JP2001519726A - 微細加工捩り振動子の動的特性の調整 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 ビームスキャナー、ジャイロ等に用いられる改良された微細加工構造物は、基準部材（１５４，５４）と、この部材から突出する軸方向に並んだ第一の対の捩りバー（１５６、５６）を具備する。捩りバー（１５６、５６）により基準部材（１５４、５４）に連結され、この側より支持される第一のダイナミック部材（１５４、５４）は捩りバーの軸の周りに一次元振動する。二次元振動のためには、軸方向に一直線に並んだ第二の対の捩りバー（５６）により第二のダイナミック部材（５２）を第一のダイナミック部材（５４）側から支持すれば良い。ダイナミック部材（５４、５２）は、複数の振動モードをそれぞれ示し、各モードは振動数とＱ値を有する。本発明の改良により、ダイナミック部材の振動数とＱ値の特性を変更する手段が設けられる。ダイナミック部材（５４、５２）の間を連結すると、第一のダイナミック部材に適用される技術により第二のダイナミック部材の振動数とＱ値を変更することができる。振動振幅を増大する技術、或いは駆動電圧を低下させる技術、またこの構造物の機械的堅牢度を高める技術も開示される。

Description

【発明の詳細な説明】 微細加工捩り振動子の動作特性の調整 技術分野 本発明は一般に微細加工構造物、特に径の反対側にあって対向する捩り棒（ト ーションバー、以下捩りバー）で第一のフレームが板又は第二のフレームに連結 され、この板又は第二のフレームが第一のフレームに対して捩りバーの軸線の周 りを回転するように構成される微細加工構造物に関する。背景技術 径の反対側にあって対向する捩りバーにより第一のフレームが板又は第二のフ レームに連結され、この板又は第二のフレームが第一のフレームに対して捩りバ ーの周りを回転するように構成される微細加工構造物は、種々の異なる目的に有 用である。かかる微細加工構造体の実用的用途には、光学ビーム走査装置（スキ ャナー）、ジャイロスコープ、流量計、及びプロフィルメーター（側面計）及び ／又は原子力顕微鏡（ＡＦＭ）ヘッド等が有る。 １９９７年５月１３日発行の「微細加工捩りスキャナー」と題する米国特許第 ５６２９７９０号（以下、捩りスキャナー特許と云う）には、光学ビーム走査又 はビーム偏向に用い得る捩りマイクロスキャナーが詳細に記載されている。同様 の構造体は、１９９６年２月６日発行の「一体化センサを備えるモノリシックシ リコンレートジャイロ」と題する米国特許第５４８８８６３号（以下、レートジ ャイロ特許と云う）にも記載されている。引用により本明細書に挿入される捩り スキャナー特許とレートジャイロ特許には、光学的に平らな面を生じる、応力の 残留していない板の製造と、高品質捩り振動子を提供する計測学的グレードの捩 りヒンジが記載されている。 捩りスキャナー特許及びレートジャイロ特許にはまた、捩りセンサを捩りヒン ジに組み込むこと、そしてかかる捩りセンサを用いてこれ等の素子、装置をその 固有機械的共振振動数で自励振動させることも記載されている。多くの応用にお いて、この機械的共振振動数は基準振動数を提供し、これより捩り振動子を用い るシステムの他のタイミングパラメタが得られる。捩り振動子のパラメタを適宜 選択し、次いで光リソグラフィック製造にかかるパラメタを制御することにより 、共振振動数をしばしば選択振動数の分数の範囲で制御することができる。多く の用途に対して、この程度の振動数制御及び選択が適当である。 しかしながら、ディスプレー装置のような用途によっては、捩り振動子の共振 振動数を所定の外部振動数に正確にマッチさせることが必要になる。例えば、走 査ミラーをディスプレー装置に用いることができるが、このとき外部特定ラスタ ー周波数に走査ミラーを正確に同期させる必要がある。ディスプレーに使用が企 られる振動子の多くは極めて高いＱ値をもつから、共振振動数が特定された捩り 振動子を高い歩留まりで大量生産することは不可能かも知れない。同様に、用途 によっては、微細加工捩り振動子の示すＱ値が高過ぎることがある。同様に、デ ィスプレーや画像用微細加工捩りスキャナーを広範な実用に供するためには、ス キャナー自体が機械的に堅牢である、即ち衝撃を受けても容易に壊れないことが 必要である。発明の開示 本発明の一目的は、共振振動数が調整できる微細加工捩り振動子を提供するこ とにある。 本発明の他の目的は、Ｑ値が調整できる微細加工捩り振動子を提供することに ある。 本発明の更に他の目的は、微細加工捩り振動子の堅牢度を増大することにある 。 簡単に云うと、本発明は光ビームスキャナー、ジャイロスコープ、流量計及び プロフィルメーター及び／又は原子力顕微鏡（ＡＦＭ）ヘッド等で用いられる改 良された一体化微細加工構造物である。この改良された構造体は、フレーム形状 の基準部材と、径の反対側にあって対向し、軸方向に一直線に並んで、該基準部 材から突出する第一の対の捩りバー（トーションバー）を備える。改良された構 造体はまた第一のダイナミック部材を備え、捩りバーがこれに連結し、これを基 準部材側より支持する。捩りバーは第一のダイナミック部材を、捩りバーと同一 直線上にある軸の周りに回転自在に支持する。基準部材と捩りバーとダイナミッ ク部材は皆、シリコン基体の応力の残留していない半導体の層から製造される。 このように捩りバーにより基準部材内に支持されるダイナミック部材は、捩りバ ーと同一直線上にある軸の周りの主捩り振動モード、垂直震とう（シェーキング ）振動モード、垂直揺動（ロッキング）振動モード、横向き震とう振動モード、 及び横向き揺動振動モードを含む複数の振動モードを示す。ダイナミック部材の 振動モードの各々は、振動振動数とＱ値を含む特性を有する。この改良された微 細加工構造体は、捩りバーと同一直線上にある軸の周りを中心とする振動運動を ダイナミック部材に付与する第一の駆動手段を備える。 この改良された微細加工構造体はまた、ダイナミック部材の主捩り振動モード の特性とＱ値を変更する手段を備える。ダイナミック部材の主捩り振動モードの 特性とＱ値を変更する手段により、特定の用途に対して必要とされる共振振動数 の正確な同調と、ダイナミック部材のＱ値の維持、減少又は増大を可能にする。 共振振動数を同調する技術には、捩りバーに対する熱の付与、レーザーによるダ イナミック部材及び／又は捩りバーからの材料の除去又はエッチング、記憶合金 による捩りバー内の応力発生等が含まれる。 本発明による改良された微細加工構造体は、直径に対して反対側にあり、軸方 向に配向された捩りバーの第二の対により第一のダイナミック部材から支持され る第二のダイナミック部材を設けることにより二次元振動するようにしても良い 。かかる二次元振動構造体は、その共振振動数で振動する内部ダイナミック部材 と、 同期化外部ダイナミック部材とを備える。かかる二次元振動構造体においては、 第一のダイナミック部材の特性を変更することにより、第二のダイナミック部材 の共振振動数（殆どの用途で決定的特性となる）を変更することができる。基本 的に、これ等二つのダイナミック部材は互いに連結され、一組の連結共振器とし て動作する。従って、第二のダイナミック部材の主捩り振動モードの共振振動数 は、第一のダイナミック部材の共振振動数とＱ値等の第一のダイナミック部材の 特性により僅かに影響される。連結同調と呼ばれるこの同調技術は、多くの利点 をもたらす。例えば、ダイナミック部材の共振振動数を静電的に同調すると、通 常極めて好ましい。共振振動数を直接静電同調すると、振動の振幅が変わってし まい、不都合である。しかしながら、第一のダイナミック部材の共振振動数を静 電的に同調することにより、振動の振幅に動的に影響を及ぼすことなく、第二の ダイナミック部材の共振振動数を変更することができる。 ダイナミック部材のＱ値を制御する（例えば、応答が殆ど臨界的に減衰するま でダイナミック部材のＱ値を低下する）技術も説明され、これは二次元振動構造 の第一のダイナミック部材に対して特に望ましい。第一のダイナミック部材のＱ 値を低くするのは用途によっては望ましいが、第二のダイナミック部材のＱ値を できるだけ高くするのが一般に望ましい。第二のダイナミック部材のＱ値を維持 する技術には、第二のダイナミック部材からエネルギーを吸収する第一のダイナ ミック部材の振動モードを固定するものや、第一のダイナミック部材を成形して そのＱ値を維持、場合によっては増大するものがある。開示される技術の或もの は振動振幅を増大するか、特定の振動振幅に対して必要となる駆動電圧を低下し たり、また改良された微細加工構造体の機械的堅牢度をも増大するものである。 本発明のこれ等及び他の特徴、目的及び利点は、種々の図面図に示されたよう な優先実施例の以下の詳細な記載から当業者に理解、又は明らかになろう。図面の簡単な説明 図１は、捩りスキャナー特許に開示された型の捩り振動子を示す一部断面立面 図、 図２は、この捩り振動子の周囲の周りに囲繞フレームとタブを製作する方法を 示す平面図で、この製作中に捩り振動子がレーザー切削により加工されて振動子 共振振動数を同調するもの、 図３は、この捩り振動子の共振振動数を低下する、捩りヒンジの一方又は両者 上に位置付けられる抵抗加熱器を示す平面図、 図４は、この捩り振動子の共振振動数を低下する、捩りヒンジの一方又は両者 内に拡散される抵抗ヒーターを示す平面図、 図５は、この捩り振動子の共振振動数を変更する、捩りヒンジの一方又は両者 に付与されるバイメタル構造体を示す平面図、 図６ａは、記憶合金の相転移図であり、かかる材料により示されるヒステレシ ス曲線（ループ）を示し、 図６ｂは、この捩りは振動子の共振振動数を低下する、捩りヒンジの一方又は 両方に付与される記憶合金構造体を示す平面図、 図７は、剛性を制御する、捩りヒンジの一方又は両方に付与されるバイフィラ ー(bifillar)又はトリフィラー(trifillar)構造体を示す平面図、 図８は、捩り振動子ヒンジ内の応力を変更する圧電アクチュエータの用途を示 す平面図、 図９は、内部捩り振動子に用い、内部捩り振動子を囲繞して支持するフレーム 形状の捩り振動子の磁気的、副共振周波数ドライブを有する共振周波数ドライブ を用いる一般的な二軸、即ち二次元捩りスキャナーを示す平面図、 図１０及び図１１は、図９に図示されたような一対の連結された捩り振動子の 特性を示す振動数応答図、 図１２は、二次元捩りスキャナーの外部フレームの共振振動数と静電的に同調 して内部捩り振動子の共振振動数を変更する構造体を示す平面図、 図１３は、一軸、一次元捩り振動子の共振振動数を調整するために支持フレー ムの共振振動数の静電同調を用いる方法を示す平面図、 図１４ａは、外部フレームを支持する捩りヒンジに材料層をリソグラフィック 被覆することにより、外部捩り振動子のＱ値を低下させる方法を示す平面図及び 立面図、 図１４ｂは、外部フレームを支持する捩りヒンジに他の被覆を施して、捩り振 動子のＱ値を低下させる方法を示す平面図及び立面図、 図１５ａ〜１５ｃは、機械的ピボットに外部フレームを接触させることにより 、捩り振動子のＱ値を低下させる方法を示す平面及び立面図、 図１６は、一般的二次元スキャナーの外部フレームに素材を付加して外部フレ ームの揺動振動モードの共振振動数を低下させ、それにより内部捩り振動子と外 部捩り振動子の間の連結を少なくし、内部捩り振動子のＱ値を良くすると共に、 外部捩り振動子の動作パラメタに殆ど影響を及ぼさない方法を示す、図９と同様 の平面図、 図１７は、外部フレームをピボットに接触させることにより、外部捩り振動子 の共振振動数を低下させ、それにより内部捩り振動子のＱ値をその理論的最大値 近くまで回復させ、捩りヒンジを衝撃に対して強化させる方法を示す立面図、 図１８ａ及び１８ｂは、異なるＱ値と印加駆動電圧に対する異なる応答を示す 捩り振動子の代替的断面形状を示す立面図である。発明を実施する最良の様式 図１に、捩りスキャナー特許に開示された型の第一のダイナミック部材捩り振 動子５２を示す。捩り振動子５２は、取り囲む基準部材、即ちフレーム５４側よ り一対の捩りバー５６（図１の図示では１個のみが見える）によって支持されて いる。捩りバー５６は、捩り振動子５２の対向辺からそれぞれ外側に突出して捩 り振動子５２を、捩り振動子５２の主捩り振動モードで、捩りバー５６と同一直 線上にある軸の周りに回転自在に支持する。捩り振動子５２と捩りバー５６は、 捩り振動子５２の主捩り振動モードの振動振動数が捩り振動子５２の他のどの振 動モードの振動振動数より少なくとも２０％は低くなるように設計される。図１ に特に示されているのは、捩り振動子５２を光学ビームスキャナーに用いた場合 で、図１中矢印で示された光ビーム５８が光学的に透明な窓６２を通って捩り振 動子５２の反射前面６４に当たるようになっている。レートジャイロ特許及び捩 りスキャナー特許に記載されているように、また図１に示されているように、捩 り振動子５２に直隣接する面に一対の駆動電極６８が形成された板６６にフレー ム５４を固定することができる。 捩り振動子５２とフレーム５４と捩りバー５６は、特に捩り振動子５２が極め て薄くなければならない場合、ＳＯＩ材料の層７２に形成するのが好ましい。か かる製造手法により、応力の残留しない捩りバー５６と捩り振動子５２が作られ 、また捩りスキャナー特許に詳細に記載されている捩り振動子５２の種々の振動 モードに対して予測精度の極めて高い共振振動数が得られる。捩り振動子５２の 通常の動作モードでは、主捩り振動モードの共振振動数は捩り振動子５６の慣性 と、捩りバー５６の捩りバネ常数により決定される。捩りバー５６の捩りバネ常 数は、捩りバーの長さ、幅及び厚さと、シリコンの捩り弾性率により決定される 。 多くの用途に対して、捩り振動子５２を主捩り振動モードの共振振動数で動作 し、こうして最小の駆動電圧（静電的撓みに対して）又は電流（磁気的撓みに対 して）で相当な角度変位を得るのが極めて望ましい。殆どの用途に対して、主捩 り振動モードの厳密な共振振動数は重要ではない。かかる場合、主捩り振動モー ドの共振振動数での動作は、捩りスキャナー特許及びレートジャイロ特許に記載 された型の捩りバー５６の一方に捩りセンサを設けた駆動電子回路内のフィード バック・ループを用いてこれを達成でき、好都合である。 しかしながら、他の用途では、主捩り振動モードの共振振動数は外部基準周波 数に密接にマッチする必要がある。正確な外部周波数にロックした、かかる同調 捩り振動子は、外部クロック周波数又はラスター周波数に同期を要するディスプ レー装置に用いることができ、有利である。捩り振動子５２、特に共振振動数の 高い捩りバー５６のＱ値は、極めて高く（５００以上）ても良い。かかる場合に は、外部駆動周波数と主捩り振動モードの固有共振振動数を極めて良好にマッチ させて、捩り振動子５２を外部基準周波数（振動数）で励起することを要する。 主捩り振動モードの共振振動数を、外部基準振動数をもつ捩り振動子にマッチさ せるのは、Ｑ値が極めて高い共振器では、製造工程を起因として生ずる公差や変 動、例えば捩り振動子５２の厚みの変動、捩りバー５６の厚みと幅の変動のため 、極めて難しい。受動型機械的同調 斯くして、捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振振動数が外部基準振動数 に厳密にマッチする必要のある用途に対しては、何らかの形式の共振振動数及び ／又はＱ値の同調が好ましいものとなる。共振振動数を変更する一技術は、捩り 振動子５２から少量の材料を除去することである。例えば、エキシマレーザーを 用いて、捩り振動子５２の面、特に捩り振動子５２の前面６４と反対側の面から 材料を除去する。かかるレーザー切除（削摩）中に、捩り振動子５２を反応ガス に曝して切除工程の速めることができる。この手法を例示する図２に示されてい るように、前面６４と反対側の捩り振動子５２の面に、前面６４から外側に突出 し、捩り振動子５２の残りの、より薄い中央部を取り囲む枠組縁部７６が形成さ れる。（ジャイロ等の用途によっては、捩り振動子５２は単純に枠組縁部から成 るようにしても良い。） レーザー除去技術を捩り振動子５２の共振振動数の調整に用いるため、捩りス キャナー特許及びレートジャイロ特許に記載された型のシリコン微細加工技術を 用いて予備製作された捩り振動子５２の理論的共振振動数を、外部基準振動数よ り僅かに低く設定する。そうして、反射前面６４が切除屑で損傷されないように 、空洞８２により示されているような、枠組縁部７６の背面から材料が優先的に 除去される。切除処理中、捩り振動子５２が外部基準振動数で駆動され、その振 動振幅が観測される。枠組み縁部７６から素材が除去され、主捩り振動モードの 共振振動数が外部基準振動数に向かって同調して行くに従い、捩り振動子５２の 振動振幅は増大する。一般に、素材は捩りバー５６の軸線に関して対称的に除去 される。ジャイロの場合には、材料は捩りバー５６に関して対称的に切除され捩 り振動子５２のバランスを維持するようにする。より精密な同調は、捩りバー５ ６により設定される回転軸により近い枠組縁部７６から素材を除去することによ り、これを行うことができる。同調は、振動振幅が外部基準振動数の最大値に達 するまで継続する。 シリコン微細加工技術を用いて捩り振動子５２を初期製作することにより、図 ２に図示の捩り振動子５２の４面の何れかの周りにタブ８６を形成しても良い。 初期同調段で主捩り振動モードの共振振動数が調整される間、タブ８６の一つ又 は複数をレーザーエッチングし、或いは機械的にも解離することができる。タブ ８６は好ましくは、捩りバー５６と同じ厚さで形成され、主捩り振動モードの共 振周波数に所定の減少（二進スケールで）が生じるように、タブ８６の面積と位 置が定められる。或いは、捩りバー５６自体にレーザー切除を適用し、捩りバー ５６の一方又は両方にノッチ８８をを形成する等して所望の同調を行うこともで きる。 主捩り振動モードの共振振動数の受動型同調を行う他の方法は、捩りバー５６ の少なくとも一方にTi-Ni(Nitinol)等の記憶合金膜（被膜、被膜、フィルム）を 被覆することである。図６ａのNitinolの相転移図に示されているように、記憶 合金膜の部分を熱処理により異なる金属学的相に変換することができる。 図６ａの線１１２に沿って高温から低温に冷却すると、Nitinolは１１ｐｐｍ ／℃の収縮係数を示す。この状態図の線１１２に沿っては、Nitinolはより硬質 のオーステナイト相として存在する。温度Ｔ２（約８０℃）に達すると、Nitino lの硬質オーステナイト相をより軟質のマルテンサイト相に変換する相変化が始 まる。線１１４に沿う温度Ｔ２でNitinolが冷却される間にマルテンサイト相に 変換されることにより、Nitinolは有意に、即ちその長さの０．５％まで膨張す る。オーステナイト相からマルテンサイト型に相転移する間のNitinolの線形膨 張は、相変化が生じなかった場合の殆ど２００℃を越える温度での材料の膨張と 同等の２０００程度まで大きくても良い。Nitinolがマルテンサイト相へのその 転移を完了した後、図６ａ内の線１１６に沿ってＴ２温度下に更に冷却すると、 Nitinolは６ｐｐｍ／℃のマルテンサイト収縮（膨張）係数を示す。Nitinolのマ ルテンサイト相の弾性係数はオーステナイト相の弾性係数より２〜３倍低く、マ ルテンサイト相の降伏強度はオーステナイト相より３〜５倍少ない。 マルテンサイト転移温度Ｔ２下から線１１２に沿ってNitinolを加熱すると、 材料は温度Ｔ１（約９０℃）まで膨張する。線１１８に沿う温度Ｔ１で加熱する と、Nitinolの軟質マルテンサイト位相材料は硬質オーステナイト相への相転移 を開始する。温度Ｔ１で加熱中にオーステナイト相に転移すると、Nitinolは有 意に、即ちその長さの０．５％まで収縮する。Nitinol相変化サイクル中の温度 ヒステレシスは約１０〜２０℃であるが、もっと大きくても良い。 Nitinolの伸長や収縮を有利に用いて、同調される捩りバー５６に圧縮又は引 っ張り応力を付与することができる。Ti-Ni膜を蒸着又はスパッターリングによ り付着させた後、温度４００〜４５０℃でこれを焼鈍して硬質オーステナイト相 を生じせしめる。温度Ｔ２下のマルテンサイト（軟質）相に冷却すると、焼鈍中 生じた応力の殆どが放出される。図６ａに図示されたような、捩りバー５６の長 さに沿った温度分布で、記憶合金膜１２２が付着された捩りバー５６を慎重に加 熱することにより、Ｔ１より高い温度に加熱された捩りバー５６上の記憶合金皮 膜１２２の部分がオーステナイト相に再び転移される。上記のように、Nitinol 記憶合金をマルテンサイト相からオーステナイト相に変換すると、記憶合金皮膜 １２２の変換部に相当の収縮が生じる。このようにして、オーステナイト相に再 変換される捩りバー５６上の記憶合金皮膜の量を制御することにより、捩りバー ５６に付与される応力を制御することができる。 或いはまた、図７に示されているように、支持無しに立設されたTi-Niから成 る帯１３２を捩りバー５６の一方又は両側に沿って、捩りバー５６と平行に形成 しても良い。捩り振動子５２を支持する捩りバー５６はここでは実質的にトリフ ィラー（単一の帯１３２に対してはバイフィラー）になっている。上記のように 記憶合金皮膜１３２内の張力の大きさを制御することにより、捩り振動子５２の 主捩り振動モードを異なる振動数に同調させることができる。帯１３２は薄いの で、金属応力と疲労は無視できる。 上記の機械的同調技術は受動型同調を提供するが、捩り振動子５２の動作中に 生じる主捩り振動モードの共振振動数の変化を補償することはできない。能動型熱的同調 種々の方法で熱を捩りバー５６に加えることにより主捩り振動モードの共振振 動数を能動的に同調させ、追跡することもできることが実験的に観測されている 。一般に、加熱は公称固定フレーム５４間で捩りバー５６を膨張させるから、捩 りバー５４に圧縮応力が加わることになる。圧縮応力が加わると、捩るバー５６ は捩りにおいてより柔軟になる。捩り振動子５２の回転中に、捩りバー５６の構 成成分であるファイバーの伸びを減少するからである。更に、熱の印加は捩りバ ー５６を構成するシリコンの弾性率を低下する。従って、熱の印加により捩り振 動 子５２の主捩り振動モードの共振振動数が一般に低下する。 捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振振動数の同調は次いで、以下のよう に行われる。捩りスキャナー特許及びレートジャイロ特許に記載されているよう なシリコン微細加工技術を用いて初期製作された捩り振動子５２の理論的共振振 動数を、室温に置かれる捩りバー５６に対する外部基準振動数より僅かに上回る ように設定する。次いで、捩り振動子５２は外部基準振動数で駆動され、その振 動振幅が観測される。次いで、固定駆動電圧又は電流に対する最大値に振幅が達 するまで、熱が捩りバー５６に加えられ、その温度を１００℃程度まで高く上昇 させる。熱は一方のヒンジ又は両方のヒンジに加えられ、所望程度の振動数マッ チングを得ることができる。熱干渉を最小にするため、熱は好ましくは捩りバー ５６の一方にのみ加えられ、捩りセンサを捩りスキャナー特許及びレートジャイ ロ特許に記載されているように、他の捩りバー５６に位置付ける。 捩りバー５６に熱を種々の方法で加えることができる。例えば、図３に図示の ように、電気接点３４を有する小さい金属ヒーター９２を捩りバー５６の一方の 面に取り付けるようにしても良い。ヒーター９２はニクロムで成って良く、好ま しくは捩り振動子５２とフレーム５４の間の中間に位置付けられる。或いはまた 、そして好ましくは、図４に示されているように、捩りバー５６とフレーム５４ を形成するシリコンの面に、電気接点９８を有する抵抗体９６が拡散される。シ リコンに拡散された抵抗体９６は捩りバー５６に沿って金属を要さず、それによ りヒーター９２では起こり得る金属疲労の可能性を回避する。シリコンのドーピ ングは、捩りバー５６の中央付近で大部分の電力消散が生ずるように行う。要す れば、ヒータ−９２又は抵抗体９６の何れかに接続するリード（導電線）が捩り バー５６の一方を交差し、捩り振動子５２上の適当な金属導体によりヒーター９ ２又は抵抗体９６に連結されて電力消散を低下し、次いで他の捩りバー５６を介 してヒーター９２又は抵抗体９６を離れるようにする。かかる場合には、捩りバ ー ５６の一方に位置付けられる捩りセンサは、捩り振動子５２の角度偏向の精密測 定にその出力が用いられるべきときには、温度補償されなければならない。 能動型同調はまた、熱的に起動するバイメタル構造体（シリコン上のNi又はTi 、TiNi又は他の金属のような）によりこれを提供することができる。かかる構造 体は、金属と捩りバー５６を形成する下層のシリコンとの間で熱膨張が異なるた め、対応する捩りバー５６に応力を付与する。図５に記載されているように、Ti 、Niから形成され、有効な動作のため通常厚みが数ミクロンの第一のリード１０ ２がシリコン捩りバー５６上に位置付けられる。捩りバー５６の下層シリコンに 第二のリード１０４が拡散されて電気抵抗の大部分を提供する。第一のリード１ ０２と第二のリード１０４は接点１０６で互いに接続される。バイメタルの第一 のリード１０２を加熱すると、その熱膨張係数は捩りバー５６を形成するシリコ ンの熱膨張係数と異なるので、捩りバー５６を形成するシリコン内に引っ張り応 力を生成する。 再び図７を参照して、そこに図示されている捩り振動子５２の主捩り振動モー ドの同調のための構造体をも通常の金属帯１３２と共に用いることができる。捩 り振動子５２の動作中に帯１３２を電気的に加熱すると、帯１３２の長さが変わ る。金属帯１３２は支え無しに立設されているので、加熱に要する電力量は少な く、捩りスキャナー特許及びレートジャイロ特許に開示された捩りセンサを今備 えても良いシリコン捩りバー５６は加熱されない。電気接点１３４を通して加え られる電流で金属帯１３２を加熱すると、帯１３２内の張力は低下し、捩りバー ５６の有効捩り定数も対応して低下する。金属帯１３２はその製造に用いられる 材料によらず、要すればシリコンの薄いエッチ生成リボンにより支持されるよう にしても良い。能動的型圧電同調 図８は、捩り振動子５２の主捩り振動モードの能動的圧電同調を行う構造を示 す。上記のように、捩り振動子５２とフレーム５４の間を延びる捩りバー５６に より捩り振動子５２は支持されている。能動的圧電同調のため、止め金具１４６ 間で機械的に支持されたアンビル１４２と圧電又は磁歪アクチュエータ１４４と の間にフレーム５４が配置される。アンビル１４２、アクチュエータ１４４及び 止め金具１４６は、好ましくは捩りバー５６と同一直線上に配置される。アクチ ュエータ１４４をフレーム５４に取付けて、フレーム５４上で押す又は引くよう にしている。電圧を圧電又は磁歪アクチュエータ１４４に印加すると、捩りバー ５６内の応力が変化し、それにより捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振振 動数が変化する。電圧をアクチュエータ１４４に印加することにより捩りバー５ ６内の応力を変更することに加えて、要すれば図８に図示の構造体に機械的プレ ストレスを加えるようにしても良い。 同様に、例えばZnO又はCdSから成る圧電皮膜１４８を捩りバー５６の少なくと も一方に加えるようにしても良い。電圧を皮膜１４８に印加することにより、捩 りバー５６内の応力が変化し、それにより捩り振動子５２の主振動モードの共振 振動数が変化する。能動的静電式周波数同調 捩り共振器の静電的同調は文献に記載されている。ＤＣ静電バイアスを捩り共 振器に印加すると、そのバネ常数が事実上低下し、従ってその共振振動数が低く なる。しかしながら、共振振動数が著しく高い場合には、静電同調が捩り振動子 ５２に直接適用されても、僅かな振動数同調が実現されるに過ぎない。かかる装 置に対しては、機械的バネ常数が高く、捩り振動子５２が微小であることから、 得られる同調は僅かである。従って、捩り振動子５２に直接加えられる静電力は 小さい。しかしながら、もつと重要なことは、ＤＣ静電バイアスの振幅効果であ る。大きなＤＣ静電バイアスが捩り振動子５２に印加されると、これは振動振幅 に影響を及ぼし、捩り振動子５２の同時振幅及び振動数制御を妨げる。 だが、図９に図示の、フレーム５４自体が捩り振動子である二次元捩り振動子 ５２では、捩り振動子５２を支持するフレーム５４の主捩り振動モードの共振振 動数が変えると、捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振周波数が変わる。 図９の例示では、捩りバー５６に対して直角に向いた一対の捩りバー１５６に より、蝶形フレーム５４がそれ自体、基準部材、即ち外側フレーム１５４に取り 囲まれて支持されている。捩りバー１５６は、フレーム５４の主捩り振動モード において、フレーム５４を捩りバー１５６と同一直線上にある軸の周りに回転自 在に支持している。捩りバー５６と捩りバー１５６を非平行に配向することによ り、捩り振動子５２が二方向に同時移動できるようになる。捩り振動子５２と捩 りバー５６と同様、フレーム５４と捩りバー１５６はまた、フレーム５４の主捩 り振動モードの振動周波数がフレーム５４の他のどんな振動モードの振動周波数 より、少なくとも２０％低くなるように作られている。 図１に例示の捩り振動子５２と同様、捩りバー５６の軸を回転軸とする捩り振 動子５２の回転は、好ましくは静電的に駆動される。図５に示されているように 、フレーム５４にメッキされたコイル１６２がその周囲を取り巻く。捩りバー１ ５６の一方上を通してフレーム内に導かれているリード１６６を介してコイル１ ６２に、外部フレーム１５４上に位置付けられた一対の電気接点１６４が接続し ている。電気接点１６４を通してコイル１６２に供給される数１０ｍＡ（ミリア ンペア）の電流と、外部フレーム１５４の両側に配置された磁石（図９には図示 されていない）が設定される磁場により、フレーム５４が捩りバー１５６の軸を 回転軸として、外部フレーム１５６に対して数度（°）回転される。 図９にはまた、捩りスキャナー特許及びレートジャイロ特許に開示された形式 の捩りセンサにリード１７４により接続された電気接点１７２ａ〜１７２ｈが示 されている。これ等の捩りセンサは、捩りバー５６の一方と捩りバー１５６の一 方にそれぞれ組み込まれている。 図９に示された蝶形形状はフレーム５４の質量を増大すると共に、長い捩りバ ー１５６を両方とも許容し、製造中にシリコン基体上に占められる面積を増やさ ずに大きな慣性モーメントを提供する。従って、蝶形形状をフレーム５４に、又 は捩り振動子５２にさえも用いるても良く、これによりシリコン基体からより多 くの微細加工構造体ができ、微細加工構造体当たりの製造コストが対応して少な くなる。 二次元捩り振動子（図９に示されたような）に対しては、フレーム５４の共振 振動数の特性、特に捩りスキャナー特許に詳細に記載されているそのロッキング 振動モードの共振振動数の特性を変更することにより、捩り振動子５２の共振振 動数を変えることができる。基本的に、捩り振動子５２をフレーム５４に連結す る捩りバー５６はこれ等から一対の連結振動子を形成する。従って、捩り振動子 ５２の主捩り振動モードの共振振動数はフレーム５４の特性により影響される。 即ち、ロッキング振動モード共振は捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振振 動数と相互作用する。捩り振動子５２とフレーム５４の動作は、連結発振器とし てこれを分析することができる。かかる分析によれば、大抵の場合、捩り振動子 ５２をフレーム５４に連結すると、捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振周 波数が増大する。揺動運動に対するフレーム５４の慣性を増大するか、捩りバー １５６の有効バネ常数を低下することにより、フレーム５４の揺動振動モードの 共振周波数を低下すると、捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振周波数も減 少して、未連結捩り振動子に対するその理論値に近ずく。 図１０及び図１１は、捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振周波数のシフ ティングと、図９に図示のフレーム５４のように揺動可能なフレーム５４により 捩り振動子５２が支持される場合に生ずるＱ値の低下を示す周波数応答図である 。図１０と図１１の破線は、捩り振動子５２の主捩り振動モードの理想的周波数 応答をそれぞれ示す。実線は、図９に図示のように回転が可能なフレーム５４に よ り支持される場合の捩り振動子５２の主捩り振動モードの理想的周波数応答を示 す。図１０及び図１１にグラフで示されているように、捩り振動子５２を回転自 在なフレーム５４で支持するようにすると、捩り振動子５２の主捩り振動モード と回転自在なフレーム５４の揺動振動モードが連結されるため、捩り振動子５２ もＱ値が低下する。図１０及び図１１はまた、回転自在なフレーム５４により捩 り振動子５２を支持すると、捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振振動数が 増大することを示している。これは、回転自在なフレーム５４が捩り振動子５２ の回転とは反対に揺動し、それにより捩りバー５６の剛性を見かけ上増大するか らである。図１０と図１１の周波数応答図は二次元スキャナーに対して予想され る動作、即ち図１０では回転自在なフレーム５４が揺動振動モードのＱ値１００ を有する動作と、図１１では回転自在なフレーム５４が揺動振動モードのＱ値１ ０を有する動作をそれそれ示す。 回転自在なフレーム５４の揺動振動モードの共振振動数が低下すると、捩り振 動子５２の主捩り振動モードの共振振動数も対応して低下する。図１２は、捩り 振動子５２の主捩り振動モードの共振振動数の同調に、この現象をどう利用でき るかを示す。図１２に示されたの二次元捩りスキャナーには、回転自在なフレー ム５４に近接して配置されている静電同調板１８２が含まれる。フレーム５４と 静電同調板１８２との間に電圧を印加すると、回転自在なフレーム５４の揺動振 動モードが同調される。（フレーム５４と静電同調板１８２との間に電圧を印加 すると、フレーム５４の主捩り振動モードの共振振動数にも或程度影響する。し かしながら、フレーム５４の主捩り振動モードは捩り振動子５２の主捩り振動モ ードに連結されていないので、殆どの応用でフレーム５４の主捩り振動モードよ りずっと低いところで駆動されるので、フレーム５４と静電同調板１８２との間 に電圧印加することの効果は、フレーム５４の動作上、無視できる程度のもので ある。） フレーム５４の揺動振動モードは捩り振動子５２の主捩り振動モードに連結さ れているから、取り囲むフレーム５４の共振振動数の変化が捩り振動子５２の主 捩り振動モードの共振振動数に影響する程度はより少ない。しかしながら、内側 の捩り振動子５２の振動振幅は、取り囲むフレーム５４の揺動モード共振振動数 を静電的に同調しても影響されない。 上記の捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振振動数を静電的に同調するこ との原理は、図１３に示されたような単軸捩り振動子５２にも適用可能である。 かかる静電同調単軸捩り振動子５２はフレーム５４内で捩りバー５６により支持 されてい、フレーム自体５４も外側フレーム内部で、捩りバー５６と同一直線上 にある一対の捩りバー１５６により支持されている。捩り振動子５２の目的は、 捩りバー５６の軸の周りを回転して走査することである。フレーム５４と捩りバ ー１５６により、捩り振動子５２と捩り軸を同じくする連結振動子が設けられる 。捩り振動子５２とフレーム５４は何れも、Ｑ値が極めて高い振動子として製作 されている。フレーム５４は一般に、その主捩り振動モードに対しては、より低 い共振振動数を有するように製作されている。そのとき、フレーム５４の主捩り 振動モードの共振振動数は、例えばフレーム５４と静電同調板１８２との間に電 圧を印加することにより静電的に、同調されるようにすることができる。フレー ム５４の捩りモードの共振振動数を同調すると、捩り振動子５２の捩りモードの 共振振動数に影響する。捩り振動子５２の捩りモードの共振振動数ではフレーム ５４は殆ど動くことがないから、静電同調板１８２を図１２に図示の構成に比較 してフレームにずっと近接して位置付けても良い。かかる連結静電同調によって は、捩り振動子５２の振動振幅は適度に影響されるに過ぎない。受動的Ｑ値同調 これまでは、捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振周波数を変更する技術 のみを述べた。しかしながら、ある種の応用に対しては、回転自在な捩り振動子 ５２とフレーム５４のＱ値を制御することも極めて望ましい。特に二次元スキャ ナーに対しては、フレーム５４の振動を制動する（減衰させる）と有利な場合が ある。捩り振動子５２は一般にできるだけ高いＱ値で振動するが、フレーム５４ はサーボモードで、その捩りモードの共振振動数よりずっと低い、高いＱ値が望 ましくない振動数で駆動される。実は、回転自在なフレーム５４のかかる振動は 臨界減衰（制振）により近いＱ値を用いるのが好ましい。フレーム５４のＱ値の 変更は、種々の方法で達成される。記述される技術は回転自在なフレーム５４に 適用されるが、捩り振動子５２にも一般に適用できる。 図１４ａは、高分子材料の層１９２が付着されている捩りバー１５６を示す。 層１９２の付着は、ポリイミド樹脂、フォトレジスト等の減衰材料を捩りバー１ ５６上にリソグラフィック型押しして行うことができる。高分子層１９２の長さ 、幅及び厚さを合わせて、所望量の減衰を得ることができる。上記の高分子材料 と同様に、高い減衰を得る、例えば鉛等の他の損失物質を付着、型押しすること もできる。 成いは、図１４ｂのように、捩りバー１５６を高分子材料又はワックスの塊１ ９４の内部に囲繞しても良い。塊１９４は、シリンジ、ピペット等の適当な方法 を用いて、溶解又は懸濁状態の高分子材料又はワックスの小滴を捩りバー１５６ に付着することにより生ずることができる。高分子材料又はワックスを担う溶媒 が蒸発した後、フレーム５４の振動を塊１９４が制動する。塊１９４に用いられ る高分子材料に適当な高損失材料、例えば鉛等の金属を充填することができる。 或いは、捩りバー１５６に付与することのできる高損失高分子（例えばブルージ オBlue Geo）も市場で知られている。かかる減衰性材料を付加すると、外部捩り バー１５６も強化されると同時に、捩りバー１５６の延性と耐衝撃性も増大され る。 回転自在なフレーム５４に機械的支持を設けて、フレーム５４のＱ値を低下す ることもできる。回転自在なフレーム５４の慣性モーメントを低下するため、フ レームはしばしば、捩り振動子５２を囲繞し、且つフレーム５４を剛化するため フレーム５４の一面から突出する補強フレーム２１２を除いて、捩りバー１５６ と同様に薄く、又はこれより僅かに大きく作られる。このように製作されると、 回転自在なフレーム５４は極めて軽くなり、コイル１６２のみを支持するから、 Ｑ値が低くなって有利である。図１５ａ乃至図１５ｃは、捩りバー１５６により 設定されるフレーム５４の回転軸と一直線上にあり、フレーム５４の表面から突 出する蝕刻Ｖ字形リッジ２０２が備わる回転自在フレーム５４を示す。リッジ２ ０２は、図１５ｃに最も良く示されているように、支持板２０８の直隣接支持ブ ロック２０６に形成されている半円形のトラフ２０４に受容されている。リッジ ２０２は僅かな予荷重で押されて、支持ブロック２０６内に形成されたトラフ２ ０４と接触する。トラフ２０４はポリイミド樹脂等のゴム材料で被覆してあって も良い。リッジ２０２とトラフ２０４の接触面は、要すれば、トラフ２０４又は リッジ２０２自体を型押しすることにより、各リッジ２０２の数点に限られるよ うにしても良い。図１５ａ〜図１５ｃの例示では、捩りバー１５６は未接触状態 に置かれ、支えられていない。リッジ２０２とトラフ２０４が機械的に接触する と、Ｑ値が実質的に下がるが、捩りバー１５６により設定された軸の周りのフレ ーム５４の回転運動が妨げられる。トラフ２０４を丸まったＶ字形に形成するこ とにより、支持ブロック２０６はフレーム５４の横方向に移動をも拘束する。フ レーム５４の横方向の移動が拘束されると、以下詳細に記載される利点がある。 このことは、K．Peterson，Proc．IEEE，vol．no．5，o．51，May 1982の開示（ 以下ピーターソン論文と云う）とは相反する。ケー・ピーターソンの米国特許第 ４３１７６１１号も参照。上記のように、回転自在なフレーム５４のＱ値を高め るのではなく、逆に減少するために、リッジ２０２とトラフ２０４はフレーム５ ４に故意に付加される。 上記の技術はフレーム５４のＱ値を低下させるが、大抵の場合、捩り振動子５ ２の高いＱ値を保持することも必要である。振動する捩り振動子５２の慣性力が 捩りバー１５６に横トルクを加える。従って、捩り振動子５２はフレーム５４の 揺動モードに直接連結する。従って、捩り振動子５２のエネルギーを捩りバー５ ６を介してフレーム５４に連結することができる。上記のように、フレーム５４ は一般にＱ値がかなり低いように作られる。斯くして、捩り振動子５２のエネル ギーはフレーム５４で散逸され、その結果、捩り振動子５２のＱ値は事実上低下 する。従って、フレーム５４のＱ値が不適切に低下すると、捩り振動子５２のＱ 値が低下することがある。従って、主捩り振動モードの振動数で回転自在なフレ ーム５４の「揺動モード」運動が最小になっても、捩り振動子５２のＱ値が保持 されるか、増大することさえある。 捩り振動子５２の主捩り振動モードとフレーム５４の揺動振動モード間の連結 を最小にするためには、フレーム５４の揺動振動モードの共振振動数を捩り振動 子５２の主捩り振動モードから実行が可能な限り切り離すべきである。この達成 には、捩りバー１５６の断面積を減少する等の種々の方法がある。捩りバー１５ ６の断面積を減少すると、信頼性と破壊問題が悪化する不都合がある。同様に、 フレーム５４の慣性の増大はその共振振動数を低下させるが、その性能と信頼性 に影響する。捩り振動子５２のＱ値の維持、又は場合によっては必要な増大のた めには、揺動モードにおけるフレーム５４の慣性モーメントを増大すると共に、 捩りバー１５６が設定する軸の周りのフレーム５４の慣性モーメントには殆ど影 響を及ぼさないようにすることが望ましい。これを達成するには、図１６に示さ れているようにフレーム５４に質量を付加すれば良い。フレーム５４に質量を付 加するのに、フレーム５４の回転軸上に又はこれに近接して、蝕刻シリコンエッ ジ２１８を設け、これでフレーム５４の揺動振動モードの慣性モーメントが増大 すると共に、捩りバー１５６が設定する回転軸の周りのフレーム５４の慣性モー メント（又は重量）を増大するようにすることができる。前記のように、回転可 能なフレーム５４の重量及び慣性を低下させるために、フレーム５４は通常、コ イル１６２を担う極めて薄いシートのみから成るようにし、これを恐らく補強フ レーム２１２により補強する。図１６に示されているように質量を付加すること により、捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振振動数とフレーム５４の揺動 振動モードが広く切り離されていれば、フレーム５４の揺動モードの慣性モーメ ントを一般に３倍まで増大でき、それにより、対応して、揺動振動モード運動の 変位と捩り振動子５２の主捩り振動モードからのエネルギー損失を減少し、また 捩り振動子５２のＱ値を事実上増大することができる。 捩りバー１５６が設定する回転軸に近接してフレーム５４に質量を事実上付加 する他の一方法は、揺動振動モードにおけるフレーム５４の変位を事実上機械的 に固定すると共に、主捩り振動モードではフレーム５４を放して置くことである 。フレーム５４のかかる固定は、フレーム５４のＱ値を低下する上記の方法と同 様の方法で行うことができる。図１７に示されているように、フレーム５４をそ の回転軸に沿って鉛直に片側又は両側から固定すれば良い。鋭角のリッジ２０２ 、即ちフレーム５４上の突起（シリコンの１１０方向に沿って蝕刻することによ り容易に形成される）は、捩りバー１５６が設定する回転軸に沿って支持板２０ ８上に位置付けられた支持ブロック２０６に接触する。支持板２０８から鉛直方 向に逆（予備）歪みを与えることにより、かかる接触でフレーム５４は鉛直方向 に固定されると共に、フレーム５４は捩りバー１５６が設定する回転軸の周りに 回転自在に放しておかれる。この構成では、捩りバー１５６は部分的にプレスト レスが付与され、それによりフレーム５４の揺動振動モードを事実上固定（クラ ンプ）する。フレーム５４の他の側に、適当に丸み付けられた他の支持部２２２ を設けても良い。フレーム５４に支持部２２２を設けると、フレーム５４の揺動 振動モードの慣性モーメントが事実上、無限大となる。フレーム５４を揺動振動 モ ードをクランプするこの構成では、捩り振動子５２のＱ値は、フレーム５４が固 定される場合に得られるべきものに近づくことができる。 捩り振動子５２の全移動部を実行可能な限り丸型化又は流線型化して空気摩擦 を減少することにより、捩り振動子５２のＱ値を特に高振動数動作に対して、増 大することができる。従って、特定の表面を有する捩り振動子５２に対して、捩 り振動子５２の慣性を最大化することによりＱ値を増大することができる。これ に関し、シリコンを１１０方向に沿って蝕刻して製作され、両側で１１１面によ り境界される図１８ａに図示の傾斜側部２３２を有する台形状の捩り振動子５２ は、特に捩り振動子５２の厚さが捩り振動子５２の長さ及び幅に近い場合は最適 ではない。図１８ａに示された捩り振動子５２の形状大きさは、一般に捩り振動 子５２の慣性を少なくすると共に、捩り振動子５２の表面積により生ぜられるド ラグを変えない。逆に、図１８ｂに示されているように捩り振動子５２に垂直な 側部２３６があるようにシリコンを蝕刻することが極めて好ましく、これは乾式 蝕刻により容易に達成される。この点に関し、湿式蝕刻を用いる場合、シリコン の１００方向に沿って捩りバー５６と捩り振動子５２を蝕刻し、捩り振動子５２ の断面を台形状ではなく、矩形状にするのが有利である。或いは、１１０方向に 向く捩りバー５６と１００方向に向く「ハンドル」層を有する結合ウェーハを用 いて、捩りバー５６がシリコンの１００が１００方向に向くようにすることがで きる。図１８ａに図示の台形状断面をもつ捩り振動子５２ではなく、図１８ｂに 示されたような矩形状断面の捩り振動子５２は、捩り振動子５２と静電駆動板２ ４６の間の場縁取面積を２４６と極めて大きくし、従って同一の駆動電圧と離隔 距離に対してトルクを高くする。斯くして、図１８ｂに示された矩形断面の捩り 振動子５２のは、捩り振動子５２に印加される静電駆動力を実質的に高めると共 に、図１８ａに示された台形断面の捩り振動子５２と実質的に同一の空気抵抗を 示す。従って、矩形断面の捩り振動子５２は空気抵抗を増大せずに、捩り振動子 ５２の慣性を増大し、斯くして捩り振動子５２のＱ値を増大する。 捩りスキャナー特許に記載されているように、真空内で動作することにより捩 り振動子５２のＱ値を改善することができる。しかしながら、Ｑ値の改善は、空 気より粘性の低い、例えば水素等のガスで満たされた密閉封鎖容器又は封鎖雰囲 気内で動作しても達せられる。最後に、捩り振動子５２と静電駆動板２４６の間 の静電破壊は、捩り振動子５２に印加し得る値からの大きさを事実上制限する。 SF₆又は他の電子捕獲ガス等のガスを封鎖容器内に含み、破壊電圧を高めること ができる。電子捕獲ガスを用いても、捩り振動子５２のＱ値はさほど上がらない が、これを用いることにより、許容駆動電圧が増大し、従って振動振幅が増大す る。 図９及び１６に示されたような二次元スキャナーの捩りバー１５６は、捩り振 動子５２の励磁の散逸を最小にするため長く、細いので脆い。捩り振動子５２の Ｑ値を増大することに加えて、図１５ａから図１５ｃに示された構造は、フレー ム５４の移動を抑制することにより、捩りバー４５６の保護を高める。図１５ｃ に示されたトラフ２０４は横方向及び下方のフレーム５４の移動を制限する。捩 りバー１５６の設定する回転軸にに沿って、捩り振動子５２の上部に、捩り振動 子５２と接触又は短い距離（５から１０ミクロン）離間して位置付けられる図１ ７に図示の支持体２２２も、フレーム５４が支持板２０８から離れるのを制限す る。図１７に示された構成では、捩りバー１５６は支持ブロック２０６又は支持 体２２２の何れとも接触しない。この構造は、捩りバー１５６が設定する軸の周 りの振動を除き、外部スキャナーの移動を事実上制限し、緩衝する。 更に、図１５ｂ及び１５ｃに関し、上記のように支持ブロック２０６を高分子 材料で被覆することは、フレーム５４のＱ値を低下させるため望ましいが、捩り バー１５６の耐衝撃性を大きく増大すると共に、捩りバー１５６の設定する軸の 周りの回転に殆ど抵抗を加えない効果がある。従って、図１５ａから１５ｃ及び 図１７に示された構造を用いることにより、捩りバー１５６は衝撃から実質的に 保護される。或いは、より薄く、より可撓性のある捩りバー１５６を用い、それ によりフレーム５４の振動を磁気的に駆動するのに必要な電力損を減少して、同 一の耐衝撃性を維持することができる。産業上の適用性 捩り振動子５２の主捩り振動モードの共振振動数の静電的同調に関する以上の 説明が工学的ビームスキャナーに付いて述べられたが、これはレートジャイロ特 許に記載されたようなジャイロにも適用が可能である。静電的同調をレートジャ イロに適用するのに、ジャイロの感知回路を、これが振動部材の主捩り振動モー ドの共振振動数を僅かに調整するように作り、それにより振動部材の感知部材と の周波数整合を改善することができる。 以上、本発明を現在のところ優先する実施例に付いて述べてきたが、かかる開 示は純粋に例示的なものであり、限定的に解釈されるべきないものと理解される べきである。従って、本発明の精神と範囲を逸脱することなく、種々の変更、修 正及び／又は代替が、以上の開示を読了した当業者に疑いもなく示唆されるもの である。よって、以下、特許請求の範囲に記述する請求項は、本発明の真の精神 及び範囲に入る全ての変更、修正又は代替を包括するように解釈されるべきもの と意図するものである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ダウニング、フィリップ アメリカ合衆国カリフォルニア州95070サ ラトガ、ジプシーヒル・ロード15089

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １．フレーム形状の基準部材と 径の反対側に有って対向し、軸方向に一直線に並び、基準部材から突出する 一対の捩りバーと 捩りバーにより基準部材に連結され、それにより基準部材より支持されて捩 りバーの軸の周りに回転されるダイナミック部材と ダイナミック部材に捩りバーの軸の周りの振動運動を付与する駆動手段とを 備える一体化微細加工構造物であって、 基準部材と捩りバーとダイナミック部材は全てシリコン基体のストレスの無 い半導体層から一体に製作されてい、斯くして捩りバーにより基準部材内に支持 されるダイナミック部材は、捩りバーの軸の周りの主捩り振動モードと、鉛直方 向の震とう（シェーキング）振動モードと、鉛直方向の揺動（ロッキング）振動 モードと、横方向の震とう振動モードと、横方向の揺動振動モードとを含む複数 の振動モードを示し、ダイナミック部材の各かかる振動モードは振動数とＱ値を 含む特性を有する一体化微細加工構造物において、 ダイナミック部材の主捩り振動モードの特性を変更する特性調整手段を具備 することを特徴とする一体化微細加工構造物。 ２．主捩り振動モードの振動数を特性調整手段が変更する請求項１に記載の一体 化微細加工構造物。 ３．ダイナミック部材から素材を除去することにより、主捩り振動モードの振動 数の変更が達成される請求項２に記載の一体化微細加工構造物。 ４．ダイナミック部材の周囲付近からタブを除去することにより、主捩り振動モ ードの振動数の変更が達成される請求項２に記載の一体化微細加工構造物。 ５．ダイナミック部材を支持する捩りバーから素材を除去することにより、主捩 り振動モードの振動数の変更が達成される請求項２に記載の一体化微細加工構造 物。 ６．ダイナミック部材を支持する捩りバーの少なくとも一方に記憶合金フィルム が付加され、該記憶合金フィルムは処理されて捩りバー内に制御された応力を設 定するようにして、主捩り振動モードの振動数の変更が達成される請求項２に記 載の一体化微細加工構造物。 ７．ダイナミック部材を支持する捩りバーの一方に平行に少なくとも一つの記憶 合金リボンが形成され、該記憶合金リボンはダイナミック部材と基準部材の間を 直近接する捩りバーに実質的に平行に延び、記憶合金リボンは処理されて捩りバ ー内に制御された応力を設定するようにして、主捩り振動モードの振動数の変更 が達成される請求項２に記載の一体化微細加工構造物。 ８．ダイナミック部材を支持する捩りバーの少なくとも一方を加熱することによ り、主捩り振動モードの振動数の変更が達成される請求項２に記載の一体化微細 加工構造物。 ９．ダイナミック部材を支持する捩りバーの少なくとも一方の表面にヒーターが 形成されて、主捩り振動モードの振動数を変更する請求項２に記載の一体化微細 加工構造物。 １０．ダイナミック部材を支持する捩りバーの少なくとも一方を形成するシリコ ンに抵抗体が拡散されて、主捩り振動モードの振動数を変更する請求項２に記載 の一体化微細加工構造物。 １１．ダイナミック部材を支持する捩りバーの少なくとも一方を形成するシリコ ンに抵抗体が拡散され、且つ熱膨張係数がシリコンのものと異なる材料から成る リードが上記捩りバー上に形成されて、主捩り振動モードの振動数を変更する請 求項２に記載の一体化微細加工構造物。 １２．ダイナミック部材を支持する捩りバーの一方に平行に少なくとも一つの金 属リボンが形成され、該金属リボンはダイナミック部材と基準部材の間を直近接 する捩りバーに実質的に平行に延び、上記金属リボンに電流が印加されて捩りバ ー内に制御された応力を設定することにより、主捩り振動モードの振動数の変更 が達成される請求項２に記載の一体化微細加工構造物。 １３．基準部材の外側にアクチュエータが配置され、該アクチュエータに電圧が 印加されて捩りバー内の応力を制御変更することにより、主捩り振動モードの振 動数の変更が達成される請求項２に記載の一体化微細加工構造物。 １４．アクチュエータが圧電アクチュエータである請求項１３に記載の一体化微 細加工構造物。 １５．アクチュエータが磁歪アクチュエータである請求項１３に記載の一体化微 細加工構造物。 １６．捩りバーの少なくとも一方に圧電フィルムが付加され、該圧電フィルムに 電圧が印加されて捩りバー内の応力を制御変更することにより、主捩り振動モー ドの振動数の変更が達成される請求項２に記載の一体化微細加工構造物。 １７．主捩り振動モードのＱ値を特性調整手段が変更する請求項１に記載の一体 化微細加工構造物。 １８．捩りバーの少なくとも一方に減衰性の物質の層を付加することにより、Ｑ 値の変更が達成される請求項１７に記載の一体化微細加工構造物。 １９．捩りバーの少なくとも一方に付加される減衰性の物質が高分子材料である 請求項１８に記載の一体化微細加工構造物。 ２０．捩りバーの少なくとも一方に付加される減衰性の物質が損失金属物質であ る請求項１８に記載の一体化微細加工構造物。 ２１．ダイナミック部材の慣性を最大にする一方、粘性抵抗を最小にする断面形 状をダイナミック部材に形成することにより、Ｑ値の変更が達成される請求項１ ７に記載の一体化微細加工構造物。 ２２．フレーム形状の基準部材と 径の反対側に有って対向し、軸方向に一直線に並び、基準部材から突出す る第一の対の捩りバーと 第一の捩りバーにより基準部材に連結され、それにより基準部材より支持 されて第一の捩りバーの軸の周りに回転されるフレーム形状の第一のダイナミッ ク部材と 径の反対側に有って対向し、軸方向に一直線に並び、第一のダイナミック 部材から突出する第二の対の捩りバーと 第二の捩りバーにより第一のダイナミック部材にに連結され、それにより 第一のダイナミック部材より支持されて第二の捩りバーの軸の周りに回転される フレーム形状の第二のダイナミック部材と 第二のダイナミック部材に第二の捩りバーの軸の周りの振動運動を付与す る駆動手段とを備える一体化微細加工構造物であって、 基準部材と第一及び第二の捩りバーと第一及び第二のダイナミック部材は 全てシリコン基体のストレスの無い半導体層から一体に製作されてい、斯くして 第一及び第二の捩りバーによりそれぞれ基準部材内に支持される第一及び第二の ダイナミック部材の各々は、捩りバーの軸の周りの主捩り振動モードと、鉛直方 向の震とう（シェーキング）振動モードと、鉛直方向の揺動（ロッキング）振動 モードと、横方向の震とう振動モードと、横方向の揺動振動モードとを含む複数 の振動モードを示し、ダイナミック部材の各かかる振動モードは振動数とＱ値を 含む特性を有する一体化微細加工構造物において、 第一及び第二のダイナミック部材の少なくとも一方の主捩り振動モードの 特性を変更する特性調整手段を具備することを特徴とする一体化微細加工構造物 。 ２３．主捩り振動モードの振動数を特性調整手段が変更する請求項２２に記載の 一体化微細加工構造物。 ２４．回転自在な第一のダイナミック部材に近接して静電同調板が配置され、第 一のダイナミック部材と静電同調板に電圧が印可されて第二のダイナミック部材 の主捩り振動モードの特性を変更することにより、主捩り振動モードの特性を変 更する請求項２３に記載の一体化微細加工構造物。 ２５．第一の捩りバーの軸が第二の捩りバーの軸とは一直線に並ばない請求項２ ４に記載の一体化微細加工構造物。 ２６．第一の捩りバーの軸が第二の捩りバーの軸と一直線に並ぶ請求項２４に記 載の一体化微細加工構造物。 ２７．主捩り振動モードのＱ値を特性調整手段が変更する請求項２２に記載の一 体化微細加工構造物。 ２８．第一のダイナミック部材から外側に突出し、第一の捩りバーが設定する回 転軸と一直線に並ぶリッジを形成し、該リッジが第一のダイナミック部材に近接 して配置される支持ブロックに形成されるトラフに受容されるようにして、Ｑ値 の変更が達成される請求項２７に記載の一体化微細加工構造物。 ２９．第一のダイナミック部材が回転される第一の捩りバーの軸の近傍で第一の ダイナミック部材の質量を増大することにより、Ｑ値の変更が達成される請求項 ２７に記載の一体化微細加工構造物。 ３０．第一のダイナミック部材の揺動振動モードにおける移動を阻止することに より、Ｑ値の変更が達成される請求項２７に記載の一体化微細加工構造物。 ３１．ダイナミック部材の慣性を最大にする一方、粘性抵抗を最小にする断面形 状を第二のダイナミック部材に形成することにより、Ｑ値の変更が達成される請 求項２７に記載の一体化微細加工構造物。 ３２．第一のダイナミック部材の厚さが捩りバーのものと実質的に同一とするこ とにより、Ｑ値の変更が達成される請求項２７に記載の一体化微細加工構造物。 ３３．第一のダイナミック部材の厚さを捩りバーのものより僅かに大きくするこ とにより、Ｑ値の変更が達成される請求項２７に記載の一体化微細加工構造物。