JP2017067877A - Biaxial Actuator - Google Patents

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丈博 小林
Takehiro Kobayashi
丈博 小林
晋輔 中園
Shinsuke Nakazono
晋輔 中園
聡一郎 平岡
Soichiro Hiraoka
聡一郎 平岡
章義 大島
Akiyoshi Oshima
章義 大島
寿彰 堀江
Toshiaki Horie
寿彰 堀江
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Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a biaxial actuator for driving a movable part to rotate in two axial directions perpendicular to each other capable of increasing the productivity of the biaxial actuator.SOLUTION: A biaxial actuator 1 drives a movable part to rotate on a first rotation axis S1 and on a second rotation axis S2, which has: a specific frequency f1 of a first specific vibration mode in which the movable part rotates on the first rotation axis S1; a specific frequency f2 of a second specific vibration mode in which the movable part rotates on the second rotation axis S2; and specific frequencies f3, f4 of third and fourth specific vibration modes different from the first and second specific vibration modes. The difference between f3 and f1 is generally equal to the difference between f1 and f4.SELECTED DRAWING: Figure 5

Description

本発明は、直交する二軸方向に可動部を回動させる二軸アクチュエータに関するものである。   The present invention relates to a biaxial actuator that rotates a movable part in two orthogonal biaxial directions.

近年、この種の二軸アクチュエータは、ヘッドアップディスプレイや小型プロジェクタ等の走査光学系への適用が検討されており、小型化に有利なMEMS構造での開発が進められている。すなわちSi基板に機能膜をスパッタし、その後所定形状にエッチングすることで形成する構成である。このようなMEMS構造の二軸アクチュエータは、大振幅動作でかつ高精度の走査特性が要求される。   In recent years, this type of biaxial actuator has been studied for application to a scanning optical system such as a head-up display or a small projector, and has been developed with a MEMS structure that is advantageous for downsizing. In other words, the functional film is formed by sputtering a functional film on a Si substrate and then etching into a predetermined shape. Such a MEMS-structured biaxial actuator is required to have a large amplitude operation and high-precision scanning characteristics.

その一例を図7に示す。この二軸アクチュエータ100は、可動部101にそれぞれの一端が連結された一対のミアンダ形状の第1振動梁102と、一対の第1振動梁102の他端と連結され、これらの第1振動梁102および可動部101の外周を囲う第1支持部103とを備えている。そして、この第1支持部103にそれぞれ一端が連結された一対のミアンダ形状の第2振動梁104と、一対の第2振動梁104の他端が接続された第2支持部105とを備えている。第1振動梁102および第2振動梁104には、特に図示していないが、下部電極と上部電極との間に圧電体を配置した駆動膜が設けられている。   An example is shown in FIG. The biaxial actuator 100 is connected to a pair of meander-shaped first vibrating beams 102 each having one end connected to the movable portion 101, and the other ends of the pair of first vibrating beams 102. These first vibrating beams 102 and a first support portion 103 that surrounds the outer periphery of the movable portion 101. A pair of meander-shaped second vibrating beams 104 each connected at one end to the first supporting portion 103 and a second supporting portion 105 connected to the other ends of the pair of second vibrating beams 104 are provided. Yes. Although not particularly shown, the first vibrating beam 102 and the second vibrating beam 104 are provided with a driving film in which a piezoelectric material is disposed between the lower electrode and the upper electrode.

第1振動梁102の駆動膜に交流電圧からなる駆動信号を印加して、第1振動梁102を共振駆動させる。第2振動梁104の駆動膜に鋸歯波電圧からなる駆動信号を印加して、第2振動梁104を非共振駆動させる。このように第1振動梁102および第2振動梁104を駆動させることで可動部101の二軸駆動を実現している。   A drive signal composed of an AC voltage is applied to the drive film of the first vibrating beam 102 to drive the first vibrating beam 102 to resonance. A drive signal having a sawtooth voltage is applied to the drive film of the second vibrating beam 104 to drive the second vibrating beam 104 in a non-resonant manner. By driving the first vibrating beam 102 and the second vibrating beam 104 in this way, the biaxial drive of the movable portion 101 is realized.

なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献1が知られている。   As prior art document information related to the invention of this application, for example, Patent Document 1 is known.

特開2011−209583号公報JP 2011-209583 A

しかしながら、MEMS構造の二軸アクチュエータには、その製造過程の駆動膜の成膜やエッチングにおいて、加工の際の厚み制御や形状制御においてばらつきが生じる。このばらつきにより、二軸アクチュエータの第1、第2振動梁の曲げ剛性k及び回動軸回りの慣性モーメント量Iがばらつくため、二軸アクチュエータの固有振動モードの固有振動数のばらつきが発生する。この結果、量産段階において可動部の振れ角のばらつきが発生してしまう。このばらつきを抑制するためにはMEMSプロセスにおける加工精度を高めなければならず、生産性を高めることが困難であった。   However, in a biaxial actuator having a MEMS structure, variation occurs in thickness control and shape control during processing in film formation and etching of a driving film in the manufacturing process. Due to this variation, the bending stiffness k of the first and second vibrating beams of the biaxial actuator and the amount of moment of inertia I around the rotation axis vary, and therefore, the natural frequency of the biaxial actuator varies in the natural vibration mode. As a result, variation in the swing angle of the movable part occurs in the mass production stage. In order to suppress this variation, the processing accuracy in the MEMS process has to be increased, and it has been difficult to increase productivity.

そこで本発明は、このような問題を解決し、二軸アクチュエータの生産性を高めることを目的とする。   Therefore, the present invention aims to solve such problems and increase the productivity of the biaxial actuator.

この目的を達成するために本発明は、可動部が第1回動軸回りと第2回動軸回りに回動する二軸アクチュエータにおいて、第1回動軸回りに回動する第1の固有振動モードの固有振動数f1、第2回動軸回りに回動する第2の固有振動モードの固有振動数f2、第1、第2の固有振動モードとは異なる第3、第4の固有振動モードの固有振動数をf3、f4を有し、f3とf1の差がf1とf4の差と略等しくしたのである。   In order to achieve this object, the present invention provides a first inherent rotation of a movable part that rotates about a first rotation axis in a biaxial actuator that rotates about a first rotation axis and a second rotation axis. The natural frequency f1 of the vibration mode, the natural frequency f2 of the second natural vibration mode rotating around the second rotation axis, and the third and fourth natural vibrations different from the first and second natural vibration modes. The mode has natural frequencies f3 and f4, and the difference between f3 and f1 is substantially equal to the difference between f1 and f4.

この構成により、二軸アクチュエータの生産性を向上することが出来るのである。   With this configuration, the productivity of the biaxial actuator can be improved.

本発明の実施の形態1における二軸アクチュエータの斜視図The perspective view of the biaxial actuator in Embodiment 1 of this invention 同二軸アクチュエータの第1振動梁の断面図Sectional view of the first vibrating beam of the same biaxial actuator 同二軸アクチュエータの第2振動梁の断面図Sectional view of the second vibrating beam of the same biaxial actuator 同二軸アクチュエータを用いた画像投影状態を示す模式図Schematic diagram showing the image projection state using the same biaxial actuator 同二軸アクチュエータにおける第2駆動梁の曲げ剛性と慣性モーメント量の比に対する固有振動数の関係を示す図The figure which shows the relationship of the natural frequency with respect to the ratio of the bending rigidity of the 2nd drive beam and the amount of moment of inertia in the same biaxial actuator 同二軸アクチュエータ本における第2駆動梁の曲げ剛性と慣性モーメント量の比に対する振れ角の関係を示す図The figure which shows the relationship of the deflection angle with respect to the ratio of the bending rigidity of the 2nd drive beam and the amount of moment of inertia in the biaxial actuator book. 従来の二軸アクチュエータの斜視図A perspective view of a conventional biaxial actuator

以下、本発明の一実施の形態における二軸アクチュエータについて、図面を参照しながら説明する。   Hereinafter, a biaxial actuator according to an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings.

図1に示す二軸アクチュエータ1は、中央部分に位置する可動部2の対向する端部がそれぞれ第1振動梁3を介して矩形枠状の第1支持部4に接続されている。第1支持部4の対向する端部がそれぞれ第2振動梁5を介して矩形枠状の第2支持部6に接続されている。第2振動梁5および第1振動梁3の上部には圧電体からなる駆動膜7を形成し。この駆動膜7は、後述する下部電極9と上部電極11との間に圧電体層10を介在させたものであり、上部電極11と下部電極9との間に駆動信号を印加することで、逆圧電効果により駆動膜7が伸縮し、第1振動梁3や第2振動梁5を振動させることが出来る。   In the biaxial actuator 1 shown in FIG. 1, the opposite end portions of the movable portion 2 located at the center portion are connected to the first support portion 4 having a rectangular frame shape via the first vibrating beam 3. Opposing end portions of the first support portion 4 are connected to the rectangular frame-shaped second support portion 6 via the second vibrating beams 5, respectively. A driving film 7 made of a piezoelectric material is formed on the second vibrating beam 5 and the first vibrating beam 3. This drive film 7 is obtained by interposing a piezoelectric layer 10 between a lower electrode 9 and an upper electrode 11, which will be described later. By applying a drive signal between the upper electrode 11 and the lower electrode 9, The driving film 7 expands and contracts due to the inverse piezoelectric effect, and the first vibrating beam 3 and the second vibrating beam 5 can be vibrated.

そして、この二軸アクチュエータ1は、第1振動梁3を振動させることで可動部2が第1回動軸S1回りに回動し、第2振動梁5を振動させることにより可動部2を第2回動軸S2回りに回動させるものである。   And this biaxial actuator 1 vibrates the 1st vibrating beam 3, the movable part 2 rotates around the 1st rotation axis S1, and vibrates the 2nd vibrating beam 5, and the movable part 2 is made into 1st. It rotates around the two rotation axis S2.

なお、第2振動梁5の上に設けた駆動膜7には、駆動信号として鋸歯波電圧を印加し、第2振動梁5を非共振駆動により低速で振動させる。また、第1振動梁3の上に設けた駆動膜7には、駆動信号として正弦波形の電圧を印加し、第1振動梁3を共振駆動により高速で回動させる。これらの振動を組み合わせることで可動部2を直交する第1回動軸S1と第2回動軸S2の2軸回りに回動させることできる。   A sawtooth voltage is applied as a drive signal to the drive film 7 provided on the second vibrating beam 5, and the second vibrating beam 5 is vibrated at low speed by non-resonant driving. In addition, a sinusoidal waveform voltage is applied as a drive signal to the drive film 7 provided on the first vibrating beam 3, and the first vibrating beam 3 is rotated at high speed by resonance driving. By combining these vibrations, the movable part 2 can be rotated about two axes of the first rotation axis S1 and the second rotation axis S2 orthogonal to each other.

また、第1振動梁3は、複数の直線部分と折り返し部分を蛇行するように組み合わせたミアンダ形状である。なお、駆動膜7は、図2に示すように、SOI基板19の上に形成したSi酸化膜8の上に配置されるものであり、Si酸化膜8の側から下部電極9、圧電体層10、上部電極11を順に積み重ねた積層構造体により形成される。なお、駆動膜7は、図1に示すように、並設された複数の直線部分に対して一本置き配置しており、駆動膜7が設けられた直線部分の間に位置する直線部分には接続配線20が配置されている。駆動膜7と接続配線20の違いは、図2に示すように圧電体層10の上に設けた上部電極11の線幅を広く設定することで駆動膜7として機能し、上部電極11の線幅を狭く設定することで接続配線20として機能する。   The first vibrating beam 3 has a meander shape in which a plurality of linear portions and folded portions are combined so as to meander. As shown in FIG. 2, the drive film 7 is disposed on the Si oxide film 8 formed on the SOI substrate 19, and the lower electrode 9 and the piezoelectric layer are formed from the Si oxide film 8 side. 10 and a stacked structure in which the upper electrodes 11 are sequentially stacked. In addition, as shown in FIG. 1, the drive film 7 is arranged with respect to a plurality of linear portions arranged side by side, and the drive film 7 is disposed between the linear portions where the drive film 7 is provided. The connection wiring 20 is arranged. The difference between the drive film 7 and the connection wiring 20 is that the line of the upper electrode 11 functions as the drive film 7 by setting the line width of the upper electrode 11 provided on the piezoelectric layer 10 wider as shown in FIG. It functions as the connection wiring 20 by setting the width narrow.

第2振動梁5は、第1振動梁3と同様に、複数の直線部分と折り返し部分を蛇行するように組み合わせたミアンダ形状としている。ただし、直線部分は図3に示すように、無機層14と有機層13を積み重ねた積層構造体を基部21とし、この基部21の表面に駆動膜7を配置されるものであり、有機層13の側から、上部電極11、圧電体層10、下部電極9を順に積み重ねた積層構造体により形成されている。なお、折り返し部分は、特に図示していないが、下部電極9の下にSi酸化膜8、SOI基板19を、図2の直線部分と同様に配置している。   Similar to the first vibrating beam 3, the second vibrating beam 5 has a meander shape in which a plurality of linear portions and folded portions are combined so as to meander. However, as shown in FIG. 3, the straight portion is a laminated structure in which the inorganic layer 14 and the organic layer 13 are stacked as a base 21, and the driving film 7 is disposed on the surface of the base 21. From the side, an upper electrode 11, a piezoelectric layer 10, and a lower electrode 9 are formed in a stacked structure in this order. Although the folded portion is not particularly illustrated, the Si oxide film 8 and the SOI substrate 19 are arranged under the lower electrode 9 in the same manner as the straight line portion in FIG.

このような二軸アクチュエータ1の用途例を説明する。図4は、光源15から射出されたレーザー光線16をスクリーン18上に走査する光走査装置を示したものである。二軸アクチュエータ1は光源15からスクリーン18に至るレーザー光線16の光路中に配置される。また、図1に示す可動部2の表面を反射面とすることで反射光17の反射角を制御することができる。可動部2を二軸方向に回動させることで、反射光17がスクリーン18上を二軸方向に走査させることができ、レーザプロジェクタやヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ等に活用できる。   An application example of such a biaxial actuator 1 will be described. FIG. 4 shows an optical scanning device that scans a screen 18 with a laser beam 16 emitted from a light source 15. The biaxial actuator 1 is disposed in the optical path of the laser beam 16 from the light source 15 to the screen 18. Moreover, the reflection angle of the reflected light 17 can be controlled by making the surface of the movable part 2 shown in FIG. 1 into a reflective surface. By rotating the movable portion 2 in the biaxial direction, the reflected light 17 can be scanned on the screen 18 in the biaxial direction, which can be utilized for a laser projector, a head-up display, a head mounted display, and the like.

しかしながら、このようなMEMS構造の二軸アクチュエータ1において、第1振動梁3、第2振動梁5および駆動膜7の加工時に形状ばらつき及び膜厚ばらつきが発生し、第1振動梁3及び第2振動梁5の曲げ剛性k及び慣性モーメント量Iが変動する。その結果、可動部2を第1回動軸S1及び第2回動軸S2の2軸回りに振動させるための固有振動モードの固有振動数が変動し、可動部2の振れ角がばらつく。なお、第2振動梁5は、図3に示すよう無機層14と有機層13の積層構造体であることから形状ばらつき及び膜厚ばらつきが顕著となる。   However, in such a biaxial actuator 1 having a MEMS structure, when the first vibrating beam 3, the second vibrating beam 5, and the driving film 7 are processed, variations in shape and film thickness occur, and the first vibrating beam 3 and the second vibrating beam 3 The bending stiffness k and the moment of inertia I of the vibrating beam 5 vary. As a result, the natural frequency of the natural vibration mode for causing the movable part 2 to vibrate about the two axes of the first rotation axis S1 and the second rotation axis S2 varies, and the deflection angle of the movable part 2 varies. In addition, since the 2nd vibrating beam 5 is a laminated structure of the inorganic layer 14 and the organic layer 13 as shown in FIG. 3, the dispersion | variation in a shape and film thickness become remarkable.

そして、可動部2の振れ角のばらつきを解決するために、二軸アクチュエータ1を振動解析用ソフト(コベンター社製のCOVENTORWARE(登録商標)2012)を用いた振動解析を行った。この結果、第2振動梁5の曲げ剛性k及び第2振動梁5の慣性モーメント量Iの比に依存して固有振動数が変動する二軸アクチュエータ1の固有振動モードもしくはその高次固有振動モードと、可動部が第1回動軸S1回りに回動する二軸アクチュエータ1の固有振動モードが相互に励起し合い、可動部2の振れ角が減衰することが判明した。   Then, in order to solve the variation in the swing angle of the movable portion 2, the biaxial actuator 1 was subjected to vibration analysis using vibration analysis software (COVENTORWARE (registered trademark) 2012 manufactured by Coventer). As a result, the natural vibration mode of the biaxial actuator 1 whose natural frequency varies depending on the ratio of the bending rigidity k of the second vibrating beam 5 and the moment of inertia I of the second vibrating beam 5, or its higher-order natural vibration mode. Then, it has been found that the natural vibration mode of the biaxial actuator 1 in which the movable part rotates around the first rotation axis S1 excites each other, and the swing angle of the movable part 2 attenuates.

その詳細に関して図5を用いて説明する。図5は、上述した振動解析用ソフトによる振動解析結果を示したものであり、横軸は第2振動梁5の曲げ剛性kと第2振動梁5の慣性モーメント量Iの比の平方根(以下、(k/I)1/2と称する)を示し、縦軸は振動数を示している。この図5において、実線Aは、可動部2が第1回動軸S1回りに振動する固有振動モードにおける固有振動数の(k/I)1/2に対する推移を示している。破線B、破線C、破線Dは、それぞれ、第1振動梁3の駆動に伴い第2振動梁5に励起される不要振動モードの固有振動数の(k/I)1/2に対する推移を示しており、(k/I)1/2に応じて変動する。つまり、破線B,C、Dの固有共振モードは、周波数が一定である実線Aの固有共振モードや第2回動軸S2回りに回動する固有振動モードとは傾きが異なる推移を示している。 The details will be described with reference to FIG. FIG. 5 shows a vibration analysis result by the above-described vibration analysis software, and the horizontal axis represents the square root of the ratio of the bending stiffness k of the second vibrating beam 5 to the amount of inertia I of the second vibrating beam 5 (hereinafter referred to as the following). (Referred to as (k / I) 1/2 ), and the vertical axis represents the frequency. In FIG. 5, the solid line A indicates the transition of the natural frequency with respect to (k / I) 1/2 in the natural vibration mode in which the movable portion 2 vibrates around the first rotation axis S1. A broken line B, a broken line C, and a broken line D show transitions of the natural frequency of the unnecessary vibration mode excited by the second vibrating beam 5 with the driving of the first vibrating beam 3 with respect to (k / I) 1/2, respectively . And fluctuates according to (k / I) 1/2 . That is, the natural resonance modes indicated by the broken lines B, C, and D show transitions having different slopes from the natural resonance mode indicated by the solid line A having a constant frequency and the natural vibration mode that rotates about the second rotation axis S2. .

なお、実線Aで示す固有振動モードは、破線Bや破線Cといった他の固有共振モードと近接する領域において相互干渉により固有共振周波数の変動がみられる。ただし、これらの相互励起がない状態においては、(k/I)1/2の変動に対すえる周波数変動はなく一定となる。また、可動部2を第2回動軸S2回りに回動させる固有振動モードは、固有振動周波数が500〜600Hzと低いため図5には表示していない。 In the natural vibration mode indicated by the solid line A, the natural resonance frequency fluctuates due to mutual interference in a region close to other natural resonance modes such as the broken line B and the broken line C. However, in the absence of these mutual excitations, there is no frequency fluctuation corresponding to the fluctuation of (k / I) 1/2 and it is constant. Further, the natural vibration mode in which the movable portion 2 is rotated about the second rotation axis S2 is not shown in FIG. 5 because the natural vibration frequency is as low as 500 to 600 Hz.

なお、図5の横軸を第2振動梁5の(k/I)1/2としているが、可動部2が第2回動軸S2回りに回動する第2の固有振動モードの固有振動周波数は式1で表されるため、第2の固有振動モードの固有振動数として表しても同様の結果が得られる。 Although the horizontal axis of FIG. 5 is (k / I) 1/2 of the second vibrating beam 5, the natural vibration of the second natural vibration mode in which the movable portion 2 rotates about the second rotation axis S2. Since the frequency is expressed by Equation 1, the same result can be obtained even if expressed as the natural frequency of the second natural vibration mode.

Figure 2017067877
Figure 2017067877


そして、実線Aで示す固有振動モードに対して、破線B,C,Dで示す固有振動モードが傾きを有しているため、実線Aと破線B,C,Dとが交差する部分が生じる。この交差部分および近傍領域では、上述したように、交差する固有振動モードの相互励起が顕著となる。この現象は、二軸アクチュエータ1における第1振動梁3と第2振動梁5が、第1支持部4を介して接続された構造をしているために発生すると考察している。即ち、第1振動梁3が28kHzで振動した場合、第1支持部4を介して第1振動梁3に接続されている第2振動梁5には、第1振動梁3における28kHzの振動が伝達される。そして第2振動梁5において28kHz近傍にて振動する固有振動モードが存在する場合に、この第2振動梁5の振動は強制振動ではなく自由振動となり、それぞれの固有振動モードの相互励起の影響が生じる。   And since the natural vibration mode shown with the broken line B, C, D has inclination with respect to the natural vibration mode shown with the continuous line A, the part where the solid line A and the broken lines B, C, D cross | intersect arises. As described above, the mutual excitation of the intersecting natural vibration modes becomes significant in the intersecting portion and the vicinity region. It is considered that this phenomenon occurs because the first vibrating beam 3 and the second vibrating beam 5 in the biaxial actuator 1 are connected via the first support portion 4. That is, when the first vibrating beam 3 vibrates at 28 kHz, the second vibrating beam 5 connected to the first vibrating beam 3 via the first support portion 4 has a vibration of 28 kHz in the first vibrating beam 3. Communicated. When the second vibration beam 5 has a natural vibration mode that vibrates in the vicinity of 28 kHz, the vibration of the second vibration beam 5 is not a forced vibration but a free vibration, and the influence of mutual excitation of each natural vibration mode is present. Arise.

この相互励起による影響を図6により説明する。図6は図5に示す実線Aと破線Bの交点αから実線Aと破線Cの交点βの区間((k1/I1)1/2から(k5/I5)1/2)における可動部2の振れ角の推移を示したものである。なお、交点αとなる(k1/I1)1/2と交点βとなる(k5/I5)1/2の中間位置(k3/I3)1/2では、図5における実線Aの固有共振周波数f1と破線Bの固有共振周波数f3の差と、実線Aの固有共振周波数f1と破線Cの固有共振周波数f4の差が等しくなる。つまり、実線Aと破線Bの相互励起および実線Aと破線Cの相互励起の影響が最小となり、図6に示すように可動部2の振れ角が最大となる。交点αや交点βでは相互励起の影響が大きくなることから振れ角が小さくなり、交点αおよび交点βで可動部2の振れ角が最小となる。このことから、第2振動梁5の曲げ剛性kと慣性モーメント量Iの値を、図5における(k/I)1/2が交点αと交点βの中間位置となるk3、I3と設定することで、二軸アクチュエータ1の振幅を最大化することができる。なお、中間位置(k3/I3)1/2において、f3とf1の間、および、f1とf4の間に、他の振動モードとの交点は存在しない。つまり破線Bと破線Cは隣り合うものであり、この間に実線Aに対して傾斜する他の不要振動モードは存在しない。 The influence of this mutual excitation will be described with reference to FIG. FIG. 6 shows the movable portion 2 in the section (from (k1 / I1) 1/2 to (k5 / I5) 1/2 ) from the intersection α of the solid line A and the broken line B to the intersection β of the solid line A and the broken line C shown in FIG. It shows the transition of the deflection angle. Note that the intersection in the α and becomes (k1 / I1) 1/2 and the intersection β become (k5 / I5) 1/2 intermediate position (k3 / I3) 1/2, the natural resonant frequency of the solid line A in FIG. 5 f1 And the difference between the natural resonance frequency f3 of the broken line B and the difference between the natural resonance frequency f1 of the solid line A and the natural resonance frequency f4 of the broken line C are equal. That is, the influence of the mutual excitation between the solid line A and the broken line B and the mutual excitation between the solid line A and the broken line C is minimized, and the swing angle of the movable part 2 is maximized as shown in FIG. Since the influence of mutual excitation increases at the intersection point α and the intersection point β, the deflection angle becomes smaller, and the deflection angle of the movable part 2 becomes the minimum at the intersection point α and the intersection point β. Therefore, the values of the bending stiffness k and the moment of inertia I of the second vibrating beam 5 are set to k3 and I3 where (k / I) 1/2 in FIG. 5 is an intermediate position between the intersection α and the intersection β. Thus, the amplitude of the biaxial actuator 1 can be maximized. At the intermediate position (k3 / I3) 1/2 , there are no intersections with other vibration modes between f3 and f1 and between f1 and f4. That is, the broken line B and the broken line C are adjacent to each other, and there is no other unnecessary vibration mode that is inclined with respect to the solid line A between them.

また、二軸アクチュエータ1は、第2振動梁5の変位量を十分確保するために、図3を用いて説明したように、第2振動梁5の基部21として有機層13と無機層14を有する積層構成を採用している。この積層構成を実現する場合、先ず、図2に示すように、SOI基板19の上にSi酸化膜8、下部電極9、圧電体層10、上部電極11を形成する。その後、図3に示す、上部電極11の上にスピンコートを用いて有機層13を形成し、この有機層13の上にめっき処理により無機層14を設けている。その後、SOI基板19とSi酸化膜8をエッチングにて除去することで形成できる。しかしながら、このような工程により形成される第2振動梁5は、上述したように形成プロセスに起因する加工ばらつきが大きく発生するため、第2振動梁5の曲げ剛性kと慣性モーメント量Iも変動しやすい。このようなばらつきの多い構造において上述したように第2振動梁5の曲げ剛性kと慣性モーメント量Iを設定し、各固有振動モードの周波数を規定することが効果的となる。   Further, as described with reference to FIG. 3, the biaxial actuator 1 has the organic layer 13 and the inorganic layer 14 as the base portion 21 of the second vibrating beam 5 in order to ensure a sufficient amount of displacement of the second vibrating beam 5. The laminated structure which has is employ | adopted. When realizing this laminated structure, first, as shown in FIG. 2, the Si oxide film 8, the lower electrode 9, the piezoelectric layer 10, and the upper electrode 11 are formed on the SOI substrate 19. Thereafter, as shown in FIG. 3, an organic layer 13 is formed on the upper electrode 11 by spin coating, and an inorganic layer 14 is provided on the organic layer 13 by plating. Thereafter, the SOI substrate 19 and the Si oxide film 8 can be removed by etching. However, since the second vibrating beam 5 formed by such a process has a large processing variation due to the forming process as described above, the bending stiffness k and the moment of inertia I of the second vibrating beam 5 also vary. It's easy to do. In such a structure with many variations, it is effective to set the bending stiffness k and the moment of inertia I of the second vibrating beam 5 and define the frequency of each natural vibration mode as described above.

すなわち、上述したようなMEMS構造の製造プロセスにおいて、第1振動梁3や第2振動梁5の加工ばらつきや膜厚ばらつきが生じても可動部2の振れ角が最大となる第2振動梁5の曲げ剛性kと慣性モーメント量Iが設定されているので、加工ばらつきに対する可動部2の振れ角のマージンが確保される。この結果、量産プロセスにおける二軸アクチュエータ1の生産性が高められるのである。   That is, in the manufacturing process of the MEMS structure as described above, the second vibrating beam 5 in which the deflection angle of the movable part 2 is maximized even if the processing variation or film thickness variation of the first vibrating beam 3 or the second vibrating beam 5 occurs. Since the bending stiffness k and the moment of inertia I are set, a margin of the deflection angle of the movable part 2 with respect to machining variations is ensured. As a result, the productivity of the biaxial actuator 1 in the mass production process is increased.

なお、上述した図5における交点α、βの中間位置は、実線Aの固有共振周波数と破線Bの固有共振周波数の差と、実線Aの固有共振周波数と破線Cの固有共振周波数の差が等しいものとして説明したが、実際には、図7の右側の軸で示す可動部2の減衰率(図6の右側の軸に示す振れ角のピークを基準とした振れ角の劣化度合い)が25%以上のものであればよい。したがって、本発明におけるf3とf1の差がf1とf4の差と等しいとする範囲は、減衰率が25%以上となる3/5<(f3−f1)/(f1−f4)<5/3となる範囲を意味するものである。   Note that, at the intermediate positions of the intersections α and β in FIG. 5 described above, the difference between the natural resonance frequency of the solid line A and the natural resonance frequency of the broken line B and the difference between the natural resonance frequency of the solid line A and the natural resonance frequency of the broken line C are equal. Although described as a thing, in practice, the attenuation factor of the movable part 2 indicated by the right axis in FIG. 7 (the degree of deterioration of the deflection angle based on the peak of the deflection angle indicated by the right axis in FIG. 6) is 25%. Anything above is sufficient. Therefore, the range in which the difference between f3 and f1 in the present invention is equal to the difference between f1 and f4 is 3/5 <(f3-f1) / (f1-f4) <5/3 where the attenuation factor is 25% or more. Means the range.

また、第2振動梁5を、有機層13と無機層14の積層構造体を基部21としてとしているが、図2に示す第1振動梁3と同様のSOI基板19の上にSi酸化膜8を設けたものを基部21としても効果が得られる。この点については、Si加工の際の側壁のサイドエッチやオーバーエッチによる加工寸法のばらつきがあるために、各固有振動モードの固有振動数を規定範囲内に設定することが効果的となる。つまり、第2振動梁5は有機層13と無機層14の積層振動板の構造には限らず、第2振動梁5を元素の異なる二つ以上の層を用いた積層構造体であっても良い。   Further, the second vibrating beam 5 has a laminated structure of the organic layer 13 and the inorganic layer 14 as the base 21, but the Si oxide film 8 is formed on the SOI substrate 19 similar to the first vibrating beam 3 shown in FIG. The effect can be obtained even if the base 21 is provided. Regarding this point, since there are variations in processing dimensions due to side etching or overetching of the side wall during Si processing, it is effective to set the natural frequency of each natural vibration mode within a specified range. In other words, the second vibrating beam 5 is not limited to the structure of the laminated diaphragm of the organic layer 13 and the inorganic layer 14, and the second vibrating beam 5 may be a laminated structure using two or more layers having different elements. good.

本実施の形態では二軸アクチュエータ1における可動部2の大変位化を実現するために、第2振動梁5にミアンダ構造を用いている。図6において破線B、C、Dで表される固有振動モードは第2振動梁5がミアンダ形状のように複雑な構造になればなるほど、振動形態が多くなるために破線B、C、Dで固有振動数の推移を表されるような固有振動モードの発生数が多くなる。従って、第2振動梁5の構造が複雑なミアンダ形状において上述した第2振動梁5の曲げ剛性kと慣性モーメント量Iの設定は特に有効となる。   In the present embodiment, a meander structure is used for the second vibrating beam 5 in order to realize a large displacement of the movable part 2 in the biaxial actuator 1. In FIG. 6, the natural vibration modes represented by broken lines B, C, and D are broken lines B, C, and D because the vibration form increases as the second vibrating beam 5 has a more complex structure such as a meander shape. The number of occurrences of the natural vibration mode that represents the transition of the natural frequency increases. Therefore, the setting of the bending stiffness k and the moment of inertia I of the second vibrating beam 5 described above is particularly effective in the meander shape having a complicated structure of the second vibrating beam 5.

なお、第2振動梁5の曲げ剛性kと慣性モーメント量Iを設定するにおいては、第2振動梁5の厚み変化させることで調整することができる。特に第2振動梁5における折り返し部分は、直線部分の構成にSi酸化膜8、SOI基板19が積層された構造であり、この折り返し部分の厚みを調節することが慣性モーメント量Iの調整に有効である。   In setting the bending stiffness k and the moment of inertia I of the second vibrating beam 5, it can be adjusted by changing the thickness of the second vibrating beam 5. In particular, the folded portion of the second vibrating beam 5 has a structure in which the Si oxide film 8 and the SOI substrate 19 are laminated on the configuration of the straight portion, and adjusting the thickness of the folded portion is effective for adjusting the amount of inertia I. It is.

また、図3に示す直線部分のように有機層13と無機層14の積層構造体を基部21とした構造であれば、無機層14の厚みを調節することで、第2振動梁5の曲げ剛性kと慣性モーメント量Iを調整することが容易となる。なぜならば、無機層14の部材としてNiを用いれば、S(硫黄成分)を多く含むNiと、S成分を含まないNiがあり、無機層14をこれらの積層構造とすることができる。これによりS成分を多く含むNi層は過硫酸アンモニウム水溶液をエッチャントとし、S成分を含まないNi層は塩化鉄(III)水溶液をエッチャントとすることで、それぞれを選択的にエッチングすることが可能となる。この選択的エッチングにより、無機層14の膜厚を容易に精度よく調整することができ、第2振動梁5の曲げ剛性kと慣性モーメント量Iを容易に調整することができる。   Further, in the case of a structure in which a laminated structure of the organic layer 13 and the inorganic layer 14 is used as the base portion 21 as in the straight line portion shown in FIG. It becomes easy to adjust the stiffness k and the moment of inertia I. This is because if Ni is used as a member of the inorganic layer 14, there are Ni containing a large amount of S (sulfur component) and Ni containing no S component, and the inorganic layer 14 can have a laminated structure. As a result, the Ni layer containing a large amount of the S component can be selectively etched by using the ammonium persulfate aqueous solution as the etchant and the Ni layer not containing the S component using the iron (III) chloride aqueous solution as the etchant. . By this selective etching, the film thickness of the inorganic layer 14 can be easily adjusted with high accuracy, and the bending rigidity k and the moment of inertia I of the second vibrating beam 5 can be easily adjusted.

本発明は、二軸方向に可動部を回動させる二軸アクチュエータにおいて、MEMSプロセスでの生産性を高めることができるものであり、小型プロジェクタやヘッドアップディスプレイなどの走査光学系の用途において有効である。   INDUSTRIAL APPLICABILITY The present invention can improve productivity in a MEMS process in a biaxial actuator that rotates a movable part in biaxial directions, and is effective in applications of scanning optical systems such as small projectors and head-up displays. is there.

1 二軸アクチュエータ
2 可動部
3 第1振動梁
4 第1支持部
5 第2振動梁
6 第2支持部
S1 第1回動軸(高周波駆動軸)
S2 第2回動軸(低周波駆動軸)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Biaxial actuator 2 Movable part 3 1st vibration beam 4 1st support part 5 2nd vibration beam 6 2nd support part S1 1st rotation axis (high frequency drive axis)
S2 Second rotation axis (low frequency drive axis)

Claims (4)

可動部と、
一端が前記可動部に接続されるとともに前記可動部が第1回動軸回りに回動する第1の固有振動モードを励起する第1振動梁と、
前記第1振動梁の他端に接続された第1支持部と、
一端が前記第1支持部に接続されるとともに前記可動部が前記第1回動軸と直交する第2回動軸回りに回動する第2の固有振動モードを励起する第2振動梁と、
前記第2振動梁の他端に接続された第2支持部を備えた二軸アクチュエータにおいて、
前記二軸アクチュエータは、前記第2の固有振動モードとは異なる、前記第2振動梁が振動する第3、第4の固有振動モードを有し、
前記第1の固有振動モードを励起する前記二軸アクチュエータの固有振動数をf1、
前記第2の固有振動モードを励起する前記二軸アクチュエータの固有振動数をf2、
前記第3の固有振動モードを励起する前記二軸アクチュエータの固有振動数をf3、
前記第4の固有振動モードを励起する前記二軸アクチュエータの固有振動数をf4とし、
前記f3および前記f4は、前記f2を規定する前記第2振動梁における前記第2回動軸回りの曲げ剛性kと慣性モーメント量Iの比に応じて変動するものであり、
f3とf4の間にf1が存在し、かつf3とf1の差がf1とf4の差と略等しくした二軸アクチュエータ。
Moving parts;
A first vibrating beam having one end connected to the movable portion and exciting a first natural vibration mode in which the movable portion rotates about a first rotation axis;
A first support connected to the other end of the first vibrating beam;
A second vibrating beam configured to excite a second natural vibration mode in which one end is connected to the first support portion and the movable portion rotates about a second rotation axis orthogonal to the first rotation axis;
In the biaxial actuator provided with the second support portion connected to the other end of the second vibrating beam,
The biaxial actuator has third and fourth natural vibration modes in which the second vibration beam vibrates, which is different from the second natural vibration mode,
The natural frequency of the biaxial actuator that excites the first natural vibration mode is f1,
The natural frequency of the biaxial actuator that excites the second natural vibration mode is f2,
F3, the natural frequency of the biaxial actuator that excites the third natural vibration mode,
The natural frequency of the biaxial actuator that excites the fourth natural vibration mode is f4,
The f3 and the f4 vary according to the ratio of the bending stiffness k around the second rotation axis and the moment of inertia I in the second vibrating beam that defines the f2.
A biaxial actuator in which f1 exists between f3 and f4, and the difference between f3 and f1 is substantially equal to the difference between f1 and f4.
前記第2振動梁は、組成が異なる複数の層を厚み方向に積み重ねた積層構造体とした請求項1に記載の二軸アクチュエータ。 2. The biaxial actuator according to claim 1, wherein the second vibrating beam is a laminated structure in which a plurality of layers having different compositions are stacked in a thickness direction. 前記第2振動梁はミアンダ形状である請求項1に記載の二軸アクチュエータ。 The biaxial actuator according to claim 1, wherein the second vibrating beam has a meander shape. 前記第1振動梁もしくは第2振動梁の厚みを調節することにより、f3とf1の差とf1とf4の差を略等しくした請求項1に記載の二軸アクチュエータ。 The biaxial actuator according to claim 1, wherein a difference between f3 and f1 and a difference between f1 and f4 are made substantially equal by adjusting a thickness of the first vibrating beam or the second vibrating beam.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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