JP5207656B2

JP5207656B2 - プレーナ型電磁アクチュエータ

Info

Publication number: JP5207656B2
Application number: JP2007111084A
Authority: JP
Inventors: 敦鈴木
Original assignee: Nippon Signal Co Ltd
Current assignee: Nippon Signal Co Ltd
Priority date: 2007-04-20
Filing date: 2007-04-20
Publication date: 2013-06-12
Anticipated expiration: 2027-04-20
Also published as: JP2008271700A

Description

本発明は、電磁力を利用して可動部を駆動する半導体製造技術を利用して製造したプレーナ型電磁アクチュエータに関し、特に、プレーナ型電磁アクチュエータの可動部の揺動安定性を向上させる技術に関する。

従来、この種のプレーナ型電磁アクチュエータとしては、例えば特許文献１に記載されているように、半導体基板を異方性エッチングして、枠状の固定部と、可動部と、前記固定部に可動部を揺動可能に軸支するトーションバーとを一体形成し、可動部に駆動コイルを設け、トーションバーの軸方向と平行な可動部両端縁部の駆動コイル部分に静磁界を作用させる静磁界発生手段として例えば永久磁石を設けて構成し、駆動回路から供給される電流により駆動コイルに発生する磁界と永久磁石による静磁界との相互作用によりトーションバーの軸方向と平行な可動部両対辺部に電磁力（ローレンツ力）を作用させて可動部を、トーションバーの軸回りに駆動する。
特許第２７２２３１４号公報

ところで、従来のこの種のプレーナ型電磁アクチュエータを気体中で揺動駆動した場合、可動部周辺の気体の乱れが可動部の揺動動作に対して大きな影響を及ぼし、可動部の揺動動作を乱す要因になっている。これについて図６（ａ）〜（ｄ）を参照して具体的に説明すると、可動部が動作するとその動作方向と逆側の可動部端縁部近傍に大きな気体の渦が生じる（図（ａ））。この気体の渦は可動部の動きに伴って可動部の動く方向に移動する（図（ｂ））。その後、可動部が反転動作すると、気体の渦が可動部端縁部と衝突し、可動部の動作方向と反対方向のモーメントＭが生じて可動部端縁部に作用する（図（ｃ））。このモーメントＭにより、破線で示す可動部の本来の揺動位置（モーメントＭがない場合の位置）に対して実線で示すように可動部の揺動位置にずれが生じる（図（ｄ））。これにより、可動部の揺動動作の安定性が乱されるという問題が生じる虞れがあった。

本発明は上記問題点に着目してなされたもので、可動部の揺動動作に伴う渦の発生を抑制して可動部の揺動動作の安定化を図ることができるプレーナ型電磁アクチュエータを提供することを目的とする。

このため、請求項１の発明は、固定部にトーションバーを介して揺動可能に軸支した可動部を、電磁力により駆動するプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、前記可動部の前記トーションバーの軸方向と略平行な端縁部を、前記軸方向に平行な当該可動部の断面において凹凸形状にし、前記端縁部における凸部の突出寸法及びピッチを、前記可動部の駆動周波数、振幅及び前記トーションバーの軸中心から前記端縁部までの長さに関係して定まる前記渦の直径から決定する構成としたことを特徴とする。

かかる構成では、可動部のトーションバーの軸方向と略平行な端縁部を凹凸形状とすることで、可動部の揺動動作時に可動部端縁部近傍における気体の渦の発生を抑制できると共に、発生した渦が凹凸部により細かく分散され、可動部に作用する可動部動作方向と反対方向のモーメントを小さくすることができるようになる。

具体的には、請求項２のように、前記凸部の突出寸法及びピッチを、前記渦の直径の約１／５〜約５倍とするとよい。

請求項３のように、前記可動部が、前記固定部に外側トーションバーを介して揺動可能に軸支される枠状の外側可動部と、該外側可動部に前記外側トーションバーと軸方向が直角な内側トーションバーを介して揺動可能に軸支される内側可動部とからなり、前記外側可動部の前記外側トーションバーの軸方向と略平行な端縁部及び前記内側可動部の前記内側トーションバーの軸方向と略平行な端縁部を前記凹凸形状とするとよい。

請求項３の構成において、請求項４のように、前記内側可動部の前記外側トーションバーの軸方向と略平行な側縁部を凹凸形状とするとよい。

本発明のプレーナ型電磁アクチュエータによれば、可動部のトーションバーの軸方向と略平行な端縁部を凹凸形状としたので、可動部の揺動動作によってその端縁部近傍に生じる気体の渦を抑制することができると共に、発生した渦を細かく分散できる。従って、可動部の反転動作時に渦から端縁部に作用する可動部動作方向と反対方向のモーメントを小さくでき、可動部の揺動動作の安定性を高めることができる。

以下、本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
図１に本発明に係るプレーナ型電磁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、本実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ１は、枠状の固定部２に一対のトーションバー３，３を介して揺動可能に軸支される可動部４と、通電により磁界を発生する駆動コイル５と、駆動コイル５に静磁界を作用する静磁界発生手段である例えば永久磁石６とを備え、通電により駆動コイル５に発生する磁界と永久磁石６の静磁界との相互作用によりトーションバー３，３の軸方向と平行な可動部４の両端縁部に電磁力（ローレンツ力）を作用させて可動部４を回動させるものである。

前記固定部２、トーションバー３，３及び可動部４は、例えばシリコン基板等の半導体基板を異方性エッチングして一体に形成する。そして、本発明の特徴である可動部４は、トーションバー３，３の軸方向と略平行な両端縁部４ａを等間隔に形成した三角形による凹凸形状としている。前記駆動コイル５は、図１に示すように可動部４の周縁に沿って巻回し、固定部２に形成した一対の電極端子７，７にトーションバー３，３部分を通って電気的に接続する。尚、駆動コイル５の巻回数は、図１では図示を簡素化するため１回の巻回数としてあるが複数巻回されている。前記永久磁石６は、図示のように可動部４を挟んで互いに反対磁極が対向するようにして固定部２の外側に設けられている。

次に、本実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータの動作を説明する。
可動部４の駆動原理は従来と同様であり、可動部４上の駆動コイル５に電流を流すと磁界が発生し、この磁界と永久磁石６，６による静磁界との相互作用によりローレンツ力が発生し、トーションバー３，３の軸方向と平行な可動部４の両端縁部に互いに逆方向の電磁力が発生し、トーションバー３，３を軸中心として可動部４が回動する。この回動動作に伴ってトーションバー３，３が捩じられトーションバー３，３にばね力が発生し、このばね力と発生した電磁力とが釣合う位置まで可動部４は回動する。駆動コイル５に正弦波等の交流電流を流せば可動部４を揺動動作させることができる。これにより、可動部４に反射ミラーを設ければ光ビームを偏向走査することが可能となり、駆動コイル５に供給する交流電流の周波数を可動部４の揺動運動の共振周波数に設定すれば、一定周期で連続走査可能な光走査デバイスが実現できる。

このプレーナ型電磁アクチュエータ１を気体中で揺動動作させた時に、可動部４周辺の気体の乱れにより可動部４の動作方向と反対側の可動部端縁部４ａ近傍に、図６に示すような渦が生じるが、本実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ１では、可動部４の端縁部４ａの凹凸形状により渦の発生を抑制できると共に、発生した渦が細かく分散される。このため、可動部４が反転動作した時に、端縁部４ａと渦の衝突により端縁部４ａに作用する可動部動作方向と反対方向のモーメントＭ（図６参照）を従来に比べて小さくでき、可動部４の位置ずれが抑制され可動部４の揺動動作が安定する。

端縁部４ａの凹凸形状における凸部の突出長さａとピッチｂは、大き過ぎても小さ過ぎてもその渦抑制及び分散効果は小さい。大き過ぎると分散された渦の１つ１つの大きさがまだ十分に大きく端縁部４ａに作用するモーメントＭがまだ大きいため十分な効果が得られない。小さ過ぎると従来の可動部とあまり変わらず渦の分散が十分になされないためやはり十分な効果が得られない。

凸部の突出長さａとピッチｂの適切な寸法は、発生する渦の直径（以下、渦径とする）と関係し、渦径は可動部４の動作速度により異なり、可動部４の動作速度は、可動部４の駆動周波数、振幅及びトーションバー３，３の軸中心から端縁部４ａまでの長さＬ（図１に示す）に依存する。従って、凸部の突出長さａとピッチｂの適切な寸法を、可動部４の駆動周波数、振幅及びトーションバー３，３の軸中心から端縁部４ａまでの長さＬから決定するとよく、凸部の突出長さａとピッチｂの好ましい寸法としては、可動部４の揺動動作に伴って発生する渦の直径の約１／５〜約５倍とする。例えば、突出長さａを渦径の約１／５倍としピッチｂを渦径の約５倍としてもよく、逆に突出長さａを渦径の約５倍としピッチｂを渦径の約１／５倍としてもよい。かかる凹凸形状とすることにより、可動部４の端縁部４ａ周囲における渦の発生を十分抑制できると共に、十分細かく分散できるようになり、端縁部４ａに作用する可動部動作方向と反対方向のモーメントＭを十分小さくして可動部４の揺動動作の安定性を高めることができるようになる。

上記実施形態では、凹凸形状を三角形状としたが、図２に示すような形状でもよい。（ａ）は三角形の頂部を円くした形状の例である。（ｂ）は、矩形形状とした例である。（ｃ）は半円形状の波形とした例である。（ｄ）は矩形のフラクタル形状の例である。フラクタル形状の場合は、小さい矩形部分も大きな矩形部分もそれぞれの凸部の突出長さａとピッチｂの寸法は、渦径の約１／５〜約５倍とすることが好ましい。
尚、可動部４の端縁部４ａの凹凸形状はこれらの形状に限定されるものではなく、渦を十分に細かく分散できモーメントＭを小さくできるような形状であればよいことは言うまでもない。

また、図３に示すような可動部４が円形状のプレーナ型電磁アクチュエータ１０の場合にも同様に、可動部４のトーションバー３，３の軸方向と略平行な可動部端縁部４Ａを凹凸形状に形成すれば、第１実施形態と同様の作用効果を得ることができる。尚、図３に示す本発明の第２実施形態において、第１実施形態と同様な要素には同一符号を付してある。また、図３では駆動コイル５、電極端子７及び永久磁石６については図示を省略してある。

次に、２次元駆動型のプレーナ型電磁アクチュエータに適用した本発明の第３実施形態を図４に示す。尚、図１の第１実施形態と同一要素には同一符号を付して説明を省略する。
図４の２次元駆動型のプレーナ型電磁アクチュエータ２０は、可動部４が、固定部２に外側トーションバー３Ａ，３Ａを介して揺動可能に軸支される枠状の外側可動部４Ａと、外側可動部４Ａに外側トーションバー３Ａ，３Ａと軸方向が直角な内側トーションバー３Ｂ，３Ｂを介して揺動可能に軸支される内側可動部４Ｂとからなる。そして、外側可動部４Ａの外側トーションバー３Ａ，３Ａの軸方向と略平行な両端縁部４ａを図１の第１実施形態と同様に凹凸形状としている。更に、内側可動部４Ｂの内側トーションバー３Ｂ，３Ｂの軸方向と略平行な両端縁部４ｂと外側トーションバー３Ａ，３Ａの軸方向と略平行な両側縁部４ｃを同じく凹凸形状としている。外側可動部４Ａには外側駆動コイル５Ａ（図の簡略化のため図中１本線で示す）を設け、内側可動部４Ｂには内側駆動コイル５Ｂを設ける。外側駆動コイル５Ａは、外側可動部４Ａの周縁に沿って巻回して設けられ一方の外側トーションバー３Ａ部分を通って電極端子７Ａ，７Ａに電気的に接続される。内側駆動コイル５Ｂは、前述の駆動コイル５に相当するもので内側トーションバー３Ｂ，３Ｂ、外側可動部４Ａの一部及び他方の外側トーションバー３Ａ部分を通って電極端子７Ｂ，７Ｂに電気的に接続される。また、それぞれ対をなす永久磁石６Ａ，６Ａと永久磁石６Ｂ，６Ｂは、図示のように外側可動部４Ａと内側可動部４Ｂを挟んで互いに反対磁極が対向するようにして固定部２の外側に設けられている。

かかる２次元型のプレーナ型電磁アクチュエータ２０は、外側駆動コイル５Ａと内側駆動コイル５Ｂにそれぞれ交流電流を供給すると、外側トーションバー３Ａ，３Ａの軸方向と平行な外側可動部４Ａの端縁部４ａの外側駆動コイル５Ａ部分に発生する磁界と永久磁石６Ａ，６Ａの静磁界との相互作用により発生するローレンツ力により、外側可動部４Ａと内側可動部４Ｂが一体的に外側トーションバー３Ａ，３Ａ回りに回動する。また、内側トーションバー３Ｂ，３Ｂの軸方向と平行な内側可動部４Ｂの端縁部４ｂの内側駆動コイル５Ｂ部分に発生する磁界と永久磁石６Ｂ，６Ｂの静磁界との相互作用により発生するローレンツ力により、内側可動部４Ｂが内側トーションバー３Ｂ，３Ｂ回りに回動する。これにより、内側可動部４Ｂが２次元駆動され、内側可動部４Ｂに反射ミラーを設ければ、ミラーの反射光を２次元方向に偏向させることができ、光ビームを２次元走査することができる。

このプレーナ型電磁アクチュエータ２０の外側可動部４Ａ，４Ａを気体中で揺動動作させた時には、外側可動部４の両端縁部４ａと内側可動部４Ｂの両側縁部４ｃ近傍に渦が生じるが、それぞれの凹凸形状により渦の発生を抑制できると共に、発生した渦が細かく分散される。また、内側可動部４Ｂ，４Ｂを揺動動作させた時には、前述した第１実施形態と同様に内側可動部４Ｂの両端縁部４ｂの凹凸形状により渦の発生を抑制できると共に、発生した渦が細かく分散される。従って、２次元駆動型のプレーナ型電磁アクチュエータ２０の揺動動作の安定性を高められる。

前記第３実施形態は、枠状の外側可動部４Ａの両端縁部４ａの外側だけを凹凸形状としたが、図５に示す第４実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ３０のように、枠状の外側可動部４Ａの両端縁部４ａの内側も凹凸形状とするとよい。尚、第４実施形態のプレーナ型電磁アクチュエータ３０のその他の構成は図４の第３実施形態と同様の構成であり、第３実施形態と同様な要素には同一符号を付してある。また、図５では内外駆動コイル５Ａ，５Ｂ、電極端子７Ａ，７Ｂ及び永久磁石６Ａ，６Ｂは図示を省略してある。

尚、第３及び第４実施形態についても、図２に示す凹凸形状を適用できることは言うまでもない。

本発明に係るプレーナ型電磁アクチュエータの第１実施形態を示す平面図第１実施形態の凹凸形状と異なる別の凹凸形状の例を示す図本発明の第２実施形態を示す平面図本発明の第３実施形態を示す平面図本発明の第４実施形態を示す平面図従来の問題点の説明図

符号の説明

１，１０，２０，３０プレーナ型電磁アクチュエータ
２固定部
３トーションバー
３Ａ，３Ａ外側トーションバー
３Ｂ，３Ｂ内側トーションバー
４可動部
４Ａ，４Ａ外側可動部
４Ｂ，４Ｂ内側可動部
５駆動コイル
５Ａ，５Ａ外側駆動コイル
５Ｂ，５Ｂ内側駆動コイル
６、６Ａ，６Ａ、６Ｂ，６Ｂ永久磁石
４ａ，４ｂ端縁部（凹凸形状）
４ｃ側縁部（凹凸形状）

Claims

固定部にトーションバーを介して揺動可能に軸支した可動部を、電磁力により駆動するプレーナ型電磁アクチュエータにおいて、
前記可動部の前記トーションバーの軸方向と略平行な端縁部を、前記軸方向に平行な当該可動部の断面において凹凸形状にし、
前記端縁部における凸部の突出寸法及びピッチを、前記可動部の駆動周波数、振幅及び前記トーションバーの軸中心から前記端縁部までの長さに関係して定まる前記渦の直径から決定する構成としたことを特徴とするプレーナ型電磁アクチュエータ。
前記凸部の突出寸法及びピッチを、前記渦の直径の約１／５〜約５倍とする請求項１に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
前記可動部が、前記固定部に外側トーションバーを介して揺動可能に軸支される枠状の外側可動部と、該外側可動部に前記外側トーションバーと軸方向が直角な内側トーションバーを介して揺動可能に軸支される内側可動部とからなり、前記外側可動部の前記外側トーションバーの軸方向と略平行な端縁部及び前記内側可動部の前記内側トーションバーの軸方向と略平行な端縁部を前記凹凸形状とした請求項１又は２に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。
前記内側可動部の前記外側トーションバーの軸方向と略平行な側縁部を凹凸形状とした請求項３に記載のプレーナ型電磁アクチュエータ。