JP2012532350A5

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Publication number: JP2012532350A5
Application number: JP2012518751A
Authority: JP
Filing date: 2010-07-06
Publication date: 2014-02-20

Description

慣性質量による並進駆動ミラーの動的変形の軽減

本発明は、独立請求項の前段に記載する並進駆動ミラーを用いたマイクロメカニカルミラー構造に関する。さらに本発明は、かかるマイクロメカニカルミラー構造の操作方法と該構造の使用に関する。

微小機械的に製造する並進駆動ミラーは、例えば、とりわけ赤外波長域に対するフーリエ変換分光計（ＦＴＳ）（ＦＴＩＲ）における位相シフト要素として使用されている。さらに、共鳴駆動及び静電駆動の並進駆動ミラーを加速度センサとして使用することも周知である。

図１ａは、並進駆動ミラー面の平面図で、かかる並進駆動ミラーの基本的な構造を示す。並進駆動ミラーを形成するミラープレート１は、複数の支持要素２（本例では２つ）を介してフレーム構造３に接続し、示す面に垂直な方向に、固定したフレーム構造３に対して並進方向に動作することができる。代替的に、２つの支持要素２について以下ではジョイント若しくはヒンジと称することもあるが、これらは例えば曲り梁、蛇行ばね、若しくはパンタグラフ型支持手段等とすることができる。

ミラープレート１が静止位置（図１ｃの位置。図１ｂから図１ｄは、図１ａで示すミラー構造の、並進駆動ミラー面又は図１ａに示す面に垂直な方向の断面図を示し、断面は支持要素２の長手軸を通る面である）にあれば、ミラープレート１に慣性力は働かない。従ってミラープレートは平坦である。並進駆動ミラー面に垂直な要素を有する駆動パルスにより、ミラープレート１が静止位置から動作すると、支持要素２の弾性的な反作用が、動作するミラー質量に抵抗する。これらの反作用により、ミラープレートは変形することとなる（図１ｂと図１ｄ）。動作の反転点において、すなわち運動エネルギーが変形エネルギーに完全に変換される際に、反作用は最大となる。フレーム構造３が（ミラープレート１及び支持要素２と共に）上方に動作すると、ミラープレート１はフレーム構造に対して下方に動作する。よってミラープレート１の慣性力により、ミラープレート１は鍵状に変形することとなる（図１ｄ）。ミラープレート１が逆方向（上方）に動作すると、慣性力によってミラープレート１はヘルメット状に変形することになる（図１ｂ）。

ミラープレートの厚さを厚くすれば、ミラープレートの構造が強固になり、並進動作するマイクロミラーの動的変形を軽減できる。しかし、特にマイクロメカニカルミラープレートの場合には、厚さを無制限に増大できるものではない。ミラープレートの厚さを増大してマイクロコンポーネントを製造することは、技術的制約に対して技術的取り組みを重ねることでのみ可能であるが、ミラープレートを厚くすればそれと同時にプレートの質量も増すため、マイクロコンポーネントの耐衝撃性にマイナスの影響が出る。さらに、可撓性の支持要素若しくは支持構造（例えば梁ばね、トーションバー、若しくは捻り要素）がミラープレートの厚さと同じ構造高さ又は厚さを有すると、硬直して望ましくない。支持要素の硬直及び／又はミラープレートの質量の増大はさらに、共鳴動作するマイクロミラーにおいて並進駆動の振動の機械的固有振動数を変化させる。

従って本発明の目的は、従来技術を発端として、並進駆動ミラープレートの慣性誘起の動的変形を軽減する、並進駆動ミラーを有するマイクロメカニカルミラー構造を提供することである。

従来技術より知られているかかる慣性力は、動作方向に一致しミラープレートを変形させる（例えば反らせる）が、これを軽減することは、例えばフーリエ変換分光計においてミラープレートを使用する際に重要である。それは、位相シフトするミラープレートが動的変形すると、フーリエ変換分光計のスペクトル分解能が低下することにより、干渉計のビーム広がりが増大するためである。一方、ミラープレートの慣性誘起の動的変形を減少することは、（例えばミラープレートが偏向要素を示すアクチュエータにおいても）一般的に非常に望ましい。なぜなら、適応光学系において並進駆動ミラーを使用した場合にミラープレートの動的変形が生じると、反射光が逸れることになるためである。

まず、以下で本発明を概説し、その後個別の実施形態を参照して説明する。この点に関して、本発明の複数の特徴を１つの実施形態において互いに組み合わせているが、本明細書で示す通りに組み合わせる必要はなく、特許請求の範囲の定める保護範囲内にある、その他の組み合わせで発明を実現することができる。詳細には、１つの実施形態で示す複数の特徴について、それらを個別に省略することもできれば、本明細書で示す実施形態若しくはその他の実施形態の更なる個々の特徴と別の方法で組み合わせることもできる。

本発明の構成においては、中心（例えばミラープレート又は慣性要素）は、対応する要素（例えば点対称像を有する円形ミラープレート）の幾何学的中心、及び／又は対応する要素の質量中心（即ち要素の重力の中心）と解釈する。本発明によるミラー構造で使用するミラープレートは原則として、特に対称形状（例えば中心に対して点対称）に成形することができる。ただし、ミラープレートは不規則な形状に、又は任意の所望の形状に成型してもよい。この点に関して、ミラープレートは支持要素を介してフレーム構造に接続するもの全体であると解釈する。即ちミラープレートはフレーム構造に対して並進方向に偏向可能である。ミラープレート又は並進駆動ミラーという用語は特に、原則として規則的な形状（例えば円形若しくは矩形構造）の基本構造を含むばかりでなく、かかる基本構造に取り付けた突出する慣性要素も含む。

この点に関して、かかるミラープレートは単層、又は複数層を有する構造としてもよい。ミラープレートは単一材料からなるものであっても、様々な材料からなる個々の部分を複数含むものであってもよい。ミラープレートという用語は、プレートの面に存在して相互に接続した、そしてフレーム構造に対して並進方向に偏向できる（また、フレーム構造に対して並進動作する際に支持要素によってその動作を制限される）任意の所望の形状からなるミラーボディーの全ての部分を含む。

以下で特記しない限り、発明の個別の実施形態又は概説において使用する視点は常に、並進駆動ミラーの静止位置におけるミラー面又は並進駆動ミラーの位置（又はミラープレートの位置）に関連する。例えば、ミラープレートの中心から外側縁の平均距離に関して述べる場合には、全てのこれらのパラメータは、並進駆動ミラー面において又はこの並進駆動ミラー面（原則として図面の面に一致する）に垂直に並進駆動ミラー面に対して平行投影することによって決定するものとする。

本発明の基本的概念は、ミラープレートの基本構造（以下では代替的にミラープレートの中心隣接及び／又は中心近接部分とも呼ぶ）の縁部に固着した又は縁部から突出した、追加的な慣性質量（以下ではミラープレートの外側縁近接部分及び／又はミラープレートの慣性要素とも称する）を用いて、慣性誘起変形を軽減することである。

本発明によれば、慣性力はまず、外側縁に近接させて追加的に取り付けたこれらの部分又はミラープレートのこれらの慣性要素に対して、ミラープレートの中心近接部分に作用する方向と同じ方向に作用する。しかし、支持要素（例えばジョイント又はヒンジ）とミラープレートとの接続領域を内側にオフセットさせて配置しているため、即ち接続領域をミラープレートの中心近接部分の縁部領域に直接取り付けているため、慣性要素の外側縁に近い部分の慣性力が、接続領域と称する領域において、即ちミラープレートの中心近接部分の縁部において、トルクを生じさせることとなる。これらのトルクが合わさって、ミラープレートにおいて追加的に曲げモーメントが生じ、ミラープレートの中心近接領域の慣性質量の曲げモーメントに対抗する。従って、ミラープレートの中心又は中心近接部分における慣性誘起の動的変形が軽減される。このように中心近接領域は直線的に引っ張られる。

これらの物理的な関係を実現するために、支持要素のミラープレートとの接続領域を、ミラープレートの外側縁からミラープレートの中心方向へと内側にオフセットさせて配置することができる。この特徴は、上述のように並進駆動ミラー面又は静止位置に関連する。

ミラープレートの中心からミラープレートの外側縁までの平均距離を、この中心から接続領域までの離間距離より大きくすることができる。（この点に関して、「接続領域」はここでも他の構成と同様に、常に支持要素をミラープレートにおいて固着する位置である。）

ミラープレートは複数の追加的な慣性要素を有することができ、これら慣性要素は、支持要素及び／又は前述の接続領域に対して、ミラープレートの中心から外方向へとミラープレートの中心に点対称となるように、そして突出するように配置することが好ましい。

ミラープレートは複数の慣性要素を有することができるが、これら慣性要素の配置にあたっては、ミラープレートの中心を通る直線上への慣性要素の中心の直交射影が、この直線上への前述の接続領域の直交射影よりも、ミラープレートの中心から更に遠くにあるように、ミラープレートの中心に対して点対称に配置する。かかる射影は、並進駆動ミラー面における射影である。

本発明によれば、並進駆動のミラープレートの実際に使用する光学面の外に慣性質量又は慣性要素を配置することで、追加的質量の機械的慣性によりミラープレートに伝わるモーメント又は力が、ミラープレートの慣性誘起の動的変形に対抗し、動的変形を補償する。

ミラープレートの中心近接部分又はミラープレートの基本構造の外側縁に、即ち並進方向に動作するミラープレートの実際に使用するミラー面の外で、追加的質量を統合することができる。この点に関して、以下でより詳述するように、平衡用質量、即ち追加的質量は、更なる構造によって（例えばフレーム要素を介して）ミラー質量から離間させることができる。

ミラー要素の実際に光学的に使用する面を、追加的質量又は慣性要素で囲むことができる。

ただし、追加的質量又は慣性要素にミラー被覆層を備え、これらを光学的に使用するようにしてもよい。

本発明によるマイクロメカニカルミラー構造は共鳴的又は非共鳴的に振動する並進駆動ミラーに使用することができるが、並進駆動ミラーの駆動は、静電駆動、電磁駆動、圧電駆動、圧磁駆動、電歪駆動、磁歪駆動、熱駆動、又は空気圧駆動で行うことができる。

ミラープレートの中心近接領域（基本構造）の輪郭は、（ミラープレートのこの内部領域に取り付ける支持要素、及びこの内部領域の外に取り付ける慣性要素と併せて）矩形、円形、又は楕円形とすることができる。慣性要素は、要望に合わせた形状とすることができる、又は任意の所望の形状で突出させることができる。

慣性要素同士は、慣性要素支持要素を介して互いに、又はミラープレートの内側部分又は中心近接領域に接続することができる。様々なタイプの連続した又は離散した支持要素を、慣性要素支持要素に、そして並進駆動ミラーをフレーム構造に接続する上述の支持要素に使用することができる。例えば輪郭の無い、梁ばね、蛇行ばね要素、又はパンタグラフ型支持手段等がある。当業者であれば、かかる支持要素の製造に関する詳細には精通している。

別個のフレーム要素を介してミラープレートの中心近接部分に慣性要素を接続する場合には、かかるフレーム要素を円形のフレーム構造若しくは環状構造として、又は多角形のフレーム構造若しくは環状構造とし、その後複数の内側及び外側の接続要素によってミラープレート及び／又は慣性要素の内側部分に固着させるように設計することができる。

本発明によれば、ミラー構造の個々の要素の（並進駆動ミラー面に垂直方向の）構造高さは、様々な高さとすることができる。ミラープレートは単層若しくは複数層であってよく、引張層を有しても有さなくてもよく、裏面側若しくは前面側に補強構造を有しても有さなくてもよく、及び／又は前掲の要素を様々に組み合わせたものであってよい。このことについては、以下で詳述する。

ミラープレート１は、好ましくは棒状構造が横方向に突出する格子歯を有するラメラ格子要素とすることができる。慣性要素自体をラメラ格子として作製してもよい。

本発明によれば、フーリエ変換分光計、干渉計、薄板格子干渉計、共焦点顕微鏡、光路長変調器、又は加速度センサにマイクロメカニカルミラー構造を備えることができる。

本発明の上記実施形態だけでなく、それらの実施形態を更に変形した実施形態について、個別の実施形態を参照しながら以下で説明する。

従来技術によるマイクロメカニカルミラー構造を示す図である。本発明の第１実施形態を示す図である。単純に構造化した基本構造又はミラープレートの中心近接部分を有する、本発明の更なる実施形態を示す図である。単純に構造化した基本構造又はミラープレートの中心近接部分を有する、本発明の更なる実施形態を示す図である。単純に構造化した基本構造又はミラープレートの中心近接部分を有する、本発明の更なる実施形態を示す図である。単純に構造化した基本構造又はミラープレートの中心近接部分を有する、本発明の更なる実施形態を示す図である。単純に構造化した基本構造又はミラープレートの中心近接部分を有する、本発明の更なる実施形態を示す図である。単純に構造化した基本構造又はミラープレートの中心近接部分を有する、本発明の更なる実施形態を示す図である。ラメラ構造のミラープレートの中心近接部分若しくは基本構造に関する更なる実施形態を示す図である。ラメラ構造のミラープレートの中心近接部分若しくは基本構造に関する更なる実施形態を示す図である。ラメラ構造のミラープレートの中心近接部分若しくは基本構造に関する更なる実施形態を示す図である。

図２は、本発明によるマイクロメカニカルミラー構造の第１例を示す。ここで、ミラープレート１は並進駆動ミラーを形成し、ミラープレート１の原点若しくは中心６に対して対称に配置した４つの支持要素２を介してフレーム構造３に接続している。上述のように、図２の最上部の図面に示す並進駆動ミラー面に垂直なフレーム構造３の動作に関して、これら支持要素は、並進駆動ミラー面に垂直な方向にフレーム構造３に対してミラープレート１が旋回自在となるよう、プレート１を接続する（図２の中央図と下図、これらは並進駆動ミラー面に垂直な断面図である）。

ミラープレート１は中心近接部分１１を含み、該部分１１は円形プレートの形状に形成し、ミラープレート１の中心６の周りに同心的に配置する。ミラープレート１のこの中心近接円形部分１１の外側縁（該縁を点線で示す）には、ミラープレート１の中心６に対して対称となるように、この円形中心部分１１の周囲にわたって９０°の間隔で分布させて梁ばねの形態の４つの支持要素２を配置し、円形部分１１又はミラープレート１に接続させる。

ミラープレート１は２つの隣接する支持要素２同士の間にそれぞれ慣性要素７を有し、４つの慣性要素７全体をミラープレート１の外側立設部分として形成する。これら４つの慣性要素７は、ミラープレート１の中心６に点対称となるように作製、成型、及び配置する。慣性要素７は、中心近接部分１１の外側縁（点線）に配置する、又は一体成形の形態で外側縁に接続させる。

ミラープレート１の中心６から、ミラープレート１の中心近接内側部分１１に対して外側に突出するように配置した慣性要素７の分だけさらに離れた位置に、又は中心に近い方の支持要素２の端部とミラープレート１若しくはミラープレートの中心近接部分１１との接続領域４（又は接点４）よりも有限の表面長だけ離れた位置に、ミラープレート１（慣性要素７と中心近接部分１１を含む）の外側縁５を配置及び形成する。

４つの慣性要素７は、支持要素２とミラープレート１との接続領域４の位置に対して外へと、そしてミラープレート１の中心６から外方向へと突出する。この点に関して、突出する又は突き出した形状の慣性要素７を、支持要素２に対して４５度の角度でオフセットさせて、中心近接部分１１に固着する。

本発明によるマイクロメカニカルミラー構造の構成について、以下のように説明することができる。

−支持要素２のミラープレート１への接続領域４は、ミラープレート１の外側縁５からミラープレート１の中心へと内側にオフセットさせて配置する。

−ミラープレート１の外側縁５の中心６からの平均距離Ｅ（図２には図示していないが、図３ではこの平均距離を一部示している）が、（突出する慣性要素７と内側部分１１からなる）ミラープレート１の外周上に形成される場合には、この平均距離Ｅは、支持要素２とミラープレート１との接続領域４の中心６からの離間距離より大きい。

−ミラープレート１は４つの慣性要素７を有するが、これらはミラープレートの中心６に点対称に配置すると共に、ミラープレート１の中心６から見て、支持要素２又はそのミラープレート１への接続領域４に対して外側に突出するよう配置されている。

−ミラープレートの中心６を通る直線９（図２の点対称構成の対角線）が存在し、以下では並進駆動ミラー面におけるこの直線上への直交射影を使用する。慣性要素７の中心８（ここでは左下の慣性要素７の中心８のみ示している）の直交射影Ｐ８が直線９上に入るため、支持要素２のミラープレート１との接続領域４（同様に、本図左部分の１つの支持要素２に対してのみ示している）の前面直交射影Ｐ４よりも、ミラープレート１の中心６からさらに離れた位置に、前記直交射影Ｐ８が存在する。

図２の下半分の図は、フレーム構造が下方向に動作した際の動的変形（上図）とフレーム構造が上方向に動作した際の動的変形（下図）を示している。上記のように、慣性要素７には、ミラープレート１の内側部分１１にかかるのと同じ方向に慣性力がかかる。しかし、ミラープレートの内側部分１１の縁部に支持要素２を直接取り付けているため、慣性要素７の慣性力により、内側部分１１の縁部（図２の最上部の図面の点線で示す円）にトルクＭ１が働くことになる。さらに、これらトルクが合わさってミラープレート１の中心近接部分１１に曲げモーメントが生じ、これが慣性誘起の動的変形によって生じるミラープレート１の中心近接部分の曲げモーメントに対抗する。こうしてミラープレート１の慣性誘起の動的変形が軽減され、ミラープレート１は引っ張られていわば直線的な状態となる。

ここで示す例では、ミラープレート１の中心近接部分１１と追加的に取り付けた慣性要素７は同一の厚さ（並進駆動ミラー面に垂直方向の厚さ）を有し、同一材料で作製する。ただし、ミラープレートの内側部分１１、慣性要素７、及び／又は支持要素２の構造高さが異なるように設計すること、及び／又は、ミラープレートの中心近接部分１１、慣性要素７、及び／又は支持要素２の個々の領域若しくは領域全体が異なる材料を含むようにすることも、一般的に可能である。

例えば１０ｎｍから５００μｍの厚さのアモルファスシリコン、単結晶シリコン、又は多結晶シリコン、酸化シリコン、アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、チタン、チタンアルミナイド、若しくは酸化チタン、又はその他の半導体適応材料を使用することができる。

上記実施形態は全部で４つの支持要素２を示しているが、ミラープレート１をフレーム構造３に支持するには、又は並進駆動ミラー面１に垂直な方向へのフレーム構造３に対するミラープレート１の偏向を限定するには、ミラープレートの内側領域１１の外側縁（破線）において対向させた状態で支持要素２を２つ備えれば、一般的には十分である。

図３は更なる実施形態を示すが、構造は図２に示す実施形態と概して同じであるため、ここではそれらの違いのみを説明する。ミラープレート１はそれぞれの切り込み１０を有し、この切り込み１０は支持要素２とミラープレート１との接続領域４に隣接し、ミラープレート１の外側配置部分７同士の間、又はミラープレート１の慣性要素７と中心近接部分１１との間の、ミラープレート１の中心近接部分１１の外側縁部分に沿った部分に導入する。

従って、（支持要素とミラープレート１との接続領域をまず無視した場合に）ミラープレートの内側部分１１の全周にわたって慣性要素７を内側部分１１に固着するのではなく、外側から慣性要素７の中心（これについては図２の参照番号８を参照されたい）への部分が固着部分となり、支持要素近くの部分はスロット部分に置き換わっている。

図４は更なる実施形態を示すが、図２に示す実施形態に類似した構成を有するため、上記同様に違う箇所のみを記載する。中心近接部分１１は、オフセットした環状のフレーム要素１２を介して慣性要素７に接続する。慣性要素７は、中心近接部分と一体成形するのではなく、フレーム要素１２を介して中心近接部分１１にオフセットして接続する。この接続は、中心近接部分１１の外側全周又は慣性要素７の内側全周にわたって、一定の間隔で配置した接続片１３を介して行う。フレーム要素１２の外周側に配置する接続片１３は、フレーム要素１２を慣性要素７に接続する。フレーム要素１２の内周側に配置する接続片１３は、フレーム要素１２の内部に配置したミラープレート１の中心近接部分１１にフレーム要素１２を接続する。慣性要素７同士の間で支持要素２を接続領域４に固着するが、その各々において、内側に配置した端部（即ち中心６に面した端部）を環状のフレーム要素１２に固着する。よって、支持要素２はミラープレート１の要素７と１１を、フレーム要素１２及び接続片１３を介して支持する。

ここで示す例示では、慣性要素７は接続片１３、環状のフレーム要素１２、及びミラープレート１の中心近接部分１１を形成する。接続片１３を用いて、環状のフレーム要素１２を介してミラープレート１の中心近接部分１１に慣性要素７を接続する。これには、慣性要素７によって局所的に伝わる曲げモーメントＭ１（図２を参照されたい）を、ミラープレートにおいて一層均一に分布させることができるという利点がある。さらに、ミラープレート１の変形に支持要素２が及ぼす影響を軽減し、ミラープレートが支持要素から一部機械的に分離される。接続片１３の数と位置は、設計変数である。（環状のフレーム要素１２の内側若しくは外側に配置する）接続片１３については、フレーム要素１２と協働する「分布型支持要素」と称してもよい。

図２から図４で概説した本発明の基本的な原理は、特に、従来技術より知られるマイクロメカニカルミラー構造に関して以下の利点を有している。

−本発明の原理によれば、並進駆動で動作するマイクロミラーの動的変形を絶対的に、そして変形の平均値と変形の所謂ピーク値−底値（即ち最大値−最小値）の両方に関して軽減する。

−本発明の原理によれば、特に平面性に関する要求が最も高い、ミラーの中心近接中央部分１１の領域において、動的変形プロファイルが最適化される。これは、近似ガウス分布の照射レーザ光の強度プロフィールを変えるためにマイクロミラーをよく使用することで、収差と分解能の限界に関してミラーの中央部分１１の変形がミラーの縁部の変形よりも及ぼす影響が大きい場合に、顕著である。

−本発明による原理は、前面側１４又は裏面側１５（以下を参照のこと）に追加的に補強構造を有するようにミラープレート１を構造化したり、ミラープレート１の中心近接領域をさらに薄くしたり、ミラープレート１全体の厚さを厚くしたりということを行わなくとも、効用を発揮する。これは特に、本発明によるマイクロメカニカルミラー構造が、さらなる取り組みを伴わなくとも技術的に製造可能であるという利点を有する。

図５から図８は本発明による更なる実施形態を示す。その構成は概して図２に示ものと同様であるが、それぞれの図面は、並進駆動ミラー面に垂直な面を正面投影した図であり、互いに対向させて配置した２つの支持要素２の長手軸に沿って延在する。

図２から図４の実施形態では、ミラープレート１又は要素７、１１が同一の構造高さ（並進駆動ミラー面に垂直な方向の高さであり、以下ではＤと称する）を有する設計であると仮定した。並進駆動ミラー面は例えば、ＢＳＯＩウェハ等の所謂デバイス面（ＳＯＩ層＝シリコンオンインシュレータ）であり、例えばＣＶＤ（化学蒸着）又はＰＶＤ（物理的気相成長）プロセスにより、エピタキシャル成長、蒸着、及び被覆させた機械的機能層である。

これから示す構造高さＤの異なる実施形態は、追加的なエッチング工程により実現することができる。

図５ａは、ミラープレート１の中心近接部分１１の厚さ若しくは高さが、ミラープレート１の外側縁に近い部分７又は慣性要素７の厚さＤ２の半分である実施形態を示している。支持要素２は、慣性要素７と同一の厚さＤ２を有するよう製造する。

図５ｂは、図５ａに示すように形成した更なる実施形態を示しているが、支持要素２の厚さを中心近接部分１１の厚さＤ１と一致させているという点のみ異なっている。

図５ｃは、慣性要素７、支持要素２、及びミラープレートの中心近接部分１１が同一の厚さＤを有するように形成し、ミラープレート１の下側１５の慣性部分７に更なる慣性部分１６又は慣性体１６を備えた更なる実施形態を示している。（図示はしないが）代替的に、ミラープレート１の上側１４に又はミラープレート１の上側１４と下側１５の両方に、追加的な慣性部分１６を形成してもよい。

図５ｄは、図５ｃの例示に類似したものを示しているが、（唯一の違いとして）ミラープレート１の中心近接部分１１を、慣性要素７及び支持要素２の厚さの約３分の２の厚さ分薄くした例示を示している。

図５ｅは、ミラープレート１の中心近接部分１１ではなく（図５ｄ参照）、支持要素２を約３分の１の厚さにした更なる例示を示している。

慣性要素７又は慣性質量の上昇は、追加的に構造化した層の形態の慣性部分１６により実現できる。この層は例えば、適切なエッチングプロセス（例えばＤＲＩＥ）によって基板（例えばミラープレート１に使用するバルクシリコン）から作り出すことができる。

ミラープレート１は１つの材料（所謂デバイス面の材料）で一体的に製造してもよいが、層（例えば引張応力のある又は引張応力のない薄膜）を追加してミラープレートを製造してもよい。図６は、かかる実施形態（すなわちバルク材は慣性要素７と支持要素２のみを形成し、前記薄膜上に慣性要素７を配置して、この薄膜と共にミラープレートを形成する）を示す。この場合にも、一般的に追加的な慣性部分１６を組み合わせてもよい（図示はしない）。

図７は更なる３つの実施形態を、図５及び図６と同様に正面投影図で示す。

図５及び図６の実施形態では、ミラープレート１の中心近接部分１１、慣性要素７、及び／又は支持要素２全体を隣接する要素より薄く又は厚くした。代替的に、又はこれらと組み合わせて、本発明によるミラープレート１の動的変形、又は慣性要素及び裏面側補強構造若しくは表面補強構造１７と組み合わせた内部部分１１の動的変形を最小にすることができる。これは、ミラープレート１を部分的に（特にその中心部分１１）薄くし、ミラープレート１の総質量を減らすことができるという利点を有する。全体的な質量の減少は、マイクロミラーの耐衝撃性に関して望ましいものである。

図７ａは、中心部分１１の裏面側１５に肋材状の補強構造１７を取り付けた一例を示している。ここではこれらの表面補強構造１７を、下面１５から突出し、互いに平行且つ互いに離間して配置した梁状の肋材として設計しているが、追加的な慣性要素１６と同様に、追加的に構造化した層によって作製することも可能である。例えば、適切なエッチングプロセスにより基板（例えばバルクシリコン）からこの層を作り出すことも可能である。表面補強構造１７の横方向の形状は、要望通りに設計できる。互いに平行に延在するだけの肋材ではなく、ハニカム状の表面補強構造を形成してもよい。

図７ｂは、図７ａと概して同様な設計の実施形態を示すが、本例示では、表面補強構造１７を下側１５に入り込む補強構造（ここでは、直線的な溝の形態の複数の凹部が互いに平行に、そして互いに離間して延在している）として作製している。ここでは、裏面側構造１７を要素１１の機能層に一体化する。

図７ｃは、図７ａに示す例示の表面補強構造１７を、図５に関して述べた追加的慣性部分１６と組み合わせた実施形態を示している。

当然のことながら、追加的慣性部分１６及び／又は表面補強層１７は、図５に示すように厚さに変化を持たせて、ほぼ望み通りに作製することができる。

図８は、ミラープレート１の中心近接部分１１を複数層にして製造した２つの例示を示しており、複数の層のうちの少なくとも１つは、引張層として形成する。

図８ａでは、中心近接部分１１の製造にあたり、上側１４に面する上方層１８ａを張力層として形成し、下側１５に面する下方層１８ｃを非張力層として形成する。図８ｂは、中心近接部分１１をサンドイッチ構造として形成した三層設計を示しているが、その上側１４に面する上方層１８ａと下側１５に面するように配置した下方層１８ｂをそれぞれ引張層とし、中間層１８ｃは、２つの層１８ａと１８ｂの間の非引張層に形成する。

ここで示す例示では、引張応力によりミラープレートの中心部分１１を補強し、動的変形をさらに軽減する。このような（内部）張力は、機能層若しくはミラープレート１の製造方法（ＰＶＤプロセス、ＣＶＤプロセス、エピタキシャルプロセス、若しくは蒸着プロセス）におけるプロセスパラメータを適切に調整することにより設定できる。この点に関する手順は、当業者には周知である。かかる引張層構造は、当然のことながら上述の追加的慣性部分１６、表面補強構造１７、又は薄層化部分と組み合わせることができる。

数十マイクロメータの厚さで微小機械的に製造した並進駆動ミラーの機械的機能層として、又はミラープレート層１に、ＳＯＩ層を使用することが多い。これら構造厚さを薄膜技術（例えばエピタキシ、ＣＶＤ、ＰＶＤ）により作り出すには非常に時間がかかり、通常望ましいものではない。ＳＯＩ（単結晶シリコン）には張力がないため、引張応力は原則として、ミラープレート１中に薄膜を追加することによってのみ生み出すことができる。図８は、追加的な薄膜１８ａ、１８ｂによって張力をかけたミラープレートの中心部分１１と慣性要素７との可能な組み合わせを示している。引張層１８ａ、１８ｂをミラープレートの片側だけに備えると（図８ａ）、ミラープレートの静的湾曲が生じる。引張層を両側に備える（図８ｂ）又は対称的に引張応力をかけると、初期的な静的湾曲は生じない。

図５から図８による実施形態は、特に以下の利点を有する。
−効果（慣性質量による動的変形の軽減）がさらに増す
及び／又は、
−モノリシックミラープレートと比較して大きさが同等という効果もあって、ミラープレートの質量を減らすことができる（耐衝撃性にプラスの効果をもたらす）。

図９から図１１の更なる３つの実施形態が示すように、本発明は並進駆動のラメラ格子構成において実現でき、特にＦＴＩＲ内で使用できる。

図９は、ミラープレート１を櫛形構造１９の形態のラメラ格子として製造した第１実施形態を示す。この目的のために、ミラープレート１は、櫛形構造の複数の櫛歯２１を有する長尺状直線梁２０を有し、櫛形構造は梁の長手軸に垂直に互いに離間して突出している。梁２０の長手軸をここでは参照番号９で示す。梁２０、梁２０を含むミラープレート１の中心近接部分１１、そしてミラープレート１全体（以下に記載する要素７、２０、２１を含む）の並進駆動ミラー面における対称の中心（点対称の中心）を、前掲の実施形態と同じように参照番号６で示す。

長手軸９に沿って見ると、梁２０はその２つの端部２５ａ、２５ｂそれぞれにおいて（支持要素２の位置、以下を参照されたい）突出する慣性要素７を有する。ここでは、ミラープレート１、支持要素２、及びフレーム構造３の形成については、梁の長手軸９に沿って、中心６から梁２０の２つの端部２５ａ、２５ｂの方へと外方向に、並進駆動ミラー面における梁の長手軸に垂直に突出すると共に、互いに平行にまた互いに離間させて配置した複数の櫛歯２１を有する梁部をまず形成するようにする。長手軸９に対して見て、ミラープレート１の複数の突出する櫛歯２１を有するこの部分に隣接させて、長手軸９の両側に垂直に突出する各支持要素２を形成する。最後に、梁の長手軸９の方向にそれぞれ突出する慣性要素７を、梁２０の２つの外側端部２５ａ、２５ｂに設ける。

外側に配置する慣性要素７、ミラープレート１若しくは梁２０と支持要素２との接続領域４、並びにミラープレート１の中心６の配置にあたっては、長手軸９上にこれらの要素を垂直に（並進駆動ミラー面に）投影した際に、直線の投影線９又は梁の長手軸９において、慣性要素７の中心８（射影Ｐ８）が支持要素２又は接続領域４の中心の射影（長手軸９上の投影位置Ｐ４）よりも中心６から更に遠くなるようにする。

ここで示す例示では、フレーム構造３もまた櫛形構造２４の複数の櫛歯２３を有し、この櫛歯２３は内側の面２２に垂直に突出すると共に、ミラープレート１に面するこれらの内側の面２２に互いに離間させ、互いに平行となるよう形成する。櫛形構造２４の櫛歯２３は、ミラープレート１の櫛形構造１９の櫛歯２１に対して互いにオフセットさせて、また互いに間に入り込んだ形で、形成及び配置する。ミラープレート１の櫛形構造１９とフレーム構造３の櫛形構造２４はさらに、静電的に動作するコームドライブとして使用することができる。

図９は、慣性要素が突出したラメラ格子要素の形態のミラープレート１の概略図を示す。この格子要素は実質的に、４つの機能要素を含んでいる。ミラー被覆層を備えるラメラ状櫛２１を梁状構造２０に固着する。ジョイント又はヒンジと見なすことができる支持要素２に梁状構造２０を連結又は固着する。ここでは支持要素は曲り梁であるが、蛇行ばね要素やパンタグラグ型懸架手段として設計してもよい。ミラープレート１の櫛形構造１９にジッパーのように入り込むラメラ状櫛歯２３又は櫛構造２４を同様に有する（固定した）フレーム構造３に支持要素２を固着する。ミラー被覆層を、櫛歯要素２３上に又は櫛形構造２４上に配置する。ラメラ状櫛形構造１９及び２４は、光学的効果を有する面を形成し、ラメラ格子干渉計を表す。

上述のように、ラメラ状櫛形構造は静電スキャナドライブ（コームドライブ）内の駆動電極として使用することも可能である。梁状構造２０は内部のラメラ状櫛形構造１９と共に、駆動電極同士の間で適切なＡＣ電圧を使用することにより、示す並進駆動ミラー面又は並進駆動面から並進に動作する。ただし、代替的な駆動機構を想定してもよい。

梁状構造又は中心近接部分１１も（突出する櫛歯２１と共に）、梁状構造の中心において最大となる慣性誘起の動的変形を受ける。しかし、梁構造の２つの端部２５ａ、２５ｂに（又は支持要素２と接続領域４に）突出する慣性要素７を備えるため、梁状構造の動的変形を軽減できる。内部のラメラ状櫛形構造１９が梁状構造２０に固着されているため、梁状構造の動的変形を軽減すれば、それと同時に、内部のラメラ状櫛形構造１９の動的変形も軽減され、またラメラ状格子の光学的効果を有する面の平坦性も改善される。

図１０は、単純な交差梁構造として形成したミラープレート１を含む更なる実施形態を示す。ミラープレート１は、長手軸に対して見て互いに垂直に配置した２つの梁要素２０ａ、２０ｂを有する。梁要素２０ａは前述（図９）のように、梁の長手軸９ａに垂直に突出する櫛形構造１９の複数の櫛歯２１を有する。梁要素２０ｂにはその長手軸に沿った、かかる櫛歯は存在しない。

図１０に示す例示では、２つの梁構造の各々において、それぞれの支持要素２又は接続領域４は各々（梁の長手軸に対して見て）、慣性要素７に対して、交差梁構造２０ａ、２０ｂの中心（ここでも参照番号６で示す）の方へと内側にオフセット又は配置される。

ここで示す実施形態では、第１梁状要素２０ａの中心に第２梁状要素２０ｂを取り付けているため、第２梁状要素２０ｂが第２梁要素２０ａの中心を強化し、動的変形をさらに軽減する。第１梁要素と第２梁要素両方の端部にそれぞれの慣性要素７を配置すると、第１梁要素が強化されるばかりでなく、２つの梁要素２０ａ、２０ｂの、そしてひいてはラメラグ格子の動的変形が大いに軽減される。

図１１は、ミラープレート１として二重の交差梁を有する更なる実施形態を示している。ミラープレート１は第１梁２０ａと、互いに離間させて平行となるよう配置した２つの更なる第２梁２０ｂ、２０ｃとを有し、第１梁２０ａを２つの梁２０ｂ、２０ｃに垂直に配置し、第１梁２０ａには梁の長手軸（図示せず）に垂直に突出する櫛形構造１９の複数の櫛歯２１を備える。フレーム構造３の対向配置構造は、ここでも同様に（図１０に示す例示と同様に）、個々の櫛歯２３を有する櫛形構造２４として形成する。２つの櫛形構造１９と２４は、図９に関して述べたように、互いに間に入り込んだ形で噛み合っている。

図１１は、図１０に示す基本構想（交差梁）を複数使用した場合にも、動的変形を軽減できることを示している。直交する梁を要望に合った数で追加することも可能である。

１ミラープレート
２支持要素
３フレーム構造
６中心
７慣性要素
１１中心近接部分
１２フレーム要素
１３接続片
１９櫛形構造
２０梁
２１櫛歯

Claims

マイクロメカニカルミラー構造であって、
ミラープレートであって、並進駆動ミラーとして形成すると共に、少なくとも２つの支持要素を介してフレーム構造に接続して前記フレーム構造に対して並進方向に動作可能である、前記ミラープレートを含み、
前記ミラープレートの外側縁から前記ミラープレートの中心の方へと内側にオフセットさせて、前記支持要素と前記ミラープレートの接続領域を配置し、
前記ミラープレートが、その中心に点対称となるよう配置した慣性要素を有し、前記支持要素の少なくとも１つ及び／又は前記支持要素と前記ミラープレートの少なくとも１つの接続領域に対して、前記ミラープレートの前記中心から外方向へと突出するよう前記慣性要素を配置すること、
を特徴とするマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの中心から前記外側縁までの平均距離が、当該中心から前記ミラープレートと前記支持要素との前記接続領域までの離間距離より大きいこと、
を特徴とする請求項１に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記慣性要素の中心の、前記ミラープレートの前記中心を通って延在する直線への直交射影が、前記支持要素と前記ミラープレートとの前記接続領域の直交射影よりも、前記ミラープレートの前記中心から更に遠くに存在するよう、前記慣性要素を配置すること、
を特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記外側縁から前記ミラープレートの前記中心へと内側方向に、前記ミラープレートの外側配置部分及び／又は前記ミラープレートの前記慣性要素と、前記中心に面する及び／又は近接する前記ミラープレートの内側配置部分及び／又は部分との間に、前記支持要素と前記ミラープレートとの少なくとも１つの接続領域に近接及び／又は隣接させて、スロットを配置及び導入すること、
を特徴とする請求項１から３のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記中心に面する及び／又は近接する部分を、オフセットフレーム要素を介して前記ミラープレートの前記慣性要素に接続し、前記フレーム要素には、前記ミラープレートのプレート面方向に前記中心に面する側と前記中心から遠い側に複数の接続片を設け、前記中心に面する及び／又は近接する前記部分と前記慣性要素の両方に、前記接続片を介して前記フレーム要素を接続すること、
を特徴とする請求項１から４のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートが、そのプレート面に垂直方向に全て同一の厚さを有し、この厚さが１０ｎｍ以上及び／又は５００μｍ以下であること、
を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートが、そのプレート面に垂直方向に部分的に異なる厚さを有し、これらの厚さの少なくとも１つが、１０ｎｍ以上及び／又は５００μｍ以下であること、
を特徴とする請求項１から５のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記中心に面する及び／又は近接する部分が第１の厚さを有し、前記ミラープレートの前記慣性要素が第２の厚さを有し、前記第１の厚さが前記第２の厚さより小さいこと、
を特徴とする請求項７に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記支持要素の少なくとも１つが、前記ミラープレートの前記プレート面に垂直方向に、前記ミラープレートの前記中心に面する及び／又は近接する部分と同じ厚さを有する、及び／又は前記ミラープレートの前記慣性要素と同じ厚さを有すること、
を特徴とする請求項１から８のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記慣性要素が、前記ミラープレートの前記プレート面に垂直な方向の上側及び／又は下側において、少なくとも１つの追加的慣性部分を有すること、
を特徴とする請求項１から９のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記中心に面する及び／又は近接する部分が、前記ミラープレートの前記プレート面に垂直な方向の上側及び／又は下側において、少なくとも１つの表面補強構造を有すること、
を特徴とする請求項１から１０のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記上側及び／又は前記下側内に入り込む凹部として少なくとも部分的に前記表面補強構造を形成すること、及び／又は、前記上側及び／又は前記下側を越えて突出する突起部分として少なくとも部分的に前記表面補強構造を形成すること、及び／又は、前記表面補強構造が、好ましくは互いに平行に且つ互いに離間させて配置した、及び／又は少なくとも部分的にハニカム構造として形成した複数の補強肋材を含むこと、
を特徴とする請求項１１に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記中心に面する少なくとも１つの部分又は前記ミラープレートの前記中心に近接する１つの部分又は前記ミラープレート全体を、引張層プレート及び／又は複数層プレート（部分）構造とすること、
を特徴とする請求項１から１２のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記上側及び／又は前記下側に設けた引張層において、前記ミラープレートの前記プレート面に垂直な方向に引張応力を実現すること、
を特徴とする請求項１３に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
ラメラ格子及び／又は櫛形構造を有するように前記ミラープレートを形成すること、及び／又は、少なくとも１つの梁であって、その前記長手軸に垂直に突出する櫛形構造の複数の櫛歯を有する前記少なくとも１つの梁を前記ミラープレートが含むこと、
及び／又は、
前記フレーム構造が、前記ミラープレートに面する少なくとも１つの内側の表面に垂直に突出する櫛形構造の複数の櫛歯を有し、前記ミラープレートの前記櫛形構造の前記櫛歯と前記フレーム構造の前記櫛形構造の前記櫛歯とが、互いにオフセットして配置されると共に互いに間に入り込んだ形で噛み合っていること、
を特徴とする請求項１から１４のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートが、長手軸方向に互いに垂直となるよう配置した２つの梁を含み、前記梁のそれぞれの長手軸に垂直に突出する櫛形構造の複数の櫛歯を、前記梁に備えること、
を特徴とする請求項１５に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートが第１の梁と、互いに離間して互いに平行に配置した２つの更なる第２の梁を有し、前記第１の梁を２つの前記第２の梁に垂直に配置し、少なくとも１つの前記梁に、前記梁のそれぞれの長手軸に垂直に突出する櫛形構造の複数の櫛歯を備えること、
を特徴とする請求項１５又は１６に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
少なくとも１つの梁の各長手軸方向の両端に、前記ミラープレートの少なくとも１つの突出する慣性要素を配置すること、
を特徴とする請求項１５から１７のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記櫛形構造と前記フレーム構造の前記櫛形構造をコームドライブとして形成すること、
を特徴とする請求項１５から１８のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記中心から外側に配置した及び／又は前記外側縁に配置した前記ミラープレートの前記慣性要素を第１の材料で形成し、前記ミラープレートの前記中心に面する及び／又は近接する部分を第２の材料で形成すること、
を特徴とする請求項１から１９のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記第１の材料及び／又は前記第２の材料が、アモルファスシリコン、単結晶シリコン、又は多結晶シリコン、酸化シリコン、アルミニウム、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、チタン、チタンアルミナイド、又は酸化チタンを含む又はからなること、
を特徴とする請求項２０に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
モノリシックミラープレートであること、を特徴とする請求項１から２１のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記中心から外側に配置した及び／又は前記外側縁に配置した前記ミラープレートの少なくとも１つの慣性要素をミラーで被覆しないことと、前記ミラープレートの前記中心に面する及び／又は近接する部分をミラーで被覆することと、
を特徴とする請求項１から２２のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記中心から外側に配置した及び／又は前記外側縁に配置した前記ミラープレートの少なくとも１つの前記慣性要素をミラーで被覆すると共に、ラメラ格子及び／又は櫛形構造として形成することと、前記ミラープレートの中心に面する及び／又は近接する部分をミラーで被覆すること、
を特徴とする請求項１から２３のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記支持要素を曲げ梁、蛇行ばね要素、梁状ばね要素、又はパンタグラフ型支持手段の構造とすること、を特徴とする請求項１から２４のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ミラープレートの前記中心に面する及び／又は近接する少なくとも１つの部分を、円形、楕円形、矩形、若しくは正方形のプレート部分として、又は点対称若しくは非対称の自由形状の面として作製すること、
を特徴とする請求項１から２５のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
前記ラメラ格子又は前記並進駆動ミラーを、静電駆動、電磁駆動、圧電駆動、圧磁駆動、電歪駆動、磁歪駆動、熱駆動、又は空気圧駆動で駆動可能な並進駆動ミラー又はラメラ格子として形成すること、及び／又は、前記ミラー構造若しくは前記格子構造をセンサ若しくはアクチュエータとして作製すること、
を特徴とする請求項１から２６のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造。
フーリエ変換分光計、干渉計、特にラメラ格子干渉計、共焦点顕微鏡、光波長変調器、又は加速度センサにおける、請求項１から２７のいずれか一項に記載のマイクロメカニカルミラー構造の使用。