(57)【要約】      （修正有）【課題】視野の幅と、視野の中心における測定分解能との間のこのトレードオフが回避されるであろうＬＩＤＡＲ装置を有することは、有益と考えられる。【解決手段】可動反射器マス６１と、反射器面が可動フレーム面と一致する場合に可動反射器マスを取り囲む可動フレームマス６２とを備える走査微小電気機械反射器システム。可動フレームマスは、可動フレーム面が固定フレーム面と一致する場合に可動フレームマスを少なくとも部分的に取り囲む固定フレーム６３から懸架される。反射器システムは、さらに、可動フレーム面内で第１軸上に整列した１対の第１ねじり梁６４１，６４２と、第１軸を中心として反射器マスおよび可動フレームマスを回転させるように構成可能な１以上の第１作動部とを備える。【選択図】図６
2019174792.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
反射器面を画定する可動反射器マスと、可動フレーム面を画定し、前記反射器面が当該可動フレーム面と一致する場合に前記可動反射器マスを取り囲む可動フレームマスとを備え、前記可動フレームマスは、固定フレームから懸架され、当該固定フレームは、固定フレーム面を画定し、かつ、前記可動フレーム面が前記固定フレーム面と一致する場合に前記可動フレームマスを前記固定フレーム面内で少なくとも部分的に取り囲む、
走査微小電気機械反射器システムであって、さらに、
前記可動フレーム面内で第１軸上に整列することによって、前記可動反射器マスおよび前記可動フレームマスが可動マスシステムを形成するように前記可動フレームマスから前記可動反射器マスを懸架する１対の第１ねじり梁と、
前記可動マスシステムおよび前記固定フレームに連結され、かつ、１以上の第１駆動電圧信号を、前記第１軸を中心として前記可動マスシステムを振動共振傾斜運動させる力に変換するように構成された１以上の第１作動部と、
前記可動マスシステムの共通モード共振振動に対応する第１駆動信号周波数および第１駆動信号位相を有する第１駆動信号成分と、前記可動マスシステムの差動モード共振振動に対応する第２駆動信号周波数および第２駆動信号位相を有する第２駆動信号成分とを含む１以上の第１駆動電圧信号を、前記１以上の第１作動部に印加するように構成された制御部を備え、
前記第２駆動信号周波数は、前記第１駆動信号周波数の第二次高調波または第三次高調波である
走査微小電気機械反射器システム。
【請求項２】
前記反射器システムは、さらに、
前記可動マスシステムおよび前記固定フレームに連結され、かつ、前記第１軸に対する前記可動マスシステムの前記振動共振傾斜運動を１以上の感知電圧信号に変換するように構成された１以上の感知部と、
前記可動マスシステムに連結され、かつ、１以上の駆動チューニング電圧を、前記第１軸を中心とする前記可動マスシステムの振動を変更する力に変換するように構成された１以上の駆動チューニング部とを備え、
前記制御部は、さらに、
前記可動マスシステムの共通モード共振振動に対応する第１感知信号成分と、前記可動マスシステムの差動モード共振振動に対応する第２感知信号成分とを、１以上の感知電圧信号から繰り返し測定し、前記第１感知信号成分と前記第２感知信号成分との測定された位相差を決定し、
前記１以上の駆動チューニング部に１以上の駆動チューニング電圧信号を連続的に印加して、前記測定された位相差を所定の位相差値と等しく維持するように構成される
請求項１に記載の走査微小電気機械反射器システム。
【請求項３】
前記１以上の駆動チューニング部は、前記可動マスフレーム上のロータ電極と、前記固定フレーム上のステータ電極とを有する１以上の容量性変換器を含む
請求項２に記載の走査微小電気機械反射器システム。
【請求項４】
前記１以上の駆動チューニング部は、前記可動マスフレーム上のロータ電極と、前記可動フレーム面の上方または下方にある空洞壁上のステータ電極とを有する１以上の容量性変換器を含む
請求項２に記載の走査微小電気機械反射器システム。
【請求項５】
前記可動フレームマスは、前記第１軸上に整列した１対の第２ねじり梁によって前記固定フレームから懸架され、前記第１軸は、前記可動マスシステムの唯一の傾斜軸を形成する
請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査微小電気機械反射器システム。
【請求項６】
前記可動フレームマスは、２以上の懸架梁によって前記固定フレームから懸架され、前記システムは、前記２以上の懸架梁に連結された１以上の第２作動部を備え、前記制御部は、第３駆動信号周波数を有する第３駆動信号成分を含む１以上の第２駆動電圧信号であって、前記１以上の第２作動部が、前記固定フレーム面内で第２軸を中心として前記可動マスシステムを振動共振傾斜運動させる力に変換する１以上の第２駆動電圧信号を、前記１以上の第２作動部に印加するように構成され、前記可動フレーム面が前記固定フレーム面と一致する場合、前記第２軸は前記第１軸に垂直である
請求項１〜４のいずれか１項に記載の走査微小電気機械反射器システム。
【請求項７】
各第１作動部および各第２作動部は、少なくとも１つの懸架梁を含み、当該懸架梁は、当該懸架梁を前記固定フレーム面外に曲げるように構成された圧電変換器を含み、各作動部は、第１固定点から前記固定フレームに、および第２固定点から前記可動フレームマスに取り付けられる
請求項６に記載の走査微小電気機械反射器システム。
【請求項８】
作動部の数は４であり、前記可動フレームマス上の４つの前記第２固定点は、前記可動フレーム面内に矩形を画定し、前記矩形は、前記第１軸に対して鏡面対称である
請求項７に記載の走査微小電気機械反射器システム。
【請求項９】
反射器面を画定する可動反射器マスと、可動フレーム面を画定し、前記反射器面が当該可動フレーム面と一致する場合に前記可動反射器マスを取り囲む可動フレームマスとを備え、前記可動フレームマスは、固定フレームから懸架され、当該固定フレームは、固定フレーム面を画定し、かつ、前記可動フレーム面が前記固定フレーム面と一致する場合に前記可動フレームマスを前記固定フレーム面内で少なくとも部分的に取り囲む、
走査微小電気機械反射器システムの走査方法であって、
前記微小電気機械反射器システムは、さらに、
前記可動フレーム面内で第１軸上に整列することによって、前記可動反射器マスおよび前記可動フレームマスが可動マスシステムを形成するように前記可動フレームマスから前記可動反射器マスを懸架する１対の第１ねじり梁と、
前記可動マスシステムおよび前記固定フレームに連結され、かつ、１以上の第１駆動電圧信号を、前記第１軸を中心として前記可動マスシステムを振動共振傾斜運動させる力に変換するように構成された１以上の第１作動部とを備え、
前記方法は、前記可動マスシステムの共通モード共振振動に対応する第１駆動信号周波数および第１駆動信号位相を有する第１駆動信号成分と、前記可動マスシステムの差動モード共振振動に対応する第２駆動信号周波数および第２駆動信号位相を有する第２駆動信号成分とを含む第１駆動電圧信号を、前記１以上の第１作動部に印加するステップを含み、前記第２駆動信号周波数は、前記第１駆動信号周波数の第二次高調波または第三次高調波である
走査方法。
【請求項１０】
前記反射器システムは、さらに、
前記可動マスシステムおよび前記固定フレームに連結され、かつ、前記第１軸に対する前記可動マスシステムの前記振動共振傾斜運動を１以上の感知電圧信号に変換するように構成された１以上の感知部と、
前記可動マスシステムに連結され、かつ、１以上の駆動チューニング電圧を、前記第１軸を中心とする前記可動マスシステムの振動を変更する力に変換するように構成された１以上の駆動チューニング部とを備え、
前記方法は、さらに、
前記可動マスシステムの共通モード共振振動に対応する第１感知信号成分と、前記可動マスシステムの差動モード共振振動に対応する第２感知信号成分とを、前記１以上の感知電圧信号から繰り返し測定し、前記第１感知信号成分と前記第２感知信号成分との測定された位相差を決定するステップと、
前記１以上の駆動チューニング部に１以上の駆動チューニング電圧信号を連続的に印加して、前記測定された位相差を所定の位相差値と等しく維持するステップとを含む
請求項９に記載の方法。
【請求項１１】
前記１以上の駆動チューニング部は、前記可動マスフレーム上のロータ電極と、前記固定フレーム上のステータ電極とを有する１以上の容量性変換器を含む
請求項１０に記載の方法。
【請求項１２】
前記１以上の駆動チューニング部は、前記可動マスフレーム上のロータ電極と、前記可動フレーム面の上方または下方にある空洞壁上のステータ電極とを有する１以上の容量性変換器を含む
請求項１０に記載の方法。
【請求項１３】
前記可動フレームマスは、前記第１軸上に整列した１対の第２ねじり梁によって前記固定フレームから懸架され、前記第１軸は、前記可動マスシステムの唯一の傾斜軸を形成する
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１４】
前記可動フレームマスは、２以上の懸架梁によって前記固定フレームから懸架され、前記システムは、前記２以上の懸架梁に連結された１以上の第２作動部を備え、前記１以上の第２作動部は、１以上の第２駆動電圧信号を、前記固定フレーム面内で第２軸を中心として前記可動マスシステムを振動共振傾斜運動させる力に変換するように構成され、前記可動フレーム面が前記固定フレーム面と一致する場合、前記第２軸は前記第１軸に垂直である
請求項９〜１２のいずれか１項に記載の方法。
【請求項１５】
各第１作動部および各第２作動部は、少なくとも１つの懸架梁を含み、当該懸架梁は、当該懸架梁を前記固定フレーム面外に曲げるように構成された圧電変換器を含み、各作動部は、第１固定点から前記固定フレームに、および第２固定点から前記可動フレームマスに取り付けられる
請求項１４に記載の方法。
【請求項１６】
作動部の数は４であり、前記可動フレームマス上の４つの前記第２固定点は、前記可動フレーム面内に矩形を画定し、前記矩形は、前記第１軸に対して鏡面対称である
請求項１５に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、機械的共振振動しながら、一次元の線または二次元の面を横切ってレーザビームを走査するように構成された微小電気機械（ＭＥＭＳ）反射器に関する。より詳細には、本開示は、そのようなＭＥＭＳ反射器の走査軌跡を最適化する装置および方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
ＭＥＭＳ反射器は、一連のレーザビームパルスが環境に出射され、近傍物体から反射された後に取り出される光検出測距（ＬＩＤＡＲ）システムに使用することができる。同じＭＥＭＳ反射器を、レーザ源からの出射レーザパルスを周囲環境に反射し、それらが周囲環境から戻ってきた時に入射レーザパルスを光検出器の方へ反射するために使用してもよい。パルス周波数は、５０ｋＨｚ〜２００ｋＨｚであってもよい。ＬＩＤＡＲシステムは、典型的には短距離で使用されるため、通常、新しいパルスが出射される前に、前のパルスが光検出器に戻る。ＭＥＭＳ反射器の走査傾斜振動を引き起こすことによって、ＬＩＤＡＲシステムは、その視野内の周囲環境に関する情報を得ることができる。あらゆる入射レーザパルスおよび出射レーザパルスの反射角を決定することができるように、ＭＥＭＳ反射器の瞬間位置を連続的に測定しなければならない。
【０００３】
ＭＥＭＳ反射器は、瞬間反射角ＡがＡ０ｓｉｎ（ωｔ）に等しい単純な正弦波走査パターンで一次元視野を走査してもよい。ここで、Ａ０は走査運動の角度振幅、ωは走査周波数、ｔは時間である。正弦関数の変化率は常に、正弦関数がゼロ点を横切る時に最大であり、正弦関数の値が−１または＋１である時に最小である。レーザパルスは一定のパルス周波数で出射されるため、単純な正弦走査パターンでは、視野の中央部分により近い反射角よりも、最大傾斜振幅に対応する反射角から多くの測定データが生成される。
【０００４】
図１には、１つの正弦関数ｘ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｔ）および１Ｈｚの走査周波数に基づく一次元走査曲線が描かれ、この現象が示される。単に説明の目的で、曲線上のスポット（出射されたレーザパルスとしてイメージすることができる）は、２５Ｈｚの一定周波数で描かれている。スポットクラスタリングは、曲線の中央部分周辺よりも正弦曲線上の最大値および最小値の近くの方が密である。
【０００５】
二次元ｘｙ面は、ｘ座標およびｙ座標の両方が正弦関数として実施される曲線で走査されてもよい。結果として生じる走査軌跡をリサージュ曲線と呼んでもよい。図２は、ｘ軸が関数ｘ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｘｔ）で走査され、ｙ軸が関数ｙ（ｔ）＝ｓｉｎ（ωｙｔ）で走査されるリサージュ走査軌跡を示す。図２の軌跡は、周波数関係ωｙ≒６．７ωｘで描かれており、この場合、曲線は、走査領域の垂直縁部（上下）よりも水平縁部（左右）により多く集まる。ωｙ≒ωｘの場合、曲線クラスタリングは、走査領域の水平縁部（左右）および走査領域の垂直縁部（上下）の両方で生じる。
【０００６】
好ましいＬＩＤＡＲの測定分解能および視野は、用途に依存する。長距離（１００ｍより長い）に使用するために設計された装置は通常、視野全体にわたって高分解能を必要とするが、視野はかなり狭い。周囲環境を走査する装置では、しばしば広い視野が必要とされ、そして、より低い分解能が許容されなければならない。視野の幅と、視野の中心における測定分解能との間のこのトレードオフが回避されるであろうＬＩＤＡＲ装置を有することは、有益と考えられる。視野の所与のセクタ内における測定分解能を制御するには、反射器がそのセクタを通過して回転する角速度を制御する必要がある。
【０００７】
特許文献１は、二次元視野を有するＭＥＭＳスキャナを開示している。特許文献２は、一次元視野を有するＭＥＭＳスキャナにおいて、２以上の正弦波共振モードの組合せを発生させるように構成された、駆動構造体を開示している。特許文献２で開示される装置は、２つの異なる共振モードで振動を発生させるための複雑な駆動構造体セットを必要とする。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１２／０２２８４６０号明細書
【特許文献２】米国特許第９６７８３３３号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
本開示の目的は、上記課題を克服する装置および方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本開示の目的は、独立クレームに記載することを特徴とする装置および方法によって達成される。本開示の好ましい実施形態を従属クレームに開示する。
【００１１】
本開示は、中央反射器が可動フレームに取り付けられ、反射器および可動フレームの両方が同一軸を中心として振動するＭＥＭＳ反射器システムを利用するという発想に基づく。この形状では、反射器およびフレームは、第１共振周波数において共通モードで、および第２共振周波数において差動モードで振動させることができる。これらの２つの共振モードが、差動モード周波数が共通モード周波数の第二次高調波または第三次高調波である正弦波電圧で駆動される場合、反射器の角速度を、視野の選択されたセクタにおいて変更することができる。
【００１２】
本開示の装置および方法の利点は、一次元走査および二次元走査の両方で、視野の選択された部分において高い測定分解能を得ることができることである。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
以下に、本開示内容について、添付の図面を参照しながら好ましい実施形態により詳述する。
【図１】図１は、１つの正弦関数に基づく一次元走査曲線を示す。
【図２】図２は、二次元リサージュ走査軌跡を示す。
【図３ａ】図３ａは、一次元走査の実施形態に係る走査微小機械反射器システムを示す。
【図３ｂ】図３ｂは、共通モード振動を示す。
【図３ｃ】図３ｃは、差動モード振動を示す。
【図４】図４は、複数の正弦関数の和に基づく一次元走査曲線を示す。
【図５】図５もまた、複数の正弦関数の和に基づく一次元走査曲線を示す。
【図６】図６は、二次元走査の実施形態に係る走査微小機械反射器システムを示す。
【図７】図７は、ｘ軸走査が複数の正弦関数の和であり、ｙ軸走査が１つの正弦関数である二次元走査曲線を示す。
【図８】図８もまた、ｘ軸走査が複数の正弦関数の和であり、ｙ軸走査が１つの正弦関数である二次元走査曲線を示す。
【図９】図９は、容量性駆動チューニング部を備えた走査微小機械反射器システムを示す。
【図１０】図１０もまた、容量性駆動チューニング部を備えた走査微小機械反射器システムを示す。
【図１１ａ】図１１ａは、図３ａの反射器システムにおける共通モード振幅を調整する方法を示す。
【図１１ｂ】図１１ｂは、図３ａの反射器システムにおける差動モード振幅を調整する方法を示す。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
本開示は、反射器面を画定する可動反射器マスと、可動フレーム面を画定する可動フレームマスとを備える走査微小電気機械反射器システムに関する。反射器面が可動フレーム面と一致する場合、可動フレームマスは可動反射器マスを取り囲む。可動フレームマスは、固定フレームから懸架され、当該固定フレームは、固定フレーム面を画定し、かつ、可動フレーム面が固定フレーム面と一致する場合に可動フレームマスを固定フレーム面内で少なくとも部分的に取り囲む。
【００１５】
反射器システムは、さらに、可動フレーム面内で第１軸上に整列することによって、可動反射器マスおよび可動フレームマスが可動マスシステムを形成するように可動フレームマスから可動反射器マスを懸架する１対の第１ねじり梁を備える。反射器システムはまた、可動マスシステムおよび固定フレームに連結され、かつ、１以上の第１駆動電圧信号を、第１軸を中心として可動マスシステムを振動共振傾斜運動させる力に変換するように構成された１以上の第１作動部を備える。
【００１６】
反射器システムはまた、可動マスシステムの共通モード共振振動に対応する第１駆動信号周波数および第１駆動信号位相を有する第１駆動信号成分を含む１以上の第１駆動電圧信号を、１以上の第１作動部に印加するように構成された制御部を備え、第１駆動電圧信号はまた、可動マスシステムの差動モード共振振動に対応する第２駆動信号周波数および第２駆動信号位相を有する第２駆動信号成分を含む。第２駆動信号周波数は、第１駆動信号周波数の第二次高調波または第三次高調波である。
【００１７】
本開示では、「固定」物体とは、質量の大きい周囲構造体に確実に取り付けられている物体を意味する。固定物体は、ＭＥＭＳ反射器システムによって付与された力により、この構造体に対していかなる方向にも動くことができない、または少なくともほとんど動くことができない。「アンカ点」という用語は、懸架梁などの部分的に可動性を有する物体が固定物体に取り付けられている固定物体の部位を指すために使用されてもよい。懸架梁の一端部はアンカ点に取り付けられてもよく、他端部は可動マスに取り付けられてもよい。
【００１８】
本開示では、「可動」物体とは、ＭＥＭＳ反射器システムが動作中である時に、固定構造体に対して動くことができる物体を意味する。部分的に可動性を有する物体は、一端部で固定されてもよいが、他端部で自由に動いてもよい。可動物体は、典型的に、部分的に可動性を有する懸架梁を介して固定物体に取り付けられる。本開示に記載するシリコン系ＭＥＭＳ用途では、「懸架」物体とは、部分的に可動性を有する懸架梁のみで固定物体に取り付けられている物体を意味する。懸架梁は、アクチュエータによって力が付与された時に曲がるか、ねじれることができるように寸法付けられているシリコン梁であってもよい。そのような可撓性梁をばねと呼んでもよい。
【００１９】
本開示では、「作動部」は、懸架梁または可動物体に連結された圧電変換器または容量性変換器を含んでもよい。作動部は、例えば、懸架梁の表面上に設けられた圧電変換器および関連する連結電極を含んでもよい。あるいは、作動部は、懸架梁と、隣接する固定物体との間に容量性変換器を形成する電極を含んでもよい。電気信号を作動部に送信する、または作動部からの電気信号を読み出すのに必要な電気回路が、可動物体、懸架梁または固定物体上に設けられてもよい。容量性変換器は、可動物体上のロータ電極と、固定物体上のステータ電極とを含んでもよい。
【００２０】
本開示では、例えば図３ａおよび図６のａ軸と平行な方向を横方向と呼ぶ。一方、ｂ軸と平行な方向を縦方向と呼ぶ。
【００２１】
本開示では、周波数Ａおよび周波数Ｂの両方が共振周波数である場合、かつ、周波数Ａが周波数Ｂの２倍である場合、周波数Ａを周波数Ｂの「第二次高調波」と呼ぶ。同様に、本開示では、周波数Ａおよび周波数Ｂの両方が共振周波数である場合、かつ、周波数Ａが周波数Ｂの３倍である場合、周波数Ａを周波数Ｂの「第三次高調波」と呼ぶ。この場合、ＡおよびＢは同じ共振モードに属する周波数ではない点で、この使い方は、従来の使い方と多少異なる。代わりに、これらの共振は、可動マスシステムにおいて、２つの別個の振動モード（共通および差動）で生じる。
【００２２】
さらに、本開示では、「第二次高調波」という表現は、周波数Ａが、少なくとも近似的に、しかし必ずしも正確ではないが、周波数Ｂの２倍であることを意味する。言いかえれば、周波数Ａは、例えば１．９Ｂまたは２．１Ｂと等しくてもよく、それでも本開示で使用する意味において周波数Ｂの第二次高調波として考えられてもよい。これは、共振周波数ＡおよびＢが、製造限界により、それらの理想値からわずかに異なることが時々あり、さらに、例えば温度応力により経時変化することがあるためである。言いかえれば、「第二次高調波」という表現は「約２倍」として理解されるべきであり、「第三次高調波」という表現は「約３倍」として理解されるべきである。
【００２３】
制御部は、例えば、閉ループ駆動部を用いて共通モード共振周波数または差動モード共振周波数のいずれかにロックするように構成される集積回路を備えてもよい。言いかえれば、反射器システムは、可動マスシステムおよび固定フレームに連結された１以上の感知部を備えてもよく、１以上の感知部は、第１軸に対する可動マスシステムの振動共振傾斜運動を１以上の感知電圧信号に変換する。制御部は、これらの感知電圧信号の周波数応答を連続的に監視し、２つの共振モードのうちの一方に対応する第１周波数を測定してもよい。制御部は、測定された第１周波数から、２つの共振モードの他方に対応する第２周波数を連続的に計算するように構成されてもよい。
【００２４】
測定された周波数が共通モード振動に対応する場合、制御部は、測定された第１周波数に２または３のいずれかを掛けることによって、第２周波数を計算してもよい。３を掛ける場合、制御部はまた、（測定された周波数の位相と比較して）計算された第２周波数に１８０度の位相シフトを加えてもよい。２を掛ける場合、制御部は、計算された第２周波数に９０度の位相シフトを加えてもよい。
【００２５】
測定された第１周波数が差動モード振動に対応する場合、制御部は、第１周波数を２または３のいずれかで割ることによって、第２周波数を計算してもよい。３で割る場合、制御部はまた、（測定された周波数の位相と比較して）第２周波数に１８０度の位相シフトを加えてもよい。２で割る場合、制御部は、（第１周波数の位相と比較して）第２周波数から９０度の位相シフトを引いてもよい。
【００２６】
計算された第２周波数が共通モード振動に対応する場合、制御部は、計算された第２周波数と等しい第１駆動信号成分を設定するように構成されてもよい。計算された第２周波数が差動モード振動に対応する場合、制御部は、その計算された周波数と等しい第２駆動信号成分を設定するように構成されてもよい。それによって、制御部は確実に、可動マスシステムに、第２駆動信号周波数が第１駆動信号周波数の第二次高調波または第三次高調波である共振運動を連続的にさせてもよい。
【００２７】
本開示ではまた、反射器面を画定する可動反射器マスと、可動フレーム面を画定する可動フレームマスであって、反射器面が可動フレーム面と一致する場合に可動フレームマスが可動反射器マスを少なくとも部分的に取り囲むような可動フレームマスとを備える微小電気機械反射器システムの走査方法について記載する。可動フレームマスは、固定フレームから懸架され、当該固定フレームは、固定フレーム面を画定し、かつ、可動フレーム面が固定フレーム面と一致する場合に可動フレームマスを固定フレーム面内で少なくとも部分的に取り囲む。上述のように、微小電気機械反射器システムはまた、可動フレーム面内で第１軸上に整列することによって、可動反射器マスおよび可動フレームマスが可動マスシステムを形成するように可動フレームマスから可動反射器マスを懸架する１対の第１ねじり梁を備える。そして、微小電気機械反射器システムはまた、可動マスシステムおよび固定フレームに連結され、かつ、１以上の第１駆動電圧信号を、第１軸を中心として可動マスシステムを振動共振傾斜運動させる力に変換するように構成された１以上の第１作動部を備える。
【００２８】
方法は、可動マスシステムの共通モード共振振動に対応する第１駆動信号周波数および第１駆動信号位相を有する第１駆動信号成分を含む第１駆動電圧信号を、１以上の第１作動部に印加するステップを含む。第１駆動電圧信号はまた、可動マスシステムの差動モード共振振動に対応する第２駆動信号周波数および第２駆動信号位相を有する第２駆動信号成分を含み、第２駆動信号周波数は、第１駆動信号周波数の第二次高調波または第三次高調波である。
【００２９】
（一次元走査の実施形態）
図３ａは、真ん中に可動反射器マス３１を備えた走査微小電気機械反射器システムを示す。このマスは反射コーティングでコーティングされており、走査ＭＥＭＳ反射器システムにおいてレーザ光パルスが外方および内方に反射される表面を構成する。この反射器を「反射器マス」と呼び、可動マスシステムの共振特性への寄与を強調する。可動マスシステムの第２構成要素は、可動フレームマス３２である。このフレームによって画定される面を可動フレーム面と呼ぶ。
【００３０】
ＭＥＭＳ反射器システムはまた、固定フレーム３３を備え、固定フレーム３３は、この場合、４つのアンカ点３３１〜３３４を含む。固定フレーム３３は、図３ａのａｂ面に相当する固定フレーム面を画定する。可動フレーム面が固定フレーム面と一致する場合、固定フレーム３３は、必ずしも可動フレームマスを四方取り囲む必要はない。固定構造体がより小さくても、可動マスシステムを適所に固定するのに十分であり得ることもある。しかしながら、部分的に取り囲む固定フレームでも、基板面と平行な固定フレーム面を画定する。アンカ点３３１〜３３４も、可動フレームマスを取り囲む固定フレームとして解釈されてもよい。固定フレーム面を画定するためには３つのアンカ点で十分である。
【００３１】
図３ａに示すＭＥＭＳ反射器システムはまた、可動フレームマス３２から反射器マス３１を懸架する第１ねじり梁３４１および３４２を備える。第１ねじり梁３４１および３４２は第１軸Ｐ上に整列し、その結果、一方のねじり梁３４１は反射器マス３１の第１の側にあり、他方のねじり梁は反射器マス３１の反対側にある。
【００３２】
図３ａでは、可動フレームマス３２は、第１軸Ｐ上に整列した１対の第２ねじり梁３８１および３８２によって固定フレーム３３から懸架され、その結果、第１軸Ｐは、可動マスシステムの唯一の傾斜軸を形成する。言いかえれば、第２ねじり梁３８１および３８２は、可動フレームマス３２の中点を固定フレーム面に固定させておく。Ｐ軸は、図３ａにおける横軸である。第２ねじり梁３８１および３８２は、一方の端部から、それぞれアンカ点３３３および３３４に取り付けられている。各第２ねじり梁３８１および３８２の反対側の端部は、可動フレームマス３２に取り付けられている。
【００３３】
反射器マス３１、可動フレームマス３２および懸架部３５１〜３５４はすべて、第１軸Ｐに対して対称的に配置されてもよく、その結果、可動マスシステムは、第１軸に対して平衡が保たれる。
【００３４】
図３ａに示すＭＥＭＳ反射器システムは、一次元走査を行うことができる。第１軸Ｐは常に、固定フレーム面で静止している。可動フレームマス３２、ひいては可動フレーム面は、可動マスシステムが振動すると、固定フレーム面内および固定フレーム面外で回転する。言いかえれば、一次元走査では、可動フレームマス３２および反射器マス３１は両方とも、図３ａの第１軸Ｐを中心とする面外回転を行ってもよいが、軸Ｐ自体は、図示したａｂ面で静止したままである。しかしながら、第１軸Ｐは可動フレームマスの回転軸であるため、可動フレーム面が回転する場合であっても、この軸は依然として可動フレーム面内にある。
【００３５】
図３ａでは、可動フレームマス３２は、１組の４つの懸架梁３５１〜３５４によって固定フレーム３３上のアンカ点３３１および３３２から懸架されている。図示した懸架梁は単なる例示であり、多くの様々な懸架梁の構造および形状を、この目的に利用することができるであろう。この場合、反射器システムは、懸架梁３５１〜３５４上の圧電変換器を含む１以上の作動部を備える。次いで、懸架梁は、対応する圧電変換器に駆動電圧が印加されると曲がるように寸法付けられるべきである。
【００３６】
各懸架梁３５１〜３５４は、第１固定点３６１〜３６４からアンカ点に、および第２固定点３７１〜３７４から可動フレームマス３２に取り付けられている。取付けは、図に示すように、ねじれ可撓性を有する取付バー３９１〜３９４を用いて行うことができる。
【００３７】
第２固定点３７１〜３７４を第１軸Ｐに対して適切に配置することによって、および、作動部に適切な駆動電圧信号を印加するように制御部を構成することによって、１以上の作動部で可動マスシステムを振動運動させることができる。懸架梁の数は、選択的に、４よりも多くても少なくてもよい。可動フレーム面周囲への懸架梁の最適な配置は、可動フレーム面の形状に依存し得る。
【００３８】
言いかえれば、各第１作動部は、少なくとも１つの懸架梁３５１〜３５４を含んでもよく、当該懸架梁は、当該懸架梁を固定フレーム面外に曲げるように構成された圧電変換器を含み、各懸架梁３５１〜３５４は、第１固定点３６１〜３６４から固定フレーム３３に、および第２固定点３７１〜３７４から可動フレームマス３２に取り付けられてもよい。
【００３９】
第１固定点３６１〜３６４が位置するアンカ点は、第１軸Ｐの両側に整列した２つのアンカ点３３１〜３３２を含んでもよい。２つのアンカ点３３１〜３３２は、第１軸Ｐから等距離に配置されてもよい。各懸架部３５１〜３５４は、第１横方向部分および第２縦方向部分を有するＬ字のような形状であってもよい。この形状により、懸架部３５１〜３５４は、可動フレームマス３２の対応するコーナー付近に到達し、その結果、第２固定点３７１〜３７４を可動フレームマスの横方向端部に配置することができる。この場合、第２固定点３７１〜３７４は、対応する第１固定点３６１〜３６４よりも第１軸Ｐに近い。第１軸Ｐから各第２固定点までの距離は、第１軸および第２軸の両方に対するトルクが十分大きいように最適化されてもよい。
【００４０】
作動部の数は４であってもよく、可動フレームマス上の４つの第２固定点は、可動フレーム面内に矩形を画定してもよい。矩形は、第１軸に対して鏡面対称であってもよい。
【００４１】
懸架梁３５１〜３５４について上で挙げた考察は、以下に示す二次元走査の実施形態にも当てはまる。しかしながら、一次元および二次元の両方の場合において、可動マスシステムの共振振動は、他の多くの懸架部および作動部でも引き起こすことができる。
【００４２】
あるいは、少なくとも１つの作動部は、容量性変換器（図３ａに示さず）を含むことができる。容量性変換器は、固定フレーム上の第１組の電極と、第１組の電極と相互嵌合する、可動フレームマスまたは懸架部のどちらかの上の第２組の電極とを含んでもよい。言いかえれば、容量性作動が用いられる場合であっても、可動フレームマスはなお、図３ａの梁３５１〜３５４などの懸架梁によって固定フレームから懸架されてもよい。懸架梁は、容量性変換器によって可動フレームマスをａｂ面外で回転させるのに十分に可撓性を有するべきである。
【００４３】
制御部が第１軸Ｐを中心として可動フレームマス３２を回転振動させると、ねじり梁３４１および３４２はねじれ運動を受ける。ねじり梁は、反射器マス３１にトルクを伝え、第１軸Ｐを中心として反射器マス３１を回転振動させる。第１ねじり梁３４１〜３４２のねじりばね定数によって、可動フレームマス３２の運動が反射器マス３１にどのように結合されるかが決まる。可動マスシステム（可動フレームマスおよび反射器マスを含む）の共振特性も、第１軸に対する可動フレームマスおよび反射器マスの慣性モーメント、さらに第２ねじり梁３８１〜３８２と取付バー３９１〜３９４との合成ばね定数によって決まる。
【００４４】
可動マスシステムは、２つの共振モードを有する。共通モード共振では、可動フレームマス３２および反射器マス３１は、第１軸Ｐを中心として同じ方向に回転する。図３ｂはこの振動モードを示し、点線はａｂ面に相当し、ｃ軸はａｂ面に垂直である。差動モード共振では、可動フレーム３２および反射器マス３１は、第１軸Ｐを中心として反対方向に回転する。図３ｃは、この振動モードを示す。
【００４５】
実際には、これらの２つの共振モードは同時に起こり、その結果、可動マスシステムの共振運動は、共通モード振動および差動モード振動の組合せになる。共通モード振動の共振周波数は、典型的に、差動モード振動の共振周波数より低い。また、共通共振モードと差動共振モードとの間に位相差がある。
【００４６】
任意のねじれ振動の周波数は、ねじりばね定数と慣性モーメントとの比の平方根に比例する。第１ねじり梁３４１〜３４２および第２ねじり梁３８１〜３８２のねじりばね定数を適切に選択することによって、ならびに、取付バー３９１〜３９４の配置およびねじりばね定数を適切に選択することによって、可動マスシステムの共通共振周波数および差動共振周波数を適切な値に調整することができる。これらの共振周波数の相対的な大きさは、例えば、１：２または１：３の関係に近づけるように調整されてもよい。ここで、共通モード共振周波数を先に示す。
【００４７】
第１軸Ｐを中心とする共通共振振動および差動共振振動についてのこれらの考察は、以下に示す二次元走査の実施形態にも当てはまる。
【００４８】
本開示で示す方法が、図３ａの反射器システムを運動させるために使用される場合、可動マスシステムの共振振動は、共通モード振動および差動モード振動の組合せになる。この共振振動の特性は、第１駆動信号周波数および第２駆動信号周波数によって、ならびに、対応する第１駆動信号振幅および第２駆動信号振幅によって決まる。これらの変数を適切に選択することによって、反射器システムの走査パターン、および特にパターン内における定期的なタイミングのレーザパルスの空間分布を変更することができる。
【００４９】
共通共振モードおよび差動共振モードの２つの組合せが特に重要である。第１の組合せでは、差動モード周波数は共通周波数の第三次高調波と等しく、２つのモード間の位相差は１８０°である。第２の組合せでは、差動モード周波数は共通周波数の第二次高調波と等しく、２つのモード間の位相差は９０°である。可動マスシステムが第１の組合せを実現する共振運動は、反射器システムの走査範囲の縁部よりも中心において、スポットがより密に詰まっている走査パターンを生成する。可動マスシステムが第２の組合せを実現する共振運動は、走査範囲の一端部よりも他端部においてスポットがより密に分布し得る走査パターンを生成する。第１の組合せおよび第２の組合せについてのこれらの一般的な考察は、以下に示す二次元走査の実施形態にも当てはまる。
【００５０】
図４は、第１の組合せが実施された駆動電圧信号で１次元走査が行われる場合のスポットの分布を概略的に示す。この場合、組合せは、以下のように書くことができる。
【００５１】
【数１】
2019174792.tif 000003
【００５２】
ここで、ｘは走査座標を表し、ωは第１駆動信号周波数、３ωは第２駆動信号周波数である。示した走査周波数は現実的なＭＥＭＳ反射器周波数ではないため、パターンは単なる例示である。しかしながら、スポットは、一定時間間隔でパルス化されており、図１に示した単純な正弦走査パターンよりも、走査座標ｙのすべての値にわたってはるかに均等に分布していることがはっきりと分かる。言いかえれば、図１に示した走査軌跡と比較して、図４の軌跡は、視野の真ん中において反射器の角速度がより遅いことを示す。したがって、視野の中点付近でより多くの測定データを収集することができ、それによって、測定分解能が向上する。
【００５３】
図５は、第２の組合せが実施された駆動電圧信号で１次元走査が行われる場合のスポットの分布を概略的に示す。この場合、組合せは、以下のように書くことができる。
【００５４】
【数２】
2019174792.tif 000004
【００５５】
ここで、ωは第１駆動信号周波数、２ωは第２駆動信号周波数である。繰り返すが、パターンは単なる概略であり、走査周波数は現実的ではない。この場合、スポットは走査範囲の下部よりも上部において、より密に分布している。言いかえれば、第２の組合せでは、視野の一縁部で反射器の角速度が減少する（それによって、点密度が増加し、測定分解能が向上する）。これらの知見は、以下の二次元の場合にまで及ぶ。
【００５６】
（二次元走査の実施形態）
図６は、真ん中に可動反射器マス６１を備えた走査微小電気機械反射器システムを示す。この反射器システムは、二次元走査に使用することができる。参照番号６１、６２、６３、６３１、６３２、６４１、６４２、６５１〜６５４、６６１〜６６４、６７１〜６７４および６７９１〜６７９４は、それぞれ図３ａの参考番号３１、３２、３３、３３１、３３２、３４１、３４２、３５１〜３５４、３６１〜３６４、３７１〜３７４および３７９１〜３７９４に対応する。
【００５７】
この場合、固定フレーム６３は２つのアンカ点６３１および６３２を含むが、可動フレームマス６２は第１軸Ｐ上で固定フレーム６３に取り付けられていない。ねじり梁６４１および６４２は常に可動フレームマスの動きに追従しているため、第１軸Ｐは常に可動フレーム面にある。ＭＥＭＳ反射器システムが二次元走査を行う場合、可動フレームマス６２も、Ｐに垂直な第２軸、例えば図６の軸Ｑを中心としてａｂ面外で回転させる。この場合、第１軸Ｐは、固定フレーム面で静止したままではない。第１軸Ｐは、可動フレームマス６２と共にＱ軸を中心として振動する。しかし、第１軸６２は常に、可動フレームマス６２によって画定された可動フレーム面にある。図６において、軸Ｐは横方向であり、軸Ｑは縦方向である。
【００５８】
第１軸Ｐを中心とする振動は、上記の一次元走査の実施形態に記載したのと同じ作動機構を用いて発生させることができる。二次元振動には、第２軸Ｑを中心とする振動も必要である。可動フレームマス６２は、２以上の懸架梁６５１〜６５４によって固定フレーム６３から懸架されてもよく、システムは、２以上の懸架梁に連結された１以上の第２作動部を備えてもよい。制御部は、第３駆動信号周波数を有する第３駆動信号成分を含む１以上の第２駆動電圧信号であって、１以上の第２作動部が、固定フレーム面内で第２軸Ｑを中心として可動マスシステムを振動共振傾斜運動させる力に変換する１以上の第２駆動電圧信号を、１以上の第２作動部に印加するように構成されてもよい。可動フレーム面が固定フレーム面と一致する場合、第２軸Ｑは第１軸Ｐに垂直である。
【００５９】
反射器マス６１、可動フレームマス６２および懸架部６５１〜６５４はすべて、第１軸Ｐに対して対称的に配置されてもよく、さらに第２軸Ｑに対して対称的に配置されてもよい。
【００６０】
第２作動部は、懸架梁のうちのいずれかの上に圧電作動部を含んでもよく、または、可動フレームマスおよび固定フレームの上の相互嵌合した電極を有する容量性変換器を含む。
【００６１】
少なくとも１つの第２作動部は、第１作動部と同じ作動部であってもよい。言いかえれば、同じ作動部が、第１軸Ｐを中心とする振動および第２軸Ｑを中心とする振動の両方を発生させてもよい。懸架梁６５１〜６５４を例にとり、これらの梁の各々が、懸架部を固定フレーム面内で、および固定フレーム面外に曲げることができる圧電作動部を含むと仮定すると、制御部は、懸架梁６５１および６５３の第２取付点６７１および６７３を同時に上昇／下降させ、懸架梁６５２および６５４の第２取付点６７２および６７４を下降／上昇させることによって、第１軸Ｐを中心とする振動を発生させるように構成されてもよい。一方、第２軸Ｑを中心とする振動は、懸架梁６５３および６５４の第２取付点６７３および６７４を同時に下降／上昇させながら、懸架梁６５１および６５２の第２取付点６７１および６７２を同時に上昇／下降させるように制御部を構成することによって発生させてもよい。この場合、第１駆動電圧信号および第２駆動電圧信号は、作動部に印加される１つの駆動電圧信号において重畳されてもよく、可動マスシステムの動きは、第１軸Ｐおよび第２軸Ｑを中心とする振動運動の対応する組合せになる。
【００６２】
あるいは、第２作動部は、第１作動部と同じ作動部でなくてもよい。例えば、制御部は、単に、懸架梁６５１および６５３の第２取付点６７１および６７３を上昇および下降させることによって、第１軸Ｐを中心とする振動を発生させるように構成されてもよい。制御部は、単に、懸架梁６５４の第２取付点６７４を下降させながら、懸架梁６５２の第２取付点６７２を上昇させることによって、第２軸Ｂを中心とする振動を発生させるように構成されてもよい。その逆も同様である。さらに別の代替方法は、各懸架梁６５１〜６５４が、第１作動部として機能する１つの圧電アクチュエータと、第２作動部として機能する第２圧電アクチュエータとを含むものである。この場合、第１駆動電圧信号および第２駆動電圧信号は、別個の作動部に印加される全く別個の信号であってもよい。
【００６３】
いずれの場合も、第２作動部が第１作動部と同じ作動部であってもなくても、各第１作動部および各第２作動部は、懸架梁を固定フレーム面外に曲げるように構成された圧電変換器を含む少なくとも１つの懸架梁６５１〜６５４を含んでもよく、各作動部６５１〜６５４は、第１固定点６６１〜６６４から固定フレーム６３に、および第２固定点６７１〜６７４から可動フレームマス６２に取り付けられてもよい。
【００６４】
第１軸Ｐおよび第２軸Ｑの異なる側に配置された圧電作動部についてのこれらの考察は、同じ位置にある容量性作動部にも直接当てはまる。
【００６５】
第２軸Ｑを中心とする振動数は、第１軸Ｐを中心とする共通モード振動数より低くてもよい。例えば、第２軸Ｑを中心とする振動数は数百ヘルツであってもよく、第１軸Ｐを中心とする共通モード振動数は数千ヘルツであってもよい。第１軸を中心とする振動および第２軸を中心とする振動は完全に独立させることができ、その結果、一方の振動を一定にしたまま、他方の振動を調整することができる。
【００６６】
第１固定点６６１〜６６４が位置するアンカ点は、第１軸Ｐの両側にある第２軸Ｑ上に整列した２つのアンカ点６３１〜６３２を含んでもよい。２つのアンカ点６３１〜６３２は、第１軸Ｐから等距離に配置されてもよい。一次元の例のように、図６に示すように、第２固定点６７１〜６７４は、対応する第１固定点６６１〜６６４より第１軸Ｐに近くてもよい。第１軸Ｐおよび第２軸Ｑから各第２固定点６７１〜６７４までの距離は、第１軸および第２軸の両方に対するトルクが十分大きくなるように最適化されてもよい。
【００６７】
作動部の数は４であってもよく、可動フレームマス上の４つの第２固定点は、可動フレーム面内に矩形を画定してもよい。矩形の中点は、第１軸Ｐと第２軸Ｑとの交点に位置してもよい。
【００６８】
図７は、第１の組合せが実施された第１駆動電圧信号と、単純な正弦関数である第２駆動電圧信号とで２次元走査が行われる場合の走査軌跡を示す。言いかえれば、走査関数は、以下のとおりである。
【００６９】
【数３】
2019174792.tif 000005
【００７０】
【数４】
2019174792.tif 000006
【００７１】
ここで、ｘは水平走査座標、ｙは垂直走査座標を表し、ωｘは第１駆動信号周波数、３ωｘは第２駆動信号周波数、ωｙは第３駆動信号周波数である。曲線軌跡は、図２に示した単純な正弦走査軌跡よりも、水平軸の真ん中付近にはるかにより密に集まっている。これは、反射器の角速度が視野の水平方向中央部分で低下したため、図７の中央部分は、図２の軌跡より大きな測定分解能で走査することができることを意味する。
【００７２】
図８は、第２の組合せが実施された第１駆動電圧信号と、単純な正弦関数である第２駆動電圧信号とで２次元走査が行われる場合の走査軌跡を示す。言いかえれば、走査関数は、以下のとおりである。
【００７３】
【数５】
2019174792.tif 000007
【００７４】
【数６】
2019174792.tif 000008
【００７５】
ここで、ωは第１駆動信号周波数、２ωは第２駆動信号周波数である。この場合、曲線軌跡は、水平軸の真ん中または左側よりも右側に多く集まっている。言いかえれば、反射器の角速度は、視野の右側で低下したため、このセクタは、より大きな測定分解能で走査することができる。このセクタはまた、第１駆動信号成分と第２駆動信号成分との位相差を変更することによって、水平軸の左側にシフトさせてもよい。
【００７６】
（駆動周波数チューニング）
ＭＥＭＳ反射器システムが複数の共振モードで実施される場合、部品寿命の間、システムの共振特性が互いに対してシフトする可能性がある。言いかえれば、共通モード共振周波数と差動モード共振周波数との初期における１：２または１：３の関係が、いつまでも正確なままではない可能性がある。反射器システムに影響を与える温度応力または機械的応力により、振動数シフトが生じ得る。したがって、懸架部のばね定数は使用中にずれ得る。
【００７７】
共振周波数に近ければ、第１駆動信号周波数または第２駆動信号周波数の周波数ずれが小さくても、可動マスシステムの共振振動を保持するために第１駆動信号成分と第２駆動信号成分との間に存在すべき位相差を劇的に変化させ得る。
【００７８】
さらに、製造公差の制限によっても、システム内の可動部品の寸法が理想設計値とわずかに異なるものになり得る。これにより、共通モード共振周波数と差動モード共振周波数との初期の関係さえも、計画した１：２または１：３の割合とわずかに異なるものになり得る。第１駆動信号周波数と第２駆動信号周波数との関係が可動マスシステムの共振特性に正確に対応しない場合、可動マスシステムの共振は最適な方法で駆動されない。
【００７９】
言いかえれば、可動マスシステムの機械的特性で決まる真の差動モード共振周波数は、共通モード共振周波数の第二次高調波または第三次高調波である理想値と、必ずしも全く等しいとは限らない場合がある。例えば、反射器システムが使用されている場合、真の差動モード共振周波数は、共通モード共振周波数の３．１倍の値にずれてもよい。第２駆動信号周波数を、測定された共通モード共振周波数のちょうど３倍と等しい値に制御部が設定する上記駆動方式は、この場合、もはや最適ではないであろう。周波数ずれが深刻である場合、（３のような）固定値に基づく駆動方式では、可動マスシステムにおいて所望の共振が全く発生しない場合がある。
【００８０】
周波数ずれで生じる問題を防ぐために、本開示は、可動マスシステムおよび固定フレームに連結され、かつ、第１軸に対する可動マスシステムの振動共振傾斜運動を１以上の感知電圧信号に変換するように構成される１以上の感知部と、可動マスシステムに連結され、かつ、１以上の駆動チューニング電圧を、第１軸を中心とする可動マスシステムの振動を変更する力に変換するように構成される１以上の駆動チューニング部とを備える走査微小電気機械反射器システムについて記載する。
【００８１】
制御部は、可動マスシステムの共通モード共振振動に対応する第１感知信号成分と、可動マスシステムの差動モード共振振動に対応する第２感知信号成分とを、１以上の感知電圧信号から繰り返し測定し、第１感知信号成分と第２感知信号成分との測定された位相差を決定するように構成されてもよい。制御部はまた、１以上の駆動チューニング部に１以上の駆動チューニング電圧を連続的に印加して、測定された位相差を所定の位相差値と等しく維持するように構成されてもよい。
【００８２】
対応する方法は、可動マスシステムの共通モード共振振動に対応する第１感知信号成分と、可動マスシステムの差動モード共振振動に対応する第２感知信号成分とを、１以上の感知電圧信号から繰り返し測定し、第１感知信号成分と第２感知信号成分との測定された位相差を決定するステップを含む。方法はまた、１以上の駆動チューニング部に１以上の駆動チューニング電圧信号を連続的に印加して、測定された位相差を所定の位相差値と等しく維持するステップを含む。
【００８３】
言いかえれば、ＭＥＭＳ反射器システムは、可動マスシステムの振動を監視するための感知変換器を含んでもよい。反射器の向きを時間の関数として測定しなければならないため、ＭＥＭＳ反射器システムに動作感知が通常組み込まれている。次いで、所与の時点に出射され、取り出されたレーザパルスを、タイムスタンプおよび視野内の特定位置への参照と共に記憶することができる。ＭＥＭＳ反射器システムが二次元視野を走査する場合、システムは、第１軸Ｐおよび第２軸Ｑの両方を中心とする可動マスシステムの振動を測定するための感知変換器を含んでもよい。
【００８４】
しかしながら、本開示では、ＭＥＭＳ反射器システムが一次元走査を行うか、二次元走査を行うかにかかわらず、「感知部」という用語は、第１軸Ｐを中心とする可動マスシステムの共振振動を測定する感知変換器のみを指し、「感知信号」という用語は、これらの感知変換器から得られる信号のみを指す。
【００８５】
上で説明したように、第１軸Ｐを中心とするＭＥＭＳ反射器システムの共振振動は、２つの別個の共振モードである、共通共振モードおよび差動共振モードを含む。一方、第２軸Ｑを中心とする可動マスシステムの共振振動は、１つのみの共振モードを含む。第２軸Ｑを中心とする振動は、対応する共振周波数を測定し、必要ならば第３駆動信号周波数を調整することによって、周波数ずれを調整することができる。一方、第１駆動信号成分および第２駆動信号成分の周波数および位相の両方は、可動マスシステムの真の共通振動モードおよび差動振動モードに正確に対応しなければならないため、第１軸Ｐを中心とする可動マスシステムの振動は、より不安定である。例えば、加えられた力に小さな位相誤差があると、可動マスシステムのバランスのとれた共振がすぐに妨げられ得る。
【００８６】
可動マスシステムおよび固定フレームに連結された１以上の感知部は、例えば、懸架部上の圧電変換器であってもよい。あるいは、１以上の感知部は、可動マスフレーム上のロータ電極と、固定フレーム上のステータ電極とを有する容量性変換器であってもよい。ロータ電極はまた、可動マスフレーム上の代わりに、部分的に可動性を有する懸架部上に配置されてもよい。可動マスシステムの動きによって懸架部が曲がる際、圧電感知変換器から感知信号が読み出されてもよい。または、可動マスシステムの動きによってロータ電極およびステータ電極において電荷の蓄積および散逸が交互に引き起こされる際、容量性感知変換器から感知信号が読み出されてもよい。
【００８７】
図３ａ、図６および図９では、反射器システムは、例えば４つの感知部を備えてもよい。各感知部は、それぞれ懸架部３５１〜３５４、６５１〜６５４または９５１〜９５４のうちの１つに配置された圧電変換器であってもよい。いくつかの感知部を使用して、同一の変数を測定する場合、これらの変換器から得られる電圧を組み合わせて、より強い感知信号を得てもよい。反射器マスの動きを別々に監視する必要はない。可動フレームマスの動きから測定された感知信号により、可動マスシステムの振動に関する必要な情報がすべて明らかになる。
【００８８】
上述のように、駆動チューニング部は、１以上の駆動チューニング電圧を、第１軸を中心とする可動マスシステムの振動を変更する力に変換する。駆動チューニング部は、特に、駆動チューニング電圧を、静電ばね定数として可動マスシステムに作用する１以上の力（１以上の駆動チューニング部に対応する）に変換してもよい。言いかえれば、可動マスシステムの共振振動における周波数ずれは、適切な駆動チューニング電圧で周波数ずれに応答するように制御部を構成することによって補正または補償されてもよい。次いで、駆動チューニング部からの力は、静電ばね定数として可動マスに作用する。駆動チューニング電圧が可動マスシステムに永久に印加される場合、静電ばね定数はまた、共振振動に永久に影響を与える。可動マスシステムの共振特性が、使用中にそれらの元の値からさらにずれる場合、駆動チューニング電圧信号の大きさは、徐々にさらなる調整がなされてもよい。
【００８９】
駆動チューニング部は、例えば、可動マスフレーム上のロータ電極と、固定フレーム上のステータ電極とを有する１以上の容量性変換器を含んでもよい。図９はＭＥＭＳ反射器システムを示し、参考番号９１、９２、９３１〜９３２、９５１〜９５４および９９１〜９９４は、それぞれ図６の参考番号６１、６２、６３１〜６３２、６５１〜６５４および６９１〜６９４に対応する。固定フレーム９３はステータ電極９９１を含み、対応するロータ電極９９２は懸架部９５１〜９５４上に配置される。
【００９０】
あるいは、駆動チューニング部は、可動マスフレーム上のロータ電極と、可動フレーム面の上方または下方にある空洞壁上のステータ電極とを有する１以上の容量性変換器を含んでもよい。図１０はＭＥＭＳ反射器システムを示し、参照番号１０２は、図６の参照番号６２に対応する。この図は垂直断面であるため、示したｃ軸はａｂ面に垂直である。可動フレームマス１０２および可動マスシステム全体は、ｂｃ面に垂直である第１軸Ｐを中心として振動する。可動マスシステムは、空洞壁１０７１および１０７２によって垂直のｃ方向に画定された空洞１０７内で振動する。空洞壁は、例えば、デバイスウェハの上に配置されたパッケージングウェハの一部であってもよい。
【００９１】
駆動チューニング部のロータ電極１０８１は、可動フレームマス１０２上に、好ましくは、可動マスシステムが振動した時に空洞壁１０７１に最も近づく可動フレームマスの縁部付近に、第１軸Ｐから遠く離れて配置されてもよい。駆動チューニング部のステータ電極１０８２は、空洞壁１０７１上に配置されてもよく、垂直方向にロータ電極１０８１と整列してもよい。あるいは、ステータ電極は、図１０に示す下部空洞壁１０７２上に配置し、対応するロータ電極は可動フレームマス１０２の下側に備えることができるであろう。あるいは、ロータ電極およびステータ電極は、可動フレームマス１０２の上側および下側の両方に配置することができるであろう。
【００９２】
ＭＥＭＳ反射器システムの制御部は、１以上の感知部によって生成される感知電圧信号を連続的に監視するように構成されてもよい。制御部は、それぞれ共通モードおよび差動モードの共振モードに対応する第１感知信号成分および第２感知信号成分を識別するように構成されてもよい。制御部は、それら２つの共振モードに対応する信号成分間の位相差を測定するように構成されてもよい。差動モード共振周波数が共通モード共振周波数の第二次高調波周波数である場合、所定の位相差は９０°である。差動モード共振周波数が共通モード共振周波数の第三次高調波周波数である場合、所定の位相は１８０°である。
【００９３】
共通モード振動と差動モード振動との測定された位相差が、これらの理想値と等しい場合、上述の駆動方式により、両方の共振モードが保持される。しかしながら、測定された位相差が所定の位相差（９０°または１８０°のいずれか）と異なる場合、少なくとも１つの共振周波数がずれ、ＭＥＭＳ反射器システムにおいて、可動マスシステムが共振振動しなくなるリスクがあり得る。
【００９４】
制御部は、測定された位相差が所定の位相差と異なる場合、駆動チューニング部に駆動チューニング電圧を印加するように構成されてもよい。この電圧によって生成された静電ばね定数により、可動マスシステムの共振特性が変わる。その静電ばね定数により、共通モード共振周波数、または差動モード共振周波数、またはそれらの両方が変わり得る。制御部は、例えば、第１軸Ｐの片側に位置する駆動チューニング部に第１の駆動チューニング電圧を印加し、第１軸Ｐの反対側に位置する駆動チューニング部に第２駆動チューニング電圧を印加することによって、特定の共振周波数の変化を対象とするように構成されてもよい。第１駆動チューニング電圧および第２駆動チューニング電圧が等しくない場合、典型的に、２つの共振周波数のうちの一方は、他方よりも強く駆動チューニングによって影響を受ける。
【００９５】
制御部は、測定された位相差が再び所定の位相差と等しくなるまで、例えば、駆動チューニング電圧を上昇させて変化させるように構成されてもよい。制御部は、新たな位相差測定によって、位相差が再び変わったことが明らかになるまで、測定された位相差が所定の位相差と等しいレベルに駆動チューニング電圧を維持するように構成されてもよい。
【００９６】
両方の共振モードにおける反射器の向きおよび振動振幅は、１以上の感知部から得られる感知電圧信号によって連続的に監視することができる。図１１ａは、図３ａに示した反射器システムにおける共通モードの振幅を調整する方法を示す。この例では、懸架部３５１〜３５４上に配置された４つの感知部からの感知電圧信号が、図の左側に示すように、１つの信号に合成される。この信号は、ローパスフィルタおよび振幅検出部を通過する。検出された振幅は、共通モード共振振幅の目標値と比較される。検出された振幅が目標値と異なる場合、共通モードに対応する駆動信号成分の振幅を適切に調整することができ、その結果、共通モード振幅はその目標値により近い振幅に戻る。
【００９７】
図１１ｂは、図３ａに示した反射器システムにおける差動モード振幅を調整する対応する方法を示す。この場合、合成された信号がハイパスフィルタを通過し、差動モードに対応する駆動信号成分の振幅が、目標値との比較後に調整される。
【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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【外国語明細書】
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【図１】
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【図２】
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【図３ａ】
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【図３ｂ】
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【図３ｃ】
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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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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１ａ】
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【図１１ｂ】
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