(57)【要約】【課題】表面積が小さくても駆動ユニットの駆動範囲を大きくすることができる走査型微小電気機械反射鏡システムを提供する。【解決手段】走査型微小電気機械反射鏡システムは、フレーム３２と、反射鏡３１と、少なくとも１つの駆動ユニット３６とを備え、各駆動ユニット３６は、アクチュエーター３５と吊下げ部材３４とを備え、吊下げ部材３４は、第１の固定点３１１からフレーム３２に、第２の固定点３１２から反射鏡３１に、第３の固定点３１３からアクチュエーター３５に固定され、第３の固定点３１３が第１の固定点３１１と第２の固定点３１２とを通過して延伸する線上に投影された場合、第３の固定点３１３の投影は、第１の固定点３１１と第２の固定点３１２との間に位置する。【選択図】図３
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
フレームと、
反射鏡と、
少なくとも１つの駆動ユニットと
を備え、
各駆動ユニットは、アクチュエーターと吊下げ部材とを備え、
前記吊下げ部材は、第１の固定点から前記フレームに、第２の固定点から前記反射鏡に、及び第３の固定点から前記アクチュエーターに固定され、
前記第３の固定点が前記第１の固定点と前記第２の固定点とを通過して延伸する線上に投影された場合、前記第３の固定点の投影は、前記第１の固定点と前記第２の固定点との間に位置することを特徴とする、
走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項２】
前記アクチュエーターは、第４の固定点から前記フレームに固定された屈曲圧電アクチュエーターであることを特徴とする、
請求項１に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項３】
前記吊下げ部材は、シリコンビームから構成され、
前記アクチュエーターは、少なくとも１つの電極層と少なくとも１つの圧電材料とで被覆されたシリコンビームから構成されることを特徴とする、
請求項１又は２に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項４】
更に、前記吊下げ部材内の前記シリコンビームは、少なくとも１つの電極層と、少なくとも１つの圧電材料とで被覆されていることを特徴とする、
請求項３に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項５】
前記反射鏡は、反射コーティングを有するシリコン板であることを特徴とする、
請求項１から４のいずれか１項に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項６】
前記反射鏡は、円形形状を有することを特徴とする、
請求項１から５のいずれか１項に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項７】
前記反射鏡は、矩形形状を有することを特徴とする、
請求項１から５のいずれか１項に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項８】
前記フレームは、矩形形状を有することを特徴とする、
請求項１から７のいずれか１項に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項９】
前記反射鏡の対向する縁部の第１の対は、トーションビームから前記フレームに固定され、
前記縁部の前記第１の対以外の少なくとも１箇所は、駆動ユニットに固定されることを特徴とする、
請求項１から８のいずれか１項に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項１０】
前記反射鏡の対向する縁部の第２の対は、少なくとも２つの駆動ユニットから前記フレームに固定されることを特徴とする、
請求項９に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項１１】
各駆動ユニットは、圧電材料を含み、
前記反射鏡の第１の縁部に固定された駆動ユニットにおける前記圧電材料は、前記反射鏡の前記第１の縁部と対向する縁部に固定された駆動ユニットにおける圧電材料と同じ極性を有することを特徴とする、
請求項１０に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項１２】
各駆動ユニットは、圧電材料を含み、
前記反射鏡の第１の縁部に固定された駆動ユニットにおける前記圧電材料は、前記反射鏡の前記第１の縁部と対向する縁部に固定された駆動ユニットにおける前記圧電材料とは反対の極性を有することを特徴とする、
請求項１０に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項１３】
前記反射鏡は、前記反射鏡の縁部上に互いに離れて配置された固定点で、少なくとも３つの駆動ユニットに固定されていることを特徴とする、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項１４】
前記反射鏡は、前記反射鏡の前記縁部の周りに対称的に配置された４つの駆動ユニットに固定されていることを特徴とする、
請求項１３に記載の走査型微小電気機械反射鏡システム。
【請求項１５】
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の走査型微小電気機械反射鏡システムを備えることを特徴とする、
光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置。
【請求項１６】
請求項１１に記載の走査型微小電気機械反射鏡システムの作動方法であって、
前記反射鏡の前記対向する縁部に固定された前記駆動ユニットは、反対の極性を有する２つの別個の電圧信号で駆動されることを特徴とする、
走査型微小電気機械反射鏡システムの作動方法。
【請求項１７】
請求項１２に記載の走査型微小電気機械反射鏡システムの作動方法であって、
前記反射鏡の前記対向する縁部に固定された前記駆動ユニットは、同じ電圧信号で駆動されることを特徴とする、
走査型微小電気機械反射鏡システムの作動方法。
【請求項１８】
請求項１４に記載の走査型微小電気機械反射鏡システムの作動方法であって、
４つの前記駆動ユニットは、４つの別個の電圧信号で駆動され、
各電圧信号は、９０°の位相シフトによって前の電圧信号の位相から分離されていることを特徴とする、
走査型微小電気機械反射鏡システムの作動方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本開示は、微小電気機械的に駆動される走査型反射鏡に関する。
【背景技術】
【０００２】
走査型微小電気機械（ＭＥＭＳ：Ｍｉｃｒｏ  Ｅｌｅｃｔｒｏ  Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ  Ｓｙｓｔｅｍｓ）反射鏡は、光検出及び測距センサ（ＬＩＤＡＲｓ：Ｌｉｇｈｔ  Ｄｅｔｅｃｔｉｏｎ  ａｎｄ  Ｒａｎｇｉｎｇ  ｓｅｎｓｏｒｓ）のような撮像装置に使用される。走査型ＭＥＭＳ反射鏡は、レーザ発振器からの光線を周囲環境に反射することができる少なくとも１つの可動反射鏡を有してもよい。更に、可動反射鏡と周囲環境との間の光路に、固定反射鏡を有してもよい。戻り光線は、上記固定反射鏡及び可動反射鏡によって光検出器に向かって内側に反射され得る。
【０００３】
走査型ＭＥＭＳ反射鏡の撮像領域（つまり、視野）は、可動反射鏡をどの程度傾斜させることができるかによって、ある程度決定される。これは、図１に示されている。図１は、反射鏡システムの概略平面図を示す。レーザ発振器１１は、光線１１１を出射する。可動反射鏡１２は、トーションビームから懸架され、ｚ軸の周りを回転することができる。反射鏡１２は、反時計回りに回転した位置に実線で示されている。この位置から反射された光線１２１も実線で示されている。反射鏡１２は、時計回りに回転した位置に破線で示されている。この位置から反射された光線１２２も破線で示されている。固定反射鏡（図１では不図示）を適切に配置することにより、光線１２１及び１２２は、例えば、ｙ軸と平行な方角に投影され得る。この概略図では、反射鏡の撮像領域は、２つの光線１２１と１２２との間の角度α、及び、固定反射鏡（不図示）の配置によって決定される。図１に示すように、αの大きさは、反射鏡１２が取り得る傾斜角度の範囲によって決定される。
【０００４】
いくつかの走査反射鏡では、撮像領域は、図１のレーザ発振器１１の左右の両方に延びている。この場合、ｚ軸周りの反射鏡１２の反時計回りの回転極度は、光線１２１が図１の左方向に反射されるまで拡大しなければならない。また、走査型反射鏡の撮像領域は、光線１２１と１２２との間の角度α、及び、固定反射鏡が可動反射鏡１２の周囲とその上方にどのように配置されるかに依存する。
【０００５】
上述の動作は、１つの軸、つまり、図１のｚ軸の周りを反射鏡が振動する回転である。本開示においては、これを傾斜モードの振動と呼ぶ。傾斜モードの振動における走査動作は、１回のライン走査だけから成り、図１のｘｙ平面の１つの層に限定される。
【０００６】
複数の層にわたる走査動作が必要な場合、光線１１１は、図１のｘｙ平面から反射されなければならない。これはいわゆる搖動反射鏡で達成することができる。搖動反射鏡は、回転軸に取り付けられていないが、２軸周りの回転のような動きを行う。この搖動運動は、適切に調整された時間的順序で、反射鏡の様々な側面を上げ下げすることを含む。
【０００７】
搖動運動は、図２に概略的に示されるシステムで生じ得る。ここでは、ｙｚ平面に円形形状の反射鏡２１を示す。この反射鏡２１は、反射鏡２１の縁部の周りの対称位置に固定された４つのアクチュエーター２２１、２２２、２２３及び２２４によってフレーム２２に懸架されている。各アクチュエーターは、電圧によって制御され、各アクチュエーターは、上記反射鏡の縁部をその固定先の点で上方に持ち上げたり、下方に押し下げたりすることができる。
【０００８】
各アクチュエーターの持ち上げ及び押し下げ動作を適切に調整することによって、上記反射鏡の表面をｙｚ平面から任意の方向に傾斜させることができる。例えば、アクチュエーター２２４は、固定先の縁部を持ち上げる一方で、アクチュエーター２２２は、固定先の縁部を押し下げ、更に、アクチュエーター２２１及び２２３の両方は、固定先の縁部を中間位置に保持すると、反射鏡２１は、ｙ軸の周りに傾くような動きをする。アクチュエーター２２１は、固定先の縁部を持ち上げる一方で、アクチュエーター２２３は、固定先の縁部を押し下げ、更に、アクチュエーター２２２及び２２４の両方は、固定先の縁部を中間位置に留めると、反射鏡２１は、ｚ軸の周りに傾くような動きをする。アクチュエーター２２２及び２２１はそれぞれ、固定先の縁部を持ち上げる一方で、アクチュエーター２２３及び２２４はそれぞれ、固定先の縁部を押し下げると、反射鏡２１は、ｙ軸及びｚ軸の両方の周りに傾く動きを組み合わせたような動きをする。
【０００９】
それゆえ、適切に時間調整された協調動作によって、上記反射鏡２１が搖動運動を行うときに、反射された光線１２１及び１２２は、ｘ軸の周りを周回され得る。そのとき、走査型反射鏡の撮像領域は、図１に示す角度αのｘ軸中心に３６０°の円形投射に近い。本開示では、この走査運動を、搖動モードの振動と呼ぶ。
【００１０】
傾斜モードの振動及び搖動モードの振動の両方において、上記反射鏡は、静止位置に対して特定の傾斜振幅で動作する。上記反射鏡の静止位置が図１の中のｙｚ平面において平行な場合、傾斜振幅は、反射鏡ができるだけ傾けられたときのｘ軸と上記反射鏡の面法線との間の角度である。傾斜振幅は、走査型ＭＥＭＳ反射鏡における重要な設計パラメータである。
【００１１】
上記反射鏡の動きは、更に、アクチュエーターの動きが駆動される特定の傾斜振動周波数を有する。ＬＩＤＡＲ装置では、この周波数は、０．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚの範囲内であるとよい。
【００１２】
ＭＥＭＳ反射鏡における第２の重要な設計パラメータは、反射鏡自体の光学領域である。出射光線の一部は、その周囲環境内の対象物によって反射された後、走査型ＭＥＭＳ反射鏡の方へ戻る。大きな光学領域を有する反射鏡は、より多くの量の入射光を周囲環境から光検出器に伝達するため、これらの戻り光線を小さな光学領域を有する反射鏡よりも効果的に捕捉する。光学領域の増加は、より遠くの対象物が認識されることを可能にする。したがって、光学領域は、ＬＩＤＡＲ走査器の範囲に重要な影響を及ぼす。
【００１３】
本開示では、「アクチュエーター」という用語は、構成要素に印加される電圧に応じて物理的変位（通常、曲げ又は並進運動）を引き起こす圧電性又は容量性の構成要素を言う。アクチュエーターは、周期的なＡＣ電圧信号で制御される場合に、振動運動を駆動するために使用され得る。走査型ＭＥＭＳ反射鏡のための屈曲圧電アクチュエーターは、圧電層で被覆されたシリコン層と、圧電信号を圧電層に伝達する導電層とを有してもよい。厚さ約５０μｍのシリコン層は、十分に薄いので、電圧が印加されたときに、圧電材料と共に曲がる。本開示では、「駆動ユニット」という用語は、剛性レバーあるいは追加のアクチュエーターのいずれかと結合したアクチュエーターを言う。
【００１４】
走査型ＭＥＭＳ反射鏡の「剛性レバー」は、細長いシリコンビームであってもよい。剛性レバーは、屈曲圧電アクチュエーターのシリコン層と同じ厚さを有することが多いが、これは、同じ工程で製造されるからである。本開示では、「剛性レバー」という用語は、レバーが剛性のいずれの絶対尺度においても堅牢であることを示すものではないことを意味する。「剛性」という形容詞は、「曲がった」という形容詞の対比として使用される。換言すれば、「剛性レバー」という用語は、レバーを構成するシリコンビームが、駆動ユニットが駆動されたときに、「屈曲圧電アクチュエーター」に比べると曲がる程度が遥かに小さいことを示す。「剛性レバー」を構成するシリコンビームは、アクチュエーターが上下に駆動するときに、ある程度に屈曲するかもしれないが、このシリコンビームにおける屈曲度は、本開示に記載された任意のアクチュエーターにおける最大屈曲度よりも小さい。
【００１５】
本開示では、「駆動システム」という用語は、いくつかの個別に制御された駆動ユニットの組み合わせを言う。「駆動範囲」という用語は、所与の駆動ユニットがその静止点から一方向に生じることができる最大の変位を言う。ほとんどのアクチュエーターは、相対する２つの方向に同じ最大変位を生じ得る。
【００１６】
上記反射鏡を動作させる駆動ユニットは、上記反射鏡の縁部の固定点に固定されてもよい。アクチュエーターの駆動範囲をＤ、傾斜振幅をβ、上記反射鏡の半径をＲとすると、３つの関係は、Ｄ  ＝  Ｒ＊ｔａｎ（β）となる。したがって、走査型ＭＥＭＳ反射鏡の円形反射鏡の直径が、例えば、４ｍｍである場合、反射鏡に１５°の傾斜振動（すなわち、静止位置からの±１５°の傾斜振幅）をさせるには、駆動ユニットが反射鏡の縁部をその静止位置から両方向に５００μｍより大きく変位させなければならない。これは大きな変位である。
【００１７】
走査型ＭＥＭＳ反射鏡は、圧電アクチュエーター又は静電アクチュエーターを使用してもよい。両方のタイプのアクチュエーターによって生成される力は弱いが、結果として生じる傾斜振幅（及び反射鏡の変位）は、様々な方法によって増加され得る。傾斜振幅を増加させる１つの方法は、共振モードに対応する周波数で反射鏡の傾斜振動を駆動することである。この共振ゲインは、可動反射鏡の周りのガス圧力が低い場合に最も効果的に利用することができる。そのような装置では、反射鏡を含むパッケージは、周囲環境から封止されなければならない場合がある。傾斜振幅を増加させる他の方法は、機械的増幅を利用することである。機械的増幅のための駆動ユニットは、本開示において説明される。機械的増幅は、共振ゲインと組み合わせられることが利点である。
【００１８】
本開示に示された機械的増幅の原理は、容量アクチュエーター及び圧電アクチュエーターの両方で実施され得るが、容量アクチュエーターの実施は、より複雑である。容量性の駆動ユニットは、例えば、平行なプレート容量アクチュエーターに基づいており、シリコンビーム上に１つの電極板を備え、シリコンビームより上方又は下方に垂直ギャップによって分離された他の電極板を備えている。しかしながら、この容量アクチュエーターによって生成される垂直運動の振幅は、分離ギャップによって制限されている。そして、分離ギャップは、数μｍ程度でなければならない。他の選択肢は、ホフマンらの先行技術文献「全方向性走査型共振２軸７ｍｍＭＥＭＳミラー」（Ｊｏｕｒｎａｌ  ｏｆ  Ｍｉｃｒｏ／Ｎａｎｏｌｉｔｈｏｇｒａｐｈｙ，  ＭＥＭＳ，  ａｎｄ  ＭＯＥＭＳ、１３（１）、０１１１０３、２０１４年１月−３月）のように、櫛型容量アクチュエーターを使用することである。しかしながら、駆動システムの表面積を著しく増加させることなく、櫛型駆動をシリコンビームと容易に連動することはできない。
【００１９】
したがって、本開示は、屈曲圧電アクチュエーターに着目する。平面外屈曲圧電アクチュエーターは、それらの振動往復運動の間、それらの変位の方向に力を発生させる。圧電薄膜及びその電気コネクタが屈曲シリコンビームに統合されて屈曲シリコンビームの形状に適合されると、駆動ユニットが追加の専用チップ領域を必要としないので、屈曲圧電アクチュエーターは、制御された機械的増幅によく適している。以下、これについて、より詳細に説明する。
【００２０】
本開示は、走査型ＭＥＭＳ反射鏡のための圧電駆動機構に関する。先行技術文献である国際公開第２０１５／０７５２２２号（特許文献１）は、ＬＩＤＡＲ装置に適用可能であり、圧電素子によって駆動される走査型ＭＥＭＳ反射鏡を開示している。開示された解決策では、圧電アクチュエーターは、ばねを用いて反射鏡の縁部に固定される。圧電アクチュエーターによって生成される垂直方向の変位は、反射鏡の縁部に直接伝達される。国際公開第２０１５／０７５２２２号公報（特許文献１）の図４に見られるように、この先行技術の解決策は、駆動ユニット３’が十分な駆動範囲を生成することができるように非常に大きな表面積を必要とするという問題を有している。反射鏡１は装置の中央に小さな領域だけを占有する。国際公開第２０１５／０７５２２２号（特許文献１）に示された走査型ＭＥＭＳ反射鏡に要求される大きなチップサイズは、その汎用性を制限する。
【００２１】
本開示では、駆動ユニットの駆動範囲を増加させるために、機械的増幅が利用される。米国特許出願公開第２００６／２２７４０９号明細書（特許文献２）及び米国特許出願公開第２００７／１７１５００号明細書（特許文献３）は、機械的増幅がＭＥＭＳ反射鏡の傾斜振幅を増加させるために利用されている２つの先行技術文献である。しかしながら、機械的増幅を利用するために、これらの先行技術の解決策は共に、非常に大きな表面積を必要とするという問題を有している。これらの技術は、大面積の反射鏡では使用できず、小面積の反射鏡でも大きなチップサイズが必要となる。また、いずれも揺動モードの振動を引き起こすことができない。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００２２】
【特許文献１】国際公開第２０１５／０７５２２２号
【特許文献２】米国特許出願公開第２００６／２２７４０９号明細書
【特許文献３】米国特許出願公開第２００７／１７１５００号明細書
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００２３】
本開示の目的は、上記の問題を解決するための走査型ＭＥＭＳ反射鏡システム及びＬＩＤＡＲ装置及び走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムの作動方法を提供することである。特に、本開示の目的は、改善された駆動範囲が小さな表面積で得られる走査型ＭＥＭＳ反射鏡のための駆動システムを提示することである。
【課題を解決するための手段】
【００２４】
本開示の目的は、独立請求項に記載されていることを特徴とする装置及び方法によって達成される。本開示の好ましい実施形態は、従属請求項に開示されている。
【００２５】
本開示は、アクチュエーターの移動端を、フレームから反射鏡を懸架する吊下げ部材に固定することによって、屈曲圧電アクチュエーターの駆動範囲を機械的に増幅するという考えに基づく。この固定点は、吊下げ部材の２つの端部の間のどこかに位置する。アクチュエーター及び吊下げ部材は共に、１つのアクチュエーターが単独で得ることができるよりも大きな駆動範囲を有する駆動ユニットを形成する。１つの実施形態では、吊下げ部材は剛性レバーである。別の実施形態では、吊下げ部材は別の屈曲アクチュエーターであり、この第２のアクチュエーターの駆動運動から傾斜振幅のさらなる増加が得られる。 
【発明の効果】
【００２６】
本開示の装置及び方法の利点は、大きな表面積を有する反射鏡を、小さな表面積を有する駆動システムによって大きな傾斜振幅を有する傾斜振動に駆動することができることである。増加した駆動範囲は、例えば、反射鏡キャビティ内の低いガス圧に関する共振に基づく設計要件を緩和するために、又は、単に、走査型ＭＥＭＳ反射鏡の撮像領域を増加させるために、利用することができる。別の重要な利点は、ＰＺＴ（ジルコニウム酸チタン酸鉛）又は他の鉛化合物のような環境に優しくない物質の代わりに、窒化アルミニウムのようなそれほど有効でない圧電材料を使用することができることである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】図１は、傾斜モードの振動を行う走査型ＭＥＭＳ反射鏡を示す概略図である。
【図２】図２は、揺動モードの振動のために構築された走査型ＭＥＭＳ反射鏡を示す概略図である。
【図３】図３は、第１の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。
【図４】図４は、第１、第２及び第３の実施の形態における駆動ユニットの作動原理を説明する図である。
【図５】図５は、第１及び第２の実施の形態における駆動ユニットの作動原理を説明する図である。
【図６】図６は、第１の実施の形態の変形例に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。
【図７】図７は、第２の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。
【図８】図８は、第２の実施の形態の変形例に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。
【図９】図９は、第３の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。
【図１０】図１０は、第３の実施の形態における駆動ユニットの作動原理を説明する図である。
【図１１】図１１は、第３の実施の形態の変形例に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。
【図１２】図１２は、第１〜第３の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを備える走査型ＭＥＭＳ反射鏡装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２８】
以下、添付の図面を参照して本開示の好ましい実施形態についてより詳細に説明する。
【００２９】
なお、以下で説明する実施の形態は、いずれも包括的又は具体的な例を示すものである。以下の実施の形態で示される数値、形状、構成要素、構成要素の配置位置及び接続形態、ステップ、ステップの順序などは、一例であり、本開示を限定する主旨ではない。また、以下の実施の形態における構成要素のうち、最上位概念を示す独立請求項に記載されていない構成要素については、任意の構成要素として説明される。また、各図は、必ずしも厳密に図示したものではない。各図において、実質的に同一の構成については同一の符号を付し、重複する説明は省略又は簡略化することがある。
【００３０】
（実施の形態）
以下、本開示の３つの実施の形態について詳細に説明する。各実施の形態は、フレームと、反射鏡と、少なくとも１つの駆動ユニットとを備える走査型微小電気機械反射鏡システムであって、各駆動ユニットは、アクチュエーターと吊下げ部材とを備える。吊下げ部材は第１の固定点からフレームに、第２の固定点から反射鏡に、及び第３の固定点からアクチュエーターに固定される。第３の固定点が第１の固定点及び第２の固定点を通る線上に投影される場合、第３の固定点の投影は、第１の固定点と第２の固定点との間に位置する。
【００３１】
本開示において、反射鏡は、反射コーティングで覆われたシリコン板から構成されてもよい。反射コーティングは、例えば、アルミニウム、銀、金あるいは銅フィルムなどの１以上の金属薄膜層を含んでもよい。あるいは、反射コーティングは、異なる屈折率を有する１以上の誘電体フィルムのスタックを含んでもよく、当該誘電体フィルムは、スタックが光を反射するように配置される。吊下げ部材は、シリコンビームから構成されてもよい。例えば、剛性レバーである吊下げ部材は、反射板と同じシリコン基板から形成されたシリコンビームとすることができる。また、アクチュエーターは、少なくとも１つの電極層と少なくとも１つの圧電材料とで被覆されたシリコンビームから構成されてもよい。屈曲圧電アクチュエーターは、同じシリコン基板から製造されるが、駆動運動を容易にするために、チッ化アルミニウムのような圧電的に活性な層でコーティングされたシリコンビームであってもよい。屈曲圧電アクチュエーターはまた、圧電的に活性な層の２つの側面が金属電極層で被覆されているので、駆動運動は、電圧信号によって制御され得る。電極は、例えば、モリブデン、アルミニウム又はチタンから製造されてもよい。走査型ＭＥＭＳ反射鏡装置の電気的な相互接続を、以下の図１２に示す。
【００３２】
本開示において、「フレーム」という用語は、駆動システム及び反射鏡を囲み、それらの重量を支持する機械部品を意味する。図１２に示すように、フレーム自体は、周囲のＭＥＭＳ走査型反射鏡装置の大部分に固定されてもよい。以下の実施形態で例示されたフレームは長方形であるが、同じ駆動増幅原理は異なる形状のフレームでも実施できる。
【００３３】
「吊下げ部材」という用語は、フレームと反射鏡との間の機械部品を意味する。反射鏡は、吊下げ部材でフレームに取り付られ、吊下げ部材及び反射鏡の両方がフレームに対して移動可能である。吊下げ部材は、反射鏡の重量を支持するが、更に、駆動ユニットが作動したときに、反射鏡をフレームに対して移動させる。反射鏡は、トーションバーのような他の要素によってフレームから支持されてもよい。しかしながら、トーションバーは、反射鏡を動かさない（反射鏡に動きを与えず、単に、ねじり運動を許可する）ので、本開示において吊下げ部材として分類されない。吊下げ部材は、剛性レバー、又は、屈曲圧電アクチュエーターとして実装することができる。
【００３４】
第１の実施形態は、屈曲アクチュエーターと剛性レバーである吊下げ部材とを含む駆動ユニットによって達成される、傾斜モードの振動に関する。本実施の形態では、反射鏡は、吊下げ部材、及びトーションバーによってフレームから支持される。
【００３５】
第２の実施形態は、屈曲アクチュエーターと剛性レバーである吊下げ部材とを含む駆動ユニットによっても達成される、揺動モードの振動に関する。本実施の形態では、反射鏡は、吊下げ部材のみでフレームに取り付けられる。
【００３６】
第３の実施形態は、上述の２つの実施形態のいずれかと組み合わせて使用することができる、相互接続された屈曲アクチュエーターを備える駆動ユニットに関する。
【００３７】
以下、第１の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡について説明する。図３は、第１の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡のための駆動システムを示す概略図である。ここでは、フレーム３２に囲まれた、円形形状の反射鏡３１を示す。
【００３８】
反射鏡３１は、反射鏡３１のｚ軸周りの傾斜モードの振動を可能にするトーションビーム３３からフレーム３２に固定されている。図３に示すように、反射鏡３１の対向する縁部の第１の対は、トーションビーム３３からフレーム３２に固定される。トーションビーム３３は、例えば、ｙ方向に適当に狭く、ｘ方向に適当に薄い一対のシリコンブリッジからなるため、反射鏡３１が振動するように作動されたときに、反射鏡３１はｚ軸の周りにねじれるように動くことができる。トーションビーム３３は、このねじり運動において発生する歪みに耐えるのに十分に強健でなければならない。トーションバーの最適な寸法は、反射鏡の寸法及び質量、ならびに、所期の振動振幅に依存する。
【００３９】
図３に示す駆動システムは、図３のトーションビーム３３の左側に２つ、右側に２つの駆動ユニットを含む。本開示では、「左」及び「右」という用語は、図３、図６〜図９及び図１１に見られる向きを指し、右側のｙｚ平面内の対象物は、ｙ軸上の大きな位置座標を有する左側の同じ平面にある対象物よりも優先される。しかしながら、「上」及び「下」という用語は、ｚ軸ではなくｘ軸の上の距離及び動きを示す。換言すれば、「上」及び「下」という用語は、図３、図６〜図９及び図１１に示されるｙｚ平面からの動きを示す。
【００４０】
反射鏡３１の対向する縁部の第１の対は、トーションビーム３３からフレーム３２に固定されている。反射鏡３１の対向する縁部の第２の対は、フレームを少なくとも２つの駆動ユニット３６から固定される。各駆動ユニット３６は、吊下げ部材３４及びアクチュエーター３５を備える。各吊下げ部材３４は、第１の固定点３１１でフレーム３２に、第２の固定点３１２、３２２、３３２、及び３４２で反射鏡３１に固定される。第２の固定点３１２、３２２、３３２、及び３４２は、向かって左手側に符号３１２及び３２２、右手側に符号３３２及び３４２が付されている。各吊下げ部材３４は、剛性レバーである。
【００４１】
本開示における「固定点」という用語に関して、図３、図６〜図９及び図１１では、異なる固定構造が各固定点で実施され得ることを示している。第２の固定点３１２、３２２、３３２及び３４２に配置された固定構造は、吊下げ部材３４の一方の側から反射鏡３１まで延びる狭いシリコンブリッジとして実装されてもよい。同様に、第３の固定点３１３に配置された固定構造は、吊下げ部材３４の一方の側からアクチュエーター３５に延びる狭いシリコンブリッジとして実装されてもよい。一方、第１の固定点３１１に配置された固定構造は、図３に示すように、吊下げ部材３４の両側からフレーム３２に延びる狭いシリコンブリッジとして実装してもよい。規定の固定点における固定構造が点状であると考えるには大きすぎる場合、固定点の位置は、この固定点における固定構造の幾何学的中心に割り当てられてもよい。
【００４２】
狭いブリッジは、第１、第２及び第３の固定点に適した固定構造である。なぜなら、これらの固定点に配置された固定構造において上下動が生じるねじり運動に一致するからである。一方、第４の固定点３１４に配置された固定構造は、アクチュエーター３５の固定端が曲がるときに、アクチュエーター３５の固定端を適所に維持するのに十分な剛性を有するべきである。これらの固定構造は、図３に示すように、アクチュエーター３５からフレーム３２に延びる広いブリッジとして実装されてもよい。あるいは、第４の固定点３１４における固定構造は、アクチュエーター３５に対するフレーム３２の狭い延長部として実装されてもよい。フレーム３２は、走査型ＭＥＭＳ反射鏡の可動部品よりもｘ方向において遥かに厚いので、フレーム３２の狭い延長部でさえ、アクチュエーター３５の一端を固定するのに十分な剛性を有することができる。
【００４３】
第１、第２及び第３の固定点は、本開示で説明される駆動運動を生じさせるために直線状に配置される必要はない。３つの実施形態の全てにおいて、本開示の装置及び方法を実施するのに十分な条件は、第１の固定点及び第２の固定点を通る線上への第３の固定点の投影が、第１の固定点と第２の固定点との間に位置するということである。
【００４４】
例えば、図３の吊下げ部材３４は、非常に狭いビームである。図示した実施の形態では、上記３つの固定点３１１、３１２及び３１３は、ほぼ一直線に、実質的に同じｙｚ平面に配置されている（しかし、これらの固定点における固定構造の厚さは、各固定点に異なる機械的特性が求められる場合には、変化し得る。）。しかしながら、吊下げ部材３４は、第３の固定点３１３のｙ座標が、対応する第１の固定点３１１及び第２の固定点３１２のｙ座標と異なるところで、より広い形状を有することもできる。あるいは、第３の固定点３１３は、図３のｙｚ平面の完全に下に位置するため、第３の固定点３１３のｘ座標は、対応する第１及び第２の固定点３１１及び３１２のｘ座標とは異なる。
【００４５】
本開示に記載された駆動は、第３の固定点３１３を上下（ｘ方向）に押す力が、第１の固定点３１１で固定構造を通過する軸の周りにトルクを生成し、それによって第２の固定点３１２、３２２、３３２、及び３４２を第３の固定点３１３よりも更に押し上げ、又は、押し下げることを必要とする。第３の固定点３１３が、対応する第１の固定点３１１及び第２の固定点３１２、３２２、３３２、及び３４２を通る線上に投影され、その投影が第１の固定点３１１と第２の固定点３１２、３２２、３３２、及び３４２との間に位置するようなｘ、ｙ、ｚ座標に位置する場合は常に、この条件は満たされる。
【００４６】
第２の対の対向する縁部に関して、この場合、「対向する」という言葉は、図３の反射鏡３１の左側と右側との間の一般的な対向を単に示していることに留意されたい。第２の固定点３１２、３２２、３３２及び３４２は、図３のようにトーションビーム３３に対して対称に位置合わせする必要はない。更に、縁部のどの固定点も、図３のように互いに正確に隣接している必要はない。
【００４７】
この第１の実施形態に係る駆動システムは、左側及び右側にそれぞれ１つずつだけ駆動ユニット３６を備えて実施され得る。また、上記駆動システムは、左側に駆動ユニット３６を１つのみ備え、右側に駆動ユニット３６を備えなくてもよく、右側に駆動ユニット３６を１つのみ備え、左側に駆動ユニット３６を備えなくてもよい。この場合、一対の対向する縁部（すなわち、第１の対）は、トーションビーム３３に固定され、縁部の第１の対以外の少なくとも１箇所は、駆動ユニット３６に固定される。上記のように、トーションビーム３３が取り付けられている場所を除いて、縁部のいかなる場所にでも孤立した固定点を配置することができる。
【００４８】
アクチュエーター３５は、屈曲圧電アクチュエーターである。各アクチュエーター３５は、対応する吊下げ部材３４に第３の固定点３１３で固定され、フレーム３２には第４の固定点３１４で固定される。トーションビーム３３の左側の一対の駆動ユニット３６が、反射鏡３１の左の縁部を上方又は下方に動かし、トーションビーム３３の右側の一対の駆動ユニット３６が同時に反射鏡３１の右の縁部を下方又は上方に動かす場合、反射鏡３１は傾斜モードの振動に駆動される。
【００４９】
第１の縁部（左又は右）に固定された１以上の駆動ユニット３６の圧電材料が、第２の縁部に固定された１以上の駆動ユニット３６の圧電材料と同じ極性を有する場合、反対の極性を有する２つの別個の電圧信号で２対の駆動ユニット３６（左右）を駆動することにより、この駆動運動は、引き起こされ得る。一方、第１の縁部（左又は右）に固定された１以上の駆動ユニット３６の圧電材料が、第２の縁部に固定された１以上の駆動ユニット３６の圧電材料と反対の極性を有する場合、同じ電圧信号で２対の駆動ユニット３６を駆動することにより、上述した反対の駆動運動は、引き起こされ得る。
【００５０】
圧電材料の極性は、材料が電界の方向に沿って収縮するか膨張するかを決定する。例えば、ＰＺＴ（ジルコニウム酸チタン酸鉛）などの強誘電体でもある圧電材料の極性は、所望の極性の外部電界を用いて、一方向に材料内部の個々の双極子モーメントを整列させる分極処理で設定することができる。この場合、つまり、所定のアクチュエーターの圧電材料の極性が設定された場合、反射鏡の対向する側に位置するアクチュエーターの圧電材料は、反対の極性で分極させることができる。しかしながら、窒化アルミニウムのような非強誘電体材料は、蒸着後に自己分極されるので、上述のように分極させることができない。これらの材料における極性化の方向は、製造条件により設定され、主要な蒸着工程を変更しなければ変えることができない。そのような材料が使用される場合、全てのアクチュエーターの圧電材料は、同じ極性を有することが好ましい。
【００５１】
図３に示す駆動ユニットの作動原理を、図４及び図５を参照して、より詳細に説明する。図４は、第１、第２及び第３の実施の形態における駆動ユニットの作動原理を説明する図である。なお、吊下げ部材が剛性レバーである全ての実施の形態において、同じ作動原理が適用される。屈曲圧電アクチュエーター３５は、第４の固定点３１４に固定される。電圧が上記アクチュエーター３５に印加される場合、上記アクチュエーター３５は極性に依存して上方又は下方のいずれかの方向に曲がる。図４には、下方への屈曲の例が示されているが、上向きの屈曲も各実施の形態に含まれる。アクチュエーター３５が曲がると、アクチュエーター３５の固定端である第４の固定点３１４は所定の位置に留まり、反対端である第３の固定点３１３は距離Ｈ１だけ下方に移動する。図４に示すように、第３の固定点３１３は、アクチュエーター３５のこの移動端に配置されている。
【００５２】
図３からわかるように、アクチュエーター３５は、反射鏡３１とフレーム３２との間のｙｚ平面内の利用可能な表面積を利用することができる。より大きな表面積はより強い力を生成する。本開示の図面に示されたフレームは全て、それぞれ第１の固定点に小さな凹部が１つだけあり、ほぼ真っ直ぐな内縁部を有する。しかしながら、アクチュエーター３５及び／又は吊下げ部材３４の部分を収容するために、より大きな凹部をフレーム３２の内部に準備してもよい。そのような追加の凹部は、アクチュエーター３５の表面積を増大させるために、又は反射鏡３１のためにより多くの空間を利用できるような異なる方法でアクチュエーター３５及び／又は吊下げ部材３４を方向付けするために、いくつかの形状であってもよい。
【００５３】
また、図３に示され、上述したように、アクチュエーター３５は、第３の固定点３１３を形成する狭い接続シリコンブリッジによってのみ、吊下げ部材３４に固定される。この接続ブリッジは、第３の固定点３１３で発生した歪みに耐えなければならないが、この接続ブリッジはまた、吊下げ部材３４が下方に押されると、ｙ軸の周りに若干ねじれなければならない。したがって、当該ブリッジがヒンジとして実装されることが好ましい。つまり、当該ブリッジは、アクチュエーター３５から吊下げ部材３４に効果的に力を伝達するようにｘ軸方向に高く作られるが、ねじれを許容するためにｙｚ平面内の少なくとも一方向に狭くなるよう作られることを意味する。また、固定構造がヒンジとして実装される固定点は、接続ブリッジを狭くすることにより少なくとも一方向に可撓性を有すため、ある程度、ばねとして機能する。
【００５４】
また、駆動ユニット３６は、吊下げ部材３４も備える。図５は、第１及び第２の実施の形態における駆動ユニットの作動原理を説明する図である。ここでは、アクチュエーター３５が図４に示すように曲がるときの吊下げ部材３４の動きを示す。第３の固定点３１３は、アクチュエーター３５によって下方に押圧され、第１の固定点３１１を通り抜けるｙ軸に関して吊下げ部材３４にトルクを加える。本実施の形態では、及び本開示を通じて、第１、第２及び第３の固定点３１１、３１２及び３１３の固定構造は、ヒンジとして実施されることが好ましい。第４の固定点３１４の固定構造は、上述したように、アクチュエーター３５とフレーム３２との間により広く又はより厚く接続されることが好ましい。
【００５５】
アクチュエーター３５が吊下げ部材３４に加えるトルクは、吊下げ部材３４を第１の固定点３１１について回転させる。既に述べたように、吊下げ部材３４は、本実施の形態では、剛性レバーである。したがって、第２の固定点３１２で反射鏡３１の縁部に固定された吊下げ部材３４の第２の固定点３１２に対向する端部は、下方に移動し、反射鏡３１の縁部を押し下げる。
【００５６】
さらに、図５は、この第１の実施の形態における機械的増幅の原理を示す。吊下げ部材３４の全長は、Ｌ２である。第１の固定点３１１から第３の固定点３１３までの距離は、Ｌ１である。既に上述したように、アクチュエーター３５が屈曲すると、第３の固定点３１３は、距離Ｈ１まで下方に移動する。第２の固定点３１２は、より長い距離Ｈ２まで下方に移動し、それにより、アクチュエーター３５によって達成される駆動範囲を増幅する。アクチュエーター３５の駆動範囲のみがＨ１であっても、駆動ユニット３６は駆動範囲Ｈ２を達成する。
【００５７】
第３の固定点３１３は、第１の固定点３１１と第２の固定点３１２との間のどこにでも位置することができる。Ｌ１の値が大きいほど、第１の固定点３１１を通るｙ軸周りのトルクは大きくなるが、Ｈ２  ＝  Ｌ２  ×  Ｈ１／Ｌ１であるため、より小さな駆動範囲Ｈ２も達成される。当業者であれは、このようなアルキメデスのレバー原理を用いた結果に精通しており、必要に応じてＬ１を最適化することができるだろう。
【００５８】
次に、第１の実施の形態の変形例に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムについて説明する。図６は、第１の実施の形態の変形例に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。
【００５９】
図６に示すように、第１の実施の形態は、矩形形状の反射鏡６１で実施することもできる。図６に示す全ての構成要素は、図３に示す構成要素に対応する。矩形形状の反射鏡６１は、アクチュエーター６５の表面積をｙｚ平面内で制限することがわかる。矩形形状の反射鏡６１を備えることにより生じる別の制限は、反射鏡６１がフレーム６２の角の方まで延在するため、第３の固定点６１３を、第１の固定点６１１からあまり離して配置することができないということである。換言すれば、距離Ｌ１（ここでは、第１の固定点６１１から第３の固定点６１３までの距離）は、反射鏡６１の表面によって制限されるため、アクチュエーター６５によって生成されるトルクは、反射鏡が円形形状である場合よりも小さくなり得る。しかしながら、矩形形状の反射鏡６１の光学領域は、円形形状の反射鏡の光学領域よりも大きい。
【００６０】
次に、第２の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムについて説明する。図７は、第２の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。ここでは、フレーム７２によって囲まれた円形形状の反射鏡７１を示す。揺動モードの振動を容易にするために、当該駆動システムは、反射鏡７１の縁部の周りに対称的に配置された４つの駆動ユニット７６を備える。反射鏡７１は、反射鏡７１の縁部の周りに対称的に配置された４つの固定点（ここでは、第２の固定点７１２）で、これらの４つの駆動ユニット７６に固定される。
【００６１】
各駆動ユニット７６は、吊下げ部材７４とアクチュエーター７５とを備える。各吊下げ部材７４は、第１の固定点７１１でフレームに固定され、第２の固定点７１２で反射鏡７１に固定される。各吊下げ部材７４は、剛性レバーである。図３に示す第１の実施の形態とは対照的に、本実施の形態では、図７に示すように、第２の固定点７１２は、反射鏡７１の縁部の周りに配置されている。第１の実施の形態における固定点の構造及び幾何学的配置に関して考えられることは全般的に、この第２の実施の形態にも同様に当てはまる。
【００６２】
アクチュエーター７５は、屈曲圧電アクチュエーターである。各アクチュエーター７５は、第３の固定点７１３で各アクチュエーター７５に対応する吊下げ部材７４に固定され、第４の固定点７１４でフレーム７２に固定される。既に示されているように、吊下げ部材７４とアクチュエーター７５とは、一組として駆動ユニット７６を成す。反射鏡７１は、４つの駆動ユニット７６がそれぞれの第２の固定点７１２を、適切に調整され同期した順で上下に動かすと、揺動モードの振動に駆動される。
【００６３】
次に、第２の実施の形態の変形例に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムについて説明する。図８は、第２の実施の形態の変形例に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。
【００６４】
図８に示すように、第２の実施の形態における揺動モードの振動は、矩形形状の反射鏡８１で実施することもできる。図８に示す全ての構成要素は、図７に示す構成要素に対応する。反射鏡８１とアクチュエーター８５の形状のみが異なる。ここでは、説明に必要な部材についてのみ符号を付し、第２の実施の形態と異なる部分についてのみ説明する。
【００６５】
第１の実施の形態と同様に、矩形形状の反射鏡８１は、アクチュエーター８５の表面積及び距離Ｌ１（ここでは、第１の固定点８１１から第３の固定点８１３までの距離）の両方を制限するが、その光学領域は円形形状の反射鏡の光学領域より大きい。
【００６６】
揺動モードの振動は、厳密に４つの第２の固定点８１２（及び４つの駆動ユニット８６）を必ずしも必要とせず、また、第２の固定点８１２を反射鏡８１の縁部に正確に対称に配置する必要もない（例えば、図７に示す０°、９０°、１８０°及び２７０°の位置）。揺動モードの振動を達成するための十分な条件は、反射鏡８１が、反射鏡８１の縁部上の任意の位置に互いに離れて配置された第２の固定点８１２で、少なくとも３つの駆動ユニット８６に固定されることである。
【００６７】
４つの駆動ユニット７６、８６及び矩形形状のフレーム７２、８２によって囲まれた第２の固定点７１２、８１２は、図７及び図８に示されている。矩形形状のフレーム内の駆動ユニット（及び対応する第２の固定点）の数は、変更可能である。あるいは、矩形形状のフレーム内の駆動ユニットは、フレームの形状が三角形であれば３つ、フレームの形状が五角形であれば５つ、フレームの形状が六角形であれば６つなどのように実装されてもよい。反射鏡の形状が円形である場合、又は、反射鏡の形状がフレームの形状に対応する場合、本開示の図に示されているのと同じ駆動ユニットの幾何学的形状は、フレームの幾何学形状が三角形、五角形及び他の形状であっても実現され得る（アクチュエーターと吊下げ部材との間の角度だけが変わる。）。しかしながら、フレームの形状と駆動ユニットの数との間に必要な関係はないので、駆動ユニットの数もまたフレームに対称な数より小さくても大きくてもよい。
【００６８】
同期された揺動モードの駆動は、例えば、図７及び図８の４つの駆動ユニットを４つの別個の電圧信号で駆動することによって生成することができ、各電圧信号は、その前の電圧信号から９０°位相シフトによって分離される。より一般的に言えば、駆動ユニットの数がｎ個であり、それらが反射鏡の縁部の周りに対照的に配置され、それぞれが個別の電圧信号で駆動される場合、各電圧信号は、その前の電圧信号から３６０°／ｎ位相シフトによって分離されてもよい。駆動運動の機械的増幅は、上述した第１の実施の形態と同じ方法で得られる。上記増幅は、傾斜モードの振動の場合と同様に、揺動モードの振動において駆動範囲（ひいては傾斜振幅）を増加させる。
【００６９】
次に、第３の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムについて説明する。図９は、第３の実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。ここでは、フレーム９２に囲まれた円形形状の反射鏡９１を示す。第２の実施の形態と同様に、駆動システムは、円形形状の反射鏡９１の縁部の周りに対称的に配置された４つの駆動ユニット９６を備える。
【００７０】
各駆動ユニット９６は、吊下げ部材９４及びアクチュエーター９５を備える。吊下げ部材９４は、シリコンビームから構成され、アクチュエーター９５は、少なくとも１つの電極層と少なくとも１つの圧電材料とで被覆されたシリコンビームから構成されてもよい。また、第２の実施の形態と同様に、吊下げ部材９４は、反射鏡９１の縁部の周りに対称的に配置される。更に、図９に示すように、全ての固定点９１１、９１２、９１３、９１４及びそれらの配置は、第２の実施の形態と同じである。したがって、図９に示す反射鏡９１は、揺動モードで振動する。なお、第１の実施の形態における固定点の構造及び幾何学的配置に関して考えられることは全般的に、この第３の実施の形態にも同様に当てはまる。
【００７１】
第２の実施の形態とは対照的に、この第３の実施の形態では、吊下げ部材９４は剛性レバーではない。その代わり、吊下げ部材９４は、屈曲圧電アクチュエーターである。これは、アクチュエーター９５と同じ色で吊下げ部材９４とをパターニングすることによって、図９に示されている。したがって、本実施の形態では、各駆動ユニット９６は、相互に連結された２つのアクチュエーター９４及び９５を備える。アクチュエーター９４は、吊下げ部材としても機能する。相互に連結されたアクチュエーターは、第１の実施の形態と組み合わせて、本実施の形態と同様に実施することができる。換言すれば、各駆動ユニットが２つの相互に連結されたアクチュエーターを備える４つの駆動ユニットによって、傾斜モードの振動も駆動され得る。
【００７２】
なお、上述の通り、本実施の形態では、吊下げ部材９４は屈曲圧電アクチュエーターであるため、吊下げ部材９４内のシリコンビームは、少なくとも１つの電極層と、少なくとも１つの圧電材料とで被覆されていてもよい。
【００７３】
次に、第３の実施の形態における駆動ユニット９６の作動原理について説明する。図１０は、第３の実施の形態における駆動ユニット９６の作動原理を説明する図である。ここでは、第３の実施の形態における機械的増幅の原理を示す。図９にて前述のように、第３の固定点９１３には、屈曲圧電アクチュエーター９５（図１０に示されていないが、図９に示されている）の一端が取り付けられている。アクチュエーター９５は、印加電圧に応じて、図４に示すアクチュエーター３５と同様に曲がり、第３の固定点９１３を下方に押圧する。
【００７４】
この第３の実施の形態では、吊下げ部材９４自体が、電圧信号で制御可能な屈曲圧電アクチュエーターである。したがって、アクチュエーター９５が第３の固定点９１３を押し下げるときに得られる機械的増幅に加えて、アクチュエーター９４を更に下方に曲げる電圧をアクチュエーター９４に印加することによって、駆動運動のさらなる増幅を得ることができる。駆動サイクルの逆位相では、アクチュエーター９５が第３の固定点９１３を上方へ持ち上げるとき、アクチュエーター９５もまた印加電圧によって上方に曲げることができる。したがって、図１０に示すように、駆動範囲Ｈ２は、アクチュエーター９４の湾曲によって更に増幅される。
【００７５】
前述のように、第３の実施の形態では、第３の固定点９１３は、第１の固定点９１１と第２の固定点９１２との間のどこにでも配置することができ、トルクと駆動範囲との間にトレードオフの関係がある。第１及び第３の固定点９１１及び９１３の間の距離Ｌ１が長くなるほど大きなトルクが得られるが、駆動範囲は小さくなる。
【００７６】
次に、第３の実施の形態の変形例に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムについて説明する。第３の実施の形態の相互に連結された２つのアクチュエーターも、図１１に示すように、矩形形状の反射鏡１１０１で実施することができる。図１１は、第３の実施の形態の変形例に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを示す概略図である。図１１に示す全ての構成要素は、図９に示す構成要素に対応する。反射鏡１１０１とアクチュエーター１１０５の形状のみが異なる。前述した第１及び第２の実施の形態と同様に、矩形形状の反射鏡１１０１は、アクチュエーター１１０５の表面積及び距離Ｌ１（ここでは、第１の固定点１１１１から第３の固定点１１１３までの距離）の両方を制限するが、その光学領域は円形形状の反射鏡の光学領域より大きい。
【００７７】
以下、図１２を参照して、上述の３つの実施の形態に係る走査型ＭＥＭＳ反射鏡システムを製造するための例示的な製造方法の一例を説明する。図１２は、走査型ＭＥＭＳ反射鏡装置の一例を示す概要断面図である。本図において図示され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、同じｘｙ断面に存在しない場合があるため、断面は概略的である。例えば、電気コネクタ１２４及び１２６のｚ座標は、アクチュエーターがｚ軸上のどこに位置するかに依存する。
【００７８】
この装置は、電気接触パッド１２２５を備えるキャップウェハ１２２１と、可動部分を含むＳＯＩ（シリコン・オン・インシュレーター）構造ウェハ１２２６、及びミラー板用の光学窓を提供するガラスキャップウェハ１２２４とを備える。これらの３つのウェハ１２２１、１２２６及び１２２４は、別々に準備され、縁部の周りで互いに接合されて反射鏡装置を形成する。また、これらの３つのウェハ１２２１、１２２６及び１２２４により、反射鏡が振動することができるキャビティ１２９が形成される。
【００７９】
ＳＯＩ構造ウェハ１２２６は、デバイス層１２２２と、埋め込み酸化物層１２２７と、ハンドル層１２２３とを含む。この構造を有するＳＯＩ構造ウェハ１２２６は、周知の接合及び間抜き技術を用いて製造することができる。デバイス層１２２２は、当業者に周知のリソグラフィー技術及びシリコンエッチングの技術を用いて準備することができる。エッチング技術は、深反応性イオンエッチング（ＤＲＩＥ）であることが好ましい。デバイス層１２２２は、シリコン板１２８及び反射コーティング１２２０を有する反射鏡１２０１を備える。反射コーティング１２２０は、真空蒸着又はスパッタリングなどの薄膜堆積法を用いて平板上に形成され得る。デバイス層１２２２の厚さは、数十μｍ程度であるが、所望の反射鏡面積、傾斜角、及び共振周波数を考慮して必要に応じて最適化してもよい。ＳＯＩ構造ウェハ１２２６は、数μｍから１００μｍ、又は更に大きい範囲に及ぶ異なるデバイス層１２２２の厚さで利用可能である。
【００８０】
デバイス層１２２２はまた、吊下げ部材１２７及びアクチュエーター（不図示）を有する。ｚ軸に配列された２つの吊下げ部材１２７が、図１２に示されており、この場合は、吊下げ部材１２７の上に圧電層１２３０を有する。吊下げ部材１２７が単なる剛性レバーである実施の形態では、吊下げ部材１２７は圧電層１２３０を有しない。図１２には、吊下げ部材１２７の第２の固定点１２１２の位置も示されている。第２の固定点１２１２を形成する連結ブリッジは、図１２では描かれていない。吊下げ部材１２７の第１の固定点１２１１は、第２の固定点１２１２と同じｘｙ平面内に配置されていないが、図１２では、背景又は前景における第１の固定点１２１１の位置のみ示されている。いくつかの実施の形態では、図１２に示された２つの第２の固定点１２１２は、図３について上述したように、同じｘｙ平面内に位置していなくてもよい。
【００８１】
キャップウェハ１２２１は、反射鏡装置を駆動させることができる電気的接続を含むシリコンウェハである。当該シリコンウェハは、電気接触パッド１２２５、キャビティ１２９の凹部を有するシリコン基板１２３及び導電性ビア１２４を含む。導電性ビア１２４は、キャップウェハ１２２１のドープされた単結晶シリコン基板１２３からエッチングされたドープされた単結晶シリコンを含んでもよい。導電性ビア１２４は、絶縁膜１２５によって囲まれている。絶縁膜１２５は、例えば、ガラス又は二酸化ケイ素であってもよい。絶縁膜１２５は、導電性ビア１２４がエッチングされた後に、適切なトレンチ充填蒸着工程で形成される。トレンチ充填工程は、ガラスの場合は溶融、二酸化ケイ素の場合は化学気相成長法（ＣＶＤ）又はシリコンの熱酸化が含まれる。あるいは、周知のＣＶＤ又は物理気相成長法（ＰＶＤ）工程を用いて、ドープされた多結晶シリコン又は金属から絶縁膜１２５を蒸着した後に、導電性ビア１２４を形成することができる。
【００８２】
横方向の電気コネクタ１２６は、蒸着又はスパッタリングなどの薄膜堆積及びパターニング技術の後、続いて、光リソグラフィー及びエッチングによってデバイス層１２２２上に形成される。図１２に示す横方向の電気コネクタ１２６は、デバイス層１２２２内のｙ軸に配列された圧電アクチュエーターまで延在する（これらのアクチュエーターは、明確化のために、図１２から除外されている。）。既に上述したように、図１２に示す断面は概略的なものに過ぎず、電気コンタクト１２４及び１２６は、実際には、例えば、第２の固定点１２１２と同じｘｙ平面に配置することができない場合がある。キャップウェハ１２２１の導電性ビア１２４とデバイスウェハ（デバイス層１２２２）の横方向の電気コンタクト１２６との間の導電経路は、上記３つのウェハ１２２１、１２２６及び１２２４を配列して接合することにより形成される。
【００８３】
序論で述べたように、共振振動が求められる場合、キャビティ１２９内のガス圧力は、装置を取り囲むガス圧力よりも低くてもよい。キャビティ１２９内のガス圧力が周囲圧力より低い場合、３つのウェハ１２２１、１２２６及び１２２４は、所望のキャビティ圧力に対応して、圧力が周囲よりも低く設定されたチャンバ内で気密に接合される。
【００８４】
以上、本開示に係る走査型微小電気機械反射鏡システム、光検出及び測距（ＬＩＤＡＲ）装置、及び走査型微小電気機械反射鏡システムの作動方法について、実施の形態に基づいて説明したが、本開示は、これらの実施の形態に限定されるものではない。本開示の主旨を逸脱しない限り、当業者が思いつく各種変形を実施の形態に施したものや、実施の形態における一部の構成要素を組み合わせて構築される別の形態も、本開示の範囲に含まれる。
【符号の説明】
【００８５】
１１  レーザ発振器
１２  可動反射鏡
１１１、１２１、１２２  光線
２１、３１、６１、７１、８１、９１、１１０１、１２０１  反射鏡
２２、３２、６２、７２、８２、９２  フレーム
３３  トーションビーム
３４、７４、８４、９４、１２７  吊下げ部材
３５、６５、７５、８５、９５、２２１、２２２、２２３、２２４、１１０５  アクチュエーター
３６、７６、８６、９６  駆動ユニット
３１１、６１１、７１１、８１１、９１１、１１１１、１２１１  第１の固定点
３１２、３２２、３３２，３４２、６１２、７１２、９１２、１２１２  第２の固定点
３１３、６１３、７１３、８１３、９１３、１１１３  第３の固定点
３１４、７１４、９１４  第４の固定点
１２３  シリコン基板
１２４  導電性ビア（電気コネクタ）
１２５  絶縁膜
１２６  電気コネクタ
１２８  シリコン板（単結晶シリコン板）
１２９  キャビティ
１２２０  反射コーティング
１２２１  キャップウェハ
１２２２  デバイス層
１２２３  ハンドル層
１２２４  ガラスキャップウェハ
１２２５  電気接触パッド
１２２６  ＳＯＩ構造ウェハ
１２２７  埋め込み酸化物層
１２３０  圧電層
【図１】
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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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