(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
固定部にトーションバーで揺動可能に支持された可動部の揺動時の応力で抵抗値が変化する２つのピエゾ抵抗素子と、前記揺動時の応力では抵抗値が変化しない２つの金属皮膜抵抗素子とを対辺同士に配置したブリッジ回路を備え、２つのピエゾ抵抗素子を、固定部とトーションバーとの接続部にて可動部揺動中心に対して同じ側に離れた根元端部近傍で、且つ前記揺動中心と直交し可動部の重心を通る軸線に対して対称な位置に配置し、ブリッジ回路の出力値に基づいて可動部の揺動角度を検出する構成としたプレーナ型アクチュエータ。
【請求項２】
前記２つのピエゾ抵抗素子は、前記根元端部近傍の固定部側に配置した請求項１に記載のプレーナ型アクチュエータ。
【請求項３】
前記金属皮膜抵抗素子の抵抗値は、前記ブリッジ回路の温度変化に基づく出力値の変動量が温度変化前の出力値に対して１パーセント以内になるように前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値より大きな値に設定する請求項１又は２に記載のプレーナ型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プレーナ型アクチュエータに関し、特に、トーションバーによって揺動可能に支持された可動部の揺動角度を検出する技術に関する。
【背景技術】
【０００２】
可動部がトーションバーによって揺動可能に支持された構成のプレーナ型アクチュエータとして、例えば特許文献１に記載の電磁駆動式のプレーナ型アクチュエータがある。このアクチュエータは、枠状の固定部、可動部、及び、固定部に可動部を揺動可能に軸支するトーションバーが一体に形成され、可動部に駆動コイルが設けられると共に該駆動コイルに静磁界を作用させる静磁界発生手段（例えば永久磁石）を備える。そして、駆動コイルを流れる電流と、静磁界発生手段による静磁界との相互作用により発生する駆動力（ローレンツ力）を利用して可動部をトーションバーの軸回りに揺動させる。
【０００３】
ここで、可動部にミラーを設けるようにすれば、可動部を揺動させることでミラーに照射した光ビームの反射光を偏向・走査することができるので、光スキャナやレーザプロジェクタ等における光偏向走査用のアクチュエータとして用いることができる。
【０００４】
このような光偏向走査用のアクチュエータにおいては、装置の安定した動作等を確保するため、可動部の揺動角度（ミラーの傾斜角度）を精度よく制御する必要がある。このため、例えば特許文献２に記載のアクチュエータ（ガルバノミラー）では、トーションバー上に４つのピエゾ抵抗素子（歪みゲージ）を形成し、これらピエゾ抵抗素子でブリッジ回路を構成し、可動部の揺動動作に基づくピエゾ抵抗素子の抵抗値変化によって変化するブリッジ回路の出力値から可動部（ミラー部）の揺動角度を測定しつつ、可動部の揺動角度を制御するようにしている。
【０００５】
ところで、一般に、ピエゾ抵抗素子はその周囲温度（アクチュエータ自体の温度も含む）の変化に伴って抵抗値が変化する特性を有している。そのため、周囲温度が変化した場合に、可動部の揺動動作に伴って生じるトーションバーの歪みに起因するピエゾ抵抗素子の抵抗値変化だけを測定することは難しく、可動部の揺動角度を精度よく検出することができなかった。このため、従来では、例えば特許文献３に記載の温度補償回路等を設け、この温度補償回路を用いて周囲温度に応じてブリッジ回路の出力値を補正するようにしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特許第２７２２３１４号公報
【特許文献２】特開平５−１１９２８０号公報
【特許文献３】特開平１１−２３７２５４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、温度補償回路を設ける構成では、構成要素の増加や回路の複雑化を招くこととなり、コスト高となってしまうため好ましくない。
なお、このような課題は、光偏向走査用のアクチュエータとして用いる場合に限られるものではなく、トーションバーによって可動部を揺動可能に支持する構成を有し、この可動部の揺動角度を検出する必要のあるアクチュエータに共通するものである。
【０００８】
本発明は上記問題点に着目してなされたもので、比較的簡単な構成で、周囲温度が変化した場合であっても可動部の揺動角度を精度よく検出できるプレーナ型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】
【０００９】
このため、本発明のプレーナ型アクチュエータは、固定部にトーションバーで揺動可能に支持された可動部の揺動時の応力で抵抗値が変化する２つのピエゾ抵抗素子と、前記揺動時の応力では抵抗値が変化しない２つの金属皮膜抵抗素子とを対辺同士に配置したブリッジ回路を備え、２つのピエゾ抵抗素子を、固定部とトーションバーとの接続部にて可動部揺動中心に対して同じ側に離れた根元端部近傍で、且つ前記揺動中心と直交し可動部の重心を通る軸線に対して対称な位置に配置し、ブリッジ回路の出力値に基づいて可動部の揺動角度を検出する構成としたことを特徴とする。
【００１０】
かかる構成では、抵抗温度係数の小さい金属皮膜抵抗素子の抵抗値をピエゾ抵抗素子の抵抗値に対して十分大きな値に設定することで、温度変化に起因するブリッジ回路の出力値の変動量を軽減できるようになる。
【００１１】
請求項２のように、前記２つのピエゾ抵抗素子は、前記根元端部近傍の固定部側に配置するとよい。
【００１３】
請求項３のように、前記金属皮膜抵抗素子の抵抗値は、前記ブリッジ回路の温度変化に基づく出力値の変動量が温度変化前の出力値に対して１パーセント以内になるように前記ピエゾ抵抗素子の抵抗値より大きな値に設定するとよい。
【発明の効果】
【００１４】
本発明のプレーナ型アクチュエータによれば、抵抗温度係数の小さい金属皮膜抵抗素子の抵抗値をピエゾ抵抗素子の抵抗値に対して十分に大きく設定するだけで、ブリッジ回路の出力値への温度変化に起因する誤差を軽減でき、可動部の揺動角度の検出精度を向上することができる。従って、ブリッジ回路の出力値を温度補正するための温度補償回路等を設ける必要がなく、構成要素の削減や回路の簡素化を計ることができ、アクチュエータのコストを低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係るプレーナ型アクチュエータの一実施形態の概略構成を示す図。
【図２】第１及び第２ピエゾ抵抗素子と金属皮膜抵抗素子で構成されるブリッジ回路の一例を示す図。
【図３】ブリッジ回路の出力電圧Ｖｏｕｔを示す図。
【図４】本発明と従来とを比較するための従来のブリッジ回路を構成する４つのピエゾ抵抗素子の配置状態を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１は、本発明の一実施形態の概略構成を示し、電磁駆動式のプレーナ型アクチュエータに適用した例を示している。本実施形態による電磁駆動式のプレーナ型アクチュエータ（以下単に「アクチュエータ」という）は、半導体製造技術を利用して製造される。
【００１７】
図１に示すように、アクチュエータ１は、枠状の固定部３と、固定部３の内側に配置され一対のトーションバー５，５によって揺動可能に支持された可動部７と、を備える。
可動部７は、固定部３に対して所定の空隙を有して設けられている。一対のトーションバー５，５は、可動部７を挟むように形成されており、各トーションバー５，５は、対向する固定部３の内側面の略中央部分と可動部７の側面の略中央部分とを連結している。尚、固定部３、トーションバー５，５及び可動部７は、半導体基板から一体的に形成されている。
【００１８】
可動部７の表面には、駆動コイル７ａが形成されている。駆動コイル７ａは、可動部７の周縁部近傍に形成され、その端部は、固定部３に形成された電極端子９，９にそれぞれ接続されている。電極端子９，９は、外部の駆動電流供給回路（図示省略）に接続されており、外部の駆動電流供給回路から電極端子９，９を介して所定の電流を駆動コイル７ａに供給できるようになっている。
【００１９】
また、トーションバー５，５の軸方向と直交する方向（図の上下方向）において、固定部３の両外側には、それぞれ磁界発生手段として永久磁石１１，１１が設けられている。永久磁石１１，１１は、可動部７（及び固定部３）を挟んで互いに反対磁極が対向するように配置されて静磁界を形成する。本実施形態では、磁界発生手段として永久磁石１１，１１を用いているが、永久磁石に代えて電磁石を用いてもよい。
【００２０】
更に、アクチュエータ１には、可動部７の揺動動作、即ち、トーションバー５，５の捩れによって生じる歪み（応力）を検出するための第１及び第２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２が形成されている。
【００２１】
第１及び第２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２は、可動部７の揺動動作により同じ方向（圧縮方向又は引張方向）の応力の影響を受ける位置に形成されている。ここで、可動部７の揺動動作による同じ方向の応力の影響を受ける位置とは、例えば可動部７を揺動させたときに圧縮方向又は引張方向の歪みが同時に発生する固定部３表面の所定領域又はトーションバー５，５表面のことである。
【００２２】
本実施形態においては、図１において可動部７の揺動中心（即ち、トーションバー５，５の軸線）をＸ軸とし、Ｘ軸に直交し可動部７の重心を通る線をＹ軸としたときに、第１及び第２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２は、固定部３とトーションバー５，５の接続部近傍、例えば図１に示すような各トーションバー５，５の固定部３側のＸ軸から離れた各根元端部近傍に、Ｘ軸に対して同じ側（図１では上側）で、且つ、Ｙ軸に略対称な位置に形成されている。
【００２３】
尚、第１及び第２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の配置は、上記したものに限定されるものではない。図１と反対側（図１のＸ軸の下側）であってもよい。また、例えば、可動部７の揺動動作（トーションバー５，５の捩れ）による応力の影響を受ける固定部３とトーションバー５，５の接続部近傍（Ｘ軸に対して同じ側に離れた根元端部近傍で、且つ揺動中心と直交し可動部の重心を通る軸線に対して対称な位置）の固定部３側に形成してもよい。更には、第１及び第２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２が、トーションバー５，５に生じるせん断歪みを検出するようにしてもよい。
【００２４】
本実施形態では、第１及び第２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と後述するブリッジ回路を構成するための２つの抵抗素子１３，１４を設けている。これら抵抗素子１３，１４は、応力が作用しても抵抗値が変化せず、且つ、周囲温度（アクチュエータ自体の温度も含む）が変化しても抵抗値が殆ど変化しないよう、ピエゾ抵抗素子より抵抗温度係数の小さい金属皮膜抵抗素子である。
【００２５】
２つの抵抗素子１３，１４は、例えば可動部７の揺動動作による応力の影響を受けない位置に配置している。ここで、可動部７の揺動動作による応力の影響を受けない位置とは、例えば可動部７を揺動させたときに歪みがほとんど発生しない（歪みが略零となる）領域のことである。本実施形態では、抵抗素子１３，１４を、トーションバー５，５から離れた固定部３の所定位置に設けている。この場合、抵抗素子１３，１４をチップ抵抗とすることが好ましい。尚、抵抗素子１３，１４の取付位置は、固定部３に限らず、外部の回路基板上でもよく、この場合は、固定部３に電極端子を形成してワイヤボンディングを用いて第１及び第２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と電気的に接続するようにすればよい。
【００２６】
図２は、第１及び第２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と抵抗素子１３，１４によって構成したブリッジ回路を示している。図２に示すように、ブリッジ回路２１は、左上側から反時計回りに、抵抗素子１３が配置された第１の辺２１ａと、第１ピエゾ抵抗素子Ｒ１が配置された第２の辺２１ｂと、抵抗素子１４が配置された第３の辺２１ｃと、第２ピエゾ抵抗素子Ｒ２が配置された第４の辺２１ｄと、を有している。即ち、ブリッジ回路２１は、２つのピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と抵抗温度係数の小さい２つの抵抗素子１３，１４をそれぞれ対辺同士に配置して構成してある。
【００２７】
ブリッジ回路２１には、外部の電圧供給源（図示省略）から所定の入力電圧Ｖｉｎが供給され、第１の辺２１ａと第２の辺２１ｂの接続点と第３の辺２１ｃと第４の辺２１ｄの接続点との電位差を出力電圧Ｖｏｕｔとする。そして、アクチュエータ１は、ブリッジ回路２１の出力電圧Ｖｏｕｔの値に基づいて可動部７の揺動角度を検出する角度検出回路（図示せず）を備える。
【００２８】
次に、本実施形態によるアクチュエータ１の作用を説明する。
外部の駆動電流供給回路から駆動コイル７ａに電流が供給されると磁界が発生し、発生した磁界と永久磁石１１，１１によって形成された静磁界との相互作用によりローレンツ力が発生する。このローレンツ力によって可動部７をトーションバー５，５の軸回りに回転させる回転力が生じ、可動部７は、この回転力とトーションバー５，５の捩り抵抗力とがつり合う位置（角度）まで回動する。
【００２９】
駆動コイル７ａに交流電流が供給されることによって、可動部７はトーションバー５，５を中心に揺動する。駆動コイル７ａに供給する電流量を調整することで、可動部７の揺動角度（振れ角）を制御することができる。尚、駆動コイル７ａに直流電流が供給されると、供給された電流量に応じた回動位置で可動部７が停止することになる。
【００３０】
また、第１及び第２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２と抵抗温度係数の小さい２つの抵抗素子１３，１４によって構成されるブリッジ回路２１は、可動部７の揺動角度に応じてその出力電圧Ｖｏｕｔが変化するので、この出力電圧Ｖｏｕｔをモニタすることで、可動部７の揺動角度を検出することができる。
【００３１】
ここで、ブリッジ回路２１の出力電圧Ｖｏｕｔについて説明する。
上述した構成を有するアクチュエータ１において、可動部７が一方に回動すると、第１，２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２は引張方向（又は圧縮方向）の応力を受け、可動部７が他方に回動すると、第１，２ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２は圧縮方向（又は引張方向）の応力を受けることになる。ピエゾ抵抗素子は、例えばＰ型拡散抵抗によって形成されていると、引張方向の応力を受けると抵抗値が増加し、圧縮方向の応力を受けると抵抗値が減少する。このため、例えば可動部７をトーションバー５，５の軸線を中心にして所定角度で交互に回動させる（即ち、揺動させる）と、上記ブリッジ回路２１からは可動部７の揺動角度（振れ角）に応じた電圧が出力（例えば、ｓｉｎ波で出力）され、ブリッジ回路２１の出力電圧Ｖｏｕｔは図３に示すようになる。尚、抵抗素子１３，１４の抵抗値は、可動部７の揺動動作に関係なく変化しない。
【００３２】
ここで、ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗値をｒ１，ｒ２とし、抵抗素子１３，１４の抵抗値をｒ１３，ｒ１４とし、理想的にｒ１＝ｒ２＝ｒ、ｒ１３＝ｒ１４＝Ｒであるとする。可動部７の揺動動作によりピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２が例えばΔｒ変化したとすると、ｒ１３＝ｒ１４＝Ｒは変化しないので、この場合の出力電圧をＶｏｕｔ１とすると、Ｖｏｕｔ１は下記の（１）式のようになる。
Ｖｏｕｔ１＝[{Ｒ−(ｒ＋Δｒ)}／{Ｒ＋(ｒ＋Δｒ)}]Ｖｉｎ  ・・・（１）
【００３３】
また、周囲温度の変化によって各ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗値がΔｒｔ変化したと仮定すると、抵抗素子１３，１４の抵抗値Ｒが変化しないものとすれば、温度変化後の出力電圧をＶｏｕｔ２としたとき、Ｖｏｕｔ２は下記の（２）式のようになる。
Ｖｏｕｔ２
＝[{Ｒ−(ｒ＋Δｒ＋Δｒｔ)}／{Ｒ＋(ｒ＋Δｒ＋Δｒｔ)}]Ｖｉｎ・・・（２）
【００３４】
ここで、本実施形態のブリッジ回路２１による温度変化の前後における出力電圧の変動分（Ｖｏｕｔ１−Ｖｏｕｔ２）をＡとすると、Ａは下記の（３）式のように表される。
Ａ＝[２Ｒ・Δｒｔ／{(Ｒ＋ｒ＋Δｒ＋Δｒｔ)(Ｒ＋ｒ＋Δｒ)}]Ｖｉｎ  ・・・（３）
【００３５】
上記（３）式から、ブリッジ回路２１の出力電圧Ｖｏｕｔの温度変化の前後における変動量は、抵抗素子１３，１４の抵抗値Ｒを大きくすればする程小さくなることが分かる。このため、抵抗素子１３，１４の抵抗値ｒ１３，ｒ１４（＝Ｒ）をピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗値をｒ１，ｒ２に対して十分大きく設定すれば、ブリッジ回路２１の出力電圧Ｖｏｕｔに対するピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の温度変化に起因する抵抗値変化の影響を軽減できる。
【００３６】
ここで、ブリッジ回路の出力電圧Ｖｏｕｔに対する周囲温度変化の影響について、本実施形態の場合と従来の場合の比較について述べる。
４つのピエゾ抵抗素子で構成したブリッジ回路、即ち、本実施形態の抵抗素子１３，１４をピエゾ抵抗素子Ｒ３，Ｒ４で置き換えた従来のアクチュエータのブリッジ回路の場合、ピエゾ抵抗素子Ｒ３，Ｒ４は、図４のように配置する。
【００３７】
ピエゾ抵抗素子Ｒ３，Ｒ４の抵抗値をｒ３，ｒ４とし、理想的にｒ１＝ｒ２＝ｒ３＝ｒ４＝ｒとする。この場合、可動部７の揺動動作によりピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２が例えば−Δｒ変化したとすると、ピエゾ抵抗素子Ｒ３，Ｒ４は＋Δｒ変化するので、ブリッジ回路の出力電圧をＶｏｕｔ３とすると、Ｖｏｕｔ３は下記の（４）式のようになる。
Ｖｏｕｔ３＝(Δｒ／ｒ)Ｖｉｎ                        ・・・（４）
【００３８】
また、温度変化によって各ピエゾ抵抗素子Ｒ１〜Ｒ４の抵抗値がΔｒｔ変化したと仮定すると、温度変化後の出力電圧をＶｏｕｔ４としたとき、Ｖｏｕｔ４は下記の（５）式のようになる。
Ｖｏｕｔ４＝{Δｒ／(ｒ＋Δｒｔ)}Ｖｉｎ              ・・・（５）
【００３９】
ここで、具体的な一例として、例えば、アクチュエータは０〜４５℃の温度範囲で、可動部７を±１２°の揺動角度で揺動し、Ｖｉｎ＝１Ｖ（ボルト）、ｒ＝１．６５ｋΩ、Δｒ＝１１６Ω、Δｒｔ＝２２５Ωとしたときの、温度変化前の出力電圧Ｖｏｕｔに対する温度変化後の出力電圧Ｖｏｕｔの変動量について、本実施形態と従来とを比較してみる。
従来のブリッジ回路の場合、（４）、（５）式より、温度変化前の出力電圧Ｖｏｕｔ３、温度変化後の出力電圧Ｖｏｕｔ４は、それぞれ、Ｖｏｕｔ３＝０．０７０、Ｖｏｕｔ４＝０．０６２となる。従って、従来のブリッジ回路は、温度変化前の出力電圧Ｖｏｕｔ３に対する温度変化後の出力電圧Ｖｏｕｔ４の変動量Ｂ（Ｂ＝{（Ｖｏｕｔ４−Ｖｏｕｔ３）／Ｖｏｕｔ３}×１００とする）は、温度変化前の出力電圧Ｖｏｕｔ３の約１２％である。
【００４０】
これに対して、本実施形態のブリッジ回路２１では、例えば、抵抗温度係数の小さい２つの抵抗素子１３，１４の抵抗値ＲをＲ＝１０ｋΩとした場合、（１）、（２）式より、Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２は、それぞれ、Ｖｏｕｔ１＝０．７００、Ｖｏｕｔ２＝０．６６８となり、温度変化後の出力電圧Ｖｏｕｔ２の変動量Ｂ（Ｂ＝{（Ｖｏｕｔ２−Ｖｏｕｔ１）／Ｖｏｕｔ１}×１００）は、温度変化前の出力電圧Ｖｏｕｔ１の約４．６％である。
【００４１】
また、Ｒ＝１００ｋΩとした場合、（１）、（２）式より、Ｖｏｕｔ１、Ｖｏｕｔ２は、それぞれ、Ｖｏｕｔ１＝０．９６５、Ｖｏｕｔ２＝０．９６１となり、前記変動量Ｂは、温度変化前の出力電圧Ｖｏｕｔ１の約０．４５％である。
【００４２】
これら具体的な例でも、抵抗素子１３，１４の抵抗値の大きさを大きく設定すればする程、温度変化に起因するブリッジ回路２１の出力電圧Ｖｏｕｔの誤差を小さくできることが分かる。
【００４３】
例えば、本発明のアクチュエータを光走査デバイスに利用する光走査システムにおいて、このアクチュエータの揺動振幅の誤差がシステム上１％まで許容できるとした場合、抵抗素子１３，１４の抵抗値ＲがＲ＝４７ｋΩのとき、Ｖｏｕｔ１＝０．９２８、Ｖｏｕｔ２＝０．９１９となり、温度変化後の出力電圧Ｖｏｕｔ２の変動量Ｂが温度変化前の出力電圧Ｖｏｕｔ１の約０．９５％となる。従って、上述のブリッジ回路の条件において、抵抗素子１３，１４の抵抗値ＲをＲ＝４７ｋΩ以上に設定すれば、温度補償回路等を設けて温度の補正処理を行わなくとも、ブリッジ回路２１の出力値の温度変化に起因する誤差を１％以内に抑えることができ、アクチュエータの揺動角度を精度良く検出できるようになる。
【００４４】
従って、本実施形態のアクチュエータ１によれば、抵抗素子１３，１４の抵抗値をピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗値に対して十分に大きく設定するだけで、ピエゾ抵抗素子Ｒ１，Ｒ２の抵抗温度特性によるブリッジ回路２１の出力値への温度変化による影響を軽減でき、可動部７の揺動角度の検出精度を向上することができる。このため、従来のように、ブリッジ回路２１の出力値を温度補正するために温度補償回路等を設ける必要がなく、構成要素の削減や回路の簡素化を計ることができ、アクチュエータ１のコストを低減することができるようになる。
【符号の説明】
【００４５】
１    アクチュエータ
３    固定部
５    トーションバー
７    可動部
７ａ    駆動コイル
９    電極端子
１１    永久磁石
１３，１４    抵抗素子（金属皮膜抵抗素子）
２１    ブリッジ回路
Ｒ１，Ｒ２    ピエゾ抵抗素子
【図１】
0005634705.tif 000002
【図２】
0005634705.tif 000003
【図３】
0005634705.tif 000004
【図４】
0005634705.tif 000005