CN104865698A - 金属弹性部件及微小机械装置 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种高效地对因内部摩擦产生的发热进行散热，从而能够长期稳定地进行工作的金属弹性部件及微小机械装置，该微小机械装置使用了该金属弹性部件。该金属弹性部件被用于微小机械装置的梁部(4)，该微小机械装置包括至少一个可动部(3)、固定部(2)、从两侧将可动部(3)支承在固定部(2)上的一对梁部(4)，且能够绕以梁部(4)为扭转旋转轴的轴心(P)而使可动部(3)摆动，其中，所述金属弹性部件包括使可动部(3)摆动的规定长度的金属棒状部(4a)；形成在金属棒状部的一端侧且固定在固定部(2)上的固定侧焊盘(4b)，至少金属棒状部使用除机械加工方法以外的物理性或化学性的加工方法而被成形为截面积为1mm²以下，并且在与扭转旋转轴(P)交叉的方向上延伸形成有多个突起(4d)。

Description

金属弹性部件及微小机械装置

技术领域

本发明涉及一种金属弹性部件及微小机械装置，例如，涉及一种为了在规定的角度范围内反复扫描光而使用的金属弹性部件及微小机械装置。

背景技术

通过MEMS(Micro Electro Mechanical Systems：微机电系统)技术制造出的扫描型光偏转原件这种微小机械装置包括至少一个可动部、固定部、从两侧将可动部支承在固定部上的一对梁部，并被构成为，可动部能够绕以梁部作为扭转旋转轴的轴心而摆动。即，梁部作为万向架结构的扭转梁而发挥功能。

例如，由对入射光进行偏转扫描的光偏转镜和平面状的线圈构成可动部，通过因流通于线圈中的交流电流和在固定部配备的永久磁铁形成的磁场而作用在线圈上的洛伦兹力，从而被梁部支承的可动部即光偏转镜反复摆动。

在日本特许公报的特开2003-84226号公报中，提出了一种将半导体制造技术应用于单晶硅基板并一体形成可动部及梁部的光扫描装置。

在日本特许公报的特开平9-281417号公报中，提出了一种在单片制造工序中使用导电性非晶形铝合金来制作梁部的微镜装置。

在日本特许公报的特开2009-175368号公报中，提出了一种具备对纯钛或钛合金进行冲压加工而得到的梁部的振动镜。

在日本特许公报的特开2007-206670号公报中，公开了一种如下的结构，即，为了消除在通过使用了扭转振子的光学装置进行光扫描而描绘时，被照射到可动部上的光的一部分转化为热量而使可动部升温，从而难以实施稳定的描绘的问题，在可动部上形成高热传导膜，经由弹性连结部而进行散热。

在构成使用了上述光偏转镜的小型的扫描型的测距装置或使用了该扫描型的测距装置的障碍物检测装置的情况下，需要以150Hz到500Hz的范围的比较低的频率摆动例如几mm角的偏转镜，在例如45°的扫描角度范围内扫描测定光。

但是，如日本特开2003-84226号公报所记载的这种使用硅材料而制作出的梁部，在需要以比较高的频率驱动具备例如5mm角左右的比较小型的反射镜的可动部时为优选的材料，在以500Hz以下的频率驱动具备例如10mm角这种比较大型的反射镜的可动部时存在无法稳定驱动的问题，另外由于硅材料比较容易裂开，因还存在难以用于要求耐冲击性的用途的问题。

如日本特开平9-281417号公报所记载的这种使用了导电性非晶形铝合金的梁部，由于通过单片制造工序而制作，因此存在制造成本增高的问题，另外由于包含十几μm角的光偏转镜尺寸微小，因此还存在难以用于要求某一程度的光束直径的测量用途的问题。

如日本特开2009-175368号公报所记载的那样的对金属进行冲压加工而得到的梁部，由于在加工时在其表面上形成有多个微小的凹凸或伤痕，从而在该凹凸或伤痕处产生因应力振幅形成的应力的集中，因此存在反复使用会导致以微小的凹凸或伤痕为起点而成长为裂纹，而容易招致疲劳破损的问题。

尤其是，由于扫描测定光并根据与测定光相对应的反射光而对有无障碍物进行检测的光扫描装置长时间连续工作，因此即使以例如100Hz的频率使用也需要能够承受1年30亿次的应力振幅。

因此，通常这些金属部件实施数万次到几十万次、或几百万次到几千万次的寿命试验，在时间方面实施几十小时或几百小时的寿命试验，并在考虑了基于该结果而计算出的安全率的范围内使用，但近年来，提出了基于几百万次到几千万次的应力振幅的评估并不充分的情况。

以表面的伤痕等为起因而产生的龟裂被称为高循环疲劳，以内部的结晶缺陷等为起因而产生的龟裂被称为超高循环疲劳，其评估需要数亿次或几十亿次的试验，伴随于此试验时间也将变得庞大，从而实际上难以保证这种程度的寿命。

因此，本申请发明人想到由寿命长且可靠性较高的金属弹性部件来构成能够使可动部在比较低的频率范围内摆动的梁部，为了对可动部进行摆动支承，提出了一种如下的金属棒状部(日本特愿2012-247796号)，其在一端侧形成有固定侧焊盘在另一端侧形成有可动侧焊盘，且使用除机械的加工方法以外的物理性或化学性的加工方法而成形为截面积1mm²以下。

虽然使用这种金属棒状部作为扭转梁部，即便使可动部以150Hz到500Hz的范围的比较低的频率摆动也不会产生任何问题，但当以与上述频率相比较大的频率、例如以超过1kHz的频率摆动时，会遇到摆动振幅显著变小的问题。这是由于，构成梁部的金属因内部摩擦而发热导致温度上升，从而共振频率大幅度降低摆动角度变小。

一般情况下，当金属温度显著上升时会导致疲劳极限及断裂极限降低，从而其寿命将会降低在最坏的情况下有可能会断裂。另外，杨氏模量也有与温度一起降低的倾向，如上所述，在作为弹簧使用的情况下弹簧常数将发生变化，其结果为，推定为摆动角度会变小。

当将f设为频率，将σ设为位移角θ时的应力时，在金属棒状部内产生的内部摩擦的发热量Q能够如下式所示用f和σ的函数来表示。

Q＝F(f，σ(θ))

即，如果降低频率f、或减小位移角θ，则能够抑制金属棒状部的发热量。但是，由于当采用这种方式时设计的自由度将被大幅限制，因此无法轻易地限制频率f及位移角θ。

因此，虽然可以考虑采用如日本特开2007-206670号公报所记载的那样的散热结构，但由于在以几mm²以下这种非常小的截面积形成为薄壁的金属棒状部中基本无法期待固体内的传热，因此实际上无法发挥作用。

另外，由于非常小型的金属棒状部本身因内部摩擦而发热，因此物理上难以配置冷却风扇等冷却机构，另外摆动状态也有可能会因风压而发生变动。

因此，当为了提高基于放射或对流的散热特性而将金属棒状部的表面积形成得较大、即将金属棒状部形成为宽度较大时，存在共振频率发生变化从而无法以目标频率进行摆动驱动的问题。

发明内容

鉴于上述问题点，本发明的目的在于，提供一种高效地对因内部摩擦产生的发热进行散热，能够长期稳定地进行工作的金属弹性部件及使用了该金属弹性部件的微小机械装置。

本发明的金属弹性部件的特征在于，其用于微小机械装置的梁部，所述微小机械装置包括至少一个可动部、固定部和从两侧将所述可动部支承在所述固定部上的一对所述梁部，且能够使所述可动部绕以所述梁部为扭转旋转轴的轴心摆动，其中，所述金属弹性部件包括：使所述可动部摆动的规定长度的金属棒状部；形成在所述金属棒状部的一端侧且固定在所述固定部上的固定侧焊盘，至少所述金属棒状部使用除机械加工法以外的物理性或化学性的加工方法成形为截面积为1mm²以下，并且在与所述扭转旋转轴交叉的方向上延伸形成有多个突起。

而且，优选为，以所述金属棒状部的弹簧常数被调节为未形成有所述突起的金属棒状部的弹簧常数的±5％的范围内的方式，在所述金属棒状部上形成所述突起。

另外，优选为，所述突起的最大宽度被设定为所述金属棒状部的宽度的1.5倍以下，所述突起的最大长度被设定为所述金属棒状部的宽度的3倍以下。

并且，优选为，在所述金属棒状部的另一端侧还形成有固定在所述可动部上的可动侧焊盘。

并且，优选为，所述金属弹性部件由通过张力退火法轧制形成的不锈钢材、碳素工具钢材、或磨光钢材中的任一种金属构成。

所述物理性或化学性的加工方法包括集束离子束法、蚀刻法以及镀敷法。

本发明的微小机械装置的特征在于，其包括至少一个可动部、固定部和从两侧将所述可动部支承在所述固定部上的一对梁部，且能够使所述可动部绕以所述梁部为扭转旋转轴的轴心摆动，其中，所述梁部由上述技术方案中任一个所述的金属弹性部件构成。

而且，优选为，在所述可动部上形成有线圈，并且在所述固定部上设有磁场形成部，通过在所述线圈中流通的电流和由所述磁场形成部形成的磁场而产生的电磁力来使所述可动部摆动，所述梁部具有对所述可动部进行支承的功能、作为向所述线圈通电的导电体的功能和作为使所述可动部返回基准位置的弹簧的功能。

另外，优选为，在所述可动部上形成有磁场形成部，并且在所述固定部上设有线圈，通过在所述线圈中流通的电流和由所述磁场形成部形成的磁场而产生的电磁力来使所述可动部摆动，所述梁部具有对所述可动部进行支承的功能和作为使所述可动部返回基准位置的弹簧的功能。

并且，优选为，在所述可动部上形成有反射入射光并进行偏转扫描的光偏转面。

附图说明

图1是本发明的微小机械装置的立体图。

图2a至图2e是本发明的金属弹性部件的制作过程的说明图。

图3a至图3c是经由金属弹性部件而将可动部向固定部安装的安装过程的说明图。

图4是本发明的微小机械装置的分解立体图。

图5a是可动部(线圈基板)和金属弹性部件的主要部分的俯视图。

图5b是可动部(线圈基板)和金属弹性部件的主要部分的剖视图。

图5c是表示可动部(线圈基板)和金属弹性部件的主要部分的其他实施方式的剖视图。

图6是可动部的摆动动作的说明图。

图7是金属弹性部件向固定部安装的安装部位的说明图。

图8是表示其他实施方式的微小机械装置的分解立体图。

图9是表示其他实施方式的微小机械装置的立体图。

图10表示其他实施方式，是金属弹性部件的说明图。

图11a是表示断裂试验的结果的S-N线图。

图11b、图11c是表示梁的截面积与共振频率之间的关系的模拟结果的特性图。

图12a是金属弹性部件的突起的宽度、长度以及间距的说明图。

图12b是表示其他实施方式的金属弹性部件的说明图。

图13是表示其他实施方式的金属弹性部件的说明图。

图14是基于数值分析的金属弹性部件的共振频率和最大主应力的特性图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的金属弹性部件及使用了该金属弹性部件的微小机械装置进行说明。

在图1及图4中，图示了在扫描型的测距装置等中所使用的微小机械装置1。微小机械装置1具备：成为固定部2的框体；成为可动部3的平坦的板状体；以可动部3能够相对于固定部2绕轴心P摆动的方式对可动部3进行支承的一对梁部4、4；夹着梁部4、4而被配置在可动部3的两侧的永久磁铁5、6；上部盖体8等。

固定部2由聚碳酸酯等的树脂制的长方体部件构成。在固定部2的中央部，以在俯视观察时比可动部3略大的面积形成有在厚度方向上被挖穿的开口空间，在该开口空间内配置可动部3。

梁部4、4由金属弹性部件构成。金属弹性部件具备：规定长度的金属棒状部4a、形成在金属棒状部4a的一端侧并固定在固定部2上的固定侧焊盘4b、形成在金属棒状部4a的另一端侧并固定在可动部3上的可动侧焊盘4c。

在由剖面为“コ”形且导磁率较高的部件构成的磁性体保持部7上，以一方5成为N极、另一方6成为S极的方式对置配置有永久磁铁5、6。永久磁铁5、6以隔着可动部3的方式从下方插入固定在固定部2的开口空间内。

可动部3具备：在玻璃基板或硅基板上蒸镀有金或铝等的偏转镜3a、在玻璃环氧树脂基板上印刷形成有铜制的线圈C和电极焊盘E的线圈基板3c、配置在上述偏转镜3a和线圈基板3c之间的相同的玻璃环氧树脂制的垫片3b。

一对梁部4、4的各个可动侧焊盘4c以与电极焊盘E接触的方式被定位，并使用导电性粘合剂而被粘接固定在偏转镜3a与线圈基板3c之间。此外，也可以通过在使用了环氧树脂等的各个基板层上形成线圈图案，并利用接线柱将各个基板层的线圈连结在一起的多层基板来构成线圈基板3c。

当经由一对梁部4、4而向线圈C施加交流电流时，通过流通于线圈C中的交流电流和在固定部2配备的永久磁铁5、6形成的磁场而在线圈C上作用有洛伦兹力，在该洛伦兹力作用下被梁部4、4支承的可动部3反复摆动。

即，微小机械装置1包括至少一个可动部3、固定部2、从两侧将可动部3支承在固定部2上的一对梁部4、4，并被构成为，可动部3能够绕将梁部4作为扭转旋转轴的轴心P摆动。而且，梁部4、4具有对可动部3进行支承的功能、作为向线圈C通电的导电体的功能、作为使可动部3返回基准位置的弹簧的功能。并且，在可动部3上形成有反射入射光并进行偏转扫描的光偏转面。

驱动可动部3摆动的频率、即向线圈C施加的交流电流的频率优选设定为与包括可动部3在内的梁部4、4的机械共振频率略微错开的频率，并能够依存于可动部3的大小、金属棒状部4a的截面积、长度及其物理特性而在10Hz到大约1.8kHz的范围内进行设定。

例如，在可动镜的面积为12mm×12mm时，在使用了本发明的金属弹性部件的梁部4的情况下，优选为150Hz到500Hz的频率范围。

如图2e所示，梁部4、4以如下方式一体形成，即，在一端侧形成有固定侧焊盘4b而在另一端侧形成有可动侧焊盘4c的一对金属棒状部4a在框体40的内部被对称地配置在直线上，各个焊盘4b、4c经由支承部41而被固定在框体40上。

如图3a所示，首先设置在固定部2上的一对定位销2p被嵌入到形成在各个固定侧焊盘4b上的一对定位用的孔部中并被粘接固定。

其次，如图3b所示，从形成在可动侧焊盘4c上的一对定位用孔部的上方，嵌入形成在偏转镜3a的背面上的一对定位销，然后从可动侧焊盘4c的下方通过开放空间贴靠垫片3b，并且偏转镜3a的定位销被嵌入到形成在线圈基板3c上的一对定位用孔部中，且分别通过粘合剂而被粘接固定。

之后，如图3c所示，各个支承部41被切断而使框体40脱离，并且从固定部2的上方被上部盖体8(参照图1)覆盖，由此固定侧焊盘4b被可靠地固定。从而能够以高精度地确保了由一对金属棒状部4a构成的扭转旋转轴的直线性的状态对可动部3进行支承，并且能够使组装作业简单化。

在图5a、图5b中，图示了形成在线圈基板3c上的电极焊盘E和形成在梁部4、4的一端部上的可动侧焊盘4c以经由垫片3b电接触的方式而被定位配置的状态。垫片3b的中央部由绝缘部件33形成，两端部由金属部件34构成。各个电极焊盘E、E和各个可动侧焊盘4c、4c通过金属部件34、34而被电连接。关于该结构将在后文中根据图7进行详细叙述。

如图3c所示，被设置在固定部2上的定位销2p由金属构成，并成为经由梁部4、4而向形成在线圈基板3c上的线圈C施加交流电流的电极销。

如图6所示，当使从激光二极管等的发光元件LD经由光学透镜(未图示)而被形成为平行光的测定光向偏转镜3a入射，并向线圈C施加交流电流时，偏转镜3a绕以梁部4、4为扭转旋转轴的轴心P摆动，来自发光元件LD的入射光被偏转镜3a偏转，并以偏转镜3a的摆动角度的2倍的角度偏转扫描反射光。例如，当将偏转镜3a的摆动角度设为±11.25°时，在±22.5°的扫描角度范围内扫描反射光。

梁部4、4使用通过张力退火法轧制形成的不锈钢材、碳素工具钢材、或磨光(みがき)刚材的任一种金属，通过除冲压加工等的机械加工方法以外的物理性或化学性的加工方法而形成。张力退火法是指，实施对不锈钢材等施加一定的拉伸应力，并且在高温下的包含氢气的氮气环境中放置一定时间的处理。作为物理性或化学性的加工方法，优选使用集束离子束法、蚀刻法以及镀敷法(电铸法)。

在图2a至图2e中，图示了使用作为化学性的加工方法的一个示例的蚀刻法来构成梁部4、4的金属弹性部件的制作过程。在本实施例中，使用了SUS304CSP-H的张力退火材料。

在规定厚度(在本实施方式中为0.2mm)的不锈钢薄板42(参照图2a)的表面上均匀地涂敷光刻胶43(参照图2b)，并通过以与金属棒状部4a、固定侧焊盘4b、可动侧焊盘4c、框体40、支承部41相对应地区域被遮光的方式形成的光刻掩膜(未图示)而进行曝光(参照图2c)。

当通过规定的蚀刻液去除被曝光的区域的光刻胶43b时，仅在不锈钢薄板42的表面中的、与框体40及梁部4相对应的区域内形成有光刻胶43层(参照图2d)。

之后，向不锈钢薄板42的表面喷射用于溶解不锈钢的蚀刻液而慢慢地进行蚀刻处理，当蚀刻处理结束时通过溶剂去除光刻胶43。通过以上的处理，制造出如下的金属弹性部件，所述金属弹性部件以在一端侧形成有固定侧焊盘4b在另一端侧形成有可动侧焊盘4c的一对金属棒状部4a在框体40的内部被对称地配置在直线上，且各个焊盘4b、4c通过支承部41而被固定在框体40上的方式被一体形成(参照图2e)。

在使用镀敷法来制作金属弹性部件的情况下，可以通过如下方式来制作金属弹性部件，即，制作图2d所示的光刻胶43的形状成为凹部的规定深度的模具框，在模具框上涂敷脱模材料之后，填充包含金属离子的电解液，并使电解液中的金属电沉积。

当通过冲压加工或研磨加工等机械加工(塑性加工)法来形成构成梁部4的金属棒状部4a时，由于在加工时在表面上形成的多个的微小的伤痕上产生因应力振幅而引起的应力的集中，以微小的伤痕为起点而成长为裂纹，导致疲劳强度降低，因此无法长期稳定地摆动可动部3。

但是，当使用除机械加工方法以外的物理性或化学性的加工方法来形成成为梁部的金属棒状部4a时，由于应力振幅而在表面上形成成长为龟裂的这种伤痕的概率非常小，因此疲劳强度降低的可能性变得非常低。

一般情况下，金属材料的诸物理性质，例如屈服强度等根据10mm直径(截面积78.5mm²)的试验片来测定，但至少以试验片的一位以下的尺寸(1mm直径(截面积0.785mm²)以下)制作出的试验片的屈服强度具有成为比公布的值大的值的倾向，由此可以假设通过使截面积成为微小而而使有效屈服强度呈现出提高了几十％的值。

如果对象物的表面的伤痕的存在概率恒定，则成为超高循环疲劳的龟裂的基点的伤痕的绝对数随着因小型化引起的表面积的减小而减少、或者如果对象物的内部的缺陷概率相同，则成为超高循环疲劳的龟裂的基点的内部缺陷的绝对数由于体积的减小而减少，其结果定性地理解为耐久性或屈服强度增加。

虽然存在极限，但认为物质越小则越接近该物质本来的物性值。本申请发明人通过实验确认到：通过10mm直径的试验片获得的扭转方向的疲劳极限为机械角±9.25°，与之相对，在使用相同的金属材料而具有0.2mm×0.25mm的剖面的金属梁中为机械角±15.5°。

如果考虑扭转部分的最大应力为1.4倍左右，当剖面尺寸下降一位时增强20％左右这一本领域技术人员的经验上的见解，则根据下降两位的尺寸效果得出疲劳限度上升1.2×1.2＝1.4倍左右。通过由上述的定性的一般理解得出的定量的理解和实施实验的结果而确认了这种耐久性、屈服强度的上升。

因此，通过将金属棒状部成形为截面积在1mm²以下，从而能够构成呈现出与之相对应的良好的有效屈服强度的梁部，由此能够在频率150Hz到500Hz的范围内长期稳定地使可动部3摆动。此外，构成可动部3的偏转镜3a的摆动角度不会被限制为±11.25°，而是根据微小机械装置1的用途而适当设定的值。

构成图2e所示的梁部4、4的金属棒状部4a只需被形成为截面积在1mm²以下即可，优选在0.001mm²～1mm²的范围内成形。

在本实施方式中，金属棒状部4a的宽度W被形成为1.0mm，厚度T被形成为0.2mm，长度L被形成为5mm，截面积S被形成为0.20mm²。此外，微小机械装置1的各个部分的大小如下。固定部2被形成为宽度23mm、纵深26mm、厚度5.5mm，可动部3被形成为宽度12.0mm、纵深12.0mm、厚度2.0mm。

在构成本发明的金属弹性部件的金属棒状部4a上，还在与扭转旋转轴即金属棒状部4a的长度方向交差的方向上延伸形成有多个板状的突起4d。该突起4d按照在图2a至图2e所说明的顺序制作，并被形成为宽度为0.5mm，长度为0.5mm，厚度为0.2mm。

随着梁部4的摆动而突起在环境中位移，因此时的风的流动而产生对流热传递。利用该现象使由伴随于金属棒状部4a的扭转动作的内部摩擦而产生的发热向空气散热，从而能够有效地进行冷却，进而即使在频率为500Hz到几kHz的范围内摆动也能够避免由于发热而产生的共振频率的降低，由此能够长期稳定地继续扭转动作。即，突起4d作为散热片而发挥功能。

如图12a所示，优选突起4d的最大宽度Wb被设定为金属棒状部4a的宽度W的1.5倍以下，更优选被设定为0.5倍～1.0倍的范围内，优选突起4d的最大长度Lb被设定为金属棒状部4a的宽度W的3倍以下，更优选被设定为0.5倍～1.5倍的范围内。

在满足上述条件的基础上，进一步优选突起4d的排列间距Pb被设定为金属棒状部4a的宽度W的0.5以上，更优选被设定为0.75倍到1.5倍的范围内。当排列间距Pb增大时突起4d的数量减少，散热效果降低。

当突起4d的宽度变得比金属棒状部4a的宽度W长时，受到风压无法顺畅地摆动的可能性变大，当突起4d的长度比金属棒状部4a的宽度W的3倍长时，摆动时的惯性力增大导致无法顺畅地摆动的可能性变大。即，无法以设为目标的摆动频率进行驱动。因此，如果设定为上述的范围，则能够在适当地散热的同时以设为目标的摆动频率稳定地进行驱动。

优选以金属棒状部4a的弹簧常数被调节为未形成突起4d的金属棒状部、即宽度W形成为1.0mm、厚度T形成为0.2mm、长度L形成为5mm、截面积S形成为0.20mm²的金属棒状部的弹簧常数的±5％的范围内，更优选被调节为未形成突起4d的金属棒状部的弹簧常数的±3％的范围内的方式，在金属棒状部4a上形成突起4d。

当由于在金属棒状部4a上延伸形成突起4d，而与未形成有突起4d的金属棒状部的弹簧常数较大地发生变化时，在通过金属棒状部的扭转动作而驱动可动部摆动时，难以以成为目标的摆动频率进行驱动，从而将产生重新设计金属棒状部的繁琐的作业。但是，如果在弹簧常数的变动被收敛于±5％的范围内的情况下延伸形成突起，则不会破坏设计的自由度。

虽然在图1至图9中，均图示了矩形形状的相同形状的突起4d，但突起4d的形状并不被限定为矩形形状，而可以采用任意的形状。

例如，即可以如图12b所示，形成为与基端侧相比前端侧宽度变窄的梯形形状，也可以形成为与基端侧相比前端侧宽度变宽的倒梯形形状。并且也可以形成为前端为尖角的三角形形状。

另外，虽然图示了以相同的间距将形成在金属棒状部4a的左右两侧的多个突起4d形成为对称的形状的示例，但只要在可动部的摆动时作用在金属棒状部4a上的正反方向的惯性矩不发生较大的失衡的范围内，可以在左右使突起4d的形成位置略微错开，并且无需使所有的突起形成为相同的形状。

并且，突起4d也可以不形成在金属棒状部4a的左右两侧，而垂直地形成在金属棒状部4a的上下面上。在这种情况下，由于通过蚀刻法形成较为困难，因此可以采用如下的镀敷法，即，在使用三维打印机而形成的模具框上涂敷脱模材料之后，填充包含金属离子的电解液，通过使电解液中的金属电沉积来进行制作。

突起4d的延出方向只需为与金属棒状部4a的长度方向交差的方向即可，并不一定需要垂直地延伸形成。只需被形成为在金属棒状部4a摆动时能够与环境接触并散热即可。

在图11a中，图示了使用截面积为0.05mm²、长度为4mm，且未形成有突起4d的梁4，以驱动频率200Hz(平均共振频率：188.6Hz)使面积为144mm²(12mm×12mm)的偏转镜3a摆动时的断裂试验的结果即S-N线图。

空心圆为由SUS304CSP-H张力退火材料构成的梁的特性，实心圆为由SUS304CSP-H应力释放材料构成的梁的特性，黑三角为由实施了时效处理的CoNi合金材料(具有高耐久性的材料)构成的梁的特性。纵轴的光轴角(Optical angle)为测定光的最大偏转角，例如在光轴角为60°的情况下，测定光的偏转角为±30°，偏转板的偏转角为±15°。

试验的结果为，实心圆及黑三角断裂。另一方面，在空心圆(张力退火材)的情况下，在光轴角为70°以上时断裂，但在光轴角为65°以下的情况下，即使摆动循环超过1亿次也未出现断裂的试样。如光轴角为62°的空心圆和实心圆所示，可知即使作为弹簧材料为优选的不锈钢SUS304CSP-H，也会由于有无张力退火而导致破坏循环发生2位以上的变化。

在图11b、图11c中，图示了使偏转镜3a的面积、梁的截面积、梁的长度发生变化时的共振频率的模拟结果。通过试做的可动镜(条件1：面积12mm×12mm、梁截面积0.05mm²、梁长4mm、实测平均共振频率188.6Hz；条件2：面积12mm×12mm、梁截面积0.16mm²、梁长5mm、实测平均共振频率400.7Hz)来调整模拟参数，从而实施其他条件的模拟。已证实通过改变偏转镜及梁的形状，能够使共振频率发生变化并在50Hz到超出1KHz的范围内摆动。

图11b是基于条件1的模拟结果，表示将梁的长度固定为4mm，而使梁的截面积变化时的共振频率的变化。在图中，系列1为偏转镜20mm×20mm，系列2为偏转镜16mm×16mm，系列3为偏转镜12mm×12mm，系列4为可动镜8mm×8mm。

图11c是基于条件2的模拟结果，表示将梁的长度固定为5mm，而使梁的截面积发生变化时的共振频率的变化。在图中，系列1为偏转镜20mm×20mm，系列2为偏转镜16mm×16mm，系列3为偏转镜12mm×12mm，系列4为可动镜8mm×8mm。

但是，当以约1kHz以上的频率长时间摆动时，会因梁部的发热产生共振频率降低，摆动振幅减小的现象。

在图14中，图示了通过有限元法对在梁部上形成作为散热片而发挥功能的突起4d时的共振频率和最大主应力进行分析的结果。构成梁部的金属棒状部4a被设定为宽度W为1.0mm、长度L为4.0mm、厚度T为0.25mm，在金属棒状部4a的左右侧部，宽度被设定为W(1.0mm)、间距被设定为W(1.0mm)、长度被设定为nW、即金属棒状部4a的宽度W的实数n倍的值。

最大主应力为将通过金属棒状部4a而摆动的反射镜的机械角设为10度时的分析值。另外，突起前端速度为使长度发生变化，并以机械角10度摆动时的突起的前端部的速度。考虑到突起4d被形成在金属棒状部4a的左右两侧的情况，以一侧的突起4d的前端部的速度的2倍的值进行描绘。

突起长度越长，则突起前端速度越上升，并呈现出与之相对应的冷却能力上升。分析的结果为，可知突起长度在3W左右的范围内最大主应力不会发生较大的变化，另外共振频率在约1200Hz处稳定。

即使将金属棒状部4a的厚度T改变为0.2mm、0.3mm并实施同样的分析也能够获得同样的特性。但是，在将厚度T设为0.2mm时共振频率在约900Hz处稳定，在将厚度T设为0.3mm时共振频率在约1500Hz处稳定。

根据上述结果，制作宽度W被设定为0.8mm～1.0mm、长度L被设定为4.0mm～9.0mm、厚度T被设定为0.25mm，在金属棒状部4a的左右侧部，宽度为W(1.0mm)、间距为W(1.0mm)、长度为0.65W(0.65mm)的梁部，并对该试做梁部实施共振实验。

其结果为，明确了能够在从几百Hz到1800Hz的范围内非常稳定地长时间摆动驱动。虽然在实验中将频率上限设为1800Hz，但推测能够到达更高的频率并稳定驱动。

在图7中，图示了在金属棒状部4a的各个端部上形成有固定侧焊盘4b及可动侧焊盘4c的金属弹性部件与构成可动部3的上方的玻璃基板3a、下方的玻璃环氧树脂基板(例如偏转镜和线圈基板)3c以及垫片3b之间的位置关系。

在上方的玻璃基板3a的底面上，在与轴心P正交的方向上形成有第1槽部30，并且在沿着轴心P的方向上形成有一对第2槽部31、31。第1槽部30的深度被形成为与可动侧焊盘4c的厚度相比略深，第2槽部31、31的深度被形成为比第1槽部30的深度更深。

在将形成在第1槽部30上的一对定位销3P穿过可动侧焊盘4c的定位用的孔部中的状态下，将垫片3b插入到第1槽部30中，并以在第1槽部30的底面与垫片3b的上表面之间夹持可动侧焊盘4c的方式进行粘接。并且，以该一对定位销3P穿过形成在下方的玻璃环氧树脂基板上的一对定位用的孔部的方式进行定位并对上下的玻璃基板、玻璃环氧树脂基板进行粘接。

在垫片3b中的、与形成在线圈基板3c上的电极焊盘E和金属弹性部件的可动侧焊盘4c对置的两端部上，为了对两者进行电连接而配置有金属部件，垫片3b以在上述一对金属部件之间配置绝缘部件的方式而构成。

如此，当在上方的玻璃基板3a上形成第1槽部30及第2槽部31、31时，金属棒状部4a以不与上下的玻璃基板3a、玻璃环氧树脂基板3c接触的状态而保持其姿势，从而能够消除在金属棒状部4a的扭转动作时与玻璃基板3a、玻璃环氧树脂基板3c接触这种问题。

并且，即使在使上方的玻璃基板3a作为偏转镜而发挥功能，需要增大其偏转面的面积的情况下，如果采用这种结构，则无需缩短金属棒状部4a的长度。

用图5a、图5b及图7所说明的梁部4与可动部3的连结方式为一个示例，本申请发明的梁部4与可动部3的连结方式并不限定于这种结构。

例如，如图5c所示，如果为可动侧焊盘4c被固定在上下的玻璃基板3a、玻璃环氧树脂基板3c的边缘部附近，金属棒状部4a未被上下的玻璃基板3a、玻璃环氧树脂基板3c覆盖的情况下，则只需在上部玻璃基板3a的边缘部形成收纳可动侧焊盘4c的凹部即可，无需设计垫片。

另外，也可以如图8及图9所示，在偏转镜3a与可动侧焊盘4c之间插入例如聚碳酸酯制的垫片部件3d、3e，以使偏转镜3a的偏转面比永久磁铁5、6的高度高。如果以这种方式加高偏转镜3a的偏转面，则消除了在偏转镜3a摆动时，由偏转镜3a偏转的测定光被永久磁铁5、6的立起部遮挡的可能性。

在图10中，图示了与上述金属弹性部件不同形状的金属弹性部件。金属棒状部4a的宽度被形成为0.1mm、厚度被形成为0.05mm、长度被形成为1.50mm、截面积被形成为0.005mm²。

构成本发明的金属弹性部件的金属棒状部4a只需其截面积被形成为1mm²以下即可，其宽度、厚度、长度可以适当设定。另外，固定侧焊盘4b及可动侧焊盘4c的形状不被特别限定，只需与组装有该固定侧焊盘4b及可动侧焊盘4c的微小机械装置匹配即可。

本发明的微小机械装置的用途并不限定于扫描型的测距装置，能够应用于投影仪或激光打印机等需要扫描光的装置。例如，如果在构成可动部3的上方的玻璃基板3a上安装发光元件，根据扫描角度而使微小机械装置在与扫描方向正交的方向上摆动，并且对发光元件的发光状态进行控制，则能够实现投影仪或激光打印机等的图像形成引擎。

并且，本发明的金属弹性部件及微小机械装置还优选作为能够进行高速试验的金属疲劳试验的试料。

由于一般的疲劳试验装置以10Hz最高100Hz左右的反复循环实施实验，因此，高循环疲劳的评估为100万次到1000万次左右，因此即使以100Hz进行试验也需要约3小时100万次～约2天1000万次。

但是，当变为近年来受关注的超高循环疲劳1亿次～10亿次时，将需要之前的10倍～100倍的时间，假设用100Hz的试验机进行1个月2亿9千万次的试验，在实施多个疲劳试验的情况下，将必须以年为单位占用价格高昂的试验装置。

另外，在更高速的试验机中需要冷却机构，并且由于在试料温度上升的情况下试料本身的特性会显著降低，因此需要考虑试验结果的可靠性。

另一方面，在本发明的金属弹性部件、微小机械装置中通过12mm×10mm的镜进行共振频率400Hz、全振幅45度126亿次的摆动动作，并且能够设计进行超过1KHz的频率的摆动动作的金属弹性部件、微小机械装置，因此通过使疲劳试验试料具备本发明的金属弹性部件、微小机械装置，从而与现有的一般的疲劳试验装置相比能够实现4倍～10倍的高速试验。

另外，在本发明中，例如如果组装小型的试验片以作为光偏转装置，则能够通过激光而准确地读取偏转角，从而能够同时实施多个实验。并且，由于以自冷却机构形状来实施实验，因此无需特别的冷却装置。通过预先明确扭转角与产生应力之间的关系，从而能够以非常低廉的价格迅速且准确地获得实验结果。

虽然在上述的实施方式中，对具备一个被一对梁部4、4支承的一个可动部3的微小机械装置1进行了说明，但是也可以采用在一个微小机械装置1中组装多个被一对梁部4、4支承的一个可动部3的结构。

虽然在上述的实施方式中，对于金属弹性部件而言，对在金属棒状部4a的一端侧形成有固定侧焊盘4b，在另一端侧形成有可动侧焊盘4c的金属弹性部件进行了说明，但本发明的金属弹性部件只需包括使可动部摆动的规定长度的金属棒状部、和形成在金属棒状部的一端侧且固定在固定部上的固定侧焊盘，并且在与扭转旋转轴交差的方向上延伸形成有多个突起即可。

例如，可以采用如下方式，即，如图13所示，经由可动部安装部3a而一体地形成一对金属棒状部4a，并在一体化的金属棒状部4a的两端部分别形成固定侧焊盘4b。在图13中，能够通过与图2a到图2d中所说明的制作处理相同的制作处理来进行制作，图中的符号41为用于将金属弹性部件固定在框体40上的支承部41。

虽然在上述的实施方式中，在固定部上设置作为磁场形成部的永久磁铁，并在可动部上设置线圈，但也可以相反地在可动部上设置永久磁铁，在固定部上设置线圈。在这种情况下，也能够通过向线圈施加交流电流而产生洛伦兹力，从而驱动可动部。

也可以采用如下方式，即，在固定部和可动部双方上设置线圈，向任一个线圈施加直流电流使其作为磁场形成部发挥作用，通过向另一个线圈施加交流电流而产生洛伦兹力，从而能够驱动可动部。

并且，可动部的驱动方式并不限定于上述这种使用洛伦兹力进行驱动的方式，例如也可以采用分别在固定部和可动部上设置电极，通过静电力进行驱动的方式。

上述的实施方式均为对本发明的金属弹性部件及使用了该金属弹性部件的微小机械装置的一个示例进行说明的方式，并非通过该记载而对本发明的技术范围进行限定的方式，另外，突起的具体形状、尺寸、间距等当然也能够在实现本发明的作用效果的范围内适当设定。

Claims (10)

1.一种金属弹性部件，其用于微小机械装置的梁部，所述微小机械装置包括至少一个可动部、固定部和从两侧将所述可动部支承在所述固定部上的一对所述梁部，且能够使所述可动部绕以所述梁部为扭转旋转轴的轴心摆动，其中，

所述金属弹性部件包括：

使所述可动部摆动的规定长度的金属棒状部；

形成在所述金属棒状部的一端侧且固定在所述固定部上的固定侧焊盘，

至少所述金属棒状部使用除机械加工法以外的物理性或化学性的加工方法成形为截面积为1mm²以下，并且在与所述扭转旋转轴交叉的方向上延伸形成有多个突起。

2.根据权利要求1所述的金属弹性部件，其中，

以所述金属棒状部的弹簧常数被调节为未形成有所述突起的金属棒状部的弹簧常数的±5％的范围内的方式，在所述金属棒状部上形成所述突起。

3.根据权利要求1或2所述的金属弹性部件，其中，

所述突起的最大宽度被设定为所述金属棒状部的宽度的1.5倍以下，所述突起的最大长度被设定为所述金属棒状部的宽度的3倍以下。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的金属弹性部件，其中，

在所述金属棒状部的另一端侧还形成有固定在所述可动部上的可动侧焊盘。

5.根据权利要求1至4中任一项所述的金属弹性部件，其中，

所述金属弹性部件由通过张力退火法轧制形成的不锈钢材、碳素工具钢材、或磨光钢材中的任一种金属构成。

6.根据权利要求1至5中任一项所述的金属弹性部件，其中，

所述物理性或化学性的加工方法包括集束离子束法、蚀刻法以及镀敷法。

7.一种微小机械装置，其包括至少一个可动部、固定部和从两侧将所述可动部支承在所述固定部上的一对梁部，且能够使所述可动部绕以所述梁部为扭转旋转轴的轴心摆动，其中，

所述梁部由权利要求1至6中任一项所述的金属弹性部件构成。

8.根据权利要求7所述的微小机械装置，其中，

在所述可动部上形成有线圈，并且在所述固定部上设有磁场形成部，通过在所述线圈中流通的电流和由所述磁场形成部形成的磁场而产生的电磁力来使所述可动部摆动，

所述梁部具有对所述可动部进行支承的功能、作为向所述线圈通电的导电体的功能和作为使所述可动部返回基准位置的弹簧的功能。

9.根据权利要求7所述的微小机械装置，其中，

在所述可动部上形成有磁场形成部，并且在所述固定部上设有线圈，通过在所述线圈中流通的电流和由所述磁场形成部形成的磁场而产生的电磁力来使所述可动部摆动，

所述梁部具有对所述可动部进行支承的功能和作为使所述可动部返回基准位置的弹簧的功能。

10.根据权利要求8或9所述的微小机械装置，其中，

在所述可动部上形成有反射入射光并进行偏转扫描的光偏转面。