WO2015146145A1 - 駆動装置 - Google Patents
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Definitions
- the technology disclosed here relates to a driving device.
- the mirror device disclosed in Patent Document 1 tilts a mirror as a moving unit around a predetermined axis by an actuator, and detects the displacement of the mirror at that time by a comb electrode.
- the comb electrode has a movable comb electrode connected to a mirror and a fixed comb electrode provided on the frame and facing the movable comb electrode. The displacement of the mirror is detected based on the change in capacitance between the movable comb electrode and the fixed comb electrode.
- the electrode fingers of the movable comb electrode and the electrode fingers of the fixed comb electrode are alternately arranged in a predetermined arrangement direction, and are close to each other and in a non-contact state.
- the electrode fingers of the movable comb electrode are displaced in a direction orthogonal to the arrangement direction, and the capacitance between the movable comb electrode and the fixed comb electrode changes. Based on this change in capacitance, the displacement of the mirror is detected.
- the electrode fingers of the movable comb electrode are displaced in a direction other than the direction orthogonal to the arrangement direction, it is difficult to obtain the displacement of the mirror based on the change in capacitance.
- the electrode fingers of the movable comb electrode are displaced in the arrangement direction, the interval between the electrode fingers changes, and this also changes the capacitance. For this reason, even if the capacitance changes, it is difficult to determine whether it is caused by the displacement of the mirror in the assumed direction. Further, when the movable comb electrode and the fixed comb electrode come into contact with each other, the capacitance itself cannot be detected.
- the technology disclosed herein has been made in view of such points, and the object is to obtain the displacement of the moving portion with high accuracy based on the capacitance of the movable comb electrode and the fixed comb electrode. There is.
- the technology disclosed herein is a driving device, and is provided with a base portion, a moving portion, an actuator connected to the moving portion and tilting the moving portion by tilting, and an electrode provided on the base portion.
- a fixed comb electrode having a finger; and a movable comb electrode disposed opposite to the fixed comb electrode, the movable comb electrode including a beam portion and the beam portion as the moving portion or the actuator.
- an input side connection portion that is elastically deformed and has a lower rigidity than the beam portion
- a support side connection portion that is elastically deformed and has a lower rigidity than the beam portion and is connected to the base portion.
- the moving portion is tilted by tilting the actuator. Since the beam part of the movable comb electrode is connected to the actuator or the moving part via the input side connecting part, when the actuator or the moving part tilts, the beam part is displaced according to the tilting. Since the beam portion is coupled to the base portion via the support side connection portion, the beam portion is tilted about the tilt axis passing through the support side connection portion. Then, the area of the part which a movable comb electrode and a fixed comb electrode oppose changes, and the electrostatic capacitance between a movable comb electrode and a fixed comb electrode changes. Due to this change in capacitance, the displacement of the portion of the beam portion where the input side connection portion is provided is determined.
- the displacement of the actuator or moving portion can be obtained. Since the actuator is connected to the moving part, if the displacement of the actuator is known, the displacement of the moving part can be obtained. Thus, the displacement of the moving part can be obtained from the change in capacitance.
- the beam portion of the movable comb electrode is connected to the actuator or the moving portion via the input side connection portion that is elastically deformed. Since the input side connecting portion is deformed when the actuator or moving portion is displaced, a part of the displacement of the actuator or moving portion is absorbed by the input side connecting portion and transmitted to the beam portion. Therefore, minute displacements of the displacement of the actuator or moving part are absorbed by the input side connection part, transmission to the beam part is reduced, and dominant ones of the displacements of the actuator or moving part are mainly transmitted to the beam part.
- the beam part can be mainly displaced in a direction corresponding to a dominant one of the displacements of the actuator or the moving part, and the beam part in a direction corresponding to a minute one of the displacements of the actuator or the moving part.
- the displacement can be reduced.
- the displacement of the moving part can be accurately obtained based on the capacitances of the movable comb electrode and the fixed comb electrode.
- FIG. 1 is a plan view of a mirror device according to the first embodiment.
- 2 is a cross-sectional view of the mirror device taken along line II-II in FIG.
- FIG. 3 is a side view showing the displacement of the mirror, the second actuator, and the second movable comb electrode when the second actuator is operated, as viewed from the X-axis direction.
- 4A and 4B are operation explanatory views of the mirror device when viewed in the X-axis direction.
- FIG. 4A shows a state before the mirror is tilted
- FIG. 4B shows a state when the mirror is tilted.
- 5A and 5B are diagrams for explaining the operation of the mirror device when viewed in the Y-axis direction.
- FIG. 1 is a plan view of a mirror device according to the first embodiment.
- 2 is a cross-sectional view of the mirror device taken along line II-II in FIG.
- FIG. 3 is a side view showing the displacement of the mirror, the second actuator,
- FIG. 5A shows a state before the mirror is tilted
- FIG. 5B shows a state when the mirror is tilted
- FIG. 6 is a perspective view showing displacement of the mirror, the first and second actuators, and the first and second movable comb electrodes when only the second actuator is operated.
- FIG. 7 is a plan view of the mirror, the second actuator, and the second movable comb electrode in the state of FIG.
- FIG. 8 is a plan view of the mirror array.
- 9 is a cross-sectional view of the mirror array taken along the line IX-IX in FIG. FIG.
- FIG. 10 is a schematic explanatory view for explaining the displacement of the movable comb electrode when the mirror tilts, (A) is a mirror device, and (B) is a part of the mirror device changed for comparison. Is.
- FIG. 11 is a plan view of a mirror array according to another embodiment.
- Embodiment 1 1 is a plan view of the mirror device 200
- FIG. 2 is a cross-sectional view of the mirror device 200 taken along the line II-II in FIG.
- the mirror device 200 is manufactured using an SOI (Silicon on Insulator) substrate 201 (see FIG. 2).
- SOI Silicon on Insulator
- a first silicon layer 201a formed of single crystal silicon, an oxide film layer 201b formed of SiO 2 , and a second silicon layer 201c formed of single crystal silicon are stacked in this order. Configured.
- the mirror device 200 includes a base unit 202, a first tilting unit 203 coupled to the base unit 202, a second tilting unit 204 coupled to the first tilting unit 203, and a mirror coupled to the second tilting unit 204.
- 205, two actuators 206, 206 that are connected to the first tilting part 203 and tilt the mirror 205 via the first tilting part 203 and the second tilting part 204, and two actuators 206, 206 are provided.
- the mirror device 200 is an example of a driving device.
- the two actuators 206 and 206 are distinguished, they are referred to as a first actuator 206A and a second actuator 206B, respectively.
- the movable comb electrode 207 corresponding to the first actuator 206A is referred to as the first movable comb electrode 207A
- the movable comb teeth corresponding to the second actuator 206B is referred to as a second movable comb electrode 207B.
- the fixed comb electrode 208 corresponding to the first actuator 206A is referred to as a first fixed comb electrode 208A
- 208 is referred to as a second fixed comb electrode 208B.
- the base part 202 is formed in a substantially rectangular frame shape.
- the base portion 202 is formed of a first silicon layer 201a, an oxide film layer 201b, and a second silicon layer 201c.
- the mirror 205 is formed in a disk shape.
- the mirror 205 includes a mirror main body 251 and a mirror surface layer 252 stacked on the surface of the mirror main body 251.
- the mirror body 251 is formed of the first silicon layer 201a, and the mirror surface layer 252 is formed of an Au / Ti film.
- a mirror surface layer 253 similar to the mirror surface layer 252 is laminated on the back surface of the mirror main body 251.
- the mirror surface layer 253 has a function of canceling out the film stress caused on the surface of the mirror body 251 and caused by the mirror surface layer 252. Thereby, the flatness of the mirror main body 251 and by extension, the mirror surface layer 252 can be improved.
- the mirror 205 is an example of a moving unit.
- an X axis and a Y axis extending along the surface of the base portion 202 (the surface of the SOI substrate 201) and orthogonal to the center C of the mirror 205 when not operating are defined.
- an axis that passes through the center C of the mirror 205 when not in operation and is orthogonal to both the X axis and the Y axis is defined as a Z axis.
- the second tilting portion 204 is disposed outside the mirror 205 and is formed in an annular shape that covers the mirror 205.
- the second tilting unit 204 is coupled to the mirror 205 via the two second connection units 241 and 241.
- the second tilting portion 204 and the second connecting portions 241 and 241 are formed of the first silicon layer 201a.
- the two second connection parts 241 and 241 are provided at positions facing each other across the center C of the mirror 205. Specifically, the two second connection parts 241 and 241 are arranged on the Y axis.
- the first tilting portion 203 is disposed outside the second tilting portion 204 and is formed in an annular shape that covers the second tilting portion 204.
- the first tilting part 203 is connected to the second tilting part 204 via the two first connecting parts 231 and 231. Further, the first tilting portion 203 is connected to the base portion 202 via a hinge 232.
- the first tilting portion 203, the first connecting portions 231, 231 and the hinge 232 are formed of the first silicon layer 201a.
- the two first connection portions 231 and 231 are provided at positions facing each other across the center C of the mirror 205. Specifically, the two first connection portions 231 and 231 are arranged on the X axis. In other words, the first connection portion 231 is arranged at a position shifted by 90 degrees from the second connection portion 241 around the center C of the mirror 205.
- the hinge 232 is configured to be elastically deformable. Specifically, the hinge 232 has a plurality of linear portions and folded portions that connect ends of adjacent linear portions, and has a meandering shape as a whole.
- the hinge 232 includes a first hinge 232a having a linear portion extending in the X-axis direction and a second hinge 232b having a linear portion extending in the Y-axis direction.
- the first hinge 232a is easily bent around an axis extending in the X-axis direction.
- the second hinge 232b is easily bent around an axis extending in the Y-axis direction.
- the first hinge 232 a is connected to the first tilting part 203, and the second hinge 232 b is connected to the base part 202.
- the “axial direction” means a direction parallel to the axis.
- the actuator 206 has one end connected to the base 202 and a first straight part 261 extending in the Y-axis direction, and one end connected to the other end of the first straight part 261, with respect to the first straight part 261.
- a second linear portion 262 extending in the Y-axis direction so as to be folded.
- the first tilting portion 203 is connected to the end portion of the second straight portion 262 opposite to the end portion connected to the first straight portion 261 (hereinafter referred to as “tip portion”) via a hinge 263.
- tip portion the end portion of the second straight portion 262 opposite to the end portion connected to the first straight portion 261
- the first linear portion 261 and the second linear portion 262 include an actuator body 264 and a piezoelectric element 265 stacked on the surface of the actuator body 264, as shown in FIG.
- the actuator body 264 is formed in a rectangular plate shape in plan view.
- the actuator body 264 is formed of the first silicon layer 201a.
- the piezoelectric element 265 is provided on the front side of the actuator body 264 (the same side as the mirror surface layer 252 of the mirror 205).
- a SiO 2 layer 269 is laminated on the surface of the actuator body 264, and the piezoelectric element 265 is laminated on the SiO 2 layer 269.
- the piezoelectric element 265 is formed in a rectangular plate shape in plan view, like the actuator body 264.
- the piezoelectric element 265 includes a lower electrode 266, an upper electrode 268, and a piezoelectric layer 267 sandwiched therebetween.
- the lower electrode 266, the piezoelectric layer 267, and the upper electrode 268 are laminated on the SiO 2 layer 269 in this order.
- the piezoelectric element 265 is formed of a member different from the SOI substrate 201. Specifically, the lower electrode 266 is formed of a Pt / Ti film. The piezoelectric layer 267 is formed of lead zirconate titanate (PZT). The upper electrode 268 is formed of an Au / Ti film.
- the base 202 is electrically connected to the first upper terminal 224 electrically connected to the upper electrode 268 of the first straight portion 261 of the first actuator 206A and the upper electrode 268 of the first straight portion 261 of the second actuator 206B. Electrically connected to both the second upper terminal 225 and the lower electrode 266 of the first straight portion 261 of the first actuator 206A and the lower electrode 266 of the first straight portion 261 of the second actuator 206B.
- a lower terminal 226 is provided. A voltage is applied to the piezoelectric element 265 of the first linear portion 261 of the first actuator 206A via the first upper terminal 224 and the lower terminal 226.
- a voltage is applied to the piezoelectric element 265 of the first linear portion 261 of the second actuator 206B via the second upper terminal 225 and the lower terminal 226.
- the surface of the actuator body 264 on which the piezoelectric element 265 is stacked expands and contracts, and the tip of the actuator body 264 is displaced in the Z-axis direction.
- the upper electrode 268 of the first straight portion 261 and the upper electrode 268 of the second straight portion 262 are electrically insulated. Further, the lower electrode 266 of the first straight part 261 and the lower electrode 266 of the second straight part 262 are also electrically insulated.
- the hinge 263 is configured to be elastically deformable. Specifically, the hinge 263 has a plurality of straight portions and folded portions that connect ends of adjacent straight portions, and has a meandering shape as a whole.
- the hinge 263 includes a first hinge 263a whose linear portion extends in the X-axis direction and a second hinge 263b whose linear portion extends in the Y-axis direction.
- the first hinge 263a is easily curved around an axis extending in the X-axis direction.
- the second hinge 263b is easily bent around an axis extending in the Y-axis direction.
- the first hinge 263a is connected to the actuator 206, and the second hinge 263b is connected to the first tilting portion 203.
- the hinge 263 connected to the first actuator 206A is called a hinge 263A
- the hinge 263 connected to the second actuator 206B is called a hinge 263B.
- the movable comb electrode 207 has a beam portion 271 extending in the Y-axis direction and three electrode fingers 272, 272,... Provided on the beam portion 271.
- One end of the beam portion 271 is connected to the actuator 206 via a hinge 273.
- the other end of the beam portion 271 is bent in an L shape and is connected to the base portion 202 via two hinges 274 and 274.
- the three electrode fingers 272, 272,... Extend in the Y-axis direction in parallel to each other, and are formed in a comb shape.
- the number of electrode fingers 272 is not limited to three.
- Hinges 273 and 274 are configured to be elastically deformable. Specifically, the hinges 273 and 274 have a plurality of straight portions and folded portions that connect ends of adjacent straight portions, and have a meandering shape as a whole. The hinges 273 and 274 have straight portions extending in the X-axis direction and are easily bent around an axis extending in the X-axis direction. The two hinges 274 and 274 are arranged side by side in the X-axis direction. The beam portion 271 is supported by the base portion 202 via hinges 274 and 274, and is configured to tilt around an axis that passes through the hinges 274 and 274 and is parallel to the X axis.
- the hinge 273 is an example of an input side connection part
- the hinge 274 is an example of a support side connection part.
- the beam portion 271, the electrode fingers 272, 272,..., The hinge 273 and the hinge 274 are formed of the first silicon layer 201 a.
- the fixed comb electrode 208 is provided on the inner periphery of the base portion 202.
- the fixed comb electrode 208 has four electrode fingers 281, 281,.
- the four electrode fingers 281, 281,... Extend in the Y-axis direction parallel to each other and are configured in a comb shape.
- the three electrode fingers 272, 272,... Of the movable comb electrode 207 are inserted between the four electrode fingers 281, 281,.
- the electrode fingers 272, 272,... Of the movable comb electrode 207 and the electrode fingers 281, 281,... Of the fixed comb electrode 208 are alternately arranged in the X-axis direction and face each other without contacting each other. .
- the number of electrode fingers 281 is not limited to four.
- the base unit 202 is provided with a first detection terminal 227, a second detection terminal 228, and a common detection terminal 223.
- a first detection terminal 227 and the common detection terminal 223 the capacitance of the first movable comb electrode 207A and the first fixed comb electrode 208A is detected.
- the second detection terminal 228 and the common detection terminal 223 the capacitances of the second movable comb electrode 207B and the second fixed comb electrode 208B are detected.
- the first detection terminal 227 is provided on the surface of the portion of the first silicon layer 201a of the base portion 202 that is electrically connected to the first fixed comb electrode 208A.
- the second detection terminal 228 is provided on the surface of the portion of the first silicon layer 201a of the base portion 202 that is electrically connected to the second fixed comb electrode 208B.
- the common detection terminal 223 is provided on the surface of the portion of the first silicon layer 201a of the base portion 202 that is electrically connected to the first movable comb electrode 207A and the second movable comb electrode 207B.
- portions where the first detection terminal 227, the second detection terminal 228, and the common detection terminal 223 are provided are separated from other portions of the first silicon layer 201a by insulating grooves 229, 229,. Insulated.
- the controller 210 applies a drive voltage to the desired mirror device 200 to control the tilt of the mirror 205.
- the controller 210 applies a driving voltage to the first upper terminal 224 and the lower terminal 226, the first actuator 206A tilts according to the driving voltage.
- the controller 210 applies a driving voltage to the second upper terminal 225 and the lower terminal 226, the second actuator 206B tilts according to the driving voltage.
- the controller 210 outputs the drive voltage of the first actuator 206A and the drive voltage of the second actuator 206B independently. That is, the control unit 210 independently controls the tilt amount of the first actuator 206A and the tilt amount of the second actuator 206B.
- FIG. 3 is a side view showing the displacement of the mirror 205, the second actuator 206B, and the second movable comb electrode 207B when the second actuator 206B is operated, as viewed from the X-axis direction.
- the first straight portion 261 tilts (specifically, bends), and the tip of the first straight portion 261 moves in the Z-axis direction (upward in FIG. 3). ).
- the second straight line portion 262 turned back from the front end portion of the first straight line portion 261 extends in the tangential direction of the front end portion of the first straight line portion 261.
- the distal end portion of the second linear portion 262 is displaced in the direction opposite to the distal end portion of the first linear portion 261 in the Z-axis direction.
- the actuator 206 basically passes through the base end portion of the first linear portion 261 and around the axis B3 parallel to the X axis, passes through the distal end portion of the first linear portion 261, and is parallel to the X axis. Tilt about the axis B4. However, since this tilting amount is very small, the displacement of the tip of the second linear portion 262 can be regarded as a displacement in the Z-axis direction.
- the first tilting portion 203 is connected to the tip of the second straight portion 262 via a hinge 263B (see FIG. 1).
- the first tilting part 203 is supported by the base part 202 via a hinge 232. Therefore, when the distal end portion of the second linear portion 262 is displaced in the Z-axis direction, the first tilting portion 203 tilts with the hinge 232 as a fulcrum.
- the first tilting portion 203 tilts around the main axis B1 passing through the hinge 232 and parallel to the X axis, and tilts around the sub axis B2 passing through the hinge 232 and the center C of the mirror 205.
- the minor axis B2 coincides with the Y axis when the mirror 205 is not operating.
- the tilt amount of the first actuator 206A is the same as the tilt amount of the second actuator 206B
- the Z-axis direction of the portion where the hinge 263A is connected and the portion where the hinge 263B is connected in the first tilt portion 203 The amount of displacement to is the same.
- the first tilting portion 203 tilts around the main axis B1.
- the tilt amount of the first actuator 206A and the tilt amount of the second actuator 206B are different, the portion of the first tilt portion 203 where the hinge 263A is connected and the portion where the hinge 263B is connected in the Z-axis direction. The amount of displacement becomes different. As a result, the first tilting portion 203 tilts around the sub-axis B2.
- the control unit 210 adjusts the tilt amount of the first actuator 206A and the tilt amount of the second actuator 206B to combine the tilt of the mirror 205 around the main axis B1 and the tilt of the mirror 205 around the sub-axis B2,
- the mirror 205 is tilted in an arbitrary direction.
- a movable comb electrode 207 is connected to the tip of the second straight portion 262 via a hinge 273.
- the movable comb electrode 207 is supported on the base portion 202 via hinges 274 and 274. Therefore, when the distal end portion of the second linear portion 262 is displaced in the Z-axis direction, the movable comb electrode 207 tilts with the hinges 274 and 274 as fulcrums. As a result, the areas of the facing portions of the electrode fingers 272, 272,... Of the movable comb electrode 207 and the electrode fingers 281, 281,.
- the capacitance between the comb-tooth electrode 208 changes. As described above, the movable comb electrode 207 tilts in accordance with the tilt of the actuator 206 and the tilt of the mirror 205, and the capacitance between the movable comb electrode 207 and the fixed comb electrode 208 changes.
- control unit 210 tilts the mirror 205
- the control unit 210 detects the tilt amount of the mirror 205 based on the capacitance between the movable comb electrode 207 and the fixed comb electrode 208.
- first movable comb electrode 207A is connected to the tip of the first actuator 206A via the hinge 273, based on the capacitance of the first movable comb electrode 207A and the first fixed comb electrode 208A.
- the displacement of the tip of the first actuator 206A in the Z-axis direction can be detected.
- the first tilting portion 203 is connected to the tip end portion of the first actuator 206A via the hinge 263A, the displacement of the tip end portion of the first actuator 206A in the Z-axis direction is substantially the first tilting portion.
- 203 can be regarded as a displacement in the Z-axis direction of a portion to which the hinge 263A is connected.
- the second movable comb electrode 207B is connected to the tip of the second actuator 206B via the hinge 273, the capacitance of the second movable comb electrode 207B and the second fixed comb electrode 208B. Based on the above, it is possible to detect the displacement of the tip of the second actuator 206B in the Z-axis direction. Since the first tilting portion 203 is connected to the tip of the second actuator 206B via the hinge 263B, the displacement of the tip of the second actuator 206B in the Z-axis direction is substantially the first tilting portion. 203 can be regarded as a displacement in the Z-axis direction of a portion to which the hinge 263B is connected.
- the control unit 210 detects the capacitance of the first movable comb electrode 207A and the first fixed comb electrode 208A via the first detection terminal 227 and the common detection terminal 223.
- the control unit 210 detects the capacitance of the second movable comb electrode 207B and the second fixed comb electrode 208B via the second detection terminal 228 and the common detection terminal 223.
- the controller 210 applies the voltage applied to the first actuator 206A and the voltage applied to the second actuator 206B to the capacitance of the first movable comb electrode 207A and the first fixed comb electrode 208A, and the second movable comb electrode. Adjustment is made based on the electrostatic capacity of 207B and the second fixed comb electrode 208B, and the tilt amount of the mirror 205 is controlled.
- control unit 210 adjusts the drive voltage to the actuator 206 while detecting the tilt amount of the mirror 205 based on the electrostatic capacitances of the movable comb electrode 207 and the fixed comb electrode 207, and makes the mirror 205 desired. Tilt in the direction of.
- the first tilting portion 203 is connected to the base portion 202 and the actuators 206A and 206B via the elastically deformable hinges 232 and 263, but the hinges 232 and 263 are connected. Therefore, the first tilting portion 203 is curved when tilting.
- FIGS. 4A and 4B are operation explanatory views of the mirror device when viewed in the X-axis direction.
- FIG. 4A shows a state before the mirror is tilted
- FIG. 4B shows a state when the mirror is tilted.
- 5A and 5B are diagrams for explaining the operation of the mirror device when viewed in the Y-axis direction.
- FIG. 5A shows a state before the mirror is tilted
- FIG. 5B shows a state when the mirror is tilted. 4 and 5, for convenience of explanation, the thicknesses of the mirror 205, the first tilting portion 203, and the second tilting portion 204 are greatly different, and the first tilting portion 203 and the second tilting portion 204 are deformed. It is exaggerated.
- the first tilting portion 203 has a flat shape like the mirror 205. From this state, when the portion of the first tilting portion 203 to which the hinges 263A and 263B are connected is displaced in the Z-axis direction by the first actuator 206A and the second actuator 206B, as shown in FIG. The first tilting portion 203 is tilted about the main axis B1 about the hinge 232 as a fulcrum. At this time, the portion between the hinges 263 and 263 (first connecting portion 231 in the figure) and the hinge 232 in the first tilting portion 203 is strictly curved.
- the second tilting part 204 and the mirror 205 are connected to only a part of the first tilting part 203 via the first connecting part 231. If only the portion where the first connecting portion 231 is connected to the first tilting portion 203 is seen, the bending is negligibly small, so that only the substantial tilting of the portion is second via the first connecting portion 231. This is transmitted to the tilting unit 204 and the mirror 205. As a result, the mirror 205 and the second tilting unit 204 tilt according to the tilt of the portion of the first tilting unit 203 to which the first connection unit 231 is connected, and the mirror 205 and the second tilting unit 204 at this time are tilted. Curvature is suppressed. Thus, the flatness of the mirror 205 during tilting can be improved.
- the first tilting portion 203 has a flat shape like the mirror 205 as shown in FIG. From this state, when the portion of the first tilting portion 203 to which the hinges 263A and 263B are connected is displaced in the Z-axis direction by the first actuator 206A and the second actuator 206B, as shown in FIG.
- the first tilting portion 203 is generally tilted about the sub-axis B2 with the hinge 232 as a fulcrum. At this time, the first tilting portion 203 is curved strictly.
- the mirror 205 is connected to only a part of the second tilting part 204 via the second connection part 241. If only the part where the second connecting part 241 is connected to the second tilting part 204 is seen, the curvature is negligibly small. Therefore, only the substantial tilting of the part via the second connecting part 241 causes the mirror 205 to be bent. Is transmitted to. As a result, the mirror 205 tilts according to the tilt of the portion where the second connecting portion 241 is connected in the second tilting portion 204, and the bending of the mirror 205 at this time is suppressed. Thus, the flatness of the mirror 205 during tilting can be improved.
- the mirror device 200 is based on the electrostatic capacitance of the movable comb electrode 207 and the fixed comb electrode 208 by connecting the movable comb electrode 207 to the actuator 206 and the base unit 202 via the hinges 273 and 274.
- the displacement of the mirror 205 is configured to be detected with high accuracy. This point will be described with reference to FIGS.
- FIG. 6 is a perspective view showing displacement of the mirror 205, the first and second actuators 206A and 206B, and the first and second movable comb electrodes 207A and 207B when only the second actuator 206B is operated.
- FIG. 7 is a plan view of the mirror 205, the second actuator 206B, and the second movable comb electrode 207B in the state of FIG.
- the first tilting unit 203, the second tilting unit 204, and the mirror 205 are simplified and illustrated as one mirror 205.
- the electrode fingers 272, 272,... are simplified and illustrated in a flat plate shape. 6 and 7, contour lines related to the position in the Z-axis direction are shown, and regions having the same position in the Z-axis direction are partitioned by the contour lines.
- the mirror 205 tilts about the main axis B1 and also tilts about the sub-axis B2.
- the mirror 205 tilts from the portion where the hinge 232 and the hinge 263 ⁇ / b> A are connected so as to incline toward the opposite portion across the center C.
- the second actuator 206B not only tilts around an axis parallel to the X axis, but also tilts around other axes.
- a plurality of contour lines are arranged in the longitudinal direction, and each contour line is substantially parallel to the X axis. That is, the first straight portion 261 is tilted about an axis substantially parallel to the X axis.
- a plurality of contour lines are arranged in the longitudinal direction, and each contour line extends substantially in the X-axis direction, but strictly speaking, it is not parallel to the X-axis.
- the second linear portion 262 is dominated by tilt around an axis parallel to the X axis, but tilts around an axis other than the axis parallel to the X axis, for example, slightly around the axis parallel to the Y axis. Tilt. This is because the mirror 205 tilts not only about the main axis B1 but also about the sub axis B2, as described above, and the tip of the second linear portion 262 to which the hinge 263B is connected is connected to the second actuator 206B.
- the base end portion of the first straight portion 261 is located at the tip end portion of the second straight portion 262. This is thought to be due to the action of a moment around an axis parallel to the Y-axis centered on.
- the movable comb electrode 207 is connected to the tip of the second linear portion 262 that is displaced in this way via a hinge 273. A part of the displacement of the tip of the second linear portion 262 is absorbed by the deformation of the hinge 273, and the remaining displacement is transmitted to the movable comb electrode 207. Therefore, the hinge 273 absorbs both the displacement in the Z-axis direction, which is the dominant displacement of the tip of the second linear portion 262, and the tilt around the axis parallel to the Y-axis. Since the displacement in the Z-axis direction is relatively large, even if a part of the displacement is absorbed by the hinge 273, it is sufficiently transmitted to the movable comb electrode 207.
- the tilt around the axis parallel to the Y axis is very small, it is absorbed by the hinge 273 and hardly transmitted to the movable comb electrode 207.
- the distal end portion of the movable comb electrode 207 is displaced substantially only in the Z-axis direction, so that the movable comb electrode 207 is tilted substantially only about the tilt axis B5.
- a plurality of contour lines are arranged in the longitudinal direction, and each contour line is substantially parallel to the X axis.
- the leading end of the actuator 206 is dominant by connecting the movable comb electrode 207 to the actuator 206 via the hinge 273. Therefore, the displacement in the Z-axis direction can be mainly transmitted to the movable comb electrode 207, and the displacement of the actuator 206 in the direction other than the dominant direction is prevented from being transmitted to the movable comb electrode 207. be able to.
- the movable comb electrode 207 can be tilted about the tilt axis B5 as much as possible, that is, in the YZ plane, and when the movable comb electrode 207 tilts, the electrode fingers 272 and 272 of the movable comb electrode 207 are tilted. ,... And the electrode fingers 281, 281,. Further, when the movable comb electrode 207 is tilted, the electrode fingers 272, 272,... And the electrode fingers 281, 281,. Thereby, the fluctuation
- the change in capacitance is substantially only due to the tilt of the movable comb electrode 207 about the tilt axis B5.
- the displacement in the Z-axis direction of the portion where the movable comb electrode 207 is connected via the hinge 273 can be obtained with high accuracy based on the change in capacitance.
- the tilt of the mirror 205 can be obtained with high accuracy.
- the mirror device 200 includes the base unit 202, the mirror 205, the actuator 206 that is connected to the mirror 205 and tilts the mirror 205 by being tilted, and the base unit 202. , And a movable comb electrode 207 disposed so as to face the fixed comb electrode 208.
- the movable comb electrode 207 includes a beam portion 271 and the movable comb electrode 207.
- the beam part 271 is connected to the actuator 206, and the rigidity is lower than that of the beam part 271.
- the hinge 273 is elastically deformed, and the beam part 271 is connected to the base part 202, and the rigidity is lower than that of the beam part 271.
- Hinges 274 that are elastically deformed, and electrode fingers 281, 281, 281, 281, 281, 281, The electrode fingers 272,272 facing has ... a, and is configured to tilt to the tilt axis B5 around through the hinge 274.
- the mirror 205 is tilted when the actuator 206 tilts. Since the beam portion 271 of the movable comb electrode 207 is connected to the actuator 206 via the hinge 273, the beam portion 271 is displaced according to the tilt of the actuator 206 when the actuator 206 tilts. Since the beam portion 271 is connected to the base portion 202 via the hinges 274 and 274, the beam portion 271 tilts around the tilt axis B ⁇ b> 5 passing through the hinges 274 and 274. Then, the area of the electrode fingers 272, 272,... Of the movable comb electrode 207 and the electrode fingers 281, 281,. The capacitance between the electrode 208 changes.
- the displacement of the portion of the beam portion 271 where the hinge 273 is provided is determined. Since the hinge 273 is connected to the actuator 206, the displacement of the actuator 206 can be obtained if the displacement of the beam portion 271 where the hinge 273 is provided is known. Since the actuator 206 is connected to the mirror 205, if the displacement of the actuator 206 is known, the displacement of the mirror 205 can be obtained. In this way, the displacement of the mirror 205 can be obtained from the change in capacitance.
- the beam portion 271 of the movable comb electrode 207 is connected to the actuator 206 via a hinge 273 that is elastically deformed. Since the hinge 273 is deformed in response to the displacement of the actuator 206, a part of the displacement of the actuator 206 is absorbed by the hinge 273 and transmitted to the beam portion 271. Therefore, a minute displacement of the displacement of the actuator 206 is absorbed by the hinge 273, and transmission to the beam portion 271 is reduced, and a dominant displacement of the actuator 206 is mainly transmitted to the beam portion 271.
- the beam portion 271 can be mainly displaced in the direction corresponding to the dominant one of the displacements of the actuator 206, and the displacement of the beam portion 271 in the direction corresponding to the minute one of the displacements of the actuator 206 is changed. Can be reduced.
- the movable comb electrode 207 can be tilted while maintaining the distance between the electrode fingers 272, 272,... Of the movable comb electrode 207 and the electrode fingers 281, 281,.
- the change in capacitance of the movable comb electrode 207 and the fixed comb electrode 208 is substantially based on the dominant displacement of the actuator 206.
- the displacement of the actuator 206, and hence the displacement of the mirror 205 can be accurately detected based on the change in capacitance.
- two actuators 206 are provided, two movable comb electrodes 207 are provided, and the mirror 205 is rotated about two axes by adjusting the driving amount of the two actuators 206. It is comprised so that it may tilt.
- the actuator 206 may receive a reaction force from the mirror 205 and tilt in a direction other than the original tilt direction for tilting the mirror 205. There is. Even in such a configuration, by connecting the movable comb electrode 207 to the actuator 206 via the hinge 273 as described above, only the displacement corresponding to the original tilting direction of the actuator 206 can be obtained. Can tell.
- the beam portion 271 is connected to the base portion 202 by the hinge 274 so as to be easily tilted around the tilt axis B5 as compared to the axis orthogonal to the tilt axis B5.
- the beam portion 271 is easily tilted around the tilt axis B5 and is difficult to tilt around the other axes. That is, in addition to absorbing a part of the displacement of the actuator 206 by the hinge 273, the support structure for the base portion 202 of the beam portion 271 is difficult to tilt around an axis other than the tilt axis B5. Thereby, tilting of the movable comb electrode 207 around the axis other than the tilt axis B5 can be suppressed, and the movable comb electrode 207 can be tilted substantially only around the tilt axis B5. As a result, it is possible to accurately detect a change in electrostatic capacitance between the movable comb electrode 207 and the fixed comb electrode 208 due to the tilt of the movable comb electrode 207 around the tilt axis B5.
- the hinge 274 has a shape that tends to bend around an axis parallel to the tilt axis B5 as compared to around the axis orthogonal to the tilt axis B5. More specifically, the hinge 274 has a plurality of linear portions extending in the X-axis direction (that is, the tilting axis B5 direction) and folded portions that connect ends of adjacent linear portions, and has a meandering shape as a whole. is doing.
- the hinge having such a meandering shape is easily twisted around the straight portion, and as a whole, it is easy to bend around an axis parallel to the straight portion.
- a plurality of the hinges 274 are provided side by side in the direction of the tilt axis B5.
- the beam portion 271 is connected to the base portion 202 by the plurality of hinges 274 and 274 arranged in parallel in the direction of the tilt axis B5, thereby suppressing tilting of the beam portion 271 around the axis other than the tilt axis B5. Is done.
- the actuator 206 tilts the mirror 205 by tilting about axes B3 and B4 parallel to the tilt axis B5.
- the axis at which the actuator 206 tilts to tilt the mirror 205 and the tilt axis B5 to which the movable comb electrode 207 tilts to detect a change in capacitance are parallel. That is, when the movable comb electrode 207 tilts with the original tilt of the actuator 206, that is, with the dominant tilt, the movable comb electrode 207 tilts around the tilt axis B5.
- the actuator 206 is connected to the mirror 205 via a hinge 263 that is elastically deformed.
- FIG. 8 is a plan view of the mirror array 3000
- FIG. 9 is a cross-sectional view of the mirror array 3000 taken along line IX-IX in FIG.
- the movable comb electrode 207 is coupled to the actuator 206
- the movable comb electrode 307 is coupled to the mirror 305. It is different in point.
- Each configuration of the mirror device 200 is given a reference number in the 200th order
- each configuration of the mirror device 300 is given a reference number in the 300th order.
- those having the same tens place and first place numbers basically have the same function.
- the mirror array 3000 has a plurality of mirror devices 300, 300,.
- the mirror array 3000 is manufactured using an SOI (Silicon-on-insulator) substrate 301.
- the mirror device 300 includes a base 302, two actuators 306 and 306 coupled to the base 302, a mirror 305 coupled to the two actuators 306 and 306, and an extension that couples the mirror 305 to the base 302. 304, two movable comb electrodes 307 and 307 connected to the mirror 305, two fixed comb electrodes 308 and 308 provided on the base 302 and facing the movable comb electrodes 307 and 307, and a control unit 310.
- the two actuators 306 and 306 are distinguished, they are referred to as a first actuator 306A and a second actuator 306B, respectively.
- the base part 302 is formed in a substantially rectangular frame shape.
- the base portion 302 is formed of a first silicon layer 301a, an oxide film layer 301b, and a second silicon layer 301c.
- the mirror 305 is formed in a planar view shape.
- the mirror 305 has a mirror main body 351 and a mirror surface layer 352 laminated on the surface of the mirror main body 351.
- the mirror body 351 is formed of the first silicon layer 301a, and the mirror surface layer 352 is formed of an Au / Ti film.
- a mirror surface layer 353 similar to the mirror surface layer 352 is also laminated on the back surface of the mirror body 351.
- the mirror surface layer 353 has a function of canceling out the film stress caused on the surface of the mirror main body 351 and caused by the mirror surface layer 352. Thereby, the flatness of the mirror main body 351 and by extension, the mirror surface layer 352 can be improved.
- the axis passing through the center C of the mirror 305 and extending along the surface of the mirror 305 in the arrangement direction of the mirror devices 300, 300 is taken as a Y axis.
- An axis passing through the center C of the mirror 305 and orthogonal to both the X axis and the Y axis is defined as a Z axis. That is, the X axis is common to all the mirror devices 300, and the Y axis and the Z axis are defined for each mirror device 300.
- the actuator 306 includes an actuator body 364 and a piezoelectric element 365 laminated on the surface of the actuator body 364.
- the actuator body 364 is formed in a rectangular plate shape in plan view. One end of the actuator body 364 is connected to the base 302 and extends in the Y-axis direction.
- the actuator body 364 is formed of the first silicon layer 301a.
- the piezoelectric element 365 is provided on the front side of the actuator body 364 (the same side as the mirror surface layer 352 of the mirror 305). As shown in FIG. 2, a SiO 2 layer 369 is laminated on the surface of the actuator body 364, and the piezoelectric element 365 is laminated on the SiO 2 layer 369.
- the piezoelectric element 365 is formed in a plate shape having a rectangular shape in plan view, like the actuator body 364.
- the piezoelectric element 365 includes a lower electrode 366, an upper electrode 368, and a piezoelectric layer 367 sandwiched therebetween.
- the lower electrode 366, the piezoelectric layer 367, and the upper electrode 368 are laminated on the SiO 2 layer 369 in this order.
- the piezoelectric element 365 is formed of a member different from the SOI substrate 301. Specifically, the lower electrode 366 is formed of a Pt / Ti film. The piezoelectric layer 367 is made of lead zirconate titanate (PZT). The upper electrode 368 is formed of an Au / Ti film.
- the base portion 302 includes a first upper terminal 322 electrically connected to the upper electrode 368 of the first actuator 306A, a second upper terminal 323 electrically connected to the upper electrode 368 of the second actuator 306B, A lower terminal 324 that is electrically connected to both the lower electrode 366 of the actuator 306A and the lower electrode 366 of the second actuator 306B is provided. That is, one first upper terminal 322 is provided for each first actuator 306A. One second upper terminal 323 is provided for each second actuator 306B.
- the lower terminal 324 is a common detection terminal for all the lower electrodes 366.
- a voltage is applied to the piezoelectric element 365 of the first actuator 306A via the first upper terminal 322 and the lower terminal 324.
- a voltage is applied to the piezoelectric element 365 of the second actuator 306B through the second upper terminal 323 and the lower terminal 324.
- the surface of the actuator main body 364 on which the piezoelectric element 365 is laminated expands and contracts, and the tip of the actuator main body 364 is displaced in the Z-axis direction.
- the tip of the actuator 306 is connected to the mirror 305 via the hinge 303.
- the two actuators 306 and 306 are connected to a short side 305 a parallel to the X axis of the mirror 305.
- the first actuator 306A is connected to one end of the short side 305a, and the second actuator 306B is connected to the other end of the short side 305a.
- the hinge 303 is configured to be elastically deformable. Specifically, the hinge 303 has a plurality of linear portions and folded portions that connect ends of adjacent linear portions, and has a meandering shape as a whole.
- the hinge 303 includes a first hinge 303a having a linear portion extending in the X-axis direction and a second hinge 303b having a linear portion extending in the Y-axis direction.
- the first hinge 303a is easily curved around an axis extending in the X-axis direction.
- the second hinge 303b is easily bent around an axis extending in the Y-axis direction.
- the first hinge 303a is connected to the actuator 306, and the second hinge 303b is connected to the mirror 305.
- the extension 304 is provided on the short side 305b of the mirror 305 facing the short side 305a to which the hinges 303 and 303 are connected.
- the extension 304 extends in the Y-axis direction from the approximate center of the short side 305b.
- the extension 304 is fixedly connected to the mirror 305.
- the extension 304 is formed of the same first silicon layer 301 a as the mirror main body 351.
- the extension part 304 is connected to the base part 302 via a hinge 341.
- the hinge 341 has a lower rigidity than the extension 304 and is configured to be elastically deformable. Specifically, the hinge 341 has a plurality of linear portions and folded portions that connect ends of adjacent linear portions, and has a meandering shape as a whole.
- the hinge 341 includes a first hinge 341a whose linear part extends in the X-axis direction, and a second hinge 341b whose linear part extends in the Y-axis direction.
- the first hinge 341a is easily bent around an axis extending in the X-axis direction.
- the second hinge 341b is easily bent around an axis extending in the Y-axis direction.
- the first hinge 341 a is connected to the extension portion 304, and the second hinge 341 b is connected to the base portion 302.
- the hinge 341 is an example of an extension side connection part.
- the movable comb electrode 307 has a beam portion 371 extending in the Y-axis direction, and three electrode fingers 372, 372,... Provided on the beam portion 371.
- the beam portion 371 is provided on the mirror 305 on the same side as the extension portion 304 with respect to the X axis, that is, on the side opposite to the actuator 306.
- the beam portion 371 extends in the Y-axis direction along the extension portion 304.
- One end of the beam portion 371 is connected to the mirror 305 via a hinge 373.
- the beam portion 371 of one movable comb electrode 307 is connected to one end of the short side 305b of the mirror 305, and the beam portion 371 of the other movable comb electrode 307 is connected to the other end of the short side 305b of the mirror 305. It is connected.
- the other end of the beam portion 371 is bent in an L shape and is connected to the base portion 302 via two hinges 374 and 374.
- the two beam portions 371 and 371 and the extension portion 304 sandwiched therebetween extend in parallel in the Y-axis direction from the short side 305b of the mirror 305.
- the three electrode fingers 372, 372,... are provided on the beam portion 371 on the side opposite to the extension portion 304.
- the electrode fingers 372, 372,... Extend in the Y-axis direction in parallel to each other and are formed in a comb shape.
- the number of electrode fingers 372 is not limited to three.
- the hinge 373 has the same configuration as the hinge 303. That is, the hinge 373 is configured to be elastically deformable. Specifically, the hinge 373 has a plurality of linear portions and folded portions that connect ends of adjacent linear portions, and has a meandering shape as a whole.
- the hinge 373 includes a first hinge 373a whose linear part extends in the X-axis direction and a second hinge 373b whose linear part extends in the Y-axis direction.
- the first hinge 373a is easily bent around an axis extending in the X-axis direction.
- the second hinge 373b is easily bent around an axis extending in the Y-axis direction.
- the first hinge 373a is connected to the mirror 305, and the second hinge 373b is connected to the beam portion 371.
- the hinge 373 is an example of an input side connection part
- the first hinge 373a is an example of a first connection part
- the second hinge 373b is an example of a second connection part.
- the hinge 374 has the same configuration as the first hinge 373a. That is, the hinge 374 is configured to be elastically deformable. Specifically, the hinge 374 has a plurality of linear portions extending in the X-axis direction and folded portions that connect ends of adjacent linear portions, and has a meandering shape as a whole. The hinge 374 is easily bent around an axis extending in the X-axis direction. The two hinges 374 and 374 are arranged side by side in the X-axis direction.
- the beam portion 371 is supported by the base portion 302 via hinges 374 and 374, and is configured to tilt around an axis that passes through the hinges 374 and 374 and is parallel to the X axis. An axis passing through the hinges 374 and 374 and parallel to the X axis is referred to as a tilt axis C4.
- the hinge 374 is an example of a support side connection part.
- the movable comb electrode 307 connected to the end facing the first actuator 306A on the short side 305b of the mirror 305 is referred to as the first movable comb electrode 307A.
- the movable comb electrode 307 connected to the end facing the second actuator 306B on the short side 305b is referred to as a second movable comb electrode 307B.
- the fixed comb electrode 308 has a beam part 381 extending in the Y-axis direction and four electrode fingers 382, 382,... Provided on the beam part 381.
- the beam portion 381 extends from the inner peripheral edge of the base portion 302 in the Y-axis direction.
- the electrode fingers 372, 372,... Of the movable comb electrode 307 are inserted between the electrode fingers 382, 382,.
- the electrode fingers 372, 372,... Of the movable comb electrode 307 and the electrode fingers 382, 382,... Of the fixed comb electrode 308 are alternately arranged in the X-axis direction and face each other without contacting each other. .
- the number of electrode fingers 382 is not limited to four.
- the fixed comb electrode 308 corresponding to the first movable comb electrode 307A is referred to as the first fixed comb electrode 308A
- the second movable comb electrode 307B is referred to as the second movable comb electrode 307B.
- the corresponding fixed comb electrode 308 is referred to as a second fixed comb electrode 308B.
- the base 302 is provided with a detection terminal for detecting the electrostatic capacitance between the movable comb electrode 307 and the fixed comb electrode 308.
- the base 302 has a movable terminal 325 electrically connected to the movable comb electrode 307, a first fixed terminal 326 electrically connected to the first fixed comb electrode 308A, and a second fixed.
- a second fixed terminal 327 electrically connected to the comb-tooth electrode 308B is provided. That is, the movable terminal 325 is a common detection terminal for all the movable comb electrodes 307.
- One first fixed terminal 326 is provided for each first fixed comb electrode 308A.
- One second fixed terminal 327 is provided for one second fixed comb electrode 308B.
- the movable terminal 325 is provided on the surface of a portion of the first silicon layer 301a of the base portion 302 that is electrically connected to all the movable comb electrodes 307, 307,.
- the first fixed terminal 326 is provided on the surface of the portion of the first silicon layer 301a of the base portion 302 that is electrically connected to each first fixed comb electrode 308A.
- the second fixed terminal 327 is provided on the surface of the portion of the first silicon layer 301a of the base portion 302 that is electrically connected to each second fixed comb electrode 308B.
- portions where the first fixed terminal 326 and the second fixed terminal 327 are provided are insulated from other portions of the first silicon layer 301a.
- the mirror array 1 configured as described above is manufactured by etching the SOI substrate 301 or forming a film on the surface thereof. For example, by forming a SiO 2 layer 369 on the surface of the SOI substrate 301, on top of the SiO 2 layer 369, Pt / Ti film (lower electrode 366), lead zirconate titanate (piezoelectric layer 367) and Au / Ti A film (upper electrode 368) is sequentially formed, and a piezoelectric element 365 is formed by photolithography and etching. Next, the mirror body 351, the actuator body 364, and the like are formed by performing anisotropic etching such as ICP-RIE on the first silicon layer 301a. Subsequently, an Au / Ti film is formed on the surface of the mirror main body 351 to form a mirror surface layer 352. Thereafter, a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 365 to perform polarization processing.
- a predetermined voltage is applied to the piezoelectric element 365 to perform
- the controller 310 applies a driving voltage to a desired mirror device 300 to control the tilt of the mirror 305.
- the controller 310 applies a driving voltage to the first upper terminal 322 and the lower terminal 324, the piezoelectric element 365 of the first actuator 306A contracts according to the driving voltage. Since the base end portion of the first actuator 306A is coupled to the base portion 302, the first actuator 306A tilts around an axis C3 that passes through the base end portion and is parallel to the X axis.
- the control unit 310 applies a driving voltage to the second upper terminal 323 and the lower terminal 324, the piezoelectric element 365 of the second actuator 306B contracts according to the driving voltage.
- the base end of the second actuator 306B is coupled to the base 302, so that the first actuator 306A passes around the base end and is about an axis C3 parallel to the X axis. Tilt.
- the controller 310 outputs the drive voltage of the first actuator 306A and the drive voltage of the second actuator 306B independently. That is, the control unit 310 independently controls the tilt amount of the first actuator 306A and the tilt amount of the second actuator 306B.
- the tip of the first actuator 306A When the first actuator 306A tilts, the tip of the first actuator 306A is displaced accordingly, and the portion of the mirror 305 to which the hinge 303A is connected is displaced.
- the tip of the second actuator 306B when the second actuator 306B tilts, the tip of the second actuator 306B is displaced accordingly, and the portion of the mirror 305 to which the hinge 303B is connected is displaced. Since the amount of tilt of the actuator 306 is very small, the displacement of the tip of the actuator 306 can be regarded as a displacement in the Z-axis direction.
- the mirror 305 Since the mirror 305 is connected to the base portion 302 through the extension 304 and the hinge 341, the mirror 305 tilts as a whole with the hinge 341 as a fulcrum. Specifically, the mirror 305 tilts around the main axis C1 passing through the hinge 341 and parallel to the X axis, and tilts around the sub-axis C2 passing through the hinge 341 and the center C of the mirror 305.
- the secondary axis C2 coincides with the Y axis when the mirror 305 is not operating.
- the tilt amount of the first actuator 306A and the tilt amount of the second actuator 306B are the same, of the short side 305a of the mirror 305, the portion where the hinge 303A is connected and the portion where the hinge 303B is connected are Z.
- the amount of displacement in the axial direction is the same.
- the mirror 305 tilts around the main axis C1.
- the amount of displacement becomes different.
- the mirror 305 tilts around the sub-axis C2.
- control unit 310 adjusts the tilt amount of the first actuator 306A and the tilt amount of the second actuator 306B to combine the tilt of the mirror 305 about the main axis C1 and the tilt of the mirror 305 about the sub-axis C2. Then, the mirror 305 is tilted in an arbitrary direction.
- the controller 310 detects the tilt amount of the mirror 305 based on the electrostatic capacitance between the movable comb electrode 307 and the fixed comb electrode 308 when tilting the mirror 305.
- the movable comb electrode 307 tilts accordingly.
- one end of the beam portion 371 of the movable comb electrode 307 is connected to the mirror 305 via a hinge 373
- the other end of the beam portion 371 is connected to the base portion 302 via two hinges 374 and 374. It is connected. Therefore, when the mirror 305 is tilted, the beam portion 371 is displaced in accordance with the displacement of the mirror 305, and the beam portion 371 is tilted around the tilt axis C4 as a whole with the two hinges 374 and 374 as fulcrums.
- the electrostatic capacitance of the comb electrode 308 changes.
- the first movable comb electrode 307A Since the first movable comb electrode 307A is connected to one end of the short side 305b of the mirror 305 via the hinge 373, the static between the first movable comb electrode 307A and the first fixed comb electrode 308A. Based on the capacitance, it is possible to detect the displacement in the Z-axis direction of one end of the short side 305b.
- the second movable comb electrode 307B is connected to the other end portion of the short side 305b via the hinge 373, the static between the second movable comb electrode 307B and the second fixed comb electrode 308B. Based on the electric capacity, the displacement of the other end of the short side 305b in the Z-axis direction can be detected.
- the control unit 310 detects the capacitance of the first movable comb electrode 307A and the first fixed comb electrode 308A via the movable terminal 325 and the first fixed terminal 326. In addition, the control unit 310 detects the electrostatic capacitances of the second movable comb electrode 307B and the second fixed comb electrode 308B via the movable terminal 325 and the second fixed terminal 327. The control unit 310 applies the voltage applied to the first actuator 306A and the voltage applied to the second actuator 306B to the capacitance of the first movable comb electrode 307A and the first fixed comb electrode 308A, and the second movable comb electrode. Adjustment is made based on the capacitances of 307B and the second fixed comb electrode 308B, and the tilt amount of the mirror 305 is controlled.
- both ends of the short side 305b of the mirror 305 tilt not only about the main axis C1 but also about the sub-axis C2.
- the movable comb electrode 307 is connected to the end of the short side 305b of the mirror 305 via the hinge 373 whose one end of the beam portion 371 is elastically deformed. Is absorbed by the hinge 373 and transmitted to the movable comb electrode 307. Therefore, of the displacement of the end of the short side 305b, the more dominant displacement in the Z-axis direction is mainly transmitted to the movable comb electrode 307, and the displacement around the minor axis C2 is almost transmitted to the movable comb electrode 307. Not.
- the tilt of the movable comb electrode 307 around the Y axis is suppressed, and the movable comb electrode 307 is arranged such that the portion of the beam portion 371 to which the hinge 373 is connected is displaced substantially only in the Z axis direction. Tilt.
- the electrostatic capacitance between the movable comb electrode 307 and the fixed comb electrode 308 can be detected with high accuracy.
- the electrode fingers 372, 372,... Of the movable comb electrode 307 and the electrode fingers 382, 382,... Of the fixed comb electrode 308 are alternately arranged in the X-axis direction and face each other without contacting each other. Yes. From this state, when the movable comb electrode 307 tilts around the tilt axis C4, that is, is displaced in the YZ plane, the opposing areas of the electrode fingers 372, 372,... And the electrode fingers 382, 382,. As a result, the capacitance between the movable comb electrode 307 and the fixed comb electrode 308 changes.
- the gap between the electrode fingers 372, 372,... And the electrode fingers 382, 382, changes for reasons other than the tilting of the movable comb electrode 307 around the tilting axis C4.
- the electrode fingers 372, 372,... And the electrode fingers 382, 382, when the electrode fingers 372, 372,... And the electrode fingers 382, 382,.
- the size of the gap between the electrode fingers 372, 372,... And the electrode fingers 382, 382,... Is maintained by tilting the movable comb electrode 307 so as to be displaced substantially only in the Z-axis direction. It is possible to change the area where both face each other. Thereby, it is possible to accurately detect a change in electrostatic capacitance between the movable comb electrode 307 and the fixed comb electrode 308 due to the tilt of the movable comb electrode 307 around the tilt axis C4.
- the other end of the beam portion 371 of the movable comb electrode 307 is connected to the base portion 302 in at least two places aligned in the direction of the tilt axis C4.
- the beam portion 371 is connected to the base portion 302 via two hinges 374 and 374 arranged in the direction of the tilt axis C4.
- the beam portion 371 is relatively easy to tilt around the tilt axis C4, and is relatively difficult to tilt around axes other than the tilt axis C4.
- the hinge 374 since the linear portion of the hinge 374 extends in the X-axis direction (that is, the tilting axis C4 direction), the hinge 374 has an axis parallel to the tilting axis C4 as compared to an axis orthogonal to the tilting axis C4. It is easy to bend. Also by this, the beam portion 371 is relatively easy to tilt around the tilt axis C4, and is relatively difficult to tilt around an axis other than the tilt axis C4.
- the hinge 373 that connects the beam portion 371 and the mirror 305 is configured to easily tilt around an axis parallel to the Y axis. Therefore, the hinge 373 can absorb a tilt around an axis parallel to the Y axis when transmitting the displacement of the mirror 305 to the beam unit 371. As a result, even if the mirror 305 tilts around the sub-axis C2, the movable comb electrode 307 can be tilted substantially only around the tilt axis C4.
- the movable comb electrode 307 can be substantially tilted only about the tilt axis C4, and the movable comb electrode 307 and the fixed comb electrode due to the tilt of the movable comb electrode 307 about the tilt axis C4. It is possible to accurately detect a change in capacitance between 308 and 308.
- the extension 304 extends from the mirror 305 toward the base 302, and the end of the extension 304 on the base 302 side is connected to the base 302 via the hinge 341. As a result, the tilt of the mirror 305 can be accurately detected based on the change in capacitance of the movable comb electrode 307 and the fixed comb electrode 308. This point will be described with reference to FIG.
- FIG. 10A and 10B are schematic explanatory views for explaining the displacement of the movable comb electrode 307 when the mirror 305 tilts.
- FIG. 10A shows the mirror device 300
- FIG. 10B shows one of the mirror devices 300 for comparison. The part has been changed.
- the extension 304 ′ is fixedly connected to the base 302, and the end of the extension 304 ′ on the mirror 305 side is connected to the mirror 305 via the hinge 341 ′.
- the extended portion 304 ′ is not displaced while being parallel to the surface of the base portion 302, so that the short side 305 b is slightly displaced in the Z-axis direction. Therefore, the movable comb electrode 307 tilts only slightly.
- the extension part 304 is fixedly connected to the mirror 305, and the end part on the base part 302 side is connected to the base part 302 via the hinge 341.
- the mirror 305 is tilted about the main axis C ⁇ b> 1 passing through the hinge 341. Since the short side 305b is separated from the tilt axis of the mirror 305, when the mirror 305 tilts, the displacement of the short side 305b in the Z-axis direction becomes larger than that in the configuration of FIG. As a result, the tilt of the movable comb electrode 307 when the mirror 305 tilts also increases.
- the size of each mirror device 300 in the arrangement direction is small. It is necessary to make it.
- the actuator 306 and the movable comb electrode 307 connected to the mirror 305 are arranged in a direction perpendicular to the arrangement direction (Y-axis direction in this example) with respect to the mirror 305.
- the actuator 306 is arranged on one side in the direction orthogonal to the arrangement direction with respect to the mirror 305, and the movable comb electrode 307 is arranged on the other side.
- the extension 304 is extended from the mirror 305 to the same side as the movable comb electrode 307, and is connected to the base 302 via the hinge 341. It is possible to prevent the contact between the 307 and the fixed comb electrode 308 and to detect the tilt of the mirror 305 with high accuracy.
- the mirror device 300 includes the base portion 302, the mirror 305, the actuator 306 that is connected to the mirror 305 and tilts the mirror 305 by tilting, and is provided on the base portion 302. , And a movable comb electrode 307 disposed so as to face the fixed comb electrode 308.
- the movable comb electrode 307 includes a beam portion 371 and the movable comb electrode 307.
- the beam portion 371 is connected to the mirror 305, and the rigidity is lower than that of the beam portion 371.
- the hinge 373 that is elastically deformed, and the beam portion 371 is connected to the base portion 302, and the rigidity is lower than that of the beam portion 371.
- An elastically deformable hinge 374 and provided on the beam portion 371, facing electrode fingers 382, 382,... Of the fixed comb electrode 308. That the electrode fingers 372 and 372, have a ... and is configured so as to tilt the tilting axis C4 around through the hinge 374.
- the mirror 305 is tilted when the actuator 306 tilts. Since the beam portion 371 of the movable comb electrode 307 is connected to the mirror 305 via the hinge 373, the beam portion 371 is displaced according to the tilt of the mirror 305 when the actuator 306 tilts. Since the beam portion 371 is connected to the base portion 302 via the hinges 374 and 374, the beam portion 371 tilts around the tilt axis C4 passing through the hinges 374 and 374. Then, the area of the electrode fingers 372, 372,... Of the movable comb electrode 307 and the electrode fingers 382, 382,. The capacitance between the electrode 308 and the electrode 308 changes.
- the displacement of the portion of the beam portion 371 where the hinge 373 is provided is determined. Since the hinge 373 is connected to the mirror 305, the displacement of the mirror 305 can be obtained if the displacement of the beam portion 371 where the hinge 373 is provided is known. In this way, the displacement of the mirror 305 can be obtained from the change in capacitance.
- the beam portion 371 of the movable comb electrode 307 is connected to the mirror 305 via a hinge 373 that is elastically deformed. Since the hinge 373 is deformed when the mirror 305 is displaced, a part of the displacement of the mirror 305 is absorbed by the hinge 373 and transmitted to the beam portion 371. Therefore, a minute amount of the displacement of the mirror 305 is absorbed by the hinge 373, transmission to the beam portion 371 is reduced, and a dominant one of the displacement of the mirror 305 is mainly transmitted to the beam portion 371.
- the beam portion 371 can be mainly displaced in the direction corresponding to the dominant one of the displacements of the mirror 305, and the displacement of the beam portion 371 in the direction corresponding to the minute one of the displacements of the mirror 305 can be changed. Can be reduced.
- the movable comb electrode 307 can be tilted while maintaining the distance between the electrode fingers 372, 372,... Of the movable comb electrode 307 and the electrode fingers 382, 382,.
- the change in capacitance of the movable comb electrode 307 and the fixed comb electrode 308 is substantially based on the dominant displacement of the mirror 305.
- the displacement of the mirror 305 can be accurately detected based on the change in capacitance.
- Embodiment 1 relates to a mirror device
- Embodiment 2 relates to a mirror array, but is not limited thereto.
- a mirror array may be configured by a plurality of mirror devices 200, 200,. Further, it may be configured with only one mirror device 300.
- the shape, dimensions, and materials in the embodiment are merely examples, and are not limited to these.
- the mirror 205 does not have to be circular in plan view, and may be a polygon such as a square.
- the mirror 305 does not have to be a square in plan view, and may be a circle in plan view or a polygon other than a square.
- each hinge is not limited to the configuration according to the embodiment.
- each hinge can adopt any configuration as long as the hinge has a lower rigidity than the members to be connected and elastically deforms.
- the actuators 206 and 306 are not limited to the above configuration.
- the actuators 206 and 306 have piezoelectric elements 265 and 365, but are not limited thereto.
- an actuator that drives a mirror using electrostatic attraction may be used.
- the piezoelectric elements 265 and 365 may use, as a piezoelectric layer, KNN ((K, Na) NbO 3 ), which is a lead-free piezoelectric material, instead of PZT.
- KNN ((K, Na) NbO 3 )
- PZT lead-free piezoelectric material
- first tilting portion 203 and the second tilting portion 204 can adopt any configuration as long as the first tilting portion 203 and the second tilting portion 204 are connected to the base portion 202 and tilted by the actuator 206.
- first tilting part 203 and the second tilting part 204 may not be annular.
- the 1st tilting part 203 and the 2nd tilting part 204 may not be a circle
- the first connection portions 231 and 231 and the second connection portions 241 and 241 may not be disposed on the X axis and the Y axis, respectively.
- the straight line passing through the first connection parts 231 and 231 may not be orthogonal to the straight line passing through the second connection parts 241 and 241 and may not be parallel to the X axis.
- the straight line passing through the second connection parts 241 and 241 may not be parallel to the Y axis.
- the second connection parts 241 and 241 may be arranged on the X axis
- the first connection parts 231 and 231 may be arranged on the Y axis.
- the configuration of the movable comb electrodes 207 and 307 and the fixed comb electrodes 208 and 308 is an example, and other configurations may be used.
- the positions of the movable comb electrodes 207 and 307 and the fixed comb electrodes 208 and 308 and the extending direction of the electrode fingers can be arbitrarily set.
- the electrode finger of the movable comb electrode and the electrode finger of the fixed comb electrode may extend in the X axis direction other than the Y axis direction, for example.
- the mirror 305 is connected to the base 302 via the extension 304, but is not limited to this.
- the extension 304 and the hinge 341 may be omitted.
- the mirror 305 is connected to the base portion 302 via the movable comb electrodes 307 and 307.
- the mirror devices 200 and 300 are examples of driving devices.
- the drive device is not limited to one that drives the mirror.
- the driving device may be a shutter device that drives a blade or plate as a moving unit with an actuator.
- the technology disclosed herein is useful for the drive device.
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Abstract
本発明は、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電極の静電容量に基づいて移動部の変位を精度良く求めることを目的とする。 本発明のミラーデバイス(200)は、ベース部(202)と、移動部としてのミラー(205)と、アクチュエータ(206)と、固定櫛歯電極(208)と、可動櫛歯電極(207)とを備えている。可動櫛歯電極(207)は、ビーム部(271)と、ビーム部(271)をアクチュエータ(206)と連結し、ビーム部(271)よりも剛性が低いヒンジ(273)と、ビーム部(271)をベース部202に連結し、ビーム部(271)よりも剛性が低いヒンジ(274)と、ビーム部(271)に設けられ、固定櫛歯電極(208)の複数の電極指(281)と対向する複数の電極指(272)とを有し、ヒンジ(274)を通る傾動軸B5回りに傾動するように構成されている。
Description
ここに開示された技術は、駆動装置に関するものである。
従来より、様々な駆動装置が知られている。特許文献1に開示されたミラーデバイスは、移動部としてのミラーをアクチュエータによって所定の軸回りに傾動させ、そのときのミラーの変位を櫛歯電極によって検出している。櫛歯電極は、ミラーに連結された可動櫛歯電極と、フレームに設けられ、可動櫛歯電極と対向する固定櫛歯電極とを有している。これら可動櫛歯電極と固定櫛歯電極との間の静電容量の変化に基づいてミラーの変位が検出される。詳しくは、可動櫛歯電極の電極指と固定櫛歯電極の電極指とは、所定の配列方向に交互に配列され、互いに接近し且つ非接触な状態となっている。そして、ミラーが変位すると、可動櫛歯電極の電極指が配列方向と直交する方向に変位し、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化に基づいてミラーの変位が検出される。
ところで、可動櫛歯電極の電極指が配列方向と直交する方向以外の方向に変位すると、静電容量の変化に基づいてミラーの変位を求めることが難しくなる。例えば、可動櫛歯電極の電極指が配列方向に変位すると、電極指の間の間隔が変化し、このことによっても静電容量は変化する。そのため、静電容量が変化したとしても、それがミラーの想定する方向への変位に起因するものかどうか判別することが難しい。さらに、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極とが接触してしまった場合には、静電容量の検出そのものができなくなる。
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、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電極の静電容量に基づいて移動部の変位を精度良く求めることにある。
ここに開示された技術は、駆動装置であって、ベース部と、移動部と、前記移動部に連結され、傾動することによって該移動部を傾動させるアクチュエータと、前記ベース部に設けられ、電極指を有する固定櫛歯電極と、前記固定櫛歯電極に対向して配置された可動櫛歯電極とを備え、前記可動櫛歯電極は、ビーム部と、該ビーム部を前記移動部又は前記アクチュエータと連結し、該ビーム部よりも剛性が低く、弾性変形する入力側接続部と、該ビーム部を前記ベース部に連結し、該ビーム部よりも剛性が低く、弾性変形する支持側接続部と、該ビーム部に設けられ、前記固定櫛歯電極の電極指と対向する電極指とを有し、該支持側接続部を通る傾動軸回りに傾動するように構成されている。
この構成によれば、アクチュエータが傾動することによって、移動部が傾動させられる。可動櫛歯電極のビーム部は、入力側接続部を介してアクチュエータ又は移動部に連結されているので、アクチュエータ又は移動部が傾動する際に、ビーム部は、その傾動に従って変位する。ビーム部は、支持側接続部を介してベース部に連結されているので、支持側接続部を通る傾動軸回りに傾動する。すると、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電極の対向している部分の面積が変化し、可動櫛歯電極と固定櫛歯電極との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化によって、ビーム部のうち入力側接続部が設けられた部分の変位が求められる。入力側接続部は、アクチュエータ又は移動部に連結されているので、ビーム部のうち入力側接続部が設けられた部分の変位がわかれば、アクチュエータ又は移動部の変位を求めることができる。アクチュエータは、移動部に連結されているので、アクチュエータの変位がわかれば、移動部の変位を求めることができる。こうして、静電容量の変化によって移動部の変位を求めることができる。
このような構成において、可動櫛歯電極のビーム部は、弾性変形する入力側接続部を介してアクチュエータ又は移動部に連結されている。入力側接続部は、アクチュエータ又は移動部が変位すると、それに応じて変形するため、アクチュエータ又は移動部の変位は、その一部が入力側接続部に吸収されて、ビーム部に伝わる。そのため、アクチュエータ又は移動部の変位のうち微小なものは入力側接続部に吸収され、ビーム部への伝達が低減され、アクチュエータ又は移動部の変位のうち支配的なものが主としてビーム部へ伝わる。つまり、ビーム部を、アクチュエータ又は移動部の変位のうち支配的なものに対応する方向に主として変位させることができ、アクチュエータ又は移動部の変位のうち微小なものに対応する方向へのビーム部の変位を低減することができる。その結果、可動櫛歯電極の電極指と固定櫛歯電極の電極指との間隔を維持したまま、可動櫛歯電極を傾動させることができる。
前記駆動装置によれば、可動櫛歯電極及び固定櫛歯電極の静電容量に基づいて移動部の変位を精度良く求めることができる。
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。
《実施形態1》
図1は、ミラーデバイス200の平面図を、図2は、ミラーデバイス200の、図1のII-II線における断面図を示す。
図1は、ミラーデバイス200の平面図を、図2は、ミラーデバイス200の、図1のII-II線における断面図を示す。
ミラーデバイス200は、SOI(Silicon on Insulator)基板201を用いて製造されている(図2参照)。SOI基板201は、単結晶シリコンで形成された第1シリコン層201aと、SiO2で形成された酸化膜層201bと、単結晶シリコンで形成された第2シリコン層201cとがこの順で積層されて構成されている。
ミラーデバイス200は、ベース部202と、ベース部202に連結された第1傾動部203と、第1傾動部203に連結された第2傾動部204と、第2傾動部204に連結されたミラー205と、第1傾動部203に連結され、第1傾動部203及び第2傾動部204を介してミラー205を傾動させる2つのアクチュエータ206,206と、2つのアクチュエータ206,206に設けられた2つの可動櫛歯電極207,207と、ベース部202に設けられた2つの固定櫛歯電極208,208と、制御部210とを有している。ミラーデバイス200は、駆動装置の一例である。
尚、2つのアクチュエータ206,206を区別するときには、それぞれ第1アクチュエータ206A、第2アクチュエータ206Bと称する。同様に、2つの可動櫛歯電極207,207を区別するときには、第1アクチュエータ206Aに対応する可動櫛歯電極207を第1可動櫛歯電極207Aと称し、第2アクチュエータ206Bに対応する可動櫛歯電極207を第2可動櫛歯電極207Bと称する。また、2つの固定櫛歯電極208,208を区別するときには、第1アクチュエータ206Aに対応する固定櫛歯電極208を第1固定櫛歯電極208Aと称し、第2アクチュエータ206Bに対応する固定櫛歯電極208を第2固定櫛歯電極208Bと称する。
ベース部202は、概略長方形の枠状に形成されている。ベース部202は、第1シリコン層201a、酸化膜層201b及び第2シリコン層201cで形成されている。
ミラー205は、円盤状に形成されている。ミラー205は、ミラー本体251と、ミラー本体251の表面に積層された鏡面層252とを有している。ミラー本体251は、第1シリコン層201aで形成され、鏡面層252は、Au/Ti膜で形成されている。尚、ミラー本体251の裏面にも、鏡面層252と同様の鏡面層253が積層されている。鏡面層253は、ミラー本体251の表面において生じる、鏡面層252に起因する膜応力を相殺させる機能を有する。これにより、ミラー本体251、ひいては、鏡面層252の平面度を向上させることができる。ミラー205は、移動部の一例である。
ここで、ベース部202の表面(SOI基板201の表面)に沿って延び、非動作時のミラー205の中心Cにおいて直交するX軸及びY軸を規定する。また、非動作時のミラー205の中心Cを通り、X軸及びY軸の両方に直交する軸をZ軸とする。
第2傾動部204は、ミラー205の外側に配置され、ミラー205を覆う円環状に形成されている。第2傾動部204は、2つの第2接続部241,241を介してミラー205に連結されている。第2傾動部204及び第2接続部241,241は、第1シリコン層201aで形成されている。
2つの第2接続部241,241は、ミラー205の中心Cを挟んで対向する位置に設けられている。具体的には、2つの第2接続部241,241は、Y軸上に配置されている。
第1傾動部203は、第2傾動部204の外側に配置され、第2傾動部204を覆う円環状に形成されている。第1傾動部203は、2つの第1接続部231,231を介して第2傾動部204に連結されている。また、第1傾動部203は、ヒンジ232を介してベース部202に連結されている。第1傾動部203、第1接続部231,231及びヒンジ232は、第1シリコン層201aで形成されている。
2つの第1接続部231,231は、ミラー205の中心Cを挟んで対向する位置に設けられている。具体的には、2つの第1接続部231,231は、X軸上に配置されている。すなわち、第1接続部231は、ミラー205の中心C回りにおいて第2接続部241と90度ずれた位置に配置されている。
ヒンジ232は、弾性的に変形可能に構成されている。具体的には、ヒンジ232は、複数の直線部と、隣り合う直線部の端部同士を連結する折り返し部とを有し、全体として蛇行した形状をしている。ヒンジ232は、直線部がX軸方向に延びる第1ヒンジ232aと、直線部がY軸方向に延びる第2ヒンジ232bとを有している。第1ヒンジ232aは、X軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。一方、第2ヒンジ232bは、Y軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。第1ヒンジ232aは、第1傾動部203に連結され、第2ヒンジ232bは、ベース部202に連結されている。ここで、~軸方向とは、~軸と平行な方向を意味する。
アクチュエータ206は、一端部がベース部202に連結され、Y軸方向に延びる第1直線部261と、一端部が第1直線部261の他端部に連結され、第1直線部261に対して折り返すようにY軸方向に延びる第2直線部262とを有している。第2直線部262のうち、第1直線部261に連結された端部とは反対側の端部(以下、「先端部」という)には、ヒンジ263を介して第1傾動部203が連結されている。
第1直線部261及び第2直線部262は、図2に示すように、アクチュエータ本体264と、アクチュエータ本体264の表面に積層された圧電素子265とを有している。
アクチュエータ本体264は、平面視長方形の板状に形成されている。アクチュエータ本体264は、第1シリコン層201aで形成されている。
圧電素子265は、アクチュエータ本体264の表側(ミラー205の鏡面層252と同じ側)に設けられている。アクチュエータ本体264の表面にはSiO2層269が積層されており、圧電素子265は、SiO2層269上に積層されている。圧電素子265は、アクチュエータ本体264と同様に、平面視長方形の板状に形成されている。圧電素子265は、下部電極266と、上部電極268と、これらに挟持された圧電体層267とを有する。下部電極266、圧電体層267、上部電極268は、SiO2層269上にこの順で積層されている。圧電素子265は、SOI基板201とは別の部材で形成されている。詳しくは、下部電極266は、Pt/Ti膜で形成されている。圧電体層267は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で形成されている。上部電極268は、Au/Ti膜で形成されている。
ベース部202には、第1アクチュエータ206Aの第1直線部261の上部電極268と電気的に接続された第1上部端子224と、第2アクチュエータ206Bの第1直線部261の上部電極268と電気的に接続された第2上部端子225と、第1アクチュエータ206Aの第1直線部261の下部電極266及び第2アクチュエータ206Bの第1直線部261の下部電極266の両方に電気的に接続された下部端子226とが設けられている。第1上部端子224と下部端子226を介して第1アクチュエータ206Aの第1直線部261の圧電素子265に電圧が印加される。第2上部端子225と下部端子226を介して第2アクチュエータ206Bの第1直線部261の圧電素子265に電圧が印加される。各アクチュエータ206は、圧電素子265に電圧が印加されると、アクチュエータ本体264のうち圧電素子265が積層された表面が伸縮し、アクチュエータ本体264の先端がZ軸方向へ変位する。
尚、第1直線部261の上部電極268と第2直線部262の上部電極268とは、電気的に絶縁されている。また、第1直線部261の下部電極266と第2直線部262の下部電極266とも、電気的に絶縁されている。
ヒンジ263は、弾性的に変形可能に構成されている。具体的には、ヒンジ263は、複数の直線部と、隣り合う直線部の端部同士を連結する折り返し部とを有し、全体として蛇行した形状をしている。ヒンジ263は、直線部がX軸方向に延びる第1ヒンジ263aと、直線部がY軸方向に延びる第2ヒンジ263bとを有している。第1ヒンジ263aは、X軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。一方、第2ヒンジ263bは、Y軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。第1ヒンジ263aは、アクチュエータ206に連結され、第2ヒンジ263bは、第1傾動部203に連結されている。尚、2つのヒンジ263,263を区別するときには、第1アクチュエータ206Aに連結されたヒンジ263をヒンジ263Aと称し、第2アクチュエータ206Bに連結されたヒンジ263をヒンジ263Bと称する。
可動櫛歯電極207は、Y軸方向に延びるビーム部271と、ビーム部271に設けられた3つの電極指272,272,…とを有している。ビーム部271の一端部は、ヒンジ273を介してアクチュエータ206に連結されている。ビーム部271の他端部は、L字状に屈曲し、2つのヒンジ274,274を介してベース部202に連結されている。3つの電極指272,272,…は、互いに平行にY軸方向に延び、櫛歯状に形成されている。尚、電極指272の個数は、3つに限られるものではない。
ヒンジ273,274は、弾性的に変形可能に構成されている。具体的には、ヒンジ273,274は、複数の直線部と、隣り合う直線部の端部同士を連結する折り返し部とを有し、全体として蛇行した形状をしている。ヒンジ273,274は、直線部がX軸方向に延びており、X軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。2つのヒンジ274,274は、X軸方向に並んで配置されている。ビーム部271は、ヒンジ274,274を介してベース部202に支持されており、ヒンジ274,274を通り且つX軸に平行な軸回りに傾動するように構成されている。このヒンジ274,274を通り且つX軸に平行な軸を傾動軸B5と称する。ヒンジ273は、入力側接続部の一例であり、ヒンジ274は、支持側接続部の一例である。
ビーム部271、電極指272,272,…、ヒンジ273及びヒンジ274は、第1シリコン層201aで形成されている。
固定櫛歯電極208は、ベース部202の内周縁に設けられている。固定櫛歯電極208は、4つの電極指281,281,…を有している。4つの電極指281,281,…は、互いに平行にY軸方向に延び、櫛歯状に構成されている。4つの電極指281,281,…の間には、可動櫛歯電極207の3つの電極指272,272,…が入り込んでいる。こうして、可動櫛歯電極207の電極指272,272,…と固定櫛歯電極208の電極指281,281,…とは、X軸方向において交互に配列され、互いに接触しない状態で対向している。尚、電極指281の個数は、4つに限られるものではない。
ベース部202には、第1検出端子227と、第2検出端子228と、共通検出端子223とが設けられている。第1検出端子227及び共通検出端子223を用いて、第1可動櫛歯電極207Aと第1固定櫛歯電極208Aとの静電容量が検出される。第2検出端子228及び共通検出端子223を用いて、第2可動櫛歯電極207Bと第2固定櫛歯電極208Bとの静電容量が検出される。
第1検出端子227は、ベース部202の第1シリコン層201aのうち第1固定櫛歯電極208Aと電気的に導通している部分の表面に設けられている。第2検出端子228は、ベース部202の第1シリコン層201aのうち第2固定櫛歯電極208Bと電気的に導通している部分の表面に設けられている。共通検出端子223は、ベース部202の第1シリコン層201aのうち第1可動櫛歯電極207A及び第2可動櫛歯電極207Bと電気的に導通している部分の表面に設けられている。第1シリコン層201aのうち、第1検出端子227、第2検出端子228及び共通検出端子223が設けられた部分はそれぞれ、絶縁溝229,229,…によって第1シリコン層201aのその他の部分と絶縁されている。絶縁溝229,229,…は、第2シリコン層201cまで達している。
-ミラーデバイスの動作-
次に、このように構成されたミラーデバイス200の動作について説明する。
次に、このように構成されたミラーデバイス200の動作について説明する。
制御部210は、所望のミラーデバイス200に駆動電圧を印加して、ミラー205の傾動を制御する。制御部210が第1上部端子224と下部端子226とに駆動電圧を印加すると、駆動電圧に応じて第1アクチュエータ206Aが傾動する。制御部210が第2上部端子225と下部端子226とに駆動電圧を印加すると、駆動電圧に応じて第2アクチュエータ206Bが傾動する。制御部210は、第1アクチュエータ206Aの駆動電圧と第2アクチュエータ206Bの駆動電圧とを独立に出力している。つまり、制御部210は、第1アクチュエータ206Aの傾動量と第2アクチュエータ206Bの傾動量とを独立に制御している。
ミラー205を傾動させる原理は、第1アクチュエータ206Aと第2アクチュエータ206Bとで共通なので、以下では第2アクチュエータ206Bによるミラー205の傾動について図3を参照しながら説明する。図3は、第2アクチュエータ206Bを動作させたときのミラー205、第2アクチュエータ206B及び第2可動櫛歯電極207Bの変位を示す、X軸方向を向いて見たときの側面図である。
図3に示すように、第2アクチュエータ206Bに駆動電圧を印加すると、第1直線部261が傾動(詳しくは、湾曲)し、第1直線部261の先端部がZ軸方向(図3では上方)へ変位する。第1直線部261の先端部から折り返している第2直線部262は、第1直線部261の先端部の接線方向に延びる。その結果、第2直線部262の先端部は、Z軸方向において、第1直線部261の先端部とは反対向きに変位する。このように、アクチュエータ206は、基本的には、第1直線部261の基端部を通り且つX軸と平行な軸B3回りと、第1直線部261の先端部を通り且つX軸と平行な軸B4回りとに傾動する。ただし、この傾動量は微小なので、第2直線部262の先端部の変位は、Z軸方向への変位とみなすことができる。
第2直線部262の先端部には、ヒンジ263Bを介して第1傾動部203が連結されている(図1参照)。第1傾動部203は、ヒンジ232を介してベース部202に支持されている。そのため、第2直線部262の先端部がZ軸方向へ変位すると、第1傾動部203は、ヒンジ232を支点として傾動する。
詳しくは、第1傾動部203は、ヒンジ232を通り且つX軸に平行な主軸B1回りに傾動すると共に、ヒンジ232及びミラー205の中心Cを通る副軸B2回りに傾動する。副軸B2は、ミラー205の非動作時においてはY軸と一致している。
例えば、第1アクチュエータ206Aの傾動量と第2アクチュエータ206Bの傾動量とが同じであれば、第1傾動部203のうちヒンジ263Aが連結された部分とヒンジ263Bが連結された部分のZ軸方向への変位量は同じになる。その結果、第1傾動部203は、主軸B1回りに傾動することになる。
一方、第1アクチュエータ206Aの傾動量と第2アクチュエータ206Bの傾動量とが異なれば、第1傾動部203のうちヒンジ263Aが連結された部分とヒンジ263Bが連結された部分のZ軸方向への変位量は異なるようになる。その結果、第1傾動部203は、副軸B2回りに傾動することになる。
こうして、第1傾動部203が傾動すると、それに応じて第2傾動部204及びミラー205も傾動する。制御部210は、第1アクチュエータ206Aの傾動量と第2アクチュエータ206Bの傾動量とを調整することによって、ミラー205の主軸B1回りの傾動とミラー205の副軸B2回りの傾動とを組み合わせて、ミラー205を任意の方向へ傾動させる。
さらに、第2直線部262の先端部には、ヒンジ273を介して可動櫛歯電極207が連結されている。可動櫛歯電極207は、ヒンジ274,274を介してベース部202に支持されている。そのため、第2直線部262の先端部がZ軸方向へ変位すると、可動櫛歯電極207は、ヒンジ274,274を支点として傾動する。その結果、可動櫛歯電極207の電極指272,272,…と固定櫛歯電極208の電極指281,281,…との対向している部分の面積が変化し、可動櫛歯電極207と固定櫛歯電極208との間の静電容量が変化する。このように、可動櫛歯電極207は、アクチュエータ206の傾動及びミラー205の傾動に対応して傾動し、固定櫛歯電極208との間の静電容量が変化する。
制御部210は、ミラー205を傾動させる際に、可動櫛歯電極207と固定櫛歯電極208との間の静電容量に基づいてミラー205の傾動量を検出している。
第1可動櫛歯電極207Aは、ヒンジ273を介して第1アクチュエータ206Aの先端部に連結されているので、第1可動櫛歯電極207A及び第1固定櫛歯電極208Aの静電容量に基づいて、第1アクチュエータ206Aの先端部のZ軸方向への変位を検出することができる。第1アクチュエータ206Aの先端部には、ヒンジ263Aを介して第1傾動部203が連結されているので、第1アクチュエータ206Aの先端部のZ軸方向への変位は、実質的に第1傾動部203のうちヒンジ263Aが連結された部分のZ軸方向への変位とみなすことができる。
同様に、第2可動櫛歯電極207Bは、ヒンジ273を介して第2アクチュエータ206Bの先端部に連結されているので、第2可動櫛歯電極207B及び第2固定櫛歯電極208Bの静電容量に基づいて、第2アクチュエータ206Bの先端部のZ軸方向への変位を検出することができる。第2アクチュエータ206Bの先端部には、ヒンジ263Bを介して第1傾動部203が連結されているので、第2アクチュエータ206Bの先端部のZ軸方向への変位は、実質的に第1傾動部203のうちヒンジ263Bが連結された部分のZ軸方向への変位とみなすことができる。
制御部210は、第1可動櫛歯電極207A及び第1固定櫛歯電極208Aの静電容量を第1検出端子227と共通検出端子223とを介して検出している。また、制御部210は、第2可動櫛歯電極207B及び第2固定櫛歯電極208Bの静電容量を第2検出端子228と共通検出端子223とを介して検出している。制御部210は、第1アクチュエータ206Aへの印加電圧及び第2アクチュエータ206Bへの印加電圧を第1可動櫛歯電極207Aと第1固定櫛歯電極208Aの静電容量、及び第2可動櫛歯電極207Bと第2固定櫛歯電極208Bの静電容量に基づいて調整し、ミラー205の傾動量を制御する。
こうして、制御部210は、可動櫛歯電極207及び固定櫛歯電極208の静電容量に基づいてミラー205の傾動量を検出しながら、アクチュエータ206への駆動電圧を調整して、ミラー205を所望の方向へ傾動させている。
このように構成されたミラーデバイス200においては、第1傾動部203は、弾性変形可能なヒンジ232,263を介してベース部202及びアクチュエータ206A,206Bに連結されているものの、該ヒンジ232,263により多少は拘束されるため、第1傾動部203は、傾動時に湾曲してしまう。この点について、図4,5を参照しながら説明する。図4は、X軸方向を向いて見たときのミラーデバイスの動作説明図であり、(A)は、ミラーの傾動前の状態を、(B)は、ミラーの傾動時の状態を示す。図5は、Y軸方向を向いて見たときのミラーデバイスの動作説明図であり、(A)は、ミラーの傾動前の状態を、(B)は、ミラーの傾動時の状態を示す。尚、図4,5では、説明の便宜上、ミラー205、第1傾動部203及び第2傾動部204の厚みを大きく異ならせていると共に、第1傾動部203及び第2傾動部204の変形を誇張して図示している。
まず、主軸B1回りに傾動する際の第1傾動部203の湾曲について説明する。図4(A)に示すように、初期状態においては、第1傾動部203は、ミラー205と同様に平坦な形状をしている。この状態から、第1傾動部203のうちヒンジ263A,263Bが連結された部分が、第1アクチュエータ206A及び第2アクチュエータ206BによってZ軸方向へ変位させられると、図4(B)に示すように、第1傾動部203は、概略的にはヒンジ232を支点として主軸B1回りに傾動する。このとき、第1傾動部203のうちヒンジ263,263(図では第1接続部231)とヒンジ232との間の部分は厳密には湾曲している。
それに対し、第2傾動部204及びミラー205は、第1接続部231を介して第1傾動部203の一部だけに連結されている。第1傾動部203のうち第1接続部231が連結されている部分だけを見れば、湾曲は無視できるほど小さいので、該部分の実質的に傾動だけが第1接続部231を介して第2傾動部204及びミラー205に伝達される。その結果、ミラー205及び第2傾動部204は、第1傾動部203のうち第1接続部231が連結された部分の傾動に応じて傾動し、このときのミラー205及び第2傾動部204の湾曲は抑制されている。こうして、傾動時のミラー205の平面度を向上させることができる。
一方、副軸B2回りに傾動する際においても、初期状態においては、図5(A)に示すように、第1傾動部203は、ミラー205と同様に平坦な形状をしている。この状態から、第1傾動部203のうちヒンジ263A,263Bが連結された部分が、第1アクチュエータ206A及び第2アクチュエータ206BによってZ軸方向へ変位させられると、図5(B)に示すように、第1傾動部203は、概略的にはヒンジ232を支点として副軸B2回りに傾動する。このとき、第1傾動部203は、厳密には湾曲している。
それに対し、ミラー205は、第2接続部241を介して第2傾動部204の一部だけに連結されている。第2傾動部204のうち第2接続部241が連結されている部分だけを見れば、湾曲は無視できるほど小さいので、該部分の実質的に傾動だけが第2接続部241を介してミラー205に伝達される。その結果、ミラー205は、第2傾動部204のうち第2接続部241が連結された部分の傾動に応じて傾動し、このときのミラー205の湾曲は抑制される。こうして、傾動時のミラー205の平面度を向上させることができる。
また、ミラーデバイス200は、可動櫛歯電極207をヒンジ273,274を介してアクチュエータ206及びベース部202に連結することによって、可動櫛歯電極207と固定櫛歯電極208の静電容量に基づいてミラー205の変位を精度良く検出できるように構成されている。この点について、図6,7を参照して説明する。図6は、第2アクチュエータ206Bのみを動作させたときのミラー205、第1及び第2アクチュエータ206A,206B及び第1及び第2可動櫛歯電極207A,207Bの変位を示す斜視図である。図7は、図6の状態のミラー205、第2アクチュエータ206B及び第2可動櫛歯電極207Bの平面図である。尚、図6,7では、第1傾動部203、第2傾動部204及びミラー205を簡略化して、1つのミラー205として図示している。また、可動櫛歯電極207においては、電極指272,272,…を簡略化して平板状に図示している。図6,7においては、Z軸方向の位置に関する等高線を図示しており、Z軸方向の位置が同程度の領域を等高線によって区画している。
例えば、図6に示すように、第2アクチュエータ206Bのみを傾動させた場合、ミラー205は、主軸B1回りに傾動すると共に、副軸B2回りにも傾動する。その結果、図6,7の等高線で示すように、ミラー205は、ヒンジ232及びヒンジ263Aが連結された部分から、中心Cを挟んで反対側の部分に向かって傾斜するように傾動する。
このとき、第2アクチュエータ206Bには、X軸に平行な軸回りの傾動だけでなく、それ以外の軸回りの傾動も生じる。詳しくは、図7に示すように、第1直線部261においては、その長手方向に複数の等高線が並んでおり、各等高線は、X軸と略平行になっている。つまり、第1直線部261は、実質的にX軸に平行な軸回りに傾動している。一方、第2直線部262においては、その長手方向に複数の等高線が並び、各等高線は概ねX軸方向に延びているものの、厳密には、X軸と平行ではない。つまり、第2直線部262は、X軸に平行な軸回りの傾動が支配的ではあるものの、X軸に平行な軸以外の軸回りの傾動、例えば、Y軸に平行な軸回りにも少し傾動している。これは、ミラー205が前述の如く、主軸B1回りだけでなく副軸B2回りにも傾動すること、及び、ヒンジ263Bが連結された、第2直線部262の先端部は、第2アクチュエータ206Bのうちベース部202に連結された部分(第1直線部261の基端部)からX軸方向に離れているため、第2直線部262の先端部には、第1直線部261の基端部を中心とするY軸と平行な軸回りのモーメントが作用することが原因と考えられる。
こうして、第2直線部262の先端部は、Z軸方向への変位が支配的であるものの、Y軸に平行な軸回りの傾動(回転)も生じている。
そして、このように変位する第2直線部262の先端部には、ヒンジ273を介して可動櫛歯電極207が連結されている。第2直線部262の先端部の変位の一部は、ヒンジ273が変形することによって吸収され、残りの変位が可動櫛歯電極207に伝わる。そのため、第2直線部262の先端部の支配的な変位である、Z軸方向への変位も、Y軸に平行な軸回りの傾動もヒンジ273によって吸収される。このZ軸方向への変位は相対的に大きいので、その一部がヒンジ273に吸収されたとしても、可動櫛歯電極207に十分に伝達する。一方、Y軸に平行な軸回りの傾動は微小であるので、ヒンジ273に吸収され、可動櫛歯電極207にはほとんど伝達しない。その結果、可動櫛歯電極207の先端部は、実質的にZ軸方向にのみ変位し、それにより、可動櫛歯電極207は、実質的に傾動軸B5回りにのみ傾動する。詳しくは、図7に示すように、可動櫛歯電極207においては、その長手方向に複数の等高線が並んでおり、各等高線は、X軸と略平行になっている。
このように、アクチュエータ206がX軸と平行でない軸回りに傾動する場合であっても、ヒンジ273を介して可動櫛歯電極207をアクチュエータ206に連結することによって、アクチュエータ206の先端部の支配的な変位、即ち、Z軸方向への変位を主として可動櫛歯電極207に伝えることができ、アクチュエータ206の先端部の支配的な方向以外への変位が可動櫛歯電極207に伝わることを抑制することができる。
その結果、可動櫛歯電極207をできる限り、傾動軸B5回り、即ち、YZ平面内で傾動させることができ、可動櫛歯電極207が傾動する際に可動櫛歯電極207の電極指272,272,…と固定櫛歯電極208の電極指281,281,…との間隔が変動することを抑制できる。また、可動櫛歯電極207が傾動する際に、電極指272,272,…と電極指281,281,…とが接触することも防止することができる。これにより、電極指272,272,…と電極指281,281,…との間隔の変動に起因する静電容量の変動を低減することができる。静電容量の変化は、実質的に、可動櫛歯電極207の傾動軸B5回りの傾動に起因するものだけとなる。その結果、可動櫛歯電極207がヒンジ273を介して連結された部分のZ軸方向の変位を静電容量の変動に基づいて精度良く求めることができる。ひいては、ミラー205の傾動を精度良く求めることができる。
以上のように、ミラーデバイス200は、ベース部202と、ミラー205と、前記ミラー205に連結され、傾動することによって該ミラー205を傾動させるアクチュエータ206と、前記ベース部202に設けられ、電極指281,281,…を有する固定櫛歯電極208と、前記固定櫛歯電極208に対向して配置された可動櫛歯電極207とを備え、前記可動櫛歯電極207は、ビーム部271と、該ビーム部271を前記アクチュエータ206と連結し、該ビーム部271よりも剛性が低く、弾性変形するヒンジ273と、該ビーム部271を前記ベース部202に連結し、該ビーム部271よりも剛性が低く、弾性変形するヒンジ274と、該ビーム部271に設けられ、前記固定櫛歯電極208の電極指281,281,…と対向する電極指272,272,…とを有し、該ヒンジ274を通る傾動軸B5回りに傾動するように構成されている。
この構成によれば、アクチュエータ206が傾動することによって、ミラー205が傾動させられる。可動櫛歯電極207のビーム部271は、ヒンジ273を介してアクチュエータ206に連結されているので、アクチュエータ206が傾動する際に、ビーム部271は、アクチュエータ206の傾動に従って変位する。ビーム部271は、ヒンジ274,274を介してベース部202に連結されているので、ヒンジ274,274を通る傾動軸B5回りに傾動する。すると、可動櫛歯電極207の電極指272,272,…及び固定櫛歯電極208の電極指281,281,…の対向している部分の面積が変化し、可動櫛歯電極207と固定櫛歯電極208との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化によって、ビーム部271のうちヒンジ273が設けられた部分の変位が求められる。ヒンジ273は、アクチュエータ206に連結されているので、ビーム部271のうちヒンジ273が設けられた部分の変位がわかれば、アクチュエータ206の変位を求めることができる。アクチュエータ206は、ミラー205に連結されているので、アクチュエータ206の変位がわかれば、ミラー205の変位を求めることができる。こうして、静電容量の変化によってミラー205の変位を求めることができる。
このような構成において、可動櫛歯電極207のビーム部271は、弾性変形するヒンジ273を介してアクチュエータ206に連結されている。ヒンジ273は、アクチュエータ206が変位すると、それに応じて変形するため、アクチュエータ206の変位は、その一部がヒンジ273に吸収されて、ビーム部271に伝わる。そのため、アクチュエータ206の変位のうち微小なものはヒンジ273に吸収され、ビーム部271への伝達が低減され、アクチュエータ206の変位のうち支配的なものが主としてビーム部271へ伝わる。つまり、ビーム部271を、アクチュエータ206の変位のうち支配的なものに対応する方向に主として変位させることができ、アクチュエータ206の変位のうち微小なものに対応する方向へのビーム部271の変位を低減することができる。その結果、可動櫛歯電極207の電極指272,272,…と固定櫛歯電極208の電極指281,281,…との間隔を維持したまま、可動櫛歯電極207を傾動させることができる。それにより、可動櫛歯電極207及び固定櫛歯電極208の静電容量の変化は、実質的に、アクチュエータ206の支配的な変位に基づくものだけとなる。その結果、静電容量の変化に基づいて、アクチュエータ206の変位、ひいては、ミラー205の変位を精度よく検出することができる。
また、前記アクチュエータ206は、2つ設けられており、前記可動櫛歯電極207は、2つ設けられており、前記ミラー205は、2つの前記アクチュエータ206の駆動量を調整することによって2軸回りに傾動するように構成されている。
この構成によれば、ミラー205が2軸回りに傾動するので、アクチュエータ206は、ミラー205からの反力を受けて、ミラー205を傾動させるための本来の傾動方向以外の方向に傾動する可能性がある。このような構成であっても、前述の如く、可動櫛歯電極207をアクチュエータ206にヒンジ273を介して連結することによって、アクチュエータ206の本来の傾動方向に対応する変位だけを可動櫛歯電極207に伝えることができる。
また、前記ビーム部271は、前記ヒンジ274によって、前記傾動軸B5に直交する軸回りに比べて該傾動軸B5回りに傾動しやすい状態で前記ベース部202に連結されている。
この構成によれば、ビーム部271は、傾動軸B5回りには傾動しやすく、それ以外の軸回りには傾動しにくくなっている。つまり、ヒンジ273によってアクチュエータ206の変位の一部を吸収することに加えて、ビーム部271のベース部202への支持構造が傾動軸B5以外の軸回りに傾動しにくい構成となっている。これにより、可動櫛歯電極207の傾動軸B5以外の軸回りの傾動を抑制し、可動櫛歯電極207を実質的に傾動軸B5回りにのみ傾動させることができる。その結果、傾動軸B5回りの可動櫛歯電極207の傾動に起因する可動櫛歯電極207と固定櫛歯電極208との間の静電容量の変化を精度良く検出することができる。
具体的には、前記ヒンジ274は、前記傾動軸B5に直交する軸回りに比べて該傾動軸B5と平行な軸回りに湾曲しやすい形状をしている。より詳しくは、ヒンジ274は、X軸方向(即ち、傾動軸B5方向)に延びる複数の直線部と、隣り合う直線部の端部同士を連結する折り返し部を有し、全体として蛇行した形状をしている。
このように蛇行した形状のヒンジは、直線部回りに捻じれやすく、全体として直線部に平行な軸回りに湾曲しやすくなっている。
さらに、前記ヒンジ274は、前記傾動軸B5の方向に並んで複数設けられている。
このように、ビーム部271を、傾動軸B5の方向に並設された複数のヒンジ274,274によってベース部202に連結することによって、ビーム部271の傾動軸B5以外の軸回りの傾動が抑制される。
また、前記アクチュエータ206は、前記傾動軸B5と平行な軸B3,B4回りに傾動することによって、前記ミラー205を傾動させる。
この構成によれば、アクチュエータ206がミラー205を傾動させるために傾動する際の軸と、可動櫛歯電極207が静電容量の変化を検出するために傾動する傾動軸B5とが平行となる。つまり、アクチュエータ206本来の傾動、即ち、支配的な傾動に伴って可動櫛歯電極207が傾動すると、可動櫛歯電極207は、傾動軸B5回りに傾動することになる。
前記アクチュエータ206は、弾性変形するヒンジ263を介して前記ミラー205に接続されている。
この構成によれば、ミラー205の変位の一部がヒンジ263に吸収されるので、ミラー205の変位に伴ってアクチュエータ206に発生する不要な傾動を低減することができる。
《実施形態2》
次に、実施形態2に係るミラーアレイ3000について説明する。図8は、ミラーアレイ3000の平面図を、図9は、ミラーアレイ3000の、図8のIX-IX線における断面図を示す。
次に、実施形態2に係るミラーアレイ3000について説明する。図8は、ミラーアレイ3000の平面図を、図9は、ミラーアレイ3000の、図8のIX-IX線における断面図を示す。
実施形態1に係るミラーデバイス200では、可動櫛歯電極207がアクチュエータ206に連結されていたのに対し、実施形態2に係るミラーデバイス300は、可動櫛歯電極307がミラー305に連結されている点で異なる。尚、ミラーデバイス200の各構成には、200番台の符号を付しているのに対し、ミラーデバイス300の各構成には、300番台の符号を付している。ミラーデバイス200の構成とミラーデバイス300の構成とで、十の位及び一の位の数字が共通するものは、基本的には同じ機能を有している。
ミラーアレイ3000は、複数のミラーデバイス300,300,…が一列に配列されている。ミラーアレイ3000は、SOI(Silicon on Insulator)基板301を用いて製造されている。
ミラーデバイス300は、ベース部302と、ベース部302に連結された2つのアクチュエータ306,306と、2つのアクチュエータ306,306に連結されたミラー305と、ミラー305をベース部302に連結する延長部304と、ミラー305に連結された2つの可動櫛歯電極307,307と、ベース部302に設けられ、可動櫛歯電極307,307と対向する2つの固定櫛歯電極308,308と、制御部310とを有している。尚、2つのアクチュエータ306,306を区別するときには、それぞれ第1アクチュエータ306A、第2アクチュエータ306Bと称する。
ベース部302は、概略長方形の枠状に形成されている。ベース部302は、第1シリコン層301a、酸化膜層301b及び第2シリコン層301cで形成されている。
ミラー305は、平面視方形状に形成されている。ミラー305は、ミラー本体351と、ミラー本体351の表面に積層された鏡面層352とを有している。ミラー本体351は、第1シリコン層301aで形成され、鏡面層352は、Au/Ti膜で形成されている。尚、ミラー本体351の裏面にも、鏡面層352と同様の鏡面層353が積層されている。鏡面層353は、ミラー本体351の表面において生じる、鏡面層352に起因する膜応力を相殺させる機能を有する。これにより、ミラー本体351、ひいては、鏡面層352の平面度を向上させることができる。
ここで、ミラー305の中心Cを通り、ミラー305の表面に沿って、ミラーデバイス300,300,…の配列方向に延びる軸をX軸とする。そして、ミラー305の中心CにおいてX軸に直交し、ミラー305の表面に沿って延びる軸をY軸とする。また、ミラー305の中心Cを通り、X軸及びY軸の両方に直交する軸をZ軸とする。すなわち、X軸は、全てのミラーデバイス300で共通であり、Y軸及びZ軸は、ミラーデバイス300ごとに規定される。
アクチュエータ306は、アクチュエータ本体364と、アクチュエータ本体364の表面に積層された圧電素子365とを有している。
アクチュエータ本体364は、平面視長方形の板状に形成されている。アクチュエータ本体364は、一端部がベース部302に連結され、Y軸方向に延びている。アクチュエータ本体364は、第1シリコン層301aで形成されている。
圧電素子365は、アクチュエータ本体364の表側(ミラー305の鏡面層352と同じ側)に設けられている。図2に示すように、アクチュエータ本体364の表面にはSiO2層369が積層されており、圧電素子365は、SiO2層369上に積層されている。圧電素子365は、アクチュエータ本体364と同様に、平面視長方形の板状に形成されている。圧電素子365は、下部電極366と、上部電極368と、これらに挟持された圧電体層367とを有する。下部電極366、圧電体層367、上部電極368は、SiO2層369上にこの順で積層されている。圧電素子365は、SOI基板301とは別の部材で形成されている。詳しくは、下部電極366は、Pt/Ti膜で形成されている。圧電体層367は、チタン酸ジルコン酸鉛(PZT)で形成されている。上部電極368は、Au/Ti膜で形成されている。
ベース部302には、第1アクチュエータ306Aの上部電極368に電気的に接続された第1上部端子322と、第2アクチュエータ306Bの上部電極368に電気的に接続された第2上部端子323と、アクチュエータ306Aの下部電極366及び第2アクチュエータ306Bの下部電極366の両方に電気的に接続された下部端子324とが設けられている。つまり、第1上部端子322は、1つの第1アクチュエータ306Aにつき1つ設けられている。第2上部端子323は、1つの第2アクチュエータ306Bにつき1つ設けられている。下部端子324は、全ての下部電極366にとって共通の検出端子である。
第1上部端子322と下部端子324を介して第1アクチュエータ306Aの圧電素子365に電圧が印加される。第2上部端子323と下部端子324を介して第2アクチュエータ306Bの圧電素子365に電圧が印加される。各アクチュエータ306は、圧電素子365に電圧が印加されると、アクチュエータ本体364のうち圧電素子365が積層された表面が伸縮し、アクチュエータ本体364の先端がZ軸方向へ変位する。
アクチュエータ306の先端は、ヒンジ303を介してミラー305に連結されている。2つのアクチュエータ306,306は、ミラー305のうちX軸に平行な短辺305aに連結されている。第1アクチュエータ306Aは、短辺305aの一端部に連結され、第2アクチュエータ306Bは、短辺305aの他端部に連結されている。
ヒンジ303は、弾性的に変形可能に構成されている。具体的には、ヒンジ303は、複数の直線部と、隣り合う直線部の端部同士を連結する折り返し部とを有し、全体として蛇行した形状をしている。ヒンジ303は、直線部がX軸方向に延びる第1ヒンジ303aと、直線部がY軸方向に延びる第2ヒンジ303bとを有している。第1ヒンジ303aは、X軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。一方、第2ヒンジ303bは、Y軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。第1ヒンジ303aは、アクチュエータ306に連結され、第2ヒンジ303bは、ミラー305に連結されている。
延長部304は、ミラー305のうち、ヒンジ303,303が連結された短辺305aと対向する短辺305bに設けられている。延長部304は、短辺305bの略中央からY軸方向に延びている。延長部304は、ミラー305に固定的に連結されている。詳しくは、延長部304は、ミラー本体351と同じ第1シリコン層301aで形成されている。
延長部304は、ヒンジ341を介してベース部302に連結されている。ヒンジ341は、延長部304よりも剛性が低く、弾性的に変形可能に構成されている。具体的には、ヒンジ341は、複数の直線部と、隣り合う直線部の端部同士を連結する折り返し部とを有し、全体として蛇行した形状をしている。ヒンジ341は、直線部がX軸方向に延びる第1ヒンジ341aと、直線部がY軸方向に延びる第2ヒンジ341bとを有している。第1ヒンジ341aは、X軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。一方、第2ヒンジ341bは、Y軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。第1ヒンジ341aは、延長部304に連結され、第2ヒンジ341bは、ベース部302に連結されている。ヒンジ341は、延長側接続部の一例である。
また、ミラー305の短辺305bには、2つの可動櫛歯電極307,307が連結されている。可動櫛歯電極307は、Y軸方向に延びるビーム部371と、ビーム部371に設けられた3つの電極指372,372,…とを有している。ビーム部371は、ミラー305においてX軸に対して延長部304と同じ側、即ち、アクチュエータ306と反対側に設けられている。ビーム部371は、延長部304に沿ってY軸方向に延びている。ビーム部371の一端部は、ヒンジ373を介してミラー305に連結されている。一方の可動櫛歯電極307のビーム部371は、ミラー305の短辺305bの一端部に連結され、他方の可動櫛歯電極307のビーム部371は、ミラー305の短辺305bの他端部に連結されている。ビーム部371の他端部は、L字状に屈曲し、2つのヒンジ374,374を介してベース部302に連結されている。こうして、2本のビーム部371,371とその間に挟まれた延長部304とが、ミラー305の短辺305bからY軸方向へ平行に延びている。
3つの電極指372,372,…は、ビーム部371において延長部304とは反対側に設けられている。電極指372,372,…は、互いに平行にY軸方向に延び、櫛歯状に形成されている。尚、電極指372の個数は、3つに限られるものではない。
ヒンジ373は、ヒンジ303と同様の構成をしている。すなわち、ヒンジ373は、弾性的に変形可能に構成されている。具体的には、ヒンジ373は、複数の直線部と、隣り合う直線部の端部同士を連結する折り返し部とを有し、全体として蛇行した形状をしている。ヒンジ373は、直線部がX軸方向に延びる第1ヒンジ373aと、直線部がY軸方向に延びる第2ヒンジ373bとを有している。第1ヒンジ373aは、X軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。一方、第2ヒンジ373bは、Y軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。第1ヒンジ373aは、ミラー305に連結され、第2ヒンジ373bは、ビーム部371に連結されている。ヒンジ373は、入力側接続部の一例であり、第1ヒンジ373aは、第1接続部の一例であり、第2ヒンジ373bは、第2接続部の一例である。
ヒンジ374は、第1ヒンジ373aと同様の構成をしている。すなわち、ヒンジ374は、弾性的に変形可能に構成されている。具体的には、ヒンジ374は、X軸方向に延びる複数の直線部と、隣り合う直線部の端部同士を連結する折り返し部を有し、全体として蛇行した形状をしている。ヒンジ374は、X軸方向に延びる軸回りに湾曲しやすくなっている。2つのヒンジ374,374は、X軸方向に並んで配置されている。ビーム部371は、ヒンジ374,374を介してベース部302に支持されており、ヒンジ374,374を通り且つX軸に平行な軸周りに傾動するように構成されている。このヒンジ374,374を通り且つX軸に平行な軸を傾動軸C4と称する。ヒンジ374は、支持側接続部の一例である。
尚、2つの可動櫛歯電極307,307を区別するときには、ミラー305の短辺305bにおいて第1アクチュエータ306Aと対向する端部に連結された可動櫛歯電極307を第1可動櫛歯電極307Aと称し、短辺305bにおいて第2アクチュエータ306Bと対向する端部に連結された可動櫛歯電極307を第2可動櫛歯電極307Bと称する。
固定櫛歯電極308は、Y軸方向に延びるビーム部381と、ビーム部381に設けられた4つの電極指382,382,…とを有している。ビーム部381は、ベース部302の内周縁からY軸方向に延びている。
4つの電極指382,382,…は、互いに平行にY軸方向に延び、櫛歯状に形成されている。電極指382,382,…の間に、可動櫛歯電極307の電極指372,372,…が入り込んでいる。つまり、可動櫛歯電極307の電極指372,372,…と固定櫛歯電極308の電極指382,382,…とは、X軸方向において交互に配列され、互いに接触しない状態で対向している。尚、電極指382の個数は、4つに限られるものではない。
尚、2つの固定櫛歯電極308,308を区別するときには、第1可動櫛歯電極307Aに対応する固定櫛歯電極308を第1固定櫛歯電極308Aと称し、第2可動櫛歯電極307Bに対応する固定櫛歯電極308を第2固定櫛歯電極308Bと称する。
ベース部302には、可動櫛歯電極307と固定櫛歯電極308との静電容量を検出するための検出端子が設けられている。詳しくは、ベース部302には、可動櫛歯電極307と電気的に接続された可動端子325と、第1固定櫛歯電極308Aに電気的に接続された第1固定端子326と、第2固定櫛歯電極308Bに電気的に接続された第2固定端子327とが設けられている。つまり、可動端子325は、全ての可動櫛歯電極307にとって共通の検出端子である。第1固定端子326は、1つの第1固定櫛歯電極308Aにつき1つ設けられている。第2固定端子327は、1つの第2固定櫛歯電極308Bにつき1つ設けられている。
可動端子325は、ベース部302の第1シリコン層301aのうち全ての可動櫛歯電極307,307,…と電気的に導通している部分の表面に設けられている。第1固定端子326は、ベース部302の第1シリコン層301aのうち各第1固定櫛歯電極308Aと電気的に導通している部分の表面に設けられている。第2固定端子327は、ベース部302の第1シリコン層301aのうち各第2固定櫛歯電極308Bと電気的に導通している部分の表面に設けられている。第1シリコン層301aのうち、第1固定端子326及び第2固定端子327が設けられた部分はそれぞれ、第1シリコン層301aのその他の部分と絶縁されている。
このように構成されたミラーアレイ1は、SOI基板301をエッチングしたり、その表面に成膜することにより製造される。例えば、SOI基板301の表面にSiO2層369を成膜し、SiO2層369の上に、Pt/Ti膜(下部電極366)、チタン酸ジルコン酸鉛(圧電体層367)及びAu/Ti膜(上部電極368)を順に成膜して、フォトリソグラフィ及びエッチングにより圧電素子365を形成する。次に、第1シリコン層301aをICP-RIE等の異方性エッチングを行うことによりミラー本体351及びアクチュエータ本体364等を形成する。続いて、ミラー本体351の表面にAu/Ti膜を成膜して、鏡面層352を形成する。その後、圧電素子365に所定の電圧を印加して分極処理を施す。
-ミラーデバイスの動作-
次に、このように構成されたミラーデバイス300の動作について説明する。
次に、このように構成されたミラーデバイス300の動作について説明する。
制御部310は、所望のミラーデバイス300に駆動電圧を印加して、ミラー305の傾動を制御する。制御部310が第1上部端子322と下部端子324とに駆動電圧を印加すると、駆動電圧に応じて第1アクチュエータ306Aの圧電素子365が収縮する。第1アクチュエータ306Aは、基端部がベース部302に連結されているので、第1アクチュエータ306Aは、その基端部を通り且つX軸に平行な軸C3回りに傾動する。それと共に、制御部310が第2上部端子323と下部端子324とに駆動電圧を印加すると、駆動電圧に応じて第2アクチュエータ306Bの圧電素子365が収縮する。第2アクチュエータ306Bも、第1アクチュエータ306Aと同様に、基端部がベース部302に連結されているので、第1アクチュエータ306Aは、その基端部を通り且つX軸に平行な軸C3回りに傾動する。制御部310は、第1アクチュエータ306Aの駆動電圧と第2アクチュエータ306Bの駆動電圧とを独立に出力している。つまり、制御部310は、第1アクチュエータ306Aの傾動量と第2アクチュエータ306Bの傾動量とを独立に制御している。
第1アクチュエータ306Aが傾動すると、それに応じて、第1アクチュエータ306Aの先端部が変位し、ミラー305のうちヒンジ303Aが連結された部分が変位する。同様に、第2アクチュエータ306Bが傾動すると、それに応じて、第2アクチュエータ306Bの先端部が変位し、ミラー305のうちヒンジ303Bが連結された部分が変位する。尚、アクチュエータ306の傾動量は微小なので、アクチュエータ306の先端部の変位は、Z軸方向への変位とみなすことができる。
ミラー305は延長部304及びヒンジ341を介してベース部302に連結されているので、ミラー305は、ヒンジ341を支点として全体的に傾動する。詳しくは、ミラー305は、ヒンジ341を通り且つX軸に平行な主軸C1回りに傾動すると共に、ヒンジ341及びミラー305の中心Cを通る副軸C2回りに傾動する。副軸C2は、ミラー305の非動作時においてはY軸と一致している。
ここで、第1アクチュエータ306Aの傾動量と第2アクチュエータ306Bの傾動量とが同じであれば、ミラー305の短辺305aのうちヒンジ303Aが連結された部分とヒンジ303Bが連結された部分のZ軸方向への変位量は同じになる。その結果、ミラー305は、主軸C1回りに傾動することになる。
一方、第1アクチュエータ306Aの傾動量と第2アクチュエータ306Bの傾動量とが異なれば、ミラー305の短辺305aのうちヒンジ303Aが連結された部分とヒンジ303Bが連結された部分のZ軸方向への変位量は異なるようになる。その結果、ミラー305は、副軸C2回りに傾動することになる。
こうして、制御部310は、第1アクチュエータ306Aの傾動量と第2アクチュエータ306Bの傾動量とを調整することによって、ミラー305の主軸C1回りの傾動とミラー305の副軸C2回りの傾動とを組み合わせて、ミラー305を任意の方向へ傾動させる。
制御部310は、ミラー305を傾動させる際に、可動櫛歯電極307と固定櫛歯電極308との間の静電容量に基づいてミラー305の傾動量を検出している。
詳しくは、アクチュエータ306を作動させてミラー305が傾動すると、それに伴って可動櫛歯電極307も傾動する。ここで、可動櫛歯電極307のビーム部371の一端部は、ヒンジ373を介してミラー305に連結され、ビーム部371の他端部は、2つのヒンジ374,374を介してベース部302に連結されている。そのため、ミラー305が傾動すると、ビーム部371は、ヒンジ373が連結された部分がミラー305の変位に従って変位し、全体的に2つのヒンジ374,374を支点として傾動軸C4回りに傾動する。その結果、可動櫛歯電極307の電極指372,372,…と固定櫛歯電極308の電極指382,382,…との対向している部分の面積が変化し、可動櫛歯電極307及び固定櫛歯電極308の静電容量が変化する。
第1可動櫛歯電極307Aは、ヒンジ373を介してミラー305の短辺305bの一端部に連結されているので、第1可動櫛歯電極307Aと第1固定櫛歯電極308Aとの間の静電容量に基づいて、短辺305bの一端部のZ軸方向への変位を検出することができる。一方、第2可動櫛歯電極307Bは、ヒンジ373を介して短辺305bの他端部に連結されているので、第2可動櫛歯電極307Bと第2固定櫛歯電極308Bとの間の静電容量に基づいて、短辺305bの他端部のZ軸方向への変位を検出することができる。
制御部310は、第1可動櫛歯電極307A及び第1固定櫛歯電極308Aの静電容量を可動端子325と第1固定端子326とを介して検出している。また、制御部310は、第2可動櫛歯電極307B及び第2固定櫛歯電極308Bの静電容量を可動端子325と第2固定端子327とを介して検出している。制御部310は、第1アクチュエータ306Aへの印加電圧及び第2アクチュエータ306Bへの印加電圧を第1可動櫛歯電極307Aと第1固定櫛歯電極308Aの静電容量、及び第2可動櫛歯電極307Bと第2固定櫛歯電極308Bの静電容量に基づいて調整し、ミラー305の傾動量を制御する。
ここで、ミラー305は、2軸回りに傾動するため、ミラー305の短辺305bの両端部は、主軸C1回りだけでなく、副軸C2回りにも傾動する。それに対し、可動櫛歯電極307は、ビーム部371の一端部が弾性変形するヒンジ373を介してミラー305の短辺305bの端部に連結されているので、ミラー305の変位は、その一部がヒンジ373に吸収されて、可動櫛歯電極307に伝達される。そのため、短辺305bの端部の変位のうち、より支配的なZ軸方向への変位が可動櫛歯電極307に主に伝達され、副軸C2回りの変位は可動櫛歯電極307へほとんど伝達されない。その結果、可動櫛歯電極307のY軸回りの傾動が抑制され、可動櫛歯電極307は、ビーム部371のうちヒンジ373が連結された部分が実質的にZ軸方向にのみ変位するように傾動する。
これにより、可動櫛歯電極307と固定櫛歯電極308との間の静電容量を精度良く検出することができる。詳しくは、可動櫛歯電極307の電極指372,372,…と固定櫛歯電極308の電極指382,382,…とは、X軸方向において交互に配列され、互いに接触しない状態で対向している。この状態から、可動櫛歯電極307が傾動軸C4回りに傾動、即ち、YZ平面内で変位することによって、電極指372,372,…と電極指382,382,…との対向する面積が変化し、その結果、可動櫛歯電極307と固定櫛歯電極308との間の静電容量が変化する。しかし、可動櫛歯電極307が傾動軸C4の方向に変位したり、Y軸と平行な軸回りに傾動したりすると、電極指372,372,…と電極指382,382,…との隙間が変化し、傾動軸C4回りの可動櫛歯電極307の傾動以外の理由で静電容量が変化してしまう。さらには、電極指372,372,…と電極指382,382,…とが接触してしまうと、静電容量を検出できなくなってしまう。それに対し、可動櫛歯電極307を実質的にZ軸方向にのみ変位するように傾動させることによって、電極指372,372,…と電極指382,382,…との隙間の大きさを維持したまま、両者が対向する面積を変化させることができる。これにより、傾動軸C4回りの可動櫛歯電極307の傾動に起因する可動櫛歯電極307と固定櫛歯電極308との間の静電容量の変化を精度良く検出することができる。
また、可動櫛歯電極307のビーム部371の他端部は、傾動軸C4の方向に並ぶ、少なくとも2箇所においてベース部302に連結されている。具体的には、傾動軸C4の方向に並ぶ2つのヒンジ374,374を介して、ビーム部371がベース部302に連結されている。これにより、ビーム部371は、傾動軸C4回りに相対的に傾動しやすく、傾動軸C4以外の軸回りに相対的に傾動しにくくなっている。
さらに、ヒンジ374の直線部はX軸方向(即ち、傾動軸C4方向)に延びているので、ヒンジ374は、傾動軸C4に直交する軸回りに比べて該傾動軸C4と平行な軸回りに湾曲しやすい形状をしている。このことによっても、ビーム部371は、傾動軸C4回りに相対的に傾動しやすく、傾動軸C4以外の軸回りに相対的に傾動しにくくなっている。
それに加えて、ビーム部371とミラー305とを連結するヒンジ373は、Y軸と平行な軸回りにも傾動しやすく構成されている。そのため、ヒンジ373は、ミラー305の変位をビーム部371に伝える際に、Y軸と平行な軸回りの傾動を吸収することができる。その結果、ミラー305が副軸C2回りに傾動したとしても、可動櫛歯電極307を実質的に、傾動軸C4回りにのみ傾動させることができる。
これらによって、可動櫛歯電極307を実質的に、傾動軸C4回りにのみ傾動させることができ、傾動軸C4回りの可動櫛歯電極307の傾動に起因する可動櫛歯電極307と固定櫛歯電極308との間の静電容量の変化を精度良く検出することができる。
このように、可動櫛歯電極307がミラー305にヒンジ373を介して連結される構成においては、ミラー305の変位がヒンジ373に吸収され過ぎると、ミラー305の変位を静電容量の変化に基づいて適切に検出することが難しくなる。それに対し、ミラー305からベース部302に向かって延長部304を延ばし、延長部304のベース部302側の端部をヒンジ341を介してベース部302に連結している。これにより、ミラー305の傾動を可動櫛歯電極307及び固定櫛歯電極308の静電容量の変化に基づいて精度良く検出することができる。この点について、図10を参照しながら説明する。図10は、ミラー305が傾動する際の可動櫛歯電極307の変位を説明する概略説明図であり、(A)はミラーデバイス300であり、(B)は比較のためにミラーデバイス300の一部を変更したものである。
図10(B)に示すミラーデバイス300’は、延長部304’がベース部302に固定的に連結され、延長部304’のミラー305側の端部がヒンジ341’を介してミラー305に連結されている。この構成においては、ミラー305が傾動する際に、延長部304’がベース部302の表面と平行なまま変位しないので、短辺305bは、Z軸方向に少ししか変位しない。そのため、可動櫛歯電極307も少ししか傾動しない。その結果、ミラー305が傾動しても、可動櫛歯電極307及び固定櫛歯電極308の静電容量の大きな変化が得られず、ミラー305の傾動を静電容量の変化に基づいて適切に検出することが難しくなる。
それに対し、図10(A)に示すように、延長部304は、ミラー305に固定的に連結され、ベース部302側の端部がヒンジ341を介してベース部302に連結されている。この構成においては、ミラー305は、ヒンジ341を通る主軸C1回りに傾動することになる。短辺305bは、ミラー305の傾動軸から離れることになるので、ミラー305が傾動する際に、短辺305bのZ軸方向の変位が図10(B)の構成と比較して大きくなる。これにより、ミラー305が傾動する際の可動櫛歯電極307の傾動も大きくなる。その結果、ミラー305が傾動する際に、可動櫛歯電極307及び固定櫛歯電極308の静電容量の変化が大きくなり、ミラー305の傾動を静電容量の変化に基づいて精度良く検出することができる。
このように、可動櫛歯電極307の、傾動軸C4回りの変位以外の変位を低減しつつ、可動櫛歯電極307の、傾動軸C4回りの変位を大きくすることができる。その結果、可動櫛歯電極307と固定櫛歯電極308との接触を防止しつつ、可動櫛歯電極307及び固定櫛歯電極308の静電容量の変動幅を大きくでき、ミラー305の傾動を精度良く検出することができる。
また、ミラーアレイ3000のように、複数のミラーデバイス300,300,…を所定の配列方向(この例ではX軸方向)に配列する構成においては、各ミラーデバイス300の配列方向への寸法を小型化する必要がある。そのような場合には、ミラー305に連結されるアクチュエータ306及び可動櫛歯電極307を、ミラー305に対し、配列方向と直交する方向(この例ではY軸方向)に配置することが好ましい。ミラーデバイス300では、ミラー305に対して、配列方向と直交する方向における一方側にアクチュエータ306を配置し、他方側に可動櫛歯電極307を配置している。これにより、ミラーデバイス300の配列方向への寸法を小型にすることができると共に、ミラー305の、配列方向と直交する方向におけるスペースを有効に活用することができる。
そして、このような構成において、延長部304を、ミラー305から可動櫛歯電極307と同じ側に延ばし、ヒンジ341を介してベース部302に連結することによって、前述のように、可動櫛歯電極307と固定櫛歯電極308との接触の防止と、ミラー305の傾動の高精度の検出とを実現することができる。
以上のように、ミラーデバイス300は、ベース部302と、ミラー305と、前記ミラー305に連結され、傾動することによって該ミラー305を傾動させるアクチュエータ306と、前記ベース部302に設けられ、電極指382,382,…を有する固定櫛歯電極308と、前記固定櫛歯電極308に対向して配置された可動櫛歯電極307とを備え、前記可動櫛歯電極307は、ビーム部371と、該ビーム部371を前記ミラー305と連結し、該ビーム部371よりも剛性が低く、弾性変形するヒンジ373と、該ビーム部371を前記ベース部302に連結し、該ビーム部371よりも剛性が低く、弾性変形するヒンジ374と、該ビーム部371に設けられ、前記固定櫛歯電極308の電極指382,382,…と対向する電極指372,372,…とを有し、該ヒンジ374を通る傾動軸C4回りに傾動するように構成されている。
この構成によれば、アクチュエータ306が傾動することによって、ミラー305が傾動させられる。可動櫛歯電極307のビーム部371は、ヒンジ373を介してミラー305に連結されているので、アクチュエータ306が傾動する際に、ビーム部371は、ミラー305の傾動に従って変位する。ビーム部371は、ヒンジ374,374を介してベース部302に連結されているので、ヒンジ374,374を通る傾動軸C4回りに傾動する。すると、可動櫛歯電極307の電極指372,372,…及び固定櫛歯電極308の電極指382,382,…の対向している部分の面積が変化し、可動櫛歯電極307と固定櫛歯電極308との間の静電容量が変化する。この静電容量の変化によって、ビーム部371のうちヒンジ373が設けられた部分の変位が求められる。ヒンジ373は、ミラー305に連結されているので、ビーム部371のうちヒンジ373が設けられた部分の変位がわかれば、ミラー305の変位を求めることができる。こうして、静電容量の変化によってミラー305の変位を求めることができる。
このような構成において、可動櫛歯電極307のビーム部371は、弾性変形するヒンジ373を介してミラー305に連結されている。ヒンジ373は、ミラー305が変位すると、それに応じて変形するため、ミラー305の変位は、その一部がヒンジ373に吸収されて、ビーム部371に伝わる。そのため、ミラー305の変位のうち微小なものはヒンジ373に吸収され、ビーム部371への伝達が低減され、ミラー305の変位のうち支配的なものが主としてビーム部371へ伝わる。つまり、ビーム部371を、ミラー305の変位のうち支配的なものに対応する方向に主として変位させることができ、ミラー305の変位のうち微小なものに対応する方向へのビーム部371の変位を低減することができる。その結果、可動櫛歯電極307の電極指372,372,…と固定櫛歯電極308の電極指382,382,…との間隔を維持したまま、可動櫛歯電極307を傾動させることができる。それにより、可動櫛歯電極307及び固定櫛歯電極308の静電容量の変化は、実質的に、ミラー305の支配的な変位に基づくものだけとなる。その結果、静電容量の変化に基づいて、ミラー305の変位を精度よく検出することができる。
《その他の実施形態》
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
以上のように、本出願において開示する技術の例示として、前記実施形態を説明した。しかしながら、本開示における技術は、これに限定されず、適宜、変更、置き換え、付加、省略などを行った実施の形態にも適用可能である。また、上記実施形態で説明した各構成要素を組み合わせて、新たな実施の形態とすることも可能である。また、添付図面および詳細な説明に記載された構成要素の中には、課題解決のために必須な構成要素だけでなく、上記技術を例示するために、課題解決のためには必須でない構成要素も含まれ得る。そのため、それらの必須ではない構成要素が添付図面や詳細な説明に記載されていることをもって、直ちに、それらの必須ではない構成要素が必須であるとの認定をするべきではない。
前記実施形態について、以下のような構成としてもよい。
実施形態1はミラーデバイスに係るものであり、実施形態2はミラーアレイに係るものであるが、これに限られるものではない。例えば、複数のミラーデバイス200,200,…によってミラーアレイを構成してもよい。また、1つのミラーデバイス300だけで構成してもよい。
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、ミラー205は、平面視円形でなくてもよく、方形等の多角形であってもよい。ミラー305は、平面視方形でなくてもよく、平面視円形であっても、方形以外の多角形であってもよい。
また、各ヒンジの構成も、前記実施形態に係る構成に限られるものではない。例えば、各ヒンジは、連結される部材よりも剛性が低く、弾性変形する構成であれば、任意の構成を採用することができる。
アクチュエータ206,306は、前記の構成に限られるものではない。また、アクチュエータ206,306は、圧電素子265,365を有しているがこれに限られるものではない。例えば、静電引力を用いてミラーを駆動するアクチュエータであってもよい。さらに、圧電素子265,365は、圧電体層として、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。さらに、ミラーデバイス300においては、アクチュエータは1つだけであってもよい。
また、第1傾動部203及び第2傾動部204は、ベース部202に連結されアクチュエータ206に傾動させられる構成であれば、任意の構成を採用し得る。
例えば、第1傾動部203及び第2傾動部204は、環状でなくてもよい。第1傾動部203及び第2傾動部204は、円でなくてもよく、円弧状でなくてもよい。第1接続部231,231及び第2接続部241,241は、それぞれX軸上及びY軸上に配置されていなくてもよい。第1接続部231,231を通る直線は、第2接続部241,241を通る直線と直交していなくてもよいし、X軸と平行でなくてもよい。第2接続部241,241を通る直線は、Y軸と平行でなくてもよい。例えば、第2接続部241,241がX軸上に配置され、第1接続部231,231がY軸上に配置されてもよい。
前記可動櫛歯電極207,307及び固定櫛歯電極208,308の構成は、一例であって、それ以外の構成であってもよい。可動櫛歯電極207,307及び固定櫛歯電極208,308は、その位置や電極指の延びる方向は、任意に設定することができる。例えば、可動櫛歯電極の電極指及び固定櫛歯電極の電極指は、Y軸方向以外、例えば、X軸方向に延びていてもよい。
また、ミラーデバイス300において、ミラー305は、延長部304を介してベース部302に連結されているが、これに限られるものではない。例えば、図11に示すように、延長部304及びヒンジ341が省略されてもよい。その場合、ミラー305は、可動櫛歯電極307,307を介してベース部302に連結されていることになる。延長部304及びヒンジ341を省略し、可動櫛歯電極307を利用してミラー305をベース部302に連結することによって、ミラーデバイス300の配列方向の寸法を小型化することができる。
また、ミラーデバイス200,300は、駆動装置の一例である。駆動装置は、ミラーを駆動するものに限られない。例えば、駆動装置は、移動部としてのブレード又はプレートをアクチュエータで駆動するシャッタ装置であってもよい。
以上説明したように、ここに開示された技術は、駆動装置について有用である。
200,300 ミラーデバイス(駆動装置)
202,302 ベース部
205,305 ミラー(移動部)
206,306 アクチュエータ
263 ヒンジ(移動部側接続部)
207,307 可動櫛歯電極
271,371 ビーム部
272,372 電極指
273,373 ヒンジ(入力側接続部)
274,374 ヒンジ(支持側接続部)
208,308 固定櫛歯電極
281,382 電極指
B5,C4 傾動軸
202,302 ベース部
205,305 ミラー(移動部)
206,306 アクチュエータ
263 ヒンジ(移動部側接続部)
207,307 可動櫛歯電極
271,371 ビーム部
272,372 電極指
273,373 ヒンジ(入力側接続部)
274,374 ヒンジ(支持側接続部)
208,308 固定櫛歯電極
281,382 電極指
B5,C4 傾動軸
Claims (7)
- ベース部と、
移動部と、
前記移動部に連結され、傾動することによって該移動部を傾動させるアクチュエータと、
前記ベース部に設けられ、電極指を有する固定櫛歯電極と、
前記固定櫛歯電極に対向して配置された可動櫛歯電極とを備え、
前記可動櫛歯電極は、ビーム部と、該ビーム部を前記移動部又は前記アクチュエータと連結し、該ビーム部よりも剛性が低く、弾性変形する入力側接続部と、該ビーム部を前記ベース部に連結し、該ビーム部よりも剛性が低く、弾性変形する支持側接続部と、該ビーム部に設けられ、前記固定櫛歯電極の電極指と対向する電極指とを有し、該支持側接続部を通る傾動軸回りに傾動するように構成されている駆動装置。 - 請求項1に記載の駆動装置において、
前記アクチュエータは、少なくとも2つ設けられており、
前記可動櫛歯電極は、少なくとも2つ設けられており、
前記移動部は、少なくとも2つの前記アクチュエータの駆動量を調整することによって2軸回りに傾動するように構成されている駆動装置。 - 請求項2に記載の駆動装置において、
前記ビーム部は、前記支持側接続部によって、前記傾動軸に直交する軸回りに比べて該傾動軸回りに傾動しやすい状態で前記ベース部に連結されている駆動装置。 - 請求項3に記載の駆動装置において、
前記支持側接続部は、前記傾動軸に直交する軸回りに比べて該傾動軸と平行な回りに湾曲しやすい形状をしている駆動装置。 - 請求項3に記載の駆動装置において、
前記支持側接続部は、前記傾動軸の方向に並んで複数設けられている駆動装置。 - 請求項1乃至5の何れか1つに記載の駆動装置において、
前記アクチュエータは、前記傾動軸と平行な軸回りに傾動することによって、前記移動部を傾動させ、
前記可動櫛歯電極は、前記入力側接続部を介して前記アクチュエータに連結されている駆動装置。 - 請求項6に記載の駆動装置において、
前記アクチュエータは、弾性変形する移動部側接続部を介して前記移動部に接続されている駆動装置。
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