JP4561262B2 - アクチュエータ - Google Patents
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Description
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、騒音、発熱、消費電力が大きいことや小型化が困難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。
図13の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400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400との間にはスイッチ600を介して電源500が接続される。
本発明のアクチュエータは、第1の質量部と、
第2の質量部と、
圧電素子を積層して成る積層構造を有し、前記各圧電素子に交流電圧を印加することにより駆動されて振動する振動体と、
前記第1の質量部と前記第2の質量部とを支持する支持部と、
前記第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第1の質量部が前記第2の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第1の弾性連結部と、
前記第2の質量部と前記支持部とを、前記第2の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第2の弾性連結部とを有し、
前記振動体の圧電縦効果による前記圧電素子の厚さ方向への振動により前記第2の質量部が駆動し、それに伴い前記第1の質量部が回動することを特徴とする。
前記第1の質量部を介して該第1の質量部の両側部にそれぞれ設けられる1対の第2の質量部と、
前記第1の質量部と前記各第2の質量部とを支持する支持部と、
圧電素子を積層して成る積層構造を有し、該圧電素子に交流電圧を印加することにより駆動されて振動する振動体と、
前記第1の質量部と前記各第2の質量部とを、前記第1の質量部が前記各第2の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第1の弾性連結部と、
前記各第2の質量部と前記支持部とを、前記各第2の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第2の弾性連結部とを有し、
前記振動体の圧電縦効果による前記圧電素子の厚さ方向への振動により前記各第2の質量部が駆動し、それに伴い前記第1の質量部が回動することを特徴とする。
前記1対の第2の質量部に対応する部位に、それぞれ、前記振動体が設けられていることが好ましい。
これにより、容易かつ確実に、それぞれ対応する1対の第2の質量部を駆動することができる。
これにより、1対の第2の質量部の制御を簡易なものとすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記第2の質量部に空隙を隔てて対向するように設けられた対向基板を備え、
前記振動体は、前記対向基板の前記第2の質量部に対応する部位に固着されていることが好ましい。
これにより、第2の質量部に対して大きな変位量を与えることができるため、第2の質量部をより大きな回転角度(振れ角)で駆動することができる。
前記振動体は、前記凹部内に挿入され固着されていることが好ましい。
これにより、簡易な構成で第2の質量部を大きな駆動力で駆動することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記支持部と前記対向基板との間に補強板を備え、
前記支持部と前記対向基板とは、前記補強板を介して互いに接合されていることが好ましい。
これにより、簡易な構成で容易かつ確実に支持部の強度を補強することができる。
前記振動体は、前記突起を介して前記第2の質量部に駆動力を伝達するよう構成されていることが好ましい。
これにより、振動体と第2の質量部との接触面積を小さくして、振動の損失を小さくすることができる。また、容易かつ確実に第2の質量部を所望の周波数で駆動することができる。
これにより、確実に第2の質量部と振動体の突起以外での接触を防止することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記第2の質量部と前記振動体とが、予め結合していることが好ましい。
これにより、第2の質量部の振動の制御の簡素化が図れる。
これにより、例えば、第2の質量部の回転角度を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第1の質量部の振れ角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、前記変位測定手段は、前記1対の第1の弾性連結部および前記1対の第2の弾性連結部のうち少なくとも1つの内部に設けられるピエゾ抵抗素子を有することが好ましい。
これにより、容易かつ確実に、第2の質量部の回転角度を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第1の質量部の振れ角の制御に利用することができる。
これにより、構造を簡易なものとすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記変位測定手段の検出に基づいて、前記第1の弾性連結部に対しての前記第1の質量部の回動する角度を制御するよう構成されていることが好ましい。
これにより、確実に、振動体の変位量を制御することができるため、第2の質量部の回転角度(振れ角)を所望のものとすることができる。これにより、第1の質量部の振れ角を好適に制御することができる。
これにより、第2の質量部の振幅を抑制しつつ、第1の質量部の回転角度(振れ角)を大きくすることができる。
る。
前記第1の質量部は、光反射部を有することが好ましい。
これにより、本発明のアクチュエータを、例えば、光スキャナとして用いた場合、光の光路を容易に変更することができる。
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、図2は、図1中のA−A線での断面図、図3は、図1中のB−B線での断面図、図4は、振動体(積層型圧電素子)の側面図、図5は、第2の質量部の回動を示す図である。なお、図5は、第2の質量部1の回動を誇張して示した図であり、実際の回動を反映するものではない。また、図5は、突起を模式的に示す図であり、実際の寸法を反映するものではない。すなわち、第2の質量部1に対する、突起51等の大きさ(長さ)が実際より大きくなるように示している。
図1に示すアクチュエータ100は、第1の質量部(可動部)2と、1対の第2の質量部(駆動部)1、11と、支持部3と、補強板9と、対向基板6と、1対(複数)の振動体7とを有している。
第2の質量部1、11、第1の質量部2および支持部3は、それぞれ、例えば、シリコン等で構成されている。
本実施形態の第1の質量部2の表面(対向基板6が設けられている側とは反対側の面)には、光反射部21が設けられている。
対向基板6は、図2に示すように、第1の質量部2に対応する位置に開口部61を有している。
これらの振動体7、7は、第1の質量部2を中心に略線対称(対称)となるように設置されている。
振動体7、7については、その構成、機能が互いに同様であるので、以下では、代表的に、図1中右側の振動体7について説明する。
圧電素子71〜76は、それぞれ、略長方形の板状形状をなし、厚み方向の分極の向き(図4中の矢印A、B)が逆になるように交互に積層されて、例えば接着剤等により固着されている。
圧電素子71、72間の電極77、圧電素子73、74間の電極77、並びに圧電素子75、76間の電極77が例えば、外部電極53により互いに電気的に接続され、これらにより、グループ電極56を構成している。
後述するアクチュエータ100の使用の際には、この振動体7の圧電縦効果による変位により、第2の質量部1、11が押圧駆動される。
上述したような構成の2自由度振動型アクチュエータにおいては、第1の質量部2と第1の弾性連結部5とからなる第1の振動系と、第2の質量部1および11と第2の弾性連結部4とからなる第2の振動系とを構成する。
ここで、第2の質量部1の回動中心軸41に対して略垂直な方向(長手方向)の端部12との間の距離(長さ)をL1、第2の質量部11の回動中心軸41に対して略垂直な方向(長手方向)の端部12との間の距離(長さ)をL2、第1の質量部2の回動中心軸41に対して略垂直な方向の端部13との間の距離(長さ)をL3としたとき、第2の質量部1および11が、それぞれ独立して設けられているため、第2の質量部1および11と、第1の質量部2とが干渉せず、第1の質量部2の大きさにかかわらず、L1およびL2を小さくすることができる。これにより、第2の質量部1および11の回転角度(対向基板6の振動体7が設けられている面と平行な方向に対する第1の質量部2の振れ角)を大きくすることができ、第1の質量部2の回転角度を大きくすることができる。
前記関係を満たすことにより、L1およびL2をより小さくすることができ、第2の質量部1および11の回転角度をより大きくすることができ、第1の質量部2の回転角度をさらに大きくすることができる。
また、L1およびL2を小さくすることにより、より小さい駆動力で第2の質量部1および11を駆動することができるため、各振動体7に印加する電圧をさらに小さくすることができる。
なお、前述したように、本実施形態では、L1とL2とは略等しく設定されているが、L1とL2とが異なっていてもよいことは言うまでもない。
また、第2の質量部1および11の平均厚さは、1〜1500μm程度であるのが好ましく、10〜300μm程度であるのがより好ましい。
第1の弾性連結部5のばね定数k1は、1×10−4〜1×104Nm/rad程度であるのが好ましく、1×10−2〜1×103Nm/rad程度であるのがより好ましく、1×10−1〜1×102Nm/rad程度であるのがさらに好ましい。これにより、第2の質量部1および11の振れ角を抑制しつつ、第1の質量部2の振れ角をより大きくすることができる。
第1の弾性連結部5のばね定数をk1、第2の弾性連結部4のばね定数をk2としたとき、k1とk2とが、k2>k1の関係を満足するのが好ましい。これにより、第2の質量部1および11の振れ角を抑制しつつ、第1の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
以上説明したように、このアクチュエータ100によれば、振動体7、7が、それぞれ圧電縦効果により振動することによって、容易かつ確実に第2の質量部1、11を大きな駆動力、かつ、大きな回転角度(振れ角)で駆動することができる。また、第2の質量部1、11の駆動に伴い、第1の質量部2が回動するように構成されているため、第2の質量部の回転角度(振れ角)の大きいアクチュエータを提供することができる。また、第2の質量部を高い周波数(例えば、10kHz程度)で駆動することができる。
また、第2の質量部1、11と振動体7、7とは、突起51、51を介して結合されているため、振動体7、7と第2の質量部1、11との接触面積が小さくなり、振動の損失を小さくすることができる。また、容易かつ確実に第2の質量部1、11を所望の周波数で駆動することができるため、例えば、第1の質量部2の制御を容易に行うことができる。
また、本実施形態では、振動体7、7と第2の質量部1、11とが予め結合された構成としたが、結合されてなくてもよい。
フォトセンサは、第1の質量部2へ向けて光を照射する発光部と、この発光部から発せられ、第1の質量部2で反射した光(反射光)を受光し光電変換する受光部とを有し、第1の質量部2を反射した光が、受光部で受光されると、光電変換により、受光光量に応じた大きさの電圧(電流)が出力される。
なお、発光部としては、例えば、発光ダイオード、レーザダイオード等が挙げられ、受光部としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ等が挙げられる。
また、レーザダイオードを用いた場合には、レーザー光を移動体に当てたとき、反射して戻ってくる光の振動数が移動体の速度に比例して変化する現象(ドップラー効果)を利用して移動体の速度を計測する方法であるレーザードップラー法を用いて第1の質量部2の回転角度を検出することもできる。
図6〜図8は、アクチュエータの製造方法の一例を示す工程図(部分断面図)である。
本実施形態では、一例として、以下に示す第1〜第6の工程により、アクチュエータ100を製造する場合について説明する。
まず、基板60を用意する。
この基板60の構成材料としては、剛性が高いものであれば特に限定されないが、例えば、SUS(Steel Use Stainless)、パイレックスガラス(「パイレックス」は登録商標)等のガラス等が挙げられる。
次に、この金属マスク63を介して、基板60の上面側をエッチングした後、金属マスク63を除去する。これにより、図6(b)に示すように、凹部62、62が形成された基板60が得られる。
また、後述する基板90の厚さを調節することによって、第2の質量部1、11と振動体7、7との高さの関係を調節することもでき、凹部62、62を形成しなくてもそれらの高さの関係が適正である場合には、前述した工程は行わなくてもよい。
次に、振動体7、7に交流電圧を印加する導線を外部に導くための溝(図示せず)等を形成する。
次に、この基板60の第1の質量部2に対応する部位に、例えば、サンドブラスト等の方法により、貫通孔を形成する。これにより図6(c)に示すように、開口部61が形成される。
[第3の工程](振動体接合工程)
次に、凹部62、62に振動体7、7を、例えば、接着剤等により接合する。なお、接合の際に用いられる接着剤は、硬化後に弾性を有さないものが好ましく、例えば、シアノアクリレート系接着剤やエポキシ系接着剤等が挙げられる。これにより、接着剤により振動体7、7の振動が吸収されてしまうことを好適に防止することができる。
以上の工程により、図6(d)に示すように、開口部61、凹部62、62が形成され、振動体7、7が設置された対向基板6が得られる。
一方、図7(e)に示すように、シリコン基板105を用意する。
次に、図7(f)に示すように、シリコン基板105の上面側の第1の弾性連結部5に対応する部位にピエゾ抵抗素子42を設置する。
次に、シリコン基板105の下面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、突起51、51の形状に対応するように、レジストマスク(図示せず)を形成する。
また、シリコン基板105の下面に対して研磨を行うことにより突起51、51を形成してもよい。
次に、シリコン基板105の下面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、第2の質量部1、11、第1の質量部2、支持部3、第2の弾性連結部4、4、第1の弾性連結部5、5の形状に対応するように、レジストマスク(図示せず)を形成する。
次に、第1の質量部2上に光反射部21を、例えば、真空蒸着法等により成膜する。
以上の工程により、図7(i)に示すように、第2の質量部1、11、第1の質量部2、支持部3、第2の弾性連結部4、4、第1の弾性連結部5、5、光反射部21が形成された構造体140が得られる。
まず、図8(j)に示すように、基板90を用意する。
次に、図8(k)に示すように、基板90に、例えば、エッチング等を施すことにより、補強板9を形成する。
この基板90の構成材料としては、次に述べる構造体140との接合により構造体140の剛性を上げるものであれば特に限定されないが、例えば、パイレックスガラス(「パイレックス」は登録商標)等のガラス等が挙げられる。
なお、接着剤を用いた場合は、硬化後に弾性を有さないものが好ましく、例えば、シアノアクリレート系接着剤やエポキシ系接着剤等が挙げられる(第6の工程の接着剤においても同様)。
次に、前記第1〜3工程で得られた対向基板6と、前記第4〜5工程で得られた構造体150とを、例えば、接着剤、陽極接合、合金接合等により接合する。また、対向基板6と構造体150とを機械的にクランプしてもよい。
以上により図1〜図3に示すような第1実施形態のアクチュエータ100が得られる。
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9は、本発明のアクチュエータの第2実施形態を示す平面図、図10は、図9中のC−C線での断面図である。
本実施形態のアクチュエータ100は、図9に示すように、構造体110を有している。
この構造体110は、連結部材30と、振動体7とで構成されている。
また、図10中右側のベース部31は、振動体7の図10中上側に固着されている。これにより、振動体7の振動によりベース部31、31が同時に振動する。
このベース部31、31は、それぞれ、突起51、51を介して第2の質量部1、11に固着されている。
そして、このアクチュエータ100では、振動体7の駆動力が第2の質量部1および11に略等しく作用し、容易かつ確実に第2の質量部1、11を同期的に駆動することができる。これにより、第2の質量部の制御を簡易なものとすることができる。また、振動体7の数を減らすことによる低コスト化、軽量化が図れる。
以上、本発明のアクチュエータ100を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
また、前述した実施形態では、第2の弾性連結部4を1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、2対以上であってもよい。
また、前述した実施形態では、第1の弾性連結部5を1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、2対以上であってもよい。
また、前述した各実施形態では、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。
以上説明したようなアクチュエータは、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、チューナブルエタロン、イメージング用ディスプレイ等のMEMS(Micro Electro-Mechanical Systems)デバイスの駆動に好適に適用することができる。
Claims (2)
- 第1の質量部と、
前記第1の質量部を介して該第1の質量部の両側にそれぞれ設けられる1対の第2の質量部と、
前記第1の質量部と前記1対の第2の質量部とを支持する支持部と、
圧電素子を積層して成る積層構造を有し、該圧電素子に交流電圧を印加することにより駆動されて前記積層方向に振動する振動体と、
前記第1の質量部と前記1対の第2の質量部とを、前記第1の質量部が前記1対の第2の質量部に対して回動可能に連結する、1対の第1の弾性連結部と、
前記1対の第2の質量部と前記支持部とを、前記1対の第2の質量部が前記支持部に対して回動可能に連結する、1対の第2の弾性連結部とを有し、
前記1対の第1の弾性連結部は、前記1対の第2の弾性連結部と同軸上に設けられており、
前記振動体と前記第2の質量部とのいずれか一方または両方には、突起が設けられ、前記振動体は、前記1対の第2の質量部に対応する部位に、それぞれ、該振動体の前記積層方向が前記弾性連結部の軸方向に対して垂直方向となり、前記突起を介して前記第2の質量部に駆動力を伝達するよう配置されており、
前記振動体の圧電縦効果による前記圧電素子の厚さ方向への振動により前記1対の第2の質量部が駆動し、それに伴い前記第1の質量部が回動することを特徴とするアクチュエータ。 - 前記振動体は、前記1対の第2の質量部を、それぞれ、同期的に駆動し得るよう構成されている請求項1に記載のアクチュエータ。
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