(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス用の静電櫛形駆動アクチュエータであって、
曲げスプリングアセンブリと、
前記曲げスプリングアセンブリの相対向する側部にそれぞれ連結された第１の櫛形駆動アセンブリ及び第２の櫛形駆動アセンブリと、
を含み、
前記第１及び第２の各櫛形アセンブリは、
その一方の側部から延びた櫛形駆動フィンガを有する細長メンバを備えた固定櫛形駆動メンバと、
前記曲げスプリングアセンブリに連結された中心ビームと当該中心ビームの一方側から前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて延びる櫛形駆動フィンガとを備えた可動櫛形駆動メンバと、
を含み、
前記可動櫛形駆動メンバは、
前記可動櫛形駆動メンバ及び前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガが部分的に重なる第１の位置と、前記可動櫛形駆動メンバ及び前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガが互いに噛み合って前記曲げスプリングアセンブリの変位を発生させる第２の位置との間で移動可能であり、
前記櫛形駆動フィンガは、
前記第１の櫛形駆動アセンブリと前記第２の櫛形駆動アセンブリとの間で均等に分割されて、前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な、前記曲げスプリングアセンブリの対称軸の周りに、対称的に配置され、
前記第１の櫛形駆動アセンブリ及び前記第２の櫛形駆動アセンブリは、
電気的に励起されたときに、同一の運動方向に静電気力を発生させ、前記第１及び第２の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガを、前記第１及び第２の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて同時に移動させる、
静電櫛形駆動アクチュエータ。
【請求項２】
前記第１及び第２の各櫛形駆動アセンブリは、それぞれ、その一方の側部から延びる櫛形駆動フィンガを有する細長メンバをそれぞれ備えた第１及び第２の固定櫛形駆動メンバを、さらに含み、
前記可動櫛形駆動メンバは、前記中心ビームから、前記第１の固定櫛形駆動メンバ及び前記第２の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて相反する方向に延びる、２組の櫛形駆動フィンガを備え、
前記可動櫛形駆動メンバは、前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと、前記第１及び第２の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとが部分的に重なる第１の位置と、前記第１の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの２組の前記櫛形駆動フィンガのうちの一方の前記櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第２の位置と、前記第２の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの２組の前記櫛形駆動フィンガのうちのもう一方の組の前記櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第３の位置との間で移動可能である、
請求項１に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
【請求項３】
前記第２の位置において、前記第２の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとの間に重なりがない、請求項２に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
【請求項４】
前記第３の位置において、前記第１の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとの間に重なりがない、請求項２に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
【請求項５】
前記曲げスプリングアセンブリの中心周りのモーメントは、前記第１及び第２の各櫛形駆動アセンブリの前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な方向の静電気力が同じ方向に働くときに打ち消される、請求項１に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
【請求項６】
前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な方向における前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガの変位は、前記第１及び前記第２の各櫛形駆動アセンブリにかかる静電気力が反対向きであるときに打ち消される、請求項５に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
【請求項７】
前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な方向における前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガの変位は、前記第２の櫛形駆動アセンブリにかかる静電気力が前記第１の櫛形駆動アセンブリにかかる静電気力より大きいとき、前記第１の櫛形駆動アセンブリ上で最小限度に抑えられる、請求項５に記載の静電櫛形駆動アクチュエータ。
【請求項８】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスであって、
静電櫛形駆動アクチュエータと、
変位拡大器と、
ＭＥＭＳ可動素子と、を備え、
前記静電櫛形駆動アクチュエータは、
曲げスプリングアセンブリと、
前記曲げスプリングアセンブリの相対向する側部にそれぞれ連結された第１の櫛形駆動アセンブリ及び第２の櫛形駆動アセンブリと、
を含み、
前記第１及び第２の各櫛形アセンブリは、
その一方の側部から延びた櫛形駆動フィンガを有する細長メンバを備えた固定櫛形駆動メンバと、
前記曲げスプリングアセンブリに連結された中心ビームと当該中心ビームの一方側から前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて延びる櫛形駆動フィンガとを備えた可動櫛形駆動メンバと、
を含み、
前記可動櫛形駆動メンバは、
前記可動櫛形駆動メンバ及び前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガが部分的に重なる第１の位置と、前記可動櫛形駆動メンバ及び前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガが互いに噛み合って前記曲げスプリングメンバの変位を発生させる第２の位置との間で移動可能であり、
前記櫛形駆動フィンガは、
前記第１の櫛形駆動アセンブリと前記第２の櫛形駆動アセンブリとの間で均等に分割されて、前記可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な、前記曲げスプリングアセンブリの対称軸の周りに、対称的に配置され、
前記第１の櫛形駆動アセンブリ及び前記第２の櫛形駆動アセンブリは、
電気的に励起されたときに、同一の運動方向に静電気力を発生させ、前記第１及び第２の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガを、前記第１及び第２の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する前記固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて同時に移動させる、
ものであり、
前記変位拡大器は、
前記静電櫛形駆動アクチュエータの前記曲げスプリングアセンブリに連結されており、
前記静電櫛形駆動アクチュエータにより前記曲げスプリングアセンブリの変位の結果として前記変位拡大器に加えられる力の方向に平行な、前記変位拡大器の中心軸周りに、対称に配置された１対のスプリングであって、当該各スプリングは前記力の方向に剛性を持ち、前記力の方向に垂直な方向に柔性を持つ１対のスプリングと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記１対のスプリングのうちの対応するスプリングに連結された第１の端部を有している１対の角度付きビームメンバと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記１対のスプリングの運動に応じた前記１対の角度付きビームメンバの回転を可能にするピボット点において前記１対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバに連結されている、１対のピボットと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記１対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバの第２の端部に連結されている第１の１対のヒンジと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記第１の１対のヒンジのうちの対応するヒンジに連結された第１の端部を有している１対の剛体メンバと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記１対の剛体メンバのうちの対応する剛体メンバの第２の端部に連結されている第２の１対のヒンジと、
を含み、
前記第１の１対のヒンジ及び前記第２の１対のヒンジは、前記１対のスプリングの運動に応じた前記１対の剛体メンバの回転を可能とするものであり、
前記ＭＥＭＳ可動素子は、
前記第２の１対のヒンジの間に連結されており、
前記静電櫛形駆動アクチュエータによって前記変位拡大器に加えられた力は、前記曲げスプリングアセンブリの変位に対して拡大された変位を前記ＭＥＭＳ可動素子に発生させ、
前記ピボットは、それぞれ所定の長さを有し一端が固定された、柔性のある片持ちビームで構成され、対応する前記角度つきメンバが前記一端を中心とし前記所定の長さを半径とする円に沿って回転するよう構成されており、
前記第１の１対のヒンジ及び前記第２の１対のヒンジは、それぞれ、前記変位拡大器に加えられる力の方向及び当該力の方向に垂直な方向に剛性を持ち、回転方向において柔性を持つ、Ｓ字形ビームで構成されている、
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）装置。
【請求項９】
前記第１及び第２の各櫛形駆動アセンブリは、それぞれ、その一方の側部から延びる櫛形駆動フィンガを有する細長メンバをそれぞれ備えた第１及び第２の固定櫛形駆動メンバを、さらに含み、
前記可動櫛形駆動メンバは、前記中心ビームから、前記第１の固定櫛形駆動メンバ及び前記第２の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガに向けて相反する方向に延びる、２組の櫛形駆動フィンガを備え、
前記可動櫛形駆動メンバは、前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと、前記第１及び第２の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとが部分的に重なる第１の位置と、前記第１の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの２組の前記櫛形駆動フィンガのうちの一方の前記櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第２の位置と、前記第２の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの２組の前記櫛形駆動フィンガのうちのもう一方の組の前記櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第３の位置との間で移動可能である、
請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１０】
前記第２の位置において、前記第２の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとの間に重なりがない、請求項９に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１１】
前記第３の位置において、前記第１の固定櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガと前記可動櫛形駆動メンバの前記櫛形駆動フィンガとの間に重なりがない、請求項９に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１２】
前記各スプリングは、Ｕ字状ビームを形成するコンプライアンス構造体（compliant structure）である、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１３】
前記各ピボットは、片持ちビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１４】
前記各ヒンジは、Ｓ字状ビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１５】
前記第１の１対のヒンジ及び前記第２の１対のヒンジのうちの対応するヒンジと、これらのヒンジの間の対応する剛体メンバとが、対応する回転関節機構をそれぞれ形成し、前記静電櫛形駆動アクチュエータの運動方向に垂直な方向での運動を拡大して前記ＭＥＭＳ素子の運動方向に変換する、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１６】
それぞれ対応する前記１対のスプリングの一つと、前記１対のピボットの一つと、前記１対の角度付きビームメンバの一つとは、対応するてこ機構をそれぞれ形成し、当該てこ機構と前記回転関節機構とは、それぞれ前記対称軸周りに対称に配置されて、回転運動を前記ＭＥＭＳ素子の運動方向に対応する並進運動に変換する、請求項１５に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１７】
前記変位拡大器に連結された少なくとも１台の付加的な静電櫛形駆動アクチュエータをさらに備える、請求項８に記載のＭＥＭＳデバイス。
【請求項１８】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの内部に用いられる変位拡大器であって、
前記変位拡大器に加えられる力の方向に平行な、前記変位拡大器の中心軸周りに、対称に配置された１対のスプリングであって、当該各スプリングは前記力の方向に剛性を持ち、前記力の方向に垂直な方向に柔性を持つ１対のスプリングと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記１対のスプリングのうちの対応するスプリングに連結された第１の端部を有している１対の角度付きビームメンバと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記１対のスプリングの運動に応じた前記１対の角度付きビームメンバの回転を可能にするピボット点において前記１対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバに連結されている、１対のピボットと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記１対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバの第２の端部に連結されている第１の１対のヒンジと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記第１の１対のヒンジのうちの対応するヒンジに連結された第１の端部を有している１対の剛体メンバと、
前記中心軸周りに対称に配置され、それぞれが前記１対の剛体メンバのうちの対応する剛体メンバの第２の端部に連結されている第２の１対のヒンジと、
を含み、
前記第１の１対のヒンジ及び前記第２の１対のヒンジは、前記１対のスプリングの運動に応じた前記１対の剛体メンバの回転を可能とするよう構成されており、
前記ピボットは、それぞれ所定の長さを有し一端が固定された、柔性のある片持ちビームで構成され、対応する前記角度つきメンバが前記一端を中心とし前記所定の長さを半径とする円に沿って回転するよう構成されており、
前記第１の１対のヒンジ及び前記第２の１対のヒンジは、それぞれ、前記変位拡大器に加えられる力の方向及び当該力の方向に垂直な方向に剛性を持ち、回転方向において柔性を持つ、Ｓ字形ビームで構成されている、
変位拡大器。
【請求項１９】
前記各スプリングは、Ｕ字状ビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項１８に記載の変位拡大器。
【請求項２０】
前記各ピボットは、片持ちビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項１８に記載の変位拡大器。
【請求項２１】
前記各ヒンジは、Ｓ字状ビームを形成するコンプライアンス構造体である、請求項１８に記載の変位拡大器。
【請求項２２】
それぞれ対応する前記１対のスプリングの一つと、前記１対の角度付きビームメンバの一つと、前記１対のピボットの一つとが、変位拡大器に加えられた力に関連付けられた入力変位を拡大するための、対応するてこ機構をそれぞれ形成する、請求項１８に記載の変位拡大器。
【請求項２３】
それぞれ対応する前記第１の１対のヒンジの一つと、前記第２の１対のヒンジの一つと、これらのヒンジの間の対応する剛体メンバとは、前記静電櫛形駆動アクチュエータの運動方向に垂直な方向の運動を拡大して前記第２の１対のヒンジの間に連結されたＭＥＭＳ素子の運動方向に変換するための、対応する回転関節機構をそれぞれ形成する、請求項１８に記載の変位拡大器。
【請求項２４】
それぞれ対応する前記１対のスプリングの一つと、前記１対のピボットの一つと、前記１対の角度付きビームメンバの一つとは、対応するてこ機構をそれぞれ形成し、当該てこ機構と前記回転関節機構とは、それぞれ前記対称軸周りに対称に配置されて、回転運動を前記ＭＥＭＳ素子の運動方向に対応する並進運動に変換する、請求項２３に記載の変位拡大器。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、一般に、微小電気機械システム（Micro Electro-Mechanical Systems、MEMS）デバイスに関し、特に、ＭＥＭＳアクチュエータに関する。
【背景技術】
【０００２】
微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）とは、微細加工テクノロジーにより共通のシリコン基板上に、機械要素と、センサと、アクチュエータと、エレクトロニクス（電子機器）とを集積化したものを意味する。例えば、マイクロエレクトロニクスは、通常、集積回路（ＩＣ）プロセスを使用して作製されるが、マイクロメカニカル部品は、当該プロセスと同様のマイクロ機械加工プロセスを用いて、シリコンウェハの一部を選択的にエッチング除去したり新しい構造層を付加することにより機械部品及び電気機械部品を形成して作製される。ＭＥＭＳデバイスは、低コストで、バッチ生産が可能であり、標準的なマイクロエレクトロニクスと互換性を持つことから、分光測定、形状測定、環境センシング、屈折率測定（又は材料認識）、その他のセンサ用途に適した魅力的な候補である。さらに、ＭＥＭＳデバイスはサイズが小さいので、モバイルデバイスやハンドヘルドデバイスにＭＥＭSデバイスを一体的に組み込むことができる。
【０００３】
信頼性のあるアクチュエータは、ＭＥＭＳデバイスにとって不可欠の部品である。ＭＥＭＳアクチュエータの最も一般的な２つのタイプは、熱アクチュエータと静電アクチュエータ（electrostatic actuator）である。静電アクチュエータの一例は、櫛形駆動アクチュエータ（comb-drive actuator）である。櫛形駆動デバイスは、リニアモーターであり、金属又はシリコンの２つの櫛形部（comb）の間に作用する静電気力を利用して、マイクロミラーのようなＭＥＭＳ部品の運動を発生させる。静電気力は、櫛形部の間に電圧が印加されたときに発生して櫛形部を引き寄せる。通常は、一方の櫛形部は固定されており、もう一方の櫛形部が移動可能となっている。各櫛形部は、複数の櫛形フィンガを有しており、可動の櫛形フィンガと固定の櫛形フィンガとが、互いに入り込む（噛み合う、interdigitate）ように配置されている。可動櫛形部は、櫛形部の間に電圧がなくなると、復元スプリングにより元の位置に復帰する。各フィンガから得られる力は比較的小さいので、櫛形駆動アクチュエータは、ＭＥＭＳデバイスに十分な力を発生させるため、通常、１０乃至２００本のフィンガを有している。
【０００４】
しかし、櫛形駆動アクチュエータが安定に移動できる範囲（安定移動範囲）は、電気機械的な横方向の不安定性（横不安定性）によって制限される。横不安定性が発生すると、可動櫛形フィンガは、運動方向に対し垂直な方向に変位を受け、固定櫛形フィンガと接触してしまう。可動櫛形部が固定櫛形部の方向へ移動するにつれて、フィンガ間の入り込み領域が増大して交差軸方向の力が大きくなり、フィンガは、突然、側面（sideway）に沿って互いに接触してしまうようになる。これは、２つの効果、すなわち、運動方向に垂直な方向への変位と、復元スプリングの中心周りに誘起されるモーメントとによるものと考えられる。
【０００５】
静電櫛形駆動アクチュエータの安定移動範囲は、主に、フィンガ間のギャップ間隔と、フィンガ入り込み量（重なり量）の初期値と、支持スプリング（suspended spring）のばね剛性（stiffness）とに依存する。静電櫛形駆動アクチュエータの安定移動範囲を増大させる最も簡単な方法は、フィンガのギャップ間隔を増大させることである。しかし、この方法では、高い駆動電圧を必要とすることとなり、多くの用途において望ましくない。
【０００６】
安定移動範囲を広げる方法として、いくつかの他のアプローチが提案されている。
例えば、１つのアプローチは、ｙ方向にばね定数を変えるため、直線的なスプリングではなく、傾斜した折り畳みビーム型の支持スプリング（tilted folded-beam suspended spring）を使用する。対応するばね定数はｙ方向において、
【数１】
0005721697.tif 000002
から
【数２】
0005721697.tif 000003
まで変化する。ここで、Ｅはヤング率であり、Ｉは機械スプリングの慣性モーメントであり、ｄはｘ方向に沿った支持ビーム（suspended beam）長さの投影であり、Ｌは支持ビーム長さである。
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
安定移動範囲を広げる他のアプローチとして、個々の櫛形フィンガの長さを調整する方法や、予め曲げて形成された支持スプリング（pre-bent suspended spring）を利用する方法がある。さらに最近では、他のアプローチとして、第２の櫛形電極を用いて安定移動範囲を広げる方法がある。この方法では、シフトさせたＫｅ（shifted Ke）（静電的な負のばね定数）により、静電櫛形駆動アクチュエータの変位を拡大している。上記の各アプローチは、安定移動範囲を広げることができる可能性はあるが、そのためには更に駆動電圧を上げる必要がある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
本発明の実施形態は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイス用の、横不安定性が低減された静電櫛形駆動アクチュエータを提供する。本櫛形駆動アクチュエータは、曲げスプリングアセンブリ（flexure spring assembly）と、曲げスプリングアセンブリの相対向する側部にそれぞれ連結された第１及び第２の櫛形駆動アセンブリとを含む。第１及び第２の各櫛形アセンブリは、それぞれ、当該各アセンブリの一方の側部から延びた櫛形駆動フィンガを有する細長い部材（細長メンバ、elongate member）を備えた固定櫛形駆動メンバと、曲げスプリングアセンブリに連結された中心ビームと当該中心ビームの一方側から固定櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガに向けて延びる櫛形駆動フィンガとを備えた可動櫛形駆動メンバと、を有している。
【０００９】
可動櫛形駆動メンバは、可動櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガと固定櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガとが部分的に重なる第１の位置と、可動櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガと固定櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガとが噛み合って曲げスプリングアセンブリに変位を発生させる第２の位置との間で移動することができる。さらに、櫛形駆動フィンガは、第１の櫛形駆動アセンブリと第２の櫛形駆動アセンブリとの間で均等に分割され、可動櫛形駆動メンバの運動方向に対し垂直な、曲げスプリングアセンブリの対称軸周りに、対称に配置されている。さらに、第１及び第２の櫛形駆動アセンブリは、電気的に励起されると、同一の運動方向に静電気力を発生させ、第１及び第２の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する可動櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガを、第１及び第２の櫛形駆動アセンブリがそれぞれ有する固定櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガに向けて同時に移動させる。
【００１０】
さらなる実施形態では、横安定性を維持しつつアクチュエータの移動範囲を効果的に２倍に拡大する双方向静電櫛形駆動アクチュエータが提供される。双方向櫛形駆動アクチュエータでは、第１及び第２の各櫛形駆動アセンブリは、それぞれ、第１及び第２の固定櫛形駆動メンバと可動櫛形駆動メンバとを含み、上記第１及び第２の固定櫛形駆動メンバは、それぞれ、その一方の側部から延びる櫛形駆動フィンガを備えた細長メンバを有しており、上記可動櫛形駆動メンバは、中心ビームから第１及び第２の固定櫛形駆動メンバの各櫛形駆動フィンガに向けて相反する方向に延びる、２組の櫛形駆動フィンガを備えている。可動櫛形駆動メンバは、可動櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガと第１の櫛形駆動メンバ及び第２の櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガとが部分的に重なる第１の位置と、第１の固定櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガと、可動櫛形駆動メンバの２組の櫛形駆動フィンガのうちの一方の組の櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第２の位置と、第２の固定櫛形駆動メンバの櫛形駆動フィンガと、可動櫛形駆動メンバの２組の櫛形駆動フィンガのうちのもう一方の組の櫛形駆動フィンガとが互いに噛み合う第３の位置と、の間で移動することができる。
【００１１】
本発明の実施形態は、静電櫛形駆動アクチュエータの移動範囲を１桁増大させることができる、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）デバイスの内部で用いられる、変位拡大器をさらに提供する。本変位拡大器は、当該変位拡大器に加えられた力の方向と平行な、変位拡大器の中心軸周りに、対称に配置された１対のスプリングを含み、個々のスプリングは、力の方向に剛性を有し、力の方向に垂直な方向には柔性を有する（compliantである）。本変位拡大器は、上記中心軸周りに対称に配置された１対の角度付きビームメンバであって上記１対のスプリングのうちの対応するスプリングに連結された第１の端部をそれぞれ有する角度付きビームメンバと、上記中心軸周りに対称に配置された１対のピボットであって、各ピボット点において上記１対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバにそれぞれ連結され、上記１対のスプリングの運動に応じた上記１対の角度付きビームメンバの回転を可能にする１対のピボットと、上記中心軸周りに対称に配置された１対のヒンジであって上記１対の角度付きビームメンバのうちの対応する角度付きビームメンバの第２の端部にそれぞれ連結されている第１の１対のヒンジと、上記中心軸周りに対称に配置された１対の剛体メンバであって上記第１の１対のヒンジのうちの対応するヒンジに連結された第１の端部をそれぞれ有する１対の剛体メンバと、上記中心軸の周りに対称に配置された１対のヒンジであって上記１対の剛体メンバのうちの対応する剛体メンバの第２の端部にそれぞれ連結された第２の１対のヒンジと、をさらに含む。上記第１及び第２の１対のヒンジは、上記１対のスプリングの運動に応じた上記１対の剛体メンバの回転を可能にする。
【００１２】
実施形態の一例では、各スプリングは、Ｕ字状ビームを形成するコンプライアンス構造体（compliant structure）であり、各ピボットは、片持ちビームを形成するコンプライアンス構造体であり、各ヒンジは、Ｓ字状ビームを形成するコンプライアンス構造体である。
【００１３】
実施形態の他の例では、第１及び第２の１対のヒンジのうちの対応するヒンジと、これらのヒンジの間の対応する剛体メンバとが、対応する回転関節機構をそれぞれ形成し、静電櫛形駆動アクチュエータの運動方向に対し垂直な方向の運動を拡大して、第２の１対のヒンジ間に連結されたＭＥＭＳ素子の運動の方向に変換する。さらに、それぞれ対応する１対のスプリングの一つと、１対のピボットの一つと、１対の角度付きビームメンバの一つとは、対応するてこ機構をそれぞれ形成し、当該てこ機構と上記回転関節機構とは、それぞれ上記対称軸周りに対称に配置されて、回転運動をＭＥＭＳ素子の運動方向に対応する並進運動に変換する。
【００１４】
本発明の実施形態は、横安定性が改善された静電櫛形駆動アクチュエータと、変位拡大器と、変位拡大器に連結されたＭＥＭＳ可動素子とを含むＭＥＭＳデバイスをさらに提供する。静電櫛形駆動アクチュエータによって変位拡大器に印加される力は、櫛形駆動アクチュエータの曲げスプリングアセンブリの変位に対し拡大された変位を、ＭＥＭＳ可動素子に発生させる。実施形態の他の例では、変位拡大器に少なくとも１つの付加的な静電櫛形駆動アクチュエータが連結されて改善されたアクチュエータ安定性を提供し、これにより、駆動電圧を減少させた状態で全移動範囲を増大する。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
本発明のより完全な理解は、添付図面と併せて利用されるときに以下の詳細な説明を参照して達成されることがある。
【図１】従来技術による静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータを示す平面図である。
【図２】本発明の実施形態に係る静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータの一例を示す平面図である。
【図３】本発明の実施形態に係る静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータの他の一例を示す平面図である。
【図４】図３に示す静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータの動作を示す図である。
【図５】図３に示す静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータの動作を示す図である。
【図６】図３に示す静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータにおける横力（side force）の影響を示す図である。
【図７】図３に示す静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータにおける横力の影響を示す図である。
【図８Ａ】図３に示す静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータにおける横力の影響を示す図である。
【図８Ｂ】図３に示す静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータにおける横力の影響を示す図である。
【図９】本発明の実施形態に係る静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータについて測定された安定移動範囲を示すグラフである。
【図１０】本発明の実施形態に係るＭＥＭＳアクチュエータと共に用いられる、変位拡大器の一例を示す図である。
【図１１】本発明の実施形態に係る、ＭＥＭＳ素子の変位を発生させる変位拡大器の運動を示す図である。
【図１２】本発明の実施形態に係る変位拡大器の一例を示す平面図である。
【図１３】本発明の実施形態に係る、静電櫛形駆動アクチュエータの一例及び変位拡大器の一例を含むＭＥＭＳデバイスの一例を示す平面図である。
【図１４】本発明の実施形態に係るＭＥＭＳデバイスの運動の一例を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
本発明の実施形態として、張り付き（スティッキング、sticking）を起こすことなく安定範囲を増大させることのできる、平衡型フィンガを用いた静電櫛形駆動アクチュエータの構成について説明する。また、ＭＥＭＳアクチュエータと共に用いて当該ＭＥＭＳアクチュエータの変位を１桁増大させることのできる変位拡大器の構成についても説明する。
【００１７】
図１は、ＭＥＭＳ用の、従来型の静電櫛形駆動アクチュエータ１０を示す。アクチュエータ１０は、櫛形駆動アセンブリ２０と、曲げスプリングアセンブリ３０とを有している。櫛形駆動アセンブリ２０は、固定櫛形駆動メンバ２１と、可動櫛形駆動メンバ２３とを有している。固定櫛形駆動メンバ２１及び可動櫛形駆動メンバ２３は、それぞれ、細長ビームメンバ２２及び２６を含み、各細長ビームメンバは、一方側から延びる櫛形駆動フィンガ２４及び２８をそれぞれ有している。櫛形駆動フィンガ２４及び２８は、電極２５を介して固定櫛形駆動メンバ２１及び可動櫛形駆動メンバ２３の両端に印加される電圧に応答して噛み合うように、互いの傍を通って移動するよう配置されている。例えば、可動櫛形駆動フィンガ２８と固定櫛形駆動フィンガ２４との間に駆動電圧を印加することにより、静電気力による引力が働き、固定櫛形駆動フィンガ２４に向かう可動櫛形駆動フィンガ２８の変位が発生する。
【００１８】
曲げスプリングアセンブリ３０は、スプリング３２と、アンカー３４と、ローター３６とを含む。ローター３６は、可動櫛形駆動メンバ２３の細長メンバ２６に繋がっている。スプリング３２はローター３６に連結されており、これにより、櫛形駆動アセンブリ２０によって生成された静電気力の結果として、ローター３６に直線運動をさせることができる。例えば、櫛形駆動アセンブリ２０に電圧が印加されると、可動櫛形駆動メンバ２３は、可動櫛形駆動フィンガ２８と固定櫛形駆動フィンガ２４とが部分的に重なる第１の位置から、可動櫛形駆動フィンガ２８と固定櫛形駆動フィンガ２４とが互いに噛み合う第２の位置へ移動して、当該運動の方向に向かってローター３６の直線変位を発生させる。アンカー３４はスプリング３２を基板（図示せず）に固定しており、これにより、櫛形駆動部材２１と２３との間に電圧がなくなると、ローター３６は初期位置へ復帰することができる。
【００１９】
しかし、ローター３６により移動できる最大距離は、横不安定性、すなわち、運動方向に対し垂直な方向にスプリングの機械的復元力より大きい静電気力が発生することにより生じる力の不均衡に起因して、櫛形駆動フィンガ２４と２８とが互いに接触（スナップ（snap））してしまうことにより、制限される。原理的には、２つの櫛形駆動メンバ２１及び２３の静電気力は等しく、したがって、各可動櫛形駆動フィンガ２８は、スナップすることなく、２本の固定櫛形駆動フィンガ２４の間のそれぞれの中心軸に沿って移動することができる。しかしながら、実際には、リソグラフィプロセス、エッチングプロセス、あるいは、何らかの環境外乱により発生する何らかのミスアライメントにより、可動櫛形駆動フィンガ２８は、固定櫛形駆動フィンガ２４間の中心位置から逸れてしまう場合がある。このように、２つの櫛形駆動メンバで発生する静電気力は、一致しないことがある。したがって、上記垂直な方向のばね定数が可動櫛形駆動フィンガ２８を２つの固定櫛形駆動フィンガ２４の間の定常位置に維持することができない場合、可動櫛形駆動フィンガは、固定櫛形駆動フィンガ２４の一方側に接触（スナップ（snap））することとなり、ローターは、これより長い距離をカバーすることができなくなる。
【００２０】
例えば、図１に示すように、運動の方向をｘ方向とすると、不安定性から生じる力はＦｙとなる。力Ｆｙが十分に大きい場合、ローター３６は、Ｆｙの符号に依存して、固定フィンガ２４のうちの１つに向けてｙ方向に運動することになる。これにより、次に、曲げスプリングアセンブリ３０の中心周りのモーメントＭθが発生することになる。このように、不安定現象の開始時点では、一体となって発生する２つの効果、すなわち、運動方向に垂直な方向における並進と、Ｚ軸回りのモーメントＭθとが存在する。
【００２１】
本発明の実施形態では、図２に示すように、横不安定性を低減する静電櫛形駆動アクチュエータ１００が用いられている。静電櫛形駆動アクチュエータ１００は、曲げスプリングアセンブリ１２０の回りに対称に配置された２つの櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂを含む。
【００２２】
各櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂは、それぞれ、その下にある基板（図示せず）に連結された固定櫛形駆動メンバ１１１と、対応する可動櫛形駆動メンバ１１３とを含む。各固定櫛形駆動メンバ１１１及び各可動櫛形駆動メンバ１１３は、それぞれ、一方側から延びる櫛形駆動フィンガ１１４と１１８とをそれぞれ備えた細長ビームメンバ１１２と１１６とを含む。櫛形駆動フィンガ１１４及び１１８は、電極１１５を介して固定櫛形駆動メンバ１１１及び可動櫛形駆動メンバ１１３の両端に印加される電圧に応答して互いに噛み合うように、互いの傍を移動するよう配置されている。
【００２３】
櫛形駆動フィンガ１１４及び１１８は、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａと第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂとの間で均等に分割され、Ｘ方向に沿う可動櫛形駆動メンバ１１３の運動方向に垂直な、Ｙ方向に沿う曲げスプリングアセンブリ１２０の対称軸１２８周りに、対称に配置されている。このようにして、櫛形駆動フィンガ１１４及び１１８のうちの半分は、曲げスプリングアセンブリ１２０の左に置かれ、櫛形駆動フィンガ１１４及び１１８のうちのもう半分は、平衡した形で曲げスプリングアセンブリ１２０の右に配置されている。
【００２４】
曲げスプリングアセンブリ１２０は、スプリング１２２及びローター１２４を含む。ローター１２４は、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂのそれぞれの可動櫛形駆動メンバ１１３の細長メンバ１１６に繋がっている。したがって、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂは、電気的に励起されると、同じ運動方向に静電気力を発生させて、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂの可動櫛形駆動フィンガ１１８を、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂのそれぞれの固定櫛形駆動フィンガ１１４に向けて同時に移動させる。例えば、各櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂの可動櫛形駆動メンバ１１３は、固定櫛形駆動メンバ１１１及び可動櫛形駆動メンバ１１３の櫛形駆動フィンガ１１４及び１１８が部分的に重なる第１の位置と、固定櫛形駆動メンバ１１１及び可動櫛形駆動メンバ１１３の櫛形駆動フィンガ１１４及び１１８が互いに噛み合う第２の位置との間で移動して、ローター１２４の変位を発生させる。
【００２５】
スプリング１２２はローター１２４に連結されており、これにより、各櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂによって生成された静電気力に応答して、ローター１２４に直線運動をさせることができる。さらに、スプリング１２２により、ローター１２４は、櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂの両端に電圧がなくなると、初期位置に復帰することができる。図示されていないが、スプリング１２２は、アンカーにより基板に固定されている。
【００２６】
図３は、本発明の実施形態に係る静電櫛形駆動アクチュエータ１００の他の一例を示す。図３に示された静電櫛形駆動アクチュエータ１００は、アクチュエータの移動範囲を効率的に２倍にすることのできる、プッシュプル構成の双方向櫛形駆動アクチュエータである。双方向静電櫛形駆動アクチュエータ１００は、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂと、曲げスプリングアセンブリ１２０とを含む。第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂは、それぞれ、その下にある基板（図示せず）に連結された第１の固定櫛形駆動メンバ１１１ａ及び第２の固定櫛形駆動メンバ１１１ｂと、可動櫛形駆動メンバ１１３とを含む。
【００２７】
第１及び第２の各櫛形駆動メンバ１１１ａ、１１１ｂは、それぞれ、一方側から延びた櫛形駆動フィンガ１１４ａ及び１１４ｂをそれぞれ有する細長メンバ１１２ａ及び１１２ｂを、並置した形で有している。可動櫛形駆動メンバ１１３は、第１の固定櫛形駆動メンバ１１１ａ及び第２の固定櫛形駆動メンバ１１１ｂのそれぞれの櫛形駆動フィンガ１１８ａ及び１１８ｂに向かって中心ビーム１１６から反対方向に延びる、２組の櫛形駆動フィンガ１１８ａ及び１１８ｂを有している。
【００２８】
櫛形駆動フィンガ１１４ａ及び１１８ａは、電極１１５ａを介して第１の固定櫛形駆動メンバ１１１ａ及び可動櫛形駆動メンバ１１３の両端に印加される電圧に応答して、互いに噛み合うように、互いの傍を通って移動するよう配置されている。さらに、櫛形駆動フィンガ１１４ｂ及び１１８ｂは、電極１１５ｂを介して第２の固定櫛形駆動メンバ１１１ｂ及び可動櫛形駆動メンバ１１３の両端に印加される電圧に応答して、互いに噛み合うように、互いの傍を通って移動するよう配置されている。例えば、可動櫛形駆動メンバ１１３は、可動櫛形駆動メンバ１１３の櫛形駆動フィンガ１１８ａ及び１１８ｂが第１の固定櫛形駆動メンバ１１１ａ及び第２の固定櫛形駆動メンバ１１１ｂのそれぞれの櫛形駆動フィンガ１１４ａ及び１１４ｂと部分的に重なる第１の位置と、第１の固定櫛形駆動メンバ１１１ａの櫛形駆動フィンガ１１４ａと可動櫛形駆動メンバ１１３の櫛形駆動フィンガ１１８ａとが互いに噛み合う第２の位置と、第２の固定櫛形駆動メンバ１１１ｂの櫛形駆動フィンガ１１４ｂと可動櫛形駆動メンバ１１３の櫛形駆動フィンガ１１８ｂとが互いに噛み合う第３の位置との間で移動することができる。
【００２９】
図２に示されるように、櫛形駆動フィンガ１１４ａ、１１４ｂ、１１８ａ及び１１８ｂは、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａと第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂとの間で均等に分割され、可動櫛形駆動メンバ１１３の運動方向に対し垂直な、曲げスプリングアセンブリ１２０の対称軸１２８の周りに、対称に配置されている。このようにして、櫛形駆動フィンガ１１４ａ、１１４ｂ、１１８ａ及び１１８ｂの半分は、曲げスプリングアセンブリ１２０の左に置かれ、櫛形駆動フィンガ１１４ａ、１１４ｂ、１１８ａ及び１１８ｂのもう半部は、平衡した形で曲げスプリングアセンブリ１２０の右に置かれている。
【００３０】
曲げスプリングアセンブリ１２０は、スプリング１２２及びローター１２４をさらに含む。ローター１２４は、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂの、それぞれの可動櫛形駆動メンバ１１３の中心ビーム１１６につながっている。したがって、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂは、電気的に励起されると、同じ運動方向に静電気力を発生させ、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂの可動櫛形駆動フィンガ１１８ａ及び１１８ｂは、共に、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂのそれぞれの固定櫛形駆動フィンガ１１４ａ及び１１４ｂに向かって同時に移動する。スプリング１２２はローター１２４に連結されており、これにより、ローター１２４は、各櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂによって生成された静電気力に応じて、直線運動をすることができる。さらに、スプリング１２２により、ローター１２４は、櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂの両端に電圧がなくなると、初期位置に復帰することができる。図示されていないが、スプリング１２２はアンカーにより基板に固定されている。
【００３１】
次に、図４及び５には、双方向静電櫛形駆動アクチュエータ１００のプッシュプル式動作が示されている。図４に示されるように、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂの、それぞれの第１の固定櫛形駆動メンバ１１１ａが起動されると（すなわち、Ｖ１がオン、Ｖ２がオフ）、起動された側の第１の固定櫛形駆動フィンガ１１４ａと、これに並置された可動櫛形駆動フィンガ１１８ａとは、互いに噛み合うが、起動されていない側では、第１の櫛形駆動アセンブリ及び第２の櫛形駆動アセンブリの、それぞれの第２の固定櫛形駆動フィンガ１１４ｂと可動櫛形駆動フィンガ１１８ｂとは、重ならない。本実施形態では、ローター１２４の直線運動は、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａの方に向かう。
【００３２】
同様に、図５に示すように、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び第２の櫛形駆動アセンブリ１１ｂの、それぞれの第２の固定櫛形駆動メンバ１１１ｂが起動されると（すなわち、Ｖ２がオン、Ｖ１がオフ）、起動された側の第２の固定櫛形駆動フィンガ１１４ｂと、これに並置された可動櫛形駆動フィンガ１１８ｂとは、互いに噛み合うが、起動されていない側では、第１の固定櫛形駆動フィンガ１１４ａと可動櫛形駆動フィンガ１１８ａとは、重ならない。本実施形態では、ローター１２４の直線運動は、第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂの方に向かう。同図に示すように、本プッシュプル構成は、櫛形駆動アクチュエータ１００の移動範囲を効率的に２倍にするが、初期位置でのフィンガの重なり量は最小限度に維持されるので、安定移動範囲には影響を与えない（すなわち、各櫛形駆動アセンブリの一方側でアクチュエータが動作している間は、当該アセンブリの他方側のフィンガは重ならない）。
【００３３】
図６ないし８は、図３に示す静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータにおける、横力の影響を示している。図６ないし８では、静電気横力Ｆｙは、第１の櫛形駆動アセンブリ１１０ａと第２の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂとの間で分割されており、横力Ｆｙの影響がモーメントＭθの影響と共に、Ｆｙの３つの場合について例示されている。図６では、横力Ｆｙ／２は、櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂの両方で同じ方向に作用している。この場合、一方側に発生したモーメント効果は他方側でキャンセルされ、曲げスプリングアセンブリ１２０の中心周りのモーメントＭθは零となり、これにより、安定移動範囲は拡大される。すなわち、スプリング１２０により平衡が保たれる力Ｆｙだけが存在している。
【００３４】
図７Ａに示す第２の事例は、図６に示された事例と類似しているが、櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂのそれぞれに対し、力Ｆｙ／２が反対の方向に働いている。この場合、曲げスプリングアセンブリ１２０の中心周りのモーメントは、打ち消されない。しかし、ｙ方向における変位は打ち消され、モーメントＭθに起因する回転だけをスプリングにより平衡させればよく、この平衡を保つことにより櫛形駆動アクチュエータの安定範囲は拡大する。
【００３５】
第３の事例では、図８Ａに示すように、櫛形駆動アセンブリ１１０ａのうちの一方だけに力Ｆｙ／２が働いている。この場合、ｙ方向の並進及びモーメントが存在するが、櫛形駆動アセンブリ１１０ａにおいてのみ力が印加される。他方の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂに乱れを生じ得るが、他方の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂのフィンガ１１４ａ、１１４ｂ、１１８ａ及び１１８ｂでは力の平衡が保たれ、したがって、他方の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂのフィンガ１１４ａ、１１４ｂ、１１８ａ及び１１８ｂは、スティッキング（張り付き）を生じない。このことは、図８Ｂの光学顕微鏡写真に示すように実験的に検証されており、Ｖ１が櫛形駆動アセンブリ１１０ａ及び１１０ｂの両方においてオンであるとき、左側の櫛形駆動アセンブリ１１０ａの１組のプル式フィンガにスティッキングが生じ、一方、右側の櫛形駆動アセンブリ１１０ｂの１組のプル式フィンガにはスティッキングは生じない。
【００３６】
図９は、本発明の実施形態による静電櫛形駆動ＭＥＭＳアクチュエータの、安定移動範囲の実験測定結果を示すグラフである。片側フィンガ式櫛形駆動アクチュエータ（すなわち、図１に示されるような、１つの櫛形駆動アセンブリだけのアクチュエータ）の変位量と両側櫛形駆動アクチュエータ（すなわち、図２及び３に示されるような、２つの対向する櫛形駆動アセンブリを持つアクチュエータ）の変位量とが、対比して示されている。これらのアクチュエータは共に、同じ寸法のスプリング及び櫛形駆動フィンガを有している。片側フィンガを有する櫛形駆動部は、約８５μｍの安定移動範囲を有し、両側フィンガを有する櫛形駆動部は、１２５μｍの安定移動範囲を有している。すなわち、両側櫛形駆動アクチュエータでは、片側櫛形駆動アクチュエータと比較して、移動範囲が４７％増大している。
【００３７】
走行範囲をさらに増大させるため、平衡型フィンガ静電櫛形駆動アクチュエータの使用に加えて、図１０に示されるように、変位拡大器２００を使用することもできる。本変位拡大器２００は、２つの原理、すなわち、てこの作用と古典的な回転関節（rotation joint）に基づいて動作する。よく知られているように、てこは、ピボット点と共に使用される剛性の棒であって、力を変位で置き換える。てこの動作原理は、てこの任意の点において常に等量の仕事が行われることである。したがって、てこの一方の端部での変位（Ｄ２）は、てこの他方の端部での変位（Ｄ１）に、ピボットの両側の各長さ（Ｌ２及びＬ１）の分数を乗じた値に等しく、以下の通りである。
【数３】
0005721697.tif 000004
上式（３）は、てこ又は片持ち梁（cantilever）の、変位拡大の基本式を表わしている。
【００３８】
古典的な関節機構の動作原理は、運動を、初期方向からその垂直方向へ、変位を拡大しつつ変換することである。古典的な回転関節のメカニズムにより生成される変位増幅（Ｏ）は、２つの回転関節の間の剛体の長さ（Ｌ）と、一方の回転関節によって初期方向に移動した距離（ｉ）と、他方の回転関節の変位（Ｏ）の関数としての剛体の回転角度（ａ）と、の関数であり、次式で与えられる。
【数４】
0005721697.tif 000005
図１０に示された変位拡大器２００は、てこ機構と回転関節とを組み合わせたものであり、変位拡大器２００の全体的な倍率は、したがって、比率Ｌ２／Ｌ１のＯ倍となる。
【００３９】
次に、変位拡大器２００の詳細について見ると、変位拡大器２００は、変位拡大器２００に印加された力Ｆの方向に平行な、変位拡大器２００の中心軸２１０周りに、対称に配置された１対のスプリング２２０と、中心軸２１０周りに対称に配置された１対のスプリングヒンジ２２５と、中心軸２１０周りに対称に配置された１対の剛性角度付きビームメンバ２３５と、中心軸周りに対称に配置された１対のピボット２３０と、中心軸２１０周りに対称に配置された第１の１対のヒンジ２４０と、中心軸２１０周りに対称に配置された第２の１対のヒンジ２５０と、中心軸２１０周りに対称に配置された１対の剛体メンバ２４５と、を含む。マイクロミラーその他の可動部品などのＭＥＭＳ素子２６０は、第２の１対のヒンジ２５０の間に連結されている。
【００４０】
各スプリング２２０は、力Ｆの方向には剛性があり、当該力の方向に垂直な方向には柔性があり、かつ、１対のスプリングヒンジ２２５のうちの対応するヒンジに連結されている。各角度付きビームメンバ２３５は、１対のスプリングヒンジ２２５のうちの対応するヒンジに連結された第１の端部と、第１の１対のヒンジ２４０のうちの対応するヒンジに連結された第２の端部とを有している。各ピボット２３０は、それぞれのピボット点において１対の角度付きビームメンバ２３５のうちの対応する角度付きビームメンバに連結されており、１対の角度付きビームメンバ２３５は、１対のスプリング２２０の運動に応じてスプリングヒンジ２２５で回転することができる。各剛体メンバは、第１の１対のヒンジ２４０のうちの対応するヒンジに連結された第１の端部と、第２の１対のヒンジ２４０のうちの対応するヒンジに連結された第２の端部とを有している。第１の１対のヒンジ２４０及び第２の１対のヒンジ２５０により、１対の剛体メンバ２４５は、１対のスプリング２２０の運動に応じて回転することができる。
【００４１】
スプリング２２０への入力変位は、ＭＥＭＳアクチュエータによって機械力を印加することにより生じる。実施形態の一例では、ＭＥＭＳアクチュエータは、図２又は３に示す静電櫛形駆動アクチュエータである。ただし、他の実施形態では、ＭＥＭＳアクチュエータは、他の電気アクチュエータ、熱アクチュエータ、又は、磁気アクチュエータとすることもできる。変位拡大器２００は、中心軸（又はＸ軸）２１０周りに対称となっているため、入力変位及び出力変位は、回転やＹ方向の変位を生ずることなく、Ｘ方向にのみ発生する。スプリング２２０は、Ｙ方向における運動を切り離し、Ｘ方向における運動を変換する。このように、スプリング２２０は、Ｙ方向に柔性があり、Ｘ方向に剛性があり、かつ、スプリングヒンジ２２５を介して角度付きビームメンバを回転可能に連結している。ピボット２３０は、自由度を１にする（すなわち、角度付きビームメンバ２３５の回転だけを可能にする）。ヒンジ２４０及び２５０は、運動を変換し、剛体メンバ２４５の回転を可能にする。
【００４２】
例えば、図１１は、変位拡大器の２つの状態の例を示している。第１の状態では、変位拡大器２００に力が印加されず、図１０に示されるように、ＭＥＭＳ素子２６０の位置は変化しない。第２の状態では、力が変位拡大器２００に印加され、角度付きビームメンバ２３５と剛体メンバ２４５が回転して、ＭＥＭＳ素子２６０が変位する。図１１を見ると、ＭＥＭＳアクチュエータによる僅かな入力変位Ｄｉｎは、変位拡大器２００によって拡大され、大きな出力変位Ｄｏｕｔとなることが判る。
【００４３】
図１２では、変位拡大器２００の各部分における摩擦の発生を回避するため、ヒンジ及びピボットが、柔性のある構造体で置き換えられている。図１２に示されるように、スプリング２２０及び対応するスプリングヒンジ２２５は、Ｙ方向に柔性を持ちＸ方向に剛性を持つように設計されたＵ字状ビームをそれぞれ有する、柔性のある構造体（compliant structure、コンプライアンス構造体）で置き換えられている。したがって、スプリングビーム２２０の、Ｘ軸に平行な部分は長く、Ｙ軸に平行な部分は短い。Ｕ字状ビーム２２０は、ヒンジとしての役割も果たしており、この構造体のＸ方向の寸法を最小限に抑えることができるという利点を有している。
【００４４】
ピボット２３０も、同様に柔性のある構造体（compliant structure、コンプライアンス構造体）で置き換えられている。例えば、図１２に示すように、簡単な片持ちビーム２３０がピボットとしての役割を果たす。理想的なピボットは、変位を生ずることのない回転（すなわち、自由度が１）を可能にするものであるのに対し、片持ちビームは変位及び回転を許容するものであるが、片持ちビームは理想的なピボットより効率的に機能する。図１２では、片持ちビームからのＸ方向の変位は、出力変位に加法的に変換され、この出力変位は、ＭＥＭＳ素子２６０の変位拡大を増大させる。他方で、片持ちビームのＹ方向の変位は、古典的な回転関節によってＸ方向の変位に変換され拡大され、これにより出力変位が増加して、ＭＥＭＳ素子２６０の変位拡大率が増大する。
【００４５】
ヒンジ２４０及び２５０は、運動を変換するため、Ｘ方向及びＹ方向の両方に剛性を持つＳ字状ビームを備えた柔性のある構造体（compliant structure、コンプライアンス構造体）で置き換えられている。さらに、Ｓ字状ビーム２４０及び２５０は、回転方向に柔性を持ち、理想的なヒンジとして機能する。したがって、Ｓ字状ヒンジの設計には、最適な性能を達成するためのトレードオフが存在する。
【００４６】
図１３は、本発明の実施形態に係る静電櫛形駆動アクチュエータ１００の一例及び変位拡大器２００の一例を備えたＭＥＭＳデバイス３００の一例を示している。静電櫛形駆動アクチュエータ１００と共に変位拡大器２００を使用すると、アクチュエータ１００の小さな変位に比べて全移動範囲を拡大することができる。さらに、２台又はそれ以上の櫛形駆動アクチュエータを用いれば、各櫛形駆動アクチュエータを駆動するのに必要な駆動電圧は低減される。
【００４７】
図１３では、変位拡大器２００を駆動するために２台の静電櫛形駆動アクチュエータ１００を用いており、これにより横安定性をさらに向上させることができる。例えば、変位拡大器２００からのＸ方向での剛性をＫｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒとすると、２台の静電櫛形駆動アクチュエータが存在する場合、Ｋｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒは、２台のアクチュエータ１００の間で均等に分割されることになる。すなわち、櫛形駆動アクチュエータの横安定性を考慮して、各アクチュエータに対しＫｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒの半分の剛性を付加する。このように、静電櫛形駆動アクチュエータを１台ではなく２台使用することにより、変位拡大器２００のＸ方向の剛性による負荷を２台のアクチュエータ１００に分割している。Ｋｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒを半分に分割することにより、Ｘ方向における全剛性は、減少する。
【００４８】
例えば、１台の櫛形駆動アクチュエータだけを使用する場合のＸ方向の全剛性は、次式で与えられるものと考えることができる。
Ｋｔｏｔａｌ＝Ｋｘ＋Ｋｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ  （式５）
ここで、Ｋｘは、Ｘ方向における静電櫛形駆動アクチュエータのスプリングの剛性である。したがって、２台のスプリングを備えた２台の櫛形駆動アクチュエータを使用する場合の、Ｘ方向における全剛性は、次式となる。
Ｋｘｔｏｔａｌ＝Ｋｘ＋Ｋｍｕｌｔｉｐｌｉｅｒ／２  （式６）
【００４９】
このように、ｘ方向の剛性を減少させれば、横安定性は増大し、その結果、移動範囲はより長くなる。より詳細に言えば、Ｙ方向の全ばね定数剛性とＸ方向の全ばね定数剛性との間の比率（Ｋｙ／Ｋｘ）を大きくすれば、櫛形駆動アクチュエータの安定移動範囲をより長くすることができる。変位拡大器２００は、Ｙ方向に剛性が低いので、各櫛形駆動アクチュエータ２００のＸ剛性分担を低下させることにより、長い移動範囲を確保することができる。
【００５０】
図１４は、本発明の実施形態に係るＭＥＭＳデバイス３００の運動の一例を示している。図１４から判るように、図３に示す平衡型フィンガ櫛形駆動アクチュエータ１００と図１２に示し変位拡大器とを組み合わせることにより、ＭＥＭＳ素子２６０のより大きな変位を実現することができる。変位拡大器２００の倍率を調整すれば、変位を１桁増大させることもできる。
【００５１】
当業者によって認識されるように、本願において記載された革新的な概念は、広範囲の用途に亘って変形され、変更される可能性がある。したがって、特許主題の範囲は、検討された特定の典型的な教示のいずれにも限定されるべきではなく、その代わりに、請求項に記載された事項によって定められる。
【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８Ａ】
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【図８Ｂ】
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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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