JP2005143235A - Actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、アクチュエータに関するものである。 The present invention relates to an actuator.
例えば、レーザープリンタ等に用いられるアクチュエータとしてポリゴンミラー(回転多面体)が知られている。
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。
For example, a polygon mirror (rotating polyhedron) is known as an actuator used in a laser printer or the like.
However, in such a polygon mirror, in order to achieve high-quality, high-quality printing and high-speed printing, the polygon mirror must be rotated at a higher speed. In current polygon mirrors, air bearings are used to maintain high-speed and stable rotation, but it is difficult to obtain higher-speed rotation. In addition, in order to increase the speed, a large motor is required, which is disadvantageous in terms of downsizing the crisis. When such a polygon mirror is used, there is a problem that the structure becomes complicated and the cost becomes high.
また、図10に示すような、平行平板状に電極を配置した1自由度のねじり振動子は、その構造が簡単なことから、アクチュエータの研究初期から提案されている(例えば、非特許文献1参照)。また、前記ねじり振動子をカンチレバー方式とした1自由度静電駆動型振動子も提案されている(例えば、非特許文献2参照)。
図10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上において前記可動電極部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。
Further, a one-degree-of-freedom torsional vibrator in which electrodes are arranged in a parallel plate shape as shown in FIG. 10 has been proposed from the early stage of research on actuators because of its simple structure (for example, Non-Patent Document 1 reference). In addition, a one-degree-of-freedom electrostatic drive type vibrator in which the torsional vibrator is a cantilever type has been proposed (see, for example, Non-Patent Document 2).
The one-degree-of-freedom electrostatic drive type torsional vibrator in FIG. 10 fixes both
前記構成を有するねじり振動子は、可動電極部300cと固定電極400との間に電圧を印加すると、静電引力によりトーションバー300bを軸として可動電極部300cが回転するものである。しかるに、静電引力は電極間隔の二乗に反比例するため、この種の静電アクチュエータにおいては電極間隔を小さくすることが望まれる。しかし、上述した1自由度の構造では、可動電極部300cが電極と可動部を兼ねるため、電極間隔を狭くすると変位(回転角)に制約が生じ、また可動範囲を大きくとるためには電極間隔を大きくする必要がある。このため、低電圧駆動と大振幅の両立が困難であるという問題がある。
In the torsional vibrator having the above-described configuration, when a voltage is applied between the
本発明の目的は、低電圧駆動が可能で、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にある。 An object of the present invention is to provide an actuator that can be driven at a low voltage and has a large deflection angle (amplitude).
このような目的は、下記の本発明により達成される。
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、
一方が他方に対して相対的に可動可能に設けられた1対の櫛歯状電極を少なくとも1組有し、対応する櫛歯状電極間に生じる静電気力により前記第1の質量部を駆動する駆動手段を備えたことを特徴とする。
これにより、低電圧で駆動が可能で、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。
Such an object is achieved by the present invention described below.
The actuator of the present invention is a two-degree-of-freedom vibration system actuator,
A first mass part;
A second mass part;
A support part;
At least one pair of first elastic coupling portions that couple the first mass portion and the support portion so that the first mass portion is rotatable with respect to the support portion;
At least one pair of second elasticity connecting the first mass part and the second mass part so that the second mass part is rotatable with respect to the first mass part. A connecting portion,
By applying an alternating voltage, the first mass unit is driven, and accordingly the second mass unit is rotated,
One has at least one pair of comb-like electrodes provided to be movable relative to the other, and the first mass unit is driven by electrostatic force generated between the corresponding comb-like electrodes. A driving means is provided.
As a result, it is possible to provide an actuator that can be driven at a low voltage and has a large deflection angle (amplitude).
本発明のアクチュエータでは、前記第1の質量部に対応して設けられた基部を有し、前記1対の櫛歯状電極の一方は、前記基部に設けられ、他方は、前記第1の質量部に設けられていることが好ましい。
これにより、容易かつ確実に、第1の質量部を駆動することができ、低電圧で駆動が可能で、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。
In the actuator of the present invention, the actuator has a base portion corresponding to the first mass portion, one of the pair of comb-like electrodes is provided on the base portion, and the other is the first mass. It is preferable to be provided in the part.
Accordingly, it is possible to provide an actuator that can easily and reliably drive the first mass unit, can be driven with a low voltage, and has a large deflection angle (amplitude).
本発明のアクチュエータでは、前記駆動手段は、1対の櫛歯状電極を少なくとも2組有し、前記1対の第1の弾性連結部に対応して設けられた1対の基部を有し、前記2組のうちの一方の1対の櫛歯状電極の一方は、前記1対の基部の一方に設けられ、前記一方の1対の櫛歯状電極の他方は、前記1対の第1の弾性連結部の一方に設けられており、前記2組のうちの他方の1対の櫛歯状電極の一方は、前記1対の基部の一方に設けられ、前記他方の1対の櫛歯状電極の他方は、前記1対の第1の弾性連結部の一方に設けられていることが好ましい。
これにより、より振れ角(振幅)の大きいアクチュエータを提供することができる。
In the actuator of the present invention, the driving means has at least two pairs of comb-like electrodes, and has a pair of base portions provided corresponding to the pair of first elastic coupling portions, One of the pair of comb-like electrodes of the two sets is provided on one of the pair of bases, and the other of the one pair of comb-like electrodes is the first pair of first electrodes. One of the two pairs of comb-like electrodes is provided on one of the pair of bases, and the other pair of comb teeth. It is preferable that the other of the electrode is provided on one of the pair of first elastic coupling portions.
Thereby, an actuator having a larger deflection angle (amplitude) can be provided.
本発明のアクチュエータでは、前記第1の質量部の慣性モーメントをJ1、前記第2の質量部の慣性モーメントをJ2としたとき、J1とJ2とがJ1≦J2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。
The actuator of the present invention, J 1 moment of inertia of the first mass portion, when the moment of inertia of the second mass was J 2, and J 1 and J 2 is the relationship between J 1 ≦ J 2 It is preferable to satisfy.
Thereby, it is possible to increase the rotation angle (deflection angle) of the second mass unit while suppressing the deflection angle of the first mass unit.
本発明のアクチュエータでは、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略等しくなるように設定されたことが好ましい。
これにより、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。
In the actuator of the present invention, the frequency of the AC voltage is set to be substantially equal to the lower one of the resonance frequencies of the two-degree-of-freedom vibration system in which the first mass unit and the second mass unit resonate. It is preferable.
As a result, it is possible to provide an actuator capable of high-speed operation at a low voltage and having a large deflection angle (amplitude). Moreover, by setting it as such a structure, the rotation angle (deflection angle) of a 2nd mass part can be enlarged, suppressing the amplitude of a 1st mass part.
本発明のアクチュエータでは、前記第1の質量部および第2の質量部に対応する位置に開口部が設けられている基板を有することが好ましい。
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。
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、
1対の第1の質量部と、
第2の質量部と、
支持部と、
前記各第1の質量部と前記支持部とを、前記各第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、
前記各第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記各第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、
前記1対の第1の質量部の一方は、前記第2の質量部を介して、前記第2の質量部の一端側に設けられ、他方は、前記第2の質量部の他端側に設けられ、
交流電圧を印加することによって、前記各第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、
少なくとも2対の櫛歯状電極を少なくとも2組有し、対応する櫛歯状電極間に生じる静電気力により前記第1の質量部を駆動する駆動手段を備えたことを特徴とする。
これにより、より低電圧で駆動が可能で、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。
In the actuator of the present invention, it is preferable to have a substrate in which an opening is provided at a position corresponding to the first mass portion and the second mass portion.
Thereby, the rotation angle (swing angle) of the second mass unit can be further increased.
The actuator of the present invention is a two-degree-of-freedom vibration system actuator,
A pair of first mass parts;
A second mass part;
A support part;
At least one pair of first elastic coupling portions that couple the first mass portions and the support portions so that the first mass portions are rotatable with respect to the support portions;
At least one pair of second parts connecting the first mass parts and the second mass parts so that the second mass parts are rotatable with respect to the first mass parts. And an elastic connecting part,
One of the pair of first mass parts is provided on one end side of the second mass part via the second mass part, and the other is on the other end side of the second mass part. Provided,
By applying an AC voltage, each of the first mass parts is driven, and accordingly the second mass part is rotated,
It has at least two sets of at least two pairs of comb-like electrodes, and includes driving means for driving the first mass part by electrostatic force generated between the corresponding comb-like electrodes.
As a result, it is possible to provide an actuator that can be driven at a lower voltage and has a large deflection angle (amplitude).
本発明のアクチュエータでは、前記1対の第1の質量部に対応して設けられた1対の基部を有し、前記2組の櫛歯状電極のうちの前記一方の1対の櫛歯状電極の一方は、前記1対の基部の一方に設けられ、前記一方の1対の櫛歯状電極の他方は、前記1対の第1の質量部の一方に設けられており、
前記2組の櫛歯状電極のうちの前記他方の1対の櫛歯状電極の一方は、前記1対の基部の一方に設けられ、前記他方の1対の櫛歯状電極の他方は、前記1対の第1の質量部の一方に設けられていることが好ましい。
これにより、より容易かつ確実に、第1の質量部を駆動することができ、低電圧で駆動が可能で、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。
In the actuator of the present invention, the actuator has a pair of base portions provided corresponding to the pair of first mass portions, and the one pair of comb-tooth-shaped electrodes of the two sets of comb-tooth-shaped electrodes. One of the electrodes is provided on one of the pair of base parts, and the other of the one pair of comb-like electrodes is provided on one of the pair of first mass parts,
One of the other pair of comb-shaped electrodes of the two sets of comb-shaped electrodes is provided on one of the pair of bases, and the other of the other pair of comb-shaped electrodes is It is preferable to be provided on one of the pair of first mass parts.
Thereby, the first mass unit can be driven more easily and reliably, and an actuator that can be driven with a low voltage and has a large deflection angle (amplitude) can be provided.
本発明のアクチュエータでは、前記1対の第1の弾性連結部に対応して設けられた1対の基部を有し、前記2組の櫛歯状電極のうちの前記一方の1対の櫛歯状電極の一方は、前記1対の基部の一方に設けられ、前記一方の1対の櫛歯状電極の他方は、前記1対の第1の弾性連結部の一方に設けられており、前記2組の櫛歯状電極のうちの前記他方の1対の櫛歯状電極の一方は、前記1対の基部の一方に設けられ、前記他方の1対の櫛歯状電極の他方は、前記1対の第1の弾性連結部の一方に設けられていることが好ましい。
これにより、さらに振れ角(振幅)の大きいアクチュエータを提供することができる。
In the actuator of the present invention, the actuator has a pair of base portions provided corresponding to the pair of first elastic coupling portions, and the one pair of comb teeth of the two sets of comb-shaped electrodes. One of the electrode-like electrodes is provided on one of the pair of base portions, and the other of the one pair of comb-like electrodes is provided on one of the pair of first elastic connecting portions, One of the other pair of comb-like electrodes of the two sets of comb-like electrodes is provided on one of the pair of bases, and the other of the other pair of comb-like electrodes is It is preferable to be provided on one of the pair of first elastic coupling portions.
Thereby, an actuator having a larger deflection angle (amplitude) can be provided.
本発明のアクチュエータでは、前記1対の第1の質量部の慣性モーメントをJ1、前記第2の質量部の慣性モーメントをJ2としたとき、J1とJ2とがJ1≦J2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。
In the actuator of the present invention, when J 1 is the moment of inertia of the pair of first mass parts and J 2 is the moment of inertia of the second mass part, J 1 and J 2 are J 1 ≦ J 2. It is preferable to satisfy this relationship.
Thereby, it is possible to increase the rotation angle (deflection angle) of the second mass unit while suppressing the deflection angle of the first mass unit.
本発明のアクチュエータでは、前記交流電圧の周波数が、前記1対の第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略等しくなるように設定されたことが好ましい。
これにより、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。
In the actuator of the present invention, the frequency of the AC voltage is substantially equal to the lower one of the resonance frequencies of the two-degree-of-freedom vibration system in which the pair of first and second mass parts resonate. It is preferable to be set to.
As a result, it is possible to provide an actuator capable of high-speed operation at a low voltage and having a large deflection angle (amplitude). Moreover, by setting it as such a structure, the rotation angle (deflection angle) of a 2nd mass part can be enlarged, suppressing the amplitude of a 1st mass part.
本発明のアクチュエータでは、前記1対の第1の質量部および第2の質量部に対応する位置に開口部が設けられている基板を有することが好ましい。
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。
本発明のアクチュエータでは、前記第2の質量部は、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。
In the actuator of the present invention, it is preferable that the actuator includes a substrate having an opening provided at a position corresponding to the pair of first and second mass parts.
Thereby, the rotation angle (swing angle) of the second mass unit can be further increased.
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the second mass unit has a light reflecting unit.
Thereby, for example, when used as an optical scanner, the optical path of light can be easily changed.
本発明のアクチュエータでは、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の関係を満足することが好ましい。
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。
In the actuator of the present invention, when the spring constant of the first elastic coupling portion is k 1 and the spring constant of the second elastic coupling portion is k 2 , k 1 and k 2 are k 1 > k 2. It is preferable to satisfy this relationship.
Thereby, it is possible to increase the rotation angle (deflection angle) of the second mass unit while suppressing the deflection angle of the first mass unit.
本発明のアクチュエータでは、前記1対の第1の弾性連結部および前記1対の第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。
In the actuator of the present invention, it is preferable that at least one of the pair of first elastic coupling portions and the pair of second elastic coupling portions includes a piezoresistive element therein.
Thereby, for example, the rotation angle and the rotation frequency can be detected, and the detection result can be used for controlling the attitude of the second mass unit.
本発明のアクチュエータでは、前記一方の第1の質量部の回動中心軸と、該一方の第1の質量部の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の端部との間の距離をL1、前記他方の第1の質量部の回動中心軸と、該他方の第1の質量部の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の端部との間の距離をL2、前記第2の質量部の回動中心軸と、該第2の質量部の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の端部との間の距離をL3としたとき、L1とL3とが、L1<L3の関係を満足し、かつL2とL3とが、L2<L3の関係を満足するのが好ましい。
これにより、より容易かつ確実に、低電圧で駆動が可能で、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。
In the actuator of the present invention, the distance between the rotation center axis of the one first mass portion and the end portion of the one first mass portion in the direction substantially perpendicular to the rotation center axis. L1, the distance between the rotation center axis of the other first mass part and the end of the other first mass part in the direction substantially perpendicular to the rotation center axis, L2, When the distance between the rotation center axis of the second mass part and the end of the second mass part in the direction substantially perpendicular to the rotation center axis is L3, L1 and L3 However, it is preferable that L1 <L3 is satisfied, and L2 and L3 satisfy L2 <L3.
As a result, it is possible to provide an actuator that can be driven easily and reliably at a low voltage and has a large deflection angle (amplitude).
本発明のアクチュエータでは、前記距離L1と、前記距離L2とが略等しいのが好ましい。
これにより、容易に、アクチュエータを制御することができ、さらに容易かつ確実に、低電圧で駆動が可能で、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。
In the actuator of the present invention, it is preferable that the distance L1 and the distance L2 are substantially equal.
As a result, the actuator can be easily controlled, and an actuator that can be easily and reliably driven at a low voltage and has a large deflection angle (amplitude) can be provided.
以下、本発明のアクチュエータの好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
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、図1のA−A線断面図、図3は、図1中のB−B線断面図、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。なお、以下では、説明の便宜上、図1中の右側を「右」、左側を「左」、上側を「上」、下側を「下」と言う。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an actuator of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
First, a first embodiment of the actuator of the present invention will be described.
1 is a plan view showing a first embodiment of the actuator of the present invention, FIG. 2 is a cross-sectional view taken along line AA in FIG. 1, FIG. 3 is a cross-sectional view taken along line BB in FIG. It is a graph which shows the frequency of the applied alternating voltage, and the resonance curve of a 1st mass part and a 2nd mass part. In the following, for convenience of explanation, the right side in FIG. 1 is referred to as “right”, the left side as “left”, the upper side as “upper”, and the lower side as “lower”.
図1に示すアクチュエータ100は、1対の第1の質量部(駆動部)1、11と、第2の質量部(可動部)2と、1対の支持部3、3と、1対の第1の質量部1、11に対応して設けられた4つの基部73、74、75、76を有している。1対の第1の質量部1、11、第2の質量部2、1対の支持部3、3および4つの基部7は、それぞれ、例えば、シリコン等で構成されている。
An
このアクチュエータ100は、第2の質量部2が中心に位置し、第2の質量部2を介し、第1の質量部1が一端側(右側)に設けられ、第1の質量部11が他端側(左側)に設けられている。また、第1の質量部1の図中右側に一方の支持部3が配置され、第1の質量部11の図中左側に他方の支持部3が配置されている。また、基部73、74は、第1の質量部1を介して互いに対向する位置に設けられている。すなわち、基部73は、第1の質量部1の図1中上側に設けられ、基部74は、第1の質量部1の図1中下側に設けられている。同様に、基部75、76は、第1の質量部11を介して互いに対向する位置に設けられている。すなわち、基部75は、第1の質量部11の図1中上側に設けられ、基部76は、第1の質量部11の図1中下側に設けられている。
In this
また、本実施形態では、第1の質量部1および11は、略同一形状かつ略同一寸法で、第2の質量部を介して、略対称に設けられている。
本実施形態の第2の質量部2の表面には、光反射部21が設けられている。
また、アクチュエータ100は、図1に示すように、第1の質量部1、11が対応する支持部3、3に対して回動可能となるように、第1の質量部1、11と支持部3、3とを連結する1対の第1の弾性連結部4、4を有している。また、第2の質量部2が、第1の質量部1、11に対して回動可能となるように、第1の質量部1、11と、第2の質量部2とを連結する1対の第2の弾性連結部5、5を有している。すなわち、第2の質量部2は第2の弾性連結部5、5を介して、第1の質量部1、11にそれぞれ接続され、第1の質量部1、11は、第1の弾性連結部4、4を介して支持部3、3にそれぞれ接続されている。また、第1の弾性連結部4と、第2の弾性連結部5とは同軸的に設けられており、これらが回動中心軸(回転軸)41となる。
Moreover, in this embodiment, the
The
Further, as shown in FIG. 1, the
支持部3は、図2に示すように、絶縁部8を介して、下基板9と接合している。絶縁部8は、例えば、シリコンの酸化物や窒化物等で構成され、下基板9は、例えば、シリコン等で構成されている。すなわち下基板9は導電性を有している。
下基板9は、図2に示すように、第1の質量部1、11および第2の質量部2に対応する位置に開口部61を有している。
As shown in FIG. 2, the
As shown in FIG. 2, the
基部73には、固定電極71が設けられ(固定され)、第1の質量部1には、固定電極71に対向する可動電極51が設けられている(固定されている)。すなわち、第1の質量部1の図1中上側に可動電極51が形成され、基部73の図1中下側に固定電極71が形成されている。残りの各基部74、75、76についても同様である。
固定電極71と、可動電極51とで、駆動手段の主要部が構成される。
A fixed
The fixed
各可動電極51および各固定電極71は、それぞれ、櫛歯状電極である。すなわち各可動電極51は、それぞれ、複数の電極指511が併設された櫛歯形状をなしており、各固定電極71は、それぞれ、複数の電極指711が併設された櫛歯形状をなしている。
固定電極71と可動電極51とは、電極指711と電極指511とが交互に位置するように、すなわち、互いに噛み合うようにして配置されている。
Each
The fixed
アクチュエータ100では、これらの電極指511および711の幅、間隔、厚さ等を調整することにより、特性を所望のものに設定することができる。
図3に示すように、本実施形態では、第1の質量部1を構成する各部のうち、各可動電極51が、各固定電極71から図3中上方に浮いた状態、すなわち、図3中所定の距離L4だけ離間した状態となっている。第1の質量部11に関しても同様である。
In the
As shown in FIG. 3, in the present embodiment, among the parts constituting the first mass part 1, each
前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。
次に、本実施形態のアクチュエータ100の動作を説明する。
所定の固定電極71と、可動電極51との間に例えば、正弦波の交流電圧等を印加する。より詳細には、例えば、第1の質量部1および11をアースしておき、図1中上側の2つの固定電極71、71に図9(a)に示すような波形の電圧を印加し、下側の2つの電極71、71に図9(b)に示すような波形の電圧を印加すると、第1の質量部1および11と、固定電極71、71との間に静電気力(クーロン力)が生じる。前記静電気力により、第1の質量部1および11が、固定電極71、71へ引きつけられる力が正弦波の位相により変化し、回動中心軸11(第1の弾性連結部4)を軸に振動(図3中矢印の方向)する。この第1の質量部1および11の振動に伴って、第2の弾性連結部5を介して連結されている第2の質量部2は、回動中心軸11(第2の弾性連結部5)を軸に振動(回転)する。
In the two-degree-of-freedom vibration type actuator configured as described above, the first vibration system including the first mass portion 1 and the first
Next, the operation of the
For example, a sine wave AC voltage or the like is applied between the predetermined fixed
ここで、第1の質量部1の回動中心軸41に対して略垂直な方向(長手方向)の端部12との間の距離(長さ)をL1、第1の質量部11の回動中心軸41に対して略垂直な方向(長手方向)の端部12との間の距離(長さ)をL2、第2の質量部の回動中心軸41に対して略垂直な方向の端部13との間の距離(長さ)をL3としたとき、第1の質量部1および11が、それぞれ独立して設けられているため、第1の質量部1および11と、第2の質量部2とが干渉せず、第2の質量部2の大きさにかかわらず、L1およびL2を小さくすることができる。これにより、第1の質量部1および11の回転角度を大きくすることができ、第2の質量部2の回転角度を大きくすることができる。
この場合、第2の質量部2の最大回転角度が、20°以上となるように構成されるのが好ましい。
Here, the distance (length) between the
In this case, it is preferable that the maximum rotation angle of the
本実施形態では、下基板9の、第1の質量部1、11および第2の質量部2に対応する位置に開口部61を設けることができる。これにより、第1の質量部1および11の回転角度をより大きくすることができる。
これらによって、第1の質量部1および11の低電圧駆動と、第2の質量部2の大回転角度とを実現することができ、例えば、レーザープリンタや、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の装置に用いられる光スキャナに適用した場合、より容易に装置を小型化することができる。
In the present embodiment, the
By these, low voltage driving of the
なお、前述したように、本実施形態では、L1とL2とは略等しく設定されているが、L1とL2とが異なっていてもよいことは言うまでもない。
ところで、このような2自由度振動型アクチュエータでは、第1の質量部1および第2の質量部2の振幅(振れ角)と、印加する交流電圧の周波数との間に、図4に示すような周波数特性が存在している。
As described above, in this embodiment, L1 and L2 are set to be approximately equal, but it goes without saying that L1 and L2 may be different.
By the way, in such a two-degree-of-freedom vibration type actuator, as shown in FIG. 4 between the amplitude (deflection angle) of the first mass unit 1 and the
すなわち、第1の質量部1および11と第1の弾性連結部4、4と、第2の質量部2と第2の弾性連結部5、5とからなる2自由度振動系は、第1の質量部1および11と、第2の質量部2の振幅とが大きくなる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。
That is, the two-degree-of-freedom vibration system including the
このアクチュエータ100では、第1の質量部1および11と電極7との間に印加する交流電圧の周波数Fが、2つの共振周波数のうち低いもの、すなわち、fm1とほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。
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および11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。
In this
That is, by setting the frequency F [kHz] of the AC voltage to be applied to be substantially equal to fm 1 [kHz], the amplitude of the
第1の質量部1および11の平均厚さは、1〜1500μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
第2の質量部2の平均厚さは、1〜1500μm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。
The average thickness of the
The average thickness of the second
The spring constant k 1 of the first elastic connecting
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および11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。
第1の弾性連結部4のばね定数をk1、第2の弾性連結部5のばね定数をk2としたとき、k1とk2とが、k1>k2の関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部1および11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。
Moreover, it is preferable that the spring constant k2 of the 2nd
When the spring constant of the first elastic connecting
また、第1の質量部1の慣性モーメントをJ1、前記第2の質量部2の慣性モーメントをJ2としたとき、J1とJ2とが、J1≦J2の関係を満足することが好ましく、J1<J2の関係を満足することがより好ましい。これにより、第1の質量部1および11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。
Further, when the inertia moment of the first mass part 1 is J 1 and the inertia moment of the second
ところで、第1の振動系の固有振動数ω1は、第1の質量部1の慣性モーメントをJ1、第1の弾性連結部4のばね定数をk1としたとき、ω1=(k1/J1)1/2によって与えられ、第2の振動系の固有振動数ω2は、第2の質量部2の慣性モーメントをJ2、第2の弾性連結部5のばね定数をk2としたとき、ω2=(k2/J2)1/2によって与えられる。
By the way, the natural frequency ω 1 of the first vibration system is expressed as ω 1 = (k, where J 1 is the moment of inertia of the first mass portion 1 and k 1 is the spring constant of the first
前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および11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。
なお、本実施形態のアクチュエータ100は、1対の第1の弾性連結部4および1対の第2の弾性連結部5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たものであるのが好ましい。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2の姿勢の制御に利用することができる。
It is preferable that the natural frequency ω 1 of the first vibration system and the natural frequency ω 2 of the second vibration system obtained as described above satisfy the relationship of ω 1 > ω 2 . Thereby, the rotation angle (swing angle) of the
In the
本実施形態では、第1の質量部1の図1中上側に可動電極51が形成され、基部73の図1中下側に固定電極71が形成されており、第1の質量部11の図1中上側に可動電極51が形成され、基部73の図1中下側に固定電極71が形成されているが、これに限らず、例えば、図1中下側の2つの基部7および下側の可動電極51、51を省略した構成としてもよいし、図1中上側の2つの基部7および上側の可動電極51、51を省略した構成としてもよい。この場合、可動電極と固定電極の間に、例えば、オフセット電圧を加えた、最小電位がグランド電位である正弦波(交流電圧)等を印加するのが好ましい。
In the present embodiment, the
次に、図1および図2に示すようなアクチュエータ100の製造方法の一例について添付図面を参照しつつ説明する。
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。また、図5中左側の図は、図1のA−A線断面図、図5中右側の図は、図1中のB−B線断面図に対応している。
Next, an example of a method for manufacturing the
FIG. 5 is a process diagram showing an example of a method for manufacturing an actuator.
In the present embodiment, as an example, a case where the
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、11、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、可動電極51を形成する。
First, as shown in FIG. 5A, an SOI substrate 50 composed of a
Next, as shown in FIG. 5B, for example, the
次に、図5(c)に示すように、第2のSi層9’に、例えば2段階に分けてエッチング等を施すことにより、下基板9および固定電極71を形成する。
次に、図5(d)に示すように、SiO2層8’の、支持部3と下基板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。
次に、図5(e)に示すように、第2の質量部2上に、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。
Next, as shown in FIG. 5C, the
Next, as shown in FIG. 5 (d), the portion of the SiO 2 layer 8 ′ excluding the portion sandwiched between the
Next, as illustrated in FIG. 5E, the
以上のようにして、アクチュエータ100が製造される。
次に、本発明のアクチュエータの第2実施形態について説明する。
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。
The
Next, a second embodiment of the actuator of the present invention will be described.
FIG. 6 is a plan view showing a second embodiment of the actuator of the present invention. Hereinafter, the
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、11が支持部3、3に対して回動可能となるように、第1の質量部1、11と支持部3、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、11に対して回動可能となるように、第1の質量部1、11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。
As shown in FIG. 6, the
このような構成とすることにより、より確実に第2の質量部2の振幅(回転)を制御することができる。
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。
By setting it as such a structure, the amplitude (rotation) of the 2nd
Incidentally, the spring constant k 1, k 2 case, described in the above embodiment was having 'second elastic connecting
次に、本発明のアクチュエータの第3実施形態について説明する。
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、第1の質量部111が第2の質量部2の周りに、空隙部112を介して環状に形成されている。
Next, a third embodiment of the actuator of the present invention will be described.
FIG. 7 is a plan view showing a third embodiment of the actuator of the present invention. Hereinafter, the
In the
このような構成とすることにより、アクチュエータ100をより安定した構造とすることができる。
また、本実施形態では、図7中下側の基部7および下側の可動電極51を省略した構成としてもよいし、図7中上側の基部7および上側の可動電極51を省略した構成としてもよい。
With such a configuration, the
In the present embodiment, the
次に、本発明のアクチュエータの第4実施形態について説明する。
図8は、本発明のアクチュエータの第4実施形態を示す平面図である。以下、図8に示すアクチュエータ100について、前記第3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では、基部73、74は、図8中右側の第1の弾性連結部4を介して互いに対向する位置に設けられている。すなわち、基部73は、図8中右側の第1の弾性連結部4の上側に設けられ、基部74は、右側の第1の弾性連結部4の下側に設けられている。同様に、基部75、76は、図8中左側の第1の弾性連結部4を介して互いに対向する位置に設けられている。すなわち、基部75は、図8中左側の第1の弾性連結部4の上側に設けられ、基部76は、左側の第1の弾性連結部4の下側に設けられている。また、基部73には、固定電極71が設けられ(固定され)、第1の弾性連結部4には、固定電極71に対向する可動電極51が設けられている(固定されている)。すなわち、第1の弾性連結部4の図8中上側に可動電極51が形成され、基部73の図1中下側に固定電極71が形成されている。残りの各基部74、75、76についても同様である。
Next, a fourth embodiment of the actuator of the present invention will be described.
FIG. 8 is a plan view showing a fourth embodiment of the actuator of the present invention. Hereinafter, the
In the
このように構成することで、第2の質量部2の回転角度をさらに大きくすることができる。
また、本実施形態では、図8中下側の2つの基部74、76および下側の可動電極51、51を省略した構成としてもよいし、図8中上側の2つの基部73、75および上側の可動電極51、51を省略した構成としてもよい
また、第4実施形態の構成を第1実施形態に適用してもよい。すなわち、固定電極71を有する基部を第1の弾性連結部4に対応する位置に設け、弾性連結部4に可動電極51を設けてもよい。
By comprising in this way, the rotation angle of the 2nd
Further, in this embodiment, the lower two
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、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の光スキャナ、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。
以上、本発明のアクチュエータについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明のアクチュエータでは、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
The actuator as described above can be suitably applied to, for example, a laser printer, a barcode reader, an optical scanner such as a scanning confocal laser microscope, an imaging display, and the like.
The actuator of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, but the present invention is not limited to this. For example, in the actuator of the present invention, the configuration of each part can be replaced with an arbitrary configuration that exhibits the same function, and an arbitrary configuration can be added.
また、前述した実施形態では、第1の弾性連結部4を1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、第2の弾性連結部5を1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の下基板9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、第1の弾性連結部および第2の弾性連結部の形状として図示の構成のものについて説明したが、これに限定されず、例えば、その形状が、クランク形状等であってもよいし、分岐した構造を有するものであってもよい。
In the above-described embodiment, the first
In the above-described embodiment, the second
In the above-described embodiment, the configuration in which the
In the above-described embodiment, the shape of the first elastic coupling portion and the second elastic coupling portion has been described with respect to the illustrated configuration. However, the shape is not limited thereto. For example, the shape is a crank shape or the like. It may have a branched structure.
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9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。
In the above-described embodiment, the upper substrate 60 is described as being manufactured integrally. However, the upper substrate 60 may not be manufactured integrally. For example, the board | substrate which integrally formed the 1st mass part 1, the 2nd
1、11、111……第1の質量部 2……第2の質量部 21……光反射部 3……支持部 4、4’……第1の弾性連結部 5、5’……第2の弾性連結部 61……開口部 8……絶縁部 9……下基板 6’……ガラス基板 8’……SiO2層 9’……第2のSi層 40……第1のSi層 50……SOI基板 60……上基板 20……コイル 30……永久磁石 100……アクチュエータ 200……スペーサ 300……可動電極板 300a……両端固定部 300b……トーションバー 300c……可動電極部 400……固定電極 500……電源 600……スイッチ 1000……ガラス基板 12、13……端部 41……回動中心軸 71……固定電極 511、711……電子指 51……可動電極 73、74、75、76……基部 112……空隙部 L1、L2、L3、L4……距離
DESCRIPTION OF
Claims (15)
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、
一方が他方に対して相対的に可動可能に設けられた1対の櫛歯状電極を少なくとも1組有し、対応する櫛歯状電極間に生じる静電気力により前記第1の質量部を駆動する駆動手段を備えたことを特徴とするアクチュエータ。 A two-degree-of-freedom vibration actuator,
A first mass part;
A second mass part;
A support part;
At least one pair of first elastic coupling portions that couple the first mass portion and the support portion so that the first mass portion is rotatable with respect to the support portion;
At least one pair of second elasticity connecting the first mass part and the second mass part so that the second mass part is rotatable with respect to the first mass part. A connecting portion,
By applying an alternating voltage, the first mass unit is driven, and accordingly the second mass unit is rotated,
One has at least one pair of comb-like electrodes provided to be movable relative to the other, and the first mass unit is driven by electrostatic force generated between the corresponding comb-like electrodes. An actuator comprising drive means.
1対の第1の質量部と、
第2の質量部と、
支持部と、
前記各第1の質量部と前記支持部とを、前記各第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、
前記各第1の質量部と前記第2の質量部とを、前記第2の質量部が前記各第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、
前記1対の第1の質量部の一方は、前記第2の質量部を介して、前記第2の質量部の一端側に設けられ、他方は、前記第2の質量部の他端側に設けられ、
交流電圧を印加することによって、前記各第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、
少なくとも2対の櫛歯状電極を少なくとも2組有し、対応する櫛歯状電極間に生じる静電気力により前記第1の質量部を駆動する駆動手段を備えたことを特徴とするアクチュエータ。 A two-degree-of-freedom vibration actuator,
A pair of first mass parts;
A second mass part;
A support part;
At least one pair of first elastic coupling portions that couple the first mass portions and the support portions so that the first mass portions are rotatable with respect to the support portions;
At least one pair of second parts connecting the first mass parts and the second mass parts so that the second mass parts are rotatable with respect to the first mass parts. And an elastic connecting part,
One of the pair of first mass parts is provided on one end side of the second mass part via the second mass part, and the other is on the other end side of the second mass part. Provided,
By applying an AC voltage, each of the first mass parts is driven, and accordingly the second mass part is rotated,
An actuator comprising at least two sets of at least two pairs of comb-shaped electrodes, and driving means for driving the first mass unit by electrostatic force generated between the corresponding comb-shaped electrodes.
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