JP5650904B2

JP5650904B2 - プレーナ型アクチュエータ

Info

Publication number: JP5650904B2
Application number: JP2009279463A
Authority: JP
Inventors: 土佐　博; 博土佐
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2009-12-09
Filing date: 2009-12-09
Publication date: 2015-01-07
Anticipated expiration: 2029-12-09
Also published as: JP2011125110A

Description

本発明はプレーナ型アクチュエータに係り、特に、枠状の固定部に平板状の可動部を揺動可能に軸支し、この可動部の揺動動作を制御することを可能としたプレーナ型アクチュエータに関するものである。

従来から、枠状の固定部に平板状の可動部を揺動可能に軸支する構造のアクチュエータとして、例えば半導体製造技術を利用し、シリコン基板を異方性エッチングし、枠状の固定部と平板状の可動部と固定部に可動部を軸支するトーションバーとを一体に形成し、可動部に駆動コイルを設け、可動部の駆動コイルに静磁界を付与する例えば永久磁石のような静磁界発生手段を設け、通電により駆動コイルに発生する磁界と静磁界発生手段による静磁界との相互作用により発生するローレンツ力を利用して可動部を揺動させる電磁駆動タイプのプレーナ型アクチュエータがある（例えば、特許文献１参照）。
そして、このようなアクチュエータは、例えば、可動部にミラーを設けることで光ビームを偏向走査する光スキャナなどに適用される。

特許第２７２２３１４号公報

しかしながら、前記従来の技術においては、駆動コイルに通電して可動部を揺動動作させる際に、大きな振れ角で揺動させたい場合があるが、あまり大きな電流を流すと駆動コイルが焼損してしまうおそれがあるため、一定の電流値以上に電流を流すことができない。そのため、可動部の必要な揺動動作を得ることができなくなってしまうという問題を有している。また、駆動コイルに対する駆動信号のピークが高い場合に、可動部の揺動動作の制御が困難であり、また、揺動の微調整を行うことができないという問題を有している。

本発明は前記した点に鑑みてなされたものであり、駆動コイルへの通電量を増やすことなく、可動部の大きな振幅を得ることができるとともに、可動部の揺動動作の微調整を行うことのできるプレーナ型アクチュエータを提供することを目的とするものである。

本発明は前記目的を達成するために、請求項１の発明に係るプレーナ型アクチュエータは、枠状の固定部と、
前記固定部の内側にトーションバーを介して可動自在に支持された可動部と、
前記可動部に設置され駆動信号に基づいて前記可動部にローレンツ力を与えて前記可動部を揺動動作させる駆動コイルと、
前記可動部以外の部分に設置され、前記駆動コイルの駆動信号に対して位相を制御した駆動信号に基づいて前記可動部以外の部分にローレンツ力を与えて前記可動部の揺動動作を調整する共振発生手段としての揺動用コイルと、
を備える。

請求項２に係る発明は、請求項１において、前記揺動用コイルには、前記駆動コイルと同位相の駆動信号に基づく電流が流されるものであることを特徴とする。

請求項３に係る発明は、請求項１において、前記揺動用コイルには、前記駆動コイルと異なる位相の駆動信号に基づく電流が流されるものであることを特徴とする。

請求項４に係る発明は、請求項１において、前記揺動用コイルには、前記駆動コイルと逆位相の駆動信号に基づく電流が流されるものであることを特徴とする。

請求項５に係る発明は、請求項１において、前記揺動用コイルには、直流電流が流されうるものであることを特徴とする。

請求項６に係る発明は、請求項１において、前記揺動用コイルに通電しない状態で、前記揺動用コイルの抵抗値を測定するものであることを特徴とする。

請求項１に係る発明によれば、駆動コイルと揺動用コイルとを設け、揺動用コイルに通電することにより、駆動コイルによる可動部の揺動動作に共振させて可動部の揺動動作の振幅を調整することができる。

請求項２に係る発明によれば、揺動用コイルに駆動コイルと同位相の駆動信号に基づく電流を流すようにしているので、可動部を、駆動コイルの駆動信号の振幅に揺動用コイルの駆動信号の振幅が加算された振幅で駆動することができ、駆動コイルの通電電流を高めることなく、可動部の揺動動作を可変することができ、可動部の揺動動作を微調整することができる。

請求項３に係る発明によれば、揺動用コイルに駆動コイルと異なる位相の駆動信号に基づく電流を流すようにしているので、駆動コイルの駆動信号に基づく可動部の振幅を制御することができる。

請求項４に係る発明によれば、揺動用コイルに駆動コイルと逆位相の駆動信号に基づく電流を流すようにしているので、可動部を、駆動コイルの駆動信号の振幅から揺動用コイルの駆動信号の振幅が減算された振幅で駆動することができ、可動部の揺動動作を可変することができ、可動部の揺動動作を微調整することができる。さらに、高周波成分をカットするノッチフィルタとして利用することもできる。

請求項５に係る発明によれば、揺動用コイルに直流電流を流すようにしているので、揺動用コイルが抵抗体として機能して、揺動用コイルを発熱させることができ、揺動用コイルをヒータとして利用することができる。ヒータとして利用することで可動部の反りの修正、また可動部の共振周波数の調整を行うことができる。

請求項６に係る発明によれば、揺動用コイルに通電しない状態で、揺動用コイルの抵抗値を測定するようにしているので、揺動用コイルを温度計として利用することができる。

本発明に係るプレーナ型アクチュエータの第１実施形態を示す概略図である。本発明に係るプレーナ型アクチュエータの第２駆動コイルに第１駆動コイルと同位相の駆動信号に基づく電流を流した場合の説明図である。本発明に係るプレーナ型アクチュエータの第２駆動コイルに第１駆動コイルと逆位相の駆動信号に基づく電流を流した場合の説明図である。本発明に係るプレーナ型アクチュエータの第２実施形態を示す概略図である。本発明に係るプレーナ型アクチュエータの第３実施形態を示す概略図である。本発明に係るプレーナ型アクチュエータの第４実施形態を示す概略図である。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら説明する。

図１は本発明に係るプレーナ型アクチュエータの第１実施形態を示す概略図である。

図１に示すように、本実施形態のプレーナ型アクチュエータ１は、図示しないデバイス基板上に設置された枠状の固定部２を備えている。この固定部２の内側には、トーションバー３を介して可動部４が揺動自在に支持されており、これら固定部２、可動部４およびトーションバー３は、一体的に形成されている。

また、固定部２の周囲には、可動部４を挟んで互いに反対磁極を対向させて配置される二対の静磁界発生部材（図示せず）が配置されている。なお、静磁界発生部材は、永久磁石でも電磁石でもよい。

可動部４の一面側には、可動部４を駆動するための渦巻き状に形成された第１駆動コイル５（図１中実線で示す）が設置されており、この第１駆動コイル５の両端部は、トーションバー３を通って固定部２から引き出されるように構成されている。また、固定部２の一面側には、可動部４を駆動するための渦巻き状に形成された共振発生手段としての揺動用コイル６（図１中破線で示す）が設置されており、この揺動用コイル６の両端部は、固定部２から引き出されるように構成されている。そして、第１駆動コイル５に、所定の周波数の駆動信号に基づく電流を流すことにより、可動部４を揺動動作させるとともに、揺動用コイル６に所定の周波数の駆動信号に基づく電流を流すことにより、第１駆動コイル５への通電による可動部４の動作に共振させて可動部４の振幅を調整することができるように構成されている。

なお、揺動用コイル６のターン数および固定部２の設置場所は、任意に設定することができるものである。

次に、本実施形態の作用について説明する。

このプレーナ型アクチュエータ１の駆動原理は、例えば、特許第２７２２３１４号公報等で詳述されているので、以下、光スキャナの場合を例として簡単に説明する。

可動部４の第１駆動コイル５に電流を流すと磁界が発生し、この磁界と静磁界発生手段による静磁界との相互作用によりローレンツ力が発生し、トーションバー３の軸方向と平行な可動部４の対辺部分に互いに逆方向の回転力が発生し、この回転力とトーションバー３の復元力とが釣合う位置まで可動部４が回動される。

そして、第１駆動コイル５に直流電流を流すことにより、駆動電流量に応じた回動位置で可動部４を停止させることで、反射ミラーにより光ビームを所望の方向に偏向することが可能となる。

一方、第１駆動コイル５に交流電流を流すことにより、可動部４が揺動し、反射ミラーにより光ビームを偏向走査できる。可動部４を回動させるための回転力は、第１駆動コイル５に流す駆動電流値に比例するので、第１駆動コイル５に供給する駆動電流値を制御することで、可動部４の振れ角（光ビームの偏向角度）を制御することができる。なお、本実施形態においては、光スキャナの場合を例として作用を説明したが、本発明は光スキャナ以外にも適用できるものである。

また、本実施形態においては、第１駆動コイル５および揺動用コイル６に電流を流すことにより、第１駆動コイル５により発生するローレンツ力に揺動用コイル６によるローレンツ力を付与することができるものである。

ローレンツ力は、Ｆ＝ｎｌＩＢで導き出される。ここで、ｎはコイルターン数、ｌは磁界と直交するコイル長さ、Ｉは電流値、Ｂは磁界強さである。すなわち、第１駆動コイル５によるローレンツ力Ｆと揺動用コイル６によるローレンツ力Ｆ’とは、Ｆ±Ｆ’という関係となり、第１駆動コイル５によるローレンツ力に揺動用コイル６によるローレンツ力が付与できることとなる。

具体的には、図２に示すように、第１駆動コイル５に所定の周波数の駆動信号に基づく電流を流すとともに、揺動用コイル６に第１駆動コイル５と同じ位相の駆動信号に基づく電流を流すと、揺動用コイル６による共振が発生することとなる。これにより、可動部４は、第１駆動コイル５の駆動信号の振幅に揺動用コイル６の駆動信号の振幅が加算された振幅で駆動するものである。一方、図３に示すように、揺動用コイル６に第１駆動コイル５と逆の位相の駆動信号に基づく電流を流すと、可動部４は、第１駆動コイル５の駆動信号の振幅から揺動用コイル６の駆動信号の振幅が減算された振幅で駆動するものである。さらに、揺動用コイル６に第１駆動コイル５と異なる位相の駆動信号に基づく電流を流すことにより、可動部４の振幅を細かく制御することができるものである。このように、第１駆動コイル５の駆動信号に対して揺動用コイル６の駆動信号を制御することにより、第１駆動コイル５による可動部４の駆動より大きい振幅で動作させたり、小さい振幅で動作させることができるものである。

したがって、例えば、第１駆動コイル５の駆動信号に対して大きな振幅の駆動信号で揺動用コイル６を駆動することにより、第１駆動コイル５への通電による揺動動作より大きな振幅で動作させることができ、第１駆動コイル５の駆動信号に対して微小な振幅の駆動信号で揺動用コイル６を駆動することにより、第１駆動コイル５への通電による揺動動作の振幅の微調整を行うことができるものである。

また、本実施形態においては、揺動用コイル６に直流電流を流すことにより、揺動用コイル６が抵抗体として機能して、揺動用コイル６を発熱させることも可能である。これにより、揺動用コイル６をヒータとして利用することができるものであり、揺動用コイル６の熱が、トーションバー３に伝わり、このトーションバー３を介して可動部４に熱が伝わるものである。この場合に、揺動用コイル６への通電量を制御することにより、揺動用コイル６の発熱温度を制御することができ、例えば、アクチュエータのプロセス温度に発熱させることにより、可動部４の反りを修正させることも可能である。また、発熱により可動部４の共振周波数の調整を行うことができる。

また、他の用途として、揺動用コイル６に通電せず、揺動用コイル６の抵抗値を測定することにより、アクチュエータの温度を測定する温度計として利用することもできる。さらに、揺動用コイル６に第１駆動コイル５と逆位相の駆動信号を付与することにより、高周波成分をカットするノッチフィルタとして利用することもできる。

以上述べたように、本実施形態においては、揺動用コイル６を設け、この揺動用コイル６に対して第１駆動コイル５と同位相または逆位相の駆動信号に基づく電流を流すことにより、第１駆動コイル５の通電電流を高めることなく、可動部４の揺動動作を可変することができ、可動部４の揺動動作を微調整することができる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。

図４は本発明の第２実施形態を示したものであり、本実施形態においては、固定部２の内側には、第２トーションバー７を介して枠状の第２可動部８が揺動自在に設けられており、この第２可動部８の内側には、トーションバー３を介して可動部４が揺動自在に設けられている。すなわち、本実施形態においては、可動部４および第２可動部８が互いに直交する方向に揺動動作することができる二次元アクチュエータの例を示している。

また、可動部４には、前記第１実施形態と同様に、第１駆動コイル５が形成されている。さらに、本実施形態においては、第２可動部８には、第２可動部８を駆動するための渦巻き状の第２駆動コイル９が形成されるとともに（図中一点鎖線で示す）、可動部４を駆動するための渦巻き状の揺動用コイル６（図中破線で示す）が形成されている。第２駆動コイル９および揺動用コイル６の両端部は、それぞれ第２トーションバー７を介して固定部から引き出されるように構成されている。

本実施形態においては、第１駆動コイル５および第２駆動コイル９に、それぞれ所定の周波数の駆動信号に基づく電流を流すことにより、可動部４および第２可動部８を揺動動作させるようになっている。また、揺動用コイル６に所定の周波数の駆動信号に基づく電流を流すことにより、第１駆動コイル５により発生するローレンツ力に揺動用コイル６によるローレンツ力を付与して可動部４の動作に共振させて可動部４の振幅を調整することが可能となる。そして、揺動用コイル６に第１駆動コイル５と同じ位相の駆動信号に基づく電流を流すことにより、可動部４を、第１駆動コイル５の駆動信号の振幅に揺動用コイル６の駆動信号の振幅が加算された振幅で駆動させることができ、揺動用コイル６に第１駆動コイル５と逆の位相の駆動信号に基づく電流を流すことにより、可動部４を、第１駆動コイル５の駆動信号の振幅から揺動用コイル６の駆動信号の振幅が減算された振幅で駆動させることができるものである。さらに、第１駆動コイル５の駆動信号に対して大きな振幅の駆動信号で揺動用コイル６を駆動することにより、第１駆動コイル５への通電による揺動動作より大きな振幅で動作させることができ、第１駆動コイル５の駆動信号に対して微小な振幅の駆動信号で揺動用コイル６を駆動することにより、第１駆動コイル５への通電による揺動動作の振幅の微調整を行うことができるものである。

以上述べたように、本実施形態においても前記第１実施形態と同様に、揺動用コイル６を設け、この揺動用コイル６に対して第１駆動コイル５と同位相または逆位相の駆動信号に基づく電流を流すことにより、第１駆動コイル５の通電電流を高めることなく、可動部４の揺動動作を可変することができ、可動部４の揺動動作を微調整することができる。

また、本実施形態においても、揺動用コイル６に直流電流を流すことにより、揺動用コイル６が抵抗体として機能して、揺動用コイル６を発熱させてヒータとして利用することができ、その結果、可動部４の反りを修正させることができるとともに、発熱により可動部４の共振周波数の調整を行うことができる。さらに、揺動用コイル６に通電せず、揺動用コイル６の抵抗値を測定することにより、温度計として利用することもでき、揺動用コイル６に第１駆動コイル５と逆位相の駆動信号を付与することにより、高周波成分をカットするノッチフィルタとして利用することもできる。

次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図５は本発明の第３実施形態を示したものであり、本実施形態においても第２実施形態と同様に、二次元のアクチュエータの場合の例を示している。本実施形態においては、固定部２には、第２可動部８を駆動するための共振手段としての第２揺動用コイル１０が形成されている。第２揺動用コイル１０の両端部は、固定部から引き出されるように構成されている。

なお、本実施形態においては、可動部４を駆動するための揺動用コイルは形成されていない。すなわち、第２可動部８のみを共振することができるようにしたものである。

本実施形態においては、第１駆動コイル５および第２駆動コイル９に、それぞれ所定の周波数の駆動信号に基づく電流を流すことにより、可動部４および第２可動部８を揺動動作させるようになっている。また、第２揺動用コイル１０に所定の周波数の駆動信号に基づく電流を流すことにより、第２駆動コイル９により駆動される第２可動部８を共振させて第２可動部８の振幅を調整するようになっている。

以上述べたように、本実施形態においても前記第１実施形態と同様に、第２揺動用コイル１０を設け、この第２揺動用コイル１０に対して第２駆動コイル９と同位相または逆位相の駆動信号に基づく電流を流すことにより、第２駆動コイル９の通電電流を高めることなく、第２可動部８の揺動動作を可変することができ、第２可動部８の揺動動作を微調整することができる。

また、本実施形態においても、第２揺動用コイル１０に直流電流を流すことにより、第２揺動用コイル１０が抵抗体として機能して、第２揺動用コイル１０を発熱させてヒータとして利用することができ、その結果、第２可動部８の反りを修正させることができるとともに、発熱により第２可動部８の共振周波数の調整を行うことができる。さらに、第２揺動用コイル１０に通電せず、第２揺動用コイル１０の抵抗値を測定することにより、温度計として利用することもでき、第２揺動用コイル１０に第２駆動コイル９と逆位相の駆動信号を付与することにより、高周波成分をカットするノッチフィルタとして利用することもできる。

次に、本発明の第４実施形態について説明する。

図６は本発明の第４実施形態を示したものであり、第２実施形態と第３実施形態とを組み合わせたものである。すなわち、本実施形態においては、第２可動部８に可動部４を駆動するための揺動用コイル６を形成するとともに、固定部に第２可動部８を駆動するための第２揺動用コイル１０を形成するようにしたものである。

その他の構成は、前記第２実施形態および第３実施形態と同様であるため、同一部分には同一符号を付してその説明を省略する。

本実施形態においては、第１駆動コイル５および第２駆動コイル９に、それぞれ所定の周波数の駆動信号に基づく電流を流すことにより、可動部４および第２可動部８を揺動動作させるようになっている。また、揺動用コイル６および第２揺動用コイル１０に所定の周波数の駆動信号に基づく電流を流すことにより、第１駆動コイル５により駆動される可動部４および第２駆動コイル９により駆動される第２可動部８を共振させて可動部４および第２可動部８の振幅を調整するようになっている。

以上述べたように、本実施形態においても前記各実施形態と同様に、揺動用コイル６および第２揺動用コイル１０を設け、揺動用コイル６および第２揺動用コイル１０に対して第１駆動コイル５および第２駆動コイル９と同位相または逆位相の駆動信号に基づく電流を流すことにより、駆動コイルおよび第２駆動コイル９の通電電流を高めることなく、可動部４および第２可動部８の揺動動作を可変することができ、可動部４および第２可動部８の揺動動作を微調整することができる。

また、本実施形態においても、揺動用コイル６および第２揺動用コイル１０に直流電流を流すことにより、揺動用コイル６および第２揺動用コイル１０を発熱させてヒータとして利用することができ、その結果、可動部４および第２可動部８の反りを修正させることができるとともに、発熱により可動部４および第２可動部８の共振周波数の調整を行うことができる。さらに、揺動用コイル６および第２揺動用コイル１０の抵抗値を測定することにより、温度計として利用することもでき、揺動用コイル６および第２揺動用コイル１０に第１駆動コイル５および第２駆動コイル９と逆位相の駆動信号を付与することにより、高周波成分をカットするノッチフィルタとして利用することもできる。

なお、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨に基づいて種々の変形が可能である。

１プレーナ型アクチュエータ
２固定部
３トーションバー
４可動部
５第１駆動コイル
６揺動用コイル
７第２トーションバー
８第２可動部
９第２駆動コイル
１０第２揺動用コイル

Claims

枠状の固定部と、
前記固定部の内側にトーションバーを介して可動自在に支持された可動部と、
前記可動部に設置され駆動信号に基づいて前記可動部にローレンツ力を与えて前記可動部を揺動動作させる駆動コイルと、
前記可動部以外の部分に設置され、前記駆動コイルの駆動信号に対して位相を制御した駆動信号に基づいて前記可動部以外の部分にローレンツ力を与えて前記可動部の揺動動作を調整する共振発生手段としての揺動用コイルと、
を備える、プレーナ型アクチュエータ。
前記揺動用コイルには、前記駆動コイルと同位相の駆動信号に基づく電流が流されるものであることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記揺動用コイルには、前記駆動コイルと異なる位相の駆動信号に基づく電流が流されるものであることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記揺動用コイルには、前記駆動コイルと逆位相の駆動信号に基づく電流が流されるものであることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記揺動用コイルには、直流電流が流されうるものであることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型アクチュエータ。
前記揺動用コイルに通電しない状態で、前記揺動用コイルの抵抗値を測定するものであることを特徴とする請求項１に記載のプレーナ型アクチュエータ。