JP2000162538A - マイクロミラー装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ミラー部の走査角度を制御可能な状態で大き
くすることが困難であった。 【解決手段】 所定の同一周波数の駆動電圧Ｖａ〜Ｖｃ
が駆動電極９ａ〜９ｃにそれぞれ印加されるとともに、
その駆動電圧Ｖａ〜Ｖｃと逆相の駆動電圧Ｖｄ〜Ｖｆが
駆動電極９ｄ〜９ｆに印加される。また、駆動フレーム
７の電位は接地電位に設定される。このように駆動電圧
Ｖａ〜Ｖｆを印加すると、各駆動フレーム７がそれぞれ
のねじれ角θａ〜θｃで駆動し、被駆動フレーム２は、
それらのねじれ角の総和の走査角度θｓで駆動される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、例えば光走査式
の形状認識センサ、バーコードリーダ、レーザプリンタ
用のスキャニングミラーなどにおいて光ビームを走査さ
せるときに使用されるマイクロミラー装置に関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】図９は例えばＬＡＳＥＲ ＤＩＳＰＬＡ
Ｙ ＴＥＣＨＮＯＬＯＧＹ（Ｊ．Ｋａｅｎｅｒｔら著、
ＩＥＥＥ Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎ
ｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ '９８、第９９頁〜第１０
４頁）に記載の従来のマイクロミラー装置の構成例を示
す正面図であり、図１０は、図９のマイクロミラー装置
のＡ−Ａ線における断面図である。

【０００３】図において、１は被駆動フレーム２の１面
に形成されたミラー部であり、２は中央を軸として回動
される被駆動フレームであり、３は被駆動フレーム２に
中央延長上に形成されたねじれ梁であり、４はねじれ梁
３を支持し、支持基板６に固定されたアンカー部であ
り、５は被駆動フレーム２からギャップｇｏの距離に形
成され、被駆動フレーム２を静電力で駆動する際に電圧
を印加される２つの駆動電極であり、６は支持基板であ
る。なお、被駆動フレーム２、ねじれ梁３およびアンカ
ー部４は例えば単結晶シリコン、ポリシリコン、鍍金ニ
ッケルで形成され、支持基板６はシリコンやガラスで形
成される。

【０００４】次に動作について説明する。駆動電極５の
うちの一方に電圧を印加すると、被駆動フレーム２と駆
動電極５との間の電位差および静電容量に応じた静電引
力が発生し、被駆動フレーム２が中央部を軸として回動
し、ミラー部１は角度（走査角度）θｓだけ傾く。例え
ば、２つの駆動電極５に互いに位相が１８０度異なる交
流電圧を印加することによりミラー部１を回転振動させ
ることができる。このようにして、印加電圧に基づいて
ミラー部１の角度が制御され、光ビームが走査される。

【０００５】このマイクロミラー装置では、理論的には
式（１）に示す最大走査角度θｓｍａｘまで走査角度θ
ｓを変化させることができる。 ｓｉｎ（θｓｍａｘ）＝ｇｏ／Ｌ ・・・（１） ただし、Ｌは、図１０に示すように被駆動フレーム２の
中央部から端部までの距離である。例えば、Ｌが１ミリ
メートルであるときに、最大走査角度θｓｍａｘを１５
度とするには、ギャップｇｏを２５９マイクロメートル
とする。

【０００６】しかしながら、被駆動フレーム２の傾き角
度が大きくなって、被駆動フレーム２と駆動電極５との
間の距離が小さくなり、かつ、ねじれ梁３のねじれ角度
が大きくなると、被駆動フレーム２と駆動電極５との間
の静電引力がねじれ梁３の復元力を上回り、被駆動フレ
ーム２が駆動電極５に張り付いてしまう（これをプルイ
ン現象という）。したがって、実際の走査角度θｓは、
一般的に最大走査角度θｓｍａｘの約２分の１以下の範
囲で制御される。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】従来のマイクロミラー
装置は以上のように構成されているので、プルイン現象
に起因して最大走査角度θｓｍａｘを大きくすることが
困難であるなどの課題があった。なお、ギャップｇｏを
大きくすることにより、最大走査角度θｓｍａｘを大き
くすることは可能であるが、その場合、印加電圧に高電
圧が必要になり、装置の実現が困難になる。例えばギャ
ップｇｏが２５９マイクロメートルである場合には被駆
動フレーム２を１回だけ傾けるために約５００ボルトの
高電圧が必要になる。また、被駆動フレーム２のねじれ
振動の共振周波数と同一の周波数の交流電圧を印加する
ことにより駆動電圧を若干低下させることはできるが、
そのようにしてもなお印加電圧に高電圧が必要になる。

【０００８】この発明は上記のような課題を解決するた
めになされたもので、ミラー部を有する被駆動フレーム
と分離して外側に駆動フレームを形成し、駆動フレーム
のみを安定な角度範囲内で駆動して、駆動面積（静電引
力の生ずる面積）および駆動ねじれモーメントを大きく
し、低い駆動電圧で、ミラー部の走査角度を制御可能な
状態で大きくすることができるマイクロミラー装置を得
ることを目的とする。

【０００９】また、この発明はミラー部を有する被駆動
フレームと分離して外側に駆動フレームを形成し、駆動
フレーム動的吸振効果を利用して、駆動フレーム自体の
ねじれ振動が被駆動フレームの逆相ねじれ振動で抑制さ
れるようにして、駆動フレームと駆動電極との間のギャ
ップを狭くすることにより静電駆動力を大きくすること
ができ、低い駆動電圧で、ミラー部の走査角度を制御可
能な状態で大きくすることができるマイクロミラー装置
を得ることを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】この発明に係るマイクロ
ミラー装置は、ねじれ梁の中間部に結合され、被駆動フ
レームの外側に形成された駆動フレームと、駆動フレー
ムを駆動する駆動電圧を印加される駆動電極とを備える
ものである。

【００１１】この発明に係るマイクロミラー装置は、少
なくとも２つの駆動フレームが並列にねじれ梁の中間部
に結合されたものである。

【００１２】この発明に係るマイクロミラー装置は、動
的吸振効果の生ずる周波数の駆動電圧を駆動電極に印加
するものである。

【００１３】この発明に係るマイクロミラー装置は、駆
動フレームと基板との距離が被駆動フレームと基板との
距離より短いものである。

【００１４】この発明に係るマイクロミラー装置は、ミ
ラー部が被駆動フレームの基板側の面、または両面に形
成されるものである。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、この発明の実施の一形態を
説明する。 実施の形態１．図１はこの発明の実施の形態１によるマ
イクロミラー装置の構成例を示す正面図であり、図２は
図１のマイクロミラー装置のＡ−Ａ線における断面図で
ある。図において、１は被駆動フレーム２の表面に、例
えば金属膜を鏡面になるように形成されたミラー部であ
り、２は中央を軸として回動される被駆動フレームであ
り、３は被駆動フレーム２に中央延長上に形成されたね
じれ梁であり、４はねじれ梁３を支持し、支持基板６に
固定されたアンカー部であり、６は支持基板である。な
お、被駆動フレーム２、ねじれ梁３およびアンカー部４
は例えば単結晶シリコン、ポリシリコン、鍍金ニッケル
で形成され、支持基板６はシリコンやガラスで形成され
る。

【００１６】７はねじれ梁３の中間部に結合され、被駆
動フレーム２の外側にそれぞれ分離して形成された３つ
の駆動フレームであり、８は被駆動フレーム２からギャ
ップｇｏの距離に形成され、被駆動フレーム２と支持基
板６との間の静電容量から被駆動フレーム２の角度θｓ
を測定する際に使用される２つの容量検出電極であり、
９ａ〜９ｆは、駆動フレーム７からギャップｇｏの距離
に形成され、駆動フレーム７を静電力で駆動する際に電
圧を印加される駆動電極である。

【００１７】次に動作について説明する。図３は、図１
および図２のマイクロミラー装置の駆動電極に印加する
駆動電圧の例を示す図である。

【００１８】このマイクロミラー装置では駆動時に例え
ば図３（ａ）に示す所定のＤＣバイアス電圧Ｖｏおよび
所定の同一周波数の駆動電圧Ｖａ〜Ｖｃが駆動電極９ａ
〜９ｃにそれぞれ印加されるとともに、同一のＤＣバイ
アス電圧Ｖｏおよび、駆動電圧Ｖａ〜Ｖｃと逆相の駆動
電圧Ｖｄ〜Ｖｆが駆動電極９ｄ〜９ｆにそれぞれ印加さ
れる。また、駆動フレーム７の電位は接地電位に設定さ
れる。なお、図３（ａ）では、駆動電圧Ｖａ〜Ｖｃの振
幅は同一であるが、例えば駆動フレーム７、ねじれ梁３
などの機械的特性に応じて所望の回転振動が被駆動フレ
ーム２に得られるように、駆動電圧Ｖａ〜Ｖｃの振幅
を、それぞれ異なるようにしてもよい。その場合には、
駆動電圧Ｖｄ〜Ｖｆは駆動電圧Ｖａ〜Ｖｃのそれぞれ逆
相の電圧に設定するようにする。

【００１９】このように駆動電圧Ｖａ〜Ｖｆを印加する
と、各駆動フレーム７がそれぞれのねじれ角θａ〜θｃ
で駆動し、被駆動フレーム２は、それらのねじれ角θａ
〜θｃの総和の走査角度θｓで駆動される。

【００２０】このときの被駆動フレーム２のミラー部１
の走査角度θｓは、被駆動フレーム２と各容量検出電極
８との間の静電容量の変化から検出される。例えばその
静電容量値に基づいて駆動電圧Ｖａ〜Ｖｆを調節するこ
とにより、ミラー部１の走査角度θｓを制御するように
してもよい。

【００２１】以上のように、この実施の形態１によれ
ば、従来のようにミラー部１の形成された被駆動フレー
ム２を直接駆動する場合に比較して、各駆動フレーム７
のねじれ角θａ〜θｃがそれぞれ小さくてもそれらのね
じれ角θａ〜θｃの総和が走査角度θｓになるので、大
きな走査角度で安定に駆動することができるという効果
が得られる。

【００２２】また、駆動フレーム７が被駆動フレーム２
の外側に形成されるので、静電引力を発生させる面積
（駆動フレーム７の面積）および駆動フレーム７のねじ
れモーメントを簡単に大きくすることができ、低電圧で
所望の走査角度でミラー部１を駆動することができると
いう効果が得られる。

【００２３】なお、上記実施の形態１においては、駆動
フレーム７は３つであるが、２つ以上であればいくつで
もよい。また、駆動電圧Ｖａ〜Ｖｆは、図３（ａ）に示
すものに限定されるものではなく、例えば図３（ｂ）に
示すようなものでもよい。

【００２４】実施の形態２．図４はこの発明の実施の形
態２によるマイクロミラー装置の構成例を示す正面図で
あり、図５は図４のマイクロミラー装置のＡ−Ａ線にお
ける断面図である。図において、７Ａはねじれ梁３の中
間部に結合され、被駆動フレーム２の外側に分離して形
成された駆動フレームであり、９ｇ，９ｈは駆動フレー
ム７Ａからギャップｇ１の距離に形成され、駆動フレー
ム７Ａを静電力で駆動する際に電圧を印加される駆動電
極である。

【００２５】なお、この実施の形態２によるマイクロミ
ラー装置では、動的吸振効果を利用して駆動フレーム７
Ａを駆動するため（後述）、駆動フレーム７Ａのねじれ
振動ほど被駆動フレーム２のねじれ振動が大きくならな
い。また、プルイン現象を発生させないためには、駆動
フレーム７Ａのねじれ振動θｄを小さくすることが好ま
しい。さらに、駆動力としての静電引力は、駆動フレー
ム７Ａと駆動電極９ｇ，９ｈとのギャップｇ１の２乗に
反比例するので、大きな駆動力を得るにはギャップｇ１
を狭くすることが好ましい。そこで、駆動フレーム７Ａ
と駆動電極９ｇ，９ｈとのギャップｇ１は、被駆動フレ
ーム２と容量検出電極８とのギャップｇｏより狭く設計
されている（すなわち、駆動フレーム７Ａと支持基板６
との間隔は、被駆動フレーム２と支持基板６との間隔よ
り狭く設計されている）。

【００２６】図におけるその他の構成要素については、
実施の形態１によるものと同様であるので、その説明を
省略する。

【００２７】次に動作について説明する。このマイクロ
ミラー装置においては、被駆動フレーム２、駆動フレー
ム７Ａ、ねじれ梁３およびアンカー部４が２自由度のバ
ネ−マス系を構成している。一般的に２自由度のバネ−
マス系においては、一方の質量（駆動フレーム７Ａ）を
特定の周波数で振動させると、その振動が他方の質量
（被駆動フレーム２）の逆相振動で相殺されるという動
的吸振効果が生ずる。このとき、粘性ダンピングが無視
できる程度に小さいと、一方の質量（駆動フレーム７
Ａ）の振動と同相の他方の質量（被駆動フレーム２）の
強制振動がほぼゼロに抑制され、他方の質量（被駆動フ
レーム２）は、一方の質量（駆動フレーム７Ａ）の振動
と逆相のねじれ振動のみで振動する。

【００２８】そこで、このマイクロミラー装置において
は、所定のＤＣバイアス電圧Ｖｏおよび上記特定の周波
数の、互いに逆相関係にある駆動電圧を駆動電極９ｇ，
９ｈに印加して駆動フレーム７Ａをその特定の周波数で
回転振動させ、動的吸振効果により、被駆動フレーム２
の同相振動を抑制して回転振動させる。なお、このとき
駆動フレーム７Ａおよび被駆動フレーム２は接地され
る。

【００２９】図６は被駆動フレーム２および駆動フレー
ム７Ａについてのねじれ角と角速度との関係の一例を示
すボード線図である。図６に示す関係は、粘性ダンピン
グが存在する場合のものである。図６に示す場合では、
動的吸振効果が生ずる周波数においては、駆動フレーム
７Ａのねじれ角応答が抑制されるとともに、被駆動フレ
ーム２が駆動フレーム７Ａから約９０度の角度差で回転
振動する。

【００３０】このようにして、駆動フレーム７Ａのねじ
れ振動を抑制しつつ、低電圧で、被駆動フレーム２のね
じれ振動（すなわち走査角度）θｓを安定して大きくす
ることができる。

【００３１】なお、大気圧下でも動的吸振効果で駆動フ
レーム７Ａのねじれ振動は抑制されるが、本装置を真空
封止して空気による粘性ダンピングを回避し、より大き
な動的吸振効果でねじれ振動は抑制する方が好ましい。
図７は実施の形態２によるマイクロミラー装置を上部基
板１３で封止したものの一例を示す正面図であり、図８
は、図７の装置のＣ−Ｃ線における断面図である。

【００３２】図において、１０は補助支持部としての外
枠であり、１１は駆動電極９ｇ，９ｈおよび容量検出電
極８にそれぞれ電気的に接続された電極島であり、１２
は電極島１１の上面に設けられ、電極島１１を介して駆
動電極９ｇ，９ｈおよび容量検出電極８にそれぞれ電気
的に接続された電極パッドであり、１３は電極１２を外
部から使用可能にするためのホール１４および封止後の
内部空間確保のための窪み１５などが形成された例えば
ガラス基板などの上部基板である。

【００３３】そして、支持基板６、外枠１０および上部
基板１３を接合することにより、ミラー部１などの内部
構造はハーメチックシールされ、外部からの汚染が防止
される。なお、封止接合のためには、陽極接合法などを
利用し、内部を真空にすることが可能である。

【００３４】以上のように、この実施の形態２によれ
ば、ミラー部１を有する被駆動フレーム２と分離して外
側に駆動フレーム７Ａを形成し、駆動フレーム７Ａの動
的吸振効果を利用し、駆動フレーム７Ａ自体のねじれ振
動が被駆動フレーム２の逆相ねじれ振動で抑制されるよ
うにしたので、駆動フレーム７Ａと駆動電極９ｇ，９ｈ
との間のギャップを狭くして静電駆動力を大きくするこ
とができ、低い駆動電圧で、ミラー部１の走査角度を制
御可能な状態で大きくすることができるという効果が得
られる。

【００３５】なお、上記実施の形態１，２においては、
被駆動フレーム２と容量検出電極８との間の静電容量の
変化から走査角度θｓが検出されているが、ねじれ梁３
の表面にピエゾ抵抗体を形成し、そのピエゾ抵抗体のね
じれ角に対応した抵抗変化をブリッジ回路などで測定し
て走査角度θｓを検出するようにしてもよい。

【００３６】また、上記実施の形態１，２においては、
駆動電極９ａ〜９ｆ（９ｇ，９ｈ）と容量検出電極８は
構造的に分離しているが、駆動電極９ａ〜９ｆ（９ｇ，
９ｈ）と容量検出電極８とを一体化して形成し、必要に
応じて電気的に両者を分離可能なように構成するように
してもよい。

【００３７】さらに、ねじれ梁３の幅は図１に示すよう
に均一にしてもよいし、例えば図４に示すように不均一
にしてもよい。

【００３８】なお、上記実施の形態２において装置を封
止する例を示したが、実施の形態１による装置を同様に
封止するようにしてもよい。

【００３９】また、上記実施の形態１，２では本発明を
適用した１軸のねじれ構造を有するマイクロミラー装置
を示したが、同様に２軸のねじれ構造を有するマイクロ
ミラー装置に適用することも勿論可能である。

【００４０】さらに、上記実施の形態１，２において
は、ミラー部１が被駆動フレーム２の表面（すなわち、
支持基板６に対向する面の反対側の面）に形成されてい
るが、被駆動フレーム２の裏面、または両面に形成され
るようにしてもよい。その場合、裏面のミラー部１に光
ビームが入射可能なように支持基板６および容量検出電
極８などの構造を変更する。

【００４１】

【発明の効果】以上のように、この発明によれば、ねじ
れ梁の中間部に結合され、被駆動フレームの外側に形成
された駆動フレームと、駆動フレームを駆動する駆動電
圧を印加される駆動電極とを備えるように構成したの
で、静電引力を発生させる面積（駆動フレームの面積）
および駆動フレームのねじれモーメントを簡単に大きく
することができ、低電圧で所望の走査角度でミラー部を
駆動することができるという効果がある。

【００４２】この発明によれば、少なくとも２つの駆動
フレームが並列にねじれ梁の中間部に結合されるように
構成したので、各駆動フレームのねじれ角の総和がミラ
ー部の走査角度になり、大きな走査角度で安定に駆動す
ることができるという効果がある。

【００４３】この発明によれば、動的吸振効果の生ずる
周波数の駆動電圧を駆動電極に印加するように構成した
ので、駆動フレームのねじれ振動を抑制することがで
き、被駆動フレームのミラー部の走査角度を制御可能な
状態で大きくすることができるという効果がある。

【００４４】この発明によれば、駆動フレームと基板と
の距離が被駆動フレームと基板との距離より短くなるよ
うに構成したので、駆動フレームと駆動電極との間のギ
ャップが狭くなり静電駆動力を大きくすることができ、
低い駆動電圧で、ミラー部の走査角度を制御可能な状態
で大きくすることができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】 この発明の実施の形態１によるマイクロミラ
ー装置の構成例を示す正面図である。

【図２】 図１のマイクロミラー装置のＡ−Ａ線におけ
る断面図である。

【図３】 図１および図２のマイクロミラー装置の駆動
電極に印加する駆動電圧の例を示す図である。

【図４】 この発明の実施の形態２によるマイクロミラ
ー装置の構成例を示す正面図である。

【図５】 図４のマイクロミラー装置のＡ−Ａ線におけ
る断面図である。

【図６】 被駆動フレームおよび駆動フレームについて
のねじれ角と角速度との関係の一例を示すボード線図で
ある。

【図７】 実施の形態２によるマイクロミラー装置を上
部基板１３で封止したものの一例を示す正面図である。

【図８】 図７の装置のＣ−Ｃ線における断面図であ
る。

【図９】 従来のマイクロミラー装置の構成例を示す正
面図である。

【図１０】 図９のマイクロミラー装置のＡ−Ａ線にお
ける断面図である。

【符号の説明】

１ ミラー部、２ 被駆動フレーム、３ ねじれ梁、４
アンカー部、７，７Ａ 駆動フレーム、９ａ〜９ｈ
駆動電極。

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被駆動フレームに形成されたミラー部
   と、前記被駆動フレームの中央延長上に形成されたねじ
   れ梁と、前記ねじれ梁の端部を支持し、基板に固定する
   アンカー部とを備えたマイクロミラー装置において、 前記ねじれ梁の中間部に結合され、前記被駆動フレーム
   の外側に形成された駆動フレームと、 前記駆動フレームを駆動する駆動電圧を印加される駆動
   電極とを備えることを特徴とするマイクロミラー装置。
2. 【請求項２】 少なくとも２つの駆動フレームが並列に
   ねじれ梁の中間部に結合されたことを特徴とする請求項
   １記載のマイクロミラー装置。
3. 【請求項３】 動的吸振効果の生ずる周波数の駆動電圧
   を駆動電極に印加することを特徴とする請求項１記載の
   マイクロミラー装置。
4. 【請求項４】 駆動フレームと基板との距離が被駆動フ
   レームと基板との距離より短いことを特徴とする請求項
   １から請求項３のうちのいずれか１項記載のマイクロミ
   ラー装置。
5. 【請求項５】 ミラー部は、被駆動フレームの基板側の
   面、または両面に形成されることを特徴とする請求項１
   から請求項４のうちのいずれか１項記載のマイクロミラ
   ー装置。