JP2005287199A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧で大振幅での駆動が可能であり、かつ、より高速（高周波数）での駆動が可能なアクチュエータを提供すること。
【解決手段】アクチュエータ１００は、第１の質量部１、１１と、第２の質量部２と、支持部３、３と、第１の質量部１、１１と支持部３、３とを、第１の質量部１、１１が支持部３、３に対して回動可能となるように連結する一対の第１の弾性連結部４、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一対の第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、１１と第２の質量部２との双方に、その構成材料の一部を除去することにより凹部（材料除去部）１ａ、１１ａ、２ａが形成されている。
【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アクチュエータ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、機器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１４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、前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１４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１２００を介してシリコンの単結晶板からなる可動電極板１３００の両端固定部１３００ａを固定し、この可動電極板１３００の両端固定部１３００ａ間に、細巾のトーションバー１３００ｂを介して可動電極部１３００ｃを支持させ、また、その可動電極部１３００ｃに電極間隔を置いて対向させる固定電極１４００を、ガラス基板１０００上において前記可動電極部１３００ｃに対し平行配置している。可動電極板１３００と固定電極１４００との間にはスイッチ１６００を介して電源１５００が接続される。

前記構成を有するねじり振動子は、可動電極部１３００ｃと固定電極１４００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１３００ｂを軸として可動電極部１３００ｃ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１３００ｃ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、低電圧で大振幅での駆動が可能であり、かつ、より高速（高周波数）での駆動が可能な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、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、少なくとも一対の第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、少なくとも一対の第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２自由度振動系のアクチュエータであって、
前記第１の質量部と前記第２の質量部との少なくとも一方には、その構成材料の一部を除去することにより材料除去部が形成されていることを特徴とする。
これにより、低電圧で大振幅での駆動が可能となり、さらに、第１の質量部および／または第２の質量部の質量（重量）が軽減することにより、より高速（高周波数）での駆動が可能となる。

本発明のアクチュエータでは、前記第１の質量部および前記第２の質量部の双方に、前記材料除去部が形成されていることが好ましい。
これにより、さらに高速（高周波数）での駆動が可能となる。
本発明のアクチュエータでは、前記第１の質量部に形成された前記材料除去部と、前記第２の質量部に形成された前記材料除去部とは、それぞれ有底穴で構成され、それらの開口方向がほぼ反対方向であることが好ましい。
これにより、例えば光スキャナに適用する場合、特に静電気力で駆動させる形態のものにおいて、光反射部を対向基板による制約を受けない側に設けることにより、より解像度の高いスキャンニングが可能となる。

本発明のアクチュエータでは、前記第１の質量部に形成された前記材料除去部と、前記第２の質量部に形成された前記材料除去部とは、それぞれ有底穴で構成され、それらの開口方向がほぼ同一方向であることが好ましい。
これにより、材料除去部の形成がより容易となる。
本発明のアクチュエータでは、前記第１の質量部を一対備え、
前記一対の第１の質量部の一方は、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が好ましい。
これにより、より確実に、低電圧で駆動が可能で、かつ、振れ角（振幅）が大きいものとすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記第１の質量部および前記第２の質量部に対向するように設けられた対向基板を備え、
該対向基板の前記第２の質量部に対応する位置には、前記第２の質量部が回動したとき、該第２の質量部が前記対向基板に接触するのを防止するための逃げ部が形成されていることが好ましい。
これにより、第２の質量部の振れ角（振幅）をより大きく設定することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記逃げ部は、前記対向基板の前記第２の質量部と反対側の面で開放していることが好ましい。
これにより、例えば光スキャナに適用した場合、第２の質量部の開口部側の面に光反射部を設けることにより、第２の質量部の双方の面に入射する光を利用することができるので、機能性の高いものとすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記対向基板は、その前記第１の質量部側の面の、前記第１の質量部に対応する位置に設けられた少なくとも一対の電極を備え、
前記一対の電極と前記第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、前記第１の質量部に、前記材料除去部として有底穴が形成され、
該有底穴は、前記第１の質量部の前記電極と反対側に開口していることが好ましい。
これにより、第１の質量部と電極との間に確実に静電気力を生じさせることができる。

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。
本発明のアクチュエータは、各種のものに適用可能であるが、例えば光スキャナへの適用が好適であり、この場合、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２の質量部に、前記材料除去部として有底穴が形成され、
前記第２の質量部は、前記有底穴が開口するのと反対側に、前記光反射部を有することが好ましい。
これにより、光反射部の形成がより容易となる。

本発明のアクチュエータでは、前記第１の質量部を一対備え、前記一対の第１の質量部の一方は、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構成において、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、ほぼ垂直な方向の端部との間の距離をＬ_１とし、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、ほぼ垂直な方向の端部との間の距離をＬ_２とし、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、ほぼ垂直な方向の端部との間の距離をＬ_３としたとき、Ｌ_１とＬ_３とが、Ｌ_１＜Ｌ_３なる関係を満足し、かつ、Ｌ_２とＬ_３とが、Ｌ_２＜Ｌ_３なる関係を満足することが好ましい。

これにより、より容易かつ確実に、低電圧駆動が可能で、かつ、振れ角（振幅）が大きいものとすることができる。
また、この場合、本発明のアクチュエータでは、前記距離Ｌ_１と、前記距離Ｌ_２とがほぼ等しいことが好ましい。
これにより、アクチュエータの制御が容易となり、さらに容易かつ確実に、低電圧駆動が可能で、かつ、振れ角（振幅）が大きいものとすることができる。

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ていることが好ましい。
これにより、低電圧で高速動作が可能で、かつ、振れ角（振幅）が大きいものとすることができる。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、前記第１の弾性連結部のばね定数をｋ_１とし、前記第２の弾性連結部のばね定数をｋ_２としたとき、ｋ_１とｋ_２とが、ｋ_１＞ｋ_２なる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（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、前記第１の質量部の慣性モーメントをＪ_１とし、前記第２の質量部の慣性モーメントをＪ_２としたとき、Ｊ_１とＪ_２とがＪ_１≦Ｊ_２なる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、前記第１の弾性連結部および前記第２の弾性連結部のうちの少なくとも一方は、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。
＜第１実施形態＞
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（一部切欠いて示す。）、図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図、図３は、図１に示すアクチュエータの電極の配置を示す平面図、図４は、印加する交流電圧の一例を示す図、図５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および図３中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言い、図２中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。

図１および図２に示すアクチュエータ１００は、一対の第１の質量部（駆動部）１、１１と、第２の質量部（可動部）２と、一対の支持部３、３とを有している。
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（図１および図２中、右側）に設けられ、第１の質量部１１が他端側（図１および図２中、左側）に設けられている。

第１の質量部１、１１および第２の質量部２は、いずれも、ほぼ平板状をなしている。
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。
また、本実施形態では、第１の質量部１、１１は、互いにほぼ同一形状かつほぼ同一寸法で、第２の質量部２を介して、ほぼ対称に設けられている。

第２の質量部２の上面（後述する対向基板６と反対側の面）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、１１が対応する支持部３、３に対して回動可能となるように、第１の質量部１、１１と支持部３、３とを連結する一対の第１の弾性連結部４、４を有している。また、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、第１の質量部１、１１と、第２の質量部２とを連結する一対の第２の弾性連結部５、５を有している。

すなわち、第２の質量部２は第２の弾性連結部５、５を介して、第１の質量部１、１１にそれぞれ接続され、第１の質量部１、１１は、第１の弾性連結部４、４を介して支持部３、３にそれぞれ接続されている。また、第１の弾性連結部４と、第２の弾性連結部５とは同軸的に設けられており、これらが回動中心軸（回転軸）４１となる。
これらの第１の質量部１、１１、第２の質量部２、支持部３、３、第１の弾性連結部４、４および第２の弾性連結部５、５は、後述するように、例えば、シリコン等を主材料として、好ましくは一体的に形成されている。

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、第１の質量部１、１１および第２の質量部２に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を主材料として構成され、支持部３、３に接合されている。
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が形成されている。この開口部６１は、第２の質量部２が回動（振動）する際に、対向基板６に接触するのを防止する逃げ部を構成する。開口部（逃げ部）６１を設けることにより、アクチュエータ１００全体の大型化を防止しつつ、第２の質量部２の振れ角（振幅）をより大きく設定することができる。

なお、逃げ部は、前記効果を十分に発揮し得る構成であれば、必ずしも対向基板６の下面（第２の質量部２と反対側の面）で開放（開口）していなくてもよい。すなわち、逃げ部は、対向基板６の上面に形成された凹部で構成することもできる。
また、図２および図３に示すように、対向基板６の上面（第１の質量部１、１１側の面）には、第１の質量部１に対応する位置に、一対の電極７が、回動中心軸４１を中心にほぼ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、一対の電極７が、回動中心軸４１を中心にほぼ対称となるように設けられている。すなわち、本実施形態では、一対の電極７が２組（合計４個）、設けられている。

第１の質量部１、１１と各電極７とは、図示しない電源に接続されており、第１の質量部１、１１と各電極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、１１の各電極７と対向する面には、それぞれ、絶縁膜（図示せず）が設けられている。これにより、第１の質量部１、１１と各電極７との間での短絡が発生するのが好適に防止される。

上述したようなアクチュエータ１００は、第１の質量部１、１１と第１の弾性連結部４、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、５とからなる第２の振動系とを有する２自由度振動系を構成する。
このようなアクチュエータ１００は、次のようにして駆動する。
すなわち、第１の質量部１、１１と各電極７との間に、例えば、正弦波（交流電圧）等を印加すると、具体的には、例えば、第１の質量部１、１１をアースしておき、図３中上側の２つの電極７に、図４（ａ）に示すような波形の電圧を印加し、下側の２つの電極７に、図４（ｂ）に示すような波形の電圧を印加すると、第１の質量部１、１１と各電極７との間に静電気力（クーロン力）が生じる。

この静電気力により、第１の質量部１、１１が、各電極７の方へ引きつけられる力が正弦波の位相により変化し、回動中心軸４１（第１の弾性連結部４）を軸に振動（回転）する。
そして、この第１の質量部１、１１の振動（駆動）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も、回動中心軸４１（第２の弾性連結部５）を軸に振動（回転）する。

ここで、第１の質量部１の回動中心軸４１に対してほぼ垂直な方向（長手方向）の端部１２との間の距離（長さ）をＬ_１とし、第１の質量部１１の回動中心軸４１に対してほぼ垂直な方向（長手方向）の端部１２との間の距離（長さ）をＬ_２とし、第２の質量部２の回動中心軸４１に対してほぼ垂直な方向の端部１３との間の距離（長さ）をＬ_３としたとき、本実施形態では、第１の質量部１、１１が、それぞれ独立して設けられているため、第１の質量部１、１１と、第２の質量部２とが干渉せず、第２の質量部２の大きさ（長さＬ_３）にかかわらず、Ｌ_１およびＬ_２を小さくすることができる。これにより、第１の質量部１、１１の回転角度（振れ角）を大きくすることができ、第２の質量部２の回転角度を大きくすることができる。

また、Ｌ_１およびＬ_２を小さくすることにより、第１の質量部１、１１と各電極７との間の距離を小さくすることができ、これにより、静電気力が大きくなり、第１の質量部１、１１と各電極７に印加する交流電圧を小さくすることができる。
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、Ｌ_１＜Ｌ_３かつＬ_２＜Ｌ_３なる関係を満足するよう設定されるのが好ましい。

前記関係を満たすことにより、Ｌ_１およびＬ_２をより小さくすることができ、第１の質量部１、１１の回転角度をより大きくすることができ、第２の質量部２の回転角度をさらに大きくすることができる。
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。

また、このように、Ｌ_１およびＬ_２を小さくすることにより、第１の質量部１、１１と各電極７との間の距離をより小さくすることができ、第１の質量部１、１１と各電極７に印加する交流電圧をさらに小さくすることができる。
これらによって、第１の質量部１、１１の低電圧駆動と、第２の質量部２の大回転角度での振動（回動）とを実現することができる。

このため、このようなアクチュエータ１００を、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。
なお、前述したように、本実施形態では、Ｌ_１とＬ_２とはほぼ等しく設定されているが、Ｌ_１とＬ_２とが異なっていてもよいことは言うまでもない。

ところで、このような２自由度振動系のアクチュエータ１００では、第１の質量部１、１１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５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、１１と、第２の質量部２の振幅とが大きくなる２つの共振周波数ｆｍ_１［ｋＨｚ］、ｆｍ_３［ｋＨｚ］（ただし、ｆｍ_１＜ｆｍ_３）と、第１の質量部１、１１の振幅がほぼ０となる、１つの反共振周波数ｆｍ_２［ｋＨｚ］とを有している。

このアクチュエータ１００では、第１の質量部１、１１と電極７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_１とほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。これにより、第１の質量部１、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ｆｍ_１［ｋＨｚ］とがほぼ等しいとは、（ｆｍ_１−１）≦Ｆ≦（ｆｍ_１＋１）の条件を満足することを意味する。

第１の質量部１、１１の平均厚さは、それぞれ、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ｋ_１は、１×１０^−４〜１×１０^４Ｎｍ/ｒａｄであるのが好ましく、１×１０^−２〜１×１０^３Ｎｍ/ｒａｄであるのがより好ましく、１×１０^−１〜１×１０^２Ｎｍ/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。

一方、第２の弾性連結部５のばね定数ｋ_２は、１×１０^−４〜１×１０^４Ｎｍ/ｒａｄであるのが好ましく、１×１０^−２〜１×１０^３Ｎｍ/ｒａｄであるのがより好ましく、１×１０^−１〜１×１０^２Ｎｍ/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、１１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。

また、第１の弾性連結部４のばね定数ｋ_１と第２の弾性連結部５のばね定数ｋ_２とは、ｋ_１＞ｋ_２なる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、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。
さらに、第１の質量部１の慣性モーメントをＪ_１とし、前記第２の質量部２の慣性モーメントをＪ_２としたとき、Ｊ_１とＪ_２とは、Ｊ_１≦Ｊ_２なる関係を満足することが好ましく、Ｊ_１＜Ｊ_２なる関係を満足することがより好ましい。これにより、第１の質量部１、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。

ところで、第１の質量部１、１１と第１の弾性連結部４、４とからなる第１の振動系の固有振動数ω_１は、第１の質量部１、１１の慣性モーメントをＪ_１と、第１の弾性連結部４のばね定数ｋ_１とにより、ω_１＝（ｋ_１／Ｊ_１）^１／２によって与えられる。一方、第２の質量部２と第２の弾性連結部５、５とからなる第２の振動系の固有振動数ω_２は、第２の質量部２の慣性モーメントをＪ_２と、第２の弾性連結部５のばね定数ｋ_２とにより、ω_２＝（ｋ_２／Ｊ_２）^１／２によって与えられる。

このようにして求められる第１の振動系の固有振動数ω_１と第２の振動系の固有振動数ω_２とは、ω_１＞ω_２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、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、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。

さて、本発明では、第１の質量部および第２の質量部の少なくとも一方に、その構成材料の一部が除去されることにより凹部（材料除去部）が形成されていることに特徴を有する。
本実施形態では、図２に示すように、第１の質量部１、１１および第２の質量部２の双方に、それぞれ、凹部（有底穴）１ａ、１１ａ、２ａが形成されている。

第１の質量部１（１１）には、その上面（電極７と反対側の面）から、下方に向かって凹没する凹部１ａ（１１ａ）が４つ形成されている。
すなわち、各凹部１ａ（１１ａ）は、いずれも第１の質量部１（１１）の上面で開口（開放）している。これにより、第１の質量部１（１１）の下面（電極７側の面）は、平坦面を構成している。

また、各凹部１ａ（１１ａ）は、図１に示すように、ほぼ直方体状に形成されている。換言すれば、各凹部１ａ（１１ａ）は、第１の質量部１の外周を囲むように形成された枠部１ｂ（１１ｂ）と、互いに交差するよう（十字状）に形成された隔壁部１ｃ（１１ｃ）とにより区画されている。
このような構成により、次のような効果が得られる。

すなわち、Ｉ：第１の質量部１、１１の質量（重量）を低減することができるため、高速（高周波数）での駆動が可能となる。この第１の質量部１、１１の高速での駆動により、第２の質量部２も高速で駆動（振動）させることができるようになる。
II：隔壁部１ｃ、１１ｃが十字状に形成されていることにより、第１の質量部１、１１の強度を十分に確保することができ、これらが高速で駆動した場合でも、破損することを確実に防止することができる。
III：第１の質量部１、１１の下面が平坦面を構成することにより、第１の質量部１、１１と各電極７との間に確実に静電気力を生じさせ、第１の質量部１、１１を確実に駆動させることができる。

一方、第２の質量部２には、その下面（電極７側の面）から、上方に向かって（第１の質量部１、１１の凹部１ａ、１１ａとほぼ反対方向に）凹没する凹部２ａが４つ形成されている。
すなわち、各凹部２ａは、いずれも第２の質量部２の下面で開口（開放）している。これにより、第２の質量部２の上面（電極７と反対側の面）は、平坦面を構成している。

そして、この第２の質量部２の上面（平坦面）に、光反射部２１が設けられている。平坦面に光反射部２１を設ける構成とすることにより、光反射部２１の形成が容易となる。
また、各凹部２ａは、図１に示すように、ほぼ直方体状に形成されている。換言すれば、各凹部２ａは、第２の質量部２の外周を囲むように形成された枠部２ｂと、互いに交差するよう（十字状）に形成された隔壁部２ｃとにより区画されている。

このような構成により、次のような効果が得られる。
すなわち、Ａ：第２の質量部２の質量（重量）を低減することができるため、高速（高周波数）での駆動が可能となる。また、質量が軽減されることにより、凹部を形成しないものに対して大型化（大面積化）を図ることができるという利点もある。
Ｂ：隔壁部２ｃが十字状に形成されていることにより、第２の質量部２の強度を十分に確保することができ、これが高速で駆動した場合でも、破損のみならず、撓み（反り）も確実に防止することができる。

特に、本実施形態では、第１の質量部１、１１および第２の質量部２の双方に凹部１ａ、１１ａ、２ａが形成されていることにより、第２の質量部２を極めて高速（高周波数）で駆動させることができる。
また、第２の質量部２の撓みが防止されるとともに、第２の質量部２の大面積化を図ることができるため、このようなアクチュエータ１００を、例えば、光スキャナに適用した場合には、より解像度の高いスキャンニングを行うことが可能となる。
なお、凹部１ａ、１１ａ、２ａを形成するために、第１の質量部１、１１および第２の質量部２の構成材料を除去する量は、目的とする第２の質量部２の駆動周波数に応じて適宜設定される。

このようなアクチュエータ１００は、例えば、次のようにして製造することができる。
図６〜図８は、それぞれ、第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図（縦断面図）である。なお、以下では、説明の便宜上、図６〜図８中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
［Ａ１］ まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板３０を用意する。
そして、図６（ｂ）に示すように、シリコン基板３０の一方の面に、第１の質量部１、１１、第２の質量部２、支持部３、３、第１の弾性連結部４、４および第２の弾性連結部５、５の形状に対応するように、例えば、アルミニウム等により金属マスク３１を形成する。

次に、シリコン基板３０の他方の面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、図６（ｃ）に示すように、支持部３、３の形状に対応するように、レジストマスク３２を形成する。
そして、このレジストマスク３２を介して、シリコン基板３０の他方の面側をエッチングした後、レジストマスク３２を除去する。これにより、図６（ｄ）に示すように、支持部３、３に対応する部分以外の領域に凹部３００が形成される。

エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、以下の各工程のエッチングにおいて、同様の方法を用いることができる。

次に、再度、シリコン基板３０の他方の面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、図７（ｅ）に示すように、第１の質量部１、１１、第２の質量部２、支持部３、３、第１の弾性連結部４、４および第２の弾性連結部５、５を下面側から見た形状に対応するように、レジストマスク３３を形成する。
そして、このレジストマスク３３を介して、シリコン基板３０の他方の面側をエッチングした後、レジストマスク３３を除去する。これにより、図７（ｆ）に示すように、第１の質量部１、１１、第２の質量部２、支持部３、３、第１の弾性連結部４、４および第２の弾性連結部５、５に対応する部分以外の領域に凹部が形成される。

次に、金属マスク３１を介して、シリコン基板３０の一方の面側を、前記凹部３００に貫通するまでエッチングする。
ここで、シリコン基板３０をエッチングを行った後、金属マスク３１は除去してもよく、除去せずに残存させてもよい。金属マスク３１を除去しない場合、第２の質量部２上に残存した金属マスク３１は光反射部２１として用いることができる。

金属マスク３１を除去した場合、この後、第２の質量部２上に金属膜を成膜し、光反射部２１を形成する。
金属膜の成膜方法としては、プラズマＣＶＤ、熱ＣＶＤ、レーザーＣＶＤのような化学蒸着法（ＣＶＤ）、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、ゾル・ゲル法、ＭＯＤ法、金属箔の接合等が挙げられる。
なお、以下の各工程の金属膜の成膜において、同様の方法を用いることができる。
以上の工程により、図７（ｇ）に示すように、第１の質量部１、１１、第２の質量部２、支持部３、３、第１の弾性連結部４、４および第２の弾性連結部５、５が一体的に形成された構造体が得られる。

［Ａ２］ 次に、図８（ｈ）に示すように、対向基板６を形成するためのシリコン基板６０を用意する。
そして、シリコン基板６０の一方の面に、開口部６１を形成する領域を除いた部分に対応するように、例えば、アルミニウム等により金属マスクを形成する。
次に、この金属マスクを介して、シリコン基板６０の一方の面側をエッチングした後、金属マスクを除去する。これにより、図８（ｉ）に示すように、開口部６１が形成された対向基板６が得られる。

次に、対向基板６上に、図８（ｊ）に示すように、電極７を形成する。
電極７は、対向基板６の開口部６１が形成された面に金属膜を成膜し、電極７の形状に対応するマスクを介して金属膜をエッチングを行った後、マスクを除去することにより形成することができる。
なお、電極７は、開口部６１を形成するのに先立って、形成するようにしてもよい。

［Ａ３］ 次に、図８（ｋ）に示すように、前記工程［Ａ１］で得られた構造体の支持部３、３と、前記工程［Ａ２］で得られた対向基板６とを、例えば、直接接合、Ｎａイオンを含有するガラス材料を介した陽極接合等により接合して接合体を得る。
なお、対向基板６を形成するための基板としてガラス基板を用いる場合には、開口部６１の形成には、前述したようなエッチング法の他、例えば、ショットブラスト、サンドブラスト、レーザー加工等の方法を用いることができる。
また、この場合、前記構造体との接合には、例えば陽極接合等を用いることができる。
以上のようにして、第１実施形態のアクチュエータ１００が製造される。

＜第２実施形態＞
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９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、図１０は、図９中のＢ−Ｂ線断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図９中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言い、図１０中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。

以下、第２実施形態のアクチュエータについて、前記第１実施形態のアクチュエータ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。
第２実施形態のアクチュエータ１００は、下面側からの光を利用するよう構成され、それ以外は、前記第１実施形態のアクチュエータ１００と同様である。
すなわち、図９および図１０に示すように、第２実施形態の第２の質量部２では、その上面（電極７と反対側の面）から、下方に向かって（第１の質量部１、１１の凹部１ａ、１１ａとほぼ同一方向に）凹没する凹部２ａが４つ形成されている。

すなわち、第２実施形態では、各凹部２ａは、いずれも第２の質量部２の上面で開口している。これにより、第２の質量部２の下面（電極７側の面）は、平坦面を構成している。
そして、この第２の質量部２の下面（平坦面）に、光反射部２１が設けられており、アクチュエータ１００の下面側からの光が利用できるようになっている。

このような第２実施形態のアクチュエータ１００によっても、前記第１実施形態のアクチュエータ１００と同様の作用・効果が得られる。
特に、本実施形態では、凹部１ａ、１１ａ、２ａが同じ側で開口する構成であることから、それらの形成をより容易におこなうことができ、アクチュエータ１００の製造時間の短縮および製造コストの低減を図ることができる。

＜第３実施形態＞
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１１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。なお、以下では、説明の便宜上、図１１中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。

以下、第３実施形態のアクチュエータについて、前記第１実施形態のアクチュエータ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。
第３実施形態のアクチュエータ１００は、第１の質量部１、１１と、第２の質量部２と、支持部３、３との連結構造が異なり、それ以外は、前記第１実施形態のアクチュエータ１００と同様である。

すなわち、図１１に示すように、第１の質量部１、１１が支持部３、３に二対の第１の弾性連結部４’を介して連結され、また、第２の質量部２が第１の質量部１、１１に二対の第２の弾性連結部５’を介して連結されている。
このような第３実施形態のアクチュエータ１００によっても、前記第１実施形態のアクチュエータ１００と同様の作用・効果が得られる。

特に、本実施形態においては、第１の質量部１、１１および第２の質量部２を、それぞれ、二対の弾性連結部を介して連結することにより、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、二対の第１の弾性連結部４’と二対の第２の弾性連結部５’とを有する場合、前記実施形態で説明したばね定数ｋ_１、ｋ_２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。

＜第４実施形態＞
次に、本発明のアクチュエータの第４実施形態について説明する。
図１２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。なお、以下では、説明の便宜上、図１２中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。

以下、第４実施形態のアクチュエータについて、前記第１実施形態のアクチュエータ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。
第４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、それ以外は、前記第１実施形態のアクチュエータ１００と同様である。
第４実施形態の第１の質量部１、１１では、その下面（電極７側の面）から、上方に向かって（第２の質量部２の凹部２ａとほぼ同一方向に）凹没する凹部１ａ、１１ａがそれぞれ４つずつ形成されている。

すなわち、第４実施形態では、各凹部１ａ、１１ａは、いずれも第１の質量部１、１１の下面で開口している。これにより、第１の質量部１、１１の上面（電極７と反対側の面）は、平坦面を構成している。
そして、この第１の質量部１、１１の上面（平坦面）に、それぞれ、コイル２０が設けられている。各コイル２０は、それぞれ、支持部３、３の上面にそれぞれ絶縁膜（図示せず）を介して設けられた４つの端子１０に電気的に接続されている。

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。
また、対向基板６の上面には、第１の質量部１、１１を介して弾性連結部（回動中心軸４１）を中心に、一対の永久磁石７０が対向（ほぼ対称に）配置されている。そして、これらの永久磁石７０は、コイル２０に効果的に相互作用を及ぼす向きに配置されている。

このアクチュエータ１００では、コイル２０に交流電圧を印加すると、コイル２０（第１の質量部１、１１）と永久磁石７０との間で電磁力が生じ、その電磁力によって、第１の質量部１、１１が回動（駆動）し、この第１の質量部１、１１の駆動に伴って、第２の質量部２が回動（駆動）する。
このような第４実施形態のアクチュエータ１００によっても、前記第１実施形態のアクチュエータ１００と同様の作用・効果が得られる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明のアクチュエータの第５実施形態について説明する。
図１３は、本発明のアクチュエータの第５実施形態を示す平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１３中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。

以下、第５実施形態のアクチュエータについて、前記第１および第４実施形態のアクチュエータ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。
第５実施形態のアクチュエータ１００は、ピエゾアクチュエータにより駆動するように構成され、それ以外は、前記第４実施形態のアクチュエータ１００と同様である。
すなわち、図１３に示すアクチュエータ１００は、第１の質量部１、１１の上面（平坦面）の端部に、それぞれ、１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）７００が設けられている。

このアクチュエータ１００では、ピエゾアクチュエータ７００の駆動により、第１の質量部１、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を回動（駆動）する。
このような第５実施形態のアクチュエータ１００によっても、前記第１および第４実施形態のアクチュエータ１００と同様の作用・効果が得られる。

特に、本実施形態においては、ピエゾアクチュエータ７００を第１の質量部１、１１に設けたことにより、電極７が不要になり、生産コストを下げることができる。また、電極７が不要になることにより、開口部６１の寸法を、第１の質量部１、１１に対応する位置にまで大きくすることができる。これにより、第１の質量部１、１１の回転角度をより大きくすることができる。

また、本実施形態では、第１の質量部１、１１に、１つの（１層の）ピエゾアクチュエータ７００を設けたが、これに限らず、例えば、バイモルフ型ピエゾアクチュエータ（２層構造のピエゾアクチュエータのうち、一方のピエゾアクチュエータを圧縮方向に振動させ、他方のピエゾアクチュエータを伸長方向に振動させる撓み振動を生じさせるアクチュエータ）等の２つ（２層）以上のピエゾアクチュエータを設けてもよい。

なお、本実施形態では、ピエゾアクチュエータ７００を第１の質量部１、１１の上面の端部にそれぞれ設けたが、これに限らず、例えば、第１の質量部１、１１の上面の全面に設けてもよいし、第１の質量部１、１１の構成を前記第１実施形態と同様の構成とし、その下面の端部または全面に設けてもよい。
以上説明したようなアクチュエータ１００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。

以上、本発明のアクチュエータについて、図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれら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は、前記第１〜第５実施形態のうちの任意の２以上の構成を組み合わせるようにしてもよい。
また、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の弾性連結部を一対または二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、三対以上であってもよい。
また、前述した実施形態では、第２の弾性連結部を一対または二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、三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の一方の面に設けられている構成について説明したが、例えば、両方の面に設けられている構成であってもよい。

また、前述した第１〜第３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、対向基板６と第１の質量部１、１１の両方に設けられていてもよい。
また、前述した第１〜第３実施形態では、第１の質量部１、１１に対応する位置に、それぞれ一対の電極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。

なお、第１の質量部１、１１に対応する位置に、それぞれ１つの電極７を設けた場合は、例えば、オフセット電圧を加えた、最小電位がグランド電位である正弦波（交流電圧）等を印加するのが好ましい。
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、前述した第１〜第３実施形態では、第１の質量部１、１１の電極７と対向する面に、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、前述した第４実施形態では、コイル２０が第１の質量部１、１１の上面（対向基板６と反対側の面）に設けられている構成について説明したが、例えば、第１の質量部１、１１の構成を前記第１実施形態と同様の構成とし、その下面（対向基板６側の面）に設けてもよいし、第１の質量部１、１１の内部に設けるようにしてもよい。
また、前述した実施形態では、第１の質量部が一対で設けられる構成のものであったが、第１の質量部は、第２の質量部を囲むように設けられる構成の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。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示すアクチュエータの電極の配置を示す平面図である。 印加する交流電圧の一例を示す図である。 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。 第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図である 第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図である 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。 図９中Ｂ−Ｂ線断面図である。 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。 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。 本発明のアクチュエータの第５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

１００……アクチュエータ １、１１……第１の質量部 １ａ、１１ａ、２ａ……凹部 １ｂ、１１ｂ、２ｂ……枠部 １ｃ、１１ｃ、２ｃ……隔壁部 ２……第２の質量部 １２、１３……端部 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 ６０……シリコン基板 ６１……開口部 ７……電極 ７０……永久磁石 ７００……ピエゾアクチュエータ １０……端子 ２０……コイル ３０……シリコン基板 ３００……凹部 ３１……金属マスク ３２、３３……レジストマスク ４１……回動中心軸 Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３……距離 １２００……スペーサ １３００……可動電極板 １３００ａ……両端固定部 １３００ｂ……トーションバー １３００ｃ……可動電極部 １４００……固定電極 １５００……電源 １６００……スイッチ １０００……ガラス基板

Claims (11)

1. 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、少なくとも一対の第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、少なくとも一対の第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２自由度振動系のアクチュエータであって、
   前記第１の質量部と前記第２の質量部との少なくとも一方には、その構成材料の一部を除去することにより材料除去部が形成されていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記第１の質量部および前記第２の質量部の双方に、前記材料除去部が形成されている請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第１の質量部に形成された前記材料除去部と、前記第２の質量部に形成された前記材料除去部とは、それぞれ有底穴で構成され、それらの開口方向がほぼ反対方向である請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記第１の質量部に形成された前記材料除去部と、前記第２の質量部に形成された前記材料除去部とは、それぞれ有底穴で構成され、それらの開口方向がほぼ同一方向である請求項２に記載のアクチュエータ。
5. 前記第１の質量部を一対備え、
   前記一対の第１の質量部の一方は、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の質量部および前記第２の質量部に対向するように設けられた対向基板を備え、
   該対向基板の前記第２の質量部に対応する位置には、前記第２の質量部が回動したとき、該第２の質量部が前記対向基板に接触するのを防止するための逃げ部が形成されている請求項１ないし５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 前記逃げ部は、前記対向基板の前記第２の質量部と反対側の面で開放している請求項６に記載のアクチュエータ。
8. 前記対向基板は、その前記第１の質量部側の面の、前記第１の質量部に対応する位置に設けられた少なくとも一対の電極を備え、
   前記一対の電極と前記第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６または７に記載のアクチュエータ。
9. 前記第１の質量部に、前記材料除去部として有底穴が形成され、
   該有底穴は、前記第１の質量部の前記電極と反対側に開口している請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 前記第２の質量部は、光反射部を有する請求項１ないし９のいずれかに記載のアクチュエータ。
11. 前記第２の質量部に、前記材料除去部として有底穴が形成され、
    前記第２の質量部は、前記有底穴が開口するのと反対側に、前記光反射部を有する請求項１０に記載のアクチュエータ。

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