JP3684118B2 - 電磁アクチュエータ、光スキャナ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁力を利用した電気−機械変換器としての電磁アクチュエータ、光スキャナに関し、特に、従来の電磁アクチュエータに比べて制御が容易で、ストロークを大きくすることができるマイクロマシニング技術で作製可能なマイクロ電磁アクチュエータの実現を目指すものである。
【0002】
【従来の技術】
従来、マイクロマシニング技術を利用して作製されたアクチュエータは、静電力を利用したものや、圧電現象を利用したものが主流であった。しかし、近年、磁性体材料をマイクロマシニング技術で利用することが容易になるにつれ、電磁力を用いたアクチュエータも開発されるようになってきている。
図7は、ハードディスクのヘッドの位置決め用の電磁リニアアクチュエータの例である(米国特許第5,724,015号明細書)。図7のアクチュエータは、基板(不図示)上に、固定コア1004a、1004bと、固定コアを周回するコイル1005a、1005bが固定されており、可動コア1003が、ばね1007で、固定コア1004a、1004bに対して相対的に可動できるように支持されている。これらの構造は、マイクロマシニング技術で基板上に作製される。
【0003】
このアクチュエータは、コイル1005aに通電すると、可動コア1003が固定コア1004aに引き寄せられることで、可動コア1003が図中で左側に変位する。また逆に、コイル1005bに通電すると、可動コア1003が図中で右側に変位する。このアクチュエータの発生力F1は、下式で与えられる。
ただし、μ0は真空の透磁率、N1はコイルの巻数、i1はコイル1005a、bに流す電流、w1は磁極の幅、t1は磁極の厚さ、x1はギャップの長さである。また、このアクチュエータの変位は、ばね1007のばね定数をk1とすると、
の関係から求められる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したようなアクチュエータは、数式1よりわかるように、発生力F1が電流i1のみで決まらずに、ギャップx1の2乗に逆比例する。そのため、制御が難しいという問題点があった。
また、初期ギャップを大きくすると、発生力が急激に減少してしまうため、ストロークを大きくすることができないという問題点があった。
【0005】
そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、マイクロマシニング技術を用いて作製する電磁アクチュエータの制御を容易にし、また、ストロークを大きくすることができる電磁アクチュエータ、光スキャナを提供することを目的とするものである。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、電磁アクチュエータ、光スキャナを、つぎの(1)〜(5)のように構成したことを特徴とするものである。
(1)本発明の電磁アクチュエータは、コイルが周回させて設けられているコアと、該コアの両端に磁気的に結合された固定子と、該固定子に対して相対的に変位可能に支持手段によって支持された可動子とを有し、前記コアのコイルに通電して前記固定子に対して前記可動子を変位させるようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記固定子と前記可動子が、それぞれ変位方向に平行な凸凹部を有し、前記固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部とが互いに噛み合うように配置されていることを特徴としている。
(2)本発明の電磁アクチュエータは、前記支持手段と前記固定子とが、基板上に固定されていることを特徴としている。
(3)本発明の電磁アクチュエータは、前記支持手段と前記固定子と前記可動子とが、同一材料からなることを特徴としている。
(4)本発明の電磁アクチュエータは、前記支持手段が、複数の平板バネを平行に組み合わせた、平行ヒンジバネであり、前記固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部が、前記平行ヒンジばねの移動方向に平行な、くし歯状であることを特徴としている。
(5)本発明の光スキャナは、可動ミラーと、前記可動ミラーと機械的に接続された電磁アクチュエータとを有する光スキャナにおいて、前記電磁アクチュエータが上記した本発明のいずれかの電磁アクチュエータによって構成されていることを特徴としている。
【0007】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
【0008】
上記(1)の構成のように、固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部とが互いに噛み合うように配置して構成することで、アクチュエータに発生する力が、ギャップの2乗に逆比例して減少することがなく、コイルに通電した電流による一定の条件によって決定することが可能となり、従来の電磁アクチュエータに比べて制御がきわめて容易となる。
また、上記(2)の構成のように、可動子の支持手段と固定子とを、基板上に固定して作製するようにすることで、電磁アクチュエータをマイクロマシニング技術で容易に作製することが可能となる。
また、上記(3)の構成のように、支持手段と固定子と可動子とを、同一材料から作製する構成を採ることで、これらを作成時に一括して作ることが可能となる。
また、上記(4)の構成のように、支持手段を平行ヒンジばねで構成することで、摩擦やガタのない直動支持を行うことができる。
また、上記(5)の構成のように、可動ミラーと可動ミラーに機械的に接続された電磁アクチュエータからなる光スキャナーは、マイクロマシニングで作成することができ、制御が容易で、偏向角を大きくとることができる。
【0009】
図2は、本発明の実施の形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する図である。電源220から、コイル205に電流を流すと、コイル205中に磁束が発生する。この磁束は、コア204、固定磁極202a、くし歯間のエアギャップ、移動磁極203、くし歯間のエアギャップ、固定磁極202b、の順に磁気回路を周回する。
ここで、くし歯間のエアギャップの磁気抵抗Rg(x)は、
で与えられる。ここで、μ0は真空の透磁率、dはエアギヤップの距離、tはくし歯の厚さ、nはギャップの数、xは移動磁極の変位、x0は初期状態のオーバーラップ長さである。また、エアギャップ部以外の部分の磁気抵抗をRとすると、磁気回路全体のポテンシャルエネルギWと、エアギャップ部に生じる発生力Fは、
となる。
【0010】
ここで、Nはコイル205の巻数、iはコイル205に流れる電流である。ここで、アクチュエータを、透磁率が真空の透磁率に比べて十分大きい材質で作製するとすると、R→0となり、発生力Fは、
で与えられる。これより、本発明のアクチュエータでは、発生力Fが、変位xによらず、電流iのみで定まることがわかる。実際には、透磁率は無限大にはなり得ないので、発生力Fは、変位xにより変動が生じることになるが、図7で示したアクチュエータに比べると、その割合はごくわずかである。
【0011】
このとき、アクチュエータの静的な変位は、ばね力と発生力の釣り合いから、平行ヒンジバネのバネ定数をkとすると、
の関係から求められる。
【0012】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
[実施例1]
図1は、本発明の実施例1のリニアアクチュエータを説明する概略図である。基板101の上には、固定子102a、102bと支持部106が固定されている。移動子103は、両端を平行ヒンジバネ107で保持されており、また平行ヒンジバネ107は、支持部106で保持されている。このように構成することにより、移動子103は、基板101に対して平行移動自由に弾性的に支持される。
また、コア104は、両端が2つの固定子102aと102bに磁気的に接続するように配置されている。このコア104には、コイル105が周回している。固定子102a、102bと移動子103には、本発明の特徴であるくし歯状の突起が出ており、それらは互い違いに噛み合うように配置されている。
【0013】
次に、本実施例のアクチュエータの作製方法について述べる。本実施例では、固定子102a、102b、移動子103、コア104、コイル105、支持部106、平行ヒンジバネ107をマイクロマシニング技術で作製した。また、コイル105は、コイル下面配線114、コイル側面配線115、コイル上面配線116の順番で作製した。以下、図3を用いて、さらに詳しく説明する。図3の(a)〜(j)において、図の右側と左側の各部分は、それぞれ、図1におけるA−A’とB−B’の各断面図を示している。
【0014】
まず、基板101上に、コイルの下面配線114と、その上に下面配線−コア絶縁層117をパターンニングする(図3a)。
次に、リン酸ガラス(PSG:Phospho−Silica Glass)層110をパターンニングする。リン酸ガラス層110は、犠牲層となる層であり、後のプロセスで除去されて、平行ヒンジばね107と、移動子103を基板から浮かす働きをする(図3b)。
次に、電気メッキを行うための種電極層111としてクロムを蒸着した上に、金を蒸着する(図3c)。
【0015】
次に、フォトレジスト層112を塗布する(図3d)。本実施例では、厚塗りに適したSU−8(Micro Chem社製)を使用し、膜厚を300μmとする。
次に、フォトレジスト層112を、露光および現像し、パターンニングを行う(図3e)。この行程で除去された部分が、固定子102a、102b、移動子103、コア104、支持部106、平行ヒンジバネ107、コイル側面配線115の雌型となる。
【0016】
次に、種電極層111に電圧を印加しながら、パーマロイ層113の電気メッキを行う(図3f)。
次に、フォトレジスト層112と種電極層111をドライエッチングで除去する(図3g)。
次に、エポキシ樹脂119を塗布し、上面を機械的に研磨して平坦化する(図3h)。
次に、コア104の上面に上面配線−コア絶縁層118とコイル上面配線116をパターンニングする(図3g)。
最後に、エポキシ樹脂119とリン酸ガラス層110を除去する(図3h)。
【0017】
以上のように構成された本発明の電磁アクチュエータは、電流一定の条件において、発生力に変位が与える影響が小さいので、従来の電磁アクチュエータに比べて制御が容易である。
また、発生力が、ギャップの2乗に逆比例して減少することがないので、ストロークを大きくすることができる。
【0018】
[実施例2]
図4は、本発明の実施例2の回転アクチュエータを説明する概略図である。
図4では、見やすくするために、コア204と、コイル205を分離して表示している。
基板201の上には、固定子202a、202bと支持部206が固定されている。回転子203は、四隅を同心回転ヒンジバネ207で保持されている。
また同心回転ヒンジバネ207は、支持部206で保持されており、同心回転ヒンジバネ207の長手方向の延長線は、回転子203の中心で交わるように配置されている。
このように構成することにより、回転子203は、基板201上で回転自由に弾性的に支持される。
また、コア204は、両端が2つの固定子202aと202bに磁気的に接続するように配置されている。図4では、見やすいように分解して表示している。このコア204には、コイル205が周回している。また、固定子202a、202bと回転子203には、本発明の特徴である同心円状にくし歯状の突起が出ており、それらは互い違いに噛み合うように配置されている。
【0019】
本実施例のアクチュエータは、基板201の上に、実施例1と同様な方法で、マイクロマシニング技術を用いて、固定子202a、202b、回転子203、支持部206、同心回転ヒンジバネ207を作製し、別体で作製したコア204にコイル205を周回した後に、組み立てることで作製した。
本実施例のアクチュエータも、実施例1に記載のアクチュエータと同様の原理で動作する。実施例1と異なるのは、回転子203に偶力が作用するため、回転子203が回転変位することにある。
【0020】
以上のように構成された本発明の電磁アクチュエータは、電流一定の条件において、発生力に変位が与える影響が小さいので、従来の電磁アクチュエータに比べて制御が容易である。
また、発生力が、ギャップの2乗に逆比例して減少することがないので、ストロークを大きくすることができる。
【0021】
[実施例3]
図5は、本発明の実施例3の光スキャナを説明する該略図である。
基板301の上には、固定子302a、302bと支持部306、ミラー支持部308が固定されている。
移動子303は、両端を平行ヒンジバネ307で保持されており、また平行ヒンジバネ307は、支持部306で保持されている。
このように構成することにより、移動子303は、基板301に対して平行移動自由に弾性的に支持される。
ミラー311は、薄板ばね309でミラー支持部に接続され、回転自由に支持されている。
さらに、ミラー311は、薄板ばね310で、移動子303と連結されている。また、コア304は、両端が2つの固定子302aと302bに磁気的に接続するように配置されている。このコア304には、コイル305が周回している。固定子302a、302bと移動子303には、本発明の特徴であるくし歯状の突起が出ており、それらは互い違いに噛み合うように配置されている。これらの構造は、実施例1と同様のプロセスで作製することができる。
【0022】
図6は、本実施例の動作を説明する図である。
312は、半導体レーザー、313は、レーザー光を示している。半導体レーザー312は、レーザー光313がミラー311に当たるように配置されている。半導体レーザー312は、基板301上にあってもよいし、他の場所にあっても構わない。
図6(a)は、コイル305に通電していない時の様子を示し、図6(b)は、コイル305に通電している時の様子を示している。これらより、コイル305に通電することにより、レーザー光313の向きが変わる様子がわかる。
【0023】
本発明の電磁アクチュエータは、電流一定の条件において、発生力に変位が与える影響が小さいので、従来の電磁アクチュエータに比べて制御が容易であるという特徴がある。
また、発生力が、ギャップの2乗に逆比例して減少することがないので、ストロークを大きくすることができるという特徴もある。それゆえ、本発明の電磁アクチュエータを光スキャナに適用することで、制御が容易で、偏向角の大きな、マイクロマシニング技術で作製することができる光スキャナを提供することができる。
【0024】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の電磁アクチュエータによると、電流一定の条件において、アクチュエータの発生力に変位による影響が小さいので、従来の電磁アクチュエータに比べて制御がきわめて容易となる。
また、本発明の電磁アクチュエータによると、アクチュエータの発生力が、ギャップの2乗に逆比例して減少することがないので、ストロークを大きくすることができる。
また、本発明によると、可動子の支持手段と固定子とを、基板上に固定して作製する構成を採ることで、電磁アクチュエータをマイクロマシニング技術で容易に作製することが可能となる。
また、本発明によると、支持手段と固定磁極と可動磁極とを、同一材料から作製する構成を採ることで、これらを作成時に一括して作ることが可能となる。
また、本発明によると、支持手段を平行ヒンジばねで構成することで、摩擦やガタのない直動支持を行うことができる。
また、本発明によると、可動ミラーと可動ミラーに機械的に接続された電磁アクチュエータからなる光スキャナーを、マイクロマシニングで作成することができ、制御が容易で、偏向角を大きくとることができる光スキャナーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1のリニアアクチュエータを説明する図である。
【図2】本発明の動作原理を説明する図である。
【図3】本発明の実施例1の作製方法を説明する図である。
【図4】本発明の実施例2の回転アクチュエータを説明する図である。
【図5】本発明の実施例3の光スキャナを説明する図である。
【図6】本発明の実施例3の動作を説明する図である。
【図7】従来技術のマイクロ電磁アクチュエータを説明する図である。
【符号の説明】
101、201、301:基板
102a、102b、202a、202b、
302a、302b:固定子
103、303:移動子
203:移動子(回転子)
104、204、304:コア
105、205、305:コイル
106、206、306:支持部
107、307:平行ヒンジばね
207:同心ヒンジばね
308:ミラー支持部
309、310:薄板ばね
311:ミラー
312:半導体レーザー
313:レーザー光
110:リン酸ガラス層
111:種電極層
112:フオトレジスト層
113:パーマロイメッキ層
114:コイル下面配線
115:コイル側面配線
116:コイル上面配線
117:下面配線−コア絶縁層
118:上面配線−コア絶縁層
119:エポキシ樹脂
1003:可動コア
1004a、b:固定コア
1005a、b:コイル
1007:ばね
Claims (5)
- コイルが周回させて設けられているコアと、該コアの両端に磁気的に結合された固定子と、該固定子に対して相対的に変位可能に支持手段によって支持された可動子とを有し、前記コアのコイルに通電して前記固定子に対して前記可動子を変位させるようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記固定子と前記可動子が、それぞれ変位方向に平行な凸凹部を有し、前記固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部とが互いに噛み合うように配置されていることを特徴とする電磁アクチュエータ。 - 前記支持手段と前記固定子とが、基板上に固定されていることを特徴とする請求項1に記載の電磁アクチュエータ。
- 前記支持手段と前記固定子と前記可動子とが、同一材料からなることを特徴とする請求項1または請求項2に記載の電磁アクチュエータ。
- 前記支持手段が、複数の平板バネを平行に組み合わせた、平行ヒンジバネであり、前記固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部が、前記平行ヒンジばねの移動方向に平行な、くし歯状であることを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータ。
- 可動ミラーと、前記可動ミラーと機械的に接続された電磁アクチュエータとを有する光スキャナにおいて、前記電磁アクチュエータが請求項1〜4のいずれか1項に記載の電磁アクチュエータによって構成されていることを特徴とする光スキャナ。
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