特許 6260019 金属弾性部材、微小機械装置、微小機械装置の製造方法、揺動制御装置及び揺動制御方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6260019

(24)【登録日】2017年12月22日

(45)【発行日】2018年1月17日

(54)【発明の名称】金属弾性部材、微小機械装置、微小機械装置の製造方法、揺動制御装置及び揺動制御方法

(51)【国際特許分類】

   G02B 26/10 20060101AFI20180104BHJP

   G02B 26/08 20060101ALI20180104BHJP

   B81B 3/00 20060101ALI20180104BHJP

   B81C 3/00 20060101ALI20180104BHJP

【ＦＩ】

   G02B26/10 104Z

   G02B26/08 E

   B81B3/00

   B81C3/00

【請求項の数】15

【全頁数】24

(21)【出願番号】特願2012-247796(P2012-247796)

(22)【出願日】2012年11月9日

(65)【公開番号】特開2014-95837(P2014-95837A)

(43)【公開日】2014年5月22日

【審査請求日】2015年10月30日

(73)【特許権者】

【識別番号】000242600

【氏名又は名称】北陽電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】100107478

【弁理士】

【氏名又は名称】橋本 薫

(72)【発明者】

【氏名】森 利宏

(72)【発明者】

【氏名】▲浅▼田 規裕

(72)【発明者】

【氏名】▲高▼井 和夫

【審査官】 鈴木 俊光

(56)【参考文献】

【文献】 米国特許出願公開第２０１０／００７９８３４（ＵＳ，Ａ１）

【文献】 特開平０７−１８１４１４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１１−２１５３５４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００８−０４０２２８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−１８５１９４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２０１２−０７８５１５（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開平１０−１２３４４９（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００４−２５８５４８（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特表２００５−５１７２１２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｇ０２Ｂ ２６／１０

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｂ８１Ｃ ３／００

Ｇ０２Ｂ ２６／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置の前記梁部に用いられる金属弾性部材であって、
互いに分離して構成され前記可動部を揺動する断面積０．００１ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下で一様に構成された一対の金属棒状部と、前記一対の金属棒状部の各々の一端側に配置され前記固定部に固定する固定側パッドと、前記一対の金属棒状部の各々の他端側に配置され前記可動部に固定する可動側パッドとを含み、
少なくとも前記一対の金属棒状部は、研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により構成されている金属弾性部材。

【請求項2】

少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置の前記梁部に用いられる金属弾性部材であって、
互いに分離して構成され前記可動部を揺動する断面積０．００１ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下に一様に構成された一対の金属棒状部と、前記一対の金属棒状部の各々の一端側に配置され前記固定部に固定する固定側パッドと、前記一対の金属棒状部の各々の他端側に配置され前記可動部に固定する可動側パッドと、前記一対の金属棒状部が直線状に対称に配置されるとともに、各パッドが複数本の支持部を介して分離可能に連結された枠体とが、研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により一体に構成されている金属弾性部材。

【請求項3】

ステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかのテンションアニール処理材で構成されている請求項１または２記載の金属弾性部材。

【請求項4】

前記物理的または化学的加工物に収束イオンビーム加工物、エッチング加工物、及びメッキ加工物が含まれる請求項１から３の何れかに記載の金属弾性部材。

【請求項5】

少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能に構成された微小機械装置であって、
前記梁部は、前記可動部を揺動する断面積０．００１ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下の一様で互いに分離して構成された一対の金属棒状部と、前記一対の金属棒状部の各々の一端側に配置され前記固定部に固定する固定側パッドと、前記一対の金属棒状部の各々の他端側に配置され前記可動部に固定する可動側パッドとを含み、少なくとも前記一対の金属棒状部は、研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により構成されている微小機械装置。

【請求項6】

前記梁部は、ステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかのテンションアニール処理材で構成されている請求項５記載の微小機械装置。

【請求項7】

前記物理的または化学的加工物に収束イオンビーム加工物、エッチング加工物、及びメッキ加工物が含まれる請求項５または６記載の微小機械装置。

【請求項8】

前記可動部にコイルが形成されるとともに、前記固定部に磁界形成部が設けられ、前記コイルに流れる電流と前記磁界形成部により形成される磁界によって発生する電磁力で前記可動部が揺動するように構成され、
前記梁部は、前記可動部を支持する機能と、前記コイルに通電する導電体としての機能と、前記可動部を基準位置に戻すばねとしての機能を備えている請求項５から７の何れかに記載の微小機械装置。

【請求項9】

前記可動部に、入射光を反射して偏向走査する光偏向面が形成されている請求項５から８の何れかに記載の微小機械装置。

【請求項10】

少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置の製造方法であって、
前記固定部と前記可動部との間に、請求項２記載の金属弾性部材を、前記金属棒状部及び各パッドが枠体に支持された状態で、前記固定部及び／または前記可動部に位置決め配置し、前記固定部及び／または前記可動部を各パッドに固定した後に、各支持部を切断して前記枠体を分離する微小機械装置の製造方法。

【請求項11】

請求項８記載の微小機械装置の可動部を揺動制御する揺動制御装置であって、
前記可動部から導かれるモニタ光であって、前記可動部の揺動に伴って角度が変化する光軸に沿ったモニタ光を、前記可動部の揺動中心方向に対して揺動方向に偏った方向から検知するモニタ用受光部と、前記モニタ用受光部で検知されたモニタ光に基づいて、前記可動部の１揺動周期を構成する長周期区間と短周期区間の二つの区間を検知する振幅検知回路とを含む振幅検知部と、
前記振幅検知部で検知された長周期区間と短周期区間の時間比が目標値になるように、前記コイルへの印加電流の電流値を維持しながら周波数を可変制御する振幅制御部と、
を備えている揺動制御装置。

【請求項12】

前記可動部の表面に測定光源から照射された測定光を測定空間に向けて偏向走査し、その測定光の反射光を測定用受光部に向けて偏向する第１光偏向面が形成されるとともに、前記可動部の裏面に第２光偏向面が形成され、
前記振幅検知部は前記第２光偏向面に向けてモニタ光を照射するモニタ光源をさらに備え、その反射光が前記モニタ用受光部で受光される請求項１１記載の揺動制御装置。

【請求項13】

前記可動部の揺動位相を検知する揺動位相検知部と、
前記揺動位相検知部で検知された揺動位相に同期して前記測定光による測定時期を調整する同期信号出力部を備えている請求項１２記載の揺動制御装置。

【請求項14】

前記可動部の揺動位相を検知する揺動位相検知部と、
前記測定光による測定時期に同期して前記揺動位相検知部で検知された揺動位相を出力する位相信号出力部を備えている請求項１２記載の揺動制御装置。

【請求項15】

請求項８記載の微小機械装置の可動部を揺動制御する揺動制御方法であって、
前記可動部から導かれるモニタ光であって、前記可動部の揺動に伴って角度が変化する光軸に沿ったモニタ光を、前記可動部の揺動中心方向に対して揺動方向に偏った方向から検知し、検知されたモニタ光に基づいて、前記可動部の１揺動周期を構成する長周期区間と短周期区間の二つの区間を検知し、検知された長周期区間と短周期区間の時間比が目標値になるように、前記コイルへの印加電流の電流値を維持しながら周波数を可変制御する揺動制御方法。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明は、金属弾性部材、微小機械装置、微小機械装置の製造方法、揺動制御装置及び揺動制御方法に関し、例えば、所定の角度の範囲で光を繰り返し走査するために用いられる金属弾性部材、微小機械装置、微小機械装置の製造方法、揺動制御装置及び揺動制御方法に関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＥＭＳ（Micro Electro Mechanical Systems）技術により製造される走査型光偏向素子のような微小機械装置は、少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から可動部を固定部に支持する一対の梁部とを含み、梁部を捻り回転軸とする軸心周りに可動部が揺動可能に構成されている。つまり、梁部がジンバル構造の捻り梁として機能する。

【0003】

例えば、入射光を偏向走査する光偏向ミラーと平面状のコイルで可動部が構成され、コイルに流れる交流電流と固定部に備えた永久磁石により形成される磁界とによってコイルに作用するローレンツ力により、梁部で支持された可動部つまり光偏向ミラーが繰り返し揺動される。

【0004】

特許文献１には、単結晶シリコン基板に半導体製造技術を適用して可動部及び梁部を一体形成した光走査装置が提案されている。

【0005】

特許文献２には、モノリシック製造工程で導電性アモルファスアルミニウム合金を用いて梁部が製作されたマイクロミラー装置が提案されている。

【0006】

特許文献３には、純チタンまたはチタン合金をプレス加工して得られる梁部を備えた振動ミラーが提案されている。

【0007】

特許文献４には、１５０Ｈｚ以下の低周波数で可動部を駆動するために好適な梁部として、導電性ポリマーで形成された梁部を備えた微小機械装置が開示されている。当該微小機械装置はバーコードリーダ等に用いられ、５０°程度の光偏向角度で測定光が走査される。

【0008】

また、特許文献５，６には、このような微小機械装置の可動部を一定の振幅で揺動制御するために、コイルへの印加電流値を可変に制御する制御方法が開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0009】

【特許文献1】特開２００３−８４２２６号公報

【特許文献2】特開平９−２８１４１７号公報

【特許文献3】特開２００９−１７５３６８号公報

【特許文献4】特開２００８−４０２２８号公報

【特許文献5】特開２００４−２５８５４８号公報

【特許文献6】特開２０１２−１７０１９６号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0010】

上述した光偏向ミラーを用いた小型の走査型の測距装置または当該走査型の測距装置を用いた障害物検知装置を構成する場合には、例えば数ｍｍ角の偏向ミラーを１５０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲の比較的低い周波数で揺動して、例えば４５°の走査角度範囲で測定光を走査する必要がある。

【0011】

しかし、特許文献１に記載されたようなシリコン材を用いて製作した梁部は、比較的高い周波数で可動部を駆動する必要がある場合に好適な材料であり、５００Ｈｚ以下の周波数では安定駆動できないという問題があり、またシリコン材は比較的容易にへき開するために、耐衝撃性を要求される用途には使用し辛いという問題もあった。

【0012】

特許文献２に記載されたような導電性アモルファスアルミニウム合金を用いた梁部は、モノリシック製造工程で製作されるために製造コストが嵩むという問題があり、また十数μｍ角の光偏向ミラーを含めてサイズが微小であるために、ある程度のビーム径が要求される計測用途に用いるのは困難であるという問題もあった。

【0013】

特許文献３に記載されたような金属をプレス加工して得られる梁部は、加工時にその表面に多数の微小な凹凸や傷が形成され、そこに応力振幅による応力の集中が起こるため、繰返し使用により微小な凹凸や傷が起点となって亀裂に成長し、疲労破壊を招き易いという問題があった。

【0014】

特に、測定光を走査して測定光に対応する反射光に基づいて障害物の有無を検知する光走査装置は長時間連続して作動するため、例えば１００Ｈｚの周波数で使用しても１年間で３０億回の応力振幅に耐える必要がある。

【0015】

そのため、通常これらの金属部品は、数万回から数十万回、あるいは数百万回から数千万回の寿命試験、時間にして数十時間あるいは数百時間の寿命試験を行ない、その結果に基づいて算出した安全率を考慮した範囲で使用されているが、近年、数百万回から数千万回の応力振幅による評価では不足することが指摘されている。表面の傷等に端を発する亀裂は高サイクル疲労と呼ばれ、内部の結晶欠陥等に端を発する亀裂は超高サイクル疲労と言われ、その評価には数億回あるいは数十億回の試験が必要となり、それに伴って試験時間も膨大になり、そこまでの寿命を保証するのは事実上困難である。

【0016】

特許文献４に記載されたような導電性ポリマーで形成された梁部は、１５０Ｈｚ以下の低周波数で好ましい特性を示すが、周波数が１５０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲では安定駆動できず、安定駆動を目指してポリマーの硬度を上げると容易に応力破壊を招くという問題があった。

【0017】

ところで、特許文献５，６に記載されたように、微小機械装置の可動部を一定の振幅で揺動制御するために、コイルへの印加電流値を可変に制御する場合には、回路素子の温度特性等の変動要因を含めて印加電流値を正確に制御する複雑で大掛かりな電源回路が必要になり、コストが嵩むばかりでなく、大きな設置スペースが必要になるという問題もあった。

【0018】

本発明の目的は、上述した問題点に鑑み、可動部を比較的低い周波数範囲で揺動可能なねじり回転軸となる梁部を構成する長寿命で信頼性の高い金属弾性部材、当該金属弾性部材を用いた微小機械装置、微小機械装置の製造方法、揺動制御装置及び揺動制御方法を提供する点にある。

【課題を解決するための手段】

【0019】

上述の目的を達成するため、本発明による金属弾性部材の第一の特徴構成は、特許請求の範囲の書類の請求項１に記載した通り、少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置の前記梁部に用いられる金属弾性部材であって、互いに分離して構成され前記可動部を揺動する断面積０．００１ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下に一様に構成された一対の金属棒状部と、前記一対の金属棒状部の各々の一端側に配置され前記固定部に固定する固定側パッドと、前記一対の金属棒状部の各々の他端側に配置され前記可動部に固定する可動側パッドとを含み、少なくとも前記一対の金属棒状部は、研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により構成されている点にある。

【0020】

既に説明したように、梁部を構成する金属棒状部をプレス加工や研削加工等の機械的加工物（塑性加工物や研削加工物）で構成すると、加工時に表面にできる複数の微小な傷に、応力振幅に起因する応力の集中が起こり、微小な傷が起点となって亀裂に成長して、疲労強度が低下する虞がある。特に硬い材料でこの現象がよく見られる。

【0021】

しかし、研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により梁部となる金属棒状部を構成すると、応力振幅により亀裂に成長するような傷が表面に形成される確率が非常に小さく、従って疲労強度が低下する虞が極めて低くなる。一般に金属材料の諸物性、例えば耐力等は１０ｍｍ径（断面積７８．５ｍｍ^２）の試験片に基づいて測定されるが、少なくとも試験片の１桁以下の寸法（１ｍｍ径（断面積０．７８５ｍｍ^２）以下）で作製された試験片の耐力は公表されている値よりも大きな値になる傾向があり、断面積を微小にすることで実効耐力が数十％高い値を示すことが想定できる。対象物の表面の傷の存在確率が一定であるならば、超高サイクル疲労の亀裂の基点となる傷の絶対数が小型化による表面積の減少に伴って減少する結果、或いは、対象物の内部の欠陥確率が同一であるならば、超高サイクル疲労の亀裂の基点となる内部欠陥の絶対数が体積の減少により減少する結果、耐久性や耐力が増加すると定性的に理解されているためである。

【0022】

そこで、金属棒状部を断面積１ｍｍ^２以下に成形することにより、それだけ良好な実効耐力を示す梁部が構成できるようになる。また、限度はあるが、物質は小さくなればその物質本来の物性値に近くなると考えられる。本願発明者は、１０ｍｍ径の試験片で得られた捻り方向の疲労限界が機械角±９．２５°であるのに対して、同じ金属材料を用いて０．２ｍｍ×０．２５ｍｍの断面を持つ金属梁では機械角±１５．５°であることを実験により確認している。捻り部分の最大応力は１．４倍程度であり、断面寸法が１桁下がると２０％程度丈夫になるという当業者による経験上の知見を考慮すれば、２桁小さいサイズ効果から１．２×１．２＝１．４倍程度に疲労限度が上昇することになる。このような耐久性、耐力の上昇は、上述した定性的な一般的理解から定量的理解へと実験を行った結果により裏付けられている。

【0023】

同第二の特徴構成は、同請求項２に記載した通り、少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置の前記梁部に用いられる金属弾性部材であって、互いに分離して構成され前記可動部を揺動する断面積０．００１ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下に一様に構成された一対の金属棒状部と、前記一対の金属棒状部の各々の一端側に配置され前記固定部に固定する固定側パッドと、前記一対の金属棒状部の各々の他端側に配置され前記可動部に固定する可動側パッドと、前記一対の金属棒状部が直線状に対称に配置されるとともに、各パッドが複数本の支持部を介して分離可能に連結された枠体とが、研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により一体に構成されている点にある。

【0024】

研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により、一端側に固定側パッドが配置され他端側に可動側パッドが配置された一対の金属棒状部が、枠体の内部で直線状に対称に配置され、各パッドが支持部を介して枠体に固定されるように一体に構成されることで、枠体に一対の金属棒状部が直線状に位置決め配置された金属弾性部材が得られる。一対の金属棒状部が枠体内部で直線状に位置決め配置された状態で、固定部に固定側パッドを固定するとともに、可動側パッドに可動部を固定し、その後に支持部を切断するような工程を経ると、一対の金属棒状部で構成されるねじり回転軸の直線性が高精度に保たれた状態で可動部を支持できるようになり、しかも組立作業も簡素化できる。

【0025】

同第三の特徴構成は、同請求項３に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、ステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかのテンションアニール処理材で構成されている点にある。

【0026】

テンションアニール法で圧延されたステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかの金属を用いて金属弾性部材を構成すれば、長期にわたり安定して動作可能な梁部が得られる。

【0027】

同第四の特徴構成は、同請求項４に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記物理的または化学的加工物に収束イオンビーム加工物、エッチング加工物、及びメッキ加工物が含まれる点にある。

【0028】

研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物として、収束イオンビーム加工物、エッチング加工物、及びメッキ加工物を好適に用いることができる。

【0029】

本発明による微小機械装置の第一の特徴構成は、同請求項５に記載した通り、少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能に構成された微小機械装置であって、前記梁部は、前記可動部を揺動する断面積０．００１ｍｍ^２以上１ｍｍ^２以下の一様で互いに分離して構成された一対の金属棒状部と、前記一対の金属棒状部の各々の一端側に配置され前記固定部に固定する固定側パッドと、前記一対の金属棒状部の各々の他端側に配置され前記可動部に固定する可動側パッドとを含み、少なくとも前記一対の金属棒状部は、研削加工物及び塑性加工物を除く物理的または化学的加工物により構成されている点にある。

【0030】

上述の構成によれば、耐衝撃性に優れ、長期にわたり安定して作動する微小機械装置が得られる。

【0031】

同第二の特徴構成は、同請求項６に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記梁部は、ステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかのテンションアニール処理材で構成されている点にある。

【0032】

同第三の特徴構成は、同請求項７に記載した通り、上述の第一または第二特徴構成に加えて、前記物理的または化学的加工物に収束イオンビーム加工物、エッチング加工物、及びメッキ加工物が含まれる点にある。

【0033】

同第三の特徴構成は、同請求項８に記載した通り、上述の第一から第三の何れかの特徴構成に加えて、前記可動部にコイルが形成されるとともに、前記固定部に磁界形成部が設けられ、前記コイルに流れる電流と前記磁界形成部により形成される磁界によって発生する電磁力で前記可動部が揺動するように構成され、前記梁部は、前記可動部を支持する機能と、前記コイルに通電する導電体としての機能と、前記可動部を基準位置に戻すばねとしての機能を備えている点にある。

【0034】

例えば、可動部に形成されたコイルに交流電流を供給すれば、コイルに流れる交流電流と固定部に備えた永久磁石により形成される磁界とによってコイルに作用するローレンツ力により、梁部で支持された可動部が繰り返し揺動される。このような梁部は、長期にわたり金属疲労を招くことなく、安定して可動部を支持できるようになる。

【0035】

同第四の特徴構成は、同請求項９に記載した通り、上述の第一から第四の何れかの特徴構成に加えて、前記可動部に、入射光を反射して偏向走査する光偏向面が形成されている点にある。

【0036】

可動部に光偏向面を形成すれば、光偏向面で偏向された光が、可動部の揺動に伴って繰返し所定の走査角度範囲で安定して走査されるようになる。

【0037】

本発明による微小機械装置の製造方法の第一の特徴構成は、同請求項１０に記載した通り、少なくとも一つの可動部と、固定部と、両側から前記可動部を前記固定部に支持する一対の梁部とを含み、前記梁部を捻り回転軸とする軸心周りに前記可動部を揺動可能な微小機械装置の製造方法であって、前記固定部と前記可動部との間に、請求項２記載の金属弾性部材を、前記金属棒状部及び各パッドが枠体に支持された状態で、前記固定部及び／または前記可動部に位置決め配置し、前記固定部及び／または前記可動部を各パッドに固定した後に、各支持部を切断して前記枠体を分離する点にある。

【0038】

一対の金属棒状部が枠体内部で直線状に位置決め配置された状態で、固定部に固定側パッドを固定するとともに可動側パッドに可動部を固定し、その後に支持部を切断するような工程を経ると、一対の金属棒状部で構成されるねじり回転軸の直線性が高精度に保たれた状態で可動部を支持できるようになり、しかも組立作業も簡素化できる。

【0039】

本発明による揺動制御装置の第一の特徴構成は、同請求項１１に記載した通り、上述した第三の特徴構成を備えた微小機械装置の可動部を揺動制御する揺動制御装置であって、前記可動部から導かれるモニタ光であって、前記可動部の揺動に伴って角度が変化する光軸に沿ったモニタ光を、前記可動部の揺動中心方向に対して揺動方向に偏った方向から検知するモニタ用受光部と、前記モニタ用受光部で検知されたモニタ光に基づいて、前記可動部の１揺動周期を構成する長周期区間と短周期区間の二つの区間を検知する振幅検知回路とを含む振幅検知部と、前記振幅検知部で検知された長周期区間と短周期区間の時間比が目標値になるように、前記コイルへの印加電流の電流値を維持しながら周波数を可変制御する振幅制御部と、を備えている点にある。

【0040】

モニタ用受光部で検知されるモニタ光の検出周期は、可動部の揺動周期と同じ周期となる。可動部が揺動中心方向からモニタ用受光部側の第１揺動方向に揺動する場合には、最大揺動角度に向かって揺動する往動時と反対側の最大揺動角度に向かって揺動する復動時にモニタ用受光部でモニタ光が検知され、その後可動部が揺動中心方向からモニタ用受光部とは反対側の第２揺動方向に揺動して、反対側の最大揺動角度からの復帰時にモニタ用受光部でモニタ光が検知される。振幅検知部は、第１揺動方向から第２揺動方向にかけて揺動する場合に検知されるモニタ光の検知間隔を短周期区間と検知し、第２揺動方向から第１揺動方向にかけて揺動する場合に検知されるモニタ光の検知間隔を長周期区間と検知し、短周期区間と長周期区間の合計時間を可動部の１周期と検知する。

【0041】

駆動電流の周波数が一定の下で、温度変化等に起因して可動部を含む梁部の共振周波数が変動する場合に、駆動電流の周波数が共振周波数に近くなれば振幅が大きくなり、駆動電流の周波数が共振周波数から遠ざかれば振幅が小さくなる。そのような場合であっても、振幅検知部で検知された長周期区間と短周期区間の時間比が目標値になるように、振幅制御部によってコイルへの印加電流の電流値を一定に維持しながら周波数が可変制御される結果、可動部の振幅が一定に維持されるようになる。周波数を可変に制御するためには、例えばＰＬＬ回路を組み込んだ交流電源回路等、比較的簡単かつ小型の電源回路で構成できるので、コストを低減するとともに設置スペースも小さくでききる。

【0042】

同第二の特徴構成は、同請求項１２に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記可動部の表面に測定光源から照射された測定光を測定空間に向けて偏向走査し、その測定光の反射光を測定用受光部に向けて偏向する第１光偏向面が形成されるとともに、前記可動部の裏面に第２光偏向面が形成され、前記振幅検知部は前記第２光偏向面に向けてモニタ光を照射するモニタ光源をさらに備え、その反射光が前記モニタ用受光部で受光される点にある。

【0043】

仮にモニタ光源を設けずに測定光をモニタ用受光部で検知する場合には、測定光の走査範囲にモニタ用受光部を設置する必要があり、測定範囲が制限されるようになる。また、所定の測定範囲を確保するために可動部の振幅を大きくすると、梁部の歪が大きくなり寿命が短くなるという問題が生じる。しかし、上述の構成によれば、測定光を測定空間に向けて偏向走査するという可動部の本来の機能を阻害することなく正確に振幅が検知でき、そのために可動部の振幅も必要最小限に留めることができ、梁部の寿命が短くなるようなこともない。

【0044】

同第三の特徴構成は、同請求項１３に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記可動部の揺動位相を検知する揺動位相検知部と、前記揺動位相検知部で検知された揺動位相に同期して前記測定光による測定時期を調整する同期信号出力部を備えている点にある。

【0045】

測定光を利用する測定周期を一定に維持した状態で、振幅を一定に制御するために可動部の揺動周期が変化すると測定方向が変化して、本来必要な測定方向に対応する測定値が得られなくなる虞がある。また、揺動周期内で必要な測定値の数の増減が発生する虞もある。そのような場合であっても、同期信号出力部から出力される揺動位相に同期した同期信号に基づいて測定光による測定時期を調整すれば、可動部の揺動周期が変化しても本来必要な測定方向に対応する測定値を確実に得ることができるようになる。

【0046】

同第四の特徴構成は、同請求項１４に記載した通り、上述の第一特徴構成に加えて、前記可動部の揺動位相を検知する揺動位相検知部と、前記測定光による測定時期に同期して前記揺動位相検知部で検知された揺動位相を出力する位相信号出力部を備えている点にある。

【0047】

測定光を利用する測定周期を一定に維持した状態で、振幅を一定に制御するために可動部の揺動周期が変化すると測定方向が変化して、何れの方向に対する測定値であるかが特定できなくなる虞がある。そのような場合でも、位相信号出力部から出力される位相信号によって、測定光による測定時期に同期した可動部の揺動位相が把握できるので、正確に測定値に対応する方向が特定できるようになる。

【0048】

本発明による揺動制御方法の特徴構成は、同請求項１５に記載した通り、上述した第三の特徴構成を備えた微小機械装置の可動部を揺動制御する揺動制御方法であって、前記可動部から導かれるモニタ光であって、前記可動部の揺動に伴って角度が変化する光軸に沿ったモニタ光を、前記可動部の揺動中心方向に対して揺動方向に偏った方向から検知し、検知されたモニタ光に基づいて、前記可動部の１揺動周期を構成する長周期区間と短周期区間の二つの区間を検知し、検知された長周期区間と短周期区間の時間比が目標値になるように、前記コイルへの印加電流の電流値を維持しながら周波数を可変制御する点にある。

【発明の効果】

【0049】

以上説明した通り、本発明によれば、可動部を比較的低い周波数範囲で揺動可能なねじり回転軸となる梁部を構成する長寿命で信頼性の高い金属弾性部材、当該金属弾性部材を用いた微小機械装置、微小機械装置の製造方法、揺動制御装置及び揺動制御方法を提供することができるようになった。

【図面の簡単な説明】

【0050】

【図1】本発明による微小機械装置の斜視図

【図2】（ａ）から（ｅ）は本発明による金属弾性部材の製作過程の説明図

【図3】（ａ）から（ｃ）は金属弾性部材を介して可動部を固定部へ取り付ける取付け過程の説明図

【図4】本発明による微小機械装置の分解斜視図

【図5】（ａ）可動部（コイル基板）と金属弾性部材の要部の平面図、（ｂ）は同断面図

【図6】可動部の揺動動作の説明図

【図7】金属弾性部材の固定部への取付け部位の説明図

【図8】別実施形態を示す微小機械装置の分解斜視図

【図9】別実施形態を示す微小機械装置の斜視図

【図10】別実施形態を示し、金属弾性部材の説明図

【図11】（ａ）は破断試験の結果を示すＳ−Ｎ線図、（ｂ），（ｃ）は梁の断面積と共振周波数の関係を示すシミュレーション結果の特性図

【図12】可動部を揺動制御する揺動制御装置の説明図

【図13】可動部の揺動振幅が変動する様子の説明図

【図14】（ａ）は揺動制御の原理の説明図、（ｂ）は共振周波数の変動に対する印加電流の周波数制御の説明図

【図15】（ａ）は振れ角方向に対して等間隔で発光制御する場合の測距タイミングおよび、周波数変動時の測距タイミング制御の説明図、（ｂ）は位相方向に対して等間隔に発光制御する場合の測距タイミング制御の説明図

【発明を実施するための形態】

【0051】

以下、本発明による金属弾性部材、微小機械装置及び微小機械装置の製造方法を図面に基づいて説明する。

【0052】

図１及び図４には、走査型の測距装置等に用いられる微小機械装置１が示されている。微小機械装置１は、固定部２となる枠体と、可動部３となる平坦な板状体と、固定部２に対して可動部３を軸心Ｐ周りに揺動可能に支持する一対の梁部４，４と、梁部４，４を挟んで可動部３の両側に配置された永久磁石５，６と、上部カバー体８等を備えている。

【0053】

固定部２はポリカーボネート等の樹脂製の直方体部材で構成され、その中央部が、平面視で可動部３よりもやや大きな面積で、厚み方向に刳り抜かれた開口空間が形成され、その開口空間に可動部３が配置されている。

【0054】

梁部４，４は金属弾性部材で構成され、所定長の金属棒状部４ａと、金属棒状部４ａの一端側に形成され固定部２に固定する固定側パッド４ｂと、金属棒状部４ａの他端側に形成され可動部３に固定する可動側パッド４ｃとを備えている。

【0055】

断面が“コ”の字形で、高透磁率の部材で構成される磁性体保持部７に、永久磁石５，６のうち一方５がＮ極、他方６がＳ極となるように対向配置され、固定部２の開口空間に、可動部３を挟むように下方から挿入固定されている。

【0056】

可動部３は、ガラス基板、或いはシリコン基板に金またはアルミニウム等が蒸着された偏向ミラー３ａと、ガラスエポキシ基板に銅製のコイルＣと電極パッドＥが印刷形成されたコイル基板３ｃと、それら間に配置される同じくガラスエポキシ製のスペーサ３ｂを備えている。一対の梁部４，４の各可動側パッド４ｃが電極パッドＥに接触するように位置決めされ、導電性接着剤を用いて偏向ミラー３ａとコイル基板３ｃとの間に接着固定されている。尚、コイル基板３ｃを、エポキシ樹脂等を用いた各基板層にコイルパターンを形成し、各基板層のコイルをビアで連結した多層基板で構成してもよい。

【0057】

一対の梁部４，４を介してコイルＣに交流電流を印加すると、コイルＣに流れる交流電流と固定部２に備えた永久磁石５，６により形成される磁界とによってコイルＣに作用するローレンツ力により、梁部４，４で支持された可動部３が繰り返し揺動される。

【0058】

即ち、微小機械装置１は、少なくとも一つの可動部３と、固定部２と、両側から可動部３を固定部２に支持する一対の梁部４，４とを含み、梁部４を捻り回転軸とする軸心Ｐ周りに可動部２が揺動可能に構成されている。そして、梁部４，４は、可動部３を支持する機能と、コイルＣに通電する導電体としての機能と、可動部３を基準位置に戻すばねとしての機能を備えている。さらに、可動部３に、入射光を反射して偏向走査する光偏向面が形成されている。

【0059】

可動部３を揺動駆動する周波数、つまりコイルＣに印加する交流電流の周波数は、可動部３を含む梁部４，４の機械的共振周波数から僅かにずらせた周波数に設定することが好ましく、可動部３の大きさ、金属棒状部４ａの断面積と長さとその物理的特性に依存して５０Ｈｚから約１ＫＨｚの範囲で設定可能である。

【0060】

例えば、可動ミラーの面積が１２ｍｍ×１２ｍｍの場合で、本発明による金属弾性部材を用いた梁部４の場合には、１５０Ｈｚから５００Ｈｚの周波数範囲が好適である。

【0061】

図２（ｅ）に示すように、梁部４，４は、一端側に固定側パッド４ｂが形成され他端側に可動側パッド４ｃが形成された一対の金属棒状部４ａが、枠体４０の内部で、直線状に対称に配置され、各パッド４ｂ，４ｃが支持部４１を介して枠体４０に固定されるように一体に形成されている。

【0062】

図３（ａ）に示すように、先ず、固定部２に設けられた一対の位置決めピン２ｐが各固定側パッド４ｂに形成された一対の位置決め用の孔部に嵌め込まれて接着固定される。

【0063】

次に、図３（ｂ）に示すように、可動側パッド４ｃに形成された一対の位置決め用孔部の上方から、偏向ミラー３ａの裏面に形成された一対の位置決めピンが嵌め込まれ、次に可動側パッド４ｃの下方から開放空間を通してスペーサ３ｂがあてがわれ、さらにコイル基板３ｃに形成された一対の位置決め用孔部に偏向ミラー３ａの位置決めピンが嵌め込まれ、それぞれが接着剤で接着固定される。

【0064】

その後、図３（ｃ）に示すように、各支持部４１が切断されて枠体４０が離脱され、さらに固定部２の上方から上部カバー体８が被覆されて、固定側パッド４ｂが確実に固定される。一対の金属棒状部４ａで構成されるねじり回転軸の直線性が高精度に保たれた状態で可動部３を支持できるようになり、しかも組立作業も簡素化できるようになる。

【0065】

図５（ａ），（ｂ）には、コイル基板３ｃに形成された電極パッドＥと、梁部４，４の一端部に形成された可動側パッド４ｃとが、スペーサ３ｂを介して電気的に接触するように位置決め配置された状態が示されている。スペーサ３ｂは中央部が絶縁部材３３で形成され、両端部が金属部材３４で構成されている。各電極パッドＥ，Ｅと各可動側パッド４ｃ，４ｃとが金属部材３４，３４を通して電気的に接続されている。当該構成については後に図７に基づいて詳述する。

【0066】

図３（ｃ）に示すように、固定部２に設けられた位置決めピン２ｐは金属で構成され、梁部４，４を介してコイル基板３ｃに形成されたコイルＣに交流電流を印加する電極ピンとなる。

【0067】

図６に示すように、レーザダイオード等の発光素子ＬＤから光学レンズ（図示せず）を介して平行光に形成された測定光を偏向ミラー３ａに入射させ、コイルＣに交流電流を印加すると、梁部４，４を捻り回転軸とする軸心Ｐ周りに偏向ミラー３ａが揺動し、発光素子ＬＤからの入射光が偏向ミラー３ａで偏向され、偏向ミラー３ａの揺動角度の２倍の角度で反射光が偏向走査される。例えば、偏向ミラー３ａの揺動角度を±１１．２５°に設定すると、±２２．５°の走査角度範囲で反射光が走査される。

【0068】

梁部４，４は、テンションアニール法で圧延されたステンレス材、炭素工具鋼材、またはみがき鋼材の何れかの金属を用いて、プレス加工等の機械的加工法を除く物理的または化学的加工法で形成される。テンションアニール法とは、ステンレス材等に一定の引っ張り応力をかけながら、高温下の水素ガスを含む窒素ガス雰囲気中で一定時間の放置を行なう処理のことをいう。物理的または化学的加工法として、収束イオンビーム法、エッチング法、及びメッキ法（電鋳法）が好適に用いられる。

【0069】

図２（ａ）から図２（ｅ）には、化学的加工法の一例であるエッチング法を用いて、梁部４，４を構成する金属弾性部材の製作過程が示されている。本実施例では、ＳＵＳ３０４ＣＳＰ−Ｈのテンションアニール材を用いている。

【0070】

所定厚さ（本実施形態では０．２ｍｍ）のステンレス薄板４２（図２（ａ）参照）の表面にフォトレジスト４３を均一に塗布し（図２（ｂ）参照）、金属棒状部４ａ、固定側パッド４ｂ、可動側パッド４ｃ、枠体４０、支持部４１に対応する領域が遮光されるように形成されたフォトマスク（図示せず）を介して光露光する（図２（ｃ）参照）。

【0071】

露光された領域のフォトレジスト４３ｂを所定のエッチング液で除去すると、ステンレス薄板４２の表面のうち、枠体４０や梁部４に対応する領域にのみフォトレジスト４３層が形成される（図２（ｄ）参照）。

【0072】

その後、ステンレス薄板４２の表面にステンレスを溶かすエッチング液を吹きかけて徐々にエッチング処理を進め、エッチング処理が完了すると溶剤でフォトレジスト４３を除去する。以上のプロセスによって、一端側に固定側パッド４ｂが形成され他端側に可動側パッド４ｃが形成された一対の金属棒状部４ａが、枠体４０の内部で直線状に対称に配置され、各パッド４ｂ，４ｃが支持部４１を介して枠体４０に固定されるように一体に形成された金属弾性部材が出来上がる（図２（ｅ）参照）。

【0073】

メッキ法を用いて金属弾性部材を製作する場合には、図２（ｄ）に示したフォトレジスト４３の形状が凹部となる所定深さの型枠を作成し、型枠に離型材を塗布した後に、金属イオンを含む電解液を満たし、電解液中の金属を電着させることにより製作することができる。

【0074】

梁部４を構成する金属棒状部４ａをプレス加工や研削加工等の機械的加工（塑性加工や研削加工）法で形成すると、加工時に表面にできる複数の微小な傷に、応力振幅に起因する応力の集中が起こり、微小な傷が起点となって亀裂に成長して、疲労強度が低下するため、可動部３を長期にわたり安定して揺動することができない。

【0075】

しかし、機械的加工法を除く物理的または化学的加工法を用いて梁部となる金属棒状部４ａを形成すると、応力振幅により亀裂に成長するような傷が表面に形成される確率が非常に小さく、従って疲労強度が低下する虞が極めて低くなる。

【0076】

一般に金属材料の諸物性、例えば耐力等は１０ｍｍ径（断面積７８．５ｍｍ^２）の試験片に基づいて測定されるが、少なくとも試験片の１桁以下の寸法（１ｍｍ径（断面積０．７８５ｍｍ^２）以下）で作製された試験片の耐力は公表されている値よりも大きな値になる傾向があり、断面積を微小にすることで実効耐力が数十％高い値を示すことが想定できる。

【0077】

そこで、金属棒状部を断面積１ｍｍ^２以下に成形することにより、それだけ良好な実効耐力を示す梁部が構成できるようになり、周波数１５０Ｈｚから５００Ｈｚの範囲で可動部３を長期にわたり安定して揺動することができるようになる。尚、可動部３を構成する偏向ミラー３ａの揺動角度は±１１．２５°に制限されることは無く、微小機械装置１の用途に応じて適宜設定される値である。

【0078】

図２（ｅ）に示す梁部４，４を構成する金属棒状部４ａは、断面積が１ｍｍ^２以下に形成されていればよく、０．００１ｍｍ^２〜１ｍｍ^２の範囲で成形されていることが好ましい。

【0079】

本実施形態では、金属棒状部４ａは幅１．０ｍｍ、厚さ０．２ｍｍ、長さ５ｍｍに形成され、断面積が０．２０ｍｍ^２に形成されている。尚、微小機械装置１の各部の大きさは以下の通りである。固定部２は幅２３ｍｍ、奥行き２６ｍｍ、厚さ５．５ｍｍ、可動部３は幅１２．０ｍｍ、奥行き１２．０ｍｍ、厚さ２．０ｍｍに形成されている。

【0080】

図１１（ａ）には、断面積０．０５ｍｍ^２、長さ４ｍｍの梁４を用いて、面積１４４ｍｍ^２（１２ｍｍ×１２ｍｍ）の偏向ミラー３ａを駆動周波数２００Ｈｚ（共振周波数平均：１８８．６Hz）で揺動したときの破断試験の結果であるＳ−Ｎ線図が示されている。白丸はＳＵＳ３０４ＣＳＰ−Ｈテンションアニール材で構成された梁の特性、黒丸はＳＵＳ３０４ＣＳＰ−Ｈストレスリリース材で構成された梁の特性、黒三角は時効処理済みＣｏＮｉ合金材（高耐久性を謳っている材料）で構成された梁の特性である。縦軸のOptical angleは測定光の全振れ角で例えばOptical angle ６０°の場合は測定光の振れ角は±３０°、偏向板の振れ角は±１５°となる。試験の結果、黒丸及び黒三角は破断に到った。一方白丸（テンションアニール材）の場合、Optical angle ７０°以上では破断に到ったが、Optical angle６５°以下の場合は揺動サイクル１億回を超えても破断に到るサンプルは無かった。Optical angle ６２°における白丸と黒丸のように、バネ材として好適なステンレスＳＵＳ３０４ＣＳＰ−Ｈであっても、テンションアニールの有無で破壊サイクルが２桁以上変わることが明らかになった。

【0081】

図１１（ｂ），（ｃ）は、偏向ミラー３ａの面積、梁の断面積、梁の長さを変化させたときの共振周波数のシミュレーションの結果が示されている。試作した可動ミラー（条件１：面積１２ｍｍ×１２ｍｍ、梁断面積０．０５ｍｍ^２、梁長４ｍｍ、実測共振周波数平均１８８．６Ｈｚ、及び条件２：面積１２ｍｍ×１２ｍｍ、梁断面積０．１６ｍｍ^２、梁長５ｍｍ、実測共振周波数平均４００．７Ｈｚ）でシミュレーションパラメータをフィッティングして、他の条件のシミュレーションを実施した。偏向ミラー及び梁の形状を変えることにより、共振周波数が変化して５０Ｈｚから１ＫＨｚ超で遥動可能であることが確認された。

【0082】

図１１（ｂ）は、条件１に基づくシミュレーション結果であり、梁の長さを４ｍｍに固定し、梁の断面積を変化させた場合の共振周波数の変化が示されている。図中、系列１は偏向ミラー２０ｍｍ×２０ｍｍ、系列２は偏向ミラー１６ｍｍ×１６ｍｍ、系列３は偏向ミラー１２ｍｍ×１２ｍｍ、系列４は可動ミラー８ｍｍ×８ｍｍである。

【0083】

図１１（ｃ）は、条件２に基づくシミュレーション結果であり、梁の長さを５ｍｍに固定し、梁の断面積を変化させた場合の共振周波数の変化が示されている。図中、系列１は偏向ミラー２０ｍｍ×２０ｍｍ、系列２は偏向ミラー１６ｍｍ×１６ｍｍ、系列３は偏向ミラー１２ｍｍ×１２ｍｍ、系列４は可動ミラー８ｍｍ×８ｍｍである。

【0084】

図７には、金属棒状部４ａの各端部に固定側パッド４ｂ及び可動側パッド４ｃが形成された金属弾性部材と、可動部３を構成する上下のガラス基板、ガラスエポキシ基板（例えば偏向ミラーとコイル基板）３ａ，３ｃ及びスペーサ３ｂの位置関係が示されている。

【0085】

上方のガラス基板３ａの底面には、軸心Ｐと直交する方向に第１溝部３０が形成されるとともに、軸心Ｐに沿う方向に一対の第２溝部３１，３１が形成されている。第１溝部３０の深さは可動側パッド４ｃの厚みより僅かに深く形成され、第２溝部３１，３１の深さは第１溝部３０の深さよりさらに深く形成されている。

【0086】

可動側パッド４ｃの位置決め用の孔部に第１溝部３０に形成された一対の位置決めピン３Ｐを挿通した状態で、第１溝部３０にスペーサ３ｂを挿入して、第１溝部３０の底面とスペーサ３ｂの上面との間で可動側パッド４ｃを挟むように接着する。さらに、当該一対の位置決めピン３Ｐが下方のガラスエポキシ基板に形成された一対の位置決め用の孔部に挿通するように位置決めして上下のガラス基板、ガラスエポキシ基板を接着する。

【0087】

スペーサ３ｂのうち、コイル基板３ｃに形成された電極パッドＥと金属弾性部材の可動側パッド４ｃとが対向する両端部には、両者を電気的に接続するために金属部材が配され、スペーサ３ｂは、それら一対の金属部材の間に絶縁部材を配置して構成されている。

【0088】

このように上方のガラス基板３ａに第１溝部３０及び第２溝部３１，３１を形成すると、金属棒状部４ａが上下のガラス基板３ａ，ガラスエポキシ基板３ｃと接触しない状態でその姿勢が保持されるようになり、金属棒状部４ａの捻り動作時にガラス基板３ａ，ガラスエポキシ基板３ｃと接触するような不都合が解消できる。しかも、上方のガラス基板３ａを偏向ミラーとして機能させ、その偏向面の面積を大きくする必要がある場合でも、このような構成を採用すれば、金属棒状部４ａの長さを短くする必要もない。

【0089】

図５（ａ），（ｂ）及び図７で説明した梁部４と可動部３との接続態様は一例であり、本願発明による梁部４と可動部３との接続態様がこのような構成に限定されるものではない。例えば、図５（ｃ）に示すように、可動側パッド４ｃが上下のガラス基板３ａ，ガラスエポキシ基板３ｃの縁部近傍に固定され、金属棒状部４ａが上下のガラス基板３ａ，ガラスエポキシ基板３ｃで覆われないように配置される場合であれば、上部ガラス基板３ａの縁部に可動側パッド４ｃを収容する凹部が形成されていればよく、スペーサを設ける必要は無い。

【0090】

また、図８及び図９に示すように、偏向ミラー３ａの偏向面が永久磁石５，６の高さよりも高くなるように、偏向ミラー３ａと可動側パッド４ｃとの間に、例えばポリカーボネート製のスペーサ部材３ｄ，３ｅを挿入してもよい。このように偏向ミラー３ａの偏向面を嵩上げすれば、偏向ミラー３ａの揺動時に、偏向ミラー３ａで偏向される測定光が永久磁石５，６の立ち上がり部で遮られる虞がなくなる。

【0091】

図１０には、上述した金属弾性部材とは異なる形状の金属弾性部材が示されている。金属棒状部４ａは、幅０．１ｍｍ、厚さ０．０５ｍｍ、長さ１．５０ｍｍに形成され、断面積が０．００５ｍｍ^２に形成されている。

【0092】

本発明による金属弾性部材を構成する金属棒状部４ａは、その断面積が１ｍｍ^２以下に形成されていればよく、その幅、厚さ、長さは適宜設定することができる。また、固定側パッド４ｂ及び可動側パッド４ｃの形状も特に制限されることなく、それが組み込まれる微小機械装置に合わせればよい。

【0093】

本発明による微小機械装置の用途は、走査型の測距装置に限らず、プロジェクタ等の光を走査する必要があるデバイスに適用できる。例えば、可動部３を構成する上方のガラス基板３ａに発光素子を組み付け、走査角度に応じて微小機械装置を走査方向と直交する方向に揺動させつつ、発光素子の発光状態を制御すればプロジェクタを実現できる。

【0094】

上述した実施形態では、一対の梁部４，４で支持される一つの可動部３を一つ備えた微小機械装置１を説明したが、一つの微小機械装置１に一対の梁部４，４で支持される一つの可動部３を複数組設けた構成を採用してもよい。

【0095】

上述した実施形態は、何れも本発明による金属弾性部材、微小機械装置及び微小機械装置の製造方法の一例を説明したものであり、該記載により本発明の技術的範囲が限定されるものではなく、また、各部の具体的構造や大きさ等は本発明による作用効果を奏する範囲において適宜変更設計できることはいうまでもない。

【0096】

次に上述した微小機械装置の可動部を揺動駆動する揺動制御装置及び揺動制御方法について説明する。尚、本発明による揺動制御装置及び揺動制御方法の適用対象は、本発明による微小機械装置に限定されるものではなく、特許文献１から４に記載されたような従来の微小機械装置に広く適用可能である。

【0097】

図１，図４及び図５（ａ）で説明したように、揺動制御装置によって制御される微小機械装置は、一対の梁部４，４で固定部２に支持された可動部３にコイルＣが形成されるとともに、固定部２に磁界形成部５，６，７が設けられ、コイルＣに流れる電流と磁界形成部５，６，７により形成される磁界によって発生する電磁力で可動部３が揺動するように構成されている。

【0098】

図１２には、測距装置として構成された微小機械装置に組み込まれた可動部３が示されている。可動部３の表面には、受発光部１００に備えた測定光源から光路Ｌｅに沿って照射された測定光を測定空間に向けて偏向走査し、その測定光の反射光を受発光部１００に備えた測定用受光部に向けて偏向する第１光偏向面が形成されている。

【0099】

可動部３の裏面、つまりコイル基板３ｃの裏面にも金またはアルミニウムが蒸着された第２光偏向面が形成されている。可動部３の裏面側に配置されたモニタ光源２００から照射されたモニタ光が光路Ｌｏに沿って第２光偏向面に導かれ、その反射光が同じく可動部３の裏面側に配置されたモニタ用受光部３００で検知される。

【0100】

モニタ光源と測定光を兼用して測定光をモニタ用受光部で検知する場合には、第１光偏向面で偏向反射される測定光の走査範囲にモニタ用受光部を設置する必要があり、偏向反射された測定光がモニタ用受光部で遮られることになり測定範囲が制限される。そこで、所定の測定範囲を確保するために可動部の振幅を大きくすると、梁部の歪が大きくなり寿命が短くなるという問題が生じる。しかし、可動部３の裏面にモニタ用の第２光偏向面を形成すると、測定光を測定空間に向けて偏向走査するという可動部の本来の機能を阻害することなく正確に振幅が検知でき、そのために可動部の振幅も必要最小限に留めることができ、梁部の寿命が短くなるようなこともない。

【0101】

受発光部１００からの測定光が静止状態の可動部３の第１光偏向面に対して４５°の入射角で入射し、モニタ光源２００からのモニタ光が可動部３の第２光偏向面に対して０°の入射角で入射するように、受発光部１００及びモニタ光源２００が可動部３に対して位置決めされている。モニタ光源２００としてレーザダイオードまたはＬＥＤが好適に用いられ、モニタ用受光部３００としてフォトダイオードやフォトトランジスタが用いられる。例えば、可動部３の揺動角度が±１１．２５°である場合には測定光及びモニタ光の走査角度範囲が±２２．５°、つまり４５°になる。

【0102】

モニタ光源２００及びモニタ用受光部３００は微小機械装置に組み込まれていてもよいし、微小機械装置に対して位置決めされた外部ケースに組み込まれていてもよい。図４に示すように、磁性体保持部７の底部には、モニタ光を第２偏向面に導く開口部７ａ及びその反射光をモニタ用受光部３００に導く開口部７ｂが形成されている。

【0103】

揺動制御装置３５０は、可動部３から導かれるモニタ光であって、可動部３の揺動に伴って角度が変化する光軸Ｌｏに沿ったモニタ光を、可動部３の揺動中心方向Ｄｓに対して揺動方向Ｄｍに偏った方向から検知するモニタ用受光部３００と、モニタ用受光部３００で検知されたモニタ光に基づいて、可動部３の１揺動周期を構成する長周期区間と短周期区間の二つの区間を検知する振幅検知回路３１０とを含む振幅検知部３２０と、振幅検知部３２０で検知された長周期区間と短周期区間の時間比が目標値になるように、コイルＣへの印加電流の電流値を維持しながら周波数を可変制御する振幅制御部３３０とを備えている。

【0104】

モニタ用受光部３００で検知されるモニタ光の検出周期は、可動部３の揺動周期と同じ周期となる。可動部３が揺動中心方向からモニタ用受光部３００側の第１揺動方向Ｄｍ１に揺動する場合には、最大揺動角度に向かって揺動する往動時と反対側の最大揺動角度に向かって揺動する復動時にモニタ用受光部でモニタ光が検知され、その後可動部３が揺動中心方向Ｄｓからモニタ用受光部３００とは反対側の第２揺動方向Ｄｍ２に揺動して、反対側の最大揺動角度からの復帰時にモニタ用受光部３００でモニタ光が検知される。

【0105】

振幅検知部３２０は、第１揺動方向Ｄｍ１から第２揺動方向Ｄｍ２にかけて揺動する場合に検知されるモニタ光の検知間隔を短周期区間と検知し、第２揺動方向から第１揺動方向にかけて揺動する場合に検知されるモニタ光の検知間隔を長周期区間と検知し、短周期区間と長周期区間の合計時間を可動部の１周期と検知する。具体的に、振幅検知部３２０は、モニタ光を所定の閾値で二値化するコンパレータと、コンパレータで検知された信号エッジをトリガーにして短周期区間と長周期区間の各時間をカウントするタイマー回路と、タイマー回路の値を記憶する記憶部等を備えている。

【0106】

図１３の上部には、可動部３が目標振幅Ａ（このとき、揺動角度は＋１１．２５°）となるときの振幅特性曲線（実線）と、目標振幅Ａよりも大きな振幅Ａ´（このとき、揺動角度は＋１１．２５°より大）となるときの振幅特性曲線（破線）と、目標振幅Ａよりも小さな振幅Ａ´´（このとき、揺動角度は＋１１．２５°より小）となるときの振幅特性曲線（一点鎖線）が示され、さらに、モニタ光がモニタ用受光部３００に向けて反射される揺動振幅ａが示されている。

【0107】

図１３の下部には、モニタ用受光部３００によりモニタ光が検知されるタイミングが示されている。理想的には、可動部３が目標振幅Ａで継続的に揺動されることが好ましいのであるが、環境温度の変動等に起因して可動部３を含む梁部４，４の共振周波数が変化すると振幅が目標振幅Ａからずれるようになる。共振周波数がコイルＣへの印加電流の周波数に近づくと可動部３の振幅が大きくなり、共振周波数がコイルＣへの印加電流の周波数から遠ざかると可動部３の振幅が小さくなる。

【0108】

可動部３が目標振幅Ａであるとき、振幅検知部３２０によって上述した短周期区間Ｔ１１と長周期区間Ｔ１２が検知され、短周期区間Ｔ１１と長周期区間Ｔ１２の合計時間Ｔ１が可動部３の１周期として検知される。

【0109】

可動部３が目標振幅Ａよりも大きな振幅Ａ´であるとき、振幅検知部３２０によって上述した短周期区間Ｔ２１と長周期区間Ｔ２２が検知され、短周期区間Ｔ２１と長周期区間Ｔ２２の合計時間Ｔ２（＝Ｔ１）が可動部３の１周期として検知される。

【0110】

同様に、可動部３が目標振幅Ａよりも小さな振幅Ａ´´であるとき、振幅検知部３２０によって上述した短周期区間Ｔ３１と長周期区間Ｔ３２が検知され、短周期区間Ｔ３１と長周期区間Ｔ３２の合計時間Ｔ３（＝Ｔ１）が可動部３の１周期として検知される。

【0111】

振幅制御部３３０は、振幅検知部３２０で検知された長周期区間と短周期区間の時間比が目標値（Ｔ１１／Ｔ１２）からずれると、当該時間比が目標値（Ｔ１１／Ｔ１２）になるように、コイルＣへの印加電流の電流値を一定に維持しながら周波数ｆを可変制御する。その結果、可動部３の振幅が目標となる振幅Ａに一定に維持されるようになる。具体的に、振幅制御部３３０は、長周期区間と短周期区間の時間比及び時間比の目標値との偏差を算出する演算回路と、偏差に基づいて印加電流の周波数の制御値を算出するＰＩＤ演算等で例示されるフィードバック演算部と、フィードバック演算部で算出された制御値に対応して印加電流の周波数を調整するＰＬＬ回路を備えた交流電源回路等を備えている。尚、コイルＣへの印加電流の電流値を一定に維持するとは、交流電流の実効値を一定に維持することを意味する。

【0112】

図１４（ａ）に示すように、揺動振幅が共にＡで揺動周波数がｆ１，ｆ２（ｆ１＜ｆ２）の可動部３に対して、振幅検知部３２０によって振幅αＡとなる位置でモニタ光が検知される場合を想定する。

【0113】

揺動周波数ｆ１の可動部３は、Ａ１（ｔ）＝Ａ ｓｉｎ ２πｆ１ｔで揺動し、揺動周波数ｆ２の可動部３は、Ａ２（ｔ）＝Ａ ｓｉｎ ２πｆ２ｔで揺動する。振幅がαＡとなる時間ｔ１１，ｔ１２，ｔ１３は、以下の式で求まる。
αＡ＝Ａ ｓｉｎ ２πｆ１ｔ
αＡ＝Ａ ｓｉｎ ２πｆ２ｔ
これから、
ｔ１１＝{１／（２πｆ１）}×ｓｉｎ^−１（α）
ｔ１２＝{１／（２πｆ１）}×{π−ｓｉｎ^−１（α）}
ｔ１３＝{１／（２πｆ１）}×{２π−ｓｉｎ^−１（α）}
と求まる。但し、０≦ｓｉｎ^−１（α）≦π／２である。
よって、
Ｔ１１＝ｔ１２−ｔ１１＝{１／（２πｆ１）}×{π−２ｓｉｎ^−１（α）}
Ｔ１２＝ｔ１３−ｔ１２＝{１／（２πｆ１）}×{π＋２ｓｉｎ^−１（α）}
Ｔ１１／Ｔ１２＝{π−２ｓｉｎ^−１（α）}／{π＋２ｓｉｎ^−１（α）}
となり、同様に、
Ｔ２１／Ｔ２２＝{π−２ｓｉｎ^−１（α）}／{π＋２ｓｉｎ^−１（α）}
となる。
つまり、振幅が同一であれば周波数が変わってもＴ１／Ｔ２（＝Ｔ１１／Ｔ１２＝Ｔ２１／Ｔ２２）は一定となり、逆にＴ１／Ｔ２が一定になるように周波数を調整すれば、振幅が一定に維持されるようになるのである。

【0114】

図１４（ｂ）に示すように、可動部３を含む梁部４，４の当初の共振周波数がＱｂである場合に、振幅制御部３３０は、初期にコイルＣへの印加電流を一定に維持しつつ、電流の周波数を共振周波数Ｑｂよりも十分に高い周波数ｆｍａｘから共振周波数Ｑｂよりも十分に低い周波数ｆｍｉｎに向けて連続的にまたはステップ的に変化させる。

【0115】

振幅制御部３３０は、その都度、振幅検知部３２０により検知された長周期区間と短周期区間の時間比が目標値になるか否かを判定し、時間比が所定の許容範囲に収束すると、その周波数（図１４（ｂ）ではｆｂと表記される周波数）に維持する。図１４（ｂ）では、可動部３の動作点が共振周波数Ｑｂの共振特性のＰｂ点で示されている。

【0116】

その後、共振周波数がＱｌに低下すると動作点が共振周波数Ｑｌの共振特性のＰｌ点に変化して振幅が小さくなり、共振周波数がＱｈに上昇すると共振周波数Ｑｈの共振特性のＰｈ点に変化して振幅が大きくなる。例えば、共振周波数がＱｈに上昇した場合には、振幅制御部３３０は、長周期区間と短周期区間の時間比が目標値になるように、コイルＣへの印加電流の周波数を共振周波数Ｑｈより高いｆｈ１または共振周波数Ｑｈより低いｆｈ２に調整する。その結果、可動部３は、共振周波数Ｑｈの共振特性のＰｈ１点またはＰｈ２点で動作するようになる。Ｐｈ１点またはＰｈ２点のうち、動作の安定性に差が見られる場合には、動作の安定性が高い方の動作点に調整すればよい。

【0117】

実際の試作においては、共振点の高周波側のほうが安定性が高かったため、常に周波数ｆｍａｘ側より走査して動作点を設定するようにした。従ってこの場合には、振幅が大きくなると周波数を上げ、振幅が小さくなると周波数を下げることで振幅を目標値に保つことができるようになり、図１４（ｂ）の場合はＰｈ１点に動作点が移ることになる。

【0118】

つまり、本発明による揺動制御方法は、可動部３から導かれるモニタ光であって、可動部３の揺動に伴って角度が変化する光軸に沿ったモニタ光を、可動部３の揺動中心方向Ｄｓに対して揺動方向Ｄｍに偏った方向から検知し、検知されたモニタ光に基づいて、可動部３の１揺動周期を構成する長周期区間Ｔ１２と短周期区間Ｔ１１の二つの区間を検知し、検知された長周期区間Ｔ１２と短周期区間Ｔ１１の時間比Ｔ１１／Ｔ１２（またはＴ１２／Ｔ１１）が目標値になるように、コイルＣへの印加電流の電流値を維持しながら周波数を可変制御するのである。

【0119】

図１３に示した各「受光タイミング」は、モニタ光源にレーザダイオードが用いられ、モニタ用受光部３００で検知されるモニタ光の信号がコンパレータで二値化され、その立ち上がりエッジが各受光タイミングとして振幅検知部３２０で検知された波形を例に説明したが、図１３の「参考受光タイミング」の実線で示すアナログ信号波形のように、モニタ光源にＬＥＤ等の比較的光芒が大きな光源を用いると、モニタ用受光部３００で検知されるモニタ光に対応する信号波形がなまって、例えば短周期区間でｔ３１，ｔ３２に対応する立ち上がりエッジを検知できない場合が生じる。このような場合には、二値化のための閾値を下げて、短周期区間の立ち上がりエッジｔ３１´と立ち下りエッジｔ３２´をｔ３１，ｔ３２に対応する値として代用することができる。アナログ信号の場合は、温度変化により発光効率や受光感度が変化するため、図１３の「参考受光タイミング」の破線のように電気的な受光信号レベルが変化する。アナログ信号波形で制御する場合は温度に応じて適宜短周期期間と長周期期間の比を変化させたり、二値化のための閾値を変えることで温度変化の影響を防ぐことができる。

【0120】

以下に、揺動制御装置３５０のさらに好ましい実施形態を説明する。
可動部３の揺動位相φを検知する揺動位相検知部と、揺動位相検知部で検知された揺動位相φに同期して測定光による測定時期を調整する同期信号出力部を備えていることが好ましい。

【0121】

測距装置は、受発光部１００に備えた測定光源から測定光の出射時期を基準に、その後検知された反射光との位相差または時間差に基づいて、測定光の反射位置（物体）までの距離を算出する測距演算部を備えている。例えば、ＴＯＦ方式を採用する測距演算部は、所定周期で測定光源を点灯制御して物体までの距離を算出し、そのときの距離と測定光の出射方向とから物体の座標を特定する。

【0122】

しかし、可動部３の周期と測定光の出射時期とがずれると、測距演算部で物体の座標が正確に求めることができなくなる。つまり、測定光を利用した測定周期（点灯周期）を一定に維持した状態で、可動部の振幅を一定に制御するために可動部の揺動周期が変化すると測定方向が変化して、本来必要な測定方向に対応する測定値が得られなくなる虞があるのである。また、揺動周期内で必要な測定値の数の増減が発生する虞もある。そのような場合であっても、測距演算部が同期信号出力部から出力される揺動位相に同期した同期信号に基づいて測定光による測定時期を調整することが可能となり、可動部の揺動周期が変化しても本来必要な測定方向に対応する測定値を確実に得ることができるようになる。

【0123】

図１４（ａ）に示すように、例えば、振幅検知部３２０で検知された長周期区間Ｔ１２と短周期区間Ｔ１１の各区間の１／２となる時期に振幅が最大となる。揺動位相検知部は、振幅検知部３２０で検知された長周期区間Ｔ１２及び／または短周期区間Ｔ１１の各開始時期から時間をカウントすることで各区間の１／２となる時間を検知することができる。すなわち短周期区間Ｔ１１の1／２となる時間が位相π／２となる時間として、また長周期区間Ｔ１２の１／２となる時間が位相３π／２となる時間として検知できる。また位相π／２となる時間より（１／４）×Ｔ１時間遡った時間が位相０となる時間と検知できる。

【0124】

同期信号出力部は、揺動位相検知部で検知された可動部３の揺動位相に基づいて、所定の揺動位相に応じた同期信号を測距演算部に出力することで、可動部３の揺動周期が変動しても、常に所定の揺動位相に対応して測距のための測定光を点灯させて測距演算を行なうことができるようになる。

【0125】

図１５（ａ）に示すように、周波数ｆ１で揺動している可動部３が揺動角Ａｎの方向で測距する必要がある場合の位相をφｎとすると、
Ａｎ＝Ａ×ｓｉｎ（φｎ）
を満たす位相角で測距すればよい。周波数ｆ１の場合、その時間ｔ１ｎは、
ｔ１ｎ＝（φｎ／２π）×Ｔ１
となり、この時間に測距すればよい。

【0126】

共振周波数が変動して周波数ｆ２で揺動するようになった場合、そのままｔ１ｎで測距すると測定光は揺動角Ａｎ´の方向となり、意図した方向での測距ができなくなる。この場合も測距すべき位相φｎは同一であるので周波数ｆ２の場合の測定時間ｔ２ｎは
ｔ２ｎ＝（φｎ／２π）×Ｔ２
で求められる。

【0127】

このように位相検知部３２０で検知された位相０の時間と一周期の時間に基づき、周波数ｆ１の場合の位相φｎに対応した時間ｔ１ｎを算出して同期信号を出力することが可能となる。そして周波数がｆ２に変動した場合も位相φｎに対応した時間ｔ２ｎに同期信号を出力することで所定の位相φｎ、揺動角Ａｎで測距することができる。すなわち振幅制御部３３０によって周波数ｆ２に制御されると可動部３の振れ角がＡｎ´に変動するが、このとき同期信号出力部によって可動部３が位相φｎとなる時期ｔ２ｎに同期信号が出力されると、測距演算部は可動部３の振れ角がＡｎとなる時期ｔ２ｎに測定光を点灯させることができるようになる。

【0128】

ここで図１５（ａ）は、振れ角方向または走査方向に対して等間隔で発光制御する場合の測距タイミングを示す図、図１５（ｂ）は位相方向または時間軸上で等間隔に発光制御する場合の測距タイミングを示す図である。どの位相または時間で発光制御するかは用途に応じて適宜定めるものであって、この事例に限定されない。またその発光タイミングは発光すべき位相情報あるいはそれに対応した情報として制御装置内部の記憶装置に予め設定しておいても良く、また外部の制御装置等から入力されてもよい。

【0129】

また、可動部３の揺動位相を検知する揺動位相検知部と、測定光による測定時期に同期して揺動位相検知部で検知された揺動位相を出力する位相信号出力部を備えていれば、位相信号出力部から出力される位相信号によって、測定光による測定時期に同期した可動部の揺動位相が把握できるので、正確に測定値に対応する方向が特定できるようになる。

【0130】

また、本微小機械装置を垂直方向の光走査機構として、他の水平方向の駆動装置と組み合わせて２次元の光走査を行う場合、検出精度を一定に保つ必要があるときには、２つの走査機構の位相を同期して走査するように制御する必要がある。このような場合にも位相信号出力部を備えていれば、その位相信号を用いて水平方向の駆動装置の位相を容易に制御できるようになる。ここで位相信号とは、位相ゼロ時を示す同期信号や一周期の時間情報など、位相に係わる信号であれば適宜選択が可能である。

【0131】

上述の同期信号出力部と位相信号出力部の双方を揺動制御装置３５０に備え、何れを機能させるかを切替える切替部（例えば、切替スイッチ）を備えてもよい。

【0132】

上述した揺動制御装置３５０の各機能ブロックを構成する具体的な回路は、特に限定されることはなく、公知のアナログ信号回路、デジタル信号回路、ゲートアレイ、マイクロコンピュータ等を用いて適宜構成することができる。

【符号の説明】

【0133】

１：微小機械装置
２：固定部
３：可動部
４：梁部
５，６：永久磁石
７：磁性体保持部
８：上部カバー体

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】

【図8】

【図9】

【図10】

【図11】

【図12】

【図13】

【図14】

【図15】