(57)【要約】【課題】大きな駆動力および高い周波数での駆動が得られ、かつ、振れ角（振幅）の大きいアクチュエータを提供すること。【解決手段】２自由度振動系のアクチュエータであって、第１の質量部２と、第２の質量部１、１１と、振動体７、７と、第１の質量部２と第２の質量部１、１１とを支持する支持部３と、第１の質量部２と第２の質量部１、１１とを第１の質量部２が第２の質量部１、１１に対して回動可能となるように連結する第１の弾性連結部５、５と、第２の質量部１、１１と支持部３とを第２の質量部１が支持部３に対して回動可能となるように連結する第２の弾性連結部４、４とを有し、各振動体７の圧電縦効果による圧電素子の厚さ方向への振動により第２の質量部１、１１が駆動し、それに伴い第１の質量部２が回動することを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１の質量部と、
第２の質量部と、
圧電素子を積層して成る積層構造を有し、前記各圧電素子に交流電圧を印加することにより駆動されて振動する振動体と、
前記第１の質量部と前記第２の質量部とを支持する支持部と、
前記第１の質量部と前記第２の質量部とを、前記第１の質量部が前記第２の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも１対の第１の弾性連結部と、
前記第２の質量部と前記支持部とを、前記第２の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも１対の第２の弾性連結部とを有し、
前記振動体の圧電縦効果による前記圧電素子の厚さ方向への振動により前記第２の質量部が駆動し、それに伴い前記第１の質量部が回動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項２】
第１の質量部と、
前記第１の質量部を介して該第１の質量部の両側部にそれぞれ設けられる１対の第２の質量部と、
前記第１の質量部と前記各第２の質量部とを支持する支持部と、
圧電素子を積層して成る積層構造を有し、該圧電素子に交流電圧を印加することにより駆動されて振動する振動体と、
前記第１の質量部と前記各第２の質量部とを、前記第１の質量部が前記各第２の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも１対の第１の弾性連結部と、
前記各第２の質量部と前記支持部とを、前記各第２の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも１対の第２の弾性連結部とを有し、
前記振動体の圧電縦効果による前記圧電素子の厚さ方向への振動により前記各第２の質量部が駆動し、それに伴い前記第１の質量部が回動することを特徴とするアクチュエータ。
【請求項３】
前記振動体を複数有し、
前記１対の第２の質量部に対応する部位に、それぞれ、前記振動体が設けられている請求項２に記載のアクチュエータ。
【請求項４】
前記振動体は、前記１対の第２の質量部を、それぞれ、同期的に駆動し得るよう構成されている請求項２または３に記載のアクチュエータ。
【請求項５】
前記第２の質量部に空隙を隔てて対向するように設けられた対向基板を備え、
前記振動体は、前記対向基板の前記第２の質量部に対応する部位に固着されている請求項１ないし４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項６】
前記対向基板に凹部が設けられ、
前記振動体は、前記凹部内に挿入され固着されている請求項５に記載のアクチュエータ。
【請求項７】
前記支持部と前記対向基板との間に補強板を備え、
前記支持部と前記対向基板とは、前記補強板を介して互いに接合されている請求項５または６に記載のアクチュエータ。
【請求項８】
前記振動体と前記第２の質量部とのいずれか一方または両方に、突起が設けられ、
前記振動体は、前記突起を介して前記第２の質量部に駆動力を伝達するよう構成されている請求項１ないし７のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項９】
前記振動体の振動により前記第２の質量部が一方向に最も回動したときの前記第２の質量部の中で最も変位する部分の位置と、前記振動体の振動により前記第２の質量部が前記一方向と逆方向に最も回動したときの前記第２の質量部の中で最も変位する部分の位置との距離より、前記突起の長さを長くする請求項８に記載のアクチュエータ。
【請求項１０】
前記第２の質量部の中で最も変位する部分は、前記第２の質量部が回動する中心軸に対して略垂直な方向の端部である請求項９に記載のアクチュエータ。
【請求項１１】
前記第２の質量部と前記振動体とが、予め結合している請求項１ないし１０のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１２】
前記振動体の振動時において、前記第１の質量部または前記第２の質量部の変位を測定する変位測定手段を有する請求項１ないし１１のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１３】
前記変位測定手段は、前記１対の第１の弾性連結部および前記１対の第２の弾性連結部のうち少なくとも１つの内部に設けられるピエゾ抵抗素子を有する請求項１２に記載のアクチュエータ。
【請求項１４】
前記変位測定手段は、前記第１の質量部および前記第２の質量部に非接触でその変位を検出し得るものである請求項１３に記載のアクチュエータ。
【請求項１５】
前記変位測定手段の検出に基づいて、前記第１の弾性連結部に対しての前記第１の質量部の回動する角度を制御するよう構成されている請求項１２ないし１４のいずれかに記載のアクチュエータ。
【請求項１６】
前記交流電圧の周波数が、前記第２の質量部と前記第１の質量部とが共振する２自由度振動系の共振周波数と等しくなるように前記振動体の振動を制御する請求項１５に記載のアクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
例えば、レーザープリンタ等に用いられるアクチュエータとしてポリゴンミラー（回転多面体）が知られている。
しかし、このようなポリゴンミラーにおいて、より高解像度で品質のよい印字と高速印刷を達成するには、ポリゴンミラーの回転をさらに高速にしなければならない。現在のポリゴンミラーには高速安定回転を維持するためにエアーベアリングが使用されているが、今以上の高速回転を得るのは困難となっている。また、高速にするためには、大型のモーターが必要であり、騒音、発熱、消費電力が大きいことや小型化が困難であるという問題がある。このようなポリゴンミラーを用いると、構造が複雑となり、コストが高くなるといった問題も生じる。
【０００３】
また、図１１に示すような、平行平板状に電極を配置した１自由度のねじり振動子は、その構造が簡単なことから、アクチュエータの研究初期から提案されている（例えば、非特許文献１参照）。また、前記ねじり振動子をカンチレバー方式とした静電駆動型振動子も提案されている（例えば、非特許文献２参照）。
図１３の静電駆動型ねじり振動子は、ガラス基板１０００上の両端部にスぺーサ２００を介してシリコンの単結晶板からなる可動電極板３００の両端固定部３００ａを固定し、この可動電極板３００の両端固定部３００ａ間に、細巾のトーションバー３００ｂを介して可動電極部３００ｃを支持させ、また、その可動電極部３００ｃに電極間隔を置いて対向させる固定電極４００を、ガラス基板１０００上において前記可動電極部３００ｃに対し平行配置している。可動電極板３００と固定電極４００との間にはスイッチ６００を介して電源５００が接続される。
【０００４】
前記構成を有するねじり振動子は、可動電極部３００ｃと固定電極４００との間に電圧を印加すると、静電引力によりトーションバー３００ｂを軸として可動電極部３００ｃが回転するものである。しかし、上述した構造では、可動電極部３００ｃが電極と可動部を兼ねるため、大きな駆動力を得ようとして電極間隔を狭くすると変位（回転角）に制約が生じ、また可動範囲を大きくとるために電極間隔を大きくすると、駆動力が弱くなってしまう。このため、大きな駆動力を得ることと、大振幅の両立が困難であるという問題がある。
【０００５】
【非特許文献１】K.E.Petersen:“Silicon Torsional Scanning Mirror”,IBMJ.Res.Develop.,vol.24(1980)、P.631
【非特許文献２】河村他：“Ｓｉを用いたマイクロメカニクスの研究”、昭和６１年度精密工学会秋季大会学術講演会論文集、P.753
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明の目的は、大きな駆動力および高い周波数での駆動が得られ、かつ、振れ角（振幅）の大きいアクチュエータを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のアクチュエータは、第１の質量部と、
第２の質量部と、
圧電素子を積層して成る積層構造を有し、前記各圧電素子に交流電圧を印加することにより駆動されて振動する振動体と、
前記第１の質量部と前記第２の質量部とを支持する支持部と、
前記第１の質量部と前記第２の質量部とを、前記第１の質量部が前記第２の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも１対の第１の弾性連結部と、
前記第２の質量部と前記支持部とを、前記第２の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも１対の第２の弾性連結部とを有し、
前記振動体の圧電縦効果による前記圧電素子の厚さ方向への振動により前記第２の質量部が駆動し、それに伴い前記第１の質量部が回動することを特徴とする。
【０００８】
これにより、容易かつ確実に第２の質量部を大きな駆動力、かつ、大きな回転角度（振れ角）で駆動することができるため、第１の質量部の回転角度（振れ角）の大きいアクチュエータを提供することができる。また、第１の質量部を高い周波数で駆動することができる。また、構造を簡易なものとすることができるため、高集積化、高密度化、低コスト化を図ることができる。
【０００９】
本発明のアクチュエータは、第１の質量部と、
前記第１の質量部を介して該第１の質量部の両側部にそれぞれ設けられる１対の第２の質量部と、
前記第１の質量部と前記各第２の質量部とを支持する支持部と、
圧電素子を積層して成る積層構造を有し、該圧電素子に交流電圧を印加することにより駆動されて振動する振動体と、
前記第１の質量部と前記各第２の質量部とを、前記第１の質量部が前記各第２の質量部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも１対の第１の弾性連結部と、
前記各第２の質量部と前記支持部とを、前記各第２の質量部が前記支持部に対して回動可能となるように連結する、少なくとも１対の第２の弾性連結部とを有し、
前記振動体の圧電縦効果による前記圧電素子の厚さ方向への振動により前記各第２の質量部が駆動し、それに伴い前記第１の質量部が回動することを特徴とする。
【００１０】
これにより、容易かつ確実に第２の質量部を大きな駆動力、かつ、大きな回転角度（振れ角）で駆動することができるため、第１の質量部の回転角度（振れ角）の大きいアクチュエータを提供することができる。また、第１の質量部を高い周波数で駆動することができる。また、第２の質量部の回転角度に第１の質量部の回転角度が制限されないため、より第１の質量部の回転角度（振れ角）の大きいアクチュエータを提供することができる。また、構造を簡易なものとすることができるため、高集積化、高密度化、低コスト化を図ることができる。
【００１１】
本発明のアクチュエータでは、前記振動体を複数有し、
前記１対の第２の質量部に対応する部位に、それぞれ、前記振動体が設けられていることが好ましい。
これにより、容易かつ確実に、それぞれ対応する１対の第２の質量部を駆動することができる。
【００１２】
本発明のアクチュエータでは、前記振動体は、前記１対の第２の質量部を、それぞれ、同期的に駆動し得るよう構成されていることが好ましい。
これにより、１対の第２の質量部の制御を簡易なものとすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記第２の質量部に空隙を隔てて対向するように設けられた対向基板を備え、
前記振動体は、前記対向基板の前記第２の質量部に対応する部位に固着されていることが好ましい。
これにより、第２の質量部に対して大きな変位量を与えることができるため、第２の質量部をより大きな回転角度（振れ角）で駆動することができる。
【００１３】
本発明のアクチュエータでは、前記対向基板に凹部が設けられ、
前記振動体は、前記凹部内に挿入され固着されていることが好ましい。
これにより、簡易な構成で第２の質量部を大きな駆動力で駆動することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記支持部と前記対向基板との間に補強板を備え、
前記支持部と前記対向基板とは、前記補強板を介して互いに接合されていることが好ましい。
これにより、簡易な構成で容易かつ確実に支持部の強度を補強することができる。
【００１４】
本発明のアクチュエータでは、前記振動体と前記第２の質量部とのいずれか一方または両方に、突起が設けられ、
前記振動体は、前記突起を介して前記第２の質量部に駆動力を伝達するよう構成されていることが好ましい。
これにより、振動体と第２の質量部との接触面積を小さくして、振動の損失を小さくすることができる。また、容易かつ確実に第２の質量部を所望の周波数で駆動することができる。
【００１５】
本発明のアクチュエータでは、前記振動体の振動により前記第２の質量部が一方向に最も回動したときの前記第２の質量部の中で最も変位する部分の位置と、前記振動体の振動により前記第２の質量部が前記一方向と逆方向に最も回動したときの前記第２の質量部の中で最も変位する部分の位置との距離より、前記突起の長さを長くすることが好ましい。
これにより、確実に第２の質量部と振動体の突起以外での接触を防止することができる。
【００１６】
本発明のアクチュエータでは、前記第２の質量部の中で最も変位する部分は、前記第２の質量部が回動する中心軸に対して略垂直な方向の端部であることが好ましい。
本発明のアクチュエータでは、前記第２の質量部と前記振動体とが、予め結合していることが好ましい。
これにより、第２の質量部の振動の制御の簡素化が図れる。
【００１７】
本発明のアクチュエータでは、前記振動体の振動時において、前記第１の質量部または前記第２の質量部の変位を測定する変位測定手段を有することが好ましい。
これにより、例えば、第２の質量部の回転角度を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第１の質量部の振れ角の制御に利用することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記変位測定手段は、前記１対の第１の弾性連結部および前記１対の第２の弾性連結部のうち少なくとも１つの内部に設けられるピエゾ抵抗素子を有することが好ましい。
これにより、容易かつ確実に、第２の質量部の回転角度を検出したりすることができ、また、その検出結果を、第１の質量部の振れ角の制御に利用することができる。
【００１８】
本発明のアクチュエータでは、前記変位測定手段は、前記第１の質量部および前記第２の質量部に非接触でその変位を検出し得るものであることが好ましい。
これにより、構造を簡易なものとすることができる。
本発明のアクチュエータでは、前記変位測定手段の検出に基づいて、前記第１の弾性連結部に対しての前記第１の質量部の回動する角度を制御するよう構成されていることが好ましい。
これにより、確実に、振動体の変位量を制御することができるため、第２の質量部の回転角度（振れ角）を所望のものとすることができる。これにより、第１の質量部の振れ角を好適に制御することができる。
【００１９】
本発明のアクチュエータでは、前記交流電圧の周波数が、前記第２の質量部と前記第１の質量部とが共振する２自由度振動系の共振周波数と等しくなるように前記振動体の振動を制御することが好ましい。
これにより、第２の質量部の振幅を抑制しつつ、第１の質量部の回転角度（振れ角）を大きくすることができる。
る。
前記第１の質量部は、光反射部を有することが好ましい。
これにより、本発明のアクチュエータを、例えば、光スキャナとして用いた場合、光の光路を容易に変更することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２０】
以下、本発明のアクチュエータの好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
まず、本発明のアクチュエータの第１実施形態について説明する。
図１は、本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す平面図、図２は、図１中のＡ−Ａ線での断面図、図３は、図１中のＢ−Ｂ線での断面図、図４は、振動体（積層型圧電素子）の側面図、図５は、第２の質量部の回動を示す図である。なお、図５は、第２の質量部１の回動を誇張して示した図であり、実際の回動を反映するものではない。また、図５は、突起を模式的に示す図であり、実際の寸法を反映するものではない。すなわち、第２の質量部１に対する、突起５１等の大きさ（長さ）が実際より大きくなるように示している。
【００２１】
なお、以下では、説明の便宜上、図１中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
図１に示すアクチュエータ１００は、第１の質量部（可動部）２と、１対の第２の質量部（駆動部）１、１１と、支持部３と、補強板９と、対向基板６と、１対（複数）の振動体７とを有している。
【００２２】
このアクチュエータ１００は、第１の質量部２が中心に位置し、第１の質量部２を介し、第２の質量部１が右側に設けられ、第２の質量部１１が左側に設けられている。すなわち、第２の質量部１、１１は、それぞれ、第１の質量部２の両側部に設けられている。また、第２の質量部１の図中右側と、第２の質量部１１の図中左側にそれぞれ支持部３が配置されている。
【００２３】
また、本実施形態では、第２の質量部１および１１は、略同一形状かつ略同一寸法で、第１の質量部２を介して、略対称に設けられている。
第２の質量部１、１１、第１の質量部２および支持部３は、それぞれ、例えば、シリコン等で構成されている。
本実施形態の第１の質量部２の表面（対向基板６が設けられている側とは反対側の面）には、光反射部２１が設けられている。
【００２４】
また、アクチュエータ１００は、図１に示すように、第２の質量部１、１１が、それぞれ第２の質量部１の右側に設けられた支持部３および第２の質量部１１の左側に設けられた支持部３に対して回動可能となるように、第２の質量部１、１１と支持部３とを連結する１対の第２の弾性連結部４、４を有している。また、第１の質量部２が第２の質量部１、１１に対して回動可能となるように、第２の質量部１、１１と、第１の質量部２とを連結する１対の第１の弾性連結部５、５を有している。すなわち、第１の質量部２は第１の弾性連結部５、５を介して、第２の質量部１、１１にそれぞれ接続され、第２の質量部１、１１は、それぞれ第２の弾性連結部４、４を介して対応する側（右側、左側）の支持部３に接続されている。また、第２の弾性連結部４と、第１の弾性連結部５とは同軸的に設けられており、これらが回動中心軸（回転軸）４１となる。
【００２５】
図２に示すように、補強板９は、支持部３と対向基板６との間に設置され、支持部３と対向基板６とは、補強板９を介して互いに接合されている。これにより、第２の質量部１、１１が空隙を隔てて対向基板６と対向する。
対向基板６は、図２に示すように、第１の質量部２に対応する位置に開口部６１を有している。
【００２６】
また、図２および図３に示すように、対向基板６の上面には第２の質量部１、１１に対応する部位に凹部６２、６２が形成されている。凹部６２、６２内には振動体７、７が挿入され固着されている。また、振動体７、７は、第２の質量部１、１１の下部に位置している。
これらの振動体７、７は、第１の質量部２を中心に略線対称（対称）となるように設置されている。
【００２７】
図２に示すように、この第２の質量部１、１１には、振動伝達体としての突起５１、５１が形成されている。第２の質量部１、１１と振動体７、７とは、それぞれこれらの突起５１、５１を介して結合されている。なお、突起５１は、なくてもよい。
振動体７、７については、その構成、機能が互いに同様であるので、以下では、代表的に、図１中右側の振動体７について説明する。
【００２８】
図４に示すように、振動体７は、電気／機械変換素子としての圧電素子７１〜７６を有している。
圧電素子７１〜７６は、それぞれ、略長方形の板状形状をなし、厚み方向の分極の向き（図４中の矢印Ａ、Ｂ）が逆になるように交互に積層されて、例えば接着剤等により固着されている。
【００２９】
圧電素子７１〜７６間、圧電素子７１の上面および圧電素子７６の下面には、それぞれ金メッキ等で構成されるメッキ層が形成されており、これらのメッキ層によって電圧印加用の電極７７、７８が形成されている。これら圧電素子７１〜７６、電極７７、７８が、積層構造の振動体７を構成している。
圧電素子７１、７２間の電極７７、圧電素子７３、７４間の電極７７、並びに圧電素子７５、７６間の電極７７が例えば、外部電極５３により互いに電気的に接続され、これらにより、グループ電極５６を構成している。
【００３０】
また、圧電素子７１の上面の電極７８、圧電素子７２、７３間の電極７８、圧電素子７４、７５間の電極７８、並びに、圧電素子７６の下面の電極７８が例えば、外部電極５２により互いに電気的に接続され、これらにより、グループ電極５７を構成している。グループ電極５６およびグループ電極５７は、後述する駆動回路に接続されている。これにより、印加電圧の向きに対して圧電素子７１〜７６の分極の向きが同じとなる。
【００３１】
ここで、駆動回路からの交流電圧が、グループ電極５６、５７を介して、それぞれ圧電素子７１〜７６に印加されると、振動体７は、圧電縦効果による各圧電素子７１〜７６の厚さ方向（図４中上下方向）への変位により図４中矢印Ｃの方向に変位する。
後述するアクチュエータ１００の使用の際には、この振動体７の圧電縦効果による変位により、第２の質量部１、１１が押圧駆動される。
【００３２】
これらの圧電素子７１〜７６の構成材料としては、特に限定されないが、例えばチタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、水晶、ニオブ酸リチウム、チタン酸バリウム、チタン酸鉛、メタニオブ酸鉛、ポリフッ化ビニリデン、亜鉛ニオブ酸鉛、スカンジウムニオブ酸鉛等の各種のものが好適に用いられる。
上述したような構成の２自由度振動型アクチュエータにおいては、第１の質量部２と第１の弾性連結部５とからなる第１の振動系と、第２の質量部１および１１と第２の弾性連結部４とからなる第２の振動系とを構成する。
【００３３】
また、本実施形態のアクチュエータ１００は、１対の第２の弾性連結部４および１対の第１の弾性連結部５のうち少なくとも１つ、本実施形態では、図１中、第１の質量部２に対して左側の第１の弾性連結部５が、その内部にピエゾ抵抗素子（変位測定手段）４２を備えている。このピエゾ抵抗素子４２から第２の質量部１および１１の回転角度（変位角度）を示す検出信号が出力される。
【００３４】
また、アクチュエータ１００には、図示しない制御手段および記憶部が設けられている。ピエゾ抵抗素子４２は、それぞれ制御手段に電気的に接続されており、制御手段には、ピエゾ抵抗素子４２からの検出信号（検出値）が、随時入力される。また、記憶部には、検出信号と、第１の質量部２の振れ角との関係（検量線）が予めテーブル化されて記憶されている。なお、検量線としては、テーブルでもよく、数式でもよい。
【００３５】
本実施形態のアクチュエータ１００を使用する際には、各振動体７のそれぞれのグループ電極５６とグループ電極５７との間に交流電圧を印加する。これにより各振動体７の圧電素子７１〜７６に、それぞれ交流電圧が印加され、振動体７、７が、それぞれ図２中上側に圧電縦効果により変位して第２の質量部１、１１を押圧し、第２の質量部１、１１に対して駆動力を伝達する。この駆動力により、第２の質量部１、１１が、回動中心軸４１（第２の弾性連結部４）を中心に所定角度回転する。この第２の質量部１、１１の回転に伴って、第１の弾性連結部５を介して連結されている第１の質量部２は、回動中心軸４１（第１の弾性連結部５）を中心に所定角度回転する。
【００３６】
その後、交流電圧の振幅の変化により、振動体７、７の変位量が変化して第２の質量部１、１１への駆動力が変化し、第２の質量部１、１１が回動中心軸４１（第２の弾性連結部４）を軸に振動（回転）する。この第２の質量部１、１１の振動に伴って、第１の弾性連結部５を介して連結されている第１の質量部２は、回動中心軸４１（第１の弾性連結部５）を中心に所定角度で振動（回転）する。
【００３７】
前述した制御手段は、例えば、第１の質量部２を所定の振れ角で振動させる命令を受けると、ピエゾ抵抗素子４２からの検出信号と、例えば、前述した検量線とにより、第１の質量部２の振れ角を求め、前述した駆動回路に対して指示を行う。駆動回路は各グループ電極５６および５７に印加する交流電圧の振幅を制御手段からの指示に応じて変化させる。これにより第１の質量部２を所望の振れ角で駆動することができる。
【００３８】
このアクチュエータ１００では、各振動体７に印加する交流電圧の周波数は、第２の質量部１、１１と第１の質量部２とが共振する２自由度振動系の共振周波数と等しくなるように設定するのが好ましい。これにより、第２の質量部の振幅を抑制しつつ、第１の質量部の回転角度（振れ角）を大きくすることができる。
ここで、第２の質量部１の回動中心軸４１に対して略垂直な方向（長手方向）の端部１２との間の距離（長さ）をＬ１、第２の質量部１１の回動中心軸４１に対して略垂直な方向（長手方向）の端部１２との間の距離（長さ）をＬ２、第１の質量部２の回動中心軸４１に対して略垂直な方向の端部１３との間の距離（長さ）をＬ３としたとき、第２の質量部１および１１が、それぞれ独立して設けられているため、第２の質量部１および１１と、第１の質量部２とが干渉せず、第１の質量部２の大きさにかかわらず、Ｌ１およびＬ２を小さくすることができる。これにより、第２の質量部１および１１の回転角度（対向基板６の振動体７が設けられている面と平行な方向に対する第１の質量部２の振れ角）を大きくすることができ、第１の質量部２の回転角度を大きくすることができる。
【００３９】
ここで、第２の質量部１、１１および第１の質量部２の寸法は、それぞれ、Ｌ１＜Ｌ３かつＬ２＜Ｌ３の関係を満足するよう設定されるのが好ましい。
前記関係を満たすことにより、Ｌ１およびＬ２をより小さくすることができ、第２の質量部１および１１の回転角度をより大きくすることができ、第１の質量部２の回転角度をさらに大きくすることができる。
【００４０】
この場合、第１の質量部２の最大回転角度が、特に限定されないが、例えば２０°以上となるように構成されるのが好ましい。
また、Ｌ１およびＬ２を小さくすることにより、より小さい駆動力で第２の質量部１および１１を駆動することができるため、各振動体７に印加する電圧をさらに小さくすることができる。
なお、前述したように、本実施形態では、Ｌ１とＬ２とは略等しく設定されているが、Ｌ１とＬ２とが異なっていてもよいことは言うまでもない。
【００４１】
ところで、アクチュエータ１００は、振動体７、７の振動により、第２の質量部１、１１が図５中時計回りの方向に最も回動したときの最も変位の大きい部分、一例として図５中の端部１２のＳ点の位置Ｓ１と、振動体７、７の振動により、第２の質量部１、１１が図３中反時計回りの方向に最も回動したときの最も変位の大きい部分、一例として図５中端部１２のＳ点の位置Ｓ２との距離Ｌ４より、突起５１、５１の長さ（図５中上下方向の長さ）Ｌ５を長くするのが好ましい。これにより、例えば、振動体７、７の略全体が、それぞれ、第２の質量部１、１１の下部に配置されている場合や、平面視で振動体７、７が回動中心軸４１と重なるような位置に配置されている場合等においても、確実に第２の質量部１、１１と振動体７、７との突起５１、５１以外での接触を防止することができる。
【００４２】
第１の質量部２の平均厚さは、１〜１５００μｍ程度であるのが好ましく、１０〜３００μｍ程度であるのがより好ましい。
また、第２の質量部１および１１の平均厚さは、１〜１５００μｍ程度であるのが好ましく、１０〜３００μｍ程度であるのがより好ましい。
第１の弾性連結部５のばね定数ｋ１は、１×１０−４〜１×１０４Ｎｍ/rad程度であるのが好ましく、１×１０−２〜１×１０３Ｎｍ/rad程度であるのがより好ましく、１×１０−１〜１×１０２Ｎｍ/rad程度であるのがさらに好ましい。これにより、第２の質量部１および１１の振れ角を抑制しつつ、第１の質量部２の振れ角をより大きくすることができる。
【００４３】
また、第２の弾性連結部４のばね定数ｋ２は、１×１０−４〜１×１０４Ｎｍ/rad程度であるのが好ましく、１×１０−２〜１×１０３Ｎｍ/rad程度であるのがより好ましく、１×１０−１〜１×１０２Ｎｍ/ｒａｄ程度であるのがさらに好ましい。これにより、第１の質量部２の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。
第１の弾性連結部５のばね定数をｋ１、第２の弾性連結部４のばね定数をｋ２としたとき、ｋ１とｋ２とが、ｋ２＞ｋ１の関係を満足するのが好ましい。これにより、第２の質量部１および１１の振れ角を抑制しつつ、第１の質量部２の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。
【００４４】
また、前記第１の質量部２の慣性モーメントをＪ１、第２の質量部１（第２の質量部１１）の慣性モーメントをＪ２、としたとき、Ｊ１とＪ２とが、Ｊ１≧Ｊ２の関係を満足することが好ましく、Ｊ１＞Ｊ２の関係を満足することがより好ましい。これにより、第２の質量部１および１１の振れ角を抑制しつつ、第１の質量部２の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。
【００４５】
ところで、第１の振動系の固有振動数ω１は、第１の質量部２の慣性モーメントをＪ１、第１の弾性連結部５のばね定数をｋ１としたとき、ω１＝（ｋ１／Ｊ１）１／２によって与えられ、第２の振動系の固有振動数ω２は、第２の質量部１の慣性モーメントをＪ２、第２の弾性連結部４のばね定数をｋ２としたとき、ω２＝（ｋ２／Ｊ２）１／２によって与えられる。
【００４６】
前記のようにして求められる第１の振動系の固有振動数ω１と第２の振動系の固有振動数ω２とは、ω２＞ω１の関係を満足するのが好ましい。これにより、第２の質量部１および１１の振れ角を抑制しつつ、第１の質量部２の回転角度（振れ角）をより大きくすることができる。
以上説明したように、このアクチュエータ１００によれば、振動体７、７が、それぞれ圧電縦効果により振動することによって、容易かつ確実に第２の質量部１、１１を大きな駆動力、かつ、大きな回転角度（振れ角）で駆動することができる。また、第２の質量部１、１１の駆動に伴い、第１の質量部２が回動するように構成されているため、第２の質量部の回転角度（振れ角）の大きいアクチュエータを提供することができる。また、第２の質量部を高い周波数（例えば、１０ｋＨｚ程度）で駆動することができる。
【００４７】
また、各振動体７が、それぞれ積層構造をなしているため、例えば、各振動体７が、それぞれバイモルフ構造をなしている場合等に比べてアクチュエータ１００の厚み方向（図２中上下方向）の駆動力が大きく、応答速度が速いなどの特徴を有する。このため、各振動体７は、例えば、第２の質量部１、１１の回動中心軸４１の近傍を押圧すること等により、第２の質量部１、１１をより大きな振れ角で駆動することができる。
【００４８】
また、静電駆動方式のアクチュエータに比べて構造を簡易なものとすることができるため、高集積化、高密度化、低コスト化を図ることができる。
また、第２の質量部１、１１と振動体７、７とは、突起５１、５１を介して結合されているため、振動体７、７と第２の質量部１、１１との接触面積が小さくなり、振動の損失を小さくすることができる。また、容易かつ確実に第２の質量部１、１１を所望の周波数で駆動することができるため、例えば、第１の質量部２の制御を容易に行うことができる。
【００４９】
本発明のアクチュエータを、例えば、レーザープリンタ等に用いた場合は、ポリゴンミラー等を用いた場合と比べて、より高解像度で品質のよい印字と高速印刷とを行うことができる。
また、本実施形態では、振動体７、７と第２の質量部１、１１とが予め結合された構成としたが、結合されてなくてもよい。
【００５０】
また、本実施形態では、突起５１、５１は第２の質量部１、１１に形成されたが、それに限られず、振動体７、７に形成されていてもよいし、第２の質量部１、１１と振動体７、７との両方に形成されていてもよい。この場合、例えば、振動体７、７の表面にそれぞれ金等の金属パターンを形成して、その金属パターン上に例えば、メッキ法等によって突起５１、５１を形成する方法等が挙げられる。
【００５１】
また、変位検出手段としては、前述したピエゾ抵抗素子４２に限られず、例えば、フォトセンサ等を用いてもよい。この場合、対向基板６の下部に別途基板等を設置し、前記基板の対向基板６側の面の第１の質量部２の端部に対応する部位に、フォトセンサを設置するのが好ましい。
フォトセンサは、第１の質量部２へ向けて光を照射する発光部と、この発光部から発せられ、第１の質量部２で反射した光（反射光）を受光し光電変換する受光部とを有し、第１の質量部２を反射した光が、受光部で受光されると、光電変換により、受光光量に応じた大きさの電圧（電流）が出力される。
【００５２】
この電圧値（検出値）に基づいて、前記制御部が前述した駆動回路に対して指示を行うことによって、第１の質量部２の姿勢（変位）および回転周波数を制御することができる。
なお、発光部としては、例えば、発光ダイオード、レーザダイオード等が挙げられ、受光部としては、例えば、フォトダイオード、フォトトランジスタ等が挙げられる。
また、レーザダイオードを用いた場合には、レーザー光を移動体に当てたとき、反射して戻ってくる光の振動数が移動体の速度に比例して変化する現象（ドップラー効果）を利用して移動体の速度を計測する方法であるレーザードップラー法を用いて第１の質量部２の回転角度を検出することもできる。
【００５３】
次に、図１〜図３に示すようなアクチュエータ１００の製造方法の一例について添付図面を参照しつつ説明する。
図６〜図８は、アクチュエータの製造方法の一例を示す工程図（部分断面図）である。
本実施形態では、一例として、以下に示す第１〜第６の工程により、アクチュエータ１００を製造する場合について説明する。
【００５４】
［第１の工程］（エッチング工程）
まず、基板６０を用意する。
この基板６０の構成材料としては、剛性が高いものであれば特に限定されないが、例えば、ＳＵＳ（Ｓｔｅｅｌ  Ｕｓｅ  Ｓｔａｉｎｌｅｓｓ）、パイレックスガラス（「パイレックス」は登録商標）等のガラス等が挙げられる。
【００５５】
そして、図６（ａ）に示すように、基板６０の上面に、凹部６２、６２を形成する領域を除いた部分に対応するように、例えば、クロムや金、アルミニウム等により金属マスク６３を形成する。
次に、この金属マスク６３を介して、基板６０の上面側をエッチングした後、金属マスク６３を除去する。これにより、図６（ｂ）に示すように、凹部６２、６２が形成された基板６０が得られる。
【００５６】
エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの１種または２種以上を組み合わせて用いることができる。なお、以下の各工程におけるエッチングにおいても、同様の方法を用いることができる。
【００５７】
この際、第２の質量部１、１１の形状、振動体７、７の厚さ等に応じて凹部６２、６２を形成する位置や深さを適宜調整することにより、第２の質量部１、１１と振動体７、７との関係を好適なものとすることができる。
また、後述する基板９０の厚さを調節することによって、第２の質量部１、１１と振動体７、７との高さの関係を調節することもでき、凹部６２、６２を形成しなくてもそれらの高さの関係が適正である場合には、前述した工程は行わなくてもよい。
次に、振動体７、７に交流電圧を印加する導線を外部に導くための溝（図示せず）等を形成する。
【００５８】
［第２の工程］（サンドブラスト工程）
次に、この基板６０の第１の質量部２に対応する部位に、例えば、サンドブラスト等の方法により、貫通孔を形成する。これにより図６（ｃ）に示すように、開口部６１が形成される。
［第３の工程］（振動体接合工程）
次に、凹部６２、６２に振動体７、７を、例えば、接着剤等により接合する。なお、接合の際に用いられる接着剤は、硬化後に弾性を有さないものが好ましく、例えば、シアノアクリレート系接着剤やエポキシ系接着剤等が挙げられる。これにより、接着剤により振動体７、７の振動が吸収されてしまうことを好適に防止することができる。
以上の工程により、図６（ｄ）に示すように、開口部６１、凹部６２、６２が形成され、振動体７、７が設置された対向基板６が得られる。
【００５９】
［第４の工程］（シリコン加工工程１）
一方、図７（ｅ）に示すように、シリコン基板１０５を用意する。
次に、図７（ｆ）に示すように、シリコン基板１０５の上面側の第１の弾性連結部５に対応する部位にピエゾ抵抗素子４２を設置する。
次に、シリコン基板１０５の下面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、突起５１、５１の形状に対応するように、レジストマスク（図示せず）を形成する。
【００６０】
次に、このレジストマスクを介して、シリコン基板１０５をエッチングした後、レジストマスクを除去する。これにより、図７（ｇ）に示すように、シリコン基板１０５の下面に突起５１、５１が形成される。
また、シリコン基板１０５の下面に対して研磨を行うことにより突起５１、５１を形成してもよい。
次に、シリコン基板１０５の下面に、フォトレジストを塗布し、露光、現像を行う。これにより、第２の質量部１、１１、第１の質量部２、支持部３、第２の弾性連結部４、４、第１の弾性連結部５、５の形状に対応するように、レジストマスク（図示せず）を形成する。
【００６１】
次に、このレジストマスクを介して、シリコン基板１０５をエッチングした後、レジストマスクを除去する。これにより、図７（ｈ）に示すように、第２の質量部１、１１、第１の質量部２、支持部３、第２の弾性連結部４、４、第１の弾性連結部５、５が形成される。
次に、第１の質量部２上に光反射部２１を、例えば、真空蒸着法等により成膜する。
以上の工程により、図７（ｉ）に示すように、第２の質量部１、１１、第１の質量部２、支持部３、第２の弾性連結部４、４、第１の弾性連結部５、５、光反射部２１が形成された構造体１４０が得られる。
【００６２】
［第５の工程］（接合工程１）
まず、図８（ｊ）に示すように、基板９０を用意する。
次に、図８（ｋ）に示すように、基板９０に、例えば、エッチング等を施すことにより、補強板９を形成する。
この基板９０の構成材料としては、次に述べる構造体１４０との接合により構造体１４０の剛性を上げるものであれば特に限定されないが、例えば、パイレックスガラス（「パイレックス」は登録商標）等のガラス等が挙げられる。
【００６３】
次に、図８（ｌ）に示すように、構造体１４０と補強板９とを、例えば、接着剤、陽極接合、合金接合等により接合する。これにより補強板９と構造体１４０とが接合された構造体１５０が得られる。
なお、接着剤を用いた場合は、硬化後に弾性を有さないものが好ましく、例えば、シアノアクリレート系接着剤やエポキシ系接着剤等が挙げられる（第６の工程の接着剤においても同様）。
【００６４】
［第６の工程］（接合工程２）
次に、前記第１〜３工程で得られた対向基板６と、前記第４〜５工程で得られた構造体１５０とを、例えば、接着剤、陽極接合、合金接合等により接合する。また、対向基板６と構造体１５０とを機械的にクランプしてもよい。
以上により図１〜図３に示すような第１実施形態のアクチュエータ１００が得られる。
【００６５】
なお、第４〜第５の工程は、第１〜３の工程と同時に行ってもよいし、第１〜３の工程よりも先に行ってもよい。
次に、本発明のアクチュエータの第２実施形態について説明する。
図９は、本発明のアクチュエータの第２実施形態を示す平面図、図１０は、図９中のＣ−Ｃ線での断面図である。
【００６６】
以下、図９および図１０に示すアクチュエータ１００について、前記第１実施形態との相違点を中心に説明し、同様の事項については、その説明を省略する。
本実施形態のアクチュエータ１００は、図９に示すように、構造体１１０を有している。
この構造体１１０は、連結部材３０と、振動体７とで構成されている。
【００６７】
連結部材３０は、２つの板状のベース部３１、３１と支持部３２とを有しており、ベース部３１、３１は、支持部３２によって互いに結合している。
また、図１０中右側のベース部３１は、振動体７の図１０中上側に固着されている。これにより、振動体７の振動によりベース部３１、３１が同時に振動する。
このベース部３１、３１は、それぞれ、突起５１、５１を介して第２の質量部１、１１に固着されている。
【００６８】
本実施形態のアクチュエータ１００を使用する際には、各振動体７のそれぞれのグループ電極５６とグループ電極５７との間に交流電圧を印加する。これにより各振動体７の圧電素子７１〜７６に、それぞれ交流電圧が印加され、振動体７が圧電縦効果により図１０中上側に変位して連結部材３０のベース部３１、３１を押圧することによって、第２の質量部１、１１に対して略等しい駆動力が伝達される。この駆動力により、第２の質量部１および１１が、回動中心軸４１（第２の弾性連結部４）を中心に所定角度回転する。この第２の質量部１および１１の回転に伴って、第１の弾性連結部５を介して連結されている第１の質量部２は、回動中心軸４１（第１の弾性連結部５）を中心に所定角度回転する。
【００６９】
このアクチュエータ１００によれば、前述した第１実施形態のアクチュエータ１００と同様の効果が得られる。
そして、このアクチュエータ１００では、振動体７の駆動力が第２の質量部１および１１に略等しく作用し、容易かつ確実に第２の質量部１、１１を同期的に駆動することができる。これにより、第２の質量部の制御を簡易なものとすることができる。また、振動体７の数を減らすことによる低コスト化、軽量化が図れる。
以上、本発明のアクチュエータ１００を、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、各部の構成は、同様の機能を有する任意の構成のものに置換することができる。また、本発明に、他の任意の構成物が付加されていてもよい。
【００７０】
また、本発明は、前記各実施形態のうちの、任意の２以上の構成（特徴）（工程）を組み合わせたものであってもよい。
また、前述した実施形態では、第２の弾性連結部４を１対有するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、２対以上であってもよい。
また、前述した実施形態では、第１の弾性連結部５を１対有するものとして説明したが、これに限定されず、例えば、２対以上であってもよい。
【００７１】
また、前述した実施形態では、光反射部２１が第１の質量部２の対向基板６が設けられている側とは反対の面側に設けられている構成について説明したが、例えば、その逆の面に設けられている構成であってもよいし、両方の面に設けられている構成であってもよい。
また、前述した各実施形態では、第１の弾性連結部および第２の弾性連結部の形状として図示の構成のものについて説明したが、これに限定されず、例えば、その形状が、クランク形状等であってもよい。
【００７２】
また、第２の質量部１および１１の各振動体７と対向する面の表面に、短絡防止用の絶縁膜が設けられてもよい。
以上説明したようなアクチュエータは、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の光スキャナ、チューナブルエタロン、イメージング用ディスプレイ等のＭＥＭＳ（Micro Electro-Mechanical Systems）デバイスの駆動に好適に適用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００７３】
【図１】本発明のアクチュエータの第１実施形態を示す平面図である。
【図２】図１中のＡ−Ａ線での断面図である。
【図３】図１中のＢ−Ｂ線での断面図である。
【図４】振動体（積層型圧電素子）の側面図である。
【図５】第２の質量部の回動を示す図である。
【図６】アクチュエータの製造方法の一例を示す工程図（断面図）である。
【図７】アクチュエータの製造方法の一例を示す工程図（断面図）である。
【図８】アクチュエータの製造方法の一例を示す工程図（断面図）である。
【図９】本発明のアクチュエータの第２実施形態を示す平面図である。
【図１０】図９中のＣ−Ｃ線での断面図である。
【図１１】従来のアクチュエータを説明するための図である。
【符号の説明】
【００７４】
１００……アクチュエータ  １、１１……第２の質量部  １２、１３……端部  ２……第１の質量部  ２１……光反射部  ３……支持部  ４……第２の弾性連結部  ４１……回動中心軸  ４２……ピエゾ抵抗素子  ５……第１の弾性連結部  ５１……突起  ５２、５３……外部電極  ５６、５７……グループ電極  ６……対向基板  ６１……開口部  ６２……凹部  ６３……金属マスク  ７……振動体  ７０……連結部材  ７１〜７６……圧電素子  ７７、７８……電極  ３０……連結部材  ３１……ベース部  ３２……支持部  ６０……ガラス基板  ９……補強板  ９０……基板  １０５……シリコン基板  １１０……構造体  １４０……構造体  １５０……構造体  ２００……スペーサ  ３００……可動電極板  ３００ａ……両端固定部  ３００ｂ……トーションバー  ３００ｃ……可動電極部  ４００……固定電極  ５００……電源  ６００……スイッチ  １０００……ガラス基板  Ａ、Ｂ、Ｃ……方向  Ｌ１〜Ｌ５……距離  Ｓ……点  Ｓ１、Ｓ２……位置
【図１】
2006075943.tif 000003
【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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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