水平で均一かつ高い磁束にしている。すなわち、下ヨーク１１上に、第１磁石１２がＳ極を下、Ｎ極を上にして配置される。この下ヨーク１１には、センターポール１１ａが立設されている。第１磁石１２のＮ極上には、第１上ヨーク１３が設けられる。第１上ヨーク１３は、センターポール１１ａに対向して上方に折曲した立ち上がり部１３ａを有し、この立ち上がり部１３ａとセンターポール１１ａとの間に形成される磁気ギャップにコイル部１４が配置される。

第１磁石１２よりも起磁力の高い第２磁石１５は、下ヨーク１１上の第１磁石１２よりもセンターポール１１ａから離隔した位置に、第１磁石１２と磁極の向きが等しく配置され、この第２磁石１５上に第２上ヨーク１６が設けられる。第２上ヨーク１６は、第２磁石１５の上面からチップ（ＭＥＭＳミラーの一部）１７の上部を延伸し、第１上ヨーク１３の立ち上がり部１３ａに接するように配置される。チップ１７は、第１上ヨーク１３と第２上ヨーク１６との間の第１磁石１２上に対応する位置に設けられており、フレキシブル基板上に形成された配線層にワイヤボンディング等で接続されている。このチップ１７は、フレキシブル基板からボンディングワイヤを介して駆動信号を受け、磁気ギャップ内に配置されたコイル部１４に渡す橋渡し役である。そして、コイル部１４の電磁作用によりＭＥＭＳミラー（図示せず）を駆動するようになっている。

通常、磁気ギャップ内の磁束は水平かつ均一であることが望ましく、コイルにより得られる力は上下方向の力のみであることが望ましい。磁束が水平でないということは磁束に上下成分を含むということであり、不要な水平方向力を発生する（フレミング左手の法則より）。

上記のような構成では、矢印で示すように、第１磁石１２のＮ極から第１上ヨーク１３、立ち上がり部１３ａ、センターポール１１ａ、下ヨーク１１及び第１磁石１２のＳ極に戻る閉磁路が形成される。また、第２磁石１５のＮ極から第２上ヨーク１６、立ち上がり部１３ａ、センターポール１１ａ、下ヨーク１１及び第２磁石１５のＳ極に戻る閉磁路が形成される。ここで、第２磁石１５による高い磁束は、第２上ヨーク１６により磁気ギャップに導かれ、第１上ヨーク１３による磁束と合成される。

これにより、磁気ギャップ内の磁束は実質的に水平向きとなり、磁束密度も高くなることで、磁気ギャップ内に均一で磁束密度の高い磁界を得ることができる。
また、上記構成では、チップ１７の上方に磁石を配置しないため、光路を塞ぐ（入射角等の制約を小さくする）のを回避できる。更に、ミラー部の上方に磁石を配置する必要がないので装置が大型化したり、反発力が発生して固定するための装置が大型化したりすることもない。

［第１実施形態］
図２は、本発明の第１実施形態に係る磁気回路式ミラー駆動装置の概略構成を示しており、センターポールが４本あるタイプである。図３は図２に示した磁気回路式ミラー駆動装置の分解図、図４は図２に示した磁気回路式ミラー駆動装置をＸ１－Ｘ１’線に沿って切断した斜視図、図５はＸ２－Ｘ２’線に沿って切断した斜視図、図６はＸ３－Ｘ３’線に沿って切断した斜視図である。
なお、図１は、図２のＹ１－Ｙ１’線に沿った矢視断面に対応している。

図２乃至図６に示すように、下ヨーク１１は長方形状の板材の中央部にセンターポールとしての第１乃至第４の柱状部材が四角形に立設された構成になっており、センターポール１１ａ，１１ｂとセンターポール１１ｃ，１１ｄ間に開口部１１ｅが形成されている。センターポール１１ａと１１ｂの基部は連結部１１ｍで連結されており、センターポール１１ｃと１１ｄの基部は連結部１１ｎで連結されている。また、長方形状の板材の両端部には、取付孔となる円形の貫通孔１１ｆ，１１ｇ，１１ｈと貫通孔１１ｉ，１１ｊ，１１ｋが設けられている。

第１磁石１２は、下ヨーク１１とほぼ等しい幅の長方形状で、中央部にセンターポール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを囲むように開口部１２ａが形成された枠状である。この第１磁石１２は、下面側がＳ極、上面側がＮ極である。第１上ヨーク１３は、第１磁石１２とほぼ等しい長さと幅の板材で形成され、この板材の中央部に開口部１３ｅを有し、この開口部１３ｅの周辺からセンターポール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄに対向して上方に折曲した立ち上がり部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄを有する。これら立ち上がり部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとセンターポール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとの間隙に、それぞれ磁気ギャップが形成される。また、この第１上ヨーク１３の開口部１３ｅの周囲には、ＭＥＭＳミラー（チップ）１７を取り付けるための突起状部１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ，１３ｉが設けられている。

第２、第３磁石１５－１，１５－２は、第１磁石１２と第１上ヨーク１３を水平方向に挟んで下ヨーク１１上に配置される。ここで第２磁石１５－１は、上述した図１の第２磁石１５に対応する。第２、第３磁石１５－１，１５－２は、第１磁石１２よりも起磁力が高く、下ヨーク１１の円形の貫通孔１１ｆ，１１ｇ，１１ｈと貫通孔１１ｉ，１１ｊ，１１ｋにそれぞれ対応する貫通孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃと貫通孔１５ｄ，１５ｅ，１５ｆを有している。

ＭＥＭＳミラー１７は、単結晶シリコンチップ上にＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加工技術により、金属のコイル部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとミラー部１７ａを形成したものである。図では簡略化して示しているが、このＭＥＭＳミラー１７は、固定外枠である支持体、可動内枠とも呼ばれる外側の回動体と、可動板と呼ばれる内側の回動体とで構成される。コイル部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄはセンターポール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄの周りをそれぞれ囲むように配置され、ミラー部１７ａはＸ軸方向とＹ軸方向に駆動して２軸走査可能に形成されている。このＭＥＭＳミラー１７は、取付孔１７ｂ，１７ｃ，１７ｄ，１７ｅによって、第１上ヨーク１３の突起状部１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ，１３ｉに装着される。

ＭＥＭＳミラー１７には、駆動デバイス１８が接続される。駆動デバイス１８は、例えばフレキシブル基板であり、コイル部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの駆動信号は、当該駆動デバイス１８を通して別の回路から供給されるようになっている。駆動信号が供給されると、立ち上がり部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄとセンターポール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄとの間の磁気ギャップ内に配置したコイル部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの電磁作用により、ミラー部１７ａをＸ軸方向とＹ軸方向に駆動して２軸走査が行われる。なお、駆動デバイス１８は、半導体集積回路装置などであっても良く、この場合には駆動デバイス１８で直接駆動信号を生成する。

第２上ヨーク１６は、下ヨーク１１とほぼ等しい幅で、中央部が上に凸状の長方形状である。この第２上ヨーク１６は、第２、第３磁石１５－１，１５－２、第１上ヨーク１３及び駆動デバイス１８上を覆うように設置される。第２上ヨーク１６の中央部には、センターポール１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄを囲む開口部１６ａが形成されている。開口部１６ａによって、コイル部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄとミラー部１７ａが露出される。また、第２、第３磁石１５－１，１５－２の貫通孔１５ａ，１５ｂ，１５ｃと貫通孔１５ｄ，１５ｅ，１５ｆにそれぞれ対応する位置に、貫通孔１６ｂ，１６ｃ，１６ｄと貫通孔１６ｅ，１６ｆ，１６ｇが形成されている。

上記のような構成によれば、下ヨーク１１の外側に、より起磁力の高い第２、第３磁石１５－１，１５－２を配置し、その上に第２上ヨーク１６を第１上ヨーク１３の立ち上がり部１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄまで延伸して磁気ギャップを形成したことで、第２、第３磁石１５－１，１５－２によるより高い磁束が磁気ギャップに導かれる。これにより、磁気ギャップ内のコイル部１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄの磁束は水平向きとなり、磁束密度も高くなることで、ミラー上部に磁石を配置することなく、磁気ギャップ内に均一（水平向き、ギャップ内で一定）で磁束密度の高い磁界を得ることができる。

［第２実施形態］
図７は、本発明の第２実施形態に係る磁気回路式ミラー駆動装置の概略構成を示しており、センターポールが１本のタイプである。図８は図７に示した磁気回路式ミラー駆動装置の分解図、図９は図７に示した磁気回路式ミラー駆動装置をＺ１－Ｚ１’線に沿って切断した斜視図である。本第２実施形態の基本構成は第１実施形態と同様であり、第１磁石よりも起磁力の高い第２磁石を外側に配置するとともに、その上に第２上ヨークを配置してチップ上部を延伸させて磁気ギャップを形成する。
なお、図１は、図７のＹ２－Ｙ２’線に沿った矢視断面に対応している。

図７乃至図９に示すように、下ヨーク２１は長方形状の板材であり、中央部にセンターポール２１ａが立設され、両端部に取付孔となる円形の貫通孔２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆと貫通孔２１ｇ，２１ｈ，２１ｉ，２１ｊ，２１ｋが設けられている。

第１磁石２２－１と第３磁石２２－２は、それぞれ平面形状がＬ字状の部材で形成され、各折曲部でセンターポール２１ａを挟むように配置される。ここで第１磁石２２－１は、上述した図１の第１磁石１２に対応する。この第１磁石２２－１は下面側がＳ極、上面側がＮ極であり、第３磁石２２－２は下面側がＮ極、上面側がＳ極である。第１上ヨーク２３－１，２３－２は、第１、第３磁石２２－１，２２－２とほぼ等しい平面形状を有し、センターポール２１ａに対向して上方に立ち上がる立ち上がり部２３ａ，２３ｂを有する。これら立ち上がり部２３ａ，２３ｂとセンターポール１１ａとの間隙に、それぞれ磁気ギャップが形成される。また、この第１上ヨーク２３－１，２３－２にはそれぞれ、ＭＥＭＳミラー２７を取り付けるための突起状部２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆが設けられている。

第２、第４磁石２５－１，２５－２は、第１、第３磁石２２－１，２２－２と第１上ヨーク２３－１，２３－２を水平方向に挟んで下ヨーク２１上に配置される。ここで第２磁石２５－１は、上述した図１の第２磁石１５に対応する。第２磁石２５－１は下面側がＳ極、上面側がＮ極であり、第４磁石２５－２は下面側がＮ極、上面側がＳ極である。第２、第４磁石２５－１，２５－２はそれぞれ、第１、第３磁石２２－１，２２－２よりも起磁力が高く、下ヨーク２１の円形の貫通孔２１ｂ，２１ｃ，２１ｄ，２１ｅ，２１ｆと貫通孔２１ｇ，２１ｈ，２１ｉ，２１ｊ，２１ｋにそれぞれ対応する貫通孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅと貫通孔２５ｆ，２５ｇ，２５ｈ，２５ｉ，２５ｊを有している。

ＭＥＭＳミラー２７は、単結晶シリコンチップ上にＭＥＭＳ加工技術により、金属のコイル部２４ａとミラー部２７ａを形成したものである。コイル部２４ａはセンターポール２１ａの周りを囲むように形成され、ミラー部２７ａはＸ軸方向とＹ軸方向に駆動して２軸走査可能に形成されている。このＭＥＭＳミラー２７は、取付孔２７ｂ，２７ｃ，２７ｄ，２７ｅによって、第１上ヨーク２３－１，２３－２の突起状部２３ｃ，２３ｄ，２３ｅ，２３ｆに装着される。

ＭＥＭＳミラー２７には、外部から駆動信号が入力される。コイル部２４ａに電流を流すことで、立ち上がり部２３ａ，２３ｂとセンターポール２１ａとの間の磁気ギャップ内に配置したコイル部２４ａの電磁作用により、ミラー部２７ａを駆動して走査を実行する。

第２上ヨークは第１部材と第２部材で構成される。第２上ヨーク２６－１，２６－２はそれぞれ、第２、第４磁石２５－１，２５－２の上面に接触し、第２、第４磁石２５－１，２５－２と第１上ヨーク２３－１，２３－２を覆うように設置される。センターポール２１ａは、第２上ヨーク２６－１，２６－２間の間隙に配置される。また、第２、第４磁石２５－１，２５－２の貫通孔２５ａ，２５ｂ，２５ｃ，２５ｄ，２５ｅと貫通孔２５ｆ，２５ｇ，２５ｈ，２５ｉ，２５ｊにそれぞれ対応する位置に、貫通孔２６ａ，２６ｂ，２６ｃ，２６ｄ，２６ｅと貫通孔２６ｆ，２６ｇ，２６ｈ，２６ｉ，２６ｊが形成されている。

上記のような構成において、磁束は第１磁石２２－１のＮ極から、第１上ヨーク２３－１、立ち上がり部２３ａ、センターポール２１ａを経由し、第３磁石２２－２のＳ極に至り、第３磁石２２－２のＮ極から下ヨーク２１を介して第１磁石２２－１のＳ極に戻る閉磁路が形成される。また、磁束は第２磁石２５－１のＮ極から、第２上ヨーク２６－１、センターポール２１ａを経由し、第４磁石２５－２のＳ極に至り、この第４磁石２５－２のＮ極から下ヨーク２１を介して第２磁石２５－１のＳ極に戻る閉磁路が形成される。

この際、第２、第４磁石２５－１，２５－２による高い磁束が磁気ギャップに導かれることで、第１上ヨーク２３－１，２３－２による磁束と合成され、磁気ギャップ内のコイル部２４ａの磁束は水平向きとなり、磁束密度も高くなることで、ミラー上部に磁石を配置することなく、磁気ギャップ内に均一（水平向き、ギャップ内で一定）で磁束密度の高い磁界を得ることができる。

従って、上記のような構成であっても、実質的に第１実施形態と同様な動作を行い、同じ作用効果が得られる。

以上の第１、第２実施形態で説明された構成については、本発明が理解・実施できる程度に概略的に示したものに過ぎない。従って本発明は、説明された実施形態に限定されるものではなく、特許請求の範囲に示される技術的思想の範囲を逸脱しない限り様々な形態に変更することができる。
例えば、上述した第１、第２実施形態に係る構成において、全ての磁石のＮ極とＳ極を反転しても良いのは勿論である。

１１，２１…下ヨーク、１１ａ，１１ｂ，１１ｃ，１１ｄ，２１ａ…センターポール、１２，２２－１…第１磁石、２２－２…第３磁石、１２ａ…開口部、１３，２３－１，２３－２…第１上ヨーク、１３ａ，１３ｂ，１３ｃ，１３ｄ，２３ａ，２３ｂ…立ち上がり部、１３ｅ…開口部、１３ｆ，１３ｇ，１３ｈ，１３ｉ…突起状部、１４，１４ａ，１４ｂ，１４ｃ，１４ｄ…コイル部、１５，１５－１…第２磁石、１５－２…第３磁石、１６，２６－１，２６－２…第２上ヨーク、１７，２７…ＭＥＭＳミラー（チップ）、１８…駆動デバイス、２５－１…第２磁石、２５－２…第４磁石

Claims (7)

1. センターポール付きの下ヨーク上に配置される第１磁石と、
   第１磁石上に設けられる第１上ヨークと、
   第１磁石よりもセンターポールから離隔して下ヨーク上に配置され、第１磁石よりも起磁力の高い第２磁石と、
   第２磁石上に設けられる第２上ヨークとを備え、
   第１上ヨークと第２上ヨークとは接しており、第１上ヨークとセンターポールとの間に磁気ギャップを形成し、当該磁気ギャップ内に配置したコイル部の電磁作用によりミラー部を駆動する磁気回路式ミラー駆動装置。
2. 前記コイル部は、前記第１上ヨークと、この第１上ヨーク上に配置される前記第２上ヨークに挟まれて、前記センターポールを囲むように配置され、
   前記ミラー部は、Ｘ軸方向とＹ軸方向に駆動して２軸走査可能に形成されている、請求項１に記載の磁気回路式ミラー駆動装置。
3. 前記センターポールは、前記下ヨークの中央部に、前記ミラー部を囲むように配置される第１乃至第４の柱状部材で形成され、当該第１乃至第４の柱状部材の周りにそれぞれコイル部が配置され、
   前記第１磁石は、前記センターポールに対応する位置に開口部が形成された枠状であり、
   前記下ヨークは、前記第１磁石上から前記第１乃至第４の柱状部材にそれぞれ対向して上方に折曲した第１乃至第４の立ち上がり部を有し、前記第１乃至第４の立ち上がり部と前記第１乃至第４の柱状部材の側壁面との間にそれぞれ前記磁気ギャップが形成され、
   前記下ヨーク上の前記第１磁石の外側に、前記センターポールを挟んで前記第２磁石と対向して配置され、前記第２磁石と等しい起磁力の第３磁石を更に備える、請求項１又は２に記載の磁気回路式ミラー駆動装置。
4. 前記第２、第３磁石は、前記第１磁石と第１上ヨークとの和よりも厚く、
   前記第２上ヨークは、前記第２、第３磁石及び前記第１乃至第４の立ち上がり部に接触し、前記ミラー部上及び前記センターポール上を除く前記第１乃至第３磁石上を覆って配置される、請求項３に記載の磁気回路式ミラー駆動装置。
5. 前記下ヨーク上に、前記センターポールを挟んで前記第１磁石と対向して配置される第３磁石と、
   前記下ヨーク上の前記第３磁石の外側に、前記センターポールを挟んで前記第２磁石と対向して配置される第４磁石とを更に備え、
   前記第１磁石と前記第２磁石は磁極の向きが等しく、前記第３磁石と前記第４磁石は磁極の向きが等しく且つ前記第１磁石及び前記第２磁石とは磁極の向きが逆に配置される、請求項１又は２に記載の磁気回路式ミラー駆動装置。
6. 前記第２、第４磁石はそれぞれ、前記第１磁石又は第３磁石と前記第１上ヨークとの和よりも厚く、
   前記第２上ヨークは、前記第２磁石の上面に接触し、前記第１及び第２磁石上を覆って配置される第１部材と、前記第４磁石の上面に接触し、前記第３及び第４磁石上を覆って配置される第２部材とで構成される、請求項５に記載の磁気回路式ミラー駆動装置。
7. 前記コイル部及び前記ミラー部は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）加工技術により、単結晶シリコンチップ上に金属のコイル部を形成し、コイル部の内側にミラー部を形成したものである、請求項１乃至３いずれか１つの項に記載の磁気回路式ミラー駆動装置。