JP2005137102A - アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】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1、11と、第2の質量部2と、支持部3と、第1の質量部1、11と支持部3とを、第1の質量部1、11が支持部3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4と、第1の質量部1、11と第2の質量部2とを、第2の質量部2が第1の質量部1、11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5、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1、11が駆動し、それに伴い第2の質量部2が回動するものであり、第1の質量部1は、第2の質量部2を介して、第2の質量部2の一端側に設けられ、第1の質量部11は、第2の質量部2の他端側に設けられていることを特徴とする。
【選択図】図1
Description
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。
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上において前記可動電極部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。
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、
1対の第1の質量部と、
第2の質量部と、
支持部と、
前記各第1の質量部と前記支持部とを、前記各第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、
前記各第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記各第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、前記各第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1対の第1の質量部の一方は、前記第2の質量部を介して、前記第2の質量部の一端側に設けられ、他方は、前記第2の質量部の他端側に設けられていることを特徴とする。
これにより、低電圧で駆動が可能で、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。
これにより、より容易かつ確実に、低電圧で駆動が可能で、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。
これにより、容易に、アクチュエータを制御することができ、さらに容易かつ確実に、低電圧で駆動が可能で、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。
本発明のアクチュエータでは、前記交流電圧の周波数が、前記1対の第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略等しくなるように設定されたことが好ましい。
これにより、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。
前記対向基板の、前記支持部が設けられている側の面の、前記一方の第1の質量部に対応する位置に設けられた少なくとも1対の電極と、前記他方の第1の質量部に対応する位置に設けられた少なくとも1対の電極とを備えており、
前記各1対の電極と前記各第1の質量部との間に生じる静電気力によって、前記各第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。
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の質量部は、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。
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。
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。
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。
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。なお、以下では、説明の便宜上、図1中の上側を「上」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
このアクチュエータ100は、第2の質量部2が中心に位置し、第2の質量部2を介し、第1の質量部1が一端側(右側)に設けられ、第1の質量部11が他端側(左側)に設けられている。また、第1の質量部1の図中右側に一方の支持部3が配置され、第1の質量部11の図中左側に他方の支持部3が配置されている。
第1の質量部1、11、第2の質量部2および支持部3、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、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、1対の電極7が、回動中心軸41を中心に略対称となるように設けられ、また、第1の質量部11に対応する位置に、1対の電極7が、回動中心軸41を中心に略対称となるように設けられている。すなわち合計で2対の電極7が設けられている。
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および11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。
ここで、第1の質量部1、11および第2の質量部2の寸法は、それぞれ、L1<L3かつL2<L3の関係を満足するよう設定されるのが好ましい。
この場合、第2の質量部2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1および11の低電圧駆動と、第2の質量部2の大回転角度とを実現することができ、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、より容易に装置を小型化することができる。
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、印加する交流電圧の周波数F[kHz]をfm1[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および11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。
第2の質量部2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。
第1の弾性連結部4のばね定数k1は、1×10−4〜1×104Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×103Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×102Nm/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。
第1の弾性連結部4のばね定数をk1、第2の弾性連結部5のばね定数をk2としたとき、k1とk2とが、k1>k2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および11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、1対の第1の弾性連結部4および1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。
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。
まず、図5(a)に示すように、第1のSi層40と、SiO2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、11、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。
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、SiO2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。
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。
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k1、k2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。
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。
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および11)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。
図9は、本発明のアクチュエータの第4実施形態を示す平面図である。以下、図9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、第1の質量部1および11の表面(対向基板6が設けられている側とは反対の面側)に、それぞれ設けられた一つのピエゾアクチュエータ(圧電素子を備えたアクチュエータ)31、31により駆動するように構成されている。
本実施形態のアクチュエータ100は、ピエゾアクチュエータ31の駆動によって第1の質量部1および11にひずみ(伸縮)が生じ、そのひずみによって第2の質量部2を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、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の光スキャナ、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。
また、前述した実施形態では、第1の弾性連結部4を1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、第1の質量部1に対応する位置および第1の質量部11に対応する位置に、それぞれ1対の電極7を設けたが、これに限らず、それぞれ、電極7を1つ、もしくは3つ以上設けてもよい。
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、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。
Claims (10)
- 2自由度振動系のアクチュエータであって、
1対の第1の質量部と、
第2の質量部と、
支持部と、
前記各第1の質量部と前記支持部とを、前記各第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、
前記各第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記各第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、前記各第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1対の第1の質量部の一方は、前記第2の質量部を介して、前記第2の質量部の一端側に設けられ、他方は、前記第2の質量部の他端側に設けられていることを特徴とするアクチュエータ。 - 前記一方の第1の質量部の回動中心軸と、該一方の第1の質量部の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の端部との間の距離をL1、前記他方の第1の質量部の回動中心軸と、該他方の第1の質量部の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の端部との間の距離をL2、前記第2の質量部の回動中心軸と、該第2の質量部の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の端部との間の距離をL3としたとき、L1とL3とが、L1<L3の関係を満足し、かつL2とL3とが、L2<L3の関係を満足する請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記距離L1と、前記距離L2とが略等しい請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記交流電圧の周波数が、前記1対の第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略等しくなるように設定された請求項1ないし3のいずれかに記載のアクチュエータ。
- 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、前記一方の第1の質量部に対応する位置に設けられた少なくとも1対の電極と、前記他方の第1の質量部に対応する位置に設けられた少なくとも1対の電極とを備えており、
前記各1対の電極と前記各第1の質量部との間に生じる静電気力によって、前記各第1の質量部が駆動するものである請求項1ないし4のいずれかに記載のアクチュエータ。 - 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5に記載のアクチュエータ。
- 前記第2の質量部は、光反射部を有する請求項1ないし6のいずれかに記載のアクチュエータ。
- 前記第1の弾性連結部のばね定数をk1、前記第2の弾性連結部のばね定数をk2としたとき、k1とk2とが、k1>k2の関係を満足する請求項1ないし7のいずれかに記載のアクチュエータ。
- 前記1対の第1の質量部の慣性モーメントをJ1、前記第2の質量部の慣性モーメントをJ2としたとき、J1とJ2とがJ1≦J2の関係を満足する請求項1ないし8のいずれかに記載のアクチュエータ。
- 前記1対の第1の弾性連結部および前記1対の第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9のいずれかに記載のアクチュエータ。
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