JP4385937B2 - アクチュエータ - Google Patents

Description

本発明は、アクチュエータに関するものである。

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。
また、図１１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１１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。

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（振れ角）の両立が困難であるという問題がある。

K.E.Petersen:"Silicon Torsional Scanning Mirror",IBMJ.Res.Develop.,vol.24(1980)、P.631 河村他："Ｓｉを用いたマイクロメカニクスの研究"、昭和６１年度精密工学会秋季大会学術講演会論文集、P.753

本発明の目的は、低電圧での駆動が可能で、大きなトルクを作用させることができ、かつ、可動部の回転角度（振れ角）が大きいアクチュエータを提供することにある。

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、支持部と、
前記支持部に支持され、所定間隔で併設された複数の第１の電極指を備える可動櫛歯電極および可動部と、
前記可動櫛歯電極に対応する位置に設けられ、所定間隔で併設された複数の第２の電極指を備える固定櫛歯電極と、
前記可動櫛歯電極と前記支持部とを、前記可動櫛歯電極が前記支持部に対して回動可能となるように連結する一対の第１の弾性連結部と、
前記可動櫛歯電極と前記可動部とを、前記可動部が前記可動櫛歯電極に対して回動可能となるように連結する一対の第２の弾性連結部とを有し、
前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極との間に交流電圧を印加することにより生じるクーロン力によって、前記可動櫛歯電極が駆動し、それに伴い前記可動部が回動するアクチュエータであって、
回動中心軸の方向から見たとき、前記各第１の電極指の厚さが、前記各第２の電極指の厚さより大きく、
前記交流電圧の非印加時に、回動中心軸の方向から見たとき、前記各第１の電極指の先端部が、前記各第２の電極指の先端部を包含するように重なっており、かつ、前記各第１の電極指の厚さ方向の一方の端部の位置と、前記各第２の電極指の厚さ方向の一方の端部の位置とが略一致し、前記各第１の電極指の厚さ方向の長さの中点と前記各第２の電極指の厚さ方向の長さの中点とがずれていることを特徴とする。
これにより、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とが接近しているため、低電圧での駆動が可能で、可動櫛歯電極に大きなトルクを作用させることができ、かつ、可動部の回転角度（振れ角）が大きいアクチュエータを得ることができる。
また、可動櫛歯電極の強度を保ちつつ、可動櫛歯電極を振動（回動）させることができるため、アクチュエータの長寿命化を図ることができる。

本発明のアクチュエータでは、回動中心軸の方向から見たときの前記各第１の電極指の厚さをＡ［μｍ］とし、前記各第２の電極指の厚さをＢ［μｍ］としたとき、Ａ／Ｂが、１．０〜３．０なる関係を満足することが好ましい。
これにより、駆動効率が、より向上し、低電圧での駆動が可能となる。

本発明のアクチュエータでは、前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とは、共通の第１の基材に対して加工を施して形成された構造体であることが好ましい。
これにより、固定櫛歯電極と可動櫛歯電極とが形成された構造体を容易に得ることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記支持部と前記可動部と前記第１の弾性連結部と前記第２の弾性連結部とは、前記第１の基材と共通の基材に対して加工を施して形成された構造体であることが好ましい。
これにより、支持部と可動部と第１の弾性連結部と第２の弾性連結部とが形成された構造体を容易に得ることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極とは、前記第１の基材にパターニングを施して、前記第１の電極指と前記第２の電極指とを互いに非接触になるように分離して形成したものであることが好ましい。
これにより、所望の形状、寸法の可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とを精密に製造することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記構造体は、シリコンで構成されていることが好ましい。
これにより、導電性を有する構造体を容易に形成することができる。また、安定して駆動が可能な可動部を容易に得ることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記支持部と前記固定櫛歯電極とを支持し、絶縁性を備える支持基板を有し、
前記構造体と前記支持基板とは、シリコンで構成された前記第１の基材と、シリコン酸化物で構成された中間層と、シリコンで構成された第２の基材とがこの順で積層されている積層体を加工して形成されたものであることが好ましい。
これにより、構造体と支持基板とを容易に形成することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記支持部と前記固定櫛歯電極とを支持し、絶縁性を備える支持基板を有することが好ましい。
これにより、アクチュエータの強度を補強することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記支持基板の前記可動部および／または前記可動櫛歯電極に対応する部位に開口部を有することが好ましい。
これにより、可動部や可動櫛歯電極が変位したときに、可動部や可動櫛歯電極が支持基板に接触することを確実に防止することができる。

本発明のアクチュエータでは、前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とを２組備え、
前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とは、それぞれ、前記可動部を介して該可動部の両側部に１組ずつ設けられていることが好ましい。
これにより、可動櫛歯電極に、より大きなトルクを作用させることができ、可動部の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、前記複数の第１の電極指は、前記可動櫛歯電極の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の端部に設けられていることが好ましい。
これにより、可動櫛歯電極を効率良く変位させることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記１組の固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とは、前記可動櫛歯電極の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の両端部に、それぞれ、前記固定櫛歯電極が一対設けられた構造をなすことが好ましい。
これにより、可動櫛歯電極にさらに大きなトルクを作用させることができる。

本発明のアクチュエータでは、前記可動櫛歯電極に、貫通孔が形成されていることが好ましい。
これにより、可動櫛歯電極の質量を低減することができるため、高速（高周波数）での駆動が可能となる。
本発明のアクチュエータでは、前記可動部に、光反射部が設けられていることが好ましい。
本発明のアクチュエータは、各種のものに適用可能であるが、例えば光スキャナへの適用が好適であり、この場合、光の光路を容易に変更することができる。

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ｋ_１、前記第２の弾性連結部のばね定数をｋ_２としたとき、ｋ_１とｋ_２とがｋ_１＞ｋ_２の関係を満足することが好ましい。
これにより、可動櫛歯電極の振れ角を抑制しつつ、可動部の振れ角（回転角度）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、前記交流電圧の周波数が、前記可動櫛歯電極と前記可動部とが共振する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ていることが好ましい。
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、可動櫛歯電極の振れ角を抑制しつつ、可動部の回転角度（振れ角）を大きくすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記一対の第１の弾性連結部と前記一対の第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、可動部の姿勢の制御に利用することができる。

以下、本発明のアクチュエータを添付図面に示す好適実施形態に基づいて詳細に説明する。
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線での断面図、図３は、図１中のＢ−Ｂ線での断面図である。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。

図１および図２に示すように、アクチュエータ１００は、可動櫛歯電極（第１の質量部）１、１１と、可動部（第２の質量部）２と、可動部２と可動櫛歯電極１、１１とを支持する１対の支持部３、３と、可動櫛歯電極１、１１に対応して設けられた４つの固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６と、絶縁部（支持基板）８と下基板９とを有している。
図１に示すように、アクチュエータ１００は、可動部２が中心に位置し、可動部２を介し、可動櫛歯電極１が一端側（右側）に設けられ、可動歯電極１１が他端側（左側）に設けられている。すなわち、可動部２の両側部に、それぞれ可動櫛歯電極１、１１が設けられている。
可動櫛歯電極１、１１は、略同一形状かつ略同一寸法で、可動部２を介して、略対称（線対称）に設けられている。

また、図１に示すように、可動櫛歯電極１、１１には、それぞれ、貫通孔１４が、形成されている。図示の例では、可動櫛歯電極１、１１に、それぞれ、２つずつ貫通孔１４が、形成されている。
なお、各貫通孔１４の形状（平面形状）や平面視での大きさは、目的とする可動部２の駆動周波数に応じて適宜設定される。

また、可動櫛歯電極１の図１中右側に一方の支持部３が配置され、可動櫛歯電極１１の図１中左側に他方の支持部３が配置されている。
固定櫛歯電極７３、７４は、可動櫛歯電極１に対応する位置に設けられている。換言すると、固定櫛歯電極７３は、可動櫛歯電極１の図１中上側に設けられ、固定櫛歯電極７４は、可動櫛歯電極１の図１中下側に設けられている。

同様に、固定櫛歯電極７５、７６は、可動櫛歯電極１１に対応する位置に設けられている。換言すると、固定櫛歯電極７５は、可動櫛歯電極１１の図１中上側に設けられ、固定櫛歯電極７６は、可動櫛歯電極１１の図１中下側に設けられている。
ここで、可動櫛歯電極１と固定櫛歯電極７３、７４とが１組の櫛歯状電極６を構成し、可動櫛歯電極１１と固定櫛歯電極７５、７６とが１組の櫛歯状電極７を構成している。すなわち、アクチュエータ１００は、２組の櫛歯状電極６、７を備えている。
可動部２の表面には、光を効率的に反射させる光反射部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、可動櫛歯電極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、可動櫛歯電極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、可動部２が、可動櫛歯電極１、１１に対して回動可能となるように、可動櫛歯電極１、１１と、可動部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、可動部２は第２の弾性連結部５、５を介して、可動櫛歯電極１、１１にそれぞれ接続され、可動櫛歯電極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。

これらの可動櫛歯電極１、１１、可動部２、支持部３、３、第１の弾性連結部４、４および第２の弾性連結部５、５は、好ましくは一体的に形成されている。
可動櫛歯電極１、１１と可動部２と支持部３、３と第１の弾性連結部４、４と第２の弾性連結部５、５と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とは、共通の基材（第１の基材）に対して加工を施して形成されており、これらが、構造体１０を構成している。

構造体１０は、導電性を有し、例えば、シリコン等で構成されている。
図２および図３に示すように、各支持部３と、固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６は、それぞれ、絶縁性を備える絶縁部（支持基板）８を介して、下基板９と接合（固着）している。これら各支持部３と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とは、それぞれ、絶縁部８および下基板９によって支持される。
絶縁部８は、例えば、シリコン酸化物やシリコン窒化物やシリコン酸窒化物等で構成されている。下基板９は、例えば、シリコン等で構成されている。

図２および図３に示すように、絶縁部８および下基板９は、開口部６０を有している。
開口部６０は、可動櫛歯電極１、１１と可動部２との下部に対応する部位に設けられている。この開口部６０は、可動部２が回動（振動）する際に、下基板９に接触するのを防止する逃げ部を構成する。開口部６０を設けることにより、アクチュエータ１００全体の大型化を防止しつつ、可動部２の振れ角（振幅）をより大きく設定することができる。
図４は、図３に示す櫛歯状電極の一部を拡大した断面図である。

なお、以下では、説明の便宜上、図４中の右側を「右」、左側を「左」、上側を「上」、下側を「下」と言う。
以下、図１および図４を参照して、櫛歯状電極６、７について詳細に説明するが、櫛歯状電極６と櫛歯状電極７との構成（関係）は、それぞれ、同様であるので、代表的に櫛歯状電極６について説明する。

また、固定櫛歯電極７３と可動櫛歯電極１との構成（関係）と、固定櫛歯電極７４と可動櫛歯電極１との構成（関係）とは、それぞれ、同様であるので、代表的に固定櫛歯電極７３と可動櫛歯電極１との構成（関係）について説明する。
可動櫛歯電極１は、可動電極５５と、可動電極５５に連設され、図１中左右方向に所定間隔で併設された複数の電極指５１を備えている。

固定櫛歯電極７３は、固定電極７７と、固定電極７７に連設され、図１中左右方向に所定間隔で併設された複数の電極指７１とを備えている。
図１に示すように、各電極指５１は、可動櫛歯電極１の回動中心軸４１に対して略垂直な方向の両端部、すなわち、可動櫛歯電極１の、それぞれ、上部および下部に設けられている。また、各電極指７１は、平面視で、各電極指５１と所定の距離だけ離間した状態で、交互に位置している。換言すれば、各電極指７１と各電極指５１とが、互いに噛み合うようにして配置されている。

図４に示すように、可動電極５５と固定電極７７との厚さ（図４中上下方向の長さ）は、略等しく形成されており、後述する交流電圧の非印加時に、可動電極５５の上面の高さと、固定電極７７の上面の高さとは互いに略一致している。同様に、可動電極５５の下面の高さと、固定電極７７の下面の高さとは、互いに略一致している。
電極指５１の厚さ（図４中上下方向の長さ）は、可動電極５５の厚さと等しく形成されている。

また、電極指７１の厚さ（図４中上下方向の長さ）は、固定電極７７の厚さより小さく形成されている。すなわち、電極指５１の厚さをＬ４、電極指７１の厚さをＬ５としたとき、Ｌ４よりＬ５が小さく形成されている。
ここで、図４に示すように、交流電圧の非印加時に、回動中心軸４１の方向（以下「軸方向」という）から見たとき、電極指５１の先端部５１１は、電極指７１の先端部７１１を包含するように重なっている。より詳しくは、電極指５１の下端面５１２（厚さ方向の一方の端部）の位置と、電極指７１の下端面７１２（厚さ方向の一方の端部）の位置とが略一致するように重なっている。これにより、各電極指５１の厚さ方向の長さの中点ｈ４と、各電極指７１の厚さ方向の中点ｈ５との距離ｈ６を大きくすることができるため、低電圧での駆動で、かつ、可動櫛歯電極１の回転角度（振れ角）を大きくすることができる。

ここで、電極指５１の厚さＬ４と各電極指７１の厚さＬ５とは、Ｌ４／Ｌ５（Ａ／Ｂ）が、１．０〜３．０なる関係を満足するのが好ましく、１．２〜２．０なる関係を満足するのがより好ましい。これにより、駆動効率が向上し、可動櫛歯電極１の低電圧駆動が可能となる。
アクチュエータ１００では、これらの電極指５１および７１の幅、間隔、厚さ等を調整することにより、駆動特性を所望のものに設定することができる。
前述したような構成においては、可動櫛歯電極１、１１と第１の弾性連結部４、４とで構成される第１の振動系と、可動部２と第２の弾性連結部５、５とで構成される第２の振動系とで、２自由度振動系のアクチュエータ１００が構成される。

次に、本実施形態のアクチュエータ１００の動作を説明する。
図５は、アクチュエータに印加する交流電圧の一例を示す図である。
このようなアクチュエータ１００は、次のようにして駆動する。
所定の固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６と、所定の可動櫛歯電極１、１１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、可動櫛歯電極１、１１をアースしておき、図１中上側の２つの固定櫛歯電極７３、７５に図５（ａ）に示すような単相半波整流の波形の電圧を印加し、下側の２つの固定櫛歯電極７４、７６に図５（ｂ）に示すような図（ａ）の波形の電圧に対して位相が１８０°ずれた波形の電圧を印加する。これにより、可動櫛歯電極１と固定櫛歯電極７３、７４および可動櫛歯電極１１と固定櫛歯電極７５、７６との間にクーロン力（静電気力）が生じる。このクーロン力により、可動櫛歯電極１が、固定櫛歯電極７３、７４へ引きつけられる力の大きさおよび可動櫛歯電極１１が、固定櫛歯電極７５、７６へ引きつけられる力の大きさが、正弦波の位相の変化に従って変化し、回動中心軸４１（第１の弾性連結部４）を軸に振動（回動）する。この可動櫛歯電極１、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可動部２は、回動中心軸４１（第２の弾性連結部５）を軸に振動（回動）する。

以上説明したように、このアクチュエータ１００によれば、固定櫛歯電極７３、７４と可動櫛歯電極１とが接近しているため、可動櫛歯電極１、１１の低電圧での駆動が可能で、可動櫛歯電極１、１１に大きなトルクを作用させることができ、かつ、可動部２の回転角度（振れ角）が大きいアクチュエータ１００を得ることができる。
また、固定櫛歯電極７３、７５に印加される電圧の位相と大きさと、固定櫛歯電極７４、７６に印加される電圧の位相と大きさとが、略等しいため、可動櫛歯電極１、１１を同期的に振動させることができ、可動部２を安定して駆動することができる。

また、櫛歯状電極６、７によって駆動を行うため、貫通孔１４が設けられていても、可動櫛歯電極１、１１に作用するクーロン力（駆動力）を低減させることがない。また、可動櫛歯電極１、１１の質量を低減することができるため、高速（高周波数）での駆動が可能となる。また、可動櫛歯電極１、１１の慣性モーメントＪ_１を小さくすることができるため、可動部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、慣性モーメントＪ_１については後述する。
ここで、可動櫛歯電極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、可動櫛歯電極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、可動部の回動中心軸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、可動櫛歯電極１、１１が、それぞれ独立して設けられているため、可動櫛歯電極１、１１と、可動部２とが干渉せず、可動部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、可動櫛歯電極１、１１の回転角度を大きくすることができ、可動部２の回転角度を大きくすることができる。
この場合、可動部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。

これらによって、可動櫛歯電極１、１１の低電圧駆動と、可動部２の大回転角度とを実現することができる。
このため、アクチュエータ１００を、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。
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。
図６は、印加した交流電圧の周波数と、可動櫛歯電極および可動部の共振曲線を示すグラフである。

ところで、このような２自由度振動系のアクチュエータ１００では、可動櫛歯電極１および可動部２の振れ角（振幅）と、印加する交流電圧の周波数との間に、図６に示すような周波数特性が存在している。
すなわち、可動櫛歯電極１、１１と第１の弾性連結部４、４と、可動部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、可動櫛歯電極（第１の質量部）１、１１と、可動部（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ｆｍ_１［ｋＨｚ］、ｆｍ_３［ｋＨｚ］（ただし、ｆｍ_１＜ｆｍ_３）と、可動櫛歯電極１の振幅がほぼ０となる、１つの***振周波数ｆｍ_２［ｋＨｚ］とを有している。

このアクチュエータ１００では、可動櫛歯電極１、１１と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６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、ｆｍ_１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ｆｍ_１［ｋＨｚ］とほぼ等しいものに設定することにより、可動櫛歯電極１、１１の振幅を抑制しつつ、可動部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ｆｍ_１［ｋＨｚ］とがほぼ等しいとは、（ｆｍ_１−１）≦Ｆ≦（ｆｍ_１＋１）の条件を満足することを意味する。

可動櫛歯電極１、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。
可動部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ｋ_１は、１×１０^−４〜１×１０^４Ｎｍ/radであるのが好ましく、１×１０^−２〜１×１０^３Ｎｍ/radであるのがより好ましく、１×１０^−１〜１×１０^２Ｎｍ/radであるのがさらに好ましい。これにより、可動部２の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。

また、第２の弾性連結部５のばね定数ｋ_２は、１×１０^−４〜１×１０^４Ｎｍ/radであるのが好ましく、１×１０^−２〜１×１０^３Ｎｍ/radであるのがより好ましく、１×１０^−１〜１×１０^２Ｎｍ/radであるのがさらに好ましい。これにより、可動櫛歯電極１、１１の振れ角を抑制しつつ、可動部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ｋ_１、第２の弾性連結部５のばね定数をｋ_２としたとき、ｋ_１とｋ_２とが、ｋ_１＞ｋ_２の関係を満足するのが好ましい。これにより、可動櫛歯電極１、１１の振れ角を抑制しつつ、可動部２の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。

また、可動櫛歯電極１の慣性モーメントをＪ_１、可動部２の慣性モーメントをＪ_２としたとき、Ｊ_１とＪ_２とが、Ｊ_１≦Ｊ_２の関係を満足することが好ましく、Ｊ_１＜Ｊ_２の関係を満足することがより好ましい。これにより、可動櫛歯電極１、１１の振れ角を抑制しつつ、可動部２の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。
ところで、第１の振動系の固有振動数ω_１は、可動櫛歯電極１の慣性モーメントをＪ_１、第１の弾性連結部４のばね定数をｋ_１としたとき、ω_１＝（ｋ_１／Ｊ_１）^１／２によって与えられ、第２の振動系の固有振動数ω_２は、可動部２の慣性モーメントをＪ_２、第２の弾性連結部５のばね定数をｋ_２としたとき、ω_２＝（ｋ_２／Ｊ_２）^１／２によって与えられる。

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ω_１と第２の振動系の固有振動数ω_２とは、ω_１＞ω_２の関係を満足するのが好ましい。これにより、可動櫛歯電極１、１１の振れ角を抑制しつつ、可動部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、可動部２の姿勢の制御に利用することができる。

なお、本実施形態では、一例として、固定櫛歯電極７３、７５に対して図５（ａ）に示す波形の電圧を印加して、固定櫛歯電極７４、７６に対して図５（ｂ）に示す波形の電圧を印加したが、これに限らず、例えば、固定櫛歯電極７３、７５に対して図５（ｃ）に示す、交流電圧を印加して、固定櫛歯電極７４、７６に対して図５（ｄ）に示す、交流電圧を印加してもよい。

ここで、図５（ｃ）に示す交流電圧は、オフセット電圧が与えられ、最小電位がグランド電位である正弦波の電圧である。
また、図５（ｄ）に示す交流電圧は、図５（ｃ）に対して位相が１８０°ずれた正弦波の電圧である。
また、本実施形態では、可動櫛歯電極１と固定櫛歯電極７３、７４とが１組の櫛歯状電極６を構成しているが、これに限らず、可動櫛歯電極１と固定櫛歯電極７３とで１組の櫛歯状電極を構成してもよいし、可動櫛歯電極１と固定櫛歯電極７４とで１組の櫛歯状電極を構成してもよい（櫛歯状電極７の可動櫛歯電極１１と固定櫛歯電極７５、７６との関係についても同様）。この場合、可動櫛歯電極１と固定櫛歯電極７３（７４）との間に、例えば、オフセット電圧を与えた、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。

次に、図１〜図３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７および図８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７および図８では、説明を分かり易くするため、電極指５１を２つ、電極指７１を１つ形成する例を示す。
なお、以下では、説明の便宜上、図７中の右側を「右」、左側を「左」、上側を「上」、下側を「下」と言う。また、図７中の上下方向を「厚さ方向」という。

［１］
まず、図７（ａ）に示すように、シリコンで構成された活性層（第１の基材）７０と、シリコン酸化物で構成された絶縁層（中間層）８０と、シリコンで構成されたベース層（第２の基材）９０とがこの順で積層されているＳＯＩ（Ｓｉｌｉｃｏｎ ｏｎ Ｉｎｓｕｌａｔｏｒ）基板（積層体）５０を用意する。ＳＯＩ基板５０としては、片面にシリコン酸化物膜が形成されたシリコン基板を互いに貼り合わせたものを用いてもよいし、市販品（汎用品）を用いてもよい。特に市販品を用いることにより、表面の平坦度の高い、厚みが均一で、所望の厚さを有する良質な積層体を容易かつ安価に準備することができる。また、他の装置の母材として用意されているものをこのアクチュエータ１００の母材としても用いることができる。

［２］
次に、図７（ｂ）に示すように、ＳＯＩ基板５０の上面および下面に、例えば、Ａｌ（アルミニウム）等によりマスク層６１、６２を形成（マスキング）した後に、例えばフォトリソグラフィー法などにより、パターニングを施し、開口を形成する。ＳＯＩ基板５０の上面の開口の形状（平面形状）は、形成する構造体１０の形状（平面形状）に対応させる。また、ＳＯＩ基板５０の下面の開口の形状は、形成する開口部６０の形状（平面形状）に対応させる。

［３］
次に、図７（ｃ）に示すように、ＳＯＩ基板５０の上面に、選択的にフォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、ドライエッチングのマスクとなるフォトレジスト６３のパターンが形成される。
［４］
次に、図７（ｄ）に示すように、上面からフォトレジスト６３をマスクとして、活性層７０のドライエッチングを途中まで行う。その後、表面のフォトレジストを剥離する。

なお、エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。
なお、以下の工程［５］、［６］のエッチングにおいて、同様の方法を用いることができる。

［５］
次に、図８（ｅ）に示すように、上面からマスク層６１を介して活性層７０を、絶縁層８０に達するまでエッチングする。これにより、厚さ方向に段差を有し、互いに非接触になるように分離した各電極指５１および各電極指７１を含む構造体１０が形成される。
［６］
次に、図８（ｆ）に示すように、下面からマスク層６２を介して絶縁層８０に達するまでベース層９０のエッチングを行う。

［７］
次に、図８（ｇ）に示すように、マスク層６１、６２を剥離し、ＢＨＦ（フッ酸）により絶縁層８０のエッチングを行う。これにより、開口部６０が形成される。
［８］
最後に、図８（ｈ）に示すように、可動部２の表面にマスクを施して、Ａｌ、Ａｕ等の光反射部（金属反射膜）２１を成膜する。

光反射部の成膜方法としては、真空蒸着、スパッタリング（低温スパッタリング）、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射法、金属箔の接合等が挙げられる。
なお、工程［７］において、マスク層６１の可動部２に対応する部位を除去せずに残存させた場合は、本工程はなくてもよい。

以上のようにして、アクチュエータ１００が製造される。
以上説明したように、本実施形態のアクチュエータ１００の製造方法によれば、可動櫛歯電極１、１１と可動部２と支持部３、３と第１の弾性連結部４、４と第２の弾性連結部５、５と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とが、共通の基材（活性層）に対して加工を施して形成されるため、これらを容易に製造することができる。特に、可動櫛歯電極１、１１と、固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とを容易に製造することができる。

また、可動櫛歯電極１、１１と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とが、図７、８中上方向（一方向）からの加工により形成されるため、所望の形状、寸法の可動櫛歯電極１、１１と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とを精密に製造することができる。すなわち、可動櫛歯電極１、１１と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とのアライメント精度が向上する。

また、両方向からの加工を行う場合に比べて、工程数を削減することができるため、可動櫛歯電極１、１１と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とを容易に製造することができる。
さらに、所望の形状、寸法の可動櫛歯電極１と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とが精密に製造されるため、可動櫛歯電極１と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６との軸方向の間隔（間隙）を狭めることができる。これにより、さらなる低電圧での駆動および大きなトルクでの駆動が可能となるアクチュエータを製造することができる。

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９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９に示すアクチュエータ１００について、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本実施形態のアクチュエータ１００は、図９に示すように、可動櫛歯電極１、１１が支持部３、３に対して回動可能となるように、可動櫛歯電極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、可動部２が可動櫛歯電極１、１１に対して回動可能となるように、可動櫛歯電極１、１１と可動部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。
このような構成とすることにより、より可動部２の軸と垂直方向への動作を抑制することができる。
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ｋ_１、ｋ_２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。

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１０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１０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では、可動櫛歯電極１１１が可動部２の周りに、空隙部１１２を介して環状に形成されている。

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１０中上側の固定櫛歯電極７３と各電極指５１とを省略した構成としてもよいし、図１０中下側の固定櫛歯電極７４と各電極指５１とを省略した構成としてもよい。

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。

また、前述した各実施形態では、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、これに限らず、例えば、３対以上であってもよい。
また、前述した各実施形態では、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、これに限らず、例えば、３対以上であってもよい。
また、前述した各実施形態では、光反射部２１が可動部２の下基板９と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、前述した各実施形態では、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、これに限らず、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。
また、支持部３、３が一体的に形成されていてもよい。
また、前述した１各実施形態では、可動櫛歯電極１、１１に、それぞれ貫通孔１４を形成したが、これに限らず、可動櫛歯電極１、１１を軽量化するもの、例えば、可動櫛歯電極１、１１に、それぞれ、有底の凹部を形成してもよい。

また、前述した各実施形態では、アクチュエータ１００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、構造体１０と、下基板９とを、別個に作成して、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。
また、前述した各実施形態では、電極指５１、５１の先端部５１１が、電極指７１、７１の先端部７１１をそれぞれ包含するように重なっているが、これに限らず、電極指７１、７１の先端部７１１が、電極指５１、５１の先端部５１１を、それぞれ包含するように重なっていてもよい。

この場合、電極指５１の厚さＬ４と各電極指７１の厚さＬ５とは、Ｌ４／Ｌ５（Ａ／Ｂ）が、０．３〜１．０なる関係を満足するのが好ましく、０．５〜０．８なる関係を満足するのがより好ましい。
また、可動櫛歯電極１、１１と固定櫛歯電極７３、７４、７５、７６とのうちの、いずれか一方または両方の表面に、絶縁処理が施されていてもよい。これにより、各可動櫛歯電極と各固定櫛歯電極との短絡を防止することができる。

本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す平面図である。 図１中のＡ−Ａ線での断面図である。 図１中のＢ−Ｂ線での断面図である。 図２に示す櫛歯状電極の一部を拡大した断面図である。 アクチュエータに印加する交流電圧の一例を示す図である。 印加した交流電圧の周波数と、可動櫛歯電極および可動部の共振曲線を示すグラフである。 アクチュエータの製造方法の一例を示す工程図である。 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。 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。 従来のアクチュエータを説明するための図である。

符号の説明

１、１１、１１１……可動櫛歯電極 １０……構造体 １２、１３……端部 １４……貫通孔 ２……可動部 ２１……光反射部 ３……支持部 ４、４’……第１の弾性連結部 ４１……回動中心軸 ５、５’……第２の弾性連結部 ６、７……櫛歯状電極 ６０……開口部 ５１、７１……電極指 ５１１、７１１……先端部 ５１２、７１２……下端面 ５５……可動電極 ７７……固定電極 ７３、７４、７５、７６……固定櫛歯電極 ８……絶縁部 ９……下基板 ５０……ＳＯＩ基板 ６１、６２……マスク層 ６３……フォトレジスト ７０……活性層 ８０……絶縁層 ９０……ベース層 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 １１２……空隙部 Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３……距離 Ｌ４、Ｌ５……厚さ ｈ４、ｈ５……中点 ｈ６……距離

Claims (17)

1. 支持部と、
   前記支持部に支持され、所定間隔で併設された複数の第１の電極指を備える可動櫛歯電極および可動部と、
   前記可動櫛歯電極に対応する位置に設けられ、所定間隔で併設された複数の第２の電極指を備える固定櫛歯電極と、
   前記可動櫛歯電極と前記支持部とを、前記可動櫛歯電極が前記支持部に対して回動可能となるように連結する一対の第１の弾性連結部と、
   前記可動櫛歯電極と前記可動部とを、前記可動部が前記可動櫛歯電極に対して回動可能となるように連結する一対の第２の弾性連結部とを有し、
   前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極との間に交流電圧を印加することにより生じるクーロン力によって、前記可動櫛歯電極が駆動し、それに伴い前記可動部が回動するアクチュエータであって、
   回動中心軸の方向から見たとき、前記各第１の電極指の厚さが、前記各第２の電極指の厚さより大きく、
   前記交流電圧の非印加時に、回動中心軸の方向から見たとき、前記各第１の電極指の先端部が、前記各第２の電極指の先端部を包含するように重なっており、かつ、前記各第１の電極指の厚さ方向の一方の端部の位置と、前記各第２の電極指の厚さ方向の一方の端部の位置とが略一致し、前記各第１の電極指の厚さ方向の長さの中点と前記各第２の電極指の厚さ方向の長さの中点とがずれていることを特徴とするアクチュエータ。
2. 回動中心軸の方向から見たときの前記各第１の電極指の厚さをＡ［μｍ］とし、前記各第２の電極指の厚さをＢ［μｍ］としたとき、Ａ／Ｂが、１．０〜３．０なる関係を満足する請求項１に記載のアクチュエータ。
3. 前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とは、共通の第１の基材に対して加工を施して形成された構造体である請求項１または２に記載のアクチュエータ。
4. 前記支持部と前記可動部と前記第１の弾性連結部と前記第２の弾性連結部とは、前記第１の基材と共通の基材に対して加工を施して形成された構造体である請求項３に記載のアクチュエータ。
5. 前記可動櫛歯電極と前記固定櫛歯電極とは、前記第１の基材にパターニングを施して、前記第１の電極指と前記第２の電極指とを互いに非接触になるように分離して形成したものである請求項３または４に記載のアクチュエータ。
6. 前記構造体は、シリコンで構成されている請求項３ないし５のいずれかに記載のアクチュエータ。
7. 前記支持部と前記固定櫛歯電極とを支持し、絶縁性を備える支持基板を有し、
   前記構造体と前記支持基板とは、シリコンで構成された前記第１の基材と、シリコン酸化物で構成された中間層と、シリコンで構成された第２の基材とがこの順で積層されている積層体を加工して形成されたものである請求項３ないし６のいずれかに記載のアクチュエータ。
8. 前記支持部と前記固定櫛歯電極とを支持し、絶縁性を備える支持基板を有する請求項１ないし７のいずれかに記載のアクチュエータ。
9. 前記支持基板の前記可動部および／または前記可動櫛歯電極に対応する部位に開口部を有する請求項７または８に記載のアクチュエータ。
10. 前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とを２組備え、
    前記固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とは、それぞれ、前記可動部を介して該可動部の両側部に１組ずつ設けられている請求項１ないし９のいずれかに記載のアクチュエータ。
11. 前記複数の第１の電極指は、前記可動櫛歯電極の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の端部に設けられている請求項１ないし１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
12. 前記１組の固定櫛歯電極と前記可動櫛歯電極とは、前記可動櫛歯電極の前記回動中心軸に対して略垂直な方向の両端部に、それぞれ、前記固定櫛歯電極が一対設けられた構造をなす請求項１１に記載のアクチュエータ。
13. 前記可動櫛歯電極に、貫通孔が形成されている請求項１ないし１２のいずれかに記載のアクチュエータ。
14. 前記可動部に、光反射部が設けられている請求項１ないし１３のいずれかに記載のアクチュエータ。
15. 前記第１の弾性連結部のばね定数をｋ_１、前記第２の弾性連結部のばね定数をｋ_２としたとき、ｋ_１とｋ_２とがｋ_１＞ｋ_２の関係を満足する請求項１ないし１４のいずれかに記載のアクチュエータ。
16. 前記交流電圧の周波数が、前記可動櫛歯電極と前記可動部とが共振する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ている請求項１ないし１５のいずれかに記載のアクチュエータ。
17. 前記一対の第１の弾性連結部と前記一対の第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請求項１ないし１６のいずれかに記載のアクチュエータ。

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