JP5160935B2

JP5160935B2 - ミラー装置およびミラーアレイ

Info

Publication number: JP5160935B2
Application number: JP2008093634A
Authority: JP
Inventors: 成根本; 城治山口
Original assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Current assignee: Nippon Telegraph and Telephone Corp
Priority date: 2008-03-31
Filing date: 2008-03-31
Publication date: 2013-03-13
Anticipated expiration: 2028-03-31
Also published as: JP2009244760A

Description

本発明は、通信用の光スイッチ等に使用されるミラー装置、および複数のミラー装置を２次元的に配置したミラーアレイに関するものである。

インターネット通信網などにおける基盤となる光ネットワークの分野では、多チャンネル化、波長分割多重（ＷＤＭ）化および低コスト化を実現する技術として、光ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical System）技術が脚光を浴びており、この技術を用いて光スイッチが開発されている（例えば、特許文献１参照）。このＭＥＭＳ型の光スイッチの構成部品として最も特徴的なものがミラーアレイであり、ミラーアレイは複数のミラー装置を２次元的にマトリクス状に配設したものである。図１は本発明の第１の実施の形態に係るミラー装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー装置の断面図であるが、従来のミラー装置においても機械的な構成は同様であるので、図１、図２を用いて従来のミラー装置を説明する。

ミラー装置１００は、ミラーが形成されたミラー基板（上部基板）２００と、電極が形成された電極基板（下部基板）３００とが平行に配設された構造を有する。ミラー基板２００は、平面視略円形の開口を有する板状の枠部２１０と、平面視略円形の開口を有し、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂにより枠部２１０の開口内に配設された可動枠２２０と、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂにより可動枠２２０の開口内に配設された平面視略円形のミラー２３０とを有する。枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は、例えば単結晶シリコンで一体形成されている。ミラー２３０の表面には例えば３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成されている。

一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂは、枠部２１０と可動枠２２０とを連結している。可動枠２２０は、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂを通る図１の可動枠回動軸ｘを軸として回動することができる。同様に、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂは、可動枠２２０とミラー２３０とを連結している。ミラー２３０は、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂを通る図１のミラー回動軸ｙを軸として回動することができる。可動枠回動軸ｘとミラー回動軸ｙとは、互いに直交している。結果として、ミラー２３０は、直交する２軸で回動する。

電極基板３００は、板状の基部３１０と、基部３１０の表面（上面）から突出し、対向するミラー基板２００のミラー２３０と対向する位置に形成された段丘状の突出部３２０を有する。基部３１０と突出部３２０は例えば単結晶シリコンからなる。突出部３２０は、基部３１０の上面に形成された角錐台の形状を有する第２テラス３２２と、この第２テラス３２２の上面に形成された角錐台の形状を有する第１テラス３２１と、この第１テラス３２１の上面に形成された柱状の形状を有するピボット３３０とから構成される。このピボット３３０は、第１テラス３２１のほぼ中央に位置するように形成される。これにより、ピボット３３０は、ミラー２３０の中心に対向する位置に配設される。

突出部３２０の四隅とこの四隅に続く基部３１０の上面には、対向するミラー基板２００のミラー２３０と同心の円内に４つの電極３４０ａ〜３４０ｄが形成されている。また、基部３１０の上面には、突出部３２０を挟むように並設された一対の凸部３６０ａ，３６０ｂが形成されている。さらに、基部３１０の上面の突出部３２０と凸部３６０ａおよび凸部３６０ｂとの間の箇所には、それぞれ配線３７０が形成されており、この配線３７０には、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電極３４０ａ〜３４０ｄが接続されている。なお、基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。

以上のようなミラー基板２００と電極基板３００とは、ミラー２３０とこのミラー２３０に対応する電極３４０ａ〜３４０ｄとが対向配置されるように、枠部２１０の下面と凸部３６０ａ，３６０ｂの上面とを接合することにより、図２に示すようなミラー装置１００を構成する。このようなミラー装置においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに正の電圧を与えて、しかも電極３４０ａ〜３４０ｄ間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー２３０を静電引力で吸引し、ミラー２３０を任意の方向へ回動させることができる。

特開２００３−５７５７５号公報

従来のミラー装置では、電極３４０ａ〜３４０ｄに直流電圧を印加するため、電極３４０ａ〜３４０ｄとミラー２３０との間に存在する浮遊容量（例えば絶縁層３１１）が電極３４０ａ〜３４０ｄへの電圧印加により分極し、あるいは何らかの理由で帯電し、これが徐々に放電あるいは充電されてミラー２３０の駆動力に影響を与えるため、ミラー２３０の動作時に、ミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄ間の電位が時間と共に変動して、ミラー２３０の回動角度が徐々に変動する現象、すなわちドリフトが発生してしまうという問題点があった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、ミラーのドリフトの発生を抑制することができるミラー装置およびミラーアレイを提供することを目的とする。

本発明のミラー装置は、回動可能に支持されたミラーと、このミラーから離間して配置された複数の電極と、前記ミラーにミラー印加電圧を供給するミラー電圧印加手段と、前記複数の電極のそれぞれに駆動電圧を供給する駆動電圧印加手段とを備え、前記ミラー電圧印加手段は、第１の電位が継続する第１の区間と、前記第１の電位と絶対値が等しく極性の異なる第２の電位が継続する第２の区間とが交互に生じるように、前記ミラー印加電圧を前記ミラーに供給し、前記駆動電圧印加手段は、第３の電位が前記第１の区間と等しい時間幅だけ継続する第３の区間と、前記第３の電位と絶対値が等しく極性の異なる第４の電位が前記第２の区間と等しい時間幅だけ継続する第４の区間とが交互に生じるように、前記駆動電圧を前記電極のそれぞれに供給し、前記複数の電極のうち少なくとも１つの電極に供給する駆動電圧の前記第３の区間の開始する時間を、前記ミラーの所望の回動角に応じて前記第１の区間の始めから前記第２の区間の終わりまでの時間で変化させることを特徴とするものである。
また、本発明のミラー装置の１構成例において、前記第１の電位および第２の電位の絶対値は、前記第３の電位および第４の電位の絶対値と異なることを特徴とするものである。
また、本発明のミラー装置の１構成例において、前記ミラー電圧印加手段は、平均直流成分が略零となる前記ミラー印加電圧を生成し、前記駆動電圧印加手段は、平均直流成分が電極毎に略零となる前記駆動電圧を生成することを特徴とするものである。
また、本発明のミラー装置の１構成例において、前記ミラー印加電圧および駆動電圧の周波数は、前記ミラーの回動の共振周波数よりも高いことを特徴とするものである。
また、本発明は、ミラー装置を、ミラーが２次元的に並ぶように複数配置したミラーアレイにおいて、１つの前記ミラー電圧印加手段を各ミラー装置で共有し、各ミラーに共通のミラー印加電圧を供給することを特徴とするものである。

本発明によれば、ミラー電圧印加手段が、第１の電位が継続する第１の区間と、第１の電位と絶対値が等しく極性の異なる第２の電位が継続する第２の区間とが交互に生じるように、ミラー印加電圧をミラーに供給し、駆動電圧印加手段が、第３の電位が第１の区間と等しい時間幅だけ継続する第３の区間と、第３の電位と絶対値が等しく極性の異なる第４の電位が第２の区間と等しい時間幅だけ継続する第４の区間とが交互に生じるように、駆動電圧を電極のそれぞれに供給することにより、電極とミラーとの間に存在する浮遊容量に溜まる電荷を零に近づけることができ、ミラーのドリフトの発生を抑制することができる。また、本発明では、複数の電極のうち少なくとも１つの電極に供給する駆動電圧の第３の区間の開始する時間を、ミラーの所望の回動角に応じて第１の区間の始めから第２の区間の終わりまでの時間で変化させることにより、ミラーの回動角を制御することができる。

また、本発明では、第１の電位および第２の電位の絶対値を、第３の電位および第４の電位の絶対値と異なるようにすることにより、ミラーのドリフトの発生を更に抑制することができる。

また、本発明では、ミラー印加電圧および駆動電圧の周波数を、ミラーの回動の共振周波数よりも高くすることにより、ミラーの振動を抑制することができる。結果として、本発明のミラー装置を光スイッチに用いた場合に、ミラーの振動による出力光のパワーの低下を防ぐことができる。

［第１の実施の形態］
以下、本発明の第１の実施の形態について図面を参照して説明する。図１は本発明の第１の実施の形態に係るミラー装置の構成を示す分解斜視図、図２は図１のミラー装置の断面図である。ミラー装置１００は、ミラーが形成されたミラー基板（上部基板）２００と、電極が形成された電極基板（下部基板）３００とが平行に配設された構造を有する。

ミラー基板２００は、平面視略円形の開口を有する板状の枠部２１０と、平面視略円形の開口を有し、一対のトーションバネ２１１ａ，２１１ｂにより枠部２１０の開口内に配設された可動枠２２０と、一対のトーションバネ２２１ａ，２２１ｂにより可動枠２２０の開口内に配設された平面視略円形のミラー２３０とを有する。枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は、例えば単結晶シリコンで一体形成されている。ミラー２３０の表面には例えば３層のＴｉ／Ｐｔ／Ａｕ層が形成されている。

突出部３２０の四隅とこの四隅に続く基部３１０の上面には、対向するミラー基板２００のミラー２３０と同心の円内に４つの電極３４０ａ〜３４０ｄが形成されている。また、基部３１０の上面には、突出部３２０を挟むように並設された一対の凸部３６０ａ，３６０ｂが形成されている。さらに、基部３１０の上面の突出部３２０と凸部３６０ａおよび凸部３６０ｂとの間の箇所には、それぞれ配線３７０が形成されており、この配線３７０には、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して電極３４０ａ〜３４０ｄが接続されている。

以上のようなミラー基板２００と電極基板３００とは、ミラー２３０とこのミラー２３０に対応する電極３４０ａ〜３４０ｄとが対向配置されるように、枠部２１０の下面と凸部３６０ａ，３６０ｂの上面とを接合することにより、図２に示すようなミラー装置１００を構成する。このようなミラー装置１００においては、ミラー２３０を接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに正の電圧を与えて、しかも電極３４０ａ〜３４０ｄ間に非対称な電位差を生じさせることにより、ミラー２３０を静電引力で吸引し、ミラー２３０を任意の方向へ回動させることができる。

前述のとおり、枠部２１０、トーションバネ２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ、可動枠２２０およびミラー２３０は、導電性の材料（本実施の形態では単結晶シリコン）で一体形成されている。一方、単結晶シリコン等からなる基部３１０の表面には酸化シリコン等からなる絶縁層３１１が形成されており、この絶縁層３１１の上に電極３４０ａ〜３４０ｄ、引き出し線３４１ａ〜３４１ｄ、配線３７０が形成されている。

本実施の形態と従来のミラー装置との大きな相違点は、従来のミラー装置ではミラーを接地し、電極３４０ａ〜３４０ｄに直流の駆動電圧を印加しているのに対して、本実施の形態では、ミラー２３０に平均直流成分が略零で矩形波であるミラー印加電圧を供給すると共に、電極３４０ａ〜３４０ｄにミラー２３０に供給した電圧と同じ周波数の矩形波である駆動電圧を供給し、各駆動電極への駆動電圧振幅が共通である点にある。そして、ミラー２３０を回動させる際、ミラー２３０の角度に応じて、ミラー印加電圧に対する各電極への駆動電圧の位相のみを変化させることで、ミラー２３０の角度を制御する。以下、本実施の形態と従来のミラー装置との相違点についてより詳細に説明する。図３は本実施の形態のミラー装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。

ミラー電圧印加部４００は、枠部２１０とトーションバネ２１１ａ，２１１ｂと可動枠２２０とトーションバネ２２１ａ，２２１ｂとを介してミラー２３０にミラー印加電圧を供給する。ミラー印加電圧は、平均直流成分が略零の交流電圧であり、ミラー２３０の回動角度に依存せずに常に一定の振幅である。

駆動電圧印加部４０１は、駆動電圧として平均直流成分が電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に略零となる交流電圧をミラー２３０の所望の回動角に応じて電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に生成して印加する。電極３４０ａ〜３４０ｄには、それぞれ引き出し線３４１ａ〜３４１ｄを介して駆動電圧が印加される。このときの各電極への交流電圧の振幅もミラー２３０の回動角度に依存せず一定である。位相制御部４０２がミラー印加電圧に対する各電極への駆動電圧の位相を制御することによって、ミラー２３０は電極３４０ａ〜３４０ｄそれぞれとの間の電位差に応じた方向に回動する。

ミラー２３０を実際に制御する際には、位相制御部４０２が以下のような処理を行う。駆動電圧印加部４０１は、予めミラー２３０の回動角と各電極毎の位相差（ミラー印加電圧と駆動電圧との間の位相差）との関係が設定されたテーブル４０３を内部に備えている。位相制御部４０２は、ミラー２３０の所望の回動角に対応する位相差の値をテーブル４０３から取得して、ミラー印加電圧に対して当該位相差を持った駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに供給する。

ミラー２３０に電圧を印加する方法を説明する。ミラー電圧印加部４００は、ミラー印加電圧として図４（Ａ）に示すような振幅０．５Ｖ₁の矩形波電圧をミラー２３０に供給する。ここで、電圧Ｖ₁は、ミラー２３０を接地して電極に直流の駆動電圧を印加した場合に、ミラー２３０の回動角度が使用目的に必要な最大角度となる駆動電圧である。

一方、駆動電圧印加部４０１も、初期状態として、図４（Ａ）に示したミラー印加電圧と周波数、振幅および位相が等しい駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに供給する（図４（Ｂ））。このとき、全く同じ波形をミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄの双方に印加しているため、ミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄ間の電位差は時間によらず常に０Ｖになる。

次に、ミラー２３０の傾きを制御するために、ミラー２３０に供給するミラー印加電圧に対して電極３４０ａ〜３４０ｄのうち少なくとも１つの電極に供給する駆動電圧の位相を図４（Ｃ）のように変化させる。ここでは、電極３４０ｂに供給する駆動電圧の位相を変化させるものとする。これにより、駆動電圧の位相を変化させた電極３４０ｂのミラー２３０に対する電位差は図４（Ｄ）のようになる。すなわち、接地電位を中心に、振幅Ｖ₁で幅がＷの矩形波パルスが正負交互に発生するような電位差となる。したがって、ミラー２３０と電極３４０ｂ間の静電引力と、ミラー２３０と電極３４０ｄ間の静電引力に差が生じるので、ミラー２３０は電極３４０ｂ側に引き寄せられるようにミラー回動軸ｙの周りを回動する。ここで、ミラー印加電圧および駆動電圧として与える矩形波の周波数を、ミラー２３０が矩形波の電圧変化に追従できないほど十分に早い周波数とすることにより、ミラー２３０の回動角は矩形波に追従することなく、一定の回動角となる。具体的には、矩形波の周波数は、ミラー２３０の回動方向に関する共振周波数の２倍以上とすることが望ましい。

そして、電極３４０ｂに供給する駆動電圧の位相差φを０度から１８０度の間で大きくするに従い、矩形波パルスの幅Ｗは広くなり、ミラー２３０の回動角が大きくなっていく。図４（Ｄ）に示した電位差は、ミラー２３０を接地電位にして電極３４０ｂに図４（Ｄ）のような駆動電圧を印加する場合に生じる電位差と同等である。

ミラー２３０の回動角と駆動電圧の位相差φとの関係について説明する。ミラー２３０の駆動力となる静電引力は、ミラー２３０と電極間の電位差の二乗に比例するため、電位差が正負どちらの電圧であっても静電引力に変わりはない。そのため、ミラー２３０に図４（Ａ）に示したミラー印加電圧を与え、電極３４０ｂに図４（Ａ）と逆相の駆動電圧（すなわち、ミラー印加電圧と１８０度位相がずれた（φ＝１８０）電圧）を与えた場合、ミラー２３０と電極３４０ｂ間の電位差は＋Ｖ₁と−Ｖ₁が交互に現れる矩形波電圧となる。このとき、ミラー２３０は、ミラー２３０に接地電位を与え、電極３４０ｂに正あるいは負の直流電圧Ｖ₁を与えた場合と同じ角度だけ回動する。

一方、電極３４０ｂに供給する駆動電圧の位相差φを０度から１８０度の間で変化させた場合、ミラー２３０と電極３４０ｂ間の電位差は図４（Ｄ）のような電圧になるが、ミラー印加電圧および駆動電圧の周波数が、先に述べたようにミラー２３０が追従できないほど十分に早い周波数である場合、ミラー２３０の駆動に影響を与える実効的な電位差は、図４（Ｄ）の電位差の２乗値を時間平均した値となる。すなわち、ミラー２３０と電極３４０ｂとの間に図４（Ｄ）のような電位差が生じた場合、ミラー２３０の駆動に影響を与える実効的な電位差は、図４（Ｄ）の矩形波パルスの幅Ｗに比例する。

図５は、３つの電極３４０ａ，３４０ｃ，３４０ｄにミラー印加電圧と同じ位相の図４（Ｂ）のような駆動電圧を印加し、電極３４０ｂに供給される駆動電圧のミラー印加電圧に対する位相差φを変化させたときに、電極３４０ｂ側に傾くミラー２３０の回動角度θを測定した結果である。ミラー２３０に供給するミラー印加電圧と電極３４０ｂに供給する駆動電圧との位相差φが０度のときは前述のようにミラー２３０と電極３４０ａ〜３４０ｄ間の電位差は常に０となるため、ミラー２３０の回動角度は０度、すなわちミラー２３０は枠部２１０と平行になる。

一方、ミラー２３０に供給するミラー印加電圧と電極３４０ｂに供給する駆動電圧との位相差φが１８０度となったとき、ミラー２３０と電極３４０ｂ間の電位差は、振幅がＶ₁でパルス幅ＷがＴ／２（Ｔはミラー印加電圧および駆動電圧の周期）の負の矩形波パルスと振幅がＶ₁でパルス幅ＷがＴ／２の正の矩形波パルスとが交互に現れる波形となる。このとき、ミラー２３０は、ミラー２３０に接地電位を与え、電極３４０ｂに正あるいは負の直流電圧Ｖ₁を与えた場合と同じ角度だけ回動し、必要な最大角度を得ることができる。

図５によれば、駆動電圧の位相差φを０度から１８０度まで変化させていくことで、ミラー２３０の回動角度は「最大角度」に向けて増加していく結果が示されている。すなわち、電極に供給する駆動電圧の位相のみを変化させることにより、ミラー２３０を所望の角度に回動させることができる。また、位相を１８０度から３６０度に変化させた場合は１８０度で回動角が最大となり、徐々に角度が小さくなる。どちらの場合も角度の増減が逆になる以外は同様の角度制御が可能であるため、どちらを使用しても良い。

以下、本実施の形態の効果について説明する。ミラー印加電圧および駆動電圧によって浮遊容量（例えば絶縁層３１１）に溜まる電荷の正負は、ミラー印加電圧および駆動電圧の正負によって異なる。したがって、ミラー２３０にミラー印加電圧として平均直流成分が略零となる交流電圧（正負の電圧印加時間幅が略等しく、かつ正負の振幅が略等しい交流電圧）を印加すると共に、電極３４０ａ〜３４０ｄに駆動電圧として平均直流成分が電極３４０ａ〜３４０ｄ毎に略零となる交流電圧を印加すれば、浮遊容量に溜まる電荷の充電は交流電圧に応じた正負で相殺し合うため、浮遊容量に溜まる電荷は平均的に見れば零に近づく。結果として、本実施の形態では、浮遊容量に溜まる電荷が要因となるミラー２３０のドリフトの発生を抑制することができる。

ドリフトの発生が抑制できるため、本実施の形態のミラー装置では、ミラー２３０の回動角と駆動電圧の位相差との関係が設定されたテーブル４０３に従って、電極３４０ａ〜３４０ｄに供給する駆動電圧の位相を制御するだけで、ミラー２３０の所望の回動角が得られるようになる。すなわち、ミラー２３０の動作の制御が容易になる、という効果が得られる。また、ミラー回動角と位相は図５のようにほぼ比例関係となっている。直流電圧でその振幅により回動角を制御する場合、回動角は振幅の２乗に比例するのに対し、本実施の形態の位相による制御では線形に近づくため、ミラー回動角制御が非常に容易になる。

［第２の実施の形態］
次に、本発明の第２の実施の形態について図面を参照して説明する。本実施の形態は、第１の実施の形態とは、電極に供給する駆動電圧が異なるのみであるため、その相違点のみを詳細に説明する。ミラー装置の構成は第１の実施の形態と同様であるので、図１〜図３の符号を用いる。

まず、ミラー電圧印加部４００は、図６（Ａ）に示すように図４（Ａ）と全く同じミラー印加電圧をミラー２３０に供給する。
一方、駆動電圧印加部４０１は、図６（Ａ）に示したミラー印加電圧と周波数および位相が等しく、（０．５Ｖ₁＋Ｖ₂）の振幅を持つ駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに供給する（図６（Ｂ））。すなわち、駆動電圧は、振幅が（０．５Ｖ₁＋Ｖ₂）の正の矩形波パルスと振幅が（０．５Ｖ₁＋Ｖ₂）の負の矩形波パルスとが交互に現れる波形となる。

ここで、電圧（Ｖ₁＋Ｖ₂）は、第１の実施の形態と同様に、ミラー２３０を接地して電極に直流の駆動電圧を印加した場合に、ミラー２３０の回動角度が使用目的に必要な最大角度となる駆動電圧である。また、電圧Ｖ₂は、ミラー２３０の角度ドリフトによって変化する見かけ上の電圧よりも大きければよい。例えば、ミラー２３０の最大角度ドリフト量をミラー駆動電圧の変化に換算した場合、最大駆動電圧に対して１割以下の変化であった場合、電圧Ｖ₂は、０．１×Ｖ₁以上とすればよい。

ミラー２３０の傾きを制御するには、第１の実施の形態と同様に、ミラー２３０に供給するミラー印加電圧に対して電極３４０ａ〜３４０ｄのうち少なくとも１つの電極に供給する駆動電圧の位相を図６（Ｃ）のように０度から１８０度の間で変化させればよい。ここでは、電極３４０ｂに供給する駆動電圧の位相を変化させるものとする。これにより、駆動電圧の位相を変化させた電極３４０ｂのミラー２３０に対する電位差は図６（Ｄ）のようになる。すなわち、接地電位を中心に、振幅（Ｖ₁＋Ｖ₂）で幅がＷの矩形波パルスが、＋Ｖ₂あるいは−Ｖ₂の電位を経由して正負交互に発生するような電位差となる。したがって、ミラー２３０と電極３４０ｂ間の静電引力と、ミラー２３０と電極３４０ｄ間の静電引力に差が生じるので、ミラー２３０は電極３４０ｂ側に引き寄せられるようにミラー回動軸ｙの周りを回動する。

そして、電極３４０ｂに供給する駆動電圧の位相差φを０度から１８０度の間で大きくするに従い、矩形波パルスの幅Ｗは広くなり、ミラー２３０の回動角が大きくなっていく。図６（Ｄ）に示した電位差は、ミラー２３０を接地電位にして電極３４０ｂに図６（Ｄ）のような駆動電圧を印加する場合に生じる電位差と同等である。

先に述べたように、ミラー印加電圧および駆動電圧の周波数が、ミラー２３０が追従できないほど十分に早い周波数である場合、ミラー２３０の駆動に影響を与える実効的な電位差は図６（Ｄ）の電位差の２乗値の時間平均であるから、ミラー２３０と電極３４０ｂ間の電位差が＋Ｖ₂あるいは−Ｖ₂となる区間ではミラー２３０は電位差＋Ｖ₂，−Ｖ₂に追従しない。よって、駆動電圧の位相差φとミラー２３０の回動角度との関係は、第１の実施の形態で示した図５とほぼ同様の関係になる。

このように、本実施の形態では、電極３４０ｂに供給する駆動電圧の振幅を、ミラー２３０に供給するミラー印加電圧の振幅よりも僅かに大きくすることにより、第１の実施の形態に比べて、ミラー２３０のドリフトの発生を更に抑制することができる。すなわち、第１の実施の形態では、ミラー２３０と電極３４０ｂ間の電位差が正のときと負のときは浮遊容量に溜まる電荷を零に近づけることができるが、電位差が０のときには浮遊容量に溜まる電荷の影響を取り除くことができないため、若干角度ドリフトの影響が残ってしまう。これに対して、本実施の形態では、図６（Ｄ）からも分かるように、ミラー２３０と電極３４０ｂ間の電位差が０の区間は存在しない。よって、浮遊容量に溜まる電荷の影響を正負の電位差で常に相殺することが可能なので、第１の実施の形態に比べて、ミラー２３０のドリフトの発生を更に抑制することができる。また、この例では駆動電圧の振幅をミラー印加電圧よりも大きくしたが、逆にミラー印加電圧を駆動電圧よりも大きくした場合も、ミラーと駆動電極間の電位差は同様の波形となり、全く同じ効果を得ることができる。

また、従来のミラー装置のようにミラー２３０を接地し、図４（Ｄ）あるいは図６（Ｄ）のような駆動電圧を電極３４０ａ〜３４０ｄに供給する場合、駆動電圧印加部の構成が非常に複雑になるという問題があった。これに対して、第１、第２の実施の形態では、ミラー印加電圧に対する駆動電圧の位相差を変化させてミラー２３０の回動を制御するので、ミラー２３０の傾きによらずミラー印加電圧と駆動電圧の両方に同等の波形を用いることが可能なので、駆動電圧の作成を容易にすることが可能となる。

また、従来のミラー装置では、ミラー２３０に必要な最大角度を得るための電圧Ｖ₁と同等程度の振幅の駆動電圧が必要となるため、大きな耐圧を持つ駆動素子を組み合わせて駆動電圧印加部の回路を作製する必要があった。これに対して、第１、第２の実施の形態では、ミラー印加電圧および駆動電圧の最大値は電圧Ｖ₁の約半分にすれば良いため、ミラー電圧印加部４００および駆動電圧印加部４０１内の駆動素子に耐圧が小さいものを利用することができる。

なお、第１、第２の実施の形態では、電極３４０ｂに供給する駆動電圧のミラー印加電圧に対する位相差のみを変化させたが、これに限るものではなく、各電極３４０ａ〜３４０ｄに供給する駆動電圧の位相差を電極毎に独立に変化させてもよいことは言うまでもない。

また、ミラーがアレイ状に配置されたミラーアレイの場合、ミラー駆動電圧は各ミラーで共通にすることができるので、アレイ化した場合でも回路規模が大きくなることはない。すなわち、ミラーアレイの場合は、ミラー装置毎にミラー電圧印加部４００を設けるのではなく、複数のミラー装置で１つのミラー電圧印加部４００を共有することができる。

第１、第２の実施の形態では、正電位及び負電位のデューティー比が５０％となるパルス電圧を用いていた。しかしミラー角度ドリフトの原因となる浮遊電荷のチャージ量が正電圧印加時と負電圧印加時で異なる場合があり、この場合、第１、第２の実施の形態ではチャージの増加を防ぐことができない。その場合、正負印加電圧による浮遊電荷のチャージ特性に合わせ、正電位および負電位のデューティー比を調整し、平均が０でなくなるようにすることで回避できる。

本発明は、ミラー装置、および複数のミラー装置を２次元的に配置したミラーアレイに適用することができる。

本発明の第１の実施の形態に係るミラー装置の構成を示す分解斜視図である。図１のミラー装置の断面図である。本発明の第１の実施の形態に係るミラー装置の電気的な接続関係を示すブロック図である。本発明の第１の実施の形態においてミラーに印加するミラー印加電圧、電極に印加する駆動電圧、および電極とミラーとの間の電位差の１例を示す波形図である。本発明の第１の実施の形態において駆動電圧の位相差とミラーの回動角度との関係を示す図である。本発明の第２の実施の形態においてミラーに印加するミラー印加電圧、電極に印加する駆動電圧、および電極とミラーとの間の電位差の１例を示す波形図である。

符号の説明

１００…ミラー装置、２００…ミラー基板、２１１ａ，２１１ｂ，２２１ａ，２２１ｂ…トーションバネ、２２０…可動枠、２３０…ミラー、３００…電極基板、３４０ａ〜３４０ｄ…電極、４００…ミラー電圧印加部、４０１…駆動電圧印加部、４０２…位相制御部、４０３…テーブル。

Claims

回動可能に支持されたミラーと、
このミラーから離間して配置された複数の電極と、
前記ミラーにミラー印加電圧を供給するミラー電圧印加手段と、
前記複数の電極のそれぞれに駆動電圧を供給する駆動電圧印加手段とを備え、
前記ミラー電圧印加手段は、第１の電位が継続する第１の区間と、前記第１の電位と絶対値が等しく極性の異なる第２の電位が継続する第２の区間とが交互に生じるように、前記ミラー印加電圧を前記ミラーに供給し、
前記駆動電圧印加手段は、第３の電位が前記第１の区間と等しい時間幅だけ継続する第３の区間と、前記第３の電位と絶対値が等しく極性の異なる第４の電位が前記第２の区間と等しい時間幅だけ継続する第４の区間とが交互に生じるように、前記駆動電圧を前記電極のそれぞれに供給し、
前記複数の電極のうち少なくとも１つの電極に供給する駆動電圧の前記第３の区間の開始する時間を、前記ミラーの所望の回動角に応じて前記第１の区間の始めから前記第２の区間の終わりまでの時間で変化させることを特徴とするミラー装置。
請求項１に記載のミラー装置において、
前記第１の電位および第２の電位の絶対値は、前記第３の電位および第４の電位の絶対値と異なることを特徴とするミラー装置。
請求項１または２記載のミラー装置において、
前記ミラー電圧印加手段は、平均直流成分が略零となる前記ミラー印加電圧を生成し、
前記駆動電圧印加手段は、平均直流成分が電極毎に略零となる前記駆動電圧を生成することを特徴とするミラー装置。
請求項１乃至３のいずれか１項に記載のミラー装置において、
前記ミラー印加電圧および駆動電圧の周波数は、前記ミラーの回動の共振周波数よりも高いことを特徴とするミラー制御装置。
請求項１乃至４のいずれか１項に記載のミラー装置を、ミラーが２次元的に並ぶように複数配置したミラーアレイにおいて、
１つの前記ミラー電圧印加手段を各ミラー装置で共有し、各ミラーに共通のミラー印加電圧を供給することを特徴とするミラーアレイ。