JP6733709B2

JP6733709B2 - Ｍｅｍｓ反射器システム

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Publication number: JP6733709B2
Application number: JP2018133822A
Authority: JP
Inventors: アルッティ・トーケリ; マッティ・リウック
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Priority date: 2017-08-23
Filing date: 2018-07-17
Publication date: 2020-08-05
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Description

本開示は、微小電気機械的に作動する反射器システムに関する。

微小電気機械（ＭＥＭＳ）反射器は、光検出測距センサ（ＬＩＤＡＲ）などの撮像装置に使用することができる。ＭＥＭＳ反射器は、少なくとも１つの平面状反射面を含む平面要素であり、そのため、入射光ビームを周囲環境に向けて反射することができる。ＭＥＭＳ反射器システムは、レーザ発光器からの光ビームを反射することができる、少なくとも１つの移動反射器を備えてもよい。移動反射器と環境との間の光路に、追加の固定反射器または固定レンズを含めてもよい。出射ビームを反射した同じ固定反射器および移動反射器によって、戻り光ビームを光検出器に向けて内側に反射することができる。

図１は、平面移動反射器１２と、平面移動反射器１２に向けて光ビーム１１１を出射するレーザ発光器１１とを備えた反射器システムの簡略化された二次元概略図を示す。移動反射器１２は、入射光ビーム１１１に対して傾くことができるように支持部１３から懸架されている。傾いた位置にある反射器１２を太い実線で示し、この位置の平面反射器から反射された光ビーム１２１をより細い実線で示す。

画像領域の走査は、適切に調整し、タイミングを計った順に反射器を傾けることによって行うことができる。単純な走査モードでは、移動反射器１２は、直交する２つの回転軸を中心として振動するように配置することができる。両方の振動は同時に励振させ、駆動することができ、結果として生じるミラーの位置は振動モードの重ね合わせである。有利には、振動モードが共振動作する。

典型的な先行技術の２軸スキャナは、２つ１組のジンバルが２つの振動モードを互いに分離する懸架システムを適用している。例えば、米国特許出願公開第２０１５／０２８６０４８号明細書は、従来のジンバル構造であるリサージュ２軸走査部品、およびその走査周波数生成方法を開示している。走査部品は、速軸および遅軸、ミラー、マス、ならびに支持部を備える。ミラーは中央に配置され、１対の速軸を介してマスに連結され、マスは１対の遅軸を介して支持部に連結されている。走査部品がアクチュエータによって駆動されると、速軸が速軸共振周波数でねじれ、遅軸が遅軸共振周波数でねじれ、それによって走査投影が行われる。

ジンバルセットは、反射面と同じ平面面積を占め、これは、利用可能なＭＥＭＳチップ領域のうち、より小さい部分がミラーに利用可能として残ることを意味する。したがって、ジンバル懸架は、反射器システムのＭＥＭＳチップのサイズが関係する解決策に最適ではない。さらに、ジンバルは、望ましくないオーバーカップリング動作を避けるのに十分大きい必要があるが、大きなジンバルマスは、外部振動および衝撃効果に非常に影響を受け易くなる。また、ジンバル懸架は様々な寄生モードを示し、これにより、さらに構造の設計が複雑になる。さらに、入れ子のジンバル構造では、内側ジンバルへの電気接続の配線を外側ジンバルばね軸上に行わねばならない。通常、ばねは細く、工程変形の影響を受けるため、ばね上に層をパターニングするのは非常に困難である。

代替解決策が、マイクロミラースキャナ用偏向装置について記載する米国特許出願公開第２０１２／０３２０３７９号明細書に開示されている。この構造は、ジンバルではなく、動かない周囲支持部と、懸架架台によって支持されたミラープレートとを含む。米国特許出願公開第２０１２／０３２０３７９号明細書に示される複数の懸架架台構造体は、ほぼ対称であり、ＸとＹの共振モード周波数が、設計された撮像フレームレート（６０Ｈｚ）だけ異なり得るようにのみ異なっている。そのような小さな寸法差は、製造公差により、大量生産において制御された方法で得るのが難しい。さらに、この構造は、マイクロミラーの位相位置を測定するために櫛構造を適用している。これは、垂直の櫛電極表面同士のオーバーラップ、ひいては測定される容量が、デバイス層の面外寸法より大きな振幅が適用される場合の動作に全く対応しないため、全く非効率である。しかしながら、反射器の位置の正確な検出は、戻り光信号が検出され、検出されたビームの方向を正確に知る必要があるライダー用途において非常に重要である。また、図示された懸架構造体のフレキシブル部は、多方向に曲がり、そのため、さらに外部の衝撃および振動に容易に反応する。今後のライダー用途は、車両、およびそのような感度が許容されない他の厳しい環境に使用される可能性がある。さらに、共振器の支持部は不均衡である。不均衡な共振器において、支持構造体は、エネルギー散逸を引き起こし、共振器Ｑ値を低下させる大きな振幅共振振動で変形する。

本開示の目的は、上記課題のいくつかを克服する、または少なくとも緩和する装置および関連方法を提供することである。

本クレームは、支持部と、周縁部に複数のエッジ点を含む反射器と、複数の圧電アクチュエータを含み、支持部から反射器を懸架する複数の懸架部とを備える微小電気機械反射器システムを定義する。各対の複数の懸架部において、１対の複数の懸架部の複数の第１端がその１対に共通の固定点に固定されるように、２対の複数の懸架部は２つの固定点から支持部に固定されている。第１回転軸は、２つの固定点を通る線と一致し、反射器を第１反射器部分および第２反射器部分に分割する。各対の複数の懸架部において、一方の懸架部の第２端は第１反射器部分に結合され、他方の懸架部の第２端は第２反射器部分に結合されている。

本発明の実施形態は、微小電気機械反射器システムを含む光学デバイスも開示している。反射器システムの特徴により、小型でロバストなデバイス構造体が可能になる。開示する反射器システムで実現可能なさらなる利点は、本発明の例示的な実施形態を用いて詳述する。

以下に、本開示内容について、添付の図面を参照しながら例示的な実施形態により詳述する。
図１は、反射器システムの簡略化された二次元概略図を示す。図２は、改良された微小電気機械反射器システムの例を示す。図３は、リサージュ走査パターンを示す。図４は、例示的な作動および感知の配列を示す。図５Ａは、懸架部とエッジ点との例示的な結合部の詳細図を示す。図５Ｂは、懸架部とエッジ点との例示的な結合部の詳細図を示す。図６は、代替のエッジ結合構成を示す。図７は、チューニング素子を備えた構成を示す。図８は、代替の反射器システム構成を示す。図９は、開示する反射器システムを含む例示的なＭＥＭＳデバイスの概略断面図である。図１０は、デバイスパッケージ内の光学ＭＥＭＳデバイスの機構を示す。

図２は、直交する２つの回転軸を中心として平面反射器を最適な方法で振動させることができる改良された微小電気機械反射器システムの例を示す。反射器システムは、支持部２００と、反射器２０２と、支持部から反射器を懸架する複数の懸架部２０４、２０６、２０８、２１０とを備える。

本明細書では、支持部２００という用語は、反射器システムを含むＭＥＭＳ走査反射器装置の一部になり得る機械要素、または、ＭＥＭＳ走査反射器装置に強固に固定された別個の要素を指す。したがって、このように支持部は、ここでは、反射器システムの他の要素をそれに固定することができ、または、それから反射器システムの他の要素を懸架することができる、剛直で、局部的に動かないこと意味する任意の要素を表す。支持部は、反射器を取り囲むフレームを含むことができるが、必須ではない。反射器システムのいくつかの実施形態では、支持部は下部の支持層であり、反射器および複数の懸架部のデバイス層から、ある面外ギャップだけ離れている。支持部およびデバイス層は、１以上の突出固定点２１２、２１４を介して結合されてもよい。

反射器２０２という用語は、本明細書では、光の入射波面を戻す反射面を含む任意の要素を指す。反射の法則によると、各入射光線について、入射角は反射角と等しく、入射方向、法線方向および反射方向は同一平面上にある。微小電気機械反射器システムでは、反射器の反射面は、例えば反射コーティングでコーティングされたシリコンプレートによって実装されてもよい。反射コーティングは、例えば、アルミニウム、銀、金または銅の膜などの１以上の金属薄膜層を含んでもよい。あるいは、コーティングは、屈折率が異なる１以上の誘電体膜のスタックを備えてもよく、この場合、膜は、スタックが光を反射するように配置されている。有利には、反射面は平面状である。

別の剛性要素から懸架された剛性要素の位置または向きは、少なくとも１つの自由度を有する。懸架部２０４、２０６、２０８、２１０という用語は、このように本明細書では、反射器２０２を支持部２００に懸架し、支持部と反射器との間の少なくとも１つの自由度を提供する機械部分を指す。言いかえれば、反射器が複数の懸架部で支持部に取り付けられている場合、懸架部の一部と、懸架部によって保持されている反射器とは、支持部に対して動くことができる。懸架部は反射器の重量を支持するが、さらに、作動中に支持部に対して反射器を動かす。懸架部は、例えば、反射器プレートと同じシリコン基板層から形成されたシリコン梁であり得る。

支持部から反射器を懸架する複数の懸架部は、複数の圧電アクチュエータを含む。アクチュエータという用語は、ここでは、印加された電圧に応じて物理的変形を受ける圧電部品を指す。アクチュエータは、周期ＡＣ電圧信号で制御される場合、振動動作を駆動するために使用され得る。走査ＭＥＭＳ反射器用の曲げ圧電アクチュエータは、圧電層でコーティングされたシリコン層と、圧電層に電圧信号を送信する導電層とを含んでもよい。約５０μｍ厚のシリコン層は、電圧が印加された時に圧電材料と共に曲がるのに十分薄い。曲げ圧電アクチュエータは、作動動作を容易にするために、窒化アルミニウムなどの圧電活性層を含む。さらに、曲げ圧電アクチュエータは、電圧信号によって作動動作を制御することができるように、圧電活性層の両側に金属電極層を含んでもよい。電極は、例えば、モリブデン、アルミニウムまたはチタンから準備されてもよい。

図２の微小電気機械反射器システムでは、各対の複数の懸架部において、１対の複数の懸架部の複数の第１端がその１対に共通の固定点に固定されるように、２対の複数の懸架部は２つの固定点から支持部に固定されている。本明細書では、固定とは、懸架部の端が固定点に確実に配置または締結された、機械的に強固な連結を指す。固定点２１２、２１４はまた、リード線を懸架部へ電気接続する経路を提供する。１対の懸架部の懸架部は、共に連結することができ、または、別個のシグナリング制御のために別個の連結部を有することができる。図２は、２対の懸架部を示す。第１対の懸架部は、第１懸架部２０４および第２懸架部２０６からなる。第２対の懸架部は、第３懸架部２０８および第４懸架部２１０からなる。第１懸架部２０４の第１端および第２懸架部２０６の第１端は、第１固定点２１２から支持部２００に固定されている。したがって、第１懸架部２０４の第１端および第２懸架部２０６の第１端は両方とも、同じ固定点２１２に機械的に結合されており、これは、第１固定点２１２が第１対の懸架部２０４、２０６に共通であることを意味する。対応して、第３懸架部２０８の第１端および第４懸架部２１０の第１端は、第２固定点２１４から支持部２００に固定されている。したがって、第３懸架部２０８の第１端および第２懸架部２１０の第１端は両方とも、同じ固定点２１４に機械的に結合されており、これは、第２固定点２１４が第２対の懸架部２０８、２１０に共通であることを意味する。

非作動状態の反射器の反射面が、仮想基準面と一致すると考えられる場合、弾性懸架部と、懸架部上の圧電アクチュエータとによって、４つの懸架部の第２端を面外方向に変位させることができる。これらの変位は、２つの回転軸を中心として反射器を振動させるために与えられてもよい。第１回転軸２１６は、２つの固定点２１２、２１４を通る線と一致する。第１回転軸２１６は、反射器２０２を、第１反射器部分２１８および第２反射器部分２２０に分割する。各対の複数の懸架部において、一方の懸架部の第２端は反射器の第１反射器部分２１８に結合され、他方の懸架部の第２端は反射器の第２反射器部分２２０に結合されている。

図２の微小電気機械反射器システムでは、反射器の周縁部は複数のエッジ点を含む。第１エッジ点２２２および第２エッジ点２２４は、第１回転軸２１６上にある。第１固定点２１２は、第１エッジ点２２２に隣接しているが、第１エッジ点が第１固定点に対して面外方向に動くことができるように、ある面内ギャップだけ第１エッジ点２２２から離れている。第２固定点２１４は、第２エッジ点２２４に隣接しており、さらに第２エッジ点２２４が第２固定点２１４に対して面外方向に動くことができるように、ある面内ギャップだけ第２エッジ点２２４から離れている。

第３エッジ点２３０および第４エッジ点２３２は、第１反射器部分２１８の縁に位置する。対応して、第５エッジ点２３４および第６エッジ点２３６は、第２反射器部分２２０の縁に位置する。仮想基準面は、反射器が非作動状態にある場合の４つのエッジ点２３０、２３２、２３４、２３６のうちの任意の３つによって決定される平面であると考えることができる。

第１懸架部２０４の第２端は第３エッジ点２３０に結合され、第２懸架部２０６の第２端は第５エッジ点２３４に結合されている。対応して、第３懸架部２０８の第２端は第６エッジ点２３６に結合され、第４懸架部２１０の第２端は第４エッジ点２３２に結合されている。第３エッジ点２３０および第４エッジ点２３２は、０でない距離だけ離れている。対応して、第５エッジ点２３４および第６エッジ点２３６は、０でない距離だけ離れている。第３エッジ点２３０および第５エッジ点２３４を通る線は、第４エッジ点２３２および第６エッジ点２３６を通る線と平行である。第２回転軸２４０は、第３エッジ点２３０および第５エッジ点２３４を通る線と平行であり、第４エッジ点２３２および第６エッジ点２３６を通る線とも平行である。第２回転軸２４０は、第３エッジ点２３０と第４エッジ点２３２との間、および、第５エッジ点２３４と第６エッジ点２３６との間を通る。図２には、Ｙ方向と一致する第１回転軸２１６と、Ｘ方向と一致する第２回転軸２４０とを示し、両方とも図面の紙面と一致する仮想基準面内にある。

第１振動軸を中心とする反射器２０２の振動は、細長い懸架部２０４、２０６、２０８、２１０上に延在する細長い圧電アクチュエータに周期ＡＣ電圧を印加することによって、励振させることができる。このため、微小電気機械反射器システムは、典型的には、懸架部の圧電アクチュエータに電気的に接続され、かつ、設計によって制御された方法でアクチュエータを動作させる作動電圧を印加するように構成されている制御装置（図示せず）を含む。ここで、第１振動モードとは、第１回転軸２１６を中心とする反射器２００の振動（Ｙモード振動）を指す。ここで、第２振動モードとは、第２回転軸２４０を中心とする反射器の振動（Ｘモード振動）を指す。第１振動モードは、第１懸架部２０４および第４懸架部２１０に周期作動信号を同位相で印加することによって、引き起こすことができる。作動時、懸架部２０４、２１０の固定された第１端は、それぞれの固定点２１２、２１４に固定されたままであるが、懸架部２０４、２１０の第２端は、同時に面外方向に変位する。それと同時に、逆位相（位相差１８０度）であるが同じ周期作動信号を、第２懸架部２０６および第３懸架部２０８に印加することができる。これにより、反射器の第２部分２２０が下方に動かされると、反射器の第１部分２１８が上方に動かされ、逆の場合も同じである。その結果、反射器は、第１振動軸２１６を中心として周期的に振動する。

対応して、第２振動モードは、第１懸架部２０４および第２懸架部２０６に周期作動信号を同位相で印加することによって、引き起こすことができる。作動時、懸架部２０４、２０６の固定された第１端は、それらの固定点２１２に固定されたままであるが、懸架部２０４、２０６の第２端は、同時に面外方向に変位する。それと同時に、逆位相（位相差１８０度）であるが同じ周期作動信号を、第３懸架部２０８および第４懸架部２１０に印加することができる。これにより、反射器の第３エッジ点２３０および第５エッジ点２３４が上方に動くと、反射器の第４エッジ点２３２および第６エッジ点２３６が下方に動き、逆の場合も同じである。その結果、反射器は、第２振動軸２４０を中心として周期的に振動する。

反射器システムの一般的な目的は、振動の実現に必要な消費電力を確実に最適化することである。最大振幅応答は、反射器が共振モードで動作するように、すなわち、第１回転軸を中心とする振動および第２回転軸を中心とする振動がそれぞれの機械共振周波数で生じるように設計することによって実現される。したがって、制御装置は、複数の制御信号を供給して、反射器２０２に同時に、第１共振周波数Ｆ１で第１回転軸２１６を中心とする第１回転振動をさせ、第２共振周波数Ｆ２で第２回転軸２４０を中心とする第２回転振動をさせるように構成されている。第１回転軸２１６と第２回転軸とは直交しており、そのため、結果として生じる反射器２０２の位置は、第１回転振動と第２回転振動との重ね合わせである。

反射器２０２の反射面に入射する光のビームが反射して戻る場合、反射したビームの方向は、入射時の反射器の位置に依存する。有利には、反射したビームが、制御された走査パターンに沿って移動するよう反射器を位置付けするように、第１回転振動および第２回転振動は配置される。有利なパターンを図３に示すが、これは、周波数および振幅が一定の２つのシングルトーン調波波形でスキャナを作動させることによって生成されるリサージュ走査パターンを示す。言いかえれば、リサージュパターンは、直交する２つの振動モードの重ね合わせから生じる。図２の反射器システムでは、直交する２つのモードは、第１共振周波数および第２共振周波数である。リサージュパターンは、第１共振周波数Ｆ１と第２共振周波数Ｆ２とは異なるが、共通の数値の整数倍である場合に形成される。図３は、第１回転軸２１６を中心とする第１回転振動３００（Ｙモード振動）、第２回転軸２４０を中心とする第２回転振動３０２（Ｘモード振動）、および、それら２つの振動モードの重ね合わせから生じる走査パターン３０４を別々に示す。

図２から参照されるように、Ｘモード振動の作動にてこが利用されている。これは、第３エッジ点２３０と第５エッジ点２３４とを結ぶ線から第２回転軸２４０までの距離が、第１エッジ点２２２から第２回転軸２４０までの距離より短いことを意味する。反射器は剛性物体であるため、第２回転軸は支点として働き、第１エッジ点２２２から第２回転軸２４０までの距離は、速度倍増器てこの作用点距離に相当し（第３種てこ）、第３エッジ点２３０と第５エッジ点２３４とを結ぶ線から第２回転軸２４０までの距離は、速度倍増器てこの力点距離に相当する。したがって、第３エッジ点２３０および第５エッジ点２３４の位置での小さな面外変位は、第１エッジ点２２２の位置では、より大きな面外変位になる。

図２の構成において、Ｙモード振動は、てこが利用されていない。Ｙモード振動における偏向角度を制限する最大面外変位は、懸架部の第２端で起こる。これは、図２の構成において、Ｘモード振動は、図３に示すようにＹモード振動より大きな振幅を有し得ることを意味する。しかしながら、このことは、ライダーのような多くの関連用途で走査すべき画像領域は典型的に、一方の方向において他方の方向よりも大きな偏向角度を必要とするため問題ではない。

上述のように、多くの用途において、反射器の位置を連続的に把握可能であることは極めて重要である。図２の構成において、このことは、懸架部の実現された変位を感知することによって容易に達成される。このために、１以上の、有利にはすべての懸架部には、圧電アクチュエータに加えて圧電検出器素子を備えることができる。図４は、細長い圧電アクチュエータ４００および圧電検出素子４０２が、電気的には別々であるが、図２の第２懸架部２０６上に並んで機械的に結合されて延在する例示的な配列を示す。圧電素子への作動電圧および検出電圧のための制御素子への電気接続は、第１固定点２１２を介して導くことができる。

開示する構造は、多くの利点を有する。図２から明らかなように、Ｘモード振動およびＹモード振動の両方は、デバイス層内の反射器を取り囲む４つの細長い懸架部の１セットで作動させることができるため、構造の光学不活性領域は非常に小さい。また、面外方向に最も高く動く部分は、懸架部の縁ではなく、反射器の縁であるため、てこを利用したＸモード振動は、より大きな偏向角度を可能にする。Ｘモード振動は平衡が保たれ、支持部へのモーメントを発生しない。これにより、より高い品質係数、ひいては周波数の良い解決策が可能になる。さらに、それは環境振動に対する高度な耐性および取り囲む構造共振からの干渉に対する高度な耐性を与え、それによって、長期性能を向上させる。さらに、平衡が保たれた共振器支持部は、より高い剛性を有し、駆動励振力をミラーの動きに変換し得る効率を高める。

変位の感知は、差動検出によって非常に正確な方法で実施することができる。第１懸架部２０４には、第１懸架部の変位に応じて第１検出信号Ｓ１を生成する第１検出素子が備えられていると仮定する。対応して、第２検出素子は、第２懸架部２０６の変位に応じて第２検出信号Ｓ２を生成し、第３検出素子は、第３懸架部２０８の変位に応じて第３検出信号Ｓ３を生成し、第４検出素子は、第４懸架部２１０の変位に応じて第４検出信号Ｓ４を生成する。この場合、Ｙモード振動を表す感知信号ＳＹは、以下のように生成することができる。

ＳＹ＝（Ｓ１＋Ｓ４）−（Ｓ２＋Ｓ３）

対応して、Ｘモード振動を表す感知信号ＳＸは、以下のように生成することができる。

ＳＸ＝（Ｓ１＋Ｓ２）−（Ｓ３＋Ｓ４）

従来の解決策では、振動モードの感知は、２つの異なる周波数信号を電子的に分離することによって行われる。Ｘモード振動およびＹモード振動の共振周波数が互いに近い場合、信号のフィルタリングはより複雑になる。フィルタの精度が十分でない可能性があり、制御素子の回路設計にさらなる制約が課される。多くの重要な用途では、反射器位置の感知精度は非常に重要であり、そのため、差動検出によって反射器のＸモード運動をＹモード運動から直接分離できることは非常に重要である。

一態様では、懸架部の第２端と、懸架部が結合されているエッジ点との結合部は、面外方向には懸架部の第２端のたわみをエッジ点に伝え、第１平面と平行な少なくとも１つの面内方向には懸架部の第２端のたわみに柔軟に対応する第１結合ばねを含む。これにより、懸架部が面外Ｚ方向に曲がる際に懸架部がＸ方向およびＹ方向に短くなることで生じる、懸架部と反射器との結合部が破損する可能性が低減される。図２は、そのような結合部を提供する例示的構造を示す。

図５Ａおよび図５Ｂは、第１懸架部２０４の第２端と第３エッジ点２３０との例示的な結合部の２つの詳細図を示す。図５Ａは、仮想基準面（デバイス層の平面）と平行な図を意味する、構造の側面図を示す。図５Ｂは、仮想基準面に垂直な図を意味する、構造の上面図を示す。図５Ａは、第１懸架部の第２端の端部５００と、第１曲げばね５０２と、結合素子５０４とを示す。図５Ｂは、同じ要素と、さらに、反射器への結合部を完成させる第２曲げばね５０６とを示す。要素５００、５０２、５０４の厚さ（仮想基準面に垂直な寸法）は、要素同士が、面外方向に、すなわち仮想基準面に垂直に、強固に結合するように設計されている。これは、第１曲げばね５０２および結合素子５０４が、端部５００の面外方向の動きにしっかり追従することを意味する。図５Ａでは、要素５００、５０２、５０４はすべて、同じ厚さを有することが示されているが、強固な結合が達成される限り、これは必須ではない。

図５Ｂの上面図では、第１曲げばね５０２および第２曲げばね５０６は、第１懸架部の端部５００および結合素子５０４よりもかなり細い（仮想基準面内の寸法）ことがわかる。端部５００が面外方向に動くと、Ｘ方向およびＹ方向のその突出は短くなり、そのため、結合部への張力が発生する。第１曲げばね５０２および第２曲げばね５０６は、端部５００と結合素子５０４との間で曲がり、仮想基準面に垂直な軸を中心として結合素子を回転させることができる。このため、これらのばねの組合せは、結合部の張力に弾性的に対応する。これにより、懸架部と反射器との結合部が破損するリスクが著しく低減される。

例示的な構造について、第１懸架部の第２端と反射器との結合部の詳細図を用いて図５Ａおよび図５Ｂに示した。図２に示すように、結合部は、１以上の他の懸架部において同様に繰り返すことができる。当業者にとって、さらに、面外方向には必要な剛性を、ならびに、Ｘ方向およびＹ方向には弾性を与える他の結合構成が、その範囲で適用されてもよいことは明らかである。代替方法の例として、図６は、図５の第１および第２ばねと、結合素子との組合せを、第１懸架部の端部６００を反射器に結合する単純な蛇状ばね６０２で置き換えた構成を示す。蛇状ばね６０２は、面外Ｚ方向における端部６００の動きにしっかり追従するが、少なくともＸ方向の端部の動きに弾性的に対応するよう反射器のエッジ点６０４を結合するのに十分太い。

図２〜図５に記載した構造は理想的な設計であるが、小型素子は、実際には常に製造公差の影響を受けるため、実現された構造寸法は設計寸法から外れる場合があり、素子は計画したように動作しない。これを克服するために、さらなるチューニングシステムを反射器システムに含めてもよい。チューニング素子とは、ここでは、制御素子からの制御信号に応じてＸモード振動および／またはＹモード振動に作用する電気変換器を指す。チューニングとは、振動周波数が変更されるように、実現された変位を抑制し、または増大させるための、振動共振器へのさらなる作動を意味する。電気変換器は、反射器または１以上の懸架部に結合された容量性変換器または圧電変換器であり得る。図７は、図２の構造が、電気変換器７００、７０２、７０４、７０６、７１０および７１２から形成されたチューニング素子で補完された構成を示す。図７では、チューニング素子７００、７０２、７０４、７０７の第１セットを適用して、Ｘモード振動およびＹモード振動の両方をチューニングすることができる。チューニング素子７１０、７１２の第２セットを適用して、Ｘモード振動をチューニングすることができる。

チューニング素子７００、７０２、７０４、７０６の第１セットのチューニング素子は、懸架部と共に動くように強固に結合されたロータ櫛を含んでもよい。図７に示した例において、チューニング素子の第１セットの各チューニング素子は、それぞれの懸架部と共に動くように強固に結合されたロータ櫛を含む。例えば、チューニング素子７００はロータ櫛７４０を含み、ロータ櫛７４０の櫛フィンガは、第１懸架部２０４の第２端の外縁にある領域において、反射器から遠ざかるように面内方向に突出している。このように、ロータ櫛７４０は、第１懸架部２０４の動きに伴って動くように強固に結合されている。ロータ櫛は、懸架部それぞれの第２端において、外縁の長さの４分の１以下にわたって延在する。チューニング素子の第１セットのチューニング素子は、支持部、ひいては制御素子に固定されたステータ櫛も含んでもよい。例えば、チューニング素子７００はステータ櫛７４２を含み、ステータ櫛７４２の櫛フィンガは、反射器に向かって面内方向に突出し、ロータ櫛の櫛フィンガと相互嵌合している。ステータ櫛７４０とロータ櫛７４２との間で電位が誘起されると、制御素子によって制御される程度まで静電力が発生する。静電力は、懸架部の変位、ひいては懸架部の振動周波数に作用する。図７のチューニング素子の対称構成が有利であるが、他の構成のチューニング素子構成がその範囲内で適用されてもよい。

チューニング素子の第２セットのチューニング素子は、反射器と共に動くように強固に結合されたロータ櫛と、固定点に固定されたステータ櫛とを含んでもよい。第１チューニング素子７１０はロータ櫛７５０を含み、ロータ櫛７５０の櫛フィンガは、反射器と共に動くように結合され、反射器から遠ざかるように面内方向に突出している。対応して、ステータ櫛７５２は第１固定点２１２に固定され、その櫛フィンガは反射器に向かって面内方向に突出している。第２チューニング素子７１２は、反射器と共に動くように結合されたロータ櫛７６０と、第２固定点２１２に固定されたステータ櫛７６２とを含む。固定点を介して、ステータ櫛は、制御電位をそれぞれのロータ櫛とステータ櫛との間に誘起するように、制御素子に容易に結合することができる。ステータ櫛とロータ櫛との間の静電力は、制御素子によって制御される程度まで、反射器の変位、ひいては反射器のＸモード振動に作用する。

図７に示すように、懸架部２０４、２０６、ひいてはチューニング素子の第１セットのチューニング素子７００、７０２、７０４、７０６のロータ櫛７４０への電気接続と、チューニング素子の第２セットのチューニング素子７１０、７１２のステータ７５２、７６２への電気接続とは、それぞれの固定点２１２、２１４を介して導くことができる。共通の固定点２１２に固定されている懸架部２０４、２０６へのリード線は、別個であってもよいし、共通であってもよい。同じ共通の固定点２１２に固定されたステータ櫛７５２へのリード線は、懸架部２０４、２０６へのリード線と別個にすることができる。

当業者にとって、他の櫛構造をその範囲内で同様に適用してもよいことは明らかである。図８は、図７の構成と非常に一致する代替の反射器システムを示す。チューニング素子の第１セットのチューニング素子７００、７０２、７０４、７０６のロータ櫛は、懸架部の外縁から外方へ突出し、それぞれの懸架部と共に動くように強固に結合されている。ステータ櫛、すなわちロータ櫛の櫛フィンガと相互嵌合している櫛フィンガは、それぞれの懸架部に作用する必要な静電力を発生させるように位置決めされている。しかしながら、この構造では、ロータ櫛は、懸架部それぞれの外縁の長さの少なくとも３分の１にわたって延在する。図７の構成は、懸架部の面外運動が最大である領域に櫛が位置決めされている点で有利である。これは、必要とするチューニング効果を小型のチューニング素子で得ることができることを意味する。一方、図８のチューニング素子は、懸架部のより大きな部分に作用するため、より大きなミラー変位振幅にわたって、より均一な静電力が得られる。

したがって、提案する構成により、さらなるチューニング素子を容易に実装することができる。図７および図８に示す櫛構造は、単純であり、さらに制御素子への必要な接続部を考慮しやすいため、好適例であることに注目する。しかしながら、当業者にとって、特許請求の範囲内でそれらの構成を変更してもよい。

本発明の実施形態は、図２〜図９に記載した微小電気機械反射器システムを含む光学デバイスも含む。図９は、図２〜図７に記載した反射器システムを含む例示的な光学ＭＥＭＳデバイスの概略断面図である。図示した構成要素のいくつかは、実際には異なるｚ座標に位置してもよく、したがって、同じｘｙ断面に存在しなくてもよいため断面は概要である。

例示的デバイスは、電気接触パッド９２５を有するキャップウェハ９２１と、可動部を備えるＳＯＩ（ＳｉｌｉｃｏｎｏｎＩｎｓｕｌａｔｏｒ）構造ウェハ９２６と、ミラープレートの光学窓を提供するガラスキャップウェハ９２４とを備える。３つのウェハ９２１、９２６および９２４は、別々に準備されてもよく、反射器装置を形成するように縁の周りで互いに接合されてもよい。ウェハ９２１、９２６および９２４は共に、反射器が振動することができるキャビティ９９を形成する。

構造ウェハ９２６は、デバイス層９２２と、埋め込み酸化物層９２７と、ハンドル層９２３とを備える。この構造を有するＳＯＩウェハは、周知の接合技術および薄化技術で製造することができる。デバイス層９２２は、当業者に周知のリソグラフィ技術およびシリコンエッチング技術で準備することができる。エッチング技術は、深掘り反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）が好ましい。デバイス層は、シリコンプレート９８および反射コーティング９２０を備えた反射器を備える。コーティングは、真空蒸着またはスパッタリングなどの薄膜形成方法でプレート上に形成することができる。デバイス層の厚さは、およそ数十μｍであってもよいが、所望の反射器領域、傾斜角および共振周波数を考慮して、必要に応じて最適化することができる。ＳＯＩウェハは、数μｍから１００μｍ、またはそれを超える範囲の異なるデバイス層厚さで利用可能である。デバイス層は、さらに、複数の懸架部および複数のアクチュエータを備える。圧電層９３０を上に保持している懸架部９７を図９に概略的に示す。

キャップウェハ９２１は、反射器装置を動作させることができる電気接続を含むシリコンウェハである。キャップウェハは、接触パッド９２５と、キャビティ９９の凹部を有するシリコン基板９３と、導電性ビア９４とを備える。接触パッドは、反射器システムのアクチュエータ、場合によっては感知素子およびチューニング素子に外部制御素子を接続することができる接続部を提供する。導電性ビア９４は、キャップウェハ９２１のドープされた単結晶シリコン基板９３からエッチングされた、ドープされた単結晶シリコンを備えてもよい。導電性ビアは、絶縁層９５に取り囲まれてもよい。絶縁層９５は、例えば、ガラスまたは二酸化ケイ素であり得る。

図９に示す側面電気接点９６は、デバイス層９２２（明瞭さのために、これらのアクチュエータは図９から除外した）内においてｙ軸と一致している圧電アクチュエータまで延在する。キャビティ９９内のガス圧は、共振振動が必要とされる場合、デバイスを取り囲むガス圧より低くてもよい。

図１０は、第１要素１０００および第２要素１００２を含むパッケージ内の光学ＭＥＭＳデバイスの機構を示す。第１要素１０００は、図２の微小電気機械反射器システムを含んでもよく、第２要素１００２は、第１要素に電気的に接続されている電気回路１００２を含んでもよい。電気回路１００２は、微小電気機械反射器システムの制御素子を含んでもよい。

技術の進歩に伴い、発明の基本的な概念を様々な方法で実施し得ることは、当業者にとって明らかである。したがって、本発明およびその実施形態は、上記例に限定されず、特許請求の範囲内で変更されてもよい。

Claims

支持部と、
周縁部に複数のエッジ点を含む反射器と、
複数の圧電アクチュエータを含み、前記支持部から前記反射器を懸架する複数の懸架部と、
制御装置と
を備える微小電気機械反射器システムであって、
各対の複数の懸架部において、１対の複数の懸架部の複数の第１端が当該１対に共通の固定点に固定されるように、２対の複数の懸架部は２つの固定点から前記支持部に固定され、
第１回転軸は、前記２つの固定点を通る線と一致し、前記反射器を第１反射器部分および第２反射器部分に分割し、
各対の複数の懸架部において、一方の懸架部の第２端は前記第１反射器部分に結合され、他方の懸架部の第２端は前記第２反射器部分に結合され、
前記制御装置は、前記複数の懸架部の前記複数の圧電アクチュエータに結合され、かつ、複数の制御信号を供給して、前記反射器に同時に、第１共振周波数で前記第１回転軸を中心とする第１回転振動をさせ、第２共振周波数で第２回転軸を中心とする第２回転振動をさせるように構成され、前記第１回転軸と前記第２回転軸とは直交しており、結果として生じる前記反射器の位置は、前記第１回転振動と前記第２回転振動との重ね合わせであり、前記第１共振周波数と前記第２共振周波数とは異なるが、共通の数値の整数倍であり、
前記反射器は、当該反射器のたわみに伴って動くように当該反射器に固定されている可動電極を含み、または、少なくとも１つの懸架部は、当該懸架部のたわみに伴って動くように当該懸架部に固定されている可動電極を含み、
前記可動電極は、前記支持部に固定された静止電極に容量結合され、
前記制御装置は、前記可動電極と前記静止電極との間に追加の制御電圧を印加するように構成されている
微小電気機械反射器システム。
前記２対の複数の懸架部のうちの第１対は、それぞれ第１端が第１固定点から前記支持部に固定された第１懸架部および第２懸架部を含み、
前記２対の複数の懸架部のうちの第２対は、それぞれ第１端が第２固定点から前記支持部に固定された第３懸架部および第４懸架部を含み、
前記第１回転軸は、前記第１固定点および前記第２固定点を通る線と一致する
請求項１に記載の微小電気機械反射器システム。
前記複数のエッジ点は、それぞれ前記第１回転軸上にある第１エッジ点および第２エッジ点を含み、
前記第１固定点は、あるギャップだけ離れて前記第１エッジ点に隣接しており、
前記第２固定点は、あるギャップだけ離れて前記第２エッジ点に隣接している
請求項２に記載の微小電気機械反射器システム。
前記第１反射器部分の縁にある第３エッジ点および第４エッジ点と、
前記第２反射器部分の縁にある第５エッジ点および第６エッジ点とであって、
前記第３エッジ点および前記第４エッジ点は、０でない距離だけ離れており、
前記第５エッジ点および前記第６エッジ点は、０でない距離だけ離れており、
前記第１懸架部の第２端は、前記第３エッジ点に結合され、
前記第２懸架部の第２端は、前記第５エッジ点に結合され、
前記第３懸架部の第２端は、前記第６エッジ点に結合され、
前記第４懸架部の第２端は、前記第４エッジ点に結合されている、第３エッジ点および第４エッジ点と、第５エッジ点および第６エッジ点とによって特徴付けられる
請求項２または３に記載の微小電気機械反射器システム。
前記第２回転軸は、前記第３エッジ点と前記第５エッジ点とを通る線に平行であって、前記第３エッジ点と、前記第５エッジ点と、前記第４エッジ点および前記第６エッジ点のうちの少なくとも１つとによって決定される平面上の線である
請求項４に記載の微小電気機械反射器システム。
非作動状態において、平面状の前記反射器の外面は、第１平面と一致し、
前記第１平面の法線と平行な方向は、面外方向であり、
少なくとも１つの懸架部の第２端と、当該懸架部が結合されているエッジ点との結合部は、面外方向には当該懸架部の前記第２端のたわみを前記エッジ点に伝え、前記第１平面と平行な少なくとも１つの面内方向には当該懸架部の前記第２端のたわみに柔軟に対応する第１結合ばねを含む
請求項１〜５のいずれか１項に記載の微小電気機械反射器システム。
前記可動電極は、可動櫛電極であり、
前記可動櫛電極の複数の櫛フィンガは、前記懸架部それぞれの前記第２端において、外縁の長さの４分の１以下にわたって延在する
請求項１〜６のいずれか１項に記載の微小電気機械反射器システム。
前記可動電極は、可動櫛電極であり、
前記可動櫛電極の複数の櫛フィンガは、前記懸架部それぞれの前記第２端において、外縁の長さの少なくとも３分の１にわたって延在する
請求項１〜７のいずれか１項に記載の微小電気機械反射器システム。
請求項１〜８のいずれか１項に記載の微小電気機械反射器システムを含む光学デバイス。