JP6289067B2 - マイクロメカニカル共振装置 - Google Patents

Description

本発明は、主要な請求項のプリアンブルに従ったマイクロメカニカル共振装置に関する。

マイクロメカニカル共振器は、ＭＥＭＳ共振器とも呼ばれ、例えば回転速度センサやアクチュエータ等のセンサやスキャナに適用されている。熱駆動、静電駆動、圧電駆動、又は電磁駆動等、様々な駆動原理が先端技術において知られている。特にＭＥＭＳアクチュエータにおける基本的な問題の１つは、ウェハレベルのマイクロ技術における既知の技術では、実現できる力が非常に弱いことである。そのため、多くの場合、不都合なほどに小さな質量しか、適度に速く又は遠くまで移動させることができない。多くの応用例において、より大きな質量を動かさなくてはならないので、大抵の場合、安価な大量生産性、達成可能な高い精度、及び低い散乱成分に関する大きな潜在能力が実現されていない。従って、マイクロ技術とマクロ技術とは大いに収束してきたにも関わらず、依然として大きくかけ離れたままである。

マイクロ技術によって製造されるマイクロミラーの分野においては、従来技術により製造されるガルバノスキャナとのギャップを埋めるという重要な要求が存在する。ガルバノスキャナは、数センチメートルのミラー開口を有するミラーを、大きな偏向角度まで動かすことができる。マイクロ技術では、通常、数ミリメートルのミラー開口が限界である。得られる力が小さ過ぎるという理由により、最も一般的には直径約１ｍｍのミラーが実現されているにすぎず、応用の可能性は著しく制限されている。

真空封止は、実現可能な力及びトルクに関する欠点を克服するのに非常に有利な方法であることが見出されてきた。真空封止によって共振器は密閉空間によって包囲されると同時にハウジングが真空化される。この方法により、周囲の空気によるマイクロアクチュエータの減衰を最小化することができる。これにより、単位振動周期当りに失うエネルギーが低減されるので、最終的に最大の振動振幅になるまで、外部からそこに伝えられたエネルギーを数千の振動周期に渡って蓄積することができる。エネルギー損失を最小限にすることによるこの利点により、近年、非封止型ＭＥＭＳミラーに比べて数倍大きな共振型ＭＥＭＳスキャナを開発することが可能となってきた。しかしながら、利用可能な力が小さすぎるという不都合は依然として存在するので、真空封止によって達成される利点をもってしても、従来型のポリゴンスキャナ及びガルバノスキャナに真に取って代わるには今まで十分ではなかった。

ねじり板がねじり軸周りに振動することができるように、ねじりバネによって固定フレームに懸架された駆動板を備える共振型スキャナは、国際公開第２００２／０９９５０４号から知られている。さらなるねじり軸周りにミラーが振動できるように、同様にねじりバネによってミラーが駆動板内且つ駆動板上に取り付けられる。さらに、フレーム上に駆動手段が配置され、これによって駆動手段に力が加えられる。こうして駆動手段によって駆動板が励起されて振動し、この振動が、駆動板内に位置するミラーに伝達される。駆動板に加えられる力が周期関数に従うように駆動手段は活性化されており、この周期関数の周期は、ミラーの固有周波数に一致させられている。こうした共振型スキャナは自身の構造に対する影響を比較的受け易く、周囲の外気のために、望ましくない態様で、ミラーに所望される偏向が減衰されてしまう。

従って本発明の目的は、エネルギー損失が小さく、先端技術に比べて振動振幅を増大させることが可能であり、共振装置の製造が単純化されるように、比較的単純な構造を有するマイクロメカニカル共振装置を作製することである。

本発明によれば、この目的は、プリアンブル部の構成と組み合わせた、主要な特許請求項の特徴的構成によって達成される。

従属請求項に特定される手法により、有利なさらなる発展及び改良が可能である。

本発明によれば、マイクロメカニカル共振装置は、特にマイクロミラースキャナとして設計され、少なくとも１つの軸を介して振動可能な振動体を有する内側アクチュエータと、振動部を有する外側アクチュエータとを備え、内側及び外側アクチュエータが連結された振動システムを形成する。外側アクチュエータは外部駆動部によって駆動され、その駆動周波数は、内側アクチュエータの振動体が自身の固有モードの１つで振動するように又はこの固有モードの付近（共振周波数に応じて、共振周波数の±１％〜１０％の間）で振動するように選択される。内側アクチュエータは、外側アクチュエータの振動部に固定して取り付けられた、少なくとも１つの真空封止されたマイクロアクチュエータチップとして設計される。従って「内側アクチュエータ」はまた、自身の駆動部を備えていない、つまり受動型の振動共振構造である機械的な振動構造と理解される。

通常はＭＥＭＳ共振器では有意義な態様で実現することができないような大きな慣性モーメントを有する振動体のように、たとえ大きな振動質量の場合であっても、本発明に従ったマイクロメカニカル共振装置によれば、外部駆動部及び外部アクチュエータによって、マイクロアクチュエータチップの振動体、すなわちスキャナの振動ミラーを、より大きな振幅で、また非常に高い周波数で振動させることができる。外側アクチュエータの振動部は小さな励起振幅で運動しながらも、マイクロアクチュエータチップの振動体における振幅又は角度振幅に大きな増幅が実現されるように、駆動周波数及び駆動振幅等の外部駆動部の駆動パラメータは、慣性モーメント及びバネ剛性等、内側及び外側アクチュエータのパラメータに適合するように選択される。例えば、レーザスキャナの場合、マイクロアクチュエータチップの振動体の励起に由来する偏向を除いて、外部アクチュエータの振動に由来するレーザビームの偏向は通常認められない。

マイクロ技術において既知であり現状入手可能な統合型の駆動部によって得られるよりも１０倍から１０００倍も大きな振動振幅が、本発明による共振装置を用いて達成できる。

本発明による共振装置によって実現可能な２つの応用例を以下に示す。

例１
例えば、ＨＤＴＶ解像度（１０８０×１９２０）を有するレーザ投影型ディスプレイの水平偏向用（特に性能に依存し、連動して垂直ミラーが動作する）としては、スキャン周波数４０−５０ｋＨｚを有するＭＥＭＳミラーが必要であろう。解像度が著しく低下しないように、動作の最中に生じる動的変形を非常に小さく保つことができるようにするためには、その他の点では一般的な８０μｍという厚さに代えて、５００μｍから２ｍｍの間の厚さがミラー板には必要とされる。これは周波数の要求にすぎない。複数の画素を互いに真に光学的に分離するためには、少なくとも２２度×ミリメートルというミラー板と機械的角度振幅との積（ミラー板の片面側の機械的最大偏向）が必要である。この偏向及び速さに必要な力は、世界中の様々な場所で長年この問題に人々が取り組んでいるにもかかわらず、マイクロ技術におけるいかなる既知の方法をもってしても今まで達成されていない。しかし本発明に記載される装置を用いればこの問題は解決できる。その理由は、一方では、真空封止によって外部から伝えられるエネルギーが非常に高い割合で確実に保存されつつ、マイクロ技術で得られるよりも何桁も大きい利用可能なエネルギーが外部から供給されるためである。

例２
数１００ワットから数キロワットのレーザパワーを用いたレーザ物質加工にＭＥＭＳミラーが適用された例は今まで無い。これは、高いレーザパワーのために、非常に高い反射率を有する誘電体ミラー層が適用されねばならず、ＭＥＭＳミラーを大きく曲げ過ぎるほどの極めて大きな層応力をこれらの層が持つので、意味のある応用が不可能だからである。ＭＥＭＳスキャナのミラーの厚みを大きく増大させることによってのみ、層応力を和らげることができる。ウェハの厚みから成るミラー板のみが考えられ、同時に、直径２０ｍｍのミラー開口が必要とされる。ＭＥＭＳ技術によって実現可能な力及びトルクは桁違いに小さ過ぎるので、そのように大きなミラーを十分に速く（数１００Ｈｚから数ｋＨｚ）、数度の角度振幅を持つように動かすことができない。しかし、そのようなＭＥＭＳスキャナは、本発明に従って設計される共振装置によって実現することが可能である。

ＭＥＭＳ共振器である真空封止されたマイクロアクチュエータチップは、接着、半田付け、結合等により、外側アクチュエータの振動部に取り付けられることが好ましい。中でも本発明に従ったマイクロメカニカル共振装置に特有な利点は、ウェハレベルでの高解像光リソグラフィ及び非常に精密な成膜法並びにエッチング技術によって、共振周波数と振動特性が正確に定義された整合性を持ち、極めて高精度で部品の変動が小さいマイクロアクチュエータチップの形でＭＥＭＳ共振器を提供することができる一方で、外側アクチュエータは、比較的単純な様式で製造され、通常は低い精度で良いので安価であり、ある特定の励起周波数において十分な振動エネルギーを提供し、そのエネルギーを内側ＭＥＭＳ共振器へと伝達するだけでよいという事実に見られる。それぞれの製造方法によって、つまり、それぞれに対して調整及び最適化された製造環境にて行うことができるＭＥＭＳ製造並びに従来の外側振動子の製造によって、安価で並列化された大量生産能力に対処することができる。マイクロメカニカル共振装置の完成品の組み立てにおける環境条件としてクリーンルーム品質を必ずしも必要としないにもかかわらず、ＭＥＭＳの構成部品がマイクロアクチュエータチップとして既に封止された状態で存在するので、チップの部品に損傷を与える危険性無しに、後で組み立てを実行することができる。「マイクロメカニカル共振装置」という記述における「マイクロメカニカル」という用語が本質的にマイクロアクチュエータチップに関連しているのにもかかわらず、外側アクチュエータは従来の技術によって製造され、精度に対する要求は概してゆるい。結果として得られるスキャナ特性は、ＭＥＭＳチップの構造上の定義には大きく依存するが、外側アクチュエータには遥かに小さい程度にしか依存しないので、スキャナの実施形態においては、本発明によってＨＤＴＶ解像度のレーザビデオ投影に対してＭＥＭＳミラーを実現することができる。このアクチュエータの場合によってのみ、所望の周波数で振動エネルギー、力、及び／又はトルクを適切な態様で伝達することができる。

有利な形態において外側アクチュエータは、少なくとも１つのバネによって懸架され、マイクロアクチュエータチップを受容するためのプラットフォームを振動部として有する共振バネ質量システムとして設計される。その結果、振動可能な真空封止されたマイクロアクチュエータチップの振動体の固有共振周波数に応じて、バネ定数及び慣性モーメントに関する共振バネ質量システムの構造を設計することができる。プラットフォームは、少なくとも１つのバネによって一辺が固定されるように取り付けることができるし、２つのバネによって二辺で取り付けることもできる。慣性モーメントを考慮すると、１つ又は複数のバネの構造は、外側共振器又はアクチュエータの固有共振が、好ましくは、ＭＥＭＳ共振器の固有共振よりも低くなるように選択することができる。しかし、外側アクチュエータの固有共振がＭＥＭＳ共振器の固有共振よりも大きくなるように選択することが望ましい場合もある。全て結合された振動システムの特性に対して、応用先や設定された目的に応じて、どちらの構造も有利になり得る。

外側アクチュエータに割り当てられた外部駆動部は、電磁石駆動部、圧電駆動部、静電駆動部、空圧式駆動部、又は熱機械式駆動部として設計されてよい。電磁石駆動部が特に有利である。その理由は、一般的に言ってやはりその適用が考えられる圧電アクチュエータ積層物とは対照的に、生成できる力が大きいことに加えて、大きな変位、つまり大きな作動距離又は振幅が得られるという利点を持つことにある。しかし多くの場合、内側ＭＥＭＳアクチュエータの１つ又は複数の固有共振に一致するように完全に封止された高品質ＭＥＭＳチップを十分に大きく振動させるためには、圧電アクチュエータによって実現可能であるより小さな作動変位であっても全く十分である。特に、例えば＞２０ｋＨｚという非常に高い周波数で活性化されるＭＥＭＳ共振器のように、圧電アクチュエータのより大きな周波数帯域幅は、電磁石駆動部に比べて有利なことが多い。

他の実施例においては、非共振の制御された（閉ループ制御された）アクチュエータシステムとして外側アクチュエータを設計することも考えられる。そのような非共振の制御されたアクチュエータシステムは、例えばガルバノスキャナ又は電気モータの回転可能な旋回軸のように、取り付け式のシステムとすることができる。例えば電気モータは、プラットフォームとして設計された外側アクチュエータの振動部を、行ったり来たり動かすこと又は回転させることができるので、マイクロアクチュエータチップの振動性振動体が、その固有共振に従って振動することができる。従って、振幅の増幅又は角度振幅の増幅が実現される。

好ましい実施例においては、プラットフォームとして設計された外側アクチュエータの振動部は、少なくとも一部分が磁化可能な物質であるか、又は少なくとも１つの永久磁石に接続されており、外部駆動部が電磁石を備える。外側アクチュエータの振動部は、例えば一辺又は二辺が取り付けられた、あるいは固定された鋼板として設計することができる。外部駆動部の電磁石は、その所望される動きに従って、プラットフォームを引き付けたり反発して遠ざけたりするように活性化される。

しかしながら、また、バネ構造を有し、回路基板用基板から形成される外側アクチュエータの振動部も考えられる。この場合、真空封止されたマイクロアクチュエータチップは、回路基板に取り付けられ、且つ、そこに接触される。回路基板には接触用パッドが設けられ、チップと回路基板上のストリップ導体との間のワイヤボンディング接続を可能にする。例えばそこからまた、外部に設けられ、ＡＳＩＣとして設計された信号処理ユニットおよび駆動ユニットへとストリップ導体を導くことができる。さらに、完成されるシステムは、非常にコンパクトな形態に設計することが可能であり、信号技術的な電子機能性の他に、機械力学的機能性も同時に統合することができる。

外側アクチュエータの振動部を駆動する別の可能性として、外部駆動部の構成要件である永久磁石機構と協同して可動コイルを形成するコイルを有するプラットフォーム又はプラットフォームを形成する回路基板を提供することが挙げられる。可動コイル機構を用いて、好ましくは自身を中心にして組み立てられたＭＥＭＳマイクロアクチュエータチップを囲む銅平板コイルを回路基板上に形成できる。外部駆動部の駆動信号はコイルへと導かれ、電流が流れ、外側アクチュエータのプラットフォームは、永久磁石機構の静磁場中において待機位置から動き出す。

本発明によると、外側アクチュエータは、そのバネ質量システムがシリコンのウェハレベルで製造されるが、永久磁石と電磁石との組み合わせによって、又は軟磁性体と電磁石によって、あるいは可動コイル機構もしくは圧電積層体等によって、外的に付加される駆動部により駆動されるように製造してもよい。本発明の中心となる部品は常に真空封止されたマイクロアクチュエータチップであり、大気圧下で動作される外側アクチュエータを有する全体として、好ましくは従来通りに製造されるマクロ駆動部によって駆動される。

１つの有利な実施例においては、外側アクチュエータ及び内側アクチュエータを振動励起するための外部駆動部の駆動信号は、周波数及び／又は信号形状の観点において互いに異なる少なくとも２つの信号から成る。駆動信号を形成する実現可能な１つの例は、（例えば数１０Ｈｚから数１００Ｈｚオーダー程度の）比較的低い周波数を有し、内側共振器の共振周波数に一致する非常に高い周波数の振動が重畳された鋸歯形状に進行する信号である。これにより、外側アクチュエータは、ＭＥＭＳ共振器、すなわち振動性振動体に所望される共振振動を有利にも引き起こすことができるとともに、制御された形態で導かれ、重畳される鋸歯形状の動きを実行することもできる。これについては、別の信号形状又は動きの形態を提供することも勿論可能である。

外側アクチュエータの構造に応じて、互いに直交する２つの軸における内側アクチュエータ又は内側共振器の動きもまた可能である。すなわち、マイクロアクチュエータチップの振動性振動体は、２つの直交する軸（旋回軸）に懸架され、それぞれの軸（旋回軸）に対して振動周波数が割り当てられる。従って、駆動信号は、それぞれに対応する周波数を有する２つの信号が重畳された信号であってよく、あるいは、所望される複数の振動周波数を含有する混合周波数から成る電気信号であってもよい。例えば、２つの異なる信号から成る外部駆動部の駆動信号を用いて、第１軸又は回転軸に沿った完成される共振装置の鋸歯形状の動きと、それに対して垂直な動き、例えば、それに対して垂直な軸又は回転軸方向における遥かに高い周波数での動きとを生じることができる。そのような装置によって、鋸歯状動作におけるレーザビームの垂直な偏向を実現可能である一方で、それと垂直な方向にマイクロアクチュエータチップを励起して、遥かに高い周波数の共振状態にすることも可能である。これにより、例えば高解像度のラスタースキャン、画像を提供するセンサシステム、又は高解像度のレーザ投影型ディスプレイが実現可能である。

有利なさらなる形態におけるマイクロアクチュエータチップは、振動体に割り当てられ、振動体の振動を減衰させるため、又は、外部駆動部によって励起されない振動体の振動旋回軸（振動軸）を駆動するための外部駆動部を備える。封止されたチップに提供される制御可能な減衰を利用して、マイクロアクチュエータチップの振動体の振動の振幅が目標とする様式で影響されるようにすることは意味があり、好ましい。そのような減衰は、例えば、互いに対して櫛型状にかみ合わされ、大きさが調節可能な電圧が加えられるローター電極及びステーター電極を有する駆動部によって実現される。発生する静電力は、目標とする様式で振動の動きを減衰させることができる。例えば、もしも外側アクチュエータのために振幅が大きくなり過ぎた場合、内部駆動部の電極に対してブレーキとして作用する変調電圧を印加することによって、振動体が急速に再調整される。二旋回軸（二軸）振動体について外部から励起されない旋回軸を駆動するための統合された駆動部も考えられる。

特に好ましい実施形態においては、マイクロアクチュエータチップは、振動振幅、振動周波数、及び／又は振動位相を検出するセンサを備えている。これらのセンサは、例えば、容量検出、圧電検出、圧電抵抗検出、又は誘導検出によって所望のパラメータを検出することができる。センサ信号は、マイクロアクチュエータチップの外部に設けられた信号処理ユニットへと導かれる。

本発明を図面に例示し、以下の記載においてより詳細に説明する。図面は次の通りである。

本発明の第１の実施例に従ったマイクロメカニカル共振装置の概略斜視図である。 本発明の第２の実施例に従ったマイクロメカニカル共振装置の概略断面図である。 外側アクチュエータの振動部上でのマイクロアクチュエータチップの可能な構成例である。 外側アクチュエータの振動部上でのマイクロアクチュエータチップの可能な構成例である。 外側アクチュエータの振動部上でのマイクロアクチュエータチップの可能な構成例である。 本発明の第３の実施例の概略断面図である。 本発明に従ったマイクロメカニカル共振装置の第４の実施例の概略断面図である。 本発明に従ったマイクロメカニカル共振装置の周波数応答（周波数に対する振幅）のグラフである。

図１に概略を示すように、本発明によるマイクロメカニカル共振装置１は、外側アクチュエータ２及び内側アクチュエータ３を備える。内側アクチュエータは、真空封止されたマイクロアクチュエータチップ３として設計され、実施例においてはＭＥＭＳミラーである。マイクロアクチュエータチップ３は、振動性の振動体であるミラー板４を有する。ミラー板４は単一旋回軸又は二旋回軸（一軸又は二軸）様式でねじりバネ５によって懸架することができ、図１中には１つの旋回軸が示されている。

外側アクチュエータ２は、振動性のプラットフォーム６を有する。振動性のプラットフォーム６は、例えば軟磁性物質から成り、互いに対向する２つのバネ７によって、機械固定具又は締結具８に機械的に固定されている。実施例における外側アクチュエータは、活性化可能な電磁石として設計される外部駆動部９によって駆動される。

Ｑ値（quality factor）が少なくとも２０００より大きく、好ましくは２００００よりも大きな真空封止されたマイクロアクチュエータチップが、プラットフォームに接着、半田付け、又は結合されるか、あるいはその他の手法により機械的に接続される。内側アクチュエータ又はマイクロアクチュエータチップ３は、ねじりバネ５のバネ剛性及びミラー板４の質量に依存した、少なくとも１つの固有共振周波数を有する。外側アクチュエータも、通常はマイクロアクチュエータチップ３の固有周波数よりも低く、同様にバネ７のバネ定数および板の慣性モーメントによって決定される固有周波数を有する。

外部駆動部９又は電磁石は駆動信号によって活性化される。真空封止されたマイクロアクチュエータチップ３のミラー板が、自身の固有モードの少なくとも１つにおいて又はこの固有モード付近で振動し、振動性のプラットフォーム６の振動振幅と比較して増幅された、励起振幅と呼ばれる振動振幅を有するように、駆動信号の周波数及び振幅が選択される。よって外部駆動部９の周波数は、マイクロアクチュエータチップ３の所望される固有共振の周波数で電磁石が動作するように選択される。場合によっては半分、又は２倍、あるいはその結果より高い周波数のこともあり、これによりミラー板４が励起されて振動することができる。

以下において機能的な例を説明する。外部駆動部９の駆動信号に従った外側アクチュエータ２は、例えば±１０度の振幅で鋸歯形状に進行する非共振な６０Ｈｚの振動を生成する一方で、同時に、内側共振器３の共振周波数に一致する振動が重畳され、既に述べたように、好ましくは鋸歯状の動きに垂直な、より大きな共振振幅へとＭＥＭＳ共振器を励起する役割を果たす。この場合電磁石は、振幅の大きな６０Ｈｚの鋸歯信号と、そこに供給される著しく小さな振幅の高周波重畳信号とを有する。鋸歯状の動きは、完全に組み立てられたＭＥＭＳチップ１によっても感じられる。これに重畳された振動は同様にＭＥＭＳチップ１に伝えられ、統合された振動体４をそこで励起して振動させる。

図１に従ったマイクロメカニカル共振装置を製造する手順は以下の通りである。

まず第一に、精度が高く、バネ質量特性が明確で、好ましくは振幅フィードバック、位相フィードバック、及び周波数フィードバックが統合された、単一旋回軸又は多旋回軸ＭＥＭＳ共振器を製造する。続いて、好ましくはウェハレベルで、及び好ましくはハウジング内で統合された活性化可能なゲッターによってＭＥＭＳ共振器を真空封止して、少なくとも２０００よりも大きく、好ましくは２００００よりも大きなＱ値を達成する。これにより、マイクロ封止されたマイクロアクチュエータチップ３が製造される。

次に、まず、好ましくはバネ質量システムとして設計される外側の受動型振動子を製造する。これにより、ウェハレベル又は回路基板レベルでの、並列化された製造が可能となる。

その後、真空封止されたマイクロアクチュエータチップを外側振動子又は外側アクチュエータに組み付け、機械的に接続及び接触させる。続いて、実施例においては適切な従来型の電磁石駆動部を、外側アクチュエータに組み付ける。

本発明に従った共振装置のさらなる実施例を図２に示す。ここでは、外部駆動部が図１の場合とは異なった設計とされている。マイクロアクチュエータチップ３は、例えば接着、半田付け、結合、又は他の様式の接続によって、外側アクチュエータ２のプラットフォーム６に取り付けられている。プラットフォーム６は、必ずしも磁化可能な物質から成る必要はなく、例えば、回路基板の物質で製造される。組立板１１に取り付けられた電磁石１２に対向する１つ以上の永久磁石１０が、プラットフォーム６の下に配置される。電磁石１２は、マイクロアクチュエータチップ３の固有共振周波数に従った周波数の駆動信号によって活性化される。これにより、プラットフォーム６は矢印によって示されるように動く。その動きは、振幅が増幅されてミラー板４に伝達される。

外側アクチュエータのプラットフォーム６上でのマイクロアクチュエータチップ３の様々な構造を図３から５に示す。ここで、図３に示す図面は、図１に示す構造に対応する。しかしここでは、二旋回軸ＭＥＭＳミラー１３が備えられている。プラットフォーム６には、バネ７によって、二辺において固定された状態で張力がかけられている。もしも振動体の２つの旋回軸の共振周波数が同じである場合、共振周波数と外側アクチュエータの動きの周波数とを含有する重畳駆動信号として駆動信号を設計することができる。互いに対して垂直な２つの回転旋回軸は、両方の周波数を含有する混合周波数の駆動信号に依存するようにして、外側アクチュエータの振動によって、異なる共振周波数で外部から励起される。

図４においては、プラットフォーム６は一辺のみが取り付けられている又は固定されている。プラットフォーム６上の振動は、矢印１４に従った並進（上下）運動で示される。ＭＥＭＳミラー１３は励起されて自身の２つの軸周りに振動する。すなわち、並進運動１４のみを励起に利用することができる。周波数を正確に選択することのみが重要である。しかしながら、並進運動のみを用いる代わりに、プラットフォームの傾斜運動１４'も用いて励起することがさらに効果的であり得る。

図５は、二辺が取り付けられた又は固定されたプラットフォーム６を示す。マイクロアクチュエータチップは、バネ７によって取り付けられたプラットフォーム６の懸架に対して非対称に配置される。すなわち、二辺が固定された非対称バネ質量システムとして働く。

図６にスキャナの断面の概略図を示す。ＭＥＭＳ共振器２であるマイクロアクチュエータチップ３は、互いに対して垂直な振動旋回軸を有する。外側アクチュエータのプラットフォームは参照番号６で示されている。プラットフォームは、これ以上は示されていないバネによって、フレーム部１６に対して固定するように接続されている。永久磁石１５がプラットフォーム６に取り付けられ、外部駆動部１９の一部である電磁石１８と協同する。外部駆動部１９は、マイクロアクチュエータチップ３の両方の旋回軸に対して同一である共振周波数で、その電磁石１８を活性化する。これによる円形スキャン２０及び入射光ビーム２１が示される。この場合、二旋回軸ＭＥＭＳスキャナは、互いに対して垂直な、２つの同一な固有周波数を有する。円形スキャンは、ＭＥＭＳスキャナの共振帯域幅内において外側アクチュエータに与えられる適切な励起周波数によって、従前同様、非常に簡単に実現することができる。活性化周波数の変化及びそのようなスキャナの性質が、生成される軌跡がどのような形状（楕円形、円形、高次モードが重畳された円形）となるかを決定する。

図７は図６と同じ構成を示しているが、外部駆動部１９の電磁石１８用の駆動信号が、周波数が異なる２つの信号の重畳によって実現されている点が異なっている。マイクロアクチュエータチップの振動旋回軸が異なる共振周波数を有するので、スキャナは、リサジュー図形２２で示されるリサジュー動作を行うことができる。すなわち、リサジュー軌跡は、２つの正確な固有周波数の混合周波数を有することになる。正確な時間経過を設定及びモニターするために、統合された位置センサシステムが重要である。

例えば図２に従ったマイクロメカニカル共振装置の周波数応答を図８に示す。実線は外側アクチュエータ、つまり、例えばプラットフォーム、永久磁石、及びマイクロアクチュエータチップから成る完全なシステムの周波数応答を示す。破線はマイクロアクチュエータチップの周波数応答を示す。駆動用に電磁石に与えられる励起信号の周波数は、低周波数側からより高周波数側に向かって変化される。これにより、低周波数においては、完全なシステム（外側アクチュエータ及びチップ）はまず第１の共振ピークを示す。しかしここでは、内側共振器は一緒に振動しているものの、固有共振へと励起されてはいない。さらに周波数が増大するに連れて、ＭＥＭＳ共振器（ミラー）の固有共振がいずれ励起される。これによって、外側アクチュエータはむしろ小さな振幅で振動するにもかかわらず、対応する大きな振幅を実現することができる。

Claims (12)

1. 少なくとも１つの軸周りに振動可能な振動体を有する内側アクチュエータと、振動部を有する外側アクチュエータとを備え、
   前記内側アクチュエータと前記外側アクチュエータとは連結された振動システムを形成し、
   前記外側アクチュエータは、外部駆動部によって駆動され、前記外部駆動部の駆動周波数は、前記内側アクチュエータの前記振動体が自身の固有モードの１つで振動するように又は前記固有モードの１つ付近で振動するように選択され、
   前記内側アクチュエータは、前記外側アクチュエータの前記振動部に取り付けられた少なくとも１つの真空封止されたマイクロアクチュエータチップであり、
   前記外側アクチュエータは、少なくとも２つのバネによって懸架される振動プラットフォームを前記振動部として有する共振バネ質量システムとして設計され、
   前記マイクロアクチュエータチップは、前記振動プラットフォーム上に結合される、
   マイクロメカニカル共振装置。
2. バネ定数及び慣性モーメントに関する前記共振バネ質量システムの前記設計は、前記真空封止されたマイクロアクチュエータチップの振動性の前記振動体の固有共振周波数に応じて選択される請求項１に記載のマイクロメカニカル共振装置。
3. 前記マイクロアクチュエータチップが取り付けられた前記共振バネ質量システムの共振周波数は、前記マイクロアクチュエータチップの前記固有共振周波数よりも低い請求項２に記載のマイクロメカニカル共振装置。
4. 前記外部駆動部は、電磁石駆動部、圧電駆動部、静電駆動部、空圧式駆動部、又は熱機械式駆動部として設計される請求項１から３の何れか１項に記載のマイクロメカニカル共振装置。
5. 前記外側アクチュエータは、非共振の制御されたアクチュエータシステムとして設計される請求項１または４に記載のマイクロメカニカル共振装置。
6. プラットフォームとして設計される前記外側アクチュエータの前記振動部は、少なくとも一部分が磁化可能な物質で構成されるか、又は、少なくとも１つの永久磁石に接続され、前記外部駆動部は電磁石を有する請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振装置。
7. プラットフォームである前記振動部は、永久磁石機構と協同して可動コイルを形成するコイルを備える請求項１から５のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振装置。
8. 前記外側アクチュエータ及び前記内側アクチュエータを振動励起するための前記外部駆動部の駆動信号は、周波数及び信号形状の少なくとも一方が互いに異なる少なくとも２つの信号から成る請求項１から７のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振装置。
9. 振動性の前記振動体は、直交する２つの軸上に懸架される請求項１から８のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振装置。
10. 前記マイクロアクチュエータチップは、前記振動体に割り当てられ、前記振動体の前記振動を減衰させるため、又は前記外部駆動部によって励起されない前記振動体の振動軸を駆動するための内部駆動部を有する請求項１から９のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振装置。
11. 前記外側アクチュエータの前記振動部は、一辺又は二辺が固定されるように取り付けられている請求項１から１０のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振装置。
12. 前記マイクロアクチュエータチップは、振動振幅、振動周波数、及び振動位相の少なくとも１つを検出するためのセンサを有する請求項１から１１のいずれか１項に記載のマイクロメカニカル共振装置。

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