JP2005099760A - アクチュエータ - Google Patents

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Abstract

【課題】低電圧で高速動作が可能で、かつ、振れ角(振幅)の大きいアクチュエータを提供する。
【解決手段】第1の質量部1と、第2の質量部2と、支持部3と、第1の質量部と支持部とを、第1の質量部が支持部に対して回動可能となるように連結する、1対の第1の弾性連結部4と、第1の質量部と第2の質量部とを、第2の質量部が第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、1対の第2の弾性連結部5とを有し、交流電圧を印加することによって、第1の質量部が駆動し、それに伴い第2の質量部が回動するものであり、交流電圧の周波数が、第1の質量部と第2の質量部とが共振する2自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定された。
【選択図】 図1

Description

本発明は、アクチュエータに関するものである。
例えば、レーザープリンタ等に用いられる光スキャナとしてポリゴンミラー(回転多面体)が知られている。
しかし、このようなポリゴンミラーにおいて、より高解像度で品質のよい印字と高速印刷を達成するには、ポリゴンミラーの回転をさらに高速にしなければならない。現在のポリゴンミラーには高速安定回転を維持するためにエアーベアリングが使用されているが、今以上の高速回転を得るのは困難となっている。また、高速にするためには、大型のモーターが必要であり、危機の小型化の面で不利であるという問題がある。このようなポリゴンミラーを用いると、構造が複雑となり、コストが高くなるといった問題も生じる。
また、図8に示すような、平行平板状に電極を配置した1自由度のねじり振動子は、その構造が簡単なことから、アクチュエータの研究初期から提案されている(例えば、非特許文献1参照)。また、上記ねじり振動子をカンチレバー方式とした1自由度静電駆動型振動子も提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
図8の1自由度静電駆動型ねじり振動子は、ガラス基板1000上の両端部にスぺーサ200を介してシリコンの単結晶板からなる可動電極板300の両端固定部300aを固定し、この可動電極板300の両端固定部300a間に、細巾のトーションバー300bを介して可動電極部300cを支持させ、また、その可動電極部300cに電極間隔を置いて対向させる固定電極400を、ガラス基板1000上において上記可動電極部300cに対し平行配置している。可動電極板300と固定電極400との間にはスイッチ600を介して電源500が接続される。
上記構成を有するねじり振動子は、可動電極部300cと固定電極400との間に電圧を印加すると、静電引力によりトーションバー300bを軸として可動電極部300cが回転するものである。しかるに、静電引力は電極間隔の二乗に反比例するため、この種の静電アクチュエータにおいては電極間隔を小さくすることが望まれる。しかし、上述した1自由度の構造では、可動電極部300cが電極と可動部を兼ねるため、電極間隔を狭くすると変位(回転角)に制約が生じ、また可動範囲を大きくとるためには電極間隔を大きくする必要がある。このため、低電圧駆動と大振幅の両立が困難であるという問題がある。
K.E.Petersen:"Silicon Torsional Scanning Mirror",IBMJ.Res.Develop.,vol.24(1980)、P.631 河村他:"Siを用いたマイクロメカニクスの研究"、昭和61年度精密工学会秋季大会学術講演会論文集、P.753
本発明の目的は、低電圧で高速動作が可能で、かつ、振れ角(振幅)の大きいアクチュエータを提供することにある。
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、2自由度振動系のアクチュエータであって、
第1の質量部と、
第2の質量部と、
支持部と、
前記第1の質量部と前記支持部とを、前記第1の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第1の弾性連結部と、
前記第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第2の弾性連結部とを有し、
交流電圧を印加することによって、前記第1の質量部が駆動し、それに伴い前記第2の質量部が回動するものであり、
前記交流電圧の周波数が、前記第1の質量部と前記第2の質量部とが共振する2自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定されたことを特徴とする。
これより、低電圧で高速動作が可能で、かつ、振れ角(振幅)の大きいアクチュエータを提供することができる。また、このような構成とすることにより、第1の質量部の振幅を抑制しつつ、第2の質量部の回転角度(振れ角)を大きくすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記支持部と所定の距離だけ離間して対向するように設けられた対向基板と、
前記対向基板の、前記支持部が設けられている側の面の、前記第1の質量部に対応する位置に設けられた1対の電極とを備えており、
前記電極と前記第1の質量部との間に生じる静電気力によって、前記第1の質量部が駆動するものであることが好ましい。
これにより、第2の質量部の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記対向基板の、前記第2の質量部に対応する位置に開口部が設けられていることが好ましい。
これにより、第2の質量部が振れる際に、第2の質量部と対向基板とが接触するのを防止することができ、第2の質量部の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記第2の質量部が、光反射部を有することが好ましい。
これにより、例えば、光スキャナとして用いた場合、光の光路を容易に変更することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記第1の弾性連結部のばね定数をk、前記第2の弾性連結部のばね定数をkとしたとき、kとkとが、k>kの関係を満足することが好ましい。
これにより、第1の質量部の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記第1の質量部の質量をm、前記第2の質量部の質量をmとしたとき、mとmとが、m≦mの関係を満足することが好ましい。
これにより、第1の質量部の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
本発明のアクチュエータでは、一対の前記第1の弾性連結部および一対の前記第2の弾性連結部のうち少なくとも1つが、その内部にピエゾ抵抗素子を備えていることが好ましい。
これにより、例えば、回転角度および回転周波数を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第2の質量部の姿勢の制御に利用することができる。
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。
まず、本発明のアクチュエータの第1実施形態について説明する。
図1は、本発明のアクチュエータの第1実施形態を示す平面図、図2は、本発明のアクチュエータの第1実施形態を示す縦断面図、図3は、第1実施形態の対向基板および電極を示す部分平面図、図4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である。
図1に示すアクチュエータ100は、第1の質量部(駆動部)1と、第2の質量部(可動部)2と、支持部3とを有している。第1の質量部1、第2の質量部2および1対の支持部3は、それぞれ、例えば、シリコン等で構成されている。
本実施形態の第2の質量部2の表面(後述する対向基板6が設けられている側とは反対の面側)には、光反射部21が設けられている。
また、アクチュエータ100は、図1に示すように、第1の質量部1が支持部3に対して回動可能となるように、第1の質量部1と支持部3とを連結する1対の第1の弾性連結部4を有している。また、第2の質量部2が第1の質量部1に対して回動可能となるように、第1の質量部1と第2の質量部2とを連結する1対の第2の弾性連結部5を有している。
支持部3は、図2に示すように、絶縁部8を介して、スペーサ9と接合している。絶縁部8は、例えば、シリコンの酸化物や窒化物等で構成され、スペーサ9は、例えば、シリコン等で構成されている。
また、図2に示すように、本実施形態のアクチュエータ100は、支持部3と所定の距離だけ離間して対向するように設けられた対向基板6を有している。この対向基板6は、各種ガラスやシリコン等で構成されている。
対向基板6と支持部3とは、図示の構成のように、スペーサ9を介して接合している。
対向基板6は、図2および図3に示すように、第2の質量部2に対応する位置に開口部61を有している。
また、図2および図3に示すように、対向基板6上には、第1の質量部1に対応する位置に、一対の電極7が設けられている。また、一対の電極7は、第1の質量部1の回転軸(第1の弾性連結部4)を中心にほぼ対称となるように設けられている。
第1の質量部1と電極7とは、図示しない電源で接続されており、第1の質量部1と電極7との間に交流電圧(駆動電圧)を印加できるよう構成されている。なお、第1の質量部1の電極7と対向する面の表面には、絶縁膜(図示せず)が設けられている。これにより、短絡を防止することができる。
上述したような構成の2自由度振動型アクチュエータにおいては、第1の質量部1と第1の弾性連結部4とからなる第1の振動系と、第2の質量部2と第2の弾性連結部5とからなる第2の振動系とを構成する。
第1の質量部1と電極7との間に交流電圧を印加すると、第1の質量部1と電極7との間に静電気力が生じる。この静電気力により、第1の質量部1が、電極7の方へ引きつけられ、第1の弾性連結部4を軸に振動(回転)する。この第1の質量部1の振動に伴って、第2の弾性連結部5を介して連結されている第2の質量部2は第2の弾性連結部5を軸に振動(回転)する。
ところで、このような2自由度振動型アクチュエータでは、第1の質量部1および第2の質量部2の振幅(振れ角)と、印加する交流電圧の周波数との間に、図4に示すような周波数特性が存在している。
すなわち、第1の質量部1と第1の弾性連結部4と、第2の質量部2と第2の弾性連結部5とからなる2自由度振動系は、第1の質量部1および第2の質量部2の振幅が大きくなる2つの共振周波数fm[kHz]、fm[kHz](ただし、fm<fm)と、第1の質量部1の振幅がほぼ0となる、1つの反共振周波数fm[kHz]とを有している。
本発明では、上記のような構成のアクチュエータにおいて、第1の質量部と電極との間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、fmとほぼ等しくなるように設定することを特徴とする。
すなわち、印加する交流電圧の周波数F[kHz]をfm[kHz]とほぼ等しいものに設定することにより、第1の質量部1の振幅を抑制しつつ、第2の質量部2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fm[kHz]とがほぼ等しいとは、(fm−1)≦F≦(fm+1)の条件を満足することを意味する。
対向基板6の電極7が設けられている面と平行な方向に対する第2の質量部2の最大振れ角は、20°以上であるのが好ましい。これにより、例えば、レーザープリンタ等の装置に用いられる光スキャナに適用した場合、より容易に装置を小型化することができる。
第1の質量部1の平均厚さは、1〜1000μm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2の平均厚さは、1〜1000μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
第1の弾性連結部4のばね定数kは、1×10−4〜1×10Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×10Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×10Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
また、第2の弾性連結部5のばね定数kは、1×10−4〜1×10Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×10Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×10Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第1の質量部1の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部2の振れ角をより大きくすることができる。
第1の弾性連結部4のばね定数をk、第2の弾性連結部5のばね定数をkとしたとき、kとkとが、k>kの関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部1の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
また、第1の質量部1の質量をm、前記第2の質量部2の質量をmとしたとき、mとmとが、m≦mの関係を満足することが好ましい。これにより、第1の質量部1の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
ところで、第1の振動系の固有振動数ωは、第1の質量部1の質量をm、第1の弾性連結部4のばね定数をkとしたとき、ω=(k/m1/2によって与えられ、第2の振動系の固有振動数ωは、第2の質量部2の質量をm、第2の弾性連結部5のばね定数をkとしたとき、ω=(k/m1/2によって与えられる。
上記のようにして求められる第1の振動系の固有振動数ωと第2の振動系の固有振動数ωとは、ω>ωの関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部1の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
なお、本実施形態のアクチュエータ100は、一対の第1の弾性連結部4および一対の第2の弾性連結部5のうち少なくとも1つが、その内部にピエゾ抵抗素子を備えたものであるのが好ましい。これにより、例えば、回転角度および回転周波数を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第2の質量部2の姿勢の制御に利用することができる。
次に、図1および図2に示すようなアクチュエータ100の製造方法の一例について添付図面を参照しつつ説明する。
図5は、アクチュエータの製造方法の一例を示す工程図である。
本実施形態では、一例として、以下に示す、第1の工程と第2の工程と第3の工程とにより、アクチュエータ100を製造する場合について説明する。
[第1の工程]
まず、図5(a)に示すように、第1のSi層40と、SiO層8’と、第2のSi層9’とで構成されたSOI基板50を用意する。
次に、図5(b)に示すように、第1のSi層40に、例えばエッチング等を施すことにより、第1の質量部1、第2の質量部2、支持部3、第1の弾性連結部4、第2の弾性連結部5を形成する。
次に、図5(c)に示すように、第2のSi層9’に、例えばエッチング等を施すことにより、スペーサ9を形成する。
その後、第2の質量部2上に、図5(d)に示すように、光反射部21を、例えば、真空蒸着法等により成膜し、上基板60が得られる。
[第2の工程]
まず、図5(e)に示すように、ガラス基板6’を用意する。
次に、図5(f)に示すように、ガラス基板6’に、例えばエッチング等を施すことにより、開口部61を有する対向基板6を形成する。
その後、図5(g)に示すように、対向基板6上に、例えば、真空蒸着法等により、電極7を形成し、下基板70が得られる。
[第3の工程]
第1の工程で得られた上基板60と、第2の工程で得られた下基板70とを、図5(h)に示すように、例えば陽極接合等により、接合する。
次に、図5(i)に示すように、SiO層8’の、支持部3とスペーサ9とに挟まれた部分を除いた部分を、エッチング等により除去し、絶縁部8を形成する。
以上のようにして、アクチュエータ100が製造される。
なお、第2の工程は、第1の工程と同時に行ってもよいし、第1の工程よりも先に行ってもよい。
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6は、本発明のアクチュエータの第2実施形態を示す平面図である。以下、図6に示すアクチュエータ100’について、前記第1実施形態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。
本実施形態のアクチュエータ100’は、図6に示すように、第1の質量部1が支持部3に対して回動可能となるように、第1の質量部1と支持部3とを連結する2対の第1の弾性連結部4’を有している。また、第2の質量部2が第1の質量部1に対して回動可能となるように、第1の質量部1と第2の質量部2とを連結する2対の第2の弾性連結部5’を有している。
このような構成とすることにより、より確実に第2の質量部2の振幅(回転)を制御することができる。
なお、本実施形態のように2対の第1の弾性連結部4’と2対の第2の弾性連結部5’を有する場合、前記実施形態で説明したばね定数k、kは、ほぼ同じ位置で連結している2つの弾性連結部を一体的なものとみなして求められるものである。
次に、本発明のアクチュエータの第3実施形態について説明する。
図7は、本発明のアクチュエータの第3実施形態を示す平面図である。以下、図7に示すアクチュエータ100”について、前記第1実施形態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。
本実施形態のアクチュエータ100”は、電磁力(ローレンツ力)により駆動するように構成されている。
すなわち、アクチュエータ100”は、図7に示すように、1対の支持部3のそれぞれに設けられた端子10と、第1の質量部1の対向基板6と対向する面とは反対側の面に設けられたコイル20と、第1の質量部1を挟むように弾性連結部を中心に対向配置された1対の永久磁石30とを有している。
一対の永久磁石30は、S極とN極とが互いに向かい合うように設置されている。
また、コイル20の端部は、端子10と接続されている。
端子10は、図示せぬ電源に接続されており、コイル20に交流電圧を印加できるようになっている。
本実施形態のアクチュエータ100”は、交流電圧の印加によってコイル20(第1の質量部1)と永久磁石30との間でローレンツ力が生じ、そのローレンツ力によって駆動するものである。
以上説明したようなアクチュエータは、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー等の光スキャナ、イメージング用ディスプレイ等に好適に適用することができる。
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、第1の弾性連結部4を一対または2対有するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、3対以上であってもよい。
また、前述した実施形態では、第2の弾性連結部5を一対または2対有するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、3対以上であってもよい。
また、前述した実施形態では、光反射部21が第2の質量部2の対向基板6が設けられている側とは反対の面側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、対向基板6上に電極7が設けられている構成について説明したが、第1の質量部1に設けられていてもよいし、対向基板6と第1の質量部1の両方に設けられていてもよい。
また、前述した実施形態では、一対の電極7を備えた構成について説明したが、一対でなくてもよい。
また、前述した実施形態では、第1の弾性連結部および第2の弾性連結部の形状として図示の構成のものについて説明したが、これに限定されず、例えば、その形状が、クランク形状等であってもよいし、分岐した構造を有するものであってもよい。
また、前述した実施形態では、第2の質量部2の電極7と対向する面の表面に、短絡防止用の絶縁膜が設けられている構成について説明したが、例えば、このような絶縁膜は、電極7の表面に設けられていてもよいし、両方に設けられていてもよい。
また、前述した実施形態では、コイル20が第1の質量部1の対向基板6と対向する面とは反対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てもよいし、第1の質量部1の内部に設けられているものであってもよい。
また、前述した実施形態では、上基板60を一体的に製造するものとして説明したが、一体的に製造しなくてもよい。例えば、第1の質量部1と第2の質量部2と支持部3と第1の弾性連結部4と第2の弾性連結部5とを一体的に形成した基板と、下基板70とを、例えば、ガラス等で構成されたスペーサを介して、接合するものであってもよいし、各部を別々に作製して接合するものであってもよい。
本発明のアクチュエータの第1実施形態を示す平面図である。 本発明のアクチュエータの第1実施形態を示す縦断面図である。 第1実施形態の対向基板および電極を示す部分平面図である。 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である。 アクチュエータの製造方法の一例を示す工程図である。 本発明のアクチュエータの第2実施形態を示す平面図である。 本発明のアクチュエータの第3実施形態を示す平面図である。 従来のアクチュエータを説明するための図である。
符号の説明
1……第1の質量部 2……第2の質量部 21……光反射部 3……支持部 4、4’……第1の弾性連結部 5、5’……第2の弾性連結部 6……対向基板 61……開口部 7……電極 8……絶縁部 9……スペーサ 6’……ガラス基板 8’……SiO層 9’……第2のSi層 40……第1のSi層 50……SOI基板 60……上基板 70……下基板 10……端子 20……コイル 30……永久磁石 100、100’、100”……アクチュエータ 200……スペーサ 300……可動電極板 300a……両端固定部 300b……トーションバー 300c……可動電極部 400……固定電極 500……電源 600……スイッチ 1000……ガラス基板

Claims (7)

  1. 2自由度振動系のアクチュエータであって、
    第1の質量部と、
    第2の質量部と、
    支持部と、
    前記第1の質量部と前記支持部とを、前記第1の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第1の弾性連結部と、
    前記第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第2の弾性連結部とを有し、
    交流電圧を印加することによって、前記第1の質量部が駆動し、それに伴い前記第2の質量部が回動するものであり、
    前記交流電圧の周波数が、前記第1の質量部と前記第2の質量部とが共振する2自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定されたことを特徴とするアクチュエータ。
  2. 前記支持部と所定の距離だけ離間して対向するように設けられた対向基板と、
    前記対向基板の、前記支持部が設けられている側の面の、前記第1の質量部に対応する位置に設けられた1対の電極とを備えており、
    前記電極と前記第1の質量部との間に生じる静電気力によって、前記第1の質量部が駆動するものである請求項1に記載のアクチュエータ。
  3. 前記対向基板の、前記第2の質量部に対応する位置に開口部が設けられている請求項2に記載のアクチュエータ。
  4. 前記第2の質量部は、光反射部を有する請求項2または3に記載のアクチュエータ。
  5. 前記第1の弾性連結部のばね定数をk、前記第2の弾性連結部のばね定数をkとしたとき、kとkとが、k>kの関係を満足する請求項1ないし4のいずれかに記載のアクチュエータ。
  6. 前記第1の質量部の質量をm、前記第2の質量部の質量をmとしたとき、mとmとが、m≦mの関係を満足する請求項1ないし5のいずれかに記載のアクチュエータ。
  7. 一対の前記第1の弾性連結部および一対の前記第2の弾性連結部のうち少なくとも1つが、その内部にピエゾ抵抗素子を備えている請求項1ないし6のいずれかに記載のアクチュエータ。
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