JP2007199213A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】設計自由度の高く、高速かつ大振幅で駆動す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】本発明のアクチュエータ１は、第１の質量部２１、２２と、支持部２４と、第１の質量部２１、２２と支持部２４とを連結する第１の弾性連結部２５、２８と、第２の質量部２３と、第２の質量部２３と第１の質量部２１、２２とを連結する第２の弾性連結部２６と、第１の質量部２１、２２を駆動する駆動手段とを有し、駆動手段が、第１の弾性連結部２５、２８を捩れ変形させながら、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２６を捩れ変形させながら、第２の質量部２３を回動させるものであって、第１の弾性連結部２５、２８は、第１の質量部２１、２２を介してその両側にそれぞれ設けられている。
【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て光走査により描画を行うための光スキャナとして、捩り振動子で構成されたアクチュエータを用いたものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。
例えば、特許文献１にかかるアクチュエータ（光スキャナ）は、２自由度振動系のねじり振動子で構成されている。すなわち、かかるアクチュエータは、第１の質量部を第１のねじりバネを介して支持部に対し回動可能に支持して構成された第１の振動系と、第２の質量部を第２のねじりバネを介して第１の質量部に対し回動可能に支持して構成された第２の振動系とを有する。

そして、第２の質量部上には光反射部が設けられており、第１のねじりバネを捩れ変形させながら第１の質量部を回動駆動させることにより、これに伴って、第２のねじりバネを捩れ変形させながら第２の質量部を回動駆動させて、光反射部で反射した光を走査する。これにより、光走査により描画を行うことができる。
このようなアクチュエータにあっては、第１のねじりバネのバネ定数を高く設定し、第２の質量部を高速かつ大振幅で駆動することができる。

しかしながら、特許文献１にかかるアクチュエータにあっては、第１の質量部の片側のみで第１のねじりバネを介して第１の質量部と支持部とを支持しているため、第１の質量部にその回動中心軸まわりに捩る方向の力が加わってしまう。特に、第１のねじりバネのバネ定数が高いと、第１の質量部の回動中心軸方向での長さが大きい場合には、かかる力が、変形しないことを前提で設計された第１の質量部に捩り変形を生じさせ、第１の振動系におけるバネ定数を低下させてしまう。そのため、アクチュエータの設計自由度が低くなってしまい、所望の特性を有すアクチュエータを製造することが難しい。

特開平７−９２４０９号公報

本発明の目的は、設計自由度の高く、高速かつ大振幅で駆動す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、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第１の質量部と前記支持部とを連結する第１の弾性連結部と、
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２の質量部と前記第１の質量部とを連結する第２の弾性連結部と、
前記第１の質量部を駆動する駆動手段とを有し、
前記駆動手段が、前記第１の弾性連結部を捩れ変形させながら、前記第１の質量部を回動させ、これに伴い、前記第２の弾性連結部を捩れ変形させながら、前記第２の質量部を回動させるアクチュエータであって、
前記第１の弾性連結部は、前記第１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられていることを特徴とする。

これにより、第１の質量部をその両側で第１の弾性連結部を介して支持した状態で回動させるので、第１の弾性連結部から第１の質量部へその回動中心軸まわりに捩る方向の力が加わるのを低減することができる。そのため、第１の弾性連結部のバネ定数を高くしても、第１の質量部の捩れ変形を防止することができる。その結果、アクチュエータの設計自由度の向上を図ることができる。また、第１の弾性連結部のバネ定数を高く設定することにより、第２の質量部を高速かつ大振幅で駆動することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記駆動手段は、前記第１の質量部の回動中心軸に直角な方向での少なくとも一方の端部に駆動力を与えて、前記第１の質量部を駆動することが好ましい。
このように第１の質量部に駆動力を与えたときに、与えられた駆動力は第１の質量部の両側からそれぞれの第１の弾性連結部へ分散して伝達される。そのため、第１の質量部の回動中心軸まわりの捩れ変形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１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部は、前記第１の質量部の回動中心軸を介して互いに対向する１対の棒状連結部材で構成されていることが好ましい。
これにより、各棒状連結部材を主として曲げ変形させることにより、第１の弾性連結部全体を捩れ変形させることができる。そのため、第１の弾性連結部に生じる応力を低減することができる。その結果、大きな振れ角（大振幅）での駆動をより確実に行うことができる。また、第１の弾性連結部に生じる応力を低減することができるため、第１の弾性連結部のバネ定数を高く設定し、高周波（高速）での駆動をより確実に行うことができる。

本発明のアクチュエータでは、前記第１の質量部は、板状をなしており、前記１対の棒状連結部材同士の対向方向は、前記第１の質量部の板面にほぼ平行であることが好ましい。
これにより、１枚の基板に対しエッチングなどの加工を１回行うだけで簡単に、第１の質量部および第１の弾性連結部を形成することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記第１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、前記１対の棒状連結部材と前記第１の質量部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_１とし、前記１対の棒状連結部材と前記支持部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_２としたときに、Ｄ_１≧Ｄ_２の関係を満たすことが好ましい。
これにより、第１の質量部の回動中心軸まわりの捩れ変形を防止しつつ、第１の質量部の回動をより円滑な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の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、前記１対の棒状連結部材と前記第１の質量部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_１とし、前記第１の質量部の回動中心軸に直角な方向での最大長をＬとしたときに、Ｄ_１／Ｌは、０．５〜１であることが好ましい。
これにより、第１の質量部の回動中心軸まわりの捩れ変形を防止しつつ、第１の質量部の回動をより円滑な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の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、前記１対の棒状連結部材と前記支持部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_２とし、前記第１の質量部の回動中心軸に直角な方向での最大長をＬとしたときに、Ｄ_２／Ｌは、０〜０．５であることが好ましい。
これにより、第１の質量部の回動中心軸まわりの捩れ変形を防止しつつ、第１の質量部の回動をより円滑な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の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、前記１対の棒状連結部材と前記第１の質量部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_１とし、前記棒状連結部材の長さをＤ_３としたときに、Ｄ_１≧Ｄ_３の関係を満たすことが好ましい。
これにより、第１の質量部の振れ角を抑制しつつ、第１の質量部をより高周波で駆動することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記駆動手段は、交流電圧を受けて前記第１の質量部を駆動するものであり、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略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、第１の質量部の振れ角を抑制しつつ、第２の質量部の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の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部は、互いの捩りモーメントがほぼ等しいことが好ましい。
これにより、第１の質量部をより円滑に回動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１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部は、前記第１の質量部を介して互いに対称に設けられていることが好ましい。
これにより、設計を簡単なものとしつつ、第１の質量部をより円滑に回動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の質量部には、光反射部が設けられていることが好ましい。
これにより、本発明の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学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の質量部は、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２の質量部を介してその両側にそれぞれ前記第１の弾性連結部および前記第２の弾性連結部が設けられていることが好ましい。
これにより、第１の質量部および第２の質量部をより円滑に回動駆動することができる。

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、本発明の第１実施形態を説明する。
図１は、本発明の第１実施形態にかかるアクチュエータを示す平面図、図２（ａ）は、図１中のＡ−Ａ線断面図、図２（ｂ）は、図１中のＢ−Ｂ線断面図、図２（ｃ）は、図１中のＣ−Ｃ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、図１に示すアクチュエータの駆動電圧の一例（交流電圧）を示す図、図５は、駆動電圧（交流電圧）の周波数と、第１の質量部および第２の質量部の振幅との関係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。

アクチュエータ１は、２自由度振動系を有するアクチュエータである。このようなアクチュエータ１は、図１に示すように、２自由度振動系を有する基体２を有しており、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、第１の振動系のための１対の第１の質量部（駆動部）２１、２２と、第２の振動系のための第２の質量部（可動部）２３と、これらを支持するための支持部２４とを備えている。

具体的には、基体２は、第２の質量部２３を中心として、その一端側（図１および図２中、左側）に第１の質量部２１が設けられ、他端側（図１および図２中、右側）に第１の質量部２２が設けられて構成されている。
また、本実施形態では、第１の質量部２１、２２は、互いにほぼ同一形状かつほぼ同一寸法をなし、第２の質量部２３を介して、ほぼ対称に設けられている。これにより、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２３の回動駆動を円滑なものとすることができる。

第２の質量部２３の上面（後述する対向基板３とは反対側の面）には、光反射部２３１が設けられている。
さらに、基体２は、前述したもの加えて、図１および図２に示すように、第１の質量部２１、２２と支持部２４とを連結する２対の第１の弾性連結部２５、２５、２８、２８と、第１の質量部２１、２２と第２の質量部２３とを連結する１対の第２の弾性連結部２６、２６とを備えている。

各第１の弾性連結部２５、２５、２８、２８および各第２の弾性連結部２６、２６は、同軸的に設けられており、これらを回動中心軸（回転軸）２７として、第１の質量部２１、２２が支持部２４に対して、また、第２の質量部２３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２５、２５、２８、２８とからなる第１の振動系と、第２の質量部２３と第２の弾性連結部２６、２６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（以下、薄肉部という）が形成されており、この薄肉部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２３と第１の弾性連結部２５、２５、２８、２８と第２の弾性連結部２６、２６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２４の上面と同一面上に位置することにより、前記薄肉部の下方には、各質量部２１、２２、２３の回動のための空間（凹部）２９が形成される。
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２３と、支持部２４と、第１の弾性連結部２５、２５、２８、２８と、第２の弾性連結部２６、２６とが一体的に形成されている。

なお、基体２は、ＳＯＩ基板等の積層構造の基板から、第１の質量部２１、２２と、第２の質量部２３と、支持部２４と、第１の弾性連結部２５、２５、２８、２８と、第２の弾性連結部２６、２６を形成したものであってもよい。
ここで、第１の弾性連結部２５、２５、２８、２８について、より具体的に説明すると、第１の質量部２１を介してその回動中心軸方向での両側にそれぞれ第１の弾性連結部（一方の側に第１の弾性連結部２５、他方の側に第１の弾性連結部２８）が設けられ、これと同様に、第１の質量部２２を介してその回動中心軸方向での両側にそれぞれ第１の弾性連結部（一方の側に第１の弾性連結部２５、他方の側に第１の弾性連結部２８）が設けられている。

これにより、第１の振動系にて、第１の質量部２１をその両側で第１の弾性連結部２５、２８を介して支持した状態で回動させるので、第１の弾性連結部２５、２８から第１の質量部２１へその回動中心軸まわりに捩る方向の力が加わるのを低減することができる。これと同様に、第１の質量部２２をその両側で第１の弾性連結部２５、２８を介して支持した状態で回動させるので、第１の弾性連結部２５、２８から第１の質量部２２へその回動中心軸まわりに捩る方向の力が加わるのを低減することができる。

そのため、第１の弾性連結部２５、２８のバネ定数を高くしても、第１の質量部２１、２２の捩れ変形を防止することができる。その結果、所望の振動特性を有するアクチュエータ１を製造するに際における設計自由度の向上を図ることができる。例えば、第１の質量部２１、２２の厚さと第１の弾性連結部２５、２８の厚さとを同じにしつつ、第１の質量部２１、２２の幅（回動中心軸２７方向での長さ）を大きくするとともに、第１の弾性連結部２５、２８のバネ定数を大きく設定しても、第１の質量部２１、２２の不本意なねじれ変形を防止して、所望の振動特性を得ることができる。また、第１の弾性連結部２５、２８のバネ定数を高く設定することにより、第２の質量部２３を高速かつ大振幅で駆動することができる。

特に、本実施形態では、第１の質量部２１または第１の質量部２２を介してその両側に設けられた第１の弾性連結部２５、２８のうち、第１の弾性連結部２５は、図１および図２に示すように、第１の質量部２１または第１の質量部２２の回動中心軸を介して互いに対向する１対の棒状連結部材２５１、２５２で構成されている。これと同様に、第１の弾性連結部２８も、図１および図２に示すように、第１の質量部２１または第１の質量部２２の回動中心軸を介して互いに対向する１対の棒状連結部材２８１、２８２で構成されている。

これにより、各棒状連結部材２５１、２５２を主として曲げ変形させることにより、第１の弾性連結部２５全体を捩れ変形させることができる。また、各棒状連結部材２８１、２８２を主として曲げ変形させることにより、第１の弾性連結部２８全体を捩れ変形させることができる。
そのため、第１の弾性連結部２５、２８に生じる応力を低減することができる。その結果、大きな振れ角（大振幅）での駆動をより確実に行うことができる。また、第１の弾性連結部２５、２８に生じる応力を低減することができるため、第１の弾性連結部２５、２８のバネ定数を高く設定し、高周波（高速）での駆動をより確実に行うことができる。

また、１対の棒状連結部材２５１、２５２同士および１対の棒状連結部材２８１、２８２同士の対向方向は、第１の質量部２１または第１の質量部２２の板面にほぼ平行である。これにより、後述するように１枚の基板に対しエッチングなどの加工を１回行うだけで簡単に、第１の質量部２１、２２および第１の弾性連結部２５、２８等を形成することができる。

また、第１の質量部２１の回動中心軸を介して互いに対向する１対の棒状連結部材２５１、２５２と第１の質量部２１との接続部における当該１対の棒状連結部材２５１、２５２同士の間隔をＤ_１とし、１対の棒状連結部材２５１、２５２と支持部２４との接続部における１対の棒状連結部材２５１、２５２同士の間隔をＤ_２としたときに、Ｄ_１＝Ｄ_２の関係を満たしている。
これにより、第１の質量部２１の回動中心軸まわりの捩れ変形を防止しつつ、第１の質量部２１の回動をより円滑なものとすることができる。また、Ｄ_１＝Ｄ_２の関係を満たしていると、第１の弾性連結部２５、２８の設計を容易なものとすることができる。

また、第１の質量部２１の回動中心軸に直角な方向での最大長をＬとしたときに、Ｄ_１／Ｌは、０．５〜１の範囲内となっている。これにより、第１の質量部２１の回動中心軸まわりの捩れ変形を防止しつつ、第１の質量部２１の回動をより円滑なものとすることができる。
また、棒状連結部材２５１および棒状連結部材２５２のそれぞれの長さをＤ_３としたときに、Ｄ_１＞Ｄ_３の関係を満たしている。これにより、第１の質量部２１の振れ角を抑制しつつ、第１の質量部２１をより高周波で駆動することができる。

なお、前述したようなＤ_１、Ｄ_２、Ｄ_３、Ｌの関係について、第１の質量部２１の回動中心軸を介して互いに対向する１対の棒状連結部材２８１、２８２に関しても、前述したような関係を満たしており、前述したような効果を得ることができる。また、第１の質量部２２の回動中心軸を介して互いに対向する１対の棒状連結部材２５１、２５２および１対の棒状連結部材２８１、２８２に関しても同様である。また、これらの関係は、以下の説明においても、特に説明する事項以外、同様である。

対向基板３は、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２３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２３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２３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１は、対向基板３がシリコンを主材料として構成されているため、ガラス材料などで対向基板が構成されている場合に比し、前述のような開口部などの逃げ部を簡単にそして高精度（高アスペクト比）に形成することができる。

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３の下面（第２の質量部２３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２９の深さが第２の質量部２３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、絶縁層４を介して、１対の電極３２が回動中心軸２７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、絶縁層４を介して、１対の電極３２が回動中心軸２７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、１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。すなわち、各電極３２と、図示しない電源とで、第１の質量部２１、２２を駆動するための駆動手段を構成する。
このような駆動手段は、第１の質量部２１、２２の回動中心軸に直角な方向での少なくとも一方の端部に駆動力を与えて、第１の質量部２１、２２を駆動する。

このように第１の質量部２１、２２に駆動力を与えたときに、与えられた駆動力は第１の質量部２１、２２の両側からそれぞれの第１の弾性連結部へ分散して伝達される。そのため、第１の質量部の回動中心軸まわりの捩れ変形を防止することができる。
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、回動中心軸２７（第１の弾性連結部２５、２８）まわりに、基体２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２６を介して連結されている第２の質量部２３も、回動中心軸２７（第２の弾性連結部２６）を軸に、基体２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。
ここで、第１の質量部２１の回動中心軸２７からこれにほぼ垂直な方向（長手方向）での長さ（回動中心軸２７との端部２１１との間の距離）をＬ_１とし、第１の質量部２２の回動中心軸２７からこれにほぼ垂直な方向（長手方向）での長さ（回動中心軸２７と端部２２１との間の距離）をＬ_２とし、第２の質量部２３の回動中心軸２７からこれにほぼ垂直な方向での長さ（回動中心軸２７と端部２３２との間の距離）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１の質量部２１、２２と、第２の質量部２３とが干渉せず、第２の質量部２３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２１、２２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２３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２３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２３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２３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２３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アクチュエータ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、２３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２３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２３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２３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２３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２５、２８のばね定数ｋ_１は、それぞれ、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２３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２６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２３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２５、２８のばね定数ｋ_１（第１の弾性連結部２５のばね定数と第１の弾性連結部２８のばね定数との合計）と第２の弾性連結部２６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２３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２１または第１の質量部２２を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部２５、２８は、互いの捩りモーメントがほぼ等しいのが好ましい。これにより、第１の質量部２１、２２をより円滑に回動させることができる。
このような場合に、本実施形態では、第１の質量部２１または第１の質量部２２を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部２５、２８は、第１の質量部２１または第１の質量部２２を介して互いに対称に設けられているので、設計を簡単なものとしつつ、第１の質量部２１、２２をより円滑に回動させることができる。

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２３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２３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２５、２５、２８、２８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２５、２８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２３と第２の弾性連結部２６、２６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２３の慣性モーメントＪ_２と、第２の弾性連結部２６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２３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、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２４と各質量部２１、２２、２３と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６を形成する。
そして、図６（ｃ）に示すように、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に対応する部分が貫通するまでエッチングする。
そして、金属マスク６を除去した場合、この後、第２の質量部２３上に金属膜を成膜し、光反射部２３１を形成する。
なお、ここで、シリコン基板５をエッチングを行った後、金属マスク６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６を除去しない場合、第２の質量部２３上に残存した金属マスク６は光反射部２３１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、各質量部２１、２２、２３、支持部２４、および各弾性連結部２５、２６、２８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、金属マスクを除去する。これにより、開口部３１が形成された対向基板３が得られる。
しかる後に、対向基板３の一方の面に、図７（ｇ）に示すように、絶縁層４を形成する。

次に、絶縁層４上に、図７（ｈ）に示すように、電極３２を形成する。これにより、絶縁層４の厚さを調整することで、電極３２と第１の質量部２１、２２との間のギャップを調整することができる。
電極３２は、絶縁層４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、接合してアクチュエータ１を得る。
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。なお、第２実施形態について、前述した第１実施形態と同様の事項に関しては、その説明を省略する。
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である。
本実施形態にかかるアクチュエータ１Ａは、第１の弾性連結部材の構成が異なる以外は、前述した第１実施形態にかかるアクチュエータ１と同様である。

より具体的には、図８に示すように、本実施形態のアクチュエータ１Ａにおいては、第１の質量部２１または第１の質量部２２と支持部２４とを連結する第１の弾性連結部２５Ａを構成する１対の棒状連結部材２５１Ａ、２５２Ａ同士の間の距離が支持部２４に向けて漸減している。また、これと同様に、第１の質量部２１または第１の質量部２２と支持部２４とを連結する第１の弾性連結部２８Ａを構成する１対の棒状連結部材２８１Ａ、２８２Ａ同士の間の距離が支持部２４に向けて漸減している。

すなわち、１対の棒状連結部材２５１Ａ、２５２Ａと第１の質量部２１または第１の質量部２２との接続部における１対の棒状連結部材２５１Ａ、２５２Ａ同士の間隔をＤ_１とし、１対の棒状連結部材２５１Ａ、２５２Ａと支持部２４との接続部における１対の棒状連結部材２５１Ａ、２５２Ａ同士の間隔をＤ_２としたときに、Ｄ_１＞Ｄ_２の関係を満たしている。また、１対の棒状連結部材２８１Ａ、２８２Ａと第１の質量部２１または第１の質量部２２との接続部における１対の棒状連結部材２８１Ａ、２８２Ａ同士の間隔と、１対の棒状連結部材２８１Ａ、２８２Ａと支持部２４との接続部における１対の棒状連結部材２８１Ａ、２８２Ａ同士の間隔との関係についても同様である。
このように、第１の弾性連結部２５Ａ、２８Ａのうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、Ｄ_１＞Ｄ_２の関係を満たしていると、第１の質量部２１、２２の回動中心軸２７まわりの捩れ変形を防止しつつ、第１の質量部２１、２２の回動をより円滑なものとすることができる。

また、１対の棒状連結部材２５１Ａ、２５２Ａと第１の質量部２１または第１の質量部２２との接続部における１対の棒状連結部材２５１Ａ、２５２Ａ同士の間隔Ｄ_１と、第１の質量部２１または第１の質量部２２の回動中心軸２７に直角な方向での最大長Ｌとの関係について、０＜Ｄ_１＜Ｌの関係を満たしている。なお、１対の棒状連結部材２８１Ａ、２８２Ａと第１の質量部２１または第１の質量部２２との接続部における１対の棒状連結部材２８１Ａ、２８２Ａ同士の間隔と、第１の質量部２１または第１の質量部２２の回動中心軸２７に直角な方向での最大長との関係についても同様である。
特に、本実施形態のような場合に、第１の弾性連結部２５Ａ、２８Ａのうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、０＜Ｄ_１＜Ｌの関係を満たしていると、第１の質量部２１、２２の回動中心軸２７まわりの捩れ変形を防止しつつ、第１の質量部２１、２２の回動をより円滑なものとすることができる。

また、１対の棒状連結部材２５１Ａ、２５２Ａと支持部２４との接続部における１対の棒状連結部材２５１Ａ、２５２Ａ同士の間隔Ｄ_２と、第１の質量部２１または第１の質量部２２の回動中心軸２７に直角な方向での最大長Ｌとの関係について、０≦Ｄ_２＜０．８Ｌの関係を満たしている。また、１対の棒状連結部材２８１Ａ、２８２Ａと支持部２４との接続部における１対の棒状連結部材２８１Ａ、２８２Ａ同士の間隔と、第１の質量部２１または第１の質量部２２の回動中心軸２７に直角な方向での最大長Ｌとの関係についても、同様である。
特に、本実施形態のような場合に、第１の弾性連結部２５Ａ、２８Ａのうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、０≦Ｄ_２＜０．８Ｌの関係を満たしていると、第１の質量部２１、２２の回動中心軸２７まわりの捩れ変形を防止しつつ、第１の質量部２１、２２の回動をより円滑なものとすることができる。

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、本発明のアクチュエータは、第１実施形態の任意の構成と第２実施形態の任意の構成とを組み合わせるようにしてもよい。

また、第１の弾性連結部や棒状連結部材のそれぞれの形状、大きさ、配置などは、前述した実施形態のものに限定されない。
例えば、前述した実施形態では平面視において第１の弾性連結部２５、２８が互いに第１の質量部２１または第１の質量部２２に対して対称なものについて説明したが、第１の弾性連結部２５、２８が互いに第１の質量部２１または第１の質量部２２に対して非対称であってもよい。

また、平面視において、第１の弾性連結部２５、２８が互いに回動中心軸２７に対して対称なものについて説明したが、第１の弾性連結部２５、２８が互いに回動中心軸２７に対して非対称であってもよい。
また、前述した実施形態では、１対の第１の質量部２１、２２を備えるものについて説明したが、第１の質量部は１つであってもよいし、３つ以上あってもよい。また、平面視において、前述した実施形態では第２の質量部を介して対称な形状のアクチュエータを説明したが、第２の質量部を介して非対称な形状をなしていてもよい。
また、前述した実施形態では、可動部を駆動する駆動手段として静電駆動を用いたものを説明したが、駆動手段としては、これに限定されず、圧電駆動、電磁駆動など他の駆動方式のものを採用することもできる。また、静電駆動を用いた駆動手段としては、前述したような平行平板型以外にも、櫛歯状電極を用いたものなど他の形態であってもよい。

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。 （ａ）は、図１中のＡ−Ａ線断面図、（ｂ）は、図１中のＢ−Ｂ線断面図、（ｃ）は、図１中のＣ−Ｃ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。 図１に示すアクチュエータの駆動電圧の一例（交流電圧）を示す図である。 駆動電圧（交流電圧）の周波数と、第１の質量部および第２の質量部の振幅との関係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。 本発明のアクチュエータの第２実施形態を示す平面図（内部透視図）である。

符号の説明

１、１Ａ……アクチュエータ ２……基体 ２１、２２……第１の質量部 ２１１、２２１……端部 ２３……第２の質量部 ２３１……光反射部 ２３２……端部 ２４……支持部 ２５、２５Ａ、２８、２８Ａ……第１の弾性連結部 ２５１、２５１Ａ、２５２、２５２Ａ、２８１、２８１Ａ、２８２、２８２Ａ……棒状連結部材 ２６……第２の弾性連結部 ２７……回動中心軸 ２９……空間 ３……対向基板 ３１……開口部 ３２……電極 ４……絶縁層 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 Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３、Ｄ_１、Ｄ_２、Ｄ_３……距離

Claims (13)

1. 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第１の質量部と前記支持部とを連結する第１の弾性連結部と、
   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２の質量部と前記第１の質量部とを連結する第２の弾性連結部と、
   前記第１の質量部を駆動する駆動手段とを有し、
   前記駆動手段が、前記第１の弾性連結部を捩れ変形させながら、前記第１の質量部を回動させ、これに伴い、前記第２の弾性連結部を捩れ変形させながら、前記第２の質量部を回動させるアクチュエータであって、
   前記第１の弾性連結部は、前記第１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記駆動手段は、前記第１の質量部の回動中心軸に直角な方向での少なくとも一方の端部に駆動力を与えて、前記第１の質量部を駆動する請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記第１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部は、前記第１の質量部の回動中心軸を介して互いに対向する１対の棒状連結部材で構成されている請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記第１の質量部は、板状をなしており、前記１対の棒状連結部材同士の対向方向は、前記第１の質量部の板面にほぼ平行である請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記第１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、前記１対の棒状連結部材と前記第１の質量部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_１とし、前記１対の棒状連結部材と前記支持部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_２としたときに、Ｄ_１≧Ｄ_２の関係を満たす請求項３または４に記載のアクチュエータ。
6. 前記第１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、前記１対の棒状連結部材と前記第１の質量部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_１とし、前記第１の質量部の回動中心軸に直角な方向での最大長をＬとしたときに、Ｄ_１／Ｌは、０．５〜１である請求項３ないし５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 前記第１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、前記１対の棒状連結部材と前記支持部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_２とし、前記第１の質量部の回動中心軸に直角な方向での最大長をＬとしたときに、Ｄ_２／Ｌは、０〜０．５である請求項３ないし６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記第１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部のうちの少なくとも一方の第１の弾性連結部において、前記１対の棒状連結部材と前記第１の質量部との接続部における前記１対の棒状連結部材同士の間隔をＤ_１とし、前記棒状連結部材の長さをＤ_３としたときに、Ｄ_１≧Ｄ_３の関係を満たす請求項３ないし７のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 前記駆動手段は、交流電圧を受けて前記第１の質量部を駆動するものであり、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略等しくなるように設定されている請求項１ないし８のいずれかに記載のアクチュエータ。
10. 前記第１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部は、互いの捩りモーメントがほぼ等しい請求項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１の質量部を介してその両側にそれぞれ設けられた第１の弾性連結部は、前記第１の質量部を介して互いに対称に設けられている請求項１０に記載のアクチュエータ。
12. 前記第２の質量部には、光反射部が設けられている請求項１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の質量部は、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２の質量部を介してその両側にそれぞれ前記第１の弾性連結部および前記第２の弾性連結部が設けられている請求項１ないし１２のいずれかに記載のアクチュエータ。

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