JP4435691B2 - 変位検出機能を備えたマイクロアクチュエータ、および当該マイクロアクチュエータを備えた可変形ミラー - Google Patents

変位検出機能を備えたマイクロアクチュエータ、および当該マイクロアクチュエータを備えた可変形ミラー Download PDF

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Description

本発明は、変位検出機能を備えたマイクロアクチュエータ、および当該マイクロアクチュエータを備えた可変形ミラー（ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒ）に関する。また、このようなマイクロアクチュエータを備えた種々の装置に関する。
半導体プロセスを用いたＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ Ｅｌｅｃｔｒｏ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ Ｓｙｓｔｅｍｓ）技術により、様々なマイクロアクチュエータが開発されている。ＭＥＭＳ技術によれば、多数のアクチュエータや駆動回路等を同時に一括形成できるため、その特徴を活かした応用が図られている。基板上の多数の微小ミラーを配列した可変形ミラーもその１つである。可変形ミラーは、光の波面収差をアクティブに補正する補償光学装置、ディスプレイ、および光通信などの各種装置に応用されている。
可変形ミラーの変位量の制御に関しては従来、下記の２つの方法が知られている。
１つは開ループ制御であり、多段階の駆動電圧を与えてミラー変位量を制御するものがある（例えばＲ．Ｗ． Ｃｏｒｒｉｇａｎ， Ｄ．Ｔ．Ａｍｍ ａｎｄ Ｃ．Ｓ． Ｇｕｄｅｍａｎ ”Ｇｒａｔｉｎｇ Ｌｉｇｈｔ ＶａｌｖｅTM Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ
ｆｏｒ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙｓ”， Ｐｒｅｓｅｎｔｅｄ ａｔ ｔ
ｈｅ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｄｉｓｐｌａｙ Ｗｏｒｋｓｈｏｐ， Ｋｏｂｅ Ｊａｐａｎ， ９ Ｄｅｃ １９９８， Ｐａｐｅｒ Ｎｕｍｂｅｒ ＬＡＤ５−１）。同文献では、可変形ミラーはミラー変位量によって回折光量を制御する回折格子として利用され、可変形ミラーの変位量を多段階に開ループ制御している。同文献には、予め製造工程において駆動電圧と回折光量との関係を実験的に数点測定し、これを補間して変換テーブルを作成し、可変形ミラー毎の特性のばらつきを補正する技術が開示されている。
もう１つは外部センサを用いた閉ループ制御であり、例えば補償光学装置においては波面センサを用いて検出した誤差信号から可変形ミラーの制御信号を生成して閉ループ制御を行っている（例えばＪ．Ａ． Ｐｅｒｒｅａｕｌｔ， Ｔ．Ｇ． Ｂｉｆａｎｏ ｅｔ ａｌ．，”Ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃ ｃｏｒｒｅｃｔｉｏｎ ｕｓｉｎｇ ｍ
ｉｃｒｏｅｌｅｃｔｒｏｍｅｃｈａｎｉｃａｌ ｄｅｆｏｒｍａｂｌｅ ｍｉｒｒｏｒｓ ”， Ｏｐｔｉｃａｌ Ｅｎｇｉｎｅｅｒｉｎｇ， Ｖｏｌ． ４１， Ｎｏ．３，
ｐｐ．５６１−５６６ （Ｍａｒｃｈ ２００２））。
また、マイクロセンサの分野では下記の技術が知られている。圧力センサにおいては、外部圧力による隔膜（ｄｉａｐｈｒａｇｍ）の変形を静電容量変化で検出するものがある（例えばＳ．Ｂ．Ｃｒａｒｙ， Ｗ．Ｇ．Ｂａｅｒ ｅｔ ａｌ．，”Ｄｉｇｉｔａｌ
Ｃｏｍｐｅｎｓａｔｉｏｎ ｏｆ Ｈｉｇｈ−ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ Ｓｉｌｉｃｏｎ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｔｒａｎｓｄｕｃｅｒｓ”， Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃ
ｔｕａｔｏｒｓ， Ａ２１−Ａ２３， ｐｐ．７０−７２ （１９９０））。同文献には、複数の温度条件下において圧力とセンサ出力との関係を予め実験的に求めておき、これらの関係を近似した較正多項式をメモリに格納した構成が開示されている。
また、外部圧力を打ち消すように別の電極で静電力を発生して隔膜の変形を実質的に零になるように制御を行い、その静電力の大きさから外部圧力を求める平衡力（Ｆｏｒｃｅ Ｂａｌａｎｃｅｄ）型の圧力センサもある（例えばＢ．Ｐ． Ｇｏｇｏｉ， Ｃ．Ｃ． Ｗａｎｇ， Ｃ．Ｈ． Ｍａｓｔｒａｎｇｅｌｏ，”Ｆｏｒｃｅ Ｂａｌａｎｃｅｄ
Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｐｒｅｓｓｕｒｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ”， ＩＥＥＥ ｔ
ｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ ｏｎ ｅｌｅｃｔｒｏｎ ｄｅｖｉｃｅｓ， Ｖｏｌ． ４８， Ｎｏ．８， ｐｐ．１５７５−１５８４ （Ａｕｇｕｓｔ ２００１））。
角速度センサにおいては、外部からの角速度によって発生するコリオリ力で可動子が変位する量を静電容量変化で検出するものがある（例えばＴ． Ｊｕｎｅａｕ， Ａ．Ｐ． Ｐｉｓａｎｏ， Ｊ．Ｈ． Ｓｍｉｔｈ，”Ｄｕａｌ Ａｘｉｓ Ｏｐｅｒａｔｉｏ
ｎ ｏｆ ａ Ｍｉｃｒｏｍａｃｈｉｎｅｄ Ｒａｔｅ Ｇｙｒｏｓｃｏｐｅ”， Ｔｒ
ａｎｓｄｕｃｅｒｓ’９７， １９９７ Ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｏｎｆｅｒｅ
ｎｃｅ ｏｎ Ｓｏｌｉｄ−Ｓｔａｔｅ Ｓｅｎｓｏｒｓ ａｎｄ Ａｃｔｕａｔｏｒｓ， Ｃｈｉｃａｇｏ， Ｊｕｎｅ １６−１９， ｐｐ．８８３−８８６）。同文献には可動子の初期の位置ずれによる零点のドリフトを補正する構成が開示されている。
しかしながら、上記のようなマイクロアクチュエータには、以下の課題があった。
製造工程で変換テーブルを作成して開ループ制御を行うものは、変換テーブルのデータ採取が煩雑で、かつ経時的変化あるいは環境変化等に対する対応に限界があった。例えば駆動電圧と回折光量との関係を採取するためには、実際に外部から光を当てて１画素毎に光量を測定する必要があり、専用の測定装置を必要とするとともに、光スポットの位置合わせ等の作業が多く、データ採取が極めて煩雑であった。また、測定できるのは製造工程での初期特性のみであり、実際に装置に組み込まれた状態で可動部の変位量をモニターすることはできなかった。このため、経時変化や温度などの環境変化に伴うアクチュエータ特性の変化があっても、これに対応した補正ができなかった。
波面センサ等の外部センサを用いて閉ループ制御を行うものは、まず第１の課題として、制御構成が高価であった。安定な閉ループ制御を行うためには、波面センサの検出点数は可変形ミラーのアクチュエータ数よりも多くする必要があり、例えばＳｈａｃｋ−Ｈａｒｔｍａｎｎ型波面センサでは一般的に検出点数はアクチュエータ数の約２倍以上が必要とされている。このため、閉ループ制御のためには比較的高分解能のセンサが必要で、また、波面センサの各検出点と可変ミラーの各駆動点とを精密に対応させる位置調整も必要であった。さらに、複数の検出信号から波面再構成などの演算を行って各駆動点の制御信号を生成する制御回路も比較的高精度で大規模なものを必要とした。また、第２の課題としては、波面センサによる光量損失が大きい点にあった。波面センサは波面の補正対象である光束の一部を使って波面を検出しているので、これは光量の損失要因である。閉ループ制御のために波面の検出点数を増やし、各検出点において一定のセンサ感度（Ｓ／Ｎ）を確保しようとすると、波面センサによる大きな光量損失が発生していた。
また、圧力センサや角速度センサ等のマイクロセンサには、下記のような構成上の特徴とそれに伴う課題があった。まず第１に、前述の文献に記載されたマイクロセンサは１つの可動子に対して変位検出と制御を行っているだけであるが、可変形ミラーのように多数のアクチュエータを同時に駆動することが必要な場合には、各アクチュエータに対して閉ループ制御を行うと、このための回路規模が極めて大きくなるという課題があった。すなわち、変位検出のための検出信号発生器、増幅器、Ａ／Ｄ変換器、制御回路などの各回路がアクチュエータ数と同数必要であり、特にアクチュエータ数が多数の場合には回路規模が大きくなってチップ全体のコストが高くなるという課題があった。
第２の課題としては、駆動信号と変位との関係を測定して自己較正する構成が開示されておらず、従来技術をアクチュエータの変位精度を向上させる用途に用いることが困難であった。圧力センサも角速度センサも外界から与えられた力により変位する可動子とこの可動子の変位をセンサ出力に変換する構成は備えているが、この変換時の対応付けは予めメモリに格納されたものを用いており、零点のドリフト補正を除けば、可動子の変位と出力との対応関係は固定されていた。零点のドリフト補正は可動子が変位していない状態でのオフセットを補正するもので、これは駆動信号と変位との関係とは本質的に無関係である。従って、例えば繰り返し疲労によるバネ定数変化等といった機械特性の経時変化があっても、これを補正することはできなかった。
すなわち、アクチュエータに変位を与えながらその駆動信号と変位との関係を自己較正する構成はいずれの文献にも開示されておらず、経時変化や様々な環境変化に対して変化するアクチュエータ特性を広い変位範囲で補償することは困難であった。
本発明は上記課題を解決し、簡易な構成で、経時変化あるいは環境変化に対する特性ばらつきを補正して信頼性の高い位置制御を行うマイクロアクチュエータおよび可変形ミラーを提供することを目的とする。
本発明のマイクロアクチュエータは、基板と、前記基板上に変位可能に支持された可動素子と、前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力する駆動部と、前記可動素子の変位と前記駆動信号との対応関係を保持する変換部と、前記駆動信号を与えられた状態での前記可動素子の変位を検出する変位検出部と、前記駆動信号と前記変位検出部の出力とを用いて前記変換部が保持する対応関係を較正する較正部とを備える。
ある好ましい実施形態において、前記可動素子は、前記基板に固定された固定電極と、前記固定電極に対向する可動電極とを備え、前記変位検出部は、前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量の変化によって前記可動素子の変位を検出する。
ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、前記可動素子の１次共振周波数近傍またはそれ以下の低周波信号を前記駆動信号として出力し、前記変位検出部は、前記可動素子の１次共振周波数以上の高周波信号を前記駆動信号に重畳させる。
ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、実質的なＤＣ電圧を前記駆動信号として出力する。
ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、複数段階の前記ＤＣ電圧を前記駆動信号として出力し、前記変位検出部は前記複数段階の各段階において前記可動素子の変位を検出し、前記較正部は前記各段階のＤＣ電圧と前記変位検出部の出力とを所定の形式の近似関数で近似する。
ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、複数段階の周波数を持つ低周波信号を前記駆動信号として出力し、前記変位検出部は加振された前記可動素子の変位を検出し、前記較正部は、前記駆動信号と変位検出部の出力とを対応付けて、前記可動素子の振幅応答または位相応答を算出する。
ある好ましい実施形態において、前記駆動部は、前記可動素子の１次共振周波数近傍の低周波信号を前記駆動信号として複数段階出力し、前記変位検出部は前記複数段階の各段階において加振された前記可動素子の変位を検出し、前記較正部は、前記駆動信号と変位検出部の出力とを対応付けて、前記可動素子の１次共振周波数を抽出する。
ある好ましい実施形態において、前記駆動信号の振幅を大きく設定した場合には、前記変位検出部が発生する前記高周波信号の振幅を小さく設定する。
ある好ましい実施形態において、前記可動素子の前記可動電極は、所定の軸に関して概対称な第１導電性部分および第２導電性部分を含み、前記軸を中心として傾動自在に支持されるとともに、前記固定電極は、前記可動電極の第１導電性部分に間隙を介して対向する第１電極と、前記可動電極の第２導電性部分に間隙を介して対向する第２電極とを含み、前記駆動部は、前記第１導電性部分と前記第１電極との間または前記第２導電性部分と前記第２電極との間に前記駆動信号を与え、前記変位検出部は、前記第１電極に第１の高周波信号を印加し、前記第２電極に前記第１の高周波信号と同振幅かつ逆位相の第２の高周波信号を印加し、前記第１導電性部分と前記第２導電性部分とに電気的に接続した端子の電圧を検出する。
ある好ましい実施形態において、前記変換部は、前記可動素子の変位と対応付けられた電圧指令値を発生し、前記駆動部は、前記電圧指令値に応じた前記駆動信号を出力するＤＡ変換器を備え、前記較正部は、前記電圧指令値と前記可動素子の変位との対応関係を較正する。
ある好ましい実施形態において、前記ＤＡ変換器は、非線形な特性を備え、前記駆動信号の値が大きいほど、前記電圧指令値の増分に対応した前記駆動信号の増分を小さく設けている。
ある好ましい実施形態において、前記較正部は、前記電圧指令値と前記可動素子の変位との対応関係を１次関数で近似する。
ある好ましい実施形態において、電源起動時に前記較正部を動作させる。
ある好ましい実施形態において、温度検出部を備え、前記温度検出部が所定値以上の温度変化を検出した場合に前記較正部を動作させる。
ある好ましい実施形態において、前記変位検出部の出力が所定の範囲を超えている場合に、前記可動素子または前記変位検出部の異常を判別する異常判別部を備える。
ある好ましい実施形態において、前記異常判別部が異常を判別した場合に、前記較正部による前記対応関係の更新を禁止する。
また、本発明のマイクロアクチュエータは、基板と、前記基板上に変位可能に支持された複数の可動素子と、前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力する駆動部と、前記可動素子の変位を検出する変位検出部と、前記駆動部および／または前記変位検出部と前記複数の可動素子の各々とを選択的に接続する切り替え部とを備える。
ある好ましい実施形態において、前記切り替え部が前記変位検出部の変位検出対象を時系列で切り替えながら各前記可動素子の変位を検出する。
ある好ましい実施形態において、前記変位検出部の出力を用いて前記駆動部の出力を閉ループ制御する閉ループ制御部を備える。
ある好ましい実施形態において、前記駆動部の出力を開ループ制御する開ループ制御部をさらに備え、前記閉ループ制御部と前記開ループ制御部とを時系列で切り替えて前記可動素子の制御を行う。
ある好ましい実施形態において、前記開ループ制御部が、前記閉ループ制御部により制御された前記駆動部の出力をホールドするホールド部を備える。
ある好ましい実施形態において、前記可動素子が前記駆動信号に応じた電荷を蓄積可能に設けられ、前記切り替え部が、前記可動素子を前記閉ループ制御部に接続した第１の状態と、前記可動素子を高インピーダンスとして前記電荷を保持した第２の状態とに切り替える。
ある好ましい実施形態において、各前記可動素子が前記閉ループ制御部と接続されている時間に関わる値を計測するカウンタと、前記閉ループ制御の収束を検知する収束検知部とを備え、前記カウンタからの出力が所定の上限値を超えても前記収束検知部が前記収束を検知しない場合に、前記切り替え部が前記可動素子と前記閉ループ制御部との接続を切断する。
ある好ましい実施形態において、前記可動素子が前記閉ループ制御部と接続されている時間に関わる値が、前記閉ループ制御部の繰り返しループ回数である。
ある好ましい実施形態において、前記収束検知部が前記収束を検知して、前記切り替え部が前記閉ループ制御部の接続先を次の可動素子に切り替えた時点における前記カウンタの出力が前記上限値未満であった場合に、前記カウンタの出力に従って、次の可動素子の上限値を変更する。
ある好ましい実施形態において、前記切り替え部が、前記複数の可動素子のうち少なくとも２つ以上を同時に前記変位検出部に接続する。
ある好ましい実施形態において、前記高周波信号の振幅値と同等以上の大きさのバイアス電圧を、前記固定電極と前記可動電極の双方に与える。
本発明の他のマイクロアクチュエータは、基板と、前記基板上に変位可能に支持された可動素子と、前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力する駆動部と、前記可動素子の変位を検出する変位検出部と、前記駆動部および／または前記変位検出部と前記可動素子とを結ぶ配線経路中に設けられ、前記配線経路を接続した状態と切断した状態との間で切り替えを行う切り替え部と、前記配線経路を接続した状態で得られた前記変位検出部の第１の出力を、前記配線経路を切断した状態で得られた前記変位検出部の第２の出力を用いて補正する較正部とを備えている。
本発明の更に他のマイクロアクチュエータは、基板と、前記基板上に変位可能に支持された可動素子と、前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力する駆動部と、前記駆動信号を与えられた状態での前記可動素子の変位を検出する変位検出部とを備え、前記可動素子は、前記基板に固定された固定電極と、前記固定電極に対向する可動電極とを備え、前記可動電極は、所定の軸に関して概対称な第１導電性部分および第２導電性部分を含んで前記軸を中心として傾動自在に支持され、前記固定電極は、前記可動電極の第１導電性部分に間隙を介して対向する第１電極と、前記可動電極の第２導電性部分に間隙を介して対向する第２電極とを含み、前記駆動部は前記第１電極に印加される第１の駆動信号と、前記第１の駆動信号と異なる大きさを持ち、前記第２電極に印加される第２の駆動信号とを発生し、前記変位検出部は、前記可動素子の１次共振周波数以上の高周波信号を出力する高周波信号発生部と、第１端子において前記第１電極に接続された第１の負荷インピーダンス素子と、第２端子において前記第２電極に接続された第２の負荷インピーダンス素子と、前記第１端子と第２端子とに接続する高周波検出部とを備え、前記第１の負荷インピーダンス素子の前記第１端子の反対側の端子には、前記高周波信号を重畳した前記第１の駆動信号を印加し、前記第２の負荷インピーダンス素子の前記第２端子の反対側の端子には、前記高周波信号を重畳した前記第２の駆動信号を印加し、前記高周波検出部は、前記第１端子と前記第２端子との間における前記高周波信号の位相かつ／または振幅を比較することにより前記可動素子の変位を検出する。
本発明の可変形ミラーは、上記いずれかのマイクロアクチュエータを備えた可変形ミラーであって、前記可動素子の少なくとも一部に光反射領域が形成されている。
本発明の装置は、前記いずれかのマイクロアクチュエータを備えている。
本発明の駆動装置は、可動素子を有するマイクロアクチュエータの駆動方法であって、前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力するステップと、前記可動素子の変位と前記駆動信号との対応関係を保持するステップと、前記駆動信号が与えられた状態での前記可動素子の変位を検出するステップと、前記駆動信号と前記変位検出部の出力とを用いて前記対応関係を較正するステップとを含む。
本発明のマイクロアクチュエータは、可変形ミラーだけではなく、リレースイッチやチューナブルキャパシタなどの高周波回路用途、あるいはマイクロポンプなどの流体用途といった種々の用途に適用される。
以下、図面を参照しながら、本発明の実施形態を説明する。
（実施形態１）
まず、図１〜３を参照しながら、本発明によるマイクロアクチュエータの第１の実施形態を説明する。本実施形態のマイクロアクチュエータは、傾動動作を行う静電アクチュエータである。このようなマイクロアクチュエータは、例えば半導体製造プロセス技術を用いて作製され得る。本実施形態のマイクロアクチュエータは、光の反射方向を多段階に制御する可変形ミラーに適用される。
まず、図１を参照する。図１は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。図１において、シリコンウェハである基板１上には駆動回路２が設けられ、その上に３０μｍ以上の厚さで絶縁層３が設けられている。絶縁層３上には、ｎ個（ｎは２以上の整数）の可動素子Ａ１〜Ａｎからなる可動部４が構成されている。可動部４の可動素子Ａ１〜Ａｎは互いに同一の構成を有しており、ここでは、ｉ（ｉは１以上ｎ以下の整数）番目の可動素子Ａｉを例にとって説明する。可動素子Ａｉは、２つの固定電極ＥLi、ＥRiと、これらの固定電極ＥLi、ＥRに対向する位置に設けられた可動電極Ｙｉと、この可動電極Ｙｉを傾動自在に支持する一対の導電性のポストＰｉとを備えている。
可動素子Ａｉは、ポストＰｉを中心にして左右対称の形状をしている。可動電極Ｙｉは、第１導電性部分ＹLiおよび第２導電性部分ＹRiを有している。第１導電性部分ＹLiは、間隙を介して第１電極ＥLiと対向し、第２導電性部分ＹRiは間隙を介して第２電極ＥRiと対向している。可動電極Ｙｉの上面は、光を反射する反射ミラーとして機能する。
第１電極ＥLiと可動電極Ｙｉとの間、または第２電極ＥRiと可動電極Ｙｉとの間に電位差を与えると、静電力によって可動電極Ｙｉは左または右回りの傾動を行う。その結果、可動電極Ｙｉの上面によって反射される光の向きが変わる。電位差の大きさを調節することにより、可動電極Ｙｉの傾き角度を制御できる。
ここで、第１電極ＥLiと、可動電極Ｙｉの第１導電性部分ＹLiとが形成するコンデンサの容量をＣLi、第２電極ＥRiと、可動電極Ｙｉの第２導電性部分ＹRiとが形成するコンデンサの容量をＣRiとする。このとき、可動電極Ｙｉが水平姿勢にある初期状態では、ＣLi＝ＣRiの関係がほぼ成立する。
容量ＣLi、ＣRiの大きさ、それぞれ、可動電極Ｙｉの傾動変位に応じて逆方向に増減する。本実施形態では、容量ＣLi、ＣRiの大きさの変化を検知することによって可動電極Ｙｉの変位を検出する。
端子ＴLi、ＴRi、およびＴPiは、それぞれ、固定電極ＥLi、ＥRi、およびポストＰｉに接続している。これらの端子は、絶縁層３を貫通したビアとして駆動回路２と接続される。
次に図２を参照して、駆動回路２の詳細を説明する。図２は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの駆動回路の概略構成図である。
駆動回路２は、全体を制御する制御部５、各可動素子Ａｉの変位を検出する変位検出部６、および、変位検出部６の測定対象となる可動素子を選択する切り替え部７を備えている。
制御部５は、Ｉ／Ｆ部１０、目標変位設定部１１、変換部１２、電圧指令部１３、変位検出制御部１４、較正部１５、第１の駆動電圧発生部２０、第２の駆動電圧発生部２２を備えている。本実施形態では、電圧指令部１３、第１の駆動電圧発生部２０、および第２の駆動電圧発生部２２が「駆動部」を構成している。
Ｉ／Ｆ部１０は、制御に関わる外部とのコマンドおよびデータをやりとりする。
目標変位設定部１１は、Ｉ／Ｆ部１０からの出力に基づき、可動素子Ａ１〜Ａｎの各目標変位を決定する。
変換部１２は、可動素子Ａ１〜Ａｎの各目標変位を、駆動電圧に関わる目標データに変換する。変換部１２には、各可動素子Ａ１〜Ａｎの駆動電圧と変位との対応関係が、変換テーブルとして格納される。各可動素子Ａ１〜Ａｎの特性ばらつきは、ここで補正される。
電圧指令部１３は、各可動素子Ａ１〜Ａｎの制御を行う際には、変換部１２の出力に基づき可動素子Ａ１〜Ａｎを変位させるための電圧指令値Ｄ（ＶL1）〜Ｄ（ＶLn）、Ｄ（ＶR1）〜Ｄ（ＶRn）を出力する。電圧指令値Ｄ（ＶL1）〜Ｄ（ＶLn）、Ｄ（ＶR1）〜Ｄ（ＶRn）は、固定電極用端子ＴL1〜ＴLn、ＴR1〜ＴRnに与える駆動電圧ＶL1〜ＶLn、ＶR1〜ＶRnにそれぞれ対応している。また電圧指令部１３は、可動素子Ａｉの変位を検出する際には、固定電極用端子ＴLi、ＴRiに与える駆動電圧のＤＣ成分ＶL、ＶRの差動分ＶL−ＶRの値をある所定のタイミングで変化させるように電圧指令値Ｄ（ＶL）、Ｄ（ＶR）を変化させていく。このやり方の１例として、ここではＶLまたはＶRの一方を０Ｖに設定しておき、他方を０Ｖから所定電圧単位で増やしていく方法をとる。電圧指令部１３が発生するＶL、ＶRの制御値およびその変化のタイミングに関しては変位検出制御部１４の出力に基づいて制御が行われる。
変位検出制御部１４は、電圧指令部１３に電圧指令値Ｄ（ＶL）、Ｄ（ＶR）を変化させるための指令を行う。また、変位検出部６のトランジスタ２６を導通させ、これを所定時間保持して、検出信号Ｖｏｕｔのオフセットを除去する。これにより、電圧指令値Ｄ（ＶL）、Ｄ（ＶR）を変化させることによって発生する検出信号Ｖｏｕｔの変動をキャンセルすることができる。
較正部１５は、電圧指令部１３が出力する電圧指令値Ｄ（ＶL）、Ｄ（ＶR）と、変位検出部６が出力する可動素子Ａｉの変位の検出結果とを受け取り、電圧指令値Ｄ（ＶL）、Ｄ（ＶR）と変位との対応関係を作成する。これらの関係は、所定の形式の近似曲線にフィットさせることで測定誤差を除去し、補間された形で変換部１２の変換テーブルに格納される。
第１の駆動電圧発生部２０は、電圧指令部１３からの電圧指令値Ｄ（ＶL）に基づき、ＤＣ電圧ＶLを発生する。第２の駆動電圧発生部２２は、電圧指令部１３からの電圧指令値Ｄ（ＶR）に基づき、ＤＣ電圧ＶRを発生する。
変位検出部６は、第１の高周波信号発生部２１、第２の高周波信号発生部２３、オペアンプ２４、コンデンサ２５、トランジスタ２６、増幅器２７、ＡＤ変換器２８とを備える。
第１の高周波信号発生部２１は振幅ＶA、周波数ｆのＡＣ電圧を発生する。周波数ｆは１００ｋＨｚ〜１ＭＨｚの範囲内の所定の値をとり、これは可動素子Ａｉの１次共振周波数ｆｏ（１〜１０ｋＨｚ）よりも大きな値とする。第１の駆動電圧発生部２０と第１の高周波信号発生部２１とは直列に接続されており、両者の和として第１の出力電圧ＶL＋ＶAｓｉｎ（２πｆｔ）が得られる。
第２の高周波信号発生部２３は第１の高周波信号発生部２１と同じ振幅ＶA、周波数ｆで位相が１８０゜異なるＡＣ電圧を発生する。第２の駆動電圧発生部２２と第２の高周波信号発生部２３とは直列に接続されており、両者の和として第２の出力電圧ＶR−ＶAｓｉｎ（２πｆｔ）が得られる。
切り替え部７によって可動素子Ａｉとの接続が選択された場合には、第１および第２の出力電圧ＶL＋ＶAｓｉｎ（２πｆｔ）、ＶR−ＶAｓｉｎ（２πｆｔ）はそれぞれ端子ＴLi、ＴRiに入力され、端子ＴPiからの出力がオペアンプ２４に入力される。オペアンプ２４と容量Ｃｆのコンデンサ２５とで形成された回路の出力Ｖｏｕｔは（数１）で表され、右辺の第２項は駆動電圧ＶL、ＶRの変化ΔＶL、ΔＶRによるオフセットであるため
、既述したように検出に先立ってＭＯＳトランジスタ２６を導通させてこれを除去すれば、静電容量の変化ＣRi−ＣLiを検出するための信号が精度良く得られる。
（数１）
Ｖｏｕｔ ＝（（ＣRi−ＣLi）／Ｃｆ）・ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）＋（ＣRiΔＶR−
ＣLiΔＶL）／Ｃｆ
出力Ｖｏｕｔは増幅器２７で増幅され、ＡＤ変換器２８でデジタルデータ化されて、較正部１５に出力される。
切り替え部７は、可動素子Ａ１〜Ａｎのそれぞれについて、駆動制御を行う駆動モードと変位検出を行う検出モードとの間で切り替えを行う。図では可動素子Ａｉは検出モードに設定されており、既に説明したように変位検出部６と接続されて応答特性が調べられる。また、図では可動素子Ａｉ＋１は駆動モードに設定されており、固定電極用端子ＴLi+1、ＴRi+1はそれぞれ電圧指令部１３により指令された電圧ＶLi+1、ＶRi+1が印加され、また可動電極用端子ＴPi+1は接地電位に接続されて、目標位置に駆動される。
以上のように構成したマイクロアクチュエータの動作について、図３を参照しながら説明する。図３は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの較正動作ルーチンのフローチャートである。
装置起動時や、あるいは図示しない温度センサが所定値以上の温度変化を検知したとき、または内蔵するタイマが前回の変換データ更新時から所定時間以上の動作時間をカウントしたとき等に、本実施形態のマイクロアクチュエータは変換部１２に格納された可動素子Ａ１〜Ａｎの変換テーブルを更新する。
まず、ｉ＝１とし（ステップ３０）、変位検出を行う可動素子Ａｉとして１番目の可動素子Ａ１が選択される。切り替え部７が可動素子Ａｉを変位検出部６に接続する（ステップ３１）。このとき、Ａｉ以外の全ての可動素子は変位検出部６との接続を切り離されている。
変位検出においては、電圧指令部１３が出力する電圧指令値Ｄ（ＶL）、Ｄ（ＶR）を変化させ、第１の駆動電圧発生部２０の出力電圧ＶLと第２の駆動電圧発生部２０の出力電圧ＶRとを複数段階で出力させながら、各段階で可動素子Ａｉの変位検出を行う。具体的には、まずＶRを０Ｖに設定して（ステップ３２）、ＶLを０Ｖから最大電圧Ｖｍａｘまで段階的に増加させ、各電圧における可動素子Ａｉの変位を測定する。
測定された変位データは各ＶLの値とともに較正部１５に記憶される（ステップ３３）。次に、ＶLを０Ｖとして（ステップ３４）、ＶRを０Ｖから最大電圧Ｖｍａｘまで段階的に増加させ、各電圧における可動素子Ａｉの変位を測定する。測定された変位データは各ＶRの値とともに較正部１５に記憶される（ステップ３５）。測定が完了すると、較正部１５は電圧差ＶL−ＶRと変位データとを所定の近似関数にフィッティングし、近似関数の各項の係数および相関値を算出する（ステップ３６）。
この近似関数の各項の係数および相関値には予め正常値と判断される範囲が設定されており、得られたこれらの値がこの正常範囲内にあるか否かを判断する（ステップ３７）。正常範囲内に無い場合には測定結果にエラーがあったと判断する（ステップ３８）。エラー処理の内容は係数および相関値の値によって異なり、わずかに正常範囲から外れている場合は再測定を行い、例えばＶLやＶRの電圧値によらず可動素子がほぼ変位しない場合は可動素子または変位検出部６が故障していると判断してエラー表示を行い、変換テーブルの書き換えを禁止する。
正常範囲内にある場合には、測定結果を有効と判断して変換テーブルを更新し（ステップ３９）、次の可動素子の測定に移行する（ステップ４０）。ｎ番目の可動素子Ａｎの測定が終了すると変換テーブルの作成ルーチンは完了する。
変換テーブルの作成が完了すると、マイクロアクチュエータはこれを用いた制御動作に移行する。切り替え部７は全ての可動素子Ａ１〜Ａｎを、駆動制御を行う駆動モードとする。
本実施形態での可動素子の制御は開ループ制御であって、目標変位設定部１１によって各可動素子Ａ１〜Ａｎの目標変位が設定されると、変換部１２によって駆動電圧に関わる目標データに変換され、電圧指令部１３により指令された駆動電圧を与えられて、可動素子Ａ１〜Ａｎは所望の姿勢に制御される。
以上説明したような本実施形態のマイクロアクチュエータによれば、自己の駆動力で得られた変位量を自己検出する構成を備えているために、外部の変位測定器が不要であり、位置合わせなどのセッティングに関わる煩雑な作業を必要とせず、極めて簡易に個別の可動素子の特性ばらつきを補正する変換テーブルを作成することができる。
また、装置に組み込まれた状態で測定が可能であるため、経時変化や温度などの環境変化に伴う可動素子特性の変化にも対応することができる。
さらに、切り替え部７が１つの変位検出部６を複数の可動素子に切り替えて巡回させながら変位検出を行っているために、多数の可動素子を備えたアクチュエータであっても、変位検出のための検出信号発生器、増幅器、Ａ／Ｄ変換器などの数を大幅に低減させることができ、回路規模を削減してチップコストを削減することができる。
なお、本実施形態では、駆動電圧発生部２０と高周波信号発生部２１とを別々に構成して接続した例について説明したが、両者を１つのＤＡ変換器で構成し、電圧指令部１３からの制御信号を周波数ｆで変調してＶL＋ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）の出力電圧を得ても良い。またＡＣ電圧の波形は正弦波でなく、矩形波としてもよい。駆動電圧発生部２２と高周波信号発生部２３とについても同様である。このようにすれば、変位検出用の信号発生回路の多くが駆動制御用の回路と共用化され、回路全体の簡素化を図ることができる。
また、電圧指令部１３はＤＣ電圧成分ＶL、ＶRのみを可変とした例について説明したが、ＡＣ電圧成分の振幅ＶAを可変にすることもできる。特に電位差ＶL−ＶRの絶対値が小さいときには振幅ＶAを大きくし、電位差ＶL−ＶRの絶対値が大きいときには振幅ＶAを小さくすれば、以下の２つの効果がある。第１に、ＡＣ電圧成分による可動素子の変位への影響を抑えつつ検出感度を大きくすることができる。電位差ＶL−ＶRの絶対値が小さいときは、可動素子Ａｉの変位が小さく静電容量の変化ＣLi−ＣRiも小さいため、検知信号Ｖｏｕｔの振幅は小さくＳ／Ｎ比が得られにくい一方、ＡＣ電圧成分により可動素子Ａｉに発生する吸引力は固定電極ＥLi側とＥRi側とでほぼ釣り合って相殺されるため、可動素子の変位への影響が小さい。電位差ＶL−ＶRの絶対値が大きいときはこの逆の特性を示す。従って、電位差ＶL−ＶRの絶対値が小さいときには振幅ＶAを大きくし、電位差ＶL−ＶRの絶対値が大きいときには振幅ＶAを小さくすれば、ＡＣ電圧成分による可動素子の変位への影響を抑えつつ検出感度を大きくすることができる。第２に、同じ電源電圧に対して可動素子の測定可能な変位のレンジを広くとることができる。可動素子の測定可能な変位のレンジはＤＣ電圧の設定レンジで決まり、これは全体の電圧からＡＣ電圧成分を除いたものとなる。駆動電圧ＶLまたはＶRの絶対値が大きいときに振幅ＶAを小さくすることで、同じ電源電圧に対して可動素子の測定可能な変位のレンジを広げることができる。
また、本実施例では変位検出部６は１チャンネルとして説明したが、変位検出部６が複数のチャンネルを備え、全可動素子Ａ１〜Ａｎも複数のブロックに分割し、変位検出部６の各チャンネルが各ブロック内を巡回チェックするように構成してもよい。
また、本実施例では可動素子は１つずつ変位検出部６と接続したが、複数の可動素子を同時に１つの変位検出部６と接続しても良い。この場合個々の可動素子のばらつきが平均化されて全体特性の変化を測る場合には精度の良い測定を行うことができる。温度特性変化などの環境変化に対して全ての可動素子がおよそ一定の傾向を持って特性が変化する場合には、こうして得られた全体的な補正データを個別の可動素子の変換データに加算すればよい。
また、本実施例では駆動信号をＤＣ信号としたが、これに限定されるものではなく、可動素子に所望の変位を与えうる駆動信号として可動素子の１次共振周波数以下の低周波数の駆動信号を与え、変位検出部６により可動素子の振幅と位相とを測定することにより、可動素子の応答特性を測定することもできる。また駆動信号の周波数を可動素子の１次共振周波数付近でシフトさせて共鳴点を探索することで、可動素子の共振周波数自身を測定することもでき、これによっても精度良く可動素子の応答特性を測定することができる。較正部１５はこれらの応答特性から可動素子の電圧−変位特性を算出し、変換部１２に格納して利用することができる。可動素子の１次共振周波数ｆｏと傾動に関するバネ定数ｋとにはｆｏがｋの平方根に比例するという関係を利用することにより、１次共振周波数ｆｏの変化を検出して静的な駆動電圧と変位の関係を較正することもできる。
また、本実施の形態では、可動素子を静電型可動素子、変位検出部６の変位検出方式を静電容量検出方式として説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、例えば可動素子に圧電素子を用い、変位検出方式をこの圧電効果を利用したものとしてもよい。
（実施形態２）
図４〜５を参照しながら、本発明によるマイクロアクチュエータの第２の実施形態を説明する。図４は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。
本実施形態のマイクロアクチュエータは、可動部４、変位検出部６、切り替え部７、Ｉ／Ｆ部１０、目標変位設定部１１、変位検出制御部１４については実施形態１で説明した構成と同一の構成を有している。実施形態１と異なる部分は制御部５０の構成であり、本実施形態では、制御部５０は変位検出部６の出力を用いて可動素子Ａ１〜Ａｎに対し間欠的な閉ループ制御を行う。
制御部５０は電圧指令部５１を備え、電圧指令部５１はサーボ制御部５２と電圧値ホールド部５３とを備える。
サーボ制御部５２は目標変位設定部１１と変位検出部６との差を誤差信号εとして入力し、所望の制御特性を持たせるためのＰＩＤ制御器を備え、この制御出力として電圧値ＶL、ＶRの指令値を与えて選択された可動素子Ａｉに対する閉ループ制御を行う。また、サーボ制御部５２は、誤差信号εの値およびその時間微分値が所定値以下になった場合に上記の制御が収束したと判断し、可動素子Ａｉに対する閉ループ制御を終了して開ループ制御に切り替えるとともに、次の可動素子Ａｉ＋１に対する閉ループ制御を行う。より詳細には、制御の収束を判断すると、サーボ制御部５２はその時点における電圧値ＶL、ＶRの指令値を電圧値ホールド部５３に出力する。電圧値ホールド部５３はこの電圧値ＶL、ＶRの指令値を可動素子Ａｉに対する指令値ＶLi、ＶRiとして保持し、次回に再びサーボ制御部５２から可動素子Ａｉに対する新たな指令値を入力するまでは、この指令値を出力する。切り替え部７は可動素子Ａｉの接続先を変位検出部６から電圧値ホールド部５３に切り替え、可動素子Ａｉ＋１の接続先を電圧値ホールド部５３から変位検出部６に切り替える。
以上のように構成したマイクロアクチュエータの動作について、図５を参照しながら説明する。図５は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの間欠閉ループ制御ルーチンのフローチャートである。
まず、ｉ＝１とし（ステップ６０）、閉ループ制御を行う可動素子Ａｉとして１番目の可動素子Ａ１を選択する。切り替え部７が可動素子Ａｉを変位検出部６に接続する（ステップ６１）。このとき、Ａｉ以外の全ての可動素子は電圧値ホールド部５３と接続され、この出力値を基に開ループ制御されている。
可動素子Ａｉの制御電圧値ＶL、ＶRの初期値は電圧値ホールド部５３に前回保持したＶLi、ＶRiの値を用いる（ステップ６２）。変位検出部６は可動素子Ａｉの変位を検出し、この検出変位量を目標変位設定部１１が出力した目標変位量と一致するようにサーボ制御部５２は閉ループ制御を行う（ステップ６３）。
検出変位量と目標変位量との誤差信号εの絶対値が所定値αとなり、かつ誤差信号εの時間微分値Δε／Δｔの絶対値が所定値β以下になった場合にはサーボ制御部５２は制御
が収束したと判断し（ステップ６４）、サーボ制御部５２はその時点における電圧値ＶL、ＶRの指令値を電圧値ホールド部５３に出力する。電圧値ホールド部５３はこの電圧値ＶL、ＶRの指令値を可動素子Ａｉに対する指令値ＶLi、ＶRiとして保持する（ステップ６５）。また、切り替え部７は可動素子Ａｉの接続先を変位検出部６から電圧値ホールド部５３に切り替える（ステップ６６）。これにより、可動素子Ａｉに対する閉ループ制御から開ループ制御への切り替えが完了し、次の可動素子Ａｉ＋１の閉ループ制御に移行する（ステップ６７）。ｎ番目の可動素子Ａｎの閉ループ制御が完了する（ステップ６８）と間欠閉ループ制御ルーチンは一巡する。
この間欠閉ループ制御ルーチンは少なくとも目標変位設定部１１の出力値が更新された場合には必ず実行され、可動素子Ａ１〜Ａｎは所望の姿勢に制御される。あるいは常時定期的にこのルーチンを実行してもよい。
以上説明したような本実施形態のマイクロアクチュエータによれば、切り替え部７が１つの変位検出部６およびサーボ制御部５２を複数の可動素子に切り替えて巡回させながら閉ループ制御を行い、制御が収束した可動素子はその状態を保持する開ループ制御を行うため、多数の可動素子を備えたアクチュエータであっても、変位検出のための検出信号発生器、増幅器、Ａ／Ｄ変換器などの数を大幅に低減させることができ、回路規模を削減してチップコストを削減することができる。
（実施形態３）
図６〜７を参照しながら、本発明によるマイクロアクチュエータの第３の実施形態を説明する。図６は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。
本実施形態のマイクロアクチュエータは、可動部４、Ｉ／Ｆ部１０、目標変位設定部１１、変位検出制御部１４、第１の駆動電圧発生部２０、第１の高周波信号発生部２１、第２の駆動電圧発生部２２、第２の高周波信号発生部２３、オペアンプ２４、コンデンサ２５、ＭＯＳトランジスタ２６、増幅器２７、ＡＤ変換器２８については実施形態２で説明した構成と同一の構成を有している。
実施形態２と異なる部分は切り替え部７０、変位検出部７１、制御部７５の構成である。本実施形態では、変位検出部７１については、変位検出信号から周波数ｆの信号のみを抽出する構成を付加し、（数１）の右辺第２項に示された駆動電圧ＶL、ＶRの変化ΔＶ
L、ΔＶRによるオフセットを軽減し、閉ループ制御精度を高めている。また、サーボ制
御部７７による閉ループ制御が収束した後は切り替え部７０が可動素子Ａｉとの接続を切り、端子ＴLi、ＴRi、ＴPiを高インピーダンスとして電極間に蓄積された電荷を保持する構成としたことにより、電圧値ホールド部を保持しない簡素な間欠閉ループ制御を行っている。
切り替え部７０には、可動素子Ａ１〜Ａｎの各々に対応したスイッチＳ１〜Ｓｎが配設されている。スイッチＳｉは可動素子Ａｉの各端子ＴLi、ＴRi、ＴPiと接続し、スイッチをＯＮした場合には各端子をそれぞれ変位検出部７１を含む駆動回路に接続し、スイッチをＯＦＦした場合には各端子を浮遊状態にする。各３つの端子のＯＮ、ＯＦＦの切り替えは一括して行われる。
変位検出部７１には、実施形態２の構成に加えて、発振器７２、乗算器７３、ローパスフィルタ７４を備える。発振器７２は、第１の高周波信号発生部２１と同一の周波数ｆを持つＡＣ信号を発生する。また、発振器７２が発生するＡＣ信号の位相は、第１の高周波信号発生部２１の発生電圧の位相と同一に設定される。乗算器７３は、増幅器２７の出力と発振器７２の出力とを乗じる。これにより、増幅器２７の出力成分のうち周波数ｆの信号成分のみが抽出され、この周波数ｆの信号成分の振幅に比例するＤＣ電圧が出力される。乗算器７３からの出力はローパスフィルタ７４によってフィルタリングされた後に、ＡＤ変換器２８によりＡＤ変換される。これにより、閉ループ制御時の駆動電圧ＶL、ＶRの変化ΔＶL、ΔＶRが発生するオフセット電圧を低減し、位置検出精度を高めている。

制御部７５は電圧指令部７６を備え、電圧指令部７６はサーボ制御部７７を備える。
サーボ制御部７７は目標変位設定部１１と変位検出部７１との差を誤差信号εとして入力し、この制御出力として電圧値ＶL、ＶRの指令値を与えて選択された可動素子Ａｉに対する閉ループ制御を行う。
また、制御部７５はクロックカウンタ（不図示）を備えており、切り替え部７０のスイッチＳｉがＯＮになった時点を起点として、各可動素子Ａｉがサーボ制御部７７と接続されている時間を計測する。
各可動素子Ａｉの閉ループ制御に割り当てられる時間には上限値τが設定されている。誤差信号εの値およびその時間微分値が所定値以下になって制御が収束するか、または閉ループ制御の所要時間が上限値τ以上となると、制御部７５は可動素子Ａｉに対する閉ループ制御を終了する。上限値τは通常の状態においては制御が収束するのに十分な値に設定されている。上限値τは固定値でもよいが、それまでの可動素子の制御所要時間の履歴を反映させて決定しても良い。例えば、１つ前の可動素子Ａｉ−１の上限値τに対して実際の収束時間ｔｉ−１が小さかった場合に、その余剰時間τ−ｔｉ−１の全部または一部を可動素子Ａｉの上限値τに繰り越して上乗せしても良い。
サーボ制御部７７による可動素子Ａｉへの閉ループ制御を終了すると同時に、切り替え部７０はスイッチＳｉをＯＦＦして端子ＴLi、ＴRi、ＴPiを浮遊状態にする。これにより可動素子Ａｉが形成するキャパシタＣLi、ＣRiに蓄えられた電荷量は、漏洩電流による消失量が十分に小さい時間内は一定に保たれ、可動素子Ａｉの変位は閉ループ制御完了時の状態で保持される。
切り替え部７０は次のスイッチＳｉ＋１をＯＮし、制御部７５は可動素子Ａｉ＋１に対する閉ループ制御を行う。このように、順次、可動素子の閉ループ制御を時系列で行っていく。最後の可動素子Ａｎの閉ループ制御を完了すると、再び最初の可動素子Ａ１に戻って２サイクル目の閉ループ制御を行う。このサイクルの周期時間をフレーム周期時間と呼ぶことにする。フレーム周期時間は、マイクロアクチュエータに求められる応答性能条件と、キャパシタＣLi、ＣRiに蓄えられた電荷量の漏洩電流による消失が十分に小さくなるための条件から決定される。各可動素子Ａｉに割り当てた時間の上限値τは、このフレーム周期時間が満たすべき条件を満足するように設定されている。例えば、上限値τを固定値とした場合はｎ・τがフレーム周期時間となる。ところで、特に閉ループ制御をデジタル制御で行う場合には、上限値τや経過時間ｔｉとの比較を実際に時間を計測して行う代わりに、閉ループ制御の繰り返しループ回数をカウントして、ループ回数の上限値と比較管理してもよい。ループ回数管理も間接的に時間を管理している点で本質的に時間管理に含まれるが、管理手続きをより簡単にすることができる。
以上のように構成したマイクロアクチュエータの動作について、図７を参照しながら説明する。図７は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの間欠閉ループ制御ルーチンのフローチャートである。
まず、上限値τを初期値τ０に設定する（ステップ８０）。初期値τ０はフレーム周期時間の１／ｎの値であり、予めＲＯＭに格納されたものである。次に、ｉ＝１とし、閉ループ制御を行う可動素子Ａｉとして１番目の可動素子Ａ１を選択する（ステップ８１）。
次に、切り替え部７０がスイッチＳｉをＯＮし、可動素子Ａｉを変位検出部７１に接続する（ステップ８２）。このとき、Ａｉ以外の全ての可動素子はスイッチがＯＦＦにされている。
可動素子Ａｉの制御電圧値ＶL、ＶRの初期値は、目標変位設定部１１の出力を変換部１２で変換して作成した値を設定する（ステップ８３）。変位検出部７１は可動素子Ａｉの変位を検出し、この検出変位量を目標変位設定部１１が出力した目標変位量と一致するようにサーボ制御部７７は閉ループ制御を行う（ステップ８４）。
検出変位量と目標変位量との誤差信号εの絶対値が所定値αとなり、かつ誤差信号εの時間微分値Δε／Δｔの絶対値が所定値β以下になった場合にはサーボ制御部７７は制御
が収束したと判断する（ステップ８５）。収束と判断されない場合は、さらに経過時間ｔｉと上限値τとを比較し、ｔｉ＜τであれば閉ループ処理を継続する（ステップ８６）。
収束と判断された場合や経過時間ｔｉが上限値以上となった場合は、サーボ制御部７７による可動素子Ａｉへの閉ループ制御を終了し、切り替え部７０がスイッチＳｉをＯＦＦして端子ＴLi、ＴRi、ＴPiを浮遊状態にする（ステップ８７）。
次に、余剰時間（τ−ｔｉ−１）に係数αを乗じて、次の可動素子に対する閉ループ処理時間の上限値τに繰り越す（ステップ８８）。係数αは０＜α＜１を満たす値とし、余剰時間が無制限に繰り越されて蓄積することを防止する。より好ましくは、係数αは０＜α＜ｅｘｐ（−１／ｎ）を満たす値とし、１フレーム周期時間以前の余剰時間の繰り越し結果の影響度を所定値（１／ｅ）以下に抑えている。
次に、ｉの値をインクリメントし、可動素子Ａｉ＋１の閉ループ制御に移行する（ステップ８９）。こうして順次可動素子を切り替えながら閉ループ制御を行い、一巡してｎ番目の可動素子Ａｎの閉ループ制御が完了すると、再度二巡目として１番目の可動素子Ａｎの閉ループ制御を開始する（ステップ９０）。
以上説明したような本実施形態のマイクロアクチュエータによれば、サーボ制御部７７による閉ループ制御が収束した後は切り替え部７０が可動素子Ａｉとの接続を切り、端子ＴLi、ＴRi、ＴPiを高インピーダンスとして電極間に蓄積された電荷を保持する構成としているので、簡易な構成で多数の可動素子を巡回する間欠的な閉ループ制御を行うことができる。
また、各可動素子の閉ループ制御に割り当てられる時間に上限値τを定めているために、閉ループ制御の収束結果によらずマイクロアクチュエータとしてのフレーム周期時間を確保することができる。
また、この上限値τをそれまでの可動素子の制御所要時間の履歴を反映させて決定しているために、フレーム周期時間の確保と閉ループ制御精度の向上とを両立させることができる。
（実施形態４）
図８〜１０を参照しながら、本発明によるマイクロアクチュエータの第４の実施形態を説明する。本実施形態のマイクロアクチュエータは上下動作と２軸の傾動動作を行う静電アクチュエータであり、補償光学用の可変形ミラーに適用されている。
図８は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの分解斜視図である。ここでは１つの微小ミラーユニットを拡大したものが図示されている。１つの微小ミラーユニットは、互いに独立に駆動される３組の可動素子によって３自由度の変位を与えられ、これによって上下動作と２軸の傾動動作が可能となっている。各可動素子はヨークと固定電極との対を備える。
微小ミラーユニットは３２個×３２個の総数１０２４個が２次元にアレイ化されている。ヨークと固定電極との対からなる可動素子の総数はこの３倍の３０７２個である。
基板１００上には駆動回路１００ａが形成され、その上に絶縁層１０１が形成される。絶縁層１０１上にはベース１０２および３対の固定電極１０３〜１０５が形成される。ベース１０２および固定電極１０３〜１０５は、アルミニウム（Ａｌ）または多結晶シリコン等の導電膜をパターニングすることによって形成されている。固定電極１０３は互いに独立に電圧設定が可能な第１電極１０３Ｌおよび第２電極１０３Ｒを備える。固定電極１０４、１０５も同様に、それぞれ第１電極１０４Ｌ、１０５Ｌおよび第２電極１０４Ｒ、１０５Ｒを備える。
第１電極１０３Ｌ〜１０５Ｌおよび第２電極１０３Ｒ〜１０５Ｒは、それぞれが絶縁層１０１に形成されたビア（不図示）によって基板１００に形成された駆動回路１００ａに接続されている。駆動回路１００ａは、０〜３０Ｖの範囲内で各々独立した電圧を第１電極１０３Ｌ〜１０５Ｌおよび第２電極１０３Ｒ〜１０５Ｒに印加することができる。この印加電圧は例えば１２ｂｉｔの多段階の値として設定され得る。
３つのヨーク１０７〜１０９がそれぞれ１対のヒンジ１０６によって取り付けられ、さらにこれらのヨーク１０７〜１０９を微小ミラー１１０に連結するための中間連結部材１１１が設けられている。ヒンジ１０６はベース１０２と一体に接合し、電気的に導通している。各ベース１０２は、絶縁層１０１に形成されたビア（不図示）によって駆動回路１００ａに接続されている。隣接するベース１０２同士は互いに電気的に分離しており、それぞれが独立して駆動回路１００ａに接続されている。
ヨーク１０７〜１０９は、対応する固定電極１０３〜１０５に対向し、それぞれが可動電極として機能する。ヨーク１０７〜１０９は、アルミニウム（Ａｌ）または多結晶シリコン等の導電性部材をパターニングすることによって形成され、ベース１０２と導通して接地電位に設定されている。ヨーク１０７〜１０９は、それぞれ第１電極１０３Ｌ〜１０５Ｌおよび第２電極１０３Ｒ〜１０５Ｒに対向する位置に第１の部分１０７Ｌ〜１０９Ｌおよび第２の部分１０７Ｒ〜１０９Ｒを有している。ヨーク１０７〜１０９は互いに同一の形状をしており、特に断らない限り、１つのヨークについての説明内容は他のヨークについても適用される。
ヨーク１０８は回動軸Ａ１を中心に回動自在に支持され、ヨーク１０７、１０９は回動軸Ａ２を中心に回動自在に支持される。回動軸Ａ１（またはＡ２）と直交する方向をｘとし、ｘ方向に隣接する可動素子のピッチ間隔をｐとすると、回動軸Ａ１と回動軸Ａ２とは互いにｘ方向に半ピッチ分（＝ｐ／２）だけずれた位置に設けられる。このように、ｙ方向に隣接するヨーク同士は回動軸が互いにｘ方向に半ピッチ分ずらされて、市松模様状に配列される。ヨーク１０７を支持するヒンジ１０６は、ヨーク１０８と隣接するヨーク１０８’との間の隙間に沿在するように配設される。
第１電極１０３Ｌに駆動電圧を与えた場合、ヨーク１０７の第１の部分１０７Ｌが第１電極１０３Ｌ側に吸引される。これに対し、第２電極１０３Ｒに駆動電圧を与えた場合は、第２の部分１０７Ｒが第２電極１０３Ｒ側に吸引される。このようにして、回動軸Ａを中心にしてＣＷ（時計回り）方向、ＣＣＷ（反時計回り）方向の何れに対しても、選択的に回動力を付与できる。
第１の部分１０７Ｌの遊端近傍の駆動点１０７ｃ（斜線で表示）において、ヨーク１０７は中間連結部材１１１の突起１１１ａと結合する。また駆動点１０７ｃの近傍にはヨーク１０７を貫通する溝穴１０７ｄを設ける。
中間連結部材１１１は、３点の突起１１１ａ〜１１１ｃを備え、突起１１１ａはヨーク１０７の駆動点１０７ｃと連結し、突起１１１ｂはヨーク１０８の駆動点１０８ｃと連結し、突起１１１ｃはヨーク１０９の駆動点１０９ｃと連結している。このため、ヨーク１０７〜１０９を個別に回動駆動させると、突起１１１ａ〜１１１ｃの変位を独立に制御できることになり、これによって中間連結部材１１１の姿勢が定まる。突起１１１ａ〜１１１ｃ近傍には中間連結部材１１１を貫通する溝穴１１３ａ〜１１３ｃを設ける。
微小ミラー１１０は、突起１１４によって中間連結部材１１１の斜線部１１２と結合している。微小ミラー１１０と中間連結部材１１１とは一体に結合しているため、微小ミラー１１０の姿勢は中間連結部材１１１の姿勢によって決定される。ｘ方向に隣接する微小ミラー１１０のピッチ間隔ｐは１００μｍ、ミラー長さＬは９８μｍである。
第１電極１０３Ｌ〜１０５Ｌ、第２電極１０３Ｒ〜１０５Ｒへの駆動電圧を独立に制御することにより、微小ミラー１１０は、ｚ方向の変位、ｘ軸周りの傾き、ｙ軸周りの傾きについて正負双方向に駆動される。
次に図９を参照して、駆動回路１００ａの詳細を説明する。図９は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの駆動回路１００ａの概略構成図である。ヨークと２つの固定電極とから構成される各可動素子もＡｉ，ｊとして一緒に記載されている。添字のｉとｊは可動素子の２次元アレイにおけるそれぞれ行と列の番地を表す。３つの可動素子で１つの微小ミラーユニットが構成されているため、ｊの値を３つ毎に区切った単位で１つの微小ミラーユニットに対応させている。例えば、Ａ１，１〜Ａ１，３は同じ微小ミラーを動かすための３つの可動素子である。微小ミラーユニットが３２個×３２個のアレイであるため、ｉは１〜３２までの自然数、ｊは１〜９６までの自然数である。
各可動素子Ａｉ，ｊには６個のスイッチング用のＭＯＳトランジスタが接続されている。これらのＭＯＳトランジスタはエンハンスメント型で、ゲート電圧をＨにするとスイッチがＯＮされ、ＬにするとスイッチがＯＦＦされる。各ＭＯＳトランジスタによる電圧損失を小さくするためにゲート電圧は昇圧回路（不図示）により昇圧されたものが用いられる。
これらのうち、下側の３個のＭＯＳトランジスタは可動素子Ａｉ，ｊを開ループ制御する際に用いられ、駆動用ワード線ＷＤｉをＨにすると、駆動用ビット線ＢＤｊL、ＢＤｊR、ＢＤｊPをそれぞれ可動素子Ａｉ，ｊの第１電極、第２電極、ヨークに接続する。
また、上側の３個のＭＯＳトランジスタは可動素子Ａｉ，ｊの変位を検出して電圧と変位との関係を較正する際に用いられ、検出用ワード線ＷＳｉをＨにすると、検出用ビット線ＢＳｊL、ＢＳｊR、ＢＳｊPをそれぞれ可動素子Ａｉ，ｊの第１電極、第２電極、ヨークに接続する。
駆動用ワード線ＷＤ１〜ＷＤ３２、検出用ワード線ＷＳ１〜ＷＳ３２はラインデコーダ１２０に接続され、切り替え制御部１２１からのアドレス信号Ａｄｒ１に応じて選択されたワード線のみがＨにされる。ラインデコーダ１２０はデマルチプレクサを用いて構成される。
まずは開ループ制御動作時の信号の流れに沿って、構成の説明を続ける。
Ｉ／Ｆ部１２２は、制御に関わる外部とのコマンドおよびデータをやりとりする。外部から入力されるデータには、可変形ミラーが形成すべき波面の形状に関するデータが含まれる。この波面の形状データは、例えばｘｙ平面内の各座標位置におけるｚ方向への変位データ、あるいはＺｅｒｎｉｋｅ多項式による波面モード係数データとして与えられる。これらのデータは転送負荷を軽減するため圧縮して送っても良い。波面形状をフレーム単独で圧縮するフレーム内圧縮方式と、前の時間の波面形状との差分値をとるフレーム間圧縮方式と、両方式による圧縮データを所定枚数毎に織り交ぜて転送する方式が考えられる。あるいはもっと簡単な構成においては、予め登録された複数種類の波面形状の中から、所望の波面形状を呼び出してもよい。この場合は外部から入力されるデータは、波面形状の登録番号である。
目標変位設定部１２３は、Ｉ／Ｆ部１２２からの出力に基づき、各可動素子Ａｉ，ｊの目標変位を与える目標変位データＺｉ，ｊを発生する。各目標変位データＺｉ，ｊは、ｉ、ｊの番地を表す１２ｂｉｔ部と、目標変位の大きさを−１２８〜１２７までの２５６段階で表す８ｂｉｔ部を持つ計２０ｂｉｔのデータである。目標変位設定部１２３は、まずｊの値をインクリメントしながら、各目標変位データＺｉ，ｊを１つずつ変換部１２４に出力する。ｊの値が最大値９６に達したらｉをインクリメントする。従って、出力される目標変位データの順番は、Ｚ1,1、Ｚ1,2、・・・、Ｚ1,96、Ｚ2,1、Ｚ2,2、・・・というようになる。
変換部１２４は、目標変位データＺｉ，ｊをアドレスとして与えるとこれに対応した電圧指令データＤｉ，ｊを出力する変換テーブルを備える。電圧指令データＤｉ，ｊは−１０２４〜１０２３までの２０４８段階の値を与える１１ｂｉｔデータであり、最上位ビットは正負を示す。すなわち、最上位ビットは可動素子Ａｉ，ｊの駆動される固定電極が第１電極、第２電極のどちらであるかを示している。この変換テーブルは較正部１３４で作成され、変換部１２４内の書き換え可能なメモリに格納されている。電圧指令データＤｉ，ｊは１ｂｉｔずつシフトレジスタ１２５に与えられる。シフトレジスタ１２５への電圧指令データＤｉ，ｊの送付が完了すると、すぐ引き続いて、次の可動素子Ａｉ，ｊ＋１の電圧指令データＤｉ，ｊ＋１が送られる。
シフトレジスタ１２５は、変換部１２４から送られた電圧指令データＤｉ，ｊを１ｂｉｔずつ順次転送していく。可動素子Ａｉ，１〜Ａｉ，９６に対応する電圧指令データＤｉ，１〜Ｄｉ，９６までの転送が完了した時点で、切り替え制御部１２１からラッチ１２６にストローブ信号Ｓｔｂが与えられ、このタイミングでシフトレジスタ１２５内の電圧指令データＤｉ，１〜Ｄｉ，９６が一括してラッチ１２６に保持される。シフトレジスタ１２５の転送速度は１６．９ＭＨｚで、１１ｂｉｔ×９６個のデータを６２．５μｓで転送する。ラッチ１２６にデータを転送した後、シフトレジスタ１２５は直ちに次の行の可動素子Ａｉ＋１，１〜Ａｉ＋１，９６のデータを転送する。従って、ラッチ１２６は約６２．５μｓ周期でストローブ信号Ｓｔｂを受けることになり、この約６２．５μｓが可動素子Ａｉ，１〜Ａｉ，９６への電圧印加時間に相当する。
ラッチ１２６に保持された電圧指令データＤｉ，１〜Ｄｉ，９６は、９６個のＤＡコンバータ１２７およびスイッチ１２８の各々により、各可動素子Ａｉ，ｊの固定電極に印加する駆動電圧に変換される。ここでは可動素子Ａｉ，１に対応するＤＡコンバータ１２７ａとスイッチ１２８ａを例にとって説明するが、他の９５個のＤＡコンバータおよびスイッチも同様の構成を備える。
ＤＡコンバータ１２７ａは、１１ｂｉｔの電圧指令データＤｉ，１の下位１０ｂｉｔを入力し、０〜３０Ｖの範囲で対応する大きさの駆動電圧を出力する１０ｂｉｔのＤＡコンバータである。
スイッチ１２８ａは、１１ｂｉｔの電圧指令データＤｉ，１の最上位ビットを入力し、この最上位ビットの値が０ならば、駆動用ビット線ＢＤ1Lを接地電位に接続し、駆動用ビット線ＢＤ1RをＤＡコンバータ１２７ａの出力に接続する。また、最上位ビットの値が１ならば、駆動用ビット線ＢＤ1LをＤＡコンバータ１２７ａの出力に接続し、駆動用ビット線ＢＤ1Rを接地電位に接続する。これにより、可動素子Ａｉ，１の目標変位が正の値の場合はＤＡコンバータ１２７ａの出力が第２電極側に接続され、負の値の場合は第１電極側に接続されて、可動素子を正負双方向に傾動制御することが可能になる。
このように、９６対の全ての駆動用ビット線ＢＤ1L、ＢＤ1Rに対して、スイッチ１２８がそのいずれか一方を選択して各ＤＡコンバータ１２７からの駆動電圧を印加する。
これと同時に、切り替え制御部１２１はラインデコーダ１２０にｉ行目の駆動用ワード線ＷＤｉのみをＨとするようなアドレス信号Ａｄｒ１を与える。駆動用ワード線ＷＤｉがＨとなると、可動素子Ａｉ，１〜Ａｉ，９６がそれぞれ駆動用ビット線ＢＤ1L、ＢＤ1R、ＢＤ1Pと導通し、目標変位量に応じた開ループ制御が行われることになる。既に説明したように、可動素子Ａｉ，１〜Ａｉ，９６への駆動電圧の印加時間は６２．５μｓである。一方、可動素子Ａｉ，ｊの一次共振周波数は７０〜１００ｋＨｚであり、逆数をとって求めた応答時間は１０〜１４μｓ程度となる。このように、可動素子への駆動電圧の印加時間は可動素子の応答時間よりも十分大きな値に設定しているため、可動素子の変位が十分に整定した状態まで駆動電圧を印加し続けることが可能である。これにより、駆動電圧の印加完了後の可動素子の変位に伴う電極間の電圧変動の発生を防止し、開ループ制御における可動素子の変位精度を高めている。
開ループ制御時には、このように６２．５μｓ周期でｉの値をインクリメントしていき、それぞれの行の可動素子Ａｉ，１〜Ａｉ，９６に所望の変位を与える。３２行全ての可動素子を開ループ制御するのに要する時間は２ｍｓであり、これがフレーム周期時間となる。
次に、較正動作時の信号の流れに沿って、構成の説明を続ける。較正動作は電源起動時などに行い、その基本的な較正動作の流れは実施形態１で説明したものと同様である。実施形態１との主な違いは、配線の寄生容量などによるオフセットを除去して位置検出精度を高めた点と、ＤＡコンバータ１３１の出力電圧および変位検出部１３３の差動入力にバイアス電圧ＶAを与えて負側の出力を不要にした点にある。
電圧指令部１３０は、２チャンネル分の電圧指令値を発生し、これを１〜１０ＭＨｚ程度の周波数で切り替えながら、それぞれのチャンネルの出力をＤＡコンバータ１３１ａ、１３１ｂに与える。これによりＤＡコンバータ１３１ａは出力電圧ＶL＋ＶA（１＋ｓｉｎ（２πｆｔ））を出力し、ＤＡコンバータ１３１ｂは出力電圧ＶR＋ＶA（１−ｓｉｎ（２πｆｔ））を出力する。実際にはこの振幅ＶA、周波数ｆのＡＣ電圧成分の波形は正弦波よりも矩形波の方が良い。較正動作時には、電圧指令部１３０は基本的にはＶAの値を一定にしたまま、駆動電圧となるＶLとＶRのどちらか一方を０Ｖとし、他方を複数段階に変化させることになる。これは実施形態１で説明した構成にバイアス電圧ＶAを付加した構成となっており、ＤＡコンバータ１３１ａ、１３１ｂの出力電圧は常に正の値をとる。
切り替え部１３２は、切り替え制御部１２１のアドレス信号Ａｄｒ２に応じて、第ｊ列目の検出用ビット線ＢＳｊL、ＢＳｊR、ＢＳｊPをそれぞれＤＡコンバータ１３１ａ、１３１ｂ、変位検出部１３３に接続する。
また、ラインデコーダ１２０は、切り替え制御部１２１のアドレス信号Ａｄｒ１に応じて、第ｉ行目の検出用ワード線ＷＳｉをＨにする。これにより、検出用ビット線ＢＳｊL、ＢＳｊR、ＢＳｊPがそれぞれ可動素子Ａｉ，ｊの第１電極、第２電極、ヨークに接続される。こうして、選択された１つの可動素子Ａｉ，ｊの第１電極、第２電極、ヨークがそれぞれＤＡコンバータ１３１ａ、１３１ｂ、変位検出部１３３に接続されることになる。
変位検出部１３３の基本構成は実施形態３で説明した変位検出部７１と同じであるが、初段の差動増幅器１３３ａの正側入力にバイアス電圧ＶAを付加した構成としている。これにより、ＤＡコンバータ１３１で与えたバイアス電圧ＶA分を補償して可動素子Ａｉ，ｊの第１電極、第２電極、ヨーク間の各電位差の関係を開ループ制御時と同一に保ち、較正精度の低下を防止している。
較正部１３４は、電圧指令部１３０が出力する電圧指令値と、変位検出部１３３が出力する可動素子Ａｉ，ｊの変位の検出結果とを入力し、電圧指令値と変位との対応関係を作成する。これらの関係は所定の形式の近似曲線にフィットさせることで測定誤差を除去し、補間された形で変換部１２４の変換テーブルに格納される。
以上のように構成したマイクロアクチュエータの動作について、図１０を参照しながら説明する。図１０は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの較正動作ルーチンのフローチャートである。
まず、ｊ＝１と設定し（ステップ１４０）、切り替え部１３２が第ｊ列目の検出用ビット線ＢＳｊL、ＢＳｊR、ＢＳｊPをそれぞれＤＡコンバータ１３１ａ、１３１ｂ、変位検出部１３３に接続する（ステップ１４１）。次に、ｉ＝１と設定し（ステップ１４２）、可動素子Ａｉ，ｊを変位検出の対象に選択する。電圧指令部１３０は電圧指令値Ｄを最小値Ｄｍｉｎに設定する（ステップ１４３）。このとき、駆動電圧ＶR、ＶLの大きさはＶR＝０Ｖ、ＶL＝３０Ｖに設定され、両者の差ＶR−ＶLは最低電圧（−３０Ｖ）となる。以降の説明において、電圧指令値Ｄが負の値の場合はＶR＝０ＶとしてＶLを正の値に設定し、Ｄが正の場合はＶL＝０ＶとしてＶRを正の値に設定するものとする。変位検出のための高周波信号がこれに重畳されているのは既に説明したとおりである。
可動素子Ａｉ，ｊの変位検出に先立って、切り替え制御部１２１が全ての検出用ワード線ＷＳ１〜ＷＳ３２をＬに設定し、全ての可動素子Ａ１，ｊ〜Ａ３２，ｊと検出用ビット線ＢＳｊL、ＢＳｊR、ＢＳｊPとの接続をＯＦＦする（ステップ１４４）。このときの変位検出部１３３の出力を、較正部１３４がオフセット値Ｚ０（Ｄ）として記憶する（ステップ１４５）。可動素子への接続は切断されているので、オフセット値Ｚ０（Ｄ）は配線の寄生容量や駆動電圧の影響などによる誤差成分を表している。なお、このステップ１４４、１４５の操作はｉ＝１の場合のみ行う。
次に、検出用ワード線ＷＳｉをＨとし、可動素子Ａｉ，ｊを検出用ビット線ＢＳｊL、ＢＳｊR、ＢＳｊPに接続する（ステップ１４６）。このときの変位検出部１３３の出力を、較正部１３４が補正前の変位Ｚ’（Ｄ）として記憶する（ステップ１４７）。較正部１３４は、補正前の変位Ｚ’（Ｄ）とオフセット値Ｚ０（Ｄ）とから補正後の変位Ｚ（Ｄ）を算出して記憶する（ステップ１４８）。一般にはＺ（Ｄ）＝Ｚ’（Ｄ）−Ｚ０（Ｄ）とすればよいが、例えば実験により得られた別の補正式を用いてオフセットを補正してもよい。
次に電圧指令値Ｄを所定値だけ増加させ（ステップ１４９）、Ｄが最大値Ｄｍａｘになるまで（ステップ１５０）、変位Ｚ（Ｄ）の測定を繰り返す。これにより、較正部１３４には複数段階のＤの値に対する変位Ｚ（Ｄ）の測定結果が蓄積されている。較正部１３４はこれを所定の近似関数にフィッティングして測定誤差を除去し、さらにこの近似関数を用いて補間しながら、８ｂｉｔの変位Ｚの各値に対応する１１ｂｉｔの電圧指令値Ｄを求める。これに可動素子Ａｉ，ｊの番地ｉ、ｊを表す１２ｂｉｔデータを加えておくことで、可動素子Ａｉ，ｊに対する変位Ｚと電圧指令値Ｄとの変換テーブルが出来上がる（ステップ１５１）。
次に、ｉをインクリメントし（ステップ１５２）、同じ第ｊ列の３２個の可動素子Ａ１，ｊ〜Ａ３２，ｊについて同様に変位Ｚと電圧指令値Ｄとの変換テーブルを作成する（ステップ１５３）。
次に、ｊをインクリメントし（ステップ１５４）、９６列の可動素子全てについて同様に変位Ｚと電圧指令値Ｄとの変換テーブルを作成する（ステップ１５５）。
図１１（ａ）および（ｂ）は、ある可動素子における電圧指令値Ｄと変位との対応関係を示すグラフである。図１１（ａ）は、オフセット補正に関わるデータが記されている。図で×印で示されたデータポイントは、測定されたオフセット値Ｚ０（Ｄ）であり、△印で記載されたデータポイントは、測定された補正前の変位Ｚ’（Ｄ）である。○印で示されたデータポイントは、Ｚ（Ｄ）＝Ｚ’（Ｄ）−Ｚ０（Ｄ）の関係を用いて計算された補正後の変位Ｚ（Ｄ）である。
ここでは、電圧指令値Ｄを１３段階に変化させながら、各電圧指令値Ｄに対応する変位Ｚ（Ｄ）を求めている。電圧指令値Ｄの各段階での増分は一定ではない。電圧指令値Ｄに対する変位Ｚ’（Ｄ）の変化量は、ＤｍａｘおよびＤｍｉｎに近いほど電圧指令値Ｄで大きい。このため、電圧指令値ＤがＤｍａｘおよびＤｍｉｎに近づくほど、その増分を小さくしている。このように、電圧指令値Ｄと変位Ｚ’（Ｄ）との間に存在する非線形的な関係を考慮して、電圧指令値Ｄの増分を決定することにより、変位Ｚ’（Ｄ）の増分をほぼ一定にすることができる。
図１１（ｂ）には近似関数でフィッティングされたオフセット補正後の変位Ｚ（Ｄ）が実線で示されている。こご用いた近似関数は、２次関数Ｚ（Ｄ）＝αＤ2＋βＤ＋γである。Ｄ＞０の象限およびＤ＜０の象限のそれぞれにおいてフィッティング誤差を最小にするα、β、γの係数の値が求められる。図１１（ｂ）では、破線で示した較正前の電圧指令値Ｄと変位Ｚとの対応関係が参考のために記載されている。
以上説明したように、可動素子Ａｉ，ｊを検出用ビット線ＢＳｊL、ＢＳｊR、ＢＳｊP等の配線に接続した状態で得られた変位Ｚが、可動素子Ａｉ，ｊをこれらの配線から切り離した状態で得られたオフセット値Ｚ０を用いて補正される。このため、配線の寄生容量などによるオフセットの影響を除去し、可動素子Ａｉ，ｊの位置検出精度を高めることができる。
なお、本実施形態では、可動素子の変位検出を１つずつ接続を切り替えながら行ったが、電圧指令部１３０、ＤＡコンバータ１３１ａ、１３１ｂおよび変位検出部１３３に相当する構成を複数対備えて、複数の可動素子の変位検出を同時に行っても良い。特に、１つの微小ミラーユニットに属する３つの可動素子を同時に駆動してこのときの各可動素子の変位をそれぞれ検出して較正を行うと、可動素子間の駆動力の伝達によるクロストーク的な変位が発生した場合にも、これらを補償するような制御を行うことができる。この場合、較正部１３４が作成する変換テーブルは、例えば可動素子Ａ１，１の変位（Ｚ１，１）、Ａ１，２の変位（Ｚ１，２）、Ａ１，３の変位（Ｚ１，３）という３つの情報を持ったアドレスを与えると可動素子Ａ１，１への電圧指令値Ｄ１，１が出力されるといったものになる。電圧指令値Ｄ１，１に対する変位Ｚ１，２、Ｚ１，３が与える影響が比較的小さければ、変位Ｚ１，２、Ｚ１，３は上位ビットのみを用いればよい。
（実施形態５）
図１２を参照しながら、本発明によるマイクロアクチュエータの第５の実施形態を説明する。図１２は、本実施形態におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。
本実施形態のマイクロアクチュエータの制御部７５は、実施形態３のマイクロアクチュエータにおける制御部７５と同一の構成を有している。本実施形態のマイクロアクチュエータが、実施形態３のマイクロアクチュエータと異なる部分は、可動部１６０、切り替え部１６１、および変位検出部１６２の構成である。以下、これらの構成を説明する。
本実施形態では、変位検出のための可動部１６０、および切り替え部１６１の配線構成が簡素化されている。可動部１６０の可動電極ＹLiは、切り替え部１６１に接続されずに全て接地されている。このため、切り替え部１６１の各スイッチＳｉは、固定電極ＥLiに接続するスイッチと、固定電極ＥRiに接続するスイッチとの２つのスイッチを有するが、可動電極ＹLiに接続するスイッチは省略されている。
変位検出部１６２は、図１２に示されるように、高周波信号発生部２１、負荷抵抗１６３Ｌ、１６３Ｒ、アイソレータ１６４Ｌ、１６４Ｒ、ハイパスフィルタ１６５Ｌ、１６５Ｒ、高周波位相差検出部１６６、およびＡＤ変換器１６７を備えている。
負荷抵抗１６３Ｌの一端を「第１端子ＴL」と称することにする。この第１端子ＴLは、切り替え部１６１のスイッチＳｉを介して可動素子Ａｉの固定電極ＥLiと接続されている。負荷抵抗１６３Ｌの他端には、第１の駆動電圧発生部２０からの駆動信号ＶLと高周波信号発生部２１からの高周波信号ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）との和信号ＶL＋ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）が印加される。
同様に、負荷抵抗１６３Ｒの一端を「第２端子ＴR」と称することにする。この第２端子ＴRは、切り替え部１６１のスイッチＳｉを介して可動素子Ａｉの固定電極ＥRiと接続されている。負荷抵抗１６３Ｒの他端には、第２の駆動電圧発生部２２からの駆動信号ＶRと高周波信号発生部２１からの高周波信号ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）との和信号ＶR＋ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）が印加される。
負荷抵抗１６３Ｌ、１６３Ｒの高周波信号ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）に対するインピーダンスＺ0は互いに同一である。ここでは、このインピーダンスＺ0は虚数部を持たない純粋な抵抗であり、かつ第１の駆動電圧発生部２０および第２の駆動電圧発生部２２の内部抵抗を含む値を持つものとして取り扱う。
インピーダンスＺ0の大きさは、可動素子Ａｉが変位していない場合のキャパシタＣLi、ＣRiの各静電容量をＣとすると、０．５ ＜ ２πｆＣＺ0 ＜ ２を満たすように選ばれる。例えば、Ｃが１０ｆＦの場合、ｆを１００ＭＨｚ、Ｚ0を１６０ｋΩとなるように設定する。このような範囲にインピーダンスＺ0を設定すれば、変位検出感度がほぼ最大に近くなる。
アイソレータ１６４Ｌ、１６４Ｒは、それぞれ、第１端子ＴL、第２端子ＴRに接続されてインピーダンス変換を行う。アイソレータ１６４Ｌ、１６４Ｒは、オペアンプを用いたボルテージフォロアにより構成される。アイソレータ１６４Ｌ、１６４Ｒの出力は、それぞれ、ハイパスフィルタ１６５Ｌ、１６５Ｒを介して高周波位相差検出部１６６に入力される。ハイパスフィルタ１６５Ｌ、１６５Ｒは、周波数ｆの高周波成分については十分な透過性を持ち、駆動信号ＶL、ＶRの持つ低周波成分については、十分な遮断性を有している。
高周波位相差検出部１６６は、入力された２つの高周波信号の位相差を検出し、この位相差に応じた信号を出力する。高周波位相差検出部１６６の出力は、ＡＤ変換器１６７によってデジタルデータに変換される。このデジタルデータがキャパシタＣLi、ＣRi、の容量差すなわち可動素子Ａｉの変位量を表すデータとなる。
これらのアイソレータ１６４Ｌ、１６４Ｒ、ハイパスフィルタ１６５Ｌ、１６５Ｒ、高周波位相差検出部１６６、ＡＤ変換器１６７は、本発明のマイクロアクチュエータにおける「高周波検出部」として機能する。
制御部７５からの指令により、第１の駆動電圧発生部２０からの駆動信号ＶLと第２の駆動電圧発生部２２からの駆動信号ＶRとの振幅値を異ならせると、可動素子Ａｉは変位する。これに伴って発生したキャパシタＣLi、ＣRi、の容量差に応じて、上記したように第１端子ＴLと第２端子ＴRとの間で周波数ｆの高周波成分の位相差が発生する。このため、可動電極ＹLiを個別に変位検出部１６２に接続しなくても、変位の検出が可能である。
なお、駆動信号は可動素子Ａｉの１次共振周波数以下の周波数を持つ。本実施形態で用いる駆動信号は直流電圧である。従って、本字における駆動信号の大きさとは、電圧値を意味している。高周波信号は、可動素子Ａｉの１次共振周波数以上の周波数を持つ。
以上説明したような本実施形態のマイクロアクチュエータによれば、変位検出部１６２が高周波信号発生部２１と、第１端子ＴLにおいて第１電極ＥLiに接続された第１の負荷抵抗１６３Ｌと、第２端子ＴRにおいて第２電極ＥRiに接続された第２の負荷抵抗１６３Ｒと、第１端子ＴLと第２端子ＴRとに接続される高周波検出部１６４〜１６７とを備えて、第１の負荷抵抗１６３Ｌの他端には、第１の駆動信号ＶLに高周波信号ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）を重畳して生成した第１の和信号ＶL＋ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、第２の負荷抵抗１６３Ｒの他端には第１の駆動信号ＶLと異なる大きさの第２の駆動信号ＶRに高周波信号ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）を重畳して生成した第２の和信号ＶR＋ＶA ｓｉｎ（２πｆｔ）を印加し、高周波検出部１６４〜１６７は、第１端子ＴLと第２端子ＴRとの間における高周波信号の位相差を検出するように構成されているために、可動電極Ｙiを１つ１つ変位検出部１６２に接続させる必要がなく、可動部１６０と切り替え部１６１との配線構成を大幅に簡略化することができる。
さらに本実施形態の構成によれば、高周波信号発生部２１の数もただ１つでよく、位相を反転させる第２の高周波信号発生部２３を省略することができる。
また、本実施形態の負荷抵抗１６３Ｌ、１６３Ｒのインピーダンスは固定値であるが、負荷抵抗１６３Ｌ、１６３Ｒのいずれか一方、例えば負荷抵抗１６３Ｌのインピーダンスを可変としてもよい。この場合、端子ＴLと端子ＴRとの間の差動電圧の周波数ｆの成分が零になるように負荷抵抗１６３Ｌのインピーダンスを調整することにより、キャパシタＣLi、ＣRi、の容量差を検出することもできる。
ここでは、負荷抵抗１６３Ｌ、１６３Ｒが虚数部を持たない純抵抗から構成しているが、本発明はこれに限られない。コイルやキャパシタなどを単独または抵抗と組み合わせて用い、抵抗値が虚数部を持つようにしても良い。特に、共振回路構造を利用すれば、位相検出感度を大きく高めることができる。
本発明のマイクロアクチュエータにおける「負荷インピーダンス素子」は、本実施形態における「負荷抵抗」に限られず、上記のコイルやキャパシタを含んだ負荷インピーダンスを持つものも含んでいる。
入力された２つの高周波信号の位相差を検出する高周波位相差検出部１６６の代わりに、入力された２つの高周波信号の振幅差または振幅比を検出する構成を採用しても良い。本発明のマイクロアクチュエータにおける「高周波検出部」は、入力した２つの高周波信号の位相および／または振幅を比較する任意の構成を有し得る。
なお、本実施形態の変位検出部１６２の回路構成と、一般的なインピーダンスブリッジ回路との差異について、再度説明を補足する。変位検出部１６２の回路構成の特徴は、高周波信号に対してのみ対称であり、かつ、低周波信号に対しては非対称である点にある。すなわち、インピーダンスブリッジ回路内に構成された第１の駆動電圧発生部２０と第２の駆動電圧発生部２２とは、互いに異なる駆動電圧を発生することができる。このように低周波信号に対しては非対称な回路構成を有することにより、可動素子Ａｉの可動電極を変位させながら、その変位量を検出することが可能になる。その一方、高周波信号に対しては対称的な回路構成としているため、端子ＴLと端子ＴRとの差動信号を用いて、キャパシタＣLi、ＣRiの微小な容量差を精度良く検出できる。
（実施形態６）
図１３および図１４を参照しながら、本発明によるマイクロアクチュエータの第６の実施形態を説明する。図１３は本実施形態におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。
本実施形態のマイクロアクチュエータにおける可動素子Ａｉ，ｊ、Ｉ／Ｆ部１２２、および目標変位設定部１２３は、実施形態４のマイクロアクチュエータにおける構成と同一の構成を有している。また、変位検出部１７０は、実施形態５のマイクロアクチュエータにおける変位検出部１６２を複数個並べたものである。
本実施形態の構成が実施形態４、５の構成と異なる部分は、電圧指令値Ｄｉ，ｊを駆動電圧Ｖi,jL、Ｖi,jRに変換する際に非線形ＤＡコンバータ１７６を用い、駆動電圧Ｖi,jL、Ｖi,jRと可動素子の変位との非線形性を補償して、電圧指令値Ｄｉ，ｊと可動素子の変位との関係を概ね線形とした点である。これにより、変位の分解能を得るために必要な電圧指令値Ｄｉ，ｊのビット数を下げられるだけでなく、電圧指令値Ｄｉ，ｊと可動素子との対応関係を較正部１７８が近似関数にフィッティングする際の演算量を大幅に低減することができる。
各可動素子Ａｉ，ｊには２個のスイッチング用のＭＯＳトランジスタが接続され、ワード線ＷｉをＨにすると、ビット線ＢｊL、ＢｊRがそれぞれ可動素子Ａｉ，ｊの第１電極、第２電極と導通する。
ワード線Ｗ１〜Ｗ３２はラインデコーダ１７１に接続され、切り替え制御部１７２からのアドレス信号Ａｄｒ１に応じて選択されたワード線のみがＨにされる。
変換部１７３、シフトレジスタ１７４、ラッチ１７５は、取り扱う電圧指令値Ｄｉ，ｊのビット数が９ｂｉｔである点以外は、実施形態４で説明した変換部１２４、シフトレジスタ１２５、ラッチ１２６と同じである。変換部１２４、シフトレジスタ１２５、ラッチ１２６が取り扱う電圧指令値は１１ｂｉｔであったため、本実施例ではこれに比べて２ｂｉｔ分精度が粗い構成となっているが、後述するように非線形ＤＡコンバータ１７６を用いて電圧指令値Ｄｉ，ｊと可動素子の変位との関係を概ね線形としているため、可動素子の変位の分解能としては同等のものが得られる。９ｂｉｔの電圧指令値Ｄｉ，ｊの最上位ビットの値によって、可動素子Ａｉ，ｊの駆動される固定電極が第１電極、第２電極のどちらであるかを示している点も、実施形態４で説明した内容と同じである。シフトレジスタ１７４の転送速度は１３．８ＭＨｚで、９ｂｉｔ×９６個のデータを６２．５μｓで転送する。
ラッチ１７５に保持された電圧指令値Ｄｉ，１〜Ｄｉ，９６は、９６個の非線形ＤＡコンバータ１７６により、各可動素子Ａｉ，ｊの各固定電極に印加する駆動電圧Ｖi,jL、Ｖi,jRに変換される。非線形ＤＡコンバータ１７６は、各電圧指令値Ｄｉ，ｊの最上位ビットに応じて選択されたビット線ＢｊL、ＢｊRのいずれか一方に、各電圧指令値Ｄｉ，ｊの下位８ビットの値に対応する駆動電圧を出力する。この下位８ビットの値と駆動電圧の大きさとには、ある所定の非線形の対応関係を与えている。この非線形の対応関係は、ちょうど駆動電圧と可動素子の変位との非線形性を補償するように設定され、電圧指令値Ｄｉ，ｊと可動素子の変位との関係とが線形となるように設けられている。この非線形ＤＡコンバータ１７６の詳細については後述する。
ラインデコーダ１７１がｉ行目のワード線ＷｉのみをＨとすると、各可動素子Ａｉ，ｊはビット線ＢiL、ＢiRと導通し、電圧指令値Ｄｉ，ｊに応じて可動素子Ａｉ，ｊの変位が開ループ制御される。
較正動作時には、この電圧指令値Ｄｉ，ｊを複数段階で切り替えながら、変位検出部１７０により変位検出を行う。変位検出部１７０の出力は較正部１７８に入力され、電圧指令値Ｄｉ，ｊと対応づけられ、補正テーブルが作成される。この動作は、オフセット補正を含めて実施形態４で説明した動作と基本的に同一である。実施形態４との違いは、近似関数によるフィッティングの際に、１次関数Ｄ（Ｚ）＝αＺ＋βが用いられる点である。
以下、図１４を用いて、非線形ＤＡコンバータ１７６の構成と、較正部１７８の１次関数近似動作を説明する。
図１４（ａ）は、非線形ＤＡコンバータ１７６の概略構成図である。ここでは１つの非線形ＤＡコンバータ１７６ａを例にとって説明するが、他の９５個も同様の構成を備える。なお、簡略化のため、可動素子との対応関係を示すＤｉ，ｊの添字ｉ，ｊ等は省略し、電圧指令値はＤ、第１電極および第２電極に出力される駆動電圧はＶL、ＶR、ビット線はＢL、ＢRとして記載する。
非線形ＤＡコンバータ１７６ａは、直列に接続した抵抗Ｒ１〜Ｒｎ−１の両端の電位をそれぞれ最低電位Ｖ１と最高電位Ｖｎとし、抵抗分圧によって得られた中間電位を含めてｎ値の電位Ｖ１〜Ｖｎを発生させる。そして、セレクタ１８０によって、このｎ値の電位Ｖ１〜Ｖｎの中からいずれかを適宜選択して出力する構成となっている。ここでは最低電位Ｖ１は接地電位としている。また、非線形ＤＡコンバータ１７６ａのビット精度が８ｂｉｔであるため、ｎの値は２５６である。
セレクタ１８０は９ｂｉｔの電圧指令値Ｄを入力し、これに応じた駆動電圧ＶL、ＶRをそれぞれビット線ＢL、ＢRに出力する。電圧指令値Ｄの最上位ビットが０ならば、駆動電圧ＶLには最低電位Ｖ１が選択され、駆動電圧ＶRには電圧指令値Ｄの下位８ｂｉｔに対応したＶ１〜Ｖｎのいずれかの電位が選択される。また、最上位ビットが１ならば、駆動電圧ＶLには電圧指令値Ｄの下位８ｂｉｔに対応したＶ１〜Ｖｎのいずれかの電位が選択され、駆動電圧ＶRには最低電位Ｖ１が選択される。以降の説明では、電圧指令値Ｄの最上位ビットが０の場合を正、最上位ビットが１の場合を負として電圧指令値Ｄの符号を定義する。また、駆動電圧ＶをＶ＝ＶR−ＶLと定義して、電圧指令値Ｄと同様に正負の符号を与える。
抵抗Ｒ１〜Ｒｎ−１の抵抗値は少なくとも互いに同一でないもの同士を含むように設定されており、この抵抗値を適宜設定することで、任意の非線形性を実現することができる。より具体的には、最低電位Ｖ１が接続される端子に最も近い側の抵抗をＲ１、以下順にＲ２、Ｒ３、・・・、Ｒｎ−１、と呼称するとし、その抵抗値がＲ１＞Ｒ２＞Ｒ３＞・・・＞Ｒｎ−１のように番号順に小さくなるような関係を持たせている。このように設定することで、電位Ｖｉ（ｉ＝２〜ｎ）の値が大きい場合ほど、電位の増分Ｖｉ−Ｖｉ−１が小さくなるような設定をおこなっている。すなわち、駆動電圧Ｖの絶対値が大きい程、電圧指令値Ｄの増分に対する駆動電圧Ｖの増分が小さくなるように設けている。
駆動電圧Ｖと可動素子の変位Ｚには、駆動電圧Ｖの絶対値が大きい程、駆動電圧Ｖの増加に対する変位Ｚの増分が大きくなる関係があるので、上記のようなＤＡコンバータ１７６の非線形特性を与えることにより、可動素子の駆動電圧Ｖと変位Ｚとの非線形特性を補償し、電圧指令値Ｄと可動素子の変位Ｚとの関係を線形に近づけることができる。
より好ましくは、電圧指令値Ｄと駆動電圧Ｖとの関数Ｖ（Ｄ）が│Ｖ│＝ｋ・│Ｄ│1/2（ｋは定数）の関係を満たすように抵抗Ｒ１〜Ｒｎの抵抗値を設定するのが良い。
図１４（ｂ）は、較正部１７８における電圧指令値Ｄと変位Ｚとの対応関係を説明するためのグラフである。
図１４（ｂ）における右上のグラフ（Ａ）は、非線形ＤＡコンバータ１７６の電圧指令値Ｄと駆動電圧Ｖとの特性関数Ｖ（Ｄ）を示している。すでに説明したように、│Ｖ│＝ｋ・│Ｄ│1/2の関係が付与されている。より正確には、電圧指令値Ｄが正の値の場合には、Ｖ＝ｋ・Ｄ1/2、電圧指令値Ｄが負の値の場合には、Ｖ＝−ｋ・（−Ｄ）1/2を満たすような非線形的な関係が設定されている。この特性は、非線形ＤＡコンバータ１７６の抵抗Ｒ１〜Ｒｎ−１によって決まるため、外部からの操作によっては変えることができない固定した関係である。
図１４（ｂ）における左上のグラフ（Ｂ）には、ある可動素子Ａ１の駆動電圧Ｖと変位Ｚとの特性関数Ｚ１（Ｖ）が実線で示されている。また、別の可動素子Ａ２の駆動電圧Ｖと変位Ｚとの特性関数Ｚ２（Ｖ）が破線で示されている。この可動素子Ａ１とＡ２との違いは、個々の可動素子の特性バラツキだけでなく、同一の可動素子における経時変化や環境条件の違いによる特性変化が含まれる。この図では、２つの異なる特性関数のみが記載されているが、実際にはより多くの特性関数が存在する。この特性も可動素子の状態で決まるため、外部からの操作によっては変えることができない固定した関係である。
図１４（ｂ）における左下のグラフ（Ｃ）には、この可動素子Ａ１、Ａ２の特性を較正するために、較正部１７８が作成する較正関数Ｄ１（Ｚ）、Ｄ２（Ｚ）が記載されている。較正関数Ｄ１（Ｚ）は可動素子Ａ１の変位Ｚと電圧指令値Ｄとの関係を表すもので、図では実線で示されている。較正関数Ｄ２（Ｚ）は可動素子Ａ２の変位Ｚと電圧指令値Ｄとの関係を表すもので、図では破線で示されている。これらの較正関数Ｄ１（Ｚ）、Ｄ２（Ｚ）は、較正動作によって任意に設定が更新可能な関係となっている。
較正動作において、電圧指令値Ｄを複数段階で変えながら、変位Ｚを検出し、この結果から較正関数Ｄ（Ｚ）を作成するまでの手順を説明する。
まず、図１４（ｂ）におけるグラフＡに５点の丸印で模式的に記載したように、５段階の電圧指令値Ｄを選択する。非線形ＤＡコンバータ１７６の特性関数Ｖ（Ｄ）に従って、５段階の駆動電圧Ｖが出力される。
次に、図１４（ｂ）におけるグラフＢにおいて、この駆動電圧Ｖに応じて、可動素子Ａ１は特性関数Ｚ１（Ｖ）上にある５点の丸印で示される変位Ｚをとる。同様に、可動素子Ａ２は特性関数Ｚ２（Ｖ）上にある５点の三角印で示されるような変位Ｚをとる。これらの変位Ｚの大きさが変位検出部１７０によって検出される。
次に、図１４（ｂ）におけるグラフＣにおいて、変位検出部１７０によって検出された変位Ｚと電圧指令値Ｄとの関係が較正関数Ｄ（Ｚ）にフィッティングされる。
非線形ＤＡコンバータ１７６の非線形特性Ｖ（Ｄ）によって、可動素子の非線形特性Ｚ１（Ｖ）、Ｚ２（Ｖ）が補償されているので、較正関数Ｄ１（Ｚ）、Ｄ２（Ｚ）はほぼ線形に近く、１次関数を近似関数としたフィッティングを行うことが可能である。このため、単に近似関数の次数が下がるだけでなく、近似関数を電圧指令値Ｄと変位Ｚの正負による象限別に適用する必要が無くなり、全象限にわたって統括的な取り扱いができるため、フィッティングのための演算を極めて簡単にすることができる。
また近似関数として１次関数を用いる場合には、電圧指令値Ｄを変位Ｚの関数Ｄ（Ｚ）として直接的に表現することが特に精度を落とすことなく容易に可能である。この関数Ｄ（Ｚ）の表記はもこの逆の関数表記Ｚ（Ｄ）に比べて、目標変位Ｚを電圧指令値Ｄに変換することが必要な変換部１７３への適応に優れており、変換テーブルの作成などの変換に関わる操作をより簡単に行うことができる。
なお、較正関数Ｄ１（Ｚ）、Ｄ２（Ｚ）のいずれもが線形に近い特性を示すのは、必ずしも数学的には自明のことではない。こうした線形化が精度良く行われる理由の１つは、可動素子の特性関数Ｚ１（Ｖ）、Ｚ２（Ｖ）が任意の形状をとるのではなく、ある種の傾向をもって変化する性質があるためである。この傾向とはＶの値によらずＺ１（Ｖ）がＺ２（Ｖ）のある定数倍に近い値を示すということであり、これは可動素子の特性関数Ｚ（Ｖ）が変化する主要因が、可動素子のヒンジ１０６のバネ定数の変化にあることに起因している。このように、可動素子のヒンジ１０６が線形な復元力を持ち、駆動力と復元力との釣り合いにおいて変位量が決まる系において、非線形ＤＡコンバータ１７６に非線形性を持たせて駆動力と変位との非線形性を補償しているために、目標変位Ｚと電圧指令値Ｄとの間の線形性の精度を得ることができ、すでに説明したように較正関数Ｄ（Ｚ）を簡易な演算で高精度に算出することができる。
本実施形態のマイクロアクチュエータによれば、電圧指令値Ｄを非線形に駆動電圧Ｖに変換する非線形ＤＡコンバータ１７６を備え、駆動電圧Ｖの値が大きいほど、電圧指令値Ｄの増分に対応した駆動信号Ｖの増分を小さく設けたことにより、駆動電圧Ｖと可動素子の変位Ｚとの非線形性を補償して、電圧指令値Ｄと可動素子の変位Ｚとの関係を線形に近づけることができる。これにより、変位の分解能を得るために必要な電圧指令値Ｄのビット数を下げることが可能となり、回路規模やデータ転送レートの削減を行うことができる。
また、較正部１７８が、電圧指令値Ｄと可動素子の変位Ｚとの対応関係を１次関数の較正関数Ｄ（Ｚ）で近似しているため、近似関数を電圧指令値Ｄと変位Ｚの正負による象限別に適用する必要が無くなり、全象限にわたって統括的な取り扱いができると共に、電圧指令値Ｄを変位Ｚの関数Ｄ（Ｚ）として直接的に表現することが可能であり、較正演算負荷を大幅に低減することができる。
以上説明してきたように、本発明によれば、駆動部が出力する駆動信号によって可動素子を変位させながら、変位検出部によってその変位を検出し、較正部が変位と駆動信号との対応関係を較正しているために、外部の変位測定器が不要であり、極めて簡易に個別の可動素子の変位を検出することができるとともに、経時変化や温度などの環境変化に伴う可動素子特性の変化に対応することができる。
また、切り替え部が、駆動部および／または変位検出部を複数の可動素子の各々と選択的に接続するために、複数の可動素子を備えたマイクロアクチュエータであっても、変位検出のための回路を削減してチップコストを低減することができる。
また、こうした自己変位検出機能をもつマイクロアクチュエータを可変形ミラーに用いることにより、簡易な構成で、経時・環境変化に対する信頼性が高く、光量損失の小さい光制御を行うことができる。
本発明のマイクロアクチュエータは、可変形ミラーだけではなく、リレースイッチやチューナブルキャパシタなどの高周波回路用途、あるいはマイクロポンプなどの流体用途といった種々の用途に適用される。
本発明の実施形態１におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。 本発明の実施形態１におけるマイクロアクチュエータの駆動回路の概略構成図である。 本発明の実施形態１における較正動作ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施形態２におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。 本発明の実施形態２における間欠閉ループ制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施形態３におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。 本発明の実施形態３における間欠閉ループ制御ルーチンのフローチャートである。 本発明の実施形態４におけるマイクロアクチュエータの分解斜視図である。 本発明の実施形態４における駆動回路１００ａの概略構成図である。 本発明の実施形態４における較正動作ルーチンのフローチャートである。 （ａ）および（ｂ）は、ある可動素子における電圧指令値Ｄと変位との対応関係を示すグラフである。 本発明の実施形態５におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。 本発明の実施形態６におけるマイクロアクチュエータの概略構成図である。 （ａ）は本発明の実施形態６における非線形ＤＡコンバータ１７６の概略構成を示し、（ｂ）は、その較正部１７８における電圧指令値Ｄと変位Ｚとの対応関係を説明するためのグラフである。

Claims (30)

  1. 基板と、
    前記基板上に変位可能に支持された可動素子と、
    前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力する駆動部と、
    前記可動素子の変位と前記駆動信号との対応関係を保持する変換部と、
    前記駆動信号を与えられた状態での前記可動素子の変位を検出する変位検出部と、
    前記駆動信号と前記変位検出部の出力とを用いて前記変換部が保持する対応関係を較正する較正部と
    を備え、
    前記駆動部は、前記可動素子の１次共振周波数近傍またはそれ以下の低周波信号を前記駆動信号として出力し、
    前記変位検出部は、前記可動素子の１次共振周波数以上の高周波信号を前記駆動信号に重畳させるマイクロアクチュエータ。
  2. 前記可動素子は、前記基板に固定された固定電極と、前記固定電極に対向する可動電極とを備えた静電型の可動素子であって、
    前記変位検出部は、前記固定電極と前記可動電極との間の静電容量の変化によって前記可動素子の変位を検出する請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。
  3. 前記駆動部は、実質的なＤＣ電圧を前記駆動信号として出力する請求項２に記載のマイクロアクチュエータ。
  4. 前記駆動部は、複数段階の前記ＤＣ電圧を前記駆動信号として出力し、
    前記変位検出部は、前記複数段階の各段階において前記可動素子の変位を検出し、
    前記較正部は、前記各段階のＤＣ電圧と前記変位検出部の出力とを所定の形式の近似関数で近似する請求項３に記載のマイクロアクチュエータ。
  5. 前記駆動部は、複数段階の周波数を持つ低周波信号を前記駆動信号として出力し、
    前記変位検出部は加振された前記可動素子の変位を検出し、
    前記較正部は、前記駆動信号と変位検出部の出力とを対応付けて、前記可動素子の振幅応答または位相応答を算出する請求項１に記載のマイクロアクチュエータ。
  6. 前記駆動部は、前記可動素子の１次共振周波数近傍の低周波信号を前記駆動信号として複数段階出力し、
    前記変位検出部は前記複数段階の各段階において加振された前記可動素子の変位を検出し、
    前記較正部は、前記駆動信号と変位検出部の出力とを対応付けて、前記可動素子の１次共振周波数を抽出する請求項１または５に記載のマイクロアクチュエータ。
  7. 前記駆動信号の振幅を大きく設定した場合には、前記変位検出部が発生する前記高周波信号の振幅を小さく設定する請求項１から６のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
  8. 前記可動素子の前記可動電極は、所定の軸に関して概対称な第１導電性部分および第２導電性部分を含み、前記軸を中心として傾動自在に支持されるとともに、
    前記固定電極は、前記可動電極の第１導電性部分に間隙を介して対向する第１電極と、前記可動電極の第２導電性部分に間隙を介して対向する第２電極とを含み、
    前記駆動部は、前記第１導電性部分と前記第１電極との間または前記第２導電性部分と前記第２電極との間に前記駆動信号を与え、
    前記変位検出部は、前記第１電極に第１の高周波信号を印加し、前記第２電極に前記第１の高周波信号と同振幅かつ逆位相の第２の高周波信号を印加し、前記第１導電性部分と前記第２導電性部分とに電気的に接続した端子の電圧を検出する請求項２に記載のマイクロアクチュエータ。
  9. 前記変換部は、前記可動素子の変位と対応付けられた電圧指令値を発生し、
    前記駆動部は、前記電圧指令値に応じた前記駆動信号を出力するＤＡ変換器を備え、
    前記較正部は、前記電圧指令値と前記可動素子の変位との対応関係を較正する請求項１から８のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
  10. 前記ＤＡ変換器は、非線形な特性を備え、前記駆動信号の値が大きいほど、前記電圧指令値の増分に対応した前記駆動信号の増分を小さく設けた請求項９に記載のマイクロアクチュエータ。
  11. 前記較正部は、前記電圧指令値と前記可動素子の変位との対応関係を１次関数で近似する請求項１０に記載のマイクロアクチュエータ。
  12. 電源起動時に前記較正部を動作させる請求項１から１１のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
  13. 温度検出部を備え、前記温度検出部が所定値以上の温度変化を検出した場合に前記較正部を動作させる請求項１から１１のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
  14. 前記変位検出部の出力が所定の範囲を超えている場合に、前記可動素子または前記変位検出部の異常を判別する異常判別部を備えた請求項１から１３のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
  15. 前記異常判別部が異常を判別した場合に、前記較正部による前記対応関係の更新を禁止する請求項１４に記載のマイクロアクチュエータ。
  16. 基板と、
    前記基板上に変位可能に支持された複数の可動素子と、
    前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力する駆動部と、
    前記可動素子の変位を検出する変位検出部と、
    前記駆動部および／または前記変位検出部と前記複数の可動素子の各々とを選択的に接続する切り替え部と、
    を備え、
    前記可動素子が前記駆動信号に応じた電荷を蓄積可能に設けられ、
    前記切り替え部が、前記可動素子を前記閉ループ制御部に接続した第１の状態と、前記可動素子を高インピーダンスとして前記電荷を保持した第２の状態とに切り替えるマイクロアクチュエータ。
  17. 前記切り替え部が前記変位検出部の変位検出対象を時系列で切り替えながら各前記可動素子の変位を検出する請求項１６に記載のマイクロアクチュエータ。
  18. 前記変位検出部の出力を用いて前記駆動部の出力を閉ループ制御する閉ループ制御部を備えた請求項１６または１７に記載のマイクロアクチュエータ。
  19. 前記駆動部の出力を開ループ制御する開ループ制御部をさらに備え、前記閉ループ制御部と前記開ループ制御部とを時系列で切り替えて前記可動素子の制御を行う請求項１８に記載のマイクロアクチュエータ。
  20. 前記開ループ制御部が、前記閉ループ制御部により制御された前記駆動部の出力をホールドするホールド部を備える請求項１９に記載のマイクロアクチュエータ。
  21. 前記可動素子が前記閉ループ制御部と接続されている時間に関わる値を計測するカウンタと、前記閉ループ制御の収束を検知する収束検知部とを備え、
    前記カウンタからの出力が所定の上限値を超えても前記収束検知部が前記収束を検知しない場合に、前記切り替え部が前記可動素子と前記閉ループ制御部との接続を切断する請求項１８に記載のマイクロアクチュエータ。
  22. 前記可動素子が前記閉ループ制御部と接続されている時間に関わる値が、前記閉ループ制御部の繰り返しループ回数である請求項２１に記載のマイクロアクチュエータ。
  23. 前記収束検知部が前記収束を検知して、前記切り替え部が前記閉ループ制御部の接続先を次の可動素子に切り替えた時点における前記カウンタの出力が前記上限値未満であった場合に、前記カウンタの出力に従って、次の可動素子の上限値を変更する請求項２１に記載のマイクロアクチュエータ。
  24. 前記切り替え部が、前記複数の可動素子のうち少なくとも２つ以上を同時に前記変位検出部に接続する請求項１６から２３のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
  25. 前記高周波信号の振幅値と同等以上の大きさのバイアス電圧を、前記固定電極と前記可動電極の双方に与えた請求項２から４のいずれかに記載のマイクロアクチュエータ。
  26. 基板と、
    前記基板上に変位可能に支持された可動素子と、
    前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力する駆動部と、
    前記可動素子の変位と前記駆動信号との対応関係を保持する変換部と、
    前記駆動信号を与えられた状態での前記可動素子の変位を検出する変位検出部と、
    前記駆動信号と前記変位検出部の出力とを用いて前記変換部が保持する対応関係を較正する較正部と
    を備え、
    前記駆動部および／または前記変位検出部と前記可動素子とを結ぶ配線経路中に設けられ、前記配線経路を接続した状態と切断した状態との間で切り替えを行う切り替え部を備え、
    前記較正部は、前記配線経路を接続した状態で得られた前記変位検出部の第１の出力を、前記配線経路を切断した状態で得られた前記変位検出部の第２の出力を用いて補正するマイクロアクチュエータ。
  27. 基板と、
    前記基板上に変位可能に支持された可動素子と、
    前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力する駆動部と、
    前記可動素子の変位と前記駆動信号との対応関係を保持する変換部と、
    前記駆動信号を与えられた状態での前記可動素子の変位を検出する変位検出部と、
    前記駆動信号と前記変位検出部の出力とを用いて前記変換部が保持する対応関係を較正する較正部と
    を備え、
    前記可動素子は、前記基板に固定された固定電極と、前記固定電極に対向する可動電極とを備え、
    前記可動電極は、所定の軸に関して概対称な第１導電性部分および第２導電性部分を含んで前記軸を中心として傾動自在に支持され、
    前記固定電極は、前記可動電極の第１導電性部分に間隙を介して対向する第１電極と、前記可動電極の第２導電性部分に間隙を介して対向する第２電極とを含み、
    前記駆動部は前記第１電極に印加される第１の駆動信号と、前記第１の駆動信号と異なる大きさを持ち、前記第２電極に印加される第２の駆動信号とを発生し、
    前記変位検出部は、前記可動素子の１次共振周波数以上の高周波信号を出力する高周波信号発生部と、第１端子において前記第１電極に接続された第１の負荷インピーダンス素子と、第２端子において前記第２電極に接続された第２の負荷インピーダンス素子と、前記第１端子と第２端子とに接続する高周波検出部とを備え、前記第１の負荷インピーダンス素子の前記第１端子の反対側の端子には、前記高周波信号を重畳した前記第１の駆動信号を印加し、前記第２の負荷インピーダンス素子の前記第２端子の反対側の端子には、前記高周波信号を重畳した前記第２の駆動信号を印加し、
    前記高周波検出部は、前記第１端子と前記第２端子との間における前記高周波信号の位相かつ／または振幅を比較することにより前記可動素子の変位を検出するマイクロアクチュエータ。
  28. 請求項１から２７のいずれかに記載のマイクロアクチュエータを備えた可変形ミラーであって、
    前記可動素子の少なくとも一部に光反射領域が形成されている可変形ミラー。
  29. 請求項１から２７のいずれかに記載のマイクロアクチュエータを備えた装置。
  30. 可動素子を有するマイクロアクチュエータの駆動方法であって、
    前記可動素子を変位させるための駆動信号を出力するステップと、
    前記可動素子の変位と前記駆動信号との対応関係を保持するステップと、
    前記駆動信号が与えられた状態での前記可動素子の変位を検出するステップと、
    前記駆動信号と前記可動素子の変位量を用いて前記対応関係を較正するステップと、を含み、
    前記駆動信号を出力するステップにおいて、前記可動素子の１次共振周波数近傍またはそれ以下の低周波信号を前記駆動信号として出力し、
    前記変位を検出するステップにおいて、前記可動素子の１次共振周波数以上の高周波信号を前記駆動信号に重畳させる駆動方法。
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