JP5767939B2 - Mirror array - Google Patents
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Description
本発明は、複数のミラーと該ミラーを駆動するアクチュエータとを備えたミラーアレイに関するものである。 The present invention relates to a mirror array including a plurality of mirrors and an actuator for driving the mirrors.
従来より、ミラーを互いに直交する主軸及び副軸回りに回動させるミラー装置が知られている。例えば、特許文献１には、１つのミラーにつき４つのアクチュエータを備えたミラー装置が開示されている。詳しくは、２つで１組のアクチュエータが、ミラーの主軸を挟んで両側に、即ち、２組設けられている。各組において、２つのアクチュエータは、副軸を挟んで並んでいる。各アクチュエータは、副軸方向に延びる板状のアクチュエータ本体と、該アクチュエータ本体に対向して設けられた対向電極とを備えている。各アクチュエータ本体は、対向電極との間の静電引力により対向電極に引きつけられるように傾動する。このように構成されたミラー装置においては、何れかの組の２つのアクチュエータを下方に傾動させることによって、ミラーが主軸回りに回動する。何れの組のアクチュエータを傾動させるかによって、ミラーの主軸回りの回動方向を切り替えることができる。一方、両方の組において副軸に対して一方の側に位置するアクチュエータを下方に傾動させることによって、ミラーが副軸回りに回動する。副軸に対して何れの側のアクチュエータを傾動させるかによって、ミラーの副軸回りの回動方向を切り替えることができる。
2. Description of the Related Art Conventionally, a mirror device that rotates a mirror about a main axis and a sub axis that are orthogonal to each other is known. For example,
ところで、複数のミラーを備えるミラーアレイにおいては、ミラーの個数に応じて、アクチュエータの個数も多くなる。そのため、ミラーアレイに含まれるミラーの個数を増やすためにも、ミラー及びアクチュエータの構成を簡略化させることが好ましい。 By the way, in a mirror array including a plurality of mirrors, the number of actuators increases according to the number of mirrors. Therefore, it is preferable to simplify the configuration of the mirror and the actuator in order to increase the number of mirrors included in the mirror array.
ここに開示された技術は、かかる点に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、ミラーアレイの構成を簡略化することにある。 The technology disclosed herein has been made in view of such a point, and an object thereof is to simplify the configuration of the mirror array.
ここに開示されたミラーアレイは、ベース部と、該ベース部に支持された複数のミラーと、該ミラーに連結されて該ミラーを駆動する複数のアクチュエータとを備え、該ミラーを互いに直交する主軸及び副軸回りに回動させるものである。そして、前記アクチュエータは、前記副軸方向に延びるアクチュエータ本体と、該アクチュエータ本体の表面に積層された圧電素子とを有し、該圧電素子を伸縮させることによって該アクチュエータ本体を傾動させるように構成されており、前記各ミラーには、前記副軸を挟んで並ぶ２つの前記アクチュエータが前記主軸に対して一方の側だけに設けられている。 The mirror array disclosed herein includes a base portion, a plurality of mirrors supported by the base portion, and a plurality of actuators coupled to the mirror to drive the mirror, and the mirrors are orthogonal to each other. And rotating around the auxiliary shaft. The actuator includes an actuator body extending in the sub-axis direction and a piezoelectric element laminated on the surface of the actuator body, and is configured to tilt the actuator body by expanding and contracting the piezoelectric element. Each of the mirrors is provided with two actuators arranged on both sides of the auxiliary shaft on only one side with respect to the main shaft.
前記の構成によれば、１つのミラーにつき２つのアクチュエータが設けられている。すなわち、特許文献１に記載のミラー装置に比べて、ミラー１つ当たりのアクチュエータの個数が減少している。そのため、ミラーアレイの構成を簡略化することができる。
According to the above configuration, two actuators are provided for each mirror. That is, the number of actuators per mirror is reduced compared to the mirror device described in
また、アクチュエータ本体の表面に圧電素子を積層させた構成においては、圧電素子を伸張させることによってアクチュエータ本体を圧電素子が積層された面とは反対側に傾動させることができる一方、圧電素子を収縮させることによってアクチュエータ本体を圧電素子側に傾動させることができる。そのため、アクチュエータをミラーの主軸に対して片側だけに設ける構成であっても、ミラーを主軸回りの何れの方向にも回動させることができる。 Also, in the configuration in which the piezoelectric element is laminated on the surface of the actuator body, the actuator body can be tilted to the opposite side of the surface on which the piezoelectric element is laminated by extending the piezoelectric element, while the piezoelectric element is contracted. By doing so, the actuator body can be tilted to the piezoelectric element side. Therefore, even if the actuator is provided only on one side with respect to the main axis of the mirror, the mirror can be rotated in any direction around the main axis.
さらに、ミラーごとに設けられた２つのアクチュエータは、副軸を挟んで並んでいるため、一方のアクチュエータを傾動させることによって、ミラーを副軸回りに回動させることができる。このとき、他方のアクチュエータを一方のアクチュエータとは反対側に傾動させることによって、ミラーの副軸回りの回動角を大きくすることができる。 Furthermore, since the two actuators provided for each mirror are arranged with the secondary shaft in between, the mirror can be rotated around the secondary shaft by tilting one of the actuators. At this time, the rotation angle around the secondary axis of the mirror can be increased by tilting the other actuator to the side opposite to the one actuator.
すなわち、アクチュエータをミラーの主軸に対して片側だけに設けるという簡略な構成であっても、アクチュエータを圧電駆動とし且つ２つのアクチュエータを副軸を挟んで並設することによって、ミラーを主軸回りにも副軸回りにも回動させることができる。 That is, even in a simple configuration in which the actuator is provided only on one side with respect to the main axis of the mirror, the mirror can also be moved around the main axis by using the actuator as a piezoelectric drive and arranging the two actuators in parallel with the auxiliary shaft in between. It can also be rotated around the auxiliary shaft.
前記ミラーアレイによれば、ミラーの駆動性能を損なうことなく、ミラーアレイを簡略化することができる。 According to the mirror array, the mirror array can be simplified without impairing the mirror drive performance.
以下、例示的な実施形態を図面に基づいて詳細に説明する。 Hereinafter, exemplary embodiments will be described in detail with reference to the drawings.
図１は、ミラーアレイ１００の平面図を、図２は、ミラーアレイ１００の下面図を、図３はミラーアレイ１００の、図１のIII−III線における断面図を示す。
1 is a plan view of the
ミラーアレイ１００は、枠状のベース部２と、複数のアクチュエータ１，１，…と、複数のミラー１１０，１１０，…と、各アクチュエータ１をミラー１１０に連結する第１ヒンジ６と、各ミラー１１０をベース部２に連結する第２ヒンジ７と、アクチュエータ１，１，…を制御する制御部１２０とを備えている。１つのミラー１１０につき、２つのアクチュエータ１，１が設けられている。すなわち、各ミラー１１０は、２つのアクチュエータ１，１により駆動される。詳しくは、ミラー１１０は、互いに直交する主軸Ｘ及び副軸Ｙ回りに回動する。
The
このミラーアレイ１００は、ＳＯＩ（Silicon on Insulator）基板２００を用いて製造されている。ＳＯＩ基板２００は、単結晶シリコンで形成された第１シリコン層２１０と、ＳｉＯ２で形成された酸化膜層２２０と、単結晶シリコンで形成された第２シリコン層２３０とがこの順で積層されて構成されている。
The
このミラーアレイ１００は、例えば、波長選択スイッチ３００に組み込まれて使用される。図４に、波長選択スイッチ３００の概略図を示す。
The
波長選択スイッチ３００は、１つの入力用光ファイバ３１０と、３つの出力用光ファイバ３２０〜３４０と、光ファイバ３１０〜３４０に設けられたコリメータ３５０と、回折格子で構成された分光器３６０と、レンズ３７０と、ミラーアレイ１００とを備えている。尚、この例では、出力用ファイバは、３本だけであるが、これに限られるものではない。
The wavelength
この波長選択スイッチ３００においては、入力用光ファイバ３１０を介して、複数の異なる波長の光信号が入力される。この光信号は、コリメータ３５０により平行光にされる。平行光となった光信号は、分光器３６０によって、所定の数の特定波長の光信号に分波される。分波された光信号は、レンズ３７０によって集光され、ミラーアレイ１００に入射する。分波される特定波長の個数と、ミラーアレイ１００のミラー１１０の個数は対応している。つまり、分波された特定波長の光信号は、それぞれ対応するミラー１１０に入射する。そして、該光信号は、各ミラー１１０により反射し、再びレンズ３７０を通って、分光器３６０へ入射する。分光器３６０は、複数の異なる波長の光信号を合波し、出力用光ファイバ３２０〜３４０へ出力する。ここで、ミラーアレイ１００は、各ミラー１１０を主軸回りに回動させることによって光信号の反射角度を調整して、対応する光信号がどの出力用光ファイバ３２０〜３４０へ入力されるのかを切り替える。さらに詳しくは、光信号を入力する出力用光ファイバ３２０〜３４０を切り替えるために各ミラー１１０の主軸回りの回動角を変更するときには、ミラー１１０を副軸回りに回動させた状態で主軸回りの回動角を変更する。こうすることによって、主軸回りの回動角を変更する際に、ミラー１１０からの反射光が所望していない出力用光ファイバへ入力されてしまうことを防止している。
In the wavelength
続いて、ミラーアレイ１００の構成について詳細に説明する。
Next, the configuration of the
ベース部２は、全体の図示は省略するが、概略長方形の枠状に形成されている。ベース部２の大部分は、第１シリコン層２１０、酸化膜層２２０及び第２シリコン層２３０で形成されている。
The
ミラー１１０は、概略長方形状をした板状に形成されている。ミラー１１０は、第１シリコン層２１０の表面にＡｕ／Ｔｉ膜を成膜して形成されている。
The
第１ヒンジ６は、一端がアクチュエータ１の先端に連結され、他端がミラー１１０の端縁に連結されている。第１ヒンジ６の詳細な形状については、後述する。尚、図１〜３においては、第１ヒンジ６を簡略化して図示している。ミラー１１０には、２つの第１ヒンジ６，６が連結されている。つまり、ミラー１１０には、２つのアクチュエータ１，１が第１ヒンジ６，６を介して連結されている。２つの第１ヒンジ６，６は、ミラー１１０の端縁の中点に対して対称な位置に連結されている。第１ヒンジ６は、第１シリコン層２１０で形成されている。
The
第２ヒンジ７の一端は、ミラー１１０の、第１ヒンジ６が連結された端縁と対向する端縁に連結されている。一方、第２ヒンジ７の他端は、ベース部２に連結されている。第２ヒンジ７の詳細な形状については、後述する。尚、図１〜３においては、第２ヒンジ７を簡略化して図示している。第２ヒンジ７は、ミラー１１０の端縁の中点に連結されている。第２ヒンジ７は、第１シリコン層２１０で形成されている。
One end of the
各アクチュエータ１は、前記ベース部２と、該ベース部２に連結されたアクチュエータ本体３と、アクチュエータ本体３の表面に形成された圧電素子４と、アクチュエータ本体３に対向して設けられた対向電極５とを備えている。
Each
アクチュエータ本体３は、その基端がベース部２に連結されている。アクチュエータ本体３は、ベース部２に片持ち状に支持されている。また、アクチュエータ本体３の先端に前記第１ヒンジ６が連結されている。アクチュエータ本体３は、第１シリコン層２１０で形成されている。アクチュエータ本体３は、ベース部２のうち第１シリコン層２１０で形成された部分と一体に形成されている。
The
圧電素子４は、アクチュエータ本体３の表面３１（対向電極と対向する面３２とは反対側の面）に形成されている。圧電素子４は、下部電極４１と、上部電極４３と、これらに挟持された圧電体層４２とを有する。下部電極４１、圧電体層４２、上部電極４３は、アクチュエータ本体３の表面３１にこの順で積層されている。圧電素子４は、ＳＯＩ基板２００とは別の部材で形成されている。詳しくは、下部電極４１は、Ｐｔ／Ｔｉ膜で形成されている。圧電体層４２は、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）で形成されている。上部電極４３は、Ａｕ／Ｔｉ膜で形成されている。
The
圧電体層４２は、アクチュエータ本体３の長手方向の全域に亘って設けられている。圧電体層４２は、アクチュエータ本体３の基端部からベース部２側にも延びている。そして、圧電体層４２は、ベース部２上において、隣接する別のアクチュエータの圧電体層４２と連結されている。つまり、４つのアクチュエータ１，１，…の圧電体層４２，４２，…は、１つに連結されている。
The piezoelectric layer 42 is provided over the entire area of the
上部電極４３は、圧電体層４２のうちアクチュエータ本体３上の部分に設けられた本体４３ａと、圧電体層４２のうちベース部２上の部分に設けられた端子（以下、「上部端子」ともいう）４３ｂと、該本体４３ａと端子４３ｂとを連結する連結部４３ｃとを有している。連結部４３ｃは、本体４３ａや端子４３ｂよりも細い形状となっている。
The
下部電極４１は、圧電体層４２と概ね同様の形状をしており、圧電体層４２の下方に位置している。そのため、下部電極４１は、基本的には、外部に露出していない。ただし、下部電極４１の端子（以下、「下部端子」ともいう）４１ａだけが、外部に露出している。下部電極４１の下部端子４１ａは、４つのアクチュエータ１，１，…の下部電極４１，４１，…で共通である。
The
対向電極５は、ベース部２と一体的に構成されている。対向電極５は、アクチュエータ本体３の基端部３３と対向して設けられている。対向電極５とアクチュエータ本体３の基端部３３との間には、間隙Ｇ１が設けられている。対向電極５は、アクチュエータ本体３ごとに設けられている。対向電極５は、第２シリコン層２３０で形成されている。対向電極５は、ベース部２のうち第２シリコン層２３０で形成された部分と一体に形成されている。ただし、ベース部２の第２シリコン層２３０においては、４つの対向電極５，５，…のそれぞれを分離させるための溝２３４，２３４，…が形成されている。該溝２３４は、酸化膜層２２０まで達している。こうして、４つの対向電極５，５，…は、それぞれ電気的に絶縁されている。間隙Ｇ１は、酸化膜層２２０を除去することによって形成されている。
The
ベース部２には、詳しくは後述するが、アクチュエータ本体３と対向電極５との間の静電容量を検出するための第１及び第２検出端子８１，８２が設けられている。詳しくは、第１検出端子８１は、ベース部２における第１シリコン層２１０に設けられている。第１検出端子８１は、第１シリコン層２１０に設けられているので、アクチュエータ本体３と電気的に接続されていることになる。また、ベース部２には、第２シリコン層２３０を第１シリコン層２１０側に露出させるための概略長方形状の開口２１が形成されている。この開口２１は、第１シリコン層２１０及び酸化膜層２２０を貫通している。第２検出端子８２は、開口２１において露出する第２シリコン層２３０に設けられている。第２検出端子８２は、第２シリコン層２３０に設けられているので、対向電極５と電気的に接続されていることになる。
As will be described in detail later, the
さらに、ベース部２の第１シリコン層２１０には、開口２１を挟んで、第１検出端子８１とを反対側に、参照端子８３が設けられている。この参照端子８３は、詳しくは後述するが、参照静電容量を検出するための端子である。
Further, a
また、ベース部２のうち、開口２１に隣接し且つ開口２１よりも参照端子８３側の部分には、第１シリコン層２１０と第２シリコン層２３０との間に間隙Ｇ２が設けられている。間隙Ｇ２は、開口２１と連通している。間隙Ｇ２は、酸化膜層２２０を除去することによって形成されている。
A gap G <b> 2 is provided between the
次に、このように構成されたミラーアレイ１００の動作について説明する。ミラーアレイ１００の制御部１２０は、上部電極４３の端子４３ｂと下部電極４１の下部端子４１ａとに駆動電圧を印加する。この駆動電圧に応じて、圧電体層４２が収縮又は伸張し、アクチュエータ本体３が上方（表面３１側）又は下方（裏面３２側）に傾動する。さらに詳しくは、ミラー１１０に連結された２つのアクチュエータ本体３，３を同じ方向に傾動させることによって、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させることができる。このとき、２つのアクチュエータ本体３，３を上方に傾動させるか、下方に傾動させるかによって、ミラー１１０の主軸Ｘ回りの回動方向を切り替えることができる。一方、２つのアクチュエータ本体３，３をそれぞれ逆方向に傾動させることによって、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させることができる。このとき、上方に傾動させるアクチュエータ本体３と下方に傾動させるアクチュエータ本体３とを入れ替えることによって、ミラー１１０の副軸Ｙ回りの回動方向を切り替えることができる。
Next, the operation of the
また、制御部１２０は、ベース部２に設けられた第１及び第２検出端子８１，８２を介して、アクチュエータ本体３と対向電極５との間の静電容量を検出することによって、アクチュエータ本体３の変位、即ち、傾動量を検出する。つまり、アクチュエータ本体３が傾動すると、アクチュエータ本体３と対向電極５との間の間隙Ｇ１の大きさが変化する。それにより、アクチュエータ本体３と対向電極５との間の静電容量が変化するので、該静電容量を検出することによって、アクチュエータ本体３の傾動量を検出することができる。そして、制御部１２０は、第１及び第２検出端子８１，８２間の静電容量に基づいて、アクチュエータ本体３の傾動量が所望の値となるように駆動電圧を調整する。こうすることで、圧電素子４に特性変化が生じたとしても、アクチュエータ本体３の傾動量を安定的に制御することができる。
Further, the
尚、静電容量を検出する際には、制御部１２０は、参照端子８３と第２検出端子８２とを介して、ベース部２における間隙Ｇ２を挟んだ第１シリコン層２１０と第２シリコン層２３０との間の静電容量を検出している。間隙Ｇ２は、アクチュエータ本体３を作動させても変化しないはずなので、間隙Ｇ２の静電容量を参照用の静電容量として用いることができる。すなわち、間隙Ｇ１における静電容量は、アクチュエータ本体３の傾動前後での変化量が微小であるために、それだけでは回路内で大きな増幅を得にくい。しかし、同様の静電容量を持つ参照電極を設けることによって、傾動前の静電容量分を差動で打ち消し、静電容量の傾動前後での変化分のみを大きく増幅できる。これにより、アクチュエータ本体３の傾動に起因する静電容量の変化を精度良く検出することができる。尚、必ずしも間隙Ｇ２を設ける必要はなく、酸化膜層２２０が存在する部分における静電容量を参照用として用いてもよい。ただし、この場合には、参照用の静電容量の値を、傾動前の間隙Ｇ１における静電容量に合わせる必要がある。
When detecting the capacitance, the
ミラー１１０の回動角を一定に保持する場合の制御方法については、検出部の静電容量を一定に保つフィードバック制御の他に、上位システムがミラーからの反射光を監視し、光量が一定となるように演算装置へフィードバックをかける方法を用いてもよい。あるいは、両者を組み合わせて用いることもできる。
Regarding the control method when the rotation angle of the
制御部１２０は、ＣＰＵのような演算装置で構成され得る。制御部１２０は、ミラー１１０を所望の回動角に回動させるための駆動電圧の電圧値を、演算装置からアクセス可能な記憶装置に記憶されているパラメータを参照して決定する。パラメータは、各駆動電圧ごとのミラーの回動角を表しており、テーブル形式のデータであったり、近似曲線の係数の形式で記憶装置に記憶されている。
The
記憶装置に記憶されるパラメータには、温度変化といった周囲環境によって生じる変位を含む場合もある。他に、電圧を印可しない状態では圧電素子によって発生するアクチュエータの反りが一定していないため、アクチュエータの反りを基準面に一致させるためのオフセット電圧を記憶装置に記憶する場合もある。これらのパラメータは、通常、ミラーごとに必要であるが、１つで代表する場合もある。 The parameter stored in the storage device may include a displacement caused by the surrounding environment such as a temperature change. In addition, since the actuator warp generated by the piezoelectric element is not constant when no voltage is applied, an offset voltage for matching the actuator warp to the reference plane may be stored in the storage device. These parameters are usually required for each mirror, but may be represented by one.
前記のようなＣＰＵによる電圧印加指示は、回路を簡略化するために、１つ１つのミラー１１０に対して順番に行うようにしてもよい。
The voltage application instruction by the CPU as described above may be sequentially performed on each
次に、ミラーアレイ１００の製造方法について説明する。
Next, a method for manufacturing the
まず、ＳＯＩ基板２００を用意する。 First, an SOI substrate 200 is prepared.
続いて、間隙Ｇ１，Ｇ２となる部分の酸化膜層２２０を犠牲層エッチングにより除去する。この際、第１シリコン層２１０に複数の貫通孔を形成し、該貫通孔を介して犠牲層エッチングを行う。また、間隙Ｇ１となる部分に関しては、酸化膜層２２０を全て除去するのではなく、対向電極５となる部分のうちアクチュエータ本体３の先端側の端部に酸化膜層２２０が一部残留するようにしておく。
Subsequently, the portion of the
その後、第１シリコン層２１０の表面にＳｉＯ２膜、Ｐｔ／Ｔｉ膜２５０、ＰＺＴ膜及びＡｕ／Ｔｉ膜を順に成膜し、その後、それらをエッチングにより所定の形状に形成する。こうして、第１シリコン層２１０の表面に圧電素子４を形成する。尚、ＳｉＯ２膜等の成膜により、先の犠牲層エッチングで用いた貫通孔が埋められる。
Thereafter, an SiO 2 film, a Pt / Ti film 250, a PZT film, and an Au / Ti film are sequentially formed on the surface of the
続いて、第１シリコン層２１０をエッチングして、ベース部２、アクチュエータ本体３，３，…、ミラー１１０，１１０、第１ヒンジ６，６，…、及び第２ヒンジ７，７を形成する。その後、ベース部２の開口２１において露出する酸化膜層２２０をエッチングにより除去する。
Subsequently, the
次に、第２シリコン層２３０をエッチングして対向電極５を形成する。このとき、対向電極５のうち、この工程で除去される部分と隣接する側の端部（即ち、アクチュエータ本体３の先端側の端部）には酸化膜層２２０が残っているので、エッチングガスが間隙Ｇ１内へ流入することが防止される。それにより、間隙Ｇ１を形成する第１及び第２シリコン層２１０，２３０が不必要に加工されることが防止される。
Next, the
続いて、アクチュエータ本体３，３，…、ミラー１１０，１１０、第１ヒンジ６，６，…及び第２ヒンジ７，７の裏側の酸化膜層２２０をエッチングにより除去する。このとき、対向電極５となる部分のうちアクチュエータ本体３の先端側の端部に残っていた酸化膜層２２０も除去され、完全な間隙Ｇ１が形成される。
.., The
次に、Ａｕ／Ｔｉ膜を成膜して、ミラー１１０の表面の鏡面、ミラー１１０の裏面のバランスウェイト、並びにベース部２における第１検出端子８１、第２検出端子８２及び参照端子８３を形成する。
Next, an Au / Ti film is formed to form the mirror surface on the surface of the
こうして、ミラーアレイ１００が製造される。
Thus, the
続いて、第１ヒンジ６の詳細な形状について説明する。図５に第１ヒンジ６の平面図を示す。
Next, the detailed shape of the
第１ヒンジ６は、ミラー側に設けられた第１つづら折り部６１と、アクチュエータ側に設けられた第２つづら折り部６２とを有している。第１つづら折り部６１と第２つづら折り部６２は、１本の線条で連続的に形成されている。
The
第１つづら折り部６１は、直線状に延びる線条部６１ａと、折り返すように屈曲する屈曲部６１ｂとが交互に繋がっており、全体としてつづら折り状に屈曲している。第１つづら折り部６１は、一端がミラー１１０の主軸Ｘ方向（幅方向）外側の端部に連結されている。線条部６１ａ，６１ａ，…は、主軸Ｘ方向に延びており、互いに平行で且つ等間隔に配置されている。屈曲部６１ｂ，６１ｂ，…は、主軸Ｘ方向の内側と外側とに位置している。換言すると、第１つづら折り部６１は、主軸Ｘ方向へ蛇行しながら副軸Ｙ方向（長手方向）に延びている。第１つづら折り部６１は、ミラー１１０から主軸Ｘ方向内側へ延びる線条部６１ａで始まり、屈曲部６１ｂを介して、主軸Ｘ方向外側へ延びる線条部６１ａ及び主軸Ｘ方向内側へ延びる線条部６１ａを繰り返し、最後は主軸Ｘ方向内側へ延びる線条部６１ａで終わっている。
In the first
第２つづら折り部６２は、直線状に延びる線条部６２ａと、折り返すように屈曲する屈曲部６２ｂとが交互に繋がっており、全体としてつづら折り状に屈曲している。第２つづら折り部６２は、一端がアクチュエータ１の主軸Ｘ方向外側の端部に連結されている。線条部６２ａ，６２ａ，…は、副軸Ｙ方向に延びて、互いに平行で且つ等間隔に配置されている。屈曲部６２ｂ，６２ｂ，…は、副軸Ｙ方向のアクチュエータ側とミラー側とに位置している。換言すると、第２つづら折り部６２は、副軸Ｙ方向へ蛇行しながら主軸Ｘ方向に延びている。第２つづら折り部６２は、アクチュエータ１から、ミラー側へ延びる線条部６２ａで始まり、屈曲部６２ｂを介して、アクチュエータ側へ延びる線条部６２ａ及びミラー側へ延びる線条部６２ａを繰り返し、最後はミラー側へ延びる線条部６２ａで終わっている。最後のミラー側へ延びる線条部６２ａが第１つづら折り部６１に連結されている。
In the second
１つのミラー１１０に連結された２つの第１ヒンジ６，６は、副軸Ｙに対して線対称に構成されている。
The two
このように構成された第１ヒンジ６によれば、アクチュエータ１の駆動力（変位）をミラー１１０に効率良く伝達することができると共に、ミラー１１０の回動を妨げてしまうのを防止することができる。
According to the
つまり、アクチュエータ１の駆動力をミラー１１０に効率良く伝達するためには、第１ヒンジ６は、主軸Ｘ回りの曲げ剛性が小さすぎても、大きすぎてもよくない。主軸Ｘ回りの曲げ剛性が小さすぎると、アクチュエータ１の駆動力を第１ヒンジ６が吸収してしまい、ミラー１１０に伝達される駆動力が減少する。一方、主軸Ｘ回りの曲げ剛性が大きすぎると、アクチュエータ１の傾動を妨げてしまう。つまり、例えば、アクチュエータ本体３の先端が下方へ沈み込むように傾動する場合、ミラー１１０は、アクチュエータ側が沈み込みむように回動する。すなわち、アクチュエータ１及びミラー１１０は全体として、第１ヒンジ６で屈曲した状態になる。ここで、第１ヒンジの曲げ剛性が大きいと、第１ヒンジ６で屈曲することが難しい。その結果、アクチュエータ１は、第１ヒンジ６及びミラー１１０が抵抗となって、傾動が妨げられてしまう。
That is, in order to efficiently transmit the driving force of the
それに対して、本実施形態では、第１ヒンジ６は、主軸Ｘ方向に延びる複数の線条部６１ａ，６１ａ，…を含む第１つづら折り部６１と、副軸Ｙ方向に延びる複数の線条部６２ａ，６２ａ，…を含む第２つづら折り部６２とを有している。第１つづら折り部６１の線条部６１ａ，６１ａ，…は主軸Ｘ方向に延びるので、主軸Ｘ回りの捩れ変形が生じ易い。つまり、第１つづら折り部６１は、主軸Ｘ回りの曲げ剛性が小さい。一方、第２つづら折り部６２の線条部６２ａ，６２ａ，…は副軸Ｙ方向に延びるので、主軸Ｘ回りには曲がり難い。つまり、第２つづら折り部６２は、主軸Ｘ回りの曲げ剛性が大きい。こうして、第１ヒンジ６は、主軸Ｘ回りの曲げ剛性が小さい第１つづら折り部６１と主軸Ｘ回りの曲げ剛性が大きい第２つづら折り部６２とを組み合わせることによって、主軸Ｘ回りの曲げ剛性を調節して、全体として適度な曲げ剛性を実現することができる。
On the other hand, in the present embodiment, the
また、ミラー１１０の回動を妨げないようにするためには、第１ヒンジ６は、副軸Ｙ回りの曲げ剛性が小さいことが好ましい。つまり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させる際には、２つのアクチュエータ１，１は、副軸Ｙに対して平行な状態のまま単純に上下に傾動するのに対し、ミラー１１０は副軸Ｙ回りに回動する。そのため、第１ヒンジ６は、副軸Ｙ回りに捩れなければならない。第１ヒンジ６の副軸Ｙ回りの曲げ剛性が大きいと、２つのアクチュエータ１，１が上下に傾動しても、第１ヒンジ６，６が抵抗となって、ミラー１１０の副軸Ｙ回りの回動を妨げてしまう。
In order not to prevent the rotation of the
それに対して、本実施形態では、第１ヒンジ６は、副軸Ｙ方向に延びる複数の線条部６２ａ，６２ａ，…を含む第２つづら折り部６２とを有している。第２つづら折り部６２の線条部６２ａ，６２ａ，…は副軸Ｙ方向に延びるので、副軸Ｙ回りの捩れ変形が生じ易い。つまり、第２つづら折り部６２は、副軸Ｙ回りの曲げ剛性が小さい。こうして、第１ヒンジ６は、副軸Ｙ回りの曲げ剛性が小さい第２つづら折り部６２を有することによって、全体としての副軸Ｙ回りの曲げ剛性を低減している。
On the other hand, in this embodiment, the
次に、第２ヒンジ７の詳細な形状について説明する。図６に第２ヒンジ７の平面図を示す。
Next, the detailed shape of the
第２ヒンジ７は、１本の線条で形成されている。第２ヒンジ７は、一端がミラー１１０に連結されており、そこから反時計回りの渦巻状に渦巻の中心に向かって延び、渦巻の中心で折り返して、そこから時計回りの渦巻状に渦巻の外側に向かって延び、他端がベース部２に連結されている。詳しくは、第２ヒンジ７は、主軸Ｘ方向に延びる横線条部７１ａと、副軸Ｙ方向に延びる縦線条部７１ｂとが交互に繋がっており、全体として渦巻形状を形成している。第２ヒンジ７の一端及び他端は、副軸Ｙ上に位置している。第２ヒンジ７を副軸Ｙで２分割した場合に、副軸Ｙに対して一側の部分と他側の部分とは渦巻の中心に対して点対称の形状をしている。
The
このように構成された第２ヒンジ７は、渦巻状をしているので、ミラー１１０の主軸Ｘ回りの回動と副軸Ｙ回りに回動とを妨げないようにすることができる。すなわち、第２ヒンジ７を渦巻状に形成することによって、第２ヒンジ７は、或る程度の長さを有する複数の横線条部７１ａ，７１ａ，…と、或る程度の長さを有する複数の縦線条部７１ｂ，７１ｂ，…とを含むようになる。横線条部７１ａ，７１ａ，…は、主軸Ｘ方向に延びるので、主軸Ｘ回りのねじり剛性が小さい。また、縦線条部７１ｂ，７１ｂ，…は、副軸Ｙ方向に延びるので、副軸Ｙ回りのねじり剛性が小さい。つまり、第２ヒンジ７は、主軸Ｘ回りにも、副軸Ｙ回りにも回動し易い。その結果、ミラー１１０の主軸Ｘ回りの回動と副軸Ｙ回りの回動を妨げない。
Since the
また、横線条部７１ａ，７１ａ，…は、渦巻きの中心を通り且つ主軸Ｘを挟んで両側に均等に配置されると共に、縦線条部７１ｂ，７１ｂ，…は、副軸Ｙを挟んで両側に均等に配置されている。そのため、ミラー１１０が主軸Ｘ回り及び副軸Ｙ回りに変形する際の第２ヒンジ７の変形が主軸Ｘ及び副軸Ｙに対して均等になる。
Further, the
〈シミュレーション〉
続いて、第１ヒンジ６の形状を変化させた場合のミラー１１０の回動角のシミュレーションについて説明する。尚、以下のシミュレーションに用いたモデルは、一例に過ぎず、これらに限定されるものではない。
<simulation>
Next, a simulation of the rotation angle of the
図７にシミュレーションに用いた基本モデルの平面図を示す。シミュレーションでは、図７に示すようなモデルを用いた。アクチュエータ本体３、第１ヒンジ６、ミラー１１０、第２ヒンジ７は、厚さ７．５μｍのシリコンで構成され、アクチュエータ本体３の表面の全面（図７においてハッチングが付された領域）に厚さ３μｍのＰＺＴが積層されている。シミュレーションに用いた解析ツールは、ANSYS Workbench Mechanical 13.0であり、材料特性としては、シリコンは、線形等方性とし、ヤング率を１７０ＧＰａ、密度を２３３０ｋｇ／ｍ３、ポアソン比を０．３とした。また、ＰＺＴは、線形等方性とし、ヤング率を６０ＧＰａ、密度を８５００ｋｇ／ｍ３、ポアソン比を０．３、圧電定数ｄ３１を１．１５×１０−１０ｍ／Ｖとした。
FIG. 7 shows a plan view of the basic model used in the simulation. In the simulation, a model as shown in FIG. 7 was used. The
各アクチュエータ本体３は、長方形であって、長さ（副軸Ｙ方向の寸法）３０００μｍ、幅（主軸Ｘ方向の寸法）４７．５μｍとした。２つのアクチュエータ本体３，３は基端部で一体化され、一体化された部分の基端部が固定的に拘束されているものとした。一体化された部分は、長さ８０μｍ、幅１００μｍとした。２つのアクチュエータ本体３，３の間には、５μｍの隙間を設けた。
Each
ミラー１１０は、長方形であって、長さ４００μｍ、幅１００μｍとした。
The
第２ヒンジ７は、前述のような渦巻形状であって、渦巻の中心に向かって概ね３周半だけ延び、そこから折り返して、渦巻の外側に向かって概ね３周半だけ延びている。第２ヒンジ７とベース部２との間の副軸Ｙ方向の間隔は１４０μｍである。第２ヒンジ７の主軸Ｘ方向の全幅は、７２μｍである。また、第２ヒンジ７の渦巻きの中心に存在する縦線条部７１ｂの長さは５６μｍである。線条の幅を２μｍとし、線条同士の間隔を３μｍとした。第２ヒンジ７のミラー側の端部及びベース部側の端部は、５μｍだけ副軸Ｙ方向に延びている。第２ヒンジ７のベース部側の端部が固定的に拘束されているものとした。
The
このようなモデルにおいて、第１ヒンジ６の形状を種々変更させて、ミラー１１０の回動角を求めた。ミラー１１０の主軸Ｘ回りの回動角については、２つのアクチュエータ１，１に５Ｖの電圧を印加した際の回動角を求めた。また、ミラー１１０の副軸Ｙ回りの回動角については、一方のアクチュエータ１に５Ｖ、他方のアクチュエータ１に−５Ｖの電圧を印加した際の回動角を求めた。
In such a model, the rotation angle of the
−モデル０−
図８に、第１ヒンジ６のモデル０の平面図を示す。このモデル０は、第１ヒンジ６を第１つづら折り部６１だけで構成したモデルである。アクチュエータ１，１とミラー１１０との間の副軸Ｙ方向の間隔は１２３μｍであり、その中に２４本の線条部６１ａ，６１ａ，…が互いに平行に且つ等間隔に設けられている。このモデル０においてミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、０．７４度であった。
-Model 0-
In FIG. 8, the top view of the model 0 of the
−モデル１−
図９に、第１ヒンジ６のモデル１の平面図を示す。モデル１は、図５に示す第１ヒンジ６と同じ構成をしている。詳しくは、モデル１は、第１ヒンジ６を第１つづら折り部６１及び第２つづら折り部６２とで構成している。第１つづら折り部６１がミラー側に、第２つづら折り部６２がアクチュエータ側に配置されている。第１つづら折り部６１は、ミラー１１０の主軸Ｘ方向の外側の端部に連結されている。第２つづら折り部６２は、アクチュエータ１の主軸Ｘ方向の外側の端部に連結されている。アクチュエータ１，１とミラー１１０との間の副軸Ｙ方向の間隔は、１２８μｍである。第１つづら折り部６１の線条部６１ａ，６１ａ，…は、合計１１本だけ設けられており、互いに平行且つ主軸Ｘ方向に延びている。第２つづら折り部６２の線条部６２ａ，６２ａ，…は、合計９本だけ設けられており、互いに平行且つ副軸Ｙ方向に延びている。第２つづら折り部６２は、アクチュエータ１から第１つづら折り部６１に至るまでの間において、最もアクチュエータ１側の線条部６２ａは、主軸Ｘ方向の最外に位置している。そして、最も第１つづら折り部側の線条部６２ａは、主軸Ｘ方向の最内に位置している。このモデル１においてミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．６５度であった。尚、アクチュエータ１，１とミラー１１０との間の副軸Ｙ方向の間隔は、以下のモデル２〜７においても同様に、１２８μｍである。
-Model 1-
In FIG. 9, the top view of the
−モデル２−
図１０に、第１ヒンジ６のモデル２の平面図を示す。モデル２は、基本的な構成は前記モデル１と同様であり、第２つづら折り部６２の線条部６２ａの本数がモデル１と異なる。詳しくは、モデル２では、第２つづら折り部６２の線条部６２ａが、主軸Ｘ方向外側から内側に向かって７本だけ設けられている。尚、屈曲部６２ｂの個数も、線条部６２ａの本数に合わせて、モデル１と比べて減っている。このモデル２においてミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．５５度であった。
-Model 2-
In FIG. 10, the top view of the
−モデル３−
図１１に、第１ヒンジ６のモデル３の平面図を示す。モデル３は、基本的な構成は前記モデル２と同様であり、第２つづら折り部６２の線条部６２ａの延びる方向がモデル２と異なる。詳しくは、モデル３では、第２つづら折り部６２の線条部６２ａが、副軸Ｙに対して傾斜した方向に延びている。線条部６２ａは、ミラー側よりもアクチュエータ側の方が主軸Ｘ方向内側に位置するように傾斜している。ただし、主軸Ｘ方向の最外に位置する線条部６２ａは、傾斜することなく、副軸Ｙ方向に延びている。線条部６２ａと副軸Ｙとのなす角（以下、傾斜角ともいう）θｙは、１３度である。このように傾斜した線条部６２ａは、図１２に示すように、主軸Ｘ方向成分６２ａｘと副軸Ｙ方向成分６２ａｙとに分解したときに、副軸Ｙ方向成分６２ａｙの方が大きくなるように傾斜している。すなわち、線条部６２ａの副軸Ｙに対する傾斜角θｙは、４５度未満である。このモデル３においてミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．６６度であった。
-Model 3-
In FIG. 11, the top view of the
−モデル４−
図１３に、第１ヒンジ６のモデル４の平面図を示す。モデル４は、基本的な構成は前記モデル２と同様であり、第１つづら折り部６１の線条部６１ａの本数と、第２つづら折り部６２のアクチュエータ１及び第１つづら折り部６１への連結のされ方がモデル２と異なる。詳しくは、第１つづら折り部６１は、１０本の線条部６１ａ，６１ａ，…が設けられており、最もアクチュエータ側の線条部６１ａは、主軸Ｘ方向の内側から外側に向かって延びて終わっている。第２つづら折り部６２は、アクチュエータ１から第１つづら折り部６１に至るまでの間において、最もアクチュエータ１側の線条部６２ａは、主軸Ｘ方向の最内に位置している。すなわち、第２つづら折り部６２は、アクチュエータ１の主軸Ｘ方向外側の端部から副軸Ｙ方向に延びて、すぐに、主軸Ｘ方向内側へ向かって屈曲し、主軸Ｘ方向の最内から外側に向かって、蛇行しながら延びている。そして、主軸Ｘ方向の最外の線条部６２ａが第１つづら折り部６１に連結されている。このモデル４においてミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．５１度であった。
-Model 4-
In FIG. 13, the top view of the
−モデル５−
図１４に、第１ヒンジ６のモデル５の平面図を示す。モデル５は、基本的な構成は前記モデル４と同様であり、第２つづら折り部６２の線条部６２ａの延びる方向がモデル４と異なる。詳しくは、モデル５では、第２つづら折り部６２の線条部６２ａ…が、副軸Ｙに対して傾斜した方向に延びている。線条部６２ａは、アクチュエータ側よりもミラー側の方が主軸Ｘ方向内側に位置するように傾斜している。ただし、主軸Ｘ方向の最外に位置する線条部６２ａは、傾斜することなく、副軸Ｙ方向に延びている。線条部６２ａと副軸Ｙとのなす角（以下、副軸Ｙに対する傾斜角ともいう）θｙは１３度である。このように傾斜した線条部６２ａは、主軸Ｘ方向成分６２ａｘと副軸Ｙ方向成分６２ａｙとに分解したときに、副軸Ｙ方向成分６２ａｙの方が大きくなるように傾斜している。すなわち、線条部６２ａの副軸Ｙ方向に対する傾斜角θｙは４５度未満である。このモデル５においてミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は１．４０度であった。
-Model 5-
In FIG. 14, the top view of the
−モデル６−
図１５に、第１ヒンジ６のモデル６の平面図を示す。モデル６は、基本的な構成は、前記モデル３と同様であり、モデル３の第１ヒンジ６を主軸Ｘと平行な直線に対して反転させた形状（すなわち、図１１における第１ヒンジ６の左右を反転させた形状）をしている点でモデル３と異なる。つまり、モデル６の第１ヒンジ６は、第１つづら折り部６１がアクチュエータ側に、第２つづら折り部６２がミラー側に設けられている。第２つづら折り部６２の線条部６２ａは、副軸Ｙに対して傾斜した方向に延びている。線条部６２ａは、アクチュエータ側よりもミラー側の方が主軸Ｘ方向内側に位置するように傾斜している。線条部６２ａの副軸Ｙに対する傾斜角θｙは、１３度である。このモデル６においてミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．５３度であった。
-
FIG. 15 shows a plan view of the
−モデル７−
図１６に、第１ヒンジ６のモデル７の平面図を示す。モデル７は、基本的な構成は、前記モデル５と同様であり、モデル５の第１ヒンジ６を主軸Ｘと平行な直線に対して反転させた形状（すなわち、図１４における第１ヒンジ６の左右を反転させた形状）をしている。つまり、モデル７の第１ヒンジ６は、第１つづら折り部６１がアクチュエータ側に、第２つづら折り部６２がミラー側に設けられている。第２つづら折り部６２の線条部６２ａ，６２ａ，…は、副軸Ｙに対して傾斜した方向に延びている。線条部６２ａは、ミラー側よりもアクチュエータ側の方が主軸Ｘ方向内側に位置するように傾斜している。線条部６２ａの副軸Ｙに対する傾斜角θｙは、１３度である。このモデル７においてミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、１．５９度であった。
-Model 7-
FIG. 16 shows a plan view of the
−小括−
以上、モデル０〜７を比較すると、副軸Ｙ回りの回動角は、モデル０が０．７４度であるのに対し、モデル１〜７が１．４０〜２．６６度である。つまり、第１ヒンジ６に第１つづら折り部６１と第２つづら折り部６２とを含ませることによって副軸Ｙ回りの回動角が増大することがわかる。また、第２つづら折り部６２において線条部６２ａを副軸Ｙに対して傾斜させた場合であっても、副軸Ｙ回りの回動角が増大することがわかる。さらに、モデル１〜７の中でも、モデル１〜４，６は、モデル５，７に比べて、副軸Ｙ回りの回動角が大幅に増大している。
-Summary-
As described above, when the models 0 to 7 are compared, the rotation angle around the sub-axis Y is 0.74 degrees for the model 0, and 1.40 to 2.66 degrees for the
−モデル８−
図１７に、第１ヒンジ６のモデル８の平面図を示す。モデル８は、基本的な構成は前記モデル２と同様であり、第１つづら折り部６１の副軸Ｙ方向の寸法がモデル２と異なる。詳しくは、アクチュエータ１，１とミラー１１０との間の副軸Ｙ方向の間隔は、１８８μｍである。また、アクチュエータ１から第２つづら折り部６２のミラー側の端部までの副軸Ｙ方向の距離は、７５μｍである。第１つづら折り部６１の両端部は、副軸Ｙ方向に延びる縦線条部６１ｃ，６１ｃとなっており、それぞれ第２つづら折り部６２の端部とミラー１１０とに連結されている。各縦線条部６１ｃの長さは、３３μｍである。第１つづら折り部６１の副軸Ｙ方向の長さは、１１３μｍである。このモデル８において、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、５．４８度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．８０度であった。尚、アクチュエータ１，１とミラー１１０との間の副軸Ｙ方向の間隔は、以下のモデル９〜１３においても同様に、１８８μｍである。
-Model 8-
FIG. 17 shows a plan view of the model 8 of the
−モデル９−
図１８に、第１ヒンジ６のモデル９の平面図を示す。モデル９は、基本的な構成は前記モデル８と同様であり、第１つづら折り部６１の線条部６１ａの延びる方向がモデル８と異なる。詳しくは、モデル９では、第１つづら折り部６１の線条部６１ａが、主軸Ｘに対して傾斜した方向に延びている。線条部６１ａは、主軸Ｘ方向外側よりも主軸Ｘ方向内側の方がミラー側に位置するように傾斜している。線条部６１ａと主軸Ｘとのなす角（以下、主軸Ｘに対する傾斜角ともいう）θｘは、３０度である。このように傾斜した線条部６１ａは、図１９に示すように、主軸Ｘ方向成分６１ａｘと副軸Ｙ方向成分６１ａｙとに分解したときに、主軸Ｘ方向成分６１ａｘの方が大きくなるように傾斜している。すなわち、線条部６１ａの主軸Ｘに対する傾斜角θｘは、４５度未満である。第１つづら折り部６１全体としての副軸Ｙ方向への寸法はモデル８と同じであるが、縦線条部６１ｃの長さがモデル８と異なる。モデル９では、第２つづら折り部側とミラー側とで縦線条部６１ｃが異なり、第２つづら折り部側の縦線条部６１ｃの長さは、２０μｍである。このモデル９において、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、５．１３度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、３．００度であった。
-Model 9-
FIG. 18 shows a plan view of the model 9 of the
−モデル１０−
図２０に、第１ヒンジ６のモデル１０の平面図を示す。モデル１０は、基本的な構成は、前記モデル９と同様であり、第１つづら折り部６１の線条部６１ａの傾斜方向がモデル９と異なる。詳しくは、モデル１０では、第１つづら折り部６１の線条部６１ａは、主軸Ｘ方向外側よりも主軸Ｘ方向内側の方がアクチュエータ側に位置するように傾斜している。線条部６１ａの主軸Ｘに対する傾斜角θｘは、３０度である。このように傾斜した線条部６１ａは、主軸Ｘ方向成分６１ａｘと副軸Ｙ方向成分６１ａｙとに分解したときに、主軸Ｘ方向成分６１ａｘの方が大きくなるように傾斜している。ミラー側の縦線条部６１ｃの長さは、２０μｍである。このモデル１０において、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、５．１３度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．７３度であった。
-Model 10-
In FIG. 20, the top view of the model 10 of the
−モデル１１−
図２１に、第１ヒンジ６のモデル１１の平面図を示す。モデル１１は、基本的な構成は、前記モデル８と同様であり、モデル８の第１ヒンジ６を主軸Ｘと平行な直線に対して反転させた形状（すなわち、図１７における第１ヒンジ６の左右を反転させた形状）をしている点でモデル８と異なる。詳しくは、モデル１１の第１ヒンジ６は、第１つづら折り部６１がアクチュエータ側に、第２つづら折り部６２がミラー側に設けられている。このモデル１１において、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、５．１２度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．８３度であった。
-Model 11-
FIG. 21 shows a plan view of the model 11 of the
−モデル１２−
図２２に、第１ヒンジ６のモデル１２の平面図を示す。モデル１２は、基本的な構成は、前記モデル９と同様であり、モデル９の第１ヒンジ６を主軸Ｘと平行な直線に対して反転させた形状（すなわち、図１８における第１ヒンジ６の左右を反転させた形状）をしている点でモデル９と異なる。詳しくは、モデル１２の第１ヒンジ６は、第１つづら折り部６１がアクチュエータ側に、第２つづら折り部６２がミラー側に設けられている。第１つづら折り部６１の線条部６１ａは、主軸Ｘに対して傾斜した方向に延びている。線条部６１ａは、主軸Ｘ方向外側よりも主軸Ｘ方向内側の方がアクチュエータ側に位置するように傾斜している。線条部６１ａと主軸Ｘに対する傾斜角θｘは、３０度である。このモデル１２において、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、４．８８度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、３．４９度であった。
-Model 12-
FIG. 22 shows a plan view of the model 12 of the
−モデル１３−
図２３に、第１ヒンジ６のモデル１３の平面図を示す。モデル１３は、基本的な構成は、前記モデル１０と同様であり、モデル１０の第１ヒンジ６を主軸Ｘと平行な直線に対して反転させた形状をしている点でモデル１０と異なる。詳しくは、モデル１３の第１ヒンジ６は、第１つづら折り部６１がアクチュエータ側に、第２つづら折り部６２がミラー側に設けられている。第１つづら折り部６１の線条部６１ａは、主軸Ｘに対して傾斜した方向に延びている。線条部６１ａは、主軸Ｘ方向外側よりも主軸Ｘ方向内側の方がミラー側に位置するように傾斜している。線条部６１ａと主軸Ｘに対する傾斜角θｘは、３０度である。このモデル１３において、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、４．８７度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．３１度であった。
-Model 13-
FIG. 23 shows a plan view of the
−小括−
以上、モデル８とモデル１１とを比較すると、第１つづら折り部６１の線条部６１ａが主軸Ｘ方向に延び且つ第２つづら折り部６２の線条部６２ａが副軸Ｙ方向に延びる構成においては、第１つづら折り部６１と第２つづら折り部６２の位置が入れ替わっても、主軸Ｘ回り及び副軸Ｙ回りの回動角は大きく変わらないことがわかる。つまり、第１つづら折り部６１と第２つづら折り部６２とがアクチュエータ側とミラー側との何れの位置であっても、主軸Ｘ回り及び副軸Ｙ回りの回動角に大きな影響はない。
-Summary-
As described above, when the model 8 and the model 11 are compared, in the configuration in which the
また、第１つづら折り部６１の線条部６１ａが主軸Ｘ方向に延びるモデル８と、第１つづら折り部６１の線条部６１ａが主軸Ｘ方向に対して傾斜したモデル９，１０とを比較すると、何れのモデルも主軸Ｘ回り及び副軸Ｙ回りの回動角は大きいことがわかる。より詳細には、主軸Ｘ回りの回動角は、モデル８が最も大きいのに対し、副軸Ｙ回りの回動角は、モデル９が最も大きく、モデル１０が最も小さいことがわかる。ただし、これらの差は僅かである。
Further, when comparing the model 8 in which the
さらに、第１つづら折り部６１の線条部６１ａが主軸Ｘ方向に延びるモデル１１と、第１つづら折り部６１の線条部６１ａが主軸Ｘ方向に対して傾斜したモデル１２，１３とを比較すると、何れのモデルも主軸Ｘ回り及び副軸Ｙ回りの回動角は大きいことがわかる。より詳細には、主軸Ｘ回りの回動角は、モデル１１が最も大きいのに対し、副軸Ｙ回りの回動角は、モデル１２が最も大きく、モデル１３が最も小さいことがわかる。ただし、これらの差は僅かである。
Furthermore, when comparing the model 11 in which the
−モデル１４−
図２４に、第１ヒンジ６のモデル１４の平面図を示す。モデル１４は、基本的な構成はモデル０と同様であり、第１つづら折り部６１の線条部６１ａの本数がモデル０と異なる。詳しくは、モデル１４は、第１ヒンジ６を第１つづら折り部６１だけで構成したモデルである。アクチュエータ１，１とミラー１１０との間の副軸Ｙ方向の間隔は１２８μｍであり、その中に１６本の線条部６１ａ，６１ａ，…が互いに平行に且つ等間隔に設けられている。第１つづら折り部６１の両端部には、副軸Ｙ方向に延びる縦線条部６１ｃ，６１ｃが設けられている。縦線条部６１ｃの長さは、２５．５μｍである。このモデル１４において、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、５．７３度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、０．８７度であった。尚、アクチュエータ１，１とミラー１１０との間の副軸Ｙ方向の間隔は、以下のモデル１５，１６においても同様に、１２８μｍである。
-Model 14-
FIG. 24 shows a plan view of the model 14 of the
−モデル１５−
図２５に、第１ヒンジ６のモデル１５の平面図を示す。モデル１５は、基本的な構成はモデル１４と同様であり、第１つづら折り部６１の線条部６１ａの延びる方向がモデル１４と異なる。詳しくは、モデル１５では、第１つづら折り部６１の線条部６１ａが、主軸Ｘに対して傾斜した方向に延びている。線条部６１ａは、主軸Ｘ方向外側よりも主軸Ｘ方向内側の方がミラー側に位置するように傾斜している。線条部６１ａの主軸Ｘに対する傾斜角θｘは、３５度である。ミラー側の縦線条部６１ｃの長さは、２７．５μｍである。このモデル１５において、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、４．６０度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、０．５８度であった。
-Model 15-
FIG. 25 shows a plan view of the model 15 of the
−モデル１６−
図２６に、第１ヒンジ６のモデル１６の平面図を示す。モデル１６は、基本的な構成はモデル１５と同様であり、第１つづら折り部６１の線条部６１ａの傾斜方向がモデル１５と異なる。詳しくは、モデル１６では、第１つづら折り部６１の線条部６１ａが、主軸Ｘに対して傾斜した方向に延びている。線条部６１ａは、主軸Ｘ方向外側よりも主軸Ｘ方向内側の方がアクチュエータ側に位置するように傾斜している。線条部６１ａの主軸Ｘに対する傾斜角θｘは、３５度である。アクチュエータ側の縦線条部６１ｃの長さは、２７．５μｍである。このモデル１６において、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、４．５９度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、１．３０度であった。
-Model 16-
FIG. 26 shows a plan view of the model 16 of the
−小括−
モデル１４とモデル１５，１６とを比較すると、線条部６１ａを主軸Ｘに対して傾斜させると、主軸Ｘ回りの回動角は小さくなり、副軸Ｙ回りの回動角は、傾斜方向に応じて、大きくも、小さくもなることがわかる。尚、アクチュエータ１とミラー１１０との間の副軸Ｙ方向寸法が同じであって第１ヒンジ６を第１つづら折り部６１と第２つづら折り部６２とで構成したモデル２においては、ミラー１１０を主軸Ｘ回りに回動させたときの回動角は、５．６４度であり、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させたときの回動角は、２．５５度であった。この結果からすると、線条部６１ａを単に傾斜させることに比べて、第１ヒンジ６に第１つづら折り部６１と第２つづら折り部６２とを含ませる方が、副軸Ｙ回りの回動角を大幅に大きくできることがわかる。さらに、そのような構成であっても、主軸Ｘ回りの回動角をあまり低減させないこともわかる。
-Summary-
When comparing the model 14 with the models 15 and 16, when the
したがって、本実施形態によれば、ミラーアレイ１００は、ベース部２と、該ベース部２に支持された複数のミラー１１０，１１０，…と、該ミラー１１０に連結されて該ミラー１１０を駆動する複数のアクチュエータ１，１とを備え、該ミラー１１０を互いに直交する主軸Ｘ及び副軸Ｙ回りに回動させる。そして、アクチュエータ１は、前記副軸Ｙ方向に延びるアクチュエータ本体３と、該アクチュエータ本体３の表面に積層された圧電素子４とを有し、該圧電素子４を伸縮させることによって該アクチュエータ本体３を傾動させるように構成されており、前記各ミラー１１０には、前記副軸Ｙを挟んで並ぶ２つの前記アクチュエータ１，１が前記主軸Ｘに対して一方の側だけに設けられている。
Therefore, according to the present embodiment, the
この構成によれば、１つのミラー１１０につき２つのアクチュエータ１，１が設けられている。すなわち、特許文献１に記載のミラー装置に比べて、ミラー１つ当たりのアクチュエータの個数が減少している。そのため、ミラーアレイ１００の構成を簡略化することができる。
According to this configuration, two
また、アクチュエータ１をミラー１１０の主軸Ｘに対して片側だけに設けるという簡略な構成であっても、アクチュエータ１を圧電駆動とし且つ２つのアクチュエータ１，１を副軸Ｙを挟んで並設することによって、ミラー１１０を主軸Ｘ回りにも副軸Ｙ回りにも回動させることができる。
Even if the
すなわち、アクチュエータ本体３と圧電素子４とを積層させた構成においては、圧電素子４を伸張させることによってアクチュエータ本体３を圧電素子４とは反対側に傾動させることができる一方、圧電素子４を収縮させることによってアクチュエータ本体３を圧電素子側に傾動させることができる。そのため、アクチュエータ１をミラー１１０の主軸Ｘに対して片側だけに設ける構成であっても、ミラー１１０を主軸Ｘ回りの何れの方向に回動させることができる。
That is, in the configuration in which the
さらに、ミラー１１０ごとに設けられた２つのアクチュエータ１，１は、副軸Ｙを挟んで並んでいるため、一方のアクチュエータ１を傾動させることによって、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させることができる。このとき、他方のアクチュエータ１を一方のアクチュエータ１とは反対側に傾動させることによって、ミラー１１０の副軸Ｙ回りの回動角を大きくすることができる。また、ミラー１１０を副軸Ｙ回りに回動させるときに副軸Ｙが傾動することを防止することができる。
Further, since the two
また、２つのアクチュエータ１，１は、主軸Ｘ方向において、ミラー１１０の主軸Ｘ方向の寸法内に収まっている。つまり、２つのアクチュエータ１，１とミラー１１０とを含むミラー装置の主軸Ｘ方向寸法を抑制することができる。その結果、ミラーアレイ１００のように、複数のミラー１１０，１１０，…を有する構成であっても、ミラー１１０をコンパクトに配置することができ、ひいては、ミラーアレイ１００の小型化を図ることができる。
Further, the two
また、前記ミラーアレイ１００においては、各アクチュエータ１は、第１ヒンジ６を介してミラー１１０に連結されており、ミラー１１０は、第２ヒンジ７を介してベース部２に支持されており、第１ヒンジ６は、つづら折り状に屈曲して、互いに平行な複数の線条部６１ａ，６１ａ，…を含む第１つづら折り部６１と、つづら折り状に屈曲して、互いに平行で且つ第１つづら折り部６１の線条部６１ａとは異なる方向に延びる複数の線条部６２ａ，６２ａ，…を含む第２つづら折り部６２とを有し、第１つづら折り部６１の線条部６１ａは、主軸Ｘ方向への成分６１ａｘと副軸Ｙ方向への成分６１ａｙとに分解したときに主軸Ｘ方向への成分６１ａｘが多くなる方向に延びている一方、第２つづら折り部６２の線条部６２ａは、主軸Ｘ方向への成分６２ａｘと副軸Ｙ方向への成分６２ａｙとに分解したときに副軸Ｙ方向への成分６２ａｙが大きくなる方向に延びているものとする。
In the
この構成によれば、第１つづら折り部６１は、主軸Ｘ回りの曲げ剛性が小さくなる。一方、第２つづら折り部６２は、副軸Ｙ回りの曲げ剛性が小さく且つ主軸Ｘ回りの曲げ剛性が大きくなる。そのため、第１ヒンジ６は、主軸Ｘ回りの曲げ剛性を調節して全体として適度な曲げ剛性を実現することができる。それに加えて、第１ヒンジ６は、全体としての副軸Ｙ回りの曲げ剛性を低減することができる。その結果、第１ヒンジ６は、アクチュエータ１の駆動力（変位）をミラー１１０に効率良く伝達することができると共に、ミラー１１０の回動を妨げてしまうのを防止することができる。
According to this configuration, the first
さらに、前記ミラーアレイ１００においては、第２ヒンジ７は、一端から、渦巻状に渦巻の中心に向かって延びた後、折り返して、渦巻状に渦巻の外側に向かって延びて他端に至る形状をしている。
Further, in the
この構成によれば、第２ヒンジ７には、主軸Ｘ方向に延びる横線条部７１ａと副軸Ｙ方向に延びる縦線条部７１ｂとが含まれる。横線条部７１ａは、主軸Ｘ回りのねじり剛性が小さい。また、縦線条部７１ｂは、副軸Ｙ回りのねじり剛性が小さい。そのため、第２ヒンジ７は、主軸Ｘ回りにも、副軸Ｙ回りにも回動し易いので、ミラー１１０の主軸Ｘ回りの回動と副軸Ｙ回りに回動とを妨げないようにすることができる。また、第２ヒンジ７は、渦巻状に形成されているので、第１ヒンジ６のようにつづら折り状に形成される構成と比較して、線条が折り返される部分がほとんどないので、容易に製造することができる。
According to this configuration, the
《その他の実施形態》
本発明は、前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
<< Other Embodiments >>
The present invention may be configured as follows with respect to the embodiment.
前記実施形態では、ミラーアレイ１００を波長選択スイッチ３００に適用した例を説明したが、これに限られるものではない。ミラーアレイ１００は様々なアプリケーションに組み込むことができる。
In the embodiment, the example in which the
また、前記実施形態における形状、寸法、材質は、例示に過ぎず、これらに限られるものではない。例えば、ＰＺＴの代わりに、非鉛圧電材料であるＫＮＮ（（Ｋ，Ｎａ）ＮｂＯ３）等を用いてもよい。 Moreover, the shape, dimension, and material in the said embodiment are only illustrations, and are not restricted to these. For example, KNN ((K, Na) NbO 3 ), which is a lead-free piezoelectric material, may be used instead of PZT.
また、前記実施形態では、アクチュエータ１とミラー１１０との連結に第１ヒンジ６を、ミラー１１０とベース部２との連結に第２ヒンジ７を採用しているが、これに限られるものではない。例えば、第１ヒンジ６に代えて第２ヒンジ７を採用することもできるし、第２ヒンジ７に代えて第１ヒンジ６を採用することもできる。
Moreover, in the said embodiment, although the
また、前記ミラーアレイ１００では、上部端子４３ｂ、第１検出端子８１及び参照端子８３が全てのアクチュエータ１，１，…に対して共通で設けられているが、個別に設けられてもよいし、アクチュエータ１，１，…をいくつかのグループに分けて、該端子をグループごとに設けてもよい。
In the
また、前記第１及び第２ヒンジ６，７は、前記アクチュエータ１の構成でなくても、前述の効果を奏することができる。つまり、２つで１組のアクチュエータが、ミラーの主軸を挟んで両側に、即ち、２組設けられている構成であっても、各アクチュエータとミラーとの連結に前記第１又は第２ヒンジ６，７を採用することができる。さらには、圧電駆動式以外のアクチュエータであっても、前記第１及び第２ヒンジ６，７を採用することができる。例えば、対向電極との間の静電力によりアクチュエータ本体を傾動させる静電駆動式のアクチュエータや、アクチュエータ本体に設けたコイルによる磁力と外部磁場との関係でアクチュエータ本体を傾動させる電磁駆動式のアクチュエータや、線膨張係数が異なる部材でアクチュエータ本体を構成し、両者の熱ひずみの差によりアクチュエータ本体を傾動させるアクチュエータに適用してもよい。
Further, even if the first and
尚、以上の実施形態は、本質的に好ましい例示であって、本発明、その適用物、あるいはその用途の範囲を制限することを意図するものではない。 In addition, the above embodiment is an essentially preferable illustration, Comprising: It does not intend restrict | limiting the range of this invention, its application thing, or its use.
以上説明したように、本発明は、複数のミラーと該ミラーを駆動するアクチュエータとを備えたミラーアレイについて有用である。 As described above, the present invention is useful for a mirror array including a plurality of mirrors and an actuator for driving the mirrors.
１００ ミラーアレイ
１１０ ミラー
３００ 波長選択スイッチ
１ アクチュエータ
２ ベース部
３ アクチュエータ本体
４ 圧電素子
６ 第１ヒンジ
６１ 第１つづら折り部
６１ａ 線条部
６２ 第２つづら折り部
６２ａ 線条部
７ 第２ヒンジ
Ｘ 主軸
Ｙ 副軸
DESCRIPTION OF
Claims (5)
前記アクチュエータは、前記副軸方向に延びるアクチュエータ本体と、該アクチュエータ本体の表面に積層された圧電素子とを有し、該圧電素子を伸縮させることによって該アクチュエータ本体を傾動させるように構成されており、
前記各ミラーには、前記副軸を挟んで並ぶ２つの前記アクチュエータが前記主軸に対して一方の側だけに設けられているミラーアレイ。 A mirror comprising a base portion, a plurality of mirrors supported by the base portion, and a plurality of actuators coupled to the mirror to drive the mirror, and rotating the mirror about a main axis and a sub-axis orthogonal to each other An array,
The actuator includes an actuator main body extending in the sub-axis direction and a piezoelectric element stacked on the surface of the actuator main body, and is configured to tilt the actuator main body by expanding and contracting the piezoelectric element. ,
Each of the mirrors is a mirror array in which the two actuators arranged on both sides of the auxiliary shaft are provided only on one side with respect to the main shaft.
前記複数のミラーは、前記主軸方向に配列されているミラーアレイ。 The mirror array according to claim 1, wherein
The plurality of mirrors are mirror arrays arranged in the principal axis direction.
前記各アクチュエータは、第１ヒンジを介して前記ミラーに連結されており、
前記ミラーは、第２ヒンジを介して前記ベース部に支持されており、
前記第１又は／及び第２ヒンジは、つづら折り状に屈曲して、互いに平行な複数の線条部を含む第１つづら折り部と、つづら折り状に屈曲して、互いに平行で且つ該第１つづら折り部の該線条部とは異なる方向に延びる複数の線条部を含む第２つづら折り部とを有し、
前記第１つづら折り部の線条部は、前記主軸方向への成分と前記副軸方向への成分とに分解したときに前記主軸方向への成分が多くなる方向に延びている一方、
前記第２つづら折り部の線条部は、前記主軸方向への成分と前記副軸方向への成分とに分解したときに前記副軸方向への成分が大きくなる方向に延びているミラーアレイ。 The mirror array according to claim 1 or 2,
Each actuator is connected to the mirror via a first hinge;
The mirror is supported on the base portion via a second hinge,
The first or / and the second hinge is bent in a zigzag manner, and includes a first zigzag fold portion including a plurality of parallel line portions parallel to each other, and a first zigzag fold portion bent in a zigzag shape so as to be parallel to each other and the first zigzag fold portion. A second zigzag folded portion including a plurality of linear portions extending in a direction different from the linear portions of
While the linear portion of the first zigzag folding portion extends in a direction in which the component in the main axis direction increases when decomposed into a component in the main axis direction and a component in the sub axis direction,
The filament array of the second zigzag folding portion is a mirror array that extends in a direction in which the component in the sub-axis direction increases when it is decomposed into a component in the main axis direction and a component in the sub-axis direction.
前記各アクチュエータは、第１ヒンジを介して前記ミラーに連結されており、
前記ミラーは、第２ヒンジを介して前記ベース部に支持されており、
前記第１又は／及び第２ヒンジは、一端から、渦巻状に渦巻の中心に向かって延びた後、折り返して、渦巻状に渦巻の外側に向かって延びて他端に至る形状をしているミラーアレイ。 The mirror array according to claim 1 or 2,
Each actuator is connected to the mirror via a first hinge;
The mirror is supported on the base portion via a second hinge,
The first or / and the second hinge extends from one end in a spiral shape toward the center of the spiral, then turns back and extends in a spiral shape toward the outside of the spiral to reach the other end. Mirror array.
前記第１ヒンジは、前記第１つづら折り部と前記第２つづら折り部とを有し、
前記第２ヒンジは、一端から、渦巻状に渦巻の中心に向かって延びた後、折り返して、渦巻状に渦巻の外側に向かって延びて他端に至る形状をしているミラーアレイ。 The mirror array according to claim 3,
The first hinge has the first zigzag fold and the second zigzag fold.
The second hinge is a mirror array in which the second hinge extends from one end in a spiral shape toward the center of the spiral and then is folded back to extend outward from the spiral to the other end.
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