WO2004041710A1 - 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

Abstract

　本発明では、静電駆動アクチュエータ等の可動素子Ａiに、駆動信号を与えて変位させながら変位検出部６によりその変位を検出し、較正部１５が駆動信号と変位との関係を自己較正することで、アクチュエータ特性の経時変化や環境変化を補正する。切り替え部７は１つの変位検出部を複数の可動素子Ａiに選択的に接続することで、変位検出のための回路を削減する。

Description

明 細 書

変位検出機能を備えたマイクロアクチユエ一タ、'および当該マ イクロアクチユエ一タを備えた可変形ミラー

技術分野

本発明は、 変位検出機能を備えたマイクロアクチユエータ、 およ び当該マイクロアクチユエータを備えた可変形ミラ一 （deformabl e mirror) に関する。 ま 、 このようなマイクロアクチユエ一タを 備えた種 の装置に関する。

背景技術

半導体プロセスを用い MEMS (Micro Electro Mechanical S ystems) 技術により、 様 なマイクロアクチユエ一タが開発され ている。 MEMS技術によれば、 多数のァクチユエータゆ駆動回路等 を同時に一括形成できる め、 その特徴を活かし ¾用が図られて いる。 基板上の多数の微小ミラ一を配列し 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麻用 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一変 位量を制御するものがある （例えば R.W. Corrigan, D.T.Amm an d C.S. Gudeman Grating Light Valve™ ι—echnology for Projection Displays", Presented at the International Displa y Workshop, Kobe Japan, 9 Dec 1 998, Paper Number L AD5- 1 ) 。 同文献では、 可変形ミラーはミラ一変位量によって回 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、 可変形ミラ一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, Γ.Θ. Bifano et al., Adaptive optic correctio n using microelectromechanical deformable mirrors 〃， Op tical Engineering, Vol. 41 , No.3, pp.561 -566 (March 20 02) ) 。

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.Ba er et al., Digital Compensation of High-performance Silic on Pressure Transducers " , Sensors and Actuators, A21 - A23, pp.70-72 (1 990) ) 。 同文献には、 複数の温度条件下にお し、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 BP. Gogoi, C.C. Wang, C.H. Mastrangelo, " Force Balanced Micromachined Pressure Sensors", IEEE tr ansactions on electron devices, Vol. 48, No.8, pp.1 575-1 584 (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 リオリカ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 O peration of a Micromachined Rate Gyroscope ， Transduce rs'97, 1 997 International Conference on Solid— State Sen sors and Actuators, Chicago, June 1 6-1 9, 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卜を補正す 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ユエ一夕には、 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ちのは、 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 変化等に対する対麻に限界があった。 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、 光スポッ卜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 ぅァクチユエータ特性の変化があっても、 これに対 l し 補正がで ぎなかった。 波面センサ等の外部センサを用いて閉ループ制御を行ラちのは、 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ァク チユエ一タ数よりも多くする必要があり、 例えば Shack- Hartman n型波面センサでは一般的に検出点数はァクチユエータ数の約 2倍 以上が必要とされている。 この 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 ¾させる位置調整も必要であつだ。 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ち比較的高精度で大規模なちのを 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 —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 O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 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 のァクチユエータを同時に駆動することが必要な場合には、 各ァク チユエ一タに対して閉ループ制御を行うと、 この めの回路規模が 極めて大きくなるといラ課題があった。 すなわち、 変位検出のため の検出信号発生器、 増幅器、 A Z D変換器、 制御回路などの各回路 がァクチユエータ数と同数必要であり、 特にァクチユエ一タ数が多 数の場合には回路規模が大きくなつてチップ全体のコス卜が高くな るという課題があっ 。

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、 従来技術をァクチユエ一タの変位 精度を向上させる用途に用いることが困難であつだ。 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 付けは予めメモリに格納されたちのを用いており、 零点 のドリフ卜補正を除けば、 可動子の変位と出力との対^関係は固定 されていだ。 零点のドリフ卜補正は可動子が変位していない状態で のオフセッ卜を補正するちので、 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 定数変化等といつ 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 。

すなわち、 ァクチユエ一夕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 な環境変化に対して変化するァクチユエ一タ特 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 うマイクロアクチユエ一タおよび可変形ミラーを提供することを目 的とする。 発明の開示

本発明のマイクロアクチユエータは、 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 の対麻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 15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し、て、 前記駆動部は、 実質的な D C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 D C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 D C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 JiEi付けて、 前記可動素子の振幅 答または位相 J 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^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 ¾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ちに、 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 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 ¾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^じだ前記駆動信号を出力する D A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 ¾関係を較 正する。

ある好ましい実施形態において、 前記 D A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^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し、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麻関係を 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 出部が所定值以上の温度変化を検出し 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 場合に、 前記較正部による前記対 関係の更新を禁止する。

また、 本発明のマイクロアクチユエータは、 基板と、 前記基板上 に変位可能に支持され 7£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 Zま は前記変位検出部と 前記複数の可動素子の各 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し、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。 ある好ましし、実施形態において、 前記駆動部の出力を開ループ制 御する閧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。 ある好ましし、実施形態において、 前記閧ループ制御部が、 前記閉 ループ制御部により制御されだ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 麻じ 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 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 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 ち少なくとち 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 方に与ん 。

本発明の他のマイクロアクチユエータは、 基板と、 前記基板上に 変位可能に支持され 可動素子と、 前記可動素子を変位させるだめ 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^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ラ切り替え部と、 前記配線経 路を接続した状態で得られだ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 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ユエータは、 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 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 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電極に接続されだ第 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 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ユエ一 タを備え 可変形ミラ一であって、 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ユエ一タを備え てし、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ユエータ の駆動方法であって、 前記可動素子を変位させる 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 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麻関係を較正するステップと、 を含 も、。

図面の簡単な説明 図 1 は、 本発明の実施形態 1 におけるマイクロアクチユエ一タの 概略構成図である。

図 2は、 本発明の実施形態 1 におけるマイクロアクチユエ一夕の 駆動回路の概略構成図である。 図 3は、 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 チヤ一卜である。

図 4は、 本発明の実施形態 2におけるマイクロアクチユエ一タの 概略構成図である。

囡5は、 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 のフローチヤ一卜である。

図 6は、 本発明の実施形態 3におけるマイクロアクチユエ一タの 概略構成図である。

図 7は、 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 のフ口一チヤ一卜である。

図 8は、 本発明の実施形態 4におけるマイクロアクチユエ一夕の 分解斜視図である。

図 9は、 本発明の実施形態 4における駆動回路 1 0 0 aの概略構 成図である。

図 1 〇は、 本発明の実施形態 4における較正動作ルーチンのフロ

—チヤ一卜である。 .

図 1 1 ( a ) および （b ) は、 ある可動素子における電圧指令値 Dと変位との対麻関係を示すグラフである。

図 1 2は、 本発明の実施形態 5におけるマイクロアクチユエ一タ の概略構成図である。

図 1 3は、 本発明の実施形態 6におけるマイクロアクチユエ一タ の概略構成図である。

図 1 4 ( a ) は本発明の実施形態 6における非線形 D Aコンバー タ 1 7 6の概略構成を示し、 図 1 4 ( b ) は、 その較正部 1 7 8に おける電圧指令値 Dと変位 Zとの対 J 関係を説明するためのグラフ である。 発明を実施するための最良の形態 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 ユエータは、 傾動動作を行ラ静電ァクチユエータである。 このよろ なマイクロアクチユエ一タは、 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ユエ一タは、 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ァク チユエ一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 3〇 im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 A 1〜 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 A 1〜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 E_u、 E_Ri と、 これらの固定電極 E_Li、 E_R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 Υίを傾動自在に支持する一対の導電性のポ ス卜 Piとを備えている。

可動素子 Aiは、 ポス卜 Ρί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 Y_uおよび第 2導電性部分 Y_Riを 有している。 第 1導電性部分 Y_uは、 間隙を介して第 1電極 E_uと対 向し、 第 2導電性部分 Y_Riは間隙を介して第 2電極 E_Ri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一として機能する。 第 1電極 E_uと可動電極 Υίとの間、 または第 2電極 E_Riと可動電 極 Υίとの間に電位差を与えると、 静電力によって可動電極 Υίは左 または右回りの傾動を行 。 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 E_uと、 可動電極 Υίの第 1導電性部分 Y_uとが形 成するコンデンサの容量を C_u、 第 2電極 E_Riと、 可動電極 Yiの第 2導電性部分 Y_Riとが形成するコンデンサの容量を C_Ri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、 C_u=C_Riの関 係がほぼ成立する。

容量 C_Li、 C_Riの大きさ、 それぞれ、 可動電極 Yiの傾動変位に J じて逆方向に増減する。 本実施形態では、 容量 C_u、 C_Ri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 T_Li、 T_Ri、 および Τ_Ρίは、 それぞれ、 固定電極 E_Li、 E_Ri、 お よびポス卜 Piに接続している。 これらの端子は、 絶縁層 3を貫通し 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ユエ一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 Αί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 ZF部 1 0、 目標変位設定部 1 1、 変換部 1 2、 電圧指令部 1 3、 変位検出制御部 1 4、 較正部 1 5、 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 1 3、 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。

1 / 部1 0は、 制御に関わる外部とのコマンドおよびデータを ゆりとりする。

目標変位設定部 1 1は、 I ZF部 1 〇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 1 2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 1 2には、 各可動素子 A1〜 Anの駆動電圧と変位との対 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 1 3は、 各可動素子 A1〜Anの制御を行う際には、 変換部 1 2の出力に基づき可動素子 A 1〜 Anを変位させるための 電圧指令値 D (V_L1) 〜D (V_Ln) 、 D (V_R1) 〜D (V_Rn) を出力す る。 電圧指令値 D (V_L1) 〜D (V_Ln) 、 D (V_R1) 〜D (V_Rn) は、 固定電極用端子 Tu〜丁 _Ln、 丁^〜丁^に与ぇる駆動電圧 〜 、 V_R1〜V_Rnにそれぞれ対^している。 ま 電圧指令部 1 3は、 可動 素子 Aiの変位を検出する際には、 固定電極用端子 T_u、 T_Riに与え る駆動電圧の DC成分 V_L、 V_Rの差動分 V_L— V_R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 (V_L) 、 D (V_R) を変化 させていく。 このやり方の 1例として、 ここでは V_Lまたは V_Rの一 方を〇Vに設定しておき、 他方を OV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 1 3が発生する V_L、 V_R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 1 4の出力に基づ いて制御が行われる。

変位挨出制御部 1 4は、 電圧指令部 1 3に電圧指令値 D (V_L) 、 D (V_R) を変化させる めの指令を行う。 また、 変位挨出部 6の卜 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 V outのオフセッ トを除去する。 これにより、 電圧指令値 D (V_L) 、 D (V_R) 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 1 5は、 電圧指令部 1 3が出力する電圧指令値 D (V_L) 、 D (V_R) 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 (V_L) 、 D (V_R) と変位との対靡関係 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 1 2の変換テ 一ブルに格納される。

第 1の駆動電圧発生部 20は、 電圧指令部 1 3からの電圧指令値 D (V_L) に基づき、 DC電圧 V_Lを発生する。 第 2の駆動電圧発生部 22は、 電圧指令部 1 3からの電圧指令値 D (V_R) に基づき、 DC 電圧 V_R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 2 6、 増幅器 2了、 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 V_A、 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) よりち大き 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 \^ + V_Asin (27rft) 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 V_A、 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 V_R—V_Asin (2 TTft) が得られる。

切り替え部了によって可動素子 Αί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 V_L+V_Asin (2πίί) 、 V_R-V_Asin (2π ft) はそれぞれ端子 T_u、 T_Riに入力され、 端子 T_Piからの出力がォ ぺアンプ 24に入力される。 オペアンプ 24と容量 C f 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 V_L、 V_Rの変化 V_L、 !V_R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卜ランジスタ 26 を導通させてこれを除去すれば、 静電容量の変化 C_Ri— C_uを検出す るための信号が精度良く得られる。

(数 1 )

Vout 二 （ (C_Ri-C_Li) /Cf) · V_A sin (2/rft) + (C_Ri lV_R -C_LiZlV_L) /Cf

出力 Voutは増幅器 2了で増幅され、 AD変換器 28でデジタル データ化されて、 較正部 1 5に出力される。

切り替え部了は、 可動素子 A1〜Anのそれぞれについて、 駆動 制御を行 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 えを行ろ。 図では可動素子 Αίは検出モードに設定されており、 既に 説明し よラに変位検出部 6と接続されて ^答特性が調べられる。 また、 図では可動素子 Αί+1は駆動モードに設定されており、 固定 電極用端子 T_Li+1、 T_Ri+1はそれぞれ電圧指令部 1 3により指令され 電圧 V_u+1、 V_Ri+1が印加され、 また可動電極用端子 T_Pi+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 マイクロアクチユエ一夕の動作について、 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 ァクチユエ一タの較正動作ルーチンのフロ一チヤ一卜である。

装置起動時ゆ、 あるいは図示しない温度センサが所定値以上の温 度変化を検知しだとき、 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卜し とき等に、 本実 施形態のマイクロアクチユエ一タは変換部 1 2に格納された可動素 子 A 1〜 A nの変換テーブルを更新する。

まず、 i 二 1 とし （ステップ 3〇） 、 変位検出を行う可動素子 Ai として 1 番目の可動素子 A 1が選択される。 切り替え部了が可動素 子 A iを変位検出部 6に接続する （ステップ 3 1 ) 。 このとき、 A i 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 1 3が出力する電圧指令値 D (V_L) 、 D (V_R) を変化させ、 第 1 の駆動電圧発生部 2 0の出力電 圧 V_Lと第 2の駆動電圧発生部 2〇の出力電圧 V_R とを複数段階で出 力させながら、 各段階で可動素子 Α ίの変位検出を行う。 具体的には、 まず V_Rを OVに設定して （ステップ 3 2 ) 、 V_Lを〇Vから最大電圧 V maxまで段階的に増加させ、 各電圧における可動素子 A ίの変位を 測定する。

測定された変位データは各 V_Lの値ととちに較正部 1 5に記憶され る （ステップ 3 3 ) 。 次に、 V_Lを OVとして （ステップ 3 4 ) 、 V_R を〇V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 A iの変位を測定する。 測定された変位データは各 V_Rの値 とともに較正部 1 5に記憶される （ステップ 3 5 ) 。 測定が完了す ると、 較正部 "1 5は電圧差 V_L— V_R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 3 6 ) 。 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 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 3了） 。 正常範囲内に無い場合 には測定結果にエラーがあつたと判断する （ステップ 3 8 ) 。 エラ —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 V_Lや V _Rの電圧 値によらず可動素子がほぽ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 3 9 ) 、 次の可動素子の測定に移行する (ステップ 4 0 ) 。 n番目の可動素子 A n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、 マイクロアクチユエ一タはこ れを用いた制御動作に移行する。 切り替え部了は全ての可動素子 A 1〜A n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 1 1 によって各可動素子 A 1〜A nの目標変位が設定され ると、 変換部 1 2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 1 3により指令された駆動電圧を与えられて、 可動素子 A 1〜A n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ユエータによれ 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 るだめに、 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 ¾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 化ゆ温度などの環境変化に伴ろ可動素子特性の変化にち対麻するこ 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 Ι るために、 多数の可 動素子を備えだァクチユエ一夕であっても、 変位検出のための検出 信号発生器、 増幅器、 A Z 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卜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 2 0と高周波信号発生部 2 1 とを別 に構成して接続した例について説明し が、 両者を 1 つの D A変換器で構成し、 電圧指令部 1 3からの制御信号を周波数 f で変調して V_L+V_A sin (27t ft) の出力電圧を得ても良い。 また A C電圧の波形は正弦波でなく、 矩形波としてちよい。 駆動電圧発 生部 2 2と高周波信号発生部 2 3とについても同様である。 このよ 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 1 3は D C電圧成分 V_L、 V_Rのみを可変とした 例につし、て説明したが、 A C電圧成分の振幅 V_Aを可変にすること ちできる。 特に電位差 V_L— V_Rの絶対値が小さいときには振幅 V_Aを 大きくし、 電位差 V_L— V_Rの絶対値が大きいときには振幅 V_Aを小さ くすれば、 以下の 2つの効果がある。 第 1 に、 A C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 V_L— V_Rの絶対値が小さいときは、 可動素子 A iの変位 が小さく静電容量の変化 C_Li一 C_Riも小さいため、 検知信号 V outの 振幅は小さく S Z N比が得られにくい一方、 A C電圧成分により可 動素子 Α Πこ発生する吸引力は固定電極 E _Li側と E _Ri側とでほぼ釣り 合って相殺されるだめ、 可動素子の変位への影響が小さい。 電位差 V_L— V_R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 V_L— V_Rの絶対値が小さいときには振幅 V_Aを大きくし、 電位差 — V_Rの絶対値が大きいときには振幅 V_Aを小さくすれば、 A C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 D C電圧の設定レンジで決まり、 これは全体の電 圧から A C電圧成分を除い ものとなる。 駆動電圧 V_Lまたは V_Rの 絶対値が大きいときに振幅 V_A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 、 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 が、 変位検出部 6が複数のチャンネルを備え、 全可動素子 A 1 ~ A nち複数のプロックに分割し、 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 の可動素子のばらつ含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ラことができる。 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つ て特性が変化する場合には、 こ 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 、 本実施例では駆動信号を D C信号とし 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 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 f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ちでき、 これ によってち精度良く可動素子の麻答特性を測定することができる。 較正部 1 5はこれらの J 答特性から可動素子の電圧一変位特性を算 出し、 変換部 1 2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ちできる。 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 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ちのとしてちよい。

(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ユエータ 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 ァクチユエ一タの概略構成図である。

本実施形態のマイクロアクチユエ一タは、 可動部 4、 変位検出部 6、 切り替え部了、 I Z F部 1 0、 目標変位設定部 1 1、 変位検出 制御部 1 4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 5 0の構成であり、 本 実施形態では、 制御部 5 0は変位検出部 6の出力を用いて可動素子 A 1〜 A nに対し間欠的な閉ループ制御を行う。 制御部 5 0は電圧指令部 5 1 を備え、 電圧指令部 5 1 はサーポ制 御部 5 2と電圧値ホールド部 5 3とを備える。

サーポ制御部 5 2は目標変位設定部 1 1 と変位検出部 6との差を 誤差信号 εとして入カレ、 所望の制御特性を持たせるための P I D 制御器を備え、 この制御出力として電圧値 Vい V_Rの指令値を与え て選択された可動素子 Αίに対する閉ループ制御を行 。 まだ、 サー ポ制御部 5 2は、 誤差信号 εの値およびその時間微分値が所定値以 下になつ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 Α ί+1に対する閉ループ制御を行ラ。 より詳細には、 制御の収束を判断すると、 サーボ制御部 5 2はその時点における電 圧値 V_L、 V_Rの指令値を電圧値ホールド部 5 3に出力する。 電圧値 ホールド部 5 3はこの電圧値 V_L、 V_Rの指令値を可動素子 A iに対す る指令値 V_u、 V_Riとして保持し、 次回に再びサーポ制御部 5 2から 可動素子 Aiに対する新 な指令値を入力するまでは、 この指令値を 出力する。 切り替え部了は可動素子 Aiの接続先を変位検出部 6から 電圧值ホールド部 5 3に切り替え、 可動素子 Ai+1の接続先を電圧 値ホールド部 5 3から変位検出部 6に切り替える。

以上のように構成しだマイクロアクチユエ一夕の動作について、 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 ァクチユエ一タの間欠閉ループ制御ルーチンのフローチヤ一卜であ る。

まず、 i 二 1 とし （ステップ 6 0 ) 、 閉ループ制御を行う可動素 子 Αίとして 1番目の可動素子 Α 1を選択する。 切り替え部 7が可動 素子 Αίを変位検出部 6に接続する （ステップ 6 1 ) 。 このとき、 A i以外の全ての可動素子は電圧値ホールド部 5 3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 Vい V_Rの初期値は電圧値ホールド部 5 3に前回保持した V_Li、 V_Ri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 1 "I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の絶対値が所定値びとな り、 かつ誤差信号 εの時間微分値 ε / Δ tの絶対値が所定値 以 下になつた場合にはサーポ制御部 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 Vい V_R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 Vい V_Rの指令値を可動素子 Aiに対する指令値 V_u、 V_Ri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 制御から閧ループ制御への切り替えが完了し、 次の可動素子 Αί+1 の閉ループ制御に移行する （ステップ 67) 。 η番目の可動素子 A n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 1 1 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 実行してちょい。

以上説明し ような本実施形態のマイクロアクチユエータによれ ぱ、 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 可動素子はその状態を保持する閧ループ制御を行う め、 多数の可動素子を備えたァクチユエ一タであっても、 変位検 出の めの検出信号発生器、 増幅器、 AZD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〜了を参照しながら、 本発明によるマイクロアクチユエータ 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 ァクチユエ一夕の概略構成図である。

本実施形態のマイクロアクチユエ一タは、 可動部 4、 I ZF部 1 〇、 目標変位設定部 1 1、 変位検出制御部 1 4、 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 2 2、 第 2の高周波信号発生部 23、 オペアンプ 24、 コンデンサ 2 5、 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了 0、 変位検出部 71、 制 御部 75の構成である。 本実施形態では、 変位検出部了 1 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 V_L、 V_Rの変化 lVし、 Δ V_Rによるオフセッ卜を軽減し、 閉ループ制御精度を高めている。 ま た、 サーボ制御部了 7による閉ループ制御が収束した後は切り替え 部了 0が可動素子 Αίとの接続を切り、 端子 T_Li、 T_Ri、 T_Pi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 7〇には、 可動素子 A 1〜 Anの各々に対^し スィ ツチ S1~Snが配設されている。 スィツチ Siは可動素子 Aiの各端 子 T_u、 T_Ri、 T_Piと接続し、 スィッチを ONした場合には各端子を それぞれ変位検出部了 1を含 駆動回路に接続し、 スィッチを OF Fした揚合には各端子を浮遊状態にする。 各 3つの端子の〇N、 O F F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、 発振器了 2、 乗算器了 3、 口一パスフィルタ 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 、 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。 乗算器了 3 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 2了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からの出力は口一パスフィルタ 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 V_L、 V_Rの変化 1Vい )V_Rが発生す るオフセッ卜電圧を低減し、 位置検出精度を高めている。

制御部了 5は電圧指令部了 6を備え、 電圧指令部 76はサーボ制 御部了了を備える。

サーボ制御部 7了は目標変位設定部 1 1 と変位検出部了 1 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 Vい V_Rの 指令値を与えて選択され 可動素子 Aiに対する閉ループ制御を行ろ。 また、 制御部了 5はクロックカウンタ （不図示） を備えており、 切り替え部了 0のスィッチ Siが ONになつ 時点を起点として、 各 ^動素子 Aiがサ一ポ制御部 7了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て 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 は閉ループ制御の所要時間が 上限値て以上となると、 制御部了 5は可動素子 Αίに対する閉ループ 制御を終了する。 上限値て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。 上限値て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ち良 し、。 例えば、 1 つ前の可動素子 Ai - 1の上限値てに対して実際の収 束時間 t卜 1が小さかった場合に、 その余剰時間 r一 t卜 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。 サーボ制御部了了による可動素子 Aiへの閉ループ制御を終了する と同時に、 切り替え部 70はスィッチ Siを O F Fして端子 T_Li、 T_R i、 T_Pi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 C_u、 C_Riに蓄えられ 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。

切り替え部了 0は次のスィツチ Si+1を ONし、 制御部了 5は可 動素子 Ai+1に対する閉ループ制御を行う。 このよ に、 順次、 可 動素子の間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 A 1 に戻って 2 サイクル目の閉ループ制御を行 。 このサイクルの周期時間をフレ ーム周期時間と呼 ^ことにする。 フレーム周期時間は、 マイクロア クチユエ一夕に求められる] i 答性能条件と、 キャパシタ C_u、 C_Ri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ては、 このフレーム周期時間が満たすべき条件を満足するよろに設定され ている。 例えば、 上限値てを固定値とした場合は n ·,てがフレーム 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ゆ経過時間 t ί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卜し 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 に構成したマイクロアクチユエ一タの動作について、 図了を参照しながら説明する。 図了は本実施形態におけるマイクロ ァクチユエ一夕の間欠閉ループ制御ルーチンのフローチヤ一トであ る。

まず、 上限値てを初期値て 0に設定する （ステップ 80) 。 初期 値て〇はフレーム周期時間の 1Ζηの値であり、 予め ROMに格納さ れたものである。 次に、 i 二 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 A 1を選択する （ステップ 81 ) 。

次に、 切り替え部 70がスィッチ 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 ての可動素子はスィツチが O F Fにされている。

可動素子 Aiの制御電圧値 Vい V_Rの初期値は、 目標変位設定部 1 1の出力を変換部 1 2で変換して作成した值を設定する （ステップ 83) 。 変位検出部了 1 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 1 1 が出力した目標変位量と一致するように サ一ボ制御部 7了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の絶対値が所定値びとな Ό、 かつ誤差信号 εの時間微分値 ε/ Δ tの絶対値が所定値 以 下になつた場合にはサーポ制御部 7了は制御が収束したと判断する (ステップ 85) 。 収束と判断されなし、場合は、 さらに経過時間 t i と上限値 τとを比較し、 t iくて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 揚合ゅ経過時間 t iが上限値以上となった場合は、 サーボ制御部了了による可動素子 A i への閉ループ制御を終了し、 切り替え部 7〇がスィッチ Siを OF Fして端子 T_Li、 T_Ri、 T_Piを浮 遊状態にする （ステップ 87) 。

次に、 余剰時間 （て一 t卜 1) に係数 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てに繰り越す （ステップ 88) 。 係数 は 0<びく 1 を満だす値とし、 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、 係数びは 0く ぐ ΘΧΡ (-1 / η) 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 Ze) 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 Αί+1の閉ループ制 御に移行する （ステップ 89) 。 こ 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 η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 な本実施形態のマイクロアクチユエ一タによれ ば、 サーボ制御部 77による閉ループ制御が収束しだ後は切り替え 部 70が可動素子 Aiとの接続を切り、 端子 T_u、 T_Ri、 T_Piを高イン ピーダンスとして電極間に蓄積され 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 ァクチユ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^、 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 8〜1 〇を参照しながら、 本発明によるマイクロアクチユエ一 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ユエ ータは上下動作と 2軸の傾動動作を行ろ静電ァクチユエータであり、 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ユエ一夕の分解斜視図 である。 ここでは 1 つの微小ミラ一ュニッ卜を拡大したちのが図示 されている。 1 つの微小ミラーュニッ卜は、 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、 これによつ て上下動作と 2軸の傾動動作が可能となっている。 各可動素子はョ —クと固定電極との対を備える。

微小ミラ一ュニヅトは 3 2個 X 3 2個の総数 1 0 2 4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 3 0 7 2個である。

基板 1 〇〇上には駆動回路 1 0 0 aが形成され、 その上に絶縁層 1 〇 1 が形成される。 絶縁層 1 〇 1 上にはベース 1 0 2および 3対 の固定電極 1 0 3〜1 〇5が形成される。 ベース 1 0 2および固定 電極 1 〇3〜1 〇5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 1 0 3は互いに独立に電圧設定が可能な第 1電極 1 0 3 Lおよ び第 2電極 1 0 3 Rを備える。 固定電極 1 〇4、 1 0 5も同様に、 それぞれ第 1電極 1 〇4し、 1 05 Lおよび第 2電極 1 04R、 1 〇5Rを備える。

第 1電極 1 〇 3 L〜 1 05 Lおよび第 2電極 1 03 R〜1 〇 5 R は、 それぞれが絶縁層 1 01に形成されたビア （不図示） によって 基板 1 〇〇に形成され 駆動回路 1 〇〇 aに接続されている。 駆動 回路 1 〇0 aは、 0~ 3 OVの範囲内で各々独立した電圧を第 1電 極 1 03 L〜1 〇51_ぉょび第2電極1 03R〜1 05Rに印加す ることができる。 この印加電圧は例えば 12bH:の多段階の値として 設定され得る。

3つのヨーク 1 0了〜 1 〇 9がそれぞれ 1対のヒンジ 1 〇6によ つて取り付けられ、 さらにこれらのヨーク 1 07〜1 09を微小ミ ラ一 1 1 〇に連結するための中間連結部材 1 1 1が設けられている。 ヒンジ 1 06はベース 1 02と一体に接合し、 電気的に導通してい る。 各ベース 1 02は、 絶縁層 1 01に形成されたビア （不図示） によって駆動回路 1 0〇 aに接続されている。 隣接するベース 1 0 2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 1 0〇 aに接続されている。

ヨーク 1 0了〜 1 09は、 対 する固定電極 1 03〜1 〇5に対 向し、 それぞれが可動電極として機能する。 ヨーク 1 07〜1 09 は、 アルミニウム （Al) まだ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 1 02と導通して接 地電位に設定されている。 ヨーク 1 0了〜 1 09は、 それぞれ第 1 電極 1 03L〜1 051_ぉょび第2電極1 03R〜1 05 Rに対向 する位置に第 1の部分 1 0了し〜 1 〇 9 Lおよび第 2の部分 1 0了 R〜1 〇9Rを有している。 ヨーク 1 07〜1 09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 1 〇8は回動軸 A 1 を中心に回動自在に支持され、 ヨーク 1 07, 1 09は回動軸 A2を中心に回動自在に支持される。 回動 軸 A 1 (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 A 1 と回動軸 A2とは 互いに X方向に半ピッチ分 （二 pZ2) だけずれ 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、 市松模様伏に配列される。 ヨーク 1 〇7を支持するヒンジ 1 06は、 ヨーク 1 08と隣接するヨーク 1 08' との間の隙間に沿在するように配設される。

第 1 電極 1 03 Lに駆動電圧を与え 場合、 ヨーク 1 07の第 1 の部分 1 07 Lが第 1電極 1 03 L側に吸引される。 これに对し、 第 2電極 1 〇 3 Rに駆動電圧を与え 場合は、 第 2の部分 1 〇7R が第 2電極 1 03 R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 1 07 Lの遊端近傍の駆動点 1 07 c (斜線で表示） において、 ヨーク 1 0了は中間連結部材 1 1 1 の突起 1 1 1 aと結 合する。 また駆動点 1 〇7 cの近傍にはヨーク 1 0了を貫通する溝 穴 1 〇了 dを設ける。

中間連結部材 1 1 1 は、 3点の突起 1 1 1 a〜1 1 1 cを備え、 突起 1 1 1 aはヨーク 1 07の駆動点 1 07 cと連結し、 突起 1 1 1 bはヨーク 1 08の駆動点 1 08 cと連結し、 突起 1 1 1 cはョ ーク 1 09の駆動点 1 09 cと連結している。 このため、 ヨーク 1 0了〜 "1 09を個別に回動駆動させると、 突起 1 1 1 a〜1 1 1 c の変位を独立に制御できることになり、 これによつて中間連結部材 1 1 1の姿勢が定まる。 突起 1 1 1 a~1 1 1 c近傍には中間連結 部材 1 1 1を貫通する溝穴 1 1 3 a〜1 1 3 cを設ける。

微小ミラ一 1 1 0は、 突起 1 1 4によって中間連結部材 1 1 1の 斜線部 1 1 2と結合している。 微小ミラー 1 1 0と中間連結部材 1 1 1 とは一体に結合している め、 微小ミラ一 1 1 0の姿勢は中間 連結部材 1 1 1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 1 1 0のピッチ間隔 pは 100 m、 ミラ一長さ Lは 98〃m である。

第 1電極 1 03 L〜1 05L、 第 2電極 1 03R〜1 05Rへの 駆動電圧を独立に制御することにより、 微小ミラー 1 1 〇は、 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 1 00 a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ユエ一夕の駆動回路 1 0〇 a 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 AU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つの微小ミラ一ュニッ 卜が構成されている め、 jの 値を 3つ毎に区切っ 単位で 1つの微小ミラ一ュニッ卜に対 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。 微小ミラーュニッ卜が 32個 X 32個のァ レイであるため、 ί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個のスィツチング用の MOS卜ランジスタ が接続されている。 これらの MOS卜ランジスタはェンハンスメン 卜型で、 ゲ一卜電圧を Hにするとスィッチが ONされ、 Lにすると スィツチが〇 F Fされる。 各 M〇Sトランジスタによる電圧損失を 小さくする めにゲー卜電圧は昇圧回路 （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卜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 BDjい BDj_R、 BDj_P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、 検出用ヮー ド線 WSiを Hにすると、 検出用ビッ ト線 BSjい BSj_R、 BSj_P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。 駆動用ヮード線\/\/01〜\^032、 検出用ヮ一 H^ WS1~WS3 2はラインデコーダ 1 20に接続され、 切り替え制御部 1 21から のアドレス信号 Ad r 1に ¾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 1 20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 糸冗ける。

17 部1 22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 X y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 複数種類の波面形伏の中から、 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 1 23は、 I /F部 1 22からの出力に基づき、 各可動素子 A i,jの目標変位を与える目標変位データ ZUを発生する。 各目標変位データ Zi,jは、 i、 jの番地を表す 12bPt部と、 目標変 位の大きさを一 128〜 127までの 256段階で表す 8bit部を持つ計 2 Obitのデータである。 目標変位設定部 1 23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 ZUを 1つずつ変換部 1 2 4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 ₉ 従って、 出力される目標変位データの順番は、 Z , Ζ,,

2、 . . .、 Ζ _1ι96χ ₂,1Ν 乙 2,2、 · · · とし、つよつに/よる。

変換部 1 24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 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は一 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 卜は正負を示す。 すなわ ち、 最上位ビッ 卜は可動素子 AU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 1 34で作成され、 変換部 1 24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 1 2 5に与えられる。 シフ卜レジスタ 1 25への電圧指令データ DU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 1 25は、 変換部 1 24から送られ 電圧指令デ —タ Di，jを 1 bitずつ順次転送していく。 可動素子 Ai,1~Ai，96に対 麻する電圧指令データ Dい〜 Di,96までの転送が完了した時点で、 切り替え制御部 1 21からラッチ 1 26にストロープ信号 S t bが 与えられ、 このタイミングでシフ卜レジスタ 1 25内の電圧指令デ —タ Di，1〜Di,96が一括してラッチ 1 26に保持される。 シフトレ ジスタ 1 25の転送速度は 16.9MHzで、 11 bitX96個のデータを 62.5 sで転送する。 ラッチ 1 26にデータを転送した後、 シフト レジスタ 1 25は直ちに次の行の可動素子 Ai+1，1〜Ai+1，96のデ —タを転送する。 従って、 ラッチ 1 26は約 62.5/is周期でス卜ロ —プ信号 S t bを受けることになり、 この約 62.5;t sが可動素子 Ai, "！〜 Ai,96への電圧印加時間に相当する。

ラッチ 1 26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 1 27およびスィッチ 1 28の各 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 する D Aコンバータ 1 2了 aとスィッチ 1 2 8 aを例にとって説明するが、 他の 95個の D Aコンバータおよび スィツチも同様の構成を備える。

DAコンバータ 1 2了 aは、 11bh:の電圧指令データ Di，1の下位 1 Obitを入力し、 0~ 3 OVの範囲で対^する大きさの駆動電圧を 出力する 1 Obitの D Aコンバータである。

スィッチ 1 28 aは、 11 t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 卜線 B D_1Lを接地電位に接続し、 駆動用ビッ ト線 BD_1Rを DAコンバータ 1 27 a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 BD_1Lを DAコンバータ 1 2了 aの出力に接続し、 駆動用ビッ卜線 BD_1R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 1 27 a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 B い BD_1Rに対 して、 スィッチ 1 28がそのいずれか一方を選択して各 DAコンパ ータ 1 27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 1 21はラインデコ ダ 1 2〇に i行目の駆動用ヮード線 WDiのみを Hとするようなアドレス信号 A d r 1を与える。 駆動用ワード線 WDiが Hとなると、 可動素子 Ai， 1〜Αί,96がそれぞれ駆動用ビット線 BD化、 BD_1R、 BD_1Pと導通 し、 目標変位衋に じ 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 1，1~ 1，96への駆動電圧の印加時間は 62.5 isである。 一方、 可動素子 AUの一次共振周波数は 7〇〜10 OkHzであり、 逆数をとつて求め J 答時間は 1〇〜 14 s程度とな る。 このよラに、 可動素子への駆動電圧の印加時間は可動素子の 答時間よりも十分大きな値に設定している め、 可動素子の変位が 十分に整定し 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 62.5 s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 Αί,1〜Αί，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 ものと同様である。 実施形態 1 との主な違し、 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 点と、 DAコンバータ 1 31 の出力電圧および変位検出部 1 33の差動入力にバイアス電圧 V_Aを与えて負側の出力を不要に した点にある。

電圧指令部 1 30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、 それぞれのチヤ ンネルの出力を D Aコンバータ 1 31 a、 1 31 bに与える。 これ により D Aコンバータ 1 31 aは出力電圧 V_L+V_A (1 +sin 2nf t) ) を出力し、 DAコンバータ 1 31 bは出力電圧 V_R+V_A ( 1 ― sin (2^ft) ) を出力する。 実際にはこの振幅 V_A、 周波数 f の AC 電圧成分の波形は正弦波よりち矩形波の方が良い。 較正動作時には、 電圧指令部 1 30は基本的には V_Aの值を一定にしたまま、 駆動電 圧となる V_Lと V_Rのどちらか一方を 0 V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 7ά構成にバイアス 電圧 V_Aを付加した構成となっており、 DAコンバータ 1 31 a、 1 31 bの出力電圧は常に正の値をとる。

切り替え部 1 32は、 切り替え制御部 1 21 のアドレス信号 Ad r 2に麻じて、 第 j 列目の検出用ビット線 B Sjい BSj_R、 B Sj_Pを それぞれ DAコンバータ 1 31 a、 1 31 b、 変位検出部 1 33に 接続する。

ま 、 ラインデコーダ 1 2〇は、 切り替え制御部 1 21のァドレ ス信号 Ad r 1 に麻じて、 第 i 行目の検出用ワード線 WS i を Hに する。 これにより、 検出用ビット線 B Sjい B Sj_R、 B Sj_P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、 ョ一 クがそれぞれ DAコンバータ 1 31 a、 1 31 b、 変位検出部 1 3 3に接続されることになる。

変位検出部 1 33の基本構成は実施形態 3で説明した変位検出部 了 1 と同じであるが、 初段の差動増幅器 1 33 aの正側入力にバイ ァス電圧 V_Aを付加した構成としている。 これにより、 DAコンパ —タ 1 31で与え バイアス電圧 V_A分を補償して可動素子 AU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 1 34は、 電圧指令部 1 30が出力する電圧指令値と、 変 位検出部 1 33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麻関係を作成する。 これらの関係は所 定の形式の近似曲線にフィッ 卜させることで測定誤差を除去し、 補 間された形で変換部 1 24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ユエ一タの動作について、 図 1 〇を参照しながら説明する。 図 1 0は本実施形態におけるマイ クロアクチユエ一夕の較正動作ルーチンのフローチヤ一卜である。 まず、 j二 1 と設定し （ステップ 1 40) 、 切り替え部 1 32が 第】列目の検出用ビット線 BSj_L、 BSj_R、 BSj_Pをそれぞれ DAコ ンバータ 1 31 a、 1 31 b、 変位検出部 1 33に接続する （ステ ップ 1 41 ) 。 次に、 i二 1 と設定し （ステップ 1 42) 、 可動素 子 Ai,j 'を変位検出の対象に選択する。 電圧指令部 1 30は電圧指令 値 Dを最小値 Dminに設定する （ステップ 1 43) 。 このとき、 駆 動電圧 V_R、 V_Lの大きさは V_R二 0 V、 V_L二 30Vに設定され、 両者 の差 V_R— V_Lは最低電圧 （一 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 V_R=0 Vとして V_Lを正の値に設定 し、 Dが正の場合は V_L二 OVとして V_Rを正の値に設定するちのと 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 AUの変位検出に先立って、 切り替え制御部 1 21が全 ての検出用ヮ一ド線 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 卜線 B Sjい BSj_R、 BSj_Pとの接続を OF Fする （ステップ 1 44) 。 このときの変位検出部 1 33の出 力を、 較正部 1 34がオフセッ ト値 ZO(D)として記憶する （ステツ プ 1 45) 。 可動素子への接続は切断されているので、 才フセッ卜 値 ZO(D)は配線の寄生容量ゆ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 1 44、 1 45の操作は i二 1の 場合のみ行ろ。

次に、 検出用ワード線 WSiを Hとし、 可動素子 AUを検出用ビッ 卜線 BSjい BSj_R、 BSj_Pに接続する （ステップ 1 46) 。 このと きの変位検出部 1 33の出力を、 較正部 1 34が補正前の変位 Z' (D)として記憶する （ステップ 1 47) 。 較正部 1 34は、 補正前 の変位 Z' (D)とオフセッ ト値 ZO(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 1 48) 。 一般には Z(D)二 Z' (D)-ZO (D)とすればよし、が、 例えば実験により得られた別の補正式を用い てオフセッ卜を補正してちょい。 '

次に電圧指令値 Dを所定値だけ増加させ （ステップ 1 49) 、 D が最大値 Dmaxになるまで （ステップ 1 50) 、 変位 Z(D)の測定を 繰り返す。 これにより、 較正部 1 34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 1 34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、 8bH:の変位 Zの各値に対麻する 11 bit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 12bは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 1 51 ) 。 次に、 iをインクリメントし （ステップ 1 52) 、 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 1 53) 。

次に、 jをインクリメントし （ステップ 1 54) 、 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 1 55) 。

図 1 1 (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 ¾関係を示すグラフである。 図 1 1 ( a) は、 オフ セッ卜補正に関わるデータが記されている。 図で X印で示され デ —タポイントは、 測定されたオフセット値 ZO(D)であり、 △印で記 載され データポイントは、 測定された補正前の変位 Z' (D)である。 〇印で示されだデータポイントは、 Z(D)二 Z' (D)— ZO(D)の関係 を用いて計算され 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^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)の増分をほぽ一定にすることができる。 図 1 1 (b) には近似関数でフィッティングされたオフセッ卜補 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)二 D²+ SD+ yである。 0〉0の象限ぉょび0く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 、 β、 rの係数の値が求められる。 図 1 1 (b) では、 破線で示しだ較正 前の電圧指令値 Dと変位 Zとの対 J 関係が参考のために記載されて し、る。

以上説明したように、 可動素子 Ai,jを検出用ビッ 卜線 B S 、 B

Sj_R、 BSj_P等の配線に接続した状態で得られ 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卜値 ZO 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 卜の影響を除去し、 可動素子 Ai,jの位置検出精度を高めることが でさる。

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 1 30、 DAコンバータ 1 31 a、 1 31 bおよび変位検出部 1 33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ち良い。 特に、 1つ の微小ミラ一ュニッ 卜に属する 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卜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 1 34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 ( つたものになる。 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は上位ビッ卜のみを用いればよい。

(実施形態 5) 図 1 2を参照しながら、 本発明によるマイクロアクチユエ一タの 第 5の実施形態を説明する。 図 1 2は、 本実施形態におけるマイク ロアクチユエ一夕の概略構成図である。

本実施形態のマイクロアクチユエ一夕の制御部了 5は、 実施形態 3のマイクロアクチユエ一タにおける制御部 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ユエ一夕が、 実施形態 3の マイクロアクチユエ一夕と異なる部分は、 可動部 1 60、 切り替え 部 1 61、 および変位検出部 1 62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^めの可動部 1 60、 および切り替 え部 1 61の配線構成が簡素化されている。 可動部 1 60の可動電 極 Y_Liは、 切り替え部 1 61 に接続されずに全て接地されている。 このだめ、 切り替え部 1 61 の各スィッチ Siは、 固定電極 E_uに接 続するスィツチと、 固定電極 E_Riに接続するスィツチとの 2つのス イッチを有するが、 可動電極 Y_Liに接続するスィッチは省略されて し、る。

変位検出部 1 62は、 図 1 2に示されるように、 高周波信号発生 部 21、 負荷抵抗 1 63 L、 1 63 R、 アイソレータ 1 64し、 1 64R、 ハイパスフィルタ 1 65 L、 1 65 R、 高周波位相差検出 部 1 66、 および AD変換器 1 6了を備えている。

負荷抵抗 1 63 Lの一端を 「第 1 端子 T と称することにする。 この第 1端子 T_Lは、 切り替え部 1 61 のスィッチ Siを介して可動 素子 Αίの固定電極 E_uと接続されている。 負荷抵抗 1 63 Lの他端 には、 第 1 の駆動電圧発生部 20からの駆動信号 V_Lと高周波信号 発生部 21からの高周波信号 V_A sin (2 Tift) との和信号 V_L+V_A sin 2nfO が印加される。 同様に、 負荷抵抗 1 63 Rの一端を 「第 2端子 T_R」 と称するこ とにする。 この第 2端子 T_Rは、 切り替え部 1 61 のスィッチ Siを 介して可動素子 Aiの固定電極 E_Riと接続されている。 負荷抵抗 1 6 3 Rの他端には、 第 2の駆動電圧発生部 22からの駆動信号 V_Rと 高周波信号発生部 21からの高周波信号 V_A sin (2π ) との和信 号 V_R+V_A sin (2兀 ft) が印加される。

負荷抵抗 1 63 L、 1 631=!の高周波信号 八 sin (2πί に対 するインピーダンス Ζ₀は いに同一である。 ここでは、 このイン ピーダンス Z_Q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 含む値を持つちのとして取り扱う。

インピーダンス Z₀の大きさは、 可動素子 Aiが変位していない揚 合のキャパシタ C_Li、 C_Riの各静電容量を Cとすると、 〇.5 く 2.K f C Z。〈 2を満たすように選ばれる。 例えば、 Cが 10f Fの場合、 f を 1〇〇MHz、 Z。を 16〇Ι Ω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 Ζ。を設定すれば、 変位検出感度がほぽ最大 に近くなる。

アイソレータ 1 64 L、 1 64 Rは、 それぞれ、 第 1端子 Tし、 第 2端子 T_Rに接続されてインピーダンス変換を行う。 アイソレー タ 1 64 L、 1 64Rは、 オペアンプを用いたポルテ一ジフォロア により構成される。 アイソレータ 1 64し、 1 64Rの出力は、 そ れぞれ、 ハイパスフィルタ 1 65 L、 1 65 Rを介して高周波位相 差検出部 1 66に入力される。 ハイパスフィルタ 1 65 L、 1 65 R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 V_L、 V_R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 1 66は、 入力され 2つの高周波信号の位 相差を検出し、 この位相差に ^じた信号を出力する。 高周波位相差 検出部 1 66の出力は、 AD変換器 1 67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 C_Li、 C_Ri、 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 1 64L、 1 64R、 ハイパスフィルタ 1 65し、 1 65F！、 高周波位相差検出部 1 66、 AD変換器 1 67 は、 本発明のマイクロアクチユエ一タにおける 「高周波検出部」 と して機能する。

制御部了 5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 V_Lと第 2の駆動電圧発生部 22からの駆動信号 V_R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 C_u、 C_Ri、 の容量差に麻じて、 上記したように第 1端 子 T_Lと第 2端子 T_R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 Y_Liを個別に変位検出部 1 62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 な本実施形態のマイクロアクチユエ一タによれ ば、 変位検出部 1 62が高周波信号発生部 21 と、 第 1端子 こ おいて第 1電極 E_uに接続された第 1の負荷抵抗 1 63 Lと、 第 2 端子 T_Rにおいて第 2電極 E_Riに接続された第 2の負荷抵抗 1 63 R と、 第 1端子 T_Lと第 2端子 T_Rとに接続される高周波検出部 1 64 〜1 67とを備えて、 第 1の負荷抵抗 1 63 Lの他端には、 第 1の 駆動信号 V_Lに高周波信号 V_A sin (27ift) を重畳して生成した第 1 の和信号 V_L+V_A sin (2π ) を印加し、 第 2の負荷抵抗 1 63R の他端には第 1の駆動信号 V_Lと異なる大きさの第 2の駆動信号 V_R に高周波信号 V_A sin (2;rft) を重畳して生成した第 2の和信号 V_R +V_A sin (2;rft) を印加し、 高周波検出部 1 64〜1 67は、 第 1端子 T_Lと第 2端子 T_R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 めに、 可動電極 Yiを 1つ 1つ変位検出 部 1 62に接続させる必要がなく、 可動部 1 60と切り替え部 1 6 1 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の数ち 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。

まだ、 本実施形態の負荷抵抗 1 63L、 1 63Rのインピーダン スは固定値であるが、 負荷抵抗 1 63し、 1 63Rのいずれか一方、 例えば負荷抵抗 1 63Lのインピーダンスを可変としてもよい。 こ の場合、 端子 T\と端子 T_R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 1 63 Lのインピーダンスを調整することに より、 キャパシタ C_Li、 C_Ri、 の容量差を検出することもできる。 ここでは、 負荷抵抗 1 63 L、 1 63 Rが虚数部を持 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。 コイルゆキヤ 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 を持つようにしてち良い。 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ユエ一タにおける 「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 ィルゃ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 1 6 6の代わりに、 入力され 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。 本発明のマイクロァク チユエ一タにおける 「高周波検出部」 は、 入力しだ 2つの高周波信 号の位相および/ま 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 1 6 2の回路構成と、 一般的なィ ンピ一ダンスプ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 1 6 2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、 インピーダンスプリッジ回路内に構成された第 1 の駆動電 圧発生部 2〇と第 2の駆動電圧発生部 2 2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 Αί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 と端子 T _Rとの差動信号を用いて、 キャパシタ C _u、 C _Riの微小な容 量差を精度良く検出できる。

(実施形態 6 )

図 1 3および図 1 4を参照しながら、 本発明によるマイクロァク チユエ一夕の第 6の実施形態を説明する。 図 1 3は本実施形態にお けるマイクロアクチユエ一タの概略構成図である。

本実施形態のマイクロアクチユエ一タにおける可動素子 A i,j、 I , 部1 2 2、 および目標変位設定部 1 2 3は、 実施形態 4のマイ クロアクチユエータにおける構成と同一の構成を有している。 ま 、 変位検出部 1 了 0は、 実施形態 5のマイクロアクチユエータにおけ る変位検出部 1 62を複数個並べたちのである。

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 V_uい Vi,_jRに変換する際に非線形 D Aコンパ —タ 1 了 6を用い、 駆動電圧 V 、 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 DUのビッ 卜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^関係を較正部 1 了 8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 AiJには 2個のスイッチング用の M OS卜ランジスタ が接続され、 ワード線 Wiを Hにすると、 ビッ 卜線 B 、 Bj_R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 1 71 に接続され、 切り替 え制御部 1 了 2からのアドレス信号 Ad r 1 に じて選択されたヮ 一ド線のみが Hにされる。

変換部 1 73、 シフ卜レジスタ 1 74、 ラッチ 1 75は、 取り扱 う電圧指令値 Di,jのビッ 卜数が 9bPtである点以外は、 実施形態 4で 説明し 変換部 1 24、 シフトレジスタ 1 25、 ラッチ 1 26と同 じである。 変換部 1 24、 シフトレジスタ 1 25、 ラッチ 1 26が 取り扱ろ電圧指令値は 11 bitであっ ため、 本実施例ではこれに比 ベて 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 D Aコンバータ 1 了 6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 は同等のちのが得られる。 9bH:の電圧指令値 Di,jの最上位ビッ 卜の 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ち、 実施形態 4で説明しだ内 容と同じである。 シフトレジスタ 1 了 4の転送速度は 13.8MHzで、 9bh:X96個のデータを 62.5usで転送する。

ラッチ 1 了 5に保持され 電圧指令値 Di，1〜Di,96は、 96個の 非線形 DAコンバータ 1 76により、 各可動素子 ALiの各固定電極 に印加する駆動電圧 Vi,_iL、 V _jRに変換される。 非線形 DAコンパ一 タ 1 了 6は、 各電圧指令値 Di,jの最上位ビッ卜に J じて選択された ビッ卜線 Bj_L、 Bj'_Rのいずれか一方に、 各電圧指令値 Di，jの下位 8ビ ッ卜の値に対麻する駆動電圧を出力する。 この下位 8ビッ 卜の値と 駆動電圧の大きさとには、 ある所定の非線形の対 関係を与えてい る。 この非線形の対] 関係は、 ちょラ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 に設けられている。 この非線 形 D Aコンバータ 1 76の詳細については後述する。

ラインデコーダ 1 了 1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はビッ卜線 B„_、 B_iRと導通し、 電圧指令値 Di,jに JiEi 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 DUを複数段階で切り替えなが ら、 変位検出部 1 了〇により変位検出を行う。 変位検出部 1 了 0の 出力は較正部 1 了 8に入力され、 電圧指令値 Di,jと対 づけられ、 補正テーブルが作成される。 この動作は、 オフセッ卜補正を含めて 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)二 α Z+/Sが用いられる点である。

以下、 図 1 4を用いて、 非線形 D Αコンバータ 176の構成と、 較正部 1 78の 1次関数近似動作を説明する。 図 1 4 (a) は、 非線形 DAコンバータ 1 76の概略構成図であ る。 ここでは 1つの非線形 D Aコンバータ 176 a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、 可動素子との対廂関係を示す DU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 Vい V_R、 ビッ ト線は Bし、 B_Rとして記載する。

非線形 DAコンバータ 1 76 aは、 直列に接続した抵抗 FM〜 R n-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 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 1 80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 ンバ一タ 1 了 6 aのビット精度が 8bM:である め、 nの値は 256で ある。

セレクタ 1 80は 9bitの電圧指令値 Dを入力し、 これに じた駆 動電圧 Vい V_Rをそれぞれビッ 卜線 B_L、 B_Rに出力する。 電圧指令 値 Dの最上位ビッ 卜が 0ならば、 駆動電圧 V_Lには最低電位 V1が選 択され、 駆動電圧 V_Rには電圧指令値 Dの下位 8bh:に対 し 7£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 V_Lには電圧指令値 Dの下位 8bitに対麻した V1〜Vn のいずれかの電位が選択され、 駆動電圧 V_Rには最低電位 V1が選択 される。 以降の説明では、 電圧指今値 Dの最上位ビッ卜が 0の場合 を正、 最上位ビッ 卜が 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二 V_R— Vしと定義して、 電圧指令値 Dと同様に正負の符号を与える。

抵抗 R 1〜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 よ 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 F 、 以下順に R 2、 R3、 · · ·、 Rn-1、 と呼称するとし、 その抵抗值が FM〉R2> R3> · · · >Rn-1のように番号順に小さくなるような関係を持 せている。 このように設定することで、 電位 Vi ( i二 2〜n) の 値が大きい場合ほど、 電位の増分 Vi— V卜 1が小さくなるような設 定をおこなつてし、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ろに 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 D Aコンバータ 1 76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 I V I二 k · I D I ^1/2 (kは定数） の関係を満たすように抵抗 FM〜 Rnの抵抗値を設定するのが良い。

図 1 4 (b) は、 較正部 1 了 8における電圧指令値 Dと変位 Zと の対^関係を説明するためのグラフである。

図 1 4 (b) における右上のグラフ （A) は、 非線形 D Aコンパ ータ 1 76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 ように、 | V | 二 k · I 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二 k * D^1/2、 電圧指令値 Dが負の値の揚合には、 Vニー k - (一 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 1 了 6の抵抗 F 〜Rn によつ 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し、固 定した関係である。

図 1 4 (b) における左上のグラフ （B) には、 ある可動素子 A

1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 変化ゆ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。

1 4 (b) における左下のグラフ （C) には、 この可動素子 A 1、 A2の特性を較正する めに、 較正部 1 78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 A 1の変位 Zと電圧指令値 Dとの関係を表すちので、 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 C (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 "1 4 (b) におけるグラフ Aに 5点の丸印で模式的に記 載し 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 1 了 6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 1 4 ( b ) におけるグラフ Bにおいて、 この駆動電圧 V に J じて、 可動素子 A 1は特性関数 Z 1 (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 A 2は特性関数 Z 2(V)上に ある 5点の三角印で示されるよろな変位 Zをとる。 これらの変位 Z の大きさが変位検出部 1 了 0によって検出される。

次に、 図 1 4 ( b ) におけるグラフ Cにおいて、 変位検出部 1 了 0によって検出され 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 D Aコンバータ 1 了 6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 D 1 (Z)、 D 2 (Z)はほぽ線形に近く、 1 次関数を近似関数とレ フ イツティングを行ろことが可能である。 この 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 って統括的 な取り扱いができる め、 フイツ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。

まだ近似関数として 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)の表記はちこの逆の関数 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 1 了 3への適麻に優れており、 変換テ一プルの作成など の変換に関わる操作をより簡単に行 ことができる。

なお、 較正関数 D 1 (Z)、 D 2(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 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 Z 1 (v)、 Z 2 (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 Z 1 (V) が Z 2 (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 1 〇6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 1 0 6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畺が決まる系において、 非線形 D Aコンパ ータ 1 7 6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 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ユエ一夕によれば、 電圧指令値 Dを 非線形に駆動電圧 Vに変換する非線形 D Aコンバータ 1 7 6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！^しだ駆動 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 めに必要な電圧指令値 Dのビッ卜数を下げることが可能 となり、 回路規模ゆデータ転送レー卜の削減を行うことができる。 また、 較正部 1 了 8が、 電圧指令値 Dと可動素子の変位 Zとの対 麻関係を 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 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 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) ^関係を較正して いるだめに、 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、 経時変化ゆ温度 などの環境変化に伴 可動素子特性の変化に対 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 たマイクロアクチユエ一タであっても、 変位検出のための回路を削 減してチップコス卜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ユエータ 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。

産業上の利用可能性 本発明のマイクロアクチユエ一タは、 可変形ミラーだけではなく、 リレースィツチやチューナプ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 種々の用途に適用 される。

Claims

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、 青

前記可動素子の変位と前記駆動信号との対^関係を保持する変換 部と、

の

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 範

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囲を用いて前記変換部が保 持する対^関係を較正する較正部と

を備えたマイクロアクチユエータ。

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 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 マイクロアクチユエ一タ。

3. 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請求項 1 または 2に記載のマイク ロアクチユエ一タ。

4. 前記駆動部は、 実質的な D C電圧を前記駆動信号として出 力する請求項 3に記載のマイクロアクチユエ一タ。

5. 前記駆動部は、 複数段階の前記 D C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 ( 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 D C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 4に記載のマイクロァク チユエ一タ。

6. 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麻付けて、 前記可動素子の振幅麻答ま/ £は位相 li¾答を算出する請求項 3に記載 のマイクロアクチユエータ。

7. 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 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 ¾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 3または 6に記載 のマイクロアクチユエ一タ。

8. 前記駆動信号の振幅を大きく設定し 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 3 から 7のいずれかに記載のマイクロアクチユエ一タ。 9. 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ちに、

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から 8のいずれ かに記載のマイクロアクチユエータ。

1 0. 前記変換部は、 前記可動素子の変位と対^付けられ 電 圧指令値を発生し、

前記駆動部は、 前記電圧指令値に^じ 前記駆動信号を出力する D A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 関 係を較正する請求項 1から 9のいずれかに記載のマイクロアクチュ エータ。

1 1 . 前記 D A変換器は、 非線形な特性を備え、 前記駆動信号 の値が大きし、ほど、 前記電圧指令値の増分に対麻した前記駆動信号 の増分を小さく設けだ請求項 1 0に記載のマイクロアクチユエ一タ。 1 2. 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^関係を 1次関数で近似する請求項 1 1 に記載のマイクロァク チュエータ。

1 3 . 電源起動時に前記較正部を動作させる請求項 1から 1 2 のいずれかに記載のマイクロアクチユエ一タ。

1 4. 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 1 3の いずれかに記載のマイクロアクチユエ一タ。

1 5. 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 請求項 1から 1 4のいずれかに記載のマイクロアクチユエ一 タ。

1 6. 前記異常判別部が異常を判別しだ場合に、 前記較正部に よる前記対 関係の更新を禁止する請求項 1 5に記載のマイクロア クチユエータ。 1 7. 基板と、

前記基板上に変位可能に支持され 複数の可動素子と、 前記可動素子を変位させる 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 とを選択的に接続する切り替え部と、

を備えたマイクロアクチユエ一タ。

1 8. 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 1 了に 記載のマイクロアクチユエ一タ。

1 9. 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 1 了または 1 8に記載 のマイクロアクチユエータ。

2 0. 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 請求項 1 9に記載のマイク ロアクチユエータ。

2 1 . 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 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 に 2 0に記載のマイクロアクチユエ一タ。

2 2. 前記可動素子が前記駆動信号に^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 の伏態と、 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 第 2の状態とに切り替える請求項 1 9に記載のマイクロ ァクチユエ一タ。 2 3. 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し U昜合に、 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 1 9から 2 2のし、 ずれかに記載のマイクロアクチユエ一タ。

2 4. 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 2 3に記載のマイクロアクチユエ一タ。

2 5. 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 2 3に記載のマイクロアクチユエ一タ。

2 6. 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 1 7から 2 5 のいずれかに記載のマイクロアクチユエータ。

2 7. 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 3から 1 6のいずれかに記載のマイクロアクチユエ一タ。

2 8. 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 '配線経路中に設けられ、 前記配線経路を接続し 状態と 切断した状態との間で切り替えを行ろ切り替え部を備え、

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とを備える請求項 1 に 記載のマイクロアクチユエータ。

2 9. 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 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ノ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請求項 1 に記載のマイクロアクチユエ ータ。

3 0. 請求項 1 から 2 9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ぐとも一部に光反射領域が形成されている可 変形ミラ一。

3 1 . 請求項 1 から 2 9のし、ずれかに記載のマイクロアクチュ エータを備えた装置。

3 2. I動素子を有するマイクロアクチユエ一夕の駆動方法で 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麻関係を保持するステ ップと、

前記駆動信号が与えられ 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麻関係を 較正するステップと、 を含 駆動方法。