JP2014006418A - Actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、静電力によって駆動されるアクチュエータに関する。 The present invention relates to an actuator driven by electrostatic force.
静電力によって駆動されるアクチュエータはMEMS(Micro Electro Mechanical System)の動力源として広く利用されており、その一つとして、変位量を格段に向上することが可能なアクチュエータが、特開2010−97135号公報に開示されている。 An actuator driven by an electrostatic force is widely used as a power source of MEMS (Micro Electro Mechanical System), and as one of them, an actuator capable of significantly improving the displacement is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-97135. It is disclosed in the publication.
このアクチュエータでは、回動板が弾性連結部によって回動自在に支持され、回動板の端部には櫛歯状の可動電極群が設けられている。また、櫛歯状の可動電極群とかみ合うように櫛歯状の固定電極群が設けられており、固定電極群は可動電極群よりも下方にずれて配置されている。固定電極群と可動電極群の間に電圧を印加すると、可動電極群が固定電極群の間に引き込まれ、その結果、回動板が変位すなわち回動する。 In this actuator, a rotating plate is rotatably supported by an elastic connecting portion, and a comb-like movable electrode group is provided at an end of the rotating plate. Further, a comb-shaped fixed electrode group is provided so as to engage with the comb-shaped movable electrode group, and the fixed electrode group is arranged to be shifted downward from the movable electrode group. When a voltage is applied between the fixed electrode group and the movable electrode group, the movable electrode group is drawn between the fixed electrode groups, and as a result, the rotating plate is displaced, that is, rotated.
この従来技術のアクチュエータは、櫛歯状の可動電極群と櫛歯状の固定電極群を用いて静電引力を発生させるので、比較的小さな駆動電圧で格段に大きい駆動力が得られる。このため、大変位を必要とする用途に有望である。 Since this prior art actuator generates electrostatic attraction using a comb-shaped movable electrode group and a comb-shaped fixed electrode group, a remarkably large driving force can be obtained with a relatively small driving voltage. Therefore, it is promising for applications that require large displacement.
しかしながら、特開2010−97135号公報に記載のアクチュエータでは、弾性連結部が回動板に直結しており、また可動電極群が、弾性連結部とは別体で、回動板に直結されている。このため、回動板の変位時に、可動電極群と弾性連結部の変位応力が回動板に伝達される。その結果、特に回動板が比較的大きく、回動板を大変位させた場合に、回動板に大きな撓みが生じ、回動板の平坦性が大きく損なわれる。アクチュエータを光偏向素子などの光学機器に適用した構成においては、この回動板の撓みは偏向特性を大きく劣化させる要因となる。 However, in the actuator described in Japanese Patent Application Laid-Open No. 2010-97135, the elastic connecting portion is directly connected to the rotating plate, and the movable electrode group is separated from the elastic connecting portion and directly connected to the rotating plate. Yes. For this reason, when the rotating plate is displaced, the displacement stress between the movable electrode group and the elastic connecting portion is transmitted to the rotating plate. As a result, especially when the rotating plate is relatively large and the rotating plate is largely displaced, the rotating plate is greatly bent, and the flatness of the rotating plate is greatly impaired. In a configuration in which the actuator is applied to an optical device such as an optical deflection element, the deflection of the rotating plate becomes a factor that greatly deteriorates the deflection characteristics.
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、変位時の可動板の平坦性の劣化が少ないアクチュエータを提供することである。 The present invention has been made in consideration of such a situation, and an object of the present invention is to provide an actuator with little deterioration in flatness of the movable plate at the time of displacement.
本発明によるアクチュエータは、可動板と、複数個の櫛歯電極を有している可動櫛歯電極構造体と、複数個の櫛歯電極を有している固定櫛歯電極構造体と、前記可動板と前記可動櫛歯電極構造体をスリット状に連結している連結部と、前記可動板と前記可動櫛歯電極構造体と前記連結部から成る可動構造体を揺動可能に支持している変形部とを備えている。前記可動櫛歯電極構造体の櫛歯電極は前記可動構造体の揺動軸に非平行に延びており、前記可動櫛歯電極構造体の櫛歯電極と前記固定櫛歯電極構造体の櫛歯電極はすき間を置いて互いに対向している。 An actuator according to the present invention includes a movable plate, a movable comb electrode structure having a plurality of comb electrodes, a fixed comb electrode structure having a plurality of comb electrodes, and the movable A connecting portion that connects the plate and the movable comb electrode structure in a slit shape, and a movable structure that includes the movable plate, the movable comb electrode structure, and the connecting portion is swingably supported. And a deformation portion. The comb electrodes of the movable comb electrode structure extend non-parallel to the swing axis of the movable structure, and the comb teeth of the movable comb electrode structure and the comb teeth of the fixed comb electrode structure The electrodes face each other with a gap.
本発明によれば、変位時の可動板の平坦性の劣化が少ないアクチュエータが提供される。 ADVANTAGE OF THE INVENTION According to this invention, the actuator with little deterioration of the flatness of the movable plate at the time of displacement is provided.
以下、図面を参照しながら実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments will be described with reference to the drawings.
<第1の実施形態>
図1は、第1の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。図1に示すように、アクチュエータ100は微細構造体101を有し、この微細構造体101は、可動板109と、複数個の櫛歯電極105eを有している可動櫛歯電極構造体105と、複数個の櫛歯電極104eを有している固定櫛歯電極構造体104と、可動板109と可動櫛歯電極構造体105をスリット状に連結している連結部107と、可動板109と可動櫛歯電極構造体105と連結部107から成る可動構造体を揺動可能に支持している弾性変形部であるトーションバー106と、トーションバー106を支持している矩形の枠形状の基体102と、固定櫛歯電極構造体104と基体102を接続している固定櫛歯電極構造体支持部108とを備えている。
<First Embodiment>
FIG. 1 is a top view showing the actuator according to the first embodiment. As shown in FIG. 1, the
可動板109は、たとえば、可動ミラーであり、光ビームを反射するための反射面を有している。
The
可動櫛歯電極構造体105と固定櫛歯電極構造体104は、それらの表面全体にAuなどの金属膜が形成されている。可動櫛歯電極構造体105の櫛歯電極105eは、可動板109と可動櫛歯電極構造体105と連結部107から成る可動構造体の揺動軸すなわちトーションバー106の軸に非平行に延びている。たとえば、櫛歯電極105eは、トーションバー106の軸にほぼ平行に延びている可動櫛歯電極構造体105の両側面から外側に向かって、トーションバー106の軸に垂直な平面に実質的に平行に延びている。可動櫛歯電極構造体105の櫛歯電極105eと固定櫛歯電極構造体104の櫛歯電極104eは、実質的に互いに平行に延びており、すき間を置いて互いに対向している。
The movable
ここにおいて、連結部107が「可動板109と可動櫛歯電極構造体105をスリット状に連結している」とは、可動板109と可動櫛歯電極構造体105の間にスリット部103すなわちすき間やくびれが存在するように連結している形態を意味している。可動櫛歯電極構造体105と可動板109は互いに端面が対向しており、それらの端面の面積は可動櫛歯電極構造体105よりも可動板109の方が大きく、連結部107は、可動櫛歯電極構造体105のその端面に平行な断面の面積が、可動櫛歯電極構造体105のその端面の面積よりも小さいような形状に形成されている。
Here, the connecting
このような微細構造体101は、PMAAなどのポリマー材料から一体的に同一平面上において100μm程度の厚さに形成される。PMAAなどのポリマー材料は、単結晶シリコンと比較して、機械特性の一つであるヤング率が約1/50程度と小さい。このため、ポリマー材料製の微細構造体は、単結晶シリコン製の微細構造体と比較して、同じ駆動電圧に対してより大きい変位を発生することが可能である。
Such a
固定櫛歯電極構造体104は、複数の固定櫛歯電極構造体支持部108を介して基体102に接続されている。固定櫛歯電極構造体支持部108は対称性良く配置されている。固定櫛歯電極構造体支持部108は、たとえば、固定櫛歯電極構造体104の中心線B−B’に対して対称的に配置されている。各固定櫛歯電極構造体支持部108は、固定櫛歯電極構造体104と基体102の間を蛇行して延びており、図1の紙面に垂直な方向に容易に変形する構造となっている。
The fixed
図2は、非駆動状態における図1のA−A’線に沿ったアクチュエータの断面図である。図3は、駆動状態における図1のA−A’線に沿ったアクチュエータの断面図である。図2と図3に示すように、アクチュエータ100は、微細構造体101に加えて、微細構造体101を支持している支持基板121を有している。支持基板121は、箱形状をしており、微細構造体101の基体102が固定される周壁部122を有している。周壁部122には、基体102を位置決めするための段差部123が形成されている。支持基板121はまた、固定櫛歯電極構造体104を位置決めするための突起124を周壁部122の内側の上面に有している。突起124は、微細構造体101の基体102が周壁部122の段差部123に正しく位置決めされたときに、固定櫛歯電極構造体104の固定櫛歯電極構造体固定穴111に整列する位置に設けられている。
FIG. 2 is a cross-sectional view of the actuator taken along line A-A ′ of FIG. 1 in a non-driven state. FIG. 3 is a cross-sectional view of the actuator taken along line A-A ′ of FIG. 1 in a driving state. As shown in FIGS. 2 and 3, the
基体102は、段差部123にはめ込まれて周壁部122に固定される。これにより、基体102が精度良く位置決めされる。基体102が周壁部122に固定されたとき、固定櫛歯電極構造体104の重さのために固定櫛歯電極構造体支持部108が変形し、固定櫛歯電極構造体104が沈み込み、支持基板121に接して支持される。固定櫛歯電極構造体104が沈み込む際、固定櫛歯電極構造体固定穴111が突起124にはまることにより、固定櫛歯電極構造体104が基体102に対して精度良く位置決めされる。これにより、可動櫛歯電極構造体105の櫛歯電極105eと固定櫛歯電極構造体104の櫛歯電極104eが互いに接触することなく、すき間を置いて互いに対向して配置される。
The
また、トーションバー106は、図3や図4の上下方向に変形しにくく、このため、可動板109と可動櫛歯電極構造体105と連結部107から成る可動構造体は沈み込むことなく、支持基板121の周壁部122の内側の上面から間隔を空けて支持される。
Further, the
次に、アクチュエータ100の駆動方法について説明する。図3に示される状態において、可動櫛歯電極構造体105を常に接地電位に維持しておき、固定櫛歯電極構造体104の一方、たとえば図3の右側の固定櫛歯電極構造体104に正電圧を印加すると、可動櫛歯電極構造体105と右側の固定櫛歯電極構造体104の間に電位差が生じる。その結果、図4に示すように、可動櫛歯電極構造体105の櫛歯電極105eが静電引力によって右側の固定櫛歯電極構造体104の櫛歯電極104eの間に引き込まれ、可動櫛歯電極構造体105が時計回り方向に変位つまり傾斜し、これに伴い、可動板109が時計回り方向に変位つまり傾斜する。図4では誇張されているが、可動板109は機械振れ角で5°程度に大変位する。右側の固定櫛歯電極構造体104に印加する正電圧を周期的に切り替えると、可動板109が周期的に変位つまり揺動する。また、右側の固定櫛歯電極構造体104に正電圧を印加する代わりに、左側の固定櫛歯電極構造体104に正電圧を印加すれば、可動板109が反時計回り方向に変位つまり傾斜する。たとえば、左右の固定櫛歯電極構造体104に正電圧を交互に印加すれば、±5°程度の機械振れ角で可動板109が周期的に変位つまり揺動する。
Next, a method for driving the
このアクチュエータ100では、可動板109と可動櫛歯電極構造体105が連結部107を介してスリット状に連結されているため、可動櫛歯電極構造体105が変位時に受ける応力が可動板109に伝達しにくい。つまり、可動櫛歯電極構造体105の変位応力の可動板109への伝達が軽減される。これにより、変位時の可動板109の平坦性の劣化が軽減される。言い換えれば、可動板109が大変位した場合でも、可動板109の良好な平坦性が維持される。
In this
<第2の実施形態>
図4は、第2の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。本実施形態のアクチュエータ200は、微細構造体201が第1の実施形態の微細構造体101と相違している。支持基板221は、第1の実施形態の支持基板121と同様である。図4に示すように、各可動櫛歯電極構造体205は、これに連続しているトーションバー206を部分的に画定している一対の切り込み部212が設けられている。別の見方をすれば、各可動櫛歯電極構造体205に、トーションバー206の両側にトーションバー206に沿って延びている一対の切り込み部212が形成されている。微細構造体201の他の構成すなわち可動板209と連結部207と可動櫛歯電極構造体205と櫛歯電極205eとトーションバー206と基体202と固定櫛歯電極構造体204と櫛歯電極204eと固定櫛歯電極構造体支持部208は、それぞれ、第1の実施形態の可動板109と連結部107と可動櫛歯電極構造体105と櫛歯電極105eとトーションバー106と基体102と固定櫛歯電極構造体104と櫛歯電極104eと固定櫛歯電極構造体支持部108と同様である。この微細構造体201においても、連結部207は、可動板209と可動櫛歯電極構造体205をスリット状につまり両者間にスリット部203が存在するように連結している。駆動方法は第1の実施形態と同様である。
<Second Embodiment>
FIG. 4 is a top view showing the actuator according to the second embodiment. The
可動櫛歯電極構造体205に切り込み部212を設けることにより、可動櫛歯電極構造体205とトーションバー206の接続個所を、第1の実施形態と比較して、可動板209の側にずらすことができる。これにより、可動板209の大きさとトーションバー206の長さを変えることなく、アクチュエータ200の外形寸法を小さくすることができる。また、切り込み部212を設けた結果、可動櫛歯電極構造体205がトーションバー206の両側に均等に張り出すため、トーションバー206の軸周りのねじれ変形がより安定する。
By providing the
このアクチュエータ200では、第1の実施形態と同様に、可動板109と可動櫛歯電極構造体105が連結部107を介してスリット状に連結されているため、変位時の可動板109の平坦性の劣化が軽減される。また、可動櫛歯電極構造体205に切り込み部212を設けることにより、アクチュエータ200の小型化が達成されている。また、トーションバー206の軸周りのねじれ変形がより安定するため、可動櫛歯電極構造体205の変位応力が軽減され、変位時の可動板209の平坦性の劣化がさらに軽減される。
In this
<第3の実施形態>
図5は、第3の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。本実施形態のアクチュエータ300は、微細構造体301が第2の実施形態の微細構造体201と相違している。支持基板321は、第1の実施形態の支持基板121と同様である。図5に示すように、各可動櫛歯電極構造体305は、複数たとえば3つの空気孔310を有している。各空気孔310は、可動櫛歯電極構造体305を貫通しており、トーションバー306の長手方向に平行に細長く延びている長方形形状をしている。微細構造体301の他の構成すなわち可動板309と連結部307と可動櫛歯電極構造体305と櫛歯電極305eとトーションバー306と基体302と固定櫛歯電極構造体304と櫛歯電極304eと固定櫛歯電極構造体支持部308は、それぞれ、第2の実施形態の可動板209と連結部207と可動櫛歯電極構造体205と櫛歯電極205eとトーションバー206と基体202と固定櫛歯電極構造体204と櫛歯電極204eと固定櫛歯電極構造体支持部208と同様である。この微細構造体301においても、連結部307は、可動板309と可動櫛歯電極構造体305をスリット状につまり両者間にスリット部303が存在するように連結している。また、各可動櫛歯電極構造体305は、これに連続しているトーションバー306を部分的に画定している一対の切り込み部312が設けられている。駆動方法は第1の実施形態と同様である。
<Third Embodiment>
FIG. 5 is a top view showing the actuator according to the third embodiment. The
このアクチュエータ300では、第1の実施形態と同様に、可動板309と可動櫛歯電極構造体305が連結部307を介してスリット状に連結されているため、変位時の可動板309の平坦性の劣化が軽減される。また、可動櫛歯電極構造体305に切り込み部312を設けることにより、アクチュエータ300の小型化が達成されている。また、トーションバー306の軸周りのねじれ変形がより安定するため、可動櫛歯電極構造体305の変位応力が軽減される。また、可動櫛歯電極構造体305に空気孔310が設けられているため、空気抵抗による可動櫛歯電極構造体305の変位応力が低減される。これにより、変位時の可動板309の平坦性の劣化がさらに軽減される。また、可動板309の高速化にも寄与する。
In this
[変形例]
図6は、本実施形態の変形例に係るアクチュエータを示す上面図である。図6において、図5に示した部材と同一の参照符号を付した部材は同様の部材である。図5に示したアクチュエータ300では、可動櫛歯電極構造体305は、比較的大きい長方形形状の少数たとえば3個の空気孔310を有しているが、本変形例のアクチュエータ300’では、図6に示すように、可動櫛歯電極構造体305’は、比較的小さい正方形形状の多数たとえば19個の空気孔310’を有している。この変形例のアクチュエータ300’においても、図5のアクチュエータ300と同様の利点が得られる。
[Modification]
FIG. 6 is a top view showing an actuator according to a modification of the present embodiment. In FIG. 6, members having the same reference numerals as those shown in FIG. 5 are similar members. In the
<第4の実施形態>
図7は、第4の実施形態に係るアクチュエータを示す上面図である。本実施形態のアクチュエータ400は、微細構造体401が第1の実施形態の微細構造体101と相違している。支持基板421は、第1の実施形態の支持基板121と同様である。図7に示すように、可動櫛歯電極構造体405は、矩形のをしており、すき間を置いて可動板409を取り囲んでいる。連結部407は、可動櫛歯電極構造体405と可動板409をスリット状につまり両者間にスリット部403が存在するように連結している。トーションバー406は、固定櫛歯電極構造体404の間を延び、矩形形状の基体402と可動櫛歯電極構造体405を接続しており、可動板409と可動櫛歯電極構造体405と連結部407から成る可動構造体を揺動可能に支持している。
<Fourth Embodiment>
FIG. 7 is a top view showing an actuator according to the fourth embodiment. The
可動櫛歯電極構造体405の櫛歯電極405eは、トーションバー406にほぼ平行に延びている可動櫛歯電極構造体405の部分から外側に向かって、トーションバー406の軸に垂直な平面に実質的に平行に延びている。可動櫛歯電極構造体405の櫛歯電極405eと固定櫛歯電極構造体404の櫛歯電極404eはすき間を置いて互いに対向している。
The
微細構造体401の他の構成すなわち基体402と固定櫛歯電極構造体支持部408は、それぞれ、第1の実施形態の基体102と固定櫛歯電極構造体支持部108と同様である。駆動方法は第1の実施形態と同様である。
Other configurations of the
このアクチュエータ400では、可動板409と可動櫛歯電極構造体405が連結部407を介してスリット状に連結されているため、可動櫛歯電極構造体405の変位応力が可動板409に伝達しにくい。これにより、変位時の可動板409の平坦性の劣化が軽減される。また、可動櫛歯電極構造体405の櫛歯電極405eがトーションバー406の軸線C−C’から比較的遠くに位置しているため、同じ駆動電圧に対して、可動板409と可動櫛歯電極構造体405と連結部407から成る可動構造体に作用する力のモーメントが大きい。これにより、比較的小さい電圧で可動板409を変位させることができる。言い換えれば、アクチュエータ400の消費電力を低減することが可能である。
In this
これまで、図面を参照しながら本発明の実施形態を述べたが、本発明は、これらの実施形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。ここにいう様々な変形や変更は、上述した実施形態を適当に組み合わせた実施も含む。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the drawings. However, the present invention is not limited to these embodiments, and various modifications and changes can be made without departing from the scope of the present invention. Also good. The various modifications and changes described here include an implementation in which the above-described embodiments are appropriately combined.
ここでは、一次元構造のアクチュエータを例にあげて説明したが、各実施形態の構成は、ジンバル構造などの二次元構造のアクチュエータへの適用も可能である。さらには、可動ミラーに限定されることなく、シャッター機能を有している光学部品などへの適用も可能である。 Here, the one-dimensional actuator has been described as an example, but the configuration of each embodiment can be applied to an actuator having a two-dimensional structure such as a gimbal structure. Furthermore, the present invention is not limited to a movable mirror and can be applied to an optical component having a shutter function.
100…アクチュエータ、101…微細構造体、102…基体、103…スリット部、104…固定櫛歯電極構造体、104e…櫛歯電極、105…可動櫛歯電極構造体、105e…櫛歯電極、106…トーションバー、107…連結部、108…固定櫛歯電極構造体支持部、109…可動板、111…固定櫛歯電極構造体固定穴、121…支持基板、122…周壁部、123…段差部、124…突起、200…アクチュエータ、201…微細構造体、202…基体、203…スリット部、204…固定櫛歯電極構造体、204e…櫛歯電極、205…可動櫛歯電極構造体、205e…櫛歯電極、206…トーションバー、207…連結部、208…固定櫛歯電極構造体支持部、209…可動板、212…切り込み部、221…支持基板、300,300’…アクチュエータ、301…微細構造体、302…基体、303…スリット部、304…固定櫛歯電極構造体、304e…櫛歯電極、305,305’…可動櫛歯電極構造体、305e…櫛歯電極、306…トーションバー、307…連結部、308…固定櫛歯電極構造体支持部、309…可動板、310,310’…空気孔、312…切り込み部、321…支持基板、400…アクチュエータ、401…微細構造体、402…基体、403…スリット部、404…固定櫛歯電極構造体、404e…櫛歯電極、405…可動櫛歯電極構造体、405e…櫛歯電極、406…トーションバー、407…連結部、408…固定櫛歯電極構造体支持部、409…可動板、421…支持基板。
DESCRIPTION OF
Claims (4)
複数個の櫛歯電極を有している可動櫛歯電極構造体と、
複数個の櫛歯電極を有している固定櫛歯電極構造体と、
前記可動板と前記可動櫛歯電極構造体をスリット状に連結している連結部と、
前記可動板と前記可動櫛歯電極構造体と前記連結部から成る可動構造体を揺動可能に支持している変形部とを備えており、
前記可動櫛歯電極構造体の櫛歯電極は前記可動構造体の揺動軸に非平行に延びており、
前記可動櫛歯電極構造体の櫛歯電極と前記固定櫛歯電極構造体の櫛歯電極はすき間を置いて互いに対向している、アクチュエータ。 A movable plate,
A movable comb electrode structure having a plurality of comb electrodes;
A fixed comb electrode structure having a plurality of comb electrodes;
A connecting portion connecting the movable plate and the movable comb electrode structure in a slit shape;
The movable plate, the movable comb electrode structure, and a deformable portion that supports the movable structure composed of the connecting portion in a swingable manner.
The comb electrode of the movable comb electrode structure extends non-parallel to the swing axis of the movable structure,
The actuator, wherein the comb electrode of the movable comb electrode structure and the comb electrode of the fixed comb electrode structure face each other with a gap.
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-
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- 2012-06-26 JP JP2012142921A patent/JP2014006418A/en active Pending
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Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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JP6503149B1 (en) * | 2017-07-06 | 2019-04-17 | 浜松ホトニクス株式会社 | Optical device and method of manufacturing the same |
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