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JP2006126485A - Electromagnetic actuator and optical device using same - Google Patents

Electromagnetic actuator and optical device using same Download PDF

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JP2006126485A JP2004314322A JP2004314322A JP2006126485A JP 2006126485 A JP2006126485 A JP 2006126485A JP 2004314322 A JP2004314322 A JP 2004314322A JP 2004314322 A JP2004314322 A JP 2004314322A JP 2006126485 A JP2006126485 A JP 2006126485A
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electromagnetic actuator having a self-holding function for accurately positioning a finely movable element, and to provide an optical device using the electromagnetic actuator. <P>SOLUTION: A permanent magnet movable part 1 is so driven as to come into contact with a yoke 6 by using two coils 8 and 9, then a magnetic saturation takes place in a yoke hole 7 part, strong magnetic attraction force is applied on a movable magnetic material 10 by a resulted leaked magnetic flux, and a movable mirror 11 is driven toward the yoke 5 side. Further, the magnetic attraction force acting on the movable magnetic material 10 is released by driving the permanent magnet movable part 1 toward the yoke 6 side, thus the movable mirror part 11 is separated by the restoring force of a flexible part 12. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

この発明は、自己保持機能を有する電磁アクチュエータおよびそれを用いた光デバイスに関する。   The present invention relates to an electromagnetic actuator having a self-holding function and an optical device using the same.

近年、半導体微細加工技術を応用して実現されるマイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム(以下、MEMSと略す)と呼ばれる技術が盛んに研究開発されている。MEMS技術によって微細な素子を高精度に作製可能となるが、そのような微細な素子を、アクチュエータとして利用する場合には、素子自体に非接触に力が作用するような構造の方が望ましい。そのような微細なアクチュエータを光スイッチとして応用した例が開示されている(例えば、特許文献1参照。)。
この特許では、光路を切り替えるための反射板(ミラー)をMEMS技術(特許文献1中ではマイクロマシニング技術と呼んでいる)を用いて形成し、さらに磁性体とコイルを固定して可動部を構成している。さらに可動部の駆動方向に対して、可動部を挟むように2個1組の永久磁石を配置しており、永久磁石は駆動方向に沿って逆方向に着磁されている。この状態で、可動部をどちらかの永久磁石に吸引させるが、その位置の切り替えは可動部のコイルに電流を印加することによって行う。この特許では、永久磁石によって可動部が自己保持されるため、可動部の切り替え時以外には、電流を印加する必要がなく、低消費電流が実現できる。
特開平2001−235690号公報(第4−5頁、図7−9)
In recent years, a technique called a micro electro mechanical system (hereinafter abbreviated as MEMS) realized by applying a semiconductor fine processing technique has been actively researched and developed. Although a minute element can be manufactured with high precision by the MEMS technology, when such a minute element is used as an actuator, a structure in which a force acts on the element itself in a non-contact manner is desirable. An example in which such a fine actuator is applied as an optical switch is disclosed (for example, see Patent Document 1).
In this patent, a reflector (mirror) for switching the optical path is formed using MEMS technology (referred to as micromachining technology in Patent Document 1), and a magnetic body and a coil are fixed to form a movable part. is doing. Furthermore, a set of two permanent magnets is arranged so as to sandwich the movable part with respect to the driving direction of the movable part, and the permanent magnets are magnetized in the opposite direction along the driving direction. In this state, the movable part is attracted to one of the permanent magnets, but the position is switched by applying a current to the coil of the movable part. In this patent, since the movable part is self-held by the permanent magnet, it is not necessary to apply a current except when the movable part is switched, and a low current consumption can be realized.
Japanese Patent Laid-Open No. 2001-235690 (page 4-5, FIG. 7-9)

従来例で示した光スイッチでは、可動部のミラー部分で光を反射した状態でも、永久磁石によって吸引され、可動部が永久磁石(あるいはストッパー)に接触した状態となっている。しかし、光スイッチの場合、入出力用光を導く光ファイバーに対するミラー位置あるいは角度ずれによって、光の損失が生じてしまう問題があるため、その接触部の加工精度が非常に問われることになる。可動部分については、MEMS技術により高い精度で加工できるが、可動部の接触する永久磁石(あるいはストッパ)は、可動部と別体で形成する必要があり、その組み立て精度も要求されるため、低損失化を実現するのは非常に困難である。   In the optical switch shown in the conventional example, even when light is reflected by the mirror portion of the movable part, the light is attracted by the permanent magnet and the movable part is in contact with the permanent magnet (or stopper). However, in the case of an optical switch, there is a problem that light loss occurs due to a mirror position or an angle shift with respect to an optical fiber that guides input / output light. The movable part can be processed with high precision by MEMS technology, but the permanent magnet (or stopper) that contacts the movable part must be formed separately from the movable part, and its assembly accuracy is also required. It is very difficult to realize loss.

そこで、本発明では、低損失光スイッチなどへの応用に向け、可動部を高精度に位置決め可能な、自己保持機能を有する電磁アクチュエータを提供することを目的とする。   Therefore, an object of the present invention is to provide an electromagnetic actuator having a self-holding function capable of positioning a movable part with high accuracy for application to a low-loss optical switch or the like.

上記の課題を解決する本発明の態様は、可撓部によって支持され磁性体を有する可動部と、永久磁石を有し磁気による力を受けて移動する永久磁石可動部と、前記永久磁石可動部を駆動する少なくとも1個以上のコイルと、前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記永久磁石の磁束により前記可動部を磁気吸引する吸引部を有する吸引ヨークと、前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記磁束を導き前記吸引ヨークから前記可動部を開離する開離ヨークを有し、前記吸引部における前記磁束と直交する断面積が、前記吸引ヨークの他の部位における前記磁束と直交する断面積よりも小さい電磁アクチュエータにある。   An aspect of the present invention that solves the above problems includes a movable part that is supported by a flexible part and has a magnetic body, a permanent magnet movable part that has a permanent magnet and moves by receiving magnetic force, and the permanent magnet movable part. An at least one coil for driving the magnet, an attraction yoke having an attraction portion for magnetically attracting the movable portion by the magnetic flux of the permanent magnet when the permanent magnet movable portion is in contact with or in close proximity, and the permanent magnet movable portion Has a separation yoke that guides the magnetic flux and separates the movable part from the suction yoke by contacting or approaching, and a cross-sectional area perpendicular to the magnetic flux in the suction part is another part of the suction yoke. The electromagnetic actuator is smaller than the cross-sectional area perpendicular to the magnetic flux.

本発明により、半導体微細加工技術などによって作製された微細な素子を、高精度に、且つ効率的に駆動可能な自己保持機能を有する電磁アクチュエータを提供できる。   According to the present invention, it is possible to provide an electromagnetic actuator having a self-holding function capable of driving a fine element manufactured by a semiconductor fine processing technique or the like with high accuracy and efficiency.

上記のように、可撓部によって支持され磁性体を有する可動部と、永久磁石を有し磁気による力を受けて移動する永久磁石可動部と、前記永久磁石可動部を駆動する少なくとも1個以上のコイルと、前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記永久磁石の磁束により前記可動部を磁気吸引する吸引部を有する吸引ヨークと、前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記磁束を導き前記吸引ヨークから前記可動部を開離する開離ヨークを有し、前記吸引部における前記磁束と直交する断面積が、前記吸引ヨークの他の部位における前記磁束と直交する断面積よりも小さい電磁アクチュエータとする。
この構造により、永久磁石可動部を吸引ヨークと開離ヨーク間で駆動することで、可動部に設けられた磁性体に対して作用する磁気吸引力を大きく切り替えることが可能となり、その結果可動部の位置を精度良く切り替えることが可能となる。また吸引部の断面積を、吸引ヨークに永久磁石可動部が接した際に、吸引部で磁気飽和、あるいはそれに近い状態となるように設定することにより、可動部に作用する吸引力を強くすることが可能となる。
As described above, a movable part supported by a flexible part and having a magnetic body, a permanent magnet movable part having a permanent magnet and moving by magnetic force, and at least one or more driving the permanent magnet movable part When the permanent magnet movable part is in contact with or in proximity, the attraction yoke having a suction part that magnetically attracts the movable part by the magnetic flux of the permanent magnet, and the permanent magnet movable part is in contact or in proximity. A separation yoke that guides the magnetic flux and separates the movable portion from the suction yoke, and a cross-sectional area perpendicular to the magnetic flux in the suction portion is perpendicular to the magnetic flux in other portions of the suction yoke. The electromagnetic actuator is smaller than the area.
With this structure, it is possible to largely switch the magnetic attractive force acting on the magnetic body provided in the movable part by driving the permanent magnet movable part between the suction yoke and the separation yoke, and as a result, the movable part Can be switched with high accuracy. Further, the suction force acting on the movable part is strengthened by setting the cross-sectional area of the suction part so that the magnetic part is saturated or close to the state when the permanent magnet movable part comes into contact with the suction yoke. It becomes possible.

吸引部は、吸引ヨークに対し、円形の貫通穴あるいは、凹形状を形成することにより実現できる。   The suction part can be realized by forming a circular through hole or a concave shape with respect to the suction yoke.

また、永久磁石可動部は、直線運動、あるいは回転運動のどちらも、その用途に応じて選択することが可能である。さらに永久磁石可動部を可撓性部材で支持することにより、その復元力を利用することが可能となる。   Moreover, the permanent magnet movable part can select either linear motion or rotational motion according to the use. Furthermore, it becomes possible to utilize the restoring force by supporting a permanent magnet movable part with a flexible member.

以上の電磁アクチュエータを用いることで、小型で低損失の光デバイスを構成することができる。
(実施の形態1)
本発明の第1の実施の形態について、図1〜図6を用いて説明する。
図1は、本発明の電磁アクチュエータを光スイッチとして応用した際の構成を模式的に示した斜視図である。ヨーク5、ヨーク6は、それぞれU字型となっており、その開放端側に、永久磁石2とおよびエンドヨーク3、エンドヨーク4から構成された永久磁石可動部1が位置している。永久磁石可動部1は、ヨーク5あるいはヨーク6の開放端に接するように、駆動可能となっている。なお、図中には示していないが、この永久磁石可動部1は板バネなどの可撓性部材により支持してもよいし、不要な動作を防止するためのガイドなどをその周辺に設けてもよい。例として板バネにより永久磁石可動部1を支持した際の模式図を図2に示す。永久磁石可動部1上に板バネ13を接合し、その反対側端面付近を固定することで、不要な方向への動作を制限できるとともに、板バネ13の復元力を利用可能となる。
ヨーク6の1辺には、ヨーク穴7が形成されており、その上部に可動磁性体10が位置している。可動磁性体10は、可撓部12によって支持された可動ミラー部11に固定されている。可撓部12は可動ミラー部11に対して両持ち梁構造となっているが、片持ち梁構造でも問題ない。なお可撓部12と可動ミラー部11はMEMS技術を用いて高精度に一体形成が可能であり、本来は可撓部12端で同じく一体形成された基板に固定されているが、簡略化のため図1では割愛している。また、その他の部材についても、非磁性材料で固定される必要があるが、同じく割愛している。また、各ヨークにはそれぞれ永久磁石可動部1を駆動するためのコイル8、コイル9が固定されている。この場合、それぞれのヨークに直接コイル線を巻いてもよいし、ボビン等に巻いたコイルをヨークに挿入してもよい。
By using the above electromagnetic actuator, a small and low-loss optical device can be configured.
(Embodiment 1)
A first embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 1 is a perspective view schematically showing a configuration when the electromagnetic actuator of the present invention is applied as an optical switch. The yoke 5 and the yoke 6 are each U-shaped, and the permanent magnet movable part 1 including the permanent magnet 2, the end yoke 3, and the end yoke 4 is located on the open end side. The permanent magnet movable portion 1 can be driven so as to contact the open end of the yoke 5 or the yoke 6. Although not shown in the figure, the permanent magnet movable portion 1 may be supported by a flexible member such as a leaf spring, or a guide or the like for preventing unnecessary operations is provided in the vicinity thereof. Also good. As an example, FIG. 2 shows a schematic diagram when the permanent magnet movable portion 1 is supported by a leaf spring. By joining the leaf spring 13 on the permanent magnet movable portion 1 and fixing the vicinity of the opposite end face, the operation in an unnecessary direction can be restricted and the restoring force of the leaf spring 13 can be used.
A yoke hole 7 is formed on one side of the yoke 6, and the movable magnetic body 10 is positioned above the yoke hole 7. The movable magnetic body 10 is fixed to the movable mirror portion 11 supported by the flexible portion 12. Although the flexible part 12 has a double-supported beam structure with respect to the movable mirror part 11, there is no problem even in a cantilever structure. The flexible portion 12 and the movable mirror portion 11 can be integrally formed with high precision using MEMS technology, and are originally fixed to the same integrally formed substrate at the end of the flexible portion 12. Therefore, it is omitted in FIG. Other members also need to be fixed with a non-magnetic material, but are also omitted. A coil 8 and a coil 9 for driving the permanent magnet movable part 1 are fixed to each yoke. In this case, a coil wire may be directly wound around each yoke, or a coil wound around a bobbin or the like may be inserted into the yoke.

図3は、本実施の形態における電磁アクチュエータの上面図であるが、図1の構成の他に、光スイッチとして動作させるための、入力用光ファイバー14、出力用光ファイバー15、16を示している。出力用光ファイバー15は、入力用光ファイバー14の出射光が直進した場合の光路17にカップリングされるように配置されている。一方、出力用光ファイバー16は、入力用光ファイバー14の出射光が可動ミラー部11で反射した光路18にカップリングされるように配置されている。この構成により、可動ミラー部11を入力用光ファイバー14から出射された光路に対して出し入れすることで、光スイッチとして動作することが分かる。つまり、可動ミラー部11に固定した可動磁性板9に対して磁気吸引力を作用させる、あるいはその作用を解除することで、光スイッチとしての動作させることが可能となる。なお、この構成はあくまで一例であり、ミラーの代わりに光フィルタなどの光学素子を用いることで、他の光デバイスへの応用が可能である。   FIG. 3 is a top view of the electromagnetic actuator in the present embodiment. In addition to the configuration of FIG. 1, FIG. 3 shows an input optical fiber 14 and output optical fibers 15 and 16 for operating as an optical switch. The output optical fiber 15 is arranged so as to be coupled to the optical path 17 when the light emitted from the input optical fiber 14 travels straight. On the other hand, the output optical fiber 16 is arranged so that the light emitted from the input optical fiber 14 is coupled to the optical path 18 reflected by the movable mirror unit 11. With this configuration, it can be seen that the movable mirror unit 11 operates as an optical switch by taking in and out the optical path emitted from the input optical fiber 14. That is, it is possible to operate as an optical switch by applying a magnetic attraction force to the movable magnetic plate 9 fixed to the movable mirror section 11 or canceling the action. Note that this configuration is merely an example, and application to other optical devices is possible by using an optical element such as an optical filter instead of a mirror.

その磁気吸引力を制御するための電磁アクチュエータの動作について、図4を用いて説明する。図4(a)、(b)はそれぞれ永久磁石可動部1側からみた電磁アクチュエータの側面図となっている。図4(a)では、永久磁石可動部1がヨーク5側に接触しているが、この状態で永久磁石2が図中に示した矢印の向きに着磁されている場合には、発生した磁束の大部分が、図の破線で示したようにヨーク5中に導かれ、その結果、永久磁石可動部1がヨーク5に対して磁気吸引力により保持される。この状態で、コイル8に、紙面に向かって時計回りに電流を流すと、ヨーク5中に永久磁石2で発生した磁束と逆方向に磁束が発生し、そのコイル8の磁束が永久磁石2の磁束よりも強くなれば、永久磁石可動部1とヨーク5間には磁気反発力が作用する。その結果、図4(b)に示すように永久磁石可動部1はヨーク6側に移動することになる。この際、コイル9にもコイル8と同じ向きに電流を流すと、永久磁石可動部1とヨーク6間には磁気吸引力が作用するため、より効率的に永久磁石可動部1を駆動することが可能である。ヨーク6と永久磁石可動部1が十分接近すれば、図4(b)の破線で示すように永久磁石2の磁束の大部分がヨーク6中を通るようになるため、コイルへの電流供給を停止しても、その状態を維持できる。なお、永久磁石可動部1を図2に示すような板バネ等で支持する場合には、その復元力を考慮する必要がある。例えば、図4(a)、あるいは図4(b)の状態で、板バネの復元力が作用する場合には、磁気吸引力はその復元力よりも十分に強く設計する必要がある。また永久磁石可動部1を駆動する場合には、磁気吸引力と復元力の差分に相当する力をコイルにより発生させれば良いことになる。   The operation of the electromagnetic actuator for controlling the magnetic attractive force will be described with reference to FIG. 4A and 4B are side views of the electromagnetic actuator as viewed from the permanent magnet movable part 1 side. In FIG. 4A, the permanent magnet movable part 1 is in contact with the yoke 5 side, but this occurs when the permanent magnet 2 is magnetized in the direction of the arrow shown in the figure. Most of the magnetic flux is guided into the yoke 5 as indicated by broken lines in the figure, and as a result, the permanent magnet movable portion 1 is held by the magnetic attraction force with respect to the yoke 5. In this state, when a current is passed through the coil 8 in the clockwise direction toward the paper surface, a magnetic flux is generated in the direction opposite to the magnetic flux generated by the permanent magnet 2 in the yoke 5. If it becomes stronger than the magnetic flux, a magnetic repulsive force acts between the permanent magnet movable part 1 and the yoke 5. As a result, the permanent magnet movable part 1 moves to the yoke 6 side as shown in FIG. At this time, if a current is applied to the coil 9 in the same direction as the coil 8, a magnetic attractive force acts between the permanent magnet movable portion 1 and the yoke 6, so that the permanent magnet movable portion 1 can be driven more efficiently. Is possible. If the yoke 6 and the permanent magnet movable part 1 are sufficiently close to each other, most of the magnetic flux of the permanent magnet 2 passes through the yoke 6 as shown by the broken line in FIG. Even if it stops, the state can be maintained. In addition, when supporting the permanent magnet movable part 1 with a leaf | plate spring etc. as shown in FIG. 2, it is necessary to consider the restoring force. For example, when the restoring force of the leaf spring acts in the state of FIG. 4A or FIG. 4B, the magnetic attractive force must be designed to be sufficiently stronger than the restoring force. Further, when the permanent magnet movable unit 1 is driven, a force corresponding to the difference between the magnetic attractive force and the restoring force may be generated by the coil.

ここで、以上の動作を行う上で重要な磁気回路設計について説明する。アクチュエータの小型化を考慮する場合、永久磁石2としては、小型で磁力の強い、サマリウム−コバルト、あるいはネオジウム−鉄−ボロンなどの希土類磁石が望ましい。その永久磁石2で発生した磁束を効率よく導くためには、ヨーク5、ヨーク6あるいはエンドヨーク3、エンドヨーク4には透磁率の高いパーマロイなどの軟磁性材料が用いられる。しかし軟磁性材料の特性として飽和磁束密度に注意が必要である。図5に一般的に用いられている45パーマロイの磁化曲線20を示す。基本的に横軸21の磁化の増加に伴って、縦軸22の磁束密度も増加するが、約1.4T程度で頭打ちとなる。この頭打ちとなる値が飽和磁束密度である。ここで、磁束をφ、磁束密度をB、ヨーク断面積をAとすると、以下の式が成り立つ。   Here, the magnetic circuit design important in performing the above operation will be described. When considering downsizing of the actuator, the permanent magnet 2 is preferably a small-sized and strong magnetic force rare earth magnet such as samarium-cobalt or neodymium-iron-boron. In order to efficiently guide the magnetic flux generated by the permanent magnet 2, a soft magnetic material such as permalloy having a high magnetic permeability is used for the yoke 5, the yoke 6 or the end yoke 3 and the end yoke 4. However, attention should be paid to the saturation magnetic flux density as a characteristic of the soft magnetic material. FIG. 5 shows a magnetization curve 20 of 45 permalloy generally used. Basically, as the magnetization of the horizontal axis 21 increases, the magnetic flux density of the vertical axis 22 also increases, but reaches a peak at about 1.4T. This peak value is the saturation magnetic flux density. Here, when the magnetic flux is φ, the magnetic flux density is B, and the yoke cross-sectional area is A, the following equation is established.

φ=B/A
つまり、このBが飽和磁束密度に達しないよう、ヨーク断面積は十分に大きくする必要がある。45パーマロイであれば、通常磁束密度Bを1.2T以下となるように設計することが望ましい。仮に、図4(a)の状態で、ヨーク5の断面積が小さく磁気飽和を起こしてしまうと、ヨーク6側にも磁束が導かれ、結果的に永久磁石可動部1とヨーク5間の磁気吸引力が低下する結果となる。あるいは、他の部分に磁束が漏れ、本アクチュエータに近接する他の電子機器などに悪影響を及ぼす可能性もある。
φ = B / A
That is, the yoke cross-sectional area needs to be sufficiently large so that this B does not reach the saturation magnetic flux density. If it is 45 permalloy, it is usually desirable to design the magnetic flux density B to be 1.2 T or less. If the sectional area of the yoke 5 is small and magnetic saturation occurs in the state shown in FIG. 4A, the magnetic flux is guided to the yoke 6 side. As a result, the magnetic force between the permanent magnet movable portion 1 and the yoke 5 is increased. As a result, the suction force decreases. Alternatively, the magnetic flux leaks to other parts, which may adversely affect other electronic devices that are close to the actuator.

次に、可動磁性板9に働く磁気吸引力について考える。図4(a)の状態では、十分にヨーク5の断面積を確保することで、永久磁石2で発生した磁束は、ほとんどヨーク6側に流れず、その結果可動磁性板9に作用する磁気吸引力も微弱となり、可動ミラー部11とヨーク6が開離した状態が維持される。一方、図4(b)の状態でも、基本的にヨーク6の断面積を十分確保する必要がある。しかし、可動磁性板9に対して強い磁気吸引力を発生させるため、ヨーク6の可動磁性板9に接する部分にヨーク穴7を設けている。ヨーク穴7の部分では、ヨーク6の断面積が小さくなるため、磁束は可動磁性板9側に漏れ、強い吸引力を発生することが可能となる。つまり、永久磁石可動部1をヨーク6側に移動すれば、可動磁性板9および可動ミラー部11をヨーク6側に駆動することができることになる。図4(b)の状態から、図4(a)の状態に永久磁石可動部1を駆動すれば、前述のようにヨーク6内を通る磁束は大幅に減少するため、可動磁性板9に作用する磁気吸引力も減少し、可動磁性体10は弾性体11の復元力によってヨーク6から開離される。
つまり、結果としてヨーク6が可動部の吸引用、ヨーク5がその開離用となっており、永久磁石可動部をそれぞれのヨーク間で駆動することで、可動部の位置を切り替えることが可能となっている。なお、本実施の形態では、ヨーク穴7により断面積を低減したが、加工の容易さ等を考慮して、様々な形状にすることが可能である。例えば、図6に示すように、ヨーク6の両側に凹部19を設けても良いし、また貫通穴と凹部を組み合わせても良い。
Next, the magnetic attraction force acting on the movable magnetic plate 9 will be considered. In the state of FIG. 4A, by sufficiently securing the cross-sectional area of the yoke 5, the magnetic flux generated by the permanent magnet 2 hardly flows to the yoke 6 side, and as a result, the magnetic attraction acting on the movable magnetic plate 9. The force also becomes weak, and the state where the movable mirror portion 11 and the yoke 6 are separated is maintained. On the other hand, even in the state of FIG. 4B, it is basically necessary to ensure a sufficient cross-sectional area of the yoke 6. However, in order to generate a strong magnetic attractive force with respect to the movable magnetic plate 9, the yoke hole 7 is provided in a portion of the yoke 6 that contacts the movable magnetic plate 9. In the yoke hole 7, the yoke 6 has a small cross-sectional area, so that the magnetic flux leaks to the movable magnetic plate 9 side, and a strong attractive force can be generated. That is, if the permanent magnet movable part 1 is moved to the yoke 6 side, the movable magnetic plate 9 and the movable mirror part 11 can be driven to the yoke 6 side. If the permanent magnet movable portion 1 is driven from the state shown in FIG. 4B to the state shown in FIG. 4A, the magnetic flux passing through the yoke 6 is greatly reduced as described above. The magnetic attraction force is also reduced, and the movable magnetic body 10 is separated from the yoke 6 by the restoring force of the elastic body 11.
That is, as a result, the yoke 6 is used for attracting the movable part and the yoke 5 is used for opening the movable part, and the position of the movable part can be switched by driving the permanent magnet movable part between the yokes. It has become. In the present embodiment, the cross-sectional area is reduced by the yoke hole 7, but various shapes can be used in consideration of ease of processing. For example, as shown in FIG. 6, the recesses 19 may be provided on both sides of the yoke 6, or a through hole and a recess may be combined.

以上の結果を、光スイッチの動作として考慮すると、まず図4(a)の状態では、可動磁性体10にはほとんど磁気吸引力は作用しないため、可動ミラー部11の光路に対する位置・角度ずれを最小限にすることが可能となる。また、この状態では従来例で挙げた光スイッチとは異なり、可動ミラー部11がストッパなどに接触していないため、MEMS技術の特徴である高精度加工が活かされる構成となっている。一方、図4(b)の状態では、ヨーク穴7の影響により、永久磁石2で発生した磁束を効率良く可動磁性体10へと導くことが可能となるため、永久磁石2およびその他の磁気回路全体を小型化することが可能となる。また、従来例と異なり、可動ミラー部11には可動磁性体10のみを固定するのみで良いため、小型化・軽量化が可能となり、高速動作も可能となる。さらに、本磁気アクチュエータは、図4(a)、図4(b)どちらの場合にでも、閉磁路となるため、永久磁石2で発生した磁束の漏れも最小限とすることができる。
(実施の形態2)
本発明の第2の実施の形態を、図7〜図10を用いて説明する。
図7は、本発明の電磁アクチュエータを光スイッチとして応用する場合の構成を模式的に示した斜視図である。また図8は分解図となっており、(a)が上面図、(b)が側面図となっている。なお、図8では、可撓部12、可動ミラー部11および可動磁性体10は図の簡略化のため省略している。第2の実施の形態では、光スイッチの光学系に関与する可動ミラー部11、可動磁性体10、可撓部12は、第1の実施の形態と同じ構成であり、光路切り替えも同様に実施可能となっている。また、永久磁石可動部1が永久磁石2とヨーク3、4から構成される点も、第1の実施の形態と同様である。
Considering the above results as the operation of the optical switch, first, in the state of FIG. 4A, since the magnetic attractive force hardly acts on the movable magnetic body 10, the position / angle deviation of the movable mirror portion 11 with respect to the optical path is changed. It can be minimized. Further, in this state, unlike the optical switch mentioned in the conventional example, the movable mirror portion 11 is not in contact with a stopper or the like, so that the high-precision machining that is a feature of the MEMS technology is utilized. On the other hand, in the state of FIG. 4B, the magnetic flux generated in the permanent magnet 2 can be efficiently guided to the movable magnetic body 10 due to the influence of the yoke hole 7, so that the permanent magnet 2 and other magnetic circuits The whole can be downsized. Further, unlike the conventional example, only the movable magnetic body 10 needs to be fixed to the movable mirror portion 11, so that it is possible to reduce the size and weight and to operate at high speed. Furthermore, since the magnetic actuator has a closed magnetic circuit in both cases of FIG. 4A and FIG. 4B, leakage of magnetic flux generated by the permanent magnet 2 can be minimized.
(Embodiment 2)
A second embodiment of the present invention will be described with reference to FIGS.
FIG. 7 is a perspective view schematically showing a configuration when the electromagnetic actuator of the present invention is applied as an optical switch. FIG. 8 is an exploded view, where (a) is a top view and (b) is a side view. In FIG. 8, the flexible portion 12, the movable mirror portion 11, and the movable magnetic body 10 are omitted for simplification of the drawing. In the second embodiment, the movable mirror unit 11, the movable magnetic body 10, and the flexible unit 12 involved in the optical system of the optical switch have the same configuration as in the first embodiment, and the optical path switching is performed in the same manner. It is possible. Further, the point that the permanent magnet movable portion 1 is composed of the permanent magnet 2 and the yokes 3 and 4 is the same as in the first embodiment.

第2の実施の形態の特徴は、永久磁石可動部1が、第1の実施の形態ではヨーク間を直線的に動作していたのに対し、回転運動する点にある。この動作を、図9の側面図を用いて説明する。ヨーク23、24の構成は、開放側の端面が、図9における永久磁石可動部1の中心に対して対角線上に配置され、永久磁石可動部1が反時計回りに回転すればヨーク24に、時計回りに回転すればヨーク23に接触するようになっている。磁気回路的には、第1の実施の形態と同様であり、ヨーク23側に永久磁石可動部1が接した場合には、永久磁石2の磁束の大部分がヨーク23中を通るため、可動磁性体10にはほとんど磁気吸引力が作用せず、図9(a)に示すように、可動ミラー部11は、ヨーク24と開離した状態で保持される。一方、図9(b)に示すように、永久磁石可動部1がヨーク24に接した場合には、磁束の大部分がヨーク24中を通り、ヨーク穴25部分で磁気飽和あるいはそれに近い状態となる。その結果、一部の磁束が可動磁性体10側に漏れ、磁気吸引力が作用して可動ミラー部11が駆動されることになる。また、永久磁石可動部1を駆動するためには、第1の実施の形態と同様に、その駆動方向に応じた電流をコイル26、27に流せばよい。仮に、図9に矢印で示した方向に永久磁石2が着磁されており、図9(a)から(b)のように駆動する場合には、コイル26、27に対して、それぞれ紙面向かって右回りに十分な電流を印加すればよい。   The feature of the second embodiment is that the permanent magnet movable portion 1 rotates in contrast to the linear movement between the yokes in the first embodiment. This operation will be described with reference to the side view of FIG. The configuration of the yokes 23 and 24 is such that the open end face is disposed diagonally with respect to the center of the permanent magnet movable part 1 in FIG. 9, and if the permanent magnet movable part 1 rotates counterclockwise, If it rotates clockwise, it contacts the yoke 23. The magnetic circuit is the same as that of the first embodiment, and when the permanent magnet movable portion 1 is in contact with the yoke 23 side, most of the magnetic flux of the permanent magnet 2 passes through the yoke 23, so that it is movable. A magnetic attraction force hardly acts on the magnetic body 10, and the movable mirror portion 11 is held in a state of being separated from the yoke 24 as shown in FIG. On the other hand, as shown in FIG. 9B, when the permanent magnet movable portion 1 is in contact with the yoke 24, most of the magnetic flux passes through the yoke 24 and is in a state where the yoke hole 25 is magnetically saturated or close thereto. Become. As a result, a part of the magnetic flux leaks to the movable magnetic body 10 side, and the magnetic attractive force acts to drive the movable mirror unit 11. Moreover, in order to drive the permanent magnet movable part 1, the current according to the drive direction may be supplied to the coils 26 and 27 as in the first embodiment. If the permanent magnet 2 is magnetized in the direction indicated by the arrow in FIG. 9 and is driven as shown in FIGS. 9 (a) to 9 (b), the coils 26 and 27 are respectively directed toward the page. It is sufficient to apply a sufficient current clockwise.

また、第1の実施の形態と同様に、永久磁石可動部1を可撓性部材で支持することも可能である。その例を示したのが、図10の構成模式図である。この場合、ヒンジバネ28と永久磁石可動部1を接合し、固定部29を固定することにより、永久磁石可動部1の回転運動に伴って弾性支持部30がねじれ、復元力が発生することになる。この復元力により、永久磁石可動部1を駆動する際のコイル26、27へ印加する電流量を低減することが可能となる。   In addition, as in the first embodiment, the permanent magnet movable portion 1 can be supported by a flexible member. An example of this is shown in the schematic diagram of FIG. In this case, by joining the hinge spring 28 and the permanent magnet movable part 1 and fixing the fixed part 29, the elastic support part 30 is twisted with the rotational movement of the permanent magnet movable part 1, and a restoring force is generated. . With this restoring force, it is possible to reduce the amount of current applied to the coils 26 and 27 when driving the permanent magnet movable unit 1.

第2の実施の形態の構成とすることにより、電磁アクチュエータに対して上方から直線的な衝撃や振動が印加された場合でも、第1の実施の形態よりも永久磁石可動部1が保持された状態から離れる可能性が少なくなる。つまり耐衝撃、耐振動性能が向上することになる。ただし、第1の実施の形態の方が、永久磁石可動部1がヨークと面接触するため磁気効率が高いという利点があり、実際には使用状況に応じて必要となる性能、寸法などに見合う構造を選択することになる。   By adopting the configuration of the second embodiment, even when a linear impact or vibration is applied to the electromagnetic actuator from above, the permanent magnet movable portion 1 is held more than in the first embodiment. Less likely to leave the state. That is, impact resistance and vibration resistance performance are improved. However, the first embodiment has an advantage that the permanent magnet movable portion 1 is in surface contact with the yoke, and thus has a high magnetic efficiency. The structure will be selected.

本発明の実施の形態1に関わる電磁アクチュエータの構成を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed typically the structure of the electromagnetic actuator in connection with Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に関わる永久磁石可動部と板バネとの構成図である。It is a block diagram of the permanent magnet movable part and leaf | plate spring in connection with Embodiment 1 of this invention. 本発明の実施の形態1に関わる電磁アクチュエータを光スイッチとして構成した上面図である。It is the top view which comprised the electromagnetic actuator in connection with Embodiment 1 of this invention as an optical switch. 本発明の実施の形態1に関わる電磁アクチュエータの動作を示す側面図である。It is a side view which shows operation | movement of the electromagnetic actuator in connection with Embodiment 1 of this invention. 45パーマロイの磁化曲線である。It is a magnetization curve of 45 permalloy. ヨークの可動磁性体吸引部の形状の例を示す模式図である。。It is a schematic diagram which shows the example of the shape of the movable magnetic body attraction | suction part of a yoke. . 本発明の実施の形態2に関わる電磁アクチュエータの構成を模式的に示した斜視図である。It is the perspective view which showed typically the structure of the electromagnetic actuator in connection with Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に関わる電磁アクチュエータの構成を模式的に示した分解図である。It is the exploded view which showed typically the structure of the electromagnetic actuator in connection with Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に関わる電磁アクチュエータの動作を示す側面図である。It is a side view which shows operation | movement of the electromagnetic actuator in connection with Embodiment 2 of this invention. 本発明の実施の形態2に関わる永久磁石可動部とヒンジバネとの構成図である。It is a block diagram of the permanent-magnet movable part and hinge spring concerning Embodiment 2 of this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1 永久磁石可動部
2 永久磁石
3、4 エンドヨーク
5、6 ヨーク
7 ヨーク穴
8、9 コイル
10 可動磁性板
11 可動ミラー部
12 可撓部
13 板バネ
14 入力用光ファイバー14
15、16 出力用光ファイバー
17、18 光路
19 凹部
20 磁化曲線
21 横軸
22 縦軸
23、24 ヨーク
25 ヨーク穴
26、27 コイル
28 ヒンジバネ
29 固定部
30 弾性支持部
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Permanent magnet movable part 2 Permanent magnet 3, 4 End yoke 5, 6 Yoke 7 Yoke hole 8, 9 Coil 10 Movable magnetic plate 11 Movable mirror part 12 Flexible part 13 Plate spring 14 Optical fiber 14 for input
15, 16 Optical fiber for output 17, 18 Optical path 19 Recess 20 Magnetization curve 21 Horizontal axis 22 Vertical axis 23, 24 Yoke 25 Yoke hole 26, 27 Coil 28 Hinge spring 29 Fixing part 30 Elastic support part

Claims (8)

可撓部によって支持され磁性体を有する可動部と、
永久磁石を有し磁気による力を受けて移動する永久磁石可動部と、
前記永久磁石可動部を駆動する少なくとも1個以上のコイルと、
前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記永久磁石の磁束により前記可動部を磁気吸引する吸引部を有する吸引ヨークと、
前記永久磁石可動部が接触あるいは近接することで、前記磁束を導き前記吸引ヨークから前記可動部を開離する開離ヨークを有し、
前記吸引部における前記磁束と直交する断面積が、前記吸引ヨークの他の部位における前記磁束と直交する断面積よりも小さい電磁アクチュエータ。
A movable part supported by the flexible part and having a magnetic body;
A permanent magnet movable part that has a permanent magnet and moves by receiving magnetic force;
At least one coil for driving the permanent magnet movable part;
An attraction yoke having an attraction portion for magnetically attracting the movable portion by magnetic flux of the permanent magnet when the permanent magnet movable portion is in contact with or close to the permanent magnet;
The permanent magnet movable part has a separation yoke that guides the magnetic flux and separates the movable part from the attraction yoke when the movable part is in contact with or close to the movable part,
An electromagnetic actuator in which a cross-sectional area perpendicular to the magnetic flux in the attraction portion is smaller than a cross-sectional area orthogonal to the magnetic flux in another part of the attraction yoke.
前記吸引部の断面積が、前記吸引ヨークに前記永久磁石可動部が接触あるいは近接した際に、前記吸引部で飽和磁束密度、あるいはそれに近い磁束密度となるように設定されていることを特徴とする請求項1記載の電磁アクチュエータ。   A cross-sectional area of the attraction part is set so as to become a saturation magnetic flux density or a magnetic flux density close thereto at the attraction part when the permanent magnet movable part contacts or approaches the attraction yoke. The electromagnetic actuator according to claim 1. 前記吸引部が、前記吸引ヨークに設けられた円形の貫通穴を含むことを特徴とする請求項1あるいは請求項2記載の電磁アクチュエータ。   The electromagnetic actuator according to claim 1, wherein the suction portion includes a circular through hole provided in the suction yoke. 前記吸引部が、前記吸引ヨークに設けられた凹形状を含むことを特徴とする請求項1あるいは請求項2記載の電磁アクチュエータ。   The electromagnetic actuator according to claim 1, wherein the suction portion includes a concave shape provided in the suction yoke. 前記永久磁石可動部が、直線運動するものであることを特徴とする請求項1記載の電磁アクチュエータ。   The electromagnetic actuator according to claim 1, wherein the permanent magnet movable portion moves linearly. 前記永久磁石可動部が、回転運動するものであることを特徴とする請求項1記載の電磁アクチュエータ。   The electromagnetic actuator according to claim 1, wherein the permanent magnet movable portion is rotationally moved. 前記永久磁石可動部が、可撓性部材で支持されていることを特徴とする請求項5あるいは請求項6記載の電磁アクチュエータ。   The electromagnetic actuator according to claim 5, wherein the permanent magnet movable portion is supported by a flexible member. 請求項1から7のいずれか一項に記載の電磁アクチュエータを有する光デバイス。   The optical device which has an electromagnetic actuator as described in any one of Claim 1 to 7.
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