(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
コイルが周回させて設けられているコアと、該コアの両端に磁気的に結合された固定子と、該固定子に対して相対的に変位可能に支持手段によって支持された可動子とを有し、前記コアのコイルに通電して前記固定子に対して前記可動子を変位させるようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記固定子と前記可動子が、それぞれ変位方向に平行な凸凹部を有し、前記固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部とが互いに噛み合うように配置されていることを特徴とする電磁アクチュエータ。
【請求項２】
前記支持手段と前記固定子とが、基板上に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項３】
前記支持手段と前記固定子と前記可動子とが、同一材料からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項４】
前記支持手段が、複数の平板バネを平行に組み合わせた、平行ヒンジバネであり、前記固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部が、前記平行ヒンジばねの移動方向に平行な、くし歯状であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータ。
【請求項５】
可動ミラーと、前記可動ミラーと機械的に接続された電磁アクチュエータとを有する光スキャナにおいて、前記電磁アクチュエータが請求項１〜４のいずれか１項に記載の電磁アクチュエータによって構成されていることを特徴とする光スキャナ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、電磁力を利用した電気−機械変換器としての電磁アクチュエータ、光スキャナに関し、特に、従来の電磁アクチュエータに比べて制御が容易で、ストロークを大きくすることができるマイクロマシニング技術で作製可能なマイクロ電磁アクチュエータの実現を目指すものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、マイクロマシニング技術を利用して作製されたアクチュエータは、静電力を利用したものや、圧電現象を利用したものが主流であった。しかし、近年、磁性体材料をマイクロマシニング技術で利用することが容易になるにつれ、電磁力を用いたアクチュエータも開発されるようになってきている。
図７は、ハードディスクのヘッドの位置決め用の電磁リニアアクチュエータの例である（米国特許第５，７２４，０１５号明細書）。図７のアクチュエータは、基板（不図示）上に、固定コア１００４ａ、１００４ｂと、固定コアを周回するコイル１００５ａ、１００５ｂが固定されており、可動コア１００３が、ばね１００７で、固定コア１００４ａ、１００４ｂに対して相対的に可動できるように支持されている。これらの構造は、マイクロマシニング技術で基板上に作製される。
【０００３】
このアクチュエータは、コイル１００５ａに通電すると、可動コア１００３が固定コア１００４ａに引き寄せられることで、可動コア１００３が図中で左側に変位する。また逆に、コイル１００５ｂに通電すると、可動コア１００３が図中で右側に変位する。このアクチュエータの発生力Ｆ1は、下式で与えられる。
0003684118.tif 000002
ただし、μ0は真空の透磁率、Ｎ1はコイルの巻数、ｉ1はコイル１００５ａ、ｂに流す電流、ｗ1は磁極の幅、ｔ1は磁極の厚さ、ｘ1はギャップの長さである。また、このアクチュエータの変位は、ばね１００７のばね定数をｋ1とすると、
0003684118.tif 000003
の関係から求められる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、上記したようなアクチュエータは、数式１よりわかるように、発生力Ｆ1が電流ｉ1のみで決まらずに、ギャップｘ1の２乗に逆比例する。そのため、制御が難しいという問題点があった。
また、初期ギャップを大きくすると、発生力が急激に減少してしまうため、ストロークを大きくすることができないという問題点があった。
【０００５】
そこで、本発明は、上記従来のものにおける課題を解決し、マイクロマシニング技術を用いて作製する電磁アクチュエータの制御を容易にし、また、ストロークを大きくすることができる電磁アクチュエータ、光スキャナを提供することを目的とするものである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記課題を解決するために、電磁アクチュエータ、光スキャナを、つぎの（１）〜（５）のように構成したことを特徴とするものである。
（１）本発明の電磁アクチュエータは、コイルが周回させて設けられているコアと、該コアの両端に磁気的に結合された固定子と、該固定子に対して相対的に変位可能に支持手段によって支持された可動子とを有し、前記コアのコイルに通電して前記固定子に対して前記可動子を変位させるようにした電磁アクチュエータにおいて、
前記固定子と前記可動子が、それぞれ変位方向に平行な凸凹部を有し、前記固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部とが互いに噛み合うように配置されていることを特徴としている。
（２）本発明の電磁アクチュエータは、前記支持手段と前記固定子とが、基板上に固定されていることを特徴としている。
（３）本発明の電磁アクチュエータは、前記支持手段と前記固定子と前記可動子とが、同一材料からなることを特徴としている。
（４）本発明の電磁アクチュエータは、前記支持手段が、複数の平板バネを平行に組み合わせた、平行ヒンジバネであり、前記固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部が、前記平行ヒンジばねの移動方向に平行な、くし歯状であることを特徴としている。
（５）本発明の光スキャナは、可動ミラーと、前記可動ミラーと機械的に接続された電磁アクチュエータとを有する光スキャナにおいて、前記電磁アクチュエータが上記した本発明のいずれかの電磁アクチュエータによって構成されていることを特徴としている。
【０００７】
【発明の実施の形態】
つぎに、本発明の実施の形態について説明する。
【０００８】
上記（１）の構成のように、固定子の凹凸部と前記可動子の凹凸部とが互いに噛み合うように配置して構成することで、アクチュエータに発生する力が、ギャップの２乗に逆比例して減少することがなく、コイルに通電した電流による一定の条件によって決定することが可能となり、従来の電磁アクチュエータに比べて制御がきわめて容易となる。
また、上記（２）の構成のように、可動子の支持手段と固定子とを、基板上に固定して作製するようにすることで、電磁アクチュエータをマイクロマシニング技術で容易に作製することが可能となる。
また、上記（３）の構成のように、支持手段と固定子と可動子とを、同一材料から作製する構成を採ることで、これらを作成時に一括して作ることが可能となる。
また、上記（４）の構成のように、支持手段を平行ヒンジばねで構成することで、摩擦やガタのない直動支持を行うことができる。
また、上記（５）の構成のように、可動ミラーと可動ミラーに機械的に接続された電磁アクチュエータからなる光スキャナーは、マイクロマシニングで作成することができ、制御が容易で、偏向角を大きくとることができる。
【０００９】
図２は、本発明の実施の形態におけるアクチュエータの動作原理を説明する図である。電源２２０から、コイル２０５に電流を流すと、コイル２０５中に磁束が発生する。この磁束は、コア２０４、固定磁極２０２ａ、くし歯間のエアギャップ、移動磁極２０３、くし歯間のエアギャップ、固定磁極２０２ｂ、の順に磁気回路を周回する。
ここで、くし歯間のエアギャップの磁気抵抗Ｒｇ（ｘ）は、
0003684118.tif 000004
で与えられる。ここで、μ0は真空の透磁率、ｄはエアギヤップの距離、ｔはくし歯の厚さ、ｎはギャップの数、ｘは移動磁極の変位、ｘ0は初期状態のオーバーラップ長さである。また、エアギャップ部以外の部分の磁気抵抗をＲとすると、磁気回路全体のポテンシャルエネルギＷと、エアギャップ部に生じる発生力Ｆは、
0003684118.tif 000005
0003684118.tif 000006
となる。
【００１０】
ここで、Ｎはコイル２０５の巻数、ｉはコイル２０５に流れる電流である。ここで、アクチュエータを、透磁率が真空の透磁率に比べて十分大きい材質で作製するとすると、Ｒ→０となり、発生力Ｆは、
0003684118.tif 000007
で与えられる。これより、本発明のアクチュエータでは、発生力Ｆが、変位ｘによらず、電流ｉのみで定まることがわかる。実際には、透磁率は無限大にはなり得ないので、発生力Ｆは、変位ｘにより変動が生じることになるが、図７で示したアクチュエータに比べると、その割合はごくわずかである。
【００１１】
このとき、アクチュエータの静的な変位は、ばね力と発生力の釣り合いから、平行ヒンジバネのバネ定数をｋとすると、
0003684118.tif 000008
の関係から求められる。
【００１２】
【実施例】
以下に、本発明の実施例について説明する。
［実施例１］
図１は、本発明の実施例１のリニアアクチュエータを説明する概略図である。基板１０１の上には、固定子１０２ａ、１０２ｂと支持部１０６が固定されている。移動子１０３は、両端を平行ヒンジバネ１０７で保持されており、また平行ヒンジバネ１０７は、支持部１０６で保持されている。このように構成することにより、移動子１０３は、基板１０１に対して平行移動自由に弾性的に支持される。
また、コア１０４は、両端が２つの固定子１０２ａと１０２ｂに磁気的に接続するように配置されている。このコア１０４には、コイル１０５が周回している。固定子１０２ａ、１０２ｂと移動子１０３には、本発明の特徴であるくし歯状の突起が出ており、それらは互い違いに噛み合うように配置されている。
【００１３】
次に、本実施例のアクチュエータの作製方法について述べる。本実施例では、固定子１０２ａ、１０２ｂ、移動子１０３、コア１０４、コイル１０５、支持部１０６、平行ヒンジバネ１０７をマイクロマシニング技術で作製した。また、コイル１０５は、コイル下面配線１１４、コイル側面配線１１５、コイル上面配線１１６の順番で作製した。以下、図３を用いて、さらに詳しく説明する。図３の（ａ）〜（ｊ）において、図の右側と左側の各部分は、それぞれ、図１におけるＡ−Ａ’とＢ−Ｂ’の各断面図を示している。
【００１４】
まず、基板１０１上に、コイルの下面配線１１４と、その上に下面配線−コア絶縁層１１７をパターンニングする（図３ａ）。
次に、リン酸ガラス（ＰＳＧ：Ｐｈｏｓｐｈｏ−Ｓｉｌｉｃａ  Ｇｌａｓｓ）層１１０をパターンニングする。リン酸ガラス層１１０は、犠牲層となる層であり、後のプロセスで除去されて、平行ヒンジばね１０７と、移動子１０３を基板から浮かす働きをする（図３ｂ）。
次に、電気メッキを行うための種電極層１１１としてクロムを蒸着した上に、金を蒸着する（図３ｃ）。
【００１５】
次に、フォトレジスト層１１２を塗布する（図３ｄ）。本実施例では、厚塗りに適したＳＵ−８（Ｍｉｃｒｏ  Ｃｈｅｍ社製）を使用し、膜厚を３００μｍとする。
次に、フォトレジスト層１１２を、露光および現像し、パターンニングを行う（図３ｅ）。この行程で除去された部分が、固定子１０２ａ、１０２ｂ、移動子１０３、コア１０４、支持部１０６、平行ヒンジバネ１０７、コイル側面配線１１５の雌型となる。
【００１６】
次に、種電極層１１１に電圧を印加しながら、パーマロイ層１１３の電気メッキを行う（図３ｆ）。
次に、フォトレジスト層１１２と種電極層１１１をドライエッチングで除去する（図３ｇ）。
次に、エポキシ樹脂１１９を塗布し、上面を機械的に研磨して平坦化する（図３ｈ）。
次に、コア１０４の上面に上面配線−コア絶縁層１１８とコイル上面配線１１６をパターンニングする（図３ｇ）。
最後に、エポキシ樹脂１１９とリン酸ガラス層１１０を除去する（図３ｈ）。
【００１７】
以上のように構成された本発明の電磁アクチュエータは、電流一定の条件において、発生力に変位が与える影響が小さいので、従来の電磁アクチュエータに比べて制御が容易である。
また、発生力が、ギャップの２乗に逆比例して減少することがないので、ストロークを大きくすることができる。
【００１８】
［実施例２］
図４は、本発明の実施例２の回転アクチュエータを説明する概略図である。
図４では、見やすくするために、コア２０４と、コイル２０５を分離して表示している。
基板２０１の上には、固定子２０２ａ、２０２ｂと支持部２０６が固定されている。回転子２０３は、四隅を同心回転ヒンジバネ２０７で保持されている。
また同心回転ヒンジバネ２０７は、支持部２０６で保持されており、同心回転ヒンジバネ２０７の長手方向の延長線は、回転子２０３の中心で交わるように配置されている。
このように構成することにより、回転子２０３は、基板２０１上で回転自由に弾性的に支持される。
また、コア２０４は、両端が２つの固定子２０２ａと２０２ｂに磁気的に接続するように配置されている。図４では、見やすいように分解して表示している。このコア２０４には、コイル２０５が周回している。また、固定子２０２ａ、２０２ｂと回転子２０３には、本発明の特徴である同心円状にくし歯状の突起が出ており、それらは互い違いに噛み合うように配置されている。
【００１９】
本実施例のアクチュエータは、基板２０１の上に、実施例１と同様な方法で、マイクロマシニング技術を用いて、固定子２０２ａ、２０２ｂ、回転子２０３、支持部２０６、同心回転ヒンジバネ２０７を作製し、別体で作製したコア２０４にコイル２０５を周回した後に、組み立てることで作製した。
本実施例のアクチュエータも、実施例１に記載のアクチュエータと同様の原理で動作する。実施例１と異なるのは、回転子２０３に偶力が作用するため、回転子２０３が回転変位することにある。
【００２０】
以上のように構成された本発明の電磁アクチュエータは、電流一定の条件において、発生力に変位が与える影響が小さいので、従来の電磁アクチュエータに比べて制御が容易である。
また、発生力が、ギャップの２乗に逆比例して減少することがないので、ストロークを大きくすることができる。
【００２１】
［実施例３］
図５は、本発明の実施例３の光スキャナを説明する該略図である。
基板３０１の上には、固定子３０２ａ、３０２ｂと支持部３０６、ミラー支持部３０８が固定されている。
移動子３０３は、両端を平行ヒンジバネ３０７で保持されており、また平行ヒンジバネ３０７は、支持部３０６で保持されている。
このように構成することにより、移動子３０３は、基板３０１に対して平行移動自由に弾性的に支持される。
ミラー３１１は、薄板ばね３０９でミラー支持部に接続され、回転自由に支持されている。
さらに、ミラー３１１は、薄板ばね３１０で、移動子３０３と連結されている。また、コア３０４は、両端が２つの固定子３０２ａと３０２ｂに磁気的に接続するように配置されている。このコア３０４には、コイル３０５が周回している。固定子３０２ａ、３０２ｂと移動子３０３には、本発明の特徴であるくし歯状の突起が出ており、それらは互い違いに噛み合うように配置されている。これらの構造は、実施例１と同様のプロセスで作製することができる。
【００２２】
図６は、本実施例の動作を説明する図である。
３１２は、半導体レーザー、３１３は、レーザー光を示している。半導体レーザー３１２は、レーザー光３１３がミラー３１１に当たるように配置されている。半導体レーザー３１２は、基板３０１上にあってもよいし、他の場所にあっても構わない。
図６（ａ）は、コイル３０５に通電していない時の様子を示し、図６（ｂ）は、コイル３０５に通電している時の様子を示している。これらより、コイル３０５に通電することにより、レーザー光３１３の向きが変わる様子がわかる。
【００２３】
本発明の電磁アクチュエータは、電流一定の条件において、発生力に変位が与える影響が小さいので、従来の電磁アクチュエータに比べて制御が容易であるという特徴がある。
また、発生力が、ギャップの２乗に逆比例して減少することがないので、ストロークを大きくすることができるという特徴もある。それゆえ、本発明の電磁アクチュエータを光スキャナに適用することで、制御が容易で、偏向角の大きな、マイクロマシニング技術で作製することができる光スキャナを提供することができる。
【００２４】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の電磁アクチュエータによると、電流一定の条件において、アクチュエータの発生力に変位による影響が小さいので、従来の電磁アクチュエータに比べて制御がきわめて容易となる。
また、本発明の電磁アクチュエータによると、アクチュエータの発生力が、ギャップの２乗に逆比例して減少することがないので、ストロークを大きくすることができる。
また、本発明によると、可動子の支持手段と固定子とを、基板上に固定して作製する構成を採ることで、電磁アクチュエータをマイクロマシニング技術で容易に作製することが可能となる。
また、本発明によると、支持手段と固定磁極と可動磁極とを、同一材料から作製する構成を採ることで、これらを作成時に一括して作ることが可能となる。
また、本発明によると、支持手段を平行ヒンジばねで構成することで、摩擦やガタのない直動支持を行うことができる。
また、本発明によると、可動ミラーと可動ミラーに機械的に接続された電磁アクチュエータからなる光スキャナーを、マイクロマシニングで作成することができ、制御が容易で、偏向角を大きくとることができる光スキャナーを実現することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１のリニアアクチュエータを説明する図である。
【図２】本発明の動作原理を説明する図である。
【図３】本発明の実施例１の作製方法を説明する図である。
【図４】本発明の実施例２の回転アクチュエータを説明する図である。
【図５】本発明の実施例３の光スキャナを説明する図である。
【図６】本発明の実施例３の動作を説明する図である。
【図７】従来技術のマイクロ電磁アクチュエータを説明する図である。
【符号の説明】
１０１、２０１、３０１：基板
１０２ａ、１０２ｂ、２０２ａ、２０２ｂ、
３０２ａ、３０２ｂ：固定子
１０３、３０３：移動子
２０３：移動子（回転子）
１０４、２０４、３０４：コア
１０５、２０５、３０５：コイル
１０６、２０６、３０６：支持部
１０７、３０７：平行ヒンジばね
２０７：同心ヒンジばね
３０８：ミラー支持部
３０９、３１０：薄板ばね
３１１：ミラー
３１２：半導体レーザー
３１３：レーザー光
１１０：リン酸ガラス層
１１１：種電極層
１１２：フオトレジスト層
１１３：パーマロイメッキ層
１１４：コイル下面配線
１１５：コイル側面配線
１１６：コイル上面配線
１１７：下面配線−コア絶縁層
１１８：上面配線−コア絶縁層
１１９：エポキシ樹脂
１００３：可動コア
１００４ａ、ｂ：固定コア
１００５ａ、ｂ：コイル
１００７：ばね
【図１】
0003684118.tif 000009
【図２】
0003684118.tif 000010
【図３】
0003684118.tif 000011
【図４】
0003684118.tif 000012
【図５】
0003684118.tif 000013
【図６】
0003684118.tif 000014
【図７】
0003684118.tif 000015