(57)【要約】【課題】可動板の振れ角がリニアに変化すると近似できる領域を拡大し、広範な領域で光走査の精度を高めることができるマイクロミラー素子を提供する。【解決手段】光を反射させる金属被膜１２が形成されている第１可動板１０は、第１ヒンジ部１１によって、第２可動板２０に対して揺動可能に支持され、第２可動板２０は、第２ヒンジ部２１によって、フレーム３０に対して揺動可能に支持される。櫛歯電極４０ａと櫛歯電極４０ｂ及び櫛歯電極５０ａと櫛歯電極５０ｂにそれぞれ電位差を付与すると、第１可動板１０及び第２可動板２０が独立して駆動される。フレーム３０に対する第１可動板１０の振れ角は、フレーム３０に対する第２可動板２０の振れ角と第２可動板２０に対する第１可動板１０の振れ角とを足し合わせたものになり、第１可動板１０の振れ角がリニアに変化すると近似できる領域が拡大される。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１可動板と、前記第１可動板を揺動可能に支持する第１ヒンジ部と、前記第１可動板を揺動駆動する第１駆動部と、前記第１ヒンジ部を支持するとともに、前記第１可動板とは独立して揺動可能な第２可動板と、前記第２可動板を揺動可能に支持する第２ヒンジ部と、前記第２可動板を揺動駆動する第２駆動部を備えたことを特徴とする可動構造体。
【請求項２】
前記第１ヒンジ部と第２ヒンジ部とは、同軸に配設されていることを特徴とする請求項１に記載の可動構造体。
【請求項３】
前記第２可動板、第２ヒンジ部及び第２駆動部をそれぞれ複数個有し、各第２可動板は、第２ヒンジ部によってそれぞれ直列に接続されていることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の可動構造体。
【請求項４】
前記第１可動板と前記第２可動板とは、共振周波数が１：３で最大振れ角が９：１の関係又は共振周波数が３：１で最大振れ角が１：９の関係であることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の可動構造体。
【請求項５】
前記第１駆動部及び第２駆動部は、櫛歯電極を有することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の可動構造体。
【請求項６】
請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の可動構造体を有し、前記第１可動板の表面に金属被膜が形成されていることを特徴とするマイクロミラー素子。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、可動構造体及びそれを用いたマイクロミラー素子に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
ファクトリーオートメーション化の進展に伴って、工場内で自律走行し、資材や製品等を搬送する自律搬送装置が普及している。自律搬送装置は、工場内に存在する障害物を検知するための障害物センサを備えている。また、自律搬送装置によって搬送された資材や製品等には、識別のためのバーコードが付加され、これを読み取るためのバーコードリーダが使用されている。上記障害物センサやバーコードリーダには、レーザビームを走査させるためのマイクロミラー素子が用いられている。また、レーザビームプリンタにおいても、同様のマイクロミラー素子が用いられているものも存在する。
【０００３】
図６は、従来のマイクロミラー素子の構造を示している。マイクロミラー素子１００は、レーザビームを反射する金属被膜１１２と、金属被膜１１２が表面に形成される可動板１１０と、ヒンジ部１１１を介して可動板１１０を揺動自在に支持するフレーム１３０等によって構成されている。可動板１１０及びフレーム１３０には、それぞれ櫛歯電極１４０ａ及び１４０ｂが対抗して配設され、電極間に生ずる静電気力によって可動板１１０が駆動され、金属被膜１１２によって反射されるレーザビームが走査される。
【０００４】
また、図６に示したマイクロミラー素子１００の応用例として、特許文献１には、櫛歯電極によって駆動され、フレームに対して揺動する一対の第１可動板（第１質量部）と、一対の第１可動板に吊設される第２可動板（第２質量部）を備えたアクチュエータが示されている。このようなアクチュエータによれば、第２可動板の振れ角を大きく設定することが可能となる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２００５−１４３２３５号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
図７は、図６に示したマイクロミラー素子１００の櫛歯電極１４０ａと櫛歯電極１４０ｂに電位差を付与したときのフレーム１３０に対する可動板１１０の振れ角の推移を示している。ファクトリーオートメーション用のマイクロミラー素子１００及びレーザビームプリンタにおいては、読み取り精度や印刷品質を高めるために、レーザビームの走査は、一定の角速度でなされることが望ましいとされている。すなわち、図７において、理想的には、破線で示される三角波で可動板の振れ角が推移することが望ましい。
【０００７】
ところが、従来のマイクロミラー素子１００においては、図７中実線で示すように、可動板１１０の振れ角は、正弦波で推移するため、可動板１１０の振れ角がリニアに変化すると近似できる領域（例えば、可動板の振幅の８０％程度）を用いて、レーザビームを走査させている。
【０００８】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであり、可動板の振れ角がリニアに変化すると近似できる領域を拡大し、広範な領域で光走査の精度を高めることができるマイクロミラー素子を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するために請求項１の発明は、第１可動板と、前記第１可動板を揺動可能に支持する第１ヒンジ部と、前記第１可動板を揺動駆動する第１駆動部と、前記第１ヒンジ部を支持するとともに、前記第１可動板とは独立して揺動可能な第２可動板と、前記第２可動板を揺動可能に支持する第２ヒンジ部と、前記第２可動板を揺動駆動する第２駆動部を備えたことを特徴とする可動構造体である。
【００１０】
請求項２の発明は、請求項１に記載の可動構造体において、前記第１ヒンジ部と第２ヒンジ部とは、同軸に配設されていることを特徴とする。
【００１１】
請求項３の発明は、請求項１又は請求項２に記載の可動構造体において、前記第２可動板、第２ヒンジ部及び第２駆動部をそれぞれ複数個有し、各第２可動板は、第２ヒンジ部によってそれぞれ直列に接続されていることを特徴とする。
【００１２】
請求項４の発明は、請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の可動構造体において、前記第１可動板と前記第２可動板とは、共振周波数が１：３で最大振れ角が９：１の関係又は共振周波数が３：１で最大振れ角が１：９の関係であることを特徴とする。
【００１３】
請求項５の発明は、請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の可動構造体において、前記第１駆動部及び第２駆動部は、櫛歯電極を有することを特徴とする。
【００１４】
請求項６の発明は、請求項１乃至請求項５のいずれか一項に記載の可動構造体を有し、前記第１可動板の表面に金属被膜が形成されていることを特徴とするマイクロミラー素子である。
【発明の効果】
【００１５】
請求項１の発明によれば、第１可動板が第１駆動部によって、第２可動板が第２駆動部によってそれぞれ独立に揺動駆動される。このとき、第２駆動部による第２可動板の揺動が第１ヒンジ部を介して第１可動板に伝達されて、第１駆動部による第１可動板の揺動（すなわち第２可動板に対する相対的な第１可動板の揺動）と合成される。これにより、第１可動板の絶対的な振動波形の設計自由度を高めることができ、所望の波形で第１可動板を揺動させることが可能となる。
【００１６】
請求項２の発明によれば、第１ヒンジ部と第２ヒンジ部とは、同軸に配設されているので、第１可動板の絶対的な振動波形を所望の波形に容易に近づけることができる。
【００１７】
請求項３の発明によれば、直列に接続された複数の第２可動板によって、より理想の波形に近い振動波形で第１可動板を揺動させることが可能となる。
【００１８】
請求項４の発明によれば、第１可動板と第２可動板の共振周波数及び最大振れ角を上記の関係に設定することにより、第１可動板の振動波形を三角波に近似させることが可能となる。これにより、三角波の振動波形で第１可動板の振れ角がリニアに変化すると近似できる領域を拡大することが可能となる。
【００１９】
請求項５の発明によれば、櫛歯電極による静電気力で第１可動板及び第２可動板を揺動駆動することができ、簡素かつ安価な構成で請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の可動構造体を得ることができる。
【００２０】
請求項６の発明によれば、第１可動板の表面に金属被膜が形成されることにより、所望の波形で揺動するマイクロミラー素子を簡素かつ安価に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００２１】
【図１】本発明の第1実施形態によるマイクロミラー素子の構成を示す斜視図。
【図２】同マイクロミラー素子の動作を示す図であり、一点鎖線は、フレームに対する第２可動板の振れ角、二点鎖線は、第２可動板に対する第１可動板の振れ角、実線はフレームに対する第１可動板の振れ角の推移をそれぞれ示す。
【図３】本発明の第２実施形態によるマイクロミラー素子の構成を示す平面図。
【図４】本発明の第２実施形態によるマイクロミラー素子の動作を示す図。
【図５】本発明の第２実施形態による別のマイクロミラー素子の動作を示す図。
【図６】従来のマイクロミラー素子の構成を示す斜視図。
【図７】同マイクロミラー素子の動作を示す図
【発明を実施するための形態】
【００２２】
（第１実施形態）
本発明の第１実施形態による可動構造体を用いたマイクロミラー素子について図面を参照して説明する。図１は、マイクロミラー素子の構成を示している。マイクロミラー素子１は、第１可動板１０と、第１ヒンジ部１１と、第２可動板２０と、第２ヒンジ部２１と、フレーム３０と、第１駆動部４０と、第２駆動部５０を有している。第２可動板２０は、例えば、３層のＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板の一部を表面及び裏面からエッチングにて除去することにより、第１可動板１０と同時に形成される。また、第２ヒンジ部２１は、例えば、３層のＳＯＩ基板の一部を裏面からエッチングにて除去することにより、第１ヒンジ部１１と同時に形成される。
【００２３】
第１可動板１０は、平面視で矩形状に形成され、第１ヒンジ部１１によって、第２可動板２０に対して揺動可能に支持されている。第１ヒンジ部１１は、図中第１可動板１０の上下両端縁部において、第１可動板１０の中心を貫いて形成され、第１可動板１０を支持すると共に、第１可動板１０が揺動する際に捻りばねとして機能する。第１可動板１０及び第２可動板２０の図中左右両端縁部には、第１駆動部４０を構成する櫛歯電極４０ａ及び櫛歯電極４０ｂがそれぞれ形成されている。櫛歯電極４０ａは第１可動板１０の外側に、櫛歯電極４０ｂは第２可動板２０の内側にそれぞれ突出して形成されている。櫛歯電極４０ａと櫛歯電極４０ｂとは、互いに対抗して配設され、静電気力によって引きつけ合って、第２可動板２０に対して第１可動板１０を揺動駆動する。
【００２４】
第２可動板２０は、第１可動板１０の周囲を囲むように矩形の枠状に形成され、第２ヒンジ部２１によって、フレーム３０に対して揺動可能に支持されている。第２ヒンジ部２１は、図中第２可動板２０の上下両端縁部において、第２可動板２０の中心を貫いて形成され、第２可動板２０を支持すると共に、第２可動板２０が揺動する際に捻りばねとして機能する。第２可動板２０及びフレーム３０の図中左右両端縁部には、第２駆動部５０を構成する櫛歯電極５０ａ及び櫛歯電極５０ｂがそれぞれ形成されている。櫛歯電極５０ａは第２可動板２０の外側に、櫛歯電極５０ｂはフレーム３０の内側にそれぞれ突出して形成されている。櫛歯電極５０ａと櫛歯電極５０ｂとは、互いに対抗して配設され、静電気力によって引きつけ合って、フレーム３０に対して第２可動板２０を揺動駆動する。
【００２５】
第１ヒンジ部１１と第２ヒンジ部２１とは、同軸に配設されている。これにより、第１可動板１０と第２可動板２０は、同一の回動軸を中心として回動する。このとき、フレーム３０に対する第１可動板１０の回動は、フレーム３０に対する第２可動板２０の回動と、第２可動板２０に対する第１可動板１０の回動を合成したものとなる。また、第１可動板１０の表面には、レーザビームを反射するためのアルミニウムや金等の金属被膜１２が形成されている。使用するレーザビームの波長に応じた金属被膜１２を第１可動板１０の表面に形成することにより、入射光を反射する。このときフレーム３０に対する第１可動板１０の姿勢を制御することにより、入射光を所望の角度で反射させ、レーザビームを走査させる。
【００２６】
図２は、本実施形態のマイクロミラー素子１の動作について示している。図中一点鎖線は、フレーム３０に対する第２可動板２０の振れ角（姿勢）の推移を示し、二点鎖線は、第２可動板２０に対する第１可動板１０の振れ角の推移を示している。フレーム３０に対する第１可動板１０の振れ角（すなわち、第１可動板１０の絶対的な振れ角）は、一点鎖線で示されるフレーム３０に対する第２可動板２０の振れ角と二点鎖線で示される第２可動板２０に対する第１可動板１０の振れ角とを足し合わせたものになり、図２において実線にて示される。本実施形態のマイクロミラー素子１によれば、第１可動板１０の振れ角がリニアに変化すると近似できる領域（実線で示される波形のうち、直線で近似できる領域）が拡大され、フレーム３０に対する第１可動板１０の振れ角の推移を、図２中破線で示す理想的な三角波に近づけることができる。
【００２７】
フレーム３０に対する第１可動板１０の振れ角の推移として理想的な三角波は、以下の数式で表され、フーリエ級数展開される。
【００２８】
【数１】
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数１において、第１項及び第２項は、それぞれ第１可動板１０又は第２可動板２０に相当すると考えると、第１可動板１０と第２可動板２０とは、共振周波数が１：３で最大振れ角（振幅）が９：１の関係、又は共振周波数が３：１で最大振れ角が１：９の関係であるとき、フレーム３０に対する第１可動板１０の振れ角の推移を理想的な三角波に近づけることができる。第１可動板１０及び第２可動板２０の共振周波数及び最大振れ角は、第１可動板１０及び第２可動板２０の質量、第１ヒンジ部１１及び第２ヒンジ部２１の捻れ剛性（ばね定数）、櫛歯電極４０ａと櫛歯電極４０ｂ及び櫛歯電極５０ａと櫛歯電極５０ｂの電位差によって適宜設定可能である。本実施形態においては、第１可動板１０よりも第２可動板２０が大型化することから、第１可動板１０と第２可動板２０とは、共振周波数が３：１で最大振れ角が１：９の関係に設定することが望ましい。
【００２９】
以上のように、本実施形態のマイクロミラー素子１によれば、第１可動板１０が第１駆動部４０によって、第２可動板２０が第２駆動部５０によってそれぞれ独立に揺動駆動される。このとき、第２駆動部５０による第２可動板２０の揺動が第１ヒンジ部１１を介して第１可動板１０に伝達されて、第１駆動部４０による第１可動板１０の揺動（すなわち第２可動板２０に対する第１可動板１０の相対的な揺動）と合成される。これにより、フレーム３０に対する第１可動板１０の絶対的な振動波形の設計自由度を高めることができ、所望の波形で第１可動板１０を揺動させることが可能となる。
【００３０】
また、第１ヒンジ部１１と第２ヒンジ部２１とは、同軸に配設されているので、第１可動板１０の絶対的な振動波形を所望の波形に容易に近づけることができる。また、第１可動板１０と第２可動板２０の共振周波数及び最大振れ角を上記の関係に設定することにより、フレーム３０に対する第１可動板１０の振動波形を三角波の波形に近似させることが可能となる。これにより、第１可動板１０の振れ角がリニアに変化すると近似できる領域を拡大することが可能となり、レーザビームの走査精度の向上を図ることかできる。また、この実施形態の可動構造体を加速度センサに適用する場合にあっては、櫛歯電極４０ａ、４０ｂ、５０ａ、５０ｂに生ずる電位差を検知することにより、高い精度で加速度を検知することが可能となる。また、櫛歯電極４０ａ、４０ｂ、５０ａ、５０ｂによる静電気力で第１可動板１０及び第２可動板２０を揺動駆動することができ、簡素かつ安価な構成でマイクロミラー素子１を得ることができる。また、第１可動板１０の表面に金属被膜１２が形成されることにより、マイクロミラー素子１を簡素かつ安価に得ることができる。
【００３１】
本実施形態は、種々の変更が可能であり、例えば、第１可動板１０及び第２可動板２０の共振周波数及び最大振れ角の関係を適宜変更することにより、フレーム３０に対する第１可動板１０の振動波形を変更できる。
【００３２】
例えば、フレーム３０に対する第１可動板１０の振動波形の一例としてのこぎり波は、以下の数式で表され、フーリエ級数展開される。
【００３３】
【数２】
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従って、第１可動板１０及び第２可動板２０を、共振周波数が１：２で最大振れ角が２：１の関係、又は共振周波数が２：１で最大振れ角が１：２の関係に設定することにより、比較的のこぎり波に近似する振動波形で第１可動板１０を揺動させることができる。
【００３４】
また、フレーム３０に対する第１可動板１０の振動波形の別の例として矩形波は、以下の数式で表され、フーリエ級数展開される。
【００３５】
【数３】
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従って、第１可動板１０及び第２可動板２０を、共振周波数が１：３で最大振れ角が３：１の関係、又は共振周波数が３：１で最大振れ角が１：３の関係に設定することにより、比較的矩形波に近似する振動波形で第１可動板１０を揺動させることができる。
【００３６】
また、本発明は、第１ヒンジ部１１と第２ヒンジ部２１とが、同軸に配設されている構成に限られることなく、平行又は所定の角度を持って配設されている構成であってもよい。この場合にあっては、フレーム３０に対する第１可動板１０の振動波形の設計自由度が高められる。また、第１可動板１０及び第２可動板２０の形状は、図１に示したものに限られることはなく、任意の形状とすることができる。
【００３７】
（第２実施形態）
以下、本発明の第２実施形態による可動構造体を用いたマイクロミラー素子について説明する。図３は、第２実施形態に係るマイクロミラー素子２の構成を示している。本実施形態のマイクロミラー素子２は、図１において、フレーム３０と第１可動板１０との間に配設される第２可動板２０を複数個有する点において、第１実施形態によるマイクロミラー素子１と相違する。すなわち、本実施形態においては、第１可動板１０の外側に第２可動板２０ａが配設され、その外側にさらに複数の第２可動板２０ｂ、２０ｃ、２０ｄが配設されている。それぞれの第２可動板２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄは、第２ヒンジ部２１ａ、２１ｂ、２１ｃによって直列的に接続され、図３における最も外側の第２可動板２０ｄは、第２ヒンジ部２１ｄによってフレーム３０に接続されている。第２可動板２０ａの外側に配設される１以上の第２可動板の個数は、図３に示した例に限られない。本実施形態のマイクロミラー素子２においては、直列に接続された複数の第２可動板２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄ．．．によって、特に上記三角波以外の振動波形でも第１可動板１０を精度よく揺動させることが可能となる。
【００３８】
図４は、第１可動板１０の外側に４つの第２可動板２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを配設し、数２に基づいて各可動板１０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの共振周波数及び最大振れ角の関係を適宜設定した場合における、各可動板１０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの振れ角の推移を示している。各可動板１０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの相対的な振れ角は、一点鎖線、二点鎖線、三点鎖線、点線、破線でそれぞれ示され、フレーム３０に対する第１可動板１０の振れ角は、一点鎖線、二点鎖線、三点鎖線、点線、破線で示される波形を合成したものであり、実線で示される。本実施形態によれば、第１実施形態と比較して、より理想的なのこぎり波に近似する振動波形で第１可動板１０を揺動させることが可能となる。
【００３９】
図５は、図４と同様に、第１可動板１０の外側に４つの第２可動板２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄを配設し、数３に基づいて各可動板１０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの共振周波数及び最大振れ角の関係を適宜設定した場合における、各可動板１０、２０ａ、２０ｂ、２０ｃ、２０ｄの振れ角の推移を示している。上記と同様に、本実施形態によれば、第１実施形態と比較して、より理想的な矩形波に近似する振動波形で第１可動板１０を揺動させることが可能となる。
【符号の説明】
【００４０】
１    マイクロミラー素子
２    マイクロミラー素子
１０    第１可動板
１２    金属被膜
２０    第２可動板
２１    第２ヒンジ部
３０    フレーム
４０    第１駆動部
４０ａ、４０ｂ    櫛歯電極
５０    第２駆動部
５０ａ、５０ｂ    櫛歯電極
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
2010220344.tif 000010
【図６】
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【図７】
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