(57)【要約】  【課題】    静電駆動型のマイクロミラーは、揺動角度を大きくするためには、印加する周期的な電圧の最大電圧を大きくする必要がある。しかし、最大電圧を大きくする事は、電極間の耐圧や電源の耐圧を高くする必要があり、装置の大型化につながるという課題があった。  【解決手段】    駆動電圧として印加する周期的電圧が最大点から最小点に向かう期間に、別途電圧を印加する。この期間の電極間の電圧を下げる事で、揺動角度がゼロになる付近での静電引力を低くし、揺動運動への抵抗を低くすることで、ミラー部の揺動角度は大きくなる。本発明により周期電圧の最大値を大きくすることなく、揺動角度を大きくできる。【選択図】      図１ａ
2007047600.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
マイクロミラーと一体に形成された第１の電極と、
前記第１の電極とは絶縁された第２の電極を有し、
前記２つの電極間に印加される周期的な電圧で揺動するマイクロミラーの駆動装置であって、
バイアス電圧を発生する直流電源部と、
正弦波電圧を発生する正弦波電源部と、
ステップ波を発生するステップ波電源部とを有することを特徴とする駆動装置。
【請求項２】
前記ステップ波電源部は前記正弦波電源部の発生する正弦波が最大電圧から最小電圧に変化する区間でステップ波を発生することを特徴とする請求項１記載の駆動装置。
【請求項３】
マイクロミラーと一体に形成された第１の電極と、
前記第１の電極とは絶縁された第２の電極を有し、
前記２つの電極間に印加される周期的な電圧で揺動するマイクロミラーの駆動方法であって、
前記周期的な電圧は最大電圧の時点の前後半周期の波形が、前記最大電圧の時点を対称軸として非対称形となっている駆動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロミラーを用いた光学装置の駆動装置および駆動方法に関するものである。特にマイクロミラーはＭＥＭＳ技術を用いて作成されたものを対象とする。
【背景技術】
【０００２】
近年、シリコンなどの半導体基板に、エッチングや成膜などのマイクロマシニング技術を用い、様々な機械要素の小型化を実現するＭＥＭＳ（Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍ）が提案されている。静電引力によって揺動するマイクロミラーは、ＭＥＭＳ技術を用いた光学デバイスとして開発が進められている（例えば特許文献１、２参照）。
【０００３】
図６は静電駆動型マイクロミラーの原理図を示す。静電駆動型マイクロミラー１００は、同一平面に形成したミラー部１０１、サスペンションビーム部１０１ａ、絶縁部１０１ｃ、第１電極１０１ｄおよび第２電極１０２から成る。ミラー部１０１とサスペンションビーム部１０１ａと第１電極１０１ｄは一体である。これらと第２電極１０２は絶縁部１０１ｃにより電気的に絶縁されている。
【０００４】
第２電極１０２を接地１０６しておき、第１電極１０１ｄに正弦波電圧１０７ｂ（図では「ＡＣ」と表現した）を印加することで、矢印１０４のようにミラー部１０１が揺動する。正弦波電圧１０７ｂはバイアス電源１０７ａで直流的にバイアスされている。第1電極の櫛型部１０１ｂと第２電極の櫛型部１０２ａは非接触の状態で交差しており、揺動のための静電引力を得るために設置されている。
【０００５】
また、このような構造のマイクロミラーに対して、実用的に用いることのできる静電引力は、大変小さいため、マイクロミラーの揺動には空気抵抗さえも障害となる。そこで、マイクロミラー自体を０．１気圧程度に減圧されたパックに封入する場合もある。
【０００６】
このマイクロミラーは、入射させた光の反射経路を変更することができるため、レーザー光のスイッチングやスキャニング装置の小型化に役立つと期待されている。
【０００７】
特にスキャニング装置は、一定幅に渡ってレーザー光を変位させる必要がある。そのため装置を小型化するに、マイクロミラーは、大きな揺動角度を有することが望ましい。
【０００８】
揺動角度や揺動周波数の制御に関してはいくつかの提案が開示されている（例えば特許文献３参照）。
【特許文献１】特開平１１−３０５１５９号公報
【特許文献２】特開２００２−３１１３７６号公報
【特許文献３】特開２００２−３１１３７６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
図７に、図６に示した駆動電圧１０７ａの波形とミラー部１０１の揺動の様子を表す模式図を示す。ミラー部（ア乃至ケ）は図６のＡ方向から見て、第２電極１０２との関係を示す。第２電極の位置は、一点鎖線で示す。矢印は、ミラー部の角速度を表す。駆動電圧２００は、正弦波電圧とバイアスのための直流電圧を重畳した電圧である。バイアス電圧Ｖｂは、正弦波電圧の振幅の半分の強度である。従って、供給される正弦波電圧は、最小値がゼロボルト（以下「Ｖ」）となる。今の場合、第２電極は接地しているので、グランド電圧となる。これらの電圧は図６の正弦波電圧源１０７ｂと直流電圧源１０７ａからミラー部の第１電極１０１ｄに供給されている。
【００１０】
このときのミラー部１０１の揺動の様子を図７を参照して説明する。なお、第２電極との角度を揺動角度とする。また、図７において、揺動角度は、第２電極から見て反時計回りの方向を正方向、第２電極から見て時計回りの方向を負方向とする。
【００１１】
駆動電圧が中間値（Ｖｂ）のときに、揺動角度が正方向で最大となる（ア）。ミラー部は、ここから時計方向へ回転を始める。その後、ミラー部が、アの位置からウの位置の間に来たとき、駆動電圧は最大となる（イ）。
【００１２】
この時、静電引力に基づく電極間の引力により、ミラー部はさらに加速される。駆動電圧はその後低下し、中間値に戻ったとき、揺動角度はゼロとなる（ウ）。言い換えると、第２電極とミラー部のなす角度はゼロとなる。
【００１３】
ミラー部は時計方向に角速度を有しているので、反時計方向への回転運動は継続する。そして、サスペンションビームによる反力によって角速度がゼロになる位置まで進む（オ）。この地点で、負方向の揺動角度の絶対値は最大となる。また駆動電圧は中間値にもどっている。
【００１４】
（オ）の地点から、ミラー部は反時計方向へ回転を始める。そして、揺動角度がゼロになる前の地点（カ）で駆動電圧は最大値となり、回転は加速される。揺動角度がゼロになったとき、駆動電圧は再び中間値の値に戻っている（キ）。
【００１５】
揺動角度がゼロになったときに角速度を有しているのは、（ウ）の場合と同じであり、再びサスペンションビームの反力によって角速度を失う点まで反時計方向に回転する（ケ）。
【００１６】
このようにしてミラー部は微小な揺動を繰り返す事になる。ここでわかるように、駆動電圧の周波数はミラー部の揺動周波数ωの２倍すなわち２ωになっている。すなわち、揺動の１周期は（ア）から（ケ）の間の時間であるが、その間駆動電圧は２周期分印加されている。
【００１７】
言い換えると、周波数２ωの静電引力駆動電圧を加えると、静電駆動トルクの周波数はωとなり、その結果静電型マイクロミラーはωで強制揺動振動することとなる。
【００１８】
上記の説明でわかるように、ミラー部の揺動角度を大きくするためには、駆動電圧２００の最大値（ピーク値）を大きくし、静電引力を大きくして、第２電極とのなす角度がゼロの際の揺動運動への抵抗力を低くする必要がある。
【００１９】
しかし、駆動電圧の振幅を大きくするのは、電圧源の大型化やマイクロミラーの電極間の絶縁性を考えるとあまり上げられないという矛盾する課題が存在する。
【００２０】
本発明はこのような技術的な課題に対してなされたもので、印加する駆動電圧のピーク値を高くする事なく、ミラー部の揺動角度振幅を大きくする駆動装置および駆動方法に関わるものである。
【課題を解決するための手段】
【００２１】
本発明は、ミラー部に印加する駆動電圧を、時間軸上で見た際に、ピーク値を有する時刻の前後で電圧上昇過程と下降過程で非対称の波形にすることを特徴とする。
【００２２】
すなわち、揺動角度がゼロの付近になったときに、駆動電圧を一時的に下げることで、サスペンションビームのばね定数を一時的に下げる。その結果、ミラー部の回転を容易にし、駆動電圧のピーク値を下げても同様の揺動角度振幅を得るものである。換言するならば、周波数ωで揺動強制振動する系に対し、そのばね定数を２ωの周波数で変動させることにより、周波数ωでの自励振動（パラメーター励振）をも発生させるものである。
【発明の効果】
【００２３】
駆動電圧波形を電圧上昇過程と下降過程で非対称にすることによって、揺動角度がゼロ付近の時のサスペンションビームのばね定数が低下し、この期間でミラー部が回転しやすくなる。
【００２４】
すなわち、従来の駆動電圧に対して低いピーク値の駆動電圧で、従来と同じ揺動角度振幅を得る事ができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２５】
図１ａに本発明の駆動波形の概念図とミラー部の揺動の様子を示す。ミラー部の表現については、図７の場合と同じである。駆動波形は、正弦波電圧１０と、直流バイアス電圧１１と、ステップ電圧１２とからなる。図１ａには、直流電圧にバイアスされた正弦波電圧と、直流電圧にバイアスされたステップ波形電圧とをあらわしているが、実際はこれらが、重畳されて、図１ｂのようになっている。
【００２６】
図１ａを参照して、本発明の駆動波形の動作の様子を説明する。駆動電圧が中間値のときに、揺動角度が正方向で最大となる（ア）。第１電極はここから時計方向へ回転を始める。その後、ミラー部が、（ア）の位置から（ウ）の位置の間に来たとき、駆動電圧は最大となる（イ）。
【００２７】
この時、静電引力に基づく電極間の引力により、ミラー部はさらに加速される。この点から駆動電圧はゼロＶまで減少してゆく。一方ミラー部の揺動角度も減少し、ゼロとなった後、負方向に揺動角度の絶対値を増加させる（イからエ）。この期間を静電引力減少期間１３とする（カからクも同様）。
【００２８】
本発明はこの期間にステップ電源からマイナスのステップ電圧１２を、駆動の正弦波とは別に第１電極に加える。なお、第１電極はミラー部と一体に成型されている。
【００２９】
この期間にマイナスのステップ電圧を加えた時の、ミラー部の挙動を定性的に説明する。図２には、揺動角度がゼロ付近のミラー部を正面から見た図を示す。図２のミラー部の第１電極１０１ｄと第２電極１０２に電圧を加えると、櫛型電極部（１０１ｂと１０２ａ）にコンデンサーが形成されているが、１０１ｂと１０２ａとのお互いに引き合う力が減少する。
【００３０】
するとマイクロミラー全体でみると幅方向の引張内力５０が減少する。この引張内力５０の減少によって、サスペンションビームの静電引力に基づくばね定数は、減少するとともに、ミラー部の揺動運動を抑制するばね力も低減することとなり、結果としてマイクロミラー揺動角度振幅が増加する。
【００３１】
なお、本明細書では、駆動電圧として正弦波にマイナスのステップ電圧を加える事で駆動電圧を非対称形にしたが、本発明の技術思想に基づいてマイナスの鋸波で近似したり、複数のマイナスのステップ波形の組合せで行ってもよい。また、バイアス電圧は正弦波電圧の中間値としたが、それ以外の値に設定してもよい。
【００３２】
図３には、図１の駆動波形を実現するための駆動回路の構成とマイクロミラーの関係を示す。マイクロミラー１００は図７と同じ構成とする。駆動回路２０はマイクロミラーの第１電極に接続される。マイクロミラーの第２電極は接地されている。
【００３３】
駆動回路２０は、直流電源２１、正弦波電源２２、ステップ波電源２３からなる。直流電源２１はバイアス用の直流電圧を、正弦波電源２２は駆動用の正弦波電圧を発生させる。また正弦波電源２２はステップ波電源２３へ正弦波電圧を送る。ステップ波電源２３は、正弦波電源２２からの正弦波電圧を受け取り、静電引力減少期間１３へ入るステップ波を作成する。
【００３４】
図４には、ステップ波電源２１の一例を示すが、この構成に限定されるものではない。ステップ波電源２１は、ゼロクロス検出回路３１と分周回路３２と反転回路３３と位相遅延回路３４からなる。この働きを簡単に説明する。
【００３５】
入力される正弦波３５はバイアスされる前の正弦波であって、電圧ゼロＶを中心にした電圧である。この入力電圧に対してゼロクロス検出回路３１は、電圧ゼロの点を検知し、ステップを発生させる（図４の３６の波形）。
【００３６】
ここで作られたステップ波を分周回路３２で半分に分周する（図４の３７の波形）。そして、反転回路３３でマイナスのステップ波とした後（図４の３８の波形）位相遅延回路３４によってテンション付加期間までステップ波を遅延させる（図４の３９の波形）。従って、ステップ波電源２１の出力は波形３９である。この出力は入力波形３５と再度重畳される。波形４０はこの重畳される個々の波形を時間軸を合わせた状態で示す。
【００３７】
以上のように、バイアス電圧、正弦波電圧およびステップ波電圧の３つの波形を重畳させることで、図１ｂの波形を得る事ができる。
【実施例】
【００３８】
実際にこの駆動装置の効果を確認した。図５に駆動波形を示す。駆動波形の諸元は以下の通りである。正弦波電圧は、６ｋＨｚで、振幅は１００Ｖｐ−ｐである。ここで「Ｖｐ−ｐ」は振幅の最大値と最小値の差の絶対値を表す。直流バイアス電圧は５０Ｖである。ステップ波の時間幅は、正弦波電圧の半周期の２／３とした。ここで、半周期はＴ／２と表記した。
【００３９】
すなわち、６ｋＨｚの正弦波の周期が１６７マイクロセカンド（以下「μｓ」）であるので、半周期は８４μｓである。その２／３である５６μｓをステップ波の幅とした。ステップ波の振幅は正弦波電圧の半振幅の３％である１．５Ｖとした。
ステップ波は、静電引力減少期間に印加する。正弦波電圧の静電引力減少期間の真ん中にステップ波が来るように位相を調整した。
【００４０】
マイクロミラーの諸元は以下の通りである。マイクロミラーは、厚さ１ｍｍのシリコン基板にＭＥＭＳ技術で作成された直径５ｍｍのマイクロミラーである。図６に示すように第１電極と第２電極には、櫛形部が形成されており、全部で３２個の櫛型電極を設けてある。サスペンションビームは幅０．５ｍｍ、長さが片側７ｍｍである。マイクロミラーは密閉構造の筐体に封印され、内部は０．１気圧に減圧されている。
【００４１】
揺動角度の測定はマイクロミラーにレーザー光をあて、その反射光をＰＳＤ（Position Sensitive Detector）を用いて測定した。
このようなマイクロミラーを上記の駆動電圧で駆動させたところ、ほぼ３ｋＨｚの周期で、揺動角度は、全振幅（正方向の最大揺動角度から負方向の最大揺動角度）で１７．８度であった。
【００４２】
同じマイクロミラーに対してステップ波を重畳せず、正弦波電圧とバイアス電圧だけで、同じ揺動角度にするには、１１１Ｖｐ−ｐの正弦波電圧と５５．５Ｖのバイアス電圧が必要であった。
【００４３】
すなわち、本実施例ではおよそ１０％の駆動電圧の最大値の削減効果があった。
【産業上の利用可能性】
【００４４】
本発明のマイクロミラーを用いた光学装置の駆動装置および駆動方法は、最大電圧を高くすることなくマイクロミラーの揺動角度を大きくできるので、装置全体の小型化をはかる事ができる。そのためレーザープリンタやスキャナの光学エンジンなどに有用である。
【図面の簡単な説明】
【００４５】
【図１ａ】本発明の駆動波形の要素を表す図
【図１ｂ】本発明の駆動波形の要素を重畳させたときの波形を表す図
【図２】本発明の駆動の原理を定性的に説明する図
【図３】本発明の駆動装置の構成を示す図
【図４】ステップ波電源の構成と働きを示す図
【図５】本発明の実施例の波形緒言を示す図
【図６】静電型マイクロミラーの概要を説明する図
【図７】静電型マイクロミラーの駆動電圧と揺動角度の関係を示す図
【符号の説明】
【００４６】
１０  正弦波
１１  バイアス電圧
１２  ステップ波
１３  静電引力減少期間
【図１ａ】
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【図１ｂ】
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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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