(57)【要約】【課題】ＭＥＭＳミラーにおける振動の振幅を新規な方法によって制御する。【解決手段】光走査装置２０は、可動電極１２０、固定電極１４０、直流電圧印加部２１０、矩形波電圧印加部２２０及び制御部２４０を含んでいる。固定電極１４０は、可動電極１２０に対向して配置されている。直流電圧印加部２１０は、可動電極１２０及び固定電極１４０のうちの一方に直流電圧を印加する。矩形波電圧印加部２２０は、可動電極１２０及び固定電極１４０のうちのもう一方に矩形波電圧を印加する。制御部２４０は、矩形波電圧印加部２２０から印加される矩形波電圧のデューティ比を制御する。【選択図】図１
2020118876.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
可動電極と、
前記可動電極に対向して配置されている固定電極と、
前記可動電極及び前記固定電極のうちの一方に直流電圧を印加するための直流電圧印加部と、
前記可動電極及び前記固定電極のうちのもう一方に矩形波電圧を印加するための矩形波電圧印加部と、
前記矩形波電圧印加部から印加される前記矩形波電圧のデューティ比を制御するための制御部と、
を含む光走査装置。
【請求項２】
請求項１に記載の光走査装置において、
前記可動電極に対向して配置されている検出電極と、
前記可動電極及び前記検出電極の間の静電容量を電圧に変換するためのチャージアンプと、
をさらに含み、
前記直流電圧印加部は、前記可動電極に前記直流電圧を印加し、
前記矩形波電圧印加部は、前記固定電極に前記矩形波電圧を印加する、光走査装置。
【請求項３】
請求項１又は２に記載の光走査装置において、
前記直流電圧は、正電圧であり、
前記制御部は、前記デューティ比を０．５以上１未満の範囲に制御する、光走査装置。
【請求項４】
請求項１又は２に記載の光走査装置において、
前記直流電圧は、負電圧であり、
前記制御部は、前記デューティ比を０超０．５以下の範囲に制御する、光走査装置。
【請求項５】
可動電極及び前記可動電極に対向して配置されている固定電極のうちの一方に直流電圧印加部から直流電圧を印加し、前記可動電極及び前記固定電極のうちのもう一方に矩形波電圧印加部から矩形波電圧を印加することと、
前記矩形波電圧印加部から印加される前記矩形波電圧のデューティ比を制御部によって制御することと、
を含む、光走査装置の制御方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光走査装置及び光走査装置の制御方法に関し、特に、ＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）ミラーの制御に関する。
【背景技術】
【０００２】
現在、ＭＥＭＳミラーを有する光走査装置が開発されている。ＭＥＭＳミラーは、光走査等値の外部から照射された光を反射する。ＭＥＭＳミラーの角度を調節することで、光を所望の方向に反射することができる。
【０００３】
特許文献１には、ＭＥＭＳミラーの一例について記載されている。ＭＥＭＳミラーは、可動板及びトーションバーを有している。可動板は、トーションバーによって支持されている。トーションバーには、ピエゾ抵抗が一体的に形成されている。ピエゾ抵抗は、トーションバーのねじれに応じた電圧を発生させ、これによって、可動板の角度の検出が可能になる。さらに、ピエゾ抵抗は、バイアス電流によって発熱し、これによって、可動板及びトーションバーによって構成される振動子の共振周波数の調整が可能になる。
【０００４】
特許文献２には、ＭＥＭＳミラーの一例について記載されている。ＭＥＭＳミラーは、支持体、走査体、第１センサ及び第２センサを有している。走査体は、支持体によって支持されている。第１センサは、走査体が走査体の振動において第１位置を通過する時間を検出し、第２センサは、走査体が走査体の振動において第２位置を通過する時間を検出する。このＭＥＭＳミラーでは、走査体が第１位置を通過した時間及び走査体が第２位置を通過した時間の差から、走査体の振動の振幅を算出することができる。
【０００５】
特許文献３には、ＭＥＭＳミラーとは異なるＭＥＭＳ素子について記載されている。特許文献３には、可動基板及び固定基板の間のギャップを変更するためのＭＥＭＳ素子について記載されている。ＭＥＭＳ素子は、静電アクチュエータを有している。静電アクチュエータは、可動基板に形成された可動電極及び固定基板に形成された固定電極の間の静電引力によって、可動基板及び固定基板の間のギャップを変更する。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開２００９−２２９５１７号公報
【特許文献２】特開２０１６−１６１８５７号公報
【特許文献３】特開２０１５−２２５１５３号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
本発明者は、ＭＥＭＳミラーにおける振動の振幅を制御するための方法を検討した。
【０００８】
本発明は上記事情に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ＭＥＭＳミラーにおける振動の振幅を新規な方法によって制御することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明に係る光走査装置は、可動電極、固定電極、直流電圧印加部、矩形波電圧印加部及び制御部を含んでいる。固定電極は、可動電極に対向して配置されている。直流電圧印加部は、可動電極及び固定電極のうちの一方に直流電圧を印加する。矩形波電圧印加部は、可動電極及び固定電極のうちのもう一方に矩形波電圧を印加する。制御部は、矩形波電圧印加部から印加される矩形波電圧のデューティ比を制御する。
【００１０】
本発明に係る光走査装置の制御方法によれば、可動電極及び固定電極のうちの一方に直流電圧印加部から直流電圧を印加し、可動電極及び固定電極のうちのもう一方に矩形波電圧印加部から矩形波電圧を印加し、矩形波電圧印加部から印加される矩形波電圧のデューティ比を制御部によって制御する。
【発明の効果】
【００１１】
本発明によれば、ＭＥＭＳミラーにおける振動の振幅を新規な方法によって制御することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】実施形態に係る光走査装置を示している。
【図２】（ａ）は、可動電極及び固定電極の間の直流電圧差ΔＥ及び可動電極の振幅の関係の一例を示すグラフであり、（ｂ）は、矩形波電圧印加部によって印加される矩形波電圧ＶＡＣの基本波ピーク電圧ＶＮ及び可動電極の振幅の関係の一例を示すグラフである。
【図３】（ａ）は、直流電圧印加部によって印加される直流電圧ＶＢが２０Ｖであり、かつ矩形波電圧印加部によって印加される矩形波電圧ＶＡＣのピーク電圧Ｖｐが２０Ｖである場合における、デューティ比Ｄ、直流電圧差ΔＥ及び基本波ピーク電圧ＶＮの関係を示すグラフであり、（ｂ）は、直流電圧印加部によって印加される直流電圧ＶＢが−２０Ｖであり、かつ矩形波電圧印加部によって印加される矩形波電圧ＶＡＣのピーク電圧Ｖｐが２０Ｖである場合における、デューティ比Ｄ、直流電圧差ΔＥ及び基本波ピーク電圧ＶＮの関係を示すグラフである。
【図４】図１の第１の変形例を示している。
【図５】図１の第２の変形例を示している。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下、本発明の実施の形態について、図面を用いて説明する。尚、すべての図面において、同様な構成要素には同様の符号を付し、適宜説明を省略する。
【００１４】
図１は、実施形態に係る光走査装置２０を示している。
【００１５】
図１を用いて、光走査装置２０の概要を説明する。光走査装置２０は、可動電極１２０、固定電極１４０、直流電圧印加部２１０、矩形波電圧印加部２２０及び制御部２４０を含んでいる。固定電極１４０は、可動電極１２０に対向して配置されている。直流電圧印加部２１０は、可動電極１２０及び固定電極１４０のうちの一方に直流電圧を印加する。図１に示す例では、直流電圧印加部２１０は、可動電極１２０に直流電圧を印加する。矩形波電圧印加部２２０は、可動電極１２０及び固定電極１４０のうちのもう一方に矩形波電圧を印加する。図１に示す例では、矩形波電圧印加部２２０は、固定電極１４０に矩形波電圧を印加する。制御部２４０は、矩形波電圧印加部２２０から印加される矩形波電圧のデューティ比を制御する。
【００１６】
本実施形態によれば、可動電極１２０における振動の振幅を、矩形波電圧のデューティ比によって制御することができる。詳細を後述するように、本発明者は、矩形波のデューティ比及び可動電極１２０における振動の振幅の関係を新規に見出した。本実施形態においては、制御部２４０は、矩形波電圧のデューティ比、すなわち、可動電極１２０における振動の振幅を制御することができる。
【００１７】
図１に示す例において、光走査装置２０は、検出電極１５０及びチャージアンプ２３０をさらに含んでいる。検出電極１５０は、可動電極１２０に対向して配置されている。チャージアンプ２３０は、可動電極１２０及び検出電極１５０の間の静電容量を電圧に変換する。制御部２４０は、チャージアンプ２３０からの出力電圧に応じて、デューティ比を制御する。
【００１８】
本実施形態によれば、チャージアンプ２３０の利得を一定に保ちつつ、可動電極１２０における振動の振幅を制御することができる。詳細を後述するように、本発明者は、矩形波電圧印加部２２０から印加される矩形波電圧のデューティ比を、チャージアンプ２３０の利得を変動させずに調節可能であることを新規に見出した。本実施形態においては、制御部２４０は、チャージアンプ２３０の利得を変動させずに、デューティ比を制御することができる。
【００１９】
図１を用いて、光走査装置２０の詳細を説明する。
【００２０】
光走査装置２０は、光走査本体１０、直流電圧印加部２１０、矩形波電圧印加部２２０、制御部２４０及びチャージアンプ２３０を含んでいる。
【００２１】
光走査本体１０は、枠体１１０、可動電極１２０、軸部材１３０、固定電極１４０及び検出電極１５０を含んでいる。
【００２２】
可動電極１２０は、反射層（例えば、金属層、具体的には、例えば、アルミニウム層）が形成された反射面を有している。光走査装置２０の外部から照射された光は、可動電極１２０の反射面によって反射される。可動電極１２０の角度を調節することで、光を所望の方向に向けて反射することができる。
【００２３】
可動電極１２０は、２つの軸部材１３０によって枠体１１０に取り付けられている。２つの軸部材１３０のうちの一方は、可動電極１２０のうちの対向する２辺のうちの一方に接続されており、２つの軸部材１３０のうちのもう一方は、可動電極１２０のうちの対向する２辺のうちのもう一方に接続されている。軸部材１３０は、可動電極１２０の回転軸として機能する。
【００２４】
可動電極１２０は、軸部材１３０が接続された２辺の間にあって櫛歯電極が形成された一辺及び軸部材１３０が接続された２辺の間にあって櫛歯電極が形成された他の一辺を有している。
【００２５】
固定電極１４０は、櫛歯電極を有している。固定電極１４０は、固定電極１４０の櫛歯電極及び可動電極１２０の櫛歯電極の間に隙間が形成されるように、可動電極１２０に対向している。図１に示す例では、一の固定電極１４０が可動電極１２０の一の櫛歯電極に対向しており、他の一の固定電極１４０が可動電極１２０の他の一の櫛歯電極に対向している。可動電極１２０及び固定電極１４０間の電圧によって発生する静電力によって、可動電極１２０は振動する。
【００２６】
検出電極１５０は、櫛歯電極を有している。検出電極１５０は、検出電極１５０の櫛歯電極及び可動電極１２０の櫛歯電極の間に隙間が形成されるように、可動電極１２０に対向している。図１に示す例では、一の固定電極１４０を挟んで並ぶ２つの検出電極１５０が可動電極１２０の一の櫛歯電極に対向しており、他の一の固定電極１４０を挟んで並ぶ他の２つの検出電極１５０が可動電極１２０の他の一の櫛歯電極に対向している。可動電極１２０及び検出電極１５０の間の静電容量は、可動電極１２０の振動に応じて変動する。したがって、可動電極１２０及び検出電極１５０の間の静電容量を検出することで、可動電極１２０の角度を検出することができる。検出電極１５０のレイアウトは、図１に示す例に限定されない。例えば、１又は複数の検出電極１５０が可動電極１２０の２つの櫛歯電極のうちの一方のみに配置されていてもよい。
【００２７】
図１に示す例において、光走査本体１０は、導電性材料、例えば、シリコン基板を選択的にエッチングすることで、形成することができる。
【００２８】
直流電圧印加部２１０は、枠体１１０に電気的に接続されている。直流電圧印加部２１０からの直流電圧は、枠体１１０及び軸部材１３０を介して、可動電極１２０に印加される。直流電圧印加部２１０は、例えば、直流電圧源にすることができる。
【００２９】
矩形波電圧印加部２２０は、固定電極１４０に電気的に接続されている。矩形波電圧印加部２２０からの矩形波電圧は、固定電極１４０に印加される。矩形波電圧印加部２２０は、例えば、ファンクションジェネレータにすることができる。
【００３０】
チャージアンプ２３０は、検出電極１５０に電気的に接続されている。チャージアンプ２３０は、可動電極１２０及び検出電極１５０の間の静電容量を電圧に変換する容量電圧変換器として機能することができる。
【００３１】
チャージアンプ２３０は、オペアンプ２３２、抵抗器２３４及びキャパシタ２３６を含んでいる。チャージアンプ２３０の非反転入力端子は、接地されている。チャージアンプ２３０の反転入力端子は、検出電極１５０に電気的に接続されている。抵抗器２３４及びキャパシタ２３６は、オペアンプ２３２の出力端子及び反転入力端子の間で並列に接続されている。
【００３２】
制御部２４０は、チャージアンプ２３０からの出力電圧に応じて、矩形波電圧印加部２２０から印加される矩形波電圧のデューティ比を制御する。制御部２４０は、チャージアンプ２３０からの出力電圧から、可動電極１２０が所望の振幅で振動しているかを判断することができる。可動電極１２０の振幅が種々の要因（例えば、外乱）によって所望の振幅からずれている場合、制御部２４０は、デューティ比を制御して、可動電極１２０における振動の振幅を制御することができる。制御部２４０は、例えば、コンピュータ（例えば、パーソナルコンピュータ又はマイクロコンピュータ）にすることができる。
【００３３】
可動電極１２０及び検出電極１５０の間の静電容量ＣＭが角周波数ωで振動する場合、チャージアンプ２３０からの出力電圧Ｖｃｈは、以下の式によって表される。
【数１】
2020118876.tif 000003
ＶＢ：直流電圧印加部２１０によって印加される直流電圧
Ｒｆ：抵抗器２３４の抵抗
Ｃｆ：キャパシタ２３６の静電容量
ｊ：虚数単位
チャージアンプ２３０の利得Ｇは、以下の式によって表される。
【数２】
2020118876.tif 000004
角周波数ωが十分に大きく、ωＣｆＲｆ＞＞１であるとき、利得Ｇは、以下の式によって表され、一定の値となる。
【数３】
2020118876.tif 000005
【００３４】
式（１）〜（３）から明らかなように、可動電極１２０及び検出電極１５０の間の静電容量ＣＭは、チャージアンプ２３０からの出力電圧Ｖｃｈから算出することができる。つまり、可動電極１２０の角度は、チャージアンプ２３０からの出力電圧Ｖｃｈから算出することができる。
【００３５】
本実施形態によれば、チャージアンプ２３０の利得Ｇを一定に保ちつつ、可動電極１２０における振動の振幅を制御することができる。その理由は、以下のとおりである。
【００３６】
矩形波電圧印加部２２０によって印加される矩形波電圧ＶＡＣは、以下の式によって表される。
【数４】
2020118876.tif 000006
Ｄ：矩形波電圧ＶＡＣのデューティ比
Ｖｐ：矩形波電圧ＶＡＣのピーク電圧
【００３７】
矩形波電圧ＶＡＣは、直流電圧成分（式（４）の下段の右辺の第１項）、交流電圧の基本波成分（式（４）の下段の右辺の第２項）及び交流電圧の高周波成分（式（４）の下段の右辺の第３項及びそれ以降の項）を含んでいる。高周波成分は、可動電極１２０の振動にほとんど影響しない。矩形波電圧ＶＡＣの直流電圧成分ＶＭ及び基本波ピーク電圧ＶＮは、以下の式によって表される。
【数５】
2020118876.tif 000007
【数６】
2020118876.tif 000008
【００３８】
図２（ａ）は、可動電極１２０及び固定電極１４０の間の直流電圧差ΔＥ及び可動電極１２０の振幅の関係の一例を示すグラフであり、図２（ｂ）は、矩形波電圧印加部２２０によって印加される矩形波電圧ＶＡＣの基本波ピーク電圧ＶＮ及び可動電極１２０の振幅の関係の一例を示すグラフである。
【００３９】
図２（ａ）において、直流電圧差ΔＥは、直流電圧印加部２１０によって印加される直流電圧ＶＢ及び矩形波電圧印加部２２０によって印加される矩形波電圧ＶＡＣの直流電圧成分ＶＭによって決定される。
【００４０】
図２（ａ）に示すように、可動電極１２０の振幅は、直流電圧差ΔＥが大きくなるほど大きくなる。式（５）より、制御部２４０は、デューティ比Ｄを制御することで、直流電圧差ΔＥ（直流電圧成分ＶＭ）を制御することができる。
【００４１】
図２（ｂ）に示すように、可動電極１２０の振幅は、基本波ピーク電圧ＶＮが大きくなるほど大きくなる。式（６）より、制御部２４０は、デューティ比Ｄを制御することで、基本波ピーク電圧ＶＮを制御することができる。
【００４２】
図３（ａ）は、直流電圧印加部２１０によって印加される直流電圧ＶＢが２０Ｖであり、かつ矩形波電圧印加部２２０によって印加される矩形波電圧ＶＡＣのピーク電圧Ｖｐが２０Ｖである場合における、デューティ比Ｄ、直流電圧差ΔＥ及び基本波ピーク電圧ＶＮの関係を示すグラフであり、図３（ｂ）は、直流電圧印加部２１０によって印加される直流電圧ＶＢが−２０Ｖであり、かつ矩形波電圧印加部２２０によって印加される矩形波電圧ＶＡＣのピーク電圧Ｖｐが２０Ｖである場合における、デューティ比Ｄ、直流電圧差ΔＥ及び基本波ピーク電圧ＶＮの関係を示すグラフである。
【００４３】
図３（ａ）に示すように、直流電圧ＶＢが２０Ｖ、すなわち、正電圧であるとき、直流電圧差ΔＥは、デューティ比Ｄが大きくなるほど小さくなり、基本波ピーク電圧ＶＮは、デューティ比０．５において最大値をとり、デューティ比０．５から離れるほど小さくなる。
【００４４】
図３（ａ）より、制御部２４０は、直流電圧印加部２１０によって印加される直流電圧ＶＢが正電圧であるとき、デューティ比Ｄを０．５以上１未満の範囲に制御してもよい。デューティ比Ｄが０．５以上１未満の範囲においては、直流電圧差ΔＥ及び基本波ピーク電圧ＶＮの双方とも、デューティ比Ｄが増加するほど減少する。つまり、この範囲においては、直流電圧差ΔＥ及び基本波ピーク電圧ＶＮの双方とも、デューティ比Ｄが増加するほど、可動電極１２０の振幅が減少するように変化する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。したがって、可動電極１２０の振幅の制御が容易となる。
【００４５】
図３（ｂ）に示すように、直流電圧ＶＢが−２０Ｖ、すなわち、負電圧であるとき、直流電圧差ΔＥは、デューティ比Ｄが大きくなるほど大きくなり、基本波ピーク電圧ＶＮは、デューティ比０．５において最大値をとり、デューティ比０．５から離れるほど小さくなる。
【００４６】
図３（ｂ）より、制御部２４０は、直流電圧印加部２１０によって印加される直流電圧ＶＢが負電圧であるとき、デューティ比Ｄを０超０．５以下の範囲に制御してもよい。デューティ比Ｄが０超０．５以下の範囲においては、直流電圧差ΔＥ及び基本波ピーク電圧ＶＮの双方とも、デューティ比Ｄが減少するほど減少する。つまり、この範囲においては、直流電圧差ΔＥ及び基本波ピーク電圧ＶＮの双方とも、デューティ比Ｄが減少するほど、可動電極１２０の振幅が減少するように変化する（図２（ａ）及び図２（ｂ）参照）。したがって、可動電極１２０の振幅の制御が容易となる。
【００４７】
本実施形態によれば、制御部２４０は、チャージアンプ２３０の利得Ｇに影響を与えないデューティ比Ｄ（式（３）参照）を制御することで、可動電極１２０における振動の振幅を制御することができる。例えば、可動電極１２０における振動の振幅を制御するため、直流電圧印加部２１０によって印加される直流電圧ＶＢを変動させる場合、利得Ｇも変動する（式（３）参照）。これに対して、本実施形態においては、直流電圧ＶＢを変動させることなく、可動電極１２０における振動の振幅を制御することができる。
【００４８】
さらに、本実施形態によれば、デューティ比Ｄの制御という簡易な制御によって、可動電極１２０における振動の振幅を制御することができる。例えば、可動電極１２０における振動の振幅を制御するため、矩形波電圧印加部２２０に代えて正弦波電圧印加部を用いて、正弦波電圧印加部から印加される正弦波電圧を変動させる場合、複雑な回路が必要になる。これに対して、本実施形態においては、複雑な回路を用いることなく、可動電極１２０における振動の振幅を制御することができる。
【００４９】
図４は、図１の第１の変形例を示している。図４に示す例は、以下の点を除いて、図１に示した例と同様である。
【００５０】
光走査装置２０は、図１に示した検出電極１５０及びチャージアンプ２３０を含まなくてもよい。制御部２４０は、可動電極１２０及び検出電極１５０（図１）の間の静電容量とは異なる特性（例えば、可動電極１２０によって反射された光の方向）の検出に応じて、矩形波電圧印加部２２０によって印加される矩形波電圧のデューティ比を制御してもよい。この場合においても、図１に示した例と同様にして、可動電極１２０の振動の振幅を、矩形波電圧のデューティ比によって制御することができる。
【００５１】
図５は、図１の第２の変形例を示している。図５に示す例は、以下の点を除いて、図４に示した例と同様である。
【００５２】
直流電圧印加部２１０は、固定電極１４０に直流電圧を印加してもよく、矩形波電圧印加部２２０は、可動電極１２０に矩形波電圧を印加してもよい。この場合においても、図１に示した例と同様にして、可動電極１２０の振動の振幅を、矩形波電圧のデューティ比によって制御することができる。
【００５３】
以上、図面を参照して本発明の実施形態について述べたが、これらは本発明の例示であり、上記以外の様々な構成を採用することもできる。
【符号の説明】
【００５４】
１０  光走査本体
２０  光走査装置
１１０  枠体
１２０  可動電極
１３０  軸部材
１４０  固定電極
１５０  検出電極
２１０  直流電圧印加部
２２０  矩形波電圧印加部
２３０  チャージアンプ
２３２  オペアンプ
２３４  抵抗器
２３６  キャパシタ
２４０  制御部
【図１】
2020118876.tif 000009
【図２】
2020118876.tif 000010
【図３】
2020118876.tif 000011
【図４】
2020118876.tif 000012
【図５】
2020118876.tif 000013