专利名称：微型振荡元件的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种具有可发生旋转位移的振荡部分的微型振荡元件。特别是涉及一种可用于微型反射镜元件的微型振荡元件，所述微型反射镜元件可被制成光学装置例如，利用光波执行精确测量的光学测量装置、为光盘记录和复制数据用的光盘装置、以及在多根光纤之间转换光路以改变光的传播方向的光学转换装置。
背景技术：
近年来，在各个技术领域都在尝试应用MEMS(微型机电系统)装置，其具有通过微加工技术形成的微型结构。例如，在光通讯技术领域中，具有光反射功能的微型反射镜元件正受到关注。
微型反射镜元件具有用于反射光的镜面，其能通过该镜面的振荡改变光的反射方向。使用静电力来振荡镜面的静电驱动型微型反射镜元件可用于许多光学装置。静电驱动型微型反射镜元件可粗略分为两种通过所谓表面微加工技术制造的微型反射镜元件，和通过所谓体型微加工技术制造的微型反射镜元件。
在表面微加工技术中，在衬底上将与每个构成区域对应的材料薄膜加工成理想图案，接着通过将这些图案顺序地层叠起来，形成每个组成元件区域，例如支持体、镜面和电极、以及作为要除掉的层的牺牲层。例如，在日本专利申请特许公开的H7-287177中公开了通过这种表面微加工技术获得的静电驱动型微型反射镜元件。另一方面，在体型微加工技术中，可通过对材料衬底本身进行的蚀刻，将支持体和反射镜部件作成理想形状，必要时用薄膜作成镜面和电极。例如，在日本专利申请特许公开的H9-146032、H9-146034、H10-62709和2001-13443中公开了体型微加工技术。
微型反射镜元件所需的一个技术问题是用于反射光的镜面的高度平整度。但是，根据表面微加工技术，其中最终要形成的镜面很薄，镜面容易弯曲，因此很难在大面积的整个镜面上实现高的平整度。而在体型微加工技术中，镜面设置在反射镜部件上，该反射镜部件是利用蚀刻技术对较厚材料的衬底本身进行蚀刻形成的，因此更容易保证大面积镜面上的反射镜部件的刚度。因此，对于形成足够高光学平整度的镜面而言，体型微加工技术是优选的。
图24和25显示通过体型微加工技术制造的传统静电驱动型微型反射镜元件X6。图24是该微型反射镜元件X6的分解立体图，图25是沿图24中装配好的微型反射镜元件X6的XXV-XXV线剖开的剖视图。
微型反射镜元件X6具有层叠起来的反射镜衬底60和底部衬底66。反射镜衬底60由反射镜部件61、框架62和一对与这些部件相连的扭杆63组成。反射镜部件61、框架62和这对扭杆63的外形是通过对例如具有导电性的硅衬底的预定材料衬底的一面进行蚀刻而形成的。在反射镜部件61的前表面形成了镜面64。在反射镜部件61的后面，设置了一对电极65a和65b。这对扭杆63确定了后面要提到的反射镜部件61的振荡操作的旋转轴A6。在底部衬底66上，设置了面向反射镜部件61的电极65a的电极67a和面向其上的电极65b的电极67b。
在微型反射镜元件X6中，当向反射镜衬底60的框架62施加电压时，电压通过这对扭杆63和反射镜部件61传递给电极65a和电极65b，利用导电性相同的材料将这对扭杆63和反射镜部件61与框架62集成为一体。由此通过向框架62施加预定电压，就能使电极65a和65b充上例如正电。如果该状态下为底部衬底66的电极67a充上负电，那么在电极65a和电极67a之间就产生了静电吸引，如图25所示，反射镜部件61随着这对扭杆63扭转而沿箭头M6的方向振荡。反射镜部件61振荡到使电极之间的静电吸引与扭杆63的总扭转阻力相平衡的角度。另一方面，如果在为反射镜部件61的电极65a和65b充上正电的状态下，为电极67b充上负电，就会在电极65b和电极67b之间产生静电吸引，反射镜部件61沿与箭头M6相反的方向振荡。通过反射镜部件61的这种振荡驱动，就能改变由镜面64所反射的光的反射方向。
为了提高反射镜部件61的谐振频率(例如几百kHz或以上)以满足微型反射镜元件X6的高速操作的要求，现有技术中采用提高扭杆63的扭转方向的刚度(扭转刚度)以提高反射镜部件61的旋转刚度的方法、或者采用降低反射镜部件61的质量以降低它的惯性力矩(相对于轴A6的区域的极惯性力矩)的方法。一般而言，反射镜部件(执行旋转操作的区域)的谐振频率由下面的公式(1)给出。在公式(1)中，f0是反射镜部件的谐振频率，K是反射镜部件的旋转刚度，I是反射镜部件的惯性力矩(相对于轴的区域的极惯性力矩)。
f0=KI----(1)]]>根据公式(1)，对于微型反射镜元件X6的反射镜部件61而言，其旋转刚度越高或者其惯性力矩越低，所获得的谐振频率就越高。随着扭杆63的扭转刚度变高，反射镜部件61的旋转刚度就会变高，当反射镜部件61沿一个方向振荡时存储在该扭杆63内的势能增加，因此在反射镜部件61在沿一个方向振荡完成后又沿相反方向振荡时、势能从扭杆63中被释放出来并转换成动能的该势能的量增加，这很适合获得高谐振频率。随着反射镜部件61的惯性力矩减少，反射镜部件61的预定振荡操作所需的驱动力就越小，因此这适合获得高谐振频率。
提高扭杆63的扭转刚度的公知方法是增加扭杆63的厚度和宽度，由此增加它的横截面积。但是，由于实际原因，必需将扭杆63的厚度设成反射镜部件61的厚度或者更小。如果扭杆63的厚度超过了反射镜部件61的厚度，那么扭杆63的扭转刚度就会过度增加，在这种情况下，即使产生了反射镜部件61的驱动力，该扭杆63也不能发生适当扭转，并且反射镜部件61就会倾向于变形。如果扭杆63的宽度不适宜地增加，这也会过度增加扭杆63的扭转刚度，在这种情况下，即使产生了反射镜部件61的驱动力，该扭杆63也不能适当地扭转，反射镜部件61倾向于发生变形。
通过降低反射镜部件61的重量来降低其惯性力矩的公知方法是降低反射镜部件61的厚度。但是，随着反射镜部件61变得越薄，反射镜部件61本身就越倾向于发生弯曲，这使得保证镜面64的平整度变得困难。如果镜面64的平整度得不到充分保证，就不能在微型反射镜元件X6中实现适当的光反射功能。
因此，现有技术很难在高谐振频率下操作微型反射镜元件或微型振荡元件。
发明内容
本发明正是在上述情况下提出的。因此本发明的目的是提供一种适合在高谐振频率下操作的微型振荡元件。
依照本发明的第一方面，提供了一种微型振荡元件，其包括振荡部分；主框架；第一弹簧和第二弹簧，其使得该振荡部分由该框架支撑。振荡部分位于第一弹簧和第二弹簧之间，第一弹簧和第二弹簧中的每一个都可随振荡部分的振荡发生形变。
在具有上述结构的微型振荡元件中，振荡部分的旋转刚度可通过第一和第二弹簧获得，所述弹簧会随振荡部分的振荡操作发生偏转。这是因为第一和第二弹簧向振荡部分的振荡操作分别施加通过偏转刚度和弯曲刚度产生的偏转阻力。当存在一扭杆时，其与向振荡操作施加由扭转刚度产生的扭转阻力的扭杆物理相当(physically equivalent)，该扭杆与振荡部分和框架相连并限定了沿振荡部分的振荡操作的振荡轴。因此在依照本发明第一方面的微型振荡元件中，可通过适当调节第一和第二弹簧的偏转刚度为振荡部分获得理想的高旋转刚度。该元件还可这样构造即在不使用连接振荡部分和框架的扭杆的情况下，使振荡部分作适当振荡。
依照本发明，在沿振荡方向向振荡部分的预定振荡端施加驱动力时，随振荡部分的振荡操作发生偏转的第一和第二弹簧分别沿着与振荡方向相反的方向向振荡部分或其振荡端施加拉力。于是在微型振荡元件中，通过使振荡部分达到足够的薄度，就能实现理想的小惯性力矩，并通过适当调节第一和第二弹簧的偏转刚度，就可以避免振荡部分在振荡方向上的不当形变。
如上所述，在依照本发明第一方面的微型振荡元件中，能够为振荡部分获得很高的旋转刚度，并能实现很小的惯性力矩。该微型振荡元件对于在高谐振频率下工作是优选的，以实现高振荡操作。
依照本发明的第二方面，微型振荡元件还包括通过第一弹簧与框架相连的第一启动部分；通过第二弹簧与框架相连的第二启动部分；连接振荡部分和第一启动部分的第一薄部；以及连接振荡部分和第二启动部分的第二薄部。第一和第二启动部分位于第一和第二弹簧之间，振荡部分位于第一和第二启动部分之间，第一和第二启动部分每个都可沿振荡部分的移动的方向移动，当第一启动部分移动时，第一弹簧可偏转；在第二启动部分移动时，第二启动部分可偏转。
通过上述设置，振荡部分的旋转刚度可通过随振荡部分的振荡操作发生偏转的第一和第二弹簧获得。这是因为第一弹簧通过第一启动部分和第一薄部向振荡部分的振荡操作施加了由偏转刚度或弯曲刚度产生的偏转阻力，第二弹簧通过第二启动部分和第二薄部向振荡部分的振荡操作施加了由振荡刚度和弯曲刚度产生的偏转阻力。因此在依照本发明第二方面的微型振荡元件中，与依照第一方面的微型振荡元件类似，也可通过适当调节第一和第二弹簧的偏转刚度，为振荡部分获得理想的高旋转刚度。
依照本发明的第二方面，在沿振荡方向向振荡部分的预定振荡端施加驱动力时，随振荡部分的振荡操作发生偏转的第一弹簧通过第一启动部分和第一薄部沿着与振荡方向相反的方向向振荡部分或其振荡端的一侧施加拉力。此外，随振荡部分的振荡操作发生偏转的第二弹簧通过第二启动部分和第二薄部沿着与振荡方向相反的方向向振荡部分或其振荡端的另一侧施加拉力。于是在依照本发明第二方面的微型振荡元件中，与依照第一方面的微型振荡元件类似，也能通过为振荡部分获得足够薄度来实现理想的小惯性力矩，并能通过适当调整第一和第二弹簧的偏转刚度来避免振荡部分在振荡方向上发生的不当形变。
如上所述，在依照本发明第二方面的微型振荡元件中，能为振荡部分获得很高的旋转刚度和很小的惯性力矩。
优选的是，第一和第二弹簧是板簧。对于为了通过体型微加工技术获得偏转刚度理想的弹簧而言，板簧是优选的。
优选的是，微型振荡元件还包括至少一个用于振荡部分的振荡操作限定振荡轴的扭杆。在这种情况下，优选的是，扭杆的垂直于振荡轴切开的横截面是交叉形。扭杆的横截面积可沿振荡轴变化。对于为振荡部分实现围绕该轴的预定振荡操作而言，具有该结构的扭杆是优选的。
优选的是，第一弹簧、第二弹簧和扭杆中的至少一个还包括刚度调节装置。刚度调节装置是在弹簧或扭杆上形成的一个或多个孔。在这种情况下，这一个或多个孔可沿厚度方向或沿宽度方向穿透弹簧或扭杆。在多个孔的情况下，一部分孔沿厚度方向穿透弹簧或扭杆，在这多个孔中的其它部分的孔沿宽度方向穿透弹簧或扭杆。刚度调节装置可以是多个加强肋的形式。这些加强肋沿弹簧或扭杆的宽度方向和/或厚度方向伸出。第一弹簧、第二弹簧或扭杆的宽度在从振荡部分、第一启动部分或第二启动部分到框架之间的区域内变化。与之不同或者与之相伴的是，第一弹簧、第二弹簧或扭杆的厚度在从振荡部分、第一启动部分或第二启动部分到框架之间的区域内变化。通过这种结构，也能为第一弹簧、第二弹簧或扭杆调节偏转刚度或扭转刚度。
第一弹簧和第二弹簧可沿微型振荡元件或振荡部分的厚度方向共同设置。如果该装置包括一对通过振荡部分彼此面对的扭杆，这对扭杆可沿该装置或振荡部分的厚度方向共同设置。
微型振荡元件还包括与框架相连的底部部分；以及连接底部部分和振荡部分的第三弹簧。第三弹簧具有一对凹槽，这对凹槽沿第一和第二弹簧彼此隔开的方向彼此隔开。该第三弹簧优选是为振荡部分确定预定的振荡轴。
优选的是，本发明的微型振荡元件还包括为微振荡部分的振荡操作产生驱动力的启动器。在这种情况下，优选的是，启动器产生的驱动力(驱动扭矩)的频率与振荡部分的振荡操作的谐振频率之间的差值为该谐振频率的1％或者更低。例如该启动器是静电驱动启动器，其由设置在振荡部分的可移动电极和设置在底部部分的固定电极构成。或者，该启动器是电磁启动器，其包括分别设置在振荡部分和底部部分的磁铁和线圈。或者，该启动器由连接弹簧或扭杆的压电元件构成。
优选的是，振荡部分具有光学元件。如果微型振荡元件是微型反射镜元件，光学元件就是可反射光的镜面。如果在振荡部分中设置了衍射光栅、光源或者光检测器而不是镜面，依照本发明的微型振荡元件可构造成其它的功能性元件。
本发明的微型振荡元件还包括用于检测框架和振荡部分的相对旋转位移的位移检测装置。该结构对于为振荡部分实现高精度振荡操作是优选的。
本发明的微型振荡元件还包括设置在主框架之外的第二框架；以及连接第二框架和主框架的第三和第四弹簧。主框架位于第三和第四弹簧之间，第三和第四弹簧的每一个都可随主框架的振荡发生形变。
微型振荡元件的上述结构与依照本发明第一方面的微型振荡元件添加了上述第二框架、第三弹簧和第四弹簧的结构相对应。因此依照上述设置，与第一方面中的振荡部分类似，能为振荡主部分获得很高的旋转刚度和很小的惯性力矩。此外，与在第一方面的上述振荡部分类似，能为该主框架获得很高的旋转刚度和很小的惯性力矩。这样，将依照本发明第一方面的微型振荡元件可以构造成多轴微型振荡元件。
优选的是，第一和第二弹簧彼此隔开的方向与第三和第四弹簧彼此隔开的方向交叉。
优选的是，微型振荡元件还包括至少一个用于限定振荡部分的振荡的第一振荡轴的扭杆；以及至少一个用于限定主框架的振荡的第二振荡轴的扭杆。第一振荡轴和第二振荡轴可以彼此以90°相交。
图1是描绘依照本发明第一实施例的微型反射镜元件的立体图；图2是沿图1中的II-II线剖开的剖视图；图3A-图3B显示了在依照本发明的微型反射镜元件中的弹簧的变形形式，其中图3A是俯视图，图3B是侧视图；图4A-图4C显示了依照本发明的微型反射镜元件中的弹簧的另一变形形式，其中图4A是俯视图，图4B是侧视图，图4C是沿图4A的IV-IV线剖开的剖视图；图5A-图5C显示了依照本发明的微型反射镜元件中的弹簧的另一变形形式，其中图5A是俯视图，图5B是侧视图，图5C是沿图5A的V-V线剖开的剖视图；图6A-图6B显示了依照本发明的微型反射镜元件中的弹簧的另一变形形式，其中图6A是俯视图，图6B是沿图6A的VI-VI剖开的剖视图；图7A-图7B显示了依照本发明的微型反射镜元件中的弹簧的另一变形形式，其中图7A是俯视图，图7B是沿图7A的VII-VII线剖开的剖视图；图8A-图8B显示了依照本发明的微型反射镜元件中的弹簧的另一变形形式，其中图8A是俯视图，图8B是沿图8A的VIII-VIII线剖开的剖视图；图9显示了依照本发明的微型反射镜元件中的弹簧的另一变形形式，其中图9A是俯视图，图9B是侧视图；
图10是当将梳状电极用作启动器时，沿图1的II-II线剖开的剖视图；图11是当将梳状电极用作启动器时，沿图1的XI-XI线剖开的剖视图；图12是描绘了依照本发明第二实施例的微型反射镜元件的立体图；图13是沿图12中的XIII-XIII线剖开的剖视图；图14是沿图12中的XIV-XIV线剖开的剖视图；图15A-图15B显示了在图12所示的微型反射镜元件中的扭杆的变形形式，其中图15A是俯视图，图15B是沿图15A的XV-XV线剖开的剖视图；图16A-图16B显示了在图12的所示微型反射镜元件中的扭杆的变形形式，其中图16A是剖视图，图16B是沿图16A的XVI-XVI线剖开的剖视图；图17是描绘了依照本发明第三实施例的微型反射镜元件的立体图；图18是沿图17中的XVIII-XVIII剖开的剖视图；图19是沿图17中的XIX-XIX剖开的剖视图；图20是描绘了依照本发明第四实施例的微型反射镜元件的立体图；图21是描绘了依照本发明第五实施例的微型反射镜元件的立体图；图22是沿图21中的XXII-XXII线剖开的剖视图；图23是沿图21的XXIII-XXIII线剖开的剖视图；图24是描绘了传统微型反射镜元件的分解立体图；以及图25是沿图24中的装配好的微型反射镜元件的XXV-XXV线剖开的剖视图。
具体实施例方式
图1和2显示了本发明第一实施例的微型反射镜元件X1。图1是微型反射镜元件X1的立体图，图2是沿图1中的II-II线剖开的剖视图。微型反射镜元件X1具有如下结构通过绝缘层30将反射镜衬底10和底部衬底20层叠起来。
反射镜衬底10由反射镜部件11、围绕反射镜部件11的框架12和一对连接反射镜部件11和框架12的弹簧13A和13B构成。反射镜衬底10是由硅衬底通过体型微加工技术形成的，所述硅衬底的导电性通过掺杂诸如P和As之类的n型杂质、或者通过掺杂诸如B之类的P型杂质来设定。具体而言，反射镜部件11、框架12和这对弹簧13A和13B通过使用掩膜的干蚀刻或湿蚀刻以形成图案成形在平板型的导电性硅衬底上。对于干蚀刻而言，例如可以使用深反应离子蚀刻(Reactive Ion Etching)。在湿蚀刻的情况下，可利用KOH溶液作为蚀刻剂。由于这些专用制造方法不包含在本发明的必要特征之内，因此省略了对它们的描述。
在反射镜部件11的前表面设置镜面11a，在反射镜部件11的后表面上设置一对可移动的电极14a和14b。镜面11a和可移动的电极14a和14b例如可通过利用沉积法沉积预定的金属材料、然后将金属薄膜形成图案来形成。如果通过掺杂杂质将反射镜衬底10的导电性设得足够高，那么反射镜部件11本身的预定位置可用作电极，这样就不再需要设置可移动电极14a和14b。
底部衬底20例如由硅制成，它是通过体型微加工技术形成以便其中心是凹形。围绕底部衬底20的外围边缘的凸起台阶部分20a的形状对应于反射镜衬底10的框架12，其通过绝缘层30与框架12结合在一起。绝缘层30由二氧化硅(SiO2)构成。在底部衬底20的内部底面上设置一对固定电极21a和21b，这些电极以适当间隔面向反射镜部件11的可移动电极14a和14b。固定电极21a和可移动电极14a构成了由一组电极组成的启动器。按照相同方式，固定电极21b和可移动电极14b构成了由一组电极构成的启动器。通过这种方式为微型反射镜元件X1构造出平面电极型启动器。
在离开反射镜部件11的穿过该反射镜部件11的振荡轴A1的位置设置弹簧13A和13B，通过体型微加工技术对反射镜衬底10进行处理，使这对弹簧与反射镜部件11和框架12集成为一体。在该实施例中，弹簧13A和13B为梯形形状，其中在框架12的一侧宽，在反射镜部件11的一侧窄，并在反射镜部件11的宽度方向和长度方向的厚度是均匀的。
在微型反射镜元件X1中，例如，如果在为反射镜部件11的可移动电极14a和14b充正电的情况下为底部衬底20的固定电极21a充负电，那么在固定电极21a和可移动电极14a之间产生静电吸引，这样反射镜部件11以振荡轴A1为中心、沿图2中的逆时针方向振荡，同时使弹簧13A向下偏转。另一方面，如果在为可移动电极14a和14b充上正电的情况下为固定电极21b充负电，那么在固定电极21b和可移动电极14b之间产生静电吸力，这样反射镜部件11以振荡轴A1为中心、沿图2中的顺时针方向振荡，同时使弹簧13B向下偏转。在这样驱动反射镜部件11的过程中，在固定电极21a和可移动电极14a之间产生静电吸引的情况下，固定电极21b和可移动电极14b之间产生静电排斥，而在固定电极21b和可移动电极14b之间产生静电吸引的情况下，在固定电极21a和可移动电极14a之间产生静电排斥。在这种情况下，弹簧13A和13B沿彼此相反的方向偏转，而反射镜部件11的振荡轴A1的位置却稳定不变。启动器或由启动器产生的驱动力(驱动扭矩)的驱动信号频率与在振荡操作过程中的反射镜部件11的谐振频率之差被假定为该谐振频率的1％或更低。通过将反射镜部件11内产生的驱动力(驱动扭矩)频率与反射镜部件11的谐振频率的差值设定在该范围内，反射镜部件11能够适当地围绕振荡轴A1产生谐振和振荡。通过这种对反射镜部件11的振荡驱动，就能转换被镜面11a反射的光的反射方向。
为了驱动微型反射镜元件X1的振荡，弹簧13A和/或弹簧13B向反射镜部件11的振荡操作施加由偏转刚度或弯曲刚度产生的偏转阻力。因此在微型反射镜元件X1中，就能通过适当调节弹簧13A和13B的偏转刚度为反射镜部件11获得理想的高旋转刚度。
为了驱动微型反射镜元件X1的振荡，向反射镜部件11的一个振荡端(反射镜部件11中设置了可移动电极14a或可移动电极14b的一端)施加驱动力，而随反射镜部件11的振荡操作发生偏转的弹簧13A和13B分别以与振荡方向相反的方向向反射镜部件11的此振荡端施加拉力。因此在微型反射镜元件X1中，可通过为反射镜部件11提供足够薄度来获得很小的惯性力矩，通过适当调节弹簧13A和13B的偏转刚度，避免反射镜部件11在振荡方向上产生的不当形变。
这样，在微型反射镜元件X1中，可为反射镜部件11获得高的旋转刚度和很小的惯性力矩。该微型反射镜元件X1对于在高谐振频率下操作是优选的，以可完成高速振荡操作。
图3到图9分别显示了可用于代替微型反射镜元件X1中的弹簧13A和13B的弹簧连接部分的变形形式。在微型反射镜元件X1中，可分别采用具有依据所要求的特性的以下形状的一对弹簧连接部分来代替弹簧13A和13B。
图3A-3B显示了作为第一变形形式的弹簧13C。弹簧13C是一个板簧，从上面观察时其是长方形(图3A)的，其厚度均匀(图3B)。
图4A-4C显示了作为第二变形形式的弹簧13D，从上面观察时其是长方形的(图4A)，且厚度均匀(图4B或4C)，其具有多个孔H1。孔H1在厚度方向上穿透弹簧13D(图4C)，其具有调节弹簧13D的刚度的功能。可根据为反射镜部件11确定的振荡特性(例如频率特性)来设定孔H1的密度、尺寸和排列。孔H1的开口形状并不限于圆形，而可以是椭圆形、长方形、三角形或梯形。
图5A-5C显示了作为第三变形形式的两个弹簧13E。这两个弹簧13E构成了单个弹簧连接部分。每个弹簧13E的中心具有孔H2(图5A)，该孔H2在厚度方向上穿透弹簧13E(图5C)。此两个弹簧13E大致设置成彼此平行的形式。
图6A-6B显示了第四变形形式的两个弹簧13F。这两个弹簧13F构成了单个弹簧连接部分，它们呈对角线设置，这样在从框架12的一侧接近反射镜部件11时，这两个弹簧靠得更近(图6A)。每个弹簧13F都有沿厚度方向和/或宽度方向穿透的孔，用以降低它的刚度。或者每个弹簧13F都有沿厚度方向和/或沿宽度方向伸出的加强肋，用以增大其刚度。
图7A-7B显示了作为第五变形形式的两个弹簧13F和一个弹簧13G。弹簧13F和13G构成了单个弹簧连接部分。这两个弹簧13F按对角形方式设置，这样它们在从框架12一侧接近反射镜部件11时逐渐靠近，弹簧13G设置这两个弹簧13F之间。在每个弹簧13F和13G上都可设置用于降低刚度的孔和增加刚度的加强肋，其与第四变形形式相同。
图8A-8B显示了作为第六变形形式的弹簧13H。弹簧13H是从顶面观察时大致形成“A”形的单个弹簧(图8A)。在该弹簧13H中也可设置用于减少刚度的孔和用于提高刚度的加强肋。
图9A-9B显示了作为第七变形形式的弹簧13I。从顶面观察时，弹簧13I是长方形(图9A)，其厚度在反射镜部件11与框架12之间变化(图9B)。该变形形式中，在弹簧13I的宽度方向上，中心处厚度最小，但可选择地，在从反射镜部件11接近框架12时，厚度逐渐降低，或者在从框架12接近反射镜部件11时，厚度逐渐降低。在弹簧13I上设置用于降低刚度的孔或用于增加刚度的加强肋。
对于微型反射镜元件X1的启动器而言，采用梳状结构代替图1和图2所示的平面电极。图10和图11显示了这样一个微型反射镜元件X1其中采用可移动电极14a’和14b’以及固定电极21a’和21b’代替了可移动电极14a和14b以及固定电极21a和21b。图10是显示了沿图1的II-II线剖开的剖视图，图11是显示了沿图1的XI-XI线剖开的剖视图。可移动电极14a’和14b’由电极齿构成，它们分别从反射镜部件11向底部衬底20的方向延伸。在对应于可移动电极14a’的位置，固定电极21a’是由一些从底部衬底20向反射镜部件11的方向延伸的电极齿构成。在对应于可移动电极14b’的位置，固定电极21b’是由一些从底部衬底20向反射镜部件11延伸的电极齿构成。固定电极21a’和可移动电极14a’构成由一组梳状电极构成的启动器。按相同方式，固定电极21b’和可移动电极14b’构成由一组梳状电极构成的启动器。
对于微型反射镜元件X1的启动器而言，例如可以采用使用了电磁线圈或永磁体的电磁型代替使用了平面电极或梳状电极的静电型。具体而言，用电磁线圈代替设置在图1所示的微型反射镜元件X1的反射镜部件11中的可移动电极14a和14b，用电磁线圈或者永磁体代替在底部衬底20上的固定电极21a和21b。或者，用永磁体代替设置在反射镜部件11中的可移动电极14a和14b，用电磁线圈代替底部衬底20中设置的固定电极21a和21b。在这些结构中，可通过调节电磁线圈的载流状态驱动反射镜部件11。反射镜部件11也可由压电元件驱动。在这种情况下，压电元件设置在弹簧13A和13B内。
图12到图14显示了依照本发明第二实施例的微型反射镜元件X2。图12是微型反射镜元件12的立体图。图13是沿图12中的XIII-XIII线剖开的剖视图，图14是沿图12中的XIV-XIV线剖开的剖视图。微型反射镜元件X2具有以下结构反射镜衬底10和底部衬底20通过绝缘层30层叠起来，反射镜衬底10由反射镜部件11、框架12、一对弹簧13A和13B、以及一对扭杆15构成。与微型反射镜元件X1的差别在于微型反射镜元件X2具有一对扭杆15，其余结构和变形形式都与微型反射镜元件X1的相同。
这对扭杆与反射镜部件11和框架12相连，并限定了反射镜部件11的振荡操作的振荡轴A2。每个扭杆15具有十字形的横截面。具体而言，每个扭杆15都由在元件的厚度方向上较大的厚部15a和向厚部15a的两侧延伸的薄部15b组成。振荡轴A2穿过两个扭杆的厚部15a。单个扭杆15内所含的这些薄部15b沿着与振荡轴A2交叉的方向延伸。在既获得扭杆15的扭转刚度又抑制反射镜部件11的不当位移的角度来看，该扭杆15为十字形是优选的。由于厚部15a，反射镜部件在垂直于反射镜衬底10或镜面11a的方向上的直线位移得到抑制，而反射镜部件11在反射镜部件11与反射镜衬底10或镜面11a的共面方向方向上的旋转位移也得到抑制。
在微型反射镜元件X2中，例如，如果在为反射镜部件11的可移动电极14a和14b充正电的状态下，为底部衬底20的固定电极21a充上负电，就在固定电极21a和可移动电极14a之间产生静电吸引，并且反射镜部件11沿图13的逆时针方向、以振荡轴A2为中心振荡，同时使弹簧13A向下偏转并且使弹簧13B向上偏转。另一方面，如果在为可移动电极14a和14b充正电的情况下为固定电极21b充上负电，就在固定电极21b和可移动电极14b之间产生静电吸引，并且反射镜部件11沿图13的顺时针方向、以振荡轴A2为中心振荡，同时使弹簧13B向下偏转并且使弹簧13A向上偏转。通过此反射镜部件11的振荡驱动，就能改变由镜面11a反射的光的反射方向。
在微型反射镜元件X2中，与上述微型反射镜元件X1类似，由于弹簧13A和13B的存在，反射镜部件11获得了很高的旋转刚度和很小的惯性力矩。另外，在微型反射镜元件X2的情况下，由于这对扭杆15限定了反射镜部件11的振荡操作时的振荡轴A2，因此就更容易实现更为稳定的振荡操作。该微型反射镜元件X2对于在高谐振频率下操作是优选的，以实现高速振荡操作。
图15和图16显示了可代替微型反射镜元件X2中的扭杆15的扭转连接部分的变形形式。在微型反射镜元件X2中，依据所需特性，每个都具有以下形状的一对扭转连接部分可用于代替扭杆15。
图15A-图15B显示了作为第一变形形式的扭杆15A。扭杆15A是单个扭杆，其具有横截面形状是宽度和厚度都是均匀的简单的长方形。在该扭杆15A中，可设置用于减小刚度(见图4)的孔或用于增加刚度的加强肋。扭杆15A的厚度和宽度可在反射镜部件11与框架12之间的区域内变化(见图5、图8和图9)。可平行设置多根扭杆(见图5-图7)。
图16A-图16B显示了作为第二变形形式的扭杆15B。扭杆15B的横截面是十字形的(图16B)，其宽度在从反射镜部件11接近框架12过程中逐渐变小(图16A)。扭杆15B的宽度也可以不是在从反射镜部件11接近框架12的过程中逐渐减小，而是在从框架12接近反射镜部件11的过程中逐渐减小。
图17到图19显示了依照本发明第三实施例的微型反射镜元件X3。图17是微型反射镜元件X3的立体图。图18是沿图17中的XVIII-XVIII线剖开的剖视图，图19是沿图17中的XIX-XIX线剖开的剖视图。微型反射镜元件X3具有以下结构反射镜衬底10和底部衬底20通过绝缘层30层叠起来，并且反射镜衬底10由反射镜部件11、框架12、一对弹簧13A’和13B’、以及一对扭杆15’构成。在反射镜衬底10中，设置了可移动电极14’a和14’b，在底部衬底20中设置了固定电极21’a和21’b。与微型反射镜元件X2的差别在于，微型反射镜元件X3不是由弹簧13A和13B、可移动电极14a和14b、固定电极21a和21b以及该对扭杆1 5组成，而是由弹簧13’A和13’B、可移动电极14’a和14’b、固定电极21’a和21’b、以及一对扭杆15’组成。
弹簧13’A和13’B设置在离开反射镜部件11的振荡轴A3的位置，通过体型微加工技术对反射镜衬底10进行加工将反射镜部件11和框架集成为一体。在本实施例中，每个弹簧13’A和13’B都是梯形的，其中，在框架12一侧较宽，而在反射镜部件11一侧较窄，并具有在反射镜部件11的宽度方向和长度方向上均匀的厚度。将弹簧13’A和13’B做成使其底面和反射镜部件11的底面组成一个平面。
如图18所示，可移动电极14’a设置在从反射镜部件11的底面到弹簧13’A的底面之间的区域上，另外如图18所示，可移动电极14’b设置在反射镜部件11的底面和弹簧13’B的底面之上。可移动电极14’a和14’b的材料和制造方法与前面所述的可移动电极14a和14b的相同。
固定电极21’a以适当间隔面向可移动电极14’a的位置设置在底部衬底20上。固定电极21’a和可移动电极14’a构成由一组电极组成的启动器。固定电极21’b以适当间隔面向可移动电极14’b的位置设置在底部衬底20上。固定电极21’b和可移动电极14’b构成了由一组电极组成的启动器。
这对扭杆15’与反射镜部件11和框架12相连，并限定了反射镜部件11的振荡操作的振荡轴A3。如图18所示，扭杆15’由在元件的厚度方向上较长的厚部15’a和从厚部15’a向两侧延伸的薄部15’b组成。振荡轴A3穿过这两根扭杆15’的厚部15’a。单根扭杆15’内包含的薄部15’b在与振荡轴A3交叉的方向上延伸。对于有效获得扭杆15’的扭转刚度和抑制反射镜部件11的不当位移而言，扭杆15’的这种交叉形截面是优选的。由于厚部15’a，反射镜部件11在垂直于反射镜衬底10或镜面11a的方向上的直线位移得到抑制，并且由于薄部15’b，反射镜部件11在与反射镜衬底10或镜面11a的共面方向上的旋转位移也得到抑制。
在微型反射镜元件X3中，例如，如果在为反射镜部件11的可移动电极14’a和14’b充正电的情况下为底部衬底20的固定电极21’a充上负电，那么在固定电极21’a和可移动电极14’a之间产生静电吸引，这样反射镜部件11沿图18的逆时针方向、以振荡轴A3为中心振荡，同时使弹簧13’A向下偏转并且使弹簧13’B向上偏转。另一方面，如果在为可移动电极14’a和14’b充正电的情况下为固定电极21’b充上负电，那么在固定电极21’b和可移动电极14’b之间产生静电吸引，这样反射镜部件11沿图18所示的顺时针方向、以振荡轴A3为中心振荡，同时使弹簧13’B向下偏转并且使使弹簧13’A向上偏转。通过反射镜部件11的此振荡驱动，就能改变由镜面11a反射的光的反射方向。
在微型反射镜元件X3中，可移动电极14’a设置在从反射镜部件11的底面到弹簧13’A的底面之间的区域上，所述弹簧底面与反射镜部件11的底面是一个平面，可移动电极14’b设置在从反射镜部件11的底面到弹簧13’B的底面之间的区域上，所述弹簧底面与反射镜部件11是一个平面。适当以较大面积面向可移动电极14’a和14’b的固定电极21’a和21’b设置在底部衬底20的内部底面上。这样，微型反射镜元件X3包括较大的可移动电极，对于构成具有较大静电力产生区域的平面电极型启动器是优选的。由于启动器有较大的静电力产生区域，这对于获得较大的驱动力而言更有利。
图20显示了依照本发明第四实施例的微型反射镜元件X4，它是与图2中相同的部分相对应的横截面视图。与微型反射镜元件X1的差别在于，微型反射镜元件X4不是具有弹簧13A和13B，而是具有一对弹簧13I，并具有支撑弹簧16，其余结构都与微型反射镜元件X1的相同。
支撑弹簧16在反射镜部件11的整个宽度上延伸，并连接底部部分20和反射镜部件11。在支撑弹簧16的两个侧面上形成凹槽16a。这些凹槽16a构成支撑弹簧16的颈部(薄部)，并且反射镜部件11以颈部为振荡轴进行振荡。在支撑部分16中可设置用于减少刚度的孔或用于增加刚度的加强肋。
与上述微型反射镜元件X1类似，在微型反射镜元件X4中，由于一对弹簧13I的存在，反射镜部件11获得了较高的旋转刚度，并实现了较小的惯性力矩。另外，在微型反射镜元件X4中，反射镜部件11能够以支撑弹簧16的颈部为振荡轴进行振荡操作，这样更容易实现稳定的振荡操作。该微型反射镜元件X4对于在高谐振频率下工作是优选的，以实现高速振荡操作。
图21到图23显示了依照第五实施例的微型反射镜元件X5。图21是微型反射镜元件X5的立体图，图22是沿图21中的XXII-XXII线剖开的剖视图，图23是沿图22中的XXIII-XXIII线剖开的剖视图。微型反射镜元件X5具有以下结构反射镜衬底50和底部衬底20通过绝缘层30层叠起来。
反射镜衬底50由反射镜部件51、围绕该反射镜部件的框架52、启动部分53A和53B、薄部54A和54B、弹簧55A和55B、以及一对扭杆56组成。薄部54A连接反射镜部件51和启动部分53A，弹簧55A连接启动部分53A和框架52。薄部54B连接反射镜部件51和启动部分53B，弹簧55B连接启动部分53B和框架52。扭杆56连接反射镜部件51和框架52。与上面第一实施例的反射镜衬底的描述类似，反射镜衬底50是由硅衬底通过体型微加工技术制得的，硅衬底的导电性可通过例如掺杂诸如P和As之类的n型杂质或者诸如B之类的p型杂质来设定。
在反射镜部件51的表面上设置镜面51a，在启动部分53A和53B的后面分别设置可移动电极53a和53b。镜面51a和可移动电极53a和53b可通过在利用沉积法将预定金属材料沉积到薄膜上后使金属膜形成图案来形成。如果通过掺杂杂质将反射镜衬底50的导电性设定得足够高，那么启动部分53A和53B本身就可用作电极，这样就不需要设置移动电极53a和53b。
这对扭杆56与反射镜部件51和框架52相连，并限定了反射镜部件51的振荡操作的振荡轴A5。每个扭杆56具有长方形的横截面。在本发明中，每个扭杆都可具有其它横截面形状。例如，截面形状可以是交叉形。
与微型反射镜元件X1的差别在于，微型反射镜元件X5不是具有反射镜衬底10，而是具有上面提到的反射镜衬底50，其余结构都与微型反射镜元件X1的相同。
在微型反射镜元件X5中，例如，如果在为反射镜部件51的可移动电极53a和53b充上正电的情况下为底部衬底20的固定电极21a充上负电，那么在固定电极21a和可移动电极53a之间产生静电吸引，这样反射镜部件51沿图22中的逆时针方向、以振荡轴A5为中心振荡，同时使弹簧55A向下偏转并且使弹簧55B向上偏转。另一方面，如果在为可移动电极53a和53b充上正电的情况下为固定电极21b充上负电，就在固定电极21b和可移动电极53b之间产生静电吸引，这样反射镜部件5 1沿图22中的顺时针方向、以振荡轴A5为中心振荡，同时使弹簧55B向下偏转并且使弹簧55A向上偏转。通过反射镜部件5 1的此振荡驱动，就能改变镜面5 1a反射的光的反射方向。
在微型反射镜元件X5中，弹簧55A通过启动部分53A和薄部54A向反射镜部件51的振荡操作施加由偏转刚度或弯曲刚度产生的偏转阻力，而弹簧55B通过启动部分53B和薄部54B向反射镜部件51的振荡操作施加由偏转刚度或弯曲刚度产生的偏转阻力。因此，与微型反射镜元件X1的情况类似，在微型反射镜元件X5中，通过适当调节弹簧55A和55B的偏转刚度可为反射镜部件51获得理想的高旋转刚度。在该元件中，能通过适当调节薄部54A和54B的偏转刚度调节反射镜部件51的旋转刚度。
在驱动力沿振荡方向作用在反射镜部件51的振荡端时，随反射镜部件51的振荡操作发生偏转的弹簧55A，会通过启动部分53A和薄部54A沿着与振荡方向相反的方向向反射镜部件51或者向它的一个振荡端施加拉力。随反射镜部件51的振荡操作发生偏转的弹簧55B，会通过启动部分53B和薄部54B沿着与振荡方向相反的方向向反射镜部件51或其另一个振荡端施加拉力。于是在微型反射镜元件X5中，通过实现薄度足够的反射镜部件51，就能获得理想的小惯性力矩，通过适当调节弹簧55A和55B的偏转刚度就能避免反射镜部件51在振荡方向上的不当形变。在该元件中，通过适当调节薄部54A和54B的偏转刚度，还可抑制反射镜部件51的不当形变。
如上所述，依照微型反射镜元件X5，能为反射镜部件51获得很高的旋转刚度和很小的惯性力矩。该微型反射镜元件X5对于在高谐振频率下操作是优选的，以实现高速振荡操作。
依照本发明，可按照以下方式设置两个尺寸不同的框架小框架(内框架)设置在大框4架(外框架)的开口内，大框架固定在底部部分上。在这种情况下，类似于图1所示的第一实施例，内框架可通过第一和第二弹簧来支撑振荡部分，内框架通过第三和第四弹簧与外框架相连，以便能够相对外框架振荡。外框架可固定在类似于图1和2中所示的底部部分20的底部部件上。在该设置中，内框架位于第三弹簧和第四弹簧之间，每个弹簧都可随内框架的振荡发生形变。典型地，第一和第二弹簧彼此隔开的方向与第三和第四弹簧彼此隔开的方向垂直，这样中央振荡部分能关于以90°交叉的两个振荡轴振荡。优选的是，该微型振荡元件还包括限定了振荡部分相对内框架进行振荡的振荡轴的一个扭杆，以及限定了内框架相对外框架进行振荡的振荡轴的另一扭杆。典型地，这两个振荡轴以90°相交。
上面描述了本发明的各个实施例，但本发明不应受这些实施例限制，而是可以通过各种方式对它们进行改进。例如，本发明的所有上述实施例中都用于微型反射镜元件，但也可将衍射光栅、光源或光检测器代替反射镜部件11或51设置到振荡部分中。此外，依照本发明的微型振荡元件还包括用于检测框架和振荡部分之间的相对旋转位移的位移检测装置。
权利要求
1.一种微型振荡元件，其中包括振荡部分；主框架；以及第一弹簧和第二弹簧，其使得该振荡部分由该框架支撑；其中，该振荡部分位于该第一弹簧和该第二弹簧之间，该第一和该第二弹簧中的每一个都随该振荡部分的振荡发生形变。
2.根据权利要求1所述的微型振荡元件，其中还包括第一启动部分，其通过该第一弹簧与该框架相连；第二启动部分，其通过该第二弹簧与该框架相连；第一薄部，其连接该振荡部分和该第一启动部分；以及第二薄部，其连接该振荡部分和该第二启动部分；其中，该第一和该第二启动部分位于该第一和该第二弹簧之间，该振荡部分位于该第一和该第二启动部分之间，该第一和该第二启动部分中的每一个都可沿该振荡部分的移动方向移动，该第一弹簧可在该第一启动部分移动时发生偏转，该第二弹簧可在该第二启动部分移动时发生偏转。
3.根据权利要求1所述的微型振荡元件，其中该第一弹簧和该第二弹簧是板簧。
4.根据权利要求1所述的微型振荡元件，其中还包括至少一个扭杆，用以限定该振荡部分振荡的振荡轴。
5.根据权利要求4所述的微型振荡元件，其中该扭杆的与该振荡轴垂直横截面是交叉形。
6.根据权利要求4所述的微型振荡元件，其中该第一弹簧、该第二弹簧和该扭杆中的至少一个成形有至少一个孔。
7.根据权利要求4所述的微型振荡元件，其中该第一弹簧、该第二弹簧和该扭杆中的至少一个具有非恒量的宽度。
8.根据权利要求4所述的微型振荡元件，其中该第一弹簧、该第二弹簧和该扭杆中的至少一个具有非恒量的厚度。
9.根据权利要求1所述的微型振荡元件，其中还包括与该框架相连的底部部分；以及连接该底部部分和该振荡部分的第三弹簧。
10.根据权利要求9所述的微型振荡元件，其中该第三弹簧具有一对凹槽，所述凹槽沿该第一和该第二弹簧彼此间隔开的方向上彼此隔开。
11.根据权利要求1所述的微型振荡元件，其中还包括用于产生使该振荡部分振荡的驱动力的启动器。
12.根据权利要求11所述的微型振荡元件，其中由该启动器产生的该驱动力的频率与该振荡部分振荡的谐振频率之间的差值为该谐振频率的1％或者更低。
13.根据权利要求1所述的微型振荡元件，其中该振荡部分设有用于反射光的镜面。
14.根据权利要求1所述的微型振荡元件，其中还包括设置在该主框架外面的第二框架；以及将该第二框架与该主框架连接起来的第三和第四弹簧；其中，该主框架位于该第三弹簧和该第四弹簧之间，该第三和该第四弹簧中的每一个都可随该主框架的振荡发生形变。
15.根据权利要求14所述的微型振荡元件，其中该第一和该第二弹簧彼此隔开的方向与该第三和该第四弹簧彼此隔开的方向交叉。
16.根据权利要求15所述的微型振荡元件，其中还包括至少一个用于限定该振荡部分振荡的第一振荡轴的扭杆；以及至少一个用于限定该主框架振荡的第二振荡轴的扭杆。
17.根据权利要求16所述的微型振荡元件，其中该第一振荡轴和该第二振荡轴交叉。
18.根据权利要求17所述的微型振荡元件，其中该第一振荡轴和该第二振荡轴彼此以90°交叉。
全文摘要
微型振荡元件包括振荡部分和框架。振荡部分设有镜面并通过梯形的第一和第二弹簧与框架相连。振荡部分位于第一弹簧和第二弹簧之间。第一弹簧和第二弹簧的每一个都可随振荡部分的振荡发生形变。
文档编号H04N1/036GK1580862SQ20041002871
公开日2005年2月16日 申请日期2004年3月15日 优先权日2003年8月12日
发明者宓晓宇, 上田知史, 奥田久雄, 壶井修, 曾根田弘光, 高马悟觉, 佐脇一平, 中村义孝 申请人:富士通株式会社, 富士通媒体部品株式会社