JP2007326204A - Actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to an actuator.
例えば、レーザープリンタ等にて光走査により描画を行うための光スキャナとして、捩り振動子で構成されたアクチュエータを用いたものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1には、1自由度振動系の捩り振動子を備えるアクチュエータが開示されている。このようなアクチュエータは、1自由度振動系の捩り振動子として、質量部をその両側で捩りバネにより支持した構造を有している。そして、質量部上には光反射性を有する光反射部が設けられており、捩りバネを捩れ変形させながら質量部を回動駆動させて、光反射部で光を反射し走査する。これにより、光走査により描画を行うことができる。
For example, as an optical scanner for performing drawing by optical scanning with a laser printer or the like, an optical scanner using an actuator composed of a torsional vibrator is known (for example, see Patent Document 1).
Patent Document 1 discloses an actuator including a torsional vibrator having a one-degree-of-freedom vibration system. Such an actuator has a structure in which a mass portion is supported by a torsion spring on both sides thereof as a torsional vibrator of a one-degree-of-freedom vibration system. A light reflecting portion having light reflectivity is provided on the mass portion, and the mass portion is rotationally driven while torsionally deforming the torsion spring, and the light reflecting portion reflects and scans the light. Thereby, drawing can be performed by optical scanning.
特に、特許文献1にかかるアクチュエータにあっては、質量部と支持部とを連結する捩じりバネは、その途中で分岐する構造となっている。すなわち、特許文献1にかかる捩じりバネは、一端が質量部と連結する第1のバネ部と、そこから分岐して伸び、一端が支持部と連結する第2のバネ部とを有している。すなわち、第2のバネ部は1対の棒状部材を有している。 In particular, in the actuator according to Patent Document 1, the torsion spring that connects the mass portion and the support portion has a structure that branches in the middle thereof. That is, the torsion spring according to Patent Document 1 has a first spring portion whose one end is connected to the mass portion, and a second spring portion that branches and extends from the first spring portion and one end is connected to the support portion. ing. That is, the second spring part has a pair of rod-shaped members.
このような、アクチュエータにあっては、駆動源により1対の棒状部材(第2のバネ部)のそれぞれを互いに逆方向に曲げ変形させることで、第1のバネ部を捩れ変形させ、それに伴って、質量部を回動するよう構成されている。このような構成とすることにより、質量部を回動させるために必要な負荷を、第1のバネ部と第2のバネ部とに拡散させることができ、第1のバネ部の連結部にかかる応力集中を緩和することができる。したがって、特許文献1のアクチュエータによれば、比較的少ない負荷で、質量部を大きく回動駆動することができる。 In such an actuator, the first spring portion is twisted and deformed by bending and deforming each of the pair of rod-shaped members (second spring portions) in opposite directions by the drive source. The mass portion is configured to rotate. By setting it as such a structure, the load required in order to rotate a mass part can be spread | diffused to a 1st spring part and a 2nd spring part, and it becomes a connection part of a 1st spring part. Such stress concentration can be relaxed. Therefore, according to the actuator of Patent Document 1, the mass unit can be largely rotated with a relatively small load.
しかしながら、特許文献1にかかるアクチュエータでは、前述したように、1対の棒状部材のそれぞれを互いに逆方向に曲げ変形させることで質量部を回動させるため、例えば、1対の棒状部材を互いに逆方向へ曲げ変形させるタイミングによっては、回動時における質量部の回動中心軸がぶれてしまい、質量部を安定的に回動させることができない。その結果、アクチュエータ1は、所望の振動特性を発揮することができないという問題が生じる。 However, in the actuator according to Patent Document 1, as described above, since the mass portion is rotated by bending and deforming each of the pair of rod-shaped members in opposite directions, for example, the pair of rod-shaped members are reversed to each other. Depending on the timing of bending deformation in the direction, the rotation center axis of the mass portion at the time of rotation is shaken, and the mass portion cannot be stably rotated. As a result, there arises a problem that the actuator 1 cannot exhibit desired vibration characteristics.
本発明の目的は、優れた回動特性を発揮するアクチュエータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an actuator that exhibits excellent rotation characteristics.
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のアクチュエータは、支持部と、
前記支持部に対して回動可能な質量部と、
前記質量部を回動可能とするように支持する弾性部と、
前記質量部を回動駆動させるための駆動手段とを有し、
前記駆動手段を作動させることにより、前記弾性部を捩れ変形させながら、前記質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
前記弾性部は、
前記質量部の回動中心軸上に延在する中心軸部材と、前記中心軸部材を介して互いに対向する少なくとも1対の連結部材とを有し、
前記駆動手段の作動により、前記1対の連結部材を互いに反対方向に曲げ変形させつつ、前記中心軸部材を捩れ変形させることで前記質量部を回動させるように構成されていることを特徴とする。
Such an object is achieved by the present invention described below.
The actuator of the present invention includes a support portion,
A mass part rotatable with respect to the support part;
An elastic part that supports the mass part so as to be rotatable;
Drive means for rotationally driving the mass part,
An actuator configured to rotate the mass portion while twisting and deforming the elastic portion by operating the driving means;
The elastic part is
A central shaft member extending on the rotational central axis of the mass portion, and at least one pair of connecting members facing each other via the central shaft member;
The mass portion is rotated by twisting and deforming the central shaft member while bending and deforming the pair of connecting members in opposite directions by the operation of the driving means. To do.
これにより、前記アクチュエータは、前記質量部の回動中心軸を一定に保ちながら、すなわち、前記質量部の回動中心軸のぶれを抑制しながら、前記質量部を前記支持部に対して回動駆動させることができる。その結果、前記質量部についても高精度な回動駆動を行うことができ、前記アクチュエータは、所望の振動(回動)特性を発揮することができる。 Accordingly, the actuator rotates the mass unit with respect to the support unit while keeping the rotation center axis of the mass unit constant, that is, while suppressing the shake of the rotation center axis of the mass unit. It can be driven. As a result, the mass portion can also be rotated with high accuracy, and the actuator can exhibit desired vibration (rotation) characteristics.
本発明のアクチュエータでは、前記質量部は、
1対の第1の質量部と、
前記1対の第1の質量部間に設けられた第2の質量部とを有し、
前記弾性部は、
前記支持部に対して前記第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記第1の質量部とを連結する1対の第1の弾性部と、
前記第1の質量部に対して前記第2の質量部を回動可能とするように、前記第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する1対の第2の弾性部とを有し、
前記中心軸部材および前記1対の連結部材は、それぞれ前記第1の弾性部に設けられていることが好ましい。
In the actuator of the present invention, the mass part is
A pair of first mass parts;
A second mass part provided between the pair of first mass parts,
The elastic part is
A pair of first elastic parts connecting the support part and the first mass part so that the first mass part is rotatable with respect to the support part;
A pair of second elastic portions connecting the first mass portion and the second mass portion so that the second mass portion is rotatable with respect to the first mass portion; Have
It is preferable that the central shaft member and the pair of connecting members are respectively provided in the first elastic portion.
これにより、前記アクチュエータは、前記第1の質量部の回動中心軸を一定に保ちながら、すなわち、前記第1の質量部の回動中心軸のぶれを抑制しながら、前記第1の質量部を前記支持部に対して回動駆動させることができる。その結果、前記第2の質量部についても高精度な回動駆動を行うことができ、前記アクチュエータは、所望の振動(回動)特性を発揮することができる。 As a result, the actuator maintains the rotation center axis of the first mass unit constant, that is, while suppressing the shake of the rotation center axis of the first mass unit, the first mass unit. Can be rotationally driven with respect to the support portion. As a result, the second mass portion can also be rotated with high accuracy, and the actuator can exhibit desired vibration (rotation) characteristics.
本発明のアクチュエータでは、前記質量部は、
枠状をなす第1の質量部と、
前記第1の質量部の内側に設けられた第2の質量部とを有し、
前記弾性部は、
前記支持部に対して前記第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記第1の質量部とを連結する1対の第1の弾性部と、
前記第1の質量部に対して前記第2の質量部を回動可能とするように、前記第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する1対の第2の弾性部とを有し、
前記中心軸部材および前記1対の連結部材は、それぞれ前記第1の弾性部に設けられていることが好ましい。
In the actuator of the present invention, the mass part is
A first mass part having a frame shape;
A second mass part provided inside the first mass part,
The elastic part is
A pair of first elastic parts connecting the support part and the first mass part so that the first mass part is rotatable with respect to the support part;
A pair of second elastic portions connecting the first mass portion and the second mass portion so that the second mass portion is rotatable with respect to the first mass portion; Have
It is preferable that the central shaft member and the pair of connecting members are respectively provided in the first elastic portion.
これにより、前記アクチュエータは、前記第1の質量部の回動中心軸を一定に保ちながら、すなわち、前記第1の質量部の回動中心軸のぶれを抑制しながら、前記第1の質量部を前記支持部に対して回動駆動させることができる。その結果、前記第2の質量部についても高精度な回動駆動を行うことができ、前記アクチュエータは、所望の振動(回動)特性を発揮することができる。 As a result, the actuator maintains the rotation center axis of the first mass unit constant, that is, while suppressing the shake of the rotation center axis of the first mass unit, the first mass unit. Can be rotationally driven with respect to the support portion. As a result, the second mass portion can also be rotated with high accuracy, and the actuator can exhibit desired vibration (rotation) characteristics.
本発明のアクチュエータでは、前記第1の質量部は、板状をなし、
前記中心軸部材について、前記第1の質量部の面上において前記回動中心軸に直角な方向での幅をW1とし、前記第1の質量部の面に直角な方向での厚さをH1としたとき、W1は、H1より小さいことが好ましい。
これにより、前記中心軸部材の、前記第1の質量部の面に対して直角な方向への剛性(歪みにくさ)を高めることができる。また、W1をH1より小さくすることで、前記中心軸部材を前記第1の質量部の回動中心軸上で容易に捩れ変形させることができる。
In the actuator of the present invention, the first mass portion has a plate shape,
For the central axis member, the thickness at the width in the direction perpendicular to the rotational axis in the first mass on the surface as W 1, the direction perpendicular to the plane of the first mass When H 1 , W 1 is preferably smaller than H 1 .
Thereby, the rigidity (hardness to strain) of the central shaft member in a direction perpendicular to the surface of the first mass part can be increased. Further, by making W 1 smaller than H 1 , the center shaft member can be easily twisted and deformed on the rotation center axis of the first mass portion.
本発明のアクチュエータでは、前記第1の質量部は、板状をなし、
各前記1対の連結部材について、前記第1の質量部の面上において前記第1の質量部の回動中心軸に直角な方向での幅をW2とし、前記第1の質量部の面に直角な方向での厚さをH2としたとき、W2は、H2より大きいことが好ましい。
これにより、前記1対の連結部材の、前記第1の質量部の面上において前記第1の質量部の回動中心軸に直角な方向への剛性(歪みにくさ)を高めることができる。
In the actuator of the present invention, the first mass portion has a plate shape,
For each of the pair of connecting members, the width of the first mass portion in the direction perpendicular to the rotation center axis of the first mass portion is W 2 on the surface of the first mass portion, and the surface of the first mass portion when the thickness at the perpendicular direction is with H 2 to, W 2 is preferably larger than H 2.
Thereby, the rigidity (resistance to distortion) of the pair of connecting members in the direction perpendicular to the rotation center axis of the first mass unit on the surface of the first mass unit can be increased.
本発明のアクチュエータでは、前記第1の質量部は板状をなし、
前記中心軸部材について、前記第1の質量部の面上において前記第1の質量部の回動中心軸に直角な方向での幅をW1とし、前記第1の質量部の面に直角な方向での厚さをH1とし、
各前記1対の連結部材について、前記第1の質量部の面上において前記第1の質量部の回動中心軸に直角な方向での幅をW2とし、前記第1の質量部の面に直角な方向での厚さをH2としたとき、W1とW2とが、W1<W2の関係を満たし、かつ、H1とH2とが、H1>H2を満たすことが好ましい。
これにより、前記第1の質量部の回動駆動時における、前記第1の質量部の回動中心軸が、前記第1の質量部の面に直角な方向へぶれることを防止することができ、さらに、前記第1の質量部の回動中心軸が、前記第1の質量部の面上において前記第1の質量部の回動中心軸に直角な方向へのぶれを防止することができる。
In the actuator of the present invention, the first mass portion has a plate shape,
The width of the central shaft member in the direction perpendicular to the rotation central axis of the first mass unit is W 1 on the surface of the first mass unit, and the width is perpendicular to the surface of the first mass unit. the thickness in the direction as H 1,
For each of the pair of connecting members, the width of the first mass portion in the direction perpendicular to the rotation center axis of the first mass portion is W 2 on the surface of the first mass portion, and the surface of the first mass portion W 1 and W 2 satisfy the relationship of W 1 <W 2 , and H 1 and H 2 satisfy H 1 > H 2 where the thickness in the direction perpendicular to H 2 is H 2 . It is preferable.
As a result, it is possible to prevent the rotation center axis of the first mass unit from moving in a direction perpendicular to the surface of the first mass unit when the first mass unit is rotationally driven. Furthermore, the rotation center axis of the first mass unit can be prevented from shaking in the direction perpendicular to the rotation center axis of the first mass unit on the surface of the first mass unit. .
本発明のアクチュエータでは、各前記第1の弾性部において、前記1対の連結部材は、前記中心軸部材に対してほぼ対称に設けられていることが好ましい。
これにより、前記1対の連結部材を前記第1の質量部の回動中心軸に対して対称に曲げ変形させることが容易となり、その結果、前記第1の質量部の回動中心軸を一定に保って前記第1の質量部を回動駆動させることができる。
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that, in each of the first elastic portions, the pair of connecting members is provided substantially symmetrically with respect to the central shaft member.
Accordingly, it is easy to bend and deform the pair of connecting members symmetrically with respect to the rotation center axis of the first mass unit, and as a result, the rotation center axis of the first mass unit is constant. The first mass part can be rotationally driven while maintaining the above.
本発明のアクチュエータでは、各前記1対の連結部材は、前記第1の質量部の回動軸線から遠位側の端部に接続していることが好ましい。
これにより、前記1対の連結部材の間隔を広くすることができ、該1対の連結部材の曲げ変形の応答性を向上させることができる。
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that each of the pair of connecting members is connected to a distal end portion from a rotation axis of the first mass portion.
Thereby, the space | interval of a pair of said connection member can be enlarged, and the response of the bending deformation of this pair of connection member can be improved.
本発明のアクチュエータでは、前記駆動手段は、各前記連結部材を主に曲げ変形させる圧電素子を有し、
前記圧電素子は、各前記連結部材に接合され、前記1対の連結部材を互いに逆方向に主として曲げ変形させるよう構成されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、前記第1の質量部を回動させることができる。また、この回動駆動方法によれば、前記第1の質量部の回動軌道上に、駆動源を配置しなくてもよいため、前記第1の質量部の回転角度(振れ角)を大きくしつつ、前記アクチュエータの小型化を図ることができる。
In the actuator of the present invention, the driving means includes a piezoelectric element that mainly bends and deforms each of the connecting members,
The piezoelectric element is preferably joined to each of the connecting members and configured to bend and deform the pair of connecting members mainly in opposite directions.
Thereby, the first mass unit can be rotated with a relatively simple configuration. In addition, according to this rotational driving method, it is not necessary to arrange a drive source on the rotational trajectory of the first mass unit, so that the rotation angle (runout angle) of the first mass unit is increased. However, the actuator can be miniaturized.
本発明のアクチュエータでは、前記第2の質量部の挙動を検知する挙動検知手段を有し、
前記挙動検知手段は、前記第2の弾性部上に設けられたピエゾ抵抗素子を備え、該ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて、前記第2の質量部の挙動を検知するように構成されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、前記第2の質量部の挙動を高精度に検知することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記第2の質量部には、光反射性を有する光反射部が設けられていることが好ましい。
これにより、優れた走査性を発揮するアクチュエータを提供することができる。
In the actuator of the present invention, it has behavior detection means for detecting the behavior of the second mass part,
The behavior detecting means includes a piezoresistive element provided on the second elastic part, and is configured to detect the behavior of the second mass part based on a change in the resistance value of the piezoresistive element. It is preferable that
Thereby, it is possible to detect the behavior of the second mass unit with high accuracy with a relatively simple configuration.
In the actuator of the present invention, it is preferable that the second mass portion is provided with a light reflecting portion having light reflectivity.
Thereby, the actuator which exhibits the outstanding scanning property can be provided.
以下、本発明のアクチュエータの好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
<第1実施形態>
まず、本発明のアクチュエータの第1実施形態を説明する。
図1は、本発明のアクチュエータの第1実施形態を示す斜視図、図2は、図1中のA−A線断面図、図3は、図1中のB―B線断面図、図4は、印加する交流電圧の一例を示す図、図5は、印加した交流電圧の周波数と、第1の質量部および第2の質量部の共振曲線を示すグラフ、図6は、ピエゾ抵抗素子の拡大図である。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an actuator of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<First Embodiment>
First, a first embodiment of the actuator of the present invention will be described.
1 is a perspective view showing a first embodiment of the actuator of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. Fig. 5 is a diagram showing an example of the applied AC voltage, Fig. 5 is a graph showing the frequency of the applied AC voltage, and the resonance curves of the first mass portion and the second mass portion, and Fig. 6 is a diagram of the piezoresistive element. It is an enlarged view.
なお、以下では、説明の便宜上、図1〜図3中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
アクチュエータ1は、図1に示すように、2自由度振動系を有する基体2と、この基体2の2自由度振動系を駆動するための圧電素子31、32、33、34と、基体2を接合層5を介して支持する支持基板4とを有している。なお、基体2と支持基板4と接合層5とは、一体的に形成されていてもよい。
また、アクチュエータ1は、後述する第2の質量部24の挙動を検知するための挙動検知手段を有している。
In the following, for convenience of explanation, the upper side in FIGS. 1 to 3 is referred to as “upper”, the lower side is referred to as “lower”, the right side is referred to as “right”, and the left side is referred to as “left”.
As shown in FIG. 1, the actuator 1 includes a
Moreover, the actuator 1 has a behavior detection means for detecting the behavior of the
基体2は、1対の第1の質量部(駆動部)21、22と、支持部23と、第2の質量部(可動部)24と、1対の第1の弾性部25、26と、1対の第2の弾性部27、28とを備えている。このような基体2にあっては、左右対称な形状となるように、第2の質量部24を中心とし、その左方に、第2の弾性部27、第1の質量部21、第1の弾性部25が順次配設され、右方に、第2の弾性部28、第1の質量部22、第1の弾性部26が順次配設されている。
The
1対の第1の質量部21、22は、それぞれ、板状をなし、互いにほぼ同一寸法でほぼ同一形状をなしている。
また、1対の質量部21、22の間には、第2の質量部24が設けられており、1対の質量部21、22は、第2の質量部24を中心として、ほぼ左右対称となるように設けられている。
The pair of first
In addition, a
第2の質量部24は、板状をなし、その板面に光反射部241が設けられている。これにより、アクチュエータ1を光スキャナ、光アッテネータ、光スイッチなどの光デバイスに適用することができる。
このような第1の質量部21、22および第2の質量部24にあっては、第1の質量部21、22が第1の弾性部25、26を介してそれぞれ支持部23に接続され、第2の質量部24が第2の弾性部27、28を介して第1の質量部21、22に接続されている。
The
In such
第1の弾性部25は、第1の質量部21を支持部23に対して回動可能とするように、第1の質量部21と支持部23とを連結している。これと同様に、第1の弾性部26は、第1の質量部22を支持部23に対して回動可能とするように、第1の質量部22と支持部23とを連結している。
特に、第1の弾性部25は、第1の質量部21の回動中心軸100上に延在する中心軸部材251と、中心軸部材251(すなわち、第1の質量部21の回動中心軸)を介して互いに対向する2つの連結部材252、253とで構成されている。これと同様に、第1の弾性部26は、第1の質量部22の回動中心軸100上に延在する中心軸部材261と、中心軸部材261を介して互いに対向する2つの連結部材262、263とで構成されている。
The first
In particular, the first
本実施形態においては、中心軸部材251、261は、互いにほぼ同一寸法でほぼ同一形状の棒状をなし、互いの物理的性質(バネ定数など)もほぼ同一である。また、連結部材252、253、262、263は、それぞれほぼ同一寸法でほぼ同一形状の棒状をなし、それぞれの物理的性質(バネ定数など)もほぼ同一である。
第2の弾性部27は、棒状部材であって、第2の質量部24を第1の質量部21に対して回動可能とするように、第2の質量部24と第1の質量部21とを連結している。これと同様に、第2の弾性部28は、棒状部材であって、第2の質量部24を第1の質量部22に対して回動可能とするように、第2の質量部24と第1の質量部22とを連結している。
In the present embodiment, the
The second
各第1の弾性部25、26および各第2の弾性部27、28は、同軸的に設けられており、これらを回動中心軸(回転軸)として、第1の質量部21、22が支持部23に対して、また、第2の質量部24が第1の質量部21、22に対して回動可能となっている。
このように、基体2は、第1の質量部21、22と第1の弾性部25、26とで構成された第1の振動系と、第2の質量部24と第2の弾性部27、28とで構成された第2の振動系とを有する。すなわち、基体2は、第1の振動系および第2の振動系からなる2自由度振動系を有する。すなわち、1対の第2の弾性部27、28が第2の質量部24を介してその両側に設けられ、これに対応して、1対の第1の質量部21、22および1対の第1の弾性部25、26が設けられている。これにより、第1の質量部21、22および第2の質量部24をより円滑に駆動することができる。
The first
As described above, the
このような2自由度振動系を有する基体2は、例えば、シリコンを主材料として構成されていて、第1の質量部21、22と、第2の質量部24と、支持部23と、第1の弾性部25、26と、第2の弾性部27、28とが一体的に形成されている。
そして、このような2自由度振動系を駆動するために、第1の弾性部25、26のそれぞれの連結部材252、253、262、263上には、圧電素子31、32、33、34が設けられている。
The
In order to drive such a two-degree-of-freedom vibration system,
圧電素子31は、連結部材252の上面に接合され、連結部材252の長手方向に伸縮するように構成されている。これにより、圧電素子31は、その伸縮により、連結部材252を上下方向に曲げ変形させる。また、圧電素子32は、連結部材253の上面に接合され、連結部材253の長手方向に伸縮するように構成されている。これにより、圧電素子32は、その伸縮により、連結部材253を上下方向に曲げ変形させる。
The
言い換えすれば、圧電素子31は、連結部材252の長手方向に沿って延在し、その延在方向に伸縮することにより、連結部材252を曲げ変形させる。これにより、比較的簡単な構成で、より確実に、圧電素子31により連結部材252を曲げ変形させることができる。これと同様に、圧電素子32は、連結部材253の長手方向に沿って延在し、その延在方向に伸縮することにより、連結部材253を曲げ変形させる。これにより、比較的簡単な構成で、より確実に、圧電素子32により連結部材253を曲げ変形させることができる。
In other words, the
より具体的には、圧電素子31は、圧電材料を主材料として構成された圧電体層311と、この圧電体層311を挟持する1対の電極312、313とを有している。そして、図2にて下側に位置する電極312が連結部材252の上面に接合されている。このように圧電素子31が構成されていると、比較的簡単な構成で、より確実に、圧電素子31により連結部材252を曲げ変形させることができる。
More specifically, the
圧電体層311は、連結部材252の上面全体を覆うとともに、連結部材252と支持部23との接合部を跨ぐように設けられている。これにより、圧電素子31の駆動力を連結部材252により効率的に伝達することができる。その結果、駆動電圧をより低減するとともに、連結部材252をより大きく曲げ変形させることができる。
この圧電材料としては、例えば、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、その他、各種のものが挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができるが、特に、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムおよびチタン酸ジルコン酸鉛のうちの少なくとも1種を主とするものが好ましい。このような材料で圧電体層311を構成することにより、より高い周波数でアクチュエータ1を駆動することができる。
The
Examples of the piezoelectric material include zinc oxide, aluminum nitride, lithium tantalate, lithium niobate, potassium niobate, lead zirconate titanate (PZT), barium titanate, and various other materials. One or more of them can be used in combination, but at least one of zinc oxide, aluminum nitride, lithium tantalate, lithium niobate, potassium niobate and lead zirconate titanate is mainly used. Are preferred. By configuring the
電極312は、圧電体層311よりも長尺となっていて、支持部23上で電源(図示せず)との接続が可能となっている。一方。電極313は、圧電体層311の長さとほぼ同じ長さになっている。そして、電極313は、例えばワイヤーボンディングにより形成された配線を介して、支持部23上に設けられた端子314に接続され、電源(図示せず)との接続が可能となっている。
このような圧電素子31は、電極312と電極313(端子314)との間に電圧を印加すると、圧電体層311は、その電歪効果により、連結部材252の長手方向に平行に伸縮する。これにより、圧電素子31は、その伸縮により、連結部材252を上下方向に曲げ変形させる。
The
In such a
このような圧電素子31と同様に、圧電素子32は構成されており、電極322と端子324との間に電圧を印加すると、圧電素子32中の圧電体層(図示せず)は、その電歪効果により、連結部材253の長手方向に平行に伸縮する。これにより、圧電素子32は、その伸縮により、連結部材253を上下方向に曲げ変形させる。
このような圧電素子31、32は、ともに基体2の上面に設けられているので、互いに伸縮動を交互に行うように動作させると、2つの連結部材252、253を互いに逆方向に主として曲げ変形させる。これにより、2つの連結部材252、253を有する第1の弾性部25全体が捩り変形する。
Like the
Since such
前述した圧電素子31、32と同様に、圧電素子33、34は構成されている。すなわち、圧電素子33に関し、電極332と電極333(端子334)との間に電圧を印加すると、圧電素子33中の圧電体層331は、その電歪効果により、連結部材262の長手方向に平行に伸縮する。これにより、圧電素子33は、その伸縮により、連結部材262を上下方向に曲げ変形させる。また、圧電素子34に関し、電極342と端子344との間に電圧を印加すると、圧電素子34中の圧電体層(図示せず)は、その電歪効果により、連結部材263の長手方向に平行に伸縮する。これにより、圧電素子34は、その伸縮により、連結部材263を上下方向に曲げ変形させる。
Similarly to the
このような圧電素子33、34は、圧電素子31、32と同様に、ともに基体2の上面に設けられているので、交互に動作させると、1対の連結部材262、263を互いに逆方向に主として曲げ変形させる。これにより、1対の連結部材262、263を有する第1の弾性部26全体が捩り変形する。これにより、比較的簡単な構成で、第1の質量部22を回動させることができる。また、この回動駆動方法によれば、第1の質量部22の回動軌道上に、駆動源を配置しなくてもよいため、第1の質量部の回転角度(振れ角)を大きくしつつ、アクチュエータ1の小型化を図ることができる。
Since the
前述したような基体2を支持するための支持基板4は、接合層5を介して基体2に接合されている。接合層5は、例えば、ガラス、シリコン、またはSiO2を主材料として構成されている。
また、支持基板4は、例えば、ガラスやシリコンを主材料として構成されている。
支持基板4の上面には、図2および図3に示すように、第2の質量部24に対応する部分に開口部41が形成されている。
この開口部41は、第2の質量部24が回動(振動)する際に、支持基板4に接触するのを防止する逃げ部を構成する。開口部(逃げ部)41を設けることにより、アクチュエータ1全体の大型化を防止しつつ、第2の質量部24の振れ角(振幅)をより大きく設定することができる。
The
Further, the
As shown in FIGS. 2 and 3, an
The
なお、前述したような逃げ部は、前記効果を十分に発揮し得る構成であれば、必ずしも支持基板4の下面(第2の質量部24と反対側の面)で開放(開口)していなくてもよい。すなわち、逃げ部は、支持基板4の上面に形成された凹部で構成することもできる。
各圧電素子31、32、33、34は、図示しない電源に接続されており、各圧電素子31、32、33、34の電極間に交流電圧(駆動電圧)を印加できるよう構成されている。
Note that the relief portion as described above is not necessarily opened (opened) on the lower surface (the surface opposite to the second mass portion 24) of the
Each
以上のような構成のアクチュエータ1は、次のようにして駆動する。
例えば、図4(a)に示すような電圧を圧電素子32、34に印加するとともに、図4(b)に示すような電圧を圧電素子31、33に印加する。すなわち、互いに位相の180°ずれた電圧を圧電素子32、34と圧電素子31、33とに印加する。すると、圧電素子31、33を伸張状態とするとともに、圧電素子32、34を収縮状態とする状態と、圧電素子31、33を収縮状態とするとともに、圧電素子32、34を伸長状態とする状態とを交互に繰り返す。
これにより、第1の弾性部25、26が捩れ変形して、第1の質量部21、22が支持部23に対し回動(振動)する。
The actuator 1 having the above configuration is driven as follows.
For example, a voltage as shown in FIG. 4A is applied to the
Accordingly, the first
このとき、各連結部材252、253、262、263が主として曲げ変形することにより第1の弾性部25全体および第1の弾性部26全体がそれぞれ捩り変形するため、第1の弾性部25、26に生じる応力を低減することができる。そのため、大きな振れ角で駆動することができる。なお、このとき、中心軸部材251、261は、回動中心軸100上で捩れ変形することとなる。
At this time, each of the connecting
また、圧電素子31、32、33、34により駆動力を得るため、低電圧駆動であっても比較的大きな駆動力で駆動することができる。そのため、低電圧駆動であっても、第1の弾性部25、26のバネ定数を高めて、高周波で駆動することができる。特に、圧電素子31、32、33、34の駆動力は比較的高いため、第1の弾性部25、26のバネ定数が比較的高くても、振れ角を大きくすることが可能である。
そして、この第1の質量部21、22の振動(駆動)に伴って、第2の弾性部27、28を介して連結されている第2の質量部24も、第2の弾性部27、28を軸に、支持基板4の板面(図1における紙面)に対して傾斜するように振動(回動)する。
Further, since the driving force is obtained by the
The second
次に、第1の弾性部について、詳細に説明する。なお、第1の弾性部25および26は、互いに同一の構成(寸法、形状、物理的特性なども含む)であるため、第1の弾性部25について代表して説明し、第1の弾性部26については、その説明を省略する。
また、説明の便宜上、基体2の面上にて、回動中心軸100に直角な方向をX方向とし、回動中心軸100に平行な方向をY方向とし、基体2の面に直角な方向をZ方向とする。また、X方向での中心軸部材251の幅をW1とし、X方向での連結部材252、253の幅をW2とし、Z方向での中心軸部材251の厚さをH1とし、Z方向での連結部材252、253の厚さをH2とする。
Next, the first elastic part will be described in detail. Since the first
For convenience of explanation, on the surface of the
第1の弾性部25は、前述したように、回動中心軸100上に延在する中心軸部材251と、中心軸部材251(すなわち、回動中心軸100)を介して互いに対向する2つの連結部材252、253とで構成されている。このように、中心軸部材251を回動中心軸100上に設けることで、アクチュエータ1は、回動中心軸100を一定に保ちながら、すなわち、回動中心軸100のぶれ(特にZ軸方向へのぶれ)を抑制しながら、第1の質量部21を支持部23に対して回動駆動させることができる。その結果、第2の質量部24についても高精度な回動駆動を行うことができ、アクチュエータ1は、所望の振動(回動)特性を発揮することができる。
As described above, the first
中心軸部材251は、W1がH1より小さいことが好ましい。すなわち、中心軸部材251は、その横断面形状が、Z軸方向を長手とする略長方形であるのが好ましい。このような横断面形状とすることにより、中心軸部材251のZ軸方向への剛性(歪みにくさ)を高めることができる。また、W1をH1より小さくすることで、回動中心軸100上で容易に捩れ変形させることができる。すなわち、中心軸部材251は、連結部材252、253の曲げ変形に伴う第1の質量部21の回動駆動の妨げを抑制しながら、回動駆動時における第1の質量部21の回動中心軸100のZ軸方向へのぶれを効果的に防止することができる。これにより、回動中心軸100を一定に保って第1の質量部21を回動駆動させることができる。その結果、アクチュエータ1は、所望の振動(回動)特性を発揮することができ、かつ、低電圧駆動を行うことができる。
The
また、連結部材252、253は、W2がH2より大きいことが好ましい。すなわち、連結部材252、253は、その横断面形状が、X軸方向を長手とする略長方形であるのが好ましい。このような横断面形状とすることにより、連結部材252のX軸方向への剛性(歪みにくさ)を高めることができる。また、圧電素子31による連結部材252、253のZ方向への曲げ変形を容易に行うことができる。すなわち、連結部材252、253は、第1の質量部21の回動駆動時における回動中心軸100のX軸方向へのぶれを効果的に防止するとともに、圧電素子31、32、によるZ軸方向への曲げ変形を容易に行うことができる。これにより、回動中心軸100を一定に保って第1の質量部21を回動駆動させることができる。その結果、アクチュエータ1は、所望の振動(回動)特性を発揮することができ、かつ、低電圧駆動を行うことができる。
The connecting
本実施形態では、連結部材252と連結部材253とは、同一形状かつ同一寸法であり、物理的性質(剛性など)も同一である。
また、前述したようなことから、本実施形態のように、W1がH1より大きく、かつ、W2がH2より小さいことがさらに好ましい。すなわち、中心軸部材251の横断面形状がZ軸方向を長手とする略長方形をなし、かつ、連結部材252、253の横断面形状がX軸方向を長手とする略長方形をなしていることが好ましい。このような構成とすることで、中心軸部材251により、第1の質量部21の回動駆動時における回動中心軸100のZ軸方向へのぶれを防止し、連結部材252、253により、回動中心軸100のX軸方向へのぶれを防止することができる。これにより、回動中心軸100を一定に保ちつつ第1の質量部21を回動駆動させることができる。その結果的、第2の質量部24をより安定的(高精度)に回動駆動させることができ、アクチュエータ1は、所望の振動(回動)特性を発揮することができる。
In the present embodiment, the connecting
Further, as described above, it is more preferable that W 1 is larger than H 1 and W 2 is smaller than H 2 as in the present embodiment. That is, the cross-sectional shape of the
さらに、第1の弾性部25は、W1とW2とが、W1<W2の関係を満たし、かつ、H1とH2とが、H1>H2を満たすことが好ましい。このような構成とすることで、中心軸部材251により、第1の質量部21の回動駆動時における回動中心軸100のZ軸方向へのぶれを防止し、連結部材252、253により、回動中心軸100のX軸方向へのぶれを防止することができる。さらに、中心軸部材251が第1の質量部21の回動駆動の妨げとなることを抑制するとともに、連結部材252、253のZ軸方向への曲げ変形が容易となる。その結果、アクチュエータ1は、所望の振動(回動)特性を発揮することができ、かつ、低電圧駆動を行うことができる。
Further, in the first
連結部材252および連結部材253は、平面視にて、中心軸部材251(すなわち回動中心軸100)に対して対象に設けられている。これにより、連結部材252および連結部材253を回動中心軸100に対して対称に曲げ変形させることが容易となり、その結果、回動中心軸100を一定に保って第1の質量部21を回動駆動させることができる。
The connecting
本実施形態のアクチュエータ1では、連結部材252および連結部材253は、互いに平行に設けられているが、第1の質量部21を支持部23に対して回動可能に支持することができれば、これに限定されず、例えば、連結部材252と連結部材253との間隔が、連結部材252と支持部23との境界部から、連結部材252と第1の質量部21との境界部へ向けて漸減または漸増するように設けられていてもよい。すなわち、連結部材252と連結部材253とが、略「ハ」の字状となるように設けてもよい。
In the actuator 1 of the present embodiment, the connecting
1対の連結部材252、253のそれぞれは、前記第1の質量部21の回動中心軸100から遠位側の端部に接続している。これにより、連結部材252と連結部材253との間隔を広くすることができ、圧電素子31、32による連結部材252、253の曲げ変形の応答性を向上させることができる。その結果、例えば、連結部材252、253を曲げ変形させるタイミングにずれが生ずることを抑制することができる。したがって、回動中心軸100を一定に保って第1の質量部21を回動駆動させることができ、アクチュエータ1は、所望の振動(回動)特性を発揮することができる。
Each of the pair of connecting
次に、第1の質量部21、22と、第2の質量部24との関係について詳述する。
第1の質量部21について、回動中心軸100からX軸方向(長手方向)での長さ(最大長)をL1とし、第1の質量部22について、回動中心軸100からX軸方向(長手方向)での長さ(最大長)をL2とし、第2の質量部24について、回動中心軸100からX軸方向での長さ(最大長)をL3としたとき、本実施形態では、第1の質量部21、22が、それぞれ独立して設けられているため、第2の質量部24の大きさ(長さL3)にかかわらず、第1の質量部21、22と第2の質量部24とが干渉せず、L1およびL2を小さくすることができる。これにより、第1の質量部21、22の回転角度(振れ角)を大きくすることができ、その結果、第2の質量部24の回転角度を大きくすることができる。
Next, the relationship between the
The
ここで、第1の質量部21、22および第2の質量部24の寸法は、それぞれ、L1<L3かつL2<L3なる関係を満足するよう設定されるのが好ましい。
前記関係を満たすことにより、L1およびL2をより小さくすることができ、第1の質量部21、22の回転角度をより大きくすることができ、第2の質量部24の回転角度をさらに大きくすることができる。
Here, the dimension of the first
By satisfying the above relationship, L 1 and L 2 can be made smaller, the rotation angle of the
この場合、第2の質量部24の最大回転角度が、20°以上となるように構成されるのが好ましい。
これらによって、第1の質量部21、22の低電圧駆動と、第2の質量部24の大回転角度での振動(回動)とを実現することができる。
このため、このようなアクチュエータ1を、例えばレーザープリンタや、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の装置に用いられる光スキャナに適用した場合には、より容易に装置を小型化することができる。
In this case, it is preferable that the maximum rotation angle of the
By these, the low voltage drive of the
For this reason, when such an actuator 1 is applied to, for example, an optical scanner used in an apparatus such as a laser printer or a scanning confocal laser microscope, the apparatus can be more easily downsized.
なお、前述したように、本実施形態では、L1とL2とはほぼ等しく設定されているが、L1とL2とが異なっていてもよいことは言うまでもない。
ところで、このような質量部21、22、24よりなる振動系(2自由度振動系)では、第1の質量部21、22および第2の質量部24の振幅(振れ角)と、圧電素子31、32、33、34に印加する交流電圧の周波数との間に、図5に示すような周波数特性が存在している。
As described above, in the present embodiment, L 1 and L 2 are set to be substantially equal, but it goes without saying that L 1 and L 2 may be different.
By the way, in such a vibration system (two-degree-of-freedom vibration system) including the
すなわち、かかる振動系は、第1の質量部21、22の振幅と、第2の質量部24の振幅とが大きくなる2つの共振周波数fm1[kHz]、fm3[kHz](ただし、fm1<fm3)と、第1の質量部21、22の振幅がほぼ0となる、1つの反共振周波数fm2[kHz]とを有している。
この振動系では、各圧電素子31、32、33、34に印加する交流電圧の周波数Fが、2つの共振周波数のうち低いもの、すなわち、fm1とほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振幅を抑制しつつ、第2の質量部24の振れ角(回転角度)を大きくすることができる。
なお、本明細書中では、F[kHz]とfm1[kHz]とがほぼ等しいとは、(fm1−1)≦F≦(fm1+1)の条件を満足することを意味する。
That is, the vibration system includes two resonance frequencies fm 1 [kHz] and fm 3 [kHz] (however, fm) in which the amplitude of the
In this vibration system, the frequency F of the AC voltage applied to the
In this specification, F [kHz] and fm 1 [kHz] being substantially equal means that the condition of (fm 1 −1) ≦ F ≦ (fm 1 +1) is satisfied.
第1の質量部21、22の平均厚さは、それぞれ、1〜1500μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
第2の質量部24の平均厚さは、1〜1500μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
このようなアクチュエータ1は、第2の質量部(可動部)24の挙動を検知する挙動検知手段を有している。これにより、アクチュエータ1は、より安定した回動駆動を行うことができ、所望の振動(回動)特性を発揮することができる。
The average thicknesses of the
The average thickness of the second
Such an actuator 1 has behavior detecting means for detecting the behavior of the second mass part (movable part) 24. Thereby, the actuator 1 can perform more stable rotation drive, and can exhibit a desired vibration (rotation) characteristic.
挙動検知手段は、第2の弾性部28に設けられたピエゾ抵抗素子(圧電抵抗素子)70を備え、ピエゾ抵抗素子70の抵抗値の変化に基づいて、第2の質量部24の挙動を検知するように構成されている。これにより、比較的簡単な構成で、第2の質量部24の挙動を高精度に検知することができる。
ピエゾ抵抗素子70は、第2の弾性部28の上面(支持基板4とは反対側の面上)のほぼ中央部に設けられている。このようなピエゾ抵抗素子70は、例えば、ボロン、リンなどを拡散(ドープ)して拡散層を形成することで設けることができる。
このようなピエゾ抵抗素子70は、外部からの力(応力)により歪むことで、その歪み(変形量)に応じて抵抗値が変化する性質を有している。したがって、第2の弾性部28が捩れ変形することで、その歪み(変形量)に応じてピエゾ抵抗素子70の抵抗値が変化する。
The behavior detection means includes a piezoresistive element (piezoresistive element) 70 provided in the second
The
Such a
ピエゾ抵抗素子70には、図6に示すように、1対の入力電極81、82(以下、単に「電極」ともいう)と、1対の出力電極83、84(以下、単に「電極」ともいう)とが接続されている。電極81および電極82は、X軸方向に沿って並設され、電極83および電極84は、Y軸方向に沿って並設されている。また、電極81〜84は、電極81と電極82とを結んだ直線と、電極83と電極84とを結んだ直線とが、それぞれの直線のほぼ中央で直交するように設けられている。さらに、その交点が、ピエゾ抵抗素子70のほぼ中央となるように電極81〜84が配設されている。このように電極81〜84を設けることにより、第2の弾性部28の捩れ変形により生ずるピエゾ抵抗素子70の抵抗値の変化を高感度に検知することができる。すなわち、第2の弾性部28に発生するせん断歪みを高感度に検知することができる。
As shown in FIG. 6, the
このようなピエゾ抵抗素子70は、図示しない電源により、電極81および電極82にバイアス電圧が印加させるように構成されている。この状態(バイアス電圧が印加されている状態)にて、第2の弾性部28が捩れ変形すると、その変形量に従ってピエゾ抵抗素子70の抵抗値も変化する。したがって、このような変化に応じて、電極83、84に流れる電流値もしくは電圧値も変化するため、電極83、84での電流値もしくは電圧値を検知することで、第2の質量部24の挙動を検知することができる。
このように、挙動検知手段により検知させた第2の質量部24の挙動に基づいて、図示しない制御手段により、アクチュエータ1の回動駆動を制御することができる。これにより、アクチュエータ1は、所望の振動(回動)特性を発揮することができる。
Such a
Thus, based on the behavior of the second
また、ピエゾ抵抗素子70に設けられた各電極81〜84は、図6に示すように、配線812〜842により、支持部23に設けられた電極811〜841と接続されている。これにより、図示しない電源等の接続が容易となる。また、支持部23にて電源等と接続することができるため、アクチュエータ1の回動駆動に影響を与えることを防止することができる。
Moreover, each electrode 81-84 provided in the
電極81〜84の配線の引き出し経路は、各電極81〜84から、順に、第2の弾性部28、第1の質量部22、中心軸部材261、支持部23となっている。また、配線812〜814のパターニングは、直線的に行われている。このような観点から見れば、中心軸部材261は、電極81〜84を支持部23まで引き出すための配線812〜842の通路として機能しているともいえる。すなわち、仮に、中心軸部材261が設けられていない場合には、連結部材262(または連結部材263)を経由しなければ支持部23まで電極81〜84を引き出すことができないが、この場合には、連結部材262の下面を経由して配線812〜842をパターニングするか、連結部材262の表面と圧電素子33との間に絶縁層を介して配線812〜842をパターニングする必要があり、製造工程が煩雑になる。しかし、中心軸部材261を設けることで、このような問題を防止することができ、さらに、中心軸部材261と第2の弾性部28とは、同軸的に設けられているため、配線812〜842を直線的にパターニングすることが可能であり、より容易に配線812〜842をパターニングすることができる。
The wiring lead-out paths of the
なお、本実施形態では、1つのピエゾ抵抗素子70を用いて第2の質量部24の挙動を検知するよう構成されているが、第2の質量部24の挙動を検知することができれば、これに限定されず、例えば、1対のピエゾ抵抗素子を第2の質量部24に対して対称に第2の弾性部27、28上に設け、各ピエゾ抵抗素子から得られた電流値もしくは電圧値の変化を図示しない差動増幅回路により増幅させることで、より正確に第2の質量部24の挙動を検知することができる。
In the present embodiment, the behavior of the
このようなアクチュエータ1は、例えば、次のようにして製造することができる。
図7は、第1実施形態のアクチュエータ1の製造方法を説明するための図(縦断面図)である。なお、図7は、図1におけるA−A線断面に対応する断面を示している。また、以下では、説明の便宜上、図7中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
Such an actuator 1 can be manufactured as follows, for example.
FIG. 7 is a view (longitudinal sectional view) for explaining the manufacturing method of the actuator 1 of the first embodiment. FIG. 7 shows a cross section corresponding to the cross section taken along the line AA in FIG. In the following, for convenience of explanation, the upper side in FIG. 7 is referred to as “upper” and the lower side is referred to as “lower”.
[A1]
まず、図7(a)に示すように、Si層61、SiO2層62、Si層63が順次積層されたSOI基板6を用意し、SOI基板6の一方の面(Si層61側の面)に、電極312、322、332、342および端子314、324、334、344を形成する。
電極312、322、332、342および端子314、324、334、344の形成は、SOI基板6に金属膜を成膜し、電極312、322、332、342および端子314、324、334、344の形状に対応する形状をなすレジストマスクを介して金属膜をエッチングを行った後、レジストマスクを除去することにより行うことができる。
[A1]
First, as shown in FIG. 7A, an
The
金属膜の成膜方法としては、例えば、プラズマCVD、熱CVD、レーザーCVDのような化学蒸着法(CVD)、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射、シート状部材の接合等を用いることができる。なお、以下の各工程における金属膜の成膜においても、同様の方法を用いることができる。 Examples of the metal film forming method include chemical vapor deposition (CVD) such as plasma CVD, thermal CVD, and laser CVD, dry plating methods such as vacuum deposition, sputtering, and ion plating, electrolytic plating, immersion plating, and nothing. Wet plating methods such as electrolytic plating, thermal spraying, and joining of sheet-like members can be used. Note that the same method can also be used for forming a metal film in the following steps.
エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。なお、以下の各工程におけるエッチングにおいても、同様の方法を用いることができる。 As an etching method, for example, one or more of physical etching methods such as plasma etching, reactive ion etching, beam etching, and light-assisted etching, and chemical etching methods such as wet etching are used in combination. be able to. Note that the same method can be used for etching in the following steps.
[A2]
次に、図7(b)に示すように、電極312、322、332、342上に、圧電体層311、321、331、341を形成する。
圧電体層311、321、331、341の形成は、ゾルゲル法、スパッタリング、エアロゾルデポジション法等を用いることができる。
[A2]
Next, as shown in FIG. 7B,
The
[A3]
次に、図7(c)に示すように、SOI基板6のSi層61の一部を除去して、第1の質量部21、22と支持部23と第2の質量部24と第1の弾性部25、26と第2の弾性部27、28とを形成する。これにより、基体2が得られる。
第1の質量部21、22と支持部23と第2の質量部24と第1の弾性部25、26と第2の弾性部27、28との形成は、SOI基板6に金属膜を成膜し、第1の質量部21、22と支持部23と第2の質量部24と第1の弾性部25、26と第2の弾性部27、28との形状に対応する形状をなすレジストマスクを介して金属膜をエッチングを行った後、レジストマスクを除去することにより行うことができる。
このとき、SOI基板6の中間層たるSiO2層は、前記エッチングのストップ層として機能する。
エッチング方法としては、前述の工程[A1]と同様のものを用いることができる。
[A3]
Next, as shown in FIG. 7C, a part of the
The formation of the
At this time, the SiO 2 layer as an intermediate layer of the
As an etching method, the same method as the above-mentioned step [A1] can be used.
[A4]
次に、図7(d)に示すように、SOI基板6のSi層63の一部を除去して、凹部(開口部41)を形成する。
この凹部の形成方法としては、前述した工程[A3]と同様のものを用いることができる。
[A4]
Next, as shown in FIG. 7D, a part of the
As a method for forming the recess, the same method as in the above-described step [A3] can be used.
[A5]
次に、図7(e)に示すように、圧電体層311、321、331、341上に、これらに対応する電極313、323、333、343を形成するとともに、第2の質量部24上に光反射部241を形成する。さらに、SOI基板6のSiO2層62の一部を除去して、接合層5を形成する。
電極313、323、333、343および光反射部241の形成方法としては、前述した工程[A1]と同様の方法を用いることができる。
[A5]
Next, as shown in FIG. 7E,
As a method for forming the
[A6]
次に、図7(f)に示すように、連結部材252、253、262、263について所定の厚さとなるよう、空間41側(図7でいう下側)から、ハーフエッチングを行う。
そして、第2の弾性部28に、ボロン、リン等を拡散(ドープ)させてピエゾ抵抗素子70を形成し、さらに、電極81〜84をピエゾ抵抗素子70に接続する。
一方、支持部23に電極811〜841を配設する。そして、各電極81〜84と各電極811〜841とを配線812〜842により接続する。
以上のようにして、第1実施形態のアクチュエータ1が製造される。
[A6]
Next, as shown in FIG. 7F, half-etching is performed from the
Then, boron, phosphorus or the like is diffused (doped) into the second
On the other hand, the
As described above, the actuator 1 of the first embodiment is manufactured.
<第2実施形態>
次に、本発明のアクチュエータの第2実施形態について説明する。
図8は、本発明のアクチュエータの第2実施形態を示す斜視図である。なお、以下では、説明の便宜上、図8の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
Second Embodiment
Next, a second embodiment of the actuator of the present invention will be described.
FIG. 8 is a perspective view showing a second embodiment of the actuator of the present invention. In the following, for convenience of explanation, the upper side in FIG. 8 is referred to as “upper”, the lower side as “lower”, the right side as “right”, and the left side as “left”.
以下、第2実施形態のアクチュエータについて、前述した第1実施形態のアクチュエータとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第2実施形態のアクチュエータ1Aは、第1の質量部21Aの構成が異なる以外は、第1実施形態のアクチュエータ1とほぼ同様である。
すなわち、図8に示すアクチュエータ1Aは、枠状をなす第1の質量部21Aと、第1の質量部21Aの内側に設けられた第2の質量部24とを有している。このような第1の質量部21には、第1の弾性部25、26が連結している。すなわち、中心軸部材251、261および連結部材252、253、262、263が、1つの第1の質量部21Aに接合している。したがって、1対の第1の弾性部25、26により、1つの第1の質量部21Aを回動駆動させることができる。これにより、例えば、第1実施形態で説明したようなアクチュエータ1の場合に起こりうる、1対の第1の質量部21、22の回動駆動のタイミングがずれることにより、所望の振動特性を発揮することができないという問題を防止することができる。すなわち、本実施形態のアクチュエータ1Aによれば、第1の質量部21Aの回動により、第2の弾性部27、28を捩れ変形させるため、第2の弾性部27、28の捩れ変形を同一のタイミングで行うことができる。その結果、第2の質量部24をより高精度に回動させることができ、アクチュエータ1は、所望の振動(回動)特性を発揮することができる。
Hereinafter, the actuator of the second embodiment will be described focusing on the differences from the actuator of the first embodiment described above, and the description of the same matters will be omitted.
The
That is, the
以上、本発明のアクチュエータについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明のアクチュエータでは、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、前述した実施形態では、連結部材が直線状をなしていたが、2つの連結部材を互いに逆方向に主として曲げ変形させることにより、第1の弾性連結部全体を捩り変形させることができるものであれば、連結部材の形状は任意である。例えば、連結部材は湾曲していてもよい。また、連結部材の横断面形状は、例えば、楕円形状であってもよく、長方形の各角が丸みを帯びているものであってもよく、また、異形状であってもよい。
The actuator of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, but the present invention is not limited to this. For example, in the actuator of the present invention, the configuration of each part can be replaced with an arbitrary configuration that exhibits the same function, and an arbitrary configuration can be added.
In the above-described embodiment, the connecting member has a linear shape. However, the first elastic connecting portion as a whole can be twisted and deformed by bending the two connecting members mainly in opposite directions. If so, the shape of the connecting member is arbitrary. For example, the connecting member may be curved. Further, the cross-sectional shape of the connecting member may be, for example, an elliptical shape, each corner of the rectangle may be rounded, or may be an irregular shape.
また、前述した実施形態では、中心軸部材は、各第1の弾性部について1本のみ設けられていたが、例えば、2本の中心軸部材がZ軸方向に沿って並設されていてもよい。また、中心軸部材は、回動中心軸100を一定に保って第1の質量部を回動駆動させることができれば、その形状は任意である。
また、前述した実施形態では、圧電素子が連結部材の上面に接合していたが、連結部材を互いに逆方向に主として曲げ変形させることができるものであれば、圧電素子の配置は任意である。
In the above-described embodiment, only one central shaft member is provided for each first elastic portion. However, for example, two central shaft members may be provided in parallel along the Z-axis direction. Good. Further, the shape of the central shaft member is arbitrary as long as the first mass portion can be rotationally driven while keeping the rotational central shaft 100 constant.
In the above-described embodiment, the piezoelectric element is bonded to the upper surface of the connecting member. However, the arrangement of the piezoelectric element is arbitrary as long as the connecting member can be bent and deformed mainly in the opposite directions.
また、前述した実施形態では、アクチュエータの中心を通り第1の質量部や第2の質量部の回動軸線に直角な面に対しほぼ対称(左右対称)な形状をなしている構造を説明したが、非対称であってもよい。
また、前述した実施形態では、光反射部が第2の質量部の上面(支持基板とは逆側の面)に設けられている構成について説明したが、例えば、その逆の面に設けられている構成であってもよいし、両方の面に設けられている構成であってもよい。
また、前述した実施形態では、2自由度振動系について説明したが、例えば1自由度振動系のアクチュエータに用いてもよい。この場合には、例えば、第1の質量部21、22と第2の弾性部27、28と第2の質量部24とを1自由度振動系の質量部とすることができる。
In the above-described embodiment, a structure has been described in which the shape is substantially symmetric (symmetric) with respect to a plane that passes through the center of the actuator and is perpendicular to the rotation axis of the first mass portion and the second mass portion. However, it may be asymmetric.
In the above-described embodiment, the configuration in which the light reflecting portion is provided on the upper surface of the second mass portion (the surface opposite to the support substrate) has been described. For example, the light reflecting portion is provided on the opposite surface. The structure which is provided may be sufficient and the structure provided in both surfaces may be sufficient.
In the above-described embodiment, the two-degree-of-freedom vibration system has been described. However, for example, it may be used for a one-degree-of-freedom vibration system actuator. In this case, for example, the
1、1A‥‥‥アクチュエータ 2‥‥‥基体 21、22、21A‥‥‥第1の質量部(駆動部) 23‥‥‥支持部 24‥‥‥第2の質量部 241‥‥‥光反射部 25、26‥‥‥第1の弾性部 251、261‥‥‥中心軸部材 252、253、262、263‥‥‥連結部材 27、28‥‥‥第2の弾性部 31、32、33、34‥‥‥圧電素子 311、321、331、341‥‥‥圧電体層 312、313、322、323、332、333、342、343‥‥‥電極 314、324、334、344‥‥‥端子 4‥‥‥支持基板 41‥‥‥開口部 5‥‥‥接合層 6‥‥‥SOI基板 61‥‥‥Si層 62‥‥‥SiO2層 63‥‥‥Si層 70‥‥‥ピエゾ抵抗素子 81、811、82、821‥‥‥入力電極(電極) 83、831、84、841‥‥‥出力電極(電極) 812、822、832、842‥‥‥配線 100‥‥‥回動中心軸
1, 1A ...
Claims (11)
前記支持部に対して回動可能な質量部と、
前記質量部を回動可能とするように支持する弾性部と、
前記質量部を回動駆動させるための駆動手段とを有し、
前記駆動手段を作動させることにより、前記弾性部を捩れ変形させながら、前記質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
前記弾性部は、
前記質量部の回動中心軸上に延在する中心軸部材と、前記中心軸部材を介して互いに対向する少なくとも1対の連結部材とを有し、
前記駆動手段の作動により、前記1対の連結部材を互いに反対方向に曲げ変形させつつ、前記中心軸部材を捩れ変形させることで前記質量部を回動させるように構成されていることを特徴とするアクチュエータ。 A support part;
A mass part rotatable with respect to the support part;
An elastic part that supports the mass part to be rotatable;
Drive means for rotationally driving the mass part,
An actuator configured to rotate the mass portion while twisting and deforming the elastic portion by operating the driving means;
The elastic part is
A central shaft member extending on the rotational central axis of the mass portion, and at least one pair of connecting members facing each other via the central shaft member;
The mass mechanism is configured to rotate by twisting and deforming the central shaft member while bending and deforming the pair of connecting members in opposite directions by the operation of the driving means. Actuator to do.
1対の第1の質量部と、
前記1対の第1の質量部間に設けられた第2の質量部とを有し、
前記弾性部は、
前記支持部に対して前記第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記第1の質量部とを連結する1対の第1の弾性部と、
前記第1の質量部に対して前記第2の質量部を回動可能とするように、前記第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する1対の第2の弾性部とを有し、
前記中心軸部材および前記1対の連結部材は、それぞれ前記第1の弾性部に設けられている請求項1に記載のアクチュエータ。 The mass part is
A pair of first mass parts;
A second mass part provided between the pair of first mass parts,
The elastic part is
A pair of first elastic parts connecting the support part and the first mass part so that the first mass part is rotatable with respect to the support part;
A pair of second elastic portions connecting the first mass portion and the second mass portion so that the second mass portion is rotatable with respect to the first mass portion; Have
The actuator according to claim 1, wherein the central shaft member and the pair of connecting members are provided in the first elastic portion, respectively.
枠状をなす第1の質量部と、
前記第1の質量部の内側に設けられた第2の質量部とを有し、
前記弾性部は、
前記支持部に対して前記第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記第1の質量部とを連結する1対の第1の弾性部と、
前記第1の質量部に対して前記第2の質量部を回動可能とするように、前記第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する1対の第2の弾性部とを有し、
前記中心軸部材および前記1対の連結部材は、それぞれ前記第1の弾性部に設けられている請求項1に記載のアクチュエータ。 The mass part is
A first mass part having a frame shape;
A second mass part provided inside the first mass part,
The elastic part is
A pair of first elastic parts connecting the support part and the first mass part so that the first mass part is rotatable with respect to the support part;
A pair of second elastic portions connecting the first mass portion and the second mass portion so that the second mass portion is rotatable with respect to the first mass portion; Have
The actuator according to claim 1, wherein the central shaft member and the pair of connecting members are provided in the first elastic portion, respectively.
前記中心軸部材について、前記第1の質量部の面上において前記回動中心軸に直角な方向での幅をW1とし、前記第1の質量部の面に直角な方向での厚さをH1としたとき、W1は、H1より小さい請求項2または3に記載のアクチュエータ。 The first mass part has a plate shape,
For the central axis member, the thickness at the width in the direction perpendicular to the rotational axis in the first mass on the surface as W 1, the direction perpendicular to the plane of the first mass when the H 1, W 1, the actuator according to H 1 smaller claim 2 or 3.
各前記1対の連結部材について、前記第1の質量部の面上において前記第1の質量部の回動中心軸に直角な方向での幅をW2とし、前記第1の質量部の面に直角な方向での厚さをH2としたとき、W2は、H2より大きい請求項4に記載のアクチュエータ。 The first mass part has a plate shape,
For each of the pair of connecting members, the width of the first mass portion in the direction perpendicular to the rotation center axis of the first mass portion is W 2 on the surface of the first mass portion, and the surface of the first mass portion when the thickness at the perpendicular direction is with H 2 to, W 2 is actuator according in H 2 greater claim 4.
前記中心軸部材について、前記第1の質量部の面上において前記第1の質量部の回動中心軸に直角な方向での幅をW1とし、前記第1の質量部の面に直角な方向での厚さをH1とし、
各前記1対の連結部材について、前記第1の質量部の面上において前記第1の質量部の回動中心軸に直角な方向での幅をW2とし、前記第1の質量部の面に直角な方向での厚さをH2としたとき、W1とW2とが、W1<W2の関係を満たし、かつ、H1とH2とが、H1>H2を満たす請求項4または5に記載のアクチュエータ。 The first mass part has a plate shape,
The width of the central shaft member in the direction perpendicular to the rotation central axis of the first mass unit is W 1 on the surface of the first mass unit, and the width is perpendicular to the surface of the first mass unit. the thickness in the direction as H 1,
For each of the pair of connecting members, the width of the first mass portion in the direction perpendicular to the rotation center axis of the first mass portion is W 2 on the surface of the first mass portion, and the surface of the first mass portion W 1 and W 2 satisfy the relationship of W 1 <W 2 , and H 1 and H 2 satisfy H 1 > H 2 where the thickness in the direction perpendicular to H 2 is H 2 . The actuator according to claim 4 or 5.
前記圧電素子は、各前記連結部材に接合され、前記1対の連結部材を互いに逆方向に主として曲げ変形させるよう構成されている請求項2ないし8のいずれかに記載のアクチュエータ。 The driving means includes a piezoelectric element that mainly bends and deforms each of the connecting members,
The actuator according to any one of claims 2 to 8, wherein the piezoelectric element is joined to each of the connecting members, and is configured to bend and deform the pair of connecting members mainly in directions opposite to each other.
前記挙動検知手段は、前記第2の弾性部上に設けられたピエゾ抵抗素子を備え、該ピエゾ抵抗素子の抵抗値の変化に基づいて、前記第2の質量部の挙動を検知するように構成されている請求項2ないし9のいずれかに記載のアクチュエータ。 Having a behavior detecting means for detecting the behavior of the second mass part;
The behavior detecting means includes a piezoresistive element provided on the second elastic part, and is configured to detect the behavior of the second mass part based on a change in the resistance value of the piezoresistive element. The actuator according to any one of claims 2 to 9, wherein
The actuator according to any one of claims 2 to 10, wherein the second mass portion is provided with a light reflecting portion having light reflectivity.
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- 2006-06-09 JP JP2006161346A patent/JP2007326204A/en active Pending
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