(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
本体部と、上記本体部の第１の軸線を回転軸とする第１の回転トルクを生じさせる第１の回転用電磁石と、上記本体部の第２の軸線を回転軸とする第２の回転トルクを生じさせる第２の回転用電磁石と、を含んで構成され、
上記本体部が、外枠部と、該外枠部の内側に位置された閉じた枠状のジンバル部と、該ジンバル部の内側に位置された可動部と、可撓性を有していて負荷により撓んで上記可動部を第１の軸方向に変位可能にかつ第２の軸方向の変位を抑制して上記可動部を上記ジンバル部に支持する一対の第１の回転用ねじり梁部と、可撓性を有していて負荷により撓んで上記ジンバル部を第２の軸方向に変位可能にかつ第１の軸方向の変位を抑制して上記ジンバル部を上記外枠部に支持する一対の第２の回転用ねじり梁部と、上記一対の第２の回転用ねじり梁部に対応するように上記ジンバル部に固設された一対のジンバル部用永久磁石と、上記一対の第１の回転用ねじり梁部に対応するように上記可動部に固設された一対の可動部用永久磁石とを含んで構成され、
上記第１の回転用電磁石が上記外枠部の一方向の両側にそれぞれ対をなして設けられ、
上記第２の回転用電磁石が上記外枠部の他方向の両側にそれぞれ対をなして設けられ、
上記一対のジンバル部用永久磁石が、上記ジンバル部における上記一対の第２の回転用ねじり梁部それぞれの近傍に上記ジンバル部の厚み方向に着磁されるように設けられており、
上記一対の可動部用永久磁石が、上記可動部における上記一対の第１の回転用ねじり梁部それぞれの近傍に上記可動部の厚み方向に着磁されるように設けられており、
上記第１の回転用電磁石の対に電流を流すことにより、上記本体部を挟んで上記一方向に平行で同じ向きに向かう磁界が上記一対の可動部用永久磁石に印加されて、上記第１の軸線を回転軸とする回転モーメントが生じ、上記一対の第１の回転用ねじり梁部に上記第１の回転トルクが生じ、
上記第２の回転用電磁石の対に電流を流すことにより、上記本体部を挟んで上記他方向に平行で同じ向きに向かう磁界が上記一対のジンバル部用永久磁石に印加されて、上記第２の軸線を回転軸とする回転モーメントが生じ、上記一対の第２の回転用ねじり梁部に上記第２の回転トルクが生じ、
上記一対の第１の回転用電磁石及び上記一対の第２の回転用電磁石に流す電流を独立に制御することによって、上記一対の第１の回転用ねじり梁部に生じる上記第１の回転トルク及び上記一対の第２の回転用ねじり梁部に生じる第２の回転トルクを制御することにより、上記可動部が振動する、電磁駆動アクチュエータ。
【請求項２】
前記本体部は半導体基板と絶縁層と半導体層が順に積層された複合基板からなり、前記一対の第１の回転用ねじり梁部及び前記一対の第２の回転用ねじり梁部は、上記半導体基板及び絶縁層をエッチングして残る半導体層からなる、請求項１に記載の電磁駆動アクチュエータ。
【請求項３】
前記ジンバル部用永久磁石が、前記一対の第２の回転用ねじり梁部に対応し前記ジンバル部の裏面側及び表面側に固設されるか又は貫通穴に通して固設され、前記可動部用永久磁石が、前記一対の第１の回転用ねじり梁部に対応し前記可動部の裏面側及び表面側に固設されるか又は貫通穴に通して固設されている、請求項１又は２に記載の電磁駆動アクチュエータ。
【請求項４】
前記ジンバル部が、長方形、多角形又は楕円形の閉じた枠状に形成され、前記一対の第２の回転用ねじり梁部が、前記ジンバル部の外側辺中央部と前記外枠部の内側辺中央部とを結んで固定されている、請求項１乃至３のいずれかに記載の電磁駆動アクチュエータ。
【請求項５】
前記可動部が、長方形、多角形又は楕円形に形成され、上側の前記一対の第１の回転用ねじり梁部は、両端が前記ジンバル部の上枠部内辺中央部と前記可動部の上端中央部とを結んで備えられ、下側の前記第１の回転用ねじり梁部は、両端が前記ジンバル部の下枠部内辺中央部と前記可動部の下端中央部とを結んで備えられている、請求項１乃至４のいずれかに記載の電磁駆動アクチュエータ。
【請求項６】
前記一対の第１の回転用ねじり梁部及び前記一対の第２の回転用ねじり梁部が前記本体部の対角線上に配置されている、請求項１乃至５のいずれかに記載の電磁駆動アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、電磁駆動アクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来の電磁駆動アクチュエータでは、例えば可動部上に電磁石が配置されその電磁石に電流を制御して流すことで可動部を駆動している。電磁石は電流により熱が発生することから可動部に熱が蓄積する。そのため、電磁石に大きな電力を投入できないので、可動部を大きく傾斜することはできない。
【０００３】
また、従来の電磁駆動アクチュエータでは、可動部の底面に電磁石を配置するため、その電磁石と可動部との距離が近いと、可動部が大きく傾いた際に可動部と外部の電磁石が干渉する。
【先行技術文献】
【非特許文献】
【０００４】
【非特許文献１】Journal of Micromechanics and Microengineering, J. Micromech. Microeng. 16(2006) 2482-2487
【非特許文献２】日本信号株式会社，MEMS共振ミラー，ＥＳＳ１１５Ｂエコスキャン，ＬＧ９５１８Ａ，取扱説明書Ver-０，ビジョナリービジネスセンター，ＭＥＭＳ事業推進部
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
本発明は上記課題に鑑み、可動部を直交する２軸で独立して駆動し可動部を駆動範囲内で任意の方向と角度に傾けることができる、電磁駆動アクチュエータを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上記目的を達成するため、本発明のアクチュエータは、
本体部と、本体部の第１の軸線、例えばＹ軸を回転軸とする第１の回転トルクを生じさせる第１の回転用電磁石と、本体部の第２の軸線、例えばＸ軸を回転軸とする第２の回転トルクを生じさせる第２の回転用電磁石と、を含んで構成され、
本体部が、外枠部と、外枠部の内側に位置された閉じた枠状のジンバル部と、ジンバル部の内側に位置された可動部と、可撓性を有していて負荷により撓んで可動部を第１の軸方向、例えばＸ軸方向に変位可能にかつ第２の軸方向の変位を抑制して可動部をジンバル部に支持する一対の第１の回転用ねじり梁部と、可撓性を有していて負荷により撓んでジンバル部を第２の軸方向、例えばＹ軸方向に変位可能にかつ第１の軸方向、例えばＸ軸方向の変位を抑制してジンバル部を外枠部に支持する一対の第２の回転用ねじり梁部と、一対の第２の回転用ねじり梁部に対応するようにジンバル部に固設された一対のジンバル部用永久磁石と、一対の第１の回転用ねじり梁部に対応するように可動部に固設された一対の可動部用永久磁石とを含んで構成され、
第１の回転用電磁石が外枠部の一方向の両側にそれぞれ対をなして設けられ、
第２の回転用電磁石が外枠部の他方向の両側にそれぞれ対をなして設けられ、
一対のジンバル部用永久磁石が、ジンバル部における一対の第２の回転用ねじり梁部それぞれの近傍にジンバル部の厚み方向に着磁されるように設けられており、
一対の可動部用永久磁石が、可動部における一対の第１の回転用ねじり梁部それぞれの近傍に可動部の厚み方向に着磁されるように設けられており、
第１の回転用電磁石の対に電流を流すことにより、本体部を挟んで一方向に平行で同じ向きに向かう磁界が一対の可動部用永久磁石に印加されて、第１の軸線を回転軸とする回転モーメントが生じ、一対の第１の回転用ねじり梁部に第１の回転トルクが生じ、
第２の回転用電磁石の対に電流を流すことにより、本体部を挟んで他方向に平行で同じ向きに向かう磁界が一対のジンバル部用永久磁石に印加されて、第２の軸線を回転軸とする回転モーメントが生じ、一対の第２の回転用ねじり梁部に第２の回転トルクが生じ、
一対の第１の回転用電磁石及び一対の第２の回転用電磁石に流す電流を独立に制御することによって、一対の第１の回転用ねじり梁部に生じる第１の回転トルク及び一対の第２の回転用ねじり梁部に生じる第２の回転トルクを制御することにより、可動部を振動させることを特徴とする。
【０００７】
上記構成によれば、一対の第１の回転用電磁石及び一対の第２の回転用電磁石の磁化方向は互いに直交した２軸で構成されている。このため、２軸の磁界強度の比率を変えることにより、磁界ベクトルが合成され、基板平面内で任意の方向と強さの磁界を作り出すことができる。これにより、一対の第１の回転用ねじり梁部及び一対の第２の回転用ねじり梁部の各梁部に対応して配設された永久磁石も直交した２方向(２軸)で構成されているので、第１の回転用電磁石及び第２の回転用電磁石によって発生した磁界により独立して回転駆動される。従って、可動部の駆動範囲内で任意の方向と角度に傾けることができる。
【０００８】
本発明の電磁駆動アクチュエータにおいて、好ましくは、本体部は半導体基板と絶縁層と半導体層が順に積層された複合基板からなり、一対の第１の回転用ねじり梁部及び一対の第２の回転用ねじり梁部は、半導体基板及び絶縁層をエッチングして残る半導体層からなる。
【０００９】
本発明の電磁駆動アクチュエータにおいて、ジンバル部用永久磁石が、一対の第２の回転用ねじり梁部に対応しジンバル部の裏面側及び表面側に固設され又は貫通穴に通して固設され、可動部用永久磁石が、一対の第１の回転用ねじり梁部に対応し可動部の裏面側及び表面側に固設され又は貫通穴に通して固設されていることが好ましい。
【００１０】
本発明の電磁駆動アクチュエータにおいて、ジンバル部が、長方形、多角形又は楕円形の閉じた枠状に形成され、一対の第２の回転用ねじり梁部が、ジンバル部の外側辺中央部と外枠部の内側辺中央部とを結んで固定されていれば好ましい。
【００１１】
本発明の電磁駆動アクチュエータにおいて、可動部が、長方形、多角形又は楕円形に形成され、上側の一対の第１の回転用ねじり梁部は、両端がジンバル部の上枠部内辺中央部と可動部の上端中央部とを結んで備えられ、下側の第１の回転用ねじり梁部は、両端がジンバル部の下枠部内辺中央部と可動部の下端中央部とを結んで備えられていてもよい。
【００１２】
本発明の電磁駆動アクチュエータは、一対の第１の回転用ねじり梁部及び一対の第２の回転用ねじり梁部が本体部の対角線上に配置されている。
【発明の効果】
【００１３】
本発明の電磁駆動アクチュエータによれば、本体部に配置した永久磁石に対し、本体部の外側に配置された垂直回転用電磁石及び水平回転用電磁石による磁界を印加することで、回転トルクを発生させて回転運動を行わせることができる。本体部には回転運動を妨げる構造体が存在しないため、可動部の傾き角度を大きくとることができる。
一般的な磁界駆動型アクチュエータは、可動部上に電磁石を用いている。そのため、ミラー駆動時は、電磁石に電流を供給するため発熱し、可動部は浮いた構造をしているため放熱が難しく蓄熱し易くなっている。このようなことから、大きな傾き角を得るために大きな電流を可動部上の電磁石に供給すると、熱によりアクチュエータが損傷を受けてしまう。これに対して、本発明の電磁駆動アクチュエータは、可動部上の磁界発生源に永久磁石を用いるため、発熱がない。また、アクチュエータ本体部の外側に配置された冷却が容易な電磁石に大きな電流を供給して大きな磁界を得ることで、駆動部に大きな回転トルクを得ることができるため、非共振・共振で駆動することができ、可動部を大きく変位することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の実施形態に係る電磁駆動アクチュエータの構成を模式的に示す平面図である。
【図２】図１の電磁駆動アクチュエータの本体部の表面側の平面図である。
【図３】図１の電磁駆動アクチュエータの本体部の裏面側の平面図である。
【図４】図２及び図３のＩ−Ｉ'線に沿った断面図である。
【図５】図１の電磁駆動アクチュエータの本体部の変形例の模式的に示す平面図である。
【図６】図５のII−II'線に沿う断面図である。
【図７】第２の変形例に係る電磁駆動アクチュエータを示す平面図である。
【図８】電磁駆動アクチュエータの駆動原理を示す模式図であり、回転トルクを発生する磁界方向を示す図である。
【図９】電磁駆動アクチュエータの駆動原理を示す模式図であり、回転トルクを発生しない磁界方向を示す図である。
【図１０】図１〜図４に示した電磁駆動アクチュエータの製造方法を説明する断面図である。
【図１１】実施例１に従って製作した電磁駆動アクチュエータにおいて、本体部の変位状態を示す光学顕微鏡像である。
【図１２】実施例１に従って製作した電磁駆動アクチュエータを２軸駆動した場合の本体部の変位状態を示す光学顕微鏡像である。
【図１３】実施例１に従って製作した電磁駆動アクチュエータを１軸駆動した場合の特性結果を示す図である。
【図１４】実施例２に従って製作した電磁駆動アクチュエータの電磁石による駆動特性の測定方法を示す模式図である。
【図１５】実施例２に従って製作した、一方の電磁石を駆動したときの電磁駆動アクチュエータの各軸の軸駆動特性を示す図である。
【図１６】実施例２に従って製作した、電磁駆動アクチュエータの２軸の電磁石による駆動特性の測定方法を示す模式図である。
【図１７】実施例２に従って製作した電磁駆動アクチュエータの１軸駆動特性を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明の実施形態に係る電磁駆動アクチュエータについて図面を参照して説明する。
【００１６】
(電磁駆動アクチュエータの構造)
図１は本発明の実施形態に係る電磁駆動アクチュエータを模式的に示す平面図、図２は図１に示す本体部１０の平面図、図３は図１に示す本体部１０の底面図、図４はＩ−Ｉ’線に沿う断面図である。この実施形態に係る電磁駆動アクチュエータ１は、本体部１０と、本体部１０を挟んで対峙する位置に配置される一対の第１の回転用電磁石３０と、本体部１０を挟んで対峙する位置で一対の第１の回転用電磁石３０の配置方向と直交するように配置される一対の第２の回転用電磁石３２と、を備えている。本体部１０は、可動部１３がジンバル部１１に第１の軸回り（図１ではＹ軸回り）に回転可能に取り付けられ、そのジンバル部１１が外枠部１５に第２の軸回り（図１ではＸ軸回り）に回転可能に取り付けられて、構成されている。第１の回転用電磁石３０が本体部１０の一方向（図１ではＸ軸方向）に隔離して対に配置され、第１の回転用電磁石３０による磁界が第１の軸線（図１ではＹ軸線）を回転軸とする回転トルクを生じさせ、第２の回転用電磁石３２が本体部１０の他方向（図１ではＹ軸方向）に離隔して対に配置され、第２の回転用電磁石３２による磁界が第２の軸線（図１ではＸ軸線）を回転軸とする回転トルクを生じさせる。
【００１７】
つまり、電磁駆動アクチュエータ１は、本体部１０と、本体部１０の一方向（図１では上下方向）の両側一対に設けられ本体部１０の第２の軸線（図１ではｘ軸線）を回転軸とする第２の回転トルク（垂直回転トルク）を生じさせる第２の回転用電磁石（以下、「垂直回転用電磁石」という。）３２と、本体部１０の他方向（図１では左右方向）の両側一対に設けられ本体部１０の第１の軸線（図１ではＹ軸線）を回転軸とする第１の回転トルク（水平回転トルク）を生じさせる第１の回転用電磁石（以下、「水平回転用電磁石」という。）３０と、を含んで構成されている。
【００１８】
本体部１０は、外枠部１５と、閉じた枠状のジンバル部１１と、可動部１３と、一対の第２の回転用ねじり梁部（以下、「垂直回転用ねじり梁部」という。）１６と、第１の回転用ねじり梁部（以下、「水平回転用ねじり梁部」という。）１８と、一対のジンバル部用永久磁石１２と、一対の可動部用永久磁石１４と、を含んで構成されている。
【００１９】
ジンバル部１１は、外枠部１５の内側に位置され、かつ一対の垂直回転用ねじり梁部１６により外枠部１５へ懸架され、可動部１３はジンバル部１１の内側に位置され、かつ一対の水平回転用ねじり梁部１８によりジンバル部１１へ懸架されている。
【００２０】
一対の垂直回転用ねじり梁部１６は、可撓性を有していて負荷により撓んでジンバル部１１を外枠部１５にＹ軸方向に変位可能にかつＸ軸方向の変位を抑制して支持する。
一対の水平回転用ねじり梁部１８は、可撓性を有していて負荷により撓んで可動部１３をジンバル部１１にＸ軸方向に変位可能にかつＹ軸方向の変位を抑制して支持する。
一対のジンバル部用永久磁石１２は、一対の垂直回転用ねじり梁部１６に対応するようにジンバル部１１に固設されている。
一対の可動部用永久磁石１４は、一対の水平回転用ねじり梁部１８に対応するように可動部１３に固設されている。
【００２１】
この実施形態に係る電磁駆動アクチュエータ１では、一対の水平回転用電磁石３０と一対の垂直回転用電磁石３２の少なくともいずれかに電流を流すことによって、一対の垂直回転用ねじり梁部１６と一対の水平回転用ねじり梁部１８の少なくともいずれかに回転トルクを生じさせ、可動部１３を駆動で変位させることができる。
【００２２】
以下にさらに詳述する。
本体部１０は、複合基板上に形成された所謂ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）であり、後述するように半導体プロセスで作製することができる。複合基板は、半導体基板と絶縁層と半導体層が順に積層されてなる。複合基板は、ここでは、半導体基板及び半導体層がＳｉからなり、かつ絶縁層がＳｉ酸化膜からなる所謂ＳＯＩ基板を使用している。
【００２３】
本体部１０は、正方形の外枠部１５と、外枠部１５に支持され外枠部１５の内側でＹ軸方向に変位可能でかつＸ軸方向の変位が抑制される閉じた枠状のジンバル部１１と、ジンバル部１１の内側でＸ軸方向に変位可能にジンバル部１１に支持された可動部１３と、ジンバル部１１の裏面側に配置されているジンバル部用永久磁石１２と、可動部１３の裏面側に配置されている可動部用永久磁石１４と、を有している。
【００２４】
電磁駆動アクチュエータ１は、本体部１０における外枠部１５と、一組の水平回転用電磁石３０と、一組の垂直回転用電磁石３２とが図示しない支持用基板に固定されて使用される。
【００２５】
ジンバル部１１は、両側の長辺の中央部からＸ軸方向に延在する垂直回転用ねじり梁部１６を介して外枠部１５に固定されており、垂直回転用ねじり梁部１６の撓みによりＹ軸方向に変位可能である。垂直回転用ねじり梁部１６は、ジンバル部１１の側辺中央と外枠部１５の内側辺中央とを結んで固定されている。
【００２６】
ジンバル部用永久磁石１２は、ジンバル部１１の長辺の中央部で、かつ、ジンバル部１１の裏面に設けた永久磁石用溝部１２Ａに嵌合されている。ジンバル部用永久磁石１２の形状は略直方体であり、長手方向がＹ軸方向に配置されている。ジンバル部用永久磁石１２は、複合基板の厚さ方向に着磁されている。ジンバル部用永久磁石１２は、ジンバル部１１の複合基板から下側に突出して配置されている。
【００２７】
可動部１３は、水平回転用ねじり梁部１８を介してジンバル部１１に固定され水平回転用ねじり梁部１８の撓みによりＸ軸方向に変位可能である。上側の水平回転用ねじり梁部１８は、両端がジンバル部１１の上枠内辺中央と可動部１３の上端中央とを結んで固定されている。下側の水平回転用ねじり梁部１８は、両端がジンバル部１１の下枠内辺中央と可動部１３の下端中央とを結んで固定されている。
【００２８】
永久磁石用溝部１４Ａが、可動部１３における上周縁部及び下周縁部で水平回転用ねじり梁部１８に対向する中央部の裏面にそれぞれ設けられており、各永久磁石用溝部１４Ａには可動部用永久磁石１４が、可動部１３の厚み方向に着磁されている。
【００２９】
垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８は、ＳＯＩ構造の複合基板をエッチングしてＳＯＩ構造の最上層である半導体層に形成され、ＳＯＩ基板の下部の酸化膜層及び半導体基板は削除されている。これは、垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８に撓みを保有させるためである。また、ジンバル部１１、可動部１３、外枠部１５では、酸化膜層及び半導体基板を残して強度を持たせる構造となっている。半導体層の厚さは、例えば８０μｍである。垂直回転用ねじり梁部１６や水平回転用ねじり梁部１８の断面形状は、幅が４０μｍ、厚さが８０μｍである。外側の垂直回転用ねじり梁部１６のＸ方向の長さ、つまり、回転軸の長さは２ｍｍ程度とすることができる。内側の水平回転用ねじり梁部１８のＹ方向の長さ、つまり、回転軸の長さは１ｍｍ程度とすることができる。
【００３０】
本体部１０における可動部１３を水平回転させる一組の水平回転用電磁石３０は、本体部１０を挟んでＸ軸方向に離隔して外枠部１５の外側に配置されている。２つの水平回転用電磁石３０は、それぞれ、本体部１０を挟んでＸ軸に平行で同じ向きに向う磁界を発生し、可動部用永久磁石１４に磁界を印加する。
【００３１】
本体部１０におけるジンバル部１１を垂直回転させる二組の垂直回転用電磁石３２は、外枠部１５を挟んでＹ軸方向に離隔して外枠部１５の外側に配置されている。２つの垂直回転用電磁石３２は、それぞれ、本体部１０を挟んでＹ軸に平行で同じ向きに向う磁界を発生し、ジンバル部用永久磁石１２に磁界を印加する。
【００３２】
以上説明したように、本体部１０は、水平及び垂直の２軸の所謂ジンバル構造を有している。各垂直回転用ねじり梁部１６に対してジンバル部用永久磁石１２が配置され、各水平回転用ねじり梁部１８に対して可動部用永久磁石１４が配置されている。つまり、２本の垂直回転用ねじり梁部１６及び２本の水平回転用ねじり梁部１８の合計４本の各梁に対して、１つの永久磁石が配置されている。ジンバル部用永久磁石１２及び可動部用永久磁石１４は、何れも、複合基板の厚み方向に対して垂直方向に着磁されている。
【００３３】
（第１の変形例）
電磁駆動アクチュエータ１は図１に示す形状に限られず、適宜変形することができる。図５は電磁駆動アクチュエータ１の第１の変形例を示す平面図であり、図６は図５のＩＩ−ＩＩ’線に沿う断面図である。なお、図５及び図６には、第１の回転用電磁石３０及び第２の回転用電磁石３２は示してない。
【００３４】
図５及び図６に示すように、第１の変形例に係る電磁駆動アクチュエータ１の本体部１０Ａは、図１に示す本体部１０と機能的な構成が同じであるので同一符号を用いている。本体部１０Ａは、垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８が本体部１０Ａの対角線上に配置されている点で、図１に示す本体部１０と異なっている。詳細には、本体部１０Ａは前述と同様、平面視において正方形であるが、対角線がそれぞれＸ軸、Ｙ軸に平行に配置されている。垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８の長さを、本体部１０の場合よりも長くすることができる。図５には、第１の回転用電磁石３０及び第２の回転用電磁石３２は示していない。第２の回転用電磁石３２は、本体部１０Ａを挟んでＹ軸方向に離隔して対となるように配置され、本体部１０Ａの外側で垂直回転用ねじり梁部１６の延びている方向と垂直な方向に、即ち水平回転用ねじり梁部１８の延びている方向に磁界を発生するように配置される。第１の回転用電磁石３０は、本体部１０Ａを挟んでＸ軸方向に離隔して対となるように配置され、本体部１０Ａの外側で水平回転用ねじり梁部１８の延びている方向と垂直な方向に、即ち垂直回転用ねじり梁部１６の延びている方向に磁界を発生するように配置される。
【００３５】
（第２の変形例）
図７は第２の変形例に係る電磁駆動アクチュエータ１Ａを示す平面図である。前述と同一又は対応する部材には同一の符号を付し、説明を省略する。図７に示すように、本体部１０Ｂは第１の変形例と同様に、対角線上に、第１の回転用電磁石３０の対が本体部１０Ｂを挟んでＸ軸方向に離隔して配置され、第２の回転用電磁石３２の対が本体部１０Ｂを挟んでＹ軸方向に離隔して配置されている。図５とは、可動部１３とジンバル部１１との間、ジンバル部１１と外枠部１５との間の環状のスリット形状が異なるだけであり、本体部１０Ｂは、垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８が本体部１０Ｂの対角線上に配置されている点では同じである。よって、第２の変形例と同様、垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８の長さを、本体部１０の場合よりも長くすることができる。なお、ジンバル部用永久磁石１２は、ジンバル部１１においてＸＹ平面に直交する方向に着磁されている。可動部用永久磁石１４は、可動部１３においてＸＹ平面に直交する方向に着磁されている。
【００３６】
（電磁駆動アクチュエータの動作原理）
図８は電磁駆動アクチュエータ１の駆動原理を示すＡ−Ａ’断面図であり、図８（ａ）は水平回転用電磁石３０に給電しないとき、図８（ｂ）は水平回転用電磁石３０に給電したとき、図８（ｃ）は水平回転用電磁石３０に給電したとき、の磁界と磁力とトルクの関係を立体的に示す。図８において、Ｔはトルク、Ｈは磁界、Ｆは磁力である。
【００３７】
図１に示す電磁駆動アクチュエータ１は、図８（ａ）に示す状態、つまり、可動部用永久磁石１４が水平回転用電磁石３０を結ぶ仮想線に対して垂直な状態において、水平回転用電磁石３０に電流を流すと、図８（ｂ）に示すように水平回転用電磁石３０は本体部１０の平面に平行な磁界Ｈを加える。磁界Ｈが印加されると、可動部用永久磁石１４の各極側は磁力Ｆを生じ、可動部用永久磁石１４のＮ極が磁界Ｈの矢印の向きに平行かつ同じ方向に向き、かつ可動部用永久磁石１４のＳ極が磁界Ｈに平行かつ逆方向に向くので、可動部１３にＹ軸回りの回転のモーメントが生じる。この回転のモーメントによるトルクＴと水平回転用ねじり梁部１８の回転軸が一致するため、水平回転用ねじり梁部１８に回転トルクＴが生じる。
【００３８】
回転の角度は、可動部用永久磁石１４と水平回転用電磁石３０とにより生じた水平回転用ねじり梁部１８周りのトルクＴと、このトルクＴのねじり回転のばねによる力と釣り合った位置で決まる。
【００３９】
図９は電磁駆動アクチュエータ１の駆動原理を示すＢ−Ｂ’断面図であり、図９（ａ）は水平回転用電磁石３０に給電しないとき、図８（ｂ）は水平回転用電磁石３０に給電したとき、図８（ｃ）は水平回転用電磁石３０に給電したとき、の磁界と磁力とトルクの関係を立体的に示す。図９において、Ｔはトルク、Ｈは磁界、Ｆは磁力である。
【００４０】
図９（ａ）に示す状態から図９（ｂ）に示すように水平回転用電磁石３０に電流を流すと磁界Ｈが生じ、ジンバル部用永久磁石１２は磁界Ｈにより磁力Ｆを生じるが、ジンバル部用永久磁石１２の回転軸と垂直回転用ねじり梁部１６の回転軸とが一致しないため、可動部１３を傾けるような回転トルクを発生しない。
【００４１】
以上のように、水平回転用電磁石３０に電流を流すことで、可動部１３をＹ軸回りに回転させるトルクを生じさせることができる。同様に、垂直回転用電磁石３２に電流を流すことで、ジンバル部１１にＸ軸回りに回転させるトルクを生じさせることができる。よって、水平回転用電磁石３０と垂直回転用電磁石３２に流す電流を独立に制御することにより、Ｘ軸回りの回転とＹ軸回りの回転とを独立に制御することができ、結果として、可動部１３を任意の方向に広範囲に制御することができる。
【００４２】
ここで、電磁駆動アクチュエータ１において、水平回転用電磁石３０及び垂直回転用電磁石３２の磁化方向は互いに直交した２軸で構成されている。このため、２軸の磁界強度の比率を変えることにより、磁界ベクトルが合成され、基板平面内で任意の方向及び強さを有する磁界を作り出すことができる。
これにより、垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８の各梁部近傍に配設された永久磁石１２，１４も直交した２方向(２軸)で構成されているので、水平回転用電磁石３０及び垂直回転用電磁石３２によって発生した磁界により独立して回転駆動される。従って、可動部１３を駆動範囲内で任意の方向に傾けることができる。
【００４３】
本発明の電磁駆動アクチュエータ１によれば、本体部１０に配置した永久磁石１２，１４に対し、本体部１０の外側に配置された水平回転用電磁石３０及び垂直回転用電磁石３２による磁界を印加することで、２軸のそれぞれの回転トルクを発生させ、可動部１３が直交する２軸の回りにそれぞれ回転運動する。本体部１０の上下には回転運動を妨げる構造体が存在しないため、可動部１３の傾き角度を大きくとることができる。なお、第１及び第２の変形例でも同様のことが当てはまる。
【００４４】
（電磁駆動アクチュエータの製造方法）
本体部１０は、所謂ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）であり、後述するように半導体プロセスで作製することができる。
図１０は、図１〜図４に示した電磁駆動アクチュエータ１の製造方法を説明する断面図である。図１０（ａ）に示すように、ＳＯＩ構造を有する複合基板４０を用意する。複合基板４０は、Ｓｉ基板からなるハンドリング層４１上にＳｉＯ２から成る犠牲層４２と活性Ｓｉ層４３が順に積層されている。具体的には、例えば、厚さが３５０μｍのハンドリング層４１の表面に、厚さ２μｍのＳｉＯ２から成る犠牲層４２を介して、厚さ８０μｍの活性Ｓｉ層４３が形成されている。
【００４５】
図１０（ｂ）に示すように、複合基板４０の上面、即ち上層の活性Ｓｉ層４３の表面に、レジスト４４からなるマスクパターンを形成する。
上記マスクパターンを使用して、図１０（ｃ）に示すように、化学エッチング、プラズマによるイオンエッチング（ＲＩＥ法）などにより、活性Ｓｉ層４３を符号４７で示す部分を部分的に削り犠牲層４２に達するエッチングを行う。このエッチングにより、活性Ｓｉ層４３に、ジンバル部１１、可動部１３、垂直回転用ねじり梁部１６、水平回転用ねじり梁部１８、外枠部１５のパターンが形成される。
次に、図１０（ｄ）に示すように、ハンドリング層４１の下面に、レジスト４６からなるマスクパターンを形成する。
このマスクパターンを使用して、図１０（ｅ）に示すように、化学エッチング、プラズマによるイオンエッチング（ＲＩＥ法）などにより、ハンドリング層４１を犠牲層４２に達するまでエッチングをする。このエッチングにより、垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８となる部分の下側のハンドリング層４１だけが除去され、ジンバル部１１及び可動部１３となる部分のハンドリング層４１に永久磁石用溝部１２Ａ，１４Ａが形成される。つまり、ハンドリング層４１で不要な部分が除去される。
【００４６】
次に、図１０（ｆ）に示すように、犠牲層４２の内ＳＯＩ構造とはなっていない部分の領域をエッチングして除去する。
以上の工程により、外枠部１５、ジンバル部１１及び可動部１３が永久磁石用溝部１２Ａ，１４Ａを除いてＳＯＩ構造を有し、垂直回転用ねじり梁部１６が外枠部１５とジンバル部１１との間に活性Ｓｉ層４３で架設され、水平回転用ねじり梁部１８がジンバル部１１と可動部１３との間に活性Ｓｉ層４３で架設される。つまり、ジンバル部１１が垂直回転用ねじり梁部１６によって支持され、可動部１３が水平回転用ねじり梁部１８によって支持された状態となる。
【００４７】
次に、図１０（ｇ）に示すように、ハンドリング層４１に形成された永久磁石用溝部１２Ａ，１４Ａへ永久磁石１２，１４を装着する。永久磁石１２，１４は、例えば接着剤を用いて活性Ｓｉ層へ固着し、かくして本体部１０が出来上がる。
【００４８】
次に、本体部１０を、図示しない支持台に搭載する。その際、本体部１０における外枠部１５のみを支持台に接触させ、垂直回転用ねじり梁部１６の軸回りにジンバル部１１が揺動しかつ水平回転用ねじり梁部１８の軸回りに可動部１３が揺動しても、ジンバル部用永久磁石１２及び可動部用永久磁石１４が支持台に干渉しないように、外枠部１５と支持台との間にスペーサを介在させたりして、支持台の形状を工夫することが好ましい。支持台は例えば図１に示す形態の場合では中央が中空で矩形状を有する枠体としてもよいし、支持台の上面が部分的にくり抜かれて窪みを有していてもよい。
最後に、支持台の所定の位置に電磁石３０，３２を配設する。
以上で、電磁駆動アクチュエータ１が作製される。図５及び図７に示す本体部１０Ａ，１０Ｂを備える電磁駆動アクチュエータ１，１Ａにおいても同様に作製することができる。ただし、図７に示す本体部１０Ｂの場合には、ハンドリング層４１のみならず犠牲層４２及び活性Ｓｉ層４２に貫通穴が形成されて、その中に、ジンバル部用永久磁石１２、可動部用永久磁石１４がそれぞれの所定の貫通穴に挿入され、接着剤等で固定される点が異なる。
【００４９】
この製造方法によれば、ＳＯＩ基板４０を用いてＭＥＭＳ工程によって容易に電磁駆動アクチュエータ１，１Ａを製作することができる。
以下、本発明を具体的な実施例によりさらに説明する。
【実施例１】
【００５０】
電磁駆動アクチュエータ１を、図９を参照して説明した手順によって製作した。用いたＳＯＩ基板４０は、厚さが３５０μｍのハンドリング層４１の表面に、厚さ２μｍのＳｉＯ２から成る犠牲層４２を介して、厚さ８０μｍの活性Ｓｉ層４３が形成されている。
【００５１】
可動部１３の面積は５ｍｍ×５ｍｍとした。垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８の断面形状は、幅が４０μｍ、厚さが８０μｍとした。垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８の長さは、それぞれ２ｍｍ，１ｍｍとした。
【００５２】
永久磁石用溝部１２Ａ，１４Ａの形状は、０．５ｍｍ（幅）×０．３５ｍｍ（深さ）×５ｍｍ（長さ）とした。用いた永久磁石の材料は、Ｓｍ−Ｆｅ−Ｎである。永久磁石１２，１４の寸法は、幅が０．５ｍｍ（幅）×０．５ｍｍ（厚さ）×５ｍｍ（長さ）とした。
【００５３】
磁界をかけるための水平回転用電磁石３０及び垂直回転用電磁石３２は同じ構成であり、コ字型の磁性体ヨークの両端にそれぞれ直径が１００μｍの被覆線を各７００回巻いて二つの電磁石とした。磁性体ヨークの開口部の間に本体部１０を配置した（図１４参照）。
【００５４】
製作した電磁駆動アクチュエータ１の駆動特性について測定した。電磁駆動アクチュエータ１における本体部１０の外側に直交する水平回転用電磁石３０及び垂直回転用電磁石３２を配置し、垂直回転用電磁石３２に電流を１５０ｍＡ流した。
【００５５】
図１１は、本体部１０の変位状態を示す光学顕微鏡像である。図１１に示す像からジンバル部（Gimbal）１１が外枠部（Outer frame）１５に対して１７．６°傾斜していることが分かる。
図１２は、電磁駆動アクチュエータ１を２軸駆動した場合の本体部１０の変位状態を示す光学顕微鏡像である。図１２に示す像から、電磁駆動アクチュエータ１は２軸で駆動していることが分かる。実施例１で製作した電磁駆動アクチュエータ１は非共振モードであり、可動部１３の角度を静止した状態に保つことが可能であることを確認した。
【００５６】
図１３は、電磁駆動アクチュエータ１を１軸駆動した場合の特性結果を示す図である。図１３の挿入図にあるように、走査ミラーである可動部１３に対して斜めにレーザ光を照射しその反射光の向きを測定して求めている。図１３において、横軸は垂直回転用電磁石３２に供給する電流（Ａ）であり、縦軸は光学走査角度（°）である。図１３から、垂直回転用電磁石３２に流す電流を増加させると、光学走査角度（°）は直線的に増加することが分かった。水平回転用電磁石３０に電流を流しても同様の結果を得た。なお、流す電流を６５０ｍＡとしたのはコイル特性のためである。
【００５７】
図１３において、垂直回転用電磁石３２，水平回転用電磁石３０の何れかに流す電流と可動部１３の光学走査角度との関係が線形であることから、Ｓｉでなる垂直回転用ねじり梁部１６及び水平回転用ねじり梁部１８の変形がまだ弾性領域であることが分かる。このことから、電磁駆動アクチュエータ１自体は、垂直回転用電磁石３２，水平回転用電磁石３０をさらに強力なものと置き換えることで、図１１に示した以上の光学走査角度で駆動が可能であることが予想される。
【実施例２】
【００５８】
本体部１０Ｂを有する電磁駆動アクチュエータ１Ａを実施例１と同様にして製作した。
水平回転用電磁石３０及び垂直回転用電磁石３２は基本的に同じ構成としたが、水平回転用電磁石３０及び垂直回転用電磁石３２は、何れも、コ字型の磁性体ヨークの両端にそれぞれ直径が１００μｍの被覆線を各７００回巻いて２つの電磁石とした。磁性体ヨークの開口部に本体部１０を配置した。
【００５９】
図１４は、電磁駆動アクチュエータ１Ａの電磁石３０又は３２による駆動特性の測定方法を示す模式図である。図１４に示すように、電磁駆動アクチュエータ１Ａは支持台５０上に配置されている。水平回転用電磁石３０及び垂直回転用電磁石３２が、電磁駆動アクチュエータ１Ａの本体部１０Ｂの外側で、互いに直交するよう配置されている。水平回転用電磁石３０及び垂直回転用電磁石３２は、本体部１０における活性Ｓｉ層に平行で垂直、水平の各回転軸に対して垂直な磁界を印加する。電磁駆動アクチュエータ１Ａの可動部１３の中心に向けてレーザ光５２を照射するよう、光源５２Ａが配置されている。光源５２Ａと電磁駆動アクチュエータ１Ａとの間には、スクリーン５４としての方眼紙が垂直に立てて配置されている。そのスクリーン５４の中心にはレーザ光５２が通過するのに十分な開口を有している。光源５２Ａは、磁界を印加していない状態で可動部１３に垂直にかつ可動部１３の中心に、レーザ光５２を照射する。このような測定装置を用い、可動部１３に外部からレーザ光５２を照射し、可動部１３からのレーザ光５２の反射光をスクリーン５４に映して可動部１３の変位角度を測定した。つまり、可動部１３の表面に配置されている活性Ｓｉ層４３をミラーとして動作させた。なお、内側の水平回転用ねじり梁部１８の走査方向をＸ軸とし、外側の垂直回転用ねじり梁部１６の走査方向をＹ軸とする。Ｘ軸回転用の電磁石３２又はＹ軸回転用の電磁石３０の何れかに電流を流して２軸駆動を行った。
【００６０】
図１５は、一方の電磁石を駆動したときの電磁駆動アクチュエータ１Ａの１軸駆動特性を示す図である。図１５の横軸は各電磁石に流した電流（ｍＡ）を示し、縦軸は可動部１３の光学走査角度（°）を示している。内側の水平回転用ねじり梁部１８の走査方向（Ｘ軸）における測定点を「■」印で示し、外側の垂直回転用ねじり梁部１６の走査方向（Ｙ軸）における測定点を「◆」印で示している。
図１５から明らかなように、水平回転用電磁石３０、垂直回転用電磁石３２に流す電流に比例して、Ｘ軸及びＹ軸方向の光学走査角度が増大することが分かる。Ｘ軸（水平回転）及びＹ軸（垂直回転）方向の光学走査角度は、電流値が１５０ｍＡの時、それぞれ、２１°（全角４２°）、２８°（全角５６°）となった。本体部１０Ｂの形状の対称性から、Ｘ軸（水平回転）及びＹ軸（垂直回転）方向の光学走査角度は同じであることが予想される。しかしながら、Ｙ軸方向（垂直回転）よりもＸ軸方向の光学走査角度が小さい。これは、永久磁石同士１２，１４同士の磁界が作用することが原因であると推察される。
【００６１】
図１６は、電磁駆動アクチュエータ１Ａの２軸の電磁石による駆動特性の測定方法を示す模式図である。内側の水平回転用ねじり梁部１８の走査方向をＸ軸とし、外側の垂直回転用ねじり梁部１６の走査方向をＹ軸とする。垂直回転用電磁石３２及び水平回転用電磁石３０に同じ電流を流して１軸駆動を行った。
【００６２】
図１７は、電磁駆動アクチュエータ１Ａの１軸駆動特性を示す図である。図１７の横軸及び縦軸は図１５と同じである。内側の水平回転用ねじり梁部１８の走査方向（Ｘ軸）における測定点を「■」印で示し、外側の垂直回転用ねじり梁部１６の走査方向（Ｙ軸）における測定点を「◆」印で示している。
図１７から明らかなように、電磁石３０，３２へ流す電流に比例して、Ｘ軸及びＹ軸方向の光学走査角度が増大することが分かる。Ｘ軸（水平回転）方向の光学走査角度は、電流値が２５０ｍＡの時、５９°（全角１１８°）となった。Ｙ軸（垂直回転）方向の光学走査角度は、電流値が１１０ｍＡの時、５０°（全角１００°）となった。
【００６３】
本発明の上述した実施形態及び実施例から、可動部１３を、例えば光学走査角度が全角で１００°以上の非常に広い範囲で、走査することができることが判明した。
本発明は上記した実施形態及び実施例に限定されることなく、特許請求の範囲に記載した発明の範囲内で種々の変形が可能であり、それらも本発明の範囲内に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００６４】
本発明の電磁駆動アクチュエータは、例えば、レーザ光を反射してスクリーン上に画像を描くスキャナデバイス、レーザ光を任意の位置に反射して指し示すポインティングデバイス、任意の角度に平面を傾ける精密傾斜ステージ、プロジェクタからの画像をミラー面で反射して任意の方向へ画像を投影するデバイスなど、各種制御装置として利用可能である。
【符号の説明】
【００６５】
１，１Ａ：電磁駆動アクチュエータ
１０,１０Ａ，１０Ｂ：本体部
１１：ジンバル部
１２：ジンバル部用永久磁石
１２Ａ，１４Ａ：永久磁石用溝部
１３：可動部
１４：可動部用永久磁石
１５：外枠部
１６：垂直回転用ねじり梁部（第２の回転用ねじり梁部）
１２Ａ，１４Ａ：永久磁石用溝部
１８：水平回転用ねじり梁部（第１の回転用ねじり梁部）
３０：水平回転用電磁石（第１の回転用電磁石）
３２：垂直回転用電磁石（第２の回転用電磁石）
４０：複合基板
４１：ハンドリング層
４２：犠牲層
４３：活性Ｓｉ層
４４，４６：レジスト
５０：支持台
５２：レーザ光
５２Ａ：光源
５４：スクリーン
【図１】
0005641176.tif 000002
【図２】
0005641176.tif 000003
【図３】
0005641176.tif 000004
【図４】
0005641176.tif 000005
【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
0005641176.tif 000009
【図９】
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【図１０】
0005641176.tif 000011
【図１３】
0005641176.tif 000012
【図１４】
0005641176.tif 000013
【図１５】
0005641176.tif 000014
【図１６】
0005641176.tif 000015
【図１７】
0005641176.tif 000016
【図１１】
0005641176.tif 000017
【図１２】
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