專利名稱：致動器的制作方法
技術領域：
本發(fā)明涉及一種致動器，特別涉及一種采用二自由度振動系統(tǒng)的致動器。
背景技術：
公知的是，例如，在設置在激光打印機中的光學掃描儀中使用的光學多面體(旋轉多面體)。在這樣的打印機中，為了同時獲得更高分辨率、更高質量的打印輸出以及更高速的打印，必須以更高的速度旋轉光學多面體。目前，空氣軸承用于，穩(wěn)定地高速旋轉光學多面體。然而，存在的問題是以高于現(xiàn)有可用速度旋轉光學多面體是困難的。此外，雖然需要更大的電動機，以便于以更高的速度旋轉光學多面體，但是這種更大型的電動機的使用所引起的問題是，小型化使用光學多面體的設備的尺寸將是困難的。此外，這種光學多面體的使用引起的另一問題是設備結構必須變得更加復雜，因而導致生產成本的增加。
另一方面，在致動器領域的研究的早期階段，已經(jīng)提出了如圖8所示的單自由度扭轉振蕩器。由于這種振蕩器使用相互平行設置的扁平電極，所以其具有相當簡單的結構(例如，參見K.P.Pertersen“Silicon Torsional Scanning Mirror”、IBMJ.Res.Develcp.，Vol(1980)，P.631)。此外，已經(jīng)提出了一種通過修改上述扭轉振蕩器從而使其具有懸臂結構而獲得的單自由度靜電驅動型振蕩器(例如，參見Kawamura et al.“Research in micromechanics using Si”，Proceedings of the Japan Society for Precision EngineeringAutumn Conference(1986)P.753)。
圖8示出了這種單自由度靜電驅動型扭轉振蕩器。在該扭轉振蕩器中，通過襯墊200，將單晶硅制成的可活動電極板300在其端固定部分300a處，固定在玻璃襯底1000的兩端?？苫顒与姌O板300包括可活動電極部分300c，其由端固定部分300a通過窄扭力條300b支撐。此外，在玻璃襯底上設置固定電極400，從而通過預定電極間隔，使其與可活動電極部分300c相對。更具體地，通過其間的電極間隔，使固定電極400與可活動電極部分300c平行設置。固定電極400經(jīng)過開關600和電源500與可活動電極板300相連。
在具有上述結構的扭轉振蕩器中，當將電壓施加在可活動電極部分300c和固定電極400上時，由于靜電的吸引，可活動電極部分300圍繞扭力條300b的軸旋轉。由于靜電吸引與電極間隔的平方成反比，優(yōu)選地，這種靜電致動器具有在可活動電極部分300c和固定電極400之間的小電極間隔。然而，在上述單自由度扭轉振蕩器中，作為可活動部分的可活動電極部分300c也具有電極。所以，如果電極間隙太小，則可活動電極部分的可活動范圍(旋轉角)必須是有限的。另一方面，為了擴大可活動電極部分的活動范圍，必須加寬電極間隙，而這將需要較大的驅動電壓。即，上述單自由度扭轉振蕩器涉及的問題是難以同時實現(xiàn)低電壓驅動和大位移。

發(fā)明內容
所以，本發(fā)明的目的是提供一種能夠高速、低電壓進行操作并獲得大位移(即，大旋轉角度或大偏轉角度)的致動器。
為了實現(xiàn)這一目的，本發(fā)明提供了一種采用二自由度振蕩系統(tǒng)的致動器，所述致動器包括第一塊部分；第二塊部分；支撐部分；至少一對彈性連接部分，其將第一塊部分連接到所述支撐部分，從而使第一塊部分能夠相對于支撐部分旋轉；以及至少一對第二彈性連接部分，其將第二塊部分連接到第一塊部分，從而使第二塊部分能夠相對于第一塊部分旋轉，其中通過施加交流電壓驅動第一塊部分，使第二塊部分旋轉，并且設置交流電壓的頻率，從而使其實質上與第一塊部分和第二塊部分諧振的二自由度振蕩系統(tǒng)的諧振頻率的較低諧振頻率一致。
根據(jù)上述本發(fā)明，可以提供一種能夠以高速、低電壓進行操作并實現(xiàn)大旋轉角度(即，大偏轉角度)的致動器。此外，能夠在抑制第一塊部分的振動(振幅)的同時，增加第二塊部分的旋轉角度(偏轉角度)。
在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，優(yōu)選地，所述致動器包括相對襯底，對其進行設置，通過預定距離與支撐部分相對，相對襯底具有面向支撐部分的表面；以及電極對，設置在相對襯底表面上，位于與第一塊部分的位置相對應的位置處，其中通過在電極和第一塊部分間產生的靜電力來驅動第一塊部分。這也使其能夠增加第二塊部分的旋轉角度(偏轉角度)。
在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，優(yōu)選地，所述相對襯底包括位于與第二塊部分的位置相對應的位置處的開口。當?shù)诙K部分旋轉時，這樣的致動器能夠阻止第二塊部分和相對襯底的接觸，所以，能夠進一步增加第二塊部分的旋轉角度(偏轉角度)。
在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，優(yōu)選地，所述第二塊部分包括光反射部分。例如，當將其用在光掃描儀上時，這樣的致動器能夠容易地改變光學(光)路徑。
在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，優(yōu)選地，當將第一彈性連接部分的彈簧常數(shù)定義為k1，并將第二彈性連接部分的彈簧常數(shù)定義為k2時，k1和k2滿足關系式k1＞k2。這使其能夠，在抑制第一塊部分的振動(振幅)的同時，進一步增加第二塊部分的旋轉角度(偏轉角度)。
在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，優(yōu)選地，當將第一塊部分的質量定義為m1，并將第二塊部分的質量定義為m2時，m1和m2滿足關系式m1≤m2。這使其能夠，在抑制第一塊部分的振動(振幅)的同時，進一步增加第二塊部分的旋轉角度(偏轉角度)。
在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，優(yōu)選地，第一彈性連接部分對和第二彈性連接部分對中至少一個包括壓力電阻元件。例如，這使其能夠檢測旋轉角度和旋轉頻率。此外，也能夠使用檢測結果來控制第二塊部分的姿態(tài)。
在參照附圖，考慮以下對優(yōu)選實施例的描述時，本發(fā)明的上述和其他目的、結構和優(yōu)點將變得更加清晰。


圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的第一實施例的平面圖。
圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的第一實施例的截面圖。
圖3是示出了第一實施例的相對襯底和電極的平面圖。
圖4是示出了所施加的交流電壓的頻率和第一塊部分及第二塊部分的諧振曲線的曲線圖。
圖5是示出了制造根據(jù)本發(fā)明的致動器的方法的一個示例的步驟圖。
圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的第二實施例的平面圖。
圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的第三實施例的平面圖。
圖8是示出了傳統(tǒng)致動器的透視圖。
具體實施例方式
以下，將參照附圖，對根據(jù)本發(fā)明致動器的優(yōu)選實施例進行描述。
首先，將對根據(jù)本發(fā)明的致動器的第一實施例進行描述。圖1是示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的第一實施例的平面圖，圖2是示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的第一實施例的截面圖，圖3是示出了第一實施例的相對襯底和電極的平面圖，以及圖4是示出了所施加的交流電壓的頻率和第一塊部分及第二塊部分的諧振曲線的曲線圖。
如圖1所示的致動器100包括第一塊部分(即，驅動部分)1，第二塊部分(即，可活動部分)2，以及支撐部分對3。第一塊部分1、第二塊部分2和支撐部分3中的每一個均由如硅或類似物質制成。在本實施例的第二塊部分2的表面(即第二塊部分2的不面對稍后將要描述的相對襯底6的表面)上，設置光反射部分21。
此外，如圖1所示，致動器100包括一對第一彈性連接部分4和一對第二彈性連接部分5。第一彈性連接部分對4分別將第一塊部分1連接到支撐部分3，從而使第一塊部分1能夠相對于支撐部分3旋轉。第二彈性連接部分對5分別將第二塊部分2連接到第一塊部分1，從而使第二塊部分2能夠相對于第一塊部分1旋轉。
如圖2所示，通過絕緣部分8將支撐部分3與襯墊9分別連接。每個絕緣部分8由如硅的氧化物或氮化物等制成，并且每個襯墊9由硅等制成。此外，如圖2所示，本實施例的致動器100包括相對襯底6。設置相對襯底6，從而通過預定距離與支撐部分3相對。相對襯底6由各種玻璃材料或硅制成。
如圖2所示，將支撐部分3通過襯墊9和絕緣部分8分別支撐在相對襯底6上。如圖2和圖3所示，相對襯底6在與第二塊部分2的位置相對應的位置上具有開口。此外，在相對襯底6上，在與第一塊部分1的位置相對應的位置上設置電極對7。這些電極7實質上相對于第一塊部分1的旋轉軸(即，相對于第一彈性連接部分4)對稱排列。
電極7通過電源(圖中未示出)與第一塊部分1相連，從而能夠在第一塊部分1和電極7的兩端施加交流電壓(驅動電壓)。此外，在第一塊部分1的表面(即，第一塊部分面對電極7的表面)上設置絕緣膜(圖中未示出)，以防止短路。在具有上述結構的二自由度振動型致動器中，第一塊部分1和第一彈性連接部分4組成第一振動系統(tǒng)，并且第二塊部分2和第二彈性連接部分5組成第二振動系統(tǒng)。
當在第一塊部分1和電極7兩端施加交流電壓時，在第一塊部分1和電極7之間產生靜電力。已產生的靜電力將第一塊1吸引向電極7，從而第一塊部分1圍繞第一彈性連接部分4的軸旋轉(即，通過施加交流電壓，第一塊部分1振動)。第一塊部分1的振動使得通過第二彈性部分5與第一塊部分1相連的第二塊部分2圍繞第二彈性連接部分5的軸旋轉(即，第二塊部分2也振動或偏轉)。
應當注意，在第一塊部分1和第二塊部分2的振幅(振動)與所施加的交流電壓的頻率之間，該二自由度振蕩型致動器具有如圖4所示的頻率特性。即，由第一塊部分1、第一彈性連接部分4、第二塊部分2和第二彈性連接部分5組成的二自由度振動系統(tǒng)具有兩個諧振頻率fm1(KHz)和fm3(KHz)(其fm1＜fm3中)和一個反諧振頻率fm2(KHz)，在所述諧振頻率，第一塊部分1和第二塊部分2的振幅變大；以及在所述反諧振頻率，第一塊部分1的振幅實質上為零。
具有上述結構的致動器的特征在于，設置要施加在第一塊部分1和電極兩端的交流電壓的頻率F，從而使其實質上與兩個諧振頻率中的較低諧振頻率相同，即，設置頻率F從而使其實質上與fm1相同。通過設置所要施加的交流電壓的頻率F(KHz)，從而使其實質上fm1相同，能夠在抑制第一塊部分1的振動的同時，增加第二塊部分2的旋轉角度(偏轉角度)。在這一點上，應當注意，在本說明書中，F(xiàn)(KHz)實質上與fm1相同的事實意味著F和fm1滿足關系式(fm1-1)≤F≤(fm1+1)。
優(yōu)選地，第二塊部分2相對于與設置有電極7的相對襯底6的表面相平行的方向的最大偏轉角度為20°或更多。例如，通過使用這樣的致動器作為光學掃描儀，易于減小如激光打印機等設備。優(yōu)選地，第一塊部分1的平均厚度在1到1,000μm的范圍內，更優(yōu)選地，在10到300μm的范圍內。
優(yōu)選地，第二塊部分2的平均厚度在1到1,000μm的范圍內，更優(yōu)選地，在10到300μm的范圍內。優(yōu)選地，每個第一彈性連接部分4的彈簧常數(shù)(k1)在1×10-4到1×104Nm/rad的范圍內，更優(yōu)選地，在1×10-2到1×103Nm/rad的范圍內，更為優(yōu)選地，在1×10-1到1×102Nm/rad的范圍內。通過將彈性連接部分4的彈簧常數(shù)(k1)的值設置在上述范圍內，能夠進一步增大第二塊部分2的旋轉角度(偏轉角度)。此外，優(yōu)選地，每個第二彈性連接部分5的彈簧常數(shù)(k2)在1×10-4到1×104Nm/rad的范圍內，更優(yōu)選地，在1×10-2到1×103Nm/rad的范圍內，更為優(yōu)選地，在1×10-1到1×102Nm/rad的范圍。通過將彈性連接部分5的彈簧常數(shù)(k2)的值設置在上述范圍內，在抑制第一塊部分1的振動的同時，能夠進一步增大第二塊部分2的旋轉角度(偏轉角度)。
在將彈性連接部分4的彈簧常數(shù)定義為(k1)，并將第二彈性連接部分5的彈簧常數(shù)定義為(k2)的情況下，優(yōu)選的是，k1和k2滿足關系式k1＞k2。這能夠在抑制第一塊部分1的振動的同時，進一步增加第二塊部分2的旋轉角度(偏轉角度)。此外，在將第一塊部分1的質量定義為m1，并將第二塊部分2的質量定義為m2的情況下，優(yōu)選的是，m1和m2滿足關系式m1＞m2。這能夠在抑制第一塊部分1的振動的同時，進一步增加第二塊部分2的旋轉角度(偏轉角度)。
現(xiàn)在，能夠通過公式ω1＝(k1/m1)1/2來確定第一振動系統(tǒng)的自然頻率ω1，其中m1表示第一塊部分1的質量，k1表示每個第一彈性連接部分4的彈簧常數(shù)。能夠通過公式ω2＝(k2/m2)1/2來確定第二振動系統(tǒng)的自然頻率ω2，其中m2表示第二塊部分2的質量，k2表示每個第二彈性連接部分5的彈簧常數(shù)。以上述方式描述的第一振動系統(tǒng)的自然頻率ω1和第二振動系統(tǒng)的自然頻率ω2滿足關系式ω1＞ω2。這能夠在抑制第一塊部分1的振動的同時，進一步增加第二塊部分2的旋轉角度(偏轉角度)。
現(xiàn)在，在本實施例的致動器100中，優(yōu)選地，致動器100具有位于其第一彈性連接部分對4和第二彈性連接部分對5中的至少一個中的壓力電阻元件。例如，這使其能夠檢測旋轉角度和旋轉頻率。此外，還能夠利用檢測結果控制第二塊部分2的姿態(tài)。
下面，參照附圖，將對用于制造如圖1和圖2所示的致動器100的方法的一個示例進行描述。圖5是示出了一種制造根據(jù)本發(fā)明的致動器的方法的一個示例的步驟圖。在這個示例中，致動器100通過下面三個步驟制造。
<第一步驟>
首先，如圖5(a)所示，準備由第一Si層40、SiO2層8’和第二Si層9’夠成的SOI襯底50。其次，如圖5(b)所示，對第一Si層40進行蝕刻，以形成第一塊部分1、第二塊部分2、支撐部分3、第一彈性連接部分4和第二彈性連接部分5。然后，如圖5(c)所示，對第二Si層9’進行蝕刻，以形成襯墊9。然后，如圖5(d)所示，通過真空蒸發(fā)方法在第二塊部分2上形成光反射部分21，以獲得上襯底60。
<第二步驟>
首先，如圖5(e)所示，準備玻璃襯底6’。其次，如圖5(f)所示，對玻璃襯底6’進行蝕刻，以形成具有開口61的相對襯底6。然后，如圖5(g)所示，通過真空蒸發(fā)方法在相對襯底6上形成電極7，以獲得下襯底70。
<第三步驟>
如圖5(h)所示，將在步驟1中獲得的上襯底60和在步驟2中獲得的襯底70通過陽極粘和相結合。然后，如圖5(i)所示，通過蝕刻去除除夾在支撐部分3和襯底9之間的部分以外的SiO2層8’的部分，以形成絕緣部分8。這樣，制成了致動器100。這里，應當注意的是，第二步驟可以和第一步驟同時進行，或先于第一步驟進行。
然后，將對根據(jù)本發(fā)明的致動器的第二實施例進行描述。圖6是示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的第二實施例的平面圖。以下，將通過比較第一和第二實施例的不同，對圖6所示實施例進行描述，所以，相同點將被省略。如圖6所示，本實施例的致動器100’包括兩對第一彈性連接部分4’和兩對第二彈性連接部分5’。兩對第一彈性連接部分4’分別將第一塊部分1連接到支撐部分3，從而使第一塊部分1能夠相對于支撐部分3旋轉。兩對第二彈性連接部分5’分別將第二塊部分2連接到第一塊部分1，從而使第二塊部分2能夠相對于第一塊部分1旋轉。
根據(jù)這樣的結構，能夠更可靠地控制第二塊部分2的旋轉角度(偏轉角度)。應當注意，在這種情況下，即，致動器100包括兩對第一彈性連接部分4’和兩對第二彈性連接部分5’的情況下，在連接在一個支撐部分3和第一塊部分1之間的兩個彈性連接部分等價于實質上設置在與第二實施例的兩個彈性連接部分相同位置上的第一實施例的單彈性連接部分的假定下，確定其彈簧常數(shù)k1或k2。
接下來，將對根據(jù)本發(fā)明的致動器的第三實施例進行描述。圖7是示出了根據(jù)本發(fā)明的致動器的第二實施例的平面圖。以下，將通過比較第一和第三實施例的不同，對圖7所示實施例進行描述，所以，相同點將被省略。本實施例的致動器100”由靜電力驅動(即，洛倫茲力)。
具體地，如圖7所示，致動器100”包括分別設置在支撐部分3中的端子10；設置在第一塊部分1的表面(即，第一塊部分1的不面向相對襯底6的表面)上的線圈20；設置在第一塊部分1兩側的永久磁鐵對30，從而將第一塊部分1設置在其間。設置永久磁鐵30對，從而使一個磁鐵30的南極和另一磁鐵30的北極彼此相對。線圈20的端部分別連接到端子10上。此外，端子10連接到電源上(圖中未示出)，從而能夠將交流電壓施加在線圈20上。
在本實施例中，當將交流電壓施加在線圈20上時，在線圈20(第一塊部分1)和永久磁鐵30間產生洛倫茲力，并且所產生的洛倫茲力驅動致動器100”。
優(yōu)選地，上述基于第一到第三實施例的致動器能夠應用于用在如激光打印機、條形碼讀取器等中的光學掃描儀，或用于成像的顯示器。
雖然，已經(jīng)參照附圖所示的實施例對根據(jù)本發(fā)明的致動器進行了描述，但是本發(fā)明將不僅限于此。
例如，只要獲得相同功能，能夠對本發(fā)明的致動器的每個部分進行各種改動和增加。此外，上述實施例的每個致動器具有一對或兩對第一彈性連接部分4，但是本發(fā)明并不限于此，例如可以具有三對或更多對第一彈性連接部分4。
此外，上述實施例的每個致動器具有一對或兩對第二彈性連接部分5，但是本發(fā)明并不限于此，例如可以具有三對或更多對第二彈性連接部分5。
此外，在上述實施例的每個致動器中，在第二塊部分2的不面向相對襯底6的表面上設置了光反射部分21，但是在根據(jù)本發(fā)明實施例的致動器中，例如，可以在第二塊部分2的相反表面上設置光反射部分21，或在第二塊部分2的兩個表面上都設置光反射部分21。
此外，上述第一和第二實施例的每個致動器中，在相對襯底6上設置了電極7，但是在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，可以在第一塊部分1上設置電極7，或可以在相對襯底6、第一塊部分1上分別設置電極7。此外，上述第一和第二實施例的每個致動器具有電極對7，但是在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，電極無需一直成對使用。
此外，在上述實施例的每個致動器中，第一彈性連接部分和第二彈性連接部分具有如圖所示的形狀，但是在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，其形狀不限于此，例如，可以是曲柄狀或分支狀。此外，在上述第一和第二實施例的每個致動器中，在第一塊部分1的、面對電極7的表面上設置了絕緣膜，用于防止短路，但是在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，例如，可以在電極7的表面上設置絕緣膜，或在第一塊部分1和電極7的表面上設置絕緣膜。
此外，在上述第三實施例的致動器中，在第一塊部分1的、不面對相對襯底6的表面上設置線圈20，但是在根據(jù)本發(fā)明的致動器中，例如，可以在第一塊部分1的相反表面上或可以在第一塊部分1內部設置線圈20。此外，在上述制造方法的示例中，整體形成了上層襯底60，但是上層襯底60并不局限于是整體形成的。例如，通過整體形成第一塊部分1、第二塊部分2、支撐部分3、第一彈性連接部分4以及第二彈性連接部分5而獲得的襯底可以通過由玻璃等構成的襯墊，與下層襯底70粘和?？商娲?，這些部分的每一個都可以分別構成，從而通過粘和來組裝所獲得的部分。
權利要求
1.一種采用二自由度振蕩系統(tǒng)的致動器，所述致動器包括第一塊部分；第二塊部分；支撐部分；至少一對彈性連接部分，其將第一塊部分連接到所述支撐部分，從而使第一塊部分能夠相對于支撐部分旋轉；以及至少一對第二彈性連接部分，其將第二塊部分連接到第一塊部分，從而使第二塊部分能夠相對于第一塊部分旋轉，其中通過施加交流電壓驅動第一塊部分，使第二塊部分旋轉，并且設置交流電壓的頻率，從而使其實質上與第一塊部分和第二塊部分諧振的二自由度振蕩系統(tǒng)的諧振頻率的較低諧振頻率一致。
2.按照權利要求1所述的致動器，其特征在于，還包括相對襯底，對其進行設置，通過預定距離與支撐部分相對，相對襯底具有面向支撐部分的表面；以及電極對，設置在相對襯底表面上，位于與第一塊部分的位置相對應的位置處，其中通過在電極和第一塊部分間產生的靜電力來驅動第一塊部分。
3.按照權利要求2所述的致動器，其特征在于，所述相對襯底包括位于與第二塊部分的位置相對應的位置處的開口。
4.按照權利要求2所述的致動器，其特征在于，所述第二塊部分包括光反射部分。
5.按照權利要求1所述的致動器，其特征在于，當將第一彈性連接部分的彈簧常數(shù)定義為k1，并將第二彈性連接部分的彈簧常數(shù)定義為k2時，k1和k2滿足關系式k1＞k2。
6.按照權利要求1所述的致動器，其特征在于，當將第一塊部分的質量定義為m1，并將第二塊部分的質量定義為m2時，m1和m2滿足關系式m1≤m2。
7.按照權利要求1所述的致動器，其特征在于，第一彈性連接部分對和第二彈性連接部分對中的至少一個包括壓力電阻元件。
全文摘要
一種采用二自由度振動系統(tǒng)型的致動器，包括第一塊部分；第二塊部分；支撐部分對；至少一對彈性連接部分，其將第一塊部分連接到所述支撐部分，從而使第一塊部分能夠相對于支撐部分旋轉；以及至少一對第二彈性連接部分，其將第二塊部分連接到第一塊部分，從而使第二塊部分能夠相對于第一塊部分旋轉。通過施加交流電壓驅動第一塊部分，使第二塊部分旋轉，并且設置交流電壓的頻率，從而使其實質上與第一塊部分和第二塊部分諧振的二自由度振蕩系統(tǒng)的諧振頻率的較低諧振頻率一致。這能夠提供能夠以高速、低電壓進行操作并獲得大旋轉角度的致動器。
文檔編號G02B26/10GK1592069SQ20041006872
公開日2005年3月9日 申請日期2004年9月6日 優(yōu)先權日2003年9月5日
發(fā)明者與田光宏 申請人:精工愛普生株式會社