WO2013111266A1 - アクチュエータ - Google Patents
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Definitions
- the present invention relates to a technical field of an actuator such as a MEMS scanner that drives a movable part provided with, for example, a mirror.
- MEMS Micro Electro Mechanical System
- a MEMS scanner used for scanning a laser beam is known.
- Such a MEMS scanner includes a movable plate, a frame-shaped support frame that surrounds the movable plate, and a torsion bar that pivotally supports the movable plate so as to be swingable with respect to the support frame.
- Patent Documents 1 to 3 are given as examples.
- the MEMS scanner As a method of utilizing such a MEMS scanner, for example, it is assumed that it is used for a video display device such as a head-up display for projecting a video.
- a video display device such as a head-up display
- the frequency of the swing of the movable plate (for example, the mass of the movable plate and the movable plate as an axis). It is preferable to increase the resonance frequency determined by the spring constant of the torsion bar to be supported.
- Measures to make the torsion bar stiff by thickening or shortening the torsion bar can be considered as one countermeasure for increasing the frequency of the swing of the movable plate.
- simply increasing the thickness of the torsion bar causes a technical problem that the stress applied to the torsion bar increases with the movement of the movable plate by the increase in the thickness of the torsion bar.
- simply shortening the torsion bar causes a technical problem that the stress applied to the torsion bar increases as the movable plate is moved by the amount of shortening of the torsion bar. As a result, there arises a technical problem that such an increase in stress may cause the torsion bar to break.
- the present invention has been made in view of, for example, the above-described conventional problems, and provides an actuator capable of increasing the frequency at which the movable part swings while preventing or suppressing, for example, destruction of the torsion bar. Is an issue.
- the actuator is provided along the longitudinal direction so that the movable portion, the support portion that supports the movable portion, and the movable portion can swing about a rotation axis along the longitudinal direction.
- a torsion bar that connects the movable part and the support part, and the density of the first bar part of the torsion bar that is relatively far from the rotation axis is the rotation axis of the torsion bar. It is smaller than the density of the relatively close second bar portion.
- the actuator according to this embodiment includes a movable portion, a support portion that supports the movable portion, and the movable portion along the longitudinal direction so that the movable portion can swing around a rotation axis along the longitudinal direction. And a torsion bar that connects the support part, and the density of the first bar portion of the torsion bar that is relatively far from the rotation axis is relatively close to the rotation axis of the torsion bar. It is smaller than the density of the second bar portion.
- the movable part suspended by the torsion bar swings.
- the movable unit may swing so as to rotate about an axis along the direction in which the torsion bar extends (that is, the longitudinal direction of the torsion bar).
- the torsion bar connects the movable part and the support part along the longitudinal direction of the torsion bar.
- the torsion bar may directly connect the movable part and the support part.
- the torsion bar may indirectly connect the movable part and the support part (in other words, with an arbitrary member interposed therebetween).
- the density of the bar portion constituting a part of the torsion bar is adjusted according to the distance between the rotation axis of the movable portion and the bar portion. More specifically, the density of the first bar portion that is relatively far from the rotation axis of the torsion bar is smaller than the density of the second bar portion that is relatively close to the rotation axis of the torsion bar.
- the first bar portion relatively far from the rotation axis corresponds to a bar portion located relatively outside of the torsion bar along the short direction.
- the second bar portion that is relatively close to the rotation axis corresponds to a bar portion that is relatively located on the center side in the short direction of the torsion bar.
- the density of the first bar portion located relatively outside along the short direction of the torsion bar is along the short direction of the torsion bar. It can also be expressed as being smaller than the density of the second bar portion relatively located on the center side.
- a single torsion bar here means literally only one torsion bar, in addition to a pair of (in other words, positioned so as to sandwich the movable part or support the movable part. It is a broad meaning that also means a set of torsion bars.
- the stress applied to the edge portion relatively far from the rotation axis in the single torsion bar is larger than the stress applied to the central portion relatively close to the rotation axis in the single torsion bar. That is, the stress applied to the single torsion bar as the movable part moves farther is more likely to be applied as the distance from the rotation axis increases.
- this embodiment includes a torsion bar in which the density of the first bar portion relatively far from the rotation axis is smaller than the density of the second bar portion relatively close to the rotation axis.
- the actuator stress is easily applied to the first bar portion relatively distant from the rotation axis (that is, the first bar portion having a relatively low density).
- the stress applied to the first bar portion relatively far from the rotation axis is relaxed. For this reason, destruction of the 1st bar part relatively far from a rotating shaft is prevented or suppressed suitably.
- the second bar portion that is relatively close to the rotation axis (that is, the second bar portion having a relatively large density) is not subjected to such a large stress. For this reason, the breakage of the second bar portion relatively close to the rotation axis is also suitably prevented or suppressed. Therefore, according to the actuator of the present embodiment including the torsion bar in which the density of the first bar portion relatively far from the rotation axis is smaller than the density of the second bar portion relatively close to the rotation axis, the torsion bar is broken. It is preferably prevented or suppressed.
- the torsion bar is suitably prevented from breaking as described above. Or deterred. For this reason, the frequency of the swing of the movable part determined according to the spring constant of the torsion bar can be relatively increased.
- the actuator of this embodiment it is possible to increase the frequency at which the movable part swings while preventing or suppressing the destruction of the plurality of torsion bars.
- the first bar portion and the second bar will be described later.
- the density of the first bar portion that is relatively far from the rotation axis by forming one or more holes in the first bar portion while not forming one or more holes in the second bar portion. May be smaller than the density of the second bar portion relatively close to the rotation axis.
- the first bar portion and the second bar as will be described later.
- the density of the first bar portion may be smaller than the density of the second bar portion that is relatively close to the rotation axis.
- the first bar portion and the second bar as will be described later. You may implement
- a relatively large hole is formed in the first bar portion, while a relatively small hole is formed in the second bar portion or no hole is formed.
- the first bar portion and the second bar as will be described later. It may be realized by changing the material of the part.
- the first bar portion is made of a material having a relatively low density
- the second bar portion is made of a material having a relatively high density, thereby being relatively far from the rotation axis.
- the density of the first bar portion may be smaller than the density of the second bar portion that is relatively close to the rotation axis.
- the thickness of the torsion bar (specifically, the thickness along the direction perpendicular to the longitudinal direction and the short direction of the torsion bar). It is also considered that the frequency at which the movable part swings can be increased while preventing or suppressing the destruction of the torsion bar. In this case, it is preferable to increase the thickness of the torsion bar in order to increase the frequency at which the movable part swings while preventing or suppressing the destruction of the torsion bar.
- the movable portion, the support portion, and the torsion bar may be manufactured from a common (in other words, one) semiconductor substrate using a semiconductor manufacturing process.
- the thickness of the torsion bar is adjusted in the actuator of this embodiment including the torsion bar in which the density of the first bar portion relatively far from the rotation axis is smaller than the density of the second bar portion relatively close to the rotation axis. It is very advantageous in practice compared to the actuators that are used.
- the torsion bar is disposed so as to be positioned on the rotation axis, and a bar portion that is positioned relatively outward along the short direction of the torsion bar.
- the density of the first bar part is lower than the density of the second bar part, which is a bar part relatively positioned on the center side in the short direction of the torsion bar.
- the first bar portion is softer than the second bar portion.
- the first bar portion that becomes relatively soft that is, the first bar portion that becomes relatively soft due to the relatively small density
- Stress is likely to be applied to the relatively distant first bar portion.
- the first bar portion becomes relatively soft due to the relatively small density the stress applied to the first bar portion is relaxed. For this reason, destruction of the 1st bar part relatively far from a rotating shaft is prevented or suppressed suitably.
- the second bar portion that can be relatively hard that is, the second bar portion that can be relatively hard due to the relative size of the density and is relatively close to the rotation axis. No great stress is applied to the bar portion. For this reason, the breakage of the second bar portion relatively close to the rotation axis is also suitably prevented or suppressed. Therefore, destruction of the torsion bar is preferably prevented or suppressed.
- one or a plurality of holes are formed in the first bar portion.
- the density of the first bar portion is reduced by the amount of one or more holes formed.
- the first bar portion can be relatively softened due to the formation of the holes. Therefore, the density of the first bar portion relatively far from the rotation axis can be relatively easily made smaller than the density of the second bar portion relatively close to the rotation axis. As a result, the various effects described above can be suitably enjoyed.
- one or more holes may not be formed in the second bar portion.
- the second bar portion may be formed with a smaller number of holes than the number of holes formed in the first bar portion.
- a hole having a size smaller than the size (for example, diameter) of the hole formed in the first bar portion may be formed in the second bar portion.
- the amount of decrease in the density of the first bar portion due to the holes formed in the first bar portion exceeds the amount of decrease in the density of the second bar portion due to the holes formed in the second bar portion.
- an appropriate hole may or may not be formed in the second bar portion.
- the “density of the first (second) bar portion” when the hole is formed is the mass of the first (second) bar portion when the hole is formed, and the hole is not formed.
- the density is calculated by dividing by the volume of the first (second) bar portion. Accordingly, since the mass of the first (second) bar portion is reduced by the amount of the holes formed, the density of the first (second) bar portion is adjusted by forming the holes.
- the “hole” in the present embodiment may be a hole that penetrates the torsion bar (so-called opening), a hole that does not penetrate the torsion bar (so-called recess), or a torsion bar. It may be a hole (so-called void) formed inside (in other words, not appearing outside).
- the size of the plurality of holes may be configured so as to become smaller as it approaches the rotation shaft.
- the density of the first bar portion relatively far from the rotation axis can be made smaller than the density of the second bar portion relatively close to the rotation axis.
- the density can be reduced as the distance from the rotation axis is increased due to the adjustment of the size of the hole, so that the various effects described above can be suitably enjoyed.
- the number of the plurality of holes may be configured so as to decrease as it approaches the rotation shaft.
- the density of the first bar portion relatively far from the rotation axis can be made smaller than the density of the second bar portion relatively close to the rotation axis.
- the density can be reduced as the distance from the rotation axis is increased due to the adjustment of the number of holes, so that the various effects described above can be favorably enjoyed.
- the shape of the one or more holes may be a parallelogram.
- the first bar portion in which the holes having a parallelogram shape are formed can act like a spring similar to a bellows. For this reason, since a 1st bar part can be made relatively soft, the various effects mentioned above can be enjoyed suitably.
- the corner portion of the one or more holes may be chamfered.
- the shape of the outer edge of the torsion bar extends in the longitudinal direction from the connection point with the movable portion along the longitudinal direction.
- a first bar portion having a constriction shape in which the width gradually decreases along the longitudinal direction from the connection point with the support portion, and the one or more holes are formed.
- the shape of the boundary with the second bar portion may be configured to match the shape of the outer edge of the torsion bar.
- the movable part can be suitably rotated about the axis along the direction in which the torsion bar extends while enjoying the various effects described above.
- the shape of the outer edge of the torsion bar is a plurality of protruding portions protruding along the short direction from the outer edge of the torsion bar; Waveforms in which cut portions that cut into the torsion bar along the short direction from the outer edge of the torsion bar are alternately formed along the longitudinal direction between the plurality of protruding portions.
- the plurality of holes may be formed in the plurality of projecting portions.
- the movable part can be suitably rotated about the axis along the direction in which the torsion bar extends while enjoying the various effects described above.
- the shape of the outer edge of the torsion bar that is, substantially the shape of the outer edge of the first bar portion
- the first bar portion can be made relatively soft. For this reason, the various effects mentioned above can be enjoyed suitably.
- the density of the first bar portion that is provided with the movable portion, the support portion, and the torsion bar and is relatively far from the rotation axis in the torsion bar is the torsion bar. Is smaller than the density of the second bar portion relatively close to the rotation axis. Therefore, it is possible to increase the frequency at which the movable part swings while preventing or suppressing the destruction of the torsion bar.
- FIG. 1 is a plan view showing an example of the configuration of the actuator 1 of the first embodiment.
- the actuator 1 of the first embodiment is a planar electromagnetic drive actuator (that is, a MEMS scanner) used for scanning of laser light, for example.
- the actuator 1 includes an outer support 110, a pair of torsion bars 130, an inner support 210, a pair of torsion bars 230, a movable part 120, a pair of permanent magnets 160, and a pair of power terminals 170. ing.
- the outer support 110, the pair of torsion bars 130, the inner support 210, the pair of torsion bars 230, and the movable portion 120 are integrally formed from a nonmagnetic substrate such as a silicon substrate. That is, the outer support 110, the pair of torsion bars 130, the inner support 210, the pair of torsion bars 230, and the movable portion 120 are formed with a gap by removing a part of a nonmagnetic substrate such as a silicon substrate. It is formed by. A MEMS process is preferably used as the formation process at this time. Instead of the silicon substrate, the outer support 110, the pair of torsion bars 130, the inner support 210, the pair of torsion bars 230, and the movable portion 120 may be integrally formed from an arbitrary elastic material.
- the outer support body 110 has a frame shape surrounding the inner support body 210 and is located on both sides of the inner support body 210 (in other words, the inner support body 210 is sandwiched from both sides of the inner support body 210).
- a pair of torsion bars 130 are connected to the inner support 210.
- FIG. 1 shows an example in which the shape of the outer support 110 is a frame shape, it goes without saying that the shape of the outer support 110 is not limited to the frame shape.
- the outer support 110 may have a frame shape in which a part thereof is open.
- the inner support 210 has a frame shape that surrounds the movable portion 120, and is a direction in which the pair of torsion bars 130 extends (that is, the longitudinal direction of the pair of torsion bars 130, which is the X axis in FIG.
- the outer support 110 is pivotally supported by a pair of torsion bars 130 so as to be swingable around a rotation axis along the direction).
- the inner support 210 is further connected to the movable part 120 by a pair of torsion bars 230 located on both sides of the movable part 120 (in other words, sandwiching the movable part 120 from both sides of the movable part 120).
- a drive coil 140 is formed on the surface of the inner support 210.
- the drive coil 140 may be formed inside the inner support 210.
- FIG. 1 shows an example in which the shape of the inner support 210 is a frame shape, it goes without saying that the shape of the inner support 210 is not limited to the frame shape.
- the inner support 210 may have a frame shape in which a part thereof is open.
- the movable portion 120 can swing about a rotation axis along a direction in which the pair of torsion bars 230 extends (that is, the longitudinal direction of the pair of torsion bars 230 and the Y-axis direction in FIG. 1).
- the inner support 210 is pivotally supported by a pair of torsion bars 230.
- a mirror (not shown) that reflects the laser light is formed on the surface of the movable portion 120.
- the pair of torsion bars 130 connect the inner support 210 and the outer support 110 so that the inner support 210 can swing with respect to the outer support 110. Due to the elasticity of the pair of torsion bars 130, the inner support 210 swings so as to rotate about the axis along the direction in which the pair of torsion bars 130 extends. In other words, the inner support 210 swings around the rotation axis with the X axis in FIG. 1 as the rotation axis. At this time, the movable part 120 is connected to the inner support 210 via a pair of torsion bars 230. Accordingly, as the inner support 210 swings, the movable part 120 substantially swings around the rotation axis with the X axis in FIG. 1 as the rotation axis.
- Each of the pair of torsion bars 230 connects the movable portion 120 and the inner support 210 so that the movable portion 120 can swing with respect to the inner support 210. Due to the elasticity of the pair of torsion bars 230, the movable part 120 swings so as to rotate about an axis along the direction in which the pair of torsion bars 230 extends. That is, the movable unit 120 swings around the rotation axis with the Y axis in FIG. 1 as the rotation axis.
- the drive coil 140 is, for example, a coil that extends on the inner support 210.
- the drive coil 140 may be formed using, for example, a material having relatively high conductivity (for example, gold or copper).
- the drive coil 140 may be formed using a semiconductor manufacturing process such as a plating process or a sputtering method.
- the driving coil 140 is embedded in the silicon substrate for forming the outer support 110, the pair of torsion bars 130, the inner support 210, the plurality of pairs of torsion bars 230, and the movable part 120 using an implant method. May be.
- the outer shape of the drive coil 140 is simplified and described with emphasis on the visibility of the drawing, but actually, the drive coil 140 is formed on the surface of the inner support 210. And one or more windings.
- the drive coil 140 includes a pair of power terminals 170 formed on the outer support 110 and wiring 150 for electrically connecting the pair of power terminals 170 and the drive coil 140 and a pair of torsion.
- a control current is supplied from the power supply via the wiring 150 formed on the bar 130.
- the control current is a control current for swinging the inner support 210 and the movable part 120.
- the signal component having a frequency synchronized with the frequency at which the inner support 210 swings and the movable part 120 are This is an alternating current including a signal component having a frequency synchronized with the swinging frequency.
- the power source may be a power source provided in the actuator 1 itself or a power source prepared outside the actuator 1.
- the pair of permanent magnets 160 are attached to the outside of the outer support 110. However, the pair of permanent magnets 160 may be attached to any location as long as a predetermined static magnetic field can be applied to the drive coil 140.
- the pair of permanent magnets 160 preferably have their magnetic poles appropriately set so that a predetermined static magnetic field can be applied to the drive coil 140. Note that a yoke may be added to the pair of permanent magnets 160 in order to increase the strength of the static magnetic field.
- the actuator 1 of the first embodiment operates as described above (specifically, the movable part 120 swings), first, from the power source to the drive coil 140 via the power terminal 170 and the wiring 150.
- a control current is supplied.
- the control current supplied to the drive coil 140 includes a signal for swinging the inner support 210 (specifically, a signal synchronized with the swing cycle of the inner support 210) and the movable portion 120. It is preferable that the current be superimposed on a signal for swinging the signal (specifically, a signal synchronized with the period of the swing of the movable unit 120).
- a static magnetic field is applied to the drive coil 140 by a pair of permanent magnets 160.
- a force that is, a Lorentz force
- the inner support 210 on which the drive coil 140 is formed is far away by the Lorentz force resulting from the electromagnetic interaction between the static magnetic field applied from the pair of permanent magnets 160 and the control current supplied to the drive coil 140.
- the inner support 210 swings so as to rotate about the X axis in FIG.
- the movable part 120 is connected to the inner support 210 via a plurality of pairs of torsion bars 230. Accordingly, as the inner support 210 swings, the movable part 120 substantially swings around the rotation axis with the X axis in FIG. 1 as the rotation axis.
- the Lorentz force resulting from the electromagnetic interaction between the static magnetic field applied from the pair of permanent magnets 160 and the control current supplied to the drive coil 140 is transmitted to the movable part 120 as an inertial force.
- the movable unit 120 swings so as to rotate about the Y axis in FIG.
- the movable part 120 is driven in two axes.
- the two-axis drive of the movable part 120 is performed by swinging the inner support 210 using the Lorentz force itself and swinging the movable part 120 using the Lorentz force as an inertial force. It has been broken.
- a drive coil for generating a Lorentz force that causes the movable part 120 to move farther may be formed on the movable part 120.
- the pair of torsion bars 230 (and the inner support 210, the pair of torsion bars 130, and the outer support 110) are connected to the movable unit 120 from the power terminal 170 on the outer support 110. It is preferable that a wiring connected to the drive coil is formed.
- FIG. 2 is an enlarged plan view showing an example of the details of the shape of the pair of torsion bars 230 provided in the actuator 1 of the first embodiment. Note that FIG. 2 will be described with attention paid to the torsion bar 230 disposed on one side (for example, the upper side in FIG. 1) of the movable portion 120 of the pair of torsion bars 230. However, the same applies to the torsion bar 230 disposed on the other side of the movable portion 120 (for example, the lower side in FIG. 1) of the pair of torsion bars 230.
- the rotation axis of the movable portion 120 of the torsion bar 230 (hereinafter, unless otherwise noted, simply referred to as “rotation axis” means “the rotation axis of the movable portion 120 (that is, the Y axis).
- a plurality of holes 231 are formed in the bar portion 232 that is relatively far away from the rotation axis) ”. At this time, the plurality of holes 231 may be formed so that the plurality of holes 231 are arranged along the outer edge of the bar portion 232.
- FIG. 2 shows the actuator 1 in which the torsion bar 231 is located on the rotation axis.
- the distance between the bar portion 232 and the rotation axis is such that the bar portion 232 is relatively centrally located along the short direction of the torsion bar 230 or located outside (in other words, on the edge side). It depends on. Therefore, when the torsion bar 231 is positioned on the rotation axis, the bar portion 232 positioned on the outer side (in other words, on the edge side) of the torsion bar 230 relatively outside along the short direction of the torsion bar 230, It can also be said that a plurality of holes 231 are formed.
- Each of the plurality of holes 231 may be a hole 231 (so-called opening) that penetrates the torsion bar 230, a hole 231 (so-called recess) that does not penetrate the torsion bar 230, or a torsion bar. It may be a hole 231 (so-called void) formed inside 230 (in other words, does not appear outside).
- Each size (for example, diameter) of the plurality of holes 231 may be smaller as the hole 231 is closer to the rotation axis. However, the size of each of the plurality of holes 231 may be the same or may be randomly changed. In addition, the number of the plurality of holes 231 may decrease as the holes 231 approach the rotation axis. However, the number of the plurality of holes 231 may not decrease as the hole 231 approaches the rotation axis.
- Each shape of the plurality of holes 231 may be an ellipse shown in FIG.
- the plurality of holes 231 may be formed so that the direction in which the long side of the ellipse (in other words, the long axis) extends matches the longitudinal direction of the torsion bar 230.
- the plurality of holes 231 may be formed so that the direction in which the short side of the ellipse (in other words, the short axis) extends matches the longitudinal direction of the torsion bar 230.
- each of the plurality of holes 231 may have a circular shape, a rectangular shape, a parallelogram described later, or any other shape. .
- the hole 231 is not formed in the bar portion 233 of the torsion bar 230 that is relatively close to the rotational axis of the movable portion 120.
- the bar portion located relatively on the center side (in other words, on the center side) of the torsion bar 230 along the short direction of the torsion bar 230.
- No hole 231 is formed in 233.
- one or a plurality of holes 231 may also be formed in the bar portion 233 that is relatively close to the rotation axis.
- the density of the bar portion 232 (specifically, the holes 231 are formed).
- the density obtained by dividing the mass of the bar portion 232 by the volume of the bar portion 232 when the hole 231 is not formed is smaller than the density of the bar portion 233.
- the hardness of the bar portion 232 is softer than the hardness of the bar portion 233.
- “hardness” is intended to indicate the hardness against the deformation force of the torsion bar 230 that accompanies the swing of the movable part 120.
- FIG. 3 is an enlarged plan view showing an example of the configuration of an actuator of a comparative example that rotates the movable portion 120 using only one torsion bar 1230 located on the rotation axis.
- the edge portions on both sides of the torsion bar 1230 (more specifically, both sides along the short direction of the torsion bar 230). Stress corresponding to the left and right edge portions in FIG. 3) is greater than the stress applied to the central portion (more specifically, the central portion along the short direction of the torsion bar). . That is, the stress applied to the edge portion of the torsion bar 1230 that is relatively far from the rotation axis is greater than the stress applied to the center portion of the torsion bar 1230 that is relatively close to the rotation axis. That is, the stress applied to the torsion bar 1230 as the movable part 120 moves farther is more likely to be applied as the distance from the rotation axis becomes relatively longer.
- the plurality of holes in the torsion bar 230 are provided. Stress is easily applied to the bar portion 232 in which 231 is formed (that is, the bar portion 232 that is relatively far from the rotation axis and is relatively on the edge side). However, since the bar portion 232 is relatively soft because the plurality of holes 231 are formed, the stress applied to the bar portion 232 relatively far from the rotation axis is relaxed.
- the bar portion 232 relatively far from the rotation axis becomes relatively soft, and as a result, the relative distance from the rotation axis.
- the stress applied to the bar portion 232 which is far away is relieved. For this reason, the breakage of the bar portion 232 that is relatively far from the rotation axis is preferably prevented or suppressed.
- the breakage of the bar portion 233 relatively close to the rotation axis is also preferably prevented or suppressed.
- the density of the bar portion 233 is relatively increased, and thus the bar 233 relatively close to the rotation axis is relatively hard.
- breakage of the bar portion 233 relatively close to the rotation axis is also preferably prevented or suppressed.
- the plurality of holes 231 are selectively formed in the bar portion 232 of the torsion bar 230 that is relatively far from the rotation axis. Is preferably prevented or suppressed.
- the actuator 1 of the first embodiment it is possible to make the width of the torsion bar 230 relatively large or to make the length of the torsion bar 230 relatively short while preventing the torsion bar 230 from being broken. Yes (that is, the spring constant can be relatively increased).
- the spring constant of the torsion bar 1230 can be increased by increasing the width of the torsion bar 1230
- the torsion bar 230 is increased by the increased width. 230 is easily destroyed.
- the torsion bar 230 is prevented from being broken in consideration of the trade-off relationship between the destruction of the torsion bar 230 and the increase in the spring constant of the torsion bar 230.
- the width of the torsion bar 230 can be made relatively thick or the length of the torsion bar 230 can be made relatively short (that is, the spring constant can be made relatively large). For this reason, the frequency of the swing of the movable part 120 determined according to the spring constant of the torsion bar 230 can be relatively increased.
- the actuator 1 of the first embodiment is applied to a video display device such as a head-up display, the swing caused by the elasticity of the pair of torsion bars 130 (that is, the swing using the X axis as the rotation axis).
- the spring constant of the pair of torsion bars 230 as a whole can be relatively increased, so that the swing caused by the elasticity of the pair of torsion bars 230 (ie, Y
- the frequency of swinging with the axis as the rotation axis can be increased.
- the frequency at which the movable unit 120 swings due to the elasticity of the pair of torsion bars 230 can be increased.
- the actuator 1 of the first embodiment it is possible to increase the frequency at which the movable portion 120 swings while preventing or suppressing the destruction of the torsion bar 230.
- the pair of torsion bars 230 includes a bar portion 232 in which a plurality of holes 231 are formed.
- the pair of torsion bars 130 may include a bar portion 232 in which a plurality of holes 231 are formed.
- the pair of torsion bars 230 does not include the bar portions 232 in which the plurality of holes 231 are formed. Also good.
- FIG. 2 shows that the hole 231 is formed in the bar portion 232 while the hole 231 is not formed in the bar portion 233, so that the density of the bar portion 232 is smaller than the density of the bar portion 233 (in other words, the bar portion 233 An example in which the hardness of 232 is made softer than the hardness of the bar portion 233 is shown. However, the hole 231 may be formed in the bar portion 233.
- the density of the bar portion 232 is made smaller than the density of the bar portion 233 (in other words, the hardness of the bar portion 232 may be made softer than the hardness of the bar portion 233).
- the density of the bar part 232 is made smaller than the density of the bar part 233 by reducing the size of the hole formed in the bar part 232 than the size of the hole formed in the bar part 233 (in other words, the bar You may comprise so that the hardness of the part 232 may be softer than the hardness of the bar part 233).
- the bar portion 232 is formed using a material having a relatively low density while the bar portion 233 is formed using a material having a relatively high density, whereby the density of the bar portion 232 is changed to the density of the bar portion 233.
- the hardness of the bar portion 232 is softer than the hardness of the bar portion 233.
- FIG. 4 is an enlarged plan view showing an example of the details of the shape of the pair of torsion bars 230 provided in the actuator 2 of the second embodiment.
- the same referential mark is attached
- the actuator 2 of the second embodiment is different from the actuator 1 of the first embodiment in that the shape of the outer edges of the pair of torsion bars 230 is different.
- the other components of the actuator 2 of the second embodiment may be the same as the other components of the actuator 1 of the first embodiment.
- the outer edge of the torsion bar 230 has the largest width of the connection portion with the inner support 210 and the width of the connection portion with the movable portion 120. And the width in the longitudinal direction of the torsion bar 230 is the smallest (so-called constricted shape in which the central portion is constricted).
- the shape of the pattern in which the plurality of holes 231 are formed in accordance with the shape of the outer edge of the torsion bar 230 is also a constricted shape.
- the shape of the boundary line between the bar portion 232 in which the plurality of holes 231 are formed and the bar portion 233 in which the plurality of holes 233 are not formed is also constricted in accordance with the shape of the outer edge of the torsion bar 230. It has a shape.
- the movable unit 120 is preferably used with the axis along the longitudinal direction of the torsion bar 230 as a rotation axis. You can swing.
- FIG. 5 is an enlarged plan view showing an example of the detailed shape of the pair of torsion bars 230 provided in the actuator 3 of the third embodiment. Note that the same reference numerals are given to the same components as those provided in the actuator 1 of the first embodiment to the actuator 2 of the second embodiment, and the detailed description thereof is omitted.
- the actuator 3 of the third embodiment is different from the actuator 1 of the first embodiment in that the shape of the outer edges of the pair of torsion bars 230 is different.
- the other components of the actuator 3 of the third embodiment may be the same as the other components of the actuator 1 of the first embodiment.
- the shape of the outer edge of the torsion bar 230 is (i) a protruding portion 234 protruding outward from the outer edge of the torsion bar 230, and (ii)
- the torsion bar 230 has a corrugated shape in which cut portions 235 that are cut from the outer edge toward the center side (in other words, bite in) are alternately arranged along the longitudinal direction of the torsion bar 230.
- a hole 231 is preferably formed in the protruding portion 234.
- the shape of the outer edge of the torsion bar 230 (or the shape of the pattern in which the holes 231 are formed, or between the bar portion 232 and the bar portion 233)
- the shape of the boundary line is a constricted shape.
- the actuator 3 of the third embodiment Even in the actuator 3 of the third embodiment, various effects that can be enjoyed by the actuator 1 of the first embodiment can be suitably enjoyed.
- the actuator 3 of the third embodiment since the outer edge of the torsion bar 230 has a corrugated shape and the protruding portion 234 has the holes 231, the bar having a plurality of holes 231 is formed. Portion 232 may act like a so-called bellows spring. As a result, the bar portion 232 that is relatively far from the rotation axis can be made even softer. As a result, the various effects described above can be more suitably enjoyed.
- FIG. 6 is an enlarged plan view showing an example of the detailed shape of the pair of torsion bars 230 provided in the actuator 4 of the fourth embodiment.
- the same components as those of the actuator 1 of the first embodiment to the actuator 3 of the third embodiment are denoted by the same reference numerals, and detailed description thereof is omitted.
- the actuator 4 of the fourth embodiment is different from the actuator 1 of the first embodiment in the shape of the hole 231 formed in the bar portion 232 relatively far from the rotation axis and a pair of torsion.
- the difference is that the shape of the outer edge of the bar 230 is different.
- Other components of the actuator 4 of the fourth embodiment may be the same as other components of the actuator 1 of the first embodiment.
- the shape of the hole 231 is a parallelogram (including a rhombus).
- the plurality of holes 231 may be formed so that the direction in which the longer diagonal of the parallelogram extends and the longitudinal direction of the torsion bar 230 coincide.
- the plurality of holes 231 may be formed so that the direction in which the shorter diagonal of the parallelogram extends and the longitudinal direction of the torsion bar 230 coincide.
- angular part (namely, four corner part) of the some hole 231 is chamfered.
- the plurality of holes 231 having a parallelogram shape are preferably arranged in a matrix.
- the shape of the outer edge of the torsion bar 230 has a shape that matches the plurality of holes 231 arranged in a matrix.
- the actuator 4 of the fourth embodiment Even in the actuator 4 of the fourth embodiment, various effects that can be enjoyed by the actuator 1 of the first embodiment can be suitably enjoyed.
- the bar portion 232 in which the plurality of holes 231 are formed is a so-called bellows spring. Can act as follows. As a result, the bar portion 232 that is relatively far from the rotation axis can be made even softer. As a result, the various effects described above can be more suitably enjoyed.
- FIG. 7 is a plan view showing an example of the configuration of the actuator 5 of the fifth embodiment. Note that the same reference numerals are given to the same components as those provided in the actuator 1 of the first embodiment to the actuator 4 of the fourth embodiment, and detailed description thereof will be omitted.
- the actuator 5 of the fifth embodiment is different from the actuator 1 of the first embodiment that performs the biaxial drive of the movable portion 120 in that the movable portion 120 is uniaxially driven.
- the actuator 5 of the fifth embodiment includes an outer support 110, a pair of torsion bars 230, a movable part 120, a pair of permanent magnets 160, and a pair of power terminals 170. That is, the actuator 5 of the fifth embodiment differs from the actuator 1 of the first embodiment in that it does not include the pair of torsion bars 130 and the inner support 210.
- the outer support 110, the pair of torsion bars 230, and the movable portion 120 are integrally formed from a nonmagnetic substrate such as a silicon substrate, for example. That is, the outer support 110, the pair of torsion bars 230, and the movable portion 120 are formed by forming a gap by removing a part of a nonmagnetic substrate such as a silicon substrate. A MEMS process is preferably used as the formation process at this time. Instead of the silicon substrate, the outer support 110, the pair of torsion bars 230, and the movable portion 120 may be integrally formed from an arbitrary elastic material.
- the outer support 110 has a frame shape surrounding the movable part 120 and is located on both sides of the movable part 120 (in other words, sandwiching the movable part 120 from both sides of the movable part 120). 230 is connected to the movable part 120.
- the movable portion 120 can swing about a rotation axis along a direction in which the pair of torsion bars 230 extends (that is, the longitudinal direction of the pair of torsion bars 230 and the direction of the X axis in FIG. 7). Further, the outer support 110 is pivotally supported by a pair of torsion bars 230. A mirror (not shown) that reflects the laser light is formed on the surface of the movable portion 120. A drive coil 140 is formed on the surface of the movable portion 120. However, the drive coil 140 may be formed inside the movable part 120.
- Each of the pair of torsion bars 230 connects the movable portion 120 and the outer support 110 so that the movable portion 120 can swing with respect to the outer support 110. Due to the elasticity of the pair of torsion bars 230, the movable part 120 swings so as to rotate about an axis along the direction in which the pair of torsion bars 230 extends. That is, the movable unit 120 swings around the rotation axis with the X axis in FIG. 7 as the rotation axis.
- the drive coil 140 includes a pair of power terminals 170 formed on the outer support 110 and wiring 150 for electrically connecting the pair of power terminals 170 and the drive coil 140 and a pair of torsion.
- a control current is supplied from the power supply via the wiring 150 formed on the bar 230.
- the control current is a control current for swinging the movable portion 120, and is typically an alternating current including a signal component having a frequency synchronized with the frequency at which the movable portion 120 swings.
- the power source may be a power source provided in the actuator 1 itself or a power source prepared outside the actuator 1.
- the actuator 5 of the fifth embodiment operates (specifically, the movable part 120 swings), first, from the power source to the drive coil 140 via the power terminal 170 and the wiring 150. In contrast, a control current is supplied. At this time, the control current supplied to the drive coil 140 is a current including a signal for swinging the movable portion 120 (specifically, a signal synchronized with the swing cycle of the movable portion 120). Is preferred.
- a static magnetic field is applied to the drive coil 140 by a pair of permanent magnets 160. Therefore, a force (that is, a Lorentz force) due to an electromagnetic interaction between the static magnetic field applied from the pair of permanent magnets 160 and the control current supplied to the drive coil 140 is generated in the drive coil 140.
- the movable part 120 in which the drive coil 140 is formed swings due to the Lorentz force resulting from the electromagnetic interaction between the static magnetic field applied from the pair of permanent magnets 160 and the control current supplied to the drive coil 140. To do. That is, the movable part 120 swings so as to rotate about the X axis in FIG.
- the uniaxial drive of the movable portion 120 is performed. And even if it is the actuator 5 which performs the uniaxial drive of the movable part 120, since it is provided with a pair of torsion bars 230, it can enjoy various effects which the actuator 1 of 1st Example can enjoy suitably. Can do.
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Abstract
アクチュエータ(1)は、可動部(120)と、可動部を支持する支持部(110)と、長手方向に沿った回転軸を中心として可動部が揺動可能なように、長手方向に沿って可動部と支持部とを接続するトーションバー(230)とを備えており、トーションバーのうち回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度は、トーションバーのうち回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さい。
Description
本発明は、例えばミラー等が設けられた可動部を駆動するMEMSスキャナ等のアクチュエータの技術分野に関する。
例えば、ディスプレイ、プリンティング装置、精密測定、精密加工、情報記録再生などの多様な技術分野において、半導体プロセス技術によって製造されるMEMS(Micro Electro Mechanical System)デバイスについての研究が活発に進められている。このようなMEMSデバイスとして、レーザ光のスキャニングに用いられるMEMSスキャナが知られている。このようなMEMSスキャナは、可動板と、可動板を取り囲む枠状の支持枠と、可動板を支持枠に対して揺動可能に軸支するトーションバーとを備えている。
このようなMEMSスキャナを開示する先行技術として、特許文献1から特許文献3が一例としてあげられる。
このようなMEMSスキャナの活用法として、例えば、映像を投影するためのヘッドアップディスプレイ等の映像表示装置に用いられることが想定されている。ここで、MEMSスキャナをヘッドアップディスプレイ等の映像表示装置に用いる場合には、高解像度の映像を投影するために、可動板の遥動の周波数(例えば、可動板の質量及び当該可動板を軸支するトーションバーのバネ定数によって定まる共振周波数)を大きくすることが好ましい。
可動板の遥動の周波数を大きくするための一つの対策として、トーションバーを太くする又は短くすることでトーションバーを硬くする(言い換えれば、トーションバーのバネ定数を大きくする)対策が考えられる。しかしながら、トーションバーを単純に太くするだけでは、トーションバーを太くした分だけ、可動板の遥動に伴ってトーションバーに加わる応力が増加してしまうという技術的な問題点が生じてしまう。同様に、トーションバーを単純に短くするだけでは、トーションバーを短くした分だけ、可動板の遥動に伴ってトーションバーに加わる応力が増加してしまうという技術的な問題点が生ずる。その結果、このような応力の増加がトーションバーの破壊を引き起こしかねないという技術的な問題点が生ずる。
本発明は、例えば前述した従来の問題点に鑑みなされたものであり、例えばトーションバーの破壊を防止又は抑止しながら、可動部が遥動する周波数を大きくすることが可能なアクチュエータを提供することを課題とする。
アクチュエータは、上記課題を解決するために、可動部と、当該可動部を支持する支持部と、長手方向に沿った回転軸を中心として前記可動部が揺動可能なように、長手方向に沿って前記可動部と前記支持部とを接続するトーションバーとを備えており、前記トーションバーのうち前記回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度は、前記トーションバーのうち前記回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さい。
本発明の作用及び他の利得は次に説明する実施形態から明らかにされる。
以下、アクチュエータの実施形態について順に説明する。
本実施形態のアクチュエータは、可動部と、当該可動部を支持する支持部と、長手方向に沿った回転軸を中心として前記可動部が揺動可能なように、長手方向に沿って前記可動部と前記支持部とを接続するトーションバーとを備えており、前記トーションバーのうち前記回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度は、前記トーションバーのうち前記回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さい。
本実施形態のアクチュエータによれば、トーションバーによって懸架された可動部が遥動する。可動部は、例えば、トーションバーが伸長する方向(つまり、トーションバーの長手方向)に沿った軸を回転軸として回転するように遥動してもよい。
このような可動部の回転を実現するために、トーションバーは、当該トーションバーの長手方向に沿って可動部と支持部とを接続する。このとき、トーションバーは、可動部と支持部とを直接的に接続していてもよい。或いは、トーションバーは、可動部と支持部とを間接的に(言い換えれば、間に任意の部材を介在させた上で)接続してもよい。
本実施形態では、トーションバーの一部を構成するバー部分の密度は、可動部の回転軸と当該バー部分との間の距離に応じて調整されている。より具体的には、トーションバーのうち回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度は、トーションバーのうち回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくなっている。尚、トーションバーが回転軸上に位置する場合には、回転軸から相対的に遠い第1バー部分は、トーションバーのうち短手方向に沿って相対的に外側に位置するバー部分に相当する。同様に、回転軸に相対的に近い第2バー部分は、トーションバーのうち短手方向に沿って相対的に中心側に位置するバー部分に相当する。従って、トーションバーが回転軸上に位置する場合には、トーションバーのうち短手方向に沿って相対的に外側に位置する第1バー部分の密度は、トーションバーのうち短手方向に沿って相対的に中心側に位置する第2バー部分の密度よりも小さくなっているとも表現できる。
ここで、回転軸上に位置するただ一つのトーションバーに支持されている可動部が遥動した場合に当該トーションバーに加わる応力について説明する。尚、ここで言う「ただ一つのトーションバー」とは、文字通りただ1本のトーションバーを意味する他に、可動部を挟み込むように又は可動部を支持するように位置する一対の(言い換えれば、1セットの)トーションバーをも意味する広い趣旨である。このような可動部が遥動した場合には、当該ただ一つのトーションバーの両側の縁部分(より具体的には、トーションバーの短手方向に沿った両側の縁部分)に加わる応力が、中心部分(より具体的には、トーションバーの短手方向に沿った中心部分)に加わる応力よりも大きくなる。つまり、当該ただ一つのトーションバーのうち回転軸から相対的に遠い縁部分に加わる応力が、当該ただ一つのトーションバーのうち回転軸に相対的に近い中心部分に加わる応力よりも大きくなる。つまり、可動部が遥動することに伴って当該ただ一つのトーションバーに加わる応力は、回転軸から遠くなるほど加わりやすくなる。
このような応力の加わり方を考慮すれば、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度が回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さいトーションバーを備える本実施形態のアクチュエータによれば、回転軸から相対的に遠い第1バー部分(つまり、密度が相対的に小さい第1バー部分)に応力が加わりやすくなる。しかるに、密度の相対的な小ささに起因して第1バー部分が相対的に柔らかくなるため、回転軸から相対的に遠い第1バー部分に加わる応力は緩和される。このため、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の破壊が好適に防止又は抑止される。一方で、回転軸に相対的に近い第2バー部分(つまり、密度が相対的に大きい第2バー部分)には、それほど大きな応力が加わることはない。このため、回転軸に相対的に近い第2バー部分の破壊もまた好適に防止又は抑止される。従って、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度が回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さいトーションバーを備える本実施形態のアクチュエータによれば、トーションバーの破壊が好適に防止又は抑止される。
他方で、トーションバーのバネ定数を相対的に大きくするためにトーションバーの幅を太くしたり或いはトーションバーの長さを短くしたりしても、上述したようにトーションバーの破壊が好適に防止又は抑止される。このため、トーションバーのバネ定数に応じて定まる可動部の遥動の周波数を相対的に大きくすることができる。
つまり、本実施形態のアクチュエータによれば、複数のトーションバーの破壊を防止又は抑止しながら、可動部が遥動する周波数を大きくすることができる。
尚、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくするためには、後述するように、第1バー部分及び第2バー部分に形成される孔の有無によって実現されてもよい。具体的には、第1バー部分に一又は複数の孔を形成する一方で、第2バー部分に一又は複数の孔を形成しないことで、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくしてもよい。或いは、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくするためには、後述するように、第1バー部分及び第2バー部分に形成される孔の数の調整によって実現されてもよい。具体的には、第1バー部分に相対的に多くの孔を形成する一方で、第2バー部分に相対的に少ない孔を形成する又は孔を形成しないことで、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくしてもよい。或いは、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくするためには、後述するように、第1バー部分及び第2バー部分に形成される孔の大きさの調整によって実現されてもよい。具体的には、第1バー部分に相対的に大きい孔を形成する一方で、第2バー部分に相対的に小さい孔を形成する又は孔を形成しないことで、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくしてもよい。或いは、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくするためには、後述するように、第1バー部分及び第2バー部分の材料を変えることで実現されてもよい。具体的には、相対的に密度が小さい材料から第1バー部分が構成される一方で、相対的に密度が大きい材料から第2バー部分が構成されることで、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくしてもよい。
尚、可動部がただ一つのトーションバーに支持されている場合であっても、トーションバーの厚み(具体的には、トーションバーの長手方向及び短手方向の夫々に直交する方向に沿った厚み)を調整することで、トーションバーの破壊を防止又は抑止しながら可動部が遥動する周波数を大きくすることができるとも考えられる。この場合、トーションバーの破壊を防止又は抑止しながら可動部が遥動する周波数を大きくするためには、トーションバーの厚みを厚くすることが好ましい。しかしながら、後述するように、可動部、支持部及びトーションバーは、共通の(言い換えれば、1つの)半導体基板から半導体製造プロセスを用いて製造されることがある。このため、トーションバーの厚みを厚くするためには、可動部及び支持部の厚みをも厚くしなければならなくなる。更には、後に詳述するように、バネ定数を大きくしたくない他のトーションバーの厚みをも厚くしなければならなくなる。しかるに、本実施形態によれば、可動部や支持部の仕様を変えることなく、トーションバーの破壊を防止又は抑止しながら可動部が遥動する周波数を大きくすることができる。このため、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度が回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さいトーションバーを備える本実施形態のアクチュエータは、トーションバーの厚みが調整されているアクチュエータと比較して、実践上大変有利である。
本実施形態のアクチュエータの他の態様では、前記トーションバーは、前記回転軸上に位置するように配置されており、前記トーションバーのうち短手方向に沿って相対的に外側に位置するバー部分である前記第1バー部分の密度は、前記トーションバーのうち短手方向に沿って相対的に中心側に位置するバー部分である前記第2バー部分の密度よりも小さい。
この態様によれば、トーションバーが可動部の回転軸上に位置する場合において、上述した各種効果を好適に享受することができる。
本実施形態のアクチュエータの他の態様では、前記第1バー部分は、前記第2バー部分よりも柔らかい。
この態様によれば、上述したように、相対的に柔らかくなる第1バー部分(つまり、密度の相対的な小ささに起因して相対的に柔らかくなる第1バー部分であって、回転軸から相対的に遠い第1バー部分)に応力が加わりやすくなる。しかるに、密度の相対的な小ささに起因して第1バー部分が相対的に柔らかくなるため、第1バー部分に加わる応力は緩和される。このため、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の破壊が好適に防止又は抑止される。一方で、相対的に硬くなり得る第2バー部分(つまり、密度の相対的な大きさに起因して相対的に硬くなり得る第2バー部分であって、回転軸に相対的に近い第2バー部分)には、それほど大きな応力が加わることはない。このため、回転軸に相対的に近い第2バー部分の破壊もまた好適に防止又は抑止される。従って、トーションバーの破壊が好適に防止又は抑止される。
本実施形態のアクチュエータの他の態様では、前記第1バー部分には、一又は複数の孔が形成されている。
この態様によれば、第1バー部分の密度は、一又は複数の孔が形成された分だけ小さくなる。言い換えれば、孔が形成されることに起因して、第1バー部分を相対的に柔らかくすることができる。従って、比較的容易に、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくすることができる。その結果、上述した各種効果を好適に享受することができる。
尚、この態様では、第2バー部分には、一又は複数の孔が形成されていなくともよい。或いは、第2バー部分には、第1バー部分に形成された孔の数よりも少ない数の孔が形成されてもよい。或いは、第2バー部分には、第1バー部分に形成された孔のサイズ(例えば、径)よりも小さいサイズの孔が形成されてもよい。いずれにせよ、第1バー部分に形成される孔に起因した第1バー部分の密度の減少量が、第2バー部分に形成される孔に起因した第2バー部分の密度の減少量を上回るように、第2バー部分には適切な孔が形成されてもよいし、形成されなくともよい。
このとき、孔が形成されている場合の「第1(第2)バー部分の密度」は、孔が形成されている場合の第1(第2)バー部分の質量を孔が形成されていない場合の第1(第2)バー部分の体積で除することで算出される密度を示す趣旨である。従って、孔が形成された分だけ第1(第2)バー部分の質量が減るため、孔の形成によって第1(第2)バー部分の密度が調整される。
尚、本実施形態の「孔」とは、トーションバーを貫通する孔(いわゆる、開口)であってもよいし、トーションバーを貫通しない孔(いわゆる、凹部)であってもよいし、トーションバーの内部に形成された(言い換えれば、外部に現れない)孔(いわゆる、空隙)であってもよい。
上述の如く第1バー部分に一又は複数の孔が形成されるアクチュエータの態様では、前記複数の孔のサイズは、前記回転軸に近づけば近づくほど小さくなるように構成してもよい。
このように構成すれば、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくすることができる。特に、第1バー部分のみに着目しても、孔のサイズの調整に起因して回転軸から遠くなるほど密度が小さくなることができるため、上述した各種効果を好適に享受することができる。
上述の如く第1バー部分に一又は複数の孔が形成されるアクチュエータの態様では、前記複数の孔の数は、前記回転軸に近づけば近づくほど少なくなるように構成してもよい。
このように構成すれば、回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度を回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さくすることができる。特に、第1バー部分のみに着目しても、孔の数の調整に起因して回転軸から遠くなるほど密度が小さくなることができるため、上述した各種効果を好適に享受することができる。
上述の如く第1バー部分に一又は複数の孔が形成されるアクチュエータの態様では、前記一又は複数の孔の形状は、平行四辺形であるように構成してもよい。
このように構成すれば、平行四辺形の形状となる孔が形成された第1バー部分は、いわば蛇腹に類似したバネの如く作用し得る。このため、第1バー部分を相対的に柔らかくすることができるため、上述した各種効果を好適に享受することができる。
上述の如く孔の形状が平行四辺形となるアクチュエータの態様では、前記一又は複数の孔の角部分は面取り処理が施されているように構成してもよい。
このように構成すれば、孔の角部分から生じ得る亀裂に起因した第1バー部分の破壊を好適に防止又は抑止することができる。
上述の如く第1バー部分に一又は複数の孔が形成されるアクチュエータの態様では、前記トーションバーの外縁の形状は、前記長手方向に沿って、前記可動部との接続点から前記長手方向に沿って幅が徐々に細くなり且つ前記支持部との接続点から前記長手方向に沿って幅が徐々に細くなるくびれ形状であり、前記一又は複数の孔が形成されている第1バー部分と前記第2バー部分との境界の形状は、前記トーションバーの外縁の形状に合わせた形状であるように構成してもよい。
このように構成すれば、上述した各種効果を享受しつつ、可動部を、トーションバーが伸長する方向に沿った軸を回転軸として好適に回転させることができる。
上述の如く第1バー部分に一又は複数の孔が形成されるアクチュエータの態様では、前記トーションバーの外縁の形状は、前記トーションバーの外縁から短手方向に沿って突き出る複数の突出部分と、当該複数の突出部分の夫々の間において前記トーションバーの外縁から前記短手方向に沿って当該トーションバーの内部に切れ込む切込部分とが、前記長手方向に沿って交互に形成される波型の形状であり、前記複数の突出部分に前記複数の孔が夫々形成されるように構成してもよい。
このように構成すれば、上述した各種効果を享受しつつ、可動部を、トーションバーが伸長する方向に沿った軸を回転軸として好適に回転させることができる。特に、トーションバーの外縁の形状(つまり、実質的には、第1バー部分の外縁の形状)が波型の形状となるため、第1バー部分を相対的に柔らかくすることができる。このため、上述した各種効果を好適に享受することができる。
本実施形態のこのような作用及び他の利得は次に説明する実施例から明らかにされる。
以上説明したように、本実施形態のアクチュエータによれば、可動部と、支持部と、トーションバーとを備え、トーションバーのうち回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度は、トーションバーのうち回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さい。従って、トーションバーの破壊を防止又は抑止しながら、可動部が遥動する周波数を大きくすることができる。
以下、実施例について図を参照しつつ説明する。
(1)第1実施例
以下、図1を参照して、第1実施例のアクチュエータ1について説明する。図1は、第1実施例のアクチュエータ1の構成の一例を示す平面図である。
以下、図1を参照して、第1実施例のアクチュエータ1について説明する。図1は、第1実施例のアクチュエータ1の構成の一例を示す平面図である。
図1に示すように、第1実施例のアクチュエータ1は、例えばレーザ光のスキャニングに用いられるプレーナ型電磁駆動アクチュエータ(即ち、MEMSスキャナ)である。アクチュエータ1は、外側支持体110と、一対のトーションバー130と、内側支持体210と、一対のトーションバー230と、可動部120と、一対の永久磁石160と、一対の電源端子170とを備えている。
外側支持体110、一対のトーションバー130、内側支持体210、一対のトーションバー230及び可動部120は、例えばシリコン基板等の非磁性基板から一体的に形成されている。即ち、外側支持体110、一対のトーションバー130、内側支持体210、一対のトーションバー230及び可動部120は、例えばシリコン基板等の非磁性基板の一部が除去されることにより間隙が形成されることで形成されている。このときの形成プロセスとして、MEMSプロセスが用いられることが好ましい。尚、シリコン基板に代えて、任意の弾性材料から、外側支持体110、一対のトーションバー130、内側支持体210、一対のトーションバー230及び可動部120が一体的に形成されてもよい。
外側支持体110は、内側支持体210を取り囲むような枠形状を有しており、内側支持体210の両側に位置する(言い換えれば、内側支持体210の両側から当該内側支持体210を挟み込む)一対のトーションバー130によって内側支持体210と接続されている。尚、図1は、外側支持体110の形状が枠形状となる例を示しているが、外側支持体110の形状が枠形状に限定されないことは言うまでもない。例えば、外側支持体110の形状は、その一部が開口している枠形状となってもよい。
内側支持体210は、可動部120を取り囲むような枠形状を有しており、一対のトーションバー130が伸長する方向(つまり、一対のトーションバー130の長手方向であり、図1中X軸の方向)に沿った回転軸を中心に揺動可能なように一対のトーションバー130によって外側支持体110に軸支されている。内側支持体210は、更に、可動部120の両側に位置する(言い換えれば、可動部120の両側から当該可動部120を挟み込む)一対のトーションバー230によって可動部120と接続されている。内側支持体210の表面には、駆動コイル140が形成されている。但し、駆動コイル140は、内側支持体210の内部に形成されてもよい。尚、図1は、内側支持体210の形状が枠形状となる例を示しているが、内側支持体210の形状が枠形状に限定されないことは言うまでもない。例えば、内側支持体210の形状は、その一部が開口している枠形状となってもよい。
可動部120は、一対のトーションバー230が伸長する方向(つまり、一対のトーションバー230の長手方向であって、図1中Y軸の方向)に沿った回転軸を中心に揺動可能なように一対のトーションバー230によって内側支持体210に軸支されている。可動部120の表面には、レーザ光を反射する不図示のミラーが形成される。
一対のトーションバー130は、内側支持体210が外側支持体110に対して揺動可能なように、内側支持体210と外側支持体110とを接続する。一対のトーションバー130の弾性によって、内側支持体210は、一対のトーションバー130が伸長する方向に沿った軸を回転軸として回転するように遥動する。つまり、内側支持体210は、図1におけるX軸を回転軸として、当該回転軸の周りで回転するように遥動する。このとき、可動部120は、一対のトーションバー230を介して内側支持体210に接続されている。従って、内側支持体210の遥動に伴って、可動部120は、実質的には、図1におけるX軸を回転軸として、当該回転軸の周りで回転するように遥動する。
一対のトーションバー230の夫々は、可動部120が内側支持体210に対して揺動可能なように、可動部120と内側支持体210とを接続する。一対のトーションバー230の弾性によって、可動部120は、一対のトーションバー230が伸長する方向に沿った軸を回転軸として回転するように遥動する。つまり、可動部120は、図1におけるY軸を回転軸として、当該回転軸の周りで回転するように遥動する。
駆動コイル140は、例えば、内側支持体210上に伸長するコイルである。駆動コイル140は、例えば相対的に導電率の高い材料(例えば、金や銅等)を用いて形成されてもよい。また、駆動コイル140は、めっきプロセスやスパッタリング法等の半導体製造プロセスを用いて形成されてもよい。或いは、駆動コイル140は、外側支持体110、一対のトーションバー130、内側支持体210、複数の一対のトーションバー230及び可動部120を形成するためのシリコン基板に対してインプラント法を用いて埋め込まれてもよい。尚、図1上では、図面の見やすさを重視して、駆動コイル140の外形を簡略化して記載してあるが、実際には、駆動コイル140は、内側支持体210の表面上に形成された一又は複数の巻き線によって構成されている。
駆動コイル140には、外側支持体110上に形成されている一対の電源端子170及び当該一対の電源端子170と駆動コイル140とを電気的に接続するための配線150であって且つ一対のトーションバー130上に形成された配線150を介して、電源から制御電流が供給される。制御電流は、内側支持体210及び可動部120を遥動させるための制御電流であって、典型的には、内側支持体210が遥動する周波数と同期した周波数の信号成分及び可動部120が遥動する周波数と同期した周波数の信号成分を含む交流電流である。尚、電源は、アクチュエータ1自身が備えている電源であってもよいし、アクチュエータ1の外部に用意される電源であってもよい。
一対の永久磁石160は、外側支持体110の外部に取り付けられている。但し、一対の永久磁石160は、駆動コイル140に対して所定の静磁界を印加することができる限りは、どのような箇所に取り付けられてもよい。一対の永久磁石160は、駆動コイル140に対して所定の静磁界を印加することができるように、その磁極の向きが適切に設定されていることが好ましい。尚、一対の永久磁石160には、静磁界の強度を高めるために、ヨークが付加されていてもよい。
このような第1実施例のアクチュエータ1が動作する(具体的には、可動部120が遥動する)場合には、まず、電源から、電源端子170及び配線150を介して、駆動コイル140に対して制御電流が供給される。このとき駆動コイル140に対して供給される制御電流は、内側支持体210を遥動させるための信号(具体的には、内側支持体210の遥動の周期に同期した信号)と可動部120を遥動させるための信号(具体的には、可動部120の遥動の周期に同期した信号)とが重畳された電流であることが好ましい。一方で、駆動コイル140には、一対の永久磁石160によって静磁界が印加されている。従って、駆動コイル140には、一対の永久磁石160から印加される静磁界と駆動コイル140に供給される制御電流との電磁相互作用に起因した力(つまり、ローレンツ力)が生ずる。その結果、駆動コイル140が形成されている内側支持体210は、一対の永久磁石160から印加される静磁界と駆動コイル140に供給される制御電流との電磁相互作用に起因したローレンツ力によって遥動する。つまり、内側支持体210は、図1におけるX軸を回転軸として回転するように遥動する。このとき、可動部120は、複数の一対のトーションバー230を介して内側支持体210に接続されている。従って、内側支持体210の遥動に伴って、可動部120は、実質的には、図1におけるX軸を回転軸として、当該回転軸の周りで回転するように遥動する。
加えて、一対の永久磁石160から印加される静磁界と駆動コイル140に供給される制御電流との電磁相互作用に起因したローレンツ力は、慣性力として可動部120に伝達される。その結果、可動部120は、図1におけるY軸を回転軸として回転するように遥動する。
このように、第1実施例のアクチュエータ1によれば、可動部120の2軸駆動が行われる。
尚、第1実施例では、ローレンツ力そのものを用いて内側支持体210を遥動させ且つローレンツ力を慣性力として用いて可動部120を遥動させることで、可動部120の2軸駆動が行われている。しかしながら、可動部120を遥動させるローレンツ力を発生させるための駆動コイルを、可動部120上に形成してもよい。この場合には、一対のトーションバー230には(更には、内側支持体210や一対のトーションバー130や外側支持体110)には、外側支持体110上の電源端子170から可動部120上の駆動コイルにつながる配線が形成されることが好ましい。
第1実施例では特に、一対のトーションバー230の夫々の一部のバー部分に、複数の孔231が形成される。以下、図2を参照して、一対のトーションバー230の夫々の一部のバー部分に形成される孔231について説明する。図2は、第1実施例のアクチュエータ1が備える一対のトーションバー230の形状の詳細の一例を示す拡大平面図である。尚、図2は、一対のトーションバー230のうち可動部120の一方側(例えば、図1の上側)に配置されるトーションバー230に着目して説明を進める。しかしながら、一対のトーションバー230のうち可動部120の他方側(例えば、図1の下側)に配置されるトーションバー230についても同様である。
図2に示すように、トーションバー230のうち可動部120の回転軸(以下、特に注記しない場合は、単に“回転軸”と称する場合は、“可動部120の回転軸(つまり、Y軸に沿った回転軸)”を意味するものとする)からの距離が相対的に遠いバー部分232には、複数の孔231が形成されている。このとき、バー部分232の外縁に沿って複数の孔231が配列するように、複数の孔231が形成されていてもよい。尚、図2は、トーションバー231が回転軸上に位置するアクチュエータ1を示している。この場合、バー部分232と回転軸との間の距離は、バー部分232がトーションバー230の短手方向に沿って相対的に中心側に位置するか又は外側(言い換えれば、縁側)に位置するかに依存することになる。従って、トーションバー231が回転軸上に位置する場合には、トーションバー230のうち当該トーションバー230の短手方向に沿って相対的に外側(言い換えれば、縁側)に位置するバー部分232に、複数の孔231が形成されているとも言える。
複数の孔231の夫々は、トーションバー230を貫通する孔231(いわゆる、開口)であってもよいし、トーションバー230を貫通しない孔231(いわゆる、凹部)であってもよいし、トーションバー230の内部に形成された(言い換えれば、外部に現れない)孔231(いわゆる、空隙)であってもよい。
複数の孔231の夫々のサイズ(例えば、径)は、孔231が回転軸に近づけば近づくほど小さくなってもよい。但し、複数の孔231の夫々のサイズは、全て同一であってもよいし、ランダムに変えられていてもよい。加えて、複数の孔231の数は、孔231が回転軸に近づけば近づくほど少なくなってもよい。但し、複数の孔231の数は、孔231が回転軸に近づけば近づくほど少なくなっていなくともよい。
複数の孔231の夫々の形状は、図2に示す楕円形であってもよい。このとき、楕円の長辺(言い換えれば、長軸)が伸長する方向とトーションバー230の長手方向が一致するように、複数の孔231が形成されてもよい。或いは、楕円の短辺(言い換えれば、短軸)が伸長する方向とトーションバー230の長手方向が一致するように、複数の孔231が形成されてもよい。或いは、複数の孔231の夫々の形状は、円形であってもよいし、矩形であってもよいし、後述する平行四辺形であってもよいし、その他の任意の形状であってもよい。
他方で、トーションバー230のうち可動部120の回転軸からの距離が相対的に近いバー部分233には、孔231が形成されていない。言い換えれば、トーションバー231が回転軸上に位置する場合には、トーションバー230のうち当該トーションバー230の短手方向に沿って相対的に中心側(言い換えれば、中央側)に位置するバー部分233には、孔231が形成されていない。但し、後述するように、回転軸からの距離が相対的に近いバー部分233にも、一又は複数の孔231が形成されていてもよい。
第1実施例では、バー部分232に複数の孔231が形成される一方でバー部分233に孔231が形成されていないがゆえに、バー部分232の密度(具体的には、孔231が形成されている場合のバー部分232の質量を孔231が形成されていない場合のバー部分232の体積で除することで得られる密度)は、バー部分233の密度よりも小さくなる。その結果、密度の違いに起因して(或いは、孔231の有無に起因して)、バー部分232の硬さは、バー部分233の硬さよりも柔らかくなる。尚、ここでいう「硬さ」とは、可動部120の遥動に伴うトーションバー230の変形力に対する硬さを示す趣旨である。
ここで、複数の孔231が形成されたバー部分232を含むトーションバー230を用いることで得られる第1実施例のアクチュエータ1の技術的効果を説明するために、図3を参照しながら、回転軸上に位置するただ一つのトーションバー1230を用いて可動部120を回転させる比較例のアクチュエータについて説明する。図3は、回転軸上に位置するただ一つのトーションバー1230を用いて可動部120を回転させる比較例のアクチュエータの構成の一例を示す拡大平面図である。
図3に示すように、比較例のアクチュエータでは、可動部120が遥動した場合には、トーションバー1230の両側の縁部分(より具体的には、トーションバー230の短手方向に沿った両側の縁部分であり、図3における左右の縁部分に相当する)に加わる応力が、中心部分(より具体的には、トーションバーの短手方向に沿った中心部分)に加わる応力よりも大きくなる。つまり、回転軸から相対的に遠いトーションバー1230の縁部分に加わる応力が、回転軸に相対的に近いトーションバー1230の中心部分に加わる応力よりも大きくなる。つまり、可動部120が遥動することに伴ってトーションバー1230に加わる応力は、回転軸から相対的に遠くなるほど加わりやすくなる。
このような応力の加わり方を考慮すれば、複数の孔231が形成されたバー部分232を含むトーションバー230を備える第1実施例のアクチュエータ1によれば、トーションバー230のうちの複数の孔231が形成されたバー部分232(つまり、回転軸から相対的に遠いバー部分232であって、相対的に縁側に位置するバー部分232)に応力が加わりやすくなる。しかるに、複数の孔231が形成されるがゆえにバー部分232が相対的に柔らかくなるため、回転軸から相対的に遠いバー部分232に加わる応力は緩和される。言い換えれば、複数の孔231が形成されるがゆえにバー部分232の密度が相対的な小さくなるため、回転軸から相対的に遠いバー部分232が相対的に柔らかくなり、結果として、回転軸から相対的に遠いバー部分232に加わる応力は緩和される。このため、回転軸から相対的に遠いバー部分232の破壊が好適に防止又は抑止される。
一方で、トーションバー230のうち孔231が形成されていないバー部分233(つまり、回転軸に相対的に近いバー部分233であって、相対的に中心側に位置するバー部分232)には、それほど大きな応力が加わることはない。このため、回転軸に相対的に近いバー部分233の破壊もまた好適に防止又は抑止される。言い換えれば、孔231が形成されないがゆえにバー部分233の密度が相対的に大きくなるため、回転軸に相対的に近いバー233が相対的に硬くなる。しかるに、回転軸に相対的に近いバー部分233にはそれほど大きな応力が加わることがないため、回転軸に相対的に近いバー部分233の破壊もまた好適に防止又は抑止される。
このように、第1実施例のアクチュエータ1によれば、トーションバー230のうちの回転軸から相対的に遠いバー部分232に選択的に複数の孔231が形成されるため、トーションバー230の破壊が好適に防止又は抑止される。
加えて、第1実施例のアクチュエータ1によれば、トーションバー230の破壊を防止しつつ、トーションバー230の幅を相対的に太くする又はトーションバー230の長さを相対的に短くすることができる(つまり、バネ定数を相対的に大きくすることができる)。尚、図3に示す比較例のアクチュエータでは、トーションバー1230の幅を太くすることで当該トーションバー1230のバネ定数を大きくすることができるものの、トーションバー230の幅が太くなった分だけトーションバー230が破壊されやすくなってしまう。しかるに、第1実施例のアクチュエータ1によれば、トーションバー230の破壊とトーションバー230のバネ定数の増大化との間のトレードオフの関係を考慮した上で、トーションバー230の破壊を防止しつつ、トーションバー230の幅を相対的に太くする又はトーションバー230の長さを相対的に短くすることができる(つまり、バネ定数を相対的に大きくすることができる)。このため、トーションバー230のバネ定数に応じて定まる可動部120の遥動の周波数を相対的に大きくすることができる。特に、第1実施例のアクチュエータ1がヘッドアップディスプレイ等の映像表示装置に適用される場合には、一対のトーションバー130の弾性に起因した遥動(つまり、X軸を回転軸とする遥動)によって垂直走査を実現すると共に一対のトーションバー230の弾性に起因した遥動(つまり、Y軸を回転軸とする遥動)によって水平走査を実現することが考えられる。この場合、映像の解像度を増加させるためには、一対のトーションバー230の弾性に起因した遥動(つまり、Y軸を回転軸とする遥動)の周波数をあげることが好ましい。従って、第1実施例のアクチュエータ1によれば、一対のトーションバー230全体としてのバネ定数を相対的に大きくすることができるため、一対のトーションバー230の弾性に起因した遥動(つまり、Y軸を回転軸とする遥動)の周波数をあげることができる。その結果、一対のトーションバー230の弾性に起因して可動部120が遥動する周波数を大きくすることができる。
このように、第1実施例のアクチュエータ1によれば、トーションバー230の破壊を防止又は抑止しながら、可動部120が遥動する周波数を大きくすることができる。
尚、図2は、一対のトーションバー230が、複数の孔231が形成されているバー部分232を含む例を示している。しかしながら、一対のトーションバー130が、複数の孔231が形成されているバー部分232を含んでいてもよい。一対のトーションバー130が複数の孔231が形成されているバー部分232を含んでいる場合には、一対のトーションバー230は、複数の孔231が形成されているバー部分232を含んでいなくともよい。
また、図2は、バー部分232に孔231を形成する一方でバー部分233に孔231を形成しないことで、バー部分232の密度をバー部分233の密度よりも小さくする(言い換えれば、バー部分232の硬さをバー部分233の硬さよりも柔らかくする)例を示している。しかしながら、バー部分233に孔231が形成されていてもよい。この場合には、バー部分232に形成される孔の数をバー部分233に形成される孔の数よりも少なくすることで、バー部分232の密度をバー部分233の密度よりも小さくする(言い換えれば、バー部分232の硬さをバー部分233の硬さよりも柔らかくする)ように構成してもよい。或いは、バー部分232に形成される孔のサイズをバー部分233に形成される孔のサイズよりも小さくすることで、バー部分232の密度をバー部分233の密度よりも小さくする(言い換えれば、バー部分232の硬さをバー部分233の硬さよりも柔らかくする)ように構成してもよい。或いは、相対的に密度が小さい材料を用いてバー部分232を構成する一方で相対的に密度が大きい材料を用いてバー部分233を構成することで、バー部分232の密度をバー部分233の密度よりも小さくする(言い換えれば、バー部分232の硬さをバー部分233の硬さよりも柔らかくする)ように構成してもよい。
(2)第2実施例
続いて、図4を参照して、第2実施例のアクチュエータ2について説明する。図4は、第2実施例のアクチュエータ2が備える一対のトーションバー230の形状の詳細の一例を示す拡大平面図である。尚、第1実施例のアクチュエータ1が備える構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付してその詳細な説明については省略する。
続いて、図4を参照して、第2実施例のアクチュエータ2について説明する。図4は、第2実施例のアクチュエータ2が備える一対のトーションバー230の形状の詳細の一例を示す拡大平面図である。尚、第1実施例のアクチュエータ1が備える構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付してその詳細な説明については省略する。
図4に示すように、第2実施例のアクチュエータ2は、第1実施例のアクチュエータ1と比較して、一対のトーションバー230の外縁の形状が異なっているという点で異なっている。第2実施例のアクチュエータ2のその他の構成要素については、第1実施例のアクチュエータ1のその他の構成要素と同一であってもよい。
具体的には、図4に示すように、第2実施例では、トーションバー230の外縁の形状は、内側支持体210との接続部分の幅及び可動部120との接続部分の幅が最も大きくなり且つトーションバー230の長手方向における中央付近の幅が最も小さくなる形状(いわゆる、中央付近がくびれているくびれ形状)となっている。このようなトーションバー230の外縁の形状に合わせて、複数の孔231が形成されるパターンの形状もまた、くびれ形状となっている。つまり、このようなトーションバー230の外縁の形状に合わせて、複数の孔231が形成されるバー部分232と複数の孔233が形成されないバー部分233との間の境界線の形状もまた、くびれ形状となっている。
このような第2実施例のアクチュエータ2であっても、第1実施例のアクチュエータ1が享受することができる各種効果を好適に享受することができる。特に、第2実施例のアクチュエータ2によれば、トーションバー230の外縁の形状がくびれ形状となっているため、可動部120は、トーションバー230の長手方向に沿った軸を回転軸として好適に遥動することができる。
(3)第3実施例
続いて、図5を参照して、第3実施例のアクチュエータ3について説明する。図5は、第3実施例のアクチュエータ3が備える一対のトーションバー230の形状の詳細の一例を示す拡大平面図である。尚、第1実施例のアクチュエータ1から第2実施例のアクチュエータ2が備える構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付してその詳細な説明については省略する。
続いて、図5を参照して、第3実施例のアクチュエータ3について説明する。図5は、第3実施例のアクチュエータ3が備える一対のトーションバー230の形状の詳細の一例を示す拡大平面図である。尚、第1実施例のアクチュエータ1から第2実施例のアクチュエータ2が備える構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付してその詳細な説明については省略する。
図5に示すように、第3実施例のアクチュエータ3は、第1実施例のアクチュエータ1と比較して、一対のトーションバー230の外縁の形状が異なっているという点で異なっている。第3実施例のアクチュエータ3のその他の構成要素については、第1実施例のアクチュエータ1のその他の構成要素と同一であってもよい。
具体的には、図5に示すように、第3実施例では、トーションバー230の外縁の形状は、(i)当該トーションバー230の外縁から外側に向かって突き出る突出部分234と、(ii)当該トーションバー230の外縁から中心側に向かって切れ込む(言い換えれば、食い込む)切込部分235とが、トーションバー230の長手方向に沿って交互に配列する波型の形状となっている。このとき、突出部分234には、孔231が形成されることが好ましい。加えて、第3実施例においても、第2実施例と同様に、トーションバー230の外縁の形状(或いは、孔231が形成されるパターンの形状や、バー部分232とバー部分233との間の境界線の形状)は、くびれ形状となっている。
このような第3実施例のアクチュエータ3であっても、第1実施例のアクチュエータ1が享受することができる各種効果を好適に享受することができる。特に、第3実施例のアクチュエータ3によれば、トーションバー230の外縁の形状が波型の形状となり且つ突出部分234に孔231が形成されているため、複数の孔231が形成されているバー部分232は、いわゆる蛇腹のバネのように作用し得る。その結果、回転軸から相対的に遠いバー部分232をより一層柔らかくすることができる。その結果、上述した各種効果をより一層好適に享受することができる。
(4)第4実施例
続いて、図6を参照して、第4実施例のアクチュエータ4について説明する。図6は、第4実施例のアクチュエータ4が備える一対のトーションバー230の形状の詳細の一例を示す拡大平面図である。尚、第1実施例のアクチュエータ1から第3実施例のアクチュエータ3が備える構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付してその詳細な説明については省略する。
続いて、図6を参照して、第4実施例のアクチュエータ4について説明する。図6は、第4実施例のアクチュエータ4が備える一対のトーションバー230の形状の詳細の一例を示す拡大平面図である。尚、第1実施例のアクチュエータ1から第3実施例のアクチュエータ3が備える構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付してその詳細な説明については省略する。
図6に示すように、第4実施例のアクチュエータ4は、第1実施例のアクチュエータ1と比較して、回転軸から相対的に遠いバー部分232に形成される孔231の形状及び一対のトーションバー230の外縁の形状が異なっているという点で異なっている。第4実施例のアクチュエータ4のその他の構成要素については、第1実施例のアクチュエータ1のその他の構成要素と同一であってもよい。
具体的には、図6に示すように、第4実施例では、孔231の形状は平行四辺形(但し、ひし形を含む)形状となっている。このとき、平行四辺形の長い方の対角線が伸長する方向とトーションバー230の長手方向が一致するように、複数の孔231が形成されてもよい。或いは、平行四辺形の短い方の対角線が伸長する方向とトーションバー230の長手方向が一致するように、複数の孔231が形成されてもよい。尚、複数の孔231の夫々の角部分(つまり、四隅の部分)は、面取り処理が施されていることが好ましい。
加えて、平行四辺形の形状を有する複数の孔231は、マトリクス状に配置されることが好ましい。更に、トーションバー230の外縁の形状は、マトリクス状に配置された複数の孔231に合わせた形状を有している。
このような第4実施例のアクチュエータ4であっても、第1実施例のアクチュエータ1が享受することができる各種効果を好適に享受することができる。特に、第4実施例のアクチュエータ4によれば、平行四辺形の形状の孔231がマトリクス状に形成されているため、複数の孔231が形成されているバー部分232は、いわゆる蛇腹のバネのように作用し得る。その結果、回転軸から相対的に遠いバー部分232をより一層柔らかくすることができる。その結果、上述した各種効果をより一層好適に享受することができる。
(5)第5実施例
続いて、図7を参照して、第5実施例のアクチュエータ5について説明する。図7は、第5実施例のアクチュエータ5の構成の一例を示す平面図である。尚、第1実施例のアクチュエータ1から第4実施例のアクチュエータ4が備える構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付してその詳細な説明については省略する。
続いて、図7を参照して、第5実施例のアクチュエータ5について説明する。図7は、第5実施例のアクチュエータ5の構成の一例を示す平面図である。尚、第1実施例のアクチュエータ1から第4実施例のアクチュエータ4が備える構成要素と同一の構成要素については、同一の参照符号を付してその詳細な説明については省略する。
図7に示すように、第5実施例のアクチュエータ5は、可動部120の2軸駆動を行う第1実施例のアクチュエータ1と比較して、可動部120の1軸駆動を行うという点で異なっている。具体的には、第5実施例のアクチュエータ5は、外側支持体110と、一対のトーションバー230と、可動部120と、一対の永久磁石160と、一対の電源端子170とを備えている。つまり、第5実施例のアクチュエータ5は、一対のトーションバー130と、内側支持体210とを備えていないという点で、第1実施例のアクチュエータ1とは異なる。
外側支持体110、一対のトーションバー230及び可動部120は、例えばシリコン基板等の非磁性基板から一体的に形成されている。即ち、外側支持体110、一対のトーションバー230及び可動部120は、例えばシリコン基板等の非磁性基板の一部が除去されることにより間隙が形成されることで形成されている。このときの形成プロセスとして、MEMSプロセスが用いられることが好ましい。尚、シリコン基板に代えて、任意の弾性材料から、外側支持体110、一対のトーションバー230及び可動部120が一体的に形成されてもよい。
外側支持体110は、可動部120を取り囲むような枠形状を有しており、可動部120の両側に位置する(言い換えれば、可動部120の両側から当該可動部120を挟み込む)一対のトーションバー230によって可動部120と接続されている。
可動部120は、一対のトーションバー230が伸長する方向(つまり、一対のトーションバー230の長手方向であって、図7中X軸の方向)に沿った回転軸を中心に揺動可能なように一対のトーションバー230によって外側支持体110に軸支されている。可動部120の表面には、レーザ光を反射する不図示のミラーが形成される。可動部120の表面には、駆動コイル140が形成されている。但し、駆動コイル140は、可動部120の内部に形成されてもよい。
一対のトーションバー230の夫々は、可動部120が外側支持体110に対して揺動可能なように、可動部120と外側支持体110とを接続する。一対のトーションバー230の弾性によって、可動部120は、一対のトーションバー230が伸長する方向に沿った軸を回転軸として回転するように遥動する。つまり、可動部120は、図7におけるX軸を回転軸として、当該回転軸の周りで回転するように遥動する。
駆動コイル140には、外側支持体110上に形成されている一対の電源端子170及び当該一対の電源端子170と駆動コイル140とを電気的に接続するための配線150であって且つ一対のトーションバー230上に形成された配線150を介して、電源から制御電流が供給される。制御電流は、可動部120を遥動させるための制御電流であって、典型的には、可動部120が遥動する周波数と同期した周波数の信号成分を含む交流電流である。尚、電源は、アクチュエータ1自身が備えている電源であってもよいし、アクチュエータ1の外部に用意される電源であってもよい。
このような第5実施例のアクチュエータ5が動作する(具体的には、可動部120が遥動する)場合には、まず、電源から、電源端子170及び配線150を介して、駆動コイル140に対して制御電流が供給される。このとき駆動コイル140に対して供給される制御電流は、可動部120を遥動させるための信号(具体的には、可動部120の遥動の周期に同期した信号)を含む電流であることが好ましい。一方で、駆動コイル140には、一対の永久磁石160によって静磁界が印加されている。従って、駆動コイル140には、一対の永久磁石160から印加される静磁界と駆動コイル140に供給される制御電流との電磁相互作用に起因した力(つまり、ローレンツ力)が生ずる。その結果、駆動コイル140が形成されている可動部120は、一対の永久磁石160から印加される静磁界と駆動コイル140に供給される制御電流との電磁相互作用に起因したローレンツ力によって遥動する。つまり、可動部120は、図7におけるX軸を回転軸として回転するように遥動する。
このように、第5実施例のアクチュエータ5によれば、可動部120の1軸駆動が行われる。そして、可動部120の1軸駆動を行うアクチュエータ5であっても、一対のトーションバー230を備えているため、第1実施例のアクチュエータ1が享受することができる各種効果を好適に享受することができる。
尚、第1実施例から第5実施例で説明した各構成の一部を適宜組み合わせてもよい。この場合であっても、第1実施例から第5実施例で説明した各構成の一部を適宜組み合わせることで得られるアクチュエータは、上述した各種効果を好適に享受することができる。
本発明は、前述した実施例に限られるものではなく、請求の範囲及び明細書全体から読み取れる発明の要旨或いは思想に反しない範囲で適宜変更可能であり、そのような変更を伴うアクチュエータもまた本発明の技術的範囲に含まれるものである。
110 外側支持部
210 内側支持部
120 可動部
130 トーションバー
230 トーションバー
231 孔
140 駆動コイル
150 配線
160 永久磁石
210 内側支持部
120 可動部
130 トーションバー
230 トーションバー
231 孔
140 駆動コイル
150 配線
160 永久磁石
Claims (10)
- 可動部と、
当該可動部を支持する支持部と、
長手方向に沿った回転軸を中心として前記可動部が揺動可能なように、長手方向に沿って前記可動部と前記支持部とを接続するトーションバーと
を備えており、
前記トーションバーのうち前記回転軸から相対的に遠い第1バー部分の密度は、前記トーションバーのうち前記回転軸に相対的に近い第2バー部分の密度よりも小さいことを特徴とするアクチュエータ。 - 前記トーションバーは、前記回転軸上に位置するように配置されており、
前記トーションバーのうち短手方向に沿って相対的に外側に位置するバー部分である前記第1バー部分の密度は、前記トーションバーのうち短手方向に沿って相対的に中心側に位置するバー部分である前記第2バー部分の密度よりも小さいことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。 - 前記第1バー部分は、前記第2バー部分よりも柔らかいことを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記第1バー部分には、一又は複数の孔が形成されていることを特徴とする請求項1に記載のアクチュエータ。
- 前記複数の孔のサイズは、前記回転軸に近づけば近づくほど小さくなることを特徴とする請求項4に記載のアクチュエータ。
- 前記複数の孔の数は、前記回転軸に近づけば近づくほど少なくなることを特徴とする請求項4に記載のアクチュエータ。
- 前記一又は複数の孔の形状は、平行四辺形であることを特徴とする請求項4に記載のアクチュエータ。
- 前記一又は複数の孔の角部分は面取り処理が施されていることを特徴とする請求項7に記載のアクチュエータ。
- 前記トーションバーの外縁の形状は、前記長手方向に沿って、前記可動部との接続点から前記長手方向に沿って幅が徐々に細くなり且つ前記支持部との接続点から前記長手方向に沿って幅が徐々に細くなるくびれ形状であり、
前記一又は複数の孔が形成されている第1バー部分と前記第2バー部分との境界の形状は、前記トーションバーの外縁の形状に合わせた形状であることを特徴とする請求項4に記載のアクチュエータ。 - 前記トーションバーの外縁の形状は、前記トーションバーの外縁から短手方向に沿って突き出る複数の突出部分と、当該複数の突出部分の夫々の間において前記トーションバーの外縁から前記短手方向に沿って当該トーションバーの内部に切れ込む切込部分とが、前記長手方向に沿って交互に形成される波型の形状であり、
前記複数の突出部分に前記複数の孔が夫々形成されることを特徴とする請求項4に記載のアクチュエータ。
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