JP4360882B2

JP4360882B2 - アクチュエータ

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Publication number: JP4360882B2
Application number: JP2003391925A
Authority: JP
Inventors: 博土佐; 譲上田; 博彦相場
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2003-11-21
Filing date: 2003-11-21
Publication date: 2009-11-11
Anticipated expiration: 2023-11-21
Also published as: JP2005156684A

Description

本発明は、揺動する可動部を備えたアクチュエータに関し、特に、大面積の可動部でも十分な振れ角が得られ、且つ耐衝撃性を高めたアクチュエータに関する。

一般に、可動部をトーションバーで固定部に揺動可能に軸支して構成したプレーナ型アクチュエータにおいて、可動部の面積が大きいときには、揺動時及び製造時に可動部の主面に垂直方向に大きな衝撃が作用し、可動部の揺動を不安定にするばかりかトーションバーを破損するおそれがあった。

この場合、可動部に作用する衝撃値は、トーションバーの幅をｂ、トーションバーの厚さをｔ、許容応力をσ、密度をρ、可動部を正方形と仮定してその一辺の長さをＭ、断面係数をα、トーションバーの長さをＬとすると、
衝撃値＝（ｂ×ｔ×σ）／（α×ρ×Ｍ²×Ｌ）（１）
で表すことができる。

式（１）より、衝撃値を高める、即ち耐衝撃性を高くするためには、可動部の一辺の長さＭを小さくする（可動部を小さくする）か、トーションバーの幅ｂまたは厚さｔを大きくし、長さＬを短くすればよいことが理解できる。

したがって、可動部を小さくすることなく耐衝撃性を高めるためには、トーションバーの幅ｂまたは厚さｔを大きくし、長さＬを短くしなければならない。

ところが、トーションバーのバネ定数ｋは、横弾性係数をＧとすると、
ｋ＝２α（Ｇ×ｂ×ｔ³）／Ｌ（２）
で表されることから、トーションバーの幅ｂまたは厚さｔを大きくし、長さＬを短くした場合には、トーションバーのバネ定数ｋが大きくなり、可動部の変位量（振れ角）が小さくなってしまう問題がある。

一方、可動部の揺動振動及び可動部の主面に垂直方向の振動のダンピングを目的としたアクチュエータとして、可動部を第１軸及び第２軸回りに揺動するガルバノミラーの二つの揺動軸に直交する軸上にダンピング部材を設け、このダンピング部材で可動部と固定部とを連結するようにしたものがある（例えば、特許文献１参照）。

しかし、このような従来のアクチュエータにおいては、揺動軸に直交する軸上に上記ダンピング部材を設けているので、揺動時及び製造時における可動部の主面に垂直方向の耐衝撃性は高くなるものの、可動部の振れ角がダンピング部材で規制されるため、十分に大きな振れ角を得ることができなかった。

そこで、本発明は上記問題点に着目してなされたもので、大面積の可動部でも十分な振れ角が得られ、且つ耐衝撃性を高めたアクチュエータを提供することを目的とする。

このために、請求項１の発明は、固定部に一対のトーションバーで揺動可能に軸支した矩形状の可動部と、該可動部を揺動させる駆動手段とを備えて構成するアクチュエータであって、前記一対のトーションバーとは別に、バネ定数が前記トーションバーのバネ定数よりも小さい連結部材を前記可動部の隅角部から前記トーションバーの軸線と略平行方向に延設し、又は前記トーションバーの軸線と平行な前記可動部の対辺から揺動軸線に直交方向に引き出した後、屈曲して前記トーションバーの軸線と略平行方向に延設して前記固定部に連結し、前記可動部の主面に垂直方向の振動の発生を抑制すると共に、前記連結部材に反りと捩れの力を作用させて前記可動部に対する揺動阻止力を低減する構成としたとした。

このような構成により、一対のトーションバーとは別に、矩形状の可動部の隅角部からトーションバーの軸線と略平行方向に延設し、又はトーションバーの軸線と平行な可動部の対辺から揺動軸線に直交方向に引き出した後、屈曲してトーションバーの軸線と略平行方向に延設して固定部に連結したバネ定数がトーションバーのバネ定数よりも小さい連結部材で、可動部の主面に垂直方向の振動の発生を抑制すると共に、連結部材に反りと捩れの力を作用させて可動部に対する揺動阻止力を低減する。

この場合、前記連結部材は、請求項２のように少なくとも一つ設けるとよい。より好ましくは、請求項３のように前記連結部材を前記可動部の中心に対して点対称に少なくとも一対設けるとよい。また、前記連結部材は、請求項４のように屈曲した形状としてもよい。

請求項５の構成においては、前記固定部と、前記トーションバーと、前記可動部と、前記連結部材とを同一部材で一体的に形成した。

また、請求項６の構成は、前記可動部が、内側可動部と枠状の外側可動部とからなり、内側可動部を内側トーションバーで外側可動部に軸支し、外側可動部を前記内側トーションバーの軸線と直交する外側トーションバーで固定部に軸支し、少なくとも外側可動部と固定部とを前記連結部材で連結する構成とした。この場合、請求項７のように前記内側可動部と前記外側可動部とを前記連結部材で連結してもよい。

本発明のアクチュエータによれば、一対のトーションバーとは別に、バネ定数がトーションバーのバネ定数よりも小さい連結部材を可動部の隅角部からトーションバーの軸線と略平行方向に延設し、又はトーションバーの軸線と平行な可動部の対辺から揺動軸線に直交方向に引き出した後、屈曲してトーションバーの軸線と略平行方向に延設して固定部に連結したことにより、可動部が大面積であっても可動部の主面に垂直方向の振動の発生を抑制して耐衝撃性を高めることができ、且つ連結部材に反りと捩れ力を作用させて可動部の揺動阻止力を低減させ、十分に大きな振れ角を得ることができる。また、連結部材をトーションバーとは別に設けているので、振れ角を考慮して連結部材のバネ定数を自由に設定することができる。

連結部材を可動部の中心に対して点対称に少なくとも一対設ければ、可動部の揺動安定性を高めることができる。

また、連結部材を屈曲形状とすれば、連結部材を実質的に長くすることができ、可動部と固定部の間隔が狭い場合にも可動部の十分に大きな振れ角を得ることができる。

さらに、固定部と、トーションバーと、可動部と、連結部材とを同一部材で一体的に形成すれば、製造工程が短縮されると共に連結部材を別部材で設けた場合の密着性等の品質保証試験を追加して実施する必要がない。

そして、可動部を内側可動部と枠状の外側可動部とで形成し、内側可動部を内側トーションバーで外側可動部に軸支し、外側可動部を上記内側トーションバーの軸線と直行する外側トーションバーで固定部に軸支し、外側トーションバーの軸線に略平行方向に延設した連結部材で外側可動部と固定部とを連結すると共に内側トーションバーの軸線に略平行方向に延設した連結部材で内側可動部と外側可動部とを連結すれば、二軸の下に揺動するアクチュエータの振れ角の犠牲を抑えて耐衝撃性を高めることができる。

以下、本発明の実施の形態を添付図面に基づいて詳細に説明する。
図１に、本発明に係るアクチュエータの第１実施形態の平面図を示す。
図１において、本第１実施形態のアクチュエータは、例えば一次元走査型のガルバノミラーであり、可動部１と、連結部材２と、駆動手段３とを備えて構成する。

上記可動部１は、揺動して一面に設けたミラー４で光ビームの反射光を走査するものであり、矩形状に形成されて一対のトーションバー５で固定部６に揺動可能に軸支されている。

上記可動部１の対角方向の隅角部には、それぞれトーションバー５の軸線と略平行方向で、可動部１の中心に対して点対称に連結部材２が延設されている。この連結部材２は、可動部１と固定部６とを連結して可動部１の主面に垂直方向の振動を抑制するものであり、ジグザグ状に屈曲して形成している。そして、トーションバー５のバネ定数ｋ_１に比べ連結部材２のバネ定数ｋ_２を小さくしている。この場合、上記バネ定数ｋ_２は、可動部１の主面に垂直方向の振動の抑制効果（耐衝撃性）と、振れ角とのバランスを考慮して決められる。

そして、上記可動部１と、連結部材２と、トーションバー５と、固定部６とは例えば半導体基板を異方性エッチングして一体的に形成される。

上記駆動手段３は、電流と静磁界の相互作用により可動部１を駆動する電磁式駆動手段であり、駆動コイル７と、静磁界発生手段８とで構成している。ここで、駆動コイル７は、可動部１の周縁部に沿って敷設されており、その両端部はトーションバー５を介して固定部６側に引出されて固定部６に設けた電極端子部９に接続している。また、静磁界発生手段８は、トーションバー５の軸線に直交する方向で固定部６の外側に可動部１を間にして互いに反対磁極を対向して一対配置している。

次に、本発明の第１実施形態に係るアクチュエータの動作を、図２を参照して説明する。
先ず、電極端子部９を介して外部から所定の周波数の駆動電流が駆動コイル７に供給される。このとき、トーションバー５の軸線に平行な可動部１の対辺近傍部の駆動コイル７部分を流れる電流と、静磁界発生手段８の可動部１の主面に平行で且つトーションバー５の軸線に垂直な静磁界成分との相互作用により上記対辺には、互いに反対方向の電磁力が発生し、可動部１がトーションバー５を軸として揺動する。そして、この可動部１の揺動に伴って、ミラー部４で光ビームを反射して一次元方向に走査する。

このとき、可動部１には、図２中矢印で示すように可動部１の主面に垂直方向の振動（衝撃）が発生する。特に、可動部１の面積が大きい場合には、可動部１に対してより大きな上記衝撃が作用することになる。しかし、可動部１は、対角方向の二つの隅角部からトーションバー５の軸線に略平行方向に延設した連結部材２で固定部６に連結されているため、可動部１には、この連結部材２により上記衝撃を抑制する反対方向の力が作用する。

この場合、連結部材２がトーションバー５の軸線に略平行方向に延設されているので、連結部材２には可動部１の揺動に伴って反りと捩れの力が作用し、揺動軸に直交する軸上にダンピング部材を設けた従来のアクチュエータに比べて可動部１に対する揺動阻止力が小さくなり、振れ角は大きくなる。したがって、従来よりも可動部１の振れ角の犠牲を抑えて耐衝撃性を高めることができる。この場合、連結部材２のバネ定数ｋ_２をトーションバー５のバネ定数ｋ_１よりも小さくすれば、連結部材２による可動部１の揺動阻止力はより小さくなり、より大きな振れ角が得られる。

このように本発明の第１実施形態によれば、可動部１と固定部６とを連結する連結部材２をトーションバー５の軸線に略平行方向に延設したことにより、可動部１が大面積であっても可動部１の十分に大きな振れ角を得ることができ、且つ耐衝撃性を高めることができる。

また、製造工程で加わる可動部１の垂直方向の衝撃に対しても耐衝撃性が増し、製造時の可動部１の破損不良を減少させて製造歩留まりを向上することができる。

さらに、可動部１と、連結部材２と、トーションバー５と、固定部６とを同一部材で一体的に形成しているので連結部材２の形成が可動部１等の形成と同一工程で行うことができ、製造工程が短縮されると共に連結部材２を別部材で形成した場合の密着性等の品質保証試験を追加して実施する必要がない。

そして、連結部材２をジグザグ状に屈曲した形状としているので、連結部材２を実質的に長くすることができ、可動部１と固定部６の間隔が狭い場合にも可動部１の十分に大きな振れ角を得ることができる。

また、連結部材２のバネ定数ｋ _２をトーションバー５のバネ定数ｋ _１よりも小さくしているので、可動部１の振れ角の犠牲をより一層抑えることができる。

そして、連結部材２をトーションバー５とは別に設けているので、振れ角を考慮して連結部材２のバネ定数ｋ₂を自由に設定することができる。

なお、連結部材２は、上記ジグザグ状に屈曲したものを対角方向に二つ設けたものに限られず、図３に示すように四つの隅角部にそれぞれ設けてもよい。この場合、耐衝撃性がより向上する。また、図４に示すように直線状の連結部材２を同図（ａ）のように対角方向の隅角部からそれぞれ、トーションバー５の軸線に略平行に設けてもよく、同図（ｂ）のように四つの隅角部からそれぞれ、トーションバー５の軸線に略平行に設けてもよい。これらの場合、上記ジグザグ状の連結部材２に比べ長さが短くなるためバネ定数ｋ_２が大きくなり振れ角は若干犠牲になるが、耐衝撃性は一層向上する。

また、連結部材２は、図５（ａ）に示すように可動部１の対角方向の隅角部からそれぞれトーションバー５の軸線に略平行に引出した後、反転してトーションバー５の軸線に略平行方向に延設して固定部６に接続してもよく、同図（ｂ）のようにトーションバー５の軸線に平行な可動部１の対辺から揺動軸線に直交方向に引出した後、屈曲してトーションバー５の軸線に略平行方向に延設して固定部６に接続してもよい。これらの場合は、可動部１と固定部６間のスペースが狭くても連結部材２の長さを長くすることができるため連結部材２の反りと捩れ作用が増し、十分に大きな振れ角を得ることができる。

そして、図６のように連結部材２は、中央部をトーションバー５の軸線側に湾曲させると共に可動部１の四隅角部からトーションバー５の軸線に略平行方向に延設してもよい。これにより連結部材２による可動部１の揺動阻止力を低減することができる。

なお、参考例として可動部１の振れ角は若干犠牲となるが、可動部１及びトーションバー５並びに固定部６と同一部材で一体的に形成した連結部材２をトーションバー５の軸線に直交方向に延設したものが考えられる。この場合、可動部１と固定部６との間隔が狭い場合には、図７（ａ）〜（ｄ）に示すように略ジグザグ状に屈曲した連結部材２を設けると連結部材２の実質長を長くすることができ、直線状の連結部材よりも可動部１の振れ角を大きくすることができる。ここで、同図（ａ）のようにトーションバー５の軸線に平行な可動部１の対辺の一方に連結部材２を一つ設けても、（ｂ）のように上記対辺にそれぞれ連結部材２を設けても、（ｃ）のようにトーションバー５の軸線に直交方向で可動部１の同じ側にある二つの隅角部にそれぞれ連結部材２を設けても、（ｄ）のように可動部１の四つの隅角部にそれぞれ連結部材２を設けてもよい。

また、可動部１と固定部６との間隔が広い場合には、図８（ａ）〜（ｄ）に示すように長い直線状の連結部材２を設けてもよい。この場合、同図（ａ）のようにトーションバー５の軸線に平行な可動部１の対辺にそれぞれ連結部材２を設けても、（ｂ）のように可動部１の対角方向の隅角部にそれぞれ連結部材２を設けても、（ｃ）のようにトーションバー５の軸線に直交方向で可動部１の同じ側にある二つの隅角部にそれぞれ連結部材２を設けても、（ｄ）のように可動部１の四つの隅角部にそれぞれ連結部材２を設けてもよい。

さらに、図９（ａ）〜（ｄ）のように可動部１の対角線方向に連結部材２を延設してもよい。連結部材２は、略ジグザグ状に屈曲したものを同図（ａ）のように可動部１の対角方向の隅角部にそれぞれ設けても、（ｂ）のように隅角部の一つに設けてもよい。また、直線状の連結部材２を同図（ｃ）のように可動部１の対角方向の隅角部にそれぞれ設けても、（ｄ）のように隅角部の一つに設けてもよい。

また、連結部材２の設置位置は上述のものに限られず、連結部材２がトーションバー５の軸線に略平行方向に延設されるのであれば可動部１のいかなる位置に設けてもよい。

そして、連結部材２は、複数に限られず、少なくとも一つ以上設けられていればよい。

次に、本発明のアクチュエータの第２実施形態を、図１０を参照して説明する。なお、ここでは、図１と同一の要素には同一符号を用いて示し、第１実施形態と異なる部分を説明する。
図１０の第２実施形態に係るアクチュエータは、二次元走査型のガルバノミラーであり、可動部１が、内側可動部１０と枠状の外側可動部１１とからなり、内側可動部１０を内側トーションバー１２で外側可動部１１に軸支し、外側可動部１１を上記内側トーションバー１２の軸線と直交する外側トーションバー１３で固定部６に軸支し、外側トーションバー１３の軸線に略平行方向に延設した連結部材１４で外側可動部１１と固定部６とを連結している。さらに、内側トーションバー１２の軸線に略平行方向に延設した連結部材１５で内側可動部１０と外側可動部１１とを連結している。そして、内側トーションバー１２及び外側トーションバー１３の軸線にそれぞれ直交方向で固定部６の外側には静磁界発生手段８，１６を各一対配置し、内側可動部１０に敷設した駆動コイル７及び外側可動部１１に敷設した図示省略の駆動コイルとで駆動手段３を構成している。

このように構成したことにより、第２実施形態によれば、第１実施形態の効果に加えて二軸の回りに揺動する可動部１の十分に大きな振れ角を得ることができ、且つ耐衝撃性を高めることができる。

なお、第２実施形態においては、内側可動部１０が小さいため、内側可動部１０に対する衝撃値は小さい。したがって、内側可動部１０に連結する連結部材１５は省略してもよい。

また、可動部１は上述の矩形状に限られず、円形状あるいは他のいかなる形状であってもよい。

そして、本発明のアクチュエータは、上述のガルバノミラーに限られず、可動部がトーションバーで固定部に揺動可能に軸支された構成のアクチュエータであればいかなるものであってもよい。

本発明によるアクチュエータの第１実施形態を示す平面図である。本発明のアクチュエータの動作を説明する斜視図である。連結部材の第２の連結例を示す平面図である。連結部材の第３の連結例を示す平面図である。連結部材の第４の連結例を示す平面図である。連結部材の第５の連結例を示す平面図である。連結部材による連結方法の第１参考例を示す平面図である。連結部材による連結方法の第２参考例を示す平面図である。連結部材による連結方法の第３参考例を示す平面図である。本発明によるアクチュエータの第２実施形態を示す平面図である。

符号の説明

１…可動部
２，１４，１５…連結部材
３…駆動手段
５…トーションバー
６…固定部
１０…内側可動部
１１…外側可動部
１２…内側トーションバー
１３…外側トーションバー

Claims

固定部に一対のトーションバーで揺動可能に軸支した矩形状の可動部と、該可動部を揺動させる駆動手段とを備えて構成するアクチュエータであって、
前記一対のトーションバーとは別に、バネ定数が前記トーションバーのバネ定数よりも小さい連結部材を前記可動部の隅角部から前記トーションバーの軸線と略平行方向に延設し、又は前記トーションバーの軸線と平行な前記可動部の対辺から揺動軸線に直交方向に引き出した後、屈曲して前記トーションバーの軸線と略平行方向に延設して前記固定部に連結し、前記可動部の主面に垂直方向の振動の発生を抑制すると共に、前記連結部材に反りと捩れの力を作用させて前記可動部に対する揺動阻止力を低減する構成としたことを特徴とするアクチュエータ。
前記連結部材を少なくとも一つ設けたことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記連結部材を前記可動部の中心に対して点対称に少なくとも一対設けたことを特徴とする請求項１に記載のアクチュエータ。
前記連結部材が、屈曲した形状を有することを特徴とする請求項１〜３のいずれか一つに記載のアクチュエータ。
前記固定部と、前記トーションバーと、前記可動部と、前記連結部材とを同一部材で一体的に形成したことを特徴とする請求項１〜４のいずれか一つに記載のアクチュエータ。
前記可動部が、内側可動部と枠状の外側可動部とからなり、内側可動部を内側トーションバーで外側可動部に軸支し、外側可動部を前記内側トーションバーの軸線と直交する外側トーションバーで固定部に軸支し、少なくとも外側可動部と固定部とを前記連結部材で連結する構成としたことを特徴とする請求項１〜５のいずれか一つに記載のアクチュエータ。
前記内側可動部と前記外側可動部とを前記連結部材で連結したことを特徴とする請求項６に記載のアクチュエータ。