(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
１以上の支持部と、反射器本体とを備える微小機械反射器システムであって、前記反射器本体は、４つの懸架部によって前記１以上の支持部から懸架され、各懸架部は、外部セクションと、中間セクションと、内部セクションとを有し、
前記外部セクションは、第１端部で前記１以上の支持部のうちの１つに固定され、第２端部で前記中間セクションに連結され、前記支持部から前記中間セクションまで前記反射器本体の外周の一部分を周る第１方向に延びており、
前記内部セクションは、前記外部セクションと前記反射器との間に配置され、第１端部で前記中間セクションに連結され、前記中間セクションから、前記反射機本体の外周の前記一部分の少なくとも一部を周る第２方向であって前記第１方向と反対の第２方向に延びており、
前記反射器本体は、前記中間セクションと、前記中間セクションに対して遠位側にある前記内部セクションの第２端部とにおいて、前記懸架部に連結されており、
前記外部セクション上に第１圧電アクチュエータが配置され、前記内部セクション上に第２圧電アクチュエータが配置されている
微小機械反射器システム。
【請求項２】
前記反射器本体は、直交する２つの回転軸を中心に部分的に回転し、前記２つの回転軸は、前記反射器本体の平面内に位置し、前記反射器本体の中心で交差している
請求項１に記載の微小機械反射器システム。
【請求項３】
前記２つの回転軸は、前記懸架部間に位置する
請求項２に記載の微小機械反射器システム。
【請求項４】
前記懸架部は、前記反射器本体の外周に等間隔に配置され、隣接する懸架部の各対において、前記懸架部は、前記懸架部間に位置する前記回転軸に対して鏡像になるように配置されている
請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小機械反射器システム。
【請求項５】
前記反射器システムは、
第１懸架部の前記中間セクションおよび第２懸架部の前記中間セクションは隣接しており、前記反射器本体の第１側が前記反射器本体の平面に対して上方に変位するように、前記第１懸架部の前記外部セクションの前記圧電アクチュエータおよび前記第２懸架部の前記外部セクションの前記圧電アクチュエータを作動させ、
第３懸架部の前記中間セクションおよび第４懸架部の前記中間セクションは隣接しており、前記反射器本体の第１側と反対の第２側が前記反射器本体の平面に対して下方に変位するように、前記第３懸架部の前記外部セクションの前記圧電アクチュエータおよび前記第４懸架部の前記外部セクションの前記圧電アクチュエータを作動させる
ことによって、前記２つの回転軸のうちの第１回転軸を中心とする前記反射器本体の振動を引き起こす
請求項４に記載の微小機械反射器システム。
【請求項６】
前記反射器システムは、
前記反射器本体の第３側が前記反射器本体の平面に対して上方に変位するように、前記第１懸架部の前記内部セクションの前記圧電アクチュエータおよび前記第４懸架部の前記内部セクションの前記圧電アクチュエータを作動させ、
前記反射器本体の第３側と反対の第４側が前記反射器本体の平面に対して下方に変位するように、前記第２懸架部の前記内部セクションの前記圧電アクチュエータおよび前記第３懸架部の前記内部セクションの前記圧電アクチュエータを作動させる
ことによって、前記２つの回転軸のうちの第２回転軸を中心とする前記反射器本体の振動を引き起こす
請求項５に記載の微小機械反射器システム。
【請求項７】
前記懸架部は、前記反射器本体の外周に等間隔に配置され、各懸架部は、隣接する懸架部を９０度回転したものである
請求項１〜３のいずれか１項に記載の微小機械反射器システム。
【請求項８】
前記反射器システムは、
第１懸架部の前記中間セクションおよび第２懸架部の前記中間セクションは隣接しており、前記反射器本体の第１側が前記反射器本体の平面に対して上方に変位するように、前記第１懸架部の前記外部セクションの前記圧電アクチュエータおよび前記第２懸架部の前記内部セクションの前記圧電アクチュエータを作動させ、
第３懸架部の前記中間セクションおよび第４懸架部の前記中間セクションは隣接しており、前記反射器本体の第１側と反対の第２側が前記反射器本体の平面に対して下方に変位するように、前記第３懸架部の前記外部セクションの前記圧電アクチュエータおよび前記第４懸架部の前記内部セクションの前記圧電アクチュエータを作動させる
ことによって、前記２つの回転軸のうちの第１回転軸を中心とする前記反射器本体の振動を引き起こす
請求項７に記載の微小機械反射器システム。
【請求項９】
前記反射器システムは、
前記反射器本体の第３側が前記反射器本体の平面に対して上方に変位するように、前記第４懸架部の前記外部セクションの前記圧電アクチュエータおよび前記第１懸架部の前記内部セクションの前記圧電アクチュエータを作動させ、
前記反射器本体の第３側と反対の第４側が前記反射器本体の平面に対して下方に変位するように、前記第２懸架部の前記外部セクションの前記圧電アクチュエータおよび前記第３懸架部の前記内部セクションの前記圧電アクチュエータを作動させる
ことによって、前記２つの回転軸のうちの第２回転軸を中心とする前記反射器本体の振動を引き起こす
請求項８に記載の微小機械反射器システム。
【請求項１０】
各懸架部は、さらに、前記内部セクションを前記反射器本体に連結する第１ばねと、前記中間セクションを前記反射器本体に連結する第２ばねとを有する
請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小機械反射器システム。
【請求項１１】
隣接する懸架部の各対は、単一のばねを介して前記反射器本体に連結されている
請求項１〜９のいずれか１項に記載の微小機械反射器システム。
【請求項１２】
前記反射器本体は、前記反射器本体の両側、かつ懸架部の各対の間に配置された重量領域を有する
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の微小機械反射器システム。
【請求項１３】
前記懸架部は、前記重量領域を介して前記反射器本体に連結されている
請求項１２に記載の微小機械反射器システム。
【請求項１４】
前記懸架部は、ねじりばねを介して前記反射器本体に連結されている
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の微小機械反射器システム。
【請求項１５】
各懸架部の前記中間セクションは、当該懸架部の前記内部セクションおよび前記外部セクションより剛性が高い
請求項１〜１４のいずれか１項に記載の微小機械反射器システム。
【請求項１６】
各懸架部において、前記第１圧電アクチュエータは、前記外部セクションの第１端部近傍または第１端部に配置され、前記第２圧電アクチュエータは、前記内部セクションの第１端部近傍または第１端部に配置されている
請求項１〜１５のいずれか１項に記載の微小機械反射器システム。
【請求項１７】
各懸架部において、１以上のセンス電極が、前記圧電アクチュエータと平行に、かつ並んで配置されている
請求項１６に記載の微小機械反射器システム。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、微小電気機械システム（ＭＥＭＳ）、詳細には、ＬｉＤＡＲ（光検出および測距）に使用するためのミラーシステムに関する。
【背景技術】
【０００２】
走査微小電気機械（ＭＥＭＳ）反射器は、光検出・測距センサ（ＬＩＤＡＲ）などの撮像装置に使用することができる。走査ＭＥＭＳ反射器は、レーザ発光器からの光ビームを周囲環境に向けて反射することができる少なくとも１つの可動反射器を含んでもよい。可動反射器と環境との間の光路に、追加の固定反射器を含めてもよい。出射ビームを反射した同じ固定反射器および可動反射器によって、戻り光ビームを光検出器に向けて内側に反射することができる。
【０００３】
広い画像領域（視野）にわたって光ビームを出射して捕捉するためには、ＭＥＭＳ反射器を前後に傾けなければならない。ＭＥＭＳ反射器の画像領域は、可動反射器をどれだけ傾け得るかによって、ある程度決まる。単純な実装では、ＭＥＭＳ反射器は、１つの軸のみを中心に傾くように構成することができる。結果として生じる振動モードでは、ミラーが傾斜軸を中心とする平面角を走査し、その振動モードは１軸傾斜振動と呼ばれ得る。
【０００４】
より複雑な実装では、反射器は、ある立体角にわたって走査運動を行ってもよい。図１は、回転可能なジンバルフレーム１２０に反射器１１０が取り付けられているＭＥＭＳミラーシステム１００を示す。ジンバルフレーム１２０は、固定点１２１と１２２との間で軸Ａ−Ａを中心に固定フレーム１３０に対して回転してもよい。反射器１１０は、固定点１１１と１１２との間で軸Ｂ−Ｂを中心にジンバルフレーム１２０に対して回転してもよい。結果として生じる振動モードは、２軸傾斜振動と呼ばれ得る。反射器１１０の傾斜振幅は、通常、振動の共振周波数に相当する周波数で作動力を引き起こすことによって、最大にすることができる。ＬＩＤＡＲ用途では、この周波数は、０．５ｋＨｚ〜５ｋＨｚであってもよい。反射器を振動させるアクチュエータは、圧電アクチュエータまたは容量性アクチュエータであってもよい。振動の２つのモードにおいて適切な共振周波数を選択することによって、反射器１１０がたどる軌道（すなわち、可動反射器１１０の表面から反射した静止ビームがたどる経路）は、リサージュ曲線となる。リサージュ曲線の形状は、各モードにおける振動の周波数の比に大きく影響を受ける。
【０００５】
図１のミラーシステム１００の場合、振動の２つのモードの各々、すなわち、軸Ｂ−Ｂを中心とする反射器１１０の振動と、軸Ａ−Ａを中心とする反射器１１０およびジンバルフレーム１２０の振動との共振周波数は、反射器１１０単独と、反射器１１０およびジンバルフレーム１２０との質量の差によって著しく異なる。さらに、２つのモードの共振周波数は、温度および他の環境因子に影響を受ける。したがって、温度が変化すると、２つの共振モード間の周波数差に比例して、２つの共振モード間の差も変化する、すなわち、温度の変化に伴い、共振周波数の差が大きくなると、共振周波数の比の変化が大きくなる。これにより、反射器１１０がたどるリサージュ曲線は様々な温度で著しく変化するため、例えば、ＬｉＤＡＲに使用される場合の反射器の走査挙動は著しく変化する。したがって、ミラーシステム１００などのジンバルベースのシステムでは、温度変化によって引き起こされる問題に対処するために、複雑な周波数チューニング部品および電子機器が必要となる。
【０００６】
図２は、屈曲可能であり、かつ／または部分的に可動性を有する懸架部２２１〜２２４によって反射器２１０が固定フレーム２３０から懸架される、立体角を走査するための第２の２軸ＭＥＭＳミラーシステム２００を示す。これらの懸架部は、アクチュエータを押し付けるように結合されてもよい。これらのアクチュエータは、反射器の縁にある固定点を適切に同期および協働させて上下動させることによって、疑似回転反射器運動を生成することができる。結果として生じる振動モードは、揺動振動と呼ばれ得る。理論的には、懸架部２２１を上げて懸架部２２３を下げる、またその逆を行うことによって、垂直軸を中心に反射器２１０を回転させ、同様に、懸架部２２２を上げて懸架部２２４を下げる、またその逆を行うことによって、水平軸を中心に反射器を回転させることが可能なはずである。さらに、振動の２つのモードの共振周波数は、ジンバルベースのシステム１００の場合よりもぴったり一致する。しかしながら実際には、これらの回転モードの分離は、製造欠陥により完全ではない。したがって、そのような装置の振動モードは、図２に示す対角軸Ｃ−ＣおよびＤ−Ｄを中心とする傾向がある。したがって、４つの懸架部２２１〜２２４すべての作動が振動の両モードにおいて必要であり、このことは、振動の２つのモードおよびその制御を容易に分離することができる図１のジンバル構成より、著しく複雑である。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】米国特許出願公開第２０１９／０１４６２１１号明細書
【発明の概要】
【０００８】
本発明の第１の態様によれば、微小機械反射器システムが提供される。微小機械反射器システムは、１以上の支持部と、反射器本体とを備える。反射器本体は、複数の懸架部によって１以上の支持部から懸架されている。本発明は、各懸架部は、外部セクションと、中間セクションと、内部セクションとを有し、
・外部セクションは、第１端部で１以上の支持部のうちの１つに固定され、第２端部で中間セクションに連結され、
・外部セクションは、支持部から中間セクションまで反射器本体の外周の一部分を周る第１方向に延びており、
・内部セクションは、外部セクションと反射器との間に配置され、第１端部で中間セクションに連結され、
・内部セクションは、前記中間セクションから、前記反射機本体の外周の前記一部分の少なくとも一部を周る第２方向であって前記第１方向と反対の第２方向に延びており、
・反射器本体は、中間セクションと、中間セクションに対して遠位側にある内部セクションの第２端部とにおいて、懸架部に連結されており、
・外部セクション上に第１圧電アクチュエータが配置され、内部セクション上に第２圧電アクチュエータが配置されていることを特徴とする。
【０００９】
微小機械反射器システムは、４つの懸架部を備えることが好ましい。
【００１０】
反射器本体は、直交する２つの回転軸を中心に部分的に回転し、２つの回転軸は、反射器本体の平面内に位置し、反射器本体の中心で交差してもよい。
【００１１】
２つの回転軸は、懸架部間に位置してもよい。
【００１２】
懸架部は、隣接する懸架部の各対において、懸架部が懸架部間に位置する回転軸に対して鏡像になるように配置されるように、反射器本体の外周に等間隔に配置されていることが好ましい。
【００１３】
懸架部が鏡像として配置される場合、反射器システムは、
・第１懸架部の中間セクションおよび第２懸架部の中間セクションは隣接しており、反射器本体の第１側が反射器本体の平面に対して上方に変位するように、第１懸架部の外部セクションの圧電アクチュエータおよび第２懸架部の外部セクションの圧電アクチュエータを作動させ、
・第３懸架部の中間セクションおよび第４懸架部の中間セクションは隣接しており、反射器本体の第１側と反対の第２側が反射器本体の平面に対して下方に変位するように、第３懸架部の外部セクションの圧電アクチュエータおよび第４懸架部の外部セクションの圧電アクチュエータを作動させる
ことによって、２つの回転軸のうちの第１回転軸を中心とする反射器本体の振動を引き起こしてもよい。
【００１４】
懸架部が鏡像として配置される場合、反射器システムは、
・反射器本体の第３側が反射器本体の平面に対して上方に変位するように、第１懸架部の内部セクションの圧電アクチュエータおよび第４懸架部の内部セクションの圧電アクチュエータを作動させ、
・反射器本体の第３側と反対の第４側が反射器本体の平面に対して下方に変位するように、第２懸架部の内部セクションの圧電アクチュエータおよび第３懸架部の内部セクションの圧電アクチュエータを作動させる
ことによって、２つの回転軸のうちの第２回転軸を中心とする反射器本体の振動を引き起こしてもよい。
【００１５】
あるいは、懸架部は、反射器本体の外周に等間隔に配置されてもよく、各懸架部は、隣接する懸架部を９０度回転したものである。
【００１６】
懸架部がその隣接する懸架部を９０度回転したものとして配置される場合、反射器システムは、
・第１懸架部の中間セクションおよび第２懸架部の中間セクションは隣接しており、反射器本体の第１側が反射器本体の平面に対して上方に変位するように、第１懸架部の外部セクションの圧電アクチュエータおよび第２懸架部の内部セクションの圧電アクチュエータを作動させ、
・第３懸架部の中間セクションおよび第４懸架部の中間セクションは隣接しており、反射器本体の第１側と反対の第２側が反射器本体の平面に対して下方に変位するように、第３懸架部の外部セクションの圧電アクチュエータおよび第４懸架部の内部セクションの圧電アクチュエータを作動させる
ことによって、２つの回転軸のうちの第１回転軸を中心とする反射器本体の振動を引き起こしてもよい。
【００１７】
懸架部がその隣接する懸架部を９０度回転したものとして配置される場合、反射器システムは、
・反射器本体の第３側が反射器本体の平面に対して上方に変位するように、第４懸架部の外部セクションの圧電アクチュエータおよび第１懸架部の内部セクションの圧電アクチュエータを作動させ、
・反射器本体の第３側と反対の第４側が反射器本体の平面に対して下方に変位するように、第２懸架部の外部セクションの圧電アクチュエータおよび第３懸架部の内部セクションの圧電アクチュエータを作動させる
ことによって、２つの回転軸のうちの第２回転軸を中心とする反射器本体の振動を引き起こしてもよい。
【００１８】
各懸架部は、さらに、内部セクションを反射器本体に連結する第１ばねと、中間セクションを反射器本体に連結する第２ばねとを有してもよい。
【００１９】
あるいは、隣接する懸架部の各対は、単一のばねを介して反射器本体に連結される。
【００２０】
反射器本体は、反射器本体の両側、かつ懸架部の各対の間に配置された重量領域を有してもよい。
【００２１】
懸架部は、重量領域を介して反射器本体に連結されてもよい。
【００２２】
懸架部は、ねじりばねを介して反射器本体に連結されてもよい。
【００２３】
各懸架部の中間セクションは、懸架部の内部セクションおよび外部セクションより剛性が高いことが好ましい。
【００２４】
各懸架部において、第１圧電アクチュエータは、外部セクションの第１端部近傍または第１端部に配置され、第２圧電アクチュエータは、内部セクションの第１端部近傍または第１端部に配置されていることが好ましい。
【００２５】
各懸架部において、１以上のセンス電極が、圧電アクチュエータと平行に、かつ並んで配置されていることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２６】
【図１】図１は、例示的な２軸ＭＥＭＳミラーシステムを示す図である。
【図２】図２は、例示的な２軸ＭＥＭＳミラーシステムを示す図である。
【図３】図３は、本発明による２軸ＭＥＭＳミラーシステムの第１の実施形態を示す図である。
【図４】図４は、本発明による懸架部の詳細図である。
【図５】図５は、本発明による２軸ＭＥＭＳミラーシステムの第２の実施形態を示す図である。
【図６】図６は、本発明による２軸ＭＥＭＳミラーシステムの第３の実施形態を示す図である。
【図７】図７は、本発明による２軸ＭＥＭＳミラーシステムの第４の実施形態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００２７】
図３は、本発明の２軸ＭＥＭＳミラーシステム３００の第１の実施形態を示す。ＭＥＭＳミラーシステム３００は、反射器本体３０１を含み、反射器本体３０１は、４つの懸架部３１０、３２０、３３０および３４０によって、装置から、例えば、システムＭＥＭＳミラーシステム３００を取り囲むフレームから懸架されている。各懸架部は、内部セクション３１１、３２１、３３１、３４１と、中間セクション３１２、３２２、３３２、３４２と、外部セクション３１３、３２３、３３３、３４３とから構成される。第１懸架部３１０は、第１内部セクション３１１と、第１中間セクション３１２と、第１外部セクション３１３とを含む。第２懸架部３２０は、第２内部セクション３２１と、第２中間セクション３２２と、第２外部セクション３２３とを含む。第３懸架部３３０は、第３内部セクション３３１と、第３中間セクション３３２と、第３外部セクション３３３とを含む。第４懸架部３４０は、第４内部セクション３４１と、第４中間セクション３４２と、第４外部セクション３４３とを含む。
【００２８】
各懸架部の内部セクション、中間セクションおよび外部セクションは、単一の要素として形成され、例えば、シリコンの連続片から形成されてもよく、異なる材料であってもよく、ヤング率などの物理的特性が異なる同じ材料から形成されてもよく、それらは、懸架部を製造するために共に接合される。例えば、中間セクションは、内部セクションおよび外部セクションより剛性が高い材料から形成されてもよく、異なる寸法を有し、例えば、より高い剛性を提供するために内部セクションおよび外部セクションよりＺ方向に厚くてもよい。特に、懸架部の中間セクションは、内部セクションの変形によって、単に中間セクションが撓むのではなく、反射器本体３０１を変位させるために、十分に剛性を有さなければならない。さらに、懸架部の中間セクションは、懸架部の横部分、すなわち、内部セクションおよび外部セクションと、反射器本体の外周とに対して垂直な懸架部の部分だけとして示したが、中間セクションは、実際、図面に描いたものよりもさらに遠くに延びてもよいことが理解される。実際、中間セクションは、その特定の形状によってではなく、十分な剛性を有して内部セクションと外部セクションとを接合する機能と、内部セクションのアクチュエータと外部セクションのアクチュエータとの間の位置とによって定義される。
【００２９】
各懸架部は、ばね３１５、３２５、３３５または３４５を介して中間セクション３１２、３２２、３３２または３４２において、そして、別のばね３１４、３２４、３３４または３４４を介して内部セクション３１１、３２１、３３１、３４１の遠位端（すなわち、中間セクションから最も離れた内部セクションの端部）において反射器本体３１０に連結されている。外部セクション３１３、３２３、３３３、３４３の遠位端（すなわち、中間セクションからさらに離れた外部セクションの端部）において、外部セクションは、アンカ点３１６、３２６、３３６、３４６を介してＭＥＭＳミラーシステムパッケージの本体に、例えば、ＭＥＭＳミラーシステム３００を取り囲むフレームに連結されている。
【００３０】
図３では、反射器本体３０１は円形であり、懸架部３１０〜３４０の内部セクション３１１、３２１、３３１および３４１と、外部セクション３１３、３２３、３３３および３４３とは、湾曲しているか、略弧形状であり、反射器本体３０１の外周の一部分の周りに延びている。その結果、ＭＥＭＳミラーシステム３００の制御装置、すなわち懸架部によって占有された表面積は小さくなり、反射器本体３０１のサイズを所定のパッケージサイズに対して大きくすることができる。しかしながら、反射器本体３０１の形状は、必ずしも円形ではなく、より詳細に以下に記載するように、質量領域３５１〜３５４の代わりに反射器自体の質量を用いて共振周波数を微調整するために、例えば、縦長、例えば楕円形または長方形であってもよい。さらに、質量領域の代わりに縦長反射器を使用して、共振周波数を微調整することにより、反射器のより大きな表面積、ひいては、大きな入射角を有する光源に対してより大きな投影面積が得られる。言うまでもなく、反射器本体が円形でない場合、懸架部３１０〜３４０は、円弧形状でなくてもよく、その代りに、反射器本体の外周に沿うように形作られ、例えば、楕円弧形状であってもよい。
【００３１】
懸架部３１０〜３４０は、反射器本体３０１の外周に規則的に位置決めされている。図３の実施形態では、隣接する懸架部は、互いの鏡像である。すなわち、要素３１０から形成された第１懸架部は、Ｙ−Ｙ軸に対して反射した第４懸架部３４０の鏡像であり、Ｘ−Ｘ軸に対して反射した第２懸架部３２０の鏡像でもある。このように、内部セクション３１１、３２１、３３１および３４１を介して各懸架部を反射器本体３０１に連結するばね３１４、３２４、３３４および３４４は、反射器本体３１０の両側にＹ−Ｙ軸に近接して配置される。同様に、中間セクション３１２、３２２、３２４および３２４を介して各懸架部を連結するばね３１５、３２５、３３５および３４５は、反射器本体の両側にＸ−Ｘ軸に近接して配置される。図７は、懸架部が互いの鏡像ではない別の実施形態を示す。図３（ならびに図５および図６）の実施形態では、懸架部を鏡像として配置することにより、より詳細に以下に記載するように、隣接する懸架部の同じセクション（すなわち、内部セクションおよび外部セクション）を使用することで反射器本体の振動を引き起こすことができる。その結果、本質的に、同じ駆動信号を両方の懸架部に印加して、内部セクションまたは外部セクションの同じ変位を生じさせることができる。
【００３２】
ばね３１４、３２４、３３４、３４４および３１５、３２５、３３５、３４５は、反射器本体３０１が大きな傾きを有し、ねじれの動きをしている（すなわち、反射器が傾いている）場合、より長くならなければならないため、Ｘ−Ｙ平面内では緩んでいるべきである。Ｘ−Ｙ平面内の緩いばねは、反射器の傾きが大きい場合にばねが破損するのを防ぐ。しかしながら、ばねは、懸架部の内部セクションおよび外部セクションの変位によって生成される駆動力が反射器本体３０１に有効に伝達されるために、Ｚにおいて、すなわち、図３に示すＸ−Ｙ平面の外へ、より高い剛性を有するべきである。
【００３３】
反射器本体は、完全に硬くないため、通常、振動中に変形する。図１および図２に示す反射器では、反射器本体の比較的少ない（２つまたは４つの）点に力がかかり、これにより、反射器本体の変形の程度が増加する。対照的に、本発明のＭＥＭＳミラーシステム３００は、反射器本体３０１と懸架部３１０〜３４０との間に８つの取付点を含む。これにより、反射器本体の任意の１つの取付点にかかる力の大きさが小さくなり、それによって、振動中の反射器本体３０１の動的変形の大きさが小さくなる。このことは、当然、入射光および出射光の反射角についての正確な認識および制御が必要なＬｉＤＡＲなどの用途では、特に重要である。
【００３４】
ＭＥＭＳミラーシステムパッケージ内において、反射器本体３０１の上方および下方、すなわち、図３の図面における平面の上方および下方の空間には、Ｘ−Ｘ軸およびＹ−Ｙ軸を中心とする反射器本体３１０の振動を妨げると考えられる障害物はない。「ピストンモード」の反射器本体３０１の振動、すなわち、Ｚ方向の反射器本体の平行移動を妨げる中央支持構造体が、反射器本体の上方および／または下方に設けられてもよい。そのような中央支持構造体は、特許文献１により詳細に記載されており、その開示は、参照により本明細書に援用される。
【００３５】
各内部セクション３１１、３２１、３３１、３４１および各外部セクション３１３、３２３、３３３、３４３は、適切な電気的刺激が加えられると、図３に示したＸ−Ｙ平面の外への内部セクションまたは外部セクションの撓みを引き起こす作動電極、例えば、圧電アクチュエータを含む。各内部セクション３１１、３２１、３３１、３４１および各外部セクション３１３、３２３、３３３、３４３は、さらに、内部セクションまたは外部セクションの撓みを感知するセンス電極を含む。作動電極およびセンス電極は、図４により詳細に示す。
【００３６】
動作中、Ｘ−Ｘ軸およびＹ−Ｙ軸を中心とする反射器本体３０１の振動は、内部セクション３１１、３２１、３３１、３４１および外部セクション３１３、３２３、３３３、３４３内における作動電極の刺激によって引き起こされる。具体的には、Ｘ−Ｘ軸を中心とする振動を引き起こすために、内部セクション３１１および３４１の作動電極は、内部セクション３２１および３３１の作動電極と位相が１８０度ずれて駆動され、すなわち、内部セクション３１１および３４１の作動電極が、ばね３１４および３４４の取付点で反射器本体３０１をＸ−Ｙ平面の上方に動かすと、内部セクション３２１および３３１の作動電極は、ばね３２４および３３４の取付点で反射器本体３０１がＸ−Ｙ平面の下方に動くように駆動され、その逆も同様である。内部セクション３１１、３４１および３２１、３３１のこの交互作動によって、反射器本体はＸ−Ｘ軸を中心に振動する。したがって、Ｘ共振モードとも呼ばれるＸ−Ｘ軸を中心とする振動は、以下の式によって差動的に励振させることができる。
【００３７】
【数１】
0006901027.tif 000002
【００３８】
同様に、Ｘ共振モードは、以下の式を用いて差動的に感知することができる。
【００３９】
【数２】
0006901027.tif 000003
【００４０】
Ｙ−Ｙ軸を中心とする反射器本体３０１の振動は、外部セクション３１３、３２３、３３３および３４３の作動電極の刺激によって引き起こされる。外部セクション３１３および３２３の作動電極は、外部セクション３３３および３４３の作動電極と位相が１８０度ずれて駆動され、すなわち、外部セクション３１３および３２３の作動電極が、ばね３１５および３２５の取付点で反射器本体３０１をＸ−Ｙ平面の上方に動かすと、外部セクション３３３および３３４の作動電極は、ばね３３５および３４５の取付点で反射器本体３０１がＸ−Ｙ平面の下方に動くように駆動され、その逆も同様である。外部セクション３１３、３２３および３３３、３４３のこの交互作動によって、反射器本体はＹ−Ｙ軸を中心に振動する。したがって、Ｙ共振モードとも呼ばれるＹ−Ｙ軸を中心とする振動は、以下の式によって差動的に励振させることができる。
【００４１】
【数３】
0006901027.tif 000004
【００４２】
同様に、Ｙ共振モードは、以下の式を用いて差動的に感知することができる。
【００４３】
【数４】
0006901027.tif 000005
【００４４】
例えばＬｉＤＡＲシステムでの走査に適したリサージュパターンを生成するためには、Ｘ共振モードおよびＹ共振モードの周波数を適切に選択しなければならない。したがって、ＭＥＭＳ反射器３００は、さらに、質量領域３５１、３５２、３５３および３５４を含む。これらの質量領域は、反射器本体３０１の外周で反射器本体３０１に固定され、懸架部の各々の間に位置決めされている。したがって、質量領域３５１〜３５４は、反射器本体３０１の外周に等間隔に配置され、それぞれ軸Ｘ−Ｘまたは軸Ｙ−Ｙのうちの一方に沿って位置し、センタリングされ、２つの質量領域が反射器本体３０１の両側の各軸上にある。質量領域３５１〜３５４の各々のサイズ、すなわち、質量は、製造段階でＸ共振モードおよびＹ共振モードの共振周波数を独立して調整するために調整することができる。図１に示したジンバル構造と対照的に、各共振モードにおいて動かなければならない反射器３１０の慣性マスは本質的に同じであるため、ＭＥＭＳミラーシステム３００のＸ共振モードおよびＹ共振モードの共振周波数は、はるかによりぴったり一致する。したがって、Ｘ共振モードおよびＹ共振モードの共振周波数は、相対的に近似するように選択することができ、共振周波数間の相対的な差への環境変化の影響が最小限に抑えられ、ＭＥＭＳミラーシステム３００内の複雑で適応可能なチューニング素子および回路類が不要になる。
【００４５】
図４は、図３の懸架部３１０をより詳細に示す。特に、図４は、内部セクション３１１および外部セクション３１３の作動電極４１１および４２１と、センス電極４１２および４２２とを示す。電極４１１、４１２、４２１および４２２の同じ構成が、図３に示した懸架部３１０〜３４０の各々と、より詳細に以下に記載する別の実施形態の懸架部とに存在する。所定の懸架部が図４に示す懸架部３１０の鏡像である場合、センス電極の位置は、懸架部の他の要素に対して変わらないことが理解される。具体的には、内部作動電極４１１および内部センス電極４１２は、内部セクション３１１の長さに沿って平行に並んで配置され、中間セクション３１２に隣接する内部セクションの端部近傍またはその端部に位置する。外部作動電極４２１および外部センス電極４２２は、外部セクション３１３の長さに沿って平行に並んで配置され、アンカ点３５１に隣接する外部セクション３１３の端部近傍またはその端部に位置する。
【００４６】
内部セクション３１１および外部セクション３１３それぞれの端部における作動電極４１１および４２１の位置は、最も効率的な駆動励振を提供する。反射器および懸架部のモデル化された応力パターンから、内部セクション３１１および外部セクション３１３内の最大応力は、各セクションの、ばね（ひいては反射器本体）が接合される端部と反対側の端部に生じることが分かる。したがって、応力をもたらす圧電電極などの作動電極をこれらの点に配置することによって、最大効率が得られる。さらに、作動電極４１１、４２１によってもたらされる撓みを正確に測定するために、センス電極４１２、４２２は、作動電極の位置の撓みを直接測定するように作動電極に並んで配置される。
【００４７】
上述のように、本発明の別の実施形態を図５および図６に示す。図５のＭＥＭＳ反射器５００では、ばね５１４、５２４、５３４および５４４は、内部セクション５１１、５２１、５３１および５４１を、図３に示した反射器３００の場合のように反射器本体５０１ではなく、重量領域５５１〜５５４に連結している。同様に、ばね５１５、５２５、５３５および５４５は、中間セクション５１２、５２２、５３２および５４２を、反射器本体５０１ではなく、重量領域５５１〜５５４に連結している。ＭＥＭＳ反射器５００の他の特徴は、図３のＭＥＭＳ反射器３００と変わらない。この構成では、懸架部と反射器本体との間の連結点が回転軸からさらに離れているため、Ｘ共振モードおよびＹ共振モードの共振周波数は、図３の実施形態の場合よりも低い。
【００４８】
図６は、本発明によるＭＥＭＳ反射器６００の第３の実施形態を示す。懸架部６１０〜６４０は、第１の実施形態３００および第２の実施形態５００の場合と同様に配置されているが、第３の実施形態のＭＥＭＳ反射器６００は、実施形態３００における質量領域３５１〜３５４などの質量領域を含まず、懸架部６１０〜６４０と反射器本体６０１との間には４つの連結点しか有していない。懸架部６１０および６４０などの隣接する懸架部は、懸架部を反射器本体６０１に連結する共通のばね、すなわち、ばね６６１を共有している。ばね６６１および６６３は、懸架部６１０および６４０の隣接する内部セクション６１１と６４１とを、ならびに懸架部６２０および６３０の隣接する内部セクション６２１と６３１とを、反射器本体６０１の両側で互いに、かつ反射器本体に接合している。同様に、ばね６６２および６６４は、懸架部６１０および６２０の隣接する中間セクション６１２と６２２とを、ならびに懸架部６３０および６４０の６３２と６４２とを、反射器本体６０１の両側で互いに、かつ反射器本体に接合している。上記のように、Ｘ共振モードおよびＹ共振モードの共振周波数は既に同程度であるため、適切なリサージュ走査パターンを生成するのに先の実施形態の質量領域は必要ないかもしれない。さらに、上で説明したように、ＸモードおよびＹモードの共振周波数は、反射器本体６０１のサイズおよび形状を調整することによって微調整することができる。したがって、このように質量領域を除去して懸架部６１０〜６４０を反射器本体６０１に連結することによって、制御装置、すなわち、懸架部６１０〜６４０および関連する機械要素のサイズをさらに縮小してもよく、反射器をさらに大きくする、または全体的パッケージサイズを小さくすることができる。
【００４９】
図７は、図３に示した実施形態に対応するＭＥＭＳミラーシステム７００の別の実施形態を示しており、隣接する懸架部は鏡像でない、すなわち、隣接する各懸架部は９０度回転している。
【００５０】
反射器本体７０１は、４つの懸架部７１０、７２０、７３０および７４０によって、装置から、例えば、システムＭＥＭＳミラーシステム７００を取り囲むフレームから懸架されている。各懸架部は、内部セクション７１１、７２１、７３１、７４１と、中間セクション７１２、７２２、７３２、７４２と、外部セクション７１３、７２３、７３３、７４３とから構成される。
【００５１】
本明細書に記載した他の実施形態と同様に、各懸架部の内部セクション、中間セクションおよび外部セクションは、単一の要素として形成され、例えば、シリコンの連続片から形成されてもよく、異なる材料であってもよく、ヤング率などの物理的特性が異なる同じ材料から形成されてもよく、それらは、懸架部を製造するために共に接合される。さらに、懸架部の中間セクションは、懸架部の横部分、すなわち、内部セクションおよび外部セクションと、反射器本体の外周とに対して垂直な懸架部の部分だけとして示したが、中間セクションは、実際、図面に描いたよりもさらに遠くに延びてもよいことが理解される。
【００５２】
各懸架部は、ばね７１５、７２５、７３５または７４５を介して中間セクション７１２、７２２、７３２または７４２において、そして、別のばね７１４、７２４、７３４または７４４を介して内部セクション７１１、７２１、７３１、７４１の遠位端（すなわち、中間セクションから最も離れた内部セクションの端部）において反射器本体７１０に連結されている。外部セクション７１３、７２３、７３３、７４３の遠位端（すなわち、中間セクションからさらに離れた外部セクションの端部）において、外部セクションは、アンカ点７１６、７２６、７３６、７４６を介してＭＥＭＳミラーシステムパッケージの本体に、例えば、ＭＥＭＳミラーシステム７００を取り囲むフレームに連結されている。図３の実施形態と比較して、アンカ点７１６、７２６、７３６および７４６は、ＭＥＭＳ反射器７００の外周に規則的に配置されているため、特にＸ方向における、外部線形振動へのシステムの感度が低下する。
【００５３】
懸架部７１０〜７４０は、反射器本体７０１の外周に規則的に位置決めされている。図７の実施形態では、隣接する懸架部は、互いの鏡像ではない。代わりに、各懸架部は、その隣接する懸架部に対して９０度回転している。要素７１０から形成された第１懸架部は、第４懸架部７４０を９０度時計回りに回転したものであり、第２懸架部７２０は、第１懸架部７１０を９０度時計回りに回転したものであり、第３懸架部は、第２懸架部７２０を９０度時計回りに回転したものであり、第４懸架部７４０は、第３懸架部７３０を９０度回転したものである。このように、ばね７１４および７３４は、内部セクション７１１および７３１を介して第１懸架部７１０および第３懸架部７３０をＹ−Ｙ軸に近接して反射器本体７０１に連結している。ばね７２４および７４４は、中間セクション７２２および７４２を介して第２懸架部７２０および第４懸架部７４０をＹ−Ｙ軸に近接して反射器本体７０１に連結している。同様に、ばね７１５および７３５は、中間セクション７１２および７３２を介して第１懸架部７１０および第３懸架部７３０をＸ−Ｘ軸に近接して反射器本体７０１に連結しており、ばね７２５および７４５は、内部セクション７２１および７４１を介して第２懸架部７２０および第４懸架部７４０をＸ−Ｘ軸に近接して反射器本体７０１に連結している。
【００５４】
上で説明したように、ばね７１４、７２４、７３４、７４４および７１５、７２５、７３５、７４５は、反射器本体７１が大きな傾きを有し、ねじれの動きをしている（すなわち、反射器が傾いている）場合、より長くならなければならないため、Ｘ−Ｙ平面内では緩んでいるべきである。
【００５５】
記載した他の実施形態の場合のように、各内部セクション７１１、７２１、７３１、７４１および各外部セクション７１３、７２３、７３３、７４３は、適切な電気的刺激が加えられると、図７に示したＸ−Ｙ平面の外への内部セクションまたは外部セクションの撓みを引き起こす作動電極、例えば、圧電アクチュエータを含む。各内部セクション７１１、７２１、７３１、７４１および各外部セクション７１３、７２３、７３３、７４３は、さらに、内部セクションまたは外部セクションの撓みを感知するセンス電極を含む。作動電極およびセンス電極は、図４により詳細に示す。
【００５６】
動作中、Ｘ−Ｘ軸およびＹ−Ｙ軸を中心とする反射器本体７０１の振動は、内部セクション７１１、７２１、７３１、７４１および外部セクション７１３、７２３、７３３、７４３内の作動電極の刺激によって引き起こされる。具体的には、Ｘ−Ｘ軸を中心とする振動を引き起こすために、内部セクション７１１および外部セクション７４３の作動電極は、内部セクション７３１および外部セクション７２３の作動電極と位相が１８０度ずれて駆動される。Ｙ−Ｙ軸を中心とする振動を引き起こすために、外部セクション７１３および内部セクション７２１の作動電極は、外部セクション７３３および内部セクション７４１の作動電極と位相が１８０度ずれて駆動される。
【００５７】
上記のように、例えばＬｉＤＡＲシステムでの走査に適したリサージュパターンを生成するためには、Ｘ共振モードおよびＹ共振モードの周波数を適切に選択しなければならない。したがって、ＭＥＭＳ反射器７００は、さらに、質量領域７５１、７５２、７５３および７５４を含む。
【００５８】
実施形態７は、ミラーリングされていない懸架部を備えた図３の反射器に対応するＭＥＭＳ反射器７００を示しているが、図５および図６の他の実施形態にもミラーリングされていない懸架部が備えられてもよいことが理解される。
【図１】
0006901027.tif 000006
【図２】
0006901027.tif 000007
【図３】
0006901027.tif 000008
【図４】
0006901027.tif 000009
【図５】
0006901027.tif 000010
【図６】
0006901027.tif 000011
【図７】
0006901027.tif 000012