(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
ＭＥＭＳ装置であって、当該ＭＥＭＳ装置は、
上面を有し、該上面は回転可能な素子を有し、
中間支持フレーム面を有し、
下部電気用基板の面を有し、
前記の回転可能な素子が、前記の中間支持フレーム面に形成された支持フレームによって支持され、該フレームに対して第１の回転軸で回転可能となっており、
該中間支持フレームが、第２の回転軸の周りを回転可能となるように取り付けられており、かつ、前記の回転可能な素子が、前記支持フレームによって支持され、該支持フレームと共に、第２の回転軸の周りを回転可能となっており、
第１の回転軸での回転の静電作動が、第２の回転軸での回転の静電作動から実質的に独立している、
前記ＭＥＭＳ装置。
【請求項２】
充填率＞９０％となっている１×Ｎアレイとして構成されている、請求項１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項３】
さらに、前記の回転可能な素子と支持フレームとの間に配置された作動電極を有し、
第１の軸を中心とする回転が、前記の回転可能な素子と中間支持フレームとの間に配置された前記の作動電極によって達成される、請求項１または２のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項４】
さらに、支持フレームと下部電気用基板との間に配置された作動電極を有し、
第２の軸を中心とする回転が、前記の支持フレームと下部電気用基板との間に配置された前記の作動電極によって達成される、請求項１から３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項５】
前記の２つの軸が実質的に直交している、請求項１から４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項６】
中間支持フレーム面が、上部導電層と下部導電層とを有しており、これらの層が絶縁層によって隔離されている、請求項１から５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項７】
支持フレームが、中間支持フレーム面に形成され、部分的には上部導電層によって、かつ、部分的には下部導電層によって形成されており、
当該装置が、さらに、
ビアを有し、該ビアは、上部導電層と下部導電層とを分離する絶縁層をまたぐことによって、上側導電層と下部導電層との間の選択された領域に電気的な接続を与えるものである、
請求項６に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項８】
さらに、支持フレームの領域と上面への電気的な経路を有し、該経路は、パターン化された導体材料を用いて形成されている、請求項７に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項９】
支持フレームが、中間支持フレーム面に、導電層によって形成され、
溝が該導電層に形成され、該溝が絶縁体で充填されて、該支持フレームに互いに電気的に絶縁された領域を形成している、請求項１から５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１０】
さらに、支持フレームの電気的に絶縁された前記領域と上面への電気的な経路を有し、該経路は、パターン化された導体材料を用いて形成されている、請求項９に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１１】
さらに、可撓性ヒンジを有し、該可撓性ヒンジは、第１の軸の周りの回転を与えるものであり、該可撓性ヒンジは、上面に形成され、かつ、第１の軸に沿った前記の回転可能な素子の両端に配置されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１２】
さらに、可撓性ヒンジを有し、該可撓性ヒンジは、第１の軸の周りの回転を与えるものであり、該可撓性ヒンジは、中間フレーム層面に形成され、かつ、第１の軸に沿った前記の回転可能な素子の両端に接続されている、請求項１から１０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１３】
可撓性ヒンジが、前記の回転可能な素子によって実質的に覆われている、請求項１２に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１４】
さらに、可撓性ヒンジを有し、該可撓性ヒンジは、第２の軸の周りの回転を与えるものであり、該可撓性ヒンジは、中間支持フレーム面に形成されている、請求項１から１３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１５】
第２の軸の周りの回転を与える前記可撓性ヒンジが、前記の回転可能な素子の下に配置されており、それが、充填率を高くし、回転可能な素子の使用可能な表面積を最大にしている、請求項１４に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１６】
さらに、第１の軸の周りの作動のための作動機構を有する、請求項１から１５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１７】
前記作動機構が、平行平板型の静電電極、垂直櫛状駆動部、および、電磁アクチュエータのうちの少なくとも１つを有してなる、請求項１６に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１８】
さらに、第２の軸の周りの作動のための作動機構を有する、請求項１から１７のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項１９】
前記作動機構が、平行平板型の静電電極、垂直櫛状駆動部、および、電磁アクチュエータのうちの少なくとも１つを有してなる、請求項１８に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２０】
さらに、
第１の駆動電圧源を有し、該第１の駆動電圧源は、第１の回転軸での回転を行わせるための第１の駆動電圧を生成するものであり、
第２の駆動電圧源を有し、該第２の駆動電圧源は、第２の回転軸での回転を行わせるための第２の駆動電圧を生成するものであり、
第１の駆動電圧が、第２の駆動電圧よりも実質的に低い、
請求項１から１９のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２１】
さらに、下部電気用基板内に、ウエハを通る複数の電気用ビアを有し、該複数のビアは、電気的な経路のために必要とされる空間を減少させるためのものである、請求項１から２０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２２】
前記の複数の電気用ビアが、実質的に等しいピッチを有するように構成されている、請求項２１に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２３】
Ｎ×Ｍのミラーアレイを形成する複数の列を有する、請求項１から２２のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２４】
さらに、
制御電圧を供給するための複数の通路を有し、
シールド素子を有し、該シールド素子は、制御電圧を供給するための前記通路の間と、前記の支持フレームと回転可能な素子の両方を、いくつか遮蔽するものである、
請求項１から２３のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２５】
前記の回転可能な素子が、ミラーである、請求項１から２４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項２６】
ＭＥＭＳデバイスであって、当該ＭＥＭＳデバイスは、
フレームを有し、該フレームは、回転可能な素子が第１の回転軸の周りを回転できるように、該回転可能な素子を支持しており、
第１の対の連結部を有し、該第１の対の連結部は、前記フレームが第２の回転軸の周りを回転することができるように、該フレームを一対の支持部に接続しており、
第１のアクチュエータを有し、該第１のアクチュエータは、第１の回転軸での前記回転可能な素子の回転を行わせるためのものであり、
第２のアクチュエータを有し、該第２のアクチュエータは、第２の回転軸での前記フレームの回転を行わせるためのものであり、
該第１のアクチュエータが、第２の回転軸の周りを、前記フレームと共に回転するように形成されており、
第１のアクチュエータが、第１の静電アクチュエータであり、かつ、第２のアクチュエータが、第２の静電アクチュエータである、
前記ＭＥＭＳデバイス。
【請求項２７】
第１の静電アクチュエータが、
少なくとも１つの電極を有し、該電極は、フレームに形成され、第１の制御電圧に接続可能であり、
前記ミラーが接地電圧に接続可能であって、それにより、前記の少なくとも１つの電極に第１の制御電圧を印加することによって、前記の少なくとも１つの電極と前記ミラーとの間に電位差が生じ、それによって、第１の回転軸での回転が生じる、請求項２６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項２８】
さらに、
接地電圧をミラーに供給するための導通路を有し、該導通路は、前記支持部の一方と、前記第１の対の連結部の一方とを通過するものであり、
第１の制御電圧を第１の静電アクチュエータに供給するための導通路を有し、該導通路は、前記支持部の他方と、前記第１の対の連結部の他方とを通過するものである、
請求項２７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項２９】
前記フレームが、特定の位置において層同士を相互に接続する１以上のビアを除いて、部分的には第１の導電層から形成され、かつ、部分的には第２の導電層から形成されており、第２の導電層は第１の導電層から絶縁されている、請求項２６から２８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３０】
前記フレームが導電層から形成され、該導電層は、互いに電気的に絶縁された、支持フレームの複数の領域を形成するために、絶縁性材料で充填された溝を有する、請求項２６から２８のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３１】
第１の対の連結部が、一対のヒンジを有している、請求項２６から３０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３２】
第２の静電アクチュエータが、
第１の電極を有し、第１の電極は、第２の回転軸の周りを前記フレームと共に回転するように、該フレームに形成されており、
第２の電極を有し、第２の電極は、第１の電極から間隔を置いて配置されており、
これらの電極のうちの一方に第１の電圧を印加しかつこれらの電極のうちの他方に第２の電圧を印加することで、第１の可動電極と第２の電極とにわたる電位差が作り出され、それによって第２の回転軸での回転が生じるような位置に、該第２の電極がある、
請求項２６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３３】
第１の可動電極が可動の櫛状部を有し、第２の電極が固定の櫛状部を有する、請求項３２に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３４】
さらに、
前記固定の櫛状部を支持する支持部を有し、
第２の電圧を前記可動の櫛状部に供給するための導通路を有し、該導通路は、前記支持部の一方と、前記第１の対の連結部の一方を通過するものであり、
第１の電圧を供給するための導通路を有し、該導通路は、前記支持部を通って前記固定の櫛状部まで達するものである、
請求項３３に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３５】
前記の回転可能な素子が、ミラーである、請求項２６から３４のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３６】
前記の回転可能な素子が、第１の軸を中心として回転可能であって、該回転可能な素子
と同じ層に形成されている一対のヒンジと共に回転可能である、請求項２６から３５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３７】
前記の回転可能な素子が、第１の軸を中心として回転可能であって、前記フレームと同じ層に形成されている一対のヒンジと共に回転可能である、請求項２６から３５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３８】
前記一対のヒンジが、前記の回転可能な素子によって全体的に隠されている、請求項３７に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項３９】
前記フレームが第２の回転軸を中心として回転可能となるように、一対の連結部が、該フレームを１対の支持部に接続しており、該一対の連結部が、一対のヒンジを有している、請求項２６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４０】
前記一対のヒンジが、前記の回転可能な素子によって全体的に隠されるように形成されている、請求項３９に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４１】
前記一対のヒンジが、前記の回転可能な素子によって一部だけが隠されるように形成されている、請求項３９記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４２】
第１の静電アクチュエータが、前記フレームに形成された少なくとも１つの平板電極を有し、該少なくとも１つの電極に印加される作動電圧と、前記の回転可能な素子に印加される接地電圧とによって、前記の回転可能な素子が、第１の回転軸を中心として回転するようになっている、請求項４１に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４３】
第１の回転軸が、前記の回転可能な素子の中心線からずれている、請求項２６から４２のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４４】
さらに、前記回転可能な素子内に、釣り合わせ材料を有し、該釣り合わせ材料は、第１の回転軸のずれた位置によって生じる質量の不均衡を相殺するためのものである、請求項４３に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４５】
第１の静電アクチュエータが、第１の垂直櫛状部電極を有し、
当該ＭＥＭＳデバイスが、前記の回転可能な素子上に形成された第２の垂直櫛状部電極を有し、
第１の垂直櫛状部電極に印加される第１の電圧と、第２の垂直櫛状部電極に印加される第２の電圧とによって、前記の回転可能な素子が、第１の回転軸を中心として回転するようになっている、請求項２６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４６】
第１の静電アクチュエータが、第１の垂直櫛状部電極を有し、
当該ＭＥＭＳデバイスが、第２の垂直櫛状部電極を有し、該第２の垂直櫛状部電極は、前記の回転可能な素子から離れて形成されているが、該回転可能な素子と共に回転するように接続されており、
第１の垂直櫛状部電極に印加される第１の電圧と、第２の垂直櫛状部電極に印加される第２の電圧とによって、前記の回転可能な素子が、第１の回転軸を中心として回転するようになる、請求項２６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４７】
第２の回転軸での回転を作動させるための第２の静電アクチュエータが、一対の垂直櫛状部を有する、請求項２６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４８】
第２の回転軸での回転を作動させるための第２の静電アクチュエータが、プッシュ−プル配置になっている二対の垂直櫛状部を有する、請求項２６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項４９】
第２の回転軸での回転を作動させるための第２の静電アクチュエータが、
一対の垂直櫛状部を有し、かつ、
静電板を有し、該静電板は、ハイブリッド駆動部を提供するように配置されており、該ハイブリッド駆動部では、前記垂直櫛状部が先ず関与し、続いて前記静電板が関与する、請求項２６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５０】
さらに、
制御電圧を供給するための複数の経路を有し、
シールド素子を有し、該シールド素子は、制御電圧を供給するための前記通路の間と、前記の支持フレームと回転可能な素子の両方を、いくつか遮蔽するものである、
請求項２６に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項５１】
前記上面のうちの実質的に全てが、前記の回転可能な素子によって構成され、かつ、連続的な遮られていないミラー素子として使用される、請求項１から２５のいずれか１項に記載のＭＥＭＳ装置。
【請求項５２】
前記上面のうちの実質的に全てが、前記の回転可能な素子によって構成され、かつ、連続的な遮られていないミラー素子として使用される、請求項２６から５０のいずれか１項に記載のＭＥＭＳデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
関連出願
本願は、２００８年４月２９日に出願された米国仮出願第６１／０４８７２４号の利益を主張し、引用したことによって、そのすべてが本願明細書に組み込まれる。
【０００２】
発明の分野
本発明は、２つの回転軸（回転軸線）で回転することを有するＭＥＭＳデバイスに関する。
【背景技術】
【０００３】
発明の背景
第一世代のＭＥＭＳ（micro-electromechanical systems、微小電気機械システム）の波長選択性スイッチは、単一軸の傾斜可能なミラーアレイ（波長あたり１つのミラー）を使用して、１つの入力ポートで入射しあらゆるＮ個の出力ポートまで至るあらゆる組の光波長信号を、任意に切替えていた。代表的な構造は、第１の軸（ｙ）での波長を分散させ、直交軸（ｘ）にスイッチするものであった。波長のチャンネル形状(wavelength channel shape)を最適化するには、ＭＥＭＳのミラー面において間隙のないｙ軸のビームウェストが必要である一方で、限られたＭＥＭＳの傾斜範囲内で多数の実現可能なポートを最適化することによって、ｘ軸のビームウェストが大きくなる。したがって、有利となるのは、ミラーアレイがｙ軸寸法よりも極めて大きなｘ軸寸法を有することである。
【０００４】
「ヒットレス スイッチング(hitless switching)」を達成するために（すなわち、中間ポートを通る走査を避けるために）、各ミラーには２軸傾斜が必要となる。ミラーのフットプリント内で適合可能な２次元ジンバル装置が、高充填率を有する装置を製作するのに使用可能である。この２次元ジンバルは、ミラーの中央に配置されてもよいが、光学ビームがミラーに集中することができず、利用可能領域を十分に活用しないといった問題点がある。使用可能なミラー領域を最大化しつつ２軸傾斜を達成する手段として、隠れたジンバル方法が報告されている。
【０００５】
２次元ジンバルの両バージョンへの重要な課題は、ｘ軸およびｙ軸の傾斜の制御が独立していないことである。これは、共用の静電キャビティの結果としての駆動電極間の結合に起因するものである。この結合によって、必要とされる「ヒットレス」パスの軌跡に続くために、綿密な２次元キャリブレーションおよび制御が必要となる。その結果、スイッチパスが多くのより小さなステップに分割され、キャリブレーション時間およびスイッチング時間に対して費用がかかる。
【発明の概要】
【０００６】
発明の概要
本発明の実施態様は、２つの傾斜の軸を実質的に分離しており、それによって、これらが独立的に制御されかつ最適化され得るようになっていながら、少なくとも１つの軸において高い充填率である望ましい特徴を達成する。いくつかの実施態様では、ｘおよびｙ傾斜の駆動部を切り離すことによって、制御を単純化し、長く延びたｘ軸の周りの傾斜（即ち、ロール(roll)）が減少して、二値（バイナリ）の２つの状態の操作となる。ｘ軸を中心として傾斜する場合には、ミラー縁部の偏向が相対的に小さく、ｙ軸を中心とする傾斜と比較して慣性モーメントが小さいために、ｘ軸を中心とするロールの駆動特性が最適化され、相対的に低い駆動電圧（＜５０Ｖ）とすることができる。
【０００７】
ｙ軸の周りに傾斜させること（即ち、ピアノ傾斜(piano tilt)）が、ミラーの先端部に大きな偏向を生み出し、よって、より大きなクリアランスが必要となり得る。より大きな慣性モーメントによって、振動および衝撃感度を避けるためのより固いヒンジが必要となり得る。これらの問題に対処するためには、高駆動電圧での平行平板型の静電作動および典型的に双方向の作動が利用されてもよい。段が付いた(stepped)電極によって、いくらかの改良がもたらされる。
【０００８】
１つの広い態様によると、本発明は、ＭＥＭＳ装置を提供し、当該ＭＥＭＳ装置は、上回転可能な素子を有する上面を有し、中間支持フレーム面を有し、下部電気用基板の面を有し、前記の回転可能な素子が、前記の中間支持フレーム面に形成された支持フレームによって支持されて、該フレームに対して第１の回転軸で回転可能となっており、該フレームが、第２の回転軸に対して回転可能となるように取り付けられており、第１の回転軸での回転が、第２の回転軸での回転から実質的に独立している。
【０００９】
別の広い態様によると、本発明は、ＭＥＭＳデバイスを提供し、当該ＭＥＭＳデバイスは、フレームを有し、該フレームは、回転可能な素子が第１の回転軸の周りを回転できるように、該回転可能な素子を支持しており、当該ＭＥＭＳデバイスは、第１の対の連結部を有し、該第１の対の連結部は、前記フレームが第２の回転軸の周りを回転することができるように、該フレームを一対の支持部に接続しており、当該ＭＥＭＳデバイスは、第１のアクチュエータを有し、該第１のアクチュエータは、第１の回転軸での前記回転可能な素子の回転を行わせるためのものであり、当該ＭＥＭＳデバイスは、第２のアクチュエータを有し、該第２のアクチュエータは、第２の回転軸での前記フレームの回転を行わせるためのものであり、該第１のアクチュエータが、第２の回転軸の周りを、前記フレームと共に回転するように形成されている。
【００１０】
別の広い態様によると、本発明は、静電アクチュエータを提供し、当該静電アクチュエータは、第１のおよび第２の垂直櫛状部を有し、これらの垂直櫛状部は、櫛状駆動部を提供するように配置されており、第１の垂直櫛状部は第１の電圧に接続可能であり、第２の垂直櫛状部は第２の電圧に接続可能であり、当該静電アクチュエータは、静電板装置を有し、該静電板装置は、第１の平板と第２の平板とを有し、第１の平板は前記第１の電圧に接続可能であり、第２の平板は前記第２の電圧に接続可能であり、第１のおよび第２の電圧を印加することによって、前記の櫛状部同士の間に引力が作用して、前記の櫛状部が互いにより接近し、そうすることによって、第１の平板と第２の平板とが互いにより接近し、第１の平板と第２の平板との間の引力が、第１の平板と第２の平板とを互いにより接近させるようになっている。
【００１１】
別の広い態様によると、本発明は、ＭＥＭＳデバイスを提供し、当該ＭＥＭＳデバイスは、回転軸の周りを回転させられるべき素子を有し、請求項３９に記載の静電アクチュエータを有し、ここで、第１のおよび第２の平板のうちの一方が、回転させられるべき素子と共に回転するように形成され、かつ、第１のおよび第２の平板のうちの他方が、固定位置(static position)にあり、第１のおよび第２の垂直櫛状部のうちの一方が、回転させられるべき素子と共に回転するように形成され、かつ、第１のおよび第２の垂直櫛状部のうちの他方が、固定位置にある。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
図面の簡単な説明
【図１Ａ】図１Ａは、本発明の一実施態様によって提供される、ＭＥＭＳ装置の斜視図である。
【図１Ｂ】図１Ｂは、図１ＡのＭＥＭＳ装置の層の平面図である。
【図２】図２は、図１ＡのＭＥＭＳ装置のより詳細な部分切り欠き斜視図である。
【図３】図３は、ベース層およびボンディングポストの斜視図である。
【図４】図４は、ベース層およびボンディングポスト、ならびに、固定の櫛状部の斜視図である。
【図５】図５は、ベース層とボンディングポスト、固定の櫛状部、および、支持フレームの斜視図である。
【図６】図６は、プッシュ−プル櫛状駆動部を有するＭＥＭＳ装置の側面図である。
【図７】図７は、ミラー内の質量分布が一様でないＭＥＭＳ装置の上面図である。
【図８】図８は、図６の実施態様の一例である上部フレーム層の実現例の平面図である。
【図９】図９は、図６の実施態様の一例である下部フレーム層の実現例の平面図である。
【図１０】図１０は、図６の実施態様の一例であるスタンドオフ層の実現例の平面図である。
【図１１】図１１は、ｙヒンジのための異なる装置を特徴とする、別の実施態様の一例である下部支持層の実現例の平面図である。
【図１２】図１２は、別の実施態様の平面図である。
【図１３】図１３は、ｘ軸がフレームの中心およびミラーの中心からずれている（オフセットしている）、別の実施態様の平面図である。
【図１４】図１４は、ｘおよびｙの両方の傾斜のための櫛状駆動部を特徴とする、別の実施態様の平面図である。
【図１５】図１５は、ｘおよびｙの両方の傾斜のためのプッシュ−プル櫛状駆動部の構造を特徴とする、別の実施態様の平面図である。
【図１６】図１６は、一対の櫛状駆動部が、ｘ傾斜の駆動部のために使用されるが、ｘ傾斜の櫛状部はミラー領域の外側に配置されている、別の実施態様の平面図である。
【図１７】図１７は、ｙヒンジがフレーム領域の外側に位置する、別の実施態様の平面図である。
【図１８】図１８は、櫛状駆動部と静電板駆動部とを組み合わせた、ハイブリッド駆動部の側面図である。
【図１９】図１９は、互い違いに接触した配置の平面図である。
【図２０】図２０は、互い違いに接触した配置の平面図である。
【図２１】図２１は、２列のＭＥＭＳデバイスを特徴とする、ＭＥＭＳ装置の平面図である。
【図２２】図２２は、実施態様のいくつかを実施するための工程の一例を示すダイアグラムである。
【図２３】図２３は、実施態様のいくつかを実施するための工程の一例を示すダイアグラムである。
【図２４】図２４は、実施態様のいくつかを実施するための工程の一例を示すダイアグラムである。
【図２５】図２５は、実施態様のいくつかを実施するための工程の一例を示すダイアグラムである。
【図２６】図２６は、実施態様のいくつかを実施するための工程の一例を示すダイアグラムである。
【図２７】図２７は、実施態様のいくつかを実施するための工程の一例を示すダイアグラムである。
【図２８Ａ】図２８Ａは、本発明の一実施態様によって提供されるＭＥＭＳシステムのブロック図である。
【図２８Ｂ】図２８Ｂは、本願の一実施態様によって提供されるＭＥＭＳデバイスを制御する方法のフローチャートである。
【図２９Ａ】図２９Ａは、電気絶縁性の溝を有する単層の支持層を特徴とするＭＥＭＳ装置の斜視図である。
【図２９Ｂ】図２９Ｂは、電気絶縁性の溝を有する単層の支持層を特徴とするＭＥＭＳ装置の斜視図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
ｘおよびｙ傾斜を特徴とする従来のＭＥＭＳデザインの問題点は、高電圧駆動部(high voltage drive)が両軸のために通常必要とされ、ｙ軸の周りの十分な傾斜範囲を達成するには、双方向傾斜(bi-directional tilt)がたいてい必要とされ、ミラーあたりの高電圧駆動部が３つになることである。高電圧駆動部は、電気破壊／短絡が増加する可能性に起因して、特別な注意が必要であり、かつ、高電圧駆動エレクトロニクスはこの低圧の対等物よりも極めて高価であるために、これらの使用を最小限に抑えることが有益である。
【００１４】
加えて、もし、ＭＥＭＳのミラーが容量性で平行平板型の静電アクチュエータの一部を形成するならば、ミラーに力が及ぼされ、したがって、ミラーの平坦度を任意に変化させることによって、動作度が著しく影響を受ける。材料の応力が時間と温度について変化することが可能であり、それによってミラー平坦度に影響を及ぼすので、静電動作からミラー表面を切り離し(de-couple)することが、特に極めて長い軸（ここで平坦度を変化させることによって静電気ギャップがより大きく変化する）にとって有利となる。
【００１５】
ここで図１Ａ、図１Ｂ、および図２を参照すると、本発明の一実施態様によって提供される２次元の回転を持ったＭＥＭＳデバイスの斜視図（図１Ａおよび図２）と層ごとの図（図１Ｂ）とが示されている。図示した特定の例では、この構造は、回転のｘ軸とｙ軸において、独立的に回転可能なミラーを設けるために使用される。しかしながら、明らかに理解されるであろうことは、いくつかの具体例を挙げるために、例えば薄膜干渉フィルタ、反射格子構造または共振空洞のエタロンなど、ミラー以外の素子を回転させるためのこの構造のほかの用途があってもよいことである。図１Ａは、図の上部から図の底部まで一列に配置されている、３つのこの種のデバイス８０、８２、８４を示しているが、３つのデバイスのうちの底部デバイス８０のみを詳細に記載することとする。
【００１６】
当該ＭＥＭＳデバイス８０は、頂部層(top layer)１０、上部フレーム層(upper frame layer)１２、下部フレーム層(lower frame layer)１４、および、底部層(bottom layer)１６を含む層構造内に画定されている。図１Ｂは、頂部層１０、上部フレーム層１２、下部フレーム層１４、底部層１６の実現例の平面図を示している。記号は７０で図示されており、各層の部分を形成する構成部品がどのように図示されているかを示している。具体的には、頂部層１０の構成部品はハッチング１１で図示され、上部フレーム層１２の構成部品はハッチング１３で図示され、下部フレーム層１４の構成部品はハッチング１５で図示され、底部層１６の構成部品はハッチング１７で図示されている。
【００１７】
頂部層１０には、一対のヒンジ３０、３２と、ヒンジ固定部(hinge anchors)３４、３６と、部分的に切断されて示されているミラー３８とが、形状を定められている。ヒンジ３０、３２は、ミラー３８の両端を該ヒンジ固定部３４、３６に接続している。回転軸(axis of rotation、回転軸線)３９は、ヒンジ３０、３２によって定められており、以下、ｘ軸(x-axis)と称することとし、よって、ヒンジ３０、３２を「ｘヒンジ(x-hinges)」と称するようにする。図１に示された時点では、ミラー３８は、ｘ軸３９を中心にわずかに回転した状態で示されている。
【００１８】
フレームは、全体として４０で指し示されており、頂部層１０中の構成部品を支持している。該フレーム４０は、上部フレーム層１２中には部分的に、下部フレーム層１４中には部分的に画定されている。該フレーム４０は、一対の支持ブロック４２、４３（図１Ａでは、支持ブロック４２だけが視認でき、図１Ｂでは、両ブロック４２、４３が視認できる）で支持されており、これら一対の支持ブロック４２、４３は、上部フレーム層１２中に（または、代替的には下部フレーム層１４中に、あるいは、上部フレーム層１２と下部フレーム層１４の両方の中に）形成された一対のヒンジ４６、４８を通じて底部層１０に形成されており、回転軸４１を中心に、該フレーム４０を回転させることが可能であり、以下、この回転軸をｙ軸(y-axis)と称する。よって、ヒンジ４６、４８を「ｙヒンジ(y-hinge)」と称するようにする。ｙヒンジ４６、４８のそれぞれのものは、フレーム４０を、一対の支持ブロック４２、４３のそれぞれに接続している。図１に示された時点では、該フレーム４０は、ｙ軸４１を中心にわずかに回転した状態で示されている。
【００１９】
頂部層１０中にあるヒンジ固定部３４、３６は、上部フレーム層１２中に形成されているフレーム４０の一部分によって支持されている。ミラー３８は、および、任意選択的にはｘヒンジ３０、３２は、頂部層１０中に形成されている残りの構成部品（即ち、ヒンジ固定部３４、３６）よりも薄いので、ミラー３８と上部フレーム層１２との間に、間隙(gap)が存在する。この間隙を、以下に「ｘ間隙(x-gap)」と称し、該ｘ間隙は、ミラー３８がｘ軸３９について回転するためのスペースを提供する。
【００２０】
フレーム４０は、第１の可動なｙ傾斜(y-tilt)した垂直櫛状部(vertical comb、立ての櫛状部)６０を含んでいる。図示した例では、これは、上部フレーム層１２中に定められている。フレーム４０がｙ軸４１を中心として回転すると、前記の第１の可動なｙ傾斜の垂直櫛状部６０がフレーム４０と共に移動する。支持部６４は、底部層１０中に定められており、第２の固定(static)のｙ傾斜の垂直櫛状部６２を支持している。この第２のｙ傾斜の垂直櫛状部６２は、同じ層中に定められており、下部フレーム層１２のために使用されるが、第２のｙ傾斜の垂直櫛状部は、フレーム４０に接続されず、該フレームと共には移動しない。逆に、第２のｙ傾斜の垂直櫛状部６２は、支持部６４に固定して接続されている。
【００２１】
上部フレーム層１２中に定められている一対のｘ傾斜の電極５０、５２もまた、図示されている。これらのｘ傾斜の電極５０、５２は、ｘ軸３９からずれている(offset、オフセットしている）。以下に詳細に説明するように、当該ＭＥＭＳデバイス８０は、ｘ電圧を前記一対の電極５０、５２に印加するのを可能にしている。
【００２２】
３つの線状部(trace、トレース)７０、７２、７４が、電圧を当該デバイスに供給する。具体的には、線状部７０がｘ電圧を供給し、線状部７２がｙ電圧を供給し、線状部７４が接地電圧を供給する。ｘ軸３９の周りの回転を制御可能にするために、ｘ電圧を供給する線状部７０を、ｘ傾斜の電極５０、５２へと接続する導通路があり、ミラー３８を接地線状部７４に接続する導通路がある。ｙ軸４１の周りの回転を制御するために、固定のｙ傾斜の垂直櫛状部６２を、ｙ電圧を供給する線状部７２へと接続する導通路があり、可動のｙ傾斜の垂直櫛状部６０を、接地の線状部７４へと接続する導通路がある。これらの導通路を、以下にさらに詳しく説明する。
【００２３】
操作においては、ｘ傾斜の電極５０、５２にｘ電圧を印加し、ミラー３８に接地電圧を印加することによって、ｘ傾斜の電極とミラー３８との間に電位差が生じる。ｘ傾斜の電極５０、５２は、ｘ軸３９からずれている（オフセットしている）ので、結果として生じる静電気引力によってミラーがｘ軸３９を中心に回転する。ｘ電圧が接地(ground)に戻されると、ｘヒンジ３０、３２での引張力(tension)によって、そのデフォルトのポジションにミラー３８が戻り、そこはｘ軸３９を中心とした回転がないポジションである。
【００２４】
同様に、固定のｙ傾斜の垂直櫛状部６２にｙ電圧を印加し、かつ、可動のｙ傾斜の垂直櫛状部６０に接地電圧を印加することによって、ｙ傾斜の垂直櫛状部６０、６２同士の間に電位差が生じる。結果として生じる櫛状部６０、６２同士の間の静電引力(electrostatic attraction)によって、フレーム４０がｙ軸４１を中心に回転する。ミラー３８は、フレーム４０によって支持されており、前記のようにｙ軸を中心とした同じ回転を行う。ｙ電圧が接地に戻されると、ｙヒンジ４６、４８の引張力が、フレーム４０（およびミラー３８）をそのデフォルトのポジションに戻し、そこはｙ軸４１を中心とした回転がないポジションである。支持部４２、４３の高さは、ｙ軸４１における可能な回転量に関する制限を定めている。
【００２５】
上述の実施態様では、ミラー３８は、支持フレーム４０に対して揺動(roll)（ｘ傾斜）することができ、該支持フレームは、駆動櫛状部(drive comb)６０、６２と、静電ｘ電極５０、５２と、ｙ傾斜ヒンジ４６、４８とを含んであり、そして、ｘ傾斜ヒンジ３０、３２はミラーの両端において、ミラーと同じ層に形成されることができる。
【００２６】
いくつかの実施態様では、当該装置は、３層スタック（３層の積み重ね）を用いて実施される。各層は、１つ以上の副層を含んでいてもよい。最上層(top-most layer)は、ミラーおよびｘヒンジのために使用される。中間層は、支持フレームと垂直櫛状駆動部(vertical comb drive)の上部および下部のために使用され、底部層は、支持部と、回転を制御するのに使用される電圧を供給する経路とに使用される。
【００２７】
具体的な例では、最上層は、ＳＯＩ（silicon on insulator、シリコン オン インシュレータ）から形成され、該層は、取外し可能なハンドルウエハと、シリコン層と、酸化物層とを含む。中間フレームは、ＤＳＯＩ（double silicon on insulator、ダブルシリコンオンインシュレータ）から形成され、該層は、ハンドルウエハと、２つのＳｉ層および２つの酸化物層とを含む。ドープされたシリコンを、ＳＯＩおよびＤＳＯＩに使用可能であり、金属製の線状部を必要とせずに電気的な導通状態(electrical continuity)をもたらす。ＤＳＯＩ内の酸化物によって、深堀り反応性イオンエッチング(Deep Reactive Ion Etching)（ＤＲＩＥ）のためのエッチストップがもたらされ、中間フレームの上半分と下半分との間が絶縁される。フレーム層同士の間を電気的に接続するために、必要に応じて導通ビア(conductive via)が使用されてもよい。したがって、上部と下部のフレーム層は、所望の位置への絶縁された電気経路を可能にしつつ、組み合わせられた機械的構造物として、共に作動可能である。詳細な例を以下に示す。
【００２８】
図示したデザインでは、ｘ間隙は小さくてもよい。なぜならば、ｘ傾斜の間は、ミラー偏位(mirror deflection)が小さいからである。好都合にも、このことによって、ｙ軸における駆動回転(drive rotation)に使用される電圧と比べて、相対的に低い電圧のｘ傾斜駆動(x-tilt drive)となることができる。
【００２９】
ｘ傾斜とｙ傾斜とが、実質的に切り離されているのがわかる。
【００３０】
フレーム層に形成されたｘ電極と、接地に接続されたミラー層との間の引力の結果として、ｘ軸における回転が得られる。ｘ軸におけるこの回転は、ｙ回転の状態によって影響を受けるものではない。その理由は、ミラーとｘ電極との間の距離が、ｙ回転の状態と関係ないからであり、それは、ｙ軸で回転する場合に、ｘ電極が、ミラーに伴ってフレームと回転するという事実に起因している。
【００３１】
下部フレーム層中の固定の駆動櫛状部(drive comb)と、上部フレーム層中の可動の櫛状部との間の引力の結果として、ｙ軸での回転が得られる。ｙ軸でのこの回転は、ｘ回転の状態に影響を受けるものではない。その理由は、駆動櫛状部どうしの間の距離が、ｘ回転の状態と関係ないからである。Ｘ回転は、ミラーを回転させるだけであり、ｘ軸でのフレームの回転が無く、転じて、ｘ軸での可動の櫛状部の回転が無い。
【００３２】
波長選択スイッチの用途は、典型的には、ｘ軸回転に対する感度が少なく、結果としての当該デバイスは、ｘ揺動(x-roll)における震動(vibration)に対して全く感度を持たない。このことが意味するのは、ｘ傾斜ヒンジは、それらが別の状況で必要とされたであろうものよりも弱くてよく、転じて、ｘ軸での回転を行わせるのに必要な電圧をも低下させる、ということである。
【００３３】
結果得られる波長選択スイッチデバイスは、上述したように、ミラー平坦度に対する感度が全くない。その理由は、長軸３９に沿ってフレームを分離するためのミラーにおける変化が、ｙ傾斜に影響(impact)を与えないからである。さらに、短軸４１に沿った平坦度は、ｘ傾斜に影響を与え得るが、重大ではない。
【００３４】
いくつかの実施態様では、ｘ傾斜のための駆動(drive)が、２つの状態を有して実行される。すなわち、二値(binary)のＯＮの状態（その間に、予め定められたｘ電圧が印加される）と、二値のＯＦＦ（その間に、ゼロのｘ電圧（または、任意の予め定められた２次的な電圧）が印加される）とである。
【００３５】
以下は、種々の層のための例示的な１組の寸法の詳細である。実際の寸法は、具体的な実現例となる。
【００３６】
上部ＳＯＩ層：
最上層(upper most layer)のシリコン層は、例えば、１０〜２０ミクロンの厚さであってもよく、接地されたミラーとｘ傾斜ヒンジとを形成するのに使用される。金の反射器（または他の高反射性層）は、ミラーの機能性を実現するために使用される。裏面エッチングを行って、ミラーと上部フレーム層との間に５〜１０ミクロンのｘ間隙を形成する。ｘヒンジはヒンジ固定部よりも薄くてもよい。
【００３７】
ＤＳＯＩ層−上部層(upper layer)：
シリコン頂部層(silicon top layer)は、例えば、１０〜１５のミクロン厚であってもよく、フレームの接地された部分（ｘ傾斜ヒンジを介してミラーに接続されている）、ｘ傾斜の電極島状部(electrode islands)（Ｖｘ）、可動のｙ傾斜の垂直櫛状部（フレームの接地された部分に接続されている）、ｙ傾斜ヒンジ（一方はグランドに接続され、他方はｘ電圧に接続されている）を形成するために使用される。
【００３８】
ＤＳＯＩ層−下部層(lower layer)：
固定のｙ傾斜の垂直櫛状部、ＤＳＯＩ層の上部層に形成されたフレームの接地部分にｘ傾斜の電極の島状部を固定するためのブリッジ部を形成するために、シリコン層（約１０〜１５ミクロン）が使用される。電気用ビア(electrical vias、電導バイア)が、第１の接地されたｙヒンジを上部接地フレームへと接続し、第２のｙヒンジ（Ｖｘを導通させる）をｘ傾斜の電極へと接続している。
【００３９】
底部ビア基板は、ウエハビア(wafer vias)を通じて、Ｖｙ、Ｖｘ、および、Ｇｎｄのための接点金属(contact metal)、エッチングされたスタンドオフ（支持部）として使用され、ｙ傾斜のための隙間（クリアランス）を作り出す。
【００４０】
いくつかの実施態様では、堅固な櫛状駆動(comb drive)の傾斜と、エッチングされたフレームと、大きなスタンドオフの隙間とを組み合わせることによって、隣接するミラー同士の間を一時的に結合させる可能性のある空気(pneumatic)の影響が、効果的に排除される。
【００４１】
電気用線状部(electrical traces)７０、７２、７４、および、支持部４２、４３、６４の詳細図は、図３に示されている。
【００４２】
固定のｙ傾斜の垂直櫛状部６２の詳細図は、図４に示されている。この図はまた、下部フレーム層の部分１００、１１８を示しており、回転を制御するために使用されるさまざまな電圧の供給の説明を以下に記載する。
【００４３】
上部フレーム層の詳細図は、図５に示されている。
【００４４】
図２を参照すると、以下のように、ｘ電圧がｘ傾斜の電極５２に供給される：
１）ｘ電圧が、線状部７０に印加される；
２）支持部４２へ導通させる；
３）下部フレーム層の絶縁部１００を通過して導通させる；
４）中間の酸化物層に起因して別の状況では電気的に絶縁される上部フレーム層の部分(section)１０２に、下部フレーム層の絶縁部１００を接続するビア１０８を通じて、上部フレーム層の部分１０２へと導通させる；
５）ｙヒンジ４６を通じて導通させる；
６）上部フレーム層の部分１０４へと導通させる；
７）別の状況では電気的に絶縁される下部フレーム層の部分１１２に、上部フレーム層の部１０４を接続するビア１１８を通じて、下部フレーム層の部１１２へと導通させる；
８）ｘ傾斜の電極５２を下部フレーム層の部１１２に接続するビア１１４を通じて、ｘ電極５２を導通させる。
【００４５】
ｘ電圧は、以下のように、ｘ傾斜電極５０に供給される：
１）下部フレーム層の部分１１２へと導通させる。ｘ電圧をｘ傾斜電極５２に供給する説明で上述したようにである；
２）下部フレーム層の部分１１４に達するまで、下部フレーム全体の周囲を導通させる（図２には示していないが、図１Ｂにおいて見ることができる）；
３）ｘ傾斜電極５０を、下部フレーム層の部分１１５に接続するビア１１６を通じて、ｘ傾斜電極５０へと導通させる。
【００４６】
接地電圧は、以下のように、ミラー３８に供給される：
１）線状部７４に接地が印加される；
２）他の支持部４３に導通させる；
３）下部フレーム層の絶縁部１１８へと導通させる；
４）下部フレーム層の絶縁部１１８を上部フレーム層の部分１２０に接続するビア１２２を通じて、上部フレーム層の部１２０へと導通させる；
５）ｙヒンジ４８を通じて導通させる；
６）上部フレームの部分１２０を通じて導通させる；フレームの部１２０がヒンジ固定部３６を支持する；
７）ヒンジ固定部３６を通じて導通させる；
８）ｘヒンジ３２を通じてミラー３８へと導通させる。
【００４７】
接地電圧もまた、他方のｘヒンジ３０を通じて、同様の方法にて、ミラーに達することに留意されたい。
【００４８】
ｙ電圧は、以下のように、固定のｙ傾斜の垂直櫛状部６２に供給される：
１）線状部７４に印加されるｙ電圧、線状部７４は、支持部６４に接続されている；
２）支持部６４を通じて固定のｙ傾斜の垂直櫛状部６２へと導通させる。
【００４９】
接地電圧は、以下のように、可動のｙ傾斜の垂直櫛状部６０に供給される：
１）ミラー３８への接地電圧の供給の説明で上述したように、接地電圧が上部フレーム層の部分１２０へと導通する。可動のｙ傾斜の垂直櫛状部３８が、上部フレーム層の部分１２０に接続される；
２）可動のｙ傾斜の垂直櫛状部３８へと導通させる。
【００５０】
ここで図６を参照すると、上記のＭＥＭＳデバイスの変形例の側面図が示されている。全体として３１０で示されているのは、ｙ傾斜が作動していない側面図である。全体として３１２で示されているのは、ｙ傾斜が作動している側面図である。全体として３３０で示されているのは、本態様を実施するために使用されてもよい層スタック（層の積み重ね）の一例である。それらの層は、シリコン基板３４４と；１ミクロンの酸化物層３４２と；１０ミクロンまで薄くした線状部の領域を有する４０ミクロンのシリコンスタンドオフ層３４０と；１０ミクロンの下部シリコンフレーム層３３８と；選択領域にある導電ビアを有する１ミクロンの酸化物層３３６と；１５ミクロンのシリコンフレーム層３３４と；１１．５μｍおよび１０μｍまで薄くしたミラー領域を有する、上部シリコンフレーム層３３２および１５ミクロンのシリコン頂部層とを、含んでいる。１１．５ミクロンおよび１０ミクロンまでのミラーの薄型化を、図７を参照しつつ以下にさらに詳細に記載する。当然ながら、これらの大きさおよび材料は、例証のためだけであることが理解されよう。この実施態様では、２組のｙ傾斜の垂直櫛状部がある。第１の組は、上記の実施態様のように、上部フレーム層中の可動の櫛状部３１４と、下部フレーム層中の固定の櫛状部３１６とを含み、第２の組は、下部フレーム層中の可動の櫛状部３１８と上部フレーム層中の固定の櫛状部３２０とを含んでいる。図６の実施態様として、ｙ傾斜のプッシュ−プルの構成が設けられており、ここでは同時に一方の側で引き上げ（プルアップし）、他方の側で下げる（プルダウンする）ことで作動することに留意されたい。これは、図１から図５の実施態様（ｙ傾斜の電極が，一方向に引っ張るだけ）とは対照的である。
【００５１】
図７は、図６の実施態様としての上部シリコン層の平面図を示している。頂部層は、ミラー３４を含んでおり、該ミラーは、２つの厚さの領域を有している。第１の領域３４２は、１１．５μｍまで薄くなっており、一方、第２の領域３４４は、１０μｍまで薄くなっている。ｘヒンジの厚さは、１ｋＨｚ周辺の第１の共振周波数を与えるように設定される。この例でのｘヒンジは、おおよそで、厚さが１５μｍ、幅が１．５μであり、おおよそで、５００〜１０００μｍの実効長を有している。１１．５ミクロンまで薄くなっている２つの硬い止め部３４６もまた示されている。該硬い止め部３４６によって、ｘ傾斜運動の範囲を制限する（特に、二値(binary)制御モードに有用な）小さな接触面がもたらされる。該小さい接触面は、ミラーが休止位置に戻るのを妨げる静摩擦(stiction)を抑制する。また、接地されたミラーと上部フレームの接地された部分との間でのみ接触がなされることが確実になるように、硬い止め部の配置が選択され、その一方でまた、完全なｘ傾斜において、接地されたミラーとｘ電極との間の隔離(separation)が、例えば１．５ミクロンなど最小限に抑えられるように、硬い止め部の配置が選択される。
【００５２】
図８は、図６の実施態様としての上部フレーム層の平面図を示している。この例では、上部フレーム層の厚さは、１５ミクロンである。固定部（アンカー）ポスト３５０は、２８×２８μｍであり、３μｍの側方クリアランスがある。ｘ電極３５２は、３５×４５μｍである。ｙヒンジ３５５、３５６の剛性は、約１ｋＨｚの第１の共振周波数を与えるように設定されている。これらは、おおよそで、厚さが１５μｍ、幅が１．５μｍであり、おおよその実効長が１００〜２００μｍである。この櫛の指部(comb fingers)３５８は、幅３μｍであり、ピッチが１２μｍ、長さが約５０〜１００μｍである。別の例では、櫛の指部の長さは７５〜１５０μｍであり、例えば、長さ１００μｍである。このフレームは、絶縁のための中断部(breaks)３６０を有する。フレームの側部は、３６２で示されているように約５μｍである。フレーム３６４の全長は、約１．４ｍｍである。フレーム３６６の端部は、約３０μｍである。ｘ電極３５２はそれぞれ、フレームの端部から約２５μｍで配置されている。フレームの幅３７０は、約７６μｍである。
【００５３】
図９は、図６の実施態様としての下部フレーム層の平面図である。該下部フレーム層は、幅が５μｍのフレーム部３８０を有する。上部と下部のフレーム層を接続する導通ビア３８２がある。図示されているように、絶縁のための中断部がフレームにある。幅が３μｍで、ピッチが１２μｍの櫛の指部３８４は、長さが５０〜１００μｍである。別の例では、櫛の指部の長さは７５〜１５０μｍであり、例えば１００μｍである。これらは、図８の櫛の指部３５８に約４０〜９０ミクロンだけ重なる。別の例では、これらは、図８の櫛指３５８に約６５〜１４０ミクロンだけ重なる。下部フレーム層３８６の幅は、約７６μｍである。下部フレーム層の長さ部３８８は、約１．４ｍｍである。
【００５４】
図１０は、図６の実施態様としての、支持部／スタンドオフ層を示している。示されているのは、ｙ電圧のスタンドオフ３９０と、ｘ電圧のスタンドオフ３９２と、接地電圧のためのスタンドオフ３９４とであり、すべて、これらの電圧をフレーム層に送るためのものである。
【００５５】
図１１は、別の設計変形例としての、全体として１４０で示される下部支持層と、全体として１４２で示される上部支持層との平面図である。なお、これらの層は、２つの異なる隣接するデバイスとして示されている。上部支持層１４２に対応する下部支持層１４０は、１４０で示されているものの、ｘ軸での鏡映となるであろう。図１１の例では、電極の配置は、図１から図５の実施態様と類似している。ｙヒンジ４００、４０２の配置は、上部フレーム層に接続されて、全体としてｙ軸方向に延びて支持部に接続して示されているヒンジとは幾分異なるものである。しかし、これらのヒンジの機能は、図１のヒンジ４６、４８のものと概して同じであり、すなわち、フレームをｙ軸で回転させることができる。
【００５６】
図１２を参照すると、別の実施態様が示されており、図１１の実施態様と類似しているが、図１から図５の実施態様に類似したポストとｙヒンジとの配置とを特徴とするものである。
【００５７】
ここで図１３を参照すると、デザインの別の変形例が示されており、ここでは、ｘ軸４１８が、フレームの中心から、および、ミラーの中心から、ずれている（オフセットしている）。これは、ｘヒンジ４２０、４２２を中心位置からずらすことによって得られる。好都合にも、このことによって、ｘ駆動のトルクに利用可能なミラー領域がより大きくなる。いくつかの実施態様では、ミラーがより小さいｘ軸側のミラーの部分にフレーム材料を含めることによって、ミラーの質量のバランスがとられる。この具体例では、その軸側にあるミラー部分がその軸の他側にある部分と質量がほぼ等しくなるように、領域４２４にあるフレーム層の質量はミラーの下に含まれる。図１３の実施態様の具体的な実施例では、ミラーは、約長さが１２００ミクロン、幅が８０ミクロンであり、厚さが１０ミクロンと４６ミクロンとの部分を有し、ここにフレーム層が装着される。一方のミラー縁部から５４ミクロン、他方の縁部から２６ミクロンのところにｘ回転軸が配置されるように、ｘヒンジが装着される。サイド１のシリコン材料の体積（ＷｘＬｘＴ）＝５４ｘ１２００ｘ１０ミクロン＝６４８ｋμｍ＾3。サイド１の質量重心からｘ軸までの距離＝２７ミクロン。サイド２の質量重心からｘ軸までの距離＝１３ミクロン。したがって、サイド２は、サイド１よりも２倍大きな質量を有する必要がある。サイド２（ＷｘＬｘＴ）＝２６ｘ８５０ｘ４６ミクロン＋２６ｘ３５０ｘ１０ミクロン＝１１０８ｋμｍ＾3（よりバランスがとれている）。この例によって、２つの両サイドからトルクのバランスがとれることになる。これらの質量重心が傾動軸から等しい距離ではないので、質量を補償するように調整している。
【００５８】
ここで図１４を参照すると、櫛状駆動部(comb drive)が、ｘ傾斜とｙ傾斜の両方に設けられている別の変形例が示されている。図示の例では、ｙ駆動部(y-drive)のための一対の垂直櫛状部４５０、４５２と、ｘ駆動のための二対の垂直櫛状部（４５４、４５６および４５８、４６０）とがある。図１４の実施態様はまた、上述のような図１３の実施態様のための、ずれた（オフセットした）ｘ軸と質量のバランスをとることを特徴としているが、ｘ軸の櫛状駆動部は、ずれた（オフセットした）ｘ軸の無い態様においても実施可能であったということを理解されたい。ｘ駆動の一対の垂直櫛状部は、ミラーに接続される上部フレーム層のロータ４５０と、フレームに接続される下部フレームのステータ４５２とを含む。ｙ櫛状部は、図１Ａの実施態様を参照しつつすでに記載されている通りである。
【００５９】
図１５は、ｘ傾斜とｙ傾斜の両方のプッシュ−プル式の櫛状駆動部の構造を特徴とする別の変形例を示している。ｙ駆動は、図６を参照しつつすでに記載されている通りである。ｘ駆動は、４７０で全体として表示されている端面図を参照すると、最も理解することができる。ステータ櫛状部４７２が、下部フレーム層７０にあり、ロータ櫛状部４７４が、ミラー４７６に装着される上部フレーム層にある。別のロータ櫛状部４７８が、ミラーに接続される下部フレーム層にあり、別のステータ櫛状部４８０が、上部フレーム層にある。この配置は、ｙ軸の両側で繰り返されている。
【００６０】
図１６は、対(pairs)になった垂直櫛状部が、ｘ傾斜の駆動に使用される別の変形例を示している。本実施態様では、ｘ傾斜の櫛状部５００、５０２は、ミラー領域の外側ではあるが、しかし、フレーム（図示せず）の内側に配置されている。この手法によって、より軸を離れたトルク(off-axis torque)が可能となるが、他の実施態様よりも長いフレームが必要となる。
【００６１】
図１７は、別の変形例を示しており、該変形例は、フレーム領域の外側に位置するｙヒンジ５１０、５１２があるという事実を除いて、図１Ａの実施態様と類似している。示した特定の例では、各ｙヒンジは、ある領域にまたがっており、その領域は、部分的にはミラーの下にあり、かつ、部分的には、隣接するミラーの下にある。図１７の実施態様については、完全に「隠れた」ヒンジはない。可能な限り互いに接近したデバイスを得るために、いくつかの実施態様では、図１７における隣接するそれらデバイスは、図示するように、ｘ軸に沿って互いからわずかにずれている（オフセットしている）。
【００６２】
ここで図１８を参照すると、静電作動のためのさらなる別のオプションが示されている。これを、ここでは「ハイブリッド」駆動と称することとする。なぜならば、これが、櫛状駆動部と静電板の、両方を組み合わせるからである。具体的には、一対の垂直櫛状部１５０、１５２が示されている。その一方は、接地に接続されており、他方は動作電圧に接続されている。さらに、ミラー（または、回転すべき他のデバイス）が１５４で示されており、接地に接続されている。動作電圧を受けるように接続された静電板１５６がある。静止状態では、その構成は、全体的に１６０で示した外観を呈している。ミラー１５４と静電板１５６との間の初期の間隙は、作動（少なくとも任意の妥当な電圧を使用する）のためにはあまりにも大きく、かつ、櫛状駆動部１５０、１５２が支配している。作動の第１段階の最後が、１６２で示されている。櫛状駆動部が作動したと仮定するならば、それによって、回転軸１６６を中心に回転するが、ある位置で、櫛状駆動部はトルクを使い果たす。しかし、このようにして得られた回転によって、静電板１５６とミラー１５４との間の間隙が減少し、第２の駆動が生じる。この時点で、静電板１５６とミラー１５４が駆動を支配する。これによって、１６４で示されている位置までミラーがわずかに回転することができる。この時点で注意されたいのは、櫛状部駆動１５０、１５２が過度に駆動されており、このことによって、引き戻し（回転軸１６６上で、逆の回転方向に）がもたらされ、静電板１５６とミラー１５４との間のスナップを阻止することである。この種の駆動部(drive)は、櫛状駆動部を特徴とする上述の実施態様のいずれにも利用されることができる。さらに一般的にいえば、この種のハイブリッド駆動部は、本願明細書に記載した独立した回転および２つの回転軸を備えた特定のＭＥＭＳデバイス以外の、デバイスやシステムに適用可能である。例えば、これは、単一の回転軸での回転が重要となるシステムにおいて適用可能である。
【００６３】
図１９を参照すると、いくつかの実施態様において、デバイスが共により近くなるように互い違いにされた接点配置が利用されている。全体として５３０、５３２、５３４、５３６、５３８、および５４４で表示されている６つのデバイスの１組が示されている。図１９では、接地接続部は、すべて、左側にある共通バス（１つの導体パッド５５０）に送られている。それぞれのｘ軸駆動電圧は、ｙ軸の左側にある互い違いにされた接点部(contact)５５２、５５４、５５６、５５８、５６０、５６２に送られる。それぞれのＹ軸駆動電圧は、ｙ軸の右側にある互い違いにされた接点部５７０、５７２、５７４、５７６、５７８、５８０に送られる。このような互い違いにした構成は、底部の基板の裏面までのウエハを通るビアと共に使用される場合に特に有益である。図１９の例では、ｘ軸での接点部同士の間の間隔は、最小２５０マイクロメートルである。また、ｙ軸での連続的に整列された接点部同士の間の間隔もまた２５０マイクロメートルである。その結果、どの２つの接点部も、少なくとも２５０マイクロメートル離れており、これは、ｙ方向ではデバイスがより近く配置されるという事実に逆わない。図示の例では、３つのデバイスは、２５０マイクロメートル以内の間隔にある。この別の図が、図２０に示されている。これらの電極配置は、基板の裏面上で２次元グリッド配置の電気的な接続をもたらすために、下の基板ウエハでのウエハ通過ビアと組み合わされる場合に有利である。
【００６４】
図２１は、別の変形例を示しており、同図では、２列５６０、５６２のＭＥＭＳデバイスがある。この実施態様は、電気用基板(electrical substrate)においてウエハ通過ビアの使用を特徴とし、列同士の間の間隔が接近した２列のＭＥＭＳデバイスが可能である。これによって、必要とされるルーティングの量が減少する。
【００６５】
図２２から図２７は、上記の実施態様を実施する方法の一例を示している。これは具体例であり、当然ながら、他の方法が代わりに使用可能である。
【００６６】
理解されるであろうことは、概して、本発明の実施態様は、回転可能な素子を、ｘ軸といったような第１の回転軸を中心として回転させるように、ミラーなどの回転可能な素子を支持するフレームを特徴としていることである。上述の例では、回転可能な素子をこのようにフレームに支持するために、一対のヒンジが使用されている。フレームがｙ軸などの第２の回転軸を中心として回転可能となるように、該フレームを一対の支持部に接続する一対の連結部(interconnections、相互接続部)がある。例示してきた実施態様では、例えば図１に示すようなヒンジを含んでいたが、より一般的には、他の形態であるところの可撓性を有する連結線(ligature)もまた利用可能である。典型的には、該回転可能な素子は、該回転可能な素子をフレームに連結するヒンジを含めることによって、第１の回転軸を中心として回転可能となる。他のタイプの連結を考察する。例えば、回転可能な素子は、カンチレバー（片持ち梁）として組立てられてもよく、回転可能な素子がフレームの全長の一方側に結合され、結合された縁部近くで薄型化されて、ｘ傾斜のために湾曲することができる。別の類似した変形例は、該カンチレバーの「自由」端部に、柔軟(compliant)なバネを使用することを含む。
【００６７】
当該デバイスは、第１の回転軸での回転を作動させるために、第２の回転軸でフレームと共に回転するように形成された、第１の静電アクチュエータを特徴部とするものである。これは、典型的には、フレームを形成するのに使用される層の一方または両方に少なくとも部分的に、かつ、回転すべき素子に部分的に、第１の静電アクチュエータを形成することを含む。フレームと回転すべき素子との両方が、フレームと共に、第２の回転軸で回転する。アクチュエータは、記載した実施態様のように、フレームに対して内部にあってもよく、あるいは、他の実施例ではフレームに対して完全にまたは部分的に外部にあってもよい。すべての実施態様が静電アクチュエータによる作動を想定しているが、具体例に挙げると、例えば、電磁気など他のタイプのアクチュエータが代わりに利用されてもよい。図１の例を参照すると、ｘ電極５０、５２がフレームに形成されている。このため、ｘ電極５０、５２はフレームと共に回転し、それによって、極めて小さなｘ間隙を維持することが可能となる。他の例もまた記載してきた。例えば、図１４の実施態様では、ｘおよびｙの両方のための櫛状駆動部を特徴としているが、ｘ駆動のための各対の櫛状部は、フレームに形成されているものと、ミラーの下面に接続されているものとが含まれている。さらにまた、ミラーをフレームに接近させることによって、２つの電極同士の間の小さい間隙を維持することができる。また、この場合重要となるのは、両方の組のｘ櫛状部がｙ軸傾斜を行っている間に共に回転し、それによって、それら櫛状部を結合させる可能性のあるそれら櫛状部の何らかのよじれ(twisting)が防止されるという事実である。記載されている実施態様では、ｘ電極に印加されるｘ電圧があり、第１の回転軸の回転を作動させるために、接地が他の電極に適用される。さらに一般的にいえば、少なくとも静電アクチュエータを実施するために、第１および第２の電圧が印加され、静電的な引力を設定するのが、それら電圧同士の間の差である。
【００６８】
第２の回転軸の回転を作動させるために、第２の静電アクチュエータが設けられている。記載されている実施態様では、ｙ軸での回転のために、垂直櫛状部が使用されている。さまざまな例が記載されてきた。図１では、単一の櫛状駆動部が、ｙ回転のために設けられている。図６では、ｙ傾斜の櫛状部のためのプッシュ−プル配置(push-pull arrangement)が利用され、ここでは、二対の櫛状部がｙ回転に使用されている。記載されている実施態様では、ｙ傾斜の櫛状部の１つに印加されるｙ電圧があり、接地が他のｙ傾斜の櫛状部に適用されて、第２の回転軸の回転を作動させる。さらに一般的にいえば、少なくとも静電アクチュエータを実施するために、第１および第２の電圧が印加され、静電的な引力を設定するのが、それら電圧同士の間の差である。すべての実施態様が静電アクチュエータによる作動を想定しているが、具体例に挙げると、例えば電磁気など他のタイプのアクチュエータが代わりに利用されてもよい。
【００６９】
いくつかの実施態様では、例えばｙヒンジなどの第１の対の連結部が、上部ミラーによて完全に隠されている。他の実施態様では、例えば図１７に示すように、第１の対の連結部がわずかに露出し、ミラーの下にある領域と隣接部とにｙヒンジがまたがっている。
【００７０】
いくつかの実施態様では、さまざまな層を接合するために、さまざまな技術が使用されてもよい。具体例として、熱、はんだ、ポリマー、熱圧着、超音波熱圧着、および、陽極接合が挙げられる。接合境界面は、例えば、Ｓｉ／Ｓｉ、Ｓｉ／シリコン酸化物、シリコン酸化物／シリコン酸化物、シリコン／金属／シリコン、シリコン／金属／酸化物、酸化物／金属／酸化物であるものを含んでいてもよい。
【００７１】
図２８Ａを参照すると、別の実施態様がＭＥＭＳの配置構成を提供しており、コントローラ３００と、ＭＥＭＳデバイス３０２とを有している。該ＭＥＭＳデバイス３０２は、ｘ傾斜およびｙ傾斜を行うように制御可能なＭＥＭＳデバイスであって、ここでは、ｘ傾斜とｙ傾斜の制御が実質的に切り離されている。具体例は、図１を参照しつつ記載されているＭＥＭＳデバイスである。該コントローラーは、少なくとも部分的にハードウェア（チップやコントローラデバイスなどといったもの）にて実施される。該実施例は、ハードウェア上で走るソフトウェアを含んでいてもよい。コントローラ３００は、ｘ電圧、ｙ電圧、および、接地を供給するための３つの接続部３０４を通して、該ＭＥＭＳデバイス３０２に接続されている。
【００７２】
次に、図２８Ａの装置の作動について、図２８Ｂを参照しつつ説明する。
当該方法は、ステップ２８Ｂ−１にて始まり、該ステップは、ｘ傾斜を駆動させるための第１の予め定められたｘ電圧の印加を有する。これによって、デフォルト状態から離れて、該ＭＥＭＳデバイスはｘ軸で回転する。当該方法は、ステップ２８Ｂ−２に続き、該ステップは、ｙ傾斜を駆動させるためのｙ電圧に対して、選択可能な電圧の印加を有する。該選択可能な電圧を適切に選択することによって、ｙ軸での回転の度合いが制御される。当該方法は、ステップ２８Ｂ−３に続き、該ステップは、接地をｘ電圧に加えることを有する。これによって、該ＭＥＭＳデバイスのｘ軸での回転がデフォルト状態に戻る。ｘ軸での作動が事実上、二値(binary)であることがわかる。いくつかの実施態様では、当該ＭＥＭＳデバイスは、高い充填率(fill factor)、例えば、＞９０％、を有するデバイスである。上述の実施態様は、上部ミラー層によって隠されていないｘヒンジを特徴として有する。加えて、フレーム層は、構造的には１つの層として機能するが、電気絶縁領域を有する２つの層から構成されていた。本発明の別の実施態様が、図２９Ａおよび図２９Ｂに示されている。この実施態様では、ｘヒンジが上部ミラー層によって隠されており、フレーム層が電気絶縁溝を備えた単一の構造体層から形成されて、電気絶縁領域を作り出している。なお、これらの２つの変更、すなわち、隠れているｘヒンジと、電気絶縁溝を有する単一のフレーム層とは、別々にそれぞれ実施可能であり、すでに記載されているような任意の実施態様に含まれることができる。図２９Ａの図は、適所にある上部ミラー層６００を示しているのに対して、図２９Ｂの図は、上部ミラー層を除去して示しており、十分に詳しくフレーム層の詳細を描くことができるようになっている。フレーム層６０４は、第１の領域６２０を有し、その上に、ｘ軸に平行な平板の静電駆動電極６０６が配置されている。フレーム６０４の第２の部分６２２もまた存在し、これは接地に接続されている。一対のｙヒンジ６１４が示されており、それらｙヒンジがフレーム６０４をｙ軸固定部(y-axis anchor)６１０に接続している。ｙヒンジ６１４はまた、前の詳細な実施態様に記載したように、接地およびｘ電圧をフレームに供給する。一対のｙ軸の垂直櫛状駆動部６１６、６１７によって、ｙ駆動が行われる。ミラー６００は、ｘヒンジ６１８、６１９を介してフレームに接続されている。図２９Ａに示されるｘ軸固定部６０２が、上部ミラー層６００をｘヒンジ６１８、６１９に接続するために使用される。電気用制御ライン６２４および下部電極基板６２６もまた、示されている。作動では、電圧がｘ軸電極６０６に印加されると、上部ミラー層６００が、ヒンジ６１８、６１９によってｘ軸を中心として回転可能である。ｙ櫛状駆動部にわたって電圧を印加することによって、ｙ方向の回転が得られる。
【００７３】
元の当該ＭＥＭＳデザインのコンセプトでは、中間フレーム構造が、絶縁性誘電体層によって分離された２つの導電層を有してなり、該構造が、下部電極基板に対して１軸で傾斜しており（ｙ傾斜）、かつ、上部ミラー層は、フレームに対して第２の独立した軸で傾斜していた（ｘ傾斜）。
【００７４】
すでに詳述された実施態様については、電極が使用され、ｙ軸で傾斜するときに、フレームと共に移動するｘ傾斜を生成しており、それによって、ｘ駆動とｙ駆動の較正(calibration)を切り離して、それぞれが独立したものとして処理され得るようになっている。これは、図２９Ａおよび図２９Ｂの実施態様の場合にも続いており、それは、次の点を除いてであって、フレーム構成がこの例では単一層からなる点、および、バイアスされたｘ電極領域を設けるために必要な絶縁が、この例では絶縁溝を使用して得られる点を除いてである。これらの溝は、中間の処理ステップの間にフレーム層全体にわたって切除され（ただし、フレーム層は、引き続いて除去されることになるハンドルウエハによってまだ支持されている）、次いで、絶縁性誘電体によって埋め戻し(back-filled)をされて、必要な電気的な絶縁性を付与しながらも、機械的な結合性(integrity)を維持する。
【００７５】
すでに詳述した実施態様では、ｘ傾斜およびｙ傾斜のための追従（コンプライアンス）を与える蛇行状のヒンジがあり、上部ミラー層および中間フレーム層にそれぞれ形成されている。これは、ｘヒンジおよびｙヒンジの厚さが、独立的に選択され得る（それらが別々の層において、異なる処理ステップの間に形成されるので）という利点があるが、しかし、２つの製造ステップのための厳しいプロセス制御を必要とする（ｘヒンジおよびｙヒンジが典型的に最も間隙のない寸法制御を必要とするので）。該ｘヒンジはまた、使用可能なミラーの表面積を減少させる。
【００７６】
図２９Ａおよび図２９Ｂのデザインでは、ｘヒンジとｙヒンジは、両方共に、同じ処理ステップの間において、フレーム層に形成される。ｘヒンジとｙヒンジはまた、ミラー層の下に隠れるので、使用可能なミラーの表面積が最大となる。
【００７７】
ここに記載されているあらゆるデザインでは、垂直櫛状駆動部がｙ軸傾斜のために示されているが、該垂直櫛状駆動部は、平行平板型の静電駆動部と置き換えることができる。同様に、ｘ軸傾斜のために示されている平行平板型の静電駆動部は、垂直櫛状駆動部と置き換えることができる。従って、ｘ駆動とｙ駆動は、平行平板型の静電駆動、垂直櫛状部駆動、または、他のあらゆる好適な駆動機構（電磁気的なもの、熱バイモルフ(thermal bimorph)等といったもの）の任意の組み合わせであってもよい。
【００７８】
ここで記載した任意のデザインでは、不要な漂遊(stray)電磁界の影響を低減させるために、電気的に接地されたシールドが加えられてもよい。例えば、接地されたシールドは、ｘ駆動およびｙ駆動にバイアス電圧を送る電気用制御ラインにわたって形成されてもよく、それによって、ルート線および懸架されたフレームとの間、すなわちミラー構造体の任意の静電的相互作用を排除する。このことは、図３０に示されている。この例では、全体として７００で表わされているように、前の実施態様に記載の基板に沿って電気的なバイアス線が走っている。固定の接地シールド７０２が、バイアス線が実装される基板とフレームとの間に形成されている。これが、ｘアクチュエータおよび／またはｙアクチュエータを作動させることから電気用バイアス線７００に沿って伝播する信号を遮蔽する。この固定の接地シールドは、スタンドオフ(stand-offs)に使用される同じ層に形成され得る。図３０の例は、２つのｙ櫛状駆動部７０４、７０６を含んでおり、それらは、ｙヒンジ７０８、７０９の周りの回転を作動させ、かつ、ｘヒンジ７１０、７１２によって定められるｘ軸を中心として静電板を作動させる。しかし、明らかに理解されることは、固定の接地シールドを含むことは、ここに記載されているあらゆる実施態様に含まれていてもよいことである。
【００７９】
本発明の数多くの改変および変形は、上記の教示を考慮して可能である。したがって、添付の請求の範囲の範囲内で、具体的に本願明細書において記載されているものとは別の方法で本発明を実施してもよいことを理解されたい。
【図１Ａ】
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【図１Ｂ】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１２】
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【図１３】
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【図１４】
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【図１５】
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【図１６】
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【図１７】
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【図１８】
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【図１９】
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【図２０】
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【図２１】
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【図２２】
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【図２３】
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【図２４】
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【図２５】
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【図２６】
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【図２７】
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【図２８Ａ】
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【図２８Ｂ】
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【図２９Ａ】
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【図２９Ｂ】
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【図３０】
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