JP2019522570A - Ｍｅｍｓアクチュエータ構造の為の衝撃ケージング機構 - Google Patents

Abstract

ＭＥＭＳデバイスに対する機械的衝撃を引き起こしうる事象においてＭＥＭＳデバイスのビーム構造にかかる機械的衝撃パルスをケージングするか他の方法で低減するケージング構造が開示されている。このケージング構造は、ビームの少なくとも一部を取り囲むことによって、ビームの長手軸に垂直な方向のビームの動きを制限して、機械的衝撃事象時にビームにかかる応力を低減する。このケージング構造は、機械的衝撃に耐えるビームとの組み合わせで使用されてよい。

Description

関連出願の相互参照
本出願は、参照によってその全内容が本明細書に組み込まれている、２０１６年５月２６日に出願された米国特許非仮出願第１５／１６５，８９３号、件名「ＭＥＭＳアクチュエータ構造の為の衝撃ケージング機構（Ｓｈｏｃｋ Ｃａｇｉｎｇ Ｆｅａｔｕｒｅｓ ｆｏｒ ＭＥＭＳ Ａｃｔｕａｔｏｒ Ｓｔｒｕｃｔｕｒｅｓ）」の利益を主張するものである。

本開示は主に、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の為の、機械的衝撃に耐える構造に関し、より具体的には、実施形態は、ＭＥＭＳアクチュエータ構造の為の衝撃ケージング機構に関する。

従来、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）が知られている。

本発明は、上記背景技術の課題を解決するためのものである。

本明細書に開示の技術の様々な実施形態によれば、ＭＥＭＳデバイスに対する機械的衝撃を引き起こしうる事象においてＭＥＭＳデバイスのビーム構造にかかる衝撃パルスをケージングするか他の方法で低減する構造が開示されている。一実施形態では、ＭＥＭＳデバイスが、ビームと、ビームの少なくとも一部を取り囲むシリコンケージング構造とを含む。ビームは、第１の端部及び第２の端部を含む中央部と、中央部の第１の端部に直接つながっている第１のヒンジと、中央部の第２の端部に直接つながっている第２のヒンジと、を含み、第１のヒンジ及び第２のヒンジは中央部より細い。シリコンケージング構造は、ビームの、ビームの長さ方向に垂直な方向の最大変位を制限する。実施形態では、ビームは、長さ方向には剛体であり、長さ方向に垂直な方向には可撓であり、ビームは、長さが１〜７ミリメートル、幅が１０〜７０マイクロメートルであってよい。

一実施形態では、ビームは導電性カンチレバであり、中央部は湾曲していて変曲点を含む。別の実施形態では、ビームは動き制御屈曲部であり、中央部は、中央が最も幅広であり、端部が最も幅狭であるように、長さ方向にテーパ状である。

一実施形態では、ＭＥＭＳデバイスは可動枠を含み、シリコンケージング構造は、可動枠の一部である。この実施形態の実施態様では、第１のヒンジ及び第２のヒンジの少なくとも一方は可動枠につながっている。この実施形態の更なる実施態様では、シリコンケージング構造は、第１のヒンジ又は第２のヒンジと平行に、且つ第１のヒンジ又は第２のヒンジの長さ方向に延びる突起を含んでよく、この突起は、ビームの、ビームの長さ方向に垂直な方向の最大変位を制限する。

別の実施形態では、ＭＥＭＳデバイスはアクチュエータであり、ビームは、アクチュエータの動き制御屈曲部であり、第１のヒンジ及び第２のヒンジの少なくとも一方はアクチュエータの枠とつながっている。この実施形態の実施態様では、第１のヒンジはアクチュエータの固定枠につながっており、第２のヒンジはアクチュエータの可動枠につながっている。

別の実施形態では、ビームの第１及び第２のヒンジのそれぞれは、カンチレバの長さ方向に垂直な方向のそれぞれのフォーク状接合部によって中央部につながっており、それぞれのフォーク状接合部は複数の平行ビームを含む。この実施形態の一実施態様では、シリコンケージング構造は、第１のヒンジ又は第２のヒンジと平行に、且つ第１のヒンジ又は第２のヒンジの長さ方向に延びる突起を含み、突起は、カンチレバの、カンチレバの長さ方向に垂直な方向の最大変位を制限し、突起がフォーク状接合部のいずれかに接触したときにカンチレバが最大垂直変位に達する。

本明細書に開示の技術の更に別の実施形態では、ＭＥＭＳアクチュエータは、複数のシリコンビームと、複数のシリコンビームのそれぞれの少なくとも一部を取り囲むシリコンケージング構造であって、複数のシリコンビームのそれぞれの、シリコンビームの長さ方向に垂直な方向の最大変位を制限するシリコンケージング構造と、を含む。この実施形態の実施態様では、ＭＥＭＳアクチュエータは可動枠を含み、可動枠はシリコンケージング構造の少なくとも一部を含み、複数のシリコンビームの１つ以上が可動枠に直接つながっている。

本明細書では、量を表す語句における「約」という語は、±１０％を意味する。例えば、「約１０」は９〜１１を包含することになる。更に、本明細書において量を表す語句とともに「約」が使用されている場合は、±１０％の値だけでなく、その量を表す語句の厳密な値も想定され、表現されているものと理解されたい。例えば、「約１０」という語は、厳密な１０を明示的に想定し、表現し、包含する。

以下の詳細説明を、様々な実施形態による特徴を例示している添付図面と併せて読むことにより、本開示の他の特徴及び態様が明らかになるであろう。本概要は本発明の範囲を限定するものではなく、本発明の範囲は、添付の特許請求の範囲によってのみ定義される。

本開示技術を、１つ以上の様々な実施形態に従って、以下の図面を参照しながら詳細に説明する。図面は、例示のみを目的として与えられており、本開示技術の典型的又は例示的な実施形態を示しているに過ぎない。これらの図面は、本開示技術に対する読み手の理解を促進する為に与えられており、本開示技術の広さ、範囲、又は適用可能性を限定するものと見なされるべきではない。なお、図解の分かりやすさ及び容易さの為に、これらの図面の縮尺は必ずしも正確ではない。

これらの図面は、包括的であることは意図されておらず、本発明を、開示された厳密な形態に限定するものでもない。当然のことながら、本発明は修正又は改変されて実施されてよく、本開示技術は、特許請求の範囲、及びその等価物によってのみ限定される。

本開示技術の例示的実施形態による櫛ドライブの平面図である。 本開示技術の実施形態による、耐衝撃性動き制御屈曲部を使用できる、図１Ａの櫛ドライブのうちの６つを含む二方向櫛ドライブアクチュエータの平面図である。 本開示技術の実施形態による、第１の櫛ドライブと第２の櫛ドライブがつながっている様子の拡大図である。 機械的衝撃事象時に慣性荷重を吸収する為に実施形態において使用可能なアクチュエータのテーパ状動き制御屈曲部を示す図である。 機械的衝撃事象時及び通常動作時に動き制御屈曲部のヒンジにかかる応力を低減する為に実施形態において使用可能な動き制御屈曲部のヒンジの設計を示す図である。 本開示技術の例示的実施形態によるＭＥＭＳアクチュエータの平面図である。 本開示技術の例示的実施形態による、図２Ａのアクチュエータのカンチレバの断面を示す概略図である。 本開示技術の実施形態において実施可能なフォーク状接合部設計を有するカンチレバを示す図である。 本開示技術の実施形態において実施可能なＳ字状設計を有するカンチレバを示す図である。 本開示技術の実施形態において実施可能なＳ字状設計及びフォーク状接合部を有するカンチレバを示す図である。 図２Ｅのカンチレバにおいて使用可能なフォーク状接合部の一代替実施形態を示す図である。 本開示技術による、外枠、内枠、及び衝撃ストッパを含むＭＥＭＳアクチュエータの一例を示す図である。 図３ＡのＭＥＭＳアクチュエータの衝撃ストッパの拡大図である。 本開示技術の実施形態において実施可能な衝撃ストッパのペアを示す図である。 本開示技術の実施形態において実施可能な衝撃ストッパのペアを示す図である。 本開示の例示的実施形態による、衝撃ケージング構造を利用するＭＥＭＳ多次元アクチュエータの一例の一区画の平面図である。 本開示の一実施形態による、カンチレバをケージングする衝撃ケージング構造を示す図である。 本開示の一実施形態による、カンチレバをケージングする衝撃ケージング構造を示す図である。 本開示の一実施形態による、動き制御屈曲部をケージングする衝撃ケージング構造を示す図である。 本開示の一実施形態による、動き制御屈曲部をケージングする衝撃ケージング構造を示す図である。 カンチレバ及び動き制御屈曲部の為の衝撃ケージング構造を含むＭＥＭＳアクチュエータの、機械的衝撃事象のモデル例を示す図である。 カンチレバ及び動き制御屈曲部の為の衝撃ケージング構造を含まないＭＥＭＳアクチュエータの、機械的衝撃事象のモデル例を示す図である。 本開示の一実施形態による、可動枠を有するアクチュエータと、アクチュエータ上にマウントされたイメージセンサとを示す図である。 本開示の一実施形態による、図６Ａのイメージセンサを覆うパッケージハウジングを示す図であり、パッケージハウジングは、パッケージハウジングと可動枠との間の隙間を減らす衝撃ストッパを含む。 本開示の一実施形態による組立済みアクチュエータ光電子パッケージの断面を示す図である。 本開示の一実施形態による組立済みアクチュエータ光電子パッケージの断面を示す図である。 本開示の一実施形態による組立済みアクチュエータ光電子パッケージの断面を示す図である。 本開示技術の様々な実施形態に従って利用されるイメージセンサパッケージの一例の分解斜視図である。

本開示技術の様々な実施形態によれば、ＭＥＭＳデバイスに対する機械的衝撃を引き起こしうる事象においてＭＥＭＳデバイスのビーム構造にかかる機械的衝撃パルスをケージングするか他の方法で低減する構造が開示されている。本明細書に記載のケージング構造は、カンチレバ、屈曲部、又は他のビーム構造を少なくとも部分的に取り囲むことが可能である。これによって、ビームの動きがビームの長手軸に垂直な方向に制限され、これによって、機械的衝撃事象時に、ビームに対する応力が低減され、起こりうる破損又は損傷が回避される。

例えば、ＭＥＭＳデバイスが実装された機器（例えば、携帯電話）が、かなりの衝撃力を発生させうる高さ（例えば、１メートル超）から落下するという事象において、本明細書に開示のケージング構造は、機器が地面にぶつかったときのＭＥＭＳアクチュエータのビーム構造の損傷を防ぐことが可能である。ケージング構造は、落下の衝撃時にビームがその長さ方向に垂直な大振幅の振動を受けるか他の形で過剰に動くのを防ぐことにより、ビームにかかる応力を低減することに役立つ。

実施形態では、本開示の衝撃ケージング構造は、耐衝撃性ＭＥＭＳデバイス構造（例えば、耐衝撃性ビーム構造）と組み合わせて使用されてよい。実施態様では、耐衝撃性構造は、ＭＥＭＳアクチュエータにかかる荷重を低減することが可能であり、ＭＥＭＳアクチュエータに対する衝撃を引き起こしうる事象での変形に耐えることが可能である。従って、衝撃ケージング機構と耐衝撃性構造との組み合わせを実施することにより、ＭＥＭＳデバイスの信頼性を高めることが可能である。

図１〜７は、本明細書に開示の技術の特定の実施形態による耐衝撃性構造を実施することが可能な、光電子デバイスを動かすＭＥＭＳアクチュエータを示す。なお、耐衝撃性ケージングＭＥＭＳ構造の説明を、主に図１〜７のＭＥＭＳアクチュエータ例に関して行うが、当業者であれば理解されるように、本明細書に記載の耐衝撃性構造は、機械的衝撃事象に遭いやすい可動ビームを含む他のＭＥＭＳ装置でも実施可能である。

図１Ａ〜１Ｂは、本開示の例示的実施形態による、櫛ドライブ１０と、６つの櫛ドライブ１０ａ〜ｆを含む二方向櫛ドライブアクチュエータ２０の平面図を示す。図１Ａに示すように、各櫛ドライブ１０は、櫛フィンガアレイ１５及び１６を含む。各櫛フィンガアレイ１５及び１６は、それぞれのスパイン（１４、１２）と複数の櫛フィンガ（１３、１１）とを含む。

二方向櫛ドライブアクチュエータ２０は、第１及び第２の枠部分２２ａ〜２２ｂと、第１及び第２の動き制御屈曲部２４ａ〜２４ｂとを含む。図１Ｂには詳細に示していないが、図１Ａに示したように、櫛ドライブ１０ａ〜ｆのそれぞれにおいて、櫛フィンガ１１及び１３がほぼ左から右に、且つ右から左に延びていて、櫛フィンガアレイ１５ａ〜ｆ及び１６ａ〜ｆが形成されていることが理解されよう。更に、スパイン１２及び１４が第１の枠部分２２ａから第２の枠部分２２ｂへほぼ垂直方向に、即ち、動き制御屈曲部２４ａ〜２４ｂにほぼ平行に延びていることが理解されよう。これを図１Ｃに示しており、ここでは、第１の櫛ドライブ１０ｂと第２の櫛ドライブ１０ｃとがつながっている様子を示している。

この実施形態に示すように、スパイン１４は第２の枠部分２２ｂにつながっており、スパイン１２は第１の枠部分２２ａにつながっている。動作時には、各櫛ドライブ１０ａ〜１０ｆの櫛フィンガアレイ１５及び１６が静電気力によって引き寄せ合ったり斥け合ったりすると、第２の枠が固定されていれば第１の枠部分２２ａが同様にある方向（例えば、図１Ｂの正のＸ方向）に動くような運動が発生する。当業者であれば本開示を精査することで理解されるように、本開示の趣旨から逸脱しない限り、櫛フィンガアレイ１５及び１６の各ペアの間に静電気力及び他の原動力を発生させることを、電圧を印加する以外の方法で行ってもよい。例えば、櫛フィンガアレイ１５及び１６に電荷を印加してよい。

様々な実施形態では、スパイン１２及び１４、並びに第１及び第２の枠部分２２ａ及び２２ｂは、印加される静電気力又は他の原動力の範囲では実質的に剛体であり不撓である為の十分な幅及び奥行の寸法であってよい。例えば、特定の実施形態では、スパイン１２及び１４は、幅が約２０〜１００マイクロメートル、奥行が５０〜２５０マイクロメートルであってよく、第１及び第２の枠部分２２ａ及び２２ｂは、幅が約５０マイクロメートルより大きくてよく、奥行が約５０〜２５０マイクロメートルであってよい。

一実施形態では、櫛ドライブアクチュエータ２０の動作時に、櫛フィンガアレイ１５ａ及び１６ａが（例えば、上述のように）通電されると、第１及び第２の枠部分２２ａ〜２２ｂのいずれが機械的に固定されているかに応じて、第１又は第２の枠部分２２ａ〜２２ｂが第２及び第１の枠部分２２ａ〜２２ｂに対して最初の位置からほぼ水平方向に動くように、第１及び第２の枠部分２２ａ〜２２ｂに対して原動力が印加される。櫛フィンガアレイ１５ａ及び１６ａが通電されなくなると、第１及び第２の動き屈曲部２４ａ及び２４ｂのばね復元力によって、第１又は第２の枠部分２２ａ〜２２ｂが動いて最初の状態に戻る。この実施態様では更に、櫛ドライブ１０ｃの櫛フィンガアレイ１５ｃ及び１６ｃが通電されると、櫛ドライブ１０ａに起因する動きに加えて、ほぼ逆方向（例えば、図１Ｂの逆Ｘ方向）の動きが達成される。同様に、これら２つの方向（即ち、図面では正及び負のＸ方向）における二方向の動きが、櫛ドライブ１０ｂ、１０ｄ、及び１０ｅ〜ｆの櫛フィンガアレイを通電することにより実現可能である。

様々な実施形態では、櫛フィンガアレイ１５ａ〜ｆ及び１６ａ〜ｆのスパイン１２及び１４は、様々な目的を達成する為に様々な構成で第１及び／又は第２の枠部分２２ａ〜ｂにつながっていてよい。例えば、一実施形態では、櫛ドライブ１０ａ〜１０ｆのそれぞれにおいて、スパイン１２は第１の枠部分２２ａにつながっており、スパイン１４は第２の枠部分２２ｂにつながっている。そのような構成の結果として、第１及び第２の枠部分２２ａ〜ｂに最終的に印加される静電気力を増大させることが可能な、櫛ドライブ１０ａ〜ｆの並列縦続が得られる。別の例示的実施形態では、上述のような二方向の動きを実現する為に、櫛ドライブ１０ａ〜１０ｆが背中合わせに配列される。この背中合わせの配列は、今述べた櫛ドライブ１０ａ〜ｆ、即ち、６個の櫛ドライブ１０だけでなく、別の数の櫛ドライブでも二方向の動きを実現することが可能である。

一実施形態では、各櫛ドライブ１０ａ〜１０ｆの櫛フィンガアレイ、例えば、１６ａ、１６ｃ、１６ｅ、又は１５ｂ、１５ｄ、１５ｆを、他方の３つの櫛フィンガアレイにとっての基準として動作する共通電位（例えば、アース、或いは他の幾らかの正又は負の電圧）につないでよい。この基準が与えられると、共通電位につながっていない櫛フィンガアレイは、必要な動きの方向に応じて通電されてよい。

例えば、櫛ドライブ１０ａ〜１０ｆの櫛フィンガアレイ１５ａ、１６ｂ、１５ｃ、１６ｄ、１５ｅ、及び１５ｆが共通アースにつながっている実施形態を考える。この実施形態では、櫛ドライブアクチュエータ２０の動きは、（例えば、アース又は他の共通基準に対して）正又は負の電圧を櫛フィンガアレイ１６ａに印加して、櫛フィンガアレイ１６ａが櫛フィンガアレイ１５ａに引き寄せられるようにすることによって実現されてよい。第２の枠部分２２ｂが固定されているとすると、この例では、この引き寄せによって、第１の枠部分２２ａが図１Ｂの左側に動くことになる。この図では更に、櫛フィンガアレイ１５ｂに通電することは、櫛フィンガアレイ１５ｂに正又は負の電圧を印加することを必然的に伴うことになり、これによって、櫛フィンガアレイ１５ｂが櫛フィンガアレイ１６ｂに引き寄せられる。ここでも第２の枠部分２２ｂが固定されているとすると、この例では、この引き寄せによって、第１の枠部分２２ａが図１Ｂの右側に動くことになる。

別の実施形態では、櫛ドライブ１０ａによって発生する原動力は、別の櫛ドライブ１０ｂ〜１０ｆによって発生する原動力と異なってよい。例えば、様々な大きさの電圧が、櫛フィンガアレイ１５ｂ、１５ｄ、及び１５ｆのうちの幾つか又は全てに印加されてよく、或いは、共通電位につながっていないどの櫛フィンガアレイに印加されてもよい。幾つかの実施形態では、櫛フィンガアレイ１５ｂ、１５ｄ、及び１５ｆが別々の電圧レベル、或いは静電気状態又は電荷状態を維持する為に、これらの櫛フィンガアレイは、電気的に互いに絶縁（又は隔離）されてよい。

第１又は第２の枠部分２２ａ〜２２ｂ、及び各櫛ドライブ１０ａ〜１０ｆの櫛フィンガアレイ１５ａ〜ｆ又は１６ａ〜ｆの動きは、ある程度まで、第１及び第２の動き制御屈曲部２４ａ〜２４ｂによって指示及び／又は制御されることが可能である。この特定の実施形態では、例えば、第１及び第２の動き制御屈曲部２４ａ〜２４ｂは、水平方向（即ち、櫛フィンガ１１及び１３の方向）にはほぼ可撓又は軟質であり、垂直方向（即ち、スパイン１２及び１４の方向）にはほぼ不撓又は剛体である。従って、第１及び第２の動き制御屈曲部２４ａ〜２４ｂは、櫛ドライブ１０が水平方向（即ち、図１ＢのＸ方向）に二方向の動きを行うことを可能にし、同時に垂直方向（即ち、図１ＢのＹ方向）の動きをほぼ制限する。

第１及び第２の動き制御屈曲部２４ａ〜２４ｂの構成は、幾つかの実施形態では、二重並列屈曲動き制御と呼ばれることがある。そのような二重並列屈曲動き制御は、ほぼ直線的な動きを発生させることが可能であるが、弓状の動きとして知られるわずかなぶれが発生する場合がある。それでも、櫛フィンガ１１の一方の側のギャップは、櫛フィンガ１１の他方の側のギャップと等しくはならない可能性があり、このことを設計に有利に用いて、二重並列屈曲動き制御の弓状の動きのような作用を補正することが可能である。実施形態では、別の構造を用いて、第１及び第２の枠部分２２ａ〜２２ｂの互いに対する動きを制御することも可能である。

図示した実施形態では、第１及び第２の屈曲部２４ａ〜２４ｂは、それらのそれぞれの端部に細い部分２４ａ−２及び２４ｂ−２を含む。これらの細い部分は、例えば、第１の枠部分２２ａが第２の枠部分２２ｂに対して平行移動した場合（即ち、図１ＢのＸ方向に移動した場合）、又は第２の枠部分２２ｂが第１の枠部分２２ａに対して平行移動した場合に、曲がることが可能であってよい。実施形態では、第１及び第２の屈曲部２４ａ及び２４ｂの太い部分２４ａ−１及び２４ｂ−１は、幅（即ち、図１ＢのＸ方向の幅）が約１０〜５０マイクロメートル（μｍ）の寸法であってよく、細い部分２４ａ−２及び２４ｂ−２は、幅が約１〜１０μｍの寸法であってよい。様々な実施形態では、櫛フィンガアレイ１５又は１６の動きを制御又は制限する為に、任意の数及びタイプの動き制御が必要に応じて行われてよい。制御された動きにより、櫛ドライブアクチュエータ２０が（例えば、スマートフォンのカメラのイメージセンサなどの）デバイスを動かしたり位置決めしたりする際の全体精度を高めることが可能である。更に、制御された動きは、櫛フィンガ１１及び１３が互いにかみあう状況を回避することに役立つ。例えば、制御された動きは、一般に、櫛フィンガ１５及び１６の所望の動き方向の剛性レベルを低くし、全ての不要な自由度における剛性レベル、特に、櫛ドライブアクチュエータ２０の面内の、櫛フィンガ１５及び１６の動きに直交する方向の剛性レベルを高くすることによって実現可能である。これは、例えば、二重並列屈曲式の動き制御によって行われてよい。

様々な実施形態では、動き制御屈曲部２４ａ及び２４ｂは、ＭＥＭＳアクチュエータデバイスの衝撃時のパフォーマンスを高めるように設計可能である。そのような実施形態では、動き制御屈曲部２４ａ及び２４ｂは、衝撃事象（例えば、ＭＥＭＳアクチュエータを内蔵したデバイスの落下）の際の力又は荷重を吸収するように設計可能である。例えば、特定の実施形態では、動き制御屈曲部２４ａ及び２４ｂは、ＭＥＭＳアクチュエータの移動ステージ（図示せず）、並びに３つの櫛アレイペア（１０ａ、１０ｃ、１０ｅ）、及び（１０ｂ、１０ｄ、１０ｆ）のうちの少なくとも１つに起因する慣性荷重に耐えるように設計可能である。これらの実施形態の特定の実施態様では、この慣性荷重は２００〜８００ｍＮであってよい。

図１Ｄは、衝撃事象時の慣性荷重を吸収する実施形態において使用可能なテーパ状の動き制御屈曲部２４の特定の設計を示す。実施形態では、動き制御屈曲部２４は、座屈状態になるまでは（即ち、変形するまでは）１００〜４００ｍＮの荷重力に耐えることが可能である。

図に示すように、動き制御屈曲部２４は、２つの細い軟質ヒンジ２４−２と、この２つのヒンジをつなぐ幅広の剛体ロッド２４−１とを含む。実施形態では、ロッド２４−１は、Ｘ方向の長さが１〜４ミリメートル（ｍｍ）、ｙ方向の幅が１０〜５０μｍであってよい。実施形態では、ヒンジ２４−２は、Ｘ方向の長さが０．０５〜０．３ｍｍ、ｙ方向の幅が１〜１０μｍであってよい。これらの実施形態では、ヒンジ２４−２の寸法は、必要な剛性を実現するように、或いは座屈を防ぐように最適化されてよい。この特定の実施形態に示すように、ロッド２４−１は、中央が最も幅広であり、端部が最も幅狭であるように長さ方向にテーパ状である。このテーパ状設計は、幾つかの実施形態では、動き制御屈曲部２４が座屈状態になるまでは大きな荷重力に耐えることを可能にする。この実施形態の特定の実施態様では、テーパ状ロッド２４−１は、中央の幅が３５〜５０μｍ、端部の幅が２０〜４０μｍであってよい。一特定実施形態では、剛体ロッド２４−１は、中央の幅が約５０μｍ、端部の幅が約３５μｍであり、座屈するまでは約２８０ｍＮの慣性荷重を受けることが可能である。別の実施形態では、剛体ロッド２４−１は、長さ全体にわたって均一の幅であってよい。

図１Ｅは、動き制御屈曲部（例えば、屈曲部２４）用のヒンジの特定の設計２４−２’を示しており、これは、衝撃事象時及び通常動作時に動き制御屈曲部のヒンジにかかる応力を低減する実施形態において使用されてよい。図に示すように、ヒンジ２４−２’は、中央が最も幅狭であり、（ｙ方向の）端部が最も幅広であるように長さ方向にテーパ状である。例えば、ヒンジ２４−２’は、中央の幅が約５μｍ、（ｙ方向の）端部の幅が約６μｍであってよい。図１Ｅには示していないが、ヒンジ２４−２’は、ｚ方向にも、端部が最も太く、中央が最も細いテーパ状である。つまり、ヒンジ２４−２’は、３次元の砂時計形状である。砂時計形状にすることにより、ヒンジ２４−２’の端部部分（例えば、アクチュエータ、及び屈曲部のロッドにつながっている端部）の材料の量が多くなり、ヒンジ２４−２’の中央部の材料の量が少なくなる。ヒンジ２４−２’の端部部分は動き制御屈曲部の最弱部分になりがちな為、砂時計形状にすることで、衝撃事象時にかかる応力の再配分が可能になり、結果として屈曲部の耐久性が高まる。

図２Ａは、本開示の例示的実施形態によるＭＥＭＳ多次元アクチュエータ例４０の平面図を示す。この実施形態に示すように、アクチュエータ４０では、（４つのセクションに分割された）外枠４８が１つ以上のばね要素又は屈曲部８０によって内枠４６につながっており、４つの二方向櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄがあり、１つ以上のカンチレバ４４ａ〜ｄが、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄの１つの端部につながっている第１の端部と、内枠４６につながっている第２の端部とを含む。図２Ａは４つの櫛ドライブアクチュエータ２０を含むアクチュエータ例４０を示しているが、別の実施形態では、アクチュエータ４０は別の数の櫛ドライブアクチュエータ２０を含んでよい。

実施形態では、アクチュエータ４０はアンカ４２を含み、アンカ４２は、１つ以上の櫛ドライブアクチュエータ２０の第１及び／又は第２の枠部分２２ａ〜２２ｂに堅固につながっているか接合されており、これによって、アンカ４２は、第１及び／又は第２の枠部分２２ａ〜２２ｂに対して機械的に固定されている。従って、例えば、第１の枠部分２２ａがアンカ３２につながっていれば、第１の枠部分２２ａに対する第２の枠部分２２ｂの動きも、アンカ４２に対する動きと見なされてよい。

アクチュエータ４０の動作時には、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄが、内枠４６とアンカ４２との間に制御された力を印加してよい。１つ以上の櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄはアンカ４２に堅固につながっているか接合されていてよく、アンカ４２は、外枠４８に対して機械的に固定されていてよい（例えば、堅固につながっているか接合されていてよい）。一実施形態では、外枠４８及びアンカ４２にプラットフォームが堅固につながっているか接合されている。このようにして、プラットフォームは、外枠４８をアンカ４２に対して（且つ／又は、アンカ４２を外枠４８に対して）機械的に固定してよい。そして内枠４６は、外枠４８及びアンカ４２の両方に対して動いてよく、又、プラットフォームに対しても動いてよい。一実施形態では、プラットフォームはシリコンプラットフォームである。プラットフォームは、様々な実施形態では、光電子デバイス、即ち、イメージセンサであり、例えば、電荷結合素子（ＣＣＤ）イメージセンサや相補型金属酸化膜半導体（ＣＭＯＳ）イメージセンサである。

実施形態では、アクチュエータ４０のサイズはプラットフォームのサイズとほぼ同じであってよく、プラットフォームは、外枠４８及びアンカ４２とつながることによって、アンカ４２を外枠４８に対して機械的に固定してよい。アクチュエータ４０の別の実施形態では、プラットフォームはアクチュエータ４０より小さく、プラットフォームは内枠４６とつながっている。この特定の実施形態では、外枠４８は、アンカ４２に対して固定されており（堅固につながっているか接合されており）、内枠４６は、様々な櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄによって動かされる。

一実施形態では、２つの櫛ドライブアクチュエータ２０ａ及び２０ｄがアクチュエータ４０の面内の第１の方向又は軸に沿って（例えば、東西又は左右に）アクチュエートし、２つの櫛ドライブアクチュエータ２０ｂ及び２０ｃがアクチュエータ４０の面内の第２の方向又は軸に沿って（例えば、南北又は上下に）アクチュエートする。第１及び第２の方向は、アクチュエータ４０の面内で互いに対してほぼ垂直であってよい。

櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄの他の様々な構成が可能である。そのような構成として、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄのそれぞれにおいて櫛ドライブ１０がより多いか少ない構成、並びに櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄの位置決め及び／又は配列が様々である構成があってよく、これは、例えば、より多いか少ない自由度での（例えば、三角形、五角形、六角形などのフォーメーションでの）アクチュエーションを可能にする為である。

実施形態では、カンチレバ４４ａ〜ｄは、それぞれの櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄのそれぞれの動き方向には比較的不撓であり、面内の直交方向には比較的軟質である。これにより、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄが、アンカ４２に対する、従って、外枠４８に対する、内枠４６の制御された動きを引き起こすことが可能になってよい。図２Ａに示した実施形態では、外枠４８は、アクチュエータ４０の外周を連続的には囲んでおらず、幾つかの部分（例えば、２つ、３つ、又は４つ以上の部分）に分かれている。或いは、別の実施形態では、外枠４８は、アクチュエータ４０の外周を連続的に囲んでよい。同様に、内枠４６は、連続であってよく、或いは幾つかのセクションに分かれていてよい。

様々な実施形態では、カンチレバ４４ａ〜ｄの表面又は内部のルーティングを介して櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄに電気信号が送達されてよい。幾つかの事例では、異なる２つ以上の電圧が、櫛ドライブアクチュエータ２０ａとの組み合わせで使用されてよい。そのような事例では、２つの電気信号が、カンチレバ４４ａの、それぞれ、第１及び第２の導電層４５及び４７を介して、櫛ドライブアクチュエータ２０ａにルーティングされてよい。これら２つの電気信号は、櫛ドライブアクチュエータ２０ａに送達された後に、例えば、第１の枠部分２２ａを介して、それぞれ、櫛フィンガアレイ１６ａ及び１５ｂにルーティングされてよい。

アクチュエータ４０の別の例示的実施態様では、櫛ドライブアクチュエータ２０ｂ内で原動力を発生させる為に使用される２つの電気信号が、櫛ドライブアクチュエータ２０ｃ内で同様の原動力を発生させる為にも使用されてよい。そのような実施態様では、これら２つの電気信号は、カンチレバ４４ｃから櫛ドライブアクチュエータ２０ｃにルーティングされる代わりに、櫛ドライブアクチュエータ２０ｂから櫛ドライブアクチュエータ２０ｃにルーティングされてよい。これは、例えば、これら２つの電気信号が、電気的接触パッド８４からカンチレバ４４ｂを通って櫛ドライブアクチュエータ２０ｂの第１の枠部分２２ａにルーティングされることを必然的に伴う場合がある。更に、これら２つの電気信号は、第１の枠部分２２ａから（それぞれ）屈曲部２４ａ〜ｂ及び第２の枠部分２２ｂを通ってアンカ４２にルーティングされてよい。そして、これら２つの電気信号は、アンカ４２を通って櫛ドライブアクチュエータ２０ｃにルーティングされてよい。当然のことながら、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄに電気信号を送達する為に、様々なルーティング選択肢が利用されてよい。例えば、第１又は第２の枠部分２２ａ／ｂ、及び／又は第１及び第２の屈曲部２４ａ／ｂにおいて、アンカ４２内で複数のルーティング層が利用されてよい。

図２Ｂは、本開示の例示的実施形態によるカンチレバ４４の一部分の断面を示す概略図である。図２Ｂに示すように、カンチレバ４４は、第１及び第２の導電層４５及び４７、並びに第１及び第２の絶縁層４３及び４９を含む。第１及び第２の導電層４５及び４７は、幾つかの例示的実施形態では、電気信号のルーティング層として働くことが可能であり、ポリシリコン及び／又は金属を含んでよい。絶縁層４３及び４９は、第１及び第２の導電層４５及び４７の構造を与えることが可能である。カンチレバ４４の別の実施形態では、層４３及び４９が導電層であり、層４５及び４７が絶縁層であるように、導電層と絶縁層の並びを入れ替えてよい。

カンチレバ４４の一例示的実施態様では、絶縁層４３及び４９は二酸化シリコンを含み、第２の導電層４７は金属を含み、第１の導電層４５はポリシリコンを含む。この例の変形形態では、第２の導電層４７をコーティング（例えば、酸化物など）で覆ってよく、これは、例えば、別の導体と接触したときのショートを防ぐ絶縁の為である。第２の絶縁層４９は、酸化物などを含む薄層であってよい。更に、第１の導電層４５は、幾つかの事例では、（カンチレバ４４の他の層に比べて）比較的厚めであってよく、例えば、シリコン、ポリシリコン、金属などを含んでよい。そのような事例では、第１の導電層４５は、（例えば、カンチレバ４４の可撓性の性質、度合い、又は方向性を含む）カンチレバ４４の全体特性に対する寄与が、それ以外の層より大きいことが可能である。

カンチレバ４４（及びカンチレバ４４ａ〜ｄ）の別の実施形態は、更なる導電層を含んでよく、これによって、カンチレバ４４を介して更なる電気信号をルーティングすることが可能になる。幾つかの実施形態では、カンチレバ４４ａ〜ｄは、屈曲部２４ａ〜２４ｂと同様に製造可能であるが、サイズの決め方は両者間で異なってよい。更に、当業者であれば理解されるように、カンチレバ４４の様々な層を形成する為に更なる材料が使用されてよい。

様々な実施形態では、外側カンチレバ４４が、（例えば、ＭＥＭＳアクチュエータ４０を内蔵する機器が落下する事象における）機械的衝撃事象に耐えるように設計されることが可能である。そのような実施形態では、各カンチレバ４４は、ｉ）衝撃時にかかる変位応力が小さくなるように、ｉｉ）衝撃時にかかる半径方向の剛性が小さくなるように、且つ、ｉｉｉ）座屈することなく高荷重に耐えるように設計されることが可能である。幾つかの実施形態では、外側カンチレバ４４は、衝撃事象時に、長さ方向にかかるピーク応力が約１９００ＭＰａ未満、幅方向にかかるピーク応力が約２１００ＭＰａ未満になるように設計されることが可能である。図２Ｃ〜２Ｆは、本開示の実施形態において実施可能な耐衝撃性外側カンチレバの設計例を４つ示している。

図２Ｃは、フォーク状の接合設計を有する外側カンチレバ４４ｅを示す。図に示すように、カンチレバ４４ｅは、その中央にフォーク状接合部４４ｅ−１を含む。中央のフォーク状接合部４４ｅ−１は、開口部４４ｅ−２を含み、外側カンチレバ４４ｅの側部４４ｅ−３より（Ｙ方向に）幅広である。様々な実施形態では、開口部４４ｅ−２の（Ｙ方向の）幅は０．０２〜０．０４ミリメートルであり、フォーク状接合部４４ｅ−１の最大幅は０．０６〜０．１２ミリメートルであり、側部４４ｅ−３の幅は０．０１２〜０．０５０ミリメートルである。別の実施形態では、カンチレバ４４ｅの（Ｘ方向の）全体長さが４．５〜７ミリメートルである。別の実施形態では、カンチレバ４４ｅは、中央に更なるフォーク（従って、開口部）を含んでよい（例えば、３個、４個など）。

図２Ｄは、Ｓ字状設計を有する外側カンチレバ４４ｆを示す。なお、カンチレバ４４ｆは、図２Ｄでは長さ方向に本質的にまっすぐであるように見えるが、曲がっており、長さ方向に変曲点があり（従って、「Ｓ字状」であり）、これによってカンチレバ４４ｆに可撓性が付加されて機械的衝撃事象時の復元力が高まっている。この実施形態では、カンチレバ４４ｆの２つの根部又は接続端部４４ｆ−１が、ヒンジの細い部分４４ｆ−２を介して中央部４４ｆ−３につながっている。カンチレバ４４ｆは、根部４４ｆ−１が（Ｙ方向に）最も幅広であり、根部４４ｆ−１と中央部４４ｆ−３との間の接合部４４ｆ−２が最も幅狭である。様々な実施形態では、カンチレバ４４ｆの全体長さ（ｘ１）が４．５〜７ミリメートルであり、中央部４４ｆ−３の幅（Ｙ１）が０．０１２〜０．０３０ミリメートルである。

図２Ｅに示す外側カンチレバ４４ｇは、カンチレバ４４ｆのＳ字状設計を有し、追加機構として、カンチレバ４４ｇにかかる応力を緩和する「歯ブラシ」状又はフォーク状接合部４４ｇ−１を各端部に有する。図に示したように、外側カンチレバ４４ｇは、中央部４４ｇ−３の各端部が、根部４４ｇ−２につながる端部部分４４ｇ−４につながっている。様々な実施形態では、カンチレバ４４ｇの全体長さ（ｘ１）は４．５〜７ミリメートルであり、中央部４４ｇ−３の幅（ｙ２）は０．０１２〜０．０３０ミリメートルである。

フォーク状接合部４４ｇ−１は、中央部４４ｇ−３の各端部と、それぞれの端部部分４４ｇ−４とを、カンチレバ４４ｇの長さに垂直な方向（即ち、Ｙ方向）につないでいる。各接合部４４ｇ−１は、接合部４４ｇ−１を歯ブラシのように見せる複数のビーム４４ｇ−５を含む。各接合部４４ｇ−１は、この実施形態では１３個のビーム４４ｇ−５を有するように示されているが、別の実施形態では、（例えば、ピーク応力を低減することにより）機械的衝撃事象時のカンチレバ４４ｇの性能を高める為に、ビーム４４ｇ−５の数は１３個より少なくても多くてもよい（例えば、２〜１５個であってよい）。この特定の実施形態に示すように、一方の接合部では、端部部分４４ｇ−４は、これに対応する中央部４４ｇ−３の下方（Ｙ方向）にあり、他方の接合部では、端部部分４４ｇ−４は、これに対応する中央部４４ｇ−３の上方（Ｙ方向）にある。更に、この特定の実施形態に示すように、中央部４４ｇ−３より下方でヒンジ４４ｇ−６によって端部部分４４ｇ−４につながっているほうの根部４４ｇ−２は上向きであり、他方の根部４４ｇ−２は下向きである。特定の実施形態では、中央部４４ｇ−３の端部、端部部分４４ｇ−４、及びビーム４４ｇ−５を含むフォーク状接合部４４ｇ−１の全体幅（ｙ１）は、０．０４０〜０．１５０ミリメートルである。

図２Ｆは、一代替実施形態として、応力を緩和する為にカンチレバ４４ｇのフォーク状接合部４４ｇ−１の代わりに使用可能なフォーク状接合部４４ｇ−１’を示す。この特定の実施態様に示すように、カンチレバ４４ｇの中央部の端部４４ｇ−３’は、カンチレバの根部（図示せず）に向かうにつれて幅（Ｙ方向）が減少するように、長さ方向（Ｘ方向）にテーパ状である。端部４４ｇ−３’は、対応するテーパ状端部部分４４ｇ−４’につながっており、端部部分４４ｇ−４’は、根部から遠ざかるにつれて幅が減少するように、長さ方向にテーパ状である。２つの端部４４ｇ−４’及び４４ｇ−３’の幅（Ｙ方向）は、それらの接合箇所に沿って実質的に減少しており、このようなテーパ状設計によって、ビーム４４ｇ−５’が、カンチレバ４４ｇにほぼ垂直な方向（Ｙ方向）に長くなることが可能である。

ヒンジ４４ｇ−６’が根部（図示せず）から延びて、フォーク状接合部の端部４４ｇ−４’につながっている。実施形態では、ヒンジ４４ｇ−６’は、図１Ｅのヒンジ２４−２’に関して上述したものと同様の３次元砂時計形状を有してよい。ヒンジ４４ｇ−６’をカンチレバ根部及び端部４４ｇ−４’とつないでいる接合部は外側カンチレバの最弱部分であると考えられる為、砂時計形状にすることで、衝撃事象時にかかる応力の再配分が可能になり、結果としてカンチレバの耐久性が高まる。実施形態では、ヒンジ４４ｇ−６’は、中央の幅が約５μｍ、端部の（ｙ方向の）幅が約６μｍ、（ｘ方向の）長さが約０．２ｍｍであってよい。

図２Ａを再度参照すると、アクチュエータ４０は、内枠４６と外枠４８をつなぐ１つ以上の屈曲部又はばね要素８０を含む。屈曲部８０は、導電性であってよく、あらゆる動き自由度において軟質であってよい。様々な実施形態では、屈曲部８０は、外枠４８上の電気的接点パッド８２から内枠４６上の電気的接点パッド８４へ電気信号をルーティングする。その後、これらの電気信号は、１つ以上のカンチレバ４４ａ〜４４ｄを介して１つ以上の櫛ドライブアクチュエータ２０にルーティングされてよい。例示的実施態様では、屈曲部８０は、内枠４６から一方向、二方向、三方向、又は全四方向に延びる。

一実施形態では、アクチュエータ４０は、例えば、シリコンのフォトリソグラフィ及びエッチングなどのＭＥＭＳプロセスで製造される。アクチュエータ４０は、場合によっては、面内を±１５０マイクロメートル動き、屈曲部８０は、この範囲の動きでは互いに接触しないような耐性を有するように（例えば、別々の電気信号が様々なばね要素を通ってルーティングされることが可能であるように）設計されてよい。例えば、屈曲部８０は、厚さが約１〜５マイクロメートル、幅が約１〜４０マイクロメートル、面内では約１５０〜１０００マイクロメートル×約１５０〜１０００マイクロメートルのＳ字状屈曲部であってよい。

屈曲部８０が低抵抗による十分な導電性を有するように、屈曲部８０は、例えば、高濃度にドープされたポリシリコン、シリコン、金属（例えば、アルミニウム）、これらの組み合わせ、又は他の導電材料、合金等を含んでよい。例えば、屈曲部８０は、ポリシリコンから作られ、アルミニウム、ニッケル、及び金からなる、ほぼ０．２〜１マイクロメートル厚のコーティングが施されてよい。一実施形態では、外枠４８と内枠４６との間の動きを制御する為に、幾つかの屈曲部８０は、他の屈曲部８０と異なるように設計される。例えば、屈曲部８０のうちの４個から８個（又は他の幾つかの個数）の屈曲部８０は、厚さが約１０〜２５０マイクロメートルであってよい。そのような厚さであれば、内枠４６に対する外枠４８の面外の動きがある程度制限されることになる。

特定の実施形態では、屈曲部８０は、座屈状態で破損せずに動作することによって、屈曲部の剛性が、通常の状態で動作する場合より何倍も低いことが可能になる。これらの実施形態では、屈曲部８０の座屈する部分（即ち、可撓部分）が、曲がる方向の可撓部分の断面（即ち、厚さ及び幅）が小さく、長さが比較的長いように設計されてよい。屈曲部８０の特定の実施形態が、２０１５年４月２日に出願された米国特許出願第１４／６７７，７３０号、件名「低剛性屈曲部（Ｌｏｗ Ｓｔｉｆｆｎｅｓｓ Ｆｌｅｘｕｒｅ）」に詳細に記載されている。

図２Ａに関して上述したように、外枠４８と内枠４６が複数の屈曲部８０でつながれる形でＭＥＭＳアクチュエータが設計されてよい。動作時には、急な衝撃事象時に内枠４６と外枠４８が衝突する可能性がある。従って、実施形態では、衝撃事象時にＭＥＭＳアクチュエータ構造を保護する為に、外枠及び内枠に衝撃ストッパが含まれてよい。

図３Ａ〜３Ｂは、そのような、衝撃ストッパを含むＭＥＭＳアクチュエータの一実施形態１００を示す。この特定の実施形態に示すように、ＭＥＭＳアクチュエータ１００は、内枠１１０と外枠１２０が複数の屈曲部（図示せず）でつながれていてよい。この実施形態に示すように、外枠１２０は４つの電気バー１２１~１２４を含む。別の実施形態では、外枠１２０は一体型であってよい。衝撃ストッパ１２７及び１１１のペアが、外枠１２０及び内枠１１０にそれぞれ対応する。アクチュエータ１００のこの特定の実施形態では、衝撃事象時に外枠１２０と内枠１１０との間の衝撃衝突の運動エネルギを吸収する為に、４ペアの衝撃ストッパ１２７及び１１１（各コーナーに１ペア）が存在する。しかしながら、当業者であれば理解されるように、デバイスの２つの部分の間で衝突が発生するＭＥＭＳアクチュエータ又は他のＭＥＭＳデバイスの別の実施形態では、任意の数の衝撃ストッパペアが実施されてよい。

様々な実施形態では、衝撃ストッパ１２７及び１１１は、永続的変形が発生しない衝撃事象に起因する衝撃時に（例えば、水平方向又は垂直方向のストッパ１２７がストッパ１１１と衝突したときに）吸収できる運動エネルギの量を最大化するように設計されてよい。例えば、実施形態では、衝撃ストッパ１２７及び１１１は、１００〜４００μＪの合計運動エネルギを吸収するように設計されてよい。特定の実施形態では、衝撃ストッパ１２７及び１１１は、３００〜４００μＪの合計運動エネルギを吸収してよい。

図３Ｃ〜３Ｄは、本明細書に開示の技術の実施形態において実施可能な衝撃ストッパ１２７及び１１１の例示的設計を２つ示す。図３Ｃは、複数の千鳥配置の円形開口１６０を含む衝撃ストッパ１２７ａ及び１１１ａを示す。衝撃事象時には、ストッパ１２７ａの表面１２７ａ−２が衝撃１１１ａの表面１１１ａ−２と接触する。この特定の実施態様に示すように、開口１６０は、密集した六角形パターンで間隔を空けて配置されている。様々な実施形態では、円形開口の直径は、０．０１０〜０．０２２ミリメートルであってよい。特定の実施形態では、円形開口の直径は約１６μｍである。特定の実施形態では、衝撃ストッパ１２７ａ及び１１１ａは、約３５０μＪの合計エネルギを吸収することが可能であり、それぞれは破損するまでに最大約４０μｍ変形することが可能である。衝撃ストッパ１２７ａ及び１１ａの別の実施態様では、開口１６０は、各ストッパの剛性及びエネルギ吸収能力を調節する為にエポキシグルー又は他のエネルギ吸収材が充填されてよく、且つ／又は、別のパターン（例えば、三角形、矩形、直線、又は他のパターン）で配列されてよい。様々な実施形態では、衝撃ストッパ１２７ａの全体長さ（ｘ１）は０．２５０〜１．０００ミリメートルであり、衝撃ストッパ１２７ａの全体幅（ｙ１）は０．０２５０〜１．０００ミリメートルである。様々な実施形態では、衝撃ストッパ１１１ａの全体長さ（ｘ２）は０．３００〜１．２００ミリメートルであり、衝撃ストッパ１１１ａの全体幅（ｙ２）は０．０２５０〜１．０００ミリメートルである。

図３Ｄは、複数の千鳥配置の方形開口１７０を含む衝撃ストッパ１２７ｂ及び１１１ｂを示す。図３Ｃと同様に、開口１７０は、密集した六角形パターンで間隔を空けて配置されている。特定の実施形態では、衝撃ストッパ１２７ｂ及び１１１ｂは、約３００μＪの合計エネルギを吸収することが可能であり、それぞれは破損するまでに最大約１５μｍ変形することが可能である。衝撃ストッパ１２７ｂ及び１１１ｂの別の実施態様では、開口１７０は、各ストッパの剛性及びエネルギ吸収能力を調節する為にエポキシグルー又は他のエネルギ吸収材が充填されてよく、且つ／又は、別のパターン（例えば、三角形、矩形、直線、又は他のパターン）で配列されてよい。

本明細書に開示の技術の更に別の実施形態では、吸収可能な最大エネルギ、及び破損せずに変位可能な最大距離を調整する為の、別の代替衝撃ストッパ設計が実施されてよい。例えば、前述の開口の代わりに、又は前述の開口との組み合わせで、水平方向又は垂直方向のスリットが使用されてよい。

図４Ａは、本開示の例示的実施形態による衝撃ケージング構造を利用するＭＥＭＳ多次元アクチュエータの一例２００の一区画の平面図を示す。この実施形態に示すように、アクチュエータ２００は、４つの二方向櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄと、１つ以上のカンチレバ２０ａ〜ｄとを含み、カンチレバ２０ａ〜ｄの第１の端部分が二方向櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄの一端につながっており、第２の端部が内枠２５０につながっている。アクチュエータ４０と同様に、アクチュエータ２００は、内枠２５０と中央アンカ（図示せず）との間にある櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄによって印加される制御力の下で複数の自由度で動くことが可能である。

この実施形態では、アクチュエータ２００は更に、衝撃ケージング構造４００、５００、６００、及び７００を含み、これらは、カンチレバ４４ａ〜ｄ、及び櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜ｄの動き制御屈曲部２４の動き又は最大変位を、それらの長さ方向に垂直な方向に制限する。これにより、ビームの長さ方向に垂直な大振幅振動の発生が制限又は阻止される。様々な実施形態では、衝撃ケージング構造は、カンチレバ４４ａ〜ｄ又は動き制御屈曲部２４に接触されてもほとんど変位しない硬質シリコン構造であってよい。これらの実施形態の実施態様では、衝撃事象時にカンチレバ４４ａ〜ｄ又は動き制御屈曲部２４が接触するケージング構造の表面積が最大になるように、衝撃ケージング構造の形状が決定される。

この実施形態に示すように、アクチュエータ２００は、４つの別個の衝撃ケージング構成又は構造を含み、構造４００及び５００はカンチレバ４４ａ〜４４ｄのケージング用であり、構造６００及び７００は動き制御屈曲部２４のケージング用である。当業者であれば理解されるように、様々な実施形態では、衝撃ケージング構造は、本明細書に示された厳密な構成に限定される必要はなく、ＭＥＭＳデバイスの任意の可動ビームの動きを制限するように実施されてよい。

衝撃ケージング構造４００及び５００は、カンチレバ４４ａ〜４４ｄの動きを制限するものであり、内枠２５０、又は櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜２０ｄの可動枠２２ａの一部として形成されてよい。例えば、この実施形態に示すように、衝撃ケージング構造４００は、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜２０ｄの可動枠２２ａの一部として形成され、一方、衝撃ケージング構造５００は、内枠２５０の一部として形成される。

衝撃ケージング構造６００及び７００は、動き制御屈曲部２４の動きを制限するものであり、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜２０ｄの固定枠又は可動枠（例えば、枠部分２２ａ〜２２ｂ）の一部として形成されてよい。例えば、衝撃ケージング構造７００は、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜２０ｄの固定枠２２ｂの一部であってよく、一方、衝撃ケージング構造６００は、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜２０ｄの可動枠２２ａの一部であってよい。ケージング構造は、櫛ドライブアクチュエータ２０ａ〜２０ｄをアクチュエータの中央から更に遠ざけるようにずらすことによって形成されてよい。

図４Ｂは、一実施形態による、カンチレバ４４をケージングする衝撃ケージング構造４００を示す。ケージング構造４００（例えば、剛体のシリコン構造）は、カンチレバ４４の端部を取り囲む。この実施形態では、ケージング構造４００は、櫛ドライブアクチュエータ２０の可動枠２２ａの一部である。

ケージング構造４００は、ヒンジ４４ｇ−６’の上方で、ヒンジと平行に、且つヒンジより先まで延びる突起４２０を含む。この例では、突起４２０は、フォーク状接合部４４ｇ−１’の端部４４ｇ−４’の上方で終わっている。従って、衝撃事象時には、端部４４ｇ−４’は、剛体の突起４２０に接触する為、剛体の突起４２０を越えてｙ方向に垂直変位することはない。この構成によれば、カンチレバ４４の最弱部分である可能性がある細いヒンジ４４ｇ−６’の動きが、衝撃事象時に実質的に制限される。例えば、ケージング構造４００では、ヒンジ４４ｇ−６’のｙ方向の変位を約１０分の１にすることが可能である。別の実施形態では、突起４２０は、フォーク状接合部４４ｇ−１’の端部４４ｇ−３’の上方で、更にはもっと先で終わってよい。

突起４２０の長さ、並びにフォーク状接合部４４ｇ−１’とケージング構造４２０との間の垂直方向のギャップは、通常動作時にカンチレバ４４が動く為の十分な空間を確保しながら、実現される機械的衝撃保護の大きさが最大になるように、様々な実施形態において調整されてよい。特定の実施形態では、突起４２０の長さは１５０〜３００マイクロメートルであってよく、（フォーク状接合部の下方又は上方の）端部４４ｇ−４’とケージング構造３２０ｂとの間のギャップは、３〜２０マイクロメートルであってよい。

図４Ｃは、一実施形態による、カンチレバ４４をケージングする衝撃ケージング構造５００を示す。ケージング構造５００（例えば、剛体のシリコン構造）は、カンチレバ４４の端部を取り囲む。この実施形態では、ケージング構造５００は、アクチュエータ２００の内枠２５０の一部である。

ケージング構造５００は、ヒンジ４４ｇ−６’の下方で、ヒンジと平行に、且つヒンジより先まで延びる突起５２０を含む。この例では、突起５２０は、フォーク状接合部４４ｇ−１’の端部４４ｇ−４’の下方で終わっている。従って、衝撃事象時には、端部４４ｇ−４’は、剛体の突起５２０に接触する為、剛体の突起５２０を越えてｙ方向下向きに変位することはなく、或いは内枠２５０の壁を越えてｙ方向上向きに変位することはない。この構成によれば、カンチレバ４４の最弱部分である可能性がある細いヒンジ４４ｇ−６’の動きが、衝撃事象時に実質的に制限される。例えば、このケージング構造では、ヒンジ４４ｇ−６’のｙ方向の変位を約１０分の１にすることが可能である。別の実施形態では、突起５２０は、フォーク状接合部４４ｇ−１’の端部４４ｇ−３’の下方で、更にはもっと先で終わってよい。

突起５２０の長さ、並びにフォーク状接合部４４ｇ−１’とケージング構造５００との間の垂直方向のギャップは、通常動作時にカンチレバ４４が動く為の十分な空間を確保しながら、実現される機械的衝撃保護の大きさが最大になるように、様々な実施形態において調整されてよい。特定の実施形態では、突起５２０の長さは１５０〜３００マイクロメートルであってよく、（フォーク状接合部の下方又は上方の）端部４４ｇ−４’とケージング構造５００との間のギャップは、３〜２０マイクロメートルであってよい。

図４Ｄは、一実施形態による、動き制御屈曲部２４をケージングする衝撃ケージング構造６００を示す。ケージング構造６００（例えば、剛体のシリコン構造）は、動き制御屈曲部２４の端部を取り囲む。この実施形態では、ケージング構造６００は、櫛ドライブアクチュエータ２０の可動枠２２ａの一部である。

ケージング構造６００は、ヒンジ２４−２の側方で、ヒンジと平行に、且つヒンジより先まで延びる突起６２０を含む。この例では、突起６２０は、動き制御屈曲部２４のロッド２４−１の端部で終わっている。従って、衝撃事象時には、ロッド２４−１の端部は、剛体の突起６２０に接触する為、剛体の突起６２０を越えてｘ方向左に水平変位することはなく、或いは枠２２ａを越えてｘ方向右に水平変位することはない。この構成によれば、動き制御屈曲部２４の最弱部分である可能性がある細いヒンジ２４−２の動きが、衝撃事象時に実質的に制限される。例えば、ケージング構造６００では、ヒンジ２４−２のｘ方向の変位を約１０分の１にすることが可能である。

突起６２０の長さ、並びにロッド２４−１の端部とケージング構造６００との間の水平方向のギャップは、通常動作時に屈曲部２４が動く為の十分な空間を確保しながら、実現される衝撃保護の大きさが最大になるように、様々な実施形態において調整されてよい。特定の実施形態では、突起６２０の長さは１００〜２２５マイクロメートルであってよく、（ロッドの左又は右にある）ロッド２４−１とケージング構造６００との間のギャップは、４〜２０マイクロメートルであってよい。

図４Ｅは、一実施形態による、動き制御屈曲部２４をケージングする衝撃ケージング構造７００を示す。ケージング構造７００（例えば、剛体のシリコン構造）は、動き制御屈曲部２４の端部を取り囲む。この実施形態では、ケージング構造７００は、櫛ドライブアクチュエータ２０の固定枠２２ｂの一部である。枠２２ｂは、動き制御屈曲部２４のロッド２４−１の端部を取り囲む。従って、衝撃事象時には、ロッド２４−１の端部は、枠の壁を越えて水平変位することはない。この構成によれば、動き制御屈曲部２４の最弱部分である可能性がある細いヒンジ２４−２の動きが、衝撃事象時に実質的に制限される。

図５Ａは、カンチレバ４４及び動き制御屈曲部２４の為の衝撃ケージング構造を含むＭＥＭＳアクチュエータの、機械的衝撃事象の一瞬時におけるモデル例を示す。この衝撃ケージング構造は、カンチレバ４４及び動き制御屈曲部２４が受ける動きを制限する。カンチレバ４４及び屈曲部２４のヒンジにかかる応力は小さい。図５Ｂは、カンチレバ４４及び動き制御屈曲部２４の為の衝撃ケージング構造を含まないＭＥＭＳアクチュエータの、機械的衝撃事象の一瞬時におけるモデル例を示す。衝撃ケージング構造がない為に、カンチレバ４４及び動き制御屈曲部２４は、可動枠間で自由に激しく揺れ、振動する。カンチレバ４４及び動き制御屈曲部２４のヒンジには、大きな応力がかかる。

図６Ａは、可動枠１１００を含むＭＥＭＳアクチュエータ１０００上にマウントされたイメージセンサ８００を示す上面図である。図６Ｂは、ＭＥＭＳアクチュエータ１０００上のイメージセンサ８００を覆うパッケージハウジング９００を示す。図６Ｃ〜６Ｅは、図６Ａ〜６Ｂの構成要素を含む組立済みのアクチュエータ光電子パッケージの断面を示す。図に示すように、パッケージハウジング９００は、可動枠１１００の構成要素１１５０とパッケージハウジング９００の背面との間の隙間を減らす衝撃ストッパ９１０及び９２０を含む。ストッパ９１０及び９２０は、機械的衝撃事象時に可動枠１１００が面外に動きすぎないようにすることが可能である。動きすぎると、アクチュエータの任意の動き制御ビーム（例えば、カンチレバ）を変形させる可能性がある。実施形態では、衝撃ストッパは、適切なプラスチックで作られてよい。

図７は、一実施形態による、本明細書に記載の機械的衝撃低減機能を使用できる組立済み可動イメージセンサパッケージ５５を示す分解斜視図である。実施形態では、可動イメージセンサパッケージ５５は、小型カメラ（例えば、モバイル機器用小型カメラ）の一構成要素であってよい。可動イメージセンサパッケージ５５は、基板７３、複数のキャパシタ及び／又は他の受動電気部品６８、ＭＥＭＳアクチュエータ駆動装置６９、ＭＥＭＳアクチュエータ５７、イメージセンサ７０、イメージセンサキャップ７１、赤外線（ＩＲ）カットフィルタ７２などの構成要素を含んでよく、これらに限定されない。基板７３は、凹部６５及び面内動き制限機構６７を有する剛体回路基板７４と、バックプレートとして動作する可撓回路基板６６とを含んでよい。剛体回路基板７４は、プレーン回路基板（ＰＣＢ）の製造に使用される材料のようなセラミック材料や複合材料、又は他の何らかの適切な材料で作られてよい。可動イメージセンサパッケージ５５は、１つ以上の駆動装置６９を含んでよい。

空気の熱伝導率はギャップの大きさにほぼ反比例し、イメージセンサ７０はおおむね１００ｍＷから１Ｗの電力量を消散しうる為、イメージセンサ７０、ＭＥＭＳアクチュエータ５７の固定部分、ＭＥＭＳアクチュエータ５７の可動部分、及びバックプレート６６の間のギャップがほぼ５０マイクロメートル未満に維持される。一実施形態では、イメージセンサ７０の放熱を更に促進する為に、バックプレート６６が銅などの高熱伝導率材料で製造されてよい。一実施形態では、バックプレート６６の厚さはほぼ５０〜１００マイクロメートルであり、剛体回路基板７４の厚さはほぼ１５０〜２００マイクロメートルである。

ここまで本発明の様々な実施形態を説明してきたが、当然のことながら、それらは、限定ではなく例としてのみ示したものである。同様に、様々な図によって本発明についての例示的なアーキテクチャ構成又は他の構成を示している場合があるが、これらは、本発明に包含されうる特徴及び機能性の理解を支援する為に示している。本発明は、説明したアーキテクチャ例又は構成例に限定されず、所望の特徴は様々な代替のアーキテクチャ及び構成を用いて実施されうる。実際、本発明の所望の特徴を実施する為にどのような代替の機能的、論理的、又は物理的な区分化及び構成が実施可能であるかは、当業者であれば明らかであろう。更に、本明細書に記載されている以外の異なる多数の構成要素モジュール名が様々な区画に適用されてよい。更に、フロー図、操作説明、及び方法クレームに関しては、本明細書に示したステップの順序は、別段に記述しない限りは、様々な実施形態が記載の機能性を同じ順序で実行するように実施されるよう命じるものではない。

様々な例示的な実施形態及び実施態様に関して本発明を説明してきたが、当然のことながら、個々の実施形態のうちの１つ以上で説明された様々な特徴、態様、及び機能性は、それらの適用可能性が、それらが説明された特定の実施形態に限定されるものではなく、むしろ、そのような実施形態が説明されたかどうかにかかわらず、且つ、そのような特徴が、説明された実施形態の一部として示されたかどうかにかかわらず、単独又は様々な組み合わせで、本発明の他の実施形態のうちの１つ以上に適用されてよい。従って、本発明の広さ及び範囲は上述の例示的実施形態のいずれによっても限定されるべきではない。

本文書で使用されている用語及び語句、並びにこれらの変形物は、別段の明示的な指定がない限り、限定的ではなくオープンエンドとして解釈されるべきである。上述のことの例として次のものがある。「含む（ｉｎｃｌｕｄｉｎｇ）」という語は「含むが限定ではない」などの意味に解釈されたい。「例（ｅｘａｍｐｌｅ）」という語は、議論されているアイテムの、包括的又は限定的なリストではない、典型的な事例を与えるために使用される。「ａ」又は「ａｎ」は、「少なくとも１つの」、「１つ以上の」などの意味に解釈されたい。「従来の（ｃｏｎｖｅｎｔｉｏｎａｌ）」、「伝統的な（ｔｒａｄｉｔｉｏｎａｌ）」、「通常の（ｎｏｒｍａｌ）」、「標準的な（ｓｔａｎｄａｒｄ）」、「既知の（ｋｎｏｗｎ）」などの形容詞、及び同様の意味の語は、記載のアイテムを所与の期間に、又は所与の時点で利用可能なアイテムに限定するものとして解釈されるべきではなく、むしろ、現在、又は未来の任意の時点で利用可能又は既知でありうる、従来の、又は伝統的な、又は通常の、又は標準的な技術を包含するものとして解釈されたい。同様に、本文書が、当業者であれば明らか又は既知であろう技術に言及する場合、そのような技術は、現在又は未来の任意の時点で当業者であれば明らか又は既知である技術を包含する。

「１つ以上の（ｏｎｅ ｏｒ ｍｏｒｅ）」、「少なくとも（ａｔ ｌｅａｓｔ）」、「ただし、〜に限定されない（ｂｕｔ ｎｏｔ ｌｉｍｉｔｅｄ ｔｏ）」などの広げる言葉や語句、或いは、場合によっては他の同様の語句の存在は、そのような広げる語句が存在しない場合にはより狭い場合が意図されているか必要とされているという意味に解釈されるべきではない。「モジュール」という用語の使用は、そのモジュールの一部として記載又は特許請求された構成要素又は機能性の全てが共通パッケージ内に構成されていることを意味するものではない。実際、モジュールの様々な構成要素のいずれか又は全てが、制御ロジックであれ、他の構成要素であれ、単一パッケージにまとめられてよく、又は別々に保持されてもよく、更に、複数のグルーピング又はパッケージに分散されてよく、或いは複数の場所にまたがって分散されてよい。

更に、本明細書に記載の様々な実施形態は、例示的なブロック図、フローチャートなどの図に関して説明されている。当業者であれば本文書を読むことによって明らかになるように、図示された実施形態及びこれらの様々な代替物は、図示された例に限定されることなく実施可能である。例えば、ブロック図及びそれらに付随する説明は、特定のアーキテクチャ又は構成が必須であるように解釈されるべきではない。

Claims (21)

1. 内枠と、前記内枠につながっている外枠と、
   ビームであって、
   第１の端部及び第２の端部を含む中央部と、
   前記中央部の前記第１の端部に直接つながっている第１のヒンジと、
   前記中央部の前記第２の端部に直接つながっている第２のヒンジと、を含み、前記第１のヒンジ及び前記第２のヒンジは前記中央部より細い、
   前記ビームと、
   前記ビームの少なくとも一部を取り囲むシリコンケージング構造であって、前記ビームの、前記ビームの長さ方向に垂直な方向の最大変位を制限する前記シリコンケージング構造と、
   を含む微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ。
2. 前記ビームは導電性カンチレバであり、前記中央部は湾曲していて変曲点を含む、請求項１に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
3. 前記ビームは動き制御屈曲部であり、前記中央部は、中央が最も幅広であり、端部が最も幅狭であるように、長さ方向にテーパ状である、請求項１に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
4. 前記第１のヒンジ及び前記第２のヒンジのそれぞれは、中央が最も幅狭であり、端部が最も幅広であるように、長さ方向にテーパ状である、請求項１に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
5. 前記ビームは、長さが１〜７ミリメートルであり、幅が１０〜７０マイクロメートルであり、前記ビームは、長さ方向には剛体であり、長さ方向に垂直な方向には可撓である、請求項１に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。
6. ビームであって、
   第１の端部及び第２の端部を含む中央部と、
   前記中央部の前記第１の端部に直接つながっている第１のヒンジと、
   前記中央部の前記第２の端部に直接つながっている第２のヒンジと、を含み、前記第１のヒンジ及び前記第２のヒンジは前記中央部より細い、
   前記ビームと、
   前記ビームの少なくとも一部を取り囲むシリコンケージング構造であって、前記ビームの、前記ビームの長さ方向に垂直な方向の最大変位を制限する前記シリコンケージング構造と、
   を含む微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス。
7. 前記ビームは、長さ方向には剛体であり、長さ方向に垂直な方向には可撓である、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
8. 可動枠を更に含み、前記シリコンケージング構造は前記可動枠の一部であり、前記第１のヒンジ及び前記第２のヒンジの少なくとも一方は前記可動枠につながっている、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
9. 前記シリコンケージング構造は、前記第１のヒンジ又は前記第２のヒンジと平行に、且つ前記第１のヒンジ又は前記第２のヒンジの長さ方向に延びる突起を含み、前記突起は、前記ビームの、前記ビームの長さ方向に垂直な方向の最大変位を制限する、請求項７に記載のＭＥＭＳデバイス。
10. 前記第１のヒンジ及び前記第２のヒンジのそれぞれは、中央が最も幅狭であり、端部が最も幅広であるように、長さ方向にテーパ状である、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
11. 前記中央部は、中央が最も幅広であり、端部が最も幅狭であるように、長さ方向にテーパ状である、請求項１０に記載のＭＥＭＳデバイス。
12. 前記ＭＥＭＳデバイスはアクチュエータであり、前記ビームは、前記アクチュエータの動き制御屈曲部であり、前記第１のヒンジ及び前記第２のヒンジの少なくとも一方は前記アクチュエータの枠とつながっている、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
13. 前記第１のヒンジは前記アクチュエータの固定枠につながっており、前記第２のヒンジは前記アクチュエータの可動枠につながっている、請求項１２に記載のＭＥＭＳデバイス。
14. 前記中央部は、長さが１〜４ｍｍであり、幅が１０〜７０μｍであり、前記第１及び第２のヒンジのそれぞれは、長さが０．０５〜０．３ｍｍであり、幅が１〜１０μｍである、請求項６に記載の動き制御屈曲部。
15. 前記ビームは導電性カンチレバであり、前記中央部は湾曲していて変曲点を含む、請求項６に記載のＭＥＭＳデバイス。
16. 前記カンチレバの長さは４．５〜７ミリメートルであり、前記中央部は、幅が０．０１２〜０．０３０ミリメートルである、請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
17. 前記第１及び第２のヒンジのそれぞれは、前記カンチレバの長さ方向に垂直な方向のそれぞれのフォーク状接合部によって前記中央部につながっており、前記フォーク状接合部は複数の平行ビームを含む、請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
18. 前記シリコンケージング構造は、前記第１のヒンジ又は前記第２のヒンジと平行に、且つ前記第１のヒンジ又は前記第２のヒンジの長さ方向に延びる突起を含み、前記突起は、前記カンチレバの、前記カンチレバの長さ方向に垂直な方向の最大変位を制限し、前記突起が前記フォーク状接合部のいずれかに接触したときに前記カンチレバが最大垂直変位に達する、請求項１７に記載のＭＥＭＳデバイス。
19. 複数のシリコンビームと、
    前記複数のシリコンビームのそれぞれの少なくとも一部を取り囲むシリコンケージング構造であって、前記複数のシリコンビームのそれぞれの、前記シリコンビームの長さ方向に垂直な方向の最大変位を制限する前記シリコンケージング構造と、
    を含む微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）アクチュエータ。
20. 前記複数のシリコンビームのそれぞれは、長さが１〜７ミリメートルであり、幅が１０〜７０マイクロメートルである、請求項１９に記載のアクチュエータ。
21. 可動枠を更に含み、前記可動枠は前記シリコンケージング構造の少なくとも一部を含み、前記複数のシリコンビームの少なくとも幾つかが前記可動枠に直接つながっている、請求項１９に記載のアクチュエータ。

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