(57)【要約】【課題】光スイッチに代表されるＭＥＭＳデバイスの部品点数を事実上増加することなく、可動部の機械的応答特性をモニタして致命的故障の前駆現象を捉え、しかも既に存在する制御入力の補正を前提としないシステムのＭＥＭＳデバイスの故障診断とした。【解決手段】  ２値的な切り替え駆動のいずれか一方の状態において可動部に励振される微小振動を検出する振動検出手段８０と、その振動検出手段８０の出力に基づいて可動部の動特性を解析する動特性解析部９０と、その動特性解析部９０が出力するデータを蓄積するメモリ１００と、そのメモリ１００からデータを取り出して時間的に前後する２つのデータを比較し差分情報を算出する演算部１１０と、その演算部１１０の出力する差分情報に基づいて故障を診断する故障診断部１２０とを備える。【選択図】  図１
2006284746.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板上に可動部と固定部と可動部を変位させるアクチュエータとが形成され、そのアクチュエータを駆動する制御部を備えてなり、アクチュエータによって可動部の位置を２値的に切り替え駆動するＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記２値的な切り替え駆動のいずれか一方の状態において前記可動部に励振される微小振動を検出する振動検出手段と、その振動検出手段の出力に基づいて前記可動部の動特性を解析する動特性解析部と、その動特性解析部が出力するデータを蓄積するメモリと、そのメモリからデータを取り出して時間的に前後する２つのデータを比較し差分情報を算出する演算部と、その演算部の出力する差分情報に基づいて該ＭＥＭＳデバイスの故障を診断する故障診断部とを備えることを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項２】
請求項１に記載の故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記アクチュエータは、前記可動部と前記固定部とにそれぞれ設けられる可動電極と固定電極とを対向させてなる静電アクチュエータであり、前記振動検出手段は、その静電アクチュエータの可動電極と固定電極とが構成する静電容量の振動を検出するものであることを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項３】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記制御部は、前記２値的な切り替え駆動のいずれか一方の状態にある時に、前記可動部に前記微小振動を励振する励振駆動信号を前記アクチュエータに供給することを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項４】
請求項３に記載される故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記励振駆動信号は、前記可動部の共振周波数特性において振動パワーが共振ピーク値の少なくとも半値以上となる周波数領域内の、定周波数信号であることを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項５】
請求項３に記載される故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記励振駆動信号は、定められた周波数範囲で周波数の掃引変化を繰り返すことを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項６】
請求項３に記載される故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記励振駆動信号は、インパルス信号であり、前記振動検出手段が検出する前記可動部の微小振動は、そのインパルス信号の印加が誘起する前記可動部の減衰振動であることを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項７】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記振動検出手段が検出する前記可動部の微小振動は、前記可動部の前記２値的な切り替え駆動が誘起する減衰振動であることを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項８】
請求項１または請求項２のいずれかに記載の故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記可動部と前記固定部とには、前記可動部と前記固定部との各一部同士の衝突によって前記可動部の可動範囲を規制するストッパ機構が具備され、前記振動検出手段が検出する前記可動部の微小振動は、前記可動部の前記２値的な切り替え駆動の際に前記ストッパ機構を衝突させて誘起される減衰振動であることを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項９】
請求項４に記載の故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記動特性解析部は、前記可動部の微小振動の振幅のデータもしくは前記励振駆動信号に対する位相遅れのデータの少なくともいずれかのデータを出力して前記メモリに蓄積することを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
請求項５乃至請求項８のいずれかに記載の故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
前記動特性解析部は、前記可動部の微小振動の振幅もしくは位相の周波数応答特性のデータ、振幅の周波数応答特性の共振周波数に関するＱ値のデータ、または振動エネルギの大きさのデータの少なくとも何れかのデータを出力して前記メモリに蓄積することを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【請求項１１】
請求項１乃至請求項１０のいずれかに記載の故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスにおいて、
このＭＥＭＳデバイスは、前記固定部に設置される複数の光ファイバ端部の間に構成される空中伝播光路に、前記可動部に設置されるミラーが、挿入または退避する位置を２値的に切り替え駆動する光スイッチであり、前記可動部の微小振動の振幅は、その微小振動を生じる前記２値的な切り替え駆動の一方の状態における、前記複数の光ファイバ端部同士のすべての相互間についての各光結合率がその仕様の満足を維持する範囲内の振幅とされることを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、例えば光スイッチ等の故障診断機能付きＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems；微細電気機械システム）デバイスに関する。
【背景技術】
【０００２】
一例として光スイッチに着目するに、光スイッチは、例えば高密度波長分割多重（Dense Wavelength Division Multiplexing;ＤＷＤＭ）光通信網を形成するリング網の各ノードにおいて、分岐・挿入すべき波長光の選択や波長光の設定変更が可能な再構築可能光分岐挿入多重化装置（Reconfigurable Optical Add/Drop Multiplexer;ＲＯＡＤＭ）として、また運用系／予備系の信号２系統を具備した冗長系における保守点検時あるいは障害復旧時での保護装置として用いられる。
この光スイッチの多くは、プリズムやミラー等の光学部品を機械的に光路内に出し入れして光路の切り替えを行うもので、構造上半導体微細加工技術を用いたＭＥＭＳデバイスによって光学系及び駆動系が一体形成されたチップにて構成されるものがある。
【０００３】
このような光スイッチは、微細なＭＥＭＳデバイスであり、しかも機能上機械的可動部分を含むので、特にその可動部分の機械的信頼性が問題となる。この機械的信頼性は、切り替え耐久性と長時間待機後の切り替え確実性とが要請される。例えば、前述のＲＯＡＤＭでは、波長単位、時間単位での回線の貸し借りを想定すれば光信号の流れが頻繁に変わることになり、光スイッチの切り替え頻度も多くなって切り替え耐久性が要求され、また主信号とモニタ信号との切り替えを必要とする監視系についても切り替え耐久性が要求される。また、前述の冗長系の保護装置においては、切り替え頻度は極めて低く具体的には１年に１度という具合の保守点検等のように運用系と予備系との切り替えとなるため、長時間待機後の切り替え確実性が要求される。
【０００４】
このように光スイッチ等の可動部を有するＭＥＭＳデバイスの機械的信頼性の保障は必要不可欠であり、そのための従来技術として、特許文献１に示す光スイッチサブシステムの開示がある。この光スイッチサブシステムは、光源からの光をＭＥＭＳデバイスによる光スイッチにてスイッチングするに当たり、光スイッチの粗動モードあるいはミラー角の微動モードによる光源からの光強度測定に伴う測定結果で自己診断を行い、またスイッチング時間による自己診断を行い、更にはこの自己診断結果に伴うキャリブレーションを行うことで、スイッチング不良の発生を検出し光通信システムの信頼性の向上及び性能の向上を図ることが開示されている。
【特許文献１】特開２００４−４８１８７号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、上記従来技術においては、光スイッチの自己診断のために診断用の光源と受光器（「光強度モニタ」）とを別途追加装備する構成となっており、部品点数の点で重装である。
また、上記従来技術は、光スイッチを組み込んだ制御入力の補正を前提としたシステムであるので、現在市場に投入され出回っている光スイッチには適用できない。
本発明は、上述の問題を解決するもので、光スイッチに代表されるＭＥＭＳデバイスの部品点数を事実上増加することなく、可動部の機械的応答特性をモニタして致命的故障の前駆現象を捉え、しかも既に存在する制御入力の補正を前提としないシステムのＭＥＭＳデバイスの故障診断にも適用が可能なＭＥＭＳデバイスの故障診断の手段を提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
上述の目的を達成するために本発明は、基板上に可動部と固定部と可動部を変位させるアクチュエータとが形成され、そのアクチュエータを駆動する制御部を備えてなり、アクチュエータによって可動部の位置を２値的に切り替え駆動するＭＥＭＳデバイスにおいて、前記２値的な切り替え駆動のいずれか一方の状態において前記可動部に励振される微小振動を検出する振動検出手段と、その振動検出手段の出力に基づいて前記可動部の動特性を解析する動特性解析部と、その動特性解析部が出力するデータを蓄積するメモリと、そのメモリからデータを取り出して時間的に前後する２つのデータを比較し差分情報を算出する演算部と、その演算部の出力する差分情報に基づいて該ＭＥＭＳデバイスの故障を診断する故障診断部とを備えることを特徴とする故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスの構成を有する。
【発明の効果】
【０００７】
本発明によれば、ＭＥＭＳデバイスの可動部の機械的応答特性を継続的にモニタしてその変化を検出することにより、ＭＥＭＳデバイスの機械的破損による致命的故障の前駆現象を捉えることができる。この場合、本発明の故障診断手段を適用しない従来のＭＥＭＳデバイスに比して部品点数の増加は実質的に無く、また制御入力の補正を前提としない従来すでに出回っているＭＥＭＳデバイスにこの故障診断の手段を適用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、図を参照して本発明の実施形態に付き説明する。ＭＥＭＳデバイスの致命的故障の前駆現象として、例えばスティクション（可動部の動きを妨げる摩擦）による機能不全、疲労等による亀裂生成、磨耗等による機能劣化、が挙げられるが、本実施形態では、この前駆現象をＭＥＭＳデバイスの本来の通常稼動に先立って検出し判断することで故障診断を行うものである。
【０００９】
〔実施形態〕
ここで、まず、ＭＥＭＳデバイスの典型例として光スイッチの構造について説明する。
図２及び図３に基づき、本発明の実施形態となる光スイッチの構成／動作について説明する。本実施形態の光スイッチは、シリコン基板（３５０μｍ）／シリコン酸化膜（３μｍ）／シリコン・デバイス層（１００μｍ）の構成を持つ（１００）ＳＯＩウエハからなる。図２及び図３は前記光スイッチの平面図であるが、光スイッチは紙面に垂直な深さ方向（ｚ方向）に均一な厚さを有する２次元構造体である。構造体の加工は概略次のようなステップで進められる。
【００１０】
１）シリコン・デバイス層表面にシリコン酸化膜を形成する。
２）フォトリソグラフィー技術により前記シリコン酸化膜のパターニングを行う。
３）パターニングされたシリコン酸化膜をマスクとしてシリコン・デバイス層をＤＲＩＥ（Deep Reactive Ion Etching）等の手法により異方性エッチングする。
４）シリコン酸化膜に対して選択性のあるエッチャントを用いて、シリコン基板とシリコン・デバイス層の間に埋め込まれているシリコン酸化膜を除去し、可動部をリリースする。この時、可動部と固定部それぞれの島状に独立した構造部は面積的なコントラストがつけてあるため、適切な時間内でエッチングを終了する限り、固定部下のシリコン酸化膜は残存する。
５）ミラー、電極パッドの必要部位に対して、Ａｕ等の反射率の高い金属で表面をメタライズする。
【００１１】
光ファイバの外径に十分近い溝幅を持つファイバ溝１には端面斜め研磨されたコリメーション・ファイバが圧入されると共に、ファイバ端面突き当て３によって光軸方向の位置が決定される。
ファイバ端面が互いに向き合ったクロス導波部にはミラー４が挿入され得る。ミラー４はクロス導波部に挿入されて光を反射する時に最も高精度にアライメントされている必要がある。ミラー４、櫛歯型静電アクチュエータ（単に静電アクチュエータとも称する）の可動電極５、板バネ状ヒンジ６Ａ〜６Ｄといった一連の構成要素は可動ロッド７により連結され、それら全体として可動部を形成している。櫛歯型静電アクチュエータの第１固定電極８、第２固定電極９、及びアンカ１０は絶縁層（シリコン酸化膜）を介してシリコン基板に固定されているが、可動部は基板から浮いた状態で４本の板バネ状ヒンジ６Ａ，６Ｂ及び６Ｃ，６Ｄによって支持されている。このため、この４本の板バネ状ヒンジ６Ａ，６Ｂ及び６Ｃ，６Ｄの附勢状態によって可動部が図２、図３の上方または下方に位置して安定状態となる。すなわち、板バネ状ヒンジ６Ａ，６Ｂ及び６Ｃ，６Ｄが、図中上方に附勢され位置する場合にはミラー４が導波賂に挿入された第１安定状態であり、図中下方に附勢され位置する場合にはミラー４が導波賂より退避した第２安定状態である。また、可動ロッド７は図３に示すストッパ７Ｓ１、７Ｓ２の２箇所の部分において幅員が拡大しており、この太く変化している部分が固定部の一部であるアンカ１０の壁面に衝突するようになっており、可動ロッド７の軸方向の移動可能な範囲の両端を規制するストッパ機構を構成している。図２に示す１１、１２は、第１固定電極８及び第２固定電極９の電位を電圧印加状態とアースに落とす状態に切り替えるための電極を示す。
【００１２】
次に、本実施形態の光スイッチの基本動作について説明する。光スイッチの作製直後の初期形状（第１安定状態）においては、ミラー４はクロス導波部に挿入されている。この時、図２に示すＩｎｐｕｔポートから入射された光はミラー４によって反射されＤｒｏｐポートへと導かれる。同様に、Ａｄｄポートから入射された光はＯｕｔｐｕｔポートへと反射される。可動部と板バネ状ヒンジ６Ａ〜６Ｄを介して電気的につながれたアンカ１０、第２固定電極９、及び基板をそれぞれアースした状態で第１固定電極８に電圧を印加すれば、第１固定電極８と可動電極５との間に静電吸引力が働き、その力が第１安定状態の保持力よりも大きい場合、板バネ状ヒンジ６Ａ〜６Ｄは第２安定状態へと切り替り、電力の供給を絶ってもその状態で自己保持される。この時、ミラー４はクロス導波部から退避した状態であるため、Ｉｎｐｕｔポートから入射された光はそのままＯｕｔｐｕｔポートへと導かれる。逆に、アンカ１０、第１固定電極８、及び基板をアースした状態で第２固定電極９に電圧を印加すれば、第２固定電極９と可動電極５との間に静電吸引力が作用し、その力が第２安定状態よりも大きい場合には再び第１安定状態へと切り替る。従って、第１固定電極８及び第２固定電極９に所定電圧及びアース電位を交互に印加することにより、第２安定状態及び第１安定状態にそれぞれ切り替ることになる。このように、第１、第２の２つの安定状態相互間の切り替え駆動時には、電極１１または電極１２のいずれか一方に矩形波状に定電圧が印加されるとともに他方はアースに落とされ、切り替え完了後の第１または第２安定状態においてはアンカ１０、電極１１及び電極１２のすべてがアースに落とされた状態にされる。
【００１３】
このように図２、図３にて示す光スイッチを対象として、上述のような第２安定状態及び第１安定状態にそれぞれ切り替る光スイッチの本来的な通常駆動を行うほか、本実施形態では、第２安定状態あるいは第１安定状態において光スイッチの可動部に故障診断用の微小振動を積極的に発生させる故障診断用駆動を行うか、または上述の通常駆動としての切り替えに随伴して誘起される可動部の微小な減衰振動を利用することにより、これらのいずれかによる可動部の微小振動（減衰振動も含む）に対し振動検出及び動特性解析を行って、故障診断を行うものである。
【００１４】
図１は、本実施形態の故障診断機能付きＭＥＭＳデバイスを示すブロック図である。このブロック図では、ＭＥＭＳデバイスとして光スイッチを用いた場合を示す。図１において、制御部３０は駆動回路を含み、図示しない外部からの切り替え駆動指令を受けて光スイッチ７０の静電アクチュエータ８０に切り替え駆動信号を供給して光スイッチ７０の通常駆動を制御し、あるいは、本発明の特徴に係る光スイッチの可動部の微小振動を発生させる励振駆動信号を同じ静電アクチュエータ８０に供給して故障診断用駆動を制御する。光スイッチ７０の静電アクチュエータ８０は、そのままセンサとして、すなわち振動検出手段としても利用され、可動部の微小振動の情報をこの振動検出手段から動特性解析部９０に送る。動特性解析部９０は、微小振動を解析してその解析結果のデータを演算部１１０に送ると共にメモリ１００にも蓄積する。以上の過程は繰り返し行われ、演算部１１０は動特性解析部９０から送られる最新の微小振動解析結果のデータと、メモリ１００に蓄積されている直前の過去のデータとを比較して差分を演算出力することを常に行う。故障診断部１２０は、その差分の出力をモニタして予め設定された閾値と比較し、これを超える大きな差分、すなわち光スイッチの可動部の振動特性の急激な変化が検出された場合には、故障発生と判定する。基本的に、光スイッチ７０のデバイス構成と制御部３０を備えることに従来と変わりはなく、本発明の特徴としては、動特性解析部９０以下の信号処理と、実施形態によっては、制御部３０の制御内容とにのみ存する。
【００１５】
以下、この図１のブロックについて詳細に述べる。発明の第１の実施形態においては、制御部３０は、光スイッチ７０の第２安定状態あるいは第１安定状態に切り替えるための本来的な通常駆動の制御を行うと共に、光スイッチの７０の可動部に積極的に微小振動を励振するための励振駆動信号を発生させる故障診断用駆動の制御を行う。ここで、本来的な通常駆動においては、制御部３０からの切り替え駆動信号として矩形波状の定電圧が、静電アクチュエータ８０の（第１または第２いずれかの）固定電極に印加される。ここで好適には、図３に示す光スイッチの可動部を支える板バネ状ヒンジ６Ａ〜６Ｄは、図４に示すような双安定の変位／力特性を持つものとされるので、上記切り替え駆動信号は、その双安定な板バネ状ヒンジの反力のピークたる図４に示す特性のＰ点を超えるだけのアクチュエータの静電吸引力を得る電圧が必要であるとともに、Ｐ点を超える動作を完了するだけの時間幅の印加があればよい。発明者らの実施例ではこれは例えば７０Ｖ，パルス幅１０ｍｓｅｃ程度の印加電圧とされる。制御部３０は、外部からの切り替え駆動指令を受けて、この切り替え駆動信号を発する。その切り替え動作時以外は、光スイッチの可動部は第１または第２いずれかの安定状態にある。そこで、制御部３０は、斯かる切り替え駆動信号を発しているときは避けて、それ以外の時間に、例えば常時連続して故障診断用の励振駆動信号を発信し続けても良い。また、適宜の時間間隔を設けて間歇的に励振駆動信号を発するようにしても良い。光スイッチの切り替え駆動指令は、光スイッチの使い方により発生頻度が異なり、例えば主信号とモニタ信号の切り替えを行う監視系及び波長単位や時間単位での回線の貸し借りを行うＲＯＡＤＭでは頻繁に発生され、障害復旧とか保守点検等運用と予備との冗長系では長期間待機後に発生される。上記励振駆動信号の発し方は、切り替え駆動時だけは避けることを条件に、これら光スイッチの利用の仕方に応じて適宜に決めればよい。
【００１６】
一方、その故障診断用の励振駆動信号は、まず第一に、図４に示すピークＰ点を逆に超えないだけの大きさであることが条件であるとともに、なるべくその特性が直線的な領域内にあることが制御性のために好適であり、第二に、光スイッチであれば、その上記第１及び第２安定状態において要求されるデバイスの光学的性能に有意な影響を及ぼさないものであることが条件である。本発明の故障診断のための微小振動については、ミラー４を挿入した第１安定状態での微小振動において反射光の光ファイバへの再結合を十分に担保することや、ミラー４が退避した第２安定状態での微小振動で透過光に遮蔽作用を及ぼさないことが肝要である。更に光スイッチの光学的性能についていえば、図２を参照して、例えばミラー４が挿入されている状態で、Ｉｎｐｕｔポートの光ファイバのみから信号光が入力されている時であっても、Ｄｒｏｐポートの光ファイバに信号光が適正の結合率で結合して出射されるのみならず、一般には、他のＯｕｔｐｕｔポートやＡｄｄポートにも極わずかな散乱光の結合が存在して、それらが十分低いものであることが性能仕様で規定される。その他、第１及び第２安定状態の両方において、各ポートに係る全ての結合効率の仕様が規定され、本発明の微小振動の振幅はすべてこれらを侵害しない許容範囲のものでなければならない。より詳しくは、光学特性上の仕様として例えば図５に示す変位−光遮断（アイソレーション）特性のように光遮断に際し光スイッチを用いるユーザの要請に沿った例えば６０ｄＢより小さい光量変化内に収まるような可動部の変位範囲に相当する微小振幅が必要になる。実際にはこれは、ミラー４の大きさ、それに照射される光スポットの大きさ、角度等から決まり、発明者らの実施例では、例えばミラー４の通常の切り替え駆動のストローク５０数μｍに対し、２つの安定状態の各位置でそれぞれ数μｍずつのマージン領域が上記許容範囲として存在しており、この範囲内で振幅を選べば、微小振動の振幅については、すべての条件を充足して好適な実施ができる。発明者らの光スイッチの例では、この範囲の微小振動の振幅を得るのに、制御部３０から供給する励振駆動信号に４０Ｖ程度の電圧を要するものとなっている。光スイッチの通常の切り替え駆動と比べて、可動部の移動距離がまったく異なるにもかかわらず、駆動信号の電圧が上述の切り替え駆動信号の７０Ｖと同じオーダであるのは、双安定なヒンジの反力の特性による。
【００１７】
次にその微小振動の周波数について述べると、故障診断の目的のためにデバイス可動部の動特性の変化を最も敏感に検出するためには、その可動部の共振周波数を利用することが最適である。可動部の機械的共振周波数は、デバイスの設計段階や予備実験等によって知られるものであり、本発明の微小振動の駆動は、その共振周波数あるいは十分な励振効果の得られるその近傍の、一定の周波数で行っても良い。共振点近傍の共振周波数から振動のパワーでピークの３ｄＢ降下までの範囲にある周波数を選べば、十分な励振が得られて好適に発明を実施できる。または、微小振動の励振を一定周波数とせず、共振点を含む適宜の範囲で周波数掃引を行って、より精度の高いセンシングを図ることもできる。この場合、微小振動の励振駆動信号は、上述のとおり切り替え駆動信号発生時を避けながら連続的あるいは間歇的に、例えば１０Ｈｚ〜１０ＫＨｚの範囲で掃引を繰り返すと良い。あるいは周波数を制御した励振駆動をせずに、やはり切り替え駆動信号発生時を避けながら励振駆動信号としてインパルス信号を印加する、可動部へのインパルス入力を行っても良い。インパルス入力が励起する減衰振動には多くの周波数成分が含まれるので、これを利用することもできるのである。これら励振駆動信号の諸形態に対応する可動部の動特性解析については、後述する。
【００１８】
ところで、光スイッチの通常の切り替え駆動も、上述のとおり矩形波状の短いパルス信号によって行われるのであり、その切り替え駆動信号にも可動部の共振周波数に十分近い周波数成分を含む多くの周波数成分が含まれている。そこで本発明の第２の実施形態においては、第１の実施形態のように制御部３０から励振駆動信号を別途に発することなく、制御部３０は通常駆動のための切り替え駆動だけを行ってそれが励起する減衰振動を故障診断のための微小振動として利用しても、発明は実施できる。この場合、利用できる微小振動の振幅は小さいので高感度の故障診断には向かないが、デバイスの駆動段階で従来技術とまったく変わらない構成のまま本発明を実施できるという簡便さの利点がある。
【００１９】
更に、本発明の第３の実施形態においては、光スイッチその他の切り替え駆動のＭＥＭＳデバイスにおいて、従来品にしばしば具備されているストッパ機構を利用する。すなわち例えば光スイッチにおいては、上述のとおりに図３に示すような可動ロッド７の幅員拡大部として機械的なストッパ７Ｓ１、７Ｓ２が設けられている。従来の光スイッチの駆動においては、実際にこれが衝突するような駆動がなされることは少なく、主に衝撃対策として具備されるものであるが、本発明においてはこれを光スイッチの切り替え駆動信号の電圧を高めて駆動して、切り替え駆動のたび毎に衝突を誘起させ、やはりその減衰振動を故障診断の微小振動に利用することが可能である。この第３の実施形態は、ストッパの衝突で誘起される微小振動の振幅が上述の特に光学的性能仕様によって規定される条件の範囲に収まる強度で実施されなければならないが、そのための切り替え駆動信号の電圧の条件は、実験によって容易に条件出しすることができる。
【００２０】
以上は、本発明における故障診断のための可動部の微小振動の励振方法について説明したが、続いて以下に、その微小振動を検出、解析して故障を診断する過程を説明する。
本発明のための、可動部の微小振動を検出する振動検出手段としては、ＭＥＭＳデバイスの可動部の変位を検出する何らかの変位センサを別途追加具備しても勿論構わないが、ＭＥＭＳデバイスが静電駆動型のデバイスであるならば、その静電アクチュエータをそのまま静電容量型の変位センサとして利用することが、最良の方法である。上述の光スイッチの例で言えば、可動電極５と、第１固定電極８及び第２固定電極９のそれぞれとの間に構成される静電容量Ｃ１、Ｃ２を検出することで、可動電極５の変位すなわち可動部の振動を検出することができる。その様子を図６に示すが、この例のように２つの固定電極を備えるプッシュプル型の静電アクチュエータであればＣ１、Ｃ２の差分を採って更に変位検出の感度を倍増することができる。このようにして静電アクチュエータを兼ねる振動検出手段８０から、可動部の振動を表す信号が取り出され動特性解析部９０に送られる。
【００２１】
動特性解析部９０では、ＭＥＭＳデバイスの可動部の振動の伝達関数に係る情報を取り出す。具体的には、まず上述の本発明の第１の実施形態において、制御部３０が一定周波数の微小振動を励振する場合には、振動検出手段８０から得られる可動部の振動を表す信号から、その振動の振幅、または制御部３０が送信する励振駆動信号に対する位相遅れの、いずれか一方、またはより故障診断の感度を得たければその両方を、解析してそのデータを出力する。第１の実施形態において制御部３０が周波数掃引の励振駆動をする場合、または第２もしくは第３の実施形態の場合、すなわち励振される微小振動の周波数成分がある範囲にわたって広がりを有する場合には、その励起された微小振動の対周波数応答特性を解析することが好適である。振幅、位相の周波数応答特性は、例えば図７に示すようなものであるが、このいずれか一方、またはより故障診断の感度を得たければ両方を、解析出力して、例えば適宜に刻んだ周波数ごとの振幅／位相の値をデータとして、後段で利用する比較に供しても良い。あるいは応答特性の共振点に関するＱ値を解析出力してデータとしても良い。あるいはゲインを積分して振動エネルギを解析出力してデータとしても良い。また、以上述べたデータのうち複数のデータを同時に利用して、故障診断の更なる精度向上を図っても勿論良い。
【００２２】
この後、演算部１１０及び故障診断部１２０からなる判定部にて故障を判定する。すなわち、動特性解析部９０にて得られた応答特性がメモリ１００にて順に記憶され、演算部１１０では、動特性解析部９０にて得られた最新の応答特性とメモリ１００に記憶された最新より一つ前の応答特性との比較を行う。すなわち、上述の動特性解析部９０が供給する諸データの差分を取る。
そして、故障診断部１２０では、この演算部１１０にて得られたデータの差分に対して、その差分が閾値と比較して大きいか小さいかを判断し、故障診断の有無を判定する。この場合、応答特性の変化は可動部の機械的特性の変化を表すので、前回値に対する変化量を予め定めた閾値と比較してそれ以上の変化量を検出した場合、可動部の機械的異常、すなわち故障発生と判断する。利用するデータに係る閾値は、実験に基づき、デバイスの利用の形態に応じて、適宜に決定することができる。本発明の方法によれば、可動部の応答特性に関するデータは常にその前の解析時のデータと比較されるので、その利用するデータに急激な変化があった時だけ故障が判断され、正常の緩やかな応答特性の変化には、仮にその変化が大きなものであってもこの方法による故障診断は感度がない。
【００２３】
これまでの説明は、ＭＥＭＳデバイスとして光スイッチを取り上げたが、本発明は２値的に切り替え駆動するＭＥＭＳデバイスの故障診断に広く利用することができ、例えばリレー等のデバイスの故障診断に適用することができる。この場合、診断信号は、リレーの動作性能に影響を及ぼさない範囲内の振幅である。
【図面の簡単な説明】
【００２４】
【図１】本発明の一実施形態のブロック図である。
【図２】光スイッチの平面構成図である。
【図３】光スイッチの可動部を主に示した平面構成図である。
【図４】光スイッチの安定状態間の変位−力特性線図である。
【図５】光スイッチの変位−光遮断特性線図である。
【図６】動特性センシングを含む電極部分の構成図である。
【図７】応答特性の一例を示す波形図である。
【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】
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【図６】
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【図７】
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