JP2002148536A - アクチュエータおよびその駆動方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】設計や製造が容易で設計の自由度の高いアクチ
ュエータを提供する。 【解決手段】アクチュエータ１００Ａは、固定外枠１０
２と、その内側に位置する可動内枠１０４と、その内側
に位置する可動板１０６と、固定外枠１０２に対して可
動内枠１０４を第一の軸の周りに揺動可能に支持する一
対の第一のトーションバー１１２、１１４と、可動内枠
１０４に対して可動板１０６を第一の軸に非平行な第二
の軸の周りに揺動可能に支持する一対の第二のトーショ
ンバー１１６、１１８と、一対の第一の永久磁石１３
２、１３４と、一対の第二の永久磁石１４２、１４４
と、可動内枠１０４を周回する駆動コイル１２２とを備
えている。第一のトーションバー１１２、１１４と第二
のトーションバー１１６、１１８は異なる共振周波数を
有している。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、二次元走査する光
スキャナに使用される板バネ構造のアクチュエータに関
する。

【０００２】

【従来の技術】二次元走査する光スキャナとして、例え
ば半導体プロセスによって作製された板バネ構造のアク
チュエータを用いたものが知られている。特開平７−１
７５００５号には、二次元揺動可能な電磁駆動型のアク
チュエータが開示されている。このアクチュエータの構
成を図９〜図１１に示す。

【０００３】図９において、従来例のアクチュエータ２
１は、支持基板２の開口の内側に位置する枠状の外側可
動板５Ａと、この枠状の外側可動板５Ａの内側に位置す
る平板状の内側可動板５Ｂとを備えている。外側可動板
５Ａは、第一のトーションバー６Ａによって支持基板２
に対して揺動可能に支持されている。外側可動板５Ａの
上面には、絶縁層で被覆された平面コイル７Ａ(図では
模式的に１本線で示される)が形成されている。平面コ
イル７Ａは、第一のトーションバー６Ａの一方の部分を
介して、支持基板２の上面に形成された一対の外側電極
端子９Ａに電気的に接続されている。

【０００４】また、内側可動板５Ｂは、第一のトーショ
ンバー６Ａと軸方向が直交する第二のトーションバー６
Ｂによって、外側可動板５Ａに対して揺動可能に支持さ
れている。内側可動板５Ｂの上面には、絶縁層で被覆さ
れてた平面コイル７Ｂ(図では模式的に１本線で示され
る)が形成されている。平面コイル７Ｂは、第二のトー
ションバー６Ｂの一方から外側可動板５Ａ部分を通り第
一のトーションバー６Ａの他方を介して、支持基板２に
形成された内側電極端子９Ｂに電気的に接続されてい
る。また、平面コイル７Ｂで囲まれた内側可動板５Ｂの
中央部には、全反射ミラー８が形成されている。

【０００５】支持基板２の上下面には、図１０と図１１
に示されるように、それぞれ例えばホウケイ酸ガラス等
からなる上側及び下側ガラス基板３,４が陽極接合され
ている。上側ガラス基板３は、平板部の中央に角状の開
口部３ａを有し、全反射ミラー８の上方の部分が開放さ
れている。下側ガラス基板４は、平板状である。また、
支持基板２は三層構造をしており、両可動板５Ａ,５Ｂ
は、その揺動空間を確保するために、その中間層から形
成されている。

【０００６】上側及び下側ガラス基板３,４には、二個
ずつ対となったそれぞれ八個ずつ円柱状の永久磁石１０
Ａ〜１３Ａと１０Ｂ〜１３Ｂが図示のように配置されて
いる。上側ガラス基板３の互いに向かい合う永久磁石１
０Ａ,１１Ａは、下側ガラス基板４の永久磁石１０Ｂ,１
１Ｂとで外側可動板駆動用の磁界を発生させる。また、
上側ガラス基板３の互いに向かい合う永久磁石１２Ａ,
１３Ａは、下側ガラス基板４の永久磁石１２Ｂ,１３Ｂ
とで内側可動板駆動用の磁界を発生させる。

【０００７】図１２と図１３に、このアクチュエータの
駆動信号の波形を示す。図１２に示される駆動信号は比
較的高い周波数を有しており、これは例えば内側電極端
子９Ｂに印加される。この駆動信号の印加により平面コ
イル７Ｂにローレンツ力が発生し、内側可動板５Ｂはト
ーションバー６Ｂを軸として揺動する。一方、図１３に
示される駆動信号は比較的低い周波数を有しており、こ
れは例えば外側電極端子９Ａに印加される。この駆動信
号の印加により平面コイル７Ａにローレンツ力が発生
し、外側可動板５Ａはトーションバー６Ａを軸として揺
動する。これらの二組のトーションバーを軸とした二つ
の揺動動作によって、内側可動板５Ｂが二次元的に駆動
される。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】ここに説明した従来例
のアクチュエータは、内側可動板と外側可動板の各々に
駆動のための平面コイルをそれぞれ有しており、これら
の平面コイルの各々に別の駆動信号を印加することによ
り、内側可動板５Ｂの二次元駆動を達成している。この
ため、従来例のアクチュエータでは、内側可動板と外側
可動板に駆動のための平面コイルが形成されると共に、
これらへの駆動信号の供給を可能にするための配線や電
極端子が形成される必要がある。

【０００９】このアクチュエータでは、このように多く
の平面コイルや配線を可動板やトーションバーに設ける
ために、設計や製造が複雑となっており、設計の自由度
が低いものとなっている。また、内側可動板と外側可動
板の各々に駆動用の平面コイルが設けられるため、これ
らの可動板の位置や速度を検出するための素子を設ける
ための場所を確保しづらい。これは、言い換えれば、可
動部分の小型化を妨げており、このために高速走査への
対応が制限されている。

【００１０】本発明の目的は、設計や製造が容易であり
設計の自由度の高いアクチュエータを提供することであ
り、これはまた、より高速での走査に対応し得るアクチ
ュエータを提供することでもある。さらに、本発明の別
の目的は、そのようなアクチュエータの駆動方法を提供
することである

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明は、一つのアスペ
クトにおいては、二次元走査する光スキャナに好適に用
いられるアクチュエータであり、固定的に支持される固
定外枠と、固定外枠の内側に位置する可動内枠と、可動
内枠の内側に位置する可動板と、固定外枠と可動内枠を
連結する第一のトーションバーであって、固定外枠に対
して可動内枠を第一の軸周りに揺動可能に支持する第一
のトーションバーと、可動内枠と可動板を連結する第二
のトーションバーであって、可動内枠に対して可動板を
第二の軸周りに揺動可能に支持する第二のトーションバ
ーと、可動内枠と可動板のいずれか一方に設けられた駆
動コイルと、駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段
とを備えており、第一の軸と第二の軸は互いに非平行で
あり、第一のトーションバーと第二のトーションバーは
異なる共振周波数を有している。

【００１２】本発明は、別のアスペクトにおいては、こ
のようなアクチュエータを駆動するための方法であり、
この駆動方法は、高周波成分と低周波成分を含む交流電
流を駆動コイルに供給する。これにより、可動板は第一
の軸と第二の軸の周りに異なる周波数で揺動される。

【００１３】

【発明の実施の形態】第一の実施の形態 図１に示されるように、第一の実施の形態のアクチュエ
ータ１００Ａは、固定的に支持される固定外枠１０２
と、固定外枠１０２の内側に位置する可動内枠１０４
と、可動内枠１０４の内側に位置する可動板１０６と、
固定外枠１０２と可動内枠１０４を連結する一対の第一
のトーションバー１１２、１１４と、可動内枠１０４と
可動板１０６を連結する一対の第二のトーションバー１
１６、１１８とを有する板バネ構造体を備えている。こ
の板バネ構造体は、マイクロマシン製造方法により、半
導体基板から一体的に形成される。

【００１４】可動内枠１０４は、一対の第一のトーショ
ンバー１１２、１１４により、固定外枠１０２に対して
揺動可能に支持され、可動板１０６は、一対の第二のト
ーションバー１１６、１１８により、可動内枠１０４に
対して揺動可能に支持される。一対の第一のトーション
バー１１２、１１４と、一対の第二のトーションバー１
１６、１１８とは、互いに異なる方向、例えば互いに直
交する方向に延びている。従って、可動板１０６は、固
定外枠１０２に対して、一対の第一のトーションバー１
１２、１１４に沿って延びる第一の軸の周りに可動内枠
１０４と一緒に揺動し得、また、一対の第二のトーショ
ンバー１１６、１１８に沿って延びる第二の軸の周りに
単独で揺動し得る。

【００１５】可動板１０６は、その裏面すなわち図１の
裏側に当たる面に全反射ミラーを有しており、第一の軸
と第二の軸の一方の周りに比較的高速で揺動され、第一
の軸と第二の軸の他方の周りに比較的低速で揺動され
る。このため、第一のトーションバー１１２、１１４と
第二のトーションバー１１６、１１８の一方は高速での
揺動に適した比較的高い共振周波数を有しており、第一
のトーションバー１１２、１１４と第二のトーションバ
ー１１６、１１８の他方は低速での揺動に適した比較的
低い共振周波数を有している。

【００１６】例えば、ＮＴＳＣ方式による画像形成に適
用されるアクチュエータにおいては、高速揺動側のトー
ションバーの共振周波数は１４.３ｋＨｚに設定され、
低速揺動側のトーションバーの共振周波数は３０Ｈｚあ
るいは６０Ｈｚに設定される。このため、好適な一例で
は、高速揺動側のトーションバーは単結晶シリコン等の
半導体材料で作られ、低速揺動側のトーションバーはポ
リイミド等の有機絶縁材料で作られる。

【００１７】一方のトーションバーが単結晶シリコンで
作られ、他方のトーションバーがポリイミドで作られた
板バネ構造体の作製については、本出願人による特開平
１０ー０２０２２６号に詳しく開示されている。

【００１８】アクチュエータ１００Ａは、さらに、静止
状態の可動板１０６に平行で第二の軸に沿って延びる静
磁界を与える一対の第一の永久磁石１３２、１３４と、
静止状態の可動板１０６に平行で第一の軸に沿って延び
る静磁界を与える一対の第二の永久磁石１４２、１４４
と、可動内枠１０４を周回する駆動コイル１２２と、第
一の軸周りにおける可動板１０６の揺動位置つまり傾き
位置を検出するための第一のホール素子１５２と、第二
の軸周りにおける可動板１０６の揺動位置つまり傾き位
置を検出するための第二のホール素子１５４とを備えて
いる。

【００１９】一対の第一の永久磁石１３２、１３４は、
好ましくは、それぞれヨーク１３６、１３８に結合され
ている。同様に、一対の第二の永久磁石１４２、１４４
は、好ましくは、それぞれヨーク１４６、１４８に結合
されている。なお、ヨークは、それ無しで十分な強さの
磁界が得られる場合には省略されてもよい。また、板バ
ネ構造体の二対の対辺に応じて二対の永久磁石が配置さ
れる代わりに、板バネ構造体の対角方向に関して一対の
永久磁石が配置てもよい。

【００２０】駆動コイル１２２の一方の端部は、固定外
枠１０２に設けられた電極パッド１２４と電気的に接続
されており、駆動コイル１２２の他方の端部は、同じく
固定外枠１０２に設けられた別の電極パッド１２６と電
気的に接続されている。駆動コイル１２２には、一対の
電極パッド１２４、１２６を介して、高周波成分と低周
波成分を含む交流電流、別の言い方をすれば、二重周期
を有する交流電流が供給される。

【００２１】可動内枠１０４は、駆動コイル１２２を流
れる電流と第一の永久磁石１３２、１３４によって作り
出される磁界と相互作用により発生するローレンツ力に
より、一対の第一のトーションバー１１２、１１４を通
る第一の軸の周りに、第一のトーションバー１１２、１
１４の共振周波数ｆr1に対応する周波数で揺動される。
また、可動内枠１０４は、駆動コイル１２２を流れる電
流と第二の永久磁石１４２、１４４によって作り出され
る磁界と相互作用により発生するローレンツ力により、
微小振動が誘起され、可動内枠１０４のこの振動に起因
する共振により、可動板１０６は、一対の第二のトーシ
ョンバー１１６、１１８を通る第一の軸の周りに、第二
のトーションバー１１６、１１８の共振周波数ｆr2に対
応する周波数で揺動される。

【００２２】従って、可動板１０６は、第一のトーショ
ンバー１１２、１１４の共振周波数で決まる周波数で、
第一の軸の周りに可動内枠１０４と一緒に揺動されると
ともに、第二のトーションバー１１６、１１８の共振周
波数で決まる周波数で、第二の軸の周りに単独で揺動さ
れる。つまり、可動板１０６は、二次元的に駆動され
る。

【００２３】第一のホール素子１５２は、可動板１０６
上に位置しており、好ましくは、第一の軸から遠い位置
に配置されている。第二のホール素子１５４は、可動板
１０６上に位置しており、好ましくは、第二の軸から遠
い位置に配置されている。

【００２４】第一のホール素子１５２は、一対の第一の
永久磁石１３２、１３４によって作り出される磁界と共
働して、可動板１０６の第一の軸周りの揺動位置つまり
傾き位置に対応する信号を発生する。また、第二のホー
ル素子１５４は、一対の第二の永久磁石１４２、１４４
によって作り出される磁界と共働して、可動板１０６の
第二の軸周りの揺動位置つまり傾き位置に対応する信号
を発生する。なお、図１において、ホール素子に関する
配線は、図示が省略されている。

【００２５】これは、言い換えれば、第一のホール素子
１５２と一対の第一の永久磁石１３２、１３４は、可動
板１０６の第一の軸周りの揺動位置を検出する手段を構
成し、第二のホール素子１５４と一対の第二の永久磁石
１４２、１４４は、可動板１０６の第二の軸周りの揺動
位置を検出する手段を構成していると言える。

【００２６】このようなホール素子を用いて可動板の揺
動位置あるいは傾き位置を検出する技術については、本
出願人による特開２０００ー８１５８９号に詳しく開示
されている。

【００２７】駆動コイル１２２に供給される交流信号
は、高速揺動に対応する周波数を有する高周波成分と低
速揺動に対応する周波数を有する低周波成分とを含んで
いる。このような高周波成分と低周波成分を含む交流信
号すなわち二重周期を有する交流電流は、一例において
は、高速揺動に対応する周波数を有する高周波成分と低
速揺動に対応する周波数を有する低周波成分とを単純に
重畳して作られる交流電流である。しかし、より好まし
い一例においては、二重周期を有する交流電流は、図２
または図３に示されるように、高速揺動に対応する高周
波成分のピークを結ぶ包絡線が低速揺動に対応する低周
波成分となっている交流電流である。

【００２８】図２に示される交流電流では、高周波成分
のピークは一定周期で徐々に変化しており、それらを結
ぶ包絡線から成る低周波成分が正弦波形となっている。
また、図３に示される交流電流では、高周波成分のピー
クは一定周期で二値的に変化しており、それらを結ぶ包
絡線から成る低周波成分が矩形波形となっている。ここ
では、高周波成分のピークを結ぶ包絡線が正弦波形ある
いは矩形波形となっている例をあげたが、これらの限定
されるものでなく、高周波成分のピークを結ぶ包絡線は
三角波形等の他の周期的波形となっていてもよい。

【００２９】また、別の言い方をすれば、駆動コイル１
２２に供給される交流信号は、第一の周波数を有する第
一の交流成分と、第二の周波数を有する第二の交流成分
とを含んでいる。好ましくは、第一の交流成分は、第一
のトーションバー１１２、１１４の共振周波数ｆr1に等
しい周波数を有し、第二の交流成分は、第二のトーショ
ンバー１１６、１１８の共振周波数ｆr2に等しい周波数
を有している。

【００３０】第一のトーションバー１１２、１１４の共
振周波数ｆr1と、第二のトーションバー１１６、１１８
の共振周波数ｆr2は、用途や目的等に応じて決まる設計
上のパラメータであり、第一のトーションバー１１２、
１１４の共振周波数ｆr1が第二のトーションバー１１
６、１１８の共振周波数ｆr2よりも高く設計されてもよ
く、また反対に、第一のトーションバー１１２、１１４
の共振周波数ｆr1が第二のトーションバー１１６、１１
８の共振周波数ｆr2よりも低く設計されてもよい。従っ
て、第一の交流成分が高周波成分で、第二の交流成分が
低周波成分であってもよく、また反対に、第一の交流成
分が低周波成分で、第二の交流成分が高周波成分であっ
てもよい。

【００３１】また、第一の交流成分は、第一のトーショ
ンバー１１２、１１４の共振周波数ｆr1に対して、ｎを
自然数として、ｆr1/(２ｎ＋１)に等しい周波数を有
し、第二の交流成分は、第二のトーションバー１１６、
１１８の共振周波数ｆr2に対して、ｍを自然数として、
ｆr2/(２ｍ＋１)に等しい周波数を有していてもよい。
この場合、若干の振幅の減少が予想される。

【００３２】以上をまとめると、第一の交流成分は、第
一のトーションバー１１２、１１４の共振周波数ｆr1に
対して、ｎを自然数として、ｆr1/(２ｎ−１)に等しい
周波数を有し、第二の交流成分は、第二のトーションバ
ー１１６、１１８の共振周波数ｆr2に対して、ｍを自然
数として、ｆr2/(２ｍ−１)に等しい周波数を有してい
る。

【００３３】なお、第一のトーションバー１１２、１１
４の共振周波数ｆr1と、第二のトーションバー１１６、
１１８の共振周波数ｆr2は、それぞれ、その材質、厚さ
や幅や長さ等の寸法、可動部分の質量などを考慮して、
所望の値となるように最適設計可能である。また、可動
板１０６の第一の軸周りと第二の軸周りの振れ角は、永
久磁石に対向するコイルの長さや巻き数、永久磁石とそ
れに対向する駆動コイルの間隔、永久磁石の磁場強度や
長さ、駆動コイルに流す交流電流の振幅などで調節可能
である。さらに、可動板１０６は共振により駆動される
ので、高速揺動は低速揺動に何ら悪影響を与えず、また
反対に低速揺動も高速揺動に何ら悪影響を与えない。

【００３４】本実施形態のアクチュエータ１００Ａは、
たった一本の駆動コイル１２２を有し、駆動コイル１２
２は可動内枠１０４に設けられており、従って可動板１
０６には駆動のためのコイルが設けられていないので、
設計や製造が容易に行なえる。また、可動板１０６上
に、その位置検出用の素子すなわちホール素子１５２、
１５４を配置する場所の確保が容易に行なえる。さら
に、更なる大幅な可動板１０６の小型軽量化が可能であ
り、より高速での走査に対応したアクチュエータを提供
できる。

【００３５】第二の実施の形態 次に第二の実施の形態のアクチュエータについて図４を
参照して説明する。図４において、第一の実施の形態の
アクチュエータの部材と実質的に同じ部材は、同一の参
照符号で示されており、続く記述では、その詳しい説明
は記載の重複を避けるために省略する。

【００３６】図４に示されるように、第二の実施の形態
のアクチュエータ１００Ｂは、固定的に支持される固定
外枠１０２と、固定外枠１０２の内側に位置する可動内
枠１０４と、可動内枠１０４の内側に位置する可動板１
０６と、固定外枠１０２と可動内枠１０４を連結する一
対の第一のトーションバー１１２、１１４と、可動内枠
１０４と可動板１０６を連結する一対の第二のトーショ
ンバー１１６、１１８とを有する板バネ構造体を備えて
いる。

【００３７】可動内枠１０４は、一対の第一のトーショ
ンバー１１２、１１４により、固定外枠１０２に対して
揺動可能に支持され、可動板１０６は、一対の第二のト
ーションバー１１６、１１８により、可動内枠１０４に
対して揺動可能に支持される。従って、可動板１０６
は、固定外枠１０２に対して、一対の第一のトーション
バー１１２、１１４に沿って延びる第一の軸の周りに可
動内枠１０４と一緒に揺動し得、また、一対の第二のト
ーションバー１１６、１１８に沿って延びる第二の軸の
周りに単独で揺動し得る。

【００３８】アクチュエータ１００Ｂは、さらに、静止
状態の可動板１０６に平行で第二の軸に沿って延びる静
磁界を与える一対の第一の永久磁石１３２、１３４と、
静止状態の可動板１０６に平行で第一の軸に沿って延び
る静磁界を与える一対の第二の永久磁石１４２、１４４
と、可動内枠１０４を周回する駆動コイル１２２と、可
動板１０６の揺動速度を検出するための速度検出コイル
１６２とを備えている。

【００３９】一対の第一の永久磁石１３２、１３４は、
好ましくは、それぞれヨーク１３６、１３８に結合され
ている。同様に、一対の第二の永久磁石１４２、１４４
は、好ましくは、それぞれヨーク１４６、１４８に結合
されている。

【００４０】駆動コイル１２２の一方の端部は、固定外
枠１０２に設けられた電極パッド１２４と電気的に接続
されており、駆動コイル１２２の他方の端部は、同じく
固定外枠１０２に設けられた別の電極パッド１２６と電
気的に接続されている。

【００４１】速度検出コイル１６２の一方の端部は、固
定外枠１０２に設けられた電極パッド１６４と電気的に
接続されており、速度検出コイル１６２の他方の端部
は、同じく固定外枠１０２に設けられた別の電極パッド
１６４と電気的に接続されている。

【００４２】本実施形態のアクチュエータ１００Ｂは、
第一実施形態のアクチュエータ１００Ａと全く同様にし
て駆動される。つまり、高周波成分と低周波成分を含む
交流信号すなわち二重周期を有する交流電流を駆動コイ
ル１２２に供給することにより、可動板１０６は二次元
的に駆動すなわち揺動される。

【００４３】可動板１０６の二次元的な揺動に応じて、
速度検出コイル１６２の内側を横切る磁束が時間的に変
動する結果、速度検出コイル１６２と電気的に接続され
ている電極パッド１６４、１６６の間に誘導起電力が発
生する。この誘導起電力は、可動板１０６の揺動速度に
依存している。言い換えれば、誘導起電力は、可動板１
０６の揺動速度を示す速度信号と言える。従って、電極
パッド１６４、１６６の間に発生する誘導起電力から、
可動板１０６の揺動速度を知ることができる。また、こ
の誘導起電力を時間的に積分することにより、可動板１
０６の揺動位置を知ることもできる。

【００４４】誘導起電力すなわち速度信号は、第一の軸
周りの揺動と第二の軸周りの揺動の両方の反映してい
る。すなわち、速度信号は、ｆr1の周波数の成分と、ｆ
r2の周波数の成分とを含んでいる。従って、速度信号
を、ｆr1を含みｆr2を含まない周波数帯域の信号を通過
させる第一のフィルターに通すことにより、第一の軸周
りの揺動速度に対応する信号が選択的に得られ、また、
ｆr2を含みｆr1を含まない周波数帯域の信号を通過させ
る第二のフィルターに通すことにより、第二の軸周りの
揺動速度に対応する信号が選択的に得られる。

【００４５】つまり、速度信号を周波数で分離すること
により、第一の軸周りの可動板１０６の揺動速度と、第
二の軸周りの可動板１０６の揺動速度とが別々に求めら
れる。さらに、それらの信号の各々を時間的に積分する
ことにより、第一の軸周りの可動板１０６の揺動位置
と、第二の軸周りの可動板１０６の揺動位置とが別々に
求められる。

【００４６】これは、言い換えれば、速度検出コイル１
６２と一対の第一の永久磁石１３２、１３４と第一のフ
ィルターは、可動板１０６の第一の軸周りの揺動位置を
検出する手段を構成し、速度検出コイル１６２と一対の
第二の永久磁石１４２、１４４と第一のフィルターは、
可動板１０６の第二の軸周りの揺動位置を検出する手段
を構成していると言える。

【００４７】本実施形態のアクチュエータ１００Ｂは、
たった一本の駆動コイル１２２を有し、駆動コイル１２
２は可動内枠１０４に設けられており、従って可動板１
０６には駆動のためのコイルが設けられていないので、
設計や製造が容易に行なえる。また、可動板１０６上
に、その速度検出用の素子すなわち速度検出コイル１６
２を配置する場所の確保が容易に行なえる。さらに、更
なる大幅な可動板１０６の小型軽量化が可能であり、よ
り高速での走査に対応したアクチュエータを提供でき
る。

【００４８】第三の実施の形態 次に第三の実施の形態のアクチュエータについて図５を
参照して説明する。図５において、第一の実施の形態の
アクチュエータの部材と実質的に同じ部材は、同一の参
照符号で示されており、続く記述では、その詳しい説明
は記載の重複を避けるために省略する。

【００４９】図５に示されるように、第三の実施の形態
のアクチュエータ１００Ｃは、固定的に支持される固定
外枠１０２と、固定外枠１０２の内側に位置する可動内
枠１０４と、可動内枠１０４の内側に位置する可動板１
０６と、固定外枠１０２と可動内枠１０４を連結する一
対の第一のトーションバー１１２、１１４と、可動内枠
１０４と可動板１０６を連結する一対の第二のトーショ
ンバー１１６、１１８とを有する板バネ構造体を備えて
いる。

【００５０】可動内枠１０４は、一対の第一のトーショ
ンバー１１２、１１４により、固定外枠１０２に対して
揺動可能に支持され、可動板１０６は、一対の第二のト
ーションバー１１６、１１８により、可動内枠１０４に
対して揺動可能に支持される。従って、可動板１０６
は、固定外枠１０２に対して、一対の第一のトーション
バー１１２、１１４に沿って延びる第一の軸の周りに可
動内枠１０４と一緒に揺動し得、また、一対の第二のト
ーションバー１１６、１１８に沿って延びる第二の軸の
周りに単独で揺動し得る。

【００５１】アクチュエータ１００Ｃは、さらに、静止
状態の可動板１０６に平行で第二の軸に沿って延びる静
磁界を与える一対の第一の永久磁石１３２、１３４と、
可動内枠１０４を周回する駆動コイル１２２とを備えて
いる。駆動コイル１２２の一方の端部は、固定外枠１０
２に設けられた電極パッド１２４と電気的に接続されて
おり、駆動コイル１２２の他方の端部は、同じく固定外
枠１０２に設けられた別の電極パッド１２６と電気的に
接続されている。

【００５２】本実施形態のアクチュエータ１００Ｃは、
第一実施形態のアクチュエータ１００Ａと全く同様にし
て駆動される。つまり、高周波成分と低周波成分を含む
交流信号すなわち二重周期を有する交流電流を駆動コイ
ル１２２に供給することにより、可動板１０６は二次元
的に駆動すなわち揺動される。

【００５３】さらに、アクチュエータ１００Ｃは、可動
板１０６の揺動位置つまり傾き位置を光学的に検出する
ための光学系を備えている。この光学系は、可動板１０
６に設けられた反射ミラー１７２と、光ビームＡを反射
ミラー１７２に向けて発する光源１７４と、反射ミラー
１７２で反射された光ビームＡ'を検出するための二次
元検出器１７８とを有している。反射ミラー１７２は、
好ましくは、可動板１０６の中央部に設けられている。
光源１７４は、例えば、半導体レーザーやＬＥＤであ
る。二次元検出器１７８は、例えば、二次元ＰＳＤや、
ＣＣＤ等のイメージセンサーである。

【００５４】光源１７４から発せられた光ビームＡは、
可動板１０６に設けられた反射ミラー１７２に照射され
る。反射ミラー１７２で反射された光ビームＡ'は、二
次元検出器１７８に照射され、その受光面に光スポット
を形成する。二次元検出器１７８の受光面に形成される
光スポットは、可動板１０６の二次元的な揺動に応じて
その位置を二次元的に変える。つまり、二次元検出器１
７８の受光面上の光スポットの位置は、可動板１０６の
二次元的な揺動位置すなわち第一の軸周りの揺動位置と
第二の軸周りの揺動位置とを反映している。

【００５５】従って、二次元検出器１７８の受光面上の
光スポットの位置を調べることにより、可動板１０６の
二次元的な揺動位置を知ることができる。あるいは、二
次元検出器１７８の受光面に形成される光スポットの大
きさを調べることにより、可動板１０６の二次元的な揺
動位置を知ることができる。

【００５６】また、さらに別の手法として、光学系は、
光源１７４から発せられた光ビームＡを絞るための光学
レンズ１７６を更に有し、この光学レンズ１７６が、二
次元検出器１７８の受光面に形成される光スポットの大
きさを一定に保つように位置制御されてもよい。この構
成では、光学レンズ１７６の変位に基づいて、可動板１
０６の二次元的な揺動位置を求めることができる。

【００５７】可動板１０６は、反射ミラー１７２が形成
された面の裏側に当たる面に全反射ミラーを有してお
り、第一の軸と第二の軸の一方の周りに比較的高速で揺
動され、第一の軸と第二の軸の他方の周りに比較的低速
で揺動される。可動板１０６の全反射ミラーには、光ビ
ームＢが照射される。可動板１０６の全反射ミラーで反
射された光ビームＢ'は、可動板１０６の二次元的な揺
動に応じて、二次元的に走査される。このような二次元
的に走査される光ビームＢ'は、投影面に投影されるこ
とで画像を形成する。

【００５８】図６に、全反射ミラー１８２で反射された
光ビームＢ'をそのまま投影した様子を示す。ここで
は、全反射ミラー１８２の静止位置において光ビーム
Ｂ'が投影面に垂直に入射し、二本の揺動軸周りの正負
の揺動角がそれぞれ等しいものとしている。このような
設定において、全反射ミラーと投影面の間隔が、垂直入
射点すなわち中心から離れるにつれて増大するため、そ
の投影範囲１８４は、各辺が内側に湾曲した四角形とな
る。

【００５９】従って、本実施形態のアクチュエータを用
いた画像形成においては、好ましくは、図７に示される
ように、全反射ミラー１８２と投影面の間に、湾曲した
四角形の投影範囲１８４を長方形の投影範囲１８８に修
正する、自由曲面レンズなどより成る矯正光学系１８６
を追加されるとよい。

【００６０】本実施形態のアクチュエータ１００Ｃは、
たった一本の駆動コイル１２２を有し、駆動コイル１２
２は可動内枠１０４に設けられており、従って可動板１
０６には駆動のためのコイルが設けられていないので、
設計や製造が容易に行なえる。また、可動板１０６上
に、その速度検出用の素子すなわち反射ミラー１７２を
配置する場所の確保が容易に行なえる。さらに、更なる
大幅な可動板１０６の小型軽量化が可能であり、より高
速での走査に対応したアクチュエータを提供できる。

【００６１】第四の実施の形態 次に第四の実施の形態のアクチュエータについて図８を
参照して説明する。図８において、第一の実施の形態の
アクチュエータの部材と実質的に同じ部材は、同一の参
照符号で示されており、続く記述では、その詳しい説明
は記載の重複を避けるために省略する。

【００６２】図８に示されるように、第二の実施の形態
のアクチュエータ１００Ｄは、固定的に支持される固定
外枠１０２と、固定外枠１０２の内側に位置する可動内
枠１０４と、可動内枠１０４の内側に位置する可動板１
０６と、固定外枠１０２と可動内枠１０４を連結する一
対の第一のトーションバー１１２、１１４と、可動内枠
１０４と可動板１０６を連結する一対の第二のトーショ
ンバー１１６、１１８とを有する板バネ構造体を備えて
いる。

【００６３】可動内枠１０４は、一対の第一のトーショ
ンバー１１２、１１４により、固定外枠１０２に対して
揺動可能に支持され、可動板１０６は、一対の第二のト
ーションバー１１６、１１８により、可動内枠１０４に
対して揺動可能に支持される。従って、可動板１０６
は、固定外枠１０２に対して、一対の第一のトーション
バー１１２、１１４に沿って延びる第一の軸の周りに可
動内枠１０４と一緒に揺動し得、また、一対の第二のト
ーションバー１１６、１１８に沿って延びる第二の軸の
周りに単独で揺動し得る。

【００６４】アクチュエータ１００Ｄは、さらに、静止
状態の可動板１０６に平行で第二の軸に沿って延びる静
磁界を与える一対の第一の永久磁石１３２、１３４と、
静止状態の可動板１０６に平行で第一の軸に沿って延び
る静磁界を与える一対の第二の永久磁石１４２、１４４
と、可動板１０６の周縁部を周回する駆動コイル１２２
と、可動内枠１０４に設けられた第一のホール素子１５
２と、可動板１０６に設けられた第二のホール素子１５
４とを備えている。

【００６５】一対の第一の永久磁石１３２、１３４は、
好ましくは、それぞれヨーク１３６、１３８に結合され
ている。同様に、一対の第二の永久磁石１４２、１４４
は、好ましくは、それぞれヨーク１４６、１４８に結合
されている。

【００６６】駆動コイル１２２の一方の端部は、固定外
枠１０２に設けられた電極パッド１２４と電気的に接続
されており、駆動コイル１２２の他方の端部は、同じく
固定外枠１０２に設けられた別の電極パッド１２６と電
気的に接続されている。駆動コイル１２２には、一対の
電極パッド１２４、１２６を介して、第一実施形態のと
ころで詳しく述べた高周波成分と低周波成分を含む交流
電流が供給される。

【００６７】可動板１０６は、駆動コイル１２２を流れ
る電流と第二の永久磁石１４２、１４４によって作り出
される磁界と相互作用により発生するローレンツ力によ
り、一対の第二のトーションバー１１６、１１８を通る
第一の軸の周りに、第二のトーションバー１１６、１１
８の共振周波数ｆr2に対応する周波数で揺動される。ま
た、可動板１０６は、駆動コイル１２２を流れる電流と
第一の永久磁石１３２、１３４によって作り出される磁
界と相互作用により発生するローレンツ力により、微小
振動が誘起され、可動板１０６のこの振動に起因する共
振により、可動内枠１０４は、一対の第一のトーション
バー１１２、１１４を通る第一の軸の周りに、第一のト
ーションバー１１２、１１４の共振周波数ｆr1に対応す
る周波数で揺動される。

【００６８】その結果、可動板１０６は、第一のトーシ
ョンバー１１２、１１４の共振周波数で決まる周波数
で、第一の軸の周りに可動内枠１０４と一緒に揺動され
るとともに、第二のトーションバー１１６、１１８の共
振周波数で決まる周波数で、第二の軸の周りに単独で揺
動される。

【００６９】第一のホール素子１５２は、可動内枠１０
４上に位置しており、好ましくは、第一の軸から遠い位
置に配置されている。第二のホール素子１５４は、可動
板１０６上に位置しており、好ましくは、第二の軸から
遠い位置に配置されている。

【００７０】第一のホール素子１５２は、一対の第一の
永久磁石１３２、１３４によって作り出される磁界と共
働して、可動板１０６の第一の軸周りの揺動位置つまり
傾き位置に対応する信号を発生する。また、第二のホー
ル素子１５４は、一対の第二の永久磁石１４２、１４４
によって作り出される磁界と共働して、可動板１０６の
第二の軸周りの揺動位置つまり傾き位置に対応する信号
を発生する。なお、図８において、ホール素子に関する
配線は、図示が省略されている。

【００７１】本実施形態のアクチュエータ１００Ｄは、
駆動のためのコイル要素として、可動板１０６に設けら
れた一本の駆動コイル１２２を有しているだけであるの
で、設計や製造が容易に行なえる。

【００７２】これまで、いくつかの実施の形態について
図面を参照しながら具体的に説明したが、本発明は、上
述した実施の形態に限定されるものではなく、その要旨
を逸脱しない範囲で行なわれるすべての実施を含む。

【００７３】上述した実施形態では、可動板の揺動を検
出する手法として、ホール素子や速度検出コイルを用い
た例を示したが、揺動を検出する手法はこれらに限定さ
れない。例えば、ホール素子や速度検出コイルに代え
て、容量センサーを用いてもよく、あるいはそれらを組
み合わせてもよい。

【００７４】従って、本発明のアクチュエータについ
て、以下のことが言える。

【００７５】１．固定的に支持される固定外枠と、固定
外枠の内側に位置する可動内枠と、可動内枠の内側に位
置する可動板と、固定外枠と可動内枠を連結する第一の
トーションバーであって、固定外枠に対して可動内枠を
第一の軸周りに揺動可能に支持する第一のトーションバ
ーと、可動内枠と可動板を連結する第二のトーションバ
ーであって、可動内枠に対して可動板を第二の軸周りに
揺動可能に支持する第二のトーションバーと、可動内枠
と可動板のいずれか一方に設けられた駆動コイルと、駆
動コイルに静磁界を与える磁界発生手段とを備えている
アクチュエータであって、第一の軸と第二の軸は互いに
非平行であり、第一のトーションバーと第二のトーショ
ンバーは異なる共振周波数を有しており、このアクチュ
エータは、高周波成分と低周波成分を含む二重周期を有
する交流電流が駆動コイルに供給されることにより、可
動板が第一の軸周りの第二の軸周りに異なる周波数で揺
動される。

【００７６】２．第１項のアクチュエータにおいて、第
一トーションバーの共振周波数が第二トーションバーの
共振周波数よりも高い。

【００７７】３．第１項のアクチュエータにおいて、第
一トーションバーの共振周波数が第二トーションバーの
共振周波数よりも低い。

【００７８】４．第１項のアクチュエータにおいて、駆
動コイルが可動内枠に設けられている。

【００７９】５．第１項のアクチュエータにおいて、駆
動コイルが可動板に設けられている。

【００８０】６．第１項のアクチュエータにおいて、可
動板の揺動位置や揺動速度を検出するための揺動検出手
段を更に備えており、揺動検出手段の一部の構成要素が
可動板に設けられている。

【００８１】７．第１項のアクチュエータにおいて、可
動板の揺動位置や揺動速度を検出するための揺動検出手
段を更に備えており、揺動検出手段の一部の構成要素が
可動内枠に設けられている。

【００８２】８．固定的に支持される固定外枠と、固定
外枠の内側に位置する可動内枠と、可動内枠の内側に位
置する可動板と、固定外枠と可動内枠を連結する第一の
トーションバーであって、固定外枠に対して可動内枠を
第一の軸周りに揺動可能に支持する第一のトーションバ
ーと、可動内枠と可動板を連結する第二のトーションバ
ーであって、可動内枠に対して可動板を第二の軸周りに
揺動可能に支持する第二のトーションバーと、可動内枠
と可動板のいずれか一方に設けられた駆動コイルと、駆
動コイルに静磁界を与える磁界発生手段とを備えている
アクチュエータであって、第一の軸と第二の軸は互いに
非平行であり、第一のトーションバーと第二のトーショ
ンバーは異なる共振周波数を有しているアクチュエータ
を駆動する駆動方法であり、この駆動方法は、高周波成
分と低周波成分を含む二重周期を有する交流電流を駆動
コイルに供給することにより、可動板を第一の軸周りの
第二の軸周りに異なる周波数で揺動させる。

【００８３】９．第８項の駆動方法において、交流電流
の低周波成分は、第一のトーションバーの共振周波数と
第二のトーションバーの共振周波数の一方に等しい周波
数を有し、交流電流の高周波成分は、第一のトーション
バーの共振周波数と第二のトーションバーの共振周波数
の他方に等しい周波数を有している。

【００８４】１０．第８項の駆動方法において、交流電
流は、低周波成分と高周波成分が重畳された交流信号で
ある。

【００８５】１１．第８項の駆動方法において、交流電
流は、高周波成分のピークを結んだ包絡線が低周波成分
となっている。

【００８６】１２．第１１項の駆動方法において、低周
波成分は正弦波である。

【００８７】１３．第１１項の駆動方法において、低周
波成分は矩形波である。

【００８８】

【発明の効果】本発明によれば、たった一本の駆動コイ
ルを有し、これが可動内枠と可動板の一方に設けられて
いることにより、設計や製造が容易であり、また設計の
自由度が高いアクチュエータが提供される。また、この
アクチュエータは、駆動コイルを可動内枠に配置するこ
とによって更なる大幅な可動板の小型軽量化が可能であ
り、これにより、より高速での走査に対応し得る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施の形態によるアクチュエー
タの平面図である。

【図２】図１に示されるアクチュエータの駆動に好適な
駆動信号の一例を示している。

【図３】図１に示されるアクチュエータの駆動に好適な
別の駆動信号を示している。

【図４】本発明の第二の実施の形態によるアクチュエー
タの平面図である。

【図５】本発明の第三の実施の形態によるアクチュエー
タの斜視図である。

【図６】図５に示されるアクチュエータの走査により光
ビームがそのまま投影されることで形成される投影範囲
を示している。

【図７】図５に示されるアクチュエータの走査により光
ビームが矯正光学系を介して投影されることで形成され
る投影範囲を示している。

【図８】本発明の第四の実施の形態によるアクチュエー
タの平面図である。

【図９】従来例によるアクチュエータの平面図である。

【図１０】図９のアクチュエータのＢ−Ｂ線に沿う断面
図である。

【図１１】図９のアクチュエータのＣ−Ｃ線に沿う断面
図である。

【図１２】図９のアクチュエータに供給される高速揺動
のための高周波信号を示している。

【図１３】図９のアクチュエータに供給される低速揺動
のための低周波信号を示している。

【符号の説明】

１００Ａ アクチュエータ １０２ 固定外枠 １０４ 可動内枠 １０６ 可動板 １１２、１１４ 第一のトーションバー １１６、１１８ 第二のトーションバー １２２ 駆動コイル １３２、１３４ 第一の永久磁石 １４２、１４４ 第二の永久磁石

フロントページの続き (72)発明者 片白 雅浩 東京都渋谷区幡ヶ谷２丁目43番２号 オリ ンパス光学工業株式会社内 Ｆターム(参考） 2H045 AB13 AB16 AB23 AB38 AB73 BA12

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 固定的に支持される固定外枠と、 固定外枠の内側に位置する可動内枠と、 可動内枠の内側に位置する可動板と、 固定外枠と可動内枠を連結する第一のトーションバーで
   あって、固定外枠に対して可動内枠を第一の軸周りに揺
   動可能に支持する第一のトーションバーと、 可動内枠と可動板を連結する第二のトーションバーであ
   って、可動内枠に対して可動板を第二の軸周りに揺動可
   能に支持する第二のトーションバーと、 可動内枠と可動板のいずれか一方に設けられた駆動コイ
   ルと、 駆動コイルに静磁界を与える磁界発生手段とを備えてい
   るアクチュエータであって、第一の軸と第二の軸は互い
   に非平行であり、第一のトーションバーと第二のトーシ
   ョンバーは異なる共振周波数を有している、アクチュエ
   ータ。
2. 【請求項２】 固定的に支持される固定外枠と、固定外
   枠の内側に位置する可動内枠と、可動内枠の内側に位置
   する可動板と、固定外枠と可動内枠を連結する第一のト
   ーションバーであって、固定外枠に対して可動内枠を第
   一の軸周りに揺動可能に支持する第一のトーションバー
   と、可動内枠と可動板を連結する第二のトーションバー
   であって、可動内枠に対して可動板を第二の軸周りに揺
   動可能に支持する第二のトーションバーと、可動内枠と
   可動板のいずれか一方に設けられた駆動コイルと、駆動
   コイルに静磁界を与える磁界発生手段とを備えており、
   第一の軸と第二の軸は互いに非平行であり、第一のトー
   ションバーと第二のトーションバーは異なる共振周波数
   を有しているアクチュエータの駆動方法であり、高周波
   成分と低周波成分を含む交流電流を駆動コイルに供給す
   る駆動方法。