JP2014204456A

JP2014204456A - 回転型アクチュエータ

Info

Publication number: JP2014204456A
Application number: JP2013075868A
Authority: JP
Inventors: 範明石河; Noriaki Ishikawa; 河村　幸則; Yukinori Kawamura; 幸則河村; 鈴木　健; Takeshi Suzuki; 健鈴木; 誠橋爪; Makoto Hashizume; 文紀兵藤; Fumiki Hyodo; 廉士澤田; Yasushi Sawada
Original assignee: Kyushu University NUC; Fuji Electric Co Ltd
Current assignee: Kyushu University NUC; Fuji Electric Co Ltd
Priority date: 2013-04-01
Filing date: 2013-04-01
Publication date: 2014-10-27
Anticipated expiration: 2033-04-01
Also published as: JP6180155B2

Abstract

【課題】回転型アクチュエータの特性が設計値からずれることを抑制する。【解決手段】支持軸１３０は、可動電極１１０を枠体１２０に取り付け、また可動電極１１０の回転軸となる。固定電極１４０は、平面視で可動電極１１０の可動側第２辺１１２に対向している。また、可動電極１１０の可動側第１辺１１１には第１凹部１１６が設けられており、枠体１２０の枠側第１辺１２１のうち第１凹部１１６に対向する位置には第２凹部１２２が設けられている。支持軸１３０は、一端が第１凹部１１６に取り付けられており、他端が第２凹部１２２に取り付けられている。【選択図】図１

Description

本発明は、回転型アクチュエータに関する。

回転型アクチュエータは、例えば光スキャナーなどにおいて光の方向を変えるために用いられている。このような用途の回転型アクチュエータは、可動部である可動電極と、固定電極と、枠体と、可動電極を枠体に取り付ける支持軸とを有している（例えば特許文献１，２参照）。支持軸は、可動電極の回転軸を兼ねている。

特開２００４−２１９８８９号公報特開２００８−４０２２８号公報

回転型アクチュエータの可動電極、固定電極、枠体、及び支持軸は、一般的に一つの層をエッチングで除去することにより形成されている。特許文献１，２に記載の構造では、枠体と可動電極の間隔（エッチングにより除去される部分）は、可動電極と固定電極の間隔（エッチングにより除去される部分）より広い。このように互いに異なる幅を有する領域を一つのエッチング工程で除去する場合、除去される領域の幅の精度が低下してしまう。具体的には、エッチングにより除去される領域の幅が狭い場合、エッチングの速度は速く、幅が広いはエッチングの速度は遅くなる。そのため枠体と可動電極の間の領域の加工時間に合わせてエッチングをすると、可動電極と固定電極の間の領域がオーバーエッチングとなってしまう。可動電極と固定電極の間隔が設計値からずれた場合、回転型アクチュエータの特性は設計値からずれてしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、特性が設計値からずれることを抑制できる回転型アクチュエータを提供することにある。

本発明に係る回転型アクチュエータは、可動電極、枠体、支持軸、及び固定電極を有している。可動電極は、可動側第１辺、及び可動側第１辺とは平行ではない可動側第２辺を有している。枠体は、可動電極に対向する辺である枠側第１辺を有している。支持軸は、可動電極を枠体に取り付け、また可動電極の回転軸となる。固定電極は、平面視で可動側第２辺に対向している。可動側第１辺には第１凹部が設けられており、枠側第１辺のうち第１凹部に対向する位置には第２凹部が設けられている。支持軸は、一端が第１凹部に取り付けられており、他端が第２凹部に取り付けられている。

本発明に係る回転型アクチュエータは、可動電極、枠体、支持軸、及び固定電極を有している。可動電極は、可動側第１辺、及び可動側第１辺とは平行ではない可動側第２辺を有している。枠体は、可動電極に対向する辺である枠側第１辺を有している。支持軸は、可動電極を枠体に取り付け、また可動電極の回転軸となる。固定電極は、平面視で可動側第２辺に対向している。可動側第１辺には第１凹部が設けられており、枠側第１辺には、第１凹部の中に入り込んでいる凸部を備えている。支持軸は、平面視で第１凹部の内側に位置している。また支持軸は、一端が第１凹部に取り付けられており、他端が枠側第１辺の凸部以外の部分に取り付けられている

本発明によれば、回転型アクチュエータの特性が設計値からずれることを抑制できる。

第１の実施形態に係る回転型アクチュエータの構成を示す平面図である。図１の点線で囲んだ部分を拡大した図である。図２のＡ−Ａ´断面図である。図１のＢ−Ｂ´断面図である。第２の実施形態に係る回転型アクチュエータの構成を示す平面図である。図５の点線で囲んだ部分を拡大した図である。図６のＣ−Ｃ´断面図である。第３の実施形態に係る回転型アクチュエータの構成を示す平面図である。図８の点線部分を拡大した図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係る回転型アクチュエータ１０の構成を示す平面図である。回転型アクチュエータ１０は、可動電極１１０、枠体１２０、支持軸１３０、及び固定電極１４０を有している。可動電極１１０は、可動側第１辺１１１及び可動側第２辺１１２を有している。可動側第１辺１１１は枠体１２０に対向する辺である。可動側第２辺１１２は、可動電極１１０が有する辺のうち、可動側第１辺１１１とは平行ではない辺である。枠体１２０は、枠側第１辺１２１を有している。枠側第１辺１２１は、可動電極１１０の可動側第１辺１１１に対向する辺である。支持軸１３０は、可動電極１１０を枠体１２０に取り付け、また可動電極１１０の回転軸となる。固定電極１４０は、平面視で可動電極１１０の可動側第２辺１１２に対向している。また、可動電極１１０の可動側第１辺１１１には第１凹部１１６が設けられており、枠体１２０の枠側第１辺１２１のうち第１凹部１１６に対向する位置には第２凹部１２２が設けられている。支持軸１３０は、一端が第１凹部１１６に取り付けられており、他端が第２凹部１２２に取り付けられている。

このような構成によれば、支持軸１３０と可動電極１１０の間隔を小さくして固定電極１４０と可動電極１１０の間隔に近づけられると共に、支持軸１３０と枠体１２０の間隔を小さくして固定電極１４０と可動電極１１０の間隔に近づけられる。さらに、枠体１２０と可動電極１１０の間隔を小さくして固定電極１４０と可動電極１１０の間隔に近づけられる。このため、回転型アクチュエータ１０を製造するときに、可動電極１１０と固定電極１４０の間隔が設計値からずれることを抑制でき、その結果、回転型アクチュエータ１０の特性が設計値からずれることを抑制できる。以下、詳細に説明する。

図１に示すように、可動電極１１０の平面形状は矩形であり、可動側第１辺１１１、可動側第２辺１１２、可動側第３辺１１３、及び可動側第４辺１１４を備えている。可動側第１辺１１１及び可動側第３辺１１３は互いに対向しており、可動側第２辺１１２及び可動側第４辺１１４は互いに対向している。

固定電極１４０は、平面視で可動電極１１０を挟むように２つ設けられている。可動電極１１０のうち固定電極１４０と対向する辺である可動側第２辺１１２及び可動側第４辺１１４は、櫛歯形状となっている。また固定電極１４０のうち可動側第２辺１１２に対向する辺（又は可動側第４辺１１４に対向する辺）も櫛歯形状となっており、可動電極１１０の櫛歯部分とかみ合っている。このため、固定電極１４０と可動電極１１０は、互いに対向する部分の面積が大きくなり、その結果、可動電極１１０の駆動力は大きくなる。

枠体１２０は、可動電極１１０の４辺のうち固定電極１４０と対向していない辺である可動側第１辺１１１及び可動側第３辺１１３のそれぞれに対向している。支持軸１３０は、可動側第１辺１１１及び可動側第３辺１１３のそれぞれに対応して設けられている。

詳細には、可動側第１辺１１１及び可動側第３辺１１３のそれぞれには第１凹部１１６が設けられている。また、枠体１２０のうち可動側第１辺１１１に対向する辺である枠側第１辺１２１、及び枠体１２０のうち可動側第３辺１１３に対向する辺である枠側第２辺１２３のそれぞれにも、第２凹部１２２が設けられている。そして２つの支持軸１３０は、いずれも、一端が第１凹部１１６の底部に取り付けられており、他端が第２凹部１２２の底部に取り付けられている。第１凹部１１６は、可動側第１辺１１１（又は可動側第３辺１１３）の中心に設けられている。そして２つの支持軸１３０の幅方向の中心を結ぶ線が、可動電極１１０の回転軸となっている。なお、可動電極１１０の回転軸は、可動側第１辺１１１の中心を通っている。

回転型アクチュエータ１０の可動電極１１０は、例えば上面が鏡面になっている。この鏡面は、例えば可動電極１１０の上面に金属膜（例えばＡｌ膜）を形成することにより、形成されている。そして可動電極１１０の角度を変えることにより、可動電極１１０に入射してきた光の反射角を変える。回転型アクチュエータ１０は、例えば光スキャナーやモーションセンサに用いられる。

制御部２０は、可動電極１１０の動きを制御する。具体的には、可動電極１１０を回転させるとき、制御部２０は、可動電極１１０と固定電極１４０の間に、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧を印加する。これにより、可動電極１１０は回転する。

図２は、図１の点線で囲んだ部分を拡大した図である。上記したように、支持軸１３０は、一端が可動電極１１０の第１凹部１１６の底部に取り付けられており、他端が枠体１２０の第２凹部１２２の底部に取り付けられている。そして、第１凹部１１６の内壁と支持軸１３０の間隔、第２凹部１２２の内壁と支持軸１３０の間隔、及び可動電極１１０のうち第１凹部１１６を有していない部分と枠体１２０のうち第２凹部１２２を有していない部分の間隔は、いずれも同一の値Ｇとなっていることが好ましい。さらにこの値Ｇは、可動電極１１０の櫛歯部分と固定電極１４０の櫛歯部分の間隔に等しいのが好ましい。このようにすると、回転型アクチュエータ１０を製造するときに、可動電極１１０と固定電極１４０の間隔が設計値からずれることをさらに抑制できる。

また、第１凹部１１６の深さＮと第２凹部１２２の深さＭは互いに等しいのが好ましい。その理由を、図３を用いて説明する。

図３は、図２のＡ−Ａ´断面を示している。可動電極１１０が回転したとき、支持軸１３０はねじれる。このねじれ量は、支持軸１３０のうち可動電極１１０に固定されている部分（一端）に近づくにつれて大きくなり、支持軸１３０のうち枠体１２０に固定されている部分（他端）に近づくにつれて小さくなる。

もし、第２凹部１２２を設けずに第１凹部１１６のみを設け、そのぶん第１凹部１１６を深くした場合、支持軸１３０のうち可動側第１辺１１１（又は可動側第３辺１１３）に対向する部分はほとんど回転しなくなり、支持軸１３０と可動側第１辺１１１（又は可動側第３辺１１３）が干渉しやすくなる。これは、可動電極１１０の回転可能範囲が狭くなることを意味する。

逆に、第１凹部１１６を設けずに第２凹部１２２のみを設け、そのぶん第２凹部１２２を深くした場合、支持軸１３０のうち枠側第１辺１２１（又は枠側第２辺１２３）に対向する部分の回転量は大きくなり、支持軸１３０と枠側第１辺１２１（又は枠側第２辺１２３）が干渉しやすくなる。これも、可動電極１１０の回転可能範囲が狭くなることを意味する。

これに対して第１凹部１１６の深さＮと第２凹部１２２の深さＭを互いに等しくすると、支持軸１３０のうち枠側第１辺１２１（又は枠側第２辺１２３）に面する部分の回転量、及び可動側第１辺１１１（又は可動側第３辺１１３）に面する部分の回転量を、いずれも可動電極１１０の回転量の約半分にすることができる。これにより、図３の点線で示すように、に示すように可動電極１１０が回転したときに、支持軸１３０が可動電極１１０に干渉することを抑制できるとともに、枠体１２０が支持軸１３０と干渉することも抑制できる。

なお、支持軸１３０の幅を２ｗとして、可動電極１１０の厚さを２ｄとした場合、可動電極１１０と支持軸１３０が干渉する角度θsは、次の式（１）で与えられる。

図４は、図１のＢ−Ｂ´断面図である。可動電極１１０が回転したとき、可動電極１１０と固定電極１４０が接触しないようにするためには、可動電極１１０と固定電極１４０の間隔ｇを、以下の式（２）を満たすようにする必要がある。

ｋ＋ｇ＞√（ｋ^２＋ｄ^２）・・・（２）
ここで、ｄは可動電極１１０の厚さの半値であり、ｋは支持軸１３０の幅方向の中心を通る直線と可動側第２辺１１２の間隔である。

次に、回転型アクチュエータ１０の製造方法を説明する。まず、基板上に絶縁層及び導電層を形成したものを準備する。基板、絶縁層、及び導電層は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である。この場合、導電層は、不純物が導入されたシリコン層である。次いで、基板の下面及び導電層の上面を洗浄する。

次いで、導電層上にレジストパターンを形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとして導電層をドライエッチングする。これにより、可動電極１１０、枠体１２０、支持軸１３０、及び固定電極１４０が形成される。その後、レジストパターンは除去される。

その後、基板の下面にレジストパターンを形成する。次いで、このレジストパターンをマスクとして基板をドライエッチングする。これにより、基板及び絶縁層のうち枠体１２０及び支持軸１３０の下に位置している部分は除去される。このようにして、回転型アクチュエータ１０が形成される。

以上、本実施形態によれば、可動電極１１０の可動側第１辺１１１には第１凹部１１６が設けられており、枠体１２０の枠側第１辺１２１のうち第１凹部１１６に対向する位置には第２凹部１２２が設けられている。このため、支持軸１３０と可動電極１１０の間隔を小さくして固定電極１４０と可動電極１１０の間隔に近づけられると共に、支持軸１３０と枠体１２０の間隔を小さくして固定電極１４０と可動電極１１０の間隔に近づけられる。さらに、枠体１２０と可動電極１１０の間隔を小さくして固定電極１４０と可動電極１１０の間隔に近づけられる。このため、回転型アクチュエータ１０を製造するときに、可動電極１１０と固定電極１４０の間隔が設計値からずれることを抑制でき、その結果、回転型アクチュエータ１０の特性が設計値からずれることを抑制できる。

また、枠側第１辺１２１及び可動側第１辺１１１の一方に凹部を形成する場合と比較して、可動電極１１０が回転したときに支持軸１３０が可動電極１１０又は枠体１２０と干渉することを抑制できる。このため、可動電極１１０の回転可能範囲が狭くなることを抑制できる。

（第２の実施形態）
図５は、第２の実施形態に係る回転型アクチュエータ１０の構成を示す平面図である。本実施形態に係る回転型アクチュエータ１０は、以下の点を除いて第１の実施形態に係る回転型アクチュエータ１０と同様の構成である。

まず、可動電極１１０の可動側第１辺１１１及び可動側第３辺１１３には、第３凹部１１７が設けられている。第３凹部１１７は第１凹部１１６よりも幅が広い。そして第１凹部１１６は、第３凹部１１７の底部に設けられている。本図に示す例では、第１凹部１１６は、第３凹部１１７の幅方向において第３凹部１１７の中央に位置している。

また枠体１２０の枠側第１辺１２１及び枠側第２辺１２３には、凸部１２４が設けられている。凸部１２４は第３凹部１１７の中に入り込んでおり、第２凹部１２２よりも幅が広い。そして第２凹部１２２は、凸部１２４の頂部に設けられている。本図に示す例では、第２凹部１２２は、凸部１２４の幅方向において凸部１２４の中央に位置している。

図６は、図５の点線で囲んだ部分を拡大した図である。本図に示す例において、可動電極１１０と枠体１２０の間隔は、いずれの部分においても同一の値Ｇを有しているのが好ましい。また本実施形態においても、この値Ｇは、可動電極１１０の櫛歯部分と固定電極１４０の櫛歯部分の間隔に等しいのが好ましい

図７は、図６のＣ−Ｃ´断面図である。可動電極１１０が回転したとき、可動電極１１０の第３凹部１１７の側壁と枠体１２０の凸部１２４の側壁が接触しないようにするためには、可動電極１１０の側壁と凸部１２４の側壁の間隔Ｇを、以下の式（３）を満たすようにする必要がある。

Ｋ＋Ｇ＞√（Ｋ^２＋ｄ^２）・・・（３）
ここで、ｄは可動電極１１０の厚さの半値であり、Ｋは支持軸１３０の幅方向の中心を通る直線から枠体１２０の凸部１２４の側壁までの距離である。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果が得られる。また、第３凹部１１７及び凸部１２４を設けているため、第１の実施形態と比較して、可動電極１１０の可動側第２辺１１２及び可動側第４辺１１４を長くすることができる。これにより、可動電極１１０と固定電極１４０とが互いに対向する部分を長くすることができ、その結果、可動電極１１０の駆動力を大きくすることができる。

（第３の実施形態）
図８は、第３の実施形態に係る回転型アクチュエータ１０の構成を示す平面図である。本実施形態に係る回転型アクチュエータ１０は、以下の点を除いて第１の実施形態に係る回転型アクチュエータ１０と同様の構成である。

まず、枠体１２０の枠側第１辺１２１及び枠側第２辺１２３には第２凹部１２２が設けられておらず、その代わりに凸部１２４が設けられている。

また、第１凹部１１６の幅は第１の実施形態よりも広い。そして枠体１２０の凸部１２４は、第１凹部１１６の中に位置している。そして、支持軸１３０は、平面視で第１凹部１１６の内側に位置している。詳細には、一端が第１凹部１１６の底部に取り付けられており、他端は枠体１２０の枠側第１辺１２１又は枠側第２辺１２３のうちの凸部１２４以外の部分に取り付けられている。

そして支持軸１３０は、第１凹部１１６の中で偶数回１８０度折り返されている。

図９は、図８の点線部分を拡大した図である。本実施形態において、支持軸１３０の回転中心となる部分から凸部１２４の側壁までの距離をＫとした場合、第２の実施形態において示した式（２）を満たすのが好ましい。このようにすると、可動電極１１０の第１凹部１１６の側壁と枠体１２０の凸部１２４の側壁が接触することを抑制できる。

本実施形態によっても、第２の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、支持軸１３０は、第１凹部１１６の中で偶数回１８０度折り返されている。このため、第１凹部１１６を深くしなくても支持軸１３０を長くすることができる。支持軸１３０を長くすることにより、支持軸１３０をねじれやすくできる。その結果、可動電極１１０は回転しやすくなる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１０回転型アクチュエータ
２０制御部
１１０可動電極
１１１可動側第１辺
１１２可動側第２辺
１１３可動側第３辺
１１４可動側第４辺
１１６第１凹部
１１７第３凹部
１２０枠体
１２１枠側第１辺
１２２第２凹部
１２３枠側第２辺
１２４凸部
１３０支持軸
１４０固定電極

Claims

可動側第１辺、及び前記可動側第１辺とは平行ではない可動側第２辺を有する可動電極と、
前記可動電極に対向する辺である枠側第１辺を有する枠体と、
前記可動電極を前記枠体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる支持軸と、
平面視で前記可動側第２辺に対向している固定電極と、
を備え、
前記可動側第１辺には第１凹部が設けられており、
前記枠側第１辺のうち前記第１凹部に対向する位置には第２凹部が設けられており、
前記支持軸は、一端が前記第１凹部に取り付けられており、他端が前記第２凹部に取り付けられている回転型アクチュエータ。
請求項１に記載の回転型アクチュエータにおいて、
前記第１凹部及び第２凹部は、深さが互いに同一である回転型アクチュエータ。
請求項１又は２に記載の回転型アクチュエータにおいて、
前記枠側第１辺と前記可動側第１辺の間隔は、前記可動側第２辺と前記固定電極の間隔に等しい回転型アクチュエータ。
請求項３に記載の回転型アクチュエータにおいて、
前記支持軸と前記可動側第１辺の間隔、及び前記支持軸と前記枠側第１辺の間隔は、いずれも前記枠側第１辺と前記可動側第１辺の間隔に等しい回転型アクチュエータ。
請求項４に記載の回転型アクチュエータにおいて、
前記支持軸と前記可動側第１辺の間隔をｇ、前記可動電極の厚さを２ｄ、前記支持軸を通る直線と前記可動側第２辺の間隔をｋとしたとき、以下の式を満たす回転型アクチュエータ。
ｋ＋ｇ＞√（ｋ^２＋ｄ^２）
請求項１〜５のいずれか一項に記載の回転型アクチュエータにおいて、
前記可動側第１辺に設けられ、前記第１凹部よりも幅が広い第３凹部と、
前記枠側第１辺に設けられ、前記第３凹部の中に入り込んでおり、前記第２凹部よりも幅が広い凸部と、
を備え、
前記第１凹部は前記第３凹部の底部に設けられており、
前記第２凹部は前記凸部の頂部に設けられている回転型アクチュエータ。
可動側第１辺、及び前記可動側第１辺とは平行ではない可動側第２辺を有する可動電極と、
前記可動電極に対向する辺である枠側第１辺を有する枠体と、
前記可動電極を前記枠体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる支持軸と、
平面視で前記可動側第２辺に対向している固定電極と、
を備え、
前記可動側第１辺には第１凹部が設けられており、
前記枠側第１辺に設けられ、前記第１凹部の中に入り込んでいる凸部を備え、
前記支持軸は、平面視で前記第１凹部の内側に位置しており、かつ、一端が前記第１凹部に取り付けられており、他端が前記枠側第１辺の前記凸部以外の部分に取り付けられている回転型アクチュエータ。
請求項７に記載の回転型アクチュエータにおいて、
前記支持軸は、前記第１凹部の中で偶数回１８０度折り返されている回転型アクチュエータ。