JP2005169553A - マイクロアクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】必要トルクの大きい大変位時に、可動板と駆動手段とが機械的に干渉せず、かつ、発生トルクも大きくでき、小型で消費電力の小さい非共振駆動用のマイクロアクチュエータを提供する。
【解決手段】可動板１と、支持基板３と、可動板を支持基板に対して回転軸７を中心としてねじり回転可能に支持する一対の弾性支持部２と、可動板に形成され永久磁石からなる可動磁石４と、可動板を磁場によりねじり回転方向に偏向させる電磁コイル１１とを有し、電磁コイル１１を、その中心軸が磁場の無い静止状態のときの可動板に垂直な軸に対して可動板のねじり回転方向に傾斜角度を有するように配設する。
【選択図】図１

Description

本発明は、マイクロメカニクスの手法にて作製されるマイクロアクチュエータ、特に光偏向器に関するものである。

近年、マイクロメカニクス技術を用いたマイクロアクチュエータの開発が盛んである。例えば、一対の弾性支持部（トーションバー）でねじり回転可能に支持された可動板を偏向させる光偏向器は、簡便な構成で光センサーや画像形成装置を形成することが可能なデバイスとして開発が進んでいる。こうしたマイクロアクチュエータは、コストダウンやモバイル機器等への需要に伴い、小型化・大出力の要請が強くなってきている。

このような構成の可動板を駆動する方法としては、特許文献１では、対向電極と可動板との間に働く静電引力により可動板を偏向（変位）させる。特許文献２では、可動板上に櫛型電極を形成し、これと互いに噛み合うように櫛型電極を配置し、２つの櫛型電極の間に働く静電引力により可動板を偏向させる。特許文献３では、可動板上にコイルを配線し、コイルの近傍に永久磁石を配置し、コイルの電流を流すことにより発生する磁場が永久磁石と作用することにより可動板を偏向させる、ムービングコイルと呼ばれる方法を用いている。特許文献４では、可動板上に永久磁石を配置し、磁石の近傍にコイルを配置し、コイルの電流を流すことにより発生する磁場が永久磁石と作用することにより可動板を偏向させる、ムービングマグネットと呼ばれる方法を用いている（図７参照）。さらに特許文献５では、偏向器を二軸偏向可能に配置した構造のアクチュエータが示されている。すなわち、可動板が２つのトーションバーでジンバルに支持され、ジンバルが２つのトーションバーで基板に支持され、可動板とジンバルとの駆動軸が互いに直交する構造を有しており、可動部と対向電極との間の静電引力により駆動する。また、磁気的な手段による可動部の駆動も開示されている。この構成においては可動ミラーとジンバルとの共振周波数を所望の値にすることにより、ラスタ走査による画像形成が可能な二軸光偏向器を提供することができる。

上記の可動板はその共振周波数で駆動することにより小さい駆動力で大きな偏向角を得ることができる。しかし共振駆動は偏向角が時間に対して正弦波形状であり、一部の用途に限られる。偏向角を三角波やのこぎり波形状に駆動したい場合や、スイッチのようにある角度で保持したい場合は、非共振駆動（ＤＣ駆動、サーボ駆動）をする必要がある。例えば、図８に示すように特許文献６では、静電駆動の光偏向器において、時間に対して非線形な電圧を駆動電極に印加することにより可動板の偏向角を三角波駆動している。
特公昭６０−５７０５１号公報 特開平４−３４３３１８号公報 特公昭６０−５７０５２号公報 特開平６−８２７１１号公報 特開昭６０−１０７０１７号公報 特開平１１−３０５１５９号公報

しかしながら、共振駆動の場合に角度θ変位させるための必要トルクＴが、弾性支持部のねじりばね定数ｋ、および共振運動のＱ値を用いて、

で表されるのに比べ、非共振駆動の場合、角度θ変位させるために必要なトルクＴは、
Ｔ＝ｋθ
となる。特にシリコン基板を加工してなるマイクロアクチュエータではＱ値が１０００以上になることも多いため、所望の偏向角を得るために大きな発生トルクが必要であり、消費電力が大きくなる。また、大きな発生力を得るため駆動源を可動板に接近させると、大変位時に機械的に干渉して逆に偏向を妨げるという問題があった。

本発明は上記観点に鑑みなされたものであり、その目的は、
・必要トルクの大きい大変位時に、発生トルクも大きくでき、
・可動板と駆動手段とが大変位時に機械的に干渉しない、
・小型で大変位角が可能な、
・消費電力の小さい、
非共振駆動用のマイクロアクチュエータを提供することにある。

本発明の特徴とするところは第１に、可動板と、支持基板と、該可動板を支持基板に対してねじり回転可能に支持する一対の弾性支持部と、該可動板に形成された永久磁石と、該可動板を磁場によりねじり回転方向に偏向させるコイルと、を有するマイクロアクチュエータであって、該コイルの中心軸が、磁場の無い静止状態の可動板に垂直な軸に対して、該可動板のねじり回転方向に傾斜角度を有して設置されることを特徴とするマイクロアクチュエータであり、
第２に、可動板と、ジンバルと、該可動板を該ジンバルに対してねじり回転可能に支持する第１の弾性支持部対と、支持基板と、該ジンバルを該支持基板に対して該可動板の回転軸とほぼ直交する方向にねじり回転可能に支持する第２の弾性支持部対と、該ジンバルに形成された永久磁石と、該ジンバルを磁場によりねじり回転方向に偏向させるコイルと、を有するマイクロアクチュエータであって、該コイルの中心軸が、磁場の無い静止状態の該可動板に垂直な軸に対して、該可動板のねじり回転方向に傾斜角度を有して設置されることを特徴とするマイクロアクチュエータであり、
第３に、前記可動板を偏向動作した時の、静止状態からの最大偏向角に対して、前記傾斜角度がその二分の一より大きいことを特徴とする上記記載のマイクロアクチュエータであり、
第４に、前記コイルが複数配置されていることを特徴とする上記記載のマイクロアクチュエータであり、
第５に、前記コイルが基板上に形成された平面コイルであることを特徴とする上記記載のマイクロアクチュエータであり、
第６に、前記可動板が反射面を有することを特徴とする上記記載のマイクロアクチュエータであり、
第７に、時間に対して非線形の電圧を前記コイルに印加し、前記可動板または前記ジンバルを非共振駆動させることを特徴とする、上記記載のマイクロアクチュエータの駆動方法であり、
第８に、前記非共振駆動が三角波駆動であることを特徴とする、上記記載のマイクロアクチュエータの駆動方法であり、
第９に、前記非共振駆動がのこぎり波駆動であることを特徴とする、上記記載のマイクロアクチュエータの駆動方法である。
以上が本発明の構成要素であり、その詳細及び作用については以下に説明する。

本発明により、必要トルクの大きい大変位時に、可動板と駆動手段とが機械的に干渉せず、かつ、発生トルクも大きくでき、小型で消費電力の小さい非共振駆動用のマイクロアクチュエータを提供することができた。

本発明によるマイクロアクチュエータの構成を説明する。可動部分は、可動板が一対の弾性支持部により支持基板に支持された構造を有する。可動部分の作製方法としては、特にシリコン基板をフォトリソグラフィーとエッチングの手法により、支持基板と弾性支持部と可動板を一体形成する方法が優れている。また、コイルはボビンにコイル線を巻回して作製しても良いし、ウエハ上にフォトリソグラフィーとメッキ等の方法により作製することも可能である。可動部分の支持基板とコイルとはホルダーに固定されている。

図７に示されるムービングマグネットのマイクロアクチュエータは、比較的容易に作製でき、偏向角を大きくでき、小型化に有利な駆動方法である。本発明はムービングマグネットにおけるコイルの配置を工夫することにより、非共振駆動に適したマイクロアクチュエータを提供するものである。

ムービングマグネットにおいてはコイルに電流を流す時、コイルの中心軸上に磁極が発生するとみなせる為、永久磁石の磁極との間に働く力の大きさは、それぞれの磁極の磁荷をｑ１、ｑ２、磁極間の距離をｒとして、次式で表現される。

上式よりコイルの磁極は永久磁石の磁極との距離が小さい時に特に大きな力を発生し、そのときの回転方向成分がトルクに寄与する。効果的に力を伝達できるサーボ駆動を実現するためには、大きなトルクの必要な大偏向角の状態でコイルの磁極と可動磁石の磁極との間に働く力の回転方向成分がトルクに大きく寄与する配置で接近し、かつ、可動板の偏向を妨げない配置が望ましい。本発明は、コイルの中心軸を、磁場の無い静止状態の可動板に垂直な軸に対して傾斜角度を有して設置することにより、大偏向角時のトルクを大きくし、かつ、可動板の偏向を妨げない配置とした。また、傾斜角度の有効な角度範囲としては、可動板を偏向動作した時の、静止状態からの最大偏向角に対して、コイル中心軸の傾斜角度がその二分の一より大きいことが必要である。

本発明は、また、本発明によるマイクロアクチュエータの可動板の表面に反射膜を形成した光偏向器、およびこれを利用した画像形成装置を含む。

以下実施例を挙げて本発明を詳細に説明する。

（実施例）
（実施例１）（対称２個：ｖａｒ 平面コイル）
本実施例は本発明による光偏向器の第一態様である。図１にその構成を示す。図１（ａ）は、光偏向器の可動部分を反射面の反対側から見た図、図１（ｂ）は光偏向器の静止状態での断面図、図１（ｃ）は光偏向器の偏向状態での断面図である。可動板１が２つの弾性支持部２により支持基板３にねじり回転可能に支持されている。可動板１、弾性支持部２、支持基板３は、シリコン基板をエッチング加工することにより一体形成される。可動板１上には反射膜５が形成される。また、可動板１の反射膜５と反対側には可動磁石４が接合されている。可動板１の大きさは約３ｍｍ×２ｍｍである。

可動板１を偏向させる駆動手段として電磁コイル１１が２個配置されている。電磁コイル１１は、アルミニウム製のボビンに直径０．１ｍｍの被服銅線を約１００ターン巻回したものであり、電磁コイル１１に電流を流すための２つの端子（不図示）を有する。電磁コイル１１の中心軸は偏向角方向に傾斜しており、電磁コイル１１の中心軸と、偏向器に外力を加えない静止状態の可動板１に垂直な軸とのなす角θは約４０°である。また、２つの電磁コイル１１は、可動板１を通り静止状態の可動板に垂直な軸に対して対称な位置に配置されている。電磁コイル１１の設置角度は、使用領域での最大偏向角の時に伝達力が最大になるような角度の近傍に設定することが望ましい。さらに、２つの電磁コイル１１と支持基板３とは所望の位置関係になるようにホルダー６に固定されている。

次に、駆動方法を説明する。２つの電磁コイル１１に電流を流すことにより発生する磁場が可動磁石４に作用し、可動板１を偏向させる。本実施例の場合、可動板１の偏向角に対して非線形な電圧を印加することにより、所望の偏向角で保持することが可能である。また、偏向角が時間に対して三角波やのこぎり波の形状になるように駆動することも可能である。本実施例における光偏向器の最大偏向角φは±約３５°である。

また、図２に示すように本実施例の電磁コイル１１を平面コイル１２に置き換えることも可能である。図２（ａ）は、平面コイル１２の上面図、図２（ｂ）は平面コイル１２の断面図である。平面コイル１２はシリコン基板上にフォトリソグラフィーと銅メッキにより線幅４０μｍ、高さ５０μｍの配線を３０ターン形成したものであり、緻密な構造を得ることができ、小型で発生力の大きいコイルを作製することが可能である。また、平面コイルを基板上に多層形成し、層間配線により連結させることにより発生力の大きなコイル構造とすることも可能である。図２（ｃ）は光偏向器の静止状態での断面図、図２（ｄ）は光偏向器の偏向状態での断面図である。平面コイル１２を用いた場合も、電磁コイル１１の場合と同様に動作させることが可能である。

本実施例による光偏向器は主に非共振駆動に用いるものであるが、共振駆動ももちろん可能である。本実施例により、非共振駆動において必要トルクの大きい大変位時に、効果的に発生トルクを伝達することができ、小型で大変位角が可能な光偏向器を提供することができた。

（実施例２）（片側のみ）
本実施例は本発明による光偏向器の第二態様である。図３にその構成を示す。図３（ａ）は、光偏向器の可動部分を反射面の反対側から見た図、図３（ｂ）は光偏向器の静止状態での断面図、図３（ｃ）は光偏向器の偏向状態での断面図である。可動板１が２つの弾性支持部２により支持基板３にねじり回転可能に支持されている。可動板１、弾性支持部２、支持基板３は、シリコン基板をエッチング加工することにより一体形成される。可動板１上には反射膜５が形成される。可動板１の反射膜５と反対側には可動磁石４が接合されている。可動板１の大きさは約３ｍｍ×２ｍｍである。

可動板１を偏向させる駆動手段として電磁コイル１１が１個配置されている。電磁コイル１１は、アルミニウム製のボビンに直径０．１ｍｍの被服銅線を約２００ターン巻回したものであり、電磁コイル１１に電流を流すための２つの端子（不図示）を有する。電磁コイル１１の中心軸は偏向角方向に傾斜しており、電磁コイル１１の中心軸と、偏向器に外力を加えない静止状態の可動板１に垂直な軸とのなす角θは約３０°である。さらに、電磁コイル１１と支持基板３とは所望の位置関係になるようにホルダー６に固定されている。

次に、駆動方法を説明する。２つの電磁コイル１１に電流を流すことにより発生する磁場が可動磁石４に作用し、可動板１を偏向させる。本実施例の場合、可動板１の偏向角に対して非線形な電圧を印加することにより、所望の偏向角で保持することが可能である。また、偏向角が時間に対して三角波やのこぎり波の形状になるように駆動することも可能である。本実施例における光偏向器の最大偏向角φは約４５°である。

本実施例においては、静止状態からの偏向角が主に片側の領域で使用するのに適した構造となっている。本実施例の構造が最も適している駆動動作はのこぎり波駆動である。図４はのこぎり波駆動の時間に対する偏向角を示したもので、走査時間ｔ１と帰還時間ｔ２とを有する。実施例１のように静止状態から両方の偏向角を用いる場合は、のこぎり波駆動の帰還時間ｔ２を共振周波数の二分の一周期分より小さくすることができない。一方、本実施例の場合、最大偏向角から静止状態に戻す動作をのこぎり波駆動の帰還時間に用いることにより、帰還時間ｔ２を共振周波数の四分の一周期分に相当する時間まで小さくすることができる。この結果、相対的に光偏向器の走査時間ｔ１を大きくすることができるため、特にディスプレイ等に用いる場合の光の利用効率を大きくする効果がある。

本実施例による光偏向器は主に非共振駆動に用いるものであるが、共振駆動ももちろん可能である。本実施例により、非共振駆動において必要トルクの大きい大変位時に、効果的に発生トルクを伝達することができ、小型で大変位角が可能な光偏向器を提供することができた。

（実施例３）（ジンバル）
本実施例は本発明による光偏向器の第三態様である。図５にその構成を示す。図５（ａ）は、光偏向器の可動部分を反射面の反対側から見た図、図５（ｂ）は光偏向器の静止状態での断面図、図５（ｃ）は光偏向器の偏向状態での断面図である。可動板１が２つの弾性支持部２１によりジンバル８にねじり回転可能に支持されている。また、ジンバル８が２つの弾性支持部２２により支持基板３にねじり回転可能に支持されている。可動板１の回転軸とジンバル８の回転軸は互いに直交している。可動板１、弾性支持部２１、２２、ジンバル８、支持基板３は、シリコン基板をエッチング加工することにより一体形成される。可動板１上には反射膜５が形成される。また、可動板１の反射膜５とは反対側と、ジンバル８には可動磁石４＊が接合されている。可動板１の大きさは約１ｍｍ×１．５ｍｍである。

可動板１を偏向させる駆動手段として平面コイル２３が配置されている。また、ジンバル８を偏向させる駆動手段として２つの平面コイル２４が配置されている。平面コイル２３，２４は、実施例１の平面コイルと同様にシリコン基板上にフォトリソグラフィーと銅メッキにより線幅４０μｍ、高さ５０μｍの配線を３０ターン形成したものであり、電流を流すための２つの端子（不図示）を有する。平面コイル２３の中心軸と、偏向器に外力を加えない静止状態の可動板１に垂直な軸とはほぼ平行である。また、２つの平面コイル２４の中心軸と、偏向器に外力を加えない静止状態の可動板１に垂直な軸とのなす角θは約６０°である。また、２つの平面コイル２４は、可動板１を通り静止状態の可動板１に垂直な軸に対して対称な位置に配置されている。さらに、電磁コイル２３、２４と支持基板３とは所望の位置関係になるようにホルダー６に固定されている。

次に、駆動方法を説明する。平面コイル２３に電流を流すことにより発生する磁場が可動板１の可動磁石４に作用し、可動板１を偏向させる。また、平面コイル２４に電流を流すことにより発生する磁場がジンバル８の可動磁石４に作用し、ジンバル８を偏向させる。これにより、光の２次元偏向が可能である。可動板１の偏向は共振駆動で行う。また、ジンバル８の偏向は三角波駆動で行う。本実施例における可動板１の最大偏向角は±約１５°、ジンバル８の最大偏向角φは±約１０°である。

本実施例により、ジンバルの非共振駆動において必要トルクの大きい大変位時に、効果的に発生トルクを伝達することができ、小型で大変位角が可能な２次元光偏向器を提供することができた。

（実施例４）（画像形成装置）
本実施例は本発明による光偏向器を用いた画像形成装置の例である。図６に本実施例の構成を示す。まず、光源変調駆動部５１から出た変調信号５２により直接変調光源５３の変調を行う。本実施例においては直接変調光源５３として赤色の半導体レーザを用いた。直接変調光源５３はまた、赤色、青色、緑色の直接変調可能な光源を用い、これらを混色光学系にて混色して用いても良い。直接変調光源５３から直接変調された出力光５４は、光偏向器５５の反射面に照射される。さらに光偏向器５５により偏向された反射光は補正光学系５６を通って画像表示体５７上に画像として表示される。補正光学系５６は共振走査による画像の歪みを補正する光学系である。

光偏向器５５は実施例３による光偏向器であり、光偏向器５５を用いて出力光５４をラスタ走査することにより、画像表示体５７に画像を表示する。高速走査（可動ミラー）は周波数２０ｋＨｚの共振駆動往復描画で偏向角は±１５°で、反射角にすると±３０°である。低速走査（ジンバル）は３０Ｈｚの三角波駆動往復描画で偏向角は約±１０°、反射角にすると約±２０°である。また、光偏向器５５の駆動電圧は８Ｖである。

本実施例により、コンパクトな構成を有し、低電圧で駆動でき、偏向角が大きく高精細な画像が得られる、画像形成装置を提供することができた。

実施例１による光偏向器を示す図 実施例１による光偏向器の変形例を示す図 実施例２による光偏向器を示す図 実施例２による光偏向器の偏向動作を説明する図 実施例３による光偏向器を示す図 実施例４による画像形成装置を示す図 従来例による光偏向器を示す図 従来例による光偏向器を示す図

符号の説明

１ 可動板
２ 弾性支持部
３ 支持基板
４ 可動磁石
５ 反射膜
６ ホルダー
７ 回転軸
８ ジンバル
１１ 電磁コイル
１２ 平面コイル
２１ 弾性支持部
２２ 弾性支持部
２３ 平面コイル
２４ 平面コイル
５１ 光源変調駆動部
５２ 変調信号
５３ 直接変調光源
５４ 出力光
５５ 光偏向器
５６ 補正光学系
５７ 画像表示体上

Claims (9)

1. 可動板と、支持基板と、該可動板を支持基板に対してねじり回転可能に支持する一対の弾性支持部と、該可動板に形成された永久磁石と、該可動板を磁場によりねじり回転方向に偏向させるコイルと、を有するマイクロアクチュエータであって、該コイルの中心軸が、磁場の無い静止状態の可動板に垂直な軸に対して、該可動板のねじり回転方向に傾斜角度を有して設置されることを特徴とするマイクロアクチュエータ。
2. 可動板と、ジンバルと、該可動板を該ジンバルに対してねじり回転可能に支持する第１の弾性支持部対と、支持基板と、該ジンバルを該支持基板に対して該可動板の回転軸とほぼ直交する方向にねじり回転可能に支持する第２の弾性支持部対と、該ジンバルに形成された永久磁石と、該ジンバルを磁場によりねじり回転方向に偏向させるコイルと、を有するマイクロアクチュエータであって、該コイルの中心軸が、磁場の無い静止状態の該可動板に垂直な軸に対して、該可動板のねじり回転方向に傾斜角度を有して設置されることを特徴とするマイクロアクチュエータ。
3. 前記可動板を偏向動作した時の、静止状態からの最大偏向角に対して、前記傾斜角度がその二分の一より大きいことを特徴とする請求項１または２に記載のマイクロアクチュエータ。
4. 前記コイルが複数配置されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
5. 前記コイルが基板上に形成された平面コイルであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
6. 前記可動板が反射面を有することを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
7. 時間に対して非線形の電圧を前記コイルに印加し、前記可動板または前記ジンバルを非共振駆動させることを特徴とする、請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロアクチュエータの駆動方法。
8. 前記非共振駆動が三角波駆動であることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロアクチュエータの駆動方法。
9. 前記非共振駆動がのこぎり波駆動であることを特徴とする、請求項７に記載のマイクロアクチュエータの駆動方法。

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