(57)【要約】【課題】効率よく、可動板に大きなねじれ（偏向角）を生じる小型のアクチュエーターを提供する。【解決手段】可動板と、可動板を支持基板に対して揺動可能に軸支する少なくとも１つのミアンダー状梁と、可動板の変位時に前記ミアンダー状梁と隔間して噛み合わさる位置に配置される固定櫛歯状構造体とを備えたアクチュエーターを提供する。【選択図】      図１
2004304856.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動板と、
前記可動板を支持基板に対して揺動可能に軸支する少なくとも１つのミアンダー状梁と、
前記可動板の変位時に前記ミアンダー状梁と隔間して噛み合わさる位置に配置される固定櫛歯状構造体と
を備えたことを特徴とするアクチュエーター。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、可動板が揺動運動する小型のアクチュエーターに関する。
【０００２】
【従来の技術】
可動板が揺動運動するアクチュエーターは、例えばレーザー光を偏向する用途などに利用されるものである。レーザー光を偏向走査する走査ミラーとしてガルバノミラーがある。ガルバノミラーの駆動原理は磁界中に配置した可動コイルに電流を流すと、電流と磁束とに関連して電磁力が発生して電流に比例したトルクが生じる。このトルクとバネ力とが平衡する角度まで可動コイルが回転し、この可動コイルを介して指針を振らせて電流の有無や大小を検出するというガルバノメータの原理を利用したもので、可動コイルと一体に回転する軸に、前記指針の代わりに反射鏡を設けて構成される。
【０００３】
しかしながら、ガルバノミラーでは機械巻きの駆動コイルと磁界発生のための大型ヨークが必要であり、主に出力トルクの理由から、これらの機械要素の小型化には限度がある。また同時に、各構成部材を組み上げる際のスペース等から、光偏向のための装置全体のサイズが大きくなっていた。
【０００４】
小型の光偏向器としては、半導体製造技術を応用して微小機械を半導体基板上に一体形成するマイクロマシニング技術を用いて作製した光偏向器がある。例えば、Ｋ．Ｅ．Ｐｅｔｅｒｓｅｎ等によりシリコンで形成される  Ｔｏｒｓｉｏｎａｌ  Ｓｃａｎｎｉｎｇ  Ｍｉｒｒｏｒが非特許文献１に提案されている。この光偏向器は図１１に示すように、機械的可動部３が光偏向板としてのミラー３ａとミラー３ａを支持する梁３ｂからなり、ミラー３ａと基板上に形成した固定電極２との間に駆動電圧を印加し生じる静電引力により、梁にねじりモーメントを与えねじり回転し、ミラー３ａの偏向角度をかえるものである。ミラー部の最大偏向角はミラー部と基板との空隙間隔ｔ０にて一義的に決定される。光偏向器においては偏向角が大きいほど良く、これには空隙間隔を大きくとる必要がある。空隙間隔を大きくとると、固定電極とミラーとの距離を増加し駆動電圧が著しく増加してしまう。逆に低電圧を図るには空隙間隔を短くし、偏向角を抑える必要があり、駆動電圧の低減化と大偏向角化は合い矛盾する課題であった。
【０００５】
また、別の小型の光偏向器としてＲ．Ｓ．Ｍｕｅｌｌｅｒ  ｅｔ  ａｌ．による非特許文献２で公開されている。図１２は、文献の光偏向器を示す斜視図である。図１３は文献の光偏向器の上面図である。この光偏向器はトーションバーに設けられた櫛歯状の可動電極と、可動電極と高さを変えた位置に噛みあうように配置された櫛歯状の固定電極との間に働く静電力を利用して駆動するところに特徴がある。導体からなる櫛歯状の可動電極とわずかなギャップをあけて配置される固定電極とで一つのコンデンサが構成されている。可動電極と固定電極の間に電圧を加えると静電力が生じるため、可動電極は固定電極に引き寄せられ、トーションバーはねじられた状態になる。トーションバーと連結しているミラーはトーションバーを回転軸を中心とした回転運動を起こすというものである。ミラーの回転角を増やしても櫛歯状の可動電極と櫛歯状の固定電極の配置を変更する必要はない。
【０００６】
具体的に説明すると、文献の光偏向器は、光を反射し、角変位可能なミラー７０４と、ミラー７０４を両側から支持するトーションバー７０１と、トーションバー７０１から延びる櫛歯状の可動電極７０２は一体形成されている。トーションバー７０１は支持基板（不図示）に固定されている。櫛歯状の固定電極７０３は櫛歯状の可動電極７０２と高さを変えた位置にかみ合うように配置されている。支持基板（不図示）はシリコン基板で、ミラー７０４、トーションバー７０１および櫛歯状の可動電極７０２は、シリコン基板を除去加工して形成される。櫛歯状の固定電極７０３は別のシリコン基板を除去加工して形成される。
【０００７】
【非特許文献１】
ＩＢＭ  Ｊ．ＲＥＳ．ＤＥＶＥＬＯＰ．，ＶＯＬ．２４，ＮＯ５，９，１９８０．Ｐ６３１−６３７
【非特許文献２】
Ａ  ＦＬＡＴ  ＨＩＧＨ−ＦＲＥＱＵＥＮＣＹ  ＳＣＡＮＮＩＮＧ  ＭＩＣＲＭＩＲＲＯＲ’２０００  Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ  Ｓｅｎｓｏｒ  ａｎｄ  Ａｃｔｕａｔｏｒ  Ｗｏｒｋｓｈｏｐ，ｐｐ６−９
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、非特許文献１に係る光偏向器や非特許文献２に係る光偏向器において、例えば（トーションバーの幅ａ）＜（トーションバーの厚さｂ）となるような場合、トーションバーの剛性を高めるためにａを大きくした場合、トーションバーの長さＬは著し増加し、基板サイズの小型化が困難になってしまうことがあった。これらトーションバーの幅ａ、トーションバーの厚さｂトーションバーの長さＬを説明するための図として図１４を挙げる。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
本発明は上記問題点に鑑みてなされたものである。本発明の目的は、
効率良く、可動板に大きなねじれ角（偏向角）を生じる小型のアクチュエータを提供することである。そしてそのような小型のアクチュエータは光偏向器、前記光偏向器を用いた光学機器を提供するにあたり優位である。
【００１０】
よって本発明は、
可動板と、
前記可動板を支持基板に対して揺動可能に軸支する少なくとも１つのミアンダー状梁と、
前記可動板の変位時に前記ミアンダー状梁と隔間して噛み合わさる位置に配置される固定櫛歯状構造体と
を備えたことを特徴とするアクチュエータを提供する。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のアクチュエータは、
（１）可動板と、
前記可動板を支持基板に対して揺動可能に軸支する少なくとも１つのミアンダー状梁と、
前記可動板の変位時に前記ミアンダー状梁と隔間して噛み合わさる位置に配置される固定櫛歯状構造体と
を備えたことを特徴とするアクチュエーターである。
【００１２】
また（２）
前記固定櫛歯状構造体が前記可動板の表面側あるいは裏面側の少なくともいずれか一方に配置されることを特徴とする（１）に記載のアクチュエーターも好ましい。
【００１３】
また（３）
前記固定櫛歯状構造体が前記可動櫛歯状構造体の表面側および裏面側にかつ、前記ミアンダー状梁を挟んで対称に配置されることを特徴とする（１）乃至（２）いずれかに記載のアクチュエーターも好ましい。
【００１４】
また（４）
前記ミアンダー状梁と前記固定櫛歯状構造体が単結晶シリコンであることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のアクチュエーターも好ましい。
【００１５】
また（５）
前記ミアンダー状梁と前記固定櫛歯状構造体が軟磁性体で、前記固定櫛歯状構造体の一部に導体が巻かれていることを特徴とする（１）乃至（３）のいずれかに記載のアクチュエーターも好ましい。
【００１６】
また（６）
（１）乃至（５）のいずれかに記載のアクチュエーターの、前記可動板の表面に反射鏡を設けたことを特徴とする光偏向器も好ましい。
【００１７】
また（７）
（６）に記載の光偏向器を用いた光学機器も好ましい。
【００１８】
その詳細及び作用について典型的な例によって以下に説明する。図１は本発明のアクチュエーターの一実施形態の構成を示す斜視図。図２は本発明のアクチュエーターの一実施形態の構成を示す上面図である。図３は本発明のアクチュエーターの一実施形態の駆動方法を説明する図である。この実施形態において、ミアンダー（ｍｅａｎｄｅｒ）状梁１０１は可動板１０２に対して一直線上にかつ、可動板の重心を両側で支持するように位置する。ミアンダー状梁１０１は固定端１０３で支持基板（不図示）に固定されている。ミアンダー状梁１０１は１本であっても良い。このミアンダー状梁１０１、可動板１０２は支持基板を除去加工して一体形成してもよい。支持基板には、例えば単結晶シリコン基板を用いることができる。固定櫛歯状構造体１０４は可動板１０２が角変位したときにミアンダー状梁１０１が隔間して噛みあうような位置に配置される。固定櫛歯状構造体１０４は例えば単結晶シリコン基板を除去加工して形成することができる。ミアンダー状梁１０１と固定櫛歯状構造体１０４とは電気的な接続はない。
【００１９】
この構成のアクチュエータにおいて、一体形成されたミアンダー状梁、可動板に＋側を、固定櫛歯状構造体に−側を接続して電位差を与えると、静電引力によってミアンダー梁の折れ曲がり部は固定櫛歯状構造体へ引き付けられる。これによりミアンダー梁にねじりモーメントが生じ可動板は支持基板に対して、図３に示すように状態１から状態２へ変位角を生じる。本図３の破線は可動板の外形を示す。固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯が隔間してかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉する（即ちぶつかり合う）ことはない。また、単位変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体との重なり面積の変化量がミアンダー状梁ではない形態と比べてミアンダー状梁の方が折れ曲がっておりその結果かさなり面積が大きい分大きい。これにより変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体とで形成する静電容量Ｃの変化量が大きくなり、低電圧で大きな変位角を生じることが可能である。更に梁がミアンダー状になっており小型化が可能である。
【００２０】
ミアンダー状梁１０１と固定櫛歯状構造体は、軟磁性体であってもよく、例えば、Ｆｅ−Ｎｉ（パーマロイ）、Ｆｅ−Ｓｉ、Ｃｏ−Ｆｅ−Ｂ等の保磁力が低くて残留磁化が小さく、飽和磁化が大きな軟磁性体を使用することができる。この場合もミアンダー状梁１０１と固定櫛歯状構造体１０４とは電気的な接続はない。固定櫛歯状構造体１０４に絶縁被覆された導体を巻きつけてあってもよい。
【００２１】
この構成のアクチュエーターの導体に電流を流すと、ミアンダー状梁は固定櫛歯状構造体へ引き付けられる。固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯がかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉することはなく、効率的にトルクを発生するため大きな電流を必要とせず大きな変位角が得られる。これにより低消費電力なアクチュエータとなる。更に梁がミアンダー状になっており小型化が可能である。
【００２２】
【実施例】
以下、実施例を用いて本発明を、より詳細に説明する。
【００２３】
（第一実施例）
本実施例では図４乃至７に示すアクチュエーターを設計、製作した。図４は本発明のアクチュエーターの本実施例の構成を示す斜視図である。図５は本実施例の上面図である。図６は本実施例の駆動方法を説明する図である。図７は駆動電圧波形と変位角の応答波形を示す図である。支持基板として厚さ１５０μｍの単結晶シリコン基板を用い、この単結晶シリコン基板をＩＣＰ−ＲＩＥ装置を用いて垂直エッチングすることにより、ミアンダー状梁２０１、可動板２０２を一体形成した。ミアンダー状梁２０１は固定端２０３で単結晶シリコン基板（不図示）に固定されている。また、別の単結晶シリコン基板を除去加工して、第一の固定櫛歯状構造体２０４および第二の固定櫛歯状構造体２０５を形成し、ミアンダー状梁２０１の上下に位置に、櫛歯がかみ合うように配置した。これにより可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも上下に配置された固定櫛歯状構造体と干渉することはない。
【００２４】
第一の固定櫛歯状構造体２０４に正のバイアス電圧、第二の固定櫛歯状構造体２０５に負のバイアス電圧を加え、ミアンダー状梁２０１に例えば、図７に示すようなノコギリ波の駆動電圧を加えると、ミアンダー状梁２０１は第一および第二の固定櫛歯状構造体２０４、２０５に交互に静電引力によって引き付けられ、変位角の応答波形も印加電圧波形と同様のノコギリ波となる（図７の状態１〜３は図６の状態１〜３と一致）。これにより可動板はミアンダー状梁を回転軸として揺動運動する。本図６の破線は可動板の外形を示す。
【００２５】
本実施例のアクチュエータは、固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯が隔間してかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉することはない。また、単位変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体との重なり面積の変化量が大きい。これにより変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体とで形成する静電容量Ｃの変化量が大きくなり、低電圧で大きな変位角を生じることが可能である。更に梁がミアンダー状になっており小型化が可能となった。また上下に固定櫛歯状構造体を配置することで、一方だけに配置した場合に比べて変位角を大きくする事が可能になった。また、駆動波形に対する応答性が高く、変位角の応答波形を三角波にすることも可能であった。
【００２６】
（第二実施例）
本実施例では第一実施例で示したアクチュエーターを用いた光偏向器について説明する。図８は本実施例の光偏向器の斜視図である。第一実施例または第二実施例のアクチュエーターの可動板の一方の面に反射鏡３０１を形成した。
【００２７】
本実施例の光偏向器は、固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯が隔間してかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉することはない。また、単位変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体との重なり面積の変化量が大きい。これにより変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体とで形成する静電容量Ｃの変化量が大きくなり、低電圧で大きな変位角を生じることが可能である光偏向器が作製できた。更に梁がミアンダー状になっており小型光偏向器が作製できた。
【００２８】
（第三実施例）
本実施例では第二実施例で示した光偏向器を用いた場合の光学機器について説明する。図９は光学機器として画像表示装置の場合を例として示す図である。図９において、４０１は図８の光偏向器を偏向方向が互いに直交するように２個配置した光偏向器群４０１であり、この場合は水平・垂直方向に入射光をラスタスキャンする光スキャナ装置として用いている。４０２はレーザ光源である。４０３はレンズ或いはレンズ群であり、４０４は書き込みレンズ又はレンズ群、４０５は投影面である。レーザー光源４０２から入射したレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光偏向器群４０１により２次元的に走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ４０４により投影面４０５上に画像を形成する
これにより、大走査角を特徴としかつ、低消費電力な光スキャナ装置を実現できた。
【００２９】
（第四実施例）
図１０は本発明の光偏向器を画像形成装置に用いた場合の例を示す図である。図１０において、５０１は図８に示された光偏向器であり、この場合は入射光を１次元に走査する光スキャナ装置として用いている。５０２はレーザ光源である。５０３はレンズ或いはレンズ群であり、５０４は書き込みレンズ或いはレンズ群、５０５は感光体である。レーザ光源から射出されたレーザ光は光走査のタイミングと関係した所定の強度変調を受けて、光偏向器５０１により１次元的に走査する。走査されたレーザ光は書き込みレンズ５０４により感光体５０５上へ画像を形成する感光体５０５は図示しない帯電器により一様に帯電されており、この上に光を走査することにより静電潜像が形成される。次に、図示しない現像器により静電潜像の画像部分にトナー像を形成し、これを例えば図示しない用紙に転写・定着することで用紙上に可視像が形成される。
【００３０】
これにより、大走査角を特徴としかつ、低消費電力な画像形成装置が実現できた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明のアクチュエータは、固定櫛歯状構造体とミアンダー状梁とのギャップが小さく、角変位したときに、櫛歯がかみ合うように配置されており、可動板およびミアンダー状梁が角変位した場合でも固定櫛歯状構造体と干渉することはない。また、単位変位角あたりのミアンダー状梁と固定櫛歯状構造体との重なり面積の変化量が大きい。これにより静電駆動を考える場合には低電圧駆動、電磁駆動を考える場合には低消費電力が可能で、更に更に梁がミアンダー状になっており小型化が可能となった。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のアクチュエーターの一実施形態を示す斜視図である。
【図２】本発明のアクチュエーターの一実施形態を示す上面図である。
【図３】本発明のアクチュエーターの一実施形態の駆動方法を説明する図である。
【図４】本発明のアクチュエーターの第一実施例の斜視図である。
【図５】本発明のアクチュエーターの第一実施例の上面図である。
【図６】本発明のアクチュエーターの第一実施例の駆動方法を説明する図である。
【図７】本発明のアクチュエーターの第一実施例の駆動電圧波形及び角変位の応答波形を示す図である。
【図８】本発明のアクチュエータを用いた光偏向器を示す斜視図。
【図９】本発明の光偏向器を光学機器に用いた図。
【図１０】本発明の光偏向器を画像形成装置に用いた図。
【図１１】従来例を示す図である。
【図１２】その他の従来例を示す図である。
【図１３】図１２の従来例の上面図である。
【図１４】トーションバーの幅ａ、トーションバーの厚さｂトーションバーの長さＬを説明するための図である。
【符号の説明】
１０１  ミアンダー状梁
１０２  可動板
１０３  固定端
１０４  固定櫛歯状構造体
２０１  ミアンダー状梁
２０２  可動板
２０３  固定端
２０４  第一の固定櫛歯状構造体
２０５  第二の固定櫛歯状構造体
３０１  反射鏡
４０１  光偏向器
４０２  レーザー光
４０３  レンズ
４０４  書き込みレンズ群
４０５  投影面
５０１  光偏向器
５０２  レーザー
５０３  レンズ群
５０４  書き込みレンズ群
５０５  感光体
３  機械可動部
３ａ  ミラー
３ｂ  梁
２  固定電極
７０１  トーションバー
７０２  櫛歯状の可動電極
７０３  櫛歯状の固定電極
７０４  ミラー
【図１】
2004304856.tif 000003
【図２】
2004304856.tif 000004
【図３】
2004304856.tif 000005
【図４】
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【図５】
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【図６】
2004304856.tif 000008
【図７】
2004304856.tif 000009
【図８】
2004304856.tif 000010
【図９】
2004304856.tif 000011
【図１０】
2004304856.tif 000012
【図１１】
2004304856.tif 000013
【図１２】
2004304856.tif 000014
【図１３】
2004304856.tif 000015
【図１４】
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