JP2007222970A - アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】低コスト化を図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は、第１の弾性連結部２５、２５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、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、２５の捩れ変形を規制または抑制するとともに、除去可能に設けられた除去部２９、２９を有し、除去部２９、２９を必要に応じて除去することにより、第１の弾性連結部２５、２５のバネ定数を低減することが可能である。
【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、非特許文献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、１自由度振動系の捩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、質量部を捩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ている。

そして、質量部上には光反射部が設けられており、捩りバネを捩れ変形させながら質量部を回動駆動させることにより、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。
このような捩り振動子で構成されたアクチュエータにあっては、その共振周波数で駆動すると、安定的に駆動することができる。そのため、アクチュエータを設置する機器の種類などの使用目的に応じた周波数で共振するようにアクチュエータを設計する必要がある。
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、使用目的ごとに設計を行っていたため、一旦製造した後は一定の共振周波数でしか駆動させることができない。したがって、使用目的ごとに製造ラインを設けなければならず、アクチュエータの高コスト化を招いていた。

K.E.Petersen:"Silicon Torsional Scanning Mirror",IBMJ.Res.Develop.,vol.24(1980)、P.631

本発明の目的は、低コスト化を図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、質量部と、
前記質量部を支持するための支持部と、
前記質量部を前記支持部に対し回動可能とするように、前記質量部と前記支持部とを連結する弾性連結部と、
前記質量部を回動駆動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段が前記弾性連結部を捩れ変形させながら前記質量部を回動させるアクチュエータであって、
前記弾性連結部の捩れ変形を規制または抑制するとともに、除去可能に設けられた除去部を有し、
該除去部を必要に応じて除去することにより、前記弾性連結部のバネ定数を低減することが可能であることを特徴とする。
これにより、１つのアクチュエータにおいて、共振周波数を変更することができる。したがって、製造ラインを簡略化しつつ、使用目的（共振周波数）の異なる複数のアクチュエータを製造することができる。その結果、アクチュエータの低コスト化を図ることができる。

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、
前記第１の質量部を前記支持部に対し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２の質量部を前記第１の質量部に対し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の質量部を回動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の弾性連結部および／または前記第２の弾性連結部の捩れ変形を規制または抑制するとともに、除去可能に設けられた除去部を有し、
該除去部を必要に応じて除去することにより、前記第１の弾性連結部および／または前記第２の弾性連結部のバネ定数を低減することが可能であることを特徴とする。
これにより、１つのアクチュエータにおいて、共振周波数を変更することができる。したがって、製造ラインを簡略化しつつ、使用目的（共振周波数）の異なる複数のアクチュエータを製造することができる。その結果、アクチュエータの低コスト化を図ることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記除去部は、複数設けられ、前記除去部の除去数に応じて、前記第１の弾性連結部および／または前記第２の弾性連結部のバネ定数を段階的に低減することが可能であることが好ましい。
これにより、製造ラインを簡略化しつつ、使用目的（共振周波数）の異なる３つ以上のアクチュエータを製造することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記除去部は、その除去により前記第１の弾性連結部および／または前記第２の弾性連結部の実質的な長さを変えるように構成されていることが好ましい。
これにより、互いに共振周波数の大きく異なるアクチュエータを比較的簡単に製造することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記除去部は、前記第１の弾性連結部の途中と前記支持部または前記第１の質量部とを連結するように設けられた連結部材で構成されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単に、第１の弾性連結部の実質的な長さを変更することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記除去部は、前記第１の弾性連結部の途中と前記支持部とを連結するように設けられた連結部材で構成されていることが好ましい。
これにより、除去部を除去しても第１の質量部の質量が変化しないので、アクチュエータの設計が簡単になる。
本発明のアクチュエータでは、前記連結部材は、前記第１の弾性連結部の途中、および／または、前記支持部または前記第１の質量部に脆弱部を介して接続されていることが好ましい。
これにより、所望時に除去部を簡単に除去することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記脆弱部は、薄肉化された薄肉部で構成されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単に脆弱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、前記除去部は、前記第２の弾性連結部の途中と前記第１の質量部または前記第２の質量部とを連結するように設けられた連結部材で構成されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単に、第２の弾性連結部の実質的な長さを変更することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記連結部材は、前記第２の弾性連結部の途中、および／または、前記第１の質量部または前記第２の質量部に脆弱部を介して接続されていることが好ましい。
これにより、所望時に除去部を簡単に除去することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記脆弱部は、薄肉化された薄肉部で構成されていることが好ましい。
これにより、比較的簡単に脆弱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の質量部および／または前記第２の質量部は、板状をなしており、その平面視において、前記除去部は、前記第１の質量部および／または前記第２の質量部の回動中心軸を介して対称になるように設けられていることが好ましい。
これにより、除去部の非除去状態および除去状態のそれぞれにおいて、アクチュエータの動作をより安定的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の質量部上には、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、光スイッチ、光アッテネータなどの光学デバイスに適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（内部透視図）、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、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、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、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の下面には、対向基板３が接合層４を介して接合されている。
基体２は、一対の第１の質量部（駆動部）２１、２２と、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。
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。これにより、アクチュエータ１を光スキャナ、光スイッチ、光アッテネータなどの光学デバイスに適用することができる。

さらに、基体２は、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とを連結する一対の第１の弾性連結部２５、２５と、第１の質量部２１、２２と第２の質量部２３とを連結する一対の第２の弾性連結部２６、２６と、第１の質量部２１、２２の捩れ変形を規制する除去可能な除去部２９、２９とを備えている。
各第１の弾性連結部２５、２５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。

そして、第１の弾性連結部２５、２５のそれぞれの支持部２４側の部分と、支持部２４との間に、除去可能な除去部２９、２９が設けられている。すなわち、アクチュエータ１は、第１の弾性連結部２５、２５の捩れ変形を規制または抑制するとともに、除去可能に設けられた除去部２９、２９を有している。これにより、除去部２９、２９は、第１の弾性連結部２５、２５のそれぞれの支持部２４側の部分の捩れ変形を規制することができる。また、この除去部２９、２９を必要に応じて除去することにより、第１の弾性連結部２５、２５の実質的な長さを延長し、第１の弾性連結部２５、２５のバネ定数を変化（低減）させることができる。なお、除去部２９については、後に詳述する。
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の振動系とで構成された２自由度振動系を有している。

本実施形態では、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と第２の弾性連結部２６、２６と除去部２９、２９とが形成されている。

また、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）２８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と、第２の弾性連結部２６、２６と除去部２９、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と、第２の弾性連結部２６、２６と除去部２９、２９とを形成したものであってもよい。

対向基板３は、例えば、シリコンまたはガラス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。アクチュエータ１において、対向基板３がシリコンを主材料として構成されている場合、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２８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（基体２側の面）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、後述の接合層４を介して、一対の電極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、後述の接合層４を介して、一対の電極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、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。これにより、第１の質量部２１、２２と各電極３２との間に静電引力を生じさせて、第１の質量部２１、２２を回動駆動させることができる。すなわち、第１の質量部２１、２２と各電極３２とが、第１の質量部２１、２２を回動駆動する駆動手段を構成する。
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。

接合層４は、基体２と対向基板３とを接合する機能を有するものである。したがって、接合層４の構成材料は、前記接合が可能なものであれば特に限定されないが、基体２および対向基板３のそれぞれがシリコンを主材料として構成されている場合には、可動イオンを含むガラスを用いるのが好ましい。これにより、ともにシリコンを主材料として構成された基体２と対向基板３とを接合層４を介して陽極接合させることができる。
また、本実施形態では、接合層４の上面に上述の電極３２が設けられている。これにより、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。また、接合層４を絶縁性を有する材料で構成することにより、電極３２と対向基板３との間の絶縁性を確保することができる。

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）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。

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。
したがって、第２の質量部２３の回動に伴い、光反射部２３１も回動し、光反射部２３１に照射された光を走査することができる。

ここで、このアクチュエータ１では、前述したように、対向基板３における、第２の質量部２３に対応する部分に、開口部３１が形成され、また、図２にて基体２の下面に空間２８が形成され、かつ、平面視で第１の質量部２１、２２が空間（凹部）２８内に位置するように設けられている。
このような構成により、第２の質量部２３が振動し得るスペース、および、第１の質量部２１、２２が振動し得るスペースとして、大きなスペースが確保されている。したがって、第１の質量部２１、２２の質量を比較的小さく設定すること等により、第１の質量部２１、２２を大きな振れ角で振動させた場合や、さらに第２の質量部２３が共振によって大きな振れ角で振動した場合でも、各質量部２１、２２、２３（２自由度振動系）が対向基板３に接触することを好適に防止することができる。
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ニングを行うことが可能となる。

ここで、第１の質量部２１の回動中心軸からこれにほぼ垂直な方向（長手方向）への長さ（回動中心軸と端部２１１との間の距離）をＬ_１とし、第１の質量部２２の回動中心軸からこれにほぼ垂直な方向（長手方向）への長さ（回動中心軸と端部２２１との間の距離）をＬ_２とし、第２の質量部２３の回動中心軸からこれにほぼ垂直な方向への長さ（回動中心軸と端部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ている。これにより、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光スキャナに適用した場合には、より容易に装置の小型化を図ることができる。

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のばね定数ｋ_１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。

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。

なお、本実施形態の振動系は、一対の第１の弾性連結部２５および一対の第２の弾性連結部２６のうち少なくとも１つの内部にピエゾ抵抗素子を設けることにより、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２３の姿勢の制御に利用することができる。
ここで、図６に基づいて、除去部２９を詳細に説明する。なお、第１の質量部２１側の除去部２９と第１の質量部２２側の除去部２９とは同様の構成であるので、以下では、第１の質量部２２側の除去部２９を代表して説明し、第１の質量部２１側の除去部２９の説明は省略する。

第１の質量部２２側の除去部２９（以下、単に「除去部２９」という）は、第１の弾性連結部２５の捩れ変形を規制または抑制するとともに、除去可能に設けられている。
このような除去部２９を必要に応じてその一部または全部を除去することにより、第１の振動系における第１の弾性連結部２５のバネ定数を低減することが可能である。
これにより、１つのアクチュエータ１において、共振周波数を変更することができる。したがって、製造ラインを簡略化しつつ、使用目的（共振周波数）の異なる複数のアクチュエータを製造することができる。その結果、アクチュエータの低コスト化を図ることができる。

より具体的に説明すると、除去部２９は、図６（ａ）に示すように、第１の弾性連結部２５の途中と支持部２４とを連結するように設けられた３対の連結部材２９１、２９２、２９３を有し、各連結部材２９１、２９２、２９３がそれぞれ独立して除去し得るようになっている（すなわち除去部が複数設けられている）。
このように除去部２９が第１の弾性連結部２５の途中と支持部２４とを連結するように設けられた連結部材で構成されていると、比較的簡単に、第１の弾性連結部２５の実質的な長さを変更することができる。

例えば、図６（ａ）に示すような状態のアクチュエータ１から１対の連結部材２９１を必要に応じて除去することにより、長さＬの第１の弾性連結部２５が連結部材２９１の幅αの分だけ延長され、図６（ｂ）に示すように、長さＬ＋αを有する第１の弾性連結部２５’が得られる。これにより、第１の振動系のバネ定数を低減することができる。その結果、第１の振動系の共振周波数を小さくすることができる。

これと同様に、さらに１対の連結部材２９２を必要に応じて除去することにより、第１の弾性連結部材２５’が連結部材２９２の幅分だけ延長され、第１の振動系のバネ定数をさらに小さくすることができる。これにより、第１の振動系のバネ定数をさらに低減することができる。その結果、第１の振動系の共振周波数をさらに小さくすることができる。
これと同様に、さらに１対の連結部材２９３を必要に応じて除去することにより、第１の弾性連結部材の長さを、第１の質量部２２と支持部２４との間の距離と等しくして、第１の振動系のバネ定数を最も小さくすることができる。これにより、第１の振動系のバネ定数を最も低減することができる。その結果、第１の振動系の共振周波数を最も小さくすることができる。

前述したように各連結部材２９１、２９２、２９３がそれぞれ独立して除去し得るようになっていると（すなわち、連結部材２９１、２９２、２９３がそれぞれ除去部を構成していると）、連結部材（除去部）の除去数に応じて、第１の弾性連結部２５のバネ定数を段階的に低減することが可能である。これにより、製造ラインを簡略化しつつ、使用目的（共振周波数）の異なる複数（本実施形態では４つ）のアクチュエータを製造することができる。
その際、連結部材２９１、２９２、２９３（除去部）は、その除去により第１の弾性連結部２５の実質的な長さを変えるように構成されているので、互いに共振周波数の大きく異なるアクチュエータを比較的簡単に製造することができる。

また、連結部材２９１、２９２、２９３が第１の弾性連結部２５の途中と支持部２４とを連結するように設けられているので、除去部２９を除去しても第１の質量部２２の質量が変化しないので、アクチュエータ１の設計が簡単になる。
また、各連結部材２９１、２９２、２９３は、第１の弾性連結部２５の途中、および／または、支持部２４に脆弱部を介して接続されているのが好ましい。これにより、所望時に、脆弱部を破断することにより、除去部２９（連結部材２９１、２９２、２９３）を簡単に除去することができる。

このような脆弱部の形態としては、連結部材２９１、２９２、２９３の他の部分よりも機械的強度が低ければ、特に限定されず、例えば、材料を変性したもの、薄肉部（例えば、破断予定部位に沿って溝や凹部を形成することにより得られるもの）、破断予定部位に沿って互いに間隔を隔てて複数の貫通孔を並設することにより得られるもの、複数の貫通孔を互いに間隔を隔てて格子状に配設することにより得られるものなどが挙げられる。
中でも、脆弱部は、薄肉化された薄肉部で構成されているのが好ましい。これにより、アクチュエータ１の製造時にエッチングやレーザ加工などにより比較的簡単に脆弱部を形成することができる。

また、本実施形態では、板状をなす第１の質量部２１、２２および／または第２の質量部２３の平面視において、各連結部材２９１、２９２、２９３（除去部）は、第１の質量部２１、２２および／または第２の質量部２３の回動中心軸２７を介して対称になるように設けられている。これにより、各連結部材２９１、２９２、２９３（除去部）の非除去状態および除去状態のそれぞれにおいて、アクチュエータ１の動作をより安定的なものとすることができる。

また、各連結部材２９１、２９２、２９３（除去部）は、第２の質量部２３を介して対称になるように設けられている。これにより、各連結部材２９１、２９２、２９３（除去部）の非除去状態および除去状態のそれぞれにおいて、アクチュエータ１の動作をより安定的なものとすることができる。
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７、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７、図８中の上側を「上」、下側を「下」と言う。

［Ａ１］ まず、図７（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７（ｂ）に示すように、支持部２４と各質量部２１、２２、２３と各弾性連結部２５、２６と除去部２９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７（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７（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。
金属マスク６の形成方法としては、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。

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７（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を除去した後、図７（ｅ）に示すように、第２の質量部２３上に光反射部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の一部を除去せずに残存させ、これを光反射部２３１として用いることができる。

［Ａ２］ 次に、図８（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、例えば可動イオンを含むガラスで対向基板３の一方の面に成膜して、図８（ｇ）に示すように、対向基板３上に接合層４を形成する。

次に、接合層４上に、図８（ｈ）に示すように、電極３２を形成する。これにより、接合層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、接合層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８（ｉ）に示すように、前記工程［Ａ１］で得られた構造体（基体２）と、前記工程［Ａ２］で接合層４が成膜された対向基板３とを、例えば陽極接合により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。
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（内部透視図）、図１０は、図９中のＡ−Ａ線断面図である。
本実施形態にかかるアクチュエータ１Ａは、除去部の位置が異なる以外は、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。

図９および図１０に示すように、本実施形態のアクチュエータ１Ａにおいて、対向基板３に支持された基体２Ａは、第１の質量部２１Ａ、２２Ａと第１の弾性連結部２５Ａ、２５Ａ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２６Ａ、２６Ａとからなる第２の振動系とで構成された２自由度振動系を有している。
そして、第２の弾性連結部２６Ａ、２６Ａのそれぞれの第１の質量部２１Ａ、２２Ａ側の部分と、対応する第１の質量部２１Ａ、２２Ａとの間に、除去可能な除去部２９Ａ、２９Ａが設けられている。すなわち、アクチュエータ１Ａは、第２の弾性連結部２６Ａ、２６Ａの捩れ変形を規制または抑制するとともに、除去可能に設けられた除去部２９Ａ、２９Ａを有している。これにより、除去部２９Ａ、２９Ａは、第２の弾性連結部２６Ａ、２６Ａのそれぞれの第１の質量部２１Ａ、２２Ａ側の部分の捩れ変形を規制することができる。また、この除去部２９Ａ、２９Ａを必要に応じて除去することにより、第２の弾性連結部２６Ａ、２６Ａの実質的な長さを延長し、第２の弾性連結部２６Ａ、２６Ａのバネ定数を変化（低減）させることができる。

本実施形態においては、除去部２９Ａは、前述した第１実施形態の除去部２９と同様に、３対の連結部材で構成されている（図９参照）。したがって、４段階で共振周波数の変更（調整）が可能である。
以上のようなアクチュエータ１Ａにあっても、前述したアクチュエータ１と同様の効果を得ることができる。すなわち、１つのアクチュエータ１Ａにおいて、共振周波数を変更することができる。したがって、製造ラインを簡略化しつつ、使用目的（共振周波数）の異なる複数のアクチュエータを製造することができる。その結果、アクチュエータの低コスト化を図ることができる。
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。

前述したような第１、２実施形態のアクチュエータは、２自由度振動系を有するねじり振動子を用いたアクチュエータであるため、マイクロマシン技術を用いて製造することができ、小型化を図ることができる。特に、２自由度振動系を有するねじり振動子は、駆動電圧を低減しつつ、大きな振幅で可動部（第２の質量部２３）を駆動することができる。
なお、本発明は２自由度振動系以外の振動系のアクチュエータにも適用することができる。例えば、前述した第２実施形態において、第１の弾性連結部を省略し、第１の質量部を支持部に固定し、第２の弾性連結部により第２の質量部と支持部とを直接的に連結したような形態としてもよい。すなわち、本発明は、１自由度振動系を有するねじり振動子を用いたアクチュエータにも適用することができる。このようなねじり振動子を用いたアクチュエータにあっても、マイクロマシン技術を用いて製造することができるので、小型化を図ることができる。

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。
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、例えば、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。例えば、本発明のアクチュエータは、除去部２９、２９および除去部２９Ａ、２９Ａの双方を有するような形態であってもよい。

前述した実施形態では、除去部が複数設けられているものを説明したが、除去部は少なくとも１つあればよい。
また、前述した第１実施形態では、除去部２９、２９が、第１の弾性連結部２５、２５の途中と支持部２４とを連結するように設けられた連結部材２９１、２９２、２９３で構成されたものを説明したが、除去部が、第１の弾性連結部２５の途中と第１の質量部２１、２２とを連結するように設けられた連結部材で構成されたものでもよい。

また、前述した第２実施形態では、除去部２９Ａ、２９Ａが、第２の弾性連結部２６Ａ、２６Ａの途中と第１の質量部２１Ａ、２２Ａとを連結するように設けられた連結部材で構成されたものを説明したが、除去部が、第２の弾性連結部２６Ａ、２６Ａの途中と第２の質量部２３とを連結するように設けられた連結部材で構成されたものでもよい。
また、除去部（または除去部を構成する連結部材）の大きさ、形状、配置などの形態は、第１の弾性連結部および／または第２の弾性連結部の捩れ変形を規制または抑制するとともに、除去可能に設けられているものであれば、特に限定されず、任意である。

例えば、除去部は、第１の弾例連結部および／または第２の弾性連結部と対向基板との間でこれらに接するように配置された部材で構成されていてもよい。
また、第１の弾例連結部および／または第２の弾性連結部は、複数の棒状部材で構成され、各棒状部材が捩れ変形することにより、第１の弾例連結部および／または第２の弾性連結部全体が捩れ変形するものであってもよい。この場合、少なくとも１つの棒状部材を除去可能とし、これを除去部とすることができる。

また、除去部は、弾性連結部（第１の弾性連結部や第２の弾性連結部）の表面に除去可能に設けられた膜のようなものであってもよい。
また、前述した実施形態では、静電駆動により第１の質量部２１、２２を回動させ、これに伴い、第２の質量部２３を回動させるもの、すなわち、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。 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。 図１に示すアクチュエータの駆動電圧の一例を示す図である。 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。 図１に示すアクチュエータにおける共振周波数の変更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。 図１に示す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、２１Ａ、２２Ａ……第１の質量部 ２１１、２２１、２１１Ａ、２２１Ａ……端部 ２３……第２の質量部 ２３１……光反射部 ２３２……端部 ２４……支持部 ２５、２５’、２５Ａ……第１の弾性連結部 ２６、２６Ａ……第２の弾性連結部 ２７……回動中心軸 ２８……空間 ２９、２９’、２９Ａ……除去部 ２９１、２９２、２９３……連結部材 ３……対向基板 ３１……開口部 ３２……電極 ４……接合層 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……距離

Claims (13)

1. 質量部と、
   前記質量部を支持するための支持部と、
   前記質量部を前記支持部に対し回動可能とするように、前記質量部と前記支持部とを連結する弾性連結部と、
   前記質量部を回動駆動させる駆動手段とを有し、
   前記駆動手段が前記弾性連結部を捩れ変形させながら前記質量部を回動させるアクチュエータであって、
   前記弾性連結部の捩れ変形を規制または抑制するとともに、除去可能に設けられた除去部を有し、
   該除去部を必要に応じて除去することにより、前記弾性連結部のバネ定数を低減することが可能であることを特徴とするアクチュエータ。
2. 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、
   前記第１の質量部を前記支持部に対し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２の質量部を前記第１の質量部に対し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の質量部を回動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の弾性連結部および／または前記第２の弾性連結部の捩れ変形を規制または抑制するとともに、除去可能に設けられた除去部を有し、
   該除去部を必要に応じて除去することにより、前記第１の弾性連結部および／または前記第２の弾性連結部のバネ定数を低減することが可能であることを特徴とするアクチュエータ。
3. 前記除去部は、複数設けられ、前記除去部の除去数に応じて、前記第１の弾性連結部および／または前記第２の弾性連結部のバネ定数を段階的に低減することが可能である請求項２に記載のアクチュエータ。
4. 前記除去部は、その除去により前記第１の弾性連結部および／または前記第２の弾性連結部の実質的な長さを変えるように構成されている請求項２または３に記載のアクチュエータ。
5. 前記除去部は、前記第１の弾性連結部の途中と前記支持部または前記第１の質量部とを連結するように設けられた連結部材で構成されている請求項４に記載のアクチュエータ。
6. 前記除去部は、前記第１の弾性連結部の途中と前記支持部とを連結するように設けられた連結部材で構成されている請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 前記連結部材は、前記第１の弾性連結部の途中、および／または、前記支持部または前記第１の質量部に脆弱部を介して接続されている請求項５に記載のアクチュエータ。
8. 前記脆弱部は、薄肉化された薄肉部で構成されている請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記除去部は、前記第２の弾性連結部の途中と前記第１の質量部または前記第２の質量部とを連結するように設けられた連結部材で構成されている請求項４ないし８のいずれかに記載のアクチュエータ。
10. 前記連結部材は、前記第２の弾性連結部の途中、および／または、前記第１の質量部または前記第２の質量部に脆弱部を介して接続されている請求項９に記載のアクチュエータ。
11. 前記脆弱部は、薄肉化された薄肉部で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１の質量部および／または前記第２の質量部は、板状をなしており、その平面視において、前記除去部は、前記第１の質量部および／または前記第２の質量部の回動中心軸を介して対称になるように設けられている請求項２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の質量部上には、光反射部が設けられている請求項２ないし１２のいずれかに記載のアクチュエータ。

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