JP2014023207A - Rotary actuator - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、回転型アクチュエータに関する。 The present invention relates to a rotary actuator.
回転型アクチュエータは、例えば光スキャナーなどにおいて光の方向を変えるために用いられている。このような用途の回転型アクチュエータは、可動部である可動電極と、固定電極と、検出用電極を有している。可動電極は、可動電極と固定電極の間に印加される電圧によって揺動する。可動電極の回転角度は、可動電極と検出用電極の間に生じる静電容量の変化に基づいて検出される(例えば特許文献1,2参照)。 The rotary actuator is used to change the direction of light in, for example, an optical scanner. The rotary actuator for such applications has a movable electrode that is a movable part, a fixed electrode, and a detection electrode. The movable electrode is oscillated by a voltage applied between the movable electrode and the fixed electrode. The rotation angle of the movable electrode is detected based on a change in capacitance generated between the movable electrode and the detection electrode (see, for example, Patent Documents 1 and 2).
特に特許文献2に記載の技術では、可動電極と検出用電極が厚さ方向にずれて配置されている。このため、可動電極と検出用電極の間に生じる静電容量の変化に基づいて、可動電極の回転方向も検出できる。
In particular, in the technique described in
しかし、特許文献2に記載の技術では、可動電極と検出用電極が厚さ方向にずれて配置されている。このため、回転型アクチュエータが厚くなってしまう。また、可動電極と検出用電極の間に生じる静電容量の変化が小さくなるため、回転角度の検出精度が低くなってしまう。
However, in the technique described in
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、可動電極の回転方向及び回転角度の双方を検出することができ、回転型アクチュエータが厚くなることを抑制でき、かつ回転角度の検出精度が低くなることを抑制できる回転型アクチュエータを提供することにある。 The present invention has been made in view of the above circumstances, and an object of the present invention is to detect both the rotation direction and the rotation angle of the movable electrode, to suppress the rotation type actuator from becoming thick, and An object of the present invention is to provide a rotary actuator that can suppress a decrease in detection accuracy of the rotation angle.
本発明によれば、回転型アクチュエータは、可動電極、枠体、保持部材、固定電極、及び検出用電極を備えている。保持部材は、可動電極を枠体に取り付けている。また保持部材は、可動電極の回転軸となる。固定電極は、平面視で可動電極に対向している。検出用電極は、可動電極及び固定電極から絶縁されており、平面視において可動電極の一辺に対向している。また検出用電極は、厚さ方向において、可動電極と少なくとも一部が重なっており、かつ中心が、可動電極の厚さ方向の中心と重なっていない。 According to the present invention, the rotary actuator includes a movable electrode, a frame, a holding member, a fixed electrode, and a detection electrode. The holding member has the movable electrode attached to the frame. The holding member serves as a rotation axis of the movable electrode. The fixed electrode is opposed to the movable electrode in plan view. The detection electrode is insulated from the movable electrode and the fixed electrode, and faces one side of the movable electrode in plan view. The detection electrode is at least partially overlapped with the movable electrode in the thickness direction, and the center does not overlap with the center of the movable electrode in the thickness direction.
本発明によれば、可動電極の回転方向及び回転角度の双方を検出することができ、回転型アクチュエータが厚くなることを抑制でき、かつ回転角度の検出精度が低くなることを抑制できる。 According to the present invention, both the rotation direction and the rotation angle of the movable electrode can be detected, the thickness of the rotary actuator can be suppressed, and the detection accuracy of the rotation angle can be suppressed from being lowered.
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. In all the drawings, the same reference numerals are given to the same components, and the description will be omitted as appropriate.
(第1の実施形態)
図1は、第1の実施形態に係る回転型アクチュエータ100の構成を示す平面図である。図2は、図1のA−A´断面図である。なお図2においては、説明のため、保持部材130を点線で示している。図1に示すように、本実施形態に係る回転型アクチュエータ100は、可動電極120、枠体110、保持部材130、固定電極140、及び検出用電極150を有している。保持部材130は、可動電極120を枠体110に取り付けており、かつ可動電極120の回転軸となる。固定電極140は、平面視で可動電極120に対向している。検出用電極150は、可動電極120及び固定電極140から絶縁されており、平面視において可動電極120の一辺に対向している。そして図2に示すように、検出用電極150は、厚さ方向において、可動電極120と少なくとも一部が重なっており、かつ中心が、可動電極120の厚さ方向の中心と重なっていない。以下、詳細に説明する。
(First embodiment)
FIG. 1 is a plan view showing the configuration of the rotary actuator 100 according to the first embodiment. 2 is a cross-sectional view taken along the line AA ′ of FIG. In FIG. 2, the
図1に示すように、可動電極120の平面形状は矩形である。そして固定電極140は、平面視で可動電極120を挟むように2つ設けられている。可動電極120のうち固定電極140と対向する辺(図1においてX方向に伸びている辺)は、櫛歯形状となっている。枠体110は、可動電極120の4辺のうち固定電極140と対向していない2つの辺(図1においてY方向に伸びている辺)それぞれに対向している。保持部材130は、可動電極120のうち枠体110と対向している2辺それぞれに対して設けられている。詳細には、保持部材130は、可動電極120のうち枠体110と対向している辺の中心に接続している。そして2つの保持部材130を結ぶ線が、可動電極120の回転軸となっている。本実施形態では、枠体110、可動電極120、及び保持部材130は一体的に形成されている。
As shown in FIG. 1, the planar shape of the
固定電極140のうち可動電極120と対向する辺は、櫛歯形状となっており、可動電極120の櫛歯部分とかみ合っている。このため、固定電極140と可動電極120は、互いに対向する部分の面積が大きくなり、その結果、可動電極120の駆動力は大きくなる。
A side of the
検出用電極150は、固定電極140と並んでおり、可動電極120のうち固定電極140と対向している辺に対向している。本図に示す例では、固定電極140は、可動電極120の辺の中心部分に対向している。そして検出用電極150は、固定電極140を挟むように設けられており、可動電極120の辺の両端それぞれに対向している。固定電極140は、検出用電極150よりも大きい。本図に示す例では、検出用電極150は、可動電極120のうち対向する2辺に設けられている。すなわち検出用電極150は、保持部材130を基準として線対称となるように設けられている。ただし、検出用電極150は、可動電極120の一辺にのみ設けられていても良い。
The
また、図2に示すように、厚さ方向で見た場合、可動電極120の第1面(図2における下面)と、検出用電極150のうち可動電極120と対向している部分の第1面(図2における下面)とは同一面を形成しているが、可動電極120の第2面(図2における上面)と、検出用電極150のうち可動電極120と対向している部分の第2面(図2における上面)とは同一面を形成していない。このため、本実施形態では、厚さ方向で見た場合、可動電極120が回転していない状態において、検出用電極150の全てが可動電極120と重なっている。
2, when viewed in the thickness direction, the first surface of the movable electrode 120 (the lower surface in FIG. 2) and the first portion of the
具体的には、検出用電極150は、厚肉部152と薄肉部154を有している。薄肉部154は、検出用電極150のうち可動電極120に対向している部分に設けられている。厚肉部152の厚さは可動電極120の厚さとほぼ等しい。厚肉部152は、検出用電極150のうち可動電極120とは逆側の部分に位置している。そして薄肉部154は、検出用電極150のうち可動電極120に対向している部分に位置している。薄肉部154は、可動電極120よりも薄く、そのため、薄肉部154の第2面は、可動電極120の第2面よりも低くなっている。薄肉部154の厚さは、例えば可動電極120の厚さの0.3倍以上1倍未満、好ましくは0.5倍以上0.7倍以下である。なお、固定電極140の上面は、可動電極120の上面及び枠体110の上面と同一面を形成しており、固定電極140の下面は、可動電極120の下面及び枠体110の下面と同一面を形成している。
Specifically, the
なお、枠体110の下面、検出用電極150の下面、及び固定電極140の下面は、絶縁層320を介して基板310によって支持されている。これに対して可動電極120及び保持部材130は、上面及び下面のいずれも支持されていない。
Note that the lower surface of the
回転型アクチュエータ100の可動電極120は、例えば上面が鏡面になっている。この鏡面は、例えば可動電極120の上面に金属膜(例えばAl膜)を形成することにより、形成されている。そして可動電極120の角度を変えることにより、可動電極120に入射してきた光の反射角を変える。回転型アクチュエータ100は、例えば光スキャナーやモーションセンサに用いられる。
The
制御部200は、可動電極120の動きを制御する。具体的には、可動電極120を回転させるとき、制御部200は、可動電極120と固定電極140の間に、交流電圧と直流電圧とを重畳させた電圧を印加する。これにより、可動電極120は回転する。可動電極120が回転すると、可動電極120と検出用電極150の間に生じる容量が異なる。このため、制御部200は、この容量の大きさに基づいて可動電極120の回転角度を算出することができる。従って、制御部200は、可動電極120の回転角度を所望の値に制御することができる。
The
また図2に示したように、検出用電極150の薄肉部154は、厚さ方向において、中心が、可動電極120の厚さ方向の中心と重なっていない。このため、制御部200は、可動電極120と検出用電極150の間に生じる容量の変化の推移に基づいて、可動電極120の回転方向を判断することができる。
As shown in FIG. 2, the center of the
また図2に示したように、検出用電極150の薄肉部154は、厚さ方向において、可動電極120と少なくとも一部が重なっている。このため、可動電極120が回転したとき、可動電極120と検出用電極150の間に生じる容量の変化は大きくなる。また、回転型アクチュエータ100が厚くなることを抑制できる。
As shown in FIG. 2, the
なお図1に示す例では、検出用電極150は、可動電極120のうち互いに対向する2辺に設けられている。このような場合、制御部200は、一方の辺に設けられた検出用電極150のみを用いて、可動電極120の回転方向を判断する。制御部200が行う判断の詳細については後述する。
In the example shown in FIG. 1, the
図3及び図4は、回転型アクチュエータ100の製造方法を示すための断面図である。これらの図に示す断面は、図1のA−A´断面に相当している。まず、図3(a)に示すように、基板310上に絶縁層320及び導電層330を形成したものを準備する。基板310、絶縁層320、及び導電層330は、例えばSOI(Silicon On Insulator)基板である。この場合、導電層330は、不純物が導入されたシリコン層である。次いで、基板310の下面及び導電層330の上面を洗浄する。
3 and 4 are cross-sectional views for illustrating a method for manufacturing the rotary actuator 100. The cross sections shown in these figures correspond to the AA ′ cross section of FIG. First, as shown in FIG. 3A, a substrate having an insulating
次いで図3(b)に示すように、導電層330上にレジストパターン50を形成する。次いで、レジストパターン50をマスクとして導電層330をドライエッチングする。これにより、枠体110、可動電極120、保持部材130、固定電極140、及び検出用電極150が形成される。なお、この状態において、検出用電極150は、保持部材130及び固定電極140と同じ厚さを有している。
Next, as shown in FIG. 3B, a resist
その後、図4(a)に示すように、レジストパターン50を除去する。次いで、枠体110、可動電極120、保持部材130、固定電極140、及び検出用電極150のうち厚肉部152となる部分をレジストパターン52で覆う。そして、レジストパターン52をマスクとして検出用電極150をハーフエッチング(ドライエッチング)する。これにより、検出用電極150に薄肉部154が形成される。
Thereafter, as shown in FIG. 4A, the resist
次いで、図4(b)に示すように、基板310の下面にレジストパターン54を形成する。次いで、レジストパターン54をマスクとして基板310をドライエッチングする。これにより、基板310及び絶縁層320のうち可動電極120及び保持部材130の下に位置している部分は除去される。
Next, as shown in FIG. 4B, a resist
その後、レジストパターン52及びレジストパターン54は除去される。このようにして、図1及び図2に示した回転型アクチュエータ100が形成される。
Thereafter, the resist
図5は、可動電極120の回転角度θと、可動電極120と検出用電極150の間に生じる静電容量との関係を示す図である。図5に示すように、可動電極120が第1の方向に回転した場合(図中左側)の容量の推移と、第2の方向に回転した場合(図中右側)に回転した場合の容量の推移は異なる。このため、図5に示したデータを予め記憶しておくことにより、制御部200は、可動電極120の回転方向及び回転角度を判断することができる。
FIG. 5 is a diagram illustrating a relationship between the rotation angle θ of the
図6は、検出用電極150に薄肉部154を設けたことによって可動電極120と検出用電極150の間に生じる静電容量のピークがどこに位置するかシミュレーションした結果の一例を示している。本図に示すように、可動電極120と検出用電極150の間に生じる静電容量は、薄肉部154を設けたことによって、可動電極120の回転角度が0°以外のときにピークとなる。ただし、可動電極120と検出用電極150の間に生じる静電容量は、可動電極120の回転角度がある程度小さい範囲では、ピークとなる回転角度を基準として線対称な関係を示す。
FIG. 6 shows an example of a simulation result of where the peak of the electrostatic capacitance generated between the
図7は、可動電極120を±2°で1kHzの周波数で振動させたときの静電容量の変化を示している。また図8は、可動電極120を±10°で1kHzの周波数で振動させたときの静電容量の変化を示している。いずれの場合も、可動電極120の回転方向が異なる場合、可動電極120の回転角度が同一であっても可動電極120と検出用電極150の容量の推移は異なる。特に図7に示すように、可動電極120の振動角度が、図6に示したピークとなる回転角度よりも小さいとき、可動電極120の回転方向が異なると、可動電極120の回転角度が同一であっても、可動電極120の回転方向が異なる可動電極120と検出用電極150の容量の大きさは異なる。このため、制御部200は、可動電極120の回転方向及び回転角度を判断することができる。
FIG. 7 shows a change in capacitance when the
以上、本実施形態によれば、厚さ方向において、検出用電極150の中心は、可動電極120の厚さ方向の中心と重なっていない。このため、制御部200は、可動電極120と検出用電極150の間に生じる容量の変化の推移に基づいて、可動電極120の回転方向を判断することができる。また、検出用電極150は、少なくとも一部が可動電極120と重なっている。このため、回転型アクチュエータ100が厚くなることを抑制でき、かつ回転角度の検出精度が低くなることを抑制できる。
As described above, according to the present embodiment, the center of the
また本実施形態では、可動電極120の下面と、検出用電極150の薄肉部154の下面とは同一面を形成しているが、可動電極120の上面と、検出用電極150の薄肉部154の上面とは同一面を形成していない。このような構成は、検出用電極150をハーフエッチングするのみで実現できる。従って、回転型アクチュエータ100の製造コストは低くなる。
In this embodiment, the lower surface of the
また本実施形態では、検出用電極150は、可動電極120のうち互いに対向する2辺に設けられている。このため、回転型アクチュエータ100の構造を、可動電極120の回転軸を基準として線対称にすることができる。この場合、制御部200は、可動電極120の回転を制御しやすい。
In the present embodiment, the
(第2の実施形態)
図9は、第2の実施形態に係る回転型アクチュエータ100の構成を示す平面図である。本図に示す回転型アクチュエータ100は、固定電極140と検出用電極150の間に接地電極160を有している点を除いて、第1の実施形態に示した回転型アクチュエータ100と同様の構成である。接地電極160は、接地されており、固定電極140に印加される電圧が検出用電極150と可動電極120の間に生じる容量に影響を与えることを抑制している。
(Second Embodiment)
FIG. 9 is a plan view showing the configuration of the rotary actuator 100 according to the second embodiment. The rotary actuator 100 shown in this figure has the same configuration as the rotary actuator 100 shown in the first embodiment, except that a
本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、接地電極160は、固定電極140に印加される電圧が検出用電極150と可動電極120の間に生じる容量に影響を与えることを抑制している。このため、制御部200は精度良く可動電極120の回転角度を検出することができる。
Also according to this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In addition, the
(第3の実施形態)
図10は、第3の実施形態に係る回転型アクチュエータ100の構成を示す図である。本図に示す回転型アクチュエータ100は、固定電極140及び検出用電極150のレイアウトを除いて、第1の実施形態に係る回転型アクチュエータ100と同様の構成である。
(Third embodiment)
FIG. 10 is a diagram illustrating a configuration of the rotary actuator 100 according to the third embodiment. The rotary actuator 100 shown in the figure has the same configuration as that of the rotary actuator 100 according to the first embodiment except for the layout of the fixed
本実施形態において、検出用電極150は、可動電極120の辺の中心部分に対向している。そして固定電極140は、検出用電極150を挟むように設けられており、可動電極120の辺の両端それぞれに対向している。固定電極140は、検出用電極150よりも大きい。
In the present embodiment, the
本実施形態によっても、第1の実施形態と同様の効果を得ることができる。なお本実施形態において、第2の実施形態に示した接地電極160をもうけても良い。この場合、第2の実施形態と同様の効果も得られる。
Also according to this embodiment, the same effect as that of the first embodiment can be obtained. In this embodiment, the
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。 As mentioned above, although embodiment of this invention was described with reference to drawings, these are the illustrations of this invention, Various structures other than the above are also employable.
50 レジストパターン
52 レジストパターン
54 レジストパターン
100 回転型アクチュエータ
110 枠体
120 可動電極
130 保持部材
140 固定電極
150 検出用電極
152 厚肉部
154 薄肉部
160 接地電極
200 制御部
310 基板
320 絶縁層
330 導電層
50 resist
Claims (4)
枠体と、
前記可動電極を前記枠体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる保持部材と、
平面視で前記可動電極に対向している固定電極と、
前記可動電極及び前記固定電極から絶縁されており、平面視において前記可動電極の一辺に対向している検出用電極と、
を備え、
厚さ方向において、前記検出用電極は、前記可動電極と少なくとも一部が重なっており、かつ中心が、前記可動電極の厚さ方向の中心と重なっていない回転型アクチュエータ。 A movable electrode;
A frame,
The movable electrode is attached to the frame, and a holding member that serves as a rotation axis of the movable electrode
A fixed electrode facing the movable electrode in plan view;
A detection electrode that is insulated from the movable electrode and the fixed electrode and is opposed to one side of the movable electrode in plan view;
With
In the thickness direction, the detection electrode is at least partially overlapped with the movable electrode, and the center is not overlapped with the center of the movable electrode in the thickness direction.
厚さ方向で見た場合、前記可動電極の第1面と、前記検出用電極の第1面とは同一面を形成しており、かつ前記可動電極の第2面と、前記検出用電極の第2面とは同一面を形成していない回転型アクチュエータ。 The rotary actuator according to claim 1, wherein
When viewed in the thickness direction, the first surface of the movable electrode and the first surface of the detection electrode form the same surface, and the second surface of the movable electrode and the detection electrode A rotary actuator that does not form the same surface as the second surface.
2つの前記固定電極が、前記可動電極を介して互いに対向するように配置されており、
前記検出用電極は、前記可動電極のうち前記2つの固定電極に面する2辺それぞれに設けられている回転型アクチュエータ。 The rotary actuator according to claim 1 or 2,
The two fixed electrodes are arranged to face each other with the movable electrode interposed therebetween,
The detection electrode is a rotary actuator provided on each of two sides of the movable electrode facing the two fixed electrodes.
前記可動電極の一面は鏡面である回転型アクチュエータ。 The rotary actuator according to any one of claims 1 to 3,
A rotary actuator in which one surface of the movable electrode is a mirror surface.
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