JP2924200B2 - ねじり振動子およびその応用素子 - Google Patents
ねじり振動子およびその応用素子Info
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Description
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、光学機器の光走査等に
適用することが可能なねじり振動子およびその応用素子
に関する。
適用することが可能なねじり振動子およびその応用素子
に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、この種の素子としては例えばスパ
ンバンドに反射ミラー，駆動コイルを取付けて電磁的に
駆動するようにした光走査素子（光偏向子）があるが、
個々に独立した部品を組み立てる必要があることから、
小形化することが難しいという欠点がある。このような
欠点を解決する方法の一つとして、スパンバンドと反射
ミラーを一体に形成するものも知られている。図１５は
このような装置を説明するためのもので、例えばＩＢＭ
“Ｒ＆Ｄ”ＶＯＬ．２４，ｐ．６３１，１９８０に発表
されている。同図において、５１はシリコンプレートか
らスパンバンド５２ａ，５２ｂと反射ミラー５３とを一
体に形成した振動子、５４はガラス製の基板である。反
射ミラー５３は中心でこの基板５４の突起５５と接して
いるが、その左右は窪み５６により一定のギャップが保
たれている。５７ａ，５７ｂは基板５４に設けた電極
で、一方の電極とミラー５３との間に適宜な手段にて外
部から電圧を印加することにより、ミラー５３が静電引
力で吸引されて傾くことから、ミラー５３に当たった光
は図１５の（ロ）に矢印で示すように走査されることに
なる。つまり、ミラー５３が左右に各φだけ傾くと、光
は２φだけ振れることになる。
ンバンドに反射ミラー，駆動コイルを取付けて電磁的に
駆動するようにした光走査素子（光偏向子）があるが、
個々に独立した部品を組み立てる必要があることから、
小形化することが難しいという欠点がある。このような
欠点を解決する方法の一つとして、スパンバンドと反射
ミラーを一体に形成するものも知られている。図１５は
このような装置を説明するためのもので、例えばＩＢＭ
“Ｒ＆Ｄ”ＶＯＬ．２４，ｐ．６３１，１９８０に発表
されている。同図において、５１はシリコンプレートか
らスパンバンド５２ａ，５２ｂと反射ミラー５３とを一
体に形成した振動子、５４はガラス製の基板である。反
射ミラー５３は中心でこの基板５４の突起５５と接して
いるが、その左右は窪み５６により一定のギャップが保
たれている。５７ａ，５７ｂは基板５４に設けた電極
で、一方の電極とミラー５３との間に適宜な手段にて外
部から電圧を印加することにより、ミラー５３が静電引
力で吸引されて傾くことから、ミラー５３に当たった光
は図１５の（ロ）に矢印で示すように走査されることに
なる。つまり、ミラー５３が左右に各φだけ傾くと、光
は２φだけ振れることになる。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、このよ
うな装置では反射ミラーの振れ角を大きくするにはその
ねじり剛性を小さくする必要があり、そのためには反射
ミラーを保持しているスパンバンドを長くしなければな
らず、したがって振れ角の増加と小形化とを両立させる
ことが難しいという問題がある。特に、シリコンを用い
何回ものフォトエッチングプロセスで製作する場合に
は、一枚のシリコンウエハ−から何個できるかによって
直接コストが決まるので、小形化は非常に重要な要因と
なる。したがって、本発明の課題は小形で振れ角を大き
くすることが可能なねじり振動子を提供することにあ
る。
うな装置では反射ミラーの振れ角を大きくするにはその
ねじり剛性を小さくする必要があり、そのためには反射
ミラーを保持しているスパンバンドを長くしなければな
らず、したがって振れ角の増加と小形化とを両立させる
ことが難しいという問題がある。特に、シリコンを用い
何回ものフォトエッチングプロセスで製作する場合に
は、一枚のシリコンウエハ−から何個できるかによって
直接コストが決まるので、小形化は非常に重要な要因と
なる。したがって、本発明の課題は小形で振れ角を大き
くすることが可能なねじり振動子を提供することにあ
る。
【０００４】
【課題を解決するための手段】板状部材と、その重心を
通る軸上でこの板状部材に結合されこの軸の直角方向に
Ｓ字形となるよう複数回折り返し同じ軸上で枠体に結合
された一対の保持部材と、を前記枠体とともに一枚の板
から一体に形成する。
通る軸上でこの板状部材に結合されこの軸の直角方向に
Ｓ字形となるよう複数回折り返し同じ軸上で枠体に結合
された一対の保持部材と、を前記枠体とともに一枚の板
から一体に形成する。
【０００５】
【作用】保持部材を略Ｓ字形にすることにより、少ない
面積に長いビームを形成することができて全体が小形化
できるとともに、ねじり剛性はビームが長くなる分小さ
くなり、小さな駆動力で大きな振れ角を得ることができ
る。
面積に長いビームを形成することができて全体が小形化
できるとともに、ねじり剛性はビームが長くなる分小さ
くなり、小さな駆動力で大きな振れ角を得ることができ
る。
【０００６】
【実施例】図１は本発明の実施例を示す斜視図、図２は
その断面図、図３は保持部材の作用を説明するための説
明図である。すなわち、この実施例では枠２、板状部材
３およびビーム（保持部材）４ａ，４ｂを一枚のシリコ
ン基板からフォトエッチングプロセスで一体的に成形
し、ねじり振動子１としている。このように折り畳まれ
たビームは、一本のビームと同じ効果を持つのでその剛
性は非常に小さくなり、従って小さな駆動力で大きな振
れ角を得ることが可能となる。このようなねじり振動子
は組み合わされて使われることが多く、図１はこれにガ
ラス基板５を組み合わせて光走査素子（光偏向子）とし
た場合の例を示している。したがって、このねじり振動
子１の板状部材３はそれ自体が反射ミラーを形成する
か、反射部材を保持しているものとされている。そし
て、ガラス基板５にはこの反射ミラー３が回転し得るよ
うに、例えば５０μｍ前後の深さにエッチング加工され
た凹部６ａ，６ｂ（図２参照）を有している。また、７
はこの凹部６ａ，６ｂのほぼ中央の丁度反射ミラー３の
回転中心に形成された突起で、この部分の高さは周囲と
同一平面になっていて、振動子１を積層するとこの部分
で接するようになっており、振動子１が回転する際の支
点としての役割を果たしている。８ａ，８ｂは上記突起
７に対し左右対称な位置で、かつ反射ミラー３と対向す
る位置に設けられた第１の電極で、例えばＣｒとＡｕの
薄膜を２層に蒸着した構造になっている。９ａ，９ｂは
８ａ，８ｂと同様の第２電極で、これらの電極はそれぞ
れリードを介して端子に接続されている。図１にはこの
端子のうち１０ａ，１１ｂが示されているが、１０ａに
対応する１０ｂおよび１１ｂに対応する１１ａも設けら
れていることは云うまでもない。１２はこれらの電極の
上に例えばシリコンの酸化膜（ＳｉＯ2）を蒸着して形
成された絶縁層で、反射ミラー３が回転してガラス基板
５に接触するときの電極間の短絡を防止するためのもの
である。
その断面図、図３は保持部材の作用を説明するための説
明図である。すなわち、この実施例では枠２、板状部材
３およびビーム（保持部材）４ａ，４ｂを一枚のシリコ
ン基板からフォトエッチングプロセスで一体的に成形
し、ねじり振動子１としている。このように折り畳まれ
たビームは、一本のビームと同じ効果を持つのでその剛
性は非常に小さくなり、従って小さな駆動力で大きな振
れ角を得ることが可能となる。このようなねじり振動子
は組み合わされて使われることが多く、図１はこれにガ
ラス基板５を組み合わせて光走査素子（光偏向子）とし
た場合の例を示している。したがって、このねじり振動
子１の板状部材３はそれ自体が反射ミラーを形成する
か、反射部材を保持しているものとされている。そし
て、ガラス基板５にはこの反射ミラー３が回転し得るよ
うに、例えば５０μｍ前後の深さにエッチング加工され
た凹部６ａ，６ｂ（図２参照）を有している。また、７
はこの凹部６ａ，６ｂのほぼ中央の丁度反射ミラー３の
回転中心に形成された突起で、この部分の高さは周囲と
同一平面になっていて、振動子１を積層するとこの部分
で接するようになっており、振動子１が回転する際の支
点としての役割を果たしている。８ａ，８ｂは上記突起
７に対し左右対称な位置で、かつ反射ミラー３と対向す
る位置に設けられた第１の電極で、例えばＣｒとＡｕの
薄膜を２層に蒸着した構造になっている。９ａ，９ｂは
８ａ，８ｂと同様の第２電極で、これらの電極はそれぞ
れリードを介して端子に接続されている。図１にはこの
端子のうち１０ａ，１１ｂが示されているが、１０ａに
対応する１０ｂおよび１１ｂに対応する１１ａも設けら
れていることは云うまでもない。１２はこれらの電極の
上に例えばシリコンの酸化膜（ＳｉＯ2）を蒸着して形
成された絶縁層で、反射ミラー３が回転してガラス基板
５に接触するときの電極間の短絡を防止するためのもの
である。
【０００７】このような構成において、いま例えば第１
電極８ａの電位を図示されない適宜な手段によって電極
８ｂのそれよりも高くすると、反射ミラー３は電極８ａ
との間に作用する静電引力で図２中に示す矢印方向に回
転し、ビーム４ａ，４ｂはこのモーメントを受けて図３
の点線のように変形する。折り畳まれたビームは一本の
ビームと同等の効果を持つのでねじり剛性は小さくな
り、したがって、小さな駆動力で大きな振れ角を得るこ
とが可能となる。ところで、上記の如き光偏向子には通
常、反射ミラーの初期ねじれに伴う偏向角のオフセット
が存在する。つまり、フォトエッチングプロセスは残留
応力は小さいが零ではなく、さらに電極または反射膜を
表面に載せる際に発生する残留応力や、組立時の歪等に
よってねじれが発生するため、必ずしも基板と平行には
ならない。このため、図１５の如き装置でもミラーのね
じれを機械的に調整するようにしているが、全体の大き
さが非常に小さくなると作業も複雑となり、精度も得ら
れなくなる。また、振幅については通常は反射ミラーを
駆動する電圧をオープンループ制御するようにしている
ため、ダンピング材となる周囲気体または気体の温度変
化によるダンピング特性の変化や、誘電率変化に伴う静
電駆動力の変化で振れ角が影響を受けるなどの問題があ
る。
電極８ａの電位を図示されない適宜な手段によって電極
８ｂのそれよりも高くすると、反射ミラー３は電極８ａ
との間に作用する静電引力で図２中に示す矢印方向に回
転し、ビーム４ａ，４ｂはこのモーメントを受けて図３
の点線のように変形する。折り畳まれたビームは一本の
ビームと同等の効果を持つのでねじり剛性は小さくな
り、したがって、小さな駆動力で大きな振れ角を得るこ
とが可能となる。ところで、上記の如き光偏向子には通
常、反射ミラーの初期ねじれに伴う偏向角のオフセット
が存在する。つまり、フォトエッチングプロセスは残留
応力は小さいが零ではなく、さらに電極または反射膜を
表面に載せる際に発生する残留応力や、組立時の歪等に
よってねじれが発生するため、必ずしも基板と平行には
ならない。このため、図１５の如き装置でもミラーのね
じれを機械的に調整するようにしているが、全体の大き
さが非常に小さくなると作業も複雑となり、精度も得ら
れなくなる。また、振幅については通常は反射ミラーを
駆動する電圧をオープンループ制御するようにしている
ため、ダンピング材となる周囲気体または気体の温度変
化によるダンピング特性の変化や、誘電率変化に伴う静
電駆動力の変化で振れ角が影響を受けるなどの問題があ
る。
【０００８】そこで、本発明では次のようにしている。
図４はかかる実施例を示す概要図である。すなわち、振
動子１とガラス基板５とを組み合わせてなる光偏向子に
対し、検出器１４ａ，１４ｂ、演算器１５、駆動部１６
および外部から反射ミラー３の振れ角を設定するための
設定器１７等を設けて構成される。また、８ａ，８ｂお
よび９ａ，９ｂは図１または図２に示した第１，第２電
極であり、１３は振動子１と電気的に接続するために設
けられた接続端子で、上記電極８ａ，８ｂまたは９ａ，
９ｂと同様の構造となっており、グランド電位に固定さ
れている。なお、検出器１４ａ，１４ｂは第２電極９
ａ，９ｂに接続されている。したがって、反射ミラー３
と第２電極９ａおよび９ｂの各間隔が互いに等しいとき
はその静電容量も等しく、検出器１４ａ，１４ｂの出力
も同じとなって演算器１５からは何らの出力も出ない。
しかし、反射ミラー３が例えば図４の点線のように傾く
と、第２電極９ａとの間隔の方が狭くなって静電容量が
大きくなり、検出器１４ａ，１４ｂの出力に差が生じる
ので、演算器１５はその比が１に等しくなるよう、第１
電極８ａの電圧を下げる一方電極８ｂの電圧を上げてそ
の差が零になるような電圧信号を駆動部１６を介して出
力し、その制御を行なう。このように、第１電極の電圧
は増減させる必要があるので、ここでは最大駆動電圧の
１／２のバイアス電圧を左右に加えて置くようにしてい
る。これは振れ角を制御する場合も同様で、外部から振
れ角に対応する静電容量の差に応じた制御信号を与えれ
ば検出器１４ａ，１４ｂの電圧出力比すなわち振幅が制
御できることになる。なお、実際の制御に当たっては、
振動子１の振動パラメータを考慮した最適な制御系が必
要なことは言うまでもない。
図４はかかる実施例を示す概要図である。すなわち、振
動子１とガラス基板５とを組み合わせてなる光偏向子に
対し、検出器１４ａ，１４ｂ、演算器１５、駆動部１６
および外部から反射ミラー３の振れ角を設定するための
設定器１７等を設けて構成される。また、８ａ，８ｂお
よび９ａ，９ｂは図１または図２に示した第１，第２電
極であり、１３は振動子１と電気的に接続するために設
けられた接続端子で、上記電極８ａ，８ｂまたは９ａ，
９ｂと同様の構造となっており、グランド電位に固定さ
れている。なお、検出器１４ａ，１４ｂは第２電極９
ａ，９ｂに接続されている。したがって、反射ミラー３
と第２電極９ａおよび９ｂの各間隔が互いに等しいとき
はその静電容量も等しく、検出器１４ａ，１４ｂの出力
も同じとなって演算器１５からは何らの出力も出ない。
しかし、反射ミラー３が例えば図４の点線のように傾く
と、第２電極９ａとの間隔の方が狭くなって静電容量が
大きくなり、検出器１４ａ，１４ｂの出力に差が生じる
ので、演算器１５はその比が１に等しくなるよう、第１
電極８ａの電圧を下げる一方電極８ｂの電圧を上げてそ
の差が零になるような電圧信号を駆動部１６を介して出
力し、その制御を行なう。このように、第１電極の電圧
は増減させる必要があるので、ここでは最大駆動電圧の
１／２のバイアス電圧を左右に加えて置くようにしてい
る。これは振れ角を制御する場合も同様で、外部から振
れ角に対応する静電容量の差に応じた制御信号を与えれ
ば検出器１４ａ，１４ｂの電圧出力比すなわち振幅が制
御できることになる。なお、実際の制御に当たっては、
振動子１の振動パラメータを考慮した最適な制御系が必
要なことは言うまでもない。
【０００９】図５は振動子を用いてスイッチ素子を構成
した実施例を示す斜視図、図６はその断面図である。図
１または図２と比較すれば明らかなように、両者の相違
点はその電極構造にある。すなわち、ガラス基板５には
第１電極８ａ，８ｂとスイッチの固定接点となる電極１
８ａ，１８ｂおよび１９ａ，１９ｂを設ける一方、シリ
コンの反射ミラーに相当する可動プレート２０には絶縁
膜２１と、可動接点となる導体膜２２ａ，２２ｂ（図６
参照）とを設けた点が特徴である。このような構成にお
いて、例えば第１電極８ａに電圧を印加すると可動プレ
ート２０は図６の矢印方向に回転し、導体膜２２ａが電
極１８ａ，１９ａを短絡し、この回路が導通する。同様
にして、第１電極８ｂに電圧を印加すると電極１８ａ，
１９ｂが導通し、これによっていわゆるリレーが構成さ
れることになる。このようにすると、電極１８ａおよび
１９ａと導体膜２２ａ、または電極１８ｂおよび１９ｂ
と導体膜２２ｂとの間隔で絶縁耐圧が決まるため、でき
るだけギャップを広くする必要があるが、本発明の如く
Ｓ字形状のビームで可動プレート２０を保持するように
しているのでねじり剛性が小さく、ギャップを広くして
も低い電圧で可動プレート２０を駆動できるので、絶縁
耐圧の高いスイッチまたはリレーを得ることができる。
した実施例を示す斜視図、図６はその断面図である。図
１または図２と比較すれば明らかなように、両者の相違
点はその電極構造にある。すなわち、ガラス基板５には
第１電極８ａ，８ｂとスイッチの固定接点となる電極１
８ａ，１８ｂおよび１９ａ，１９ｂを設ける一方、シリ
コンの反射ミラーに相当する可動プレート２０には絶縁
膜２１と、可動接点となる導体膜２２ａ，２２ｂ（図６
参照）とを設けた点が特徴である。このような構成にお
いて、例えば第１電極８ａに電圧を印加すると可動プレ
ート２０は図６の矢印方向に回転し、導体膜２２ａが電
極１８ａ，１９ａを短絡し、この回路が導通する。同様
にして、第１電極８ｂに電圧を印加すると電極１８ａ，
１９ｂが導通し、これによっていわゆるリレーが構成さ
れることになる。このようにすると、電極１８ａおよび
１９ａと導体膜２２ａ、または電極１８ｂおよび１９ｂ
と導体膜２２ｂとの間隔で絶縁耐圧が決まるため、でき
るだけギャップを広くする必要があるが、本発明の如く
Ｓ字形状のビームで可動プレート２０を保持するように
しているのでねじり剛性が小さく、ギャップを広くして
も低い電圧で可動プレート２０を駆動できるので、絶縁
耐圧の高いスイッチまたはリレーを得ることができる。
【００１０】ところで、このような超小型の可動接点部
品（スイッチング素子）を実用化するには、周囲の塵埃
や汚染から保護するために密封構造とする必要があり、
従来のリレー技術では接点の酸化防止も兼ねて、不活性
ガスで置換して気密封止する方法が一般に採用されてい
る。しかし、上述の如きスイッチング素子では、平行平
板状電極間に働く静電力で接点を駆動すべく電極を設け
たガラス基板と可動プレートとはできるだけ狭い隙間
（２０μｍ程度）を隔てて設置する必要があるので、単
に空気または不活性ガスで置換しただけでは気体の粘性
による抵抗力の作用が支配的になり、接点の開閉動作を
高速で行なうには大電圧が必要となる。そこで、以下の
ようにする。図７は低電圧で高速の駆動が可能なスイッ
チング素子の実施例を示す斜視図で、図８はその断面
図、図９はその特性説明図である。すなわち、基本的な
構成は図５または図６と同じであるが、キャップ２３ａ
およびステム２３ｂからなるパッケージ２３を設け、キ
ャップ２３ａとステム２３ｂとを抵抗溶接等の気密性の
高い接合とし、パッケージ内部の雰囲気を長期間一定に
保つようにした点が特徴である。パッケージ内部の封入
気体圧力は、その気体の抵抗力が小さくなるまで、例え
ば１０ｔｏｒｒ（トル：１ｍｍＨｇ）以下となるまで減
らすようにする。なお、この圧力についてはギャップの
距離，気体の圧力および種類と、火花を生じるときの火
花電圧との関係を示すパッシェン曲線において、最小火
花電圧近傍の圧力領域を避けることが望ましい。また、
封入する気体の種類は接点の酸化を防止し、かつ最小火
花電圧のできるだけ大きな気体、例えば窒素，ＳＦ6(６
フッ化硫黄)などを選択することが好ましい。なお、２
４はパッケージ２３に接合されたピンで、ガラス基板上
の各電極とワイヤ２５により接続されている。すなわ
ち、スイッチング素子の構成を図５または図６のままと
すると、可動プレート２０の面積に比べて対向するガラ
ス基板５との距離が２０μｍ程度と小さいので、高速駆
動時には両者間の空気の層が抵抗力を発生し、低電圧で
は接点の開閉時間が長くなる。
品（スイッチング素子）を実用化するには、周囲の塵埃
や汚染から保護するために密封構造とする必要があり、
従来のリレー技術では接点の酸化防止も兼ねて、不活性
ガスで置換して気密封止する方法が一般に採用されてい
る。しかし、上述の如きスイッチング素子では、平行平
板状電極間に働く静電力で接点を駆動すべく電極を設け
たガラス基板と可動プレートとはできるだけ狭い隙間
（２０μｍ程度）を隔てて設置する必要があるので、単
に空気または不活性ガスで置換しただけでは気体の粘性
による抵抗力の作用が支配的になり、接点の開閉動作を
高速で行なうには大電圧が必要となる。そこで、以下の
ようにする。図７は低電圧で高速の駆動が可能なスイッ
チング素子の実施例を示す斜視図で、図８はその断面
図、図９はその特性説明図である。すなわち、基本的な
構成は図５または図６と同じであるが、キャップ２３ａ
およびステム２３ｂからなるパッケージ２３を設け、キ
ャップ２３ａとステム２３ｂとを抵抗溶接等の気密性の
高い接合とし、パッケージ内部の雰囲気を長期間一定に
保つようにした点が特徴である。パッケージ内部の封入
気体圧力は、その気体の抵抗力が小さくなるまで、例え
ば１０ｔｏｒｒ（トル：１ｍｍＨｇ）以下となるまで減
らすようにする。なお、この圧力についてはギャップの
距離，気体の圧力および種類と、火花を生じるときの火
花電圧との関係を示すパッシェン曲線において、最小火
花電圧近傍の圧力領域を避けることが望ましい。また、
封入する気体の種類は接点の酸化を防止し、かつ最小火
花電圧のできるだけ大きな気体、例えば窒素，ＳＦ6(６
フッ化硫黄)などを選択することが好ましい。なお、２
４はパッケージ２３に接合されたピンで、ガラス基板上
の各電極とワイヤ２５により接続されている。すなわ
ち、スイッチング素子の構成を図５または図６のままと
すると、可動プレート２０の面積に比べて対向するガラ
ス基板５との距離が２０μｍ程度と小さいので、高速駆
動時には両者間の空気の層が抵抗力を発生し、低電圧で
は接点の開閉時間が長くなる。
【００１１】図９に常温空気での圧力の違いによる可動
プレートの応答時間の関係を示す。この振動子のねじり
共振周波数は約１ＫＨｚであるが、空気による粘性抵抗
力Ｆは可動プレートの速度をｖ，流体の密度をρ，プレ
ートの面積をＡとすると、Ｆ∝ρ・Ａ3・ｖ2なる関係が
成り立つので抵抗力が大きくなり、低電圧駆動では応答
時間が長くなる。これに対し、図８または図９ではスイ
ッチング素子を気密性の高いパッケージ内に封入し内部
の圧力を、例えば１０ｔｏｒｒ以下に設定したので、可
動プレートに対する空気抵抗力が無く、したがって低電
圧で高速な駆動が可能となる。つまり、図９の（ロ）は
スイッチング素子に印加する電圧波形の例を示し、同図
（イ）はかかる電圧を印加したときの振幅（ギャップ）
の応答時間の関係を示しており、実線の如き１気圧（１
ａｔｍ）の場合よりも、点線の如く真空状態（１ｔｏｒ
ｒ）にしたときの方が応答時間が速くなることが分か
る。また、不活性かつ最小火花電圧の高い気体を少なく
とも大気圧よりも低い状態で封入するので、空気抵抗力
の影響が小さくて高速駆動が可能であり、さらには接点
の酸化防止や接点間での放電も防止することができ、そ
の結果、耐電圧の高い安定な素子を得ることができる。
なお、上記ではパッケージの封止に抵抗溶接を用いた
が、ハンダ封止やコールドウエルド等如何なる封止技術
を採用しても良い。
プレートの応答時間の関係を示す。この振動子のねじり
共振周波数は約１ＫＨｚであるが、空気による粘性抵抗
力Ｆは可動プレートの速度をｖ，流体の密度をρ，プレ
ートの面積をＡとすると、Ｆ∝ρ・Ａ3・ｖ2なる関係が
成り立つので抵抗力が大きくなり、低電圧駆動では応答
時間が長くなる。これに対し、図８または図９ではスイ
ッチング素子を気密性の高いパッケージ内に封入し内部
の圧力を、例えば１０ｔｏｒｒ以下に設定したので、可
動プレートに対する空気抵抗力が無く、したがって低電
圧で高速な駆動が可能となる。つまり、図９の（ロ）は
スイッチング素子に印加する電圧波形の例を示し、同図
（イ）はかかる電圧を印加したときの振幅（ギャップ）
の応答時間の関係を示しており、実線の如き１気圧（１
ａｔｍ）の場合よりも、点線の如く真空状態（１ｔｏｒ
ｒ）にしたときの方が応答時間が速くなることが分か
る。また、不活性かつ最小火花電圧の高い気体を少なく
とも大気圧よりも低い状態で封入するので、空気抵抗力
の影響が小さくて高速駆動が可能であり、さらには接点
の酸化防止や接点間での放電も防止することができ、そ
の結果、耐電圧の高い安定な素子を得ることができる。
なお、上記ではパッケージの封止に抵抗溶接を用いた
が、ハンダ封止やコールドウエルド等如何なる封止技術
を採用しても良い。
【００１２】ここで、再び図１のねじり振動子に着目す
ると、その板状部材の振れ角を大きくするには、基板の
窪みを大きくして振動子と基板とのギャップ距離を大き
くする必要があることが分かる。しかしながら、一定の
静電気引力を得るにはギャップ距離の２乗に比例した電
圧を印加しなければならないことから（静電気引力Ｆと
ギャップ距離Ｄとの間にはＦ∝１／Ｄ2 の関係があ
る）、振れ角の増加と低電圧駆動とを両立させることが
難しいという問題が残されていることになる。図１０は
かかる場合に対処し得る実施例を示す斜視図である。こ
の例では、例えばガラス基板のような絶縁材料からなる
枠体３６と、これに接合されたシリコン基板からなる固
定電極３５ａ，３５ｂと、板状部材３１と、ビーム３３
ａ，３３ｂおよび可動部固定材３４ａ，３４ｂとをフォ
トエッチングプロセスで一体に成形し、ねじり振動子３
０としている。さらに、支持部材３８を有する固定基板
３７にこのねじり振動子３０を固定し、支持部材３８に
より板状部材３１を押し上げ、可動電極３２ａ，３２ｂ
と固定電極３５ａ，３５ｂとに若干の重なり部分を残し
つつ段差を設けている。支持部材３８は板状部材３１の
重心を通る軸上に設置してあり、可動電極３２ａ，３２
ｂと固定電極３５ａ，３５ｂとの間には適当なギャップ
があるので、板状部材３１は支持部材３８およびビーム
３３ａ，３３ｂを中心に回動できるようになっている。
なお、同図はねじり振動子３０を固定基板３７に載置す
る前の状態を示し、固定材３４ａおよび固定電極３５ｂ
は切断されてその一部だけが示されている。
ると、その板状部材の振れ角を大きくするには、基板の
窪みを大きくして振動子と基板とのギャップ距離を大き
くする必要があることが分かる。しかしながら、一定の
静電気引力を得るにはギャップ距離の２乗に比例した電
圧を印加しなければならないことから（静電気引力Ｆと
ギャップ距離Ｄとの間にはＦ∝１／Ｄ2 の関係があ
る）、振れ角の増加と低電圧駆動とを両立させることが
難しいという問題が残されていることになる。図１０は
かかる場合に対処し得る実施例を示す斜視図である。こ
の例では、例えばガラス基板のような絶縁材料からなる
枠体３６と、これに接合されたシリコン基板からなる固
定電極３５ａ，３５ｂと、板状部材３１と、ビーム３３
ａ，３３ｂおよび可動部固定材３４ａ，３４ｂとをフォ
トエッチングプロセスで一体に成形し、ねじり振動子３
０としている。さらに、支持部材３８を有する固定基板
３７にこのねじり振動子３０を固定し、支持部材３８に
より板状部材３１を押し上げ、可動電極３２ａ，３２ｂ
と固定電極３５ａ，３５ｂとに若干の重なり部分を残し
つつ段差を設けている。支持部材３８は板状部材３１の
重心を通る軸上に設置してあり、可動電極３２ａ，３２
ｂと固定電極３５ａ，３５ｂとの間には適当なギャップ
があるので、板状部材３１は支持部材３８およびビーム
３３ａ，３３ｂを中心に回動できるようになっている。
なお、同図はねじり振動子３０を固定基板３７に載置す
る前の状態を示し、固定材３４ａおよび固定電極３５ｂ
は切断されてその一部だけが示されている。
【００１３】かかる構成において、可動部固定材３４ａ
（または３４ｂ）と固定電極３５ａとに電圧を印加する
と、可動電極３２ａ，３２ｂの櫛歯各側面には固定電極
との間に発生する電界により、両者の段差を０にしよう
とする静電力Ｆが発生する。この力Ｆは空気の誘電率を
ε、電極の長さをＬ、印加する電圧をＶ、両電極間距離
をＤとすると、 Ｆ＝ε・Ｌ・Ｖ2 ／２Ｄ で表わされるので、板状部材にｎ本の櫛歯を設けると、
２ｎＦの駆動力が得られる（１本の櫛歯には２つの固定
電極が対向し、その各々でＦなる力が働くことにな
る）。この様子を図１１に示す。このような動作は他方
の固定電極（ここでは３５ｂ）に電圧を印加しても上記
と同様に行なわれ、板状部材はその支持部を中心に１方
向には或る角度φだけ回転するので、両方向には２φだ
け振れることになる。その様子を図１２に示す。したが
って、図１３のように、固定基板３７に載置されたねじ
り振動子３０の板状部材にミラー反射部３１Ａを形成す
ることにより、光偏向子とすることができる。
（または３４ｂ）と固定電極３５ａとに電圧を印加する
と、可動電極３２ａ，３２ｂの櫛歯各側面には固定電極
との間に発生する電界により、両者の段差を０にしよう
とする静電力Ｆが発生する。この力Ｆは空気の誘電率を
ε、電極の長さをＬ、印加する電圧をＶ、両電極間距離
をＤとすると、 Ｆ＝ε・Ｌ・Ｖ2 ／２Ｄ で表わされるので、板状部材にｎ本の櫛歯を設けると、
２ｎＦの駆動力が得られる（１本の櫛歯には２つの固定
電極が対向し、その各々でＦなる力が働くことにな
る）。この様子を図１１に示す。このような動作は他方
の固定電極（ここでは３５ｂ）に電圧を印加しても上記
と同様に行なわれ、板状部材はその支持部を中心に１方
向には或る角度φだけ回転するので、両方向には２φだ
け振れることになる。その様子を図１２に示す。したが
って、図１３のように、固定基板３７に載置されたねじ
り振動子３０の板状部材にミラー反射部３１Ａを形成す
ることにより、光偏向子とすることができる。
【００１４】 このように、図１０ないし図１３の例で
は段差を設けた櫛歯状電極により駆動力を得るので、段
差を大きくすれば振れ角を大きくすることができ、また
櫛歯数を多くすれば低電圧の駆動が可能となる。また、
ビーム３３ａ，３３ｂをＳ字状とすることにより、少な
い面積に長いビームを形成することができて全体を小さ
くすることが可能なばかりでなく、ねじり剛性はビーム
が長くなる分小さくなり、小さな駆動力で大きな振れ角
が得られるようにした点は図１の場合と同様であるが、
このビームはねじり剛性がありさえすれば、如何なる形
状のものでも良い。さらに、固定電極の櫛歯の１部分を
電気的に絶縁し、この固定電極と可動電極とから板状部
材の回転角度を静電容量変化として検出してフィードバ
ック制御することにより、振れ角を制御することができ
る。また、固定電極と可動電極とを対にして一方を駆動
するときは他方を検出器として用いることにより、図４
の場合と同様に製作時に発生するねじれを機械的に調整
することなく補償できるとともに、振れ角を精度良く制
御することが可能となる。
は段差を設けた櫛歯状電極により駆動力を得るので、段
差を大きくすれば振れ角を大きくすることができ、また
櫛歯数を多くすれば低電圧の駆動が可能となる。また、
ビーム３３ａ，３３ｂをＳ字状とすることにより、少な
い面積に長いビームを形成することができて全体を小さ
くすることが可能なばかりでなく、ねじり剛性はビーム
が長くなる分小さくなり、小さな駆動力で大きな振れ角
が得られるようにした点は図１の場合と同様であるが、
このビームはねじり剛性がありさえすれば、如何なる形
状のものでも良い。さらに、固定電極の櫛歯の１部分を
電気的に絶縁し、この固定電極と可動電極とから板状部
材の回転角度を静電容量変化として検出してフィードバ
ック制御することにより、振れ角を制御することができ
る。また、固定電極と可動電極とを対にして一方を駆動
するときは他方を検出器として用いることにより、図４
の場合と同様に製作時に発生するねじれを機械的に調整
することなく補償できるとともに、振れ角を精度良く制
御することが可能となる。
【００１５】 図１４に図１０の応用例を示す。 これは、図１０に示す小型，軽量のねじり振動子３０
を、永久磁石４１ａ，４１ｂによる外部磁界内に設置し
たリガメント４２ａ，４２ｂおよびコイル４３からなる
ガルバノミラー４０に固定したものである。この場合、
ねじり振動子３０の回転軸をガルバノミラー４０のリガ
メント４２ａ，４２ｂによる軸と直角にして固定するこ
とにより、小型，低コストでかつ振れ角が大で広範囲の
走査が可能な２次元光偏向子を得ることが可能となる。
を、永久磁石４１ａ，４１ｂによる外部磁界内に設置し
たリガメント４２ａ，４２ｂおよびコイル４３からなる
ガルバノミラー４０に固定したものである。この場合、
ねじり振動子３０の回転軸をガルバノミラー４０のリガ
メント４２ａ，４２ｂによる軸と直角にして固定するこ
とにより、小型，低コストでかつ振れ角が大で広範囲の
走査が可能な２次元光偏向子を得ることが可能となる。
【００１６】
【発明の効果】 本発明によれば、櫛歯形状の可動電極
を持つ板状部材または持たない板状部材を回転振動させ
るねじり振動子およびその応用素子において、板状部材
を従来の如き直線状のねじりばねではなくＳ字形状のビ
ームで保持するようにしたので、小形でばね剛性の小さ
な保持が可能となり、低電圧で大きな振れ角が得られる
という利点がある。また、製造コストも安くなるという
効果もある。さらには、板状部材の角度を回転中心の左
右の静電容量の比として検出して振れ角を制御すること
により、可動プレートの製作時に発生するねじれを機械
的に調整することなく補償できるとともに、周囲温度等
の影響を受けずに精度良く振れ角を制御することができ
る。板状部材を回転振動させるスイッチング素子を気密
性の高いパッケージ内に封入し、内部の圧力を大気圧よ
りも低くしたので、板状部材の高速運動時における気体
の抵抗力を小さくでき、低電圧で高速度のスイッチング
が可能となる。また、周囲気体の温度変化によるダンピ
ング特性の変化や、誘電率変化に伴う静電駆動力の変化
で可動プレートの振幅が影響を受けることなく、安定な
スイッチング動作が可能となる。さらに、パッケージ内
部の気体を不活性で最小火花電圧の高い気体を低圧で封
入すれば、接点の酸化が防止されかつ耐電圧特性が向上
することになる。
を持つ板状部材または持たない板状部材を回転振動させ
るねじり振動子およびその応用素子において、板状部材
を従来の如き直線状のねじりばねではなくＳ字形状のビ
ームで保持するようにしたので、小形でばね剛性の小さ
な保持が可能となり、低電圧で大きな振れ角が得られる
という利点がある。また、製造コストも安くなるという
効果もある。さらには、板状部材の角度を回転中心の左
右の静電容量の比として検出して振れ角を制御すること
により、可動プレートの製作時に発生するねじれを機械
的に調整することなく補償できるとともに、周囲温度等
の影響を受けずに精度良く振れ角を制御することができ
る。板状部材を回転振動させるスイッチング素子を気密
性の高いパッケージ内に封入し、内部の圧力を大気圧よ
りも低くしたので、板状部材の高速運動時における気体
の抵抗力を小さくでき、低電圧で高速度のスイッチング
が可能となる。また、周囲気体の温度変化によるダンピ
ング特性の変化や、誘電率変化に伴う静電駆動力の変化
で可動プレートの振幅が影響を受けることなく、安定な
スイッチング動作が可能となる。さらに、パッケージ内
部の気体を不活性で最小火花電圧の高い気体を低圧で封
入すれば、接点の酸化が防止されかつ耐電圧特性が向上
することになる。
【図１】本発明の第１の実施例を示す斜視図である。
【図２】図１の断面図である。
【図３】図１の保持部材の作用を説明するための説明図
である。
である。
【図４】本発明の応用例を示す斜視図である。
【図５】本発明の第２の実施例を示す斜視図である。
【図６】図５の断面図である。
【図７】本発明の第３の実施例を示す斜視図である。
【図８】図７の断面図である。
【図９】常温空気での圧力の違いによる可動プレートの
応答時間の関係を説明するための説明図である。
応答時間の関係を説明するための説明図である。
【図１０】本発明の第４の実施例を示す斜視図である。
【図１１】図１０の動作原理を説明するための説明図で
ある。
ある。
【図１２】図１０の動作を説明するための断面図であ
る。
る。
【図１３】本発明の第５の実施例を示す斜視図である。
【図１４】図１０の応用例を示す構成図である。
【図１５】光偏向子の従来例を説明するための説明図で
ある。
ある。
１ ねじり振動子 ２ 枠（シリコン基板） ３ 板状部材（反射ミラー） ５ ガラス基板 ７ 突起 ４ａ ビーム（保持部材） ４ｂ ビーム（保持部材） ６ａ 凹部 ６ｂ 凹部 ８ａ 電極 ９ａ 電極 １２ 絶縁膜 １３ 接地端子 １５ 演算器 １６ 駆動部 １７ 設定器 ２０ 板状部材（可動プレート） ２１ 絶縁膜 ２３ パッケージ ２４ ピン ２５ ワイヤ ３０ ねじり振動子 ３１ 板状部材 ３６ 枠体 ３７ 固定基板 ４０ ガルバノミラー ４３ コイル ５１ ねじり振動子 ５３ 板状部材（反射ミラー） ５４ ガラス基板 ５５ 突起 ５６ 窪み １０ａ 接地端子 １１ｂ 接地端子 １４ａ 検出器 １４ｂ 検出器 １８ａ 電極 １８ｂ 電極 １９ａ 電極 １９ｂ 電極 ２２ａ 導体膜 ２２ｂ 導体膜 ２３ａ キャップ ２３ｂ ステム ３１Ａ ミラー ３２ａ 可動電極 ３２ｂ 可動電極 ３３ａ ビーム ３３ｂ ビーム ３４ａ 固定材 ３４ｂ 固定材 ３５ａ 固定電極 ３５ｂ 固定電極 ４１ａ 永久磁石 ４１ｂ 永久磁石 ４２ａ リガメント ４２ｂ リガメント ５２ａ スパンバンド ５２ｂ スパンバンド ５７ａ 電極 ５７ｂ 電極
フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) G02B 26/10 104 H01H 3/00 H02N 1/00
Claims (6)
- 【請求項１】 板状部材と、その重心を通る軸上でこの
板状部材に結合されこの軸の直角方向にＳ字形となるよ
う複数回折り返し同じ軸上で枠体に結合された一対の保
持部材と、を前記枠体とともに一枚の板から一体に形成
してなることを特徴とするねじり振動子。 - 【請求項２】 反射ミラーとなる板状部材と、その重心
を通る軸上でこの板状部材に結合されこの軸の直角方向
にＳ字形となるよう複数回折り返し同じ軸上で枠体に結
合された一対の保持部材と、を前記枠体とともに一枚の
板から一体に形成してなるねじり振動子に対し、前記板
状部材と平行でかつ前記軸を挟む対称な位置に一対の電
極を設けてなることを特徴とする光偏向子。 - 【請求項３】 端部に櫛歯形状の可動電極を持つ板状部
材と、この板状部材と枠体とに結合された１対の保持部
材と、前記枠体に形成された櫛歯とかみ合う他の櫛歯形
状の固定電極とからなり、この固定電極と前記可動電極
とを歯の厚さ方向に段差をつけて設置したことを特徴と
するねじり振動子。 - 【請求項４】 前記板状部材に反射ミラーを形成してな
ることを特徴とする請求項３に記載のねじり振動子を用
いた光偏向子。 - 【請求項５】 板状部材と、その重心を通る軸上でこの
板状部材に結合されこの軸の直角方向にＳ字形となるよ
う複数回折り返し同じ軸上で枠体に結合された一対の保
持部材と、を前記枠体とともに一枚の板から一体に形成
してなるねじり振動子に対し、前記板状部材に一対の可
動電極を形成し、この可動電極と対向する位置に一対の
固定電極を設けてなることを特徴とするスイッチ素子。 - 【請求項６】 前記スイッチ素子を気密性の高いケース
内に収容するとともに内部雰囲気をほぼ真空状態にし、
かつ不活性で最小火花電圧の高い特性を持つ気体を封入
したことを特徴とする請求項５に記載のスイッチ素子。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP1036291A JP2924200B2 (ja) | 1990-01-18 | 1991-01-07 | ねじり振動子およびその応用素子 |
Applications Claiming Priority (5)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| JP2-7207 | 1990-01-18 | ||
| JP720790 | 1990-01-18 | ||
| JP2-218026 | 1990-08-21 | ||
| JP21802690 | 1990-08-21 | ||
| JP1036291A JP2924200B2 (ja) | 1990-01-18 | 1991-01-07 | ねじり振動子およびその応用素子 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| JPH04211218A JPH04211218A (ja) | 1992-08-03 |
| JP2924200B2 true JP2924200B2 (ja) | 1999-07-26 |
Family
ID=27277509
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| JP1036291A Expired - Lifetime JP2924200B2 (ja) | 1990-01-18 | 1991-01-07 | ねじり振動子およびその応用素子 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| JP (1) | JP2924200B2 (ja) |
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| US8023166B2 (en) | 2007-02-13 | 2011-09-20 | Ricoh Company, Limited | Optical scanning device and image forming apparatus |
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| WO2017002346A1 (ja) * | 2015-07-01 | 2017-01-05 | パナソニックＩｐマネジメント株式会社 | 空調制御装置 |
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