JP5721697B2 - 長い移動範囲を有するmemsアクチュエータ - Google Patents
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Description
Ktotal=Kx+Kmultiplier (式5)
ここで、Kxは、X方向における静電櫛形駆動アクチュエータのスプリングの剛性である。したがって、2台のスプリングを備えた2台の櫛形駆動アクチュエータを使用する場合の、X方向における全剛性は、次式となる。
Kxtotal=Kx+Kmultiplier/2 (式6)
Claims (24)
- 微小電気機械システム(MEMS)デバイス用の静電櫛形駆動アクチュエータであって、
曲げスプリングアセンブリと、
前記曲げスプリングアセンブリの相対向する側部にそれぞれ連結された第1の櫛形駆動アセンブリ及び第2の櫛形駆動アセンブリと、
を含み、
前記第1及び第2の各櫛形アセンブリは、
その一方の側部から延びた櫛形駆動フィンガを有する細長メンバを備えた固定櫛形駆動メンバと、
前記曲げスプリングアセンブリに連結された中心ビームと当該中心ビームの一方側から前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて延びる櫛形駆動フィンガとを備えた可動櫛形駆動メンバと、
を含み、
前記可動櫛形駆動メンバは、
前記可動櫛形駆動メンバ及び前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガが部分的に重なる第1の位置と、前記可動櫛形駆動メンバ及び前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガが互いに噛み合って前記曲げスプリングアセンブリの変位を発生させる第2の位置との間で移動可能であり、
前記櫛形駆動フィンガは、
前記第1の櫛形駆動アセンブリと前記第2の櫛形駆動アセンブリとの間で均等に分割されて、前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な、前記曲げスプリングアセンブリの対称軸の周りに、対称的に配置され、
前記第1の櫛形駆動アセンブリ及び前記第2の櫛形駆動アセンブリは、
電気的に励起されたときに、同一の運動方向に静電気力を発生させ、前記第1及び第2の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガを、前記第1及び第2の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて同時に移動させる、
静電櫛形駆動アクチュエータ。 - 前記第1及び第2の各櫛形駆動アセンブリは、それぞれ、その一方の側部から延びる櫛形駆動フィンガを有する細長メンバをそれぞれ備えた第1及び第2の固定櫛形駆動メンバを、さらに含み、
前記可動櫛形駆動メンバは、前記中心ビームから、前記第1の固定櫛形駆動メンバ及び前記第2の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて相反する方向に延びる、2組の櫛形駆動フィンガを備え、
前記可動櫛形駆動メンバは、前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと、前記第1及び第2の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとが部分的に重なる第1の位置と、前記第1の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの2組の前記櫛形駆動フィンガのうちの一方の前記櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第2の位置と、前記第2の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの2組の前記櫛形駆動フィンガのうちのもう一方の組の前記櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第3の位置との間で移動可能である、
請求項1に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。 - 前記第2の位置において、前記第2の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとの間に重なりがない、請求項2に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
- 前記第3の位置において、前記第1の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとの間に重なりがない、請求項2に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
- 前記曲げスプリングアセンブリの中心周りのモーメントは、前記第1及び第2の各櫛形駆動アセンブリの前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な方向の静電気力が同じ方向に働くときに打ち消される、請求項1に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
- 前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な方向における前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガの変位は、前記第1及び前記第2の各櫛形駆動アセンブリにかかる静電気力が反対向きであるときに打ち消される、請求項5に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
- 前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な方向における前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガの変位は、前記第2の櫛形駆動アセンブリにかかる静電気力が前記第1の櫛形駆動アセンブリにかかる静電気力より大きいとき、前記第1の櫛形駆動アセンブリ上で最小限度に抑えられる、請求項5に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
- 微小電気機械システム(MEMS)デバイスであって、
静電櫛形駆動アクチュエータと、
変位拡大器と、
MEMS可動素子と、を備え、
前記静電櫛形駆動アクチュエータは、
曲げスプリングアセンブリと、
前記曲げスプリングアセンブリの相対向する側部にそれぞれ連結された第1の櫛形駆動アセンブリ及び第2の櫛形駆動アセンブリと、
を含み、
前記第1及び第2の各櫛形アセンブリは、
その一方の側部から延びた櫛形駆動フィンガを有する細長メンバを備えた固定櫛形駆動メンバと、
前記曲げスプリングアセンブリに連結された中心ビームと当該中心ビームの一方側から前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて延びる櫛形駆動フィンガとを備えた可動櫛形駆動メンバと、
を含み、
前記可動櫛形駆動メンバは、
前記可動櫛形駆動メンバ及び前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガが部分的に重なる第1の位置と、前記可動櫛形駆動メンバ及び前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガが互いに噛み合って前記曲げスプリングメンバの変位を発生させる第2の位置との間で移動可能であり、
前記櫛形駆動フィンガは、
前記第1の櫛形駆動アセンブリと前記第2の櫛形駆動アセンブリとの間で均等に分割されて、前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な、前記曲げスプリングアセンブリの対称軸の周りに、対称的に配置され、
前記第1の櫛形駆動アセンブリ及び前記第2の櫛形駆動アセンブリは、
電気的に励起されたときに、同一の運動方向に静電気力を発生させ、前記第1及び第2の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガを、前記第1及び第2の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて同時に移動させる、
ものであり、
前記変位拡大器は、
前記静電櫛形駆動アクチュエータの前記曲げスプリングアセンブリに連結されており、
前記静電櫛形駆動アクチュエータにより前記曲げスプリングアセンブリの変位の結果として前記変位拡大器に加えられる力の方向に平行な、前記変位拡大器の中心軸周りに、対称に配置された1対のスプリングであって、当該各スプリングは前記力の方向に剛性を持ち、前記力の方向に垂直な方向に柔性を持つ1対のスプリングと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記1対のスプリングのうちの対応するスプリングに連結された第1の端部を有している1対の角度付きビームメンバと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記1対のスプリングの運動に応じた前記1対の角度付きビームメンバの回転を可能にするピボット点において前記1対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバに連結されている、1対のピボットと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記1対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバの第2の端部に連結されている第1の1対のヒンジと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記第1の1対のヒンジのうちの対応するヒンジに連結された第1の端部を有している1対の剛体メンバと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記1対の剛体メンバのうちの対応する剛体メンバの第2の端部に連結されている第2の1対のヒンジと、
を含み、
前記第1の1対のヒンジ及び前記第2の1対のヒンジは、前記1対のスプリングの運動に応じた前記1対の剛体メンバの回転を可能とするものであり、
前記MEMS可動素子は、
前記第2の1対のヒンジの間に連結されており、
前記静電櫛形駆動アクチュエータによって前記変位拡大器に加えられた力は、前記曲げスプリングアセンブリの変位に対して拡大された変位を前記MEMS可動素子に発生させ、
前記ピボットは、それぞれ所定の長さを有し一端が固定された、柔性のある片持ちビームで構成され、対応する前記角度つきメンバが前記一端を中心とし前記所定の長さを半径とする円に沿って回転するよう構成されており、
前記第1の1対のヒンジ及び前記第2の1対のヒンジは、それぞれ、前記変位拡大器に加えられる力の方向及び当該力の方向に垂直な方向に剛性を持ち、回転方向において柔性を持つ、S字形ビームで構成されている、
微小電気機械システム(MEMS)装置。 - 前記第1及び第2の各櫛形駆動アセンブリは、それぞれ、その一方の側部から延びる櫛形駆動フィンガを有する細長メンバをそれぞれ備えた第1及び第2の固定櫛形駆動メンバを、さらに含み、
前記可動櫛形駆動メンバは、前記中心ビームから、前記第1の固定櫛形駆動メンバ及び前記第2の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて相反する方向に延びる、2組の櫛形駆動フィンガを備え、
前記可動櫛形駆動メンバは、前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと、前記第1及び第2の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとが部分的に重なる第1の位置と、前記第1の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの2組の前記櫛形駆動フィンガのうちの一方の前記櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第2の位置と、前記第2の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの2組の前記櫛形駆動フィンガのうちのもう一方の組の前記櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第3の位置との間で移動可能である、
請求項8に記載のMEMSデバイス。 - 前記第2の位置において、前記第2の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとの間に重なりがない、請求項9に記載のMEMSデバイス。
- 前記第3の位置において、前記第1の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとの間に重なりがない、請求項9に記載のMEMSデバイス。
- 前記各スプリングは、U字状ビームを形成するコンプライアンス構造体(compliant structure)である、請求項8に記載のMEMSデバイス。
- 前記各ピボットは、片持ちビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項8に記載のMEMSデバイス。
- 前記各ヒンジは、S字状ビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項8に記載のMEMSデバイス。
- 前記第1の1対のヒンジ及び前記第2の1対のヒンジのうちの対応するヒンジと、これらのヒンジの間の対応する剛体メンバとが、対応する回転関節機構をそれぞれ形成し、前記静電櫛形駆動アクチュエータの運動方向に垂直な方向での運動を拡大して前記MEMS素子の運動方向に変換する、請求項8に記載のMEMSデバイス。
- それぞれ対応する前記1対のスプリングの一つと、前記1対のピボットの一つと、前記1対の角度付きビームメンバの一つとは、対応するてこ機構をそれぞれ形成し、当該てこ機構と前記回転関節機構とは、それぞれ前記対称軸周りに対称に配置されて、回転運動を前記MEMS素子の運動方向に対応する並進運動に変換する、請求項15に記載のMEMSデバイス。
- 前記変位拡大器に連結された少なくとも1台の付加的な静電櫛形駆動アクチュエータをさらに備える、請求項8に記載のMEMSデバイス。
- 微小電気機械システム(MEMS)デバイスの内部に用いられる変位拡大器であって、
前記変位拡大器に加えられる力の方向に平行な、前記変位拡大器の中心軸周りに、対称に配置された1対のスプリングであって、当該各スプリングは前記力の方向に剛性を持ち、前記力の方向に垂直な方向に柔性を持つ1対のスプリングと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記1対のスプリングのうちの対応するスプリングに連結された第1の端部を有している1対の角度付きビームメンバと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記1対のスプリングの運動に応じた前記1対の角度付きビームメンバの回転を可能にするピボット点において前記1対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバに連結されている、1対のピボットと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記1対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバの第2の端部に連結されている第1の1対のヒンジと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記第1の1対のヒンジのうちの対応するヒンジに連結された第1の端部を有している1対の剛体メンバと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記1対の剛体メンバのうちの対応する剛体メンバの第2の端部に連結されている第2の1対のヒンジと、
を含み、
前記第1の1対のヒンジ及び前記第2の1対のヒンジは、前記1対のスプリングの運動に応じた前記1対の剛体メンバの回転を可能とするよう構成されており、
前記ピボットは、それぞれ所定の長さを有し一端が固定された、柔性のある片持ちビームで構成され、対応する前記角度つきメンバが前記一端を中心とし前記所定の長さを半径とする円に沿って回転するよう構成されており、
前記第1の1対のヒンジ及び前記第2の1対のヒンジは、それぞれ、前記変位拡大器に加えられる力の方向及び当該力の方向に垂直な方向に剛性を持ち、回転方向において柔性を持つ、S字形ビームで構成されている、
変位拡大器。 - 前記各スプリングは、U字状ビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項18に記載の変位拡大器。
- 前記各ピボットは、片持ちビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項18に記載の変位拡大器。
- 前記各ヒンジは、S字状ビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項18に記載の変位拡大器。
- それぞれ対応する前記1対のスプリングの一つと、前記1対の角度付きビームメンバの一つと、前記1対のピボットの一つとが、変位拡大器に加えられた力に関連付けられた入力変位を拡大するための、対応するてこ機構をそれぞれ形成する、請求項18に記載の変位拡大器。
- それぞれ対応する前記第1の1対のヒンジの一つと、前記第2の1対のヒンジの一つと、これらのヒンジの間の対応する剛体メンバとは、前記静電櫛形駆動アクチュエータの運動方向に垂直な方向の運動を拡大して前記第2の1対のヒンジの間に連結されたMEMS素子の運動方向に変換するための、対応する回転関節機構をそれぞれ形成する、請求項18に記載の変位拡大器。
- それぞれ対応する前記1対のスプリングの一つと、前記1対のピボットの一つと、前記1対の角度付きビームメンバの一つとは、対応するてこ機構をそれぞれ形成し、当該てこ機構と前記回転関節機構とは、それぞれ前記対称軸周りに対称に配置されて、回転運動を前記MEMS素子の運動方向に対応する並進運動に変換する、請求項23に記載の変位拡大器。
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