JP2007108452A - 可動ミラーの安定化装置 - Google Patents

Abstract

【課題】可動ミラーの角度を高速に変化させても共振動作を確実に抑えることができ、可動ミラーを短時間で所望の状態に安定させることが可能な安定化装置を提供する。
【解決手段】本発明の安定化装置は、トーションバー１１Ａを軸に揺動可能な可動体１１の軸方向に垂直な一側面に圧接することで可動体１１を制動するストッパ２１を備える。該ストッパ２１は、ストッパ用電極２２に印加される駆動電圧に応じて、可動体１１の側面に圧接した第１の位置と該側面から離れた第２の位置との間を移動する。ストッパ用電極２２への駆動電圧は、制御部３０により可動体１１の駆動状態に応じて適切なタイミングで制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、光通信機器に用いられる可動ミラーの動作を安定化させるための装置に関し、特に、少なくとも１つの軸を中心に揺動可能な可動体を有する可動ミラーの安定化装置に関する。

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を応用して形成された可動ミラー（以下、ＭＥＭＳミラーとする）は、例えば光スイッチ等の各種光学装置に利用されている。一般的なＭＥＭＳミラーは、例えば図１６の平面図に示すように、基板上にＭＥＭＳ技術を応用して形成した可動体１０１および電極１０２，１０２を有する。可動体１０１は、その表面が光を反射するミラーとなっており、トーションバー１０１Ａによって軸支され、該トーションバー１０１Ａを中心に揺動可能な構造を有している。また、この可動体１０１は、トーションバー１０１Ａに平行な対向側面が櫛歯形状に成形されており、該各側面には同様な櫛歯形状の電極１０２，１０２が対向させて配置されている。このようなＭＥＭＳミラーでは、図示しない駆動回路から電極１０２，１０２に印加される駆動電圧に応じて、電極１０２，１０２と可動体１０１の間で静電力が発生し、該静電力によって可動体１０１が揺動することで、可動体１１の角度が所望の状態に制御される。

上記のようなＭＥＭＳミラーでは、電極１０２，１０２に印加される駆動電圧の２乗に比例して可動体１０１の角度が変化するため、駆動電圧が高くなるほど可動体１０１が敏感に動作するようになる。ここで、光の結合（トレランス）を落として光減衰を行なうＭＥＭＳミラーの運用方式において、出力光パワーは、例えば図１７の光トレランスカーブに示すように、最大結合時には駆動電圧に対して鈍感にしか反応しないが、減衰領域に入ると駆動電圧の２乗関数のように敏感に反応するようになる。

また、従来、ＭＥＭＳミラーの駆動制御はゆっくりした速度でしか行なっていなかったが、近年、高速化の要求もありＭＥＭＳミラーの最大反応周波数(共振周波数)にて動作させる必要が出てきた。ここで、可動体１０１は重量を持つ機械的要素であるため、可動体１０１の角度を高速に変化させると共振が発生し、その共振動作が収束するまでに所要の時間が必要になる。このため、ＭＥＭＳミラーを所望の状態に安定させるためには、電極１０２，１０２に与える駆動信号を高い精度で制御すると同時に、駆動制御に伴って発生する可動体１０１の不要な振動や角度ずれを確実に抑えることが重要になる。

ＭＥＭＳミラーの駆動制御、特に、可動体の角度（位置）の制御に関する従来の技術としては、例えば、ばねを利用して可動体を支持することにより、可動体の回転軸方向の並進を防止するようにした技術が公知である（例えば、特許文献１参照）。また、可動体を揺動させる構成とは異なるが、駆動電圧の印加により可動体を平行移動させて線路との接触状態を制御するＭＥＭＳスイッチにおいて、可動体の基板面に沿った方向の位置を位置決めするガイドを設けることで、可動体の振動により線路との間隔が変化してスイッチが誤動作するのを防止する技術も提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−１１７０２９号公報 特開２００４−３１９２１５号公報

しかしながら、上記の特許文献１に記載された従来技術については、ばねの利用により可動体の軸方向の並進を防止することはできるものの、可動体の軸を中心とする揺動に対してばねの力は作用しないため、前述したような可動体の角度を高速変化させたときに発生する共振を抑えることは困難である。また、特許文献２に記載されたＭＥＭＳスイッチの位置決めガイドを図１６のＭＥＭＳミラーに応用した場合、可動体が位置決めガイドに当接する範囲内に可動体の揺動を制限することは可能であるが、位置決めガイド自体は固定であるため、上記の範囲内で発生する共振動作を抑えることはできない。

さらに、ＭＥＭＳミラーの駆動制御に関する従来技術に共通の課題として、通常、ＭＥＭＳミラーを所望の状態に保持しておくためには、所定の電圧の駆動信号を常に供給しておく必要があるが、その駆動信号に対して制御に不要な信号（例えば、ロジックノイズ、電源ノイズ、静電気放電（electro-static discharge：ＥＳＤ)による外来ノイズなど）が載った場合、可動体の角度が意図せず変化してしまい、それを有効に抑えることができないという問題点がある。また、駆動回路が故障（特に、電源断）した場合には、駆動信号が供給されなくなるため、可動体の動作保障が困難になり、例えば、ＭＥＭＳミラーを用いて光通信システムを構築しているときには回線断が発生してしまう可能性がある。加えて、駆動信号を常に供給しておく必要性から、駆動回路の消費電力が増大してしまうという欠点もある。

本発明は上記の点に着目してなされたもので、可動ミラーの角度を高速に変化させても共振動作を確実に抑えることができ、可動ミラーを短時間で所望の状態に安定させることが可能な安定化装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成するため本発明は、少なくとも１つの軸を中心に揺動可能な可動体を有する可動ミラーの動作を安定化させるための装置において、前記可動体の軸方向に垂直な一側面に圧接した第１の位置および該側面から離れた第２の位置の間を移動可能であり、前記第１の位置で前記可動体を制動する制動手段と、前記可動体の駆動状態に応じて、前記制動手段の移動を制御する制御手段と、を備えて構成されたことを特徴とする。

このような構成では、制動手段を第２の位置に移動させることで、可動ミラーの可動体は揺動自由な開放状態となり、可動体の駆動状態に応じて適切なタイミングで制動手段を第２の位置から第１の位置に移動させることで、揺動する可動体は制動手段からの押圧力によって制動されて所要の角度に固定された状態となる。

上記のような本発明の安定化装置によれば、可動ミラーの可動体側面に圧接した第１の位置と可動体側面から離れた第２の位置との間を移動可能な制動手段を設け、制御手段により制動手段の移動を制御するようにしたことで、可動体の角度を高速に変化させた場合でも、制動手段によって可動体の動きが止められるため、従来のような共振動作が発生しなくなり、可動ミラーを短時間で所望の状態に安定させることが可能になる。また、制動手段によって可動体の角度が一定に保持されるため、従来のように可動ミラーを常に駆動しておく必要がなくなる。これにより、ノイズ等の不要な信号によって可動体の角度が意図せず変化してしまうような状況を回避することができ、可動ミラーを駆動するのに必要な消費電力を抑えることも可能になる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について添付図面を参照しながら説明する。なお、全図を通して同一の符号は同一または相当部分を示すものとする。
図１は、本発明の第１実施形態による安定化装置を適用したＭＥＭＳミラーの構成を示す平面図である。
図１において、本ＭＥＭＳミラー１Ａは、可動体１１および可動体用電極１２を有する本体部１０と、ストッパ２１、ストッパ用電極２２および絶縁パット２３を有する制動手段としてのストッパ部２０と、本体部１０およびストッパ部２０の動作を制御する制御手段としての制御部３０と、を備える。

可動体１１は、その表面が光を反射するミラーとなっており、トーションバー１１Ａによって軸支され、該トーションバー１１Ａを中心に揺動可能な構造を有している。また、この可動体１１は、トーションバー１１Ａに平行な対向側面（図１では左右側面）が櫛歯形状に成形されていると共に、トーションバー１１Ａに垂直な一側面（図１では下側面）の断面形状が鋭角となるように加工されている。

可動体用電極１２，１２は、櫛歯形状に成形されており、可動体１１のトーションバー１１Ａに平行な対向側面の外方にそれぞれ配置されている。この可動体用電極１２，１２には、制御部３０からの可動体駆動信号Ｄ１が与えられる。
ストッパ２１は、例えば図２に示すように、長手方向の一端部分が絶縁パット２３を介してストッパ用電極２２に固定されており、長手方向の他端部分にはストッパ用電極２２とは反対側に突出した突起部２１Ａが形成されている。突起部２１Ａは、先端部分が山型に加工されており、その稜線の長さ（ストッパ２１の他端部分の厚さ）が可動体１１の揺動可能範囲以上とされている。また、ストッパ２１の長手方向の中央部分には、両端部分よりも幅および厚さを減少させたアーム部２１Ｂが形成されており、このアーム部２１Ｂの剛性により、一端部分の固定箇所を支点として他端部分が幅方向に可動となっている。他端部分のストッパ用電極２２に対向する側面２１Ｃは、櫛歯形状に成形されている。

ストッパ用電極２２は、上記のストッパ２１が絶縁パット２３を介して長手方向の一端部分に固定され、長手方向の他端部分のストッパ２１に対向する側面が櫛歯形状に成形されている。このストッパ用電極２２には、制御部３０からのストッパ駆動信号Ｄ２が与えられる。
なお、本体部１０に対するストッパ部２０の配置については、ストッパ用電極２２に駆動電圧が印加されていないオフ状態で、ストッパ２１の突起部２１Ａの先端が本体部１０の可動体１１の一側面に予め設定した押圧力（制動トルク）で接触するように、本体部１０とストッパ部２０の間のギャップＧ（図１参照）が調整されている。また、可動体１１の一側面上においてストッパ２１の突起部２１Ａが接触する位置は、トーションバー１１Ａから出来るだけ離れた位置となるようにするのが望ましい。このような位置にストッパ２１の突起部２１Ａを配置することで高い制動力を得ることが可能になる。

次に、第１実施形態の動作について説明する。
上記のような構成のＭＥＭＳミラー１Ａでは、制御部３０から本体部１０に供給される可動体駆動信号Ｄ１の電圧値に応じて、可動体用電極１２，１２と可動体１１との間で静電力が発生し、該静電力によって可動体１１が揺動することで、可動体１１の角度が所望の状態に制御される。また、制御部３０からストッパ部２０に供給されるストッパ駆動信号Ｄ２の電圧値に応じて、ストッパ用電極２２とストッパ２１の側面２１Ｃとの間で静電力が発生し、該静電力によってストッパ２１の突起部２１Ａの位置が制御されることで、可動体１１からストッパ２１が切り離される。

ここで、制御部３０による本体部１０およびストッパ部２０の制御方法について詳しく説明する。
まず、本ＭＥＭＳミラー１Ａの基本的な制御動作となる第１の制御アルゴリズムを図３のフローチャートを参照しながら説明する。
第１の制御アルゴリズムでは、ステップ１１（図中Ｓ１１で示し、以下同様とする）において、ストッパ駆動信号Ｄ２の電圧値が０Ｖとされ、図４の上段に示すようにストッパ２１の突起部２１Ａが可動体１１に圧接した状態（ストッパ制御オフ）とされる。これにより、可動体１１が一定の角度で固定される。

ステップ１２では、可動体１１を動作させる制御命令がきたか否かの判定が行われ、可動体１１の制御を行うことが判定されると、ステップ１３に進む。ステップ１３では、ストッパ駆動信号Ｄ２により所定の駆動電圧がストッパ用電極２２に印加されることで、ストッパ２１の側面２１Ｃとストッパ用電極２２の間で静電力が発生し、図４の下段に示すようにストッパ２１の突起部２１Ａが可動体１１から切り離された状態（ストッパ制御オン）とされる。これにより、可動体１１が開放されて揺動可能な状態となる。

ステップ１４では、可動体駆動信号Ｄ１により所要の駆動電圧が可動体用電極１２，１２に印加されることで、可動体１１と可動体用電極１２，１２の間で静電力が発生し、可動体１１がトーションバー１１Ａを中心に揺動して、可動体１１の角度制御が開始される。
ステップ１５では、可動体１１の制御完了、すなわち、可動体１１の角度が目標値に達したか否かの判定が行われる。可動体１１の制御完了が判定されると、上記のステップ１１に戻り、ストッパ駆動信号Ｄ２の電圧値が０Ｖとされてストッパ２１の制御がオフに切り替えられる。これにより、可動体１１がストッパ２１により制動され、可動体１１の角度が目標値で固定される。ストッパ２１によって可動体１１が固定されると、可動体駆動信号Ｄ１の電圧値が０Ｖとされて、次の制御命令が与えられるまで可動体１１がスタンバイ状態とされる。

上記のようなステップ１１〜ステップ１５の一連の動作により、可動体１１の角度を高速に制御する場合でも、可動体１１の角度が目標値に達した時点でストッパ２１により可動体１１の動きが止められるため、従来のような共振動作が発生しなくなり、ＭＥＭＳミラーを短時間で所望の状態に安定させることが可能になる。また、可動体１１の制御が完了した後は、ストッパ２１によって可動体１１の角度が一定に保持されるため、従来のように所要の電圧の可動体駆動信号Ｄ１を常に供給しておく必要がなくなる。これにより、ロジックノイズ、電源ノイズ、外来ノイズなどの制御に不要な信号によって可動体１１の角度が意図せず変化してしまうような状況を回避することができる。さらに、電源断などの故障が発生して可動体駆動信号Ｄ１およびストッパ駆動信号Ｄ２が供給されなくなった場合でも、可動体１１がストッパ２１によって固定されているので、例えば本ＭＥＭＳミラーを用いて光通信システムを構築していたとしても回線断の発生を回避することができる。加えて、可動体１１の制御が完了した後は、駆動信号Ｄ１，Ｄ２を供給しなくてもよいので消費電力を抑えることも可能である。

なお、上記第１の制御アルゴリズムでは、ストッパ２１の制御についてオン／オフの単純な切り替えのみを行うようにしたが、ストッパ２１の制御をより細かく行うようにした、以下に説明する第２、３の制御アルゴリズムを適用することにより、可動体１１の共振動作をより効果的に抑えることが可能になる。
まず、上記第２の制御アルゴリズムについて図５のフローチャートを参照しながら具体的に説明する。

第２の制御アルゴリズムでは、前述した第１の制御アルゴリズムのステップ１１，１２と同様にして、ステップ２１でストッパ２１の制御がオフとされて可動体１１が固定された後に、ステップ２２で可動体１１の制御を行うことが判定されると、ステップ２３に進む。
ステップ２３では、ストッパ２１を半固定状態で駆動するためのストッパ駆動信号Ｄ２が制御部３０からストッパ部２０に出力される。半固定状態とは、可動体１１が摺動可能なトルクでもってストッパ２１が可動体１１に接触する状態、いわゆる半クラッチ状態のことである。このときのストッパ駆動信号Ｄ２の電圧値は、上記第１の制御アルゴリズムのステップ１３において可動体１１を開放状態にしたときの電圧値よりも低い予め設定した範囲内に設定される。なお、ストッパ２１を半固定状態とする駆動電圧の範囲は、ストッパ２１の制動トルクにバラツキがあるため、個々のストッパ部２０について駆動電圧と制動トルクのプロファイルを取得するなどして適切な範囲に設定されるものとする。

ステップ２４では、上記のステップ２３によりストッパ２１が半固定状態になると、可動体駆動信号Ｄ１により所要の駆動電圧が可動体用電極１２，１２に印加され、可動体１１の角度制御が開始される。そして、ステップ２５では、予め設定した待機時間が経過するまで、ストッパ２１の半固定状態を維持したまま可動体１１の角度制御が継続される。なお、この待機中のストッパ２１の半固定状態については、例えば図６の時刻Ｔ１〜Ｔ２に示すように、ストッパ２１の制動トルクが徐々に小さくなるように、ストッパ２１の駆動電圧を制御するのが望ましい。

ステップ２６では、ストッパ２１の制御が半固定状態からオン状態に切り替えられ、ストッパ２１の突起部２１Ａが可動体１１から切り離されて可動体１１が開放される。そして、ステップ２７では、予め設定した待機時間が経過するまで、ストッパ２１を可動体１１から切り離した状態で可動体１１の角度制御が継続される。
ステップ２８では、可動体１１の角度が目標値に達したか否かの判定が行われ、可動体１１の角度が目標値に達すると、上記のステップ２１に戻り、ストッパ駆動信号Ｄ２の電圧値が０Ｖとされてストッパ２１の制御がオフに切り替えられ、可動体１１がストッパ２１によって固定される。また、可動体駆動信号Ｄ１の電圧値が０Ｖとされて、次の制御命令が与えられるまで可動体１１がスタンバイ状態とされる。

上記のように第２の制御アルゴリズムによれば、可動体１１の制御を行う際に一旦ストッパ２１の制御を半固定状態とすることで、可動体１１の共振動作を確実に抑えることができるため、ＭＥＭＳミラーをより短い時間で所望の状態に安定させることが可能になる。
次に、第３の制御アルゴリズムについて図７のフローチャートを参照しながら具体的に説明する。

第３の制御アルゴリズムでは、前述した第１の制御アルゴリズムのステップ１１，１２と同様にして、ステップ３１でストッパ２１の制御がオフとされて可動体１１が固定された後に、ステップ３２で可動体１１の制御を行うことが判定されると、ステップ３３に進む。
ステップ３３では、制御部３０に設けた図示しないカウンタの値Ｎが０に初期化される。このカウンタは、後述するようにストッパ２１のオン／オフの切り替え回数を計数するのに利用される。

ステップ３４では、可動体駆動信号Ｄ１により所要の駆動電圧が可動体用電極１２，１２に印加され、可動体１１の角度制御が開始される。
ステップ３５では、ストッパ２１の制御がオフからオンに切り替えられ、ストッパ２１の突起部２１Ａが可動体１１から切り離されて可動体１１が開放される。そして、ステップ３６では、予め設定した待機時間が経過するまで、ストッパ２１を可動体１１から切り離した状態で可動体１１の角度制御が継続される。この待機時間は、例えば、可動体１に固有の共振周波数ｆの約４倍に対応した周期（≒１／４ｆ）に従って設定される。

ステップ３７では、ストッパ２１の制御がオンからオフに切り替えられ、可動体１１がストッパ２１によって制動される。
ステップ３８では、カウンタの値Ｎが１つ増加（Ｎ＝Ｎ＋１）される。そして、ステップ３９では、カウンタの値Ｎが予め設定したオン／オフの切り替え回数（例えば、１０回）に達したか否かの判定が行われる。カウンタの値Ｎが１０よりも小さい場合には、上記のステップ３５に戻り、ストッパ２１の制御が再びオンに切り替えられ、ストッパ２１が可動体１１から切り離された状態での可動体１１の角度制御が繰り返される。

図８は、上記のようなストッパ２１のオン／オフの周期的な切り替えによる、可動体１１の角度の時間変化を例示したものである。図８中の時刻Ｓ０，Ｓ１，Ｓ２，…は、ストッパ２１の制御がオフ／オンされるタイミングを示しており、この制御周期が上記の待機時間（≒１／４ｆ）に対応している。また、図８中の矢印線は、ストッパ２１によって可動体１１が制動された時に発生する可動体１１のモーメントを模式的に表している。時刻Ｓ０で発生したモーメントＭ０に対して、時刻Ｓ１で発生するモーメントＭ１は低くなり、時刻Ｓ２で発生するモーメントＭ２はさらに低くなるため、図８中の実線で示す可動体１１の角度変化にあるように、可動体１１の共振が効果的に抑圧されるようになる。

上記のステップ３９においてカウンタの値Ｎが１０に達したと判定されると、ステップ４０に進み、可動体１１の角度が目標値に達したか否かの判定が行われる。可動体１１の角度が目標値に達していない場合には、ステップ３３に戻ってカウンタの値Ｎが初期化された後に上記ステップ３４〜ステップ３９の動作が繰り返される。一方、可動体１１の角度が目標値に達した場合には、前述したステップ３１に戻り、ストッパ２１によって可動体１１が固定されると共に、可動体駆動信号Ｄ１の電圧値が０Ｖとされて、次の制御命令が与えられるまで可動体１１がスタンバイ状態とされる。

上記のように第３の制御アルゴリズムによれば、可動体１１の制御を行う際にストッパ２１の制御を周期的にオン／オフさせるようにしても、可動体１１の共振動作を確実に抑えることができるので、ＭＥＭＳミラーをより短い時間で所望の状態に安定させることが可能になる。
なお、上記第３の制御アルゴリズムでは、可動体１の共振周波数ｆの約４倍に対応する周期でストッパ２１の制御をオン／オフさせる一例を示したが、例えば図９に示すように、可動体１１の共振周波数を基に、可動体１１の角度が目標値に達する手前のタイミングを予測し、そのタイミングに対応させて時刻Ｓ１を設定するようにしても、時刻Ｓ１で発生するモーメントＭ１を低くすることができるため、可動体１１の共振を効果的に抑圧することが可能である。

ところで、図１に示した第１実施形態の構成では、ストッパ２１の突起部２１Ａの先端を山型に加工すると共に、該突起部２１Ａが接触する可動体１１の一側面を鋭角な断面形状に加工することで、可動体１１とストッパ２１の突起部２１Ａとが１点で接触するようにしている（図４の上段参照）。このような構造は、ＭＥＭＳ技術を用いて作製される機械的な構成要素はいわゆるナノテクノロジーで微細加工された物体となるため、２つの要素の接触部分の面積が広くなるとその間に静電容量が発生し、互いを切り離すのに過大なトルクが必要になることを考慮したものである。つまり、可動体１１とストッパ２１が１点で接触する構造とすることで、低い駆動電圧でもストッパ２１を可動体１１から切り離すことができるという効果が得られる。

ただし、可動体１１とストッパ２１が１点で接触する構造では、十分な制動力が得られない可能性も生じる。このような場合には、例えば図１０に示すように、ストッパ２１の突起部２１Ａの先端部分を鋸歯形状に加工して、可動体１１の滑りを防止するのがよい。図１０の一例では、突起部２１Ａの山型の先端部分に略９０°の三角溝を連続して設け、可動体１１の側面の断面形状を略４５°としている。このような構造を適用することで、低い駆動電圧でもストッパ２１を可動体１１から切り離すことができ、かつ、ストッパ２１による十分な制動力を得ることが可能になる。

次に、本発明の第２実施形態について説明する。
図１１は、本発明の第２実施形態による安定化装置を適用したＭＥＭＳミラーの構成を示す平面図である。
図１１において、本ＭＥＭＳミラー１Ｂは、上述した第１実施形態の構成について、ストッパ部２０と同一構成のストッパ部２０’を、本体部１０のストッパ部２０とは反対側の側面（図１１では上側面）にも設け、本体部１０に対して１組のストッパ部２０，２０’を対称的に配置したものである。このストッパ部２０’は、制御部３０から供給される、ストッパ部２０と共通のストッパ駆動信号Ｄ２によって駆動される。また、上記のストッパ部２０’を設けたことに対応させて、本体部１０の可動体１１のストッパ部２０’側に位置する側面も鋭角な断面形状に加工されている。

上述した第１実施形態の構成では、ストッパ２１による制動力を高めるために、ストッパ２１の突起部２１Ａが可動体１１の側面上のトーションバー１１Ａからできるだけ遠い位置で接触するように、本体部１０とストッパ部２０の配置が決められている。このため、ストッパ２１の制御をオフにしたとき、ストッパ２１からの力が可動体１１に対してトーションバー１１Ａから離れた位置に片方向よりかけられることになり、可動体１１に捩れが発生してトーションバー１１Ａにストレスを与えてしまう可能性がある。

そこで、第２実施形態では、本体部１０の反対側にもストッパ部２０’を配置し、可動体１１の両側から同一の力をかけるようにすることで、上記可動体１１の捩れを回避している。これにより、本ＭＥＭＳミラー１Ｂは、上述した第１実施形態の効果に加えて、耐久性の向上を図ることも可能になる。
次に、本発明の第３実施形態について説明する。

図１２は、本発明の第３実施形態による安定化装置を適用したＭＥＭＳミラーの構成を示す平面図である。
図１２において、本ＭＥＭＳミラー１Ｃの構成が上述の図１に示した第１実施形態の構成と異なる点は、駆動電圧を０Ｖとしたときに可動体１１を固定とする構造のストッパ部２０に代えて、駆動電圧を０Ｖとしたときに可動体１１を開放とする構造のストッパ部４０を設けた点である。このストッパ部４０は、ストッパ４１、ストッパ用電極４２および絶縁パット４３からなる。

具体的に、ストッパ４１は、例えば図１３に示すように、長手方向の略中央に設けられたトーションバー４１Ｂを支点として両端部分が揺動可能な構造となっており、一端部分には突起部４１Ａが形成されている。突起部４１Ａは、上述した第１実施形態の場合と同様に、その先端部分が山型に加工されており、稜線の長さが可動体１１の揺動可能範囲以上とされている。また、ストッパ４１の他端部分の側面４１Ｃは、櫛歯形状に成形されている。

ストッパ用電極４２は、上記ストッパ４１のトーションバー４１Ｂにつながる端部が絶縁パット４３を介して固定され、ストッパ４１の側面４１Ｃに対向する側面４２Ａが櫛歯形状に成形されている。このストッパ用電極４２には、制御部３０からのストッパ駆動信号Ｄ２が与えられる。
なお、本体部１０に対するストッパ部４０の配置については、ストッパ用電極４２に駆動電圧が印加されていないオフ状態で、ストッパ４１の突起部４１Ａの先端が本体部１０の可動体１１の一側面から離れるように、本体部１０とストッパ部４０の間のギャップＧ（図１２参照）が調整されている。つまり、所要の駆動電圧がストッパ用電極４２に印加されたオン状態で、ストッパ４１の側面４１Ｃがストッパ用電極４２側に引き寄せられることにより、ストッパ４１の突起部４１Ａが可動体１１の一側面に接触して、可動体１１が制動される。可動体１１の一側面上においてストッパ４１の突起部４１Ａが接触する位置は、トーションバー１１Ａから出来るだけ離れた位置となるようにするのが望ましい。このような位置にストッパ４１の突起部４１Ａを配置することで高い制動力を得ることが可能になる。

上記のような構成を備えたＭＥＭＳミラー１Ｃでは、上述した第１実施形態の場合の動作と同様に、制御部３０から本体部１０に供給される可動体駆動信号Ｄ１の電圧値に応じて、可動体用電極１２，１２と可動体１１との間で静電力が発生し、該静電力によって可動体１１が揺動することで、可動体１１の角度が所望の状態に制御される。また、制御部３０からストッパ部４０に供給されるストッパ駆動信号Ｄ２の電圧値に応じて、ストッパ用電極４２とストッパ４１の側面４１Ｃとの間で静電力が発生し、該静電力によってストッパ４１の突起部４１Ａの位置が制御されることで、ストッパ４１が駆動電圧に対応した押圧力（制動トルク）で可動体１１の側面に接触する。

制御部３０による本体部１０およびストッパ部４０の制御アルゴリズムに関しては、上述の第１実施形態で説明した第１〜第３の制御アルゴリズムにおいて、ストッパの制御のオン／オフの関係を逆にすることで、第１実施形態の場合と同様にして考えることができるため、ここでの説明を省略する。
上記のような第３実施形態のＭＥＭＳミラー１Ｃによれば、可動体１１の角度を高速に制御する場合でも、ストッパ４１により可動体１１の動きが止められるため、従来のような共振動作が発生しなくなり、ＭＥＭＳミラーを短時間で所望の状態に安定させることが可能になる。また、可動体１１の制御が完了した後は、ストッパ４１によって可動体１１の角度が一定に保持されるため、従来のように所要の電圧の可動体駆動信号Ｄ１を常に供給しておく必要がなくなる。これにより、ロジックノイズ、電源ノイズ、外来ノイズなどの制御に不要な信号によって可動体１１の角度が意図せず変化してしまうような状況を回避することができ、可動体１１を駆動するのに必要な消費電力を抑えることも可能になる。加えて、ストッパ４１を駆動しない状態で、可動体１１とストッパ４１が切り離された構成となるため、本体部１０の形成と同一の工程にてストッパ部４０を形成することができる。これにより、ＭＥＭＳミラー１Ｃの製造コスト削減を図ることも可能になる。

なお、上記の第３実施形態についても、上述の図１０に示した構成と同様にして、ストッパ４１の突起部４１Ａの先端部分を鋸波形状とすることにより、ストッパ４１による制動力を向上させることが可能である。また、上述の図１１に示した第２実施形態の場合と同様にして、ストッパ部４０と同一構成のストッパ部を本体部１０の反対側にも設けることで、可動体１１の捩れを回避することが可能である。

さらに、上述した第１〜第３実施形態では、１つの軸を中心に揺動可能なＭＥＭＳミラーについて説明したが、本発明は２つ以上の軸を中心に揺動可能なＭＥＭＳミラーについても応用することが可能である。例えば、２つの軸を中心に揺動可能なＭＥＭＳミラーについて第１実施形態を応用した場合、図１４に示すような構成となる。この２軸構造のＭＥＭＳミラー１Ｄは、Ｙ軸を中心に揺動可能な可動体１１”の上に、Ｘ軸を中心に揺動可能な可動体１１および可動体用電極１２，１２並びにストッパ２１、ストッパ用電極２１および絶縁パット２３が形成されている。Ｙ軸側の可動体１１”は、可動体用電極１２”，１２”によりトーションバー１１Ａ”を中心に揺動し、図１４の右側に示したストッパ２１”によって制動される。なお、Ｘ軸側の可動体用電極１２，１２に対する可動体駆動信号Ｄ１の供給と、ストッパ用電極２１に対するストッパ駆動信号Ｄ２の供給とは、図１４の左側に示した電極接点５１，５２をそれぞれ通して行われる。各電極接点５１，５２は、Ｙ軸側の可動体１１”が揺動しても接触するスライダー構造となっている。

加えて、上述した第１〜第３実施形態では、単一のＭＥＭＳミラーについて説明したが、例えば図１５に示すように、複数のＭＥＭＳミラー１Ａを同一平面上に配列してアレイ化するようにしてもよい。なお、図１５には第１実施形態のＭＥＭＳミラー１Ａをアレイ化した構成例を示したが、第２、３実施形態のＭＥＭＳミラー１Ｂ，１Ｃをアレイ化することも勿論可能である。

以上、本明細書で開示した主な発明について以下にまとめる。

（付記１） 少なくとも１つの軸を中心に揺動可能な可動体を有する可動ミラーの動作を安定化させるための装置において、
前記可動体の軸方向に垂直な一側面に圧接した第１の位置および該側面から離れた第２の位置の間を移動可能であり、前記第１の位置で前記可動体を制動する制動手段と、
前記可動体の駆動状態に応じて、前記制動手段の移動を制御する制御手段と、
を備えて構成されたことを特徴とする安定化装置。

（付記２） 付記１に記載の安定化装置であって、
前記制動手段は、前記第１の位置および前記第２の位置の間を移動可能なストッパと、該ストッパに対向させて配置された電極と、を有し、該電極に印加される駆動電圧に応じて前記ストッパおよび前記電極の間で発生する静電力により、前記ストッパが前記第１の位置および前記第２の位置の間を移動し、
前記制御手段は、前記可動体の駆動状態に応じて、前記制動手段の電極に印加される駆動電圧を制御することを特徴とする安定化装置。

（付記３） 付記２に記載の安定化装置であって、
前記制動手段は、前記電極に駆動電圧が印加されていない状態で前記ストッパが前記第１の位置に存在し、前記電極に所定の駆動電圧が印加されることで前記ストッパが前記第２の位置に移動することを特徴とする安定化装置。

（付記４） 付記２に記載の安定化装置であって、
前記制動手段は、前記電極に駆動電圧が印加されていない状態で前記ストッパが前記第２の位置に存在し、前記電極に所定の駆動電圧が印加されることで前記ストッパが前記第１の位置に移動することを特徴とする安定化装置。

（付記５） 付記２に記載の安定化装置であって、
前記可動体は、前記軸方向に垂直な一側面の断面形状が鋭角に加工されており、
前記ストッパは、先端部分が山型に加工されており、前記第１の位置において前記先端部分が前記可動体の鋭角に加工された側面と１点で接触することを特徴とする安定化装置。

（付記６） 付記５に記載の安定化装置であって、
前記ストッパは、前記先端部分が鋸歯形状に加工されていることを特徴とする安定化装置。

（付記７） 付記１に記載の安定化装置であって、
前記制御手段は、前記可動体が駆動される直前に、前記制動手段を前記第２の位置に移動させて前記可動体を揺動自由な開放状態とし、前記可動体が駆動された後に該可動体の角度が目標値に達した時点で、前記制動手段を前記第１の位置に移動させて前記可動体を制動して当該角度に固定された状態とすることを特徴とする安定化装置。

（付記８） 付記１に記載の安定化装置であって、
前記制御手段は、前記可動体が駆動される直前に、前記制動手段を前記第１の位置に移動させて前記可動体と前記制動手段が摺動可能な半固定状態とし、前記可動体が駆動された後に所定の待機時間が経過した時点で、前記制動手段を前記第２の位置に移動させて前記可動体を揺動自由な開放状態とし、前記可動体の角度が目標値に達した時点で、前記制動手段を前記第１の位置に移動させて前記可動体を制動して当該角度に固定された状態とすることを特徴とする安定化装置。

（付記９） 付記１に記載の安定化装置であって、
前記制御手段は、前記可動体が駆動された直後に、前記制動手段を前記第２の位置に移動させて前記可動体を揺動自由な開放状態とし、前記可動体の共振周波数に基づいて予め設定した周期で、前記制動手段を前記第１の位置に一旦移動させて前記可動体を制動した後前記第２の位置に戻す切替動作を繰り返し行い、前記可動体の角度が目標値に達した時点で、前記制動手段を前記第１の位置に移動させて前記可動体を当該角度に固定された状態とすることを特徴とする安定化装置。

（付記１０） 付記９に記載の安定化装置であって、
前記制御手段は、前記可動体の共振周波数の４倍に対応した周期で、前記切替動作を繰り返し行うことを特徴とする安定化装置。

（付記１１） 付記１に記載の安定化装置であって、
前記可動体の軸方向に垂直な両側面に対して、１組の前記制動手段が対称的に配置されたことを特徴とする安定化装置。

（付記１２） 付記１に記載の安定化装置であって、
前記可動体が複数の軸を中心に揺動可能であるとき、
前記制動手段は、前記可動体の各軸方向に垂直な一側面にそれぞれ対応させて複数設けられ、
前記制御手段は、前記可動体の各軸に対応した駆動状態に応じて、該当する前記制御手段の移動を制御することを特徴とする安定化装置。

（付記１３） 付記１に記載の安定化装置であって、
複数の可動ミラーが同一平面上に配列されているとき、
前記制動手段は、前記各可動ミラーにそれぞれ対応させて複数設けられ、
前記制御手段は、前記各可動ミラーの駆動状態に応じて、該当する前記制御手段の移動を制御することを特徴とする安定化装置。

本発明の第１実施形態による安定化装置を適用したＭＥＭＳミラーの構成を示す平面図である。 上記第１実施形態のストッパ部の具体的な構成例を示す図である。 上記第１実施形態についての第１の制御アルゴリズムを示すフローチャートである。 上記第１実施形態における可動体とストッパの駆動状態を説明するための図である。 上記第１実施形態についての第２の制御アルゴリズムを示すフローチャートである。 上記第２の制御アルゴリズムにおけるストッパの制御トルクの変化を説明するための図である。 上記第１実施形態についての第３の制御アルゴリズムを示すフローチャートである。 上記第３の制御アルゴリズムにおける可動体の角度の変化を説明するための図である。 上記第３の制御アルゴリズムに関連した他の制御アルゴリズムにおける可動体の角度の変化を説明するための図である。 上記第１実施形態に関連したストッパ構造の応用例を示す図である。 本発明の第２実施形態による安定化装置を適用したＭＥＭＳミラーの構成を示す平面図である。 本発明の第３実施形態による安定化装置を適用したＭＥＭＳミラーの構成を示す平面図である。 上記第３実施形態のストッパ部の具体的な構成例を示す図である。 ２軸構造のＭＥＭＳミラーについて本発明を適用した構成例を示す平面図である。 ＭＥＭＳミラーアレイに本発明を適用した構成例を示す平面図である。 一般的なＭＥＭＳミラーの構成例を示す平面図である。 一般的なＭＥＭＳミラーの光トレランスカーブの一例を示す図である。

符号の説明

１Ａ，１Ｂ，１Ｃ…ＭＥＭＳミラー
１０…本体部
１１，１１”…可動体
１１Ａ，１１Ａ”，４１Ｂ…トーションバー
１２，１２”…可動体用電極
２０，２０’，４０…ストッパ部
２１，２１’，２１”，４１…ストッパ
２１Ａ，４１Ａ…突起部
２１Ｂ…アーム部
２２，２２’，２２”，４２…ストッパ用電極
２３，２３’，２３”，４３…絶縁パット
３０…制御部
５１，５２…電極接点
Ｄ１…可動体駆動信号
Ｄ２…ストッパ駆動信号

Claims (10)

1. 少なくとも１つの軸を中心に揺動可能な可動体を有する可動ミラーの動作を安定化させるための装置において、
   前記可動体の軸方向に垂直な一側面に圧接した第１の位置および該側面から離れた第２の位置の間を移動可能であり、前記第１の位置で前記可動体を制動する制動手段と、
   前記可動体の駆動状態に応じて、前記制動手段の移動を制御する制御手段と、
   を備えて構成されたことを特徴とする安定化装置。
2. 請求項１に記載の安定化装置であって、
   前記制動手段は、前記第１の位置および前記第２の位置の間を移動可能なストッパと、該ストッパに対向させて配置された電極と、を有し、該電極に印加される駆動電圧に応じて前記ストッパおよび前記電極の間で発生する静電力により、前記ストッパが前記第１の位置および前記第２の位置の間を移動し、
   前記制御手段は、前記可動体の駆動状態に応じて、前記制動手段の電極に印加される駆動電圧を制御することを特徴とする安定化装置。
3. 請求項２に記載の安定化装置であって、
   前記制動手段は、前記電極に駆動電圧が印加されていない状態で前記ストッパが前記第１の位置に存在し、前記電極に所定の駆動電圧が印加されることで前記ストッパが前記第２の位置に移動することを特徴とする安定化装置。
4. 請求項２に記載の安定化装置であって、
   前記制動手段は、前記電極に駆動電圧が印加されていない状態で前記ストッパが前記第２の位置に存在し、前記電極に所定の駆動電圧が印加されることで前記ストッパが前記第１の位置に移動することを特徴とする安定化装置。
5. 請求項２に記載の安定化装置であって、
   前記可動体は、前記軸方向に垂直な一側面の断面形状が鋭角に加工されており、
   前記ストッパは、先端部分が山型に加工されており、前記第１の位置において前記先端部分が前記可動体の鋭角に加工された側面と１点で接触することを特徴とする安定化装置。
6. 請求項５に記載の安定化装置であって、
   前記ストッパは、前記先端部分が鋸歯形状に加工されていることを特徴とする安定化装置。
7. 請求項１に記載の安定化装置であって、
   前記制御手段は、前記可動体が駆動される直前に、前記制動手段を前記第２の位置に移動させて前記可動体を揺動自由な開放状態とし、前記可動体が駆動された後に該可動体の角度が目標値に達した時点で、前記制動手段を前記第１の位置に移動させて前記可動体を制動して当該角度に固定された状態とすることを特徴とする安定化装置。
8. 請求項１に記載の安定化装置であって、
   前記制御手段は、前記可動体が駆動される直前に、前記制動手段を前記第１の位置に移動させて前記可動体と前記制動手段が摺動可能な半固定状態とし、前記可動体が駆動された後に所定の待機時間が経過した時点で、前記制動手段を前記第２の位置に移動させて前記可動体を揺動自由な開放状態とし、前記可動体の角度が目標値に達した時点で、前記制動手段を前記第１の位置に移動させて前記可動体を制動して当該角度に固定された状態とすることを特徴とする安定化装置。
9. 請求項１に記載の安定化装置であって、
   前記制御手段は、前記可動体が駆動された直後に、前記制動手段を前記第２の位置に移動させて前記可動体を揺動自由な開放状態とし、前記可動体の共振周波数に基づいて予め設定した周期で、前記制動手段を前記第１の位置に一旦移動させて前記可動体を制動した後前記第２の位置に戻す切替動作を繰り返し行い、前記可動体の角度が目標値に達した時点で、前記制動手段を前記第１の位置に移動させて前記可動体を当該角度に固定された状態とすることを特徴とする安定化装置。
10. 請求項１に記載の安定化装置であって、
    前記可動体の軸方向に垂直な両側面に対して、１組の前記制動手段が対称的に配置されたことを特徴とする安定化装置。