專利名稱：執(zhí)行機構(gòu)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種執(zhí)行機構(gòu)，更具體地說，涉及一種適合用在諸如光學(xué)掃描器、光學(xué)衰減器和光開關(guān)的光學(xué)裝置中的執(zhí)行機構(gòu)。
背景技術(shù)：
例如，多角鏡(旋轉(zhuǎn)多面體)被用作諸如激光打印機的裝置用的執(zhí)行機構(gòu)。為了實現(xiàn)具有高分辨率和高質(zhì)量的高速打印，必需以更高速旋轉(zhuǎn)多角鏡。當前，空氣軸承(air bearing)被用于高速并穩(wěn)定地旋轉(zhuǎn)多角鏡。盡管如此，難以進一步增加多角鏡的轉(zhuǎn)速。此外，要高速旋轉(zhuǎn)多角鏡需要大型電機。如此大型電機不利于裝置的小型化。更進一步，此多角鏡的使用需要復(fù)雜的結(jié)構(gòu)并因此增加裝置的成本。
提出了如圖1中所示的一種具有相對簡單結(jié)構(gòu)的執(zhí)行機構(gòu)。圖1中所示的執(zhí)行機構(gòu)采用了具有單一自由度的扭轉(zhuǎn)振動器(torsionalvibrator)，其中扁平電極板被相互平行地布置。見K.E.Petersen，“硅扭轉(zhuǎn)掃描鏡”(“Silicon Torsional Scanning Mirror，”)IBMJ.Res.Develop.，vol.24(1980)，p.631。另外，還提出了一種具有單一自由度的靜電驅(qū)動型振動器，其中前述扭轉(zhuǎn)振動器被修改從而具有懸臂結(jié)構(gòu)。見Kawamura等.，“Research in Micromechanics Using Si，”(使用Si的微觀力學(xué)研究)精密工程學(xué)秋季會議的日本協(xié)會學(xué)報(1986)，p.753。
如圖1中所示，具有單一自由度的靜電驅(qū)動型扭轉(zhuǎn)振動器包括玻璃襯底(glass substrate)1000、由單晶硅制成的可移動電極板(movable eletrode plate)300、和布置在玻璃襯底1000和可移動電極板300之間的隔離物(spacer)200?？梢苿与姌O板300的固定端部分300a固定于玻璃襯底1000的相對端并且隔離物200介于可移動電極板300的固定端部分300a和玻璃襯底1000之間?？梢苿与姌O板300具有可移動電極部分300c和用于將可移動電極板300c支撐在固定端部分300a之間的狹窄扭力條300b(torsion bars)。扭轉(zhuǎn)振動器還包括布置在玻璃襯底1000上的固定電極400從而以預(yù)定電極間距面對可移動電極部分300c。具體地說，固定電極400平行于可移動電極部分300c被布置。扭轉(zhuǎn)振動器具有開關(guān)600和電源500，所述開關(guān)600和電源500被連接在可移動電極板300和固定電極400之間。
在如此構(gòu)造的扭轉(zhuǎn)振動器中，當電壓被施加于可移動電極部分300c和固定電極400之間時，由于靜電力可移動電極部分300c圍繞扭力條300b被樞轉(zhuǎn)。由于靜電引力與電極間距的平方成反比，因此需要該類型的靜電執(zhí)行機構(gòu)在可移動電極部分300c和固定電極400之間有小的電極間距。然而，在上述具有單一自由度的結(jié)構(gòu)中，可移動電極部分300c不僅用作電極而且用作可移動部分。所以，如果電極間距被減小，可移動電極部分300c的可移動范圍(旋轉(zhuǎn)角度)被限制。另一方面，維持大的可移動范圍需要大的電極間距。因此，難以實現(xiàn)既低電壓驅(qū)動又有寬的可移動范圍(大的偏轉(zhuǎn)角度)。

發(fā)明內(nèi)容
考慮到以上缺點做出本發(fā)明。因此，本發(fā)明的目的是提供一種即使在低電壓驅(qū)動的情況下也以緊湊的結(jié)構(gòu)提供大偏轉(zhuǎn)角度的執(zhí)行機構(gòu)。
根據(jù)本發(fā)明的一方面，提供了一種在低電壓驅(qū)動的情況下提供大偏轉(zhuǎn)角度并且結(jié)構(gòu)緊湊的執(zhí)行機構(gòu)。執(zhí)行機構(gòu)具有可移動質(zhì)量部分和一對用于驅(qū)動可移動質(zhì)量部分的驅(qū)動機構(gòu)。所述一對驅(qū)動機構(gòu)的每一個包括驅(qū)動質(zhì)量部分；用于支撐驅(qū)動質(zhì)量部分的支撐部分；第一彈性連接部分，所述第一彈性連接部分將驅(qū)動質(zhì)量部分和支撐部分相互連接從而允許驅(qū)動質(zhì)量部分相對于支撐部分圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)；和第二彈性連接部分，所述第二彈性連接部分將驅(qū)動質(zhì)量部分和可移動質(zhì)量部分相互連接從而允許可移動質(zhì)量部分相對于驅(qū)動質(zhì)量部分圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)。第一彈性連接部分包括一對彎曲條，所述一對彎曲條彼此相對，驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)軸介于其間。所述一對彎曲條的每一個具有到驅(qū)動質(zhì)量部分的第一連接部分和到支撐部分的第二連接部分。第一彈性連接部分包括一對壓電元件，所述一對壓電元件分別被連接到所述一對彎曲條上從而在相反方向上彎曲所述一對彎曲條以引起驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)運動。驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)運動引起第二彈性連接部分的扭轉(zhuǎn)變形從而樞轉(zhuǎn)可移動質(zhì)量部分。
利用以上布置，當執(zhí)行機構(gòu)被驅(qū)動時，彎曲條主要承受彎曲變形從而引起整個第一彈性連接部分的扭轉(zhuǎn)變形。所以，第一彈性連接部分中產(chǎn)生的應(yīng)力可被減小從而以大偏轉(zhuǎn)角度驅(qū)動該驅(qū)動質(zhì)量部分。
另外，由于執(zhí)行機構(gòu)從壓電元件獲得驅(qū)動力，因此即使在低電壓驅(qū)動的情況下執(zhí)行機構(gòu)也可由相對大的驅(qū)動力驅(qū)動。所以，即使在低電壓驅(qū)動的情況下第一彈性連接部分的彈簧常量可被增大從而在高頻率驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。
此外，由于執(zhí)行機構(gòu)包括一對用于驅(qū)動可移動質(zhì)量部分的驅(qū)動機構(gòu)，因此驅(qū)動質(zhì)量部分和可移動質(zhì)量部分可被平穩(wěn)地驅(qū)動。
所述一對壓電元件中的每一個可包括主要由壓電材料制成的壓電層和一對電極，所述一對電極將壓電層保持在其間。所述一對電極中的一個被連接到彎曲條。因此，以相對簡單的結(jié)構(gòu)，彎曲條可被壓電元件可靠地彎曲。
所述一對壓電元件中的每一個可在彎曲條的縱向上延伸并且能夠在彎曲條的縱向上伸長和收縮以彎曲彎曲條。因此，以相對簡單的結(jié)構(gòu)，彎曲條可被壓電元件可靠地彎曲。
所述一對壓電元件中的每一個可被設(shè)置在垂直于彎曲條的縱向并且垂直于所述一對彎曲條相對的方向的方向的彎曲條的至少一個表面上。利用此布置，驅(qū)動質(zhì)量部分可被彎曲條的彎曲變形更平穩(wěn)地樞轉(zhuǎn)。
所述一對壓電元件中的每一個可被設(shè)置在垂直于彎曲條的縱向并且垂直于所述一對彎曲條相對的方向的方向的彎曲條的兩個表面上。利用此布置，可獲得更高驅(qū)動力。結(jié)果，每一個壓電元件可被小型化。另外，壓電元件和第一彈性連接部分之間產(chǎn)生的應(yīng)力可被減小從而改良執(zhí)行機構(gòu)的耐久性。
所述一對壓電元件可關(guān)于驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)軸對稱地被布置。利用如此布置，具有相同波形的電壓可被同一電源施加于所述一對壓電元件從而驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)。所以，可減少執(zhí)行機構(gòu)的成本。
所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個可被配置為保持A＜B的關(guān)系，其中A代表所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第一連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第一連接部分之間的間距，而B代表所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第二連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第二連接部分之間的間距。在此情況下，執(zhí)行機構(gòu)可在更高頻率以更大偏轉(zhuǎn)角度被驅(qū)動。
所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個可被配置為保持0≤A＜0.8L的關(guān)系，其中A代表所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第一連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第一連接部分之間的間距，而L代表在垂直于驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)軸的方向上驅(qū)動質(zhì)量部分的最大長度。在此情況下，執(zhí)行機構(gòu)可被低電壓以更大偏轉(zhuǎn)角度驅(qū)動。另外，驅(qū)動質(zhì)量部分以對于整個第一彈性連接部分的扭轉(zhuǎn)變形極好的響應(yīng)性被樞轉(zhuǎn)。
所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個可被配置為保持0.2L＜B＜1.2L的關(guān)系，其中B代表在所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第二連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第二連接部分之間的間距，而L代表在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向上驅(qū)動質(zhì)量部分的最大長度。在此情況下，執(zhí)行機構(gòu)可在更高頻率被驅(qū)動。
所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個可被配置為保持A＜C的關(guān)系，其中A代表所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第一連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第一連接部分之間的間距，而C代表彎曲條的長度。在此情況下，執(zhí)行機構(gòu)可以更大偏轉(zhuǎn)角度被驅(qū)動。
執(zhí)行機構(gòu)可還包括電源，所述電源被配置以將交流電壓施加到壓電元件上。交流電壓的頻率大體等于兩自由度振動系統(tǒng)的共振頻率的較低頻率，驅(qū)動質(zhì)量部分和可移動質(zhì)量部分在所述共振頻率產(chǎn)生共振。在此情況下，可移動質(zhì)量部分的旋轉(zhuǎn)角度(偏轉(zhuǎn)角度)可被增大而驅(qū)動質(zhì)量部分的偏轉(zhuǎn)角度被減小。
所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個可被配置為保持Dd＜Dm的關(guān)系，其中Dd代表在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向上從樞轉(zhuǎn)軸起驅(qū)動質(zhì)量部分的最大長度，而Dm代表在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向上從樞轉(zhuǎn)軸起可移動質(zhì)量部分的最大長度。在此情況下，執(zhí)行機構(gòu)可被低電壓容易地并可靠地驅(qū)動，并且可移動質(zhì)量部分的偏轉(zhuǎn)角度(振幅)可被增大。
所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的驅(qū)動質(zhì)量部分可具有大體相同的最大長度Dd。在此情況下，執(zhí)行機構(gòu)可被低電壓容易地并可靠地驅(qū)動，并且可移動質(zhì)量部分的偏轉(zhuǎn)角度(振幅)可被增大。
所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個可被配置為保持k1＞k2的關(guān)系，其中k1代表第一彈性連接部分的彈簧常量，而k2代表第二彈性連接部分的彈簧常量。在此情況下，執(zhí)行機構(gòu)可被低電壓在高頻率以大偏轉(zhuǎn)角度(振幅)驅(qū)動。另外，可移動質(zhì)量部分的旋轉(zhuǎn)角度(偏轉(zhuǎn)角度)可被增大而驅(qū)動質(zhì)量部分的振幅被減小。
所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個可被配置為保持J1≤J2的關(guān)系，其中J1代表驅(qū)動質(zhì)量部分的轉(zhuǎn)動慣量，而J2代表可移動質(zhì)量部分的轉(zhuǎn)動慣量。在此情況下，可移動質(zhì)量部分的旋轉(zhuǎn)角度(偏轉(zhuǎn)角度)可被增大而驅(qū)動質(zhì)量部分的偏轉(zhuǎn)角度(振幅)被減小。
執(zhí)行機構(gòu)可還包括形成在可移動質(zhì)量部分上的光反射部分。利用光反射部分，執(zhí)行機構(gòu)可被應(yīng)用于諸如光學(xué)掃描器、光學(xué)衰減器和光開關(guān)的各種光學(xué)裝置。
本發(fā)明的以上和其它目的、特征和優(yōu)點當結(jié)合通過實例方式說明本發(fā)明的優(yōu)選實施例的附圖時從以下說明中將變得明顯。


圖1是顯示了傳統(tǒng)執(zhí)行機構(gòu)的透視圖；圖2是顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的執(zhí)行機構(gòu)的俯視圖；圖3是沿圖2的線III-III截取的剖視圖；圖4是顯示了被施加于圖2中所示的執(zhí)行機構(gòu)的交流電壓的實例的曲線圖；圖5是顯示了描述當施加的交流電壓的頻率被變化時表示驅(qū)動質(zhì)量部分和可移動質(zhì)量部分的振幅的諧振曲線的曲線圖；圖6A到圖6F是圖2中所示的執(zhí)行機構(gòu)的制造方法的說明性的剖視圖；圖7是顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的執(zhí)行機構(gòu)的俯視圖；
圖8是沿圖7的線VIII-VIII截取的剖視圖；圖9是根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的執(zhí)行機構(gòu)的剖視圖；圖10是顯示了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的執(zhí)行機構(gòu)的俯視圖。
具體實施例方式
以下將參照圖2到圖10說明根據(jù)本發(fā)明的實施例的執(zhí)行機構(gòu)。整個附圖中相同或相應(yīng)的附圖標記表示相同或相應(yīng)的部件，并且以下將不重復(fù)說明相同或相應(yīng)的部件。
圖2是顯示了根據(jù)本發(fā)明的第一實施例的執(zhí)行機構(gòu)1的俯視圖，而圖3是沿圖2的線III-III截取的剖視圖。在以下說明中，圖2中的近側(cè)、遠側(cè)、右側(cè)和左側(cè)將分別被稱為“上”、“下”、“右”和“左”。圖3中上側(cè)、下側(cè)、右側(cè)和左側(cè)將分別被稱為“上”、“下”、“右”和“左”。
如圖2和圖3中所示，執(zhí)行機構(gòu)1包括具有兩自由度振動系統(tǒng)的基部件(base member)2，用于驅(qū)動基部件2的兩自由度振動系統(tǒng)的壓電元件31、32、33和34，粘合層(bonding layer)5，和用于通過粘合層5支撐基部件2的支撐襯底4(support substrate)?；考?、支撐襯底4和粘合層5可彼此整體地形成。壓電元件31、32、33和34中的每一個都被連接到電源(未顯示)從而交流電壓(驅(qū)動電壓)可被施加于壓電元件31、32、33和34中的每一個中的電極之間。
基部件2包括一對驅(qū)動質(zhì)量部分(第一質(zhì)量部分)21和22，一對支撐部分23和24，可移動質(zhì)量部分(第二質(zhì)量部分)25，一對第一彈性連接部分26和27，和一對第二彈性連接部分28和29。如圖2中所示，基部件2具有兩側(cè)對稱的布置。具體而言，可移動質(zhì)量部分25被布置在基部件2的中心部分。第二彈性連接部分28，驅(qū)動質(zhì)量部分21，第一彈性連接部分26和支撐部分23被布置在可移動質(zhì)量部分25的左側(cè)。這些部分形成用于驅(qū)動可移動質(zhì)量部分25的驅(qū)動機構(gòu)。第二彈性連接部分29，驅(qū)動質(zhì)量部分22，第一彈性連接部分27和支撐部分24被布置在可移動質(zhì)量部分25的右側(cè)。這些部分形成用于驅(qū)動可移動質(zhì)量部分25的驅(qū)動機構(gòu)。因此，一對驅(qū)動機構(gòu)被布置在可移動部分25的兩側(cè)。
驅(qū)動質(zhì)量部分21和22中的每一個都是平板形狀。驅(qū)動質(zhì)量部分21和22具有大體相同的尺寸和形狀。可移動質(zhì)量部分25被定位于驅(qū)動質(zhì)量部分21和22之間。驅(qū)動質(zhì)量部分21和22以相對于可移動質(zhì)量部分25大體兩側(cè)對稱的方式被布置?？梢苿硬考?5為平板形狀并在它的表面上形成有光反射部分251。由光反射部分251，執(zhí)行機構(gòu)1可被應(yīng)用于諸如光學(xué)掃描器、光學(xué)衰減器和光開關(guān)的各種光學(xué)裝置。驅(qū)動質(zhì)量部分21和22分別通過第一彈性連接部分26和27被連接到支撐部分23和24?？梢苿淤|(zhì)量部分25通過第二彈性部分28和29被分別連接到驅(qū)動質(zhì)量部分21和22。
第一彈性連接部分26將驅(qū)動質(zhì)量部分21和支撐部分23相互連接從而允許驅(qū)動質(zhì)量部分21相對于支撐部分23圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)。相似地，第一彈性部分27將驅(qū)動質(zhì)量部分22和支撐部分24相互連接從而允許驅(qū)動質(zhì)量部分22相對于支撐部分24圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)。第一彈性部分26包括兩個彼此相對的彎曲條261和262并且驅(qū)動質(zhì)量部分21的樞轉(zhuǎn)軸介于它們之間。相似地，第一彈性部分27包括兩個彼此相對的彎曲條271和272并且驅(qū)動質(zhì)量部分22的樞轉(zhuǎn)軸介于它們之間。
第二彈性連接部分28將可移動部分25和驅(qū)動質(zhì)量部分21相互連接從而允許可移動質(zhì)量部分25相對于驅(qū)動質(zhì)量部分21圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)。相似地，第二彈性部分29將可移動質(zhì)量部分25和驅(qū)動質(zhì)量部分22相互連接從而允許可移動質(zhì)量部分25相對于驅(qū)動質(zhì)量部分22圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)。
第一彈性連接部分26、27，第二彈性連接部分28、29被同軸地設(shè)置在執(zhí)行機構(gòu)1中。驅(qū)動質(zhì)量部分21和22可相對于支撐部分23和24被樞轉(zhuǎn)而第一彈性連接部分26和27用作樞轉(zhuǎn)軸(旋轉(zhuǎn)軸)?？梢苿淤|(zhì)量部分25可相對于驅(qū)動質(zhì)量部分21和22被樞轉(zhuǎn)而第二彈性連接部分28和29用作樞轉(zhuǎn)軸(旋轉(zhuǎn)軸)。
因此，基部件2具有第一振動系統(tǒng)和第二振動系統(tǒng)，所述第一振動系統(tǒng)由驅(qū)動質(zhì)量部分21、22，第一彈性連接部分26和27形成，而所述第二振動系統(tǒng)由可移動部分25和第二彈性連接部分28和29形成。具體而言，基部件2具有包括第一振動系統(tǒng)和第二振動系統(tǒng)的兩自由度的振動系統(tǒng)。更具體而言，第二彈性連接部分28和29被設(shè)置在可移動質(zhì)量部分25的相對側(cè)。驅(qū)動質(zhì)量部分21和第一彈性連接部分26被設(shè)置以對應(yīng)于第二連接彈性部分28。驅(qū)動質(zhì)量部分22和第一彈性連接部分27被設(shè)置以對應(yīng)于第二連接部分29。利用如此布置，驅(qū)動質(zhì)量21、22和可移動質(zhì)量部分25可被平穩(wěn)地驅(qū)動。
例如，具有上述兩自由度振動系統(tǒng)的基部件2主要由硅制成。驅(qū)動質(zhì)量部分21、22，可移動質(zhì)量部分25，支撐部分23、24，第一彈性連接部分26、27，第二彈性連接部分28和29彼此整體地形成。
壓電元件31、32、33和34被設(shè)置在第一彈性連接部分26和27的對應(yīng)的彎曲條261、262、271和272上以驅(qū)動兩自由度振動系統(tǒng)。壓電元件31被連接到彎曲條261的上表面并被配置為在彎曲條261的縱向上伸縮。因此，壓電元件31利用它的伸長或縮短在垂直方向彎曲彎曲條261。換言之，當壓電元件31在彎曲條261的縱向上延伸，并在壓電元件31在彎曲條261的縱向上伸長或收縮時壓電元件31彎曲彎曲條261。因此，以相對簡單的結(jié)構(gòu)，彎曲條261可被壓電元件31可靠地彎曲。
相似地，壓電元件32被連接到彎曲條262的上表面并被配置為在彎曲條262的縱向上伸縮。因此，壓電元件32由于它的伸長或收縮在垂直方向彎曲彎曲條262。壓電元件32沿彎曲條262的縱向延伸，并且當壓電元件32在彎曲條262的縱向上伸長或收縮時壓電元件32彎曲彎曲條261。因此，以相對簡單的結(jié)構(gòu)，彎曲條262可被壓電元件32可靠地彎曲。
更具體而言，如圖3中所示，壓電元件31包括主要由壓電材料制成的壓電層311和一對電極312和313，所述電極312和313將壓電層311保持在其間。在圖3中，下電極312被連接到彎曲條261的上表面上。如此構(gòu)造的壓電元件31可以相對簡單的結(jié)構(gòu)可靠地彎曲彎曲條261。
壓電層311被形成以覆蓋彎曲條261的整個上表面并且延伸過彎曲條261和支撐部分23之間的連接部分。利用此配置，可將壓電元件31的驅(qū)動力有效地傳遞到彎曲條261。結(jié)果可降低驅(qū)動電壓并且更寬地彎曲彎曲條261。
上述壓電材料的實例包括各種材料，例如氧化鋅、氮化鋁、鉭酸鋰(lithium tantalite)、鈮酸鋰、鈮酸鉀、鋯鈦酸鉛(PZT)和鈦酸鋇。這些材料中的一種或多種可彼此結(jié)合。希望壓電材料主要包括氧化鋅、氮化鋁、鉭酸鋰、鈮酸鋰、鈮酸鉀和鋯鈦酸鉛(PZT)中的至少一種。以這種材料制成的壓電層可在高頻率驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)1。
電極312具有大于壓電層311的長度。因此，電極312可被連接到支撐部分23上的電源(未顯示)。電極313具有與壓電層311大體相同的長度。電極313通過引線接合(wire bonding)形成的相互連接被連接到設(shè)置在支撐部分23上的端子314(見圖2)。因此，電極313可被連接到電源(未顯示)。
利用如此構(gòu)造的壓電元件31，當電壓被施加到電極312和電極313(端子314)之間時，由于壓電作用壓電層311平行于彎曲條261的縱向伸長或收縮。通過壓電層311的伸長或收縮，壓電元件31在垂直方向上彎曲彎曲條261。壓電元件32具有與壓電元件31一樣的結(jié)構(gòu)。當電壓被施加在電極322和端子324之間時，由于壓電作用壓電元件32的壓電層(未顯示)平行于彎曲條262的縱向伸長或收縮。通過壓電層的伸長或收縮，壓電元件32在垂直方向上彎曲彎曲條262。由于壓電元件31和32被設(shè)置在基部件2的上表面上，因此當壓電元件31和32被驅(qū)動從而交替地執(zhí)行伸縮時壓電元件31和32主要引起兩彎曲條261和262在相反方向上的彎曲變形。換言之，假定包括兩彎曲條261和262的第一彈性連接部分26由一個部件形成，整個第一彈性連接部分26可被認為遭受扭轉(zhuǎn)變形。
壓電元件33和34具有與上述壓電元件31和32一樣的布置。具體而言，當電壓被施加在電極332和電極333(端子334)之間時，由于壓電作用壓電元件33的壓電層331平行于彎曲條271的縱向伸長或收縮。通過壓電層331的伸長或收縮，壓電元件33在垂直方向上彎曲彎曲條271。當電壓被施加在電極342和端子344之間時，由于壓電作用壓電元件34的壓電層(未顯示)平行于彎曲條272的縱向伸長或收縮。通過壓電層的伸長或收縮，壓電元件34在垂直方向上彎曲彎曲條272。由于壓電元件33和34如壓電元件31和32一樣被設(shè)置在基部件2的上表面上，因此當壓電元件33和34被驅(qū)動從而交替地執(zhí)行伸縮時壓電元件33和34主要引起兩彎曲條271和272在相反方向上的彎曲變形。換言之，假定包括兩彎曲條271和272的第一彈性連接部分27由一個部件形成，整個第一彈性連接部分27可被認為遭受扭轉(zhuǎn)變形。
如圖3中所示，用于支撐上述基部件2的支撐襯底4通過粘合層5被粘合于基部件2。例如，粘合層5主要由玻璃、硅或二氧化硅制成，而支撐襯底4主要由玻璃或硅制成。如圖2和圖3中所示，支撐襯底4有開口部分41，開口部分41形成在支撐襯底4的上表面中、對應(yīng)于可移動質(zhì)量部分25的位置。開口部分41形成間隙部分(relief portion)以防止當可移動質(zhì)量部分25被樞轉(zhuǎn)(被振動)時可移動質(zhì)量部分25接觸到支撐襯底4。利用開口部分(間隙部分)41，可防止整個執(zhí)行機構(gòu)1尺寸增大并且增大了可移動質(zhì)量部分25的偏轉(zhuǎn)角度(振幅)。如果間隙部分的布置可實現(xiàn)以上效果，間隙部分可以不在與可移動質(zhì)量部分25相對的支撐襯底4的下表面上開口。具體而言，間隙部分可由形成在支撐襯底4的上表面中的凹部形成。
具有以上布置的執(zhí)行機構(gòu)1被運行如下。
例如，圖4中所示的電壓V1被施加于壓電元件32和34，和圖4中所示的電壓V2被施加于壓電元件31和33。具體而言，相位相差180°的電壓分別被施加到壓電元件32和34以及壓電元件31和33。更具體而言，電壓被施加于壓電元件31、32、33和34從而交替地重復(fù)壓電元件31和33伸長而壓電元件32和34收縮的狀態(tài)以及壓電元件31和33收縮而壓電元件32和34伸長的狀態(tài)。結(jié)果，第一彈性連接部分26和27被引起扭轉(zhuǎn)形變從而分別相對于支撐部分23和24樞轉(zhuǎn)(振動)驅(qū)動質(zhì)量部分21和22。
此時，彎曲條261、262、271和272主要經(jīng)受彎曲變形從而引起整個第一彈性連接部分26和整個第一彈性連接部分27的扭轉(zhuǎn)變形。所以，第一彈性連接部分26和27中產(chǎn)生的應(yīng)力可被減小從而以大偏轉(zhuǎn)角度驅(qū)動驅(qū)動質(zhì)量部分21和22。
因此，執(zhí)行機構(gòu)1從壓電元件31、32、33和34獲得驅(qū)動力。所以，即使在低電壓驅(qū)動的情況下執(zhí)行機構(gòu)1也可由相對大的驅(qū)動力驅(qū)動。因此，第一彈性連接部分26和27的彈簧常量可被增大從而即使在低電壓驅(qū)動的情況下也在高頻率驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)1。特別是由于壓電元件31、32、33和34的驅(qū)動力是相對高的，因此即使第一彈性連接部分26和27中的每一個具有相對高的彈簧常量，可移動質(zhì)量部分25的偏轉(zhuǎn)角度也可被增大。
然后，被連接于第二彈性連接部分28和29的可移動質(zhì)量部分25，根據(jù)驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的振動(驅(qū)動)，相對于支撐襯底4的表面(圖2的紙表面)也分別圍繞第二彈性連接部分28和29被傾斜和振動(被樞轉(zhuǎn))。
在圖2中，Dd1代表在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向(驅(qū)動質(zhì)量部分21的縱向)上從樞轉(zhuǎn)軸到驅(qū)動質(zhì)量部分21的邊緣的驅(qū)動質(zhì)量部分21的(最大)長度，Dd2代表在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向(驅(qū)動質(zhì)量部分22的縱向)上從樞轉(zhuǎn)軸到驅(qū)動質(zhì)量部分22的邊緣的驅(qū)動質(zhì)量部分22的(最大)長度，而Dm代表在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向(可移動質(zhì)量部分25的縱向)上從可移動質(zhì)量部分25的樞轉(zhuǎn)軸到可移動質(zhì)量部分25的邊緣的(最大)長度。在本實施例中，由于驅(qū)動質(zhì)量部分21和22是獨立設(shè)置的，因此無論可移動質(zhì)量部分25的尺寸(長度Dm)如何，可移動質(zhì)量部分25和驅(qū)動質(zhì)量部分21和22彼此不相互影響。所以，可減小長度Dd1和Dd2并因此增大驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的旋轉(zhuǎn)角度(偏轉(zhuǎn)角度)。結(jié)果是，可增大可移動質(zhì)量部分25的旋轉(zhuǎn)角度。
理想的方式是，可移動質(zhì)量部分25和驅(qū)動質(zhì)量部分21和22被如此設(shè)計以滿足Dd1＜Dm并且Dd2＜Dm。在此情況下，可進一步降低長度Dd1和Dd2。因此，可進一步增加驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的旋轉(zhuǎn)角度并且因此可增加移動質(zhì)量部分25的旋轉(zhuǎn)角度。另外，理想的方式是，可移動質(zhì)量部分25的最大旋轉(zhuǎn)角度至少為20°。
利用以上布置，可實現(xiàn)驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的低電壓驅(qū)動以及可移動質(zhì)量部分25的大旋轉(zhuǎn)角度振動(樞轉(zhuǎn)運動)。因此，當執(zhí)行機構(gòu)1被應(yīng)用于諸如激光打印機和掃描共焦激光顯微鏡的光學(xué)裝置中使用的光掃描器時，可容易地使光學(xué)裝置尺寸緊湊。
在被說明的實施例中，長度Dd1和Dd2被設(shè)定為大體相同。然而，長度Dd1和Dd2可有不同值。
同時，具有質(zhì)量部分21、22和25的振動系統(tǒng)(兩自由度振動系統(tǒng))具有如圖5中所示的在驅(qū)動質(zhì)量部分21、22和可移動質(zhì)量部分25的振幅(偏轉(zhuǎn)角度)與被施加到壓電元件31、32、33和34的交流電壓的頻率之間的頻率特性。如圖5中所示，振動系統(tǒng)具有兩個共振頻率fm1[kHz]和fm3[kHz](fm1＜fm3)，在所述共振頻率驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的振幅以及可移動質(zhì)量部分25振幅變大。振動系統(tǒng)還具有反共振頻率fm2[kHz]，在所述反共振頻率驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的振幅大體變?yōu)?。
在振動系統(tǒng)中，理想的方式是，設(shè)定被施加到壓電元件31、32、33和34的交流電壓的頻率F大體等于兩共振頻率的低頻率fm1。在此情況下，可移動質(zhì)量部分25的偏轉(zhuǎn)角度(旋轉(zhuǎn)角度)可被增大而驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的振幅被減小。當頻率F[kHz]和共振頻率fm1[kHz]滿足條件(fm1-1)≤F≤(fm2+1)時，頻率F被認為大體等于共振頻率fm1。
驅(qū)動質(zhì)量部分21和22中的每一個可具有1到1500μm的平均厚度，優(yōu)選為10到300μm?？梢苿淤|(zhì)量部分25可具有1到1500μm的平均厚度，優(yōu)選為10到300μm。第一彈性連接部分26和27中的每一個可具有1×10-3到1×105Nm/rad的彈簧常量k1，優(yōu)選為1×10-2到1×104Nm/rad的彈簧常量k1，更優(yōu)選為1×10-1到1×103Nm/rad的彈簧常量k1。當?shù)谝粡椥赃B接部分26和27具有在這些范圍內(nèi)的彈簧常量時，可進一步增大可移動質(zhì)量部分25的旋轉(zhuǎn)角度(偏轉(zhuǎn)角度)。第二彈性連接部分28和29中的每一個可具有1×10-4到1×104Nm/rad的彈簧常量k2，優(yōu)選為1×10-2到1×103Nm/rad的彈簧常量k2，更優(yōu)選為1×10-1到1×102Nm/rad的彈簧常量k2。當?shù)诙椥赃B接部分28和29具有在這些范圍內(nèi)的彈簧常量時，可移動質(zhì)量部分25的旋轉(zhuǎn)角度(偏轉(zhuǎn)角度)可被增大而驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的偏轉(zhuǎn)角度被減小。另外，理想的方式是，第一彈性連接部分26和27的每一個的彈簧常量k1大于第二彈性連接部分28和29中的每一個的彈簧常量k2(k1＞k2)。在此情況下，可移動質(zhì)量部分25的旋轉(zhuǎn)角度(偏轉(zhuǎn)角度)可被增大而驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的偏轉(zhuǎn)角度被減小。
另外，理想的方式是，在驅(qū)動質(zhì)量部分21和22中的每一個的轉(zhuǎn)動慣量J1和可移動質(zhì)量部分25的轉(zhuǎn)動慣量J2之間保持關(guān)系為J1≤J2。更優(yōu)選地，保持關(guān)系J1＜J2。在此情況下，可移動質(zhì)量部分25的旋轉(zhuǎn)角度(偏轉(zhuǎn)角度)可被增大而驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的偏轉(zhuǎn)角度被減小。
同時，包括驅(qū)動質(zhì)量部分21和22以及第一彈性連接部分26和27的第一振動系統(tǒng)具有被ω1＝(k1/J1)1/2定義的固有頻率ω1，其中J1是驅(qū)動質(zhì)量部分21和22中的每一個的轉(zhuǎn)動慣量，而k1是第一彈性連接部分26和27中的每一個的彈簧常量。包括可移動質(zhì)量部分25以及第二彈性連接部分28和29的第二振動系統(tǒng)，具有被ω2＝(k2/J2)1/2定義的固有頻率ω2，其中J2是可移動質(zhì)量部分25的轉(zhuǎn)動慣量，而k2是第二彈性連接部分28和29中的每一個的彈簧常量。理想的方式是，在第一振動系統(tǒng)的固有頻率ω1和第二振動系統(tǒng)的固有頻率ω2之間保持ω1＞ω2的關(guān)系。在此情況下，可移動質(zhì)量部分25的旋轉(zhuǎn)角度(偏轉(zhuǎn)角度)可被增大而驅(qū)動質(zhì)量部分21和22的偏轉(zhuǎn)角度被減小。
例如，具有以上布置的執(zhí)行機構(gòu)1可如下制造。制造第一實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1的方法的實例在圖6A到圖6F中被顯示。圖6A到圖6F是對應(yīng)于圖3的垂直剖視圖，所述圖3沿圖2的線III-III截取。在以下說明中，圖6A到圖6F的上側(cè)和下側(cè)分別被稱作“上”和“下”。
<步驟A1>
首先，如圖6A中所示，具有第一硅層61、二氧化硅層62和第二硅層63的疊層結(jié)構(gòu)的絕緣體上硅結(jié)構(gòu)(SOI)襯底6被準備。然后，電極312、322、332和342以及端子314、324、334和344被形成于絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底6的表面上，也就是，第一硅層61的表面。電極322和342在圖6A至圖6F中未顯示。
例如，電極312、322、332和342以及端子314、324、334和344可由以下方式被形成。金屬薄膜形成在絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底6上。然后，抗蝕劑掩模被施加于金屬薄膜上在對應(yīng)于電極312、322、332和342以及端子314、324、334和344的位置。其后，金屬薄膜在抗蝕劑掩模形成于金屬薄膜上在一些部分處的狀態(tài)下被蝕刻。然后抗蝕劑掩模被移除，而電極312、322、332和342以及端子314、324、334和344因此被形成在絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底6的表面上。
例如，金屬薄膜的形成可由以下方法形成諸如等離子體化學(xué)氣相淀積(CVD)法、熱化學(xué)氣相淀積(CVD)法和激光化學(xué)氣相淀積法的化學(xué)淀積處理，真空蒸發(fā)過程、真空鍍膜(sputtering)處理、諸如離子鍍法的干法鍍敷(dry plating)處理、諸如電鍍法，浸鍍(imersionplating)法，和無電鍍法的濕法鍍敷(wet plating)處理，熱噴涂(thermal spraying)法和薄板材料的粘合處理。這些處理也可在下述其它步驟中被采用以形成金屬薄膜。
蝕刻方法的實例包括物理蝕刻方法，例如等離子體蝕刻法、活性離子(reactive ion)蝕刻法、光束蝕刻(beam etching)法和光輔助(photo-assisted)蝕刻法；和諸如濕式蝕刻(wet etching)法的化學(xué)蝕刻方法。這些方法的一種或多種可彼此結(jié)合。這些蝕刻方法還可在以下說明的其它步驟中被采用作蝕刻處理。
<步驟A2>
接下來，如圖6B中所示，壓電層311、321、331、和341被形成在對應(yīng)的電極312、322、332和342上。對應(yīng)于電極322和342的壓電層321和341未在圖6B至圖6F中顯示。壓電層311、321、331和341可由與步驟A1中所述的形成電極312、322、332和342的方法相同的方法形成。
<步驟A3>
然后，如圖6C中所示，絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底6中的第一硅層61的部分被移除從而形成驅(qū)動質(zhì)量部分21、22，支撐部分23、24，可移動質(zhì)量部分25，第一彈性連接部分26、27，以及第二彈性連接部分28和29。因此，可獲得基部件2。
例如，驅(qū)動質(zhì)量部分21、22，支撐部分23、24，可移動質(zhì)量部分25，第一彈性連接部分26、27，和第二彈性連接部分28和29可由以下方式形成。金屬薄膜或氧化硅薄膜被形成在絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底6上。然后，抗蝕劑掩模被施加在金屬薄膜或氧化硅薄膜上在對應(yīng)于驅(qū)動質(zhì)量部分21、22，支撐部分23、24，可移動質(zhì)量部分25，第一彈性連接部分26、27，以及第二彈性連接部分28和29的位置。其后，金屬薄膜或氧化硅薄膜在抗蝕劑掩模在一些部分形成在金屬薄膜或氧化硅薄膜上的狀態(tài)下被蝕刻。然后，抗蝕劑掩模被移除。在金屬薄膜或氧化硅薄膜被用作掩模時，第一硅層61的部分被蝕刻從而形成驅(qū)動質(zhì)量部分21、22，支撐部分23、24，可移動質(zhì)量部分25，第一彈性連接部分26、27，以及第二彈性連接部分28和29。此時，作為絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底6的中間層的二氧化硅層62用作蝕刻過程的阻止層。與步驟A1中說明的方法相同的蝕刻方法可在步驟A3中被采用。
<步驟A4>
然后，如圖6D中所示，絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底6的第二硅層63的部分被移除從而凹部(開口部分41)被形成在第二硅層63中。凹部可由與步驟A3中所述的方式相同的方式形成。
<步驟A5>
如圖6E中所示，電極313、323、333和343被形成在對應(yīng)的壓電層311、321、331和341上。對應(yīng)于壓電層322和342的電極323和343在圖6E和圖6F中未顯示。另外，光反射部分251被形成在可移動質(zhì)量部分25上。電極313、323、333和343以及光反射部分251可由與步驟A1中說明的方式相同的方式形成。
<步驟A6>
然后，如圖6F中所示，絕緣體上硅結(jié)構(gòu)襯底6中二氧化硅層62的部分被移除，因此形成粘合層5。以這種方式，可獲得根據(jù)本實施例的執(zhí)行機構(gòu)1。
圖7是顯示了根據(jù)本發(fā)明的第二實施例的執(zhí)行機構(gòu)1A的俯視圖，而圖8是沿圖7的線VIII-VIII截取的剖視圖。在以下說明中，圖7中的近側(cè)、遠側(cè)、右側(cè)和左側(cè)分別被稱為“上”、“下”、“右”和“左”。圖8中的上側(cè)、下側(cè)、右側(cè)和左側(cè)分別被稱為“上”、“下”、“右”和“左”。第二實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1A的以下說明主要集中在第二實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1A與第一實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1之間的差異。相似部分將不再重復(fù)說明。
除了執(zhí)行機構(gòu)1A具有不同結(jié)構(gòu)和布置的壓電元件，第二實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1A與第一實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1大體相同。具體而言，圖7和圖8中所示的執(zhí)行機構(gòu)1A具有分別設(shè)置在彎曲條261、262、271和272的兩個表面上的壓電元件。更具體而言，執(zhí)行機構(gòu)1A包括設(shè)置在彎曲條261的上表面上的壓電元件31A以及設(shè)置在彎曲條261的下表面上的壓電元件31B。執(zhí)行機構(gòu)1A包括設(shè)置在彎曲條262的上表面上的壓電元件32A以及設(shè)置在彎曲條262的下表面上的壓電元件32B。因此，壓電元件被設(shè)置在彎曲條261的兩個表面上，所述兩個表面在垂直于彎曲條261的縱向方向并垂直于兩彎曲條261和262相互面對的方向的方向上。此外，壓電元件被設(shè)置在彎曲條262的兩個表面上，所述兩個表面在垂直于彎曲條262的縱向方向并垂直于兩彎曲條261和262相互面對的方向的方向上。壓電元件31A包括壓電層311A和一對電極312和312A，其中壓電層311A介于所述一對電極312和312A之間。在本實施例中，壓電層311A具有與彎曲條261大體相同的長度。上電極312A也具有與彎曲條261大體相同的長度。壓電元件31B、32A和32B中的每一個具有與壓電元件31A一樣的布置。
另外，執(zhí)行機構(gòu)1A包括設(shè)置在彎曲條271的上表面上的壓電元件33A以及設(shè)置在彎曲條271的下表面上的壓電元件33B。執(zhí)行機構(gòu)1A還包括設(shè)置在彎曲條272的上表面上的壓電元件34A以及設(shè)置在彎曲條272的下表面上的壓電元件34B。壓電元件33A、33B、34A和34B中的每一個具有與壓電元件31A相同的布置。
因此，壓電元件31A、31B、32A、32B、33A、33B、34A和34B被配置以當相同電壓被施加到這些壓電元件時它們提供相同的驅(qū)動力。所以，可簡化將使用的電源的布置并且高精度地驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)1A。
當執(zhí)行機構(gòu)1A將被驅(qū)動時，例如，圖4中所示的電壓V1被施加于壓電元件31A、32B、33A和34B，而圖4中所示的電壓V2被施加于31B、32A、33B和34A。具體而言，電壓被施加于壓電元件從而交替地重復(fù)壓電元件31A、32B、33A和34B伸長而壓電元件31B、32A、33B和34A收縮的狀態(tài)以及壓電元件31A、32B、33A和34B收縮而壓電元件31B、32A、33B和34A伸長的狀態(tài)。結(jié)果，第一彈性連接部分26和27被引起扭轉(zhuǎn)變形從而分別相對于支撐部分23和24樞轉(zhuǎn)(振動)驅(qū)動質(zhì)量部分21和22。
根據(jù)本實施例的執(zhí)行機構(gòu)1A，由于壓電元件被設(shè)置在第一彈性連接部分的兩個表面上，除第一實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1的優(yōu)點之外可獲得更大的驅(qū)動力。結(jié)果，每一個壓電元件可被小型化。另外，壓電元件和第一彈性連接部分之間產(chǎn)生的應(yīng)力可被減小從而改良執(zhí)行機構(gòu)的耐久性。
圖9是顯示了根據(jù)本發(fā)明的第三實施例的執(zhí)行機構(gòu)1B的剖視圖。圖9對應(yīng)沿圖7的線VIII-VIII截取的剖視圖。在以下說明中，圖9中的上側(cè)、下側(cè)、右側(cè)和左側(cè)分別被稱為“上”、“下”、“右”和“左”。第三實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1B的以下說明主要集中在第三實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1B與第二實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1A之間的差異。相似部分將不再重復(fù)說明。
除了四個壓電元件被移除之外，第三實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1B與第二實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1A大體相同。具體而言，圖9中所示的執(zhí)行機構(gòu)1B具有設(shè)置在彎曲條261的下表面上的壓電元件31B、設(shè)置在彎曲條262的上表面上的壓電元件32A、設(shè)置在彎曲條271的上表面上的壓電元件33A、設(shè)置在彎曲條272的下表面上的壓電元件34B。因此，兩壓電元件31B和32A被設(shè)置從而關(guān)于驅(qū)動質(zhì)量部分21的樞轉(zhuǎn)軸對稱，并且兩壓電元件33A和34B被設(shè)置從而關(guān)于驅(qū)動質(zhì)量部分22的樞轉(zhuǎn)軸對稱。利用如此布置，具有相同波形的電壓可被相同電源施加于壓電元件31B、32A、33A和34B從而驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)1B。所以，可減少執(zhí)行機構(gòu)的成本。
圖10是顯示了根據(jù)本發(fā)明的第四實施例的執(zhí)行機構(gòu)1C的俯視圖。在以下說明中，圖10中的近側(cè)、遠側(cè)、右側(cè)和左側(cè)分別被稱為“上”、“下”、“右”和“左”。第四實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1C的以下說明主要集中在第四實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1C與第一實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1之間的差異。相似部分將不再重復(fù)說明。
除了第一彈性連接部分在不同連接位置被連接于驅(qū)動質(zhì)量部分之外，第四實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1C與第一實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1大體相同。具體而言，圖10中所示的執(zhí)行機構(gòu)1C中，在彎曲條261和驅(qū)動質(zhì)量部分21之間的(第一)連接部分和彎曲條262和驅(qū)動質(zhì)量部分21之間的(第一)連接部分之間的間距A小于在彎曲條261和支撐部分23之間的(第二)連接部分和彎曲條262和支撐部分23之間的(第二)連接部分之間的間距B(A＜B)。由于間距A是相對小的，因此在彎曲條261和驅(qū)動質(zhì)量部分21之間的第一連接部分和在彎曲條262和驅(qū)動部分21之間的第一連接部分接近驅(qū)動質(zhì)量部分21的樞轉(zhuǎn)軸。所以，即使在彎曲條261和262的小彎曲變形的情況下也可保持大偏轉(zhuǎn)角度。另外，由于間距B是相對大的，因此執(zhí)行機構(gòu)1C可在高頻率被驅(qū)動而防止整個第一彈性連接部分26的彈簧常量被降低。所以，偏轉(zhuǎn)角度可進一步被增大而保持高驅(qū)動頻率。
當L代表驅(qū)動質(zhì)量部分21在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向上的最大長度時，理想的方式是，保持0≤A＜0.8L的關(guān)系。更優(yōu)選地，應(yīng)當保持0≤A＜0.5L的關(guān)系。在此情況下，驅(qū)動質(zhì)量部分21的質(zhì)量合適地作用在第一振動系統(tǒng)的振動上。所以，偏轉(zhuǎn)角度可進一步被增大。另外，當間距A是小的時，驅(qū)動質(zhì)量部分21和22以關(guān)于第一彈性連接部分26和27的扭轉(zhuǎn)變形的極好的響應(yīng)性被樞轉(zhuǎn)。
當間距A大于以上上限時，驅(qū)動質(zhì)量部分21的質(zhì)量依驅(qū)動質(zhì)量部分21的質(zhì)量或第一彈性連接部分26的彈簧常量可能不合適地作用在第一振動系統(tǒng)的振動上。在此情況下，不能獲得大偏轉(zhuǎn)角度。另外，當間距A是大的時，驅(qū)動質(zhì)量部分21的樞轉(zhuǎn)運動量與彎曲條261和262的彎曲形變量相比是相對小的。
另外，理想的方式是，保持0.2L＜B＜1.2L的關(guān)系。更優(yōu)選地，應(yīng)當保持0.3L＜B＜L的關(guān)系。在此情況下，執(zhí)行機構(gòu)1C可在高頻率被驅(qū)動而防止整個第一彈性連接部分26的彈簧常量被降低。當間距B小于以上下限時，第一彈性元件部分26的彈簧常量依第一彈性連接部分26的形狀或材料被降低。所以，難以在高頻率驅(qū)動執(zhí)行機構(gòu)1C。另一方面，當間距B大于以上上限時，第一彈性連接部分26的彈簧常量依第一彈性連接部分26的形狀和材料被過度地增大。所以，需要大驅(qū)動力，導(dǎo)致壓電元件31C的尺寸增大。
另外，理想的方式是，間距A小于彎曲條261和262的每一個的長度。利用這樣的布置，執(zhí)行機構(gòu)1C可以大偏轉(zhuǎn)角度被驅(qū)動。
以上關(guān)于彎曲條261和262以及設(shè)置在彎曲條261和262上的壓電元件31C和32C的討論可適用于彎曲條271和272以及設(shè)置在彎曲條271和272上的壓電元件33C和34C。
在本實施例中的執(zhí)行機構(gòu)1C可在高頻率以更大偏轉(zhuǎn)角度被驅(qū)動。
上述的執(zhí)行機構(gòu)1、1A、1B和1C可被應(yīng)用于各種電子裝置。具有根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行機構(gòu)的電子裝置具有高可靠性。例如，上述執(zhí)行機構(gòu)1、1A、1B和1C可合適應(yīng)用于激光打印機、條形碼讀出裝置、掃描共焦激光顯微鏡或類似機器中使用的光學(xué)掃描儀或圖像顯示器。
雖然根據(jù)本發(fā)明的執(zhí)行機構(gòu)基于舉例的實施例被說明，但是本發(fā)明并不限于那些實施例。例如，以上說明的執(zhí)行機構(gòu)中的每一個部件可由任何具有相同功能的部件所替換。另外，任何附加的部件可被附加于以上說明的執(zhí)行機構(gòu)。
在以上實施例中，彎曲條的每一個被舉例為具有直線形狀。然而，彎曲條可具有任何形狀只要當兩彎曲條主要在相反方向彎曲變形時能夠引起整個第一彈性連接部分的扭轉(zhuǎn)變形。例如，彎曲條可以是彎曲的。
另外，在以上實施例中，壓電元件被連接于彎曲條的上表面和/或下表面上。然而，壓電元件可以任意形式被布置只要壓電元件可主要引起彎曲條在相反方向上彎曲變形。
此外，在以上實施例中，執(zhí)行機構(gòu)具有關(guān)于執(zhí)行機構(gòu)的中央平面的(兩側(cè))對稱結(jié)構(gòu)，所述執(zhí)行機構(gòu)的中央平面垂直于驅(qū)動質(zhì)量部分和可移動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)軸。然而，執(zhí)行機構(gòu)也可具有不對稱結(jié)構(gòu)。
而且，在以上實施例中，光反射部分被設(shè)置在可移動部分的上表面(在支撐襯底的相對側(cè))上。然而，光反射部分可被設(shè)置在可移動質(zhì)量部分的下表面或可移動質(zhì)量部分的兩個表面上。
雖然本發(fā)明的特定優(yōu)選實施例已被詳細顯示和說明，但是應(yīng)當理解在不背離權(quán)利要求的范圍的情況下可以對所述實施例中做出各種改變和修改。
權(quán)利要求
1.一種執(zhí)行機構(gòu)，包括可移動質(zhì)量部分；和用于驅(qū)動可移動質(zhì)量部分的一對驅(qū)動機構(gòu)，所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個都包括(i)驅(qū)動質(zhì)量部分，(ii)用于支撐驅(qū)動質(zhì)量部分的支撐部分，(iii)第一彈性連接部分，所述第一彈性連接部分將驅(qū)動質(zhì)量部分和支撐部分相互連接，從而允許驅(qū)動質(zhì)量部分相對于支撐部分圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)，和(iv)第二彈性連接部分，所述第二彈性連接部分將驅(qū)動質(zhì)量部分和可移動質(zhì)量部分相互連接，從而允許可移動質(zhì)量部分相對于驅(qū)動質(zhì)量部分圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)，所述第一彈性連接部分包括(a)一對彎曲條，所述一對彎曲條彼此相對，驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)軸介于其間，所述一對彎曲條中的每一個都具有到驅(qū)動質(zhì)量部分的第一連接部分和到支撐部分的第二連接部分，和(b)一對壓電元件，所述一對壓電元件被分別連接到所述一對彎曲條上從而在相反方向彎曲所述一對彎曲條，以引起驅(qū)動質(zhì)量部分樞轉(zhuǎn)運動，所述驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)運動引起第二彈性連接部分扭轉(zhuǎn)變形，從而樞轉(zhuǎn)可移動質(zhì)量部分。
2.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對壓電元件中的每一個都包括壓電層，所述壓電層主要由壓電材料制成，和一對電極，所述一對電極在它們之間保持壓電層，所述一對電極中的一個被連接到所述彎曲條。
3.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對壓電元件中的每一個在彎曲條的縱向上延伸并能夠在彎曲條的縱向上伸長或收縮，以彎曲所述彎曲條。
4.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對壓電元件中的每一個都被設(shè)置在如下方向的彎曲條的至少一個表面上，該方向垂直于彎曲條的縱向并且垂直于所述一對彎曲條相對的方向。
5.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對壓電元件中的每一個都被設(shè)置在如下方向的彎曲條的兩個表面上，該方向垂直于彎曲條的縱向并且垂直于所述一對彎曲條相對的方向。
6.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對壓電元件相對于驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)軸對稱地布置。
7.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個都被配置為保持A＜B的關(guān)系，其中A代表所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第一連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第一連接部分之間的間距，而B代表所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第二連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第二連接部分之間的間距。
8.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個都被配置為保持0≤A＜0.8L的關(guān)系，其中A代表所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第一連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第一連接部分之間的間距，而L代表在垂直于驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)軸的方向的驅(qū)動質(zhì)量部分的最大長度。
9.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個都被配置為保持0.2L＜B＜1.2L的關(guān)系，其中B代表在所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第二連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第二連接部分之間的間距，而L代表在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向的驅(qū)動質(zhì)量部分的最大長度。
10.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個都被配置為保持A＜C的關(guān)系，其中A代表所述一對彎曲條中的第一彎曲條的第一連接部分和所述一對彎曲條中的第二彎曲條的第一連接部分之間的間距，而C代表彎曲條的長度。
11.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，還包括電源，所述電源被配置以將交流電壓施加到壓電元件上，所述交流電壓的頻率大體等于兩自由度振動系統(tǒng)的共振頻率的較低頻率，其中驅(qū)動質(zhì)量部分和可移動質(zhì)量部分在所述共振頻率處產(chǎn)生共振。
12.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個都被配置為保持Dd＜Dm的關(guān)系，其中Dd代表在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向從樞轉(zhuǎn)軸起驅(qū)動質(zhì)量部分的最大長度，而Dm代表在垂直于樞轉(zhuǎn)軸的方向從樞轉(zhuǎn)軸起可移動質(zhì)量部分的最大長度。
13.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的驅(qū)動質(zhì)量部分具有大體相同的最大長度Dd。
14.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個都被配置為保持k1＞k2的關(guān)系，其中k1代表第一彈性連接部分的彈簧常量，而k2代表第二彈性連接部分的彈簧常量。
15.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，其中所述一對驅(qū)動機構(gòu)中的每一個都被配置為保持J1≤J2的關(guān)系，其中J1代表驅(qū)動質(zhì)量部分的轉(zhuǎn)動慣量，而J2代表可移動質(zhì)量部分的轉(zhuǎn)動慣量。
16.如權(quán)利要求1所述的執(zhí)行機構(gòu)，還包括形成在可移動質(zhì)量部分上的光反射部分。
全文摘要
執(zhí)行機構(gòu)具有可移動質(zhì)量部分和一對用于驅(qū)動可移動質(zhì)量部分的驅(qū)動機構(gòu)。一對驅(qū)動機構(gòu)的每一個包括驅(qū)動質(zhì)量部分；用于支撐驅(qū)動質(zhì)量部分的支撐部分；第一彈性連接部分，第一彈性連接部分將驅(qū)動質(zhì)量部分和支撐部分相互連接從而允許驅(qū)動質(zhì)量部分相對于支撐部分圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)；和第二彈性連接部分，第二彈性連接部分將驅(qū)動質(zhì)量部分和可移動質(zhì)量部分相互連接從而允許可移動質(zhì)量部分相對于驅(qū)動質(zhì)量部分圍繞樞轉(zhuǎn)軸被樞轉(zhuǎn)。第一彈性連接部分包括一對壓電元件，一對壓電元件分別被連接到一對彎曲條上從而在相反方向上彎曲一對彎曲條以引起驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)運動。驅(qū)動質(zhì)量部分的樞轉(zhuǎn)運動引起第二彈性連接部分的扭轉(zhuǎn)變形從而樞轉(zhuǎn)可移動質(zhì)量部分。
文檔編號G02B26/10GK1885091SQ20061009320
公開日2006年12月27日 申請日期2006年6月22日 優(yōu)先權(quán)日2005年6月22日
發(fā)明者與田光宏 申請人:精工愛普生株式會社