JP2006330505A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】低電圧駆動が可能で、かつ、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができるアクチュエータを提供すること。
【解決手段】第１の質量部２１、２２を回動させ、これに伴い、第２の弾性連結部２８、２９を捩り変形させながら、第２の質量部２５を回動させるように構成されたアクチュエータであって、第２の弾性連結部２８は、その途中に、分岐した２つの分岐部２８１、２８２（第２の弾性連結部２９は、その途中に、分岐した２つの分岐部２９１、２９２）を有するとともに、第１の弾性連結部２６、２７および第２の弾性連結部２８、２９は、第２の質量部２５の回動中心軸を含み第２の質量部２５の板面に直角な面に対して対称となるように構成され、各分岐部２８１、２８２、２９１、２９２は、複数回折り曲げられたような形状をなしている。
【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。

アクチュエータとしては、例えば、レーザープリンタ等に用いられるポリゴンミラー（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。

そこで、構造の比較的簡単なアクチュエータとして、ねじり振動子を用いたもの、例えば、板状の反射ミラーをその両側で１対のねじりバネによって回動可能に支持し、１対のねじりバネをねじれ変形させながら、反射ミラーを回動（振動）させるものが提案されている（例えば、特許文献１参照）。
このようなアクチュエータにあっては、低電圧駆動で反射ミラーの振れ角を大きくする場合、ねじりバネに必要な強度を確保しつつ、ねじりバネのバネ定数を小さくする必要がある。このような場合、ねじりバネが単なる棒状部材で構成されていると、ねじりバネを長尺化しなければならず、反射ミラーの回動軸線方向にねじりバネの寸法が大きくなり、アクチュエータの大型化を招いてしまう。

そこで、特許文献１にかかるアクチュエータでは、各ねじりバネを複数回折り曲げたような形状とし、ねじりバネに必要な強度を確保するとともに、反射ミラーの回動軸線方向にねじりバネの寸法が大きくなるのを防止しつつ、ねじりバネのバネ定数を小さくしている。
しかし、特許文献１では、反射ミラーの回動軸線を含み反射ミラーの板面に垂直な面に対して、ねじりバネが対称な形状となっていないため、駆動時に反射ミラーの回動軸線にブレを生じて、所望の振動を得ることができない。

特開平４−２１１２１８号公報

本発明の目的は、低電圧駆動が可能で、かつ、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる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、略板状をなす質量部と、
前記質量部を支持するための支持部と、
前記支持部に対して前記質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記質量部とを連結する弾性連結部とを有し、
前記弾性連結部を捩り変形させながら、前記質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
前記弾性連結部は、その途中に、分岐した２つの分岐部を有するとともに、前記質量部の回動中心軸を含み前記質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成され、
各分岐部は、複数回折り曲げられたような形状をなしていることを特徴とする。
これにより、低電圧駆動が可能で、かつ、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記弾性連結部は、前記質量部を介して、その両側に１対設けられていることが好ましい。
これにより、より確実に、質量部の回動軸線のブレを防止して、所望の振動を得ることができる。
本発明のアクチュエータでは、各弾性連結部が前記分岐部を有することが好ましい。
これにより、低電圧駆動が可能で、かつ、より確実に、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記弾性連結部は、前記質量部の中心を通り前記質量部の回動中心軸に直角な面に対して対称となるように構成されていることが好ましい。
これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記質量部は、その板面に光反射部が設けられていることが好ましい。
これにより、アクチュエータを光スキャナ、光アッテネータ、光スイッチなどの光デバイスに適用することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記弾性連結部は、前記質量部の回動中心軸を含み前記質量部の板面に平行な面に対して対称となるように構成されていることが好ましい。
これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記質量部は、前記質量部の回動中心軸を含み前記質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成されていることが好ましい。
これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。

本発明のアクチュエータは、第１の質量部と、
前記第１の質量部を支持するための支持部と、
前記支持部に対して前記第１の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記第１の質量部とを連結する第１の弾性連結部と、
略板状をなす第２の質量部と、
前記第１の質量部に対して前記第２の質量部を回動可能とするように、前記第１の質量部と前記第２の質量部とを連結する第２の弾性連結部とを有し、
前記第１の質量部を回動させ、これに伴い、前記第２の弾性連結部を捩り変形させながら、前記第２の質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
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、その途中に、分岐した２つの分岐部を有するとともに、前記第１の弾性連結部および前記第２の弾性連結部は、前記第２の質量部の回動中心軸を含み前記第２の質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成され、
各分岐部は、複数回折り曲げられたような形状をなしていることを特徴とする。
これにより、低電圧駆動が可能で、かつ、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記第２の弾性連結部は、前記第２の質量部を介して、その両側に１対設けられ、これに対応して、前記第１の質量部および前記第１の弾性連結部がそれぞれ１対設けられていることが好ましい。
これにより、より確実に、第２の質量部の回動軸線のブレを防止して、所望の振動を得ることができる。

本発明のアクチュエータでは、各第１の弾性連結部および／または各第２の弾性連結部が前記分岐部を有することが好ましい。
これにより、低電圧駆動が可能で、かつ、より確実に、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる。
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の弾性連結部は、前記第２の質量部の中心を通り前記第２の質量部の回動中心軸に直角な面に対して対称となるように構成されていることが好ましい。
これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記第２の質量部は、その板面に光反射部が設けられていることが好ましい。
これにより、アクチュエータを光スキャナ、光アッテネータ、光スイッチなどの光デバイスに適用することができる。
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の弾性連結部は、前記第２の質量部の回動中心軸を含み前記第２の質量部の板面に平行な面に対して対称となるように構成されていることが好ましい。
これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。

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の質量部は、前記第２の質量部の回動中心軸を含み前記第２の質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成されていることが好ましい。
これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記第２の弾性連結部が前記分岐部を有し、前記第２の弾性連結部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長は、前記第２の質量部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長よりも小さいことが好ましい。
これにより、第２の弾性連結部が第２の質量部の振れ角を制限してしまうのを防止することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記第２の弾性連結部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長は、前記第１の質量部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長よりも大きいことが好ましい。
これにより、本発明の効果を顕著に発揮させつつ、第２の弾性連結部が第２の質量部の振れ角を制限してしまうのを防止することができる。

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実施形態を説明する。
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、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。

アクチュエータ１は、図１に示すような２自由度振動系を有する基体２を有しており、図２に示すように、この基体２の下部には、対向基板３が接合されている。
基体２は、１対の第１の質量部（駆動部）２１、２２と、１対の支持部２３、２４と、第２の質量部（可動部）２５と、１対の第１の弾性連結部２６、２７と、１対の第２の弾性連結部２８、２９とを備えている。このような基体２にあっては、左右対称な形状となるように、第２の質量部２５を中心とし、その左方に、第２の弾性連結部２８、第１の質量部２１、支持部２３が順次配設され、右方に、第２の弾性連結部２９、第１の質量部２２、支持部２４が順次配設されている。

１対の第１の質量部２１、２２は、それぞれ、板状をなし、互いにほぼ同一寸法でほぼ同一形状をなしている。
また、１対の質量部２１、２２の間には、第２の質量部２５が設けられており、１対の質量部２１、２２は、第２の質量部２５を中心として、ほぼ左右対称となるように設けられている。

第２の質量部２５は、板状をなし、その板面に光反射部２５１が設けられている。これにより、アクチュエータ１を光スキャナ、光アッテネータ、光スイッチなどの光デバイスに適用することができる。
このような第１の質量部２１、２２および第２の質量部２５にあっては、第１の質量部２１、２２が第１の弾性連結部２６、２７を介して支持部２３、２４に接続され、第２の質量部２５が第２の弾性連結部２８、２９を介して第１の質量部２１、２２に接続されている。

第１の弾性連結部２６は、第１の質量部２１を支持部２３に対して回動可能とするように、第１の質量部２１と支持部２３とを連結している。これと同様に、第１の弾性連結部２７は、第１の質量部２２を支持部２４に対して回動可能とするように、第１の質量部２２と支持部２４とを連結している。
第２の弾性連結部２８は、第２の質量部２５を第１の質量部２１に対して回動可能とするように、第２の質量部２５と第１の質量部２１とを連結している。これと同様に、第２の弾性連結部２９は、第２の質量部２５を第１の質量部２２に対して回動可能とするように、第２の質量部２５と第１の質量部２２とを連結している。

本発明にかかるアクチュエータ１では、第２の弾性連結部２８は、その途中に、分岐した２つの分岐部２８１、２８２を有している。これと同様に、第２の弾性連結部２９は、その途中に、分岐した２つの分岐部２９１、２９２を有している。
そして、２つの分岐部２８１、２８２は、第２の質量部２５の回動中心軸を含み第２の質量部２５の板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。これと同様に、２つの分岐部２９１、２９２は、第２の質量部２５の回動中心軸を含み第２の質量部２５の板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。

すなわち、弾性連結部２８、２９は、それぞれ、第２の質量部２５の回動中心軸を含み第２の質量部２５の板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。
そして、各分岐部２８１、２８２、２９１、２９２は、複数回折り曲げられたような形状をなしている。これにより、第２の弾性連結部２８、２９に必要な強度を確保するとともに、第２の質量部２５の回動軸線方向への第２の弾性連結部２８、２９の長尺化を防止しつつ、第２の弾性連結部２８、２９のバネ定数を低減することができる。

本実施形態では、第１の弾性連結部２６、２７および第２の弾性連結部２８、２９は、第２の質量部２５の中心を通り第２の質量部２５の回動中心軸に直角な面に対して対称となるように構成されている。
また、第１の弾性連結部２６、２７および第２の弾性連結部２８、２９は、第２の質量部２５の回動中心軸を含み第２の質量部２５の板面に平行な面に対して対称となるように構成されている。

また、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２５は、第２の質量部２５の回動中心軸を含み第２の質量部２５の板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。
各第１の弾性連結部２６、２７および各第２の弾性連結部２８、２９は、同軸的に設けられており、これらを回動中心軸（回転軸）として、第１の質量部２１、２２が支持部２３、２４に対して、また、第２の質量部２５が第１の質量部２１、２２に対して回動可能となっている。

このように、基体２は、第１の質量部２１、２２と第１の弾性連結部２６、２７とで構成された第１の振動系と、第２の質量部２５と第２の弾性連結部２８、２９とで構成された第２の振動系とを有する。すなわち、基体２は、第１の振動系および第２の振動系からなる２自由度振動系を有する。
このような２自由度振動系は、基体２の全体の厚さよりも薄く形成されているとともに、図２にて上下方向で基体２の上部に位置している。換言すれば、基体２には、基体２の全体の厚さよりも薄い部分が形成されており、この薄い部分に異形孔が形成されることにより、第１の質量部２１、２２と第２の質量部２５と第１の弾性連結部２６、２７と第２の弾性連結部２８、２９とが形成されている。

本実施形態では、前記薄肉部の上面が支持部２３、２４の上面と同一面上に位置することにより、前記薄い部分の下方には、各質量部２１、２２、２５の回動のための空間（凹部）３０が形成されている。
このような基体２は、例えば、シリコンを主材料として構成されていて、第１の質量部２１、２２と、第２の質量部２５と、支持部２３、２４と、第１の弾性連結部２６、２７と、第２の弾性連結部２８、２９とが一体的に形成されている。

なお、基体２は、ＳＯＩ基板等の積層構造を有する基板から、第１の質量部２１、２２と、第２の質量部２５と、支持部２３、２４と、第１の弾性連結部２６、２７と、第２の弾性連結部２８、２９を形成したものであってもよい。その際、第１の質量部２１、２２と、第２の質量部２５と、支持部２３、２４の一部と、第１の弾性連結部２６、２７と、第２の弾性連結部２８、２９とが一体的となるように、これらを積層構造の基板の１つの層で構成するのが好ましい。

前述したような基体２に接合した対向基板３は、例えば、ガラスやシリコンを主材料として構成されている。
対向基板３の上面には、図２および図３に示すように、第２の質量部２５に対応する部分に開口部３１が形成されている。
この開口部３１は、第２の質量部２５が回動（振動）する際に、対向基板３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）３１を設けることにより、アクチュエータ１全体の大型化を防止しつつ、第２の質量部２５の振れ角（振幅）をより大きく設定することができる。

なお、前述したような逃げ部は、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３の下面（第２の質量部２５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３の上面に形成された凹部で構成することもできる。また、空間３０の深さが第２の質量部２５の振れ角（振幅）に対し大きい場合などには、逃げ部を設けなくともよい。

また、対向基板３の上面には、図３に示すように、第１の質量部２１に対応する部分に、一対の電極３２が第１の質量部２１の回動中心軸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２２に対応する部分に、一対の電極３２が第１の質量部２２の回動中心軸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３２が２組（合計４個）、設けられている。

第１の質量部２１、２２と各電極３２とは、図示しない電源に接続されており、第１の質量部２１、２２と各電極３２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２１、２２は、各電極３２と対向する面に、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２１、２２と各電極３２との間での短絡が発生するのが好適に防止される。

以上のような構成のアクチュエータ１は、次のようにして駆動する。
すなわち、第１の質量部２１、２２と各電極３２との間に、例えば、正弦波（交流電圧）等を印加する。具体的には、例えば、第１の質量部２１、２２をアースしておき、図３中上側の２つの電極３２に、図４（ａ）に示すような波形の電圧を印加し、図３中下側の２つの電極３２に、図４（ｂ）に示すような波形の電圧を印加する。すると、第１の質量部２１、２２と各電極３２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２１、２２が、各電極３２の方へ引きつけられる力が正弦波の位相により変化し、第１の弾性連結部２６、２７を軸に、対向基板３の板面（図１における紙面）に対して傾斜するように振動（回動）する。
そして、この第１の質量部２１、２２の振動（駆動）に伴って、第２の弾性連結部２８、２９を介して連結されている第２の質量部２５も、第２の弾性連結部２８、２９を軸に、対向基板３の板面（図１における紙面）に対して傾斜するように振動（回動）する。

このとき、第１の弾性連結部２６、２７および第２の弾性連結部２８、２９は、第２の質量部２５の回動中心軸を含み第２の質量部２５の板面に直角な面に対して対称となるように構成されているので、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２５の回動中心軸のブレを防止して、所望の振動を得ることができる。特に、各分岐部２８１、２８２、２９１、２９２は、複数回折り曲げられたような形状をなしていて、第２の弾性連結部２８、２９に必要な強度を確保するとともに、第２の質量部２５の回動軸線方向への第２の弾性連結部２８、２９の長尺化を防止しつつ、第２の弾性連結部２８、２９のバネ定数を低減している。そのため、小型化を図りつつ、低電圧駆動が可能である。

本実施形態では、第２の弾性連結部２８、２９は、第２の質量部２５を介して、その両側に１対設けられ、これに対応して、１対の第１の質量部２１、２２および第１の弾性連結部２６、２７が設けられている。これにより、より確実に、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２５の回動軸線のブレを防止して、所望の振動を得ることができる。
また、第２の弾性連結部２８、２９が分岐部２８１、２８２、２９１、２９２を有する。すなわち、第２の弾性連結部２８および第２の弾性連結部２９の双方が分岐部を有する。これにより、低電圧駆動が可能で、かつ、より確実に、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる。

また、第１の弾性連結部２６、２７および第２の弾性連結部２８、２９は、第２の質量部２５の中心を通り第２の質量部２５の回動中心軸に直角な面に対して対称となるように構成されている。これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
また、第１の弾性連結部２６、２７および第２の弾性連結部２８、２９は、第２の質量部２５の回動中心軸を含み第２の質量部２５の板面に平行な面に対して対称となるように構成されている。これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。

また、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２５は、第２の質量部２５の回動中心軸を含み第２の質量部２５の板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
また、第１の質量部２１の回動中心軸からこれに直角な方向（長手方向）での長さ（最大長）をＬ_１とし、第１の質量部２２の回動中心軸からこれに直角な方向（長手方向）での長さ（最大長）をＬ_２とし、第２の質量部２５の回動中心軸からこれに直角な方向での長さ（最大長）をＬ_３としたとき、本実施形態では、第１の質量部２１、２２が、それぞれ独立して設けられているため、第２の質量部２５の大きさ（長さＬ_３）にかかわらず、第１の質量部２１、２２と第２の質量部２５とが干渉せず、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２１、２２の回転角度（振れ角）を大きくすることができ、その結果、第２の質量部２５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２１、２２と各電極３２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２１、２２と各電極３２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２１、２２および第２の質量部２５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２１、２２の回転角度をより大きくすることができ、第２の質量部２５の回転角度をさらに大きくすることができる。
また、第２の弾性連結部２８の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長をＬ_４とし、第２の弾性連結部２８、２９の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長をＬ_５としたときに、Ｌ_４、Ｌ_５は、それぞれ、Ｌ_３よりも小さいのが好ましい。これにより、第２の弾性連結部２８、２９が対向基板３に接触するのを防止することができる。その結果、第２の弾性連結部２８、２９が第２の質量部２５の振れ角を制限してしまうのを防止することができる。また、第２の質量部２５の回動軸線のブレをより確実に防止することができる。

さらに、この場合、Ｌ_４はＬ_１よりも大きいのが好ましく、また、Ｌ_５はＬ_２よりも大きいのが好ましい。これにより、本発明の効果を顕著に発揮させつつ、第２の弾性連結部２８、２９が第２の質量部２５の振れ角を制限してしまうのを防止することができる。
この場合、第２の質量部２５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２１、２２と各電極３２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２１、２２と各電極３２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２１、２２の低電圧駆動と、第２の質量部２５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１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には、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、このような質量部２１、２２、２５よりなる振動系（２自由度振動系）では、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２５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、かかる振動系は、第１の質量部２１、２２の振幅と、第２の質量部２５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２１、２２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。

この振動系では、第１の質量部２１、２２と電極３２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２１、２２の振幅を抑制しつつ、第２の質量部２５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２１、２２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２５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２６、２７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２５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２８、２９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２１、２２の振れ角を抑制しつつ、第２の質量部２５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２６、２７のばね定数ｋ_１と第２の弾性連結部２８、２９のばね定数を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２１、２２の振れ角を抑制しつつ、第２の質量部２５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２１、２２の慣性モーメントをＪ_１とし、第２の質量部２５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２１、２２の振れ角を抑制しつつ、第２の質量部２５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２１、２２と第１の弾性連結部２６、２７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２１、２２の慣性モーメントＪ_１と、第１の弾性連結部２６、２７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２５と第２の弾性連結部２８、２９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２５の慣性モーメントＪ_２と、第２の弾性連結部２８、２９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２１、２２の振れ角を抑制しつつ、第２の質量部２５の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。
このようなアクチュエータ１は、例えば、次のようにして製造することができる。
図６、図７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７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、例えばシリコン基板５を用意する。
次に、シリコン基板５の一方の面に、図６（ｂ）に示すように、支持部２３、２４と各質量部２１、２２、２５と各弾性連結部２６、２７、２８、２９との形状（平面視形状）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６を形成する。
そして、シリコン基板５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２３、２４の形状に対応するように、レジストマスク７を形成する。なお、レジストマスク７の形成は、金属マスク６の形成よりも先に行ってもよい。

次に、このレジストマスク７を介して、シリコン基板５の前記他方の面をエッチングした後、レジストマスク７を除去する。これにより、図６（ｄ）に示すように、支持部２３、２４に対応する部分以外の領域に凹部５１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、以下の各工程におけるエッチングにおいても、同様の方法を用いることができる。

次に、金属マスク６を介して、シリコン基板５の前記一方の面側を、前記凹部５１に対応する部分で貫通するまでエッチングする。
そして、金属マスク６を除去した後、第２の質量部２５上に金属膜を成膜し、光反射部２５１を形成する。
なお、シリコン基板５に対しエッチングを行った後、金属マスク６は除去せずに残存させ、その一部を光反射部２５１として用いることができる。

金属膜の成膜方法としては、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、金属箔の接合等が挙げられる。なお、以下の各工程における金属膜の成膜においても、同様の方法を用いることができる。
以上の工程により、図６（ｅ）に示すように、支持部２３、２４と各質量部２１、２２、２５と各弾性連結部２６、２７、２８、２９とが一体的に形成された構造体、すなわち基体２が得られる。

［Ａ２］ 次に、図７（ｆ）に示すように、対向基板３を形成するための基板として、例えばシリコン基板９を用意する。
そして、シリコン基板９の一方の面に、開口部３１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９の一方の面側をエッチングした後、図７（ｇ）に示すように、金属マスクを除去する。

次に、シリコン基板９上に、図７（ｈ）に示すように、電極３２を形成し、対向基板３が得られる。
電極３２は、シリコン基板９に金属膜を成膜し、電極３２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。

次に、図７（ｉ）に示すように、前記工程［Ａ１］で得られた構造体の基体２と、前記工程［Ａ２］で得られた対向基板３とを直接接合により接合して、アクチュエータ１を得る。なお、基体２と対向基板３との間に可動イオンを含む硼珪酸ガラスのようなガラスを介在させ、これらを陽極接合により接合してもよい。また、シリコン基板９に代えてガラス基板を用いて、基体２と対向基板３とを陽極接合により接合することもできる。
以上のようにして、第１実施形態のアクチュエータ１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８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９は、図８におけるＡ−Ａ線断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図８中の紙面に対し手前側を「上」、紙面に対し奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」、図９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、前述した第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１Ａは、１自由度振動系のアクチュエータである以外は、第１実施形態のアクチュエータ１とほぼ同様である。
すなわち、図８及び図９に示すアクチュエータ１Ａは、図１にて、前述の第１実施形態のアクチュエータ１の第１の質量部２１、２２および第１の弾性連結部２６、２７を省略し、第２の質量部２５を第２の弾性連結部２８、２９を介して支持部２３、２４に接続したような構成となっている。

より具体的に説明すると、図８および図９に示すアクチュエータ１Ａは、１自由度振動系を有する基体２Ａが対向基板３Ａに接合されている。
基体２Ａは、１対の支持部２３、２４と、質量部（可動部）２５Ａと、１対の弾性連結部２８Ａ、２９Ａとを備えている。このような基体２Ａにあっては、左右対称な形状となるように、質量部２５Ａを中心とし、その左方に、弾性連結部２８Ａ、支持部２３が順次配設され、右方に、弾性連結部２９Ａ、支持部２４が順次配設されている。

質量部２５Ａは、前述した第１実施形態の第２の質量部２５と同様に、板状をなし、その板面に光反射部２５１Ａが設けられている。これにより、アクチュエータ１Ａを光スキャナ、光アッテネータ、光スイッチなどの光デバイスに適用することができる。
このような質量部２５Ａは、弾性連結部２８Ａ、２９Ａを介して支持部２３、２４に接続されている。

弾性連結部２８Ａは、質量部２５Ａを支持部２３に対して回動可能とするように、質量部２５Ａと支持部２３とを連結している。これと同様に、弾性連結部２９Ａは、質量部２５Ａを支持部２４に対して回動可能とするように、質量部２５Ａと支持部２４とを連結している。
本発明にかかるアクチュエータ１Ａでは、弾性連結部２８Ａ、２９Ａは、弾性連結部２８Ａは、その途中に、分岐した２つの分岐部２８１Ａ、２８２Ａを有している。これと同様に、第２の弾性連結部２９Ａは、その途中に、分岐した２つの分岐部２９１Ａ、２９２Ａを有している。

そして、２つの分岐部２８１Ａ、２８２Ａは、質量部２５Ａの回動中心軸を含み質量部２５Ａの板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。これと同様に、２つの分岐部２９１Ａ、２９２Ａは、質量部２５Ａの回動中心軸を含み質量部２５Ａの板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。
すなわち、弾性連結部２８Ａ、２９Ａは、それぞれ、質量部２５Ａの回動中心軸を含み質量部２５Ａの板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。

そして、各分岐部２８１Ａ、２８２Ａ、２９１Ａ、２９２Ａは、複数回折り曲げられたような形状をなしている。これにより、弾性連結部２８Ａ、２９Ａに必要な強度を確保するとともに、質量部２５Ａの回動軸線方向への弾性連結部２８Ａ、２９Ａの長尺化を防止しつつ、弾性連結部２８Ａ、２９Ａのバネ定数を低減することができる。

本実施形態では、弾性連結部２８Ａ、２９Ａは、質量部２５Ａの中心を通り質量部２５Ａの回動中心軸に直角な面に対して対称となるように構成されている。
また、弾性連結部２８Ａ、２９Ａは、質量部２５Ａの回動中心軸を含み質量部２５Ａの板面に平行な面に対して対称となるように構成されている。
また、質量部２５Ａは、質量部２５Ａの回動中心軸を含み質量部２５Ａの板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。

このように、基体２Ａは、質量部２５Ａと弾性連結部２８Ａ、２９Ａとで構成された１自由度振動系を有する。
このような１自由度振動系は、基体２Ａの全体の厚さよりも薄く形成されているとともに、図９にて上下方向で基体２Ａの上部に位置している。
前述したような基体２Ａに接合した対向基板３Ａは、例えば、ガラスやシリコンを主材料として構成されている。

対向基板３Ａの上面には、図８および図９に示すように、質量部２５Ａに対応する部分に、一対の電極３２Ａが質量部２５Ａの回動中心軸を中心にほぼ対称となるように設けられている。
質量部２５Ａと各電極３２Ａとは、図示しない電源に接続されており、質量部２５Ａと各電極３２Ａ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、質量部２５Ａは、各電極３２Ａと対向する面に、絶縁膜（図示せず）が設けられている。これにより、質量部２５Ａと各電極３２Ａとの間での短絡が発生するのが好適に防止される。
以上のような構成のアクチュエータ１Ａは、次のようにして駆動する。

すなわち、質量部２５Ａと各電極３２Ａとの間に、例えば、正弦波（交流電圧）等を印加する。具体的には、例えば、質量部２５Ａをアースしておき、一方の電極３２Ａに、図５（ａ）に示すような波形の電圧を印加し、他方の電極３２Ａに、図５（ｂ）に示すような波形の電圧を印加する。すると、質量部２５Ａと各電極３２Ａ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、質量部２５Ａが、各電極３２Ａの方へ引きつけられる力が正弦波の位相により変化し、弾性連結部２８Ａ、２９Ａを軸に、対向基板３Ａの板面（図８における紙面）に対して傾斜するように振動（回動）する。
このとき、弾性連結部２８Ａ、２９Ａは、質量部２５Ａの回動中心軸を含み質量部２５Ａの板面に直角な面に対して対称となるように構成されているので、質量部２５Ａの回動中心軸のブレを防止して、所望の振動を得ることができる。特に、各分岐部２８１Ａ、２８２Ａ、２９１Ａ、２９２Ａは、複数回折り曲げられたような形状をなしていて、弾性連結部２８Ａ、２９Ａに必要な強度を確保するとともに、質量部２５Ａの回動軸線方向への弾性連結部２８Ａ、２９Ａの長尺化を防止しつつ、弾性連結部２８Ａ、２９Ａのバネ定数を低減している。そのため、小型化を図りつつ、低電圧駆動が可能である。

本実施形態では、弾性連結部２８Ａ、２９Ａは、質量部２５Ａを介して、その両側に１対設けられている。これにより、より確実に、質量部２５Ａの回動軸線のブレを防止して、所望の振動を得ることができる。
また、弾性連結部２８Ａ、２９Ａが分岐部２８１Ａ、２８２Ａ、２９１Ａ、２９２Ａを有する。すなわち、弾性連結部２８Ａおよび弾性連結部２９Ａの双方が分岐部を有する。これにより、低電圧駆動が可能で、かつ、より確実に、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる。

また、弾性連結部２８Ａ、２９Ａは、質量部２５Ａの中心を通り質量部２５Ａの回動中心軸に直角な面に対して対称となるように構成されている。これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
また、弾性連結部２８Ａ、２９Ａは、質量部２５Ａの回動中心軸を含み質量部２５Ａの板面に平行な面に対して対称となるように構成されている。これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。

また、質量部２５Ａは、質量部２５Ａの回動中心軸を含み質量部２５Ａの板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
上述したようなアクチュエータ１、１Ａは、各種の電子機器に適用することができ、得られる電子機器は、信頼性の高いものとなる。

以上説明したようなアクチュエータ１、１Ａ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、前述した第１の実施形態では第２の弾性連結部のみに分岐部を有するものについて説明したが、第１の弾性連結部および第２の弾性連結部の双方に分岐部を有していてもよく、また、第１の弾性連結部のみに途中に分岐部を有していてもよい。
また、前述した実施形態では、分岐部が質量部または第２の質量部の板面に平行な面上のみで複数回折れ曲がったような形状をなしているものについて説明したが、質量部または２の質量部の回動中心軸を含み質量部または第２の質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成されていれば、分岐部は立体的に折れ曲がった形状をなしていてもよい。

また、前述した第１、１Ａ実施形態では、アクチュエータの中心を通り質量部（または第１の質量部、第２の質量部）の回動軸線に直角な面に対しほぼ対称（図１や図８にて左右対称）な形状をなしている構造を説明したが、非対称であってもよい。
また、前述した第１実施形態では、第１の弾性連結部を１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、２対以上であってもよい。

また、前述した第１実施形態では、第２の弾性連結部を１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、２対以上であってもよい。
また、前述した第２実施形態では、弾性連結部を１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、２対以上であってもよい。
また、前述した実施形態では、光反射部が質量部または第２の質量部の上面（対向基板とは逆側の面）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、質量部または第１の質量部に対しその板厚方向に電極を対向させたものについて説明したが、質量部または第１の質量部に対しその板面に平行な方向で電極を対向させるものであってもよい。この場合、質量部または第１の質量部と、これに対向する電極とを、互いに間隔を隔てて噛み合う櫛歯状とすることができる。
また、前述した実施形態では静電駆動方式により駆動するものについて説明したが、これに限定されない。例えば、２自由度振動系を有するアクチュエータの駆動方式としては、第１の質量部を回動させ、これに伴い、第２の弾性連結部を捩り変形させながら、第２の質量部を回動させることができるものであれば、前述したものに限定されず、例えば、圧電素子を用いて第１の質量部または第１の弾性連結部に駆動力を与えて駆動するものであってもよい。また、１自由度振動系を有するアクチュエータの駆動方式としては、弾性連結部を捩り変形させながら、質量部を回動させることができるものであれば、前述したものに限定されず、例えば、圧電素子を用いて質量部または弾性連結部に駆動力を与えて駆動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。 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ある。 図１に示すアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 図１に示す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８中のＡ−Ａ線断面図である。

符号の説明

１、１Ａ……アクチュエータ ２、２Ａ……基体 ２１、２２……第１の質量部 ２３、２４……支持部 ２５……第２の質量部 ２５Ａ……質量部 ２５１、２５１Ａ……光反射部 ２６、２７……第１の弾性連結部 ２８、２９……第２の弾性連結部 ２８Ａ、２９Ａ……弾性連結部 ２８１、２８１Ａ、２８２、２８２Ａ、２９１、２９１Ａ、２９２、２９２Ａ……分岐部 ３、３Ａ……対向基板 ３０……空間 ３１……開口部 ３２、３２Ａ……電極 ５……シリコン基板 ５１……凹部 ６……金属マスク ７……レジストマスク ９……シリコン基板

Claims (16)

1. 略板状をなす質量部と、
   前記質量部を支持するための支持部と、
   前記支持部に対して前記質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記質量部とを連結する弾性連結部とを有し、
   前記弾性連結部を捩り変形させながら、前記質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
   前記弾性連結部は、その途中に、分岐した２つの分岐部を有するとともに、前記質量部の回動中心軸を含み前記質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成され、
   各分岐部は、複数回折り曲げられたような形状をなしていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記弾性連結部は、前記質量部を介して、その両側に１対設けられている請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 各弾性連結部が前記分岐部を有する請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記弾性連結部は、前記質量部の中心を通り前記質量部の回動中心軸に直角な面に対して対称となるように構成されている請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記質量部は、その板面に光反射部が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. 前記弾性連結部は、前記質量部の回動中心軸を含み前記質量部の板面に平行な面に対して対称となるように構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. 前記質量部は、前記質量部の回動中心軸を含み前記質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成されている請求項１ないし６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 第１の質量部と、
   前記第１の質量部を支持するための支持部と、
   前記支持部に対して前記第１の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記第１の質量部とを連結する第１の弾性連結部と、
   略板状をなす第２の質量部と、
   前記第１の質量部に対して前記第２の質量部を回動可能とするように、前記第１の質量部と前記第２の質量部とを連結する第２の弾性連結部とを有し、
   前記第１の質量部を回動させ、これに伴い、前記第２の弾性連結部を捩り変形させながら、前記第２の質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
   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、その途中に、分岐した２つの分岐部を有するとともに、前記第１の弾性連結部および前記第２の弾性連結部は、前記第２の質量部の回動中心軸を含み前記第２の質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成され、
   各分岐部は、複数回折り曲げられたような形状をなしていることを特徴とするアクチュエータ。
9. 前記第２の弾性連結部は、前記第２の質量部を介して、その両側に１対設けられ、これに対応して、前記第１の質量部および前記第１の弾性連結部がそれぞれ１対設けられている請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 各第１の弾性連結部および／または各第２の弾性連結部が前記分岐部を有する請求項９に記載のアクチュエータ。
11. 前記第１の弾性連結部および前記第２の弾性連結部は、前記第２の質量部の中心を通り前記第２の質量部の回動中心軸に直角な面に対して対称となるように構成されている請求項１０に記載のアクチュエータ。
12. 前記第２の質量部は、その板面に光反射部が設けられている請求項８ないし１１のいずれかに記載のアクチュエータ。
13. 前記第１の弾性連結部および前記第２の弾性連結部は、前記第２の質量部の回動中心軸を含み前記第２の質量部の板面に平行な面に対して対称となるように構成されている請求項８ないし１２のいずれかに記載のアクチュエータ。
14. 前記第１の質量部および前記第２の質量部は、前記第２の質量部の回動中心軸を含み前記第２の質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成されている請求項８ないし１３のいずれかに記載のアクチュエータ。
15. 前記第２の弾性連結部が前記分岐部を有し、前記第２の弾性連結部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長は、前記第２の質量部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長よりも小さい請求項８ないし１４のいずれかに記載のアクチュエータ。
16. 前記第２の弾性連結部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長は、前記第１の質量部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長よりも大きい請求項１５に記載のアクチュエータ。
    

Images