JP4773301B2 - ミラー制御装置 - Google Patents

Description

本発明は、通信用の光スイッチやスキャナ等に使用されるミラー制御装置に関するものである。

光スイッチ等のハードウェアを実現する技術の一つとして、マイクロマシン技術により製作されるミラー制御装置が提案されている（例えば、特許文献１参照）。図１は本発明の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー制御装置の断面図であるが、従来のミラー制御装置においても機械的な構成は同様であるので、図１、図２を用いて従来のミラー制御装置を説明する。

ミラー制御装置は、ミラーが形成されたミラー基板（上部基板）２００と、電極が形成された電極基板（下部基板）３００とが平行に配設された構造を有する。
ミラー基板２００は、板状の枠部２１０と、枠部２１０の開口内に配設された可動枠２２０と、可動枠２２０の開口内に配設されたミラー２３０とを有する。枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は、例えば単結晶シリコンで一体形成されている。ミラー２３０の表面には例えば３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成されている。一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂは、枠部２１０と可動枠２２０とを連結している。可動枠２２０は、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂを通る図１の可動枠回動軸ｘを軸として回動することができる。同様に、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂは、可動枠２２０とミラー２３０とを連結している。ミラー２３０は、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂを通る図１のミラー回動軸ｙを軸として回動することができる。可動枠回動軸ｘとミラー回動軸ｙとは、互いに直交している。結果として、ミラー２３０は、直交する２軸で回動する。

電極基板３００は、板状の基部３１０と、段丘状の突出部３２０とを有する。基部３１０と突出部３２０は例えば単結晶シリコンからなる。突出部３２０は、基部３１０の上面に形成された角錐台の形状を有する第２テラス３２２と、第２テラス３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス３２１と、第１テラス３２１の上面に形成された柱状の形状を有するピボット３３０とから構成される。突出部３２０の四隅とこの四隅に続く基部３１０の上面には、４つの電極３４０ａ〜３４０ｄが形成されている。また、基部３１０の上面には、突出部３２０を挟むように並設された一対の凸部３６０ａ，３６０ｂが形成されている。さらに、基部３１０の上面には、配線３７０が形成されており、この配線３７０には、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電極３４０ａ〜３４０ｄが接続されている。なお、基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。

以上のようなミラー基板２００と電極基板３００とは、ミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄとが対向配置されるように、枠部２１０の下面と凸部３６０ａ，３６０ｂの上面とを接合することにより、図２に示すようなミラー制御装置を構成する。このようなミラー制御装置においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに正の駆動電圧を与えて、しかも電極３４０ａ〜３４０ｄ間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー２３０を静電引力で吸引し、ミラー２３０を任意の方向へ回動させることができる。

特開２００３−５７５７５号公報

従来のミラー制御装置では、ミラー２３０の駆動電圧−傾斜角特性が回動方向によって異なることがあるという問題点があった。ミラー２３０の駆動電圧−傾斜角特性が回動方向によって異なる要因としては、電極３４０ａ〜３４０ｄとミラー２３０の中心位置のずれや、電極３４０ａ〜３４０ｄの形状誤差、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂの回動軸ｘ周りの剛性とトーションバネ２２１ａ，２２１ｂの回動軸ｙ周りの剛性の違いなどが考えられる。

回動方向による駆動電圧−傾斜角特性の違いが存在すると、同一の駆動電圧を印加した場合でも回動方向によってミラー２３０の傾斜角が異なることになる。このような回動方向による特性の違いを補正するには、ミラー２３０の回動方向に応じて駆動電圧を変える必要があり、制御が煩雑になる。ミラー２３０を制御する上では、各方向の駆動電圧−傾斜角特性が揃っていることが好ましい。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ミラーの回動方向による駆動電圧−傾斜角特性の違いを緩和することができるミラー制御装置を提供することを目的とする。

本発明のミラー制御装置は、回動可能に支持されたミラーと、このミラーから離間して配置された複数の電極と、前記ミラーの所望の傾斜角に応じた駆動電圧を前記電極毎に生成する駆動電圧生成手段と、前記電極の各々に単独に電圧を印加したときに前記ミラーの傾斜角が同一の規定値になる電圧をバイアス電圧として前記電極毎に生成するバイアス電圧生成手段と、前記バイアス電圧と前記駆動電圧とを前記電極毎に加算して、加算後の電圧を対応する前記電極に印加する電極電圧印加手段とを備え、前記電極電圧印加手段は、前記バイアス電圧と前記駆動電圧とを加算する際に、加算前の前記駆動電圧に前記電極毎に異なる係数を乗算し、前記係数は、前記ミラーの電極毎の電圧−傾斜角特性における任意の２点間の傾きに基づいて前記電極毎に予め設定されるものである。
また、本発明のミラー制御装置の１構成例は、前記電極毎のバイアス電圧のうち少なくとも１つが他と異なることを特徴とするものである。
また、本発明のミラー制御装置の１構成例は、前記電極毎のバイアス電圧がそれぞれ異なることを特徴とするものである。
また、本発明のミラー制御装置の１構成例において、前記ミラーは、直交する２軸の周りで回動するものであり、一方の回動軸を含む面に対して面対称に配置された２つの電極と他方の回動軸を含む面に対して面対称に配置された２つの電極で前記バイアス電圧が異なることを特徴とするものである。

本発明によれば、電極の各々に単独に電圧を印加したときにミラーの傾斜角が同一の規定値になる電圧をバイアス電圧として電極毎に生成して印加することにより、ミラーの回動方向による駆動電圧−傾斜角特性の違いを緩和することができる。その結果、本発明では、ミラーの所望の傾斜角に応じた駆動電圧を生成する際に、ミラーの回動方向による駆動電圧−傾斜角特性の違いを考慮する必要がなくなる。

また、本発明では、電極電圧印加手段がバイアス電圧と駆動電圧とを加算する際に、加算前の駆動電圧に電極毎に異なる係数を乗算することにより、駆動電圧（傾斜角）のより広い範囲にわたってミラーの回動方向による駆動電圧−傾斜角特性の違いを緩和することができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー制御装置の断面図である。前述のとおり、枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は導電性の材料（本実施の形態では単結晶シリコン）で一体形成されており、ミラー２３０はミラー基板２００に対して回動可能に支持されている。一方、単結晶シリコン等からなる基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。

本実施の形態と従来のミラー制御装置との大きな相違点は、従来のミラー制御装置ではミラー２３０を所望の角度に制御するための駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに印加しているのに対して、本実施の形態ではミラー２３０の傾斜角に依存しないバイアス電圧と電極毎の駆動電圧との組み合わせ（加減算や乗算）で各電極３４０ａ〜３４０ｄへの印加電圧を決定し、さらに少なくとも１つの電極のバイアス電圧を他の電極のバイアス電圧と変える点である。

以下、本実施の形態と従来のミラー制御装置との相違点についてより詳細に説明する。図３は本実施の形態のミラー制御装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。
ミラー電圧印加手段４００は、枠部２１０とトーションバネ２１１ａ，２１１ｂと可動枠２２０とトーションバネ２２１ａ，２２１ｂとを介してミラー２３０に接地電位を印加する。

駆動電圧生成手段４０１は、ミラー２３０の所望の傾斜角に応じた駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に生成する。駆動電圧生成手段４０１は、予めミラー２３０の傾斜角と駆動電圧値との関係が設定されたテーブルを内部に備えており、ミラー２３０の所望の傾斜角に対応する駆動電圧値をテーブルから取得して、電極毎の駆動電圧を生成する。この駆動電圧生成手段４０１のテーブルを設定する基となったミラー２３０の駆動電圧−傾斜角特性は、電極３４０ａ〜３４０ｄとミラー２３０の中心位置のずれや電極３４０ａ〜３４０ｄの形状誤差が一定範囲内に収まっている理想的な状態のものを使用している。

次に、バイアス電圧生成手段４０２は、各電極３４０ａ〜３４０ｄに単独に電圧を印加したときにミラー基板２００に対するミラー２３０の傾斜角の絶対値が同一の規定値になる電圧を、バイアス電圧として電極毎に生成する。
図４、図５はバイアス電圧生成手段４０２の動作を説明するための図であり、図４はミラー２３０の駆動電圧−傾斜角特性の１例を示す図、図５はミラー２３０が回動する様子を示す断面図である。ここでは、ミラー２３０を図１のミラー回動軸ｙ周りに回動させる場合について説明する。

図４におけるＢは電極３４０ｂのみに駆動電圧を印加したときのミラー２３０の駆動電圧−傾斜角特性、Ｄは電極３４０ｄのみに駆動電圧を印加したときのミラー２３０の駆動電圧−傾斜角特性である。
電極３４０ｂに電圧を印加して、図５の破線で示すようにミラー２３０を電極３４０ｂ側に引き寄せるように回動させたときにミラー２３０の傾斜角が規定値θとなる電圧は、図４によればＶｂ０である。同様に、電極３４０ｄに電圧を印加して、図５の一点鎖線で示すようにミラー２３０を電極３４０ｄ側に引き寄せるように回動させたときにミラー２３０の傾斜角が規定値θとなる電圧は、図４によればＶｄ０である。

バイアス電圧生成手段４０２には、このようなバイアス電圧Ｖｂ０，Ｖｄ０の値が予め登録されている。バイアス電圧生成手段４０２は、ミラー２３０をミラー回動軸ｙ周りに回動させる場合、電極３４０ｂに印加するバイアス電圧としてＶｂ０を生成し、電極３４０ｄに印加するバイアス電圧としてＶｄ０を生成する。こうして、バイアス電圧生成手段４０２は、ミラー２３０の駆動に関わる電極毎にバイアス電圧を生成する。

なお、バイアス電圧はミラー２３０の傾斜角に依存せず、電極に固有かつ固定のものである。電極３４０ａ，３４０ｃはミラー２３０の可動枠回動軸ｘ周りの回動に関わり、ミラー回動軸ｙ周りの回動には関わらないため、ミラー２３０をミラー回動軸ｙ周りに回動させる場合、電極３４０ａ，３４０ｃへの印加電圧はバイアス電圧生成手段４０２により生成されたバイアス電圧のみとなる。また、同様にミラー２３０を可動枠回動軸ｘ周りに回動させる場合には、電極３４０ｂ，３４０ｄへの印加電圧はバイアス電圧のみとなる。

電極電圧印加手段４０３は、バイアス電圧生成手段４０２が生成したバイアス電圧と駆動電圧生成手段４０１が生成した駆動電圧とを電極毎に加算して、電極毎の加算後の電圧を対応する電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する。電極３４０ａ〜３４０ｄには、それぞれ引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電圧が印加される。これにより、ミラー２３０は、電極３４０ａ〜３４０ｄ間の電位差に応じた方向に回動する。

本実施の形態では、各電極３４０ａ〜３４０ｄに単独に電圧を印加したときにミラー２３０の傾斜角が同一の規定値θになる電圧をバイアス電圧として電極毎に生成して印加することにより、ミラー２３０の回動方向による駆動電圧−傾斜角特性の違いを緩和することができる。その結果、本実施の形態では、駆動電圧を生成する際に、ミラー２３０の回動方向による駆動電圧−傾斜角特性の違いを考慮する必要がなくなる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について説明する。第１の実施の形態では、ミラー２３０の駆動電圧−傾斜角特性曲線上の特定の点のデータを基にバイアス電圧を決定しているが、このような決定方法では駆動電圧（傾斜角）の広い範囲にわたってミラー２３０の回動方向による駆動電圧−傾斜角特性の違いを緩和することはできない。その理由は、図４に示すようにミラー２３０のそれぞれの駆動電圧−傾斜角特性の傾きが異なるからである。そこで、本実施の形態では、第１の実施の形態に比べてより広い範囲にわたって有効なバイアス電圧の決定方法を説明する。

本実施の形態においてもミラー制御装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１〜図３の符号を用いて本実施の形態の動作を説明する。
ミラー電圧印加手段４００、駆動電圧生成手段４０１及びバイアス電圧生成手段４０２の動作は第１の実施の形態と同じである。

本実施の形態の電極電圧印加手段４０３は、第１の実施の形態と同様に、バイアス電圧生成手段４０２が生成したバイアス電圧と駆動電圧生成手段４０１が生成した駆動電圧とを電極毎に加算するが、このとき加算前の駆動電圧に電極毎に異なる係数を乗算する。駆動電圧生成手段４０１が生成した電極３４０ｂ用の駆動電圧をＶｙ、電極３４０ｄ用の駆動電圧を−Ｖｙとし、ミラー２３０をミラー回動軸ｙ周りに回動させる場合について説明すると、電極電圧印加手段４０３が電極３４０ｂに印加する加算後の電圧Ｖｂ、及び電極３４０ｄに印加する加算後の電圧Ｖｄは次式のようになる。
Ｖｂ＝Ｖｂ０＋Ｖｙ×（Ｖｂｍａｘ−Ｖｂ０）×（１／Ｖｙｍａｘ） ・・・（１）
Ｖｄ＝Ｖｄ０−Ｖｙ×（Ｖｄｍａｘ−Ｖｄ０）×（１／Ｖｙｍａｘ） ・・・（２）

式（１）、式（２）において、Ｖｂｍａｘは図４に示した駆動電圧−傾斜角特性曲線Ｂ上においてミラー２３０の傾斜角が最大値θｍａｘ（θ＜θｍａｘ）に達したときの電圧であり、同様にＶｄｍａｘは図４に示した駆動電圧−傾斜角特性曲線Ｄ上においてミラー２３０の傾斜角が最大値θｍａｘに達したときの電圧であり、Ｖｙｍａｘは駆動電圧Ｖｙの最大値である。つまり、駆動電圧Ｖｙは０〜Ｖｙｍａｘの範囲の値を取り得る。θｍａｘはミラー２３０に必要とされる最大の傾斜角である。

電極電圧印加手段４０３は、式（１）に示すように駆動電圧Ｖｙに予め設定された係数（Ｖｂｍａｘ−Ｖｂ０）×（１／Ｖｙｍａｘ）を乗算し、この乗算結果とバイアス電圧Ｖｂ０とを加算して、加算後の電圧Ｖｂを電極３４０ｂに印加する。また、電極電圧印加手段４０３は、式（２）に示すように駆動電圧−Ｖｙに予め設定された係数（Ｖｄｍａｘ−Ｖｄ０）×（１／Ｖｙｍａｘ）を乗算し、この乗算結果とバイアス電圧Ｖｄ０とを加算して、加算後の電圧Ｖｄを電極３４０ｄに印加する。これにより、ミラー２３０は、電極３４０ａ〜３４０ｄ間の電位差に応じた方向に回動する。

本実施の形態は、ミラー２３０の電極毎の駆動電圧−傾斜角特性の２点間の傾き（本実施の形態では傾斜角θとθｍａｘ間の傾き（Ｖｂｍａｘ−Ｖｂ０）又は（Ｖｄｍａｘ−Ｖｄ０））に基づいて電極毎の駆動電圧を補正するものである。これにより、本実施の形態では、ミラー２３０の各回動方向の電圧−傾斜角特性を傾斜角θからθｍａｘまでの２点間において見かけ上揃えることができ、第１の実施の形態に比べて駆動電圧（傾斜角）のより広い範囲にわたってミラー２３０の回動方向による駆動電圧−傾斜角特性の違いを緩和することができる。

なお、本実施の形態では、ミラー２３０をミラー回動軸ｙ周りに回動させる場合について説明したが、ミラー２３０を可動枠回動軸ｘ周りに回動させる場合には、電極３４０ａ，３４０ｃに印加する電圧に式（１）、式（２）と同様の補正を行えばよく、ミラー２３０を回動軸ｘ及びｙ周りに回動させる場合には、電極３４０ａ〜３４０ｄに印加する各電圧に式（１）、式（２）と同様の補正を行えばよい。

また、第１、第２の実施の形態では、主として１軸周りの回動で例えば図２の右側に回動する場合と左側に回動する場合でミラー２３０の駆動電圧−傾斜角特性が異なる場合について説明してきた。１軸周りの回動で駆動電圧−傾斜角特性が異なる原因としては、電極３４０ａ〜３４０ｄとミラー２３０の中心位置のずれや、電極３４０ａ〜３４０ｄの形状誤差などが考えられる。

ミラー２３０の回動方向によって特性が異なるその他の場合として、可動枠回動軸ｘ周りの回動とミラー回動軸ｙ周りの回動でミラー２３０の駆動電圧−傾斜角特性が異なる場合が考えられる。この場合の原因としては、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂの回動軸ｘ周りの剛性とトーションバネ２２１ａ，２２１ｂの回動軸ｙ周りの剛性の違いなどが考えられる。この場合は、回動軸ｘを含む、基部３１０と垂直な面に対して面対称に配置された電極３４０ａ，３４０ｃと、回動軸ｙを含む、基部３１０と垂直な面に対して面対称に配置された電極３４０ｂ，３４０ｄでバイアス電圧及び係数が異なるようにすればよい。

本発明は、ミラー制御装置に適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の構成を示す分解斜視図である。 図１のミラー制御装置の断面図である。 本発明の第１の実施の形態に係るミラー制御装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。 本発明の第１の実施の形態におけるミラーの駆動電圧−傾斜角特性の１例を示す図である。 本発明の第１の実施の形態においてミラーが回動する様子を示す断面図である。

符号の説明

２００…ミラー基板、２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ…トーションバネ、２２０…可動枠、２３０…ミラー、３００…電極基板、３４０ａ〜３４０ｄ…電極、４００…ミラー電圧印加手段、４０１…駆動電圧生成手段、４０２…バイアス電圧生成手段、４０３…電極電圧印加手段。

Claims (4)

1. 回動可能に支持されたミラーと、
   このミラーから離間して配置された複数の電極と、
   前記ミラーの所望の傾斜角に応じた駆動電圧を前記電極毎に生成する駆動電圧生成手段と、
   前記電極の各々に単独に電圧を印加したときに前記ミラーの傾斜角が同一の規定値になる電圧をバイアス電圧として前記電極毎に生成するバイアス電圧生成手段と、
   前記バイアス電圧と前記駆動電圧とを前記電極毎に加算して、加算後の電圧を対応する前記電極に印加する電極電圧印加手段とを備え、
   前記電極電圧印加手段は、前記バイアス電圧と前記駆動電圧とを加算する際に、加算前の前記駆動電圧に前記電極毎に異なる係数を乗算し、
   前記係数は、前記ミラーの電極毎の電圧−傾斜角特性における任意の２点間の傾きに基づいて前記電極毎に予め設定されることを特徴とするミラー制御装置。
2. 請求項１記載のミラー制御装置において、
   前記電極毎のバイアス電圧のうち少なくとも１つが他と異なることを特徴とするミラー制御装置。
3. 請求項１記載のミラー制御装置において、
   前記電極毎のバイアス電圧がそれぞれ異なることを特徴とするミラー制御装置。
4. 請求項１記載のミラー制御装置において、
   前記ミラーは、直交する２軸の周りで回動するものであり、
   一方の回動軸を含む面に対して面対称に配置された２つの電極と他方の回動軸を含む面に対して面対称に配置された２つの電極で前記バイアス電圧が異なることを特徴とするミラー制御装置。

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