JP3902622B2 - 周波数変調可能な共振型スキャナー - Google Patents
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Description
MEMS構造のスキャナーでは、ステージを共振周波数帯域で駆動させると、ステージの走査角度が大きくなり、かつ駆動電圧が低くなる効果がある。
図1を参照すれば、Qファクターの高いスキャナーは、周波数が共振周波数を外れれば駆動変位の大きい誤差を見せるのに対し、Qファクターの低いスキャナーは、周波数が共振周波数を外れるとしても駆動変位の変化が少ない。
したがって、大きい駆動変位を必要とする光スキャナーはQファクター値が高く、かつ共振周波数で作動させる必要がある。しかし、MEMS構造を精密に製作する場合にも、工程偏差のために共振周波数で駆動されるアクチュエータを製造することは非常に難しい。
図2は、ステージの共振周波数を調節する方法を説明する図面である。
したがって、スキャナーの製造時にスキャナーの共振周波数を所望の共振駆動周波数より小さく製造した後、チューニングを通じてスキャナーの共振周波数を増加させて駆動周波数に調整する。
ステージ20の両側の第1駆動櫛型電極23と交互に配置された第1固定櫛型電極51がその一側に形成された第1アンカー50が、基板10に固定支持されている。
支持部は、ステージ20の他の両側に連結された多数の第1ベンディングばね22と、第1ベンディングばね22にその一側が連結され、かつ反対側である他側には多数の第2駆動櫛型電極31が形成された慣性部30と、第2駆動櫛型電極31と交互に配置された第2固定櫛型電極41がその一側に形成された第3アンカー40と、を具備する。第2駆動櫛型電極31及び第2固定櫛型電極41は、慣性部30を第1ベンディングばね22と逆方向に引き付ける慣性部引張手段を形成する。
アンカー40、50、60は互いに電気的に絶縁されるように設置されることが望ましい。これらアンカーは電気的に絶縁される構造として、図4の点線で囲まれた方形フレームを形成しても良い。
図7を参照して説明すれば、ステージ20の両側に位置する第1駆動櫛型電極23と第1固定櫛型電極51間の静電気力によりステージ20が水平運動をする。例えば、図面の上側に位置する第1固定櫛型電極51に所定の電圧Vaを印加すれば、第1駆動櫛型電極23と第1固定櫛型電極51間に静電力が発生して第1駆動櫛型電極23が駆動され、ステージ20が上方に動く。そして、下方に位置する第1固定櫛型電極51に所定の電圧Vbを印加すれば、第1駆動櫛型電極23及び第1固定櫛型電極51により引力が作用してステージ20が下方に動く。もとの場所への復帰は、第1ベンディングばね22の弾性係数を利用した自己復原力による。上方及び下方に反復的に駆動電圧を印加して交互に静電気力を発生させることによって、ステージ20が所定の周波数を持って励起運動をする。この時、ステージ20の両側から離隔された第2固定櫛型電極41に同時に所定のチューニング電圧Vtを印加すれば、慣性部30には慣性部30を第3アンカー40に移動させようとする引張力が加えられ、第1ベンディングばね22のばね定数が増加する。したがって、チューニング電圧Vtを調節すればステージ20の励起周波数を共振周波数に調節できる。
図8及び図9を参照すれば、パイレックスガラスよりなる基板110の上方にステージ120がその両側を支持する支持部によって懸垂されている。ステージ120の上部には光走査面のミラー面121が形成されており、その両側には第1駆動櫛型電極123が多数平行に所定長さに形成されている。
支持部は、ステージ120の他の両側に連結された多数の第1ベンディングばね122と、第1ベンディングばね122にその一側が連結された慣性フレームと、慣性フレームを基板110から支持する固定フレームと、を具備する。
慣性部130、131、132には第3アンカー140方向に多数の第2駆動櫛型電極130a、131a、132aが平行に形成されており、対応するアンカーブランチ161、162及び第3アンカー140には該当第2駆動櫛型電極と交互に第2固定櫛型電極161a、162a、141が配置されている。第2駆動櫛型電極及び第2固定櫛型電極は、慣性フレームを第1ベンディングばね122と逆方向に引き付ける慣性フレーム引張手段を形成する。
第1ベンディングばね122は外力により水平方向に変形され、垂直方向に変形されないように垂直に配置されたプレート状であることが望ましい。このようなプレート状のベンディングばねは多数設置されてステージ120のシーソー運動を防止する。
第2実施形態の光スキャナーは、第1実施形態の構造でステージの駆動方向及び垂直方向に印加する静電気力を増加させるために多数の慣性部を使用した点を除いては第1実施形態の作用と同一であるので詳細な説明は省略する。
図10ないし図12を共に参照すれば、パイレックスガラスよりなる基板210の上方にステージ220が第1ベンディングばね222及び方形枠駆動フレーム240、250を含む第1支持部により第2方向(Y軸方向)に励起可能に支持されている。そして、ステージ220を含む第1支持部は、第3ベンディングばね252及び方形枠固定フレームを含む第2支持部により第1方向(X方向)に励起運動可能に支持されている。したがって、ステージ220は第1支持部及び第2支持部により2軸方向への動き可能に支持される。ステージ220の上部には光走査面であるミラー面221が形成されており、その両側には第1駆動櫛型電極223が多数平行に所定長さで形成されている。
ステージ220の両側の第1駆動櫛型電極223と交互に配置された第1固定櫛型電極251が方形枠駆動フレームの第1部分250に形成されている。第1駆動櫛型電極223及び第1固定櫛型電極251はステージ駆動部を形成する。
ステージ220の他の両側に連結された多数の第1ベンディングばね222は第1慣性部230の一側に連結されており、第1慣性部230の他側には多数の第2駆動櫛型電極231が形成されている。第1慣性部230の他の両側は方形枠駆動フレームの第1部分250の内側に第2ベンディングばね232で連結されている。方形駆動フレームの第2部分240の内側には第2駆動櫛型電極231と交互に配置された第2固定櫛型電極241が多数形成されている。第2駆動櫛型電極231及び第2固定櫛型電極241は、第1慣性部230をステージ220と逆方向に引き付ける第1慣性部引張手段を形成する。
方形枠駆動フレームの第2部分240の外側には第3駆動櫛型電極243が配置されており、方形枠固定フレームの第2部分290の内側には第3駆動櫛型電極243と交互に配置された第3固定櫛型電極291が配置されている。第3駆動櫛型電極243及び第3固定櫛型電極291は第1支持部駆動部を形成する。
例えば、上側に位置する第1固定櫛型電極251に所定の電圧を印加すれば、第1駆動櫛型電極223と第1固定櫛型電極251間に静電気力が発生して第1駆動櫛型電極223が駆動され、ステージ220が上方に動く。そして、下側の第1固定櫛型電極251に所定の電圧を印加すればステージ220は下方に移動する。ステージ220のもとの場所への復帰は、第1ベンディングばね222の弾性力による復原力による。上側及び下側の第1固定櫛型電極251に反復的に駆動電圧を印加して交互に静電気力を発生させることによってステージ220が所定の周波数を持って励起運動をする。
この時、ステージ220の両側から離隔された第2固定櫛型電極241に同時に所定のチューニング電圧を印加すれば、第1慣性部230には第1慣性部230を方形枠駆動フレームの第2部分240に引き付ける力が発生し、第1ベンディングばね222のばね定数が増加する。したがって、チューニング電圧を調節すればステージ220の励起周波数を共振周波数に合うように調節できる。
前記実施形態ではステージ220が水平に駆動されることを記述したが、第1ベンディングばね222を一つとし、ステージ220がシーソー運動するようにステージ220に外部力を加えつつ第1固定櫛型電極251に駆動電圧を印加すれば、ステージ220は第1ベンディングばね222を中心軸としてシーソー運動をし、第2固定櫛型電極241に加えられるチューニング電圧によって周波数変調が可能になる。また、第3ベンディングばね252を一つとして設置し、方形枠駆動フレームがシーソー運動をするように外部力を加えつつ第3固定櫛型電極291に駆動電圧を印加すれば、方形枠駆動フレーム及びステージ220は第3ベンディングばね252を中心軸としてシーソー運動をし、第4固定櫛型電極281にチューニング電圧を加えればステージ220の第1方向の励起周波数を共振周波数に合うように調節できる。
20 ステージ
21 ミラー面
22 第1ベンディングばね
23 第1駆動櫛型電極
30 慣性部
31 第2駆動櫛型電極
32 第2ベンディングばね
40 第2アンカー
41 第2固定櫛型電極
50 第1アンカー
51 第1固定櫛型電極
60 第3アンカー
Claims (20)
- 基板と、
前記基板から所定高さ離隔されて配置され、その上面に光走査面が形成されたステージと、
前記ステージの対向する両側に形成された多数の第1駆動櫛型電極と、
前記ステージの対向する両側から所定距離離隔されて前記基板上に固定され、前記第1駆動櫛型電極間に交互に配置された多数の第1固定櫛型電極が一側に形成された第1アンカーと、
前記ステージの他の対向する両側の中央部にその一端がそれぞれ連結された少なくとも一つの第1ベンディングばねと、
前記第1ベンディングばねの他端が連結され、前記基板から上方に所定距離離隔された慣性部と、
前記第1アンカーの両側に位置し、前記基板上に固定された第2アンカーと、
前記慣性部と前記第2アンカー間を連結する第2ベンディングばねと、
前記慣性部を前記第1ベンディングばねと逆方向に引き付ける慣性部引張手段と、を具備し、
前記慣性部引張手段は、
前記慣性部から所定距離離隔されて前記基板に固定された第3アンカーと、
前記慣性部から前記第3アンカー側に所定距離延びた多数の第2駆動櫛型電極と、
前記第3アンカーの一側に形成され、前記第2駆動櫛型電極と交互に配置された多数の第2固定櫛型電極と、を具備することを特徴とする1軸駆動光スキャナー。 - 前記第2固定櫛型電極に同時に所定のチューニング電圧を印加する電圧供給源をさらに具備したことを特徴とする請求項1に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 前記電圧供給源に所定のチューニング電圧を印加して、前記第1ベンディングばねのばね定数を増加させることを特徴とする請求項2に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 前記第1ベンディングばねは、水平方向の幅よりも垂直方向の長さが長いプレート形状であることを特徴とする請求項1に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 前記第1アンカー及び第2アンカーは電気的に分離されることを特徴とする請求項1に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 前記第1アンカー、第2アンカー及び第3アンカーは一つの方形枠フレームを形成し、互いに電気的に分離されることを特徴とする請求項1に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 基板と、
前記基板から所定高さ離隔されて配置され、その上面に光走査面が形成されたステージと、
前記ステージの対向する両側に形成された多数の第1駆動櫛型電極と、
前記ステージの対向する両側から所定距離離隔されて前記基板上に固定され、前記第1駆動櫛型電極と交互に配置された多数の第1固定櫛型電極が一側に形成された第1アンカーと、
前記ステージの他の対向する両側の中央部にその一端がそれぞれ連結された少なくとも一つの第1ベンディングばねと、
前記第1ベンディングばねの他端が連結されるとともに、前記基板から上方に所定距離離隔され、少なくとも2個の互いに平行に配置される慣性部とそれらを連結する支持ビームとを具備する慣性フレームと、
前記第1アンカーの両側に位置し、前記慣性フレームと対向して前記基板に固定された第2アンカーと、
前記各慣性部の両側と対応する前記第2アンカーの内側とを連結する第2ベンディングばねと、
前記慣性フレームを前記第1ベンディングばねと逆方向に引き付ける慣性フレーム引張手段と、を具備し、
前記慣性フレーム引張手段は、
前記慣性フレームから所定距離離隔されて前記基板に固定された第3アンカーと、
前記第2アンカーの内側に固設され、前記支持ビームに向かって延びるアンカーブランチと、
前記各慣性部に形成され、前記ステージから離反する方向に延びた多数の第2駆動櫛型電極と、
前記第3アンカー及び前記アンカーブランチに形成され、前記第2駆動櫛型電極間に交互に配置された多数の第2固定櫛型電極と、を具備することを特徴とする1軸駆動光スキャナー。 - 前記第2固定櫛型電極に同時に所定のチューニング電圧を印加する電圧供給源をさらに具備したことを特徴とする請求項7に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 前記電圧供給源に所定のチューニング電圧を印加して、前記第1ベンディングばねのばね定数を増加させることを特徴とする請求項8に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 前記第1ベンディングばねは、水平方向の幅よりも垂直方向の長さが長いプレート形状であることを特徴とする請求項7に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 前記第1アンカー及び第2アンカーは電気的に分離され、前記慣性部及び前記アンカーブランチは互いに電気的に絶縁されることを特徴とする請求項7に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 前記第1アンカー、第2アンカー及び第3アンカーは一つの方形枠フレームを形成し、互いに電気的に分離されることを特徴とする請求項7に記載の1軸駆動光スキャナー。
- 基板と、
前記基板から所定高さ離隔されて配置され、その上面に光走査面が形成されたステージと、
前記ステージの直線運動を支持するものであって、前記ステージの両側からそれぞれ第1方向に延長される少なくとも一つの第1ベンディングばねと、前記第1ベンディングばねにその一側が連結される第1慣性部と、前記第1慣性部の他の両側から前記第1方向と垂直方向である第2方向に延長された第2ベンディングばねがそれぞれ連結する相互に平行な一対の第1部分と第2方向に平行に延びる平行な一対の第2部分とを持つ方形枠駆動フレームと、を具備する第1支持部と、
前記第1部分の内側と対応する前記ステージの両側にそれぞれ形成された第1固定櫛型電極及び第1駆動櫛型電極を具備するステージ駆動部と、
前記方形枠駆動フレームの第1部分のそれぞれから第2方向に延長される第3ベンディングばねと、前記第3ベンディングばねにその一側が連結される第2慣性部と、前記第2慣性部の他の両側から前記第1方向に延長された第4ベンディングばねがそれぞれ連結される相互平行な一対の第2部分と前記第1方向に平行に延びる平行な一対の第1部分とを持ち、かつ基板に固設された方形枠固定フレームと、を具備する第2支持部と、
前記第1支持部の第1方向励起運動を発生させるように前記方形枠駆動フレームの第2部分に設けられる第3駆動櫛型電極と、前記第3駆動櫛型電極に対応するように前記方形枠固定フレームの第2部分の内側に形成された第3固定櫛型電極と、を具備する第1支持部駆動部と、
前記第1慣性部及び/または前記第2慣性部を前記ステージと逆方向に引き付ける第1慣性部引張手段及び/または第2慣性部引張手段と、を具備し、
前記第1慣性部引張手段は、
前記第1慣性部で前記方形枠駆動フレームの第2部分に向かう側に形成された多数の第2駆動櫛型電極と、
前記方形枠駆動フレームで前記第2駆動櫛型電極と交互に設置された第2固定櫛型電極と、を具備することを特徴とする2軸駆動光スキャナー。 - 前記ステージの両側に形成された前記第2固定櫛型電極に同時に所定のチューニング電圧を印加する電圧供給源をさらに具備したことを特徴とする請求項13に記載の2軸駆動光スキャナー。
- 前記電圧供給源に所定のチューニング電圧を印加して、前記第1ベンディングばねのばね定数を増加させることを特徴とする請求項14に記載の2軸駆動光スキャナー。
- 前記第1ベンディングばねは、水平方向の幅よりも垂直方向の長さが長いプレート形状であることを特徴とする請求項13に記載の2軸駆動光スキャナー。
- 前記第2慣性部引張手段は、
前記第2慣性部から前記方形枠固定フレームの第1部分に向かう側に形成された多数の第4駆動櫛型電極と、
前記方形枠固定フレームで前記第4駆動櫛型電極と交互に設置された第4固定櫛型電極と、を具備することを特徴とする請求項13に記載の2軸駆動光スキャナー。 - 前記ステージの両側に形成された前記第4固定櫛型電極に同時に所定のチューニング電圧を印加する電圧供給源をさらに具備したことを特徴とする請求項17に記載の2軸駆動光スキャナー。
- 前記電圧供給源に所定のチューニング電圧を印加して、前記第3ベンディングばねのばね定数を増加させることを特徴とする請求項18に記載の2軸駆動光スキャナー。
- 前記第3ベンディングばねは、水平方向の幅よりも垂直方向の長さが長いプレート形状であることを特徴とする請求項13に記載の2軸駆動光スキャナー。
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