WO2020032274A1 - アクチュエータ装置、及びアクチュエータ装置の製造方法 - Google Patents
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Definitions
- One aspect of the present disclosure relates to an actuator device and a method of manufacturing the actuator device.
- a support part, a first movable part, a second movable part surrounding the first movable part, and a first movable part and a second movable part are connected to each other on a first axis.
- an actuator device including a pair of first connecting portions that connect each other and a pair of second connecting portions that connect the second movable portion and the support portion to each other on a first axis (for example, see Patent Document 1).
- the actuator device described in Patent Literature 1 the light reflecting portion is provided in the first movable portion, and the second movable portion rotates around the first axis by the application of the AC voltage, and accordingly, the first movable portion is moved. Rotate around a first axis.
- the ratio of the deflection angle of the first movable portion to the deflection angle of the second movable portion is large from the viewpoint of high efficiency.
- a stable operation is required for the above-described actuator device.
- One aspect of the present disclosure is to provide an actuator device that can realize highly efficient and stable operation, and a method for manufacturing such an actuator device.
- An actuator device is configured such that a support portion, a first movable portion, a frame-shaped second movable portion surrounding the first movable portion, and the first movable portion can swing around a first axis.
- the first movable portion and the second movable portion are connected to each other, and the second movable portion is vibrated so that the first movable portion can swing around the first axis.
- a second connecting portion that connects the second movable portion and the support portion to each other, and a driving portion that applies a driving force to the second movable portion, wherein the first movable portion and the second movable portion around the first axis.
- An actuator device is configured such that a support portion, a first movable portion, a frame-shaped second movable portion surrounding the first movable portion, and the first movable portion can swing around a first axis.
- a first connecting part connecting the first movable part and the second movable part to each other, a second connecting part connecting the second movable part and the support part to each other, and the first movable part and the first connection.
- a driving unit that is provided on at least one of the units and applies a driving force to the first movable unit.
- the two natural angular frequencies ⁇ about the vibrations of the first movable unit and the second movable unit around the first axis.
- ⁇ io (k i / j o) is 1/2
- ⁇ oo (k o / j o) is 1/2
- k i the first connecting portion around the first axis a torsion spring constant
- k o the torsional spring constant of the second coupling part about the first axis
- j o the moment of inertia of the second movable portion around the first axis.
- the first movable section and the second movable section are operated at the natural angular frequency ⁇ 1 .
- the ratio of the deflection angle of the first movable portion to the deflection angle of the second movable portion (hereinafter, referred to as “amplitude ratio”) can be set to 5 or more.
- the amplitude ratio can be set to 5 or more.
- the second connecting portion may connect the second movable portion and the support portion to each other so that the second movable portion can swing around a second axis intersecting the first axis.
- the second movable portion can be swung about the second axis together with the first movable portion.
- the torsional spring constant of the second connecting portion around the first axis is the torsional spring constant of the first connecting portion around the first axis. It may be larger than a constant. In this case, a larger amplitude ratio can be secured.
- the total length of the second connecting portion may be shorter than the total length of the first connecting portion.
- the torsional spring constant of the second connecting portion can be preferably set larger than the torsional spring constant of the first connecting portion.
- the amplitude ratio can be increased while miniaturizing the actuator device. Can be secured.
- the second connecting portion has a plurality of members each of which connects the second movable portion and the support portion to each other, and the plurality of members may be arranged side by side along a direction intersecting the first axis.
- the torsional spring constant of the second connecting portion can be more suitably set to be larger than the torsional spring constant of the first connecting portion.
- the plurality of members may include a first member arranged on the first axis and a pair of second members arranged so as to sandwich the first member therebetween.
- the torsional spring constant of the second connecting portion can be more suitably set to be larger than the torsional spring constant of the first connecting portion.
- the actuator device may further include a wire extending from the second movable portion to the support portion via the second connection portion, and the wire may be arranged to pass through the first member. .
- the wiring since the wiring is arranged so as to pass through the first member, which has a smaller stress acting on the second movable portion when vibrating than the second member, deterioration of the wiring in the second connecting portion can be suppressed. .
- the torsional spring constant of the second connecting portion around the first axis is the torsional spring constant of the first connecting portion around the first axis. It may be smaller than a constant. In this case, a larger amplitude ratio can be secured.
- the total length of the second connecting portion may be longer than the total length of the first connecting portion.
- the torsional spring constant of the second connecting portion can be suitably set smaller than the torsional spring constant of the first connecting portion.
- the second connecting portion may extend in a meandering manner.
- the torsional spring constant of the second connecting portion can be set to be smaller than the torsional spring constant of the first connecting portion. Further, since the second connecting portion extends in a meandering manner, it is possible to improve the impact resistance as compared with a case where the second connecting portion extends linearly, for example.
- the support portion, the first movable portion, the second movable portion, the first connection portion, and the second connection portion may be configured by a semiconductor substrate. Even in the actuator device configured as described above, highly efficient and stable operation can be realized.
- An actuator device includes a sensing coil provided in a first movable unit, and a wiring connected to the sensing coil and extending to the second movable unit via the first coupling unit.
- the first connection portion may be made of a semiconductor material, and a portion of the wiring located on the first connection portion may be made of a diffusion region in which impurities are diffused in the semiconductor material. In this case, a relatively large stress acts on the portion of the wiring located on the first connecting portion when the first movable portion swings. However, since the portion is constituted by the diffusion region, the first connecting portion is formed. Can be suppressed from being deteriorated.
- the diffusion region extends from the first connecting portion to the first movable portion and the second movable portion, and the width of the diffusion region in the first movable portion and the second movable portion is equal to the width of the diffusion region in the first connecting portion. It may be wider than. In this case, the resistance of the wiring can be reduced.
- a portion located on the first movable portion and a portion located on the second movable portion are made of a metal material, and include a diffusion region, a portion located on the first movable portion, and a second movable portion.
- the width of the contact portion with each of the portions located on the portion may be wider than the width of the first connecting portion. In this case, the resistance of the wiring can be further reduced. Further, even if a positional shift occurs during manufacturing or the like, it is possible to reliably electrically connect the diffusion region to each of the portion located on the first movable portion and the portion located on the second movable portion. it can.
- the support portion, the first movable portion, the frame-shaped second movable portion surrounding the first movable portion, and the first movable portion swing around the first axis.
- a first connecting portion connecting the first movable portion and the second movable portion to each other so as to be movable; and a first movable portion swinging about a first axis by vibrating the second movable portion.
- a method of manufacturing an actuator device comprising: a second connecting portion that connects a second movable portion and a support portion to each other; and a driving portion that applies a driving force to the second movable portion, wherein the first axis line is provided.
- the two natural angular frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 (where ⁇ 1 ⁇ 2 ) for the vibrations of the surrounding first and second movable parts are calculated by using one of the following equations (5) and (6).
- the actuator device is manufactured so as to satisfy the condition but not the other condition.
- ⁇ ii (k i / j i) is 1/2
- k i is the torsional spring constant of the first coupling part about the first axis
- j i is first around the first axis 1 Moment of inertia of the movable part.
- the support portion, the first movable portion, the frame-shaped second movable portion surrounding the first movable portion, and the first movable portion swing around the first axis.
- the actuator device such that the two natural angular frequencies ⁇ 1 , ⁇ 2 (where ⁇ 1 ⁇ 2 ) satisfy the one of the following equations (7) and (8) but do not satisfy the other.
- ⁇ io (k i / j o) is 1/2
- ⁇ oo (k o / j o) is 1/2
- k i is the first connecting portion around the first axis a torsion spring constant
- k o is the torsional spring constant of the second coupling part about the first axis
- j o is the moment of inertia of the second movable portion around the first axis.
- an actuator device that can realize highly efficient and stable operation, and a method for manufacturing such an actuator device.
- FIG. 2 is a plan view of the mirror device according to the first embodiment. It is a top view of the mirror device concerning a 2nd embodiment.
- FIG. 3 is a partially enlarged view of FIG. 2.
- FIG. 4 is a sectional view taken along the line IV-IV in FIG. 3.
- FIGS. 5A and 5B are diagrams illustrating an example of the relationship between the input angular frequency and the deflection angle.
- FIG. 6A is a schematic diagram illustrating an example of the relationship between the deflection angles of the first movable portion and the second movable portion at the resonance point A in FIG. 5A, and FIG.
- FIG. 7A is a schematic plan view of an exemplary mirror device
- FIG. 7B is a diagram illustrating a vibration model of the mirror device of FIG. 7A
- FIGS. 8A and 8B are graphs showing a relationship between numerical values in the case of the outer driving
- FIGS. 9A and 9B are graphs showing a relationship between numerical values in the case of the outer driving
- FIGS. 10A and 10B are graphs showing a relationship between numerical values in the case of the inside driving. It is a top view of the mirror device concerning a 1st modification. It is a top view of the mirror device concerning a 2nd modification.
- the mirror device 1 ⁇ / b> A of the first embodiment includes a support section 2, a first movable section 3, a second movable section 4, a pair of first connecting sections 5 and 6, There are provided second connecting portions 7 and 8 and a magnetic field generating portion 9.
- the support portion 2, the first movable portion 3, the second movable portion 4, the first connecting portions 5, 6, and the second connecting portions 7, 8 are integrally formed by a semiconductor substrate such as an SOI (Silicon on Insulator) substrate. Is formed. That is, the mirror device 1A is configured as a MEMS device.
- a first movable portion 3 having a mirror surface (optical surface) 10 around each of an X axis (first axis) and a Y axis (second axis perpendicular to the first axis) orthogonal to each other is provided. Rocked.
- the mirror device 1A can be used for, for example, an optical switch for optical communication, an optical scanner, and the like.
- the magnetic field generator 9 is configured by, for example, a permanent magnet having a Halbach array.
- the support portion 2 has, for example, a quadrangular outer shape in plan view and is formed in a frame shape.
- the support 2 is disposed on one side in a direction perpendicular to the X axis and the Y axis with respect to the magnetic field generator 9.
- the first movable section 3 is arranged inside the support section 2 in a state separated from the magnetic field generation section 9.
- “plan view” means a case when viewed from a direction perpendicular to the X axis and the Y axis, in other words, the support portion 2, the first movable portion 3, the second movable portion 4, and the like are arranged. It means the case when viewed from the direction perpendicular to the plane.
- the first movable section 3 has a main body 3a and a frame 3b surrounding the main body 3a.
- the main body 3a is formed, for example, in an elliptical shape in plan view.
- a circular mirror surface 10 is provided on the surface of the main body 3a opposite to the magnetic field generating unit 9.
- the mirror surface 10 is made of, for example, a reflective film made of aluminum, an aluminum-based alloy, silver, a silver-based alloy, gold, a dielectric multilayer film, or the like.
- the frame portion 3b has, for example, a quadrangular outer shape in plan view and is formed in a frame shape.
- the main body 3a is connected to the frame 3b on both sides on the Y axis.
- the second movable portion 4 has, for example, an octagonal outer shape in plan view, and is formed in a frame shape.
- the second movable section 4 is arranged inside the support section 2 so as to surround the first movable section 3 in a state separated from the magnetic field generating section 9.
- the first connecting portions 5 and 6 are arranged on both sides of the first movable portion 3 on the X axis.
- Each of the first connecting portions 5 and 6 has a first movable portion 3 and a second movable portion on the X axis such that the first movable portion 3 can swing around the X axis (with the X axis as a center line). 4 are connected to each other.
- each of the first connecting parts 5 and 6 is twisted around the X axis.
- Each of the first connecting portions 5 and 6 extends, for example, linearly along the X-axis.
- Each of the first connecting portions 5 and 6 is, for example, formed in a plate shape extending along a plane perpendicular to the X axis and the Y axis.
- the first connecting portion 5 has a linear portion 5a extending along the X-axis and having a constant width, and a pair of widened portions 5b connected to both ends of the linear portion 5a.
- the width of one widened portion 5 b increases as approaching the first movable portion 3
- the width of the other widened portion 5 b increases as approaching the second movable portion 4.
- a pair of edges of each widened portion 5b are curved so as to project toward each other.
- the first connecting portion 6 has a linear portion 6a extending along the X-axis and having a constant width, and a pair of widened portions 6b connected to both ends of the linear portion 6a.
- the width of one widened portion 6 b increases as approaching the first movable portion 3
- the width of the other widened portion 6 b increases as approaching the second movable portion 4.
- a pair of edges of each widened portion 6b are curved so as to project toward each other.
- the second connecting portions 7 and 8 are arranged on both sides of the second movable portion 4 on the Y axis.
- Each of the second connecting portions 7 and 8 includes a second movable portion 4 and a support portion 2 on the Y axis such that the second movable portion 4 can swing around the Y axis (with the Y axis as a center line). Are connected to each other.
- each of the second connecting parts 7 and 8 is twisted around the Y axis.
- Each of the second connecting portions 7 and 8 extends in a meandering manner in plan view.
- Each of the second connecting portions 7 and 8 has a plurality of linear portions 11a and a plurality of folded portions 11b.
- the plurality of linear portions 11a each extend along the Y-axis direction and are arranged side by side in the X-axis direction.
- the plurality of folded portions 11b alternately connect both ends of the adjacent linear portions 11a.
- the torsional spring constant of each of the second connecting portions 7 and 8 around the X axis is smaller than the torsional spring constant of each of the first connecting portions 5 and 6 around the X axis.
- the torsional spring constant of each of the first connecting portions 5 and 6 around the X axis is defined as a value around the X axis acting on each of the first connecting portions 5 and 6 with respect to the torsion angle of each of the first connecting portions 5 and 6 around the X axis. Is the ratio of the torsional moments.
- the torsional spring constant of each of the second connecting portions 7 and 8 around the X axis is defined as the value around the X axis acting on each of the second connecting portions 7 and 8 with respect to the torsion angle of each of the second connecting portions 7 and 8 around the X axis. Is the ratio of the torsional moments.
- the total length of each of the second connecting portions 7 and 8 is longer than the total length of each of the first connecting portions 5 and 6.
- the total length of each first connecting portion 5, 6 is the total length along the extending direction of each first connecting portion 5, 6 (in this example, the direction along the X axis).
- the total length of the second connecting part 7 is the total length along the extending direction of the second connecting part 7, and in this example, the length of each part including each linear part 11a and each folded part 11b is added. It is the total length combined. This is the same for the entire length of the second connecting portion 8.
- the mirror device 1A further includes coils (drive coils) 21, 22; a plurality of wirings 12, 13, 14, 15; and a plurality of electrode pads 31, 32, 33, 34.
- the coil 21 is, for example, embedded in the frame 3b of the first movable section 3 and extends spirally in plan view.
- the coil 22 is, for example, embedded in the second movable portion 4 and extends spirally in plan view.
- Each of the coils 21 and 22 is made of, for example, a metal material such as copper. In FIG. 1, the arrangement area of the coils 21 and 22 is indicated by hatching.
- the plurality of electrode pads 31, 32, 33, and 34 are provided on the support portion 2 and are exposed to the outside from the insulating layer 23.
- the insulating layer 23 is formed on the surface of the support portion 2, the first movable portion 3, the second movable portion 4, the first connection portions 5, 6, and the second connection portions 7, 8 (the surface opposite to the magnetic field generation portion 9). Are formed integrally so as to cover
- the insulating layer 23 is made of, for example, silicon dioxide, silicon nitride, or the like.
- the wiring 12 electrically connects one end of the coil 21 and the electrode pad 31.
- the wiring 12 extends from one end of the coil 21 to the electrode pad 31 via the first connecting part 5, the second movable part 4, and the second connecting part 7.
- the wiring 13 electrically connects the other end of the coil 21 and the electrode pad 32.
- the wiring 13 extends from the other end of the coil 21 to the electrode pad 32 via the first connection part 6, the second movable part 4, and the second connection part 8.
- Portions 12a and 13a of the wirings 12 and 13 passing through the first connecting portions 5 and 6 are made of, for example, a metal material such as tungsten.
- Other portions of the wirings 12 and 13 are made of a metal material such as aluminum, an aluminum-based alloy, and copper. In FIG. 1, the portions 12a and 13a are indicated by hatching.
- the wiring 14 electrically connects one end of the coil 22 and the electrode pad 33.
- the wiring 14 extends from one end of the coil 22 to the electrode pad 33 via the second connecting portion 7.
- the wiring 15 electrically connects the other end of the coil 22 and the electrode pad 34.
- the wiring 15 extends from the other end of the coil 22 to the electrode pad 34 via the second connecting portion 8.
- the mirror device 1 ⁇ / b> A configured as described above, when a drive signal for linear operation is input to the coil 22 via the electrode pads 33 and 34 and the wirings 14 and 15, the mirror device 1 ⁇ / b> A
- the Lorentz force acts on the coil 22 by the interaction.
- the mirror surface 10 (the first movable portion 3) can be linearly operated together with the second movable portion 4 around the Y axis. .
- the first movable portion 3 is swung around each of the X axis and the Y axis.
- the first movable portion 3 is swung only around the first movable portion 3.
- the main body 3a of the first movable section 3 is formed in a circular shape in plan view.
- the main body 3a is connected to the frame 3b on both sides on the X axis and both sides on the Y axis.
- the second movable portion 4 has a rectangular outer shape in plan view.
- the second connecting portions 7 and 8 are arranged on both sides of the second movable portion 4 on the X axis.
- the second connecting portions 7 and 8 are arranged on the X axis so that the first movable portion 3 can swing around the X axis by vibrating the second movable portion 4. And are connected to each other.
- Each of the second connecting portions 7 and 8 is twisted around the X axis when the second movable portion 4 vibrates.
- the mirror device 1B does not include the coil 21, the wirings 12, 13 and the electrode pads 31, 32, and includes a coil 22, a coil (electromotive force monitoring coil, sensing coil) 24, and a plurality of wirings 14, 15,. 16 and 17 and a plurality of electrode pads 33, 34, 35 and 36.
- the coil 24 is, for example, embedded in the frame 3b of the first movable portion 3, and extends in a spiral shape in plan view.
- the coil 24 is made of, for example, a metal material such as copper.
- the wiring 16 electrically connects one end of the coil 24 and the electrode pad 35.
- the wiring 17 extends from one end of the coil 24 to the electrode pad 35 via the first connecting part 5, the second movable part 4, and the second connecting part 7.
- the wiring 17 electrically connects the other end of the coil 24 and the electrode pad 36.
- the wiring 17 extends from the other end of the coil 24 to the electrode pad 36 via the first connection part 6, the second movable part 4, and the second connection part 8.
- the mirror device 1B when a drive signal for resonance operation is input to the coil 22 via the electrode pads 33 and 34 and the wirings 14 and 15, Lorentz is applied to the coil 22 by interaction with the magnetic field generated by the magnetic field generator 9. Force acts.
- the mirror surface 10 By utilizing the resonance of the first movable section 3 at the resonance frequency in addition to the Lorentz force, the mirror surface 10 (first movable section 3) can be caused to resonate around the X axis.
- the second movable section 4 slightly vibrates around the X axis at the frequency. This vibration is transmitted to the first movable portion 3 via the first connecting portions 5 and 6, so that the first movable portion 3 can swing around the X axis at the frequency.
- an electromotive force is generated in the coil 24 by the interaction with the magnetic field generated by the magnetic field generating unit 9 during the operation of the first movable unit 3. Therefore, by monitoring signals output from the electrode pads 35 and 36 via the wirings 16 and 17, the deflection angle of the first movable portion 3, that is, the deflection angle of the mirror surface 10 can be grasped.
- the coil 24 functions as an electromotive force monitoring coil.
- each part of the mirror device 1B will be further described with reference to FIGS.
- the structure around the first connecting portion 5 and the second connecting portion 7 will be described.
- the first connecting portion 6 and the second connecting portion 8 are similarly configured.
- the second connecting portion 7 has a first member 7a and a pair of second members 7b.
- the first member 7a and the pair of second members 7b extend along the X-axis, respectively, and connect the second movable portion 4 and the support portion 2 to each other.
- the first member 7a and the pair of second members 7b are arranged, for example, along a direction parallel to the Y axis.
- the first member 7a is arranged on the X axis, and the pair of second members 7b is arranged so as to sandwich the first member 7a between each other.
- the first member 7a and the pair of second members 7b are arranged, for example, at equal intervals so as to be close to each other.
- the first member 7a and the pair of second members 7b are formed, for example, in the same shape.
- Each second member 7b functions as a vibration suppressing unit that suppresses the vibration of the second movable unit 4 around the X axis.
- the support portion 2 is provided with a concave portion 2a located on the X axis, and the first member 7a and the pair of second members 7b are connected to the support portion 2 at the concave portion 2a.
- the size of the mirror device 1B can be reduced while securing the lengths of the first member 7a and the pair of second members 7b.
- the torsional spring constant of the second connecting portion 7 around the X axis is smaller than the torsional spring constant of the first connecting portion 5 around the X axis.
- the torsional spring constant of the second connecting portion 7 around the X axis is a torsional spring constant around the X axis of the entire second connecting portion 7 constituted by the first member 7a and the pair of second members 7b.
- the total length of the second connecting part 7 is shorter than the total length of the first connecting part 5.
- the entire length of the second connecting portion 7 is shorter than ⁇ of the entire length of the first connecting portion 5.
- the total length of the second connecting portion 7 is a total length obtained by adding the lengths of the first member 7a and the pair of second members 7b.
- the lengths of the first member 7a and the pair of second members 7b are equal to each other.
- a portion of the wiring 16 located on the first connecting portion 5 is constituted by a diffusion region 41 in which impurities are diffused in a semiconductor material.
- the diffusion region 41 is formed, for example, by diffusing an n-type impurity into the surface of a p-type silicon substrate.
- the wiring 16 includes an inner portion 16a that electrically connects one end 41a of the diffusion region 41 and the coil 24, and an outer portion 16b that electrically connects the other end 41b of the diffusion region 41 and the coil 24. And further.
- the diffusion region 41 extends from the first connecting portion 5 to the first movable portion 3, and is connected to the inner portion 16 a on the first movable portion 3. Further, the diffusion region 41 extends from the first connecting portion 5 to the second movable portion 4, and is connected to the outer portion 16 b on the second movable portion 4. The outer portion 16b extends through the first member 7a of the second connecting portion 7 and is connected to the electrode pad 35. Similarly, the wiring 14 extending from the coil 22 extends to pass through the first member 7 a of the second connecting portion 7 and is connected to the electrode pad 33.
- the width of the end 41a increases as the distance from the coil 24 increases, and the width of the end 41b increases as the distance from the coil 22 increases.
- the end portions 41a and 41b each have an outer shape along a pair of widened portions 5b of the first connecting portion 5.
- Each of the width W1 of the end portion 41a and the width W2 of the end portion 41b is wider than the width W3 of the first connecting portion 5. That is, each of the widths W1 and W2 is wider than the width of the diffusion region 41 on the first connecting portion 5.
- the width of each part of the diffusion region 41 is the maximum width in a plan view, and is the width in a direction perpendicular to the extending direction of the diffusion region 41 (in this example, a direction parallel to the Y axis).
- the width of the first connecting portion 5 is a minimum width in a plan view, and is, for example, a linear portion 5a in a direction perpendicular to the extending direction of the first connecting portion 5 (in this example, a direction parallel to the Y axis). Is the width of The first connecting portion 5 is a portion that is torsionally deformed around the X axis when the first movable portion 3 swings around the X axis. In the mirror device 1B, the first connecting portion 5 is a pair of widened portions. 5b.
- the first movable portion 3 is provided with a groove 42a having a shape corresponding to the coil 24, and the second movable portion 4 is provided with a groove 42b having a shape corresponding to the coil 22.
- Insulating layers 43 and 44 are provided on the inner surfaces of the grooves 42a and 42b, and insulating layers 45 and 46 are provided on the insulating layer 44.
- the coil 24 is disposed in the groove 42 via the insulating layers 43 and 44.
- Each of the insulating layers 43 to 46 is made of, for example, silicon dioxide, silicon nitride or the like.
- the inner portion 16a and the outer portion 16b of the wiring 16 are disposed on the insulating layer 45.
- the inner portion 16a and the outer portion 16b are formed so as to enter an opening 47 penetrating the insulating layers 43 to 45, and are connected to the diffusion region 41 at the opening 47.
- the inner portion 16a and the outer portion 16b each have a first layer 48 and a second layer 49 disposed on the first layer 48.
- the first layer 48 functions as a contact layer that contacts the diffusion region 41 and also functions as a barrier layer that prevents the metal element included in the second layer 49 from diffusing into the silicon substrate.
- the first layer 48 is made of, for example, a metal material such as tungsten, titanium nitride, molybdenum, tantalum, or tantalum nitride.
- the second layer 49 is made of, for example, a metal material such as an aluminum alloy and copper.
- Each of the width W4 of the contact portion between the diffusion region 41 and the inner portion 16a and the width W5 of the contact portion between the diffusion region 41 and the outer portion 16b is wider than the width W3 of the first connecting portion 5.
- the width of these contact portions is a width in a direction perpendicular to the extending direction of the first connecting portion 5 in a plan view (in this example, a direction parallel to the Y axis).
- FIG. 5A is a diagram illustrating an example of the relationship between the angular frequency (angular frequency) of the drive signal and the deflection angles of the first movable portion 3 and the second movable portion 4 around the X axis.
- (B) is a figure showing other examples of the relation concerned. 5A and 5B, the deflection angle of the first movable portion 3 is indicated by a solid line, and the deflection angle of the second movable portion 4 is indicated by a broken line.
- the support portion 2 As shown in FIGS. 5A and 5B, in the mirror devices 1A and 1B, the support portion 2, the first movable portion 3, the second movable portion 4, the first connection portions 5, 6, and the second connection.
- the two-degree-of-freedom vibration system constituted by the parts 7 and 8 has two resonance points A and B for vibration around the X axis. However, in the two-degree-of-freedom vibration system, only the vibration around the X axis is considered, and the vibration around the Y axis is not considered.
- the natural angular frequency ⁇ 1 at the resonance point A and the natural angular frequency ⁇ 2 (where ⁇ 1 ⁇ 2 ) at the resonance point B are determined for the vibrations of the first movable part 3 and the second movable part 4 around the X axis. Is the natural angular frequency of The resonance point A can be used when operating the mirror surface 10 at a relatively small frequency.
- the resonance point B can be used when operating the mirror surface 10 at a relatively large frequency.
- FIG. 6A shows the relationship between the deflection angles of the first movable part 3 and the second movable part 4 when the mirror surface 10 is operated at the resonance point A in FIG.
- FIG. 6B shows the relationship between the deflection angles of the first movable portion 3 and the second movable portion 4 when the mirror surface 10 is operated at the resonance point B of FIG. 5A.
- the second movable part 4 when the mirror surface 10 is operated at the resonance point A, the second movable part 4 hardly rotates while the first movable part is rotated.
- the first movable part 3 and the second movable part 4 rotate by the same degree. From the viewpoint of high efficiency, regardless of whether the mirror surface 10 is operated at any one of the resonance points A and B, it is necessary that the deflection angle of the first movable portion 3 is large while the deflection angle of the second movable portion 4 is small. preferable.
- FIG. 7A is a schematic plan view of an exemplary mirror device 1C
- FIG. 7B is a diagram illustrating a vibration model of the mirror device 1C.
- ⁇ i is the swing angle of the first movable portion 3 (the torsion angle of each of the first connecting portions 5 and 6) (rad), and j i is the moment of inertia (kgm 2 ) of the first movable portion 3.
- k i is the torsional spring constant of the first coupling part 5,6 (Nm / rad)
- c i is the viscous damping coefficient of the first movable section 3 (Ns / m)
- T i the first movable Is the torque (Nm) acting on the portion 3
- ⁇ o is the deflection angle of the second movable portion 4 (the torsion angle of each of the second connecting portions 7, 8) (rad)
- jo is the second movable portion 4 moment of inertia is (kgm 2)
- k o is the torsional spring constant of each second connecting portion 7,8 (Nm / rad)
- T o is the torque (Nm) acting on the second movable portion 4
- omega is the angular frequency of the drive signal (rad / s)
- t is the time (s) That.
- the amplitude ratio ⁇ i / ⁇ o is represented by the following equation (20).
- zeta o is, for example, 0.01 or less, much smaller than 1.
- FIG. 8A shows the relationship between 1 ⁇ ( ⁇ 1 / ⁇ ii ) 2 and the amplitude ratio ⁇ i / ⁇ o
- FIG. 8B shows the relationship between the second connecting portions 7 and 8.
- the relationship between the torsion spring constant k o and the amplitude ratio ⁇ i / ⁇ o is shown.
- the amplitude ratio can be set to 5 or more.
- the amplitude ratio is increased. Therefore, by increasing the torsional spring constant k o, it is possible to secure a large amplitude ratio.
- FIGS. 9A and 9B are graphs showing a relationship between numerical values when the mirror surface 10 is operated at the natural angular frequency ⁇ 2 in the case of the outside driving.
- FIG. 9 (a) ( ⁇ 2 / ⁇ ii) 2 -1 and have the indicated relationship between the amplitude ratio ⁇ i / ⁇ o
- FIG. 9 (b) the twisting of the second connecting portions 7 and 8
- the relationship between the spring constant k o and the amplitude ratio ⁇ i / ⁇ o is shown.
- the amplitude ratio can be set to 5 or more.
- FIG. 9 (b) as the torsion spring constant k o is increased, the amplitude ratio decreases. Therefore, by reducing the torsional spring constant k o, it is possible to secure a large amplitude ratio.
- FIGS. 10A and 10B are graphs showing a relationship between numerical values in the case of the inside driving.
- Figure 10 (a) the illustrated relationship between 4 ⁇ io 2 / ( ⁇ oo 2 - ⁇ 1 2) and amplitude ratio ⁇ i / ⁇ o when operating the mirror surface 10 at the natural angular frequency omega 1 cage
- FIG. 10 (b) the relationship between the ( ⁇ oo 2 - ⁇ 2 2) / ⁇ io 2 and amplitude ratio ⁇ i / ⁇ o when operating the mirror surface 10 at the natural angular frequency omega 2 is shown Have been.
- the amplitude ratio can be set to 5 or more. Also, when operating the mirror surface 10 at the natural angular frequency omega 1 in the case of the inner drive, as in the case of outer drive (FIG. 8 (b)), as the torsion spring constant k o is increased, the amplitude ratio To increase. Therefore, by increasing the torsional spring constant k o, it is possible to secure a large amplitude ratio.
- the amplitude ratio can be set to 5 or more. Also, when operating the mirror surface 10 at the natural angular frequency omega 2 in the case of the inner drive, as in the case of outer drive (FIG. 9 (b)), as the torsion spring constant k o is increased, the amplitude ratio Decrease. Therefore, by reducing the torsional spring constant k o, it is possible to secure a large amplitude ratio.
- the two natural angular frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 satisfy only Expression (33) (first expression) and satisfy Expression (32) (second expression). Therefore, by swinging the first movable portion 3 and the second movable portion 4 at the natural angular frequency ⁇ 2 , the amplitude ratio can be set to 5 or more. Therefore, a large amplitude ratio can be secured, and the operation can be performed with high efficiency. Further, since only the expression (33) is satisfied and the expression (32) is not satisfied, a large difference between the natural angular frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 can be ensured, and unnecessary resonance response is reduced. The operation can be stabilized and suppressed. Therefore, according to the mirror device 1A, a highly efficient and stable operation can be realized.
- Expression (33) first expression
- Expression (32) second expression
- the two natural angular frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 satisfy only Expression (22) (first expression) and do not satisfy Expression (23) (second expression).
- Expression (22) first expression
- Expression (23) second expression
- each of the second connecting portions 7 and 8 connects the second movable portion 4 and the support portion 2 to each other so that the second movable portion 4 can swing around the Y axis. Therefore, the second movable part 4 can be swung around the Y axis together with the first movable part 3.
- the torsional spring constant of each of the second connecting portions 7, 8 around the X axis is larger than the torsional spring constant of each of the first connecting portions 5, 6 around the X axis. Therefore, a larger amplitude ratio can be ensured.
- the total length of each of the second connecting portions 7, 8 is shorter than the total length of each of the first connecting portions 5, 6. Therefore, the torsional spring constant of the second connecting portions 7 and 8 can be suitably set to be larger than that of the first connecting portions 5 and 6. Furthermore, the size of the mirror device 1B can be reduced by increasing the torsional spring constant of the second connecting portions 7, 8 by shortening the length instead of increasing the cross-sectional area of the second connecting portions 7, 8. At the same time, a large amplitude ratio can be ensured.
- the first member 7a and the pair of second members 7b are arranged side by side along a direction parallel to the Y axis. Therefore, the torsional spring constant of the second connecting portions 7 and 8 can be more suitably set to be larger than that of the first connecting portions 5 and 6.
- each of the second connecting portions 7 and 8 includes a first member 7a arranged on the X axis and a pair of second members 7b arranged so as to sandwich the first member 7a therebetween. ,have. Therefore, the torsional spring constant of the second connecting portions 7 and 8 can be more suitably set to be larger than that of the first connecting portions 5 and 6.
- the wirings 14, 16 are arranged so as to pass through the first member 7a. Since the wirings 14 and 16 are arranged so as to pass through the first member 7a having a smaller stress acting on the second movable portion 4 when vibrating than the second member 7b, the wirings 14 and 16 in the second connecting portion 7 Deterioration can be suppressed.
- the torsional spring constant of each of the second connecting portions 7 and 8 around the X axis is smaller than the torsional spring constant of each of the first connecting portions 5 and 6 around the X axis. Therefore, a larger amplitude ratio can be ensured.
- the total length of each of the second connecting portions 7, 8 is longer than the total length of each of the first connecting portions 5, 6.
- the torsional spring constant of the second connecting portions 7 and 8 can be suitably made smaller than the torsional spring constant of the first connecting portions 5 and 6.
- each of the second connecting portions 7, 8 extends in a meandering manner. Therefore, the torsional spring constants of the second connecting portions 7 and 8 can be more preferably made smaller than the torsional spring constants of the first connecting portions 5 and 6. Further, since the second connecting portions 7 and 8 extend in a meandering manner, the shock resistance is improved as compared with a case where the second connecting portions 7 and 8 extend linearly, for example. can do.
- the support portion 2, the first movable portion 3, the second movable portion 4, the first connecting portions 5, 6, and the second connecting portions 7, 8 are constituted by semiconductor substrates. Also in the mirror devices 1A and 1B configured as described above, highly efficient and stable operation can be realized.
- a portion of the wiring 16 located on each of the first connecting portions 5 and 6 is constituted by a diffusion region 41 in which an impurity is diffused in a semiconductor material.
- a relatively large stress acts on the portion of the wiring 16 located on the first connecting portions 5 and 6 when the first movable portion 3 swings.
- the portion is constituted by the diffusion region 41, It is possible to suppress the deterioration of the wiring in the one connecting portion 5, 6. That is, when the portion is formed of the diffusion region 41, for example, metal fatigue, cracking, and the like can be suppressed, and reliability can be improved, as compared with a case where the portion is formed of metal. .
- the wiring 16 is connected to the electromotive force monitoring coil 24, a relatively small current flows through the wiring 16 as compared to, for example, the wiring connected to the driving coil. Therefore, the wiring 16 does not need to have an extremely low resistance.
- the width of the diffusion region 41 (the width W1 of the end portion 41a and the width W2 of the end portion 41b) in the first movable portion 3 and the second movable portion 4 is equal to the diffusion region 41 in the first connection portions 5 and 6. Wider than the width. Therefore, the resistance of the wiring 16 can be reduced.
- an inner portion 16a located on the first movable portion 3 and an outer portion 16b located on the second movable portion 4 are made of a metal material.
- Each of the width W4 of the contact portion between the diffusion region 41 and the inner portion 16a and the width W5 of the contact portion between the diffusion region 41 and the outer portion 16b are larger than the width W3 of each of the first connecting portions 5 and 6. . Therefore, the resistance of the wiring 16 can be further reduced. Further, even if a positional shift occurs during manufacturing or the like, the diffusion region 41 can be reliably electrically connected to each of the inner portion 16a and the outer portion 16b.
- the first movable section 3 may be caused to perform a resonance operation by applying a driving force to the second movable section 4. That is, the structure of the mirror device 1A may be used for driving outside.
- the first movable portion 3 may not be provided with the coil 21, and the second movable portion 4 may be provided with a coil for resonance operation of the first movable portion 3 in addition to the coil 22.
- the resonance of the first movable unit 3 at the resonance frequency is used.
- the mirror surface 10 can be caused to resonate around the X axis.
- a coil for resonance operation may not be provided, and the coil 22 may be used as a coil for linear operation of the second movable unit 4 and a coil for resonance operation of the first movable unit 3.
- Such a mirror device is designed and manufactured so that only the above equation (23) is satisfied, but not the equation (22).
- the amplitude ratio can be set to 5 or more. Further, a large difference between the natural angular frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 can be ensured, and unnecessary resonance response can be suppressed to stabilize the operation.
- the first movable section 3 may be caused to resonate by applying a driving force to the first movable section 3. That is, the structure of the mirror device 1B may be used for inner driving.
- the coil 22 may not be provided in the second movable section 4, and a driving coil may be provided in the first movable section 3 instead of or in addition to the coil 24.
- the resonance of the first movable unit 3 at the resonance frequency is used.
- the mirror surface 10 can be caused to resonate around the X axis.
- Such a mirror device is designed and manufactured so that only the above equation (32) is satisfied, but not the equation (33).
- the mirror surface 10 by operating the mirror surface 10 at the natural angular frequency omega 1, it is possible to make the amplitude ratio of 5 or more. Further, a large difference between the natural angular frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 can be ensured, and unnecessary resonance response can be suppressed to stabilize the operation.
- the mirror surface 10 is driven by an electromagnetic force, but the mirror surface 10 may be driven by a piezoelectric element or an electrostatic force. In this case, another driving element such as a piezoelectric film or an electrostatic comb is provided instead of the coil.
- the second connecting portions 7, 8 may extend along the X axis, and may connect the second movable portion 4 and the support portion 2 to each other on the X axis. Even in this case, the first movable portion 3 can be swung around each of the X axis and the Y axis.
- the second connecting portions 7 and 8 connect the second movable portion 4 and the support portion 2 such that the second movable portion 4 can swing around a second axis crossing the first axis. They may be connected to each other. That is, the second axis does not necessarily have to be orthogonal to the first axis.
- the second member 7b may extend obliquely with respect to the X axis. The second member 7b may extend along a direction parallel to the Y axis to connect the second movable section 4 and the support section 2 to each other.
- the lower limit value of the amplitude ratio is set to 5, but the lower limit value may be set to 10.
- the coil 24 may be used as a temperature detection coil (sensing coil).
- the driving unit (the coil 21, the driving element) for applying a driving force to the first movable unit 3 is provided in the first movable unit 3. And / or may be provided on the first connecting portions 5 and 6, for example, may be provided on each of the first connecting portions 5 and 6.
- the driving unit (the coil 22 and the driving element) for applying a driving force to the second movable unit 4 is provided in the second movable unit 4. It may be provided on the portion 4 and / or the second connecting portions 7 and 8. For example, it may be provided on each of the second connecting portions 7 and 8.
- a first driving element for example, a coil
- a second drive element for directly applying a drive force to the second movable portion 4 may be provided on the second movable portion 4 and / or the second connecting portions 7 and 8. .
- the driving force directly acting on the first movable part 3 by the first driving element and the second movable part 4 being vibrated by the second driving element are indirectly connected to the first movable part 3.
- the mirror surface 10 (the first movable portion 3) can be caused to resonate around the X-axis by using both of the driving forces acting on each other (in cooperation with each other).
- the first movable portion 3 is provided with a coil for swinging the first movable portion 3 around the X axis
- the second movable portion 4 is provided with a coil.
- a coil for swinging the second movable section 4 around the Y axis and a coil for swinging the first movable section 3 around the X axis by vibrating the second movable section 4 are provided.
- the first movable portion 3 is provided with a coil for swinging the first movable portion 3 around the X axis
- the second movable portion 4 is provided with a coil.
- a coil for swinging the first movable section 3 around the X axis by vibrating the second movable section 4 is provided.
- the mirror surface 10 (the first movable portion 3) is rotated around the X axis by using the driving force directly acting on the first movable portion 3 by the first drive element.
- the materials and shapes of the components are not limited to the materials and shapes described above, and various materials and shapes can be adopted.
- the first movable portion 3 and the second movable portion 4 may have an arbitrary outer shape such as a substantially circular shape, a substantially elliptical shape, a substantially square shape, or a substantially diamond shape in plan view.
- the frame part 3b may not be provided, and the first connection parts 5, 6 may be directly connected to the main body part 3a. At least one of the pair of widened portions 5b may not be provided in the first connecting portion 5, and at least one of the pair of widened portions 6b may not be provided in the first connecting portion 6.
- the first movable section 3 may have an optical surface other than the mirror surface 10, and may have, for example, a diffraction grating surface. That is, the actuator device of the present disclosure may be a device for driving other than the mirror surface 10.
- the first movable portion 3 is swung around each of the X axis and the Y axis orthogonal to each other.
- the first movable part 3 is formed in an elliptical shape in plan view.
- the first connecting portions 5 and 6 extend linearly along the X axis.
- the second connecting portions 7 and 8 extend linearly along the Y axis.
- the second movable portion 4 has a frame portion 4a surrounding the first movable portion 3, and an intermediate portion 4b connected to the frame portion 4a.
- the frame portion 4a has a quadrangular outer shape in plan view.
- the intermediate portion 4b has, for example, a substantially rectangular outer shape in plan view, and is formed in a frame shape.
- the intermediate portion 4b has a pair of first portions 4b1 and a pair of second portions 4b2 respectively connected to the pair of first portions 4b1.
- the pair of first portions 4b1 extend along a direction parallel to the X-axis, and face each other in the Y-axis direction.
- the pair of second portions 4b2 extend along a direction parallel to the Y-axis, and face each other in the X-axis direction.
- the width (the length in the Y-axis direction) of the first portion 4b1 is wider than the width (the length in the X-axis direction) of the second portion 4b2.
- the intermediate portion 4b is arranged inside the frame portion 4a, and is connected to the frame portion 4a at the first portion 4b1.
- the intermediate portion 4b is connected to the first connecting portions 5, 6 at the second portion 4b2.
- a pair of piezoelectric films 51 are provided as a driving unit for applying a driving force to the first movable unit 3.
- the pair of piezoelectric films 51 are respectively disposed on the pair of first portions 4b1 of the intermediate portion 4b.
- Each piezoelectric film 51 has, for example, a rectangular shape having a long side along a direction parallel to the X axis in plan view.
- the piezoelectric film 51 bends and deforms in the longitudinal direction.
- a driving force can be applied to the intermediate portion 4b (the second movable portion 4).
- the pair of piezoelectric films 51 are bent and deformed alternately.
- the rigidity of the intermediate portion 4b is smaller than the rigidity of the frame portion 4a, and the intermediate portion 4b is softer than the frame portion 4a.
- the driving of the first movable unit 3 in the mirror device 1D is an outside drive that causes the first movable unit 3 to perform a resonance operation by applying a driving force to the second movable unit 4.
- the case of operating the mirror surface 10 in the first natural angular frequency omega 1 is to design and manufacture the mirror device as equation (22) is satisfied
- the mirror device is designed and manufactured so as to satisfy Expression (23). Can be 5 or more.
- Expression (23) Can be 5 or more.
- the mirror device by designing and manufacturing the mirror device so that only one of the equations (22) and (23) is satisfied and the other is not, a large difference between the natural angular frequencies ⁇ 1 and ⁇ 2 is ensured.
- the operation can be stabilized by suppressing unnecessary resonance response.
- the mirror device 1D can realize a highly efficient and stable operation.
- the mirror device 1E of the second modification shown in FIG. 12 is different from the mirror device 1D in that the piezoelectric film 51 is disposed on the second portion 4b2 of the intermediate portion 4b. Specifically, a pair of piezoelectric films 51 are arranged on each of the pair of second portions 4b2 in a direction parallel to the Y axis. Also in the mirror device 1E, by controlling the deformation timing of each piezoelectric film 51, a driving force can be applied to the intermediate portion 4b (the second movable portion 4). Like the mirror device 1B, the mirror device 1E can realize a highly efficient and stable operation.
- 1A, 1B, 1C Mirror device (actuator device), 2 support portion, 3 first movable portion, 4 second movable portion, 5, 6 first connection portion, 7, 8 second connection portion, 7a: first member, 7b: second member, 9: magnetic field generating portion (driving portion), 14, 15, 16, 17, wiring, 16a: inner portion, 16b: outer portion, 41: diffusion region, 21: coil (Drive unit), 22: Coil (drive unit), 24: Coil (electromotive force monitoring coil, sensing coil).
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Abstract
アクチュエータ装置は、支持部と、第1可動部と、第2可動部と、第1軸線周りに第1可動部が揺動可能となるように、第1可動部と第2可動部とを互いに連結する第1連結部と、第2可動部を振動させることによって第1軸線周りに第1可動部が揺動可能となるように、第2可動部と支持部とを互いに連結する第2連結部と、第2可動部に駆動力を作用させる駆動部と、を備える。第1軸線周りの第1可動部及び第2可動部の振動についての2つの固有角振動数ω1,ω2(ただしω1<ω2)は、以下の式(1)及び式(2)の一方を満たし、他方を満たしていない。上記式において、ωii=(ki/ji)1/2であり、kiは、第1軸線周りの第1連結部の捩りばね定数であり、jiは、第1軸線周りの第1可動部の慣性モーメントである。
Description
本開示の一側面は、アクチュエータ装置、及びアクチュエータ装置の製造方法に関する。
MEMS(Micro Electro Mechanical Systems)デバイスとして、支持部と、第1可動部と、第1可動部を囲む第2可動部と、第1軸線上において第1可動部と第2可動部とを互いに連結する一対の第1連結部と、第1軸線上において第2可動部と支持部とを互いに連結する一対の第2連結部と、を備えるアクチュエータ装置が知られている(例えば特許文献1参照)。特許文献1に記載のアクチュエータ装置では、第1可動部に光反射部が設けられており、交流電圧の印加によって第2可動部が第1軸線周りに回転し、それに伴って第1可動部が第1軸線周りに回転する。
上述したようなアクチュエータ装置では、高効率化の観点から、第2可動部の振れ角に対する第1可動部の振れ角の比が大きいことが好ましい。また、上述したようなアクチュエータ装置には、安定的な動作が求められる。
本開示の一側面は、高効率かつ安定的な動作を実現することができるアクチュエータ装置、及びそのようなアクチュエータ装置の製造方法を提供することを目的とする。
本開示の一側面に係るアクチュエータ装置は、支持部と、第1可動部と、第1可動部を囲む枠状の第2可動部と、第1軸線周りに第1可動部が揺動可能となるように、第1可動部と第2可動部とを互いに連結する第1連結部と、第2可動部を振動させることによって第1軸線周りに第1可動部が揺動可能となるように、第2可動部と支持部とを互いに連結する第2連結部と、第2可動部に駆動力を作用させる駆動部と、を備え、第1軸線周りの第1可動部及び第2可動部の振動についての2つの固有角振動数ω1,ω2(ただしω1<ω2)は、以下の第1式(1)及び第2式(2)の一方を満たし、他方を満たしていない。
上記式において、ωii=(ki/ji)1/2であり、kiは、第1軸線周りの第1連結部の捩りばね定数であり、jiは、第1軸線周りの第1可動部の慣性モーメントである。
本開示の一側面に係るアクチュエータ装置は、支持部と、第1可動部と、第1可動部を囲む枠状の第2可動部と、第1軸線周りに第1可動部が揺動可能となるように、第1可動部と第2可動部とを互いに連結する第1連結部と、第2可動部と支持部とを互いに連結する第2連結部と、第1可動部及び第1連結部の少なくとも一方に設けられ、第1可動部に駆動力を作用させる駆動部と、を備え、第1軸線周りの第1可動部及び第2可動部の振動についての2つの固有角振動数ω1,ω2(ただしω1<ω2)は、以下の第1式(3)及び第2式(4)の一方を満たし、他方を満たしていない。
上記式において、ωio=(ki/jo)1/2であり、ωoo=(ko/jo)1/2であり、kiは、第1軸線周りの第1連結部の捩りばね定数であり、koは、第1軸線周りの第2連結部の捩りばね定数であり、joは、第1軸線周りの第2可動部の慣性モーメントである。
これらのアクチュエータ装置では、2つの固有角振動数ω1,ω2が第1式を満たし、第2式を満たしていない場合、固有角振動数ω1で第1可動部及び第2可動部を揺動させることにより、第2可動部の振れ角に対する第1可動部の振れ角の比(以下、「振幅比」という)を5以上とすることができる。一方、2つの固有角振動数ω1,ω2が第2式を満たし、第1式を満たしていない場合、固有角振動数ω2で第1可動部及び第2可動部を揺動させることにより、振幅比を5以上とすることができる。したがって、いずれの場合にも、振幅比を大きく確保することができ、動作を高効率化することができる。更に、第1式及び第2式の一方のみが満たされており、他方は満たされていないことにより、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる。よって、これらのアクチュエータ装置によれば、高効率かつ安定的な動作を実現することができる。
第2連結部は、第1軸線と交差する第2軸線周りに第2可動部が揺動可能となるように、第2可動部と支持部とを互いに連結していてもよい。この場合、第2可動部を第1可動部と共に第2軸線周りに揺動させることができる。
2つの固有角振動数は、第1式を満たし、第2式を満たしておらず、第1軸線周りの第2連結部の捩りばね定数は、第1軸線周りの第1連結部の捩りばね定数よりも大きくてもよい。この場合、振幅比を一層大きく確保することができる。
第2連結部の全長は、第1連結部の全長よりも短くてもよい。この場合、第2連結部の捩りばね定数を第1連結部の捩りばね定数よりも好適に大きくすることができる。更に、第2連結部の断面積を大きくするのではなく、長さを短くすることによって第2連結部の捩りばね定数を大きくすることにより、アクチュエータ装置の小型化を図りつつ、振幅比を大きく確保することができる。
第2連結部は、それぞれが第2可動部と支持部とを互いに連結する複数の部材を有し、複数の部材は、第1軸線と交差する方向に沿って並んで配置されていてもよい。この場合、第2連結部の捩りばね定数を第1連結部の捩りばね定数よりも一層好適に大きくすることができる。
複数の部材は、第1軸線上に配置された第1部材と、互いの間に第1部材を挟むように配置された一対の第2部材と、を含んでいてもよい。この場合、第2連結部の捩りばね定数を第1連結部の捩りばね定数よりも一層好適に大きくすることができる。
本開示の一側面に係るアクチュエータ装置は、第2可動部から第2連結部を介して支持部に延在する配線を更に備え、配線は、第1部材を通るように配置されていてもよい。この場合、第2部材と比べて第2可動部の振動時に作用する応力が小さい第1部材を通るように配線が配置されているため、第2連結部における配線の劣化を抑制することができる。
2つの固有角振動数は、第2式を満たし、第1式を満たしておらず、第1軸線周りの第2連結部の捩りばね定数は、第1軸線周りの第1連結部の捩りばね定数よりも小さくてもよい。この場合、振幅比を一層大きく確保することができる。
第2連結部の全長は、第1連結部の全長よりも長くてもよい。この場合、第2連結部の捩りばね定数を第1連結部の捩りばね定数よりも好適に小さくすることができる。
第2連結部は、蛇行して延在していてもよい。この場合、第2連結部の捩りばね定数を第1連結部の捩りばね定数よりも一層好適に小さくすることができる。更に、第2連結部が蛇行して延在していることにより、例えば第2連結部が直線状に延在している場合と比べて、耐衝撃性を向上することができる。
支持部、第1可動部、第2可動部、第1連結部及び第2連結部は、半導体基板によって構成されていてもよい。このように構成されたアクチュエータ装置においても、高効率かつ安定的な動作を実現することができる。
本開示の一側面に係るアクチュエータ装置は、第1可動部に設けられたセンシング用コイルと、センシング用コイルに接続され、第1連結部を介して第2可動部に延在する配線と、を更に備え、第1連結部は、半導体材料によって構成されており、配線のうち第1連結部上に位置する部分は、半導体材料に不純物が拡散された拡散領域によって構成されていてもよい。この場合、配線のうち第1連結部上に位置する部分には第1可動部の揺動時に比較的大きな応力が作用するが、当該部分が拡散領域によって構成されているため、第1連結部における配線の劣化を抑制することができる。
拡散領域は、第1連結部から第1可動部及び第2可動部に延在しており、第1可動部及び第2可動部における拡散領域の幅は、第1連結部における拡散領域の幅よりも広くてもよい。この場合、配線を低抵抗化することができる。
配線のうち、第1可動部上に位置する部分及び第2可動部上に位置する部分は、金属材料によって構成されており、拡散領域と、第1可動部上に位置する部分及び第2可動部上に位置する部分の各々との接触部分の幅は、第1連結部の幅よりも広くてもよい。この場合、配線を一層低抵抗化することができる。また、製造時等に位置ずれが生じたとしても、拡散領域と、第1可動部上に位置する部分及び第2可動部上に位置する部分の各々とを確実に電気的に接続することができる。
本開示の一側面に係るアクチュエータ装置の製造方法は、支持部と、第1可動部と、第1可動部を囲む枠状の第2可動部と、第1軸線周りに第1可動部が揺動可能となるように、第1可動部と第2可動部とを互いに連結する第1連結部と、第2可動部を振動させることによって第1軸線周りに第1可動部が揺動可能となるように、第2可動部と支持部とを互いに連結する第2連結部と、第2可動部に駆動力を作用させる駆動部と、を備えるアクチュエータ装置の製造方法であって、第1軸線周りの第1可動部及び第2可動部の振動についての2つの固有角振動数ω1,ω2(ただしω1<ω2)が、以下の式(5)及び式(6)の一方を満たし、他方を満たさないように、アクチュエータ装置を製造する。
上記式において、ωii=(ki/ji)1/2であり、kiは、第1軸線周りの第1連結部の捩りばね定数であり、jiは、第1軸線周りの第1可動部の慣性モーメントである。
本開示の一側面に係るアクチュエータ装置の製造方法は、支持部と、第1可動部と、第1可動部を囲む枠状の第2可動部と、第1軸線周りに第1可動部が揺動可能となるように、第1可動部と第2可動部とを互いに連結する第1連結部と、第2可動部と支持部とを互いに連結する第2連結部と、第1可動部及び第1連結部の少なくとも一方に設けられ、第1可動部に駆動力を作用させる駆動部と、を備えるアクチュエータ装置の製造方法であって、第1軸線周りの第1可動部及び第2可動部の振動についての2つの固有角振動数ω1,ω2(ただしω1<ω2)が、以下の式(7)及び式(8)の一方を満たし、他方を満たさないように、アクチュエータ装置を製造する。
上記式において、ωio=(ki/jo)1/2であり、ωoo=(ko/jo)1/2であり、kiは、第1軸線周りの第1連結部の捩りばね定数であり、koは、第1軸線周りの第2連結部の捩りばね定数であり、joは、第1軸線周りの第2可動部の慣性モーメントである。
これらの製造方法により製造されるアクチュエータ装置によれば、上述した理由により、高効率かつ安定的な動作を実現することができる。
本開示の一側面によれば、高効率かつ安定的な動作を実現することができるアクチュエータ装置、及びそのようなアクチュエータ装置の製造方法を提供することが可能となる。
以下、本開示の一実施形態について、図面を参照しつつ詳細に説明する。なお、以下の説明において、同一又は相当要素には同一符号を用い、重複する説明を省略する。
[第1実施形態]
[第1実施形態]
図1に示されるように、第1実施形態のミラー装置1Aは、支持部2と、第1可動部3と、第2可動部4と、一対の第1連結部5,6と、一対の第2連結部7,8と、磁界発生部9と、を備えている。支持部2、第1可動部3、第2可動部4、第1連結部5,6及び第2連結部7,8は、例えば、SOI(Silicon on Insulator)基板等の半導体基板によって一体的に形成されている。つまり、ミラー装置1Aは、MEMSデバイスとして構成されている。
ミラー装置1Aでは、互いに直交するX軸(第1軸線)及びY軸(第1軸線に垂直な第2軸線)の各々の周りに、ミラー面(光学面)10を有する第1可動部3が揺動させられる。ミラー装置1Aは、例えば、光通信用光スイッチ、光スキャナ等に用いられ得る。磁界発生部9は、例えば、ハルバッハ配列がとられた永久磁石等によって構成されている。
支持部2は、例えば、平面視において四角形状の外形を有し、枠状に形成されている。支持部2は、磁界発生部9に対してX軸及びY軸に垂直な方向における一方側に配置されている。第1可動部3は、磁界発生部9から離間した状態で、支持部2の内側に配置されている。なお、「平面視」とは、X軸及びY軸に垂直な方向から見た場合を意味し、換言すれば、支持部2、第1可動部3及び第2可動部4等が配置される平面に垂直な方向から見た場合を意味する。
第1可動部3は、本体部3aと、本体部3aを囲む枠部3bと、を有している。本体部3aは、例えば、平面視において楕円形状に形成されている。本体部3aにおける磁界発生部9とは反対側の表面には、例えば、円形状のミラー面10が設けられている。ミラー面10は、例えば、アルミニウム、アルミニウム系合金、銀、銀系合金、金、誘電体多層膜等からなる反射膜によって構成されている。枠部3bは、例えば、平面視において四角形状の外形を有し、枠状に形成されている。本体部3aは、Y軸上における両側において枠部3bに接続されている。
第2可動部4は、例えば、平面視において八角形状の外形を有し、枠状に形成されている。第2可動部4は、磁界発生部9から離間した状態で、第1可動部3を囲むように支持部2の内側に配置されている。
第1連結部5,6は、X軸上における第1可動部3の両側に配置されている。各第1連結部5,6は、第1可動部3がX軸周りに(X軸を中心線として)揺動可能となるように、X軸上において第1可動部3と第2可動部4とを互いに連結している。各第1連結部5,6は、第1可動部3がX軸周りに揺動する際に、X軸周りに捩れ変形する。各第1連結部5,6は、例えば、X軸に沿って直線状に延在している。各第1連結部5,6は、例えば、X軸及びY軸に垂直な平面に沿って延在する板状に形成されている。
第1連結部5は、X軸に沿って延在すると共に一定の幅を有する直線状部5aと、直線状部5aの両端に接続された一対の拡幅部5bと、を有している。平面視において、一方の拡幅部5bの幅は、第1可動部3に近づくほど広がっており、他方の拡幅部5bの幅は、第2可動部4に近づくほど広がっている。各拡幅部5bの一対の縁は、互いに向けて凸となるように湾曲している。
第1連結部6は、X軸に沿って延在すると共に一定の幅を有する直線状部6aと、直線状部6aの両端に接続された一対の拡幅部6bと、を有している。平面視において、一方の拡幅部6bの幅は、第1可動部3に近づくほど広がっており、他方の拡幅部6bの幅は、第2可動部4に近づくほど広がっている。各拡幅部6bの一対の縁は、互いに向けて凸となるように湾曲している。
第2連結部7,8は、Y軸上における第2可動部4の両側に配置されている。各第2連結部7,8は、第2可動部4がY軸周りに(Y軸を中心線として)揺動可能となるように、Y軸上において第2可動部4と支持部2とを互いに連結している。各第2連結部7,8は、第2可動部4がY軸周りに揺動する際に、Y軸周りに捩れ変形する。各第2連結部7,8は、平面視において蛇行して延在している。各第2連結部7,8は、複数の直線状部11aと、複数の折り返し部11bと、を有している。複数の直線状部11aは、それぞれY軸方向に沿って延在し、X軸方向に並んで配置されている。複数の折り返し部11bは、隣り合う直線状部11aの両端を交互に連結している。
X軸周りの各第2連結部7,8の捩りばね定数は、X軸周りの各第1連結部5,6の捩りばね定数よりも小さい。X軸周りの各第1連結部5,6の捩りばね定数とは、X軸周りの各第1連結部5,6の捩れ角度に対する、各第1連結部5,6に作用するX軸周りの捩りモーメントの比である。X軸周りの各第2連結部7,8の捩りばね定数とは、X軸周りの各第2連結部7,8の捩れ角度に対する、各第2連結部7,8に作用するX軸周りの捩りモーメントの比である。
各第2連結部7,8の全長は、各第1連結部5,6の全長よりも長い。各第1連結部5,6の全長とは、各第1連結部5,6の延在方向(この例では、X軸に沿った方向)に沿っての全長である。第2連結部7の全長とは、第2連結部7の延在方向に沿っての全長であり、この例では、各直線状部11a及び各折り返し部11bを含む各部分の長さを足し合わせた総長さである。この点は、第2連結部8の全長についても同様である。
ミラー装置1Aは、コイル(駆動用コイル)21,22と、複数の配線12,13,14,15と、複数の電極パッド31,32,33,34と、を更に備えている。コイル21は、例えば、第1可動部3の枠部3bに埋め込まれており、平面視において渦巻き状に延在している。コイル22は、例えば、第2可動部4に埋め込まれており、平面視において渦巻き状に延在している。各コイル21,22は、例えば銅等の金属材料によって構成されている。図1では、コイル21,22の配置領域がハッチングで示されている。
複数の電極パッド31,32,33,34は、支持部2に設けられ、絶縁層23から外部に露出している。絶縁層23は、支持部2、第1可動部3、第2可動部4、第1連結部5,6及び第2連結部7,8の表面(磁界発生部9とは反対側の表面)を覆うように一体的に形成されている。絶縁層23は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン等によって構成されている。
配線12は、コイル21の一端と電極パッド31とを電気的に接続している。配線12は、コイル21の一端から第1連結部5、第2可動部4及び第2連結部7を介して電極パッド31に延在している。配線13は、コイル21の他端と電極パッド32とを電気的に接続している。配線13は、コイル21の他端から第1連結部6、第2可動部4及び第2連結部8を介して電極パッド32に延在している。配線12,13のうち、第1連結部5,6を通る部分12a,13aは、例えば、タングステン等の金属材料によって構成されている。配線12,13の他の部分は、例えば、アルミニウム、アルミニウム系合金、銅等の金属材料によって構成されている。図1では、部分12a,13aがハッチングで示されている。
配線14は、コイル22の一端と電極パッド33とを電気的に接続している。配線14は、コイル22の一端から第2連結部7を介して電極パッド33に延在している。配線15は、コイル22の他端と電極パッド34とを電気的に接続している。配線15は、コイル22の他端から第2連結部8を介して電極パッド34に延在している。
以上のように構成されたミラー装置1Aでは、電極パッド33,34及び配線14,15を介してコイル22にリニア動作用の駆動信号が入力されると、磁界発生部9が発生する磁界との相互作用によってコイル22にローレンツ力が作用する。当該ローレンツ力と第2連結部7,8の弾性力とのつり合いを利用することで、Y軸周りにミラー面10(第1可動部3)を第2可動部4と共にリニア動作させることができる。
一方、電極パッド31,32及び配線12,13を介してコイル21に共振動作用の駆動信号が入力されると、磁界発生部9が発生する磁界との相互作用によってコイル21にローレンツ力が作用する。当該ローレンツ力に加え、共振周波数での第1可動部3の共振を利用することで、X軸周りにミラー面10(第1可動部3)を共振動作させることができる。すなわち、ミラー装置1Aでは、コイル21と磁界発生部9とによって、第1可動部3に直接的に駆動力(ローレンツ力)を作用させる駆動部が構成されており、コイル22と磁界発生部9とによって、第2可動部4に直接的に駆動力(ローレンツ力)を作用させる駆動部が構成されている。
[第2実施形態]
[第2実施形態]
第1実施形態のミラー装置1Aでは、X軸及びY軸の各々の周りに第1可動部3が揺動させられたが、図2に示される第2実施形態のミラー装置1Bでは、X軸周りのみに第1可動部3が揺動させられる。ミラー装置1Bでは、第1可動部3の本体部3aは、平面視において円形状に形成されている。本体部3aは、X軸上における両側及びY軸上における両側において、枠部3bに接続されている。第2可動部4は、平面視において四角形状の外形を有している。
第2連結部7,8は、X軸上における第2可動部4の両側に配置されている。第2連結部7,8は、第2可動部4を振動させることによってX軸周りに第1可動部3が揺動可能となるように、X軸上において第2可動部4と支持部2とを互いに連結している。各第2連結部7,8は、第2可動部4が振動する際に、X軸周りに捩れ変形する。
ミラー装置1Bは、コイル21、配線12,13及び電極パッド31,32を備えておらず、コイル22と、コイル(起電力モニタ用コイル、センシング用コイル)24と、複数の配線14,15,16,17と、複数の電極パッド33,34,35,36と、を備えている。コイル24は、例えば、第1可動部3の枠部3bに埋め込まれており、平面視において渦巻き状に延在している。コイル24は、例えば銅等の金属材料によって構成されている。
配線16は、コイル24の一端と電極パッド35とを電気的に接続している。配線17は、コイル24の一端から第1連結部5、第2可動部4及び第2連結部7を介して電極パッド35に延在している。配線17は、コイル24の他端と電極パッド36とを電気的に接続している。配線17は、コイル24の他端から第1連結部6、第2可動部4及び第2連結部8を介して電極パッド36に延在している。
ミラー装置1Bでは、電極パッド33,34及び配線14,15を介してコイル22に共振動作用の駆動信号が入力されると、磁界発生部9が発生する磁界との相互作用によってコイル22にローレンツ力が作用する。当該ローレンツ力に加え、共振周波数での第1可動部3の共振を利用することで、X軸周りにミラー面10(第1可動部3)を共振動作させることができる。具体的には、X軸周りの第1可動部3の共振周波数に等しい周波数の駆動信号がコイル22に入力されると、第2可動部4がX軸周りに当該周波数で僅かに振動する。この振動が第1連結部5,6を介して第1可動部3に伝わることにより、第1可動部3をX軸周りに当該周波数で揺動させることができる。
また、ミラー装置1Bでは、第1可動部3の動作中に、磁界発生部9が発生する磁界との相互作用によってコイル24に起電力が発生する。そのため、配線16,17を介して電極パッド35,36から出力される信号をモニタすることで、第1可動部3の振れ角、すなわち、ミラー面10の振れ角を把握することができる。このように、コイル24は、起電力モニタ用コイルとして機能する。
続いて、図2及び図3を参照しつつ、ミラー装置1Bの各部の構成について更に説明する。以下では、第1連結部5及び第2連結部7の周辺の構造を説明するが、第1連結部6及び第2連結部8についても同様に構成されている。
第2連結部7は、第1部材7aと、一対の第2部材7bと、を有している。第1部材7a及び一対の第2部材7bは、それぞれ、X軸に沿って延在し、第2可動部4と支持部2とを互いに連結している。第1部材7a及び一対の第2部材7bは、例えば、Y軸に平行な方向に沿って並んで配置されている。第1部材7aは、X軸上に配置されており、一対の第2部材7bは、互いの間に第1部材7aを挟むように配置されている。第1部材7a及び一対の第2部材7bは、例えば、互いに近接するように、等間隔に並んで配置されている。第1部材7a及び一対の第2部材7bは、例えば、互いに同一の形状に形成されている。各第2部材7bは、X軸周りの第2可動部4の振動を抑制する振動抑制部として機能する。
支持部2には、X軸上に位置する凹部2aが設けられており、第1部材7a及び一対の第2部材7bは、凹部2aにおいて支持部2に接続されている。これにより、第1部材7a及び一対の第2部材7bの長さを確保しつつ、ミラー装置1Bの小型化を図ることができる。
X軸周りの第2連結部7の捩りばね定数は、X軸周りの第1連結部5の捩りばね定数よりも小さい。X軸周りの第2連結部7の捩りばね定数とは、第1部材7a及び一対の第2部材7bによって構成される第2連結部7の全体についてのX軸周りの捩りばね定数である。第2連結部7の全長は、第1連結部5の全長よりも短い。例えば、第2連結部7の全長は、第1連結部5の全長の1/2よりも短い。第2連結部7の全長とは、この例では、第1部材7a及び一対の第2部材7bの各々の長さを足し合わせた総長さである。この例では、第1部材7a及び一対の第2部材7bの長さは、互いに等しい。
配線16のうち第1連結部5上に位置する部分は、半導体材料に不純物が拡散された拡散領域41によって構成されている。拡散領域41は、例えば、p型のシリコン基板の表面にn型の不純物を拡散することによって形成されている。配線16は、拡散領域41の一方の端部41aとコイル24とを電気的に接続する内側部分16aと、拡散領域41の他方の端部41bとコイル24とを電気的に接続する外側部分16bと、を更に有している。
拡散領域41は、第1連結部5から第1可動部3に延在しており、第1可動部3上において内側部分16aに接続されている。また、拡散領域41は、第1連結部5から第2可動部4に延在しており、第2可動部4上において外側部分16bに接続されている。外側部分16bは、第2連結部7の第1部材7aを通るように延在して、電極パッド35に接続されている。コイル22から延在する配線14についても同様に、第2連結部7の第1部材7aを通るように延在して、電極パッド33に接続されている。
端部41aの幅は、コイル24に近づくほど広がっており、端部41bの幅は、コイル22に近づくほど広がっている。端部41a,41bは、それぞれ、第1連結部5の一対の拡幅部5bに沿った外形状を有している。端部41aの幅W1及び端部41bの幅W2の各々は、第1連結部5の幅W3よりも広い。すなわち、幅W1,W2の各々は、第1連結部5上の拡散領域41の幅よりも広い。拡散領域41の各部の幅とは、平面視における最大幅であり、拡散領域41の延在方向に垂直な方向(この例では、Y軸に平行な方向)における幅である。第1連結部5の幅とは、平面視における最小幅であり、例えば、第1連結部5の延在方向に垂直な方向(この例では、Y軸に平行な方向)における直線状部5aの幅である。なお、第1連結部5は、第1可動部3がX軸周りに揺動する際にX軸周りに捩り変形する部分であり、ミラー装置1Bでは、第1連結部5は一対の拡幅部5bを含む。
図4に示されるように、第1可動部3には、コイル24に対応する形状を有する溝42aが設けられており、第2可動部4には、コイル22に対応する形状を有する溝42bが設けられている。溝42a,42bの内面上には絶縁層43,44が設けられ、絶縁層44上には絶縁層45,46が設けられている。コイル24は、絶縁層43,44を介して溝42内に配置されている。
各絶縁層43~46は、例えば、二酸化シリコン、窒化シリコン等によって構成されている。配線16の内側部分16a及び外側部分16bは、絶縁層45上に配置されている。内側部分16a及び外側部分16bは、絶縁層43~45を貫通する開口47に入り込むように形成され、開口47において拡散領域41に接続されている。
内側部分16a及び外側部分16bは、それぞれ、第1層48と、第1層48上に配置された第2層49と、を有している。第1層48は、拡散領域41に接触するコンタクト層として機能すると共に、第2層49に含まれる金属元素のシリコン基板への拡散を防止するバリア層としても機能する。第1層48は、例えば、タングステン、窒化チタン、モリブデン、タンタル、窒化タンタル等の金属材料によって構成されている。第2層49は、例えば、アルミニウム合金、銅等の金属材料によって構成されている。
拡散領域41と内側部分16aとの接触部分の幅W4、及び拡散領域41と外側部分16bとの接触部分の幅W5の各々は、第1連結部5の幅W3よりも広い。これらの接触部分の幅とは、平面視における第1連結部5の延在方向に垂直な方向(この例では、Y軸に平行な方向)における幅である。
[ミラー装置の製造方法]
[ミラー装置の製造方法]
続いて、上述したようなミラー装置1A,1Bの製造方法(設計方法)について説明する。図5(a)は、駆動信号の角振動数(角周波数)と、第1可動部3及び第2可動部4のX軸周りの振れ角との関係の例を示す図であり、図5(b)は、当該関係の他の例を示す図である。図5(a)及び図5(b)では、第1可動部3の振れ角が実線で示されており、第2可動部4の振れ角が破線で示されている。
図5(a)及び図5(b)に示されるように、ミラー装置1A,1Bにおいて支持部2、第1可動部3、第2可動部4、第1連結部5,6及び第2連結部7,8によって構成される2自由度振動系は、X軸周りの振動について、2つの共振点A,Bを有する。ただし、この2自由度振動系では、X軸周りの振動のみが考慮されており、Y軸周りの振動については考慮されていない。共振点Aにおける固有角振動数ω1、及び共振点Bにおける固有角振動数ω2(ただしω1<ω2)は、X軸周りの第1可動部3及び第2可動部4の振動についての固有角振動数である。共振点Aは、比較的小さな周波数でミラー面10を動作させる場合に使用され得る。共振点Bは、比較的大きな周波数でミラー面10を動作させる場合に使用され得る。
図5(a)の共振点Aでミラー面10を動作させる場合の第1可動部3及び第2可動部4の振れ角の関係は、図6(a)のように示すことができ、図5(a)の共振点Bでミラー面10を動作させる場合の第1可動部3及び第2可動部4の振れ角の関係は、図6(b)のように示すことができる。
図6(a)に示されるように、図5(a)の共振点Aでミラー面10を動作させると、第1可動部3及び第2可動部4が同程度回転し、第1可動部3及び第2可動部4の振れ角の差が小さくなる。すなわち、第1連結部5,6が殆ど捩れ変形しない。図6(b)に示されるように、図5(a)の共振点Bでミラー面10を動作させると、第2可動部4が殆ど回転しない一方で第1可動部3が回転し、第1可動部3及び第2可動部4の振れ角の差が大きくなる。すなわち、第1連結部5,6が効率良く捩れ変形する。
図5(a)の例とは逆に、図5(b)の例では、共振点Aでミラー面10を動作させた場合に、第2可動部4が殆ど回転しない一方で第1可動部3が回転し、共振点Bでミラー面10を動作させた場合に、第1可動部3及び第2可動部4が同程度回転する。高効率化の観点からは、共振点A,Bのいずれでミラー面10を動作させる場合にも、第1可動部3の振れ角が大きい一方で第2可動部4の振れ角が小さいことが好ましい。すなわち、第2可動部4の振れ角に対する第1可動部3の振れ角の比(以下、「振幅比」という)を大きく確保することが好ましい。以下では、振幅比を大きく確保するためのミラー装置1A,1Bの製造方法を説明する。
[外側駆動の場合]
[外側駆動の場合]
まず、ミラー装置1Bのように、第2可動部4に駆動力を作用させることによって第1可動部3を共振動作させる場合(外側駆動の場合)について説明する。図7(a)は、例示的なミラー装置1Cの模式平面図であり、図7(b)は、ミラー装置1Cの振動モデルを示す図である。図7(b)に示される振動モデルにより、X軸周りの第1可動部3及び第2可動部4の振動をモデル化することができる。X軸周りの第1可動部3及び第2可動部4の振動についての運動方程式は、以下の式(9)及び式(10)で表される。
上記式において、θiは第1可動部3の振れ角(各第1連結部5,6の捩れ角)(rad)であり、jiは第1可動部3の慣性モーメント(kgm2)であり、kiは第1連結部5,6の捩りばね定数(Nm/rad)であり、ciは第1可動部3の粘性減衰係数(Ns/m)であり、Tiは第1可動部3に作用するトルク(Nm)であり、θoは第2可動部4の振れ角(各第2連結部7,8の捩れ角)(rad)であり、joは第2可動部4の慣性モーメント(kgm2)であり、koは各第2連結部7,8の捩りばね定数(Nm/rad)であり、coは第2可動部4の粘性減衰係数(Ns/m)であり、Toは第2可動部4に作用するトルク(Nm)であり、ωは駆動信号の角振動数(rad/s)であり、tは時間(s)である。これらの各値は、X軸周りの振動についての値である。粘性減衰係数ci,coは、以下の式(11),(12)で表される。ただし、ζiは第1可動部3の減衰比であり、ζoは第2可動部4の減衰比である。
外側駆動の場合、第1可動部3には駆動力が作用しないため(すなわちTi=0のため)、式(9)の右辺はゼロとなる。
共振点Aにおける固有角振動数ω1でミラー面10を動作させる場合(すなわち、ω=ω1の場合)、1-(ω1/ωii)2はゼロよりも大きいため、振幅比を5以上とするための条件は、以下の式(22)で表される。
共振点Bにおける固有角振動数ω2でミラー面10を動作させる場合(すなわち、ω=ω2の場合)、1-(ω2/ωii)2はゼロよりも小さいため、振幅比を5以上とするための条件は、以下の式(23)で表される。
すなわち、固有角振動数ω1でミラー面10を動作させる場合には、式(22)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができ、固有角振動数ω2でミラー面10を動作させる場合には、式(23)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができる。
図8(a)及び図8(b)は、外側駆動の場合において固有角振動数ω1でミラー面10を動作させる場合の数値間の関係を示すグラフである。図8(a)では、1-(ω1/ωii)2と振幅比θi/θoとの関係が示されており、図8(b)では、各第2連結部7,8の捩りばね定数koと振幅比θi/θoとの関係が示されている。図8(a)に示されるように、式(22)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができる。図8(b)に示されるように、捩りばね定数koが増加するほど、振幅比が増加する。したがって、捩りばね定数koを大きくすることで、振幅比を大きく確保することができる。
図9(a)及び図9(b)は、外側駆動の場合において固有角振動数ω2でミラー面10を動作させる場合の数値間の関係を示すグラフである。図9(a)では、(ω2/ωii)2-1と振幅比θi/θoとの関係が示されており、図9(b)では、第2連結部7,8の捩りばね定数koと振幅比θi/θoとの関係が示されている。図9(a)に示されるように、式(23)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができる。図9(b)に示されるように、捩りばね定数koが増加するほど、振幅比が減少する。したがって、捩りばね定数koを小さくすることで、振幅比を大きく確保することができる。
ここで、固有角振動数ω1,ω2の値同士が近く、固有角振動数ω1,ω2間の差が小さいと、式(22)及び式(23)の双方が満たされる。しかし、固有角振動数ω1,ω2間の差が小さい場合、例えば、固有角振動数ω1でミラー面10を動作させる際に固有角振動数ω2についての共振応答が生じてしまい、ミラー面10の動作が不安定になるおそれがある。そこで、本実施形態のミラー装置の製造方法では、外側駆動の場合、式(22)及び式(23)の一方のみが満たされ、他方は満たされないように、ミラー装置を設計及び製造する。これにより、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる。この点は、固有角振動数ω1,ω2のいずれでミラー面10を動作させる場合にも共通する。
例えば、上記第2実施形態に係るミラー装置1Bでは、式(22)のみが満たされており、式(23)は満たされていない。したがって、固有角振動数ω1でミラー面10を動作させることにより、振幅比を5以上とすることができる。また、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる。
[内側駆動の場合]
[内側駆動の場合]
次に、ミラー装置1Aのように、第1可動部3に駆動力を作用させることによって第1可動部3を共振動作させる場合(内側駆動の場合)について説明する。この場合、X軸周りの第1可動部3及び第2可動部4の振動についての運動方程式は、以下の式(24)及び式(25)によって表される。
内側駆動の場合、第2可動部4には第1可動部3を駆動するための駆動力が作用しないため(すなわちTo=0のため)、式(25)の右辺はゼロとなる。
共振点Aにおける固有角振動数ω1でミラー面10を動作させる場合(すなわち、ω=ω1の場合)、1-(ωio/ωoo)2+(ω1/ωoo)2はゼロよりも大きいため、振幅比を5以上とするための条件は、以下の式(32)となる。
一方、共振点Bにおける固有角振動数ω2でミラー面10を動作させる場合(すなわち、ω=ω2の場合)、1-(ωio/ωoo)2+(ω2/ωoo)2はゼロよりも小さいため、振幅比を5以上とするための条件は、以下の式(33)となる。
すなわち、固有角振動数ω1でミラー面10を動作させる場合には、式(32)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができ、固有角振動数ω2でミラー面10を動作させる場合には、式(33)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができる。式(32)及び式(33)の一方のみが満たされ、他方は満たされないようにミラー装置を設計及び製造することで、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる点は、外側駆動の場合と同様である。
図10(a)及び図10(b)は、内側駆動の場合の数値間の関係を示すグラフである。図10(a)では、固有角振動数ω1でミラー面10を動作させる場合の4ωio
2/(ωoo
2-ω1
2)と振幅比θi/θoとの関係が示されており、図10(b)では、固有角振動数ω2でミラー面10を動作させる場合の(ωoo
2-ω2
2)/ωio
2と振幅比θi/θoとの関係が示されている。
図10(a)に示されるように、式(32)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができる。また、内側駆動の場合において固有角振動数ω1でミラー面10を動作させる場合、外側駆動の場合と同様に(図8(b))、捩りばね定数koが増加するほど、振幅比が増加する。したがって、捩りばね定数koを大きくすることで、振幅比を大きく確保することができる。
図10(b)に示されるように、式(33)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができる。また、内側駆動の場合において固有角振動数ω2でミラー面10を動作させる場合、外側駆動の場合と同様に(図9(b))、捩りばね定数koが増加するほど、振幅比が減少する。したがって、捩りばね定数koを小さくすることで、振幅比を大きく確保することができる。
例えば、上記第1実施形態に係るミラー装置1Aでは、式(33)のみが満たされており、式(32)は満たされていない。したがって、固有角振動数ω2でミラー面10を動作させることにより、振幅比を5以上とすることができる。また、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる。
[作用及び効果]
[作用及び効果]
以上説明したように、ミラー装置1Aでは、2つの固有角振動数ω1,ω2が式(33)(第1式)のみを満たしており、式(32)(第2式)を満たしていないため、固有角振動数ω2で第1可動部3及び第2可動部4を揺動させることにより、振幅比を5以上とすることができる。したがって、振幅比を大きく確保することができ、動作を高効率化することができる。更に、式(33)のみが満たされており、式(32)は満たされていないことにより、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる。よって、ミラー装置1Aによれば、高効率かつ安定的な動作を実現することができる。
ミラー装置1Bでは、2つの固有角振動数ω1,ω2が式(22)(第1式)のみを満たしており、式(23)(第2式)を満たしていないため、固有角振動数ω1で第1可動部3及び第2可動部4を揺動させることにより、振幅比を5以上とすることができる。したがって、振幅比を大きく確保することができ、動作を高効率化することができる。更に、式(22)のみが満たされており、式(23)は満たされていないことにより、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる。よって、ミラー装置1Bによれば、高効率かつ安定的な動作を実現することができる。
ミラー装置1Aでは、各第2連結部7,8が、Y軸周りに第2可動部4が揺動可能となるように、第2可動部4と支持部2とを互いに連結している。そのため、第2可動部4を第1可動部3と共にY軸周りに揺動させることができる。
ミラー装置1Bでは、X軸周りの各第2連結部7,8の捩りばね定数が、X軸周りの各第1連結部5,6の捩りばね定数よりも大きい。そのため、振幅比を一層大きく確保することができる。
ミラー装置1Bでは、各第2連結部7,8の全長が、各第1連結部5,6の全長よりも短い。そのため、第2連結部7,8の捩りばね定数を第1連結部5,6の捩りばね定数よりも好適に大きくすることができる。更に、第2連結部7,8の断面積を大きくするのではなく、長さを短くすることによって第2連結部7,8の捩りばね定数を大きくすることにより、ミラー装置1Bの小型化を図りつつ、振幅比を大きく確保することができる。
ミラー装置1Bでは、第1部材7a及び一対の第2部材7b(複数の部材)が、Y軸に平行な方向に沿って並んで配置されている。そのため、第2連結部7,8の捩りばね定数を第1連結部5,6の捩りばね定数よりも一層好適に大きくすることができる。
ミラー装置1Bでは、各第2連結部7,8が、X軸上に配置された第1部材7aと、互いの間に第1部材7aを挟むように配置された一対の第2部材7bと、を有している。そのため、第2連結部7,8の捩りばね定数を第1連結部5,6の捩りばね定数よりも一層好適に大きくすることができる。
ミラー装置1Bでは、各配線14,16が、第1部材7aを通るように配置されている。第2部材7bと比べて第2可動部4の振動時に作用する応力が小さい第1部材7aを通るように配線14,16が配置されているため、第2連結部7における配線14,16の劣化を抑制することができる。
ミラー装置1Aでは、X軸周りの各第2連結部7,8の捩りばね定数が、X軸周りの各第1連結部5,6の捩りばね定数よりも小さい。そのため、振幅比を一層大きく確保することができる。
ミラー装置1Aでは、各第2連結部7,8の全長が、各第1連結部5,6の全長よりも長い。そのため、第2連結部7,8の捩りばね定数を第1連結部5,6の捩りばね定数よりも好適に小さくすることができる。
ミラー装置1Aでは、各第2連結部7,8が蛇行して延在している。そのため、第2連結部7,8の捩りばね定数を第1連結部5,6の捩りばね定数よりも一層好適に小さくすることができる。更に、各第2連結部7,8が蛇行して延在していることにより、例えば各第2連結部7,8が直線状に延在している場合と比べて、耐衝撃性を向上することができる。
ミラー装置1A,1Bでは、支持部2、第1可動部3、第2可動部4、第1連結部5,6及び第2連結部7,8が、半導体基板によって構成されている。このように構成されたミラー装置1A,1Bにおいても、高効率かつ安定的な動作を実現することができる。
ミラー装置1Bでは、配線16のうち各第1連結部5,6上に位置する部分が、半導体材料に不純物が拡散された拡散領域41によって構成されている。配線16のうち第1連結部5,6上に位置する部分には第1可動部3の揺動時に比較的大きな応力が作用するが、当該部分が拡散領域41によって構成されているため、第1連結部5,6における配線の劣化を抑制することができる。すなわち、当該部分が拡散領域41によって構成されている場合、例えば当該部分が金属によって構成されている場合と比べて、金属疲労、割れ等を抑制することができ、信頼性を向上することができる。なお、配線16は起電力モニタ用のコイル24に接続されているため、例えば駆動用のコイルに接続される配線と比べて、配線16には比較的小さな電流が流れる。そのため、配線16については極端な低抵抗化の必要はない。
ミラー装置1Bでは、第1可動部3及び第2可動部4における拡散領域41の幅(端部41aの幅W1及び端部41bの幅W2)が、第1連結部5,6における拡散領域41の幅よりも広い。そのため、配線16を低抵抗化することができる。
ミラー装置1Bでは、配線16のうち、第1可動部3上に位置する内側部分16a及び第2可動部4上に位置する外側部分16bが、金属材料によって構成されている。そして、拡散領域41と内側部分16aとの接触部分の幅W4、及び拡散領域41と外側部分16bとの接触部分の幅W5の各々が、各第1連結部5,6の幅W3よりも広い。そのため、配線16を一層低抵抗化することができる。また、製造時等に位置ずれが生じたとしても、拡散領域41と内側部分16a及び外側部分16bの各々とを確実に電気的に接続することができる。
[変形例]
[変形例]
以上、本開示の実施形態について説明したが、本開示は、上記実施形態に限られない。第1実施形態のミラー装置1Aにおいて、第2可動部4に駆動力を作用させることによって第1可動部3を共振動作させてもよい。すなわち、ミラー装置1Aの構造が外側駆動に用いられてもよい。この場合、第1可動部3にはコイル21が設けられず、第2可動部4には、コイル22に加えて、第1可動部3の共振動作用のコイルが設けられてもよい。ミラー装置1Bの場合と同様に、当該共振動作用のコイルと磁界発生部9が発生する磁界との相互作用によって発生するローレンツ力に加え、共振周波数での第1可動部3の共振を利用することで、X軸周りにミラー面10を共振動作させることができる。なお、共振動作用のコイルが設けられず、コイル22が、第2可動部4のリニア動作用及び第1可動部3の共振動作用のコイルとして用いられてもよい。このようなミラー装置は、上記式(23)のみが満たされ、式(22)は満たされないように設計及び製造される。これにより、固有角振動数ω2でミラー面10を動作させることで、振幅比を5以上とすることができる。また、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる。
第2実施形態のミラー装置1Bにおいて、第1可動部3に駆動力を作用させることによって第1可動部3を共振動作させてもよい。すなわち、ミラー装置1Bの構造が内側駆動に用いられてもよい。この場合、第2可動部4にはコイル22が設けられず、第1可動部3には、コイル24に代えて又は加えて、駆動用のコイルが設けられてもよい。ミラー装置1Aの場合と同様に、当該駆動用のコイルと磁界発生部9が発生する磁界との相互作用によって発生するローレンツ力に加え、共振周波数での第1可動部3の共振を利用することで、X軸周りにミラー面10を共振動作させることができる。このようなミラー装置は、上記式(32)のみが満たされ、式(33)は満たされないように設計及び製造される。これにより、固有角振動数ω1でミラー面10を動作させることで、振幅比を5以上とすることができる。また、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる。
ミラー装置1A,1Bでは、ミラー面10の駆動が電磁力によって行われていたが、ミラー面10の駆動は、圧電素子又は静電力によって行われてもよい。この場合、コイルに代えて、圧電膜又は静電櫛歯等の他の駆動素子が設けられる。ミラー装置1Aにおいて、第2連結部7,8は、X軸に沿って延在し、X軸上において第2可動部4と支持部2とを互いに連結していてもよい。この場合でも、X軸及びY軸の各々の周りに第1可動部3を揺動させることができる。ミラー装置1Aにおいて、第2連結部7,8は、第1軸線と交差する第2軸線周りに第2可動部4が揺動可能となるように、第2可動部4と支持部2とを互いに連結していてもよい。すなわち、第2軸線は必ずしも第1軸線と直交していなくてもよい。ミラー装置1Bにおいて、第2部材7bは、X軸に対して傾斜して延在していてもよい。第2部材7bは、Y軸に平行な方向に沿って延在して第2可動部4と支持部2とを互いに連結していてもよい。上述した例では、振幅比の下限値が5に設定されていたが、下限値は10に設定されてもよい。ミラー装置1Bにおいて、コイル24は、温度検出用コイル(センシング用コイル)として用いられてもよい。
ミラー装置1Aでは、第1可動部3に駆動力を作用させるための駆動部(コイル21、駆動素子)が第1可動部3に設けられていたが、当該駆動部は、第1可動部3及び/又は第1連結部5,6に設けられていればよく、例えば、各第1連結部5,6に設けられていてもよい。ミラー装置1A,1Bでは、第2可動部4に駆動力を作用させるための駆動部(コイル22、駆動素子)が第2可動部4に設けられていたが、当該駆動部は、第2可動部4及び/又は第2連結部7,8に設けられていればよく、例えば、各第2連結部7,8に設けられていてもよい。
ミラー装置1A,1Bにおいて、第1可動部3及び/又は第1連結部5,6に、第1可動部3に直接的に駆動力を作用させるための第1駆動素子(例えばコイル)が設けられると共に、第2可動部4及び/又は第2連結部7,8に、第2可動部4に直接的に駆動力を作用させるための第2駆動素子(例えばコイル)が設けられてもよい。このような構成においては、第1駆動素子により第1可動部3に直接的に作用する駆動力、及び、第2駆動素子により第2可動部4を振動させることによって第1可動部3に間接的に作用する駆動力の双方を用いて(双方の協働により)、X軸周りにミラー面10(第1可動部3)を共振動作させることができる。ミラー装置1Aにおいて当該構成が採用される場合、例えば、第1可動部3には、X軸周りに第1可動部3を揺動させるためのコイルが設けられ、第2可動部4には、Y軸周りに第2可動部4を揺動させるためのコイルと、第2可動部4を振動させることよってX軸周りに第1可動部3を揺動させるためのコイルと、が設けられる。ミラー装置1Bにおいて当該構成が採用される場合、例えば、第1可動部3には、X軸周りに第1可動部3を揺動させるためのコイルが設けられ、第2可動部4には、第2可動部4を振動させることによってX軸周りに第1可動部3を揺動させるためのコイルが設けられる。なお、ミラー装置1Bにおいて当該構成が採用される場合、第1駆動素子により第1可動部3に直接的に作用する駆動力を用いてX軸周りにミラー面10(第1可動部3)を共振動作させると共に、第2駆動素子により第2可動部4に直接的に作用する駆動力を用いてX軸周りに第2可動部4を動作させることもできる(すなわち、内側駆動に適用することもできる)。
各構成の材料及び形状には、上述した材料及び形状に限らず、様々な材料及び形状を採用することができる。第1可動部3及び第2可動部4は、平面視において略円形状、略楕円形状、略四角形状又は略菱形状等の任意の外形を有していてもよい。枠部3bが設けられず、第1連結部5,6が本体部3aに直接に接続されていてもよい。第1連結部5には、一対の拡幅部5bの少なくとも一方が設けられていなくてもよく、第1連結部6には、一対の拡幅部6bの少なくとも一方が設けられていなくてもよい。第1可動部3は、ミラー面10以外の光学面を有していてもよく、例えば回折格子面を有していてもよい。すなわち、本開示のアクチュエータ装置は、ミラー面10以外を駆動するための装置であってもよい。
図11に示される第1変形例のミラー装置1Dでは、互いに直交するX軸及びY軸の各々の周りに第1可動部3が揺動させられる。第1可動部3は、平面視において楕円形状に形成されている。第1連結部5,6はX軸に沿って直線状に延在している。第2連結部7,8はY軸に沿って直線状に延在している。第2可動部4は、第1可動部3を囲む枠状部4aと、枠状部4aに接続された中間部4bと、を有している。
枠状部4aは、平面視において四角形状の外形を有している。中間部4bは、例えば、平面視において略四角形状の外形を有し、枠状に形成されている。中間部4bは、一対の第1部分4b1と、一対の第1部分4b1にそれぞれ接続された一対の第2部分4b2と、を有している。一対の第1部分4b1は、X軸に平行な方向に沿って延在し、Y軸方向において互いに向かい合っている。一対の第2部分4b2は、Y軸に平行な方向に沿って延在し、X軸方向において互いに向かい合っている。第1部分4b1の幅(Y軸方向における長さ)は、第2部分4b2の幅(X軸方向における長さ)よりも広い。中間部4bは、枠状部4aの内側に配置され、第1部分4b1において枠状部4aに接続されている。中間部4bは、第2部分4b2において第1連結部5,6に接続されている。
ミラー装置1Dでは、第1可動部3に駆動力を作用させるための駆動部として、一対の圧電膜51が設けられている。一対の圧電膜51は、それぞれ、中間部4bの一対の第1部分4b1に配置されている。各圧電膜51は、例えば、平面視において、X軸に平行な方向に沿った長辺を有する長方形状を呈している。
ミラー装置1Dでは、電極パッド及び配線(図示省略)を介して圧電膜51に駆動信号が入力されると、圧電膜51が長手方向に撓み変形する。一対の圧電膜51の変形のタイミングを制御することで、中間部4b(第2可動部4)に駆動力を作用させることができる。例えば、一対の圧電膜51は、交互に撓み変形させられる。中間部4bの剛性は、枠状部4aの剛性よりも小さく、中間部4bは、枠状部4aよりも柔らかい。
ミラー装置1Dにおける第1可動部3の駆動は、第2可動部4に駆動力を作用させることによって第1可動部3を共振動作させる外側駆動である。ミラー装置1Dにおいても、ミラー装置1Bと同様に、第1固有角振動数ω1でミラー面10を動作させる場合には、式(22)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができ、固有角振動数ω2でミラー面10を動作させる場合には、式(23)が満たされるようにミラー装置を設計及び製造することで、振幅比を5以上とすることができる。また、式(22)及び式(23)の一方のみが満たされ、他方は満たされないようにミラー装置を設計及び製造することで、固有角振動数ω1,ω2間の差を大きく確保することができ、不要な共振応答を抑制して動作を安定化することができる。ミラー装置1Dによっても、ミラー装置1Bと同様に、高効率かつ安定的な動作を実現することができる。
図12に示される第2変形例のミラー装置1Eは、中間部4bの第2部分4b2に圧電膜51が配置されている点でミラー装置1Dと相違している。具体的には、一対の第2部分4b2の各々に、一対の圧電膜51がY軸に平行な方向に並んで配置されている。ミラー装置1Eにおいても、各圧電膜51の変形のタイミングを制御することで、中間部4b(第2可動部4)に駆動力を作用させることができる。ミラー装置1Eによっても、ミラー装置1Bと同様に、高効率かつ安定的な動作を実現することができる。
1A,1B,1C…ミラー装置(アクチュエータ装置)、2…支持部、3…第1可動部、4…第2可動部、5,6…第1連結部、7,8…第2連結部、7a…第1部材、7b…第2部材、9…磁界発生部(駆動部)、14,15,16,17…配線、16a…内側部分、16b…外側部分、41…拡散領域、21…コイル(駆動部)、22…コイル(駆動部)、24…コイル(起電力モニタ用コイル、センシング用コイル)。
Claims (17)
- 支持部と、
第1可動部と、
前記第1可動部を囲む枠状の第2可動部と、
第1軸線周りに前記第1可動部が揺動可能となるように、前記第1可動部と前記第2可動部とを互いに連結する第1連結部と、
前記第2可動部を振動させることによって前記第1軸線周りに前記第1可動部が揺動可能となるように、前記第2可動部と前記支持部とを互いに連結する第2連結部と、
前記第2可動部に駆動力を作用させる駆動部と、を備え、
前記第1軸線周りの前記第1可動部及び前記第2可動部の振動についての2つの固有角振動数ω1,ω2(ただしω1<ω2)は、以下の第1式(1)及び第2式(2)の一方を満たし、他方を満たしていない、アクチュエータ装置。
- 支持部と、
第1可動部と、
前記第1可動部を囲む枠状の第2可動部と、
第1軸線周りに前記第1可動部が揺動可能となるように、前記第1可動部と前記第2可動部とを互いに連結する第1連結部と、
前記第2可動部と前記支持部とを互いに連結する第2連結部と、
前記第1可動部及び前記第1連結部の少なくとも一方に設けられ、前記第1可動部に駆動力を作用させる駆動部と、を備え、
前記第1軸線周りの前記第1可動部及び前記第2可動部の振動についての2つの固有角振動数ω1,ω2(ただしω1<ω2)は、以下の第1式(3)及び第2式(4)の一方を満たし、他方を満たしていない、アクチュエータ装置。
- 前記第2連結部は、前記第1軸線と交差する第2軸線周りに前記第2可動部が揺動可能となるように、前記第2可動部と前記支持部とを互いに連結している、請求項1又は2に記載のアクチュエータ装置。
- 前記2つの固有角振動数は、前記第1式を満たし、前記第2式を満たしておらず、
前記第1軸線周りの前記第2連結部の捩りばね定数は、前記第1軸線周りの前記第1連結部の捩りばね定数よりも大きい、請求項1~3のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。 - 前記第2連結部の全長は、前記第1連結部の全長よりも短い、請求項4に記載のアクチュエータ装置。
- 前記第2連結部は、それぞれが前記第2可動部と前記支持部とを互いに連結する複数の部材を有し、
前記複数の部材は、前記第1軸線と交差する方向に沿って並んで配置されている、請求項4又は5に記載のアクチュエータ装置。 - 前記複数の部材は、前記第1軸線上に配置された第1部材と、互いの間に前記第1部材を挟むように配置された一対の第2部材と、を含む、請求項6に記載のアクチュエータ装置。
- 前記第2可動部から前記第2連結部を介して前記支持部に延在する配線を更に備え、
前記配線は、前記第1部材を通るように配置されている、請求項7に記載のアクチュエータ装置。 - 前記2つの固有角振動数は、前記第2式を満たし、前記第1式を満たしておらず、
前記第1軸線周りの前記第2連結部の捩りばね定数は、前記第1軸線周りの前記第1連結部の捩りばね定数よりも小さい、請求項1~3のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。 - 前記第2連結部の全長は、前記第1連結部の全長よりも長い、請求項9に記載のアクチュエータ装置。
- 前記第2連結部は、蛇行して延在している、請求項9又は10に記載のアクチュエータ装置。
- 前記支持部、前記第1可動部、前記第2可動部、前記第1連結部及び前記第2連結部は、半導体基板によって構成されている、請求項1~11のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。
- 前記第1可動部に設けられたセンシング用コイルと、
前記センシング用コイルに接続され、前記第1連結部を介して前記第2可動部に延在する配線と、を更に備え、
前記第1連結部は、半導体材料によって構成されており、
前記配線のうち前記第1連結部上に位置する部分は、前記半導体材料に不純物が拡散された拡散領域によって構成されている、請求項1~12のいずれか一項に記載のアクチュエータ装置。 - 前記拡散領域は、前記第1連結部から前記第1可動部及び前記第2可動部に延在しており、
前記第1可動部及び前記第2可動部における前記拡散領域の幅は、前記第1連結部における前記拡散領域の幅よりも広い、請求項13に記載のアクチュエータ装置。 - 前記配線のうち、前記第1可動部上に位置する部分及び前記第2可動部上に位置する部分は、金属材料によって構成されており、
前記拡散領域と、前記第1可動部上に位置する部分及び前記第2可動部上に位置する部分の各々との接触部分の幅は、前記第1連結部の幅よりも広い、請求項13又は14に記載のアクチュエータ装置。 - 支持部と、
第1可動部と、
前記第1可動部を囲む枠状の第2可動部と、
第1軸線周りに前記第1可動部が揺動可能となるように、前記第1可動部と前記第2可動部とを互いに連結する第1連結部と、
前記第2可動部を振動させることによって前記第1軸線周りに前記第1可動部が揺動可能となるように、前記第2可動部と前記支持部とを互いに連結する第2連結部と、
前記第2可動部に駆動力を作用させる駆動部と、を備えるアクチュエータ装置の製造方法であって、
前記第1軸線周りの前記第1可動部及び前記第2可動部の振動についての2つの固有角振動数ω1,ω2(ただしω1<ω2)が、以下の式(5)及び式(6)の一方を満たし、他方を満たさないように、前記アクチュエータ装置を製造する、アクチュエータ装置の製造方法。
- 支持部と、
第1可動部と、
前記第1可動部を囲む枠状の第2可動部と、
第1軸線周りに前記第1可動部が揺動可能となるように、前記第1可動部と前記第2可動部とを互いに連結する第1連結部と、
前記第2可動部と前記支持部とを互いに連結する第2連結部と、
前記第1可動部及び前記第1連結部の少なくとも一方に設けられ、前記第1可動部に駆動力を作用させる駆動部と、を備えるアクチュエータ装置の製造方法であって、
前記第1軸線周りの前記第1可動部及び前記第2可動部の振動についての2つの固有角振動数ω1,ω2(ただしω1<ω2)が、以下の式(7)及び式(8)の一方を満たし、他方を満たさないように、前記アクチュエータ装置を製造する、アクチュエータ装置の製造方法。
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