JP6037691B2 - 回転型アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、回転型アクチュエータに関する。

回転型アクチュエータは、例えば光スキャナーなどにおいて光の方向を変えるために用いられている。このような用途の回転型アクチュエータは、可動部である可動電極と、固定電極と、検出用電極を有している。可動電極は、可動電極と固定電極の間に印加される電圧によって揺動する。可動電極の回転角度は、可動電極と検出用電極の間に生じる静電容量の変化に基づいて検出される（例えば特許文献１，２参照）

特に特許文献２に記載の技術では、可動電極と検出用電極が厚さ方向にずれて配置されている。このため、可動電極と検出用電極の間に生じる静電容量の変化に基づいて、可動電極の回転方向も検出できる。

特開２００５−２０８２５１号公報 特開２００４−１０９５８０号公報

特許文献２に記載の技術では、可動電極と検出用電極の間に生じる静電容量の変化が小さくなるため、回転角度の検出精度が低くなってしまう。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可動電極の回転方向及び回転角度の双方を検出することができ、かつ回転角度の検出精度が低くなることを抑制できる回転型アクチュエータを提供することにある。

本発明によれば、回転型アクチュエータは、可動電極、枠体、保持部材、固定電極、第１検出電極、及び第２検出電極を備えている。保持部材は、可動電極を枠体に取り付けており、また、可動電極の回転軸となる。固定電極は、平面視で可動電極に対向している。第１検出用電極は、可動電極及び固定電極から絶縁されており、平面視において可動電極の一辺に対向している。第２検出用電極は、可動電極及び固定電極から絶縁されており、平面視において可動電極と少なくとも一部が重なっている。

本発明によれば、可動電極の回転方向及び回転角度の双方を検出することができ、かつ回転角度の検出精度が低くなることを抑制できる。

実施形態に係る回転型アクチュエータの構成を示す平面図である。 図１のＡ−Ａ´断面図である。 図１の変形例を示す平面図である。 回転型アクチュエータの製造方法を示すための断面図である。 回転型アクチュエータの製造方法を示すための断面図である。 可動電極の回転角度と、可動電極と第１検出用電極の間に生じる静電容量との関係を示す図である。 可動電極の回転角度と、可動電極と第２検出用電極の間に生じる静電容量との関係を示す図である。 可動電極を１ｋＨｚで±５°の範囲で振動させたときの、可動電極と第１検出用電極の間の静電容量の変化を示す図である。 可動電極を１ｋＨｚで±５°の範囲で振動させたときの、可動電極と第２検出用電極の間の静電容量の変化を示す図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

図１は、実施形態に係る回転型アクチュエータ１００の構成を示す平面図である。図２は、図１のＡ−Ａ´断面図である。ただし図２において、説明のため、保持部材１３０も点線で図示している。回転型アクチュエータ１００は、枠体１１０、保持部材１３０、可動電極１２０、固定電極１４０、第１検出用電極１５０、及び第２検出用電極４１０を備えている。保持部材１３０は、可動電極１２０を枠体１１０に取り付けており、かつ可動電極１２０の回転軸となる。固定電極１４０は、平面視で可動電極１２０に対向している。第１検出用電極１５０は、可動電極１２０及び固定電極１４０から絶縁されており、平面視において可動電極１２０の一辺に対向している。第２検出用電極４１０は、可動電極１２０及び固定電極１４０から絶縁されており、平面視において可動電極１２０と少なくとも一部が重なっている。以下、詳細に説明する。

図１に示すように、可動電極１２０の平面形状は矩形である。そして固定電極１４０は、平面視で可動電極１２０を挟むように２つ設けられている。可動電極１２０のうち固定電極１４０と対向する辺（図１においてＸ方向に伸びている辺）は、櫛歯形状となっている。枠体１１０は、可動電極１２０の４辺のうち固定電極１４０と対向していない２つの辺（図１においてＹ方向に伸びている辺）それぞれに対向している。

固定電極１４０のうち可動電極１２０と対向する辺は、櫛歯形状となっており、可動電極１２０の櫛歯部分とかみ合っている。このため、固定電極１４０と可動電極１２０は、互いに対向する部分の面積が大きくなり、その結果、可動電極１２０の駆動力は大きくなる。

保持部材１３０は、可動電極１２０のうち枠体１１０と対向している２辺それぞれに対して設けられている。詳細には、保持部材１３０は、可動電極１２０のうち枠体１１０と対向している辺の中心に接続している。そして２つの保持部材１３０を結ぶ線が、可動電極１２０の回転軸となっている。本実施形態では、枠体１１０、可動電極１２０、及び保持部材１３０は一体的に形成されている。

第１検出用電極１５０は、固定電極１４０と並んでおり、可動電極１２０のうち固定電極１４０と対向している辺に対向している。本図に示す例では、固定電極１４０は、可動電極１２０の辺の中心部分に対向している。そして第１検出用電極１５０は、固定電極１４０を挟むように設けられており、可動電極１２０の辺の両端それぞれに対向している。固定電極１４０は、第１検出用電極１５０よりも大きい。本図に示す例では、第１検出用電極１５０は、可動電極１２０のうち対向する２辺に設けられている。すなわち第１検出用電極１５０は、保持部材１３０を基準として線対称となるように設けられている。ただし、第１検出用電極１５０は、可動電極１２０の一辺にのみ設けられていても良い。本実施形態において第１検出用電極１５０は、可動電極１２０の回転角度を検出するために用いられる。

図１に示す例において、第２検出用電極４１０は、全体が、平面視で可動電極１２０と重なっている。ただし、図３に示すように、第２検出用電極４１０の一部のみが可動電極１２０と重なっていても良い。また図１及び図３のいずれの例においても、平面視において第２検出用電極４１０は保持部材１３０と重なっていない。このようにすると、第２検出用電極４１０と可動電極１２０の間に生じる静電容量は、可動電極１２０の回転方向によって大きく変わる。このため、可動電極１２０の回転方向を精度良く検出できる。

図２に示すように、枠体１１０の下面、第１検出用電極１５０の下面、及び固定電極１４０の下面は、絶縁層３２０を介して基板３１０によって支持されている。これに対して可動電極１２０、及び保持部材１３０のうち少なくとも可動電極１２０に接続している部分は、上面及び下面のいずれも支持されていない。

また、第２検出用電極４１０は、絶縁板４００（第１保持部材）の上に形成されている。絶縁板４００は、平面視で可動電極１２０と重なっている。絶縁板４００上には配線も形成されている。この配線は、第２検出用電極４１０と制御部２００（後述）とを接続するために用いられている。

絶縁板４００は、基板３１０（第２保持部材）に接合されている。絶縁板４００と基板３１０の接合は、例えば陽極接合又は金属接合によって行われる。陽極接合を行う場合、絶縁板４００は、例えばガラス基板である。また金属接合を行う場合、絶縁板４００のうち基板３１０に対向する面、及び基板３１０のうち絶縁板４００に対向する面には金属層が形成される。これら２つの金属層は、例えばいずれも金であっても良いし、一方が金で他方が錫であってもよい。

また絶縁板４００と第２検出用電極４１０の接合は、接着剤を用いて行われても良い。この場合、接着剤としては、例えば光硬化型の接着剤が用いられても良いし、熱硬化型の接着剤が用いられても良い。または、絶縁板４００上にスパッタ等で導電膜を形成し、この導電膜を選択的に除去することで第２検出用電極４１０を形成してもよい。

回転型アクチュエータ１００の可動電極１２０は、例えば上面が鏡面になっている。この鏡面は、例えば可動電極１２０の上面に金属膜（例えばＡｌ膜）を形成することにより、形成されている。そして可動電極１２０の角度を変えることにより、可動電極１２０に入射してきた光の反射角を変える。回転型アクチュエータ１００は、例えば光スキャナーやモーションセンサに用いられる。

また本実施形態において、回転型アクチュエータ１００は制御部２００を有している。制御部２００は、可動電極１２０の動きを制御する。具体的には、可動電極１２０を回転させるとき、制御部２００は、可動電極１２０と固定電極１４０の間に、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧を印加する。これにより、可動電極１２０は回転する。

また、詳細を後述するように、制御部２００は、第１検出用電極１５０と可動電極１２０の間に生じる静電容量の変化に基づいて、可動電極１２０の回転角度を検出し、また、第２検出用電極４１０と可動電極１２０の間に生じる静電容量の変化に基づいて、可動電極１２０の回転方向を検出する。そして制御部２００は、これらの検出結果に基づいて、可動電極１２０と固定電極１４０の間に印加する電圧を制御する。従って、制御部２００は、可動電極１２０の回転方向及び角度を所望の値に制御することができる。

なお図１に示す例では、第１検出用電極１５０は、可動電極１２０のうち互いに対向する２辺に設けられている。このような場合、制御部２００は、一方の辺に設けられた第１検出用電極１５０のみを用いて、可動電極１２０の回転方向を判断する。

図４及び図５の各図は、回転型アクチュエータ１００の製造方法を示すための断面図である。これらの各図は、図１のＡ−Ａ´断面に相当している。

まず、図４（ａ）に示すように、基板３１０上に絶縁層３２０及び導電層３３０を形成したものを準備する。基板３１０、絶縁層３２０、及び導電層３３０は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である。この場合、導電層３３０は、不純物が導入されたシリコン層である。次いで、基板３１０の下面及び導電層３３０の上面を洗浄する。

次いで図４（ｂ）に示すように、導電層３３０上にレジストパターン５０を形成する。次いで、レジストパターン５０をマスクとして導電層３３０をドライエッチングする。これにより、枠体１１０、可動電極１２０、保持部材１３０、固定電極１４０、及び第１検出用電極１５０が形成される。

その後、図５に示すように、レジストパターン５０を除去する。次いで、基板３１０の上にレジストパターン（図示せず）を形成し、このレジストパターンをマスクとして、基板３１０及び絶縁層３２０をエッチングする。これにより、基板３１０及び絶縁層３２０のうち可動電極１２０及び保持部材１３０の下に位置している部分は除去される。その後、レジストパターンは除去される。

また、絶縁板４００を準備し、絶縁板４００上に導電膜（例えば銅膜又はアルミニウム膜）を形成する。次いで、この導電膜を選択的に除去する。これにより、絶縁板４００上には第２検出用電極４１０及び配線が形成される。次いで、絶縁板４００を基板３１０に接合する。このようにして、図１及び図２に示した回転型アクチュエータ１００が形成される。

図６は、可動電極１２０の回転角度θと、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の間に生じる静電容量との関係を示す図である。可動電極１２０の回転角度が０°、すなわち保持部材１３０がねじれていない場合、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の間の静電容量は最大になる。そして、可動電極１２０が回転するにつれて、この静電容量は小さくなる。

また、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の厚さは等しく、また可動電極１２０の上面は第１検出用電極１５０の上面と同じ高さに位置している。このため、可動電極１２０が回転したとき、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の間の静電容量は大きく変化する。ただし、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の静電容量の変化量は、回転角度のみによって変化し、回転方向によっては変化しない。

このため、制御部２００は、図６に示したデータを予め記憶しておくことにより、第１検出用電極１５０と可動電極１２０の間に生じる静電容量の変化に基づいて、可動電極１２０の回転角度を高い精度で検出できる。ただし、制御部２００は、この静電容量からは可動電極１２０の回転方向を検出できない。

図７は、可動電極１２０の回転角度θと、可動電極１２０と第２検出用電極４１０の間に生じる静電容量との関係を示す図である。可動電極１２０と第２検出用電極４１０は平面視において重なっている。このため可動電極１２０が第２検出用電極４１０に近づく方向（図８の例では−方向）に回転すると、可動電極１２０と第２検出用電極４１０の間の静電容量は大きくなる。また、可動電極１２０が第２検出用電極４１０から離れる方向（図８の例では＋方向）に回転すると、可動電極１２０と第２検出用電極４１０の間の静電容量は小さくなる。

このため、制御部２００は、図７に示したデータ（特に可動電極１２０の回転角度が０°のときの静電容量）を予め記憶しておくことにより、可動電極１２０の回転方向を高い精度で検出できる。なお、制御部２００は、図７に示したデータから可動電極１２０の回転角度を検出することもできる。ただし、可動電極１２０と第２検出用電極４１０の間の静電容量は、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の間の静電容量よりも小さい。このため、第１検出用電極１５０を用いたほうが、可動電極１２０の回転角度の検出精度は高くなる。

図８は、可動電極１２０を１ｋＨｚで±５°の範囲で振動させたときの、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の間の静電容量の変化を示している。このグラフからも、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の間の静電容量を用いると、可動電極１２０の回転角度を判断できることが分かる。ただし、回転角度＝０°を原点とした場合、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の間の静電容量の変化は、可動電極１２０が＋方向に回転した場合と−方向に回転した場合とで同一の値を示す。このため、制御部２００は、この静電容量からは可動電極１２０の回転方向を検出できない。

図９は、可動電極１２０を１ｋＨｚで±５°の範囲で振動させたときの、可動電極１２０と第２検出用電極４１０の間の静電容量の変化を示している。このグラフからも、可動電極１２０と第２検出用電極４１０の間の静電容量を用いると、可動電極１２０の回転方向を判断できることが分かる。

以上、本実施形態によれば、回転型アクチュエータ１００は、第１検出用電極１５０及び第２検出用電極４１０を備えている。そして、可動電極１２０の回転角度は、可動電極１２０と第１検出用電極１５０の間の静電容量に基づいて、精度良く判断される。また可動電極１２０の回転方向は、可動電極１２０と第２検出用電極４１０の間の静電容量に基づいて、精度良く判断される。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

５０ レジストパターン
１００ 回転型アクチュエータ
１１０ 枠体
１２０ 可動電極
１３０ 保持部材
１４０ 固定電極
１５０ 第１検出用電極
２００ 制御部
３１０ 基板
３２０ 絶縁層
３３０ 導電層
４００ 絶縁板
４１０ 第２検出用電極

Claims (3)

1. 可動電極と、
   枠体と、
   前記可動電極を前記枠体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる保持部材と、
   平面視で前記可動電極に対向している固定電極と、
   前記可動電極及び前記固定電極から絶縁されており、平面視において前記可動電極の一辺に対向している第１検出用電極と、
   前記可動電極及び前記固定電極から絶縁されており、平面視において前記可動電極と少なくとも一部が重なっている第２検出用電極と、
   を備え、
   平面視において、前記第２検出用電極は前記保持部材と重なっていない回転型アクチュエータ。
2. 請求項１に記載の回転型アクチュエータにおいて、
   平面視で前記可動電極と重なっている第１支持部材と、
   前記第１支持部材を前記可動電極から離間した状態で前記固定電極に固定する第２支持部材と、
   を備え、
   前記第２検出用電極は、前記第１支持部材に設けられている回転型アクチュエータ。
3. 請求項１又は２に記載の回転型アクチュエータにおいて、
   前記可動電極と前記固定電極の間に印加する電圧を制御する制御部を備え、
   前記制御部は、
   前記第１検出用電極と前記可動電極の間の第１静電容量に基づいて、前記可動電極の回転角度を判断し、
   前記第２検出用電極と前記可動電極の間の第２静電容量に基づいて、前記可動電極の回転方向を判断する回転型アクチュエータ。

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