特許 6568591 ＭＥＭＳアクチュエータ、複数のＭＥＭＳアクチュエータを備えるシステム、およびＭＥＭＳアクチュエータを製造する方法

(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】6568591

(24)【登録日】2019年8月9日

(45)【発行日】2019年8月28日

(54)【発明の名称】ＭＥＭＳアクチュエータ、複数のＭＥＭＳアクチュエータを備えるシステム、およびＭＥＭＳアクチュエータを製造する方法

(51)【国際特許分類】

   B81B 3/00 20060101AFI20190819BHJP

   B81C 1/00 20060101ALI20190819BHJP

   G02B 26/08 20060101ALN20190819BHJP

   G02B 26/02 20060101ALN20190819BHJP

【ＦＩ】

   B81B3/00

   B81C1/00

   !G02B26/08 E

   !G02B26/02 E

【請求項の数】28

【全頁数】21

(21)【出願番号】特願2017-537473(P2017-537473)

(86)(22)【出願日】2016年1月12日

(65)【公表番号】特表2018-503523(P2018-503523A)

(43)【公表日】2018年2月8日

(86)【国際出願番号】EP2016050465

(87)【国際公開番号】WO2016113251

(87)【国際公開日】20160721

【審査請求日】2017年8月22日

(31)【優先権主張番号】102015200626.3

(32)【優先日】2015年1月16日

(33)【優先権主張国】DE

(73)【特許権者】

【識別番号】500341779

【氏名又は名称】フラウンホーファー−ゲゼルシャフト・ツール・フェルデルング・デル・アンゲヴァンテン・フォルシュング・アインゲトラーゲネル・フェライン

(74)【代理人】

【識別番号】100205981

【弁理士】

【氏名又は名称】野口 大輔

(72)【発明者】

【氏名】ピーター・ドゥエル

(72)【発明者】

【氏名】デトレフ・クンツェ

(72)【発明者】

【氏名】アンドレアス・ノイデルト

(72)【発明者】

【氏名】マルティン・フリードリヒス

【審査官】 飯田 義久

(56)【参考文献】

【文献】 特表平０１−５０２７８２（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｂ８１Ｂ ３／００

Ｂ８１Ｃ １／００

Ｇ０２Ｂ ２６／０２

Ｇ０２Ｂ ２６／０８

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）であって、
基板（１０２）と、
前記基板（１０２）へ取り付けられる少なくとも１つのポスト（１０４）と、
前記少なくとも１つのポスト（１０４）へ少なくとも１つのばね（１０８）を介して接続される偏向可能なアクチュエータ本体（１０６）と、を備え、
前記少なくとも１つのバネ（１０８）は、前記ポスト（１０４）から離れる方向に伸びるばねエレメントと前記ポスト（１０４）へ向かって延びるばねエレメントを備えているか、又は、前記ポスト（１０４）から離れる方向に伸びるばねエレメントと前記ポスト（１０４）へ向かって延びるレバーアームを備えており、
静電力、電磁力または磁力を印加する間、前記アクチュエータ本体（１０６）は、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置をとり、前記第１の位置と前記第２の位置とは異なり、
前記ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）の平面図において、前記アクチュエータ本体（１０６）の少なくとも９０％および前記アクチュエータ本体（１０６）の重心は領域（１１０）の外側に配置され、少なくとも２つのポスト（１０４）を備えている場合、前記領域（１１０）は前記少なくとも２つのポストによってスパンされる領域であり、１つのポスト（１０４）を備えている場合、前記領域（１１０）はそのポスト（１０４）の領域である、ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項2】

前記アクチュエータ本体（１０６）は、力の印加方向に対して平行なチルトフリーの並進運動を実行する、請求項１に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項3】

前記ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）は、偏向可能な前記アクチュエータ本体（１０６）に静電力、電磁力または磁力を印加させるように構成される駆動手段を備える、請求項１から２のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ。

【請求項4】

前記アクチュエータ本体（１０６）が運動する間、個々の運動振幅で重み付けされた前記ＭＥＭＳアクチュエータの可動エレメントの重心は、力印加の主要な力印加ベクトルに沿って進む、請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項5】

前記アクチュエータ本体（１０６）は、前記アクチュエータ本体（１０６）の主表面（１１４）の隣接領域（１１６）において前記ばね（１０８）のみへ接続され、前記隣接領域（１１６）は、前記主表面（１１４）の３０％以下である、請求項１から４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項6】

前記アクチュエータ本体（１０６）は、１つのばね（１０８）のみへ接続される、請求項１から５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項7】

前記アクチュエータ本体（１０６）は、１つのポスト（１０４）のみへ接続される、請求項１から６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項8】

前記アクチュエータ本体（１０６）は、アクチュエータプレート（１０６）を備える、請求項１から３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項9】

前記アクチュエータプレート（１０６）は、前記アクチュエータプレート（１０６）に対する垂直方向に平行なチルトフリーの並進運動を実行する、請求項８に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項10】

前記力印加の方向は、前記アクチュエータプレート（１０６）に対して垂直に延びる、請求項８または９に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項11】

前記ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）は、前記アクチュエータプレート（１０６）に対向する電極プレート（１２０）を備える、請求項８から１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項12】

前記ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）は、前記アクチュエータプレート（１０６）へ前記電極プレート（１２０）を介して静電力印加を実行するように構成される、請求項１１に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項13】

前記ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）は、前記アクチュエータプレート（１０６）に対向するコイルを備える、請求項８から１０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項14】

前記ばね（１０８）は、前記ポスト（１０４）と前記アクチュエータ本体（１０６）との間の接続部に沿って可変断面を有する、請求項１から１３のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項15】

前記ばね（１０８）は、前記ポスト（１０４）と前記アクチュエータ本体（１０６）との間の接続部に沿って可変剛性を有する、請求項１から１４のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項16】

前記ばね（１０８）は、その静止位置の平面内に対称性を持たない、請求項１から１５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項17】

前記ばね（１０８）は、渦巻き状である、請求項１から１６のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項18】

前記ばね（１０８）は、異なる方向へ延びる複数のばねエレメントを備え、
前記複数のばねエレメントのうちの第１の方向へ延びる少なくとも１つの第１のばねエレメント（１０８＿１）は、第１の軸を中心とする前記アクチュエータ本体（１０６）のチルトを防止するように構成され、
前記複数のばねエレメントのうちの第２の方向へ延びる少なくとも１つの第２のばねエレメント（１０８＿２）は、第２の軸を中心とする前記アクチュエータ本体（１０６）のチルトを防止するように構成される、請求項１７に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項19】

前記ばね（１０８）は、第１のばねエレメント（１０８＿１）と、前記第１のばねエレメント（１０８＿１）より短い第２のばねエレメント（１０８＿２）とを備え、前記第１のばねエレメント（１０８＿１）は、前記ポスト（１０４）へ接続されかつ前記ポスト（１０４）から実質的に離れて延び、かつ前記第２のばねエレメント（１０８＿２）は、前記ポスト（１０４）から遠位に面する前記第１のばねエレメント（１０８＿１）の端へ接続されかつ前記ポスト（１０４）へ向かって実質的に延びる、請求項１から１５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項20】

前記第１のばねエレメント（１０８＿１）および前記第２のばねエレメント（１０８＿２）は、前記アクチュエータ本体（１０６）の少なくとも１つの偏向状態において互いに平行に延びる、請求項１９に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項21】

前記アクチュエータ本体（１０６）が前記ばね（１０８）へ接続される、または接続エレメント（１１２）を介して前記ばね（１０８）へ接続される接続点は、前記アクチュエータ本体（１０６）の重心または前記アクチュエータ本体（１０６）へ印加される力の重心と一致する、請求項１から２０のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項22】

前記ばね（１０６）は、少なくとも１つのばねエレメントを備え、前記ばねエレメントは、前記アクチュエータ本体（１０６）の重心または前記アクチュエータ本体（１０６）へ印加される力の重心と、前記アクチュエータ本体（１０６）が前記ばね（１０８）へ接続される、または前記アクチュエータ本体（１０６）が接続エレメント（１１２）を介して前記ばね（１０８）へ接続される接続点との間のレバーアームの２倍の長さである、請求項１から１５のいずれか一項に記載のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）。

【請求項23】

請求項１から２２までのいずれか一項に記載の複数のＭＥＭＳアクチュエータ（１００）を備え、前記ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）は、共通の基板（１０２）を備える、システム。

【請求項24】

前記ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）のうちの少なくとも１つのＭＥＭＳアクチュエータのアクチュエータ本体は、前記ＭＥＭＳアクチュエータ（１００）のうちの異なる１つのＭＥＭＳアクチュエータのポストを配置するための窪みを備える、請求項２３に記載のシステム。

【請求項25】

ＭＥＭＳアクチュエータを動作させるための方法（１８０）であって、前記ＭＥＭＳアクチュエータは、基板と、基板に取り付けられる少なくとも１つのポストと、前記少なくとも１つのポストへ少なくとも１つのばねを介して接続される偏向可能なアクチュエータ本体とを備え、前記少なくとも１つのバネ（１０８）は、前記ポスト（１０４）から離れる方向に伸びるばねエレメントと前記ポスト（１０４）へ向かって延びるばねエレメントを備えているか、又は、前記ポスト（１０４）から離れる方向に伸びるばねエレメントと前記ポスト（１０４）へ向かって延びるレバーアームを備えており、前記ＭＥＭＳアクチエータの平面図において、前記アクチュエータ本体の少なくとも９０％および前記アクチュエータ本体の重心は領域の外側に配置され、少なくとも２つのポスト（１０４）を備えている場合、前記領域は前記少なくとも２つのポストによってスパンされる領域（１１０）であり、１つのポスト（１０４）を備えている場合、前記領域はそのポスト（１０４）の領域（１１０）であり、前記方法は、
偏向可能な前記アクチュエータ本体へ静電力、電磁力または磁力を印加すること（１８２）を含み、静電力、電磁力または磁力を印加する間、前記アクチュエータ本体は、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置を取り、前記第１の位置と前記第２の位置とは異なる、方法（１８０）。

【請求項26】

ＭＥＭＳアクチュエータを製造するための方法（２００）であって、
基板を提供すること（２０２）と、
少なくとも１つのポストを提供すること（２０４）であって、前記少なくとも１つのポストは、前記基板に取り付けられることと、
偏向可能なアクチュエータ本体を提供すること（２０６）と、
少なくとも１つのばねを提供すること（２０８）、を含み、
前記少なくとも１つのバネ（１０８）は、前記ポスト（１０４）から離れる方向に伸びるばねエレメントと前記ポスト（１０４）へ向かって延びるばねエレメントを備えているか、又は、前記ポスト（１０４）から離れる方向に伸びるばねエレメントと前記ポスト（１０４）へ向かって延びるレバーアームを備えており、
偏向可能な前記アクチュエータ本体は、前記少なくとも１つのばねを介して前記少なくとも１つのポストへ接続され、前記ＭＥＭＳアクチュエータの平面図において、前記アクチュエータ本体の少なくとも９０％および前記アクチュエータ本体の重心は領域の外側に配置され、少なくとも２つのポスト（１０４）を備えている場合、前記領域は前記少なくとも２つのポストによってスパンされる領域（１１０）であり、１つのポスト（１０４）を備えている場合、前記領域はそのポスト（１０４）の領域（１１０）であり、かつ静電力、電磁力または磁力を印加する間、前記アクチュエータ本体は、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置をとり、前記第１の位置と前記第２の位置とは異なる、方法（２００）。

【請求項27】

前記ＭＥＭＳアクチュエータのシミュレーションを実行することをさらに含み、前記ＭＥＭＳアクチュエータの前記シミュレーションを実行するとき、前記ＭＥＭＳアクチュエータの運動関連パラメータのうちの少なくとも１つは、前記アクチュエータ本体が、静電力、電磁力または磁力を印加する間に前記第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により前記第２の位置をとるまで適応され、
前記アクチュエータ本体はアクチュエータプレートを備え、前記ポスト、偏向可能な前記アクチュエータプレートおよび前記ばねのうちの少なくとも１つは、前記運動関連パラメータに依存して提供される、請求項２６に記載の、ＭＥＭＳアクチュエータを製造するための方法（２００）。

【請求項28】

前記ＭＥＭＳアクチュエータの前記運動関連パラメータは、偏向可能な前記アクチュエータ本体の幾何学的形状、前記アクチュエータ本体に対する前記ポストの位置、前記ばねの幾何学形状、前記ばねと前記ポストとの間の接続点の配置、および／または前記ばねと偏向可能な前記アクチュエータ本体との間の接続点の配置を含む、請求項２７に記載の、ＭＥＭＳアクチュエータを製造するための方法（２００）。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本発明の実施形態は、ＭＥＭＳアクチュエータ（ＭＥＭＳは微小電気機械システム）に関する。さらなる実施形態は、複数のＭＥＭＳアクチュエータを備えるシステムに関する。さらなる実施形態は、ＭＥＭＳアクチュエータを製造する方法に関する。幾つかの実施形態は、片側サスペンションを有する平行偏向ＭＥＭＳアクチュエータに関する。幾つかの実施形態は、ＭＥＭＳアクチュエータの設計に関する。

【背景技術】

【0002】

ＭＥＭＳアクチュエータは、例えば、ＭＥＭＳアクチュエータに接続されるマイクロミラーを移動させ、かつこれを所望される通りに位置合わせするために用いることができる。このようなアクチュエータは、空間光変調器、スキャナミラー、光クロスコネクト、マイクロバルブ、電気マイクロスイッチ、およびその他の広範な用途に使われることが多くなっている。

【0003】

通常、アクチュエータ可動部の位置は、印加される電気信号によって制御される。多くの場合、物理的効果として静電気引力が使用されるが、電磁気力ならびに圧電または熱膨張を用いることもできる。本発明は、静電的または電磁的に制御される、静的平衡偏向のための個々の反作用力を加えるリセット弾性サスペンションを有する微小機械アクチュエータにとって特に効果的である。

【0004】

実施されるべき運動の種類により、回転／傾動アクチュエータおよび並進アクチュエータ、ならびに両方の種類の運動を可能にするアクチュエータを区別することができる。後者の場合は、運動コンポーネントをある種類のサスペンションによりしっかりと結合でき、あるいは、幾つかの制御信号（例えば、ピストン−チップ−チルト）によって個々に調整することができる。運動の種類ならびに必然的に生じる偏向は、通常、アプリケーションの物理的パラメータおよび境界条件によって予め決定される。これは、例えば、変調されるべき光の波長またはスキャナの角度範囲であってもよい。

【0005】

多くの場合、上述のアクチュエータは、特にこれらがマイクロミラーへ結合される場合、キャリア基板上に多数が密集して詰め込まれる。ミラーの形状およびサイズは、通常、アプリケーションおよび光学的境界条件によって限定される。これらは、各々がアクチュエータの弾性サスペンションおよびばねの構造設計に利用可能なスペースを決定する。ばね以外にも、そのマウント、すなわちポストも、この限られた領域に収容されなければならない。

【0006】

並進運動のための従来のＭＥＭＳアクチュエータでは、偏向の間に望ましくないチルトが発生し得ないことが明らかな対称性を有する幾何学的形状のばねが使用される。正方形（または長方形）の配置では、通常４つ、時には単に２つの類似するばねが使用され、六角形のミラーでは多くの場合３つ、時には６つの類似するばねが使用される。これらのばね配置は、各々、マニホルドの回転対称性も有し、多くの場合、１つまたは幾つかの鏡面対称性も有する。従来は、少なくとも二回回転対称性が存在する。これにより、少なくとも１つのばねの一端が接続されるアンカポイントまたはポストが少なくとも２つ存在することも誘導される。

【0007】

この場合、基本的には、各ポストに幾つかのばねが取り付けられる得るが、その場合、これらのばねは電気接続される。ばねは、アクチュエータ可動部への配電線をも形成することから、アクチュエータは全て同じ電位を有するが、この場合、それは望ましくない。アクチュエータを個々に電気的にアドレス指定するためには、アクチュエータ毎に幾つかのポストが必要となる。製造可能な最小の構造的サイズおよび層厚さに関連して、残りの空間は、多くの場合、実現可能なアドレス指定力よりも比較的剛性のあるばねしか許容しない。

【0008】

アクチュエータが幾つかのポストにおいてばねで懸架されれば、製造によりばね面に誘発される応力または熱応力がばね定数に大きく影響する可能性がある。この効果は、ばねが半径方向および直線状に伸びる場合に特に強い。この場合、導入された、または熱的に引き起こされた応力は、緩和することができない。加えて、ポストサスペンションとアクチュエータとの距離は、偏向の増大と共に増加し、よってばねが伸びることから、ばね力は、強く非線形式に作用する。この非線形性は、有利である可能性もある（Ｐｅｔｅｒ Ｄｕｒｒ、Ａｎｄｒｅａｓ Ｇｅｈｎｅｒ、Ｊａｎ Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｄｅｔｌｅｆ Ｋｕｎｚｅ、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｗａｇｎｅｒ、Ｈｕｂｅｒｔ Ｌａｋｎｅｒによる「Ｍｉｃｒｏ−ａｃｔｕａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ａｎａｌｏｇ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｔ ｌｏｗ ｄｒｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ」、Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、第６１１４巻（２００６）を参照されたい）が、このばねの幾何学的形状は、層応力への同時的依存性によって制御不能になることが多い。したがって、従来技術では、通常、並進ミラーには折り畳まれた、若しくは曲がったばねが、またはより方位角方向寄りのばねが使用される（例えば、Ａｎｄｒｅａｓ Ｇｅｈｎｅｒらによる「ＭＥＭＳ ａｎａｌｏｇ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ−ａｎ ｅｎａｂｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ」、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ、第６１１３巻、６１１３０Ｋ（２００６）を参照されたい）。これにより、ばね定数ならびに非線形性の応力依存性はより小さくなるが、完全になくなるわけではない。また、ばねが、ばねから懸架されるミラーよりさらに伸張されることも可能である（例えば、Ｄ．Ｌｏｐｅｚらによる「Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＭＥＭＳ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｍａｓｋｌｅｓｓ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」、Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ、第６５８９巻、６５８９０Ｓ（２００７）を参照されたい）が、１ピクセル当たりの利用可能領域は、その影響を受けない。

【0009】

米国特許第４５６６９３５号明細書からは、非対称のばね配置が知られるが、これらは、傾斜運動モードのためのものであって、単なる平行移動には不適である。さらに、平行移動がチルトによって重畳されるアプローチが、Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓｔａｈｌらによる「Ｍｏｄｕｌａｒ ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙｓ」Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ ４１５（２０１３）から知られている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0010】

【特許文献1】米国特許第４５６６９３５号明細書

【非特許文献】

【0011】

【非特許文献1】Ｐｅｔｅｒ Ｄｕｒｒ、Ａｎｄｒｅａｓ Ｇｅｈｎｅｒ、Ｊａｎ Ｓｃｈｍｉｄｔ、Ｄｅｔｌｅｆ Ｋｕｎｚｅ、Ｍｉｃｈａｅｌ Ｗａｇｎｅｒ、Ｈｕｂｅｒｔ Ｌａｋｎｅｒによる「Ｍｉｃｒｏ−ａｃｔｕａｔｏｒ ｗｉｔｈ ｅｘｔｅｎｄｅｄ ａｎａｌｏｇ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ａｔ ｌｏｗ ｄｒｉｖｅ ｖｏｌｔａｇｅ」Ｐｒｏｃｅｅｄｉｎｇｓ ｏｆ ＳＰＩＥ、第６１１４巻（２００６）

【非特許文献2】Ａｎｄｒｅａｓ Ｇｅｈｎｅｒらによる「ＭＥＭＳ ａｎａｌｏｇ ｌｉｇｈｔ ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ−ａｎ ｅｎａｂｌｉｎｇ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ ｆｏｒ ａｄａｐｔｉｖｅ ｏｐｔｉｃａｌ ｐｈａｓｅ ｃｏｎｔｒｏｌ」Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ、第６１１３巻、６１１３０Ｋ（２００６）

【非特許文献3】Ｄ．Ｌｏｐｅｚらによる「Ｔｗｏ−ｄｉｍｅｎｓｉｏｎａｌ ＭＥＭＳ ａｒｒａｙ ｆｏｒ ｍａｓｋｌｅｓｓ ｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ ａｎｄ ｗａｖｅ−ｆｒｏｎｔ Ｍｏｄｕｌａｔｉｏｎ」Ｐｒｏｃ．ｏｆ ＳＰＩＥ、第６５８９巻、６５８９０Ｓ（２００７）

【非特許文献4】Ｒｉｃｈａｒｄ Ｓｔａｈｌらによる「Ｍｏｄｕｌａｒ ｓｕｂ−ｗａｖｅｌｅｎｇｔｈ ｄｉｆｆｒａｃｔｉｖｅ ｌｉｇｈｔ ｍｏｄｕｌａｔｏｒ ｆｏｒ ｈｉｇｈ−ｄｅｆｉｎｉｔｉｏｎ ｈｏｌｏｇｒａｐｈｉｃ ｄｉｓｐｌａｙｓ」、Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｐｈｙｓｉｃｓ、Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ Ｓｅｒｉｅｓ ４１５（２０１３）

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0012】

したがって、本発明の目的は、より柔軟なばね設計を可能にすると同時に、アクチュエータ本体がチルトフリーの並進運動を行うことを保証する概念を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0013】

この目的は、独立請求項によって解決される。効果的なさらなる展開は、従属請求項に見出すことができる。

【0014】

本発明の実施形態は、基板と、基板に取り付けられる少なくとも１つのポストと、少なくとも１つのポストへ少なくとも１つのばねを介して接続される偏向可能なアクチュエータ本体とを備えるＭＥＭＳアクチュエータを提供し、静電力、電磁力または磁力を印加する間、アクチュエータ本体は、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置をとり、第１の位置と第２の位置とは異なり、かつＭＥＭＳアクチュエータの平面図において、アクチュエータ本体は、少なくとも１つのポストによりスパンされる領域の外側に配置される。

【0015】

さらなる実施形態は、複数のＭＥＭＳアクチュエータを備えるシステムを提供し、ＭＥＭＳアクチュエータは、共通基板と、各々が基板に取り付けられる少なくとも１つのポストと、少なくとも１つのばねを介して、当該少なくとも１つのポストへ接続される偏向可能なアクチュエータ本体とを備え、静電力、電磁力または磁力を印加する間、アクチュエータ本体は、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置をとり、第１の位置と第２の位置とは異なり、かつ個々のＭＥＭＳアクチュエータの平面図において、アクチュエータ本体は、少なくとも１つのポストによりスパンされる領域の外側に配置される。

【0016】

さらなる実施形態は、ＭＥＭＳアクチュエータを製造する方法を提供する。本方法は、基板を提供することと、少なくとも１つのポストを提供することであって、当該少なくとも１つのポストが、当該基板に取り付けられることと、偏向可能なアクチュエータ本体を提供することと、少なくとも１つのばねを提供することを含み、偏向可能なアクチュエータ本体は、少なくとも１つのポストへ少なくとも１つのばねによって接続され、ＭＥＭＳアクチュエータの平面図において、アクチュエータ本体は、少なくとも１つのポストによってスパンされる領域の外側に配置され、かつアクチュエータ本体は、静電力、電磁力または磁力を印加する間、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置をとり、第１の位置と第２の位置とは異なる。

【0017】

添付の図面を参照して、本発明の実施形態をより詳細に論じる。

【図面の簡単な説明】

【0018】

【図1a】本発明の一実施形態による、１つのばねのみを介して１つのポストのみへ接続されたアクチュエータ本体を備えるＭＥＭＳアクチュエータの略平面図である。

【図1b】本発明の一実施形態による、図１ａに示されているＭＥＭＳアクチュエータの略断面図である。

【図2a】本発明の一実施形態による、２つのポストへ１つのばねを介して接続されたアクチュエータ本体を備えるＭＥＭＳアクチュエータの略平面図である。

【図2b】本発明の一実施形態による、図２ａに示されているＭＥＭＳアクチュエータの略断面図である。

【図3】本発明の一実施形態による、一方向に懸架されたアクチュエータ本体を備えるＭＥＭＳアクチュエータの略断面図である。

【図4a】本発明の一実施形態による、１つのばねのみを介して１つのポストのみへ接続されたアクチュエータ本体を備えるＭＥＭＳアクチュエータを示す略斜視図である。

【図4b】ＦＥＭシミュレーション環境における、図４ａに示されているＭＥＭＳアクチュエータの概略図である。

【図5a】本発明の一実施形態による、１つのばねのみを介して１つのポストのみへ接続されたアクチュエータ本体を備えるＭＥＭＳアクチュエータを示す略斜視図である。

【図5b】ＦＥＭシミュレーション環境における、図５ａに示されているＭＥＭＳアクチュエータの概略図である。

【図6】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳアクチュエータの製造または設計方法のフロー図である。

【図7】本発明の一実施形態による、渦巻ばねを介して１つのポストのみへ接続されたアクチュエータ本体を備えるＭＥＭＳアクチュエータの略平面図である。

【図8a】本発明の一実施形態による、渦巻ばねを介して１つのポストのみへ接続されたアクチュエータ本体を備えるＭＥＭＳアクチュエータの略斜視図である。

【図8b】ＦＥＭシミュレーション環境における、図８ａに示されているＭＥＭＳアクチュエータの概略図である。

【図9】本発明の一実施形態による、２つのポストへ１つのばねを介して接続されたアクチュエータ本体を備えるＭＥＭＳアクチュエータの略斜視図である。

【図10】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳアクチュエータの動作方法のフロー図である。

【図11】本発明の一実施形態による、ＭＥＭＳアクチュエータの製造方法のフロー図である。

【発明を実施するための形態】

【0019】

本発明の実施形態に関する以下の説明では、図中の同じまたは同等の要素に同じ参照数字を付している。よって、その説明は、異なる実施形態において互換的である。

【0020】

図１ａは、ＭＥＭＳアクチュエータ１００の略平面図を示し、一方で図１ｂは、図１ａに示されているＭＥＭＳアクチュエータ１００の略断面図を示す。ＭＥＭＳアクチュエータ１００は、基板１０２と、基板１０２に取り付けられるポスト１０４と、１つのばね１０８のみを介してポスト１０４へ接続される偏向可能なアクチュエータ本体１０６とを含み、静電力、電磁力または磁力を印加する間、アクチュエータ本体１０６は、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置をとり、第１の位置と第２の位置とは異なり、かつＭＥＭＳアクチュエータの平面図では、図１ａから分かるように、アクチュエータ本体１０６は、図１ａにおいて点線で限定されているポスト１０４によりスパンされる領域１１０の外に配置される。

【0021】

ＭＥＭＳアクチュエータ１００は、例えば、偏向可能なアクチュエータ本体に静電力、電磁力または磁力を印加するように構成される駆動手段を備えてもよい。

【0022】

図１ａおよび図１ｂに示すＭＥＭＳアクチュエータ１００は、１つのばね１０８のみを介して１つのポスト１０４のみへ接続されるアクチュエータ本体１０６を備えているが、本発明がこのような実施形態に限定されないことに留意すべきである。

【0023】

実施形態において、ＭＥＭＳアクチュエータ１００は、ｎ個までのポスト１０４＿１から１０４＿ｎを備えることができ、ｎは１以上の自然数、ｎ＞１である。したがって、ＭＥＭＳアクチュエータ１００は、基板に取り付けられる少なくとも１つのポストと、少なくとも１つのポストへ少なくとも１つのばねを介して接続される偏向可能なアクチュエータ本体とを備えてもよく、ＭＥＭＳアクチュエータの平面図において、アクチュエータ本体１０６は、ポスト１０４＿１から１０４＿ｎによってスパンされる領域１１０の外に配置される。

【0024】

例えば、図２ａおよび図２ｂに示すように、ＭＥＭＳアクチュエータ１００は、２つのポスト、１０４＿１および１０４＿ｎ（ｎ＝２）を備えてもよい。図２ａから分かるように、この場合もやはり、アクチュエータ本体１０６は、点線で限定されている２つのポスト、１０４＿１および１０４＿ｎ（ｎ＝２）によってスパンされる領域１１０の外に配置される。

【0025】

アクチュエータ本体１０６は、１つのばねを介してｎ個のポストのうちの各々、１０４＿１または１０４＿ｎへ接続されてもよい。この場合、ばね１０８は、幾つかのばねエレメント（またはばね部分）を備えてもよく、アクチュエータ本体１０６は、異なるばねエレメントを介してｎ個のポスト、１０４＿１または１０４＿ｎへ接続されてもよい。

【0026】

図２ａおよび図２ｂにおいて、アクチュエータ本体１０６は、２つのポスト１０４＿１および１０４＿ｎ（ｎ＝２）の各々へばね１０８を介して接続され、ばね１０８は、例示的に４つのばねエレメント（または、ばね部分）１０８＿１から１０８＿４、を備え、第１のばねエレメント１０８＿１は、ポスト１０４と、接続ばねエレメントとして実装される第４のばねエレメント１０４＿４との間に直列接続され、第２のばねエレメント１０８＿２は、第２のポスト１０４＿２と第４のばねエレメント１０４＿４との間に直列接続され、かつ第３のばねエレメントは、接続ばねエレメント１０８＿４とアクチュエータ本体１０６との間に直列接続されている。

【0027】

図１ａおよび図１ｂにおいても、ばね１０８は、例示的に４つのばねエレメント１０８＿１から１０８＿４を備えているが、ここでは、第１のばねエレメント１０８＿１および第２のばねエレメント１０８＿２の双方が（同じ）ポスト１０４へ接続されている。

【0028】

アクチュエータ本体１０６は、ＭＥＭＳアクチュエータ１００の平面図において少なくとも１つのポストによりスパンされる領域１１０の外に配置されるが、アクチュエータ本体１０６は、静電力、電磁力または磁力を印加する間、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置をとる。ここで、チルトフリーの並進運動とは、チルト（傾斜軸を中心とする）が３°、１°、０．５°または０．１°未満の並進運動を意味する。さらに、チルトフリーの並進運動は、アクチュエータ本体の個々のポイント毎の運動振幅が、平均運動振幅から最大で１０％、５％または２％異なるという事実に関連し得る。さらに、チルトフリーの並進運動は、静電力、電磁力または磁力の印加によって引き起こされる振動および振動運動の各基本モードに関連し得る。

【0029】

アクチュエータ本体１０６は、例えば、力の印加方向に平行なチルトフリーの並進運動を実行してもよい。例えば、アクチュエータ本体１０６は、アクチュエータプレートであってもよく、力の印加方向は、アクチュエータプレート１０６に対して垂直に延びる。この場合、アクチュエータプレート１０６は、アクチュエータプレート１０６に対する垂直方向に平行なチルトフリーの並進運動を実行してもよい。

【0030】

これは、ＭＥＭＳアクチュエータ１００の運動関連パラメータの適切な寸法設定によって可能となる。例えば、解析的計算またはシミュレーションが実行されてもよく、ＭＥＭＳアクチュエータ１００の運動関連パラメータのうちの少なくとも１つは、アクチュエータ本体１００が、静電力、電磁力または磁力を印加する間、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置へ移動するまで適応される。ＭＥＭＳアクチュエータ１００の運動関連パラメータは、例えば、とりわけ、偏向可能なアクチュエータ本体１０６の幾何学的形状、アクチュエータ本体１０６に対するポスト１０４の位置、ばね１０８の幾何学形状、ばね１０８とポスト１０４との間の接続点の配置、ポスト１０４の位置、アクチュエータのばねへのレバーアームアクチュエータ力の接続、および／またはばね１０８と偏向可能なアクチュエータ本体１０６との間への接続点の配置である。

【0031】

ばね１０８は、例えば、アクチュエータ本体１０６とポスト１０４との接続部に沿って一定または可変の断面のコースを含んでもよい。さらに、ばね１０４は、アクチュエータ本体１０６とポスト１０４との間の接続部に沿って可変的な剛性を含んでもよい。

【0032】

図１ｂから分かるように、アクチュエータ本体１０６は、アクチュエータ本体１０６の主表面１１４と比較して小さい領域において、（例えば、接続エレメント１１２を介して）ばね１０８へ接続されてもよい。また、明らかに、アクチュエータ本体１０６は、１つまたは幾つかのばねへ幾つかの接続エレメント１１２を介して接続されてもよい。実施形態において、アクチュエータ本体１０６は、少なくとも１つのばね１０８へ、アクチュエータ本体１０６の主表面１１４の３０％（または２０％、または１０％）以下である、アクチュエータ本体１０６の主表面１１４の隣接領域１１６においてのみ接続される。隣接領域１０６は、例えば、正方形または円形であってもよい。さらに、隣接領域１０６の中心は、アクチュエータプレート１０６の中心と一致してもよい。

【0033】

以下、アクチュエータ本体１０６が１つのポスト１０４のみへ１つのばね１０８のみを介して接続される本発明の実施形態について説明する。

【0034】

本発明の実施形態は、明細書の導入部分で述べた課題を、１つのアクチュエータ１０６につき１つのアンカポイントまたはポスト１０４のみを用いること、および各々ばねおよび／またはアクチュエータの非対称的な幾何学的形状の使用によって解決するが、この形状は、アクチュエータ１０６が依然として、望ましくないチルトのない純粋な並進運動を実行するように設計される。１つのポスト１０４のみによる懸架によって、ばね１０８における製造により誘発される可能性のある層張力を緩和することができ、かつ偏向の増大に伴うばね１０８の硬化が防止される。偏向された状態において、ポスト１０４へ接続されるばね１０８の部分は、まず、ポスト１０４からの距離と共に増加する傾き（静止位置平面に対する角度）を有する。ばね１０８のさらなる過程において、この傾きは、ばね１０８の端に作用する力が個々のトルクを伝達する際に再び減少し得る。

【0035】

本発明の一実施形態によれば、これは、アクチュエータ１０６を非対称に配置する結果として生じ得るものであり、その力の印加点は、図３に示すように、ばね１０８へのその接続部よりポスト１０４の方に近い。

【0036】

詳細には、図３は、片側に偏向されたアクチュエータおよびアクチュエータ本体１０６が各々懸架されている、チルトのないＭＥＭＳアクチュエータ１００の略断面図（概略図）を示している。図３に例示されているように、アクチュエータ本体１０６は、アクチュエータプレートであってもよく、ＭＥＭＳアクチュエータ１００は、アクチュエータプレート１０６に対向する電極プレート１２０（またはアドレス電極）をさらに備える。この場合、ＭＥＭＳアクチュエータ１００は、電極プレート１２０を介してアクチュエータプレート１０６上へ静電力印加１２１を加えるように構成されてもよい。また、ＭＥＭＳアクチュエータ１００は、電極プレート１２０の代わりに、アクチュエータプレート１０６に対向するコイルを備えてもよい。

【0037】

ばね１０８は、アクチュエータ本体１０６の重心またはアクチュエータ本体１０６に作用する力の重心と、アクチュエータ本体１０６がばね１０８へ、または接続エレメント１１２を介してばね１０８へ接続される接続点との間のレバーアーム１０７の２倍の長さのばねエレメントを備えてもよい。

【0038】

レバーアームが短い場合、アクチュエータ１０６は、偏向の間、ポスト１０４から離れて傾き（正のチルト）、レバーアームがかなり長い場合、アクチュエータ本体１０６は、ポスト１０４へ向かって傾く（負のチルト）。チルトの所望のゼロ点は、連続性に起因して必然的にこれらの間に存在する。

【0039】

長さに渡って一定した正方形の断面を有する単純なばね１０８の場合、ばねの長さの半分に対応するレバーアームでこのゼロ点に達することが分かる。ばね１０８の断面が必ずしも一定でない場合、ポスト１０４とアクチュエータ１０６との相対的な位置決めに対する付加的な自由度を得ることができる。概して、アクチュエータ１０６のチルトの所望のゼロ点の位置は、ばね１０８の正確な幾何学的形状およびその両端における取り付けに依存する。また、これは、数値シミュレーションによって所望の精度まで限定されてもよい。

【0040】

チルトのこのゼロ点は、ばね１０８がその線形範囲内で荷重される限り、様々な偏向に対して保持される（フックの法則）。

【0041】

本発明のさらなる実施例は、アクチュエータ１０６を、ばね１０８とのその接続部に対して対称的に配置すること、または結果として生じるアクチュエータ力がその接続部に作用するように配置することを可能にする。すると、アクチュエータ１０６は、ばね１０８への界面におけるトルクを伝達しないが、その適切な設計に起因して、なおもチルトの防止が可能である。しかしながら、そのためには、ポスト１０４を起点とする少なくとも１つの第１のばね部分の他に、第１の部分の端から多かれ少なかれポスト１０４の方向へと逆に方向づけられる少なくとも１つのさらなる部分が必要とされる。２つの例示的な実装を、図４ａ（第２のばね部分を２つ有する）および図５ａ（第２のばね部分を１つだけ有する）に示す。ＦＥＭシミュレーション（ＡＮＳＹＳ、有限要素ソフトウェア）の結果は、所望通りに、偏向とは無関係の無視し得るチルトになる。

【0042】

図４ａは、アクチュエータ本体１０６が、１つのばね１０８のみを介して１つのポスト１０４のみへ接続されているＭＥＭＳアクチュエータ１００の詳細な斜視図を示している。ばね１０８は、少なくとも１つの第１のばねエレメント１０８＿１と、第１のばねエレメント１０８＿１より短い第２のばねエレメント１０８＿２とを備え、第１のばねエレメント１０８＿１は、ポスト１０４へ接続されかつポスト１０４から実質的に離れて延び、かつ第２のばねエレメント１０８＿２は、ポスト１０４から遠位に面する第１のばねエレメント１０８＿１の端へ（例えば、接続ばねエレメント１０８＿４を介して）接続されかつポスト１０４へ向かって実質的に延びる。ばね１０８は、さらに、同じく第１のばねエレメント１０８＿１より短い（または、各々、ばねエレメント１０８＿２と全く同じ長さの）第３のばねエレメント１０８＿３を備えてもよく、第３のばねエレメント１０８＿３も、ポスト１０４から遠位に面する第１のばねエレメント１０８＿１の端へ（例えば、接続ばねエレメント１０８＿４を介して）接続されかつポスト１０４へ向かって実質的に延びる。

【0043】

図５ａは、アクチュエータ本体１０６が１つのばね１０８のみを介して１つのポスト１０４のみへ接続されている、ＭＥＭＳアクチュエータ１００の斜視図を示している。ばね１０８は、少なくとも１つの第１のばねエレメント１０８＿１と、第１のばねエレメント１０８＿１より短い第２のばねエレメント１０８＿２とを備え、第１のばねエレメント１０８＿１は、ポスト１０４へ接続されかつポスト１０４から実質的に離れて延び、かつ第２のばねエレメント１０８＿２は、ポスト１０４から遠位に面する第１のばねエレメント１０８＿１の端へ（例えば、接続ばねエレメント１０８＿４を介して）接続されかつポスト１０４へ向かって実質的に延びる。さらに、ばね１０８は、第３のばねエレメント１０８＿３を備えてもよく、第３のばねエレメント１０８＿３も、ポスト１０４へ接続されかつポスト１０４から遠位へ実質的に延び、かつ第２のばねエレメント１０８＿２は、ポスト１０４から遠位に面するばねエレメント１０８＿３の端へ（例えば、接続ばねエレメント１０８＿４を介して）接続される。

【0044】

図４ａおよび図５ａにおいて、第１のばねエレメント１０８＿１および第２のばねエレメント１０８＿２（並びに第３のばねエレメント１０８＿３）は、アクチュエータ本体１０６の少なくとも１つの偏向状態において（例えば、アクチュエータ本体１０６の非偏向状態において）、互いに対して平行に延びてもよい。

【0045】

図３におけるアクチュエータのレバーアームと同様に、第２のばね部分１０８＿２は、第１の部分１０８＿１との界面でトルクを発生し、第１の部分１０８＿１の端部の傾斜を減少させる。さらに、休止位置平面に対する角度は、第２のばね部分１０８＿２に沿って減少する。個々の軟質の第２のばね部分１０８＿２の場合、角度が（ポスト１０４へ向かって）負になる可能性もある。ばねパラメータ（これらの部分の双方の長さ、幅および厚さ）を適切に選択すれば、アクチュエータ１０６のチルトのゼロ点を再び求めることができる。所望の構成において、例えばポスト１０４から遠位のアクチュエータ１０６のチルトが決定される場合に、これは、第２の部分１０８＿２がより柔らかいばね１０８によって、例えば幅の低減によって、なくすことができる。

【0046】

概して、複雑な形状寸法を有するアクチュエータ１００を設計する場合、その運動がチルトフリーであるかどうかは明らかでないことがある。以下に図６に基づいて論じるように、これは、ＦＥＭシミュレーションの助けを借りて試験されてもよく、かつ設計は、体系的に最適化されてもよい。

【0047】

図６は、静電力、電磁力または磁力を印加する間に、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置を取るＭＥＭＳアクチュエータ１００を製造および設計するための方法のフロー図を示し、第１の位置と第２の位置とは異なる。第１のステップ１４０では、ＭＥＭＳアクチュエータ１００の第１の設計を作成することができる。第２のステップ１４２では、力を印加する間のＭＥＭＳアクチュエータ１００およびＭＥＭＳ１００のアクチュエータ本体１０６の、各々の偏向のＦＥＭシミュレーションを実行することができる。第３のステップ１４４では、シミュレーション結果からチルトを決定することができる。ＭＥＭＳアクチュエータ１００の第１の設計に対してチルトが決定されない限り、チルトフリーのＭＥＭＳアクチュエータ１００の設計は終了される。図６における第４のステップ１４６はこれを示す。ＭＥＭＳアクチュエータ１００の第１の設計に対してチルトが決定される限り、第５のステップ１４８において、運動関連パラメータのうちの少なくとも１つを変更することができ、第６のステップ１５０において、シミュレーションを再度実行することができる。第７のステップ１５２では、シミュレーション結果からチルトを決定することができる。ＭＥＭＳアクチュエータ１００の第２の設計に対してチルトが決定されない限り、チルトフリーのＭＥＭＳアクチュエータ１００の設計は終了される。図６における第４のステップ１４６はこれを示す。ＭＥＭＳアクチュエータ１００の第２の設計に対してチルトが決定される限り、第８のステップ１５４において、シミュレートされたチルトの変更から、先に変更された運動関連パラメータに新しい値を内挿（または、結果的な符号に依存して外挿）することができ、これにより、無視できる程度のチルトが保証される。続いて、ＭＥＭＳアクチュエータ１００の第３の設計およびさらなる任意の設計について、ステップ１４８、ステップ１５０、ステップ１５２および場合によってはステップ１５４を、チルトがゼロになるまで繰り返すことができ、ステップ１４６において、チルトフリーのＭＥＭＳアクチュエータ１００の完成した設計が得られる。これにより、結果的に、数回の反復ステップで所望の特性を有する設計が得られる。

【0048】

上記の第１のばね部分１０８＿１および第２のばね部分１０８＿２について言及したが、これらの２つの部分が明確な分離を示すことは、本発明の機能を決定づけるものではない。これらは、互いに融合し合ってもよい。明らかに、図４ａ、図４ｂ、図５ａおよび図５ｂから分かるように、単なる２つより多くのばね部分を有する実装も可能である（１、ポストから離れている（第１のばねエレメント１０８＿１）、２、対称軸を横断する（接続ばねエレメント１０８＿４）、３、ポストの方向にある（第２のばねエレメント１０８＿３））。上記の例は、なおもポストと、アンカとばねとの接続部とを通る線に沿って鏡面対称を有する。この対称性に起因して、上記のようなこの方向を横断するチルトは不可能であり（安定した平衡が想定される）、よって論じていない。可能な限り柔らかいばね１０８を実現するためには、この対称性は、第１のばね部分１０８＿１または第２のばね部分１０８＿２による二重の実装の場合、結果的に生じるばね１０８がより硬くなることから不都合である。さらに、これらの二重ばね部品にスペース要件がないことから、個々のばねがより長く、よってより柔らかくなるよう実装される可能性もある。第１および第２のばね部品が２つの異なる製品平面に存在するという可能な解決策は、通常、製造の複雑さおよびコストが追加されることから望ましくない。

【0049】

実際には、この対称性を含まない解決策もある。これにより、必要に応じて、利用可能な空間を、可能な限り柔らかく長いばねのために最適に使用することができる。以下、図７に基づいて、非対称の場合の単純な具体的事例について論じる。

【0050】

図７は、１つのばね１０８のみを介して１つのポスト１０４のみへ接続されるアクチュエータ本体１０６を備えるＭＥＭＳアクチュエータ１００の略平面図を詳細に示す。ばね１０８は、その静止位置の平面内に対称性を有していない。これは、鏡面対称性および回転に関連し得る。しかしながら、ばねの水平中心平面における鏡面対称性は、許容される可能性があり、表面微小力学においてはほぼ不可避である。

【0051】

図７に見られるように、ばね１０８は、渦巻き状であってもよい。さらに、ばね１０８は、異なる方向へ延びる複数のばねエレメント１０８＿１から１０８＿４を備えてもよく、複数のばねエレメント１０８＿１から１０８＿４のうちの、第１の方向へ延びる少なくとも１つの第１のばねエレメント１０８＿１は、第１の軸（例えば、ｘ軸）を中心とするアクチュエータ本体１０６のチルトを防止するように構成され、かつ複数のばねエレメント１０８＿１から１０８＿４のうちの、第２の方向へ延びる少なくとも１つの第２のばねエレメント１０８＿２は、第２の軸（例えば、ｙ軸）を中心とするアクチュエータ本体のチルトを防止するように構成される。

【0052】

言い替えれば、図７は、一例として、その部分１０８＿１から１０８＿４の各々が互いに直角である４部分から成るばね１０８を示す。上記論証と同様に、図７に示す幾何学的形状においては、第２のばね部分およびばねエレメント１０８＿２（ポストから数えて３番目のばね部分）の各々の適切な剛性（幅／長さ）を選択することによって、ｙ軸を中心とするチルトをゼロまで減らすことができ、同様に第１のばね部分およびばねエレメント１０８＿１（ポストから数えて４番目のばね部分）の各々の剛性を独立して選択することにより、ｘ軸を中心とするチルトをゼロまで減らすことができる。第２のばね部分およびばねエレメント１０８＿２および第３のばね部分およびばねエレメント１０８＿３（ポストから数えて２番目および３番目の部分）の間の角の両軸を中心とするチルトがポスト１０４より遠くを向いている場合には、確実にソリューションが存在する。少なくともこれは、長さを無視し得る限定的な事例において容易に考え得るように、第１のばね部分およびばねエレメント１０８＿１および第２のばね部分およびばねエレメントおよび１０８＿２（ポストから数えて３番目および４番目のばね部分）の各々が比較的短い場合に当てはまる。

【0053】

図８ａおよび図８ｂは、より現実的な実施例を示す。これは、上述の考え方に類似するＦＥＭシミュレーション（ＡＮＳＹＳ）を用いるジオメトリ最適化の結果であるが、この場合は、ばねの幅および厚さが一定であって、製造に関して利点を有する。この場合も、結果として生じるチルトは、偏向とは無関係に、所望に応じて略ゼロである。

【0054】

先の記述は全て、アクチュエータ１０６の静的偏向に関連し、典型的には静電または電磁制御力がばね力と（安定した）平衡状態にある。実質的なチルトが生じないように、新しい静的平衡状態に達するまでに偏向が高速で動的に変化しても、全可動部の質量は、適切に分配されることが可能である。ここでは、ばねの質量を無視できる場合が最も容易な事例となる。すると、全可動部の質量中心が、アクチュエータに作用する力の重心へのその接続線が偏向方向に対して平行であるような場合に、動的チルトのない所望の事例が生じる。第１の設計においてこれが満たされない場合、アクチュエータまたはアクチュエータへ接続される部分（例えばミラー）における適切な窪みまたは付属物によって、またはこれらの部分の横方向変位によっても、これを達成することができる。

【0055】

ばね１０８の質量を無視できない場合は、上述の状態を維持する際に、アクチュエータへの片側接続に起因して不均衡が生じることになる。必要な補正を計算する場合、ばね１０８の質量要素は、その運動の個々の振幅で重み付けされることも可能である。この振幅の決定に際しても、精巧な形状のばね１０８に関してはほとんどの場合に直接的計算が完全には可能でないために、やはり静的偏向のＦＥＭシミュレーション（ＦＥＭ＝有限要素法）が使用されてもよい。

【0056】

したがって、アクチュエータ本体１０６が運動する間、その個々の運動振幅で重み付けされたＭＥＭＳアクチュエータ１００の可動エレメントの重心は、力印加の主要な力印加ベクトルに沿って進むことができる。ここで、主要な力印加ベクトルは、アクチュエータ本体へ加えられる力および力ベクトルをそれぞれ重ね合わせることによって得られる。さらに、主要な力印加ベクトルは、アクチュエータ本体に加えられる力の重心を介して進む。

【0057】

基本的に、アクチュエータ１０６は、動的なチルトを含む一部のモードの中で、他の振動モードへも励起されてもよい。しかしながら、静的に安定して偏向可能なアクチュエータの場合、これらのモードは、典型的には著しく高い周波数におけるものであり、よってほとんどの場合、実際には適切でない。加えて、このような振動モードは、既知の従来技術によるＭＥＭＳアクチュエータでも生じる。

【0058】

単純化の理由から、上述の実施例は各々、その中央でばね１０８へ接続される正方形のアクチュエータプレート１０６を示している。これは、明らかに、本発明の機能にとって必須ではなく、かつ複数のこのようなアクチュエータの配置が可能な限り密であるという意味では、ポストが常にスペースを必要とすることから不利でもある。当然ながら、アクチュエータは、アクチュエータがポスト１０４と共に基板平面を寄せ木様にすることができるエリアを占有するように、窪みをつけられてもよい。上記に関しては、適切な最適化によって、なおも静的および動的なチルトの双方を防止できることは明らかである。特に、ある効果的な様式においては、アクチュエータ１０６のこの窪みは、ばね１０８の質量による不均衡を補正するために、その固有のポスト１０４に関連して実行されてもよい。隣接するアクチュエータのポストは、その後、この窪みの中へ配置されてもよい。

【0059】

ばね１０８は、アクチュエータプレート１０６の下に配置されてもよいのは明らかである。また、この場合、アクチュエータプレート１０６は、直にミラーとしても使用されてもよい。

【0060】

以下、アクチュエータ本体１０６が２つのポスト１０４＿１から１０４＿ｎ（ｎ＝２）へ１つのばねを介して接続される、本発明の一実施形態について述べる。

【0061】

図９は、２つのポスト１０４＿１から１０４＿ｎ（ｎ＝２）へ１つのばねを介して接続されたアクチュエータ本体１０６を有するＭＥＭＳアクチュエータ１００の略側面図を示す。ばね１０８は、第１のばねエレメント１０８＿１と、第３のばねエレメント１０８＿３と、第１のばねエレメント１０８＿１および第３のばねエレメント１０８＿３より短い第２のばねエレメント１０８＿２とを備え、第１のばねエレメント１０８＿１は、第１のポスト１０４＿１へ接続されかつ第１のポスト１０４＿１から実質的に離れて延び、第３のばねエレメント１０８＿３は、第２のポスト１０４＿２へ接続されかつ第２のポスト１０４＿２から実質的に離れて延び、かつ第２のばねエレメント１０８＿２は、第１のポスト１０４＿１より遠くに面する第１のばねエレメント１０８＿１の端へ（例えば、接続ばねエレメント１０８＿４を介して）接続され、かつ第２のポスト１０４＿２より遠くに面する第３のばねエレメント１０８＿３の第２の端と（例えば、接続ばねエレメント１０８＿４を介して）接続されかつポスト１０４＿１および１０４＿２へ向かって実質的に延びる。

【0062】

図１０は、ＭＥＭＳアクチュエータ１００を動作させるための方法１８０のフロー図を示す。方法１８０は、偏向可能なアクチュエータ本体１０６へ静電力、電磁力または磁力を印加するステップ１８２を含み、静電力、電磁力または磁力を印加する間、アクチュエータ本体１０６は、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置をとり、第１の位置と第２の位置とは異なる。

【0063】

図１１は、ＭＥＭＳアクチュエータ１００を製造するための方法２００のフロー図を示す。方法２００は、基板１０２を提供するステップ２０２と、少なくとも１つのポスト１０４を提供するステップであって、当該少なくとも１つのポスト１０４は、当該基板１０２に取り付けられるステップ２０４と、偏向可能なアクチュエータ本体１０６を提供するステップ２０６と、少なくとも１つのばね１０８を提供するステップ２０８とを含み、偏向可能なアクチュエータ本体１０６は、少なくとも１つのばね１０８を介して少なくとも１つのポスト１０４へ接続され、ＭＥＭＳアクチュエータ１００の平面図において、アクチュエータ本体１０６は、ポスト１０４のうちの少なくとも１つによってスパンされる領域１１０の外に配置され、静電力、電磁力または磁力を印加する間、アクチュエータ本体１０６は、第１の位置を起点としてチルトフリーの並進運動により第２の位置をとり、第１の位置と第２の位置とは異なる。

【0064】

方法２００は、さらに、ＭＥＭＳアクチュエータ１００のシミュレーションを実行するステップを含んでもよく、ＭＥＭＳアクチュエータ１００のシミュレーションを実行するとき、ＭＥＭＳアクチュエータ１００の運動関連パラメータのうちの少なくとも１つは、アクチュエータ本体１０６が静電力、電磁力または磁力を印加する間に力の印加方向に平行なチルトフリーの並進運動を実行するまで適応される。ここで、ポスト１０４、偏向可能なアクチュエータプレート１０６およびばね１０８のうちの少なくとも１つは、運動関連パラメータに依存して提供されてもよい。

【0065】

実施形態は、１つのポスト１０４のみにおけるＭＥＭＳアクチュエータ１００の非対称懸架を可能にし、しかもなおチルトフリーの平行な偏向を達成する。これにより、多くの場合極めて限定的であるスペース（特に、ピクセルサイズが極小の場合）をソフトサスペンション用に最適に用いることができる。通常幾つかのポストでの懸架の間に発生するようなストレススティフニングを防止することにより、線形ばね特性（フックの法則）の領域を特に大きくすることができる。

【0066】

実施形態は、微小機械アクチュエータに、特に、（製造可能な機械的構造のサイズに比べて、および所望の偏向に比べても）極小のピクセルを有する位相シフトＳＬＭ（ＳＬＭ＝空間光変調器）に適する。このようなＳＬＭは、特に、将来のホログラフィックディスプレイ、ならびに光ファイバネットワークの一般的なレーザピンセットおよび高速光スイッチ等の（より幾分か明白な）用途の双方のためのデジタルホログラフィに適し、このようなＳＬＭは、レーザ光線の同時的な分割ならびにレーザ光線の方向、発散および強度の制御を可能にする。しかしながら、パターン生成のための他のデバイスにおける使用も有用であると思われる。それに加えて、マイクロアクチュエータ技術（マイクロミラーがない場合も）ならびにセンサ技術における他の複数の用途も可能である。

【0067】

実施形態において、ポストおよびばねは、アクチュエータが純粋な並進運動で案内され、同時にばねが可能な限り柔らかく、かつこれが偏向の大きい場合でも保たれるように設計されてもよい。さらに、実施形態において、隣接するピクセルのアクチュエータ間に電気的接続は存在しない。

【0068】

実施形態において、ＭＥＭＳアクチュエータは、基板と、基板に取り付けられる少なくとも１つのポストと、少なくとも１つのばねを介してポストのうちの少なくとも１つへ接続される偏向可能なアクチュエータ本体と、偏向可能なアクチュエータ本体へポストによりスパンされる領域の外側に作用する静電力、電磁力または磁力を印加させるように構成される駆動手段とを備えてもよく、アクチュエータ本体は、前述の力の印加に対する反応として、その静止位置からの実質的に純粋な（チルトフリーの）平行移動から生じる新たな平衡位置をとる。ポストによってスパンされる領域より外側の効果は、駆動力の作用線（この力の方向でアクチュエータ本体に作用する駆動力の重心を通る直線）が上述の領域と交わらないという事実に関連づけられる。２つの（理想的には薄い）ポストの場合、この領域は、一経路へと縮退し、ポストが１つである場合に一点に縮退するが、これらは、前述の作用線上には存在しない。より詳細には、ばねのそれらのポストにおける当接領域が考慮されてもよい。したがって、駆動手段の作用線は、これら全ての点／領域エレメントの凸包絡の外側にあるべきものである（概して、チルトとなる）。

【0069】

実施形態では、駆動手段の作用線上に加重重心が配置されてもよい。駆動力の作用線は、アクチュエータ本体へこの力の方向に作用する駆動力の重心を通る直線であってもよい。

【0070】

幾つかの態様を装置に関して説明してきたが、これらの態様が対応する方法の説明をも表していることは明らかであって、装置のブロックまたはデバイスは、個々の方法ステップまたは方法ステップの特徴にも対応している。同様に、方法ステップに関して説明されている態様は、対応する装置の対応するブロックまたは詳細または特徴の説明をも表す。方法ステップの一部または全ては、例えば、マイクロプロセッサ、プログラム可能コンピュータまたは電子回路のようなハードウェア装置によって（または、ハードウェア装置を用いて）実行されてもよい。幾つかの実施形態において、最も重要な方法ステップのうちの一部または幾つかは、このような装置によって実行されてもよい。

【0071】

上述の実施形態は、本発明の原理を単に例示したものである。本明細書に記述されている配置および詳細の変更および変形が他の当業者に明らかとなることは理解される。したがって、本発明は、本明細書における実施形態の記述および説明として提示された特定の詳細ではなく、添付の特許請求の範囲によってのみ限定されることが意図される。

【図1a】

【図1b】

【図2a】

【図2b】

【図3】

【図4a】

【図4b】

【図5a】

【図5b】

【図6】

【図7】

【図8a】

【図8b】

【図9】

【図10】

【図11】