JP2009532716A - 非線形支持を有するアナログｍｅｍｓ - Google Patents

Abstract

開示される実施形態は、非線形抵抗を与える１つ以上の梁によって支持される枢動マイクロミラー（１０２）を備えるアナログＭＥＭＳデバイスを示す。梁（１２０）が撓みに対して抵抗を与えるのに対して、電極（１０５）はマイクロミラーを静電的に引き付けることができる。力が等しいとき、マイクロミラーは目標角で保持される。実施形態で開示される梁支持材は、静電力の非線形性状により良く合致する非線形支持をマイクロミラーに与えるので、それは従来のねじりヒンジ支持材（１５０）よりも優れている。
【選択図】図１Ａ

Description

以下に述べる実施形態は、一般に非線形支持を微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）に提供すること、より詳細には非線形支持をアナログマイクロミラーに提供することに関する。

最近、さまざまな機械的デバイスの小型化は新しい分野の技術的発展を引き起こした。かかる微小電気機械システム（「ＭＥＭＳ」）は機械構成部品を基板上の電気的制御回路と一体化させ、通常集積回路技術を用いて製造される。その小さいサイズの故に、ＭＥＭＳは最新の高性能製品の開発においてますます有用になった。一般的な応用は、加速度計、圧力センサ、アクチュエータ、および空間光変調器を含む。

ＭＥＭＳデバイスの一種はマイクロミラーを包含する。マイクロミラーデバイスは数千、あるいは数万もの微小な傾斜反射面のアレイを利用する。これらのマイクロミラーは光を投影面に反射して、通常視覚映像を形成するために使用され得る。このように用いられて、マイクロミラーは表示装置として機能して、高級家庭用娯楽機器で必要とされる種類の高品質視覚映像を再生することができる。それらはまた光スイッチングシステムおよび光通信システムでも使用され得る。

多くの従来のマイクロミラーはデジタル・マイクロミラー・デバイス（「ＤＭＤ」）技術のフレームワーク内で使用される。ＤＭＤのミラー素子の各々は、開または閉光構成に対応して、ミラーが光源に対して傾く角度に基づいて２つの位置の間で切り換わることができる。デジタルマイクロミラーは、それが光源を投影面に反射するように向けられる場合に開位置にある。デジタルマイクロミラーは、それが光源によって供されるどの光も投影面に投影されないように向けられる場合に閉位置にある。このようにして、各デジタルマイクロミラーは開すなわち「オン」位置か、あるいは閉すなわち「オフ」位置に向けられて、２値すなわちデジタル応答を供することができる。

特定のデジタルマイクロミラーを「オン」または「オフ」に急速に変えることによって、光の適切な階調が投影面上の特定の画素に対して投影され得る。そして色相が、色フィルタによる白色光源の時分割多重化によってＤＭＤ投影システムに追加されてもよい。実際には、デジタルマイクロミラーは、人間の目が各デジタルマイクロミラーの分離した「オン」および「オフ」位置を識別することができないほど速く、開位置と閉位置との間で行ったり来たりする。代わりに、人間の目は各ミラー素子によって投影される個々の２値画像を幅広い画素の階調および色相に外挿する。このようにして、ＤＭＤは、急速に変化する輝度および色の人間の目による平均化を利用することによって、全アレイの必要な階調および色相の正確な再生を可能にする。

通常、ＤＭＤの各マイクロミラーは対応する電極によって生じる静電力を用いて開位置か、あるいは閉位置に向けられる。普通、各デジタルマイクロミラーはヒンジ機構の上に配置され、電極はヒンジの両側に配置される。これらの電極は通常マイクロミラーの下の半導体基板上に形成される。適切な電圧が電極に印加されるときはいつでも、それはマイクロミラーをそのヒンジ上で枢動させることができる静電力を生じる。２つの電極の１つだけが、開位置か、あるいは閉位置に対応して、特定の瞬間に作動するだろう。

多くのマイクロミラーが上述の種類のＤＭＤシステムに通常使用されるのに対して、マイクロミラーはまたアナログ・マイクロミラー・デバイス内で使用されてもよい。アナログ・マイクロミラー・デバイスはＤＭＤの方式と類似の方式を用いて動作するが、それらが「オン」および「オフ」に応答して２つの位置の間で急速に切り換わることによって動作しないので、それらはＤＭＤと異なる。代わりに、光の適切な階調は光源および投影面に関するマイクロミラーの角度に基づいて伝送される。入射角を広範囲の利用できる位置で変えることによって、表示される光の強度を調整することができる。

作動中、アナログマイクロミラーはＤＭＤと同じ種類の静電引力を利用する。従来、各アナログマイクロミラーはねじりヒンジの上に通常取り付けられて、マイクロミラーをその中立位置に戻すように付勢される。電極はマイクロミラーの下に位置する。また一方、マイクロミラー位置を２つの位置の間で急速に切り換える代わりに（２つの一定の静電力の１つを用いて、マイクロミラーを２つの電極接触面の１つに反対に引くことによって）、アナログマイクロミラーは、マイクロミラーに加わる力を均衡させるためにさまざまなレベルの静電力を加える。電極によって加えられる静電力の各レベルについて、静電力とヒンジのねじりバネ力との間の均衡点は異なる角度で定まる。そのため、従来のアナログマイクロミラーに加えられる静電力の量を変化させることにより、マイクロミラーの入射角を変えることができる。その非バイナリ性状によって、アナログマイクロミラーはＤＭＤと同様の位置の急速な前後変化を必要としない。代わりに、それはより遅いが滑らかな動きを用いて、光の正しい階調を投影面に向ける。

アナログマイクロミラー表示装置はＤＭＤが直面する典型的問題の１つ−「静止摩擦」問題を克服する。ＤＭＤは、電極がマイクロミラーを電極接触面に反対の位置に引く場合に存在する接触力に因る静止摩擦をしばしば被る。アナログマイクロミラーはどんな表面とも接触しないので、それらは、マイクロミラービデオ表示機器で利用できるコントラストに作用し得る、静止摩擦問題を克服する手段を提供することができる。そしてビデオ画像投影のためにそれを使用することに加えて、マイクロミラーは光無線通信システム内で光スイッチングリレーとしても使用されることができる。ＤＭＤがこれらの種類のシステムでいくつかの機能を果たすことができるのに対して、アナログマイクロミラーはより大きい範囲の反射角を供することができるので、これら目的では、通常アナログマイクロミラーが使用される。

しかしながら、従来のアナログマイクロミラーはそれ自体の問題に直面する。上述のように、アナログマイクロミラーは通常マイクロミラーを適切な角度に向けるために静電力とヒンジのねじりバネ力との均衡を利用する。この種の均衡化アプローチは、ねじりヒンジによってマイクロミラーに加えられるバネ状抵抗力が電極によって加えられる静電力に合致することを必要とする。しかし、ねじりバネ力は線形的に増大して、その撓みに比例して力が増すのに対して、静電力はマイクロミラーと電極との間の距離の２乗の関数として非線形に増大する。

静電力とねじりヒンジの線形バネ力の異なる性状の帰結は「スナップスルー」として知られている現象である。マイクロミラーがその中立位置と電極との間の全離間距離の約３分の１だけ偏向すると、非線形静電力がねじりヒンジの線形バネ力の能力を超えて急速に増大するので、従来のアナログマイクロミラーは不安定になる。ねじりヒンジが静電力に合致する能力を失うので、マイクロミラーはもはや均衡位置に達することができず、その代わりにそれは突然に残りの距離を枢動して、電極と接触する。従って、スナップスルーは典型的なアナログ・マイクロミラー・デバイスの運動の有効範囲を電極とマイクロミラーとの間の最初の離間距離の約３分の１に制限する。

従来のアナログマイクロミラーはまたヒステリシスに因って経時劣化する傾向がある。マイクロミラーの長期にわたって繰り返す運動は従来のアナログマイクロミラーの線形ねじりバネの反応性に影響を与えて、マイクロミラーを制御する精度の低下につながる。その結果として、ヒステリシスを克服することはアナログ・マイクロミラー・デバイスの耐久性を向上させるだろう。

以下に開示される実施形態により、従来のアナログマイクロミラーを悩ますスナップスルー現象の影響を最小限に抑えるよう試みる。スナップスルーの開始を遅延させることによって、アナログマイクロミラーはより大きい有効範囲の偏向を得るだろうし、電極とマイクロミラーとの間のより多く隙間が有効となり、マイクロミラーは目標角を越えて、電極へ倒れこむことはないだろう。アナログマイクロミラーに使用可能である角度の範囲を増大させることは、それがより効率的に動作することを可能にして、階調のより広いアレイを反射する。これは、ビデオ画像表示システムで使用される場合に、より良い画質を提供することができる。さらに、光通信システム内で使用される場合に、可能なマイクロミラー位置の増大によって、より多くのスイッチングオプションを提供することができる。

スナップスルーの開始を遅延させるために、開示される実施形態はマイクロミラー用の従来の線形支持機構を非線形支持機構と置き換える。非線形抵抗を静電力に与える支持機構を利用することによって、マイクロミラーの運動の有効範囲を増大させることができる。

理想的には、アナログマイクロミラーの目標は運動の全範囲を提供することであり、静電力は対応する抵抗支持力によって均衡化され得る。２つの対抗する力は撓みの２乗に比例して力を増大させる抵抗支持材を利用することによって均衡化され得る。かかる完全に非線形な支持材を用いると、抵抗力はマイクロミラーのその中立位置からの撓みの２乗の関数として増大するだろう。これは、マイクロミラーと電極との間の距離が減少する（マイクロミラーの偏向の増大としても説明され得る）につれて指数関数的に増大する、電極によって与えられる静電力と合致するだろう。従って、理想的な２次撓みは、運動の全範囲を通して撓み距離の２乗に比例して増大する復元力をマイクロミラーに与え、最適なマイクロミラー支持のための目標基準を表わすだろう。

マイクロミラーを支持するために理想的な２次撓みを用いることは、復元力（マイクロミラーをその中立位置へ戻そうとする）が静電力と有効に合致することを可能にするだろう。これはマイクロミラーの偏向の利用可能範囲を増大させて、それが中立位置から電極への運動の全範囲に近づくことを可能にするだろう。利用可能傾斜角を増大させることによって、アナログ・マイクロミラー・デバイスの光学コントラストは改善されるだろう。さらに、かかる非線形支持材はマイクロミラーが正しい向きを徐々にとることを可能にして、力が等しくなると減速して停止するだろう。これは非線形支持材が整定変動を減らすことによってアナログマイクロミラーの有効性を改善することを可能にするだろう。

しかしながら、実際の支持解決策は物理的に制限され、（マイクロミラー運動の全範囲を通して２次支持を与える）かかる数学的理想を提案できるだけである。スナップスルーを完全になくす代わりに、実際の実施形態はスナップスルーの開始をその非線形支持特性によって効果的に遅延させる。開示される支持構造は、最初は２次である、変化する力−撓み特性を有する。しかしながら、撓みとともに、開示される実施形態の力−撓み特性は１次支持へ推移する。有効に実施される場合に、開示される支持構造は本質的に２次である状況内で主に動作する。

それで、以下に開示される実際の実施形態により、（通常、それらによりマイクロミラー運動の全可能範囲を通して２次支持が与えられることはないだろうから）通常スナップスルー現象が完全になくなることはないだろうが、スナップスルーの開始を遅延させることによってマイクロミラーの偏向の範囲を実質的に増大させることができる。例えば、典型的な従来のねじりヒンジ支持材はマイクロミラーと電極との間の隙間全体の３分の１だけの使用を可能にする。開示される実施形態はマイクロミラーの使用可能範囲を隙間全体の約半分に増大させる。それで、スナップスルーを遅延させることによって、開示される実施形態は従来のねじりヒンジ性能に対して実質的向上を与える。実際の使用では、開示される実施形態は理想的な２次支持システムの利点の多くを、その範囲の実質的に２次である部分において主に動作することによって、達成することができる。

開示される実施形態では、非線形支持を提供する方法は、アナログマイクロミラーのねじりヒンジ支持材をマイクロミラーの中立の枢軸から離れて位置する１つ以上の梁と置き換えることである。かかる軸外梁は、静電力に対して非線形復元力を供給する一方で、マイクロミラーを支持し、マイクロミラーが電極によって加えられる静電力に応答して所定の位置に傾くことを可能にする。梁は十分に薄くする必要があり、それによりそれらは通常ケーブルのように応答して、実質的に２次の非線形応答を提供する。梁の応答特性を「ケーブルのように」として表現することは、端部で懸架されたケーブルを撓ますために、ケーブルがその自然に懸架された状態から押されるとき、撓みの力は非線形状に変化するだろうという原理を指す。各薄い梁は通常中心をはずれた２つのポストによって支持され、支持ポスト間の梁の長さに沿った中心位置でマイクロミラーに連結される。

作動中、梁は電極の静電力の引っ張りに応答して上および／または下に撓む。電極がアナログマイクロミラーの片側を引っ張る場合に、各梁は、非線形復元力を静電力に反して与えることによって、ケーブルのように実質的に２次の撓みとして応答する。最初に、梁は曲げ力を受けるが、梁がその中心で撓むとき、それは軸方向張力としてその連結部からマイクロミラーへの力をますます受ける。梁が（静電力に応答する）マイクロミラーの力に応答する方法におけるこの変化は梁の中心の撓みとともに増大して、マイクロミラーの非線形２次撓み支持を与える。そして各梁がマイクロミラーの中立の枢軸から離れて位置するので、線形ねじり効果を最小にすることができる。

かかる非線形梁支持技術を用いると、マイクロミラーの傾斜角変化(deflection)は梁の降伏強度によって制限されるだろう。電極によって及ぼされる力が梁の降伏強度を超える場合は、梁支持は機能しなくなり、マイクロミラーは引き下ろされて電極と接触するだろう。それで、傾斜角変化範囲を最大にするために、梁の実効降伏強度を最大にすることが有用である。

開示される梁支持構造の実効降伏強度を最大にするための２つの主要な技術があり、１）梁は湾曲形状を用いることができ、または２）梁は高い弾性の（低係数）材料から作られることができる。撓みの方向に垂直である面で湾曲する梁は最大可能撓みを増大させるのに十分な伸びを有する傾向があるだろう。同様に、高い弾性の材料から構成される梁は機能停止前により大きい撓みを可能にするだろう。

線形ヒンジ支持材を非線形ヒンジ支持材と置き換えることは、アナログ・マイクロミラー・デバイスに使用可能である傾斜角の変化の範囲を増大させることができる。この技術は、かかるアナログマイクロミラーが与えることができる光学コントラストに対する制限要因としてのスナップスルーを減らすことができる。さらに、線形ねじりヒンジ無しの非線形梁の使用は、場合によっては、アナログ・マイクロミラー・システムに対するヒステリシスの効果を減らすことがある。梁支持システム内の変形はねじれよりはむしろ、主として曲げであるので、梁支持システムはより小さいヒステリシスを示す傾向がある。このようにして、非線形梁支持材の使用は増大した寿命を有するより耐久性のあるアナログマイクロミラーを提供することができる。「非線形」梁へのどんな言及も梁の形状を指すものではなく、荷重が加えられるときの梁の力抵抗特性を指すことに留意する必要がある。

図１Ａは、非線形支持をアナログマイクロミラー１０２に与えるための開示される実施形態の１つを示す。図１Ｂおよび１Ｃは、説明に役立つように、この実施形態の追加図を示す。開示された実施形態はその基部としての機能を果たす基板１０１を有する。電極１０５は、静電引力をマイクロミラー１０２に機能上与えるために、基板１０１上に形成される。マイクロミラー１０２は枢軸１８０を中心に枢動することができるように基板１０１の上に支持される。図１Ａに示す実施形態では、マイクロミラー１０２はねじりヒンジによって支持されず、むしろ、それは２つの枢動支持材１５０によってその中立の枢軸１８０に沿って支持される。そして図１Ａの実施形態では、１つの電極１０５はマイクロミラー１０２の枢軸１８０の両側に、通常マイクロミラー１０２の枢動支持材１５０の間の離れた中心位置で、略中心線軸１９０に沿って位置する。

マイクロミラー１０２に関して、あらゆる種類の反射面がその指す範囲内に含まれる。通常、かかるマイクロミラー１０２は可視光を反射するだろうが、マイクロミラー１０２はまた電磁放射の他の波長を反射するように設計されることもあり得る。大まかに言えば、マイクロミラー１０２への言及は、枢動で位置が変わり得るあらゆるマイクロメカニカル面を含む。そして電極１０５は図１Ａの実施形態で説明される静電引力の手段であるのが、静電引力のどんな手段も有効に機能するだろうし、従って用語「電極」の範囲内に含まれることを理解すべきである。

基板１０１および／または電極１０５のレベルとマイクロミラー１０２レベルとの間に梁レベルが位置する。梁レベルは、従来のアナログ・マイクロミラー・デバイスにおいてヒンジによって通常奏せられる抵抗・復元力機能を果たしながら、マイクロミラー１０２を支持する。梁レベルはマイクロミラー１０２に復元力を与えて、マイクロミラー１０２をその中立の傾斜しない位置に戻そうとする。それはまた電極１０５の静電引力に対抗するように作用して、２つの力が等しい場合に、マイクロミラー１０２は目標変化角で安定に保持される。

図１Ａの実施形態では、梁レベルは２つの軸外梁１２０（マイクロミラー１０２の枢軸１８０から離れて、枢軸１８０に略平行に位置する）を含む。「軸外」との梁１２０の記述はマイクロミラー１０２と梁１２０との間の取り付け位置を通常指す。この取り付け位置、および梁１２０の撓みの位置は枢軸１８０から離れて位置しなくてはならない。梁１２０とマイクロミラー１０２との間の取り付けの軸外位置は線形ねじり効果を最小にする。図１Ａでは、各梁１２０は支柱１１５によって基板１０１の上に支持され、各梁１２０の２つの支柱１１５は中心をはずれて、中心線軸１９０の両側に等距離に位置する。この梁１２０の長さの中心（支柱１１５の間）で、マイクロミラー１０２は梁１２０に取り付けられ、これによりマイクロミラー１０２の部分に対するどんな枢動も梁１２０を垂直に撓ませることになる。図１Ａの実施形態では、各梁１２０は、中心線軸１９０に沿って、梁１２０の長さの中間に位置する、剛性の結合部材１２５を用いてマイクロミラー１０２に取り付けられる。梁レベルの非線形抵抗効率を高めるために、梁１２０のマイクロミラーへの取り付け位置は、マイクロミラー１０２に加わるどんな線形ねじり力も最小にするために、通常枢軸１８０から十分離れて位置しなくてはならない。

かかる梁１２０は、マイクロミラー１０２に加わる静電力が梁１２０に作用するとき曲がり始めることになる。梁１２０が中央で撓む（梁１２０の電極１０１に対する関係に応じて撓むか、または盛り上がる）とき、曲げ力は軸方向の張力に向う傾向があるだろう。この動的効果は、静電力に反対で、滑らかで連続する実質的に２次の非線形の抵抗力を生じる。

かかる梁１２０の力−撓み特性は撓みのレベルに基づいて変化する傾向がある。初めに、梁１２０は２次撓みとしての機能を果たすが、それは撓みの増大とともにより１次撓みのように作用するように変わる。図６は典型的な非線形支持梁の力−撓み特性を示すものであり、この２次から１次支持への移行が起こる様子を示す。作動中、梁１２０は、それがマイクロミラー１０２用の２次支持材としての機能を果たす範囲内で主として作動するように実施される。このようにして、梁１２０の実質的に２次の力−撓み特性は効果的に静電力を打ち消すことができる。

梁１２０の特定の形状は、各梁１２０が、それが中央で垂直に載荷されたケーブルのように概ね作用するほど十分に薄いものであるならば、変化して、非線形支持をマイクロミラー１０２に施すことができる。梁１２０とマイクロミラー１０２との間の取り付け具は通常梁１２０の長さに沿って中心位置に定置され、中心線軸１９０に大体相当する。マイクロミラー１０２と梁１２０との間の取り付け具を電極１０５と一直線に並べることによって、梁１２０に加わる力の和が主として曲げ力であるように、梁１２０に加わる力を単一の垂直線に沿って向けることができる。そして必要とは限らないが、通常梁１２０は安定性およびバランスを与えるために中心線軸１９０に対して対称である。

図１Ａの実施形態は数字８の形状をした梁１２０を用いている。図の梁１２０の８字形状では、２つの結合円は支柱１１５によって基板の上に支持され、結合部材１２５はマイクロミラー１０２を梁１２０に梁１２０の中点で結合させ、そしてそこで２つの円は交わる。多くの他の梁１２０の形状が適切な非線形応答を与える限り、可能である。典型的な真っ直ぐな梁形状は、特定のアナログマイクロミラー１０２の設計特性に応じて（例えば、梁１２０が必要なマイクロミラー傾斜角になるのに十分な撓みを可能にするように、高弾性材料を用いて）、機能することもあり得る。また一方、湾曲がバネ定数を変化させるのに役立つので、湾曲した梁１２０は開示される実施形態でしばしば用いられる。梁１２０を「湾曲」と表現することは直線以外の実質的に２次元の形状の使用を指す。例えば、梁１２０は「Ｓ」字形、放物線「Ｕ」字形、角のある「Ｖ」または「Ｗ」字形、あるいは正弦波形を用いることもあり得る。これらの例は包括的ではないが、さまざまな形状が梁１２０に利用可能であり、かつ「湾曲梁」の定義内に含まれていることを示すのに単に役立つ。撓みの方向に垂直な面で湾曲する梁１２０を用いることによって、開示される実施形態はマイクロミラー１０２の大きな傾きのための十分な伸びを可能にする。梁１２０の特定の形状は所望のバネ定数に基づいて選択することができる。梁１２０の形状は通常降伏強度と電極によって与えられる最大撓みとの相互作用に基づくことになる。

マイクロミラー１０２に加わる静電力が、梁１２０がその降伏強度を超えて撓ませる場合は、梁はその弾性を失うことになり、有効な抵抗力として機能しなくなる。支持梁１２０を設計する目的は機能停止前に利用できる撓みの量を最大化することである。材料選択は降伏強度を考慮に入れるが、梁１２０の有効性もまた適切な梁形状を選択することによって向上して、適正なバネ定数を与えることができる。１つの技術は所与の面積につき増大された長さを有する湾曲梁１２０を生成することである。追加の長さをマイクロミラー１０２の下の割当領域内に入れることは梁１２０が機能停止前にさらに撓むのを可能にする。従って、図１Ａに示す数字８の形状は、類似の構成の真っ直ぐな梁よりも梁１２０のより大きい撓みを可能にする。

梁１２０の材料を選択する際に、特徴として梁１２０は破壊または永久的（塑性的）に変形することなしに曲がらなければならない。材料の弾性応答は抵抗力をマイクロミラー１０２に与える。従って、弾性係数は重要である。通常、金属または合金がバネのような特性を有する梁１２０の構成に使用されるだろう。あるいは、また一方、梁１２０は高弾性材料（低係数を有する）から構成されることもあり得る。一例として、梁１２０はフォトリソグラフィのゴムバンドであることも本質的にあり得る。弾性の増大が機能停止無しにマイクロミラー１０２の目標傾斜角に必要な撓みを与えるので、高弾性材料を用いることにより、湾曲のより少ない梁１２０、さらには真っ直ぐな梁１２０の使用も可能になる。

そして梁１２０の設計が従来のＤＭＤで通常用いられる種類のねじりヒンジとともに使用されることもあり得るのに対して、開示される実施形態はねじりヒンジを完全に排除することを可能にする。開示される実施形態はマイクロミラー１０２の非線形支持の開発、したがって非線形／ねじり入力を減らす試みに焦点をあてる。梁１２０の非線形性は静電力とのより正確な合致を与える。

作動中、電圧が図１Ａの実施形態のマイクロミラー１０２および電極１０５に印加される。結果として生じた静電引力はマイクロミラー１０２を電圧を印加した電極１０５に向って傾ける。マイクロミラー１０２が傾くとき、図１Ａの梁１２０の１つがその中心で下方へ撓むのに対して、他の梁１２０はその中心で上方へ撓む。同時に、これらの梁１２０はマイクロミラー１０２に加わる電極１０５の静電力に抵抗する。梁１２０が曲がるにつれて、その中心に加えられる曲げ力は軸方向張力にますます変わって、実質的に２次である非線形抵抗応答を与える。これはマイクロミラー１０２が適切な角位置に滑らかに落ち着くことを可能にし、そしてそこでは２つの力は等しいので、均衡して、マイクロミラー１０２を接触支持の必要なしに安定して保持する。

電極１０５を（静電引力を生じる電圧が無いように）働かないようにすると、梁１２０はマイクロミラー１０２をその中心位置へ復元するように作用する。しかしながら、実際には、マイクロミラー１０２はその次の位置に再び向けられる前に中立位置に復帰しないものとすることができる。代わりに、電極１０５の電圧は次の目標角のための適切なレベルに変えられることもでき、梁１２０が適切な打ち消し抵抗力を与えるので、マイクロミラー１０２はその適切な向きに滑らかに落ち着くだろう。従って、電極１０５の非線形静電力と梁１２０の非線形曲げ力との相互作用は力の効果的な均衡化を可能にして、対抗する力を等しくして、マイクロミラー１０２を広範囲の目標角位置に定置する。

図１Ａの実施形態はアナログモードかデジタルモードでかのどちらかで使用されることもできるであろう。かかる模擬デジタルモードでは、それは（マイクロミラー１０２の方向角をさまざまな位置の間で切り換えるよりはむしろ）「オン」および「オフ」に相当する２つの設定位置の間で単に切り換わるだけだろう。図２は、アナログ応用に非常にしばしば使用されるタイプである、別の開示される実施形態を示す。しばしば、マイクロミラー１０２がアナログモードで使用される場合に、それは片側に傾く必要があるだけである。図２の実施形態はかかるアナログマイクロミラー１０２の配置を示し、そこではマイクロミラー１０２は片側にだけ枢動する。この実施形態では、梁１２０の１つおよび電極１０５の１つは取り除かれることができ、図２において、梁１２０および電極１０５は枢軸１８０の反対側に位置する。電極１０５の側の梁レベルを取り除くことによって、電極１０５を持ち上げることができる。図２において、電極１０５はマイクロミラー１０２の下に梁１２０と大体同じ間隔で位置する。静電引力は離間距離の２乗として変化して、電極１０５を持ち上げるので、マイクロミラー１０２を傾ける静電力を発生させるために使用される電圧をより低くすることができる。より低い作動電圧はアナログマイクロミラー画素を作動させるために用いる電気部品のサイズおよび対応する費用の削減を可能にすることができる。追加電極は図２に示す実施形態にも使用され、例えば第２電極は枢軸１８０から離れた持ち上げられた電極１０５の側で基板１０１に直接取り付けられることができる。かかる構成では、電極は連動して、静電力を用いてマイクロミラー１０２を合同で方向付けるだろう。

図３はさらに別の実施形態を示す。この実施形態は図２に類似であり、１つの持ち上げられた電極１０５および１つの梁１２０を有するが、それは梁１２０について異なる形状を用いる。図３の梁１２０は、片側で支柱１１５の上に置き、かつ反対側で枢動支持材１５０（第２支柱１１５に対応する）と接触させることによって基板１０１の上に支持される。梁１２０は増大した長さを有して、２つの結合された三角形に似た対称形状を用いる。この形状は図２のバネ定数よりも小さいバネ定数を与えて、所与電圧についてより大きい傾斜角を可能にする。

梁１２０が十分に薄く、非線形ケーブルの様に作用するように支持され、かつ梁１２０とマイクロミラー１０２との間の取り付け位置が軸外に位置する限り、梁形状は大いに変化できる。いくつかの個別形状が上に説明されたが、規定された基準を満足する多くの他の形状が存在し、また有効に機能するだろうことを理解する必要がある。当業者は本発明の範囲内に含まれる代替設計を容易に認識するだろう。湾曲した梁および真っ直ぐな梁の両方が非線形支持を与えることができるので、梁１２０を「非線形」として言及したとしても、通常、その形状に言及しているのではなく、むしろ梁１２０の荷重下での抵抗特性に言及していると理解する必要がある。

上述の実施形態に対するさらなる変更態様として、マイクロミラー１０２とビンジレベル１２０との間の距離が減少され得る。結合部材１２５の高さのかかる減少はマイクロミラー１０２の偏向の際により少ない移動を生じる。マイクロミラー１０２の移動を減らすことにより多数のマイクロミラーの間のより小さい隙間を可能にして、例えば、アナログマイクロミラーのアレイが光学画像を再生するために使用される場合に、コントラストを改善する。

そして有効な非線形のマイクロミラー１０２の支持を維持するために、枢軸１８０におけるねじり効果を最小にするための措置を講じることは有益である。従って、マイクロミラー１０２の枢軸１８０を中心とする自由な枢動を本質的に可能にする枢動支持材１５０を用いることは有用である。一例として、丸い枢動支持材１５０は、それが梁１２０の支持の非線形性状を妨げることもあり得るある種のねじり力を発生させることなしに、適切に枢動し得るように、マイクロミラー１０２を有効に支持するだろう。あるいは、枢動支持材１５０は完全に削除されることもあり、これによりマイクロミラー１０２の位置は２つの梁１２０の相互作用に完全に依存するだろう。

開示される実施形態の梁１２０によって与えられる非線形支持は非線形静電力を有効に打ち消すことができる滑らかで連続する非線形抵抗を与える。薄い可撓梁１２０によって与えられる抵抗力は（マイクロミラー１０２の偏向距離の２乗で）変化角の大きさに比例し、変化角が９０度に近づくにつれて、バネ定数はゼロから梁１２０の引っ張り剛性まで増大する。図４は梁抵抗力の滑らかで連続する非線形性状を撓みの関数として示し、梁１２０の２次抵抗特性を効果的に表示している。梁１２０が撓むにつれて、荷重はより軸方向に支持されることになって、剛性は増大する。梁１２０の力−撓み特性は、図４に示すように、梁の撓みを撓みに対する抵抗の力に関係づける。つまり梁１２０が撓み距離を増大させるにつれて、撓みに対する抵抗の力は増大する。梁１２０のこの力−撓み特性が静電力に対抗して、抵抗／復元力をマイクロミラー１０２に加えるのである。図６は開示される梁１２０の力−撓み曲線の実質的に２次の性状に関して更なる詳細を提供する。

図５は梁１２０によって与えられる滑らかで連続する非線形対向力の追加証拠を提供し、力が印加電圧を変化させることによって、変化する傾斜角において均衡化され得る方法を描いている（製造公差およびヒンジ／梁構成は実際の傾斜角精度を決定することになる）。この滑らかで連続する非線形抵抗は梁１２０が静電気的に生じた非線形力に有効に対抗することを可能にするので、それは開示される実施形態の重要な特徴である。線形近似は実施形態の非線形梁１２０によって与えられる支持に適切に適合させることができない。従って、（マイクロミラー１０２の利用可能傾斜角の範囲を制限する）スナップスルーの開始は開示される梁１２０によって大いに遅延されることができる。梁１２０が電極１０５によってマイクロミラー１０２に加えられる非線形静電力に対抗して実質的に２次の非線形支持をマイクロミラー１０２に与えるので、アナログマイクロミラーに対する正確な制御および均衡化の実効的達成を可能にするのは、梁１２０のような非線形支持材によって与えられる滑らかで連続する曲線である。

そして有利なことに、梁１２０支持材の使用はまたヒステリシスを減らして、より耐久性のあるアナログマイクロミラー１０２デバイスを提供することができる。梁１２０がねじれ力よりもむしろ曲げ力を主として受けるので、ヒステリシスは減ったように見える。従って、上述の非線形支持梁１２０は改善された機能寿命をアナログ・マイクロミラー・デバイスに与えることができる。

本発明が関連する業者は、多くの他の実施形態が有り、かつさまざまな追加、削除、置換、および他の変更態様が、本発明の範囲を逸脱せずに、例示した実施形態に対して行われ得ることを認識するだろう。

非線形梁支持を有するアナログ・マイクロミラー・デバイスの斜視図である。 図１Ａに示す非線形梁支持を有するアナログ・マイクロミラー・デバイスの実施形態の平面図であり、マイクロミラーの点線描写とともに、前記マイクロミラーはヒンジレベルの下部要素を明らかにするために完全に切り取られている。 図１Ａに示すアナログ・マイクロミラー・デバイスの実施形態の側面図である。 唯一の非線形梁支持材および持ち上げられた電極を有する、アナログ・マイクロミラー・デバイスの代替実施形態の斜視図である。 ヒンジレベルの代替形状を示す、アナログ・マイクロミラー・デバイスの代替実施形態の斜視図である。 薄い梁について力対撓みの非線形性を示すグラフである。 さまざまな印加電圧についてモーメント対傾斜角の非線形性を示すグラフである。 １次支持および理想的な２次支持と関連して開示される梁の実施形態の力−撓み性状を示すグラフである。

Claims (10)

1. 基板と、
   前記基板にかつ前記基板上に枢着したマイクロミラーであって、枢着によって規定される枢軸を有する前記マイクロミラーと、
   前記マイクロミラーをほぼ前記枢軸を中心に静電的に枢動させることが可能であるように、前記マイクロミラーと電気伝達する静電アクチュエータと、
   前記基板の上に支持される可撓梁であって、前記梁は前記マイクロミラーの枢軸から離れて前記マイクロミラーに機械的に結合され、それによって前記梁の力−撓み特性が前記結合されたマイクロミラーと機械的に相互に作用する前記梁と、
   を備えるＭＥＭＳデバイス。
2. ２つの支柱をさらに備え、前記梁が前記２つの支柱によって前記基板の上に支持される、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
3. 前記梁が前記２つの支柱の間の位置で前記マイクロミラーに結合される、請求項２に記載のＭＥＭＳデバイス。
4. 前記基板に取り付けた２つの枢軸支柱をさらに備え、前記枢軸支柱は前記マイクロミラーの枢軸に沿って位置し、前記マイクロミラーを前記基板の上に枢動可能に支持する、請求項３に記載のＭＥＭＳデバイス。
5. 前記梁が曲がった形状を有する、請求項１〜４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳデバイス。
6. 電極が前記マイクロミラーの枢軸に対して前記梁と反対側に位置し、前記電極および前記梁は前記マイクロミラーから大体同じ垂直距離だけ隔離している、請求項３に記載のＭＥＭＳデバイス。
7. 前記基板の上に支持され、前記マイクロミラーの枢軸に対して前記第１の梁と対称に位置し、そして前記マイクロミラーの枢軸から離れて前記マイクロミラーに結合される第２の梁をさらに備える、請求項２または６に記載のＭＥＭＳデバイス。
8. 前記電動アクチュエータが電極を備え、前記可撓梁が前記基板の上に、かつ前記マイクロミラーの下に支持される、請求項１に記載のＭＥＭＳデバイス。
9. 前記梁が実質的に２次元の非直線形状を有する、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
10. 前記梁の実質的に非線形の力−撓み特性が、前記マイクロミラーの偏向の目標範囲にわたって、連続した実質的に２次の撓み支持を前記マイクロミラーに与える、請求項９に記載のＭＥＭＳデバイス。

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