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(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】6129189
(24)【登録日】2017年4月21日
(45)【発行日】2017年5月17日
(54)【発明の名称】ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー
(51)【国際特許分類】
G02B 26/08 20060101AFI20170508BHJP
G02B 26/10 20060101ALI20170508BHJP
B81B 3/00 20060101ALI20170508BHJP
H02N 11/00 20060101ALI20170508BHJP
【ＦＩ】
G02B26/08 E
G02B26/10 104Z
B81B3/00
H02N11/00 Z
【請求項の数】17
【全頁数】22
(21)【出願番号】特願2014-534505(P2014-534505)
(86)(22)【出願日】2012年10月10日
(65)【公表番号】特表2014-534461(P2014-534461A)
(43)【公表日】2014年12月18日
(86)【国際出願番号】NL2012050704
(87)【国際公開番号】WO2013055210
(87)【国際公開日】20130418
【審査請求日】2015年9月11日
(31)【優先権主張番号】2007554
(32)【優先日】2011年10月10日
(33)【優先権主張国】NL
(73)【特許権者】
【識別番号】514064785
【氏名又は名称】イノルース・ベー・フェー
(74)【代理人】
【識別番号】100108453
【弁理士】
【氏名又は名称】村山 靖彦
(74)【代理人】
【識別番号】100064908
【弁理士】
【氏名又は名称】志賀 正武
(74)【代理人】
【識別番号】100089037
【弁理士】
【氏名又は名称】渡邊 隆
(74)【代理人】
【識別番号】100110364
【弁理士】
【氏名又は名称】実広 信哉
(72)【発明者】
【氏名】ヘンドリクス・ウィルヘルムス・レオナルドゥス・アントニウス・マリア・ファン・リーロプ
(72)【発明者】
【氏名】マタイス・アレクサンデル・ヘラルド・スイェレン
(72)【発明者】
【氏名】マリイェン・ヨハネス・ファン・オス
【審査官】
右田 昌士
(56)【参考文献】
【文献】
特表２００２−５２４２７１（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００８−１９７１４０（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００５−０９２１７４（ＪＰ，Ａ）
【文献】
特開２００６−３１１７８３（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２００７／１２０２０７（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
米国特許出願公開第２００３／４８０３６（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
米国特許第７４７１４４１（ＵＳ，Ｂ１）
【文献】
特表２００８−５４６２３９（ＪＰ，Ａ）
【文献】
米国特許出願公開第２０１０／２９０１４２（ＵＳ，Ａ１）
【文献】
特表２００７−５２２５２８（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）
Ｇ０２Ｂ ２６／００ − ２６／０８
Ｇ０２Ｂ ２６／１０
Ｂ８１Ｂ １／００ − ７／０４
Ｂ８１Ｃ １／００ − ９９／００
Ｈ０２Ｎ １１／００
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
フレーム（６０）と、該フレーム（６０）の中に配されたミラーボディ（５０）であって、前記フレームによって定義される平面（Ｘ−Ｙ）内に延長される回転軸（５８）まわりに前記ミラーボディが回転可能であるミラーボディ（５０）と、長手方向を有し、前記平面内に延長された、少なくとも一つのカンチレバービームアセンブリ（７０）と、前記ミラーボディ及び前記フレームの間に前記回転軸に沿って接続される垂直サポートビーム（４０）とを含むＭＥＭＳマイクロミラー（３０）であって、前記少なくとも一つのカンチレバービームアセンブリは第一端及び第二端（７２１、７２２）を備えるカンチレバービーム（７２）と、前記長手方向の第一端におけるカンチレバービームの並進運動を可能にする、前記第一端（７２１）のリリーフ手段（７４）であって、前記第一端（７２１）は前記リリーフ手段（７４）を介して前記フレームに結合されるリリーフ手段とを有し、前記第二端（７２２）は、前記第二端が前記ミラーボディに対して相対的に動かない状態で前記ミラーボディに固定され、前記カンチレバービーム（７２）は、前記フレーム（６０）の平面に対して垂直に厚みを有し、その厚みは前記フレーム（６０）の平面内の幅よりも小さい、ＭＥＭＳマイクロミラー（３０）。
【請求項2】
前記少なくとも一つのカンチレバービームアセンブリの前記回転軸まわりのねじり剛性に与える影響は、前記垂直サポートビーム（４０）のねじり剛性に与える影響よりも大きいことを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項3】
前記垂直サポートビームは回転軸（５８）に対して垂直に細い長方形の断面を有し、前記長方形の長軸はミラー（５２）及びミラーボディ（５０）の表面に垂直であり、前記長方形の短軸は前記ミラー（５２）の表面に平行であることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項4】
前記カンチレバービーム（７２）の幅が、その第二端（７２２）に向かって太くなっていくことを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項5】
前記カンチレバービーム（７２）の前記第一端（７２１）の長手方向の前記並進運動が最大３０μｍであることを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項6】
前記カンチレバービーム（７２）の前記第二端（７２２）は、前記回転軸（５８）付近の位置（５３）で前記ミラーボディ（５０）と接続され、前記第一端（７２１）は、前記カンチレバービーム（７２）の長手方向における前記回転軸から遠い側の位置で前記リリーフ手段（７４）と接続されることを特徴とする、請求項１から５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項7】
前記リリーフ手段（７４）が複数のリリーフスプリング（７４１）を備えることを特徴とする、請求項１から６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項8】
前記リリーフ手段（７４）が複数の互いに平行なリリーフスプリング（７４１）を備えることを特徴とする、請求項７に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項9】
前記リリーフ手段（７４）は、一つ以上のリリーフスプリング（７４１）と前記カンチレバービーム（７２）とを結合する剛体要素（７４２）を備え、前記剛体要素は前記カンチレバービームの厚さよりも実質的に大きな厚さを有することを特徴とする、請求項１から８のいずれか一項に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項10】
前記剛体要素（７４２）は中央部（７４３）及び周辺部（７４４）を有するＵ字型であり、前記カンチレバービーム（７２）は前記中央部と接続し、前記周辺部は前記カンチレバービームの第一端の両側に互いに延長され、前記リリーフスプリングは前記Ｕ字型の剛体要素のそれぞれの周辺部と接続することを特徴とする、請求項９に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項11】
前記ミラーボディ（５０）が、前記少なくとも一つのカンチレバービームアセンブリ（７０）によって実質的に決められる、前記回転軸（５８）まわりの固有周波数を有することを特徴とする、請求項１から１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項12】
前記ミラーボディ（５０）及び前記フレーム（６０）の間に直接結合される、少なくとも一つの付加的なカンチレバービームを備えることを特徴とする、請求項１から１１のいずれか一項に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項13】
前記ミラーボディ（５０）に動作可能に接続され、前記回転軸（５８）まわりのトルクを提供するアクチュエータ（８０）をさらに備えることを特徴とする、請求項１から１２のいずれか一項に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項14】
前記アクチュエータ（８０）が、第一くし（８２）は前記ミラーボディ（５０）に連結固定され、第二くし（８４）は前記フレーム（６０）に連結固定されている、一対（８２、８４）の互いに連携するくしを有する、櫛歯駆動アクチュエータであることを特徴とする、請求項１３に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項15】
前記アクチュエータ（８０）が、第一くし（８６）は前記ミラーボディ（５０）に連結固定され、第二くしは前記フレーム（６０）に連結固定されている、少なくとも一対の付加的な互いに連携するくし（８６，８８）を有し、前記少なくとも一対の付加的な互いに連携するくし（８６、８８）は、前記一対（８２、８４）の互いに連携するくしと前記回転軸（５８）から異なった距離に配されることを特徴とする、請求項１４に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項16】
リリーフスプリング、カンチレバービーム、及び垂直サポートビームから選択される少なくとも一つの構成要素（７４１）が、その端（７４５）に向けて徐々に太くなっていくことを特徴とする、請求項１から１５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【請求項17】
前記カンチレバービーム（７２）は単結晶シリコン層内に実装され、前記カンチレバービームは、前記単結晶シリコン層が最も低い材料剛性を有する方向と同じ方向に、長手方向を有することを特徴とする、請求項１に記載のＭＥＭＳマイクロミラー。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本開示の技術分野は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、特にＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーにかかる。
【0002】
［関連技術］ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーは、視覚情報の表示のために開発されてきた。ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーは、１または２次元中を振動し、そしてレーザーまたはその他の光線を鏡面から反射する。鏡面上への入射ビームの角度とタイミングを変えることによって、二次元ディスプレイマトリクスのような、スクリーンまたはその他の表面上への視覚的な画像を生み出す。細部や色が異なる画像を生み出すために、異なった数のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー及びレーザーが用いられている。ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの代表的な用途は、ビデオ投影（例えば自動車利用用の、または携帯電話のピコプロジェクション用の、ヘッドアップディスプレイ）、光干渉断層撮影、及びレーザードップラー振動測定である。
【0003】
特許文献１は基準フレームとダイナミックプレートを結合する、モノリシックに作られた微細加工構造を開示している。ある実施例では、トーショナルスキャナーはトーションバーによってフレーム内に配置されている。その中でそれぞれのテザーはそれぞれのトーションバーとくっついている。上記テザーは、それぞれがフレキシブルロッドによるフレームとスプリングによって結合されたコネクションロッドを含む。
【0004】
トーションバーが回転すると、コネクションロッドが動き、フレキシブルロッドが引っ張られ、それによりスプリング中の波形構造を圧縮する。いったんその波形構造が互いに接触してしまうと、テザーは本質的に非弾性的になり、テザーがねじりばね定数の値の急な変化を引き起こすのと同様に、トーションバーのあるセクションの更なる回転が妨げられる。
【0005】
トーションバーの一つまたは両方に付加物またはテザーを付けることで、プレートが軸のまわりを回転し、それによって、それぞれのそのような角度におけるトーショナルスキャナーのねじりばね定数に著しい変化を生み出すので、あらかじめ決められた角度におけるトーションバーの長さが効果的に短くなる。このようにして、鏡面をゆがめることなく、トーショナルスキャナーの静電的な安定性を高める、マルチセグメントの復元トルク曲線を備えるトーショナルスキャナーを提供することができる。従って、垂直サポートビームとしても機能するトーションバーは、ねじり剛性に対して大きな影響を有し、それとともにプレートがフレーム内に配される。
【0006】
特許文献２は、第一端においてフレームと接続されたトーションビームによって配された、回転可能なミラーを備える光学式スキャナーを開示している。上記光学式スキャナーはさらに、ミラーのそれぞれの側に配された一対のカンチレバーと、その上に形成された駆動用圧電素子と、を備える。カンチレバーは一端においてスプリングを備えるフレームと結合され、反対の第二端においてトーションビームと結合される。上記スプリングは一対のくし型電極５、６を含む。電極５、６の間に電圧が印加されると、カンチレバー４上で引張力が発揮されるため、トーションビーム２のばね定数が変化し、その結果、ミラー部材３の共鳴周波数が変化する。上記日本語特許出願において開示された光学式スキャナーでは、カンチレバーは、トーションビームのばね定数を変化させるために、トーションビームに結合される。
【0007】
特許文献３は、二重活性層シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）基板上に形成された、ミラー回転軸まわりの最大回転角まで回転運動を実施するように機能するミラーを備える、光学ビームをスキャンするためのＭＥＭＳ装置を開示している。上記装置は、バウンス現象を提供し、回転動作を反転する働きをする、バウンス機構を含む。バウンス現象は、本質的に非線形的な静電力による動作に対し、区分的に線形なレスポンスを伴うミラーを提供する。ＭＥＭＳ装置のある実施形態は、１つのミラーと、２つのトーションバーと、エレベーションと、１つの基板とを含む。二対の短い「オフセット」ビームは、上面からオフセットｂの、ミラーの下部に配置される。オフセットビームは、二対のＣ字状のスプリングビームによってそれぞれ、保持ビームスプリングを介する基板への接続によってＹ方向に自由度（デバイスの平面内であって、回転軸に対して直角）を有する、二つのプレーナ型のくし型ドライブローターに接続する。くし型ドライブステーターが、その付属のスプリングビームに対して偏心引力（偏心距離ｂを有する）を生じると、トーションバーまわりにミラーの回転モーメントを生み出す。上記Ｃ字状のスプリングビームは、くし型ドライブにより引き起こされた動きを、ミラーの線形運動に変換する（バウンス現象）ように設計された非線形剛性を有する。上述のＰＣＴ出願で公開された配置では、スプリングビームはアクチュエータの直進運動をミラーの回転へと変換するために用いられている。これを受けてスプリングビームは、上面からオフセットｂの位置のオフセットビームに付着される。スプリングビームは、デバイスのフレームによって定義される平面に平行な平面内であらかじめ湾曲され、その平面に垂直の方向に幅を有する。
【背景技術】
【0008】
図１Ａに例示される、ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの第一の最もよく知られたカテゴリーは、そのまわりをミラー５２が回転する走査軸５８を形成する２つのコリニアトーションビーム４１によってフレーム６０に付されたミラー５２を含む。トーションビーム４１は両方ともミラー５２を支持し、回転中に必要なねじり剛性を提供する。トーションビーム４１はミラー５２及びフレーム６０の間の唯一の接着点であり、ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー３０の共鳴周波数を決定する。仮にミラーのこのカテゴリーが非常に特殊な固有周波数において共鳴的に動作されようとすると、第一の要請は、トーションビーム４１の回転剛性が非常に特殊な値である必要がある。第二の要請は、機械的応力を許容水準に維持するために、上記回転剛性はできるだけ小さいべきであり、これは第一の要請と矛盾する。第三の要請は、他の全ての自由度において、トーションビーム４１は、特に面外の並進運動に対して、できるだけ硬いべきであり、それにより、これら三つ全ての要請を考慮すると、これらのトーションビーム４１の最適寸法を見いだすのが一層困難となる。
【0009】
ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーにおける画質の問題は二つの効果から生じる。すなわち、ミラーの望ましくない剛体運動と、ミラーの変形（動的、静的いずれか）である。そのような効果によって画質があまりに悪いのであれば、高い画像解像度を達成することはできず、特に大きな画面にとって好ましくない。
【0010】
上記の好ましくない剛体運動は機械的なサスペンションによって導入される。前述のミラーカテゴリー中のトーションビーム４１がミラー５２及びフレーム６０間の唯一の接着点であるため、トーションビーム４１は、走査軸５８についての回転剛性だけでなく、全方向のサスペンション剛性を定める。トーションビームの配置は、ミラーの質量及び質量慣性モーメントが対応する回転に対してするように、システムのより高次の共鳴周波数に対して影響を与える。最も重要な高次の共鳴モードは面外ロッキングモード（Ｘ軸まわりの回転）、垂直並進モード（Ｚ軸に沿った）、面内回転モード（Ｚ軸まわりの回転）及び水平並進モード（Ｘ軸に沿った）である。面外ロッキング及び垂直並進共鳴モードはスキャナーディスプレイの画質を大幅に悪化させる。
【0011】
マイクロミラーの静的及び動的な変形も、スキャナーディスプレイの画質を悪化させる。この変形は±λ／１０よりも大きくなるべきではない。ここでλはスキャニングの適用に用いられる最も短いレーザー波長である。静的な変形は、例えば反射金属層を堆積する時または酸化物膜を除去する時に、ＭＥＭＳミラーの処理によって引き起こされる内部の機械的応力から生じることがある。上記静的な変形は、応力レベルを減らすことによって、またはミラーボディ５０の剛性を高め、機械的応力に対してより弾性的にすることによって、減らすことができる。一方、動的な変形はミラーボディ５０にかかる慣性力によって生じ、振動運動の加速及び減速によって避けることができない。とても集中した力が、ミラーボディのサスペンションポイントに生じることになる。これらの力のレベルは加速の量に相関し、加速の量はさらに振動振幅と、振動周波数と、鏡の幾何学的な寸法と、に相関する。残念なことに、画像解像度は、走査角度とマイクロミラーの直径との積に比例する。より高い画像解像度は、より大きな走査角度を必要とし、それはトーションビーム４１の応力を増大させるだけでなく、動的な変形も増大させる。それはまた、より高い走査周波数を必要とし、応力及び動的な変形に対して同様の効果を有する。トーションビーム４１がミラープレート及びフレームの唯一の接着点であるため、これらのトーションビーム４１によって生じるとても集中した力が、ミラーボディ５０及びマイクロミラー５２を変形する。
【0012】
図１Ｂは、ミラーボディ５０にねじり剛性を与えるカンチレバービーム７２を用いて、トーションビーム４０への要請のひとつを除く、ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの第二のカテゴリーの例を示す。ここでトーションビーム４０は回転軸５８を提供しなければいけないだけであり、回転剛性ができるだけ低くあるべきことを意味し、一方でトーションビーム４０のその他全ての自由度の剛性はできるだけ高いべきである。この場合、トーションビーム４１はより適切に「垂直サポートビーム」と呼ばれる。ＭＥＭＳスキャニングミラーのこのカテゴリーは、明確な固有周波数と、寄生振動モードの十分な抑制と、低い機械的応力と、を有するように、より簡単に設計され得る。このカテゴリーのＭＥＭＳスキャニングミラーの実施形態は特許文献４に記載されている。本実施形態では、図１Ｃに概略的に描かれたフレキシブルリンク７４がカンチレバービーム７２とミラーボディ５０とを接続し、それによりカンチレバービーム７２の一端が少なくともＸ方向に平行移動できるようになる。これによってカンチレバービーム７２はいかなる引張応力からも解放され、したがってこれらのフレキシブルリンク７４は、より適切に「リリーフスプリング」と呼ばれる。しかしこの実施形態には、いくつかの欠点が認められる。
【0013】
―上記リリーフスプリング７４はカンチレバービーム７２とミラーボディ５０の中間に配され、リリーフスプリング７４の長さ及び数が制限され、それはさらに、例えば機械的応力を低減する中で設計者を制限する。
【0014】
―リリーフスプリング７４は回転軸５８まわりを、ミラーボディ５０の回転とともに回転し、従って合計の慣性が大きくなる。従って、より多くの、またはより重いリリーフスプリング７４を用いることで、慣性が大きくなり、固有周波数が小さくなり、カンチレバービームアセンブリ７０のより高い回転剛性が必要となる。
【0015】
―カンチレバービーム７２は四隅においてミラーボディ５０に接続され、それにより、ミラーボディ５０の慣性を増大させることなしにカンチレバービーム７２の長さを延ばすことができない。カンチレバービーム７２の長さが延びると、接着点は回転軸５８から離れなければならなくなる。
【0016】
―ミラーボディ５０のそれぞれの角にカンチレバービームアセンブリによって力が働き、従って、それぞれの角に十分な剛性が提供されなければならない。これは質量の付加を要求し、それにより慣性が増大する。
【0017】
―たった一つのリリーフスプリング７４が用いられており、それはカンチレバービーム７２のその端の回転自由度を束縛しないので、それによりリリーフスプリング７４に大きな応力をもたらす。
【0018】
ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーはまた、ミラープレートと物理的に接触せずに、走査軸についてのミラープレートへのトルクを、磁気的にまたは電気的に印加するドライバを含む。上記ドライバは典型的にはミラープレートを共鳴周波数で駆動する。ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーは、単結晶シリコンまたは多結晶シリコンから、フォトリソグラフィーを用いて作られる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0019】
【特許文献1】米国特許第６３９２２２０号明細書
【特許文献2】特開２００８−１９７１４０号公報
【特許文献3】国際公開第２００６／１３１９１６号
【特許文献4】国際公開第２００９／０４４３３１号
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0020】
本発明の目的は、上述の欠点のうちの一つ以上を少なくとも部分的に克服したＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーを提供することである。
【課題を解決するための手段】
【0021】
本発明の一側面によれば、ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーは、１つのフレームと、前記フレームに配された１つのミラーボディとを含んで提供される。ミラーボディはフレームによって定義される平面内で延長される回転軸まわりを回転可能である。ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーはさらに、長手方向を有し、前記平面内に延長された、少なくとも一つのカンチレバービームアセンブリを備え、ミラーボディ及びフレームの間に回転軸に沿って接続された垂直サポートビームを備える。前記少なくとも一つのカンチレバービームアセンブリは、第一端及び第二端を備えるカンチレバービームと、第一端に、前記長手方向におけるカンチレバービームの並進運動を可能とする、リリーフ手段とを有する。カンチレバービームはリリーフ手段を介してフレームに結合された第一端を有し、ミラーボディに固定された第二端を有する。カンチレバービームはフレームの平面と垂直に厚みを有し、それはフレームの平面における幅よりも小さい。前記少なくとも一つのカンチレバービームアセンブリは回転軸についてのねじり剛性を設定し、一方で垂直サポートビームのねじり剛性に与える影響は無視できる。
【0022】
本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーでは、カンチレバービームはリリーフ手段を介してフレームに結合される。それとともにカンチレバービームは長手方向に自由に伸縮することができ、それとともに、ミラーボディの回転慣性の増大を避けつつ、カンチレバービームの引張応力の増大を避ける。
【0023】
本発明の、上述の、及び他の特徴及び長所が、添付の図面とともに読まれる、以下の現在の好ましい実施形態の詳細な説明から、さらに明らかとなるであろう。詳細な説明及び図面は発明を説明する例に過ぎず、添付された特許請求の範囲およびその相当物によって定められる発明の範囲を制限するものではない。
【図面の簡単な説明】
【0024】
【図1A】既存のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの概略図である。
【図1B】既存のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの概略図である。
【図1C】既存のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの概略図である。
【図2A】それぞれ本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの平面図及び断面図である。
【図2B】それぞれ本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの平面図及び断面図である。
【図3A】本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの実施形態の概略図である。
【図3B】本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの実施形態の概略図である。
【図3C】本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの実施形態の概略図である。
【図4A】本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー用のくし型フィンガーの詳細な斜視図である。
【図4B】それぞれ別の部位にアクチュエータを備えた、本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの異なった実施形態を示す。
【図4C】それぞれ別の部位にアクチュエータを備えた、本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの異なった実施形態を示す。
【図4D】それぞれ別の部位にアクチュエータを備えた、本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの異なった実施形態を示す。
【図4E】それぞれ別の部位にアクチュエータを備えた、本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの異なった実施形態を示す。
【図5A】カンチレバービームの屈曲が引張応力に与える影響を示す。
【図5B】カンチレバービームの屈曲が引張応力に与える影響を示す。
【図5C】カンチレバービームの一端の並進及び回転の自由を示す。
【図5D】カンチレバービームの一端の並進及び回転の自由を示す。
【図6A】フィレットがないか、小さいか、大きいか、の弾性素子の様々な設計を示す。
【図6B】フィレットがないか、小さいか、大きいか、の弾性素子の様々な設計を示す。
【図6C】フィレットがないか、小さいか、大きいか、の弾性素子の様々な設計を示す。
【図6D】フィレットがないか、小さいか、大きいか、の弾性素子の様々な設計を示す。
【図6E】フィレットがないか、小さいか、大きいか、の弾性素子の様々な設計を示す。
【図7A】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図7B】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図7C】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図7D】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図7E】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図7F】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図7G】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図7H】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図7I】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図7J】それぞれ異なった数のリリーフスプリングを有するか、異なった場所にリリーフスプリングを有するか、カンチレバービームと別の接続をするか、のリリーフスプリングの様々な実施形態を示す。
【図8A】リリーフスプリングの、回転剛性の非線形性に対して与える影響を示す。
【図8B】リリーフスプリングの、回転剛性の非線形性に対して与える影響を示す。
【発明を実施するための形態】
【0025】
以下の詳細な説明において、本発明の完全な理解を提供するために、数多くの具体的な詳細が明らかとされる。しかし当業者は、これらの具体的な詳細なしに本発明を実施しても良いことが分かるであろう。他の例では、本発明の側面を目立たなくさせないために、周知の方法、手順及び構成要素については記述されていない。
【0026】
これ以後、発明の実施形態が描かれた添付図面を参照して、発明がより完全に描写される。しかし、本発明は多くの異なった形態で具体化することができ、ここにおいて明らかとされる実施形態に制限されると解釈されるべきではない。そうではなく、これらの実施形態は本開示が完全かつ徹底的なものとなるように提供され、これらによって当業者に本発明の範囲が完全に伝わるであろう。図中において、明確にするために、層及び領域の大きさ及び相対的な大きさが誇張されているかもしれない。ここで発明の実施形態は、本発明の理想的な実施形態（及び中間構造）の概略図である断面図を参考として、描写される。従って、例えば製造技術及び／又は製作公差から生じる、図の形状からの変形が予想される。従って、本発明の実施形態は、ここに描かれた領域の特定の形状に制限されると解釈されるべきではなく、例えば製造面から生じる形状の偏差を含むことができる。従って、図で描かれた領域は本質的に概略的なものであり、それらの形状は装置の領域の正確な形状を描くように意図されておらず、発明の範囲を制限するように意図されていない。
【0027】
ここで様々な構成要素、構成部分、領域、層、及び／又はセクションを記述するために、第一、第二、第三、などの用語が用いられたとしても、これらの構成要素、構成部分、領域、層、及び／又はセクションはこれらの用語によって制限を受けるべきではない。これらの用語は、一つの構成要素、構成部分、領域、層、又はセクションを別の領域、層、又はセクションから区別するために用いられているに過ぎない。従って、本発明の教えから離れることなく、以下で議論される第一の構成要素、構成部分、領域、層、又はセクションは第二の構成要素、構成部分、領域、層、又はセクションと呼ばれ得る。
【0028】
別に定義がない限り、ここで用いられる全ての用語は（技術的及び科学的な用語を含む）、当業者によって通常理解されているのと同じ意味を有する。さらに、通常用いられている辞書に定義されているような用語は、その関連分野の文脈中での意味と矛盾しない意味を持つと解釈されるべきであり、ここで特別にそのように定義されない限り、理想的または過度に形式にとらわれた意味で解釈されない。不一致の際には、定義を含む、本明細書がコントロールする。さらに、材料、方法、例は説明例にすぎず、制限する意図ではない。
【0029】
特別に言及されない限り、「長手方向」という表現は、カンチレバービームの長手方向と理解される。
【0030】
類似の構成要素が類似の参照番号を共有している、図２Ａ〜図２Ｃはそれぞれ、本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー３０の平面図及び断面図である。図２Ａは休止位置のマイクロミラーを示す。図２Ｂは、図２ＡのセクションＡ−Ａに沿った断面図による休止位置のマイクロミラーを示し、図２Ｃは、ミラーボディ５０が回転軸５８まわりに傾いた、図２ＡのセクションＡ−Ａに沿った断面図である。
【0031】
ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー３０は、ミラーボディ５０と、フレーム６０と、カンチレバービームアセンブリ７０と、垂直サポートビーム４０とを含む。カンチレバービームアセンブリ７０はカンチレバービーム７２と、一つ以上のリリーフスプリング７４１を備えるリリーフ手段７４とを有する。ミラーボディ５０はミラーサポート５４上のミラー５２と、回転軸５８とを有する。一つの実施形態では、ミラー５２はミラーサポート５４の上に形成される。別の実施形態では、ミラー５２はミラーサポート５２に取り付けられる。ミラーボディ５０は、正方形、長方形、円形、楕円形、その他、特定の用途に望まれるいかなる平面形状でもよい。ミラーの面がミラーサポート５４の鏡面を画定する。当業者であればミラー５２及びミラーサポート５４の形状は独立であり、特定の用途に望まれるいかなる形状でもよく、例えば円形、楕円形、正方形、長方形、または他の望まれる形状でよいことを理解する。ミラーボディ５０はフレーム６０のミラー窪み６２内に配される。フレーム６０は窪みの外周６４を伴うミラー窪み６２を形成する。
【0032】
示された実施形態では、カンチレバービーム７２は、低い材料剛性の向きを有する単結晶シリコン層で実施される。カンチレバービームは、低い材料剛性の方向と同じ方向に長手方向を有する。これにより層の割れのリスクを低減することができる。さらに詳細には、カンチレバービーム７２は＜１００＞軸を有するシリコン層で実施され、カンチレバービームは、この場合低い材料剛性を有する＜１００＞方向と同じ方向に長手方向を有する。層は絶縁層上のシリコンとして形成されてもよい。
【0033】
ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーはミラーボディ５０と結合されたカンチレバービームアセンブリ７０を用いて、回転軸５８まわりのねじり剛性を設定する。一対の垂直サポートビーム４０は、回転軸５８において、垂直に（すなわち、フレーム６０の主表面と直角に）ミラーボディ５０を支える。しかし、垂直サポートビーム４０はねじり剛性に対して無視できる程度の影響しか与えないので、ミラーボディ５０の固有周波数は実質上カンチレバービームアセンブリ７０によって決定される。固有周波数は実質上、垂直サポートビーム４０と独立である。ここで定義される固有周波数とは、ミラーボディ５０の回転軸５８まわりの、非減衰の周波数である。垂直サポートビーム４０は面外ロッキングと、対応する動的モード及び対応する共鳴周波数の垂直モード剛性とを規定する。ねじり剛性は面外ロッキング及び垂直モード剛性から分離することができるので、ねじりモード剛性及び共鳴周波数に影響を与えることなく、面外ロッキング及び垂直モード周波数は、より高い値などの、望ましい値に設定され得る。ここに定義されるように、Ｙ軸は回転軸５８に沿い、Ｘ軸はミラー５２が停止している際の鏡面上でＹ軸と直交し、Ｚ軸はミラー５２が停止している際の鏡面に直交し、鏡面の外に出る。
【0034】
カンチレバービーム７２の一端７２２はミラーボディ５０に固定され、一方で他端７２１はリリーフ手段７４と接続される。これは図３Ａから３Ｃに概略的に描かれてもおり、類似の構成要素は図２Ａと類似の参照番号を共有する。
【0035】
図３Ａ及び図２Ａの実施例において、少なくとも一つのカンチレバービーム７２の第二端７２２は、回転軸５８の近くの位置５３においてミラーボディ５０に接続され、第一端７２１は、回転軸５８から遠く離れた位置でリリーフ手段７４と接続される。
【0036】
カンチレバービームアセンブリ７０はマイクロミラーボディ５０の回転軸５８まわりのねじり剛性を提供する。リリーフ手段７４は、カンチレバービーム７２からフレーム６０へ、コンプライアントな又はフレキシブルな結合を提供する。リリーフ手段７４は、カンチレバービーム７２の長手方向（図３Ａ、図３ＢのＸ方向、図３ＣのＹ方向）に相対的に低い剛性を有し、それによりミラーボディ５０が回転軸５８まわりに回転した際に、カンチレバービーム７２の一端が長手方向に動くことができる。リリーフ手段７４は横方向（図３Ａ、図３ＢにおけるＺ方向及びＹ方向、図３ＣにおけるＸ方向）に相対的に大きな剛性を有する。
【0037】
図３Ｃにおいて、カンチレバービーム７２は回転軸５８と平行に向いており、カンチレバービーム７２と回転軸５８が必ずしも直交しなくてもよいことを示す。そのような平行配置はマイクロミラー３０の全体寸法を抑えるために使用されるが、機械的応力を増大させる、カンチレバービーム７２のねじれを引き起こすだろう。
【0038】
回転軸５８まわりのミラー５２の回転についてのねじり剛性は、主にミラーボディ５０の慣性及びカンチレバービームアセンブリ７０の剛性によって定められ、さらにそれはカンチレバービーム７２の曲げ剛性並びにリリーフ手段７４のねじり及び並進剛性により定められる。カンチレバービーム７２の曲げ剛性は、カンチレバービーム７２の長さ、幅、及び最も重要な厚みによって定められる。
【0039】
垂直サポートビーム４０及びリリーフ手段７４のＸ方向における複合的な剛性が、動作中の回転軸５８と直交する方向（Ｘ方向）のミラーボディ５０の動きを妨げる。以下に、リリーフ手段７４の更なる詳細が提供される。
【0040】
垂直サポートビーム４０はフレーム６０及びミラーボディ５０の間に、回転軸５８に沿って接続され、フレーム６０中のマイクロミラーボディ５０を支える。一つの実施形態では、垂直サポートビーム４０は回転軸５８に対して垂直に細い長方形の断面を有し、ミラー５２及びミラーボディ５０の表面に垂直に、上記長方形の長軸を、ミラー５２の表面に平行に、上記長方形の短軸を備える。回転軸５８まわりのＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー３０の回転に対応するねじり剛性は、カンチレバービームアセンブリ７０によって提供される。垂直サポートビーム４０はミラーボディ５０を支える為だけに必要であり、ねじり剛性への影響は無視できる。垂直サポートビーム４０は、ミラーボディ５０の垂直変位（Ｚ方向）に対する剛性と、回転軸５８と垂直な（Ｘ軸まわりの）ロッキング運動に対する剛性と、ができるだけ大きくなるような大きさに作られる。
【0041】
ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー３０は、回転軸５８のまわりにミラーボディ５０を動かすトルクを提供する、アクチュエータ８０を含むことができる。一つの実施形態では、アクチュエータ８０は、フレーム６０に取り付けられたくし型のフレーム８４と交互に配置される、ミラーボディ５０に取り付けられたくし型のミラー８２を含む。交互に配置されたくし型のミラー８２とくし型のフレーム８４との間に電位差を作ると、くし型のミラー８２とくし型のフレーム８４の間に駆動力が生じ、それによって回転軸５８まわりのミラーボディ５０へのトルクが生じる。ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー３０を動かすために、固有周波数の振動電位を印加することができる。他の駆動方法の例は、電磁式駆動及び圧電アクチュエータを含む。電磁式駆動では、マイクロミラーは磁界中に「浸され」、導電パスを通る交流電流が、必要な回転軸５８まわりの振動トルクを生み出す。圧電アクチュエータはカンチレバーミームに集中されることができ、又は電気信号に反応して交互のビームを曲げる力を生じ、必要な振動トルクを生み出す、圧電材料で作られ得る。
【0042】
ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー３０は、フォトリソグラフィーやＤＲＩＥ技術を用いて、単結晶シリコンまたは多結晶シリコン材料からつくられ得る。図４Ａは、図２Ａと類似の構成要素は類似の参照番号を共有し、本発明のＭＥＭＳスキャニングマイクロミラー用のくし型フィンガーの詳細な斜視図である。くし型ミラー８２のくし型フィンガー１００は、くし型のフレーム８４のくし型フィンガー１１０と交互に配置される。一つの実施形態では、ＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーは、上部シリコン層と下部シリコン層と上部シリコン層及び下部シリコン層の間の絶縁層とを有する、シリコンオンインシュレーター（ＳＯＩ）ウェハから作られ得る。一つの実施形態では、くし型ミラー８２及びくし型フレーム８４は、絶縁層がくしを鏡面と平行に分断し、電気的に絶縁された上部導電部及び下部導電部を各くし型フィンガーにつくるように製造される。くし型ミラー８２のくし型フィンガー１００は、第一導電部１０２及び絶縁層１０６で分離された第二導電部１０４を含む。くし型フレーム８４のくし型フィンガー１１０は、第一電導部１１２及び絶縁層１１６で分離された第二電導部１１４を含む。くし型ミラー８２の上部導電部とくし型フレーム８４の下部導電部に、またはその反対に、電位差を作ると、くし型ミラー８２及びくし型フレーム８４が同じ向きに揃い、ミラーボディ５０が休止している時に、くし型ミラー８２及びくし型フレーム８４の間に最初の駆動力が生じる。二つの（トップとボトム）部分のくし型フィンガーの分離は、対向する層とスイッチングすることにより、一振動サイクルに半分の振動期間よりも長い時間の駆動ポテンシャル（最終的にはくし型フィンガーの位置関係によるトルク）をつくる。一つの実施形態では、カンチレバービームはシリコンオンインシュレーターウェハの上部シリコン層に作られることができ、くし型ミラー８２のトップ第一導電部に電位を与えることができる。別の実施形態では、カンチレバービームはシリコンオンインシュレーターウェハの下部シリコン層に作ることができ、くし型ミラー８２のボトム第二導電部１０４に電位を与えることができる。別の実施形態では、垂直サポートビームがシリコンオンインシュレーターウェハの下部シリコン層に作られることができ、くし型ミラー８２のボトム第二導電部１０４に電位を与えることができる。別の実施形態では、垂直サポートビームはシリコンオンインシュレーターウェハの上部シリコン層に作られることができ、くし型ミラー８２のトップ第一導電部１０２に電位を与えることができる。さらに他の実施形態では、垂直サポートビームはシリコンオンインシュレーターウェハの下部シリコン層及びシリコンオンインシュレーターウェハの上部シリコン層の両方に作られることができ、くし型ミラー８２のボトム第二導電部１０４及びくし型ミラー８２のトップ第一導電部１０２の両方に電位を与えることができる。
【0043】
一つの実施形態において、くし型ミラー８２のトップ第一導電部１０２は、導電性ビア、ワイヤーボンド、または付加的な金属堆積によってくし型ミラー８２のボトム第二導電部１０４と短絡される。
【0044】
図４Ｂから図４Ｅは本発明の異なる実施形態を示し、それぞれアクチュエータ８０の位置が異なる。図４Ｂでは、アクチュエータ８０は湾曲され、ミラーボディ５０の周囲に位置している。図４Ｃでは、アクチュエータ８０は湾曲されず、ミラーボディ５０の周囲に位置しているが、回転軸５８からの距離はより大きい。図４Ｄでは、アクチュエータ８０は、回転軸５８近くのミラーボディ５０のそれぞれの側であってミラーボディとカンチレバービームアセンブリとの間に位置している。図４Ｅではアクチュエータ８０は回転軸５８近くのミラーボディ５０のそれぞれの側であって、しかしカンチレバービームアセンブリとフレームとの間に位置している。
【0045】
図２Ａに示される通り、アクチュエータ８０は少なくとも一つの付加的な一対の相互に連携するくし８６、８８を有する。第一に言及した一対のくし８２、８４と同様に、上記少なくとも一対の付加的なくしの、一つのくし８６はミラーボディ５０に連結固定されて、上記付加的な一対のくしの、もう一つのくし８８はフレーム６０に連結固定される。付加的な一対のくし８６、８８は、先に述べた一対の相互に連携するくし８２、８４とは回転軸５８からの距離が異なって配される。この場合回転軸５８のより近くに配置されている、付加的な一対のくし８６、８８の存在によって、たとえより外側に配置された一対のくし８２、８４が互いに関して相対的に大きな接線方向の変位を有したとしても、アクチュエータ８０がマイクロミラーボディ５０に回転力を印加することができる。
【0047】
図５Ａ及び図５Ｂは、ミラーボディ及び第一端で強固な基準フレームに固定される二つのカンチレバービームの概略的な側面図である。その中で図５Ａは休止状態のミラーボディを示し、図５Ｂは回転軸まわりに回転したミラーボディを示す。図５Ｃは、傾いたミラーボディ及び第一端がガイドされた、すなわち強固な基準フレームに長手方向に動くことができる（ｄｘ）ように付けられた、二つのカンチレバービームの概略的な側面図を示す。図５Ｄは、傾いたミラーボディ及び第一端がサポートされた、すなわち長手方向に動くことができる（ｄｘ）ように、そして上記長手方向を横断し、フレームによって定義される平面内の軸まわりに、強固な基準フレームに対して回転可能（Ｒｙ）であるように付けられた、第一端を有する二つのカンチレバービームの概略的な側面図を示す。
【0048】
図８Ａ、図８Ｂは、一方で図５Ａと図５Ｂの配置を、他方で図５Ｄの配置を比較したシミュレーション結果である。この中で、図８Ａはミラーの傾き角度を負荷の関数として示し、図８Ｂは相対的な回転剛性を上記傾き角度の関数として示す。
【0049】
ミラーボディが休止状態の、図５Ａで示される固定されたカンチレバービームの配置では、ミラーボディの傾き角度はゼロであり、カンチレバービームは変形がなく、従って応力もかからない。カンチレバービームの長さはＬ０である。しかし、図５Ｂに示されるように、回転軸のまわりをミラーボディが回転すると、カンチレバーは曲げられ、カンチレバーの一端はミラーボディとともに回転し、他端は固定されているために、Ｓ字型となる。基準フレームに固定されたカンチレバービームの端はＸ方向に動くことができないため、Ｓ字型の軌道の長さＬ１はＬ０よりも長い。従って、カンチレバービームは引っ張られ、又は少し引き延ばされることとなる。これにより曲げ応力に加えて引張応力がカンチレバービームに生じ、それによって故障のリスクが高まり、剛性は増加する。ミラーボディの傾き角度が大きいと、引張応力がさらに支配的となり、図８Ａの実線で示される通り、鏡のそれ以上の傾きを妨げる。そのような場合、図８Ｂの実線で示されるように、剛性は傾き角度の関数として、強い非線形性が観測される。図５Ｄの配置だと、カンチレバービームの一端がＸ軸方向に並進運動し、Ｙ軸と平行な軸まわりに回転する自由を与えられている。これによってカンチレバービームから大半の引張応力が除去され、それによってミラーボディの回転剛性が減少し、図８Ｂの破線で示されるように、回転剛性はミラーボディの傾き角度の関数として、線形性が高まる。それはまた、カンチレバービーム中の機械的応力の総量を下げることによって機械的な故障のリスクを低減する。ミラーボディの回転剛性は、図５Ｃに描かれるように、並進運動が制限されてさえいなければ、大きくなる。これによって、そうでなければ回転によって生じていた、リリーフ手段中の機械的応力を低減するが、これは回転角度の関数としたカンチレバービームアセンブリの剛性の非線形性を増大させ得る。
【0050】
図２Ａは四つのカンチレバービーム７２を備えたミラーボディの実施形態を示し、それぞれのカンチレバービーム７２には並進自由度（ＤＯＦ）が提供される。リリーフ手段７４の多くのリリーフスプリング７４１により、カンチレバービーム７２の一端は、少なくともＸ方向の並進運動が可能となり、これによってカンチレバービーム７２から大半の引張応力が軽減される。もしカンチレバービームの一端の、全てのリリーフスプリング７４１が同一線上に同じ向きに揃えば（図７Ｂ参照）、Ｙ軸と平行な軸まわりの回転も制限されない。そのような場合、カンチレバービーム７２の曲げ応力及び剛性も低減されるであろう。しかし、もし図２Ａや図７Ｃから図７Ｅに示されるように複数のリリーフスプリング７４１が同一線上でなく用いられると、Ｘ方向の並進自由度のみ制限されないであろう。
【0051】
そのようなリリーフスプリング７４１は、原理的にはカンチレバービーム７２のどちらの端に位置することもできる。しかし、もしそれらがカンチレバービーム７２とミラーボディ５０との間に位置したとすると、ミラーボディ５０自体に従って、回転軸５８まわりを回転してしまうため、ウェハ平面から出て行ってしまうだろう。これにより、望ましい振動周波数を達成するためには、ミラーボディ５０及びカンチレバービームアセンブリ７０の合計の回転慣性ができるだけ低いべきであるので、慣性の観点からリリーフスプリング７４１に対し制限が課せられる。もしリリーフスプリング７４１を、カンチレバービームアセンブリ７０の長手方向（図２ＡでのＸ方向）に比べて、他の全ての方向で硬く設計しようとすれば、追加材料が必要となり、不可避的に追加の回転慣性が必要となる。もしリリーフスプリング７４１が、カンチレバービーム７２のもう一方の（不動の）端において、フレーム６０とカンチレバービーム７２の間にあれば、それらはほとんど一切慣性を付加しないため、好ましい実施形態となる。これが本計算によって示されている。
【0052】
図２Ａと同様に、六つの平行なリリーフスプリング７４１が用いられたと仮定する。リリーフスプリング７４１は、長さ約３００μｍ（Ｙ方向）、高さ約５０μｍ（Ｚ方向）、平均の厚み約１０μｍ（Ｘ方向）である。従ってこれら六つの平行なリリーフスプリング７４１の重量は約２μｇである。Ｕ字型をした剛体７４２の外部境界ボックスは約５００×２９０μｍの寸法であり、一方、Ｕ字型を形成する内側のカットアウトは約４２０×１９０μｍの寸法である。厚みをリリーフスプリング７４１の厚みと同じと仮定すると、上記Ｕ字型の剛体の重さは約７．６μｇと計算される。従って、リリーフスプリング７４１とＵ字型の剛体７４２とで構成される、リリーフ手段７４の総重量は約９．６μｇとなる。
【0053】
また、リリーフ手段７４がミラーボディ５０に装着されたと仮定する。この場合、それらはミラーボディ５０とともに回転軸５８まわりを回転する。回転軸５８への距離（ｒ）が分かれば、回転慣性への寄与が計算できる。図２Ａでは、この距離は約１５６０μｍである。質点（ｍ）の慣性モーメント（Ｉ）はｍｒ２であるから、慣性は２．４×１０−１４Ｋｇｍ２となる。ミラーデバイス３０の各角にリリーフ手段７４を有するので、さらに四倍され、慣性への総寄与は９．４×１０−１４Ｋｇｍ２となる。しかしミラーボディ５０とカンチレバービーム７２を合わせた複合的な回転慣性は２×１０−１３Ｋｇｍ２と小さい。従ってリリーフ手段７４は、直接ミラーボディ５０に取り付けられれば、回転慣性を４７％も増大させる。しかし、もしリリーフ手段７４が、カンチレバービーム７２とミラーボディ５０との間に存在する代わりに、カンチレバービーム７２とフレーム６０との間に存在すると、それらはほとんど動かず、回転慣性への寄与はずっと小さくなるか、無視できるものとなる。これは図３Ｂに示されるような実施形態に適用できるだけでなく、リリーフ手段７４が回転軸５８からずっと離れて位置している図３Ａや図２Ａと同様の実施形態にも適用できる。
【0054】
リリーフ手段７４をカンチレバービーム７２とミラーボディ５０との間に配置しない別の理由は、その場合、リリーフ手段７４は、カンチレバービーム７２からミラーボディ５０に非常に大きい力をトランスファーするために、ミラーボディ５０にがっちりと固定されなければならず、すでに上で計算した慣性に加えて、さらに質量及び慣性の追加が必要となるからである。さらにそれは、すでにリリーフ手段７４自体のために必要とされた面積に加えて、かなり大きな面積を必要とする。しかし本願の図２Ａ及び特許文献４の図５Ａから図５Ｅから明らかなように、カンチレバービーム７２とミラーボディ５０との間で利用できる面積は極めて限定されている。カンチレバービーム７２とフレーム６０の間の、他端で利用可能な面積はずっと広く、例えば長いリリーフスプリング７４１または平行な複数のリリーフスプリング７４１を使用する自由や、剛性や応力などの機械パラメータを調整する設計を最適化する自由がずっと広がる。これは構造力学の中で、寸法と負荷と変位と応力の間の関係を表す、かなりよく知られた式を用いて表すことができる。
【0055】
Ｗ．Ｃ．Ｙｏｕｎｇの「Ｒｏａｒｋ’ｓ Ｆｏｒｍｕｌａｓ ｆｏｒ Ｓｔｒｅｓｓ ａｎｄ Ｓｔｒａｉｎ」によれば、一端が完全に固定され、もう一端が部分的に固定されているカンチレバーに負荷（Ｗ）がかかった状態でのカンチレバービームの変位（ｘ）は、以下で表され、ｘ＝（Ｗｌ３）／（１６Ｅｂｄ３）
Ｅは材料のヤング係数であり、ｌはカンチレバービームの長さであり、ｂはカンチレバービームの高さであり、ｄはカンチレバービームの厚さである。同様に、応力（σ）は、以下で表される。
σ＝（６Ｗｌ）／（８ｂｄ２）
【0056】
応力の変位に対する比率は、以下で表され、（σ／ｘ）＝（１２Ｅｄ）／ｌ２
ここから、変位（ｘ）が与えられたとき、応力（σ）が長さの二乗に反比例することが分かる。従ってリリーフスプリング７４１の長さを延長すると機械的応力を大幅に低減する。これは、リリーフ手段７４がカンチレバービーム７２とフレーム６０との間に位置していれば、カンチレバービーム７２のそちら側の端ではより広い空間を利用可能なため、より簡単に実現できる。同時に、これにより複数の幾何学的に平行なリリーフスプリング７４１を使用することができ（図７Ｃから図７Ｅ参照）、カンチレバービームのその端の回転自由度を制限する。
【0057】
カンチレバービーム７２の引張歪み及び応力を低減するために、リリーフ手段７４は、カンチレバービーム７２の長手方向（図２のＸ方向）にいくらかのコンプライアンスを提供しなければならない。しかし、望んでいない動きを避けるために、カンチレバービーム７２の横方向（図３Ａ、図３ＢのＺ方向及びＹ方向、図３ＣのＺ方向及びＸ方向）の並進運動はできるだけ強く抑えられるべきである。許容される唯一の動きは、回転軸５８まわりのミラーボディ５０の傾きである。従ってリリーフ手段７４はカンチレバービームの横方向にできるだけ硬いべきであるが、これはカンチレバービームの長手方向についてのコンプライアンスの要請と矛盾する。ここでトレードオフが必要となるが、幸い必要とされる長手方向の並進は比較的小さく、すなわち３０μｍ未満である。これはアクチュエータ８０やミラーボディ５０の最大の並進に比べてずっと小さい。従ってリリーフ手段７４はカンチレバービーム７２の長手方向にも比較的硬く設計され、それにより長手方向のストロークが小さくなる。これは他の方向についての高い並進剛性が可能とする。この、長手方向以外の全ての方向における高い並進剛性は、リリーフ手段７４のカンチレバービーム７２へのコンプライアント接続によって損なわれてはならない。このような理由で、付加的な剛体７４２はリリーフスプリング７４１及びカンチレバービーム７２の間に用いられる（図７Ｄ参照）。この剛体７４２によってリリーフスプリング７４１のカンチレバービーム７２への接続が容易となる。リリーフスプリング７４１は、カンチレバービーム７２の長手方向にその最も薄い寸法を有することが好ましい。このようにして、リリーフスプリング７４１は、その付属したカンチレバービーム７２の長手方向を横切る方向に高い並進剛性を提供する。例として図２に示されるリリーフスプリング７４１は、長手方向に５μｍの最も薄い厚みを有し、その高さ、すなわちＺ方向の寸法、は約５５μｍである。比較として、付属するカンチレバービーム７２はミラー５２の面と垂直に最も薄い寸法（約１０μｍ）を有し、上記平面及びそれと直交する方向に、約３００μｍの最も小さな幅を有する。この剛体７４２は、まるでカンチレバービーム７２に巻きつけられているかのように、Ｕ字型でよい（図７Ｅ参照）。すなわち、カンチレバービーム７２は、剛体要素７４２の中央部７４３に接続され、リリーフスプリング７４１は、Ｕ字型の剛体の周辺部７４４の外側に接続される。この実施形態は、リリーフ手段７４が、その付属のカンチレバービーム７２の第一端７２１において小さな面積しか占めないという点で好都合である。このようにして、カンチレバービーム７２及びそのリリーフ手段７４の寸法を決めるのに、より多くの自由度が利用可能となり、長手方向に限られた広さの空間しか利用できないときに、特に好都合である。
【0058】
図７Ｄ及び図７Ｅの実施形態において、剛体要素７４２は、付属するカンチレバービーム７２より実質的に厚い、すなわち二倍以上厚い、厚みを有する。この実施形態では、これはＭＥＭＳミラーデバイスが、約１０μｍの厚みの上層と、厚さ約１μｍの絶縁層によって隔たれた厚さ約３００μｍの下層と、を有するＳＯＩウェハで実施されて実現する。この中で、剛体要素７４２は上層と、絶縁層と、一部の下層とに形成され、結果として５５μｍの厚みとなり、付属するカンチレバービーム７２は上層に形成される。その結果、この実施形態では、剛体要素７４２はカンチレバービームの約５．５倍の厚みを有する。
【0059】
これによってＭＥＭＳミラーデバイス３０の全体寸法が限定され、一つのシリコンウェハ上により多くのデバイスが製造できるようになる。図７Ｆ、図７Ｇに描かれるような別の実施形態では、リリーフスプリング７４１の形状はジグザグ形状である。図７Ｈから図７Ｊでは、リリーフスプリング７４１がＸ軸まわりに９０度回転されている。全ての実施形態は共通して、カンチレバービーム７２がリリーフ手段７４を介してフレーム６０と結合されている。それとともに、カンチレバービーム７２は、ミラーボディ５０の回転慣性を増大させるのを避けつつ、長手方向に自由に伸縮することが可能となる。
【0060】
一つの実施形態では、ＭＥＭＳミラーデバイス３０は、ミラーボディ５０とフレーム６０との間に直接結合される、少なくとも一つの付加的なカンチレバービーム（示されていない）を有する。そのような付加的なカンチレバービームはミラーの長手方向の振動を低減するために付加されてもよい。上記付加的なカンチレバービームは、典型的には、カンチレバービーム７２よりも小さいねじり剛性を有する。これは、付加的なカンチレバービームをカンチレバービーム７２よりも長くすることで実現されてもよい。ＭＥＭＳミラーデバイス３０は、例えば、各カンチレバービーム７２と平行に配置された一つの付加的なカンチレバービームを有しても良い。
【0061】
図２Ａ及び図３Ａに示される実施形態では、カンチレバービーム７２はミラーボディ５０の角には接続されておらず、その代わりに回転軸５８の近くの点においてミラーボディ５０と接続される。これにより、ミラーボディ５０の慣性を増加させることなく、カンチレバービーム７２の長さを延ばすことができる。もしカンチレバービーム７２の長さが延ばされると、曲げ応力が減少しうる。剛性の減少を補償するために、同時に厚みが厚くされる。剛性は厚みの三乗に比例するため、これは剛性に大きく影響するが、応力は厚みと線形比例するだけなので、機械適応力に対してはそこまで大きな影響を与えない。図２Ａ及び図３Ａの実施形態の別の長所は、リリーフスプリング７４１が回転軸５８からかなり離れてフレーム６０に接続されていることであり、それによってリリーフスプリング７４１の寸法及び個数を最適化するための、最大限の面積が提供される。
【0062】
図２Ａに示されたＭＥＭＳスキャニングマイクロミラーの実施形態では、カンチレバービーム７２は回転軸５８に向かう方向に幅が太くなっている。これによりカンチレバービーム７２の機械的耐久性が向上する。
【0063】
リリーフ手段７４の機械的耐久性を向上させるために、そして機械的な故障のリスクを低減するために、リリーフスプリング７４１の機械的応力は最小化されなければならない。これは長さを延ばす（図２ＡのＹ方向）ことにより実現できるが、これはＹ及びＺ方向の剛性をある程度損なってしまう。機械応力を低減する別の方法は、リリーフスプリング７４１を薄くする（図２ＡのＸ方向）である。というのも、ある変位に対して機械的曲げ応力（σ）は、リリーフスプリング７４１の厚み（ｄ）に比例するからである。剛性の減少を補償するために（全方向で）、例えば図７Ｂから図７Ｅ及び図７Ｊのように、機械的に平行に配置された複数のリリーフスプリング７４１を用いることができる。機械的に平行に複数のリリーフスプリング７４１が用いられると、それらの剛性は合計され、結果としてリリーフ手段７４のより大きな全体の剛性をもたらす。このように、リリーフ手段７４の機械的剛性を低減することなく、リリーフスプリング７４１の機械的曲げ応力は低減され得る。同時に、（図２Ａにおける）Ｚ方向の並進剛性の、Ｘ方向の並進剛性に対する比率が、リリーフスプリング７４１の長さをできるだけ短く保つことによって、向上されることができ、それによって望ましくない動きがさらに抑制される。また、カンチレバービーム７２の端における又はカンチレバービーム７２の端における剛体７４２の（図２Ａで定義されたＹ軸に平行な軸まわりの）回転剛性が非常に大きくなる。これは、一つのリリーフスプリング７４１のみ（図７Ａ参照）又は複数の同一線上のリリーフスプリング７４１（図７Ｂ参照）が用いられた時には不可能である。
【0064】
図２Ａにおいて、異なる三種類の弾性要素が識別される。リリーフスプリング７４１と、カンチレバービーム７２と、垂直サポートビーム４０である。これら全ての弾性要素の機械的耐久性を向上させるために、機械適応力は低減されるべきである。それぞれの角７４６において応力集中が予想され、そこではこれらの応力が、機械的な故障につながる割れ目を生じることが予想される。これは図６Ａに示されるような、鋭い角７４６については尚更である。これはそれぞれの角にフィレットを追加することで改善することができ、フィレットは一般に一定の半径（Ｒｓｍａｌｌ）を有し、フィレットは一般に両方の縁に接線的に接する（図６Ｂ）。半径が大きくなるにしたがって（Ｒｍｅｄｉｕｍ）、応力集中が小さくなる（図６Ｃ）。しかし大きい半径とすると、付加的な材料も多くなり、それにより剛性が大きくなり、それは補償されなければならない。それに加えて、大きな半径は多くの空間を必要とする。これら両方のマイナス面は、弾性要素とのみ接線的に接し、剛体７４２の端とは接線的に接しない、大きな半径のフィレットを用いることで解決することができる（図６Ｄ）。これは応力集中を大幅に低減し、そこまで多くの剛性を追加せず、多くの面積を必要としない。フィレットと剛体７４２の間に尖った角が生じ、それによってまだいくらかの応力集中が導入されるかもしれない。しかしこれは小さい半径の第二フィレットを導入することで改善されうる（図６Ｅ）。その中に弾性要素の端７４５、ここではリリーフスプリング７４１、は、その値で上記少なくとも一つの要素が上記端へと広がっていく、そして弧が９０度未満の、回転半径Ｒｌａｒｇｅよりも小さな回転半径Ｒｖｅｒｙ ｓｍａｌｌを有する、角７４６を有する。
【0065】
ここに開示された発明の実施形態は現在好ましいと考えられているものの、発明の範囲から逸脱せずに多くの変形及び変更が可能である。発明の範囲は添付の特許請求の範囲に示され、等価な意味及び範囲内に入る全ての変更は、その中に含まれると解する。
【0066】
本明細書中で用いられる「備える（ｃｏｍｐｒｉｓｅ）」及び／または「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という用語は、述べられた特徴、整数、段階、作用、構成要素及び／または構成部分の存在を明確にし、しかし、一つ以上の他の特徴、整数、段階、作用、構成要素、構成部分及び／またはそれらの群の存在または付加を除外するものではない。特許請求の範囲において、「備えている（ｃｏｍｐｒｉｓｉｎｇ）」という言葉は、他の構成要素や段階を除外せず、単数形での表記「ａ」または「ａｎ」は複数を除外しない。一つの構成部分または他のユニットは請求項中で挙げられたいくつかのアイテムの機能を実現するかもしれない。単に、相互に異なる請求項中に特定の手段が挙げられているという事実は、これらの手段を組み合わせても利点がない、ということを意味しない。請求項中のどの参照符号も、範囲を制限するものと解釈されるべきでない。
【符号の説明】
【0067】
３０ スキャニングマイクロミラー４０ 垂直サポートビーム
４１ トーションビーム
５０ ミラーボディ
５２ ミラー
５４ ミラーサポート
５８ 回転軸
６０ フレーム
６４ 外周
７０ カンチレバービームアセンブリ
７２ カンチレバービーム
７４ リリーフ手段
８０ アクチュエータ
８２ くし型のミラー
８４ くし型のフレーム
１００、１１０ くし型フィンガー
１０２、１１２ 第一導電部
１０４、１１４ 第二導電部
１０６、１１６ 絶縁層
７４１ リリーフスプリング
７４２ 剛体
７４３ 中央部
７４４ 周辺部
７４５ 端
７４６ 角