JP4175272B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関するものである。

例えば、レーザープリンタ等に用いられるアクチュエータとしてポリゴンミラー（回転多面体）が知られている。
しかし、このようなポリゴンミラーにおいて、より高解像度で品質のよい印字と高速印刷を達成するには、ポリゴンミラーの回転をさらに高速にしなければならない。
現在のポリゴンミラーには高速安定回転を維持するためにエアーベアリングが使用されているが、今以上の高速回転を得るのは困難となっている。また、高速にするためには、大型のモーターが必要であり、機器の小型化の面で不利であるという問題がある。
このようなポリゴンミラーを用いると、構造が複雑となり、コストが高くなるといった問題も生じる。

また、図１５に示すような、平行平板状に電極を配置した１自由度のねじり振動子は、その構造が簡単なことから、アクチュエータの研究初期から提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、前記ねじり振動子をカンチレバー方式とした１自由度静電駆動型振動子も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
図１５の１自由度静電駆動型ねじり振動子は、ガラス基板１０００上の両端部にスぺーサ２００を介してシリコンの単結晶板からなる可動電極板３００の両端固定部３００ａを固定し、この可動電極板３００の両端固定部３００ａ間に、細巾のトーションバー３００ｂを介して可動電極部３００ｃを支持させ、また、その可動電極部３００ｃに電極間隔を置いて対向させる固定電極９００を、ガラス基板１０００上において前記可動電極部３００ｃに対し平行配置している。可動電極板３００と固定電極９００との間にはスイッチ６００を介して電源５００が接続される。

前記構成を有するねじり振動子は、可動電極部３００ｃと固定電極９００との間に電圧を印加すると、静電引力によりトーションバー３００ｂを軸として可動電極部３００ｃが回転するものである。しかるに、静電引力は電極間隔の二乗に反比例するため、この種の静電アクチュエータにおいては電極間隔を小さくすることが望まれる。しかし、上述した１自由度の構造では、可動電極部３００ｃが電極と可動部を兼ねるため、電極間隔を狭くすると変位（回転角）に制約が生じ、また可動範囲を大きくとるためには電極間隔を大きくする必要がある。このため、低電圧駆動と大振幅の両立が困難であるという問題がある。

K.E.Petersen:"Silicon Torsional Scanning Mirror",IBMJ.Res.Develop.,vol.24(1980)、P.631 河村他："Ｓｉを用いたマイクロメカニクスの研究"、昭和６１年度精密工学会秋季大会学術講演会論文集、P.753

本発明の目的は、低電圧駆動が可能で、かつ、振れ角（振幅）の大きいアクチュエータを提供することにある。

このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のアクチュエータは、凹部を有し、該凹部が開放する開口が形成された基体と、
前記凹部内に設けられ、交流電圧を印加することによって、前記開口の開口面に対して傾斜するように回動可能な第１の質量部と、該第１の質量部の回動に伴い、前記第１の質量部に連結され、前記開口の開口面に対して傾斜するように回動可能な第２の質量部とを備える２自由度振動系と、
前記基体の前記開口を覆うように設けられた平板状部材と、
平面視において前記第１の質量部と重ならないように設けられ、前記基体と前記平板状部材との間隔を規定するとともに、前記凹部の気密性を保持するスペーサとを有し、
前記平板状部材は、光透過性を有し、
前記第２の質量部の前記平板状部材側の面に、光反射部を有し、
前記平板状部材と前記スペーサと前記基体とが互いに別体であり、前記平板状部材と前記基体とがスペーサを介して接合され、
前記スペーサは、前記平板状部材と前記光反射部との間の光路長を規定していることを特徴とする。
これにより、第１の質量部および第２の質量部が振動（回動）し得る十分なスペースを確保することができる。また、アクチュエータの内部（凹部内）へのゴミ等の異物が侵入するのを防止することができる。また、アクチュエータの内部（凹部内）を減圧状態とすることや、不活性ガス等を充填することにより、第１の質量部および第２の質量部が振動（回動）する際に生じる空気抵抗を低減して、より大きな振れ角が実現可能となる。
このようなことから、アクチュエータを、低電圧駆動が可能で、かつ、振れ角（振幅）が大きいものとすることができる。
また、平板状部材をエッチング等により加工して、２自由度振動系が振動し得るスペースを確保することを要しないので、平板状部材の表面（特に、凹部側の面）の平坦性が確保される（すなわち、表面の荒れが防止される）。このため、例えば光スキャナに適用した場合には、平板状部材において、入射光や反射光が散乱すること等により損失するのが防止または低減され、その結果、高い反射率を有するものとすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記２自由度振動系は、基板の一方の面に形成された凹部によって薄肉化された部分の一部を貫通するまでエッチングすることにより形成されたものであり、当該基板の他方の面に前記スペーサを介して前記平板状部材が接合されていることが好ましい。

本発明のアクチュエータでは、前記スペーサの平均厚さは、１〜２０００μｍであることが好ましい。
これにより、大型化するのを防止しつつ、第１の質量部および第２の質量部が振動（回動）し得る十分なスペースを確保することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記スペーサは、シリコンを主材料として構成されたものであることが好ましい。
これにより、スペーサをより簡易な工程で形成することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記基体には、その前記凹部の底面に、前記第２の質量部が回動したとき、該第２の質量部が前記基体に接触するのを防止するための逃げ部が形成されていることが好ましい。
これにより、第２の質量部の振れ角（振幅）をより大きくすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記基体には、前記逃げ部が前記２自由度振動系と反対側の面で開放することにより、第２の開口が形成され、
前記基体の前記凹部と反対側には、前記第２の開口を気密的に封止する平板状をなす封止部材が設けられていることが好ましい。
これにより、例えば光スキャナに適用した場合、第２の質量部の凹部側の面に光反射部を設けることにより、第２の質量部の双方の面に入射する光を利用することができるので、機能性の高いものとすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記２自由度振動系は、前記第１の質量部を一対備え、
前記一対の第１の質量部の一方は、前記第２の質量部の一端側に設けられ、他方は、前記第２の質量部の他端側に設けられていることが好ましい。
これにより、より確実に、低電圧で駆動が可能で、かつ、振れ角（振幅）が大きいものとすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記一方の第１の質量部の回動中心軸と、該一方の第１の質量部の前記回動中心軸に対して、ほぼ垂直な方向の端部との間の距離をＬ_１とし、前記他方の第１の質量部の回動中心軸と、該他方の第１の質量部の前記回動中心軸に対して、ほぼ垂直な方向の端部との間の距離をＬ_２とし、前記第２の質量部の回動中心軸と、該第２の質量部の前記回動中心軸に対して、ほぼ垂直な方向の端部との間の距離をＬ_３としたとき、Ｌ_１とＬ_３とが、Ｌ_１＜Ｌ_３なる関係を満足し、かつ、Ｌ_２とＬ_３とが、Ｌ_２＜Ｌ_３なる関係を満足することが好ましい。
これにより、より容易かつ確実に、低電圧駆動が可能で、かつ、振れ角（振幅）が大きいものとすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記距離Ｌ_１と、前記距離Ｌ_２とがほぼ等しいことが好ましい。
これにより、アクチュエータの制御が容易となり、さらに容易かつ確実に、低電圧駆動が可能で、かつ、振れ角（振幅）が大きいものとすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記交流電圧の周波数が、前記第１の質量部と前記第２の質量部とが共振する２自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定されていることが好ましい。
これにより、低電圧で高速動作が可能で、かつ、振れ角（振幅）が大きいものとすることができる。また、このような構成とすることにより、第１の質量部の振幅を抑制しつつ、第２の質量部の回転角度（振れ角）を大きくすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記２自由度振動系は、前記第１の質量部と前記基体とを、前記第１の質量部が前記基体に対して回動可能に連結する、少なくとも一対の第１の弾性連結部と、
前記第１の質量部と前記第２の質量部とを、前記第２の質量部が前記第１の質量部に対して回動可能に連結する、少なくとも一対の第２の弾性連結部とを備えることが好ましい。
これにより、第１の質量部および第２の質量部の振れ角（振幅）をより大きくすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記第１の弾性連結部のばね定数をｋ_１とし、前記第２の弾性連結部のばね定数をｋ_２としたとき、ｋ_１とｋ_２とが、ｋ_１＞ｋ_２なる関係を満足することが好ましい。
これにより、第１の質量部の振れ角（振幅）を抑制しつつ、第２の質量部の回転角度（振れ角）を大きくすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記２自由度振動系は、前記第１の弾性連結部および前記第２の弾性連結部のうちの少なくとも一方が、その内部にピエゾ抵抗素子を備えていることが好ましい。
これにより、例えば、回転角度および回転周波数を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第２の質量部の姿勢の制御に利用することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記第１の質量部の慣性モーメントをＪ_１とし、前記第２の質量部の慣性モーメントをＪ_２としたとき、Ｊ_１とＪ_２とがＪ_１≦Ｊ_２なる関係を満足することが好ましい。
これにより、第１の質量部の振幅を抑制しつつ、第２の質量部の回転角度（振れ角）を大きくすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記基体には、その前記凹部の底面に、前記第１の質量部と対向するように設けられた電極を有し、
該電極と前記第１の質量部との間に生じる静電気力によって、前記第１の質量部が回動することが好ましい。
これにより、第２の質量部の振れ角（振幅）をより大きくすることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記平板状部材の表面粗さＲａは、１μｍ以下であることが好ましい。
これにより、例えば光スキャナに適用した場合には、より高い反射率を有するものとすることができる。

以下、本発明のアクチュエータの好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
＜第１実施形態＞
まず、本発明のアクチュエータの第１実施形態について説明する。
図１は、本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す平面図（内部透視図）、図２は、図１中のＡ−Ａ線断面図、図３は、図１に示すアクチュエータの電極の配置を示す平面図、図４は、印加する交流電圧の一例を示す図、図５は、印加した交流電圧の周波数と、第１の質量部および第２の質量部の共振曲線を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図１および図３中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言い、図２中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。

図１および図２に示すアクチュエータ１は、凹部３０を有する基体３と、凹部３０内に設けられ（収納され）た振動系２とを有している。
本実施形態の振動系２は、一対の第１の質量部（駆動部）２１、２２と、上面（後述する蓋部材３３側の面）に光反射部２３１が設けられた第２の質量部（可動部）２３とを備えている。

具体的には、振動系２は、第２の質量部２３を中心として、その一端側（図１および図２中、左側）に第１の質量部２１が設けられ、他端側（図１および図２中、右側）に第１の質量部２２が設けられて構成されている。
また、本実施形態では、第１の質量部２１、２２は、互いにほぼ同一形状かつほぼ同一寸法をなし、第２の質量部２３を介して、ほぼ対称に設けられている。

これらの第１の質量部２１、２２および第２の質量部２３は、それぞれ、例えば、シリコン等を主材料として構成されている。
さらに、振動系２は、図１および図２に示すように、第１の質量部２１、２２と後述する枠部３１（基体３）とを連結する、一対の第１の弾性連結部２４、２４と、第１の質量部２１、２２と第２の質量部２３とを連結する、一対の第２の弾性連結部２５、２５とを備えている。

各第１の弾性連結部２４、２４、および、各第２の弾性連結部２５、２５とは、同軸的に設けられており、これらを回動中心軸（回転軸）２６として、第１の質量部２１、２２が枠部３１に対して、また、第２の質量部２３が第１の質量部２１、２２に対して回動可能となっている。
このような振動系２は、第１の質量部２１、２２と第１の弾性連結部２４、２４とからなる第１の振動系と、第２の質量部２３と第２の弾性連結部２５、２５とからなる第２の振動系とを有する２自由度振動系を構成する。

基体３は、枠状をなす枠部３１と、枠部３１の下方を閉塞するように固定（固着）された底部材３２とで構成され、枠部３１と底部材３２とにより凹部３０が画成されている。
また、基体３には、この凹部３０（枠部３１）が基体３の上方において開放することにより、開口３００が形成されている。
枠部３１の高さは、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２３の厚さよりも大きくなるように設定されている。
そして、枠部３１の上面（開口３００の開口面）が第１の質量部２１、２２および第２の質量部２３の上面とほぼ同一平面上に位置することにより、枠部３１の下面は、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２３の下面よりも下側に位置している。
なお、後述するように、枠部３１は、好ましくは振動系２と一体的に形成される。

底部材３２は、例えば、各種ガラスやシリコン等を主材料として構成されている。
底部材３２の上面（凹部３０の底面）には、図２および図３に示すように、第２の質量部２３に対応する部分に凹部３２１が形成されている。
この凹部３２１は、第２の質量部２３が回動（振動）する際に、底部材３２（基体３）に接触するのを防止する逃げ部を構成する。凹部（逃げ部）３２１を設けることにより、アクチュエータ１全体の大型化を防止しつつ、第２の質量部２３の振れ角（振幅）をより大きく設定することができる。

また、底部材３２の上面には、図３に示すように、第１の質量部２１に対応する部分に、一対の電極４が回動中心軸２６を中心にほぼ対称となるように設けられ、また、第１の質量部２２に対応する部分に、一対の電極４が回動中心軸２６を中心にほぼ対称となるように設けられている。すなわち、本実施形態では、一対の電極４が２組（合計４個）、設けられている。

第１の質量部２１、２２と各電極４とは、図示しない電源に接続されており、第１の質量部２１、２２と各電極４との間に交流電圧（駆動電圧）を印加できるよう構成されている。
なお、第１の質量部２１、２２の各電極４と対向する面には、それぞれ、絶縁膜（図示せず）が設けられている。これにより、第１の質量部２１、２２と各電極４との間での短絡が発生するのが好適に防止される。
このような基体３には、スペーサ３４を介して、開口３００を塞ぐように平板状をなす蓋部材（平板状部材）３３が接合されている。

本実施形態のアクチュエータ１では、後述するように、外部光を蓋部材３３を介して光反射部２３１に入射させ、光反射部２３１による反射光を蓋部材３３を介して外部に導出させる。このため、蓋部材３３は、平坦性に優れ、かつ、光透過性に優れた基板、例えば各種ガラス基板等で構成されている。
スペーサ３４は、基体３と蓋部材３３との間隔を規定するとともに、凹部３０の気密性を保持する機能を有するものである。このスペーサ３４は、図１および図２に示すように、平面視で第１の質量部２１、２２と重ならないように設けられている。

このような構成により、Ｉ：振動系２の振動し得るスペースの確保が容易となる。
また、II：アクチュエータ１の内部（凹部３０内）へのゴミ等の異物が侵入するのを防止することができる。III：アクチュエータ１の内部（凹部３０内）を減圧状態とすることや、不活性ガス等を充填することにより、振動系２が振動（回動）する際に生じる空気抵抗を低減して、より大きな振れ角が実現可能となる。これらにより、アクチュエータ１を信頼性の高いものとすることができる。

さらに、IV：蓋部材３３をエッチング等により加工して、振動系２が振動し得るスペースを確保することを要しないので、蓋部材３３の表面（特に、凹部３０側の面）の平坦性が確保される（すなわち、表面の荒れが防止される）。これにより、蓋部材３３において、入射光や反射光が散乱すること等により、損失するのが防止または低減され、その結果、アクチュエータ１では、高い反射率を得ることができる。

ここで、蓋部材３３の表面の平坦性を示す指標には、各種のものがあるが、例えば、表面粗さ（ＪＩＳ Ｂ ０６０１に規定の中心線平均粗さ）Ｒａが好適に用いられる。
具体的には、蓋部材３３の表面粗さＲａは、１μｍ以下であるのが好ましく、１００ｎｍ以下であるのがより好ましく、１ｎｍ〜１００ｎｍ程度であるのがさらに好ましい。表面粗さが前記上限値を超えて大きくなると、蓋部材３３の構成材料や厚さ等によっては、入射光や反射光の損失が大きくなり、十分な反射率が得られないおそれがある。

スペーサ３４は、例えば、シリコン、各種ガラス等で構成することができるが、特に、シリコンを主材料として構成されるものが好ましい。シリコンは、成形加工性に優れるため、スペーサ３４の作成工程を簡素化できる。
また、スペーサ３４の平均厚さは、振動系２（アクチュエータ１）の寸法等に応じて適宜設定され、特に限定されないが、１〜２０００μｍ程度であるのが好ましく、１００〜１５００μｍ程度であるのがより好ましい。スペーサ３４が薄過ぎると、振動系２と蓋部材３３との間隔を十分に確保することができず、各質量部２１、２２、２３の触れ角（変位角）を大きく設定するのが困難となる場合がある。一方、スペーサ３４が厚過ぎると、振動系２と蓋部材３３との間隔が不必要に大きくなり、アクチュエータ１の大型化を招き好ましくない。

以上のような構成のアクチュエータ１は、次のようにして駆動する。
すなわち、第１の質量部２１、２２と各電極４との間に、例えば、正弦波（交流電圧）等を印加すると、具体的には、例えば、第１の質量部２１、２２をアースしておき、図３中上側の２つの電極４に、図４（ａ）に示すような波形の電圧を印加し、図３中下側の２つの電極４に、図４（ｂ）に示すような波形の電圧を印加すると、第１の質量部２１、２２と各電極４との間に静電気力（クーロン力）が生じる。

この静電気力により、第１の質量部２１、２２が、各電極４の方へ引きつけられる力が正弦波の位相により変化し、回動中心軸２６（第１の弾性連結部２４）を軸に、開口３００の開口面に対して傾斜するように振動（回動）する。
そして、この第１の質量部２１、２２の振動（駆動）に伴って、第２の弾性連結部２５を介して連結されている第２の質量部２３も、回動中心軸２６（第２の弾性連結部２５）を軸に、開口３００の開口面に対して傾斜するように振動（回動）する。
ここで、このアクチュエータ１では、前述したように、底部材３２の第２の質量部２３に対応する部分に凹部３２１が形成され、また、蓋部材３３がスペーサ３４を介して枠部３１に接合され、かつ、スペーサ３４が平面視で第１の質量部２１、２２と重ならないように設けられている。

このような構成により、第２の質量部２３が振動し得るスペース、および、第１の質量部２１、２２が振動し得るスペースとして、大きなスペースが確保されている。したがって、第１の質量部２１、２２の質量を比較的小さく設定すること等により、第１の質量部２１、２２を大きな振れ角で振動させた場合や、さらに第２の質量部２３が共振によって大きな振れ角で振動した場合でも、各質量部２１、２２、２３（振動系２）が底部材３２および蓋部材３３に接触することを好適に防止することができる。
このため、このようなアクチュエータ１を、例えば光スキャナに適用した場合には、より解像度の高いスキャニングを行うことが可能となる。

ここで、第１の質量部２１の回動中心軸２６に対して、ほぼ垂直な方向（長手方向）の端部２１１との間の距離（長さ）をＬ_１とし、第１の質量部２２の回動中心軸２６に対して、ほぼ垂直な方向（長手方向）の端部２２１との間の距離（長さ）をＬ_２とし、第２の質量部２３の回動中心軸２６に対して、ほぼ垂直な方向の端部２３２との間の距離（長さ）をＬ_３としたとき、本実施形態では、第１の質量部２１、２２が、それぞれ独立して設けられているため、第１の質量部２１、２２と、第２の質量部２３とが干渉せず、第２の質量部２３の大きさ（長さＬ_３）にかかわらず、Ｌ_１およびＬ_２を小さくすることができる。これにより、第１の質量部２１、２２の回転角度（振れ角）を大きくすることができ、第２の質量部２３の回転角度を大きくすることができる。

また、Ｌ_１およびＬ_２を小さくすることにより、第１の質量部２１、２２と各電極４との間の距離を小さくすることができ、これにより、静電気力が大きくなり、第１の質量部２１、２２と各電極４に印加する交流電圧を小さくすることができる。
ここで、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２３の寸法は、それぞれ、Ｌ_１＜Ｌ_３かつＬ_２＜Ｌ_３なる関係を満足するよう設定されるのが好ましい。

前記関係を満たすことにより、Ｌ_１およびＬ_２をより小さくすることができ、第１の質量部２１、２２の回転角度をより大きくすることができ、第２の質量部２３の回転角度をさらに大きくすることができる。
この場合、第２の質量部２３の最大回転角度が、２０°以上となるように構成されるのが好ましい。

また、このように、Ｌ_１およびＬ_２を小さくすることにより、第１の質量部２１、２２と各電極４との間の距離をより小さくすることができ、第１の質量部２１、２２と各電極４に印加する交流電圧をさらに小さくすることができる。
これらによって、第１の質量部２１、２２の低電圧駆動と、第２の質量部２３の大回転角度での振動（回動）とを実現することができる。

このため、このようなアクチュエータ１を、例えばレーザープリンタや、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の装置に用いられる光スキャナに適用した場合には、より容易に装置を小型化することができる。
なお、前述したように、本実施形態では、Ｌ_１とＬ_２とはほぼ等しく設定されているが、Ｌ_１とＬ_２とが異なっていてもよいことは言うまでもない。

ところで、このような振動系（２自由度振動系）２では、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２３の振幅（振れ角）と、印加する交流電圧の周波数との間に、図５に示すような周波数特性が存在している。
すなわち、振動系２は、第１の質量部２１、２２の振幅と、第２の質量部２３の振幅とが大きくなる２つの共振周波数ｆｍ_１［ｋＨｚ］、ｆｍ_３［ｋＨｚ］（ただし、ｆｍ_１＜ｆｍ_３）と、第１の質量部２１、２２の振幅がほぼ０となる、１つの反共振周波数ｆｍ_２［ｋＨｚ］とを有している。

この振動系２では、第１の質量部２１、２２と電極４との間に印加する交流電圧の周波数Ｆが、２つの共振周波数のうち低いもの、すなわち、ｆｍ_１とほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。これにより、第１の質量部２１、２２の振幅を抑制しつつ、第２の質量部２３の振れ角（回転角度）を大きくすることができる。
なお、本明細書中では、Ｆ［ｋＨｚ］とｆｍ_１［ｋＨｚ］とがほぼ等しいとは、（ｆｍ_１−１）≦Ｆ≦（ｆｍ_１＋１）の条件を満足することを意味する。

第１の質量部２１、２２の平均厚さは、それぞれ、１〜１５００μｍであるのが好ましく、１０〜３００μｍであるのがより好ましい。
第２の質量部２３の平均厚さは、１〜１５００μｍであるのが好ましく、１０〜３００μｍであるのがより好ましい。
第１の弾性連結部２４のばね定数ｋ_１は、１×１０^−４〜１×１０^４Ｎｍ/ｒａｄであるのが好ましく、１×１０^−２〜１×１０^３Ｎｍ/ｒａｄであるのがより好ましく、１×１０^−１〜１×１０^２Ｎｍ/ｒａｄであるのがさらに好ましい。これにより、第２の質量部２３の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。

一方、第２の弾性連結部２５のばね定数ｋ_２は、１×１０^−４〜１×１０^４Ｎｍ/ｒａｄであるのが好ましく、１×１０^−２〜１×１０^３Ｎｍ/ｒａｄであるのがより好ましく、１×１０^−１〜１×１０^２Ｎｍ/ｒａｄであるのがさらに好ましい。これにより、第１の質量部２１、２２の振れ角を抑制しつつ、第２の質量部２３の振れ角をより大きくすることができる。

また、第１の弾性連結部２４のばね定数ｋ_１と第２の弾性連結部２５のばね定数をｋ_２とは、ｋ_１＞ｋ_２なる関係を満足するのが好ましい。これにより、第１の質量部２１、２２の振れ角を抑制しつつ、第２の質量部２３の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。
さらに、第１の質量部２１、２２の慣性モーメントをＪ_１とし、第２の質量部２３の慣性モーメントをＪ_２としたとき、Ｊ_１とＪ_２とは、Ｊ_１≦Ｊ_２なる関係を満足することが好ましく、Ｊ_１＜Ｊ_２なる関係を満足することがより好ましい。これにより、第１の質量部２１、２２の振れ角を抑制しつつ、第２の質量部２３の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。

ところで、第１の質量部２１、２２と第１の弾性連結部２４、２４とからなる第１の振動系の固有振動数ω_１は、第１の質量部２１、２２の慣性モーメントＪ_１と、第１の弾性連結部２４のばね定数ｋ_１とにより、ω_１＝（ｋ_１／Ｊ_１）^１／２によって与えられる。一方、第２の質量部２３と第２の弾性連結部２５、２５とからなる第２の振動系の固有振動数ω_２は、第２の質量部２３の慣性モーメントＪ_２と、第２の弾性連結部２５のばね定数ｋ_２とにより、ω_２＝（ｋ_２／Ｊ_２）^１／２によって与えられる。

このようにして求められる第１の振動系の固有振動数ω_１と第２の振動系の固有振動数ω_２とは、ω_１＞ω_２なる関係を満足するのが好ましい。これにより、第１の質量部２１、２２の振れ角を抑制しつつ、第２の質量部２３の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。
なお、本実施形態の振動系２は、一対の第１の弾性連結部２４および一対の第２の弾性連結部２５のうち少なくとも１つが、その内部にピエゾ抵抗素子を備えたものであるのが好ましい。これにより、例えば、回転角度および回転周波数を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第２の質量部２３の姿勢の制御に利用することができる。

このようなアクチュエータ１は、例えば、次のようにして製造することができる。
図６〜図１０は、それぞれ、第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図（縦断面図）である。なお、以下では、説明の便宜上、図６〜図１０中の上側を「上」、下側を「下」と言う。

［Ａ１］ まず、図６（ａ）に示すように、シリコン基板５を用意する。
そして、図６（ｂ）に示すように、シリコン基板５の一方の面に、枠部３１と振動系２の形状に対応するように、例えば、アルミニウム等により金属マスク６を形成する。
次に、シリコン基板５の他方の面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、図６（ｃ）に示すように、枠部３１の形状に対応するように、レジストマスク７を形成する。
そして、このレジストマスク７を介して、シリコン基板５の他方の面側をエッチングした後、レジストマスク７を除去する。これにより、図７（ｄ）に示すように、枠部３１に対応する部分以外の領域に凹部５１が形成される。

エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、以下の各工程のエッチングにおいて、同様の方法を用いることができる。

次に、金属マスク６を介して、シリコン基板５の一方の面側を、前記凹部５１に貫通するまでエッチングする。
ここで、シリコン基板５をエッチングを行った後、金属マスク６は除去してもよく、除去せずに残存させてもよい。金属マスク６を除去しない場合、第２の質量部２３上に残存した金属マスク６は光反射部２３１として用いることができる。

金属マスク６を除去した場合、この後、第２の質量部２３上に金属膜を成膜し、光反射部２３１を形成する。
金属膜の成膜方法としては、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、金属箔の接合等が挙げられる。
なお、以下の各工程の金属膜の成膜において、同様の方法を用いることができる。
以上の工程により、図７（ｅ）に示すように、振動系２および枠部３１が一体的に形成された構造体が得られる。

［Ａ２］ 次に、図８（ｆ）に示すように、底部材３２を形成するためのシリコン基板９を用意する。
そして、シリコン基板９の一方の面に、凹部３２１を形成する領域を除いた部分に対応するように、例えば、アルミニウム等により金属マスクを形成する。
次に、この金属マスクを介して、シリコン基板９の一方の面側をエッチングした後、金属マスクを除去する。これにより、図８（ｇ）に示すように、凹部３２１が形成された底部材３２が得られる。

次に、底部材３２上に、図８（ｈ）に示すように、電極４を形成する。
電極４は、底部材３２の凹部３２１が形成された面に金属膜を成膜し、電極４の形状に対応するマスクを介して金属膜をエッチングを行った後、マスクを除去することにより形成することができる。
次に、図９（ｉ）に示すように、前記工程［Ａ１］で得られた構造体の枠部３１と底部材３２とを、例えば直接接合等により接合して接合体を得る。

［Ａ３］ 次に、図９（ｊ）に示すように、スペーサ３４を形成するためのシリコン基板８を用意する。
そして、シリコン基板８の一方の面に、スペーサ３４の形状に対応するように、例えば、レジストマスク形成する。
次に、このレジストマスクを介して、シリコン基板８が貫通するまでエッチングした後、レジストマスクを除去する。これにより、シリコン基板８には、図９（ｋ）に示すように、開口部３４１が形成され、スペーサ３４が得られる。

次に、図１０（ｌ）に示すように、前記工程［Ａ２］で得られた接合体の枠部３１（基体３）とスペーサ３４とを、例えば直接接合等により接合する。
次に、図１０（ｍ）に示すように、スペーサ３４と蓋部材（好ましくはガラス基板）３３とを、例えば陽極接合等により接合する。
以上のようにして、第１実施形態のアクチュエータ１が製造される。

このような製造方法では、蓋部材３３を加工することなく、スペーサ３４を介して基体３に接合するので、蓋部材３３の表面の平坦性を確保することができる。これにより、蓋部材３３において、入射光や反射光が散乱すること等により、損失するのが防止または低減され、その結果、アクチュエータ１では、高い反射率を得ることができる。
また、スペーサ３４の形成工程や、スペーサ３４と蓋部材３３との接合工程は、蓋部材３３をエッチング等より加工する工程より簡易に行うことができる工程である。また、スペーサ３４の厚さを設定することにより、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２３と蓋部材３３との間隔を所望のものに容易に設定することができる。したがって、前述したような製造方法によれば、アクチュエータ１の製造工程の簡易化を図ることができる。

＜第２実施形態＞
次に、本発明のアクチュエータの第２実施形態について説明する。
図１１は、第２実施形態のアクチュエータを示す縦断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図１１中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
以下、第２実施形態のアクチュエータについて、前記第１実施形態のアクチュエータとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第２実施形態のアクチュエータ１は、基体３の構成が異なり、それ以外は、前記第１実施形態のアクチュエータ１と同様である。
すなわち、図１１に示す基体３には、凹部（逃げ部）３２１が底部材３２の下面（振動系２と反対側の面）に開放することにより第２の開口３２１ａが形成され、その下側（凹部３０と反対側）には、第２の開口３２１ａを気密的に封止する平板状をなす封止部材３５が設けられている。

この封止部材３５は、平坦性に優れ、かつ、光透過性に優れた基板、例えば各種ガラス基板等で構成されている。
このような第２実施形態のアクチュエータ１によっても、前記第１実施形態のアクチュエータと同様の作用・効果が得られる。
特に、本実施形態においては、凹部３２１が貫通しているため、第２の質量部２３の下面（凹部３２１側の面）に光反射部を設けることにより、アクチュエータ１の下方より入射する光も利用することができる。その結果、アクチュエータ１を、機能性の高いものとすることができる。

＜第３実施形態＞
次に、本発明のアクチュエータの第３実施形態について説明する。
図１２は、本発明のアクチュエータの第３実施形態を示す平面図（内部透視図）である。なお、以下では、説明の便宜上、図１２中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。

以下、第３実施形態のアクチュエータについて、前記第１実施形態のアクチュエータとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第３実施形態のアクチュエータ１は、基体３と、第１の質量部２１、２２と、第２の質量部２３との連結構造が異なり、それ以外は、前記第１実施形態のアクチュエータ１と同様である。

すなわち、図１２に示すように、第１の質量部２１、２２が枠部３１（基体３）に二対の第１の弾性連結部２４’を介して連結され、また、第２の質量部２３が第１の質量部２１、２２に二対の第２の弾性連結部２５’を介して連結されている。
このような第３実施形態のアクチュエータ１によっても、前記第１実施形態のアクチュエータと同様の作用・効果が得られる。

特に、本実施形態においては、第１の質量部２１、２２および第２の質量部２３を、それぞれ、二対の弾性連結部を介して連結することにより、より確実に第２の質量部２３の振幅（回転）を制御することができる。
なお、本実施形態のように、二対の第１の弾性連結部２４’と二対の第２の弾性連結部２５’を有する場合、前記実施形態で説明したばね定数ｋ_１、ｋ_２は、ほぼ同じ位置で連結している２つの弾性連結部を一体的なものとみなして求められるものである。

＜第４実施形態＞
次に、本発明のアクチュエータの第４実施形態について説明する。
図１３は、本発明のアクチュエータの第４実施形態を示す平面図（内部透視図）である。なお、以下では、説明の便宜上、図１３中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。

以下、第４実施形態のアクチュエータについて、前記第１実施形態のアクチュエータとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
第４実施形態のアクチュエータ１は、電磁力（ローレンツ力）により駆動するように構成され、それ以外は、前記第１実施形態のアクチュエータ１と同様である。
すなわち、図１３に示すアクチュエータ１は、枠部３１に絶縁膜（図示せず）を介して設けられた４つの端子１０と、第１の質量部２１、２２の上面（蓋部材３３側の面）に設けられたコイル２０と、第１の質量部２１、２２を介して弾性連結部（回動中心軸２６）を中心に対向（ほぼ対称に）配置された一対の永久磁石４０とを有している。

一対の永久磁石４０は、Ｓ極とＮ極とが互いに向かい合うように設置されている。
また、コイル２０の端部は、端子１０と接続されている。
端子１０は、図示せぬ電源に接続されており、コイル２０に交流電圧を印加できるようになっている。
このアクチュエータ１では、コイル２０に交流電圧を印加すると、コイル２０（第１の質量部２１、２２）と永久磁石４０との間でローレンツ力が生じ、そのローレンツ力によって、第１の質量部２１、２２が回動（駆動）し、この第１の質量部２１、２２の駆動に伴って、第２の質量部２３が回動（駆動）する。
このような第４実施形態のアクチュエータ１によっても、前記第１実施形態のアクチュエータと同様の作用・効果が得られる。

＜第５実施形態＞
次に、本発明のアクチュエータの第５実施形態について説明する。
図１４は、本発明のアクチュエータの第５実施形態を示す平面図（内部透視図）である。なお、以下では、説明の便宜上、図１４中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
以下、第５実施形態のアクチュエータについて、前記第１実施形態のアクチュエータとの相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。

第５実施形態のアクチュエータ１は、ピエゾアクチュエータにより駆動するように構成され、それ以外は、前記第１実施形態のアクチュエータ１と同様である。
すなわち、図１４に示すアクチュエータ１は、第１の質量部２１、２２の上面（蓋部材３３側の面）の端部に、それぞれ、１つのピエゾアクチュエータ（圧電素子を備えたアクチュエータ）４００が設けられている。

このアクチュエータ１では、ピエゾアクチュエータ４００の駆動により、第１の質量部２１、２２にひずみ（伸縮）が生じ、そのひずみによって、第２の質量部２３を回動（駆動）する。
このような第５実施形態のアクチュエータ１によっても、前記第１実施形態のアクチュエータと同様の作用・効果が得られる。

特に、本実施形態においては、ピエゾアクチュエータ４００を第１の質量部２１、２２に設けたことにより、電極４が不要になり、生産コストを下げることができる。また、電極４が不要になることにより、凹部３２１の寸法を、第１の質量部２１、２２に対応する位置にまで大きくすることができる。これにより、第１の質量部２１、２２の回転角度をより大きくすることができる。

また、本実施形態では、第１の質量部２１、２２に、１つの（１層の）ピエゾアクチュエータ４００を設けたが、これに限らず、例えば、バイモルフ型ピエゾアクチュエータ（２層構造のピエゾアクチュエータのうち、一方のピエゾアクチュエータを圧縮方向に振動させ、他方のピエゾアクチュエータを伸縮方向に振動させる撓み振動を生じさせるアクチュエータ）等の２つ（２層）以上のピエゾアクチュエータを設けてもよい。
なお、本実施形態では、ピエゾアクチュエータ４００を第１の質量部２１、２２の上面の端部にそれぞれ設けたが、これに限らず、例えば、第１の質量部２１、２２の上面の全面に設けてもよいし、第１の質量部２１、２２の下面（底部材３２側の面）の端部または全面に設けてもよい。

以上説明したようなアクチュエータ１は、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の光スキャナ、イメージング用ディスプレイ等に好適に適用することができる。
以上、本発明のアクチュエータについて、図示の各実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれらに限定されるものではない。

例えば、本発明のアクチュエータは、前記第１〜第５実施形態のうちの任意の２以上の構成を組み合わせるようにしてもよい。
また、本発明のアクチュエータでは、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、前述した実施形態では、第１の弾性連結部を一対または二対有するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、三対以上であってもよい。

また、前述した実施形態では、第２の弾性連結部を一対または二対有するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、三対以上であってもよい。
また、前述した実施形態では、光反射部２３１が第２の質量部２３の蓋部材３３側の面に設けられている構成について説明したが、例えば、その逆の面に設けられている構成であってもよいし、両方の面に設けられている構成であってもよい。

また、前述した第１〜第３実施形態では、底部材３２上に電極４が設けられている構成について説明したが、底部材３２と第１の質量部２１、２２の両方に設けられていてもよい。
また、前述した第１〜第３実施形態では、第１の質量部２１、２２に対応する位置に、それぞれ一対の電極４を設けたが、これに限らず、それぞれ、電極４を１つ、もしくは３つ以上設けてもよい。
なお、第１の質量部２１、２２に対応する位置に、それぞれ１つの電極４を設けた場合は、例えば、オフセット電圧を加えた、最小電位がグランド電位である正弦波（交流電圧）等を印加するのが好ましい。

また、前述した実施形態では、第１の弾性連結部および第２の弾性連結部の形状として図示の構成のものについて説明したが、これに限定されず、例えば、その形状が、クランク形状等であってもよいし、分岐した構造を有するものであってもよい。
また、前述した第１〜第３実施形態では、第１の質量部２１、２２の電極４と対向する面に、短絡防止用の絶縁膜が設けられている構成について説明したが、例えば、このような絶縁膜は、電極４の表面に設けられていてもよいし、両方に設けられていてもよい。

また、前述した第４実施形態では、コイル２０が第１の質量部２１、２２の蓋部材３３側の面に設けられている構成について説明したが、例えば、その逆の面に設けられていてもよいし、第１の質量部２１、２２の内部に設けられているものであってもよい。
また、前述した実施形態では、第１の質量部が一対で設けられる構成のものであったが、第１の質量部は、第２の質量部を囲むように設けられる構成のものであってもよい。

本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す平面図である。 図１中のＡ−Ａ線断面図である。 図１に示すアクチュエータの電極の配置を示す平面図である。 印加する交流電圧の一例を示す図である。 印加した交流電圧の周波数と、第１の質量部および第２の質量部の共振曲線を示すグラフである。 第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 第１実施形態のアクチュエータの製造方法を説明するための図である。 本発明のアクチュエータの第２実施形態を示す縦断面図である。 本発明のアクチュエータの第３実施形態を示す平面図である。 本発明のアクチュエータの第４実施形態を示す平面図である。 本発明のアクチュエータの第５実施形態を示す平面図である。 従来のアクチュエータを説明するための図である。

符号の説明

１……アクチュエータ ２……振動系 ２１、２２……第１の質量部 ２１１、２２１……端部 ２３……第２の質量部 ２３１……光反射部 ２３２……端部 ２４、２４’……第１の弾性連結部 ２５、２５’……第２の弾性連結部 ２６……回動中心軸 ３……基体 ３０……凹部 ３００……開口 ３１……枠部 ３２……底部材 ３２１……凹部 ３２１ａ……第２の開口 ３３……蓋部材 ３４……スペーサ ３４１……開口部 ３５……封止部材 ４……電極 ５……シリコン基板 ５１……凹部 ６……金属マスク ７……レジストマスク ８、９……シリコン基板 １０……端子 ２０……コイル ４０……永久磁石 ４００……ピエゾアクチュエータ Ｌ_１、Ｌ_２、Ｌ_３……距離 ３００……可動電極板 ３００ａ……両端固定部 ３００ｂ……トーションバー ３００ｃ……可動電極部 ２００……スペーサ ９００……固定電極 ５００……電源 ６００……スイッチ １０００……ガラス基板

Claims (16)

1. 凹部を有し、該凹部が開放する開口が形成された基体と、
   前記凹部内に設けられ、交流電圧を印加することによって、前記開口の開口面に対して傾斜するように回動可能な第１の質量部と、該第１の質量部の回動に伴い、前記第１の質量部に連結され、前記開口の開口面に対して傾斜するように回動可能な第２の質量部とを備える２自由度振動系と、
   前記基体の前記開口を覆うように設けられた平板状部材と、
   平面視において前記第１の質量部と重ならないように設けられ、前記基体と前記平板状部材との間隔を規定するとともに、前記凹部の気密性を保持するスペーサとを有し、
   前記平板状部材は、光透過性を有し、
   前記第２の質量部の前記平板状部材側の面に、光反射部を有し、
   前記平板状部材と前記スペーサと前記基体とが互いに別体であり、前記平板状部材と前記基体とがスペーサを介して接合され、
   前記スペーサは、前記平板状部材と前記光反射部との間の光路長を規定していることを特徴とするアクチュエータ。
2. 前記２自由度振動系は、基板の一方の面に形成された凹部によって薄肉化された部分の一部を貫通するまでエッチングすることにより形成されたものであり、当該基板の他方の面に前記スペーサを介して前記平板状部材が接合されている請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記スペーサの平均厚さは、１〜２０００μｍである請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記スペーサは、シリコンを主材料として構成されたものである請求項１ないし３のいずれかに記載のアクチュエータ。
5. 前記基体には、その前記凹部の底面に、前記第２の質量部が回動したとき、該第２の質量部が前記基体に接触するのを防止するための逃げ部が形成されている請求項１ないし４のいずれかに記載のアクチュエータ。
6. 前記基体には、前記逃げ部が前記２自由度振動系と反対側の面で開放することにより、第２の開口が形成され、
   前記基体の前記凹部と反対側には、前記第２の開口を気密的に封止する平板状をなす封止部材が設けられている請求項５に記載のアクチュエータ。
7. 前記２自由度振動系は、前記第１の質量部を一対備え、
   前記一対の第１の質量部の一方は、前記第２の質量部の一端側に設けられ、他方は、前記第２の質量部の他端側に設けられている請求項１ないし６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記一方の第１の質量部の回動中心軸と、該一方の第１の質量部の前記回動中心軸に対して、ほぼ垂直な方向の端部との間の距離をＬ_１とし、前記他方の第１の質量部の回動中心軸と、該他方の第１の質量部の前記回動中心軸に対して、ほぼ垂直な方向の端部との間の距離をＬ_２とし、前記第２の質量部の回動中心軸と、該第２の質量部の前記回動中心軸に対して、ほぼ垂直な方向の端部との間の距離をＬ_３としたとき、Ｌ_１とＬ_３とが、Ｌ_１＜Ｌ_３なる関係を満足し、かつ、Ｌ_２とＬ_３とが、Ｌ_２＜Ｌ_３なる関係を満足する請求項７に記載のアクチュエータ。
9. 前記距離Ｌ_１と、前記距離Ｌ_２とがほぼ等しい請求項８に記載のアクチュエータ。
10. 前記交流電圧の周波数が、前記第１の質量部と前記第２の質量部とが共振する２自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定されている請求項１ないし９のいずれかに記載のアクチュエータ。
11. 前記２自由度振動系は、前記第１の質量部と前記基体とを、前記第１の質量部が前記基体に対して回動可能に連結する、少なくとも一対の第１の弾性連結部と、
    前記第１の質量部と前記第２の質量部とを、前記第２の質量部が前記第１の質量部に対して回動可能に連結する、少なくとも一対の第２の弾性連結部とを備える請求項１ないし１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
12. 前記第１の弾性連結部のばね定数をｋ_１とし、前記第２の弾性連結部のばね定数をｋ_２としたとき、ｋ_１とｋ_２とが、ｋ_１＞ｋ_２なる関係を満足する請求項１１に記載のアクチュエータ。
13. 前記２自由度振動系は、前記第１の弾性連結部および前記第２の弾性連結部のうちの少なくとも一方が、その内部にピエゾ抵抗素子を備えている請求項１１または１２に記載のアクチュエータ。
14. 前記第１の質量部の慣性モーメントをＪ_１とし、前記第２の質量部の慣性モーメントをＪ_２としたとき、Ｊ_１とＪ_２とがＪ_１≦Ｊ_２なる関係を満足する請求項１ないし１３のいずれかに記載のアクチュエータ。
15. 前記基体には、その前記凹部の底面に、前記第１の質量部と対向するように設けられた電極を有し、
    該電極と前記第１の質量部との間に生じる静電気力によって、前記第１の質量部が回動する請求項１ないし１４のいずれかに記載のアクチュエータ。
16. 前記平板状部材の表面粗さＲａは、１μｍ以下である請求項１ないし１５のいずれかに記載のアクチュエータ。

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