主応力・共振周波数の解析

2 次元走査型ポリマーMEMS ミラーの構造設計と駆動特性を有限要素法解析した。

トーションバーの寸法による共振周波数と駆動時に負荷される主応力を解析する。解 析方法については第5.3節と同様であり，第3章で得られた材料物性値を適用した。解 析モデルについては，Table 5-4 に示すように，低速軸となる外側トーションバーの形 状と寸法を変更した3つのモデルを作成し，主応力解析とモーダル解析を行った。

Table 5-4 2次元走査型ポリマーMEMSミラーの解析モデルパラメータ

条件1

パラメータ 値

ミラー直径 8 mm

ミラーのトーションバー 1600×300 μm²

外側ジンバル 30×15 mm

外側ジンバルのトーションバー 2000×500 μm

アクチュエータ膜厚 70 μm

条件2

パラメータ 値

ミラー直径 8 mm

ミラーのトーションバー 1600×300 μm²

外側ジンバル 30×15 mm

外側ジンバルのトーションバー 2000×1500 μm

アクチュエータ膜厚 70 μm

条件3

パラメータ 値

ミラー直径 8 mm

ミラーのトーションバー 1600×300 μm²

外側ジンバル 30×15 mm

外側ジンバルのトーションバー数 3 本

外側ジンバルのトーションバー（長さ×幅×ギャップ） 2000×500×2000 μm

アクチュエータ膜厚 70 μm

一つ目は，長さ2000 μm×幅500 μmのトーションバーで製作したモデルである。二 つ目のモデルはトーションバーの幅を 3 倍とし，トーションバー剛性を向上させたモ デルである。トーションバー寸法は長さ2000 μm×幅1500 μmである。三つ目のモデル

は長さ2000 μm×500 μmのトーションバーを3本設置したモデルである。トーション

バー間のギャップは 2000 μm となっている。高速軸に対応する内側ミラーのトーショ ンバーは3種類のモデルで同一のものとし，長さ1600 μm×300 μmで設計した。

この3 種類の解析モデルに対してモーダル解析を行った結果をFigure 5-17へ示す。

全ての解析モデルにおいて，駆動モードとなる 1 次と 2 次におけるミラーの共振時の 形状に変化は無く，順位についても同等であった。また，周波数についても1次と2次 モードで2倍以上の差が発生し，両者の共振周波数の比を計算したところ，全てのモデ ルにおいて無理数であった。よって振動の安定性とスキャン軌跡に問題は無いことが 考えられる。次に，それぞれの条件における低速軸の共振周波数について着目する。提 案する2 次元走査型ポリマーMEMSミラーでは，低速軸の共振周波数を 30 Hzと設定 しており，この仕様を満たすことが可能なモデルは 3 本のトーションバーによって外 側ジンバルを支持するモデル3の解析値である34.49 Hzであった。

また，この3 つのモデルに対して主応力解析を実施した結果がFigure 5-18である。

内側ミラーと外側ジンバル構造の端部へ，それぞれ光学偏向角度10 deg. と5 deg. とな る規定変位を与えた際にトーションバーへ加わる最大主応力を解析した結果である。

内側ミラーへ加わる主応力は17 MPaを示しており，これは外側ジンバルを支持するト ーションバーの形状に影響するものではないことが考えられる。次に，外側ジンバルの トーションバーへ負荷される最大主応力の解析結果について着目する。各モデルへ負 荷される最大主応力はそれぞれ，6 MPa，10 MPa，26 MPaであり，全てのモデルにおい て，磁気ポリマーコンポジットの破断応力50 MPa内での駆動を行うことが可能であり，

安全率は，8.3，5，1.98での構造設計を行うことができている。

モーダル解析と主応力の解析結果より，大型化されているミラー領域とジンバル構 造が z 方向へ沈みこまず，安全率 1.98 で解像度の高いレーザ走査を行うことが可能な 条件3のモデルを基にミラーデバイスの設計・製作を行っていく。

5.3 2次元走査型ポリマーMEMSミラー 125

1^st 8.31 Hz 2^nd 78.71 Hz 3^rd 94.23 Hz 4^th 192.71 Hz

(a) 解析モデル1におけるモーダル解析結果

1^st 16.86 Hz 2^nd 78.86 Hz 3^rd 153.89 Hz 4^th 275.32 Hz (b) 解析モデル2におけるモーダル解析結果

1^st 34.49 Hz 2^nd 78.86 Hz 3^rd 157.45 Hz 4^th 276.10 Hz (c) 解析モデル3におけるモーダル解析結果

Figure 5-17 2次元走査型ポリマーMEMSミラーのモーダル解析結果

5.32 MPa 16.6 MPa

(a) 条件1のモデルにおける主応力解析結果

9.88 MPa 16.8 MPa

(b) 条件2のモデルにおける主応力解析結果

25.2 MPa 16.7 MPa

(c) 条件3のモデルにおける主応力解析結果

Figure 5-18 2次元走査型ポリマーMEMSミラーの主応力解析結果