CN1800906A - 致动器 - Google Patents

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Abstract

一种致动器，包括框架；一对彼此隔开的可移动梳状电极；设置在这对可移动梳状电极之间的可移动部；一对支撑部；至少一对固定梳状电极，设置在框架上分别相应于这对可移动梳状电极的位置处；至少一对第一弹性连接部，分别将这对可移动梳状电极连接至这对支撑部；至少一对第二弹性连接部，分别将可移动部连接至这对可移动梳状电极，这对可移动梳状电极的每个都由通过在每个固定梳状电极和相应的可移动梳状电极之间施加交流电压产生的库仑力驱动，由此可移动部旋转，这对可移动梳状电极的每个的第一电极齿和相应的至少一对固定梳状电极的每个的第二电极齿配置为使得在固定梳状电极和相应的可移动梳状电极之间没有施加交流电压的情形下可移动梳状电极的每个的第一电极齿的至少一部分与相应的固定梳状电极的第二电极齿的一部分重叠。

Description

致动器
技术领域
本发明涉及致动器(actuator)，尤其涉及使用两个自由度震动***的类型的致动器。
背景技术
例如，已知有多角镜(旋转多角体)作为设置在激光打印机中的致动器。在这样的打印机中，为了实现较高的分辨率和高质量的打印输出以及高速打印。目前，空气轴承被用于以高速稳定地旋转多角镜。然而，存在的问题在于以比当前可以实现的速度高的多的速度旋转多角镜是困难的。另外，尽管需要较大的电动机以按照较高的速度旋转多角镜，但是，使用这样的较大的电动机造成的问题在于，缩小使用多棱镜的设备的尺寸是困难的。另外，使用这样的较大的电动机造成的另一个问题在于，该设备的结构变得非常复杂，从而导致制造成本增加。
另一方面，由于致动器领域的初步研究，已经提出如图10所示的单自由度的扭矩振动器。因为这种致动器使用彼此平行设置的平板电极，所以其能够使用相当简单的结构(例如，参见K.E.Petersen：“Silicon TorsinalScanning Mirror”，IBMJ.Res.Develop.，Vol.24(1980)，P.631)。另外，同样提出，通过更改上述的扭矩振动器以具有悬臂结构，从而获得的单自由度静电驱动型振动器(例如，参见Kawamura et al.：“Research inmicromechanics using Si”，Proceedings of the Japan Society for PrecisionEngineering Autumn Conference(1986)，P.753)。
图10示出了单自由度静电驱动型扭矩振动器。在图10示出的扭矩振动器中，由单晶硅制成的可移动电极板300在其端固定部300a处通过隔离物200固定至玻璃基板1000。可移动的电极板300包括可移动的电机部300c，其通过狭窄扭矩棒300b由末端固定部300a支撑。另外，固定电极400设置在玻璃基板1000上，以通过预定电极间隔与可移动电极部300c相对。特别地，固定电极400与可移动的电极部300c通过它们之间的电极间隔与可移动电极部300c。固定电极400经由开关600和电源500连接至可移动电极板300。
在具有上述结构的扭矩振动器，当电压施加在可移动电极部300c和固定电极400两端时，可移动电极部300c由于静电吸引力而围绕扭矩棒300b的轴旋转。由于静电吸引力与电极间隔的平方成反比例，对于这种类型的静电致动器优选在可移动的电极部300c和固定电极400之间具有较小的电极间隔。然而，在这样的上述的单自由度扭矩振动器中，起到可移动部作用的可移动电极部300c同样设置有电极。因此，如果电极间隔变得相当小，可移动电极部300c的可移动范围(旋转范围)必然受到限制。另一方面，为了扩大可移动电极部300c的可移动范围，有必要加宽电极间隔，这样反过来需要加大的驱动电压。也就是，上述的这样的单自由度扭矩振动器所产生的问题在于很难实现低电压驱动和大的位移。
发明内容
因此，本发明的目的在于提供具有可移动部的致动器，其能够以较低电压驱动大扭矩，其中，可移动部能够以较大的旋转角度或较大偏转角度移动(或旋转)。
为了实现上述目标，本发明提供了一种致动器，具有旋转中心轴，所述致动器包括：
框架，具有绝缘性能；
一对彼此隔开的可移动梳状电极，其中这对可移动梳状电极的每个都具有侧表面，且设置有至少一组第一电极齿，所述电极齿以预定间隔并排设置在其侧表面上；
可移动部，设置在这对可移动梳状电极之间；
一对支撑部，设置在所述框架上，用于支撑这对可移动梳状电极和所述可移动部；
至少一对固定梳状电极，设置在所述框架上分别相应于这对可移动梳状电极的部分处，所述至少一对固定梳状电极设置有一组第二电极齿，所述电极齿以预定间隔并排设置，以便与相应的可移动梳状电极的第一电极齿协作关联；
至少一对第一弹性连接部，分别将这对可移动梳状电极连接至这对支撑部，从而每个可移动梳状电极能关于相应的支撑部绕致动器的旋转中心轴旋转；以及
至少一对第二弹性连接部，分别将所述可移动部连接至这对可移动梳状电极，从而随着可移动梳状电极的旋转，所述可移动部能绕致动器的旋转中心轴旋转，
其中这对可移动梳状电极的每个都由通过在每个固定梳状电极和相应的可移动梳状电极之间施加交流电压产生的库仑力驱动，由此可移动部旋转，以及
其中这对可移动梳状电极的每个的第一电极齿和相应的至少一对固定梳状电极的每个的第二电极齿配置为使得在固定梳状电极和相应的可移动梳状电极之间没有施加交流电压的情形下可移动梳状电极的每个的第一电极齿的至少一部分与相应的固定梳状电极的第二电极齿的一部分重叠。
由于至少一对固定梳状电极邻近相应的可移动梳状电极，所以，可以以低电压驱动致动器，并以较大扭矩操作可移动梳状电极。另外，可以实现能够以较大旋转角度(偏转角度)移动(或转动)可移动部。另外，由于致动器设置有框架，可以加固(增强)致动器的强度。
在根据本发明的致动器中，优选的是，在从致动器的旋转中心轴观看时可移动梳状电极和相应的固定梳状电极之间没有施加交流电压的情形下每个可移动梳状电极的第一电极齿的至少部分与相应的固定梳状电极的第二电极齿的一部分重叠。
这使得可以轻易地旋转可移动梳状，可以以低电压驱动致动器。
在根据本发明的致动器中，优选地是，第一电极齿的每个的尖端和第二电极齿的每个的尖端彼此完全重叠。
这使得可以改善致动器的驱动效率，以低电压驱动该致动器。另外，可以产生加大的扭矩。
在根据本发明的致动器中，优选地是，第一电极齿的每个都在垂直于框架的方向上具有第一宽度，且第二电极齿的每个都在垂直于框架的方向上具有第二宽度，其中在从致动器的旋转中心轴看时第一电极齿的每个的第一宽度比第二电极齿的每个的第二宽度大。
这使得可以在维持可移动梳状电极的同时振动(旋转)可移动梳状电极。因此，可以延长致动器的寿命。
在根据本发明的致动器中，优选地是，在第一电极齿的每个的第一宽度定义为A(μm)和第二电极齿的每个的第二宽度定义为B(μm)的情形下，A和B满足关系式：1.0≤A/B≤3.0。
这使得可以提高致动器的驱动效率，因此，可以低电压驱动致动器。
在根据本发明的致动器中，优选地是，第一电极齿的每个都在其宽度方向上具有上下边沿，且第二电极齿的每个都在其宽度方向上具有上下边沿，其中在从致动器的旋转中心轴看时，在第一电极齿和第二电极齿之间没有施加交流电压的情形下，第一电极齿的每个的上边沿或下边沿与第二电极齿的每个的相应边沿彼此对准。
这使得可以进一步改善致动器的驱动效率，因此，可以以低电压驱动致动器。
在根据本发明的致动器中，优选地是，通过使第一基底材料经受预定工艺形成至少一对固定梳状电极和这对可移动梳状电极。
这使得可以实现这样的结构，其中，固定梳状电极和可移动梳状电极轻易地形成。
在根据本发明的致动器中，优选地是，通过使与第一基底材料相同的基底材料经受预定工艺，形成这对支撑部、可移动部、至少一对第一弹性连接部和至少一对第二弹性连接部。
这使得可以实现这样的结构，其中，支撑部、可移动部、第一弹性连接部、以及第二弹性连接部轻易形成。
在根据本发明的致动器中，优选地是，通过使第一基底材料经受图样化分别形成至少一对固定梳状电极和这对可移动梳状电极，从而至少一组第一电极齿的每个不会与相应的第二齿接触。
这使得可以容易地制造均具有理想形状和精确尺寸的可移动梳状电极和固定梳状电极。
在根据本发明的致动器中，优选地是，第一基底材料由硅制成。
这使得可以形成具有导电性的结构。另外，可以获得能够轻易地稳定驱动的可移动部。
在根据本发明的致动器中，优选地是，所述框架由层压结构构成，所述层压结构包括由氧化硅制成的中间层和由硅制成并且层压在中间层上的第二基底材料。
这使得可以容易地形成具有这样的结构的致动器。
在根据本发明的致动器中，优选地是，所述框架在相应于可移动部和/或这对可移动梳状电极的部分处设置有开口。
因此，在可移动部和/或可移动梳状电极被移动(或转动)时，可以防止可移动部和/或可移动梳状电极与框架接触。
在根据本发明的致动器中，优选地是，这对可移动梳状电极的每个都具有电极基底和至少一组第一电极齿，且至少一组第一电极齿沿大致垂直于旋转中心轴的方向设置在这对可移动梳状电极的每个的电极基底的一个末端处。
这使得可以高效地移动可移动梳状电极。
在根据本发明的致动器中，优选地是，至少一组第一电极齿包括两组第一电极齿，其中两组第一电极齿的每组沿大致垂直于旋转中心轴的方向分别设置在这对可移动梳状电极的每个的电极基底的两端。
这使得可以以更大的扭矩操纵可移动梳状电极。
在根据本发明的致动器中，优选地是，一个或多个通孔在这对可移动梳状电极的每个中形成。
因此，由于可以减少每个可移动梳状电极的质量，致动器可以高速驱动(也就是，以较高的频率驱动)。
在根据本发明的致动器中，优选地是，致动器进一步包括设置在可移动部上的反光部。
尽管本发明的致动器可以应用到各种类型的装置上，优选地是，例如，本发明的致动器可以应用到光学扫描器。在这种情况下，可以改变传送给设置有光反射部的致动器的光的光路径。
在根据本发明的致动器中，优选地是，在第一弹性连接部的弹性系数定义为k1和第二弹性连接部的弹性系数定义为k2的情况下，k1和k2满足关系式：k1＞k2。
这使得可以进一步扩大可移动部的反射角(旋转角)，同时抑制各可移动梳状的反射角。
在根据本发明的致动器中，优选地是，致动器属于采用具有二维自由度的振动***的类型，且交流电压的频率设定为大致等于这对可移动梳状电极和可移动部在此频率共振的具有二维自由度的振动***的共振频率的较低共振频率。
因此，这使得可以提供具有高速和大反射角(振幅)并且以低电压操纵的致动器。另外，通过具有这样的机构，可以扩大可移动部的反射角(偏转角)，同时抑制各可移动梳状的反射角。
在根据本发明的致动器中，优选地是，这对第一弹性连接部和这对第二弹性连接部的至少一个包括压阻元件。
因此，例如，可以检测可移动部的旋转角和旋转频率。另外，可以使用检测结果，以控制可移动部的姿态。
在本发明的另一实施例中，一种致动器，具有旋转中心轴，所述致动器包括：
框架，具有绝缘性能；
可移动梳状电极，设置有一组第一电极齿，所述电极齿以预定间隔并排设置在其侧表面上，所述可移动梳状电极具有开口；
可移动部，设置在可移动梳状电极的开口中；
一对支撑部，设置在所述框架上，用于支撑可移动梳状电极和可移动部；
两个固定梳状电极，沿大致垂直于旋转中心轴的方向设置在所述框架上相应于可移动梳状电极的位置处，这两个固定梳状电极的每个都设置有一组第二电极齿，所述电极齿以预定间隔并排设置，以便与可移动梳状电极的至少一组第一电极齿协作关联；
至少一对第一弹性连接部，分别将可移动梳状电极连接至这对支撑部，从而可移动梳状电极能关于这对支撑部绕致动器的旋转中心轴旋转；以及
至少一对第二弹性连接部，分别将所述可移动部连接至可移动梳状电极，从而随着可移动梳状电极的旋转，所述可移动部能绕致动器的旋转中心轴旋转，
其中可移动梳状电极由通过在每个固定梳状电极和可移动梳状电极之间施加交流电压产生的库仑力驱动，由此可移动部旋转，以及
其中可移动梳状电极的第一电极齿和固定梳状电极的每个的第二电极齿配置为使得在可移动梳状电极和固定梳状电极之间没有施加交流电压的情形下可移动梳状电极的第一电极齿的至少一部分与固定梳状电极的每个的第二电极齿的一部分重叠。
附图说明
参考附图，通过本发明的优选实施例的下述详细描述，本发明的上述或其它目的、特征、以及优点将变得更加显而易见。
图1是根据本发明的第一实施例的致动器的平面图。
图2是沿图1中A-A线的截面图。
图3是沿图1中B-B线的截面图。
图4是图2中示出的第一和第二电极齿的部分的放大截面图。
图5是示出将要施加给图1示出的致动器的交流电压的实例的示意图。
图6是示出所施加的交流电压的频率以及可移动梳状电极和可移动部的谐振曲线的曲线图。
图7是制造致动器的方法的工艺图的实例。
图8是示出根据本发明的致动器的第二实施例的平面图。
图9是示出根据本发明的致动器的第二实施例的平面图。
图10是示出传统制动器的透视图。
具体实施方式
以下，将参考附图说明根据本发明的致动器的优选实施例。
(第一实施例)
首先，将描述根据本发明的致动器的第一实施例。图1是根据本发明的第一实施例的致动器的平面图。图2是沿图1中A-A线的截面图。图3是沿图1中B-B线的截面图。在使用图1的以下描述中，为了便于描述，应当注意，图1中的上侧、下侧、右侧、以及左侧将分别被称之为“上侧”、“下侧”、“右侧”、以及“左侧”。
如图1和2所示，致动器100包括：一对可移动梳状电极(第一块部)1和11；可移动部(第二块部)2；一对支撑部3，用于支撑可移动部2和可移动块部3，用于支撑可移动部2和可移动梳状电极1、11；以及框架，包括绝缘部(支撑基板)8和下基板9。
在致动器100中，如图1所示，可移动部2设置在其中央，可移动梳状电极1、11分别设置在可移动部2的一个端侧(图1中的右侧)和另一侧(图1中的左侧)。也就是，可移动梳状电极1、11分别设置在可移动部2的两侧。可移动梳状电极1、11基本具有相同的形状和尺寸，基本上相对于可移动部2对称(线)设置。
另外，如果图1所示，一个或多个通孔14形成在各个移动梳状电极1、11上。在图1示出的实例中，两个通孔14可形成在各移动梳状电极1、11。在此方面，当从以上图2中的上侧观察时，通孔14的形状或尺寸根据作为目标的可移动部2的驱动频率适当设置。
另外，一个支撑部3设置在图1中的可移动梳状电极1的右侧处。而另一个支撑物3设置在图1中的可移动梳状电极11的左侧处。
两个固定梳状电极73、74设置在对应于可移动梳状电极1的位置处。换言之，固定梳状电极73设置在图1中的可移动梳状电极1的上侧处，而固定梳状电极74设置在图1中可移动梳状电极1的下侧处。
以相同的方式，两个固定梳状电极75、76设置在对应于可移动梳状电极11的位置。换言之，固定梳状电极75设置在图1中的可移动梳状电极1的上侧处，而固定梳状电极76设置在图1中可移动梳状电极1的下侧处。
在这种情况下，可移动梳状电极1和两个固定梳状电极73、74构成一组梳状电极6，同时，可移动梳状电极1和两个固定梳状电极75、76构成一组梳状电极7。也就是，致动器100设置有两组梳状电极6、7。
在本实施例的可移动部3的上表面，设置有反光部21，用于有效地反射入射光。
另外，如图1所示，制动器100包括一对第一弹性连接部4、4和一对第二弹性连接部5、5。该对第一弹性连接部4、4将可移动梳状电极1、11分别连接至支撑部3、3，使得每个可移动梳状电极1、11均可以相对于对应的支撑部3旋转。该对第二弹性连接部5、5分别将可移动部2连接至可移动梳状电极1、11，使得可移动部2可根据可移动梳状电极1的旋转。换言之，可移动部2经由第二弹性连接部5、5分别连接至可移动梳状电极1、11，可移动梳状电极1、11经由第一弹性连接部4、4分别连接至支撑部3、3。在这种情况下，每个第一弹性连接部4、4的旋转中心轴和每个第二弹性连接部5、5的旋转中心轴同轴设置，已构成用于可移动梳状电极1、11和可移动部2(也就是旋转轴)41的旋转的中心轴。
优选地是，可移动梳状电极1、11、可移动部2、支撑部3、3、第一弹性连接部4、4、以及第二弹性连接部5、5一体形成。
可移动梳状电极1、11、可移动部2、支撑部3、3、第一弹性连接部4、4、以及第二弹性连接部5、5、以及固定梳状电极73、74、75、以及76通过将相同的材料(第一基本材料)进行预定处理以构成结构10形成。
该结构10具有导电性，例如，其由硅或类似物制成。
如图2和3所示，每个支撑部3、3和固定梳状电极73、74、75、以及76经由具有绝缘属性的绝缘部(支撑基板)连接(固定)至下基板9，并由绝缘部8和下基板9支撑。
例如，该绝缘部8由硅氧化物、硅氮化物、硅氧氮化物或类似物制成。另外，例如，下基板9由硅或类似物制成。
如图2和3所示，绝缘部8和下基板9具有开口60。开口60设置在对应于可移动梳状电极1、11以及可移动部2的位置处。开口60起到退出部的作用，用于防止下基板9在可移动部2旋转时与可移动部2接触。通过提供开口(退出部)60，可以设置可移动部2的反射角(振幅)到较大，同时防止整个致动器100被制造的比较大。
图4是图2中示出的第一和第二电极齿的部分的放大截面图。在使用图4的以下描述中，为了描述方便，应当注意图1中的上侧、下侧、右侧、以及左侧将分别被称之为“上侧”、“下侧”、“右侧”、以及“左侧”。
此后，将参考图1和4对梳状电极6、7进行详细描述。然而，由于梳状电极6的配置与梳状电极7的配置类似，下面将对梳状电极6进行典型地描述。
另外，由于固定梳状电极73的配置与固定梳状电极74的配置类似，将典型地描述固定梳状电极73和可移动梳状电极1的配置和关系。
如图4所示，可移动梳状电极1设置有可移动电极(电极基底)55，以及多个形成在电极基底55上的电极齿(至少一组第一电极齿)51，位于一个端部，基本上垂直于旋转中心轴41，并排以预定间隔设置在电极基底55的侧表面上(在图1中的右-左方向)。
另外，固定梳状电极73设置有固定电极(电极基底)77、以及多个形成在电极基底77上的电极齿(至少一组第一电极齿)71，并排以预定间隔设置在电极基底77的侧表面上(在图1中的右-左方向)，以与可移动梳状电极1的(一组)第一电极齿协作。
如图1所示，多个(也就是两组)第一电极齿51在基本上垂直于旋转中心轴41的方向上设置在可移动梳状电极1的两个端侧，也就是，这两组第一电极齿51设置在图1中的可移动梳状电极1的上侧和下侧。另外，当从致动器100的上方观察时，每个第二电极齿71以预定间隔位于相应的相邻两个第一电极齿51之间。换言之，第二电极齿71和第一电极齿51交替设置以彼此啮合。
如图4所示，电极基底55的宽度(图4中上下方向的长度)和电极基底77的宽度被形成为基本上彼此相同。在没有交流电压施加到它们之间的情况下，电极基底55的上表面基本上对应于电极基底77的上表面。同样，电极基底55的下表面基本上对应于电极77的下表面。
并且，每个第二电极齿51的宽度(图4中的上下方向上的长度)形成为等于电极基底77的宽度。
另一方面，每个第二电极齿71的宽度(图4中的上下方向上的长度)形成为小于电极基底77的宽度。也就是，在每个第一电极齿51的宽度被限定为L4，每个第二电极齿71的宽度被限定为L5时，L4和L5满足关系：L4＜L5。
在这种情况下，如图4所示，在没有交流电压施加到它们之间的情况下，当从旋转中央轴41(以下，同样称之为“轴方向”)观察时，每个第一电极齿51的尖端511完全与每个第二电极齿71的尖端711交迭。更特别地，尖端511和尖端711交迭使得电极基底51的下表面512的位置(在其宽度方向的一端)基本上对应于电极基底71的下表面712的位置(在其宽度方向的一端)。因此，可以扩大每个第一电极齿51在其宽度方向的长度的中点h4和每个第一电极齿71在其宽度方向的长度的中点h5之间的距离。因此，可以以低电压驱动致动器100，并扩大可移动梳状电极1的旋转角度(偏转角)。
在此方面，优选地是，在每个第一电极齿51的宽度(第一宽度)L4被定义为A(μm)，每个第一电极齿71的宽度(第一宽度)L5被定义为B(μm)时，A和B满足关系：1.0≤A/B≤3.0。更优选地，A和B满足关系：1.2≤A/B≤2.0。这使得可以改善致动器100的驱动效率，可以以低电压驱动可移动梳状电极1。
在致动器100中，通过调节每个第一和第二电极齿51和71的宽度、间隔、厚度等，可以理想地设置致动器100的驱动属性。
具有上述结构的致动器100构成两个自由度振动式致动器，其具有两个振动***，其中可移动梳状电极1、11和第一弹性连接部4、4构成第一振动***，可移动部2和第二弹性连接部5、5构成第二振动***。
下面，将描述本实施例中的致动器100的操纵。
图5是示出将要施加给图1示出的致动器的交流电压的实例的示意图。这样的致动器100驱动如下。
即，例如，正弦波(交流电压)等施加在每个可移动梳状电极1、11和相应的固定可移动梳状电极73、74、75、和/或76之间，更特别地，例如，可移动梳状电极1、11可接地，具有如图5A示出的单相半波整流波形的电压信号被施加给处于图1的上侧的两个固定梳状电极73、75，具有如图5B所示的波形的电压信号，与图5A示出的波形有180度的相位差，施加给处于图1的下侧的两个固定梳状电极74、76。因此，库仑力(静电力)在可移动梳状电极1、11和相应的电极73和74、75和76之间分别产生。吸引可移动梳状电极1到固定梳状电极73或74的库仑力的强度和吸引可移动梳状电极1到固定梳状电极75或76的库仑力的强度随正弦波的相位而改变。每个可移动梳状电极1、11围绕旋转中央轴41相对于第一弹性连接部4、4振动(旋转)。经由第二弹性连接部5、5连接至可移动梳状电极1、11的可移动部2根据可移动梳状电极1、11的转动(移动)围绕旋转中央轴41而振动。
如上所述，根据第一实施例中的致动器100，由于固定梳状电极73和74、75和76分别靠近可移动梳状电极1、11，可以实现致动器100，其中，可移动梳状电极1、11可以低电压驱动，更大的扭矩以可移动部2的大转动角度(偏转角度)施加到可移动梳状电极1、11上。
并且，由于施加给固定梳状电极73和75的相位和振幅基本上同施加给固定梳状电极74和76的相位和振幅相同，可以同步振动(旋转)可移动梳状电极1、11。这使得可以稳定地驱动可移动部2。
另外，由于使用梳状电极6、7驱动致动器100，施加给可移动梳状电极1、11的库仑力(驱动力)不会随着通孔14的提供而减少。在这种情况下，由于可以降低可移动梳状电极1、11的质量，则可以以高速(也就是，高频率)驱动可移动梳状电极1、11(以及可移动部2)。另外，由于可以减少可移动梳状电极1、11(以及可移动部2)转动惯量J1，所以，可以进一步扩大可移动部2的旋转角(偏转角)。
在此方面，下面将描述可移动梳状电极1、11的转动惯量J1。
在此方面，可移动梳状电极1上的旋转中心轴41和可移动梳状电极1的一个端部12在大致垂直于旋转中心轴41的方向上的长度(距离)定义为L1。可移动梳状电极1上的旋转中心轴41和可移动梳状电极11的一个端部12在大致垂直于旋转中心轴41的方向上的长度(距离)定义为L2，且可移动部2上的旋转中心轴41和可移动部2的一个端部13在大致垂直于旋转中心轴41的方向上的长度(距离)定义为L3。由于在本实施例中彼此独立地提供可移动梳状电极1、11，所以可移动梳状电极1、11在可移动部2中不互扰。因此，不管可移动部2尺寸(即，长度L3)如何，都可能使得长度L1和L2较小。这使得可能扩大可移动梳状电极1、11的每个的旋转角(偏转角)，因此可能扩大可移动部2的旋转角。
在此情形下，优选的是，将可移动部2的最大偏转角设定为20°或更大。
因此，可能实现(获得)用于可移动梳状电极1、11的低压驱动和可移动部2以大的旋转角进行移位(旋转)。
例如，在上述致动器100应用于待应用在激光打印机、条形码阅读器、共焦扫描激光显微镜等中的光扫描器的情形下，可能更容易地使设备较小。
在此方面，如上所述，尽管将长度L1和L2设定为与本实施例中大体相同的尺寸，但无疑，长度L1也可与长度L2不同。
图6是示出所施加的交流电压的频率以及可移动梳状电极和可移动部的谐振曲线的曲线图。
应指出，两个自由度振动型致动器100具有如图6中所示的在可移动梳状电极1、11和可移动部2的振幅(偏转角)和施加的交流电压的频率之间的频率特征。即，两个自由度振动***包括由可移动梳状电极(第一块部)1、11和第一弹性连接部4、4组成的第一振动***和由可移动部(第二块部)2和第二弹性连接部5、5组成的第二振动***，并且具有使得可移动梳状电极1、11和可移动部2的振幅变得较大的两个谐振频率fm1(kHz)和fm3(kHz)(这里，fm1＜fm3)和使得可移动梳状电极1、11的振幅变得大致为零的一个***振频率fm2(kHz)。
在此致动器100中，优选的是，将待施加在可移动梳状电极1、11的每个和相应的固定梳状电极73、74、75、和76之间的交流电压的频率F设定为大致等于两个谐振频率的较小谐振频率，即，将频率F设定为大致等于fm1。通过将待施加的交流电压的频率F(khz)设定为大致等于fm1(kHz)，可能增大可移动部2的旋转角(偏转角)，同时抑制可移动梳状电极1、11的振动。在此方面，应指出，在本说明书中，F(kHz)大致等于fm1(kHz)意味着F和fm1满足关系：(fm1-1)≤F≤(fm1+1)。
优选的是，可移动梳状电极1、11的每个的频率宽度在1到1,500μm的范围内，更优选地，它在10到300μm的范围内。类似地，优选的是，可移动部2的平均宽度在1到1,500μm的范围内，更优选地，它在10到300μm的范围内。
第一弹性连接部4、4的每个的弹性系数(k1)优选在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，进一步优选地，在1×10-1到1×102Nm/rad的范围内。通过将第一弹性连接部4、4(k1)的每个的弹性系数(k1)设为在上述范围内的值，可能进一步增加可移动部2的旋转角(偏转角)。
类似地，第二弹性连接部5、5的每个的弹性系数(k2)优选在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，进一步优选地，在1×10-1到1×102Nm/rad的范围内。通过将第二弹性连接部5、5的每个的弹性系数(k2)设为在上述范围内的值，可能进一步增加可移动部2的旋转角(偏转角)，同时抑制可移动梳状电极1、11的每个的振动。
在将第一弹性连接部4、4的每个的弹性系数定义为k1和将第二弹性连接部5、5的每个的弹性系数定义为k2的情况下，优选的是k1和k2满足关系式：k1＞k2。这使得可能进一步增加可移动部2的旋转角(偏转角)，同时抑制可移动梳状电极1、11的每个的振动。
进一步地，优选的是，在可移动梳状电极1、11的每个的转动惯量定义为J1和可移动部2的每个的转动惯量定义为J2的情形下，J1和J2满足关系式：J1＜J2。这使得可能进一步增加可移动部2的旋转角(偏转角)，同时抑制可移动梳状电极1、11的每个的振动。
现在，在J1表示可移动梳状电极1、11的转动惯量和k1表示第一弹性连接部4、4的每个的弹性系数的情况下，可根据公式ω1＝(k1/J1)1/2确定第一振动***ω1的固有频率。在J2表示可移动部2的转动惯量和k2表示第二弹性连接部5、5的每个的弹性系数的情况下，可根据公式ω2＝(k2/J2)1/2确定第二振动***ω2的固有频率。
优选的是，以上述方式确定的第一振动***ω1的固有频率和第二振动***ω2的固有频率满足关系式：ω1＞ω2。这使得可能进一步增加可移动部2的旋转角(偏转角)，同时抑制可移动梳状电极1、11的每个的振动。
在此方面，在本实施例的致动器100中，优选的是，致动器100具有在这对第一弹性连接部4、4和这对第二弹性连接部5、5的至少一个中的压阻元件。这使得举例来说可能检测旋转角和旋转频率。进一步地，也可能利用检测结果来控制可移动部2的姿势。
在此方面，在本实施例中，即使已经描述了已经将具有图5A中所示的波形的交流电压时施加给固定梳状电压73、75和具有图5B中所示的波形的交流电压施加给固定梳状电压74、76作为实例进行了描述，但施加的电压不限于此。例如，具有如图5C中所示的波形的交流电压可施加给固定梳状电压73、75，且具有图5D中所示的波形的交流电压可施加给固定梳状电极74、76。
在此方面，图5C中所示的交流电压是正弦波电压，其中预定补偿电压施加到这里，从而将最小电压设定为接地电势。并且，图5D中所示的交流电压是正弦波电压，此正弦波电压与如图5C中的波形有相位差180度。
并且，在本实施例的致动器100中，即使已经描述了可移动梳状电极1和固定梳状电极73、74构成一组梳状电极6。本发明不限于此。例如，可移动梳状电极1和固定梳状电极73可构成一组梳状电极，或可移动梳状电极1和固定梳状电极74可构成一组梳状电极(可移动梳状电极11和固定梳状电极75、76和梳状电极7之间的关系大致相同)。在此情形下，优选的是，在可移动梳状电极1和固定梳状电极73或74之间施加补偿电压施加给的正弦波等，其中最小电压是接地电势。
接着，将参看附图描述制造如图1至2中所示的制动器100的方法的一个实例。图7是制造致动器的方法的流程图的实例。在此实例中，通过以下步骤制造致动器100。
在图7中，为了更易理解，将描述其中形成两个第一电极齿51和第二电极齿71的实例。在以下使用图7的描述中，为了便于描述，应指出，将图7中的上侧、下侧、右侧、和左侧分别称之为“上侧”、“下侧”、“右侧”、和“左侧”。并且，将图7中的“上下方向”称之为“厚度方向”。
<1>首先，如图7A中所示，准备SOI(绝缘体硅)基板(层压结构)50。SOI基板50包括由硅制成的有源层(第一基底材料)70、由氧化硅制成并且层压在有源层70上的绝缘层(中间层)80、以及由硅制成并且层压在绝缘层80上的基底层(第二基底材料)90。其中氧化硅膜在一个主表面上形成的两个硅基板可被结合和用作SOI基板50，或市场产品(通用物品)可用作SOI基板50。通过特别使用这种市场产品，可能易于以低价格制备具有高的表面均匀度、均匀厚度和理想厚度的优良的层压结构。并且，可能将为其它设备的基底材料制备的基地材料用作致动器100的基底材料。
<2>接着，如图7B中所示，举例来说使用铝等分别在SOI基板50的上表面和下表面上形成掩模层61、62(掩模步骤)，接着利用光刻等使具有掩模层61、62的SOI基板50经受图样化，例如以便形成开口。在从图7B中的上侧看时SOI基板50的上表面上的开口形状相应于待形成的结构10的形状。并且，在从图7B中的下侧看时SOI基板50的下表面上的开口形状相应于待形成的开口60的形状。
<3>接着，如图7C中所示，将光致抗蚀剂有选择地涂覆到SOI衬底50的上表面上，接着对具有光致抗蚀剂的SIO基板50执行暴露和显影。这样，形成用作用于干蚀刻工艺的掩模的光致抗蚀剂63的图样。
<4>接着，如图7D中所示，将光致抗蚀剂63用作掩模，从SOI基板50的上表面半道使有源层70经受干蚀刻工艺。接着，消除有源层70的上表面上的光致抗蚀剂63。
例如，可将例如等离子体蚀刻法等各种物理蚀刻法、反应离子蚀刻法、光束蚀刻法、和光致抗蚀剂蚀刻法用作蚀刻方法。在此情形下，可利用它们中的一种蚀刻法或两种或更多种蚀刻法。
在此方面，在稍后将描述的蚀刻工艺<5>和<6>的每个中使用类似的蚀刻方法。
<5>接着，如图7E中所示，使有源层70从SOI基板50的上表面经受使用掩模层61的蚀刻工艺，直到达到绝缘层80。这样，形成包括第一电极齿51和第二电极齿71的结构10，其中第一电极齿51和第二电极齿71在厚度方向上具有梯级，并且彼此分离。
<6>接着，如图7F中所示，使基底层90从SOI基板50的下表面经受使用掩模层62的蚀刻工艺，直到达到绝缘层80。
<7>接着，如图7G中所示，消除掩模层61、62，之后使绝缘层80经受使用氟化酸的蚀刻工艺。这样，形成开口60。
<8>最终，如图7H中所示，在结构10上不同于可移动部2的表面的表面上形成掩模，并且将铝、金等沉积在可移动部2的表面上，以形成反光部(金属反射膜)21。
就形成反光部21的方法而言，可以使用例如真空蒸发法、溅射法(低温溅射法)、和离子电镀法等各种干镀法、例如电解电镀法、化学镀法、喷雾法、和金属箔接合等各种湿镀法。
在此方面，如果在步骤<7>不消除相应于可移动部2的掩模层61的部分，而是留下此部分，则不要求步骤<8>。
如上所述，制造第一实施例的致动器100。
如上面所说明的，根据制造第一实施例的致动器100的方法，由于通过使有源层(通用基底材料，即，第一基底材料)经受预定工艺形成可移动梳状电极1、11、可移动部2、支撑部3、3、第一弹性连接部4、4、第二弹性连接部5、5、和固定梳状电极73、74、75、和76，所以可能易于制造它们。特别地，可能易于制造可移动梳状电极1、11、和固定梳状电极73、74、75、和76。
并且，由于从图7的上侧(即，从一个方向)利用预定工艺形成可移动梳状电极1、11、和固定梳状电极73、74、75、和76，所以可能制造分别具有理想的形状和尺寸的可移动梳状电极1、11、和固定梳状电极73、74、75、和76。
此外，由于与从SOI基板50的两个表面执行工艺的情形相比可能减少制造方法的步骤，所以可能更容易地制造可移动梳状电极1、11、和固定梳状电极73、74、75、和76。
并且，由于可精确制造分别具有理想形状和尺寸的可移动梳状电极1、11、和固定梳状电极73、74、75、和76，所以可能缩短可移动梳状电极1、11、和固定梳状电极73、74、75、和76在轴向上的间隔。这样，可能使得致动器100较小。此外，可能制造能以更低电压驱动并且具有大扭矩的致动器。
(第二实施例)
接着，将描述根据本发明的致动器的第二实施例。图8是示出根据本发明的致动器的第二实施例的平面图。此后，将就第一和第二实施例的区别描述图8中所示的致动器100，因此将省略对相同部分的描述。
如图8中所示，本实施例的致动器100包括两对第一弹性连接部4’、4”、和两对第二弹性连接部5’、5”。这两对第一弹性连接部4’、4”分别将可移动梳状电极1、11连接到支撑部3、3，从而可移动梳状电极1、11的每个都能关于相应的支撑部3旋转。这两对第二弹性连接部5’、5”分别将可移动部2连接到可移动梳状电极1、11，从而可移动部2能随着可移动梳状电极1、11的旋转(移位)而旋转。
由于这种结构，可能更可靠地抑制可移动部2在垂直于旋转中心轴41的方向上的运动。在此情形下，即，在致动器100包括与本实施例相同的两对第一弹性连接部4’、4”、和两对第二弹性连接部5’、5”的情形下，根据连接在支撑部3的其中之一和驱动部1、11的其中之一之间的两对弹性连接部4’、4”等同于第一实施例的大体上在与此第二实施例的两个弹性连接部4’相同的位置的单个弹性连接部4的假定，确定其弹性常数k1和k2。
(第三实施例)
接着，将描述根据本发明的致动器的第三实施例。图9是示出根据本发明的致动器的第三实施例的平面图。此后，将就第一和第三实施例的区别描述图9中所示的致动器100，因此将省略对相同部分的描述。在本实施例的致动器100中，一个可移动梳状电极111以圆形方式绕可移动部2形成。换言之，可移动梳状电极111由电极基座底和多个第一电极齿51构成，且开口112设置在可移动梳状电极111的中央部分中。可移动部2设置在可移动梳状电极111的开口112内。
由于这种结构，致动器100可具有更稳定的结构。并且，在本实施例中，可省略在图9中的上侧的固定梳状电极73和相应的电极齿51，并且可选地，可省略在图9中的下侧的固定梳状电极74和相应的电极齿51。
上面基于此优选实施例描述的致动器100可优选应用于待应用在激光打印机、条形码阅读器、共焦扫描激光显微镜等中的光扫描器、或用于成像的显示器等。
尽管已经参看附图中所示的实施例描述了根据本发明的致动器100，但本发明不限于此。例如，只要能实现相同或相似功能，则可能对本发明的致动器100的每个部分作出多种改变和添加。
并且，尽管已经描述了，上述实施例的致动器100的每个都具有一对或两对第一弹性连接部4或4’，但根据本发明的致动器100不限于此，举例来说也可具有三对或更多对第一弹性连接部4或4’。
类似地，尽管已经描述了上述实施例的致动器100的每个都具有一对或两对第二弹性连接部5或5’，但根据本发明的致动器100不限于此，举例来说也可具有三对或更多对第二弹性连接部5或5’。
此外，尽管已经描述了反光部21设置在上述实施例的致动器100的每个中没有面对下部基板8的可移动部2的表面上，但反光部21也可设置在可移动部2的相对表面上，或举例来说可设置在可移动部2的两个表面上。
并且，尽管已经描述了，在上述实施例的致动器100的每个中，第一弹性连接部4或4’和第二弹性连接部5或5’具有附图中所示的形状，但在根据本发明的致动器100中，其形状不限于此，它们举例来说也可具有曲柄形状或分支形状。
并且，支撑部3、3可一体形成。
此外，尽管已经描述了，在上述实施例的致动器100的每个中，通孔14在可移动梳状电极1、11的每个中形成，但是在根据本发明的致动器100中，其结构不限于此。例如，凹部可在可移动梳状电极1、11的每个中形成，以便形成可移动梳状电极1、11。
并且，尽管已经描述了，在上述实施例的致动器100的制造方法中，致动器100一体形成，但致动器100不限于一体形成的整体。例如，结构10(即，可移动梳状电极1、11或111，可移动部2，支撑部3、3，第一弹性连接部4、4、或4’、4’，和第二弹性连接部5、5、或5’、5’)和下部基板9可分开形成，并且此结构10可通过由玻璃等制成的衬垫结合至下部基板9。
此外，尽管已经描述了第一电极齿51的尖端511完全用第二电极齿71的尖端711覆盖，但它们不限于此。第一电极齿71的尖端711可完全用第二电极齿51的尖端511覆盖。
在此情形下，优选的是，每个第一电极齿51的宽度L4和每个第二电极齿71的宽度L5满足关系式：0.3≤L4/L5(A/B)≤1.0，更优选地，L4和L5满足关系式：0.5≤L4/L5(A/B)≤0.8。
并且，可移动梳状电极1、11的每个的表面或固定梳状电极73、74、75、和76的每个的表面、或二者都可经受绝缘工艺。这使得可能防止可移动梳状电极1、11的每个的表面或固定梳状电极73、74、75、和76的每个的表面发生短路。

Claims (20)

1.一种致动器，具有旋转中心轴，所述致动器包括：
框架，具有绝缘性能；
一对彼此隔开的可移动梳状电极，其中这对可移动梳状电极的每个都具有侧表面，且设置有至少一组第一电极齿，所述电极齿以预定间隔并排设置在其侧表面上；
可移动部，设置在这对可移动梳状电极之间；
一对支撑部，设置在所述框架上，用于支撑这对可移动梳状电极和所述可移动部；
至少一对固定梳状电极，设置在所述框架上分别相应于这对可移动梳状电极的位置处，所述至少一对固定梳状电极的每个设置有一组第二电极齿，所述电极齿以预定间隔并排设置，以便与相应的可移动梳状电极的第一电极齿协作关联；
至少一对第一弹性连接部，分别将这对可移动梳状电极连接至这对支撑部，从而每个可移动梳状电极能关于相应的支撑部绕致动器的旋转中心轴旋转；以及
至少一对第二弹性连接部，分别将所述可移动部连接至这对可移动梳状电极，从而随着可移动梳状电极的旋转，所述可移动部能绕致动器的旋转中心轴旋转，
其中这对可移动梳状电极的每个都由通过在每个固定梳状电极和相应的可移动梳状电极之间施加交流电压产生的库仑力驱动，由此可移动部旋转，以及
其中这对可移动梳状电极的每个的第一电极齿和相应的至少一对固定梳状电极的每个的第二电极齿配置为使得在固定梳状电极和相应的可移动梳状电极之间没有施加交流电压的情形下可移动梳状电极的每个的第一电极齿的至少一部分与相应的固定梳状电极的第二电极齿的一部分重叠。
2.根据权利要求1所述的致动器，其中在从致动器的旋转中心轴观看时可移动梳状电极和相应的固定梳状电极之间没有施加交流电压的情形下每个可移动梳状电极的第一电极齿的至少部分与相应的固定梳状电极的第二电极齿的一部分重叠。
3.根据权利要求2所述的致动器，其中第一电极齿的每个的尖端和第二电极齿的每个的尖端之一彼此完全重叠。
4.根据权利要求1所述的致动器，其中第一电极齿的每个都在垂直于框架的方向上具有第一宽度，且第二电极齿的每个都在垂直于框架的方向上具有第二宽度，其中在从致动器的旋转中心轴观看时第一电极齿的每个的第一宽度比第二电极齿的每个的第二宽度大。
5.根据权利要求4所述的致动器，其中，在第一电极齿的每个的第一宽度定义为A(μm)和第二电极齿的每个的第二宽度定义为B(μm)的情形下，A和B满足关系式：1.0≤A/B≤3.0。
6.根据权利要求4所述的致动器，其中，第一电极齿的每个都在其宽度方向上具有上下边沿，且第二电极齿的每个都在其宽度方向上具有上下边沿，其中在从致动器的旋转中心轴观看时，在第一电极齿和第二电极齿之间没有施加交流电压的情形下，第一电极齿的每个的上边沿或下边沿与第二电极齿的每个的相应边沿大体彼此对准。
7.根据权利要求1所述的致动器，其中，通过使第一基底材料经受预定工艺形成至少一对固定梳状电极和这对可移动梳状电极。
8.根据权利要求7所述的致动器，其中，通过使与第一基底材料相同的基底材料经受预定工艺，形成这对支撑部、可移动部、至少一对第一弹性连接部和至少一对第二弹性连接部。
9.根据权利要求7所述的致动器，其中，通过使第一基底材料经受图样化分别形成至少一对固定梳状电极和这对可移动梳状电极，从而至少一组第一电极齿的每个不会与相应的第二齿接触。
10.根据权利要求7所述的致动器，其中，第一基底材料由硅制成。
11.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述框架由层压结构构成，所述层压结构包括由氧化硅制成的中间层和由硅制成并且层压在中间层上的第二基底材料。
12.根据权利要求1所述的致动器，其中，所述框架在相应于可移动部和/或这对可移动梳状电极的部分处设置有开口。
13.根据权利要求1所述的致动器，其中，这对可移动梳状电极的每个都具有电极基底和至少一组第一电极齿，且至少一组第一电极齿沿大致垂直于旋转中心轴的方向设置在这对可移动梳状电极的每个的电极基底的一个末端处。
14.根据权利要求13所述的致动器，其中，所述至少一组第一电极齿包括两组第一电极齿，其中两组第一电极齿的每组沿大致垂直于旋转中心轴的方向分别设置在这对可移动梳状电极的每个的电极基底的两端。
15.根据权利要求1所述的致动器，其中，一个或多个通孔在这对可移动梳状电极的每个中形成。
16.根据权利要求1所述的致动器，进一步包括设置在可移动部上的反光部。
17.根据权利要求1所述的致动器，其中，在第一弹性连接部的弹性系数定义为k1和第二弹性连接部的弹性系数定义为k2的情况下，k1和k2满足关系式：k1＞k2。
18.根据权利要求1所述的致动器，其中，致动器属于采用具有二维自由度的振动***的类型，且交流电压的频率设定为大致等于这对可移动梳状电极和可移动部在此频率共振的具有二维自由度的振动***的共振频率的较低共振频率。
19.根据权利要求1所述的致动器，其中，这对第一弹性连接部和这对第二弹性连接部的至少一个包括压阻元件。
20.一种致动器，具有旋转中心轴，所述致动器包括：
框架，具有绝缘性能；
一对可移动梳状电极，设置有一组第一电极齿，所述电极齿以预定间隔并排设置在其侧表面上，所述可移动梳状电极具有开口；
可移动部，设置在可移动梳状电极的开口中；
一对支撑部，设置在所述框架上，用于支撑可移动梳状电极和可移动部；
两个固定梳状电极，沿大致垂直于旋转中心轴的方向设置在所述框架上相应于可移动梳状电极的位置处，这两个固定梳状电极的每个都设置有一组第二电极齿，所述电极齿以预定间隔并排设置，以便与可移动梳状电极的至少一组第一电极齿协作关联；
至少一对第一弹性连接部，分别将可移动梳状电极连接至这对支撑部，从而可移动梳状电极能关于这对支撑部绕致动器的旋转中心轴旋转；以及
至少一对第二弹性连接部，分别将所述可移动部连接至可移动梳状电极，从而随着可移动梳状电极的旋转，所述可移动部能绕致动器的旋转中心轴旋转，
其中可移动梳状电极由通过在每个固定梳状电极和可移动梳状电极之间施加交流电压产生的库仑力驱动，由此可移动部旋转，以及
其中可移动梳状电极的第一电极齿和固定梳状电极的每个的第二电极齿配置为使得在可移动梳状电极和固定梳状电极之间没有施加交流电压的情形下可移动梳状电极的第一电极齿的至少一部分与固定梳状电极的每个的第二电极齿的一部分重叠。
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