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光学用途のマイクロマシン
バーティカルコームドライブなどのアクチュエーターのデザインと製造
平成14年12月28日版MEMS Optical, Inc., 205 Import Circle, Huntsville, AL 35806
Phone: 256-859-1886 * Fax: 256-859-5890 東京都千代田区九段北1-10-1 九段勧業ビル３階
電話 ０３-５２７５-６６７１ ファックス ０３-５２７５-６６７２* Email: [email protected] * Web:www.memsoptical.com
アウトライン
• メムスオプティカルでのマイクロマシンの開発では、動力源であるアクチュエーターのデザイン、製造を通して、光学用途のマイクロマシンの開発を行います。マイクロレンズアレーや回折光学素子などマイクロ光学系との融合にも勤めていきます。
MEMS Optical, Inc.
マイクロマシン製作に使われるプロセス
• 表面及びバルクマイクロマシーニング• LIGA• シリコンウェハーボンディング• ディープRIE• CMOS用技術• ウェハー研磨
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光学用途マイクロマシン
• 多軸ティルトミラー• 分割ミラーアレー• 薄膜形状可変ミラー
補償光学系及び
光ファイバースィッチなどの用途に！
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マイクロアクチュエーター
マイクロマシンの心臓部といえるのが、動力源のアクチュエーターです。いろいろなデザインがありますので、用途に合わせた選択をすることができます、特にバーティカルコームドライブでは、現在マイクロマシンとして最大のストローク（約２０ミクロン）を実現します。さらに最適化することで１ミリのストロークも可能です。
バーティカルコームドライブ
光学スイッチ
形状可変ミラー
ティルトミラーの構造
• ミラー自体、蝶番、接点端子はシリコンで作られ、ミラー面はアルミまたは金の蒸着を付す事で反射率を高めます。シリコンウェハーのバッチプロセスで加工するので量産時にはコストを抑えることができます。
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スタンダード2軸ティルトミラー
X軸 Y軸
＊＊＊スペック＊＊＊反射面 520ミクロン八角形面粗さ 6オングストローム以下反射率 630ナノで95％以上（金蒸着）
稼動電圧 +/-50ボルト最大傾斜角 ±3度共振周波数 外軸0.94kHz 内軸1.21kHz
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分割ミラーアレー
500ミクロンピッチの325画素アレー。稼動電圧は15ボルトで共振波長は3ｋHzにデザイン。上下動の幅は4ミクロンでチップサイズ1．7センチ角。
それぞれのミラーが上下動することで、ビームの光路差を作ることで補償光学系として動作します。
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パッケージされたミラーアレー
• 補償光学系用325画素の分割ミラーを既存の３９１ピンのケースにパッケージしました。各ピンの電圧を変えることで、分割ミラーひとつひとつを制御することができます。マイクロレンズアレーとの組み合わせで実質的な開口率をほぼ100％にしています。
– マイクロマシンとマイクロ光学系の融合の初歩的な例でもあります。
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マイクロマシンによる補償光学
マイクロミラー
大気の揺らぎ
検出器
フィードバックシステム
• 補償光学系なしではひとつの大きな塊（写真左）が分割マイクロミラーアレーを使って、大気の揺らぎによる影響を補償することで、実は2つの星（同右）であることがわかります。
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ミラー構造の変化（１）
• 中心に見えるダイアモンド型がミラーで、回りの4本のサスペンションにより溝の上に支えられています。初期型の比較的単純なデザインです。駆動は静電で平板コンデンサ型のアクチュエーターです。
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ミラー構造の変化（２）
• ミラーの一辺は20ミクロンで、148ミクロンピッチの二次元アレーです。中心のミラーが上下に動き光の位相を調整するようにデザインされています。サスペンションの長さと太さでバネ係数を変えることで、共振周波数と動作電圧を変えることができます。
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薄膜一体ミラー
• 独自のデザインのアクチュエーターを使用し、大きな薄膜の下に多数のアクチュエータを配置することで、比較的大きな形状可変ミラーとして使えます。いわゆる「小さなスバル望遠鏡」のようなものです。
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薄膜下のアクチュエーターの配置
• 薄膜の下には325のアクチュエーターが右の図のように配置されています。各アクチュエーターの上下動の幅は6ミクロンで、15ｋHzまでの共振周波数で稼動するようにデザインされています。
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マイクロシャッター
マイクロレンズアレーと一緒に使うことでシャッターの大きさを小さくすることが可能になります。
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シャッターを動かすコームドライブ
櫛の歯は1ミクロン幅で、シャッターのピッチは42ミクロンにデザインされています。シャッターをコームドライブで左右に動かすことで開閉することができます。
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光ファイバースィッチコンセプト
• 1対8の双方向オプティカルスイッチを実現するデザインです。ボールレンズを垂直コームドライブを動かすことでビームを振り分けます。ファイバーのカップリングにもボールレンズを使用します。コームドライブの大きなストロークが的確なスイッチを可能にします。
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人工筋肉
• マイクロマシンの技術で樹脂の人工筋肉も実現できます。電圧をかけることで３０％縮むことで筋肉として稼動します。束にすることで大きな力も出すことができ、シリコンのマイクロマシンと補完しあいいろいろな応用が考えられます。
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グレースケールのディープエッチ
深さ120ミクロンのグレースケールフレネルレンズ形状マイクロタービンなどの微細加工の応用が考えられています。
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マイクロタービンの羽への応用
レーザーCVDを使ったテラヘルツアンテナ
• レーザーCVDの加工技術を使うことで、周波数、偏光に合わせたテラヘルツ光用アンテナのデザインを実現することが可能になります。用途としては、X線に変わる安全な医学検査用途に期待されています。アレー化することでCCDのようなイメージ素子を形成することが可能です。
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マイクロマシンのこれからの展開
• これからもカスタム品のデザイン、製造での難題への挑戦を続けながら、対応アプリケーションを増やすためにスタンダード品の二軸マイクロミラーをリリースしました。これはちょっと試すには高価すぎるマイクロミラーを比較的気軽に試していただきたい、という考え方から生まれました。試していただくことで、マイクロマシンの可能性をわかっていただきたいのです。薄膜形状可変ミラーなどの既製品も追ってリリースしていきます。マイクロマシンを超小型、省電力の駆動装置のソリューションの本命にしていきたいと思っております。
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