(57)【要約】【課題】  ＭＥＭＳ走査ミラーの主要固有周波数を調整する装置及び方法を提供する。【解決手段】  本発明の一実施形態においては、ＭＥＭＳ構造体は、第１電極と、第２電極と、移動可能要素とを含む。第１電極は第１電圧源に結合される。第２電極は第２電圧源に結合される。移動可能要素は、第３電圧源に結合された第３電極を含む。構造体の固有周波数をアプリケーションの走査周波数に同調させるために、第１電極と第３電極との間の定常電圧差が用いられる。移動可能要素を振動させるために、アプリケーションの走査周波数における第２電極と第３電極との間の振動電圧差が用いられる。一実施形態においては、移動可能要素はミラーである。【選択図】      図１Ａ
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
第１電圧源に結合された第１電極と、
第２電圧源に結合された第２電極と、
第３電圧源に結合された第３電極を含む移動可能要素と、
を備え、前記第１電極と前記第３電極との間の定常電圧差が、ＭＥＭＳ構造体の固有周波数をアプリケーションの走査周波数に少なくともほぼ等しくなるように変化させ、前記アプリケーションの前記走査周波数における前記第２電極と前記第３電極との間の振動電圧差が、前記移動可能要素を振動させることを特徴とするＭＥＭＳ構造体。
【請求項２】
前記第１電圧源はＤＣ電圧源であり、前記第２電圧源はＡＣ電圧源であり、前記第３電圧源は接地であることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項３】
前記第１電極は複数の第１固定歯を備え、前記第２電極は複数の第２固定歯を備え、前記第３電極は複数の移動歯を備えることを特徴とする請求項２に記載の構造体。
【請求項４】
前記ＤＣ電圧源と前記ＡＣ電圧源は、前記構造体と同じチップに配置されることを特徴とする請求項２に記載の構造体。
【請求項５】
（１）前記ＤＣ電圧源と（２）前記ＡＣ電圧源の少なくとも一方が前記構造体とは異なるチップに配置されることを特徴とする請求項２に記載の構造体。
【請求項６】
前記移動可能要素は、軸線の周りを回転する走査ミラーであることを特徴とする請求項２に記載の構造体。
【請求項７】
前記走査ミラーはさらに、トーション・スプリングに結合された反射領域を備え、前記複数の移動歯は、前記反射領域に結合されたバーから延びることを特徴とする請求項６に記載の構造体。
【請求項８】
前記トーション・スプリングが内部孔を含むことを特徴とする請求項７に記載の構造体。
【請求項９】
前記複数の第１固定歯は、前記走査ミラーが第１位置にあるときに、前記複数の移動歯と互いにかみ合うことを特徴とする請求項７に記載の構造体。
【請求項１０】
前記複数の第２固定歯は、前記走査ミラーが第２位置にあるときに、前記複数の移動歯と互いにかみ合うことを特徴とする請求項９に記載の構造体。
【請求項１１】
前記第１電極と前記移動可能要素は上層を含み、前記第２電極は下層を含み、前記上層と前記下層は電気絶縁性材料の中間層によって分離されることを特徴とする請求項１０に記載の構造体。
【請求項１２】
前記ミラーはさらに、曲がりくねったトーション・スプリングにバーによって結合された反射領域を備え、前記複数の移動歯は前記バーから延びることを特徴とする請求項６に記載の構造体。
【請求項１３】
第４の電圧源に結合された第４電極をさらに備えることを特徴とする請求項１に記載の構造体。
【請求項１４】
前記第１電圧源は第１ＤＣ電圧源であり、前記第２電圧源は第１ＡＣ電圧源であり、前記第３電圧源は接地であり、前記第４電圧源は第２ＡＣ電圧源であることを特徴とする請求項１３に記載の構造体。
【請求項１５】
前記第１ＡＣ電圧源と前記第２ＡＣ電圧源は、位相が異なる電圧を与えることを特徴とする請求項１４に記載の構造体。
【請求項１６】
前記第１電極、前記第２電極、及び前記移動可能要素は、１つの層を構成することを特徴とする請求項７に記載の構造体。
【請求項１７】
前記複数の第１固定歯は、前記複数の移動歯からの移動歯の第１の組と互いにかみ合い、前記複数の第２固定歯は、前記複数の移動歯からの移動歯の第２の組と互いにかみ合うことを特徴とする請求項１６に記載の構造体。
【請求項１８】
第１開口部を定め複数の第１固定歯を備えＡＣ電圧を与えるＡＣ電圧源に電気的に結合された第１ドライブパッドを備える第１層と、
前記第１層の上にあり、前記第１開口部に重なる第２開口部を定め、電気絶縁性材料からなる第２層と、
前記第２層の上にある第３層と、
を備え、前記第３層は、
前記第２開口部に重なる第３開口部を定め、複数の第２固定歯を備え、ＤＣバイアス電圧を与えるＤＣ電圧源に電気的に結合されたバイアスパッドと、
前記第３開口部におけるミラーと、
を備え、前記ミラーは、
反射領域と、
前記反射領域に結合されたトーション・ヒンジと、
前記ミラーが回転できるように前記トーション・ヒンジに結合され前記第２層の上に取り付けられ、接地に電気的に結合されたアンカーと、
前記反射領域に結合され、前記複数の第２固定歯と互いにかみ合う複数の移動歯と、
を備え、前記複数の移動歯と前記複数の第２固定歯との間の定常電圧差が、前記構造体の固有周波数をアプリケーションの走査周波数に変化させ、前記アプリケーションの前記走査周波数における前記複数の移動歯と前記複数の第２固定歯との間の振動電圧差が、前記走査ミラーを振動させることを特徴とするＭＥＭＳ構造体。
【請求項１９】
電気絶縁性材料からなる第１層と、
前記第１層の上にある第２層と、
を備え、前記第２層は、
複数の第１固定歯を備え、第１ＡＣ電圧を与える第１ＡＣ電圧源に電気的に結合された第１ドライブパッドと、
複数の第２固定歯を備え、前記第１ＡＣ電圧とは位相が異なる第２ＡＣ電圧を与える第２ＡＣ電圧源に電気的に結合された第２ドライブパッドと、
を備え、前記第１ドライブパッドと前記第２ドライブパッドは第１開口部を定め、
前記第２層の上にあり、前記第１開口部に重なる第２開口部を定め、電気絶縁性材料からなる第３層と、
前記第３層の上にある第４層と、
ガ設けられ、前記第４層は、
前記第２開口部に重なる第３開口部を定め、複数の第３固定歯を備え、ＤＣ電圧を与えるＤＣ電圧源に電気的に結合されたバイアスパッドと、
前記第１及び第２開口部の上のミラーと、
を備え、前記ミラーは、
反射領域と、
前記反射領域に結合されたトーション・ヒンジと、
前記ミラーが回転できるように前記トーション・ヒンジに結合され前記第３層の上に取り付けられ、接地に電気的に結合されたアンカーと、
前記反射領域に結合され、前記複数の第３固定歯と互いにかみ合う複数の移動歯と、
を備え、前記複数の移動歯と前記複数の第３固定歯との間の定常電圧差が、前記構造体の固有周波数をアプリケーションの走査周波数に変化させ、前記アプリケーションの前記走査周波数における前記複数の移動歯と前記複数の第１及び２固定歯との間の振動電圧差が、前記走査ミラーを振動させることを特徴とするＭＥＭＳ構造体。
【請求項２０】
開口部を定め電気絶縁性材料からなる第１層と、
第２層と、
を備え、前記第２層は、
複数の第１固定歯を備え、ＡＣ電圧を与えるＡＣ電圧源に電気的に結合された第１ドライブパッドと、
複数の第２固定歯を備え、前記ＡＣ電圧源に電気的に結合された第２ドライブパッドと、
複数の第３固定歯を備え、ＤＣ電圧を与えるＤＣ電圧源に電気的に結合されたバイアスパッドと、
前記開口部の上のミラーと、
を備え、前記ミラーは、
反射領域と、
前記反射領域に結合されたトーション・ヒンジと、
前記ミラーが回転できるように前記トーション・ヒンジに結合され前記第１層の上に取り付けられ、接地に電気的に結合されたアンカーと、
前記反射領域に結合され、前記複数の第１及び第２固定歯と互いにかみ合う複数の第１移動歯と、
前記反射領域に結合され、前記複数の第３固定歯と互いにかみ合う複数の第２移動歯と、
を備え、前記複数の第２移動歯と前記複数の第３固定歯との間の定常電圧差が、前記構造体の固有周波数をアプリケーションの走査周波数に変化させ、前記アプリケーションの前記走査周波数における前記複数の第２移動歯と前記複数の第１及び２固定歯との間の振動電圧差が、前記走査ミラーを振動させることを特徴とするＭＥＭＳ構造体。
【請求項２１】
移動可能要素を有するＭＥＭＳ構造体を制御する方法であって、
第１固定電極と前記移動可能要素の移動電極との間のＤＣ電圧差の振幅を決め、前記ＤＣ電圧差が、前記構造体の固有周波数をアプリケーションの走査周波数に少なくともほぼ等しくさせ、
前記アプリケーションに用いるために、前記ＤＣ電圧差の振幅を記録し、
前記アプリケーションに用いるために、第２固定電極と移動可能要素の移動電極との間のＡＣ電圧差の周波数として前記走査周波数を記録し、前記ＡＣ電圧差が前記移動可能要素を振動させることを特徴とする方法。
【請求項２２】
前記ＤＣ電圧差の値を決めることが、
前記第１固定電極にＤＣバイアス電圧を印加し、
前記移動可能要素に結合された前記移動電極を接地し、
前記構造体の前記固有周波数が前記走査周波数に少なくともほぼ等しくなるまで前記ＤＣバイアス電圧の振幅を調節する、
ことを含む、請求項２１に記載の方法。
【請求項２３】
前記ＤＣ電圧差を記録することが、前記ＭＥＭＳ構造体を作動させるために、前記ＤＣバイアス電圧の振幅をコントローラにプログラミングすることを含む、請求項２２に記載の方法。
【請求項２４】
前記走査周波数をＡＣ電圧差の周波数として記録することが、前記走査周波数を前記コントローラにプログラミングすることを含む、請求項２３に記載の方法。
【請求項２５】
前記移動電極を接地し、
前記第１固定電極にＤＣバイアス電圧を印加して、前記第１固定電極と前記移動電極との間に前記ＤＣ電圧差を生じさせ、
前記第２固定電極にＡＣ駆動電圧を印加して、前記第２固定電極と前記移動電極との間にＡＣ電圧差を生じさせる、
ことを特徴とする請求項２１に記載の方法。
【請求項２６】
前記アプリケーションに用いるために、第３固定電極と前記移動可能要素の移動電極との間の第２ＡＣ電圧差の周波数として前記走査周波数を記録し、前記第２ＡＣ電圧差は前記第１ＡＣ電圧差とは位相が異なり、
前記第３固定電極に第２ＡＣ駆動電圧を印加して、前記第２固定電極と前記移動電極との間にＡＣ電圧差を生じさせることを特徴とする請求項２５に記載の方法。
【請求項２７】
移動可能要素を有するＭＥＭＳ構造体を制御する方法であって、
第１固定電極と移動可能要素の移動電極との間にＤＣ電圧差を印加し、前記ＤＣ電圧差は、前記構造体の固有周波数をアプリケーションの所望の走査周波数に少なくともほぼ等しくさせ、
第２固定電極と前記移動電極との間に、所望の走査周波数におけるＡＣ電圧差を印加し、前記ＡＣ電圧差が前記移動可能要素を振動させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項２８】
前記移動可能要素の走査周波数と走査角を計測し、
前記計測された走査周波数及び走査角を、所望の走査周波数及び所望の走査角と比較し、
構造体の固有周波数がアプリケーションの所望の走査周波数に少なくともほぼ等しくなるようにＤＣ電圧差の振幅を調節する、
ことをさらに含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項２９】
前記走査周波数、前記走査角、及びニュートラル走査位置の少なくとも１つが変化するように前記ＡＣ電圧差の振幅、周波数、及び垂直方向オフセットの少なくとも１つを調節することをさらに含む、請求項２８に記載の方法。
【請求項３０】
前記ＤＣ電圧差を印加することが、
前記第１固定電極にＤＣバイアス電圧を印加し、
前記移動電極を接地する、
ことを含む、請求項２７に記載の方法。
【請求項３１】
前記ＡＣ電圧差を印加することが、前記第２固定電極にＡＣ電圧を印加することを含む、請求項３０に記載の方法。
【請求項３２】
第１電圧源に結合された第１電極と、
第２電圧源に結合された第２電極と、
第３電圧源に結合された第３電極を備え、第１軸線の周りを回転するように支持層に取り付けられた回転可能なフレームと、
第４電圧源に結合された第４電極と、
第５電圧源に結合された第５電極と、
第６電圧源に結合された第６電極を備え、第２軸線の周りを回転するように前記フレームに取り付けられた回転可能要素と、
を備え、
前記第１電極と前記第３電極との間の第１定常電圧差が、前記第１軸線の周りの前記構造体の固有周波数を、前記第１軸線の周りのアプリケーションの走査周波数に少なくともほぼ等しくなるように変化させ、
前記第４電極と前記第６電極との間の第２定常電圧差が、前記第２軸線の周りの前記構造体の固有周波数を、前記第２軸線の周りのアプリケーションの走査周波数に少なくともほぼ等しくなるように変化させ、
前記第１走査周波数における前記第２電極と前記第３電極との間の第１振動電圧差が、前記回転可能要素を前記第１軸線の周りで振動させ、
前記第２走査周波数における前記第５電極と前記第６電極との間の第２振動電圧差が、前記回転可能要素を前記第２軸線の周りで振動させる、
ことを特徴とするＭＥＭＳ構造体。
【請求項３３】
前記第１電圧源は第１ＤＣ電圧源であり、前記第２電圧源は第１ＡＣ電圧源であり、前記第３電圧源は接地であることを特徴とする請求項３２に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項３４】
前記フレームはさらに、前記支持層の上に取り付けられるトーション・スプリングを備え、前記第３電極は前記フレームから延びる複数の第１歯を備えることを特徴とする請求項３３に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項３５】
前記第１電極は、前記支持層の上に取り付けられる複数の第２歯を備え、前記フレームが回転しないときに前記複数の第１歯と互いにかみ合うことを特徴とする請求項３４に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項３６】
前記第２電極は前記複数の第２歯の上の複数の第３歯を備え、前記複数の第３歯は、前記フレームが回転するときに前記複数の第１歯と互いにかみ合うことを特徴とする請求項３５に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項３７】
前記第４電圧源は第２ＤＣ電圧源であり、前記第５電圧源は第２ＡＣ電圧源であり、前記第６電圧源は接地であることを特徴とする請求項３３に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項３８】
前記回転要素は、前記フレームの上に取り付けられたトーション・スプリングに結合される反射領域を含む走査ミラーであり、前記第６電極は前記反射領域から延びる複数の第１歯を備えることを特徴とする請求項３７に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項３９】
前記第４電極は、前記フレームが回転しないときに、前記複数の第１歯の少なくとも一部と互いにかみ合う複数の第２歯を備えることを特徴とする請求項３８に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項４０】
前記第５電極は、前記フレームが回転しないときに、前記複数の第１歯の少なくとも一部と互いにかみ合う複数の第３歯を備えることを特徴とする請求項３９に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項４１】
前記第１ＤＣ電圧源、前記第２ＤＣ電圧源、前記第１ＡＣ電圧源、及び前記第２ＡＣ電圧源は、前記構造体と同じチップに配置されることを特徴とする請求項３７に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項４２】
前記第１ＤＣ電圧源、前記第２ＤＣ電圧源、前記第１ＡＣ電圧源、及び前記第２ＡＣ電圧源の少なくとも１つは、前記構造体とは異なるチップに配置されることを特徴とする請求項３３に記載のＭＥＭＳ構造体。
【請求項４３】
電気絶縁性材料からなる第１層と、
前記第１層の上にある第２層と、
を備え、前記第２層は、
その１つ又はそれ以上の縁から延びる複数の第１歯を備え、第１軸線の周りを回転するために、第１トーション・ヒンジによって、接地に電気的に結合された第１アンカーに結合されるフレームと、
複数の第２歯を備え、第１ＤＣ電圧源に結合された第１バイアスパッドと、
を備え、前記複数の第１歯と第２歯は、前記フレームが回転しないときに互いにかみ合い、
前記第２層の上にあり電気絶縁性材料からなる第３層と、
前記第３層の上にある第４層と、
を備え、前記第４層は、
その１つ又はそれ以上の縁から延びる複数の第３歯を備え、第２軸線の周りを回転するために、第２トーション・ヒンジによって、接地に電気的に結合され前記第３層の上の前記フレームに取り付けられた第２アンカーに結合されるミラーと、
複数の第４歯を備え、第２ＤＣ電圧源に結合された第２バイアスパッドと、
を備え、前記複数の第３歯と第４歯は、前記ミラーが回転しないときに互いにかみ合い、
複数の第５歯を備え、第１ＡＣ電圧源に結合された第１ドライブパッドと、
を備え、前記複数の第３歯と第５歯は、前記ミラーが回転しないときに互いにかみ合い、
複数の第６歯を備え、第２ＡＣ電圧源に結合された第２ドライブパッドと、
を備え、前記複数の第１歯と第６歯は、前記ミラーが前記第２軸線の周りを回転しないときに互いにかみ合い、
前記複数の第１及び第２歯の間の第１定常電圧差は、前記第１軸線の周りの前記構造体の固有周波数を、前記第１軸線の周りのアプリケーションの第１走査周波数に少なくともほぼ等しくなるように変化させ、
前記複数の第３及び第４歯の間の第２定常電圧差は、前記第２軸線の周りの前記構造体の固有周波数を、前記第２軸線の周りのアプリケーションの第２走査周波数に少なくともほぼ等しくなるように変化させ、
前記第１走査周波数における前記複数の第３及び第５歯の間の第１振動電圧差が、前記走査ミラーを前記第２軸線の周りで振動させ、
前記第２走査周波数における前記複数の第１及び第６歯の間の第２振動電圧差が、前記走査ミラーを前記第１軸線の周りで振動させる、
ことを特徴とするＭＥＭＳ構造体。
【請求項４４】
回転可能なフレームに取り付けられた回転可能要素を有するＭＥＭＳ構造体を制御する方法であって、
第１電極と回転可能要素の第２電極との間の第１ＤＣ電圧差を決め、前記第１ＤＣ電圧差が、第２軸線の周りの前記構造体の第１固有周波数を、前記第２軸線の周りのアプリケーションの第１走査周波数に少なくともほぼ等しくさせ、
第３電極と回転可能フレームの第４電極との間の第２ＤＣ電圧差を決め、前記第２ＤＣ電圧差が、第１軸線の周りの前記構造体の第２固有周波数を、前記第１軸線の周りのアプリケーションの第２走査周波数に少なくともほぼ等しくさせ、
前記アプリケーションに用いるために、前記第１及び第２ＤＣ電圧差を記録し、
前記アプリケーションに用いるために、第５電極と前記回転可能要素の第２電極との間の第１ＡＣ電圧差の第１駆動周波数として前記第１走査周波数を記録し、前記第１ＡＣ電圧差が前記移動可能要素を前記第２軸線の周りで振動させ、
前記アプリケーションに用いるために、第６電極と前記回転可能フレームの第４電極との間の第２ＡＣ電圧差の第２駆動周波数として前記第２走査周波数を記録し、前記第２ＡＣ電圧差が前記回転可能フレームを前記第１軸線の周りで振動させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項４５】
前記第１ＤＣ電圧差を決めることが、
前記第１電極に第１ＤＣバイアス電圧を印加し、
前記回転可能要素の前記第２電極を接地し、
前記第１固有周波数が前記第１走査周波数に少なくともほぼ等しくなるまで前記第１ＤＣバイアス電圧の振幅を調節する、
ことを含む、請求項４４に記載の方法。
【請求項４６】
前記第２ＤＣ電圧差を決めることが、
前記第３電極に第２ＤＣバイアス電圧を印加し、
前記回転可能フレームの前記第４電極を接地し、
前記第２固有周波数が前記第２走査周波数に少なくともほぼ等しくなるまで前記第２ＤＣバイアス電圧の振幅を調節する、
ことを特徴とする請求項４５に記載の方法。
【請求項４７】
前記第１ＤＣ電圧差と前記第２ＤＣ電圧差を記録することが、前記ＭＥＭＳ構造体を作動させるために、前記第１ＤＣバイアス電圧と前記第２ＤＣバイアス電圧とをコントローラにプログラミングすることを含む、請求項４６に記載の方法。
【請求項４８】
前記第１及び第２走査周波数を記録することが、前記第１及び第２走査周波数を前記コントローラにプログラミングすることを含む、請求項４７に記載の方法。
【請求項４９】
前記第２電極を接地し、
前記第１電極に第１ＤＣバイアス電圧を印加して、前記第１ＤＣ電圧差を生じさせ、
前記第１走査周波数における第１ＡＣ駆動電圧を前記第５電極に印加して、前記第１ＡＣ電圧差を生じさせ、
前記第４電極を接地し、
前記第３電極に第２ＤＣバイアス電圧を印加して、前記第２ＤＣ電圧差を生じさせ、
前記第２走査周波数における第２ＡＣ駆動電圧を前記第６電極に印加して、前記第２ＡＣ電圧差を生じさせる、
ことを特徴とする請求項４４に記載の方法。
【請求項５０】
回転可能なフレームに取り付けられた回転可能要素を有するＭＥＭＳ構造体を制御する方法であって、
第１電極と前記回転可能要素の第２電極との間に第１ＤＣ電圧差を印加し、前記第１ＤＣ電圧差は、前記第１軸線の周りの前記構造体の第１固有周波数を、前記第１軸線の周りのアプリケーションの所望の第１走査周波数に少なくともほぼ等しくなるように変化させ、
第３電極と前記回転可能フレームの第４電極との間に第２ＤＣ電圧差を印加し、前記第２ＤＣ電圧差は、前記第２軸線の周りの前記構造体の第２固有周波数を、前記第２軸線の周りのアプリケーションの所望の第２走査周波数に少なくともほぼ等しくなるように変化させ、
第５電極と前記回転可能要素の第２電極との間に第１ＡＣ電圧差を印加し、前記第１ＡＣ電圧差は、前記回転可能要素を前記第１軸線の周りで振動させ、
第６電極と前記回転可能フレームの第４電極との間に第２ＡＣ電圧差を印加し、前記第２ＡＣ電圧差は、前記回転可能要素を前記第２軸線の周りで振動させる、
ことを特徴とする方法。
【請求項５１】
前記第１軸線の周りの前記回転可能要素の第１走査周波数と第１走査角を計測し、
前記計測された第１走査周波数及び前記計測された第１走査角を、所望の前記第１走査周波数及び所望の前記第２走査角と比較し、
前記第１固有周波数が所望の前記第１走査周波数に少なくともほぼ等しく変化するように前記第１ＤＣ電圧差の振幅を調節する、
ことをさらに含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５２】
前記第１走査周波数、前記第１走査角、及び前記回転可能要素の第１ニュートラル走査位置の少なくとも１つが変化するように、前記ＡＣ電圧差の振幅、周波数、及び垂直方向オフセットの少なくとも１つを調節することをさらに含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５３】
前記第２軸線の周りの前記回転可能フレームの第２走査周波数と第２走査角を計測し、
前記計測された第２走査周波数及び前記計測された第２走査角を、所望の前記第２走査周波数及び所望の前記第２走査角と比較し、
前記第２固有周波数が所望の前記第２走査周波数に少なくともほぼ等しく変化するように前記第２ＤＣ電圧差の振幅を調節する、
ことをさらに含む、請求項５１に記載の方法。
【請求項５４】
前記第２走査周波数、前記第２走査角、及び前記回転可能要素の第２ニュートラル走査位置の少なくとも１つが変化するように、前記第２ＡＣ電圧差の振幅、周波数、及び垂直方向オフセットの少なくとも１つを調節することをさらに含む、請求項５３に記載の方法。
【請求項５５】
前記第１ＤＣ電圧差を印加することが、
前記第１電極にＤＣバイアス電圧を印加し、
前記第２電極を接地する、
ことを含む、請求項５０に記載の方法。
【請求項５６】
前記第１ＡＣ電圧差を印加することが、前記第５電極にＡＣ電圧を印加することを含む、請求項５５に記載の方法。
【請求項５７】
前記第２ＤＣ電圧差を印加することが、
前記第３電極にＤＣバイアス電圧を印加し、
前記第４電極を接地する、
ことを含む、請求項５６に記載の方法。
【請求項５８】
前記第２ＡＣ電圧差を印加することが、前記第６電極にＡＣバイアス電圧を印加することを含む、ことを特徴とする請求項５７に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、マイクロ・エレクトロ・メカニカル・システム（ＭＥＭＳ）に関し、より詳細にはＭＥＭＳ走査ミラーに関する。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００２】
ＭＥＭＳ走査ミラーのための種々の静電設計が提案されている。それらの用途には、バーコードリーダ、レーザープリンタ、共焦点顕微鏡、光ファイバ・ネットワーク構成部材、プロジェクタ用の映写ディスプレイ、背面映写ＴＶ、装着可能なディスプレイ、及び軍事用レーザ追跡・誘導システムがある。典型的には、ＭＥＭＳ走査ミラーは、高い走査角を達成するために、主要共振周波数で駆動される。その製造工程は、常に、個々のデバイスの固有周波数を変化させる寸法的な不一致をもつＭＥＭＳ走査ミラーを作り出す。ＭＥＭＳ走査ミラーのうちの少数の主要固有周波数が低過ぎるか又は高過ぎる場合には、その少数のデバイスは、大多数のＭＥＭＳ走査ミラーのために選択された交流（ＡＣ）駆動電圧のもとで適正な走査速度と適正な走査角を与えない。したがって、これらのデバイスの製造歩留まりを改善するために、ＭＥＭＳ走査ミラーの主要固有周波数を調整する装置及び方法が必要とされる。
【課題を解決するための手段】
【０００３】
本発明の一実施形態においては、ＭＥＭＳ構造体は、第１電極と、第２電極と、移動可能要素とを含む。第１電極は第１電圧源に結合される。第２電極は第２電圧源に結合される。移動可能要素は、第３電圧源（例えば電気的接地）に結合された第３電極を含む。構造体の固有周波数をアプリケーションの走査周波数に同調させるために、第１電極と第３電極との間の定常電圧差が用いられる。移動可能要素を振動させるために、アプリケーションの走査周波数において、第２電極と第３電極との間の振動電圧差が用いられる。一実施形態においては、移動可能要素はミラーである。
【発明の効果】
【０００４】
本発明によれば、ＭＥＭＳ走査ミラーの固有振動数を調節することが可能になり、それによって、ＭＥＭＳ走査ミラーの適正な走査速度と適正な走査角を得ることができるという効果が得られる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００５】
図４は、本発明の一実施形態におけるＭＥＭＳシステム４００を示している。ＭＥＭＳシステム４００は、電圧源４０２によって供給された電圧のもとで静電的に移動される移動可能要素を有するＭＥＭＳ構造体（例えばＭＥＭＳ構造体１００、２００又は３００）を含む。電圧源４０２は、ＭＥＭＳ構造体１００の固有周波数を所望の走査周波数に調整するために、固定電極と移動可能要素の移動電極との間に電圧差を与える。電圧源４０２はまた、所望の走査角をもつ移動可能要素を振動させるために、所望の走査周波数において、別の固定電極と移動可能要素の移動電極との間にＡＣ電圧差を与える。
移動可能要素の動き（例えば走査周波数及び走査角）は、センサ４０４によって計測され、コントローラ４０６にフィードバックされる。コントローラ４０６は、計測された動きを移動可能要素の所望の動きと比較し、次いで電圧源４０２に、所望の動きを達成するのに適した電圧を与えるように命令する。ＭＥＭＳ構造体１００、電圧源４０２、センサ４０４、及びコントローラ４０６は、個別の構成要素として示されているが、これらは同じチップか又は異なるチップに搭載することができる。
【０００６】
図１Ａ及び図１Ｂは、それぞれ、一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の組み立てられた図と分解図とを示している。ＭＥＭＳ構造体１００は、単一の移動軸を要求する用途のいずれにも用いることができる（例えば一方向走査ミラー）。ＭＥＭＳ構造体１００は、導電層１０５と、絶縁層１０７と、導電層１０９とを含む。一実施形態においては、導電層１０５及び１０９はドープ処理シリコンから形成され、一方、絶縁層１０７は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から形成される。絶縁層１０７は、導電層１０５及び１０９における構成要素を電気的に絶縁する。絶縁層１０７はまた、導電層１０５及び１０９を物理的に結合するのにも用いられる。
【０００７】
図１Ｃは、導電層１０５の一実施形態の平面図である。導電層１０５は、走査ミラー１０１とバイアスパッド１１２を含む。走査ミラー１０１は、トーション・ヒンジ１０２Ａ及び１０２Ｂによってアンカー１０８Ａ及び１０８Ｂにそれぞれ接続された反射領域１２４を含む。ミラー１０１は、軸線１２２の周りを回転する。
一実施形態においては、トーション・ヒンジ１０２Ａ及び１０２Ｂは、構造体１００の回転モード周波数を下げるために内部孔１１４を含む。回転モード周波数は、走査ミラー１０１が、他の望ましくない回転及び並進運動による構造的振動とカップリングすることなく軸線１２２の周りを回転することを保証する最も低いモード周波数である。
ミラー１０１は、回転軸線１２２の異なる側に移動歯１０４Ａ及び１０４Ｂ（全体を「移動歯１０４」と呼ぶ）を含む。移動歯１０４Ａ及び１０４Ｂは、バー１０６Ａ及び１０６Ｂからそれぞれ延びる。バー１０６Ａ及び１０６Ｂは、反射領域１２４に接続され、トーション・ヒンジ１０２Ａ及び１０２Ｂと平行に延びる。
バイアスパッド１１２は、回転軸線１２２の異なる側に固定歯１０３Ａ及び１０３Ｂ（全体を「固定歯１０３」と呼ぶ）を含む。固定歯１０３Ａ及び１０３Ｂは、バイアスパッド１１２とミラー１０１が同一平面内にあるとき（例えばミラー１０１が回転されないとき）に、それぞれ移動歯１０４Ａ及び１０４Ｂと互いにかみ合う。
【０００８】
一実施形態においては、アンカー１０８Ａは接地１１６に結合され、バイアスパッド１１２は直流（ＤＣ）電圧源１１８に結合される。ＤＣ電圧源１１８は、バイアスパッド１１２にＤＣバイアス電圧を与える。ＤＣバイアス電圧は、固定歯１０３と移動歯１０４との間に定常電圧差を生じさせる。固定歯１０３と移動歯１０４との間の定常電圧差は、静電トルクを生じさせ、静電トルクが平衡位置において回復トルクに等しくなるまでミラー１０１を回転させる。実質的に、固定歯１０３と移動歯１０４との間の定常電圧差は、ＭＥＭＳ構造体１００の固有周波数を変化させる非線形正静電システムを創造する。したがって、ＭＥＭＳ構造体１００の固有周波数は、固定歯１０３と移動歯１０４との間の定常電圧差を増加させるか又は減少させることによって調整する（例えば同調する）ことができる。
一実施形態においては、ＤＣ電圧源１１８は、構造体１００と同じチップに搭載することができる。或いは、ＤＣ電圧源１１８は、構造体１００とは別個のチップに搭載される。一実施形態においては、ＤＣ電圧源１１８は、構造体１００の所望の固有周波数をもたらすＤＣバイアス電圧値を生成するように、作動の際にサーボ制御される。
【０００９】
図１Ｄは、中間層１０７の一実施形態の平面図を示す。絶縁層１０７は、層１０１上の構成要素を電気的に絶縁するために、ミラー１０１を別にすれば導電層１０５と同じ形状をもつ。絶縁層１０７は、ミラー１０１の走査運動のための十字形の開口部１２１を定める。
図１Ｅは、導電層１０９の一実施形態の平面図を示す。導電層１０９は、十字形の開口部１１１を定めるドライブパッド１２６を含む。ドライブパッド１２６は、回転軸線１２２の異なる側に固定歯１１０Ａ及び１１０Ｂ（全体を「固定歯１１０」と呼ぶ）を含む。開口部１２１と同様に、開口部１１１は、ミラー１０１の走査運動のために用意された自由空間である。固定歯１１０Ａは、ミラー１０１が第１方向（例えば時計回り方向）に回転するときに移動歯１０４Ａと互いにかみ合い、固定歯１１０Ｂは、ミラー１０１が第２方向（例えば反時計回り方向）に回転するときに移動歯１０４Ｂと互いにかみ合う。歯１１０Ａ及び１１０Ｂは電気的に接続される。移動構造体が軸線１２２に関して対称である場合には、ＡＣ駆動電圧がパッド１１２及び１２６の間に印加されたときに、最初に並進運動による合力が発生する。この並進運動による合力は、回転運動にとって有用ではない。実際には、構造体は、製造上の公差に起因して完全に対称ではなく、振動し始める。構造体が振動し始めると、トルクが増加し、並進運動による合力が減少する。この小さな最初のトルクについての可能性のある問題は、力又は構造体を軸線１２２に関して僅かに非対称にすることによって解決することができる。例えば、歯１１０Ａ及び１１０Ｂの長さを僅かに異なるように作成して、比較的大きな最初のトルクを生成させることができる。ミラーの形状を軸線１２２に関して僅かに非対称となるように作成して、同じ作用をもたらすことができる。
【００１０】
一実施形態においては、固定歯１１０及び移動歯１０４は、走査ミラー１０１を振動させる静電アクチュエータ（例えば垂直コーム駆動アクチュエータ）を形成する。この実施形態においては、ドライブパッド１２６はＡＣ電圧源１２０に結合され、アンカー１０８Ａは接地１１６に結合される。作動させられると、ＡＣ電圧源１２０は、固定歯１１０と移動歯１０４との間に振動電圧差を生じさせるＡＣ駆動電圧をドライブパッド１２６に与える。典型的には、ＡＣ駆動電圧は、最大走査角を達成するために、構造体１００の固有周波数に等しい周波数を有する。歯１１０及び１０４の間の振動電圧差は、ミラー１０１の走査運動を生じさせる静電トルクを生成する。
一実施形態においては、ＡＣ電圧源１２０は、構造体１００と同じチップに搭載することができる。或いは、ＡＣ電圧源１２０は、構造体１００とは別個のチップに搭載される。一実施形態においては、ＡＣ電圧源１２０は、所望の走査速度及び走査角をもたらすＡＣ駆動電圧を生成するように、作動の際にサーボ制御される。
【００１１】
図１Ｆは、一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００を構成し作動させる方法１５０を示す。構造体１００は、通常は、大量生産された構造体１００のバッチからのデバイスである。後述するように、構造体１００の製造中にアクション１５１及び１５２が起こり、構造体１００の使用中にアクション１５３、１５４、１５６、及び１６０が起こる。
アクション１５１において、設計者は、アプリケーションの走査周波数と走査角を決め（例えばバーコードリーダでは１ｋＨｚ及び５−１０度）、走査周波数に等しい特定の固有周波数が達成されるように構造体１００の基本設計を修正する。設計者は、ヒンジの剛性（例えばヒンジの幾何学的形状）を変更することによって、又は構造体の慣性（例えばミラーの幾何学的形状）を変更することによって、設計を修正する。アクション１５２に続いてアクション１５２がある。
【００１２】
アクション１５２において、設計者は、この構造体１００のＤＣ電圧差とＡＣ電圧差の特性を予め設定する。設計者は、ＤＣバイアス電圧（図５）の振幅を予め設定して、この構造体１００の固有周波数をアプリケーションの走査周波数に同調させる。設計者は、この構造体１００の所望の走査角が達成されるように、ＡＣ駆動電圧（図５）の振幅と周波数を予め設定する。設計者はまた、そのあたりで振動が起こる所望のニュートラル走査位置が達成されるように、ＡＣ駆動電圧(図５）の垂直方向オフセットを予め設定することができる。これらのステップは、製造上の不一致性に起因して構造体１００の各々が互いに幾分異なるので必要なものである。これらの特性は、ＤＣバイアス電圧とＡＣ駆動電圧の初期／デフォルト特性として、この構造体１００用のコントローラ４０６に保存される。
【００１３】
アクション１５３において、エンドユーザは、ＤＣバイアス電圧とＡＣ駆動電圧の異なる特性をコントローラ４０６に保存してもよい。エンドユーザは、所望の走査周波数、所望の走査角、及び所望のニュートラル走査位置を変更するために、そのようにすることを望んでも良い。
アクション１５４において、コントローラ４０６は、ＤＣバイアス電圧とＡＣ駆動電圧を印加するように電圧源４０２に命令する。電圧源４０２は、種々のＤＣ及びＡＣ電圧源（例えばＤＣ電圧源１１８及びＡＣ電圧源１２０）を表わす。
【００１４】
ＤＣバイアス電圧は、コントローラ４０６に格納されたデフォルト値から開始され、次いで、回転固有周波数が走査周波数であることが保証されるようにサーボ制御される。ＤＣバイアス電圧のサーボ制御は、温度変化、材料老朽化、又はその他の理由に起因して、構造体１００の固有周波数が所望の値から外れてドリフトするので、作動上の段階において必要である。
ＡＣ駆動電圧は、コントローラ４０６に格納されたデフォルト値から開始され、次いで、所望の走査周波数と走査角が達成されることが保証されるようにサーボ制御される。ＡＣ駆動電圧のサーボ制御は、温度変化、材料老朽化、又はその他の理由に起因して、走査周波数、走査角及びニュートラル走査位置が所望の値から外れてドリフトするので、作動上の段階において必要である。アクション１５４に続いてアクション１５８がある。
【００１５】
アクション１５８において、走査ミラーの動き（例えば走査周波数、走査角、及び走査ニュートラル位置）を監視するのにセンサ４０４が用いられ、計測された情報がコントローラ４０６に出力される。アクション１５８に続いてアクション１６０がある。
アクション１６０において、コントローラ４０６は、センサ４０４から運動情報を受け取る。コントローラ４０６は、必要なＤＣバイアス電圧と必要なＡＣ駆動電圧を計算し、それを電圧源４０２に与える。ＤＣバイアス電圧のサーボ制御は、ＤＣバイアス電圧の振幅を乱し、走査角の変化を感知することによって達成される。ＤＣバイアス電圧が増加され、それと同時に走査角も増加される場合には、固有周波数は走査周波数に接近し、逆の場合も同様である。これは、ボードプロットが主要固有周波数の高いＱファクタを示す場合には、ＤＣバイアス電圧変化をもつ固有周波数を制御することによって走査振幅を維持するのに通常はより効果的である。
ＡＣ駆動電圧のサーボ制御は、ＡＣ駆動電圧の振幅、周波数、及び垂直方向オフセットを乱し、走査角、走査周波数、及び走査ニュートラル位置の変化を感知することによって達成される。ＡＣ駆動電圧の振幅は、回転角を増加させるために増加され、逆の場合も同様である。ＡＣ駆動電圧の周波数は、走査周波数を増加させるために増加され、逆の場合も同様である。ＡＣ駆動電圧の垂直方向オフセットは、走査ニュートラル位置が最適化されるように変化される。アクション１６０に続いてアクション１５４があり、方法はフィードバック・ループに引き継がれる。
【００１６】
図１Ｇは、構造体１００の導電層１０５の別の実施形態の平面図を示す。図１Ｃと図１Ｇとの間の同じ又は同様の部分は、同じ符号で示されている。この実施形態においては、反射領域１２４はバー１２８Ａ及び１２８Ｂに接続される。移動歯１０４Ａ及び１０４Ｂは、バー１２８Ａ及び１２８Ｂ両側の縁から延びる。バー１２８Ａ及び１２８Ｂの端は、トーション・ヒンジ１３０Ａ及び１３０Ｂによってアンカー１０８Ａ及び１０８Ｂにそれぞれ接続される。トーション・ヒンジ１３０Ａ及び１３０Ｂの各々は、曲がりくねった形状を有し、並進運動の剛性を増加させるがヒンジ１０２Ａ及び１０２Ｂのねじりたわみ性を維持する。上述したのと同様に、ＤＣ電圧源１１８はバイアスパッド１１２に結合され、接地１１６はアンカー１０８Ａに結合される。上述の方法１５０は、図１Ｇの導電層１０５をもつ構造体１００を構成し作動させるのに用いることができる。
【００１７】
図１Ｈは、導電層１０９の別の実施形態の平面図である。図１Ｅと図１Ｈとの間の同じ又は同様の部分は、同じ符号で示されている。この実施形態においては、ドライブパッド１２６は、固定歯１１０Ｂのみを含む。この構成は、ミラーの回転振動を励振させるために大きな初期トルクを与える。固定歯１１０Ｂと移動歯１０４Ｂとの間の振動電圧差は、それだけでミラー１０１の走査運動を生じさせる。しかしながら、この実施形態における層１０９が、両側の側部の一方のみの固定歯１１０に対して力をかけるので、振動電圧差は、図１Ｅの上述の実施形態の応答振幅に一致するまで増加させてもよい。上述の方法１５０は、図１Ｈの導電層１０９をもつ構造体１００を構成し作動させるのに用いることができる。
【００１８】
図１Ｉは、導電層１０９の別の実施形態の平面図を示す。図１Ｅと図１Ｉとの間の同じ又は同様の部分は、同じ符号で示されている。この実施形態においては、導電層１０９は、共に開口部１２１を定める２つのドライブパッド１３２Ａ及び１３２Ｂ（全体を「ドライブパッド１３２」と呼ぶ）に分けられる。固定歯１１０Ａ及び１１０Ｂは、それぞれドライブパッド１３２Ａ及び１３２Ｂの両側の縁から延びる。ドライブパッド１３２ＡがＡＣ電圧源１３４Ａに結合される一方で、ドライブパッド１３２Ｂは別のＡＣ電圧源１３４Ｂに結合される。ＡＣ電圧源１３４Ａ及び１３４Ｂは、同一の周波数をもつが１８０度の位相差があり、最も高いねじれ作動力と初期励振トルクを与える。したがって、固定歯１１０と移動歯１０４との間の振動電圧差は、ミラー１０１の走査運動を生じさせる。上述の方法１５０は、図１Ｉの導電層１０９をもつ構造体１００を構成し作動させるのに用いることができる。
図１Ｊは、ドライブパッド１３２Ａ及び１３２Ｂを電気的に絶縁する、導電層１０９の下の付加的な層１３６の平面図を示す。一実施形態においては、絶縁層１３６は、真性シリコンから形成される。絶縁性層１３６は、ミラー１０１の走査運動のために用意された自由空間を含んでも良い。
【００１９】
図２Ａ及び図２Ｂは、それぞれ一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体２００の組み立てられた図及び分解図を示す。ＭＥＭＳ構造体１００と同様に、ＭＥＭＳ構造体２００は、単軸型走査ミラーを要求するどんなアプリケーションに用いることもできる。ＭＥＭＳ構造体２００は、導電層２０５と、絶縁性及び結合層２０７と、構造体アンカー層２０９とを含む。一実施形態においては、導電層２０５は、ドープ処理シリコンから形成されるが、絶縁性層２０７は、導電層２０５の要素を電気的に絶縁するためにＳｉＯ2から形成される。層２０９は、２つの上層のための支持構造体を与える。層２０９が非導電性真性シリコンから形成される場合には、結合層として層２０７のみが用いられ、この構成にとって随意的なものであってもよい。
【００２０】
図２Ｃは、導電層２０５の一実施形態の平面図を示す。導電層２０５は、走査ミラー２１０と、バイアスパッド２１２と、ドライブパッド２３２Ａ及び２３２Ｂを含む。ミラー１０１と同様に、ミラー２０１は、それぞれトーション・ヒンジ２０２Ａ及び２０２Ｂによってアンカー２０８Ａ及び２０８Ｂに接続された反射領域２２４を含む。ミラー２０１は、軸線２２２の周りを回転する。
一実施形態においては、トーション・ヒンジ２０２Ａ及び２０２Ｂは、回転モード周波数を下げるために内部孔２１４を含む。ミラー２０１はまた、移動歯２０４Ａ及び２０４Ｂの組を含む（全体を「移動歯２０４」と呼ぶ）。移動歯２０４Ａ及び２０４Ｂは、軸線２２２の異なる側にあるバー２０６Ａ及び２０６Ｂから延びる。バー２０６Ａ及び２０６Ｂは、反射領域２２４に結合され、トーション・ヒンジ２０２Ａ及び２０２Ｂに対して平行に延びる。
内側の移動歯２０４Ｂは、反射領域２２４に近く、固定歯２１０Ａ及び２１０Ｂと互いにかみ合う（後述する）。外側の移動歯２０４Ａは、反射領域２２４からさらに遠く、固定歯２０３Ａ及び２０３Ｂと互いにかみ合う（後述する）。
【００２１】
一実施形態においては、ミラー２０１は、通常は１つ又はそれ以上の角が取れた四角形であるので、非対称形である。したがって、ミラー２０１の重心は、軸線２２２の一方の側にずれている。こうした設計は、アプリケーションがミラー２０１に幾つかの初期回転位置で開始するか又は幾つかの初期回転位置に迅速に到達することを要求するときに好ましいであろう。
バイアスパッド２１２は、軸線２２２の異なる側に固定歯２０３Ａ及び２０３Ｂ（全体を「固定歯２０３」と呼ぶ）を含む。固定歯２０３Ａ及び２０３Ｂは、バイアスパッド２１２とミラー２０１が同一平面内にあるとき（例えばミラー２０１が回転されないとき）に、それぞれ移動歯２０４Ａ及び２０４Ｂと互いにかみ合う。
ドライブパッド２３２Ａ及び２３２Ｂ（まとめて「ドライブパッド２３２」と呼ぶ）は、固定歯２１０Ａ及び２１０Ｂ（全体を「固定歯２１０」と呼ぶ）を含む。固定歯２１０Ａ及び２１０Ｂは、ドライブパッド２３２とミラー２０１が同一平面内にあるときに、内側の移動歯２０４Ｂと互いにかみ合う。
【００２２】
一実施形態においては、アンカー２０８Ａは接地２１６に結合され、バイアスパッド２１２はＤＣ電圧源２１８に結合される。ＤＣ電圧源２１８は、固定歯２０３と外側の移動歯２０４Ａとの間に定常電圧差を生じさせるＤＣバイアス電圧を、バイアスパッド２１２に与える。上述したのと同様に、固定歯２０３と移動歯２０４Ａとの間の定常電圧差は、構造体２００の固有周波数を変化させる静電力を生じさせる。したがって、ＭＥＭＳ構造体２００の固有周波数は、固定歯２０３と移動歯２０４Ａとの間の定常電圧差を変化させることによって調整することができる。
一実施形態においては、固定歯２１０及び移動歯２０４Ｂは、走査ミラー２０１を振動させる静電アクチュエータ（例えばコーム駆動アクチュエータ）を形成する。この実施形態においては、ドライブパッド２３２はＡＣ電圧源２２０に結合される。作動させられると、ＡＣ電圧源２２０は、固定歯２１０と内側の移動歯２０４Ｂとの間に振動電圧差を生じさせるＡＣ駆動電圧を、ドライブパッド２３２に与える。固定歯２１０と内側の移動歯２０４Ｂとの間の振動電圧差は、ミラー２０１の走査運動を生じさせる静電トルクをもたらす。
【００２３】
上述したのと同様に、一実施形態においては、ＤＣ電圧源２１８とＡＣ電圧源２２０は、構造体２００と同じチップに搭載することができる。或いは、電圧源２１８及び２２０は、構造体２００とは別個の１つ又はそれ以上のチップに搭載される。これらの１つ又はそれ以上のチップは、次いでワイヤを介してバイアスパッド２１２とドライブパッド２３２に結合される。一実施形態においては、ＤＣ電圧源２１８は、構造体１００の所望の固有周波数をもたらすＤＣバイアス電圧値を生成するように、作動の際にサーボ制御され、ＡＣ電圧源２２０は、所望の走査速度と走査角をもたらすＡＣ駆動電圧を生成するように、作動の際にサーボ制御される。
【００２４】
図２Ｄは、絶縁層２０７の一実施形態の平面図を示す。絶縁層２０７は、十字形の開口部２２１を定める。開口部１２１と同様に、開口部２２１は、ミラー２０１の走査運動のために用意された自由空間である。
上述の方法１５０(図１Ｆ）は、構造体２００を作動させるために適用可能である。
【００２５】
図３Ａ及び図３Ｂは、それぞれ、一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３００の組み立てられた図と分解図とを示している。ＭＥＭＳ構造体３００は、２つの回転軸線に対する回転運動を要求する用途のいずれにも用いることができる（例えば二方向走査ミラー）。ＭＥＭＳ構造体３００は、構造体固定層３０１と、絶縁層３０４と、導電層３０２と、絶縁層３０５と、導電層３０３とを含む。一実施形態においては、層３１０は、真性シリコンか又はドープ処理シリコンから形成され、導電層３０２及び３０３は、ドープ処理シリコンから形成され、絶縁層３０４及び３０５は、二酸化ケイ素（ＳｉＯ2）から形成される。絶縁層３０４及び３０５は、層３０１、３０２、及び３０３における構成要素を電気的に絶縁する。絶縁層３０４はまた、層３０１及び３０２を物理的に結合するのにも用いられる。同様に、絶縁層３０５はまた、層３０２及び３０３を物理的に結合するのにも用いられる。
【００２６】
図３Ｃは、導電層３０３の一実施形態の平面図を示している。導電層３０３は、走査ミラー３１６と、ドライブパッド３０６及び３０９と、接地パッド３０７と、バイアスパッド３０８とを含む。走査ミラー３１６は、曲がりくねったトーション・ヒンジ３１５Ａ及び３１５Ｂによってアンカー３２８及び３２９にそれぞれ接続された反射領域３５２を含む。ミラー３１６は、ヒンジ３１５Ａ及び３１５Ｂを介してＹ軸の周りを回転する。ヒンジ３１５Ａ及び３１５Ｂは、Ｙ軸方向のミラー走査周波数／速度を決める。
【００２７】
ミラー３１６は、Ｙ軸の異なる側に移動歯３１４Ａ及び３１４Ｂ（全体を「移動歯３１４」と呼ぶ）を含む。ドライブパッド３０６は、曲がりくねったトーション・ヒンジ３２４によってコーム３８８に接続される。コーム３８８は、コーム３８８とミラー３１６が同一平面内にあるとき（例えばミラー３１６がＹ軸の周りを回転しないとき）に幾つかの移動歯３１４Ａと互いにかみ合う固定歯３１３を有する。同様に、ドライブパッド３０９は、曲がりくねったトーション・ヒンジ３２６によってコーム３９０に接続される。コーム３９０は、ミラー３１６がＹ軸の周りを回転しないときに幾つかの移動歯３１４Ｂと互いにかみ合う固定歯３１６を有する。
【００２８】
バイアスパッド３０８は、曲がりくねったトーション・ヒンジ３２５によってコーム３２３Ｂに接続される。コーム３２３Ｂは、バー３３０Ａによってコーム３２３Ａに接続される。コーム３２３Ａ及び３２３Ｂは、それぞれ固定歯３１０Ａ及び３１０Ｂ（全体を「固定歯３１０」と呼ぶ）を有する。固定歯３１０Ａ及び３１０Ｂは、ミラー３１６がＹ軸の周りを回転しないときに幾つかの移動歯３１４Ａ及び３１４Ｂとそれぞれ互いにかみ合う。
接地パッド３０７は、曲がりくねったトーション・ヒンジ３２７によってＬ字形のバー３３０Ｂに接続される。バー３３０Ｂはアンカー３２９に接続される。したがって、接地パッド３０７は、ミラー３１６と移動歯３１４に接続される。
【００２９】
一実施形態においては、接地パッド３０７は接地３５４に結合され、バイアスパッド３０８はＤＣ電圧源３５６に結合される。ＤＣ電圧源３５６は、バイアスパッド３０８にＤＣバイアス電圧を与える。ＤＣバイアス電圧は、固定歯３１０と移動歯３１４との間に定常電圧差を生じさせる。上述したのと同様に、固定歯３１０と移動歯３１４との間の定常電圧差は、Ｙ軸の周りのＭＥＭＳ構造体３００の固有周波数を変化させる非線形静電システムを創造する。したがって、Ｙ軸の周りのＭＥＭＳ構造体３００の固有周波数は、固定歯３１０と移動歯３１４との間の定常電圧差を変化させることによって変える（例えば調整する）ことができる。
上述したのと同様に、ＤＣ電圧源３５６は、構造体３００と同じチップに搭載することができる。或いは、ＤＣ電圧源３５６は、構造体３００とは別個のチップに搭載することができる。一実施形態においては、ＤＣ電圧源３５６は、Ｙ軸の周りの構造体３００の所望の固有周波数をもたらすＤＣバイアス電圧値を生成するように、作動の際にサーボ制御される。
【００３０】
一実施形態においては、（１）固定歯３１１と移動歯３１４Ｂ、及び（２）固定歯３１３と移動歯３１４Ａは、Ｙ軸の周りで走査ミラー３１６を振動させる２つの静電アクチュエータ（例えばコーム駆動アクチュエータ）を形成する。この実施形態においては、ドライブパッド３０６及び３０９はＡＣ電圧源３６０に結合され、接地パッド３０７は接地３５４に結合される。作動させられると、ＡＣ電圧源３６０は、（１）固定歯３１１と移動歯３１４Ｂとの間、及び（２）固定歯３１３と移動歯３１４Ａとの間に振動電圧差を生じさせる。典型的には、ＡＣ駆動電圧は、最大走査角を達成するために、構造体３００の固有周波数に等しい周波数をもつ。歯の間の振動電圧差は、Ｙ軸の周りのミラー３１６の走査運動を生じさせる静電トルクをもたらす。
【００３１】
上述したのと同様に、一実施形態においては、ＡＣ電圧源３６０は、構造体３００と同じチップに搭載することができる。或いは、ＡＣ電圧源３６０は、構造体３００とは別個のチップに搭載される。一実施形態においては、ＡＣ電圧源３６０は、Ｙ軸の周りの所望の走査速度及び走査角をもたらすＡＣ駆動電圧を生成するように、作動の際にサーボ制御される。
一実施形態においては、導電層３０３はさらに、Ｘ軸の異なる側に配置されたドライブパッド／コーム３１７Ａ及び３１７Ｂを含む。コーム３１７Ａ及び３１７Ｂは、それぞれ固定歯３１８Ａ及び３１８Ｂを含む。固定歯３１８Ａ及び３１８Ｂは、ミラー３１６をＸ軸の周りに回転させるのに用いられる（後で層３０２に関連して説明する）。コーム３１７Ａ及び３１７Ｂは、ＡＣ電圧源３７４に結合される（後述する）。
【００３２】
図３Ｄは、絶縁層３０５の一実施形態の平面図である。絶縁層３０５は、層３０３上の構成要素を電気的に絶縁するために、ミラー３１６を別にすれば導電層３０３と同じ形状をもつ。絶縁層３０５は、ミラー３１６の走査運動のために用意された開口部３５８を定める。
図３Ｅは、導電層３０２の一実施形態の平面図を示す。導電層３０２は、回転フレーム３６４とバイアスパッド／コーム３１９Ａ及び３１９Ｂを含む。回転フレーム３６４は、ミラー３１６の走査運動のための開口部３５８を定める。回転フレーム３６４は、Ｘ軸の異なる側にコーム３２２Ａ及び３２２Ｂを含む。回転フレーム３６４は、曲がりくねったトーション・ヒンジ３３２Ａ及び３３２Ｂによって接地パッド／アンカー３３１Ａ及び３３１Ｂにそれぞれ結合される。回転フレーム３６４は、ヒンジ３３２Ａ及び３３２Ｂを介してＸ軸の周りを回転することができる。ミラー３１６は、回転フレーム３６４の上に取り付けられる。特に、ミラー３１６のアンカー３２８及び３２９は、それぞれ回転フレーム３６４のアンカーマウント３６６及び３６７の上に取り付けられる。これは、ミラー３１６がヒンジ３１５Ａ及び３１５Ｂを用いてＹ軸の周りを、及びヒンジ３３２Ａ及び３３２Ｂを用いてＸ軸の周りを回転できるようにする。
【００３３】
コーム３２２Ａ及び３２２Ｂは、それぞれ移動歯３２１Ａ及び３２１Ｂ（全体を「移動歯３２１」と呼ぶ）を含む。コーム３１９Ａ及び３１９Ｂは、それぞれ固定歯３２０Ａ及び３２０Ｂ（全体を「固定歯３２０」と呼ぶ）を含む。固定歯３２０Ａ及び３２０Ｂは、コーム３２２Ａ、コーム３２２Ｂ及び回転フレーム３６４が同一平面内にあるときに（例えば回転フレーム３６４がＸ軸の周りを回転しないときに）、移動歯３２１Ａ及び３２１Ｂとそれぞれ互いにかみ合う。
一実施形態においては、アンカー３３１Ａは接地３６８に結合され、コーム３１９Ａ及び３１９ｂはＤＣ電圧源３７０に結合される。ＤＣ電圧源３７０は、コーム３１９Ａ及び３１９ＢにＤＣバイアス電圧を与える。ＤＣバイアス電圧は、固定歯３２０と移動歯３２１との間に定常電圧差を生じる。上述したのと同様に、固定歯３２０と移動歯３２１との間の定常電圧差は、Ｘ軸の周りのＭＥＭＳ構造体３００の固有周波数を変化させる非線形静電システムを創造する。したがって、Ｘ軸の周りのＭＥＭＳ構造体３００の固有周波数は、固定歯３２０と移動歯３２１との間の定常電圧差を変化させることによって変える（例えば調整する）ことができる。
【００３４】
上述したのと同様に、一実施形態においては、ＤＣ電圧源３７０は、構造体３００と同じチップに搭載することができる。或いは、ＤＣ電圧源３７０は、構造体３００とは別個のチップに搭載することができる。一実施形態においては、ＤＣ電圧源３７０は、Ｘ軸の周りの構造体３００の所望の固有周波数をもたらすＤＣバイアス電圧値を生成するように、作動の際にサーボ制御される。
上述のように、コーム３１７Ａ及び３１７Ｂ（図３Ｃ）は、それぞれ固定歯３１８Ａ及び３１８Ｂ（図３Ｃ）を有する。回転フレーム３６４（図３Ｅ）の移動歯３２１Ａ（図３Ｅ）は、ミラー３１６（図３Ｃ）が第１方向に回転するときに固定歯３１８Ａと互いにかみ合い、回転フレーム３６４の移動歯３２１Ｂ（図３Ｅ）は、ミラー３１６が反対方向に回転するときに固定歯３１８Ｂと互いにかみ合う。
【００３５】
一実施形態においては、（１）固定歯３１８Ａと移動歯３２１Ａ、及び（２）固定歯３１８Ｂと移動歯３２１Ｂは、Ｘ軸の周りで走査ミラー３１６を振動させる２つの静電アクチュエータ（例えばコーム駆動アクチュエータ）を形成する。この実施形態においては、コーム３１７Ａ及び３１７ＢはＡＣ電圧源３７４（図３Ｃ）に結合され、接地パッド３３１Ａ（図３Ｅ）は接地３６８（図３Ｅ）に結合される。作動させられると、ＡＣ電圧源３７４は、固定歯３１８Ａと移動歯３２１Ａとの間、及び固定歯３１８Ｂと移動歯３２１Ｂとの間に振動電圧差を生じさせる。典型的には、ＡＣ駆動電圧は、最大走査角を達成するために、構造体３００の固有周波数に等しい周波数をもつ。歯の間の振動電圧差は、Ｘ軸の周りのミラー３１６の走査運動を生じさせる静電トルクをもたらす。
上述したのと同様に、一実施形態においては、ＡＣ電圧源３７４は、構造体３００と同じチップに搭載することができる。或いは、ＡＣ電圧源３７４は、構造体３００とは別個のチップに搭載される。一実施形態においては、ＡＣ電圧源３７４は、Ｘ軸の周りの所望の走査速度及び走査角をもたらすＡＣ駆動電圧を生成するように、作動の際にサーボ制御される。
【００３６】
図３Ｆは、絶縁層３０４の一実施形態の平面図を示す。絶縁層３０４は、層３０２上の構成部品を電気的に絶縁するために、回転フレーム３６４を別にすれば導電層３０２と同じ形状をもつ。絶縁層３０４は、ミラー３１６と回転フレーム３６４の走査運動のために用意された開口部３５８を定める。
図３Ｇは、構造体固定層３０１の一実施形態の平面図を示す。層３０１は、ミラー３１６と回転フレーム３６４の走査運動のための開口部３５８を定めるフレーム３７８を含む。回転フレーム３６４は、フレーム３７８の上に取り付けられる。特に、回転フレーム３６４のアンカー３３１Ａ及び３３１Ｂは、それぞれフレーム３７８のアンカーマウント３８０及び３８２の上に取り付けられる。導電層３０２のコーム３１９Ａ及び３１９Ｂは、それぞれコームマウント３８４及び３８６の上に取り付けられる。
上述の方法（図１Ｆ）は、一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３００を構成し作動するように修正することができる。構造体３００は、通常は、大量生産された構造体３００のバッチからのデバイスである。
【００３７】
アクション１５１において、設計者は、アプリケーションの両方の回転軸線に関する走査周波数と走査角を決め、走査周波数に等しい特定の固有周波数が達成されるように構造体３００の基本設計を修正する。設計者は、ヒンジの剛性（例えばヒンジの幾何学的形状）を変更することによって、又は構造体の慣性（例えばミラーの幾何学的形状）を変更することによって、設計を修正する。アクション１５２に続いてアクション１５２がある。
【００３８】
アクション１５２において、設計者は、この構造体３００の固有周波数を走査周波数に同調させるために、両方の回転軸線に関するＤＣ電圧差の特性を予め設定する。設計者はまた、所望の走査角と、そこで振動が起こる所望のニュートラル走査位置とを達成するために、両方の回転軸線に関するＡＣ電圧差の特性も予め設定する。これらの特性は、ＤＣバイアス電圧とＡＣ駆動電圧の初期／デフォルト特性として、この構造体３００用のコントローラ４０６に保存される。
【００３９】
アクション１５３において、エンドユーザは、ＤＣバイアス電圧とＡＣ駆動電圧の異なる特性をコントローラ４０６に保存してもよい。エンドユーザは、所望の走査周波数、所望の走査角、及び所望のニュートラル走査位置を変更するために、そのようにすることを望んでも良い。
アクション１５４において、コントローラ４０６は、ＤＣバイアス電圧とＡＣ駆動電圧を印加するように電圧源４０２に命令する。電圧源４０２は、種々のＤＣ及びＡＣ電圧源（例えばＤＣ電圧源３５６及び３７０、並びにＡＣ電圧源３６０及び３７４）を表わす。
【００４０】
ＤＣバイアス電圧は、コントローラ４０６に格納されたデフォルト値から開始され、次いで、回転固有周波数が走査周波数であることが保証されるようにサーボ制御される。
ＡＣ駆動電圧は、コントローラ４０６に格納されたデフォルト値から開始され、次いで、所望の走査周波数と走査角が達成されることが保証されるようにサーボ制御される。アクション１５４に続いてアクション１５８がある。
【００４１】
アクション１５８において、走査ミラーの運動を監視するのにセンサ４０４が用いられ、計測された情報がコントローラ４０６に出力される。アクション１５８に続いてアクション１６０がある。
アクション１６０において、コントローラ４０６は、センサ４０４から走査周波数と角度の情報を受け取る。コントローラ４０６は、必要なＤＣバイアス電圧と必要なＡＣ駆動電圧を計算し、それを電圧源４０２に与える。アクション１６０に続いてアクション１５４があり、方法はフィードバック・ループに引き継がれる。
開示された実施形態の特徴の他の種々の適応及び組合せは、本発明の範囲内に含まれる。特許請求の範囲の請求項によって、多くの実施形態が包含される。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１Ａ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の組み立てられた図である。
【図１Ｂ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の分解図である。
【図１Ｃ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の層の平面図である。
【図１Ｄ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の層の平面図である。
【図１Ｅ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の層の平面図である。
【図１Ｆ】本発明の一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００を構成し及び作動させる方法を示す図である。
【図１Ｇ】異なる実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の種々の層の平面図である。
【図１Ｈ】異なる実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の種々の層の平面図である。
【図１Ｉ】異なる実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の種々の層の平面図である。
【図１Ｊ】異なる実施形態におけるＭＥＭＳ構造体１００の種々の層の平面図である。
【図２Ａ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体２００の組み立てられた図である。
【図２Ｂ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体２００の分解図である。
【図２Ｃ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体２００の層の平面図である。
【図２Ｄ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体２００の層の平面図である。
【図３Ａ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３００の組み立てられた図である。
【図３Ｂ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３００の分解図である。
【図３Ｃ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３００の層の平面図である。
【図３Ｄ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３００の層の平面図である。
【図３Ｅ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３００の層の平面図である。
【図３Ｆ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３００の層の平面図である。
【図３Ｇ】一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体３００の層の平面図である。
【図４】本発明の一実施形態におけるＭＥＭＳシステムを示す図である。
【図５】本発明の一実施形態におけるＭＥＭＳ構造体を振動させるのに用いられるＤＣ及びＡＣ電圧を示す図である。
【符号の説明】
【００４３】
１００  ＭＥＭＳ構造体
１０１  ミラー
１０２  トーション・ヒンジ
１０３  固定歯
１０４  移動歯  １０５  導電層
１０６  バー
１０７  絶縁層
１０８  アンカー
１０９  導電層
１１０  固定歯
１１１  開口部
１１２  バイアスパッド
１１４  内部孔
１１６  接地
１１８  ＤＣ電圧源
１２０  ＡＣ電圧源
１２１  開口部
１２２  軸線
１２６  ドライブパッド
１２８  バー
１３０  トーション・ヒンジ
２００  ＭＥＭＳ構造体
２０３  固定歯
２０４  移動歯
２０７  絶縁層
２１０  固定歯
２１２  バイアスパッド
２１４  内部孔
２１８  ＤＣ電圧源
２２０  ＡＣ電圧源
２２１  開口部
２２２  軸線
２２４  反射領域
２３２  ドライブパッド
３００  ＭＥＭＳ構造体
３０１  構造体固定層
３０２  導電層
３０３  導電層
３０４  絶縁層
３０５  絶縁層
３０６  ドライブパッド
３０７  接地パッド
３０８  バイアスパッド
３０９  ドライブパッド
３１０  固定歯
３１４  移動歯
３１５  ヒンジ
３１６  走査ミラー
３１７  ドライブパッド／コーム
３１８  固定歯
３１９  バイアスパッド／コーム
３２０  固定歯
３２１  移動歯
３２３  コーム
３２５  トーション・ヒンジ
３２７  トーション・ヒンジ
３２８  アンカー
３２９  アンカー
３３０  バー
３３１  接地パッド／アンカー
３３２  トーション・ヒンジ
３５４  接地
３５６  ＤＣバイアス電圧源
３５８  開口部
３６０  ＡＣ電圧源
３６４  回転フレーム
３７０  ＤＣ電圧源
３７４  ＡＣ電圧源
３７８  フレーム
３８８  コーム
３９０  コーム
４００  ＭＥＭＳ構造体
４０２  電圧源
４０４  センサ
４０６  コントローラ
【図１Ａ】
2004177957.tif 000003
【図１Ｂ】
2004177957.tif 000004
【図１Ｃ】
2004177957.tif 000005
【図１Ｄ】
2004177957.tif 000006
【図１Ｅ】
2004177957.tif 000007
【図１Ｆ】
2004177957.tif 000008
【図１Ｇ】
2004177957.tif 000009
【図１Ｈ】
2004177957.tif 000010
【図１Ｉ】
2004177957.tif 000011
【図１Ｊ】
2004177957.tif 000012
【図２Ａ】
2004177957.tif 000013
【図２Ｂ】
2004177957.tif 000014
【図２Ｃ】
2004177957.tif 000015
【図２Ｄ】
2004177957.tif 000016
【図３Ａ】
2004177957.tif 000017
【図３Ｂ】
2004177957.tif 000018
【図３Ｃ】
2004177957.tif 000019
【図３Ｄ】
2004177957.tif 000020
【図３Ｅ】
2004177957.tif 000021
【図３Ｆ】
2004177957.tif 000022
【図３Ｇ】
2004177957.tif 000023
【図４】
2004177957.tif 000024
【図５】
2004177957.tif 000025