JP2004301865A - Actuator - Google Patents
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Abstract
Description
【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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a small actuator in which a movable plate swings.
[0002]
[Prior art]
The actuator in which the movable plate swings is used, for example, for a purpose of deflecting a laser beam. There is a galvano mirror as a scanning mirror for deflecting and scanning laser light. The driving principle of the galvanomirror is that when a current flows through a movable coil disposed in a magnetic field, an electromagnetic force is generated in relation to the current and the magnetic flux, and a torque proportional to the current is generated. The moving coil rotates to the angle where the torque and spring force are balanced, and the pointer is swung through the moving coil to detect the presence or absence and magnitude of the current, using the principle of a galvanometer. In place of the pointer, a reflecting mirror is provided on a rotating shaft.
[0003]
However, a galvanomirror requires a mechanically wound drive coil and a large yoke for generating a magnetic field, and there is a limit to reducing the size of these mechanical elements mainly due to output torque. At the same time, the size of the entire device for deflecting light has been increased due to the space for assembling the components.
[0004]
As a small optical deflector, there is an optical deflector manufactured by using a micromachining technology in which a micromachine is integrally formed on a semiconductor substrate by applying a semiconductor manufacturing technology. For example, K. E. FIG. Non-Patent Document 1 proposes a torsion scanning mirror formed of silicon by Petersen et al. In this optical deflector, as shown in FIG. 13, a mechanically movable part 3 is composed of a mirror 3a as an optical deflector and a beam 3b supporting the mirror 3a, and is provided between the mirror 3a and the fixed electrode 2 formed on the substrate. The beam is given a torsional moment by an electrostatic attraction generated by applying a drive voltage to the beam, and the beam is twisted and rotated, thereby changing the deflection angle of the mirror 3a. The maximum deflection angle of the mirror unit is uniquely determined by the gap t0 between the mirror unit and the substrate. In an optical deflector, the larger the deflection angle is, the better, and it is necessary to make the air gap large. If the air gap is increased, the distance between the fixed electrode and the mirror is increased, and the driving voltage is significantly increased. Conversely, in order to achieve a low voltage, it is necessary to shorten the air gap and to suppress the deflection angle. Therefore, the reduction of the drive voltage and the increase of the deflection angle are contradictory issues.
[0005]
As another small optical deflector, R.S. S. Mueller et al. Non-Patent Document 2 has been published. FIG. 14 is a perspective view showing an optical deflector of the literature. FIG. 15 is a top view of the optical deflector of the literature. This optical deflector generates an electrostatic force acting between a comb-shaped movable electrode provided on a torsion bar and a comb-shaped fixed electrode arranged so as to mesh with the movable electrode at a position where the height is changed. There is a feature in using and driving. One capacitor is composed of a comb-shaped movable electrode made of a conductor and a fixed electrode arranged with a slight gap. When a voltage is applied between the movable electrode and the fixed electrode, an electrostatic force is generated, so that the movable electrode is attracted to the fixed electrode, and the torsion bar is twisted. The mirror connected to the torsion bar causes a rotational motion about the torsion bar as a rotation axis. Even if the rotation angle of the mirror is increased, it is not necessary to change the arrangement of the comb-shaped movable electrode and the comb-shaped fixed electrode.
[0006]
To be more specific, the optical deflector of the literature includes a
[0007]
[Non-patent document 1]
IBM J.M. RES. DEVELOP. , VOL. 24, NO5, 9, 1980. P631-637
[Non-patent document 2]
A FLAT HIGH-FREQUENCY SCANNING MICRMIRROR'2000 Solid-State Sensor and Actuator Workshop, pp6-9
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
However, when the displacement angle of the torsion angle θ1 is given to the mirror of the above-mentioned small optical deflector, the two torsion bars are fixed on one side to the support substrate, respectively, and the torsion angle θ of the comb-shaped movable electrode is The maximum torsion angle is at θ1 and decreases as the position approaches the fixed portion of the torsion bar. For this reason, the amount of intermeshing area between the comb-shaped movable electrode and the comb-shaped fixed electrode near the fixed end of the torsion bar changes only slightly. That is, since the movable electrode near the fixed end does not efficiently contribute to the torque, the driving voltage is increased.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
The present invention has been made in view of the above problems. The object of the present invention is
An object of the present invention is to provide a small actuator that efficiently generates a large torsion angle (deflection angle) on a movable plate. Such a small actuator is advantageous in providing an optical deflector and an optical device using the optical deflector.
[0010]
Therefore, the present invention
A movable plate,
At least one torsion bar for pivotally supporting the movable plate with respect to a support substrate;
A support extending from the movable plate substantially parallel to the torsion bar,
A movable comb-shaped structure extending from the support in a direction substantially orthogonal to the support,
And a fixed comb-shaped structure disposed at a position where the movable comb-shaped structure is engaged with the movable comb-shaped structure when the movable plate is displaced.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The present invention
(1)
A movable plate,
At least one torsion bar for pivotally supporting the movable plate with respect to a support substrate;
A support extending from the movable plate substantially parallel to the torsion bar,
A movable comb-shaped structure extending from the support in a direction substantially orthogonal to the support,
A fixed comb-shaped structure disposed at a position where the movable comb-shaped structure is engaged with the movable comb-shaped structure when the movable plate is displaced.
[0012]
Also (2)
The actuator according to (1), wherein the fixed comb-shaped structure is disposed on at least one of the front side and the back side of the movable plate.
[0013]
Also (3)
The actuator according to any one of (1) and (2), wherein the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure are made of single crystal silicon.
[0014]
Also (4)
The movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure are soft magnetic materials, and a conductor is wound around a part of the fixed comb-shaped structure. (1) or (2) The actuator according to any one of the above is also preferable.
[0015]
Also (5)
An optical deflector of the actuator according to any one of (1) to (4), wherein a reflecting mirror is provided on a surface of the movable plate is also preferable.
[0016]
Also (6)
An optical device using the optical deflector described in (5) is also preferable.
[0017]
The details and operation will be described below with a typical example. FIG. 1 is a perspective view showing the configuration of an embodiment of the actuator of the present invention. FIG. 2 is a top view showing the configuration of an embodiment of the actuator of the present invention. FIG. 3 is a diagram illustrating a method for driving an actuator according to the present invention. In this embodiment, the
[0018]
In the actuator having this configuration, when the plus side is connected to the integrally formed torsion bar, the movable plate, the support, and the movable comb-shaped structure, and the minus side is connected to the fixed comb-shaped structure, a potential difference is applied to the actuator. The movable comb-like structure is attracted to the fixed comb-like structure by the attractive force. As a result, a torsional moment is generated in the torsion bar, and the movable plate generates a displacement angle with respect to the support substrate from state 1 to state 2 as shown in FIG. The broken line in FIG. 3 represents the outer shape of the movable plate. The gap between the fixed comb-shaped structure and the movable comb-shaped structure is small, and the comb teeth are arranged so as to engage with each other when angularly displaced. Even when angular displacement occurs, it does not interfere with (i.e., collide with) the fixed comb-shaped structure. Further, the movable comb-shaped structure is provided on a support extending from the movable plate, and the displacement angle of the movable plate and the displacement angle of the movable comb-shaped structure are substantially the same, and the per unit displacement angle The amount of change in the overlapping area between the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure is larger by the plurality of movable comb-shaped structures since there are a plurality of movable comb-shaped structures. As a result, the amount of change in the capacitance C formed by the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure per displacement angle increases, and a large displacement angle can be generated at a low voltage. Also, since a large large yoke or the like is not required, the size is small.
[0019]
The movable comb-shaped structure 104 and the fixed comb-shaped structure may be soft magnetic materials. For example, the coercive force of Fe-Ni (permalloy), Fe-Si, Co-Fe-B or the like is low. A soft magnetic material having small residual magnetization and large saturation magnetization can be used. Also in this case, there is no electrical connection between the movable comb-shaped structure 104 and the fixed comb-shaped structure 106. A conductor covered with insulation may be wound around the fixed comb-shaped structure 106.
[0020]
When a current flows through the conductor of the actuator having this configuration, the movable comb-shaped structure 104 is attracted to the fixed comb-shaped structure. The gap between the fixed comb-shaped structure and the movable comb-shaped structure is small, and the comb teeth are arranged so as to engage with each other when angularly displaced. Even when angular displacement occurs, it does not interfere with the fixed comb-shaped structure. Further, the movable comb-shaped structure is provided on the support extending from the movable plate, and the displacement angle of the movable plate and the displacement angle of the movable comb-shaped structure are substantially the same, so that the torque can be efficiently reduced. As a result, a large displacement angle can be obtained without requiring a large current. This results in an actuator with low power consumption. Also, since a large large yoke or the like is not required, the size is small.
[0021]
(Example)
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to Examples.
[0022]
(First embodiment)
In this embodiment, the actuator shown in FIGS. 4 to 6 was designed and manufactured. FIG. 4 is a perspective view showing the configuration of the actuator according to the present embodiment of the present invention. FIG. 5 is a diagram illustrating the driving method according to the present embodiment. The broken line in FIG. 5 indicates the outer shape of the movable plate. FIG. 6 is a diagram showing a drive voltage waveform and a response waveform of a displacement angle. A single-crystal silicon substrate having a thickness of 150 μm is used as a support substrate, and the single-crystal silicon substrate is vertically etched using an ICP-RIE apparatus, so that a
[0023]
A positive bias voltage is applied to the first fixed comb-shaped structure 206 disposed below the movable comb-shaped structure, and a negative bias voltage is applied to the second fixed comb-shaped structure 207 disposed above. In addition, when a driving voltage of a sawtooth wave as shown in FIG. 6, for example, is applied to the movable comb-shaped structure 204, the movable comb-shaped structure 204 becomes first and second fixed comb-shaped structures 206 and 207. , And the response waveform of the displacement angle also becomes a sawtooth wave similar to the applied voltage waveform (the states 1 to 3 in FIG. 6 match the states 1 to 3 in FIG. 5). Thereby, the movable plate swings around the torsion bar as a rotation axis.
[0024]
The actuator of this embodiment is small because it does not require a large and large yoke. Further, the gap between the fixed comb-shaped structure and the movable comb-shaped structure is small, and the comb teeth are arranged so as to mesh with each other when angularly displaced. Even when the body is angularly displaced, it does not interfere with the fixed comb-like structure. Further, the movable comb-shaped structure is provided on a support extending from the movable plate, and the displacement angle of the movable plate and the displacement angle of the movable comb-shaped structure are substantially the same, and the per unit displacement angle The amount of change in the overlapping area between the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure is large. As a result, the amount of change in the capacitance C formed by the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure per displacement angle is increased, and a large displacement angle can be generated at a low voltage. In addition, by arranging the fixed comb-shaped structures vertically, it is possible to increase the displacement angle as compared with the case where only one of them is arranged. In addition, the response to the drive waveform is high, and the response waveform of the displacement angle can be a triangular wave.
[0025]
(Second embodiment)
In this embodiment, the actuator shown in FIGS. 7 to 9 was designed and manufactured. FIG. 7 is a perspective view showing the configuration of the actuator of the present embodiment in the present invention. FIG. 8 is a top view showing the configuration of this embodiment of the present invention. FIG. 9 is a diagram illustrating the driving method according to the present embodiment. As shown in FIG. 8, the
[0026]
In a state where no potential difference is applied between the fixed comb-shaped
[0027]
The actuator of this embodiment is small because it does not require a large and large yoke. Further, the gap between the fixed comb-shaped structure and the movable comb-shaped structure is small, and the comb teeth are arranged so as to mesh with each other when angularly displaced. Even when the body is angularly displaced, it does not interfere with the fixed comb-like structure. Further, the movable comb-shaped structure is provided on a support extending from the movable plate, and the displacement angle of the movable plate and the displacement angle of the movable comb-shaped structure are substantially the same, and the per unit displacement angle The amount of change in the overlapping area between the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure is large. As a result, the amount of change in the capacitance C formed by the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure per displacement angle is increased, and a large displacement angle can be generated at a low voltage. In addition, by arranging the fixed comb-shaped structures vertically, it is possible to increase the displacement angle as compared with the case where only one of them is arranged.
[0028]
(Third embodiment)
In this embodiment, an optical deflector using the actuator shown in the first or second embodiment will be described. FIG. 10 is a perspective view of the optical deflector of the present embodiment. A reflecting mirror was formed on one surface of the movable plate of the actuator of the first embodiment or the second embodiment.
[0029]
The optical deflector of this embodiment is small because it does not require a large and large yoke. Further, the gap between the fixed comb-shaped structure and the movable comb-shaped structure is small, and the comb teeth are arranged so as to mesh with each other when angularly displaced. Even when the body is angularly displaced, it does not interfere with the fixed comb-like structure. Further, the movable comb-shaped structure is provided on a support extending from the movable plate, and the displacement angle of the movable plate and the displacement angle of the movable comb-shaped structure are substantially the same, and the per unit displacement angle The amount of change in the overlapping area between the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure is large. As a result, the amount of change in the capacitance C formed by the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure per displacement angle increases, and an optical deflector capable of generating a large displacement angle at a low voltage. Was produced.
[0030]
(Fourth embodiment)
In this embodiment, an optical device using the optical deflector shown in the third embodiment will be described. FIG. 11 is a diagram showing, as an example, the case of an image display device as an optical device. In FIG. 11, reference numeral 501 denotes an optical deflector group 501 in which two optical deflectors of FIG. 10 are arranged so that their deflection directions are orthogonal to each other. In this case, an optical scanner device for raster-scanning incident light in horizontal and vertical directions Used as Reference numeral 502 denotes a laser light source. Reference numeral 503 denotes a lens or a lens group, 504 denotes a writing lens or a lens group, and 505 denotes a projection surface. The laser light incident from the laser light source 502 undergoes predetermined intensity modulation related to the timing of optical scanning, and is scanned two-dimensionally by the optical deflector group 501. The scanned laser beam forms an image on the projection surface 505 by the writing lens 504.
[0031]
As a result, an optical scanner device featuring a large scanning angle and low power consumption can be realized.
[0032]
(Fifth embodiment)
FIG. 12 is a diagram showing an example in which the optical deflector of the present invention is used in an image forming apparatus. In FIG. 12, reference numeral 601 denotes the optical deflector shown in FIG. 10, which is used as an optical scanner for scanning incident light one-dimensionally. 602 is a laser light source. Reference numeral 603 denotes a lens or a lens group, 604 denotes a writing lens or a lens group, and 605 denotes a photoconductor. The laser light emitted from the laser light source undergoes predetermined intensity modulation related to the timing of optical scanning, and is scanned one-dimensionally by the optical deflector 601. The scanned laser beam forms an image on the photoconductor 605 by the writing lens 604. The photoconductor 605 is uniformly charged by a charger (not shown). By scanning the light on the photoconductor 605, an electrostatic latent image is formed. It is formed. Next, a toner image is formed on the image portion of the electrostatic latent image by a developing device (not shown), and the toner image is transferred and fixed to, for example, a paper (not shown) to form a visible image on the paper.
[0033]
As a result, an image forming apparatus characterized by a large scanning angle and low power consumption can be realized.
[0034]
【The invention's effect】
The actuator of the present invention is small because it does not require a large and large yoke. Further, the gap between the fixed comb-shaped structure and the movable comb-shaped structure is small, and when the angular displacement is performed, the comb teeth are arranged so as to engage with each other, so that the movable plate and the movable comb-shaped structure are angularly displaced. In this case, there is no interference with the fixed comb-shaped structure. Further, the movable comb-shaped structure is provided on a support extending from the movable plate, and the displacement angle of the movable plate and the displacement angle of the movable comb-shaped structure are substantially the same, and the per unit displacement angle The amount of change in the overlapping area between the movable comb-shaped structure and the fixed comb-shaped structure is large. Thus, low voltage driving is possible when considering electrostatic driving, and low power consumption is possible when considering electromagnetic driving.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a perspective view showing one embodiment of an actuator of the present invention.
FIG. 2 is a top view showing an embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 3 is a diagram illustrating a driving method of an embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 4 is a perspective view of a first embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 5 is a top view of the first embodiment of the actuator of the present invention.
FIG. 6 is a diagram illustrating a driving method of the first embodiment of the actuator according to the present invention.
FIG. 7 is a perspective view of a second embodiment of the optical deflector of the present invention.
FIG. 8 is a top view of a second embodiment of the optical deflector of the present invention.
FIG. 9 is a diagram illustrating a driving method of a second embodiment of the optical deflector according to the present invention.
FIG. 10 is a perspective view showing an optical deflector using the actuator of the present invention.
FIG. 11 is a diagram in which the optical deflector of the present invention is used for an optical device.
FIG. 12 is a diagram in which the optical deflector of the present invention is used in an image forming apparatus.
FIG. 13 is a diagram showing a conventional example.
FIG. 14 is a diagram showing another conventional example.
FIG. 15 is a diagram showing another conventional example.
[Explanation of symbols]
101
Claims (1)
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。A movable plate,
At least one torsion bar for pivotally supporting the movable plate with respect to a supporting substrate;
A support extending substantially parallel to the torsion bar from the movable plate,
A movable comb-shaped structure extending from the support in a direction substantially orthogonal to the support,
An actuator comprising: a fixed comb-shaped structure disposed at a position where the movable comb-shaped structure is engaged with the movable comb-shaped structure when the movable plate is displaced.
Priority Applications (1)
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-
2003
- 2003-03-28 JP JP2003091111A patent/JP2004301865A/en not_active Withdrawn
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