(57)【要約】本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーデバイスを提供する。当該デバイスは、ミラーを有し、該ミラーは、第一端部に２次元回転連接式ヒンジを有し、かつ該第一端部の反対側の第二端部に１次元回転連接式ヒンジを有する。可動カンチレバーを有し、該可動カンチレバーは、該１次元回転連接式ヒンジを介して該ミラーに接続されている。支持構造体を有し、該支持構造体は、該２次元回転連接式ヒンジを介して該ミラーに接続されており、かつ該可動カンチレバーに接続されている。これによって、該可動カンチレバーの動きにより、第一の回転軸において該ミラーの回転が生じ、そして、該ミラーが該第一の回転軸に対して垂直な第二の捩じり回転軸に関して回転可能でもある。【選択図】図３Ｂ
2007534017.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーデバイスであって、
ミラーを有し、該ミラーは、第一端部に２次元回転連接式ヒンジを持ちかつ該第一端部の反対側の第二端部に１次元回転連接式ヒンジを持ち、
可動カンチレバーを有し、該可動カンチレバーは、該１次元回転連接式ヒンジを介して該ミラーに接続されており、
支持構造体を有し、該支持構造体は、該２次元回転連接式ヒンジを介して該ミラーに接続されており、かつ該可動カンチレバーに接続されており、
該可動カンチレバーの剛体延長部分を有し、該延長部分は、該支持構造体が該可動カンチレバーに接続されている箇所を超えて、該ミラーとは反対方向に延びており、
これによって、前記可動カンチレバーの動きが第一の回転軸における該ミラーの回転を生じさせ、かつ、該ミラーが前記第一の回転軸に対して垂直な第二の捩じり回転軸の周りを回転可能でもあり、かつ、
これによって、該可動カンチレバーの延長部分の動きが、該可動カンチレバーの動きに対応する逆の動きを生じさせる、
前記デバイス。
【請求項２】
２次元回転連接式ヒンジが、
第一の１次元回転連接式ヒンジを有し、該第一の１次元回転連接式ヒンジは、第一端部に第一取り付けポイントを有しかつ第二端部を有し、
第二の１次元回転連接式ヒンジを有し、該第二の１次元回転連接式ヒンジは、第一端部に第二取り付けポイントを有しかつ第二端部を有し、該第一の１次元回転連接式ヒンジの第二端部が、該第二の１次元回転連接式ヒンジの第二端部に接続されており、
第三の１次元回転連接式ヒンジを有し、該第三の１次元回転連接式ヒンジは、該第一および第二の連接式１次元回転ヒンジの第二端部に接続されており、
これによって、該第一の１次元回転連接式ヒンジと該第二の１次元回転連接式ヒンジとが、該第一取り付けポイントと該第二取り付けポイントとの間に第一の回転軸を定めており、かつ、該第三の１次元回転連接式ヒンジとミラーの第二端部にある１次元回転連接式ヒンジとが、該第一の回転軸に対して垂直な第二の捩じり回転軸を定めている、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
各１次元回転連接式ヒンジがそれぞれの連接式ビームを有し、該ビームは幅に対する厚さの大きいアスペクト比を持つものである、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
各１次元回転連接式ヒンジがそれぞれの連接式ビームを有し、該ビームは幅に対する厚さの大きいアスペクト比を持っており、該ビームが、シリコン、ポリシリコン、窒化シリコン、二酸化シリコン、および金属被覆可能材料からなる群より選ばれる１つまたはそれ以上の材料で形成されている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
ビームが一体構造で形成されている、請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
ビーム、ミラーおよび可動カンチレバーが、一体構造で形成されている、請求項３に記載のデバイス。
【請求項７】
ミラーが、各軸において、少なくとも０．３度の運動角度範囲を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
ミラーを第一および第二の回転軸において動かすよう、静電気力を該ミラーに加えるための電極をさらに有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
電極が、２つの電極を有し、それぞれがミラーを第二の回転軸においてそれぞれの方向に動かすよう静電気力を該ミラーに加えるためのものであり、かつ、電極が、ミラーを第一の回転軸において動かすよう静電気力を可動カンチレバーに加えるための少なくとも１つの電極を有する、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
少なくとも１つの電極が、支持構造体に取り付けられた２つの電極を有し、該２つの電極のそれぞれが、ミラーを第一の回転軸においてそれぞれの方向に動かすよう、それぞれの静電気力を可動カンチレバーに加えるためのものである、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記支持構造体が、可動カンチレバーの第一面上の第一領域と、該可動カンチレバーの該第一領域とは反対側の第二領域とを有し、
該第一領域には、静電気力を該可動カンチレバーに加えるための２つの電極の１つめが取り付けられており、
該第二領域には、静電気力を該可動カンチレバーに加えるための２つの電極の２つめが取り付けられている、
請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第一方向に動かすための第一電極、および、静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第二方向に動かすための第二電極を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第一方向に動かすための第一電極が、可動カンチレバーに近接した支持構造体上にあり、かつ、静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第二方向に動かすための第二電極が、可動カンチレバーの延長部分に近接した支持構造体上にある、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
可動カンチレバーと、該可動カンチレバーの剛体延長部分とが、支持構造体に一緒にピボット回転可能に取り付けられている、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１５】
可動カンチレバーと、該可動カンチレバーの剛体延長部分とが、支持構造体の部分に一緒に固定して取り付けられており、該支持構造体の部分が、該可動カンチレバーと、該可動カンチレバーの剛体延長部分とを、第一の回転軸において回転させるのに十分にフレキシブルである、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１６】
可動カンチレバーの剛体延長部分の慣性モーメントが、該可動カンチレバーおよびミラーの慣性モーメントと実質的にバランスをとっている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
ミラーが、金属でメッキされたシリコンでできている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
金属が、金、アルミニウム、または銅の層を有する、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
請求項１に記載のデバイスが、複数Ｎ個、１×ＮのＭＥＭｓアレイを形成するように並んで配置され、Ｎ≧２である、デバイス。
【請求項２０】
請求項１に記載のデバイスが、複数Ｎ×Ｍ個、Ｎ列のＭ個のデバイスとなるように配置され、それによってＮ×ＭのＭＥＭｓアレイが形成され、Ｎ≧２およびＭ≧２である、デバイス。
【請求項２１】
ミラーが光スイッチングのために用いられる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
可動カンチレバーが、ミラーポジションの容量検知、磁気検知または光検知のために用いられる、請求項１に記載のデバイス。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
発明の分野
本発明は、高フィルファクターアレイのための、連接式(articulated)サスペンション構造を有するＭＥＭＳ（微小電子機械システム）２次元ミラーに関する。
【背景技術】
【０００２】
発明の背景
ＭＥＭＳ（Micro-Electro-Mechanical-System：微小電子機械システム）デバイスは、様々な微細加工プロセス（ほとんどが集積回路の製造方法に由来する）によってデバイスと一緒に加工される電気回路を有する、微小サイズの機械構造体である。微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）の分野における開発により、オール光交差接続スイッチ、１×Ｎ、Ｎ×Ｎ光スイッチ、アッテネーターなどにおいて用いられ得る、微小電子機械ミラーおよびミラーアレイの大量生産が可能になる。多くの微小電子機械ミラーアレイがすでに、ＭＥＭＳ製造プロセスおよび技術を用いて作られてきた。これらのアレイは、およそ３つの設計カテゴリーに該当する設計を有する。
【０００３】
第１のカテゴリーは、各ミラーがフレームに囲まれた従来の２Ｄジンバルミラーからなる。従来の２Ｄジンバルミラーは、ＭＥＭＳ ２Ｄ 微小ミラーの最も一般的なタイプの１つである。一例を図６に示す。これは中央ミラー１０からなり、該ミラーは、捩じりヒンジ(torsional hinge)１４で外側フレーム１２に接続されている。次いで、外側レーム１２は、別セットの捩じりヒンジ１８で支持構造体１６に接続されている。中央ミラー１０の下には４つの電極があり、これら電極を作動させてミラーフレームアセンブリの２Ｄのチルト(tilt)を生じさせることができる。かかるデバイスの１つは、米国特許出願公報番号：ＵＳ２００２／００７１１６９Ａ１（公開日、２００２年６月１３日）に開示されている。この設計の１つの欠点は、ミラーアレイにおいて、高いフィルファクター（fill factor）（これは、２つの連続したミラー間の間隔、またはアレイにおける全エリアに対するアクティブエリアの割合である）を達成することができないことである。高フィルファクターの一例は、１つの寸法に沿って＞９０％の作動ミラー部分である。
【０００４】
第２のカテゴリーは、隠しヒンジ構造を有する２Ｄ／３Ｄミラーからなる。空間光変調器においてなされた重大な進展により、さまざまなタイプの隠しヒンジ構造を有する多くの２Ｄ微小ミラーデバイスが設計されてきた。これらの例示は、米国特許番号５，５３５，０４７、米国特許番号５，６６１，５９１、米国特許番号：ＵＳ６，４８０，３２０Ｂ２に開示されている。
【０００５】
かかるデバイスの一例の概略図を図７に示す。このデバイス構造は高フィルファクターアレイをもたらすことができるが、製造プロセスが非常に複雑である。隠しヒンジ構造を有する空間光変調器およびデジタルミラーデバイスについてのさらなる考察のため、以下を参照する：米国特許番号５，０６１，０４９、米国特許番号５，０７９，５４５、米国特許番号５，１０５，３６９、米国特許番号５，２７８，６５２、米国特許番号４，６６２，７４６、米国特許番号４，７１０，７３２、米国特許番号４，９５６，６１９、米国特許番号５，１７２，２６２、および米国特許番号５，０８３，８５７。
【０００６】
第３のカテゴリーは、それぞれが単一可動フレキシブルポストに取り付けられた２Ｄミラーからなる。ＭＥＭＳチルトプラットフォームの一例は、図８に示すように、フレキシブルポスト３０によって支持されている。ポスト３０は、基板すなわち支持材料３４に形成された、モート３２、すなわち、溝の内部に延びている。ポスト３０は、全方向性ヒンジとして作動するように十分に長くかつフレキシブルに作られており、曲がることで、ミラー３６が２つの自由度で位置決めされるのを可能にし得る。
【０００７】
この設計のいくつかの欠点は、プロセスの複雑性、ポストフレキシビリティ、ワイヤリング、およびチルト離心（tilt eccentricity）である。かかるデバイスのいくつかは、米国特許番号５，４６９，３０２、米国特許出願公報番号ＵＳ２００２／００７５５５４Ａ１に開示されている。さらに、これらのデバイスのコントロールは複雑となり、デバイスコストのかなりの部分を占める。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
本発明の要旨
必ずしも全てではないがいくつかの実施態様において実現されたいくつかの利点として以下のことが挙げられる。
高フィルファクターリニアアレイ。いくつかの実施態様において、１つの寸法に沿って９９％もの高いフィルファクターが達成されうる。
２つのチルト軸間の、ほとんど無視できるカップリング。
安価で簡単なコントロール。開ループ／参照(look up)テーブルコントロールですら可能である。
簡単な製造プロセスを用いてデバイスを製造することができる。
そして、デバイスのカンチレバー部分を、ミラーポジションの容量検知、磁気検知または光検知のために用いることもできる。
【０００９】
１つの広い態様によれば、本発明は、微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーデバイスを提供し、当該デバイスは、ミラーを有し、該ミラーは、第一端部に２次元回転連接式ヒンジを持ちかつ該第一端部の反対側の第二端部に１次元回転連接式ヒンジを持ち；当該デバイスは、可動カンチレバーを有し、該可動カンチレバーは、該１次元回転連接式ヒンジを介して該ミラーに接続されており；当該デバイスは、支持構造体を有し、該支持構造体は、該２次元回転連接式ヒンジを介して該ミラーに接続されており、かつ該可動カンチレバーに接続されており；当該デバイスは、該可動カンチレバーの剛体延長部分を有し、該延長部分は、該支持構造体が該可動カンチレバーに接続されている箇所を超えて、該ミラーとは反対方向に延びており；これによって、前記可動カンチレバーの動きが第一の回転軸における該ミラーの回転を生じさせ、かつ、該ミラーが前記第一の回転軸に対して垂直な第二の捩じり回転軸の周りを回転可能でもあり；かつ、これによって、該可動カンチレバーの延長部分の動きが、該可動カンチレバーの動きに対応する逆の動きを生じさせるものである。
【００１０】
ある実施態様では、２次元回転連接式ヒンジが、第一の１次元回転連接式ヒンジを有し、該第一の１次元回転連接式ヒンジは、第一端部に第一取り付けポイントを有しかつ第二端部を有し；該２次元回転連接式ヒンジが、第二の１次元回転連接式ヒンジを有し、該第二の１次元回転連接式ヒンジは、第一端部に第二取り付けポイントを有しかつ第二端部を有し、該第一の１次元回転連接式ヒンジの第二端部が、該第二の１次元回転連接式ヒンジの第二端部に接続されており；２次元回転連接式ヒンジが、第三の１次元回転連接式ヒンジを有し、該第三の１次元回転連接式ヒンジは、該第一および第二の連接式１次元回転ヒンジの第二端部に接続されており；これによって、該第一の１次元回転連接式ヒンジと該第二の１次元回転連接式ヒンジとが、該第一取り付けポイントと該第二取り付けポイントとの間に第一の回転軸を定めており、かつ、該第三の１次元回転連接式ヒンジとミラーの第二端部にある１次元回転連接式ヒンジとが、該第一の回転軸に対して垂直な第二の捩じり回転軸を定めている。
【００１１】
ある実施態様では、各１次元回転連接式ヒンジがそれぞれの連接式ビームを有し、該ビームは幅に対する厚さの大きいアスペクト比を持つものである。
【００１２】
ある実施態様では、各１次元回転連接式ヒンジがそれぞれの連接式ビームを有し、該ビームは幅に対する厚さの大きいアスペクト比を持っており、該ビームが、シリコン、ポリシリコン、窒化シリコン、二酸化シリコン、および金属被覆可能材料からなる群より選ばれる１つまたはそれ以上の材料で形成されている。
【００１３】
ある実施態様では、ビームが一体構造で形成されている。
【００１４】
ある実施態様では、ビーム、ミラーおよび可動カンチレバーが、一体構造で形成されている。
【００１５】
ある実施態様では、ミラーが各軸において少なくとも０．３度の運動角度範囲を有するデバイスである。
【００１６】
ある実施態様では、デバイスは、ミラーを第一および第二の回転軸において動かすよう、静電気力を該ミラーに加えるための電極をさらに有する。
【００１７】
ある実施態様では、電極が、２つの電極を有し、それぞれがミラーを第二の回転軸においてそれぞれの方向に動かすよう静電気力を該ミラーに加えるためのものであり、かつ、電極が、ミラーを第一の回転軸において動かすよう静電気力を可動カンチレバーに加えるための少なくとも１つの電極を有する。
【００１８】
ある実施態様では、少なくとも１つの電極が、支持構造体に取り付けられた２つの電極を有し、該２つの電極のそれぞれが、ミラーを第一の回転軸においてそれぞれの方向に動かすよう、それぞれの静電気力を可動カンチレバーに加えるためのものである。
【００１９】
ある実施態様では、前記支持構造体が、可動カンチレバーの第一面上の第一領域と、該可動カンチレバーの該第一領域とは反対側の第二領域とを有し、該第一領域には、静電気力を該可動カンチレバーに加えるための２つの電極の１つめが取り付けられており、該第二領域には、静電気力を該可動カンチレバーに加えるための２つの電極の２つめが取り付けられている。
【００２０】
ある実施態様では、デバイスは、静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第一方向に動かすための第一電極、および、静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第二方向に動かすための第二電極を有する。
【００２１】
ある実施態様では、静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第一方向に動かすための第一電極が、可動カンチレバーに近接した支持構造体上にあり、かつ、静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第二方向に動かすための第二電極が、可動カンチレバーの延長部分に近接した支持構造体上にある。
【００２２】
ある実施態様では、可動カンチレバーと、該可動カンチレバーの剛体延長部分とが、支持構造体に一緒にピボット回転可能に取り付けられている。
【００２３】
ある実施態様では、可動カンチレバーと、該可動カンチレバーの剛体延長部分とが、支持構造体の部分に一緒に固定して取り付けられており、該支持構造体の部分が、該可動カンチレバーと、該可動カンチレバーの剛体延長部分とを、第一の回転軸において回転させるのに十分にフレキシブルである。
【００２４】
ある実施態様では、可動カンチレバーの剛体延長部分の慣性モーメントが、該可動カンチレバーおよびミラーの慣性モーメントと実質的にバランスをとっている。
【００２５】
ある実施態様では、ミラーが、金属でメッキされたシリコンでできている。
【００２６】
ある実施態様では、金属が、金、アルミニウム、または銅の層を有する。
【００２７】
ある実施態様では、複数Ｎ個のデバイスが、１×ＮのＭＥＭｓアレイを形成するように並んで配置され、Ｎ≧２である。
【００２８】
ある実施態様では、複数Ｎ×Ｍ個のデバイスが、Ｎ列のＭ個のデバイスとなるように配置され、それによってＮ×ＭのＭＥＭｓアレイが形成され、Ｎ≧２およびＭ≧２である。
【００２９】
ある実施態様では、ミラーは光スイッチングのために用いられる。
【００３０】
ある実施態様では、可動カンチレバーは、ミラーポジションの容量検知、磁気検知または光検知のために用いられる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３１】
ここで、本発明の好ましい実施態様を添付の図面を参照して説明する。
【００３２】
好ましい実施態様の詳細な説明
連接式サスペンションのスプリング／ヒンジによって支持された公知の１Ｄ ＭＥＭＳ捩じりミラーが図１Ａおよび１Ｂに示されている。この装置は、支持構造体３０からなり、該構造体内には、２つの連接式ヒンジ３６を介して該支持構造体３０に接続されたミラー３４が取り付けられている。通常、ミラーおよび連接式ヒンジの装置全体は、シリコンの単一ピースでできている。連接式ヒンジ３６は、幅に対する長さの高いアスペクト比を有するシリコンビームからなり、これによって、捩じり回転が可能になる。連接部(articulation)を用いることにより、長いシリコンビームを非常に狭い空間に提供することができる。一組のアドレス電極３８および４０もまた示してある。これらは、電圧を電極へ印加することができるコントロールシステムに接続される。通常、ミラー装置は接地(ground)される。ミラー３４は、電極３８、４０を用いてミラーのいずれかの側に静電気力を加えることにより、その回転軸（θｘ）３２を中心にして回転することができる。これは図２に示す。概して５０で示したものは、第一の配置（ここで、ミラーは回転軸３２に関して反時計回りに回転している）にあるミラーであり、概して５２で示したものは、ミラーが回転軸３２に関して時計回りに回転している同じ装置を示す。
【００３３】
ミラーの２Ｄ回転（すなわち、（θｘ）および（θｚ）の両方における回転、θｚは主捩じりチルト（θｘ）に対して直交している）を促進するために、本発明の実施態様は２Ｄ回転可能な連接式ヒンジを提供する。新規な連接式ヒンジの上面図を図３Ａに示す。２Ｄ回転可能な連接式ヒンジは、第一連接式ヒンジ部分６０および一組の第二連接式ヒンジ６２、６３を含む。第二連接式ヒンジ６２、６３のぞれぞれは、概して６４で示した支持構造体に接続可能であり、また、第一連接式ヒンジ６０にも接続されている。３つの連接式ヒンジ６０、６２、６３のぞれぞれは、図１Ａの従来の連接式ヒンジ３６と同様のものである。すなわち、各連接式ヒンジは、幅に対する高いアスペクト比の厚さを有するシリコンビームからなる。３つの連接式ヒンジ６０、６２、６３からなる装置全体は、好ましくは、シリコンの単一の一体ピースから作られる。別の実施態様では、装置は、ポリシリコン、窒化シリコン、二酸化シリコン、および金属被覆可能材料などの被覆された材料でできている。その他の材料を使用してもよい。組立てが必要とされないという点で、構造は一体であるのが好ましい。しかしながら、ビームは、複数の材料でできていてもよく、例えば、層状構造であってもよい。第一連接式ヒンジ６０によって第一の捩じり軸（θｘ）に沿った回転が可能となるのに対し、第二連接式ヒンジ６２および６３のそれぞれによって第二の軸（θｚ）に関して回転が可能となる。
【００３４】
次に、図３Ｂを参照して、図３Ａの連接式ヒンジの第一の使用例を示す。ここで、連接式ヒンジは概して７０で示されており、別の１Ｄ連接式ヒンジ７４がある端部とは反対側の端部でミラー７２に接続されている。図３Ｂの装置全体はシリコンの単一ピースで作られているのが好ましい。図３Ｂに示したような装置によって、主回転軸（θｘ）および付加的な回転軸（θｚ）（この軸は、主回転軸に対して直交している）に関してミラー７２が回転することが可能となる。
【００３５】
本発明の好ましい実施態様において、図３Ｂの装置は、一例として図４Ａに例示される器具において使用される。ここで、再び２Ｄ回転連接式ヒンジ７０がミラー７２および１Ｄ回転連接式ヒンジ７４に接続されているのが示されている。支持構造体を概して７６で示す。２Ｄ回転連接式ヒンジ７０は、２つの箇所７８、７９において支持構造体に接続されている。１Ｄ回転連接式ヒンジ７４は、カンチレバー８０を介して支持構造体７６に接続されている。好ましくは、カンチレバーは単にシリコンの別のピースであり、該ピースは、このカンチレバーを主回転軸（θｘ）に関して実質的に回転させないような様式で、支持構造体７６に８２にて接続されている。しかしながら、カンチレバー８０はいくらかのフレキシビリティを有しており、特に、支持構造体への接続部８２から最も離れているカンチレバー８０の端部８７は、いくらかの上下運動が可能である。カンチレバー８０のさらなるフレキシビリティを得るために、パーツを取り除いてもよい。図解した実施例において、カンチレバー８０は、支持構造体７６への取り付けポイント８２の近くにギャップ８９を含む。これによって、ポイント８７の上下運動を生じさせるのに必要な力の量が低減される。
【００３６】
捩じり軸（θｘ）における回転をコントロールするために、電極８４、８５が備えられ、これらは図１Ａの３８、４０の電極と同様に作動する。これによって、主捩じり軸に関するミラー７２の回転をコントロールすることが可能となる。さらに、カンチレバー構造体８０の下方に電極８６が示されており、該電極は、支持構造体７６への接続部８２から最も離れているカンチレバー８０の端部８７の上下運動をコントロールする。このポイント８７の上下運動によって、付加的な回転軸（θｚ）についてのミラー７２の回転が生じ、従って、ミラーを両軸において同時にまたは独立して傾斜させる。
【００３７】
あらゆる適切な寸法を連接式ヒンジに用いることができる。異なる数の連接部を用いることができる。所定の連接式ヒンジに含まれる連接部が多いほど、それぞれの軸に関して回転を生じさせるのに必要とされる力が少なくてすむ。実例の実施において、様々なヒンジの寸法は以下の通りである。
ヒンジ６２および６３：｛７５ｕｍ（Ｌ）、１．５ｕｍ（Ｗ）、１５ｕｍ（Ｔ）、５ｕｍ（ギャップ）および３（連接部）｝
ヒンジ６０および７４：｛７５ｕｍ（Ｌ）、１．５ｕｍ（Ｗ）、１５ｕｍ（Ｔ）、５ｕｍ（ギャップ）および１１（連接部）｝
【００３８】
好ましい実施態様では、図４Ａの実施態様およびそれに続いて記載されている実施態様の両方について、ミラー、カンチレバーおよび連接式ヒンジを作るために用いられる全体構造の一部または全部は接地されており、電極のように機能する。例えば、これらのコンポーネントがドープされたシリコンでできている場合、それらは導電性になる。このように、電圧を電極（例えば、図４Ａの電極８４）に印加することにより、ミラーは、第二の指定した電極を堆積させる必要なく、第二電極として機能する。
【００３９】
ある実施態様では、付加的な回転軸（θｚ）に関する回転に対して最もフレキシブルなコントロールを提供するために、付加的な電極を有する付加的な支持構造体をカンチレバー８０の上部に備えつけ、それによって、力を加えてカンチレバー８０の端部８７を上方へ動かすことができる。しかしながら、用途によっては、この付加的な自由度は必要とされないこともある。この実施例を図４Ｂ（および図４Ｃの側面図）に示す。図４Ｂは、付加的な支持構造体９１および付加的な電極９３（これらによって、静電気力をカンチレバー構造体に加えてそれを上下両方に動かすことが可能となる）以外は、図４Ａとほぼ同じである。図４Ｂの図は構造体の半分を示しているだけであることに留意されたい。
【００４０】
図４Ａの実施態様は電極の使用を採用しており、これによって、静電気力がかけられて２つの回転軸における回転をコントロールすることができる。より一般的には、あらゆるその他のタイプの力もまた、これらの回転軸の片方もしくは両方において利用することができる。例えば、熱力、磁力、熱バイモルフ力または圧電力を利用して、要求される回転およびコントロールを達成することができる。
【００４１】
２Ｄ回転連接式ヒンジ、連接式捩じりミラー、および可動カンチレバーのこの組み合わせによって、完全に機能的な２−Ｄ ＭＥＭＳミラーが得られる。カンチレバーは、電極の配列すなわち力の印加(application)に応じて上下いずれかの方向にたわませられ得、それによって、捩じりミラーを第二の軸θｚに関していずれかの方向に回転させることができる。ほとんどの静電気の印加について、カンチレバーは下方のみにたわませられ得、Ｉ／Ｏの数を低減することおよび複雑さをコントロールすることができる。
【００４２】
多数のミラーを並べて配置し、２つのミラー間の間隔を最小にして、リニアミラーアレイをつくることができる。この実施例を図５に示す。図５には、２Ｄ回転連接式ヒンジおよびカンチレバーを有する４つの２Ｄ捩じりミラー９０、９２、９４、９６のリニアアレイが示されている。このようなアレイには、任意の数が含まれ得る。別の実施態様は、Ｎ×Ｍ個のかかるミラーデバイスの２次元アレイを提供する。
【００４３】
図４Ａの構造の主な利点の１つは、２つのチルト軸間のカップリングが最小限であることである。このデバイス構造はあらゆる用途に用いることができる。これは、単一または複数アレイ構成のあらゆる適切な用途のための単一ミラーとして用いることができる。この装置は、ミラーアレイについて高フィルファクターを達成し（すなわち、アレイにおける２つの連続したミラー間の間隔が最小限に抑えられる）、製造が非常に簡単である。２つのミラー間の間隔は、数ミクロンほどの少なさであり得、あるいは、微小加工プロセスによって限定されるものであり得る。
【００４４】
ここで、本発明の別の実施態様を、図４Ｄを参照して説明する。この実施態様は図４Ａの実施態様と非常に類似している。この実施態様は、さらなる支持構造体９８に取り付けられた付加的なカンチレバー９７を含み、この支持構造体には付加的な電極９９が取り付けられている。カンチレバー構造体８０および９７は、支持構造体７６への取り付けポイントに関して一緒にピボット回転する。操作にあたって、この装置を用いて、静電気力が電極８７とカンチレバー８０との間に加えられ、ポイント８７を下方向へ動かすことができる。同様に、静電気力が電極９９とカンチレバー９７の下側との間に加えられ、カンチレバー８０の端部８７を上方へ動かすことができる。よって、図４Ｄの装置は、第二の回転軸（θｚ）において上方および下方の両方への動きが可能であるという点において、前述した図４Ｂの装置と同じフレキシビリティを提供する。組み合わされたエレメント８０および９７からなるカンチレバー構造体の支持構造体への取り付けは、ピボット回転可能または固定のいずれかであり得る。固定接続の場合、支持構造体７６は、支持構造体７６の両側にある２つのカンチレバー部分の上下運動を可能にするためにいくらかのフレキシビリティを有している必要がある。
【００４５】
別の実施態様では、図４Ｄの装置は、バランスを保ったカンチレバー構造を有して実施される。この実施態様により、支持構造体７６の両側の慣性モーメントは実質的に均等にされる。１つの実施態様では、これは、第二カンチレバー部分９７をカンチレバー部分８０よりも実質的に長くし、支持構造体７６に関する第二カンチレバー部分９７の慣性モーメントが支持構造体の他方の側のコンポーネントの慣性モーメントを相殺するようにすることによって達成される。
【００４６】
デバイスは、現行のＭＥＭＳ製造プロセスを用いて製造することができる。市販されているいくつかの適切なプロセスは、Analog Devices Incからの「光ＩＭＥＭＳ」（登録商標）（Thor Juneauら、2003、「Single-Chip 1x84 MEMS Mirror Array For Optical Telecommunication Applications」、Proceeding of SPIE, MOEMS and Miniaturized Systems III, 27-29 2003年1月, Vol. 4983, pp. 53-64.を参照）、Cronos (MEMScAPの子会社)からのＳＯＩ  ＭＵＭＰＳ(http://www.memsrus.com/figs/soimumps.pdf)である。慣例的なプロセスを合わせて、デバイスを製造することもできる。
【００４７】
システムの適用において、２つの自由角度におけるミラーの回転をコントロールするために、コントロールシステムが備えつけられることは理解されるべきである。これは、様々な電極による力の適当な印加によってコントロールされる。好ましくは、コントロールシステムは、様々なチルトポジションについての電圧参照テーブルを有する開ループシステム、または容量検知もしくは光検知を有する閉ループシステムである。
【００４８】
上記で採用した実施態様におけるミラーは、反射コーティングを有する必要がある。例えば、金、アルミニウムもしくは銅の、１以上の層になったコーティングである。ミラーは光のビームのメインスイッチングを行うために用いられる。しかしながら、カンチレバー部分もまた反射コーティングを有し得ることは理解されるべきである。カンチレバーおよび／またはミラーのコンポーネントは、容量検知または光検知のために用いることができる。例えば、ミラーのコンポーネントをスイッチングのために用いてもよい一方で、カンチレバーのコンポーネントを、発生したシグナルの検知を行って、付加的な回転軸（θｚ）におけるミラーの方向付けに対してフィードバックコントロールを行うために用いることができる。
【００４９】
上記の教示を鑑みて、本発明の多くの改変およびバリエーションが可能である。したがって、添付の特許請求の範囲の範疇で、本発明が本明細書に詳細に記載した以外の方法で実施してもよいことが理解されるべきである。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１Ａ】図１Ａおよび図１Ｂは、多関節サスペンション構造を有する従来の１次元ＭＥＭＳミラーの２つの図を提供する。
【図１Ｂ】図１Ａおよび図１Ｂは、多関節サスペンション構造を有する従来の１次元ＭＥＭＳミラーの２つの図を提供する。
【図２Ａ】図２は、図１のデバイスを２つの回転状態で示す。
【図２Ｂ】図２は、図１のデバイスを２つの回転状態で示す。
【図３Ａ】図３Ａは、本発明の実施態様によって提供される２次元多関節回転ヒンジの平面図である。
【図３Ｂ】図３Ｂは、図３Ａの２次元回転多関節ヒンジを特徴とするＭＥＭＳミラーを表す。
【図４Ａ】図４Ａは、本発明の実施態様によって提供される２次元回転多関節ヒンジおよび可動カンチレバー取り付けシステムを有するミラーの図である。
【図４Ｂ】図４Ｂおよび４Ｃは、本発明の別の実施態様によって提供される２次元回転多関節ヒンジおよび可動カンチレバー取り付けシステムを有するミラーの切り欠き図および側方断面図を提供する。
【図４Ｃ】図４Ｂおよび４Ｃは、本発明の別の実施態様によって提供される２次元回転多関節ヒンジおよび可動カンチレバー取り付けシステムを有するミラーの切り欠き図および側方断面図を提供する。
【図４Ｄ】図４Ｄは、本発明の別の実施態様によって提供される２次元回転多関節ヒンジおよび可動カンチレバー取り付けシステムを有するミラーの図である。
【図５】図５は、図４Ａのデバイスと同様なデバイスの１次元ＭＥＭＳアレイである。
【図６】図６は、支持フレームを有する従来の２次元ジンバルミラーの図である。
【図７】図７は、隠しヒンジ構造を有するＭＥＭＳミラーの典型的な略図である。
【図８】図８は、単一可動フレキシブルポスト上に取り付けられた２Ｄミラーの典型的な略図である。
【図１Ａ】
2007534017.tif 000003
【図１Ｂ】
2007534017.tif 000004
【図２Ａ】
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【図２Ｂ】
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【図３Ａ】
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【図３Ｂ】
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【図４Ａ】
2007534017.tif 000009
【図４Ｂ】
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【図４Ｃ】
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【図４Ｄ】
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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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【手続補正書】
【提出日】平成17年5月12日(2005.5.12)
【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】
微小電子機械システム（ＭＥＭＳ）ミラーデバイスであって、
ミラーを有し、該ミラーは、第一端部に２次元回転連接式ヒンジを持ちかつ該第一端部の反対側の第二端部に１次元回転連接式ヒンジを持ち、
可動カンチレバーを有し、該可動カンチレバーは、該１次元回転連接式ヒンジを介して該ミラーに接続されており、
支持構造体を有し、該支持構造体は、該２次元回転連接式ヒンジを介して該ミラーに接続されており、かつ該可動カンチレバーに接続されており、
該可動カンチレバーの剛体延長部分を有し、該延長部分は、該支持構造体が該可動カンチレバーに接続されている箇所を超えて、該ミラーとは反対方向に延びており、
これによって、前記可動カンチレバーの動きが第一の回転軸における該ミラーの回転を生じさせ、かつ、該ミラーが前記第一の回転軸に対して垂直な第二の捩じり回転軸の周りを回転可能でもあり、かつ、
これによって、該可動カンチレバーの延長部分の動きが、該可動カンチレバーの動きに対応する逆の動きを生じさせる、
前記デバイス。
【請求項２】
２次元回転連接式ヒンジが、
第一の１次元回転連接式ヒンジを有し、該第一の１次元回転連接式ヒンジは、第一端部に第一取り付けポイントを有しかつ第二端部を有し、
第二の１次元回転連接式ヒンジを有し、該第二の１次元回転連接式ヒンジは、第一端部に第二取り付けポイントを有しかつ第二端部を有し、該第一の１次元回転連接式ヒンジの第二端部が、該第二の１次元回転連接式ヒンジの第二端部に接続されており、
第三の１次元回転連接式ヒンジを有し、該第三の１次元回転連接式ヒンジは、該第一および第二の連接式１次元回転ヒンジの第二端部に接続されており、
これによって、該第一の１次元回転連接式ヒンジと該第二の１次元回転連接式ヒンジとが、該第一取り付けポイントと該第二取り付けポイントとの間に第一の回転軸を定めており、かつ、該第三の１次元回転連接式ヒンジとミラーの第二端部にある１次元回転連接式ヒンジとが、該第一の回転軸に対して垂直な第二の捩じり回転軸を定めている、
請求項１に記載のデバイス。
【請求項３】
各１次元回転連接式ヒンジがそれぞれの連接式ビームを有し、該ビームは、幅よりも大きい厚さとなっている、該厚さと該幅とを持つものである、請求項２に記載のデバイス。
【請求項４】
各１次元回転連接式ヒンジがそれぞれの連接式ビームを有し、該ビームは、幅よりも大きい厚さとなっている該厚さと該幅とを持っており、該ビームが、シリコン、ポリシリコン、窒化シリコン、二酸化シリコン、および金属被覆可能材料からなる群より選ばれる１つまたはそれ以上の材料で形成されている、請求項２に記載のデバイス。
【請求項５】
ビームが一体構造で形成されている、請求項３に記載のデバイス。
【請求項６】
ビーム、ミラーおよび可動カンチレバーが、一体構造で形成されている、請求項３に記載のデバイス。
【請求項７】
ミラーが、各軸において、少なくとも０．３度の運動角度範囲を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項８】
ミラーを第一および第二の回転軸において動かすよう、静電気力を該ミラーに加えるための電極をさらに有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項９】
電極が、２つの電極を有し、それぞれがミラーを第二の回転軸においてそれぞれの方向に動かすよう静電気力を該ミラーに加えるためのものであり、かつ、電極が、ミラーを第一の回転軸において動かすよう静電気力を可動カンチレバーに加えるための少なくとも１つの電極を有する、請求項８に記載のデバイス。
【請求項１０】
少なくとも１つの電極が、支持構造体に取り付けられた２つの電極を有し、該２つの電極のそれぞれが、ミラーを第一の回転軸においてそれぞれの方向に動かすよう、それぞれの静電気力を可動カンチレバーに加えるためのものである、請求項９に記載のデバイス。
【請求項１１】
前記支持構造体が、可動カンチレバーの第一面上の第一領域と、該可動カンチレバーの該第一領域とは反対側の第二領域とを有し、
該第一領域には、静電気力を該可動カンチレバーに加えるための２つの電極の１つめが取り付けられており、
該第二領域には、静電気力を該可動カンチレバーに加えるための２つの電極の２つめが取り付けられている、
請求項１０に記載のデバイス。
【請求項１２】
静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第一方向に動かすための第一電極、および、静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第二方向に動かすための第二電極を有する、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１３】
静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第一方向に動かすための第一電極が、可動カンチレバーに近接した支持構造体上にあり、かつ、静電気力をミラーに加えて該ミラーを第一の回転軸において第二方向に動かすための第二電極が、可動カンチレバーの延長部分に近接した支持構造体上にある、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１４】
可動カンチレバーと、該可動カンチレバーの剛体延長部分とが、支持構造体に一緒にピボット回転可能に取り付けられている、請求項１１に記載のデバイス。
【請求項１５】
可動カンチレバーと、該可動カンチレバーの剛体延長部分とが、支持構造体の部分に一緒に固定して取り付けられており、該支持構造体の部分が、該可動カンチレバーと、該可動カンチレバーの剛体延長部分とを、第一の回転軸において回転させるのに十分にフレキシブルである、請求項１２に記載のデバイス。
【請求項１６】
可動カンチレバーの剛体延長部分の慣性モーメントが、該可動カンチレバーおよびミラーの慣性モーメントと実質的にバランスをとっている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１７】
ミラーが、金属でメッキされたシリコンでできている、請求項１に記載のデバイス。
【請求項１８】
金属が、金、アルミニウム、または銅の層を有する、請求項１７に記載のデバイス。
【請求項１９】
請求項１に記載のデバイスが、複数Ｎ個、１×ＮのＭＥＭｓアレイを形成するように並んで配置され、Ｎ≧２である、デバイス。
【請求項２０】
請求項１に記載のデバイスが、複数Ｎ×Ｍ個、Ｎ列のＭ個のデバイスとなるように配置され、それによってＮ×ＭのＭＥＭｓアレイが形成され、Ｎ≧２およびＭ≧２である、デバイス。
【請求項２１】
ミラーが光スイッチングのために用いられる、請求項１に記載のデバイス。
【請求項２２】
可動カンチレバーが、ミラーポジションの容量検知、磁気検知または光検知のために用いられる、請求項１に記載のデバイス。
【国際調査報告】
2007534017.tif 000017
2007534017.tif 000018