JP2011180528A - Ｍｅｍｓミラー制御装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 駆動コイルに電気信号を印加することによって可動体に発生する振動を機械的な制動機構を用いずに短時間に抑制することにある。
【解決手段】 反射ミラー１４を有する可動体１４が磁束の方向と直交する方向に配置されたトーションバー１３ａ，１３ｂに支持され、可動体の面部に施された駆動コイル２１に入力される電気信号レベルに応じて可動体が所定の振角で揺動するＭＥＭＳミラーにおいて、駆動コイル２１に電気信号を印加したとき、可動体やトーションバーの機械的要素に起因して当該可動体に発生する共振周波数の振動を検出し反転して駆動コイル２１と併設される振動抑制コイル３３に加えて抑制する振動抑制制御部３０を備えたＭＥＭＳミラー制御装置である。
【選択図】図３

Description

本発明は、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems：微小電気機械システム）技術を用いて製造されるＭＥＭＳミラーを安定な振角で揺動させるＭＥＭＳミラー制御装置に関する。

ＭＥＭＳは、電気と機械を融合した微小電気機械システムであって、半導体の製造技術を応用した微細加工技術で作られるものである。

ＭＥＭＳ技術で製造されるＭＥＭＳミラーは、超小型軽量、高速動作、低消費電力に優れたものであって、その用途としては例えば光通信での光スイッチ、バーコードスキャナやレーザースキャンプロジェクタなどに用いられる。

ＭＥＭＳミラーは、反射ミラーを有する可動体と、この可動体を揺動可能に支持するトーションバーと、前記可動体の周縁部に形成される駆動コイルとで構成され、電気信号の印加によって駆動コイルから発生するローレンツ力により可動体を揺動させるが、このとき、ローレンツ力とトーションバーの復元力とがつりあう位置まで可動体を揺動させる構造である。なお、トーションバーの基端部は、可動体を囲むように配置された固定体に接合される。

しかしながら、以上のようなＭＥＭＳミラーは、可動体を所定の傾きにする電気信号を印加後、その電気信号レベルが一定となっても、重量のある可動体やトーションバーなどの機械的要素に起因した共振周波数によって可動体が振動し、その振動が収まるまでの時間が長くなる。その結果、ＭＥＭＳミラーの高速応答が阻害され、本来有する高速動作を十分に活かせない問題がある。

そこで、近年、反射ミラーを実装した可動体の共振動作を抑える技術が提案されている。

この可動体の共振動作抑制技術は、可動体の近傍にストッパを先端に設けたＬ字状のアーム及びこのアームに併設されるストッパ用電極を設け、電気信号を駆動コイルに印加したとき、ストッパ用電極にも駆動電圧を印加し、前記アームを所定位置まで押し出し、アーム先端のストッパで可動体の一側面に圧接することにより、可動体の共振動作を止める構成である（例えば、特許文献１参照）。

特開２００７−１０８４５２号公報

しかしながら、特許文献１の技術によれば、可動体の一側面に対してアーム先端から折り曲げられたストッパを押し付けて可動体の共振動作を抑える構造であるので、例えば周囲の温度変化等によってアーム部分の強度や弾力性が徐々に低下し、ストッパへ所定の押し付け力を付与することが難しくなる。また、ストッパが可動体の一側面を繰り返し押し付けるため、ストッパ先端及び可動体のストッパ接触部分が擦れて摩耗し、制動能力が大きく低下する問題がある。

本発明は上記事情に鑑みてなされたもので、駆動コイルに電気信号を印加した際に可動体に発生する共振周波数の振動を機械的な制動機構を用いずに短時間に抑制するＭＥＭＳミラー制御装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、本発明は、反射ミラーを有する可動体が磁束の方向と直交する方向に配置されたトーションバーに支持され、前記可動体の面部に施された駆動コイルに入力される電気信号レベルに応じて前記可動体が所定の振角で揺動するＭＥＭＳミラーにおいて、前記駆動コイルに前記電気信号が入力されたとき、前記可動体やトーションバーの機械的要素に起因して当該可動体に発生する共振周波数の振動を抑制する振動抑制制御部を設けたＭＥＭＳミラー制御装置である。

なお、前記振動抑制制御部としては、前記可動体に発生する共振周波数の振動成分を検出する振動センサと、この振動センサで検出された前記共振周波数の振動成分を反転させて出力する反転増幅回路と、反転出力信号を受けて前記振動成分を抑制する振動抑制コイルとを備えた構成である。

本発明によれば、駆動コイルに電気信号を印加した際に可動体に発生する共振周波数の振動を機械的な制動機構を用いることなく、短時間に電気的に抑制処理できるＭＥＭＳミラー制御装置を提供できる。

本発明に係るＭＥＭＳミラー制御装置のうちミラー揺動機構部を示す平面図。 図１のＡ−Ａ矢印方向から可動体側を見たときの図。 本発明に係るＭＥＭＳミラー制御装置の一実施形態を示す構成図。 可動体上の駆動コイルと振動抑制コイルとの関係を示す一例図。 駆動コイルに電気信号を印加したときに可動体に発生する共振周波数の振動及びその振動の抑制状態を説明する図。

以下、本発明に係るＭＥＭＳミラー制御装置の一実施形態について、図1ないし図３を参照して説明する。図1はＭＥＭＳミラー制御装置のうち主としてミラー揺動機構部を示す上面図、図２は図1に示すＡ−Ａ矢印方向から見た図、図３はＭＥＭＳミラー制御装置に関する電気的構成を示す図である。

このＭＥＭＳミラー制御装置は、反射ミラーを揺動可能に組み込んだミラー揺動機構部（ＭＥＭＳミラー）１０と、反射ミラーを所定の振角で揺動制御する駆動制御部２０と、この駆動制御部２０による駆動制御の初期時に発生する振動を抑制する振動抑制制御部３０とで構成される。

先ず、ミラー揺動機構部１０について説明する。

ミラー揺動機構部１０は、所望とする強度を有する例えば方形のリング状に形成された基板などからなる固定体１１が設けられている。固定体１１は、方形のリング状である必要はなく、多角形のリング状であってもよい。なお、固定体１１としては、後記するように半導体基板で作るのが望ましい。

この固定体１１の相対する２辺の近傍には永久磁石などの一対の磁石体１２ａ，１２ｂが配置される。

さらに、一対の磁石体１２ａ，１２ｂによる磁束方向と直交する方向となる前記固定体１１の内側対峙位置にはそれぞれトーションバー１３ａ，１３ｂの基端部が接合される。

トーションバー１３ａ，１３ｂは、基端部を軸として所要方向に捩れながら所定の復元力を得るように固定体１１に接合する必要から例えば半導体シリコン材料等を用いて生成するのが好適である。そのため、固定体１１としては、ＭＥＭＳ技術を用いてトーションバー１３ａ，１３ｂと一体的に製造する観点から、前述したように半導体基板を用いるのが望ましい。

１４は反射ミラー１５を実装する可動体である。可動体１４は、リング状をなす固定体１１の中間部分となる空間部に配置され、トーションバー１３ａ，１３ｂを軸に揺動可能に支持される。その結果、可動体１４の上面部には反射ミラー１５が配置されているので、可動体１４を所要とする振角の揺動に伴い、入射されてくる光を所要の方向に反射させる機能を有する。

前記駆動制御部２０は、図３に示すように駆動コイル２１及び駆動信号印加制御部２２からなる。駆動コイル２１は、ＭＥＭＳ技術でもある例えばエッチング技術を用いて、可動体１４の上面部の例えば周縁部に形成する。駆動コイル２１への信号入力線２３は、同様にエッチング技術を用いて、トーションバー１３ａを経由して固定体１１の面部に施され、ＭＥＭＳ外部の駆動信号印加制御部２２に接続される。

駆動信号印加制御部２２は、駆動コイル２１に所定の駆動電流Ｉである角度制御信号を印加するものである。

さらに、前述した振動抑制制御部３０は、振動センサ３１と、反転増幅回路３２と、振動抑制コイル３３とで構成される。

振動センサ３１は、可動体１４に発生する振動成分を取り出すものであって、図２に示すように可動体１４の例えば上面部と反射ミラー１５との間に積層される。すなわち、可動体１４の上面部には振動センサ３１及び反射ミラー１５の順に積層される。なお、反射ミラー１５としては、例えば振動センサ３１の表面が光を反射するように鏡面状態に形成されているものでも良い。反転増幅回路３２は振動センサ３１で検出された振動成分を反転し予め定める増幅度で増幅し出力する。

振動抑制コイル３３は、図４に示す拡大図で示すように、前記駆動コイル２１と同様にエッチング技術を用いて、前記可動体１４の上面部に駆動コイル２１と併設するように形成される。そして、振動抑制コイル３３に連なる外部取り出し信号線３４は、例えばエッチング技術を用いて、トーションバー１３ｂを経由して固定体１１の面部に施され、ＭＥＭＳ外部の反転増幅回路３２の出力側に接続される。

次に、可動体１４に実装される反射ミラー１５が揺動する動作原理について説明する。

一対の磁石体１２ａ，１２ｂによって可動体１４上の駆動コイル２１を横切る方向に磁束Ｂを形成させた後、駆動信号印加制御部２２から駆動コイル２１へ所定の駆動電流Ｉを流すと、その駆動電流Ｉによって駆動コイル２１に図２に示す実線方向のローレンツ力Ｆが発生する。

このローレンツ力Ｆの発生に伴い、トーションバー１３ａ，１３ｂは、可動体１４に加わる回転トルクとトーションバー１３ａ，１３ｂの復元力が釣り合う位置まで捩れ、駆動コイル２１，反射ミラー１５及び振動センサ３１を実装する可動体１４は、トーションバー１３ａ，１３ｂを軸として図示実線（イ）矢印方向に揺動する。

また、駆動信号印加制御部２２から駆動コイル２１に流す駆動電流Ｉを図１に示す方向と逆の方向に流すと、駆動コイル２１に発生するローレンツ力は図２に示すように前述とは全く逆の点線方向に−Ｆが発生する。このとき、可動体１４は、トーションバー１３ａ，１３ｂを軸として図示点線（ロ）矢印方向に揺動する。

このことは、駆動信号印加制御部２２から駆動コイル２１へ印加する駆動電流Ｉの大きさを変えることによって揺動角度を可変でき、入射する光の反射角度を変えることができ、例えば光通信ネットワークの高速多チャンネル光スイッチ等に適用することが可能となる。

次に、以上のように構成されたＭＥＭＳミラー制御装置において、特に可動体１４に発生する揺動及びその振動の抑制処理について図５を参照して説明する。

先ず、反射ミラー１５を実装した可動体１４を揺動させるためには、一対の磁石体１２ａ，１２ｂによって可動体１４上の駆動コイル２１を横切る方向に磁束Ｂを形成させた後、駆動信号印加制御部２２から駆動コイル２１へ所定の駆動電流Ｉを流す。すなわち、駆動信号印加制御部２２から可動体１４を所定の振角とするための図５（ａ）に示す駆動電流Ｉである角度制御信号Ｉθを駆動コイル２１に流す。

そこで、角度制御信号のレベルＩθが“０”から“１”に変化させたとき、そのレベル変化に伴って、駆動コイル２１に図２に示すローレンツ力Ｆが発生する。その結果、ローレンツ力Ｆによって可動体１４に回転トルクが発生し、その回転トルクに従ってトーションバー１３ａ，１３ｂが捩れる。

ここで、トーションバー１３ａ，１３ｂは、可動体１４に加わる回転トルクとトーションバー１３ａ，１３ｂの復元力が釣り合う位置まで捩れ、駆動コイル２１，反射ミラー１５及び振動センサ３１を実装する可動体１４が図５（ｂ）に示すように角度制御信号のレベルＩθ＝“１”に相当する振角θ（＝１）に向って揺動する。

しかし、実際には、駆動コイル２１によるローレンツ力Ｆに伴って、可動体１４に回転トルクが発生し、かつ、トーションバー１３ａ，１３ｂに捩れが生ずる結果、角度制御信号のレベルＩθが“１”（一定値）に変化した後であっても、レベルＩθ＝“１”に追従しつつ振角θ（＝１）となるように揺動しない。

すなわち、可動体１４の重量やトーションバー１３ａ，１３ｂの材質，弾性等に基づき、図５（ｂ）に示すように、ある期間Ｔに亘って共振周波数による振動が発生する。この振動は、角度制御信号のレベルＩθが“１”に変化した直後に大きな振幅で振動し除々に減衰していく。従って、可動体１４を振角θ（＝１）に揺動させるには、その振動が収まる期間Ｔまで待つ必要がある。

そこで、本発明は、共振周波数による振動を抑制する手段として、図３に示す振動抑制制御部３０が設けられている。

この振動抑制制御部３０の一部を構成する振動センサ３１は、可動体１４の例えば上面部にＭＥＭＳ技術により施したものであって、可動体１４とほぼ一体的な構成となっている。その結果、振動センサ３１は、可動体１４に発生する共振周波数による振動、つまり期間Ｔに亘って可動体１４に発生する振動の電気的な交流成分を取り出し、反転増幅回路３２に入力する。

反転増幅回路３２は、振動センサ３１で検出された交流成分を１８０度反転した交流成分を取り出し、かつ、所定の増幅度で信号増幅した後、図５（ｃ）に示す振動反転信号を可動体１４の例えば上面部にＭＥＭＳ技術により形成された振動抑制コイル３３に印加する。

その結果、振動抑制コイル３３から共振周波数による振動反転信号に相当するローレンツ力Ｈが発生し、可動体１４に発生する共振周波数による振動を抑制する方向の力が作用し、可動体１４には図５（ｄ）に示すように振幅の大きな部分で僅かな変化が見られるが、短時間に振動を抑制することができる。

従って、以上のような実施形態によれば、電気信号を印加して駆動コイル２１からローレンツ力Ｆを発生し、回転トルクを与えて可動体１４を揺動するが、可動体１４や可動体１４を支持するトーションバー１３ａ，１３ｂなどの機械的要素に起因した共振周波数の振動が一定期間に亘って発生する。

このとき、従来のように駆動コイルに電気信号を印加する毎に可動体の側面をストップバーを押し付けて動きを封じる場合には常に機械的な磨耗や物理的な経年変化が生じ、振動抑制能力が大幅に低下させる問題がある。

この点、本発明においては、可動体１４に振動センサ３１を設置し、共振周波数による振動である交流成分を取り出し、その交流成分を反転し、可動体１４に駆動コイル２１と併設される振動抑制コイル３３に印加し、共振周波数による振動を抑制するローレンツ力Ｈを発生するので、共振周波数による振動を電気的に抑制でき、可動体１４の振動を短時間に抑制することができる。

これにより、ＭＥＭＳミラーの応答速度を改善でき、ひいてはＭＥＭＳミラーの角度制御の高速化を実現できる。

（その他の実施形態）
（１） 上記実施形態では、振動センサ３１によって可動体１４に発生する共振周波数の振動を検出するようにしたが、この振動センサ３１の代わりに、加速度センサを用いて、共振周波数の振動を検出しても、同様の効果を奏することができる。

（２） また、上記実施形態では、可動体１４の表面側（上面側）にＭＥＭＳ技術によって振動センサ３１や加速度センサを施すようにしたが、可動体１４の裏面側（下面側）に設けても、可動体１４に発生する共振周波数の振動を検出することができる。

（３） 上記実施形態では、ＭＥＭＳの外側に反転増幅回路３２を配置し、振動センサ３１の出力と接続するようにしたが、例えば可動体１４の面部にＭＥＭＳ技術により反転増幅回路３２を構成するようにしてもよい。

（４） 上記実施形態では、駆動制御部２０と振動抑制制御部３０がそれぞれ独立的に動作するようにしたが、例えば駆動制御部２０から駆動コイル２１に駆動電流を流すタイミングに同期して振動センサ３１による検出動作を開始するようにすれば、振動抑制制御部３０による消費電力を節減できる。

その他、本発明は、上記実施の形態に限定されるものでなく、その要旨を逸脱しない範囲で種々変形して実施できる。

１０…ミラー揺動機構部、１１…固定体（基板）、１２ａ，１２ｂ…一対の磁石体、１３ａ，１３ｂ…トーションバー、１４…可動体、１５…反射ミラー、２０…駆動制御部、２１…駆動コイル、２２…駆動信号印加制御部、３０…振動抑制制御部、３１…振動センサ、３２…反転増幅回路、３３…振動抑制コイル。

Claims (10)

1. 反射ミラーを有する可動体が磁束の方向と直交する方向に配置されたトーションバーに支持され、前記可動体の面部に施された駆動コイルに入力される電気信号レベルに応じて前記可動体が所定の振角で揺動するＭＥＭＳミラーにおいて、
   前記駆動コイルに前記電気信号が入力されたとき、前記可動体やトーションバーの機械的要素に起因して当該可動体に発生する共振周波数の振動を抑制する振動抑制制御部を設けたことを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。
2. 請求項１に記載のＭＥＭＳミラー制御装置において、
   前記振動抑制制御部は、前記可動体に発生する共振周波数の振動成分を検出する振動センサと、この振動センサで検出された前記共振周波数の振動成分を反転させて出力する反転増幅回路と、反転出力信号を受けて前記振動成分を抑制する振動抑制コイルとを備えたことを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。
3. 請求項２に記載のＭＥＭＳミラー制御装置において、
   前記可動体に発生する共振周波数の振動成分を、前記振動センサに代えて加速度センサにより検出することを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。
4. 請求項２ないし請求項４の何れか一項に記載のＭＥＭＳミラー制御装置において、
   前記振動センサまたは前記加速度センサは、前記可動体と前記反射ミラーの間に積層配置することを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。
5. 請求項２または請求項３に記載のＭＥＭＳミラー制御装置において、
   前記振動センサまたは前記加速度センサは、前記可動体の下面部に積層することを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。
6. 請求項２ないし請求項５の何れか一項に記載のＭＥＭＳミラー制御装置において、
   前記振動センサまたは前記加速度センサは、前記可動体の上面部側または下面部側にＭＥＭＳ技術によって形成することを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。
7. 請求項1ないし請求項３の何れか一項に記載のＭＥＭＳミラー制御装置において、
   前記振動センサまたは前記加速度センサは、前記駆動コイルに前記電気信号を入力するタイミングに同期して前記可動体に発生する振動を検出することを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。
8. 請求項１ないし請求項４の何れか一項に記載のＭＥＭＳミラー制御装置において、
   前記反射ミラーは、前記振動センサまたは前記加速度センサの表面部を鏡面に形成して使用することを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。
9. 請求項２に記載のＭＥＭＳミラー制御装置において、
   前記反転増幅回路は、可動体の面部にＭＥＭＳ技術によって構成することを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。
10. 請求項２に記載のＭＥＭＳミラー制御装置において、
    前記振動抑制コイルは、前記可動体に施された前記駆動コイルと同一面部または異なる面部に施し、前記反転増幅回路から出力される反転出力信号を受けて前記振動成分を打ち消す方向のローレンツ力を発生することを特徴とするＭＥＭＳミラー制御装置。

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