JP3895742B2 - 微小電子機械システム（ｍｅｍｓ）走査ミラー装置 - Google Patents

Description

本願は、２００３年８月２５日に出願された米国特許出願第１０／６４８，５５１号明細書の継続出願であり、かかる米国特許出願明細書の記載内容を本明細書の一部を形成するものとしてここに引用する。
本発明は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）用装置に関し、特にＭＥＭＳ走査ミラーに関する。

ＭＥＭＳ走査ミラー用の種々の設計の静電くし型アクチュエータが提案された。これら装置の色々な用途としては、バーコードリーダ、レーザプリンタ、共焦点顕微鏡、プロジェクションディスプレイ、リアプロジェクションＴＶ及びウェアラブル（携帯型）ディスプレイが挙げられる。典型的には、ＭＥＭＳ走査ミラーは、大きな走査角を達成するようその主共振周波数で駆動される。安定動作を確保するためには、ミラー及びその関連可動構造体が最も低い共振周波数及び主共振周波数において所望のモード形で振動するようにすることが非常に重要である。加うるに、この主共振周波数は、望ましいモード形と望ましくないモード形の潜在的な結合を回避するために他の構造的振動周波数から大きく離されなければならない。

望ましくない構造的振動は、ミラーの動的変形量を増大させ、その結果、光学解像力が劣化することになる。さらに、構造的振動モードの中には、回転的に動くことができるくし歯と静止くし歯が互いに接触してアクチュエータ全体を破損させるものがある。共振周波数が接近した２以上の構造的振動モードを互いに結合すると、ヒンジの破損を招く大きな振動振幅が生じる場合がある。かくして、ＭＥＭＳ走査ミラーの設計において、共振周波数での振動安定性を効果的に向上させ、ＭＥＭＳ走査ミラーの光学解像力を確保する装置及び方法を提供する。

本発明の一実施形態では、ＭＥＭＳ走査ミラーは、走査ミラー、回転くし歯、静止くし歯、分布状態の蛇行ばね及びアンカを有する。走査ミラー及び回転くし歯は、静止した面内及び（又は）面外の歯からの静電力により駆動される。ミラーは、多数の支持アタッチメントにより回転くし歯構造体に取り付けられている。多数の蛇行ばねは、可動構造体を静止支持構造体に連係させる可撓性ヒンジとしての役目を果たす。

図１Ａは、本発明の一実施形態としてのＭＥＭＳ走査ミラー装置１００を示している。装置１００は、頂部層１００Ａ（図１Ｂ）及び底部層１００Ｂ（図１Ｃ）を有している。
図１Ｂを参照すると、頂部層１００Ａは、ビーム状構造体１０３Ａ，１０３Ｂの互いに反対側の側部に連結された回転くし歯１０８を有している。ビーム１０３Ａ，１０３Ｂの近位端部は、多数の支持アタッチメント１０２により走査ミラー１０１の互いに反対側の側部に連結されている。換言すると、各ビームは、多数の場所で走査ミラー１０１に連結されている。支持アタッチメント１０２の位置及び数は、走査ミラー１０１の動的変形量を最小限に抑えるよう有限要素解析法により注意深く選択されている。支持アタッチメント１０２により走査ミラー１０１の動的変形量を減少させることにより、装置１００の光学解像力が向上する。

ビーム１０３Ａ，１０３Ｂは、８つの蛇行ばね／ヒンジ１０５Ａ〜１０５Ｈにより走査ミラー１０１の回転軸線（例えば、ｘ軸）に沿って分布状態で底部層１００Ｂ（図１Ｂ）に取り付けられている。具体的に説明すると、ビーム１０３Ａの遠位端部は、ばね／ヒンジ１０５Ａによりアンカ１０４Ａに連結され、ビーム１０３Ｂの遠位端部は、ばね／ヒンジ１０５Ｈによりアンカ１０４Ｈに連結されている。ビーム１０３Ａは、ばね／ヒンジ１０５Ｂ〜１０５Ｄによりこれらの長さに沿って対応関係にあるアンカ１０４Ｂ〜１０４Ｄに連結され、ビーム１０３Ｂは、ばね／ヒンジ１０５Ｅ〜１０５Ｇにより対応関係にあるアンカ１０４Ｅ〜１０４Ｇに連結されている。一実施形態では、ばね１０５Ｂ〜１０５Ｇは、ビーム１０３Ａ，１０３Ｂ内に設けられている。アンカ１０４Ａ〜１０４Ｈは、底部層１００Ｂ（図１Ｃ）に取り付けられている。

頂部層１００Ａは、静止くし歯１０９を有するのがよい。一実施形態では、静止くし歯１０９は、可動構造体の駆動効率をそのモード周波数の同調により向上させるために用いられる静電付勢力をもたらす。別の実施形態では、静止くし歯１０９は、走査ミラー１０１を駆動する静電駆動力をもたらす。さらに別の実施形態では、静止くし歯１０９は、静電付勢力と静電駆動力の両方をもたらす。

図１Ｃを参照すると、底部層１００Ｂは、頂部層１００Ａ（図１Ａ）中の可動構造体のための繋留面として役立つ表面１０６Ａ〜１０６Ｈを有している。具体的に説明すると、アンカ１０４Ａ〜１０４Ｈは、対応関係にある表面１０６Ａ〜１０６Ｈに接合されている。キャビティ１０７が、底部層１００Ｂに接触することなく、走査ミラー１０１の回転を許容する。一実施形態では、静止くし歯１１０は、走査ミラー１０１を駆動する静電駆動力をもたらす。別の実施形態では、静止くし歯１１０は、可動構造体の駆動効率を向上させるために用いられる静電付勢力をもたらす。さらに別の実施形態では、静止くし歯１１０は、静電駆動力と静電付勢力の両方をもたらす。静止くし歯１０９，１１０は、上から見ると回転くし歯１０８と相互に組み合わされて（interdigitated）いる。

上述したように、ばね１０５Ａ〜１０５Ｈは、ビーム１０３Ａ，１０３Ｂに沿って分布して設けられている。これらばねの捩じり剛性及び並進剛性の分布状態を注意深く調整することにより、可動構造体の全てのモード周波数を効果的に分離することができ、所望の回転モードを最も低い共振周波数で設計できる。主共振周波数が最も低く、しかも他の構造的モード周波数から大きく離れているので、ミラーの回転は、望ましくない任意他の振動モードを励振させることはないであろう。

多数のばねを用いると、個々のばねに加わる最大応力及び歪は、１対の捩じりビームだけで支持された従来設計の走査ミラーよりも相当低い。したがって、ばねを分布して設ける設計により、装置の信頼性が著しく向上する。以上要約すると、システム信頼性並びにサーボ及び光学性能は本発明の実施形態において全て向上している。

図２Ａは、本発明の一実施形態としてのＭＥＭＳ走査ミラー装置２００を示している。装置２００は、頂部層２００Ａ（図２Ｂ）及び底部層２００Ｂ（図２Ｃ）を有している。
図２Ｂを参照すると、頂部層２００Ａは、多数の支持アタッチメント２０２によりビーム２０３Ａ，２０３Ｂに連結されたミラー２０１を有している。ミラー２０１及び支持アタッチメント２０２は、図１に示すものとほぼ同じである。回転くし歯２０８が、ビーム２０３Ａ，２０３Ｂの一方の側部に連結されている。

ビーム２０３Ａ，２０３Ｂは、ばね／ヒンジ２０５Ａ〜２０５Ｈにより走査ミラー２０１の回転軸線に沿って分布された状態で頂部層２００Ａの静止面２０４に連結されている。具体的に説明すると、ビーム２０３Ａの遠位端部は、ばね／ヒンジ２０５Ａにより表面２０４に連結され、ビーム２０３Ｂの遠位端部は、ばね／ヒンジ２０５Ｈにより表面２０４に連結されている。ビーム２０３Ａは、ばね／ヒンジ２０５Ｂ〜２０５Ｄによりこれらの長さに沿って表面２０４に連結され、ビーム２０３Ｂは、ばね／ヒンジ２０５Ｅ〜２０５Ｇによりこれらの長さに沿って表面２０４に連結されている。

図２Ｃを参照すると、底部層２００Ｂは、底部層２００Ｂに接触することなく、走査ミラー２０１の回転を許容するキャビティ２０７を有している。一実施形態では、静止くし歯２１０は、走査ミラー２０１を駆動する静電駆動力をもたらす。別の実施形態では、静止くし歯２１０は、可動構造体の駆動効率を向上させるために用いられる静電付勢力をもたらす。さらに別の実施形態では、静止くし歯２１０は、静電駆動力と静電付勢力の両方をもたらす。静止くし歯２１０は、上から見て回転くし歯２０８と相互に組み合わせられている。

図３は、ミラー３０１の典型的なミラー動的変形量を示している。ミラー３０１は、紙面に対し垂直に向いたｘ軸に沿って回転する。全ミラー動的変形量３０２が示されている。ｘ軸とｙ軸は、元の状態のミラー表面の存在する平面を形成する。ｚ軸は、ミラーの面外動作を説明するために用いられる。ミラー動的変形量は、ミラーの厚さ、走査周波数、ミラーの寸法及び回転角の関数である。ピークピーク動的変形量は、回折が走査ミラーの光学性能を制限するのを阻止するよう波長の１／４よりも小さくなければならない。図１Ａ及び図２Ａに示す提案したミラー取付け構造体及び方法はミラー動的変形量を最高５０％まで減少させることが予測される。

開示した実施形態の種々の他の変形例及び組合せは、本発明の範囲に含まれる。例えば、走査ミラー１０１は、静止面外歯２１０により駆動されるが、走査ミラー２０１を静止面内歯により駆動するよう本発明の実施形態を設計変形できる。多くの実施形態は、特許請求の範囲に記載された本発明の範囲に含まれる。

本発明の一実施形態としてのＭＥＭＳ装置の種々の層の平面図である。 本発明の一実施形態としてのＭＥＭＳ装置の種々の層の平面図である。 本発明の一実施形態としてのＭＥＭＳ装置の種々の層の平面図である。 本発明の別の実施形態としてのＭＥＭＳ装置の種々の層の平面図である。 本発明の別の実施形態としてのＭＥＭＳ装置の種々の層の平面図である。 本発明の別の実施形態としてのＭＥＭＳ装置の種々の層の平面図である。 本発明の一実施形態としての走査ミラーの変形量を示す図である。

符号の説明

１００ ＭＥＭＳ走査ミラー装置
１００Ａ 頂部層
１００Ｂ 底部層
１０１ 走査ミラー
１０２ 支持アタッチメント
１０３Ａ，Ｂ ビーム状構造体
１０４Ａ〜Ｈ アンカ
１０５Ａ〜Ｈ ばね／ヒンジ
１０７ キャビティ
１０８ 回転くし歯
１０９ 静止くし歯

Claims (14)

1. 微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）走査ミラー装置であって、
   単一の回転軸線の周りに回転する走査ミラーと、
   走査ミラーに連結された一端部を備え、走査ミラーから離れた他端へ回転軸線に沿って延びるビーム構造体と、
   各々がビーム構造体に連結された一端部を備えた複数のばねとを有し、複数のばねはビーム構造体に沿って整列され、少なくとも１つのばねは、他のばねと走査ミラーの間に配置されていることを特徴とする装置。
2. 複数のばねの少なくとも1つは、対応関係にある静止面に接合されている対応関係にあるアンカに連結された別の端部を有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
3. 複数のばねの少なくとも1つは、静止面に連結された別の端部を有していることを特徴とする請求項１記載の装置。
4. ビーム構造体から延びる複数の回転くし歯と、複数の静止くし歯を更に有し、静止くし歯と回転くし歯は、相互に組み合わせられていることを特徴とする請求項１記載の装置。
5. ビーム構造体の一端部は、走査ミラー上の複数の場所に連結されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
6. 微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）走査ミラーが、バーコードリーダ、プリンタ、共焦点顕微鏡、ディスプレイ、テレビ、及びウェアラブルディスプレイからなるグループから選択されたシステムの一部である請求項１記載の装置。
7. 少なくとも１つのばねが、ビーム構造体の中に配置されていることを特徴とする請求項１記載の装置。
8. 微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）走査ミラー装置であって、
   単一の回転軸線の周りに回転する走査ミラーと、
   各々が走査ミラー側の近位端部から走査ミラーから離れた遠位端部まで回転軸線に沿って延びる第１のビーム構造体及び第２のビーム構造体と、
   一方の端部が第１のビーム構造体に連結された複数の第１のばねを有し、複数の第１のばねは、ビーム構造体に沿って整列され、第１のばねのうちの少なくとも１つのばねは、他の第１のばねと走査ミラーの間に配置されており、
   さらに、一方の端部が第２のビーム構造体に連結された複数の第２のばねを有し、複数の第２のばねは第１のばねと同一の構造を有し、ビーム構造体に沿って整列され、第２のばねのうちの少なくとも１つのばねは、他の第２のばねと走査ミラーの間に配置されていることを特徴とする装置。
9. 複数の第１のばねのうち少なくとも１つが、第１のビーム構造体の中に配置されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
10. 複数の第１及び第２のばねは、更に、対応関係にある静止面に接合されている対応関係にあるアンカに連結されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
11. 複数の第１及び第２のばねは、更に、静止面に連結されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
12. 微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）走査ミラーが、バーコードリーダ、プリンタ、共焦点顕微鏡、ディスプレイ、テレビ、及びウェアラブルディスプレイからなるグループから選択されたシステムの一部である請求項８記載の装置。
13. 第１のビーム構造体の近位端部は走査ミラーの第１の側の複数の第１の場所に連結され、第２のビーム構造体の近位端部は走査ミラーの第２の側の複数の第２の場所に連結されていることを特徴とする請求項８記載の装置。
14. 第１及び第２のビーム構造体から延びる複数の回転くし歯と、複数の静止くし歯を更に有し、静止くし歯と回転くし歯は、相互に組み合わせられていることを特徴とする請求項１２記載の装置。

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