JP2014113651A - MEMS device - Google Patents
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Abstract
Description
本明細書は、MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)装置に関する。 The present specification relates to a MEMS (Micro Electro Mechanical Systems) apparatus.
特許文献1に、支持部と、揺動板と、揺動板が支持部に対して揺動軸周りに揺動可能となるように、揺動軸に沿う方向の両側で、揺動板と支持部の間を接続する一対のねじり梁を有するMEMS装置が開示されている。このMEMS装置では、静電アクチュエータ等の駆動手段によって揺動板にトルクを印加することで、揺動板を支持部に対して揺動軸周りに揺動させる。 Patent Document 1 discloses a support portion, a swing plate, and a swing plate on both sides in a direction along the swing shaft so that the swing plate can swing around the swing shaft with respect to the support portion. A MEMS device having a pair of torsion beams connecting between support parts is disclosed. In this MEMS device, the swinging plate is swung around the swinging shaft with respect to the support portion by applying torque to the swinging plate by driving means such as an electrostatic actuator.
駆動手段が印加する駆動力の周波数を揺動板の共振周波数に一致させると、小さな駆動電力で揺動板を大きく動作させることができる。このような共振駆動において、揺動板を高速で動作させるためには、駆動手段が印加する駆動力の周波数を高くするとともに、それに合わせて揺動板の共振周波数を高くしておく必要がある。また、MEMS装置の耐久性を確保するためには、ねじり梁の強度を確保しておく必要がある。その上で、揺動板以外の部分のサイズを小さくするためには、ねじり梁の長さを可能な限り短くすることが好ましい。 When the frequency of the driving force applied by the driving means is matched with the resonance frequency of the rocking plate, the rocking plate can be operated largely with a small driving power. In order to operate the oscillating plate at high speed in such resonance driving, it is necessary to increase the frequency of the driving force applied by the driving means and to increase the resonance frequency of the oscillating plate accordingly. . Moreover, in order to ensure the durability of the MEMS device, it is necessary to ensure the strength of the torsion beam. In addition, in order to reduce the size of the portion other than the swing plate, it is preferable to shorten the length of the torsion beam as much as possible.
本明細書では、上記課題を解決する技術を開示する。本明細書では、必要とされる揺動板の共振周波数と、ねじり梁の強度を確保しつつ、ねじり梁の長さを短くすることが可能な技術を提供する。 In this specification, the technique which solves the said subject is disclosed. The present specification provides a technique capable of shortening the length of the torsion beam while ensuring the required resonance frequency of the oscillating plate and the strength of the torsion beam.
本明細書が開示するMEMS装置は、支持部と、揺動板と、揺動板が支持部に対して揺動軸周りに揺動可能となるように、揺動軸に沿う方向の両側で、揺動板と支持部の間を接続する一対のねじり梁群を有している。そのMEMS装置では、片側のねじり梁群のねじり剛性をKall、個々のねじり梁の断面の高さをa、個々のねじり梁の断面の幅をb、個々のねじり梁の許容せん断応力をτmax、揺動板の最大揺動角をθとしたときに、片側のねじり梁群のねじり梁の本数nが次の関係を満たす。 The MEMS device disclosed in this specification includes a support portion, a swing plate, and both sides in a direction along the swing shaft so that the swing plate can swing around the swing shaft with respect to the support portion. And a pair of torsion beam groups connecting between the swing plate and the support portion. In the MEMS device, the torsional rigidity of one torsion beam group is Kall, the cross-sectional height of each torsion beam is a, the cross-sectional width of each torsion beam is b, the allowable shear stress of each torsion beam is τmax, When the maximum swing angle of the swing plate is θ, the number n of torsion beams in one side of the torsion beam group satisfies the following relationship.
上記のMEMS装置では、上式の関係を満たす本数のねじり梁からなるねじり梁群を用いて、揺動板を両側から支持する構成としている。このような構成とすることによって、必要とされる揺動板の共振周波数と、ねじり梁の強度を確保しつつ、ねじり梁の長さを短くすることができる。この原理については、後の実施例で詳述する。 In the MEMS device described above, the swing plate is supported from both sides by using a torsion beam group composed of a number of torsion beams satisfying the above relation. By adopting such a configuration, it is possible to shorten the length of the torsion beam while ensuring the necessary resonance frequency of the swing plate and the strength of the torsion beam. This principle will be described in detail in a later embodiment.
上記のMEMS装置は、揺動軸から離れた位置に配置されたねじり梁に、応力緩和部が形成されているように構成することができる。この場合、上記のMEMS装置は、応力緩和部が、揺動軸に対して非平行な直線形状に形成されており、応力緩和部を有するねじり梁が、その中央部分に比べて、揺動軸から離れた位置で、揺動板および/または支持部に接続されているように構成することができる。 The MEMS device described above can be configured such that a stress relaxation portion is formed in a torsion beam disposed at a position away from the swing axis. In this case, in the above MEMS device, the stress relaxation portion is formed in a linear shape that is non-parallel to the swing axis, and the torsion beam having the stress relaxation portion has a swing shaft that is smaller than the central portion thereof. It can comprise so that it may be connected to the rocking | swiveling plate and / or support part in the position away from.
ねじり梁群が複数のねじり梁から構成される場合、揺動板が揺動すると、揺動軸から離れた位置に配置されたねじり梁には、ねじりだけでなく引張も作用することになる。上記のMEMS装置によれば、揺動軸から離れた位置に配置されたねじり梁に応力緩和部が形成されているので、揺動板が揺動したときのねじり梁に作用する引張応力の影響を緩和することができる。ねじり梁の強度を確保するとともに、ねじり梁の引張剛性がねじり梁群のねじり剛性に及ぼす影響を抑制することができる。 In the case where the torsion beam group is composed of a plurality of torsion beams, when the oscillating plate oscillates, not only torsion but also tension acts on the torsion beam disposed at a position away from the oscillating shaft. According to the MEMS device described above, since the stress relaxation portion is formed in the torsion beam disposed at a position away from the swing axis, the influence of the tensile stress acting on the torsion beam when the swing plate swings. Can be relaxed. While ensuring the strength of the torsion beam, the influence of the tensile rigidity of the torsion beam on the torsional rigidity of the torsion beam group can be suppressed.
上記のMEMS装置は、揺動軸と重なるように配置されたねじり梁が、直線形状に形成されているように構成することができる。 The MEMS device described above can be configured such that the torsion beam disposed so as to overlap the swing shaft is formed in a linear shape.
ねじり梁群を構成する全てのねじり梁に応力緩和部を形成してしまうと、揺動軸に沿う方向の引張剛性および圧縮剛性が弱くなり、揺動板が支持部に対して揺動軸に沿う方向に並進運動してしまうおそれがある。上記のMEMS装置では、揺動板が揺動する際に引張が作用しないねじり梁、すなわち揺動軸と重なるように配置されたねじり梁が直線形状に形成されているので、揺動軸に沿う方向の引張剛性および圧縮剛性を確保することができる。揺動板が支持部に対して揺動軸に沿う方向に並進運動することを抑制することができる。 If stress relaxation parts are formed in all the torsion beams constituting the torsion beam group, the tensile rigidity and the compression rigidity in the direction along the swing axis become weak, and the swing plate becomes a swing axis with respect to the support part. There is a risk of translational movement in the direction along. In the MEMS device described above, the torsion beam to which tension does not act when the oscillating plate oscillates, that is, the torsion beam arranged so as to overlap the oscillating shaft is formed in a linear shape, and therefore, along the oscillating axis. Directional tensile rigidity and compression rigidity can be ensured. It is possible to suppress the swing plate from moving in a direction along the swing axis with respect to the support portion.
上記のMEMS装置は、個々のねじり梁と揺動板の接続角度、および/または、個々のねじり梁と支持部の接続角度が、実質的に同じ角度であるように構成することができる。 The MEMS device described above can be configured such that the connection angle between the individual torsion beam and the swing plate and / or the connection angle between the individual torsion beam and the support portion is substantially the same angle.
上記のMEMS装置によれば、ねじり梁群の付け根近傍における開口の形状を均一化することができる。エッチング等の加工によってねじり梁群を形成する際の、形状ばらつきの発生を抑制することができる。また、ねじり梁群の付け根の形状が均一になるため、ねじり梁群の付け根に作用する応力を均等にすることができる。このため、破断しにくい信頼性の高いねじり梁群を実現することができる。ねじり梁群の付け根に角Rを設けることで、さらに信頼性の高いねじり梁群を実現することもできる。 According to the MEMS device, the shape of the opening in the vicinity of the root of the torsion beam group can be made uniform. It is possible to suppress the occurrence of shape variation when forming the torsion beam group by processing such as etching. In addition, since the shape of the root of the torsion beam group becomes uniform, the stress acting on the root of the torsion beam group can be made uniform. For this reason, it is possible to realize a highly reliable torsion beam group that is not easily broken. By providing an angle R at the base of the torsion beam group, a more reliable torsion beam group can be realized.
上記のMEMS装置は、揺動板に固定された永久磁石と、永久磁石を挟むように配置された一対の電磁石を用いて、支持部に対して揺動板を揺動させるように構成することができる。 The MEMS device is configured to swing the swing plate with respect to the support portion using a permanent magnet fixed to the swing plate and a pair of electromagnets arranged so as to sandwich the permanent magnet. Can do.
MEMS装置の駆動方法としては、静電駆動型、電磁駆動型、圧電駆動型などがある。このうち、電磁駆動型のものは、大きなトルクを得やすいため、ねじり剛性の高いMEMS装置を大きく動作させるのに有望な方法である。電磁駆動型には、揺動板に電気配線を設け、外部に永久磁石を設ける可動コイル式のものと、揺動板に永久磁石を設け、外部に電磁石を設ける可動磁石式のものがある。可動コイル式では、電気配線を流れる電流に、永久磁石より生じる磁場を作用させて、揺動板を駆動する。この方式では、ねじり梁群にも電気配線を設ける必要がある。ねじり梁群が細くなると、電気配線も細くなり、電気配線の許容電流値も低下する。このため、駆動トルクの大きさが、ねじり梁群の形状に依存することとなる。これに対して、可動磁石式では、外部に設けた電磁石に電流を流し、これによって発生する磁場を揺動板に設けた永久磁石に作用させて、揺動板を駆動する。このため、揺動板およびねじり梁群に電気配線を設ける必要がない。上記のMEMS装置は、駆動方式として可動磁石式を採用している。 As a driving method of the MEMS device, there are an electrostatic driving type, an electromagnetic driving type, a piezoelectric driving type, and the like. Among these, the electromagnetic drive type is a promising method for greatly operating a MEMS device having high torsional rigidity because a large torque is easily obtained. The electromagnetic drive type includes a movable coil type in which electric wiring is provided on a swing plate and a permanent magnet is provided outside, and a movable magnet type in which a permanent magnet is provided on the swing plate and an electromagnet is provided outside. In the moving coil type, the magnetic plate generated by the permanent magnet is applied to the current flowing through the electric wiring to drive the swing plate. In this method, it is necessary to provide electrical wiring also in the torsion beam group. As the torsion beam group becomes thinner, the electrical wiring becomes thinner and the allowable current value of the electrical wiring also decreases. For this reason, the magnitude of the driving torque depends on the shape of the torsion beam group. On the other hand, in the movable magnet type, an oscillating plate is driven by applying an electric current to an electromagnet provided outside and causing a magnetic field generated thereby to act on a permanent magnet provided on the oscillating plate. For this reason, it is not necessary to provide electric wiring in the rocking plate and the torsion beam group. The above MEMS device employs a movable magnet type as a driving method.
上記のMEMS装置によれば、揺動板に対する電流の供給が不要であるため、支持部から揺動板へのねじり梁群を介した電気配線が不要となる。このような構成とすることで、ねじり梁群を構成するねじり梁の断面を、より小さく形成することができる。その結果、より短い長さのねじり梁群を用いることが可能となり、小型のMEMS装置を実現することができる。 According to the MEMS device described above, since it is not necessary to supply current to the swing plate, electrical wiring through the torsion beam group from the support portion to the swing plate is not required. By setting it as such a structure, the cross section of the torsion beam which comprises a torsion beam group can be formed smaller. As a result, a torsion beam group having a shorter length can be used, and a small MEMS device can be realized.
(実施例1)
図1および図2は、本実施例のMEMS装置2を示している。MEMS装置2は、支持フレーム4と、揺動板6と、ミラー8と、ねじり梁群10a,10bと、永久磁石12と、電磁石14a,14bを備えている。
Example 1
1 and 2 show a
支持フレーム4と、揺動板6と、ねじり梁群10a,10bは、単結晶シリコンからなるシリコンウェハを選択的にエッチングすることによって形成されている。支持フレーム4と、揺動板6と、ねじり梁群10a,10bは、継ぎ目無く一体的に形成されている。
The
支持フレーム4は、矩形の枠形状に形成されている。
The
揺動板6は、矩形の平板形状に形成されている。揺動板6は、支持フレーム4の内側に配置されている。揺動板6は、ねじり梁群10a,10bを介して、支持フレーム4に対して揺動軸C周りに揺動可能に支持されている。なお、本実施例では、揺動軸Cに沿う方向をX軸とし、揺動板6に直交する方向をZ軸とし、X軸およびZ軸に直交する方向をY軸としている。
The
ミラー8は、揺動板6の表面にAL等の金属を蒸着することによって形成されている。ミラー8は、MEMS装置2の上面側から入射する光を反射する。揺動板6が揺動軸C周りに揺動すると、ミラー8の反射角度が変化する。すなわち、MEMS装置2は、光偏向装置として動作することができる。
The
ねじり梁群10a,10bは、X軸方向の両側から(すなわち揺動軸Cに沿う方向の両側から)揺動板6を支持している。ねじり梁群10aは、揺動板6の揺動軸Cに沿った一方の端部(図1の左側の端部)を支持している。ねじり梁群10bは、揺動板6の揺動軸Cに沿った他方の端部(図1の右側の端部)を支持している。揺動板6が揺動する際には、ねじり梁群10a,10bがそれぞれねじれ変形する。
The
ねじり梁群10aは、5つのねじり梁16a,18a,20a,22a,24aを備えている。ねじり梁16a,18a,20a,22a,24aは、何れも矩形断面を有しており、直線状に伸びている。ねじり梁16a,18a,20a,22a,24aは、同一平面内(XY平面内)で、揺動軸Cに沿って、互いに平行に等間隔で配置されている。ねじり梁20aは、MEMS装置2を上方から平面視したときに、揺動軸Cと重なる位置に配置されている。ねじり梁18a,22aは、MEMS装置2を上方から平面視したときに、ねじり梁20aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁16a,24aは、MEMS装置2を上方から平面視したときに、ねじり梁18a,22aよりも外側で、ねじり梁20aを挟んで対称な位置に配置されている。
The
ねじり梁群10bは、5つのねじり梁16b,18b,20b,22b,24bを備えている。ねじり梁16b,18b,20b,22b,24bは、何れも矩形断面を有しており、直線状に伸びている。ねじり梁16b,18b,20b,22b,24bは、同一平面内(XY平面内)で、揺動軸Cに沿って、互いに平行に等間隔で配置されている。ねじり梁20bは、MEMS装置2を上方から平面視したときに、揺動軸Cと重なる位置に配置されている。ねじり梁18b,22bは、MEMS装置2を上方から平面視したときに、ねじり梁20bを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁16b,24bは、MEMS装置2を上方から平面視したときに、ねじり梁18b,22bよりも外側で、ねじり梁20bを挟んで対称な位置に配置されている。
The
永久磁石12は、ネオジム磁石(Nd2Fe14B)や、サマリウムコバルト磁石(SmCo5(1−5系)、Sm2Co17(2−17系)等)や、フェライト磁石等からなる永久磁石である。永久磁石12は、揺動板6の裏面中央部に形成された窪みに固定されている。図1に示すように、MEMS装置2を上方から平面視したときに、永久磁石12は、揺動軸Cと重なる位置に配置されている。図2に示すように、永久磁石12は、極性の向きが揺動板6に直交する姿勢で、揺動板6に固定されている。本実施例では、永久磁石12のN極が揺動板6に近い側に配置され、S極が揺動板6から遠い側に配置されている。
The
電磁石14a,14bは、鉄心の周りにコイルを捲回して形成されている。電磁石14a,14bは、支持フレーム4の外側から、揺動板6の永久磁石12を挟みこむように配置されている。
The
例えば、電磁石14aがN極となり、電磁石14bがS極となるように、電磁石14a,14bに電流を流すと、揺動板6の永久磁石12には、電磁石14bから電磁石14aに向かう方向の磁場が作用する。これにより、永久磁石12には、S極を電磁石14aに近づけ、N極を電磁石14bに近づける方向のトルクが作用する。このトルクによって、揺動板6は、電磁石14a側の端部が上昇し、電磁石14b側の端部が下降する方向に揺動する。これにより、ミラー8の反射角度が変化する。
For example, when a current is passed through the
逆に、電磁石14aがS極となり、電磁石14bがN極となるように、電磁石14a,14bに電流を流すと、揺動板6の永久磁石12には、電磁石14aから電磁石14bに向かう方向の磁場が作用する。これにより、永久磁石12には、S極を電磁石14bに近づけ、N極を電磁石14aに近づける方向のトルクが作用する。このトルクによって、揺動板6は、電磁石14b側の端部が上昇し、電磁石14a側の端部が下降する方向に揺動する。これにより、ミラー8の反射角度が変化する。
Conversely, when a current is passed through the
電磁石14a,14bの駆動周波数を揺動板6の共振周波数に一致させると、小さな駆動電力で揺動板6を大きく動作させることができる。このような共振駆動において、揺動板6を高速で動作させるためには、電磁石14a,14bの駆動周波数を高くするとともに、それに合わせて揺動板6の共振周波数を高くする必要がある。また、MEMS装置2の耐久性を確保するためには、ねじり梁群10a,10bの強度を確保しておく必要がある。その上で、MEMS装置2における有効な反射面積の割合を向上するためには、ねじり梁群10a,10bの長さ、言い換えると揺動板6と支持フレーム4の間の間隔を可能な限り短くすることが好ましい。
When the drive frequency of the
本実施例のMEMS装置2では、一方のねじり梁群10aを5つのねじり梁16a,18a,20a,22a,24aで構成し、他方のねじり梁群10bを5つのねじり梁16b,18b,20b,22b,24bで構成することによって、必要とされる揺動板6の共振周波数とねじり梁群10a,10bの強度を確保しつつ、ねじり梁群10a,10bの長さを短くすることができる。以下では、ねじり梁群10a,10bにおけるねじり梁の本数と、ねじり梁群10a,10bの長さの関係について説明する。
In the
図3に示すように、揺動板Pの一方の端部を単一のねじり梁BRで支持し、他方の端部を単一のねじり梁BLで支持する構成を考える。この場合、揺動板Pの共振周波数frは、次式で与えられる。 As shown in FIG. 3, a configuration is considered in which one end of the swing plate P is supported by a single torsion beam BR and the other end is supported by a single torsion beam BL. In this case, the resonance frequency fr of the oscillating plate P is given by the following equation.
ここで、Kはねじり梁BR、BLの(片側のみの)ねじり剛性であり、Jは揺動板Pの慣性モーメントである。 Here, K is the torsional rigidity (only on one side) of the torsion beams BR and BL, and J is the moment of inertia of the swing plate P.
ねじり梁BR,BLのねじり剛性Kは、次式で与えられる。 The torsional rigidity K of the torsion beams BR and BL is given by the following equation.
ここで、lはねじり梁BR,BLの長さであり、aはねじり梁BR,BLの断面の長辺の長さであり、bはねじり梁BR,BLの断面の短辺の長さであり、Gはねじり梁BR,BLの横弾性係数である。以下では、ねじり梁BR,BLの断面の高さtbが断面の幅wbよりも長いものとして説明する。すなわち、本説明の中では、tbがねじり梁BR,BLの断面の長辺の長さaであり、wbがねじり梁BR,BLの断面の短辺の長さbに相当する。 Here, l is the length of the torsion beams BR and BL, a is the length of the long side of the cross section of the torsion beams BR and BL, and b is the length of the short side of the cross section of the torsion beams BR and BL. Yes, G is the transverse elastic modulus of the torsion beams BR and BL. In the following description, it is assumed that the cross-section height tb of the torsion beams BR and BL is longer than the cross-section width wb. That is, in this description, tb corresponds to the length a of the long side of the cross section of the torsion beams BR and BL, and wb corresponds to the length b of the short side of the cross section of the torsion beams BR and BL.
揺動板Pの慣性モーメントJは、次式で与えられる。
ここで、ρは揺動板Pの質量密度であり、Wは揺動板Pの幅であり、Lは揺動板Pの長さであり、Tは揺動板Pの厚みである。 Here, ρ is the mass density of the swing plate P, W is the width of the swing plate P, L is the length of the swing plate P, and T is the thickness of the swing plate P.
揺動板6を共振駆動する場合、揺動板6の共振周波数frを所定の周波数に一致させる必要がある。
When the
また、ねじり梁BR,BLの強度に関して、ねじり梁BR,BLに作用するせん断応力τは、次式で与えられる。 Regarding the strength of the torsion beams BR and BL, the shear stress τ acting on the torsion beams BR and BL is given by the following equation.
ここで、θは揺動板Pの最大傾き角である。 Here, θ is the maximum inclination angle of the swing plate P.
ねじり梁BR,BLの強度を確保するためには、ねじり梁BR,BLに作用するせん断応力τを、許容せん断応力τmax以下としなければならない。
従って、上記の数式(1)〜(4)の条件を満足した上で、数式(7)の条件を満たすlの最小値が、実現可能なねじり梁BR,BLの最小の長さとなる。 Therefore, the minimum value of l that satisfies the condition of Expression (7) after satisfying the conditions of Expressions (1) to (4) is the minimum length of the torsion beams BR and BL that can be realized.
例えば、揺動板Pの共振周波数frを3kHzとし、揺動板Pの質量密度ρを2330kg/m3とし、揺動板Pの幅Wを5mmとし、揺動板Pの長さLを5mmとし、揺動板Pの厚みTを0.5mmとし、揺動板Pの最大傾き角θを15°とし、ねじり梁BR,BLの横弾性係数Gを64GPaとし、ねじり梁BR,BLの許容せん断応力τmaxを1GPaとし、ねじり梁BR,BLの断面の長辺の長さa(断面の高さtb)を0.5mmとする場合、ねじり梁BR,BLの長さが最小となるのはねじり梁BR,BLの断面の短辺の長さb(断面の幅wb)が0.142mmの時であり、その際のねじり梁BR,BLの長さは2.3mmである。従って、図3に示す、単一のねじり梁BR,BLによって揺動板Pを両側から支持する構成では、ねじり梁BR,BLの長さを2.3mmより短くすることはできない。 For example, the resonance frequency fr of the swing plate P is 3 kHz, the mass density ρ of the swing plate P is 2330 kg / m 3 , the width W of the swing plate P is 5 mm, and the length L of the swing plate P is 5 mm. The thickness T of the oscillating plate P is 0.5 mm, the maximum inclination angle θ of the oscillating plate P is 15 °, the transverse elastic modulus G of the torsion beams BR and BL is 64 GPa, and the torsion beams BR and BL are allowed. When the shear stress τmax is 1 GPa and the long side length a (cross-section height tb) of the torsion beams BR and BL is 0.5 mm, the length of the torsion beams BR and BL is minimum. This is when the length b (cross-sectional width wb) of the short side of the cross section of the torsion beams BR and BL is 0.142 mm, and the length of the torsion beams BR and BL at that time is 2.3 mm. Therefore, in the configuration shown in FIG. 3 in which the swing plate P is supported from both sides by a single torsion beam BR, BL, the length of the torsion beams BR, BL cannot be made shorter than 2.3 mm.
次に、図4に示すように、揺動板Pの一方の端部をn本のねじり梁からなるねじり梁群BRnで支持し、他方の端部をn本のねじり梁からなるねじり梁群BLnで支持する構成を考える。この場合、揺動板Pの共振周波数frは、次式で与えられる。 Next, as shown in FIG. 4, one end portion of the swing plate P is supported by a torsion beam group BRn composed of n torsion beams and the other end portion is a torsion beam group composed of n torsion beams. Consider a configuration supported by BLn. In this case, the resonance frequency fr of the oscillating plate P is given by the following equation.
ここで、Kallはねじり梁群BRn、BLnの(片側のみの)ねじり剛性であり、Jは揺動板Pの慣性モーメントである。 Here, Kall is the torsional rigidity (only on one side) of the torsion beam groups BRn and BLn, and J is the moment of inertia of the swing plate P.
ねじり梁群BRn,BLnのねじり剛性Kallは、次式で計算される。 The torsional rigidity Kall of the torsion beam groups BRn and BLn is calculated by the following equation.
ここで、lはねじり梁群BRn,BLnの長さであり、aはねじり梁群BRn,BLnの個々のねじり梁の断面の長辺の長さであり、bはねじり梁群BRn,BLnの個々のねじり梁の断面の短辺の長さであり、Gはねじり梁群BRn,BLnの横弾性係数である。以下では、ねじり梁群BRn,BLnの個々のねじり梁の断面の高さtbが断面の幅wbよりも長いものとして説明する。すなわち、本説明の中では、tbがねじり梁群BRn,BLnの個々のねじり梁の断面の長辺の長さaであり、wbがねじり梁群BRn,BLnの個々のねじり梁の断面の短辺の長さbに相当する。 Here, l is the length of the torsion beam groups BRn and BLn, a is the length of the long side of the cross section of each torsion beam group BRn and BLn, and b is the length of the torsion beam groups BRn and BLn. It is the length of the short side of the cross section of each torsion beam, and G is the transverse elastic modulus of the torsion beam groups BRn and BLn. In the following description, it is assumed that the height tb of the cross section of each torsion beam of the torsion beam groups BRn and BLn is longer than the width wb of the cross section. That is, in this description, tb is the length a of the long side of each torsion beam cross section of the torsion beam groups BRn and BLn, and wb is the short length of the cross section of each torsion beam of the torsion beam groups BRn and BLn. It corresponds to the side length b.
揺動板Pの慣性モーメントJは、上記の数式(4)で与えられる。 The moment of inertia J of the swing plate P is given by the above mathematical formula (4).
揺動板6を共振駆動する場合、揺動板6の共振周波数frを所定の周波数に一致させる必要がある。
When the
また、ねじり梁群BRn,BLnの強度に関して、ねじり梁群BRn,BLnの個々のねじり梁に作用するせん断応力τは、次式で与えられる。 Regarding the strength of the torsion beam groups BRn and BLn, the shear stress τ acting on the individual torsion beams of the torsion beam groups BRn and BLn is given by the following equation.
ここで、θは揺動板Pの最大傾き角である。 Here, θ is the maximum inclination angle of the swing plate P.
ねじり梁群BRn,BLnの強度を確保するためには、ねじり梁群BRn,BLnの個々のねじり梁に作用するせん断応力τを、許容せん断応力τmax以下としなければならない。
従って、上記の数式(4),(8)〜(10)の条件を満足した上で、数式(13)の条件を満たすlの最小値が、実現可能なねじり梁群BRn,BLnの最小の長さとなる。 Therefore, after satisfying the conditions of the above formulas (4), (8) to (10), the minimum value of l satisfying the condition of the formula (13) is the minimum of the realizable torsion beam groups BRn, BLn. It becomes length.
例えば、揺動板Pの共振周波数frを3kHzとし、揺動板Pの質量密度ρを2330kg/m3とし、揺動板Pの幅Wを5mmとし、揺動板Pの長さLを5mmとし、揺動板Pの厚みTを0.5mmとし、揺動板Pの最大傾き角θを15°とし、ねじり梁群BRn,BLnの横弾性係数Gを64GPaとし、ねじり梁群BRn,BLnの許容せん断応力τmaxを1GPaとし、ねじり梁群BRn,BLnのねじり梁の本数nを5とし、ねじり梁群BRn,BLnの個々のねじり梁の長辺の長さa(断面の高さtb)を0.5mmとする場合、ねじり梁群BRn,BLnの個々のねじり梁の断面の短辺の長さb(断面の幅wb)を0.06mmとすれば、ねじり梁群BRn,BLnの長さを1.0mmとすることができる。従って、図4に示すように、複数のねじり梁からなるねじり梁群BRn,BLnによって揺動板Pを両側から支持する構成とすることで、図3に示す構成に比べて、ねじり梁群BRn,BLnの長さを短くすることができる。 For example, the resonance frequency fr of the swing plate P is 3 kHz, the mass density ρ of the swing plate P is 2330 kg / m 3 , the width W of the swing plate P is 5 mm, and the length L of the swing plate P is 5 mm. The thickness T of the rocking plate P is 0.5 mm, the maximum inclination angle θ of the rocking plate P is 15 °, the transverse elastic modulus G of the torsion beam groups BRn, BLn is 64 GPa, and the torsion beam groups BRn, BLn The allowable shear stress τmax of the torsion beam group BRn and BLn is set to 5 and the torsion beam group BRn and BLn has a long side length a (cross-sectional height tb). Is 0.5 mm, and the length b (cross-sectional width wb) of the torsion beam groups BRn and BLn is 0.06 mm, the length of the torsion beam groups BRn and BLn The thickness can be set to 1.0 mm. Therefore, as shown in FIG. 4, by adopting a configuration in which the swing plate P is supported from both sides by the torsion beam groups BRn and BLn made of a plurality of torsion beams, the torsion beam group BRn is compared with the configuration shown in FIG. , BLn can be shortened.
上記の計算例では、ねじり梁群BRn,BLnのねじり梁の本数nを5とする場合について説明したが、ねじり梁群BRn,BLnのねじり梁の本数nは、以下の関係を満たすものであればよい。 In the above calculation example, the case where the number n of torsion beams in the torsion beam groups BRn and BLn is 5 has been described. However, the number n of torsion beams in the torsion beam groups BRn and BLn satisfies the following relationship. That's fine.
ねじり梁の本数nが上記の数式(14)の条件を満たしている場合には、必要とされる揺動板Pの共振周波数とねじり梁群BRn,BLnの強度を確保しつつ、ねじり梁群BRn,BLnの長さを短くすることができる。 When the number n of torsion beams satisfies the condition of the above formula (14), the torsion beam group is secured while ensuring the necessary resonance frequency of the swing plate P and the strength of the torsion beam groups BRn and BLn. The lengths of BRn and BLn can be shortened.
本実施例では、永久磁石12と電磁石14a,14bの間に作用する磁力を用いて、揺動板6を揺動させている。このような構成とすることで、揺動板6に対する電流の供給が不要となり、支持フレーム4から揺動板6へのねじり梁群10a,10bを介した電気配線が不要となる。このような構成とすることで、ねじり梁群10a,10bのねじり梁16a,18a,20a,22a,24a、16b,18b,20b,22b,24bの断面を、より小さく形成することができる。その結果、ねじり梁群10a,10bを構成するねじり梁の本数を増やすことが可能となり、ねじり梁群10a,10bの長さをより短くすることができる。
In the present embodiment, the
本実施例では、ねじり梁群10a,10bを短くすることでMEMS装置2を小型化できるだけでなく、不要な振動に対して強いMEMS装置2を実現することができる。これについて、図3と図4を参照しながら、以下に説明する。
In the present embodiment, not only the
不要な振動モードとしては、揺動板Pの並進モードがあげられる。並進モードには、X方向、Y方向およびZ方向の3つがあげられる。X方向はねじり梁BR,BL(ねじり梁群BRn,BLn)の設置方向であるため、揺動板Pに移動自由度はなく、図3に示す場合も図4に示す場合も、X方向の並進は生じにくい。 An unnecessary vibration mode is a translation mode of the swing plate P. There are three translation modes: X direction, Y direction, and Z direction. Since the X direction is the installation direction of the torsion beams BR, BL (torsion beam groups BRn, BLn), the swing plate P has no degree of freedom of movement, and in both the cases shown in FIG. 3 and FIG. Translation is unlikely to occur.
Y方向の並進のしやすさは、揺動板PのY方向変位のばね定数の大きさに依存する。揺動板PのY方向変位のばね定数KYは、次式に示すように、ねじり梁の断面の高さtbの1乗、ねじり梁の本数nの1乗、およびねじり梁の断面の幅wbの3乗に比例し、かつ、ねじり梁の長さlbの3乗に反比例する。 The ease of translation in the Y direction depends on the magnitude of the spring constant of the displacement of the rocking plate P in the Y direction. Spring constant K Y in the Y-direction displacement of the rocking plate P, as shown in the following equation, twisting first power of the height tb of the cross section of the beam, the torsional first power of the number n of beams, and torsion beams of the width of the cross section It is proportional to the cube of wb and inversely proportional to the cube of the length lb of the torsion beam.
上述の結果より、図3に示す単一のねじり梁の構成に比べて、図4に示す複数本のねじり梁の構成では、ねじり梁の形状は以下のように変化している。
ねじり梁の断面の幅wb:0.06/0.142=1/2.4倍
ねじり梁の断面の高さtb:0.5/0.5=1倍
ねじり梁の長さlb:1/2.3=1/2.3倍
ねじり梁の本数n:5/1=5倍
From the above results, the shape of the torsion beam changes as follows in the configuration of the plurality of torsion beams shown in FIG. 4 as compared to the configuration of the single torsion beam shown in FIG.
Width of cross section of torsion beam wb: 0.06 / 0.142 = 1 / 2.4 times Height of cross section of torsion beam tb: 0.5 / 0.5 = 1 time Length of torsion beam lb: 1 / 2.3 = 1 / 2.3 times the number of torsion beams n: 5/1 = 5 times
このため、図4に示す構成では、図3に示す構成に比べて、Y方向変位のばね定数KYを約4.4倍にすることができる。すなわち、図4に示す構成は、図3に示す構成に比べて、Y方向の並進をしにくい構造となっている。 Therefore, in the configuration shown in FIG. 4, as compared to the structure shown in FIG. 3, to approximately 4.4 times the spring constant K Y in the Y-direction displacement. That is, the configuration shown in FIG. 4 has a structure in which translation in the Y direction is difficult compared to the configuration shown in FIG.
Z方向の並進のしやすさは、揺動板PのZ方向変位のばね定数の大きさに依存する。揺動板PのZ方向変位のばね定数KZは、次式に示すように、ねじり梁の断面の幅wbの1乗、ねじり梁の本数nの1乗、およびねじり梁の断面の高さtbの3乗に比例し、かつ、ねじり梁の長さlbの3乗に反比例する。 The ease of translation in the Z direction depends on the magnitude of the spring constant of the displacement in the Z direction of the swing plate P. The spring constant K Z of the displacement in the Z direction of the oscillating plate P is expressed by the following equation: the first power of the width wb of the torsion beam cross section, the first power of the number of torsion beams n, and the height of the cross section of the torsion beam It is proportional to the cube of tb and inversely proportional to the cube of the length lb of the torsion beam.
このため、図4に示す構成では、図3に示す構成に比べて、Z方向変位のばね定数KZを約25倍にすることができる。すなわち、図4に示す構成は、図3に示す構成に比べて、Z方向の並進をしにくい構造となっている。 For this reason, in the configuration shown in FIG. 4, the spring constant K Z of the displacement in the Z direction can be made about 25 times that of the configuration shown in FIG. 3. That is, the configuration shown in FIG. 4 is less likely to translate in the Z direction than the configuration shown in FIG.
以上のように、本実施例では、ねじり梁群10a,10bを短くすることでMEMS装置2を小型化できるだけでなく、不要な振動に対して強いMEMS装置2を実現することができる。
As described above, in this embodiment, not only the
(実施例2)
図5は本実施例のMEMS装置30を示している。MEMS装置30は、実施例1のMEMS装置2とほぼ同様の構成を備えている。
(Example 2)
FIG. 5 shows the
MEMS装置30では、ねじり梁群32a、32bを介して、揺動板6が支持フレーム4に対して揺動軸C軸周りに揺動可能に支持されている。
In the
ねじり梁群32aは、5つのねじり梁34a,36a,38a,40a,42aを備えている。ねじり梁群32bは、5つのねじり梁34b,36b,38b,40b,42bを備えている。ねじり梁34a,34b,36a,36b,38a,38b,40a,40b,42a,42bは、何れも矩形断面を有しており、同一平面内(XY平面内)に配置されている。ねじり梁38a,38bは、MEMS装置30を上方から平面視したときに、揺動軸Cと重なる位置に配置されている。ねじり梁36a,40aは、MEMS装置30を上方から平面視したときに、ねじり梁38aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁34a,42aは、MEMS装置30を上方から平面視したときに、ねじり梁36a,40aよりも外側で、ねじり梁38aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁36b,40bは、MEMS装置30を上方から平面視したときに、ねじり梁38bを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁34b,42bは、MEMS装置30を上方から平面視したときに、ねじり梁36b,40bよりも外側で、ねじり梁38bを挟んで対称な位置に配置されている。
The
ねじり梁38a,38bは、直線状に形成されている。ねじり梁34a,34b,36a,36b,40a,40b,42a,42bは、揺動軸Cに沿った直線状に形成された中央部44a,44b,50a,50b,56a,56b,62a,62bと、中央部44a,44b,50a,50b,56a,56b,62a,62bの一方の端部から外側に屈曲して直線状に伸び、揺動板6に接続する応力緩和部48a,48b,54a,54b,60a,60b,66a,66bと、中央部44a,44b,50a,50b,56a,56b,62a,62bの他方の端部から外側に屈曲して直線状に伸び、支持フレーム4に接続する応力緩和部46a,46b,52a,52b,58a,58b,64a,64bを備えている。
The
本実施例のMEMS装置30では、ねじり梁群32a,32bの外側に配置された(すなわち、揺動軸Cから離れた位置に配置された)ねじり梁34a,34b,36a,36b,40a,40b,42a,42bに、応力緩和部46a,46b,48a,48b,52a,52b,54a,54b,58a,58b,60a,60b,64a,64b,66a,66bが形成されている。このような構成とすることによって、揺動板6が揺動したときに、揺動軸Cから離れた位置のねじり梁34a,34b,36a,36b,40a,40b,42a,42bに作用する引張応力を軽減することができる。これによって、ねじり梁34a,34b,36a,36b,40a,40b,42a,42bの強度を向上するとともに、ねじり梁群32a,32bのねじり剛性を一定に保つことができる。大きく駆動しても破断しない、信頼性の高いねじり梁群32a,32bを実現することができる。また、ねじり剛性が揺動板6の傾き角に依存しないため、共振周波数を傾き角に依らず一定にすることができる。従って、所望の共振周波数を維持しつつ、大きく動作可能なMEMS装置を実現することができる。
In the
また、本実施例のMEMS装置30では、ねじり梁群32a,32bの中央に配置された(すなわち、揺動軸Cと重なるように配置された)ねじり梁38a,38bが、直線状に形成されている。このような構成とすることによって、揺動軸Cに沿う方向のねじり梁群32a,32bの引張剛性および圧縮剛性を確保することができる。揺動板6が支持フレーム4に対して揺動軸Cに沿う方向に並進運動することを抑制することができる。
Further, in the
(実施例3)
図6は本実施例のMEMS装置70を示している。MEMS装置70は、実施例2のMEMS装置30とほぼ同様の構成を備えている。
(Example 3)
FIG. 6 shows a
MEMS装置70では、ねじり梁群72a,72bを介して、揺動板6が支持フレーム4に対して揺動軸C軸周りに揺動可能に支持されている。
In the
ねじり梁群72aは、5つのねじり梁74a,76a,78a,80a,82aを備えている。ねじり梁群72bは、5つのねじり梁74b,76b,78b,80b,82bを備えている。ねじり梁74a,74b,76a,76b,78a,78b,80a,80b,82a,82bは、何れも矩形断面を有しており、同一平面内(XY平面内)に配置されている。ねじり梁78a,78bは、MEMS装置70を上方から平面視したときに、揺動軸Cと重なる位置に配置されている。ねじり梁76a,80aは、MEMS装置70を上方から平面視したときに、ねじり梁78aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁74a,82aは、MEMS装置70を上方から平面視したときに、ねじり梁76a,80aよりも外側で、ねじり梁78aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁76b,80bは、MEMS装置70を上方から平面視したときに、ねじり梁78bを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁74b,82bは、MEMS装置70を上方から平面視したときに、ねじり梁76b,80bよりも外側で、ねじり梁78bを挟んで対称な位置に配置されている。
The
ねじり梁78a,78bは、直線状に形成されている。ねじり梁74a,74b,76a,76b,80a,80b,82a,82bは、揺動軸Cに沿った直線状に形成された中央部84a,84b,94a,94b,104a,104b,114a,114bと、中央部84a,84b,94a,94b,104a,104b,114a,114bの一方の端部から外側に屈曲して直線状に伸びる応力緩和部92a,92b,102a,102b,112a,112b,122a,122bと、応力緩和部92a,92b,102a,102b,112a,112b,122a,122bの端部から内側に屈曲して直線状に伸び、揺動板6に接続する終端部90a,90b,100a,100b,110a,110b,120a,120bと、中央部84a,84b,94a,94b,104a,104b,114a,114bの他方の端部から外側に屈曲して直線状に伸びる応力緩和部88a,88b,98a,98b,108a,108b,118a,118bと、応力緩和部88a,88b,98a,98b,108a,108b,118a,118bの端部から内側に屈曲して直線状に伸び、支持フレーム4に接続する終端部86a,86b,96a,96b,106a,106b,116a,116bを備えている。
The
本実施例のMEMS装置70では、ねじり梁群72a,72bと揺動板6の接続部分に終端部90a,90b,100a,100b,110a,110b,120a,120bが形成されており、ねじり梁群72a,72bと支持フレーム4の接続部分に終端部86a,86b,96a,96b,106a,106b,116a,116bが形成されている。本実施例では、終端部90a,90b,100a,100b,110a,110b,120a,120bにおけるねじり梁74a,74b,76a,76b,78a,78b,80a,80b,82a,82bと揺動板6の接続角度と、終端部86a,86b,96a,96b,106a,106b,116a,116bにおけるねじり梁74a,74b,76a,76b,78a,78b,80a,80b,82a,82bと支持フレーム4の接続角度は、何れも実質的に同じ角度(例えば90°)である。このような構成とすることによって、ねじり梁群72a,72bの付け根近傍における開口の形状を均一化することができ、エッチング等の加工によってねじり梁群72a,72bを形成する際の、形状ばらつきの発生を抑制することができる。また、ねじり梁群72a,72bの付け根の形状が均一になるため、ねじり梁群72a,72bの付け根に作用する応力を均等にすることができる。このため、破断しにくい信頼性の高いねじり梁群72a,72bを実現することができる。
In the
なお、ねじり梁群72a,72bの付け根に角Rを設けることで、さらに信頼性の高いねじり梁群72a,72bを実現可能である。また、個々のねじり梁74a,74b,76a,76b,78a,78b,80a,80b,82a,82bの応力緩和部の長さや、応力緩和部の角度を適切に調整しておくことで、隣り合ったねじり梁の終端部間の距離を広くとることができる。これによって、終端部に大きな角Rを設けることができる。ねじり梁群72a,72bの付け根に発生する応力をさらに分散させて、信頼性の高いMEMS装置を実現することができる。
In addition, by providing the angle R at the base of the
(実施例4)
図7は本実施例のMEMS装置130を示している。MEMS装置130は、実施例3のMEMS装置70とほぼ同様の構成を備えている。
Example 4
FIG. 7 shows the
MEMS装置130では、ねじり梁群132a,132bを介して、揺動板6が支持フレーム4に対して揺動軸C軸周りに揺動可能に支持されている。
In the
ねじり梁群132aは、5つのねじり梁134a,136a,138a,140a,142aを備えている。ねじり梁群132bは、5つのねじり梁134b,136b,138b,140b,142bを備えている。ねじり梁134a,134b,136a,136b,138a,138b,140a,140b,142a,142bは、何れも矩形断面を有しており、同一平面内(XY平面内)に配置されている。ねじり梁138a,138bは、MEMS装置130を上方から平面視したときに、揺動軸Cと重なる位置に配置されている。ねじり梁136a,140aは、MEMS装置130を上方から平面視したときに、ねじり梁138aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁136b,140bは、MEMS装置130を上方から平面視したときに、ねじり梁138bを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁134a,142aは、MEMS装置130を上方から平面視したときに、ねじり梁136a,140aよりも外側で、ねじり梁138aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁134b,142bは、MEMS装置130を上方から平面視したときに、ねじり梁136b,140bよりも外側で、ねじり梁138bを挟んで対称な位置に配置されている。
The
ねじり梁138a,138bは、直線状に形成されている。ねじり梁134a,134b,136a,136b,140a,140b,142a,142bは、揺動軸Cに沿った直線状に形成された中央部144a,144b,154a,154b,164a,164b,174a,174bと、中央部144a,144b,154a,154b,164a,164b,174a,174bの一方の端部から外側に垂直に屈曲して直線状に伸びる応力緩和部152a,152b,162a,162b,172a,172b,182a,182bと、応力緩和部152a,152b,162a,162b,172a,172b,182a,182bの端部から内側に垂直に屈曲して直線状に伸び、揺動板6に接続する終端部150a,150b,160a,160b,170a,170b,180a,180bと、中央部144a,144b,154a,154b,164a,164b,174a,174bの他方の端部から外側に垂直に屈曲して直線状に伸びる応力緩和部148a,148b,158a,158b,168a,168b,178a,178bと、応力緩和部148a,148b,158a,158b,168a,168b,178a,178bの端部から内側に垂直に屈曲して直線状に伸び、支持フレーム4に接続する終端部146a,146b,156a,156b,166a,166b,176a,176bを備えている。
The
本実施例のように、応力緩和部を揺動軸Cに対して直交するように配置することで、応力緩和部の揺動軸Cに平行に伸びる(X軸方向の)成分を最小とすることができる。その結果、実施例3の場合に比べて、ねじり梁群132a,132bのX軸方向の長さを増大させることなく、応力緩和の可能なねじり梁群132a,132bを実現することができる。
By disposing the stress relaxation portion so as to be orthogonal to the swing axis C as in this embodiment, the component (in the X-axis direction) extending in parallel to the swing axis C of the stress relaxation portion is minimized. be able to. As a result, the
(実施例5)
図8は本実施例のMEMS装置190を示している。MEMS装置190は、実施例4のMEMS装置130とほぼ同様の構成を備えている。
(Example 5)
FIG. 8 shows a
MEMS装置190では、ねじり梁群192a,192bを介して、揺動板6が支持フレーム4に対して揺動軸C軸周りに揺動可能に支持されている。
In the
ねじり梁群192aは、7つのねじり梁196a,134a,136a,138a,140a,142a,198aを備えている。ねじり梁群192bは、7つのねじり梁196b,134b,136b,138b,140b,142b,198bを備えている。
The
ねじり梁134a,134b,136a,136b,138a,138b,140a,140b,142a,142bの構成は、図7に示す実施例4と同様である。ねじり梁196a,198aは、MEMS装置190を上方から平面視したときに、ねじり梁134a,142aよりも外側で、ねじり梁138aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁196b,198bは、MEMS装置190を上方から平面視したときに、ねじり梁134b,142bよりも外側で、ねじり梁138bを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁196a,196b,198a,198bは、揺動軸Cに沿った直線状に形成された中央部と、中央部の一方の端部から外側に垂直に屈曲して直線状に伸びる応力緩和部と、その応力緩和部の端部から内側に垂直に屈曲して直線状に伸び、揺動板6に接続する終端部と、中央部の他方の端部から外側に垂直に屈曲して直線状に伸びる応力緩和部と、その応力緩和部の端部から内側に垂直に屈曲して直線状に伸び、支持フレーム4に接続する終端部を備えている。
The configuration of the
数式(14)に関して上述したように、個々のねじり梁の断面の短辺の長さbが短く、かつねじり梁の本数nが多いねじり梁群を用いることで、ねじり梁群の長さを短くすることができる。本実施例のように、ねじり梁群192a,192bのねじり梁の本数を7本にすることで、実施例4のようにねじり梁の本数を5本とする場合に比べて、ねじり梁群192a,192bのX方向の長さをより短くすることができる。
As described above with respect to Equation (14), the length of the torsion beam group is shortened by using the torsion beam group in which the short side length b of the cross section of each torsion beam is short and the number n of torsion beams is large. can do. As in the present embodiment, the number of torsion beams in the
(実施例6)
図9は本実施例のMEMS装置200を示している。MEMS装置200は、実施例1のMEMS装置2とほぼ同様の構成を備えている。
(Example 6)
FIG. 9 shows a
MEMS装置200では、ねじり梁群206a,206bを介して、揺動板6が支持フレーム4に対して揺動軸C軸周りに揺動可能に支持されている。支持フレーム4のねじり梁群206a,206bが接続する箇所には、円弧状の切り欠き202a,202bが形成されている。揺動板6のねじり梁群206a,206bが接続する箇所には、円弧状の切り欠き204a,204bが形成されている。
In the
ねじり梁群206aは、5つのねじり梁208a,210a,212a,214a,216aを備えている。ねじり梁群206bは、5つのねじり梁208b,210b,212b,214b,216bを備えている。ねじり梁208a,208b,210a,210b,212a,212b,214a,214b,216a,216bは、何れも矩形断面を有しており、同一平面内(XY平面内)に配置されている。ねじり梁212a,212bは、MEMS装置200を上方から平面視したときに、揺動軸Cと重なる位置に配置されている。ねじり梁210a,214aは、MEMS装置200を上方から平面視したときに、ねじり梁212aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁208a,216aは、MEMS装置200を上方から平面視したときに、ねじり梁210a,214aよりも外側で、ねじり梁212aを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁210b,214bは、MEMS装置200を上方から平面視したときに、ねじり梁212bを挟んで対称な位置に配置されている。ねじり梁208b,216bは、MEMS装置200を上方から平面視したときに、ねじり梁210b,214bよりも外側で、ねじり梁212bを挟んで対称な位置に配置されている。
The
ねじり梁212a,212bは、直線状に形成されている。ねじり梁208a,208b,210a,210b,214a,214b,216a,216bは、揺動軸Cに沿った直線状に形成された中央部218a,218b,224a,224b,230a,230b,236a,236bと、中央部218a,218b,224a,224b,230a,230b,236a,236bの一方の端部から外側に曲線的に屈曲して揺動板6の切り欠き204a,204bに接続する応力緩和部222a,222b,228a,228b,234a,234b,240a,240bと、中央部218a,218b,224a,224b,230a,230b,236a,236bの他方の端部から外側に曲線的に屈曲して支持フレーム4の切り欠き202a,202bに接続する応力緩和部220a,220b,226a,226b,232a,232b,238a,238bを備えている。
The
本実施例のMEMS装置200では、支持フレーム4に切り欠き202a,202bが形成されているので、応力緩和部220a,220b,226a,226b,232a,232b,238a,238bと支持フレーム4の接続角度を実質的に同じ角度とし、接続部分における開口の形状を均一化することができる。また、本実施例のMEMS装置200では、揺動板6に切り欠き204a,204bが形成されているので、応力緩和部222a,222b,228a,228b,234a,234b,240a,240bと揺動板6の接続角度を実質的に同じ角度とし、接続部分における開口の形状を均一化することができる。このような構成とすることによって、エッチング等の加工によってねじり梁群206a,206bを形成する際の、形状ばらつきの発生を抑制することができる。
In the
以上、本発明の実施例について詳細に説明したが、これらは例示に過ぎず、特許請求の範囲を限定するものではない。特許請求の範囲に記載の技術には、以上に例示した具体例を様々に変形、変更したものが含まれる。 As mentioned above, although the Example of this invention was described in detail, these are only illustrations and do not limit a claim. The technology described in the claims includes various modifications and changes of the specific examples illustrated above.
上記の実施例では、何れも1つの揺動軸C(X軸)の周りに揺動板6を揺動させる構成について説明したが、例えば支持フレーム4の外側を囲う第2の支持フレームを用意し、Y軸に沿って配置された第2のねじり梁群によって支持フレーム4と第2の支持フレームを接続して、2つの揺動軸周りに揺動板6を揺動させる構成としてもよい。この場合、永久磁石12をX軸の両側から挟むように配置された一対の電磁石を別途用意することで、揺動板6を2軸周りに揺動させることができる。
In each of the above-described embodiments, the configuration in which the
上記の実施例の何れにおいても、揺動板とねじり梁群の接続部分や、支持フレームとねじり梁群の接続部分や、ねじり梁群の屈曲部分に、角Rを形成することで、ねじり梁群の強度をより向上することができる。 In any of the above embodiments, the torsion beam is formed by forming an angle R at the connection portion of the swing plate and the torsion beam group, the connection portion of the support frame and the torsion beam group, or the bent portion of the torsion beam group. The strength of the group can be further improved.
ねじり梁群の個々のねじり梁の断面形状に関して、断面の長辺がZ方向に沿うように形成することが望ましい。このような構成とすることで、すべてのねじり梁を揺動軸Cに近づけることができ、MEMS装置が動作したときに揺動軸Cから離れた位置にあるねじり梁に作用する引張応力を低減することができる。また、すべてのねじり梁を揺動軸Cに近づけることで、ねじり剛性に及ぼす傾き角の影響を抑制し、共振周波数を傾き角に依らず一定とすることができる。これによって、所望の共振周波数を維持しつつ、大きく動作可能なMEMS装置を実現することができる。 Regarding the cross-sectional shape of each torsion beam of the torsion beam group, it is desirable that the long side of the cross-section is formed along the Z direction. By adopting such a configuration, all the torsion beams can be brought close to the swing axis C, and the tensile stress acting on the torsion beams located away from the swing axis C when the MEMS device is operated is reduced. can do. Further, by bringing all the torsion beams closer to the swing axis C, the influence of the inclination angle on the torsional rigidity can be suppressed, and the resonance frequency can be made constant regardless of the inclination angle. As a result, it is possible to realize a MEMS device that can operate greatly while maintaining a desired resonance frequency.
なお、上記の実施例2から実施例6では、応力緩和部を、ねじり梁群と揺動板の接続部分の近傍と、ねじり梁群と支持フレームの接続部分の近傍の双方に設ける場合について説明した。これとは異なり、応力緩和部を、ねじり梁群と揺動板の接続部分の近傍のみ、あるいはねじり梁群と支持フレームの接続部分の近傍のみに設ける構成としてもよい。 In the second to sixth embodiments, the stress relaxation portions are provided in the vicinity of the connection portion between the torsion beam group and the swing plate and in the vicinity of the connection portion between the torsion beam group and the support frame. did. In contrast, the stress relaxation portion may be provided only in the vicinity of the connection portion between the torsion beam group and the swing plate or only in the vicinity of the connection portion between the torsion beam group and the support frame.
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。 The technical elements described in this specification or the drawings exhibit technical usefulness alone or in various combinations, and are not limited to the combinations described in the claims at the time of filing. In addition, the technology illustrated in the present specification or the drawings achieves a plurality of objects at the same time, and has technical utility by achieving one of the objects.
2 MEMS装置;4 支持フレーム;6 揺動板;8 ミラー;10a,10b ねじり梁群;12 永久磁石;14a,14b 電磁石;16a,16b,18a,18b,20a,20b,22a,22b,24a,24b ねじり梁;30 MEMS装置;32a,32b ねじり梁群;34a,34b,36a,36b,38a,38b,40a,40b,42a,42b ねじり梁;44a,44b,50a,50b,56a,56b,62a,62b 中央部;46a,46b,48a,48b,52a,52b,54a,54b,58a,58b,60a,60b,64a,64b,66a,66b 応力緩和部;70 MEMS装置;72a,72b ねじり梁群;74a,74b,76a,76b,78a,78b,80a,80b,82a,82b ねじり梁;84a,84b,94a,94b,104a,104b,114a,114b 中央部;88a,88b,92a,92b,98a,98b,102a,102b,108a,108b,112a,112b,118a,118b,122a,122b 応力緩和部;86a,86b,90a,90b,96a,96b,100a,100b,106a,106b,110a,110b,116a,116b,120a,120b 終端部;130 MEMS装置;132a,132b ねじり梁群;134a,134b,136a,136b,138a,138b,140a,140b,142a,142b ねじり梁;144a,144b,154a,154b,164a,164b,174a,174b 中央部;148a,148b,152a,152b,158a,158b,162a,162b,168a,168b,172a,172b,178a,178b,182a,182b 応力緩和部;146a,146b,150a,150b,156a,156b,160a,160b,166a,166b,170a,170b,176a,176b,180a,180b 終端部;190 MEMS装置;192a,192b ねじり梁群;196a,196b,198a,198b ねじり梁;200 MEMS装置;206a,206b ねじり梁群;208a,208b,210a,210b,212a,212b,214a,214b,216a,216b ねじり梁;218a,218b,224a,224b,230a,230b,236a,236b 中央部;220a,220b,222a,222b,226a,226b,228a,228b,232a,232b,234a,234b,238a,238b,240a,240b 応力緩和部 2 MEMS device; 4 Support frame; 6 Oscillating plate; 8 Mirror; 10a, 10b Torsion beam group; 12 Permanent magnet; 14a, 14b Electromagnet; 16a, 16b, 18a, 18b, 20a, 20b, 22a, 22b, 24a, 24b torsion beam; 30 MEMS device; 32a, 32b torsion beam group; 34a, 34b, 36a, 36b, 38a, 38b, 40a, 40b, 42a, 42b torsion beam; 44a, 44b, 50a, 50b, 56a, 56b, 62a 62a central part; 46a, 46b, 48a, 48b, 52a, 52b, 54a, 54b, 58a, 58b, 60a, 60b, 64a, 64b, 66a, 66b Stress relaxation part; 70 MEMS device; 72a, 72b torsion beam group 74a, 74b, 76a, 76b, 78a, 78b, 80a, 80; 84a, 84b, 94a, 94b, 104a, 104b, 114a, 114b central part; 88a, 88b, 92a, 92b, 98a, 98b, 102a, 102b, 108a, 108b, 112a, 112b, 118a , 118b, 122a, 122b Stress relaxation part; 86a, 86b, 90a, 90b, 96a, 96b, 100a, 100b, 106a, 106b, 110a, 110b, 116a, 116b, 120a, 120b Termination part; 130 MEMS device; 132b torsion beam group; 134a, 134b, 136a, 136b, 138a, 138b, 140a, 140b, 142a, 142b torsion beam; 144a, 144b, 154a, 154b, 164a, 164b, 174a, 174b 148a, 148b, 152a, 152b, 158a, 158b, 162a, 162b, 168a, 168b, 172a, 172b, 178a, 178b, 182a, 182b Stress relaxation part; 146a, 146b, 150a, 150b, 156a, 156b, 160a , 160b, 166a, 166b, 170a, 170b, 176a, 176b, 180a, 180b Terminating portion; 190 MEMS device; 192a, 192b torsion beam group; 196a, 196b, 198a, 198b torsion beam; 200 MEMS device; 206a, 206b torsion 208a, 208b, 210a, 210b, 212a, 212b, 214a, 214b, 216a, 216b Torsional beam; 218a, 218b, 224a, 224b, 230a, 230b 236a, 236b central portion; 220a, 220b, 222a, 222b, 226a, 226b, 228a, 228b, 232a, 232b, 234a, 234b, 238a, 238b, 240a, 240b stress absorbing portions
Claims (6)
揺動板と、
揺動板が支持部に対して揺動軸周りに揺動可能となるように、揺動軸に沿う方向の両側で、揺動板と支持部の間を接続する一対のねじり梁群を有しており、
片側のねじり梁群のねじり剛性をKall、個々のねじり梁の断面の高さをa、個々のねじり梁の断面の幅をb、個々のねじり梁の許容せん断応力をτmax、揺動板の最大揺動角をθとしたときに、片側のねじり梁群のねじり梁の本数n(正の整数)が、
A swing plate;
A pair of torsion beams are provided on both sides in the direction along the swing axis so that the swing plate can swing about the swing axis with respect to the support. And
The torsional rigidity of one torsion beam group is Kall, the height of the cross section of each torsion beam is b, the width of the cross section of each torsion beam is b, the allowable shear stress of each torsion beam is τmax, and the maximum of the swing plate When the swing angle is θ, the number n (positive integer) of torsion beams in one torsion beam group is
応力緩和部を有するねじり梁が、その中央部分に比べて、揺動軸から離れた位置で、揺動板および/または支持部に接続されている、請求項2のMEMS装置。 The stress relaxation part is formed in a linear shape that is non-parallel to the swing axis,
The MEMS device according to claim 2, wherein the torsion beam having the stress relaxation portion is connected to the swing plate and / or the support portion at a position farther from the swing shaft than the central portion thereof.
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