JP4275066B2

JP4275066B2 - 可動微小電気機械デバイス

Info

Publication number: JP4275066B2
Application number: JP2004508343A
Authority: JP
Inventors: ワルムスレイ，ローバト，ジー; ミリガン，ドナルド，ジェイ
Original assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Current assignee: Hewlett Packard Development Co LP
Priority date: 2002-05-28
Filing date: 2003-05-27
Publication date: 2009-06-10
Anticipated expiration: 2023-05-27
Also published as: JP2005527929A; EP1508142A1; TW200306944A; DE60309699D1; CN1656549B; EP1508142B1; US6882019B2; WO2003100778A1; CN1656549A; AU2003234674A1; US20030222430A1; TWI310020B; DE60309699T2

Description

［発明の背景］
互いに対して動くように構成された構成要素を有する微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスが広く知られている。そのような可動システムの一例は、フレーム、可動子、およびフレームと可動子とを相互接続する機械式サスペンションを有するコンピュータ記憶デバイスである。通常、機械式サスペンションはフレームに対して可動子を保持し、可動子とフレームとが相対的に動くことができるようにする。相対的な動きは、フレームおよび／または可動子に力を加えることによって達成される。多くの場合に、加えられる力は、フレーム上に位置する静電ドライブのようなアクチュエータによって与えられる。機械式サスペンションは通常、可撓性部材と呼ばれ、ばねのような特性を有する可撓性の構造体を含む。作動力が加えられると、可動子は、静止あるいは平衡位置からフレームに対して動かされる。その作動力が取り除かれると、可撓性部材が可動子を強制的に静止位置に戻す。データ記憶の応用形態では、可動子には多くの場合に、複数のデータ記憶場所が設けられ、そのデータ記憶場所は、フレーム上に位置する読出し／書込みデバイスを動作させることによってアクセス可能である。ある特定の記憶場所へのアクセスは、静電ドライブを動作させることによって、フレームに対して可動子を制御しながら動かすことにより達成されることができる。その記憶デバイスの実効的な動作は、フレームと可動子との間で生じる相対的な動きを正確に制御し、かつモニタする能力による。多くの場合に、機械式サスペンションの構成は、この相対的な動きを正確に制御し、かつ測定する能力に大きな影響を及ぼす。

したがって、多くの場合に、動いている構成要素が特定の１つの方向あるいは複数の方向に動くことを制限されるように、相対的な動きに制約を加えることが望ましい。たとえば、システムを、相対的な動きが１つの軸に沿ってのみ生じることが可能なように構成することができる。先に説明されたデータ記憶構成では、サスペンションによって通常、可動子は１つの平面（たとえばＸ−Ｙ平面）内で動くことができるようになるが、平面外の（Ｚ軸に沿った）方向に動くことを妨げられる。これらのデバイスを平面的な動きに制約することは、多くの場合に、先に説明された可撓性部材がある特定の方向においてのみ曲がるようにすることにより達成される。そのような可撓性部材は、多くの場合に、所与の方向における剛性（耐屈曲性）に関して表現される。たとえば、Ｘ−Ｙ平面内を動けるようにするとともに、Ｚ軸方向への平面外に動くことを防ぐように構成された可撓性システムは、相対的に低いＸ−Ｙ剛性および相対的に高いＺ軸剛性を有すると言われるであろう。

既存のコンピュータ記憶および他のＭＥＭＳデバイスは、可動構成要素を相互接続するために用いられる機械式サスペンションに関連する種々の問題および制約を抱える。大部分の平面タイプのコンピュータ記憶デバイスでは、ある量だけ平面外への動きが生じるようになる。そのようなデバイスは、剛性に関して、相対的には高いが、無限に大きくはないＺ軸剛性（面外剛性のことであるが、面外剛性のことを、実施例では、平面外剛性という）を有すると表現されるであろう。多くのＭＥＭＳコンピュータ記憶デバイスの１つの短所は、フレームに対して可動子が動くのに応じて、平面外剛性が大きく変化することである。具体的には、平面外剛性は、可動子が静止位置から遠くに動かされるデバイス（または装置。以下同じ）ほど、大きく減少する傾向がある。それらのデバイスは通常剛性の変化を補償することが望ましいので、平面外剛性の大きな変化はデバイスの設計を著しく複雑にする可能性がある。面内剛性（実施例では、平面内剛性という）の変化は、多くの既存のデバイスの別の短所である。詳細には、多くのＭＥＭＳデバイスの場合に、機械式サスペンションの平面内剛性は、可動子が静止位置から遠くに動かされるほど、著しく増加する。結果として、可動子が静止位置から遠くに動かされるとき、アクチュエータは、同じ相対的な動きの変化を生み出すのに、より大きな力を加えなければならない。上記の問題と同様に、機械式サスペンションの位置に依存する挙動は、ＭＥＭＳデバイスおよび関連するシステムの設計を著しく複雑にする可能性がある。

［発明の概要］
フレームと、フレームに対して動くように構成された可動子と、フレームと可動子との間に動作可能に結合された機械式サスペンションとを備える、コンピュータ記憶デバイスのような可動システムが提供される。その機械式サスペンションは通常、可動子が平面内で動くことができるようにするとともに、平面外に動くことを実質的に防ぐように構成され、通常可動子がフレームに対して第１の方向に動くのに応じて曲がるように構成された第１の可撓性部材と、第２の方向への相対的な動きが生じるのに応じて曲がるように構成された第２の可撓性部材とを備える。

［好ましい実施形態の詳細な説明］
本発明の実施形態は、互いに対して動くシステム構成要素を相互接続するように構成された、改善された機械式サスペンションを有する微小電気機械（ＭＥＭＳ）デバイスおよび他の可動システムを対象とする。本明細書に記載されている可動システムは種々の構成において用いることができるが、超小型のコンピュータ記憶デバイスにおいて特に有用であることがわかっている。例示にすぎないが、以下に記載されている可動システムの実施形態は主に、高密度ＭＥＭＳコンピュータ記憶デバイスとの関連で説明されるであろう。

図１は、機械式サスペンションを含む、コンピュータ記憶デバイス１０の側断面図を示す。デバイス１０は通常半導体材料から構成され、シリコンウェーハボンディングおよび深い反応性イオンエッチング（deep reactive ion etching）を含む、種々の製造技法を用いて形成されることができる。デバイス１０は、上層１４と、中間層１６と、下層１８とを有するフレーム１２を備える。中間層１６は、可動子層とも呼ばれ、可動子２０に接続されており、可動子２０は上層１４と下層１８との間に機械的に懸架されている。層１４、１６および１８は通常平面状であり、互いに対して平行に配列される。

可動子２０には、フレーム１２に固定された読出し／書込みデバイスあるいは類似のデバイスを動作させることによってアクセス可能な複数のデータ記憶場所を設けることができる。可動子２０は通常、特定の記憶場所に対してデータの書込みおよび読出しを行うことができるように、フレーム１２に対して動くように構成される。ここで具体的に図面を参照すると、可動子２０は１つまたは複数のデータ記憶場所２２を含むことができる。フレーム１２の上層１４に対して固定された読出し／書込みヘッド２４、すなわちエミッタ（放出器）を用いて、記憶場所２２に対してデータの読出しおよび書込みを行うことができる。ある特定の記憶場所にアクセスすることは通常、可動子２０をフレーム１２に対して、静止位置からＸおよび／またはＹ方向に動かすことを伴う。例示および簡略化するためにすぎないが、図１および説明されることになる種々の他の図は直線座標軸を含む。これらの軸は任意であり、本明細書に記載されているシステムが任意の他の座標系に関して記述されることもできることを理解されたい。

デバイス１０は通常、フレーム１２と可動子２０との間の相対的な動きを生み出す力を生成するための、静電ドライブ２６のようなアクチュエータも備える。これらの力は、フレーム１２および／または可動子２０上に位置する電極に電圧を印加することにより生成されることができる。印加された電圧は、フレーム１２と可動子２０との間に引力および／または斥力を生み出す。通常、これらの力は、Ｘ−Ｙ平面において相対的な動きが生じるようにするために、ＸおよびＹ成分を含むが、多くの場合には、そのドライブはＺ軸成分を有する力も生み出すであろう。Ｘ−Ｙ平面内を動くことができるようにするとともに、Ｚ軸に沿って動くことを概ね防ぐために、多くの場合に、サスペンションを、相対的に低い平面内（たとえばＸ−Ｙ平面内）剛性を有し、かつ相対的に高い平面外（たとえばＺ軸に沿った）剛性を有するように構成することが望ましいであろう。

そのような機械式サスペンションの一例が図１に３２で示されている。サスペンション３２は、可動子２０を層１４および１８に対してその平面方向に（たとえば、Ｘ−Ｙ平面に対して平行に）保持し、かつ可動子２０をフレーム１２に接続するために設けられる。サスペンション３２は通常、以下に詳細に記載されているように、１つまたは複数のばねのような構造体を含む。後に説明されるように、これらの構造体は通常、可動子２０が静止位置から平面内を動くことができるようにするとともに、可動子２０がフレーム１２に対して平面外に動くことを概ね制限するように構成される。

図２は、フレーム１１２および可動子１２０を相互接続する機械式サスペンション１３２を含む記憶デバイス１００を示す。サスペンション１３２は通常、複数のサスペンションサブアセンブリ、すなわちユニット１３４（それぞれ１３４ａ、１３４ｂ、１３４ｃおよび１３４ｄで示されている）を含み、それらのユニットは、フレームに対して可動子を浮いた状態で支持する（または、懸架する）ように可動子２０の周囲に配列される。通常、フレーム１１２および可動子１２０は概ね平面的であり、可動子１２０がフレーム１１２の中でＸ−Ｙ平面内を動くための、ある動作範囲を有するように構成される。可動子１２０は、先に記載されたような静電ドライブを用いて、あるいは任意の他の適切な作動機構の動作を通して、フレーム１１２に対して動かすことができる。図に示されているように、多くの場合に、４つのサスペンションユニットがフレーム１２０の周囲に対称に配列され、フレームと可動子１２０との間に動作可能に配置される、サスペンションアセンブリ１３２を設けることが望ましいであろう。代替的には、所望により、また所与の応用形態に適するように、１つ、２つあるいは３つのサスペンションユニットが、あるいは５つ以上のサスペンションユニットが存在する場合もある。

図２に示されているように、サスペンションユニット１３４ａは通常可撓性部材１３６ａ、１３８ａおよび１４０ａを備え、他のサスペンションユニットは対応する同様の可撓性部材を有する。本明細書において用いられるような「可撓性部材」は、可動子１２０をフレーム１１２に接続し、可動子とフレームとが相対的に動くのに応じて曲がる、任意のばねのような構造体を指す。通常、可撓性部材は、相対的に低い平面内剛性（したがってＸ−Ｙ平面内を動くことができる）と、相対的に高い平面外剛性（したがって平面外のＺ軸の動きを概ね防ぐ）とを有する。Ｘ−Ｙ平面内に力が加えられない場合、可撓性部材は通常、可動子１２０を強制的に、静止位置、すなわち平衡位置に動かすように構成される。可撓性部材の曲がり、すなわち弾性変形が、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに関してさらに詳細に説明されるであろう。多くの場合に、深い反応性イオンエッチングあるいは他の製造技法を用いて、デバイス１００の他の構成要素と一体に可撓性部材を形成することが望ましいであろう。別法では、可撓性部材は、個別に形成され、その後に可動子およびフレームに固定されることができる。図２、および本明細書において説明される他の図のうちのいくつかにおいて、可撓性部材は明瞭にするために線として示されているが、可撓性部材の厚みが０でないことを理解されたい。可撓性部材の寸法は、図４に関してさらに詳細に説明されるであろう。

図に示されているように、可撓性部材１３６ａ、１３６ｂ、１３６ｃおよび１３６ｄは、可動子１２０と、結合部材１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃおよび１４２ｄとの間にそれぞれ結合される。これらの可撓性部材は可動子１２０に直に接続されるので、「可動子可撓性部材」と呼ばれる場合もある。残りの可撓性部材（１３８ａ、１４０ａ、１３８ｂ、１４０ｂ、１３８ｃ、１４０ｃ、１３８ｄおよび１４０ｄ）は、フレーム１１２と、結合部材１４２ａ、１４２ｂ、１４２ｃおよび１４２ｄとの間にそれぞれ結合される。それらはフレーム１１２を結合部材に接続するので、これらの残りの可撓性部材は「フレーム可撓性部材」と呼ばれる場合もある。

加えられる力への応答および可動子とフレームとの間に結果として生じる相対的な動きに関して、種々の可撓性部材をさらに区別することができる。詳細には、Ｘ軸方向への動きに応答して曲がる可撓性部材はＸ軸可撓性部材、あるいは単にＸ可撓性部材と見なされることができる。同様に、Ｙ軸方向へ動きに応答して曲がる可撓性部材はＹ軸可撓性部材と見なされることができる。

これは、図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃから最も明確にわかり、それらの図は可動子２０とフレーム１１２との間に生じる種々の相対的な位置に応じたサスペンションユニット１３４ａの挙動を示す。図３Ａでは、可動子１２０は平衡位置にあり、それゆえサスペンションユニット１３４ａの可撓性部材は曲がっていない、すなわち変形してない状態にある。図３Ｂは、Ｘ軸成分を有する力を加えるのに応じて、フレームと可動子との間にＸ軸方向への相対的な動きが生じることを示す。図に示されているように、可撓性部材１３８ａおよび１４０ａは変形しているが、加えられる力にはＹ軸成分がないので、可撓性部材１３６ａは変形していない状態のままである。したがって、可撓性部材１３８ａおよび１４０ａがＸ軸可撓性部材として動作していることが理解されよう。図３Ｃは、Ｙ軸成分を有する力を加えることに起因して、可動子１２０が静止位置からＹ軸方向に動かされることを示す。Ｘ軸可撓性部材１３８ａおよび１４０ａが変形しないままであるのに対して（加えられる力にはＸ軸成分がないため）、可撓性部材１３６ａは弾性変形される。したがって、可撓性部材１３６ａがＹ軸可撓性部材として動作していることが理解されよう。

再び図２を参照すると、サスペンションユニット１３４ａ〜ｄは可動子１２０の周囲に対称に配列されており、可動子可撓性部材のうちの半分およびフレーム可撓性部材のうちの半分がＸ軸方向に可動子を動かすことに応じて弾性変形するのに対して、残りの可撓性部材は可動子をＹ軸方向に動かすことに応じて変形することを理解されたい。この構成は、Ｘ軸およびＹ軸に沿ったサスペンションの総合的な曲げ剛性が概ね同じになるようにする。等しい、あるいは概ね等しい数のＸ可撓性部材とＹ可撓性部材が曲がる、そのような構成は、本発明の実施形態のうちの任意のものにおいて用いられることができる。たとえば、そのような構成が、図６Ｂ、図７Ｂおよび図８Ｂの例示的なシステムに関して説明されるであろう。

図４は、本明細書に記載されているシステムとともに用いられることができる１つの例示的な可撓性部材の部分斜視図である。図に示されているように、可撓性部材２３６は通常、矩形状のビーム（または梁。以下同じ）として形成され、その高さはその幅よりも著しく（または相当に）大きい。ただし、高さはＺ軸に沿って測定され、幅はＸ軸に沿って測定される。可撓性部材２３６の長さは、フレームとそのフレームが取り付けられる可動子との相対的な寸法に基づいて、かつ／または特定の応用形態の場合に望まれるように変更することができる。しかしながら、一般的には、Ｘ−Ｙ剛性（平面内剛性）よりも高いＺ軸剛性（平面外剛性）を与えるために、高さは幅よりも著しく（または相当に）大きいことが望ましいであろう。結果として、可撓性部材構造は平面内の力に応じて曲がり（それゆえ図３Ａ、図３Ｂおよび図３Ｃに示されている、望ましい平面内の動きが可能になる）、一方、平面外の力に応じて概ね変形しないままである（それゆえ、望ましくない平面外のＺ軸方向に動くことを概ね防ぐ）。

図１〜図４は主に所与の場所において単一の可撓性部材構造を用いることを示す。たとえば、図２に関して説明されたように、単一の可撓性部材１３６ａが結合部材１４２ａと可動子１２０との間に接続される。しかしながら、複数の可撓性部材を用いることが望ましい場合が多いことを理解されたい。図５、図６Ａ、図６Ｂ、図７Ａ、図７Ｂ、図８Ａ、図８Ｂおよび図９は、そのような複数可撓性部材構成の例を示す。それらの実施形態が以下に詳細に説明されるであろう。

図５Ａおよび図５Ｂは、本発明のこの実施形態の機械式サスペンションにおいて用いることができる複数の可撓性部材構成の一例を示す。図示した構成は二重折返し（または、二重折曲げ。以下同じ）可撓性部材構成と呼ばれる。図に示されているように、二重折返し構成３３６は通常、互いに対して平行に、かつ隣接して配列された４つの可撓性部材３３８ａ〜ｄを含む。外側可撓性部材３３８ａおよび３３８ｄは、１つの浮動リンク（または変動リンク。以下同じ）３５０と、それぞれのフレームアンカーポイント３１２ａおよび３１２ｂとに固定される。浮動リンク３５０は典型的には矩形状であり、可撓性部材３３８ａ〜ｄに対して概ね垂直に配列される。内側可撓性部材３３８ｂおよび３３８ｃは浮動リンク３５０および結合部材（３４２において部分的に示されている）に固定される。

図５Ａおよび図５Ｂは、可動子とフレームとの間で生じるＹ軸方向への動きが相対的に大きいために実効的に可撓性部材が短縮すること（Ｘ軸に沿って生じる軸方向への短縮）を示す。具体的には、図５Ａは変形されていない静止状態にある二重折返し構成を示す。図５Ｂは、可動子（図示せず）および結合部材３４２がＹ軸方向に動くことに起因して変形された状態にある構成を示す。図に示されているように、その可撓性部材構成は、図５Ｂに示されているＹ軸方向への動きのために、量ΔＬだけ軸方向（Ｘ方向）に短縮される。このように可撓性部材を実効的に短縮することにより、もし短縮していなければ可撓性部材３３８ａ〜ｄにおいて生じたであろう軸方向への引っ張り（または伸長）が低減される。これにより、サスペンションの平面内剛性を、動きの動作範囲にわたって、さらにほぼ一様に維持することが確保される。望ましい剛性特性を保持するために実効的な可撓性部材長を変化させることを、長さ変化補償と呼ぶことができる。

図６Ａおよび図６Ｂはそれぞれ、機械式サスペンションサブアセンブリ、および図６Ａに示されているのと同様の複数のサスペンションサブアセンブリを組み込む可動システム（たとえばＭＥＭＳコンピュータ記憶デバイス）を示す。最初に図６Ａを参照すると、サスペンションサブアセンブリ４３４は、結合部材４４２の周囲に配列された３つのグループの可撓性部材４３６、４３８、４４０を備えることができる。可動子可撓性部材４３６は通常、可動子（４２０で部分的に示されている）と結合部材４４２との間に接続され、各可撓性部材は互いに対して平行に、かつ隣接して配列される。２つの可動子可撓性部材４３６が示されているが、所望により１つの可撓性部材あるいは３つ以上の可撓性部材が用いられる場合もあることが理解されよう。

結合部材４４２は、可動子可撓性部材４３６が取り付けられることができる１つの中央部４４３と、２つの側面部４４４および４４５とを含む。側面部４４４と４４５は、典型的には、互いに対して平行で、かつ向かい合っており、中央部４４３に対しては垂直であり、これにより、結合部材４４２は「Ｕ」字形構造を形成する。別法では、結合部材４４２は台形、正方形あるいは矩形の形状を有することができるか、任意の他の所望の形状および／または寸法で形成されることができる。

図に示されているように、フレーム可撓性部材グループ４３８および４４０は二重折返し構成で実装されることができる。別法では、フレーム可撓性部材は、所与の応用形態に適するように、他の複数可撓性部材構成で、あるいは単一可撓性部材構成として実装されることができる。図示されている二重折返し構成では、フレーム可撓性部材４３８の一部が結合部材４４２と浮動リンク４５０との間に固定され、一方、残りのフレーム可撓性部材４３８は浮動リンク４５０とフレームアンカーポイント４１２ａおよび４１２ｂとの間に固定される。可撓性部材グループ４４０は浮動リンク４５２ならびにフレームアンカーポイント４１２ｃおよび４１２ｄに対して同じように構成される。

図６Ａに示されている２つの二重折返しフレーム可撓性部材グループは通常、個々の可撓性部材が可動子可撓性部材４３６の中間点を通過する（二等分する）共通軸４５８に沿って整列するように配置される。さらに、フレーム可撓性部材グループは、可動子可撓性部材の両側に、可動子可撓性部材４３６を中心にして対称に配置される。フレーム可撓性部材４３８および４４０と、結合部材４４２と、可動子可撓性部材４３６との相対的な配列は、Ｚ軸（平面外）成分を有する力が加えられるときの曲げ捩れを概ね制限する。

さらに図６Ａを参照すると、Ｘ方向に可動子４２０を動かすことにより、可動子可撓性部材４３６が、結合部材４４２に力を及ぼすようになり、それにより結合部材４４２がＸ軸方向に動かされる。これによりさらに、フレーム可撓性部材４３８および４４０が弾性変形するようになる。先に記載されたように、平面外剛性の場所による変化は、フレーム可撓性部材４３８および４４０に対して二重折返し構成を用いることにより最小限に抑えられる。可動子４２０をＹ方向に動かす結果として、主に、可動子可撓性部材４３６が曲がることとになり、結合部材４４２およびサスペンションサブアセンブリ４３４の他の構成要素にはほとんど、あるいは全く動きは生じない。

ここで図６Ｂを参照すると、ＭＥＭＳデバイス４１０が示されており、それは図６Ａに示すサブアセンブリに類似の複数のサスペンションサブアセンブリ４３４ａ〜ｄを有する機械式サスペンション４３２を備える。サスペンションサブアセンブリは、可動子がＸ−Ｙ平面内を動けるようにするとともに、平面外への動き（Ｚ軸方向への動き）を概ね阻止するように、フレーム４１２および可動子４２０を移動可能に相互接続する。図に示すように、図示されているデバイスは４つのサスペンションサブアセンブリを有し、各サブアセンブリが可動子４２０の４つの辺のうちの１つの概ね中間点に配置される。図示されている中間点構成は、数多くの従来のサスペンション設計を悩ませている場所による剛性の変化を最小限に抑えるとともに、結果として平面外剛性が相対的に高くなり、かつ平面内剛性が相対的に低くなる点で特に有利であることがわかっている。先に述べられたように、中間点構成は、ＸおよびＹ軸に沿って、そのアセンブリに概ね等しい剛性を与える。しかしながら、応用形態によっては、サスペンションアセンブリを可動子４２０の角に、あるいは他の適切な場所に配置することが同様に望ましい場合もある。

図６Ｂに示されているシステムのさらに別の利点が、サスペンションサブアセンブリが互いに独立していることによってもたらされる。詳細には、デバイス４１０の結合部材が互いに対して完全には固定されていないという事実が、可動子４２０の相対的な動きを測定（モニタ）するセンサの設計を簡単にすることができる。これまでの説明から、可動子がＸ方向に動くときに、左および右サスペンションサブアセンブリ上の結合部材が可動子４２０とともに動く、すなわち可動子４２０を追跡することが理解されよう。対照的に、相対的なＹ軸方向への動きの場合、それらの結合部材は可動子４２０とは実質的に独立している（実質的に無関係である）。言い換えると、それらの結合部材は、Ｙ軸に沿った可動子の動きが変わっても、可動子を追跡しない。逆のことが、可動子４２０の上下の辺上にあるサスペンションサブアセンブリに関連する結合部材にも当てはまる。それらの結合部材は可動子４２０のＹ軸方向への動きを追跡（追従）し、Ｘ軸方向への動きからは実質的に独立している（実質的に無関係である）。位置センサが種々の結合部材に取り付けられる場合、今述べたばかりの単一軸追跡機構が、位置検出システムの設計を極めて簡単にすることができる。多くの従来のサスペンション設計は、１つの中間フレーム部材を用いて、その中間フレーム部材がＸおよびＹ両方ではなく、いずれか一方方向において可動子に追従するようにする。先に説明された位置センサの簡略化は、そのような従来のシステムでは実施されることができない。

図７Ａおよび図７Ｂはそれぞれ、機械式サスペンションサブアセンブリ、および図７Ａに示されているのと同様の複数のサスペンションサブアセンブリを組み込む可動システム（たとえばＭＥＭＳコンピュータ記憶デバイス）とを示す。最初に図７Ａを参照すると、サスペンションサブアセンブリ５３４は、結合部材５４２の周囲に配列された可撓性部材５３６、５３８および５４０を備える。可動子可撓性部材５３６は通常、結合部材５４２と可動子（５２０で部分的に示されている）との間に接続される。通常、図示されているように、互いに対して平行に、かつ隣接して配列された２つの可動子可撓性部材５３６が存在するが、１つの可動子可撓性部材あるいは３つ以上の可動子可撓性部材が用いられる場合もある。

図６Ａおよび図６Ｂを参照して説明されたサスペンションサブアセンブリと同じように、フレーム可撓性部材５３８および５４０は可動子可撓性部材５３６の両側に対称に配置されることができ、フレーム可撓性部材は、可動子可撓性部材５３６を二等分する共通軸５５８に沿って整列することができる。フレーム可撓性部材５３８は、結合部材５４２とフレームアンカーポイント５１２ａとの間に結合され、一方、フレーム可撓性部材５４０は、結合部材とフレームアンカーポイント５１２ｂとの間に接続される。図に示されているように、そのサスペンションサブアセンブリは、一対のフレーム可撓性部材が結合部材５４２の各側面から延在し、個々のフレームアンカーポイントに固定されるように、付加的なフレーム可撓性部材５３８および５４０を備えることもできる。そのような場合に、そのフレーム可撓性部材グループは、二等分する軸５５８に沿って、あるいは概ねその軸に沿って存在するように配置されることができる。場合によっては、フレーム可撓性部材をさらに追加することにより、機械式サスペンションのＺ軸剛性が所望のように高められるであろう。

結合部材５４２は、可動子可撓性部材５３６が取り付けられることができる中央部５４３と、２つの側部５４４および５４５とを備える。側部５４４および５４５は通常、結合部材５３４が「Ｕ字形」構造を形成するように、中央部５４３の両側に、かつ対称に配列される。別法では、結合部材５３４は台形、正方形あるいは矩形の形状にすることができるか、任意の他の所望の形状および／または寸法で形成されることができる。

結合部材５４２はさらに、可動子が動いている間のサスペンションユニット５３４の剛性の非線形性を大きく低減する（長さ変化補償による）ように構成された補償リンク５５０も備える。補償リンク５５０は、可動子可撓性部材５３６の一端に隣接して配置され、通常、中央線５５６によって二等分される。リンク５５０は、隣接する部分５４４および５４５に対して厚みが薄い領域として形成されることができ、その厚みは、所望の応用形態に応じて変更することができる。厚みに関係なく、フレーム可撓性部材５３８および５４０が変形するのに応じて（可動子５２０がＸ方向に動くことに起因する）、図の矢印によって示されているように、可撓性部材５３８および５４０における軸方向の引っ張り力（または伸長）により結合部材５４２が引っ張られて開く。これは、可撓性部材５３８および５４０の実効的な長さを長くすることにより、長さ変化補償効果を与える。これは、そうでない場合には、可動子５２０がその静止位置からＸ軸方向に離れるのに応じて生じるであろう平面内剛性の変化を小さくする。補償効果は、システムの平面外剛性と平面内剛性との間の高い比を保持するのを助ける。先に説明されたように、通常は、動きの動作範囲にわたって変化を最小限に抑えながら、この比を高いレベルに保持することが望ましい。本発明の実施形態のうちの任意のものあるいは全てに、この補償機構を備える結合部材を設けることができる。

図に示されているように、補償リンクの厚みを、結合部材の隣接する部分５４４および５４５に対して変えることができる。多くの場合に、比較的薄い補償リンクによって、サスペンションユニットの面内の柔らかさを所望に応じて高めることになろう。しかしながら、場合によっては、平面外剛性を高めるために、比較的厚い補償リンクを有することが望ましいであろう。

ここで図７Ｂを参照すると、ＭＥＭＳデバイス５１０が示されており、それは図７Ａに示されているサブアセンブリと同様の複数のサスペンションサブアセンブリ５３４ａ〜ｄを有する機械式サスペンション５３２を備える。そのサスペンションサブアセンブリは、可動子がＸ−Ｙ平面内を動けるようにするとともに、平面外への動き（Ｚ軸方向への動き）を概ね阻止するように、フレーム５１２および可動子５２０を移動可能に相互接続する。図６Ｂを参照して説明された実施形態の場合と同様に、そのサブアセンブリは、図示のように、可動子５２０の周囲に対称に配列されることができ、各サブアセンブリは可動子の辺のうちの１つの中間点に配置される。別法では、そのサブアセンブリは、可動子の角に、あるいは任意の他の適切な場所に配置されることができる。図７Ａを参照して説明された補償効果に加えて、図示されているシステムは、図６Ｂに示されているシステムを参照して説明されたのと同様の、剛性に関連する利点を有する。また、図６Ｂのシステムと同じように、図示されているサスペンションにおいて用いられる結合部材は、互いに無関係（独立）であり、センサ設計を簡単にするために単一の軸に追従するように構成されることができる。

図８Ａおよび図８Ｂは、本発明のさらに別の実施形態による、サスペンションサブアセンブリおよび可動ＭＥＭＳデバイスをそれぞれ示す。最初に図８Ａを参照すると、サスペンションサブアセンブリ６３４は可動子可撓性部材６３６と、フレーム可撓性部材６３８および６４０とを備え、その間に台形形状の結合部材６４２が配置されている。サスペンションサブアセンブリ６３４には、図８Ａに示され、図７Ａの実施形態を参照して先に説明されたように、対をなすフレーム可撓性部材６３８および６４０を設けることができる。可撓性部材６３８はフレームアンカーポイント６１２ａにおいてフレームに接続され、一方、可撓性部材６４０はフレームアンカーポイント６１２ｂにおいてフレームに接続される。図に示されているように、可撓性部材６３８および６４０は、可動子可撓性部材６３６の中間点あるいはその付近において可動子可撓性部材６３６を通過する軸６５８に沿って整列することができる。

台形状結合部材６４２は通常、中央部６４３と、中央部６３４から角度をなして延在する２つの側部６４４および６４５とを備える。図７Ａに示されている結合部材と同じように、結合部材６４２は、フレーム可撓性部材６３８および６４０の軸方向への引っ張り（または伸長）が生じたときに長さ変化補償を提供するための補償リンク６５０を備えることができる。図８Ｂからわかるように、サスペンションサブアセンブリ６３４のフレーム可撓性部材は通常、図７Ａおよび図７Ｂに示されているフレーム可撓性部材よりも長く、フレーム可撓性部材が、図示されている可動子の角まで延在するようになっている。本明細書に記載された実施形態のうちの任意のものが、所与の応用形態の場合に望まれるように、同様の長さのフレーム可撓性部材で、あるいは任意の他の適切な長さのフレーム可撓性部材で構成されることができる。本明細書に記載されたサスペンションサブアセンブリのための可動子可撓性部材の長さも、所与の応用形態の場合に望まれるように変更することができる。

図６Ｂおよび図７Ｂの実施形態の場合と同様に、ＭＥＭＳデバイス６１０（図８Ｂ）は、４つのサスペンションサブアセンブリ６３４ａ〜ｄで構成されることができる機械式サスペンション６３２を備える。そのサブアセンブリはフレーム６１２および可動子６２０を移動可能に結合する。図に示されているように、そのサブアセンブリは、個々のサブアセンブリが可動子の４つ辺の中間点を中心にして配置されるように、可動子６２０のそれらの辺に関して対称に配列されることができる。別法では、これまでの実施形態と同様に、サブアセンブリを、可動子の角に、あるいは任意の他の適切な場所に配置することができる。図８Ｂのサブアセンブリは、そのサブアセンブリ結合部材の各側面から１つのみのフレーム可撓性部材が延在しているという点で、図８Ａのサブアセンブリとは別の構成で示されている。所与の応用形態の場合に適するように、１つの可撓性部材、一対の可撓性部材あるいは３つ以上のフレーム可撓性部材を結合部材の各側面において用いることができることが理解されよう。

図９は１つの例示的なＭＥＭＳデバイス７１０を示しており、個々のサスペンションユニットが可動子７２０の角に配置されるように、サスペンション７３２のサスペンションユニット７３４ａ〜ｄがフレーム７１２と可動子７２０との間に結合される。この実施形態によれば、可動子可撓性部材は、Ｘ軸に沿って可動子が動くのに応じて弾性変形するのに対して、フレーム可撓性部材は、Ｙ軸に沿って可動子が動くのに応じて変形する。同一の構成の可撓性部材ビームを想定すると、サスペンションユニットの図示されている構成は、異なるＸおよびＹ軸剛性を与えることができ、それはある特定の応用形態において望ましい場合がある。

上記の実施形態のうちの多くでは、フレーム可撓性部材は、可動子可撓性部材（複数可）を２等分する軸に沿って整列するように、１つまたは複数の可動子可撓性部材の両側に設けられる。先に説明されたように、これは、多くの場合において望ましい剛性特性を与える。しかしながら、上記の利点を保ちながら、可撓性部材の相対的な位置を変更できることを理解されたい。たとえば、フレーム可撓性部材は、二等分する軸の一方の側にシフトされるが、依然として可動子可撓性部材（複数可）を通過する線に沿って整列された状態を保持するように配置されることができる。

本発明の上記の実施形態によっていくつかの利点が提供される。１つの利点は、従来のシステムに対して、本発明のサスペンションアセンブリの場合には大きな剛性比（平面内剛性に対する平面外剛性）が達成されることである。これは主に、可撓性部材の設計および配置による。単一の可撓性部材の場合、ビームアスペクト比（ＡＲ、ただしＡＲ＝ビーム高／ビーム幅）をその曲げ剛性比ｋ_ｚ／ｋ_ｘ＝ＡＲ^２に概ね関連付けることができる。ただし、ｋ_ｚはＺ軸剛性に関するばね定数であり、ｋ_ｘはＸ軸剛性に関するばね定数である。２つの自由度（ＸおよびＹ方向の動き）を有するサスペンションの場合、最大理論剛性比はｋ_ｚ／ｋ_ｘｙ＝ＡＲ^２である。ただし、ｋ_ｘ＝ｋ_ｙ＝ｋ_ｘｙである。この式は、後にフレーム、可動子あるいは接続構造が変形することのない、全ての可撓性部材の純粋な撓みを仮定している。多くの従来の可撓性構成は、最大理論剛性比には程遠い。対照的に、試験よれば、本発明のあるサスペンションアセンブリが最大理論剛性比の７５％以上に達することが示されている。さらに、上記の実施形態は、可動子が平面内を動く間に結果として生じる、交差軸相互作用、及び／または、平面外剛性の損失を最小限に抑える。

本発明を上記の実施形態を参照して詳細に図示および説明したが、添付の特許請求の範囲に規定されるような本発明の思想および範囲から逸脱することなく、それらの実施形態において多くの変更をなすことができることが当業者には理解されよう。本発明の説明には、本明細書に記載された構成要素の全ての新規なものと自明でないものとの組み合わせが含まれることが理解されるべきであり、特許請求の範囲は、これらの構成要素の任意の新規なものと自明でないものとの組み合わせに対する現時点での、または将来における用途に適用することができる。請求項において、「１つの」または「第１の」構成要素、またはそれに相当する表現が記載されている場合、そのような請求項は、１つまたは複数のそのような構成要素を組み込むことを含み、２つ以上のそのような構成要素を要求も排除もしないことが理解されるべきである。

本発明の一実施形態による、可動システムの概略的な側面図である。本発明の一実施形態による、可動システムの概略的な平面図である。最初に静止位置にあるサスペンションアセンブリを示す、図１の可動システムの部分概略図である。図３Ａの静止位置からＸ方向に動かされたサスペンションアセンブリを示す、図１の可動システムの部分概略図である。図３Ａの後静止位置からＹ方向に動かされたサスペンションアセンブリを示す、図１の可動システムの部分概略図である。可動システムとともに用いることができる可撓性部材の部分等角図である。可動システムとともに用いることができる二重折返し可撓性部材構成の平面図である。静止位置に対してＹ方向に動かされたことを示す、図５Ａの二重折返し可撓性部材構成の平面図である。可動システムとともに用いることができる機械式サスペンションユニットの平面図である。本発明の一実施形態による、図６Ａに示されているような複数のサスペンションユニットを含む可動システムの平面図である。可動システムとともに用いることができる別の機械式サスペンションユニットの平面図である。本発明の別の実施形態による、図７Ａに示されているような複数のサスペンションユニットを含む可動システムの平面図である。可動システムとともに用いることができるさらに別の機械式サスペンションユニットの平面図である。本発明のさらに別の実施形態による、図８Ａに示されているような複数のサスペンションユニットを含む可動システムの平面図である。本発明のさらに別の実施形態による可動システムの平面図である。

Claims

可動微小電気機械デバイス（１０、１００、４１０、５１０、６１０、７１０）であって、
フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）と、
該フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）に対して動くように構成された可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）と、
前記フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）と前記可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）との間に動作可能に結合された機械式サスペンション（３２、１３２、４３２、５３２、６３２、７３２）
を備え、
前記機械式サスペンション（３２、１３２、４３２、５３２、６３２、７３２）は、前記可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）が前記フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）に対して平面内を動くことができるようにするとともに、平面外に相対的に動くことを概ね防ぐように構成され、そのような平面内の動きはＸ方向およびＹ方向によって画定され、
前記機械式サスペンション（３２、１３２、４３２、５３２、６３２、７３２）が、
前記可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）と、独立した結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）との間に固定された少なくとも１つの弾性可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）と、
前記結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）と前記フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）との間に固定された少なくとも２つの弾性フレーム可撓性部材（４３８、４４０、５３８、５４０、６３８、６４０）とを備え、
前記フレーム可撓性部材（４３８、４４０、５３８、５４０、６３８、６４０）が、前記結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）の両側に対称的に配置されるとともに、前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）の両側に対称的に配置されて、前記フレーム可撓性部材（４３８、４４０、５３８、５４０、６３８、６４０）が、前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）を二分する軸に沿って整列することからなる、可動微小電気機械デバイス。
請求項１に記載の可動微小電気機械デバイスを備えるコンピュータ記憶装置であって、前記可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）が、読出し／書込みデバイスを動作させることによってアクセス可能な複数のデータ記憶場所（２２）を含むことからなる、コンピュータ記憶装置。
可動微小電気機械デバイス（１０、１００、４１０、５１０、６１０、７１０）であって、
フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）と、
該フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）に対して動くように構成された可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）と、
前記フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）と前記可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）との間に動作可能に結合された複数のサスペンションサブアセンブリ（１３４、４３４、５３４、６３４、７３４）を含む機械式サスペンション（３２、１３２、４３２、５３２、６３２、７３２）
を備え、
前記サスペンションサブアセンブリ（１３４、４３４、５３４、６３４、７３４）の各々は、
前記可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）と、前記サスペンションサブアセンブリに関連する独立した結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）との間に固定された少なくとも１つの弾性可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）と、
前記結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）と前記フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）との間に固定された少なくとも２つの弾性フレーム可撓性部材（４３８、４４０、５３８、５４０、６３８、６４０）とを備え、
前記フレーム可撓性部材（４３８、４４０、５３８、５４０、６３８、６４０）は、前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）の両側に配置され、かつ前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）を通過する長手方向軸（４５８、５５８、６５８）に沿って整列することからなる、可動微小電気機械デバイス。
前記各サスペンションサブアセンブリ（１３４、４３４、５３４、６３４、７３４）毎に、前記フレーム可撓性部材（４３８、４４０、５３８、５４０、６３８、６４０）は前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）の両側に配置され、かつ前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）を二等分する長手方向軸（４５８、５５８、６５８）に沿って整列することからなる、請求項３に記載の可動微小電気機械デバイス。
前記各サスペンションサブアセンブリ（１３４、４３４、５３４、６３４、７３４）の前記結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）は、前記可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）の第１の方向への相対的な動きに追従するとともに、該第１の方向に対して垂直な第２の方向における相対的な動きとは概ね無関係のままであるよう構成される、請求項３に記載の可動微小電気機械デバイス。
前記各サスペンションサブアセンブリ（１３４、４３４、５３４、６３４、７３４）は、前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）の両側のうちの一方の側において、前記結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）と前記フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）との間に延在する第１の一対の平行なフレーム可撓性部材（４３８、５３８、６３８）を有し、前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）の他方の側において、前記結合部材と前記フレームとの間に延在する第２の一対の平行なフレーム可撓性部材（４４０、５４０、６４０）を有する、請求項３に記載の可動微小電気機械デバイス。
前記各サスペンションサブアセンブリ（１３４、４３４、５３４、６３４、７３４）毎に、前記結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）は、前記フレーム可撓性部材（４３８、４４０、５３８、５４０、６３８、６４０）の軸方向への引っ張りが生じたときに長さ変化補償を行うように構成された補償リンク（５５０、６５０）を備える、請求項３に記載の可動微小電気機械デバイス。
前記各サスペンションサブアセンブリ（１３４、４３４、５３４、６３４、７３４）毎に、二重折返しフレーム可撓性部材グループ（４３８、４４０）が前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）の両側にそれぞれ設けられる、請求項３に記載の可動微小電気機械デバイス。
前記可撓性部材（４３６、４３８、４４０、５３６、５３８、５４０、６３６、６３８、６４０）は矩形状のビームであり、各ビームは、該ビームの幅よりも著しく大きな高さを有する、請求項３に記載の可動微小電気機械デバイス。
コンピュータ記憶デバイス（１０、１００、４１０、５１０、６１０、７１０）であって、
フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）と、
該フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）に対して動くように構成された可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）であって、読出し／書込みデバイスを動作させることによってアクセス可能な複数のデータ記憶場所（２２）を含む、可動子と、
前記フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）と前記可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）との間に動作可能に結合された複数のサスペンションサブアセンブリ（１３４、４３４、５３４、６３４、７３４）を含む機械式サスペンション（３２、１３２、４３２、５３２、６３２、７３２）
を備え、
前記サスペンションサブアセンブリ（１３４、４３４、５３４、６３４、７３４）の各々は、
前記可動子（２０、１２０、４２０、５２０、６２０、７２０）と、前記サスペンションサブアセンブリに関連する独立した結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）との間に固定された少なくとも１つの弾性可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）と、
前記結合部材（１４２、３４２、４４２、５４２、６４２）と前記フレーム（１２、１１２、４１２、５１２、６１２、７１２）との間に固定された少なくとも２つの弾性フレーム可撓性部材（４３８、４４０、５３８、５４０、６３８、６４０）とを備え、
前記フレーム可撓性部材（４３８、４４０、５３８、５４０、６３８、６４０）は、前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）の両側に配置され、かつ前記可動子可撓性部材（４３６、５３６、６３６）を通過する長手方向軸（４５８、５５８、６５８）に沿って整列することからなる、コンピュータ記憶デバイス。