JP4776779B2 - 捩り撓みヒンジで連結されて相対的に回転する微細加工部材 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は一般には一体製造になる微細加工構造体、より詳しくは第１のフレームをプレート又は第２のフレームに連結させ、このプレート又は第２のフレームを第１のフレームに対し、軸を中心として回転させるようにして成る微細加工構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
多くの多様な用途のある基本的微細構造体の一つに捩り振動子がある。これは、第１のフレームとプレート又は第２のフレームとが直径反対側にあって対向し、両者の間に延びる捩りバーで連結されて形成されるものである。この捩りバーによれば、第１のフレームに対して第２のフレーム又はプレートを、捩りバーが設定する軸を中心として回転（回動）させることが出来る。この基本的微細加工構造体の実用的用途には、米国特許第５６２９７９０号（以下、「７９０」特許）に記載の、反射面を有する光ビーム微細加工捩りスキャナが有り、その適用例は米国特許第５８４１５５３号（以下、「５５３特許」）に記載されているようなディジタル画像化、バーコード読み取り及び印刷や、名称が「微細加工素子を用いる光学ヘッド」であるＰＣＴ出願公開公報ＷＯ９８／０９２８９（以下、０９２８９ＰＣＴ公報）に記載されているような磁気光学的記録等である。上記基本微細加工構造体はまた、米国特許第５４８８８６２号に記載のレートジャイロスコープや米国特許第５８６１５４９号に記載の表面検査システムに用いられるプロフィルメーター及び／又は原子顕微鏡（ＡＦＭ）ヘッド）等の他の種々の科学的及び産業システムに用いられる。
【０００３】
全体として上記特許には、静電力及び電磁力をプレート及び／又は第２のフレームに印加して、捩りバーが設定する軸の周りの回転を付勢する種々の技術が記載されている。この基本微細加工構造体の有用性は、米国特許第５６４８６１８号（６１８特許）に記載されているように、捩りセンサを捩りバーの少なくとも一つに一体に組み込み、第１のフレーム対して第２のフレーム又はプレートが捩りバーの設定する軸を中心としてなす回転（回動）を測定することにより、大きく向上する。
【０００４】
図１に、捩り振動子、即ちその典型的例である上記７９０特許に記載の捩りスキャナが示されている。一般参照番号５２で表示されているこの捩りスキャナは、囲繞するフレーム５６から内側に延びて捩りスキャナプレート５８を支持する捩りバー５４を備え、プレート５８を捩りバー５４が設定する軸の周りに回転させる。フレーム５６は絶縁性基板６４上に戴置されてい、後者には一対の導電性電極６６も保持されている。フレーム５６上に位置を占めるフレーム状の間隔子６８が膜窓７２を、プレート５８上方の短い距離に支持している。図１に矢印線で示された光ビーム７４が膜窓７２を通して入射し、プレート５８上のミラー面７６に当たって反射し、次いで膜窓７２を通って捩りスキャナ５２を出る。プレート５８と先ず電極６６の一方との間、次いで他方との間と、両者間に交互に電圧Ｖが印加され、この電圧がプレート５８の主捩り振動モードの振動数で両電極間を前後に切り替わると、静電力がプレート５８に加わり、プレート５８を軸６２の周りにこの周波数で前後に回転駆動する。
【０００５】
光ビーム捩りスキャナ５２に基本微細加工構造体を用いると、プレート５８又は第２のフレーム上のミラー面７６は、通常固定光源からの光ビーム７４を数度から数十度の角度で偏向する。このような捩りスキャナ５２を用いて、光ビームをプレート５８又は第２のフレームの機械的共振振動数で一部決定される振動数で前後に走査することが出来る。或いはまた、捩りスキャナ５２を用いて、光ビームが単数の素子又は複数の別の素子に当たる点を二つ以上の交互位置の間で移動、切り替えることが出来る。
【０００６】
上記７９０特許には、実用的捩り振動子がもつべき機械的振動モードの臨界的スペクトルが記載されている。このモードスペクトルは捩りスキャナ５２を、特にビデオ周波数（振動数）又はそれ以上の高い振動数で正弦振動させるのに有利である。同じモードスペクトルはまた、光ビーム７４が異なる複数の素子に当たる位置を切り替えるとき等の、捩りスキャナ５２が準静的モードで動作する場合にも有利である。準静的モードで回転する捩りスキャナ５２は、或る時間一つの向きに留まり、次いで比較的大角度回転して他の向きになり、そこで再び或る時間留まるように動作する。
【０００７】
米国特許第５６７３１３９号（以下１３９特許）の図２に示されているような、複数の捩りスキャナ５２を１軸又は２軸回転させ、且つ極めて密に充填する必要が有る用途においては、フレーム５６とプレート５８又は第２のフレームとの間の、捩りバー５４の長さが占める空きスペースを除くことが屡々望ましい。この空きスペースは、捩りバー５４の長さが１３９特許に図示のような「蝶形フレーム」内、又は蝶形プレート５８内に位置付けられれば、除くことが出来る。だが、捩りバー５４は極めて長く、細長くなる傾向があるので、蝶形プレート５８、又は１３９特許に図示されたもののような蝶形フレームでさえ、過剰に大きいスペースを占めることがある。捩りバー５４の占めるスペース小さくしようとして、単にこれを短くして良いものではない。短くすると捩りバー５４は剛性を増し、剛性が増せば、主捩り振動モードの振動数がより高くなり、また軸６２を中心としてプレート５８又は第２のフレームを回転させるために要する力を増大させることになるからである。
【０００８】
多くの場合、種々の理由により上記のように低パワー静電場でプレート５８を付勢することが極めて望ましい。だが、捩りスキャナ５２の適用例によっては、プレート５２を大角度で回転することを要することがある。静電不安定性のため、静電力を用いてプレート５８又は第２のフレームの回転を静電的又は動的に付勢するとき、角回転に比例する信号を静電駆動信号発生回路にフィードバックせずにこれを行おうとすると、プレート５８の回転角度に制限が生じるのが一般である。
【０００９】
静電不安定性が生じる原因は、捩りバー５４がプレート５８に加える復元トルクがプレート５８の回転と共に線形に増大し、且つプレート５８と電極６６の一方との間の静電吸引により発生される駆動トルクが、両者間の隔離距離の減少と共に二次式的に増大することによる。静電駆動されて正弦振動する捩りスキャナがその主捩り振動モードの共振振動数で動作する場合は、静電不安定性は殆ど問題ではない。プレート５８が回転して、近い電極６６に最近接するとき、電極６６とプレート５８間に加わる電圧は一般にゼロ（０．０）であるからである。即ち、静電駆動されて正弦振動する捩りスキャナがその主捩り振動モードの共振振動数で動作する場合、プレート５８のなす回転と、プレート５８と電極６６の先ず一方との間、次に他方との間と、交互して印加される電圧Ｖの印加とは、違相であって、両者間に位相のずれ、即ちラグが有る。だが、準静的動作では、或る閾地を越える一定の電圧Ｖがプレート５８と電極６６の一方に跨って印加されると、軸６２を中心とするプレート５８の回転は不安定になる。即ち、プレート５８と電極６６の一方に印加される電圧Ｖが或る特定の値を取り、この電圧に応答してプレート５８が或る特定の角度に回転する場合、機械的に拘束されていないとプレート５８は電圧Ｖに変化がないでの、電極６６に最近接した或る位置まで継続回転するのである。
【００１０】
図２のカーブ群は、静電不安定性の現象をグラフで示すものである。図２の直線８２は、捩りバー５４の捩りバネ常数に比例して左から右に上方に傾斜し、捩りバー５４が軸６２を中心として種々の角度向きまで回転してプレート５８に加える復元トルクの量を表す。図２の駆動トルク曲線８４ａ、８４ｂ、８４ｃは、軸６２を中心とするプレート５８の回転の種々の回転角に対して、プレート５８と電極６６間の、順次高くした一定電圧Ｖａ、Ｖｂ、Ｖｃによってプレート５８に加えられる駆動トルクを示す。或る特定の電圧Ｖａ又はＶｂでの静電吸引駆動トルクは直線８２の示す復元トルクに関連して、駆動トルク曲線８４ａ及び８４ｂがＡａ及びＡｂとそれぞれ表示されている点で直線８２に交差するところで平衡している。駆動トルク曲線８４ａに対する第１の交差点Ａａは、プレート５８が更に回転してプレート５８に静電的に加わる駆動トルクの増大より大きい復元力を発生する安定平衡点である。第２の交差点Ｂａは、プレート５８の回転角度をどう大きくしても静電駆動トルクが復元トルクより速く増大するため、不安定平衡点である。従って、駆動トルク曲線８４ａにより表された電圧に対して、直線８２と駆動トルク曲線８４ａがＢａで交差する角度までプレート５８が回転するなら、機械的に拘束されていなければプレート５８は、電圧Ｖに変化がないので電極６６に最近接する位置まで継続回転する。
【００１１】
固定電圧Ｖが上昇、例えば駆動トルク曲線８４ａから駆動トルク曲線８４ｂに上昇すると、静電印加の駆動トルクは増大し、二つの交差点は共に移動して点Ａｂと点Ｂｂに近づく。だが、プレート５８と電極６６に跨って印加される電圧が引き続いて上昇すると、復元トルクとトルクの曲線は遂には正接するようになる。正接が起こると、安定な交差点は最早存在せず、その値の一定電圧Ｖの印加によりプレート５８は瞬時に動いて、下にある電極６６に向かって激しく動く。この状況は、これ等二つの交差点が一点ＡｃＢｃで一致する駆動トルク曲線８４ｃにより説明される。従って、駆動トルク曲線８４ｃで示される電圧Ｖは、静電駆動信号を発生する回路へ角回転に比例する信号がフィードバックされなければ、最早それ以上静電的に安定ではない。従って、プレート５８の準静的回転は角回転フィードバック無くして、プレート５８の多くの望ましい角度向きに対して制御され得ない。
【００１２】
この静電不安定性のため、軸６２を中心とするプレート５８の静電付勢回転はプレート５８の静止位置と電極６６間の隔離距離の約１／３に制限される。プレート５８の或る特定の寸法に対して、角回転信号を静電駆動回路にフィードバックせずに或る程度の回転角を得るには、プレート５８と電極６６間の間隔を大きくする必要がある。だが、プレート５８と電極６６間の間隔を広くすると、より高い電圧をプレート５８と電極６６に跨って印加する必要が有る。だが、プレート５８と電極６６間に印加される電圧を高くできる限度は、その電圧が両者間の絶縁破壊電圧を超え得ないと云う理由により制限される。その代わりに、静電不安定性の生じる図２の領域での捩りバネ常数を増大すると、プレート５８と電極６６間の間隔を増大しなくても、軸６２を中心とするより大きい角回転にも安定平衡が得られるようになる。
【００１３】
前記０９２８９ＰＣＴ公報には、非線形捩りバネ常数をもつ捩りスキャナが図示、記載されている。本出願の図３及び上記ＰＣＴ公報の図３に示されているように、上記ＰＣＴ公報に開示された捩りバー５４の捩りバネ常数は、単数又は複数の係留体（テザ）８６をプレート５８に取り付けることにより非線形となる。係留体８６は窒化物又は酸化物製で、捩りバー５４が設定する軸６２に平行に向い波形起伏の有るバネから成る。プレート５８が軸６２を中心として回転するに従い、係留体８６は初め捩りバー５４の捩りバネ常数を僅かに増大するのみである。だが、プレート５８が軸６２を中心として更に回転するに従い、係留体８６の加えるトルクは急速に増大し、それにより図３に示した捩りスキャナ５２に対し非線形捩りバネ常数を創出する。
【００１４】
図３ａは、図３に示したプレート５８と電極６６の一方の間に一定電圧を印加した場合の駆動トルク曲線を示す。図３ａにおける第１の直線区分９４ａは、プレート５８が軸６２の周りに初期回転して臨界角度配向するまで捩りバー５４によってのみ加えられる仮想的復元トルクを示す。図３ａにおける第２の直線区分９４ｂは、プレート５８が軸６２の周りに臨界角度配向を超えて回転して、捩りバー５４が係留体８６と共に仮想的に加える復元トルクを示す。図３ａにおける二つの線区分９４ａと９４ｂの異なる傾斜は、係留体８６がプレート５８に加える拘束のため、捩りバネ常数が臨界角度配向においてｋ１からｋ２に変化することを示す。捩りバネ常数がｋ１と低いと、プレート５８は軸６２を中心として初め良好に回転できる。捩りバネ常数がｋ１からｋ２に変化することにより、軸６２を中心としてプレート５８が大きく角回転しても静電不安定性は無い。だが、現実としては、図３ａで示唆されている、柔軟から剛性への捩りバネ常数の急激な変化を係留体８６が実際には生じないことを当業者は認めよう。
【００１５】
それでも、図３に示す捩りスキャナ５２では、捩りバー５４の捩りバネ常数が係留体８６のバネ常数に対する効果と比較して小さいなら、プレート５８の回転は係留体８６により支配され得るのである。更に、係留体８６がプレート５８を対称的に拘束しなくても、前者は後者を撓みて、その光学的平坦度を壊そうとする。このＰＣＴ公報０９２８９で言及しているように、図３に示された係留部８６を備える捩りスキャナ５２によれば、捩りバネ常数の極端な非線形性を係留体が生じているから、プレート５８が軸６２を中心として高々±２．０°安定に回転するのを可能にするに過ぎない。
【００１６】
前記７９０特許は、プレート５８又は第２のフレームの周りに箱枠（ボックスフレーム）強化リムを設けても、捩りスキャナ５２が得られることの利点を開示している。箱枠強化リムはプレート５８又は第２のフレームの厚さをその外周部で厚くすると共に、その構造体の残部を薄いままにする。箱枠強化リムはプレート５８を光学的に平坦に保ち、また捩りバー５４とフレーム５６とが厚みを異にするようにし、それにより捩りスキャナ５２の剛性を増大している。中実のプレート５８又は第２のフレームと比較して、プレート５８又は第２のフレームを箱枠で強化すると、プレート５８又は第２のフレームの質量が減らすと共に、その慣性モーメントを保持している。慣性モーメンを大きくすると、Ｂｕｓｅｒ ｅｔ ａｌの解析で説明されているように（Ｓｅｎｓ．＆ Ａｃｔ．，Ａ２３，１９９０，ｐｇ．３２３）捩りスキャナ５２のＱが増大する。
【００１７】
反射捩りスキャナの製造における主要な関心事は、動作温度範囲の全体に亘るミラー面７６の反射率と平坦度である。プレート５８の反射率を増大したり、それからの反射光の偏光を制御するには、ミラー面７６に誘電性被膜を付着することが必要となる。金属被覆ミラー面７６に通常、酸化物、窒化物等の無機材料を付着して、所望の反射特性を得る。そのような無機材料被膜は厚さが０．１〜０．２ミクロンであって、特に僅か数ミクロンの厚さに過ぎない捩りスキャナにかかる被膜を付着させるのであるから、被膜がプレート５８に及ぼす応力が主要な問題となる。
【００１８】
ある種の用途では、捩り振動子はプレート５８から有意の熱量を散逸させなければならない。例えば、軸６２を中心とするフレーム５６に対するプレート５８の回転をプレート５８にコイルを取り付け、これを用いて電磁的に付勢する場合、プレート５８はコイルを流れる電流により発生された熱を散逸、即ちＩ^２Ｒ加熱を散逸させなければならない。だが、たとえプレート５８がコイルを保持していなくても、静電力が回転を付勢するのであるから、反射率が９８．５％のミラー面７６から１００ｍＷの光ビームを反射して得るには、プレート５８は入射光ビーム７４による１．５ｍＷのエネルギーを散逸させることが必要となる。面積が１．０ｍｍ^２の、熱伝導率の比較的低い材料であるシリコンに１．５ｍＷのエネルギーを吸収させると、プレート５８の温度は周囲温度上２０．０〜３０．０℃に上昇することがある。プレート５８の熱伝導率が捩りスキャナ５２の残部のものに対して悪い場合には、プレート５８の温度は更に劇的に増大する。
【００１９】
二次元（２Ｄ）ポインティング又はスキャニング等の捩りセンサ５２の多くの適用例において、数個のリード線をフレーム５６から、前記６１８特許に記載されているような捩りセンサを備える捩りバー５４を介してプレート５８に通す必要のある場合がある。これ等多数の電気リード線の位置は、捩りバー５４の幅により厳しく制限される。また、捩りバー５４は極めて細いので、電気リード線の設置と捩りセンサの動作をも制約する。
【００２０】
光ファイバースイッチング等のような反射性微細加工捩りスキャナの種々の適用例は、２Ｄラスタの少なくとも一軸に沿う静止的又は準静止的位置決めを採用した光ビームの光学的位置合わせのために捩りスキャナ５２を用いることを想定している。プレート５８に対する他の非平行回転軸は、光ビームの周期的移動（正弦、線形）或いは静止的又は準静止的位置決めに供しても良い。そのような適用例では、ミラー面７６を光ビーム路に急激に移動させることにより、光ビームを有効にオン・オフ切り替えることが出来る。かかる適用例では通常、プレート５８を出来るだけ速やかに光りビーム路に移動させることが望ましい。更に、ミラー面７６が光りビームに交差した後、ミラー面７６が光ビームを反射する角度を細密トリム調整、即ち適合調整するのが有利であるか、必要でさえある場合も有る。
【００２１】
光ファイバースイッチング技術では、プレート５８のかかる複合移動により、一軸又は２軸トラッキングを行い、光ビームをターゲットに保持することが出来る。かかるポインティング適用例では、光ビームを少なくとも１軸に沿って、比較的大角度に偏向し、次いで光ビームを比較的長い期間、特定の角度に保持すると共に、捩りスキャナ５２内の微小量のパワーを散逸させることが必要である。かかる準静止的ポインティング適用例では、プレート５８を比較的大角度、例えば５°〜４５°回転させた後、静止したままに置かなければならない。かかる大角度回転は静電的には、既に説明の通り、プレート５８を静電的に大きく回転するにはプレート５８と電極６６間に極めて大きな間隔が必要となるから、達成が極めて困難である。かかる大角度回転は電磁的にも、プレート５８に保持したコイルの発生する磁場が軸６２を中心とするプレート５８の回転に伴い外部一方向磁場に関して再配向されてしまうので、達成が困難である。従って、電磁的に付勢してプレート５８の比較的大角度回転を得るには通常、コイルに極大電流を流すと共に、プレート５８を一定角度回転に保持することが必要である。前述のように、かかる大電流はプレート５８の温度を有意に上昇する。
【００２２】
引用により、上記７９０特許、５５３特許、６１８特許及び３２４特許、及び０９２８９ＰＣＴ公報をここに挿入する。
【００２３】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、捩り撓みヒンジで連結されて相対的に回転（回動）する微細加工部材の改良された構造体を提供することにある。
【００２４】
本発明の他の目的は、捩り撓みヒンジで連結されて相対的に回転する微細加工部材の動作特性を改良することにある。
【００２５】
本発明の他の目的は、従来の折返しのない捩りバーよりコンパクトな、相対的回転のために連結される微細加工部材用捩り撓みヒンジを提供することにある。
【００２６】
本発明の他の目的は、相対的回転のために連結される微細加工部材に対する捩り撓みヒンジであって、部材の主捩り振動モードの振動数と部材の他の振動モードの振動数との間に増大した分離を示すヒンジを提供することにある。
【００２７】
本発明の他の目的は、捩り撓みヒンジで連結されて相対的に回転する微細加工部材の改良された構造体であって、捩り撓みヒンジの設定する軸を中心として部材を回転させるのに要するトルクが、微細加工部材の角回転の増大と共に非線形に増大する構造体を提供することにある。
【００２８】
本発明の他の目的は、相対的回転のために捩り撓みヒンジで連結される微細加工部材捩り撓みヒンジが設定する軸を中心として回転させる駆動信号であって、微細加工部材の角度撓みと共に非線形に変化する駆動信号を印加する静電駆動回路を提供することにある。
【００２９】
本発明の他の目的は、相対的回転のために捩り撓みヒンジで連結される微細加工部材を回転するのに要する静電ポテンシャルを低下することにある。
【００３０】
本発明の他の目的は、相対的回転のために捩り撓みヒンジで連結され、高い熱伝導率を有する微細加工部材の構造体を提供することにある。
【００３１】
本発明の他の目的は、相対回転のために微細加工部材を連結するものであって、捩りセンサを備えた捩り撓みヒンジを強化することにある。
【００３２】
本発明の他の目的は、微細加工部材の平坦度を変えずに微細加工部材の光学的反射率を向上する方法を提供することにある。
【００３３】
本発明の他の目的は、ミラー面の反射特性をあつらえることの出来る光学的反射性微細加工部材の構造体を提供することにある。
【００３４】
本発明の他の目的は、偏光感応性スキャン光検出器を備える微細加工部材を提供することにある。
【００３５】
本発明の他の目的は、捩り撓みヒンジで連結されて相対的に回転する微細加工部材の構造体と共に、捩り撓みヒンジの設定する軸を中心として部材を特定の角度回転で速やかに回転させるための電子駆動装置を提供することにある。
【００３６】
本発明の他の目的は、捩り撓みヒンジで連結されて相対的に回転する微細加工部材の構造体と共に、捩り撓みヒンジの軸を中心として部材を特定の角度回転で速やかに回転させ、次いで微細加工部材を特定の角度配向で直ちに固定するための低電力消費電子駆動装置を提供することにある。
【００３７】
本発明の他の目的は、捩り撓みヒンジで連結されて相対的に回転する微細加工部材の構造体と共に、部材が指定の角度回転して、その向きに固定された後、部材の向きを微調整できる低電力消費電子駆動装置を提供することにある。
【００３８】
【課題を解決するための手段】
簡潔に云って、本発明に含まれる改良された一体化微細加工構造体は規準部材と、規準部材から突出し、且つ直径反対方向にあって、互いに対向する一対の捩り撓みヒンジと、規準部材側から上記一対の捩り撓みヒンジにより支持される動的（ダイナミック）部材を備える。捩り撓みヒンジは動的部材を規準部材側から支持して、捩り撓みヒンジの対が設定する軸の周りに回転（回動）させる。本明細書で用いらる用語「捩り撓みヒンジ」は最も広義に用いられるとき、従来の折返しのない捩りバーを包括し、また動的部材が捩り撓みヒンジの設定する軸を中心として回転するとき、構造内の一つ又は複数のヒンジセグメントが純粋の捩りを経験しないヒンジ構造をも包括する。規準部材、捩り撓みヒンジの対及び動的部材は全て、シリコン基体の応力のない半導体層を用いて一体に製造されるものである。この一体化微細加工構造体にはまた、捩り撓みヒンジが設定する軸を中心とする回転運動（回動）を動的部材に付与する駆動手段が備わる。この駆動手段は動的部材にトルクを静電的又は電磁的に、これ等を単独で又は組み合わせで印加することが出来る。
【００３９】
一実施態様において、この改良された微細加工構造体は少なくとも３個の捩りバーセグメントの第１の端部同士を連結することにより、上記捩り撓みヒンジの少なくとも１個を形成する。各捩りバーセグメントの第１の端部は、規準部材と動的部材間のマルチセグメント捩り撓みヒンジに沿って位置付けられる。他の実施態様においては、この改良された微細加工構造体は規準部材と動的部材間に二本つりビームを配設することにより、上記捩り撓みヒンジの少なくとも１個を形成する。二本つりビームは、捩り撓みヒンジの対が設定する動的部材の回転軸の両側に対称に設けられる。
【００４０】
この改良された微細加工構造体の他の実施態様は静電安定性を強化するもので、規準部材と動的部材間にあって、捩り撓みヒンジに沿う一点で捩り撓みヒンジに１個にその一端が付属する付加体（アペンディジ）を備える。この付加体は捩り撓みヒンジから外側に突出し、規準部材に対して動的部材が軸中心に充分回転すると、付加体の突出端は規準部材と固定関係にある係止部に接するように成形してある。付加体の突出端が係止部に接すると、捩り撓みヒンジの捩りバネ常数が変化する。他の実施態様において、この改良された微細加工構造体は、規準部材にその第１の端部が、規準部材と動的部材間にあって、捩り撓みヒンジに沿う一点で捩り撓みヒンジの１個にその第２の端部が連結される係留体（テザ）を備える。規準部材に対して動的部材が軸中心に充分回転すると、係留体は捩り撓みヒンジの捩りバネ常数を変化する。更に他の静電付勢実施態様において、この改良された微細加工構造体は、規準部材に対して動的部材が軸中心になす角度回転に応答して信号を発生するようにした捩りセンサを備える。この捩りセンサが発生する信号は前記駆動手段にフィードバックされ、動的部材の回転を静電付勢する駆動信号を変更する。
【００４１】
改良された捩り振動子は、電極と強化リムを備える動的部材間に静電的に印加されるトルクを、電極に直近接して両者間の電場を増強する強化リムの先端を鋭くすることにより増大する。他の改良された捩り振動子にあっては、捩り振動子のＱを高めるため、動的部材内にあって、強化リムで囲まれる中空の第１の空洞が、基板に形成され、動的部材内に形成された第１の空洞に向かって開口する中空の第２の空洞に近接して設けられる。他の改良された捩りスキャナでは、規準部材と動的部材の何れかに、捩り撓みヒンジの一つに沿って配置されるスロットが形成される。スロットに跨って配設され、規準部材の近傍で隣接する捩り撓みヒンジに接する元帥材料が、捩り振動子のＱを低減する。更に他の改良された捩り振動子は、動的部材と規準部材間の捩り撓みヒンジの両側に沿って補助駆動プレートを付加する。この補助駆動プレートは動的部材に近接する捩り撓みヒンジに連結され、回転軸に直角な方向の総合幅が動的部材の同直角方向の幅より小さい。この改良された捩り振動子にあっては、前記駆動手段はこれ等の補助駆動プレートとそれに近接して配置される電極に静電駆動信号を印加する。
【００４２】
他の改良された捩り振動子では、捩り撓みヒンジは４：１を超える幅：厚み比（ｗ：ｔ）を有して、動的部材と規準部材間の熱伝導率を、捩りバネ常数が同等で、細く且つ薄い捩り撓みヒンジに比べて大きくする。捩り撓みヒンジの幅：厚み比を１：２を上回るように大きくすると、静電安定を改良する非線形の捩りバネ常数が得られる。他の改良された捩り振動子は動的部材と規準部材間の熱伝導率を、両者を同位体的に純粋な_１４Ｓｉ^２８で製作することにより改良する。
【００４３】
他の改良された捩り振動子では、動的部材のデカップル部をほぼ完全に取り囲む応力緩和カットを動的部材が備える。この応力緩和カットは、動的部材のそのデカップル部をその周囲部から支持するビームを形成し、応力がデカップル部をその周囲部間で結合が断たれるようにする。他の改良された捩りスキャナでは、動的部材の前側と後側に反射ミラー被膜が設けられ、動的部材に加わる応力をバランスさせる。他の改良された捩り振動子では、捩り撓みヒンジのすくなくとも１個が拡大部を有し、規準部材に対して動的部材が軸中心になす角回転に応答して信号を発生する捩りセンサをこの拡大部に設ける。
【００４４】
光ビームをスイッチングするようにした他の改良された捩りスキャナでは、駆動手段は動的部材の軸中心回転を、初め電流パルスで電磁的に付勢する。動的部材が捩り撓みヒンジの設定する軸を中心としてなす回転を、電流パルスが衝撃的に開始させる。動的部材が予め設定された向きまで回転した後、駆動手段が動的部材を静電力でこの予備設定向きに保持する。
【００４５】
他の改良された捩り振動子においては、動的部材が光検出器に近接してワイヤグリッド偏向子を保持し、光検出器に入して来る照明が光検出器に当たる前にワイヤグリッド偏向子を通るようにする。
【００４６】
これ等及び他の特徴、目的及び利点は、以下、添付する図面を参照して記述される好ましい実施例の詳細な記載から、当業者に理解され、明らかになろう。
【００４７】
【実施態様】
小型で性能の良い捩り振動子５２
前記７９０特許に記載されているように、捩りスキャナ５２のような捩り振動子のプレート５８は複数の振動モードを示す。これ等の振動モードには、軸６２を中心とする主捩り振動モード、垂直（縦）シェーキング振動モード、垂直（縦）ロッキング振動モード、横シェーキング振動モード及び横ロッキング振動モードが含まれる。プレート５８のこれ等の振動モードの各々には、捩りスキャナ５２の物理的特性により決定される振動周波数が有る。７９０特許に開示されているように、捩りスキャナ５２の動作は主捩り振動モードの振動周波数がプレート５８の他のどの振動モードの振動周波数より少なくとも２０％低ければ、有意に良くなる。以下、詳細に述べるように、少なくとも３つのヒンジセグメントの端部同士を連結し、連結端が捩りバー５４とプレート５８間のヒンジに沿って位置付けられるようにすると、プレート５８の種々の振動モードの振動周波数間の分離はより小さいフレーム５６とプレート５８でも改良される。ある種の適用例では、このように形成された折返しヒンジは、従来の折返しの無い形状を有する捩りバーのものよりかなり良いモードスペクトルを屡々示す。折返し捩りバー５４の縦及び横振動モードの周波数が、主捩り振動モードの周波数から尚、離れることによる。
【００４８】
図４ａに示すように、一実施態様において、プレート５８をフレーム５６側から支持するＴ字状折返し捩り撓みヒンジ９６は３つの基本ヒンジセグメント１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃから成る。各基本ヒンジセグメント１０２には、軸６２に対して直角に向いていない縦軸９８が有る。中央に位置する基本ヒンジセグメント１０２ｂでは、縦軸９８は軸６２と共直線である。折返し捩り撓みヒンジ９６の中間部１０４が、基本ヒンジセグメント１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃの直隣接端１０６を相互に連結している。基本ヒンジセグメント１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃと比較して、フレーム５６、プレート５８及び中間部１０４は不撓と見なせる程度まで充分厚く、大きく重い。プレートが速動又は振動しなければならない用途では、プレート５８が軸６２に関して対称に成形され、即ちプレート５８の質量中心を軸６２上に位置付けるのが好ましい。基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃは通常、同一形状に成形され、厚みが基本ヒンジセグメント１０２ｂと等しい。だが一般には、基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃは基本ヒンジセグメント１０２ｂの幅の半分（１／２）にするなどと、基本ヒンジセグメント１０２ｂより狭い。図４ａに示す捩り撓みヒンジ９６では、基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃが捻れ、曲がる間に、単に捻れるだけである。
【００４９】
前記６１８特許に記載されているような、フレーム６２に対してプレート５８が軸６２を中心にしてなす角度回転を測定する捩れセンサ１０８を、折返し捩り撓みヒンジ９６の基本ヒンジセグメント１０２ｂが備えるようにしても良い。基本ヒンジセグメント１０２ｂに位置付けられる捩れセンサ１０８は、６１８特許に開示されたものと同一である。だが、折返し捩り撓みヒンジの特定の特性によっては、プレート５８の回転に対する、基本ヒンジセグメント１０２ｂに位置付けられる捩れセンサ１０８の感度は、従来の折返しの無い捩りバー５４に位置付けられる捩れセンサ１０８とは異なるものとなろう。
【００５０】
図６ａに示す折返し捩り撓みヒンジ９６の捩り剛性は、幅と厚みが基本ヒンジセグメント１０２ｂのものと同程度で、長さが基本ヒンジセグメント１０２ｂと基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃの一方との総合長に等しい従来の折返しの無い捩りバー５４の捩り剛性に近い。だが、図６ａの図示から直ちに分かるように、中間部１０４を有する折返し捩り撓みヒンジ９６の全長は、従来の折返しの無い捩りバー５４のものの約半分（１／２）である。フレーム５６に対するプレート５８の回転中、基本ヒンジセグメント１０２ｂはほぼ純粋な捩れを経験する一方、基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃは捩れと曲げ応力の両方を経験する。基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃが充分近ければ、折返し捩り撓みヒンジ９６を特定の捩りスキャナ５２に構成するとき、曲げ応力は屡々無視し得るものとなる。
【００５１】
長さが「１」である従来の折返しの無い捩りバー５４と比較すると、折返し捩り撓みヒンジ９６が示す縦剛性はより大きく、折返し捩り撓みヒンジ９６の縦及び横振動モードの振動数は主捩り振動モードの振動数から更に離れている。基本ヒンジセグメント１０２ｂと対である両基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃは長さがが比較し得る従来の折返しの無い捩りバー５４の半分（１／２）であるので、それ等の縦バネ常数は比較し得る、従来の折返しの無い捩りバー５４の１／８に過ぎない。だが、中間部１０４が基本ヒンジセグメント１０２ｂと基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃを直列に連結しているから、折返し捩り撓みヒンジ９６は剛性が比較し得る、従来の折返しの無い捩りバー５４の４倍に過ぎない。比較し得る、従来の折返しの無い捩りバーと比較して、折返し捩り撓みヒンジ９６の増大した縦剛性は縦振動モードの共振振動数を約２の因数、上昇する。折返し捩り撓みヒンジ９６はまた、主捩り振動モードの振動数と横及びロッキング振動モードの振動数との分離を劇的にではないが、増大する。斯くして、折返し捩り撓みヒンジ９６はプレート５８の種々の振動モードの振動数間の分離を改良する。
【００５２】
折返し捩り撓みヒンジ９６のこれ等の改良された特性を、形状・構成が厳しく制限される捩りスキャナ５２の微細製作に有利に用いることが出来る。例えば、選ばれた縦剛性に対して、捩り撓みヒンジ９６をよりコンパクトにし、プレート５８の角回転を増大するか、プレート５８の回転が電磁的に付勢される場合、パワーの散逸を低減することが出来る。或いはまた、特定の撓性に対して、折返し捩り撓みヒンジ９６は縦剛性を増大し、それにより捩りスキャナ５２の耐衝撃性を増大する。斯くして、折返し捩り撓みヒンジ９６は捩りスキャナ５２の設計にに重要な利点を提供する。
【００５３】
更に、捩り撓みヒンジ９６が２つのセグメントにでなく、３つのセグメントに分割されることにより、その全長を更に低減し、その縦剛性を更に改良できる。従って、図４ｂに示された折返し捩り撓みヒンジ９６は基本ヒンジセグメント１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃに、２つの補助ヒンジセグメント１０２ｄ及び１０２ｅと共に、基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃの端部１１２を補助ヒンジセグメント１０２ｄ及び１０２ｅの直隣接端１１２にそれぞれ連結する中間部１０４ａ及び１０４ｂとを付加している。ヒンジセグメント１０２ａ〜１０２ｅは通常長さが、比較し得る従来の折返しの無い捩りバー５４の長さ「１」の１／３である。平面図では、中間部１０４ａ又は１０４ｂと基本ヒンジセグメント１０２ａ又はｑ１０２ｃはＵ字形に見える。比較し得る従来の折返しの無い捩りバー５４と比較してヒンジセグメント１０２ａ〜１０２ｅの厚みが同じで、基本ヒンジセグメント１０２ｂの幅が同じで、基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃと補助ヒンジセグメント１０２ｄ及び１０２ｅの幅が基本ヒンジセグメント１０２ｂの幅の約１／２であるとすれば、図４ｂに示す折返し捩り撓みヒンジ９６は縦剛性が比較し得る従来の折返しの無い捩りバー５４のものより約９倍、大きくなる。
【００５４】
相対的回転のために連結される微細加工部材に関する種々の他の側面に係わる以下の記載全体を通して、そこに記載される従来の折返しの無い捩りバー５４の代わりに、上記形式の折返し捩り撓みヒンジ９６を用いることが出来る。更に、他のどのような捩り撓みヒンジであっても、プレート５８がフレーム５６に対して回転して、一対のかかるヒンジが設定する軸の周りに復元トルクを発生するように適切に構成され、且つフレーム５６及びプレート５８と共に、シリコン基板の無応力半導体層を用いて一体に製作されていれば、以下の記載全体で採用されている従来の折返しの無い捩りバー５４の代わりに、用いることが出来る。
【００５５】
プレート５８の種々の振動モードの振動数は、捩りバー５４の形状大きさを反映する。図５ａに、矩形ビーム（梁、はり）の捩りバネ常数と矩形ビームの幅：厚み比（ｗ：ｔ）との間に存在する非線形関係を示す。幅：厚み比（ｗ：ｔ）が２：１を下回る従来の折返しの無い捩りバー５４のような微細加工された矩形ビームでは、図５ａのグラフが示すように、ビームの幅を１／２だけ小さくすると、捩りバネ常数は１／２以上小さくなる。図示のように、幅：厚み比（ｗ：ｔ）が２：１である捩りビームの幅を１／２だけ小さくすると、このビームの捩りバネ常数は因数３．０だけ小さくなる。
【００５６】
図５ｂに、軸６２の両側に対称に設けられた２つのビーム１１４が形成する無折返し２本つり捩りバー５４を示す。各ビーム１１４は１：１の幅：厚み比（ｗ：ｔ）を有する。図５ａに関し上述した理由で、図５ｂに示す無折返し二本つり捩りバー５４が示す捩りバネ常数は、同一厚みで、組み合わせビームと同一の断面積を有する単一ビーム、即ち幅：厚み比（ｗ：ｔ）が２：１である単一ビームで形成される捩りバー５４のものの約６０％である。斯くして、図５ｂに示す無折返し二本つり捩りバー５４は、主捩り振動モード振動数は、同等の、従来の単一ビーム無折返し捩りバー５４のものの約７５％である主捩り振動モード振動数を示すと共に、縦振動モードでは同一の振動数を示す。従って、どんな従来の無折返し捩りバー５４でも、幅：厚み比（ｗ：ｔ）が３：１以下であれば通常、図５ｂに示したような同等の二本つり捩りバー５４で有利に、且つ同一の縦剛性を保ちつつ、置き換えることができる。
【００５７】
一般に、微細加工捩りバー５４は厚みが全長に亘って均一である。この結果として、従来の無折返し捩りバー５４では幅が高さを超えている。従って、従来の無折返し捩りバー５４は一般に、横剛性がその縦剛性を上回り、対応して横振動モードの振動数が縦振動モードの振動数を上回ることになる。通常、捩りバーは縦及び横剛性が同一であることが、そのような形状大きさが捩りバー６４の捩りバネ常数を低減できる場合に好ましい。ビームの幅：厚み比（ｗ：ｔ）が（１．０）より小さい場合、縦ではなく、横剛性が支配する。異なる幅：厚み比（ｗ：ｔ）のビームを、１以上のものも、１以下のものも含んで、組み合わせることにより、折返し捩りバー５４の特性を有利に改良することが出来るようになる。
【００５８】
図６ａに、従来の無折返し捩りバー５４を示す。捩りバー５４は例えば、長さ「１」が４００ミクロン、そして厚みが１０ミクロン、幅が２０ミクロン、即ち幅：厚み比（ｗ：ｔ）が２：１で良い。また、縦振動モードの振動数が主捩り振動モードの振動数より因数３だけ高いと仮定する。捩りバー５４に対して２：１の幅：厚み比（ｗ：ｔ）に基づくと、横振動モードの振動数は主捩り振動モードの振動数より因数６、高くなる。
【００５９】
図６ｂに、図４ａに示したビームを用いる折返し捩りバー５４の基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃの両者に対する適応例を示す。幅：厚み比（ｗ：ｔ）が、１：１以上及び以下を含んで異なる基本ヒンジセグメント１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃを適切に組み合わせることにより、捩りバー５４の剛性を縦方向と横方向で適切に等しくすると共に、同時に折返し捩りバー５４の全捩りバネ常数を低減することが可能になる。
【００６０】
図６ｂに図示の構成では、基本ヒンジセグメント１０２ａ、１０２ｂ及び１０２ｃ捩りバー５４は厚み１０ミクロンである。だが、図６ａに図示の従来の無折返し捩りバー５４と比較して、二本つり基本ヒンジセグメント１０２ａ及び１０２ｃの各々を形成するビーム１１４は幅が基本ヒンジセグメント１０２ｂの幅、即ち２０．０ミクロンの１／４に過ぎない５．０ミクロンである。また、ビーム１１４の長さは、図６ａに示した従来の無折返し捩りバー５４の長さ４００．０ミクロンの１／３である１３５．０ミクロンとなる。図６ｂに示した折返し捩りバー５４は、図６に示した従来の無折返し捩りバー５４と実質的に等しい縦剛性を示す。だが、二本つり基本ヒンジセグメント１０２ａおよび１０２ｃの極端に細いビーム１１４は幅：厚み比（ｗ：ｔ）が０．５：１．０であり、これは図５ａに示すように、これ等ヒンジセグメントの捩りバネ常数を大幅に低下させると同時に、基本ヒンジセグメント１０２ａおよび１０２ｃの横剛性と低減するものである。図６ｂに示した捩りバー５４を最も簡単に理解するには、捩りバー５４の幅広基本ヒンジセグメント１０２ｂが図６ａに図示の従来の無折返し捩りバー５４の横剛性を維持すると共に、二本つり基本ヒンジセグメント１０２ａおよび１０２ｃが図６ａに図示の捩りバー５４の撓性にマッチした撓性を与えていることである。
【００６１】
図６ａに示す従来の無折返し捩りバー５４と比較して、図６ｂに示す折返し捩りバー５４の捩りバネ常数は２２％低く、縦及び横振動モードの振動数は両方とも主捩り振動モードの振動数の８．２倍高い。斯くして、図６ｂに図示の捩りバー５４は捩りスキャナ５２に、主捩り振動モードの振動数と縦及び横振動モードの振動数との間の分離が図６ａに図示の捩りバー５４が示すものより大きい極めて改良されたモードスペクトルを与えるものである。図６ａに示す捩りバー５４の構成がもたらす利点を用いて、同一捩りバネ常数に対して捩りスキャナ５２をより堅固にしたり、捩りスキャナに対して同一強度を保つと共に捩りバネ常数を低減することが出来る。斯くして、幅：厚み比（ｗ：ｔ）が１：１以上及び以下を含んで異なるビームを組み合わせることを、折返し捩りバー５４の設計に有利に用いることが出来る。
【００６２】
図７ａに、Ｌ字形ビーム１１４の端部１１２をフレーム５６及びプレート５８とは独立して自由に撓ませるようにした二本つり捩りバー５４も代替的構成例を示す。軸６２の両側に対称に設けられているＬ字形ビーム１１４の端部１１２を自由にして上方又は下方に独立して曲がるようにすることにより、捩りバー５４の捩りバネ常数が大きく低減されると共に、縦及び横方向の剛性が維持される。ビーム１１４の各々に、一軸応力に応答する曲がりセンサ１１６が備わるようにしても良い。これ等のビーム１１４の一軸応力は反対符号をもつから、曲がりセンサ１１６の発生する信号を有利に用いて、ノイズを除き、ビーム１１４内の一軸応力による信号を増大することが出来る。或いはまた、前記６１８特許に記載されているような捩りセンサ１０８をビーム１１４が備えるようにしても良い。
【００６３】
図７ｂに、Ｕ字形ビーム１１４が軸６２の両側に対称に設けられる、折返し捩りバー５４の代替的実施態様を示す。図７ｂに示す捩りバー５４の示す捩りバネ常数は、図７ａに図示の捩りバー５４のものより低い。図７ｂに図示のビーム１１４の構成では、ビーム１１４の端部１１２は上方又は下方に自由に曲がるようにしてある。
【００６４】
或いはまた、図７ａに示す捩りバー５４の２つのＬ字形ビーム１１４を、従来の無折返しビーム１１４を中央に設け、図７ｃに示す三本つり捩りバー５４を形成させることも出来る。図７ｃに図示の三本つり捩りバー５４は、良好な縦剛性を提供する。Ｌ字形ビーム１１４は低捩りバネ係数を提供し、良好な横剛性を提供することにより中央の無折返しビーム１１４の特性を補う。
【００６５】
上記の捩りバー５４の折返し、二本つり及び三本つり構成の全部ではないとしても多くに対して、フレーム５６とプレート５８と捩りバー５４間の関係は同等である。従って、図４ａ、４ｂ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７ａ及び７ｃに示した捩りバー５４、フレーム５６及びプレート５８間の関係は逆になっても良い。
【００６６】
動的部材回転の安定化
前記０９２８９ＰＣＴ公報に開示されているようにフレーム５６とプレート５８を連結して、軸６２を中心とするプレート５８の回転と共に捩りスキャナ５２の捩りバネ常数を変えるようにした係留部８６と比較して、以下に述べるように、付加体又は係留体を、プレート５８自体に直接ではなく、プレート５８を支持する捩りバー５４の一方又は両方に付加体又は係留体を取り付ける方がずっと有利である。付加体又は係留体を捩りバー５４の一方又は両方に取り付けることにより、軸６２を中心とするプレート５８の回転と共に、捩りバー５４の長さを予め設定された角度に有効に短くし、かかる各角度において捩りスキャナ５２の捩りバネ常数に顕著な変化を生じさせることが出来る。このようにして、捩りスキャナ５２にマルチセグメント復元曲線を与え、ミラー面７６を変形させずに捩りスキャナ５２の静電的安定性を増大することが出来る。
【００６７】
図３ａ中、線分９４ａ及び９４ｂで示したものと同様に高度に非線形な捩りバネ常数を示す静電付勢捩りスキャナ５２を、図８ａ及び８ｂに図示のように製作することが出来る。これ等の図に示す捩りスキャナ５２には、フレーム５６とプレート５８との間に捩りバー５４に沿って位置する点で捩りバー５４に取り付けられた一つ又は複数の付加体［ａｐｐｅｎｄａｇｅｓ］（アペンディジ）が備わる。各付加体１２２は、プレート５８に軸６２を中心とするトルクがまったく無いときには捩りスキャナ５２のどの部分にも接触しない自由突出端１２４を有する。プレート５８が軸を中心として充分な程度まで回転すると、各付加体１２２の突出端１２４はフレーム５６又は絶縁性基板６４上に位置付けられた係止部（ストップ）１２６に接触するか、絶縁性基板６４に直接接触する。図８ｂに示すように、係止部１２６はプレート５８の面の上方又は下方の何れに設けられても良い。
【００６８】
アペンディジ１２２は捩りバー５４と同じシリコン材料から成っても良く、捩りスキャナ５２の製作中に捩りバー５４と同時に形成されても良い。或いはまた、アペンディジ１２２は捩りスキャナ５２の製作中、金属酸化物、窒化物の層等、捩りバー５４に被覆される材料で形成されても良い。アペンディジ１２２及びストップ１２６の正確な詳細によっては、捩りスキャナ５２は図８ｃに示された軸の両側で対称な捩りバネ常数、即ち軸６２を中心とするプレート５８の時計回り及び反時計回り回転に対して同一の捩りバネ常数を示す。
【００６９】
アペンディジ１２２の突出端１２４がストップ１２６又は絶縁性基板６４に係合すると、フレーム５６からアペンディジ１２２の捩りバー５４への取付点まで延びる捩りバー５４の区分１２８に沿う捩りバー５４の回転が妨げられる。区分１２８の更なる回転が妨げられると、プレート５８を支持する捩りバネから区分１２８が事実上離され、捩りバー５４は事実上短くなる。このようにして捩りバー５４が動的に短小化されると、捩りバネ常数の勾配に急激な変化が生じる。静止位置からのプレート５８の初期回転は妨げられることはないので、捩りスキャナ５２に一つ又は複数のアペンディジ１２２が備わることにより、捩りスキャナ５２の静電的安定性は増大する。アペンディジ１２２がプレート５８にではなく、捩りバー５４に取り付けるので、アペンディジ１２２がプレート５８に課す拘束がミラー面７６の平坦度を変えることはない。アペンディジ１２２は捩りバー５４の一方或いは両方に属して良く、また異なる長さのアペンディジ１２２を用いて、図８ａに示すように、捩りバー５４に沿った複数の点で斯く属しても良い。
【００７０】
図８ｃのグラフは図３ａから写示する駆動トルク曲線９２に対して、アペンディジ１２２の突出端１２４が先ずそれぞれのストップ１２６に係合する角度において復元トルク曲線１３２が急激に変化するマルチセグメント化復元トルク曲線１３２を示す。図８ｃのグラフから明らかなように、実証的復元トルク曲線１３２では、プレート５８がフレーム５６に対し軸６２を中心としてなす、静電的に不安定な角度回転は存在しない。アペンディジ１２２を形成する材料の寸法の選択は、それぞれの突出端１２４がストップ１２６に係合した後、プレート５８が引き続いて回転するのに伴い、アペンディジ１２２が僅かに撓むように選べば良い。アペンディジ１２２のそのような撓みにより、真っ直ぐではなく、曲がった区分を有し、異なる捩りバネ常数区分間の遷移が図８ｃに示したものより滑らかに変化する復元トルク曲線が得られる。
【００７１】
光ファイバースイッチング等の捩りスキャナ５２の多くのポインティング又はステアリング適用例においては、プレート５８のミラー面７６を反射して出る光ビーム７４は長時間、例えば何時間、何日と同一方向に固定されたままでよい。かかる適用例では、ストップ１２６に対する突出端１２４のまれにしか起こらない衝撃は捩りスキャナ５２の寿命又は信頼性に有害に影響することはない。
【００７２】
プレート５８が高速で回転しなければならない捩りスキャナ５２に対しては、捩りスキャナ５２に、捩りバー５４の一方又は両方に図９ａ及び９ｂに示すように取り付けられる係留部［ｔｅｔｈｅｒ］（テザ）１４２が備わるようにすることが出来る。係留部１４２にはコネクティングロッド（連桿）１４４が備わり、その各々は撓みロッド１４８ａ及びバネ１４６ｂによりバネ１４６を介してフレーム５６に連結されている。図９ｂにより詳細に示すように、バネ１４６は波形起伏１５２のインバーテッド接続を用い、プレート５８が軸６２を中心として時計方向又は反時計方向に回転する間、波形起伏１５２は縮むようにしてある。インバーテッド接続波形起伏１５２を用いると、圧縮中にバネ１４６はその剛性を劇的に増大するようになる。
【００７３】
バネ１４６の全部分は波形起伏１５２と撓みロッド１４８ａ及び１４８ｂを除いて、出来るだけ剛性を有するようにして、連桿１４４が動くとバネ１４６が撓むようにする。捩りバー５４の回転に伴い、連桿１４４は動き、撓みロッド１４８ａ及び１４８ｂは引っ張られ、波形起伏１５２を圧縮し、この圧縮を波形起伏１５２が互いに接触し、そこでテザ１４２が本質的に非弾性になるまで続ける。波形起伏１５２が互いに接触すると、捩りバー５４の区分１２８の回転が妨げられ、そこでテザ１４２は捩りバネ常数の値に急激な変化が生じせしめる。このようにして、図９ａ及び９ｂに示した捩りスキャナ５２の復元トルク曲線を、図８ａおよび８ｂに示した捩りスキャナ５２に対して図８ｃに関し説明したようにマルチセグメント化することが出来る。更に、斯くテザ１４２で得られる復元トルク曲線における剛性化は、フレーム５６に対するプレート５８の時計回り方向及び反時計回り方向回転に付き、対称に生ずる。
【００７４】
波形起伏１５２を極端に撓みやすくし、捩りバー５４の捩りバネ常数が波形起伏１５２により、それが縮むまでは、殆ど影響されないようにする。波形起伏１５２が図９ｄに示すように、その圧縮を制限するストップ１５４を備えるようにしても良い。また、波形起伏１５２が非均一に成形され、波形起伏１５２の部分同士がバネ１４６内で接触してから、他の波形起伏１５２同士が接触するようにしても良い。圧縮バネ１４６の代わりに、テザ１４２は図９ａに示すように引っ張りバネ１５６を捩りバー５４に連結させて用いることも出来る。バネ１４６を用いると、波形起伏１５２が伸びるにつれ、その剛性が増大することから、捩りバネ常数の増大が結果として生ずる。
【００７５】
スペース節約のため、バネ１４６の向きは捩り軸６２に対してどのような角度でも良い。連桿１４４、バネ１４６又はバネ１５６、及び撓みロッド１４８ａ、１４８ｂは全て、シリコンから捩りスキャナ５２の製作中に形成することが出来る。或いはまた、金属、ポリシリコン、窒化物、酸化物等製とし、捩りスキャナ５２の製作中にシリコンウェーハの表面に付着させて形成しても良い。
【００７６】
プレート５８の回転を測定するため、図８ａ及び８ｂ又は９ａ及び９ｂに示した捩りスキャナ５２が前記６１８特許に記載のように捩りバー５４の少なくとも一つに位置付けた捩りセンサ１０８を有する場合、捩りバー５４の一つの、その回転がアペンディジ１２２又はテザ１４２の何れによっても妨げられることのない区域に捩りセンサ１０８は位置付けられる必要がある。だが、図８ａ及び８ｂ又は９ａ及び９ｂに示した捩りスキャナ５２が備える捩りセンサ１０８からの、プレート５８の回転の各単位角度毎の出力信号は、復元トルク曲線１３２の各区分に沿って異なる。捩りセンサ１０８からのこの出力信号が異なるのは、捩りセンサ１０８を保持する捩りバー５４の区域内の、プレート５８の回転の各単位角度毎の応力が復元トルク曲線１３２の各区分に沿って異なるからである。
【００７７】
非線形捩りバネ常数はまた、長さと比較して幅が極めて広い従来の無折返し捩りバー５４を用いても得られる。多くの適用例において、捩りバー５４の幅：厚み比（ｗ：ｔ）は一般に、５：１〜１０：１である。だが、例えば１：２を超える比のように幅：厚み比（ｗ：ｔ）がずっと大きい場合、フレーム５６からプレート５８に延びる捩りバー５４の縁部はプレート５８が軸６２を中心として回転すると、捻りと伸張の両方を示す。
【００７８】
捩りスキャナ５２の静電的不安定性を少なくとも部分的に軽減する他の方法には、静電駆動信号を発生する回路に、以下に述べるように回転センサからのフィードバックを供給するものがある。前記７９０特許に開示されているように、静電駆動信号を発生する回路に回転センサ信号をフィードバックすれば原理としては。捩りバー５４に対するプレート５８の回転の全角度に対して静電的不安定性が除去されるはずである。
【００７９】
直線８２である復元トルク曲線と曲がった駆動トルク曲線８４ａ、８４ｂ及び８４ｃを示す図２を参照して、静電的不安定性の問題を軽減するのに、駆動トルク曲線８４ａ、８４ｂ及び８４ｃを平坦化することが出来る。特定の捩りスキャナ５２に対し、駆動トルク曲線８４ａ、８４ｂ及び８４ｃが図２に示したものと比べて平坦化されれば、プレート５８の大きい角度に亘る制御回転も可能になる。有効駆動トルク曲線８４ａ、８４ｂ及び８４ｃを修正して平坦度を高めるため、電極６６に印加される駆動電圧から、プレート５８に対して検出される回転の適切な指数法則、パワー又はべき指数、例えばその２乗又は３乗にに比例する電圧を差し引くことが出来る。プレート５８の回転を検出するため、捩りバー５４に一体化された角度センサ、例えば前記６１８特許に記載の回転センサ、又はピエゾ抵抗ブリッジに基づく他の形式のセンサ、又は静電容量角度センサ等を用いることが出来る。
【００８０】
図１０ａには、図１の捩りスキャナ５２と共に、捩りスキャナ５２内の電極６６にそれぞれ印加される典型的な、従来の静電駆動信号を表すタイミング図が示されている。図１０ａのタイミング図が示すように、従来の静電駆動回路はプレート５８と一方の電極６６間に、好ましくはバイアス電圧Ｖ_０に駆動電圧ｖが加わって成る駆動信号を印加している。また、［バイアス電圧Ｖ_０−電圧ｖ］がプレート５８と他の電極６６間に駆動信号として印加される。電極６６及び６６に対してそれぞれ電圧をを足し、差し引くと、プレート５８と電極６６及び６６間の静電吸引力に不均衡が生じ、これがプレート５８を軸６２の周りに時計回り方向又は反時計回り方向に回転させる。プレート５８と電極６６，６６間に印加される駆動信号において電圧Ｖの加算と減算を周期的に反転することにより、プレート５８の準静的運動が得られる。
【００８１】
図１０ｂに図ロック図で示す回路は、図１の電極６６に、図２の駆動トルク曲線８４ａ、８４ｂ及び８４ｃを平坦化することにより捩りスキャナ５２の静電的安定性を高めるようにした駆動電圧を提供するものである。図１０ｂのブロック図において、好ましくは捩りセンサ１０８である回転センサ１６２は、プレート５８がフレーム５６に対して軸６２を中心としてなす角度回転に応答して出力信号ａを発生する。この出力信号ａをマルチプライヤ１６４が受け取り、入力ａを矩形化して、出力信号ａ^２を発生する。この矩形化出力信号ａ^２を増幅器１６６が受け取り、それを一定因数Ｋで増幅する。増幅器１６６からの増幅出力信号Ｋａ^２と共に、プレート５８への印加電圧ｖが次いで、単位利得加算増幅器１６６−及び１６８＋に入力される。加算増幅器１６８−は増幅器１６６から受け取る出力信号Ｋａ^２を電圧ｖから差し引き、入力信号として斯く得られた差＋ｖ−Ｋａ^２［を加算増幅器１７２ａに供給する。加算増幅器１６８＋は増幅器１６６から受け取る出力信号Ｋａ^２を電圧ｖの負数に加算し、斯く得られた結果−ｖ＋Ｋａ^２を入力信号として加算増幅器１７２ｂに供給する。加算増幅器１７２ａ及び１７２ｂにはまた電圧Ｖ_０が入力し、加算増幅器１６８−及び１６８＋と加算増幅器１７２ａ及び１７２ｂからそれぞれ入力する信号に加算されて、かかる加算の結果、即ちＶ_０＋ｖ−Ｋａ^２及びＶ_０−ｖ＋Ｋａ^２をそれぞれの電極６６に供給する。図１０ｃのタイミング図は、図１０ｂに示した回路により印加され得、静電的安定性を高める信号を示す。
【００８２】
マルチプライヤ１６４は回転センサ１６２からの信号ａを２以外のべき数、即ち３乗、４乗等に上げるように構成されても良い。ａ^ｎを得るために回転センサ１６２からの出力信号ａに加えられるべき数ｎは、制御電圧ｖを低減して、駆動トルク曲線を適切に平坦化するように選ばれる。バイアス電圧Ｖ_０も適宜選ばれる指数法則に従って、駆動トルク曲線の平坦度を更に増大するように定めることが出来る。一辺が１．５ｍｍの静電付勢プレート５８に対し、長さ１５０ミクロン、厚さ８ミクロン、幅１２ミクロンの捩りバー５４を用い、印加電圧Ｖ_０＝３１０Ｖ及び信号電圧ｖ＝３００Ｖとして、更に図１０に図示の駆動回路を用いると、図１１に示す駆動トルク曲線はずっと平坦になる。駆動トルク曲線１７６は、マルチプライヤ１６４が回転センサ１６２からの出力信号ａを矩形化するようにした図１０ｂに図示の回路によりプレート５８に印加されるトルクを示す。
図１１の駆動トルク曲線１７８は、バイアス電圧Ｖ_０も同じ角度フィードバックにかけられた図１０ｂの回路によりプレート５８に印加されるトルクを示す。駆動トルク曲線１７６で示される回路に対しては、安定領域は２°〜４°の改良があることが分かる。このようにして、駆動曲線の安定化と平坦度がすこぶる改良される。
【００８３】
改良された駆動機構
直感的に、箱枠を一つが備え、一つが備えないようにして同様に成形されたプレート５８に対して、電圧を電極に印加すると、箱枠を有するプレート５８がより低いトルクを示すものと予想するのは、直感的に理のあるように見える。箱枠に取り囲まれたプレート５８の中空中央部は他と比べて電極から遠いことから、その大部分は全トルクには殆ど寄与しないため、箱枠をもたないプレート５８がより大きいトルクを示すと予測することも初めは矛盾のないもののように見える。だが、捩りスキャナ５２等の捩り振動子に静電駆動場により印加されるトルクは、電極６６に面する箱枠の先端を先鋭化することにより実質的に強化されることを理論的解析が確立している。更に、箱枠と対応する電極の形状大きさが適切であれば、この箱枠の鋭い先端から結果として生ずる強化静電場は静電的に得られるトルクを増大する。箱枠は通常、導電性シリコンから形成されので、箱枠が先鋭化されると、静電場が箱枠の先端に幾何学的に集中することから、プレート５８と電極６６間の吸引力は増大する。箱枠先端と、箱枠先端を先鋭化して強化される静電場は多くの場合、両者とも捩りバー５４と、捩りバー５４が設定する回転軸６２から遠いプレート５８の外周の周りに位置付けられるから、箱枠と対応する電極６６の間の静電吸引力は最大大きさのトルクを発生する。斯くして、たとえプレート５８と電極６６間の静電相互作用の領域が少なくなっても、プレート５８に静電的に印加されるトルクはプレート５８と電極６６の特定な幾何学的構では増大する。適切に設計された箱枠は、シリコンプレート５８を適切に異方性エッチングすることにより用意に先鋭化が可能である。
【００８４】
直線線分１８２ａ及び１８２ｂから成る図１２ａのカーブ１８２は、プレート５８又はフレーム等の捩り振動子に、通常その外周の周りに備わる箱枠１８６強化リムの半分（１／２）の表面１８４を示す。図１２ａの部分断面図で示された箱枠１８６は：
１．電極６６から１６０．０ミクロン離れて、グラフの水平軸上の０．０にあっ
て、グラフの縦軸に沿って位置付けられている。
２．捩りバー５４の設定する軸６２に平行なプレート５８の周囲に沿って図１２
ａの面内外に出没する方向配向されている。
３．電極６６に最近接する箱枠１８６の先端１８８で幅約９０．０ミクロンであ
る。
４．箱枠１８６とプレート５８の残部間の接合部で幅が約６００．ミクロンであ
る。
図１２ａにおいて、カーブ１９２は箱枠１８６と平行に向いた楕円円筒の一部の面１９４を表し、カーブ１８２の上に有って、その特定の楕円円筒と箱枠１８６の面１８４の間に有る差の少なさをグラフで示している。破線１９６は、異方性エッチング後のシリコンの１１１結晶面を示す。
【００８５】
図１２ａに示した楕円形状面１９４を用いて解析により得られた閉じた解を表す図１２ｂは、電極６６と箱枠１８６間に６００Ｖの電位が印加されるとき、捩りバー５４が設定する軸６２を中心としてプレート５８がなす回転によってフレーム５６と電極６６間に生じる間隔の変化に伴う、静電場の強さの電極６６に直角な向きの成分を示す。電極６６に平行に向く平らなプレート５８と比較して、楕円形状面１９４を用いてなす計算は、電極６６に近接して箱枠１８６の先端１８８が有るために、静電場が殆ど２（２．０）の因数、増大することを示している。従って、電極６６と、箱枠１８６を含んだプレート５８間の吸引力は、平坦面５８と電極６６間の吸引力より約４倍大きい。
【００８６】
電極６６と、箱枠１８６を含んだプレート５８間の吸引力を理論的に解析すると、電極６６と先端１８８間の平均間隔の０（０．０）〜３（３．０）倍である幅をセンタ１８８でもつ箱枠１８６は増大して静電吸引力を有することが分かる。先鋭化した箱枠１８６と電極６６間で静電吸着力が増大しているから、そして箱枠１８６はプレート５８の外周に位置しているから、軸６２に直角な幅が１（１．０）であるプレート５８では、箱枠１８６の単位長さ当たりのトルクは箱枠１８６の無いプレート５８のものより約１５％大きい。
【００８７】
最大トルクを要するが、必ずしも最大Ｑを要しない適用例で電極６６とプレート５８間の吸引力を更に増大するには、電極６６を図１２ｃ及び１２ｄに示すように箱枠１８６の形状に合致するように成形すれば良い。先鋭化箱枠１８６に順応するように電極６を成形することにより、箱枠１８６の周りに電極が位置し、その発生する静電場が増大する。図１２ｃ及び１２ｄにそれぞれ示す順応形状を成形するには、絶縁性基板６４上に構造部材をメッキ成長させるか、シリコン材料の１１１結晶面を異方性エッチングすると良い。シリコンを異方性エッチングして所望の形状を創成するには、先ず箱枠１８６の傾斜側面に合致する電極６６の部分をシリコン分離片にエッチングする。異方性で食刻されたシリコンを次いで、下に有る絶縁性基板６４に固定し、先端１８８に近接して絶縁性基板６４上に形成されている電極６６の部分に電気的に接続する。また、順応電極６６を得るのに、絶縁性基板６４に対しスクリーン印刷するか、加工しても良い。プレート５８と電極６６間の電気火花発生する可能性を少なくするため、ポリイミド等の誘電性材料で電極６６を被覆すると良い。
【００８８】
一般に、プレート５８が回転すると、空気が絶縁性基板６４を横切って側方に移動し、プレート５８の両側で圧縮と希薄化が同時に起こる。直ちに分かるように、プレート５８の供給するエネルギーが空気のかかる移動によって散逸される。中空の箱枠１８６は、かかるエネルギー損失を有意に低減し、それにより捩りスキャナ５２等の捩り振動子により高いＱを与える。高いＱを必要とする捩りスキャナ５２等の捩り振動子では、図１３ａに示すように箱枠１８６の中央部を中空にし、空洞１９８が形成されるべきである。また、空洞１９８は移動するプレート５８と絶縁性基板６４及び電極との間に実質的な開きをもつべきである。図１３ａに示す箱枠１８６の有るプレート５８を図１３ｂに示す中実のプレート５８を比較すると、両者とも電極６６から同様に離間しているが、図１３ａに示す中空プレート５８の方が、特にスクイーズフィルム減衰［ｓｑｕｅｅｚｅ ｆｉｌｍ ｄａｍｐｉｎｇ］が低減することにより、図１３ｂに示す中実のプレート５８より少ない空気摩擦を示すことは明白である。空気摩擦による損失を更に低減するには、図１３ｃに示すように空洞２０２を、それがプレート５８に形成された空洞１９８に向いて開口するように、絶縁性基板６４にも空けると良い。
【００８９】
プレート５８の平坦さが支配的でない適用例では、図１３ｄに示すようにプレート５８の薄い部分が捩りバー５４と軸６２から外側に、箱枠１８６の向こうまで延長するようにしても良い。同図に示すプレート５８では、プレート５８の外周に沿って位置付けられのではなく、寸法の小さい箱枠１８６が軸６２から最遠のプレート５８の外周と捩りバー５４の間に位置付けられる。図１３ｄに示す箱枠１８６では、箱枠１８６の先端１８８は、箱枠１８６がプレート５８の外周を取り囲む場合と比べて、回転が少ない。プレート５８の動きが少ないので、箱枠１８６と電極６６間の間隔を小さくできると共に、それに跨って印加される駆動電圧を低下できる。プレート５８を捩りバー５４及び軸６２から外側に向かって延長させることは、図１３ｄに示した中実のプレート５８でも用い得る。
【００９０】
図１３ｅに、軸６２中心の回転を静電的に付勢するようにしたプレート５８の他の実施態様構成例を示す。図１３ｅに示す構成例では、トルクをプレート５８に加えるのに最も有効な場所であるプレート５８の外周に近接して電極６６が配置されていない。本例では、捩りスキャナ５２には補助駆動プレート２１２の複数の対を備え、各対が従来の無折返し捩りバー５４に沿ってその両側に設けられている。プレート５８は両者の間に有る捩りバー５４に、プレート５８に直隣接する捩りバー５４の一端に連結されている。補助駆動プレート２１２の各対の、軸６２に直角な方向の幅は、プレート５８の、軸６２に直角な方向の幅より有意に小さい。補助駆動プレート２１２の各対はプレート５８より幅が狭いので、補助駆動プレート２１２とそれに近接して配置される複数の対の電極６６との間の間隔は、電極６６がプレート５８の外周に近接して設けられる場合より有意に小さい。補助駆動プレート２１２の各々はそれに対応する電極６６により近接して配置されるから、補助駆動プレート２１２と電極６６の間に印加される電圧はより低くても良い。プレート５８にトルクを印加する静電駆動電極６６がプレート５８に近接して配置されないから、プレート５８の前側も後ろ側も光ビーム７４を反射するミラー面７６として機能することが出来る。捩りスキャナ５２が単一光ビームのみを反射する必要が有るなら、電極６６はプレート５８の一面に近接して、一対の補助駆動プレート２１２か他対の補助駆動プレート２１２まで、軸６２に平行に延長するもので良い。
【００９１】
高熱伝導率捩りバー
プレート５８からの熱の散逸（放散）を増大するため、プレート５８をフレーム５６内で支持するのに幅が広く、薄い（幅広薄厚）捩りバー５４を用いることが出来る。幅広薄厚捩りバー５４を用いると、同等の捩りバネ常数では、幅広薄厚捩りバー５４は幅がより狭く、より厚い捩りバー５４より大きな断面積と高い熱伝導率をもつから、プレート５８からの熱放散を改良する。無折返し捩りバー５４では、捩りバネ常数は厚みの３乗として増大し、捩りバー５４の厚さに比例する。従って、バーの厚みが半分になり、幅が８倍になれっても、同一の捩りバネ常数が得られる。だが、幅広薄厚捩りバー５４の断面積は４倍大きく、幅広薄厚捩りバー５４の熱伝導率は対応して増大する。
【００９２】
適用例の多くにおいて、微細加工捩りバー５４は通常、２：１〜４：１の幅：厚み比（ｗ：ｔ）を有し、例えば幅が３０．０ミクロンで、厚みが１０．０ミクロンである。だが、捩りバー５４の幅：厚み比（ｗ：ｔ）がずっと大きくなると、例えば４：１を超えると、プレート５８とフレーム５６間の熱伝導率は、同一の捩りバネ常数を有するより幅狭で、より厚い捩りバー５４の２倍又は３倍になることが有る。
【００９３】
前記７９０特許、５５３特許及び６１８特許に詳細に記載されているように、Ｓｉｍｏｘと云うＳＩＯ（シリコンオンインシュレータ）ボンド［ｂｏｎｄｅｄ］シリコンウェーハ基板は、反射性プレート５８に対して極めて平坦で無応力の膜を数ミクロンに過ぎない厚みでも可能に製作できることから、特に優先される出発材料である。図１４に示すように、Ｓｉｍｏｘ又はボンドウェーハ２２２には、二酸化シリコンの電気絶縁性層２２４を備え、これが単結晶シリコン層２２６及び２２８を分離している。捩りスキャナ５２の捩りバー５４とプレート５８はより薄いデバイスシリコン層２２６内に形成され、箱枠１８６等の捩りスキャナ５２の他の部分はより厚いハンドルシリコン層２２８に裏側（裏面）エッチングにより形成される。中間の二酸化シリコンは裏面エッチングに対する完全なエッチ・ストップ（止め）を提供し、捩りバー５４と均一な厚みのプレート５８が出来る。
【００９４】
捩りバー５４の熱伝導率を改善するのに幾何学的技術を用いることが出来ることに加えて、プレート５８又はフレーム５６及びそれに付随する捩りバー５４を純粋な同位元素（同位体）シリコン_１４Ｓｉ^２８から構成することが出来る。同位元素レベルで純粋な_１４Ｓｉ^２８は主シリコン同位元素であり、標準的同位元素レベルで純粋なシリコンより熱伝導率が５０％高い。捩りバー５４を介したプレート５８とフレーム５６間の熱伝導率を高めるため、プレート５８と捩りバー５４両方の材料を提供するボンドウェーハ２２２のデバイスシリコン層２２６が純粋な_１４Ｓｉ^２８シリコンから成る。かかるボンドうぇーはでは、ハンドルシリコン層２２８も同位元素レベルで純粋なシリコンから形成することが出来る。捩りスキャナ５２を製作するのにＳｉｍｏｘが用いられる場合、ウェーハ２２２全体を純粋同位元素_１４Ｓｉ^２８シリコンで形成しなければならない。捩りバー５４を同位元素的に純粋な_１４Ｓｉ^２８シリコンで形成することにより、プレート５８とフレーム５６間の熱伝導率は増大し、プレート５８の熱放散を高める。
【００９５】
動的部材のＱを調整
微細加工シリコン捩り振動子、特にプレート５８が主捩り振動モードで前後に振動するものの適用例の多くにおいて、高いＱ、例えば５０００が捩りスキャナ５２により示されることが極めて望ましい。だが、他の適応例、例えば捩りスキャナ５２が有る向きまで回転し、その向きに或時間止まり、次いで他の向きまで比較的大きな角度で急速に回転し、そこで再び或時間止まるようにしたものでは、高いＱが不利なことが有る。微細加工シリコン捩り振動子のかかる適用例では、プレート５８が或向きから他の向きに回転した後、Ｑが高いと、プレート５８はその新たな向きの辺りで、或る時間、前後に振動し、プレート５８に貯められたエネルギーが散逸するまでこれが続く。
【００９６】
前記１３９特許に示された「蝶形状」フレーム又は「蝶形状」プレート５８を、移動するプレート５８又はフレームのＱを制御するように適合させることが出来る。図１５ａに、従来のフレーム５６が「蝶形状」プレート５８を囲繞する、捩りスキャナ５２の構成を示す。プレート５８に形成され、プレート５８にその「蝶形状」を与える長溝２３２が、プレート５８をフレーム５６内に支持する従来の細長い捩りバー５４に沿って延びている。テープ等の粘着性材料で形成して良い減衰材料の小塊２３６がフレーム５６の近傍で溝２３２の各々に跨ってい、プレート５８を捩りバー５４にゆるく連結する。フレーム５６近傍の捩りバー５４の端部はプレート５８の動きに比べて殆ど動くことはないので、材料２３６をフレーム５６近傍に配置することにより、プレート５８が動くときは何時でも、相当な応力が材料２３６に掛かる。相当なストレスが減衰性材料２３６に掛かることにより、プレート５８の動きに強い減衰が与えられる。だが、減衰材料２３６が捩りバー５４につなぐ力はプレート５８を変形させようとする。従って、プレート５８の中央ミラー部２４２を応力緩和カット２４４でほぼ完全に囲繞するのが有利であろう。中央ミラー部２４２が応力緩和カット２４４でほぼ完全に囲繞され、中央ミラー部２４２が短いビーム２４６によりプレート５８内に支持状態に保たれ、プレート５８の囲繞部に有る応力を中央ミラー部２４２を応力緩和カット２４４から減結合し、ミラー面７６の平坦度を確保する。
【００９７】
図１５ｂに示す捩りスキャナ５２の代替的実施態様もまた、移動するプレート５８又はフレームのＱの制御に適応するものとしてある。同図の実施態様にあっては、溝２３２は捩りバー５４に沿って、プレート５８にではなく、フレーム５６に形成されている。ここでも、各捩りバー５４の本質的に動かない端部の近傍に材料２３６が溝２３２の各々に跨る。このように構成されて、プレート５８が動くときは何時でも、捩りバー５４の実質応力を緊張した減衰材料２３６がフレーム５６に繋ぐ。図１５ｂに示した実施態様では減衰材料２３６は捩りバー５４の応力を、比較的薄く、曲がり易いプレート５８にではなく、比較的厚く、堅いフレーム５６に繋ぐから、応力緩和カット２４４とビーム２４６を省略することが出来る。
【００９８】
減衰材料２３６を溝２３２と捩りバー５４に跨って当てると、捩りバー５４の剛性は少し変化する。だが、２（２．０）或いはそれさえ下回る程度までＱの低下が得られる。前記１３９特許に示された「蝶形状」フレームに対しては、移動するジンバル環を固定された膜枠内に支持する、又は異動する中央のジンバル板をジンバル環内に支持する捩りバー５４の一方又は両方に、図１５ａ又は１５ｂに図示の減衰材料を当てれば良い。折返し捩り二本つり又は三本つり捩りバー５４、例えば図４ａ、４ｂ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７ａ、６ｂ及び７ｃに示したものを用いる捩りスキャナ５２に付いても、減衰材料２３６を用いてＱを制御することが出来る
【００９９】
捩りセンサが備わる強化捩りバー
捩り振動子の或種の適用例では、捩りバー５４の幅が極めて狭いことが要求される。かかる幅の狭い捩りバー５４では、前記６１８特許に詳細に記載されている捩りセンサ１０８のために捩りバー５４上に提供される表面積は限られている。或いはまた、リード線や他の構造物が、捩りバー５４上に表面積に対して、捩りセンサ１０８と競合する。
【０１００】
図１６ａに示す幅の狭い捩りバー５４にはフレーム５６の近傍に拡大部２５２が有って、捩りセンサ１０８に対し、捩りバー５４上にスペースを提供している。上記６１８特許により詳細に説明されているように、リード線２５６ａ及び２５６ｂを介して通電電極２５８ａ及び２５８ｂに接続する通電パッド２５４ａ及び２５４ｂを捩りセンサ１０８が備えることが好ましい。捩りセンサ１０８のレイアウトを容易にするため、通電電極２５８ａ及び２５４ｂは通常、捩りバー５４の設定する軸６２に対して直角方向に向いている。通電電極２５８ａ及び２５８ｂがこのように配向されて、パッド２５４ａ及び２５４ｂと通して捩りセンサ１０８に加わる電流は、通電電極２５８ａ及び２５８ｂ間の捩りバー５４を通して軸６２に平行に流れる。出力電極２６２ａ及び２６２ｂの跨って現れる出力電圧は、拡大部２５２の面内の応力の変化に応答して変化する。捩りセンサ１０８の発生する出力電圧は、リード線２６４ａ及び２６４により出力パッド２６６ａ及び２６６ｂに運ばれる。パッド２５４ａ及び２５４ｂ、リード線２５６ａ及び２５６ｂ、リード線２６４ａ及び２６４ｂ及び出力パッド２６６ａ及び２６６ｂは、捩りバー５４及びフレーム５６から電気的に絶縁されている。
【０１０１】
捩りセンサ１０８を拡張部２５２に位置付けることの一つの利点は、面が通常比較的広いフレーム５６に捩りセンサ１０８に接続するリード線が直接通じることである。また、捩りセンサ１０８が比較的空間の広い拡張部２５２に位置付けられることにより、細線リソグラフィーの必要が少なくなるか、無くなる。同様に、幅の狭い捩りバー５４に跨ってプレート５８まで延びるリード線が有っても、捩りセンサ１０８が占める拡張部２５２の領域を巡って容易に通れる。
【０１０２】
だが、捩りセンサ１０８を拡張部２５２に設けると、フレーム５６に対しプレート５８が軸６２を中心としてなす回転による捩りバー５４内の剪断応力に対するその感度が低減する。それにも拘わらず、捩りセンサ１０８を備えた幅の狭い捩りバー５４の他の可能な構成と比較して、拡張部２５２はからり有利であろう。捩りバー５４がその厚みより狭ければ、即ち幅：厚み比（ｗ：ｔ）が１：１より小さければ、捩りセンサ１０８を保持する捩りバー５４の面内の剪断応力は劇的に低下する。ここで、二本つり捩りバー５４を用いる図１６ｂに示すもののような、拡張部２５２に捩りセンサ１０８を設けたものでは、捩りバー５４を構成する幅の狭いビーム１１４の一方又は両方に捩りセンサ１０８が設けられるものに比べて、高い剪断応力を実際に測定できる。更に、拡張部２５２の剪断応力が低いと、捩りバー５４のその部分にある金属製リード線がプレート５８の回転に起因する疲労を示す可能性が少なくなる。捩りセンサ１０８を保持するようにした拡張部２５２組み込みは、従来の無折返し、折返し、二本刷り又は三本つり捩りバー５４を図１６ｂ、例えば図４ａ、４ｂ、５ｂ、６ａ、６ｂ、７ａ、６ｂ及び７ｃに示したもの等にも可能である。
【０１０３】
高反射率微細加工部材
微細可能ミラー面７６を製作する際の重要な問題は、反射率の高い面を得るとと共に、このミラー面７６を保持することである。ミラー面７６の平坦度に関する問題は、捩りスキャナ５２が広い温度範囲で動作しなければならない場合、大きくなる。これ等の必要条件を満たすミラー面７６を無応力のプレート５８内の応力を変えずに成形するには、上記の優先的ウェーハ２２２から捩りスキャナ５２を微細加工するするのに、プレート５８の前面と後面、即ちウェーハ２２２のデバイスシリコン層２２６同じか、これに平行に向いたプレート５８の両側に、平衡（釣合）金属被膜を設けると良い。一般に、かかる被膜はプレート５８を曲げる可能性を少なくするため、極めて薄くあるべきえある。
【０１０４】
このようにして、捩りスキャナ５２のかかる適用例に対して高品質反射ミラー面７６を形成するのに一般には、先ずプレート５８を接着材料の薄い、例えば４０６００の薄さの層で被覆する。この接着層にクロム（Ｃｒ）を用いることができるが、特に薄いプレート５８上の平坦ミラーに対しては、チタン（Ｔｉ）又はジルコニウム（Ｚｎ）が厚さ１０．０〜１００．０Åの応力がより低い接着層を形成するので好ましい。プレート５８が接着層で被覆された後、プレート５８は金の５００〜８００Åとより厚い反射金属層で被覆される。プレート５８をこれ等の材料で被覆するのに、種々の方法を用いることが出来る。たとえ光りビーム７４が図１に示すようにプレート５８の一方の側からのみ反射すべき場合でも、一方の側が被覆されてミラー面７６を生じさせた後にプレート上の応力が不均衡になる可能性を少なくするため、他の側にも同一条件で同一の被膜を付着させる。同一の複数被膜を付着させると共に、処理条件と環境を一定に保つことにより、プレート５８の面上の応力が補償、平衡化され、これが反射ミラー面７６を平坦なままに保持する。
【０１０５】
ミラー面７６を形成する金属被膜は通常、真空蒸着装置、例えば金属の熱又は電子ビーム蒸着又は金属スパッターリングにより付けられる。或いはまた、ミラー面７６を形成する金属被膜は、メッキでプレート５８に付けても良い。図１７ａに概念的に示されているように金属がシリコンウェーハ上に従来の通り蒸着又はスパッターされる間、ウェーハ２２２をチャック２７２が保持して、金属ビーム２７６をウェーハ２２２にスプレーするソース２７４に面するウェーハ２２２がデバイスシリコン層２２６で被覆されるようにする。ソース２７４は必ずしも均一なビーム２７６を放出しないこともあるから、適格の半導体製品の歩留まりを増すため、ウェーハ２２２をデバイスシリコン層２２６の面でチャックが、図１７ａで曲がり矢印１８２で示されているように回転させ、ウェーハ２２２が均一に被覆されるようにしても良い。
【０１０６】
上記の従来の金属蒸着法やスパッタリング法を用いて平衡化金属被膜を、ウェーハ２２２に微細加工されたプレート５８の前面と後面の両方に付けるには、２つのミラー面７６がプレート５８の両側に、前後して順次付着される必要がある。かかる２つのミラー面７６の順次付着を行うと、プレート５８の両側での被膜に微小な差が出来、プレート５８上の応力に不均衡が生じる可能性が有る。
【０１０７】
図１７ｂに、概念的であるが、プレート５８の両側のこれ等の被膜がプレート５８上の応力に不均衡を生じる可能性を少なくする、代替的金属蒸着又はスパッタリング法を示す。本例では、チャック２７２はウェーハ２２２をデバイスシリコン層２２６の面内で回転させるのではなく、ウェーハ２２２をデバイスシリコン層２２６に平行な軸２８４を中心として回転させる。軸２８４をして回転させると、ウェーハ２２２に微細加工されたプレート５８はビーム２７６に曝される間、その前面と後面の間を交互する。このようにして、ミラー面７６を提供する金属蒸着の部分がプレート５８の両側に交互に付けられ、ついには被膜間の応力バランスを良くする全ミラー面７６がプレート５８の両側に形成されるようになる。デバイスシリコン層２２６に平行な軸２８４を中心としてウェーハ２２２を回転させるこの方法を、特にプレート５８内の応力が変化してはならないとき、他の形式の被膜をプレート５８上に付けるのに用いることが出来る。
【０１０８】
平坦で高品質のミラー面７６を得るには、上記のように、真空蒸着、スパッタリング又はメッキにより同一材料をプレート５８の両側に同時に付けるのがより好ましい。プレート５８の両側を同時に同一材料で被覆できない場合には、プレート５８の両側間を前後して交互する一連の部分被膜により、各層がプレート５８上に段階的に形成されるようにする。プレート５８の両側間を交互する部分被膜氏により層を形成することが実際的でない場合には、薄い接着層を先ずプレート５８の一方側、次いで他方側に付けられるべきである。接着層が形成された後、反射層を先ずプレート５８の一方側、次いで他方側に付ける。最後に、両層がプレート５８の一方の側に、次いで他方の側に被覆されなければならない場合には、これ等の被膜は、全工程に通して処理条件と環境を一定に保ち、例えば、真空を切らずに。単一の連続工程にて付けられなければならない。
【０１０９】
反射プレート５８に高品質ミラー面７６を付与することに加えて、プレート５８の適用例によっては、誘電性被膜を金属被膜に付着させ、ミラー面７６の反射率をさせたり、ミラー面７６からの反射光ビームの偏向を調整する等を要する場合も有る。殆どの例では、酸化物、窒化物等の無機材料を金属皮膜等の反射性材料に付着させることによって、ミラー面７６の反射特性を特定の適用例に合わせている。かかる無機材料等の被膜は厚みが、プレート５８に付与される反射性金属被膜より」ずっと厚い約０．１〜０．２ミクロンで有る必要があるから、光学的被膜がプレート５８に与える応力は、特に厚みが数ミクロンに過ぎない被膜がしばしばプレート５８に完全な応力バランスで付着されなければならないので、重要な問題である。
【０１１０】
ミラー面７６の反射特性を合わせて、その反射率を大きくしたし、ミラー面７６からの反射ビーム７４の偏向を調整する等を要する適用例では、酸化物や窒化物等を付けるのではなく、相似誘電被膜として用いられるパリレンのオーバーコートを反射ミラー面７６に付けるのが好ましい。パリレンは、極めて低い降伏応力を示す有機材料である。通常、パリレンは数Ｔｏｒｒの真空システムにて室温で共形的に沈着する。ミラー面７６の反射特性を適合させるため、屈折率が１．６４で、膨張係数の低いＣ型パリレンが優先されるべきである。パリレンは光スペクトルの可視部で透明で、赤外部にさえ吸収バンドがある。図１８に示すように、パリレンには、単一沈着工程中、捩りスキャナ５２の金属被覆ミラー面７６の両側に、厚みの等しい共形（相似）オーバーコート２９２を生じると云う特異な性質が有る。従って、パリレンがミラー面７６をオーバーコートするとき、応力平衡化に望ましいものとしてプレート５８の前面と後面に同一の皮膜を形成する。パリレンの特性のため、そのオーバーコートは従来の無機質皮膜よりずっと低い固有応力を示す。斯くして、プレート５８のミラー面７６上に０．１〜０．３ミクロンのパリレンをオーバーコートすることにより、プレート５８を曲げることなく反射率が最適化された、光学的適応のミラーを製作することが出来る。
【０１１１】
図１８ａは、パリレン共形オーバーコート２９２の異なる厚みに対する、ミラー面７６からの、それぞれＳ及びＰ偏光（分極）を有する、波長が０．６５９ミクロンの光の反射率を示す。図１８ｂは、パリレン共形オーバーコート２９２の異なる厚みに対する、ミラー面７６から反射されたＰ偏光（分極化）単色光の位相間の差を示す。図１８ｂから明らかなように、ミラー面７６で反射されたＳ及びＰ偏光単色光は、パリレン共形オーバーコート２９２が厚み約０．８５ミクロンのとき、またそれが厚み約１．７５ミクロンのとき、同相である。図１８ａが示すように、ミラー面７６の反射率はパリレン共形オーバーコート２９２が厚み約０．８５ミクロンのとき良くない一方、パリレン共形オーバーコート２９２が厚み約１．７５ミクロンのとき、反射率は最大である。このように、図１８ａ及び１８ｂは、適切な厚みのパリレン共形オーバーコート２９２がミラー面７６に付着されると、位相差の無いＳ及びＰの両を偏光単色光を反射する高度に反射性の面が得られることを示している。
【０１１２】
急速可調整光学スイッチ
図１９ａ及び１９ｂ平面図及び断面図は、光ビームスイッチング適用例に適合させた捩りスキャナ５２を示す。プレート５８はミラー面７６を保持して、フレーム５８は軸６２を中心として捩りバー５４により回転されるべくフレーム５６内に支持されている。また、フレーム５６はアクチュエータ部３０２を備え、外側フレーム３０４に対して第２の捩りバー３０６の対により回転されるように支持されている。図１９ａ及び１９ｂに示す捩りスキャナ５２は前記７９０特許に記載されているもの如き２Ｄスキャナに似ているが、ミラープレート５８の中心はフレーム５６が中心として回転する、外側捩りバー３０６の設定する軸３１２上に位置付けられていない。光ビームスイッチング用とするこの捩りスキャナ５２は寧ろ、プレート５８全体を軸３１２の一方の側に位置付けている。
【０１１３】
スイッチングされる光ビーム７４は、フレーム５６のアクチュエータ部３０２が軸３１２を中心とする回転のために付勢されていないときプレート５８と捩りバー５４の有るウェーハ２２２のデバイスシリコン層２２６に平衡に伝搬する。アクチュエータ部３０２が付勢され、フレーム５６が軸３１２を中心として、図１９ｂ中破線で示された位置まで回転すると、ミラー面７６は光ビーム７４の伝搬路内に移動し、それにより光ビーム７４を異なる伝搬路に沿って反射する。
【０１１４】
軸３１２を中心とするフレーム５６の回転は概念的には、アクチュエータ部３０２と電極６６間に電圧を印加することにより静電的に付勢され得る。電極６６は、捩りスキャナ５２の製作中にウェーハ２２２内に創成された空洞内に嵌合するように成形されている電気絶縁性プラグ３０８に固定されている。プラグ３０８は電極６６を、光ビーム７４を捕らえるためにフレーム５６が傾く角度と同様な角度で配向し、それにより電極６６とアクチュエータ部３０２間の吸引静電力を最大化する。だが、フレーム５６が軸３１２を中心として急速に回転しようとすれば、軸３１２の周りのその主捩り振動モードのための高い振動数を示さなければならない。フレーム５６に対する高共振振動数を設定するため、高い捩りバネ常数を有する外側捩りバー３０６は、強いトルクアクチュエータ部３０２に印加して、フレーム５６を先ず回転し、次いでそれを傾き向きに維持しなければならない。実際問題として、強い力をアクチュエータ部３０２に印加すると云う要求は、フレーム５６をその静止位置からその傾き向きまで急速に回転させるために静電吸引力を用いることを殆ど排除するものである。軸３１２を中心とするフレーム５６の回転が電磁的に付勢されると、外側捩りバー３０６の高い捩りバネ常数による抵抗に打ち勝つのに要する強い力の供給が可能になる。だが、フレーム５６をその傾き向きに維持する要する大電流は、連続動作のためには望ましくない。
【０１１５】
図１９ａ及び１９ｂに示す捩りスキャナ５２の一優先実施態様においては、回転を初め電磁的に付勢し、次いで電極６６とアクチュエータ部３０２間に印加される静電吸引力は単にフレーム５６を傾き向きに保持するために印加される。例えば、小型の永久磁石３１８をアクチュエータ部３０２の近傍に設け、大電流を受容するコイル３２２をアクチュエータ部３０２に保持させ、これ等を用いてウェーハ２２の面から、軸３１２を中心とするフレーム５６の回転を衝撃的に開始させる。数１００ｍＡの電流パルスを、予めプログラムされたプロファイルに従ってコイル３２２に印加することが出来る。或いはまた、外側捩りバー３０６の一方が捩りセンサ１０８を備え、電流パルスをサーボ制御してフレーム５６の回転が予めプログラムされたプロファイルに追従するようにしても良い。フレーム５６を所望の向きまで最速で回転させるため、プログラム方式又はサーボ方式の何れ絵かで制御される電流パルスをパルスの終了時付近で、その向きを反転させて回転を減速する。ウェーハ２２２に下に位置するプラスチック製支持板３２４に対してアクチュエータ部３０２が軟着地するように、フレーム５６の回転はなされるべきである。即ち、零に近い速度でアクチュエータ部３０２が所望向きに近づくようにする。フレーム５６のアクチュエータ部３０２が電極の近傍にまで回転した後は、回転後のアクチュエータ部３０２と電極６６間の分離はごく僅かであるから、静電力を用いても、電力を散逸させることなく、アクチュエータ部３０２を容易に所望向きに保持できる。
【０１１６】
図１９ｂに示すように構成された磁石３１８は、矢印３２５で示す方向に傾いた磁場を発生させ、コイル３２２の発生する磁場との磁気相互作用を最適化する。この利用可能な磁場が、アクチュエータ部３０２に及ぼし得る力の大きさ、従ってフレーム５６の厚みと得られ得るスイッチング時間を決定する。最適の性能を得るため優先する磁石３１８は、Ｎｂ−Ｂ−Ｆｅ永久磁石材料又はプラスチック変種であろう。フレーム５６の電磁付勢回転のための構造を利便的に組み立てるには、磁石３１８を、場合によっては保磁体３２６と共に、ウェーハ２２２を貫通する長穴３２４に挿入する。ウェーハ２２２の下に有るプラスチック支持板３２４には長穴３２４が備わり、磁石３１８の一部を、場合によっては保磁体３２６と共に受け止めるている。
【０１１７】
プレート５８の向きを調整できるようにフレーム５６には、軸３１２側から延びて来て、アクチュエータ部３０２から僅かに突出する可撓性ビーム３３８が少なくとも１つ、好ましくは２つ備わる。プレート５８が回転して、図１９ｂの破線で示す向きに至ると、ビーム３３８の先端が支持板３２４に接する。フレーム５６と直隣接する電極６６間に印加される電圧Ｖを調整することにより、両者間の吸引力がプレート５８を所望の向きまで引っ張り、ビーム３３８は曲がる。或いはまた、小電流をコイル３２２に流すことにより、フレーム５６の向きの調整もできる。この小電流から生じる磁気力が、電圧Ｖを一定に保つことにより得られる一定の静電力を補うか、これに逆らうようにする。外側捩りバー３０６の一方に捩りセンサ１０８を設け、これがフレーム５６の向きを正確に測るための出力信号を発するようにする。
【０１１８】
図２０ａ及び２０ｂに示す代替的２例はフレーム５６を４５と９０°角回転、又は任意に選ばれた角度にそれぞれ角回転した後、その所望向きに保持するものである。両例において、ウェーハ２２２は係止部（ストップ）３４２を備え、そこでフレーム５６に備わるアクチュエータ部３０２の外周が来て係止するようになっている。電極６６はストップ３４２に位置付けられ、ウェーハ２２２に取り付けられ、そして適当な絶縁体、例えば数ミクロンのポリイミドで被覆されている。電極６６を絶縁体で被覆すると共に、フレーム５６の外周と電極６６間の密接触を広げることにより、電極６６と回転されるフレーム５６の外周との間に極めて強力な静電力が作られる。図２０ｂに示す捩りスキャナ５２の例では弓形に成形された磁石３１８が用いられ、フレーム５６がその静止位置から９０°回転してストップ３４２に接するまでの間、コイル３２２に実質的に平行な矢印２３５で表示の磁場を提供する。
【０１１９】
これまでの記載に限り、ストップ３４２とそこに位置付けられた電極６６は比較的堅い。電極６６を更に弾性材料層で被覆すれば、フレーム５６と電極６６に印加される電圧Ｖを変えることによりフレーム５６の向きの微角度調整を行うことが可能になる。
【０１２０】
図２０ｃは図１９ａ及び１９ｂに示したフレーム５６の代替的実施態様であって、異なる伝搬経路に沿う光ビーム７４をプレート５８が反射する向きに静電力がフレーム５６を固定した後、フレーム５６の向きを調整する機構を備える例である。図２０ｃに示す調整機構では、外側捩りバー３０６が外側フレーム３０４に連結するＵ字形部分サブフレーム３５２をフレーム５６が備えている。外側捩りバー３０６に直隣接して位置付けられた一組の調整捩りバー３５４が、この部分的サブフレーム３５２をコイル３２２を保持するフレーム５６の残部に連結している。
【０１２１】
フレーム５６には溝３５６が有って、これがプレート５８とコイル３２２を含んだフレーム５６の大部分を部分的サブフレーム３５２から隔てている。斯くして、部分的サブフレーム３５２がストップ３４２に固定されているとき、プレート５８とコイル３２２を含んだフレーム５６の部分は部分的サブフレーム３５２とは独立して、調整捩りバー３５４が設定する軸３５８を中心として回転することが出来る。堅い調整捩りバー３５４はフレーム５６を部分的サブフレーム３５２を除いて軸３５８の周りに回転させることができるから、コイル３２２に小電流を流すことにより、プレート５８の向きを光ビーム７４に対して調整することができる。斯くして、図２０ｃに示した実施態様の捩りスキャナ５２では、コイル３２２に電流が順次加えられる電流で、先ずフレーム５６をその静止位置からその活動位置まで回転させるインパルスを生じさせ、次いでプレート５８がその活動位置に有る間、プレート５８の向きを調整するようにしている。
【０１２２】
調整捩りバー３５４に捩りセンサ１０８を備えさせ、フレーム５６の向きの制御が追跡又はサーボ制御されるようにしても良い。上記のような電磁調整を用いて、フレーム５６を軸３５８を中心として時計回り方向及び反時計回り方向の両方向に回転させるようにしても良い。捩りスキャナ５２が一方向にのみ調整を要する場合、コイル３２２を保持するアクチュエータ部３０２の部分と図１９ｂ、２０ａ及び２０ｂに示した電極６６とは別の直隣接する電極との間に静電力を印加して行うことも出来る。
【０１２３】
微細加工光学的処理素子
前記３２４特許に記載されているように、光検出器上に一組の導線を用いて、適切に配向するワイヤ格子偏光子を形成させることができる。この適用例に適した導線格子偏光子は、文献”Ｈａｎｄｂｏｏｋ ｏｆ Ｏｐｔｉｃｓ”，Ｍｃ Ｇｒａｗ Ｈｉｌｌ，ｃｏｐｙｒｉｇｈｔ １９７８，ｐｐ．１０−７２−１０−７７に記載されている。
ワイヤ格子偏光子は、格子を形成するワイヤの長さ方向に平行に電場が向いた光を遮断し、ワイヤと直角方向に電場が向く光を通す。上記３２４特許に開示されているように、シリコン光検出器対してワイヤ格子を適切な形状に配置することにより光検出器は偏光感応性となる。上記文献に記載されているように、ワイヤ格子を形成するワイヤの間隔は偏光光検出器に入射する光の波長に対して定められなければならない。
【０１２４】
図２１に、ワイヤ格子偏光子３６２を保持する従来の捩りスキャナ５２のプレート５８を示す。ワイヤ格子偏光子３６２は、図２１，２１ａ又は２２の何れにも単独には表示されいないがプレート５８に形成されている光ダイオード上に配置されている。図２２ａにより詳細に示されているワイヤ格子偏光子３６２には、多数の平行ワイヤ３６４が備わる。ワイヤ３６４の各々は直隣接ワイヤ３６４から、プレート５８に当たる光の波長の半分（１／２）を上回らない距離で離間している。特定の適用例で要する場合、ワイヤ格子偏光子３６２の占めるプレート５８の部分をプレート５８の他の部分から減結合するには、プレート５８内に有る中央ミラー部２４２に付き図１５ａで示したものと同様に、ワイヤ格子偏光子３６２を応力緩和カット２４４で囲繞し、それをビーム２４６で支持すれば良い。
【０１２５】
前記７９０特許に開示されているように、捩りスキャナ５２は光検出器を、好ましくはプレート５８の外周に沿って位置付けて備え、反射光を監視するようにしても良い。図２３ａに示すように、光検出器３７２、例えば光りダイオードをフレーム５６に組み込むこともできる。フレーム５６内に有る光検出器３７２からの信号を適宜処理して、追跡又は他の目的に用いることができる。光検出器３７２を用いて、プレート５８上のミラー面７６から反射された走査（スキャニング）ビームで照らされている物体のエッジから散乱された光を感知することができる。図２１、２２ａ及び２２ｂに示した捩りスキャナ５２と同様に、ワイヤ格子偏光子３６２を光検出器３７２上に配置して、これ等の光検出器が偏光感応性になるうようにしても良い。
【０１２６】
プレート５８は光検出器の代わりに及び／又はそれに加えて、他の光学の機構／装置／素子／機器／デバイスを保持しても良い。即ち、プレート５８は回折格子、ビームスプリッター、ピンホール等、或いは図２４ａ及び２４ｂに示すように透過性又は反射性フレネルレンズ３７６を保持しても良い。図２４ｂに示すように、同心（同軸）稜部３７８から成るフレネルレンズ３７６を、リアクティブイオンエッチング（ＲＩＥ）を用いてプレート５８内に形成する。図示のようにフレネルレンズ３７６は、シリコンが透過性の波長、例えば光に用いられる波長の光を透過する。稜部３７８を反射性層で被覆することにより、プレート５８上の反応性フレネルレンズ３７６が出来る。上記のように、低応力ミラー面７６をプレート５８上の両側に付けることにより、フレネルレンズ３７６の形状はプレート５８に初め形成された通りに保たれる。
【０１２７】
上記の構造体の製作はシリコン本体のウェーハ２２２、又はシリコンオンインシュレータ（ＳＯＩ）層を備えたシリコン本体のウェーハで始まる。次いで、これ等２種のウェーハは、光リソグラフィー、種々の電気化学的又はプラズマエッチングプロセス及び適切なメッキ、付着、成長、及び適宜、ウェーハ上に金属、窒化物、酸化物、セラミック、ポリシリコン、非晶質シリコン、高分子及び他の所望の材料の適切にパターン化された層を作る微細加工技術を併用する周知の技術を用いて微細加工される。
【０１２８】
以上本発明を現在のところ好ましい実施例に付いて述べてきたが、かかる開示は純粋に例示的であり、限定的に解釈されるべきでないことが理解されるべきである。従って、発明の精神と範囲を逸脱せず、発明の種々の変更、集成及び／又は代替的用途が、以上の開示を読了した当業者に確実に示唆されよう。従って、以下に記載の請求項は、本発明の真の精神及び範囲に入る全ての変更、修正又は代替を包括するものと解釈されるよう意図するものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】 ミラープレートを支持捩りバーが設定する軸の周りに回転させるためにトルクを静電的に印加するようにした、７９０特許に記載のような捩りスキャナの形式である従来の捩り振動子を示す立面断面図である。
【図２】 静電駆動トルクと捩りバー復元トルクを、図１に示すような捩り振動子であって、捩りバーの捩りバネ常数が一定である捩り振動子のプレート回転角の関数として示すグラフである。
【図３】 ０９２８９ＰＣＴ公報の図３を再生する、従来技術の斜視図である。
【図３ａ】 静電駆動トルクと復元トルクを、図３に示すような捩り振動子であって、捩りバーの捩りバネ常数が変化する捩り振動子のプレート回転角の関数として示すグラフである。
【図４ａ、４ｂ】 捩りセンサが一体となった折返し捩り撓みヒンジであって、よりコンパクトであり、且つ従来の折返しのない捩りバーのものと比較して改良された振動モードスペクトルを示す折返し捩り撓みヒンジを示す平面図である。
【図５ａ】 幅：厚み比の変化に対するビームの捩りバネ常数を示すグラフである。
【図５ｂ】 改良された振動モードスペクトル特性を得るのに有利な図５ａの捩りバネ常数を用いる折返しのない二本つり捩りバーの平面図である。
【図６ａ】 従来の折返しのない捩りバーを示す平面図である。
【図６ｂ】 捩り撓みヒンジの性能を最適化するため、幅：厚み比が１：１より大きいものや小さいものを含んで種々に選ばれた捩りバーセグメントを備えることにより改良された特性を示す捩り撓みヒンジの平面図である。
【図７ａ、７ｂ】 主として曲げに頼る二本つり捩り撓みヒンジがどのように極めて柔軟な回転をプレートに与えるかを示す平面図である。
【図７ｃ】 図７ａに示された二本つり捩り撓みヒンジと図６ａに示された従来の折返しのない捩りバーとを組み合わせた三本つり捩り撓みヒンジの平面図である。
【図８ａ、８ｂ】 捩りバーに自由動付加体を取り付けると共に係止部を用いて捩りバネ常数を急激に変化させ、それにより捩り振動子の静電安定性を増大させるものを示す、それぞれ平面図及び立面断面図である。
【図８ｃ】 静電駆動トルクと捩りバー復元トルクを、図８ａ、８ｂに図示のような付加体とマルチセグメント捩りバネ常数を有する捩り振動子のプレート回転角の関数として示す、図２及び図３ａのものに類似するグラフである。
【図９ａ、９ｂ】 捩りバーをフレームに連結する係留部を用いて捩りバネ常数を急激に変化させ、それにより捩り振動子の静電安定性を増大させるものを示す、それぞれ平面図及び立面断面図である。
【図９ｃ】 図９ａ、９ｂに示す係留部が備えることの出来る波形圧縮バネを詳細に示す平面図である。
【図９ｄ】 図９ｃに示すバネの波形部が備えることの出来る係止部を示す断面図である。
【図１０ａ】 捩りスキャナを示す立断面図、及びこの捩りスキャナに備わる電極にそれぞれ印加される静電準静的駆動信号を示すタイミング図である。
【図１０ｂ】 捩りセンサから受け取られる信号に応答して静電駆動信号を発生する回路であって、フレームに対するプレートの軸を中心とする回転に対し、準静的駆動信号を補償することにより静電安定性を改良する回路のブロック図である。
【図１０ｃ】 図１０ｂに図示のような回路が発生し、図１０ａに図示の捩りスキャナの電極にそれぞれ印加される静電準静的駆動信号の、図１０ａに図示のものに類似するタイミング図である。
【図１１】 静電駆動トルクと捩りバー復元トルクを、図８ａ、８ｂに図示のような捩り振動子に対して、プレイとの回転を図７に示す回路発生する駆動信号で静電的に付勢するときのプレート回転角関数として示す、図２、３ａ及び８ｃのものと類似するグラフである。
【図１２ａ】 捩り振動子のプレート又はフレームに屡々組み込まれる箱枠強化リムの面と断面の半分と、面が箱枠強化リムの面に近似する楕円円筒一部を示すグラフである。
【図１２ｂ】 図１２ａに図示の箱枠と近接電極間の電場の水平（Ｘ軸）成分の、箱枠面に沿った電極からの距離を増大する大きさを示すグラフである。
【図１２ｃ、１２ｄ】 先鋭化した先端を有する箱枠を含む備える捩り振動子が示す静電吸着を更に高めるために用いることの出来る電極形状を示す断面図である。
【図１３ａ、１３ｂ】 プレート回転のスクイーズフィルム減衰を低減する箱枠を有するプレートの形状大きさを示す断面図である。
【図１３ｃ】 プレート回転のスクイーズフィルム減衰がどのようにして更に低減され得るかを示す断面図である。
【図１３ｄ】 駆動電圧を低減できる箱枠及び上に掛かるミラー面を少なくした捩り振動子を示す断面図である。
【図１３ｅ】 捩りバーの縦方向の縁に沿って一体化されて、より低い駆動電圧を用い得るようにする駆動プレートを示す平面図である。
【図１４】 捩り振動子、特に捩りスキャナの製作に用いられるシリコンウェーハ基板の好ましい形式を示す立面図である。
【図１５ａ、１５ｂ】 高いＱを減衰するようにした微細加工シリコン捩りスキャナのプレートとフレームの蝶形形状を示す平面図である。
【図１６ａ、１６ｂ】 拡大部を有して、捩りセンサに捩りバー上の付加的表面部を与える捩りバーを示す平面図である。
【図１７ａ、１７ｂ】 シリコンウェーハ基板に金属ミラー面を真空蒸着する異なる装置を示す斜視図である。
【図１８】 プレートのミラー面がパリレンで適合被覆されて、プレートを曲げることなく、光学的性能を改良するほぼ応力のない層を設けるようにした捩りスキャナの断面図である。
【図１８ａ、１８ｂ】 ミラー面を所定の厚さのパリレンで被覆することにより得られる性能の向上をそれぞれ示す。
【図１９ａ、１９ｂ】 静電起動と電磁起動の両者を用いて、クランプ及び調整の両機構を備えた光ビームスイッチング用途用捩りスキャナのそれぞれ、平面図及び断面図である。
【図２０ａ、２０ｂ】 捩りスキャナクランプ及び調整機構の代替的実施態様をを示す、図１９ａと同様な立断面図である。
【図２０ｃ】 図１９ａに示され、同図中、線２０ｃ−２０ｃに沿って取られた捩りスキャナ用調整機構の平面図である。
【図２１】 ワイヤグリッド偏向光検出器をプレート上に保持する捩り振動子の平面図である。
【図２２ａ】 図２１に示されたワイヤグリッド偏向光検出器の平面図である。
【図２２ｂ】 図２１ａ中、線２２ｂ−２２ｂに沿って取られたワイヤグリッド偏向光検出器の断面図である。
【図２３】 規準部材、即ちフレームに光り検出器が位置付けられる捩り振動子の平面図である。
【図２４ａ】 動的部材、即ちプレートにフレネルレンズが形成されて、これを保持する捩り振動子の平面図である。
【図２４ｂ】 図２４ａ中、線２４ｂ−２４ｂに沿って取られた、動的部材保持されるフレネルレンズの部分的断面図である。
【符号の説明】
５２ 捩りスキャナ
５４ 捩りバー
５６ フレーム
５８ プレート
６２ 軸
６４ 絶縁性基板
６６ 電極
７２ 膜窓
７４ 光ビーム
７６ ミラー面
８２ 直線カーブ
８４ａ 駆動トルク曲線
８４ｂ 駆動トルク曲線
８４ｃ 駆動トルク曲線
８６ テザ（体）
９２ 駆動トルク曲線
９４ａ 直線区分
９４ｂ 直線区分
９６ 捩り撓みヒンジ
１０２ａ 基本ヒンジセグメント
１０２ｂ 基本ヒンジセグメント
１０２ｃ 基本ヒンジセグメント
１０２ 基本ヒンジセグメント
９８ 軸線
１０６ 端部
１０８ 捩りセンサ
１０２ｄ 補助ヒンジセグメント
１０２ｅ 補助ヒンジセグメント
１０４ａ 中間部
１０４ｂ 中間部
１１２ 端部
１１４ ビーム
１１６ 曲がりセンサ
１２２ 付加体（アペンディジ）
１２４ 突出端
１２６ 係止部（ストップ））
１２８ 区分
１３２ 復元トルク曲線
１４２ 係留体（テザ）
１４４ コネクティングロッド
１４６ バネ
１４８ａ 可撓性ロッド
１４８ｂ 可撓性ロッド
１５２ 波形起伏
１５４ 係止部（ストップ）
１５６ バネ
１６２ 回転センサ
１６４ マルチプライヤ
１６６ 増幅器
１６８− 加算増幅器
１６８＋ 加算増幅器
１７２ａ 加算増幅器
１７２ｂ 加算増幅器
１７６ 駆動トルクカーブ
１８２ カーブ（曲線）
１８２ａ 直線区分
１８２ｂ 直線区分
１８４ 面
１８６ 箱枠（ボックスフレーム）
１８８ 先端
１９２ カーブ（曲線）
１９４ 面
１９６ 破線
１９８ 空洞
２０２ 空洞
２１２ 補助駆動プレート
２２２ ウェーハ
２２４ 二酸化シリコン
２２６ シリコン層（デバイスシリコン層）
２２８ シリコン層（ハンドルシリコン層）
２３２ 溝（スロット）
２３６ 材料
２４２ 中央ミラー部
２４４ 応力緩和（除去）カット
２４６ ビーム（はり、梁）
２５２ 拡張部
２５４ａ パッド
１５４ｂ パッド
２５６ａ リード（線）
２５６ｂ リード（線）
２５８ａ 電流電極
２５８ｂ 電流電極
２６２ａ 出力電極
２６２ｂ 出力電極
２６４ａ リード（線）
２６４ｂ リード（線）
２６６ａ 出力パッド
２６６ｂ 出力パッド
２７２ チャック
２７４ ソース
２７６ ビーム
２８２ 曲がり矢印
２８４ 軸
２９２ コンフォーマル（共形）オーバーカット
３０２ アクチュエータ部
３０４ 外側フレーム
３０６ 外側捩りバー
３１２ 軸
３０８ プラグ
３１８ 磁石
３２２ コイル
３２４ 支持板
３２５ 矢印
３２６ 保磁子
３３２ 長穴
３３４ 穴
３３８ ビーム
３４２ 係止部（ストップ）
３５２ 部分サブフレーム
３５４ トリミング（微調整）捩りバー
３７２ 光検出器
３７６ フレネルレンズ
３７８ 稜部（リッジ）

Claims (17)

1. 一体化微細加工構造体であって、
   所定の領域を有する基準部材（５６）と、
   該基準部材から突出し、且つ直径反対方向にあって、互いに対向する一対の捩り撓みヒンジ（９６）であって、該捩り撓みヒンジの少なくとも一つが少なくとも３つの基本ヒンジセグメント（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）と、該３つの基本ヒンジセグメントの第１の端部を互いに連結する中間部（１０４）とを有し、各基本ヒンジセグメントは軸線を有し、各基本ヒンジセグメントの第１の端部が捩り撓みヒンジの端部間に位置する、前記一対の捩り撓みヒンジと、
   前記一対の捩り撓みヒンジにより上記基準部材に連結され、それにより該基準部材側から支持されて、該一対の捩り撓みヒンジが設定する軸を中心として回転する、所定の領域を有する動的部材（５８）であって、且つ上記ヒンジセグメント軸線の何れとも向きが垂直でない動的部材とを備えると共に、
   上記基準部材と一対の捩り撓みヒンジと動的部材とが、シリコン基板の応力無残留の半導体層を用いて一体化製造されており、
   上記一対の捩り撓みヒンジの少なくとも一つが前記基準部材の前記所定の領域、又は前記基準部材及び前記動的部材の前記所定の領域に納まるように形成されていることを特徴とする一体化微細加工構造体。
2. 前記基本ヒンジセグメントの軸線方向が前記一対の捩り撓みヒンジの設定する軸と平行であり、そのように形成された該捩り撓みヒンジを平面図で見ると、それがＴ字型に見える構成を特徴とする請求項１に記載の微細加工構造体。
3. 前記基本ヒンジセグメントの一つの第２の端部が前記基準部材に連結し、且つ前記基本ヒンジセグメントの二つの第２の端部が前記動的部材に連結して成る構成を特徴とする請求項１に記載の微細加工構造体。
4. 前記基本ヒンジセグメントの一つの第２の端部が前記動的部材に連結し、前記基本ヒンジセグメントの二つの第２の端部が前記基準部材に連結して成る構成を特徴とする請求項１に記載の微細加工構造体。
5. 前記基本ヒンジセグメントの少なくとも一つが、捩りセンサ（１０８）を備える折返しのない捩りバーで形成されて成る構成を特徴とする請求項１に記載の微細加工構造体。
6. 前記捩り撓みヒンジには更に少なくとも二つの補助ヒンジセグメント（１０２ｄ、１０２ｅ）と、該補助ヒンジセグメントの各々の第１の端部を基本ヒンジセグメントの一つの第２の端部に連結する第２の中間部（１０４ｂ）とを有し、各補助ヒンジセグメントの軸線が前記動的部材の回転軸と向きが垂直でない構成を特徴とする請求項１に記載に記載の微細加工構造体。
7. 前記基本ヒンジセグメントの軸線と前記補助ヒンジセグメントの軸線が、前記捩り撓みヒンジの対の設定する軸に平行に並び、斯く形成された捩り撓みヒンジを平面図で見ると、連結された基本ヒンジセグメントと補助ヒンジセグメントの各対がＵ字状に見える構成を特徴とする請求項６に記載の微細加工構造体。
8. 前記補助ヒンジセグメントの何れにも連結されていない基本ヒンジセグメントの第２の端部が前記基準部材に連結し、補助ヒンジセグメントの第２の端部が前記動的部材に連結して成る構成を特徴とする請求項６に記載の微細加工構造体。
9. 前記補助ヒンジセグメントの何れにも連結されていない基本ヒンジセグメントの第２の端部が前記動的部材に連結し、補助ヒンジセグメントの第２の端部が前記基準部材に連結して成る構成を特徴とする請求項６に記載の微細加工構造体。
10. 前記補助ヒンジセグメントの少なくとも一つが二本つりビーム（１１４）である構成を特徴とする請求項６に記載の微細加工構造体。
11. 前記基本ヒンジセグメントと前記補助ヒンジセグメントとが幅：厚み比（ｗ：ｔ）を異にする構成を特徴とする請求項６に記載の微細加工構造体。
12. 前記基本ヒンジセグメントと前記補助ヒンジセグメントとが長さを異にする構成を特徴とする請求項６に記載の微細加工構造体。
13. 前記基本ヒンジセグメントの少なくとも一つが二本つりビーム（１１４）である構成を特徴とする請求項１に記載の微細加工構造体。
14. 前記基本ヒンジセグメントが幅：厚み比（ｗ：ｔ）を異にする構成を特徴とする請求項１に記載の微細加工構造体。
15. 前記基本ヒンジセグメントが長さを異にする構成を特徴とする請求項１に記載の微細加工構造体。
16. 一体化微細加工構造体であって、
    所定の領域を有する基準部材（５６）と、
    該基準部材から突出し、且つ直径反対方向にあって、互いに対向する一対の捩り撓みヒンジ（９６）であって、該捩り撓みヒンジの少なくとも一つが少なくとも３つの基本ヒンジセグメント（１０２ａ、１０２ｂ、１０２ｃ）と、該３つの基本ヒンジセグメントの第１の端部を互いに連結する中間部（１０４）とを有する、前記一対の捩り撓みヒンジと、
    上記一つの捩り撓みヒンジにより上記基準部材に連結され、それにより該基準部材側から支持されて、該一対の捩り撓みヒンジが設定する軸を中心として回転する、所定の領域を有する動的部材（５８）とを備え、
    上記基準部材と一対の捩り撓みヒンジと動的部材とが、シリコン基板の応力無残留の半導体層を用いて一体化製造されており、更に
    前記上記少なくとも３つの基本ヒンジセグメントのうちの１つに設けられ、動的部材が基準部材に対して軸中心になす角度回転に応答して信号を発生する回転センサ（１０８）と、
    上記動的部材に近接して設けられた少なくとも一つの電極（６６）と、
    上記動的部材を捩り撓みヒンジの対が設定する軸を中心として回転させる静電駆動信号を動的部材と電極間に印加する駆動手段とを備えて成り、
    上記一対の捩り撓みヒンジの少なくとも一つが前記基準部材の前記所定の領域、又は前記基準部材及び前記動的部材の前記所定の領域に納まるように形成されており、
    該駆動手段が上記回転センサから信号を受信し、それに応答して上記駆動信号を変更して微細構造体の静電安定性を改良することを特徴とする微細加工構造体。
17. 前記回転センサが、前記捩り撓みヒンジの一つに位置付けられた捩りセンサ（１０８）である構成を特徴とする請求項１６に記載の微細加工構造体。

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