JP2008000869A

JP2008000869A - Micro-oscillating device and optical element

Info

Publication number: JP2008000869A
Application number: JP2006175385A
Authority: JP
Inventors: Kiyohiko Kono; 清彦河野; Hiroshi Noge; 宏野毛; Yosuke Hagiwara; 洋右萩原
Original assignee: Matsushita Electric Works Ltd
Current assignee: Panasonic Electric Works Co Ltd
Priority date: 2006-06-26
Filing date: 2006-06-26
Publication date: 2008-01-10
Anticipated expiration: 2026-06-26
Also published as: JP4993956B2

Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To enable a movable plate to be driven at a large oscillation angle even with a low driving voltage, in a micro-oscillating device applicable to an optical element. <P>SOLUTION: The optical element 1 is provided with the movable plate 2 and a supporting part 3a supporting a beam 4 retaining the movable plate in an oscillating manner. The beam is provided with a twist beam 4a and a supporting beam 4b supporting its end. A vertical electrostatic comb 5 is formed in the end of the movable plate 2 and a frame part opposed thereto, and a horizontal electrostatic comb 6 is formed in the supporting beam 4b and a frame part opposed thereto. The movable plate 2 oscillates while twisting the twist beam 4a by a driving force generated by the vertical electrostatic comb 5. The horizontal electrostatic comb 6 generates a driving force according to the drive of the vertical electrostatic comb 5, and adds a force in a compression direction to the twist beam 4a periodically, thereby changing the twist rigidity of the twist beam 4a. The movable plate 2 oscillates with parametric resonate, that enlarges the oscillation angle. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、例えばバーコードリーダや光スイッチ等に適用される光学素子及びその光学素子に適用可能なマイクロ揺動デバイスに関する。 The present invention relates to an optical element applied to, for example, a bar code reader or an optical switch, and a micro oscillating device applicable to the optical element.

従来より、例えばバーコードリーダ等の光学機器には、ミラーが設けられた可動板を揺動させて、そのミラーに入射した光ビーム等をスキャン動作させる光学素子が搭載されている。このような光学素子としては、例えば特許文献１に示されているような、マイクロマシニング技術を用いて成形される小型のマイクロ揺動デバイスを搭載したものが知られている。 Conventionally, for example, an optical device such as a barcode reader is equipped with an optical element that swings a movable plate provided with a mirror and scans a light beam incident on the mirror. As such an optical element, for example, an optical element equipped with a small micro oscillating device formed by using a micromachining technique as shown in Patent Document 1 is known.

特許文献１に示されている光学素子においては、光ビーム等を反射するためのミラーを有する回動体が、フレームにその端部が支持されている捻り梁により揺動可能に保持されている。可動板の端部及びその端部に対向するフレームには垂直静電コムを構成する電極が形成されており、捻り梁のフレームに軸支された部位には水平静電コムを構成する電極が形成されている。垂直静電コム及び水平静電コムは、互いに噛み合う櫛歯状の電極間に電圧が印加されることにより駆動される。垂直静電コムは、可動板に垂直方向に作用する静電力を発生し、この静電力により、可動板が捻り梁をねじりながら回動する。可動板は、この垂直静電コムの静電力と、捻り梁がねじられることにより発生する復元力が作用することにより揺動する。水平静電コムは、捻り梁の両端部を引っ張る方向に静電力を発生するように構成されている。この光学素子は、水平静電コムを駆動することにより、捻り梁の張力を変化させ、可動板の揺動の共振周波数を変化させることができる。
特開２００５−１４１２２９号公報 In the optical element shown in Patent Document 1, a rotating body having a mirror for reflecting a light beam or the like is held so as to be swingable by a torsion beam whose end is supported by a frame. An electrode that forms a vertical electrostatic comb is formed on the end of the movable plate and a frame that faces the end, and an electrode that forms a horizontal electrostatic comb is formed on a portion that is pivotally supported by the frame of the torsion beam. Is formed. The vertical electrostatic comb and the horizontal electrostatic comb are driven by applying a voltage between comb-shaped electrodes that mesh with each other. The vertical electrostatic comb generates an electrostatic force acting on the movable plate in the vertical direction, and the movable plate rotates while twisting the torsion beam by the electrostatic force. The movable plate swings due to the electrostatic force of the vertical electrostatic comb and the restoring force generated by twisting the torsion beam. The horizontal electrostatic comb is configured to generate an electrostatic force in a direction in which both ends of the torsion beam are pulled. This optical element can change the tension of the torsion beam and change the resonance frequency of the swing of the movable plate by driving the horizontal electrostatic comb.
JP 2005-141229 A

しかしながら、特許文献１に示されている光学素子において、垂直静電コムの電極同士が重なっておらず可動板が略中立な姿勢ではないときには、可動板を駆動するための静電力がほとんど発生しない。従って、垂直静電コムに印加する電圧の大きさに対して、比較的可動板の揺動角が小さく、所望の揺動角を得るためには駆動電圧を高くする必要があるという問題がある。 However, in the optical element disclosed in Patent Document 1, when the electrodes of the vertical electrostatic comb do not overlap with each other and the movable plate is not in a substantially neutral posture, an electrostatic force for driving the movable plate is hardly generated. . Accordingly, there is a problem that the swing angle of the movable plate is relatively small with respect to the magnitude of the voltage applied to the vertical electrostatic comb, and that the drive voltage needs to be increased in order to obtain a desired swing angle. .

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、低い駆動電圧でも可動板を大きな揺動角で駆動可能なマイクロ揺動デバイスを提供することを目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems, and an object thereof is to provide a micro oscillating device capable of driving a movable plate with a large oscillating angle even with a low driving voltage.

上記目的を達成するため請求項１の発明は、可動板と、この可動板を揺動自在に保持して該可動板の回転軸となる捻り梁と、前記捻り梁を支持するフレーム部と、前記可動板の自由端及びそれに対向する前記フレーム部に互いに噛み合うように形成された櫛歯形状の電極を有し、それらの電極間に電圧が印加されることにより、前記可動板に対し略垂直方向の力を発生させる垂直静電コムと、を備えたマイクロ揺動デバイスにおいて、前記捻り梁の端部近傍とそれに対向する前記フレーム部とに互いに噛み合うように形成された櫛歯形状の電極を有し、それらの電極間に電圧が印加されることにより、前記捻り梁に、その長手方向の力を発生させる水平静電コムを備え、前記水平静電コムによる前記捻り梁に対する長手方向の力が、前記垂直静電コムによる可動板の揺動を補助するように構成されているものである。 In order to achieve the above object, the invention of claim 1 includes a movable plate, a torsion beam that rotatably supports the movable plate and serves as a rotation axis of the movable plate, a frame portion that supports the torsion beam, Comb-shaped electrodes formed so as to mesh with the free end of the movable plate and the frame portion opposite to the free end, and a voltage is applied between the electrodes so that the movable plate is substantially perpendicular to the movable plate. In a micro oscillating device including a vertical electrostatic comb that generates a force in a direction, comb-shaped electrodes formed so as to mesh with each other in the vicinity of an end portion of the torsion beam and the frame portion opposed thereto A horizontal electrostatic comb that generates a longitudinal force on the torsion beam when a voltage is applied between the electrodes, and a longitudinal force applied to the torsion beam by the horizontal electrostatic comb. But the vertical Those that are configured to assist the swinging of the movable plate by electrostatic comb.

請求項２の発明は、請求項１に記載のマイクロ揺動デバイスにおいて、前記捻り梁及び前記可動板により構成される振動系の共振周波数の略整数倍となる周波数の電圧を、前記水平静電コムの電極間に印加するように構成したものである。 According to a second aspect of the present invention, in the micro oscillating device according to the first aspect, a voltage having a frequency that is substantially an integral multiple of a resonance frequency of a vibration system including the torsion beam and the movable plate is applied to the horizontal electrostatic device. It is configured to be applied between the electrodes of the comb.

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のマイクロ揺動デバイスにおいて、前記水平静電コムは、前記捻り梁にその圧縮方向の力を加えるように構成されているものである。 According to a third aspect of the present invention, in the micro oscillating device according to the first or second aspect, the horizontal electrostatic comb is configured to apply a force in the compression direction to the torsion beam. .

請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載のマイクロ揺動デバイスを備え、前記可動板には、ミラー膜が設けられており、前記可動板が揺動することにより、前記ミラー膜に入射した光ビームをスキャン動作させるものである。 A fourth aspect of the invention includes the micro oscillating device according to any one of the first to third aspects, wherein the movable plate is provided with a mirror film, and the movable plate oscillates. Thus, the light beam incident on the mirror film is scanned.

請求項１の発明によれば、水平静電コムが駆動されることにより、捻り梁にその長手方向の力が作用するので、捻り梁の捻り剛性を変化させることができる。従って、水平静電コムを駆動して、可動板の姿勢に応じて捻り梁の復元力を変更することにより、垂直静電コムが発生する可動板の駆動力が補助されるので、低い駆動電圧でも、可動板を大きな揺動角で駆動させることができる。また、水平静電コムにより捻り梁の捻り剛性を変化させることにより、可動板の共振周波数を調整することが可能になる。 According to the first aspect of the present invention, since the longitudinal force acts on the torsion beam by driving the horizontal electrostatic comb, the torsional rigidity of the torsion beam can be changed. Therefore, by driving the horizontal electrostatic comb and changing the restoring force of the torsion beam according to the attitude of the movable plate, the driving force of the movable plate generated by the vertical electrostatic comb is assisted, so a low drive voltage However, the movable plate can be driven with a large swing angle. Further, the resonance frequency of the movable plate can be adjusted by changing the torsional rigidity of the torsion beam by the horizontal electrostatic comb.

請求項２の発明によれば、水平静電コムが駆動され、捻り梁の捻り剛性が、可動板の揺動の共振周波数に応じた周波数で周期的に変化する。従って、可動板が、パラメトリック共振を伴って揺動するので、可動板の揺動角をより大きくすることができる。 According to the invention of claim 2, the horizontal electrostatic comb is driven, and the torsional rigidity of the torsion beam periodically changes at a frequency corresponding to the resonance frequency of the swing of the movable plate. Therefore, since the movable plate swings with parametric resonance, the swing angle of the movable plate can be further increased.

請求項３の発明によれば、水平静電コムを駆動することにより、捻り梁の張力を小さくし、捻り梁の捻り剛性を小さくすることができるので、可動板の慣性力をより有効に利用し、可動板の揺動角をより大きくすることができる。 According to the invention of claim 3, by driving the horizontal electrostatic comb, the tension of the torsion beam can be reduced and the torsional rigidity of the torsion beam can be reduced, so that the inertial force of the movable plate can be used more effectively. In addition, the swing angle of the movable plate can be further increased.

請求項４の発明によれば、上述のように、水平静電コムが発生する力により垂直静電コムによる可動板の揺動を補助し、可動板を大きな揺動角で駆動させることできるマイクロ揺動デバイスを搭載しているので、低い駆動電圧でも光ビームのスキャン角を大きくすることができる。また、可動板の共振周波数を、水平静電コムにより調整することができるので、より高性能な光学素子が得られる。 According to the fourth aspect of the present invention, as described above, the force that the horizontal electrostatic comb generates can assist the swing of the movable plate by the vertical electrostatic comb, and the movable plate can be driven at a large swing angle. Since the oscillating device is mounted, the scan angle of the light beam can be increased even with a low driving voltage. Further, since the resonance frequency of the movable plate can be adjusted by a horizontal electrostatic comb, a higher performance optical element can be obtained.

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る光学素子の一例を示す。光学素子１は、例えばマイクロマシニング技術を用いてシリコン基板を成形することにより構成された小型のマイクロ揺動デバイスにより構成されている。この光学素子１は、例えば、バーコードリーダ、外部のスクリーン等に画像を投影するプロジェクタ装置、又は光スイッチ等の光学機器に搭載されるものであり、外部の光源等（図示せず）から入射する光ビーム等をスキャン動作させる機能を有している。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. 1A and 1B show an example of an optical element according to this embodiment. The optical element 1 is configured by a small micro oscillating device configured by forming a silicon substrate using, for example, a micromachining technique. The optical element 1 is mounted on, for example, a barcode reader, a projector device that projects an image on an external screen, or an optical device such as an optical switch, and is incident from an external light source (not shown). It has a function of performing a scanning operation of a light beam or the like.

光学素子１は、導電性を有するシリコン基板（図示せず）と絶縁性を有する酸化膜（図示せず）とで構成されたシリコン層１０ａと、シリコン層１０ａの下方に配置された、例えばガラス製の基板１０ｂとが接合されて構成されている。シリコン層１０ａは、可動板２と、可動板２の周囲に設けられたフレーム部３と、可動板２とフレーム部３とを接続する梁４と、フレーム部３と可動板２に形成された垂直静電コム５と、フレーム部３と梁４に形成された水平静電コム６とを一体に有している。この光学素子１は、駆動されていない静止状態にあるとき、可動板２と梁４が略水平に並ぶように構成されている。そして、可動板２及び梁４と基板１０ｂとの間には、シリコン層１０ａがエッチングされて形成された空隙が設けられており、可動板２は、その両側部に配された２つの梁４を介してフレーム部３に揺動可能に保持されている。 The optical element 1 includes a silicon layer 10a composed of a conductive silicon substrate (not shown) and an insulating oxide film (not shown), and glass, for example, disposed below the silicon layer 10a. The substrate 10b is made by joining. The silicon layer 10 a is formed on the movable plate 2, the frame portion 3 provided around the movable plate 2, the beam 4 connecting the movable plate 2 and the frame portion 3, and the frame portion 3 and the movable plate 2. A vertical electrostatic comb 5 and a horizontal electrostatic comb 6 formed on the frame portion 3 and the beam 4 are integrally provided. The optical element 1 is configured such that the movable plate 2 and the beam 4 are arranged substantially horizontally when in a stationary state where the optical element 1 is not driven. A gap formed by etching the silicon layer 10a is provided between the movable plate 2 and the beam 4 and the substrate 10b. The movable plate 2 includes two beams 4 arranged on both sides thereof. Through the frame portion 3 so as to be swingable.

垂直静電コム５は、可動板２のうち、その揺動時に自由端となる側端部と、それに対向するフレーム部３のそれぞれに、互いに噛み合うように形成された櫛歯状の電極２ｂ，３ｂとで構成されている。垂直静電コム５は、これらの両電極２ｂ，３ｂ間に電圧が印加されることにより、可動板２の側端部に、可動板２に対して略垂直に作用する力を発生し、この力により、図１（ｂ）の矢印及び２点鎖線で示すように、可動板２が揺動駆動される。 The vertical electrostatic comb 5 is a comb-like electrode 2b formed so as to mesh with a side end portion of the movable plate 2 which is a free end when the movable plate 2 is swung, and a frame portion 3 opposed thereto. 3b. The vertical electrostatic comb 5 generates a force acting substantially perpendicular to the movable plate 2 at the side end of the movable plate 2 by applying a voltage between the electrodes 2b and 3b. Due to the force, the movable plate 2 is driven to swing as indicated by the arrow and the two-dot chain line in FIG.

梁４は、可動板２の両側部の略中央部に互いに略同軸をなすように形成された捻り梁４ａと、それぞれの一端部が捻り梁４の可動板２を保持する側とは反対側の端部に捻り梁４ａの長手方向と略直交する方向に互いに対向するように形成された２つの支持梁４ｂとを有している。支持梁４ｂの他端は、フレーム部３により保持されている。すなわち、捻り梁４ａは、支持梁４ｂを介して、フレーム部３に保持されている。捻り梁４ａは、可動板２が駆動されるときに、主に、ねじり方向のばねとして動作する。支持梁４ｂは、可動板２が駆動されるときに、主に、捻り梁４ａの長手方向へ撓むばねとして動作する。２つの梁４は、可動板２に対して略対称形状に形成されており、可動板２をバランス良く保持している。 The beam 4 includes a torsion beam 4 a formed so as to be substantially coaxial with each other at substantially central portions on both sides of the movable plate 2, and a side opposite to the side of the torsion beam 4 that holds the movable plate 2. And two support beams 4b formed so as to face each other in a direction substantially orthogonal to the longitudinal direction of the torsion beam 4a. The other end of the support beam 4 b is held by the frame portion 3. That is, the torsion beam 4a is held by the frame part 3 via the support beam 4b. The torsion beam 4a mainly operates as a spring in the torsion direction when the movable plate 2 is driven. The support beam 4b mainly operates as a spring that bends in the longitudinal direction of the torsion beam 4a when the movable plate 2 is driven. The two beams 4 are formed in a substantially symmetrical shape with respect to the movable plate 2 and hold the movable plate 2 in a well-balanced manner.

可動板２は、矩形板形状に形成されている。可動板２は、その両側部の２つの捻り梁４ａが並ぶ軸付近にその重心が位置し、駆動されて揺動するとき、捻り梁４ａを回転軸としてバランスを保ち揺動する。可動板２の上面には、例えば外部から入射される光ビーム等を反射するための矩形形状のミラー膜２ａが形成されている。このミラー膜２ａは、光学素子１と共に用いられる光源の種類等に応じて選択された、例えばアルミニウムや金等の金属膜である。なお、可動板２やミラー膜２ａの形状等は、矩形に限られず、例えば略楕円形状等であってもよい。 The movable plate 2 is formed in a rectangular plate shape. When the movable plate 2 is driven and swings in the vicinity of the axis where the two twisted beams 4a on both sides of the movable plate 2 are arranged, the movable plate 2 swings while maintaining a balance with the twisted beam 4a serving as a rotation axis. On the upper surface of the movable plate 2, for example, a rectangular mirror film 2a for reflecting a light beam incident from the outside is formed. The mirror film 2a is a metal film such as aluminum or gold selected according to the type of light source used together with the optical element 1. Note that the shape of the movable plate 2 and the mirror film 2a is not limited to a rectangle, and may be, for example, a substantially elliptical shape.

水平静電コム６は、支持梁４ｂの中間部と、それに対向するフレーム部３のそれぞれに、互いに噛み合うように形成された櫛歯状の電極４ｃ，３ｃとで構成されている。水平静電コム６は、これらの両電極４ｃ，３ｃ間に電圧が印加されることにより、電極４ｃが支持梁４ｂを撓ませながら電極３ｃに向けて変位するように構成されている。 The horizontal electrostatic comb 6 is configured by comb-like electrodes 4c and 3c formed so as to mesh with each other in the intermediate portion of the support beam 4b and the frame portion 3 opposed thereto. The horizontal electrostatic comb 6 is configured such that when a voltage is applied between the electrodes 4c and 3c, the electrode 4c is displaced toward the electrode 3c while bending the support beam 4b.

フレーム部３は、支持梁４ｂの端部を支持する支持部３ａと、電極３ｂ，３ｃがそれぞれ配置されており、可動板２と梁４を囲むように配された部位とを備える。支持部３ａと、電極３ｂが配置されている部位と、電極３ｃが配置されている部位とは、その境界に空隙や酸化膜が介在することにより、互いに電気的に絶縁された状態となっている。支持部３ａと、電極３ｂ，３ｃが配置されている部位には、それぞれ電極パッド（図示せず）が形成されており、各部位の電位を変更することができるようになっている。 The frame portion 3 includes a support portion 3 a that supports the end portion of the support beam 4 b, electrodes 3 b and 3 c are disposed, and a portion that is disposed so as to surround the movable plate 2 and the beam 4. The portion where the support portion 3a, the electrode 3b is disposed, and the portion where the electrode 3c is disposed are electrically insulated from each other by interposing a gap or an oxide film at the boundary. Yes. Electrode pads (not shown) are respectively formed at portions where the support portion 3a and the electrodes 3b and 3c are arranged, so that the potential of each portion can be changed.

ここで、光学素子１の製造工程の一例について説明する。先ず、ウエハ状のシリコン層１０ａに、可動板２、梁４、フレーム部３、垂直静電コム５、水平静電コム６を成形してマイクロ揺動デバイスを形成する。このマイクロ揺動デバイスは、例えば、シリコン層１０ａを、いわゆるバルクマイクロマシニング技術を用いて加工することにより形成される。その後、例えばスパッタリング等の方法を用いることによって、シリコン層１０ａの上面に金属膜を形成する。そして、この金属膜をパターニングすることにより、可動板２の上面にミラー膜２ａを形成し、フレーム部３の上面に電極パッドを形成する。ミラー膜２ａ及び電極パッドが形成された後、そのシリコン層１０ａと基板１０ｂとを陽極接合等により接合する。このような一連の工程により、複数の光学素子１を同時に製造することができ、製造コストを低減可能になっている。なお、光学素子１の製造工程はこれに限られるものではなく、例えばレーザ加工や超音波加工等により１つずつ形成されてもよい。 Here, an example of the manufacturing process of the optical element 1 will be described. First, the movable plate 2, the beam 4, the frame portion 3, the vertical electrostatic comb 5 and the horizontal electrostatic comb 6 are formed on the wafer-like silicon layer 10a to form a micro oscillating device. This micro oscillating device is formed, for example, by processing the silicon layer 10a using a so-called bulk micromachining technique. Thereafter, a metal film is formed on the upper surface of the silicon layer 10a by using a method such as sputtering. Then, by patterning this metal film, a mirror film 2 a is formed on the upper surface of the movable plate 2, and an electrode pad is formed on the upper surface of the frame portion 3. After the mirror film 2a and the electrode pad are formed, the silicon layer 10a and the substrate 10b are bonded by anodic bonding or the like. By such a series of steps, a plurality of optical elements 1 can be manufactured at the same time, and the manufacturing cost can be reduced. In addition, the manufacturing process of the optical element 1 is not restricted to this, For example, you may form one by one by laser processing, ultrasonic processing, etc.

次に、上記のように構成された光学素子１の動作について、図２（ａ）、（ｂ）及び図３を参照して説明する。光学素子１の可動板２は、垂直静電コム５及び水平静電コム６が所定の駆動周波数で駆動力を発生して駆動される。垂直静電コム５は、例えば、支持部３ａに配された電極パッドがグランド電位に接続され、可動板２の櫛歯状の電極２ｂが基準電位である状態で、フレーム部３の櫛歯状の電極３ｂが形成されている部位に配された電極パッドの電位を周期的に変化させて、電極２ｂ，３ｂ間に所定の駆動周波数の電圧が印加されて駆動される。垂直静電コム５において、２つの電極３ｂの電位が、同時に所定の駆動電位（例えば、数十ボルト）まで変化することにより、可動板２の両端部に設けられた２つの電極２ｂが、同時に、それぞれと対向する電極３ｂに、静電力により引き寄せられる。この光学素子１において、垂直静電コム５には、例えば矩形波形状の電圧が印加され、その駆動力が図３に示すように周期的に発生する。 Next, the operation of the optical element 1 configured as described above will be described with reference to FIGS. 2 (a), 2 (b) and FIG. The movable plate 2 of the optical element 1 is driven by the vertical electrostatic comb 5 and the horizontal electrostatic comb 6 generating a driving force at a predetermined driving frequency. For example, the vertical electrostatic comb 5 has a comb-teeth shape of the frame portion 3 in a state where the electrode pad disposed on the support portion 3a is connected to the ground potential and the comb-like electrode 2b of the movable plate 2 is at the reference potential. This is driven by applying a voltage having a predetermined driving frequency between the electrodes 2b and 3b by periodically changing the potential of the electrode pad disposed at the portion where the electrode 3b is formed. In the vertical electrostatic comb 5, the potentials of the two electrodes 3b change to a predetermined driving potential (for example, several tens of volts) at the same time, so that the two electrodes 2b provided at both ends of the movable plate 2 are simultaneously These are attracted by the electrostatic force to the electrodes 3b facing each other. In this optical element 1, for example, a rectangular wave voltage is applied to the vertical electrostatic comb 5, and the driving force is periodically generated as shown in FIG.

上述のように形成された可動板２は、一般に多くの場合、その成型時に寸法誤差等が生じることにより、静止状態でも可動板２が水平姿勢ではなく、きわめて僅かであるが傾いている。そのため、静止状態からであっても、垂直静電コム５が駆動されると、可動板２にそれに略垂直な方向の駆動力が加わり、可動板２が捻り梁４ａを回転軸として回動する。そして、垂直静電コム５の駆動力を、可動板２が電極２ｂ，３ｂが重なりあうような姿勢となったときに解除すると、可動板２は、その慣性力により、捻り梁４ａをねじりながら回動を継続する。そして、可動板２の回動方向への慣性力と、捻り梁４ａの復元力とが等しくなったとき、可動板２のその方向への回動が止まる。このとき、垂直静電コム５が再び駆動され、可動板２は、捻り梁４ａの復元力と垂直静電コム５の駆動力により可動板２がそれまでとは逆の方向への回動を開始する。可動板２は、このような垂直静電コム５の駆動力と捻り梁４ａの復元力による回動を繰り返して揺動する。垂直静電コム５は、可動板２と捻り梁４ａにより構成される振動系の共振周波数の２倍の周波数の電圧が印加されて駆動され、可動板２が共振現象を伴って駆動され、その揺動角が大きくなるように構成されている。なお、垂直静電コム５の電圧の印加態様や駆動周波数は、上述に限られるものではなく、例えば、駆動電圧が正弦波形で印加されるように構成されていても、また、電極２ｂ，３ｂの電位が共に変化することにより垂直静電コム５が駆動されるように構成されていてもよい。 In many cases, the movable plate 2 formed as described above generally has a dimensional error or the like at the time of molding, so that the movable plate 2 is not in a horizontal posture but is tilted slightly, even in a stationary state. Therefore, even when the vertical electrostatic comb 5 is driven even in a stationary state, a driving force in a direction substantially perpendicular to the movable plate 2 is applied to the movable plate 2, and the movable plate 2 rotates about the torsion beam 4a. . Then, when the driving force of the vertical electrostatic comb 5 is released when the movable plate 2 is in a posture such that the electrodes 2b and 3b overlap each other, the movable plate 2 twists the torsion beam 4a by its inertial force. Continue to rotate. When the inertial force in the rotation direction of the movable plate 2 and the restoring force of the torsion beam 4a become equal, the rotation of the movable plate 2 in that direction stops. At this time, the vertical electrostatic comb 5 is driven again, and the movable plate 2 is rotated in the direction opposite to that of the movable plate 2 by the restoring force of the torsion beam 4a and the driving force of the vertical electrostatic comb 5. Start. The movable plate 2 oscillates repeatedly by such rotation by the driving force of the vertical electrostatic comb 5 and the restoring force of the torsion beam 4a. The vertical electrostatic comb 5 is driven by applying a voltage having a frequency twice the resonance frequency of the vibration system constituted by the movable plate 2 and the torsion beam 4a, and the movable plate 2 is driven with a resonance phenomenon. The swing angle is increased. The voltage application mode and drive frequency of the vertical electrostatic comb 5 are not limited to those described above. For example, even if the drive voltage is configured to be applied in a sine waveform, the electrodes 2b and 3b The vertical electrostatic comb 5 may be driven by changing both of the potentials.

一方、水平静電コム６も、垂直静電コム５と略同様に、電極４ｃ，３ｃ間に、例えば矩形波形状の電圧が印加されて駆動される。図２（ａ）に示すような静止状態から、水平静電コム６が駆動されると、図２（ａ）の矢印方向に駆動力が発生し、図２（ｂ）に示すように、電極４ｃが支持梁４ｂを撓ませながら可動板２に向けて変位する。このとき、図２（ｂ）に矢印で示すように、捻り梁４ａの支持梁４ｂにより支持されている端部に、可動板２に向けて、捻り梁４ａの長手方向の力が作用する。この力は、可動板２の両側の捻り梁４ａにそれぞれ作用しており、これにより、捻り梁４ａにはその圧縮方向の力が加わる。水平静電コム６により捻り梁４ａにその圧縮方向の力が作用することにより、捻り梁４ａに可動板２を保持していることにより発生している張力が変化し、捻り梁４ａの捻り剛性が低くなる。 On the other hand, the horizontal electrostatic comb 6 is driven by applying, for example, a rectangular wave voltage between the electrodes 4c and 3c in substantially the same manner as the vertical electrostatic comb 5. When the horizontal electrostatic comb 6 is driven from a stationary state as shown in FIG. 2A, a driving force is generated in the direction of the arrow in FIG. 2A, and as shown in FIG. 4c is displaced toward the movable plate 2 while bending the support beam 4b. At this time, as indicated by an arrow in FIG. 2B, a longitudinal force of the torsion beam 4a acts on the end portion of the torsion beam 4a supported by the support beam 4b toward the movable plate 2. This force acts on the torsion beams 4a on both sides of the movable plate 2, and thereby a force in the compression direction is applied to the torsion beams 4a. When a force in the compression direction acts on the torsion beam 4a by the horizontal electrostatic comb 6, the tension generated by holding the movable plate 2 on the torsion beam 4a is changed, and the torsional rigidity of the torsion beam 4a is changed. Becomes lower.

図３は、可動板２の揺動角と、そのとき垂直静電コム５及び水平静電コム６がそれぞれ発生する駆動力とを示す。図において、可動板２の揺動角と共に、可動板２の揺動の１／４周期毎（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔ７）に、可動板２の姿勢を、その側面図Ａ１，Ａ２，Ａ３，…，Ａ７により示している。この光学素子１において、水平静電コム６は、垂直静電コム５が発生する駆動力に対応して駆動され、可動板２の揺動が水平静電コム６により補助されながら駆動される。水平静電コム６は、垂直静電コム５と同じ駆動周波数で逆位相の矩形波形の電圧が印加されて駆動され、垂直静電コム５と水平静電コム６は、それぞれ、可動板２の揺動角に応じたタイミングで駆動力を発生する。 FIG. 3 shows the swing angle of the movable plate 2 and the driving force generated by the vertical electrostatic comb 5 and the horizontal electrostatic comb 6 at that time. In the figure, along with the swing angle of the movable plate 2, the posture of the movable plate 2 is shown for each quarter period (time t1, t2, t3,..., T7) of the movable plate 2, and the side view A1, These are indicated by A2, A3,..., A7. In this optical element 1, the horizontal electrostatic comb 6 is driven in accordance with the driving force generated by the vertical electrostatic comb 5, and the movable plate 2 is driven while being assisted by the horizontal electrostatic comb 6. The horizontal electrostatic comb 6 is driven by applying a rectangular waveform voltage of the opposite phase at the same driving frequency as the vertical electrostatic comb 5, and the vertical electrostatic comb 5 and the horizontal electrostatic comb 6 are respectively connected to the movable plate 2. A driving force is generated at a timing according to the swing angle.

図に示すように、可動板２の揺動角の絶対値が増加していくとき（時刻ｔ０乃至ｔ１、ｔ２乃至ｔ３、ｔ４乃至ｔ５，…）、垂直静電コム５の電極２ｂ，３ｂ間の間隔が大きくなるので、垂直静電コム５が駆動されず、水平静電コム６が駆動される。この期間において、可動板２は、その慣性力により、捻り梁４ａを捻りながら回動する。また、反対に、可動板２の揺動角の絶対値が減少していくとき、（時刻ｔ１乃至ｔ２、ｔ３乃至ｔ４、ｔ５乃至ｔ６，…）、垂直静電コム５の電極２ｂ，３ｂ間の間隔が近づく方向に回動するので、垂直静電コム５が駆動され、水平静電コム６は駆動されない。この期間においては、可動板２は、垂直静電コム５の駆動力と捻り梁４ａの復元力により、その角速度を加速させながら回動する。この光学素子１は、水平静電コム６を駆動することにより、可動板２の回動を加速させるときには、捻り梁４ａの捻り剛性が大きい状態でその復元力を変更せず、可動板２が慣性力により回動するときには、捻り梁４ａの捻り剛性を小さくしてその復元力を小さくする。これにより、可動板２は、その慣性力を有効に利用して、いわゆるパラメトリック共振を伴い、大きな揺動角で揺動する。 As shown in the figure, when the absolute value of the swing angle of the movable plate 2 increases (time t0 to t1, t2 to t3, t4 to t5,...), The electrode 2b, 3b between the vertical electrostatic comb 5 Therefore, the vertical electrostatic comb 5 is not driven and the horizontal electrostatic comb 6 is driven. During this period, the movable plate 2 rotates while twisting the torsion beam 4a by its inertial force. On the contrary, when the absolute value of the swing angle of the movable plate 2 decreases (time t1 to t2, t3 to t4, t5 to t6,...), The electrode 2b, 3b of the vertical electrostatic comb 5 Therefore, the vertical electrostatic comb 5 is driven and the horizontal electrostatic comb 6 is not driven. During this period, the movable plate 2 rotates while accelerating its angular velocity by the driving force of the vertical electrostatic comb 5 and the restoring force of the torsion beam 4a. When the optical element 1 accelerates the rotation of the movable plate 2 by driving the horizontal electrostatic comb 6, the restoring force of the torsion beam 4a is not changed in a state where the torsional rigidity of the torsion beam 4a is large. When rotating by inertial force, the torsional rigidity of the torsion beam 4a is reduced to reduce its restoring force. Thereby, the movable plate 2 swings at a large swing angle with so-called parametric resonance by effectively using the inertial force.

なお、この可動板２の揺動の運動方程式は、可動板２の揺動角をθとし、可動板２の完成モーメントをＩとし、可動板２の周囲の空気の粘性係数をｃとし、静止状態での捻り梁４ａの捻り剛性をｋとし、可動板２に作用するトルクをＭとすると、水平静電コム６の駆動力が最大のときの、通常時と比較した捻り梁４ａの捻り剛性の減少分をαとしたとき、次式のように示すことができる。

The equation of motion of the swing of the movable plate 2 is that the swing angle of the movable plate 2 is θ, the completion moment of the movable plate 2 is I, the viscosity coefficient of the air around the movable plate 2 is c, When the torsional rigidity of the torsion beam 4a in the state is k and the torque acting on the movable plate 2 is M, the torsional rigidity of the torsion beam 4a compared with the normal time when the driving force of the horizontal electrostatic comb 6 is maximum. When α is a decrease in the value, it can be expressed as the following equation.

図４は、上記数式について、αがゼロのとき（図の実線）と、αが例えば０．０５のとき（図の点線）とにおける、可動板２の駆動を開始してからの可動板２の揺動角の推移を示す。この場合、αがゼロのときは、水平静電コム６の駆動力が働かないときに対応し、αが０．０５のときは、水平静電コム６の駆動力が作用して可動板２がパラメトリック共振を伴い揺動するときに対応する。可動板２の揺動角は、時刻０に駆動開始されてから徐々に大きくなり、次第にその定常駆動時の揺動角に漸近していく。この図より、水平静電コム６の駆動力が作用する場合の揺動角は、作用しない場合の揺動角よりも、明らかに大きいことがわかる。 FIG. 4 illustrates the above-described mathematical expression, in which the movable plate 2 after the drive of the movable plate 2 is started when α is zero (solid line in the figure) and when α is 0.05 (dotted line in the figure), for example. The transition of the rocking angle is shown. In this case, when α is zero, this corresponds to when the driving force of the horizontal electrostatic comb 6 does not work, and when α is 0.05, the driving force of the horizontal electrostatic comb 6 acts to move the movable plate 2. Corresponds to when it swings with parametric resonance. The swing angle of the movable plate 2 gradually increases after the driving is started at time 0 and gradually approaches the swing angle during the steady driving. From this figure, it can be seen that the swing angle when the driving force of the horizontal electrostatic comb 6 acts is clearly larger than the swing angle when the horizontal electrostatic comb 6 does not act.

このように、本実施形態においては、水平静電コム６が捻り梁４ａにその圧縮方向の力を加えることにより、垂直静電コム５による駆動力を補助し、可動板２をパラメトリック共振を伴い揺動させることができるので、低い駆動電圧であっても、可動板の揺動角を大きくすることができる。従って、光学素子１の光ビームのスキャン角をより大きくすることが可能になる。また、水平静電コム６の駆動力を利用して捻り梁の捻り剛性を変化させることにより、可動板２の共振周波数を調整し、より高性能な光学素子１を得ることができる。 As described above, in the present embodiment, the horizontal electrostatic comb 6 applies a force in the compression direction to the torsion beam 4a to assist the driving force by the vertical electrostatic comb 5, and the movable plate 2 is accompanied by parametric resonance. Since it can be swung, the swing angle of the movable plate can be increased even with a low driving voltage. Accordingly, it is possible to further increase the scan angle of the light beam of the optical element 1. Further, by changing the torsional rigidity of the torsion beam using the driving force of the horizontal electrostatic comb 6, it is possible to adjust the resonance frequency of the movable plate 2 and obtain a higher performance optical element 1.

なお、本発明は上記各実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、水平静電コム６は、例えば、正弦波形状の駆動電圧により駆動されてもよく、水平静電コム６の駆動周波数は、垂直静電コム５の駆動周波数と同じでなくても、可動板２と捻り梁４ａにより構成される振動系の共振周波数の１倍や３倍等、略整数倍であってもよい。このような場合であっても、垂直静電コム５の駆動力を水平静電コム６の駆動力により補助して可動板２を揺動させ、光ビームのスキャン角をより大きくすることが可能である。また、水平静電コムは、捻り梁４ａの張力を増加させるように駆動力を発生し、捻り梁４ａの捻り剛性を増加させることができるように構成されていてもよい。この場合、例えば、水平静電コムを垂直静電コム５と略同位相で駆動することにより、上述と同様に効果的にパラメトリック共振現象を発生させ、可動板２をより大きな揺動角で駆動させることができる。 The present invention is not limited to the configuration of each of the above embodiments, and various modifications can be made as appropriate without departing from the spirit of the invention. For example, the horizontal electrostatic comb 6 may be driven by, for example, a sinusoidal drive voltage, and the horizontal electrostatic comb 6 is movable even if the drive frequency of the horizontal electrostatic comb 6 is not the same as the drive frequency of the vertical electrostatic comb 5. It may be a substantially integer multiple such as 1 or 3 times the resonance frequency of the vibration system constituted by the plate 2 and the torsion beam 4a. Even in such a case, the driving force of the vertical electrostatic comb 5 is assisted by the driving force of the horizontal electrostatic comb 6, and the movable plate 2 can be swung to increase the scanning angle of the light beam. It is. The horizontal electrostatic comb may be configured to generate a driving force so as to increase the tension of the torsion beam 4a and to increase the torsional rigidity of the torsion beam 4a. In this case, for example, by driving the horizontal electrostatic comb in substantially the same phase as the vertical electrostatic comb 5, the parametric resonance phenomenon is effectively generated as described above, and the movable plate 2 is driven at a larger swing angle. Can be made.

また、マイクロ揺動デバイスを構成する材質はシリコンやその酸化物等に限られず、一体に構成されていなくてもよい。すなわち、マイクロ揺動デバイスは、レーザ微細加工、超音波加工等により加工された各部材を組み合わせて形成されるようなものであってもよい。このような場合であっても、水平静電コムにより捻り梁の捻り剛性を変化させることにより、可動板の揺動角をより大きくすることが可能になる。 In addition, the material constituting the micro oscillating device is not limited to silicon, oxides thereof, or the like, and may not be configured integrally. That is, the micro oscillating device may be formed by combining members processed by laser micromachining, ultrasonic machining, or the like. Even in such a case, the swing angle of the movable plate can be further increased by changing the torsional rigidity of the torsion beam by the horizontal electrostatic comb.

さらにまた、上述のように可動板を水平静電コムの駆動力により駆動する構造のマイクロ揺動デバイスは、可動板にミラー膜を形成した光学素子として用いられるものに限られず、例えば、可動板に発光体を搭載して用いられてもよい。 Furthermore, the micro oscillating device having a structure in which the movable plate is driven by the driving force of the horizontal electrostatic comb as described above is not limited to one used as an optical element in which a mirror film is formed on the movable plate. May be used with a light emitter mounted thereon.

（ａ）は本発明の一実施形態に係る光学素子を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線における側断面図。(A) is a top view which shows the optical element which concerns on one Embodiment of this invention, (b) is a sectional side view in the II line | wire of (a). （ａ）は上記光学素子の静止状態を示す平面図、（ｂ）は同光学素子が駆動されているときの平面図。(A) is a top view which shows the stationary state of the said optical element, (b) is a top view when the same optical element is driven. 上記光学素子の動作を示すタイムチャート。The time chart which shows operation | movement of the said optical element. 上記光学素子の可動板の揺動角の推移を示すグラフ。The graph which shows transition of the rocking | fluctuation angle of the movable plate of the said optical element.

Explanation of symbols

１光学素子（マイクロ揺動デバイス）
２可動板
２ａミラー膜
２ｂ，３ｂ（垂直静電コムを構成する）電極
３フレーム部
３ｃ，４ｃ（水平静電コムを構成する）電極
４ａ捻り梁
５垂直静電コム
６水平静電コム
1 Optical element (micro oscillating device)
DESCRIPTION OF SYMBOLS 2 Movable plate 2a Mirror film | membrane 2b, 3b (it comprises a vertical electrostatic comb) 3 Frame part 3c, 4c (It comprises a horizontal electrostatic comb) Electrode 4a Twist beam 5 Vertical electrostatic comb 6 Horizontal electrostatic comb

Claims

A movable plate, a torsion beam that pivotally holds the movable plate and serves as a rotation axis of the movable plate, a frame portion that supports the torsion beam, a free end of the movable plate, and the frame portion that faces the free end A vertical electrostatic comb having comb-shaped electrodes formed so as to mesh with each other and generating a force in a substantially vertical direction with respect to the movable plate by applying a voltage between the electrodes. In the provided micro oscillating device,
It has comb-shaped electrodes formed so as to mesh with each other in the vicinity of the end of the torsion beam and the frame portion opposed thereto, and by applying a voltage between these electrodes, the torsion beam It has a horizontal electrostatic comb that generates its longitudinal force,
A micro oscillating device configured such that a longitudinal force applied to the torsion beam by the horizontal electrostatic comb assists the oscillation of the movable plate by the vertical electrostatic comb.

2. A configuration in which a voltage having a frequency that is substantially an integral multiple of a resonance frequency of a vibration system constituted by the torsion beam and the movable plate is applied between the electrodes of the horizontal electrostatic comb. The micro oscillating device described in 1.

The micro oscillating device according to claim 1, wherein the horizontal electrostatic comb is configured to apply a force in a compression direction to the torsion beam.

A micro oscillating device according to any one of claims 1 to 3,
The movable plate is provided with a mirror film,
An optical element that scans a light beam incident on the mirror film by swinging the movable plate.