專利名稱：旋轉(zhuǎn)的靜電微致動器的制作方法
技術(shù)領域：
本發(fā)明一般地涉及靜電致動器，并且更具體地涉及帶有梳狀驅(qū)動組件的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器。
許多在先的旋轉(zhuǎn)靜電馬達使用一個中心軸承，帶有各種圍繞馬達的靜電定子安排以引起轉(zhuǎn)動?？上?，這些馬達傾向于具有中心軸承處的磨擦問題并且有與軸承的磨損相關的壽命問題。這些馬達一般地起步進馬達的作用，在定子元件受到吸引時轉(zhuǎn)子以增量的運動。從而，用這種馬達難于把一個板精確地調(diào)節(jié)到一個特定的角。
已經(jīng)說明過用撓性的元件支承一個旋轉(zhuǎn)元件的的其它角度馬達。在一個同心地繞一個中心撓性樞軸的弧中安排梳形的驅(qū)動叉指，從而繞該樞軸提供小的角度運動。例如，參見，D.A.Hoorsley，et al.，“AngularMicropositioner for Disc Drives，Proceedings Of the TenthInternational Workshop on Micro Electro MechanicalSystems，1997，pp 454-458；L.-S”，F(xiàn)an，et al.，“Batch-Fabricated Area-Efficient Milli-Actuators”，Proceedings 1994 Solid State and ActuatorWorkshop，Hilto Head，pp 38-42；T.Juneau，et al.，“Dual AxisOperation of a Micromachined Rate Gyroscope”，Proceedings 1997International Conference on Solid State Sensors and Actuators，V.2，pp883-890；E.H.Klassen，et al.，“Silicon Fusion Boding and DeepReactive Ion Etching；A New Technology for Microstuctures，”，The 8thInternational Conference on Solid State Sensors and Actuators，andEurosensos IX，Stockholm，Sweden，June 25-19，1995，pp 556-559；W.C.Tang，et al.，“Latrally Driving Polysilicon ResonantMicrostuctures”，Sensors Actuatos 20，1989，pp25-31(IEEE reprintPP.53-59)，及授與Tang，等的美國專利5,025,346?？上?，所述這些裝置都提供有限的角度運動范圍。
一般地說，本發(fā)明的目的是提供一種有上述特性的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器，所述微致動器具有提高的角度運動范圍。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種有上述特性的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器，其中，在該微致動器中的一或多個梳狀驅(qū)動組件中的側(cè)向不穩(wěn)定力被降低到最小。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種有上述特性的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器，該微致動器允許構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)伸出微致動器的平面。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種有上述特性的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器，該微致動器在形狀上可以不是圓形的。
本發(fā)明的另一個目的是提供一種有上述特性的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器，其中微致動器的旋轉(zhuǎn)軸可以毗鄰該微致動器的一側(cè)放置。
附圖中在許多例子中是示意性的，收入本發(fā)明并構(gòu)成本說明書的一部分，附圖示出本發(fā)明的幾個實施，并且與本說明一起起解釋本發(fā)明的原理的作用。


圖1是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器的平面圖。
圖2是圖1所示的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器沿圖1的2-2線的剖視圖。
圖3是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器的另一個實施的平面圖。
圖4是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器的又一個實施的平面圖。
圖5是本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器的再一個實施的平面圖。
本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器101形成在一個平面的基片102上(見圖1和圖2)。一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件或者說圓形鏡支架103與基片102重疊。多個第一和第二梳狀組件106和107由基片102承載用于把鏡支架103沿第一和第二相反的角度方向繞旋轉(zhuǎn)軸108轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)軸108伸過垂直于平面的基片102從而垂直于圖1的圓形鏡支架103的中心。每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107包括一個安裝在基片102上的第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件或者說梳狀驅(qū)動器111，和一個與基片102重疊的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件或者說梳狀驅(qū)動器112。在微致動器101中包括第一和第二間隔彈簧113和114用于支承或者懸掛第二梳狀驅(qū)動器112和鏡支架103于基片102之上，并且用于向可動的第二梳狀驅(qū)動器112提供徑向的剛度，并且從而向鏡支架103提供徑向剛度。
基片102由任何適當?shù)牟牧现圃欤T如硅，并且優(yōu)選地用硅晶片形成。該基片有從200到600微米的范圍并且優(yōu)選地約400微米。鏡支架103、第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107和第一及第二彈簧113和114通過一個由諸如硅之類的任何適當?shù)牟牧系木圃斓牡诙踊蛘哒f頂層116形成在基片102的頂上。頂部晶片116有從10到200微米的厚度范圍并且優(yōu)選地約85微米并且通過任何適當?shù)氖侄喂潭ǖ交?02上。片116優(yōu)選地借助于厚度從0.1到兩微米的范圍并且優(yōu)選地約一微米的二氧化硅層117融合結(jié)合到基片102上?？梢园秧斕?16研磨或者拋光到所希望的厚度。鏡支架103、第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107和第一及第二彈簧113和114通過任何適當?shù)氖侄螐捻敳烤?16形成。優(yōu)選地這些結(jié)構(gòu)作用深反應離子蝕刻(DRIE)技術(shù)從片116蝕刻出。鏡支架103放置在基片102之上一個空氣間隙118，該間隙的范圍從三到30微米并且優(yōu)選地約為15微米，從而與基片電絕緣。
至少一個并且優(yōu)選地多個第一梳狀驅(qū)動組件106包括在旋轉(zhuǎn)靜電微致動器101中并且放置在如圖1的一點所示的旋轉(zhuǎn)軸108之上。至少一個并且優(yōu)選地多個第二梳狀驅(qū)動組件107可包括在旋轉(zhuǎn)靜電微致動器101中，用于繞旋轉(zhuǎn)軸108沿逆時針方向驅(qū)動鏡支架。每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107都基本上徑向地從旋轉(zhuǎn)軸108伸出，并且，整體上，對著一個約180度的角從而提供一個在平面上看(參見圖1)有半圓形或者扇形形狀的微致動器101。更具體地，微致動器101有三個第一驅(qū)動組件106a、106b、和106c以及三個第二驅(qū)動組件107a、107b、和107c。旋轉(zhuǎn)微致動器101有一個沿微致動器101形成的半圓的直徑延伸的基底119并且有一個類似于一個半圓弧的外半徑末端121。半徑末端有與基底119的第一和第二相反的端毗鄰的第一端和第二端。半徑末端121內(nèi)第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107的外半徑末端界定。鏡支架103和旋轉(zhuǎn)軸108毗鄰基底119放在半圓中心。
第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107之間彼此交迭，換言之，第二梳狀驅(qū)動組件107放置在每對相鄰的第一梳狀驅(qū)動組件106之間。第一梳狀驅(qū)動組件106關于旋轉(zhuǎn)靜電微致動器101的半徑中線對第二梳狀驅(qū)動組件107對稱地放置，所述半徑中線是在基片102的平面中經(jīng)過旋轉(zhuǎn)軸108并且垂直于基底219的假想線。每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107的長度范圍約從200至2000微米，并且較優(yōu)選地約580微米。旋轉(zhuǎn)微致動器101沿基底219測量長度范圍從500到5000微米并且更為優(yōu)選地約1,800微米。
每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107的第一梳狀驅(qū)動器111通過二氧化硅層117安裝在基片102上。如此，第一梳狀驅(qū)動器111不可動地固定在基片102上。每個第一梳狀驅(qū)動器111有一個設有第一或說內(nèi)半徑部122a和第二或外半徑部122b的徑向延伸的桿122。外部122b伸到微致動器101的外半徑末端121。多個梳狀驅(qū)動叉指123按八到50微米并且優(yōu)選地約24微米的分開距離沿桿122的長度縱向地間隔開。梳狀驅(qū)動叉指123基本上垂直地從桿122伸出并且在形狀上每個都是弧形的。更具體地，每個梳狀叉指123在從桿122向外伸出時有相對于旋轉(zhuǎn)軸108基本上恒定的徑向尺寸。叉指123長度范圍從約22到102微米并且從桿的內(nèi)部122a到桿的外部122b在長度上線性地增加。盡管叉指123可以沿其長度改變其寬度，圖示的梳狀叉指有從二到12微米范圍并且優(yōu)選地為六個微米的恒定寬度。第一驅(qū)動組件106a和106b以及第二驅(qū)動組件107a和107c的桿內(nèi)部122a連接到基底構(gòu)件124上，基底構(gòu)件起把這個桿122固著在基片102上并且讓這個桿內(nèi)部122a有較小的寬度的作用，而與之相關的梳狀驅(qū)動器123有相應較長的長度。
第二梳狀驅(qū)動器112以空氣間隙118隔開放在基片102上，從而可以相對于基片102并且相對于第一梳狀驅(qū)動器111運動。第二梳狀驅(qū)動器112有與上面文集討論的第一梳狀驅(qū)動器相似的結(jié)構(gòu)，并且更具體地形成有從旋轉(zhuǎn)軸108徑向地側(cè)出的桿126。桿126緊靠近軸108有第一或者說內(nèi)半徑部126a和伸向半徑末端121的第二或者說外半徑部126b。多個梳狀驅(qū)動叉指127沿桿12600的長度縱向地間隔開，基本與梳狀叉指123相似?；⌒蔚氖釥畈?27相對于梳狀叉指123錯開，從而在第二梳狀叉指112繞軸108向靜止的第一梳狀驅(qū)動器111旋轉(zhuǎn)時，使第二梳裝驅(qū)動器112上的梳狀叉指127可以與第一梳狀驅(qū)動器111的梳狀驅(qū)動叉指123交叉。每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107類似于一個半圓形微致動器101的一個扇面。
旋轉(zhuǎn)靜電微致動器101內(nèi)部包括有包括第一個和第二間隔彈簧113的114的裝置用于可運動地把第二梳狀驅(qū)動器支承在基片102之上。第一和第二懸掛元件或者說彈簧113和114長度優(yōu)選地近似第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107的長度，然而彈簧的長度不大于梳狀驅(qū)動組件可以提供的長度。盡管每個第一和第二彈簧113和114都可以由一個單一的彈簧構(gòu)件形成，第一和第二彈簧113和114每個優(yōu)選地在構(gòu)形上是U字形或者V字形的，從而是折疊的彈簧。如圖所示彈簧113和114基本上是U字形的。每個彈簧113和114由第一和第二長彈簧構(gòu)件131和132構(gòu)成。第一或者說直線彈簧構(gòu)件131有第一和第二端部131a和131b而第二或者說直線彈簧構(gòu)件132有第一和第二端部132a和132b。
每個折疊彈簧113和114的第一端部131a在其末端借助于二氧化硅層117固定到毗鄰旋轉(zhuǎn)軸108的基片102上(見圖2)。彈簧的配重以空氣間隙118間隔地放在基片上方。每個彈簧113和114的第二端部131b固定到第二彈簧構(gòu)件132的第一端部132a上。第一和第二束狀的彈簧構(gòu)件131和132每個都從旋轉(zhuǎn)軸108徑向地向外伸出，并且優(yōu)選地長度約等于第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107的長度。彈簧構(gòu)件131和132優(yōu)選地在長度上彼此相等并且各有約500微米的長度，這樣，彈簧的第一端部131a固定到毗鄰第二端部132b的基片102上。盡管每個彈簧113和114的第二端部131b固定到毗鄰鏡支架103或者毗鄰外徑末端121的基片102上，第一端部131a優(yōu)選地固定到毗鄰外徑末端121的基片102上。第一和第二彈簧構(gòu)件131和132每個有從一到10微米的寬度并且優(yōu)選地約四個微米。其每個的全部內(nèi)容在本文中引作參考的美國專利5,998,906和1998年8月17日歸檔的同期美國專利申請系列號09/135,236所述的類型的第一和第二薄、長防蝕桿133、134沿每個彈簧構(gòu)件131和132的每側(cè)延伸，用于確保均勻的蝕刻并且從而保證彈簧構(gòu)件的所述矩形橫截面。防蝕桿133、134沿彈簧構(gòu)件的相反側(cè)安置并且平行于相應的彈簧構(gòu)件延伸。
每個彈簧113和114的第二端部132b固定到至少一個第二梳狀驅(qū)動器112上。在這方面，在旋轉(zhuǎn)靜電微致動器101中提供第一和第二可運動的框架或者說框架141和142，以空氣間隙118隔開放在基片102上。每個框架141和142在構(gòu)形上基本上是U字形的并且包括毗鄰的第二梳狀驅(qū)動器112的桿126作為側(cè)面構(gòu)件。更加具體地，第一可運動框架141包括第二梳狀驅(qū)動組件107a的桿126、第一梳狀驅(qū)動組件106a的桿126及相互連接這樣的桿的外部126b的弧形構(gòu)件143。第二可運動的框架142在結(jié)構(gòu)上相似并且包括第二梳狀驅(qū)動組件107c的桿126作為側(cè)面構(gòu)件、第一梳狀驅(qū)動組件106c的桿126及連接這樣的桿的外部126b的弧形構(gòu)件144。第一彈簧113的第二端部132b固定到弧形構(gòu)件143上，毗鄰于第二梳狀驅(qū)動組件107a的桿外部126b，而第二彈簧114的第二端部132b固定到弧形構(gòu)件144上，毗鄰于第二梳狀驅(qū)動組件106c的桿外部126b。以此方式第一折疊彈簧113置于第一可運動的框架142內(nèi)而第二折疊彈簧114置于第二可運動的框架142內(nèi)。第二梳狀驅(qū)動組件107a的桿內(nèi)部126a連接到鏡支架103上起把第一彈簧113固定到鏡支架上的作用。類似地，第一梳狀驅(qū)動組件106c的桿內(nèi)部126a連接到鏡支架103上用于把第二彈簧114互相連到接鏡支架上。
第一可運動的框架141和第二可運動的框架142關于旋轉(zhuǎn)靜電微致動器101的徑向中線對稱地放置。至少一個梳狀驅(qū)動組件并且優(yōu)選地至少一個第一梳狀驅(qū)動組件106和至少一個第二梳狀驅(qū)動組件107放置在第一可運動的框架141和第二可運動的框架142之間并且從而放置在第一和第二彈簧113及114之間。更加具體地，第一梳狀驅(qū)動組件106a及106b和第二梳狀驅(qū)動組件107a及107b放置在框架141和142之間。第二梳狀驅(qū)動組件107b的桿126和第一梳狀驅(qū)動組件106b的桿126背對背地連接以形成優(yōu)選地沿可運動框架141和142之間的微致動器101的中線延伸的第三可運動框架147。一個內(nèi)弧形構(gòu)件或者說梭148連接在相反的末端與第一和第二可運動框架141及142連接。剛性的梭148一個末端固定到第一梳狀驅(qū)動組件106a的桿內(nèi)部126a而梭148另一個末端固定到第二梳狀驅(qū)動組件107a的桿內(nèi)部126a。第三可運動框架147連接到棱148的中部從而與第一和第二可運動框架141及142一致地繞軸108旋轉(zhuǎn)。在微致動器101中設另一個弧形構(gòu)件151用于剛性地把第一和第二彈簧113及114的第二端部固定在一起?；⌒螛?gòu)件151與基片102重疊并且至少局部地繞旋轉(zhuǎn)軸108延伸。構(gòu)件151旋轉(zhuǎn)在梭148和鏡支架103之間并且脫離鏡支架103繞軸108旋轉(zhuǎn)。微致動器101的懸掛結(jié)構(gòu)，也就是鏡支架103、第二梳狀驅(qū)動器112、第一和第二彈簧131和132及第一和第二可運動框架141及142，各有從10到200微米范圍的厚度并且優(yōu)選地約有85微米的厚度。
如圖1所示，第一和第二梳狀驅(qū)動組件106和107的第二梳狀驅(qū)動器112可以沿一個繞旋轉(zhuǎn)軸108行走的方向，借助于可運動框架141、142在相應的第一位置和相應的第二位置之間運動，在所述第一位置中，第一和第二梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指123和127基本上沒有完全交叉，而在圖中未示的相應的第二位置，梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指123和127基本上完全交叉。盡管第二梳狀驅(qū)動器112在其第一位置時，梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指123和127可以部分地交叉，但是在圖中，梳狀叉指123和127完全地脫節(jié)，所述在第二梳狀驅(qū)動器112在其第一位置時，梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指123和127沒有交叉。當在其第二位置中時，第二梳狀驅(qū)動器112的梳狀叉指127在第一梳狀驅(qū)動器111的相應梳狀叉指123之間延伸。梳狀叉指127接近但是優(yōu)選地不與相應的第二梳狀驅(qū)動器11的桿122接合，并且，類似地梳狀叉指123接近但是優(yōu)選地不與相應的第二梳狀驅(qū)動器112的桿126接合。剛性的可運動框架141、142和147構(gòu)造成輕重量的，以減少微致動器101的可運動部件的質(zhì)量和慣量，并且從而方便第二梳狀驅(qū)動器112和鏡支架103繞旋轉(zhuǎn)軸108的旋轉(zhuǎn)。每個可運動的框架141、142和147基本上是空心的并且形成有多個內(nèi)部的束或者說梁152，用于向可運動的框架提供剛性。
在微致動器101中包括電裝置用于在其第一和第二位置之間驅(qū)動第二梳狀驅(qū)動器112。這樣的電裝置包括一個控制器和電壓發(fā)生器161，所述電壓發(fā)生器通過多個電導線162電氣地連接到設在基片102上的多個電極?？刂破魇疽獾卦趫D1中示出。第一接地電極116和第二接地電極167形成在基片102上并且分別地連接到第一和第二彈簧113及114的第一端部131a上，以把第二梳狀驅(qū)動器112和鏡支架103電接地。電極166和167起彈簧第一端部131a對基片102的固著點的作用。第一梳狀驅(qū)動組件106的第一梳狀驅(qū)動器111上可以從控制器161通過一個電連接到第一梳狀驅(qū)動組件106a的桿外部122b的電極171和一個電連接到第一梳狀驅(qū)動組件106b的梳狀驅(qū)動器111和由導線173連接到第一梳狀驅(qū)動組件106c的梳狀驅(qū)動器11另外的電極172提供一個電壓電位。電極176通過導線177固定到第二梳狀驅(qū)動組件107a的第一梳狀驅(qū)動器111，并且固定到第二梳狀驅(qū)動組件107b，并且一個電極179連接到第二梳狀驅(qū)動組件107c的桿外部122b，用于向第二梳狀驅(qū)動組件107的第一梳狀驅(qū)動器提供一個電壓電位。一個用鋁或者其它任何適當?shù)牟牧现圃斓慕饘賹?81產(chǎn)生在在頂片116的頂表面上，用于產(chǎn)生電極166、167、171、172、176和179以及產(chǎn)生導線173、174、177和178(見圖2)。第一和第二指針186從第三可運動的框架147的外端徑向向外地伸出用于在設在基片102上的刻度187上指示鏡支架103繞軸108的角位置。
微致動器101中可以包括閉環(huán)伺服控制形式的裝置，用于監(jiān)視第二梳狀驅(qū)動器112的位置并且從而監(jiān)視鏡支架103的位置。例如控制器161可以通過包括在所述控制器中的常規(guī)的算法確定可運動的梳狀驅(qū)動器112的位置，用于測定可運動的梳狀驅(qū)動器112的梳狀驅(qū)動叉指127和靜止的梳狀驅(qū)動器111的梳狀驅(qū)動叉指之間的電容。從對梳狀驅(qū)動構(gòu)件的驅(qū)動信號分離的一個信號可以通過控制器161傳送到微致動器，用于測量這種電容量。這樣的方法不需要在梳狀驅(qū)動叉指之間的實體接觸。變通地，在微致動器101用于光學系統(tǒng)中處，可以發(fā)出并且測量耦連到輸出纖維中的部分輸出的光能，并且調(diào)節(jié)從控制器161到微致動器101的驅(qū)動信號可以調(diào)節(jié)到測量的光能量達到最大化。
在旋轉(zhuǎn)靜電微致動器101的一個示例工作中，可以在微致動器的平面之外在鏡支架103上安裝一個微鏡(未示)，例如通過插入在設在鏡支架103中的槽188中安裝，用于線旋轉(zhuǎn)軸108旋轉(zhuǎn)。所述的鏡有一個反射面(未示)，所述反射面從基片102的平面垂直地伸出并且可以起偏轉(zhuǎn)一個激光束的光開關的部分的作用。一個具有這樣的鏡的利用微致動器101的光開關特別適于用在通令系統(tǒng)的纖維光導網(wǎng)絡中。
鏡支架103可以通過控制器161繞旋轉(zhuǎn)108行走的相反的第一和第二方向轉(zhuǎn)動。當希望沿順時針方向繞軸108旋轉(zhuǎn)所述鏡支架時，通過控制器向第一梳狀驅(qū)動組件106的第一梳狀驅(qū)動器111提供一個電壓電位，從而引起第一梳狀驅(qū)動組件106的第二梳狀驅(qū)動器112被靜電地吸向這樣的第一梳狀驅(qū)動器111的梳狀叉指123。這種吸引力使梳狀驅(qū)動叉指127向梳狀驅(qū)動叉指123運動并且與梳狀驅(qū)動叉指123交叉。這種交叉的量，并且從而鏡支架103繞軸108旋轉(zhuǎn)的量，可以通過向第一梳狀驅(qū)動組件106的第一梳狀驅(qū)動器111提供的電壓量控制。當希望沿逆時針方向繞軸108旋轉(zhuǎn)所述鏡支架時，可以向第二梳狀驅(qū)動組件107的第一梳狀驅(qū)動器111提供一個適當?shù)碾妷弘娢唬砸鹣鄳牡诙釥铗?qū)動器112向梳狀驅(qū)動叉指123運動并且與梳狀驅(qū)動叉指123交叉。可以看出，在第二梳狀驅(qū)動組件107或第一梳狀驅(qū)動組件106之另一個的第二梳狀驅(qū)動器112在其第一位置時，第一梳狀驅(qū)動組件106或第二梳狀驅(qū)動組件107之一的第二梳狀驅(qū)動器112在其第二位置。
驅(qū)動梳狀驅(qū)動組件106和107的適當?shù)碾妷弘娢豢梢栽?0至200伏特范圍之間，并且優(yōu)選地從60至150伏特的范圍之間。在使用120伏特驅(qū)動電壓時，微致動器101可以有+/-六度的角轉(zhuǎn)動，就是說，在順時針和逆時針兩個方向上都可以轉(zhuǎn)動六度，在整體上轉(zhuǎn)動十二度角。角偏轉(zhuǎn)的量取決于梳狀叉指123和127的量、梳狀叉指之間的間隙和第一及第二折疊彈簧113及114的長度和寬度。
在靜電微致動器101內(nèi)使用徑向延伸的彈簧113和114加強了微致動器的穩(wěn)定性并且有利于鏡支架103較大的角轉(zhuǎn)動。彈簧113和114向微致動器101提供徑向剛度，當梳狀叉指127與梳狀叉指123交叉時，該剛度限制梳狀叉指的側(cè)向運動。這樣的徑向剛度從而防止否則會在梳狀叉指123和127之間發(fā)生的任何側(cè)向夾卡。
彈簧113和114的折疊物質(zhì)進一步加強微致動器101的徑向剛度。在此方面，每個折疊的彈簧113和114都能響應第二梳狀驅(qū)動器112的旋轉(zhuǎn)徑向地收縮，并且從而抑制在彈簧中形成軸向的張力。更具體地，在旋轉(zhuǎn)過程中由于一個彈簧構(gòu)件131或者132的彎曲引起的，可以單獨地造成交叉的梳狀叉指123和127對齊不良的徑向收縮，通過其它的彈簧構(gòu)件的徑向收縮得到補償。這樣的補償是通過每個彈簧113和114的對稱結(jié)構(gòu)達到的；彈簧構(gòu)件131和132大致在長度上相等并且彈簧構(gòu)件131附著基片102上是以彈簧構(gòu)件132附著在相應的可運動框架141或142大致相同的徑向距離上附著的。
彈簧第二端部131b通過在繞軸108對稱地按角度旋轉(zhuǎn)時在鏡支架103的一半處的弧形構(gòu)件151的結(jié)合進一步通過在梳狀驅(qū)動器112繞旋轉(zhuǎn)軸108旋轉(zhuǎn)時限制彈簧113和114的折疊的內(nèi)半徑部的旋轉(zhuǎn)而加強微致動器101的徑向剛度。如上所述，第一梳狀驅(qū)動組件106a和106b及第二梳狀驅(qū)動組件107b及107c放置在第一和第二可運動的框架141及142之間?；?51尤其對這些梳狀驅(qū)動組件的第二梳狀驅(qū)動器112的徑向剛度起作用。
第一和第二彈簧優(yōu)越地在外半徑末端121處固定在基片102上并且從而離開旋轉(zhuǎn)軸108。在末端121上比接近于軸108容易容納附加地起把彈簧連接到基片上的作用的相對大的電極166和167。另外，梳狀驅(qū)動桿126可以進一步起把彈簧113和114的連接到鏡支架103上的作用。
相對于微致動器101的中心線對稱地布置彈簧113和114及角分離彈簧從30度到150度范圍的距離并且如圖所示約90度，起限制微致動器101的作用，從而外部施加的直線加速度基本上不影響光學部件的角度偏轉(zhuǎn)。更具體地，每個彈簧113和114對抗沿其相應軸的直線加速度并且提供需要的徑向剛度以抵抗梳狀組件106和107沿任何徑向夾卡的傾向。
微致動器101的可運動結(jié)構(gòu)的厚度影響對離軸模式的剛度。從而優(yōu)選縱橫尺寸比高的裝置，并且可運動結(jié)構(gòu)的厚度基本上大于微致動器101的最小零件的寬度。以此方式，所述結(jié)構(gòu)的平面外剛度相對地大，基本上限制對微致動器101的平面中的結(jié)構(gòu)的移動。
第一和第二彈簧折疊113和114允許鏡支架103繞旋轉(zhuǎn)軸108相對大的旋轉(zhuǎn)行程。鏡支架103繞軸108順時針旋轉(zhuǎn)時，彈簧構(gòu)件131和132彼此相向地彎曲，而鏡支架103繞軸108逆時針旋轉(zhuǎn)時，彈簧構(gòu)件131和132彼此相背離地彎曲。第一和第二可運動框架141和142尺寸做得足夠大并且設有足夠的內(nèi)部空間以在其中容納第一和第二彈簧113和114在其中偏轉(zhuǎn)。對比具有一或者多個長度約為折疊彈簧113和114的長度但是只用一個單一的這樣的彈簧構(gòu)件形成的彈簧的策致動器，也就是具有一或者多個間折疊彈簧的微致動器，用兩個連接在一直的可彎曲彈簧構(gòu)件131和132產(chǎn)生折疊彈簧增加了允許的旋轉(zhuǎn)行程量。
旋轉(zhuǎn)靜電微致動器101的半圓或者說扇形形狀允許旋轉(zhuǎn)軸108，以及例如由之承載的鏡能夠緊接GRIN透鏡或者纖維光導系統(tǒng)的其它部件放置。
盡管公開了用于通信系統(tǒng)的纖維光導網(wǎng)絡中的微致動器101，但是應當理解微致動器101有其它的應用，不論是有還是沒有鏡。例如，微致動器101可以用于光開關或者光數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中的其它部件，例如1998年8月17日歸檔的同期美國專利申請系列號09/135,236說明的那種光數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中的部件，及用于光掃描儀、光譜儀、光相位補償器或者諸如光波板、鏡或衍射光柵之類的旋轉(zhuǎn)部件用的其它結(jié)構(gòu)中。
可以提供具有沿繞旋轉(zhuǎn)軸移的角方向交叉的梳狀驅(qū)動叉指的其它扇形靜電微致動器。圖3中所示的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器201與微致動器101有相似性，并且用同樣的標號說明微致動器101和201的相似的部件。一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件或者說鏡支架202與基片102重疊。多個第一和第二梳狀組件203和417由基片102承載用于把鏡支架202沿第一和第二相反的角度方向繞旋轉(zhuǎn)軸206轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)軸206垂直于平面的基片102伸過。所述軸在圖3中示為一個點，并且用參考線206標出。第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204的每個包括一個安裝在基片102上的第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件或者說梳狀驅(qū)動器211，和一個與基片102重疊的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件或者說梳狀驅(qū)動器212。在微致動器201中包括第一和第二間隔彈簧213和214用于支承或者懸掛第二梳狀驅(qū)動器212和鏡支架202于基片102之上，并且用于向可動的第二梳狀驅(qū)動器212和向鏡支架202提供徑向剛度。鏡支架202、第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204及第一和第二彈簧213和214通過諸如以上對微致動器101所討論之類的任何適當?shù)氖侄螐捻攲?16形成。鏡支架202、第二梳狀驅(qū)動器212及第一和第二間隔彈簧213和214間隔一個空氣間隙188放在基片102之上，并且與對微致動器101的相同部件所討論的相似。
至少一個并且優(yōu)選地多個第一梳狀驅(qū)動組件203包括在旋轉(zhuǎn)靜電微致動器201中并且放置在旋轉(zhuǎn)軸206之上，用于繞旋轉(zhuǎn)軸206沿順時針方向驅(qū)動鏡支架。至少一個并且優(yōu)選地多個第二梳狀驅(qū)動組件204可包括在旋轉(zhuǎn)靜電微致動器201中，用于繞旋轉(zhuǎn)軸206沿逆時針方向驅(qū)動鏡支架。第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204每個都基本上徑向地從旋轉(zhuǎn)軸108伸出，并且，組件203和204整體上對著一個約180度的角從而對微致動器201提供一個半圓形或者扇形的形狀。更具體地，微致動器201有四個第一驅(qū)動組件203a、203b、203c和203d以及四個第二驅(qū)動組件204a、204b、204c及204d。第一梳狀驅(qū)動組件203插入在第二梳狀驅(qū)動組件204之間。旋轉(zhuǎn)微致動器201有一個基本上與基底119相同的基底219并且有一個基本上與外末端121相同的外半徑末端221。第一梳狀驅(qū)動組件203對第二梳狀驅(qū)動組件204關于旋轉(zhuǎn)靜電微致動器201的中線對稱，所述中線即在基片102中線旋轉(zhuǎn)軸206垂直于基底219的假想線。鏡支架202和旋轉(zhuǎn)軸206放置在毗微致動器201的中心鄰基底219。旋轉(zhuǎn)微致動器長度沿基底219測量在500到5000微米的范圍，并且優(yōu)選地約2000微米。
每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204的第一梳狀驅(qū)動器211通過與以上對第一梳狀驅(qū)動器111討論的同樣方式安裝在基片101上。每個第一梳狀驅(qū)動器211有一個設有第一或內(nèi)半徑部226a和一個設有第二或外半徑部226b的徑向延伸的桿226。每個第一梳狀驅(qū)動器211的外部226b伸到外半徑末端221。多個梳狀驅(qū)動叉指以八到50微米并且優(yōu)選地約35微米的分開距離沿桿226的長度縱向地間隔開。梳狀驅(qū)動叉指227基本上垂直地從桿226伸出并且，與梳狀叉指123相同，在形狀上每個都是弧形的。叉指227長度范圍從約25到1902微米并且從桿的內(nèi)部226a到桿的外部226b在長度上線性地增加。每個梳狀驅(qū)動叉指227a有一個近端部227a和一個遠端部227b。近端部227從四到20微米的寬度范圍并且優(yōu)選地為10微米。遠端部227b有不大于近端部227a寬度的寬度。并且，更具體地是從二到12微米的范圍并且優(yōu)選地為約六個微米。
第二梳狀驅(qū)動器212和鏡支架202是可運動或說可旋轉(zhuǎn)的框架231的部分，框架231以空氣間隙118隔開放在基片102上，從而與基片電氣絕緣開并且可以相對于基片102和第一梳狀驅(qū)動器211運動?？蚣?31包括第一臂232、第二臂233、第三臂236和第四臂237，它們每個都沿基本上徑向的方向從旋轉(zhuǎn)軸206伸出。第一和第四臂232和237也相對微致動器101的中線對稱地安置，而且第二和第三臂233和236相出對這個中線對稱地安置。第一和第四臂232和237每個在構(gòu)形上都是U字形并且從第一和第二桿241和242形成。第一桿241緊靠軸206有第一或者說內(nèi)半徑部241a和伸向半徑末端221的第二或者說外半徑部241b。類似地，第二桿242有第一或者說內(nèi)半徑部242a和第二或者說外半徑部242b。外半徑部241b和242b在外徑向末端221處通過一個基底構(gòu)件243連接在一起。第一桿241的內(nèi)半徑部241a連接到鏡支架202，而第二桿242的內(nèi)半徑部242a游離地伸至接近鏡支架202處。第二和第三臂233和236在其內(nèi)部連接到鏡支架202。
第一臂232的第一桿241形成第一梳狀驅(qū)動組件203a的第二梳狀驅(qū)動器212的部分，而第一臂232的第二桿242形起第二梳狀驅(qū)動組件204a的第二梳狀驅(qū)動器212的部分的作用。多個梳狀驅(qū)動叉指251沿第一桿241的長度縱向地間隔開，以形成第一梳狀驅(qū)動組件203a的梳狀叉指，而多個梳狀驅(qū)動叉指251沿這個第一臂232的第二桿242的長度縱向地間隔開，以形成第一梳狀驅(qū)動組件204a的梳狀叉指。梳狀驅(qū)動叉指251基本上與梳狀驅(qū)動叉指227相似，并且有連接到相應的桿241或242的第一或說近端部251a，和從這個近端部251a伸出的第二或說遠端部251b?；⌒蔚氖釥畈嬷?51相對于梳狀叉指227錯開，從而使梳狀驅(qū)動叉指251可以與梳狀驅(qū)動叉指227交叉。第四臂237的第一桿241類似地起第梳狀驅(qū)動組件204d的第二梳狀驅(qū)動器212的部分的作用，而第四臂237的第二桿242起第一梳狀驅(qū)動組件203d的第二梳狀驅(qū)動器212的部分的作用。梳狀驅(qū)動叉指251從第四臂的第一和第二桿241和242伸出。
第二和第三臂233和236包括在第一梳狀驅(qū)動組件203b和203c和第二梳狀驅(qū)動組件204b和204c的第二梳狀驅(qū)動器212中。第二臂233有一個第一或說內(nèi)半徑部236a和一個外半徑部236b，第三臂2336在結(jié)構(gòu)上與第二臂233相似，有一個連接到鏡支架202的第一或說內(nèi)半徑部233a和一個毗鄰外半徑末端211的第二或說外半徑部233b。第一多個梳狀驅(qū)動叉指251沿第二臂233一側(cè)的長度縱向地間隔開，以形成第二梳狀驅(qū)動組件204b的第二梳狀驅(qū)動器，而第二多個梳狀驅(qū)動叉指251沿第二臂233另一側(cè)的長度縱向地間隔開；以形成第一梳狀驅(qū)動組件203b的第二梳狀驅(qū)動器。類似地，第一多個梳狀驅(qū)動叉指251沿第三臂236一側(cè)的長度縱向地間隔開，以形成第二梳狀驅(qū)動組件203c的第二梳狀驅(qū)動器，而第二多個梳狀驅(qū)動叉指251沿第三臂236另一側(cè)的長度縱向地間隔開，以形成第一梳狀驅(qū)動組件204c的第二梳狀驅(qū)動器212。第二和第三臂233及236可以供選擇地由連桿252在相應的內(nèi)半徑部233和236a處連接，以加強臂233及236的剛性。
旋轉(zhuǎn)靜電微致動器201內(nèi)部包括有包括第一個和第二間隔彈簧213的214的裝置用于可運動地把第二梳狀驅(qū)動器支承在基片102之上。彈簧213和214對于微致動器201的中線對稱地放置并且長度優(yōu)選地近似至少一些第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204的長度。微致動器201的基底包括一個固著或者說支架構(gòu)件253，它有一個部分交叉旋轉(zhuǎn)軸206并且起把第一和第二彈簧213和214固定到基片102上的作用。第一和第二彈簧213和214每個都由一個單一的束狀彈簧構(gòu)件256形成，束狀彈簧構(gòu)件256有一個在其末端連接到支架構(gòu)件253上的第一或說內(nèi)半徑端部256a和一連接到相應的第一臂232或第四臂237的基底構(gòu)件243上第二或說外半徑端部256b。更具體地，第一彈簧213從支架構(gòu)件253向上伸到第一臂232的中心，以結(jié)合到基底構(gòu)件243的中心。彈簧構(gòu)件256的內(nèi)端部256a在旋轉(zhuǎn)軸206處連接到支架構(gòu)件253。彈簧構(gòu)件256的寬度在一到10微米的范圍并且優(yōu)選地約四微米。各個第一和第四臂232及237起把第一和第二彈簧構(gòu)件213和214的外端部256b固定到鏡支架202上的作用。
至少一個梳狀驅(qū)動組件并且優(yōu)選地至少一個第一梳狀驅(qū)動組件203和至少一個第二梳狀驅(qū)動組件204放置在彈簧213和214之間。更具體地，第一梳狀驅(qū)動組件203b和203c第二梳狀驅(qū)動組件204b和204c其中的每個都部分地由第二和第三臂233及236形成的，在角度上放置在第一和第二彈簧構(gòu)件213和214之間。另外第一梳狀組件203a和第4梳狀組件204d彼此關于微致動器210的中線對稱地布置，在角度上放在第一和第二彈簧構(gòu)件213和214之間。
在圖3所示的其第一或說靜止位置時第一和第二梳狀驅(qū)動器211和212的梳狀叉指基本上沒有完全交叉。盡管術(shù)語“基本上沒有完全交叉”廣義得足以覆蓋在其靜止位置時沒有交叉的梳狀驅(qū)動叉指，如圖1和2中所示的微致動器101的梳狀驅(qū)動叉指123、127，這個術(shù)語還包括當它們在其靜止位置時部分地交叉的梳狀驅(qū)動叉指。在微致動器201中，梳狀驅(qū)動器211和212在其靜止位置時梳狀驅(qū)動叉指的遠端部227b和251b基本上交叉。
至少一個，而在圖示中所有的第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204沒有以沿從旋轉(zhuǎn)軸206向外伸出的一個半徑為中心。在此方面，第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204每個的梳狀叉指227的遠端261都沿一條不與旋轉(zhuǎn)軸206相交的假想線對齊，并且這樣地與軸206間隔開。類似地，梳狀叉指251的遠端262都沿一條不與旋轉(zhuǎn)軸206相交的假想線對齊，并且這樣地與軸206間隔開。從而每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204組成一個對于這樣的半圓的半徑偏開的半圓扇形。
如圖3所示，第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204的第二梳狀驅(qū)動器212每個都可以沿一個繞旋轉(zhuǎn)軸206行走的方向，在相應的第一位置和相應的第二位置之間運動，在所述第一位置中，第一和第二梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指227和251基本上沒有完全交叉，而在圖中未示的相應的第二位置，梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指227和251基本上完全交叉，如前面對微致動器101的梳狀叉指123和127所討論的。第二梳狀驅(qū)動組件204的第二梳狀驅(qū)動器212在其第一位置時第一梳狀驅(qū)動組件203的第二梳狀驅(qū)動器212在其第一位置并且，類似地組件203的第二梳狀驅(qū)動器212在其第一位置時組件204的第二梳狀驅(qū)動器212在其第二位置。
在微致動器201中包括電裝置，用于在其第一和第二位置之間驅(qū)動第二梳狀驅(qū)動器212。這樣的電裝置可包括一個控制器和電壓發(fā)生器161，所述電壓發(fā)生器通過多個電導線162電氣地連接到設在基片102上的多個電極。為了簡化，控制器161和導線162沒有示于圖3中。這樣的電極，其中的每個基本上與上面對徵致動器101討論的電極相似，包括一個通過導線267電氣連接到支架構(gòu)件253、接地或公共電極266和至少一個直接或通過導線272連接到第一梳狀驅(qū)動組件203的第一梳狀驅(qū)動器211的驅(qū)動電極271，及一或多個直接或通過導線274連接到第二梳狀驅(qū)動組件204的第一梳狀驅(qū)動器211的驅(qū)動電極273。幾根從微致動器201伸出的導線274在圖3中用虛線示出。鏡支架202的位置可以供選擇地以上面對微致動器101討論的方式監(jiān)視。
在工作中，旋轉(zhuǎn)靜電微致動器201基本上以上面對于旋轉(zhuǎn)靜電致動器101討論過的相同的方式使用。當用作通信系統(tǒng)的纖維光導網(wǎng)絡的一個部分時，可以在鏡支架202上安裝一個微鏡(未示)，例如通過插入在設在鏡支架202中的槽276中安裝，用于繞旋轉(zhuǎn)軸206旋轉(zhuǎn)。所述的鏡從微致動器201的平面伸出并且有一個反射面(未示)，所述反射面優(yōu)選地與旋轉(zhuǎn)軸206相交。用于容納鏡的凹槽276不必把中心放在旋轉(zhuǎn)軸206上。
如上面所討論，控制器161向第一和第二梳狀驅(qū)動組件203或204之一的的梳狀驅(qū)動器211提供一個電壓電位。驅(qū)動電極271和273用以旋轉(zhuǎn)鏡支架202的適當?shù)碾妷弘娢豢梢栽?0至250伏特范圍之間，并且優(yōu)選地從60至180伏特的范圍之間。微致動器201可以以+/-六度的角轉(zhuǎn)動，也就是當使用這樣的電壓時，在順時針和逆時針兩個方向上都可以轉(zhuǎn)動六度，在整體上轉(zhuǎn)動十二度角。
在靜電微致動器201的另一個電驅(qū)動構(gòu)形中，控制器161向連接到第一梳狀驅(qū)動組件203的第一梳狀驅(qū)動器211的電極271施加地電位，并且向連接到第二梳狀驅(qū)動組件204的第一梳狀驅(qū)動器211的電極273施加一個固定的最高電位。一個在地電位與固定的最高電位之間的可變電位通過控制器施加到連接到支架，從而也連接到第二梳狀驅(qū)動器212的公共電極266。當施加到公共電極266上的電位等于最高電位是在電極273與266之間和電極271與266之間存在等電位差產(chǎn)生相等的力，傾向于沿逆時針方向和順時針方向轉(zhuǎn)動鏡支架202，并且從而得不到鏡支架202的凈旋轉(zhuǎn)。隨著施加到公共電極266上的驅(qū)動電壓從這個半值變化時，提供一個增加的凈力，它導致鏡支架202從其靜止位置的凈轉(zhuǎn)動。當施加到公共電極266上的電位是地或者固定的最高值兩者之一時一個基本上等于一個相應的最高驅(qū)動電壓施加到電極273或271兩者之一，而公共電極266接地時發(fā)生的驅(qū)動力的最大力就被施加了，從而引起鏡支架202旋轉(zhuǎn)?？梢允┘忧懊嫠懻摰南嗨频碾妷翰⑶铱梢赃_到相似的旋轉(zhuǎn)。這個變通的驅(qū)動構(gòu)形只要求單一的可變電位源并且通過僅變化一個單一的源平穩(wěn)地改變鏡支架202繞其靜止位置的位置。用此驅(qū)動構(gòu)形可以減少控制器161中的電部件的數(shù)量并且從而降低致動器系統(tǒng)的成本。
徑向延伸的彈簧213和214向可旋轉(zhuǎn)的框架231并從而向第二梳狀驅(qū)動器212提供徑向剛度。彈簧構(gòu)件256的內(nèi)端部256a優(yōu)選地在旋轉(zhuǎn)軸206與的基片交點連接到基片102上。彈簧構(gòu)件2213的外端部256b要么直接地，要么通過毗鄰外半徑末端221的可旋轉(zhuǎn)框架231連接到第二梳狀驅(qū)動器212。彈簧213和214以約30度到90度的角范圍間隔開以限制微致動器201，以前面對微致動器101所討論的方式對抗直線加速度。不折疊的彈簧213和214比前面討論的折疊彈簧需要較少的表面面積用于偏轉(zhuǎn)并且從而向梳狀驅(qū)動組件203和204中分配較多的面積第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204相對致密地封裝在旋轉(zhuǎn)靜電微致動器201中。這樣的封裝部分地是由于梳狀驅(qū)動組件203和204的錯開的性質(zhì)才能辦到的。如前面所討論梳狀驅(qū)動叉指227和251的遠端261和262及每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204的徑向中線不與旋轉(zhuǎn)軸206相交。這個梳狀驅(qū)動組件203和204的偏移還允許桿226的內(nèi)半徑部226a有較大的寬度，并且從而有提高的穩(wěn)定性，并且允許在每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件203和204的內(nèi)近端的梳狀驅(qū)動叉指227和251在長度上比在梳狀驅(qū)動器密度上可較但是有與旋轉(zhuǎn)軸206徑向地對齊的梳狀驅(qū)動組件203和204的微致動器的要大。從而在靜電微致動器201上可能得到相對地較大的旋轉(zhuǎn)力和力矩。
梳狀驅(qū)動叉指227和251的構(gòu)形還允許微致動器201中相對地較大的旋轉(zhuǎn)力。在此方面，梳狀驅(qū)動叉指227和251在它們處于圖3所示的靜止位置時部分地交叉。因為在相鄰的梳狀驅(qū)動叉指227和251之間的間隔可以通過現(xiàn)行的蝕刻技術(shù)限制，梳狀驅(qū)動叉指227和251的遠端227b和251b的寬度不大。在第二梳狀驅(qū)動器211向其第三位置運動時遠端251b第一梳狀驅(qū)動器211的梳狀叉指的近端227a交叉，并且相鄰的梳狀驅(qū)動叉指227和251之間的間隔或者說間隙減少，從而加強了第一和第二梳狀驅(qū)動器211和212之間的靜電吸引力。
應當理解本文的發(fā)明廣義得足以覆蓋任何形狀上近似于扇形的或近似于半圓形的旋轉(zhuǎn)靜電致動器，或者具有對著關于旋轉(zhuǎn)軸180度角或者以下，例如90度角的梳狀驅(qū)動組件的旋轉(zhuǎn)靜電致動器。這樣的構(gòu)形允許旋轉(zhuǎn)軸放置得鄰近微致動器的基底或者末端。這樣的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器優(yōu)選地包括沿關于旋轉(zhuǎn)軸的一個角方向延伸的弧形梳狀叉指。本發(fā)明還廣義得足以覆蓋任何具有固定到基片的旋轉(zhuǎn)軸與基片的交點上的束狀彈簧的靜電微致動器。每個這樣的彈簧可以由單個的束狀構(gòu)件構(gòu)成，也可以折疊成在構(gòu)形上是U形或者V形。
可以提供在圖形上不是扇形或者半圓形但是在本發(fā)明的范圍內(nèi)的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器。例如，圖4中示出一個圖形上是圓形的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器301。微致動器301與微致動器201和微致動器201有相似性，并且用同樣的標號說明微致動器101、201和301的相似的部件。一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件或者說環(huán)302與基片102重疊。多個第一和第二梳狀組件303和304由基片102承載用于把環(huán)302沿第一和第二相反的角度方向繞旋轉(zhuǎn)軸306轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)軸306垂直于平面的基片102伸過環(huán)302的中心。每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件303和304包括一個安裝在基片102上的第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件或者說梳狀驅(qū)動器311，和一個重疊在基片102上的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件或者說梳狀驅(qū)動器312。繞旋轉(zhuǎn)軸306圓周地布置多個彈簧組件312用于支承或者懸掛第二梳狀驅(qū)動器312和環(huán)302于基片102之上，并且用于向第二梳狀驅(qū)動器312和環(huán)302提供徑向的剛度。彈簧組件313、梳狀驅(qū)動組件303和304及環(huán)302由頂層116形成，優(yōu)選地使用DRIE技術(shù)形成。彈簧組件313、第二梳狀驅(qū)動器312和環(huán)302隔開空氣間隙118放在基片102上方。這樣的結(jié)構(gòu)厚度與前面對于微致動器101討論過的類似結(jié)構(gòu)的厚度相似。
至少一個并且優(yōu)選地多個第一梳狀驅(qū)動組件303包括在旋轉(zhuǎn)靜電微致動器301中并且繞旋轉(zhuǎn)軸306放置，用于沿順時針方向繞旋轉(zhuǎn)軸306驅(qū)動環(huán)302。至少一個并且優(yōu)選地多個第二梳狀驅(qū)動組件304可包括在旋轉(zhuǎn)靜電微致動器301中，用于繞旋轉(zhuǎn)軸306沿逆時針方向驅(qū)動環(huán)302。第一和第二梳狀驅(qū)動組件303和304每個都基本上徑向地從旋轉(zhuǎn)軸306伸出，并且，整體上，對著一個約360的角，從而提供一個有其圓形形狀的旋轉(zhuǎn)微致動器303。更具體地，微致動器301有復數(shù)的三個第一梳狀驅(qū)動組件303a和復數(shù)的六個第一梳狀驅(qū)動組件303b，并且有復數(shù)的三個第二梳狀驅(qū)動組件304a和復數(shù)的六個第二梳狀驅(qū)動組件304b。第一和第二梳狀驅(qū)動組件303和304彼此相對交叉并且對稱地繞旋轉(zhuǎn)軸306布置。每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件303和304長度在從200到2000微米的范圍并且優(yōu)選地約580微米。旋轉(zhuǎn)靜電微致動器可以是任何適當?shù)某叽绮⑶覂?yōu)選地直徑范圍從500到5000微米并且更優(yōu)選地約2800微米。外半徑末端或者周邊314組成一個繞靜電微致動器301的圓周延伸的圓。
每個第一和第二梳狀驅(qū)動組件303和304的每個的第一梳狀驅(qū)動器311通過二氧化硅層117剛性地安裝在基片102上。第一驅(qū)動組件303a和第二梳狀組件304a的每個第一梳狀驅(qū)動器311有一個徑向延伸的桿316，桿316設有第一或內(nèi)半徑部316a和第二或外半徑部316b。相鄰的第一驅(qū)動組件303b和第二梳狀組件304b的第一梳狀驅(qū)動器311共用一個徑向延伸的桿317，桿317設有第一或內(nèi)半徑部317a和第二或外半徑部317b。外部316b和317b伸到微致動器301的外半徑末端314。桿316和317隨著它們徑向向外伸而增加寬度，從而增加所述的桿固定到基片102上的面積并且從而增加這些桿的剛性。多個基本上與前面關于微致動器101討論的梳狀叉指123相似的梳狀驅(qū)動叉指321以諸如前面關于梳狀叉指123討論的任何分開距離沿桿316長度縱向地間隔開。多個梳狀驅(qū)動叉指321以相似的分開距離沿桿317的每側(cè)的長度縱向地間隔開。梳狀驅(qū)動叉指321與梳狀叉指123在尺寸和形狀上相似，并且從桿的內(nèi)部到桿的外部在長度上線性地增加。相鄰的梳狀驅(qū)動器311共用桿317取消了否則就要設在這些相鄰的梳驅(qū)動器311的分開的桿之間的空間。節(jié)省下的空間可以結(jié)合到梳狀驅(qū)動叉指321的長度中去。
第二梳狀驅(qū)動器312和以空氣間隙118隔開放在基片102上，從而可以相對于基片102和第一梳狀驅(qū)動器311運動。第二梳狀驅(qū)動器312的結(jié)構(gòu)與第一梳狀驅(qū)動器311的結(jié)構(gòu)相似。更具體地，第一驅(qū)動組件303a和第二梳狀組件304a的第二梳狀驅(qū)動器312每個都形成有從旋轉(zhuǎn)軸306徑向地伸出的桿326。桿326緊靠軸306有第一或者說內(nèi)半徑部326a和伸向半徑末端314的第二或者說外半徑部326b。多個梳狀驅(qū)動叉指327，基本上與梳狀叉指321相似，沿每個這樣的第二梳狀驅(qū)動叉指的桿326的長度縱向地間隔開。第一驅(qū)動組件303b和第二梳狀組件304b的第二梳狀驅(qū)動器312每個都有從旋轉(zhuǎn)軸306徑向地伸出的桿328，并且有連接到環(huán)302的第一或者說內(nèi)半徑部328a和伸向半徑末端314的第二或者說外半徑部328b。第一驅(qū)動組件303b和第二梳狀組件304b的背對背的第二梳狀驅(qū)動器312共用一個單一的桿328。多個梳狀驅(qū)動叉指327沿每個這樣的第二梳狀驅(qū)動叉指的桿328的長度縱向地間隔開。梳狀驅(qū)動叉指327在桿326和328的外半徑部附近于長度縮短326b，以適應桿316和317的增加的外半徑處的厚度。第二梳狀驅(qū)動器312的弧形梳狀叉指327相對第一梳狀驅(qū)動器311的弧形梳狀叉指321錯開，從而在第二梳狀驅(qū)動器312繞軸306向靜止的第一梳狀驅(qū)動器311轉(zhuǎn)動時梳狀叉指327可以與梳狀叉指321交叉。
旋轉(zhuǎn)靜電微致動器301內(nèi)部包括有包括彈簧組件313的的裝置用于把環(huán)302和第二梳狀驅(qū)動器312支承在基片101之上。彈簧組件313以大約120度的角間隔繞軸306圓周地間隔開從而提供一個對稱的彈簧構(gòu)形。每個組件313設有第一和第二間隔開的折疊彈簧336和337，折疊彈簧336和337長度優(yōu)選地近似于第一和第二梳狀驅(qū)動組件303和304的長度。折疊彈簧336和337基本上與微致動器101的第一和第二彈簧313和314相似。盡管彈簧336和337可以由單個的彈簧構(gòu)件形成，折疊彈簧336和337優(yōu)選地在構(gòu)形上是U字形或者V字形的，并且在圖中示出的是基本上U字形的。每個折疊彈簧336和337形由基本上是束狀形狀的第一和第二長形彈簧構(gòu)件338和339構(gòu)成。第一或者說直線彈簧構(gòu)件有第一和第二端部338a和338b，而第二或者說直線彈簧構(gòu)件339有第一和第二端部339a和339b。
每個彈簧336和337的第一端部338在其末端固定在由層116形成并且借助于二氧化硅層117連接到基片102上的的固附構(gòu)件340上。每個彈簧構(gòu)件338的第二端部338b固定到每個彈簧構(gòu)件339的第一端部339a。彈簧構(gòu)件338和339每個都從旋轉(zhuǎn)軸306徑向向外伸并且優(yōu)選地長度接近第一和第二梳狀驅(qū)動組件303和304的長度。雖然第一端部338a可以接近環(huán)302固定到基片102上，第一端部338a還是優(yōu)選地接近外半徑末端314固定到基片102上。彈簧構(gòu)件338和339優(yōu)選地在長度上相等并且每個都有與前面討論的第一和第二彈簧構(gòu)件131和132相似的寬度。第一和第二防蝕桿133和134沿每個彈簧構(gòu)件338和339的每側(cè)延伸。
每個彈簧336和337的第二端部339b固定到至少一個第二梳狀驅(qū)動器312上。在此方面微致動器301為每個彈簧組件313設有第一和第二可運動的框架341和342。至少一個梳狀驅(qū)動組件并且至少一個第一梳狀驅(qū)動組件303和一個第二梳狀驅(qū)動組件304放置在第一和第二可運動的框架341和342之間并且從而放置在第一和第二彈簧336和337之間。更具體地，一個第一梳狀驅(qū)動組件303a和一個第二梳狀驅(qū)動組件303b放置在第一和第二可運動的框架341和342之間，同時第一和第二可運動的框架341和342關于微致動器301的半徑對稱地放置。
第一和第二可運動的框架341和342基本上與微致動器101的第一和第二可運動框架141和142相似，在構(gòu)形上基本上是U字形的。第一可運動的框架341包括毗鄰的第二梳狀驅(qū)動組件304b的桿328和毗鄰的第一梳狀驅(qū)動組件303a的桿326，作為側(cè)面構(gòu)件。一個基本上與弧形構(gòu)件143相似的弧形構(gòu)件343相互連接這樣的桿外部328b和326b。第二可運動框架342基本上在結(jié)構(gòu)上相似，并且包括毗鄰的第二梳狀驅(qū)動組件304a的桿326和毗鄰的第一梳狀驅(qū)動組件303b的桿328，作為側(cè)面構(gòu)件。一個基本上與弧形構(gòu)件144相似的弧形構(gòu)件344相互連接這樣的桿外部326b和328b。第一彈簧336的第二端部339b固定到弧形構(gòu)件343上，毗鄰于第二梳狀驅(qū)動組件303a的桿外部326b，而第二彈簧337的第二端部339b固定到弧形構(gòu)件344上，毗鄰于第二梳狀驅(qū)動組件304a的桿外部326b。以此方式第一折疊彈簧336置于第一可運動的框架341內(nèi)而第二折疊彈簧337置于第二可運動的框架342內(nèi)。第一可運動的框架341的桿內(nèi)部328a連接到環(huán)302起把第一彈簧336固定到環(huán)302上的作用。類似地，第二可運動的框架342的桿內(nèi)部328b連接到環(huán)302用于把彈簧337與環(huán)302互相連接。
一個內(nèi)弧形構(gòu)件或者說梭346連接在相反的末端與第一和第二可運動框架341及342連接。梭346一個末端固定到第一可運動框架341的桿內(nèi)部326a而梭346的另一個末端固定到第二可運動342的桿內(nèi)部326b。在微致動器301中設另一個弧形構(gòu)件347用于剛性地把第一和第二彈簧336及337的第二端部338b固定在一起。弧形構(gòu)件347與基片102重疊并且至少局部地繞旋轉(zhuǎn)軸108延伸在梭346和環(huán)302之間。
如圖4所示，第一和第二梳狀驅(qū)動組件303和304的第二梳狀驅(qū)動器312可以沿一個繞旋轉(zhuǎn)軸306行走的方向，在第一位置和第二位置之間運動，在所述第一位置中，第一和第二梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指321和327基本上沒有完全交叉，而在圖中未示的第二位置，梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指321和327基本上完全交叉。盡管第二梳狀驅(qū)動器312在其第一位置時，梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指321和327可以部分地交叉，但是在圖中，梳狀叉指321和327完全地脫節(jié)，從而，所述在第二梳狀驅(qū)動器312在其第一位置時，梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指321和327沒有交叉。當在其第二位置中時，第二梳狀驅(qū)動器312的梳狀叉指327在第一梳狀驅(qū)動器311的相應梳狀叉指321之間延伸，與前面對微致動器101所討論的方式相同。
在微致動器301中包括電裝置，用于在其第一和第二位置之間驅(qū)動第二梳狀驅(qū)動器112。這樣的電裝置可包括一個控制器和電壓發(fā)生器161，所述電壓發(fā)生器通過多個電導線162電氣地連接到設在基片102上的多個電極。為了簡化，控制器161和導線162沒有示于圖4中。每個這樣的電極基本上與上面對徵致動器101討論的電極相似。設有一個電氣連接到第二折疊彈簧337之一的第一端部338a上的地線，用于把第二梳狀驅(qū)動裝置312接地。第一驅(qū)動電極357連接到第一梳狀驅(qū)動組件303a的第一梳狀驅(qū)動器311的外半徑端部上，而第二驅(qū)動電極358連接到第一梳狀驅(qū)動組件304a的每個第一梳狀驅(qū)動器311的外半徑端部上。公共驅(qū)動電極359連接到第二梳狀驅(qū)動組件303b和304b的每個第一梳狀驅(qū)動器311的外半徑端部上。環(huán)302的位置可以供選擇地以上面對微致動器101討論的方式監(jiān)視。
在一種實際追求的應用中，旋轉(zhuǎn)靜電致動器301可以用在數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)中，諸如在一個磁-光數(shù)據(jù)存儲系統(tǒng)的光模塊中。靜電微致動器301可以用于把偏振光發(fā)動的光角轉(zhuǎn)動到一根光導纖維中。在此方面，在環(huán)302中設有一個孔隙361以容納一個膠接固定到環(huán)302上的圓形半波板。
靜電微致動器301的工作和使用與前面對微致動器101和102所討論的工作和使用基本上相似。環(huán)302可以通過控制器161沿繞旋轉(zhuǎn)軸306行走的相反的第一和第二方向轉(zhuǎn)動。當希望沿順時針方向繞軸306旋轉(zhuǎn)所述環(huán)302時，通過控制器向第一梳狀驅(qū)動組件303的第一梳狀驅(qū)動器311提供一個電壓電位。得到的梳狀叉指321和327交叉的量，并且從而環(huán)302繞軸306旋轉(zhuǎn)的量，可以通過向第一梳狀驅(qū)動器311提供的電壓量控制。當希望沿逆時針方向繞軸306旋轉(zhuǎn)所述環(huán)302時，可以向第二梳狀驅(qū)動組件304的第一梳狀驅(qū)動器311提供一個適當?shù)碾妷弘娢?，以引起梳狀?qū)動叉指321與327交叉。在第二梳狀驅(qū)動組件304或第一梳狀驅(qū)動組件301之另一個的梳狀驅(qū)動器312在其第一位置時，第一梳狀驅(qū)動組件303或第二梳狀驅(qū)動組件304之一的第二梳狀驅(qū)動器312在其第二位置。驅(qū)動梳狀驅(qū)動組件303和304的適當?shù)碾妷弘娢豢梢栽?0至250伏特范圍之間，并且優(yōu)選地從60至150伏特的范圍之間。在使用130伏特驅(qū)動電壓時，微致動器301可以在+/-六度的角轉(zhuǎn)動。
環(huán)302的順時針或逆時針旋轉(zhuǎn)通過起始地向相關第一梳狀驅(qū)動組件303a的第一驅(qū)動電極357還是相關第二梳狀驅(qū)動組件303a的第二驅(qū)動電極358施加電壓發(fā)起。如上所討論，電極357和358作用在特定的第一梳狀驅(qū)動器311上而不是由背對背的梳狀驅(qū)動器311共用。當梳狀叉指321和327與第一和第二梳狀驅(qū)動組件303b及304b開始接合時，就可以向公共359施加驅(qū)動電壓。梳狀叉指321和327的這種初始的接合正確的第二梳狀驅(qū)動器312附著到共用的梳狀驅(qū)動桿317的梳狀叉指321上。
靜電微致動器301采用六彈簧的結(jié)構(gòu)，即各有第一和第二折疊彈簧336和337的三個彈簧組件313。這個彈簧結(jié)構(gòu)允許彈簧336和337繞旋轉(zhuǎn)軸306以約60度的間隔圓周地布置。如前面講座，彈簧336和337對第二梳狀驅(qū)動器312提供徑向剛度以防止在梳狀叉指321與327之間的卡咬。類似于微致動器301的微致動器可以設有不多于或者多于六彈簧336和337，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。在向彈簧分配空間和向梳狀驅(qū)動組件提供徑向剛度以提供旋轉(zhuǎn)力之間存在有折中。我們發(fā)現(xiàn)總體數(shù)量上三到六個彈簧336和337是優(yōu)選的。
微致動器301的圓形并且從而是對稱的構(gòu)形便于提供微致動器沿旋轉(zhuǎn)軸306的質(zhì)心。這樣的平衡防止外來沖擊、振動、或者加速度對環(huán)302的不良干擾。
本發(fā)明的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器可以使用不是徑向延伸的梳狀驅(qū)動組件。使用耦合的直線靜電微致動器的舉例性推拉微致動器在圖5中示出。其中的旋轉(zhuǎn)微致動器401在某些方面與微致動器101、微致動器201和微致動器301相似，并且用同樣的標號說明微致動器101、201、301和401的相似的部件。微致動器401包括一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件402，旋轉(zhuǎn)構(gòu)件402含有一個鏡支架，用于在微致動器401上安裝一個伸出微致動器401平面的微鏡403；以及一個固定在微鏡403上的T字形支架404。微鏡的輪廓示于圖5?？尚D(zhuǎn)的構(gòu)件402繞旋轉(zhuǎn)軸406轉(zhuǎn)動，旋轉(zhuǎn)軸406垂直于平面的基片102延伸。旋轉(zhuǎn)軸406相交微鏡403于其反射表面403a并且在圖5中由標號406標成一個點。微致動器401設有至少一個側(cè)407并且可旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件402相鄰于側(cè)407放置。微致動器401有第一和第二微馬達408和409以及第一和第二連接器411和412，第一和第二連接器411和412用于分別把第一和第二微馬達408和409固定到支架404上。
第一和第二微馬達408和409基本上結(jié)構(gòu)上相同并且由上層116形成在基片102的頂上。微馬達每個包括至少一個梳狀驅(qū)動組件并且優(yōu)選地包括至少一個第一梳狀驅(qū)動組件416和少一個第二梳狀驅(qū)動組件417。如圖所示，微馬達408和409每個包括復數(shù)的四個第一梳狀驅(qū)動組件416和平行對齊的復數(shù)的四個第二梳狀驅(qū)動組件471。第一梳狀驅(qū)動組件416成群并排地安置并且第二梳狀驅(qū)動組件417類似地成群并排地安置。組件416的群與組件417的群并列。
梳狀驅(qū)動組件416和417可以是任何適當類型的。在一個優(yōu)選的實施中，梳狀驅(qū)動組件與1999年12月7日發(fā)表的美國專利5,998,906和1998年8月17日歸檔的同期美國專利申請系列號09/135,236中說明的梳狀驅(qū)動組件相似。每個梳狀驅(qū)動組件416和417設有一個安裝在基片102上的第一梳狀驅(qū)動組構(gòu)件或者說第一梳狀驅(qū)動器421，而第二梳狀驅(qū)動器422重疊在基片上。每個第一梳狀驅(qū)動器421由一個有第一和第二端部426a和426b的長桿426形成。圖中所示是直線的多個直線的梳狀驅(qū)動叉指沿桿長度上的間隔開的位置固定在桿的一側(cè)。梳狀驅(qū)動叉指或者說梳狀叉指從桿426垂直地伸出，并且如圖所示可以是相等長度的并且沿其長度有恒定的寬度。第二梳狀驅(qū)動器422在結(jié)構(gòu)上與第一梳狀驅(qū)動器421相似，并且每個由一個有第一和第二端部431a和431b的桿431形成。圖中所示是直線的多個直線的梳狀驅(qū)動叉指沿桿長度上的間隔開的位置固定在桿431的一側(cè)。梳狀驅(qū)動叉指或者說梳狀叉指從桿427垂直地伸出，并且如圖所示可以是相等長度的并且沿其長度有恒定的寬度。梳狀叉指432基本上與梳狀叉指相同，但是相對于梳狀叉指427錯開。當梳狀驅(qū)動組件416和417在其倉內(nèi)或者說在靜止位置時，梳狀叉指427和432基本上沒有充分地交叉，優(yōu)選地如圖5所示部分地交叉。
一個細長構(gòu)件或者說梭436包括在每個第一和第二微馬達408和409中。梭346有第一和第二端部436a和436b。每個桿431的端部431a固定到梭436上從而桿431從梭436的一側(cè)在梭端部436a和436b之間伸出。
第一和第二間隔彈簧構(gòu)件437和438包括在每個微馬達408和409中。彈簧構(gòu)件437和438可以是任何適當?shù)念愋蛢?yōu)選地從至少一個長的束狀構(gòu)件形成。在一個優(yōu)選的實施中，彈簧437和438各由一個單個的這種束狀構(gòu)件構(gòu)成，相似于前面講座的彈簧構(gòu)件131和第二彈簧構(gòu)件132。彈簧437和438結(jié)構(gòu)上基本相同并且各包括沿彈簧的相反側(cè)布置的第一和第二防蝕用于前面講座的目的。第一彈簧437有第一和第二端部437a和437b而第二彈簧438有第一和第二端部438a和438b。彈簧第二端部437b固定到梭第一端部436a而彈簧第二端部438b固定到梭第一端部436b。結(jié)果，至少一個并且如圖所示所有第一和第二梳狀驅(qū)動組件416和417放置在第一和第二彈簧437和438之間。當梳狀驅(qū)動組件416和417在其倉內(nèi)或者說在靜止位置時，第一和第二彈簧437和438優(yōu)選地垂直于梭436延伸。每個第一和第二彈簧437和438優(yōu)選地長度近似梳狀驅(qū)動組件416和417的長度，從而第一端部437a和438a毗鄰梳狀驅(qū)動桿426和431的第二端部426b和431b放置。一個附著塊439固定到每個彈簧437和438的基片102上，并且起把第一和第二彈簧的第一端部437a和438a固定到基片102上的作用。
第二梳狀驅(qū)動器422、梭436及第一和第二彈簧437和438間隔空氣間隙118放在基片102上，從而電氣地與基片絕緣并且可以相對基片運動。這些結(jié)構(gòu)可以有任何適當?shù)暮穸炔⑶覂?yōu)選地各有從10到200微米的厚度并且更優(yōu)選地約為85微米。第一和第二彈簧437和438包括在微致動器401的裝置內(nèi)用于懸掛和可運動地在基片102上支承第二梳狀驅(qū)動器422。
如圖5所示，第二梳狀驅(qū)動器422可以沿直線的行走方向相對第一梳狀驅(qū)動器421在在第一位置和第二位置之間運動，在所述第一位置中，第一和第二梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指427和432基本上沒有完全交叉，而在第二位置，梳狀驅(qū)動器的梳狀叉指427和432基本上完全交叉。在其第二位置時，梳狀叉指432和在相應的梳狀叉指427之間延伸并且接近但優(yōu)選地不接合第一梳狀驅(qū)動桿426。當?shù)诙釥铗?qū)動組件417的第二梳狀驅(qū)動器422在其第一位置時，第一梳狀驅(qū)動組件416的第二梳狀驅(qū)動器在422其第二位置。相反，當?shù)诙釥铗?qū)動組件417的第二梳狀驅(qū)動器在其第二位置時，第一梳狀驅(qū)動組件416的第二梳狀驅(qū)動器在其第一位置。
第二梳狀驅(qū)動器在422向其第一和第二位置的運動引起梭436沿相反的第一和第二直線方向相對于基片102運動。這樣的行走方向基本上垂直于長的第一和第二梳裝驅(qū)動組件416和417的布置。多個第一止動器441固定到基片102上以限制第一梳狀驅(qū)動組件416向其相應的第一梳狀驅(qū)動器421的行程。多個類似的第二止動器442固定到基片上以限制第二梳狀驅(qū)動組件417向其相應的第一梳狀驅(qū)動器421的行程。在一個優(yōu)選的實施中，第一和第二微馬達408和409并列地布置，從而相應的梭436彼此平行地并排放置。梭436的第二端部436b各一般地指向微鏡403并且相對于旋轉(zhuǎn)軸406放在中心。
第一和第二連接器411和412以空氣間隙118隔開放在基片102上，并且有一個固定到梭的第二端部436b上的第一端部，和一個固定到支架404上的第二端部。連接器411和412優(yōu)選地關于旋轉(zhuǎn)軸406彼此之間對稱地布置。第一連接器411把第一微馬達408的梭436固定到支架404的一側(cè)，而，第二連接器412把第二微馬達409的固定到支架404的另一側(cè)。在一個優(yōu)選的實施中，每個第一和第二連接器有至少一個彈簧構(gòu)件或者說連接彈簧，用于在梭436和；404之間提供非剛性的連接。在一個特別的優(yōu)選實施中每個第一和第二連接器411和412包括一個剛性的條466，剛性條466通過一個第一連接彈簧437在一端固定到梭436上，并且，通過一個第二連接彈簧448在另一端固定到支架404上。
在微致動器401中包括電裝置，用于在其第一和第二位置之間驅(qū)動第一和第二微馬達408和409的第二梳狀驅(qū)動器422。這樣的電裝置包括一個適當?shù)目刂破骱碗妷喊l(fā)生器161，諸如通過多個電導線162電氣地連接到多個電極上的控制器和電壓發(fā)生器161。為了簡化，控制器161和導線162沒有示于圖5中。每個這樣的電極基本上與上面對徵致動器101討論的電極相似，包括通過相應的導線454電氣連接到第一彈簧437的附著塊439上的第一和第二地線，用于把第一和第二彈簧437和438、梭436及每個微馬達408和409的第二梳狀驅(qū)動器422電氣接地。第一驅(qū)動電極457要么直接地，要么通過導線458電氣連接到每個微馬達408和409的第一梳狀驅(qū)動組件416的第一梳狀驅(qū)動器421上。而第二驅(qū)動電極461要么直接地，要么通過導線462電氣連接到每個微馬達408和409的第二梳狀驅(qū)動組件417的第一梳狀驅(qū)動器421上。每個微馬達408和409可以另外地設一個附加的止動器463以限制梭436向可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件402的前向行程?？尚D(zhuǎn)構(gòu)件402的位置可以供選擇地以上面對微致動器101討論的方式監(jiān)視。
在工作和使用中，控制器161可以用與前面對微致動器101、201和301所討論的方式用于驅(qū)動每個第一和第二微馬達408和409的第二梳狀驅(qū)動器422，從而使微馬達408和409的梭436沿與基片102和旋轉(zhuǎn)軸406相反的方向行走。例如當相等的電壓施加于第一微馬達408驅(qū)動電極457和和第二微馬達409的驅(qū)動電極461上時，引起第一微馬達408的梭436向軸406運動，并且引起第二微馬達409的梭436離開軸406運動，從而引起第一和第二連接器411和412沿逆時針方向繞軸406旋轉(zhuǎn)。以相似的方式，可以利用第一和第二微馬達408和409使可旋轉(zhuǎn)的構(gòu)件402沿順時針方向繞軸406樞轉(zhuǎn)。施加到電極457和461用于旋轉(zhuǎn)微鏡403的適當?shù)碾妷弘娢豢梢栽?0至200伏特范圍之間，并且優(yōu)選地從60至150伏特的范圍之間。在作用這樣的驅(qū)動電壓時微致動器401可以在+/-10度的角轉(zhuǎn)動，即在順時針和逆時針兩個方向都轉(zhuǎn)動10度，總和上轉(zhuǎn)動20度。
微馬達408和409的偏轉(zhuǎn)緊密地匹配可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的圓周運動。這樣如果直線的的微馬達408和409各可以進行+/-30微米的運動，可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件402將旋轉(zhuǎn)稍小于arctan(30/R)，這里P是可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件的有效半徑。可見，角范圍取決于可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件402的有效周長，有效周長較小的可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以得到較大的角；而有效周長較大的可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件可以得到較小的角。柔性連接彈簧447和448加強了梭436的縱向運動向微鏡403和支架404的旋轉(zhuǎn)運動的轉(zhuǎn)換。
第一和第二微馬達408和409及第一和第二連接器411和412的對稱結(jié)構(gòu)，以及第一微馬達408和第二連接器411相對于第二微馬達409和第二連接器412的對稱布置，保證正確的推-拉，從而微鏡和支架404繞旋轉(zhuǎn)軸406樞轉(zhuǎn)。在這方面，第一微馬達408和第二連接器411與第二微馬達409和第二連接器412相對于延伸在梭436和旋轉(zhuǎn)軸406之間的假想線對稱。第一和第二連接器411和412連接到支架404上，并且策鏡403和支架404的尺寸和形狀做得使微鏡403的反射面403a在旋轉(zhuǎn)軸406處樞轉(zhuǎn)。
因為梳狀驅(qū)動組件416和417要求的行程，以及從而梳狀叉指427和432的長度相對較小，在微馬達408和409中可以使用非折疊的彈簧437和438。結(jié)果，在梳狀叉指的交叉里程中由彈簧437和438的彎曲產(chǎn)生的梳狀叉指427和432的側(cè)向運動不明顯。微馬達408和409的對稱布置相對于第二微馬達409的梭436的側(cè)向運動補償了第一微馬達408的梭436的任何這樣的側(cè)向運動?？梢蕴峁┚哂姓郫B彈簧的推拉式微致動器。
可以提供其它的實現(xiàn)直線靜電微馬達的旋轉(zhuǎn)靜電徵致動器，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。例如，可以提供使用兩個以上微馬達408和409的推-拉微致動器。優(yōu)選地，任何這樣的旋轉(zhuǎn)微致動器對稱地繞微致動器的旋轉(zhuǎn)軸布置?？梢詷?gòu)想，這樣的微致動器有在微致動器的中心的旋轉(zhuǎn)軸，與微致動器401中在一側(cè)的相反。
應當理解，本文中說明的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器可以設有預彎的彈簧或者在1999年12月7日發(fā)表的美國專利5,998,906和1998年8月17日歸檔的同期美國專利申請系列號09/135,236中說明的那種類型的懸掛器，并且在本發(fā)明的范圍內(nèi)。這種預彎的彈簧是非直線的，并且當靜止在靜態(tài)的不偏轉(zhuǎn)的情況下處于“彎曲”的狀態(tài)。當梳狀驅(qū)動叉指交叉并且從而在交叉的過程中增加其軸向的剛度時這種彈簧的彈簧構(gòu)件向直線狀態(tài)伸直。這樣的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器可以設兩個或更多的預彎彈簧，當沿第一方向驅(qū)動微致動器的梳狀驅(qū)動叉指交叉時一或多個伸直，而沿相反方向驅(qū)動微致動器的梳狀驅(qū)動叉指交叉時一或多個伸直。使用這樣的預彎的彈簧的結(jié)果是提高了在或者接近梳狀驅(qū)動器的最大行程處的彈簧伴隨結(jié)構(gòu)的剛度，這在有較大的偏轉(zhuǎn)的微致動器中尤其是重要的。
可以提供體現(xiàn)本文中各種微致動器特征的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器。使用弧形驅(qū)動叉指的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器在形狀上可以是圓形的也可以是其它非圓形的形狀，諸如扇形，或者類似圓的扇面或段的形狀?？梢栽O徑向延伸的折疊或者非折疊彈簧。這種彈簧在其靜態(tài)時是預彎的也可以是直線的。微致動器的梳狀組件可以以一個半徑為中心也可以錯開半徑。在其靜止位梳狀驅(qū)動叉指可以是間隔開的也可以是部分交叉的，并且可以有各種形狀。
綜上所述，提供了一種提高了角運動范圍的旋轉(zhuǎn)靜電微致動器。微致動器的一或多個梳狀驅(qū)動組件中的側(cè)向不穩(wěn)定力被降低到最小，并且允許構(gòu)件的旋轉(zhuǎn)伸出微致動器的平面。微致動器的旋轉(zhuǎn)軸可以毗鄰微致動器的一個側(cè)面放置。
權(quán)利要求
1.一種旋轉(zhuǎn)靜電微致動器，含有一個大體平面的基片；一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件重疊在基片上用于繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸垂直于平面的基片延伸；至少一個梳狀驅(qū)動組件基本上徑向地從旋轉(zhuǎn)軸伸出并具有第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件，第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件安裝在基片上，每個第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件都設有弧形梳狀驅(qū)動叉指、第一和第二間隔折疊彈簧，及至少一個放置在第一和第二折疊彈簧之間的梳狀驅(qū)動組件，每個第一和第二折疊彈簧都基本上是U字形的，并且有基本上徑向地從旋轉(zhuǎn)軸伸出的第一和第二束狀的彈簧構(gòu)件，每個第一彈簧構(gòu)件有一個第一端部固定到基片上，并且每個第二彈簧構(gòu)件有一個第二端部固定到第二梳狀驅(qū)動組件上，用于在基片上方懸掛第二梳狀驅(qū)動組件和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，第二梳狀驅(qū)動組件可以沿繞旋轉(zhuǎn)軸的行走方向在第一和第二位置之間運動，在所述第一位置中，第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指基本上沒有完全交叉，而在第二位置，第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指基本上完全交叉，從而第一和第二折疊彈簧允許第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件在第一和第二位置之間有較大的行走，進而允許可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞旋轉(zhuǎn)軸較大的旋轉(zhuǎn)。
2.權(quán)利要求1所述的微致動器，其特征在于，至少一個梳狀組件有一個長度并且每個第一和第二彈簧有接近所述至少一個梳狀驅(qū)動組件的長度的長度。
3.權(quán)利要求2所述的微致動器，其特征在于，每個第一和第二彈簧構(gòu)件有接近至少一個梳狀驅(qū)動組件長度的長度。
4.權(quán)利要求1所述的微致動器，其特征在于，平面的基片有一個外半徑末端，并且第一彈簧組件的第一端部固定到平面基片的外半徑末端，鄰接第二彈簧構(gòu)件的第二端部。
5.權(quán)利要求1所述的微致動器，其特征在于，每個第一和第二彈簧的第一彈簧構(gòu)件有一個第二端部，并且每個第一和第二彈簧的第二彈簧構(gòu)件有一個第一端部固定到相應的第一彈簧構(gòu)件的所述第二端部上，一個弧形構(gòu)件與基片重疊并且至少部分繞旋轉(zhuǎn)軸延伸用于把第一彈簧的第一彈簧構(gòu)件的第二端部固定在第二彈簧的第一彈簧構(gòu)件的第二端部上，用于使第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的徑向行行走最小化，弧形構(gòu)件可以脫離旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞旋轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動。
6.權(quán)利要求1所述的微致動器，其特征在于，進一步含有附加的梳狀驅(qū)動組件并且有第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件，所述附加的梳狀驅(qū)動組件基本上徑向地從旋轉(zhuǎn)軸伸出并且放置在第一和第二彈簧之間，附加的梳狀驅(qū)動組件的每個第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件都設有弧形的梳狀驅(qū)動叉指，附加的梳狀驅(qū)動組件的第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件安裝在基片上，附加的梳狀驅(qū)動組件的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件與基片重疊，并且通過第一和第二彈簧的第二彈簧構(gòu)件的第二端部懸掛在基片上方，附加的梳狀驅(qū)動組件的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件可以在第一位置和第二位置之間運動，在所述第一位置附加的梳狀驅(qū)動組件的第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指基本上不充分地交叉，而在所述的第二位置附加的梳狀驅(qū)動組件的第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指基本上充分地交叉，在第一稱謂的梳狀驅(qū)動組件的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件在所述第一位置時，附加梳狀驅(qū)動組件的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件在所述第二位置。
7.權(quán)利要求6所述的微致動器，其特征在于，多個所述的梳狀驅(qū)動組件和所述附加梳狀驅(qū)動組件以總體上對著關于旋轉(zhuǎn)軸約180度的角繞旋轉(zhuǎn)軸安排，以形成一個半圓有一個基本上沿半圓的直徑延伸的底，旋轉(zhuǎn)軸鄰接所述的底放置在半圓的中心。
8.權(quán)利要求1所述的微致動器，其特征在于，多個所述的梳狀驅(qū)動組件圓周地繞旋轉(zhuǎn)軸放置，并且多個成組地安排的這樣的第一和第二折疊彈簧圓周地繞旋轉(zhuǎn)軸放置，每個梳狀驅(qū)動組件都放置在這些組之一的第一和第二折疊彈簧之間。
9.權(quán)利要求8所述的微致動器，其特征在于，多個所述的梳狀驅(qū)動組件關于旋轉(zhuǎn)對稱地放置。
10.一種旋轉(zhuǎn)靜電微致動器，含有一個基本平面的基片；一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件重疊于基片上用于繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，旋轉(zhuǎn)軸垂直于平面的基片延伸；和多個梳狀驅(qū)動組件，每個梳狀驅(qū)動組件具有一個第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件安裝在基片上和一個第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件，每個第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件都設有弧形梳狀驅(qū)動叉指、第一和第二間隔開的彈簧，每個第一和第二彈簧都有一個第一端部固定到基片和一個第二端部固定到至少一個第二梳狀驅(qū)動組件上，用于在基片上懸掛第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件，第二梳狀驅(qū)動組件可以沿繞旋轉(zhuǎn)軸的行走方向在第一和第二位置之間運動，在所述第一位置中，第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指和基本上沒有完全交叉，而在第二位置，第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指基本上完全交叉，多個梳狀驅(qū)動組件對著關于旋轉(zhuǎn)軸約180度的角，以形成一個半圓有一個基本上沿半圓的直徑延伸的底，旋轉(zhuǎn)軸鄰接所述的底放置在半圓的中心。
11.權(quán)利要求10所述的微致動器，其特征在于，每個第一和第二彈簧基本上徑向地從旋轉(zhuǎn)軸伸出，并且包括第一和第二梳狀驅(qū)動組件的多個梳狀驅(qū)動組件放置在第一和第二彈簧之間。
12.權(quán)利要求11所述的微致動器，其特征在于，在第一梳狀驅(qū)動組件的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件在所述第一位置時，第二梳狀驅(qū)動組件的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件在所述第二位置。
13.權(quán)利要求10所述的微致動器，其特征在于，第一和第二彈簧的第一端部固定在基片上，鄰接旋轉(zhuǎn)軸。
14.權(quán)利要求10所述的微致動器，其特征在于，每個第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指都有近端部和遠端部，每個近端部有一個寬度并且每個遠端部都有不大于相應的近端部寬度的寬度。
15.權(quán)利要求10所述的微致動器，其特征在于，第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指有不同的長度，并且第二梳狀驅(qū)動組構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指有不同的長度。
16.權(quán)利要求10所述的微致動器，其特征在于，至少一個第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指有各自的，一條假想線互相連接與旋轉(zhuǎn)軸隔開的梳狀驅(qū)動叉指的末端。
17.一種旋轉(zhuǎn)靜電微致動器，含有一個基本平面的基片；一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件重疊在基片上，用于繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)，所述旋轉(zhuǎn)軸垂直于平面的基片延伸；第一和第二直線微馬達，每個第一和第二直線馬達具有第一和第二間隔開的彈簧和至少一個梳狀驅(qū)動組件，所述至少一個梳狀組件具有第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件，第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件安裝在基片上，每個第一和第二彈簧都有一個第一端部固定到基片上，和一個第二端部固定到第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件上，用于在基片上方懸掛第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件，每個第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件都設有梳狀驅(qū)動叉指，第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件可以沿一個直線的行走方向相對于第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件在第一位置和第二位置之間運動，在所述第一位置中，第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指基本上沒有完全交叉，而在第二位置，第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指基本上完全交叉；一個第一連接器用于把第一微馬達的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件固定到旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上，和一個第二連接器用于把第二微馬達的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件固定到旋轉(zhuǎn)構(gòu)件上，從而第一和第二微馬達的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件向第二位置的運動引起旋轉(zhuǎn)構(gòu)件繞旋轉(zhuǎn)軸旋轉(zhuǎn)。
18.權(quán)利要求17所述的微致動器，其特征在于，至少一個梳狀驅(qū)動組件放置在第一和第二彈簧之間。
19.權(quán)利要求18所述的微致動器，其特征在于，每個第一和第二微馬達的第一和第二彈簧沿垂直于相應的第一和第二微馬達行走方向的方向延伸。
20.權(quán)利要求17所述的微致動器，其特征在于，第一和第二連接器含有第一和第二連接彈簧。
21.權(quán)利要求17所述的微致動器，其特征在于，第一和第二微馬達關于可旋轉(zhuǎn)構(gòu)件對稱地放置。
22.權(quán)利要求17所述的微致動器，其特征在于，第一微馬達的直線行走方向平行于第二微馬達的的直線行走方向。
23.權(quán)利要求22所述的微致動器，其特征在于，第一和第二微馬達是并列的。
24.權(quán)利要求17所述的微致動器，其特征在于，每個第一和第二微馬達具有所述的第一和第二梳狀驅(qū)動組件，在第一稱謂的梳狀驅(qū)動組件的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件在所述第一位置時，附加的梳狀驅(qū)動組件的第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件在所述第二位置。
全文摘要
一種旋轉(zhuǎn)靜電微致動器(101),包括:一個基本平面的基片和一個旋轉(zhuǎn)構(gòu)件(103)重疊在基片上用于繞旋轉(zhuǎn)軸(108)旋轉(zhuǎn),旋轉(zhuǎn)軸垂直于平面的基片延伸。包括第一和第二間隔彈簧(113、114)和多個梳狀驅(qū)動組件(106、107)。每個梳狀驅(qū)動組件都一個第一梳狀驅(qū)動構(gòu)件(111)安裝在基片上。每個第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件都設有弧形梳狀驅(qū)動叉指(137、127)。每個第一和第二彈簧有一個第一端部(131a)固定到基片上,并且每個第二彈簧構(gòu)件有一個第二端部(131b)固定到至少一個第二梳狀驅(qū)動組件上,用于在基片上懸掛第二梳狀驅(qū)動組件和旋轉(zhuǎn)構(gòu)件。第二梳狀驅(qū)動組件可以沿繞旋轉(zhuǎn)軸的行走方向在第一和第二位置之間運動,在所述第一位置中,第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指基本上沒有完全交叉,而第二位置,第一和第二梳狀驅(qū)動構(gòu)件的梳狀驅(qū)動叉指基本上完全交叉。
文檔編號G11B11/105GK1333943SQ99815672
公開日2002年1月30日 申請日期1999年12月15日 優(yōu)先權(quán)日1998年12月15日
發(fā)明者約漢·H·杰爾曼, 約漢·D·格拉德 申請人:躍龍公司