JP4775165B2 - Actuator - Google Patents
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Description
本発明は、アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to an actuator.
例えば、レーザープリンタやディスプレイ等にて光走査により描画を行うための光スキャナとして、捩り振動子で構成されたアクチュエータを用いたものが知られている(例えば、特許文献1参照。)。
特許文献1には、1自由度振動系の捩り振動子を備えるアクチュエータが開示されている。このようなアクチュエータは、1自由度振動系の捩り振動子として、質量部を捩りバネにより支持した構造を有している。そして、質量部上には光反射性を有する光反射部が設けられており、捩りバネを捩れ変形させながら質量部を回動駆動させて、光反射部で光を反射し走査する。これにより、光走査により描画を行うことができる。
For example, an optical scanner for performing drawing by optical scanning with a laser printer, a display, or the like is known that uses an actuator composed of a torsional vibrator (see, for example, Patent Document 1).
特許文献1にかかるアクチュエータにあっては、直線状をなす捩りバネ上に、長手形状をなすp型の拡散抵抗が形成されている。そして、捩りバネを捩れ変形させながら質量部を回動させ、拡散抵抗の比抵抗値の変化量に基づき、質量部の回動角を検知する。このような検知結果に基づいて質量部を回動駆動することにより、質量部の挙動を所望のものとすることができる。ここで、拡散抵抗の比抵抗値変化は、捩りバネの捩り変形に伴う拡散抵抗の曲げ変形により、拡散抵抗に引張応力または圧縮応力が生じることによるものである。
しかしながら、捩りバネ上に生じる応力は引張応力や圧縮応力よりもせん断応力が支配的であるため、特許文献1にかかるアクチュエータのように、捩りバネ上の引張応力や圧縮応力を検出する構造では、拡散抵抗の比抵抗値変化が小さく、検知精度が低くなってしまうという問題があった。
In the actuator according to
However, since the stress generated on the torsion spring is dominated by the shear stress rather than the tensile stress and the compressive stress, in the structure for detecting the tensile stress and the compressive stress on the torsion spring as in the actuator according to
本発明の目的は、高精度に質量部の挙動を検知し、質量部の挙動を所望のものとすることができるアクチュエータを提供することにある。 An object of the present invention is to provide an actuator capable of detecting the behavior of the mass part with high accuracy and making the behavior of the mass part desired.
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、板状をなす1対の第1の質量部と、
前記1対の第1の質量部の間に設けられ、板状をなす第2の質量部と、
支持部と、
前記支持部に対して前記1対の第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記1対の第1の質量部とを連結する弾性変形可能な1対の第1の弾性部と、
前記第2の質量部を前記1対の第1の質量部に対して回動可能とするように、前記1対の第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する弾性変形可能な1対の第2の弾性部と、
前記第2の質量部の挙動を検知する挙動検知手段と、
前記挙動検知手段の検知結果に基づいて、前記各第1の弾性部を捩れ変形させながら前記各第1の質量部を回動させ、これに伴い、前記各第2の弾性部を捩れ変形させながら前記第2の質量部を回動させる駆動手段とを有するアクチュエータであって、
前記1対の第1の質量部と前記第2の質量部と前記支持部と前記1対の第1の弾性部と前記1対の第2の弾性部とは、(001)面のp型シリコン単結晶基板を加工することにより一体的に形成され、かつ、前記各第1の弾性部および前記各第2の弾性部は、前記p型シリコン単結晶基板の<110>方向に沿って延在しており、
前記挙動検知手段は、前記1対の第2の弾性部のうちの少なくとも一方の第2の弾性部上の長手方向での端部に設けられたn型の抵抗領域を備えるピエゾ抵抗素子を有し、該ピエゾ抵抗素子の比抵抗値の変化に基づいて、前記第2の質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とする。
これにより、抵抗領域の結晶方位と第2の弾性部の延在方向(第2の質量部の回動中心軸方向)との関係が最適化され、第2の質量部の回動に伴って第2の弾性部上に生じたせん断応力により抵抗領域の比抵抗値が大きく変化する。そのため、抵抗領域の比抵抗値に基づき、高精度に第2の質量部の挙動を検知し、第2の質量部の挙動を所望のものとすることができる。
Such an object is achieved by the present invention described below.
The actuator of the present invention includes a pair of first mass parts that form a plate shape,
Provided between the first mass of the pair, and the second mass to form a plate shape,
A support part;
A pair of elastically deformable first pairs that connect the support portion and the pair of first mass portions such that the pair of first mass portions are rotatable with respect to the support portion. The elastic part of
Elastically deformable to connect the pair of first mass parts and the second mass part so that the second mass parts can rotate with respect to the pair of first mass parts. A pair of second elastic portions;
Behavior detecting means for detecting the behavior of the second mass part ;
Based on the detection result of the behavior detecting means, the first mass portions are rotated while twisting and deforming the first elastic portions, and accordingly, the second elastic portions are twisted and deformed. An actuator having a driving means for rotating the second mass part ,
The pair of first mass parts, the second mass part, the support part, the pair of first elastic parts, and the pair of second elastic parts are (001) plane p-type. The silicon single crystal substrate is integrally formed by processing, and the first elastic portions and the second elastic portions extend along the <110> direction of the p-type silicon single crystal substrate. Exist,
The behavior detecting means, have a piezoresistive element comprising an n-type resistance region provided at an end portion of at least one of the second longitudinal direction on the elastic portion of the second elastic portion of said pair And it is comprised so that the behavior of the said 2nd mass part may be detected based on the change of the specific resistance value of this piezoresistive element.
Thereby, the relationship between the crystal orientation of the resistance region and the extending direction of the second elastic portion ( the rotation center axis direction of the second mass portion) is optimized, and with the rotation of the second mass portion. The specific resistance value of the resistance region changes greatly due to the shear stress generated on the second elastic portion. Therefore, the behavior of the second mass part can be detected with high accuracy based on the specific resistance value of the resistance region, and the behavior of the second mass part can be made as desired.
本発明のアクチュエータは、板状をなす1対の第1の質量部と、
前記1対の第1の質量部の間に設けられ、板状をなす第2の質量部と、
支持部と、
前記支持部に対して前記1対の第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記1対の第1の質量部とを連結する弾性変形可能な1対の第1の弾性部と、
前記第2の質量部を前記1対の第1の質量部に対して回動可能とするように、前記1対の第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する弾性変形可能な1対の第2の弾性部と、
前記第2の質量部の挙動を検知する挙動検知手段と、
前記挙動検知手段の検知結果に基づいて、前記各第1の弾性部を捩れ変形させながら前記各第1の質量部を回動させ、これに伴い、前記各第2の弾性部を捩れ変形させながら前記第2の質量部を回動させる駆動手段とを有するアクチュエータであって、
前記1対の第1の質量部と前記第2の質量部と前記支持部と前記1対の第1の弾性部と前記1対の第2の弾性部とは、(001)面のn型シリコン単結晶基板を加工することにより一体的に形成され、かつ、前記各第1の弾性部および前記各第2の弾性部は、前記n型シリコン単結晶基板の<100>方向または<010>方向に沿って延在しており、
前記挙動検知手段は、前記1対の第2の弾性部のうちの少なくとも一方の第2の弾性部上の長手方向での端部に設けられたp型の抵抗領域を備えるピエゾ抵抗素子を有し、該ピエゾ抵抗素子の比抵抗値の変化に基づいて、前記第2の質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とする。
これにより、抵抗領域の結晶方位と第2の弾性部の延在方向(第2の質量部の回動中心軸方向)との関係が最適化され、第2の質量部の回動に伴って第2の弾性部上に生じたせん断応力により抵抗領域の比抵抗値が大きく変化する。そのため、抵抗領域の比抵抗値に基づき、高精度に第2の質量部の挙動を検知し、第2の質量部の挙動を所望のものとすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記駆動手段が、前記第1の弾性部を捩れ変形させながら前記第1の質量部を回動させ、これに伴い、前記第2の弾性部を捩れ変形させながら前記第2の質量部を回動させるので、駆動電圧を低減しつつ、質量部の振れ角を大きいものとすることができる。
また、本発明のアクチュエータでは、前記ピエゾ抵抗素子が前記第2の弾性部上に設けられているので、質量部の回動に伴うピエゾ抵抗素子の比抵抗値の変化量を大きくして、質量部の挙動を高精度に検知することができる。これは、一般に、第2の質量部の振れ角は第1の質量部の振れ角よりも大きく、また、第2の弾性部の捩れ変形量は第1の弾性部の捩れ変形量よりも大きいからである。
さらに、本発明のアクチュエータでは、前記ピエゾ抵抗素子が前記第2の弾性部の長手方向での端部に設けられ、第2の弾性部の捩れ変形により第2の弾性部上に生じるせん断応力は、第2の弾性部の長手方向での中央部から端部に向け大きくなっている。そのため、質量部の回動角に対するピエゾ抵抗素子の比抵抗値の変化量を大きくして、質量部の検知精度の向上を図ることができる。
The actuator of the present invention includes a pair of first mass parts that form a plate shape,
Provided between the first mass of the pair, and the second mass to form a plate shape,
A support part;
A pair of elastically deformable first pairs that connect the support portion and the pair of first mass portions such that the pair of first mass portions are rotatable with respect to the support portion. The elastic part of
Elastically deformable to connect the pair of first mass parts and the second mass part so that the second mass parts can rotate with respect to the pair of first mass parts. A pair of second elastic portions;
Behavior detecting means for detecting the behavior of the second mass part ;
Based on the detection result of the behavior detecting means, the first mass portions are rotated while twisting and deforming the first elastic portions, and accordingly, the second elastic portions are twisted and deformed. An actuator having a driving means for rotating the second mass part ,
The pair of first mass portions, the second mass portion, the support portion, the pair of first elastic portions, and the pair of second elastic portions are (001) plane n-type. The silicon single crystal substrate is integrally formed by processing, and each of the first elastic portion and each of the second elastic portions is in the <100> direction or <010> of the n-type silicon single crystal substrate. Extending along the direction,
The behavior detecting means, have the piezoresistive element comprises a p-type resistance region provided at an end portion of at least one of the second longitudinal direction on the elastic portion of the second elastic portion of said pair And it is comprised so that the behavior of the said 2nd mass part may be detected based on the change of the specific resistance value of this piezoresistive element.
Thereby, the relationship between the crystal orientation of the resistance region and the extending direction of the second elastic portion ( the rotation center axis direction of the second mass portion) is optimized, and with the rotation of the second mass portion. The specific resistance value of the resistance region changes greatly due to the shear stress generated on the second elastic portion. Therefore, the behavior of the second mass part can be detected with high accuracy based on the specific resistance value of the resistance region, and the behavior of the second mass part can be made as desired.
In the actuator according to the aspect of the invention, the driving unit rotates the first mass portion while twisting and deforming the first elastic portion, and accordingly, the first elastic portion is twisted and deformed while the second elastic portion is twisted. Since the second mass portion is rotated, the deflection angle of the mass portion can be increased while reducing the driving voltage.
In the actuator of the present invention, since the piezoresistive element is provided on the second elastic portion, the amount of change in the specific resistance value of the piezoresistive element accompanying the rotation of the mass portion is increased, and the mass The behavior of the part can be detected with high accuracy. In general, the deflection angle of the second mass part is larger than the deflection angle of the first mass part, and the torsional deformation amount of the second elastic part is larger than the torsional deformation amount of the first elastic part. Because.
Further, in the actuator according to the present invention, the piezoresistive element is provided at an end portion in the longitudinal direction of the second elastic portion, and a shear stress generated on the second elastic portion due to torsional deformation of the second elastic portion is The second elastic portion increases from the central portion toward the end in the longitudinal direction. Therefore, the change amount of the specific resistance value of the piezoresistive element with respect to the rotation angle of the mass part can be increased to improve the detection accuracy of the mass part.
本発明のアクチュエータでは、前記抵抗領域は、前記第2の弾性部表面に不純物をドーピングすることにより形成されたものであることが好ましい。
これにより、比較的簡単に、抵抗領域の結晶方位を所望のものとすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記ピエゾ抵抗素子は、前記抵抗領域上に前記第2の質量部の回動中心軸に対し直角な方向に並接された1対の入力電極と、前記抵抗領域上に前記回動中心軸方向に並接された1対の出力電極とを有し、前記1対の入力電極を介して前記抵抗領域に電界を印加しつつ、前記1対の出力電極を介して前記抵抗領域の比抵抗値を検知するように構成されていることが好ましい。
これにより、質量部の回動量に対する抵抗領域の比抵抗値変化を1対の出力電極間における電圧値変化として検知するとともに、その電圧値変化を弾性部上のせん断応力のみによるものとすることができる。そのため、より高精度に質量部の挙動を検知し、質量部の挙動をより確実に所望のものとすることができる。
In the actuator of the present invention, it is preferable that the resistance region is formed by doping impurities on the surface of the second elastic portion.
Thereby, the crystal orientation of the resistance region can be set to a desired one relatively easily.
In the actuator of the present invention, the piezoresistive element includes a pair of input electrodes juxtaposed on the resistance region in a direction perpendicular to the rotation center axis of the second mass unit, and the resistance region. A pair of output electrodes juxtaposed in the direction of the central axis of rotation, while applying an electric field to the resistance region via the pair of input electrodes, and via the pair of output electrodes It is preferable to be configured to detect the specific resistance value of the resistance region.
As a result, the specific resistance value change in the resistance region with respect to the rotation amount of the mass part is detected as a voltage value change between the pair of output electrodes, and the voltage value change is caused only by the shear stress on the elastic part. it can. Therefore, the behavior of the mass portion can be detected with higher accuracy, and the behavior of the mass portion can be made more surely desired.
本発明のアクチュエータでは、前記出力電極は、差動増幅回路に接続されていることが好ましい。
これにより、ピエゾ抵抗素子の比抵抗値変化(電圧値変化)を高精度に(高感度で)検知することができる。その結果、より高精度に質量部の挙動を検知することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記ピエゾ抵抗素子は、前記第2の質量部の一方の面側にて各前記第2の弾性部上に設けられており、1対の前記ピエゾ抵抗素子のうちの一方のピエゾ抵抗素子における電界の方向と他方のピエゾ抵抗素子における電界の方向とが互いに同方向であることが好ましい。
これにより、ピエゾ抵抗素子の比抵抗値変化を電圧値変化としてより高精度に(高感度で)検知することができる。その結果、さらに高精度に質量部の挙動を検知することができる。
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the output electrode is connected to a differential amplifier circuit.
Thereby, a change in specific resistance value (voltage value change) of the piezoresistive element can be detected with high accuracy (with high sensitivity). As a result, the behavior of the mass part can be detected with higher accuracy.
In the actuator according to the aspect of the invention, the piezoresistive element is provided on each second elastic part on one surface side of the second mass part, and one of the pair of piezoresistive elements. The direction of the electric field in the piezoresistive element is preferably the same as the direction of the electric field in the other piezoresistive element.
Thereby, the change in the specific resistance value of the piezoresistive element can be detected with higher accuracy (with high sensitivity) as the voltage value change. As a result, the behavior of the mass part can be detected with higher accuracy.
本発明のアクチュエータでは、1対の前記ピエゾ抵抗素子は、互いに前記第2の質量部に対して対称に設けられていることが好ましい。
これにより、ピエゾ抵抗素子の比抵抗値変化を電圧値変化としてさらに高精度に(高感度で)検知することができる。その結果、極めて高精度に質量部の挙動を検知することができる。
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the pair of piezoresistive elements is provided symmetrically with respect to the second mass portion.
Thereby, a change in the specific resistance value of the piezoresistive element can be detected as a voltage value change with higher accuracy (with high sensitivity). As a result, the behavior of the mass portion can be detected with extremely high accuracy.
本発明のアクチュエータでは、前記第2の質量部は、光反射部が設けられていることが好ましい。
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学デバイスに適用することができる。
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the second mass portion is provided with a light reflecting portion.
Thereby, the actuator can be applied to an optical device such as an optical scanner, an optical attenuator, or an optical switch.
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1参考例>
まず、本発明のアクチュエータの第1参考例を説明する。
図1は、本発明のアクチュエータの第1参考例を示す平面図、図2は、図1中のA−A線断面図、図3は、図1中のB−B線断面図、図4は、図1に示すアクチュエータの第2の質量部および第2の弾性部を示す部分拡大斜視図、図5および図6は、それぞれ、図1に示すアクチュエータに備えられたピエゾ抵抗素子を説明するための図、図7は、(001)面シリコン基板における結晶方位とピエゾ抵抗係数との関係を示す図、図8は、図1に示すアクチュエータの制御系の概略構成を示す図、図9は、図1に示すアクチュエータの駆動電圧の電圧波形の一例を示す図、図10は、図1に示すアクチュエータの駆動電圧として交流電圧を用いた場合における交流電圧の周波数と、第1の質量部および第2の質量部のそれぞれの振幅との関係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中および図3中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an actuator of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
<First Reference Example >
First, a first reference example of the actuator of the present invention will be described.
1 is a plan view showing a first reference example of the actuator of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1, FIG. 3 is a sectional view taken along line BB in FIG. FIG. 5 is a partially enlarged perspective view showing a second mass part and a second elastic part of the actuator shown in FIG. 1, and FIGS. 5 and 6 illustrate a piezoresistive element provided in the actuator shown in FIG. 1, respectively. FIG. 7 is a diagram showing the relationship between the crystal orientation and the piezoresistance coefficient in the (001) plane silicon substrate, FIG. 8 is a diagram showing a schematic configuration of the actuator control system shown in FIG. 1, and FIG. FIG. 10 is a diagram showing an example of the voltage waveform of the drive voltage of the actuator shown in FIG. 1. FIG. 10 shows the frequency of the AC voltage when the AC voltage is used as the drive voltage of the actuator shown in FIG. Relationship with amplitude of each second mass part It is a graph showing. In the following, for convenience of explanation, the front side of the page in FIG. 1 is referred to as “up”, the back side of the page is referred to as “down”, the right side is referred to as “right”, and the left side is referred to as “left”. The upper side is called “upper”, the lower side is called “lower”, the right side is called “right”, and the left side is called “left”.
アクチュエータ1は、図1ないし図3に示すような2自由度振動系を有する基体2と、この基体2を支持する支持基板3とを有している。
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の弾性部26、27と、1対の第2の弾性部28、29と、1対の電極32、33とを備えている。ここで、第1の質量部21、22と第1の弾性部26、27と第2の弾性部28、29とは、質量部である第2の質量部25を支持部23、24に対し回動可能とするように、第2の質量部25と支持部23、24とを連結する1対の弾性部である。
The
The
このようなアクチュエータ1にあっては、1対の電極32、33に電圧を印加することにより、1対の第1の弾性部26、27を捩れ変形させながら1対の第1の質量部21、22を回動させ、これに伴って、1対の第2の弾性部28、29を捩れ変形させながら第2の質量部25を回動させる。このとき、1対の第1の質量部21、22および第2の質量部25は、それぞれ、図1に示す回動中心軸Xを中心にして回動する。
In such an
1対の第1の質量部21、22は、それぞれ、板状をなし、互いにほぼ同一寸法でほぼ同一形状をなしている。
また、第1の質量部21の平面視にて回動中心軸Xに直角な方向での両端部(回動中心軸Xからの遠位側の両端部)には、櫛歯状をなす櫛歯状電極部211、212が設けられている。これと同様に、第1の質量部22の平面視にて回動中心軸Xに直角な方向での両端部(回動中心軸Xからの遠位側の両端部)には、櫛歯状をなす櫛歯状電極部221、222が設けられている。
The pair of first
Further, combs having a comb-tooth shape are formed at both ends (both ends on the distal side from the rotation center axis X) in a direction perpendicular to the rotation center axis X in a plan view of the
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、図1における平面視にて、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。
第2の質量部25は、板状をなし、その板面に光反射部251が設けられている。これにより、アクチュエータ1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。
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の弾性部28、29を介して第1の質量部21、22に接続されている。
Moreover, the 2nd
The
In such
第1の弾性部26は、第1の質量部21を支持部23に対して回動可能とするように、第1の質量部21と支持部23とを連結している。これと同様に、第1の弾性部27は、第1の質量部22を支持部24に対して回動可能とするように、第1の質量部22と支持部24とを連結している。
第2の弾性部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。
The first
The second
各第1の弾性部26、27および各第2の弾性部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)X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。
このように、基体2は、第1の質量部21、22と第1の弾性部26、27とで構成された第1の振動系と、第2の質量部25と第2の弾性部28、29とで構成された第2の振動系とを有する。すなわち、基体2は、第1の振動系および第2の振動系からなる2自由度振動系を有する。
The first
As described above, the
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および図3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の弾性部26、27と第2の弾性部28、29とが形成されている。
Such a two-degree-of-freedom vibration system is formed thinner than the entire thickness of the
本参考例では、前記薄肉部の上面が支持部23、24の上面と同一面上に位置することにより、前記薄い部分の下方には、各質量部21、22、25の回動のための空間(凹部)30が形成されている。
このような基体2は、後述するように、(001)面のp型シリコン単結晶基板またはn型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである。すなわち、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の弾性部26、27と、第2の弾性部28、29とは、(001)面のp型シリコン単結晶基板またはn型シリコン単結晶基板を加工することにより一体的に形成されたものである。
In the present reference example , the upper surface of the thin portion is positioned on the same plane as the upper surfaces of the
Such a
そして、基体2が(001)面のp型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、第1の弾性部26、27および第2の弾性部28、29は、それぞれ、(001)面のp型シリコン単結晶基板の<110>方向に沿って延在している。一方、基体2が(001)面のn型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、第1の弾性部26、27および第2の弾性部28、29は、(001)面のn型シリコン単結晶基板の<100>方向または<010>方向に沿って延在している。
When the
なお、基体2は、SOI基板等の積層構造を有する基板から、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の弾性部26、27と、第2の弾性部28、29と、電極32、33とを形成したものであってもよい。その際、第1の質量部21、22と、第2の質量部25と、支持部23、24の一部と、第1の弾性部26、27と、第2の弾性部28、29とが一体的となるように、これらを積層構造の基板の1つの層で構成するのが好ましい。
The
前述した第2の弾性部28の上面には、図1および図4に示すように、その長手方向に沿ってピエゾ抵抗素子41が設けられている。これと同様に、図1および図4に示すように、第2の弾性部29の上面には、その長手方向に沿ってピエゾ抵抗素子42が設けられている。
より具体的には、ピエゾ抵抗素子41は、第2の質量部25の平面視にて、回動中心軸X方向における第2の弾性部28の中央部に設けられている。
As shown in FIGS. 1 and 4, a
More specifically, the
このピエゾ抵抗素子41は、図5および図6に示すように、第2の弾性部28上に設けられたn型またはp型の不純物の拡散あるいはイオン注入により形成された抵抗領域411と、抵抗領域411上に回動中心軸Xに対し直角な方向に並接された1対の入力電極412、413と、抵抗領域411上に回動中心軸X方向に並接された1対の出力電極414、415とを有している。
As shown in FIGS. 5 and 6, the
抵抗領域411は、第2の弾性部28表面に不純物をドーピングすることにより形成されたものである。より具体的には、基体2が(001)面のp型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、第2の弾性部28表面にリンなどの不純物をドーピングすることにより形成されたn型シリコン単結晶(n型抵抗領域)である。一方、基体2が(001)面のn型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、第2の弾性部28表面にボロンなどの不純物をドーピングすることにより形成されたp型シリコン単結晶(p型抵抗領域)である。
The
そして、基体2が(001)面のp型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、抵抗領域411の<110>方向(すなわち、回動中心軸X方向)に沿って、第2の弾性部28が延在している。一方、基体2が(001)面のn型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、抵抗領域411の<100>方向または<010>方向(すなわち、回動中心軸X方向)に沿って、第2の弾性部28が延在している。
このような結晶方位に沿って第2の弾性部28が延在していると、第2の弾性部28の捩れ変形により抵抗領域411にせん断応力が生じたとき、抵抗領域411の比抵抗値の変化率を最も大きくすることができる。
When the
When the second
ここで、抵抗領域411における結晶方位と比抵抗値の変化率との関係を説明する。
第2の弾性部28が捩れ変形すると、第2の弾性部28の上面には引張応力や圧縮応力よりもせん断応力が支配的に生じる。これにより、抵抗領域411にせん断応力が生じる。
一方、シリコン単結晶(立方晶)にせん断応力τxyが生じたとき、シリコン単結晶における比抵抗の変化率Δρxy/ρ0は、次の式(1)のように表される。
Here, the relationship between the crystal orientation in the
When the second
On the other hand, when the shear stress τ xy is generated in the silicon single crystal (cubic crystal), the specific resistance change rate Δρ xy / ρ 0 in the silicon single crystal is expressed by the following equation (1).
Δρxy/ρ0=πsτxy・・・(1)
ここで、πsは、ピエゾ抵抗係数である。
式(1)から明らかなように、一定のせん断応力τxyのもとでは、ピエゾ抵抗係数πsが大きいほど、シリコン単結晶における比抵抗の変化率Δρxy/ρ0が大きくなる。すなわち、ピエゾ抵抗係数πsが大きいほど、シリコン単結晶に生じたせん断応力τxyに対しシリコン単結晶の比抵抗値が大きく変化する。
ピエゾ抵抗係数はシリコン単結晶の結晶構造による異方性を有しており、シリコン単結晶がp型である場合には、ピエゾ抵抗係数πsは、図7(a)に示すように、<010>方位または<100>方位で最大となる。一方、シリコン単結晶がn型である場合には、ピエゾ抵抗係数πsは、図7(b)に示すように、<110>方位で最大となる。
Δρ xy / ρ 0 = π s τ xy (1)
Here, π s is a piezoresistance coefficient.
As apparent from the equation (1), under a constant shear stress τ xy , the specific resistance change rate Δρ xy / ρ 0 in the silicon single crystal increases as the piezoresistance coefficient π s increases. That is, as the piezoresistance coefficient π s increases, the specific resistance value of the silicon single crystal greatly changes with respect to the shear stress τ xy generated in the silicon single crystal.
The piezoresistance coefficient has anisotropy due to the crystal structure of the silicon single crystal. When the silicon single crystal is p-type, the piezoresistance coefficient π s is < It becomes maximum at 010> orientation or <100> orientation. On the other hand, when the silicon single crystal is n-type, the piezoresistance coefficient π s is maximum in the <110> orientation, as shown in FIG.
アクチュエータ1では、前述したように基体2が(001)面のp型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、抵抗領域411は、n型のシリコン単結晶であり、かつ、抵抗領域411の<110>方向(すなわち、回動中心軸X方向)に沿って、第2の弾性部28が延在している。一方、基体2が(001)面のn型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、抵抗領域411は、p型のシリコン単結晶であり、かつ、抵抗領域411の<100>方向または<010>方向(すなわち、回動中心軸X方向)に沿って、第2の弾性部28が延在している。
In the
そのため、抵抗領域411に生じたせん断応力に対し抵抗領域411の比抵抗値が大きく変化する。
このような抵抗領域411上における回動中心軸Xに対し直角な方向での両端部のうち、一端部(図5および図6にて上側の端部)に入力電極412が設けられ、他端部(図5および図6にて下側の端部)に入力電極413が設けられている。入力電極412は、前述した支持部23上に設けられた端子416に接続され、入力電極413は、前述した支持部23上に設けられた端子417に接続されている(図1参照)。このような端子416、417を介して1対の入力電極412、413間に電圧を印加することができる。
Therefore, the specific resistance value of the
An
また、抵抗領域411上における回動中心軸X方向での両端部のうち、一端部(図5および図6にて左側の端部)に出力電極414が設けられ、他端部(図5および図6にて右側の端部)に出力電極415が設けられている。出力電極414は、前述した支持部23上に設けられた端子418に接続され、出力電極415は、前述した支持部23上に設けられた端子419に接続されている(図1参照)。このような端子418、419を介して1対の出力電極414、415間の電圧値や比抵抗値を検知することができる。
In addition, an
このように構成されたピエゾ抵抗素子41にあっては、1対の入力電極412、413を介して抵抗領域411に電界を印加しつつ、1対の出力電極414、415を介して抵抗領域411の電圧値(比抵抗値)を検知するように構成されている。
より具体的に説明すると、1対の入力電極412、413間に電圧を印加することにより、抵抗領域411上に電界を生じさせる。そして、このような電界のもと、抵抗領域411にせん断応力が生じると、1対の出力電極414、415間に電位差が生じる。この電位差は、抵抗領域411の比抵抗値、第2の弾性部28の捩れ変形量や第2の質量部25の回動角に応じたものである。したがって、この電位差に基づき、第2の質量部25の挙動を検知することができる。
In the
More specifically, an electric field is generated on the
このようにピエゾ抵抗素子41が構成されていると、第2の質量部25の回動量に対する抵抗領域411の比抵抗値変化を電圧値変化として検知するとともに、その電圧値変化を第2の弾性部28上のせん断応力のみによるものとすることができる。そのため、より高精度に第2の質量部25の挙動を検知し、第2の質量部25の挙動をより確実に所望のものとすることができる。
When the
また、前述したピエゾ抵抗素子41と同様に、ピエゾ抵抗素子42も、図5および図6に示すように、第2の弾性部29上に設けられたn型またはp型の抵抗領域421と、抵抗領域421上に回動中心軸Xに対し直角な方向に並接された1対の入力電極422、423と、抵抗領域421上に回動中心軸X方向に並接された1対の出力電極424、425とを有している。
Similarly to the
抵抗領域421は、第2の弾性部29表面に不純物をドーピングすることにより形成されたものである。ここで、基体2が(001)面のp型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、抵抗領域421の<110>方向(すなわち、回動中心軸X方向)に沿って、第2の弾性部29が延在している。一方、基体2が(001)面のn型シリコン単結晶基板を加工することにより形成されたものである場合、抵抗領域421の<100>方向または<010>方向(すなわち、回動中心軸X方向)に沿って、第2の弾性部29が延在している。
The
このような結晶方位に沿って第2の弾性部29が延在していると、第2の弾性部29の捩れ変形により抵抗領域421にせん断応力が生じたとき、前述した抵抗領域411と同様に、抵抗領域421の比抵抗値の変化率を最も大きくすることができる。
このような抵抗領域421上における回動中心軸Xに対し直角な方向での両端部のうち、一端部(図6にて上側の端部)に入力電極422が設けられ、他端部(図6にて下側の端部)に入力電極423が設けられている。入力電極422は、前述した支持部24上に設けられた端子426に接続され、入力電極423は、前述した支持部24上に設けられた端子427に接続されている(図1参照)。このような端子426、427を介して1対の入力電極422、423間に電圧を印加することができる。
When the second
The
また、抵抗領域421上における回動中心軸X方向での両端部のうち、一端部(図6にて左側の端部)に出力電極424が設けられ、他端部(図6にて右側の端部)に出力電極425が設けられている。出力電極424は、前述した支持部24上に設けられた端子428に接続され、出力電極425は、前述した支持部24上に設けられた端子429に接続されている(図1参照)。このような端子428、429を介して1対の出力電極424、425間の電圧値や比抵抗値を検知することができる。
In addition, an
このように構成されたピエゾ抵抗素子42にあっては、1対の入力電極422、423を介して抵抗領域421に電界を印加しつつ、1対の出力電極424、425を介して抵抗領域421の電圧値(比抵抗値)を検知するように構成されている。
より具体的に説明すると、1対の入力電極422、423間に電圧を印加することにより、抵抗領域421上に電界を生じさせる。そして、このような電界のもと、抵抗領域421にせん断応力が生じると、そのせん断応力の程度に応じて1対の出力電極414、415間に電位差が生じる。この電位差は、抵抗領域421の比抵抗値、第2の弾性部29の捩れ変形量や第2の質量部25の回動角に応じたものである。したがって、この電位差に基づいて、第2の質量部25の挙動を検知することができる。
In the
More specifically, an electric field is generated on the
このようにピエゾ抵抗素子42が構成されていると、第2の質量部25の回動量に対する抵抗領域421の比抵抗値変化を電圧値変化として検知するとともに、その電圧値変化を第2の弾性部29上のせん断応力のみによるものとすることができる。そのため、より高精度に第2の質量部25の挙動を検知し、第2の質量部25の挙動をより確実に所望のものとすることができる。
When the
特に、抵抗領域411、421の結晶方位と第2の弾性部28、29の延在方向(第2の質量部25の回動中心軸X方向)との関係が最適化され、第2の質量部25の回動に伴って第2の弾性部28、29上に生じたせん断応力により抵抗領域411、421の比抵抗値が大きく変化する。そのため、抵抗領域411、421の比抵抗値に基づき、高精度に第2の質量部25の挙動を検知し、第2の質量部25の挙動を所望のものとすることができる。
In particular, the relationship between the crystal orientation of the
このようなピエゾ抵抗素子41、42において、抵抗領域411、421中の不純物濃度は、それぞれ、特に限定されないが、例えば、1.0×1018〜1.0×1020cm−3であるのが好ましい。また、本参考例では、図示しないが、図2にて基体2の上面のうちピエゾ抵抗素子41、42以外の部分には、シリコン酸化膜などの絶縁層が形成され、この絶縁層上に端子416〜419、426〜429や配線が形成されている。
In such
また、電極32、33は、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の弾性部26、27と第2の弾性部28、29とに対し、離間している。これにより、電極32、33は、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の弾性部26、27と第2の弾性部28、29に対し電気的に絶縁されている。
The
また、電極32は、前述した第1の質量部21の櫛歯状電極部211に対し間隔を隔てつつ噛み合うように設けられた櫛歯状電極部321と、第1の質量部22の櫛歯状電極部221に対し間隔を隔てつつ噛み合うように設けられた櫛歯状電極部322とが形成されている。
これと同様に、電極33は、前述した第1の質量部21の櫛歯状電極部212に対し間隔を隔てつつ噛み合うように設けられた櫛歯状電極部331と、第1の質量部22の櫛歯状電極部222に対し間隔を隔てつつ噛み合うように設けられた櫛歯状電極部332とが形成されている。
The
Similarly to this, the
ここで、櫛歯状電極部211は、櫛歯状電極部321に対し、上下方向に初期変位しているのが好ましい。これと同様に、櫛歯状電極部212は櫛歯状電極部331に対し、櫛歯状電極部221は櫛歯状電極部322に対し、櫛歯状電極部222は櫛歯状電極部332に対し、上下方向に初期変位しているのが好ましい。これにより、第1の質量部21、22の回動駆動の開始を簡単にすることができる。
Here, it is preferable that the comb-shaped
電極32、33は、後述する電源回路12に接続されており、電極32、33に交流電圧(駆動電圧)を印加できるよう構成されている。
前述したような基体2に接合した支持基板3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。
支持基板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。
The
The
As shown in FIGS. 2 and 3, an
この開口部31は、第2の質量部25が回動(振動)する際に、支持基板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、前述したような逃げ部は、前記効果を十分に発揮し得る構成であれば、必ずしも支持基板3の下面(第2の質量部25と反対側の面)で開放(開口)していなくてもよい。すなわち、逃げ部は、支持基板3の上面に形成された凹部で構成することもできる。また、空間30の深さが第2の質量部25の振れ角(振幅)に対し大きい場合などには、逃げ部を設けなくともよい。
The
Note that the relief portion as described above is not necessarily opened (opened) on the lower surface (the surface opposite to the second mass portion 25) of the
ここで、アクチュエータ1の制御系を説明する。
本参考例にかかるアクチュエータ1は、図8に示すように、前述したピエゾ抵抗素子41、42に接続された検知回路11と、電極32、33に電圧を印加する電源回路12と、検知回路11の出力信号に応じて電源回路12の駆動を制御する制御回路13(制御手段)とを有している。
Here, the control system of the
As shown in FIG. 8, the
検知回路11は、ピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値変化に応じた電圧を増幅する差動増幅回路112(差動アンプ)を有している。このように構成された検知回路11は、ピエゾ抵抗素子41、42の歪み量(変形量)に応じた信号を出力するようになっている。すなわち、検知回路11は、前述した第2の弾性部28、29上に設けられたピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値の変化に基づいて、第2の質量部25の挙動を検知するように構成されている。つまり、検知回路11とピエゾ抵抗素子41、42とが、質量部25の挙動を検知する挙動検知手段を構成する。
The
電源回路12は、駆動電圧として交流電圧を電極32、33に印加するように構成されている。ここで、電極32、33および電源回路12は、第1の質量部21、22を回動駆動させる駆動手段を構成する。
制御回路13は、検知回路11の出力信号に基づき、電源回路12の駆動を制御するように構成されている。
The
The
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、電極32、33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、電極32に、図9(a)に示すような波形の電圧を印加し、電極33に、図9(b)に示すような波形の電圧を印加する。すなわち、電極32と電極33とに交互に電圧を印加する。すると、電極32と第1の質量部21、22との間(より具体的には、櫛歯状電極部321と櫛歯状電極部211との間、および、櫛歯状電極部322と櫛歯状電極部221との間)と、電極33と第1の質量部21、22との間(より具体的には、櫛歯状電極部331と櫛歯状電極部212との間、および、櫛歯状電極部332と櫛歯状電極部222との間)とに交互に静電引力が生じる。
The
That is, for example, a sine wave (AC voltage) or the like is applied to the
この静電気力により、第1の弾性部26、27を軸に(すなわち、回動中心軸Xまわりに)、支持基板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。
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の弾性部28、29を軸に(すなわち、回動中心軸Xまわりに)、支持基板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。
This electrostatic force causes the first
The second
このとき、捩れ変形する第2の弾性部28、29上では、主にせん断応力を生じる。これにより、ピエゾ抵抗素子41、42がそれぞれせん断応力を受ける。
より具体的には、例えば、第2の質量部25を回動に際し第2の弾性部28が捩れ変形すると、ピエゾ抵抗素子41の抵抗領域411には、図6にて矢印で示すような方向にせん断応力が生じる。
At this time, shear stress is mainly generated on the second
More specifically, for example, when the second
これと同様に、第2の質量部25を回動に際し第2の弾性部29が捩れ変形すると、ピエゾ抵抗素子42の抵抗領域421には、図6にて矢印で示すような方向にせん断応力が生じる。
このようなせん断応力を受ける抵抗領域411、421は、図6に示すように、互いの電界の方向が同方向となっている。そのため、第2の質量部25の回動に伴い、ピエゾ抵抗素子41の比抵抗値とピエゾ抵抗素子42の比抵抗値とは、一方が増加し、他方が減少する。
Similarly, when the second
As shown in FIG. 6, the
このようなピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値の変化は、それぞれ、第2の弾性部28の捩れ変形量(第2の質量部25の回動量)に応じたものとなる。
このように第2の質量部25の回動に伴ってピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値が変化すると、その変化量に応じて、図5に示す検知回路11の出力信号(電圧値)も変化する。
Such changes in the specific resistance values of the
When the specific resistance values of the
すなわち、検知回路11からの出力信号は、第2の質量部25の挙動(例えば、回動角、振幅、振動数など)に対応したものとなる。
したがって、制御回路13は、検知回路11からの出力信号に基づき、電源回路12の駆動を制御して、第2の質量部25の挙動を所望のものとすることができる。
特に、アクチュエータ1では、ピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値変化に応じた電圧を差動増幅回路112にて増幅するように構成されているため、ピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値変化(電圧値変化)を高精度に(高感度で)検知することができる。その結果、より高精度に第2の質量部25の挙動を検知することができる。
That is, the output signal from the
Therefore, the
In particular, since the
ここで、ピエゾ抵抗素子41における電界の方向とピエゾ抵抗素子42における電界の方向とが互いに同方向であるため、これらの比抵抗値変化に応じた電圧を差動増幅回路112にて増幅でき、ピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値変化をより高精度に(高感度で)検知することができる。その結果、さらに高精度に第2の質量部25の挙動を検知することができる。
また、1対のピエゾ抵抗素子41、42は平面視にて互いに第2の質量部25に対して対称に設けられているため、ピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値変化を電圧値変化としてさらに高精度に(高感度で)検知することができる。その結果、極めて高精度に第2の質量部25の挙動を検知することができる。
Here, since the direction of the electric field in the
Further, since the pair of
以上説明したように、本参考例のアクチュエータ1は、前述したように、抵抗領域411、421の結晶方位と第2の弾性部28、29の延在方向(回動中心軸X方向)との関係が最適化されているため、第2の質量部25の回動に伴って第2の弾性部28、29上に生じたせん断応力により抵抗領域411、421の比抵抗値が大きく変化する。そのため、抵抗領域411、421の比抵抗値に基づき、高精度に第2の質量部25の挙動を検知し、第2の質量部25の挙動を所望のものとすることができる。
As described above, as described above, the
前述したような抵抗領域411、412は第2の弾性部28、29表面に不純物をドーピングすることにより形成されたものであるため、比較的簡単に、抵抗領域411、421の結晶方位を所望のもの、すなわち、抵抗領域411、421の結晶方位を回動中心軸X方向に正確に平行とすることができる。
また、本参考例では、ピエゾ抵抗素子41は第2の弾性部28の長手方向での中央部に設けられ、ピエゾ抵抗素子42は第2の弾性部29の長手方向での中央部に設けられている。第2の弾性部28、29の捩れ変形に伴って第2の弾性部28、29上に生じるせん断応力は、第2の弾性部28、29の長手方向での中央部で、長手方向に亘ってほぼ一定となっている。そのため、アクチュエータ1の製造時に抵抗領域411、412を形成するに際し、その形成位置に高精度を要しなくても、アクチュエータ1の製品ごとの品質のバラツキを少なくすることができる。その結果、アクチュエータ1の低コスト化を図ることができる。
Since the
In this reference example , the
なお、ピエゾ抵抗素子41は第2の弾性部28の長手方向での端部に設けられていてもよく、また、ピエゾ抵抗素子42は第2の弾性部29の長手方向での端部に設けられていてもよい。第2の弾性部28、29の捩れ変形により第2の弾性部28、29上に生じるせん断応力は、第2の弾性部28、29の長手方向での中央部から端部に向け大きくなっている。そのため、前述したようにピエゾ抵抗素子41、42を配置すると、第2の質量部25の回動角に対するピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値の変化量を大きくして、第2の質量部25の検知精度の向上を図ることができる。
The
また、第1の質量部21の回動中心軸Xからこれにほぼ垂直な方向(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Xからこれにほぼ垂直な方向(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Xからこれにほぼ垂直な方向(長手方向)での長さ(最大長)をL3としたとき、本参考例では、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。
The length of the first substantially vertical direction from the rotational center axis X to the mass portion 21 (longitudinal direction) (the maximum length) and L 1, the rotational axis X of the
また、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。
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25の回転角度をさらに大きくすることができる。
Further, the dimensions of the first
By satisfying the above relationship, L 1 and L 2 can be made smaller, the rotation angle of the
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。
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。
In this case, it is preferable that the maximum rotation angle of the
By these, the low voltage drive of the
For this reason, when such an
なお、前述したように、本参考例では、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。
ところで、このような質量部21、22、25の振動系(2自由度振動系)では、第1の質量部21、22および第2の質量部25の振幅(振れ角)と、印加する交流電圧の周波数との間に、図9に示すような周波数特性が存在している。
As described above, in this reference example , L 1 and L 2 are set to be approximately equal, but it goes without saying that L 1 and L 2 may be different.
By the way, in such a vibration system (two-degree-of-freedom vibration system) of the
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。
この振動系では、電極32、33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、fm1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25の振れ角(回転角度)を大きくすることができる。
That is, the vibration system has two resonance frequencies fm 1 [kHz] and fm 3 [kHz] (however, fm) in which the amplitude of the
In this vibration system, it is preferable that the frequency F of the alternating voltage applied to the
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。
In this specification, F [kHz] and fm 1 [kHz] being substantially equal means that the condition of (fm 1 −1) ≦ F ≦ (fm 1 +1) is satisfied.
The average thicknesses of the
The average thickness of the second
The spring constant k 1 of the first
一方、第2の弾性部28、29のばね定数k2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の振れ角をより大きくすることができる。
On the other hand, the spring constant k 2 of the second
また、第1の弾性部26、27のばね定数k1と第2の弾性部28、29のばね定数をk2とは、k1>k2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。
Further, the spring constant k 1 of the first
Furthermore, the moment of inertia of the first
ところで、第1の質量部21、22と第1の弾性部26、27とからなる第1の振動系の固有振動数ω1は、第1の質量部21、22の慣性モーメントJ1と、第1の弾性部26、27のばね定数k1とにより、ω1=(k1/J1)1/2によって与えられる。一方、第2の質量部25と第2の弾性部28、29とからなる第2の振動系の固有振動数ω2は、第2の質量部25の慣性モーメントJ2と、第2の弾性部28、29のばね定数k2とにより、ω2=(k2/J2)1/2によって与えられる。
By the way, the natural frequency ω 1 of the first vibration system including the
このようにして求められる第1の振動系の固有振動数ω1と第2の振動系の固有振動数ω2とは、ω1>ω2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25の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
以上のように2自由度振動系を有するアクチュエータ1は、駆動電圧を低減しつつ、第2の質量部25の振れ角を大きいものとすることができる。特に、本参考例のアクチュエータ1は、前述したような櫛歯状電極部211、212、221、222、321、322、331、332を用いて第1の質量部21、22を回動させるように構成されているので、平行平板型の電極を用いて第1の質量部21、22を回動するものに比し、第1の質量部21、22の回動角を大きくし、これに伴って、第2の質量部25の回動角を大きくすることができる。
It is preferable that the natural frequency ω 1 of the first vibration system and the natural frequency ω 2 of the second vibration system obtained in this way satisfy the relationship ω 1 > ω 2 . Thereby, the rotation angle (swing angle) of the
As described above, the
また、2自由度振動系を有するアクチュエータ1は、前述したように、一般に、第2の質量部25の振れ角は第1の質量部21、22の振れ角よりも大きく、また、第2の弾性部28、29の捩れ変形量は第1の弾性部26、27の捩れ変形量よりも大きいため、ピエゾ抵抗素子41、42が第2の弾性部上に設けられていると、第2の質量部25の回動に伴うピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値の変化量を大きくして、第2の質量部25の挙動を高精度に検知することができる。
In addition, as described above, in the
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11、図12は、それぞれ、第1参考例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11、図12中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
[A1] まず、図11(a)に示すように、例えばシリコン基板5(n型の単結晶シリコン基板)を用意する。
Such an
11 and 12 are views (longitudinal sectional views) for explaining a method of manufacturing the actuator of the first reference example . In the following, for convenience of explanation, the upper side in FIGS. 11 and 12 is referred to as “upper” and the lower side is referred to as “lower”.
[A1] First, as shown in FIG. 11A, for example, a silicon substrate 5 (n-type single crystal silicon substrate) is prepared.
次に、シリコン基板5の一方の面に、図11(b)に示すように、支持部23、24と各質量部21、22、25と各弾性部26、27、28、29と電極32、33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。なお、このとき、金属マスク6は、図示しないが、支持部23、24に対応する部分と電極32、33に対応する部分とは互いに連結した形状とする。
Next, on one surface of the
そして、図11(c)に示すように、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、現像を行って、空間30の平面視形状と同様の形状をなす開口を有するレジストマスク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。
次に、このレジストマスク7を介して、シリコン基板5の前記他方の面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11(d)に示すように、空間30の平面視に対応する領域に凹部51が形成される。
Then, as shown in FIG. 11 (c), a photoresist is applied to the other surface of the
Next, after etching the other surface of the
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。 As an etching method, for example, one or more of physical etching methods such as plasma etching, reactive ion etching, beam etching, and light-assisted etching, and chemical etching methods such as wet etching are used in combination. be able to. Note that the same method can be used for etching in the following steps.
次に、金属マスク6を介して、シリコン基板5の前記一方の面側を、前記凹部51に対応する部分が貫通するまでエッチングする。
そして、金属マスク6を除去した場合、この後、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、ここで、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25上に残存した金属マスク6は光反射部251として用いることができる。
Next, the one surface side of the
Then, when the metal mask 6 is removed, a metal film is formed on the
Here, after etching the
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、以下の各工程における金属膜の成膜においても、同様の方法を用いることができる。
また、支持部23、24および第2の弾性部28、29に対応する部分に、不純物をドープして、抵抗領域411、421を形成する。このとき、抵抗領域411、421の形成に先立ち、抵抗領域411、421の形成予定部位以外の部分に、酸化膜などの絶縁膜を形成する。また、抵抗領域411、421の形成後、前記絶縁膜上に端子416〜419、426〜429および配線を公知の成膜法を用いて形成する。
以上の工程により、図11(e)に示すように、支持部23、24と各質量部21、22、25と各弾性部26、27、28、29と電極32、33が一体的に形成された構造体が得られる。なお、支持部23、24と電極32、33との間の部分を、後述する工程にて除去する。
Examples of the method for forming a metal film include vacuum plating, sputtering (low temperature sputtering), dry plating methods such as ion plating, wet plating methods such as electrolytic plating and electroless plating, thermal spraying methods, and joining metal foils. . Note that the same method can also be used for forming a metal film in the following steps.
Further, the regions corresponding to the
Through the above steps, as shown in FIG. 11E, the
[A2] 次に、図12(a)に示すように、支持基板3を形成するための基板として、例えばシリコン基板9を用意する。
そして、シリコン基板9の一方の面に、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、金属マスクを除去し、図12(b)に示すように、開口部31を形成する。すなわち、支持基板3が得られる。
[A2] Next, as shown in FIG. 12A, for example, a
Then, a metal mask is formed on one surface of the
Next, after etching one surface side of the
[A3] 次に、図12(c)に示すように、前記工程[A1]で得られた構造体と、前記工程[A2]で得られた支持基板3とを直接接合により接合した後に、前記構造体の支持部23、24と電極32、33との間の部分を除去して、アクチュエータ1を得る。なお、基体2と支持基板3との間に可動イオンを含む硼珪酸ガラスのようなガラスを介在させ、これらを陽極接合により接合してもよい。また、シリコン基板9に代えてガラス基板を用いて、基体2と支持基板3とを陽極接合により接合することもできる。
以上のようにして、第1参考例のアクチュエータ1が製造される。
[A3] Next, as shown in FIG. 12C, after the structure obtained in the step [A1] and the
As described above, the
<第2参考例>
次に、本発明のアクチュエータの第2参考例について説明する。
図13は、本発明のアクチュエータの第2参考例を示す平面図である。なお、以下では、説明の便宜上、図13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」と言う。
<Second Reference Example >
Next, a second reference example of the actuator of the present invention will be described.
FIG. 13 is a plan view showing a second reference example of the actuator of the present invention. In the following, for convenience of explanation, the front side with respect to the paper surface in FIG. 13 is referred to as “up”, the back side with respect to the paper surface is referred to as “down”, the right side is referred to as “right”, and the left side is referred to as “left”.
以下、第2参考例のアクチュエータについて、前述した第1参考例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2参考例のアクチュエータ1Aは、図13に示すように、ピエゾ抵抗素子41、42の配置が異なる以外は、第1参考例のアクチュエータ1とほぼ同様である。
第2参考例のアクチュエータ1Aでは、図13に示すように、ピエゾ抵抗素子41が第1の弾性部26上に設けられ、また、ピエゾ抵抗素子42が第1の弾性部27上に設けられている。これにより、ピエゾ抵抗素子41、42のための配線を第1の質量部21、22上や第2の弾性部28、29上に設けずにアクチュエータ1Aの構成を簡単なものとしつつ、第2の質量部25の挙動を検知することができる。
Hereinafter, the actuator of the second reference example will be described focusing on the differences from the actuator of the first reference example described above, and the description of the same matters will be omitted.
As shown in FIG. 13, the actuator 1A of the second reference example is substantially the same as the
In the actuator 1A of the second reference example , as shown in FIG. 13, the
特に、本参考例では、ピエゾ抵抗素子41は第1の弾性部26の長手方向での端部に設けられ、また、ピエゾ抵抗素子42は第1の弾性部27の長手方向での端部に設けられている。
第1の弾性部26、27の捩れ変形により第1の弾性部26、27上に生じるせん断応力は、第1の弾性部26、27の長手方向での中央部から端部に向け大きくなっている。そのため、第2の質量部25の回動角に対するピエゾ抵抗素子41、42の比抵抗値の変化量を大きくして、第2の質量部25の検知精度の向上を図ることができる。
In particular, in this reference example , the
The shear stress generated on the first
このようなピエゾ抵抗素子41、42の配置は、第2の弾性部28、29よりも捩れ変形量の少ない第1の弾性部26、27の上のせん断応力を検知する場合に特に有効である。
なお、ピエゾ抵抗素子41を第1の弾性部26の長手方向での中央部に設け、また、ピエゾ抵抗素子42を第1の弾性部27の長手方向での中央部に設けてもよい。この場合、前述した第1参考例と同様に、アクチュエータ1Aの製造時に抵抗領域411、421を形成するに際し、その形成位置に高精度を要しなくても、アクチュエータ1Aの製品ごとの品質のバラツキを少なくすることができる。その結果、アクチュエータ1Aの低コスト化を図ることができる。
Such an arrangement of the
Note that the
以上説明したような第2参考例のアクチュエータ1Aによっても、前述した第1参考例のアクチュエータ1と同様の効果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。
以上説明したようなアクチュエータ1、1A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。
Even with the actuator 1A of the second reference example as described above, the same effects as those of the
The
The
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。
例えば、前述した実施形態では、ピエゾ抵抗素子を1対有するアクチュエータを説明したが、ピエゾ抵抗素子は、1つであっても、3つ以上であってもよい。また、ピエゾ抵抗素子の設置位置は、前述した実施形態のものに限られず、第1の質量部21、22上であってよい。また、複数のピエゾ抵抗素子を有する場合、複数のピエゾ抵抗素子は、平面視にて質量部(第2の質量部25)に対し非対称に配置されていてもよい。
The actuator of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, but the present invention is not limited to this. For example, in the actuator of the present invention, the configuration of each part can be replaced with an arbitrary configuration that exhibits the same function, and an arbitrary configuration can be added.
For example, in the above-described embodiment, an actuator having a pair of piezoresistive elements has been described. However, the number of piezoresistive elements may be one or three or more. Further, the installation position of the piezoresistive element is not limited to that of the above-described embodiment, and may be on the
また、前述した実施形態では、2自由動振動系のアクチュエータ(すなわち、質量部として第1の質量部21、22および第2の質量部25を有し、弾性部として第1の弾性部26、27および第2の弾性部28、29を有するもの)について説明したが、1自由度または3自由度以上の振動系のアクチュエータにも本発明を適用することができる。
また、前述した実施形態では、光反射部が第2の質量部の上面(支持基板とは逆側の面)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。
Further, in the above-described embodiment, the actuator of the two free motion vibration system (that is, having the
In the above-described embodiment, the configuration in which the light reflecting portion is provided on the upper surface of the second mass portion (the surface opposite to the support substrate) has been described. For example, the light reflecting portion is provided on the opposite surface. The structure which is provided may be sufficient and the structure provided in both surfaces may be sufficient.
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の弾性部を捩れ変形させながら、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、圧電素子を用いた駆動方式や、磁力を用いた駆動方式などであってもよい。 Moreover, although what was driven by the electrostatic drive system was demonstrated in embodiment mentioned above, it is not limited to this. For example, as a driving method of an actuator having a two-degree-of-freedom vibration system, the first mass unit is rotated, and the second mass unit is rotated while twisting and deforming the second elastic unit accordingly. As long as it can be used, the present invention is not limited to the above-described one. For example, a driving method using a piezoelectric element or a driving method using a magnetic force may be used.
1、1A……アクチュエータ 11……検知回路 112……差動増幅回路 12……電源回路 13……制御回路 2……基体 21、22……第1の質量部 211、212、221、222……櫛歯状電極部 23、24……支持部 25……第2の質量部 251……光反射部 26、27……第1の弾性部 28、29……第2の弾性部 3……支持基板 30……空間 31……開口部 32、33……電極 321、322、331、332……櫛歯状電極部 41、42……ピエゾ抵抗素子 411、421……抵抗領域 412、413、422、423……入力電極 414、415、424、425……出力電極 416〜419、426〜429……端子 5……シリコン基板 51……凹部 6……金属マスク 7……レジストマスク 9……シリコン基板
DESCRIPTION OF
Claims (8)
前記1対の第1の質量部の間に設けられ、板状をなす第2の質量部と、
支持部と、
前記支持部に対して前記1対の第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記1対の第1の質量部とを連結する弾性変形可能な1対の第1の弾性部と、
前記第2の質量部を前記1対の第1の質量部に対して回動可能とするように、前記1対の第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する弾性変形可能な1対の第2の弾性部と、
前記第2の質量部の挙動を検知する挙動検知手段と、
前記挙動検知手段の検知結果に基づいて、前記各第1の弾性部を捩れ変形させながら前記各第1の質量部を回動させ、これに伴い、前記各第2の弾性部を捩れ変形させながら前記第2の質量部を回動させる駆動手段とを有するアクチュエータであって、
前記1対の第1の質量部と前記第2の質量部と前記支持部と前記1対の第1の弾性部と前記1対の第2の弾性部とは、(001)面のp型シリコン単結晶基板を加工することにより一体的に形成され、かつ、前記各第1の弾性部および前記各第2の弾性部は、前記p型シリコン単結晶基板の<110>方向に沿って延在しており、
前記挙動検知手段は、前記1対の第2の弾性部のうちの少なくとも一方の第2の弾性部上の長手方向での端部に設けられたn型の抵抗領域を備えるピエゾ抵抗素子を有し、該ピエゾ抵抗素子の比抵抗値の変化に基づいて、前記第2の質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とするアクチュエータ。 A pair of first mass parts in the form of a plate;
Provided between the first mass of the pair, and the second mass to form a plate shape,
A support part;
A pair of elastically deformable first pairs that connect the support portion and the pair of first mass portions such that the pair of first mass portions are rotatable with respect to the support portion. The elastic part of
Elastically deformable to connect the pair of first mass parts and the second mass part so that the second mass parts can rotate with respect to the pair of first mass parts. A pair of second elastic portions;
Behavior detecting means for detecting the behavior of the second mass part ;
Based on the detection result of the behavior detecting means, the first mass portions are rotated while twisting and deforming the first elastic portions, and accordingly, the second elastic portions are twisted and deformed. An actuator having a driving means for rotating the second mass part ,
The pair of first mass parts, the second mass part, the support part, the pair of first elastic parts, and the pair of second elastic parts are (001) plane p-type. The silicon single crystal substrate is integrally formed by processing, and the first elastic portions and the second elastic portions extend along the <110> direction of the p-type silicon single crystal substrate. Exist,
The behavior detecting means, have a piezoresistive element comprising an n-type resistance region provided at an end portion of at least one of the second longitudinal direction on the elastic portion of the second elastic portion of said pair And an actuator configured to detect the behavior of the second mass portion based on a change in a specific resistance value of the piezoresistive element.
前記1対の第1の質量部の間に設けられ、板状をなす第2の質量部と、
支持部と、
前記支持部に対して前記1対の第1の質量部を回動可能とするように、前記支持部と前記1対の第1の質量部とを連結する弾性変形可能な1対の第1の弾性部と、
前記第2の質量部を前記1対の第1の質量部に対して回動可能とするように、前記1対の第1の質量部と前記第2の質量部とを連結する弾性変形可能な1対の第2の弾性部と、
前記第2の質量部の挙動を検知する挙動検知手段と、
前記挙動検知手段の検知結果に基づいて、前記各第1の弾性部を捩れ変形させながら前記各第1の質量部を回動させ、これに伴い、前記各第2の弾性部を捩れ変形させながら前記第2の質量部を回動させる駆動手段とを有するアクチュエータであって、
前記1対の第1の質量部と前記第2の質量部と前記支持部と前記1対の第1の弾性部と前記1対の第2の弾性部とは、(001)面のn型シリコン単結晶基板を加工することにより一体的に形成され、かつ、前記各第1の弾性部および前記各第2の弾性部は、前記n型シリコン単結晶基板の<100>方向または<010>方向に沿って延在しており、
前記挙動検知手段は、前記1対の第2の弾性部のうちの少なくとも一方の第2の弾性部上の長手方向での端部に設けられたp型の抵抗領域を備えるピエゾ抵抗素子を有し、該ピエゾ抵抗素子の比抵抗値の変化に基づいて、前記第2の質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とするアクチュエータ。 A pair of first mass parts in the form of a plate;
Provided between the first mass of the pair, and the second mass to form a plate shape,
A support part;
A pair of elastically deformable first pairs that connect the support portion and the pair of first mass portions such that the pair of first mass portions are rotatable with respect to the support portion. The elastic part of
Elastically deformable to connect the pair of first mass parts and the second mass part so that the second mass parts can rotate with respect to the pair of first mass parts. A pair of second elastic portions;
Behavior detecting means for detecting the behavior of the second mass part ;
Based on the detection result of the behavior detecting means, the first mass portions are rotated while twisting and deforming the first elastic portions, and accordingly, the second elastic portions are twisted and deformed. An actuator having a driving means for rotating the second mass part ,
The pair of first mass portions, the second mass portion, the support portion, the pair of first elastic portions, and the pair of second elastic portions are (001) plane n-type. The silicon single crystal substrate is integrally formed by processing, and each of the first elastic portion and each of the second elastic portions is in the <100> direction or <010> of the n-type silicon single crystal substrate. Extending along the direction,
The behavior detecting means, have the piezoresistive element comprises a p-type resistance region provided at an end portion of at least one of the second longitudinal direction on the elastic portion of the second elastic portion of said pair And an actuator configured to detect the behavior of the second mass portion based on a change in a specific resistance value of the piezoresistive element.
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