专利名称：致动器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种致动器，特别涉及一种采用二自由度振动系统的致动器。
背景技术：
公知的是，例如，在设置在激光打印机中的光学扫描仪中使用的光学多面体(旋转多面体)。在这样的打印机中，为了同时获得更高分辨率、更高质量的打印输出以及更高速的打印，必须以更高的速度旋转光学多面体。目前，空气轴承用于，稳定地高速旋转光学多面体。然而，存在的问题是以高于现有可用速度旋转光学多面体是困难的。此外，虽然需要更大的电动机，以便于以更高的速度旋转光学多面体，但是这种更大型的电动机的使用所引起的问题是，小型化使用光学多面体的设备的尺寸将是困难的。此外，这种光学多面体的使用引起的另一问题是设备结构必须变得更加复杂，因而导致生产成本的增加。
另一方面，在致动器领域的研究的早期阶段，已经提出了如图8所示的单自由度扭转振荡器。由于这种振荡器使用相互平行设置的扁平电极，所以其具有相当简单的结构(例如，参见K.P.Pertersen“Silicon Torsional Scanning Mirror”、IBMJ.Res.Develcp.，Vol(1980)，P.631)。此外，已经提出了一种通过修改上述扭转振荡器从而使其具有悬臂结构而获得的单自由度静电驱动型振荡器(例如，参见Kawamura et al.“Research in micromechanics using Si”，Proceedings of the Japan Society for Precision EngineeringAutumn Conference(1986)P.753)。
图8示出了这种单自由度静电驱动型扭转振荡器。在该扭转振荡器中，通过衬垫200，将单晶硅制成的可活动电极板300在其端固定部分300a处，固定在玻璃衬底1000的两端。可活动电极板300包括可活动电极部分300c，其由端固定部分300a通过窄扭力条300b支撑。此外，在玻璃衬底上设置固定电极400，从而通过预定电极间隔，使其与可活动电极部分300c相对。更具体地，通过其间的电极间隔，使固定电极400与可活动电极部分300c平行设置。固定电极400经过开关600和电源500与可活动电极板300相连。
在具有上述结构的扭转振荡器中，当将电压施加在可活动电极部分300c和固定电极400上时，由于静电的吸引，可活动电极部分300围绕扭力条300b的轴旋转。由于静电吸引与电极间隔的平方成反比，优选地，这种静电致动器具有在可活动电极部分300c和固定电极400之间的小电极间隔。然而，在上述单自由度扭转振荡器中，作为可活动部分的可活动电极部分300c也具有电极。所以，如果电极间隙太小，则可活动电极部分的可活动范围(旋转角)必须是有限的。另一方面，为了扩大可活动电极部分的活动范围，必须加宽电极间隙，而这将需要较大的驱动电压。即，上述单自由度扭转振荡器涉及的问题是难以同时实现低电压驱动和大位移。
发明内容
所以，本发明的目的是提供一种能够高速、低电压进行操作并获得大位移(即，大旋转角度或大偏转角度)的致动器。
为了实现这一目的，本发明提供了一种采用二自由度振荡系统的致动器，所述致动器包括第一块部分；第二块部分；支撑部分；至少一对弹性连接部分，其将第一块部分连接到所述支撑部分，从而使第一块部分能够相对于支撑部分旋转；以及至少一对第二弹性连接部分，其将第二块部分连接到第一块部分，从而使第二块部分能够相对于第一块部分旋转，其中通过施加交流电压驱动第一块部分，使第二块部分旋转，并且设置交流电压的频率，从而使其实质上与第一块部分和第二块部分谐振的二自由度振荡系统的谐振频率的较低谐振频率一致。
根据上述本发明，可以提供一种能够以高速、低电压进行操作并实现大旋转角度(即，大偏转角度)的致动器。此外，能够在抑制第一块部分的振动(振幅)的同时，增加第二块部分的旋转角度(偏转角度)。
在根据本发明的致动器中，优选地，所述致动器包括相对衬底，对其进行设置，通过预定距离与支撑部分相对，相对衬底具有面向支撑部分的表面；以及电极对，设置在相对衬底表面上，位于与第一块部分的位置相对应的位置处，其中通过在电极和第一块部分间产生的静电力来驱动第一块部分。这也使其能够增加第二块部分的旋转角度(偏转角度)。
在根据本发明的致动器中，优选地，所述相对衬底包括位于与第二块部分的位置相对应的位置处的开口。当第二块部分旋转时，这样的致动器能够阻止第二块部分和相对衬底的接触，所以，能够进一步增加第二块部分的旋转角度(偏转角度)。
在根据本发明的致动器中，优选地，所述第二块部分包括光反射部分。例如，当将其用在光扫描仪上时，这样的致动器能够容易地改变光学(光)路径。
在根据本发明的致动器中，优选地，当将第一弹性连接部分的弹簧常数定义为k1，并将第二弹性连接部分的弹簧常数定义为k2时，k1和k2满足关系式k1＞k2。这使其能够，在抑制第一块部分的振动(振幅)的同时，进一步增加第二块部分的旋转角度(偏转角度)。
在根据本发明的致动器中，优选地，当将第一块部分的质量定义为m1，并将第二块部分的质量定义为m2时，m1和m2满足关系式m1≤m2。这使其能够，在抑制第一块部分的振动(振幅)的同时，进一步增加第二块部分的旋转角度(偏转角度)。
在根据本发明的致动器中，优选地，第一弹性连接部分对和第二弹性连接部分对中至少一个包括压力电阻元件。例如，这使其能够检测旋转角度和旋转频率。此外，也能够使用检测结果来控制第二块部分的姿态。
在参照附图，考虑以下对优选实施例的描述时，本发明的上述和其他目的、结构和优点将变得更加清晰。
图1是示出了根据本发明的致动器的第一实施例的平面图。
图2是示出了根据本发明的致动器的第一实施例的截面图。
图3是示出了第一实施例的相对衬底和电极的平面图。
图4是示出了所施加的交流电压的频率和第一块部分及第二块部分的谐振曲线的曲线图。
图5是示出了制造根据本发明的致动器的方法的一个示例的步骤图。
图6是示出了根据本发明的致动器的第二实施例的平面图。
图7是示出了根据本发明的致动器的第三实施例的平面图。
图8是示出了传统致动器的透视图。
具体实施例方式
以下，将参照附图，对根据本发明致动器的优选实施例进行描述。
首先，将对根据本发明的致动器的第一实施例进行描述。图1是示出了根据本发明的致动器的第一实施例的平面图，图2是示出了根据本发明的致动器的第一实施例的截面图，图3是示出了第一实施例的相对衬底和电极的平面图，以及图4是示出了所施加的交流电压的频率和第一块部分及第二块部分的谐振曲线的曲线图。
如图1所示的致动器100包括第一块部分(即，驱动部分)1，第二块部分(即，可活动部分)2，以及支撑部分对3。第一块部分1、第二块部分2和支撑部分3中的每一个均由如硅或类似物质制成。在本实施例的第二块部分2的表面(即第二块部分2的不面对稍后将要描述的相对衬底6的表面)上，设置光反射部分21。
此外，如图1所示，致动器100包括一对第一弹性连接部分4和一对第二弹性连接部分5。第一弹性连接部分对4分别将第一块部分1连接到支撑部分3，从而使第一块部分1能够相对于支撑部分3旋转。第二弹性连接部分对5分别将第二块部分2连接到第一块部分1，从而使第二块部分2能够相对于第一块部分1旋转。
如图2所示，通过绝缘部分8将支撑部分3与衬垫9分别连接。每个绝缘部分8由如硅的氧化物或氮化物等制成，并且每个衬垫9由硅等制成。此外，如图2所示，本实施例的致动器100包括相对衬底6。设置相对衬底6，从而通过预定距离与支撑部分3相对。相对衬底6由各种玻璃材料或硅制成。
如图2所示，将支撑部分3通过衬垫9和绝缘部分8分别支撑在相对衬底6上。如图2和图3所示，相对衬底6在与第二块部分2的位置相对应的位置上具有开口。此外，在相对衬底6上，在与第一块部分1的位置相对应的位置上设置电极对7。这些电极7实质上相对于第一块部分1的旋转轴(即，相对于第一弹性连接部分4)对称排列。
电极7通过电源(图中未示出)与第一块部分1相连，从而能够在第一块部分1和电极7的两端施加交流电压(驱动电压)。此外，在第一块部分1的表面(即，第一块部分面对电极7的表面)上设置绝缘膜(图中未示出)，以防止短路。在具有上述结构的二自由度振动型致动器中，第一块部分1和第一弹性连接部分4组成第一振动系统，并且第二块部分2和第二弹性连接部分5组成第二振动系统。
当在第一块部分1和电极7两端施加交流电压时，在第一块部分1和电极7之间产生静电力。已产生的静电力将第一块1吸引向电极7，从而第一块部分1围绕第一弹性连接部分4的轴旋转(即，通过施加交流电压，第一块部分1振动)。第一块部分1的振动使得通过第二弹性部分5与第一块部分1相连的第二块部分2围绕第二弹性连接部分5的轴旋转(即，第二块部分2也振动或偏转)。
应当注意，在第一块部分1和第二块部分2的振幅(振动)与所施加的交流电压的频率之间，该二自由度振荡型致动器具有如图4所示的频率特性。即，由第一块部分1、第一弹性连接部分4、第二块部分2和第二弹性连接部分5组成的二自由度振动系统具有两个谐振频率fm1(KHz)和fm3(KHz)(其fm1＜fm3中)和一个反谐振频率fm2(KHz)，在所述谐振频率，第一块部分1和第二块部分2的振幅变大；以及在所述反谐振频率，第一块部分1的振幅实质上为零。
具有上述结构的致动器的特征在于，设置要施加在第一块部分1和电极两端的交流电压的频率F，从而使其实质上与两个谐振频率中的较低谐振频率相同，即，设置频率F从而使其实质上与fm1相同。通过设置所要施加的交流电压的频率F(KHz)，从而使其实质上fm1相同，能够在抑制第一块部分1的振动的同时，增加第二块部分2的旋转角度(偏转角度)。在这一点上，应当注意，在本说明书中，F(KHz)实质上与fm1相同的事实意味着F和fm1满足关系式(fm1-1)≤F≤(fm1+1)。
优选地，第二块部分2相对于与设置有电极7的相对衬底6的表面相平行的方向的最大偏转角度为20°或更多。例如，通过使用这样的致动器作为光学扫描仪，易于减小如激光打印机等设备。优选地，第一块部分1的平均厚度在1到1,000μm的范围内，更优选地，在10到300μm的范围内。
优选地，第二块部分2的平均厚度在1到1,000μm的范围内，更优选地，在10到300μm的范围内。优选地，每个第一弹性连接部分4的弹簧常数(k1)在1×10-4到1×104Nm/rad的范围内，更优选地，在1×10-2到1×103Nm/rad的范围内，更为优选地，在1×10-1到1×102Nm/rad的范围内。通过将弹性连接部分4的弹簧常数(k1)的值设置在上述范围内，能够进一步增大第二块部分2的旋转角度(偏转角度)。此外，优选地，每个第二弹性连接部分5的弹簧常数(k2)在1×10-4到1×104Nm/rad的范围内，更优选地，在1×10-2到1×103Nm/rad的范围内，更为优选地，在1×10-1到1×102Nm/rad的范围。通过将弹性连接部分5的弹簧常数(k2)的值设置在上述范围内，在抑制第一块部分1的振动的同时，能够进一步增大第二块部分2的旋转角度(偏转角度)。
在将弹性连接部分4的弹簧常数定义为(k1)，并将第二弹性连接部分5的弹簧常数定义为(k2)的情况下，优选的是，k1和k2满足关系式k1＞k2。这能够在抑制第一块部分1的振动的同时，进一步增加第二块部分2的旋转角度(偏转角度)。此外，在将第一块部分1的质量定义为m1，并将第二块部分2的质量定义为m2的情况下，优选的是，m1和m2满足关系式m1＞m2。这能够在抑制第一块部分1的振动的同时，进一步增加第二块部分2的旋转角度(偏转角度)。
现在，能够通过公式ω1＝(k1/m1)1/2来确定第一振动系统的自然频率ω1，其中m1表示第一块部分1的质量，k1表示每个第一弹性连接部分4的弹簧常数。能够通过公式ω2＝(k2/m2)1/2来确定第二振动系统的自然频率ω2，其中m2表示第二块部分2的质量，k2表示每个第二弹性连接部分5的弹簧常数。以上述方式描述的第一振动系统的自然频率ω1和第二振动系统的自然频率ω2满足关系式ω1＞ω2。这能够在抑制第一块部分1的振动的同时，进一步增加第二块部分2的旋转角度(偏转角度)。
现在，在本实施例的致动器100中，优选地，致动器100具有位于其第一弹性连接部分对4和第二弹性连接部分对5中的至少一个中的压力电阻元件。例如，这使其能够检测旋转角度和旋转频率。此外，还能够利用检测结果控制第二块部分2的姿态。
下面，参照附图，将对用于制造如图1和图2所示的致动器100的方法的一个示例进行描述。图5是示出了一种制造根据本发明的致动器的方法的一个示例的步骤图。在这个示例中，致动器100通过下面三个步骤制造。
<第一步骤>
首先，如图5(a)所示，准备由第一Si层40、SiO2层8’和第二Si层9’够成的SOI衬底50。其次，如图5(b)所示，对第一Si层40进行蚀刻，以形成第一块部分1、第二块部分2、支撑部分3、第一弹性连接部分4和第二弹性连接部分5。然后，如图5(c)所示，对第二Si层9’进行蚀刻，以形成衬垫9。然后，如图5(d)所示，通过真空蒸发方法在第二块部分2上形成光反射部分21，以获得上衬底60。
<第二步骤>
首先，如图5(e)所示，准备玻璃衬底6’。其次，如图5(f)所示，对玻璃衬底6’进行蚀刻，以形成具有开口61的相对衬底6。然后，如图5(g)所示，通过真空蒸发方法在相对衬底6上形成电极7，以获得下衬底70。
<第三步骤>
如图5(h)所示，将在步骤1中获得的上衬底60和在步骤2中获得的衬底70通过阳极粘和相结合。然后，如图5(i)所示，通过蚀刻去除除夹在支撑部分3和衬底9之间的部分以外的SiO2层8’的部分，以形成绝缘部分8。这样，制成了致动器100。这里，应当注意的是，第二步骤可以和第一步骤同时进行，或先于第一步骤进行。
然后，将对根据本发明的致动器的第二实施例进行描述。图6是示出了根据本发明的致动器的第二实施例的平面图。以下，将通过比较第一和第二实施例的不同，对图6所示实施例进行描述，所以，相同点将被省略。如图6所示，本实施例的致动器100’包括两对第一弹性连接部分4’和两对第二弹性连接部分5’。两对第一弹性连接部分4’分别将第一块部分1连接到支撑部分3，从而使第一块部分1能够相对于支撑部分3旋转。两对第二弹性连接部分5’分别将第二块部分2连接到第一块部分1，从而使第二块部分2能够相对于第一块部分1旋转。
根据这样的结构，能够更可靠地控制第二块部分2的旋转角度(偏转角度)。应当注意，在这种情况下，即，致动器100包括两对第一弹性连接部分4’和两对第二弹性连接部分5’的情况下，在连接在一个支撑部分3和第一块部分1之间的两个弹性连接部分等价于实质上设置在与第二实施例的两个弹性连接部分相同位置上的第一实施例的单弹性连接部分的假定下，确定其弹簧常数k1或k2。
接下来，将对根据本发明的致动器的第三实施例进行描述。图7是示出了根据本发明的致动器的第二实施例的平面图。以下，将通过比较第一和第三实施例的不同，对图7所示实施例进行描述，所以，相同点将被省略。本实施例的致动器100”由静电力驱动(即，洛伦兹力)。
具体地，如图7所示，致动器100”包括分别设置在支撑部分3中的端子10；设置在第一块部分1的表面(即，第一块部分1的不面向相对衬底6的表面)上的线圈20；设置在第一块部分1两侧的永久磁铁对30，从而将第一块部分1设置在其间。设置永久磁铁30对，从而使一个磁铁30的南极和另一磁铁30的北极彼此相对。线圈20的端部分别连接到端子10上。此外，端子10连接到电源上(图中未示出)，从而能够将交流电压施加在线圈20上。
在本实施例中，当将交流电压施加在线圈20上时，在线圈20(第一块部分1)和永久磁铁30间产生洛伦兹力，并且所产生的洛伦兹力驱动致动器100”。
优选地，上述基于第一到第三实施例的致动器能够应用于用在如激光打印机、条形码读取器等中的光学扫描仪，或用于成像的显示器。
虽然，已经参照附图所示的实施例对根据本发明的致动器进行了描述，但是本发明将不仅限于此。
例如，只要获得相同功能，能够对本发明的致动器的每个部分进行各种改动和增加。此外，上述实施例的每个致动器具有一对或两对第一弹性连接部分4，但是本发明并不限于此，例如可以具有三对或更多对第一弹性连接部分4。
此外，上述实施例的每个致动器具有一对或两对第二弹性连接部分5，但是本发明并不限于此，例如可以具有三对或更多对第二弹性连接部分5。
此外，在上述实施例的每个致动器中，在第二块部分2的不面向相对衬底6的表面上设置了光反射部分21，但是在根据本发明实施例的致动器中，例如，可以在第二块部分2的相反表面上设置光反射部分21，或在第二块部分2的两个表面上都设置光反射部分21。
此外，上述第一和第二实施例的每个致动器中，在相对衬底6上设置了电极7，但是在根据本发明的致动器中，可以在第一块部分1上设置电极7，或可以在相对衬底6、第一块部分1上分别设置电极7。此外，上述第一和第二实施例的每个致动器具有电极对7，但是在根据本发明的致动器中，电极无需一直成对使用。
此外，在上述实施例的每个致动器中，第一弹性连接部分和第二弹性连接部分具有如图所示的形状，但是在根据本发明的致动器中，其形状不限于此，例如，可以是曲柄状或分支状。此外，在上述第一和第二实施例的每个致动器中，在第一块部分1的、面对电极7的表面上设置了绝缘膜，用于防止短路，但是在根据本发明的致动器中，例如，可以在电极7的表面上设置绝缘膜，或在第一块部分1和电极7的表面上设置绝缘膜。
此外，在上述第三实施例的致动器中，在第一块部分1的、不面对相对衬底6的表面上设置线圈20，但是在根据本发明的致动器中，例如，可以在第一块部分1的相反表面上或可以在第一块部分1内部设置线圈20。此外，在上述制造方法的示例中，整体形成了上层衬底60，但是上层衬底60并不局限于是整体形成的。例如，通过整体形成第一块部分1、第二块部分2、支撑部分3、第一弹性连接部分4以及第二弹性连接部分5而获得的衬底可以通过由玻璃等构成的衬垫，与下层衬底70粘和。可替代地，这些部分的每一个都可以分别构成，从而通过粘和来组装所获得的部分。
权利要求
1.一种采用二自由度振荡系统的致动器，所述致动器包括第一块部分；第二块部分；支撑部分；至少一对弹性连接部分，其将第一块部分连接到所述支撑部分，从而使第一块部分能够相对于支撑部分旋转；以及至少一对第二弹性连接部分，其将第二块部分连接到第一块部分，从而使第二块部分能够相对于第一块部分旋转，其中通过施加交流电压驱动第一块部分，使第二块部分旋转，并且设置交流电压的频率，从而使其实质上与第一块部分和第二块部分谐振的二自由度振荡系统的谐振频率的较低谐振频率一致。
2.按照权利要求1所述的致动器，其特征在于，还包括相对衬底，对其进行设置，通过预定距离与支撑部分相对，相对衬底具有面向支撑部分的表面；以及电极对，设置在相对衬底表面上，位于与第一块部分的位置相对应的位置处，其中通过在电极和第一块部分间产生的静电力来驱动第一块部分。
3.按照权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述相对衬底包括位于与第二块部分的位置相对应的位置处的开口。
4.按照权利要求2所述的致动器，其特征在于，所述第二块部分包括光反射部分。
5.按照权利要求1所述的致动器，其特征在于，当将第一弹性连接部分的弹簧常数定义为k1，并将第二弹性连接部分的弹簧常数定义为k2时，k1和k2满足关系式k1＞k2。
6.按照权利要求1所述的致动器，其特征在于，当将第一块部分的质量定义为m1，并将第二块部分的质量定义为m2时，m1和m2满足关系式m1≤m2。
7.按照权利要求1所述的致动器，其特征在于，第一弹性连接部分对和第二弹性连接部分对中的至少一个包括压力电阻元件。
全文摘要
一种采用二自由度振动系统型的致动器，包括第一块部分；第二块部分；支撑部分对；至少一对弹性连接部分，其将第一块部分连接到所述支撑部分，从而使第一块部分能够相对于支撑部分旋转；以及至少一对第二弹性连接部分，其将第二块部分连接到第一块部分，从而使第二块部分能够相对于第一块部分旋转。通过施加交流电压驱动第一块部分，使第二块部分旋转，并且设置交流电压的频率，从而使其实质上与第一块部分和第二块部分谐振的二自由度振荡系统的谐振频率的较低谐振频率一致。这能够提供能够以高速、低电压进行操作并获得大旋转角度的致动器。
文档编号G02B26/10GK1592069SQ20041006872
公开日2005年3月9日 申请日期2004年9月6日 优先权日2003年9月5日
发明者与田光宏 申请人:精工爱普生株式会社