(57)【要約】【課題】振動して偏向可能なマイクロメカニカル素子を制御または調整する装置および方法を提供する。【解決手段】本発明は、静電駆動されると振動して偏向するマイクロメカニカル偏向可能素子の偏向を制御または調整する装置および方法に関する。本発明は、利用可能な偏向の範囲を大幅に大きくするとともに、偏向を生じさせるための静電駆動に必要な電位差を小さく留め、引き込み現象の発生を避けることができるような構成を提供することを目的とする。本発明によると、少なくとも１つのバネ素子によってフレーム素子に把持されると共に静電駆動装置を用いて偏向され得る偏向可能素子が設けられる。偏向は、少なくとも１つのカウンター電極と、電極として利用可能な偏向可能素子とによって実現され得る。さらに、少なくとも１つの検出器が設けられる。当該検出器は、少なくとも１つの偏向位置を非接触に検出するのに適しており、特定の偏向位置に応じて偏向可能素子とカウンター電極との間の電位差を変化させる電子評価制御部に接続されている。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロメカニカル素子の制御または調整のための装置であって、
前記マイクロメカニカル素子は、振動して偏向され得るとともに少なくとも１つのバネ素子によってフレーム素子に把持されており前記偏向可能素子の偏向用の静電駆動装置用の電極として利用可能な少なくとも１つのカウンター電極からある距離だけ離れて配置されており、
前記偏向可能素子（１）の少なくとも１つの偏向位置を接触することなく検出するのに適した少なくとも１つの検出器（８）は、前記決定される偏向位置に応じて前記偏向可能素子（１）と前記カウンター電極（３ａ、３ｂ、１１）との間の電位差を変化させるべく電子評価制御部に接続される
装置。
【請求項２】
光源（７）のビーム（６）は前記偏向可能素子（１）の反射面に向けられ、これによって反射される前記ビーム（６）は前記偏向可能素子（１）の偏向位置における偏向位置を決定するべく光学検出器（８）に入射する
請求項１に記載の装置。
【請求項３】
前記偏向位置検出用に少なくとも２つの光学検出器（８）が設けられる
請求項１または２に記載の装置。
【請求項４】
複数の異なる位置に配置される少なくとも２つの光源（７）からの複数のビーム（６）は、前記偏向可能素子（１）によって反射されると、少なくとも１つの光学検出器（８）によって検出可能である
請求項１または２に記載の装置。
【請求項５】
前記検出器は、容量検出器、圧電検出器、ピエゾ抵抗検出器、および／または磁気検出器として形成される
請求項１に記載の装置。
【請求項６】
前記光学検出器（８）は差動フォトダイオードとして形成される
請求項１乃至５のいずれかに記載の装置。
【請求項７】
前記偏向可能素子（１）の偏向用に少なくとも１つの駆動装置をさらに設ける
請求項１乃至６のいずれかに記載の装置。
【請求項８】
前記偏向可能素子（１）は回転および／または並進において偏向され得る
請求項１乃至７のいずれかに記載の装置。
【請求項９】
マイクロメカニカル素子の制御または調整のための方法であって、
当該マイクロメカニカル素子は、振動して偏向され得るとともに少なくとも１つのバネ素子によってフレーム素子に把持されており前記偏向可能素子の偏向用の静電駆動装置用の電極として利用可能な少なくとも１つのカウンター電極からある距離だけ離れて配置されており、
前記偏向可能素子（１）の少なくとも１つの偏向位置は、非接触に検出する少なくとも１つの検出器（８）を用いて決定され、前記偏向可能素子（１）と前記カウンター電極（３ａ、３ｂ、１１）との間の電位差は、引き込み現象を避けるべく、前記決定される偏向位置に応じて変更される
方法。
【請求項１０】
前記偏向可能素子（１）が予め設定される偏向に達するか、または予め設定される偏向より大きくなると、前記バネ素子（２）の復元力により前記予め設定される偏向に達しない偏向位置が少なくとも１つ検出されるまでは、前記電極またはカウンター電極（３ａ、３ｂまたは１１）の電圧および／または前記偏向可能素子の電圧を低減するか、または完全に非アクティブ化する
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
偏向位置は時間解像度で検出される
請求項９または１０に記載の方法。
【請求項１２】
偏向速度は、前記偏向可能素子（１）の少なくとも１つの偏向範囲において決定される
請求項９乃至１１のいずれかに記載の方法。
【請求項１３】
前記偏向可能素子（１）と前記カウンター電極（３ａ、３ｂ）との間の電位差は、前記決定される偏向速度を用いて制御または調整される
請求項１２に記載の方法。
【請求項１４】
前記偏向可能素子（１）の偏向の振幅は調整または制御される
請求項９乃至１３のいずれかに記載の方法。
【請求項１５】
容量検出器の充電電流および／または放電電流は、偏向位置を容量的に検出することによって検出される
請求項９乃至１４のいずれかに記載の方法。
【請求項１６】
検出器（８）の信号の立ち上がりフランクは閉じた調整ループ内で利用される
請求項９乃至１５のいずれかに記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電駆動されると振動して偏向するマイクロメカニカル偏向可能素子の偏向を制御または調整する装置および方法に関する。このような素子は特に、静電励起されると共鳴振動を生じ得るスキャナミラーとして構成され得る。頻繁に利用される機能としては、光ビームの周期的な偏向が挙げられる。本発明は特に、いわゆる静電引き込み現象によって偏向可能素子の偏向が制限されてしまうのを避けることに関する。
【背景技術】
【０００２】
マイクロメカニカルで偏向可能な素子は多くの場合、図１に示すような構造を持つ。プレート１として構成される偏向可能素子１はフレーム素子５内にトーションバネ２によって回転可能に支持される。２つのカウンター電極３ａおよび３ｂは、偏向可能素子１であるプレートの下方にある基板４に設けられ得る。２つのカウンター電極３ａおよび３ｂのいずれかとプレートとの間に電圧の電位差が印加されると、プレートが対応するカウンター電極の方向に偏向される。
【０００３】
利用可能な最大の偏向はいわゆる引き込み現象によって制限される。偏向可能素子１であるプレートがカウンター電極３ａおよび３ｂのいずれかに近接し過ぎると、静電力がバネ素子２の機械的復元力より大きくなってしまう。システムは不安定になり、プレートはカウンター電極３ａまたは３ｂに向かって加速して、衝突してしまう。このような場合、プレート、サスペンションあるいは対応するカウンター電極３ａまたは３ｂが破損してしまう可能性がある。こういった引き込み現象のために、動的な動作においても、実際に利用可能な距離の約３分の１しか偏向に利用できない。
【０００４】
偏向に利用可能な最大範囲は、カウンター電極に特定の設計を採用することでいくらか改善され得るのみである。
【０００５】
実際に利用可能な距離のうち使用可能範囲が引き込み現象のために制限されるのであれば、実際に利用可能な距離は予め決められる最大偏向よりも大きくなければならない。しかし、そうすると、動的な場合であっても、最大で数百ボルトの駆動電圧が必要になってしまう。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
本発明は、利用可能な偏向の範囲を大幅に大きくするとともに、偏向を生じさせるための静電駆動に必要な電位差を小さく留め、引き込み現象の発生を避けることができるような構成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】
【０００７】
この目的は、請求項１に記載の特徴を有する装置が達成する発明によって解決される。この点について、当該請求項の特徴を有する方法に従って発明を実施することが可能である。
【０００８】
本発明の有益な実施形態および更なる発展は、従属請求項に記載されている特徴に基づいて達成され得る。
【０００９】
本発明において、既知の解決方法から始めると、少なくとも１つの検出器を追加して、少なくとも１つの偏向位置を非接触で検出するべく利用する。各偏向可能素子と少なくとも１つのカウンター電極との間の電位差は、検出によって得られる信号を用いて電子評価制御部が変化させ得る。ここにおいて、偏向可能素子は電極としても使用し得る。例えば、予め設定可能な偏向位置を検出すると、カウンター電極で電圧の非アクティブ化が開始され得る。その結果、静電力が低減され、バネ素子の復元力によって偏向はそれ以上大きくならず、慣性に起因して各カウンター電極の方向に発生する更なる偏向を除けば、破損を引き起こし得る偏向を防ぐ。最大偏向に達すると、バネ素子の復元力によって反対方向への偏向が発生する。軸を中心として旋回可能でありそのため偏向可能な素子を利用すると、第２のカウンター電極への近接についても当該手順は同様に実行され得る。
【００１０】
このように直接影響を与えることによって、より大きな偏向を実現しつつ、引き込み現象もまた防ぐことができる。
【００１１】
好ましい実施形態によると、検出動作は例えば、少なくとも１つの光学検出器によって光学的に実行され得る。この光学検出器は、適切な光源（例えば、レーザダイオード）からのビームが偏向可能素子の反射面上に方向付けられて、偏向可能素子が予め設定される偏向位置に来ると反射面が反射するビームは光学検出器に当たり、光学検出器が偏向可能素子の偏向を制御または調整するべく利用され得る信号を生成するように配置されなければならない。このような構成は、旋回可能且つ偏向可能な素子および並進振動する偏向素子を用いることによって実現することができる。ここにおいて、光源からのビームは斜めの角度を持って反射面に当てられるのが好ましい。
【００１２】
検出は、複数の検出器および／または複数の光源を用いて行うこともできる。この場合、複数の検出器および／または複数の光源は、複数の異なる偏向位置を対応して検出できるように、複数の異なる位置に配置されなければならない。軸を中心として旋回可能な偏向可能素子が旋回する角度量であってもよい。
【００１３】
しかし、容量センサ、圧電センサ、ピエゾ抵抗センサ、または磁気センサもまた適切な非接触型検出器として利用し得る。このようなセンサのうち異なるものを組み合わせて利用することも可能である。
【００１４】
偏向位置を容量的に検出すると、容量検出器の充電電流および／または放電電流が検出され判断に用いられ得る。
【００１５】
偏向位置は時間解像度で検出されるとよい。以下で例を挙げて説明するが、このため偏向速度もまた判断することができ、偏向可能素子の偏向を制御または調整するべく利用される。この点において、偏向移動が検出される方向もまた考慮され得る。
【００１６】
本発明によれば、偏向可能素子の偏向について少なくとも１つの別の駆動装置をさらに設けることができる。当該駆動装置は、例えば、実現可能な偏向をさらに大きくすることができるように、静電駆動装置または圧電駆動装置として形成され得る。
【００１７】
偏向可能素子の偏向は、回転のみ、並進のみ、または回転および並進において生じ得る。
【図面の簡単な説明】
【００１８】
本発明を以下に記載する例に基づいてより詳細に説明する。図面は以下の通りである。
【００１９】
【図１】先行技術の一例を示す概略図である。
【００２０】
【図２】偏向位置を光学的に検出する本発明の一例を示す概略図である。
【００２１】
【図３】図２に示す装置を用いて検出された、光学的に検出および測定された信号の信号曲線を示す図である。
【００２２】
【図４】図２に示す装置を用いて検出された、光学的に検出および測定された信号の別の信号曲線を示す図である。
【００２３】
【図５】カウンター電極を１つのみ有する例を示す概略図である。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下に説明する例においては、偏向可能素子１の偏向は回転軸を中心として旋回することによって発生しバネ素子２がトーションバネ素子を形成する例について主に説明する。しかし本発明は並進振動する実施形態についても利用可能である。ここにおいて、偏向可能素子は、屈曲はりの形状で少なくとも１つのバネ素子２によって把持される。
【００２５】
図２は、利用可能な偏向の範囲を大きくする、本発明に係る装置の実施形態を示す図である。光源７として示すレーザの光ビーム６は、偏向可能素子１の反射面によって反射され、光学検出器８として示す光センサに当たる。静電安定性から見て許容される値（通常は電極スペーシングの約３分の１）だけ偏向可能素子１が偏向される直前にレーザビーム６が光センサ８に当たるような各構成要素の配置が選択される。光学検出器８の信号は偏向可能素子１とカウンター電極３ａとの間の電圧を非アクティブ化するためのトリガとして利用される。偏向可能素子１は、電圧が印加されなくても、言及した引き込み現象を生じさせることなく、さらにカウンター電極３ａの方向に振動し得る。偏向可能素子１の振動の反転ポイントの近くで、偏向可能素子１とカウンター電極３ｂとの間に電圧が印加されるか、または電位差を大きくする。
【００２６】
図３は、図２に示す実施形態の偏向について、光センサ８の信号曲線および偏向可能素子１の振動曲線９を示す図である。偏向可能素子１が左に旋回すると、レーザビーム６は特定の偏向（角度が＋α）において光センサ８に入射する。光センサ８を通過すると、信号１０ａが生成される。偏向可能素子１はさらに左に振動しレーザビーム６は光センサ８の感光面から離れる。反転ポイントに達すると、偏向可能素子１は右に振動して、＋αで光センサ８を再度通過する。信号１０ｂはその際に生成される。
【００２７】
偏向可能素子１とカウンター電極３ａとの間の電圧の非アクティブ化は信号１０ａによってトリガされる。静電引き込み現象は適切に構成要素を配置することによって防止される。つまり、予め設定される偏向位置が光センサ８を用いて検出できるような位置である。同時または遅延させて、偏向可能素子１とカウンター電極３ｂとの間の電圧がアクティブ化されるか、または電位差を大きくするので、偏向可能素子１はカウンター電極３ｂの方向に加速される。
【００２８】
同じ方法を左側に利用する場合には、別のレーザダイオードおよび別の光センサをミラー状の構成で配置し得る。
【００２９】
こうすると、角度−αの偏向で同様に信号が生成されることになる。この構成は図２には示していない。
【００３０】
しかし、光源７として図示される２つのレーザダイオードおよび２つの光センサ８をミラー状／対称的に配置する構成に代えて、光源７を１つのみとして、第２の光センサ８の位置は、偏向可能素子１が角度−αで偏向される場合にレーザビーム６が第２の光センサ８に当たり得るように選択することも可能である。
【００３１】
さらに別の例によると、光源７として図示されるレーザダイオードを２つ利用して光センサ８は１つのみ利用する。ここにおいて、角度＋αで光センサ８に第１のレーザダイオードのビームが当たり、角度−αで光センサ８に第２のレーザダイオード７のビーム６が当たるように構成要素は配置される。
【００３２】
さらに、図２に示す構成について、偏向可能素子１の振動曲線に基づいて角度−αでの偏向に関する非アクティブ化時間を判断することが可能である。
【００３３】
これについて図４を参照しつつ以下で説明する。図４は、図３と同様に信号曲線を示すが、図４の方がより長い期間を示す。信号１０ａと信号１０ｂとの間の時間間隔はΔｔ１２である。続く半期においては信号は検出され得ない。これは、偏向可能素子１が右側に旋回するためである。この後、２つの信号が再度光センサ８によって検出され得る。振動周期Ｔは周期性に基づいて算出され得る。偏向可能素子１はサイン波で振動すると仮定すると、偏向角度Φは以下のように示される。
Φ＝Φ０＊ｓｉｎ（２π／Ｔ＊ｔ）  （１）
このため、Ｔ、αおよびΔｔ１２を利用すると、振動振幅Φ０は以下のように表され得る。
Φ０＝α／ｃｏｓ（π／Ｔ＊Δｔ１２）  （２）
【００３４】
式（１）に従った振動曲線は、既知の振動振幅Φ０および期間Ｔによって完全に説明し得る。また、角度αに到達する時間が分かるので、任意の所望の時間に対応付けて偏向角度を算出することができる。このため、偏向可能素子１とカウンター電極３ｂとの間の電圧を非アクティブ化する時間を決定するために別の光センサ８および／またはレーザダイオード７を追加で利用しなくてもすむ。
【００３５】
非常にシャープな出力信号を生成する差動フォトダイオードを光センサ８として利用するのが好ましいことを付け加えなければならない。つまり、信号幅（Δｔ１、Δｔ２、・・・）は図３および図４に概略的に示すものよりもはるかに小さい。
【００３６】
逆に単純なフォトダイオード８を利用すると、信号幅（Δｔ１、Δｔ２、・・・）は、適切に構成要素を配置すると、偏向可能素子１の偏向速度に対して略反比例する。速度に関する情報は、同様にまたは追加で、各偏向位置の計算／算出に利用され得る。
【００３７】
複数の光センサ８および／またはレーザ７は、位置読み出しまたは位置決定の精度を上げるべく利用され得る。
【００３８】
また、振動振幅は説明される方法を用いて光センサ８によって直接調整され得る。この目的を達成するべく、光センサ信号の立ち上がりフランク（ｆｌａｎｋ）を閉じた調整ループで利用し得る。所望の値は例えば、光センサ信号の最大値の半分に対応する。偏向可能素子１が休止中の状態から始めると、駆動電圧をゆっくりと大きくするにつれて振幅が大きくなり励起されて振動し始める。偏向の振幅がある値に達すると、レーザビーム６は光センサ８の感光面に到達する。感光面に当たるのはレーザスポット全体ではないので、出力される信号はピーク値に対して決められる所望値よりも小さくなる。この場合、電子評価制御部の調整ループは駆動電圧をさらに大きくする。偏向の振幅が十分大きくなってレーザスポットが光センサ８の感光面の略半分を覆うまでになるとすぐに、所望の値に到達する。偏向の振幅がこれより大きくなると、信号のピーク値が大きくなりすぎるので、閉じた調整ループ内において駆動電圧を低減する。
【００３９】
振幅の調整は、所望の偏向でレーザビーム６が直接当たるフォトダイオード８を用いる代わりに、例えば式（２）に従って、偏向の振動曲線に基づいて振幅を決定することによっても、制御および調整され得る。
【００４０】
この手順には柔軟性がより高いという利点がある。偏向の所望の振幅はフォトダイオード８の位置を変更することなく変えることができる。所望の振幅は例えば、アナログまたはデジタルに供給される比較電圧の値を用いて、変更され得る。
【００４１】
例えば、以下の要望もまた実施可能である。偏向可能素子１の振動振幅は、共鳴動作において、偏向可能素子１とカウンター電極３ａまたは３ｂとの間の、偏向がない状態における距離の６０％に相当しなければならないとする。
【００４２】
このような構成は、最後に述べた方法（振動振幅の算出）を用いて直接実現できる。つまり、一方では、決定される信号は電圧の非アクティブ化時間を決定するべく利用され、他方では、決定される信号は、例えば閉じた調整ループにおいて所望の振動振幅に到達して維持するように、駆動電圧のレベルを動的に適応させるために利用される。
【００４３】
同じことは、所望の偏向に到達するとレーザダイオード７のビーム６が直接当たる別の光センサ８を追加で利用しても実現され得る。
【００４４】
最後に、偏向可能素子１の偏向位置を決定することができる装置を利用する場合、カウンター電極３ａおよび３ｂの利用は必ずしも必要ではないことに留意すべきである。２つのカウンター電極３ａおよび３ｂを利用する代わりに、図６に示すように１つの面カウンター電極１１を利用することができる。このようにすると、セットアップおよび接続構造が非常に簡略化される。静電駆動電圧の切り替え時間は、この構成に適応するように変更しなければならない。
【００４５】
偏向可能素子が回転して振動しつつ偏向するのではなく並進して（つまり、偏向可能素子の面に対して平行に）振動しつつ偏向する場合、面電極は偏向可能素子１の下方に取り付けられるのが好ましい。偏向可能素子の偏向位置は、磁気的に、圧電的に、容量的に、光学的に、または磁気抵抗的に決定され得る。光学的に決定する場合、例えば、第１の部分ビームが静的な反射素子に入射して電磁波の第２の部分ビームが偏向可能素子１に入射するマイケルソン干渉計アセンブリを利用し得る。光学検出器の位置で部分ビームを重ね合わせることによって、干渉縞が生じ、これに基づいて、偏向可能素子１の偏向位置を決定することができる。
【図１】
2009533231.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
2009533231.tif 000006
【図５】
2009533231.tif 000007
【国際調査報告】
2009533231.tif 000008
2009533231.tif 000009
2009533231.tif 000010
2009533231.tif 000011