JP2005099760A - アクチュエータ - Google Patents
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Abstract
【解決手段】第1の質量部1と、第2の質量部2と、支持部3と、第1の質量部と支持部とを、第1の質量部が支持部に対して回動可能となるように連結する、1対の第1の弾性連結部4と、第1の質量部と第2の質量部とを、第2の質量部が第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、1対の第2の弾性連結部5とを有し、交流電圧を印加することによって、第1の質量部が駆動し、それに伴い第2の質量部が回動するものであり、交流電圧の周波数が、第1の質量部と第2の質量部とが共振する2自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定された。
【選択図】 図1
Description
しかし、このようなポリゴンミラーにおいて、より高解像度で品質のよい印字と高速印刷を達成するには、ポリゴンミラーの回転をさらに高速にしなければならない。現在のポリゴンミラーには高速安定回転を維持するためにエアーベアリングが使用されているが、今以上の高速回転を得るのは困難となっている。また、高速にするためには、大型のモーターが必要であり、危機の小型化の面で不利であるという問題がある。このようなポリゴンミラーを用いると、構造が複雑となり、コストが高くなるといった問題も生じる。
図8の1自由度静電駆動型ねじり振動子は、ガラス基板1000上の両端部にスぺーサ200を介してシリコンの単結晶板からなる可動電極板300の両端固定部300aを固定し、この可動電極板300の両端固定部300a間に、細巾のトーションバー300bを介して可動電極部300cを支持させ、また、その可動電極部300cに電極間隔を置いて対向させる固定電極400を、ガラス基板1000上において上記可動電極部300cに対し平行配置している。可動電極板300と固定電極400との間にはスイッチ600を介して電源500が接続される。
本発明のアクチュエータは、2自由度振動系のアクチュエータであって、
第1の質量部と、
第2の質量部と、
支持部と、
前記第1の質量部と前記支持部とを、前記第1の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第1の弾性連結部と、
前記第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第2の弾性連結部とを有し、
交流電圧を印加することによって、前記第1の質量部が駆動し、それに伴い前記第2の質量部が回動するものであり、
前記交流電圧の周波数が、前記第1の質量部と前記第2の質量部とが共振する2自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定されたことを特徴とする。
これより、低電圧で高速動作が可能で、かつ、振れ角(振幅)の大きいアクチュエータを提供することができる。また、このような構成とすることにより、第1の質量部の振幅を抑制しつつ、第2の質量部の回転角度(振れ角)を大きくすることができる。
前記対向基板の、前記支持部が設けられている側の面の、前記第1の質量部に対応する位置に設けられた1対の電極とを備えており、
前記電極と前記第1の質量部との間に生じる静電気力によって、前記第1の質量部が駆動するものであることが好ましい。
これにより、第2の質量部の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
これにより、第2の質量部が振れる際に、第2の質量部と対向基板とが接触するのを防止することができ、第2の質量部の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記第2の質量部が、光反射部を有することが好ましい。
これにより、例えば、光スキャナとして用いた場合、光の光路を容易に変更することができる。
これにより、第1の質量部の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
これにより、第1の質量部の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
本発明のアクチュエータでは、一対の前記第1の弾性連結部および一対の前記第2の弾性連結部のうち少なくとも1つが、その内部にピエゾ抵抗素子を備えていることが好ましい。
これにより、例えば、回転角度および回転周波数を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第2の質量部の姿勢の制御に利用することができる。
まず、本発明のアクチュエータの第1実施形態について説明する。
図1は、本発明のアクチュエータの第1実施形態を示す平面図、図2は、本発明のアクチュエータの第1実施形態を示す縦断面図、図3は、第1実施形態の対向基板および電極を示す部分平面図、図4は、印加した交流電圧の周波数と、第1の質量部および第2の質量部の共振曲線を示すグラフである。
本実施形態の第2の質量部2の表面(後述する対向基板6が設けられている側とは反対の面側)には、光反射部21が設けられている。
また、図2に示すように、本実施形態のアクチュエータ100は、支持部3と所定の距離だけ離間して対向するように設けられた対向基板6を有している。この対向基板6は、各種ガラスやシリコン等で構成されている。
対向基板6は、図2および図3に示すように、第2の質量部2に対応する位置に開口部61を有している。
また、図2および図3に示すように、対向基板6上には、第1の質量部1に対応する位置に、一対の電極7が設けられている。また、一対の電極7は、第1の質量部1の回転軸(第1の弾性連結部4)を中心にほぼ対称となるように設けられている。
上述したような構成の2自由度振動型アクチュエータにおいては、第1の質量部1と第1の弾性連結部4とからなる第1の振動系と、第2の質量部2と第2の弾性連結部5とからなる第2の振動系とを構成する。
すなわち、第1の質量部1と第1の弾性連結部4と、第2の質量部2と第2の弾性連結部5とからなる2自由度振動系は、第1の質量部1および第2の質量部2の振幅が大きくなる2つの共振周波数fm1[kHz]、fm3[kHz](ただし、fm1<fm3)と、第1の質量部1の振幅がほぼ0となる、1つの***振周波数fm2[kHz]とを有している。
すなわち、印加する交流電圧の周波数F[kHz]をfm1[kHz]とほぼ等しいものに設定することにより、第1の質量部1の振幅を抑制しつつ、第2の質量部2の振れ角(回転角度)を大きくすることができる。なお、本明細書中では、F[kHz]とfm1[kHz]とがほぼ等しいとは、(fm1−1)≦F≦(fm1+1)の条件を満足することを意味する。
第1の質量部1の平均厚さは、1〜1000μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
第1の弾性連結部4のばね定数k1は、1×10−4〜1×104Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×103Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×102Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
また、第2の弾性連結部5のばね定数k2は、1×10−4〜1×104Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×103Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×102Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第1の質量部1の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部2の振れ角をより大きくすることができる。
また、第1の質量部1の質量をm1、前記第2の質量部2の質量をm2としたとき、m1とm2とが、m1≦m2の関係を満足することが好ましい。これにより、第1の質量部1の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
上記のようにして求められる第1の振動系の固有振動数ω1と第2の振動系の固有振動数ω2とは、ω1>ω2の関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部1の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部2の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
図5は、アクチュエータの製造方法の一例を示す工程図である。
本実施形態では、一例として、以下に示す、第1の工程と第2の工程と第3の工程とにより、アクチュエータ100を製造する場合について説明する。
まず、図5(a)に示すように、第1のSi層40と、SiO2層8’と、第2のSi層9’とで構成されたSOI基板50を用意する。
次に、図5(b)に示すように、第1のSi層40に、例えばエッチング等を施すことにより、第1の質量部1、第2の質量部2、支持部3、第1の弾性連結部4、第2の弾性連結部5を形成する。
次に、図5(c)に示すように、第2のSi層9’に、例えばエッチング等を施すことにより、スペーサ9を形成する。
その後、第2の質量部2上に、図5(d)に示すように、光反射部21を、例えば、真空蒸着法等により成膜し、上基板60が得られる。
まず、図5(e)に示すように、ガラス基板6’を用意する。
次に、図5(f)に示すように、ガラス基板6’に、例えばエッチング等を施すことにより、開口部61を有する対向基板6を形成する。
その後、図5(g)に示すように、対向基板6上に、例えば、真空蒸着法等により、電極7を形成し、下基板70が得られる。
第1の工程で得られた上基板60と、第2の工程で得られた下基板70とを、図5(h)に示すように、例えば陽極接合等により、接合する。
次に、図5(i)に示すように、SiO2層8’の、支持部3とスペーサ9とに挟まれた部分を除いた部分を、エッチング等により除去し、絶縁部8を形成する。
以上のようにして、アクチュエータ100が製造される。
なお、第2の工程は、第1の工程と同時に行ってもよいし、第1の工程よりも先に行ってもよい。
図6は、本発明のアクチュエータの第2実施形態を示す平面図である。以下、図6に示すアクチュエータ100’について、前記第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本実施形態のアクチュエータ100’は、図6に示すように、第1の質量部1が支持部3に対して回動可能となるように、第1の質量部1と支持部3とを連結する2対の第1の弾性連結部4’を有している。また、第2の質量部2が第1の質量部1に対して回動可能となるように、第1の質量部1と第2の質量部2とを連結する2対の第2の弾性連結部5’を有している。
なお、本実施形態のように2対の第1の弾性連結部4’と2対の第2の弾性連結部5’を有する場合、前記実施形態で説明したばね定数k1、k2は、ほぼ同じ位置で連結している2つの弾性連結部を一体的なものとみなして求められるものである。
図7は、本発明のアクチュエータの第3実施形態を示す平面図である。以下、図7に示すアクチュエータ100”について、前記第1実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本実施形態のアクチュエータ100”は、電磁力(ローレンツ力)により駆動するように構成されている。
一対の永久磁石30は、S極とN極とが互いに向かい合うように設置されている。
また、コイル20の端部は、端子10と接続されている。
端子10は、図示せぬ電源に接続されており、コイル20に交流電圧を印加できるようになっている。
以上説明したようなアクチュエータは、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー等の光スキャナ、イメージング用ディスプレイ等に好適に適用することができる。
また、前述した実施形態では、第1の弾性連結部4を一対または2対有するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、3対以上であってもよい。
また、前述した実施形態では、光反射部21が第2の質量部2の対向基板6が設けられている側とは反対の面側に設けられている構成について説明したが、例えば、その逆の面に設けられている構成であってもよいし、両方の面に設けられている構成であってもよい。
また、前述した実施形態では、一対の電極7を備えた構成について説明したが、一対でなくてもよい。
また、前述した実施形態では、第2の質量部2の電極7と対向する面の表面に、短絡防止用の絶縁膜が設けられている構成について説明したが、例えば、このような絶縁膜は、電極7の表面に設けられていてもよいし、両方に設けられていてもよい。
また、前述した実施形態では、上基板60を一体的に製造するものとして説明したが、一体的に製造しなくてもよい。例えば、第1の質量部1と第2の質量部2と支持部3と第1の弾性連結部4と第2の弾性連結部5とを一体的に形成した基板と、下基板70とを、例えば、ガラス等で構成されたスペーサを介して、接合するものであってもよいし、各部を別々に作製して接合するものであってもよい。
Claims (7)
- 2自由度振動系のアクチュエータであって、
第1の質量部と、
第2の質量部と、
支持部と、
前記第1の質量部と前記支持部とを、前記第1の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第1の弾性連結部と、
前記第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記第1の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも1対の第2の弾性連結部とを有し、
交流電圧を印加することによって、前記第1の質量部が駆動し、それに伴い前記第2の質量部が回動するものであり、
前記交流電圧の周波数が、前記第1の質量部と前記第2の質量部とが共振する2自由度振動系の共振周波数のうち低いものとほぼ等しくなるように設定されたことを特徴とするアクチュエータ。 - 前記支持部と所定の距離だけ離間して対向するように設けられた対向基板と、
前記対向基板の、前記支持部が設けられている側の面の、前記第1の質量部に対応する位置に設けられた1対の電極とを備えており、
前記電極と前記第1の質量部との間に生じる静電気力によって、前記第1の質量部が駆動するものである請求項1に記載のアクチュエータ。 - 前記対向基板の、前記第2の質量部に対応する位置に開口部が設けられている請求項2に記載のアクチュエータ。
- 前記第2の質量部は、光反射部を有する請求項2または3に記載のアクチュエータ。
- 前記第1の弾性連結部のばね定数をk1、前記第2の弾性連結部のばね定数をk2としたとき、k1とk2とが、k1>k2の関係を満足する請求項1ないし4のいずれかに記載のアクチュエータ。
- 前記第1の質量部の質量をm1、前記第2の質量部の質量をm2としたとき、m1とm2とが、m1≦m2の関係を満足する請求項1ないし5のいずれかに記載のアクチュエータ。
- 一対の前記第1の弾性連結部および一対の前記第2の弾性連結部のうち少なくとも1つが、その内部にピエゾ抵抗素子を備えている請求項1ないし6のいずれかに記載のアクチュエータ。
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