(57)【要約】【課題】静電力が可動部の揺動方向に働く位置関係に容易に電極を配置できる静電型アクチュエータを得る。【解決手段】鏡面１２４と同じ方向を向く可動部側電極１２３ａの面と、裏面１２５と同じ方向を向く可動部側電極１２３ｂの面には、可動部膜１２７ａ、１２７ｂが蒸着される。可動部膜１２７ａ、１２７ｂはＳｉ３Ｎ４から成る。Ｓｉ３Ｎ４は所定の条件下で２１０ＭＰａの引張応力を発生する。そのため、可動部側電極１２３ａは、その先端が裏面１２５の方向へ向くように湾曲し、可動部側電極１２３ｂは、その先端が鏡面１２４の方向へ向くように湾曲する。同様に、固定部側電極１１１ａと固定部側電極１１１ｂも固定部膜１１２ａ、１１２ｂが蒸着されて湾曲する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部と、
前記固定部に対して揺動可能に支持される可動部と、
前記可動部から固定部に向けて延びる可動部側電極、及び前記固定部から前記可動部に向けて延びる固定部側電極を有する電極と、
前記電極が延びる方向及び前記可動部の揺動軸に対して平行である接続面に設けられ、前記電極が延びる方向及び前記可動部の揺動軸に対して直角となる方向に前記電極を湾曲させる応力部材とを備える静電型アクチュエータ。
【請求項２】
前記応力部材は、前記可動部側電極に設けられ、前記可動部側電極を湾曲する請求項１に記載の静電型アクチュエータ。
【請求項３】
前記応力部材は、前記固定部側電極に設けられ、前記固定部側電極を湾曲する請求項１に記載の静電型アクチュエータ。
【請求項４】
前記応力部材は、前記可動部側電極及び前記固定部側電極に設けられ、
前記可動部側電極と前記固定部側電極とを互いに反対方向へ湾曲させる請求項１に記載の静電型アクチュエータ。
【請求項５】
前記応力部材は、前記接続面に形成される膜である請求項１に記載の静電型アクチュエータ。
【請求項６】
前記応力部材は、蒸着、スパッタリング、又は化学気相成長法によって設けられる請求項５に記載の静電型アクチュエータ。
【請求項７】
前記応力部材は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、又はｐｏｌｙ−Ｓｉから成る請求項１に記載の静電型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電圧を印加することにより揺動される静電型アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
静電型アクチュエータは、可動体と固定部とを備え、可動体と固定部とが各々有する電極の間に静電力を生じさせて、可動体を固定部に対して揺動させる。この静電力は、静電型アクチュエータ制御装置がいずれかの電極に交流電圧を印加することにより生じる。電極間に生じる静電力が可動部の揺動方向に働くように、各々の電極を揺動方向にずらして設ける構成が知られている。
【特許文献１】特開２００７−１７８７１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００３】
しかし、複数の層を有する基板をエッチング等により加工して静電型アクチュエータを製造するとき、各々の電極を揺動方向にずらして設ける構成は製造工程を複雑にする。
【０００４】
本発明は、静電力が可動部の揺動方向に働くような位置関係に電極を設けることが容易な静電型アクチュエータを得ることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００５】
本願発明による静電型アクチュエータは、固定部と、固定部に対して揺動可能に支持される可動部と、可動部から固定部に向けて延びる可動部側電極、及び固定部から可動部に向けて延びる固定部側電極を有する電極と、電極が延びる方向及び可動部の揺動軸に対して平行である接続面に設けられ、電極が延びる方向及び可動部の揺動軸に対して直角となる方向に電極を湾曲させる応力部材とを備えることを特徴とする。
【０００６】
応力部材は、可動部側電極に設けられ、可動部側電極を湾曲しても良い。
【０００７】
応力部材は、固定部側電極に設けられ、固定部側電極を湾曲することが好ましい。 
【０００８】
応力部材は、可動部側電極及び固定部側電極に設けられ、可動部側電極と固定部側電極とを互いに反対方向へ湾曲させても良い。
【０００９】
応力部材は、接続面に形成される膜が好適である。
【００１０】
応力部材は、蒸着、スパッタリング、又は化学気相成長法によって設けられることが好ましい。
【００１１】
応力部材は、ＳｉＯ２、Ｓｉ３Ｎ４、又はｐｏｌｙ−Ｓｉが好適である。
【発明の効果】
【００１２】
以上のように本発明によれば、静電力が可動部の揺動方向に働く位置関係に容易に電極を配置できる静電型アクチュエータを得る。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
以下、本発明による第１の実施形態の静電型アクチュエータについて図１から４を用いて説明する。
【００１４】
第１の静電型アクチュエータ１００は、周囲の部材に固定される固定部１１０と、固定部１１０に対して揺動する可動部１２０と、固定部１１０と可動部１２０とを接続する支持部１３０とを有する。
【００１５】
可動部１２０は、円盤形状を有するミラー部１２１と、ミラー部１２１の径方向に伸びる腕部１２２と、腕部１２２の延伸方向に対して直角に腕部１２２から伸びる可動部側電極１２３ａ、１２３ｂとを有する。ミラー部１２１の重心を通り、かつミラー部１２１の直径と平行な直線を支持軸Ｌとする。なお、図１において、簡略化のためミラー部１２１を楕円柱として示しているが、ミラー部１２１は円盤形状に限らず、矩形状又は楕円柱形状としてもよい。
【００１６】
ミラー部１２１は、片方の円形面が鏡面１２４を形成する。鏡面１２４に入射した光は鏡面１２４により反射される。可動部１２０が固定部１１０に対して揺動すると、固定部１１０に対する鏡面１２４の傾斜角度が変化する。これにより、鏡面１２４に入射した光の反射方向が変えられる。光を所定の方向へ安定的に反射させるため、可動部１２０の揺動角度、すなわち振れ角度は一定の許容範囲内に収まっていなければならない。
【００１７】
腕部１２２は、ミラー部１２１の径方向に伸びる平板状の直方体から成り、２つ設けられる。２つの腕部１２２は、支持軸Ｌ上に設けられ、ミラー部１２１の中心軸に対して互いに点対称となる。腕部１２２の厚さ、すなわちミラー部１２１の軸Ｍと平行な方向における長さはミラー部１２１の厚さよりも薄い。腕部１２２の正面はミラー部１２１の鏡面１２４と連続し、裏面はミラー部１２１の鏡面１２４の裏面１２５と連続する。腕部１２２の正面と裏面は、腕部１２２が伸びる方向に伸びる２つの側面１２６ａ、１２６ｂと、腕部１２２の先端となる先端面とにより接続される。
【００１８】
可動部側電極１２３ａ、１２３ｂは、腕部１２２の側面１２６ａ、１２６ｂから各々直角に伸びる複数の平板状の直方体から成り、その長辺方向長さは数１００μｍから５００μｍ程度、幅(短辺方向長さ)は数μｍ〜１０μｍ程度である。可動部側電極１２３ａ、１２３ｂは、腕部１２２が伸びる方向に等間隔で並べられて、腕部１２２の２つの側面１２６ａ、１２６ｂから固定部１１０に向けて突出する。可動部側電極１２３ａ、１２３ｂは、互いに反対方向に突出する。可動部側電極１２３の先端は、固定部１１０と接触しない。可動部側電極１２３の厚さ、すなわちミラー部１２１の軸Ｍと平行な方向における長さは、ミラー部１２１及び腕部１２２の厚さと同じである。
【００１９】
可動部側電極１２３ａにおいて鏡面１２４と同じ方向を向く面には、可動部膜１２７ａが蒸着される。可動部膜１２７ａはＳｉ３Ｎ４から成る。Ｓｉ３Ｎ４は所定の条件下で２１０ＭＰａの引張応力を発生する。そのため、可動部側電極１２３ａは、その先端が裏面１２５の方向へ向くように湾曲する。
【００２０】
可動部側電極１２３ｂにおいて裏面１２５と同じ方向を向く面にも、Ｓｉ３Ｎ４から成る可動部膜１２７ｂが蒸着される。そのため、可動部側電極１２３ｂは、その先端が鏡面１２４の方向へ向くように湾曲する。
【００２１】
固定部１１０は、可動部１２０を取り囲むように設けられる。
【００２２】
支持部１３０は、棒状の直方体から成り、支持軸Ｌ上に２つ設けられる。２つの支持部１３０が固定部１１０から突出し、腕部１２２の先端面と接続される。支持部１３０は、捻れ方向に弾性を有する。
【００２３】
固定部１１０における腕部１２２の側面１２６ａ、１２６ｂに対向する位置から固定部側電極１１１ａ、１１１ｂが各々突出する。固定部側電極１１１ａ、１１１ｂは、可動部側電極１２３と平行に伸びる複数の平板状の直方体から成る。板の長辺方向長さは１００μｍ〜５００μｍ、幅（短辺方向長さ）は数μｍから１０μｍ程度である。固定部側電極１１１ａ、１１１ｂは、腕部１２２が伸びる方向に等間隔で並べられ、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂに挟まれるように、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂの間にまで突出する。固定部側電極１１１ａ、１１１ｂと可動部側電極１２３ａ、１２３ｂとの間隔は略均等であり、固定部側電極１１１ａ、１１１ｂは、可動部１２０及び可動部側電極１２３と接触しない。固定部側電極１１１ａ、１１１ｂの厚さ、すなわちミラー部１２１の軸Ｍと平行な方向における長さは、可動部側電極１２３、ミラー部１２１及び腕部１２２の厚さと同じであり、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂと固定部側電極１１１ａ、１１１ｂの突出長さは同じである。
【００２４】
固定部側電極１１１ａにおいて裏面１２５と同じ方向を向く面には、固定部膜１１２ａが蒸着される。固定部膜１１２ａはＳｉ３Ｎ４から成る。そのため、固定部側電極１１１ａは、その先端が鏡面１２４の方向へ向くように湾曲する。
【００２５】
固定部側電極１１１ｂにおいて鏡面１２４と同じ方向を向く面にも、Ｓｉ３Ｎ４から成る固定部膜１１２ｂが蒸着される。そのため、固定部側電極１１１ｂは、その先端が裏面１２５の方向へ向くように湾曲する。
【００２６】
支持軸Ｌ方向から可動部側電極１２３ａと固定部側電極１１１ａとを見ると、可動部側電極１２３ａの一部と固定部側電極１１１ａの一部とが互いに重畳する。別言すると、支持軸Ｌ方向に垂直な投影面において、可動部側電極１２３ａの一部と固定部側電極１１１ｂの一部とが互いに重畳している。可動部側電極１２３ｂと固定部側電極１１１ｂともまた同様である。
【００２７】
可動部側電極１２３には、腕部１２２及び支持部１３０を介して可動部電極用回路（図示しない）が接続される。可動部電極用回路は接地され、可動部側電極１２３の電位をグランドレベルに保持する。
【００２８】
固定部１１０には固定部側電極１１１ａ、１１１ｂに電荷を与えるための固定部側電極用回路（図示しない）が形成される。固定部側電極用回路には図示しない駆動電源が接続され、固定部側電極１１１ａ、１１１ｂと可動部側電極１２３との間に電位差を与える。
【００２９】
次に、第１の静電型アクチュエータ１００の動作について説明する。
【００３０】
固定部側電極１１１ａ、１１１ｂは、その先端が鏡面１２４又は裏面１２５の方向へ向くように湾曲しているため、固定部側電極１１１ａ、１１１ｂに電位を与えていない状態下では、支持軸Ｌに垂直な投影面において、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂと固定部側電極１１１ａ、１１１ｂとが互いに重なる部分の面積は、小さく抑えられる。
【００３１】
固定部側電極用回路を介して、図示しない駆動電源が固定部側電極１１１ａ、１１１ｂに電位を与えると、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂと固定部側電極１１１ａ、１１１ｂとの間に電位差が各々生じる。このとき、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂと固定部側電極１１１ａ、１１１ｂとの間には、静電力により互いに引き合う引力、すなわち静電引力が各々生じる。
【００３２】
すると、この静電引力により支持部１３０が捻れて、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂが固定部側電極１１１ａ、１１１ｂと重なりあう方向に移動する。これにより可動部１２０が支持部１３０周りに揺動、つまり回転する。
【００３３】
静電引力は、支持軸Ｌ方向に垂直な投影面において、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂと固定部側電極１１１ａ、１１１ｂが互いに重なる部分の面積が最大となる位置にて平衡する。すなわち、この位置まで可動部１２０が回転する。可動部１２０が回転すると、鏡面１２４の角度が変化し、鏡面１２４による反射光の射出方向が変化する。
【００３４】
固定部側電極１１１ａ、１１１ｂは湾曲しているため、支持軸Ｌ方向に垂直な投影面における可動部側電極１２３ａ、１２３ｂと固定部側電極１１１ａ、１１１ｂとが重畳する面積は、固定部側電極１１１ａ、１１１ｂが湾曲していない場合に比べて緩やかに変化する。つまり、湾曲していない場合と比較して、回転角度当りの重畳面積が小さい。そして、静電引力は、電極どうしの重なる面積が最大となる位置で平衡するため、駆動力および静電引力が平衡するまでの回転角を十分に確保することができる。
【００３５】
次に、第１の静電型アクチュエータ１００の製造手段について、図４を用いて説明する。
【００３６】
まず、ステップ１においてＳｉ基板を用意する。そして、ステップ２において、Ｓｉ基板の片面にＳｉ３Ｎ４を蒸着し、Ｓｉ３Ｎ４膜を形成する。Ｓｉ３Ｎ４膜の厚さを制御することにより、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂ、及び固定部側電極１１１ａ、１１１ｂの湾曲の程度を制御することができる。
【００３７】
ステップ３では、Ｓｉ３Ｎ４膜のうち、不要な部分、つまり可動部膜及び固定部膜を形成しない位置に蒸着されているものを除去する。不要な部分に蒸着されたＳｉ３Ｎ４膜を除去するため、ミラー部が歪むことがない。
【００３８】
ステップ４では、静電型アクチュエータの構造に従ってマスキング処理を行い、ステップ５では、エッチング処理を行ってマスキングされていない部分のＳｉ基板を溶解する。以上のステップを反復することにより、静電型アクチュエータが作成される。
【００３９】
そして、作成された静電型アクチュエータは、作成工程における比較的高温な状態から常温状態に冷却されると、ＳｉとＳｉ３Ｎ４との膨張率の差異から、Ｓｉ３Ｎ４膜の内部で引張応力が発生し、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂ及び固定部側電極１１１ａ、１１１ｂが湾曲する。
【００４０】
本実施形態によれば、ミラー部を歪ませることなく、可動部側電極と固定部側電極との間に、各々の駆動方向に対する間隔を設けることができる。また、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂ及び固定部側電極１１１ａ、１１１ｂを多層にしなくても、可動部側電極１２３ａ、１２３ｂと固定部側電極１１１ａ、１１１ｂとの間に、各々の駆動方向に対する間隔を設けることができるため、製造工程が容易となる。各々の駆動方向に対する間隔を設けると、より小さい電位差を両電極間に与えるだけで可動部１２０を起動することができる。言い換えると、可動部１２０を駆動するトルクを増大させることができる。さらに、与える電位差に対する可動部１２０の回転量の特性をほぼ線形にすることができる。
【００４１】
次に、第２の実施形態による第２の静電型アクチュエータ２００について図５及び６を用いて説明する。第１の実施形態と同様の構成については、同じ番号を付して説明を省略する。
【００４２】
鏡面１２４と同じ方向を向く可動部側電極２２３ａの面には、可動部膜２２７ａが蒸着される。可動部膜２２７ａはＳｉ３Ｎ４から成る。そのため、可動部側電極２２３ａは、その先端が裏面１２５の方向へ向くように湾曲する。一方、可動部側電極２２３ｂにはＳｉ３Ｎ４が蒸着されない。そのため、可動部側電極２２３ｂは湾曲しない。
【００４３】
鏡面１２４と同じ方向を向く固定部側電極２１１ｂの面には、Ｓｉ３Ｎ４から成る固定部膜２１２ｂが蒸着される。そのため、固定部側電極２１１ｂは、その先端が裏面１２５の方向へ向くように湾曲する。一方、固定部側電極２１１ａにはＳｉ３Ｎ４が蒸着されない。そのため、固定部側電極２１１ａは湾曲しない。
【００４４】
支持軸Ｌ方向から可動部側電極２２３ａと固定部側電極２１１ａとを見ると、可動部側電極２２３ａの一部と固定部側電極２１１ａの一部とが互いに重畳する。別言すると、支持軸Ｌ方向に垂直な投影面において、可動部側電極２２３ａの一部と固定部側電極２１１ｂの一部とが互いに重畳している。可動部側電極２２３ｂと固定部側電極２１１ｂともまた同様である。
【００４５】
次に、第２の静電型アクチュエータ２００の製造手段について、図６を用いて説明する。
【００４６】
まず、ステップ１においてＳｉ基板を用意する。そして、ステップ２において、静電型アクチュエータの構造に従ってマスキング処理を行う。ステップ３では、エッチング処理を行ってマスキングされていない部分のＳｉ基板を溶解する。
【００４７】
ステップ４では、再度マスキング処理を行う。このマスキング処理では、Ｓｉ３Ｎ４膜を形成する必要がない部分をマスキングする。
【００４８】
ステップ５では、Ｓｉ３Ｎ４を蒸着し、Ｓｉ３Ｎ４膜を形成する。Ｓｉ３Ｎ４膜の厚さを制御することにより、可動部側電極２２３ａ及び固定部側電極２１１ｂの湾曲の程度を制御することができる。
【００４９】
ステップ６では、マスキングを溶解して、可動部膜及び固定部膜を形成しない位置に蒸着されているＳｉ３Ｎ４膜と、マスキングとを除去する。可動部膜及び固定部膜を形成する位置にのみＳｉ３Ｎ４膜を蒸着するため、ミラー部が歪むことがない。
【００５０】
以上のステップを反復することにより、静電型アクチュエータが作成される。
【００５１】
そして、作成された静電型アクチュエータを加熱した後に冷却すると、Ｓｉ３Ｎ４膜の内部で引張応力が発生し、可動部側電極２２３及び固定部側電極２１１ｂが湾曲する。
【００５２】
本実施形態によれば、必要最小限の部分を湾曲させるため、片側からのみ可動部膜及び固定部膜を成膜すればよい。そのため、製造工程を簡素化できる。
【００５３】
次に、第３の実施形態による第３の静電型アクチュエータ３００について図７を用いて説明する。第１の実施形態と同様の構成については、同じ番号を付して説明を省略する。
【００５４】
裏面１２５と同じ方向を向く固定部側電極３１１ａの面には、固定部膜３１２ａが蒸着される。固定部膜３１２ａはＳｉ３Ｎ４から成る。そのため、固定部側電極３１１ａは、その先端が鏡面１２４の方向へ向くように湾曲する。
【００５５】
鏡面１２４と同じ方向を向く固定部側電極３１１ｂの面には、固定部膜３１２ｂが蒸着される。固定部膜３１２ｂはＳｉ３Ｎ４から成る。そのため、固定部側電極３１１ｂは、その先端が裏面１２５の方向へ向くように湾曲する。
【００５６】
一方、可動部側電極３２３ａ、３２３ｂにはＳｉ３Ｎ４が蒸着されない。そのため、可動部側電極３２３ａ、３２３ｂは湾曲しない。
【００５７】
支持軸Ｌ方向から可動部側電極３２３ａと固定部側電極３１１ａとを見ると、可動部側電極３２３ａの一部と固定部側電極３１１ａの一部とが互いに重畳する。別言すると、支持軸Ｌ方向に垂直な投影面において、可動部側電極３２３ａの一部と固定部側電極３１１ｂの一部とが互いに重畳している。可動部側電極３２３ｂと固定部側電極３１１ｂともまた同様である。
【００５８】
本実施形態によれば、可動部１２０に膜を形成しないため、可動部１２０が湾曲しない。そのため、ミラー部１２１の平面精度を維持することができる。さらに、駆動範囲の大きな静電型アクチュエータを作成することができる。
【００５９】
なお、本実施形態において、固定部側電極３１１ａ、３１１ｂではなく、可動部側電極３２３ａ、３２３ｂを湾曲させても良い。
【００６０】
なお、いずれの実施形態においても、圧縮応力を持つＳｉＯ２や、所定の条件下で３５０ＭＰａの圧縮応力を発生するｐｏｌｙ−Ｓｉを、可動部膜及び固定部膜に用いても良い。このとき、ＳｉＯ２及びｐｏｌｙ−Ｓｉは、Ｓｉ３Ｎ４が蒸着される面の裏面に蒸着される。引張応力を持つ膜と圧縮応力を持つ膜とを組み合わせて用いることで、電極を湾曲させる度合いを調整する自由度が増す。
【００６１】
また、可動部膜及び固定部膜は蒸着でなく、スパッタリングやＣＶＤ等の手段により形成されても良い。
【００６２】
１軸の静電駆動型光スキャナについて説明したが、枠体の周囲に更に枠体、電極及び支持軸を設けることにより、静電駆動型光スキャナを２軸としても良い。
【図面の簡単な説明】
【００６３】
【図１】第１の実施形態による静電型アクチュエータの正面図である。
【図２】図１のＩＩ−ＩＩ線における静電型アクチュエータの断面図である。
【図３】固定部側電極と可動部側電極との部分拡大図である。
【図４】静電型アクチュエータの製造工程の概略を示した図である。
【図５】第２の実施形態による静電型アクチュエータの断面図である。
【図６】静電型アクチュエータの製造工程の概略を示した図である。
【図７】第３の実施形態による静電型アクチュエータの断面図である。
【符号の説明】
【００６４】
１００  静電型アクチュエータ
１１０  固定部
１１１ａ  固定部側電極
１１１ｂ  固定部側電極
１１２ａ  固定部膜
１１２ｂ  固定部膜
１２０  可動部
１２１  ミラー部
１２２  腕部
１２３ａ  可動部側電極
１２３ｂ  可動部側電極
１２７ａ  可動部膜
１２７ｂ  可動部膜
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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