【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動板が揺動運動する小型のアクチュエーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
可動板が揺動運動するアクチュエーターは、例えばレーザー光を偏向する用途などに利用されるものである。レーザー光を偏向走査する走査ミラーとしてガルバノミラーがある。ガルバノミラーの駆動原理は磁界中に配置した可動コイルに電流を流すと、電流と磁束とに関連して電磁力が発生して電流に比例したトルクが生じる。このトルクとバネ力とが平衡する角度まで可動コイルが回転し、この可動コイルを介して指針を振らせて電流の有無や大小を検出するというガルバノメータの原理を利用したもので、可動コイルと一体に回転する軸に、前記指針の代わりに反射鏡を設けて構成される。
【０００３】
しかしながら、ガルバノミラーでは機械巻きの駆動コイルと磁界発生のための大型ヨークが必要であり、主に出力トルクの理由から、これらの機械要素の小型化には限度がある。また同時に、各構成部材を組み上げる際のスペース等から、光偏向のための装置全体のサイズが大きくなっていた。
【０００４】
小型の光偏向器としては、半導体製造技術を応用して微小機械を半導体基板上に一体形成するマイクロマシニング技術を用いて作製した光偏向器がある。例えば、Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ等によりシリコンで形成される Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒが非特許文献１に提案されている。この光偏向器は図１１に示すように、機械的可動部３が光偏向板としてのミラー３ａとミラー３ａを支持する梁３ｂからなり、ミラー３ａと基板上に形成した固定電極２との間に駆動電圧を印加し生じる静電引力により、梁にねじりモーメントを与えねじり回転し、ミラー３ａの偏向角度をかえるものである。ミラー部の最大偏向角はミラー部と基板との空隙間隔ｔ０にて一義的に決定される。光偏向器においては偏向角が大きいほど良く、これには空隙間隔を大きくとる必要がある。空隙間隔を大きくとると、固定電極とミラーとの距離を増加し駆動電圧が著しく増加してしまう。逆に低電圧を図るには空隙間隔を短くし、偏向角を抑える必要があり、駆動電圧の低減化と大偏向角化は合い矛盾する課題であった。
【０００５】
また、別の小型の光偏向器としてＲ．Ｓ．Ｍｕｅｌｌｅｒ ｅｔ ａｌ．による非特許文献２で公開されている。図１２は、文献の光偏向器を示す斜視図である。図１３は文献の光偏向器の上面図である。この光偏向器はトーションバーに設けられた櫛歯状の可動電極と、可動電極と高さを変えた位置に噛みあうように配置された櫛歯状の固定電極との間に働く静電力を利用して駆動するところに特徴がある。導体からなる櫛歯状の可動電極とわずかなギャップをあけて配置される固定電極とで一つのコンデンサが構成されている。可動電極と固定電極の間に電圧を加えると静電力が生じるため、可動電極は固定電極に引き寄せられ、トーションバーはねじられた状態になる。トーションバーと連結しているミラーはトーションバーを回転軸を中心とした回転運動を起こすというものである。ミラーの回転角を増やしても櫛歯状の可動電極と櫛歯状の固定電極の配置を変更する必要はない。
【０００６】
具体的に説明すると、文献の光偏向器は、光を反射し、角変位可能なミラー７０４と、ミラー７０４を両側から支持するトーションバー７０１と、トーションバー７０１から延びる櫛歯状の可動電極７０２は一体形成されている。トーションバー７０１は支持基板（不図示）に固定されている。櫛歯状の固定電極７０３は櫛歯状の可動電極７０２と高さを変えた位置にかみ合うように配置されている。支持基板（不図示）はシリコン基板で、ミラー７０４、トーションバー７０１および櫛歯状の可動電極７０２は、シリコン基板を除去加工して形成される。櫛歯状の固定電極７０３は別のシリコン基板を除去加工して形成される。
【０００７】
【非特許文献１】
ＩＢＭ Ｊ．ＲＥＳ．ＤＥＶＥＬＯＰ．，ＶＯＬ．２４，ＮＯ５，９，１９８０．Ｐ６３１−６３７
【非特許文献２】
Ａ ＦＬＡＴ ＨＩＧＨ−ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ ＳＣＡＮＮＩＮＧ ＭＩＣＲＭＩＲＲＯＲ’２０００ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｐｐ６−９
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１に係る光偏向器や非特許文献２に係る光偏向器において、例えば（トーションバーの幅ａ）＜（トーションバーの厚さｂ）となるような場合、トーションバーの剛性を高めるためにａを大きくした場合、トーションバーの長さＬは著し増加し、基板サイズの小型化が困難になってしまうことがあった。これらトーションバーの幅ａ、トーションバーの厚さｂトーションバーの長さＬを説明するための図として図１４を挙げる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、
効率良く、可動板に大きなねじれ角（偏向角）を生じる小型のアクチュエータを提供することである。そしてそのような小型のアクチュエータは光偏向器、前記光偏向器を用いた光学機器を提供するにあたり優位である。
【００１０】
よって本発明は、
可動板と、
前記可動板を支持基板に対して揺動可能に軸支する少なくとも１つのミアンダー状梁と、
前記可動板の変位時に前記ミアンダー状梁と隔間して噛み合わさる位置に配置される固定櫛歯状構造体と
を備えたことを特徴とするアクチュエータを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のアクチュエータは、
（１）可動板と、
前記可動板を支持基板に対して揺動可能に軸支する少なくとも１つのミアンダー状梁と、
前記可動板の変位時に前記ミアンダー状梁と隔間して噛み合わさる位置に配置される固定櫛歯状構造体と
を備えたことを特徴とするアクチュエーターである。
【００１２】
また（２）
前記固定櫛歯状構造体が前記可動板の表面側あるいは裏面側の少なくともいずれか一方に配置されることを特徴とする（１）に記載のアクチュエーターも好ましい。
【００１３】
また（３）
前記固定櫛歯状構造体が前記可動櫛歯状構造体の表面側および裏面側にかつ、前記ミアンダー状梁を挟んで対称に配置されることを特徴とする（１）乃至（２）いずれかに記載のアクチュエーターも好ましい。
【００１４】
また（４）
前記ミアンダー状梁と前記固定櫛歯状構造体が単結晶シリコンであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のアクチュエーターも好ましい。
【００１５】
また（５）
前記ミアンダー状梁と前記固定櫛歯状構造体が軟磁性体で、前記固定櫛歯状構造体の一部に導体が巻かれていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のアクチュエーターも好ましい。
【００１６】
また（６）
（１）乃至（５）のいずれかに記載のアクチュエーターの、前記可動板の表面に反射鏡を設けたことを特徴とする光偏向器も好ましい。
【００１７】
また（７）
（６）に記載の光偏向器を用いた光学機器も好ましい。
【００１８】
その詳細及び作用について典型的な例によって以下に説明する。図１は本発明のアクチュエーターの一実施形態の構成を示す斜視図。図２は本発明のアクチュエーターの一実施形態の構成を示す上面図である。図３は本発明のアクチュエーターの一実施形態の駆動方法を説明する図である。この実施形態において、ミアンダー（ｍｅａｎｄｅｒ）状梁１０１は可動板１０２に対して一直線上にかつ、可動板の重心を両側で支持するように位置する。ミアンダー状梁１０１は固定端１０３で支持基板（不図示）に固定されている。ミアンダー状梁１０１は１本であっても良い。このミアンダー状梁１０１、可動板１０２は支持基板を除去加工して一体形成してもよい。支持基板には、例えば単結晶シリコン基板を用いることができる。固定櫛歯状構造体１０４は可動板１０２が角変位したときにミアンダー状梁１０１が隔間して噛みあうような位置に配置される。固定櫛歯状構造体１０４は例えば単結晶シリコン基板を除去加工して形成することができる。ミアンダー状梁１０１と固定櫛歯状構造体１０４とは電気的な接続はない。
【００１９】
この構成のアクチュエータにおいて、一体形成されたミアンダー状梁、可動板に＋側を、固定櫛歯状構造体に−側を接続して電位差を与えると、静電引力によってミアンダー梁の折れ曲がり部は固定櫛歯状構造体へ引き付けられる。これによりミアンダー梁にねじりモーメントが生じ可動板は支持基板に対して、図３に示すように状態１から状態２へ変位角を生じる。本図３の破線は可動板の外形を示す。固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯が隔間してかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉する（即ちぶつかり合う）ことはない。また、単位変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体との重なり面積の変化量がミアンダー状梁ではない形態と比べてミアンダー状梁の方が折れ曲がっておりその結果かさなり面積が大きい分大きい。これにより変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体とで形成する静電容量Ｃの変化量が大きくなり、低電圧で大きな変位角を生じることが可能である。更に梁がミアンダー状になっており小型化が可能である。
【００２０】
ミアンダー状梁１０１と固定櫛歯状構造体は、軟磁性体であってもよく、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ（パーマロイ）、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等の保磁力が低くて残留磁化が小さく、飽和磁化が大きな軟磁性体を使用することができる。この場合もミアンダー状梁１０１と固定櫛歯状構造体１０４とは電気的な接続はない。固定櫛歯状構造体１０４に絶縁被覆された導体を巻きつけてあってもよい。
【００２１】
この構成のアクチュエーターの導体に電流を流すと、ミアンダー状梁は固定櫛歯状構造体へ引き付けられる。固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯がかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉することはなく、効率的にトルクを発生するため大きな電流を必要とせず大きな変位角が得られる。これにより低消費電力なアクチュエータとなる。更に梁がミアンダー状になっており小型化が可能である。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
【００２３】
（第一実施例）
本実施例では図４乃至７に示すアクチュエーターを設計、製作した。図４は本発明のアクチュエーターの本実施例の構成を示す斜視図である。図５は本実施例の上面図である。図６は本実施例の駆動方法を説明する図である。図７は駆動電圧波形と変位角の応答波形を示す図である。支持基板として厚さ１５０μｍの単結晶シリコン基板を用い、この単結晶シリコン基板をＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて垂直エッチングすることにより、ミアンダー状梁２０１、可動板２０２を一体形成した。ミアンダー状梁２０１は固定端２０３で単結晶シリコン基板（不図示）に固定されている。また、別の単結晶シリコン基板を除去加工して、第一の固定櫛歯状構造体２０４および第二の固定櫛歯状構造体２０５を形成し、ミアンダー状梁２０１の上下に位置に、櫛歯がかみ合うように配置した。これにより可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも上下に配置された固定櫛歯状構造体と干渉することはない。
【００２４】
第一の固定櫛歯状構造体２０４に正のバイアス電圧、第二の固定櫛歯状構造体２０５に負のバイアス電圧を加え、ミアンダー状梁２０１に例えば、図７に示すようなノコギリ波の駆動電圧を加えると、ミアンダー状梁２０１は第一および第二の固定櫛歯状構造体２０４、２０５に交互に静電引力によって引き付けられ、変位角の応答波形も印加電圧波形と同様のノコギリ波となる（図７の状態１〜３は図６の状態１〜３と一致）。これにより可動板はミアンダー状梁を回転軸として揺動運動する。本図６の破線は可動板の外形を示す。
【００２５】
本実施例のアクチュエータは、固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯が隔間してかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉することはない。また、単位変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体との重なり面積の変化量が大きい。これにより変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体とで形成する静電容量Ｃの変化量が大きくなり、低電圧で大きな変位角を生じることが可能である。更に梁がミアンダー状になっており小型化が可能となった。また上下に固定櫛歯状構造体を配置することで、一方だけに配置した場合に比べて変位角を大きくする事が可能になった。また、駆動波形に対する応答性が高く、変位角の応答波形を三角波にすることも可能であった。
【００２６】
（第二実施例）
本実施例では第一実施例で示したアクチュエーターを用いた光偏向器について説明する。図８は本実施例の光偏向器の斜視図である。第一実施例または第二実施例のアクチュエーターの可動板の一方の面に反射鏡３０１を形成した。
【００２７】
本実施例の光偏向器は、固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯が隔間してかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉することはない。また、単位変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体との重なり面積の変化量が大きい。これにより変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体とで形成する静電容量Ｃの変化量が大きくなり、低電圧で大きな変位角を生じることが可能である光偏向器が作製できた。更に梁がミアンダー状になっており小型光偏向器が作製できた。
【００２８】
（第三実施例）
本実施例では第二実施例で示した光偏向器を用いた場合の光学機器について説明する。図９は光学機器として画像表示装置の場合を例として示す図である。図９において、４０１は図８の光偏向器を偏向方向が互いに直交するように２個配置した光偏向器群４０１であり、この場合は水平・垂直方向に入射光をラスタスキャンする光スキャナ装置として用いている。４０２はレーザ光源である。４０３はレンズ或いはレンズ群であり、４０４は書き込みレンズ又はレンズ群、４０５は投影面である。レーザー光源４０２から入射したレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光偏向器群４０１により２次元的に走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ４０４により投影面４０５上に画像を形成する
これにより、大走査角を特徴としかつ、低消費電力な光スキャナ装置を実現できた。
【００２９】
（第四実施例）
図１０は本発明の光偏向器を画像形成装置に用いた場合の例を示す図である。図１０において、５０１は図８に示された光偏向器であり、この場合は入射光を１次元に走査する光スキャナ装置として用いている。５０２はレーザ光源である。５０３はレンズ或いはレンズ群であり、５０４は書き込みレンズ或いはレンズ群、５０５は感光体である。レーザ光源から射出されたレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光偏向器５０１により１次元的に走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ５０４により感光体５０５上へ画像を形成する感光体５０５は図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を走査することにより静電潜像が形成される。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部分にトナー像を形成し、これを例えば図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に可視像が形成される。
【００３０】
これにより、大走査角を特徴としかつ、低消費電力な画像形成装置が実現できた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のアクチュエータは、固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯がかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉することはない。また、単位変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体との重なり面積の変化量が大きい。これにより静電駆動を考える場合には低電圧駆動、電磁駆動を考える場合には低消費電力が可能で、更に更に梁がミアンダー状になっており小型化が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエーターの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明のアクチュエーターの一実施形態を示す上面図である。
【図３】本発明のアクチュエーターの一実施形態の駆動方法を説明する図である。
【図４】本発明のアクチュエーターの第一実施例の斜視図である。
【図５】本発明のアクチュエーターの第一実施例の上面図である。
【図６】本発明のアクチュエーターの第一実施例の駆動方法を説明する図である。
【図７】本発明のアクチュエーターの第一実施例の駆動電圧波形及び角変位の応答波形を示す図である。
【図８】本発明のアクチュエータを用いた光偏向器を示す斜視図。
【図９】本発明の光偏向器を光学機器に用いた図。
【図１０】本発明の光偏向器を画像形成装置に用いた図。
【図１１】従来例を示す図である。
【図１２】その他の従来例を示す図である。
【図１３】図１２の従来例の上面図である。
【図１４】トーションバーの幅ａ、トーションバーの厚さｂトーションバーの長さＬを説明するための図である。
【符号の説明】
１０１ ミアンダー状梁
１０２ 可動板
１０３ 固定端
１０４ 固定櫛歯状構造体
２０１ ミアンダー状梁
２０２ 可動板
２０３ 固定端
２０４ 第一の固定櫛歯状構造体
２０５ 第二の固定櫛歯状構造体
３０１ 反射鏡
４０１ 光偏向器
４０２ レーザー光
４０３ レンズ
４０４ 書き込みレンズ群
４０５ 投影面
５０１ 光偏向器
５０２ レーザー
５０３ レンズ群
５０４ 書き込みレンズ群
５０５ 感光体
３ 機械可動部
３ａ ミラー
３ｂ 梁
２ 固定電極
７０１ トーションバー
７０２ 櫛歯状の可動電極
７０３ 櫛歯状の固定電極
７０４ ミラー[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a small actuator in which a movable plate swings.
[0002]
[Prior art]
The actuator in which the movable plate swings is used, for example, for a purpose of deflecting a laser beam. There is a galvano mirror as a scanning mirror for deflecting and scanning laser light. The driving principle of the galvanomirror is that when a current flows through a movable coil disposed in a magnetic field, an electromagnetic force is generated in relation to the current and the magnetic flux, and a torque proportional to the current is generated. The moving coil rotates to the angle where the torque and spring force are balanced, and the pointer is swung through the moving coil to detect the presence or absence and magnitude of the current, using the principle of a galvanometer. In place of the pointer, a reflecting mirror is provided on a rotating shaft.
[0003]
However, a galvanomirror requires a mechanically wound drive coil and a large yoke for generating a magnetic field, and there is a limit to reducing the size of these mechanical elements mainly due to output torque. At the same time, the size of the entire device for deflecting light has been increased due to the space for assembling the components.
[0004]
As a small optical deflector, there is an optical deflector manufactured by using a micromachining technology in which a micromachine is integrally formed on a semiconductor substrate by applying a semiconductor manufacturing technology. For example, K. E. FIG. Non-Patent Document 1 proposes a torsion scanning mirror formed of silicon by Petersen et al. In this optical deflector, as shown in FIG. 11, a mechanically movable part 3 is composed of a mirror 3a as an optical deflector and a beam 3b for supporting the mirror 3a, and between the mirror 3a and the fixed electrode 2 formed on the substrate. The beam is given a torsional moment by an electrostatic attraction generated by applying a drive voltage to the beam, and the beam is twisted and rotated, thereby changing the deflection angle of the mirror 3a. The maximum deflection angle of the mirror unit is uniquely determined by the gap t0 between the mirror unit and the substrate. In an optical deflector, the larger the deflection angle is, the better, and it is necessary to make the air gap large. If the air gap is increased, the distance between the fixed electrode and the mirror is increased, and the driving voltage is significantly increased. Conversely, in order to achieve a low voltage, it is necessary to shorten the air gap and to suppress the deflection angle. Therefore, the reduction of the drive voltage and the increase of the deflection angle are contradictory issues.
[0005]
As another small optical deflector, R.S. S. Mueller et al. Published in Non-Patent Document 2. FIG. 12 is a perspective view showing an optical deflector of the literature. FIG. 13 is a top view of the optical deflector of the literature. This optical deflector generates an electrostatic force acting between a comb-shaped movable electrode provided on a torsion bar and a comb-shaped fixed electrode arranged so as to mesh with the movable electrode at a position where the height is changed. There is a feature in using and driving. One capacitor is composed of a comb-shaped movable electrode made of a conductor and a fixed electrode arranged with a slight gap. When a voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode, an electrostatic force is generated, so that the movable electrode is attracted to the fixed electrode, and the torsion bar is twisted. The mirror connected to the torsion bar causes the torsion bar to rotate around the rotation axis. Even if the rotation angle of the mirror is increased, it is not necessary to change the arrangement of the comb-shaped movable electrode and the comb-shaped fixed electrode.
[0006]
More specifically, the optical deflector of the literature includes a mirror 704 that reflects light and can be angularly displaced, a torsion bar 701 that supports the mirror 704 from both sides, and a comb-shaped movable electrode 702 that extends from the torsion bar 701. Are integrally formed. The torsion bar 701 is fixed to a support substrate (not shown). The comb-shaped fixed electrode 703 is arranged to engage with the comb-shaped movable electrode 702 at a position where the height is changed. The support substrate (not shown) is a silicon substrate, and the mirror 704, the torsion bar 701, and the comb-shaped movable electrode 702 are formed by removing the silicon substrate. The comb-shaped fixed electrode 703 is formed by removing another silicon substrate.
[0007]
[Non-patent document 1]
IBM J.M. RES. DEVELOP. , VOL. 24, NO5, 9, 1980. P631-637
[Non-patent document 2]
A FLAT HIGH-FREQUENCY SCANNING MICRMIRROR'2000 Solid-State Sensor and Actuator Workshop, pp6-9
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, in the optical deflector according to Non-Patent Document 1 or the optical deflector according to Non-Patent Document 2, for example, when (width of the torsion bar a) <(thickness b of the torsion bar), the rigidity of the torsion bar is reduced. When a is increased in order to increase the size, the length L of the torsion bar is significantly increased, and it may be difficult to reduce the substrate size. FIG. 14 is a diagram for explaining the width a of the torsion bar, the thickness b of the torsion bar, and the length L of the torsion bar.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems. The object of the present invention is
An object of the present invention is to provide a small actuator that efficiently generates a large torsion angle (deflection angle) on a movable plate. Such a small actuator is advantageous in providing an optical deflector and an optical device using the optical deflector.
[0010]
Therefore, the present invention
A movable plate,
At least one meander-shaped beam that pivotally supports the movable plate with respect to a support substrate;
A fixed comb-shaped structure disposed at a position where the movable plate is displaced and engaged with the meandering beam when the movable plate is displaced.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The actuator of the present invention
(1) a movable plate,
At least one meander-shaped beam that pivotally supports the movable plate with respect to a support substrate;
A fixed comb-shaped structure disposed at a position where the movable plate is displaced and meshed with the meandering beam when the movable plate is displaced.
[0012]
Also (2)
The actuator according to (1), wherein the fixed comb-shaped structure is disposed on at least one of the front side and the back side of the movable plate.
[0013]
Also (3)
(1) The fixed comb-shaped structure is arranged symmetrically with respect to the front and back sides of the movable comb-shaped structure and across the meander beam. The actuator described in (1) is also preferable.
[0014]
Also (4)
The actuator according to any one of (1) to (3), wherein the meandering beam and the fixed comb-shaped structure are made of single crystal silicon.
[0015]
Also (5)
The meander beam and the fixed comb-shaped structure are soft magnetic materials, and a conductor is wound around a part of the fixed comb-shaped structure. (1) to (3). The actuator described in (1) is also preferable.
[0016]
Also (6)
An optical deflector of the actuator according to any one of (1) to (5), wherein a reflecting mirror is provided on a surface of the movable plate is also preferable.
[0017]
Also (7)
An optical device using the optical deflector described in (6) is also preferable.
[0018]
The details and operation will be described below with a typical example. FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an embodiment of the actuator of the present invention. FIG. 2 is a top view showing the configuration of an embodiment of the actuator of the present invention. FIG. 3 is a diagram illustrating a driving method of an embodiment of the actuator of the present invention. In this embodiment, the meander beam 101 is positioned in a straight line with respect to the movable plate 102 and supports the center of gravity of the movable plate on both sides. The meander beam 101 is fixed to a support substrate (not shown) at a fixed end 103. The number of meander-shaped beams 101 may be one. The meander beam 101 and the movable plate 102 may be integrally formed by removing the supporting substrate. As the support substrate, for example, a single crystal silicon substrate can be used. The fixed comb-shaped structure 104 is arranged at a position where the meandering beams 101 are spaced apart and mesh with each other when the movable plate 102 is angularly displaced. The fixed comb-shaped structure 104 can be formed by, for example, removing a single crystal silicon substrate. There is no electrical connection between the meander beam 101 and the fixed comb-shaped structure 104.
[0019]
In the actuator of this configuration, when the plus side is connected to the integrally formed meander beam and the movable plate, and the minus side is connected to the fixed comb-like structure, and a potential difference is applied, the bent portion of the meander beam is fixed by electrostatic attraction. Attracted to the comb structure. As a result, a torsional moment is generated in the meander beam, and the movable plate generates a displacement angle with respect to the supporting substrate from state 1 to state 2 as shown in FIG. The broken line in FIG. 3 shows the outer shape of the movable plate. The gap between the fixed comb-shaped structure and the meander-shaped beam is small, and the comb teeth are arranged so as to engage with each other when angular displacement occurs, and are fixed even when the movable plate and the meander-shaped beam are angularly displaced. It does not interfere with (i.e., collide with) the comb-like structures. In addition, the amount of change in the overlapping area between the meander-shaped beam and the fixed comb-shaped structure per unit displacement angle is larger in the meander-shaped beam than in the non-meander-shaped beam. large. As a result, the amount of change in the capacitance C formed by the meandering beam and the fixed comb-shaped structure per displacement angle increases, and a large displacement angle can be generated at a low voltage. Further, the beam has a meandering shape, so that the size can be reduced.
[0020]
The meandering beam 101 and the fixed comb-shaped structure may be a soft magnetic material. For example, the coercive force of Fe—Ni (permalloy), Fe—Si, Co—Fe—B, etc. is low and the residual magnetization is low. A soft magnetic material having a small and large saturation magnetization can be used. Also in this case, there is no electrical connection between the meander beam 101 and the fixed comb-shaped structure 104. A conductor covered with insulation may be wound around the fixed comb-shaped structure 104.
[0021]
When a current is applied to the conductor of the actuator having this configuration, the meander beam is attracted to the fixed comb-shaped structure. The gap between the fixed comb-shaped structure and the meander-shaped beam is small, and the comb teeth are arranged so as to engage when angularly displaced. Even when the movable plate and the meander-shaped beam are angularly displaced, the fixed comb-shaped structure is provided. There is no interference with the body, and a large displacement angle can be obtained without generating a large current for efficiently generating torque. This results in an actuator with low power consumption. Further, the beam has a meandering shape, so that the size can be reduced.
[0022]
【Example】
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
[0023]
(First embodiment)
In this embodiment, the actuator shown in FIGS. 4 to 7 was designed and manufactured. FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the actuator according to the present embodiment of the present invention. FIG. 5 is a top view of the present embodiment. FIG. 6 is a diagram illustrating the driving method according to the present embodiment. FIG. 7 is a diagram showing a drive voltage waveform and a response waveform of a displacement angle. A single crystal silicon substrate having a thickness of 150 μm was used as a supporting substrate, and the meander beam 201 and the movable plate 202 were integrally formed by vertically etching the single crystal silicon substrate using an ICP-RIE apparatus. The meander beam 201 is fixed to a single crystal silicon substrate (not shown) at a fixed end 203. Further, another single-crystal silicon substrate is removed to form a first fixed comb-shaped structure 204 and a second fixed comb-shaped structure 205. The teeth were arranged so that they meshed. Thus, even when the movable plate and the meandering beam are angularly displaced, they do not interfere with the fixed comb-shaped structures arranged vertically.
[0024]
A positive bias voltage is applied to the first fixed comb-shaped structure 204, and a negative bias voltage is applied to the second fixed comb-shaped structure 205, and the meander-shaped beam 201 has, for example, a sawtooth wave as shown in FIG. When a driving voltage is applied, the meandering beam 201 is alternately attracted to the first and second fixed comb-shaped structures 204 and 205 by electrostatic attraction, and the response waveform of the displacement angle is similar to the sawtooth waveform similar to the applied voltage waveform. (States 1 to 3 in FIG. 7 match states 1 to 3 in FIG. 6). Thereby, the movable plate swings around the meandering beam as a rotation axis. The broken line in FIG. 6 shows the outer shape of the movable plate.
[0025]
The actuator according to the present embodiment is arranged such that the gap between the fixed comb-shaped structure and the meander-shaped beam is small, and the comb teeth are spaced and engaged when angular displacement occurs. Does not interfere with the fixed comb-shaped structure even when the angular displacement occurs. In addition, the amount of change in the overlapping area between the meandering beam and the fixed comb-shaped structure per unit displacement angle is large. As a result, the amount of change in the capacitance C formed by the meandering beam and the fixed comb-shaped structure per displacement angle increases, and a large displacement angle can be generated at a low voltage. In addition, the beam has a meandering shape, enabling miniaturization. In addition, by arranging the fixed comb-shaped structures vertically, it is possible to increase the displacement angle as compared with the case where only one of them is arranged. In addition, the response to the drive waveform is high, and the response waveform of the displacement angle can be a triangular wave.
[0026]
(Second embodiment)
In this embodiment, an optical deflector using the actuator shown in the first embodiment will be described. FIG. 8 is a perspective view of the optical deflector of the present embodiment. The reflecting mirror 301 was formed on one surface of the movable plate of the actuator of the first embodiment or the second embodiment.
[0027]
The optical deflector of this embodiment has a small gap between the fixed comb-shaped structure and the meander-shaped beam, and is arranged so that the comb teeth are engaged with each other when angularly displaced. Even when the beam is angularly displaced, it does not interfere with the fixed comb-like structure. In addition, the amount of change in the overlapping area between the meandering beam and the fixed comb-shaped structure per unit displacement angle is large. As a result, the amount of change in the capacitance C formed by the meandering beam and the fixed comb-shaped structure per displacement angle is increased, and an optical deflector capable of generating a large displacement angle at a low voltage can be manufactured. Was. Furthermore, the beam was meander-shaped, and a small optical deflector could be manufactured.
[0028]
(Third embodiment)
In this embodiment, an optical device using the optical deflector shown in the second embodiment will be described. FIG. 9 is a diagram illustrating an example of an image display device as an optical device. 9, reference numeral 401 denotes an optical deflector group 401 in which two optical deflectors of FIG. 8 are arranged so that their deflection directions are orthogonal to each other. In this case, an optical scanner device for raster-scanning incident light in horizontal and vertical directions Used as Reference numeral 402 denotes a laser light source. Reference numeral 403 denotes a lens or a lens group, 404 denotes a writing lens or a lens group, and 405 denotes a projection surface. The laser light incident from the laser light source 402 undergoes predetermined intensity modulation related to the timing of optical scanning, and is two-dimensionally scanned by the optical deflector group 401. The scanned laser beam forms an image on the projection surface 405 by the writing lens 404, thereby realizing an optical scanner device having a large scanning angle and low power consumption.
[0029]
(Fourth embodiment)
FIG. 10 is a diagram showing an example in which the optical deflector of the present invention is used in an image forming apparatus. In FIG. 10, reference numeral 501 denotes the optical deflector shown in FIG. 8, which is used as an optical scanner for one-dimensionally scanning incident light. Reference numeral 502 denotes a laser light source. Reference numeral 503 denotes a lens or a lens group, 504 denotes a writing lens or a lens group, and 505 denotes a photoconductor. The laser light emitted from the laser light source undergoes predetermined intensity modulation related to the timing of optical scanning, and is one-dimensionally scanned by the optical deflector 501. The scanned laser beam forms an image on the photoconductor 505 by the writing lens 504. The photoconductor 505 is uniformly charged by a charger (not shown), and an electrostatic latent image is formed by scanning light on the photoconductor 505. It is formed. Next, a toner image is formed on the image portion of the electrostatic latent image by a developing device (not shown), and the toner image is transferred and fixed to, for example, a paper (not shown) to form a visible image on the paper.
[0030]
As a result, an image forming apparatus characterized by a large scanning angle and low power consumption can be realized.
[0031]
【The invention's effect】
In the actuator of the present invention, the gap between the fixed comb-shaped structure and the meander-shaped beam is small, and when the angular displacement is performed, the comb teeth are arranged so as to engage with each other. However, it does not interfere with the fixed comb-shaped structure. Further, the amount of change in the overlapping area between the meandering beam and the fixed comb-shaped structure per unit displacement angle is large. As a result, low voltage driving is possible when electrostatic driving is considered, and low power consumption is possible when electromagnetic driving is considered. Further, the beam has a meandering shape, so that miniaturization is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of an actuator of the present invention.
FIG. 2 is a top view showing an embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a driving method of an embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view of a first embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 5 is a top view of the first embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a driving method of the first embodiment of the actuator according to the present invention.
FIG. 7 is a diagram showing a drive voltage waveform and a response waveform of angular displacement of the first embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 8 is a perspective view showing an optical deflector using the actuator of the present invention.
FIG. 9 is a diagram in which the optical deflector of the present invention is used for an optical device.
FIG. 10 is a diagram in which the optical deflector of the present invention is used in an image forming apparatus.
FIG. 11 is a diagram showing a conventional example.
FIG. 12 is a diagram showing another conventional example.
FIG. 13 is a top view of the conventional example of FIG.
FIG. 14 is a diagram for explaining a width a of the torsion bar, a thickness b of the torsion bar, and a length L of the torsion bar.
[Explanation of symbols]
101 meander-shaped beam 102 movable plate 103 fixed end 104 fixed comb-shaped structure 201 meandered beam 202 movable plate 203 fixed end 204 first fixed comb-shaped structure 205 second fixed comb-shaped structure 301 reflecting mirror 401 Optical deflector 402 Laser beam 403 Lens 404 Writing lens group 405 Projection surface 501 Optical deflector 502 Laser 503 Lens group 504 Writing lens group 505 Photoconductor 3 Machine movable section 3a Mirror 3b Beam 2 Fixed electrode 701 Torsion bar 702 Comb shape Movable electrode 703 Comb-shaped fixed electrode 704 Mirror
