JP6046402B2 - ねじり振動子及びねじり振動子の制御方法 - Google Patents

Description

本発明は、ねじり振動子及びねじり振動子の制御方法に関する。

ねじり振動子は、例えば光スキャナなどにおいて光の方向を変えるために用いられている。このような用途のねじり振動子は、可動部である可動電極と、固定電極とを有している。可動電極は、可動電極と固定電極の間に印加される電圧によって揺動する。通常、可動電極及び固定電極は、同一の層から形成されているため、互いの上面及び下面が同一面となっている。

これに対して特許文献１には、固定電極と可動電極を厚さ方向において完全にずらすことが記載されている。

特開２００４−１３０９９号公報

本発明者が検討した結果、以下の課題が判明した。可動電極の上面と固定電極の上面が同一面を形成しており、かつ可動電極の下面と固定電極の下面が同一面を形成していた場合、固定電極と可動電極の間に電圧を印加したとき、可動電極がどちらに回転するかが分からない。特許文献１のように固定電極と可動電極を厚さ方向において完全にずらすと、このような問題は生じない。しかし、このような構造にするためには、加工プロセスが複雑になるため、製造コストが増大する。

本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、製造コストが増大することを抑制でき、かつ固定電極と可動電極の間に電圧を印加したときの可動電極の回転方向を一意に定めることができるねじり振動子及びねじり振動子の制御方法を提供することにある。

本発明に係るねじり振動子は、可動電極、枠体、保持部材、２つの第１固定電極、及び第２固定電極を備えている。保持部材は、可動電極を枠体に取り付けており、かつ可動電極の回転軸となる。２つの第１固定電極は、可動電極を介して互いに対向しており、可動電極の回転軸と交わる方向に並んでいる。第２固定電極は、可動電極及び２つの第１固定電極から絶縁されており、平面視における中心が保持部材と重なっていない。そして厚さ方向において、第２固定電極は、可動電極と少なくとも一部が重なっており、かつ中心が、可動電極の厚さ方向の中心と重なっていない。

本発明に係るねじり振動子の制御方法は、上記したねじり振動子を準備した上で、第２固定電極に電圧を印加することにより、可動電極を初動させ、その後、２つの第１固定電極に印加する電圧を制御することにより、可動電極の動きを制御する。

本発明によれば、製造コストが増大することを抑制でき、かつ固定電極と可動電極の間に電圧を印加したときの可動電極の回転方向を一意に定めることができる。

第１の実施形態に係るねじり振動子の構成を示す平面図である。 図１の一点鎖線部分の断面図である。 ねじり振動子の製造方法を示すための断面図である。 ねじり振動子の製造方法を示すための断面図である。 制御部による可動電極の制御方法を説明するためのフローチャートである。 第２の実施形態に係るねじり振動子の構成を示す平面図である。 第２の実施形態における制御部の動作を示すフローチャートである。

以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態に係るねじり振動子１００の構成を示す平面図である。図２は、図１の一点鎖線の部分の断面図である。本実施形態に係るねじり振動子１００は、可動電極１２０、枠体１１０、保持部材１３０、２つの第１固定電極１４０、及び第２固定電極１５０を備えている。保持部材１３０は、可動電極１２０を枠体１１０に取り付けており、かつ可動電極１２０の回転軸となる。２つの第１固定電極１４０は、可動電極１２０を介して互いに対向しており、可動電極１２０の回転軸と交わる方向に並んでいる。第２固定電極１５０は、可動電極１２０及び２つの第１固定電極１４０から絶縁されており、平面視における中心が保持部材１３０と重なっていない。そして厚さ方向において、第２固定電極１５０は、可動電極１２０と少なくとも一部が重なっており、かつ中心が、可動電極１２０の厚さ方向の中心と重なっていない。以下、詳細に説明する。

可動電極１２０の平面形状は矩形であるが、第１固定電極１４０と対向する辺（図１においてＹ方向に伸びている辺）は、櫛歯形状となっている。枠体１１０は、可動電極１２０の４辺のうち第１固定電極１４０と対向していない２つの辺（図１においてＸ方向に伸びている辺）それぞれに対向している。保持部材１３０は、可動電極１２０のうち枠体１１０と対向している２辺それぞれに対して設けられている。詳細には、保持部材１３０は、可動電極１２０のうち枠体１１０と対向している辺の中心に接続している。そして２つの保持部材１３０を結ぶ線が、可動電極１２０の回転軸となっている。本実施形態では、枠体１１０、可動電極１２０、及び保持部材１３０は一体的に形成されている。

第１固定電極１４０のうち可動電極１２０と対向する辺は、櫛歯形状となっており、可動電極１２０の櫛歯部分とかみ合っている。このため、第１固定電極１４０と可動電極１２０は、互いに対向する部分の面積が大きくなり、その結果、可動電極１２０の駆動力は大きくなる。

また、第１固定電極１４０の一つ（図１においては左側の第１固定電極１４０）は、一部が可動電極１２０と枠体１１０の間に伸びている。その伸びている部分の先端は、保持部材１３０に対向している。一方、残りの第１固定電極１４０（図１においては右側の第１固定電極１４０）は、可動電極１２０と枠体１１０の間には伸びていない。その代わり、可動電極１２０と枠体１１０の間には、第２固定電極１５０が設けられている。すなわち第２固定電極１５０の全体は、平面視において可動電極１２０の回転軸と重なっていない。また平面視において、第２固定電極１５０は、保持部材１３０を基準にしたとき、一方の第１固定電極１４０側（図１においては右側）にのみ設けられている。

本図に示す例において、可動電極１２０及び第２固定電極１５０のうち互いに対向する部分は、直線形状になっている。ただし、この部分は櫛歯形状になっていて互いにかみ合っていても良い。

さらに、第２固定電極１５０は２つ設けられているが、これらは、回転軸の長さ方向の中心（図１のＹ方向における可動電極１２０の中心と同一である）に垂直に交わる線である基準線ｔに対して、線対称となる位置に配置されている。

また、図２に示すように、厚さ方向で見た場合、可動電極１２０の第１面（図２における下面）と、第２固定電極１５０の第１面（図２における下面）とは同一面を形成しているが、可動電極１２０の第２面（図２における上面）と、第２固定電極１５０の第２面（図２における上面）とは同一面を形成していない。具体的には、第２固定電極１５０は可動電極１２０よりも薄く、そのため、第２固定電極１５０の第２面は、可動電極１２０の第２面よりも低くなっている。第２固定電極１５０の厚さは、例えば可動電極１２０の厚さの１／１０以上９／１０以下である。第２固定電極１５０の厚さが可動電極１２０の厚さの１／１０よりも薄い場合、第２固定電極１５０の強度が不十分となり、ねじり振動子１００の歩留まりが悪くなる。また第２固定電極１５０の厚さが可動電極１２０の厚さの９／１０よりも厚い場合、後述する第２固定電極１５０による起動の効果が生じにくくなる。なお、第１固定電極１４０の上面は、可動電極１２０の上面及び枠体１１０の上面と同一面を形成しており、第１固定電極１４０の下面は、可動電極１２０の下面及び枠体１１０の下面と同一面を形成している。

なお、枠体１１０の下面、第２固定電極１５０の下面、及び第１固定電極１４０の下面は、絶縁層３２０を介して基板３１０によって支持されている。これに対して可動電極１２０及び保持部材１３０は、上面及び下面のいずれも支持されていない。

ねじり振動子１００の可動電極１２０は、例えば上面が鏡面になっている。この鏡面の光反射率は、例えば可動電極１２０の上面に金属膜（例えばＡｌ膜）を形成することにより、選択することができる。そして可動電極１２０の角度を変えることにより、可動電極１２０に入射してきた光の反射角を変える。ねじり振動子１００は、例えば光スキャナーやモーションセンサに用いられる。可動電極１２０の角度は、制御部２００によって制御される。制御部２００の動作については、フローチャートを用いて後述する。

図３及び図４は、ねじり振動子１００の製造方法を示すための断面図である。まず、図３（ａ）に示すように、基板３１０上に絶縁層３２０及び導電層３３０を形成したものを準備する。基板３１０、絶縁層３２０、及び導電層３３０は、例えばＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板である。この場合、基板３１０及び導電層３３０は、不純物が導入されたシリコン層である。次いで、基板３１０の下面及び導電層３３０の上面を洗浄する。

次いで図３（ｂ）に示すように、導電層３３０上にレジストパターン５０を形成する。次いで、レジストパターン５０をマスクとして導電層３３０をドライエッチングする。これにより、枠体１１０、可動電極１２０、保持部材１３０、第１固定電極１４０、及び第２固定電極１５０が形成される。なお、この状態において、第２固定電極１５０は、可動電極１２０、保持部材１３０、及び第１固定電極１４０と同じ厚さを有している。

その後、図４（ａ）に示すように、レジストパターン５０を除去する。次いで、枠体１１０、可動電極１２０、保持部材１３０、及び第１固定電極１４０をレジストパターン５２で覆う。そして、レジストパターン５２をマスクとして第２固定電極１５０をハーフエッチング（ドライエッチング）する。これにより、第２固定電極１５０は薄くなる。

次いで、図４（ｂ）に示すように、基板３１０の下面にレジストパターン５４を形成する。次いで、レジストパターン５４をマスクとして基板３１０及び絶縁層３２０をドライエッチングする。これにより、基板３１０のうち可動電極１２０及び保持部材１３０の下に位置している部分は除去される。

その後、レジストパターン５２及びレジストパターン５４は除去される。このようにして、図１及び図２に示したねじり振動子１００が形成される。

図５は、制御部２００による可動電極１２０の制御方法を説明するためのフローチャートである。可動電極１２０を揺動させるとき、制御部２００は、まず２つの第２固定電極１５０に直流電圧を印加する（ステップＳ１０）。これにより、第２固定電極１５０と可動電極１２０の間には電位差が生じ、その結果、可動電極１２０は保持部材１３０を回転軸として回転する。このとき、厚さ方向において、可動電極１２０の中心は可動電極１２０の中心よりも基板３１０側に位置している。このため、可動電極１２０は、必ず第２固定電極１５０に対向している領域が上側に移動する。

その後、制御部２００は、第２固定電極１５０への直流電圧の印加を停止するとともに、２つの第１固定電極１４０に交流電圧を印加する。そして制御部２００は、この交流電圧を制御することにより、可動電極１２０を所望する角度に回転させる（ステップＳ２０）。

以上、本実施形態によれば、厚さ方向において、可動電極１２０の中心は可動電極１２０の中心からずれている。このため、第２固定電極１５０に電圧を印加したとき、可動電極１２０は必ず決まった方向に回転する。

また、第２固定電極１５０は、厚さ方向において少なくとも一部が可動電極１２０と重なっている。このため、可動電極１２０と第２固定電極１５０（又は１４０）とを厚さ方向において完全にずらす場合と比較して、ねじり振動子１００の製造コストは低くなる。特に本実施形態では、可動電極１２０の下面と、第２固定電極１５０の下面とは同一面を形成しているが、可動電極１２０の上面と、第２固定電極１５０の上面とは同一面を形成していない。このような構成は、第２固定電極１５０をハーフエッチングするのみで実現できる。従って、ねじり振動子１００の製造コストは特に低くなる。

また、第２固定電極１５０は、平面視において可動電極１２０の回転軸と重なっている部分がない。このため、第２固定電極１５０に電圧を印加したとき、可動電極１２０に加わる回転モーメントは大きくなり、可動電極１２０は回転しやすくなる。

また、２つの第２固定電極１５０は、可動電極１２０の中心に垂直に交わる線である基準線ｔに対して、線対称となる位置に配置されている。このため、第２固定電極１５０に電圧を印加したとき、可動電極１２０の回転運動は安定する。

（第２の実施形態）
図６は、第２の実施形態に係るねじり振動子１００の構成を示す平面図である。本実施形態に係るねじり振動子１００は、第２固定電極１５０のレイアウトを除いて、第１の実施形態に係るねじり振動子１００と同様の構成である。

詳細には、可動電極１２０の回転軸を基準にしたとき、第２固定電極１５０は、２つの第１固定電極１４０側それぞれに設けられている。各サイドにおける第２固定電極１５０のレイアウトは、第１の実施形態に示した第２固定電極１５０のレイアウトと同様となっている。すなわち、いずれのサイドにおいても、第２固定電極１５０は２つ設けられている。そして２つの第２固定電極１５０は、基準線ｔに対して、線対称となる位置に配置されている。そして第１固定電極１４０は、互いに線対称な形状を有している。

図７は、本実施形態における制御部２００の動作を示すフローチャートである。まず制御部２００は、外部から、可動電極１２０の回転方向及びその量を示す指示を受信する。そして制御部２００は、可動電極１２０の回転方向に基づいて、いずれのサイドに位置する第２固定電極１５０に電圧を印加するかを選択する（ステップＳ５）。例えば制御部２００は、初動において、受信した指示と同一方向に可動電極１２０が回転するように、第２固定電極１５０を選択する。

その後の処理（ステップＳ１０，Ｓ２０）は、第１の実施形態と同様である。

本実施形態によっても、第１の実施形態と同様の効果を得ることができる。また、初動において、可動電極１２０を、指示と統一方向に回転させることができる。従って、可動電極１２０を所望の角度に回転させるまでの時間を短くすることができる。

以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。

１００ ねじり振動子
１１０ 枠体
１２０ 可動電極
１３０ 保持部材
１４０ 第１固定電極
１５０ 第２固定電極
２００ 制御部
３１０ 基板
３２０ 絶縁層
３３０ 導電層
５０ レジストパターン
５２ レジストパターン
５４ レジストパターン

Claims (6)

1. 可動電極と、
   枠体と、
   前記可動電極を前記枠体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる保持部材と、
   前記可動電極を介して互いに対向しており、前記可動電極の回転軸と交わる方向に並んでいる２つの第１固定電極と、
   前記可動電極及び前記２つの第１固定電極から絶縁されており、平面視における中心が前記保持部材と重なっていない第２固定電極と、
   を備え、
   前記可動電極は、第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有し、
   前記第１固定電極は、第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有し、
   前記第２固定電極は、第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有し、
   厚さ方向において、
   前記第２固定電極は、前記可動電極と少なくとも一部が重なっており、かつ中心が、前記可動電極の厚さ方向の中心と重なっておらず、
   厚さ方向で見た場合、
   前記可動電極の前記第１面と、前記第１固定電極の前記第１面と、前記第２固定電極の前記第１面とは同一面を形成しており、
   前記可動電極の前記第２面と、前記第１固定電極の前記第２面とは同一面を形成しており、
   前記可動電極の前記第２面と、前記第２固定電極の前記第２面とは同一面を形成していないねじり振動子。
2. 請求項１に記載のねじり振動子において、
   前記第２固定電極は、平面視において前記回転軸と重なっている部分がないねじり振動子。
3. 請求項２に記載のねじり振動子において、
   平面視において、前記第２固定電極は、前記保持部材を基準としたとき、一方の前記第１固定電極側にのみ設けられているねじり振動子。
4. 請求項３に記載のねじり振動子において、
   前記第２固定電極は、前記回転軸の長さ方向の中心に垂直に交わる線である基準線に対して、線対称となる位置に複数設けられているねじり振動子。
5. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のねじり振動子において、
   前記可動電極の一面は鏡面であるねじり振動子。
6. 可動電極と、
   枠体と、
   前記可動電極を前記枠体に取り付け、前記可動電極の回転軸となる保持部材と、
   前記可動電極を介して互いに対向しており、前記可動電極の回転軸と交わる方向に並んでいる２つの第１固定電極と、
   前記可動電極及び前記２つの第１固定電極から絶縁されており、平面視における中心が前記保持部材と重なっていない第２固定電極と、
   を備え、
   前記可動電極は、第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有し、
   前記第１固定電極は、第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有し、
   前記第２固定電極は、第１面及び前記第１面とは反対側の第２面を有し、
   厚さ方向において、
   前記第２固定電極は、前記可動電極と少なくとも一部が重なっており、かつ中心が、前記可動電極の厚さ方向の中心と重なっておらず、
   厚さ方向で見た場合、
   前記可動電極の前記第１面と、前記第１固定電極の前記第１面と、前記第２固定電極の前記第１面とは同一面を形成しており、
   前記可動電極の前記第２面と、前記第１固定電極の前記第２面とは同一面を形成しており、
   前記可動電極の前記第２面と、前記第２固定電極の前記第２面とは同一面を形成していないねじり振動子を準備し、
   前記第２固定電極に電圧を印加することにより、前記可動電極を初動させ、その後、前記２つの第１固定電極に印加する電圧を制御することにより、前記可動電極の動きを制御する、ねじり振動子の制御方法。

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