JP5330309B2 - ジンバル付きｍｅｍｓミラー・ヒンジ用折り返し縦トーション・ヒンジ - Google Patents

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（関連出願の相互引用）
適用外
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発明に対する権利についての記述。

適用外
「シーケンス・リスト」、表、またはコンパクト・ディスク上で提出されたコンピュータ・プログラムのリストの別表に対する参照。

適用外

本発明は、ＭＥＭＳアレイなどの二重軸ミクロミラーと、平行プレート静電動作で使用されるヒンジに関する。

ミクロ機械加工された二重軸ミクロミラーは、光学スイッチ、減衰器、変調器などの光学部品用として通信に使用される。これらのミラーは普通、単結晶シリコンまたはポリシリコンのいずれかで製造された円形または四角形の平らな反射表面を備えている。ミラーは、たわみまたは二重ジンバル付き構造のいずれかを使用することによって周囲の支持領域に取り付けられ、ジンバル・リングが支持リングを二分する軸に沿って一対のヒンジ要素によって支持構造物に連結され、そのジンバル・リングは、ジンバル・リング内で、リングと交差し、その第１の軸と交差する、好ましくは直交する第２の軸に沿って一対の第２のヒンジ要素によってミラーに結合されている。たわみおよび／またはヒンジ要素の目的は、ミラーの自由な二重軸移動を可能にすることである。

ミクロ機械加工されたミラー・アレイの静電動作方法は普通２つのカテゴリに分かれる。一つは平行プレート静電動作を含み、他はコーム駆動静電動作を含む。コーム駆動動作の場合、コーム駆動アクチェータがミラー要素の境界の外側にあり、そこから離れて配置された交互嵌合コーム間に力を作り出す。普通は互いに接触している結合要素を使用することによって、アクチェータはミラーに連結されている。この技術の利点は、問題の静電力がミラー設計から分離されて、所与の力のために考えられる限り電圧を低くすることが可能になることである。欠点としては、密集した空間領域内に存在できるように、二重軸ミラーを設計する際の難点と、製造の際の難点と、相互接続の際の難点と、ＭＥＭＳデバイスの知られている重要な信頼性問題である、隣接する部品や領域との望ましくない接触の可能性とが挙げられる。

静電平行プレート動作の場合、ミラーと基板内に埋め込まれた１つまたは複数の電極の間に力が発生する。ミラーに加えられる静電力は単に引力である。ミラーに対する斥力がないので、（望ましい）ミラーの回転に寄与するのと同じ力が、（望ましくない）ミラーの直角サグ（sag）成分にも寄与する。平行プレート動作を利用するミクロ機械加工静電ミラーの利点は、設計の容易さ、製造の容易さ、小型の相互接続の容易さが挙げられる。すなわち、このようなミラーを十分なフィルファクターで配置することができる。大抵の場合、これらの設計はまた動作要素がミラーに直接結合されていないという点で非接触である。利点としては、ミラーに加えられる静電力はミラー設計と相互に作用する。これによって、共鳴周波数（および切換回数）を制限する、最大傾斜角度を制限する、またはより高い設計電圧を指示する可能性がある。

ミクロ機械加工したミラーを、ミラーを囲むジンバルと組み合わせて、分離したたわみ要素またはヒンジ要素のいずれかにより周囲の支持構造物に連結することができる。たわみ要素によりジンバル構造物の必要をなくすことが可能である。たわみ要素の数は、必ずしも設計によって制約を受けるものではない。というのは、ミラーの回転は全体のたわみのコンプライアンスによって与えられるからである。

ジンバルのないたわみ支持構造の一例が、カリフォルニア州サン・ディエゴのＯｐｔｉｃａｌ Ｍｉｃｒｏ−Ｍａｃｈｉｎｅｓ，Ｉｎｃ．（ＯＭＭ）と現在提携するＤｒ．Ｌｉ Ｆａｎによって構築された。この構造物内では、４つの単ビームたわみ要素が、四角形のミラーの四隅で周囲支持領域に連結され、ミラーの隣接する縁部に隣接して沿って延びている。たわみ要素は、板ばね形態で動作する。この構造物の主な欠点は、回転を達成するのと同じタイプの可撓ビーム屈曲がサグにも寄与するということである。静電力が引力だけであるので、ミラーが回転すると、サグを受けて、所与の設計の全体的な可能な回転量が少なくなる。

別のタイプのミクロ機械加工した二重軸ミラーはジンバルを使用している。この構造において、ミクロ機械加工されたミラーは、ミラーを囲むジンバルと組み合わせてヒンジ要素により、周囲支持領域に連結されている。各回転軸は、２つの対向するヒンジ構造物、合計で４つの回転ヒンジ構造物によってジンバルに連結されている。

４つの回転ヒンジ構造物と組み合わされたジンバルの例は、Ｌｕｃｅｎｔ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｉｅｓ ａｎｄ Ａｇｅｒｅ Ｓｙｓｔｅｍｓ Ｏｐｔｏｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ Ｇｕａｒｄｉａｎ Ｃｏｒｐ．によって開発され、２００１年７月２４日に発行された米国特許第６，２６５，２３９Ｂ１号に記載されている。この例では、１自由度当たり２つのヒンジ要素がミラーとジンバルの間で連結され、多重屈曲横ヒンジ構造物を備えている。横曲折は位置合わせされ、それによってヒンジ要素の長手軸は回転軸を横切る、またはこれと直角である。回転は、小さな放物面断面で長手方向に沿って屈曲する各ヒンジ要素によって達成される。可撓支持構造物と同様に、この設計の明らかな欠点は、回転動作を供給するのと同じビーム移動がサグおよび横並進要素も供給するということである。このため、横屈曲ヒンジを利用する典型的な設計は、いくつかの設計空間について、移動が著しくなる可能性があるという欠点を有している。これは、ミラーの最大回転角度を制限する、または基本的な捩れ形態の振動に干渉する可能性のある望ましくないピストン・モードの振動を生み出す可能性がある。

米国特許第６，０４４，７０５号は、主に当該のものよりも大きなミラー・アレイに適したトーション・バー設計を示している。しかし、ヒンジとミラーの寸法が静電動作力と一致する力と要素によって影響を受ける場合、小型の構造物内で起こる問題を認識するまたはこれに対処することができない。

二重ジンバルを備えるミクロ機械加工されたミラーに関する他の特許としては、第５，４８８，８６２号、第５，６４８，６１８号、第５，８９５，８６６号、第６，１２２，３９４号、第６，０６０，４７９号、第６，０４４，７０５号、第５，９６９，４６５号、第５，６２９，７９０号、第５，８４１，５３３号、第５，０１６，０７２号、第４，３１７，５１１号、および第４，５９８，５８５号が挙げられる。これらの特許は完全にするために挙げたものであるが、直接関連する従来技術ではないと考えられる。

ミラー・アレイの適切な寸法と適切なミラー寸法を作るために最適化または妥協することができる要因の適切な組合せと値を決めることは困難である。したがって、問題は全ての関連する検討事項を最適化する設計空間を決めることである。含まれる要因は、一次トーションばね定数、二次トーションばね定数、直角と横のリニアばね定数（衝撃の考慮すべき点のため）、ヒンジ小型性、製造性、プロセス依存耐性である。

従来技術のもので、所望の基準の全を満たしていないヒンジ構造を、図９、１０、１１に示している。図９では、トーション・ヒンジ構造は横蛇行構造の形で示されている。横ヒンジ構造は剛性ブレース９９、１０１〜１０６によって互いに結合された複数の蛇行ヒンジ要素９０〜９３を有する。しかし、ヒンジ要素は回転軸１１４に直角な方向を向いている。これには、設計上のいくつかの重要な因果関係がある。まず、ビーム全体の長さに沿って屈曲する放物ビームによってのみ全体的な回転が達成される。これは図１０を検討することにより理解されるであろう。連結点１１２が固定され、外部トルクが連結点１１０に加えられる。強調した回転での図１０の側面図である図１１で示すように、要素９０〜９３が対向する放物面部に屈曲すると、回転が達成される。この構造に対する効果的なトーションばね定数は以下の式によって与えられる。

ｋ_θ＝Ｅｗｔ³／６ＮＬ（１−ｖ²）

式中、κ_pは有効横トーションばね定数であり、
ｗはヒンジ幅であり、
Ｌはヒンジ長さであり、
Ｎはヒンジ要素の数であり、
Ｅはヤング係数である。

重要な問題は、サグに寄与するのと同じ動作が回転、すなわち各ヒンジ要素の長さに沿って屈曲するビームにも寄与するということである。回転に適切な移動を発生させる静電力も著しいサグを発生させるので、これはデバイス性能において重要な問題である。

正味の縦横変位を同時に制限しながら、コンプライアントなトーション回転を可能にする小型操舵可能ミラー用のヒンジとして利用できる製造可能なたわみ要素が求められている。

本発明によると、平行プレート静電動作に最適化されたジンバルを備えるミクロ加工されたミクロミラー・アレイによれば、複数のトーション縦ヒンジ要素が回転軸と平行なアレイとして配置され、剛性横ブレース部によって互いに結合されている縦タイプのジンバル・ヒンジ要素が設けられている。主要な実施態様では、ヒンジ要素は二重ジンバル構造として配置されている。ヒンジ要素の特定の実施態様は、以下に説明するように、単一長手方向、複合長手方向、重ね単一長手方向、重ね複合長手方向である。縦ヒンジは、円形または直線、窪み付きまたは窪みなしを含む様々なタイプのミラーに使用することができ、ヒンジは以下に一部の例によって図示するように、互いに対称または非対称構造のいずれかで連結されている。本発明によるアレイ構造に適するミラー構造の好ましい実施態様は、典型的には約１ｍｍの直径の寸法を有する二重ジンバル付きの構造を形成するのとほぼ同じ方法で、ヒンジ付けされたほぼ円形のリング内で円形で窪みのない静電駆動可能な平行プレート・ミラーに対称に連結された非重ね複合縦ヒンジである。ミラー構造物は、直径約５ｍｍから０．２ｍｍの大きさであり、所望の特性を維持している。

本発明は、正味の縦横変位を同時に制限する一方、コンプライアントなトーション回転を可能にする小型操舵可能ミラー用ヒンジとして使用できる製造可能なたわみ要素を提供する。

二重ジンバル付きミラーのアレイの斜視図である。 本発明による複合ヒンジを備える、円形の二重ジンバル付きミラーの特定の実施形態の平面図である。 本発明によるミラーで有用な単純な縦ヒンジの詳細斜視図である。 本発明によるミラーで有用な回転させた単純な縦ヒンジの詳細斜視図である。 横方向に拡大した単純な縦ヒンジの斜視図である。 直角方向に直線並進させた単純な縦ヒンジの斜視図である。 直角方向に直線並進させた単純な縦ヒンジの側面図である。 直角方向に変位させた立方Ｓ字形に屈曲させた単純な縦ヒンジの斜視図である。 当業界で知られていると考えられるタイプの横蛇行ヒンジの斜視図である。 当業界で知られていると考えられるタイプの横蛇行ヒンジの斜視図である。 強調した回転での回転させた横ヒンジの側面図である。 トーションばね定数対厚さを示す図である。 周囲支持領域およびジンバルを備える簡単な縦ヒンジの平面図である。 重ねに適した単純な縦ヒンジの斜視図である。 二重に重ねされた単純な縦ヒンジの斜視図である。 三重に重ねされた単純な縦ヒンジの斜視図である。 本発明による周囲支持領域およびジンバルを備える複合縦ヒンジの斜視図である。 三重に重ねされた複合縦ヒンジの平面図である。 単純な縦ヒンジを備える窪みのある円形二重ジンバル付きミラーの平面図である。 単純な縦ヒンジを備える窪みのある直線二重ジンバル付きミラーの平面図である。 単純な縦ヒンジを備える部分的に窪みのある二重ジンバル付き円形ミラーの平面図である。 単純な縦ヒンジを備える窪みのない円形ミラーの平面図である。 単純な縦ヒンジを備える非対称に連結された円形ミラーの平面図である。 複合縦ヒンジを備える非対称に連結された円形ミラーを示す図である。

本発明は、添付の図面に関連して以下の詳細な説明を参照することによってより良く理解されるだろう。

図１を参照すると、本発明による二重ジンバル付きミラーのアレイ１０の断面図が示されている。平行プレート静電動作電極２０、２２、２４、２６が、絶縁性または部分的に導電性のいずれでもよい基板３０の上に構成されている。基板は、シリコン、ガラス、またはセラミック基板のいずれでもよい。この基板上には、キャビティ３４が形成された分離層３２が結合、または取り付けられている。分離層３２は典型的には、高さが５０ミクロンから５００ミクロンの間である。この層３２の上には、薄いエッチング・ストップ層３６が推積され、すなわち成長させられている。エッチング・ストップ層３６は分離層３２とデバイス構造層３７の間に形成されている。この層３６は典型的には、厚さが１ミクロンより小さい。次はデバイス構造層３７であり、その上にミラー１２、１４、ヒンジ４０、４２、４６、４８、ジンバル４４が形成されている。デバイス構造層３７は典型的には、厚さが２ミクロンから１０ミクロンの間である。プロセスによって、ミラーの厚さを得うるために複数回の推積を使用することができ、それによって結合させるヒンジの厚さをミラーの厚さとは異なるようにすることができる。

プロセスを簡単にするため、デバイス構造層は単結晶シリコンからできており、それによってヒンジ要素の厚さはミラー厚さと同じである。ヒンジ４０、４２、４６、４８は、縦ヒンジと呼ばれる特定のタイプのトーション・ヒンジである。以下の考察では、これらのデバイスはミラー中心を二分する長手軸に沿って回転可能であるが、全ての方向で横方向で従順ではないと仮定する。この場合、厚さの制約があるので、許容トーションばね定数とミラー平面度を達成する、適切な設計を見つけ出さなければならない。

図２は、二重ジンバル付きミラー構造１００の好ましい実施形態の平面図である。この図では、円形ミラー１２は向き合っているが、中心軸からずれている位置３６、３７で、複合縦ヒンジ４０、４２によってジンバル４４に連結されている。複合とは、ヒンジが折り返された間隙構造を有するという意味である。ジンバル４４への基部５４の連結は、向き合っている位置３８、３９で複合縦ヒンジ４６、４８を介して行われており、この場合ジンバル４４のヒンジ連結点は実質的に心合わせられ、一方基部５４へのヒンジ連結点はずれている。複合ヒンジの対称軸の中心は、ミラーの対称軸に対応している。ジンバル４４は、必要に応じてヒンジの周りを囲む複合縦ヒンジ４０、４２付近を除いて、大部分は円形である。複合ヒンジ４６、４８は、ミラーの他の対称軸に沿って位置５０、５２でジンバルに連結されている。最後に、周囲領域５４は外側複合ヒンジ４６、４８に連結されている。

この構造は従来技術を凌ぐいくつかの利点を有する。利点としては、トーション・ヒンジ要素４０、４２、４６、４８の設計が挙げられる。これらの要素は、単一構造シリコン厚さが２ミクロンから２０ミクロンの間になるシリコン研磨と一致する特定の許容範囲内に維持された特定のトーションばね定数を達成するように設計されている。これらの構造は単一の長手回転軸に沿って順応しているが、全ての横三次元では非順応であり、静電駆動された平行プレート二重軸ミラー設計用のトーション・ヒンジ設計が必要である。要素は小型領域の空間内にある追加の利益を有するが、高ポート・カウント光学スイッチ・システムが必要である。

図３は、蛇行縦ヒンジの最も簡単な可能な実施形態を示す。この構造は、回転軸に平行に構成されたアレイに配置された複数のトーション・ヒンジ要素６０〜６６からなる。これらのヒンジ要素は、剛性横ブレース７０〜７５によって蛇行するように互いに結合されている。周囲支持領域からジンバルまで、またはジンバルからミラー（図２の領域５４、４４、１２）までのいずれかの連結点が位置８０と８２に作られる。典型的なヒンジ要素は、幅に対する厚さのアスペクト比が１以上であり、長さが幅または高さよりも実質的に大きいように構成されている。群として理解されるＮ個のヒンジ要素のトーションばね定数は、典型的な式によって与えられる（ｔ＞ｗで有効である）。

式中、
κ_θは縦トーションばね定数であり、
ｖはポアソン比である。

図４は、合計角度８１によってヒンジが回転した後の、片持ち式バー１５０、１５２を備える、図３の縦蛇行ヒンジを示している。各横木要素６０などは、Ｎによって分割される合計角度で回転させられる。ここで、Ｎは横木の数である。蛇行ヒンジの延長された性質により、外側要素６０は小さな距離だけ直角方向に偏向される。

堅牢性を考慮して、ミラーを数百の加速重力に耐えるように設計しなければならない。単一の重力は１地上重力として規定される。例えば、横方向に加えられた衝撃力により、横軸に沿ってヒンジを圧縮または拡張させる可能性のある方向にミラーが偏向する。したがって、ヒンジ要素の重要な設計の問題は、縦横方向の並進コンプライアンスである。図５は広げた蛇行縦ヒンジを示す。連結要素６０は固定され、分離力８３は要素６０から離れる横方向に要素６６に加えられている。要素６１〜６６が偏向して、正味の変位が起きる。横ばね定数は、正味の変位に対する加えられた力の比率として規定される。この横並進ばね定数は以下のとおり計算される。

横ばね定数が与えられると、望ましくない横方向変位の衝撃の機能としての計算は簡単である。Ｎ_gの衝撃力が与えられるとミラーは横方向の距離だけ偏向する。但し、Ｎ_gは加えられる重力の数、ｇは重力による加速度、および準定常状態力を前提として、ミラー質量ｍ。

より複雑な状況が、衝撃の機能として直角変位の計算で起こる。この場合、蛇行ヒンジの延長された性質と動作が平面に制限されないという事実があるので、２つの主要なサグ動作がある。第１のタイプのサグが図６に示されている。幅に対する厚さのアスペクト比は１以上であり、長さは幅または高さより実質的に大きいように構成されている。連結要素８４は固定されている。しかし、直角下向きの力８６が横方向の力の代わりに加えられる。直角ばね定数ｋ_v1は、以下のように計算される。

図７は図６の断面図である。この場合、各横木要素は均一な距離だけ偏向される。

第２のタイプの直角サグ動作は、横膨張と組み合わせた要素回転からなる。図８はこのサグ成分の斜視図である。以下の等式は、この成分の効果的な直角並進ばね定数を与える。

式中、ｄは横木間の距離である。

直角サグ成分に対する合計式は、以下のように上記式を組み合わせることによって与えられる。

特に光学スイッチ・システム、およびこれらの二重ジンバル付きミラーを使用できるあらゆる他のシステムでは、２つの一次トーションモードの共鳴周波数がデバイスの性能にとって非常に重要である。円形ミラーの内部ジンバルトーションモード用の共鳴周波数は、以下の式によって与えられる。

式中、ｆ_Resは一次トーションモードの共鳴周波数であり、
Ｉは一次トーションモードの慣性モーメントであり、
Ｒはミラー半径であり、
ρはミラー密度である。

サグ量は、ミラー設計において重要な関係がある。低損失光学設計は、直径５００ミクロンから直径１ｍｍ以上の範囲のミラーを必要とする。ミラーが大きいと共鳴周波数が小さくなり、その結果切換時間が長くなる。１つの関連事項は、トーションモードの他の望ましくないモードとのモード混合である。１つの望ましくないモードは特に、一次ピストン・モードである。このモードは、デバイスの直角方向の振動によって与えられる。このモードの共鳴周波数は以下の式によって与えられることが分かる。

式中、ｆ_Pistonは、ピストン・モードの共鳴周波数であり、
Δｚ_sagは重力によるミラー・サグであり、
ｇは重力加速度である。

この分析から、サグの得られた小さな値により、一次トーションモードがピストン・モードから離れる。サグの別の結果は、所与の設計について傾斜角度が小さくなることである。この効果を後の部分でより詳細に論じる。

縦対横蛇行ヒンジ構造に対する有効トーションばね定数間で行われる重要な区別は、図１２に示すように縦構造用のトーションばね定数は幅が立方であるが、厚さが直線であることである。この図は、横ヒンジ設計と縦ヒンジ設計用の両方の代表的な場合のトーションばね定数対ヒンジ厚さのグラフである。横構造用の有効トーションばね定数は、幅が直線であり、厚さが立方的である。横蛇行ヒンジ構造に対する厚さへの立方依存には、２つの重要な結果がある。まず、トーションばね定数用の実際の値は、厚さが約１ミクロンから４ミクロンのより薄いヒンジ厚さを必要とする。効率的な光学スイッチ設計は、大きな曲率半径を有するほぼ平らなミラーを必要とする。これは典型的には、少なくとも５ミクロン、より典型的には１０ミクロンのミラー厚さを必要とする。これは、ポリシリコン加工には問題とならないが、バルクシリコン加工では達成することが難しい、製造の際のミラー厚さからのヒンジ厚さの分離を促す。第２に、トーションばね定数の厚さへの立方依存性はこのパラメータの緊密な制御を必要とする。これは推積技術で簡単に達成されるが、これらは典型的には、ミラー厚さに対応するミラー応力勾配を有する。単結晶シリコン構造は典型的には折り重ねられ、その結果厚さ制御が不十分になって、光学スイッチ応用の損失が高くなる。このため、厚さの影響を受けにくいヒンジ設計が必要である。縦トーション・ヒンジは、横トーション・ヒンジよりも３倍厚さの影響を受けにくく、したがってバルクシリコン加工のより良い候補である。

図１３を参照すると、周囲領域１２０とジンバル１２２と共に製造された縦ヒンジ構造が示されている。本発明によると、この構造は寸法計算に対する剛性を徹底的に加えることによって必要とされる要素間隙よりも広い間隙１３０〜１３６を有する。これらの領域は、衝撃を補償することを意図している。隙間の間隔をあけることやヒンジ並進ばね定数を適切に選択することで、衝撃の際にマージンを大きくし、周囲領域またはジンバルとの潜在的接触をなくすように最適化することができる。また、剛性ブレース１４０〜１４５に言及する。これらのブレースの寸法は、シリコンの深い反応性イオン・エッチングで起こるアスペクト比依存型のエッチングを補償するように大きくされた。この場合、アスペクト比が大きいより小さな領域は、アスペクト比が小さいより大きな領域よりもゆっくりとエッチングする。衝撃補償間隙と大きなブレース長さの選択が結合される。というのは、間隙を大きくすることによりデバイスのアスペクト比が小さくなるからである。

図１４は、図３に類似する単純な縦蛇行ヒンジ構造を示し、剛性を高めるためにより大きな幅で製造されている要素１６０、１６６から回転軸１８３まで延びる片持ち式バー１５０、１５２が加えられており、ここには回転軸１８３に沿って心合わせされた連結点１８０、１８２がある。この構造は、多数のコピーを縦回転軸に沿って重ねることができるように対称である。

図１５を参照すると、二重に重ねた単純なヒンジ構造と呼ばれる、本発明による改良型のヒンジ設計が示されている。この設計では、回転軸と平行なアレイに配置された１セットと呼ばれる複数のトーション・ヒンジ要素１９０〜１９６が、剛性横ブレース２００〜２０６によって蛇行するように互いに結合されている。第２セットのトーション・ヒンジ要素２１０〜２１６と剛性横ブレース２２０〜２２６が、剛性横ブレース２３０によって連結されている。両方のセットのトーション・ヒンジ要素は、回転軸２３４と心合わせされるように構成されており、第１のセットは回転軸の一端部に構成され、第２のセットはもう一端部に構成されている。連結点２３６、２３８で連結が行われ、両方の点とも回転軸と実質的に心合わせされている。

この構造は、重ね構造の全体のトーションばね定数が、個別の要素のトーションばね定数をとり、ヒンジ要素の数だけ分割することによって与えられるという点において、図３の単純な縦ヒンジ構造に類似している。しかし、この構造は、所与のトーションばね定数では、二重重ね構造の横木が非重ね構造の対応する要素の半分の長さであるという利点がある。この効果の重要性は、衝撃によるサグと並進を与える前の等式を参照することによって理解されるであろう。ヒンジ要素の衝撃による横並進は、横木長さの逆三乗によって与えられる。立方性に依存しているので、より多数の短いヒンジ要素を作り出すことで、実質的に小さな横移動を潜在的に有する可能性がある。図１６は三重重ね構造を示している。この構造は、あまり小型ではないヒンジ構造を代償として、図１４の構造よりも改良型の並進性能を有する。この構造はまた、平面回転からの影響をより受け易い。

図１７を参照すると、複合縦ヒンジと呼ばれる、本発明による別のヒンジ設計が示されている。このヒンジ設計では、回転軸と平行なアレイに配置された第１のセットを形成する複数のトーション・ヒンジ要素３１０〜３１６は、剛性横ブレース３２０〜３２６によって蛇行するように互いに結合されている。第２のセットのトーション・ヒンジ要素３３０〜３３６は、剛性横ブレース３４０〜３４５によって互いに連結されている。第１のセットは、剛性横ブレース３５２に連結された第１の剛性縦ブレース３５１によって第２のセットに連結され、次いで第２の剛性縦ブレース３５４に連結されている。第１と第２の縦ブレース３５１、３５４と剛性横ブレース３５２は、第２のセットを囲むＵ字型を形成する。剛性ブレース３２０〜３２６、３４０〜３４５、フィンガ３５６、縦ブレース３５１、３５４は、製造プロセスのエッチング部の助けとなるエッチング補償のために、選択された余分な横幅を備えている。フィンガ３５６はヒンジの動作中に機械的機能を提供しない。その目的は、エッチング中に隣接するトーション・ヒンジ要素３３６を分解から守ることである。内部要素間隙、特に間隙３６０〜３６５の幅は、デバイス衝撃補償の一部として隣接する構造に接触することなく横移動を可能にするように選択される。両方のセットのトーション・ヒンジ要素は、回転軸３５２から両側にずれているように構成されている。

２つのセットの蛇行要素の中間点に対して実質的に心合わせされた連結点３４８と、２つのセットの蛇行要素に対して芯合わせされていない連結点３５０で連結が行われる。全てのトーション要素は、２つのセットの蛇行要素の中間点に配置された、回転軸３５２と平行な方向を向いている。重ねた単純な縦ヒンジと同様に、全体的なトーションばね定数が別個の要素のトーションばね定数をとり、ヒンジ要素の数だけ分割することによって与えられるという点において、この構造は図３の単純な縦ヒンジ構造に類似している。しかし、サグを支配する等式が異なる関数形態を有し、それによって回転トーションばね定数に対する相対サグの特定の調整を可能にするという点において、この構造は図３の単純な縦ヒンジ構造と区別される。

この効果の重要性は、衝撃によるサグと並進を与える前の等式を参照することによって理解されるであろう。ヒンジ要素の衝撃による縦並進は、横木長さの逆三乗によって与えられ、トーションばね定数は要素長さの逆数によって与えられる。立方性に依存しているので、より多数の短いヒンジ要素は実質的に小さな縦移動を潜在的に有し、ピストン共鳴周波数がより高くなる可能性がある。図１８は、三重重ね構造の複合縦ヒンジ構造を示している。図１５の構造と同様に、この構造は、あまり小型ではないヒンジ構造を代償として、図３の構造より良い並進性能を有する。

領域が均一であると仮定すると、平行プレート静電動作させられるデバイスに対する公知の不安定性がある。コンデンサのプレート間に加えられる電圧が増加するにつれて、プレートが平衡でなくなる場所で臨界偏向距離ｚ₀／３に到達するまで、プレートが互いに近づく。静電引力がばねの機械的回復力を超え、プレートは制御不能になる。同様の状態が、平衡プレート静電二重ジンバル付きミラーに存在する。図１を参照すると、電圧がミラー１２と電極２０に類似する下側ミラー１２の間に加えられると、臨界傾斜角度に到達し、これを超えてミラーは基板内に破滅的に衝撃を与える。多くの実際の場合では、臨界角度は、基板と接触するミラーによって形成された角度の３分の１より僅かに大きい。

図２に示す実施形態を再び参照する。球状に対称である、または円形のミラーは二重軸ミクロミラーの好ましい実施形態である。四角形または他の多角形ミラーと比べると、円形のミラーは光学ＭＥＭＳ設計により良く適しており、いくつかの重要な理由により動作状況でより高い性能を提供する。第１の理由は、円形ミラー１２は、例えば窪み付きの四角形ミラー構造５００内の四角形ミラー５１２と比べてより大きなスナップ・ダウン・マージンを有することである（図２０参照）。スナップ・ダウン・マージンは、デバイスが不安定になる前に実際に達成可能な最大傾斜角度に対する基板に接触するデバイスの傾斜角度の比率である。スナップ・ダウン・マージンは、平行プレート静電駆動デバイスにおいて重要な問題の１つである。スナッグがより大きいデバイスは、小さなスナップ・ダウン・マージンを有する。円形は、所与の傾斜角度に対する表面積を最大化する最適な設計である。

別の利点は、円形ミラー１２が概ねガウス・プロフィルの光ビームとより良く一致するということである。システムの光学スループットがミラーの表面積に依存しているので、したがって円形ミラーはスループットの考慮すべき点について最適化されている。図２の好ましい実施形態の正円形ミラー１２は、小さな制御されていない残余応力が存在する、小さなまたはごくわずかな非球状波面誤差を有するミラーにつながる。最後に、絶縁破壊の電位または電界放出は、ミラー末端部の鋭い角部により多角形ミラー（例えば５１２）内で有害に高まるが、鋭い角部は円形ミラーには完全にない。２つのシステムの注意深い分析により、角部による傾斜角度の損失は得られる面積よりも大きな性能の劣化であることが示されている。

図１９は、円形ミラー４１２を備える縦蛇行二重ジンバル・ミラー構造４００の別の可能な実施形態を示している。この場合、内側ヒンジ４４０、４４２はミラー４１２内に窪んでいる。窪み付きのミラー４１２の利点は設計が小型であることである。より効率的なパックが可能な設計により、ミラー・アレイの全体寸法を小さくすることができる。ミラー面積は小さくされたが、より小さなアレイはより小さなミラー傾斜角度を必要とし、より小さな損失光システムにつながる。したがって、ミラー開口面積の減少、およびヒンジ４４０、４４２での得られるクリッピングを設計内のどこかで補償することができる。しかし、このタイプの構造に別の明らかな欠点がある。ヒンジ４４０、４４２でのミラー４１２内の切欠きのため、ミラー４１２内の残余応力はミラー表面内の非球状収差につながる可能性がある。ミラー表面プロフィル内の非球状非対称により、波面誤差、さらに結合効率の低下につながる。

図２１は、図２および図１９間の折衷実施形態を示している。この場合、アセンブリ６００のミラー６１２は一部だけがミラー表面内に窪んでいる。このデバイスは、図１９のデバイスを超える波面誤差が小さい利点、さらに図２のデバイスよりも良い小型性の利点を有する。

使用されるヒンジのタイプは、ミラーのタイプによって制限されるものではない。例えば図２において、ヒンジ要素がミラーの中心を通る軸に対して対称であり、連結部３６、３７が共通軸に沿ってミラー１２に連結され、連結部３８、３９が共通軸に沿ってジンバル４４に連結されているという点において、ヒンジ４０、４２、４６、４８は全て、対称に連結された複合ヒンジである。同様に、図２１は対称に連結された単純なヒンジ６４０、６４２、６４６、６４８を利用するミラー構造６００を示している。

図２２はしかし、対称に連結された単純な窪みのないヒンジ７４０、７４２、７４６、７４８を利用するミラー構造７００を示している。図２の実施形態と比べると、単純なヒンジ７４０、７４２、７４６、７４８は、それ自体が折り返される間隙構造を有していない。

図２３は、非対称に連結された単純なヒンジ８４０、８４２、８４６、８４８を備えるミラー構造８００を示している。ヒンジ８４０、８４２はミラー８１２内に窪んでおらず、したがってジンバル８４４はミラー周面とヒンジ８４０、８４２の外縁部と一致する。非対称ヒンジ構造は、傾斜とサグにおいて、非対称的な動的特性と静的特性を有する。非対称設計はあるタイプの実施形態において有用であり、ここでは設計独自の機械的偏倚および振動モードがシステム力学に一体化されている。このような議論は、この特許出願の範囲を超えるものである。

図２４は、ジンバル９４４とミラー９１２に結合された、非対称に連結された複合ヒンジ９４０、９４２、９４６、９４８を備えるミラー構造９００を示している。ヒンジは窪んでいない。この設計は、本発明の範囲内の別の反復を示している。

本発明を特定の実施形態を参照して説明した。自明の通り、他の実施形態が当業者には明らかである。したがって、本発明は添付の特許請求の範囲による以外、限定されないものとする。

Claims (9)

1. 平行プレート静電動作用の二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造であって、
   静電電極（２０，２２，２４，２６）を埋め込んだミクロミラー・アレイの基板（３７）と、
   前記基板の前記アレイ内のミラー（１２）と、
   前記ミラーの周りのジンバルと、そして
   ４つのジンバル・ヒンジ構造（４０，４２，４６，４８）と
   を備え、
   前記４つのジンバル・ヒンジ構造の各々は単純な縦蛇行ヒンジ構造であって、各単純な縦蛇行ヒンジ構造が２つの外部連結点（１８０，１８２）の間に各単純な縦蛇行ヒンジ構造の回転軸と平行な方向に配置された少なくとも３つのトーション・ヒンジ要素（１９０，１９６，２１０，２１６）を備え、
   前記４つのジンバル・ヒンジ構造が前記ジンバル・リング（４４）上の４つの位置に配置され、第１の対の前記ジンバル・ヒンジ構造（４０，４２）が前記ミラーを前記ジンバル・リング（４４）に連結し、そして第２の対の前記ジンバル・ヒンジ構造（４６，４８）が前記基板（３７）を前記ジンバル・リング（４４）に連結し、
   前記トーション・ヒンジ要素がその端部で剛性ブレース（２００，２０１，２０２，２０６，２２０，２２１，２２６）により蛇行するように互いに結合され、そして
   各単純な縦蛇行ヒンジ構造が、前記ミラーの対向する側に在る単純な縦蛇行ヒンジ構造に対して回転対称に配置される
   二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造。
2. 前記ミラーが円形である請求項１に記載の二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造。
3. 各単純な縦蛇行ヒンジ構造が、多重折り返しトーション要素で形成される請求項１に記載の二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造。
4. 前記多重折り返しトーション要素の各々が、その端部で剛性ブレース（７０−７５）によって蛇行するように互いに結合され、
   第１の外部連結点（８０，８４，８７）が回転軸の第１の側でアレイの横端部から中心を外して配置され、そして
   第２の外部連結点（８２，８５，８８）が回転軸の第２の側でアレイの横端部から中心を外して配置される
   請求項３に記載の二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造。
5. 対称に連結されたジンバル・ミラー構造を形成するように、第１の単純な縦蛇行ヒンジ構造（４６）の前記第１の外部連結点は、前記ミラーの対向する側の第２の単純な縦蛇行ヒンジ構造の前記第１の外部連結点と同じ前記回転軸の側に在る請求項４に記載の二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造。
6. 回転対称に連結されたジンバル・ミラー構造を形成するように、第１の単純な縦蛇行ヒンジ構造（８４６、９４６）の前記第１の外部連結点が、前記ミラーの対向する側の第２の縦蛇行ヒンジ構造（８４８、９４８）の前記第１の外部連結点と反対の前記回転軸の側に在る請求項４に記載の二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造。
7. 平行プレート静電動作用の二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造であって、
   静電電極（２０，２２，２４，２６）を埋め込んだミクロミラー・アレイの基板（３７）と、
   前記基板の前記アレイ内のミラー（１２）と、
   前記ミラーの周りのジンバル・リング（４４）と、そして
   各々が少なくとも二重に重ねられている４つの複合縦ジンバル・ヒンジ構造（４０，４２，４６，４８）と
   を備え、
   前記ジンバル・リング上の４つの位置に配置された前記４つの複合縦ジンバル・ヒンジ構造の各々が、
   前記複合縦ジンバル・ヒンジ構造の回転軸と平行に第１のアレイ内に配置され、その端部で第１の剛性ブレースによって蛇行するように互いに結合されている複数の第１のトーション要素と、
   前記複合縦ジンバル・ヒンジ構造の前記回転軸と平行に第２のアレイ内に配置され、その端部で第２の剛性ブレースによって蛇行するように互いに結合されている複数の第２のトーション要素と、
   前記複合縦ジンバル・ヒンジ構造を形成するために、第１の端部で前記第１のアレイに連結され、第２の端部で前記第２のアレイに連結されているＵ字形の剛性横ブレース（３５１，３５２）と、
   前記回転軸の第１の側に隣接し、その第１の側に配置された前記第１のアレイへの第１の連結点（３５０）と、そして
   前記回転軸の第２の側で前記第２のアレイの横端部に配置された前記第２のアレイへの第２の連結点（３４８）と
   をそれぞれ備える
   二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造。
8. 重ね複合縦ジンバル・ヒンジ構造を形成するように、複数の前記複合縦ジンバル・ヒンジ構造が前記回転軸に沿って直列に前記連結点で結合される請求項７に記載の二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造。
9. 対称に連結されたジンバル・ミラー構造を形成するように、第１の複合縦ジンバル・ヒンジ構造の前記第１の連結点が前記ミラーの対向する側の第２の複合縦ジンバル・ヒンジ構造の前記第１の連結点と同じ前記回転軸の側に在る請求項７に記載の二重ジンバル付きミクロ機械加工ミラー構造。

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