(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】可動板からトーションバーと略平行に延びた支持体と、支持体から支持体に略直交する方向に延びた可動櫛歯状構造体と、可動板の変位時に可動櫛歯状構造体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備えたアクチュエーターを提供する。【選択図】      図１
2004301865.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つのトーションバーと、
前記可動板から前記トーションバーと略平行に延びた支持体と、
前記支持体から前記支持体に略直交する方向に延びた可動櫛歯状構造体と、
前記可動板の変位時に前記可動櫛歯状構造体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１３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が公開されている。図１４は、文献の光偏向器を示す斜視図である。図１５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８０４と、ミラー８０４を両側から支持するトーションバー８０１と、トーションバー８０１から延びる櫛歯状の可動電極８０２は一体形成されている。トーションバー８０１は支持基板（不図示）に固定されている。櫛歯状の固定電極８０３は櫛歯状の可動電極８０２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８０４、トーションバー８０１および櫛歯状の可動電極８０２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８０３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、上記の小型光偏向器のミラーにねじれ角θ１の変位角を与える場合、２本のトーションバーは片側をそれぞれ支持基板に固定されており、櫛歯状の可動電極のねじれ角θはミラーとの連結位置がθ１で最大ねじれ角となり、トーションバーの固定部に近づくにつれ減少する。このためトーションバーの固定端付近の櫛歯状の可動電極と櫛歯状の固定電極の噛みあい面積の量は僅かにしか変化しない。つまり固定端付近の可動電極は、トルクに効率よく寄与しないため駆動電圧が大きくなってしまっている。
【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ーは光偏向器、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つのトーションバーと、
前記可動板から前記トーションバーと略平行に延びた支持体と、
前記支持体から前記支持体に略直交する方向に延びた可動櫛歯状構造体と、
前記可動板の変位時に前記可動櫛歯状構造体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つのトーションバーと、
前記可動板から前記トーションバーと略平行に延びた支持体と、
前記支持体から前記支持体に略直交する方向に延びた可動櫛歯状構造体と、
前記可動板の変位時に前記可動櫛歯状構造体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）
前記可動櫛歯状構造体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（２）の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）
前記可動櫛歯状構造体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（２）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）
（１）乃至（４）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。
【００１６】
また（６）
（５）に記載の光偏向器を用いた光学機器も好ましい。
【００１７】
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駆動方法を説明する図である。この実施形態において、トーションバー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。トーションバー１０１は固定端１０５で支持基板（不図示）に固定されている。トーションバー１０１は１本であっても良い。可動板１０２からは支持体１０３がトーションバーンバー１０１と略平行に延びている。支持体１０３からは可動櫛歯状構造体１０４が、支持体１０３と略直交する方向に延びている。支持体１０３および可動櫛歯状構造体１０４はトーションバーを隔てて対称な位置にも形成しても良い。このトーションバー１０１、可動板１０２、支持体１０３、および可動櫛歯状構造体１０４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１０６は可動櫛歯状構造体１０４が傾いたときに噛みあうような位置に配置される。固定櫛歯状構造体１０６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。可動櫛歯状構造体１０４と固定櫛歯状構造体１０６とは電気的な接続はない。
【００１８】
この構成のアクチュエーターにおいて、一体形成されたトーションバー、可動板、支持体、可動櫛歯状構造体に＋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、静電引力によって可動櫛歯状構造体は固定櫛歯状構造体へ引き付けられる。これによりトーションバー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表す。固定櫛歯状構造体と可動櫛歯状構造体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、可動板および可動櫛歯状構造体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、可動櫛歯状構造体が可動板から延びた支持体上に設けられており、可動板の変位角と可動櫛歯状構造体の変位角が略一致しており、単位変位角あたりの可動櫛歯状構造体と固定櫛歯状構造体との重なり面積の変化量が可動櫛歯状構造体が複数あるのでその複数分だけ大きい。これにより変位角あたりの可動櫛歯状構造体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。また大きな大型のヨークなどを必要としないため小型である。
【００１９】
可動櫛歯状構造体１０４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。この場合も可動櫛歯状構造体１０４と固定櫛歯状構造体１０６とは電気的な接続はない。固定櫛歯状構造体１０６に絶縁被覆された導体を巻きつけてあってもよい。
【００２０】
この構成のアクチュエーターの導体に電流を流すと、可動櫛歯状構造体１０４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可動櫛歯状構造体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、可動板および可動櫛歯状構造体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、可動櫛歯状構造体が可動板から延びた支持体上に設けられており、可動板の変位角と可動櫛歯状構造体の変位角が略一致しており、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。また大きな大型のヨークなどを必要としないため小型である。
【００２１】
（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。
【００２２】
（第一実施例）
本実施例では図４乃至６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は本実施例の駆動方法を説明する図である。図５における破線は可動板の外形を示す。図６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、トーションバー２０１、可動板２０２、支持体２０３、可動櫛歯状構造体２０４を一体形成した。トーションバー２０１は固定端２０５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２０６および第二の固定櫛歯状構造体２０７を形成し、可動櫛歯状構造体の上下に位置に、櫛歯が隔間してかみ合うように配置した。これにより可動板および可動櫛歯状構造体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。
【００２３】
可動櫛歯状構造体の下側に配置される第一の固定櫛歯状構造体２０６に正のバイアス電圧、上側に配置される第二の固定櫛歯状構造体２０７に負のバイアス電圧を加え、可動櫛歯状構造体２０４に例えば、図６に示すようなノコギリ波の駆動電圧を加えると、可動櫛歯状構造体２０４は第一および第二の固定櫛歯状構造体２０６、２０７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６の状態１〜３は図５の状態１〜３と一致）。これにより可動板はトーションバーを回転軸として揺動運動する。
【００２４】
本実施例のアクチュエータは、大きな大型のヨークなどを必要としないため小型である。また、固定櫛歯状構造体と可動櫛歯状構造体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、可動板および可動櫛歯状構造体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、可動櫛歯状構造体が可動板から延びた支持体上に設けられており、可動板の変位角と可動櫛歯状構造体の変位角が略一致しており、単位変位角あたりの可動櫛歯状構造体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可動櫛歯状構造体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。
【００２５】
（第二実施例）
本実施例では図７乃至９に示すアクチュエーターを設計、製作した。図７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８は本発明の本実施例の構成を示す上面図である。図９は本実施例の駆動方法を説明する図である。図８に示すように第一実施例の支持部３０２および可動櫛歯状構造体３０３がトーションバー３０１に対して対称な位置にも配置した構造で、作製方法は第一実施例と同様である。また固定櫛歯状構造体３０４は可動櫛歯状構造体の上下に計４箇所（ただし２箇所のみ図示）配置した。
【００２６】
固定櫛歯状構造体３０４と可動櫛歯状構造体３０３に電位差を与えない状態では、図９の状態１のように可動板３０５は変位角を生じないが、図示した上下の固定櫛歯状構造体３０４に正の電圧、可動櫛歯状構造体３０３に負の電圧を加えると、構造体は上下の固定櫛歯状構造体３０３に静電引力によって引き付けられ、状態１から状態２へ変化する。これにより可動板３０５はトーションバー３０１を回転軸として変位角を生じる。本図９における破線は可動板の外形を示す。
【００２７】
本実施例のアクチュエータは、大きな大型のヨークなどを必要としないため小型である。また、固定櫛歯状構造体と可動櫛歯状構造体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、可動板および可動櫛歯状構造体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、可動櫛歯状構造体が可動板から延びた支持体上に設けられており、可動板の変位角と可動櫛歯状構造体の変位角が略一致しており、単位変位角あたりの可動櫛歯状構造体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可動櫛歯状構造体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。
【００２８】
（第三実施例）
本実施例では第一または第二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１０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ミラーを形成した。
【００２９】
本実施例の光偏向器は、大きな大型のヨークなどを必要としないため小型である。また、固定櫛歯状構造体と可動櫛歯状構造体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、可動板および可動櫛歯状構造体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、可動櫛歯状構造体が可動板から延びた支持体上に設けられており、可動板の変位角と可動櫛歯状構造体の変位角が略一致しており、単位変位角あたりの可動櫛歯状構造体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可動櫛歯状構造体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。
【００３０】
（第四実施例）
本実施例では第三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１１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１１において、５０１は図１０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５０１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。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は書き込みレンズ又はレンズ群、５０５は投影面である。レーザー光源５０２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５０１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５０４により投影面５０５上に画像を形成する。
【００３１】
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。
【００３２】
（第五実施例）
図１２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１２において、６０１は図１０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。６０２はレーザ光源である。６０３はレンズ或いはレンズ群であり、６０４は書き込みレンズ或いはレンズ群、６０５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６０１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６０４により感光体６０５上へ画像を形成する感光体６０５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。
【００３３】
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。
【００３４】
【発明の効果】
本発明のアクチュエータは、大きな大型のヨークなどを必要としないため小型である。また、固定櫛歯状構造体と可動櫛歯状構造体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、可動板および可動櫛歯状構造体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、可動櫛歯状構造体が可動板から延びた支持体上に設けられており、可動板の変位角と可動櫛歯状構造体の変位角が略一致しており、単位変位角あたりの可動櫛歯状構造体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】本発明の光偏向器の第二実施例の斜視図である。
【図８】本発明の光偏向器の第二実施例の上面図である。
【図９】本発明の光偏向器の第二実施例の駆動方法を説明する図である。
【図１０】本発明のアクチュエーターを用いた光偏向器を示す斜視図。
【図１１】本発明の光偏向器を光学機器に用いた図。
【図１２】本発明の光偏向器を画像形成装置に用いた図。
【図１３】従来例を示す図である。
【図１４】その他の従来例を示す図である。
【図１５】その他の従来例を示す図である。
【符号の説明】
１０１  トーションバー
１０２  可動板
１０３  支持体
１０４  可動櫛歯状構造体
１０５  固定端
１０６  固定櫛歯状構造体
２０１  トーションバー
２０２  可動板
２０３  支持体
２０４  可動櫛歯状構造体
２０５  固定端
２０６  第一の固定櫛歯状構造体
２０７  第二の固定櫛歯状構造体
３０１  トーションバー
３０２  支持体
３０３  可動櫛歯状構造体
３０４  固定櫛歯状構造体
３０５  可動板
４０１  反射鏡
５０１  光偏向器
５０２  レーザー光
５０３  レンズ
５０４  書き込みレンズ群
５０５  投影面
６０１  光偏向器
６０２  レーザー
６０３  レンズ群
６０４  書き込みレンズ群
６０５  感光体
３  機械可動部
３ａ  ミラー
３ｂ  梁
２  固定電極
８０１  トーションバー
８０２  櫛歯状の可動電極
８０３  櫛歯状の固定電極
８０４  ミラー
【図１】
2004301865.tif 000003
【図２】
2004301865.tif 000004
【図３】
2004301865.tif 000005
【図４】
2004301865.tif 000006
【図５】
2004301865.tif 000007
【図６】
2004301865.tif 000008
【図７】
2004301865.tif 000009
【図８】
2004301865.tif 000010
【図９】
2004301865.tif 000011
【図１０】
2004301865.tif 000012
【図１１】
2004301865.tif 000013
【図１２】
2004301865.tif 000014
【図１３】
2004301865.tif 000015
【図１４】
2004301865.tif 000016
【図１５】
2004301865.tif 000017