JP2005288688A - チップ・チルト・ピストン動作アクチュエータ - Google Patents

Abstract

【課題】表面の法線方向への直線動作、すなわちピストン動作を、チップ動作およびチルト動作と組み合わせて行うことが可能なアクチュエータを提供する。
【解決手段】ポスト１０９と中心ポスト１１１のそれぞれに第１のばね１０７を介して基板１１７から浮かせて取り付けられた少なくとも３枚の回転可能なプレート１０５と、たとえばミラーとして働く１枚の可動プレート１０３と、回転可能なプレート１０５と可動プレート１０３との間にあって電極１２１によって第１のばねの軸回りに回転する回転可能なプレート１０５の動きを可動プレート１０３に伝達する第２のばね１１９と動作結合ポスト１１５とで構成される。
【選択図】図１

Description

本発明は、微小電子機械システム（Ｍicro-Ｅlectro-Ｍechanical Ｓystem：ＭＥＭＳ）、より詳細には、制御可能にチップ動作、チルト動作およびピストン動作のできるプレートに関する。

２００２年１１月１２日発行の米国特許第６，４８０，３２０号（Ｎａｓｉｒｉ）には、自由に回転可能なマイクロメカニカル・ミラー(micromechanical mirror)が開示されている。

このような設計は、自由な回転を可能にするものの、ミラーがそこからオフセットしている基板表面の法線方向での意図的にある方向に向けられた直線運動、つまりピストン動作には特に適さない。
米国特許第６，４８０，３２０号

本発明の原理によれば、回転可能なプレートの軸周りでの回転によって、動作が可動プレート取付け点に伝わるように、それぞればねを介して基板から浮かせて取り付けられ、別のばねを介して少なくとも３つの可動プレート取付け点にそれぞれ連結された、少なくとも３枚の回転可能なプレートを使用することによって、自由に回転可能なマイクロメカニカル・プレート、例えばミラーを、ミラーがそこからオフセットしている基板表面の法線方向での高速直線運動を、チップ動作およびチルト動作と組み合わせて行うのに特に適するように実現できることが分かった。それぞれのポストによって、各可動プレート取付け点の動作が可動プレートに伝えられる。動作中、回転可能なプレートは、個別に回転させることができ、その結果生じる回転可能な各プレートの動作が、それぞれの可動プレート取付け点に伝えられる。各可動プレート取付け点の動作が合わさって、ポストを介して可動プレートに伝えられる。適切な制御で、プレートにチップ動作、チルト動作およびピストン動作をさせることができる。有利なことには、ピストン動作によって、垂直動作の高周波数応答を達成することができる。

様々なばねは、ある形をした変形可能な弾性要素であり、全部が同じである必要はなく、例えば、比較的薄いビーム、または１組の折り返しビームでよい。可動プレートを基板に連結するばねは、可動プレートの縁端に沿わせ、プレートの回転軸として働かせることができる。

プレートは従来のどんなやり方でも回転させることができる。つまり、ａ）プレートの下に少なくとも１つの電極を配置する方法、ｂ）回転可能なプレートに連結した別のプレートを使用して回転可能なプレートに力を作用させる方法、例えば、角度を増幅できるように、別のプレートの下に電極を配置する方法、および／または、ｃ）いわゆる「コーム・ドライブ(comb drive)」を使用する方法などがある。

以下は、本発明の原理の単なる説明である。したがって、当業者なら、本明細書には明記または図示していないが、本発明の原理を取り入れた、その精神と範囲に含まれる様々な構成を考案することができるであろう。さらに、本明細書に挙げる例および記述する条件的な言葉遣いは全て、主としてあくまでも読み手が、本発明者が本技術分野の進展に寄与した本発明の原理および概念を理解する際の手助けとなるような、単なる教育的なものとして意図したものであり、本発明が特に列挙したような例および条件のみに限定されるものではないことを解釈すべきである。さらに、本発明の原理、態様および実施形態、ならびにその特定の例を列挙した本明細書の記述は全て、その構造的同等物および機能的同等物の両方を包含するものとする。加えて、このような同等物は、現在周知の同等物ならびに将来開発される同等物の両方、つまり構造とは関係なく、同様の機能を果たす、これまでに開発された、また今後開発されるいかなる要素も含むものとする。

本明細書の特許請求の範囲では、指定した機能を果たす手段として表現したいかなる要素も、その機能を果たすどんな方法も包含するものとする。それには、例えば、ａ）その機能を果たす電気的または機械的要素の組合せ、あるいはｂ）任意の形のソフトウェア、したがって、その機能を果たすためにそのソフトウェアを実行させるのに適した回路、ならびにソフトウェア制御の回路に結合された機械的要素などがあればそれと組み合わされたファームウェアやマイクロコードなどを含むソフトウェアが含まれ得る。このような特許請求の範囲によって定義される本発明は、特許請求の範囲が提唱するやり方で、列挙した様々な手段によって提供される機能を組み合わせ、まとめたものである。したがって、本出願人は、こうした機能を提供することができるどんな手段も、本明細書に示すものと同等物とみなす。

本明細書で別段にはっきり明記しない限り、図面は実物大ではない。

本明細書で使用する、微小電子機械システム（Ｍicro-Ｅlectro-Ｍechanical Ｓystem：ＭＥＭＳ）デバイスという用語は、ＭＥＭＳデバイス全体またはその任意の部分を意味するものとする。したがって、ＭＥＭＳデバイスの一部が動作不能であっても、またはＭＥＭＳデバイスの一部が見えなくなっていても、このようなＭＥＭＳデバイスは、それでも本開示目的のＭＥＭＳデバイスであるとみなす。

記述の中で、様々な図を通して、同じ番号の構成要素は同じ構成要素を指す。

図１は、例えばミラーなど、ミラーがそこからオフセットしている基板表面の法線方向での高速直線運動、つまりピストン動作を、チップ動作およびチルト動作と組み合わせて行うのに特に適した、本発明の原理による自由に回転可能なマイクロメカニカル・プレートを示す。図１には、ａ）可動プレート１０３、ｂ）回転可能なプレート１０５−１〜１０５−３を含む回転可能なプレート１０５、ｃ）第１のばね１０７−１〜１０７−３を含む第１のばね１０７、ｄ）ポスト１０９−１〜１０９−３を含むポスト１０９、ｅ）中心ポスト１１１、ｆ）点１１３−１〜１１３−３を含む可動プレート取付け点１１３、ｇ）ポスト１１５−１〜１１５−３を含む動作結合ポスト１１５、ｈ）基板１１７、およびｉ）第２のばね１１９−１〜１１９−３を含む第２のばね１１９を示す。

回転可能なプレート１０５は、それぞれ第１のばね１０７のうちの１つを介して浮かせて取り付けられ、第１のばね１０７は、それぞれ関連するポスト１０９のうちの１つおよび中心ポスト１１１を介して基板１１７に連結されている。回転可能なプレート１０５は、それぞれ、それが連結されている第１のばね１０７のうちの１つによって実質的に規定される軸の回りを回転する。

可動プレート取付け点１１３は、回転可能なプレート１０５がそれぞれ回転軸の回りを回転することによって、それぞれ関連する可動プレート取付け点１１３のうちの１つに動作が伝わるように、それぞれ関連する第２のばね１１９のうちの１つを介して回転可能なプレート１０５のそれぞれに連結されている。

動作結合ポスト１１５はそれぞれ、関連する可動プレート取付け点１１３のそれぞれの動作を可動プレート１０３に伝える。

動作中、回転可能なプレート１０５は、個別に回転させることができ、その結果生じる回転可能な各プレート１０５の動作は、関連する可動プレート取付け点１１３のそれぞれに伝えられる。各可動プレート取付け点１１３の動作は合わさって、ポスト１１５を介して可動プレート１０３に伝えられる。

適切な制御で、可動プレート１０３にチップ動作、チルト動作およびピストン動作をさせることができる。有利なことに、ばねおよびプレートの構成を垂直動作に対して剛直なものにできるので、基板に対して高周波数応答を達成することができるが、回転、つまりチップ動作、チルト動作に対しては柔軟であることもできる。というのは、垂直動作の剛直性は、ねじれ動作を規定しているばねのパラメータとは独立に選択することのできるばねのパラメータに依存しているからである。より具体的には、垂直動作は、第１および第２のばねの曲げ剛直性によって規定され、回転動作は、第１および第２のばねのねじれ剛直性によって規定されている。

可動プレート１０３は、ミラーとして働くように、金属でもよいし金属で被覆されていてもよい。あるいは、可動プレート１０３に他の光学素子を取り付けることもできる。さらに、可動プレート１０３は、必ずしも平坦である必要はなく、可動プレート取付け点１１３に動かないように連結された、剛直な構造でさえあればよい。

図１にはまた、回転可能なプレート１０５を、それぞれの回転軸の周りで回転させるために使用される、電極１２１−１〜１２１−３を含む電極１２１が示されている。

図２は、図１に示したものと類似しているが、基本的駆動装置を少なくとも電極１２１−１だけ、いわゆる「コーム・ドライブ (comb drive)」で置き換えた、本発明の原理による自由に回転可能なマイクロメカニカル・プレートの別の構造を示している。より具体的には、図２には、ａ）回転可能なプレート１０５−１に連結された上部の歯２０１−１、およびｂ）基板１１７に連結された下部の歯２０３−１が示されている。有利なことには、このようなコーム・ドライブを使用すると、より高い力密度が達成できる。図２では、回転可能なプレート１０５−２および１０５−３の個別の駆動装置は見られないが、これらも、必ずしもそうする必要はないが、コーム・ドライブとすることができることに留意されたい。コーム・ドライブを使用する場合、回転可能なプレート１０５は、例えば、コーム全体の剛直性をちょうど保持できるに足るほどに、大きさを相当に縮小することができる。その結果、プレートは痕跡プレートとみなせる程の大きさに縮小される。

図３は、図１に示したものと類似しているが、基本的駆動装置を少なくとも電極１２１−１だけ、回転可能なプレートに連結されて回転可能なプレートに力を加える別のプレートを使用すること、例えば、角度増幅が達成できるように別のプレートの下に電極を置くことで置き換えた、本発明の原理による自由に回転可能なマイクロメカニカル・プレートの別の構造を示している。より具体的には、図３には、図１の要素に加え、１）駆動プレート３３１−１〜３３１−３を含む駆動プレート３３１、２）ばね３３３−１〜３３３−３を含むドライブばね３３３、３）駆動支持ポスト３３５、および４）電極３３７−１〜３３７−３を含む電極３３７が示されている。

駆動プレート３３１は、連結された縁端が互いに垂直方向にずれることができず、しかも互いに回転できるように、回転可能なプレート１０５のうちのそれぞれ関連する１つに連結されている。このような連結は、中央連結ばね３３９を使用するなどの様々な方法で達成することができる。連結ばねを縁端近傍で使用するなどの代替構造を使用することもできる。また、各駆動プレート３３１は、駆動ばね３３３のうちのそれぞれ関連する１つを介して支持されており、駆動ばね３３３は、駆動支持ポスト３３５のそれぞれを介して基板１１７に連結されている。各電極３３７は、駆動プレート３３１のうちのそれぞれ関連する１つの下に配置されている。

関連する駆動プレート３３１に対して電圧が供給されると、各電極３３７は、駆動プレート３３１の関連する１つを、関連する駆動ばね３３３によって形成される軸の周りで回転させる。すると、関連する駆動ばね３３３のうちの１つに対向する、駆動プレート３３１の１つの縁端が下がるにしたがって、関連する回転可能なプレート１０５の１つも共に下がる。有利なことに、駆動プレート３３１の１つが、関連する回転可能なプレート１０５の１つよりも長い場合に、角度増幅が達成される。

回転可能なプレート１０５を回転させる際にかかる力を、角度増幅だけを使用して可能なよりもさらに大きくするために、１つまたは複数の回転可能なプレート１０５の下に、電極１２１−２などの電極を配置することもできる。さらに、図２においてコーム・ドライブを図１の電極１２１−１の代わりに使用したのと同様に、駆動プレート３３１の１つであれ、回転可能なプレート１０５の１つであれ、その下の任意の電極の代わりにコーム・ドライブを使用してもよい。
図４は、回転可能なプレート１０５の１つを基板１１７に連結する第１のばね１０７の少なくとも１つが折り返しビーム４４１である、本発明の実施形態で使用される構成を示している。このようなばねは、従来からＭＥＭＳデバイスに使用されている。

同様に、図５は、回転可能なプレート１０５の１つを基板１１７に連結する第１のばね１０７の少なくとも１つが折り返しビーム５５１である、本発明の実施形態で使用される別の構成を示している。上述したように、このようなばねは、従来からＭＥＭＳデバイスに使用されている。

図６は、回転可能なプレート１０５の１つを可動プレート取付け点１１３の１つに連結する第２のばね１１９の少なくとも１つが折り返しビーム６６１である、本発明の実施形態で使用される構成を示している。ここでも、このようなばねは、従来からＭＥＭＳデバイスに使用されている。

例えばミラーなど、ミラーがそこからオフセットしている基板表面の法線方向での高速直線運動を、チップ動作およびチルト動作と組み合わせて行うのに特に適した、本発明の原理による自由に回転可能なマイクロメカニカル・プレートを示す図である。 図１に示すものと類似しているが、基本的駆動装置を、いわゆる「コーム・ドライブ」で置き換えた、本発明の原理による自由に回転可能なマイクロメカニカル・プレートの別の構成を示す図である。 図１に示すものと類似しているが、角度増幅を達成することができるように、基本的駆動装置を回転可能なプレートに連結して回転可能なプレートに力を作用させる別のプレートを使用することで置き換えた、本発明の原理による自由に回転可能なマイクロメカニカル・プレートの別の構成を示す図である。 可動プレートの１つを基板に連結する第１のばねの少なくとも１つが折り返しビームである、本発明の一実施形態に使用される構成を示す図である。 可動プレートの１つを基板に連結する第１のばねの少なくとも１つが折り返しビームである、本発明の一実施形態に使用される別の構成を示す図である。 可動プレートの１つを可動プレート取付け点の１つに連結する第２のばねの少なくとも１つが折り返しビームである、本発明の一実施形態に使用される構成を示す図である。

Claims (12)

1. 自由に回転可能なマイクロメカニカル・プレート装置であって、
   それぞれの第１のばねを介して基板から浮かせて取り付けられた少なくとも３枚の回転可能なプレートと、
   可動プレートと、
   少なくとも３つの可動プレート取付け点とを含み、前記可動プレート取付け点の各々は、前記回転可能なそれぞれのプレートの軸周りでの回転によって動作が前記可動プレート取付け点に伝わるように、第２のばねのそれぞれを介して前記回転可能なプレートのうちのそれぞれに連結されており、前記装置はさらに、
   前記各可動プレート取付け点の動作を前記回転可能なプレートに伝える、少なくとも３本のポストとを含む装置。
2. 前記ばねが、変形可能な弾性要素である、請求項１に記載の装置。
3. 前記第１のばねの少なくとも１つが、関連する回転可能なプレートに沿って配置され、その回転軸として働く、請求項１に記載の装置。
4. 前記回転可能なプレートの少なくとも１つの下に配置された少なくとも１つの電極をさらに含む、請求項１に記載の装置。
5. 前記回転可能なプレートの少なくとも１つに連結され、前記回転可能なプレートを回転させるようになされた、追加のプレートをさらに含む、請求項１に記載の装置。
6. 前記追加のプレートが、前記回転可能なプレートに少なくとも１つのばねによって連結されている、請求項５に記載の装置。
7. 前記追加のプレートが、前記回転可能なプレートを、角度増幅を使用して回転させるようになされている、請求項５に記載の装置。
8. 前記追加のプレートを動かすように動作可能な少なくとも１つの電極をさらに含む、請求項５に記載の装置。
9. 前記追加のプレートを動かすように動作可能な少なくとも１つのコーム・ドライブをさらに含む、請求項５に記載の装置。
10. 前記回転可能なプレートのうちの少なくとも１つが、コーム・ドライブの一部分である複数のフィンガを組み込んでいる、請求項１に記載の装置。
11. 前記回転可能なプレートのうちの少なくとも１つが、回転可能な痕跡プレートである、請求項１に記載の装置。
12. 自由に回転可能なマイクロメカニカル・プレート装置を作成する方法であって、
    第１組のばねのそれぞれを介して少なくとも３枚の回転可能なプレートのそれぞれを基板から浮かせて取り付ける工程と、
    前記回転可能なそれぞれのプレートの軸周りでの回転によって動作が可動プレート取付け点に伝わるように、少なくとも３つの可動プレート取付け点のそれぞれを、第２組のばねのそれぞれを介して前記回転可能なプレートのそれぞれに連結する工程と、
    少なくとも３本のポストのそれぞれを介して、可動プレートを前記可動プレート取付け点のそれぞれに連結し、前記ポストのそれぞれが、前記可動プレート取付け点それぞれの動作を前記可動プレートに伝える工程と
    を含む方法。
    

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