WO2021166096A1 - Light reflection device and distance measurement apparatus provided with same - Google Patents
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Abstract
A light reflection device (1) is provided with a reflector (3) having a reflection surface (7), a support body part (21), a twist drive beam (17), and a driving part (23). The twist drive beam (17) includes a silicon layer (5a) and a frequency characteristic adjustment film (31). On one surface of the silicon layer (5a), a metal wire (25) is formed with an insulative film (13) interposed therebetween. An insulative film (15) is formed to cover the metal wire (25). The frequency characteristic adjustment film (31) is formed to be in contact with the insulative film (15).
Description
本開示は、光反射装置およびそれを備えた測距装置に関する。
The present disclosure relates to a light reflecting device and a ranging device provided with the light reflecting device.
レーザ距離センサまたは光スキャナ等の光走査を行う光反射装置では、ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術を適用したＭＥＭＳミラーが用いられている。そのＭＥＭＳミラーを駆動させるのに、電磁力、静電力または圧電効果を利用したＭＥＭＳミラーがある。ＭＥＭＳミラーを捻じれ支持梁（捻じれ駆動梁）の回りに捻じれ駆動させることによって、光の走査が行われる。
A MEMS mirror to which MEMS (Micro Electro Mechanical System) technology is applied is used in an optical reflecting device such as a laser distance sensor or an optical scanner that performs optical scanning. There is a MEMS mirror that utilizes an electromagnetic force, an electrostatic force, or a piezoelectric effect to drive the MEMS mirror. Light scanning is performed by twisting and driving the MEMS mirror around a twisting support beam (twisting drive beam).
このとき、捻じれ駆動の周波数を、ＭＥＭＳミラーの固有の周波数に合わせた共振周波数に設定した光反射装置が知られている。捻じれ駆動の周波数を共振周波数に設定することで、ＭＥＭＳミラーの捻じれ駆動に伴う変位を大きくすることができる。この種の光反射装置を開示した特許文献の一例として、特許文献１がある。
At this time, a light reflecting device is known in which the frequency of the twisting drive is set to a resonance frequency that matches the unique frequency of the MEMS mirror. By setting the twist drive frequency to the resonance frequency, the displacement of the MEMS mirror due to the twist drive can be increased. Patent Document 1 is an example of a patent document that discloses this type of light reflecting device.
特許文献１では、シリコン基板を加工することによって形成されたミラーを、圧電素子によって、共振周波数に近い周波数をもって捻じれ駆動梁の回りに捻じれ駆動させる光反射装置が提案されている。
Patent Document 1 proposes a light reflecting device in which a mirror formed by processing a silicon substrate is twisted and driven around a twisting drive beam at a frequency close to the resonance frequency by a piezoelectric element.
共振周波数または共振周波数に近い周波数で駆動するＭＥＭＳミラーでは、捻じれ駆動梁の捻じれ変位に非線形性が存在すると、ＭＥＭＳミラーの走査角度に依存して共振周波数が高周波側にシフトすることがある。
In a MEMS mirror driven at a resonance frequency or a frequency close to the resonance frequency, if there is a non-linearity in the torsional displacement of the torsion drive beam, the resonance frequency may shift to the high frequency side depending on the scanning angle of the MEMS mirror. ..
共振周波数が高周波側にシフトすると、共振周波数付近でＭＥＭＳミラーの変位が急激に変化するハードスプリング効果と呼ばれる非線形振動が発生する。強いハードスプリング効果では、高い周波数に向かって駆動周波数を掃引するアップ掃引と低い周波数に向かって駆動周波数を掃引するダウン掃引とで、捻じれ角が最大値となる駆動周波数のピーク周波数がシフトするヒステリシス現象が発生する。
When the resonance frequency shifts to the high frequency side, a non-linear vibration called the hard spring effect occurs in which the displacement of the MEMS mirror changes abruptly near the resonance frequency. In the strong hard spring effect, the peak frequency of the drive frequency that maximizes the twist angle shifts between the up sweep that sweeps the drive frequency toward a high frequency and the down sweep that sweeps the drive frequency toward a low frequency. Hysteresis phenomenon occurs.
ハードスプリング効果が存在すると、共振周波数付近においてＭＥＭＳミラーの駆動特性が急激に変化するため、安定した共振駆動を行うことが難しくなる。
If the hard spring effect is present, the drive characteristics of the MEMS mirror change abruptly in the vicinity of the resonance frequency, which makes it difficult to perform stable resonance drive.
本開示は、このような問題点を解決するためになされたものであり、一つの目的は、ハードスプリング効果が低減される光反射装置を提供することであり、他の目的は、そのような光反射装置を備えた測距装置を提供することである。
The present disclosure has been made to solve such a problem, one purpose is to provide a light reflecting device in which the hard spring effect is reduced, and the other purpose is to provide such a light reflecting device. It is to provide a ranging device equipped with a light reflecting device.
本開示に係る一の光反射装置は、反射体と支持体部と梁部と駆動部とを有する。反射体は、反射面を有する。支持体部は、反射体と距離を隔てて配置されている。梁部は、反射体と支持体部とを接続する。駆動部は、支持体部に対して、梁部を軸として、反射体を捻じれ駆動させる。梁部は、梁本体と周波数特性調整膜とを備えている。周波数特性調整膜は、梁本体に形成され、捻じれ駆動の周波数を調整する。
One light reflecting device according to the present disclosure includes a reflector, a support portion, a beam portion, and a driving portion. The reflector has a reflective surface. The support portion is arranged at a distance from the reflector. The beam portion connects the reflector and the support portion. The drive unit twists and drives the reflector with respect to the support portion with the beam portion as an axis. The beam portion includes a beam body and a frequency characteristic adjusting film. The frequency characteristic adjusting film is formed on the beam body and adjusts the frequency of the twist drive.
本開示に係る他の光反射装置は、反射体と支持体部と梁部と駆動部とを有する。反射体は、反射面を有する。支持体部は、反射体と距離を隔てて配置されている。梁部は、反射体と支持体部とを接続する。駆動部は、支持体部に対して、梁部を軸として、反射体を捻じれ駆動させる。反射体が静止した状態における反射体の重心位置を第１位置とすると、梁部は、捻じれ駆動により、重心位置が、第１位置から反射面と交差する方向に離れた第２位置に変位する態様で、反射体を面外変位させる。
The other light reflecting device according to the present disclosure has a reflector, a support portion, a beam portion, and a driving portion. The reflector has a reflective surface. The support portion is arranged at a distance from the reflector. The beam portion connects the reflector and the support portion. The drive unit twists and drives the reflector with respect to the support portion with the beam portion as an axis. Assuming that the position of the center of gravity of the reflector is the first position when the reflector is stationary, the beam portion is displaced to the second position where the position of the center of gravity is separated from the first position in the direction intersecting the reflecting surface due to the twisting drive. The reflector is displaced out of the plane in this manner.
本開示に係る測距装置は、上記の光反射装置を備えた測距装置である。
The distance measuring device according to the present disclosure is a distance measuring device provided with the above-mentioned light reflecting device.
本開示に係る一の光反射装置によれば、非線形性が低減された光反射装置が得られる。
本開示に係る測距装置によれば、上記の光反射装置を備えていることで、精度の高い距離の測定を行うことができる。 According to one light reflecting device according to the present disclosure, a light reflecting device with reduced non-linearity can be obtained.
According to the distance measuring device according to the present disclosure, by providing the above-mentioned light reflecting device, it is possible to measure a distance with high accuracy.
本開示に係る測距装置によれば、上記の光反射装置を備えていることで、精度の高い距離の測定を行うことができる。 According to one light reflecting device according to the present disclosure, a light reflecting device with reduced non-linearity can be obtained.
According to the distance measuring device according to the present disclosure, by providing the above-mentioned light reflecting device, it is possible to measure a distance with high accuracy.
実施の形態１．
実施の形態１に係る光反射装置について説明する。図１に示すように、光反射装置１は、反射面７を有するＭＥＭＳミラーとしての反射体３と、支持体部２１と、梁部としての捻じれ駆動梁１７と、駆動部２３とを備えている。支持体部２１は、反射体３と距離を隔てて、反射体３を取り囲むように配置されている。捻じれ駆動梁１７は、反射体３と支持体部２１との間を接続する。駆動部２３は、たとえば、電磁駆動であり、反射体３に形成された電磁駆動コイル２７と、磁界２９とを含む。駆動部２３により、捻じれ駆動梁１７を軸として、反射体３は支持体部２１に対して捻じれ駆動する。Embodiment 1.
The light reflecting device according to the first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, thelight reflecting device 1 includes a reflector 3 as a MEMS mirror having a reflecting surface 7, a support portion 21, a twist drive beam 17 as a beam portion, and a drive portion 23. ing. The support portion 21 is arranged so as to surround the reflector 3 at a distance from the reflector 3. The twist drive beam 17 connects between the reflector 3 and the support portion 21. The drive unit 23 is, for example, electromagnetically driven, and includes an electromagnetic drive coil 27 formed on the reflector 3 and a magnetic field 29. The drive unit 23 twist-drives the reflector 3 with respect to the support portion 21 with the twist drive beam 17 as an axis.
実施の形態１に係る光反射装置について説明する。図１に示すように、光反射装置１は、反射面７を有するＭＥＭＳミラーとしての反射体３と、支持体部２１と、梁部としての捻じれ駆動梁１７と、駆動部２３とを備えている。支持体部２１は、反射体３と距離を隔てて、反射体３を取り囲むように配置されている。捻じれ駆動梁１７は、反射体３と支持体部２１との間を接続する。駆動部２３は、たとえば、電磁駆動であり、反射体３に形成された電磁駆動コイル２７と、磁界２９とを含む。駆動部２３により、捻じれ駆動梁１７を軸として、反射体３は支持体部２１に対して捻じれ駆動する。
The light reflecting device according to the first embodiment will be described. As shown in FIG. 1, the
捻じれ駆動梁１７の構造について具体的に説明する。後述するように、光反射装置１は、シリコン基板の上に絶縁膜を介在させてシリコン層が形成されたＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を加工することによって形成されている。図２に示すように、捻じれ駆動梁１７は、梁本体および第１半導体層第１部としてのシリコン層５ａと、周波数特性調整膜３１とを含む。
The structure of the twist drive beam 17 will be specifically described. As will be described later, the light reflecting device 1 is formed by processing an SOI (Silicon On Insulator) substrate on which an insulating film is interposed on a silicon substrate and a silicon layer is formed. As shown in FIG. 2, the twisting drive beam 17 includes a beam body, a silicon layer 5a as the first portion of the first semiconductor layer, and a frequency characteristic adjusting film 31.
シリコン層５ａの一方の表面上に、絶縁膜１３を介在させて金属配線２５が形成されている。シリコン層５ａの他方の表面上には、絶縁膜９が位置する。金属配線２５を覆うように、絶縁膜１５が形成されている。周波数特性調整膜３１は、絶縁膜１５に接するように形成されている。周波数特性調整膜３１は、金属配線２５と電気的に絶縁されている。
A metal wiring 25 is formed on one surface of the silicon layer 5a with an insulating film 13 interposed therebetween. The insulating film 9 is located on the other surface of the silicon layer 5a. An insulating film 15 is formed so as to cover the metal wiring 25. The frequency characteristic adjusting film 31 is formed so as to be in contact with the insulating film 15. The frequency characteristic adjusting film 31 is electrically insulated from the metal wiring 25.
後述するように、周波数特性調整膜３１は、反射体３（捻じれ駆動梁１７）のハードスプリング効果を低減するための膜である。周波数特性調整膜３１は、塑性変形を有する材料から形成されており、たとえば、有機材料または金属材料から形成されている。典型的な金属材料としては、たとえば、アルミニウム、銅、ニッケル、金、アルミニウム合金、銅合金、ニッケル合金、または、金合金等がある。これらの金属材料は、半導体装置の製造工程において、使用頻度の高い材料とされる。
As will be described later, the frequency characteristic adjusting film 31 is a film for reducing the hard spring effect of the reflector 3 (twisting drive beam 17). The frequency characteristic adjusting film 31 is formed of a material having plastic deformation, for example, an organic material or a metal material. Typical metal materials include, for example, aluminum, copper, nickel, gold, aluminum alloys, copper alloys, nickel alloys, gold alloys and the like. These metal materials are frequently used in the manufacturing process of semiconductor devices.
次に、反射体３の構造について具体的に説明する。図３および図４に示すように、反射体３は、基板本体としてのミラー支持層１１ｂと、第１半導体層第２部としてのシリコン層５ｂと、反射面７とを含む。シリコン層５ｂの一方の表面上に、絶縁膜１３を介在させて電磁駆動コイル２７が形成されている。電磁駆動コイル２７は、電気抵抗が低い、たとえば、アルミニウムまたはアルミニウム合金等から形成されている。電磁駆動コイル２７は、シリコン層５ｂの外周に沿って配置されている。電磁駆動コイル２７を覆うように、絶縁膜１５が形成されている。
Next, the structure of the reflector 3 will be specifically described. As shown in FIGS. 3 and 4, the reflector 3 includes a mirror support layer 11b as a substrate main body, a silicon layer 5b as a second part of the first semiconductor layer, and a reflecting surface 7. An electromagnetic drive coil 27 is formed on one surface of the silicon layer 5b with an insulating film 13 interposed therebetween. The electromagnetic drive coil 27 is made of, for example, aluminum or an aluminum alloy having a low electric resistance. The electromagnetic drive coil 27 is arranged along the outer circumference of the silicon layer 5b. An insulating film 15 is formed so as to cover the electromagnetic drive coil 27.
反射面７は、反射率の高い、たとえば、金膜から形成されている。反射面７となる金膜は、絶縁膜１５の表面に接するように形成されている。反射面７は、電磁駆動コイル２７によって囲まれた領域内に配置されている。ミラー支持層１１ｂは、シリコン層５ｂの他方の表面上に絶縁膜９を介在させて位置する。
The reflective surface 7 is formed of, for example, a gold film having high reflectance. The gold film to be the reflective surface 7 is formed so as to be in contact with the surface of the insulating film 15. The reflective surface 7 is arranged in a region surrounded by the electromagnetic drive coil 27. The mirror support layer 11b is located on the other surface of the silicon layer 5b with the insulating film 9 interposed therebetween.
上述した光反射装置１では、たとえば、永久磁石等（図示せず）により磁界２９を印可し、電磁駆動コイル２７に所望の周波数の交流電流を流すことで電磁駆動コイル２７に生じる電磁力によって、反射体３にトルクが与えられる。交流電流の周波数として、反射体３が有する捻じれ駆動の固有の周波数（振動数）とほぼ一致する周波数が設定される。磁界２９は、電磁駆動コイル２７を流れる電流の方向と交差する方向に印可される。トルクが与えられた反射体３は、捻じれ駆動梁１７を軸として、支持体部２１に対して捻じれ駆動する。反射体３が捻じれ駆動することで、反射面７に入射した光が走査されることになる。
In the light reflecting device 1 described above, for example, a magnetic field 29 is applied by a permanent magnet or the like (not shown), and an alternating current having a desired frequency is passed through the electromagnetic drive coil 27 to generate an electromagnetic force in the electromagnetic drive coil 27. Torque is applied to the reflector 3. As the frequency of the alternating current, a frequency that substantially matches the unique frequency (frequency) of the twisting drive of the reflector 3 is set. The magnetic field 29 is applied in a direction intersecting the direction of the current flowing through the electromagnetic drive coil 27. The reflector 3 to which the torque is applied is twist-driven with respect to the support portion 21 about the twist-driving beam 17 as an axis. By twisting and driving the reflector 3, the light incident on the reflecting surface 7 is scanned.
次に、上述した光反射装置１の製造方法の一例について説明する。図５および図６に示すように、シリコン基板１１上に絶縁膜９を介在させてシリコン層５が形成されたＳＯＩ基板５１を用意する。そのシリコン層５４の表面を覆うように、たとえば、シリコン酸化膜等の絶縁膜１３を形成する。絶縁膜１３を覆うように、たとえば、アルミニウム膜（図示せず）を形成する。
Next, an example of the manufacturing method of the light reflecting device 1 described above will be described. As shown in FIGS. 5 and 6, an SOI substrate 51 in which a silicon layer 5 is formed by interposing an insulating film 9 on a silicon substrate 11 is prepared. For example, an insulating film 13 such as a silicon oxide film is formed so as to cover the surface of the silicon layer 54. For example, an aluminum film (not shown) is formed so as to cover the insulating film 13.
そのアルミニウム膜に写真製版処理とエッチング処理を施すことにより、反射体が形成されることになる領域に、電磁駆動コイル２７を形成する。また、捻じれ駆動梁が形成されることになる領域に、電磁駆動コイル２７と電気的に接続される金属配線２５を形成する。次に、電磁駆動コイル２７および金属配線２５を覆うように、たとえば、シリコン酸化膜等の絶縁膜１５を形成する。
By subjecting the aluminum film to a photoengraving process and an etching process, an electromagnetic drive coil 27 is formed in a region where a reflector will be formed. Further, a metal wiring 25 electrically connected to the electromagnetic drive coil 27 is formed in a region where the twist drive beam will be formed. Next, an insulating film 15 such as a silicon oxide film is formed so as to cover the electromagnetic drive coil 27 and the metal wiring 25.
次に、図７に示すように、絶縁膜１５を覆うように、たとえば、アルミニウム等の周波数特性調整膜となる膜５７を形成する。次に、その周波数特性調整膜となる膜５７に写真製版処理およびエッチング処理を施す。これにより、図８に示すように、捻じれ駆動梁が形成されることになる領域に、周波数特性調整膜３１が形成される。
Next, as shown in FIG. 7, a film 57 serving as a frequency characteristic adjusting film such as aluminum is formed so as to cover the insulating film 15. Next, the film 57 serving as the frequency characteristic adjusting film is subjected to a photoengraving process and an etching process. As a result, as shown in FIG. 8, the frequency characteristic adjusting film 31 is formed in the region where the twist drive beam will be formed.
次に、反射体等をパターニングする写真製版処理およびエッチング処理が行われる。まず、図９、図１０および図１１に示すように、反射体３となる領域、捻じれ駆動梁１７となる領域および支持体部２１となる領域以外の領域に位置するシリコン層５の部分が除去される。このとき、絶縁膜９がエッチングストッパ膜とされる。これにより、シリコン層５ａ、５ｂ、５ｃがそれぞれパターニングされる。
Next, a photoengraving process and an etching process for patterning the reflector and the like are performed. First, as shown in FIGS. 9, 10 and 11, the portion of the silicon layer 5 located in a region other than the region serving as the reflector 3, the region serving as the torsion drive beam 17, and the region serving as the support portion 21 is formed. Will be removed. At this time, the insulating film 9 is used as the etching stopper film. As a result, the silicon layers 5a, 5b, and 5c are patterned, respectively.
次に、図１２、図１３および図１４に示すように、露出した絶縁膜９の部分とその直下に位置するシリコン基板１１の部分を除去する。これにより、シリコン基板１１ａ、ミラー支持層１１ｂおよびシリコン基板１１ｃがそれぞれパターニングされる。
Next, as shown in FIGS. 12, 13 and 14, the exposed portion of the insulating film 9 and the portion of the silicon substrate 11 located immediately below the exposed insulating film 9 are removed. As a result, the silicon substrate 11a, the mirror support layer 11b, and the silicon substrate 11c are patterned, respectively.
次に、図１５に示すように、捻じれ駆動梁となる領域に位置するシリコン基板１１の部分（シリコン基板１１ａ）を除去する。また、図１６に示すように、反射体となる領域に位置するミラー支持層１１ｂの一部を除去する。こうして、図１等に示す光反射装置１の主要部分が完成する。
Next, as shown in FIG. 15, the portion of the silicon substrate 11 (silicon substrate 11a) located in the region to be the twisting drive beam is removed. Further, as shown in FIG. 16, a part of the mirror support layer 11b located in the region to be a reflector is removed. In this way, the main part of the light reflecting device 1 shown in FIG. 1 and the like is completed.
上述した光反射装置１では、周波数特性調整膜３１が形成されていることで、捻じれ駆動梁１７のハードスプリング効果を低減することができる。このことについて説明する。
In the light reflecting device 1 described above, the hard spring effect of the twisting drive beam 17 can be reduced by forming the frequency characteristic adjusting film 31. This will be described.
まず、非線形性を有していない理想的な光反射装置について説明する。図１７に、そのような光反射装置における反射体の捻じれ角度と駆動周波数との関係を示す。横軸は駆動周波数であり、電磁駆動コイル２７に印可する電流の周波数である。縦軸は反射体３の捻じれ角である。反射体３が有する捻じれ駆動の固有の周波数（振動数）と一致する駆動周波数を捻じれ共振周波数ｆｄとする。
First, an ideal light reflecting device that does not have non-linearity will be described. FIG. 17 shows the relationship between the twist angle of the reflector and the drive frequency in such a light reflector. The horizontal axis is the drive frequency, which is the frequency of the current applied to the electromagnetic drive coil 27. The vertical axis is the twist angle of the reflector 3. The drive frequency that matches the unique frequency (frequency) of the twist drive of the reflector 3 is defined as the twist resonance frequency f d .
図１７に示すように、駆動周波数の変化に対して、反射体の捻じれ角は捻じれ共振周波数ｆｄにおいて最大となる。また、周波数の低い側から高い側へ、駆動周波数を掃引（アップ掃引）した場合の駆動周波数と捻じれ角との関係と、周波数の高い側から低い側へ、駆動周波数を掃引（ダウン掃引）した場合の駆動周波数と捻じれ角との関係とはほぼ同じ関係になり、ヒステリシスは発生していないことがわかる。
As shown in FIG. 17, the twist angle of the reflector becomes the maximum at the twist resonance frequency f d with respect to the change of the drive frequency. In addition, the relationship between the drive frequency and the twist angle when the drive frequency is swept from the low frequency side to the high frequency side (up sweep), and the drive frequency is swept from the high frequency side to the low frequency side (down sweep). It can be seen that the relationship between the drive frequency and the twist angle in this case is almost the same, and hysteresis does not occur.
次に、比較例として、周波数特性調整膜が形成されていない光反射装置について説明する。このような光反射装置は、図１等に示される光反射装置１において、周波数特性調整膜３１が形成されていない光反射装置に対応する。図１８に、そのような光反射装置における反射体の捻じれ角度と駆動周波数との関係を示す。
Next, as a comparative example, a light reflecting device on which a frequency characteristic adjusting film is not formed will be described. Such a light reflecting device corresponds to a light reflecting device in which the frequency characteristic adjusting film 31 is not formed in the light reflecting device 1 shown in FIG. 1 and the like. FIG. 18 shows the relationship between the twist angle of the reflector and the drive frequency in such a light reflector.
図１８に示すように、駆動周波数の変化に対して、反射体の捻じれ角の最大値を与える駆動周波数は、捻じれ共振周波数ｆｄよりも高い周波数側にシフトしていることがわかる。これは、周波数特性調整膜が形成されていない光反射装置では、ハードスプリング効果が生じていることを意味する。
As shown in FIG. 18, it can be seen that the drive frequency that gives the maximum value of the twist angle of the reflector with respect to the change in the drive frequency is shifted to a frequency side higher than the twist resonance frequency dd. This means that the hard spring effect is generated in the light reflecting device in which the frequency characteristic adjusting film is not formed.
非線形性が強い場合には、駆動周波数をアップ掃引した場合における捻じれ角の最大値を与える駆動周波数と、駆動周波数をダウン掃引した場合における捻じれ角の最大値を与える駆動周波数とにはずれがあり、ヒステリシスが発生していることがわかる。
When the non-linearity is strong, there is a discrepancy between the drive frequency that gives the maximum value of the twist angle when the drive frequency is swept up and the drive frequency that gives the maximum value of the twist angle when the drive frequency is swept down. It can be seen that there is hysteresis.
このような駆動周波数特性を有する光反射装置の反射体では、捻じれ角が最大となる駆動周波数の近傍において、捻じれ角が跳躍しやすくなる。このため、光反射装置として、安定した動作が困難になる。
In a reflector of a light reflecting device having such a drive frequency characteristic, the twist angle is likely to jump in the vicinity of the drive frequency where the twist angle is maximum. Therefore, stable operation of the light reflecting device becomes difficult.
ハードスプリング効果は、捻じれ駆動梁１７の静的な変位と、トルクの非線形性に起因する。図１９に、捻じれ駆動梁の捻じれ角θとトルクτとの相関を示す。非線形性を有していない捻じれ駆動梁では、捻じれ角θに対して、トルクτは、τ＝ｋθ・θ（ｋθ：捻じれバネ定数）で与えられ、比例関係となる。一方、非線形性を有する捻じれ駆動梁では、トルクτは、τ＝ｋθ・θ＋βθ３（β：非線形係数）で与えられ、βの値が大きくなると非線形性が増大する。
The hard spring effect is due to the static displacement of the torsion drive beam 17 and the non-linearity of the torque. FIG. 19 shows the correlation between the twist angle θ of the twist drive beam and the torque τ. In a torsion drive beam having no non-linearity, the torque τ is given by τ = k θ · θ (k θ : torsion spring constant) with respect to the torsion angle θ, and has a proportional relationship. On the other hand, in a torsionally driven beam having non-linearity, the torque τ is given by τ = k θ · θ + β θ 3 (β: non-linear coefficient), and the non-linearity increases as the value of β increases.
捻じれ駆動梁の幅と厚みの比率を同じとすれば、非線形係数βの値は小さくなり、非線形性が抑えられるが、捻じれ駆動梁の長さを長く設定する必要がある。このため、反射体を含む光反射装置の面積が増大することになり、１枚のウェハ（ＳＯＩ基板）から製造することができる光反射装置の数が減ってしまい、光反射装置の生産コストが上昇することになる。
If the ratio of the width and the thickness of the torsion drive beam is the same, the value of the non-linear coefficient β becomes small and the non-linearity is suppressed, but it is necessary to set the length of the torsion drive beam to be long. For this reason, the area of the light reflecting device including the reflector is increased, the number of light reflecting devices that can be manufactured from one wafer (SOI substrate) is reduced, and the production cost of the light reflecting device is increased. It will rise.
比較例に係る光反射装置に対して、実施の形態１に係る光反射装置１では、捻じれ駆動梁１７には周波数特性調整膜３１が形成されている。上述したように、周波数特性調整膜３１は、たとえば、有機材料または金属材料等の塑性変形を有する材料から形成されている。
In contrast to the light reflecting device according to the comparative example, in the light reflecting device 1 according to the first embodiment, the frequency characteristic adjusting film 31 is formed on the twist drive beam 17. As described above, the frequency characteristic adjusting film 31 is formed of a material having plastic deformation such as an organic material or a metal material.
図２０に、周波数特性調整膜３１（捻じれ駆動梁１７）の捻じれ角θとヤング率との相関を示す。図２０に示すように、捻じれ角θが小さい場合には、周波数特性調整膜３１は、弾性変形をし、周波数特性調整膜３１のヤング率は、一定である。捻じれ角θが、閾値θｔｈよりも大きくなり弾性限界を超えると、周波数特性調整膜３１のヤング率は減少する。なお、図２０では、説明の簡略化のため、ヤング率はθに比例して減少するグラフが示されているが、実際には、周波数特性調整膜３１の組成、材質等に依存して非線形的に減少する。
FIG. 20 shows the correlation between the twist angle θ of the frequency characteristic adjusting film 31 (twist drive beam 17) and Young's modulus. As shown in FIG. 20, when the twist angle θ is small, the frequency characteristic adjusting film 31 is elastically deformed, and the Young's modulus of the frequency characteristic adjusting film 31 is constant. When the twist angle θ becomes larger than the threshold value θth and exceeds the elastic limit, the Young's modulus of the frequency characteristic adjusting film 31 decreases. Although FIG. 20 shows a graph in which Young's modulus decreases in proportion to θ for simplification of the explanation, it is actually non-linear depending on the composition, material, etc. of the frequency characteristic adjusting film 31. Decrease.
図２０に示すように、周波数特性調整膜３１（捻じれ駆動梁１７または反射体３）の捻じれ角θが閾値θｔｈよりも大きい場合には、周波数特性調整膜３１のヤング率は低下するため、反射体３（捻じれ駆動梁１７）の捻じれバネ定数は、初期値（捻じれ角θが閾値θｔｈよりも小さい場合の捻じれバネ定数）と比較して低下する。
As shown in FIG. 20, when the twist angle θ of the frequency characteristic adjusting film 31 (twist driving beam 17 or reflector 3) is larger than the threshold value θth, the Young's modulus of the frequency characteristic adjusting film 31 decreases. , The torsional spring constant of the reflector 3 (twist drive beam 17) is lower than the initial value (the torsional spring constant when the torsion angle θ is smaller than the threshold value θth).
図２１に、非線形性を有していない反射体の捻じれ駆動梁に周波数特性調整膜を形成した場合における、駆動周波数と捻じれ角との関係を示す。この場合、捻じれ角θを閾値θｔｈよりも大きく変化させる。図２１に示すように、捻じれ角の最大値を示す駆動周波数は、共振周波数ｆｄよりも低周波側にシフトしていることがわかる。これは、ソフトスプリング効果が発生していることを示す。
FIG. 21 shows the relationship between the drive frequency and the twist angle when the frequency characteristic adjusting film is formed on the twist drive beam of the reflector having no non-linearity. In this case, the twist angle θ is changed to be larger than the threshold value θth. As shown in FIG. 21, it can be seen that the drive frequency indicating the maximum value of the twist angle is shifted to the lower frequency side than the resonance frequency dd. This indicates that the soft spring effect is occurring.
また、周波数をアップ掃引した場合の捻じれ角の最大値よりも、周波数をダウン掃引した場合の捻じれ角の最大値の方が大きく、周波数のアップ掃引した場合とダウン掃引した場合とで、ヒステリシスが生じていることがわかる。ソフトスプリング効果は、図２０に示す周波数特性調整膜３１のヤング率の変化に起因する。
In addition, the maximum value of the twist angle when the frequency is swept down is larger than the maximum value of the twist angle when the frequency is swept up, and the maximum value of the twist angle when the frequency is swept up and the case where the frequency is swept down are larger. It can be seen that hysteresis is occurring. The soft spring effect is caused by a change in Young's modulus of the frequency characteristic adjusting film 31 shown in FIG.
スプリング効果について、より詳しく説明する。図２２に、捻じれバネ定数変化の絶対値とピーク周波数変化との関係を示す。捻じれバネ定数変化とは、元の捻じれバネ定数に対する、捻じれバネ定数と元の捻じれバネ定数との差を比で表したものである。元の捻じれバネ定数とは、微小変位におけるソフトスプリング効果を有し、ハードスプリング効果を有していない捻じれ駆動梁の捻じれバネ定数である。ピーク周波数変化とは、捻じれ角の最大値を与える駆動周波数の変化を、共振周波数ｆｄに対する比で表したものである。
The spring effect will be described in more detail. FIG. 22 shows the relationship between the absolute value of the twist spring constant change and the peak frequency change. The change in the torsional spring constant is the ratio of the difference between the torsional spring constant and the original torsional spring constant with respect to the original torsional spring constant. The original torsional spring constant is a torsional spring constant of a torsionally driven beam that has a soft spring effect in a minute displacement and does not have a hard spring effect. The peak frequency change is a change in the drive frequency that gives the maximum value of the twist angle expressed as a ratio to the resonance frequency f d.
捻じれバネ定数変化が１％（ポイントＰ１）の場合における、駆動周波数と捻じれ角との関係を図２３に示す。捻じれバネ定数変化が、５％（ポイントＰ２）の場合における、駆動周波数と捻じれ角との関係を図２４に示す。捻じれバネ定数変化が１０％（ポイントＰ３）の場合における、駆動周波数と捻じれ角との関係を図２５に示す。周波数特性調整膜を形成する光反射装置として、ハードスプリング効果を有していない周波数特性（図１７参照）を有する光反射装置（反射体）を対象とした。横軸の捻じれバネ定数変化における捻じれバネ定数ｋθは、次の式（１）、
FIG. 23 shows the relationship between the drive frequency and the twist angle when the change in the twist spring constant is 1% (point P1). FIG. 24 shows the relationship between the drive frequency and the twist angle when the change in the twist spring constant is 5% (point P2). FIG. 25 shows the relationship between the drive frequency and the twist angle when the change in the twist spring constant is 10% (point P3). As the light reflector for forming the frequency characteristic adjusting film, a light reflector (reflector) having a frequency characteristic (see FIG. 17) having no hard spring effect was targeted. The torsional spring constant k θ in the change of the torsional spring constant on the horizontal axis is calculated by the following equation (1),
ここで、ｋθ０は元の捻じれバネ定数である。ａは、捻じれバネ定数減少係数であり、ａ＜０である。上述（図２０）したように、捻じれバネ定数ｋθは、弾性限界（捻じれ角θｔｈ）まで一定であり、弾性限界を超えると非線形的に減少するが、ここでは、説明の簡略化のために、線形的に減少すると仮定する。捻じれ角の最大値をθｐとすると、図２２に示すグラフの横軸（捻じれバネ定数変化率）は、次の式（２）、
Here, k θ0 is the original torsional spring constant. a is a coefficient for reducing the torsional spring constant, and a <0. As described above (FIG. 20), the torsional spring constant k θ is constant up to the elastic limit (twist angle θth) and decreases non-linearly when the elastic limit is exceeded. Therefore, it is assumed that it decreases linearly. Assuming that the maximum value of the twist angle is θp, the horizontal axis (twist spring constant change rate) of the graph shown in FIG. 22 is expressed by the following equation (2).
実施の形態１に係る光反射装置１では、反射体３（捻じれ駆動梁１７）が有するハードスプリング効果が、捻じれ駆動梁１７に周波数特性調整膜３１を形成することで発生するソフトスプリング効果によって補償される。これにより、光反射装置１として、非線形性の少ない周波数特性を有することができる。
In the light reflecting device 1 according to the first embodiment, the hard spring effect of the reflector 3 (twisting drive beam 17) is generated by forming the frequency characteristic adjusting film 31 on the twisting drive beam 17. Compensated by. As a result, the light reflecting device 1 can have a frequency characteristic with less non-linearity.
ハードスプリング効果を決定する捻じれ駆動梁の非線形係数βは、捻じれに対する捻じれ駆動梁等の非線形性に起因するため、シミュレーションによって非線形係数βを見積もることができる。一方、図２０に示される、周波数特性調整膜の、捻じれ角とヤング率との関係は、シミュレーションにより見積もることはできないが、引張試験等による応力－歪み曲線から実測することが可能である。
Since the non-linear coefficient β of the twist-driven beam that determines the hard spring effect is due to the non-linearity of the twist-driven beam or the like with respect to twisting, the non-linear coefficient β can be estimated by simulation. On the other hand, the relationship between the twist angle and Young's modulus of the frequency characteristic adjusting film shown in FIG. 20 cannot be estimated by simulation, but can be actually measured from the stress-strain curve obtained by a tensile test or the like.
このことから、シミュレーションによって見積もることが可能な捻じれ駆動梁の静特性τ＝ｋθ＋βθ３（β：非線形係数）におけるβθ３項を、周波数特性調整膜３１が有するヤング率によって相殺するように、周波数特性調整膜３１の材質および膜厚等によって調整する。
Therefore, the static characteristics of the torsional drive beam that can be estimated by simulation τ = k θ + βθ 3: the third term Betashita in (beta nonlinear coefficient), so as to cancel the Young's modulus with the frequency characteristic adjustment film 31 , Adjust according to the material and film thickness of the frequency characteristic adjusting film 31.
周波数特性調整膜３１は、捻じれバネ定数に寄与する割合が多いほど、周波数特性調整膜３１としての効果が高くなる。たとえば、光反射装置１を構成するシリコン（Ｓｉ）のヤング率を１９０ＧＰａとし、周波数特性調整膜３１として、ヤング率７７ＧＰａ、膜厚３μｍのアルミニウム薄膜とする。
The greater the proportion of the frequency characteristic adjusting film 31 that contributes to the torsional spring constant, the higher the effect of the frequency characteristic adjusting film 31 as the frequency characteristic adjusting film 31. For example, the Young's modulus of silicon (Si) constituting the light reflecting device 1 is 190 GPa, and the frequency characteristic adjusting film 31 is an aluminum thin film having a Young's modulus of 77 GPa and a film thickness of 3 μm.
この場合、周波数特性調整膜３１が捻じれバネ定数に寄与する割合は、シリコンの厚さが１００μｍの場合には１％になり、シリコンの厚さが３０μｍの場合には４％になり、シリコンの厚さが２０μｍの場合には６％になる。したがって、シリコンの厚さが薄い方が、周波数特性調整膜が有するソフトスプリング効果によるハードスプリング効果の相殺効果は有効になる。
In this case, the ratio of the frequency characteristic adjusting film 31 contributing to the torsional spring constant is 1% when the thickness of silicon is 100 μm, 4% when the thickness of silicon is 30 μm, and silicon. When the thickness of is 20 μm, it becomes 6%. Therefore, the thinner the silicon, the more effective the canceling effect of the hard spring effect due to the soft spring effect of the frequency characteristic adjusting film.
なお、上述した光反射装置１では、駆動部２３として電磁駆動を例に挙げたが、駆動部２３としては電磁駆動に限られず、たとえば、静電駆動または圧電駆動でもよい。このような駆動部を適用した場合でも、共振周波数に近い周波数で駆動させる反射体では、周波数特性調整膜が有するソフトスプリング効果によってハードスプリング効果を相殺させて、非線形性を抑制することができる。
In the light reflecting device 1 described above, electromagnetic drive is taken as an example of the drive unit 23, but the drive unit 23 is not limited to electromagnetic drive, and may be electrostatic drive or piezoelectric drive, for example. Even when such a driving unit is applied, in a reflector driven at a frequency close to the resonance frequency, the hard spring effect can be canceled by the soft spring effect of the frequency characteristic adjusting film, and the non-linearity can be suppressed.
また、上述した光反射装置１では、周波数特性調整膜３１は、金属配線２５とは別部材として電気的に絶縁されて形成されているが、金属配線２５に周波数特性調整膜３１としての機能をもたせてもよい。この場合、金属配線２５は、電磁駆動コイル２７に電気的に接続される配線としての機能を有することから、金属配線２５には、断線しないことが求められる。
Further, in the light reflecting device 1 described above, the frequency characteristic adjusting film 31 is formed so as to be electrically insulated as a separate member from the metal wiring 25, but the metal wiring 25 has a function as the frequency characteristic adjusting film 31. You may have it. In this case, since the metal wiring 25 has a function as a wiring electrically connected to the electromagnetic drive coil 27, the metal wiring 25 is required not to be disconnected.
さらに、周波数特性調整膜３１は、捻じれ駆動梁１７の上面の全面を覆うように形成されている場合を例に挙げたが、後述するように、捻じれ駆動梁１７の一部に形成されていてもよい。また、周波数特性調整膜３１は、上面以外の表面に部分的に形成されていてもよい。なお、周波数特性調整膜３１が、捻じれ駆動梁１７の全体を覆うように形成されて、ハードスプリング効果の補償が過剰となり、ソフトスプリング効果が発生するような場合には、周波数特性調整膜の形状によって調整することができる。
Further, the case where the frequency characteristic adjusting film 31 is formed so as to cover the entire upper surface of the torsion drive beam 17 has been described as an example, but as will be described later, the frequency characteristic adjustment film 31 is formed on a part of the torsion drive beam 17. You may be. Further, the frequency characteristic adjusting film 31 may be partially formed on a surface other than the upper surface. When the frequency characteristic adjusting film 31 is formed so as to cover the entire torsion drive beam 17 and the compensation for the hard spring effect becomes excessive and the soft spring effect occurs, the frequency characteristic adjusting film 31 is used. It can be adjusted according to the shape.
実施の形態２．
実施の形態２に係る光反射装置について説明する。ここでは、周波数特性調整膜の形成パターンのバリエーションについて説明する。Embodiment 2.
The light reflecting device according to the second embodiment will be described. Here, variations of the formation pattern of the frequency characteristic adjusting film will be described.
実施の形態２に係る光反射装置について説明する。ここでは、周波数特性調整膜の形成パターンのバリエーションについて説明する。
The light reflecting device according to the second embodiment will be described. Here, variations of the formation pattern of the frequency characteristic adjusting film will be described.
（第１例）
図２６に示すように、第１例に係る光反射装置１における捻じれ駆動梁１７の上面では、周波数特性調整膜３１が形成されている第１領域３３と、周波数特性調整膜が形成されていない第２領域３５とが配置されている。 (1st example)
As shown in FIG. 26, on the upper surface of thetwist drive beam 17 in the light reflecting device 1 according to the first example, a first region 33 in which the frequency characteristic adjusting film 31 is formed and a frequency characteristic adjusting film are formed. There is no second region 35 and is arranged.
図２６に示すように、第１例に係る光反射装置１における捻じれ駆動梁１７の上面では、周波数特性調整膜３１が形成されている第１領域３３と、周波数特性調整膜が形成されていない第２領域３５とが配置されている。 (1st example)
As shown in FIG. 26, on the upper surface of the
上述した光反射装置１では、前述した一連の製造工程の後、反射体３の周波数特性を測定する。その測定結果に基づいて、たとえば、レーザ等によって周波数特性調整膜３１の一部を除去することによって、周波数特性をより精密に調整することができる。周波数特性がより精密に調整されることで、反射体３を捻じれ駆動させる際の非線形性をより確実に低減することができる。
In the light reflecting device 1 described above, the frequency characteristics of the reflector 3 are measured after the series of manufacturing steps described above. Based on the measurement result, the frequency characteristic can be adjusted more precisely by removing a part of the frequency characteristic adjusting film 31 with, for example, a laser or the like. By adjusting the frequency characteristics more precisely, it is possible to more reliably reduce the non-linearity when the reflector 3 is twisted and driven.
（第２例）
図２７に示すように、第２例に係る光反射装置１における捻じれ駆動梁１７の上面では、周波数特性調整膜３１が第１膜厚をもって形成されている第３領域３７と、周波数特性調整膜３１が第１膜厚よりも厚い第２膜厚をもって形成されている第４領域３９とが配置されている。 (2nd example)
As shown in FIG. 27, on the upper surface of thetwist drive beam 17 in the light reflecting device 1 according to the second example, a third region 37 in which the frequency characteristic adjusting film 31 is formed with the first film thickness and the frequency characteristic adjusting A fourth region 39 in which the film 31 is formed with a second film thickness thicker than the first film thickness is arranged.
図２７に示すように、第２例に係る光反射装置１における捻じれ駆動梁１７の上面では、周波数特性調整膜３１が第１膜厚をもって形成されている第３領域３７と、周波数特性調整膜３１が第１膜厚よりも厚い第２膜厚をもって形成されている第４領域３９とが配置されている。 (2nd example)
As shown in FIG. 27, on the upper surface of the
上述した光反射装置１では、前述した一連の製造工程の後、反射体３の周波数特性を測定する。その測定結果に基づいて、たとえば、レーザＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）または配線描画等によって周波数特性調整膜３１を追加堆積させることによって、周波数特性をより精密に調整することができる。周波数特性がより精密に調整されることで、反射体３を捻じれ駆動させる際の非線形性をより確実に低減することができる。
In the light reflecting device 1 described above, the frequency characteristics of the reflector 3 are measured after the series of manufacturing steps described above. Based on the measurement result, the frequency characteristic can be adjusted more precisely by additionally depositing the frequency characteristic adjusting film 31 by, for example, laser CVD (Chemical Vapor Deposition) or wiring drawing. By adjusting the frequency characteristics more precisely, it is possible to more reliably reduce the non-linearity when the reflector 3 is twisted and driven.
実施の形態２に係る光反射装置１では、たとえば、反射体を形成した後の検査工程において、反射体の周波数特性の非線形性が、規定値を大きく上回り、安定した走査が困難になるような場合に、周波数特性調整膜の膜厚等を調整することによって、光反射装置１の歩留まりを向上させることができる。
In the light reflecting device 1 according to the second embodiment, for example, in the inspection step after forming the reflector, the non-linearity of the frequency characteristic of the reflector greatly exceeds the specified value, and stable scanning becomes difficult. In this case, the yield of the light reflecting device 1 can be improved by adjusting the thickness of the frequency characteristic adjusting film and the like.
実施の形態３．
実施の形態３に係る光反射装置について説明する。ここでは、反射体の面外変位に伴うソフトスプリング効果によって、ハードスプリング効果を補償する光反射装置について説明する。Embodiment 3.
The light reflecting device according to the third embodiment will be described. Here, a light reflecting device that compensates for the hard spring effect by the soft spring effect accompanying the out-of-plane displacement of the reflector will be described.
実施の形態３に係る光反射装置について説明する。ここでは、反射体の面外変位に伴うソフトスプリング効果によって、ハードスプリング効果を補償する光反射装置について説明する。
The light reflecting device according to the third embodiment will be described. Here, a light reflecting device that compensates for the hard spring effect by the soft spring effect accompanying the out-of-plane displacement of the reflector will be described.
図２８に示すように、光反射装置１における捻じれ駆動梁１７には、周波数特性調整膜は、特に、形成されていない。捻じれ駆動梁１７を軸として支持体部２１に対して反射体３が捻じれ駆動する際に、反射体３は、面外方向に変位する。
As shown in FIG. 28, the frequency characteristic adjusting film is not particularly formed on the twist drive beam 17 in the light reflecting device 1. When the reflector 3 is twist-driven with respect to the support portion 21 about the twist-driving beam 17, the reflector 3 is displaced in the out-of-plane direction.
ここで、図２９に示すように、反射体３が静止した状態における反射体３の重心位置Ｇを第１位置（原点Ｏ）とする。そうすると、面外変位とは、図３０に示すように、反射体３を支持する捻じれ駆動梁１７の捻じれによって、反射体３の重心位置Ｇが、第１位置（原点Ｏ）から、反射面７と交差する方向に離れた第２位置に変位（ｒ変位：ベクトル）することをいう。
Here, as shown in FIG. 29, the center of gravity position G of the reflector 3 when the reflector 3 is stationary is set as the first position (origin O). Then, as shown in FIG. 30, the out-of-plane displacement means that the center of gravity position G of the reflector 3 is reflected from the first position (origin O) by the twist of the twist drive beam 17 that supports the reflector 3. Displacement (r displacement: vector) to a second position away from the surface 7 in the direction of intersection.
反射体３の面外剛性は、捻じれ駆動梁１７の長さの３乗に反比例し、捻じれ剛性は、捻じれ駆動梁１７の長さの１乗に反比例する。このため、捻じれ駆動梁１７の長さを長くすることで、反射体３の面外剛性を低く設計することができる。反射体３の面外方向変位（ｒ変位）によって、反射体３の周波数特性は、ソフトスプリング効果を有することになる。以下、ソフトスプリング効果が出現することについて説明する。
The out-of-plane rigidity of the reflector 3 is inversely proportional to the cube of the length of the torsional drive beam 17, and the torsional rigidity is inversely proportional to the first power of the length of the torsional drive beam 17. Therefore, by increasing the length of the torsion drive beam 17, the out-of-plane rigidity of the reflector 3 can be designed to be low. Due to the out-of-plane displacement (r-displacement) of the reflector 3, the frequency characteristic of the reflector 3 has a soft spring effect. Hereinafter, the appearance of the soft spring effect will be described.
反射体３の重心位置Ｇは、次の（式３）、
The center of gravity position G of the reflector 3 is as follows (Equation 3),
捻じれ駆動梁１７の面外方向のバネ定数をｋｚとし、捻じれ駆動梁１７の回転方向のバネ定数をｋθとし、重力加速度をｇとすると、ポテンシャルエネルギーＤは、次の（式５）、
Assuming that the spring constant of the torsion drive beam 17 in the out-of-plane direction is k z , the spring constant of the torsion drive beam 17 in the rotation direction is k θ , and the gravitational acceleration is g, the potential energy D is as follows (Equation 5). ),
そうすると、ラグラジアンは、次の（式６）、
Then, the Lagrangian will have the following (Equation 6),
解析力学の手法を用い、ラグラジアンに基づいてθに関する方程式を導出する。粘性抵抗係数をＣ、電磁力によるトルクをτとすると、次の（式７）、
Using the method of analytical mechanics, derive the equation for θ based on Lagrangian. Assuming that the viscous drag coefficient is C and the torque due to electromagnetic force is τ, the following (Equation 7),
式（６）と式（７）とから、次の式（８）、
From equation (6) and equation (7), the following equation (8),
式（８）において、ｓｉｎθは、次の式（９）、
In equation (8), sinθ is the following equation (9),
ハードスプリング効果は、捻じれ駆動梁１７の非線形項βによって決まる。このため、非線形項βが、係数β２（＝－Ｍｇｒ／３！）によって打ち消されるように、捻じれ駆動梁１７のディメンジョンを設定することで、反射体３の捻じれ駆動として、非線形性の少ない周波数特性を得ることができる。
The hard spring effect is determined by the non-linear term β of the torsional drive beam 17. Therefore, by setting the dimension of the twist drive beam 17 so that the non-linear term β is canceled by the coefficient β 2 (= −Mgr / 3!), The non-linearity can be obtained as the twist drive of the reflector 3. It is possible to obtain a small number of frequency characteristics.
図３１に、（式８）の解析結果を示す。ハードスプリング効果を有していない反射体を備えた光反射装置を解析の対象とした。横軸は、面外共振周波数（ｆｏｐ）と捻じれ共振周波数（ｆｄ）との比（ｆｏｐ／ｆｄ）である。縦軸は、共振周波数に対する捻じれ角の最大値を与えるピーク周波数の変化を比で表したものである。
FIG. 31 shows the analysis result of (Equation 8). A light reflector equipped with a reflector that does not have a hard spring effect was analyzed. The horizontal axis is the ratio (f op / f d ) of the out-of-plane resonance frequency (f op ) and the torsional resonance frequency (f d). The vertical axis represents the change in the peak frequency that gives the maximum value of the twist angle with respect to the resonance frequency as a ratio.
比の値が４５％（ポイントＰ１）における駆動周波数と捻じれ角との関係を、図３２に示す。比の値が３５％（ポイントＰ２）における駆動周波数と捻じれ角との関係を、図３３に示す。比の値が２５％（ポイントＰ３）における駆動周波数と捻じれ角との関係を、図３４に示す。
FIG. 32 shows the relationship between the drive frequency and the twist angle when the ratio value is 45% (point P1). The relationship between the drive frequency and the twist angle when the ratio value is 35% (point P2) is shown in FIG. 33. The relationship between the drive frequency and the twist angle when the ratio value is 25% (point P3) is shown in FIG. 34.
図３２、図３３および図３４に示すように、面外共振周波数（ｆｏｐ）が低くなるほど、ピーク周波数のシフト（周波数変化）は大きくなり、周波数変化が大きくなると、ヒステリシスが発生することがわかる。図３１に示されるように、面外共振周波数（ｆｏｐ）は、少なくとも捻じれ共振周波数以下でなければ、ソフトスプリング効果は発生しない。
As shown in FIGS. 32, 33 and 34, it can be seen that the lower the out-of-plane resonance frequency (fop ), the larger the shift (frequency change) of the peak frequency, and the larger the frequency change, the greater the hysteresis. .. As shown in FIG. 31, the soft spring effect does not occur unless the out-of-plane resonance frequency ( fop ) is at least the torsional resonance frequency or less.
上述した光反射装置１では、反射体３のハードスプリング効果（図１８参照）を、反射体の面外変位によるソフトスプリング効果によって補償することで、反射体３を捻じれ駆動させる際の非線形性を低減することができる。
In the light reflector 1 described above, the hard spring effect of the reflector 3 (see FIG. 18) is compensated by the soft spring effect due to the out-of-plane displacement of the reflector, so that the reflector 3 is twisted and driven. Can be reduced.
なお、ハードスプリング効果を決定する捻じれ駆動梁１７の非線形係数βは、シミュレーションによって見積もることができる。また、反射体３の面外変位に伴うソフトスプリング効果の係数β２も、シミュレーションによって見積もることができる。このため、実施の形態３に係る光反射装置１の反射体３の周波数特性の調整は、設計段階において設定することが可能である。ただし、反射体３の面外変位に伴って、捻じれ変位の周波数特性を調整するため、上述した光反射装置１は、反射体３の面外変位が許容される用途に限られる。
The nonlinear coefficient β of the torsional drive beam 17 that determines the hard spring effect can be estimated by simulation. In addition, the coefficient β 2 of the soft spring effect associated with the out-of-plane displacement of the reflector 3 can also be estimated by simulation. Therefore, the adjustment of the frequency characteristic of the reflector 3 of the light reflecting device 1 according to the third embodiment can be set at the design stage. However, since the frequency characteristic of the torsional displacement is adjusted with the out-of-plane displacement of the reflector 3, the above-mentioned light reflecting device 1 is limited to applications in which the out-of-plane displacement of the reflector 3 is allowed.
また、上述した光反射装置１では、必要に応じて、周波数特性調整膜３１（図２９および図３０の二点鎖線参照）を形成させてもよい。反射体３の面外変位に伴うソフトスプリング効果に、周波数特性調整膜３１によるソフトスプリング効果が加えられて、より効果的に反射体３のハードスプリング効果を補償することができる。
Further, in the light reflecting device 1 described above, the frequency characteristic adjusting film 31 (see the two-dot chain line in FIGS. 29 and 30) may be formed if necessary. The soft spring effect due to the frequency characteristic adjusting film 31 is added to the soft spring effect due to the out-of-plane displacement of the reflector 3, and the hard spring effect of the reflector 3 can be more effectively compensated.
実施の形態４．
ここでは、光反射装置を備えた測距装置について説明する。図３５に示すように、測距装置６１は、筐体７１内に、実施の形態１～３において説明した光反射装置１に加えて、光源６３、ビームスプリッタ６５、光検出器６７および演算部６９を備えている。光源６３は、光反射装置１におけるＭＥＭＳミラーとしての反射体３（図１等参照）に、出射光として光ビームを照射する。ビームスプリッタ６５は、光源６３と光反射装置１との間に配置されている。演算部６９は、光検出器６７において検出された入射光と、出射光とを比較する。Embodiment 4.
Here, a distance measuring device including a light reflecting device will be described. As shown in FIG. 35, in thehousing 71, in addition to the light reflecting device 1 described in the first to third embodiments, the distance measuring device 61 includes a light source 63, a beam splitter 65, a photodetector 67, and a calculation unit. It has 69. The light source 63 irradiates a reflector 3 (see FIG. 1 and the like) as a MEMS mirror in the light reflecting device 1 with a light beam as emitted light. The beam splitter 65 is arranged between the light source 63 and the light reflecting device 1. The calculation unit 69 compares the incident light detected by the photodetector 67 with the emitted light.
ここでは、光反射装置を備えた測距装置について説明する。図３５に示すように、測距装置６１は、筐体７１内に、実施の形態１～３において説明した光反射装置１に加えて、光源６３、ビームスプリッタ６５、光検出器６７および演算部６９を備えている。光源６３は、光反射装置１におけるＭＥＭＳミラーとしての反射体３（図１等参照）に、出射光として光ビームを照射する。ビームスプリッタ６５は、光源６３と光反射装置１との間に配置されている。演算部６９は、光検出器６７において検出された入射光と、出射光とを比較する。
Here, a distance measuring device including a light reflecting device will be described. As shown in FIG. 35, in the
光源６３として、たとえば、レーザ光源を適用することができる。レーザ光源からは、たとえば、波長８７０ｎｍ～１５００ｎｍのレーザ光が出射される。光検出器６７は、光源６３から反射体３を経て物体（図示せず）に照射され、その物体で反射したレーザ光を、反射体３を経てビームスプリッタ６５の反射面で反射させて、検出することができる位置に配置されている。
As the light source 63, for example, a laser light source can be applied. For example, a laser beam having a wavelength of 870 nm to 1500 nm is emitted from the laser light source. The light detector 67 irradiates an object (not shown) from the light source 63 via the reflector 3, and reflects the laser beam reflected by the object on the reflecting surface of the beam splitter 65 through the reflector 3 for detection. It is placed in a position where it can be split.
次に、上述した測距装置６１の動作について説明する。光源６３から出射したレーザ光は、出射光ＯＬとして、ビームスプリッタ６５を透過して光反射装置１の反射体３で反射し、筐体７１に設けられた窓７３を透過して測距装置６１の外部に出射される。このとき、出射光ＯＬは、反射体３の捻じれ駆動に対応した反射角に基づいて、走査する態様で出射される。出射光ＯＬは、出射光ＯＬの走査範囲内に位置する物体（図示せず）に照射される。物体に照射された出射光ＯＬ（レーザ光）は、物体で反射される。物体で反射されたレーザ光の一部は、入射光ＩＬとして、窓７３を透過して反射体３で反射し、ビームスプリッタ６５の反射面から光検出器６７に入射する。
Next, the operation of the distance measuring device 61 described above will be described. The laser light emitted from the light source 63 passes through the beam splitter 65 and is reflected by the reflector 3 of the light reflecting device 1 as the emitted light OL, and passes through the window 73 provided in the housing 71 to pass through the ranging device 61. It is emitted to the outside of. At this time, the emitted light OL is emitted in a scanning manner based on the reflection angle corresponding to the twisting drive of the reflector 3. The emitted light OL irradiates an object (not shown) located within the scanning range of the emitted light OL. The emitted light OL (laser light) applied to the object is reflected by the object. A part of the laser light reflected by the object passes through the window 73 and is reflected by the reflector 3 as incident light IL, and is incident on the photodetector 67 from the reflecting surface of the beam splitter 65.
光源６３から出射する出射光ＯＬと光検出器６７によって検出される入射光ＩＬとを演算部６９において比較することで、測距装置６１から物体までの距離を測定することができる。たとえば、出射光ＯＬをパルス状に出射すると、物体で反射されて入射する入射光ＩＬもパルス状になる。このとき、出射光ＯＬのパルスと入射光ＩＬのパルスとの時間差を計測することによって、測距装置６１から物体までの距離を、演算部６９において算出することができる。特に、光反射装置１では、ハードスプリング効果が抑制されていることで、精度の高い距離の測定を行うことができる。
The distance from the distance measuring device 61 to the object can be measured by comparing the emitted light OL emitted from the light source 63 and the incident light IL detected by the photodetector 67 in the calculation unit 69. For example, when the emitted light OL is emitted in a pulse shape, the incident light IL reflected by the object and incident is also in a pulse shape. At this time, the distance from the distance measuring device 61 to the object can be calculated by the calculation unit 69 by measuring the time difference between the pulse of the emitted light OL and the pulse of the incident light IL. In particular, in the light reflecting device 1, since the hard spring effect is suppressed, it is possible to measure a distance with high accuracy.
また、走査しながら出射光ＯＬを二次元的に出射することで、出射光ＯＬの出射方向に関する情報と入射光ＩＬの情報とを合わせることによって、測距装置６１の周辺に位置する物体を、距離画像として取得することができる。
Further, by emitting the emitted light OL two-dimensionally while scanning, the information on the emitting direction of the emitted light OL and the information on the incident light IL are combined to obtain an object located in the vicinity of the distance measuring device 61. It can be acquired as a distance image.
（変形例）
上述した測距装置６１では、光源６３から出射して物体に照射される出射光ＯＬの光学系と、物体で反射して光検出器６７で検出される入射光ＩＬの光学系とを、共通の光学系とした場合について説明した。測距装置としては、出射光ＯＬの光学系と入射光の光学系とを分けるようにしてもよい。 (Modification example)
In thedistance measuring device 61 described above, the optical system of the emitted light OL emitted from the light source 63 and irradiated to the object and the optical system of the incident light IL reflected by the object and detected by the light detector 67 are common. The case of using the optical system of is described. As the distance measuring device, the optical system of the emitted light OL and the optical system of the incident light may be separated.
上述した測距装置６１では、光源６３から出射して物体に照射される出射光ＯＬの光学系と、物体で反射して光検出器６７で検出される入射光ＩＬの光学系とを、共通の光学系とした場合について説明した。測距装置としては、出射光ＯＬの光学系と入射光の光学系とを分けるようにしてもよい。 (Modification example)
In the
図３６に示すように、変形例に係る測距装置６１では、光源６３から出射したレーザ光は、出射光ＯＬとして、光反射装置１の反射体３で反射し、筐体７１に設けられた一の窓７３を透過して測距装置６１の外部に出射される。出射光ＯＬは、出射光ＯＬの走査範囲内に位置する物体（図示せず）に照射される。物体に照射された出射光ＯＬ（レーザ光）は、物体で反射される。物体で反射されたレーザ光の一部は、入射光ＩＬとして、他の窓７３を透過して光検出器６７に入射する。
As shown in FIG. 36, in the distance measuring device 61 according to the modified example, the laser light emitted from the light source 63 is reflected by the reflector 3 of the light reflecting device 1 as the emitted light OL, and is provided in the housing 71. It passes through one window 73 and is emitted to the outside of the ranging device 61. The emitted light OL irradiates an object (not shown) located within the scanning range of the emitted light OL. The emitted light OL (laser light) applied to the object is reflected by the object. A part of the laser light reflected by the object passes through the other window 73 and is incident on the photodetector 67 as the incident light IL.
変形例に係る測距装置６１によれば、出射光ＯＬの光学系と入射光の光学系とが分けられていることで、レーザ光の経路に依らず、出射光ＯＬの情報と入射光ＩＬの情報とを比較することで、測距装置６１から物体までの距離を精度よく測定することができる。また、走査しながら出射光ＯＬを二次元的に出射することで、出射光ＯＬの出射方向に関する情報と入射光ＩＬの情報とを合わせることによって、測距装置６１の周辺に位置する物体を、距離画像として取得することができる。
According to the ranging device 61 according to the modified example, since the optical system of the emitted light OL and the optical system of the incident light are separated, the information of the emitted light OL and the incident light IL are not affected by the path of the laser light. By comparing with the information in the above, the distance from the distance measuring device 61 to the object can be measured accurately. Further, by emitting the emitted light OL two-dimensionally while scanning, the information regarding the emitting direction of the emitted light OL and the information of the incident light IL are combined to obtain an object located in the vicinity of the distance measuring device 61. It can be acquired as a distance image.
なお、各実施の形態において説明した光反射装置については、必要に応じて種々組み合わせることが可能である。
The light reflecting devices described in each embodiment can be combined in various ways as needed.
今回開示された実施の形態は例示であってこれに制限されるものではない。本開示は上記で説明した範囲ではなく、請求の範囲によって示され、請求の範囲と均等の意味および範囲でのすべての変更が含まれることが意図される。
The embodiment disclosed this time is an example and is not limited to this. The present disclosure is set forth by the claims, not the scope described above, and is intended to include all modifications in the sense and scope equivalent to the claims.
本開示は、ハードスプリング効果が発現する光反射装置に有効に利用される。
This disclosure is effectively used for a light reflecting device that exhibits a hard spring effect.
１ 反射装置、３ 反射体、５、５ａ、５ｂ、５ｃ シリコン層、７ 反射面、９、１３、１５ 絶縁膜、１１、１１ａ、１１ｃ シリコン基板、１１ｂ ミラー支持層、１７ 捻じれ駆動梁、１９ 捻じれ駆動梁固定部、２１ 支持体部、２３ 駆動部、２５ 金属配線、２７ 電磁駆動コイル、２９ 磁界、３１ 周波数特性調整膜、３３ 第１領域、３５ 第２領域、３７ 第３領域、３９ 第４領域、５１ ＳＯＩ基板、 ５２ シリコン基板、 ５３ 絶縁膜、 ５４ シリコン層、５７ 周波数特性調整膜となる膜、６１ 測距装置、６３ 光源、６５ ビームスプリッタ、６７ 光検出器、６９ 演算部、７１ 筺体、７３ 窓、Ｏ 原点、Ｇ 重心。
1 Reflector, 3 Reflector, 5, 5a, 5b, 5c Silicon layer, 7 Reflective surface, 9, 13, 15 Insulating film, 11, 11a, 11c Silicon substrate, 11b Mirror support layer, 17 Twist drive beam, 19 Twist drive beam fixing part, 21 support part, 23 drive part, 25 metal wiring, 27 electromagnetic drive coil, 29 light source, 31 frequency characteristic adjustment film, 33 first region, 35 second region, 37 third region, 39 4th region, 51 SOI substrate, 52 silicon substrate, 53 insulating film, 54 silicon layer, 57 film for adjusting frequency characteristics, 61 ranging device, 63 light source, 65 beam splitter, 67 optical detector, 69 arithmetic unit, 71 housing, 73 window, O origin, G center of gravity.
Claims (15)
- 反射面を有する反射体と、
前記反射体と距離を隔てて配置された支持体部と、
前記反射体と前記支持体部とを接続する梁部と、
前記支持体部に対して、前記梁部を軸として、前記反射体を捻じれ駆動させる駆動部と
を有し、
前記梁部は、
梁本体と、
前記梁本体に形成され、前記捻じれ駆動の周波数を調整する周波数調整膜と
を備えた、光反射装置。 A reflector with a reflective surface and
A support portion arranged at a distance from the reflector and
A beam portion connecting the reflector and the support portion,
The support portion has a drive portion for twisting and driving the reflector with the beam portion as an axis.
The beam portion
With the beam body
A light reflecting device provided on the beam body and provided with a frequency adjusting film for adjusting the frequency of the twisting drive. - 前記梁本体は、前記捻じれ駆動に対して第１捻じれバネ定数を有し、
前記捻じれ駆動のうち、前記周波数調整膜の弾性限界を超えた捻じれ駆動に対して、前記周波数調整膜が前記梁本体に形成された前記梁部は、前記第１捻じれバネ定数よりも低い第２捻じれバネ定数を有する、請求項１記載の光反射装置。 The beam body has a first twist spring constant with respect to the twist drive.
Among the torsion drives, the beam portion in which the frequency adjustment film is formed on the beam body has a higher than the first torsion spring constant with respect to the torsion drive exceeding the elastic limit of the frequency adjustment film. The light reflecting device according to claim 1, which has a low second twist spring constant. - 前記梁本体は、第１半導体層第１部から形成され、
前記反射体は、
基板本体と、
前記基板本体の上に絶縁膜を介在させて形成された第１半導体層第２部と
を含む、請求項１または２に記載の光反射装置。 The beam body is formed from the first part of the first semiconductor layer.
The reflector is
With the board body
The light reflecting device according to claim 1 or 2, which includes a first semiconductor layer second portion formed on the substrate body with an insulating film interposed therebetween. - 前記周波数調整膜は、アルミニウム、銅、ニッケルおよび金のいずれかの金属および前記金属を含む合金のいずれかによって形成された、請求項１～３のいずれか１項に記載の光反射装置。 The light reflecting device according to any one of claims 1 to 3, wherein the frequency adjusting film is formed of any metal of aluminum, copper, nickel and gold and any of the alloys containing the metal.
- 前記梁本体では、
前記周波数調整膜が形成された第１領域と、
前記周波数調整膜が形成されていない第２領域と
が配置された、請求項１～４のいずれか１項に記載の光反射装置。 In the beam body,
The first region on which the frequency adjustment film was formed and
The light reflecting device according to any one of claims 1 to 4, wherein a second region on which the frequency adjusting film is not formed is arranged. - 前記梁本体では、
第１膜厚を有する前記周波数調整膜が形成された第３領域と、
前記第１膜厚よりも厚い第２膜厚を有する前記周波数調整膜が形成された第４領域と
が配置された、請求項１～４のいずれか１項に記載の光反射装置。 In the beam body,
A third region on which the frequency adjusting film having the first film thickness is formed, and
The light reflecting device according to any one of claims 1 to 4, wherein a fourth region on which the frequency adjusting film having a second film thickness thicker than the first film thickness is formed is arranged. - 前記周波数調整膜は、前記梁本体において、前記反射体の前記反射面が位置する側に配置された、請求項１～６のいずれか１項に記載の光反射装置。 The light reflecting device according to any one of claims 1 to 6, wherein the frequency adjusting film is arranged on the side of the beam body where the reflecting surface of the reflecting body is located.
- 前記駆動部は、
前記反射体に形成された電磁駆動コイルと、
前記梁部に沿って形成され、前記電磁駆動コイルに電気的に接続されて前記電磁駆動コイルに駆動電流を供給する配線と
を含み、
前記周波数調整膜は、前記配線を含む、請求項１～７のいずれか１項に記載の光反射装置。 The drive unit
The electromagnetic drive coil formed on the reflector and
A wiring formed along the beam portion and electrically connected to the electromagnetic drive coil to supply a drive current to the electromagnetic drive coil is included.
The light reflecting device according to any one of claims 1 to 7, wherein the frequency adjusting film includes the wiring. - 前記反射体が静止した状態における前記反射体の重心位置を第１位置とすると、
前記梁部は、前記捻じれ駆動により、前記重心位置が、前記第１位置から前記反射面と交差する方向に離れた第２位置に変位する態様で、前記反射体を面外変位させる、請求項１～８のいずれか１項に記載の光反射装置。 Assuming that the position of the center of gravity of the reflector when the reflector is stationary is the first position,
The beam portion displaces the reflector out-of-plane in a manner in which the position of the center of gravity is displaced from the first position to a second position separated from the first position in a direction intersecting with the reflecting surface by the twisting drive. Item 2. The light reflecting device according to any one of Items 1 to 8. - 前記面外変位の面外共振周波数は、捻じれ共振周波数以下である、請求項９記載の光反射装置。 The light reflecting device according to claim 9, wherein the out-of-plane resonance frequency of the out-of-plane displacement is equal to or less than the torsional resonance frequency.
- 反射面を有する反射体と、
前記反射体と距離を隔てて配置された支持体部と、
前記反射体と前記支持体部とを接続する梁部と、
前記支持体部に対して、前記梁部を軸として、前記反射体を捻じれ駆動させる駆動部と
を備え、
前記反射体が静止した状態における前記反射体の重心位置を第１位置とすると、
前記梁部は、前記捻じれ駆動により、前記重心位置が、前記第１位置から前記反射面と交差する方向に離れた第２位置に変位する態様で、前記反射体を面外変位させる、光反射装置。 A reflector with a reflective surface and
A support portion arranged at a distance from the reflector and
A beam portion connecting the reflector and the support portion,
The support portion is provided with a drive portion for twisting and driving the reflector with the beam portion as an axis.
Assuming that the position of the center of gravity of the reflector when the reflector is stationary is the first position,
The beam portion is light that displaces the reflector out of the plane in a manner in which the position of the center of gravity is displaced from the first position to a second position separated from the first position in a direction intersecting with the reflecting surface by the twisting drive. Reflector. - 前記面外変位の面外共振周波数は、捻じれ共振周波数以下である、請求項１１記載の光反射装置。 The light reflecting device according to claim 11, wherein the out-of-plane resonance frequency of the out-of-plane displacement is equal to or lower than the torsional resonance frequency.
- 前記梁部は、梁本体を含み、
前記梁本体は、第１半導体層第１部から形成され
前記反射体は、
基板本体と、
前記基板本体の上に絶縁膜を介在させて形成された第１半導体層第２部と
を含む、請求項１１または１２に記載の光反射装置。 The beam portion includes a beam body and includes a beam body.
The beam body is formed from the first part of the first semiconductor layer, and the reflector is
With the board body
The light reflecting device according to claim 11 or 12, which includes a first semiconductor layer second portion formed on the substrate body with an insulating film interposed therebetween. - 前記梁部は、前記梁本体に形成され、前記捻じれ駆動の周波数を調整する周波数調整膜を備えた、請求項１３記載の光反射装置。 The light reflecting device according to claim 13, wherein the beam portion is formed on the beam body and includes a frequency adjusting film for adjusting the frequency of the twisting drive.
- 請求項１～１４のいずれか１項に記載の光反射装置を備えた、測距装置。 A distance measuring device provided with the light reflecting device according to any one of claims 1 to 14.
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- 2020-02-19 WO PCT/JP2020/006418 patent/WO2021166096A1/en active Application Filing
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