(57)【要約】【課題】本発明は、直交する二軸方向に可動部を回動させる二軸アクチュエータに関し、二軸アクチュエータの生産性を高めることを目的とする。【解決手段】この目的を達成するために本発明は、可動部が第１回動軸Ｓ１回りと第２回動軸Ｓ２回りに回動する二軸アクチュエータ１において、第１回動軸Ｓ１回りに回動する第１の固有振動モードの固有振動数ｆ１、第２回動軸Ｓ２回りに回動する第２の固有振動モードの固有振動数ｆ２、第１、第２の固有振動モードとは異なる第３、第４の固有振動モードの固有振動数をｆ３、ｆ４を有し、ｆ３とｆ１の差がｆ１とｆ４の差と略等しくしたのである。【選択図】図５
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動部と、
一端が前記可動部に接続されるとともに前記可動部が第１回動軸回りに回動する第１の固有振動モードを励起する第１振動梁と、
前記第１振動梁の他端に接続された第１支持部と、
一端が前記第１支持部に接続されるとともに前記可動部が前記第１回動軸と直交する第２回動軸回りに回動する第２の固有振動モードを励起する第２振動梁と、
前記第２振動梁の他端に接続された第２支持部を備えた二軸アクチュエータにおいて、
前記二軸アクチュエータは、前記第２の固有振動モードとは異なる、前記第２振動梁が振動する第３、第４の固有振動モードを有し、
前記第１の固有振動モードを励起する前記二軸アクチュエータの固有振動数をｆ１、
前記第２の固有振動モードを励起する前記二軸アクチュエータの固有振動数をｆ２、
前記第３の固有振動モードを励起する前記二軸アクチュエータの固有振動数をｆ３、
前記第４の固有振動モードを励起する前記二軸アクチュエータの固有振動数をｆ４とし、
前記ｆ３および前記ｆ４は、前記ｆ２を規定する前記第２振動梁における前記第２回動軸回りの曲げ剛性ｋと慣性モーメント量Ｉの比に応じて変動するものであり、
ｆ３とｆ４の間にｆ１が存在し、かつｆ３とｆ１の差がｆ１とｆ４の差と略等しくした二軸アクチュエータ。
【請求項２】
前記第２振動梁は、組成が異なる複数の層を厚み方向に積み重ねた積層構造体とした請求項１に記載の二軸アクチュエータ。
【請求項３】
前記第２振動梁はミアンダ形状である請求項１に記載の二軸アクチュエータ。
【請求項４】
前記第１振動梁もしくは第２振動梁の厚みを調節することにより、ｆ３とｆ１の差とｆ１とｆ４の差を略等しくした請求項１に記載の二軸アクチュエータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、直交する二軸方向に可動部を回動させる二軸アクチュエータに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
近年、この種の二軸アクチュエータは、ヘッドアップディスプレイや小型プロジェクタ等の走査光学系への適用が検討されており、小型化に有利なＭＥＭＳ構造での開発が進められている。すなわちＳｉ基板に機能膜をスパッタし、その後所定形状にエッチングすることで形成する構成である。このようなＭＥＭＳ構造の二軸アクチュエータは、大振幅動作でかつ高精度の走査特性が要求される。
【０００３】
その一例を図７に示す。この二軸アクチュエータ１００は、可動部１０１にそれぞれの一端が連結された一対のミアンダ形状の第１振動梁１０２と、一対の第１振動梁１０２の他端と連結され、これらの第１振動梁１０２および可動部１０１の外周を囲う第１支持部１０３とを備えている。そして、この第１支持部１０３にそれぞれ一端が連結された一対のミアンダ形状の第２振動梁１０４と、一対の第２振動梁１０４の他端が接続された第２支持部１０５とを備えている。第１振動梁１０２および第２振動梁１０４には、特に図示していないが、下部電極と上部電極との間に圧電体を配置した駆動膜が設けられている。
【０００４】
第１振動梁１０２の駆動膜に交流電圧からなる駆動信号を印加して、第１振動梁１０２を共振駆動させる。第２振動梁１０４の駆動膜に鋸歯波電圧からなる駆動信号を印加して、第２振動梁１０４を非共振駆動させる。このように第１振動梁１０２および第２振動梁１０４を駆動させることで可動部１０１の二軸駆動を実現している。
【０００５】
なお、この出願の発明に関連する先行技術文献情報としては、例えば、特許文献１が知られている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２０１１−２０９５８３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ＭＥＭＳ構造の二軸アクチュエータには、その製造過程の駆動膜の成膜やエッチングにおいて、加工の際の厚み制御や形状制御においてばらつきが生じる。このばらつきにより、二軸アクチュエータの第１、第２振動梁の曲げ剛性ｋ及び回動軸回りの慣性モーメント量Ｉがばらつくため、二軸アクチュエータの固有振動モードの固有振動数のばらつきが発生する。この結果、量産段階において可動部の振れ角のばらつきが発生してしまう。このばらつきを抑制するためにはＭＥＭＳプロセスにおける加工精度を高めなければならず、生産性を高めることが困難であった。
【０００８】
そこで本発明は、このような問題を解決し、二軸アクチュエータの生産性を高めることを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
この目的を達成するために本発明は、可動部が第１回動軸回りと第２回動軸回りに回動する二軸アクチュエータにおいて、第１回動軸回りに回動する第１の固有振動モードの固有振動数ｆ１、第２回動軸回りに回動する第２の固有振動モードの固有振動数ｆ２、第１、第２の固有振動モードとは異なる第３、第４の固有振動モードの固有振動数をｆ３、ｆ４を有し、ｆ３とｆ１の差がｆ１とｆ４の差と略等しくしたのである。
【発明の効果】
【００１０】
この構成により、二軸アクチュエータの生産性を向上することが出来るのである。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】本発明の実施の形態１における二軸アクチュエータの斜視図
【図２】同二軸アクチュエータの第１振動梁の断面図
【図３】同二軸アクチュエータの第２振動梁の断面図
【図４】同二軸アクチュエータを用いた画像投影状態を示す模式図
【図５】同二軸アクチュエータにおける第２駆動梁の曲げ剛性と慣性モーメント量の比に対する固有振動数の関係を示す図
【図６】同二軸アクチュエータ本における第２駆動梁の曲げ剛性と慣性モーメント量の比に対する振れ角の関係を示す図
【図７】従来の二軸アクチュエータの斜視図
【発明を実施するための形態】
【００１２】
以下、本発明の一実施の形態における二軸アクチュエータについて、図面を参照しながら説明する。
【００１３】
図１に示す二軸アクチュエータ１は、中央部分に位置する可動部２の対向する端部がそれぞれ第１振動梁３を介して矩形枠状の第１支持部４に接続されている。第１支持部４の対向する端部がそれぞれ第２振動梁５を介して矩形枠状の第２支持部６に接続されている。第２振動梁５および第１振動梁３の上部には圧電体からなる駆動膜７を形成し。この駆動膜７は、後述する下部電極９と上部電極１１との間に圧電体層１０を介在させたものであり、上部電極１１と下部電極９との間に駆動信号を印加することで、逆圧電効果により駆動膜７が伸縮し、第１振動梁３や第２振動梁５を振動させることが出来る。
【００１４】
そして、この二軸アクチュエータ１は、第１振動梁３を振動させることで可動部２が第１回動軸Ｓ１回りに回動し、第２振動梁５を振動させることにより可動部２を第２回動軸Ｓ２回りに回動させるものである。
【００１５】
なお、第２振動梁５の上に設けた駆動膜７には、駆動信号として鋸歯波電圧を印加し、第２振動梁５を非共振駆動により低速で振動させる。また、第１振動梁３の上に設けた駆動膜７には、駆動信号として正弦波形の電圧を印加し、第１振動梁３を共振駆動により高速で回動させる。これらの振動を組み合わせることで可動部２を直交する第１回動軸Ｓ１と第２回動軸Ｓ２の２軸回りに回動させることできる。
【００１６】
また、第１振動梁３は、複数の直線部分と折り返し部分を蛇行するように組み合わせたミアンダ形状である。なお、駆動膜７は、図２に示すように、ＳＯＩ基板１９の上に形成したＳｉ酸化膜８の上に配置されるものであり、Ｓｉ酸化膜８の側から下部電極９、圧電体層１０、上部電極１１を順に積み重ねた積層構造体により形成される。なお、駆動膜７は、図１に示すように、並設された複数の直線部分に対して一本置き配置しており、駆動膜７が設けられた直線部分の間に位置する直線部分には接続配線２０が配置されている。駆動膜７と接続配線２０の違いは、図２に示すように圧電体層１０の上に設けた上部電極１１の線幅を広く設定することで駆動膜７として機能し、上部電極１１の線幅を狭く設定することで接続配線２０として機能する。
【００１７】
第２振動梁５は、第１振動梁３と同様に、複数の直線部分と折り返し部分を蛇行するように組み合わせたミアンダ形状としている。ただし、直線部分は図３に示すように、無機層１４と有機層１３を積み重ねた積層構造体を基部２１とし、この基部２１の表面に駆動膜７を配置されるものであり、有機層１３の側から、上部電極１１、圧電体層１０、下部電極９を順に積み重ねた積層構造体により形成されている。なお、折り返し部分は、特に図示していないが、下部電極９の下にＳｉ酸化膜８、ＳＯＩ基板１９を、図２の直線部分と同様に配置している。
【００１８】
このような二軸アクチュエータ１の用途例を説明する。図４は、光源１５から射出されたレーザー光線１６をスクリーン１８上に走査する光走査装置を示したものである。二軸アクチュエータ１は光源１５からスクリーン１８に至るレーザー光線１６の光路中に配置される。また、図１に示す可動部２の表面を反射面とすることで反射光１７の反射角を制御することができる。可動部２を二軸方向に回動させることで、反射光１７がスクリーン１８上を二軸方向に走査させることができ、レーザプロジェクタやヘッドアップディスプレイ、ヘッドマウントディスプレイ等に活用できる。
【００１９】
しかしながら、このようなＭＥＭＳ構造の二軸アクチュエータ１において、第１振動梁３、第２振動梁５および駆動膜７の加工時に形状ばらつき及び膜厚ばらつきが発生し、第１振動梁３及び第２振動梁５の曲げ剛性ｋ及び慣性モーメント量Ｉが変動する。その結果、可動部２を第１回動軸Ｓ１及び第２回動軸Ｓ２の２軸回りに振動させるための固有振動モードの固有振動数が変動し、可動部２の振れ角がばらつく。なお、第２振動梁５は、図３に示すよう無機層１４と有機層１３の積層構造体であることから形状ばらつき及び膜厚ばらつきが顕著となる。
【００２０】
そして、可動部２の振れ角のばらつきを解決するために、二軸アクチュエータ１を振動解析用ソフト（コベンター社製のＣＯＶＥＮＴＯＲＷＡＲＥ（登録商標）２０１２）を用いた振動解析を行った。この結果、第２振動梁５の曲げ剛性ｋ及び第２振動梁５の慣性モーメント量Ｉの比に依存して固有振動数が変動する二軸アクチュエータ１の固有振動モードもしくはその高次固有振動モードと、可動部が第１回動軸Ｓ１回りに回動する二軸アクチュエータ１の固有振動モードが相互に励起し合い、可動部２の振れ角が減衰することが判明した。
【００２１】
その詳細に関して図５を用いて説明する。図５は、上述した振動解析用ソフトによる振動解析結果を示したものであり、横軸は第２振動梁５の曲げ剛性ｋと第２振動梁５の慣性モーメント量Ｉの比の平方根（以下、（ｋ／Ｉ）1/2と称する）を示し、縦軸は振動数を示している。この図５において、実線Ａは、可動部２が第１回動軸Ｓ１回りに振動する固有振動モードにおける固有振動数の（ｋ／Ｉ）1/2に対する推移を示している。破線Ｂ、破線Ｃ、破線Ｄは、それぞれ、第１振動梁３の駆動に伴い第２振動梁５に励起される不要振動モードの固有振動数の（ｋ／Ｉ）1/2に対する推移を示しており、（ｋ／Ｉ）1/2に応じて変動する。つまり、破線Ｂ，Ｃ、Ｄの固有共振モードは、周波数が一定である実線Ａの固有共振モードや第２回動軸Ｓ２回りに回動する固有振動モードとは傾きが異なる推移を示している。
【００２２】
なお、実線Ａで示す固有振動モードは、破線Ｂや破線Ｃといった他の固有共振モードと近接する領域において相互干渉により固有共振周波数の変動がみられる。ただし、これらの相互励起がない状態においては、（ｋ／Ｉ）1/2の変動に対すえる周波数変動はなく一定となる。また、可動部２を第２回動軸Ｓ２回りに回動させる固有振動モードは、固有振動周波数が５００〜６００Ｈｚと低いため図５には表示していない。
【００２３】
なお、図５の横軸を第２振動梁５の（ｋ／Ｉ）1/2としているが、可動部２が第２回動軸Ｓ２回りに回動する第２の固有振動モードの固有振動周波数は式１で表されるため、第２の固有振動モードの固有振動数として表しても同様の結果が得られる。
【００２４】
【数１】
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【００２５】
そして、実線Ａで示す固有振動モードに対して、破線Ｂ，Ｃ，Ｄで示す固有振動モードが傾きを有しているため、実線Ａと破線Ｂ，Ｃ，Ｄとが交差する部分が生じる。この交差部分および近傍領域では、上述したように、交差する固有振動モードの相互励起が顕著となる。この現象は、二軸アクチュエータ１における第１振動梁３と第２振動梁５が、第１支持部４を介して接続された構造をしているために発生すると考察している。即ち、第１振動梁３が２８ｋＨｚで振動した場合、第１支持部４を介して第１振動梁３に接続されている第２振動梁５には、第１振動梁３における２８ｋＨｚの振動が伝達される。そして第２振動梁５において２８ｋＨｚ近傍にて振動する固有振動モードが存在する場合に、この第２振動梁５の振動は強制振動ではなく自由振動となり、それぞれの固有振動モードの相互励起の影響が生じる。
【００２６】
この相互励起による影響を図６により説明する。図６は図５に示す実線Ａと破線Ｂの交点αから実線Ａと破線Ｃの交点βの区間（（ｋ１／Ｉ１）1/2から（ｋ５／Ｉ５）1/2）における可動部２の振れ角の推移を示したものである。なお、交点αとなる（ｋ１／Ｉ１）1/2と交点βとなる（ｋ５／Ｉ５）1/2の中間位置（ｋ３／Ｉ３）1/2では、図５における実線Ａの固有共振周波数ｆ１と破線Ｂの固有共振周波数ｆ３の差と、実線Ａの固有共振周波数ｆ１と破線Ｃの固有共振周波数ｆ４の差が等しくなる。つまり、実線Ａと破線Ｂの相互励起および実線Ａと破線Ｃの相互励起の影響が最小となり、図６に示すように可動部２の振れ角が最大となる。交点αや交点βでは相互励起の影響が大きくなることから振れ角が小さくなり、交点αおよび交点βで可動部２の振れ角が最小となる。このことから、第２振動梁５の曲げ剛性ｋと慣性モーメント量Ｉの値を、図５における（ｋ／Ｉ）1/2が交点αと交点βの中間位置となるｋ３、Ｉ３と設定することで、二軸アクチュエータ１の振幅を最大化することができる。なお、中間位置（ｋ３／Ｉ３）1/2において、ｆ３とｆ１の間、および、ｆ１とｆ４の間に、他の振動モードとの交点は存在しない。つまり破線Ｂと破線Ｃは隣り合うものであり、この間に実線Ａに対して傾斜する他の不要振動モードは存在しない。
【００２７】
また、二軸アクチュエータ１は、第２振動梁５の変位量を十分確保するために、図３を用いて説明したように、第２振動梁５の基部２１として有機層１３と無機層１４を有する積層構成を採用している。この積層構成を実現する場合、先ず、図２に示すように、ＳＯＩ基板１９の上にＳｉ酸化膜８、下部電極９、圧電体層１０、上部電極１１を形成する。その後、図３に示す、上部電極１１の上にスピンコートを用いて有機層１３を形成し、この有機層１３の上にめっき処理により無機層１４を設けている。その後、ＳＯＩ基板１９とＳｉ酸化膜８をエッチングにて除去することで形成できる。しかしながら、このような工程により形成される第２振動梁５は、上述したように形成プロセスに起因する加工ばらつきが大きく発生するため、第２振動梁５の曲げ剛性ｋと慣性モーメント量Ｉも変動しやすい。このようなばらつきの多い構造において上述したように第２振動梁５の曲げ剛性ｋと慣性モーメント量Ｉを設定し、各固有振動モードの周波数を規定することが効果的となる。
【００２８】
すなわち、上述したようなＭＥＭＳ構造の製造プロセスにおいて、第１振動梁３や第２振動梁５の加工ばらつきや膜厚ばらつきが生じても可動部２の振れ角が最大となる第２振動梁５の曲げ剛性ｋと慣性モーメント量Ｉが設定されているので、加工ばらつきに対する可動部２の振れ角のマージンが確保される。この結果、量産プロセスにおける二軸アクチュエータ１の生産性が高められるのである。
【００２９】
なお、上述した図５における交点α、βの中間位置は、実線Ａの固有共振周波数と破線Ｂの固有共振周波数の差と、実線Ａの固有共振周波数と破線Ｃの固有共振周波数の差が等しいものとして説明したが、実際には、図７の右側の軸で示す可動部２の減衰率（図６の右側の軸に示す振れ角のピークを基準とした振れ角の劣化度合い）が２５％以上のものであればよい。したがって、本発明におけるｆ３とｆ１の差がｆ１とｆ４の差と等しいとする範囲は、減衰率が２５％以上となる３／５＜（ｆ３−ｆ１）／（ｆ１−ｆ４）＜５／３となる範囲を意味するものである。
【００３０】
また、第２振動梁５を、有機層１３と無機層１４の積層構造体を基部２１としてとしているが、図２に示す第１振動梁３と同様のＳＯＩ基板１９の上にＳｉ酸化膜８を設けたものを基部２１としても効果が得られる。この点については、Ｓｉ加工の際の側壁のサイドエッチやオーバーエッチによる加工寸法のばらつきがあるために、各固有振動モードの固有振動数を規定範囲内に設定することが効果的となる。つまり、第２振動梁５は有機層１３と無機層１４の積層振動板の構造には限らず、第２振動梁５を元素の異なる二つ以上の層を用いた積層構造体であっても良い。
【００３１】
本実施の形態では二軸アクチュエータ１における可動部２の大変位化を実現するために、第２振動梁５にミアンダ構造を用いている。図６において破線Ｂ、Ｃ、Ｄで表される固有振動モードは第２振動梁５がミアンダ形状のように複雑な構造になればなるほど、振動形態が多くなるために破線Ｂ、Ｃ、Ｄで固有振動数の推移を表されるような固有振動モードの発生数が多くなる。従って、第２振動梁５の構造が複雑なミアンダ形状において上述した第２振動梁５の曲げ剛性ｋと慣性モーメント量Ｉの設定は特に有効となる。
【００３２】
なお、第２振動梁５の曲げ剛性ｋと慣性モーメント量Ｉを設定するにおいては、第２振動梁５の厚み変化させることで調整することができる。特に第２振動梁５における折り返し部分は、直線部分の構成にＳｉ酸化膜８、ＳＯＩ基板１９が積層された構造であり、この折り返し部分の厚みを調節することが慣性モーメント量Ｉの調整に有効である。
【００３３】
また、図３に示す直線部分のように有機層１３と無機層１４の積層構造体を基部２１とした構造であれば、無機層１４の厚みを調節することで、第２振動梁５の曲げ剛性ｋと慣性モーメント量Ｉを調整することが容易となる。なぜならば、無機層１４の部材としてＮｉを用いれば、Ｓ（硫黄成分）を多く含むＮｉと、Ｓ成分を含まないＮｉがあり、無機層１４をこれらの積層構造とすることができる。これによりＳ成分を多く含むＮｉ層は過硫酸アンモニウム水溶液をエッチャントとし、Ｓ成分を含まないＮｉ層は塩化鉄（ＩＩＩ）水溶液をエッチャントとすることで、それぞれを選択的にエッチングすることが可能となる。この選択的エッチングにより、無機層１４の膜厚を容易に精度よく調整することができ、第２振動梁５の曲げ剛性ｋと慣性モーメント量Ｉを容易に調整することができる。
【産業上の利用可能性】
【００３４】
本発明は、二軸方向に可動部を回動させる二軸アクチュエータにおいて、ＭＥＭＳプロセスでの生産性を高めることができるものであり、小型プロジェクタやヘッドアップディスプレイなどの走査光学系の用途において有効である。
【符号の説明】
【００３５】
１  二軸アクチュエータ
２  可動部
３  第１振動梁
４  第１支持部
５  第２振動梁
６  第２支持部
Ｓ１  第１回動軸（高周波駆動軸）
Ｓ２  第２回動軸（低周波駆動軸）
【図１】
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【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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