(57)【要約】【課題】本発明は、光の二次元偏向のためのマイクロメカニカル装置及び方法に関する。【解決手段】当該装置は、ミラー面（１３）を備えたミラー装置（１２）を有しており、ミラー面（１３）は、ミラー面（１３）に入射する光を偏向し、ミラー装置（１２）は、第１の軸（Ｄ１）を中心に回転可能に、第１のフレーム装置（１４）の中に配置されており、かつ、第１のフレーム装置（１４）に固定されており、第１のフレーム装置（１４）は、第２の軸（Ｄ２）を中心に回転可能に、アクチュエータ構造体（１６）の中に配置されており、かつ、アクチュエータ構造体（１６）に固定されており、アクチュエータ構造体（１６）は、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）を有しており、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の位置は、第１の軸（Ｄ１）に関しても、第２の軸（Ｄ２）に関しても、対称に配置されている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の二次元偏向のためのマイクロメカニカル装置（１０）であって、
ミラー面（１３）を備えたミラー装置（１２）を有しており、前記ミラー面（１３）は、前記ミラー面（１３）に入射する光を偏向し、
前記ミラー装置（１２）は、第１の軸（Ｄ１）を中心に回転可能に、第１のフレーム装置（１４）の中に配置されており、かつ、前記第１のフレーム装置（１４）に固定されており、
前記第１のフレーム装置（１４）は、第２の軸（Ｄ２）を中心に回転可能に、アクチュエータ構造体（１６）の中に配置されており、かつ、前記アクチュエータ構造体（１６）に固定されており、
前記アクチュエータ構造体（１６）は、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）を有しており、
前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の位置は、前記第１の軸（Ｄ１）に関しても、前記第２の軸（Ｄ２）に関しても、対称に配置されている、
ことを特徴とするマイクロメカニカル装置（１０）。
【請求項２】
前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の寸法は、前記第１の軸（Ｄ１）に対して平行な第１の方向（ｘ）において等しく、かつ、
前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の寸法は、前記第２の軸（Ｄ２）に対して平行な第２の方向（ｙ）において等しい、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項３】
各前記圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）は、各たわみビーム（２０−ｉ）を介して、残余の前記装置（１０）と接続されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（１０）。
【請求項４】
前記第１のフレーム装置（１４）は、２つのトーションビーム（２２−１，２２−２）を介して前記アクチュエータ構造体（１６）と接続されており、
各前記トーションビーム（２２−１，２２−２）は、前記アクチュエータ構造体（１６）の、それぞれ２つの前記たわみビーム（２０−ｉ）が当接している領域に接している、
ことを特徴とする請求項３に記載の装置（１０）。
【請求項５】
前記圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）は、２つの短い辺と２つの長い辺とを備えた長方形の形状で形成されており、
各前記たわみビーム（２０−ｉ）は、各前記アクチュエータ装置（１８−ｉ）に、前記２つの長い辺のうちの１つの長い辺の各終端部において接している、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の装置（１０）。
【請求項６】
前記圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）同士は、電気的な線路によって、各電圧が各前記アクチュエータ装置（１８−ｉ）に、前記第１の軸（Ｄ１）と前記第２の軸（Ｄ２）とによって形成されている面に垂直な方向（ｚ）において印加可能であるように、電気的に接触接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置（１０）。
【請求項７】
前記圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）同士は、電気的な線路によって、周期的な電気信号が各前記アクチュエータ装置（１８−ｉ）に、同等の振幅で、かつ、調節可能な、それぞれ０°又は１８０°の相対的な位相シフトで印加可能であるように、電気的に接触接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置（１０）。
【請求項８】
光の二次元偏向のための方法であって、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載されたマイクロメカニカル装置（１０）を準備するステップ（Ｓ０１）と、
第１の周期的な電圧信号を、前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の第１の圧電アクチュエータ装置（１８−１）に印加するステップ（Ｓ０２）と、
第２の周期的な電圧信号を、前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の第２の圧電アクチュエータ装置（１８−２）に印加するステップ（Ｓ０３）と、
を備えており、
前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号とは、前記第２の電圧信号の各現在の振幅が、前記第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、又は、−１が乗算された、前記第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、印加される、
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
第３の周期的な電圧信号を、前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の第３の圧電アクチュエータ装置（１８−３）に印加するステップ（Ｓ０４）と、
第４の周期的な電圧信号を、前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の第４の圧電アクチュエータ装置（１８−４）に印加するステップ（Ｓ０５）と、
を備えており、
前記第３の電圧信号と前記第４の電圧信号とは、前記第４の電圧信号の各現在の振幅が、前記第３の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、又は、−１が乗算された、前記第３の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、印加される、
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の電圧信号と前記第３の電圧信号は、前記第３の電圧信号の各現在の振幅が、前記第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、又は、−１が乗算された、前記第１の電圧信号（９１）の各現在の振幅と等しくなるように、印加される、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、光の二次元偏向のためのマイクロメカニカル装置及び方法に関する。光の二次元偏向とは特に、この光の終点がある面内の線しかスキャンできないのではなく、ある面の二次元面をスキャンできるような光の偏向のことである。その光源からその終点までの光ビーム全体に関しては、光の二次元偏向は次のように表され得る。即ち、二次元偏向可能な光ビームは三次元空間において１つの面だけを形成するのではなく、三次元空間角度をスキャンすることができる、というように表され得る。
【背景技術】
【０００２】
従来技術
適切なマイクロメカニカル駆動構造体によって、２つの軸を中心に変位可能なマイクロミラーは、少なくとも、物理的に異なっている複数の駆動コンセプトの組み合わせを有する。例えば、第１の軸に対しては、磁気的な駆動部が使用され、第２の軸に対しては、圧電式の駆動部が使用されてよい。
【０００３】
国際公開第２０１２/０８９３８７号（ＷＯ２０１２／０８９３８７Ａ１）には、磁気によって駆動可能なマイクロミラーが記載されており、これは２Ｄスキャナーにおいて使用可能である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】国際公開第２０１２/０８９３８７号
【発明の概要】
【課題を解決するための手段】
【０００５】
発明の開示
本発明は、請求項１の特徴を有するマイクロメカニカル装置と、請求項８の特徴を有する方法とを開示する。
【０００６】
これに従って、光の二次元偏向のためのマイクロメカニカル装置が提供される。この装置は、ミラー面を備えたミラー装置を有しており、ミラー面は、当該ミラー面に入射する光を偏向し、ミラー装置、特にミラー面は、第１の軸を中心に回転可能に、第１のフレーム装置の中に配置されており、かつ、第１のフレーム装置に固定されている。ここで、この第１のフレーム装置は、第２の軸を中心に回転可能に、アクチュエータ構造体の中に配置されており、かつ、このアクチュエータ構造体に固定されている。このアクチュエータ構造体は、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置を有している。少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置の位置は、第１の軸に関しても、第２の軸に関しても、対称に配置されている。
【０００７】
本発明はさらに、光の二次元偏向のための方法を提供する。この方法は、本発明に係るマイクロメカニカル装置を準備するステップと、第１の周期的な電圧信号を、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置の第１の圧電アクチュエータ装置に印加するステップと、第２の周期的な電圧信号を、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置の第２の圧電アクチュエータ装置に印加するステップとを備えている。ここで、第１の電圧信号と第２の電圧信号とは、次のように印加される。即ち、第２の電圧信号の各現在の振幅が、第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、又は、−１が乗算された、第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、印加される。
【０００８】
換言すれば、第１の電圧信号は、マイクロメカニカル装置がこの方法によって動作させられるあらゆる時点において、第２の電圧信号に等しいか、又は、第２の電圧信号の、符号を反転したもの（Ｎｅｇａｔｉｖｅｎ）に等しい。
【０００９】
発明の利点
本発明の様式のマイクロメカニカル装置の形成は、マイクロメカニカル装置が取り付けられている外部対象物、例えばハウジングから、マイクロメカニカル装置のミラー面での回転パルスを分離させることを可能にする。ミラー面から外部対象物に部分的に伝達される回転パルスは、可動部分が周期的に励起される場合に、不所望な、外部対象物に存在する運動エネルギーによるエネルギー損失及び不所望なノイズ発生、例えばホイッスル音の発生をもたらしてしまうことがある。従って、このような分離が可能になることによって、マイクロメカニカル装置の電流消費が低減され得る。
【００１０】
さらに、本発明に係るマイクロメカニカル装置は、特に場所の必要性が低減されて形成可能である。これによって、より高い組み込みの可能性、並びに、製造時の低減された時間及び材料コストが得られる。本発明に係る装置は、特に著しく小型化可能であり、従って、例えば、高い集積密度を有する機器、特にモバイル機器、例えば、スマートフォン、スマートグラス（メガネ型端末）、マイクロプロジェクタ、及び／又は、他のこの種の装置において良好に使用可能である。
【００１１】
本発明に係るマイクロメカニカル装置は、さらに、幾何学形状的な複雑性が比較的少なく形成することが可能であり、従って、動作エラー及び損傷に対して特にロバストであり得る。
【００１２】
さらに、本発明に係るマイクロメカニカル装置のこの有利な小型化によって、ウェーハ当たり、より多くの装置を同時に製造することが可能になる。
【００１３】
さらなる利点は、従属請求項及び図面を参照した説明から明らかになる。
【００１４】
有利な発展形態においては、第１の軸に対して平行な第１の方向において少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置の寸法は等しい。従って、有利には、全体的なフレーム装置において対称又は逆対称の振動モード及び／又は変形モードを形成することが可能であり、これによって、特に効率的な、光の二次元偏向が得られる。選択的又は付加的に、第２の軸に対して平行な第２の方向においても、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置の寸法が等しいものとするとよい。
【００１５】
換言すれば、特に、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置の全ての圧電アクチュエータ装置は、第１の方向及び第２の方向において同一の寸法で形成されているものとするとよい。有利には、圧電アクチュエータ装置は対称であるので、全ての空間次元において同一の大きさに形成されている。
【００１６】
別の有利な発展形態においては、各圧電アクチュエータ装置は、各たわみビームを介して、残余のマイクロメカニカル装置と接続されている。たわみビームとは、特に、意図した通りの動作において、たわみビームの縦長の形態の長手軸に対して垂直の方向において曲がるのに適しており、かつ、そのように構成されている縦長の構造体のことである。各たわみビームは、渦巻きばねとも称されることがある。このようにして、各圧電アクチュエータ装置の圧電変形によって、たわみビームを介して、ミラー面に回転パルスが加えられる。
【００１７】
別の有利な発展形態においては、第１のフレーム装置は、２つのトーションビームを介して、アクチュエータ構造体と接続されている。各トーションビームは、それを介して圧電アクチュエータ装置が残余のマイクロメカニカル装置と接続されているそれぞれ２つのたわみビームが当接している、アクチュエータ構造体の領域に接しているものとするとよい。トーションビームとは、特に、意図した通りの使用時に、縦長の構造体の長手軸に対して平行な軸を中心に回転するのに適しており、かつ、そのように構成されている縦長の構造体のことである。従って、トーションビームは、ねじりばねとも称される。
【００１８】
従って、各トーションビームでの２つのたわみビームでの２つの圧電アクチュエータ装置によって、特に効率的に回転モーメントがミラー面に作用することが可能になり、これによって、ミラー面に回転パルスが加えられる。
【００１９】
有利には、アクチュエータ構造体は２つの部分から成り、ここで、各部分がそれぞれ２つの圧電アクチュエータ装置と、相応する２つのたわみビームとを含んでいる。これらのたわみビームは、第１のフレーム装置の各トーションビームで当接している。アクチュエータ構造体の第１の部分と第２の部分とは、有利には相互に間隔を有しており、特に第１のフレーム装置によって間隔を有している。
【００２０】
別の有利な発展形態においては、圧電アクチュエータ装置は、２つの短い辺と２つの長い辺とを備えた長方形の形状で形成されている。有利には、各たわみビームは、各アクチュエータ装置に、圧電アクチュエータ装置の長方形の形状の２つの長い辺のうちの１つの長い辺の各終端部において接している。このようにしてより効率的に、アクチュエータ装置でそれぞれ生成された回転モーメントが、各たわみビームを介して第１のフレーム装置及び／又はミラー面に印加され得る。
【００２１】
別の有利な発展形態においては、圧電アクチュエータ装置同士は電気的な線路によって、この電気的な線路によって、各電圧が各アクチュエータ装置に、第１の軸と第２の軸によって形成されている面に垂直な方向において印加可能であるように電気的に接触接続されている。従って、ミラー面に特に効率的に回転パルスが加えられ、この回転パルスは、第１の軸に対して平行な第１の方向において、及び／又は、第２の軸に対して平行な第２の方向において、成分を有している。
【００２２】
別の有利な発展形態においては、圧電アクチュエータ装置同士は電気的な線路によって、周期的な電気信号が各アクチュエータ装置に、それぞれ正の符号か又は負の符号を有する同一の現在の振幅値で印加可能であるように電気的に接触接続されている。
【００２３】
本発明に係る方法の有利な発展形態においては、第３の周期的な電圧信号が、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置の第３の圧電アクチュエータ装置に印加され、第４の周期的な電圧信号が、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置の第４の圧電アクチュエータ装置に印加される。第３の電圧信号と第４の電圧信号は、次のように印加可能である。即ち、第４の電圧信号の各現在の振幅が、第３の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、又は、−１が乗算された、第３の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、印加可能である。従って、特に有利な対称及び／又は逆対称の振動モードが、アクチュエータ装置、第１のフレーム装置及び／又はミラー面において生成可能である。
【００２４】
別の有利な発展形態においては、第１の電圧信号と第３の電圧信号は次のように印加される。即ち、第３の電圧信号の各現在の振幅が、第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、又は、−１が乗算された、第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、印加される。
【００２５】
特に有利には、各圧電アクチュエータ装置に、各現在の時点で、同一の振幅絶対値を有する電圧信号が印加される。ここで、第１から第４の圧電アクチュエータ装置での第１から第４の電圧信号はそれぞれ、これらが正の符号か又は負の符号を有しているという特徴を有している。
【００２６】
本発明を以降で、概略図に基づいて説明された実施例に基づいて詳細に説明する。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に即した、光の二次元偏向のためのマイクロメカニカル装置の概略的な平面図である。
【図２】図２ａは、図１に示されたマイクロメカニカル装置の第１の形態の圧電アクチュエータ装置の概略的な横断面図であり、図２ｂは、図１に示されたマイクロメカニカル装置の第２の形態の圧電アクチュエータ装置の概略的な横断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態に即した、光の二次元偏向のための装置を説明するための概略的なフローチャートである。
【図４】図３に示された方法による動作の間の、図１に示されたマイクロメカニカル装置の三次元の概略的な斜視図である。
【図５】図３に示された方法による動作の間の、図１に示されたマイクロメカニカル装置の三次元の概略的な斜視図である。
【００２８】
全ての図面において、同一の又は機能的に同等の要素及び装置には、そうでないことが記載されていない限り、同一の参照符号が付けられている。ステップのナンバリングは、見やすくするためのものであり、特に、そうでないことが記載されていない限り、特定の時間的な順序を暗示するものではない。特に、複数のステップを同時に実行することもできる。
【発明を実施するための形態】
【００２９】
実施例の説明
図１は、本発明の実施形態に即した、光の二次元偏向のためのマイクロメカニカル装置１０の概略的な平面図を示している。
【００３０】
マイクロメカニカル装置１０は、ミラー面１３を備えたミラー装置１２を有している。ここで、このミラー面１３は、ミラー面１３に入射した光を偏向させる。ミラー面１３は、入射した光を反射するために、例えば、金属製の表面を有しているものとするとよく、異なる屈折率を備えた複数の誘電性の層を有しているものとするとよく、及び／又は、別の様式で、光を反射するように形成されているものとするとよい。
【００３１】
ミラー装置１２は、第１の軸Ｄ１を中心に回転可能であるように、第１のフレーム装置１４と接続されている。ミラー装置１２は、マイクロメカニカル装置１０の静止位置において、第１のフレーム装置１４の中に配置されている。ここでは、及び、以降では、本発明に係るマイクロメカニカル装置１０の種々の要素の幾何学的な配置が説明される箇所においては、正反対のことが明記されていない限り、このような幾何学的な配置はそれぞれ、マイクロメカニカル装置１０の静止状態に関している。従って、マイクロメカニカル装置１０の動作時のマイクロメカニカル装置１０の１つ又は複数の要素の変位時には、全ての要素が、記載された幾何学的な相互関係を有しているとは限らない。しかし、他方では、マイクロメカニカル装置１０が次のように構成されていてもよい。即ち、マイクロメカニカル装置１０の静止状態においては、記載された幾何学的な関係が維持されないが、マイクロメカニカル装置１０の動作中の特定の時点においては、このような幾何学的な関係が成立するように構成されていてもよい。
【００３２】
ミラー装置１２は、第１のフレーム装置１４と、有利には、図１に示されているように、短いトーションビーム１３−１、１３−２を介して接続されている。トーションビーム１３−１、１３−２は平行であり、かつ、第１の軸Ｄ１と等しく配置されている。トーションビーム１３−１と１３−２は、有利には、同等の大きさに形成されており、特に、図１に示された図平面におけるミラー装置１２の側長さよりも短い、特に側面の半分よりも短い、特に有利には、側面の４分の１よりも短い長さを有している。
【００３３】
ミラー装置１２は、トーションビーム１３−１、１３−２を介して回転可能に、第１のフレーム装置１４に対して懸架されており、トーションビーム１３−１、１３−２を介してのみ、残余のマイクロメカニカル装置１０と接続されている。
【００３４】
第１のフレーム装置１４は、２つの別のトーションビーム２２−１、２２−２を有している。これらの別のトーションビーム２２−１、２２−２は平行に、かつ、第２の軸Ｄ２に対して等しく配置されている。従って、第１のフレーム装置１４は、ミラー装置１２とともに、２つの別のトーションビーム２２−１、２２−２によって、第２の軸Ｄ２を中心に回転可能に懸架されている。ミラー装置１２、トーションビーム１３−１、１３−２及び第１のフレーム装置１４は、別のトーションビーム２２−１、２２−２を介してのみ、残余のマイクロメカニカル装置１０と接続されている。
【００３５】
第１の軸Ｄ１に対して平行な第１の方向は、ｘ方向とも称される。第２の軸Ｄ２に対して平行な第２の方向は、ｙ方向とも称される。特に有利には、ｘ方向とｙ方向とは、相互に垂直に配置されている。別のトーションビーム２２−１、２２−２も特に、ｘ方向及び／又はｙ方向において、ミラー装置１２の側面よりも短い長さで形成されている。
【００３６】
図１に示された装置１０においては、ミラー装置１２及びミラー面１３は、正方形に示されており、第１のフレーム装置１４は、同様に、ミラー装置１２及びミラー面１３を包囲している正方形のフレームとして示されている。ミラー装置１２及び／又はミラー面１３も、第１のフレーム装置１４も、他の形状、例えば長方形であってもよいということを理解されたい。正方形は、特に、ミラー面１３において振動モードを生成するのに有利であり得る。しかし、所望の用途に応じて、例えば、（例えば、より高い又はより低いねじりばね剛性による）回転軸Ｄ１、Ｄ２に関する、より高い又はより少ない回転可能性を補償するためには、別の、例えば長方形も有利であり得る。
【００３７】
マイクロメカニカル装置１０は、さらに、アクチュエータ構造体１６を有している。アクチュエータ構造体１６は、特にミラー装置１２、特にミラー面１３に、装置１０の少なくとも上述した要素を介して回転パルスを加えるために用いられる。回転パルスは、光の二次元偏向のために、特に、ｘ方向においても、ｙ方向においても、成分を有しているものとするとよい。
【００３８】
図１に示された実施形態においては、アクチュエータ構造体１６は、相互に別個にされた２つの部分から成る。アクチュエータ構造体１６は、４つの圧電アクチュエータ装置１８−１、１８−２、１８−３、１８−４を有している。これらは、以降では、部分的に、まとめて１８−ｉとも称される。マイクロメカニカル装置１０においては、ｘ−ｙ面において、全ての４つの圧電アクチュエータ装置１８−ｉは、長方形の横断面を有している。ｘ−ｙ面とは、図１において、ｘ方向及びｙ方向によって形成されている面のことである。マイクロメカニカル装置１０においては、さらに、圧電アクチュエータ装置１８−ｉの長方形の横断面は、それぞれ、第２の軸Ｄ２に対して平行である、長い辺（「長さ」と称する）と、第１の軸Ｄ１に対して平行である、短い辺（「幅」と称する）とを有している。有利には、全ての圧電アクチュエータ装置１８−ｉは、同等の長さと同等の幅とを有している。
【００３９】
さらに、圧電アクチュエータ装置１８−ｉは、次のように配置されている。即ち、圧電アクチュエータ装置１８−ｉの全体的な配置構成が、第１の軸Ｄ１に関しても、第２の軸Ｄ２に関しても、対称に形成されているように、配置されている。
【００４０】
図１には、第１の圧電アクチュエータ装置１８−１と第２の圧電アクチュエータ装置１８−２とが第１の軸Ｄ１の一方の側に、第３の圧電アクチュエータ装置１８−３と第４の圧電アクチュエータ装置１８−４とが第１の軸Ｄ１の他方の側に、次のように配置されていることが示されている。即ち、第１の圧電アクチュエータ装置１８−１と第２の圧電アクチュエータ装置１８−２とが、第３の圧電アクチュエータ装置１８−３と第４の圧電アクチュエータ装置１８−４とに対して、第１の軸Ｄ１に関して鏡像になるように配置されているように、配置されていることが示されている。
【００４１】
図１には、さらに、第１の圧電アクチュエータ装置１８−１と第３の圧電アクチュエータ装置１８−３とが第２の軸Ｄ２の一方の側に、第２の圧電アクチュエータ装置１８−２と第４の圧電アクチェーター装置１８−４とが第２の軸Ｄ２の他方の側に、次のように配置されていることが示されている。即ち、第１の圧電アクチュエータ装置１８−１と第３の圧電アクチュエータ装置１８−３とが、第２の圧電アクチュエータ装置１８−２と第４の圧電アクチュエータ装置１８−４とに対して、第２の軸Ｄ２に関して鏡像になるように配置されているように、配置されていることが示されている。
【００４２】
マイクロメカニカル装置１０においては、さらに、各圧電アクチュエータ装置１８−ｉは、各たわみビーム２０−ｉのみを介して、残余のマイクロメカニカル装置１０と接続されている。有利には、たわみビーム２０−ｉは、次のように形成されている。即ち、各圧電アクチュエータ装置１８−ｉの各たわみビーム２０−ｉが、各圧電アクチュエータ装置１８−ｉに、圧電アクチュエータ装置１８−ｉの各長い辺の各終端部分において接しているように、即ち、そこで各圧電アクチュエータ装置１８−ｉと接続されているように形成されている。
【００４３】
第１の圧電アクチュエータ装置１８−１の第１のたわみビーム２０−１と第２の圧電アクチュエータ装置１８−２の第２のたわみビーム２０−２とは、各たわみビーム２０−１、２０−２の、各アクチュエータ装置１８−１、１８−２とは反対側の各終端部において、それぞれ、次のような領域において当接している。即ち、別のトーションビームのうちの１つのトーションビーム２２−１も、このトーションビーム２２−１の、第１のフレーム装置１４とは、反対側のコーナーで接している領域において当接している。
【００４４】
第３の圧電アクチュエータ装置１８−３の第３のたわみビーム２０−３と第４の圧電アクチュエータ装置１８−４の第４のたわみビーム２０−４とは、各たわみビーム２０−３、２０−４の、各アクチュエータ装置１８−３、１８−４とは反対側の各終端部において、それぞれ、次のような領域において当接している。即ち、別のトーションビームのうちの１つのトーションビーム２２−２も、このトーションビーム２２−２の、第１のフレーム装置１４とは、反対側のコーナーで接している領域において当接している。
【００４５】
第１のたわみビーム２０−１と第２のたわみビーム２０−２とトーションビーム２２−１とが当接している領域には、さらに、ミラー装置１２から続いて、さらに別のトーションビーム２３−１が配置されている。第３のたわみビーム２０−３と第４のたわみビーム２０−４とトーションビーム２２−２とが当接している領域には、さらに、ミラー装置１２から続いて、さらに別のトーションビーム２３−２が配置されている。
【００４６】
トーションビーム２３−１、２３−２も、トーションビーム２２−１、２２−２と同様に、平行であり、かつ、第２の軸Ｄ２と等しく配置されている。アクチュエータ装置１６、即ち、圧電アクチュエータ装置１８−ｉ及びたわみビーム２０−ｉ、並びに、トーションビーム２２−１、２２−２、第１のフレーム装置１４、トーションビーム１３−１、１３−２及びミラー装置１２は、トーションビーム２３−１、２３−２だけを介して、残余のマイクロメカニカル装置１０と接続されており、詳細には、第２の軸Ｄ２を中心に回転可能に支承されている。
【００４７】
トーションビーム２３−１、２３−２は、ミラー装置１２から続いている各終端部で、マイクロメカニカル装置１０の第２のフレーム装置２４と接続されている。マイクロメカニカル装置１０は、第２のフレーム装置２４を介して、外部の要素に、例えば、それとともにマイクロメカニカル装置１０がライトスキャナを形成する要素に固定されている。マイクロメカニカル装置１０の有利な構成によって、ミラー面１３に加えられる回転パルスは第２のフレーム装置２４に伝達されない、又は、極めて僅かにしか伝達されない。従って、上述した省エネ効果とノイズ低減効果とが得られる。
【００４８】
トーションビーム２３−１、２３−２は、有利には、第２の軸Ｄ２に対して垂直な、特に第１の軸Ｄ１に対して平行な、トーションビーム２２−１、２２−２の相応する幅よりも大きい幅で形成されている。
【００４９】
このようにして、マイクロメカニカル装置１０の内側から第２のフレーム装置２４に印加される回転モーメントがさらに低減される。選択的又は付加的に、トーションビーム２３−１、２３−２が、別の様式で、例えば自身の材料特性によって、トーションビーム２２−１、２２−２よりも高いトーション剛性で形成されているものとするとよい。
【００５０】
圧電アクチュエータ装置１８−ｉは、詳細には、例えば次のように、以降で図２ａ）及び図２ｂ）を参照して説明されるように形成することが可能である。
【００５１】
図２ａ）は、マイクロメカニカル装置１０の第１の形態に即した圧電アクチュエータ装置１８−ｉの概略的な横断面図を示している。示されているのは、ｘ方向及びｚ方向によって形成されているｘ−ｚ面における横断面図であり、ここで、ｚ方向は、次のように配置されている。即ち、ｘ方向、ｙ方向及びｚ方向が、直交する三次元の座標系を形成するように配置されている。図１においては、ｚ方向は、図平面から出現する。
【００５２】
図２ａ）においては、圧電アクチュエータ装置１８−ｉは、基板層５４に接して、かつ、基板層５４とともに形成され得る。基板層５４は、例えば、ケイ素基板であってよい。特に有利には、同一の基板層５４から、図１に関連して上述した、マイクロメカニカル装置１０の全ての要素が形成される。ここで、例外は、以下で述べるように、圧電アクチュエータ装置１８−ｉの一部、並びに、圧電アクチュエータ装置１８−ｉ及びミラー面１３への電気的な線路である。
【００５３】
特に、圧電アクチュエータ装置１８−ｉの基板層５４は、アクチュエータ装置１８−ｉへと続く各たわみビーム２０−ｉとワンピースに、同一の基板から形成されているものとするとよい。たわみビーム２０−ｉは、特に、同一の基板から、トーションビーム２２−１、２２−２及び／又はトーションビーム２３−１、２３−２とワンピースに形成されているものとするとよい。トーションビーム２３−１、２３−２は、特に、ワンピースに、第２のフレーム装置２４と同一の基板から形成されているものとするとよい。トーションビーム２２−１、２２−２は、特に、ワンピースに、第１のフレーム装置１４と同一の基板から形成されているものとするとよい。第１のフレーム装置１４は、特に、ワンピースに、トーションビーム１３−１、１３−２と同一の基板から形成されているものとするとよい。トーションビーム１３−１、１３−２は、特に、ワンピースに、その上にミラー面１３が配置されている、ミラー装置１２の支持構造体と同一の基板から形成されているものとするとよい。
【００５４】
基板層５４の第１の外面５４−ｕには、圧電アクチュエータ装置１８−ｉの一部として、第１の電極５５が配置されているものとするとよい。基板層５４の第１の外面５４−ｕと反対側の、基板層５４の第２の、第２の外面５４−ｏには、この順序において、以下の、有利には部分的にパターニングされている層５３から５０が配置されているものとするとよい。即ち、第１の圧電層５３、酸化層５２、第２の圧電層５１及び第２の電極５０が配置されているものとするとよい。従って、第１の電極５５と第２の電極５０との間に電圧信号を印加することによって、電圧を、第１及び第２の圧電層５３、５１に印加することができる。これによって、圧電アクチュエータ装置１８−ｉが動作させられる。
【００５５】
図２ｂ）は、マイクロメカニカル装置１０の圧電アクチュエータ装置１８−ｉを形成することができる別の形態を示している。
【００５６】
図２ｂ）も、ｘ−ｚ平面における概略的な横断面図を示している。図２ｂ）に示されている形態においても、圧電アクチュエータ装置１８−ｉは、基板層５４を有している。この基板層５４は、特に、図２ａ）における基板層５４に関して説明されたように形成されているものとするとよく、従って、特に、マイクロメカニカル装置１０の１つ又は多数の別の要素とワンピースに、同一の基板から形成されているものとするとよい。
【００５７】
図２ｂ）においては、基板層５４の第１の外面５４−ｕには、最初に、第１の圧電層５３が配置され、次に、第１の電極５５が配置されている。即ち、第１の圧電層５３は、基板層５４と第１の電極５５との間に挟まれている。同様に、基板層５４の第１の外面５４−ｕとは反対側の、基板層５４の第２の外面５４−ｏには、最初に、第２の圧電層５１が配置され、次に、第２の電極５０が配置されている。即ち、第２の圧電層５１は、基板層５４と第２の電極５０との間に挟まれている。従って、このような形態でも、第１の電極５５と第２の電極５０との間に電圧信号を印加することによって、電圧が、２つの圧電層５３、５１に印加され得る。これによって、圧電アクチュエータ装置１８−ｉが動作させられる。
【００５８】
図２ａ）及び図２ｂ）は、アクチュエータ装置１８−ｉの層構造体を明確にするためだけのものであり、実際の、構造的に正確に示された横断面を示すものではない。特に、図示されている層５０乃至５５のうちの１つ又は複数は、ｘ方向において異なる幅で形成されているものとするとよい、各空白部分を有しているものとするとよい、等々である。
【００５９】
各圧電アクチュエータ装置１８−ｉへの電圧信号の印加は、特に、以降において、光の二次元偏向のための本発明に係る方法に関して説明するように行われ得る。マイクロメカニカル装置１０は、電気的な線路を有している、ということを理解されたい。ここで、この電気的な線路は、この電気的な線路によって、各圧電アクチュエータ装置１８−ｉの各電極５０、５５が接触接続可能であるように形成されている。見やすくするために図１には示されていない電気的な線路は、特に全体として又は部分的に、図１に示されている、マイクロメカニカル装置１０の要素の種々の表面に沿って形成されているものとするとよい。
【００６０】
装置１０においては、有利には、全ての圧電アクチュエータ装置１８−ｉは、次のように形成されている。即ち、それぞれ、基板層５４の同一の面において、全ての圧電アクチュエータ装置１８−ｉに対して、第１の電極５５が配置されており、基板層５４の別の面において、全ての圧電アクチュエータ装置１８−ｉに対して、第２の電極５０が配置されているように、形成されている。以降においては、正の値を有している電圧信号とは、それに従って、より高い電位差を伴う電圧勾配が第１の電極５５に存在し、より低い電位差を伴う電圧勾配が第２の電極５０に存在する電圧信号のことである。
【００６１】
換言すれば、正の電圧信号は、正のｚ方向での電圧勾配を生じさせる電圧信号である。
【００６２】
圧電アクチュエータ装置１８−ｉのうちの１つ又は複数が、残余の圧電アクチュエータ装置１８−ｉとは異なる積層形態で形成されていてもよい、ということを理解されたい。例えば、基板層５４の外面５４−ｕ、５４−ｏに関して交換されて、即ち、基板層５４で反射された配置構成で形成されていてもよい。
【００６３】
図３は、本発明の別の実施形態に即した、光の二次元偏向のための装置を説明するための概略的なフローチャートを示している。
【００６４】
図３に示された方法においては、ステップＳ０１において、本発明に係るマイクロメカニカル装置、例えば、マイクロメカニカル装置１０が提供される。
【００６５】
ステップＳ０２においては、第１の周期的な電圧信号が第１の圧電アクチュエータ装置１８−１に印加される。第２のステップＳ０３においては、第２の周期的な電圧信号が、第２の圧電アクチュエータ装置１８−２に印加される。ステップＳ０４においては、第３の周期的な電圧信号が第３の圧電アクチュエータ装置１８−３に印加される。ステップＳ０５においては、第４の周期的な電圧信号が第４の圧電アクチュエータ装置１８−４に印加される。有利には、常に、少なくとも２つの電圧信号が同時に印加される。特に、それぞれ２つ又は４つの電圧信号が同時に印加される。
【００６６】
電圧信号の印加は、特に、以降において、図４及び図５に関連して説明されるように行われてもよい。図４及び図５はそれぞれ、図３に示された方法による動作中の、図１に示されたマイクロメカニカル装置１０の三次元の概略的な斜視図を示している。
【００６７】
図４は、概略的に、マイクロメカニカル装置１０の動作を示している。ここでは、ミラー面１３は、第２の軸Ｄ２を中心に周期的に回動され、これによって、例えば、ミラー面１３に入射する光ビームがｘ方向に偏向される。
【００６８】
上述したように、図１に示されているマイクロメカニカル装置１０においては、有利には、各圧電アクチュエータ装置１８−ｉは等しく形成されており、特に、ｚ方向における積層構成に関して、等しく形成されている。この場合には、ミラー面１３の、図４に概略的に示されている、第１の軸Ｄ１を中心とした変位が次のことによって形成可能である。即ち、第１の圧電アクチュエータ装置１８−１及び第２の圧電アクチュエータ装置１８−２に、同等の周期的な電圧信号、即ち、それぞれ同等の現在の振幅と同一の数学的な符号とを有している周期的な電圧信号が印加されることによって形成可能である。
【００６９】
同様に、同時に、第３の圧電アクチュエータ装置１８−３及び第４の圧電アクチュエータ装置１８−４に、同等の周期的な電圧信号、即ち、それぞれ同等の現在の振幅と同一の数学的な符号とを有している周期的な電圧信号が印加される。ここで、第３及び第４のアクチュエータ装置１８−３、１８−４に印加される電圧信号はまさに、−１が乗算された、第１及び第２のアクチュエータ装置１８−１、１８−２に印加される電圧信号である。換言すれば、各圧電アクチュエータ装置１８−ｉには、同一の振幅絶対値を有する信号が印加され、ここで、第１及び第２のアクチュエータ装置１８−１、１８−２に印加される信号はそれぞれ、第３及び第４のアクチュエータ装置１８−３、１８−４に印加される電圧信号とは逆の数学的な符号を有している。
【００７０】
図４に概略的に示されているように、アクチュエータ構造体１６の一部は、ミラー面１３とは逆方向に動くので、全体的に、結果として生じる僅かな回転モーメントしかトーションビーム２３−１、２３−２を介して第２のフレーム装置２４には作用しない、又は、回転モーメントはトーションビーム２３−１、２３−２を介して第２のフレーム装置２４には全く作用しない。
【００７１】
第２の軸Ｄ２を中心としたミラー面１３の変位は、次のことによって形成される。即ち、第１の圧電アクチュエータ装置１８−１と第３のアクチュエータ装置１８−３とに、同等の周期的な電圧信号、即ち、それぞれ同等の現在の振幅と同一の数学的な符号とを有している周期的な電圧信号が印加されることによって形成可能である。
【００７２】
同様に、同時に、第２の圧電アクチュエータ装置１８−２及び第４の圧電アクチュエータ装置１８−４に、同等の周期的な電圧信号、即ち、それぞれ同等の現在の振幅と同一の数学的な符号とを有している周期的な電圧信号が印加される。ここで、第２及び第４のアクチュエータ装置１８−２、１８−４に印加される電圧信号はまさに、−１が乗算された、第１及び第３のアクチュエータ装置１８−１、１８−３に印加される電圧信号である。換言すれば、各圧電アクチュエータ装置１８−ｉには、同一の振幅絶対値を有する信号が印加され、ここで、第１及び第３のアクチュエータ装置１８−１、１８−３に印加される信号はそれぞれ、第２及び第４のアクチュエータ装置１８−２、１８−４に印加される電圧信号とは逆の数学的な符号を有している。
【００７３】
振幅の絶対値においては等しいが、数学的な符号においては異なっている電圧信号を、説明したように印加することによって、マイクロメカニカル装置１０、特にマイクロメカニカル装置１０の要素の有利な固有モードが形成される。但し、第２のフレーム装置２４は、例外である。このような固有モードに基づいて、ミラー面１３は、ミラー面１３に入射する光ビームの偏向のために所望の運動を行う。第１の軸Ｄ１を中心にしたミラー面１３の運動も、第２の軸Ｄ２を中心にしたミラー面の運動も生じさせる複雑な固有モードが励起されるものとするとよい。このために、電圧信号が、アクチュエータ装置１８−ｉに、特別なクロックパターンで、例えばマルチプレクスモードで印加されるものとするとよい。
【００７４】
圧電アクチュエータ装置１８−ｉの形成及び配置時に、ミラー面１３の所望の運動モードを実現するために、上述した記載とは異なる様式で、電圧信号の印加が相応に適合され得る、ということを理解されたい。
【図１】
2018041085.tif 000003
【図２】
2018041085.tif 000004
【図３】
2018041085.tif 000005
【図４】
2018041085.tif 000006
【図５】
2018041085.tif 000007
【手続補正書】
【提出日】平成29年12月25日(2017.12.25)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】全文
【補正方法】変更
【補正の内容】
【特許請求の範囲】
【請求項１】
光の二次元偏向のためのマイクロメカニカル装置（１０）であって、
ミラー面（１３）を備えたミラー装置（１２）を有しており、前記ミラー面（１３）は、前記ミラー面（１３）に入射する光を偏向し、
前記ミラー装置（１２）は、第１の軸（Ｄ１）を中心に回転可能に、第１のフレーム装置（１４）の中に配置されており、かつ、前記第１のフレーム装置（１４）に固定されており、
前記第１のフレーム装置（１４）は、第２の軸（Ｄ２）を中心に回転可能に、アクチュエータ構造体（１６）の中に配置されており、かつ、前記アクチュエータ構造体（１６）に固定されており、
前記アクチュエータ構造体（１６）は、少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）を有しており、
前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の位置は、前記第１の軸（Ｄ１）に関しても、前記第２の軸（Ｄ２）に関しても、対称に配置されている、
ことを特徴とするマイクロメカニカル装置（１０）。
【請求項２】
前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の寸法は、前記第１の軸（Ｄ１）に対して平行な第１の方向（ｘ）において等しく、かつ、
前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の寸法は、前記第２の軸（Ｄ２）に対して平行な第２の方向（ｙ）において等しい、
ことを特徴とする請求項１に記載の装置（１０）。
【請求項３】
各前記圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）は、各たわみビーム（２０−ｉ）を介して、前記装置（１０）の残余の部分と接続されている、
ことを特徴とする請求項１又は２に記載の装置（１０）。
【請求項４】
前記第１のフレーム装置（１４）は、２つのトーションビーム（２２−１，２２−２）を介して前記アクチュエータ構造体（１６）と接続されており、
各前記トーションビーム（２２−１，２２−２）は、前記アクチュエータ構造体（１６）の、それぞれ２つの前記たわみビーム（２０−ｉ）が当接している領域に接している、
ことを特徴とする請求項３に記載の装置（１０）。
【請求項５】
前記圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）は、２つの短い辺と２つの長い辺とを備えた長方形の形状で形成されており、
各前記たわみビーム（２０−ｉ）は、各前記アクチュエータ装置（１８−ｉ）に、前記２つの長い辺のうちの１つの長い辺の各終端部において接している、
ことを特徴とする請求項３又は４に記載の装置（１０）。
【請求項６】
前記圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）同士は、電気的な線路によって、各電圧が各前記アクチュエータ装置（１８−ｉ）に、前記第１の軸（Ｄ１）と前記第２の軸（Ｄ２）とによって形成されている面に垂直な方向（ｚ）において印加可能であるように、電気的に接触接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の装置（１０）。
【請求項７】
前記圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）同士は、電気的な線路によって、周期的な電気信号が各前記アクチュエータ装置（１８−ｉ）に、同等の振幅で、かつ、調節可能な、それぞれ０°又は１８０°の相対的な位相シフトで印加可能であるように、電気的に接触接続されている、
ことを特徴とする請求項１乃至６のいずれか一項に記載の装置（１０）。
【請求項８】
光の二次元偏向のための方法であって、
請求項１乃至７のいずれか一項に記載されたマイクロメカニカル装置（１０）を準備するステップ（Ｓ０１）と、
第１の周期的な電圧信号を、前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の第１の圧電アクチュエータ装置（１８−１）に印加するステップ（Ｓ０２）と、
第２の周期的な電圧信号を、前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の第２の圧電アクチュエータ装置（１８−２）に印加するステップ（Ｓ０３）と、
を備えており、
前記第１の電圧信号と前記第２の電圧信号とは、前記第２の電圧信号の各現在の振幅が、前記第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、又は、−１が乗算された、前記第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、印加される、
ことを特徴とする方法。
【請求項９】
第３の周期的な電圧信号を、前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の第３の圧電アクチュエータ装置（１８−３）に印加するステップ（Ｓ０４）と、
第４の周期的な電圧信号を、前記少なくとも４つの圧電アクチュエータ装置（１８−ｉ）の第４の圧電アクチュエータ装置（１８−４）に印加するステップ（Ｓ０５）と、
を備えており、
前記第３の電圧信号と前記第４の電圧信号とは、前記第４の電圧信号の各現在の振幅が、前記第３の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、又は、−１が乗算された、前記第３の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、印加される、
ことを特徴とする請求項８に記載の方法。
【請求項１０】
前記第１の電圧信号と前記第３の電圧信号は、前記第３の電圧信号の各現在の振幅が、前記第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、又は、−１が乗算された、前記第１の電圧信号の各現在の振幅と等しくなるように、印加される、
ことを特徴とする請求項９に記載の方法。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２７】
【図１】本発明の実施形態に即した、光の二次元偏向のためのマイクロメカニカル装置の概略的な平面図である。
【図２】図２ａは、図１に示されたマイクロメカニカル装置の第１の形態の圧電アクチュエータ装置の概略的な横断面図であり、図２ｂは、図１に示されたマイクロメカニカル装置の第２の形態の圧電アクチュエータ装置の概略的な横断面図である。
【図３】本発明の別の実施形態に即した、光の二次元偏向のための方法を説明するための概略的なフローチャートである。
【図４】図３に示された方法による動作の間の、図１に示されたマイクロメカニカル装置の三次元の概略的な斜視図である。
【図５】図３に示された方法による動作の間の、図１に示されたマイクロメカニカル装置の三次元の概略的な斜視図である。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００５４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００５４】
基板層５４の第１の外面５４−ｕには、圧電アクチュエータ装置１８−ｉの一部として、第１の電極５５が配置されているものとするとよい。基板層５４の第１の外面５４−ｕと反対側の、基板層５４の第２の外面５４−ｏには、この順序において、以下の、有利には部分的にパターニングされている層５３から５０が配置されているものとするとよい。即ち、第１の圧電層５３、酸化層５２、第２の圧電層５１及び第２の電極５０が配置されているものとするとよい。従って、第１の電極５５と第２の電極５０との間に電圧信号を印加することによって、電圧を、第１及び第２の圧電層５３、５１に印加することができる。これによって、圧電アクチュエータ装置１８−ｉが動作させられる。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００６３
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００６３】
図３は、本発明の別の実施形態に即した、光の二次元偏向のための方法を説明するための概略的なフローチャートを示している。
【外国語明細書】
2018041085.tif 000008
2018041085.tif 000009
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