JP6592786B2 - 金属弾性部材及び微小機械装置 - Google Patents

Description

本発明は、金属弾性部材及び微小機械装置に関し、例えば、所定の角度範囲で光を繰り返し走査するために用いられる金属弾性部材及び微小機械装置に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造される走査型光偏向素子のような微小機械装置は、少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から可動部を固定部に支持する一対の梁部とを含み、梁部を捻り回転軸とする軸心周りに可動部が揺動可能に構成されている。つまり、梁部がジンバル構造の捻り梁として機能する。

例えば、入射光を偏向走査する光偏向ミラーと平面状のコイルで可動部が構成され、コイルに流れる交流電流と固定部に備えた永久磁石により形成される磁界とによってコイルに作用するローレンツ力により、梁部で支持された可動部つまり光偏向ミラーが繰り返し揺動される。

特許文献１には、単結晶シリコン基板に半導体製造技術を適用して可動部及び梁部を一体形成した光走査装置が提案されている。

特許文献２には、モノリシック製造工程で導電性アモルファスアルミニウム合金を用いて梁部が製作されたマイクロミラー装置が提案されている。

特許文献３には、純チタンまたはチタン合金をプレス加工して得られる梁部を備えた振動ミラーが提案されている。

特許文献４には、ねじり振動子を用いた光学デバイスで光走査して描画する際に、可動部に照射された光の一部が熱となって可動部が昇温し、安定した描画が困難になるという問題を解消するため、可動部に高熱伝導膜を形成し、弾性連結部を介して放熱する構造が開示されている。

特開２００３−８４２２６号公報 特開平９−２８１４１７号公報 特開２００９−１７５３６８号公報 特開２００７−２０６６７０号公報

上述した光偏向ミラーを用いた小型の走査型の測距装置または当該走査型の測距装置を用いた障害物検知装置を構成する場合には、例えば数ｍｍ角の偏向ミラーを１５０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲の比較的低い周波数で揺動して、例えば４５°の走査角度範囲で測定光を走査する必要がある。

しかし、特許文献１に記載されたようなシリコン材を用いて製作した梁部は、例えば５ｍｍ角程度の比較的小型の反射ミラーを備えた可動部を比較的高い周波数で駆動する必要がある場合に好適な材料であり、例えば１０ｍｍ角のような比較的大型の反射ミラーを備えた可動部を５００Ｈｚ以下の周波数では駆動する場合には安定駆動できないという問題があり、またシリコン材は比較的容易にへき開するために、耐衝撃性を要求される用途には使用し辛いという問題もあった。

特許文献２に記載されたような導電性アモルファスアルミニウム合金を用いた梁部は、モノリシック製造工程で製作されるために製造コストが嵩むという問題があり、また十数μｍ角の光偏向ミラーを含めてサイズが微小であるために、ある程度のビーム径が要求される計測用途に用いるのは困難であるという問題もあった。

特許文献３に記載されたような金属をプレス加工して得られる梁部は、加工時にその表面に多数の微小な凹凸や傷が形成され、そこに応力振幅による応力の集中が起こるため、繰返し使用により微小な凹凸や傷が起点となって亀裂に成長し、疲労破壊を招き易いという問題があった。

特に、測定光を走査して測定光に対応する反射光に基づいて障害物の有無を検知する光走査装置は長時間連続して作動するため、例えば１００Ｈｚの周波数で使用しても１年間で３０億回の応力振幅に耐える必要がある。

そのため、通常これらの金属部品は、数万回から数十万回、あるいは数百万回から数千万回の寿命試験、時間にして数十時間あるいは数百時間の寿命試験を行ない、その結果に基づいて算出した安全率を考慮した範囲で使用されているが、近年、数百万回から数千万回の応力振幅による評価では不足することが指摘されている。

表面の傷等に端を発する亀裂は高サイクル疲労と呼ばれ、内部の結晶欠陥等に端を発する亀裂は超高サイクル疲労と言われ、その評価には数億回あるいは数十億回の試験が必要となり、それに伴って試験時間も膨大になり、そこまでの寿命を保証するのは事実上困難である。

そこで、本願発明者は、可動部を比較的低い周波数範囲で揺動可能な梁部を長寿命で信頼性の高い金属弾性部材で構成することに想起し、可動部を揺動支持するために、一端側に固定側パッドが形成され他端側に可動側パッドが形成された金属棒状部であって、機械的加工法を除く物理的または化学的加工法を用いて断面積１ｍｍ^２以下に成形された金属棒状部を提案している（特願２０１２−２４７７９６号）。

このような金属棒状部を捩じり梁部として用いて、可動部を１５０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲の比較的低い周波数で揺動しても何らの問題も生じないのであるが、それより大きな周波数、例えば１ｋＨｚを超えた周波数で揺動すると揺動振幅が著しく小さくなるという問題に遭遇した。梁部を構成する金属が内部摩擦で発熱して温度上昇し、共振周波数が大きく低下して揺動角度が小さくなるのである。

一般に金属は上昇温度が著しくなると疲労限度や破断限界の低下を招き、その寿命が低下して最悪の場合には破断する虞がある。また、ヤング率も温度と共に低下する傾向にあり、上述のようにバネとして使用する場合にはバネ定数が変化してしまう結果、揺動角度が小さくなると推定される。

ｆを周波数、σを変位角θのときの応力とすると、金属棒状部で生じる内部摩擦の発熱量Ｑは以下の式のように、ｆとσの関数で表すことができる。
Ｑ＝Ｆ（ｆ，σ（θ））

つまり、周波数ｆを低くするか、変位角θを小さくすれば、金属棒状部の発熱量を抑えることができる。しかし、そうすると設計の自由度が大幅に制限されるので、安易に周波数ｆや変位角θを制限することができない。

そこで、特許文献４に記載されたような放熱構造を採用することも考えられるが、数ｍｍ^２以下という極めて小さな断面積で薄肉に形成された金属棒状部では固体内の伝熱が殆ど期待できないため、実質的に作用できない。

また、非常に小型の金属棒状部自体が内部摩擦で発熱するため、冷却ファン等の冷却機構を配置することが物理的に困難であり、また風圧で揺動状態が変動する虞もある。

そこで、放射や対流による放熱特性を上げるために金属棒状部の表面積を大きく、つまり金属棒状部を幅広に形成すると、共振周波数が変化して目標の周波数で揺動駆動できないという問題もあった。

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、内部摩擦による発熱を効率よく放熱して、長期にわたり安定して動作可能な金属弾性部材及び当該金属弾性部材を用いた微小機械装置を提供する点にある。

上述の目的を達成するため、本発明による金属弾性部材の第一の特徴構成は、少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置の前記梁部に用いられる金属弾性部材であって、互いに分離して構成され、前記可動部を１０Ｈｚから１８００Ｈｚの周波数範囲で揺動する所定長の一対の金属棒状部と、前記一対の金属棒状部の各々の一端側に形成され前記固定部に固定する固定側パッドと、前記一対の金属棒状部の各々の他端側に配置され前記可動部に固定する可動側パッドとを含み、少なくとも前記一対の金属棒状部は、研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により積層構造を除く一体構造で断面積が１ｍｍ^２以下に成形されるとともに、前記捻り回転軸の延出方向に沿って配列され前記捻り回転軸と交差する方向に向けた複数の突起が延出形成され、前記金属棒状部の捻り動作に起因する内部摩擦による発熱を対流熱伝達するように構成されている点にある。

機械的加工法を除く物理的または化学的加工法を用いて梁部となる金属棒状部を形成すると、応力振幅により亀裂に成長するような傷が表面に形成される確率が非常に小さく、従って疲労強度が低下する虞が極めて低くなる。また、金属棒状部を断面積１ｍｍ^２以下に成形することにより、それだけ良好な実効耐力を示す梁部が構成できるようになる。

このような金属棒状部に捻り回転軸と交差する方向に複数の突起を延出形成すると、梁部の揺動に伴って突起が雰囲気中で変位し、このときの風の流れで対流熱伝達が発生する。この現象を利用して金属棒状部の捻り動作に伴なう内部摩擦による発熱を効率的に放熱することができるようになり、長期間安定して捻り動作を継続させることができるようになるのである。

同第二の特徴構成は、上述の第一の特徴構成に加えて、前記固定側パッドに前記固定部に対する位置決め用の孔が形成され、及び／または、前記可動側パッドに前記可動部に対する位置決め用の孔が形成されている点にある。

固定側パッドに形成された位置決め用の孔を介して固定側パッドが固定部に精度よく位置決めされて取り付けられ、可動側パッドに形成された位置決め用の孔を介して可動側パッドが可動部に精度よく位置決めされて取り付けられるようになるので、安定動作が実現できる。

同第三の特徴構成は、上述の第一または第二の特徴構成に加えて、前記金属棒状部のばね定数が、前記突起が形成されていない金属棒状部のばね定数の±５％の範囲に調整されるように、前記金属棒状部に前記突起が形成されている点にある。

金属棒状部に突起を延出形成することによって、突起が形成されていない金属棒状部のバネ定数から大きく変化すると、金属棒状部の捻り動作で可動部を揺動駆動する際に、目標となる揺動周波数で駆動することが困難になり、新たに金属棒状部を設計する煩雑な作業が生じる。しかし、ばね定数の変動が±５％の範囲内に収まる範囲内で、突起が延出形成されていれば、設計の自由度を損なうことが無くなる。

同第四の特徴構成は、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記突起の最大幅が前記金属棒状部の幅の１．５倍以下に設定され、前記突起の最大長さが前記金属棒状部の幅の３倍以下に設定されている点にある。

突起の最大幅が金属棒状部の幅よりも長くなると、風圧を受けて円滑に揺動できなくなる虞が強く、突起の最大長さが金属棒状部の幅の３倍より長くなると、揺動時の慣性力が大きくなって円滑に揺動できなくなる虞が強くなる。つまり、目標とする揺動周波数で駆動できなくなる。突起の最大幅が金属棒状部の幅の１．５倍以下に設定され、突起の最大長さが金属棒状部の幅の３倍以下に設定されていれば、適切に放熱しながら目標とする揺動周波数で安定駆動させることができるようになる。

同第五の特徴構成は、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、ステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかのテンションアニール処理材で構成されている点にある。

テンションアニール法で圧延されたステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかの金属を用いて金属弾性部材を構成すれば、長期にわたり安定して動作可能な梁部が得られる。

同第六の特徴構成は、上述の第一から第五の何れかの特徴構成に加えて、前記物理的または化学的加工物に収束イオンビーム加工物、エッチング加工物、及びメッキ加工物が含まれる点にある。

研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物として、収束イオンビーム加工物、エッチング加工物、及びメッキ加工物を好適に用いることができる。

本発明による微小機械装置の第一の特徴構成は、少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置であって、前記梁部が上述の第一から第六の何れかの特徴構成を備えた金属弾性部材で構成されている点にある。

上述の構成によれば、揺動等の動作によって金属弾性部材に発生する熱を良好に放熱して長期にわたり安定して作動する微小機械装置が得られる。

同第二の特徴構成は、上述の第一の特徴構成に加えて、前記可動部にコイルが形成されるとともに、前記固定部に磁界形成部が設けられ、前記コイルに流れる電流と前記磁界形成部により形成される磁界によって発生する電磁力で前記可動部が揺動するように構成され、前記梁部は、前記可動部を支持する機能と、前記コイルに通電する導電体としての機能と、前記可動部を基準位置に戻すばねとしての機能を備えている点にある。

例えば、可動部に形成されたコイルに交流電流を供給すれば、コイルに流れる交流電流と固定部に備えた永久磁石により形成される磁界とによってコイルに作用するローレンツ力により、梁部で支持された可動部が繰り返し揺動される。このような梁部は、長期にわたり金属疲労を招くことなく、安定して可動部を支持できるようになる。

同第三の特徴構成は、上述の第二の特徴構成に加えて、前記可動部に、入射光を反射して偏向走査する光偏向面が形成されている点にある。

可動部に光偏向面を形成すれば、光偏向面で偏向された光が、可動部の揺動に伴って繰返し所定の走査角度範囲で安定して走査されるようになる。

以上説明した通り、本発明によれば、内部摩擦による発熱を効率よく放熱して、長期にわたり安定して動作可能な金属弾性部材及び当該金属弾性部材を用いた微小機械装置を提供することができるようになった。

本発明による微小機械装置の斜視図 （ａ）から（ｅ）は本発明による金属弾性部材の製作過程の説明図 （ａ）から（ｃ）は金属弾性部材を介して可動部を固定部へ取り付ける取付け過程の説明図 本発明による微小機械装置の分解斜視図 （ａ）可動部（コイル基板）と金属弾性部材の要部の平面図、（ｂ）は同断面図、（ｃ）は可動部（コイル基板）と金属弾性部材の要部の別実施形態を示す断面図である。 可動部の揺動動作の説明図 金属弾性部材の固定部への取付け部位の説明図 別実施形態を示す微小機械装置の分解斜視図 別実施形態を示す微小機械装置の斜視図 別実施形態を示し、金属弾性部材の説明図 （ａ）は破断試験の結果を示すＳ−Ｎ線図、（ｂ），（ｃ）は梁の断面積と共振周波数の関係を示すシミュレーション結果の特性図 （ａ）は金属弾性部材の突起の幅、長さ、及びピッチの説明図、（ｂ）は別実施形態を示す金属弾性部材の説明図 別実施形態を示す金属弾性部材の説明図 数値解析による金属弾性部材の共振周波数と最大主応力の特性図

以下、本発明による金属弾性部材及び当該金属弾性部材を用いた微小機械装置を図面に基づいて説明する。

図１及び図４には、走査型の測距装置等に用いられる微小機械装置１が示されている。微小機械装置１は、固定部２となる枠体と、可動部３となる平坦な板状体と、固定部２に対して可動部３を軸心Ｐ周りに揺動可能に支持する一対の梁部４，４と、梁部４，４を挟んで可動部３の両側に配置された永久磁石５，６と、上部カバー体８等を備えている。

固定部２はポリカーボネート等の樹脂製の直方体部材で構成されている。固定部２の中央部に、平面視で可動部３よりもやや大きな面積で、厚み方向に刳り抜かれた開口空間が形成され、その開口空間に可動部３が配置されている。

梁部４，４は金属弾性部材で構成されている。金属弾性部材は、所定長の金属棒状部４ａと、金属棒状部４ａの一端側に形成され固定部２に固定する固定側パッド４ｂと、金属棒状部４ａの他端側に形成され可動部３に固定する可動側パッド４ｃとを備えている。

断面が“コ”の字形で、透磁率が高い部材で構成される磁性体保持部７に、一方５がＮ極、他方６がＳ極となるように永久磁石５，６が対向配置されている。永久磁石５，６は、固定部２の開口空間に、可動部３を挟むように下方から挿入固定されている。

可動部３は、ガラス基板またはシリコン基板に金またはアルミニウム等が蒸着された偏向ミラー３ａと、ガラスエポキシ基板に銅製のコイルＣと電極パッドＥが印刷形成されたコイル基板３ｃと、それら間に配置される同じくガラスエポキシ製のスペーサ３ｂを備えている。

一対の梁部４，４の各可動側パッド４ｃが電極パッドＥに接触するように位置決めされ、導電性接着剤を用いて偏向ミラー３ａとコイル基板３ｃとの間に接着固定されている。尚、コイル基板３ｃを、エポキシ樹脂等を用いた各基板層にコイルパターンを形成し、各基板層のコイルをビアで連結した多層基板で構成してもよい。

一対の梁部４，４を介してコイルＣに交流電流を印加すると、コイルＣに流れる交流電流と固定部２に備えた永久磁石５，６により形成される磁界とによってコイルＣにローレンツ力が作用し、当該ローレンツ力によって梁部４，４で支持された可動部３が繰り返し揺動される。

即ち、微小機械装置１は、少なくとも一つの可動部３と、固定部２と、両側から可動部３を固定部２に支持する一対の梁部４，４とを含み、梁部４を捻り回転軸とする軸心Ｐ周りに可動部３が揺動可能に構成されている。そして、梁部４，４は、可動部３を支持する機能と、コイルＣに通電する導電体としての機能と、可動部３を基準位置に戻すばねとしての機能を備えている。さらに、可動部３に、入射光を反射して偏向走査する光偏向面が形成されている。

可動部３を揺動駆動する周波数、つまりコイルＣに印加する交流電流の周波数は、可動部３を含む梁部４，４の機械的共振周波数から僅かにずらせた周波数に設定することが好ましく、可動部３の大きさ、金属棒状部４ａの断面積と長さとその物理的特性に依存して５０Ｈｚから約１ｋＨｚの範囲で設定可能である。

例えば、可動ミラーの面積が１２ｍｍ×１２ｍｍの場合で、本発明による金属弾性部材を用いた梁部４の場合には、１０Ｈｚから１８００Ｈｚの周波数範囲、特に１５０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数範囲が好適である。

図２（ｅ）に示すように、梁部４，４は、一端側に固定側パッド４ｂが形成され他端側に可動側パッド４ｃが形成された一対の金属棒状部４ａが、枠体４０の内部で、直線上に対称に配置され、各パッド４ｂ，４ｃが支持部４１を介して枠体４０に固定されるように一体に形成されている。

図３（ａ）に示すように、先ず、固定部２に設けられた一対の位置決めピン２ｐが各固定側パッド４ｂに形成された一対の位置決め用の孔部に嵌め込まれて接着固定される。

次に、図３（ｂ）に示すように、可動側パッド４ｃに形成された一対の位置決め用孔部の上方から、偏向ミラー３ａの裏面に形成された一対の位置決めピンが嵌め込まれ、次に可動側パッド４ｃの下方から開放空間を通してスペーサ３ｂがあてがわれ、さらにコイル基板３ｃに形成された一対の位置決め用孔部に偏向ミラー３ａの位置決めピンが嵌め込まれ、それぞれが接着剤で接着固定される。

その後、図３（ｃ）に示すように、各支持部４１が切断されて枠体４０が離脱され、さらに固定部２の上方から上部カバー体８（図１参照）が被覆されて、固定側パッド４ｂが確実に固定される。一対の金属棒状部４ａで構成されるねじり回転軸の直線性が高精度に保たれた状態で可動部３を支持できるようになり、しかも組立作業も簡素化できるようになる。

図５（ａ），図５（ｂ）には、コイル基板３ｃに形成された電極パッドＥと、梁部４，４の一端部に形成された可動側パッド４ｃとが、スペーサ３ｂを介して電気的に接触するように位置決め配置された状態が示されている。スペーサ３ｂは中央部が絶縁部材３３で形成され、両端部が金属部材３４で構成されている。各電極パッドＥ，Ｅと各可動側パッド４ｃ，４ｃとが金属部材３４，３４を通して電気的に接続されている。当該構成については後に図７に基づいて詳述する。

図３（ｃ）に示すように、固定部２に設けられた位置決めピン２ｐは金属で構成され、梁部４，４を介してコイル基板３ｃに形成されたコイルＣに交流電流を印加する電極ピンとなる。

図６に示すように、レーザダイオード等の発光素子ＬＤから光学レンズ（図示せず）を介して平行光に形成された測定光を偏向ミラー３ａに入射させ、コイルＣに交流電流を印加すると、梁部４，４を捻り回転軸とする軸心Ｐ周りに偏向ミラー３ａが揺動し、発光素子ＬＤからの入射光が偏向ミラー３ａで偏向され、偏向ミラー３ａの揺動角度の２倍の角度で反射光が偏向走査される。例えば、偏向ミラー３ａの揺動角度を±１１．２５°に設定すると、±２２．５°の走査角度範囲で反射光が走査される。

梁部４，４は、テンションアニール法で圧延されたステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかの金属を用いて、プレス加工等の機械的加工法を除く物理的または化学的加工法で形成される。テンションアニール法とは、ステンレス材等に一定の引っ張り応力をかけながら、高温下の水素ガスを含む窒素ガス雰囲気中で一定時間の放置を行なう処理のことをいう。物理的または化学的加工法として、集束イオンビーム法、エッチング法、及びメッキ法（電鋳法）が好適に用いられる。

図２（ａ）から図２（ｅ）には、化学的加工法の一例であるエッチング法を用いて、梁部４，４を構成する金属弾性部材の製作過程が示されている。本実施例では、ＳＵＳ３０４ＣＳＰ−Ｈのテンションアニール材を用いている。

所定厚さ（本実施形態では０．２ｍｍ）のステンレス薄板４２（図２（ａ）参照）の表面にフォトレジスト４３を均一に塗布し（図２（ｂ）参照）、金属棒状部４ａ、固定側パッド４ｂ、可動側パッド４ｃ、枠体４０、支持部４１に対応する領域が遮光されるように形成されたフォトマスク（図示せず）を介して光露光する（図２（ｃ）参照）。

露光された領域のフォトレジスト４３ｂを所定のエッチング液で除去すると、ステンレス薄板４２の表面のうち、枠体４０や梁部４に対応する領域にのみフォトレジスト４３層が形成される（図２（ｄ）参照）。

その後、ステンレス薄板４２の表面にステンレスを溶かすエッチング液を吹きかけて徐々にエッチング処理を進め、エッチング処理が完了すると溶剤でフォトレジスト４３を除去する。以上のプロセスによって、一端側に固定側パッド４ｂが形成され他端側に可動側パッド４ｃが形成された一対の金属棒状部４ａが、枠体４０の内部で直線上に対称に配置され、各パッド４ｂ，４ｃが支持部４１を介して枠体４０に固定されるように一体に形成された金属弾性部材が出来上がる（図２（ｅ）参照）。

メッキ法を用いて金属弾性部材を製作する場合には、図２（ｄ）に示したフォトレジスト４３の形状が凹部となる所定深さの型枠を作成し、型枠に離型材を塗布した後に、金属イオンを含む電解液を満たし、電解液中の金属を電着させることにより製作することができる。

梁部４を構成する金属棒状部４ａをプレス加工や研削加工等の機械的加工（塑性加工）法で形成すると、加工時に表面にできる複数の微小な傷に、応力振幅に起因する応力の集中が起こり、微小な傷が起点となって亀裂に成長して、疲労強度が低下するため、可動部３を長期にわたり安定して揺動することができない。

しかし、機械的加工法を除く物理的または化学的加工法を用いて梁部となる金属棒状部４ａを形成すると、応力振幅により亀裂に成長するような傷が表面に形成される確率が非常に小さく、従って疲労強度が低下する虞が極めて低くなる。

一般に金属材料の諸物性、例えば耐力等は１０ｍｍ径（断面積７８．５ｍｍ^２）の試験片に基づいて測定されるが、少なくとも試験片の１桁以下の寸法（１ｍｍ径（断面積０．７８５ｍｍ^２）以下）で作製された試験片の耐力は公表されている値よりも大きな値になる傾向があり、断面積を微小にすることで実効耐力が数十％高い値を示すことが想定できる。

対象物の表面の傷の存在確率が一定であるならば、超高サイクル疲労の亀裂の基点となる傷の絶対数が小型化による表面積の減少に伴って減少する結果、或いは、対象物の内部の欠陥確率が同一であるならば、超高サイクル疲労の亀裂の基点となる内部欠陥の絶対数が体積の減少により減少する結果、耐久性や耐力が増加すると定性的に理解されているためである。

限度はあるが、物質は小さくなればその物質本来の物性値に近くなると考えられる。本願発明者は、１０ｍｍ径の試験片で得られた捻り方向の疲労限界が機械角±９．２５°であるのに対して、同じ金属材料を用いて０．２ｍｍ×０．２５ｍｍの断面を持つ金属梁では機械角±１５．５°であることを実験により確認している。

捻り部分の最大応力は１．４倍程度であり、断面寸法が１桁下がると２０％程度丈夫になるという当業者による経験上の知見を考慮すれば、２桁小さいサイズ効果から１．２×１．２＝１．４倍程度に疲労限度が上昇することになる。このような耐久性、耐力の上昇は、上述した定性的な一般的理解から定量的理解へと実験を行った結果により裏付けられている。

そこで、金属棒状部を断面積１ｍｍ^２以下に成形することにより、それだけ良好な実効耐力を示す梁部が構成できるようになり、周波数１５０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲で可動部３を長期にわたり安定して揺動することができるようになる。尚、可動部３を構成する偏向ミラー３ａの揺動角度は±１１．２５°に制限されることは無く、微小機械装置１の用途に応じて適宜設定される値である。

図２（ｅ）に示す梁部４，４を構成する金属棒状部４ａは、断面積が１ｍｍ^２以下に形成されていればよく、０．００１ｍｍ^２〜１ｍｍ^２の範囲で成形されていることが好ましい。

本実施形態では、金属棒状部４ａは幅Ｗが１．０ｍｍ、厚さＴが０．２ｍｍ、長さＬが５ｍｍに形成され、断面積Ｓが０．２０ｍｍ^２に形成されている。尚、微小機械装置１の各部の大きさは以下の通りである。固定部２は幅２３ｍｍ、奥行き２６ｍｍ、厚さ５．５ｍｍ、可動部３は幅１２．０ｍｍ、奥行き１２．０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍに形成されている。

本発明による金属弾性部材を構成する金属棒状部４ａには、さらに捻り回転軸つまり金属棒状部４ａの長手方向と交差する方向に複数の板状の突起４ｄが延出形成されている。当該突起４ｄは、図２（ａ）から図２（ｅ）で説明した手順で製作され、幅が０．５ｍｍ、長さが０．５ｍｍ、厚さが０．２ｍｍに形成されている。

梁部４の揺動に伴って突起が雰囲気中で変位し、このときの風の流れで対流熱伝達が発生する。この現象を利用して金属棒状部４ａの捻り動作に伴なう内部摩擦による発熱を空気への放熱によって効率的に冷却でき、周波数５００Ｈｚから数ｋＨｚの範囲で揺動しても発熱による共振周波数の低下が回避され、長期間安定して捻り動作を継続させることができるようになる。つまり、突起４ｄが放熱フィンとして機能する。

図１２（ａ）に示すように、突起４ｄの最大幅Ｗｂは金属棒状部４ａの幅Ｗの１．５倍以下、好ましくは０．５倍〜１．０倍の範囲に設定されることが好ましく、突起４ｄの最大長さＬｂは金属棒状部４ａの幅Ｗの３倍以下、好ましくは０．５倍〜１．５倍の範囲に設定されていることが好ましい。

上述の条件を満たしたうえで、さらに突起４ｄの配列ピッチＰｂが、金属棒状部４ａの幅Ｗの０．５以上、好ましくは０．７５倍から１．５倍の範囲に設定されていることが好ましい。配列ピッチＰｂが大きくなると突起４ｄの数が少なくなり、放熱効果が低下する。

突起４ｄの幅が金属棒状部４ａの幅Ｗよりも長くなると、風圧を受けて円滑に揺動できなくなる虞が強く、突起４ｄの長さが金属棒状部４ａの幅Ｗの３倍より長くなると、揺動時の慣性力が大きくなって円滑に揺動できなくなる虞が強くなる。つまり、目標とする揺動周波数で駆動できなくなる。従って、上述の範囲に設定されていれば、適切に放熱しながら目標とする揺動周波数で安定駆動させることができるようになる。

金属棒状部４ａのばね定数が、突起４ｄが形成されていない金属棒状部、つまり幅Ｗが１．０ｍｍ、厚さＴが０．２ｍｍ、長さＬが５ｍｍに形成され、断面積Ｓが０．２０ｍｍ^２に形成されている金属棒状部のばね定数の±５％の範囲に調整されるように、好ましくは±３％の範囲に調整されるように、金属棒状部４ａに突起４ｄが形成されていることが好ましい。

金属棒状部４ａに突起４ｄを延出形成することによって、突起４ｄが形成されていない金属棒状部のバネ定数から大きく変化すると、金属棒状部の捻り動作で可動部を揺動駆動する際に、目標となる揺動周波数で駆動することが困難になり、新たに金属棒状部を設計する煩雑な作業が生じる。しかし、ばね定数の変動が±５％の範囲内に収まる範囲内で、突起が延出形成されていれば、設計の自由度を損なうことが無くなる。

図１から図９には、何れも矩形形状の同一形状の突起４ｄが示されているが、突起４ｄの形状は矩形形状に限定されることはなく、任意の形状を採用することができる。

例えば、図１２（ｂ）に示すように、基端側よりも先端側が幅狭になる台形状に形成してもよいし、基端側よりも先端側が幅広になる逆台形状に形成してもよい。さらには先端が尖った三角形状に形成されていてもよい。

また、金属棒状部４ａの左右両側に形成される複数の突起４ｄを同じピッチで対称に形状に形成した例を示したが、可動部の揺動時に金属棒状部４ａに作用する正逆方向の慣性モーメントに大きなアンバランスが生じない範囲であれば、左右で突起４ｄの形成位置を僅かにずらせてもよいし、全ての突起が同一形状に形成されている必要もない。

さらに、突起４ｄが金属棒状部４ａの左右両側ではなく、金属棒状部４ａの上下面に垂直に形成されていてもよい。この場合、エッチング法での形成は困難であるので、三次元プリンタを用いて形成した型枠に離型材を塗布した後に、金属イオンを含む電解液を満たし、電解液中の金属を電着させることにより製作するメッキ法を用いることができる。

突起４ｄの延出方向は、金属棒状部４ａの長手方向と交差する方向であればよく、必ずしも垂直に延出形成されていなくてもよい。金属棒状部４ａが揺動する際に雰囲気と接触して放熱できるように形成されていればよい。

図１１（ａ）には、断面積０．０５ｍｍ^２、長さ４ｍｍで、突起４ｄが形成されていない梁４を用いて、面積１４４ｍｍ^２（１２ｍｍ×１２ｍｍ）の偏向ミラー３ａを駆動周波数２００Ｈｚ（共振周波数平均：１８８．６Hz）で揺動したときの破断試験の結果であるＳ−Ｎ線図が示されている。

白丸はＳＵＳ３０４ＣＳＰ−Ｈテンションアニール材で構成された梁の特性、黒丸はＳＵＳ３０４ＣＳＰ−Ｈストレスリリース材で構成された梁の特性、黒三角は時効処理済みＣｏＮｉ合金材（高耐久性を謳っている材料）で構成された梁の特性である。縦軸のOptical angleは測定光の全振れ角で例えばOptical angle ６０°の場合は測定光の振れ角は±３０°、偏向板の振れ角は±１５°となる。

試験の結果、黒丸及び黒三角は破断に到った。一方白丸（テンションアニール材）の場合、Optical angle ７０°以上では破断に到ったが、Optical angle６５°以下の場合は揺動サイクル１億回を超えても破断に到るサンプルは無かった。Optical angle ６２°における白丸と黒丸のように、バネ材として好適なステンレスＳＵＳ３０４ＣＳＰ−Ｈであっても、テンションアニールの有無で破壊サイクルが２桁以上変わることが明らかになった。

図１１（ｂ），図１１（ｃ）には、偏向ミラー３ａの面積、梁の断面積、梁の長さを変化させたときの共振周波数のシミュレーションの結果が示されている。試作した可動ミラー（条件１：面積１２ｍｍ×１２ｍｍ、梁断面積０．０５ｍｍ^２、梁長４ｍｍ、実測共振周波数平均１８８．６Ｈｚ、及び条件２：面積１２ｍｍ×１２ｍｍ、梁断面積０．１６ｍｍ^２、梁長５ｍｍ、実測共振周波数平均４００．７Ｈｚ）でシミュレーションパラメータをフィッティングして、他の条件のシミュレーションを実施した。偏向ミラー及び梁の形状を変えることにより、共振周波数が変化して５０Ｈｚから１ＫＨｚ超で遥動可能であることが確認された。

図１１（ｂ）は、条件１に基づくシミュレーション結果であり、梁の長さを４ｍｍに固定し、梁の断面積を変化させた場合の共振周波数の変化が示されている。図中、系列１は偏向ミラー２０ｍｍ×２０ｍｍ、系列２は偏向ミラー１６ｍｍ×１６ｍｍ、系列３は偏向ミラー１２ｍｍ×１２ｍｍ、系列４は可動ミラー８ｍｍ×８ｍｍである。

図１１（ｃ）は、条件２に基づくシミュレーション結果であり、梁の長さを５ｍｍに固定し、梁の断面積を変化させた場合の共振周波数の変化が示されている。図中、系列１は偏向ミラー２０ｍｍ×２０ｍｍ、系列２は偏向ミラー１６ｍｍ×１６ｍｍ、系列３は偏向ミラー１２ｍｍ×１２ｍｍ、系列４は可動ミラー８ｍｍ×８ｍｍである。

しかし、約１ｋＨｚ以上の周波数で長時間にわたって揺動させると、梁部の発熱によって共振周波数が低下し、揺動振幅が小さくなるという現象が生じる。

図１４には、梁部に対して放熱フィンとして機能する突起４ｄを形成した場合の共振周波数と最大主応力を有限要素法で解析した結果が示されている。梁部を構成する金属棒状部４ａは、幅Ｗが１．０ｍｍ、長さＬが４．０ｍｍ、厚さＴが０．２５ｍｍに設定され、金属棒状部４ａの左右側部に、幅がＷ（１．０ｍｍ）、ピッチがＷ（１．０ｍｍ）、長さがｎＷ、つまり金属棒状部４ａの幅Ｗの実数ｎ倍の値に設定されている。最大主応力は金属棒状部４ａによって揺動される反射ミラーの機械角を１０度とした場合の解析値である。また、突起先端速度は、長さを変化させて、機械角１０度で揺動させたときの突起の先端部の速度である。突起４ｄが金属棒状部４ａの左右両側に形成されることを考慮して片方の突起４ｄの先端部の速度を２倍した値でプロットしている。

突起先端速度は、突起長さが長くなるほど上昇し、それだけ冷却能力が上昇していることを示している。解析の結果、突起長さが３Ｗ程度の範囲まで最大主応力に大きな変化が見られず、また共振周波数も約１２００Ｈｚで安定していることが判明した。同様の解析を金属棒状部４ａの厚さＴを０．２ｍｍ、０．３ｍｍに変えて解析しても同様の特性が得られた。但し、厚さＴを０．２ｍｍにした場合には共振周波数が約９００Ｈｚで安定し、厚さＴを０．３ｍｍにした場合には共振周波数が約１５００Ｈｚで安定した。

これらの結果に基づいて、幅Ｗが０．８ｍｍ〜１．０ｍｍ、長さＬが４．０ｍｍ〜９．０ｍｍ、厚さＴが０．２５ｍｍに設定され、金属棒状部４ａの左右側部に、幅がＷ（１．０ｍｍ）、ピッチがＷ（１．０ｍｍ）、長さが０．６５Ｗ（０．６５ｍｍ）の梁部を製作し、その試作梁部に対して共振実験を行なった。その結果、数百Ｈｚから１８００Ｈｚの範囲まで極めて安定して長時間搖動駆動させることができることが判明した。実験では周波数上限を１８００Ｈｚにしたが、さらに高い周波数まで安定駆動できると推測している。

図７には、金属棒状部４ａの各端部に固定側パッド４ｂ及び可動側パッド４ｃが形成された金属弾性部材と、可動部３を構成する上方のガラス基板３ａ、下方のガラスエポキシ基板（例えば偏向ミラーとコイル基板）３ｃ及びスペーサ３ｂの位置関係が示されている。

上方のガラス基板３ａの底面には、軸心Ｐと直交する方向に第１溝部３０が形成されるとともに、軸心Ｐに沿う方向に一対の第２溝部３１，３１が形成されている。第１溝部３０の深さは可動側パッド４ｃの厚みより僅かに深く形成され、第２溝部３１，３１の深さは第１溝部３０の深さよりさらに深く形成されている。

可動側パッド４ｃの位置決め用の孔部に第１溝部３０に形成された一対の位置決めピン３Ｐを挿通した状態で、第１溝部３０にスペーサ３ｂを挿入して、第１溝部３０の底面とスペーサ３ｂの上面との間で可動側パッド４ｃを挟むように接着する。さらに、当該一対の位置決めピン３Ｐが下方のガラスエポキシ基板に形成された一対の位置決め用の孔部に挿通するように位置決めして上下のガラス基板、ガラスエポキシ基板を接着する。

スペーサ３ｂのうち、コイル基板３ｃに形成された電極パッドＥと金属弾性部材の可動側パッド４ｃとが対向する両端部には、両者を電気的に接続するために金属部材が配され、スペーサ３ｂは、それら一対の金属部材の間に絶縁部材を配置して構成されている。

このように上方のガラス基板３ａに第１溝部３０及び第２溝部３１，３１を形成すると、金属棒状部４ａが上下のガラス基板３ａ，ガラスエポキシ基板３ｃと接触しない状態でその姿勢が保持されるようになり、金属棒状部４ａの捻り動作時にガラス基板３ａ，ガラスエポキシ基板３ｃと接触するような不都合が解消できる。

しかも、上方のガラス基板３ａを偏向ミラーとして機能させ、その偏向面の面積を大きくする必要がある場合でも、このような構成を採用すれば、金属棒状部４ａの長さを短くする必要もない。

図５（ａ），図５（ｂ），及び図７で説明した梁部４と可動部３との接続態様は一例であり、本願発明による梁部４と可動部３との接続態様がこのような構成に限定されるものではない。

例えば、図５（ｃ）に示すように、可動側パッド４ｃが上下のガラス基板３ａ，ガラスエポキシ基板３ｃの縁部近傍に固定され、金属棒状部４ａが上下のガラス基板３ａ，ガラスエポキシ基板３ｃで覆われないように配置される場合であれば、上部ガラス基板３ａの縁部に可動側パッド４ｃを収容する凹部が形成されていればよく、スペーサを設ける必要は無い。

また、図８及び図９に示すように、偏向ミラー３ａの偏向面が永久磁石５，６の高さよりも高くなるように、偏向ミラー３ａと可動側パッド４ｃとの間に、例えばポリカーボネート製のスペーサ部材３ｄ，３ｅを挿入してもよい。このように偏向ミラー３ａの偏向面を嵩上げすれば、偏向ミラー３ａの揺動時に、偏向ミラー３ａで偏向される測定光が永久磁石５，６の立ち上がり部で遮られる虞がなくなる。

図１０には、上述した金属弾性部材とは異なる形状の金属弾性部材が示されている。金属棒状部４ａは、幅０．１ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ、長さ１．５０ｍｍに形成され、断面積が０．００５ｍｍ^２に形成されている。

本発明による金属弾性部材を構成する金属棒状部４ａは、その断面積が１ｍｍ^２以下に形成されていればよく、その幅、厚さ、長さは適宜設定することができる。また、固定側パッド４ｂ及び可動側パッド４ｃの形状も特に制限されることなく、それが組み込まれる微小機械装置に合わせればよい。

本発明による微小機械装置の用途は、走査型の測距装置に限らず、プロジェクタやレーザプリンタ等の光を走査する必要があるデバイスに適用できる。例えば、可動部３を構成する上方のガラス基板３ａに発光素子を組み付け、走査角度に応じて微小機械装置を走査方向と直交する方向に揺動させつつ、発光素子の発光状態を制御すればプロジェクタやレーザプリンタ等の画像形成エンジンを実現できる。

さらに本発明による金属弾性部材および微小機械装置は、高速試験が可能な金属疲労試験の試料としても好適である。

一般的な疲労試験装置は１０Ｈｚ最高でも１００Ｈｚ程度の繰返しサイクルで行われるため、高サイクル疲労の評価は１００万回から１０００万回程度なので１００Ｈｚ試験でも約３時間で１００万回〜約２日１０００万回となる。しかし、近年着目されている超高サイクル疲労１億回〜１０億回となると、その１０倍〜１００倍の時間が必要で、仮に１００Ｈｚの試験機で１ヶ月２億９千万回の試験であり、複数個行う疲労試験の性質上、年単位で高価な試験装置を占有せねばならない。また、さらに高速の試験機では冷却機構が必須で、試料の温度上昇では試料そのものの特性が著しく低下するため試験結果の信頼性の吟味が必要であった。

一方、本発明の金属弾性部材、微小機械装置においては１２ｍｍ×１０ｍｍミラーで共振周波数４００Ｈｚ，全振幅４５度１２６億回の遥動動作が確認されており、１ＫＨｚを超える周波数での揺動動作する金属弾性部材、微小機械装置も設計可能であることから、疲労試験試料に本発明の金属弾性部材、微小機械装置を備えることで従来の一般的な疲労試験装置に比べ４倍〜１０倍の高速試験が実現できる。また本発明では、例えば小型の試験片を光偏向装置として組み立てれば、偏向角をレーザーで正確に読み取ることができ、複数個同時に試験を実施することも可能となる。さらに自己冷却機構形状で行うため、特別な冷却装置も必要ない。予めねじり角と発生応力の関係を明確化することで、極めて安価にすばやく正確に実験結果が得られる。

上述した実施形態では、一対の梁部４，４で支持される一つの可動部３を一つ備えた微小機械装置１を説明したが、一つの微小機械装置１に一対の梁部４，４で支持される一つの可動部３を複数組設けた構成を採用してもよい。

上述した実施形態では、金属弾性部材は、金属棒状部４ａの一端側に固定側パッド４ｂが形成され、他端側に可動側パッド４ｃが形成された金属弾性部材を説明したが、本発明による金属弾性部材は、可動部を揺動する所定長の金属棒状部と、金属棒状部の一端側に形成され固定部に固定する固定側パッドとを含み、捻り回転軸と交差する方向に複数の突起が延出形成されていればよい。

例えば、図１３に示すように、一対の金属棒状部４ａを、可動部取付け部３ａを介して一体に形成し、一体化された金属棒状部４ａの両端部に夫々固定側パッド４ｂを形成してもよい。図１３は、図２（ａ）から図２（ｄ）で説明した製作プロセスと同様の製作プロセスで製作することができ、図中の符号４１は、金属弾性部材を枠体４０に固定するための支持部４１である。

上述した実施形態では、固定部に磁界形成部としての永久磁石を設けるとともに、可動部にコイルを設けたが、逆に可動部に永久磁石を設け、固定部にコイルを設けてもよい。この場合もコイルに交流電流を印加することでローレンツ力を発生させ、可動部を駆動することができる。

固定部と可動部の双方にコイルを設け、何れか一方のコイルには直流電流を印加して磁界形成部として作用させ、他方のコイルに交流電流を印加することでもローレンツ力を発生させ、可動部を駆動することができる。

さらに、可動部の駆動方式は上述したような、ローレンツ力を用いて駆動させる方式に限定されるものではなく、例えば固定部と可動部の夫々に電極を設け、静電気力によって駆動させる方式を用いることもできる。

上述した実施形態は、何れも本発明による金属弾性部材及び当該金属弾性部材を用いた微小機械装置の一例を説明したものであり、該記載により本発明の技術的範囲が限定されるものではなく、また突起の具体的な形状、サイズ、ピッチ等は本発明による作用効果を奏する範囲において適宜設定できることはいうまでもない。

１：微小機械装置
２：固定部
３：可動部
４：梁部
４ａ：金属棒状部
４ｂ：固定側パッド
４ｃ：可動側パッド
４ｄ：突起
５，６：永久磁石
７：磁性体保持部
８：上部カバー体

Claims (9)

1. 少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置の前記梁部に用いられる金属弾性部材であって、
   互いに分離して構成され、前記可動部を１０Ｈｚから１８００Ｈｚの周波数範囲で揺動する所定長の一対の金属棒状部と、前記一対の金属棒状部の各々の一端側に形成され前記固定部に固定する固定側パッドと、前記一対の金属棒状部の各々の他端側に配置され前記可動部に固定する可動側パッドとを含み、
   少なくとも前記一対の金属棒状部は、研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により積層構造を除く一体構造で断面積が１ｍｍ^２以下に成形されるとともに、前記捻り回転軸の延出方向に沿って配列され前記捻り回転軸と交差する方向に向けた複数の突起が延出形成され、前記金属棒状部の捻り動作に起因する内部摩擦による発熱を対流熱伝達するように構成されている金属弾性部材。
2. 前記固定側パッドに前記固定部に対する位置決め用の孔が形成され、及び／または、前記可動側パッドに前記可動部に対する位置決め用の孔が形成されている請求項１記載の金属弾性部材。
3. 前記金属棒状部のばね定数が、前記突起が形成されていない金属棒状部のばね定数の±５％の範囲に調整されるように、前記金属棒状部に前記突起が形成されている請求項１または２記載の金属弾性部材。
4. 前記突起の最大幅が前記金属棒状部の幅の１．５倍以下に設定され、前記突起の最大長さが前記金属棒状部の幅の３倍以下に設定されている請求項１から３の何れかに記載の金属弾性部材。
5. ステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかのテンションアニール処理材で構成されている請求項１から４の何れかに記載の金属弾性部材。
6. 前記物理的または化学的加工物に収束イオンビーム加工物、エッチング加工物、及びメッキ加工物が含まれる請求項１から５の何れかに記載の金属弾性部材。
7. 少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置であって、
   前記梁部が請求項１から６の何れかに記載の金属弾性部材で構成されている微小機械装置。
8. 前記可動部にコイルが形成されるとともに、前記固定部に磁界形成部が設けられ、前記コイルに流れる電流と前記磁界形成部により形成される磁界によって発生する電磁力で前記可動部が揺動するように構成され、
   前記梁部は、前記可動部を支持する機能と、前記コイルに通電する導電体としての機能と、前記可動部を基準位置に戻すばねとしての機能を備えている請求項７記載の微小機械装置。
9. 前記可動部に、入射光を反射して偏向走査する光偏向面が形成されている請求項８記載の微小機械装置。
   

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