JP5485973B2 - Memsミラー装置の制御方法およびmemsミラー装置 - Google Patents
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Description
まず、図14(B)の状態では、共通ポート100と出力ポート102−1とが結合状態にある。つまり、共通ポート100からの光信号がミラー101によって反射され出力ポート102−1に入射している。このまま、ミラー101を主軸(x軸)周りに回動させて、共通ポート100と出力ポート102−5とを結合させてしまうと、ミラー101を回動させている間に、出力ポート102−1と102−5との間の出力ポート102−2〜102−4にも、一瞬だが、光信号が入射して、光結合してしまう。
V1=Vb−Vx ・・・(1)
V2=Vb+Vx+Vy ・・・(2)
V3=Vb+Vx−Vy ・・・(3)
また、本発明のMEMSミラー装置の制御方法の1構成例において、前記MEMSミラー装置は、複数の前記ミラーの向きが交互に変えて並べて配置されることを特徴とするものである。
また、本発明のMEMSミラー装置は、光を反射するミラーと、一端が前記ミラーの一方の辺に第1の接続ばねを介して接続され他端が固定された第1の可動片持ち梁と、一端が前記ミラーの他方の辺に第2、第3の接続ばねを介して接続され他端が固定された第2、第3の可動片持ち梁と、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁から離間して配置された第1、第2、第3の固定電極と、前記ミラーの回動を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求に応じて制御変数Uを算出する制御変数算出手段と、前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出する印加電圧算出手段と、この印加電圧算出手段で算出された値の印加電圧Vを前記第1、第2、第3の固定電極に印加する電圧発生手段とを備え、前記制御変数Uは、前記印加電圧Vの関数であり、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位量と線形な変数であり、前記制御変数算出手段は、前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求を、予め定められた第1のパラメータを用いて、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位dに比例する制御変数Uに変換し、前記印加電圧算出手段は、前記印加電圧Vと前記変位dとの関係を、d=V n (nは1〜2の実数)のようにn次関数で近似し、前記制御変数Uを、U=aV n (aは係数)と定義したときに、前記印加電圧Vと前記変位dとの既知の関係に基づいて予め定められた第2のパラメータを用いて、前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出することを特徴とするものである。
本発明では、前述の2つの問題点を解決するため、固定電極への電圧Vではなく、可動片持ち梁の変位dに線形な制御変数Uを導入する。図1(A)〜図1(C)に本発明で導入する制御変数Uについての説明を示す。可動片持ち梁と対向する固定電極への印加電圧Vと可動片持ち梁の変位dとの関係は、図23(B)で説明したように、印加電圧Vが小さいときにはVに関する二次関数に、印加電圧Vが大きいときにはVに関する一次関数になる。図1(A)は図23(B)に示した電圧−変位特性を再掲した図である。ここで、後述の方法により電圧Vを制御変数Uに変換して、制御変数Uと可動片持ち梁の変位dとが切片を0とする一次関数の関係、すなわち比例関係にあるように定める(図1(B))。
U=aV2 ・・・(4)
U=bV+c ・・・(5)
図2(B)は印加電圧Vから制御変数Uへの第2の変換方法を説明する図である。図2(B)における破線114はこの第2の変換方法により近似したV−d特性を示す。第2の変換方法は、V−d特性が、電圧Vが小さい領域ではVに関する二次関数になり、電圧Vが大きい領域ではVに関する一次関数になることから、Vとdの関係をVのn次関数(n=1〜2の実数)で近似する方法である。この場合、制御変数Uを式(6)のように定義する。
U=aVn ・・・(6)
ここで、aはVとdの関係をn次関数で近似した場合の係数である。
図3は本発明の実施の形態に係るMEMSミラー装置の制御装置の構成を示すブロック図である。本実施の形態においても、波長選択スイッチの構成は図15に示したとおりであり、波長選択スイッチに用いるMEMSミラー装置の構成は図18、図19(A)、図19(B)に示したとおりであり、複数のミラーの配置は図21(B)に示したとおりなので、図15、図18、図19(A)、図19(B)、図21(B)の符号を用いて説明する。制御装置は、制御変数Uを固定電極107−1〜107−3への印加電圧Vに変換する演算を行う演算器1と、演算に使用するパラメータを予め記憶するメモリ2と、演算器1が演算した電圧Vを発生してミラーの対応する固定電極107−1〜107−3に印加する電圧発生器3とから構成される。演算器1は、制御変数算出手段と印加電圧算出手段とを構成している。
また、電圧発生器3としては、例えばアナログ・デバイセズ(Analog Devices)社製のAD5535のように、デジタル値で与えられた設定電圧に基づき、MEMSを動作させるのに十分な高電圧を発生することが可能な高電圧DAC(D/A Convertor)等が用いられる。
次に、制御変数Uから印加電圧Vに変換する処理手続きについて説明する。図4は演算器1の動作を説明するフローチャートである。
波長選択スイッチを使用しているユーザから、ある出力ポートにスイッチする要求が入力された場合(図4ステップS1においてYES)、演算器1は、ユーザから指定された出力ポートに対応する制御変数(Ux,Uy)をメモリ2に予め記録されたテーブル等を参照して取得する(図4ステップS2)。このようなテーブル等を参照して制御変数(Ux,Uy)を得る方法自体はよく用いられる方法なので、本発明の権利を主張する範囲ではない。
最後に、演算器1は、算出した印加電圧(V1,V2,V3)の値を電圧発生器3に設定する(図4ステップS7)。電圧発生器3の動作は前述のとおりである。
次に、図4のステップS3,S4の処理の詳細について説明する。図5は演算器1の制御変数算出処理を説明するフローチャートである。
演算器1は、制御変数(Ux,Uy)を制御変数(U1,U2,U3)に変換するためのパラメータとして、バイアス値Ubをメモリ2から取得する(図5ステップS10、図4ステップS3)。
U1=Ub−Ux ・・・(7)
U2=Ub+Ux+Uy ・・・(8)
U3=Ub+Ux−Uy ・・・(9)
if U1<0 then U1=0 ・・・(10)
if U2<0 then U2=0 ・・・(11)
if U3<0 then U3=0 ・・・(12)
以上で、制御変数算出処理が終了する。
次に、図4のステップS5,S6の処理の詳細について説明する。まず、印加電圧Vから制御変数Uへの第1の変換方法に基づく印加電圧算出処理について説明する。図8は演算器1の印加電圧算出処理を説明するフローチャートである。
Vi=(piUi)1/2 ・・・(13)
Vi=qiUi+ri ・・・(14)
閾値Uthiは閾値電圧VthをU変数に置き換えた値である。閾値Uthiの例については後述する。こうして、制御変数Uiを固定電極107−iへの印加電圧Viに変換することができる。本実施の形態では、1つのMEMSミラー装置に3つの固定電極107−1〜107−3があるので、これら固定電極107−1〜107−3毎に式(13)または式(14)の演算が実施される。
d(V)=aV2 ・・・(15)
V≧Vthの領域において印加電圧Vと可動片持ち梁の変位dとの関係を近似した一次関数を式(16)のように定める。
d(V)=bV+c ・・・(16)
a=dth/Vth2 ・・・(17)
b=(dmax−dth)/(Vmax−Vth) ・・・(18)
c=dth−Vth(dmax−dth)/(Vmax−Vth) ・・・(19)
k=dmax/Vmax ・・・(20)
Uth=dth/k=(dth/dmax)・Vmax ・・・(21)
式(13)から、0<U<UthではU=V2/pなので、このU=V2/pをd(U)=kUに代入したとき、d(V)=aV2になるためには、パラメータpを次式のように定めるとよい。
p=k/a=(Vth2/Vmax)・(dmax/dth) ・・・(22)
q=k/b=(dmax/Vmax)・(Vmax−Vth)/(dmax−dth)
・・・(23)
r=Vth−dth/b=Vth−{dth・(Vmax−Vth)}
/(dmax−dth) ・・・(24)
次に、印加電圧Vから制御変数Uへの第2の変換方法に基づく印加電圧算出処理について説明する。図10は演算器1の印加電圧算出処理を説明するフローチャートである。
第2の変換方法では、印加電圧Vと可動片持ち梁の変位dとの関係をVのn次関数(nは1〜2の実数)で近似するが、nの具体的な数値については、それほど厳密に考える必要はなく、小数1位程度の精度で求まれば構わない。nの求め方として、例えば実測で測定したM点(Mは3以上の整数)の(Vj,dj)について(jは1〜Mの整数)、近似関数をd(V)=ξVnとすれば、以下の式(25)が最小となるnを選べばよい(最小二乗法の適用)。
ξ=dmax/Vmaxn ・・・(26)
Vi=(siUi)1/n ・・・(27)
こうして、制御変数Uiを固定電極107−iへの印加電圧Viに変換することができる。本実施の形態では、1つのMEMSミラー装置に3つの固定電極107−1〜107−3があるので、これら固定電極107−1〜107−3毎に式(27)の演算が実施される。
k=dmax/Vmax ・・・(28)
また、n次関数の係数aは、次式で与えられる。
a=dmax/Vmaxn ・・・(29)
s=k/a=Vmax(n-1) ・・・(30)
最後に、V−d特性を調べる具体的な方法について説明する。図12は図18、図19(A)、図19(B)に示したMEMSミラー装置の断面図である。アンカー108−1,108−2は、可動片持ち梁106−1,106−2の一端を固定している。固定電極107−1,107−2およびアンカー108−1,108−2は、基板115上に形成されている。図12における116はミラー101に入射して反射されるレーザ光線である。
d=Lθ ・・・(31)
Claims (6)
- 光を反射するミラーと、一端が前記ミラーの一方の辺に第1の接続ばねを介して接続され他端が固定された第1の可動片持ち梁と、一端が前記ミラーの他方の辺に第2、第3の接続ばねを介して接続され他端が固定された第2、第3の可動片持ち梁と、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁から離間して配置された第1、第2、第3の固定電極とを備えたMEMSミラー装置を制御する制御方法であって、
前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求に応じて制御変数Uを算出する制御変数算出ステップと、
前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出する印加電圧算出ステップと、
この印加電圧算出ステップで算出した値の印加電圧Vを前記第1、第2、第3の固定電極に印加する電圧印加ステップとを含み、
前記制御変数Uは、前記印加電圧Vの関数であり、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位と線形な変数であり、
前記制御変数算出ステップは、前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求を、予め定められた第1のパラメータを用いて、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位dに比例する制御変数Uに変換し、
前記印加電圧算出ステップは、前記印加電圧Vと前記変位dとの関係が、d∝V 2 のように二次関数で近似できる印加電圧Vの領域では、前記制御変数Uを、U=aV 2 (aは係数)と定義し、前記印加電圧Vと前記変位dとの関係が、d∝Vのように一次関数で近似できる印加電圧Vの領域では、前記制御変数Uを、U=bV+c(bは係数、cは定数)と定義したときに、前記印加電圧Vと前記変位dとの既知の関係に基づいて予め定められた第2のパラメータを用いて、前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出することを特徴とするMEMSミラー装置の制御方法。 - 光を反射するミラーと、一端が前記ミラーの一方の辺に第1の接続ばねを介して接続され他端が固定された第1の可動片持ち梁と、一端が前記ミラーの他方の辺に第2、第3の接続ばねを介して接続され他端が固定された第2、第3の可動片持ち梁と、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁から離間して配置された第1、第2、第3の固定電極とを備えたMEMSミラー装置を制御する制御方法であって、
前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求に応じて制御変数Uを算出する制御変数算出ステップと、
前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出する印加電圧算出ステップと、
この印加電圧算出ステップで算出した値の印加電圧Vを前記第1、第2、第3の固定電極に印加する電圧印加ステップとを含み、
前記制御変数Uは、前記印加電圧Vの関数であり、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位と線形な変数であり、
前記制御変数算出ステップは、前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求を、予め定められた第1のパラメータを用いて、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位dに比例する制御変数Uに変換し、
前記印加電圧算出ステップは、前記印加電圧Vと前記変位dとの関係を、d=V n (nは1〜2の実数)のようにn次関数で近似し、前記制御変数Uを、U=aV n (aは係数)と定義したときに、前記印加電圧Vと前記変位dとの既知の関係に基づいて予め定められた第2のパラメータを用いて、前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出することを特徴とするMEMSミラー装置の制御方法。 - 請求項1または2記載のMEMSミラー装置の制御方法において、
前記MEMSミラー装置は、複数の前記ミラーの向きが交互に変えて並べて配置されることを特徴とするMEMSミラー装置の制御方法。 - 光を反射するミラーと、
一端が前記ミラーの一方の辺に第1の接続ばねを介して接続され他端が固定された第1の可動片持ち梁と、
一端が前記ミラーの他方の辺に第2、第3の接続ばねを介して接続され他端が固定された第2、第3の可動片持ち梁と、
前記第1、第2、第3の可動片持ち梁から離間して配置された第1、第2、第3の固定電極と、
前記ミラーの回動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求に応じて制御変数Uを算出する制御変数算出手段と、
前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出する印加電圧算出手段と、
この印加電圧算出手段で算出された値の印加電圧Vを前記第1、第2、第3の固定電極に印加する電圧発生手段とを備え、
前記制御変数Uは、前記印加電圧Vの関数であり、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位量と線形な変数であり、
前記制御変数算出手段は、前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求を、予め定められた第1のパラメータを用いて、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位dに比例する制御変数Uに変換し、
前記印加電圧算出手段は、前記印加電圧Vと前記変位dとの関係が、d∝V 2 のように二次関数で近似できる印加電圧Vの領域では、前記制御変数Uを、U=aV 2 (aは係数)と定義し、前記印加電圧Vと前記変位dとの関係が、d∝Vのように一次関数で近似できる印加電圧Vの領域では、前記制御変数Uを、U=bV+c(bは係数、cは定数)と定義したときに、前記印加電圧Vと前記変位dとの既知の関係に基づいて予め定められた第2のパラメータを用いて、前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出することを特徴とするMEMSミラー装置。 - 光を反射するミラーと、
一端が前記ミラーの一方の辺に第1の接続ばねを介して接続され他端が固定された第1の可動片持ち梁と、
一端が前記ミラーの他方の辺に第2、第3の接続ばねを介して接続され他端が固定された第2、第3の可動片持ち梁と、
前記第1、第2、第3の可動片持ち梁から離間して配置された第1、第2、第3の固定電極と、
前記ミラーの回動を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、
前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求に応じて制御変数Uを算出する制御変数算出手段と、
前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出する印加電圧算出手段と、
この印加電圧算出手段で算出された値の印加電圧Vを前記第1、第2、第3の固定電極に印加する電圧発生手段とを備え、
前記制御変数Uは、前記印加電圧Vの関数であり、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位量と線形な変数であり、
前記制御変数算出手段は、前記ミラーの所望の回動状態を指定する要求を、予め定められた第1のパラメータを用いて、前記第1、第2、第3の可動片持ち梁の変位dに比例する制御変数Uに変換し、
前記印加電圧算出手段は、前記印加電圧Vと前記変位dとの関係を、d=V n (nは1〜2の実数)のようにn次関数で近似し、前記制御変数Uを、U=aV n (aは係数)と定義したときに、前記印加電圧Vと前記変位dとの既知の関係に基づいて予め定められた第2のパラメータを用いて、前記制御変数Uから、前記第1、第2、第3の固定電極への印加電圧Vを算出することを特徴とするMEMSミラー装置。 - 請求項4または5記載のMEMSミラー装置において、
複数の前記ミラーの向きが交互に変えて並べて配置されることを特徴とするMEMSミラー装置。
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