JP5024235B2 - 光学装置 - Google Patents
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Description
光ビームの反射方向を切換える光学装置の場合、光ビームを反射するミラーを揺動させる必要があり、対向する部材間に吸引力を発生し、その吸引力によって対向する部材間の間隔を狭める方式のアクチュエータを利用する。このとき、アクチュエータに用意しておく間隔が狭いほど大きな吸引力が得られるのに対し、間隔を狭くすると、可動ミラーの揺動可能角度が狭くなるという問題に遭遇する。
可動層と基板の間に静電引力が発生していない状態では、可動ミラーが可動層に重なっている。可動ミラーと可動層の両方が支柱で支えられ、可動ミラーは基板に平行となっている。可動層と基板の間に静電引力を発生させると、可動層が基板に近づく方向に平行移動する。この結果、可動層に固定されている側の可動ミラーの端部は基板に近づくが、支柱に当接する部分では可動ミラーがそれ以上には基板に接近できないことから、可動ミラーが傾斜する。可動ミラーを傾斜させることによって、光ビームの反射方向を切換えることができる。
特許文献1の技術では、支柱を支点とするてこの原理を利用するので、可動層の移動距離が小さくても、可動ミラーを大きく傾斜させることができる。
特許文献1の技術では、通常時には可動ミラーと基板が平行である。アチュエータを作動させると、可動ミラーは、第1端部が基板に接近して第2端部が基板から離反する向きに揺動する。逆の方向、すなわち、第1端部が基板から離反して第2端部が基板に接近する向きには揺動することができない。
可動ミラーは、光学装置を平面視したときに、第1端部から第2端部まで伸びている。
支持部は、可動ミラーの基板側の面に当接し、可動ミラーの第1端部が基板に接近して第2端部が基板から離反する向きに揺動する際の支点を提供する第1端部側支点と、可動ミラーの第1端部が基板から離反して第2端部が基板に接近する向きに揺動する際の支点を提供する第2端部側支点を備えている。アクチュエータは、可動ミラーの第1端部と第2端部のうちの任意の一方を選択し、選択した側の可動ミラーの端部を基板側に近づける。前記連結部は、可動ミラーを基板に連結しているが、下記の相対運動:すなわち、
(1) 可動ミラーが第1端部側支点を中心にして第2端部側支点から離反する向きに揺動し
(2) 可動ミラーが第2端部側支点を中心にして第1端部側支点から離反する向きに揺動する相対運動を許容する。
相対的運動を許容する態様で可動ミラーを基板に連結する機構は特に限定されない。しなやかに曲げられる梁やしなやかに捩れる梁等を利用して、相対的運動を許容する態様で可動ミラーを基板に連結することができる。
基板と可動ミラーの間に配置する可動ミラーは、基板に平行に伸びている可動梁であってもよいし、基板の直交方向に伸びている可動梁であってもよいし、両者を組合わせた梁であってもよい。
この場合、可動ミラーを平面視した状態において、可動ミラーの外側に連結部を配置する必要がなく、少なくとも可動梁の大部分を可動ミラーの裏面に収容することができる。可動ミラーの外側に連結部が存在しないので、可動ミラーと可動ミラーを隣接して配置することができ、可動ミラーと可動ミラー間の隙間を小さくすることができる。光学装置を高密度に集積ないし配置するのに有利である。
吸引力を発生する間隔を狭めて大きな吸引力を得ることができる。
この際、第1端部に連結されている可動梁が、第1端部側支点の側から第2端部側支点を越えて伸びた部分で基板に固定されていると、可動ミラーが第2端部側支点を中心に揺動する際に、第1端部に連結されている可動梁の両端間距離が減じる関係が得られる。それに対して、第2端部側支点よりも第1端部側支点側の位置で可動梁が基板に固定されていると、可動ミラーが第2端部側支点を中心に揺動する際に、第1端部に連結されている可動梁の両端間距離が増加する関係が得られる。一般的に、MEMSに用いられる材料は、引っ張り強度が高く、可動梁を引き伸ばす動きが必要とされると、それに要する力は大きい。それに対して、可動梁の両端間距離を減じる場合には、可動梁がたるめばよく、小さな力で足りる。可動ミラーの第1端部に連結されている可動梁が、第1端部側支点の側から第2端部側支点を越えて伸びた部分で基板に固定されていると、小さな力で可動ミラーを第2端部側支点のまわりに揺動させることができる。
同様に、可動ミラーの第2端部に連結されている可動梁が、第2端部側支点の側から第1端部側支点を越えて伸びた部分で基板に固定されていると、小さな力で可動ミラーを第1端部側支点のまわりに揺動させることができる。
可動梁を用いることで、必要な相対運動に対する抵抗力が小さく、しかもそれ以外の相対変位に対しては抵抗力が大きい連結構造を実現することができる。
この場合は、可動梁と可動ミラーを同一平面に配置してもよい。
また、可動ミラーの裏面を支点で支えておいて揺動させる方式であることから、すなわち、てこの原理を利用することから、アクチュエータでの変位量が小さくても可動ミラーの揺動角度を大きくすることができる。
両者をともに得られることから、非常に大きな可動ミラーの揺動可能角度を得ることができる。
可動ミラーの反射面の形成方法については特に限定されない。反射面は、例えばシリコン層の上面に金属膜を形成したものであってもよい。あるいは、シリコン製の可動ミラー自体の上面を反射面としてもよい。
本明細書で提供する光学装置を1つの光学素子とし、複数の光学素子を1次元又は2次元に配列してもよい。
(特徴1)基板と可動ミラーと支持部と連結部は、シリコン系材料で形成されている。
(特徴2)可動ミラーと連結部は、多結晶シリコンで形成されている。
(特徴3)支持部は、基板の表面から伸びている支持柱で構成されている。
(特徴4)連結部は、可動梁で形成されている。
(特徴5)連結部を構成する梁は、可動ミラーと基板の間に形成されている。
(特徴6)連結部を構成する梁は、可動ミラーと同一平面に形成されている。
(特徴7)連結部を構成する梁は、アクチュエータに駆動力を加えて可動ミラーを揺動させると、梁の両端間距離が減少し、梁がたるむ関係を満たしている。
図1(a)は、第1実施例の光学装置10の平面図を示す。図1(b)は、図1(a)のb−b線概略縦断面図を示す。図1(c)も、図1(a)のb−b線概略縦断面図を示しており、第1アクチュエータ30に吸引力を発生させて可動ミラー36の第1端部32を基板14に近づけた状態を示している。基板14は広く広がっており、図1(a)では図示していない。
可動ミラー36は、平面視すると矩形状であり、第1支持壁20と第2支持壁22の間に跨っており、第1支持壁20よりD1側にも伸び、第2支持壁22よりD2側にも伸びている。可動ミラー36のD1側の端部を第1端部32といい、可動ミラー36のD2側の端部を第2端部40という。可動ミラー36は、第1端部32から第2端部40まで伸びている。可動ミラー36を平面視したときの形状は、円形、六角形等の多角形であってもよく、矩形に限られない。
図1(c)は、第1アクチュエータ30を作動させることによって、第1アクチュエータ30が形成されている位置における可動ミラー36と基板14間の間隙を狭めた様子を示している。第1アクチュエータ30は、第1支持壁20のD1側に位置している。第1アクチュエータ30を作動させると、可動ミラー36の第1端部32が基板14に向けて接近する。その際に、第1支持壁20の頂面によって支えられている部分の可動ミラー36はそれ以上には基板14にむけて接近できないことから、第1支持壁20を支点にして揺動する。正確には、第1支持壁20の頂面のD1側の縁18を支点として揺動する。この結果、可動ミラー36の第2端部40は、基板14から離反する。また、可動ミラー36は、第2支持壁22の頂面からも離反する。
第2アクチュエータ42は、第2支持壁22のD2側に位置している。第2アクチュエータ42を作動させると、可動ミラー36の第2端部40が基板14に向けて接近する。その際に、第2支持壁22の頂面によって支えられている部分の可動ミラー36はそれ以上には基板14にむけて接近できないことから、可動ミラー36は第2支持壁22を支点にして揺動する。正確には、第2支持壁22の頂面のD2側の縁24を支点として揺動する。この結果、可動ミラー36の第1端部32は、基板14から離反する。また、可動ミラー36は、第1支持壁20の頂面からも離反する。その様子は図1(c)の左右を反転させたものであり、図示を省略する。
第1実施例の光学装置10は、可動ミラー36が2×θだけ揺動する。光ビームの反射方向を大きく変化させることができる。
図2を参照して第2実施例の光学装置50を説明する。第1実施例の光学装置10と同じ部材には、同じ参照番号を付し、重複説明を省略する。以下では第1実施例との相違点を中心に説明する。
支持柱の本数は4本に限定されない。支持柱19,21の間に一本の支持柱のみを配置し、支持柱23,25の間に一本の支持柱のみを配置してもよい。
第2実施例の連結部は、可動ミラー36の第1端部32に連結されている可動梁58と、可動梁58の他端を基板14に固定する第1連結基部56と、可動ミラー36の第2端部40に連結されている可動梁54と、可動梁54の他端を基板14に固定する第2連結基部52で構成されている。
第1アクチュエータ30を作動させて可動ミラー36の第1端部32を基板14に接近させると、可動ミラー36は第1端部32側の支点18のまわりに揺動し、第2端部40が基板14から大きく離反する。この結果、第2端部40に連結されている可動梁54が大きく変形する。
この関係にあると、可動ミラー36が基板14に平行であるときの連結基部52と第2端部40の間の距離と、可動ミラー36が第1端部32側の支点18を中心にして反時計方向に回転したときの連結基部52と第2端部40の間の距離を比較すると、式(1)に示したように、前者よりも後者は短くなる。すなわち、可動ミラー36が第1端部32側の支点18を中心にして反時計方向に回転するときに、可動梁54が引き伸ばされることが無く、逆にたるむことになる。
仮に連結基部52が第1端部32側の支点18よりも第2端部40側にあると、可動ミラー36が基板14に平行であるときの連結基部52と第2端部40の間の距離と、可動ミラー36が第1端部32側の支点18を中心にして反時計方向に回転したときの連結基部52と第2端部40の間の距離を比較すると、前者よりも後者が長くなる。すなわち、可動ミラー36が第1端部32側の支点18を中心にして反時計方向に回転するときに、可動梁54が引き伸ばされることなる。この場合は、可動梁54を引き伸ばしながら可動ミラー36を揺動させる必要があるので、可動ミラー36を揺動させるのに要する第1アクチュエータ30に要求される力が大きくなってしまう。
この関係にあると、可動ミラー36が基板14に平行であるときの連結基部56と第1端部32の間の距離と、可動ミラー36が第2端部40側の支点24を中心にして時計方向に回転したときの連結基部52と第1端部32の間の距離を比較すると、前者よりも後者は短くなる。すなわち、可動ミラー36が第2端部40側の支点24を中心にして時計方向に回転するときに、可動梁58が引き伸ばされることが無く、逆にたるませることになる。
図3を参照して第3実施例の光学装置60を説明する。第2実施例の光学装置50と同じ部材には、同じ参照番号を付し、重複説明を省略する。以下では第2実施例との相違点を中心に説明する。
同様に、可動ミラー36の第2端部40に連結されている可動梁64が、第2端部40よりもD2側にはみ出ていない。このために、可動ミラー36の第2端部40が基板14に接近する側に揺動するときに、第2端部40よりも可動梁64の方が先に基板14に当接してそれが揺動限界角を決めることが無い。第2端部40が基板14に当接するまで揺動させることができる。
また、第3実施例の場合、1個の支持台17によって支持部が形成されている。支持部が複数個に分割されていなくても、第1端部32側の支点18と、第2端部40側の支点24を提供することができる。
図4を参照して第4実施例の光学装置70を説明する。第2実施例の光学装置50と同じ部材には、同じ参照番号を付し、重複説明を省略する。以下では第2実施例との相違点を中心に説明する。
図5を参照して第5実施例の光学装置90を説明する。第4実施例の光学装置70と同じ部材には、同じ参照番号を付し、重複説明を省略する。以下では第4実施例との相違点を中心に説明する。
同様に、可動ミラー36の第2端部40に連結されている可動梁94,98が、第2端部40よりもD2側にはみ出ていない。このために、可動ミラー36の第2端部40が基板14に接近する側に揺動するときに、第2端部40よりも可動梁94,98の方が先に基板14に当接してそれが揺動限界角を決めることが無い。第2端部40が基板14に当接するまで揺動させることができる。
図6を参照して第6実施例の光学装置110を説明する。第4実施例の光学装置70と同じ部材には、同じ参照番号を付し、重複説明を省略する。以下では第4実施例との相違点を中心に説明する。
図7を参照して第7実施例の光学装置130を説明する。第2実施例の光学装置50と同じ部材には、同じ参照番号を付し、重複説明を省略する。以下では第2実施例との相違点を中心に説明する。
一本の可動梁54しか用いなくても、その可動梁54によって、可動ミラー36と基板14の平面視したときの位置関係を一定に維持し、第1アクチュエータ30あるいは第2アクチュエータ42に電圧を印加するのを中止すると、可動梁54が第2端部40を揺動前の高さに戻す力を発揮し、可動ミラー36の裏面が支持壁20と支持壁22の双方に当接する姿勢に復帰させる。一本の可動梁54によって可動ミラー36を基板14に連結することによって初期の作用を得ることができる。
図8を参照して第8実施例の光学装置140を説明する。第7実施例の光学装置130との相違点を中心に説明する。
第8実施例の場合、可動ミラー36の第1端部32には可動梁が連結されていない。それに対して、第2端部40には可動梁144,148が連結されている。
第8実施例の光学装置140の場合、第2端部40側の支点24を中心して第1端部32を基板14から離反させる向きに揺動させる場合、可動梁が可動ミラーの揺動を妨げることが無い。
また2本の可動梁144,148を用いるために、可動ミラー36と基板14を平面視したときの位置関係をより一定に維持できる。
図9を参照して第9実施例の光学装置150を説明する。第1実施例から第8実施例では、可動ミラー36と基板14の間にアクチュエータ30,42が設けられている。これに対して、以下に説明する実施例では、可動梁と基板の間にアクチュエータが設けられている。また、以下の実施例では、基板14に対して可動ミラー36を所定の相対運動を許容するように連結する可動梁が、基板と可動ミラーの間を伸びている。
支持柱19の中間高さから可動梁151,152,154が伸びている。可動梁151はD4方向に伸び、可動梁152はD2方向に伸び、可動梁154はD3方向に伸びている。可動梁154は、可動ミラー36の第2端部40のD2側を第2端部40と平行に伸びている。可動梁154のD3側の端部から基部156が立ち上がっており、可動梁154のD4側の端部から基部158が立ち上がっている。支持柱19と、可動梁151,152,154は導電性の多結晶シリコンで形成されており、可動梁154の電位を制御することができる。
図9(a)に示すように、一対の基部156,158の間を可動梁168が伸びている。可動梁168の中間点からD1方向に可動梁170が伸びている。可動梁170の先端は、可動ミラー36の第2端部40の中間点に連結されている。一対の基部164,166の間を可動梁172が伸びている。可動梁172の中間点からD2方向に可動梁174が伸びている。可動梁174の先端は、可動ミラー36の第1端部32の中間点に連結されている。
光学装置150では、支持柱19,25が、連結基部を兼用しており、構造がシンプルである。
図10を参照して第10実施例の光学装置180を説明する。以下では、第9実施例との相違点のみを説明する。
同様に、光学装置180では、支持柱21と可動梁154の間に、可動梁186,188が付設されている。可動梁154に対して可動梁151,152と、可動梁186,188が連結されているために、平面視したときの可動梁154の位置が安定する
光学装置180では、平面視したときの可動梁162,154の位置が安定し、平面視したときの可動ミラー36の位置が安定する。光学装置180に振動が加えられても可動ミラー36の位置がずれることがない。
図11を参照して第11実施例の光学装置190を説明する。以下では、第9実施例との相違点のみを説明する。
光学装置190では、可動梁162を可動梁196,194で支持している。可動梁194のD2側の端部は、連結基部192で基板14に固定されている。可動ミラー36の第1端部32を支持している可動梁194は、第1端部32側から第2端部40側の支点24を越えてD2側に伸びており、第2端部40側の支点24よりもD2側で基板14に連結されている。
図12を参照して第12実施例の光学装置210を説明する。以下では、第9実施例との相違点のみを説明する。
光学装置210では、可動梁162を可動梁218,216,214で支持している。可動梁214のD2側の端部は、連結基部212で基板14に固定されている。可動ミラー36の第1端部32を支持している可動梁214は、第1端部32側から第2端部40側の支点24を越えてD2側に伸びており、第2端部40側の支点24よりもD2側で基板14に連結されている。
また、可動梁216はD3−D4方向に長く伸びており、可動ミラー36が第2端部40側の支点24を中心に揺動するときに、しなやかに曲がり、しなやかに捩れる。可動梁218,216,214がしなやかに曲がって捩れるために、第2アクチュエータ40の吸引力が小さくても可動ミラー36が大きく揺動する。
図13を参照して第13実施例の光学装置230を説明する。以下では、第9実施例との相違点のみを説明する。
連結基部244から可動梁246,248,250,252が伸びている。可動梁246はD4方向に伸び、可動梁248は45度方向に伸び、可動梁250はD2方向に伸び、可動梁252はD3方向に伸びている。可動梁252は、可動ミラー36の第2端部40のD2側を第2端部40と平行に伸びている。可動梁252のD3側の端部から基部232が立ち上がっており、可動梁252のD4側の端部から基部236が立ち上がっている。
図15に示すように、支持柱21,23は省略することができる。2本の支持柱19,25で、可動ミラー36の支持部を構成してもよい。
図16を参照して第14実施例の光学装置270を説明する。以下では、第9実施例と第13実施例との相違点のみを説明する。
光学装置270では、可動梁276が第13実施例の可動梁246よりもD3−D4方向に長く伸び、可動梁154が第13実施例の可動梁252よりもD3−D4方向に長く伸びている。同様に、可動梁286が第13実施例の可動梁256よりもD3−D4方向に長く伸び、可動梁162が第13実施例の可動梁262よりもD3−D4方向に長く伸びている。可動梁154,162よりも上部の構造は、第9実施例と同様であり、重複説明を省略する。
本明細書または図面に説明した技術要素は、単独であるいは各種の組合せによって技術的有用性を発揮するものであり、出願時の請求項に記載の組合せに限定されるものではない。また、本明細書または図面に例示した技術は複数目的を同時に達成するものであり、そのうちの一つの目的を達成すること自体で技術的有用性を持つものである。
12;連結基部
14:基板
16:第1基板側電極
18:第1端部側の支点
20:支持壁
22:支持壁
24:第2端部側の支点
26:第2基板側電極
28:連結基部
30:第1アクチュエータ
32:第1端部
36:可動ミラー
40:第2端部
42:第2アクチュエータ
44:第1可動梁
46:第2可動梁
θ:揺動角度
17:支持台
19,21,23,25:支持柱
52,56,62,66,72,76、80,84,92,96,100,104,116,122,142,146:連結基部
54,58,64,68,74,78,82,86,112,114,118,120,144,148:可動梁
Claims (7)
- 光ビームの反射方向を切換える光学装置であり、
基板と可動ミラーと支持部とアクチュエータと連結部を備えており、
前記可動ミラーは、前記光学装置を平面視したときに、第1端部から第2端部にまで伸びており、
前記支持部は、前記可動ミラーの前記基板側の面に当接し、前記可動ミラーの第1端部が基板に接近して第2端部が基板から離反する向きに揺動する際の支点を提供する第1端部側支点と、前記可動ミラーの第1端部が基板から離反して第2端部が基板に接近する向きに揺動する際の支点を提供する第2端部側支点を備えており、
前記アクチュエータは、前記可動ミラーの前記第1端部と前記第2端部のうちの任意の一方を選択し、選択した側の前記可動ミラーの端部を基板側に近づけ、
前記連結部は、下記の相対運動:すなわち
(1) 可動ミラーが第1端部側支点を中心にして第2端部側支点から離反する向きに揺動し
(2) 可動ミラーが第2端部側支点を中心にして第1端部側支点から離反する向きに揺動する相対運動を許容する態様で前記可動ミラーを前記基板に連結していることを特徴とする光学装置。 - 前記連結部は、前記相対運動を許容する可動梁を備えていることを特徴とする請求項1の光学装置。
- 前記可動梁が、前記基板と前記可動ミラーの間を伸びていることを特徴とする請求項2の光学装置。
- 前記アクチュエータが、前記可動梁と前記基板の間に設けられていることを特徴とする請求項3の光学装置。
- 前記可動ミラーの第1端部に連結されている可動梁は、前記第1端部側支点の側から前記第2端部側支点を越えて伸びた部分で前記基板に固定されており、
前記可動ミラーの第2端部に連結されている可動梁は、前記第2端部側支点の側から前記第1端部側支点を越えて伸びた部分で前記基板に固定されていることを特徴とする請求項2から4のいずれかの1項に記載の光学装置。 - 前記可動梁が、曲げ梁、捩れ梁、曲げと捩れの複合梁のいずれかであることを特徴とする請求項2から5のいずれかの1項に記載の光学装置。
- 前記アクチュエータが、前記可動ミラーと前記基板の間に設けられていることを特徴とする請求項1または2の光学装置。
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JP2010049191A (ja) | 2010-03-04 |
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