JP2008003505A - マイクロ揺動デバイス及び光学素子 - Google Patents

Abstract

【課題】光学素子に適用可能なマイクロ揺動デバイスにおいて、製造コストを安価にし、可動板を低い駆動電圧でも大きな揺動角で駆動可能にする。
【解決手段】光学素子１は、可動板２と、可動板２を支持し、その回転軸となる梁３と、梁３の端部を支持するフレーム部４と、梁３の一部に形成された駆動板５とを備えている。駆動板５の端部とそれに対向するフレーム部４とには、互いに噛み合い水平静電コム６を構成する櫛歯形状の電極５ａ，４ｃがそれぞれ形成されている。水平静電コム６に電圧が印加されて駆動力が発生すると、駆動板５が梁３の長手方向と直交する水平方向に変位する。駆動板５が往復駆動されて回転軸が変位すると、可動板２にモーメントが発生する。可動板２は、梁３がねじられて発生する復元力と、回転軸が変位することで生じるモーメントにより大きな揺動角で揺動する。強磁性体等を用いず、構造が簡単で製造コストが安価になる。
【選択図】図１

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。

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や特許文献２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。

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梁により揺動可能に保持されている。この光学素子は、フレームとの間に形成された互いに噛み合う櫛歯形状の静電コムが駆動されることにより回動体に接近するように構成された移動体と、回動体の近傍に配置された永久磁石とを有している。回動体及び移動体には、強磁性体膜が形成されており、可動板は、静電コムが駆動して移動体が可動板に近づき、移動体の強磁性体膜と可動板の強磁性体膜との間に発生する斥力の作用により回動するように構成されている。

特許文献２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梁により揺動可能に保持されている。この光学素子は、磁力によらず、静電力のみにより駆動されるものであり、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、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、これにより、可動板が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、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。この光学素子では、水平静電コムは、梁を長手方向に引っ張るように静電力を発生するように構成されており、これによ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可能である。
特開２００４−１９８６４２号公報 特開２００５−１４１２２９号公報

しかしながら、特許文献１に示されている光学素子の製造工程においては、例えばシリコン層等をエッチングすることにより可動板や移動体を形成した後、強磁性体膜を、スパッタリングや、フォトリゾグラフィにより付加しなければならない。そのため、光学素子の製造工程が煩雑となり、光学素子の製造コストが高くなってしまう。

一方で、特許文献２に示されている光学素子は、強磁性体膜を用いないため、比較的低コストで製造可能であるが、垂直静電コムによる静電力が、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。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、構造が簡単で、製造コストを安価にすることが可能であり、しかも、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。

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、前記可動板の回転軸となる梁と、前記梁を支持するフレーム部とを備えたマイクロ揺動デバイスにおいて、前記梁の一部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、前記電極間に電圧が印加されることにより、前記梁の一部を前記梁の長手方向に対し略直交する方向に変位させる駆動力を発生する水平静電コムを備え、前記梁の一部が変位することにより、前記可動板が駆動されるように構成されているものである。

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、前記梁は、前記可動板の両側部とそれにそれぞれ対向する前記フレーム部との間に、互いに略同軸になるようにそれぞれ設けられており、前記水平静電コムは、前記梁のそれぞれに設けられているものである。

請求項３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、前記梁の一部が、前記可動板を囲むように設けられているものである。

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において、前記梁又は前記可動板に対向して補助電極が設けられ、初期駆動動作時に、前記補助電極に電圧が印加されることにより、前記可動板が略垂直方向に駆動されるように構成されているものである。

請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のマイクロ揺動デバイスにおいて、前記可動板の側端部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、前記電極間に電圧が印加されることにより、前記可動板に略垂直方向に作用する補助駆動力を発生する垂直静電コムを備えたものである。

請求項６の発明は、請求項５に記載のマイクロ揺動デバイスにおいて、前記垂直静電コムは、少なくとも前記可動板の初期駆動動作時に駆動されるように構成されているものである。

請求項７の発明は、請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のマイクロ揺動デバイスにおいて、前記可動板は、静止状態のとき、前記可動板の重心の位置が、前記回転軸に対して略垂直方向にずれるように配置されているものである。

請求項８の発明は、請求項１乃至請求項７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。

請求項９の発明は、請求項８に記載の光学素子において、前記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。

請求項１の発明によれば、水平静電コムが発生する駆動力により、梁の一部が梁の長手方向に対し略直交する方向に変位して、回転軸が変位することにより可動板が駆動されるので、可動板に、垂直静電コムを用いて可動板を駆動する場合よりも長く駆動力を与えることが可能となる。従って、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でき、高性能なマイクロ揺動デバイスが得られる。また、可動板を駆動するために強磁性体等を用いておらず、構造が簡単であり、単一材料で一体に構成可能であるので、安価に製造することができる。

請求項２の発明によれば、梁が可動板の両側部にそれぞれ設けられており、その梁のそれぞれに、水平静電コムが設けられているので、水平静電コムが駆動され梁の一部が変位したとき、よりバランス良く可動板の回転軸が変位する。従って、可動板をよりバランス良く揺動させることが可能になる。

請求項３の発明によれば、梁の一部が可動板を囲むように設けられているので、水平静電コムをより広い範囲に設けることが可能になる。従って、可動板の回転軸の変位量をより大きくすることが可能になり、低い駆動電圧でも、可動板をより大きな揺動角で駆動させることができる。

請求項４の発明によれば、初期駆動動作時に、補助電極に電圧が印加されて可動板が略垂直方向に駆動されるので、可動板が不安定な状態になり、静止状態から水平静電コムを駆動する場合よりも、可動板をより早く定常駆動させることが可能になる。

請求項５の発明によれば、垂直静電コムにより、可動板に略垂直方向に作用する補助駆動力を発生させることができるので、可動板を、水平静電コムのみで可動板を駆動する場合より、より大きな揺動角で駆動させることが可能になる。

請求項６の発明によれば、垂直静電コムが初期駆動時に駆動されるので、静止状態から水平静電コムのみで駆動する場合よりも、可動板の揺動角をより早く大きくすることができ、可動板をより早く定常駆動させることが可能になる。

請求項７の発明によれば、可動板の重心の位置が、回転軸に対して略垂直方向にずれているので、水平静電コムが駆動されたとき、回転軸まわりに確実にモーメントが発生する。従って、水平静電コムにより、可動板を、大きな揺動角で、より確実に揺動させることが可能になる。

請求項８の発明によれば、上述のように、水平静電コムが発生する駆動力により、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、マイクロ揺動デバイスは、上述のように製造コストが安価であるので、光学素子を低コストで製造可能になる。

請求項９の発明によれば、可動板が回転軸の変位と共振して揺動するので、光学素子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。

以下、本発明の第１の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。

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の両側部にそれぞれ、互いに同軸となるように配置された２本の梁３と、梁３の可動板２が設けられている部位とは反対側の端部を支持するフレーム部４と、２本の梁３にそれぞれ形成された矩形板状の駆動板（請求項で言う梁の一部）５と、フレーム部４と駆動板５に形成された水平静電コム６とを一体に有する。フレーム部４は、可動板２を囲むように配置されている。フレーム部４の上面には、電極パッド７ａ，７ｂが配置されている。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、梁３、及び駆動板５が、略水平に並ぶように構成されている。そして、可動板２及び駆動板５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及び駆動板５は、梁３を介してフレーム部４に保持されている。以下、梁３の長手方向をＸ方向と称し、Ｘ方向に直交する水平な方向をＹ方向と称し、Ｘ方向とＹ方向に直交する垂直な方向をＺ方向と称する。

水平静電コム６は、各駆動板５のＹ方向の両端部とそれに対向するフレーム部４のそれぞれに、互いに噛み合うように形成された櫛歯形状の電極５ａ，４ｃから成る。水平静電コム６は、これらの両電極５ａ，４ｃ間に電圧が印加されることにより、駆動板５がＹ方向に変位して、可動板２が駆動されるように構成されている。

可動板２は、矩形板形状に形成されており、その両側部のＹ方向略中央部に、２本の梁３の一端がそれぞれ接続されている。可動板２は、２つの梁３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、梁３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。

フレーム部４は、梁３の他端をそれぞれ支持する支持部４ａと、可動板２の回転軸に対し略対称に形成され、可動板２と梁３の側部をそれぞれ囲むように配された固定電極部４ｂとを備える。梁３は、支持部４ａに接続されていることにより、フレーム部４に支持されている。支持部４ａと固定電極部４ｂ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。電極パッド７ａ，７ｂは、それぞれ、支持部４ａ、固定電極部４ｂの上面に形成されている。水平静電コム６を構成する電極４ｃは、フレーム部４のうち、固定電極部４ｂに形成されている。

駆動板５は、２つの梁３の中間部、すなわち梁３の一部に、それぞれ形成されている。２つの駆動板５は、可動板２の中央部を中心とするＹ方向に平行な軸に対し、互いに略対称となる位置に形成されている。駆動板５が梁３の中間部に形成されることから、２つの梁３は、それぞれ２つの部位に分かれている。梁３のうち、可動板２と駆動板５とを結ぶ部位は、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捻り梁３ａであり、梁３のうち、駆動板５と支持部４ａとを結ぶ部位は、可動板２が駆動されるときに主に曲げ方向のばねとして動作する支持梁３ｂである。２つの梁３のうち、捻り梁３ａ同士は共に略同じ長さであり、支持梁３ｂ同士も略同じ長さになるように形成されている。

この光学素子１において、駆動板５は、可動板２よりも大きさが小さくなるように構成されている。これにより、駆動板５と支持梁３ｂ及び捻り梁３ａとにより構成される振動系の共振周波数と、可動板２及び捻り梁３ａにより構成される振動系の共振周波数とが大きく異なるようになっている。これにより、可動板２が揺動するとき、その揺動と共に駆動板５が揺動してしまうことを防止している。なお、駆動板５は、可動板２よりも大きかったり、厚みが可動板２よりも厚くなるように構成されていてもよい。

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３、フレーム部４、駆動板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４の上面に電極パッド７ａ，７ｂを形成する。ミラー膜２ａ及び電極パッド７ａ，７ｂ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一つずつ形成されてもよい。

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）乃至（ｄ）を参照して説明する。光学素子１は、電極パッド７ａ，７ｂ間に所定の駆動周波数の電圧が印加されることにより水平静電コム６が駆動力を発生し、その駆動力により駆動板５がＹ方向に往復駆動され、可動板２が揺動する。水平静電コム６は、例えば、電極パッド７ａがグランド電位に接続され、駆動板５側の櫛歯状の電極５ａが基準電位である状態で、電極パッド７ｂの電位を変化させて電極５ａ，４ｃ間の電圧を変更することにより駆動される。すなわち、水平静電コム６において、２つの電極パッド７ｂの電位が、交互に所定の駆動電位（例えば、数十ボルト）まで変化することにより、駆動板５の両端部に設けられた２つの電極５ａが、交互に、それぞれと対向する固定電極部４ｂの電極４ｃに、静電力により引き寄せられる。そして、電極５ａが電極４ｃに交互に引き寄せられることにより、駆動板５が、支持梁３ｂを撓ませながらＹ方向に往復駆動される。このとき、水平静電コム６の電極４ｃ，５ａ間には、例えば略矩形波状の駆動電圧が印加される。そして、電極５ａ，４ｃ間には、可動板２と捻り梁３ａにより構成される振動系の共振周波数の２倍の周波数で、交互に電圧が印加される。なお、電圧の印加態様はこれ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５ａ，４ｃの電位が共に変化することにより水平静電コムが駆動されるように構成されていてもよい。

図２（ａ）、（ｃ）に示されるように、電極パッド７ａ，７ｂに電圧が印加されていない静止状態において、捻り梁３ａ及び支持梁３ｂは、共にほとんど変形していない状態であり、可動板２及び駆動板５は、共に略水平姿勢である。このような静止状態から、上述のように、駆動板５の両端部の水平静電コム６がそれぞれ交互に駆動されると、駆動板５が、支持梁３ｂを撓ませながらＹ方向に往復駆動される。このとき、可動板２の回転軸の片側の固定電極部４ｂに形成されている櫛歯形状の電極４ｃは共に同じ電位であるので、可動板２の両側部それぞれの駆動板５は、図２（ｂ）、（ｄ）に示すように、共に同方向に略同位相で変位し、捻り梁３ａが、静止状態と略平行な姿勢のまま、駆動板５と共にＹ方向に変位する。

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、Ｘ方向から見た可動板２の重心の位置が、可動板２の回転軸より僅かにＺ方向にずれた状態となっている。このような状態で、上述のように、駆動板５の変位に伴い、捻り梁３ａが変位して可動板２の回転軸が変位すると、可動板２の慣性力により、その回転軸周りにモーメントが生じ、可動板２が回動し始める。

いま、可動板２の重心が、回転軸より上方にずれているとすると、図２（ｂ）に示すように駆動板５が駆動されたとき、図２（ｄ）に矢印Ｒで示すように、可動板２に、図において反時計回りとなる方向に回動させるための力が生じる。このとき、駆動板５の変位する方向側の電極５ａが、固定電極部４ｂの電極４ｃに引き寄せられているので、可動板２が回動しても、駆動板５はほとんど回動しない。そのため、可動板２は、梁３のうち捻り梁３ａを捻りながら回動する。そして、可動板２の回動方向への慣性力と、捻り梁３ａ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り、捻り梁３ａの復元力により、可動板２がそれまでとは逆の方向への回動を開始する。

上述のように、水平静電コム６の駆動周波数は、この可動板２の共振周波数の２倍になるようにされているので、可動板２が逆の方向への回動を開始すると、それと同時に、駆動板５がそれまでと逆方向に変位するように、上述とは反対側の水平静電コム６が駆動される状態になる。そして、駆動板５と共に可動板２の回転軸がそれまでとは逆方向に変位すると、可動板２には、捻り梁３ａの復元力によるモーメントに加え、回転軸が移動したことにより、上述とは逆の向きに発生するモーメントが加わり、可動板２の揺動が加振され、揺動角が大きくなる。その後、同様に揺動が加振されながら、可動板２がしばらく駆動されると、揺動角が一定となる安定駆動状態になる。このように、この光学素子１において、可動板２は、その捻り梁３ａの捻りによる振動が、水平静電コム６が発生する駆動力により加速される共振状態となって揺動する。

このように、本実施形態に係る光学素子１においては、可動板２は、水平静電コム６が発生する駆動力により、梁３の一部である駆動板５がＹ方向に変位して駆動板５の回転軸が変位することにより駆動されるので、可動板２に、垂直静電コム等を用いて駆動する場合よりも長く駆動力を与えることが可能となる。従って、低い駆動電圧でも、可動板２を大きな揺動角で駆動させて光ビームのスキャン角を大きくすることができ、光学素子１をより高性能になる。また、可動板２を駆動するために強磁性体等を用いておらず、単一材料で一体に構成され製造コストが安価なマイクロ揺動デバイスを用いているので、光学素子１をより安価にすることができる。

また、梁３が、可動板２の両側部にそれぞれ設けられており、その梁３のそれぞれに、水平静電コム６を有する駆動板５が設けられているので、可動板２の回転軸が変位したとき、可動板２をよりバランス良く揺動させることが可能になる。さらに、水平静電コム６は、可動板２と梁３により構成される振動系の共振周波数の２倍の周波数の駆動電圧で駆動されて、可動板２が共振状態で揺動するので、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。なお、水平静電コム６の駆動電圧は、可動板２と梁３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く、このような場合であっても、可動板２を共振状態で揺動させ、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。

次に、本発明の第２の実施形態に係る光学素子について、図３、図４（ａ）、（ｂ）を参照して説明する。以下の各実施形態において、上述の第１の実施形態と同様の構成部材には同一の符号を付し、上述の実施形態と相違する部分についてのみ説明する。

第２の実施形態に係る光学素子２１は、梁３の一部である駆動板５に対応する位置に配された補助電極２８を備えており、その点が、上述の光学素子１とは相違する。この光学素子２１において、補助電極２８は、２箇所の駆動板５につき、それぞれ２つずつ、可動板２の回転軸に対し略対称な位置に配置される。また、補助電極２８は、基板１０ｂ上に、駆動板５に対向するように配置されている。

第２の実施形態に係る光学素子２１において、補助電極２８は、可動板２の駆動を開始するときの初期駆動動作時に駆動される。すなわち、例えば、電極パッド７ａがグランド電位に接続されているとき、補助電極２８に所定の駆動電圧が印加されると、駆動板５と補助電極２８との間に静電力が発生し、可動板２が、図４（ａ）に示すような静止状態の位置から、図４（ｂ）に示すように、駆動板５と共に略垂直方向下方に変位する。そして、可動板２が下方に変位した状態になった後、第１の実施形態と同様に水平静電コム６に駆動電圧が印加されると共に、補助電極２８と駆動板５との間の駆動電圧の印加が解除されて、可動板２の揺動が開始される。

このように、初期駆動動作時に、可動板２が略垂直方向に変位して不安定な状態から駆動されるので、静止状態から水平静電コム６を駆動する場合よりも、回転軸が変位することにより可動板２に生じるモーメントが大きくなりやすくなる。従って、可動板２の揺動角がより早く大きくなり、光学素子２１をより早く定常駆動させることができる。

なお、補助電極２８は、１つの駆動板５について１つだけ配置されていてもよい。また、この光学素子２１においては、補助電極２８と可動板２との間に、可動板２が傾くように電圧を印加してもよい。補助電極２８を用いて、可動板２が傾いた状態で下方に変位させた状態から、水平静電コム６による駆動を開始することにより、より早く、可動板２の揺動角を大きくして光学素子２１を定常駆動させることが可能となる。

また、補助電極２８は、駆動板５とは他の部位に対応するように設けてもよい。図５は、補助電極２８を可動板２に対向するように配置した光学素子３１を示す。この光学素子３１においても、上述の光学素子２１と同様に、その初期起動時に補助電極２８と可動板２との間に駆動電圧を印加して可動板２を垂直方向に変位させ、より早く定常駆動させることが可能である。

次に、本発明の第３の実施形態に係る光学素子について、図６を参照して説明する。この光学素子４１は、可動板２が垂直静電コム４６を備えており、その点が上述の光学素子１と相違する。垂直静電コム４６は、可動板２の側端部に形成された櫛歯状の電極４２ａと、それに対向するフレーム部４の固定電極部４ｂに配置された櫛歯状の電極４４ｃとで構成されている。この電極４２ａ，４４ｃは、水平静電コム６と同様に、互いに噛み合うように構成されている。

第３の実施形態に係る光学素子４１において、垂直静電コム４６は、可動板２の駆動を開始するときの初期駆動動作時及び定常駆動時に駆動される。この垂直静電コム４６には、水平静電コム６とは異なる位相で駆動電圧が印加される。すなわち、水平静電コム６には、上述のように、所定の周波数で、可動板２の回転軸に対して片側ずつ交互に駆動電圧が印加されるが、垂直静電コム４６には、その所定の周波数で、両側の垂直静電コム４６に同時に駆動電圧が印加される。垂直静電コム４６には、可動板２が捻り梁３ａの復元力が作用する方向に回動するときに、駆動電圧が印加される。そして、電極４２ａ，４４ｃ間に生じる静電力が可動板２に略垂直となる方向に作用し、この静電力が、可動板２の揺動角を大きくするような補助駆動力となる。従って、この第３の実施形態においては、垂直静電コム４６が発生する補助駆動力により、水平静電コム６のみで可動板２を駆動する場合より、可動板２をより大きな揺動角で駆動することが可能になり、光学素子４１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、垂直静電コム４６を初期駆動動作時に駆動することにより、例えば可動板２が静止状態においてわずかに傾いているような場合に、可動板２の揺動角をより早く大きくすることが可能になり、光学素子４１をより早く定常駆動させることが可能になる。

次に、本発明の第４の実施形態に係る光学素子について、図７を参照して説明する。この光学素子５１は、可動板２と捻り梁３ａとを囲むような略矩形形状の駆動板５５を有している。駆動板５５は、支持梁３ｂによりその両側部で保持されている。この光学素子５１は、駆動板５５のＹ方向の両端部と、それに対向するフレーム部５４のそれぞれの固定電極部５４ｂとには、それぞれ、互いにかみ合う櫛歯状の電極５５ａ，５４ｃが設けられている。そして、この電極５５ａ，５４ｃにより、駆動板５５をＹ方向に変位させる駆動力を発生する水平静電コム５６が構成されている。

第４の実施形態に係る光学素子５１において、水平静電コム５６は、上述の第１の実施形態の光学素子１の水平静電コム６と略同様に駆動電圧が印加されて駆動される。すなわち、駆動板５５がＹ方向に変位することにより、可動板２の回転軸が変位して、可動板２にモーメントが発生して駆動される。このとき、駆動板５５が可動板２を囲むように形成されており、水平静電コム５６が広い範囲に設けられているので、駆動板５５を変位させる駆動力が大きくなっている。従って、第４の実施形態においては、水平静電コム５６の駆動力を大きくすることが可能であるので、低い駆動電圧でも、可動板２をより大きな揺動角で駆動させることが可能になり、光学素子５１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。

次に、本発明の第５の実施形態に係る光学素子について、図８を参照して説明する。この光学素子６１は、平面視で、上述の第１の実施形態の光学素子１と略同様に構成されているものであるが、そのマイクロ揺動デバイスのうち、可動板２と駆動板５とが、可動板２の回転軸となる梁６３よりも上方にオフセットした位置に配置されている点が、光学素子１とは相違する。すなわち、この光学素子６１においては、梁６３は一本の梁状であり、支持部４ａにその両端部が支持されるように配置されている。そして、その梁６３の上部に、可動板２と駆動板５が配置されている。この光学素子６１においても、可動板２、梁６３、フレーム部４、及び駆動板５は、共に一体に形成されている。

第５の実施形態に係る光学素子６１においても、可動板２は、上述の第１の実施形態の光学素子１と同様に水平静電コム６に駆動電圧が印加されることにより駆動される。ここで、この光学素子６１においては、可動板２が梁６３よりも上方にオフセットした位置に配置されていることにより、可動板２の重心の位置が、その回転軸に対して略垂直となる上方に大きくずれている。従って、第５の実施形態においては、水平静電コム６が駆動されて駆動板５がＹ方向に変位して回転軸が変位したとき、可動板２に、確実に回転軸まわりのモーメントが発生して、可動板２をより確実に大きな揺動角で揺動させることが可能になり、光学素子６１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。

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、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、また、一体に構成されていなくてもよい。すなわち、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、可動板の回転軸を水平静電コムの駆動力により水平方向に変位させることにより、可動板の揺動角をより大きくすることが可能になる。

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。

（ａ）は本発明の第１の実施形態に係る光学素子を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ−Ａ線における側断面図。 （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、（ｃ）は（ａ）のＢ−Ｂ線における側断面図、（ｄ）は（ｂ）のＢ−Ｂ線における側断面図。 本発明の第２の実施形態に係る光学素子を示す平面図。 （ａ）は上記光学素子の静止状態を示す図３のＢ−Ｂ線における側断面図、（ｂ）は同光学素子の初期駆動動作時を示す側断面図。 上記光学素子の一変形例を示す平面図。 本発明の第３の実施形態に係る光学素子を示す平面図。 本発明の第４の実施形態に係る光学素子を示す平面図。 本発明の第５の実施形態に係る光学素子を示す側断面図。

符号の説明

１，２１，３１，４１，５１，６１ 光学素子（マイクロ揺動デバイス）
２ 可動板
２ａ ミラー膜
３，６３ 梁
４、５４ フレーム部
４ｃ，５ａ，５４ｃ，５５ａ （水平静電コムを構成する）電極
６，５６ 水平静電コム
２８ 補助電極
４２ａ，４４ｃ （垂直静電コムを構成する）電極
４６ 垂直静電コム

Claims (9)

1. 可動板と、この可動板を揺動自在に保持し、前記可動板の回転軸となる梁と、前記梁を支持するフレーム部とを備えたマイクロ揺動デバイスにおいて、
   前記梁の一部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、前記電極間に電圧が印加されることにより、前記梁の一部を前記梁の長手方向に対し略直交する方向に変位させる駆動力を発生する水平静電コムを備え、
   前記梁の一部が変位することにより、前記可動板が駆動されるように構成されていることを特徴とするマイクロ揺動デバイス。
2. 前記梁は、前記可動板の両側部とそれにそれぞれ対向する前記フレーム部との間に、互いに略同軸になるようにそれぞれ設けられており、
   前記水平静電コムは、前記梁のそれぞれに設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ揺動デバイス。
3. 前記梁の一部が、前記可動板を囲むように設けられていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロ揺動デバイス。
4. 前記梁又は前記可動板に対向して補助電極が設けられ、
   初期駆動動作時に、前記補助電極に電圧が印加されることにより、前記可動板が略垂直方向に駆動されるように構成されていることを特徴とする請求項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。
5. 前記可動板の側端部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、前記電極間に電圧が印加されることにより、前記可動板に略垂直方向に作用する補助駆動力を発生する垂直静電コムを備えたことを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載のマイクロ揺動デバイス。
6. 前記垂直静電コムは、少なくとも前記可動板の初期駆動動作時に駆動されるように構成されていることを特徴とする請求項５に記載のマイクロ揺動デバイス。
7. 前記可動板は、静止状態のとき、前記可動板の重心の位置が、前記回転軸に対して略垂直方向にずれるように配置されていることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか一項に記載のマイクロ揺動デバイス。
8. 請求項１乃至請求項７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ことを特徴とする光学素子。
9. 前記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ことを特徴とする請求項８に記載の光学素子。

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