JP3677604B2

JP3677604B2 - 磁気アクチュエータ

Info

Publication number: JP3677604B2
Application number: JP2002365567A
Authority: JP
Inventors: 俊英則松
Original assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Current assignee: Japan Aviation Electronics Industry Ltd
Priority date: 2002-12-17
Filing date: 2002-12-17
Publication date: 2005-08-03
Anticipated expiration: 2022-12-17
Also published as: EP1431985A3; JP2004198642A; US20040119569A1; CN1508591A; CN1238749C; US6937121B2; EP1431985A2

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は光スキャナ等に使用することができる磁気アクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
図１１及び１２はこの種の用途に使用されるアクチュエータの従来構成の一例として、シリコンマイクロマシニング技術を用いて作製されたアクチュエータを示したものであり、枠体１１と、その枠内に位置する可動板１２と、その可動板１２を枠体１１に支持する一対のトーションヒンジ１３がシリコンのエッチングによって一体形成されている。
枠体１１はスペーサ１４を介して基板１５上に搭載され、基板１５の可動板１２と対向する部分には一対の固定電極１６が形成されている。
可動板１２は可動電極をなし、この可動板１２と固定電極１６との間に電圧を印加することにより、両者の間に静電力が働き、可動板１２は固定電極１６に静電吸引されて、一対のトーションヒンジ１３がなす軸を中心に回動するものとなっている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
【特許文献１】
特開平６−１８０４２８号公報（図１１，１２）
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、この図１１及び１２に示したような静電駆動方式のアクチュエータにおいては、可動板１２の回動角度を増加させるに従い、必要な電圧が高くなり、つまり大きな回動角度（駆動角度）を得ようとすると、非常に大きな駆動電圧が必要となる。
また、可動板１２自体に電圧をかける構造のため、例えばチャージの移動によって動作不良等が生じる虞れがあり、信頼性の点で問題のあるものとなっていた。
この発明の目的はこのような問題に鑑み、低電圧駆動で大きな駆動角度を実現でき、かつ信頼性に優れた磁気アクチュエータを提供することにある。
【０００５】
【課題を解決するための手段】
請求項１の発明によれば、永久磁石と、その永久磁石の作る磁場内に位置された回動体と、その回動体を回動自在に支持するトーションヒンジと、互いに対向配置された可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とよりなる静電アクチュエータと、その静電アクチュエータによりトーションヒンジがなす回動軸と垂直方向に駆動されて、永久磁石と回動体との間に出入りする移動体とよりなり、回動体及び移動体は強磁性を有し、移動体が駆動されて回動体に近づくことにより、それら回動体と移動体との間に生じる斥力によって回動体が回動する構造とされる。
【０００６】
請求項２の発明では請求項１の発明において、回動体及び移動体は共に基体と、その基体表面に形成された強磁性体膜とよりなるものとされる。
請求項３の発明では請求項２の発明において、強磁性体膜は基体上に枠状をなすように形成されているものとされる。
請求項４の発明では請求項３の発明において、枠状をなす強磁性体膜はその枠の一部が分断されているものとされる。
【０００７】
【発明の実施の形態】
この発明の実施の形態を図面を参照して実施例により説明する。
図１はこの発明による磁気アクチュエータの一実施例を示したものであり、図２乃至５はこの磁気アクチュエータの動作原理を示したものである。まず、これら図２乃至５を参照して、この発明による磁気アクチュエータの動作原理を説明する。
図２に示したように永久磁石Ｍの作る磁場内のある位置（永久磁石Ｍ表面の磁界中心からずれ、かつ永久磁石Ｍと一定の距離、離れた位置）に十分薄く、水平方向（永久磁石Ｍ表面と平行方向）に十分な長さをもつ強磁性体Ａを配置すると、図３上段に示したように磁場内に挿入直後に生じる強磁性体Ａ内の局所的な磁気モーメントが水平方向に強め合って揃い、図３下段に示したように強磁性体Ａは長手方向（水平方向）に磁気モーメントをもった双極体となる。
【０００８】
この強磁性体Ａに図４に示したように回動自在とする支点Ｓを設けると、支点Ｓを通る磁力線に平行となろうとする方向に力のモーメントがかかる（磁気トルクが発生する）。強磁性体Ａはこのモーメント、重力及び支点Ｓの抗力が釣り合う、例えば図４に示したような位置に静止する。
この状態の強磁性体Ａと永久磁石Ｍとの間に入るように、強磁性体Ａと同様の強磁性体Ｂを図５に示したように強磁性体Ａに近づけると、支点Ｓに近い位置において強磁性体Ａ，Ｂは同極同士となり、よって斥力（磁気反発力）が生じ、この斥力によって強磁性体Ａに回転モーメントが発生し、強磁性体Ａは矢印で示した方向に回動する。
【０００９】
強磁性体Ａ，Ｂ間に生じる斥力は、強磁性体Ｂが強磁性体Ａに近づくほど大きくなり、また近づくほど磁界も強くなることから強磁性体Ｂ内の磁束も強くなり、よって強磁性体Ｂが近づくほど強磁性体Ａに生じる回転モーメントは大きくなって、極めて回動角度（駆動角度）の大きい駆動が可能となる。
なお、上述した強磁性体Ａ，Ｂは板状でも良いが、例えば図６に強磁性体Ａについて例示したように枠状（リング状）とすることで、より水平方向に一様な磁化状態となり易いものとすることができる。
また、この場合、図６に示したように閉ループとせず、一部が切り欠かれて分断された形状とすることで、強磁性体Ａ駆動時の磁場の変化による電流の発生を抑え、それに起因する磁場の乱れを抑制して動作を安定化させることができる。
【００１０】
図７は上述したような動作原理によって動作する磁気アクチュエータを模式的に示したものであり、強磁性体Ａ，Ｂは一部が分断された枠状とされて板Ｐ，Ｑ上に配置されている。なお、図７中、Ｔは板Ｐを回動自在に支持するトーションヒンジを示す。
次に、この発明による磁気アクチュエータの具体的な構成を図１に示した実施例を参照して説明する。
回動体２１はこの例では方形板状とされた基体２２と、その基体２２表面に形成された強磁性体膜２３とよりなり、強磁性体膜２３は枠状とされて、その枠の一部が分断されているものとされる。
【００１１】
回動体２１の一端側の両側面には互いに外向きに延伸されてなる一対のトーションヒンジ２４が設けられており、回動体２１はこれらトーションヒンジ２４によって回動自在に支持されている。一対のトーションヒンジ２４は基体２２と一体形成されており、それらの他端は支持台２５にそれぞれ連結支持されている。なお、支持台２５はベース２６上に位置されている。
ベース２６は方形枠状とされて、その一辺の中央部が切り欠かれている形状とされ、この切り欠かれている部分に永久磁石２７が位置されている。永久磁石２７は直方体ブロック状とされて、内部の磁力線の方向が上下方向とされ、即ち回動体２１と対向する上面がＮ極（もしくはＳ極）とされている。回動体２１はこの永久磁石２７が作る磁場内に位置されている。
【００１２】
永久磁石２７と回動体２１との間に出入りするように駆動される移動体３１は方形板状とされた基体３２と、その基体３２表面に形成された強磁性体膜３３とよりなり、強磁性体膜３３は回動体２１の強磁性体膜２３と同様、枠状とされて、その枠の一部が分断されているものとされる。なお、強磁性体膜３３は図１に示したように移動体３１の、回動体２１と近接する前端側に配置されている。
移動体３１の後端側の両側面には互いに外向きに延伸されてなる二対の支持ビーム３４が設けられており、移動体３１はこれら支持ビーム３４を介してベース２６上の基台３５に支持されている。
【００１３】
上記のように支持された移動体３１は静電アクチュエータによって駆動されるものとされる。静電アクチュエータは互いに対向配置された可動櫛歯電極３６と固定櫛歯電極３７とよりなる構造とされ、可動櫛歯電極３６は移動体３１の支持ビーム３４が設けられている両側面にそれぞれ設けられ、これらと櫛歯がかみ合うように一対の固定櫛歯電極３７が、その基部３７ａがベース２６上に搭載されて配置されている。
上記のような構造において、移動体３１の基体３２、支持ビーム３４、基台３５及び可動櫛歯電極３６は、例えばシリコン基板をエッチングすることによって一体形成され、また固定櫛歯電極３７及び支持台２５の下部２５ａもそのシリコン基板と同じ基板からエッチング形成される。
【００１４】
回動体２１の基体２２、トーションヒンジ２４及び支持台２５の上部２５ｂは例えばポリシリコン膜によって一体形成され、強磁性体膜２３，３３は例えばニッケル膜とされる。また、ベース２６もシリコン基板によって形成される。
なお、図１では図示を省略しているが、ベース２６と支持台２５、固定櫛歯電極３７の基部３７ａ、基台３５との各間には絶縁層として二酸化シリコン層が介在されており、支持台２５の下部２５ａと上部２５ｂの間にも二酸化シリコン層が介在されている。また、強磁性体膜２３，３３は共に二酸化シリコン層を介して基体２２，３２上に形成されている。
【００１５】
上記のような構成とされた磁気アクチュエータにおいて、回動体２１及び移動体３１は前述のこの発明による磁気アクチュエータの動作原理説明における強磁性体Ａ及び強磁性体Ｂと対応し、即ち可動櫛歯電極３６と固定櫛歯電極３７との間に電圧が印加されて、可動櫛歯電極３６が固定櫛歯電極３７に静電吸引され、それにより移動体３１がトーションヒンジ２４のなす回動軸と垂直方向に駆動されて、永久磁石２７の作る磁場内に位置する回動体２１に近づくことにより、それら回動体２１と移動体３１との間に生じる斥力によって回動体２１が回動する構造とされている。
【００１６】
このような構成とされた磁気アクチュエータによれば、移動体３１を直線駆動（水平駆動）することで、回動体２１の大きな駆動角度（回動角度）を得ることができ、また移動体３１は櫛歯型の静電アクチュエータによって駆動されるため、低電圧での駆動が可能となる。
なお、回動体２１には電圧がかからないため、チャージの移動によって動作不良等が生じるといった虞れもなく、その点で信頼性の高いアクチュエータを得ることができる。
次に、マイクロマシニング技術を用いて作製される、この図１に示した磁気アクチュエータの作製方法を図８乃至１０を参照して工程順に説明する。なお、図８乃至１０は図１におけるＹＹ断面を示している。
【００１７】
（１）二酸化シリコン層４１の両面にシリコン層４２，４３が配置されてなる多層構造のＳＯＩ基板４４を用意する。
（２）ＳＯＩ基板４４を熱酸化し、表裏両面に二酸化シリコン層４５，４６を形成する。
（３）表面側の二酸化シリコン層４５上にＣＶＤ装置等でポリシリコン層４７を成膜形成する。
（４）ポリシリコン層４７上にＣＶＤ装置等で二酸化シリコン層４８を成膜形成する。
【００１８】
（５）二酸化シリコン層４８上にフォトリソグラフィにより、回動体の基体、トーションヒンジ、支持台パターンを形成し、ＲＩＥ装置等により、そのパターン通りに二酸化シリコン層４８をエッチングする。
（６）ポリシリコン層４７をＲＩＥ装置等により二酸化シリコン層４８のパターンをマスクとしてエッチングする。
（７）表面側の二酸化シリコン層４５，４８をＲＩＥ装置等で除去した後、ポリシリコン層４７及びシリコン層４２上にＣＶＤ装置等で再度、二酸化シリコン層４９を成膜形成する。
【００１９】
（８）二酸化シリコン層４９上にフォトリソグラフィにより、移動体の基体、支持ビーム、基台、可動櫛歯電極、固定櫛歯電極、支持台パターンを形成し、ＲＩＥ装置等により、そのパターン通りに二酸化シリコン層４９をエッチングする。
（９）シリコン層４２をＲＩＥ装置等により二酸化シリコン層４９のパターンをマスクとしてエッチングする。その後、表面側にスパッタ装置等でニッケル等の強磁性体層５１を成膜形成する。
（１０）強磁性体層５１上にフォトリソグラフィにより、回動体及び移動体の枠状強磁性体膜パターンを形成し、ミリング等でそのパターン通りに強磁性体層５１をエッチングする。
【００２０】
（１１）裏面側の二酸化シリコン層４６上にフォトリソグラフィにより、回動体の下に永久磁石を配置する空間を形成するためのパターンを形成し、ＲＩＥ装置等により、そのパターン通りに二酸化シリコン層４６をエッチングし、その後、二酸化シリコン層４６のパターンをマスクとしてシリコン層４３をエッチングする。
（１２）裏面側の二酸化シリコン層４６上にフォトリソグラフィにより、ベースパターンを形成し、ＲＩＥ装置等により、そのパターン通りに二酸化シリコン層４６をエッチングする。この際、裏面側に露出している二酸化シリコン層４１もエッチング除去する。
【００２１】
（１３）裏面側より二酸化シリコン層４６のパターンをマスクとしてＲＩＥ装置等によりシリコン層４３，４２をエッチングし、その後、二酸化シリコン層４１，４９をエッチングする。これにより、図１に示した磁気アクチュエータの永久磁石２７のない状態の構造が作製される。
（１４）下基板５２を用意し、下基板５２上にベース２６を搭載固定する。また、回動体２１の下部空間に位置するように永久磁石２７を下基板５２上に搭載固定する。以上により、図１に示した磁気アクチュエータが完成する。なお、図１においてはこの下基板５２の図示は省略している。下基板５２の材質は静電気によるアクチュエータの動作不良を防止するため、金属もしくはシリコン等の半導体が好ましい。
【００２２】
上述した実施例では回動体２１及び移動体３１は共に基体２２，３２表面に強磁性体膜２３，３３を形成することにより、強磁性を有するものとしているが、これら回動体２１や移動体３１を例えば強磁性体そのもので形成するといった構造も採用することができる。
なお、回動体２１は図４における強磁性体Ａで説明したように、また図１に示したように、移動体３１が離れて斥力を受けない状態（初期状態）でも、所定の角度、回動した状態となっているが、例えば回動体２１のトーションヒンジ２４によって支持されている支持端と反対側の遊端上に、適当な質量をレジストや金属によって付加することによって初期状態における角度を調整することができ、水平とすることもできる。
【００２３】
【発明の効果】
以上説明したように、この発明による磁気アクチュエータによれば低電圧駆動で大きな駆動角度を得ることができる。
また、回転駆動される回動体は、それ自体には電圧がかからないため、例えばチャージの移動によって動作不良等が生じるといったことも発生せず、よって信頼性の高いアクチュエータを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明による磁気アクチュエータの一実施例を示す斜視図。
【図２】この発明による磁気アクチュエータの動作原理を説明するための図（その１）。
【図３】この発明による磁気アクチュエータの動作原理を説明するための図（その２）。
【図４】この発明による磁気アクチュエータの動作原理を説明するための図（その３）。
【図５】この発明による磁気アクチュエータの動作原理を説明するための図（その４）。
【図６】強磁性体の好ましい形状例を説明するための図。
【図７】この発明による磁気アクチュエータを模式的に示した図。
【図８】図１に示した磁気アクチュエータの作製工程を説明するための図（その１）。
【図９】図１に示した磁気アクチュエータの作製工程を説明するための図（その２）。
【図１０】図１に示した磁気アクチュエータの作製工程を説明するための図（その３）。
【図１１】従来の、トーションヒンジに支えられた可動板が回動する構造のアクチュエータを示す斜視図。
【図１２】図１１の断面図。

Claims

永久磁石と、
その永久磁石の作る磁場内に位置された回動体と、
その回動体を回動自在に支持するトーションヒンジと、
互いに対向配置された可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とよりなる静電アクチュエータと、
その静電アクチュエータにより、上記トーションヒンジがなす回動軸と垂直方向に駆動されて、上記永久磁石と回動体との間に出入りする移動体とよりなり、
上記回動体及び移動体は強磁性を有し、
上記移動体が駆動されて上記回動体に近づくことにより、それら回動体と移動体との間に生じる斥力によって上記回動体が回動する構造とされていることを特徴とする磁気アクチュエータ。
請求項１記載の磁気アクチュエータにおいて、
上記回動体及び移動体は共に基体と、その基体表面に形成された強磁性体膜とよりなることを特徴とする磁気アクチュエータ。
請求項２記載の磁気アクチュエータにおいて、
上記強磁性体膜は上記基体上に枠状をなすように形成されていることを特徴とする磁気アクチュエータ。
請求項３記載の磁気アクチュエータにおいて、
上記枠状をなす強磁性体膜はその枠の一部が分断されていることを特徴とする磁気アクチュエータ。