JP5528466B2 - 静電的櫛形マイクロメカニカルアクチュエーター - Google Patents

Description

この発明は、マイクロメカニカルアクチュエーターに関し、特にマイクロミラースキャナーに関する。このマイクロミラースキャナーは、外側フレームに設けられたアクチュエーターユニットと、インターメッシュした第１及び第２の櫛形（ｃｏｍｂ−ｔｙｐｅ）の電極の静電的傾斜駆動装置とを有し、アクチュエーターユニットは、２つのねじり要素により吊られ、アクチュエーターの外側の傾斜軸に沿って延設されており、第１の電極は外側フレームに強固に接続されており、第２の電極はいずれの場合にもアクチュエーターユニットに接続されている。

マイクロメカニカルシリコンアクチュエーター（ＭＥＭＳアクチュエーター）を駆動するためには、この数十年間、静電気力がうまく配置されていなければならなかった。それらは、電磁気的、圧電的そして熱的な原理に作用する駆動と比べて、駆動装置を含むマイクロアクチュエーターの全体構造を完全にシリコンにて実施できるという利点がある。この種のマイクロメカニカルアクチュエーターの例としては、共鳴ミラー、加速度センサー、回転速度センサーがある。一般に熱膨張係数が適合しないような他の材料は用いられないので、これらマイクロメカニカルアクチュエーターは、時には３００°Ｃ以上（ウェファレベルのパッケージング）の著しく高い温度を伴うにもかかわらず、比較的容易にカプセル化することができ、更に、陽極ボンディングや共晶ボンディングやガラスフリットボンディングなどの現在のウェファボンディング技術を用いてウェファレベルでの高い歩留まりを得ることができる。好適なカプセル化は、粒子、液体、ガスによる汚染や機械的な過大応力に対する保護を提供するために、ＭＥＭＳ製品にとって必須のものである。これらシステムのカプセル化の選択の結果として、チップレベルだけでなくウェファレベルにおいても、製造コストの低さは、製造歩留まりの高さと同時に達成される。

これらの利点は、他の原理に作用する駆動では達成できない。よって、電気力学的な駆動は、たとえば、可能な最低の抵抗を伴う平面コイルを例示するために、厚い金属の層の成膜が必要である。金属の成膜では避けることが難しく、かつアクチュエーターのひどいねじれを生じうる層のストレス又は層のストレスの勾配と、アクチュエーターに伴わざるを得ない金属の大きな質量という、既に重大な欠点に加え、ウェファレベルでのウェファボンディング技術を用いたこのようなアクチュエーターをカプセル化する試みに関連する更に大きな問題が発生する。ほとんどの場合において、含まれる材料の熱的な不整合は、高温のためにウェファレベルのパッケージング方法の使用を不可能にする。一般に、非密閉的に封がされるボンディング技術だけが、微細構造を保護するために実行可能である。更に、電磁気的な駆動の重大な欠点は、移動する平面コイルに加えて、マイクロアクチュエーター上にハイブリッド永久磁石を可能な限り密に配置することによって外部磁場を発生させる必要性の結果として生じる。このようなハイブリッドに搭載されたシステムは、静電的なアクチュエーターと比較して、より高価であり、また大量生産に不向きである。電磁気的に駆動されるＭＥＭＳアクチュエーターとして達成可能な最小の体積は、一般に、静電的な駆動に適するアクチュエーターの体積よりもかなり大きい。

提案するマイクロメカニカルアクチュエーターは、光学的マイクロミラーアクチュエーターの分野で重要であるが、スイッチやジャイロスコープ等の多くの他のタイプのアクチュエーターに配備することも等しく可能である。マイクロミラーは、他の波長領域（赤外（ＩＲ）、紫外（ＵＶ））の入射ビームや電磁放射の目的の偏向のために配備される。一般に、それらは、薄くエッチングされたシリコンのプレートとして形成される。それらは、絶縁的に又は極めて薄い金属層で被覆されたミラーであり、ねじりストリップや屈曲ストリップにより移動可能に吊られている。このようなマイクロミラー（せいぜい数ミリメートルのサイズ）を共鳴的に動作させると、多くのキロヘルツの周波数において十分大きなスキャン振幅で偏向される。近年、研究は、コンパクトなレーザー投影ディスプレイに配備するよう設計された２軸（ｄｕａｌ−ａｘｉｓ）スキャニングマイクロミラーシステムの開発に集中されている。単色又は多色レーザービームは、可動ミラーに導かれ、人眼が投影面上の連続的に照明された矩形領域を知覚するような速さで２つの軸（垂直と水平）により偏向される。変調レーザー光源とミラーの動作を同期させることで、画像情報は高解像度で伝達される。

投影面上へのレーザービームの偏向のために、２つの異なる基本的なスキャン方法、ラスタースキャン及びリサージュ（Ｌｉｓｓａｊｏｕｓ）スキャン、が知られている。ラスタースキャン法は、高速なライン移動に好適に用いられ、通常、低速の垂直移動と組み合わせられる。たとえば、ＳＶＧＡの解像度、つまり８００ピクセル×６００ライン、かつリフレッシュレート６０Ｈｚで画像を投影するためには、少なくとも３６ｋＨｚのライン周波数が要求される。これは、１つの描画方向、たとえば左から右へ、に投影されるラインに適用される。したがって、たとえば水平方向のラインスキャナーのリセット時間中には、情報は伝達されない。しかし、もし両方のスキャン方向を利用することを望むのであれば、つまり左から右へのラインの投影と右から左へのラインの投影の両方を望むのであれば、周波数への要請は半分の１８ｋＨｚになる。そのうえ非常に高いスキャン周波数を維持しつつ十分大きいスキャン振幅を得るためには、水平スキャナーは通常共鳴で動作されるが、正弦速度特性が生じ、ライン方向において望ましくない不均一な光強度分布が生じる。水平軸に関してこれを回避することはほぼ不可能であるが、垂直方向における画像表現の最適な均一性を達成することは少なくとも可能である。これは、鋸歯状のスキャン特性による垂直方向の偏向の非共鳴的動作を用いることにより理想的に達成される。最適な方法で利用可能な光を用いるには、できるだけ短時間で開始点へ迅速に戻す構成（つまり急勾配で下降する鋸歯の垂直方向の側面（ｆｌａｎｋ））のための努力がなされる。ＶＧＡ方式、ＳＶＧＡ方式又はそれ以上の解像度のレーザー投影ディスプレイには、ミリメートルサイズの径を有するミラープレートが必要であるという、光学的な制約が要求される。そのミラー径と単一側の機械的なスキャン角の積は、いわゆるシータＤ積（Ｔｈｅｔａ−Ｄ ｐｒｏｄｕｃｔ、θ・Ｄ）を提供する。これは光学的な解像度の尺度として見られる。よって、たとえばＳＶＧＡ解像度では、水平方向に９．２７［ｍｍ×ｄｅｇｒｅｅｓ］、そして垂直方向に７．０３のシータＤ積が要求される。一方において、たとえば携帯電話等の携帯応用へ配備する場合におけるマイクロシステムへの振動に対する充分な衝撃ロバスト性と感度の欠損を達成し、他方において、鋸歯動作におけるミラーの十分に迅速なリセット、望ましくは２ｍｓ未満、を達成するためには、遅軸（垂直偏向）の最低自然共鳴を１０００Ｈｚ未満とすべきではない。

たとえば、非常にコンパクトであり、２軸式であり、カルダン電動方式で（ｃａｒｄａｎｉｃａｌｌｙ）吊持されたマイクロミラースキャナーであって、そのミラープレートが１ｍｍのエッジ長を有するものを仮定する。このミラーを囲うフレームとそのねじりバネは、移動可能に吊持されており（英語では通常ｇｉｍｂａｌと呼ばれる）、必然的にミラーより優位に長いエッジ長を有する。３００μｍと比較的短いバネ長のねじりバネと、幅２００ｎｍの付加的なフレームを仮定する。すると、正方形の輪郭とともに、可動フレームは、２ｍｍのエッジ長Ｌを有する。更に、最小厚みＤが６０μｍ、かつ最小自然ねじり周波数が１０００Ｈｚのマイクロアクチュエーターを仮定する。ＳＶＧＡ解像度を達成するには、可動フレームの機械的な傾斜動作θは、少なくとも±７°が要求される。

自然ねじり周波数Ｆ_ｒｅｓは、次のように表される。

ここで、ｋはバネ定数を表し、Ｊは回転軸周りのミラーの慣性モーメントを表す。

Ｊは、次のように表される。

ここで、ρはミラー材料の密度を表す（シリコンの密度：２３３０ｋｇ／ｍ^３）。

要求される全偏向（ｆｕｌｌ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ）のための機械的な復元トルクＴ_ｍｅｃｈ（ここでは±７°と仮定する）は、次のように表される。

加えて、最大偏向について次が成り立つ。

もし、式（３）において、バネ係数ｋが式（１）で置換され、かつ、周波数の値、濃度、エッジ長及びミラー厚の与えられた値が代入されると、式（４）を考慮することで、アクチュエーターにより付与されなければならないトルクＴ_{ａｋｔｕａｔｏｒ}は、次のように表される。

実際、このオーダーの大きさのトルクを生成可能な公知技術の電磁的駆動装置を伴うマイクロアクチュエーターがある。しかし、これらは、上記のような欠点を有する。この時点において、非共鳴的な電磁的駆動装置を伴う公知技術のマイクロメカニカルアクチュエーターは、要求されるマイクロミラーのサイズや高い偏向性能とともに、このようなトルクを達成できない。

アクチュエーターユニットの傾斜動作のための、インターメッシュする可動若しくは静的な櫛形又は指形（ｆｉｎｇｅｒ−ｔｙｐｅ）の電極を有する静電的傾斜駆動装置は、公知技術である。そのような静電的駆動装置（櫛形駆動装置とも記す）の補助を伴う、明らかな振幅の準静的偏向（ｑｕａｓｉ−ｓｔａｔｉｃ ｄｅｆｌｅｃｔｉｏｎ ｏｆ ａｎ ａｐｐｒｅｃｉａｂｌｅ ａｍｐｌｉｔｕｄｅ）を生成するために、互いに垂直にオフセットした櫛形電極だけが考慮されてきた。ほとんどの場合において垂直なオフセットは第２シリコン層の使用により生成される。第２シリコン層は、下方に設けられた第１電極の平面から電気的に隔離されている。静的電極及び可動電極は異なる平面に生成され、それにより望ましい垂直オフセットを持つ。静的電極と可動電極との間に電圧を印加することにより、可動電極は、静電的トルクと、ミラー又はフレームのバネ吊持の機械的な復元トルクが互いに均衡するまで平面外に偏向される。達成可能な最大の静的偏向角は、一方において、その製造過程により決定される電極平面の垂直オフセットにより定義され、他方において、電極の形態、つまりアクチュエーターユニットの回転軸からの可動櫛形電極の端部の横方向の距離、により定義される。この距離を大きくすると、達成可能な最大偏向角は小さくなる。電極平面の垂直オフセットを大きくすると、この偏向角は大きくなる。

±５°以上の大きな傾斜角度を機械的にかつ準静的（つまり非共鳴的動作）に達成可能とするためには、電極を回転軸（つまり傾斜軸）の近くに設けること、そして長すぎる電極指を作らないことが必要である。この方法においてのみ、角度の広い範囲にわたって有効なトルクを生成することができる。しかし、短いレバーアームの結果として、長いレバーアームを伴う軸から遠く離れた電極の比較しうる配置の場合より、達成可能なトルクも非常に低くなる。

よって、たとえば非特許文献１は、垂直オフセットの櫛形電極を有するレーザーディスプレイのためのそのような２軸マイクロミラースキャナーであって、その櫛形電極を介していわゆるジンバル配置（ｇｉｍｂａｌ ａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔ）の遅軸が非共鳴的に駆動されるものが開示されている。ここで、可動櫛形電極は、アクチュエーターユニットに固着されており、このアクチュエーターユニットとの接続点から外側の傾斜軸に向かって平行に、つまり遅軸に対して平行に延びている。このマイクロミラースキャナーのミラー径と共鳴周波数は上記の要請を満たしつつ、得られた±４．２°の機械的な準静的傾斜角は、高解像度投影のための仕様を満足しない。

これは、軸の近くに電極が配置された今日までの標準的な２軸マイクロミラースキャナーの多くの設計のうちの一例に過ぎず、もしミラー径が最小の１ｍｍ未満に低下せず、かつ遅軸の共鳴周波数が１ｋＨｚをかなり下回らないならば、準静的な遅軸に要求される±７°を超える大きなスキャン角の達成には適当でない。必要とされる大きな力は、軸近くに配置された非常に多数の櫛形電極指と一緒であってのみ可能である。しかし、これらの状況では新しい問題が生じ、それにより移動する質量が著しく増加するため、加速度に対する感度が増加し，ミラーの速軸に沿う方向だけでなくそれに対して直角な方向への空間的な要求が非常に高くなる。特に、将来の携帯電話（おそらく現状のモデルより平坦になる）の製造においてそのような２軸スキャナーを配置する場合、ミラー表面に平行に配される２つのチップエッジ長のうち少なくとも１つは、ミラーチップの一体性の維持を許容するために、かなり小さくならねばならない。

非特許文献２は、静電的櫛形駆動装置を用いるにも関わらず、かなり高い共鳴周波数とミラーサイズとともにかなり大きい準静的傾斜角度が達成された公知技術の配列として特色をなす。レーザー投影用の２軸ミラーが記載されているが、それは上記のマイクロミラースキャナーのそれとは異なる方法で動作する。２軸を形成するために、ミラーは、その２軸が互いにほぼ完全に独立に偏向可能であることによって、ジンバル配置を持たない。その代わりに、次の動作において小さなプラットフォームに接合されるミラープレートが、２軸に傾斜可能なプラットフォームの補助とともに偏向される。原理的には、これらの軸は、ジンバル配置よりも互いに強く結合する。しかし、この方法は、傾斜軸を介した正確な案内が不可能であるため、現在追求されている応用にとって望ましくない。プラットフォームは、ミラーから、つまりプラットフォームから離れて配置される櫛形駆動装置を介して傾斜される。チップの中心に方向付けられ、複数の間接が設けられた長い桿（ｒｏｄ）を介して、トルクはプラットフォームに伝達される。この構成の結果として、双方のチップエッジ長はおおよそ同じサイズであり、よって平坦な装置品目、特に平坦な携帯電話への組み込みには適さない。測定データによれば、提案されているスキャナーは、ミラープレート径０．８ｍｍ及び許容可能な共鳴周波数９３４Ｈｚとともに、約１１°の機械的で垂直な全偏向、つまり±５．５°の対称的な偏向を達成している。更に、これは、高解像度のための上記要求を満足しない。

Ｙｏｕｎｇ−Ｃｈｕｌ Ｋｏら、"Ｇｉｍｂａｌｅｄ ２Ｄ Ｓｃａｎｎｉｎｇ Ｍｉｒｒｏｒ ｗｉｔｈ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ｃｏｍｂｓ ｆｏｒ Ｌａｓｅｒ Ｄｉｓｐｌａｙ"、ＩＥＥＥ Ｏｐｔｉｃａｌ ＭＥＭＳ ａｎｄ Ｔｈｅｉｒ Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ Ｃｏｎｆｅｒｅｎｃｅ、２００６、第１０４、１０５頁 Ｖ．Ｍｉｌａｎｏｖｉｃ、"Ｉｍｐｒｏｖｅｄ Ｃｏｎｔｒｏｌ ｏｆ ｔｈｅ Ｖｅｒｔｉｃａｌ Ａｘｉｓ Ｓｃａｎ ｆｏｒ ＭＥＭＳ Ｐｒｏｊｅｃｔｉｏｎ Ｄｉｓｐｌａｙｓ"、Ｏｐｔｉｃａｌ ＭＥＭＳ ａｎｄ Ｎａｎｏｐｈｏｔｏｎｉｃｓ、２００７、第８９、９０頁

この先行技術に基づき、この発明の目的は、１ｋＨｚ以上の自然周波数で、少なくとも１ｍｍのエッジ長を有するマイクロミラーを少なくとも±７°偏向するのに適した非共鳴的、静電的な櫛形駆動装置を有するマイクロメカニカルアクチュエーターを特定することにある。２軸構成において、このアクチュエーターは、遅軸の非共鳴的な駆動にも適しており、シリコン技術、密封真空カプセル化（ｈｅｒｍｅｔｉｃ ｖａｃｕｕｍ ｅｎｃａｐｓｕｌａｔｉｏｎ）、における製造の単純化や対費用効果の向上、更には電力消費の低減が可能である。

この目的は、請求項１に係るマイクロメカニカルアクチュエーターにより達成される。このアクチュエーターの有利な構成は、従属請求項の主題であり、また、実施形態の例とともに以下の記載から抽出可能である。

提案するマイクロメカニカルアクチュエーターは、その外側傾斜軸に沿って延びる２つのねじり要素を介して外側フレーム内に吊持されたアクチュエーターユニットと、互いに垂直にオフセットされた第１及び第２の櫛形又は指状電極が互いにかみ合って、前記外側傾斜軸が回転軸になるように前記アクチュエーターユニットの傾斜動作を駆動可能な静電的櫛形駆動装置とを有する。第１の電極は各場合において外側フレームと強固に接続され、第２の電極は各場合において外側接続要素を介して外側フレームと接続され、かつアクチュエーターユニットに内側接続要素を介して接続されている。提案するアクチュエーターにおいて、外側接続要素は、外側フレームにより定義される平面に対して垂直方向に屈曲することにより、前記第２の電極のための復元モーメントを与えるよう構成される。内側接続要素はバネを有し、このバネは、外側傾斜軸に平行に延び、それぞれ外側傾斜軸に対向するアクチュエーターユニットのエッジよりも外側傾斜軸の近くに位置するアクチュエーターユニットの領域に後者とともに接続され、前記外側フレームの平面に垂直方向には不撓的にかつ当該垂直方向に直角な方向には可撓的に設計及び配置されている。できるだけ小さい抵抗をアクチュエーターユニットと静電的櫛形駆動装置の対向する円弧状の動作を提供するために、バネは横方向への屈曲とねじりが可能であり、垂直方向に高い抵抗を生む。

バネは望ましくは高いアスペクト比の矩形の断面を有する、つまり、それは葉状バネの形状と特性を有する。たとえば、断面において、この葉状バネは、５μｍ以下の幅と３０μｍ以上の高さを持つようにできる。しかし、上記の特性を達成するために他の形状や断面のバネを用いることも可能である。

アクチュエーターユニットは、たとえば、単軸マイクロミラースキャナーを得るためにマイクロミラー単独により構成される。アクチュエーターユニットも同様に、たとえば更なる傾斜軸周りに回転可能なアクチュエーター要素が搭載されるフレームを有し、提案されるマイクロメカニカルアクチュエーターの構成に実装される。この方法により、垂直偏向の能力、共鳴周波数、そして１ｍｍ以上の横方向のミラーのディメンションを伴う遅軸の共鳴駆動についての上記要求を満たす２軸マイクロミラースキャナーが得られる。

特に、これは、アクチュエーターユニット及び外側フレームへの接続要素を伴うアクチュエーターユニットのための静電的櫛形駆動装置（櫛形駆動装置）の特有の構成により達成される。ここで、バネと、内側接続要素上におけるその配置とが、その作用により高いトルクを対応する高い偏向を伴うアクチュエーターユニットに伝達可能であるという、重要な特徴を表す。これは、垂直にはリジッドであり、横方向には本質的に屈曲可能であり、外側傾斜軸近くでアクチュエーターユニットと接続されるバネを要求する。ここで、全部で４つのバネが設けられ、２つは傾斜軸に対してアクチュエーターユニットの各端に設けられる。これらは、アクチュエーターユニットに対して対称的に配置される。ここで、静電的櫛形駆動装置は、櫛形又は指状電極の複数の群を有する。両方向においてアクチュエーターユニットの安定した偏向を達成するために、第１及び第２の電極はいずれの場合においても互いに垂直にオフセットされる。

アクチュエーターユニットやアクチュエーター要素はマイクロミラーには限定されない。実際、多くの他のタイプのアクチュエーター、たとえばこの形態の構成を有するスイッチ、センサー、ジャイロスコープを製造することが可能である。

望ましい構成において、提案するアクチュエーターは、２軸アクチュエーターとして設計され、特に２軸マイクロミラースキャナーとして設計される。そのために、アクチュエーターユニットは、内側フレーム内にアクチュエーター要素を有し、更に第３及び第４の櫛形又は指状電極をインターメッシュしてなる更なる静電的櫛形駆動装置を有する。アクチュエーター要素は、同様に、外側傾斜軸に直角な内側傾斜軸に沿って延びるねじり要素を介して内側フレーム内に吊持されている。ここで、内側及び外側の傾斜軸は、２つの傾斜軸の間で区別されるだけであり、内側フレームはより内側に位置するアクチュエーター内の要素の傾斜軸を示す。ここで、内側フレームは、このジンバル配置の可動フレームに対応する。第３の電極は内側フレームと強固に接続され、第４の電極はアクチュエーター要素とリジッド（不撓的）に又は可撓的に接続され、傾斜駆動装置を介して内側傾斜軸周りのアクチュエーター要素の傾斜動作を作動可能とされる。ここで、第２及び第４の電極についても、望ましくは互いに垂直にオフセットして配置される。

マイクロミラーとしてのアクチュエーター要素の実装において、２軸マイクロミラースキャナーはこの方法で達成され、同時にスキャナー自身が脆弱になりすぎることなく、つまり遅軸がおおよそ１ｋＨｚの共鳴周波数を伴って実装されるように、スキャン遅軸の非共鳴的動作における高解像度のレーザー投影に必要な大きなスキャン角が達成される。ここで、遅軸は、外側傾斜軸周りの傾斜動作に対応する。水平偏向は、必要な高い周波数を伴う共鳴動作において内側傾斜軸を介して可能である。両方の軸の静電的駆動とともに、このタイプのマイクロミラースキャナーは、ミラーの被覆層とコネクターパネルを除き、全体的にシリコンと絶縁のための二酸化ケイ素から製造される。同様に、これは、標準的なウェハボンディング技術に基づいて、比較的単純な気密的に密閉されたウェハレベルのパッケージングを可能とする。

たとえば前述の２軸マイクロミラースキャナーの形態を持つこのタイプのマイクロメカニカルアクチュエーターは、極めてコンパクトな形態で実装することも可能である。そのようなコンパクトな実装も有利な構成において、第１及び第２の櫛形又は指状電極は外側傾斜軸の両端に設けられ、その電極指はいずれの場合においても外側傾斜軸に平行に整列される。これにより、アクチュエーターの長さが増加するに伴ってその幅が増加しないような、アクチュエーター（つまりその外側傾斜軸）の同じ２つの対向する側における、外側傾斜駆動そして内側傾斜駆動のための櫛形又は指状電極の配置が可能となる。この長さの増加を介し、櫛形又は指状電極の個数の増大によって、同時にアクチュエーターの幅を変えることなく、トルクを適当に増大させることができる。この方法により、たとえば平坦な携帯電話等の平坦な装置にこのようなアクチュエーターを非常に有利に統合することができる。

このようなマイクロメカニカルアクチュエーターの製造技術は、当業者にとって公知技術である。これを達成するには、前述のように、シリコン技術が一般に用いられ、適当な層構造における異なる層を用いることで垂直にオフセットした櫛形電極が生成される。言うまでもなく、垂直オフセットを生成するための他の技術を用いることも可能である。Ｅ接続要素はたとえばシリコンにより形成することができ、バネについても同様である。これにより、バネの横方向ボンディング及び／又はねじりのための十分な弾性が得られる。そうでない場合には多数の傾斜駆動電極の仕様により得られる力の大きな割合が直ちに消失するので、望まれる機能とアクチュエーターユニット及び静電的櫛形駆動装置の相対する円形軌道動作とに対する小さな抵抗をバネが促進することは特に重要である。しかし、逆に、バネは、できるだけ直接にかつ損失がない方法で、静電的櫛形駆動装置の動作の垂直成分を伝達すべきである。

以下、提案するマイクロメカニカルアクチュエーターは、図面を伴う実施形態の例の補助とともにより詳細に再度説明される。図面は次の通りである。
２軸マイクロミラースキャナーとしてのマイクロメカニカルアクチュエーターの構成の第１の例を示す。 ２軸マイクロミラースキャナーとしてのマイクロメカニカルアクチュエーターの構成の第２の例を示す。 ２軸マイクロミラースキャナーとしてのマイクロメカニカルアクチュエーターの構成の第３の例を示す。 マイクロメカニカルアクチュエーターのアクチュエーターユニットの傾斜動作の概略を示す断面図である。

以下、この発明に係る２軸マイクロミラースキャナーの構成を説明する。これらは、少なくとも１ｍｍのミラー径と、およそ１ｋＨｚ以上の共鳴周波数の遅軸を有し、およそ±７°以上の遅軸の機械的偏向角を可能とする。ここで、図１及び図２は、このようなマイクロミラースキャナーの構成を表し、同時に、ミラー表面に平行なディメンションにおける小さなチップエッジ長が達成される。

図１の構成に示すマイクロミラー１は、ねじりバネ２（内側傾斜軸）に沿って延びる傾斜軸周りに、ねじりバネ２を介して、マイクロミラー１を取り囲む可動フレーム（ジンバル）３内において回転可能に吊持されている。マイクロミラー１は、垂直にオフセットした櫛形電極８，９を有する２つの静電傾斜駆動装置により、可動フレーム３内において内側傾斜軸周りに傾斜可能とされる。可動フレーム３（内側フレーム）は、同様に、これを取り囲む不撓チップフレーム５（外側フレーム）内にて回転できるようにねじりバネ４（外側傾斜軸）の特性によって定められた傾斜軸周りに、ねじりバネ４を介して吊持されている。２つの傾斜軸は互いに直交している。可動内側フレーム３は、２つの静電的傾斜駆動装置１４，１５によって垂直方向に偏向可能とされる。傾斜駆動装置１４，１５は、チップフレーム５に対して移動可能な多数の電極指１６で特徴付けられる。垂直にオフセットした静的対電極指１７は、チップフレーム５に取り付けられている。可動電極指１６はＵ状アンカー構造１２に接続され、Ｕ状アンカー構造１２は同様に内側フレーム３に接続されている。電極指１６及び対電極指１７の電気的活性化を介し、Ｕ状アンカー構造１２の端部にて垂直な上昇又は垂直な偏向が発生する。これは、静的及び可動の電極指１６、１７の垂直オフセットによって本質的に制限される。

製造可能性及び製造コストを考慮し、このタイプの櫛形駆動装置のほとんどの製造プロセスにおいて、３０μｍを超えない高さの差が利用可能である。それにもかかわらず大きな偏向を発生可能とするために、ここで提案する配置では、櫛形駆動装置により発生される垂直移動は、垂直方向に不撓性を有するが横方向には本質的に屈曲可能な葉状バネ１３を介して内側フレーム３に伝達される。ここで、葉状バネ１３は、長さ３００μｍ、幅４μｍ、高さ３０μｍを有し、シリコンで形成されている。櫛形駆動装置１４，１５のそれぞれの所定の垂直最大偏向に対し、内側フレーム３上での葉状バネ１３の吊持点の横方向における分離距離は、達成可能な内側フレーム３の最大傾斜角を決定する。この方法で達成される垂直上昇の並進は、±１０°以上の機械的傾斜角の生成に用いることが可能である。±１０°の傾斜角を得るには、葉状バネ１３及び内側フレーム３の接続点と外側傾斜軸との約１７０μｍの最大横方向分離距離が必要となる。

各駆動装置１４，１５の最大偏向の達成を確保するための前提は、十分に多数の垂直に配置された櫛形電極指である。ここで提案される配置は、櫛形電極の配置が外側傾斜軸の方向に有意にはしかし後者に対してやや直角に広がっていないという格別の利点を有する。２軸スキャナーの場合、要求される多くの駆動電極は、ねじりバネ２により形成される同様に広がるミラーねじりサスペンションに平行に広がるという利点を伴う。内側フレームの駆動装置により、チップは、特に既設の内側回転軸の広がり方向においてのみ本質的に大きい。後者に対して直角なチップエッジ長は、特に小さく維持される（たとえば２ｍｍのオーダー）ので、そのようなマイクロミラースキャナー又はマイクロミラーチップは、極めて平坦な携帯電話への搭載に特に適している。

櫛形駆動装置１４，１５は、たとえば適当なねじり又は屈曲サスペンション１８によって、それら自身のサスペンションを介して不撓チップフレーム５に取り付けられているので、それら自身の復元モーメントも有する。この復元モーメントは、アクチュエーターの質量が可動内側フレーム３の共鳴周波数を大きく低減させるものではないという事実に貢献する。これにより、そうでない場合において可動内側フレーム３に直接に可動電極指を片持ちで取り付ける場合と比較して顕著な利点が生じる。これは、対とされた電極指の付加的な質量の結果としての慣性モーメントの大幅な増大による共鳴周波数の顕著な低減である。提案するマイクロメカニカルアクチュエーターでは、可動フレーム３の共鳴周波数は、主にジンバル構造とねじりサスペンション４により、そして小さな程度ではあるが駆動装置１４，１５の質量により決定される。

図２は、２軸マイクロミラースキャナーとして提案するマイクロメカニカルアクチュエーターの更なる構成を示す。この構成は、静電的櫛形駆動装置１４、１５が中央支持ビームによって不撓チップフレーム５に直接に取り付けられ、この支持ビームが垂直に屈曲する場合に自然なバネの作用が利用される点において、図１の構成と異なる。よって、外側接続要素は、支持ビーム自身により形成される。その他の点において、この構成は図１の構成と同様である。

図３は、図２の構成に類似の構成を再度示すものである。しかし、ここでは、静電的櫛形駆動装置１４，１５は、より大きい力を発生できるように二重になっている。マイクロミラー１は、同様に、適当なねじりバネ２を介して内側フレーム（ジンバル）３内に吊持されている。この内側フレーム３内のマイクロミラー１の駆動装置は、図示されていない。可動フレーム３は、同様に、ねじりバネ４を介して不撓チップフレーム５内に吊持されている。静電的櫛形駆動装置１４、１５は、垂直に配置された静的指状電極９に対向する多数の指状電極８により特徴付けられる。駆動装置１４、１５は、いずれの場合にも二重とされ、可動フレーム３の側に、かつ不撓チップフレーム５に直接に導かれる一端に、配置される。駆動装置１４、１５の端部には、葉状バネ１３を介し、可動フレーム３の傾斜軸近くにて可動フレーム３が取り付けられている。このように構成された２軸で静電的に駆動されるマイクロミラースキャナーは、図１及び図２の構成と同様に、少なくとも１つの非共鳴的に動作可能な軸とステップアップ機構を介して、振幅の増大を達成する。しかし、この構成は、図１及び図２の構成のような省スペースな形では実施できない。

図４は、概略的ではあるが、図１〜図３に係る静電的櫛形駆動装置１４、１５による内側フレーム３の偏向中の状態を示している。ここには、一方向に偏向された可動内側フレーム３の側面図が示されている。これは、ねじりバネ４を介して不撓チップフレーム５に取り付けられている。駆動装置１４、１５は、内側フレーム３を駆動し、いずれの場合においても反対側の端部にて不撓チップフレーム５に接続されている。この構成では、葉状バネ１３は直接には認識できないが、これは、それらが駆動装置１４、１５と可動フレーム３との間のシートの平面内に広がっているからである。ここで、それらは、垂直方向にリジッドに（屈曲耐性を持つように、不撓的に）振る舞うが、横方向には本質的に屈曲可能である（可撓性を持つ）。

１ マイクロミラー（Ｍｉｃｒｏ−ｍｉｒｒｏｒ）
２ ねじりバネ（Ｔｏｒｓｉｏｎ ｓｐｒｉｎｇ）
３ 内側フレーム（Ｉｎｎｅｒ ｆｒａｍｅ）
４ ねじりバネ（Ｔｏｒｓｉｏｎ ｓｐｒｉｎｇ）
５ 不撓チップフレーム（Ｒｉｇｉｄ ｃｈｉｐ ｆｒａｍｅ）
８ 指状電極（Ｆｉｎｇｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）
９ 指状電極（Ｆｉｎｇｅｒ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅｓ）
１２ Ｕ状アンカー構造（Ｕ−ｓｈａｐｅｄ ａｎｃｈｏｒ ｓｔｒｕｃｔｕｒｅ）
１３ 葉状バネ（Ｌｅａｆ ｓｐｒｉｎｇ）
１４ 静電的傾斜駆動装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｔｉｌｔ ｄｒｉｖｅ）
１５ 静電的傾斜駆動装置（Ｅｌｅｃｔｒｏｓｔａｔｉｃ ｔｉｌｔ ｄｒｉｖｅ）
１６ 可動電極指（Ｍｏｖｉｎｇ ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｆｉｎｇｅｒ）
１７ 静的対電極指（ｓｔａｔｉｃ ｃｏｕｎｔｅｒ−ｅｌｅｃｔｒｏｄｅ ｆｉｎｇｅｒ）
１８ ねじり又は屈曲サスペンション（Ｔｏｒｓｉｏｎ ｏｒ ｂｅｎｄｉｎｇ ｓｕｓｐｅｎｓｉｏｎ）

Claims (8)

1. マイクロメカニカルアクチュエーター、特にマイクロミラースキャナーにおいて、
   外側傾斜軸に沿って延びる２つのねじり要素（４）を介して外側フレーム（５）内に吊持されたアクチュエーターユニットと、
   第１及び第２の櫛形又は指状電極（１６，１７）が互いにかみ合って、前記外側傾斜軸が回転軸になるように前記アクチュエーターユニットの傾斜動作を駆動可能な静電的櫛形駆動装置（１４，１５）とを有し、
   前記第１及び第２の櫛形又は指状電極（１６，１７）は互いに垂直にオフセットされ、前記第１の電極（１７）は前記外側フレーム（５）と強固に接続され、前記第２の電極（１６）は外側接続要素（１８）を介して外側フレーム（５）と接続され、かつ前記アクチュエーターユニットに内側接続要素を介して接続され、
   前記外側接続要素（１８）は、前記外側フレーム（５）の平面に垂直方向に屈曲することにより、前記第２の電極（１６）のための復元モーメントを与えるよう構成され、
   前記内側接続要素は２つのバネを有し、前記２つのバネは、前記外側傾斜軸に平行に延び、それぞれ前記外側傾斜軸に対向する前記アクチュエーターユニットのエッジよりも前記外側傾斜軸の近くに位置する前記アクチュエーターユニットの領域に接続され、前記外側フレーム（５）の平面に垂直方向には不撓的にかつ当該垂直方向に直角な方向には可撓的に設計及び配置されているマイクロメカニカルアクチュエーター。
2. 前記バネはリーフスプリングとして設計されていることを特徴とする請求項１に記載のマイクロメカニカルアクチュエーター。
3. 前記アクチュエーターユニットは、前記外側傾斜軸に直角な内側傾斜軸に沿って延びるねじり要素（２）を介して内側フレーム（３）内に吊持されたアクチュエーター要素（１）を、内側フレーム（３）内に有し、
   第３及び第４の櫛形又は指状電極（８，９）が互いにかみ合う更なる静電的櫛形駆動装置が、前記内側フレーム（３）と前記アクチュエーター要素（１）との間に配置され、
   前記第３の電極（９）は前記内側フレーム（３）と強固に接続され、前記第４の電極（８）は前記アクチュエーター要素（１）と接続され、前記アクチュエーター要素（１）の前記内側傾斜軸を回転軸とした傾斜動作を作動可能とされる、
   ことを特徴とする請求項１又は２に記載のマイクロメカニカルアクチュエーター。
4. 前記アクチュエーターユニットは、前記外側傾斜軸周りの傾斜動作の共鳴周波数が少なくとも１ｋＨｚとなるように設計されていることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のマイクロメカニカルアクチュエーター。
5. 第１及び第２の櫛形又は指状電極（１６，１７）は、前記外側フレームの内側傾斜軸方向の両端に設けられ、第１及び第２の櫛形又は指状電極（１６，１７）の電極指は、前記外側傾斜軸に平行に整列されることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のマイクロメカニカルアクチュエーター。
6. 第１及び第２の櫛形又は指状電極（１６，１７）は、その電極指の個数が前記外側傾斜軸に直角なアクチュエーターの長さに作用しかつ前記外側傾斜軸に平行なアクチュエーターの幅には作用しないように、前記外側フレームの内側傾斜軸方向の両端に設けられることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のマイクロメカニカルアクチュエーター。
7. 前記内側接続要素は、２つのバネを介して前記アクチュエーターユニットと接続されたＵ状アンカー構造を有することを特徴とする請求項１〜６のいずれかに記載のマイクロメカニカルアクチュエーター。
8. 前記外側接続要素（１８）は、屈曲動作に加えてねじり動作が可能であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のマイクロメカニカルアクチュエーター。

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