JP4581847B2 - 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、危機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。
このようなアクチュエータにあっては、低電圧駆動で反射ミラーの振れ角を大きくする場合、ねじりバネに必要な強度を確保しつつ、ねじりバネのバネ定数を小さくする必要がある。このような場合、ねじりバネが単なる棒状部材で構成されていると、ねじりバネを長尺化しなければならず、反射ミラーの回動軸線方向にねじりバネの寸法が大きくなり、アクチュエータの大型化を招いてしまう。
しかし、特許文献1では、反射ミラーの回動軸線を含み反射ミラーの板面に垂直な面に対して、ねじりバネが対称な形状となっていないため、駆動時に反射ミラーの回動軸線にブレを生じて、所望の振動を得ることができない。
前記各第1の質量部を支持するための支持部と、
前記支持部に対して前記各第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記各第1の質量部とを連結する1対の第1の弾性連結部と、
前記1対の第1の質量部の間に設けられ、略板状をなす第2の質量部と、
前記各第1の質量部に対して前記第2の質量部を回動可能とするように、前記各第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する1対の第2の弾性連結部とを有し、
前記各第1の質量部を回動させ、これに伴い、前記各第2の弾性連結部を捩り変形させながら、前記第2の質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
前記各第2の弾性連結部は、前記第1の質量部から前記第2の質量部側へ前記第2の質量部の回動中心軸に沿って延出する第1の軸部と、前記第2の質量部から前記第1の質量部側へ前記第2の質量部の回動中心軸に沿って延出する第2の軸部と、前記第1の軸部と前記第2の軸部との間に分岐して設けられ、前記第1の軸部と前記第2の軸部とを連結する2つの分岐部とを有するとともに、前記各第2の弾性連結部は、前記第2の質量部の回動中心軸を含み前記第2の質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成され、
前記2つの分岐部は、互いに離間し、かつ、
前記各分岐部は、複数回折り返された形状をなし、
前記各第2の弾性連結部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長は、前記各第1の質量部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長よりも大きく、かつ、前記第2の質量部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長よりも小さいことを特徴とする。
これにより、低電圧駆動が可能で、かつ、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる。
これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
これにより、アクチュエータを光スキャナ、光アッテネータ、光スイッチなどの光デバイスに適用することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記各第1の弾性連結部および前記各第2の弾性連結部は、前記第2の質量部の回動中心軸を含み前記第2の質量部の板面に平行な面に対して対称となるように構成されていることが好ましい。
これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
<第1実施形態>
まず、本発明のアクチュエータの第1実施形態を説明する。
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。
基体2は、1対の第1の質量部(駆動部)21、22と、1対の支持部23、24と、第2の質量部(可動部)25と、1対の第1の弾性連結部26、27と、1対の第2の弾性連結部28、29とを備えている。このような基体2にあっては、左右対称な形状となるように、第2の質量部25を中心とし、その左方に、第2の弾性連結部28、第1の質量部21、支持部23が順次配設され、右方に、第2の弾性連結部29、第1の質量部22、支持部24が順次配設されている。
また、1対の質量部21、22の間には、第2の質量部25が設けられており、1対の質量部21、22は、第2の質量部25を中心として、ほぼ左右対称となるように設けられている。
このような第1の質量部21、22および第2の質量部25にあっては、第1の質量部21、22が第1の弾性連結部26、27を介して支持部23、24に接続され、第2の質量部25が第2の弾性連結部28、29を介して第1の質量部21、22に接続されている。
第2の弾性連結部28は、第2の質量部25を第1の質量部21に対して回動可能とするように、第2の質量部25と第1の質量部21とを連結している。これと同様に、第2の弾性連結部29は、第2の質量部25を第1の質量部22に対して回動可能とするように、第2の質量部25と第1の質量部22とを連結している。
そして、2つの分岐部281、282は、第2の質量部25の回動中心軸を含み第2の質量部25の板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。これと同様に、2つの分岐部291、292は、第2の質量部25の回動中心軸を含み第2の質量部25の板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。
そして、各分岐部281、282、291、292は、複数回折り曲げられたような形状をなしている。これにより、第2の弾性連結部28、29に必要な強度を確保するとともに、第2の質量部25の回動軸線方向への第2の弾性連結部28、29の長尺化を防止しつつ、第2の弾性連結部28、29のバネ定数を低減することができる。
また、第1の弾性連結部26、27および第2の弾性連結部28、29は、第2の質量部25の回動中心軸を含み第2の質量部25の板面に平行な面に対して対称となるように構成されている。
各第1の弾性連結部26、27および各第2の弾性連結部28、29は、同軸的に設けられており、これらを回動中心軸(回転軸)として、第1の質量部21、22が支持部23、24に対して、また、第2の質量部25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2自由度振動系は、基体2の全体の厚さよりも薄く形成されているとともに、図2にて上下方向で基体2の上部に位置している。換言すれば、基体2には、基体2の全体の厚さよりも薄い部分が形成されており、この薄い部分に異形孔が形成されることにより、第1の質量部21、22と第2の質量部25と第1の弾性連結部26、27と第2の弾性連結部28、29とが形成されている。
このような基体2は、例えば、シリコンを主材料として構成されていて、第1の質量部21、22と、第2の質量部25と、支持部23、24と、第1の弾性連結部26、27と、第2の弾性連結部28、29とが一体的に形成されている。
対向基板3の上面には、図2および図3に示すように、第2の質量部25に対応する部分に開口部31が形成されている。
この開口部31は、第2の質量部25が回動(振動)する際に、対向基板3に接触するのを防止する逃げ部を構成する。開口部(逃げ部)31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25の振れ角(振幅)をより大きく設定することができる。
なお、第1の質量部21、22は、各電極32と対向する面に、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32との間での短絡が発生するのが好適に防止される。
すなわち、第1の質量部21、22と各電極32との間に、例えば、正弦波(交流電圧)等を印加する。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32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32に、図4(b)に示すような波形の電圧を印加する。すると、第1の質量部21、22と各電極32との間に静電気力(クーロン力)が生じる。
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28、29を介して連結されている第2の質量部25も、第2の弾性連結部28、29を軸に、対向基板3の板面(図1における紙面)に対して傾斜するように振動(回動)する。
また、第2の弾性連結部28、29が分岐部281、282、291、292を有する。すなわち、第2の弾性連結部28および第2の弾性連結部29の双方が分岐部を有する。これにより、低電圧駆動が可能で、かつ、より確実に、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる。
また、第1の弾性連結部26、27および第2の弾性連結部28、29は、第2の質量部25の回動中心軸を含み第2の質量部25の板面に平行な面に対して対称となるように構成されている。これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
また、第1の質量部21の回動中心軸からこれに直角な方向(長手方向)での長さ(最大長)をL1とし、第1の質量部22の回動中心軸からこれに直角な方向(長手方向)での長さ(最大長)をL2とし、第2の質量部25の回動中心軸からこれに直角な方向での長さ(最大長)をL3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2の質量部25の大きさ(長さL3)にかかわらず、第1の質量部21、22と第2の質量部25とが干渉せず、L1およびL2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、その結果、第2の質量部25の回転角度を大き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25の寸法は、それぞれ、L1<L3かつL2<L3なる関係を満足するよう設定されるのが好ましい。
また、第2の弾性連結部28の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長をL4とし、第2の弾性連結部28、29の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長をL5としたときに、L4、L5は、それぞれ、L3よりも小さいのが好ましい。これにより、第2の弾性連結部28、29が対向基板3に接触するのを防止することができる。その結果、第2の弾性連結部28、29が第2の質量部25の振れ角を制限してしまうのを防止することができる。また、第2の質量部25の回動軸線のブレをより確実に防止することができる。
この場合、第2の質量部25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。
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25の大回転角度での振動(回動)とを実現することができる。
なお、前述したように、本実施形態では、L1とL2とはほぼ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。
すなわち、かかる振動系は、第1の質量部21、22の振幅と、第2の質量部25の振幅とが大きくなる2つの共振周波数fm1[kHz]、fm3[kHz](ただし、fm1<fm3)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fm2[kHz]とを有している。
なお、本明細書中では、F[kHz]とfm1[kHz]とがほぼ等しいとは、(fm1−1)≦F≦(fm1+1)の条件を満足することを意味する。
第2の質量部25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26、27のばね定数k1は、1×10−4〜1×104Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×103Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×102Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第2の質量部25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J1とし、第2の質量部25の慣性モーメントをJ2としたとき、J1とJ2とは、J1≦J2なる関係を満足することが好ましく、J1<J2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25の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
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7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7中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
次に、シリコン基板5の一方の面に、図6(b)に示すように、支持部23、24と各質量部21、22、25と各弾性連結部26、27、28、29との形状(平面視形状)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。
そして、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、支持部23、24の形状に対応するように、レジストマスク7を形成する。なお、レジストマスク7の形成は、金属マスク6の形成よりも先に行ってもよい。
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、以下の各工程におけるエッチングにおいても、同様の方法を用いることができる。
そして、金属マスク6を除去した後、第2の質量部25上に金属膜を成膜し、光反射部251を形成する。
なお、シリコン基板5に対しエッチングを行った後、金属マスク6は除去せずに残存させ、その一部を光反射部251として用いることができる。
以上の工程により、図6(e)に示すように、支持部23、24と各質量部21、22、25と各弾性連結部26、27、28、29とが一体的に形成された構造体、すなわち基体2が得られる。
そして、シリコン基板9の一方の面に、開口部31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、図7(g)に示すように、金属マスクを除去する。
電極32は、シリコン基板9に金属膜を成膜し、電極32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。
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。
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8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9は、図8におけるA−A線断面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図8中の紙面に対し手前側を「上」、紙面に対し奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」、図9中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
第2実施形態のアクチュエータ1Aは、1自由度振動系のアクチュエータである以外は、第1実施形態のアクチュエータ1とほぼ同様である。
すなわち、図8及び図9に示すアクチュエータ1Aは、図1にて、前述の第1実施形態のアクチュエータ1の第1の質量部21、22および第1の弾性連結部26、27を省略し、第2の質量部25を第2の弾性連結部28、29を介して支持部23、24に接続したような構成となっている。
基体2Aは、1対の支持部23、24と、質量部(可動部)25Aと、1対の弾性連結部28A、29Aとを備えている。このような基体2Aにあっては、左右対称な形状となるように、質量部25Aを中心とし、その左方に、弾性連結部28A、支持部23が順次配設され、右方に、弾性連結部29A、支持部24が順次配設されている。
このような質量部25Aは、弾性連結部28A、29Aを介して支持部23、24に接続されている。
本発明にかかるアクチュエータ1Aでは、弾性連結部28A、29Aは、弾性連結部28Aは、その途中に、分岐した2つの分岐部281A、282Aを有している。これと同様に、第2の弾性連結部29Aは、その途中に、分岐した2つの分岐部291A、292Aを有している。
すなわち、弾性連結部28A、29Aは、それぞれ、質量部25Aの回動中心軸を含み質量部25Aの板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。
また、弾性連結部28A、29Aは、質量部25Aの回動中心軸を含み質量部25Aの板面に平行な面に対して対称となるように構成されている。
また、質量部25Aは、質量部25Aの回動中心軸を含み質量部25Aの板面に直角な面に対して対称となるように構成されている。
このような1自由度振動系は、基体2Aの全体の厚さよりも薄く形成されているとともに、図9にて上下方向で基体2Aの上部に位置している。
前述したような基体2Aに接合した対向基板3Aは、例えば、ガラスやシリコンを主材料として構成されている。
質量部25Aと各電極32Aとは、図示しない電源に接続されており、質量部25Aと各電極32A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、質量部25Aは、各電極32Aと対向する面に、絶縁膜(図示せず)が設けられている。これにより、質量部25Aと各電極32Aとの間での短絡が発生するのが好適に防止される。
以上のような構成のアクチュエータ1Aは、次のようにして駆動する。
このとき、弾性連結部28A、29Aは、質量部25Aの回動中心軸を含み質量部25Aの板面に直角な面に対して対称となるように構成されているので、質量部25Aの回動中心軸のブレを防止して、所望の振動を得ることができる。特に、各分岐部281A、282A、291A、292Aは、複数回折り曲げられたような形状をなしていて、弾性連結部28A、29Aに必要な強度を確保するとともに、質量部25Aの回動軸線方向への弾性連結部28A、29Aの長尺化を防止しつつ、弾性連結部28A、29Aのバネ定数を低減している。そのため、小型化を図りつつ、低電圧駆動が可能である。
また、弾性連結部28A、29Aが分岐部281A、282A、291A、292Aを有する。すなわち、弾性連結部28Aおよび弾性連結部29Aの双方が分岐部を有する。これにより、低電圧駆動が可能で、かつ、より確実に、小型化を図りつつ、大きな振れ角で所望の振動を得ることができる。
また、弾性連結部28A、29Aは、質量部25Aの回動中心軸を含み質量部25Aの板面に平行な面に対して対称となるように構成されている。これにより、より確実に、所望の振動を得ることができる。
上述したようなアクチュエータ1、1Aは、各種の電子機器に適用することができ、得られる電子機器は、信頼性の高いものとなる。
以上、本発明のアクチュエータについて、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い。例えば、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、分岐部が質量部または第2の質量部の板面に平行な面上のみで複数回折れ曲がったような形状をなしているものについて説明したが、質量部または2の質量部の回動中心軸を含み質量部または第2の質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成されていれば、分岐部は立体的に折れ曲がった形状をなしていてもよい。
また、前述した第1実施形態では、第1の弾性連結部を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、前述した第2実施形態では、弾性連結部を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、光反射部が質量部または第2の質量部の上面(対向基板とは逆側の面)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、前述した実施形態では静電駆動方式により駆動するものについて説明したが、これに限定されない。例えば、2自由度振動系を有するアクチュエータの駆動方式としては、第1の質量部を回動させ、これに伴い、第2の弾性連結部を捩り変形させながら、第2の質量部を回動させることができるものであれば、前述したものに限定されず、例えば、圧電素子を用いて第1の質量部または第1の弾性連結部に駆動力を与えて駆動するものであってもよい。また、1自由度振動系を有するアクチュエータの駆動方式としては、弾性連結部を捩り変形させながら、質量部を回動させることができるものであれば、前述したものに限定されず、例えば、圧電素子を用いて質量部または弾性連結部に駆動力を与えて駆動するものであってもよい。
Claims (5)
- 1対の第1の質量部と、
前記各第1の質量部を支持するための支持部と、
前記支持部に対して前記各第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記各第1の質量部とを連結する1対の第1の弾性連結部と、
前記1対の第1の質量部の間に設けられ、略板状をなす第2の質量部と、
前記各第1の質量部に対して前記第2の質量部を回動可能とするように、前記各第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する1対の第2の弾性連結部とを有し、
前記各第1の質量部を回動させ、これに伴い、前記各第2の弾性連結部を捩り変形させながら、前記第2の質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
前記各第2の弾性連結部は、前記第1の質量部から前記第2の質量部側へ前記第2の質量部の回動中心軸に沿って延出する第1の軸部と、前記第2の質量部から前記第1の質量部側へ前記第2の質量部の回動中心軸に沿って延出する第2の軸部と、前記第1の軸部と前記第2の軸部との間に分岐して設けられ、前記第1の軸部と前記第2の軸部とを連結する2つの分岐部とを有するとともに、前記各第2の弾性連結部は、前記第2の質量部の回動中心軸を含み前記第2の質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構成され、
前記2つの分岐部は、互いに離間し、かつ、
前記各分岐部は、複数回折り返された形状をなし、
前記各第2の弾性連結部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長は、前記各第1の質量部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長よりも大きく、かつ、前記第2の質量部の回動中心軸からこれに直角な方向での最大長よりも小さいことを特徴とするアクチュエータ。 - 前記各第1の弾性連結部および前記各第2の弾性連結部は、それぞれ、前記第2の質量部の中心を通り前記第2の質量部の回動中心軸に直角な面に対して対称となるように構成されている請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記第2の質量部は、その板面に光反射部が設けられている請求項1または2に記載のアクチュエータ。
- 前記各第1の弾性連結部および前記各第2の弾性連結部は、前記第2の質量部の回動中心軸を含み前記第2の質量部の板面に平行な面に対して対称となるように構成されている請求項1ないし3のいずれかに記載のアクチュエータ。
- 前記各第1の質量部および前記第2の質量部は、前記第2の質量部の回動中心軸を含み前記第2の質量部の板面に直角な面に対して対称となるように構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。
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