JP2002214560A

JP2002214560A - アクチュエーター

Info

Publication number: JP2002214560A
Application number: JP2001013489A
Authority: JP
Inventors: Kazunari Tokuda; 一成徳田
Original assignee: Olympus Optical Co Ltd
Current assignee: Olympus Corp
Priority date: 2001-01-22
Filing date: 2001-01-22
Publication date: 2002-07-31

Abstract

(57)【要約】【課題】落下等による衝撃荷重に対して破損し難く変形
もし難いアクチュエーターを提供する。【解決手段】アクチュエーターは、可動板１０２と、こ
れを支持するための一対の弾性部材であるトーションバ
ー１０４と、トーションバー１０４を保持する一対の固
定部材１０６とを備えている。一対のトーションバー１
０４は、可動板１０２の両側から対称的に直線的に延
び、固定部材１０６で終端している。トーションバー１
０４は、一定の厚さを有し、両端において最も大きく、
中央において最も小さく、両端から中央に近づくにつれ
て直線的に減少する幅を有している。つまり、トーショ
ンバー１０４の断面は、トーションバー１０４の長さの
半分の範囲において、端から中央に近づくにつれて連続
的に減少する断面を有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、光スキャナーや速
度センサー等に用いられる板バネ構造体であるアクチュ
エーターに関する。

【０００２】

【従来の技術】特開平１０−１２３４４９号は、例えば
半導体プロセスによって作製された板バネ構造体を用い
た光スキャナを開示している。そのような板バネ構造体
であるアクチュエーターの基本構造を図２１に示す。図
２１に示されるように、この種のアクチュエーターは、
可動板１０２と、これを支持するための一対の弾性部材
であるトーションバー１０４と、トーションバー１０４
を保持する一対の固定部材１０６とを備えている。一対
のトーションバー１０４は、可動板１０２の両側から対
称的に直線的に延び、固定部材１０６で終端している。

【０００３】このようなアクチュエーターを用いた光ス
キャナでは、例えば、可動板１０２は、一方の面に形成
された反射面と、反対側の面に形成された可動板１０２
の周縁部を周回する駆動コイルとを有し、光スキャナ
は、さらに、可動板１０２の両側に配置された一対の永
久磁石を備えている。

【０００４】駆動コイルへの交流電流の供給により、駆
動コイルを流れる電流が永久磁石の作り出す磁場との相
互作用によりローレンツ力を受ける結果、可動板１０２
は、周期的に方向が替わる偶力を受けるため、二本のト
ーションバー１０４を通る揺動軸を軸にして振動する。
その結果、可動板１０２の反射面で反射される光ビーム
は、一定の角度幅で周期的に走査される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】このようなアクチュエ
ーターが落下した場合、床に衝突した瞬間に加速度が加
わり、可動板１０２はその質量に加速度を乗じた慣性力
を受ける。その結果、弾性部材１０４は、慣性力の方向
や大きさによっては、亀裂や断裂等が生じて破損してし
まったり、破損まではいかなくとも、塑性変形を起こし
て特性が恒久的に変わってしまったりすることが考えら
れる。

【０００６】アクチュエーターが、可動板１０２の表面
を水平にして落下した場合、床との衝突による衝撃によ
り、図２２に示されるように、可動板１０２はたわみ変
形を起こす。

【０００７】また、アクチュエーターが、弾性部材１０
４の軸方向を垂直にして落下した場合、一般に可動板１
０２の重心位置は弾性部材１０４の軸から外れているた
め、床との衝突による衝撃により、図２３に示されるよ
うに、可動板１０２は屈曲変形を起こす。

【０００８】また、アクチュエーターが、弾性部材１０
４の軸を水平に、可動板１０２の面を垂直にして落下し
た場合、一般に可動板１０２の重心位置は弾性部材１０
４の軸から外れているため、床との衝突による衝撃によ
り、慣性力が弾性部材１０４の軸に対してモーメントと
して作用し、図２４に示されるように、弾性部材１０４
はねじれ変形を起こす。

【０００９】実際の場面では落下による衝撃は任意の方
向に加わるため、上に説明した３方向の慣性力が任意に
組み合わされて加わる場合を想定しなければならない。

【００１０】本発明は、このような実状を鑑みてなされ
たものであり、その目的は、落下等による衝撃荷重に対
して破損し難く変形もし難いアクチュエーターを提供す
ることである。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明のアクチュエータ
ーは、可動板と、これを支持するための弾性部材と、弾
性部材を保持する固定部材とを備えており、弾性部材
は、その長手軸に沿った位置に依存して変化する断面を
有し、この断面は、両端において相対的に大きく、中央
において相対的に小さい面積を有している。

【００１２】ひとつの形態においては、弾性部材の断面
は、両端から少なくとも弾性部材の長さの３分の１の範
囲において、両端から中央に近づくにつれて連続的に減
少する面積を有している。

【００１３】別の形態においては、弾性部材の断面は、
両端から中央に近づく間に、段階的に減少する面積を有
している。

【００１４】

【発明の実施の形態】弾性部材の破損は、フォンミーゼ
スの応力が許容値を超えた場合に起こると考えられる。
複雑な応力状態でのフォンミーゼスの応力を解析的に求
めるのは難しいが、コンピュータシミュレーションによ
り求めることができる。

【００１５】フォンミーゼスの応力とは、材料の破損が
単位体積あたりの剪断歪みエネルギーがある限界値に達
したときに起こるというミーゼス−ヘンキーの説に基づ
き、３つの主応力から所定の式によって導かれる応力の
次元の量である。

【００１６】まず、通常の板バネ構造体あるいはアクチ
ュエーターについて考える。アクチュエーターは、図２
５に示されるように、可動板１０２と、これを支持する
ための一対の弾性部材であるトーションバー１０４と、
トーションバー１０４を保持する一対の固定部材１０６
とを備えている。一対のトーションバー１０４は、可動
板１０２の両側から対称的に直線的に延び、固定部材１
０６で終端している。つまり、トーションバー１０４の
各々は、可動板１０２と固定部材１０６の間に延びてい
る。

【００１７】通常のアクチュエーターでは、トーション
バー１０４は、一定の厚さと一定の幅を有している。従
って、トーションバー１０４の断面は、トーションバー
１０４の長手軸に沿った位置に関係なく、常に同じ矩形
の形状を有しており、その面積は一定である。

【００１８】本明細書において、弾性部材あるいはトー
ションバー１０４の「長手軸」という用語は、可動板１
０２と固定部材１０６の間においてトーションバー１０
４が延びている方向を言うものとし、また、弾性部材あ
るいはトーションバー１０４の「断面」という用語は、
トーションバー１０４の長手軸に直交する断面を言うも
のとする。

【００１９】可動板１０２は、２．２ｍｍの長さ、２．
７ｍｍの幅、０．３ｍｍの厚さを有している。可動板１
０２の材質はシリコンである。トーションバー１０４は
一端と他端を有しており、一端は、可動板１０２の一方
の表面に幅の辺の中央において連結されており、他端は
固定部材１０６に連結されている。弾性部材であるトー
ションバー１０４は、１ｍｍの長さ、０．３ｍｍの幅、
７．５μｍの厚さを有している。トーションバー１０４
の材質はポリイミドであり、３０．５ＧＰａのヤング率
を有している。このアクチュエーターは、トーションバ
ー１０４を軸とするねじり運動に対して、１００Ｈｚの
固有振動数を有している。

【００２０】このアクチュエーターを、可動板１０２を
水平にして落下させて衝撃力を与えると、トーションバ
ー１０４が変形を受け、固有振動数が低下するなどの特
性変化を生じることが確認された。

【００２１】このアクチュエーターに対して、シミュレ
ーションによりフォンミーゼスの応力を解析した結果を
図２６に示す。シミュレーションは、可動板１０２の中
央にｘｙｚ軸の３方向に等しく０．００１Ｎの荷重が加
わっているという条件のもとで行なった。図２６のグラ
フは、片方のトーションバーにのみに着目しており、そ
の横軸はトーションバーの軸方向の位置に対応してお
り、従って、グラフの横軸の両端はトーションバーの軸
方向の両端に対応している。

【００２２】図２６から、フォンミーゼスの応力は、ト
ーションバーの両端で大きく、中央で小さいことが分か
る。これは、トーションバーの曲げにより発生する曲げ
応力が支配的であることを示している。両端に生じる最
大値は、１．０×１０⁸[Ｐａ＝Ｎ/ｍ²]であった。

【００２３】第一実施形態第一実施形態のアクチュエーターについて図１と図２を
参照しながら説明する。本実施形態のアクチュエーター
は、弾性部材がねじりバネすなわちトーションバーとし
て働くねじりアクチュエーターである。

【００２４】図１に示されるように、板バネ構造体ある
いはアクチュエーターは、可動板１０２と、これを支持
するための一対の弾性部材であるトーションバー１０４
と、トーションバー１０４を保持する一対の固定部材１
０６とを備えている。一対のトーションバー１０４は、
可動板１０２の両側から対称的に直線的に延び、固定部
材１０６で終端している。つまり、トーションバー１０
４の各々は、可動板１０２と固定部材１０６の間に延び
ている。

【００２５】本実施形態のアクチュエーターでは、トー
ションバー１０４は、一定の厚さを有し、両端において
最も大きく、中央において最も小さく、両端から中央に
近づくにつれて直線的に減少する幅を有している。従っ
て、トーションバー１０４は、長手軸に沿った位置に依
存して幅が変化する矩形の断面を有しており、その面積
は、長手軸に沿った位置に依存して連続的に変化する。
つまり、トーションバー１０４の断面は、トーションバ
ー１０４の長さの半分の範囲において、端から中央に近
づくにつれて連続的に減少する断面を有している。

【００２６】可動板１０２は、２．２ｍｍの長さ、２．
７ｍｍの幅、０．３ｍｍの厚さを有している。可動板１
０２の材質はシリコンである。トーションバー１０４は
一端と他端を有しており、一端は可動板１０２の一方の
表面に幅の辺の中央に連結されており、他端は固定部材
１０６に連結されている。トーションバー１０４は、
１．０ｍｍの長さ、８．０μｍの一定の厚さを有してい
る。トーションバー１０４は、可動板１０２および固定
部材１０６と連結されている両端において最も広い０．
３４６ｍｍの幅を有し、両端の中央において最も狭い
０．１５ｍｍの幅を有している。トーションバー１０４
の材質はポリイミドであり、３０．６ＧＰａのヤング率
を有している。このアクチュエーターは、トーションバ
ー１０４を軸とするねじり運動に関して、１００Ｈｚの
固有振動数を有している。

【００２７】このアクチュエーターは、シリコンウェハ
から半導体プロセスを用いて作製される。以下、製作方
法について説明する。シリコンウェハの上面にアルミを
成膜した後、フォトエッチングによりトーションバーの
形状にアルミをパターニングする。その上にトーション
バー材料のポリイミド前駆体をスピンコートにより塗布
し、ベーキングして硬化させる。

【００２８】次に、シリコンウェハ下面に窒化シリコン
を成膜した後、フォトエッチングにより可動板と固定部
材の形状に窒化シリコン膜をパターニングする。続い
て、シリコンウェハの下面側をＴＭＡＨに接触させ、露
出しているシリコンをエッチングにより除去する。これ
により、可動板と固定部材の部分を除いて、シリコンが
除去され、シリコンウェハの上面側に形成したアルミと
ポリイミドが露出する。

【００２９】その後、シリコンウェハを下面側からＲＩ
Ｅによりポリイミドをエッチングする。上述のトーショ
ンバーの形状にパターニングされたアルミ膜はＲＩＥに
対するマスクとして機能するため、それ以外の部分の露
出しているポリイミドが選択的に除去される。こうし
て、本実施形態のアクチュエーターが得られる。

【００３０】このアクチュエーターに対して、シミュレ
ーションによりフォンミーゼスの応力を解析した結果を
図２に示す。解析は、このアクチュエーターの可動板１
０２の中央にｘｙｚ軸の３方向に等しく０．００１Ｎの
荷重が加わっているという条件のもとで行なった。図２
において、実線は、本実施形態のアクチュエーターに関
するフォンミーゼスの応力を示し、破線は、弾性部材の
断面積が一定の通常のアクチュエーターに関するフォン
ミーゼスの応力を示している。図２６と同様、図２のグ
ラフの横軸はトーションバーの軸方向の位置に対応して
いる。

【００３１】図２から分かるように、フォンミーゼスの
応力は、やはりトーションバーの両端で最大値を有して
いるが、その値は７．３×１０⁷[Ｐａ]に低下してい
る。これから、本実施形態のアクチュエーターでは、図
２５に代表される弾性部材の断面積が一定の通常のアク
チュエーターと比較して、トーションバー１０４は同じ
ねじり剛性を維持しながら、それに働く応力が分散され
ていることが分かる。

【００３２】このアクチュエーターと通常のアクチュエ
ーターに対して、落下に対する耐衝撃性の比較実験を行
なった。実験は次のようにして行なった。アクチュエー
ターを２ｍの高さから、（ｘｙｚ軸の３×正負の２＝）
６つの向きでタイルの床に落下させ、アクチュエーター
の落下前後の固有振動数を測定した。

【００３３】通常のアクチュエーターでは、トーション
バーが破損してしまい、落下後の固有振動数は計測不能
であった。本実施形態のアクチュエーターでは、落下前
の１００Ｈｚに対して、落下後の固有振動数は９９Ｈｚ
であった。本実施形態のアクチュエーターは、落下によ
る固有振動数の変化が１％に止まっており、耐衝撃性が
改善されていることが確認された。

【００３４】これまでの説明から、弾性部材を、長手軸
方向の位置によらず一定の断面積を有する従来の形状か
ら、長手軸方向の位置に対応して変化する断面積を有す
る新規な形状に変更することにより、フォンミーゼスの
応力の最大値が低下され、フォンミーゼスの応力が平均
化されることが理解できよう。

【００３５】また、フォンミーゼスの応力の最大値の低
下の程度、言い換えれば、フォンミーゼスの応力の平均
化の程度は、弾性部材の断面積の最大値と最小値の比に
依存して変化する。

【００３６】図４は、弾性部材の断面積の最大値と最小
値の比が異なる複数のアクチュエーターに対して、計算
により求めたフォンミーゼスの応力のグラフである。計
算は、アクチュエーターはすべて同じ可動板を有するも
のとし、弾性部材のねじり変形の固有値も同じとなる条
件で行なった。また、弾性部材の断面は矩形とし、厚さ
は一定、幅は図１のアクチュエーターと同様に変化する
ものとしている。

【００３７】シミュレーションにより求めた弾性部材の
寸法を表１に示す。表中の値は、図３に示される形状の
弾性部材における、中央部の幅と、両端部の幅と、これ
らの断面積比とを一覧に示している。

【００３８】

【表１】

【００３９】図４には、弾性部材の断面積の最大値と最
小値の比が、それぞれ、１、１．３、１．５、１．８、
２．３、４．９のアクチュエーターに関するフォンミー
ゼスの応力が図示されている。別の言い方をすれば、両
端の最大の幅ａと中央の最小の幅ｂの比が、それぞれ、
１、１．３、１．５、１．８、２．３、４．９のアクチ
ュエーターに関するフォンミーゼスの応力が図示されて
いる。なお、この比が１のアクチュエーターは、図２５
の通常のアクチュエーターに相当している。

【００４０】図４から、弾性部材の断面積の最大値と最
小値の比が大きくなるにつれて、両端における応力が低
下し、全体的に平均化され、最大値が下がることが分か
る。また、１．５以上の断面積比を有するアクチュエー
ターにおいては、一定の断面積を有する通常のアクチュ
エーターに比べて、２割以上の応力の最大値の低下が実
現されていることが理解できよう。

【００４１】なお、従来、例えば特開昭６３−１９７９
１１号に開示されているように、トーションバーの固定
部材及び可動板との接続部の角に小さくＲを設けた構成
の光スキャナが知られている。この様な構成の光スキャ
ナを図５に示す。しかし、この角Ｒは半導体製造プロセ
スのエッチング工程によって必然的に形成されるもので
あり、落下衝撃等への耐久性向上を図る本願発明とは本
質的に異なる構成である。

【００４２】ここで、角Ｒを設けた従来の光スキャナと
本実施の形態に係るアクチュエータに関してフォンミー
ゼスの応力を解析するシミュレーションを行なった結果
を図６に示す。このシミュレーションにおいては、角Ｒ
を有する従来の光スキャナは、厚さ８μｍ、長さ１ｍｍ
のトーションバーを有し、トーションバーの幅は、中央
の０．９ｍｍの部分で、０．２２ｍｍと一定であり、両
端の０．０５ｍｍの部分において、Ｒ０．０５ｍｍの角
Ｒが設けられているものとしている。また、可動板の寸
法は前述の実施形態と同じとし、可動板の中央にｘｙｚ
軸の３方向に等しく０．００１Ｎの荷重が加わったもの
としている。

【００４３】このように角Ｒを設けた従来のスキャナの
場合、曲率が付いている部分と平行な部分との境界にお
いて応力の集中が起きており、落下時における衝撃緩和
の効果は不十分であることが分かる。

【００４４】以上の説明から、本実施形態のアクチュエ
ーターは、弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエ
ーターに比べて、トーションバーに働く応力が分散され
るため、改善された高い耐衝撃性を有しており、従って
落下等の衝撃に対して破損し難いということが理解でき
る。

【００４５】本実施形態のアクチュエーターは、半導体
プロセスを用いて作製されるポリイミド製のトーション
バーを有しているが、本発明は、同様の半導体プロセス
を用いて作製されるシリコン製や窒化シリコン製のトー
ションバーを有するアクチュエーターに適用されてもよ
い。また、半導体プロセスを用いず、シート状の材料を
トーションバー形状に打ち抜き、これを別途用意した可
動板と固定部材に接着して製作されるアクチュエーター
に適用されてもよい。

【００４６】第二実施形態第二実施形態のアクチュエーターについて図７と図８を
参照しながら説明する。本実施形態のアクチュエーター
は、弾性部材がねじりバネすなわちトーションバーとし
て働くねじりアクチュエーターである。

【００４７】図７に示されるように、アクチュエーター
は、可動板１０２と、これを支持するための一対の弾性
部材であるトーションバー１０４と、トーションバー１
０４を保持する一対の固定部材１０６とを備えている。
一対のトーションバー１０４は、可動板１０２の両側か
ら対称的に直線的に延び、固定部材１０６で終端してい
る。つまり、トーションバー１０４の各々は、可動板１
０２と固定部材１０６の間に延びている。

【００４８】本実施形態のアクチュエーターでは、トー
ションバー１０４は、一定の厚さを有し、両端において
最も大きく、中央において最も小さく、両端から中央に
近づくにつれて二次関数的に減少する幅を有している。
従って、トーションバー１０４は、長手軸に沿った位置
に依存して幅が変化する矩形の断面を有しており、その
面積は、長手軸に沿った位置に依存して連続的に変化す
る。つまり、トーションバー１０４の断面は、トーショ
ンバー１０４の長さの半分の範囲において、端から中央
に近づくにつれて徐々に減少する面積を有している。

【００４９】可動板１０２は、２．２ｍｍの長さ、２．
７ｍｍの幅、０．３ｍｍの厚さを有している。可動板１
０２の材質はシリコンである。トーションバー１０４は
一端と他端を有しており、一端は可動板１０２の一方の
表面に幅の辺の中央に連結されており、他端は固定部材
１０６に連結されている。トーションバー１０４は、
１．０ｍｍの長さ、８．０μｍの一定の厚さを有してい
る。これらは第一実施形態と同じである。

【００５０】トーションバー１０４は、可動板１０２お
よび固定部材１０６と連結されている両端において最も
広い０．５４ｍｍの幅を有し、両端の中央において最も
狭い０．１３ｍｍの幅を有している。トーションバー１
０４の両側の辺は、円弧の一部から成っている。トーシ
ョンバー１０４の材質はポリイミドであり、３０．６Ｇ
Ｐａのヤング率を有している。このアクチュエーター
は、トーションバー１０４を軸とするねじり運動に関し
て、１００Ｈｚの固有振動数を有している。

【００５１】このアクチュエーターに対して、シミュレ
ーションによりフォンミーゼスの応力を解析した結果を
図８に示す。解析は、このアクチュエーターの可動板１
０２の中央にｘｙｚ軸の３方向に等しく０．００１Ｎの
荷重が加わっているという条件のもとで行なった。図８
において、実線は、本実施形態のアクチュエーターに関
するフォンミーゼスの応力を示し、破線は、比較例とし
て、弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエーター
に関するフォンミーゼスの応力を示している。

【００５２】図８から分かるように、フォンミーゼスの
応力は、両端と中央の間に一対のピークを有し、その最
大値は７．６×１０⁷[Ｐａ]に低下している。これか
ら、本実施形態のアクチュエーターでは、図２５に代表
される弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエータ
ーと比較して、トーションバー１０４は同じねじり剛性
を維持しながら、それに働く応力が分散されていること
が分かる。

【００５３】図１０は、弾性部材の断面積の最大値と最
小値の比が異なる複数のアクチュエータに対して、計算
により求めたフォンミーゼスの応力のグラフである。計
算は、アクチュエータは全て同じ可動板を有するものと
し、弾性部材のねじり変形の固有値もほぼ同じとなる条
件で行なった。また、弾性部材の断面は矩形とし、厚さ
は一定、幅は図７のアクチュエータと同様の変化をする
ものとしている。表２にシミュレーションした弾性部材
の寸法を示す。表中の値は、図９に示される形状の弾性
部材における、中央部の幅と、両端部の幅と、これら部
分の断面積比とを一覧に示している。

【００５４】

【表２】

【００５５】図１０から、弾性部材の断面積の最大値と
最小値の比が大きくなるにつれて、両端における応力が
低下し、全体的に平均化され、最大値が下がることが分
かる。また、１．５以上の断面積比を有するアクチュエ
ータにおいては、一定の断面積を有するアクチュエータ
に較べて、２割以上の応力の低下が実現されていること
が理解できよう。

【００５６】従って、本実施形態のアクチュエーター
は、弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエーター
に比べて、トーションバーに働く応力が分散されるので
耐衝撃性が向上しており、落下等の衝撃に対して破損し
難いものとなっている。

【００５７】第三実施形態第三実施形態のアクチュエーターについて図１１と図１
２を参照しながら説明する。本実施形態のアクチュエー
ターは、弾性部材がねじりバネすなわちトーションバー
として働くねじりアクチュエーターである。

【００５８】図１１に示されるように、アクチュエータ
ーは、可動板１０２と、これを支持するための一対の弾
性部材であるトーションバー１０４と、トーションバー
１０４を保持する一対の固定部材１０６とを備えてい
る。一対のトーションバー１０４は、可動板１０２の両
側から対称的に直線的に延び、固定部材１０６で終端し
ている。つまり、トーションバー１０４の各々は、可動
板１０２と固定部材１０６の間に延びている。

【００５９】本実施形態のアクチュエーターでは、トー
ションバー１０４は、一定の厚さを有し、両端において
最も大きく、中央付近の一定区間においては一定で最も
小さく、両端から中央付近の一定区間に近づくにつれて
直線的に減少する幅を有している。従って、トーション
バー１０４の断面は、中央付近の一定区間では一定だ
が、それ以外の区間では長手軸に沿った位置に依存して
幅が変化する矩形の形状を有している。つまり、トーシ
ョンバー１０４の断面積は、中央付近の一定区間では一
定であり、両端付近の一定区間では長手軸に沿った位置
に依存して連続的に変化する。トーションバー１０４の
断面は、トーションバー１０４の長さの約３分の１の範
囲において、端から中央に近づくにつれて徐々に減少す
る面積を有している。

【００６０】可動板１０２は、２．２ｍｍの長さ、２．
７ｍｍの幅、０．３ｍｍの厚さを有している。可動板１
０２の材質はシリコンである。トーションバー１０４は
一端と他端を有しており、一端は可動板１０２の一方の
表面に幅の辺の中央に連結されており、他端は固定部材
１０６に連結されている。トーションバー１０４は、
１．０ｍｍの長さ、８．０μｍの一定の厚さを有してい
る。これらは第一実施形態と同じである。

【００６１】トーションバー１０４は、可動板１０２お
よび固定部材１０６と連結されている両端において最も
広い０．５５ｍｍの幅を有し、中央付近の０．３ｍｍの
区間においては最も狭い０．１５ｍｍの幅を有してい
る。トーションバー１０４の幅は、中央付近の０．３ｍ
ｍの区間では一定であり、両端から０．３５ｍｍの区間
では、端から中央に近づくにつれて直線的に減少してい
る。トーションバー１０４の材質はポリイミドであり、
３０．６ＧＰａのヤング率を有している。このアクチュ
エーターは、トーションバー１０４を軸とするねじり運
動に関して、１００Ｈｚの固有振動数を有している。

【００６２】このアクチュエーターに対して、シミュレ
ーションによりフォンミーゼスの応力を解析した結果を
図１２に示す。解析は、このアクチュエーターの可動板
１０２の中央にｘｙｚ軸の３方向に等しく０．００１Ｎ
の荷重が加わっているという条件のもとで行なった。図
１２において、実線は、本実施形態のアクチュエーター
に関するフォンミーゼスの応力を示し、破線は、比較例
として、弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエー
ターに関するフォンミーゼスの応力を示している。

【００６３】図１２から分かるように、フォンミーゼス
の応力は、両端と中央の間に一対のピークを有し、その
最大値は７．６×１０⁷[Ｐａ]に低下している。これか
ら、本実施形態のアクチュエーターでは、図２５に代表
される弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエータ
ーと比較して、トーションバー１０４は同じねじり剛性
を維持しながら、それに働く応力が分散されていること
が分かる。

【００６４】図１４は、弾性部材の断面積一定の部分の
長さが異なる複数のアクチュエータに対して、計算によ
り求めたフォンミーゼスの応力のグラフである。計算
は、アクチュエータは全て同じ可動板を有するものと
し、弾性部材のねじり変形の固有値もほぼ同じとなる条
件で行なった。また、弾性部材の断面は矩形とし、厚さ
は一定、幅は図１１のアクチュエータと同様の変化をす
るものとしている。表３にシミュレーションした弾性部
材の寸法を示す。表中の値は、図１３に示される形状の
弾性部材における、ストレート部の長さと、中央部の幅
と、両端部の幅とを一覧に示している。

【００６５】

【表３】

【００６６】図１４から、ストレート部の長さが全体長
さの２分の１以下のアクチュエータにおいて応力が全体
的に平均化され、最大値が下がることが分かる。ストレ
ート部の長さが全体の長さの７割以上の場合には、断面
積が変化している部分と、断面積一定の部分との境界部
分において、返って応力が増加していることが分かる。

【００６７】従って、本実施形態のアクチュエーター
は、弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエーター
に比べて、トーションバーに働く応力が分散されるので
耐衝撃性が向上しており、落下等の衝撃に対して破損し
難いものとなっている。

【００６８】第四実施形態第四実施形態のアクチュエーターについて図１５ないし
図１９を参照しながら説明する。本実施形態のアクチュ
エーターは、弾性部材がねじりバネすなわちトーション
バーとして働くねじりアクチュエーターである。

【００６９】図１５に示されるように、アクチュエータ
ーは、可動板１０２と、これを支持するための一対の弾
性部材であるトーションバー１０４と、トーションバー
１０４を保持する一対の固定部材１０６とを備えてい
る。一対のトーションバー１０４は、可動板１０２の両
側から対称的に直線的に延び、固定部材１０６で終端し
ている。つまり、トーションバー１０４の各々は、可動
板１０２と固定部材１０６の間に延びている。

【００７０】本実施形態のアクチュエーターでは、トー
ションバー１０４は、一定の幅を有しているが、図１６
に示されるように、両端付近の一定区間では厚く、中央
付近の一定区間では薄く、段階的に変化する厚さを有し
ている。従って、トーションバー１０４の断面は、中央
付近の一定区間内において小さい矩形の形状を有し、両
端付近の一定区間内では大きい矩形の形状を有してい
る。つまり、トーションバー１０４は、長手軸に沿った
位置に依存して厚さが段階的に変化する矩形の断面を有
している。従って、トーションバー１０４の断面は、端
から中央に近づく間において段階的に変化する面積を有
している。

【００７１】可動板１０２は、２．２ｍｍの長さ、２．
７ｍｍの幅、０．３ｍｍの厚さを有している。可動板１
０２の材質はシリコンである。トーションバー１０４は
一端と他端を有しており、一端は可動板１０２の一方の
表面に幅の辺の中央に連結されており、他端は固定部材
１０６に連結されている。トーションバー１０４は、
１．０ｍｍの長さを有している。これらは第一実施形態
と同じである。

【００７２】トーションバー１０４は、０．３ｍｍの一
定の幅を有しており、可動板１０２および固定部材１０
６と連結されている両端から０．２８ｍｍの区間におい
ては９．４μｍの厚さを有し、中央付近の０．４４ｍｍ
の区間においては６．０μｍの厚さを有している。トー
ションバー１０４の材質はポリイミドであり、３０．６
ＧＰａのヤング率を有している。このアクチュエーター
は、トーションバー１０４を軸とするねじり運動に関し
て、９９Ｈｚの固有振動数を有している。

【００７３】このアクチュエーターに対して、シミュレ
ーションによりフォンミーゼスの応力を解析した結果を
図１７に示す。解析は、このアクチュエーターの可動板
１０２の中央にｘｙｚ軸の３方向に等しく０．００１Ｎ
の荷重が加わっているという条件のもとで行なった。図
１７において、実線は、本実施形態のアクチュエーター
に関するフォンミーゼスの応力を示し、破線は、比較例
として、弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエー
ターに関するフォンミーゼスの応力を示している。

【００７４】図１７から分かるように、フォンミーゼス
の応力は、両端と中央の間に一対のピークを有し、その
最大値は７．６×１０⁷[Ｐａ]に低下している。これか
ら、本実施形態のアクチュエーターでは、図２５に代表
される弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエータ
ーと比較して、トーションバー１０４は同じねじり剛性
を維持しながら、それに働く応力が分散されていること
が分かる。

【００７５】図１９は、弾性部材の断面積の最大値と最
小値の比が異なる複数のアクチュエータに対して、計算
により求めたフォンミーゼスの応力のグラフである。計
算は、アクチュエータは全て同じ可動板を有するものと
し、弾性部材のねじり変形の固有値もほぼ同じとなる条
件で行なった。また、弾性部材の断面は矩形とし、幅は
一定、厚さは図１５のアクチュエータと同様の変化をす
るものとしている。表４にシミュレーションした弾性部
材の寸法を示す。表中の値は、図１８に示される形状の
弾性部材における、中央部の厚さと、両端部の厚さと、
これらの断面積比とを一覧に示している。

【００７６】

【表４】

【００７７】図１９から、弾性部材の断面積の最大値と
最小値の比が大きくなるにつれて、両端における応力が
低下し、全体的に平均化され、最大値が下がることが分
かる。また、１．３以上の断面積比を有するアクチュエ
ータにおいては、一定の断面積を有するアクチュエータ
に較べて、２割以上の応力の低下が実現されていること
が理解できよう。

【００７８】従って、本実施形態のアクチュエーター
は、弾性部材の断面積が一定の通常のアクチュエーター
に比べて、トーションバーに働く応力が分散されるので
耐衝撃性が向上しており、落下等の衝撃に対して破損し
難いものとなっている。

【００７９】第五実施形態第五実施形態のアクチュエーターについて図２０を参照
しながら説明する。本実施形態のアクチュエーターは、
弾性部材が曲げバネとして働くアクチュエーターであ
る。

【００８０】図２０に示されるように、アクチュエータ
ーは、可動板１０２と、これを支持するための一対の弾
性部材である曲げバネ１０４と、曲げバネ１０４を保持
する一対の固定部材１０６とを備えている。一対の曲げ
バネ１０４は可動板１０２から両側に対称的に直線的に
延びている。

【００８１】本実施形態のアクチュエーターでは、曲げ
バネ１０４は、一定の厚さを有し、両端において最も大
きく、中央において最も小さく、両端から中央に近づく
につれて直線的に減少する幅を有している。従って、曲
げバネ１０４の断面は、長手軸に沿った位置に依存して
幅が変化する矩形の形状を有しており、その面積は、長
手軸に沿った位置に依存して連続的に変化する。トーシ
ョンバー１０４の断面は、トーションバー１０４の長さ
の半分の範囲において、端から中央に近づくにつれて徐
々に減少する面積を有している。

【００８２】可動板１０２は、２．４ｍｍの長さ、２．
９ｍｍの幅、０．１ｍｍの厚さを有している。曲げバネ
１０４は一端と他端を有しており、一端は可動板１０２
の一方の表面に幅の辺の中央に連結されており、他端は
固定部材１０６に連結されている。曲げバネ１０４と可
動板１０２と固定部材１０６は、いずれも材質がシリコ
ンであり、一枚のシリコンウェハから一体的に作られ、
いずれも同じ０．１ｍｍの厚さを有している。曲げバネ
１０４は、１．０ｍｍの長さを有し、可動板１０２およ
び固定部材１０６と連結されている両端において最も広
い６２．４μｍの幅を有し、両端の中央において最も狭
い１０μｍの幅を有している。曲げバネ１０４の材質の
シリコンは、１９０ＧＰａのヤング率を有している。可
動板１０２は、図中の往復矢印で示される方向に並進往
復運動をする。

【００８３】本実施形態のアクチュエーターにおいて
も、上述した実施形態と同様に、弾性部材の断面積が一
定の通常のアクチュエーターに比べて、曲げバネに働く
応力が分散されるので耐衝撃性が向上しており、落下等
の衝撃に対して破損し難いものとなっている。

【００８４】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

【００８５】１．可動板、固定部材、前記可動板を前
記固定部材に対して支持する弾性部材とを備えたアクチ
ュエーターにおいて、前記弾性部材は、その断面積が弾
性部材の軸方向における両端部で大きく、中央部で相対
的に小さいことを特徴とするアクチュエーター。

【００８６】（作用効果）フォンミーゼスの応力に対
しては曲げ応力が支配的であるため、弾性部材両端部の
断面積を相対的に大きくして断面係数を大きくし、逆に
弾性部材中央部の断面積を相対的に小さくして断面係数
を小さくすることにより、曲げ応力を平均化でき、フォ
ンミーゼスの応力を平均化し最大値を下げることができ
る。従って、効果として衝撃荷重に強いアクチュエータ
ーを実現できる。

【００８７】２．前記弾性部材の断面積が弾性部材の
軸方向に沿って連続的に変化していることを特徴とする
第１項に記載のアクチュエーター。

【００８８】（作用効果）本アクチュエーターは、第
１項の作用効果に加え、断面積が連続的に変化している
ため、弾性部材部のフォンミーゼスの応力をよりスムー
ズに平均化できるという効果を有する。

【００８９】３．前記弾性部材は前記可動板表面に垂
直な方向の厚みが中央部付近で薄くなるよう不連続に変
化していることを特徴とする第１項に記載のアクチュエ
ーター。

【００９０】（作用効果）本アクチュエーターは、第１
項の作用効果に加え、断面積が不連続的に変化している
ため、製作が容易である。

【００９１】４．前記弾性部材の断面積が最も大きい
部分の断面積が、断面積が最も小さい部分の断面積の
１．５倍以上であることを特徴とする第１項に記載のア
クチュエーター。

【００９２】（作用効果）断面積比が１．５以上であれ
ば、応力の２割以上の低減効果が得られる。

【００９３】５．弾性部材の断面積が変化しない部分
があり、その部分の軸方向の寸法が、弾性部材全体の軸
方向の寸法の２分の１以下であることを特徴とする第１
項に記載のアクチュエーター。

【００９４】（作用効果）弾性部材の断面積が変化し
ない部分を設けることにより、弾性部材の断面積の最も
小さい部分の面積を大きくすることができる。そうする
ことにより、弾性部材をかなり大きくねじり動作させて
用いるアクチュエーターの場合、動作時に加わるねじり
応力に対しても強くすることができる。

【００９５】

【発明の効果】本発明によれば、弾性部材を、長手軸方
向の位置によらず一定の断面積を有する従来の形状か
ら、長手軸方向の位置に対応して変化する断面積を有す
る新規な形状に変更して、弾性部材に働く応力を分散さ
せることにより、落下等による衝撃荷重に対して破損し
難く変形もし難いアクチュエーターが提供される。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による第一実施形態のアクチュエーター
の平面図である。

【図２】図１に示されるアクチュエーターに対して、シ
ミュレーションによりフォンミーゼスの応力を解析した
結果を示すグラフである。

【図３】図１に示されるアクチュエータの弾性部材を拡
大して示している。

【図４】弾性部材の断面積の最大値と最小値の比が異な
る複数のアクチュエーターに対して、計算により求めた
フォンミーゼスの応力のグラフである。

【図５】トーションバーの固定部に角Ｒを設けた従来の
光スキャナを示している。

【図６】角Ｒを設けた従来の光スキャナと本実施の形態
に係るアクチュエータに対して、シミュレーションによ
り求めたフォンミーゼスの応力のグラフである。

【図７】本発明による第二実施形態のアクチュエーター
の平面図である。

【図８】図７に示されるアクチュエーターに対して、シ
ミュレーションによりフォンミーゼスの応力を解析した
結果を示すグラフである。

【図９】図７に示されるアクチュエータの弾性部材を拡
大して示している。

【図１０】弾性部材の断面積の最大値と最小値の比が異
なる複数のアクチュエータに対して、計算により求めた
フォンミーゼスの応力のグラフである。

【図１１】本発明による第三実施形態のアクチュエータ
ーの平面図である。

【図１２】図１１に示されるアクチュエーターに対し
て、シミュレーションによりフォンミーゼスの応力を解
析した結果を示すグラフである。

【図１３】図１１に示されるアクチュエータの弾性部材
を拡大して示している。

【図１４】弾性部材の断面積一定の部分の長さが異なる
複数のアクチュエータに対して、計算により求めたフォ
ンミーゼスの応力のグラフである。

【図１５】本発明による第四実施形態のアクチュエータ
ーの平面図である。

【図１６】本発明による第四実施形態のアクチュエータ
ーの側面図である。

【図１７】図１５に示されるアクチュエーターに対し
て、シミュレーションによりフォンミーゼスの応力を解
析した結果を示すグラフである。

【図１８】図１６に示されるアクチュエータの弾性部材
を拡大して示している。

【図１９】弾性部材の断面積の最大値と最小値の比が異
なる複数のアクチュエータに対して、計算により求めた
フォンミーゼスの応力のグラフである。

【図２０】本発明による第五実施形態のアクチュエータ
ーの平面図である。

【図２１】光スキャナ等に用いられる従来のアクチュエ
ーターの基本構造を示している。

【図２２】可動板の表面を水平にして床に落下したアク
チュエーターの変形の様子を示している。

【図２３】弾性部材の軸方向を垂直にして床に落下した
アクチュエーターの変形の様子を示している。

【図２４】弾性部材の軸を水平に、可動板の面を垂直に
して床に落下したアクチュエーターの変形の様子を示し
ている。

【図２５】通常のアクチュエーターの平面図である。

【図２６】図２５に示されるアクチュエーターに対し
て、シミュレーションによりフォンミーゼスの応力を解
析した結果を示すグラフである。

【符号の説明】

１０２可動板１０４トーションバー１０６固定部材

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】可動板と、これを支持するための弾性部材
と、弾性部材を保持する固定部材とを備えており、弾性
部材は、その長手軸に沿った位置に依存して変化する断
面を有し、この断面は、両端において相対的に大きく、
中央において相対的に小さい面積を有している、アクチ
ュエーター。
【請求項２】弾性部材の断面は、両端から少なくとも弾
性部材の長さの３分の１の範囲において、両端から中央
に近づくにつれて連続的に減少する面積を有している、
請求項１に記載のアクチュエーター。
【請求項３】弾性部材の断面は、両端から中央に近づく
間に、段階的に減少する面積を有している、請求項１に
記載のアクチュエーター。