JP4993956B2 - マイクロ揺動デバイス及び光学素子 - Google Patents

Description

本発明は、例えばバーコードリーダや光スイッチ等に適用される光学素子及びその光学素子に適用可能なマイクロ揺動デバイスに関する。

従来より、例えばバーコードリーダ等の光学機器には、ミラーが設けられた可動板を揺動させて、そのミラーに入射した光ビーム等をスキャン動作させる光学素子が搭載されている。このような光学素子としては、例えば特許文献１に示されているような、マイクロマシニング技術を用いて成形される小型のマイクロ揺動デバイスを搭載したものが知られている。

特許文献１に示されている光学素子においては、光ビーム等を反射するためのミラーを有する回動体が、フレームにその端部が支持されている捻り梁により揺動可能に保持されている。可動板の端部及びその端部に対向するフレームには垂直静電コムを構成する電極が形成されており、捻り梁のフレームに軸支された部位には水平静電コムを構成する電極が形成されている。垂直静電コム及び水平静電コムは、互いに噛み合う櫛歯状の電極間に電圧が印加されることにより駆動される。垂直静電コムは、可動板に垂直方向に作用する静電力を発生し、この静電力により、可動板が捻り梁をねじりながら回動する。可動板は、この垂直静電コムの静電力と、捻り梁がねじられることにより発生する復元力が作用することにより揺動する。水平静電コムは、捻り梁の両端部を引っ張る方向に静電力を発生するように構成されている。この光学素子は、水平静電コムを駆動することにより、捻り梁の張力を変化させ、可動板の揺動の共振周波数を変化させることができる。
特開２００５−１４１２２９号公報

しかしながら、特許文献１に示されている光学素子において、垂直静電コムの電極同士が重なっておらず可動板が略中立な姿勢ではないときには、可動板を駆動するための静電力がほとんど発生しない。従って、垂直静電コムに印加する電圧の大きさに対して、比較的可動板の揺動角が小さく、所望の揺動角を得るためには駆動電圧を高くする必要があるという問題がある。

本発明は、上記問題点を鑑みてなされたものであり、低い駆動電圧でも可動板を大きな揺動角で駆動可能なマイクロ揺動デバイスを提供することを目的とする。

上記目的を達成するため請求項１の発明は、可動板と、この可動板を揺動自在に保持して該可動板の回転軸となる捻り梁と、前記捻り梁を支持するフレーム部と、前記可動板の自由端及びそれに対向する前記フレーム部に互いに噛み合うように形成された櫛歯形状の電極を有し、それらの電極間に電圧が印加されることにより、前記可動板に対し垂直方向の力を発生させる垂直静電コムと、を備えたマイクロ揺動デバイスにおいて、前記捻り梁の端部近傍とそれに対向する前記フレーム部とに互いに噛み合うように形成された櫛歯形状の電極を有し、それらの電極間に電圧が印加されることにより、前記捻り梁に、その長手方向で、かつその圧縮方向の力を発生させる水平静電コムを備え、前記水平静電コムによる前記捻り梁に対する長手方向の力が、前記垂直静電コムによる可動板の揺動を補助するように構成されているものである。

請求項２の発明は、請求項１に記載のマイクロ揺動デバイスにおいて、前記捻り梁及び前記可動板により構成される振動系の共振周波数の整数倍となる周波数の電圧を、前記水平静電コムの電極間に印加するように構成したものである。

請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載のマイクロ揺動デバイスを備え、前記可動板には、ミラー膜が設けられており、前記可動板が揺動することにより、前記ミラー膜に入射した光ビームをスキャン動作させるものである。

請求項１の発明によれば、水平静電コムが駆動されることにより、捻り梁にその長手方向で、かつその圧縮方向の力が作用するので、捻り梁の張力を小さくし、捻り梁の捻り剛性を小さくすることができる。従って、水平静電コムを駆動して、可動板の姿勢に応じて捻り梁の復元力を変更することにより、垂直静電コムが発生する可動板の駆動力が補助されるので、低い駆動電圧でも、可動板を大きな揺動角で駆動させることができる。また、水平静電コムにより捻り梁の捻り剛性を変化させることにより、可動板の共振周波数を調整することが可能になる。

請求項２の発明によれば、水平静電コムが駆動され、捻り梁の捻り剛性が、可動板の揺動の共振周波数に応じた周波数で周期的に変化する。従って、可動板が、パラメトリック共振を伴って揺動するので、可動板の揺動角をより大きくすることができる。

請求項３の発明によれば、水平静電コムを駆動することにより、捻り梁の張力を小さくし、捻り梁の捻り剛性を小さくすることができるので、可動板の慣性力をより有効に利用し、可動板の揺動角をより大きくすることができる。

請求項３の発明によれば、上述のように、水平静電コムが発生する力により垂直静電コムによる可動板の揺動を補助し、可動板を大きな揺動角で駆動させることできるマイクロ揺動デバイスを搭載しているので、低い駆動電圧でも光ビームのスキャン角を大きくすることができる。また、可動板の共振周波数を、水平静電コムにより調整することができるので、より高性能な光学素子が得られる。

以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図１（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る光学素子の一例を示す。光学素子１は、例えばマイクロマシニング技術を用いてシリコン基板を成形することにより構成された小型のマイクロ揺動デバイスにより構成されている。この光学素子１は、例えば、バーコードリーダ、外部のスクリーン等に画像を投影するプロジェクタ装置、又は光スイッチ等の光学機器に搭載されるものであり、外部の光源等（図示せず）から入射する光ビーム等をスキャン動作させる機能を有している。

光学素子１は、導電性を有するシリコン基板（図示せず）と絶縁性を有する酸化膜（図示せず）とで構成されたシリコン層１０ａと、シリコン層１０ａの下方に配置された、例えばガラス製の基板１０ｂとが接合されて構成されている。シリコン層１０ａは、可動板２と、可動板２の周囲に設けられたフレーム部３と、可動板２とフレーム部３とを接続する梁４と、フレーム部３と可動板２に形成された垂直静電コム５と、フレーム部３と梁４に形成された水平静電コム６とを一体に有している。この光学素子１は、駆動されていない静止状態にあるとき、可動板２と梁４が略水平に並ぶように構成されている。そして、可動板２及び梁４と基板１０ｂとの間には、シリコン層１０ａがエッチングされて形成された空隙が設けられており、可動板２は、その両側部に配された２つの梁４を介してフレーム部３に揺動可能に保持されている。

垂直静電コム５は、可動板２のうち、その揺動時に自由端となる側端部と、それに対向するフレーム部３のそれぞれに、互いに噛み合うように形成された櫛歯状の電極２ｂ，３ｂとで構成されている。垂直静電コム５は、これらの両電極２ｂ，３ｂ間に電圧が印加されることにより、可動板２の側端部に、可動板２に対して略垂直に作用する力を発生し、この力により、図１（ｂ）の矢印及び２点鎖線で示すように、可動板２が揺動駆動される。

梁４は、可動板２の両側部の略中央部に互いに略同軸をなすように形成された捻り梁４ａと、それぞれの一端部が捻り梁４の可動板２を保持する側とは反対側の端部に捻り梁４ａの長手方向と略直交する方向に互いに対向するように形成された２つの支持梁４ｂとを有している。支持梁４ｂの他端は、フレーム部３により保持されている。すなわち、捻り梁４ａは、支持梁４ｂを介して、フレーム部３に保持されている。捻り梁４ａは、可動板２が駆動されるときに、主に、ねじり方向のばねとして動作する。支持梁４ｂは、可動板２が駆動されるときに、主に、捻り梁４ａの長手方向へ撓むばねとして動作する。２つの梁４は、可動板２に対して略対称形状に形成されており、可動板２をバランス良く保持している。

可動板２は、矩形板形状に形成されている。可動板２は、その両側部の２つの捻り梁４ａが並ぶ軸付近にその重心が位置し、駆動されて揺動するとき、捻り梁４ａを回転軸としてバランスを保ち揺動する。可動板２の上面には、例えば外部から入射される光ビーム等を反射するための矩形形状のミラー膜２ａが形成されている。このミラー膜２ａは、光学素子１と共に用いられる光源の種類等に応じて選択された、例えばアルミニウムや金等の金属膜である。なお、可動板２やミラー膜２ａの形状等は、矩形に限られず、例えば略楕円形状等であってもよい。

水平静電コム６は、支持梁４ｂの中間部と、それに対向するフレーム部３のそれぞれに、互いに噛み合うように形成された櫛歯状の電極４ｃ，３ｃとで構成されている。水平静電コム６は、これらの両電極４ｃ，３ｃ間に電圧が印加されることにより、電極４ｃが支持梁４ｂを撓ませながら電極３ｃに向けて変位するように構成されている。

フレーム部３は、支持梁４ｂの端部を支持する支持部３ａと、電極３ｂ，３ｃがそれぞれ配置されており、可動板２と梁４を囲むように配された部位とを備える。支持部３ａと、電極３ｂが配置されている部位と、電極３ｃが配置されている部位とは、その境界に空隙や酸化膜が介在することにより、互いに電気的に絶縁された状態となっている。支持部３ａと、電極３ｂ，３ｃが配置されている部位には、それぞれ電極パッド（図示せず）が形成されており、各部位の電位を変更することができるようになっている。

ここで、光学素子１の製造工程の一例について説明する。先ず、ウエハ状のシリコン層１０ａに、可動板２、梁４、フレーム部３、垂直静電コム５、水平静電コム６を成形してマイクロ揺動デバイスを形成する。このマイクロ揺動デバイスは、例えば、シリコン層１０ａを、いわゆるバルクマイクロマシニング技術を用いて加工することにより形成される。その後、例えばスパッタリング等の方法を用いることによって、シリコン層１０ａの上面に金属膜を形成する。そして、この金属膜をパターニングすることにより、可動板２の上面にミラー膜２ａを形成し、フレーム部３の上面に電極パッドを形成する。ミラー膜２ａ及び電極パッドが形成された後、そのシリコン層１０ａと基板１０ｂとを陽極接合等により接合する。このような一連の工程により、複数の光学素子１を同時に製造することができ、製造コストを低減可能になっている。なお、光学素子１の製造工程はこれに限られるものではなく、例えばレーザ加工や超音波加工等により１つずつ形成されてもよい。

次に、上記のように構成された光学素子１の動作について、図２（ａ）、（ｂ）及び図３を参照して説明する。光学素子１の可動板２は、垂直静電コム５及び水平静電コム６が所定の駆動周波数で駆動力を発生して駆動される。垂直静電コム５は、例えば、支持部３ａに配された電極パッドがグランド電位に接続され、可動板２の櫛歯状の電極２ｂが基準電位である状態で、フレーム部３の櫛歯状の電極３ｂが形成されている部位に配された電極パッドの電位を周期的に変化させて、電極２ｂ，３ｂ間に所定の駆動周波数の電圧が印加されて駆動される。垂直静電コム５において、２つの電極３ｂの電位が、同時に所定の駆動電位（例えば、数十ボルト）まで変化することにより、可動板２の両端部に設けられた２つの電極２ｂが、同時に、それぞれと対向する電極３ｂに、静電力により引き寄せられる。この光学素子１において、垂直静電コム５には、例えば矩形波形状の電圧が印加され、その駆動力が図３に示すように周期的に発生する。

上述のように形成された可動板２は、一般に多くの場合、その成型時に寸法誤差等が生じることにより、静止状態でも可動板２が水平姿勢ではなく、きわめて僅かであるが傾いている。そのため、静止状態からであっても、垂直静電コム５が駆動されると、可動板２にそれに略垂直な方向の駆動力が加わり、可動板２が捻り梁４ａを回転軸として回動する。そして、垂直静電コム５の駆動力を、可動板２が電極２ｂ，３ｂが重なりあうような姿勢となったときに解除すると、可動板２は、その慣性力により、捻り梁４ａをねじりながら回動を継続する。そして、可動板２の回動方向への慣性力と、捻り梁４ａの復元力とが等しくなったとき、可動板２のその方向への回動が止まる。このとき、垂直静電コム５が再び駆動され、可動板２は、捻り梁４ａの復元力と垂直静電コム５の駆動力により可動板２がそれまでとは逆の方向への回動を開始する。可動板２は、このような垂直静電コム５の駆動力と捻り梁４ａの復元力による回動を繰り返して揺動する。垂直静電コム５は、可動板２と捻り梁４ａにより構成される振動系の共振周波数の２倍の周波数の電圧が印加されて駆動され、可動板２が共振現象を伴って駆動され、その揺動角が大きくなるように構成されている。なお、垂直静電コム５の電圧の印加態様や駆動周波数は、上述に限られるものではなく、例えば、駆動電圧が正弦波形で印加されるように構成されていても、また、電極２ｂ，３ｂの電位が共に変化することにより垂直静電コム５が駆動されるように構成されていてもよい。

一方、水平静電コム６も、垂直静電コム５と略同様に、電極４ｃ，３ｃ間に、例えば矩形波形状の電圧が印加されて駆動される。図２（ａ）に示すような静止状態から、水平静電コム６が駆動されると、図２（ａ）の矢印方向に駆動力が発生し、図２（ｂ）に示すように、電極４ｃが支持梁４ｂを撓ませながら可動板２に向けて変位する。このとき、図２（ｂ）に矢印で示すように、捻り梁４ａの支持梁４ｂにより支持されている端部に、可動板２に向けて、捻り梁４ａの長手方向の力が作用する。この力は、可動板２の両側の捻り梁４ａにそれぞれ作用しており、これにより、捻り梁４ａにはその圧縮方向の力が加わる。水平静電コム６により捻り梁４ａにその圧縮方向の力が作用することにより、捻り梁４ａに可動板２を保持していることにより発生している張力が変化し、捻り梁４ａの捻り剛性が低くなる。

図３は、可動板２の揺動角と、そのとき垂直静電コム５及び水平静電コム６がそれぞれ発生する駆動力とを示す。図において、可動板２の揺動角と共に、可動板２の揺動の１／４周期毎（時刻ｔ１，ｔ２，ｔ３，…，ｔ７）に、可動板２の姿勢を、その側面図Ａ１，Ａ２，Ａ３，…，Ａ７により示している。この光学素子１において、水平静電コム６は、垂直静電コム５が発生する駆動力に対応して駆動され、可動板２の揺動が水平静電コム６により補助されながら駆動される。水平静電コム６は、垂直静電コム５と同じ駆動周波数で逆位相の矩形波形の電圧が印加されて駆動され、垂直静電コム５と水平静電コム６は、それぞれ、可動板２の揺動角に応じたタイミングで駆動力を発生する。

図に示すように、可動板２の揺動角の絶対値が増加していくとき（時刻ｔ０乃至ｔ１、ｔ２乃至ｔ３、ｔ４乃至ｔ５，…）、垂直静電コム５の電極２ｂ，３ｂ間の間隔が大きくなるので、垂直静電コム５が駆動されず、水平静電コム６が駆動される。この期間において、可動板２は、その慣性力により、捻り梁４ａを捻りながら回動する。また、反対に、可動板２の揺動角の絶対値が減少していくとき、（時刻ｔ１乃至ｔ２、ｔ３乃至ｔ４、ｔ５乃至ｔ６，…）、垂直静電コム５の電極２ｂ，３ｂ間の間隔が近づく方向に回動するので、垂直静電コム５が駆動され、水平静電コム６は駆動されない。この期間においては、可動板２は、垂直静電コム５の駆動力と捻り梁４ａの復元力により、その角速度を加速させながら回動する。この光学素子１は、水平静電コム６を駆動することにより、可動板２の回動を加速させるときには、捻り梁４ａの捻り剛性が大きい状態でその復元力を変更せず、可動板２が慣性力により回動するときには、捻り梁４ａの捻り剛性を小さくしてその復元力を小さくする。これにより、可動板２は、その慣性力を有効に利用して、いわゆるパラメトリック共振を伴い、大きな揺動角で揺動する。

なお、この可動板２の揺動の運動方程式は、可動板２の揺動角をθとし、可動板２の完成モーメントをＩとし、可動板２の周囲の空気の粘性係数をｃとし、静止状態での捻り梁４ａの捻り剛性をｋとし、可動板２に作用するトルクをＭとすると、水平静電コム６の駆動力が最大のときの、通常時と比較した捻り梁４ａの捻り剛性の減少分をαとしたとき、次式のように示すことができる。

図４は、上記数式について、αがゼロのとき（図の実線）と、αが例えば０．０５のとき（図の点線）とにおける、可動板２の駆動を開始してからの可動板２の揺動角の推移を示す。この場合、αがゼロのときは、水平静電コム６の駆動力が働かないときに対応し、αが０．０５のときは、水平静電コム６の駆動力が作用して可動板２がパラメトリック共振を伴い揺動するときに対応する。可動板２の揺動角は、時刻０に駆動開始されてから徐々に大きくなり、次第にその定常駆動時の揺動角に漸近していく。この図より、水平静電コム６の駆動力が作用する場合の揺動角は、作用しない場合の揺動角よりも、明らかに大きいことがわかる。

このように、本実施形態においては、水平静電コム６が捻り梁４ａにその圧縮方向の力を加えることにより、垂直静電コム５による駆動力を補助し、可動板２をパラメトリック共振を伴い揺動させることができるので、低い駆動電圧であっても、可動板の揺動角を大きくすることができる。従って、光学素子１の光ビームのスキャン角をより大きくすることが可能になる。また、水平静電コム６の駆動力を利用して捻り梁の捻り剛性を変化させることにより、可動板２の共振周波数を調整し、より高性能な光学素子１を得ることができる。

なお、本発明は上記各実施形態の構成に限定されるものではなく、発明の趣旨を変更しない範囲で適宜に種々の変形が可能である。例えば、水平静電コム６は、例えば、正弦波形状の駆動電圧により駆動されてもよく、水平静電コム６の駆動周波数は、垂直静電コム５の駆動周波数と同じでなくても、可動板２と捻り梁４ａにより構成される振動系の共振周波数の１倍や３倍等、略整数倍であってもよい。このような場合であっても、垂直静電コム５の駆動力を水平静電コム６の駆動力により補助して可動板２を揺動させ、光ビームのスキャン角をより大きくすることが可能である。また、水平静電コムは、捻り梁４ａの張力を増加させるように駆動力を発生し、捻り梁４ａの捻り剛性を増加させることができるように構成されていてもよい。この場合、例えば、水平静電コムを垂直静電コム５と略同位相で駆動することにより、上述と同様に効果的にパラメトリック共振現象を発生させ、可動板２をより大きな揺動角で駆動させることができる。

また、マイクロ揺動デバイスを構成する材質はシリコンやその酸化物等に限られず、一体に構成されていなくてもよい。すなわち、マイクロ揺動デバイスは、レーザ微細加工、超音波加工等により加工された各部材を組み合わせて形成されるようなものであってもよい。このような場合であっても、水平静電コムにより捻り梁の捻り剛性を変化させることにより、可動板の揺動角をより大きくすることが可能になる。

さらにまた、上述のように可動板を水平静電コムの駆動力により駆動する構造のマイクロ揺動デバイスは、可動板にミラー膜を形成した光学素子として用いられるものに限られず、例えば、可動板に発光体を搭載して用いられてもよい。

（ａ）は本発明の一実施形態に係る光学素子を示す平面図、（ｂ）は（ａ）のＩ−Ｉ線における側断面図。 （ａ）は上記光学素子の静止状態を示す平面図、（ｂ）は同光学素子が駆動されているときの平面図。 上記光学素子の動作を示すタイムチャート。 上記光学素子の可動板の揺動角の推移を示すグラフ。

符号の説明

１ 光学素子（マイクロ揺動デバイス）
２ 可動板
２ａ ミラー膜
２ｂ，３ｂ （垂直静電コムを構成する）電極
３ フレーム部
３ｃ，４ｃ （水平静電コムを構成する）電極
４ａ 捻り梁
５ 垂直静電コム
６ 水平静電コム

Claims (3)

1. 可動板と、この可動板を揺動自在に保持して該可動板の回転軸となる捻り梁と、前記捻り梁を支持するフレーム部と、前記可動板の自由端及びそれに対向する前記フレーム部に互いに噛み合うように形成された櫛歯形状の電極を有し、それらの電極間に電圧が印加されることにより、前記可動板に対し垂直方向の力を発生させる垂直静電コムと、を備えたマイクロ揺動デバイスにおいて、
   前記捻り梁の端部近傍とそれに対向する前記フレーム部とに互いに噛み合うように形成された櫛歯形状の電極を有し、それらの電極間に電圧が印加されることにより、前記捻り梁に、その長手方向で、かつその圧縮方向の力を発生させる水平静電コムを備え、
   前記水平静電コムによる前記捻り梁に対する長手方向の力が、前記垂直静電コムによる可動板の揺動を補助するように構成されていることを特徴とするマイクロ揺動デバイス。
2. 前記捻り梁及び前記可動板により構成される振動系の共振周波数の整数倍となる周波数の電圧を、前記水平静電コムの電極間に印加するように構成したことを特徴とする請求項１に記載のマイクロ揺動デバイス。
3. 請求項１又は請求項２に記載のマイクロ揺動デバイスを備え、
   前記可動板には、ミラー膜が設けられており、
   前記可動板が揺動することにより、前記ミラー膜に入射した光ビームをスキャン動作させることを特徴とする光学素子。

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