(57)【要約】【課題】変位量と駆動信号の関係が良好な線形性を有するアクチュエータを提供する。【解決手段】電磁駆動型アクチュエータ１００は、変位可能な可動板１１２を含む可動板素子１１０と、可動板素子１１０の両側に配置された一対の永久磁石１５０とから構成されている。可動板素子１１０は、平面１１２ａを有する可動板１１２と、可動板１１２の周囲に位置する支持枠１１４と、可動板１１２と支持枠１１４とを連結している八つのばね１１６とを有している。一対の永久磁石１５０は、可動板１１２の周囲の空間に、可動板１１２の平面１１２ａに平行な磁界を発生させる。可動板素子１１０は更に、それぞれのばね１１６と支持枠１１４と可動板１１２を通って延びている四つの配線群を有している。それらのうち、二つはｘ軸に沿って延び、他の二つはｙ軸に沿って延びている。【選択図】    図１
2004309643.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
平面を有する可動板と、
可動板の周囲に位置する支持体と、
可動板と支持体とを連結している弾性変形可能な弾性部材と、
支持体と可動板と弾性部材を通って延びる電流を通す配線と、
可動板の周囲の空間に磁界を発生させる磁界発生手段とを有しており、
弾性部材は、可動板をその平面に直交する方向に沿って移動可能に支持しており、磁界発生手段は可動板の平面に平行な方向を持つ磁界を発生させ、可動板は、配線に流れる電流と磁界形成手段で形成された磁界との相互作用によって、その平面に直交する方向に沿って移動される、電磁駆動型アクチュエータ。
【請求項２】
弾性部材がメッシュ構造を有している、請求項１に記載の電磁駆動型アクチュエータ。
【請求項３】
弾性部材は複数の部分から成り、弾性部材の複数の部分は非平行な二方向に沿って延びている、請求項１または請求項２に記載の電磁駆動型アクチュエータ。
【請求項４】
弾性部材の複数の部分が延びる非平行な二方向は互いに直交している、請求項３に記載の電磁駆動型アクチュエータ。
【請求項５】
磁界発生手段は、弾性部材の複数の部分が延びている互いに直交する二方向に対して４５°の方向を持つ磁界を発生させる、請求項４に記載の電磁駆動型アクチュエータ。
【請求項６】
弾性部材は複数の部分から成り、それらは一方向に沿って延びている、請求項１または請求項２に記載の電磁駆動型アクチュエータ。
【請求項７】
磁界発生手段は、弾性部材の複数の部分が延びている一方向に対して直交する方向を持つ磁界を発生させる、請求項６に記載の電磁駆動型アクチュエータ。
【請求項８】
平面を有する可動板と、
可動板の周囲に位置する支持体と、
可動板と支持体とを連結している弾性変形可能な弾性部材と、
支持体と可動板と弾性部材を通って延びる電流を通す配線と、
可動板の周囲の空間に磁界を発生させる磁界発生手段とを有しており、
弾性部材は、可動板をその平面に対して直交する方向と平行な方向の両方に沿って移動可能に支持しており、磁界発生手段は可動板の平面に平行な方向を持つ第一の磁界と可動板の平面に直交する方向を持つ第二の磁界とを少なくとも選択的に発生させ、可動板は、配線に流れる電流と磁界形成手段で形成された磁界との相互作用によって、その平面に直交する方向と平行な方向の少なくとも一方に沿って移動される、電磁駆動型アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、変位可能な可動板を有するアクチュエータ、特に可動板をその平面に垂直に変位させるアクチュエータに関する。
【０００２】
【従来の技術】
特開２００１−４２２３３号公報は、静電駆動により可動板をその平面に垂直に変位させるアクチュエータを開示している。以下、このアクチュエータの構成について、図１７〜図１８を参照しながら説明する。
【０００３】
従来例のアクチュエータは、図１７〜図１８に示されるように、半導体シリコン基板５０１と、半導体シリコン基板５０１に支持された可動電極板５０２と、半導体シリコン基板５０１に支持され可動電極板５０２に上側に位置する上側電極５０３と、可動電極板５０２に支持されたマイクロミラー５０４とを有している。
【０００４】
半導体シリコン基板５０１は、ｎ型半導体シリコンから成り、下側電極を構成している。半導体シリコン基板５０１は、その中央部に凹陥部５１１を有しており、凹陥部５１１の周縁は、可動電極板５０２と上側電極５０３と支持する電極支持枠５１２を構成している。凹陥部５１１は、可動電極板５０２が吸引進入する空間を提供している。
【０００５】
可動電極板５０２は、ポリシリコンを材料として形成されている。可動電極板５０２は、一体的に形成されたフレクチュア部５２１とアンカー部５２２とを含んでおり、アンカー部５２２を介して半導体シリコン基板５０１に固定されている。
【０００６】
上側電極５０３も、可動電極板５０２と同様に、ポリシリコンを材料として形成されている。上側電極５０３は、一体的に形成された上側電極アンカー部５３１と立ち上がり部５３２とを有し、上側電極アンカー部５３１を介して半導体シリコン基板５０１に固定されている。さらに、上側電極５０３は、その中央部に、マイクロミラー５０４が通るための貫通孔５３３を有している。
【０００７】
マイクロミラー５０４は、可動電極板５０２の上面に直立して固定されている。マイクロミラー５０４の反射面は光の進入方向に対して例えば４５゜傾斜している。
【０００８】
このアクチュエータは、可動電極板５０２と上側電極５０３の間または可動電極板５０２と下側電極すなわち半導体シリコン基板５０１の間に選択的に電圧が印加される。可動電極板５０２は、このような選択的電圧印加に応じて上下動する。これにより、マイクロミラー５０４が光路に対して挿入・退避することで、光スイッチのオン・オフ切り替えを行なう。
【０００９】
【特許文献１】
特開２００１−４２２３３号公報
【００１０】
【発明が解決しようとする課題】
上述した静電駆動型アクチュエータは、静電駆動方式を採用しているため、駆動印加電圧と可動板（可動電極板）の変位量との関係は非線形性を有する。このため、変位量の制御は、煩雑な駆動や信号処理を必要とする。
【００１１】
また、静電駆動方式では、大変位時に、可動板と固定電極部の間でプルインによるスタックが生じることがある。このようなスタックの発生を避けるため、可動板と固定電極部は、静止時に、可動板の最大変位量の三倍前後の距離離れている必要がある。これは駆動効率を低下させる。このため、可動板の駆動に大きな駆動電圧を必要とする。
【００１２】
本発明は、このような実状を考慮して成されたものであり、その目的は、変位量と駆動信号の関係が良好な線形性を有するアクチュエータを提供することである。本発明の目的は、さらに、駆動効率の低下を招くことなく、大変位を実現できるアクチュエータを提供することである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電磁駆動型アクチュエータに向けられており、以下の各項に列記する電磁駆動型アクチュエータを含んでいる。
【００１４】
１．本発明の電磁駆動型アクチュエータは、平面を有する可動板と、可動板の周囲に位置する支持体と、可動板と支持体とを連結している弾性変形可能な弾性部材と、支持体と可動板と弾性部材を通って延びる電流を通す配線と、可動板の周囲の空間に磁界を発生させる磁界発生手段とを有しており、弾性部材は、可動板をその平面に直交する方向に沿って移動可能に支持しており、磁界発生手段は可動板の平面に平行な方向を持つ磁界を発生させ、可動板は、配線に流れる電流と磁界形成手段で形成された磁界との相互作用によって、その平面に直交する方向に沿って移動される。
【００１５】
この電磁駆動型アクチュエータは、第一実施形態と第二実施形態に対応している。この電磁駆動型アクチュエータにおいては、磁界発生手段は、可動板の平面に平行な方向を持つ磁界を発生させる。可動板は、その磁界中に位置し、弾性部材によってその平面に直交する方向に沿って移動可能に支持されている。可動板と弾性部材と支持体を通る配線には電流が供給される。配線を流れる電流は、磁界と相互作用して、可動板の平面に直交する方向を持つローレンツ力を発生させる。可動板はローレンツ力を受けて、その平面に直交する方向に沿って移動される。このアクチュエータは電磁駆動を採用しているため、可動板は線形性良く変位し、静電駆動方式を採用した場合に発生し兼ねないプルイン現象は発生しない。
【００１６】
２．本発明の別の電磁駆動型アクチュエータは、第１項の電磁駆動型アクチュエータにおいて、弾性部材がメッシュ構造を有している。
【００１７】
この電磁駆動型アクチュエータは、第一実施形態と第二実施形態に対応している。この電磁駆動型アクチュエータにおいては、弾性部材がメッシュ構造を有しているため、弾性部材は機械的に柔らかい。その結果、この電磁駆動型アクチュエータは高い駆動効率を有する。
【００１８】
３．本発明の別の電磁駆動型アクチュエータは、第１項と第２項の電磁駆動型アクチュエータにおいて、弾性部材は複数の部分から成り、弾性部材の複数の部分は非平行な二方向に沿って延びている。
【００１９】
この電磁駆動型アクチュエータは、第一実施形態と第二実施形態に対応している。この電磁駆動型アクチュエータにおいては、可動板は、非平行な二方向に沿って延びている弾性部材の複数の部分によって支持されているため、平行性良く移動する。また、配線に流れる電流を調整することにより、可動板の平行度を容易に補正することができる。
【００２０】
４．本発明の別の電磁駆動型アクチュエータは、第３項の電磁駆動型アクチュエータにおいて、弾性部材の複数の部分が延びる非平行な二方向は互いに直交している。
【００２１】
この電磁駆動型アクチュエータは、第一実施形態と第二実施形態に対応している。この電磁駆動型アクチュエータにおいては、弾性部材の複数の部分は直交する二方向に沿って延びているため、弾性部材は高い対称性を有する。これにより、可動板の動作時に駆動や制御などの操作性が簡便化できる。
【００２２】
５．本発明の別の電磁駆動型アクチュエータは、第４項の電磁駆動型アクチュエータにおいて、磁界発生手段は、弾性部材の複数の部分が延びている互いに直交する二方向に対して４５°の方向を持つ磁界を発生させる。
【００２３】
この電磁駆動型アクチュエータは、第一実施形態と第二実施形態に対応している。この電磁駆動型アクチュエータにおいては、均等性良くローレンツ力が発生し、力の対称性が向上する。これにより、可動板の動作時に駆動や制御などの操作性が簡便化できる。
【００２４】
６．本発明の別の電磁駆動型アクチュエータは、第１項と第２項の電磁駆動型アクチュエータにおいて、弾性部材は複数の部分から成り、それらは一方向に沿って延びている。
【００２５】
この電磁駆動型アクチュエータは、第一実施形態と第二実施形態に対応している。この電磁駆動型アクチュエータにおいては、弾性部材の構成が最も単純な形態となるので、作製の歩留り向上が期待できる。
【００２６】
７．本発明の別の電磁駆動型アクチュエータは、第６項の電磁駆動型アクチュエータにおいて、磁界発生手段は、弾性部材の複数の部分が延びている一方向に対して直交する方向を持つ磁界を発生させる。
【００２７】
この電磁駆動型アクチュエータは、第一実施形態と第二実施形態に対応している。この電磁駆動型アクチュエータにおいては、磁界の方向が配線の延びる方向と直交するため、最も効率の良い駆動を実現できる。
【００２８】
８．本発明の電磁駆動型アクチュエータは、平面を有する可動板と、可動板の周囲に位置する支持体と、可動板と支持体とを連結している弾性変形可能な弾性部材と、支持体と可動板と弾性部材を通って延びる電流を通す配線と、可動板の周囲の空間に磁界を発生させる磁界発生手段とを有しており、弾性部材は、可動板をその平面に対して直交する方向と平行な方向の両方に沿って移動可能に支持しており、磁界発生手段は可動板の平面に平行な方向を持つ第一の磁界と可動板の平面に直交する方向を持つ第二の磁界とを少なくとも選択的に発生させ、可動板は、配線に流れる電流と磁界形成手段で形成された磁界との相互作用によって、その平面に直交する方向と平行な方向の少なくとも一方に沿って移動される。
【００２９】
この電磁駆動型アクチュエータは、第三実施形態に対応している。この電磁駆動型アクチュエータにおいては、可動板は、弾性部材によってその平面に対して直交する方向と平行な方向の二方向に沿って移動可能に支持されている。磁界発生手段は、可動板の平面に平行な方向を持つ第一の磁界と可動板の平面に直交する方向を持つ第二の磁界とを選択的にまたは同時に発生させる。可動板と弾性部材と支持体を通る配線には電流が供給される。配線を流れる電流は、磁界と相互作用して、可動板の平面に対して直交する方向と平行な方向の少なくとも一方の方向を持つローレンツ力を発生させる。可動板はローレンツ力を受けて、その平面に直交する方向と平行な方向の少なくとも一方の方向に沿って移動される。このアクチュエータは電磁駆動を採用しているため、可動板は線形性良く変位し、静電駆動方式を採用した場合に発生し兼ねないプルイン現象は発生しない。
【００３０】
【発明の実施の形態】
以下、図面を参照しながら本発明の実施の形態について説明する。
【００３１】
第一実施形態
図１は、本発明の第一実施形態の電磁駆動型アクチュエータの斜視図である。
【００３２】
図１に示されるように、電磁駆動型アクチュエータ１００は、変位可能な可動板１１２を含む可動板素子１１０と、可動板素子１１０の両側に配置された一対の永久磁石１５０とから構成されている。
【００３３】
可動板素子１１０は、可動板１１２と、可動板１１２の周囲に位置する支持体すなわち支持枠１１４と、可動板１１２と支持枠１１４とを連結している弾性変形可能な八つのばね１１６とを有している。
【００３４】
可動板素子１１０はマイクロマシン製法によって作製される。支持枠１１４と可動板１１２はシリコン基板をエッチング加工して形成される。ばね１１６は主にポリイミド膜で形成される。
【００３５】
可動板１１２は、矩形の平板状の形態を有しており、平面１１２ａを有している。可動板１１２の平面１１２ａは、例えば、光学的に利用される面である。一例においては、可動板１１２の平面１１２ａは、反射面として利用される。その場合、可動板１１２の平面１１２ａには、アルミニウムや金などの光に対して高い反射率を有する金属薄膜が形成されるとよい。別の例においては、可動板１１２の平面１１２ａには、光源や撮像素子などの光学素子が搭載される。
【００３６】
以下では、説明のため、図１に示されるように、ｘｙｚ座標系を設定する。つまり、ｘｙ平面が可動板１１２の平面１１２ａと平行になるようにｘｙｚ座標系を設定する。
【００３７】
八つのばね１１６は、可動板１１２と支持体とを連結している弾性変形可能な弾性部材を構成している。つまり、弾性部材は、ｘ軸に沿って延びる四つのばね１１６と、ｙ軸に沿って延びる四つのばね１１６とで構成されている。これらのばね１１６は、可動板１１２をその平面１１２ａに直交する方向に沿って移動可能に支持している。つまり、ばね１１６は、可動板１１２をｚ軸に沿って移動可能に支持している。
【００３８】
一対の永久磁石１５０は、可動板１１２の周囲の空間に磁界を発生させる磁界発生手段を構成している。磁界発生手段は永久磁石に限定されない。磁界発生手段は電磁石によって構成されてもよい。
【００３９】
一対の永久磁石１５０は、図３に示されるように、可動板１１２の平面１１２ａすなわちｘｙ平面に平行な磁界Ｈ、より詳しくは、ｘ軸とｙ軸に対して４５°の方向を持つ磁界Ｈを発生させる。
【００４０】
可動板素子１１０は更に、図３に模式的に示されるように、四つの配線群１２６ａと１２６ｂと１２６ｃと１２６ｄを有している。配線群１２６ａ〜１２６ｄは支持枠１１４と可動板１１２とばね１１６を通って延びている。つまり、配線群１２６ａ〜１２６ｄは支持体（支持枠１１４）と可動板１１２と弾性部材（ばね１１６）を通って延びる電流を通す配線を構成している。
【００４１】
二つの配線群１２６ａと１２６ｂは共にｙ軸に沿って延びており、二つの配線群１２６ｃと１２６ｄは共にｘ軸に沿って延びている。従って、四つの配線群１２６ａ〜１２６ｄは共に磁界Ｈに対して４５°の角度を成して延びている。図には示されていないが、配線群１２６ａと１２６ｂと配線群１２６ｃと１２６ｄとは、それらの間に介在する絶縁層により互いに絶縁されている。
【００４２】
ばね１１６は、図２に示されるように、メッシュ構造を有している。ばね１１６は、積層された二つのポリイミド薄膜１２２と１２４と、それらの間に位置する配線１２６とから構成されている。ポリイミド薄膜１２２と１２４はばね１１６の特性を主に決める。
【００４３】
ばねの材料は、ポリイミドの他に、所望のばね強度に応じて、フッ素樹脂（旭硝子社製  商品名サイトップ）やベンゾシクロブテン樹脂（ダウケミカル社製  商品名サイクロテン）などの有機絶縁体、シリコン窒化膜などの無機絶縁体、シリコンなどの半導体材料、金属薄膜など、多様な材料が選択可能である。
【００４４】
配線１２６は前述の配線群１２６ａ〜１２６ｄを構成する要素である。配線１２６は、図示されていないが、支持枠１１４に設けられたパッドに電気的に接続されており、パッドを介して外部に設置された駆動回路から電流が供給される。
【００４５】
電磁駆動型アクチュエータ１００は、例えば、図３に示される配線群１２６ａと配線群１２６ｂに同じ大きさの電流を同じ向きに流すことにより駆動される。例えば、配線群１２６ａと配線群１２６ｂにαからβの方向すなわち＋ｙ方向に電流を流すと、配線群１２６ａと配線群１２６ｂを流れる電流は共に、磁界Ｈとの相互作用により、下向きすなわち−ｚ方向に同じ大きさのローレンツ力を発生させる。このため、可動板１１２は、下向きのローレンツ力を受けて、下方すなわち−ｚ方向に移動し、ばね１１６の復元力と釣り合う位置で静止する。つまり、可動板１１２が下方に変位する。
【００４６】
これとは反対に、配線群１２６ａと配線群１２６ｂにβからαの方向すなわち−ｙ方向に電流を流すと、可動板１１２は、上向きのローレンツ力を受けて、上方すなわち＋ｚ方向に移動し、ばね１１６の復元力と釣り合う位置で静止する。つまり、可動板１１２が上方に変位する。
【００４７】
磁界Ｈは、永久磁石１５０によって作り出されており、その方向と大きさは一定である。このため、可動板１１２が受けるローレンツ力の方向は、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流れる電流の方向によって決まる。また、可動板１１２が受けるローレンツ力の大きさは、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流れる電流の大きさによって決まる。
【００４８】
従って、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流す電流の方向を制御することにより、可動板１１２の変位の方向を制御でき、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流す電流の大きさを制御することにより、可動板１１２の変位の大きさを制御できる。
【００４９】
つまり、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流す電流の方向と大きさを制御することによって、可動板１１２を上下にすなわちｚ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。
【００５０】
さらに、ばね１１６の特性のばらつきや磁界Ｈの不均一さなどの理由により、可動板１１２に不所望な傾きが生じる場合には、配線群１２６ａと配線群１２６ｂのそれぞれに流れる電流の大きさを変えることにより、可動板１１２の不所望な傾きを無くすことができる。これにより、可動板１１２の平面１１２ａの方向をｚ軸に平行な一定の方向に保ったまま、可動板１１２を上下にすなわちｚ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。
【００５１】
また、最初から配線群１２６ａと配線群１２６ｂに異なる大きさの電流を同じ向きに流しておき、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流れる電流の大きさを互いに関連づけて変えることにより、可動板１１２の平面１１２ａの方向をｚ軸に対して傾斜した一定の方向に保ったまま、可動板１１２を上下にすなわちｚ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。
【００５２】
前述したように、磁界発生手段は電磁石で構成されてもよい。磁界発生手段が電磁石で構成されている場合、電磁石に流す電流の方向と大きさを変えることにより、発生させる磁界の方向と大きさを変えることができる。このため、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに一定の電流を流しておき、電磁石に流す電流の方向と大きさを変えることにより、可動板１１２を上下にすなわちｚ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。
【００５３】
このように、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流れる電流によって可動板１１２が移動される際、電流の流れない配線群１２６ｃと配線群１２６ｄは可動板１１２の移動に寄与しないが、配線群１２６ｃと配線群１２６ｄを含むばね１１６は可動板１１２の平面１１２ａの方向を一定に保つのを助ける働きをする。
【００５４】
これまで、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに同じ向きに同じ大きさの電流を流して可動板１１２を変位させる例について述べたが、配線群１２６ｃと配線群１２６ｄに同じ向きに同じ大きさの電流を流すことによっても全く同様にして可動板１１２を変位させることができる。
【００５５】
さらに、電磁駆動型アクチュエータ１００は、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに同じ向きに同じ大きさの電流を流すと共に、配線群１２６ｃと配線群１２６ｄに同じ向きに同じ大きさの電流を流すことによって駆動されてもよい。
【００５６】
例えば、四つの配線群１２６ａ〜１２６ｄが図４に示されるように互いに電気的に接続され、配線群１２６ａの端部Ａと配線群１２６ｄの端部Ｂの間で電流が流されるようにする。この場合、配線群１２６ａ〜１２６ｄに電流を流すための回路構成が簡単になる。
【００５７】
しかし、より好ましくは、前述したように、可動板１１２の不所望な傾きを無くすためや、可動板１１２に意図的に傾斜を与えるために、四つの配線群１２６ａ〜１２６ｄに流れる電流の大きさを変えられるとよい。
【００５８】
四つの配線群１２６ａ〜１２６ｄの全てに電流を流して駆動する手法は、同じ大きさの電流を二つの平行な配線群に流して駆動する手法に比べて、可動板１１２をより大きく変位させることができる。
【００５９】
本実施形態の電磁駆動アクチュエータは電磁駆動方式を採用しているため、可動板の変位量と駆動電流の関係は良好な線形性を有する。このため、変位量の制御は、簡便な駆動方法や信号処理によっても、良好に行なえる。静電駆動方式ではないので、当然、スタック現象も起きない。従って、可動板を大きく変位させることで、不所望な駆動効率の低下が引き起こされることもない。
【００６０】
本実施形態の各種要素は様々な変形や変更が施されてもよい。
【００６１】
例えば、図１に示される可動板素子１１０では、可動板１１２と支持体（支持枠１１４）とを連結している弾性部材は、ｘ軸に沿って延びる四つのばね１１６とｙ軸に沿って延びる四つのばね１１６の計八つのばね１１６で構成されているが、図５に示されるように、ｘ軸に沿って延びる二つの幅広のばね１３２とｙ軸に沿って延びる二つの幅広のばね１３２の計四つのばね１３２で構成されてもよい。また、弾性部材は、図６に示されるように、可動板１１２と支持枠１１４の間の空間全体に広がる一つのばね１３４で構成されてもよい。このような形態のばね１３２やばね１３４は、図１に示される形態のばね１１６ではばね強度が不足する場合に、ばね強度を補うのに有効である。
【００６２】
また、電磁駆動型アクチュエータ１００では、支持体（支持枠１１４）と可動板１１２と弾性部材（ばね１１６）を通って延びる電流を通す配線は、図３に示されるように、四つの配線群１２６ａ〜１２６ｄで構成されているが、例えば図７に示されるように、一本の軸すなわちｙ軸に沿って延びる二つの配線群１２６ａと１２６ｂだけで構成されてもよい。
【００６３】
この変形例においても、本実施形態と同様に、配線群１２６ａと１２６ｂに流す電流の方向と大きさを制御することにより、可動板１１２を上下にすなわちｚ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。また、磁界発生手段は、配線群１２６ａと１２６ｂに直交する方向すなわちｘ軸に平行な方向を持つ磁界を発生させるとよい。これにより、駆動効率は２１／２倍に向上される。
【００６４】
この変形例においては、ｘ軸に沿って延びるばねは配線を含まない分、図３に対応する配線を含むばねよりも柔らかい。その分、同じ大きさの電流で可動板１１２を大きく変位させることができる。また、ｘ軸に沿って延びるばねは、省かれてもよい。すなわち、可動板１１２と支持枠１１４とを連結している弾性部材は、一本の軸すなわちｙ軸に沿って延びる複数のばねで構成されてもよい。
【００６５】
また、配線は、図８に示されるように、一本の軸すなわちｙ軸に沿って延びる一つの配線群１２６ａだけで構成されてもよい。これに応じて、この変形例では、可動板素子１１０の弾性部材は、図５または図６に示される形態のばねで構成される。
【００６６】
この変形例においても、配線群１２６ａに流す電流の方向と大きさを制御することにより、可動板１１２を上下にすなわちｚ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。また、磁界発生手段は、配線群１２６ａと１２６ｂに直交する方向すなわちｘ軸に平行な方向を持つ磁界を発生させるとよい。これにより、駆動効率は２１／２倍に向上される。
【００６７】
この変形例においては、ｘ軸に沿って延びるばねは配線を含まない分、図３に対応する配線を含むばねよりも柔らかい。その分、同じ大きさの電流で可動板１１２を大きく変位させることができる。また、ｘ軸に沿って延びるばねは、省かれてもよい。すなわち、可動板１１２と支持枠１１４とを連結している弾性部材は、一本の軸すなわちｙ軸に沿って延びる複数のばねで構成されてもよい。
【００６８】
本実施形態の電磁駆動型アクチュエータは、直流電流によって（すなわちＤＣモード）で駆動しても、交流電流によって（すなわちＡＣモード）で駆動してもよい。特にＡＣモードで駆動する場合は、可動板の上下の動作周波数に一致したばねの上下共振モードをばね材料やばね寸法の設定により一致させるとよい。これにより、駆動効率の向上、言い換えれば、消費電力の削減が実現できる。
【００６９】
第二実施形態
図９は、本発明の第二実施形態の電磁駆動型アクチュエータの斜視図である。図９において、図１中の部材と同一の参照符号で指示された部材は同様の部材であり、その詳しい説明は省略する。
【００７０】
図９に示されるように、電磁駆動型アクチュエータ１００Ａは、変位可能な可動板１１２を含む可動板素子１４０と、可動板素子１４０の両側に配置された一対の永久磁石１５０とから構成されている。
【００７１】
可動板素子１４０は、可動板１１２と、可動板１１２の周囲に位置する支持枠１１４と、可動板１１２と支持枠１１４とを連結している弾性変形可能な四つのばね１４６とを有している。
【００７２】
四つのばね１４６は、可動板１１２と支持体（支持枠１１４）とを連結している弾性変形可能な弾性部材を構成している。弾性部材は、ｘ軸に非平行な一本の軸に沿って延びる二つのばね１４６と、ｘ軸に非平行な別の一本の軸に沿って延びる二つのばね１４６で構成されている。より詳しくは、弾性部材は、ｘ軸に対して＋４５°の角度を成す方向に沿って延びる二つのばね１４６と、ｘ軸に対して−４５°の角度を成す方向に沿って延びる二つのばね１４６で構成されている。
【００７３】
これらのばね１４６は、可動板１１２をその平面１１２ａに直交する方向に沿って移動可能に支持している。つまり、ばね１４６は、可動板１１２をｚ軸に沿って移動可能に支持している。
【００７４】
一対の永久磁石１５０は、ｘ軸に沿って間隔を置いて配置されており、図１０に示されるように、ｘ軸に平行な方向を持つ磁界Ｈを発生させる。
【００７５】
可動板素子１４０は更に、図１０に模式的に示されるように、二つの配線群１２８ａと１２８ｂを有している。配線群１２８ａと１２８ｂは支持枠１１４と可動板１１２とばね１４６を通って延びている。つまり、配線群１２８ａと１２８ｂは支持体（支持枠１１４）と可動板１１２と弾性部材（ばね１４６）を通って延びる電流を通す配線を構成している。
【００７６】
二つの配線群１２８ａと１２８ｂは共に可動板１１２の対角方向に沿って延びている。より詳しくは、配線群１２８ａは、ｘ軸に対して−４５°の角度を成す方向に沿って延びており、配線群１２８ｂは、ｘ軸に対して＋４５°の角度を成す方向に沿って延びている。従って、配線群１２８ａと１２８ｂは共に磁界Ｈに対して４５°の角度を成して延びている。
【００７７】
電磁駆動型アクチュエータ１００Ａは、例えば、配線群１２８ａに電流を流すことにより駆動される。例えば、配線群１２８ａにαからβの方向に電流を流すと、可動板１１２は、下向きのローレンツ力を受けて、下方すなわち−ｚ方向に移動し、ばね１４６の復元力と釣り合う位置で静止する。つまり、可動板１１２が下方に変位する。
【００７８】
これとは反対に、配線群１２８ａにβからαの方向に電流を流すと、可動板１１２は、上向きのローレンツ力を受けて、上方すなわち＋ｚ方向に移動し、ばね１４６の復元力と釣り合う位置で静止する。つまり、可動板１１２が上方に変位する。
【００７９】
第一実施形態と同じ理由により、可動板１１２が受けるローレンツ力の方向と大きさは、配線群１２８ａに流れる電流の向きと大きさによって決まる。従って、配線群１２８ａに流す電流の向きと大きさを制御することにより、可動板１１２の平面１１２ａの方向をｚ軸に平行な一定の方向に保ったまま、可動板１１２を上下にすなわちｚ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。
【００８０】
磁界発生手段は、永久磁石で構成される代わりに、電磁石で構成されてもよい。磁界発生手段が電磁石で構成されている場合、電磁石に流す電流の方向と大きさを変えることにより、発生させる磁界の方向と大きさを変えることができる。このため、配線群１２８ａに一定の電流を流しておき、電磁石に流す電流の方向と大きさを変えることにより、可動板１１２を上下にすなわちｚ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。
【００８１】
このように、配線群１２８ａに流れる電流によって可動板１１２が移動される際、電流の流れない配線群１２８ｂを含むばね１４６は可動板１１２の平面１１２ａの方向を一定に保つのを助ける働きをする。
【００８２】
これまで、配線群１２８ａに電流を流して可動板１１２を変位させる例について述べたが、配線群１２８ｂに電流を流すことによっても全く同様にして可動板１１２を変位させることができる。
【００８３】
さらに、電磁駆動型アクチュエータ１００Ａは、配線群１２８ａと配線群１２８ｂの両方に電流を流すことによって駆動されてもよい。その際、勿論、電流は、配線群１２８ａを流れる電流が受けるローレンツ力の方向と配線群１２８ｂを流れる電流が受けるローレンツ力の方向が揃う向きで流される。
【００８４】
本実施形態の電磁駆動アクチュエータは電磁駆動方式を採用しているため、可動板の変位量と駆動電流の関係は良好な線形性を有する。このため、変位量の制御は、簡便な駆動方法や信号処理によっても、良好に行なえる。静電駆動方式ではないので、当然、スタック現象も起きない。従って、可動板を大きく変位させることで、不所望な駆動効率の低下が引き起こされることもない。
【００８５】
本実施形態では、配線群１２８ａと配線群１２８ｂが可動板１１２の対角方向に延びているため、第１実施形態と比較して、ばね内の配線の長さが同じ場合に、可動板素子の寸法が小さくなる。
【００８６】
本実施形態の各種要素は様々な変形や変更が施されてもよい。
【００８７】
例えば、支持体（支持枠１１４）と可動板１１２と弾性部材（ばね１４６）を通って延びる電流を通す配線は、図１１に示されるように、一本の軸すなわちαからβの方向に沿って延びる一つの配線群１２８ａだけで構成されてもよい。
【００８８】
この変形例においては、図１０において配線群１２８ａに電流を流して駆動する場合と全く同様に駆動される。また、磁界発生手段は、配線群１２８ａに直交する方向すなわちγからδの方向を持つ磁界を発生させるとよい。これにより、駆動効率は２１／２倍に向上される。
【００８９】
この変形例においては、γからδの方向に沿って延びるばねは配線を含まない分、図１０に対応する配線を含むばねよりも柔らかい。その分、同じ大きさの電流で可動板１１２を大きく変位させることができる。また、γからδの方向に沿って延びるばねは、省かれてもよい。すなわち、可動板１１２と支持枠１１４とを連結している弾性部材は、一本の軸すなわちαからβの方向に沿って延びる二つのばねで構成されてもよい。
【００９０】
本実施形態の電磁駆動型アクチュエータは、直流電流によって（すなわちＤＣモード）で駆動しても、交流電流によって（すなわちＡＣモード）で駆動してもよい。特にＡＣモードで駆動する場合は、可動板の上下の動作周波数に一致したばねの上下共振モードをばね材料やばね寸法の設定により一致させるとよい。これにより、駆動効率の向上、言い換えれば、消費電力の削減が実現できる。
【００９１】
第三実施形態
図１２は、本発明の第三実施形態の電磁駆動型アクチュエータにおける配線と磁界の関係を模式的に示している。本実施形態の電磁駆動型アクチュエータは、第一実施形態の電磁駆動型アクチュエータと比べて、磁界発生手段の構成においてのみ相違している。
【００９２】
本実施形態の電磁駆動型アクチュエータは、第一実施形態で説明した可動板素子と、二つの電磁石から成る磁界発生手段とから構成されている。図１２に示されるように、一方の電磁石は、ｘｙ平面に平行な方向を持つ磁界Ｈ１を発生させ、他方の電磁石は、ｚ軸に平行な方向を持つ磁界Ｈ２を発生させる。勿論、磁界Ｈ１と磁界Ｈ２は、それを発生させる電磁石に流す電流の方向を変えることにより、その方向を変えることができる。
【００９３】
本実施形態の電磁駆動型アクチュエータにおいては、電磁石によって磁界Ｈ１を発生させた状態で、第一実施形態と全く同様に、例えば、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに同じ大きさの電流を同じ向きに流すことにより、可動板１１２を上下にすなわちｚ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。
【００９４】
さらに、本実施形態の電磁駆動型アクチュエータにおいては、電磁石によって磁界Ｈ２を発生させた状態で、四つの配線群１２６ａ〜１２６ｄのいずれかに適当に電流を同じ向きに流すことにより、可動板１１２をｘｙ平面に平行に変位させることができる。
【００９５】
例えば、磁界Ｈ２が発生した状態で、配線群１２６ａと配線群１２６ｂにαからβの方向すなわち＋ｙ方向に電流を流すと、配線群１２６ａと配線群１２６ｂを流れる電流は共に、磁界Ｈ２との相互作用により、＋ｘ方向のローレンツ力を発生させる。このため、可動板１１２は、＋ｘ方向のローレンツ力を受けて、＋ｘ方向に移動し、ばね１１６の復元力と釣り合う位置で静止する。つまり、可動板１１２が＋ｘ方向に変位する。
【００９６】
これとは反対に、配線群１２６ａと配線群１２６ｂにβからαの方向すなわち−ｙ方向に電流を流すと、可動板１１２は、−ｘ方向のローレンツ力を受けて、−ｘ方向に移動し、ばね１１６の復元力と釣り合う位置で静止する。つまり、可動板１１２が−ｘ方向に変位する。
【００９７】
可動板１１２が受けるローレンツ力の方向は、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流れる電流の向きによって決まる。また、可動板１１２が受けるローレンツ力の大きさは、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流れる電流の大きさよって決まる。従って、配線群１２６ａと配線群１２６ｂに流す電流の方向と大きさを制御することにより、可動板１１２をｘ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。
【００９８】
また、磁界Ｈ２が発生した状態で、配線群１２６ｃと配線群１２６ｄに電流を流すと、同様の理由により、可動板１１２は、ｙ軸に平行な方向のローレンツ力を受けて、ｙ軸に沿って移動し、ばね１１６の復元力と釣り合う位置で静止する。つまり、可動板１１２がｙ軸に沿って変位する。可動板１１２が受けるローレンツ力の方向と大きさは、配線群１２６ｃと配線群１２６ｄに流れる電流の向きと大きさによって決まる。従って、配線群１２６ｃと配線群１２６ｄに流す電流の方向と大きさを制御することにより、可動板１１２をｙ軸に沿って所望の距離だけ変位させることができる。
【００９９】
結局、本実施形態の電磁駆動型アクチュエータにおいては、電磁石によって磁界Ｈ２を発生させた状態で、四つの配線群１２６ａ〜１２６ｄのうちの一つまたは複数の適当な配線群に電流をその方向と大きさを制御して流すことにより、可動板１１２をｘｙ平面に平行に所望の距離だけ変位させることができる。
【０１００】
さらには、本実施形態の電磁駆動型アクチュエータにおいては、電磁石によって磁界Ｈ１と磁界Ｈ２の両方を発生させた状態で、適当な配線群１２６ａ〜１２６ｄに電流をその方向と大きさを制御して流すことにより、可動板１１２を任意の方向に所望の距離だけ変位させることができる。
【０１０１】
本実施形態の電磁駆動アクチュエータは電磁駆動方式を採用しているため、可動板の変位量と駆動電流の関係は良好な線形性を有する。このため、変位量の制御は、簡便な駆動方法や信号処理によっても、良好に行なえる。静電駆動方式ではないので、当然、スタック現象も起きない。従って、可動板を大きく変位させることで、不所望な駆動効率の低下が引き起こされることもない。
【０１０２】
本実施形態の電磁駆動型アクチュエータは、直流電流によって（すなわちＤＣモード）で駆動しても、交流電流によって（すなわちＡＣモード）で駆動してもよい。特にＡＣモードで駆動する場合は、可動板の上下及び／又は並進（可動板平面に平行な方向への移動）の動作周波数に一致したばねの上下及び／又は並進の共振モードをばね材料やばね寸法の設定により一致させるとよい。これにより、駆動効率の向上、言い換えれば、消費電力の削減が実現できる。
【０１０３】
ビデオカメラへの応用例
第一実施形態〜第三実施形態の電磁駆動型アクチュエータは、様々な用途への応用が可能である。例えば、可動板１１２に撮像素子を搭載することにより、撮像素子を撮像面に垂直な方向へ変位させる、例えばビデオカメラ用の新規な合焦機構を構成することも可能である。さらに、本実施形態の電磁駆動型アクチュエータは、可動板を振動板と見なして、スピーカやマイクロフォンに応用することも可能である。
【０１０４】
続いて、第一実施形態〜第三実施形態の電磁駆動型アクチュエータのビデオカメラへの応用について説明する。以下では、まず、第一実施形態〜第三実施形態の電磁駆動型アクチュエータのビデオカメラへの応用の説明に先立ち、従来例として、特開平５−４８９５７号公報に開示されている、圧電型アクチュエータのビデオカメラヘの応用例に説明する。
【０１０５】
図１３は、従来例のビデオカメラの構成を概略的に示している。このビデオカメラのレンズ系は、被写体側から順に配列されたフォーカス・レンズ２１１とズーム・レンズ２１２と焦点位置補正レンズ２１３とリレー・レンズ（又は結像系レンズ）２１４とから成る四群レンズ構成を有している。これらのレンズ２１１〜２１４を介して得られる光学像は、ＣＣＤ等の撮像素子２２０に結像される。このビデオカメラでは、圧電アクチュエータ２３０により撮像素子２２０を光軸に沿って移動させることにより合焦を行なっている。圧電アクチュエータ２３０は、アクチュエータ駆動回路２４４から供給される駆動信号に従って制御される。
【０１０６】
次に、圧電アクチュエータ２３０の具体的な構成例について、図１４と図１５を参照して説明する。圧電アクチュエータ２３０は、図１４に示されるように、Ｓ字駆動のバイモルフ素子２３１ａ〜２２１ｆで構成されている。Ｓ字駆動のバイモルフ素子は、通常の圧電バイモルフ素子を長手方向の中心を境に変位方向が逆位相となるように駆動するものである。
【０１０７】
例えば、Ｓ字駆動のバイモルフ素子は、図１５（ａ）に示されるように、シム材兼挟持電極２３６と、それを挟む二つの圧電体２３５ａと２３５ｂ、それらの外側面に設けられた電極２３７ａ〜２３７ｄとで構成され、その自由端に変位取り出し部２３８とを有している。圧電体２３５ａと２３５ｂは、長手方向に沿った中央を境にして、互いに逆方向に分極しており、電極２３７ａ〜２３７ｄは、それぞれの分極の領域に対応して配置されている。
【０１０８】
図１４に示される圧電アクチュエータ２３０においては、三枚のＳ字駆動のバイモルフ素子２３１ａ，２３１ｂ，２３１ｃは互いに両端が結合されており、同様に、三枚のＳ字駆動のバイモルフ素子２３１ｄ，２３１ｅ，２３１ｆも互いに両端が結合されている。これらは互いに一方の端部がバイモルフ固定部材２３３ｂを介して結合されており、他方の端部はそれぞれバイモルフ固定部材２３３ａとバイモルフ固定部材２３３ｃを介してフレキシブル・プリント基板２３２に搭載された撮像素子２２０と筐体等の固定部材に結合されている。
【０１０９】
このような構造により、三枚のＳ字駆動のバイモルフ素子から成る構造体は、片持ちバイモルフと同じ形態で使用されることにより、変位拡大と機械的性質の向上が図られている。
【０１１０】
圧電アクチュエータ２３０は、このような構造体を二つ含んでおり、それらは、図１４（ａ）に示されるように、互い違いに設置されている。これにより、機械的性質の向上が図られている。
【０１１１】
このような構成の圧電アクチュエータ２３０を撮像素子２２０の裏面に設置し、図１４（ｂ）と図１４（ｃ）に示されるように駆動すれば、合焦動作ができる。図１４（ｂ）は焦点距離が最小の状態（例えば１ｍ）、図１４（ｃ）は焦点距離が無限大の状態を示している。
【０１１２】
図１３に示したビデオカメラの構成において、圧電アクチュエータ２３０の代わりに第一実施形態〜第三実施形態の電磁駆動型アクチュエータを配置し、その可動板１１２の平面１１２ａに撮像素子２２０を搭載した構成を取ることにより、従来例と同様に、撮像素子を光軸に沿って移動させて合焦動作を行なわせることができる。
【０１１３】
さらに、第三実施形態のアクチュエータを適用した場合には、合焦動作のために撮像素子を光軸に沿って移動させられるだけでなく、光軸に直交する方向にも撮像素子を移動させることができるため、画像の高解像度化が可能となる。より詳しくは、一つのフレームを複数のフィールドに分け、フィールド毎に撮像素子を光軸に直交する方向に移動させて画像データを取得し、それぞれのフィールドの画像データを組み合わせて一つのフレームを構成することにより、高解像度の画像を取得することができる。
【０１１４】
また、撮像素子の光軸に直交する方向への移動は、高解像度化に利用できるだけでなく、カメラの振動をアクチュエータにフィードバックして制御することにより、カメラの手ぶれ防止にも利用できる。
【０１１５】
これまで、図面を参照しながら本発明の実施の形態を述べたが、本発明は、これらの実施の形態に限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において様々な変形や変更が施されてもよい。
【０１１６】
【発明の効果】
本発明によれば、電磁駆動方式を採用したことにより、変位量と駆動信号の関係が良好な線形性を有するアクチュエータが提供される。本発明のアクチュエータによれば、駆動効率の低下を招くことなく、大変位を実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第一実施形態の電磁駆動型アクチュエータの斜視図である。
【図２】図１に示されるばねを拡大して示す斜視図である。
【図３】図１に示される電磁駆動型アクチュエータの配線パターンと磁界を模式的に示している。
【図４】図３に示される四つの配線群に同じ電流を流すための結線パターンを示している。
【図５】図１の可動板素子に代替可能な可動板素子の変形例を示している。
【図６】図１の可動板素子に代替可能な可動板素子の別の変形例を示している。
【図７】図３の配線パターンに代替可能な配線パターンの変形例を示している。
【図８】図３の配線パターンに代替可能な配線パターンの別の変形例を示している。
【図９】本発明の第二実施形態の電磁駆動型アクチュエータの斜視図である。
【図１０】図９に示される電磁駆動型アクチュエータの配線パターンと磁界を模式的に示している。
【図１１】図１０の可動板素子に代替可能な可動板素子の変形例を示している。
【図１２】本発明の第三実施形態の電磁駆動型アクチュエータの配線パターンと磁界を模式的に示している。
【図１３】従来例のビデオカメラの構成を概略的に示している。
【図１４】図１３に示される圧電アクチュエータの構成を具体的に示している。
【図１５】図１４の圧電アクチュエータに含まれるＳ字駆動のバイモルフ素子を示している。
【図１６】従来例のアクチュエータを上から視た図である。
【図１７】図１６のＸＶＩＩ−ＸＶＩＩ線に沿った従来例のアクチュエータの断面図である。
【図１８】図１６のＸＶＩＩＩ−ＸＶＩＩＩ線に沿った従来例のアクチュエータの断面図である。
【符号の説明】
１００…電磁駆動型アクチュエータ、１００Ａ…電磁駆動型アクチュエータ、１１０…可動板素子、１１２…可動板、１１２ａ…平面、１１４…支持枠、１１６…ばね、１２６ａ〜１２６ｄ…配線群、１３２…ばね、１３４…ばね、１４０…可動板素子、１４６…ばね、１５０…永久磁石。
【図１】
2004309643.tif 000003
【図２】
2004309643.tif 000004
【図３】
2004309643.tif 000005
【図４】
2004309643.tif 000006
【図５】
2004309643.tif 000007
【図６】
2004309643.tif 000008
【図７】
2004309643.tif 000009
【図８】
2004309643.tif 000010
【図９】
2004309643.tif 000011
【図１０】
2004309643.tif 000012
【図１１】
2004309643.tif 000013
【図１２】
2004309643.tif 000014
【図１３】
2004309643.tif 000015
【図１４】
2004309643.tif 000016
【図１５】
2004309643.tif 000017
【図１６】
2004309643.tif 000018
【図１７】
2004309643.tif 000019
【図１８】
2004309643.tif 000020