JP2006106737A

JP2006106737A - 平面内回転許容差が改善された微小ミラー装置

Info

Publication number: JP2006106737A
Application number: JP2005279118A
Authority: JP
Inventors: Dan Mark Marom; マークマロンダン
Original assignee: Lucent Technologies Inc
Current assignee: Nokia of America Corp
Priority date: 2004-09-30
Filing date: 2005-09-27
Publication date: 2006-04-20
Anticipated expiration: 2025-09-27
Also published as: US7038831B2; EP1643289A1; US20060072184A1; CN1755419A; JP4860220B2; CN100526934C

Abstract

【課題】平面内回転許容差が改善された微小ミラー装置を提供すること。
【解決手段】所望の微小ミラー充填比率および所望の量の平面内回転許容差を提供するために１つまたは複数の微小ミラーの１つまたは複数のエッジ部分にテーパが施された微小ミラー装置が提供される。
【選択図】図３

Description

本発明は一般に超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）微小ミラーに関し、より詳細には稠密微小ミラー・アレイのための微小ミラー設計に関する。

ＭＥＭＳ技術を使用した微小ミラー（本明細書においては同じく「ミラー」として参照されている）の稠密アレイは、波長選択スイッチ、マルチプレクサ、光チャネル・ブロッカ、投影ディスプレイおよび適応光学などの様々なデバイスに広範囲に渡って使用されている。多くのＭＥＭＳアプリケーションにおいては、光学性能を改善するためには、ミラー間ギャップを最小化し、かつ、ミラー充填比率を大きくすることが望ましいが、微小ミラー・アレイの設計には、充填比率要求事項と、振動による望ましくないミラー運動あるいは外部衝撃による励起を始めとする許容可能微小ミラー運動に対する要求事項をバランスさせる必要がある。

ミラー・アレイ内における微小ミラーの運動は、平面内および平面外の平行移動および回転からなっている。そのうちの平面内回転は、ミラーが著しく変位する原因になっている（たとえば回転軸から遠く離れたミラーの一部分で変位する）。このような回転は、隣接するミラーとミラーの間（もしくは他の構造と構造の間）が接触する原因になり、また、ミラーが互いに固着する（たとえばミラーの質量が小さく、かつ、接触面積が広いことによるスティクションの）原因になっている。このような接触は、ＭＥＭＳデバイスが壊損する原因になっている。

図１Ａ、Ｂは、それぞれ１０２−Ａ〜Ｆおよび１１２−Ａ〜Ｆのラベルが振られたミラーを備えた従来技術による一次元高充填比率微小ミラー・アレイ１００および１１０を示したものである。図１Ａに示す一次元微小ミラー・アレイ１００のミラー１０２−Ａ〜Ｆは、それぞれ可撓支持エレメント（たとえば支持エレメント１０１）によってエッジ部分で支持されており、傾ぐように（つまり軸１０５の周りに回転するように）設計されている。支持構造（たとえば１０１）はこのような回転を抑制するように設計されてはいるが、あいにく、ミラー１０２−Ｄで示すように、ミラー１０２−Ａ〜Ｆも平面内で回転する（たとえば複数の下部コーナのうちの１つの周りに、支持エレメントの位置で回転する）ことになる。図１Ａに示すように、ミラー１０２−Ｄは、ミラー１０２−Ｄと隣接するミラー１０２−Ｅの間のギャップの幅より広い量に渡って変位し（たとえば、平面内回転によってコーナ１０８で変位し）、そのために隣接するミラー１０２−Ｅと接触している。このような接触によってミラーが損傷し、ミラー・アレイが破損することがある。

図１Ｂに示す従来技術による微小ミラー・アレイ１１０の場合、一次元微小ミラー・アレイ１１０のミラー１１２−Ａ〜Ｆは、それぞれミラーの真下の可撓支持構造（たとえば仮想線で示す支持構造１１１）によってミラーの中心で支持されている。このミラー・アレイ設計は、ミラー１１２−Ａ〜Ｆのピストン（すなわち平面外の平行移動）および／または傾ぎ（すなわち軸１１５の周りの回転）および／または傾斜（たとえばミラー１１２−Ａの場合、軸１１６の周りの回転）を可能にする。支持構造はこのような回転を抑制するように設計されてはいるが、あいにく、ミラー１１２−Ｄで示すように、ミラー１１２−Ａ〜Ｆもミラーの中心の周りに（平面内で）回転する（支持構造の位置で回転する）ことになる。図１Ｂに示すように、ミラー１１２−Ｄは、ミラー１１２−Ｄと隣接するミラー１１２−Ｃおよび１１２−Ｅの間のギャップの幅より広い量に渡って変位し（平面内回転により）、そのために隣接するミラー１１２−Ｃおよび１１２−Ｅと接触している（たとえば、それぞれコーナ１１７および１１８で接触している）。微小ミラー・アレイ１００の場合と同様、このような接触によってミラーが損傷し、ミラー・アレイが破損することがある。

図２は、２０２−Ａ−１．．．２０２−Ｆ−６のラベルが振られたミラーを備えた従来技術による二次元高充填比率微小ミラー・アレイ２００を示したものである。微小ミラー・アレイ２００内の個々の微小ミラーは、図１Ｂに示すミラーを参照して上で考察したように、支持構造（たとえばミラー２０２−Ａ−１の場合、支持構造２０５）によってミラーの中心で支持されている。このミラー・アレイ設計は、ミラー２０２−Ａ−１．．．２０２−Ｆ−６のピストンおよび／または傾ぎおよび／または支持ポイントの周りの傾斜を可能にする。支持構造はこのような回転を抑制するように設計されてはいるが、あいにく、ミラー２０２−Ｃ−５で示すように、ミラー２０２−Ａ−１．．．２０２−Ｆ−６も支持ポイントの周りに（平面内で）回転することになる。図２に示すように、ミラー２０２−Ｃ−５は、ミラー２０２−Ｃ−５と隣接するミラー２０２−Ｃ−４、２０２−Ｂ−５、２０２−Ｃ−６、２０２−Ｄ−５の間のギャップより広い量に渡って変位し（平面内回転により）、そのために隣接するこれらのミラー２０２−Ｃ−４、２０２−Ｂ−５、２０２−Ｃ−６、２０２−Ｄ−５と接触している（たとえば、それぞれポイント２０６、２０７、２０８および２０９で接触している）。微小ミラー・アレイ１００および１１０の場合と同様、このような接触によってミラーが損傷し、ミラー・アレイが破損することがある。

本発明により、アレイ内の隣接するミラーと接触する可能性が小さい（従来技術による設計と比較して）、平面内回転に対する許容差が実質的に改善され、かつ、微小ミラーの回転振動モードを励起し、また、アレイを損傷し、破損させることになる外部衝撃に対する耐性が実質的に強化された高充填係数アレイに使用するための超小型電気機械システム（ＭＥＭＳ）微小ミラー・アレイ設計が提供される。

好ましい一実施形態では、複数の微小ミラーを備えた稠密微小ミラー・アレイ装置が提供される。複数の微小ミラーのうちの１つのエッジ部分は、所望の平面内回転許容差を達成するために、たとえば微小ミラーの回転ポイントに最も近いエッジ上の一点から隣接するエッジまで少なくとも部分的にテーパが施されている。

他の好ましい実施形態では、微小ミラーの少なくとも角度θの平面内回転を可能にするために、所望の角度θで少なくとも部分的にテーパが施された少なくとも１つのエッジ部分を備えた微小ミラーが提供される。角度θを選択することによって所望の微小ミラー充填比率が提供され、かつ、所望の平面内回転許容差が達成される。

前述の課題および手段ならびに本発明の好ましい実施形態についての以下の詳細な説明は、添付の図面と共に読むことによってより良く理解されよう。添付の図面は、本発明を説明するために、現時点における好ましい実施形態を示したものであるが、本発明は、添付の図面に示されている厳密な構造および手段に何ら制限されないことを理解されたい。

図３Ａに示す本発明の好ましい一実施形態では、複数の微小ミラー３０２−Ａ〜Ｆを備えた一次元稠密微小ミラー・アレイ３００が提供される。ミラー３０２−Ａ〜Ｆは、それぞれ可撓支持エレメント（たとえばミラー３０２−Ａの場合、支持エレメント３１１）によってエッジ部分で支持されている。

図３Ａから分かるように、ミラー３０２−Ａ〜Ｆのサイド・エッジ（たとえばミラー３０２−Ｂの場合、サイド・エッジ３０４および３０６）にはテーパが施されている。エッジにテーパを施すことにより、ミラー３０２−Ａ〜Ｆは、微小ミラー・アレイ３００内の隣接するミラーと接触することなく平面内回転することになる（たとえばミラー３０２−Ｄは、下部コーナ３０８の周りに回転する）。

本明細書において考察されている個々の実施形態の場合、ミラー・エッジのテーパの量すなわち角度（およびミラー間ギャップの幅）が、隣接するミラーとミラーの間で接触することなく生じ得る平面内回転の量（すなわち平面内回転許容差）を決定することになることは当業者には理解されよう。また、エッジの全長に沿ってミラーのエッジ（もしくはその一部）にテーパを施すことができ、あるいは部分的にテーパを施すことができ、尚且つ平面内回転許容差を改善することができることは当業者には理解されよう。また、テーパが施された１つまたは複数のエッジ部分は、テーパが施された１つまたは複数のエッジ部分を形成するための直線線分、彎曲線分等を含むことができる。

図３Ｂに示す本発明の他の好ましい実施形態では、複数の微小ミラー３１２−Ａ〜Ｆを備えた一次元稠密微小ミラー・アレイ３１０が提供される。ミラー３１２−Ａ〜Ｆは、それぞれ可撓支持構造（たとえばミラー３１２−Ａの場合、仮想線で示す支持構造３２１）によってミラーの真下の支持ポイントで支持されている。このミラー・アレイ設計は、ミラー３１２−Ａ〜Ｆのピストンおよび／または傾ぎおよび／または支持ポイントの周りの傾斜を可能にする。図３Ｂから分かるように、ミラー３１２−Ａ〜Ｆのサイド・エッジ（たとえばミラー３１２−Ｂの場合、サイド・エッジ３１４および３１６）には、回転軸３１５から隣接するエッジに向かってテーパが施されている。エッジにテーパを施すことにより、ミラー３１２−Ａ〜Ｆは、隣接するミラーと接触することなく平面内回転することになる。たとえばミラー３１２−Ｄは、微小ミラー・アレイ３１０内の隣接するミラー３１２−Ｃ、３１２−Ｅと接触することなく支持ポイントの周りに回転（平面内回転）する。

本発明の態様は、二次元ミラー・アレイおよび／または様々な幾何学形状（たとえば正方形、三角形、長方形、菱形、六角形などの形状、あるいは高充填比率を提供する他の形状）を有するミラーに適用することができることは当業者には理解されよう。

図４は、本発明による二次元高充填比率微小ミラー・アレイ４００の一実施例を示したものである。ミラー４０２−Ａ−１．．．４０２−Ｆ−６は、それぞれ可撓支持構造（たとえばミラー４０２−Ａ−１の場合、仮想線で示す支持構造４１１）によってミラーの真下の支持ポイントで支持されている。このミラー・アレイ設計は、図３Ｂのミラー３１２−Ａ〜Ｆを参照して考察したように、ミラー４０２−Ａ−１．．．４０２−Ｆ−６のピストンおよび／または傾ぎおよび／または支持ポイントの周りの傾斜を可能にする。ミラー４０２−Ａ−１．．．４０２−Ｆ−６の１つまたは複数のエッジ部分（たとえばミラー４０２−Ａ−１のエッジ部分４３０、４４０）は、回転軸（たとえばミラー４０２−Ａ−１の場合、軸４１０および／または軸４２０）から隣接するエッジに向かってテーパが施されていることが好ましい。１つまたは複数のエッジ部分にテーパを施すことにより、ミラー４０２−Ａ−１．．．４０２−Ｆ−６は、隣接するミラーと接触することなく平面内回転することになる。たとえばミラー４０２−Ｃ−５は、微小ミラー・アレイ４００内の隣接するミラー４０２−Ｂ−５、４０２−Ｃ−６、４０２−Ｄ−５および４０２−Ｃ−４と接触することなく回転する（その支持ポイントの周りに平面内回転する）。

上で考察したように、ミラー・エッジのテーパの量すなわち角度（およびミラー間ギャップの幅）が、隣接するミラーとミラーの間（もしくは他の構造と構造の間）で接触することなく生じ得る平面内回転の量を決定することになることが分かる。また、エッジの全長に沿ってミラーのエッジ（もしくはその一部）にテーパを施すことができ、あるいは部分的にテーパを施すことができ、尚且つ平面内回転許容差を改善することができることは当業者には理解されよう。また、本発明によるミラー・アレイの１つまたは複数のミラーの平面内回転許容差を改善するために必ずしも個々のミラー４０２−Ａ−１．．．４０２−Ｆ−６の個々のエッジにテーパを施す必要がないことが分かる。また、テーパが施された１つまたは複数のエッジ部分は、テーパが施された１つまたは複数のエッジ部分を形成するための直線線分、彎曲線分等を含むことができる。

図５Ａは、本発明の他の実施形態を示したもので、ミラー５００は、回転ポイント５１０で下方から支持されており、ピストンおよび／または傾ぎ（たとえば軸５３０−Ａの周りの回転）および／または傾斜（たとえば軸５３０−Ｂの周りの回転）が可能である。ミラー５００の１つまたは複数のエッジ部分（たとえばエッジ部分５２０−Ａ、５２０−Ｂ、５２０−Ｃ、５２０−Ｄ）は、回転ポイント５１０に最も近いエッジ上の一点（たとえばポイント５４０−Ａ、５４０−Ｂ、５４０−Ｃ、５４０−Ｄ）から隣接するエッジまでテーパが施されている。ミラー５００は、図５Ｂに示すように、高充填比率微小ミラー・アレイ（仮想線で示す）内に配置されると、（あいにく）微小ミラー・アレイ内の隣接するミラーと接触することなく回転ポイント５１０の周りの平面内で少なくとも角度θだけ回転することになる。

上で説明した実施形態に本発明の広義の発明概念から逸脱することなく変更を加えることができることは当業者には理解されよう。したがって、本発明は、開示した特定の実施形態に何ら制限されないこと、また、これらの改変が添付の特許請求の範囲によって定義されている本発明の精神および範囲内に包含されることが意図されていることを理解されたい。

Ａ、Ｂは従来技術による一次元微小ミラー・アレイを示す図である。従来技術による二次元微小ミラー・アレイを示す図である。Ａ、Ｂは本発明の実施形態による一次元微小ミラー・アレイを示す図である。本発明の一実施形態による二次元微小ミラー・アレイを示す図である。本発明の一実施形態による微小ミラーを示す図である。平面内回転後における図５Ａの微小ミラーを示す図である。

Claims

複数の微小ミラーを備えた稠密微小ミラー・アレイ装置であって、前記複数の微小ミラーの少なくとも１つの微小ミラーの少なくとも１つのエッジ部分が、隣接する微小ミラーと接触することのない前記少なくとも１つの微小ミラーの平面内回転を可能にするために少なくとも部分的にテーパが施された装置。
前記少なくとも１つのエッジ部分が、前記少なくとも１つの微小ミラーの前記少なくとも１つのエッジ上の回転中心に最も近い一点から隣接するエッジまでテーパが施された請求項１に記載の装置。
前記微小ミラー・アレイが一次元アレイである請求項１に記載の装置。
前記微小ミラー・アレイが二次元アレイである請求項１に記載の装置。
前記少なくとも１つのエッジ部分に角度θのテーパが施された請求項１に記載の装置。
前記テーパ角度θが、所望の平面内回転許容差および所望のミラー充填比率を提供するように選択された請求項５に記載の装置。
所望の微小ミラー充填比率および所望の平面内回転許容差を提供するために少なくとも部分的にテーパが施された少なくとも１つのエッジ部分を備えた微小ミラー。
前記微小ミラーに少なくとも角度θの平面内回転を可能にするために前記少なくとも１つのエッジ部分に角度θのテーパが施された請求項７に記載の微小ミラー。
１つまたは複数の彎曲線分を使用して前記エッジ部分にテーパが施された請求項７に記載の微小ミラー。