JP4733923B2 - ３つの作動用素子を使用する２軸ｍｅｍｓデバイスの作動のための方法と装置 - Google Patents

Description

【関連出願】
【０００１】
（関連出願の相互引用）
適用外
【０００２】
発明に対する権利についての記述は連邦政府の資金提供による研究または開発の下で為された。
適用外
【０００３】
「シーケンス・リスト」、表、またはコンピュータ・プログラムのリストの別表に対する参照はコンパクト・ディスク上で提出された。
適用外
【技術分野】
【０００４】
本発明は、マイクロ・エレクトロメカニカル・システム（ＭＥＭＳ）デバイスの作動に関し、特に、２軸チップ傾斜ＭＥＭＳミラーに関する。本発明は、限定はされないが静電的に作動される光スイッチングへの用途を確認した。
【背景技術】
【０００５】
２軸チップ傾斜ＭＥＭＳミラーの静電的および磁気的作動のために４つの作動用素子を使用する仕組みはよく知られている。４素子の構成は直交するチップ傾斜軸に関して単純対称の利点を有し、それにより、傾斜の向きと各作動用素子に印加される電圧または電流の間の変換関数は相対的に単純である。４電極を使用する作動の一般的な方法は、軸に対して傾斜させるためにその軸の同じ側で電極を対で作動させることである。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
個々の作動用素子を制御するために、各々の素子はそれ独自の電圧または電流供給ラインとそれに付随するドライブ回路を必要とする。間隔が密なミラーのアレーを使用する光スイッチのケースでは、多数のラインとドライバがシステム設計の制限要因となる。パッキングの制約のせいで、アレー内のＭＥＭＳデバイスの数が増加するにつれてラインの経路指定が困難になる。さらに、ドライバの数が増加すると当然電子部品の数がさらに多くなってシステムのコストが上昇する。必要とされることは、相互接続とドライバの両方の問題を小さくするためにドライバとラインの数を削減することである。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明によると、３つの非接触作動用素子すなわち電極を使用する２軸ＭＥＭＳミラーをドライブするための方法と装置が提供される。双方向のミラー微分制御は適切な値にバイアスされた３つの作動用ドライブ信号を使用する。変換関数が、選択された電極の配向とサイズのための２軸チップ傾斜命令を３つの作動用ドライブ信号にマップする。
【０００８】
ここに提示された理論的基盤は静電的ドライブに３つの電極を使用するためのものであるが、この理論はＭＥＭＳデバイス用の電磁気的アクチュエータを有する２軸チップ傾斜デバイスを含む他の場合にも適用可能である。したがって、本開示はこのタイプの軸と電極構成の２軸チップ傾斜デバイスをドライブするために３つの電極を使用する場合に対応すると理解されるべきである。
【０００９】
本発明は、添付の実施形態と関連する以下の詳細な説明を参照することによってさらによく理解されるであろう。
【００１０】
図１、図２を参照すると、３つの等価の作動用素子１、２、３によってドライブされるアレー１０内のＭＥＭＳミラー４の範例が示されている。図示された２重ジンバルのミラーの場合では、外側のヒンジ５と６が外側のリングとミラーをｙ軸の周りに回転させ、内側のヒンジ７と８がミラー４をｘ軸の周りに回転させる。ｘ軸とｙ軸の両方がミラー４の平面内にある。本発明のこの特定の実施形態では、回転のｘ軸は素子１と２の間のギャップ９および素子３の方向の点に並んでいる。図３に示された本発明の別の実施形態では、ヒンジの軸に対するドライブ素子の相対的配向は任意の角度で回転されている。本発明のすべての実施形態で、ミラーの傾斜を作動させる力は３つの作動用素子１、２、３によって与えられる。静電的によってその力を得ることができる。静電気の場合では、素子１、２、３は平坦な金属電極でよい。各々の電極に電圧を印加することによって、電極とミラー４内（ミラーの表面自体も含む）の導電層（図示せず）の間に静電的な力が生成され、これ以降に述べるように制御された角度までミラー４を傾斜させる。
【００１１】
作動用素子は、例えば図４に描かれたように等しい面積である必要はないが、それらは等しいドライブ信号に対して等しい力を生成することが必要である。その結果、特許請求項の範囲内にある本発明の別の選択肢の実施形態は、３つの作動用素子のうちの少なくとも１つが重要なパラメータで他の２つと異なるものとなる。限定はされないが、それらは面積、形状、厚さを含めて多様な方式で異なっていても良い。例えば、電極は、それらが等しい面積（図３）であろうと等しくない面積（図５）であろうと軸に関してランダムに位置合わせされることが可能である。
【００１２】
本発明の中心的な態様は、３つの作動用素子を使用してミラーの傾斜を制御する方法である。２つの独立した回転軸があるので、２つの独立した命令信号が必要である。これらの命令信号はｘ軸とｙ軸それぞれの周りの回転の制御のためのＶ_xとＶ_yであると定義される。問題の手掛かりは、どのようにして命令信号を独自にＶ₁、Ｖ₂、Ｖ₃として示される３つのドライブ信号にマップするかを決定することである。作動メカニズムに応じて、これらの信号は選択された電圧源または電流源によって生成される。マッピングを、概して、以下の一次方程式のシステムによって表わすことができる。
Ｖ₁＝ＡＶ_x＋ＢＶ_y＋Ｖ_f1
Ｖ₂＝ＣＶ_x＋ＤＶ_y＋Ｖ_f2
Ｖ₃＝ＥＶ_x＋ＦＶ_y＋Ｖ_f3
ここでＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｅ、Ｖ_f1、Ｖ_f2、Ｖ_f3はすべてＶ_xとＶ_yとは無関係の定数である。任意の数のマッピング方法を適用することができる。しかしながら、すべての方法が同じ制御特性を生成するわけではない。したがって、マッピングによって以下の特性が維持されるように問題が制約される。
【００１３】
（１）命令信号Ｖ_xはｘ軸についてのみＭＥＭＳデバイスの有効な変位に結びつけられる。
【００１４】
（２）命令信号Ｖ_yはｙ軸についてのみＭＥＭＳデバイスの有効な変位に結びつけられる。
【００１５】
（３）命令信号Ｖ_xは微分であり、それにより３つの素子への平均ドライブ信号の変化は生じない。
【００１６】
（４）命令信号Ｖ_yは微分であり、それにより３つの素子への平均ドライブ信号の変化は生じない。
【００１７】
制約（１）と（２）は、２つの独立した回転方向の間で確実にクロストークを無くすかまたはわずかにする。制約（３）と（４）は命令信号Ｖ_xおよびＶ_yに対するシステムの応答を直線化する。これらの両方の特性はミラーの閉ループ動作に必要とされるフィードバック回路またはアルゴリズムを大幅に単純化する。
【００１８】
制約（１）〜（４）を適用することによって、定数Ａ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｅ間の相対的関係は必然的に制約される、すなわちそれらは任意の値をとることが不可能である。また、それらの値は作動用素子の特定の構造や作動用素子に対する傾斜軸の相対的配向によって決まる。図示されたように３つの素子がすべて同等であり、かつ配向を受ける図１と図２に描かれた実施形態に関すると、制約（１）が常に真であるためには、ＡとＣの和がＥに直線的に比例することが必要である。制約（２）が真であるためには、ＢがＤに等しいことが必要である。制約（３）はＡ、Ｃ、Ｄの和がゼロに等しいことを意味し、制約（４）はＢ、Ｄ、Ｅの和がゼロに等しいことを意味する。これらの条件のすべてが同時に真でなければならない。これが生じるためには、Ｆが−２Ｂに等しいことが必要であり、Ｃが−Ａに等しいことが必要であり、かつＥがゼロに等しいことが必要である。その結果、マッピングに関する一般式のセットはＭ₁で示される以下の式のセットへと減少させられる。
Ｖ₁＝ＡＶ_x−（Ｆ／２）Ｖ_y＋Ｖ_f1
Ｖ₂＝−ＡＶ_x−（Ｆ／２）Ｖ_y＋Ｖ_f2
Ｖ₃＝ＦＶ_y＋Ｖ_f3
【００１９】
式のセットＭ₁は、どのようにして２軸命令信号が３つのドライブ信号にマップされるかを決める。バイアス値Ｖ_f1、Ｖ_f2、Ｖ_f3はすべて等しい値であったもよく、あるいは１つ以上が他と異なっていてもよい。Ｍ₁のマッピングは、３つの作動用素子がすべて同じ形状であり、等しい間隔であり、かつ傾斜軸に対して図２に示されるように配向されている場合に当てはまる。Ｍ₁のマッピングが図１に示された素子のラベリング・システムとこれらの図中に示された軸配向の選択に対して独特であることが理解されるであろう。このマッピングが当てはまる素子のラベリングと軸配向のいくつかの変形例は存在するが、ドライブ信号Ｖ₁、Ｖ₂、Ｖ₃の割り当てと係数ＡとＦの符号にわずかな変更を伴う。
【００２０】
上述したＭ₁のマッピングは、ヒンジに対する作動用素子の配向が図２のものと合致す
る場合にのみ当てはまる。一般的な場合では、ドライブ素子の配向は図２に描かれたそれと一致しなくてもよい。素子はミラーのヒンジ軸によって決められた方向に対して回転させられていてもよいる。素子の任意の配向は図３に描かれており、回転角度θは図２に示された配向から素子の反時計回りと定義されている。ドライブ素子の相対的配向にかかわらず制約（１）〜（４）の有効性を維持するために、ドライブ信号への命令信号のマッピングは変更されなければならない。これは座標系の変更を加えることによって実行され、そこでは元々の軸に対して新たな軸が角度θだけ回転させられる。結果的に得られる新たなマッピングはＭ₃として示される以下の直線方程式の新たなセットで説明される。
Ｖ₁＝（ＡＣｏｓ（θ）＋（Ｆ／２）Ｓｉｎ（θ））Ｖ_x＋（ＡＳｉｎ（θ）−（Ｆ／２）Ｃｏｓ（θ））Ｖ_y＋Ｖ_f1
Ｖ₂＝（−ＡＣｏｓ（θ）＋（Ｆ／２）Ｓｉｎ（θ））Ｖ_x＋（−ＡＳｉｎ（θ）−（Ｆ／２）Ｃｏｓ（θ））Ｖ_y＋Ｖ_f2
Ｖ₃＝−ＦＳｉｎ（θ）Ｖ_x＋ＦＣｏｓ（θ）Ｖ _y ＋Ｖ_f3
【００２１】
これらの式で説明されるマッピングは、３つのドライブ素子１、２、３による２重ジンバルのミラー４の制御に関連して、電極が等しいサイズである場合の一般形式である。バイアス値Ｖ_f1、Ｖ_f2、Ｖ_f3はすべて等しくても、あるいは１つ以上が他と異なっていてもよい。
【００２２】
本発明のさらに特定の実施形態はマッピングを単純化する。必要条件ではないが、マッピングの特性はドライブ素子の回転に対して１２０度の整数倍で不変であることが望ましい。３つの素子の対称性から、ドライブ素子がミラーのヒンジに対して１２０度の整数倍だけ回転させられれば、新たな構成は素子のラベリングの些細な変更を除いて完全に回転させないときの構成と等価である。ラベル１、２、３のわずかな変更を除くと、マッピングを不変に保つためには、そのとき定数Ｆに対する定数Ａの比は（√３）／２に等しく制約される必要がある。その結果、本発明によって検討されるマッピングの１つの特定のタイプはＭ₄として示される以下の直線方程式のセットで説明される。
Ｖ₁＝Ｆ（（（√３）／２）Ｃｏｓ（θ）＋（１／２）Ｓｉｎ（θ））Ｖ_x＋Ｆ（（（√３）／２）Ｓｉｎ（θ）−（１／２）Ｃｏｓ（θ））Ｖ_y＋Ｖ_f
Ｖ₂＝Ｆ（−（（√３）／２）Ｃｏｓ（θ）＋（１／２）Ｓｉｎ（θ））Ｖ_x＋Ｆ（−（（√３）／２）Ｓｉｎ（θ）−（１／２）Ｃｏｓ（θ））Ｖ_y＋Ｖ_f
Ｖ₃＝−Ｓｉｎ（θ）Ｖ_x＋ＦＣｏｓ（θ）Ｖ _y ＋Ｖ_f
【００２３】
１２０度の整数倍によるドライブ素子の回転に対して不変であり、さらに制約（１）〜（４）が維持されるのはこの独特のマッピングである。マッピングＭ₄は、ドライブ素子が図３に描かれたようにすべて同じで等しい間隔の場合だけに当てはまる。
【００２４】
本発明は特定の実施形態を参照して説明されてきた。当業者にとって他の実施形態は明白であろう。例えば、本発明は２重ジンバルのミラーに特異的なわけではない。説明されたものとは異なる電極の相対的配向と３つのミラー軸は許容範囲であり、それは結果的に２つの微分命令と３電極命令の間のマッピングの異なる係数につながる。したがって、添付の請求項で示される以外に、本発明が限定されることは意図されない。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】本発明による２軸ＭＥＭＳミラーおよび３つのドライブ電極の相対的位置取りを例示する、一部を切り取った透視図である。
【図２】２軸ＭＥＭＳミラーおよび３つのドライブ電極を示す平面図であって、本発明に従ってヒンジの軸が電極に直接並んでいる。
【図３】２軸ＭＥＭＳミラーおよび３つのドライブ電極を示す平面図であって、本発明に従ってヒンジの軸が電極に対してランダムに位置合わせされている。
【図４】本発明による２軸ＭＥＭＳミラーおよび３つのドライブ電極の平面図であって、ヒンジの軸が電極に直接位置合わせされ、電極のうちの１つが等しくないサイズである。
【図５】本発明による２軸ＭＥＭＳミラーおよび３つのドライブ電極の平面図であって、ヒンジの軸が電極に対してランダムに位置合わせされ、電極が等しくないサイズである。

Claims (3)

1. ２方向に角度変位することを制御可能とする２つの軸を備えた装置であって、
   作動に応答して２つの軸の周りで角度変位可能なプラットホームと、
   プラットホームの近傍に配置された第１、第２、第３の単一方向作動用素子である静電的電極であって、前記３つの電極を使用してプラットホームを非接触で作動させ、２方向の角度変位を可能とするために、
   ａ）少なくとも２つの作動用素子のそれぞれが前記２つの軸のいずれかの下方に配置され、そして、
   ｂ）前記少なくとも２つの作動用素子の吸引の中心が、前記いずれかの軸に重ならないように位置している
   前記第１、第２、第３の単一方向作動用素子である静電的電極と、
   第１、第２、第３の電極への３つの対応する静電的力を独立に制御するように動作する３つの電圧制御源と、
   角度変位の２つの軸に関して選択された位置を３つの静電的力にマッピングするための制御器とを含み、制御器が以下の関係に従ってマッピングするように動作し、
   Ｖ₁＝（ＡＣｏｓ（θ）＋（Ｆ／２）Ｓｉｎ（θ））Ｖ_x＋（ＡＳｉｎ（θ）−（Ｆ／２）Ｃｏｓ（θ））Ｖ_y＋Ｖ_f1
   Ｖ₂＝（−ＡＣｏｓ（θ）＋（Ｆ／２）Ｓｉｎ（θ））Ｖ_x＋（−ＡＳｉｎ（θ）−（Ｆ／２）Ｃｏｓ（θ））Ｖ_y＋Ｖ_f2
   Ｖ₃＝−ＦＳｉｎ（θ）Ｖ_x＋ＦＣｏｓ（θ）Ｖ _y ＋Ｖ_f3
   （θは、ｘ軸から反時計回りで、このｘ軸の下方に位置しない作動素子と作動素子とのギャップの同一延長線上までの回転角度）
   ここでＡ、Ｆ、およびバイアス値Ｖ_f1、Ｖ_f2、Ｖ_f3はすべて角度変位命令信号Ｖ_xおよびＶ_yと無関係の定数であり、
   前記電極が等しい面積であり、かつ電極間のギャップが２つの軸と一致しないように電極が配置される装置。
2. ２方向に角度変位することを制御可能とする２つの軸を備えた装置であって、
   作動に応答して２つの軸の周りで角度変位可能なプラットホームと、
   プラットホームの近傍に配置された第１、第２、第３の単一方向作動用素子である静電的電極であって、前記３つの電極を使用してプラットホームを非接触で作動させ、２方向の角度変位を可能とするために、
   ａ）少なくとも２つの作動用素子のそれぞれが前記２つの軸のいずれかの下方に配置され、そして、
   ｂ）前記少なくとも２つの作動用素子の吸引の中心が、前記いずれかの軸に重ならないように位置している
   前記第１、第２、第３の単一方向作動用素子である静電的電極と、
   第１、第２、第３の電極への３つの対応する静電的力を独立に制御するように動作する３つの電圧制御源と、
   角度変位の２つの軸に対して選択された位置を以下の関係に従って３つの制御力にマッピングするように動作する制御器を含み、
   Ｖ₁＝Ｆ（（（√３）／２）Ｃｏｓ（θ）＋（１／２）Ｓｉｎ（θ））Ｖ_x＋Ｆ（（（√３）／２）Ｓｉｎ（θ）−（１／２）Ｃｏｓ（θ））Ｖ_y＋Ｖ_f1
   Ｖ₂＝Ｆ（−（（√３）／２）Ｃｏｓ（θ）＋（１／２）Ｓｉｎ（θ））Ｖ_x＋Ｆ（−（（√３）／２）Ｓｉｎ（θ）−（１／２）Ｃｏｓ（θ））Ｖ_y＋Ｖ_f2
   Ｖ₃＝−ＦＳｉｎ（θ）Ｖ_x＋ＦＣｏｓ（θ）Ｖ _y ＋Ｖ_f3
   （θは、ｘ軸から反時計回りで、このｘ軸の下方に位置しない作動素子と作動素子とのギャップの同一延長線上までの回転角度）
   ここでＦおよびバイアス値Ｖ_f1、Ｖ_f2、Ｖ_f3はすべて角度変位命令信号Ｖ_xおよびＶ_yと無関係の定数であり、
   前記作動用素子が等しい面積であり、かつマッピングが、プラットホームの中心で平面に対して実質的に直角のｚ軸の周りの１２０度の整数倍での前記作動用素子の回転に対して不変である装置。
3. ２方向に角度変位することを制御可能とする２つの軸を備えた装置の直線的制御のための方法であって、装置が、作動に応答して２つの軸の周りで角度変位可能なプラットホームと、最大の可能な角度範囲にわたって
   プラットホームの近傍に配置された第１、第２、第３の単一方向作動用素子である静電的電極であって、前記３つの電極を使用してプラットホームを非接触で作動させ、２方向の角度変位を可能とするために、
   ａ）少なくとも２つの作動用素子のそれぞれが前記２つの軸のいずれかの下方に配置され、そして、
   ｂ）前記少なくとも２つの作動用素子の吸引の中心が、前記いずれかの軸に重ならないように位置している
   前記第１、第２、第３の単一方向作動用素子である静電的電極と、その３つの電極へ独立した制御力を与えるように動作する３つだけの制御源と、角度変位の２つの軸に対して選択された位置を３つの制御力にマッピングするための制御手段とを有し、
   プラットホームの変位の角度を選択することと、
   ｘ軸とｙ軸の周りでの変位について変位の角度を角度命令にマッピングすることと、
   前記プラットホームに接触せずに第１と第２の制御可能な角度を直接制御するのに使用するための角度誘導電極電圧命令を生成するために、第１と第２の制御可能な角度から由来する関数を３つだけのバイアス電圧にマッピングすることと、
   前記第１と第２の制御可能な角度にわたってプラットホームの角度変位を静電的に変えるために、前記角度誘導電極電圧命令を前記電極用の前記３つの制御源に加え、
   前記制御手段が前記３つの電圧制御源の電極電圧Ｖ ₁ 、Ｖ ₂ 、Ｖ ₃ 間の以下の関係に従ってマッピングするように動作し、
   Ｖ ₁ ＝ＡＶ _x ＋ＢＶ _y ＋Ｖ _f1
   Ｖ ₂ ＝ＣＶ _x ＋ＤＶ _y ＋Ｖ _f2
   Ｖ ₃ ＝ＥＶ _x ＋ＦＶ _y ＋Ｖ _f3
   ここでＡ、Ｂ、Ｃ、Ｄ、Ｆ、Ｅ、およびバイアス値Ｖ _f1 、Ｖ _f2 、Ｖ _f3 はすべて角度変位命令信号Ｖ _x およびＶ _y と無関係の定数であることとを含む方法。

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