JP2008046450A - ミラー制御装置およびミラー制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ミラーの共振周波数を所望の値に維持する。
【解決手段】ミラー制御装置は、回動可能に支持されたミラー２３０と、ミラー２３０から離間して配置された電極３４０ａ〜３４０ｄと、ミラー２３０の所望の傾斜角に応じた駆動電圧を電極毎に生成する駆動電圧生成手段４０１と、ミラー２３０の共振周波数を検出するミラー共振周波数検出手段４０２と、各電極３４０ａ〜３４０ｄに共通のバイアス電圧を生成し、バイアス電圧と電極毎の駆動電圧とを加算して、加算後の電圧を対応する電極３４０ａ〜３４０ｄに印加するバイアス電圧印加手段４０３とを備える。バイアス電圧印加手段４０３は、ミラー２３０の共振周波数が所望の値になるようにバイアス電圧を制御する。
【選択図】 図３

Description

本発明は、通信用の光スイッチやスキャナ等に使用されるミラー制御装置およびミラー制御方法に関するものである。

光スイッチ等のハードウェアを実現する技術の一つとして、マイクロマシン技術により製作されるミラー制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１は本発明の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー制御装置の断面図であるが、従来のミラー制御装置においても機械的な構成は同様であるので、図１、図２を用いて従来のミラー制御装置を説明する。

ミラー制御装置１００は、ミラーが形成されたミラー基板（上部基板）２００と、電極が形成された電極基板（下部基板）３００とが平行に配設された構造を有する。
ミラー基板２００は、板状の枠部２１０と、枠部２１０の開口内に配設された可動枠２２０と、可動枠２２０の開口内に配設されたミラー２３０とを有する。枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は、例えば単結晶シリコンで一体形成されている。ミラー２３０の表面には例えば３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成されている。一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂは、枠部２１０と可動枠２２０とを連結している。可動枠２２０は、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂを通る図１の可動枠回動軸ｘを軸として回動することができる。同様に、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂは、可動枠２２０とミラー２３０とを連結している。ミラー２３０は、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂを通る図１のミラー回動軸ｙを軸として回動することができる。可動枠回動軸ｘとミラー回動軸ｙとは、互いに直交している。結果として、ミラー２３０は、直交する２軸で回動する。

電極基板３００は、板状の基部３１０と、段丘状の突出部３２０とを有する。基部３１０と突出部３２０は例えば単結晶シリコンからなる。突出部３２０は、基部３１０の上面に形成された角錐台の形状を有する第２テラス３２２と、第２テラス３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス３２１と、第１テラス３２１の上面に形成された柱状の形状を有するピボット３３０とから構成される。突出部３２０の四隅とこの四隅に続く基部３１０の上面には、４つの電極３４０ａ〜３４０ｄが形成されている。また、基部３１０の上面には、突出部３２０を挟むように並設された一対の凸部３６０ａ，３６０ｂが形成されている。さらに、基部３１０の上面には、配線３７０が形成されており、この配線３７０には、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電極３４０ａ〜３４０ｄが接続されている。なお、基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。

以上のようなミラー基板２００と電極基板３００とは、ミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄとが対向配置されるように、枠部２１０の下面と凸部３６０ａ，３６０ｂの上面とを接合することにより、図２に示すようなミラー制御装置１００を構成する。このようなミラー制御装置１００においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに正の駆動電圧を与えて、しかも電極３４０ａ〜３４０ｄ間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー２３０を静電引力で吸引し、ミラー２３０を任意の方向へ回動させることができる。

特開２００３−５７５７５号公報

例えばミラーを振動させてレーザ光を走査する共振型スキャナにミラー制御装置１００を用いる場合、スキャナの走査周波数をミラー２３０の共振周波数に合わせるようにすれば、スキャナを安定かつ効率的に駆動することができ、スキャナの高速化にとって有利である。しかしながら、材質の経年変化や環境の変化などが要因となって、ミラー２３０の共振周波数が変化してしまうという問題点があり、スキャナの走査周波数が変化してしまう可能性があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ミラーの共振周波数を所望の値に維持することができるミラー制御装置およびミラー制御方法を提供することを目的とする。

本発明のミラー制御装置は、回動可能に支持されたミラーと、このミラーから離間して配置された複数の電極と、前記ミラーの所望の傾斜角に応じた駆動電圧を前記電極毎に生成する駆動電圧生成手段と、前記ミラーの共振周波数を検出するミラー共振周波数検出手段と、各電極に共通のバイアス電圧を生成し、このバイアス電圧と前記電極毎の駆動電圧とをそれぞれ加算して、加算後の電圧を対応する前記電極に印加するバイアス電圧印加手段とを備え、前記バイアス電圧印加手段は、前記ミラーの共振周波数が所望の値になるように前記バイアス電圧を制御するものである。
また、本発明のミラー制御装置の１構成例において、前記ミラー共振周波数検出手段は、前記ミラーの反射光の周期性に基づいて前記ミラーの共振周波数を検出するようにしたものである。
また、本発明のミラー制御装置の１構成例において、前記ミラー共振周波数検出手段は、前記電極に流れる駆動電流の周期性に基づいて前記ミラーの共振周波数を検出するようにしたものである。
また、本発明のミラー制御装置の１構成例において、前記バイアス電圧印加手段は、前記ミラーの共振周波数の上昇に応じて前記バイアス電圧を上昇させ、前記ミラーの共振周波数の低下に応じて前記バイアス電圧を低下させるようにしたものである。
また、本発明は、回動可能に支持されたミラーとこのミラーから離間して配置された複数の電極とを備えたミラー制御装置に対して、前記電極に駆動電圧を印加することより前記ミラーの動きを制御するミラー制御方法であって、前記ミラーの所望の傾斜角に応じた駆動電圧を前記電極毎に生成する駆動電圧生成ステップと、各電極に共通のバイアス電圧を生成し、このバイアス電圧と前記電極毎の駆動電圧とをそれぞれ加算して、加算後の電圧を対応する前記電極に印加するバイアス電圧印加ステップとを備え、前記バイアス電圧印加ステップは、前記ミラーの共振周波数が所望の値になるように、前記ミラーの共振周波数が前記所望の値より高い場合には前記バイアス電圧を上昇させ、前記ミラーの共振周波数が前記所望の値より低い場合には前記バイアス電圧を低下させるようにしたものである。

本発明によれば、ミラーの共振周波数が所望の値になるように、各電極に共通のバイアス電圧を制御することにより、ミラーを所望の周波数で共振させることができ、材質の経年変化や環境の変化などのようにミラーの共振周波数を変化させる要因が生じたとしても、ミラーの共振周波数を所望の値に維持することができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー制御装置の断面図である。前述のとおり、枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は導電性の材料（本実施の形態では単結晶シリコン）で一体形成されており、ミラー２３０はミラー基板２００に対して回動可能に支持されている。一方、単結晶シリコン等からなる基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。

本実施の形態と従来のミラー制御装置との大きな相違点は、従来のミラー制御装置ではミラー２３０を所望の角度に制御するための駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに印加しているのに対して、本実施の形態では各電極３４０ａ〜３４０ｄに共通のバイアス電圧と電極毎の駆動電圧との組み合わせ（加減算）で各電極３４０ａ〜３４０ｄへの印加電圧を決定し、さらにバイアス電圧をミラー２３０の共振周波数に応じて変化させる点である。

以下、本実施の形態と従来のミラー制御装置との相違点についてより詳細に説明する。図３は本実施の形態のミラー制御装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。
ミラー電圧印加手段４００は、枠部２１０とトーションバネ２１１ａ，２１１ｂと可動枠２２０とトーションバネ２２１ａ，２２１ｂとを介してミラー２３０に接地電位を印加する。

駆動電圧生成手段４０１は、ミラー２３０の所望の傾斜角に応じた駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に生成する。駆動電圧生成手段４０１は、予めミラー２３０の傾斜角と駆動電圧値との関係が設定されたテーブルを内部に備えており、ミラー２３０の所望の傾斜角に対応する駆動電圧値をテーブルから取得して、電極毎の駆動電圧を生成する。

ミラー共振周波数検出手段４０２は、ミラー２３０の共振周波数を検出する。ミラー２３０の共振周波数を検出する方法としては、ミラー２３０の反射光に基づいて検出する方法と、ミラー駆動電流に基づいて検出する方法とがある。
図４に示すように傾斜角が周期的に変化するようにミラー２３０を振動させて、光源５００からのレーザ光をミラー２３０で反射させ、対象物体５０１をレーザ光で走査する共振型スキャナの場合、ミラー２３０の反射光の位置は周期的に変化する。そこで、図４に示すようにミラー２３０と対象物体５０１との間の光路から外れた位置にフォトダイオードなどの受光素子５０２を設置して、この受光素子５０２にもミラー２３０の反射光が入射するようにしておけば、反射光が受光素子５０２に入射する周波数を検出することにより、ミラー２３０の共振周波数を検出できることになる。

また、ミラー２３０が振動すると、ミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄとの距離は周期的に変化する。このため、ミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄとの間の静電容量が周期的に変化し、電極３４０ａ〜３４０ｄに流れる駆動電流も周期的に変化することになる。そこで、電極３４０ａ〜３４０ｄに流れる駆動電流の周波数を検出すれば、ミラー２３０の共振周波数を検出できることになる。なお、駆動電流は、電極３４０ａ〜３４０ｄのうちミラー２３０の駆動に係わる少なくとも１つについて検出すればよい。
ミラー２３０を振動させる方法としては、所望の共振周波数に近い正弦波信号を駆動電圧として電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する第１の方法と、ステップ関数あるいはインパルス関数などの信号を駆動電圧として電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する第２の方法がある。第２の方法は、後述する初期化時やメンテナンス時に利用する方法である。

バイアス電圧印加手段４０３は、各電極３４０ａ〜３４０ｄに共通のバイアス電圧Ｖｂと駆動電圧生成手段４０１が生成した電極毎の駆動電圧とをそれぞれ加算して、加算後の電圧を対応する電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する。各電極３４０ａ〜３４０ｄには、それぞれ引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電圧が印加される。このとき、バイアス電圧印加手段４０３は、ミラー共振周波数検出手段４０２が検出したミラー２３０の共振周波数に応じてバイアス電圧Ｖｂを変化させる。

図５にバイアス電圧Ｖｂを０Ｖから５０Ｖまで変化させたときのミラー２３０の周波数特性を測定した結果を示す。図５に示すように、周波数特性のピーク位置、すなわちミラー２３０の共振周波数は、バイアス電圧Ｖｂを上げていくことにより下がっていくことが分かる。つまり、バイアス電圧Ｖｂを変化させると、ミラー２３０の共振周波数を制御できることになる。

図６はバイアス電圧印加手段４０３の構成例を示すブロック図である。バイアス電圧印加手段４０３は、予め設定されたミラー２３０の基準共振周波数ｆｒｅｆに対応する基準電圧Ｖｆｒｅｆを受けて、この基準電圧Ｖｆｒｅｆから後述するＦＶ変換部４０７の出力電圧を減算する減算部４０４と、減算部４０４の出力電圧が零になるようにバイアス電圧Ｖｂを生成するバイアス電圧制御部４０５と、バイアス電圧Ｖｂと駆動電圧生成手段４０１が生成した電極毎の駆動電圧とをそれぞれ加算する加算部４０６ａ〜４０６ｄと、ミラー共振周波数検出手段４０２が検出したミラー２３０の共振周波数の値ｆを電圧に変換するＦＶ（周波数−電圧）変換部４０７とから構成される。

ミラー２３０の共振周波数ｆに応じた電圧が減算部４０４に入力されるため、ミラー２３０の共振周波数ｆが基準共振周波数ｆｒｅｆに対して低くなると、減算部４０４の出力には正の電圧が現れる。バイアス電圧制御部４０５は、この正の電圧に応じてバイアス電圧Ｖｂを低下させて、減算部４０４の出力電圧が零になるようにする。バイアス電圧制御部４０５には、減算部４０４の出力電圧とバイアス電圧Ｖｂとの関係が、テーブル若しくは計算式の形で予め登録されている。バイアス電圧制御部４０５は、テーブル若しくは計算式に従って、減算部４０４の出力電圧に応じたバイアス電圧Ｖｂを生成する。

加算部４０６ａ〜４０６ｄは、各電極に共通のバイアス電圧Ｖｂと駆動電圧生成手段４０１が生成した電極毎の駆動電圧とをそれぞれ加算して、加算後の電圧を対応する電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する。バイアス電圧Ｖｂの低下により、ミラー２３０の共振周波数ｆは上昇して基準共振周波数ｆｒｅｆに近づく。

一方、ミラー２３０の共振周波数ｆが基準共振周波数ｆｒｅｆに対して高くなると、減算部４０４の出力には負の電圧が現れる。バイアス電圧制御部４０５は、この負の電圧に応じてバイアス電圧Ｖｂを上昇させて、減算部４０４の出力電圧が零になるようにする。バイアス電圧Ｖｂの上昇により、ミラー２３０の共振周波数ｆは低下して基準共振周波数ｆｒｅｆに近づく。
以上のようなフィードバック制御により、バイアス電圧印加手段４０３は、ミラー２３０の共振周波数ｆが基準共振周波数ｆｒｅｆと一致するようにバイアス電圧Ｖｂを制御する。

本実施の形態によれば、ミラー２３０を所望の周波数で共振させることができ、材質の経年変化や環境の変化などのようにミラー２３０の共振周波数を変化させる要因が生じたとしても、ミラー２３０の共振周波数を所望の値に維持することができる。したがって、本実施の形態のミラー制御装置を共振型スキャナに用いる場合、スキャナの走査周波数を設計当初の高い値に維持することができる。

なお、本実施の形態では、電極３４０ａ〜３４０ｄへの電圧印加→ミラー２３０の共振周波数検出→バイアス電圧制御という一連のフィードバック制御を装置の通常の運用時に繰り返し行う場合で説明したが、このような制御方法以外に、装置を起動した初期化時のみ行う制御方法や、定期的なメンテナンス時のみ行う制御方法が考えられる。

初期化時のみ行う制御方法の場合は、例えば光スイッチのように複数のミラー２３０が存在する装置において、個々のミラー２３０によって異なる共振周波数を均一化する場合を想定している。
一方、メンテナンス時のみ行う制御方法の場合は、ミラー２３０の共振周波数の変化が例えば経時変化のように緩やかな場合で、装置のメンテナンスに合わせた定期的な（あるいは間欠的な）共振周波数の補正でも十分対応しうる場合を想定している。

なお、初期化時あるいはメンテナンス時のみミラー２３０の共振周波数を調整する場合は、共振周波数が所望の値になるまで前記一連のフィードバック制御を行って、共振周波数を調整した後は、この調整のときに決定したバイアス電圧Ｖｂの値を次の初期化時あるいはメンテナンス時まで維持することになる。

本発明は、ミラー制御装置に適用することができる。

本発明の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図である。 図１のミラー制御装置の断面図である。 本発明の実施の形態に係るミラー制御装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。 共振型スキャナの模式的な構成を示すブロック図である。 バイアス電圧を変化させたときのミラーの周波数特性を測定した結果を示す図である。 本発明の実施の形態に係るミラー制御装置のバイアス電圧印加手段の構成例を示すブロック図である。

符号の説明

１００…ミラー制御装置、２００…ミラー基板、２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ…トーションバネ、２２０…可動枠、２３０…ミラー、３００…電極基板、３４０ａ〜３４０ｄ…電極、４００…ミラー電圧印加手段、４０１…駆動電圧生成手段、４０２…ミラー共振周波数検出手段、４０３…バイアス電圧印加手段、４０４…減算部、４０５…バイアス電圧制御部、４０６ａ〜４０６ｄ…加算部、４０７…ＦＶ変換部。

Claims (5)

1. 回動可能に支持されたミラーと、
   このミラーから離間して配置された複数の電極と、
   前記ミラーの所望の傾斜角に応じた駆動電圧を前記電極毎に生成する駆動電圧生成手段と、
   前記ミラーの共振周波数を検出するミラー共振周波数検出手段と、
   各電極に共通のバイアス電圧を生成し、このバイアス電圧と前記電極毎の駆動電圧とをそれぞれ加算して、加算後の電圧を対応する前記電極に印加するバイアス電圧印加手段とを備え、
   前記バイアス電圧印加手段は、前記ミラーの共振周波数が所望の値になるように前記バイアス電圧を制御することを特徴とするミラー制御装置。
2. 請求項１記載のミラー制御装置において、
   前記ミラー共振周波数検出手段は、前記ミラーの反射光の周期性に基づいて前記ミラーの共振周波数を検出することを特徴とするミラー制御装置。
3. 請求項１記載のミラー制御装置において、
   前記ミラー共振周波数検出手段は、前記電極に流れる駆動電流の周期性に基づいて前記ミラーの共振周波数を検出することを特徴とするミラー制御装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のミラー制御装置において、
   前記バイアス電圧印加手段は、前記ミラーの共振周波数の上昇に応じて前記バイアス電圧を上昇させ、前記ミラーの共振周波数の低下に応じて前記バイアス電圧を低下させることを特徴とするミラー制御装置。
5. 回動可能に支持されたミラーとこのミラーから離間して配置された複数の電極とを備えたミラー制御装置に対して、前記電極に駆動電圧を印加することより前記ミラーの動きを制御するミラー制御方法であって、
   前記ミラーの所望の傾斜角に応じた駆動電圧を前記電極毎に生成する駆動電圧生成ステップと、
   各電極に共通のバイアス電圧を生成し、このバイアス電圧と前記電極毎の駆動電圧とをそれぞれ加算して、加算後の電圧を対応する前記電極に印加するバイアス電圧印加ステップとを備え、
   前記バイアス電圧印加ステップは、前記ミラーの共振周波数が所望の値になるように、前記ミラーの共振周波数が前記所望の値より高い場合には前記バイアス電圧を上昇させ、前記ミラーの共振周波数が前記所望の値より低い場合には前記バイアス電圧を低下させることを特徴とするミラー制御方法。

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