JP2003153518A - プレーナ型電磁アクチュエータ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 一対の磁界発生手段に挟まれた半導体基板の
可動部を二軸方向に揺動するプレーナ型電磁アクチュエ
ータにおいて、上記可動部が揺動するときの電力消費を
低減する。 【解決手段】 半導体基板２に、外側可動板３及び内側
可動板４からなる可動部５と、上記外側可動板３を軸支
する第１トーションバー６と、上記内側可動板を軸支す
る第２トーションバー７とを一体形成し、上記可動部５
に駆動コイル８，９を形成し、それに磁界Ｈ₀を与える
磁界発生手段１０ａ，１０ｂが半導体基板２を挟んで対
向配置して成るプレーナ型電磁アクチュエータにおい
て、上記磁界発生手段１０ａ，１０ｂから発生した磁界
が駆動コイル８，９に与える磁気力を向上する構成とし
た。これにより、上記磁界Ｈ₀が上記駆動コイル８，９
に与える磁気力が向上し、上記可動部５が揺動するとき
の電力消費を低減することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、電気信号を用いる
ことにより、一対の磁界発生手段に挟まれた半導体基板
の可動部を直交する二軸方向に自在に揺動し得るプレー
ナ型電磁アクチュエータに関し、特に、上記一対の磁界
発生手段から発生した磁界が上記可動部の駆動コイルに
与える磁気力を向上する構成としたことにより、上記可
動部が揺動するときの電力消費を低減することができる
プレーナ型電磁アクチュエータに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年、半導体製造技術を利用して形成で
きる超小型のプレーナ型電磁アクチュエータに関する技
術の開発が進められており、そのような技術の例とし
て、特許第２９８７７５０号の特許公報に記載されたも
のがある。従来のこの種のプレーナ型電磁アクチュエー
タ１は、例えば図５に示すように、半導体基板２に、枠
状の外側可動板３及びその内側に配置される内側可動板
４からなる可動部５と、上記外側可動板３を揺動可能に
軸支する第１トーションバー６，６と、該第１トーショ
ンバー６，６に対して軸方向が直交し上記内側可動板４
を揺動可能に軸支する第２トーションバー７，７とを一
体形成し、上記外側可動板３及び内側可動板４の各周縁
部に第１駆動コイル８及び第２駆動コイル９を形成し、
上記駆動コイル８，９に磁界を与える一対の磁界発生手
段１０ａ，１０ｂが上記可動部５の一の対角線方向にて
上記半導体基板２を挟んで対向配置されていた。これに
より、図６に示すように、上記磁界発生手段１０ａから
１０ｂに向かって磁界H₀が発生しており、この磁界H₀が
上記半導体基板２の可動部５（図５参照）を斜めに横切
るようになっていた。

【０００３】そして、このようなプレーナ型電磁アクチ
ュエータ１は、上記外側可動板３及び内側可動板４の各
周縁部に設けられた第１駆動コイル８及び第２駆動コイ
ル９にそれぞれ電流が流れると、上記可動部５にローレ
ンツ力が働いて二次元方向に揺動できるようになってい
た。このようなプレーナ型電磁アクチュエータ１の動作
について、以下に説明する。ここで、図６に示す磁界H₀
を、図５に示す第１トーションバー６，６の軸方向に対
して直交する横成分磁界Ｈ₁と、同図に示す第２トーシ
ョンバー７，７の軸方向に対して直交する縦成分磁界Ｈ
₂とのベクトル成分に分解して説明する。

【０００４】まず、図５に示す電極パッド１１に電力が
供給されて上記外側可動板３の周縁部に設けられた第１
駆動コイル８に電流を流すと、上記第１駆動コイル８に
は図６に示す横成分磁界Ｈ₁によって以下の（１）式に
示すローレンツ力Ｆ₁が働く。 Ｆ₁＝ｎ×Ｉ₁×Ｂ₁ …（１） ここで、ｎは駆動コイル８の巻き数、Ｉ₁は駆動コイル
８に流れる電流、Ｂ₁は横成分磁界Ｈ₁の磁束密度であ
る。

【０００５】このローレンツ力Ｆ₁により、上記可動部
５は、上記第１トーションバー６，６の軸方向を中心に
回動し、該ローレンツ力Ｆ₁と上記第１トーションバー
６が捩れて戻ろうとする力とが釣り合う位置で静止す
る。なお、上記（１）式より、上記ローレンツ力Ｆ
₁は、駆動コイル８に流れる電流Ｉ₁に比例するため、上
記電流Ｉ₁を制御することにより、上記可動部５が第１
トーションバー６，６の軸方向を中心として回動する角
度が制御される。

【０００６】また、図５に示す電極パッド１２に電力が
供給されて上記内側可動板４の周縁部に設けられた第２
駆動コイル９に電流が流れると、上記第２駆動コイル９
には図６に示す縦成分磁界Ｈ₂によって上記（１）式と
同様のローレンツ力が働く。したがって、上記駆動コイ
ル９に流れる電流を制御することにより、図５に示す可
動部５が第２トーションバー７，７の軸方向を中心とし
て回動する角度が制御される。以上のように、上記外側
可動板３及び内側可動板４の各周縁部に設けられた第１
駆動コイル８及び第２駆動コイル９に流れる電流をそれ
ぞれ制御することにより、上記半導体基板２の可動部５
を直交する二軸方向にて任意の角度に回動することがで
きる。したがって、上記電流を一定時間ごとに交互に逆
向きに流すことにより、該可動部５を二次元方向に自在
に揺動できる。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような一
対の上記静磁界発生手段１０ａ，１０ｂを、上記可動部
５の１つの対角線方向にて上記半導体基板２を挟んで配
置する構成としたプレーナ型電磁アクチュエータ１にお
いては、上記一対の静磁界発生手段１０ａ，１０ｂは、
所定の距離ｌ₁だけ離されて配置されていた。ここで、
磁界の磁束密度は距離の２乗に反比例するため、上記一
対の静磁界発生手段１０ａ，１０ｂの距離ｌ₁が大きく
なると、その間の磁界Ｈ₀が小さくなり、それに伴って
該磁界Ｈ₀をベクトル分解した横成分磁界Ｈ₁及び縦成分
磁界Ｈ₂は小さくなる。このような場合に、上記（１）
式に示すローレンツ力を確保するためには、上記磁界Ｈ
₀の減少分に相当する電流を流す必要があり、そのとき
には上記可動部５を揺動させるときの電力消費が大きく
なるという問題点があった。

【０００８】そこで、本発明は、このような問題点に対
処し、上記一対の磁界発生手段から発生した磁界が上記
可動部の駆動コイルに与える磁気力を向上する構成とし
たことにより、上記可動部が揺動するときの電力消費を
低減することができるプレーナ型電磁アクチュエータを
提供することを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明によるプレーナ型電磁アクチュエータは、半
導体基板に、枠状の外側可動板及びその内側に配置され
る内側可動板からなる可動部と、上記外側可動板を揺動
可能に軸支する第１トーションバーと、該第１トーショ
ンバーに対して軸方向が直交し上記内側可動板を揺動可
能に軸支する第２トーションバーとを一体形成し、上記
外側可動板及び内側可動板の各周縁部に駆動コイルを形
成し、該駆動コイルに磁界を与える一対の磁界発生手段
が上記可動部の一の対角線方向にて上記半導体基板を挟
んで対向配置して成るプレーナ型電磁アクチュエータに
おいて、上記一対の磁界発生手段から発生した磁界が上
記可動部の駆動コイルに与える磁気力を向上する構成と
したものである。

【００１０】このような構成により、上記一対の磁界発
生手段によって、該一対の磁界発生手段から発生した磁
界が上記可動部の駆動コイルに与える磁気力が向上す
る。

【００１１】ここで、上記一対の磁界発生手段を、上記
半導体基板に形成された可動部に対して互いに接近させ
て配置したものである。これにより、上記半導体基板に
形成された可動部に対して互いに接近させて配置した一
対の磁界発生手段によって、上記可動部の駆動コイルに
与える磁気力が向上する。

【００１２】また、上記半導体基板に形成された可動部
の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を、一対の
棒状の磁界発生手段で当接状態に挟んだものである。こ
れにより、上記一対の棒状の磁界発生手段によって、上
記半導体基板の両端部が当接状態に挟まれ、該一対の磁
界発生手段が互いに接近して配置される。

【００１３】さらに、上記半導体基板に形成された可動
部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断
し、その両端部を一対の棒状の磁界発生手段で当接状態
に挟んだものである。これにより、上記一対の棒状の磁
界発生手段によって、上記両端部が切断された半導体基
板が当接状態に挟まれ、該一対の磁界発生手段が互いに
接近して配置される。

【００１４】また、上記一対の磁界発生手段を、上記半
導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半
導体基板の両端部の外形に適合し得る形状に形成したも
のでもよい。これにより、上記半導体基板の両端部の外
形に適合し得る形状に形成された一対の磁界発生手段の
体積が増加し、この磁界発生手段によって上記半導体基
板の両端部が挟まれる。

【００１５】そして、上記半導体基板に形成された可動
部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断
し、その両端部を上記一対の磁界発生手段で挟んだもの
である。これにより、上記半導体基板の外形に適合し得
る形状に形成された一対の磁界発生手段の体積が増加
し、この磁界発生手段によって上記半導体基板の両端部
が挟まれる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を添付
図面に基づいて詳細に説明する。図１は本発明によるプ
レーナ型電磁アクチュエータ１の第１の実施形態を示す
平面図である。このプレーナ型電磁アクチュエータ１
は、半導体製造技術を利用して形成された可動部３を電
気信号を用いて直交する二軸方向に自在に揺動する装置
で、半導体基板２と、一対の磁界発生手段１０ａ，１０
ｂと、磁路形成手段１３とを備えて成る。

【００１７】上記半導体基板２は、直交する二軸方向に
揺動可能な可動部が形成されるもので、シリコン層を含
んでなり、図５に示す従来のものと同様に構成されてい
る。すなわち、上記半導体基板２に、枠状の外側可動板
３及びその内側に配置される内側可動板４からなる可動
部５と、上記外側可動板３を揺動可能に軸支する第１ト
ーションバー６，６と、該第１トーションバー６，６に
対して軸方向が直交し上記内側可動板４を揺動可能に軸
支する第２トーションバー７，７とが、例えば異方エッ
チング法を施すことにより一体的に形成されている。こ
こで、上記第１トーションバー６，６及び第２トーショ
ンバー７，７は、上記半導体基板２自体の厚さに比べて
薄く形成されており、上記可動部５が所定の角度に回動
できるようになっている。そして、上記外側可動板３及
び内側可動板４のそれぞれの周縁部には、第１駆動コイ
ル８及び第２駆動コイル９が設けられている。

【００１８】上記半導体基板２の外側可動板及３び内側
可動板４の一の対角線方向には、一対の磁界発生手段１
０ａ，１０ｂが対向して配置されている。この一対の磁
界発生手段１０ａ，１０ｂは、上記半導体基板２に形成
された可動部５の駆動コイル８，９に磁界Ｈ₀を与える
もので、上記磁界発生手段１０ａのＮ極と、磁界発生手
段１０ｂのＳ極とを互いに対向させて配置した一対の永
久磁石からなる。これにより、簡単な構造にて上記磁界
発生手段１０ａから磁界発生手段１０ｂの間に磁界Ｈ₀
が発生するようになる。そして、上記磁界Ｈ₀は、上記
半導体基板２の可動部５を斜めに横切るようになってい
る。

【００１９】上記一対の磁界発生手段１０ａ，１０ｂ
は、その周りを囲んで配置された磁路形成手段１３に固
定されている。この磁路形成手段１３は、図１に示すよ
うに、上記左側の磁界発生手段１０ａのＳ極から出て右
側の磁界発生手段１０ｂのＮ極に入る磁力線の経路を形
成し、磁界が周囲に漏れるのを低減するもので、例えば
鉄などの磁性材料からなる。これにより、上記一対の磁
界発生手段１０ａ，１０ｂ間の磁界の強さが向上する。

【００２０】ここで、本発明においては、上記プレーナ
型電磁アクチュエータ１は、上記一対の磁界発生手段１
０ａ，１０ｂから発生した磁界Ｈ₀が上記可動部５の駆
動コイル８，９に与える磁気力を向上する構成を備えて
いる。ここでは、上記対向配置された一対の磁界発生手
段１０ａ，１０ｂを、上記半導体基板２に形成された可
動部５に対して互いに接近させて配置されている。

【００２１】例えば、図１に示すように、上記半導体基
板２に形成された可動部５の一の対角線方向にて該半導
体基板２の両端部が、一対の棒状の磁界発生手段１０
ａ，１０ｂによって当接状態に挟まれている。このと
き、上記一対の棒状の磁界発生手段１０ａ，１０ｂ間の
距離ｌ₂は、図５に示す従来の場合より接近（ｌ₂＜
ｌ₁）して配置されている。そのため、上記一対の磁界
発生手段１０ａ，１０ｂの間に働く磁界Ｈ₀の強さにつ
いて従来の場合と比較すると、磁界の磁束密度は距離の
２乗に反比例することから、（ｌ₁／ｌ₂）²倍だけ大き
くなる。これにより、上記一対の磁界発生手段１０ａ，
１０ｂによって、上記可動部５の駆動コイル８，９に与
える磁気力を向上することができる。したがって、上記
駆動コイル８，９を流す電流の値が小さくても、従来の
場合と同様のローレンツ力（式（１）参照）を確保する
ことができるため、上記可動部５を揺動させるときの電
力消費を低減することができる。

【００２２】図２は本発明によるプレーナ型電磁アクチ
ュエータ１の第２の実施形態を示す平面図である。この
実施形態によるプレーナ型電磁アクチュエータ１は、図
１に示す半導体基板２に形成された可動部５の一の対角
線方向にて該半導体基板２の両端部を切断し、その両端
部を一対の棒状の磁界発生手段１０ａ，１０ｂで当接状
態に挟んだものである。このとき、図２においては、上
記両端部が切断された半導体基板は、全体として四角形
に形成されている（符号１４参照）。そして、上記半導
体基板１４は、その長さがｌ₃（ｌ₃＜ｌ₂）となる。こ
れにより、上記一対の棒状の磁界発生手段１０ａ，１０
ｂを、上記半導体基板１４に形成された可動部５に対し
て互いに距離ｌ₃だけ接近させて当接状態に挟んで配置
することができる。したがって、上記一対の磁界発生手
段１０ａ，１０ｂの間の磁界Ｈ₀の強さが向上し、上記
可動部５を揺動させるときの電力消費を低減することが
できる。なお、上記半導体基板１４は、四角形の形状を
有しているため、該半導体基板１４及び上記一対の棒状
の磁界発生手段１０ａ，１０ｂの実装を容易に行うこと
ができる。

【００２３】図３は本発明によるプレーナ型電磁アクチ
ュエータ１の第３の実施形態を示す平面図である。この
実施形態によるプレーナ型電磁アクチュエータ１は、図
１に示す一対の磁界発生手段１０ａ，１０ｂを、半導体
基板２に形成された可動部５の一の対角線方向にて該半
導体基板２の両端部の外形に適合し得る形状（図３の符
号１５ａ，１５ｂ参照）に形成したものである。そし
て、上記一対の磁界発生手段１５ａ，１５ｂが上記半導
体基板２の両端部を挟んで対向配置される。これによ
り、上記一対の磁界発生手段１５ａ，１５ｂの体積が増
加し、上記可動部５の駆動コイル８，９に与える磁気力
を向上することができる。このとき、上記半導体基板２
の形状に適合し得る形状に形成された一対の磁界発生手
段１５ａ，１５ｂを上記半導体基板２に対して接近させ
て配置した場合には、その中心部間の距離がｌ₂とな
り、また外側部に行くに従ってその間の距離が徐々に狭
くなっている。これにより、上記磁界発生手段１５ａ，
１５ｂ間の磁界Ｈ₀の強さが向上し、上記可動部５を揺
動させるときの電力消費をより低減することができる。

【００２４】図４は本発明によるプレーナ型電磁アクチ
ュエータ１の第４の実施形態を示す平面図である。この
実施形態によるプレーナ型電磁アクチュエータ１は、図
３に示す半導体基板２に形成された可動部５の一の対角
線方向にて該半導体基板２の両端部を切断し（図４の符
号１６参照）、その両端部を該半導体基板１６の外形に
適合し得る形状に形成された一対の磁界発生手段１７
ａ，１７ｂで挟んだものである。これにより、上記一対
の磁界発生手段１７ａ，１７ｂの体積が増加し、上記可
動部５の駆動コイル８，９に与える磁気力を向上するこ
とができる。このとき、上記一対の磁界発生手段１７
ａ，１７ｂによって上記両端部が切断された半導体基板
１６を挟んで対向配置したときには、その中心間距離
が、距離ｌ₃（ｌ₃＜ｌ₂）となり、また外側部に行くに
従ってその間の距離が徐々に狭くなっている。これによ
り、上記磁界発生手段１７ａ，１７ｂ間の磁界Ｈ₀の強
さがさらに向上し、上記可動部５を揺動させるときの電
力消費をさらに低減することができる。

【００２５】

【発明の効果】本発明は以上のように構成されたので、
請求項１に係る発明によれば、半導体基板に形成された
可動部の駆動コイルに磁界を与える一対の磁界発生手段
によって、該一対の磁界発生手段から発生した磁界が上
記可動部の駆動コイルに与える磁気力を向上することが
できる。したがって、上記駆動コイルを流れる電流値が
小さくても、該駆動コイルに働く力を確保することがで
きるため、上記可動部を揺動させるときの電力消費を低
減することができる。

【００２６】ここで、請求項２に係る発明によれば、上
記一対の磁界発生手段を、上記半導体基板に形成された
可動部に対して互いに接近させて配置したものであるこ
とにより、上記半導体基板に形成された可動部に対して
互いに接近させて配置した一対の磁界発生手段によっ
て、上記可動部の駆動コイルに与える磁気力を向上する
ことができる。したがって、上記半導体基板に形成され
た駆動コイルに流す電流を小さくすることができ、上記
可動部を揺動させるときの電力消費を低減することがで
きる。

【００２７】また、請求項３に係る発明によれば、上記
半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該
半導体基板の両端部を、一対の棒状の磁界発生手段で当
接状態に挟んだものであることにより、上記一対の棒状
の磁界発生手段によって、上記半導体基板の両端部が当
接状態に挟まれ、該一対の磁界発生手段を互いに接近さ
せて配置することができる。したがって、上記可動部の
駆動コイルに与える磁界の強さを向上させることがで
き、上記可動部を揺動させるときの電力消費を低減する
ことができる。また、半導体基板の実装を容易にするこ
とができる。

【００２８】さらに、請求項４に係る発明によれば、上
記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて
該半導体基板の両端部を切断し、その両端部を一対の棒
状の磁界発生手段で当接状態に挟んだものであることに
より、上記一対の棒状の磁界発生手段によって、上記両
端部が切断された半導体基板が当接状態に挟まれ、該一
対の磁界発生手段を互いに接近させて配置することがで
きる。したがって、上記可動部の駆動コイルに与える磁
界の強さを向上させることができ、上記可動部を揺動さ
せるときの電力消費を低減することができる。

【００２９】また、請求項５に係る発明によれば、上記
一対の磁界発生手段を、上記半導体基板に形成された可
動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部の外形
に適合し得る形状に形成したことにより、上記半導体基
板の両端部の外形に適合し得る形状に形成された一対の
磁界発生手段の体積が増加し、この磁界発生手段によっ
て上記半導体基板の両端部が挟まれる。したがって、上
記可動部の駆動コイルに与える磁界の強さを向上させる
ことができ、上記可動部を揺動させるときの電力消費を
低減することができる。

【００３０】そして、請求項６に係る発明によれば、上
記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて
該半導体基板の両端部を切断し、その両端部を上記一対
の磁界発生手段で挟んだことにより、上記半導体基板の
外形に適合し得る形状に形成された一対の磁界発生手段
の体積が増加し、この磁界発生手段によって上記半導体
基板の両端部が挟まれる。したがって、上記可動部の駆
動コイルに与える磁界の強さを向上させることができ、
上記可動部を揺動させるときの電力消費を低減すること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明によるプレーナ型電磁アクチュエータ
の第１の実施形態を示す平面図である。

【図２】 上記電磁アクチュエータの第２の実施形態を
示す平面図である。

【図３】 上記電磁アクチュエータの第３の実施形態を
示す平面図である。

【図４】 上記電磁アクチュエータの第４の実施形態を
示す平面図である。

【図５】 従来のプレーナ型電磁アクチュエータを説明
する斜視図である。

【図６】 上記電磁アクチュエータの動作原理を示す説
明図である。

【符号の説明】

１…プレーナ型電磁アクチュエータ ２，１４，１６…半導体基板 ３…外側可動板 ４…内側可動板 ５…可動部 ８，９…駆動コイル １０，１５，１７…磁界発生手段 １３…磁路形成手段 Ｈ₀…磁界 ｌ₂，ｌ₃…一対の磁界発生手段間の距離

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板に、枠状の外側可動板及びその
   内側に配置される内側可動板からなる可動部と、上記外
   側可動板を揺動可能に軸支する第１トーションバーと、
   該第１トーションバーに対して軸方向が直交し上記内側
   可動板を揺動可能に軸支する第２トーションバーとを一
   体形成し、上記外側可動板及び内側可動板の各周縁部に
   駆動コイルを形成し、該駆動コイルに磁界を与える一対
   の磁界発生手段が上記可動部の一の対角線方向にて上記
   半導体基板を挟んで対向配置して成るプレーナ型電磁ア
   クチュエータにおいて、 上記一対の磁界発生手段から発生した磁界が上記可動部
   の駆動コイルに与える磁気力を向上する構成としたこと
   を特徴とするプレーナ型電磁アクチュエータ。
2. 【請求項２】上記一対の磁界発生手段を、上記半導体基
   板に形成された可動部に対して互いに接近させて配置し
   たことを特徴とする請求項１記載のプレーナ型電磁アク
   チュエータ。
3. 【請求項３】上記半導体基板に形成された可動部の一の
   対角線方向にて該半導体基板の両端部を、一対の棒状の
   磁界発生手段で当接状態に挟んだことを特徴とする請求
   項２記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
4. 【請求項４】上記半導体基板に形成された可動部の一の
   対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断し、その両
   端部を一対の棒状の磁界発生手段で当接状態に挟んだこ
   とを特徴とする請求項２記載のプレーナ型電磁アクチュ
   エータ。
5. 【請求項５】上記一対の磁界発生手段を、上記半導体基
   板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基
   板の両端部の外形に適合し得る形状に形成したことを特
   徴とする請求項１記載のプレーナ型電磁アクチュエー
   タ。
6. 【請求項６】上記半導体基板に形成された可動部の一の
   対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断し、その両
   端部を上記一対の磁界発生手段で挟んだことを特徴とす
   る請求項５記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。