JP2011242780A - マイクロ振動装置のための接続構造 - Google Patents

Abstract

【課題】接続構造に接続されたマイクロ振動装置の現在の姿勢を雑音なしに高い正確度で検知することができるようにする。
【解決手段】マイクロ振動装置のための接続構造において、接続構造の一端はマイクロ振動構造に、他端はバネ部材に少なくとも間接的に接続可能であり、接続構造はマイクロ振動構造の回転軸に対して平行に配置された少なくとも１つの脚部と、回転軸に対して垂直に配置された少なくとも１つの別の脚部と、接続構造の捩れを測定する少なくとも１つの抵抗素子とを含んでおり、回転軸に平行な方向における接続構造の広がりは、回転軸に対して垂直な方向における接続構造の広がりの少なくとも２．５倍であり、抵抗素子は接続構造が捩れたときに比較的大きな機械的応力が生じる領域に配置されている。
【選択図】図１

Description

本発明はマイクロ振動装置のための、特にマイクロ振動ミラーのための接続構造に関する。

マイクロ振動装置は特許文献１から公知である。このマイクロ振動装置は長方形プレート上に振動構造を有している。振動構造は接続構造を介して捩りバネ部材の形態のバネ構造に接続されている。一方で、捩りバネ部材はマイクロ振動装置の支持構造に接続されている。接続構造は実質的にＵ字形に形成されている。接続構造は、トーション軸に対して実質的に垂直な向きで捩りバネ部材に作用する外力を、トーション軸に対して少なくとも部分的に平行な向きで捩りバネ部材に作用する力に変換する。

マイクロ振動装置を、特にマイクロ振動ミラーをきちんと駆動制御するためには、マイクロ振動装置の現在の姿勢を検知することが必要である。

マイクロ振動構造の姿勢が変化すると、マイクロ振動構造が支持構造と接続されている部分に機械的応力が生じる。この機械的応力は抵抗器を用いて圧電抵抗的に電気信号に変換することができる。マイクロ振動構造の姿勢の検知はこの信号に基づいて可能になる。

このような圧電抵抗装置は特許文献２から公知である。この回転可能なマイクロ電気機械装置は４つの抵抗器を含んでおり、これら４つの抵抗器はそれぞれトーション軸に対して４５°の角度で配置されている。マイクロ振動構造の姿勢が変化すると、マイクロ振動構造が支持構造と接続されている部分に機械的応力が生じ、この機械的応力が抵抗器によって圧電抵抗的に電気信号に変換される。マイクロ振動構造の姿勢の検知はこの信号に基づいて可能になる。

EP 1 212 650 B1 EP 1 944 596 A1

本発明の課題は、接続構造に接続されたマイクロ振動装置の現在の姿勢を雑音なしに高い正確度で検知することができるようにすることである。

上記課題は、本発明に従い、マイクロ振動装置のための、特にマイクロ振動ミラーのための、接続構造において、該接続構造の一端はマイクロ振動構造に、他端はバネ部材に少なくとも間接的に接続可能であり、前記接続構造は、前記マイクロ振動構造の回転軸に対して平行に配置された少なくとも１つの、特に少なくとも２つの、有利には３つの脚部と、前記回転軸に対して垂直に配置された少なくとも１つの別の脚部と、前記接続構造の捩れを測定する少なくとも１つの抵抗素子とを含んでおり、前記回転軸に平行な方向における前記接続構造の広がりは、前記回転軸に対して垂直な方向における前記接続構造の広がりの少なくとも２．５倍、特に少なくとも３倍であり、前記抵抗素子は前記接続構造が捩れたときに比較的大きな機械的応力が生じる領域に配置されているように構成することより解決される。

本発明の第１の実施形態による接続構造の透視図を示す。 それぞれ抵抗器の配置の異なる本発明の第２及び第３の実施形態による接続構造を示す。 本発明の第４及び第５の実施形態による接続構造を示す。 本発明による接続構造の第５及び第６の実施形態を示す。

本発明の有利な実施形態によれば、抵抗素子は接続構造とマイクロ振動構造との接続部及び／又は接続構造とバネ部材との接続部にホイートストンブリッジとして配置された４つの抵抗器を含んでいる。この実施形態の利点は、このように抵抗素子の抵抗器が接続構造の部分に配置されていることにより、回転軸回りの捩れが生じたときに接続構造を可能な限り大きく変形させることができ、接続構造に接続されたマイクロ振動構造の姿勢変化に基づいて、正確度の高い捩れ検知が可能となることにある。

本発明の別の有利な実施形態によれば、抵抗素子は少なくとも１つの圧電結晶を含んでいる。なお、この圧電結晶の<110>方向は回転軸に平行である。この実施形態の利点は、シリコンを使用して接続構造を製造する場合に水酸化カリウムで確実かつ簡単にエッチングができることにある。

本発明の別の有利な実施形態によれば、抵抗素子は少なくとも１つの外脚部に配置されており、及び／又は、脚部上の抵抗素子に給電する給電線が配置されている。この実施形態の利点は、外脚部上の抵抗素子への給電線を内脚部に、つまり２つの外脚部の間に配置された脚部に配置することができるので、給電線を余分に外脚部に配置しなくてもよいということにある。

外脚部の幅、つまりトーション軸に垂直な方向における外脚部の広がりは相応に狭くしてよい。このことが全体として抵抗器による捩れ検知の感度をさらに上げる。抵抗素子を２つの外脚部に配置する場合には、２つの外脚部とも相応に幅狭にしてよい。その場合、捩れ測定の感度をさらに上げるために、内脚部の幅を、特に少なくとも１つの外脚部の最小幅よりも大きくしてよい。

本発明の別の有利な実施形態によれば、給電線は比較的深い拡散によって、特に１マイクロメートルよりも深い、有利には８マイクロメートルよりも深い拡散によって形成され、及び／又は、抵抗素子は比較的浅い拡散によって、特に１マイクロメートルよりも浅い拡散によって形成される。この実施形態の利点は、給電線の電気抵抗をさらに下げると同時に抵抗素子の抵抗を上げるので、電圧降下が主に抵抗素子において生じることである。これにより、捩れ測定の感度がさらに上がる。

本発明の別の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの脚部が内部において拡幅部分を有しており、特に、抵抗素子の少なくとも１つの抵抗器が導電路の形態で少なくとも１つの脚部の内部において拡幅部分を有している。この実施形態の利点は、比較的大きな機械的応力、特に引張力及び／又は圧縮力が、比較的幅狭に形成された抵抗素子の領域に、特に抵抗器の領域に生じることにある。これらの抵抗器では大きな電圧降下が生じるので、捩れ測定の感度がさらに向上する。明細書全体及び特に特許請求の範囲において、導電路は拡散領域または拡散層抵抗器をも意味する。

本発明の別の有利な実施形態によれば、少なくとも１つの抵抗器は導電路の形態で脚部の少なくとも一方の端部において２μｍ未満の幅、特に１．５μｍ未満の幅を有している。この実施形態の利点は、マイクロ振動構造の捩れを検知する際に非常に高い感度が保証されることである。

本発明の別の有利な実施形態によれば、外脚部の少なくとも１つに、少なくとも１つの抵抗器の電圧をタップするためのタップ構造が配置されている。特に、電圧タップは、拡幅部分にホイートストンブリッジを形成するために、外脚部の半分の長さのところで行われる。この実施形態の利点は、ホイートストンブリッジのタップが実質的に各抵抗器の半分の長さのところで行われるので、導電路付きの付加的なタップを各脚部に配置する必要がなく、脚部の脇から実質的に脚部に対して直角に電圧タップを行うことができることにある。脚部の幅、つまり、回転軸に対して垂直な方向における脚部の広がりはさらに小さくされ、抵抗素子による捩れ検知の感度がさらに向上する。

本発明の別の有利な実施形態によれば、タップ構造は特に少なくとも３重の曲折模様として形成されている。この実施形態の利点は、タップ構造が、捩れを少なくとも部分的に増大させる接続構造の脚部に接続されているため、マイクロ振動構造による接続構造の捩れをできるだけ妨害しないということにある。これにより、接続構造の捩れからマイクロ振動構造の姿勢を検知する際の正確度がさらに向上する。

本発明の別の有利な実施形態によれば、トーション軸に平行な２つの脚部の間に、回転軸に対して垂直な方向における脚部の長さの半分の距離がある。この実施形態の利点は、捩れの測定感度がさらに向上することにある。

本発明では、ホイートストンブリッジの電圧にタップを介して電圧を印加し、これを抵抗素子の抵抗器の相応する給電線においてタップすることも可能である。その際、抵抗器の給電線での電圧降下はできるだけ小さくすべきである。給電線での電圧降下が小さければ小さいほど、残りのより大きな電圧降下は抵抗素子で生じるので、捩れ検知の正確度が高くなる。抵抗器をホイートストンブリッジの形に配置する場合、抵抗器は全体で約１ｋΩに制限される。というのも、抵抗器の長さ、つまりトーション軸に平行な方向における抵抗器の広がりが、機械的応力の大きな領域に限定されるからである。さらに、機械的応力または捩れの大きな領域に金属は配置されない。そうすると、金属の機械的変形が生じて、長い間に捩れによる負荷によって金属が少なくとも部分的に破壊されてしまうからである。

さらに、接続構造ができるだけ脚部の捩れによって影響されない又は損なわれないように、タップ構造を接続構造に比べてできるだけ軟らかく又は曲げやすく形成してもよい。タップ構造がそのように形成されていれば、タップ構造上の給電線の抵抗をできる限り低くするために給電線として金属を用いることが可能である。

図中、同一の参照番号は同一の構成部材または機能的に等しい構成部材を表す。

図１には、本発明の第１の実施形態による接続構造の透視図が示されている。

図１において、参照番号１は本発明の第１の実施形態によるマイクロ振動装置のための接続構造を表している。接続構造１は実質的にＵ字形に形成されており、マイクロ振動構造４の回転軸Ｔに対して平行に延びる２つの脚部２ａ、２ｂを含んでいる。接続構造１は、２つの脚部２ａ、２ｂによって、回転軸Ｔを中心として回転可能なマイクロ振動構造４に接続されており、回転軸Ｔに対して垂直に延びる、２つの脚部２ａ、２ｂを繋ぐ脚部２’を介して、バネ部材３と接続されている。図１には主に、接続構造１の回転軸Ｔを中心とした反時計回りの捩れが示されている。Ｕ字形接続構造１は、トーション軸Ｔに対して平行に延びる脚部２ａ、２ｂが脚部２’の３倍の長さとなるように形成されている。脚部２ａ、２ｂ上に配置されている平面的な導電路の形態の抵抗器は図示されていないが、これら抵抗器の幅は各脚部の幅よりも小さい。脚部２ａ、２ｂの間の距離は、回転軸Ｔに対して垂直な方向における脚部２’の広がりの半分である。

図２には、それぞれ抵抗素子５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの配置の異なる、本発明の第２及び第３の実施形態による接続構造が示されている。

図２には、接続構造１における抵抗器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの配置が概略的に示されている。平面的な導電路として形成された抵抗器５ａ、５ｃは脚部２ａ上に配置されており、抵抗器５ｂ、５ｄは脚部２ｂ上に配置されている。抵抗器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは各脚部２ａ、２ｂと平行に延びている。抵抗器５ａ、５ｂは、横脚部２’の部分と、接続構造１とバネ部材３との間の接続部とに形成されている。これに対して、抵抗器５ｃ、５ｄは脚部２ａ、２ｂの間の接続部とマイクロ振動構造４の部分に形成されている。つまり、抵抗器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは、マイクロ振動構造４が捩れたときに、できるだけ機械的応力が大きくなる領域に、とりわけ引張力及び／又は圧縮力が大きくなる領域に配置されている。

図２ｂには、接続構造１の別の実施形態が示されている。接続構造１は、図２ａと同様に横脚部２’に接続された互いに平行な３つの脚部２ａ、２ｂ、２ｃを含んでいる。抵抗器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの各２つずつが２つの外脚部２ａ、２ｂに配置されている。２つの脚部２ａ、２ｂの間に配置された内脚部２ｃには、平面的に形成された給電路（図示せず）が抵抗器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄへの給電のために配置されている。この給電路は、それぞれ異なる脚部２ａ、２ｂに配置された抵抗器５ａ、５ｃ及び５ｂ、５ｄに電圧を印加するために、横脚部２’の領域で分岐している。

図３には、本発明の第４及び第５の実施形態による接続構造が示されている。図３ａには、平面的に形成された導電路を備えた、図２ａの実施形態が示されている。ここでは、導電路は部分的に抵抗器として形成されている。以下に、脚部２ａ上の導電路の配置について説明する。脚部２ｂも同様に形成されており、導電路Ｌ_bとタップ線路Ａ₃、Ａ₄を有している。

図３ａの平面図には、脚部２ａの左側に平面的な導電路の形の給電線Ｚが示されている。給電線Ｚは脚部２ａ上でマイクロ振動構造４と平行に横脚部２’の領域まで延びている。そこで給電線Ｚは導電路Ｌ_aと電気的に接続されている。抵抗器５ａ、５ｃは、脚部２ａ上で給電線Ｚと平行に延びる導電路Ｌ_aの一部として形成されている。導電路Ｌ_aは脚部２ａの中央に拡幅部Ｖを有している。図３ａによれば、この拡幅部Ｖの中央から左横へタップ線路Ａ₁が配置されている。タップ線路Ａ₁は拡幅部Ｖの中央に接続されており、それからさらに脚部２ａ上で導電路Ｌ_aと平行にマイクロ振動構造４の方向に伸びている。拡幅部Ｖとマイクロ振動構造４との間の導電路Ｌ_aのさらなる延長部分は、別のタップ線路Ａ₂に接続された第２の抵抗器５ｃを形成している。抵抗器５ａ、５ｃは、全体で４つの抵抗器から成るホイートストンブリッジの中の２つの抵抗を形成している。ホイートストンブリッジ（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）の他の２つの抵抗器５ｂ、５ｄは、脚部２ｂ上に導電路Ｌ_bによる抵抗器５ｂ、５ｄによって相応に形成されている、つまり抵抗器５ａ、５ｃと同様に配置ないし形成されている。

図３ｂには、３つの脚部２ａ、２ｂ、２ｃを有する、図２ｂの実施形態と同様の実施形態が示されている。図３ａとの違いは、給電線Ｚが内脚部２ｃに配置されている点にある。このため、脚部２ａ、２ｂを幅狭にしてよい。なぜならば、電圧タップのためには、脚部２ａに給電線Ａ₁、Ａ₂を配置し、脚部２ｂに給電線Ａ₃、Ａ₄を配置するだけでよいからである。さらに、外脚部２ｂの内側領域には、すなわち、マイクロ構造４側の端部とバネ部材３側の端部の両方から離れた部分には、拡幅部Ｖ_Sが設けられている。拡幅部Ｖ_Sは脚部２ｂの外側に配置されている。しかし、本発明では、拡幅部Ｖ_Sを脚部の内側にも、あるいは脚部の内側だけに配置してもよい。もちろん、他方の外脚部２ａにも１つまたは複数の拡幅部Ｖ_Sが設けられていてよい。

図４には、本発明による接続構造の第５及び第６の実施形態が平面図で示されている。図４ａには、図３ａとは異なり、接続構造１上に配置された５重の曲折模様Ｍの形態のタップ構造が示されている。以下では、脚部２ａの構造とそのタップ構造だけを説明する。タップ構造を有する脚部２ｂとそのタップＡ_Rは脚部２ａとそのタップＡ_Lと同様に形成されている。

図３ａと異なり、給電線Ｚは脚部２ａの内側に、つまり、脚部２ａの脚部２ｂ側に配置されており、図３ａと同様に、脚部２ａ上でマイクロ振動構造４から横脚部２’の方まで延びている。脚部２ａの外側には、下から上に抵抗器５ａ、拡幅部Ｖ、抵抗器５ｃ及びタップ線路Ａ₂が示されている。この場合、図３ａのタップ線路Ａ₁を有する中央のタップＡ_Lは脚部２ａ上に配置されたタップ線路Ａ₁を介して行われるのではなく、脚部２ａに対して垂直に拡幅部Ｖの中央領域に配置されたタップ構造Ｍを介して行われる。タップＡ_Lを有するタップ構造Ｍは５重の曲折模様Ｍに形成されており、拡幅部Ｖの中央と導電路Ｌ_aとに導電接続されたタップ線路Ａ₁ないしＡ₄を含んでいる。

図４ｂには、図３ｂの３つの脚部２ａ、２ｂ、２ｃから成る装置が示されている。ここでも、図４ａに従って、タップ構造Ｍは脚部２ａ、２ｂに対して垂直にタップＡ_L、Ａ_Rを有して配置されている。以下では、脚部２ａの構造についてのみ説明する。脚部２ｂとそれに配置されたタップ構造Ｍは同様に形成されている。真ん中の脚部２ｃには、脚部２ａ上の抵抗器５ａ、５ｃと脚部２ｂ上の抵抗器５ｂ、５ｄとに給電するための給電線Ｚが配置されている。脚部２ａには、タップ線路Ａ₂、抵抗器５ａ、５ｃ及び拡幅部Ｖのみが配置されている。拡幅部Ｖには垂直にタップＡ_Lが配置されている。したがって、脚部２ａ、２ｂはタップ線路Ａ₂をその上に配置できる幅にするだけでよい。

本発明の接続構造１は、マイクロ振動構造４が捩れたときに、各抵抗器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの箇所に非常に大きな機械的応力を生じさせるので、接続構造１の捩れを０．０５ｆｓの正確度で測定することができる。ホイートストンブリッジ５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄへの入力電圧は通常は最大で３Ｖである。この電圧の一部は抵抗器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄの給電線Ｚで降下するので、抵抗器５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄは給電線Ｚの内部抵抗に比べてできるだけ大きく選定すべきである。例を挙げれば、ホイートストンブリッジの測定値を評価して捩れを求めるためには、ホイートストン測定ブリッジは、例えば捩れが７．５°、分解能が０．０５％、ホイートストン測定ブリッジでの電圧降下が１Ｖ、検知装置の分解能が１０μＶであると仮定した場合、２．６ｍＶ／°の感度を有していなければならない。この場合、検知装置は特定用途向け集積回路として形成されている。

給電線及び戻り線のための通常のメタライゼーションのシート抵抗はおよそ０．０５Ω／μｍ²であり、通常の拡散のシート抵抗はおよそ５０Ω／μｍ²である。タップＡ_L、Ａ_Rの曲折模様は通常はおよそ１０ｍｍの長さと、およそ１０μｍの幅を有する。タップ線路Ａ₁、Ａ₄として金属を使用すれば、曲折模様の全抵抗はおよそ５０Ωであり、拡散の場合にはおよそ５０ｋΩである。

以上、本発明を特定の実施例に基づいて説明したが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、多様に変更が可能である。

Claims (11)

1. マイクロ振動装置のための、特にマイクロ振動ミラーのための、接続構造（１）であって、該接続構造（１）の一端はマイクロ振動構造（４）に、他端はバネ部材（３）に少なくとも間接的に接続可能であり、前記接続構造は、前記マイクロ振動構造（４）の回転軸（Ｔ）に対して平行に配置された少なくとも１つの、特に少なくとも２つの、有利には３つの脚部（２ａ、２ｂ、２ｃ）と、前記回転軸（Ｔ）に対して垂直に配置された少なくとも１つの別の脚部（２’）と、前記接続構造（１）の捩れを測定する少なくとも１つの抵抗素子（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）とを含んでおり、前記回転軸（Ｔ）に平行な方向における前記接続構造（１）の広がりは、前記回転軸（Ｔ）に対して垂直な方向における前記接続構造（１）の広がりの少なくとも２．５倍、特に少なくとも３倍であり、前記抵抗素子（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）は前記接続構造（１）が捩れたときに比較的大きな機械的応力が生じる領域に配置されている、ことを特徴とするマイクロ振動装置のための接続構造。
2. 前記抵抗素子（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）は、前記接続構造（１）と前記マイクロ振動構造（４）との間及び／又は前記接続構造（１）と前記バネ部材（３）との間の接続部にホイートストンブリッジ（Ａ₁、Ａ₂、Ａ₃、Ａ₄、５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）の形態で配置された少なくとも４つの抵抗器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）を含んでいる、請求項１記載の接続構造。
3. 前記抵抗素子（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）は少なくとも１つの圧電結晶（Ｋ）を含んでおり、当該圧電結晶（Ｋ）の<110>方向は前記回転軸（Ｔ）に平行である、請求項１記載の接続構造。
4. 前記抵抗素子（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）は少なくとも１つの外脚部（２ａ、２ｂ）に配置されており、及び／又は、前記抵抗素子（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）に給電するための給電線（Ｚ）が内脚部（２ｃ）に配置されている、請求項１又は２記載の接続構造。
5. 前記給電線（Ｚ）は深い拡散によって、特に１μｍよりも深い、有利には８μｍよりも深い拡散によって製造されており、及び／又は、前記抵抗素子（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）は浅い拡散によって、特に１μｍ未満の深さの拡散によって製造されている、請求項４記載の接続構造。
6. 少なくとも１つの外脚部（２ａ、２ｂ）が内部に拡幅部（Ｖ_S）を有しており、特に前記抵抗素子（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）の少なくとも１つの抵抗器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）が少なくとも１つの脚部（２ａ、２ｂ）の内部に導電路（Ｌ_a、Ｌ_b）の形態で拡幅部（Ｖ）を有している、請求項４記載の接続構造。
7. 前記少なくとも１つの抵抗器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）は前記脚部（２ａ、２ｂ）の少なくとも一方の端部に導電路（Ｌ_a、Ｌ_b）の形態で２マイクロメートル未満の幅、特に１．５マイクロメートル未満の幅を有する、請求項６記載の接続構造。
8. 前記外脚部（２ａ、２ｂ）の少なくとも１つに、少なくとも１つの抵抗器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）の電圧をタップするタップ（Ａ_L、Ａ_R）を有するタップ構造（Ｍ）が配置されており、ここで特に前記電圧のタップ（Ａ_L、Ａ_R）は前記脚部（２ａ、２ｂ）の拡幅部（Ｖ_S）の領域及び／又は前記抵抗器（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）の拡幅部（Ｖ）の領域にホイートストンブリッジ（５ａ、５ｂ、５ｃ、５ｄ）を形成するために前記外脚部（２ａ、２ｂ）の半分の長さの箇所において行われる、請求項１記載の接続構造。
9. 前記タップ（Ａ、Ａ_R）付きタップ構造（Ｍ）は少なくとも３重の曲折模様（Ｍ）として形成されている、請求項８記載の接続構造。
10. 前記脚部（２ａ、２ｂ、２ｃ）はトーション軸（Ｔ）に平行に互いに距離を持っており、当該距離は特に、前記回転軸（Ｔ）に対して垂直な方向における前記脚部（２ｃ）の長さの半分である、請求項１記載の接続構造。
11. 請求項１−１０のいずれか１項記載の接続構造（１）を少なくとも１つ含むマイクロ振動装置、特にマイクロ振動ミラー。

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