(57)【要約】【課題】  低消費電力・低電圧・小型・大走査角度の何れも犠牲にせず性能向上可能な光走査ミラーデバイス、その制御方法、それを利用した画像描画装置を提供する。【解決手段】  少なくとも１つの反射ミラーと、その反射ミラーを少なくとも一つの軸周りにのみ回転可能とする捩じり梁により枠構造に連接してなる光走査ミラーデバイスにおいて、反射ミラーの水平面内で、反射ミラーの回転軸に対して直角方向に、回転軸を中心に軸対称に少なくとも１組の片持ち梁があり、その片持ち梁が回転軸周りに回転する際の移動方向に、静止時に片持ち梁と平行に対峙する固定電極があり、その固定電極が、１つの片持ち梁に対して、片持ち梁の自由端側の少なくとも一つの吸着用固定電極と、片持ち梁の固定端側の少なくとも一つの回転制御用固定電極からなり、片持ち梁、吸着用固定電極、回転制御用固定電極、がお互いに電気的に分離していることを特徴とする光走査ミラーデバイス。【選択図】  図１
2013195940.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
一枚の基板内に、少なくとも１つの反射ミラーと、当該反射ミラーの外周を取り囲む枠部と、当該反射ミラーを少なくとも一つの軸の周りにのみ回転可能とするため、前記反射ミラーと前記枠構造と一体に連接して形成された捩じり梁と、前記反射ミラーの一部に取り付けられた可動電極とを形成してなる可動電極基板と、
前記可動電極基板と対向して配置され、一枚の基板内に、前記可動電極に対向して配置された固定電極からなる固定電極基板と、を積層して備えた光走査ミラーデバイスにおいて、
前記可動電極基板を構成する前記可動電極は、前記一つの軸を中心にして軸対称に配置された少なくとも１組の片持ち梁を備えた片持ち梁型可動電極であり、
前記固定電極基板を構成する前記固定電極は、互いに電気的に分離された、前記片持ち梁型可動電極の自由端側の電極を吸着して固定する吸着用固定電極と、前記片持ち梁型可動電極を吸着して前記反射ミラーの回転を制御する回転制御用固定電極とを備えていることを特徴とする光走査ミラーデバイス。
【請求項２】
前記請求項１に記載の光走査ミラーデバイスにおいて、前記固定電極基板の前記吸着用固定電極は、前記一つの軸に対し、前記回転制御用固定電極よりも離れた位置に配置されていることを特徴とする光走査ミラーデバイス。
【請求項３】
前記請求項２に記載の光走査ミラーデバイスにおいて、前記可動電極基板の面であって、前記固定電極基板が積層された面とは異なる面に、更に、少なくとも前記反射ミラーに対応する部分が透明な基板を積層し、もって、前記反射ミラーを気密封止したことを特徴とする光走査ミラーデバイス。
【請求項４】
前記請求項３に記載の光走査ミラーデバイスにおいて、前記可動電極基板の前記可動電極と、前記固定電極基板の前記吸着用固定電極と前記吸着用固定電極とを、当該デバイスの外部に電気的に接続するため、前記固定電極基板の一部に貫通電極を形成したことを特徴とする光走査ミラーデバイス。
【請求項５】
前記請求項１に記載の光走査ミラーデバイスにおいて、前記可動電極基板には、前記可動電極とは異なる第２の可動電極を、前記一つの軸を中心にして軸対称に設けると共に、前記固定電極基板には、当該第２の可動電極に対向する位置に第２の回転制御用固定電極を形成したことを特徴とする光走査ミラーデバイス。
【請求項６】
前記請求項１に記載の光走査ミラーデバイスにおいて、前記片持ち梁型可動電極と前記固定電極とが接触する表面の少なくとも一方の面に、突起状の絶縁膜を設けたことを特徴とする光走査ミラーデバイス。
【請求項７】
前記請求項１に記載の光走査ミラーデバイスにおいて、前記反射ミラーの一部には、当該反射ミラーの回転角度を計測する素子が組込まれていることを特徴とする光走査ミラーデバイス。
【請求項８】
前記請求項１に記載の光走査ミラーデバイスの制御方法であって、
前記片持ち梁型可動電極と前記吸着用固定電極の間に電圧を印加し、もって、静電気力により、当該片持ち梁型可動電極の自由端側を当該吸着用固定電極に吸着・固定することにより、前記片持ち梁型可動電極が、前記自由端側の狭い領域から前記回転制御用固定電極側の広い領域まで変化可能な状態とし、
前記回転制御用固定電極に加える電圧を徐々に変化させることにより、前記回転制御用固定電極と前記片持ち梁型可動電極とを吸着させ、当該吸着力により、前記反射ミラーが前記一つの軸の周りに回転するトルクを発生させ、もって、当該反射ミラーを回転させることを特徴とする光走査ミラーデバイスの制御方法。
【請求項９】
前記請求項８に記載の制御方法において、前記反射ミラーにレーザ光を入射した状態で当該反射ミラーを回転させることでレーザ光を走査し、画像を描画することを特徴とする光走査ミラーデバイスの制御方法。
【請求項１０】
前記請求項９に記載の制御方法において、前記反射ミラーの一部には、当該反射ミラーの回転角度を計測する素子が組込まれており、当該素子の出力に応じて前記固定電極への駆動電圧を制御することを特徴とする光走査ミラーデバイスの制御方法。
【請求項１１】
少なくとも、ビーム状の光を出射する光源と、当該光源からのビーム状の光を反射する反射ミラーとを備え、当該反射ミラーによる反射により当該ビーム状の光を走査することにより画像を描画する画像描画装置において、当該反射ミラーに、前記請求項１〜７に記載した光走査ミラーデバイスを用いたことを特徴とする画像描画装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光ビームを走査するための光走査ミラーデバイスに関し、特に、携帯プロジェクなどの画像描画装置に搭載するに適した光走査ミラーデバイスに関し、更には、当該光走査ミラーデバイスの制御方法、そして、当該デバイスを利用した画像描画装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
光走査ミラーデバイスは、以下の特許文献１にも記載されているように、ブラウン管テレビにおいて、電子線を画像信号に合わせて、水平/垂直に走査して画像を描画していたのと同様に、レーザ光を、画像信号に合わせて、水平/垂直に走査することで画像を描画するものであり、特に、ヘッドマウントディスプレイや超小型プロジェクタなど、場所を選ばずに画像を表示する画像描画装置のキーデバイスとして注目されている。
【０００３】
かかる画像描画装置は、レーザ光と光走査ミラーデバイスの組合せによる光学系と、画像信号処理回路からなり、そして、レーザ光を利用することで、(1)光学系の小型化、(2)焦点レス、などの特徴を持つ。また、曲面上への画像描画にも対応できるなどの利点を有するから、例えば、モバイル機器の小さな液晶画面では、判読が困難な情報を拡大投影したり、外出先でのプレゼンテーションに使うなど、携帯情報機器と組み合わせた様々な用途が考えられている。
【０００４】
光走査ミラーデバイスには、以下の特許文献２に記載されているように、画面を構成する走査線の本数から、水平走査には１０ｋＨｚ以上、垂直走査には数十Ｈｚの走査周波数が求められ、特に、後者の垂直走査では、水平走査線を一定間隔で描画するための速度制御が行われている。ここで、一般的に、光走査ミラーデバイスの駆動は、磁界中の電流に加わるローレンツ力を利用して反射ミラーを回転させることにより行うが、１０ｋＨｚ以上の高い周波数で駆動する水平走査には共振駆動を適用し、他方、水平走査線の描画中は等速度になるよう制御する必要のある垂直走査には、非共振駆動を適用している。
【０００５】
このように、上述した画像描画装置は、場所を選ばずに画像を拡大描画できることをメリットとしていることから、特に、携帯機器としての利用が考えられており、そのため、低消費電力で小型であることが求められている。例えば、大きな熱損失を発生する電磁駆動タイプのものでは、消費電力の低減（低消費電力化）と、更には、磁石を含めた実装サイズの小型化が求められている。
【０００６】
一方、製品のトレンドからは、画像の拡大率（投影面までの距離と画面サイズの比）の向上や、画面を拡大した場合の画質劣化の防止などが求められており、そのため、走査速度の高周波数化や走査角度の拡大などが必要となるが、このことは、消費電力の増大や磁石サイズの大型化につながってしまう。
【０００７】
そのため、例えば、以下の特許文献３には、光走査ミラーデバイスの消費電力を低減する手段として、静電駆動タイプが検討されており、そして、低電圧で大きな走査角度を得る方法として、真空中で共振駆動させる方式が、既に、に開示されている。なお、この特許文献３に開示された光走査ミラーデバイスでは、その水平走査に関しては、特に問題はないが、しかしながら、垂直走査に求められる水平走査線描画時の等速度制御に関しては、ここで開示されている共振駆動では対応できないため、非共振駆動が必要となる。
【０００８】
加えて、非共振駆動で反射ミラーを回転させる静電駆動において、低電圧で走査角度を大きくする方法は、例えば、以下の特許文献４に既に開示されている。この特許文献４に開示されている光走査ミラーデバイスは、多数の垂直孔が開いた上下方向にのみ移動できる可動電極基板と、当該可動電極基板の各垂直孔の壁面に対して平行になるように直立し、かつ、当該垂直孔の高さより低い高さの固定電極を備えており、かかる構成において、これら電極間に電圧差を与えた時に発生する前記高さ方向の差（ズレ）を縮小させる力により、可動電極基板を下方向に平行移動させる。
【０００９】
また、反射ミラーの回転は、前記可動電極基板と反射ミラーを連接する位置を、当該反射ミラーの回転軸から外す（ずらす）ことで、反射ミラーに対してトルクを与えている。しかしながら、かかる方式では、反射ミラーに対して１方向にしかトルクが与えられないため、反射ミラーを支える捩じり梁に発生する歪が、両方向に回転する電磁駆動タイプと比較して場合、２倍となってしまう。また、走査角度を大きくする場合には、可動電極基板の面積を大きくする必要がある。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１０】
【特許文献１】特許４４９００１９号公報
【特許文献２】特許４５１５０２９号公報
【特許文献３】特表２０１１−５１７６２６号公報
【特許文献４】特開２００８−１７２９０２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１１】
本発明は、上述した従来技術における課題に鑑みてなされたものであり、上述した低消費電力化、低電圧／小型化、大走査角度化のいずれの要求特性も犠牲にすることなく、その性能を向上させた光走査ミラーデバイスを実現することにある。即ち、本発明では、優れた光走査ミラーデバイスを提供すると共に、その制御方法を、更には、当該デバイスを利用した画像描画装置を提供することをその目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１２】
上記課題を解決するため、本発明によれば、以下の特許請求の範囲に記載される構成を採用する。即ち、本発明は、少なくとも１つの反射ミラーと、その反射ミラーを少なくとも一つの軸周りにのみ回転可能とする捩じり梁により枠構造に連接してなる反射ミラーデバイスにおいて、反射ミラーの水平面内で回転軸に対して直角方向に、回転軸を中心に軸対称に少なくとも１組の片持ち梁があり、その片持ち梁が回転軸周りに回転する際の移動方向に、静止時に片持ち梁と平行に対峙する固定電極があり、その固定電極が、１つの片持ち梁に対して、片持ち梁の自由端側に吸着電極が、片持ち梁の固定端側に制御電極が、各々少なくとも１つあり、片持ち梁、吸着電極、制御電極、がお互いに電気的に分離していることを特徴とする反射ミラーデバイスが提供される。そして、かかる構成を用いることにより、片持ち梁と吸着電極間に電圧を印加して静電気力により片持ち梁の自由端側を吸着電極に固定する工程と、片持ち梁の自由端が吸着電極に接触していることで制御電極と片持ち梁の間隔が片持ち梁の自由端側の狭い領域から片持ち梁固定端側の広領域まで変化する状態で、制御電極に電圧を印加する工程からなり、制御電極に加える電圧をゼロから徐々に上げて行くに従って、制御電極と片持ち梁の間隔が狭い領域から片持ち梁を制御電極に吸着していき、その吸着力により回転軸周りにトルクを発生させて、反射ミラーデバイスを回転させ、光走査ミラーデバイスの走査速度を任意に制御する。
【００１３】
より具体的には、本発明によれば、上述した目的を達成するため、まず、一枚の基板内に、少なくとも１つの反射ミラーと、当該反射ミラーの外周を取り囲む枠部と、当該反射ミラーを少なくとも一つの軸の周りにのみ回転可能とするため、前記反射ミラーと前記枠構造と一体に連接して形成された捩じり梁と、前記反射ミラーの一部に取り付けられた可動電極とを形成してなる可動電極基板と、前記可動電極基板と対向して配置され、一枚の基板内に、前記可動電極に対向して配置された固定電極からなる固定電極基板と、を積層して備えた光走査ミラーデバイスにおいて、前記可動電極基板を構成する前記可動電極は、前記一つの軸を中心にして軸対称に配置された少なくとも１組の片持ち梁を備えた片持ち梁型可動電極であり、前記固定電極基板を構成する前記固定電極は、互いに電気的に分離された、前記片持ち梁型可動電極の自由端側の電極を吸着して固定する吸着用固定電極と、前記片持ち梁型可動電極を吸着して前記反射ミラーの回転を制御する回転制御用固定電極とを備えている光走査ミラーデバイスが提供される。
【００１４】
また、本発明によれば、前記に記載の光走査ミラーデバイスにおいて、前記固定電極基板の前記吸着用固定電極は、前記一つの軸に対し、前記回転制御用固定電極よりも離れた位置に配置されていることが好ましく、更には、前記可動電極基板の面であって、前記固定電極基板が積層された面とは異なる面に、更に、少なくとも前記反射ミラーに対応する部分が透明な基板を積層し、もって、前記反射ミラーを気密封止したことが好ましい。加えて、前記可動電極基板の前記可動電極と、前記固定電極基板の前記吸着用固定電極と前記吸着用固定電極とを、当該デバイスの外部に電気的に接続するため、前記固定電極基板の一部に貫通電極を形成したことが好ましい。
【００１５】
また、本発明では、前記に記載の光走査ミラーデバイスにおいて、前記可動電極基板には、前記可動電極とは異なる第２の可動電極を、前記一つの軸を中心にして軸対称に設けると共に、前記固定電極基板には、当該第２の可動電極に対向する位置に第２の回転制御用固定電極を形成することが好ましく、又は、前記片持ち梁型可動電極と前記固定電極とが接触する表面の少なくとも一方の面に、突起状の絶縁膜を設けることが好ましい。又は、前記反射ミラーの一部には、当該反射ミラーの回転角度を計測する素子が組込まれていてもよい。
【００１６】
また、本発明によれば、やはり上述した目的を達成するため、前記請記載の光走査ミラーデバイスの制御方法であって、前記片持ち梁型可動電極と前記吸着用固定電極の間に電圧を印加し、もって、静電気力により、当該片持ち梁型可動電極の自由端側を当該吸着用固定電極に吸着・固定することにより、前記片持ち梁型可動電極が、前記自由端側の狭い領域から前記回転制御用固定電極側の広い領域まで変化可能な状態とし、前記回転制御用固定電極に加える電圧を徐々に変化させることにより、前記回転制御用固定電極と前記片持ち梁型可動電極とを吸着させ、当該吸着力により、前記反射ミラーが前記一つの軸の周りに回転するトルクを発生させ、もって、当該反射ミラーを回転させる光走査ミラーデバイスの制御方法が提供される。
【００１７】
更に、本発明によれば、少なくとも、ビーム状の光を出射する光源と、当該光源からのビーム状の光を反射する反射ミラーとを備え、当該反射ミラーによる反射により当該ビーム状の光を走査することにより画像を描画する画像描画装置において、当該反射ミラーに、前記に記載した光走査ミラーデバイスを用いた画像描画装置が提供される。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、上述した構成により、低消費電力の静電駆動タイプで、大きな走査角度であっても反射ミラーを低電圧で回転させることが可能な光走査ミラーデバイスが提供されると共に、当該デバイスの制御方法、更には、当該デバイスを利用した画像描画装置が提供されるという優れた効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【００１９】
【図１】本発明の実施例１になる光走査ミラーデバイスの構成の一例を示し、（Ａ）は、上面図を、そして、（Ｂ）は、Ａ−Ａ断面図を示す。
【図２】上記光走査ミラーデバイスの駆動方法の一例を示すためのＡ−Ａ断面図であり、即ち、（Ａ）は、光走査ミラーデバイスの初期状態を、（Ｂ）は、光走査ミラーデバイスの傾斜電極の形成状態を、（Ｃ）は、光走査ミラーデバイスの反時計回り回転開始状態を、（Ｄ）は、光走査ミラーデバイスの反時計回り回転終了状態を、（Ｅ）は、光走査ミラーデバイスの時計回り回転開始状態を、（Ｆ）は、光走査ミラーデバイスの時計回り回転状態（１）を、（Ｇ）は、光走査ミラーデバイスの時計回り回転状態（２）を、（Ｈ）は、光走査ミラーデバイスの時計回り回転終了状態を、（Ｉ）は、光走査ミラーデバイスの反時計回り回転開始状態を、そして、（Ｊ）は、光走査ミラーデバイスの時計回り回転状態を、それぞれ、示す。
【図３】上記光走査ミラーデバイスの駆動電圧の例であり、（Ａ）は、吸着用固定電極への印加電圧を、（Ｂ）は、回転制御用固定電極１０２−４への印加電圧、そして、（Ｃ）は、回転制御用固定電極１０２−２への印加電圧を示す。
【図４】光走査ミラーデバイスの可動電極基板の加工手順の例であり、（Ａ）は、初期基板断面を、（Ｂ）は、第一加工後基板断面を、そして、（Ｃ）は、第二加工後基板断面を示す。
【図５】上記光走査ミラーデバイスの固定電極基板の加工手順の例であり、（Ａ）は、初期基板断面を、（Ｂ）は、第一加工後基板断面を、そして、（Ｃ）は、第二加工後基板断面を示す。
【図６】本発明の実施例２になる気密封止した光走査ミラーデバイスの構成の一例を示し、（Ａ）は、上面図を、そして、（Ｂ）は、Ａ−Ａ断面図を示す。図の例である。
【図７】本発明の実施例３になる光走査ミラーデバイスの構成の一例を示し、（Ａ）は、上面図を、そして、（Ｂ）は、Ｂ−Ｂ断面図を示す。
【図８】本発明の実施例４になる光走査ミラーデバイスの２軸タイプの構成図の一例を示す上面図である。
【図９】本発明の実施例５になる光走査ミラーデバイスを用いた画像描画装置の構成の一例を示すブロック図である。
【発明を実施するための形態】
【００２０】
以下、本発明になる実施の形態について、添付の図面を用いて詳細に説明する。
【実施例１】
【００２１】
まず、添付の図１〜５を参照しながら、本発明の第１の実施例（実施例１）について説明する。なお、本実施例は、反射ミラーで光を走査する光走査ミラーデバイス１００である。
【００２２】
図１（Ａ）及び（Ｂ）は、本実施例の光走査ミラーデバイス１００の構成を示す上面図、及び、そのＡ−Ａ断面図である。これらの図において、当該光走査ミラーデバイス１００は、可動電極基板１０１と、固定電極基板１０２とを備えており（図１（Ｂ）参照）、これらは積層され、所謂、二層構造となっている。更に詳細には、図１（Ａ）にも明らかなように、可動電極基板１０１は、反射ミラー１０１−１と枠部１０１−２とからなり、かつ、当該反射ミラー１０１−１は、１軸の周りにのみ回転可能となるように、上記枠部１０１−２に連接する一対の捩じり梁１０１−３を有している。加えて、当該反射ミラー１０１−１は、更に、捩じり梁１０１−３から成る回転軸に対して軸対称に配置された片持ち梁型可動電極１０１−４、１０１−５を備えている。なお、ここには記載していないが、片持ち梁型可動電極１０１−４、１０１−５の長手方向に発生する歪の影響を低減するため、歪分離構造を設けてもよい。
【００２３】
他方、固定電極基板１０２は、上記可動電極基板１０１の枠部１０１−２と接合して組立てるための枠部１０２−５を備えており、かつ、可動電極基板１０１と組立てた時に一方の片持ち梁型可動電極１０１−４と水平に対峙する位置には、吸着用固定電極１０２−１と回転制御用固定電極１０２−２が、そして、他方の片持ち梁型可動電極１０１−５と水平に対峙する位置には、吸着用固定電極１０２−３と回転制御用固定電極１０２−４とが、電気的に分離して配置されている。なお、ここでは、上述した各電極への配線については、その図示を省略している。
【００２４】
続いて、上記に詳細な構造を説明した光走査ミラーデバイス１００の動作について、図２を参照しながら詳細に説明する。なお、この図２は、上記図１におけるＡ-Ａ断面を示しており、特に、反射ミラー１０１−１の回転による形状の変化に基づいて、反射ミラー１０１−１を回転させる手順を説明する図である。なお、反射ミラー１０１−１の回転は、以下の手順による。
【００２５】
まず、初期状態（Ａ）において、片持ち梁型可動電極１０１−４、１０１−５と吸着用固定電極１０２−１、１０２−３との間に電圧を印加し、これら電極間に発生する静電気力により、片持ち梁型可動電極１０１−４、１０１−５の自由端側の先端を、それぞれ、吸着用固定電極１０２−１、１０２−３に吸着固定した状態（Ｂ）に移行させる。この状態（Ｂ）では、回転制御用固定電極１０２−２、１０２−４と片持ち梁型可動電極１０１−４、１０１−５との電極間隔が、片持ち梁型可動電極１０１−４、１０１−５の自由端側の狭い領域から固定端側の広い領域まで、徐々に、電極間隔が拡がっていく構成になる。なお、可動電極と固定電極とが短絡しないように、そのいずれかの表面に絶縁膜を形成するが、しかしながら、当該絶縁膜に電子が溜まると静電アクチュエータとしての動特性に影響を与えることから、例えば、絶縁膜を小さな突起状にして配置し、もって、電子が溜まる総量を減らすことで帯電による影響を抑える構造を採用することが好ましい。
【００２６】
上記状態（Ｂ）から、更に、片持ち梁型可動電極１０１−４と回転制御用固定電極１０２−２との間に電圧を印加すると、電極間隔が狭い領域において電極間距離の二乗に反比例する静電気力が強く作用することから、片持ち梁型可動電極１０１−４が回転制御用固定電極１０２−２に対して自由端側から徐々に吸着していく。この吸着が止まる位置は、片持ち梁型可動電極１０１−４の固定端からの反力と自由端からの静電引力とが、その力を受けて変形する片持ち梁型可動電極を介して、釣り合う位置となる。従って、電極間に印加する電圧を増加させると、その吸着位置は、反射ミラー１０１−１の回転軸方向に移動していく。この吸着位置の変化は、反射ミラー１０１−１に対して回転軸１０１−６を中心に反時計回りに回転するトルクを加えるため、状態（Ｃ）から状態（Ｄ）へと移行する。
【００２７】
一方、反時計回り方向に回転しきった（最大角度に回転した）状態（Ｄ）からの時計回りの回転は、片持ち梁型可動電極１０１−２と回転制御用固定電極１０２−２に加えていた電圧をゼロに戻し、他方、片持ち梁型可動電極１０１−５と回転制御用固定電極１０２−４との間に電圧を印加することにより行われ、これにより、上述した反時計回りの手順と同様に、状態（Ｄ）から状態（Ｈ）へと移行させていく。
【００２８】
また、状態（Ｈ）から状態（Ｊ）への移行、更には、状態（Ｊ）と等価な状態（Ｂ）から状態（Ｄ）への移行は、先に述べた反時計回りの時と同様の繰り返しであり、以上の状態（Ｂ）から状態（Ｊ）を繰り返すことで、反射ミラーデバイスは、所望の回転を行い、即ち、光走査ミラーデバイスとして機能する。
【００２９】
次に、図３には、本発明の光走査ミラーデバイスを、特に、画像描画垂直走査に用いた場合において、吸着用固定電極１０２−１、１０２−３に印加する電圧（Ａ）、回転制御用固定電極１０２−４に印加する電圧（Ｂ）、そして、回転制御用１０２−２に印加する電圧（Ｃ）について、それぞれの例を示した。なお、ここでは、上記片持ち梁型可動電極はアースに落としているものとする。
【００３０】
ここで、上記の図２をも参照しながら、水平走査線描画中の垂直走査の等速度制御の区間においては、光走査ミラーデバイスは、上記図２の状態（Ｄ）から状態（Ｈ）になる。また、１画面の水平走査線を描き終えた状態（Ｈ）から次画面の水平走査線の描画を始める状態（Ｄ）までは、状態（Ｈ）⇒状態（Ｉ）⇒状態（Ｂ）（状態（Ｊ）と等価）⇒状態（Ｃ）⇒状態（Ｄ）と、反射ミラーを一気に戻す（図３（Ａ）及び（Ｃ）の波形を参照）。
【００３１】
水平走査線の一番上から下までを描画する際の垂直走査では、状態（Ｄ）の位置から、回転制御用固定電極１０２−４に印加する電圧を徐々に上げていく（図３（Ｂ）の波形を参照）。
【００３２】
なお、ここでの印加電圧は、片持ち梁型可動電極１０１−５と回転制御用固定電極１０２−４の自由端側の未吸着部で発生する印加電圧の二乗に比例して増加する静電気力と、吸着位置から回転軸までの距離、捩じり梁からの反力などとの釣り合いにより決める。また、回転制御用固定電極１０２−４に加える電圧３０２の上げ方は、捩じり梁１０１−３の捩じり剛性による反力と、片持ち梁型可動電極１０１−４から反射ミラー１０１−１の捩じり梁１０１−３に加わるトルクの大きさにより一意に決まるが、図３（Ｂ）に示した回転制御用固定電極１０２−４に印加する電圧のように傾斜部が直線ではなく、回転角度が大きくなるほど電圧の上昇率も大きくなるようにすることも可能である。なお、上述したように、絶縁膜のチャージなどの影響で走査速度が不安定になる場合には、回転制御用固定電極１０２−２にも電圧を印加して、回転制御用固定電極１０２−４とは逆に徐々に電圧を下げて行くようにすることが好ましいが、通常は、回転制御用固定電極１０２−２には電圧の印加はしない。
【００３３】
また、垂直走査の速度制御を高精度に実施する方法としては、反射ミラーの回転角度を検出するセンサを光走査ミラーデバイス内に組込み、それに応じた電圧を回転制御用固定電極１０２−４に印加して走査速度を制御する方法がある。かかる場合における回転角度の検出には、例えば、捩じり梁１０１−３にピエゾ抵抗素子を作り込み、ホイーストンブリッジ回路から回転により発生する捩じり梁の歪を計測して回転角度を推測する方式や、反射ミラー１０１−１に静電容量センサを設けて、反射ミラーの傾き角度を直接計測する方式などを用いることが可能であろう。
【００３４】
続いて、上述した光走査ミラーデバイスの可動電極基板と固定電極基板の加工方法の一例について説明する。図４は、本実施例における光走査ミラーデバイスの可動電極基板１０１の加工断面（上記図１のＡ−Ａ断面に対応）を示している。
【００３５】
可動電極基板は、単結晶シリコン基板やＳＯＩ基板（Silicon On Insulator）を用いて製作されるが、本実施例では、一例として、前者の単結晶シリコン基板を用いた場合について示す。図４（Ａ）は、単結晶シリコン基板の断面を示し、図４（Ｂ）は、ドライエッチングにより片持ち梁型可動電極の厚さを持つダイアフラムを形成した後の断面形状を示している。なお、この加工の際には、ドライエッチングだけではなく、その他、ウエットエッチングを用いて加工することも可能である。特に、ダイアフラム厚さの精度に関しては、ウエットエッチングの方がドライエッチングよりも勝っている。しかしながら、ここで、ドライエッチングを用いている理由は、加工後の反射ミラーの形状を制御しやすいためである。そして、特に、片持ち梁型可動電極の厚みを高精度に加工したい場合には、片持ち梁型可動電極を、同じ厚さの活性層を持つＳＯＩ基板を用いて、ボックス酸化膜層でのエッチングストップを適用して加工すれば良い。
【００３６】
更に、図４（Ｃ）に示す加工断面形状は、ダイアフラムを加工した面の反対面から、片持ち梁型可動電極が周囲より分離できるように、所謂、貫通加工を行った後の断面形状を示している。この加工においても、ドライエッチングやウエットエッチングを用いることも可能であるが、但し、各々の場合において、それぞれ、注意すべき点が異なっている。まず、ドライエッチングの場合には、ボックス酸化膜層でエッチングストップをかける際に、ノッチと呼ぶ形状不良が発生することがある。そこで、かかる現象が発生しない加工条件で実施することが重要である。他方、ウエットエッチングの場合には、片持ち梁型可動電極や反射ミラーの凸形状角部に形状不良が発生する。そのため、かかる不良の発生を防止するため、例えば、エッチング液に添加剤を混ぜ、又は、補償マスクを付与するなどの対策が必要になる。なお、いずれの技術も既に量産技術として確立されたものであり、即ち、本実施例が容易に実施可能であることが判る。
【００３７】
更に、図５は、本実施例になる光走査ミラーデバイスにおける固定電極基板１０２の加工断面（上記図１のＡ−Ａ断面）を示す。固定電極基板１０２は、ＳＯＩ（Silicon On Insulator）基板を用いて製作する。図５（Ａ）は、ＳＯＩ基板の断面を示し、そして、図５（Ｂ）及び（Ｃ）は、加工後の断面形状を示している。なお、この加工は、ウエットエッチングを用いて実施する。その理由は、この加工工程は、可動電極と固定電極との間の電極間距離を決める重要な加工であるため、深さ方向の加工精度に優れたウエットエッチングを用いたことである。但し、図５（Ｃ）に示した断面形状の加工には、ドライエッチングを用いている。なお、この加工においても、ウエットエッチングを用いて加工することもできるが、その理由などの詳細については、可動電極基板の加工と同じため、ここでは省略する。
【実施例２】
【００３８】
次に、本発明の第２の実施例（実施例２）について、添付の図４を参照しながら説明する。なお、本実施例は、上述した実施例１の二層構造に、更に、レーザ光を透過する蓋基板４０３を積層し、そして、反射ミラーを気密封止した光走査ミラーデバイス４００である。
【００３９】
即ち、片持ち梁型可動電極４０１−４、４０１−５を吸着用固定電極４０２−１、４０２−３に吸着・固定して形成した傾斜電極型静電アクチュエータなど、所謂、接触を伴うアクチュエータでは、湿気や揮発性有機物などの大気中を浮遊する分子に起因する接触部の固着や、電極間の隙間へのゴミの入り込みによる動作の阻害など、周辺環境に起因する動作不良が発生する。そこで、本実施例では、図からも明らかなように、可動電極基板４０１の上部に蓋基板４０３を設け、当該蓋基板４０３は、不良の原因となる周辺環境（大気）から反射ミラー４０１−１や片持ち梁型可動電極４０１−４、４０１−５、吸着用固定電極４０２−１、４０２−３、回転制御用固定電極４０１−２、４０１−４からなる反射ミラー回転用静電アクチュエータを保護（密閉）し、もって、光走査ミラーデバイス４００が安定して動作を続けられるように、内部を清浄な環境に維持する役割をなすものである。なお、その他の構成要件については、上記実施例１と同様であり、ここではその説明を省略する。
【００４０】
また、本実施例の光走査ミラーデバイス４００の駆動方法についても、上記実施例１と同じであり、ここでは、その説明を省略する。
【００４１】
なお、ここでの気密封止は、例えば、真空装置内において、窒素やアルゴンなどの不活性ガスを用いることにより、内部の気密圧力を制御して行う。気密封止する具体的な方法としては、例えば、蓋基板を接合する際に気密封止する方法や、蓋基板を接合する際にリーク孔を設けておき、後に、真空成膜装置内において当該リーク孔を埋めることで気密封止する方法などがある。
【００４２】
また、気密封止空間内の圧力を長期に亘って一定に保つ必要がある場合には、蓋基板４０３の光を透過しない部分にガス吸着膜を成膜するなどの対策も可能であるが、かかる対策を必要とせず、一定の圧力以下で良い場合などには、気密封止前に気密封止空間内の壁面となる部分に吸着している分子を除去するための前処理を行うことでも十分に対応できるであろう。
【００４３】
なお、本実施例では、光を透過する蓋基板４０３の表面には、レーザ光が反射しないように反射防止膜をコーティングするなど反射防止処理がなされており、そして、気密封止時には、蓋基板表面の機能が損なわれないように低温プロセスが適用される。この低温での蓋基板の接合方法としては、例えば、接合界面が同じ材質となるように、成膜などの前処理を行い、高真空中で当該表面を活性化して常温で接合する方法や、低融点ガラスや共晶を用いた２００°Ｃ程度での溶融接合や、パイレックス(登録商標)ガラスを用いた２８０°Ｃ程度での陽極接合など、様々な方式が知られているが、蓋基板に施した反射や帯電を防止するための処理の機能を損なわない温度、接合強度、気密性、コストなどから総合的に選択することが好ましい。
【００４４】
このように、本発明の実施例２によれば、蓋基板４０３による気密封止により、周辺環境に存在する湿気やゴミの影響を排除して、経時変化のない安定した光走査が可能となる。しかしながら、その際、気密封止空間内に電源を供給する必要があり、そのための配線技術としては、例えば、基板の接合面の下に配線を埋め込む、所謂、側方取出電極や、上記図６にも示した、所謂、貫通（スルーホール）電極４０２−６によるものが採用可能である。特に、図にも示した貫通電極４０２−６を用いるメリットは、光走査デバイスに電極パッドの領域を追加（面積の増大）しないで済むため、小型化が可能である点、更には、フレキシブル配線など、外部との電気的接続を、異方性導電シートなどを用いて、簡素化出来る点にある。
【００４５】
更に、既に述べたが、周辺環境以外による静電駆動型アクチュエータの動作不良原因には、絶縁膜に電子が溜まる帯電現象がある。これに関しては、上述したように、片持ち梁型可動電極４０２−４、４０２−５の表面や、回転制御用固定電極４０２−２、４０２−４の上に成膜する短絡防止用の絶縁膜を膜状に形成するだけではなく、絶縁膜に微小な突起状に形成することで、絶縁膜に溜まる電子の総量を減らし、静電駆動型アクチュエータの動作への影響を最小限に抑えることも可能である。
【実施例３】
【００４６】
次に、本発明の第３の実施例（実施例３）について、添付の図７を参照しながら説明する。なお、本実施例は、上述した実施例１になる光走査ミラーデバイスにおいて、特に。その走査角度を拡大するに好適な構造を備えた光走査ミラーデバイス５００である。
【００４７】
本実施例の光走査ミラーデバイス５００の構成を示す図７において、上記実施例１との違いは、片持ち梁型可動電極として、上記実施例１と同じ電極間隔を持つ第一片持ち梁型可動電極５０１−４、５０１−６に加え、上記実施例１よりも広い電極間隙を持つ第二片持ち梁型可動電極５０１−５、５０１−７を備えており、即ち、２種類の電極を採用している点にある。なお、その他の構成要件については、上記実施例１と同様であり、ここではその説明を省略する。
【００４８】
また、上述した構成の実施例３において、反射ミラーを回転させる手順は、上記実施例１と同じため、その説明を省略するが、以下では、特に、その回転角度を大きくできる理由について説明する。
【００４９】
この実施例３では、まず、第一片持ち梁型可動電極５０１−６を用いて反射ミラー５０１−１を回転させる。これにより、反射ミラー５０１−１と一体に作成られている第二片持ち梁型可動電極５０１−７も同様に傾き、当該電極と第二吸着用固定電極５０２−８との間の電極間隔が狭まる。これにより、第二片持ち梁型可動電極５０１−７も、上記第一片持ち梁型可動電極５０１−６と同様に、低電圧で第二吸着用固定電極５０２−５に吸着・固定することができ、第二回転制御用固定電極５０２−８により回転角度を制御できるようになる。なお、ここでは、２種類の片持ち梁型可動電極５０１−６、５０１−７を用いているが、その数を更に増やすことによれば、走査角度を更に拡大することも可能である。
【実施例４】
【００５０】
更に、本発明の第４の実施例（実施例４）について、添付の図８を参照しながら説明する。なお、本実施例は、反射ミラーで光を走査する光走査ミラーデバイスを、１軸走査から２軸走査にしたものである。なお、片持ち梁型可動電極と回転制御用固定電極を用いた静電駆動型アクチュエータの駆動に関しては、上記実施例１と同じため、ここではその説明を省略する。
【００５１】
図８は、本実施例になる光走査ミラーデバイスの構成を示す図であり、この図において、本実施例４と上記実施例３で示した光走査ミラーデバイス３００との違いは、上記図７に示した反射ミラー５０１−１の部分において櫛歯電極を用いた、所謂、共振型の静電駆動アクチュエータを持つ共振型光走査ミラーデバイスである点にある。
【００５２】
かかる共振型光走査ミラーデバイスでは、反射ミラー８０１は、歪分離溝８０５を介して、第一走査軸基板８０４に固定されており、当該第一走査軸基板８０４は、第二走査軸基板８０６に対して、捩じり梁８０３を用いて連接されている。そして、第一走査軸基板８０４の回転方向端部に形成した櫛歯電極８０２により、その共振周波数で駆動するように構成されている。かかる共振型光走査ミラーデバイス、即ち、本実施例の２軸光走査ミラーデバイスを、例えば、コピー機やプリンター等の画像描画装置に搭載する場合には、当該共振型を水平走査に適用すると共に、他方、垂直走査には、上述した片持ち梁型可動電極を用いた光走査ミラーデバイスを適用することが、それぞれの特性から、好ましいであろう。
【実施例５】
【００５３】
そして、添付の図９には、以上に述べた光走査ミラーデバイスを用いた画像描画装置の例を、本発明の第５の実施例（実施例５）として説明する。即ち、図９は、本実施例の光走査ミラーデバイスを用いた画像描画装置の構成の一例を示している。
【００５４】
図において、画像描画装置は、赤・緑・青色の光源を構成するレーザ装置と共に、レンズ等の光学素子を備えてなるレーザ射出光学系９０１、９０２、９０３を有しており、各光学系から射出したレーザ光９０４、９０５、９０６は、各色のレーザ光のみを反射する反射ミラー９０７、９０８、９０９により、一本のライン状に集光され、もって、三色のレーザ光が一本のレーザビームとして、光走査ミラーデバイス９１０上に照射される。そして、この光走査ミラーデバイス９１０上で反射されたレーザビームにより、画像投影面９１１に画像が描画される。
【００５５】
なお、この時、光走査ミラーデバイス９１０の走査角度と画像信号とを同期することで、画像投影面９１１には、所望の画像が描画される。この実施例５になる画像描画装置の特徴は、光走査ミラーデバイス以降の光の経路には、光学系が存在しない点であり、これにより、焦点レスの描画が可能となり、かつ、画像投影面９１１が曲面であってもピントの合った画像を投影することが可能となる。即ち、かかる特徴により、携帯プロジェクなどの画像描画装置、コピー機やプリンター等の画像描画装置、更には、自動車のフロントガラスに情報をダイレクトに投影するナビゲーションシステムなどへの適用が期待できる。
【００５６】
また、本発明の光走査ミラーデバイスは、以上に述べた構造から、従来の電磁駆動による１００ｍＷオーダーであった消費電力を、数ｍＷオーダーにまで低減することが可能であるため、電源のない野外であっても、例えば、携帯電話などの情報機器と接続することで、長時間にわたり情報を拡大して投影することが可能となり、液晶などの小さな画面では判読が困難であった詳細情報をも、気軽に拡大して表示できるようになり、その便宜性を大幅に向上することが可能となる。
【符号の説明】
【００５７】
１００、４００、５００…光走査ミラーデバイス
１０１、４０１、５０１…可動電極基板
１０１−１、４０１−１、５０１−１…反射ミラー
１０１−２、４０１−２、５０１−２…枠部
１０１−３、４０１−３、５０１−３…捩じり梁
１０１−４、４０１−４、５０１−４…片持ち梁型可動電極
１０１−５、４０１−５、５０１−５…片持ち梁型可動電極
１０２、４０２、５０２…固定電極基板
１０２−１、４０２−１…吸着用固定電極
１０２−２、４０２−２…回転制御用固定電極
１０２−３、４０２−３…吸着用固定電極
１０２−４、４０２−４…回転制御用固定電極
１０２−５、４０２−５…枠部
４０２−６…貫通電極
４０３…蓋基板
５０１−６…第一片持ち梁型可動電極
５０１−７…第二片持ち梁型可動電極
５０２−１…第一吸着用固定電極
５０２−２…第一回転制御用固定電極
５０２−３…第二吸着用固定電極
５０２−４…第二回転制御用固定電極
５０２−５…第一吸着用固定電極
５０２−６…第一回転制御用固定電極
５０２−７…第二吸着用固定電極
５０２−８…第二回転制御用固定電極
５０２−９…枠部
８００…２軸光走査ミラーデバイス
８０１…反射ミラー
８０２…櫛歯型静電アクチュエータ
８０３…捩じり梁
８０４…第一走査軸基板
８０５…歪分離溝
８０６…第二走査軸基板
８０７…第一片持ち梁型可動電極
８０８…第二片持ち梁型可動電極
８０９…第一片持ち梁型可動電極
８１０…第二片持ち梁型可動電極
８１１…捩じり梁
９０１…赤色レーザ射出光学系
９０２…緑色レーザ射出光学系
９０３…青色レーザ射出光学系
９０４…赤色レーザ光
９０５…緑色レーザ光
９０６…青色レーザ光
９０７…赤色レーザ光反射ミラー
９０８…緑色レーザ光反射ミラー
９０９…青色レーザ光反射ミラー
９０８…緑色レーザ光反射ミラー
９０９…青色レーザ光反射ミラー
９１０…２軸光走査ミラーデバイス
９１１…画像投影面
【図１】
2013195940.tif 000003
【図２】
2013195940.tif 000004
【図３】
2013195940.tif 000005
【図４】
2013195940.tif 000006
【図５】
2013195940.tif 000007
【図６】
2013195940.tif 000008
【図７】
2013195940.tif 000009
【図８】
2013195940.tif 000010
【図９】
2013195940.tif 000011