JP4665877B2 - Actuator, optical scanner, and image forming apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、アクチュエータ、光スキャナ、および画像形成装置に関するものである。 The present invention relates to an actuator, an optical scanner, and an image forming apparatus.
近年、マイクロマシニング技術を用いて形成された捩り振動子を備えるアクチュエータが知られている(例えば、特許文献1参照。)。かかるアクチュエータは、例えば、レーザープリンタやディスプレイなどの光走査を行うための光スキャナとして用いることができる。
例えば、特許文献1には、1自由度振動系の捩り振動子を備えるアクチュエータが開示されている。このようなアクチュエータは、1自由度振動系の捩り振動子として、ミラー(質量部)をトーションバーにより支持した構造体を有している。この構造体は、Si単結晶基板を加工することにより得られる。そして、ミラーに対し間隔を隔てて電極が設けられており、この電極とミラーとの間に電圧(駆動電圧)を印加することにより、これらの間に静電引力を生じさせ、トーションバーを捩れ変形させながらミラーを回動させる。
In recent years, an actuator including a torsional vibrator formed by using a micromachining technique is known (for example, see Patent Document 1). Such an actuator can be used as, for example, an optical scanner for performing optical scanning such as a laser printer or a display.
For example,
また、かかるアクチュエータにあっては、トーションバー上に、p型の拡散抵抗が形成されている。そして、拡散抵抗に電圧を印加しつつ、トーションバーを捩れ変形による拡散抵抗での電圧値を検知する。この検知結果に基づき、拡散領域の比抵抗値の変化量を検知し、その結果に基づき、ミラーの回動角を検知する。このような検知結果に基づいてミラーを回動駆動することにより、ミラーの挙動(例えばミラーの回動角や振動の周波数)を所望のものとすることができる。 In such an actuator, a p-type diffused resistor is formed on the torsion bar. Then, while applying a voltage to the diffusion resistance, the voltage value at the diffusion resistance due to torsional deformation of the torsion bar is detected. Based on the detection result, the amount of change in the specific resistance value of the diffusion region is detected, and the rotation angle of the mirror is detected based on the result. By rotating the mirror based on such a detection result, the behavior of the mirror (for example, the rotation angle of the mirror and the frequency of vibration) can be made desired.
しかしながら、特許文献1にかかるアクチュエータにあっては、拡散抵抗の温度変化(特に昇温)により、拡散抵抗値が変化してしまうため、正確に質量部の挙動を検知することが難しい。このような温度変化は、例えば、ミラーで反射し切れなかった光によるミラーの発熱によって生じる。また、駆動方式として、前述した静電駆動方式に代えて圧電駆動方式を用いると、駆動用の圧電素子が発熱するため、その熱によっても、前述したような温度変化が生じる。
また、前述したような拡散抵抗を形成するに際し、その形成位置が設定位置から僅かでもずれてしまうと、得られるアクチュエータは、質量部の挙動を高精度に検知することが難しい。したがって、拡散抵抗の形成には、高精度を要するため、高精度な加工技術が必要であり、アクチュエータの高コスト化を招くという問題がある。
However, in the actuator according to
Further, when forming the diffusion resistance as described above, if the formation position is slightly deviated from the set position, it is difficult for the obtained actuator to detect the behavior of the mass part with high accuracy. Therefore, since the formation of the diffused resistor requires high accuracy, a high-precision processing technique is required, and there is a problem that the cost of the actuator is increased.
本発明の目的は、低コスト化を図りつつ、温度変化による影響を受けることなく、質量部の挙動を高精度に検知することができるアクチュエータ、光スキャナ、および画像形成装置を提供することにある。 An object of the present invention is to provide an actuator, an optical scanner, and an image forming apparatus that can detect the behavior of a mass part with high accuracy without being affected by temperature change while reducing costs. .
このような目的は、下記の本発明により達成される。
本発明のアクチュエータは、質量部と、
前記質量部を支持するための支持部と、
弾性変形可能な少なくとも1つの弾性部を備え、前記支持部に対して前記質量部を回動可能に連結する連結部と、
前記質量部を回動駆動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段の作動により、前記連結部の前記弾性部を捩れ変形させながら、前記質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
前記質量部の挙動を検知する挙動検知手段を有し、
前記挙動検知手段は、前記質量部の回動に伴う前記質量部の周囲の気体の振動を検知する振動検知素子を備え、該振動検知素子の検知結果に基づいて、前記質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とする。
これにより、温度変化による影響を受けることなく、質量部の挙動を高精度に検知することができる。このような挙動検知手段は、振動検知素子の取り付け位置による検知精度の変動が生じない。したがって、製造工程の簡略化を図ることができ、アクチュエータの低コスト化を図ることができる。
Such an object is achieved by the present invention described below.
The actuator of the present invention includes a mass part,
A support part for supporting the mass part;
A connecting portion that includes at least one elastic portion that is elastically deformable, and rotatably connects the mass portion to the support portion;
Drive means for rotationally driving the mass part,
An actuator configured to rotate the mass portion while twisting and deforming the elastic portion of the connecting portion by the operation of the driving means,
Having a behavior detecting means for detecting the behavior of the mass part;
The behavior detection means includes a vibration detection element that detects vibration of a gas around the mass part as the mass part rotates, and detects the behavior of the mass part based on a detection result of the vibration detection element. It is comprised so that it may do.
Thereby, the behavior of the mass part can be detected with high accuracy without being affected by the temperature change. Such behavior detection means does not vary in detection accuracy depending on the mounting position of the vibration detection element. Therefore, the manufacturing process can be simplified and the cost of the actuator can be reduced.
本発明のアクチュエータでは、前記質量部は、板状をなしており、その平面視にて、前記振動検知素子は、前記質量部と重ならない位置に設けられていることが好ましい。
これにより、振動検知素子が質量部の回動を阻害することなく、振動検知素子と質量部との間の距離を小さくすることができる。そのため、振動検知素子の出力信号を大きくして、質量部の挙動検知の検知精度を向上させることができる。
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the mass portion has a plate shape, and the vibration detection element is provided at a position not overlapping the mass portion in a plan view.
Thereby, the distance between a vibration detection element and a mass part can be made small, without a vibration detection element obstructing rotation of a mass part. Therefore, it is possible to increase the output signal of the vibration detection element and improve the detection accuracy of the mass part behavior detection.
本発明のアクチュエータでは、前記質量部は、その回動中心軸に直角な方向に延在する長手形状をなしており、前記振動検知素子は、前記質量部の平面視にて、前記質量部の長手方向での端面に対向していることが好ましい。
これにより、振動検知素子の受ける振動を大きくすることができる。そのため、振動検知素子の出力信号を大きくして、質量部の挙動検知の検知精度を向上させることができる。
In the actuator according to the aspect of the invention, the mass portion has a longitudinal shape extending in a direction perpendicular to the rotation center axis, and the vibration detection element has the mass portion in a plan view. It is preferable to face the end face in the longitudinal direction.
Thereby, the vibration which a vibration detection element receives can be enlarged. Therefore, it is possible to increase the output signal of the vibration detection element and improve the detection accuracy of the mass part behavior detection.
本発明のアクチュエータでは、前記質量部には、光反射性を有する光反射部が設けられていることが好ましい。
これにより、光スキャナ、光スイッチ、光アッテネータなどの光学デバイスに本発明を適用することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記駆動手段は、前記質量部の回動駆動のための駆動力を発生させる圧電素子を備えていることが好ましい。
これにより、駆動電圧を抑えつつ駆動力を大きくすることができる。圧電素子はその駆動に伴って発熱するが、挙動検知手段は温度変化の影響を受けないため、このような駆動手段を有するアクチュエータに本発明を適用すると、効果が顕著となる。
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the mass portion is provided with a light reflecting portion having light reflectivity.
Thereby, the present invention can be applied to optical devices such as an optical scanner, an optical switch, and an optical attenuator.
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the driving unit includes a piezoelectric element that generates a driving force for rotationally driving the mass unit.
Thereby, it is possible to increase the driving force while suppressing the driving voltage. The piezoelectric element generates heat as it is driven, but the behavior detecting means is not affected by temperature changes, so that the effect becomes remarkable when the present invention is applied to an actuator having such a driving means.
本発明のアクチュエータでは、前記質量部と前記連結部と前記振動検知素子とを収容するハウジングを有していることが好ましい。
これにより、振動検知素子は、アクチュエータの外部の影響を受けることなく、質量部の回動に伴う気体の振動を検知することができる。その結果、質量部の挙動検知の検知精度を向上させることができる。
The actuator of the present invention preferably includes a housing that accommodates the mass portion, the connecting portion, and the vibration detection element.
Thereby, the vibration detection element can detect the vibration of the gas accompanying the rotation of the mass part without being influenced by the outside of the actuator. As a result, the detection accuracy of the behavior detection of the mass part can be improved.
本発明のアクチュエータでは、前記ハウジングの内壁には、前記気体の振動を吸収する振動吸収部が設けられていることが好ましい。
これにより、ハウジングの内壁面で気体の振動(音波)が反射して振動検知素子に影響を与えるのを防止することができる。その結果、質量部の挙動検知の検知精度を向上させることができる。
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that a vibration absorbing portion that absorbs vibration of the gas is provided on the inner wall of the housing.
Thereby, it is possible to prevent the vibration (sound wave) of the gas from being reflected on the inner wall surface of the housing and affecting the vibration detecting element. As a result, the detection accuracy of the behavior detection of the mass part can be improved.
本発明のアクチュエータでは、前記ハウジング内は、気密空間であることが好ましい。
これにより、ハウジング内の気体の密度を一定に保つことができる。その結果、質量部が安定して回動するとともに、振動検知素子の検知結果の不本意な変動を防止することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記振動検知素子は、前記ハウジングに支持されていることが好ましい。
これにより、振動検知素子に対する質量部自体の振動の影響を防止することができる。
In the actuator of the present invention, it is preferable that the inside of the housing is an airtight space.
Thereby, the density of the gas in the housing can be kept constant. As a result, the mass portion can be stably rotated, and unintentional fluctuations in the detection result of the vibration detection element can be prevented.
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the vibration detection element is supported by the housing.
Thereby, the influence of the vibration of mass part itself with respect to a vibration detection element can be prevented.
本発明のアクチュエータでは、前記ハウジングから前記振動検知素子への振動の伝達を阻止する阻止部材を有することが好ましい。
これにより、振動検知素子に対する質量部自体の振動の影響をより確実に防止することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記挙動検知手段は、前記振動検知素子の検知結果に基づいて、前記質量部の振動数を検知するように構成されていることが好ましい。
これにより、質量部の振動数を高精度に検知することができる。
The actuator of the present invention preferably includes a blocking member that blocks transmission of vibration from the housing to the vibration detection element.
Thereby, the influence of the vibration of the mass part itself on the vibration detection element can be prevented more reliably.
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the behavior detection unit is configured to detect the frequency of the mass unit based on a detection result of the vibration detection element.
Thereby, the frequency of the mass part can be detected with high accuracy.
本発明のアクチュエータでは、前記挙動検知手段は、前記振動検知素子によって検知される振動の振動数の1/2を前記質量部の回動の振動数として求める演算回路を備えることが好ましい。
これにより、質量部の振動数を高精度に検知することができる。
本発明のアクチュエータでは、前記演算回路は、前記振動検知素子の出力値が設定値以上であるときにhigh信号を出力し、前記振動検知素子の出力値が前記設定以下であるときにlow信号を出力する矩形波生成回路と、該矩形波生成回路の出力がlow信号からhigh信号に切り換わるタイミングでhigh信号とlow信号とを交互に出力するフリップフロップ回路と、一定時間毎にパルスを発信するパルス発信回路と、前記フリップフロップ回路の出力がhigh信号であるときのパルス発信回路のパルス数をカウントすることにより、前記質量部の回動の振動数を算出するカウント回路とを備えていることが好ましい。
これにより、比較的簡単な構成で、質量部の振動数を高精度に検知することができる。
In the actuator according to the aspect of the invention, it is preferable that the behavior detection unit includes an arithmetic circuit that obtains 1/2 of the vibration frequency detected by the vibration detection element as the rotation frequency of the mass unit.
Thereby, the frequency of the mass part can be detected with high accuracy.
In the actuator of the present invention, the arithmetic circuit outputs a high signal when the output value of the vibration detection element is equal to or higher than a set value, and outputs a low signal when the output value of the vibration detection element is equal to or lower than the setting. A rectangular wave generating circuit to output, a flip-flop circuit that alternately outputs a high signal and a low signal at a timing when the output of the rectangular wave generating circuit switches from a low signal to a high signal, and a pulse is transmitted at regular intervals. A pulse transmission circuit; and a count circuit that calculates the frequency of rotation of the mass portion by counting the number of pulses of the pulse transmission circuit when the output of the flip-flop circuit is a high signal. Is preferred.
Thereby, the frequency of the mass part can be detected with high accuracy with a relatively simple configuration.
本発明の光スキャナは、光反射性を有する光反射部を備えた質量部と、
前記質量部を支持するための支持部と、
弾性変形可能な弾性部を備え、前記支持部に対して前記質量部を回動可能に連結する連結部と、
前記質量部を回動駆動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段の作動により、前記連結部の前記弾性部を捩れ変形させながら、前記質量部を回動させ、前記光反射部で反射した光を走査するように構成された光スキャナであって、
前記質量部の挙動を検知する挙動検知手段を有し、
前記挙動検知手段は、前記質量部の回動に伴う前記質量部の周囲の気体の振動を検知する振動検知素子を備え、該振動検知素子の検知結果に基づいて、前記質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とする。
これにより、光反射部で反射しきれず生じた熱により質量部に温度変化が生じても、高精度に質量部の挙動を検知し、その検知結果に基づいて質量部を駆動することで、光走査を所望の範囲で行うことができる。
The optical scanner of the present invention includes a mass part including a light reflecting part having light reflectivity,
A support part for supporting the mass part;
A connecting portion that includes an elastically deformable elastic portion and rotatably connects the mass portion to the support portion;
Drive means for rotationally driving the mass part,
An optical scanner configured to scan the light reflected by the light reflecting portion by rotating the mass portion while twisting and deforming the elastic portion of the connecting portion by the operation of the driving means,
Having a behavior detecting means for detecting the behavior of the mass part;
The behavior detection means includes a vibration detection element that detects vibration of a gas around the mass part as the mass part rotates, and detects the behavior of the mass part based on a detection result of the vibration detection element. It is comprised so that it may do.
As a result, even if a temperature change occurs in the mass part due to the heat that cannot be completely reflected by the light reflecting part, the behavior of the mass part is detected with high accuracy, and the mass part is driven based on the detection result. Scanning can be performed within a desired range.
本発明の画像形成装置は、光反射性を有する光反射部を備えた質量部と、
前記質量部を支持するための支持部と、
弾性変形可能な弾性部を備え、前記支持部に対して前記質量部を回動可能に連結する連結部と、
前記質量部を回動駆動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段の作動により、前記連結部の前記弾性部を捩れ変形させながら、前記質量部を回動させ、前記光反射部で反射した光を走査するように構成された光スキャナを備え、該光スキャナが光を主走査または副走査することにより画像を形成する画像形成装置であって、
前記質量部の挙動を検知する挙動検知手段を有し、
前記挙動検知手段は、前記質量部の回動に伴う前記質量部の周囲の気体の振動を検知する振動検知素子を備え、該振動検知素子の検知結果に基づいて、前記質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とする。
これにより、光走査を所望の範囲で行って、優れた画像を得ることができる。
An image forming apparatus according to the present invention includes a mass part including a light reflecting part having light reflectivity,
A support part for supporting the mass part;
A connecting portion that includes an elastically deformable elastic portion and rotatably connects the mass portion to the support portion;
Drive means for rotationally driving the mass part,
An optical scanner configured to scan the light reflected by the light reflecting portion by rotating the mass portion while twisting and deforming the elastic portion of the connecting portion by the operation of the driving means, An image forming apparatus in which an optical scanner forms an image by performing main scanning or sub-scanning of light,
Having a behavior detecting means for detecting the behavior of the mass part;
The behavior detection means includes a vibration detection element that detects vibration of a gas around the mass part as the mass part rotates, and detects the behavior of the mass part based on a detection result of the vibration detection element. It is comprised so that it may do.
Thereby, it is possible to obtain an excellent image by performing optical scanning in a desired range.
以下、本発明のアクチュエータの好適な実施形態について、添付図面を参照しつつ説明する。
図1は、本発明のアクチュエータの実施形態を示す平面図、図2は、図1中のA−A線断面図、図3は、図1に示すアクチュエータの制御系の構成を示すブロック図、図4は、図1に示すアクチュエータの駆動電圧の一例を示す図、図5は、図1に示すアクチュエータの挙動検知を説明するためのタイミングチャート、図6は、駆動電圧の周波数と第1の質量部および第2の質量部のそれぞれの振幅との関係を示すグラフである。なお、以下では、説明の便宜上、図1中の紙面手前側を「上」、紙面奥側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言い、図2中の上側を「上」、下側を「下」、右側を「右」、左側を「左」と言う。
DESCRIPTION OF EXEMPLARY EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of an actuator of the invention will be described with reference to the accompanying drawings.
1 is a plan view showing an embodiment of the actuator of the present invention, FIG. 2 is a sectional view taken along line AA in FIG. 1, and FIG. 3 is a block diagram showing a configuration of a control system of the actuator shown in FIG. 4 is a diagram showing an example of the drive voltage of the actuator shown in FIG. 1, FIG. 5 is a timing chart for explaining the behavior detection of the actuator shown in FIG. 1, and FIG. It is a graph which shows the relationship with each amplitude of a mass part and a 2nd mass part. In the following, for convenience of explanation, the front side of the paper in FIG. 1 is called “up”, the back side of the paper is called “down”, the right side is called “right”, the left side is called “left”, and the upper side in FIG. The upper side, the lower side is called “lower”, the right side is called “right”, and the left side is called “left”.
アクチュエータ1は、図1および図2に示すように、2自由度振動系を有する基体2と、この基体2の2自由度振動系を駆動するための圧電素子31、32、33、34と、基体2を接合層5を介して支持する支持基板4と、これらを収容するハウジング7と、ハウジング2内の気体の振動を検知する振動検知素子8とを有している。なお、基体2と支持基板4と接合層5とは、一体的に形成されていてもよい。
As shown in FIGS. 1 and 2, the
基体2は、1対の第1の質量部(駆動部)21、22と、1対の支持部23、24と、第2の質量部(可動部)25と、1対の第1の弾性部26、27と、1対の第2の弾性部28、29とを備えている。
ここで、第2の質量部25は質量部であり、第1の弾性部26および第2の弾性部28はそれぞれ弾性変形可能な弾性部であり、これらと第1の質量部21とが支持部23に対して第2の質量部25を回動可能に連結する連結部を構成している。また、第1の弾性部27および第2の弾性部29もそれぞれ弾性変形可能な弾性部であり、これらと第1の質量部22とが支持部24に対して第2の質量部25を回動可能に連結する連結部を構成している。
The
Here, the
このような基体2にあっては、左右対称な形状となるように、第2の質量部25を中心とし、その左方に、第2の弾性部28、第1の質量部21、支持部23が順次配設され、右方に、第2の弾性部29、第1の質量部22、支持部24が順次配設されている。
1対の第1の質量部21、22は、それぞれ、板状をなし、互いにほぼ同一寸法でほぼ同一形状をなしている。
In such a
The pair of first
また、1対の質量部21、22の間には、第2の質量部25が設けられており、1対の質量部21、22は、第2の質量部25を中心として、ほぼ左右対称となるように設けられている。
第2の質量部25は、板状をなし、その板面に光反射部251が設けられている。これにより、アクチュエータ1を光スキャナ、光アッテネータ、光スイッチなどの光デバイスに適用することができる。
In addition, a
The
このような第1の質量部21、22および第2の質量部25にあっては、第1の質量部21、22が第1の弾性部26、27を介して支持部23、24に接続され、第2の質量部25が第2の弾性部28、29を介して第1の質量部21、22に接続されている。
第1の弾性部26は、第1の質量部21を支持部23に対して回動可能とするように、第1の質量部21と支持部23とを連結している。これと同様に、第1の弾性部27は、第1の質量部22を支持部24に対して回動可能とするように、第1の質量部22と支持部24とを連結している。
In such
The first
特に、第1の弾性部26は、第1の質量部21の回動中心軸を介して互いに対向する2つの棒状連結部材261、262で構成されている。これと同様に、第1の弾性部27は、第1の質量部22の回動中心軸を介して互いに対向する2つの棒状連結部材271、272で構成されている。
第2の弾性部28は、第2の質量部25を第1の質量部21に対して回動可能とするように、第2の質量部25と第1の質量部21とを連結している。これと同様に、第2の弾性部29は、第2の質量部25を第1の質量部22に対して回動可能とするように、第2の質量部25と第1の質量部22とを連結している。
In particular, the first
The second
各第1の弾性部26、27および各第2の弾性部28、29は、同軸的に設けられており、これらを回動中心軸(回転軸)として、第1の質量部21、22が支持部23、24に対して、また、第2の質量部25が第1の質量部21、22に対して回動可能となっている。
このように、基体2は、第1の質量部21、22と第1の弾性部26、27とで構成された第1の振動系と、第2の質量部25と第2の弾性部28、29とで構成された第2の振動系とを有する。すなわち、基体2は、第1の振動系および第2の振動系からなる2自由度振動系を有する。
The first
As described above, the
このような2自由度振動系を有する基体2は、例えば、シリコンを主材料として構成されていて、第1の質量部21、22と、第2の質量部25と、支持部23、24と、第1の弾性部26、27と、第2の弾性部28、29とが一体的に形成されている。
そして、このような2自由度振動系を駆動するために、第1の弾性部26、27の棒状連結部材261、262、271、272上には、これらに対応して、圧電素子31、32、33、34が設けられている。
The
And in order to drive such a two-degree-of-freedom vibration system, on the rod-like connecting
圧電素子31は、棒状連結部材261の上面に接合され、棒状連結部材261の長手方向に伸縮するように構成されている。これにより、圧電素子31は、その伸縮により、棒状連結部材261を上下方向に曲げ変形させる。また、圧電素子32は、棒状連結部材262の上面に接合され、棒状連結部材262の長手方向に伸縮するように構成されている。これにより、圧電素子32は、その伸縮により、棒状連結部材262を上下方向に曲げ変形させる。
The
言い換えれば、圧電素子31は、棒状連結部材261の長手方向に沿って延在し、その延在方向に伸縮することにより、棒状連結部材261を曲げ変形させる。これにより、比較的簡単な構成で、より確実に、圧電素子31により棒状連結部材261を曲げ変形させることができる。これと同様に、圧電素子32は、棒状連結部材262の長手方向に沿って延在し、その延在方向に伸縮することにより、棒状連結部材262を曲げ変形させる。これにより、比較的簡単な構成で、より確実に、圧電素子32により棒状連結部材262を曲げ変形させることができる。
In other words, the
より具体的には、圧電素子31は、圧電材料を主材料として構成された圧電体層311と、この圧電体層311を挟持する1対の電極312、313とを有している。そして、図2にて下側に位置する電極312が棒状連結部材261の上面に接合されている。このように圧電素子31が構成されていると、比較的簡単な構成で、より確実に、圧電素子31により棒状連結部材261を曲げ変形させることができる。
More specifically, the
圧電体層311は、棒状連結部材261の上面全域を覆うとともに、棒状連結部材261と支持部23との接合部を跨ぐように設けられている。これにより、圧電素子31の駆動力を棒状連結部材261により効率的に伝達することができる。その結果、駆動電圧をより低減するとともに、棒状連結部材261をより大きく曲げ変形させることができる。
この圧電材料としては、例えば、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウム、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)、チタン酸バリウム、その他、各種のものが挙げられ、これらのうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができるが、特に、酸化亜鉛、窒化アルミニウム、タンタル酸リチウム、ニオブ酸リチウム、ニオブ酸カリウムおよびチタン酸ジルコン酸鉛のうちの少なくとも1種を主とするものが好ましい。このような材料で圧電体層311を構成することにより、より高い周波数でアクチュエータ1を駆動することができる。
The
Examples of the piezoelectric material include zinc oxide, aluminum nitride, lithium tantalate, lithium niobate, potassium niobate, lead zirconate titanate (PZT), barium titanate, and various other materials. One or more of them can be used in combination, but at least one of zinc oxide, aluminum nitride, lithium tantalate, lithium niobate, potassium niobate and lead zirconate titanate is mainly used. Are preferred. By configuring the
電極312は、圧電体層311よりも長尺となっていて、支持部23上にまで延在している。一方。電極313は、圧電体層311の長さとほぼ同じ長さになっている。そして、電極313は、例えばワイヤーボンディングにより形成された配線を介して、支持部23上に設けられた端子314に接続されている。このような電極312および端子314には、後述する電源回路12が接続されている。これにより、各圧電素子31、32、33、34は、電源回路12に接続され、各圧電素子31、32、33、34の電極間に交流電圧(駆動電圧)が印加されるようになっている。
The
このような圧電素子31は、電極312と電極313(端子314)との間に電圧を印加すると、圧電体層311は、その圧電効果により、棒状連結部材261の長手方向に平行に伸縮する。これにより、圧電素子31は、その伸縮により、棒状連結部材261を上下方向に曲げ変形させる。
このような圧電素子31と同様に、圧電素子32は構成されており、電極322と端子324との間に電圧を印加すると、圧電素子32中の圧電体層(図示せず)は、その圧電効果により、棒状連結部材262の長手方向に平行に伸縮する。これにより、圧電素子32は、その伸縮により、棒状連結部材262を上下方向に曲げ変形させる。
このような圧電素子31、32は、ともに基体2の上面に設けられているので、互いに伸縮動を交互に行うように動作させると、2つの棒状連結部材261、262を互いに逆方向に曲げ変形させる。これにより、2つの棒状連結部材261、262で構成された第1の弾性部26全体が捩り変形する。
In such a
Similar to the
Since such
前述した圧電素子31、32と同様に、圧電素子33、34は構成されている。すなわち、圧電素子33に関し、電極332と電極333(端子334)との間に電圧を印加すると、圧電素子33中の圧電体層331は、その圧電効果により、棒状連結部材271の長手方向に平行に伸縮する。これにより、圧電素子33は、その伸縮により、棒状連結部材271を上下方向に曲げ変形させる。また、圧電素子34に関し、電極342と端子344との間に電圧を印加すると、圧電素子34中の圧電体層(図示せず)は、その圧電効果により、棒状連結部材272の長手方向に平行に伸縮する。これにより、圧電素子34は、その伸縮により、棒状連結部材272を上下方向に曲げ変形させる。
このような圧電素子33、34は、圧電素子31、32と同様に、ともに基体2の上面に設けられているので、交互に動作させると、2つの棒状連結部材271、272を互いに逆方向に曲げ変形させる。これにより、2つの棒状連結部材271、272で構成された第1の弾性部27全体が捩り変形する。
Similarly to the
Since the
前述したような基体2を支持するための支持基板4は、接合層5を介して基体2に接合されている。接合層5は、例えば、ガラス、シリコン、またはSiO2を主材料として構成されている。
また、支持基板4は、例えば、ガラスやシリコンを主材料として構成されている。
支持基板4の上面には、図2に示すように、第2の質量部25に対応する部分に開口部41が形成されている。
The
Further, the
On the upper surface of the
この開口部41は、第2の質量部25が回動(振動)する際に、支持基板4に接触するのを防止する逃げ部を構成する。開口部(逃げ部)41を設けることにより、アクチュエータ1全体の大型化を防止しつつ、第2の質量部25の振れ角(振幅)をより大きく設定することができる。
なお、前述したような逃げ部は、前記効果を十分に発揮し得る構成であれば、必ずしも支持基板4の下面(第2の質量部25と反対側の面)で開放(開口)していなくてもよい。すなわち、逃げ部は、支持基板4の上面に形成された凹部で構成することもできる。
The
Note that the relief portion as described above is not necessarily opened (opened) on the lower surface (surface opposite to the second mass portion 25) of the
以上説明したような基体2と圧電素子31〜34と支持基板4と接合とからなる構造体を収容するハウジング7は、枠状または筒状をなす側壁部材71と、この側壁部材71の上側の開口を覆うように設けられた上壁部材72と、側壁部材71の下側の開口を覆うように設けられた下壁部材73とを有している。
側壁部材71は、その内部空間が前記構造体よりも大きい寸法で形成されている。
側壁部材71の構成材料としては、特に限定されないが、例えば、金属、シリコン、ガラスなどが好適に用いられる。
このような側壁部材71の上側には、その開口を覆うように、上壁部材72が接合されている。
The
The
Although it does not specifically limit as a constituent material of the
An
本実施形態では、上壁部材72は、側壁部材71に気密的に接合されている。
また、上壁部材72は、ガラスなどで構成され、光透過性を有している。なお、アクチュエータ1を光学デバイスではなくマイクロレゾネータとして用いる場合などには、上壁部材72の構成材料は、特に限定されず、例えば、シリコン、金属などで構成されていてもよい。
In the present embodiment, the
Further, the
一方、側壁部材71の下側には、その開口を覆うように、下壁部材73が接合されている。
本実施形態では、下壁部材73は、側壁部材71に気密的に接合されている。前述したように上壁部材72も側壁部材71に気密的に接合されていることから、側壁部材71と上壁部材72と下壁部材73とでこれらの間に気密空間を形成している。すなわち、ハウジング7の収容空間は気密空間となっている。
On the other hand, a
In the present embodiment, the
このような気密空間、すなわちハウジング7内には、気体が収容されている。この気体としては、特に限定されず、例えば、空気であっても、窒素、アルゴンなどの不活性ガスであってもよい。ハウジング7内の気体として空気を用いると、ハウジング7を気密的に製造する必要がなくなり、また、高価なガスを用いないため、アクチュエータの低コスト化を図ることができる。また、ハウジング7内の気体として不活性ガスを用いると、基体2の振動系の振動特性を良好なものとし、また、かかる振動系の劣化を防止することができる。
Gas is accommodated in such an airtight space, that is, the
また、下壁部材73の構成材料は、特に限定されないが、例えば、ガラス、シリコン、金属などが好適に用いられる。
このようなハウジング7の下壁部材73の上面には、前述した基体2等からなる構造体が接着剤等により接合されている。
また、ハウジング7の上壁部材72の下面には、振動検知素子8が接着剤等により接合されている。
The constituent material of the
On the upper surface of the
In addition, the
振動検知素子8は、前述した第2の質量部25の回動に伴う第2の質量部25の周辺の気体の振動(音波)を検知する機能を有する。本実施形態では、振動検知素子8は、板状をなす第2の質量部25(非駆動状態)の平面視にて、第2の質量部25と重ならない位置に設けられている。また、振動検知素子8は、第2の質量部25の近傍で、非駆動状態の第2の質量部25の平面視にて、第2の質量部25の長手方向での端面(図1にて上側の端面)に対向している。
The
このような振動検知素子8としては、前述した機能を有するものであれば特に限定されないが、音波を電気信号に変換するもの、すなわち、マイクロフォン(マイク)を好適に用いることができる。
マイクロフォンとしては、特に限定されず、例えば、ムービング・コイル型マイク、リボン型マイク、コンデンサ型マイク、カーボンマイク、圧電マイクなどを用いることができる。また、マイクロフォンは、アクチュエータ1の設計(第2の質量部25の回動の振動数など)に応じて、適宜選択・設計される。
Such a
The microphone is not particularly limited, and for example, a moving coil microphone, a ribbon microphone, a capacitor microphone, a carbon microphone, a piezoelectric microphone, or the like can be used. Further, the microphone is appropriately selected and designed according to the design of the actuator 1 (such as the frequency of rotation of the second mass unit 25).
また、マイクロフォンとしては、無指向性、双指向性、単一指向性、鋭指向性、超指向性などのいずれの指向性のマイクロフォンであっても用いることができるが、単一指向性、鋭指向性、超指向性のマイクロフォンを用いるのが好ましい。これにより、振動検知素子8の検知精度を向上させることができる。この場合、マイクロフォンは、その振動板(ダイヤフラム)が第2の質量部25に対向するように設けるのが好ましい。
このような振動検知素子8によって検知された振動は第2の質量部25の回動の振動に応じたものであるため、振動検知素子8の検知結果に基づいて、第2の質量部25の挙動(特に振動数)を検知することができ、また、検知された挙動に基づいて、第2の質量部25の挙動を所望の挙動となるように制御することができる。
As the microphone, any directional microphone such as omnidirectional, bidirectional, unidirectional, sharp directivity, and superdirectivity can be used. It is preferable to use a directional or super-directional microphone. Thereby, the detection accuracy of the
Since the vibration detected by the
ここで、図3に基づいて、アクチュエータ1の制御系を説明する。
アクチュエータ1では、図3に示すように、振動検知素子8が、増幅回路9を介して、振動検知素子8によって検知される振動の振動数の1/2を第2の質量部25の回動の振動数として求める演算回路10に接続されている。そして、この演算回路10は、第2の質量部25の駆動を制御するための制御回路11に接続されている。
Here, the control system of the
In the
この制御回路11には、圧電素子31〜34に電圧を印加する電源回路12と、光走査などのための光源14の駆動する光源駆動回路13とが接続されている。
以下、アクチュエータ1の制御系を構成する各部を順次説明する。
増幅回路9は、振動検知素子8の出力信号を増幅する機能を有する。これにより、第2の質量部25の検知精度を向上させることができる。
The
Hereinafter, each part which comprises the control system of the
The amplifier circuit 9 has a function of amplifying the output signal of the
演算回路10は、振動検知素子8によって検知される振動の振動数の1/2を前記質量部の回動の振動数として求める機能を有する。これにより、第2の質量部25の振動数を高精度に検知することができる。
具体的に説明すると、本実施形態では、演算回路10は、増幅回路9に接続された矩形波生成回路101と、矩形波生成回路101に接続されたフリップフロップ回路102と、フリップフロップ回路102に接続されたカウント回路103と、カウント回路103に接続されたパルス発信回路104とを備えている。
The
Specifically, in this embodiment, the
矩形波生成回路101は、振動検知素子8(増幅回路9)の出力値が設定値(閾値)以上であるときにhigh信号を出力し、振動検知素子8の出力値が前記設定以下であるときにlow信号を出力する機能を有する。
フリップフロップ回路102は、矩形波生成回路101の出力がlow信号からhigh信号に切り換わるタイミングでhigh信号とlow信号とを交互に出力する機能を有する。
The rectangular
The flip-
パルス発信回路104は、一定時間毎にパルスを発信する機能を有する。
カウント回路103は、フリップフロップ回路102の出力がhigh信号であるときのパルス発信回路104のパルス数をカウントすることにより、第2の質量部25の回動の振動数を算出する機能を有する。
このように演算回路10が構成されていることにより、比較的簡単な構成で、第2の質量部25の振動数を高精度に検知することができる。このような演算回路10、増幅回路9、および振動検知素子8で、第2の質量部25の挙動(特に振動数)を検知する挙動検知手段が構成されている。
The
The
Since the
このような演算回路10が接続された制御回路11は、演算回路10の演算結果(すなわち振動検知手段によって検知された振動)に基づいて、電源回路12および光源駆動回路13をそれぞれ制御する。これにより、圧電素子31〜34の駆動状態を所望のものとし、その結果、第2の質量部25の挙動を所望のものとすることができる。また、光源14から照射され光反射部251で反射した光を所望の範囲で走査することができる。
The
以上のような構成のアクチュエータ1は、次のようにして駆動する。
例えば、図4(a)に示すような電圧を圧電素子32、34に印加するとともに、図4(b)に示すような電圧を圧電素子31、33に印加する。すなわち、互いに位相の180°ずれた電圧を圧電素子32、34と圧電素子31、33とに印加する。すると、圧電素子31、33を伸張させるとともに圧電素子32、34を収縮させる状態と、圧電素子31、33を収縮させるとともに圧電素子32、34を伸長させる状態とを交互に繰り返す。
The
For example, a voltage as shown in FIG. 4A is applied to the
これにより、第1の弾性部26、27が捩れ変形して、第1の質量部21、22が支持部23、24に対し回動(振動)する。
このとき、各棒状連結部材261、262、271、272が主として曲げ変形することにより第1の弾性部26全体および第1の弾性部27全体がそれぞれ捩り変形するため、第1の弾性部26、27に生じる応力を低減することができる。そのため、大きな振れ角で駆動することができる。
Accordingly, the first
At this time, since the rod-shaped connecting
また、圧電素子31、32、33、34により駆動力を得るため、低電圧駆動であっても比較的大きな駆動力で駆動することができる。そのため、低電圧駆動であっても、第1の弾性部26、27のバネ定数を高めて、高周波で駆動することができる。特に、圧電素子31、32、33、34の駆動力は比較的高いため、第1の弾性部26、27のバネ定数が比較的高くても、振れ角を大きくすることが可能である。
Further, since the driving force is obtained by the
そして、この第1の質量部21、22の振動(駆動)に伴って、第2の弾性部28、29を介して連結されている第2の質量部25も、第2の弾性部28、29を軸に、支持基板4の板面(図1における紙面)に対して傾斜するように振動(回動)する。
このように第2の質量部25が回動すると、第2の質量部25の周囲の気体が振動する(すなわち音波が発生する)。
The second
When the
このような気体の振動は、振動検知素子8で検知される。その際、振動検知素子8の出力信号は、図5(a)に示すように、周期的に変動している。第2の質量部25の振動検知素子8側の端部は、振動検知素子8の検知部近傍を第2の質量部25の回動(振動)の1周期につき2回通過する。したがって、振動検知素子8の出力信号の周期tは、第2の質量部25の回動の周期Tの1/2となっている。すなわち、振動検知素子8の出力信号の振動数は、第2の質量部25の回動の振動数の2倍となっている。
Such vibration of the gas is detected by the
このような振動検知素子8の出力信号は、増幅回路9にて、図5(b)に示すように、増幅される。
そして、その増幅された信号が、矩形波生成回路101にて、図5(c)に示すような周期T/2(すなわち周期t)で立ち上がる矩形波信号に変換される。
矩形波生成回路101から出力された矩形波信号は、フリップフロップ回路102にて、図5(d)に示すような周期T(すなわち周期2t)で立ち上がる矩形波信号に変換される。
The output signal of the
Then, the amplified signal is converted by the rectangular
The rectangular wave signal output from the rectangular
一方、パルス発信回路104は、図5(e)に示すように、一定間隔(パルス発信周期)でパルス信号を発信している。
そして、カウント回路103は、フリップフロップ回路102から出力された矩形波信号の周期T間での、パルス発信回路104からのパルス信号の数をカウントし、そのカウント数に、パルス発信回路104でのパルス発信周期を乗じることにより、第2の質量部25の回動の振動数を求める。
On the other hand, as shown in FIG. 5E, the
Then, the
このようにして求められた振動数に基づき、制御回路11は、電源回路12および光源駆動回路13の駆動を制御する。
以上のようなアクチュエータ1によれば、振動検知素子8が、第2の質量部25の回動に伴う第2の質量部25の周囲の気体の振動(すなわち音波)を検知し、その検知結果に基づいて、第2の質量部25の挙動を検知するように構成されているため、温度変化による影響を受けることなく、第2の質量部25の挙動を高精度に検知することができる。このような挙動検知手段は、振動検知素子8の取り付け位置による検知精度の変動が生じないし、また、第2の質量部等からなる振動系を構成する構造体とは別体として製造することができる。したがって、製造工程の簡略化を図ることができ、アクチュエータ1の低コスト化を図ることができる。
Based on the vibration frequency thus obtained, the
According to the
特に、アクチュエータ1では、振動検知素子8の検知結果に基づいて、第2の質量部25の振動数を高精度に検知することができる。
また、アクチュエータ1では、駆動手段として圧電駆動方式(圧電素子31〜34を有するもの)を採用していて、圧電素子31〜34はその駆動に伴って発熱するが、振動検知素子8(挙動検知手段)は温度変化の影響を受けないため、このような駆動手段を有するアクチュエータ1に本発明を適用すると、その効果(第2の質量部25の挙動検知の精度向上)が顕著となる。
In particular, the
The
また、振動検知素子8は、板状をなす第2の質量部25(非駆動状態)の平面視にて、第2の質量部25と重ならない位置に設けられているため、振動検知素子8が第2の質量部25の回動を阻害することなく、振動検知素子8と第2の質量部25との間の距離を小さくすることができる。そのため、振動検知素子8の出力信号を大きくして、第2の質量部25の挙動検知の検知精度を向上させることができる。
In addition, the
また、振動検知素子8は、第2の質量部25の平面視にて、第2の質量部25の長手方向での端面に対向しているため、振動検知素子8の受ける振動を大きくすることができる。そのため、振動検知素子8の出力信号を大きくして、第2の質量部25の挙動検知の検知精度を向上させることができる。
また、基体2(振動系)と振動検知素子8とをハウジング7内に収容しているため、振動検知素子8は、アクチュエータ1の外部の影響を受けることなく、第2の質量部25の回動に伴う気体の振動を検知することができる。その結果、第2の質量部25の挙動検知の検知精度を向上させることができる。
Further, since the
Further, since the base body 2 (vibration system) and the
また、ハウジング7内が気密空間であるため、ハウジング7内の気体の密度を一定に保つことができる。その結果、第2の質量部25が安定して回動するとともに、振動検知素子8の検知結果(出力信号)の不本意な変動を防止することができる。
また、振動検知素子8がハウジング7に支持されているため、振動検知素子8に対する第2の質量部25自体の振動の影響を防止することもできる。
Moreover, since the inside of the
Further, since the
このようなハウジング7の内壁には、気体の振動を吸収する振動吸収部が設けられているのが好ましい。これにより、ハウジング7の内壁面で気体の振動(音波)が反射して振動検知素子8に影響を与えるのを防止することができる。その結果、第2の質量部25の挙動検知の検知精度を向上させることができる。
また、ハウジング7から振動検知素子8への振動の伝達を阻止する阻止部材を有するのが好ましい。これにより、振動検知素子8に対する第2の質量部25自体の振動の影響をより確実に防止することができる。この阻止部材としては、例えば、ゴムのような振動吸収性を有する部材を好適に用いることができ、例えば、このような部材をハウジング7と振動検知素子8との間や、支持基板4とハウジング7との間や、ハウジング7の側壁部材71と上壁部材72との間や、ハウジング7の側壁部材71と下壁部材73との間に介在させたり、ハウジング7の側壁部材71をゴムのような振動吸収性を有する部材で構成することにより実現することができる。
It is preferable that a vibration absorbing portion for absorbing gas vibration is provided on the inner wall of the
In addition, it is preferable to have a blocking member that blocks transmission of vibration from the
また、アクチュエータ1においては、第1の質量部21の回動中心軸からこれに直角な方向(長手方向)での長さ(最大長)をL1とし、第1の質量部22の回動中心軸からこれに直角な方向(長手方向)での長さ(最大長)をL2とし、第2の質量部25の回動中心軸からこれに直角な方向での長さ(最大長)をL3としたとき、本実施形態では、第1の質量部21、22が、それぞれ独立して設けられているため、第2の質量部25の大きさ(長さL3)にかかわらず、第1の質量部21、22と第2の質量部25とが干渉せず、L1およびL2を小さくすることができる。これにより、第1の質量部21、22の回転角度(振れ角)を大きくすることができ、その結果、第2の質量部25の回転角度を大きくすることができる。
In the
ここで、第1の質量部21、22および第2の質量部25の寸法は、それぞれ、L1<L3かつL2<L3なる関係を満足するよう設定されるのが好ましい。
前記関係を満たすことにより、L1およびL2をより小さくすることができ、第1の質量部21、22の回転角度をより大きくすることができ、第2の質量部25の回転角度をさらに大きくすることができる。
Here, it is preferable that the dimensions of the
By satisfying the above relationship, L 1 and L 2 can be made smaller, the rotation angle of the
この場合、第2の質量部25の最大回転角度が、20°以上となるように構成されるのが好ましい。
これらによって、第1の質量部21、22の低電圧駆動と、第2の質量部25の大回転角度での振動(回動)とを実現することができる。
このため、このようなアクチュエータ1を、例えばレーザープリンタや、走査型共焦点レーザー顕微鏡等の装置に用いられる光スキャナに適用した場合には、より容易に装置を小型化することができる。
In this case, it is preferable that the maximum rotation angle of the
By these, the low voltage drive of the
For this reason, when such an
なお、前述したように、本実施形態では、L1とL2とはほぼ等しく設定されているが、L1とL2とが異なっていてもよいことは言うまでもない。
ところで、このような質量部21、22、25よりなる振動系(2自由度振動系)では、第1の質量部21、22および第2の質量部25の振幅(振れ角)と、圧電素子31、32、33、34に印加する交流電圧の周波数との間に、図6に示すような周波数特性が存在している。
As described above, in the present embodiment, L 1 and L 2 are set to be substantially equal, but it goes without saying that L 1 and L 2 may be different.
By the way, in such a vibration system (two-degree-of-freedom vibration system) including the
すなわち、かかる振動系は、第1の質量部21、22の振幅と、第2の質量部25の振幅とが大きくなる2つの共振周波数fm1[kHz]、fm3[kHz](ただし、fm1<fm3)と、第1の質量部21、22の振幅がほぼ0となる、1つの反共振周波数fm2[kHz]とを有している。
この振動系では、各圧電素子31、32、33、34に印加する交流電圧の周波数Fが、2つの共振周波数のうち低いもの、すなわち、fm1とほぼ等しくなるように設定するのが好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振幅を抑制しつつ、第2の質量部25の振れ角(回転角度)を大きくすることができる。
That is, the vibration system has two resonance frequencies fm 1 [kHz] and fm 3 [kHz] (however, fm) in which the amplitude of the
In this vibration system, the frequency F of the AC voltage applied to the
なお、本明細書中では、F[kHz]とfm1[kHz]とがほぼ等しいとは、(fm1−1)≦F≦(fm1+1)の条件を満足することを意味する。
第1の質量部21、22の平均厚さは、それぞれ、1〜1500μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
第2の質量部25の平均厚さは、1〜1500μmであるのが好ましく、10〜300μmであるのがより好ましい。
In this specification, F [kHz] and fm 1 [kHz] being substantially equal means that the condition of (fm 1 −1) ≦ F ≦ (fm 1 +1) is satisfied.
The average thicknesses of the
The average thickness of the second
第1の弾性部26、27のばね定数k1は、1×10−3〜1×105Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×104Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×103Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第2の質量部25の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
一方、第2の弾性部28、29のばね定数k2は、1×10−4〜1×104Nm/radであるのが好ましく、1×10−2〜1×103Nm/radであるのがより好ましく、1×10−1〜1×102Nm/radであるのがさらに好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部25の振れ角をより大きくすることができる。
The spring constant k 1 of the first
On the other hand, the spring constant k 2 of the second
また、第1の弾性部26、27のばね定数をk1、第2の弾性部28、29のばね定数をk2としたとき、k1>k2なる関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部25の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
Further, it is preferable that the relationship of k 1 > k 2 is satisfied, where k 1 is the spring constant of the first
さらに、第1の質量部21、22の慣性モーメントをJ1とし、第2の質量部25の慣性モーメントをJ2としたとき、J1とJ2とは、J1≦J2なる関係を満足することが好ましく、J1<J2なる関係を満足することがより好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部25の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
Furthermore, the moment of inertia of the first
ところで、第1の質量部21、22と第1の弾性部26、27とからなる第1の振動系の固有振動数ω1は、第1の質量部21、22の慣性モーメントJ1と、第1の弾性部26、27のばね定数k1とにより、ω1=(k1/J1)1/2によって与えられる。一方、第2の質量部25と第2の弾性部28、29とからなる第2の振動系の固有振動数ω2は、第2の質量部25の慣性モーメントJ2と、第2の弾性部28、29のばね定数k2とにより、ω2=(k2/J2)1/2によって与えられる。
By the way, the natural frequency ω 1 of the first vibration system including the
このようにして求められる第1の振動系の固有振動数ω1と第2の振動系の固有振動数ω2とは、ω1>ω2なる関係を満足するのが好ましい。これにより、第1の質量部21、22の振れ角を抑制しつつ、第2の質量部25の回転角度(振れ角)をより大きくすることができる。
このようなアクチュエータ1は、例えば、次のようにして製造することができる。
図7および図8は、それぞれ、第1実施形態のアクチュエータ1の製造方法を説明するための図(縦断面図)である。なお、図7および図8は、それぞれ、図1におけるA−A線断面に対応する断面を示している。また、以下では、説明の便宜上、図7および図8中の上側を「上」、下側を「下」と言う。
It is preferable that the natural frequency ω 1 of the first vibration system and the natural frequency ω 2 of the second vibration system obtained in this way satisfy the relationship ω 1 > ω 2 . Thereby, the rotation angle (swing angle) of the
Such an
7 and 8 are views (longitudinal sectional views) for explaining the method for manufacturing the
[A1]
まず、図7(a)に示すように、Si層61、SiO2層62、Si層63が順次積層されたSOI基板6を用意し、SOI基板6の一方の面(Si層61側の面)に、電極312、322、332、342および端子314、324、334、344を形成する。
電極312、322、332、342および端子314、324、334、344の形成は、SOI基板6に金属膜を成膜し、電極312、322、332、342および端子314、324、334、344の形状に対応する形状をなすレジストマスクを介して金属膜をエッチングを行った後、レジストマスクを除去することにより行うことができる。
[A1]
First, as shown in FIG. 7A, an
The
金属膜の成膜方法としては、例えば、プラズマCVD、熱CVD、レーザーCVDのような化学蒸着法(CVD)、真空蒸着、スパッタリング、イオンプレーティング等の乾式メッキ法、電解メッキ、浸漬メッキ、無電解メッキ等の湿式メッキ法、溶射、シート状部材の接合等を用いることができる。なお、以下の各工程における金属膜の成膜においても、同様の方法を用いることができる。 Examples of metal film deposition methods include chemical vapor deposition (CVD) such as plasma CVD, thermal CVD, and laser CVD, dry plating methods such as vacuum deposition, sputtering, and ion plating, electrolytic plating, immersion plating, and nothing. Wet plating methods such as electrolytic plating, thermal spraying, and joining of sheet-like members can be used. Note that the same method can also be used for forming a metal film in the following steps.
エッチング方法としては、例えば、プラズマエッチング、リアクティブイオンエッチング、ビームエッチング、光アシストエッチング等の物理的エッチング法、ウェットエッチング等の化学的エッチング法等のうちの1種または2種以上を組み合わせて用いることができる。なお、以下の各工程におけるエッチングにおいても、同様の方法を用いることができる。 As an etching method, for example, one or more of physical etching methods such as plasma etching, reactive ion etching, beam etching, and light-assisted etching, and chemical etching methods such as wet etching are used in combination. be able to. Note that the same method can be used for etching in the following steps.
[A2]
次に、図7(b)に示すように、電極312、322、332、342上に、対応する圧電体層311、331(電極322、342に対応する圧電体層は図示せず。以下、圧電体層311、331等という)を形成する。
圧電体層311、331等の形成は、前述した工程[A1]の電極312、322、332、342の形成と同様にして行うことができる。
[A2]
Next, as shown in FIG. 7B, on the
The formation of the
[A3]
次に、図7(c)に示すように、SOI基板6のSi層61の一部を除去して、第1の質量部21、22と支持部23、24と第2の質量部25と第1の弾性部26、27と第2の弾性部28、29とを形成する。これにより、基体2が得られる。
第1の質量部21、22と支持部23、24と第2の質量部25と第1の弾性部26、27と第2の弾性部28、29との形成は、SOI基板6に金属膜もしくはシリコン酸化膜を成膜し、第1の質量部21、22と支持部23、24と第2の質量部25と第1の弾性部26、27と第2の弾性部28、29との形状に対応する形状をなすレジストマスクを介して金属膜もしくはシリコン酸化膜のエッチングを行った後、レジストマスクを除去し、金属膜もしくはシリコン酸化膜をマスクとしてSi層61の一部をエッチングすることにより行うことができる。
このとき、SOI基板6の中間層たるSiO2層は、前記エッチングのストップ層として機能する。
エッチング方法としては、前述の工程[A1]と同様のものを用いることができる。
[A3]
Next, as shown in FIG. 7C, a part of the
The
At this time, the SiO 2 layer as an intermediate layer of the
As an etching method, the same method as the above-mentioned step [A1] can be used.
[A4]
次に、図7(d)に示すように、SOI基板6のSi層63の一部を除去して、凹部(開口部41)を形成する。
この凹部の形成方法としては、前述した工程[A3]と同様のものを用いることができる。
[A4]
Next, as shown in FIG. 7D, a part of the
As a method for forming the recess, the same method as in the above-described step [A3] can be used.
[A5]
次に、図7(e)に示すように、圧電体層311、331等上に、これらに対応する電極313、333(電極322、342に対応する電極は図示せず。以下、電極313、333等という)を形成するとともに、第2の質量部25上に光反射部251を形成する。
電極313、333等および光反射部251の形成方法としては、前述した工程[A1]と同様の方法を用いることができる。
[A5]
Next, as shown in FIG. 7E,
As a method for forming the
[A6]
次に、図7(f)に示すように、SOI基板6のSiO2層62の一部を除去して、接合層5を形成する。
[A7]
一方、図8(a)に示すように、ガラス基板等である上壁部材72に振動検知素子8を取り付け、また、図8(b)に示すように、側壁部材71と下壁部材73とを接合して、箱体を製造する。
[A6]
Next, as shown in FIG. 7F, a part of the SiO 2 layer 62 of the
[A7]
On the other hand, as shown in FIG. 8A, the
[A8]
次に、図8(c)に示すように、[A6]で得られた構造体を、[A7]で得られた箱体内に収容し接着剤等で接合・固定した後、かかる箱体の開口を覆うように上壁部材72を接合する。これにより、本実施形態のアクチュエータ1が得られる。
以上のようにして、第1実施形態のアクチュエータ1が製造される。
[A8]
Next, as shown in FIG. 8C, the structure obtained in [A6] is accommodated in the box obtained in [A7], joined and fixed with an adhesive, etc. The
As described above, the
上述したようなアクチュエータ1は、各種の電子機器に適用することができ、得られる電子機器は、信頼性の高いものとなる。
以上説明したようなアクチュエータ1は、光反射部で反射した光を走査する光スキャナとして用いた場合、例えば、レーザープリンタ、バーコードリーダー、走査型共焦点レーザー顕微鏡、イメージング用ディスプレイ等の画像形成装置に好適に適用することができる。
The
When the
このような画像形成装置では、アクチュエータ1が光を走査(主走査または副走査)することにより、画像を形成する。例えば、レーザープリンタの場合、アクチュエータ1が光を走査して感光ドラム上に潜像を形成する。また、イメージング用ディスプレイの場合、光を、アクチュエータ1が主走査するとともに、ガルバノミラー(アクチュエータ1であってもよい)が副走査することにより、スクリーン上に画像を形成する。
In such an image forming apparatus, the
以上、本発明のアクチュエータについて、図示の実施形態に基づいて説明したが、本発明はこれに限定されるものではない。例えば、本発明のアクチュエータでは、各部の構成は、同様の機能を発揮する任意の構成のものに置換することができ、また、任意の構成を付加することもできる。
また、前述した実施形態では、棒状連結部材が直線状をなしていたが、2つの棒状連結部材を互いに逆方向に主として曲げ変形させることにより、第1の弾性部全体を捩り変形させることができるものであれば、棒状連結部材の形状は任意である。例えば、棒状連結部材は湾曲していてもよい。
The actuator of the present invention has been described based on the illustrated embodiment, but the present invention is not limited to this. For example, in the actuator of the present invention, the configuration of each part can be replaced with an arbitrary configuration that exhibits the same function, and an arbitrary configuration can be added.
In the above-described embodiment, the rod-like connecting member has a linear shape, but the entire first elastic portion can be torsionally deformed by mainly bending the two rod-like connecting members in opposite directions. If it is a thing, the shape of a rod-shaped connection member is arbitrary. For example, the rod-like connecting member may be curved.
また、前述した実施形態では、圧電素子が棒状連結部材の上面に接合されていたが、棒状連結部材を互いに逆方向に主として曲げ変形させることができるものであれば、棒状連結部材の下面に接合されていてもよく、圧電素子の配置は任意である。
また、前述した実施形態では、アクチュエータの中心を通り第1の質量部や第2の質量部の回動軸線に直角な面に対しほぼ対称(左右対称)な形状をなしている構造を説明したが、非対称であってもよい。
In the above-described embodiment, the piezoelectric element is bonded to the upper surface of the rod-shaped connecting member. However, if the rod-shaped connecting member can be bent and deformed mainly in opposite directions, the piezoelectric element is bonded to the lower surface of the rod-shaped connecting member. The arrangement of the piezoelectric elements is arbitrary.
In the above-described embodiment, a structure has been described in which the shape is substantially symmetric (symmetric) with respect to a plane that passes through the center of the actuator and is perpendicular to the rotation axis of the first mass portion and the second mass portion. However, it may be asymmetric.
また、前述した実施形態では、本発明を2自由度振動系のアクチュエータに適用した例を説明したが、1自由度振動系または3自由度以上の振動系のアクチュエータに本発明を適用することができるのは言うまでもない。すなわち、本発明のアクチュエータにおける連結部は、弾性変形可能な弾性部を備え、支持部に対して前記質量部を回動可能に連結するものであれば、前述した実施形態の形状に限定されない。
また、前述した実施形態では、光反射部が第2の質量部の上面(支持基板とは逆側の面)に設けられている構成について説明したが、例えば、その逆の面に設けられている構成であってもよいし、両方の面に設けられている構成であってもよい。
In the above-described embodiment, an example in which the present invention is applied to a two-degree-of-freedom vibration system actuator has been described. However, the present invention can be applied to a one-degree-of-freedom vibration system or a vibration system actuator having three or more degrees of freedom. Needless to say, you can. That is, the connecting portion in the actuator of the present invention is not limited to the shape of the above-described embodiment as long as the connecting portion includes an elastic portion that can be elastically deformed, and the mass portion is rotatably connected to the support portion.
In the above-described embodiment, the configuration in which the light reflecting portion is provided on the upper surface of the second mass portion (the surface opposite to the support substrate) has been described. For example, the light reflecting portion is provided on the opposite surface. The structure which is provided may be sufficient and the structure provided in both surfaces may be sufficient.
1……アクチュエータ 2……基体 21、22……第1の質量部 23、24……支持部 25……第2の質量部 251……光反射部 26、27……第1の弾性部 261、262、271、272……棒状連結部材 28、29……第2の弾性部 31、32、33、34……圧電素子 311、331……圧電体層 312、313、322、332、333、342……電極 314、324、334、344……端子 4……支持基板 41……開口部 5……接合層 6……SOI基板 61……Si層 62……SiO2層 63……Si層 7……ハウジング 71……側壁部材 72……上壁部材 73……下壁部材 8……振動検知素子 9……増幅回路 10……演算回路 11……制御回路 12……電源回路 13……光源駆動回路 14……光源 101……矩形波生成回路 102……フリップフロップ回路 103……カウント回路 104……パルス発信回路
DESCRIPTION OF
Claims (15)
前記質量部を支持するための支持部と、
弾性変形可能な少なくとも1つの弾性部を備え、前記支持部に対して前記質量部を回動可能に連結する連結部と、
前記質量部を回動駆動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段の作動により、前記連結部の前記弾性部を捩れ変形させながら、前記質量部を回動させるように構成されたアクチュエータであって、
前記質量部の挙動を検知する挙動検知手段を有し、
前記挙動検知手段は、前記質量部の回動に伴う前記質量部の周囲の気体の振動を検知する振動検知素子を備え、該振動検知素子の検知結果に基づいて、前記質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とするアクチュエータ。 Part by mass;
A support part for supporting the mass part;
A connecting portion that includes at least one elastic portion that is elastically deformable, and rotatably connects the mass portion to the support portion;
Drive means for rotationally driving the mass part,
An actuator configured to rotate the mass portion while twisting and deforming the elastic portion of the connecting portion by the operation of the driving means,
Having a behavior detecting means for detecting the behavior of the mass part;
The behavior detection means includes a vibration detection element that detects vibration of a gas around the mass part as the mass part rotates, and detects the behavior of the mass part based on a detection result of the vibration detection element. An actuator characterized by being configured to do so.
前記質量部を支持するための支持部と、
弾性変形可能な弾性部を備え、前記支持部に対して前記質量部を回動可能に連結する連結部と、
前記質量部を回動駆動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段の作動により、前記連結部の前記弾性部を捩れ変形させながら、前記質量部を回動させ、前記光反射部で反射した光を走査するように構成された光スキャナであって、
前記質量部の挙動を検知する挙動検知手段を有し、
前記挙動検知手段は、前記質量部の回動に伴う前記質量部の周囲の気体の振動を検知する振動検知素子を備え、該振動検知素子の検知結果に基づいて、前記質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とする光スキャナ。 A mass part provided with a light reflecting part having light reflectivity;
A support part for supporting the mass part;
A connecting portion that includes an elastically deformable elastic portion and rotatably connects the mass portion to the support portion;
Drive means for rotationally driving the mass part,
An optical scanner configured to scan the light reflected by the light reflecting portion by rotating the mass portion while twisting and deforming the elastic portion of the connecting portion by the operation of the driving means,
Having a behavior detecting means for detecting the behavior of the mass part;
The behavior detection means includes a vibration detection element that detects vibration of a gas around the mass part as the mass part rotates, and detects the behavior of the mass part based on a detection result of the vibration detection element. An optical scanner characterized by being configured to do so.
前記質量部を支持するための支持部と、
弾性変形可能な弾性部を備え、前記支持部に対して前記質量部を回動可能に連結する連結部と、
前記質量部を回動駆動させる駆動手段とを有し、
前記駆動手段の作動により、前記連結部の前記弾性部を捩れ変形させながら、前記質量部を回動させ、前記光反射部で反射した光を走査するように構成された光スキャナを備え、該光スキャナが光を主走査または副走査することにより画像を形成する画像形成装置であって、
前記質量部の挙動を検知する挙動検知手段を有し、
前記挙動検知手段は、前記質量部の回動に伴う前記質量部の周囲の気体の振動を検知する振動検知素子を備え、該振動検知素子の検知結果に基づいて、前記質量部の挙動を検知するように構成されていることを特徴とする画像形成装置。 A mass part provided with a light reflecting part having light reflectivity;
A support part for supporting the mass part;
A connecting portion that includes an elastically deformable elastic portion and rotatably connects the mass portion to the support portion;
Drive means for rotationally driving the mass part,
An optical scanner configured to scan the light reflected by the light reflecting portion by rotating the mass portion while twisting and deforming the elastic portion of the connecting portion by the operation of the driving means, An image forming apparatus in which an optical scanner forms an image by performing main scanning or sub-scanning of light,
Having a behavior detecting means for detecting the behavior of the mass part;
The behavior detection means includes a vibration detection element that detects vibration of a gas around the mass part as the mass part rotates, and detects the behavior of the mass part based on a detection result of the vibration detection element. An image forming apparatus characterized by being configured to do so.
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