JP3808756B2 - プレーナ型電磁アクチュエータ - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、電気信号を用いることにより、一対の磁界発生手段に挟まれた半導体基板の可動部を直交する二軸方向に自在に揺動し得るプレーナ型電磁アクチュエータに関し、特に、上記一対の磁界発生手段から発生した磁界が上記可動部の駆動コイルに与える磁気力を向上する構成としたことにより、上記可動部が揺動するときの電力消費を低減することができるプレーナ型電磁アクチュエータに関する。
【0002】
【従来の技術】
近年、半導体製造技術を利用して形成できる超小型のプレーナ型電磁アクチュエータに関する技術の開発が進められており、そのような技術の例として、特許第2987750号の特許公報に記載されたものがある。従来のこの種のプレーナ型電磁アクチュエータ1は、例えば図5に示すように、半導体基板2に、枠状の外側可動板3及びその内側に配置される内側可動板4からなる可動部5と、上記外側可動板3を揺動可能に軸支する第1トーションバー6,6と、該第1トーションバー6,6に対して軸方向が直交し上記内側可動板4を揺動可能に軸支する第2トーションバー7,7とを一体形成し、上記外側可動板3及び内側可動板4の各周縁部に第1駆動コイル8及び第2駆動コイル9を形成し、上記駆動コイル8,9に磁界を与える一対の磁界発生手段10a,10bが上記可動部5の一の対角線方向にて上記半導体基板2を挟んで対向配置されていた。これにより、図6に示すように、上記磁界発生手段10aから10bに向かって磁界H0が発生しており、この磁界H0が上記半導体基板2の可動部5(図5参照)を斜めに横切るようになっていた。
【0003】
そして、このようなプレーナ型電磁アクチュエータ1は、上記外側可動板3及び内側可動板4の各周縁部に設けられた第1駆動コイル8及び第2駆動コイル9にそれぞれ電流が流れると、上記可動部5にローレンツ力が働いて二次元方向に揺動できるようになっていた。このようなプレーナ型電磁アクチュエータ1の動作について、以下に説明する。ここで、図6に示す磁界H0を、図5に示す第1トーションバー6,6の軸方向に対して直交する横成分磁界H1と、同図に示す第2トーションバー7,7の軸方向に対して直交する縦成分磁界H2とのベクトル成分に分解して説明する。
【0004】
まず、図5に示す電極パッド11に電力が供給されて上記外側可動板3の周縁部に設けられた第1駆動コイル8に電流を流すと、上記第1駆動コイル8には図6に示す横成分磁界H1によって以下の(1)式に示すローレンツ力F1が働く。
F1=n×I1×B1 …(1)
ここで、nは駆動コイル8の巻き数、I1は駆動コイル8に流れる電流、B1は横成分磁界H1の磁束密度である。
【0005】
このローレンツ力F1により、上記可動部5は、上記第1トーションバー6,6の軸方向を中心に回動し、該ローレンツ力F1と上記第1トーションバー6が捩れて戻ろうとする力とが釣り合う位置で静止する。なお、上記(1)式より、上記ローレンツ力F1は、駆動コイル8に流れる電流I1に比例するため、上記電流I1を制御することにより、上記可動部5が第1トーションバー6,6の軸方向を中心として回動する角度が制御される。
【0006】
また、図5に示す電極パッド12に電力が供給されて上記内側可動板4の周縁部に設けられた第2駆動コイル9に電流が流れると、上記第2駆動コイル9には図6に示す縦成分磁界H2によって上記(1)式と同様のローレンツ力が働く。したがって、上記駆動コイル9に流れる電流を制御することにより、図5に示す可動部5が第2トーションバー7,7の軸方向を中心として回動する角度が制御される。以上のように、上記外側可動板3及び内側可動板4の各周縁部に設けられた第1駆動コイル8及び第2駆動コイル9に流れる電流をそれぞれ制御することにより、上記半導体基板2の可動部5を直交する二軸回りにて任意の角度に回動することができる。したがって、上記電流を一定時間ごとに交互に逆向きに流すことにより、該可動部5を二次元方向に自在に揺動できる。
【0007】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような一対の上記静磁界発生手段10a,10bを、上記可動部5の1つの対角線方向にて上記半導体基板2を挟んで配置する構成としたプレーナ型電磁アクチュエータ1においては、上記一対の静磁界発生手段10a,10bは、所定の距離l1だけ離されて配置されていた。ここで、磁界の磁束密度は距離の2乗に反比例するため、上記一対の静磁界発生手段10a,10bの距離l1が大きくなると、その間の磁界H0が小さくなり、それに伴って該磁界H0をベクトル分解した横成分磁界H1及び縦成分磁界H2は小さくなる。このような場合に、上記(1)式に示すローレンツ力を確保するためには、上記磁界H0の減少分に相当する電流を流す必要があり、そのときには上記可動部5を揺動させるときの電力消費が大きくなるという問題点があった。
【0008】
そこで、本発明は、このような問題点に対処し、上記一対の磁界発生手段から発生した磁界が上記可動部の駆動コイルに与える磁気力を向上する構成としたことにより、上記可動部が揺動するときの電力消費を低減することができるプレーナ型電磁アクチュエータを提供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明によるプレーナ型電磁アクチュエータは、半導体基板に、枠状の外側可動板及びその内側に配置される内側可動板からなる可動部と、上記外側可動板を揺動可能に軸支する第1トーションバーと、該第1トーションバーに対して軸方向が直交し上記内側可動板を揺動可能に軸支する第2トーションバーとを一体形成し、上記外側可動板及び内側可動板の各周縁部に駆動コイルを形成し、該駆動コイルに磁界を与える一対の磁界発生手段が上記可動部の一の対角線方向にて上記半導体基板を挟んで対向配置して成るプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、上記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断し、この切断された領域内に上記一対の棒状の磁界発生手段を配置して上記半導体基板の両端部を挟み、該一対の磁界発生手段を上記可動部に対して互いに接近させて配置したものである。
【0010】
このような構成により、半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断し、この切断された領域内に一対の棒状の磁界発生手段を配置して上記半導体基板の両端部を挟み、該一対の磁界発生手段を上記可動部に対して互いに接近させ、可動部の駆動コイルに与える磁気力を向上する。
【0013】
また、半導体基板に、枠状の外側可動板及びその内側に配置される内側可動板からなる可動部と、上記外側可動板を揺動可能に軸支する第1トーションバーと、該第1トーションバーに対して軸方向が直交し上記内側可動板を揺動可能に軸支する第2トーションバーとを一体形成し、上記外側可動板及び内側可動板の各周縁部に駆動コイルを形成し、該駆動コイルに磁界を与える一対の磁界発生手段が上記可動部の一の対角線方向にて上記半導体基板を挟んで対向配置して成るプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、上記一対の磁界発生手段を、上記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部の外形に沿った形状に形成して接近させて配置したものである。
これにより、半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部の外形に沿った形状に形成した一対の磁界発生手段によって、半導体基板の両端部を挟み、該一対の磁界発生手段を互いに接近して配置し、可動部の駆動コイルに与える磁気力を向上する。
【0014】
さらに、上記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断し、この切断された領域内に上記一対の磁界発生手段を配置して上記半導体基板の両端部を挟んだものでもよい。これにより、上記半導体基板の両端部を切断し、この切断された領域内に上記半導体基板の両端部の外形に沿った形状に形成された一対の磁界発生手段を配置して上記両端部を挟み、該一対の磁界発生手段を互いに接近させる。
【0015】
そして、上記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を上記一対の磁界発生手段で当接状態に挟んだものである。これにより、一対の磁界発生手段によって上記半導体基板の両端部を当接状態に挟み、該一対の磁界発生手段を接近させる。
【0016】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図1は本発明によるプレーナ型電磁アクチュエータ1の第1の実施形態を示す平面図である。このプレーナ型電磁アクチュエータ1は、半導体製造技術を利用して形成された可動部3を電気信号を用いて直交する二軸方向に自在に揺動する装置で、半導体基板2と、一対の磁界発生手段10a,10bと、磁路形成手段13とを備えて成る。
【0017】
上記半導体基板2は、直交する二軸方向に揺動可能な可動部が形成されるもので、シリコン層を含んでなり、図5に示す従来のものと同様に構成されている。すなわち、上記半導体基板2に、枠状の外側可動板3及びその内側に配置される内側可動板4からなる可動部5と、上記外側可動板3を揺動可能に軸支する第1トーションバー6,6と、該第1トーションバー6,6に対して軸方向が直交し上記内側可動板4を揺動可能に軸支する第2トーションバー7,7とが、例えば異方エッチング法を施すことにより一体的に形成されている。ここで、上記第1トーションバー6,6及び第2トーションバー7,7は、上記半導体基板2自体の厚さに比べて薄く形成されており、上記可動部5が所定の角度に回動できるようになっている。そして、上記外側可動板3及び内側可動板4のそれぞれの周縁部には、第1駆動コイル8及び第2駆動コイル9が設けられている。
【0018】
上記半導体基板2の外側可動板及3び内側可動板4の一の対角線方向には、一対の磁界発生手段10a,10bが対向して配置されている。この一対の磁界発生手段10a,10bは、上記半導体基板2に形成された可動部5の駆動コイル8,9に磁界H0を与えるもので、上記磁界発生手段10aのN極と、磁界発生手段10bのS極とを互いに対向させて配置した一対の永久磁石からなる。これにより、簡単な構造にて上記磁界発生手段10aから磁界発生手段10bの間に磁界H0が発生するようになる。そして、上記磁界H0は、上記半導体基板2の可動部5を斜めに横切るようになっている。
【0019】
上記一対の磁界発生手段10a,10bは、その周りを囲んで配置された磁路形成手段13に固定されている。この磁路形成手段13は、図1に示すように、上記左側の磁界発生手段10aのS極から出て右側の磁界発生手段10bのN極に入る磁力線の経路を形成し、磁界が周囲に漏れるのを低減するもので、例えば鉄などの磁性材料からなる。これにより、上記一対の磁界発生手段10a,10b間の磁界の強さが向上する。
【0020】
ここで、本発明においては、上記プレーナ型電磁アクチュエータ1は、上記一対の磁界発生手段10a,10bから発生した磁界H0が上記可動部5の駆動コイル8,9に与える磁気力を向上する構成を備えている。ここでは、上記対向配置された一対の磁界発生手段10a,10bを、上記半導体基板2に形成された可動部5に対して互いに接近させて配置されている。
【0021】
例えば、図1に示すように、上記半導体基板2に形成された可動部5の一の対角線方向にて該半導体基板2の両端部が、一対の棒状の磁界発生手段10a,10bによって当接状態に挟まれている。このとき、上記一対の棒状の磁界発生手段10a,10b間の距離l2は、図5に示す従来の場合より接近(l2<l1)して配置されている。そのため、上記一対の磁界発生手段10a,10bの間に働く磁界H0の強さについて従来の場合と比較すると、磁界の磁束密度は距離の2乗に反比例することから、(l1/l2)2倍だけ大きくなる。これにより、上記一対の磁界発生手段10a,10bによって、上記可動部5の駆動コイル8,9に与える磁気力を向上することができる。したがって、上記駆動コイル8,9を流す電流の値が小さくても、従来の場合と同様のローレンツ力(式(1)参照)を確保することができるため、上記可動部5を揺動させるときの電力消費を低減することができる。
【0022】
図2は本発明によるプレーナ型電磁アクチュエータ1の第2の実施形態を示す平面図である。この実施形態によるプレーナ型電磁アクチュエータ1は、図1に示す半導体基板2に形成された可動部5の一の対角線方向にて該半導体基板2の両端部を切断し、この切断された領域内に上記一対の棒状の磁界発生手段10a,10bを配置して上記半導体基板の両端部を当接状態に挟んだものである。このとき、図2においては、上記両端部が切断された半導体基板は、全体として四角形に形成されている(符号14参照)。そして、上記半導体基板14は、その長さがl3(l3<l2)となる。これにより、上記一対の棒状の磁界発生手段10a,10bを、上記半導体基板14に形成された可動部5に対して互いに距離l3だけ接近させて当接状態に挟んで配置することができる。したがって、上記一対の磁界発生手段10a,10bの間の磁界H0の強さが向上し、上記可動部5を揺動させるときの電力消費を低減することができる。なお、上記半導体基板14は、四角形の形状を有しているため、該半導体基板14及び上記一対の棒状の磁界発生手段10a,10bの実装を容易に行うことができる。
【0023】
図3は本発明によるプレーナ型電磁アクチュエータ1の第3の実施形態を示す平面図である。この実施形態によるプレーナ型電磁アクチュエータ1は、図1に示す一対の磁界発生手段10a,10bを、半導体基板2に形成された可動部5の一の対角線方向にて該半導体基板2の両端部の外形に沿った形状(図3の符号15a,15b参照)に形成したものである。そして、上記一対の磁界発生手段15a,15bが上記半導体基板2の両端部を挟んで対向配置される。これにより、上記一対の磁界発生手段15a,15bの体積が増加し、上記可動部5の駆動コイル8,9に与える磁気力を向上することができる。このとき、上記半導体基板2の両端部の外形に沿った形状に形成された一対の磁界発生手段15a,15bを上記半導体基板2に対して接近させて配置した場合には、その中心部間の距離がl2となり、また外側部に行くに従ってその間の距離が徐々に狭くなっている。これにより、上記磁界発生手段15a,15b間の磁界H0の強さが向上し、上記可動部5を揺動させるときの電力消費をより低減することができる。
【0024】
図4は本発明によるプレーナ型電磁アクチュエータ1の第4の実施形態を示す平面図である。この実施形態によるプレーナ型電磁アクチュエータ1は、図3に示す半導体基板2に形成された可動部5の一の対角線方向にて該半導体基板2の両端部を切断し(図4の符号16参照)、この切断された領域内に半導体基板16の上記両端部の外形に沿った形状に形成された一対の磁界発生手段17a,17bを配置して上記半導体基板16の両端部を挟み、該一対の磁界発生手段17a,17bを上記可動部5に対して互いに接近させて配置したものである。これにより、上記一対の磁界発生手段17a,17bの体積が増加し、上記可動部5の駆動コイル8,9に与える磁気力を向上することができる。このとき、上記一対の磁界発生手段17a,17bによって上記両端部が切断された半導体基板16を挟んで対向配置したときには、その中心間距離が、距離l3(l3<l2)となり、また外側部に行くに従ってその間の距離が徐々に狭くなっている。これにより、上記磁界発生手段17a,17b間の磁界H0の強さがさらに向上し、上記可動部5を揺動させるときの電力消費をさらに低減することができる。
【0025】
【発明の効果】
本発明は以上のように構成されたので、請求項1に係る発明によれば、半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断し、この切断された領域内に一対の棒状の磁界発生手段を上記半導体基板の両端部を挟んで配置したことにより、一対の棒状の磁界発生手段を上記可動部に対して互いに接近させて配置することができ、該一対の磁界発生手段から発生した磁界が上記可動部の駆動コイルに与える磁気力を向上することができる。したがって、上記駆動コイルを流れる電流値が小さくても、該駆動コイルに働く力を確保することができるため、上記可動部を揺動させるときの電力消費を低減することができる。
【0028】
また、請求項2に係る発明によれば、一対の磁界発生手段の形状を、上記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部の外形に沿った形状に形成して接近させたことにより、上記一対の磁界発生手段を上記可動部に対してより接近させることができる。したがって、上記可動部の駆動コイルに与える磁界の強さを向上させることができ、上記可動部を揺動させるときの電力消費を低減することができる。
【0029】
さらに、請求項3に係る発明によれば、上記半導体基板の両端部を切断し、その両端部をその外形に沿った形状に形成された一対の磁界発生手段で挟んだことにより、該一対の磁界発生手段をより接近させることができる。したがって、上記可動部の駆動コイルに与える磁界の強さを一層向上させることができ、上記可動部を揺動させるときの電力消費を一層低減することができる。
【0030】
そして、請求項4に係る発明によれば、一対の磁界発生手段によって上記半導体基板の両端部を当接状態に挟んだことにより、上記一対の磁界発生手段をより一層接近させることができる。したがって、上記可動部の駆動コイルに与える磁界の強さを向上させることができ、上記可動部を揺動させるときの電力消費を低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明によるプレーナ型電磁アクチュエータの第1の実施形態を示す平面図である。
【図2】 上記電磁アクチュエータの第2の実施形態を示す平面図である。
【図3】 上記電磁アクチュエータの第3の実施形態を示す平面図である。
【図4】 上記電磁アクチュエータの第4の実施形態を示す平面図である。
【図5】 従来のプレーナ型電磁アクチュエータを説明する斜視図である。
【図6】 上記電磁アクチュエータの動作原理を示す説明図である。
【符号の説明】
1…プレーナ型電磁アクチュエータ
2,14,16…半導体基板
3…外側可動板
4…内側可動板
5…可動部
8,9…駆動コイル
10,15,17…磁界発生手段
13…磁路形成手段
H0…磁界
l2,l3…一対の磁界発生手段間の距離
Claims (4)
- 半導体基板に、枠状の外側可動板及びその内側に配置される内側可動板からなる可動部と、上記外側可動板を揺動可能に軸支する第1トーションバーと、該第1トーションバーに対して軸方向が直交し上記内側可動板を揺動可能に軸支する第2トーションバーとを一体形成し、上記外側可動板及び内側可動板の各周縁部に駆動コイルを形成し、該駆動コイルに磁界を与える一対の磁界発生手段が上記可動部の一の対角線方向にて上記半導体基板を挟んで対向配置して成るプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、
上記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断し、この切断された領域内に上記一対の棒状の磁界発生手段を配置して上記半導体基板の両端部を挟み、該一対の磁界発生手段を上記可動部に対して互いに接近させて配置したことを特徴とするプレーナ型電磁アクチュエータ。 - 半導体基板に、枠状の外側可動板及びその内側に配置される内側可動板からなる可動部と、上記外側可動板を揺動可能に軸支する第1トーションバーと、該第1トーションバーに対して軸方向が直交し上記内側可動板を揺動可能に軸支する第2トーションバーとを一体形成し、上記外側可動板及び内側可動板の各周縁部に駆動コイルを形成し、該駆動コイルに磁界を与える一対の磁界発生手段が上記可動部の一の対角線方向にて上記半導体基板を挟んで対向配置して成るプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、
上記一対の磁界発生手段を、上記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部の外形に沿った形状に形成して接近させて配置したことを特徴とするプレーナ型電磁アクチュエータ。 - 上記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を切断し、この切断された領域内に上記一対の磁界発生手段を配置して上記半導体基板の両端部を挟んだことを特徴とする請求項2記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
- 上記半導体基板に形成された可動部の一の対角線方向にて該半導体基板の両端部を上記一対の磁界発生手段で当接状態に挟んだことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
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