專利名稱：微型振蕩元件的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種具有可發(fā)生旋轉(zhuǎn)位移的振蕩部分的微型振蕩元件。特別是涉及一種可用于微型反射鏡元件的微型振蕩元件，所述微型反射鏡元件可被制成光學(xué)裝置例如，利用光波執(zhí)行精確測(cè)量的光學(xué)測(cè)量裝置、為光盤(pán)記錄和復(fù)制數(shù)據(jù)用的光盤(pán)裝置、以及在多根光纖之間轉(zhuǎn)換光路以改變光的傳播方向的光學(xué)轉(zhuǎn)換裝置。
背景技術(shù)：
近年來(lái)，在各個(gè)技術(shù)領(lǐng)域都在嘗試應(yīng)用MEMS(微型機(jī)電系統(tǒng))裝置，其具有通過(guò)微加工技術(shù)形成的微型結(jié)構(gòu)。例如，在光通訊技術(shù)領(lǐng)域中，具有光反射功能的微型反射鏡元件正受到關(guān)注。
微型反射鏡元件具有用于反射光的鏡面，其能通過(guò)該鏡面的振蕩改變光的反射方向。使用靜電力來(lái)振蕩鏡面的靜電驅(qū)動(dòng)型微型反射鏡元件可用于許多光學(xué)裝置。靜電驅(qū)動(dòng)型微型反射鏡元件可粗略分為兩種通過(guò)所謂表面微加工技術(shù)制造的微型反射鏡元件，和通過(guò)所謂體型微加工技術(shù)制造的微型反射鏡元件。
在表面微加工技術(shù)中，在襯底上將與每個(gè)構(gòu)成區(qū)域?qū)?yīng)的材料薄膜加工成理想圖案，接著通過(guò)將這些圖案順序地層疊起來(lái)，形成每個(gè)組成元件區(qū)域，例如支持體、鏡面和電極、以及作為要除掉的層的犧牲層。例如，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開(kāi)的H7-287177中公開(kāi)了通過(guò)這種表面微加工技術(shù)獲得的靜電驅(qū)動(dòng)型微型反射鏡元件。另一方面，在體型微加工技術(shù)中，可通過(guò)對(duì)材料襯底本身進(jìn)行的蝕刻，將支持體和反射鏡部件作成理想形狀，必要時(shí)用薄膜作成鏡面和電極。例如，在日本專利申請(qǐng)?zhí)卦S公開(kāi)的H9-146032、H9-146034、H10-62709和2001-13443中公開(kāi)了體型微加工技術(shù)。
微型反射鏡元件所需的一個(gè)技術(shù)問(wèn)題是用于反射光的鏡面的高度平整度。但是，根據(jù)表面微加工技術(shù)，其中最終要形成的鏡面很薄，鏡面容易彎曲，因此很難在大面積的整個(gè)鏡面上實(shí)現(xiàn)高的平整度。而在體型微加工技術(shù)中，鏡面設(shè)置在反射鏡部件上，該反射鏡部件是利用蝕刻技術(shù)對(duì)較厚材料的襯底本身進(jìn)行蝕刻形成的，因此更容易保證大面積鏡面上的反射鏡部件的剛度。因此，對(duì)于形成足夠高光學(xué)平整度的鏡面而言，體型微加工技術(shù)是優(yōu)選的。
圖24和25顯示通過(guò)體型微加工技術(shù)制造的傳統(tǒng)靜電驅(qū)動(dòng)型微型反射鏡元件X6。圖24是該微型反射鏡元件X6的分解立體圖，圖25是沿圖24中裝配好的微型反射鏡元件X6的XXV-XXV線剖開(kāi)的剖視圖。
微型反射鏡元件X6具有層疊起來(lái)的反射鏡襯底60和底部襯底66。反射鏡襯底60由反射鏡部件61、框架62和一對(duì)與這些部件相連的扭桿63組成。反射鏡部件61、框架62和這對(duì)扭桿63的外形是通過(guò)對(duì)例如具有導(dǎo)電性的硅襯底的預(yù)定材料襯底的一面進(jìn)行蝕刻而形成的。在反射鏡部件61的前表面形成了鏡面64。在反射鏡部件61的后面，設(shè)置了一對(duì)電極65a和65b。這對(duì)扭桿63確定了后面要提到的反射鏡部件61的振蕩操作的旋轉(zhuǎn)軸A6。在底部襯底66上，設(shè)置了面向反射鏡部件61的電極65a的電極67a和面向其上的電極65b的電極67b。
在微型反射鏡元件X6中，當(dāng)向反射鏡襯底60的框架62施加電壓時(shí)，電壓通過(guò)這對(duì)扭桿63和反射鏡部件61傳遞給電極65a和電極65b，利用導(dǎo)電性相同的材料將這對(duì)扭桿63和反射鏡部件61與框架62集成為一體。由此通過(guò)向框架62施加預(yù)定電壓，就能使電極65a和65b充上例如正電。如果該狀態(tài)下為底部襯底66的電極67a充上負(fù)電，那么在電極65a和電極67a之間就產(chǎn)生了靜電吸引，如圖25所示，反射鏡部件61隨著這對(duì)扭桿63扭轉(zhuǎn)而沿箭頭M6的方向振蕩。反射鏡部件61振蕩到使電極之間的靜電吸引與扭桿63的總扭轉(zhuǎn)阻力相平衡的角度。另一方面，如果在為反射鏡部件61的電極65a和65b充上正電的狀態(tài)下，為電極67b充上負(fù)電，就會(huì)在電極65b和電極67b之間產(chǎn)生靜電吸引，反射鏡部件61沿與箭頭M6相反的方向振蕩。通過(guò)反射鏡部件61的這種振蕩驅(qū)動(dòng)，就能改變由鏡面64所反射的光的反射方向。
為了提高反射鏡部件61的諧振頻率(例如幾百kHz或以上)以滿足微型反射鏡元件X6的高速操作的要求，現(xiàn)有技術(shù)中采用提高扭桿63的扭轉(zhuǎn)方向的剛度(扭轉(zhuǎn)剛度)以提高反射鏡部件61的旋轉(zhuǎn)剛度的方法、或者采用降低反射鏡部件61的質(zhì)量以降低它的慣性力矩(相對(duì)于軸A6的區(qū)域的極慣性力矩)的方法。一般而言，反射鏡部件(執(zhí)行旋轉(zhuǎn)操作的區(qū)域)的諧振頻率由下面的公式(1)給出。在公式(1)中，f0是反射鏡部件的諧振頻率，K是反射鏡部件的旋轉(zhuǎn)剛度，I是反射鏡部件的慣性力矩(相對(duì)于軸的區(qū)域的極慣性力矩)。
f0=KI----(1)]]>根據(jù)公式(1)，對(duì)于微型反射鏡元件X6的反射鏡部件61而言，其旋轉(zhuǎn)剛度越高或者其慣性力矩越低，所獲得的諧振頻率就越高。隨著扭桿63的扭轉(zhuǎn)剛度變高，反射鏡部件61的旋轉(zhuǎn)剛度就會(huì)變高，當(dāng)反射鏡部件61沿一個(gè)方向振蕩時(shí)存儲(chǔ)在該扭桿63內(nèi)的勢(shì)能增加，因此在反射鏡部件61在沿一個(gè)方向振蕩完成后又沿相反方向振蕩時(shí)、勢(shì)能從扭桿63中被釋放出來(lái)并轉(zhuǎn)換成動(dòng)能的該勢(shì)能的量增加，這很適合獲得高諧振頻率。隨著反射鏡部件61的慣性力矩減少，反射鏡部件61的預(yù)定振蕩操作所需的驅(qū)動(dòng)力就越小，因此這適合獲得高諧振頻率。
提高扭桿63的扭轉(zhuǎn)剛度的公知方法是增加扭桿63的厚度和寬度，由此增加它的橫截面積。但是，由于實(shí)際原因，必需將扭桿63的厚度設(shè)成反射鏡部件61的厚度或者更小。如果扭桿63的厚度超過(guò)了反射鏡部件61的厚度，那么扭桿63的扭轉(zhuǎn)剛度就會(huì)過(guò)度增加，在這種情況下，即使產(chǎn)生了反射鏡部件61的驅(qū)動(dòng)力，該扭桿63也不能發(fā)生適當(dāng)扭轉(zhuǎn)，并且反射鏡部件61就會(huì)傾向于變形。如果扭桿63的寬度不適宜地增加，這也會(huì)過(guò)度增加扭桿63的扭轉(zhuǎn)剛度，在這種情況下，即使產(chǎn)生了反射鏡部件61的驅(qū)動(dòng)力，該扭桿63也不能適當(dāng)?shù)嘏まD(zhuǎn)，反射鏡部件61傾向于發(fā)生變形。
通過(guò)降低反射鏡部件61的重量來(lái)降低其慣性力矩的公知方法是降低反射鏡部件61的厚度。但是，隨著反射鏡部件61變得越薄，反射鏡部件61本身就越傾向于發(fā)生彎曲，這使得保證鏡面64的平整度變得困難。如果鏡面64的平整度得不到充分保證，就不能在微型反射鏡元件X6中實(shí)現(xiàn)適當(dāng)?shù)墓夥瓷涔δ堋?br> 因此，現(xiàn)有技術(shù)很難在高諧振頻率下操作微型反射鏡元件或微型振蕩元件。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明正是在上述情況下提出的。因此本發(fā)明的目的是提供一種適合在高諧振頻率下操作的微型振蕩元件。
依照本發(fā)明的第一方面，提供了一種微型振蕩元件，其包括振蕩部分；主框架；第一彈簧和第二彈簧，其使得該振蕩部分由該框架支撐。振蕩部分位于第一彈簧和第二彈簧之間，第一彈簧和第二彈簧中的每一個(gè)都可隨振蕩部分的振蕩發(fā)生形變。
在具有上述結(jié)構(gòu)的微型振蕩元件中，振蕩部分的旋轉(zhuǎn)剛度可通過(guò)第一和第二彈簧獲得，所述彈簧會(huì)隨振蕩部分的振蕩操作發(fā)生偏轉(zhuǎn)。這是因?yàn)榈谝缓偷诙椈上蛘袷幉糠值恼袷幉僮鞣謩e施加通過(guò)偏轉(zhuǎn)剛度和彎曲剛度產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)阻力。當(dāng)存在一扭桿時(shí)，其與向振蕩操作施加由扭轉(zhuǎn)剛度產(chǎn)生的扭轉(zhuǎn)阻力的扭桿物理相當(dāng)(physically equivalent)，該扭桿與振蕩部分和框架相連并限定了沿振蕩部分的振蕩操作的振蕩軸。因此在依照本發(fā)明第一方面的微型振蕩元件中，可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)第一和第二彈簧的偏轉(zhuǎn)剛度為振蕩部分獲得理想的高旋轉(zhuǎn)剛度。該元件還可這樣構(gòu)造即在不使用連接振蕩部分和框架的扭桿的情況下，使振蕩部分作適當(dāng)振蕩。
依照本發(fā)明，在沿振蕩方向向振蕩部分的預(yù)定振蕩端施加驅(qū)動(dòng)力時(shí)，隨振蕩部分的振蕩操作發(fā)生偏轉(zhuǎn)的第一和第二彈簧分別沿著與振蕩方向相反的方向向振蕩部分或其振蕩端施加拉力。于是在微型振蕩元件中，通過(guò)使振蕩部分達(dá)到足夠的薄度，就能實(shí)現(xiàn)理想的小慣性力矩，并通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)第一和第二彈簧的偏轉(zhuǎn)剛度，就可以避免振蕩部分在振蕩方向上的不當(dāng)形變。
如上所述，在依照本發(fā)明第一方面的微型振蕩元件中，能夠?yàn)檎袷幉糠肢@得很高的旋轉(zhuǎn)剛度，并能實(shí)現(xiàn)很小的慣性力矩。該微型振蕩元件對(duì)于在高諧振頻率下工作是優(yōu)選的，以實(shí)現(xiàn)高振蕩操作。
依照本發(fā)明的第二方面，微型振蕩元件還包括通過(guò)第一彈簧與框架相連的第一啟動(dòng)部分；通過(guò)第二彈簧與框架相連的第二啟動(dòng)部分；連接振蕩部分和第一啟動(dòng)部分的第一薄部；以及連接振蕩部分和第二啟動(dòng)部分的第二薄部。第一和第二啟動(dòng)部分位于第一和第二彈簧之間，振蕩部分位于第一和第二啟動(dòng)部分之間，第一和第二啟動(dòng)部分每個(gè)都可沿振蕩部分的移動(dòng)的方向移動(dòng)，當(dāng)?shù)谝粏?dòng)部分移動(dòng)時(shí)，第一彈簧可偏轉(zhuǎn)；在第二啟動(dòng)部分移動(dòng)時(shí)，第二啟動(dòng)部分可偏轉(zhuǎn)。
通過(guò)上述設(shè)置，振蕩部分的旋轉(zhuǎn)剛度可通過(guò)隨振蕩部分的振蕩操作發(fā)生偏轉(zhuǎn)的第一和第二彈簧獲得。這是因?yàn)榈谝粡椈赏ㄟ^(guò)第一啟動(dòng)部分和第一薄部向振蕩部分的振蕩操作施加了由偏轉(zhuǎn)剛度或彎曲剛度產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)阻力，第二彈簧通過(guò)第二啟動(dòng)部分和第二薄部向振蕩部分的振蕩操作施加了由振蕩剛度和彎曲剛度產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)阻力。因此在依照本發(fā)明第二方面的微型振蕩元件中，與依照第一方面的微型振蕩元件類似，也可通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)第一和第二彈簧的偏轉(zhuǎn)剛度，為振蕩部分獲得理想的高旋轉(zhuǎn)剛度。
依照本發(fā)明的第二方面，在沿振蕩方向向振蕩部分的預(yù)定振蕩端施加驅(qū)動(dòng)力時(shí)，隨振蕩部分的振蕩操作發(fā)生偏轉(zhuǎn)的第一彈簧通過(guò)第一啟動(dòng)部分和第一薄部沿著與振蕩方向相反的方向向振蕩部分或其振蕩端的一側(cè)施加拉力。此外，隨振蕩部分的振蕩操作發(fā)生偏轉(zhuǎn)的第二彈簧通過(guò)第二啟動(dòng)部分和第二薄部沿著與振蕩方向相反的方向向振蕩部分或其振蕩端的另一側(cè)施加拉力。于是在依照本發(fā)明第二方面的微型振蕩元件中，與依照第一方面的微型振蕩元件類似，也能通過(guò)為振蕩部分獲得足夠薄度來(lái)實(shí)現(xiàn)理想的小慣性力矩，并能通過(guò)適當(dāng)調(diào)整第一和第二彈簧的偏轉(zhuǎn)剛度來(lái)避免振蕩部分在振蕩方向上發(fā)生的不當(dāng)形變。
如上所述，在依照本發(fā)明第二方面的微型振蕩元件中，能為振蕩部分獲得很高的旋轉(zhuǎn)剛度和很小的慣性力矩。
優(yōu)選的是，第一和第二彈簧是板簧。對(duì)于為了通過(guò)體型微加工技術(shù)獲得偏轉(zhuǎn)剛度理想的彈簧而言，板簧是優(yōu)選的。
優(yōu)選的是，微型振蕩元件還包括至少一個(gè)用于振蕩部分的振蕩操作限定振蕩軸的扭桿。在這種情況下，優(yōu)選的是，扭桿的垂直于振蕩軸切開(kāi)的橫截面是交叉形。扭桿的橫截面積可沿振蕩軸變化。對(duì)于為振蕩部分實(shí)現(xiàn)圍繞該軸的預(yù)定振蕩操作而言，具有該結(jié)構(gòu)的扭桿是優(yōu)選的。
優(yōu)選的是，第一彈簧、第二彈簧和扭桿中的至少一個(gè)還包括剛度調(diào)節(jié)裝置。剛度調(diào)節(jié)裝置是在彈簧或扭桿上形成的一個(gè)或多個(gè)孔。在這種情況下，這一個(gè)或多個(gè)孔可沿厚度方向或沿寬度方向穿透彈簧或扭桿。在多個(gè)孔的情況下，一部分孔沿厚度方向穿透彈簧或扭桿，在這多個(gè)孔中的其它部分的孔沿寬度方向穿透彈簧或扭桿。剛度調(diào)節(jié)裝置可以是多個(gè)加強(qiáng)肋的形式。這些加強(qiáng)肋沿彈簧或扭桿的寬度方向和/或厚度方向伸出。第一彈簧、第二彈簧或扭桿的寬度在從振蕩部分、第一啟動(dòng)部分或第二啟動(dòng)部分到框架之間的區(qū)域內(nèi)變化。與之不同或者與之相伴的是，第一彈簧、第二彈簧或扭桿的厚度在從振蕩部分、第一啟動(dòng)部分或第二啟動(dòng)部分到框架之間的區(qū)域內(nèi)變化。通過(guò)這種結(jié)構(gòu)，也能為第一彈簧、第二彈簧或扭桿調(diào)節(jié)偏轉(zhuǎn)剛度或扭轉(zhuǎn)剛度。
第一彈簧和第二彈簧可沿微型振蕩元件或振蕩部分的厚度方向共同設(shè)置。如果該裝置包括一對(duì)通過(guò)振蕩部分彼此面對(duì)的扭桿，這對(duì)扭桿可沿該裝置或振蕩部分的厚度方向共同設(shè)置。
微型振蕩元件還包括與框架相連的底部部分；以及連接底部部分和振蕩部分的第三彈簧。第三彈簧具有一對(duì)凹槽，這對(duì)凹槽沿第一和第二彈簧彼此隔開(kāi)的方向彼此隔開(kāi)。該第三彈簧優(yōu)選是為振蕩部分確定預(yù)定的振蕩軸。
優(yōu)選的是，本發(fā)明的微型振蕩元件還包括為微振蕩部分的振蕩操作產(chǎn)生驅(qū)動(dòng)力的啟動(dòng)器。在這種情況下，優(yōu)選的是，啟動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力(驅(qū)動(dòng)扭矩)的頻率與振蕩部分的振蕩操作的諧振頻率之間的差值為該諧振頻率的1％或者更低。例如該啟動(dòng)器是靜電驅(qū)動(dòng)啟動(dòng)器，其由設(shè)置在振蕩部分的可移動(dòng)電極和設(shè)置在底部部分的固定電極構(gòu)成?；蛘?，該啟動(dòng)器是電磁啟動(dòng)器，其包括分別設(shè)置在振蕩部分和底部部分的磁鐵和線圈?；蛘?，該啟動(dòng)器由連接彈簧或扭桿的壓電元件構(gòu)成。
優(yōu)選的是，振蕩部分具有光學(xué)元件。如果微型振蕩元件是微型反射鏡元件，光學(xué)元件就是可反射光的鏡面。如果在振蕩部分中設(shè)置了衍射光柵、光源或者光檢測(cè)器而不是鏡面，依照本發(fā)明的微型振蕩元件可構(gòu)造成其它的功能性元件。
本發(fā)明的微型振蕩元件還包括用于檢測(cè)框架和振蕩部分的相對(duì)旋轉(zhuǎn)位移的位移檢測(cè)裝置。該結(jié)構(gòu)對(duì)于為振蕩部分實(shí)現(xiàn)高精度振蕩操作是優(yōu)選的。
本發(fā)明的微型振蕩元件還包括設(shè)置在主框架之外的第二框架；以及連接第二框架和主框架的第三和第四彈簧。主框架位于第三和第四彈簧之間，第三和第四彈簧的每一個(gè)都可隨主框架的振蕩發(fā)生形變。
微型振蕩元件的上述結(jié)構(gòu)與依照本發(fā)明第一方面的微型振蕩元件添加了上述第二框架、第三彈簧和第四彈簧的結(jié)構(gòu)相對(duì)應(yīng)。因此依照上述設(shè)置，與第一方面中的振蕩部分類似，能為振蕩主部分獲得很高的旋轉(zhuǎn)剛度和很小的慣性力矩。此外，與在第一方面的上述振蕩部分類似，能為該主框架獲得很高的旋轉(zhuǎn)剛度和很小的慣性力矩。這樣，將依照本發(fā)明第一方面的微型振蕩元件可以構(gòu)造成多軸微型振蕩元件。
優(yōu)選的是，第一和第二彈簧彼此隔開(kāi)的方向與第三和第四彈簧彼此隔開(kāi)的方向交叉。
優(yōu)選的是，微型振蕩元件還包括至少一個(gè)用于限定振蕩部分的振蕩的第一振蕩軸的扭桿；以及至少一個(gè)用于限定主框架的振蕩的第二振蕩軸的扭桿。第一振蕩軸和第二振蕩軸可以彼此以90°相交。


圖1是描繪依照本發(fā)明第一實(shí)施例的微型反射鏡元件的立體圖；圖2是沿圖1中的II-II線剖開(kāi)的剖視圖；圖3A-圖3B顯示了在依照本發(fā)明的微型反射鏡元件中的彈簧的變形形式，其中圖3A是俯視圖，圖3B是側(cè)視圖；圖4A-圖4C顯示了依照本發(fā)明的微型反射鏡元件中的彈簧的另一變形形式，其中圖4A是俯視圖，圖4B是側(cè)視圖，圖4C是沿圖4A的IV-IV線剖開(kāi)的剖視圖；圖5A-圖5C顯示了依照本發(fā)明的微型反射鏡元件中的彈簧的另一變形形式，其中圖5A是俯視圖，圖5B是側(cè)視圖，圖5C是沿圖5A的V-V線剖開(kāi)的剖視圖；圖6A-圖6B顯示了依照本發(fā)明的微型反射鏡元件中的彈簧的另一變形形式，其中圖6A是俯視圖，圖6B是沿圖6A的VI-VI剖開(kāi)的剖視圖；圖7A-圖7B顯示了依照本發(fā)明的微型反射鏡元件中的彈簧的另一變形形式，其中圖7A是俯視圖，圖7B是沿圖7A的VII-VII線剖開(kāi)的剖視圖；圖8A-圖8B顯示了依照本發(fā)明的微型反射鏡元件中的彈簧的另一變形形式，其中圖8A是俯視圖，圖8B是沿圖8A的VIII-VIII線剖開(kāi)的剖視圖；圖9顯示了依照本發(fā)明的微型反射鏡元件中的彈簧的另一變形形式，其中圖9A是俯視圖，圖9B是側(cè)視圖；
圖10是當(dāng)將梳狀電極用作啟動(dòng)器時(shí)，沿圖1的II-II線剖開(kāi)的剖視圖；圖11是當(dāng)將梳狀電極用作啟動(dòng)器時(shí)，沿圖1的XI-XI線剖開(kāi)的剖視圖；圖12是描繪了依照本發(fā)明第二實(shí)施例的微型反射鏡元件的立體圖；圖13是沿圖12中的XIII-XIII線剖開(kāi)的剖視圖；圖14是沿圖12中的XIV-XIV線剖開(kāi)的剖視圖；圖15A-圖15B顯示了在圖12所示的微型反射鏡元件中的扭桿的變形形式，其中圖15A是俯視圖，圖15B是沿圖15A的XV-XV線剖開(kāi)的剖視圖；圖16A-圖16B顯示了在圖12的所示微型反射鏡元件中的扭桿的變形形式，其中圖16A是剖視圖，圖16B是沿圖16A的XVI-XVI線剖開(kāi)的剖視圖；圖17是描繪了依照本發(fā)明第三實(shí)施例的微型反射鏡元件的立體圖；圖18是沿圖17中的XVIII-XVIII剖開(kāi)的剖視圖；圖19是沿圖17中的XIX-XIX剖開(kāi)的剖視圖；圖20是描繪了依照本發(fā)明第四實(shí)施例的微型反射鏡元件的立體圖；圖21是描繪了依照本發(fā)明第五實(shí)施例的微型反射鏡元件的立體圖；圖22是沿圖21中的XXII-XXII線剖開(kāi)的剖視圖；圖23是沿圖21的XXIII-XXIII線剖開(kāi)的剖視圖；圖24是描繪了傳統(tǒng)微型反射鏡元件的分解立體圖；以及圖25是沿圖24中的裝配好的微型反射鏡元件的XXV-XXV線剖開(kāi)的剖視圖。
具體實(shí)施例方式
圖1和2顯示了本發(fā)明第一實(shí)施例的微型反射鏡元件X1。圖1是微型反射鏡元件X1的立體圖，圖2是沿圖1中的II-II線剖開(kāi)的剖視圖。微型反射鏡元件X1具有如下結(jié)構(gòu)通過(guò)絕緣層30將反射鏡襯底10和底部襯底20層疊起來(lái)。
反射鏡襯底10由反射鏡部件11、圍繞反射鏡部件11的框架12和一對(duì)連接反射鏡部件11和框架12的彈簧13A和13B構(gòu)成。反射鏡襯底10是由硅襯底通過(guò)體型微加工技術(shù)形成的，所述硅襯底的導(dǎo)電性通過(guò)摻雜諸如P和As之類的n型雜質(zhì)、或者通過(guò)摻雜諸如B之類的P型雜質(zhì)來(lái)設(shè)定。具體而言，反射鏡部件11、框架12和這對(duì)彈簧13A和13B通過(guò)使用掩膜的干蝕刻或濕蝕刻以形成圖案成形在平板型的導(dǎo)電性硅襯底上。對(duì)于干蝕刻而言，例如可以使用深反應(yīng)離子蝕刻(Reactive Ion Etching)。在濕蝕刻的情況下，可利用KOH溶液作為蝕刻劑。由于這些專用制造方法不包含在本發(fā)明的必要特征之內(nèi)，因此省略了對(duì)它們的描述。
在反射鏡部件11的前表面設(shè)置鏡面11a，在反射鏡部件11的后表面上設(shè)置一對(duì)可移動(dòng)的電極14a和14b。鏡面11a和可移動(dòng)的電極14a和14b例如可通過(guò)利用沉積法沉積預(yù)定的金屬材料、然后將金屬薄膜形成圖案來(lái)形成。如果通過(guò)摻雜雜質(zhì)將反射鏡襯底10的導(dǎo)電性設(shè)得足夠高，那么反射鏡部件11本身的預(yù)定位置可用作電極，這樣就不再需要設(shè)置可移動(dòng)電極14a和14b。
底部襯底20例如由硅制成，它是通過(guò)體型微加工技術(shù)形成以便其中心是凹形。圍繞底部襯底20的外圍邊緣的凸起臺(tái)階部分20a的形狀對(duì)應(yīng)于反射鏡襯底10的框架12，其通過(guò)絕緣層30與框架12結(jié)合在一起。絕緣層30由二氧化硅(SiO2)構(gòu)成。在底部襯底20的內(nèi)部底面上設(shè)置一對(duì)固定電極21a和21b，這些電極以適當(dāng)間隔面向反射鏡部件11的可移動(dòng)電極14a和14b。固定電極21a和可移動(dòng)電極14a構(gòu)成了由一組電極組成的啟動(dòng)器。按照相同方式，固定電極21b和可移動(dòng)電極14b構(gòu)成了由一組電極構(gòu)成的啟動(dòng)器。通過(guò)這種方式為微型反射鏡元件X1構(gòu)造出平面電極型啟動(dòng)器。
在離開(kāi)反射鏡部件11的穿過(guò)該反射鏡部件11的振蕩軸A1的位置設(shè)置彈簧13A和13B，通過(guò)體型微加工技術(shù)對(duì)反射鏡襯底10進(jìn)行處理，使這對(duì)彈簧與反射鏡部件11和框架12集成為一體。在該實(shí)施例中，彈簧13A和13B為梯形形狀，其中在框架12的一側(cè)寬，在反射鏡部件11的一側(cè)窄，并在反射鏡部件11的寬度方向和長(zhǎng)度方向的厚度是均勻的。
在微型反射鏡元件X1中，例如，如果在為反射鏡部件11的可移動(dòng)電極14a和14b充正電的情況下為底部襯底20的固定電極21a充負(fù)電，那么在固定電極21a和可移動(dòng)電極14a之間產(chǎn)生靜電吸引，這樣反射鏡部件11以振蕩軸A1為中心、沿圖2中的逆時(shí)針?lè)较蛘袷?，同時(shí)使彈簧13A向下偏轉(zhuǎn)。另一方面，如果在為可移動(dòng)電極14a和14b充上正電的情況下為固定電極21b充負(fù)電，那么在固定電極21b和可移動(dòng)電極14b之間產(chǎn)生靜電吸力，這樣反射鏡部件11以振蕩軸A1為中心、沿圖2中的順時(shí)針?lè)较蛘袷帲瑫r(shí)使彈簧13B向下偏轉(zhuǎn)。在這樣驅(qū)動(dòng)反射鏡部件11的過(guò)程中，在固定電極21a和可移動(dòng)電極14a之間產(chǎn)生靜電吸引的情況下，固定電極21b和可移動(dòng)電極14b之間產(chǎn)生靜電排斥，而在固定電極21b和可移動(dòng)電極14b之間產(chǎn)生靜電吸引的情況下，在固定電極21a和可移動(dòng)電極14a之間產(chǎn)生靜電排斥。在這種情況下，彈簧13A和13B沿彼此相反的方向偏轉(zhuǎn)，而反射鏡部件11的振蕩軸A1的位置卻穩(wěn)定不變。啟動(dòng)器或由啟動(dòng)器產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力(驅(qū)動(dòng)扭矩)的驅(qū)動(dòng)信號(hào)頻率與在振蕩操作過(guò)程中的反射鏡部件11的諧振頻率之差被假定為該諧振頻率的1％或更低。通過(guò)將反射鏡部件11內(nèi)產(chǎn)生的驅(qū)動(dòng)力(驅(qū)動(dòng)扭矩)頻率與反射鏡部件11的諧振頻率的差值設(shè)定在該范圍內(nèi)，反射鏡部件11能夠適當(dāng)?shù)貒@振蕩軸A1產(chǎn)生諧振和振蕩。通過(guò)這種對(duì)反射鏡部件11的振蕩驅(qū)動(dòng)，就能轉(zhuǎn)換被鏡面11a反射的光的反射方向。
為了驅(qū)動(dòng)微型反射鏡元件X1的振蕩，彈簧13A和/或彈簧13B向反射鏡部件11的振蕩操作施加由偏轉(zhuǎn)剛度或彎曲剛度產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)阻力。因此在微型反射鏡元件X1中，就能通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)彈簧13A和13B的偏轉(zhuǎn)剛度為反射鏡部件11獲得理想的高旋轉(zhuǎn)剛度。
為了驅(qū)動(dòng)微型反射鏡元件X1的振蕩，向反射鏡部件11的一個(gè)振蕩端(反射鏡部件11中設(shè)置了可移動(dòng)電極14a或可移動(dòng)電極14b的一端)施加驅(qū)動(dòng)力，而隨反射鏡部件11的振蕩操作發(fā)生偏轉(zhuǎn)的彈簧13A和13B分別以與振蕩方向相反的方向向反射鏡部件11的此振蕩端施加拉力。因此在微型反射鏡元件X1中，可通過(guò)為反射鏡部件11提供足夠薄度來(lái)獲得很小的慣性力矩，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)彈簧13A和13B的偏轉(zhuǎn)剛度，避免反射鏡部件11在振蕩方向上產(chǎn)生的不當(dāng)形變。
這樣，在微型反射鏡元件X1中，可為反射鏡部件11獲得高的旋轉(zhuǎn)剛度和很小的慣性力矩。該微型反射鏡元件X1對(duì)于在高諧振頻率下操作是優(yōu)選的，以可完成高速振蕩操作。
圖3到圖9分別顯示了可用于代替微型反射鏡元件X1中的彈簧13A和13B的彈簧連接部分的變形形式。在微型反射鏡元件X1中，可分別采用具有依據(jù)所要求的特性的以下形狀的一對(duì)彈簧連接部分來(lái)代替彈簧13A和13B。
圖3A-3B顯示了作為第一變形形式的彈簧13C。彈簧13C是一個(gè)板簧，從上面觀察時(shí)其是長(zhǎng)方形(圖3A)的，其厚度均勻(圖3B)。
圖4A-4C顯示了作為第二變形形式的彈簧13D，從上面觀察時(shí)其是長(zhǎng)方形的(圖4A)，且厚度均勻(圖4B或4C)，其具有多個(gè)孔H1?？譎1在厚度方向上穿透彈簧13D(圖4C)，其具有調(diào)節(jié)彈簧13D的剛度的功能?？筛鶕?jù)為反射鏡部件11確定的振蕩特性(例如頻率特性)來(lái)設(shè)定孔H1的密度、尺寸和排列?？譎1的開(kāi)口形狀并不限于圓形，而可以是橢圓形、長(zhǎng)方形、三角形或梯形。
圖5A-5C顯示了作為第三變形形式的兩個(gè)彈簧13E。這兩個(gè)彈簧13E構(gòu)成了單個(gè)彈簧連接部分。每個(gè)彈簧13E的中心具有孔H2(圖5A)，該孔H2在厚度方向上穿透彈簧13E(圖5C)。此兩個(gè)彈簧13E大致設(shè)置成彼此平行的形式。
圖6A-6B顯示了第四變形形式的兩個(gè)彈簧13F。這兩個(gè)彈簧13F構(gòu)成了單個(gè)彈簧連接部分，它們呈對(duì)角線設(shè)置，這樣在從框架12的一側(cè)接近反射鏡部件11時(shí)，這兩個(gè)彈簧靠得更近(圖6A)。每個(gè)彈簧13F都有沿厚度方向和/或?qū)挾确较虼┩傅目祝靡越档退膭偠??；蛘呙總€(gè)彈簧13F都有沿厚度方向和/或沿寬度方向伸出的加強(qiáng)肋，用以增大其剛度。
圖7A-7B顯示了作為第五變形形式的兩個(gè)彈簧13F和一個(gè)彈簧13G。彈簧13F和13G構(gòu)成了單個(gè)彈簧連接部分。這兩個(gè)彈簧13F按對(duì)角形方式設(shè)置，這樣它們?cè)趶目蚣?2一側(cè)接近反射鏡部件11時(shí)逐漸靠近，彈簧13G設(shè)置這兩個(gè)彈簧13F之間。在每個(gè)彈簧13F和13G上都可設(shè)置用于降低剛度的孔和增加剛度的加強(qiáng)肋，其與第四變形形式相同。
圖8A-8B顯示了作為第六變形形式的彈簧13H。彈簧13H是從頂面觀察時(shí)大致形成“A”形的單個(gè)彈簧(圖8A)。在該彈簧13H中也可設(shè)置用于減少剛度的孔和用于提高剛度的加強(qiáng)肋。
圖9A-9B顯示了作為第七變形形式的彈簧13I。從頂面觀察時(shí)，彈簧13I是長(zhǎng)方形(圖9A)，其厚度在反射鏡部件11與框架12之間變化(圖9B)。該變形形式中，在彈簧13I的寬度方向上，中心處厚度最小，但可選擇地，在從反射鏡部件11接近框架12時(shí)，厚度逐漸降低，或者在從框架12接近反射鏡部件11時(shí)，厚度逐漸降低。在彈簧13I上設(shè)置用于降低剛度的孔或用于增加剛度的加強(qiáng)肋。
對(duì)于微型反射鏡元件X1的啟動(dòng)器而言，采用梳狀結(jié)構(gòu)代替圖1和圖2所示的平面電極。圖10和圖11顯示了這樣一個(gè)微型反射鏡元件X1其中采用可移動(dòng)電極14a’和14b’以及固定電極21a’和21b’代替了可移動(dòng)電極14a和14b以及固定電極21a和21b。圖10是顯示了沿圖1的II-II線剖開(kāi)的剖視圖，圖11是顯示了沿圖1的XI-XI線剖開(kāi)的剖視圖?？梢苿?dòng)電極14a’和14b’由電極齒構(gòu)成，它們分別從反射鏡部件11向底部襯底20的方向延伸。在對(duì)應(yīng)于可移動(dòng)電極14a’的位置，固定電極21a’是由一些從底部襯底20向反射鏡部件11的方向延伸的電極齒構(gòu)成。在對(duì)應(yīng)于可移動(dòng)電極14b’的位置，固定電極21b’是由一些從底部襯底20向反射鏡部件11延伸的電極齒構(gòu)成。固定電極21a’和可移動(dòng)電極14a’構(gòu)成由一組梳狀電極構(gòu)成的啟動(dòng)器。按相同方式，固定電極21b’和可移動(dòng)電極14b’構(gòu)成由一組梳狀電極構(gòu)成的啟動(dòng)器。
對(duì)于微型反射鏡元件X1的啟動(dòng)器而言，例如可以采用使用了電磁線圈或永磁體的電磁型代替使用了平面電極或梳狀電極的靜電型。具體而言，用電磁線圈代替設(shè)置在圖1所示的微型反射鏡元件X1的反射鏡部件11中的可移動(dòng)電極14a和14b，用電磁線圈或者永磁體代替在底部襯底20上的固定電極21a和21b?；蛘撸糜来朋w代替設(shè)置在反射鏡部件11中的可移動(dòng)電極14a和14b，用電磁線圈代替底部襯底20中設(shè)置的固定電極21a和21b。在這些結(jié)構(gòu)中，可通過(guò)調(diào)節(jié)電磁線圈的載流狀態(tài)驅(qū)動(dòng)反射鏡部件11。反射鏡部件11也可由壓電元件驅(qū)動(dòng)。在這種情況下，壓電元件設(shè)置在彈簧13A和13B內(nèi)。
圖12到圖14顯示了依照本發(fā)明第二實(shí)施例的微型反射鏡元件X2。圖12是微型反射鏡元件12的立體圖。圖13是沿圖12中的XIII-XIII線剖開(kāi)的剖視圖，圖14是沿圖12中的XIV-XIV線剖開(kāi)的剖視圖。微型反射鏡元件X2具有以下結(jié)構(gòu)反射鏡襯底10和底部襯底20通過(guò)絕緣層30層疊起來(lái)，反射鏡襯底10由反射鏡部件11、框架12、一對(duì)彈簧13A和13B、以及一對(duì)扭桿15構(gòu)成。與微型反射鏡元件X1的差別在于微型反射鏡元件X2具有一對(duì)扭桿15，其余結(jié)構(gòu)和變形形式都與微型反射鏡元件X1的相同。
這對(duì)扭桿與反射鏡部件11和框架12相連，并限定了反射鏡部件11的振蕩操作的振蕩軸A2。每個(gè)扭桿15具有十字形的橫截面。具體而言，每個(gè)扭桿15都由在元件的厚度方向上較大的厚部15a和向厚部15a的兩側(cè)延伸的薄部15b組成。振蕩軸A2穿過(guò)兩個(gè)扭桿的厚部15a。單個(gè)扭桿15內(nèi)所含的這些薄部15b沿著與振蕩軸A2交叉的方向延伸。在既獲得扭桿15的扭轉(zhuǎn)剛度又抑制反射鏡部件11的不當(dāng)位移的角度來(lái)看，該扭桿15為十字形是優(yōu)選的。由于厚部15a，反射鏡部件在垂直于反射鏡襯底10或鏡面11a的方向上的直線位移得到抑制，而反射鏡部件11在反射鏡部件11與反射鏡襯底10或鏡面11a的共面方向方向上的旋轉(zhuǎn)位移也得到抑制。
在微型反射鏡元件X2中，例如，如果在為反射鏡部件11的可移動(dòng)電極14a和14b充正電的狀態(tài)下，為底部襯底20的固定電極21a充上負(fù)電，就在固定電極21a和可移動(dòng)電極14a之間產(chǎn)生靜電吸引，并且反射鏡部件11沿圖13的逆時(shí)針?lè)较?、以振蕩軸A2為中心振蕩，同時(shí)使彈簧13A向下偏轉(zhuǎn)并且使彈簧13B向上偏轉(zhuǎn)。另一方面，如果在為可移動(dòng)電極14a和14b充正電的情況下為固定電極21b充上負(fù)電，就在固定電極21b和可移動(dòng)電極14b之間產(chǎn)生靜電吸引，并且反射鏡部件11沿圖13的順時(shí)針?lè)较颉⒁哉袷庉SA2為中心振蕩，同時(shí)使彈簧13B向下偏轉(zhuǎn)并且使彈簧13A向上偏轉(zhuǎn)。通過(guò)此反射鏡部件11的振蕩驅(qū)動(dòng)，就能改變由鏡面11a反射的光的反射方向。
在微型反射鏡元件X2中，與上述微型反射鏡元件X1類似，由于彈簧13A和13B的存在，反射鏡部件11獲得了很高的旋轉(zhuǎn)剛度和很小的慣性力矩。另外，在微型反射鏡元件X2的情況下，由于這對(duì)扭桿15限定了反射鏡部件11的振蕩操作時(shí)的振蕩軸A2，因此就更容易實(shí)現(xiàn)更為穩(wěn)定的振蕩操作。該微型反射鏡元件X2對(duì)于在高諧振頻率下操作是優(yōu)選的，以實(shí)現(xiàn)高速振蕩操作。
圖15和圖16顯示了可代替微型反射鏡元件X2中的扭桿15的扭轉(zhuǎn)連接部分的變形形式。在微型反射鏡元件X2中，依據(jù)所需特性，每個(gè)都具有以下形狀的一對(duì)扭轉(zhuǎn)連接部分可用于代替扭桿15。
圖15A-圖15B顯示了作為第一變形形式的扭桿15A。扭桿15A是單個(gè)扭桿，其具有橫截面形狀是寬度和厚度都是均勻的簡(jiǎn)單的長(zhǎng)方形。在該扭桿15A中，可設(shè)置用于減小剛度(見(jiàn)圖4)的孔或用于增加剛度的加強(qiáng)肋。扭桿15A的厚度和寬度可在反射鏡部件11與框架12之間的區(qū)域內(nèi)變化(見(jiàn)圖5、圖8和圖9)。可平行設(shè)置多根扭桿(見(jiàn)圖5-圖7)。
圖16A-圖16B顯示了作為第二變形形式的扭桿15B。扭桿15B的橫截面是十字形的(圖16B)，其寬度在從反射鏡部件11接近框架12過(guò)程中逐漸變小(圖16A)。扭桿15B的寬度也可以不是在從反射鏡部件11接近框架12的過(guò)程中逐漸減小，而是在從框架12接近反射鏡部件11的過(guò)程中逐漸減小。
圖17到圖19顯示了依照本發(fā)明第三實(shí)施例的微型反射鏡元件X3。圖17是微型反射鏡元件X3的立體圖。圖18是沿圖17中的XVIII-XVIII線剖開(kāi)的剖視圖，圖19是沿圖17中的XIX-XIX線剖開(kāi)的剖視圖。微型反射鏡元件X3具有以下結(jié)構(gòu)反射鏡襯底10和底部襯底20通過(guò)絕緣層30層疊起來(lái)，并且反射鏡襯底10由反射鏡部件11、框架12、一對(duì)彈簧13A’和13B’、以及一對(duì)扭桿15’構(gòu)成。在反射鏡襯底10中，設(shè)置了可移動(dòng)電極14’a和14’b，在底部襯底20中設(shè)置了固定電極21’a和21’b。與微型反射鏡元件X2的差別在于，微型反射鏡元件X3不是由彈簧13A和13B、可移動(dòng)電極14a和14b、固定電極21a和21b以及該對(duì)扭桿1 5組成，而是由彈簧13’A和13’B、可移動(dòng)電極14’a和14’b、固定電極21’a和21’b、以及一對(duì)扭桿15’組成。
彈簧13’A和13’B設(shè)置在離開(kāi)反射鏡部件11的振蕩軸A3的位置，通過(guò)體型微加工技術(shù)對(duì)反射鏡襯底10進(jìn)行加工將反射鏡部件11和框架集成為一體。在本實(shí)施例中，每個(gè)彈簧13’A和13’B都是梯形的，其中，在框架12一側(cè)較寬，而在反射鏡部件11一側(cè)較窄，并具有在反射鏡部件11的寬度方向和長(zhǎng)度方向上均勻的厚度。將彈簧13’A和13’B做成使其底面和反射鏡部件11的底面組成一個(gè)平面。
如圖18所示，可移動(dòng)電極14’a設(shè)置在從反射鏡部件11的底面到彈簧13’A的底面之間的區(qū)域上，另外如圖18所示，可移動(dòng)電極14’b設(shè)置在反射鏡部件11的底面和彈簧13’B的底面之上?？梢苿?dòng)電極14’a和14’b的材料和制造方法與前面所述的可移動(dòng)電極14a和14b的相同。
固定電極21’a以適當(dāng)間隔面向可移動(dòng)電極14’a的位置設(shè)置在底部襯底20上。固定電極21’a和可移動(dòng)電極14’a構(gòu)成由一組電極組成的啟動(dòng)器。固定電極21’b以適當(dāng)間隔面向可移動(dòng)電極14’b的位置設(shè)置在底部襯底20上。固定電極21’b和可移動(dòng)電極14’b構(gòu)成了由一組電極組成的啟動(dòng)器。
這對(duì)扭桿15’與反射鏡部件11和框架12相連，并限定了反射鏡部件11的振蕩操作的振蕩軸A3。如圖18所示，扭桿15’由在元件的厚度方向上較長(zhǎng)的厚部15’a和從厚部15’a向兩側(cè)延伸的薄部15’b組成。振蕩軸A3穿過(guò)這兩根扭桿15’的厚部15’a。單根扭桿15’內(nèi)包含的薄部15’b在與振蕩軸A3交叉的方向上延伸。對(duì)于有效獲得扭桿15’的扭轉(zhuǎn)剛度和抑制反射鏡部件11的不當(dāng)位移而言，扭桿15’的這種交叉形截面是優(yōu)選的。由于厚部15’a，反射鏡部件11在垂直于反射鏡襯底10或鏡面11a的方向上的直線位移得到抑制，并且由于薄部15’b，反射鏡部件11在與反射鏡襯底10或鏡面11a的共面方向上的旋轉(zhuǎn)位移也得到抑制。
在微型反射鏡元件X3中，例如，如果在為反射鏡部件11的可移動(dòng)電極14’a和14’b充正電的情況下為底部襯底20的固定電極21’a充上負(fù)電，那么在固定電極21’a和可移動(dòng)電極14’a之間產(chǎn)生靜電吸引，這樣反射鏡部件11沿圖18的逆時(shí)針?lè)较颉⒁哉袷庉SA3為中心振蕩，同時(shí)使彈簧13’A向下偏轉(zhuǎn)并且使彈簧13’B向上偏轉(zhuǎn)。另一方面，如果在為可移動(dòng)電極14’a和14’b充正電的情況下為固定電極21’b充上負(fù)電，那么在固定電極21’b和可移動(dòng)電極14’b之間產(chǎn)生靜電吸引，這樣反射鏡部件11沿圖18所示的順時(shí)針?lè)较?、以振蕩軸A3為中心振蕩，同時(shí)使彈簧13’B向下偏轉(zhuǎn)并且使使彈簧13’A向上偏轉(zhuǎn)。通過(guò)反射鏡部件11的此振蕩驅(qū)動(dòng)，就能改變由鏡面11a反射的光的反射方向。
在微型反射鏡元件X3中，可移動(dòng)電極14’a設(shè)置在從反射鏡部件11的底面到彈簧13’A的底面之間的區(qū)域上，所述彈簧底面與反射鏡部件11的底面是一個(gè)平面，可移動(dòng)電極14’b設(shè)置在從反射鏡部件11的底面到彈簧13’B的底面之間的區(qū)域上，所述彈簧底面與反射鏡部件11是一個(gè)平面。適當(dāng)以較大面積面向可移動(dòng)電極14’a和14’b的固定電極21’a和21’b設(shè)置在底部襯底20的內(nèi)部底面上。這樣，微型反射鏡元件X3包括較大的可移動(dòng)電極，對(duì)于構(gòu)成具有較大靜電力產(chǎn)生區(qū)域的平面電極型啟動(dòng)器是優(yōu)選的。由于啟動(dòng)器有較大的靜電力產(chǎn)生區(qū)域，這對(duì)于獲得較大的驅(qū)動(dòng)力而言更有利。
圖20顯示了依照本發(fā)明第四實(shí)施例的微型反射鏡元件X4，它是與圖2中相同的部分相對(duì)應(yīng)的橫截面視圖。與微型反射鏡元件X1的差別在于，微型反射鏡元件X4不是具有彈簧13A和13B，而是具有一對(duì)彈簧13I，并具有支撐彈簧16，其余結(jié)構(gòu)都與微型反射鏡元件X1的相同。
支撐彈簧16在反射鏡部件11的整個(gè)寬度上延伸，并連接底部部分20和反射鏡部件11。在支撐彈簧16的兩個(gè)側(cè)面上形成凹槽16a。這些凹槽16a構(gòu)成支撐彈簧16的頸部(薄部)，并且反射鏡部件11以頸部為振蕩軸進(jìn)行振蕩。在支撐部分16中可設(shè)置用于減少剛度的孔或用于增加剛度的加強(qiáng)肋。
與上述微型反射鏡元件X1類似，在微型反射鏡元件X4中，由于一對(duì)彈簧13I的存在，反射鏡部件11獲得了較高的旋轉(zhuǎn)剛度，并實(shí)現(xiàn)了較小的慣性力矩。另外，在微型反射鏡元件X4中，反射鏡部件11能夠以支撐彈簧16的頸部為振蕩軸進(jìn)行振蕩操作，這樣更容易實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的振蕩操作。該微型反射鏡元件X4對(duì)于在高諧振頻率下工作是優(yōu)選的，以實(shí)現(xiàn)高速振蕩操作。
圖21到圖23顯示了依照第五實(shí)施例的微型反射鏡元件X5。圖21是微型反射鏡元件X5的立體圖，圖22是沿圖21中的XXII-XXII線剖開(kāi)的剖視圖，圖23是沿圖22中的XXIII-XXIII線剖開(kāi)的剖視圖。微型反射鏡元件X5具有以下結(jié)構(gòu)反射鏡襯底50和底部襯底20通過(guò)絕緣層30層疊起來(lái)。
反射鏡襯底50由反射鏡部件51、圍繞該反射鏡部件的框架52、啟動(dòng)部分53A和53B、薄部54A和54B、彈簧55A和55B、以及一對(duì)扭桿56組成。薄部54A連接反射鏡部件51和啟動(dòng)部分53A，彈簧55A連接啟動(dòng)部分53A和框架52。薄部54B連接反射鏡部件51和啟動(dòng)部分53B，彈簧55B連接啟動(dòng)部分53B和框架52。扭桿56連接反射鏡部件51和框架52。與上面第一實(shí)施例的反射鏡襯底的描述類似，反射鏡襯底50是由硅襯底通過(guò)體型微加工技術(shù)制得的，硅襯底的導(dǎo)電性可通過(guò)例如摻雜諸如P和As之類的n型雜質(zhì)或者諸如B之類的p型雜質(zhì)來(lái)設(shè)定。
在反射鏡部件51的表面上設(shè)置鏡面51a，在啟動(dòng)部分53A和53B的后面分別設(shè)置可移動(dòng)電極53a和53b。鏡面51a和可移動(dòng)電極53a和53b可通過(guò)在利用沉積法將預(yù)定金屬材料沉積到薄膜上后使金屬膜形成圖案來(lái)形成。如果通過(guò)摻雜雜質(zhì)將反射鏡襯底50的導(dǎo)電性設(shè)定得足夠高，那么啟動(dòng)部分53A和53B本身就可用作電極，這樣就不需要設(shè)置移動(dòng)電極53a和53b。
這對(duì)扭桿56與反射鏡部件51和框架52相連，并限定了反射鏡部件51的振蕩操作的振蕩軸A5。每個(gè)扭桿56具有長(zhǎng)方形的橫截面。在本發(fā)明中，每個(gè)扭桿都可具有其它橫截面形狀。例如，截面形狀可以是交叉形。
與微型反射鏡元件X1的差別在于，微型反射鏡元件X5不是具有反射鏡襯底10，而是具有上面提到的反射鏡襯底50，其余結(jié)構(gòu)都與微型反射鏡元件X1的相同。
在微型反射鏡元件X5中，例如，如果在為反射鏡部件51的可移動(dòng)電極53a和53b充上正電的情況下為底部襯底20的固定電極21a充上負(fù)電，那么在固定電極21a和可移動(dòng)電極53a之間產(chǎn)生靜電吸引，這樣反射鏡部件51沿圖22中的逆時(shí)針?lè)较?、以振蕩軸A5為中心振蕩，同時(shí)使彈簧55A向下偏轉(zhuǎn)并且使彈簧55B向上偏轉(zhuǎn)。另一方面，如果在為可移動(dòng)電極53a和53b充上正電的情況下為固定電極21b充上負(fù)電，就在固定電極21b和可移動(dòng)電極53b之間產(chǎn)生靜電吸引，這樣反射鏡部件5 1沿圖22中的順時(shí)針?lè)较?、以振蕩軸A5為中心振蕩，同時(shí)使彈簧55B向下偏轉(zhuǎn)并且使彈簧55A向上偏轉(zhuǎn)。通過(guò)反射鏡部件5 1的此振蕩驅(qū)動(dòng)，就能改變鏡面5 1a反射的光的反射方向。
在微型反射鏡元件X5中，彈簧55A通過(guò)啟動(dòng)部分53A和薄部54A向反射鏡部件51的振蕩操作施加由偏轉(zhuǎn)剛度或彎曲剛度產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)阻力，而彈簧55B通過(guò)啟動(dòng)部分53B和薄部54B向反射鏡部件51的振蕩操作施加由偏轉(zhuǎn)剛度或彎曲剛度產(chǎn)生的偏轉(zhuǎn)阻力。因此，與微型反射鏡元件X1的情況類似，在微型反射鏡元件X5中，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)彈簧55A和55B的偏轉(zhuǎn)剛度可為反射鏡部件51獲得理想的高旋轉(zhuǎn)剛度。在該元件中，能通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)薄部54A和54B的偏轉(zhuǎn)剛度調(diào)節(jié)反射鏡部件51的旋轉(zhuǎn)剛度。
在驅(qū)動(dòng)力沿振蕩方向作用在反射鏡部件51的振蕩端時(shí)，隨反射鏡部件51的振蕩操作發(fā)生偏轉(zhuǎn)的彈簧55A，會(huì)通過(guò)啟動(dòng)部分53A和薄部54A沿著與振蕩方向相反的方向向反射鏡部件51或者向它的一個(gè)振蕩端施加拉力。隨反射鏡部件51的振蕩操作發(fā)生偏轉(zhuǎn)的彈簧55B，會(huì)通過(guò)啟動(dòng)部分53B和薄部54B沿著與振蕩方向相反的方向向反射鏡部件51或其另一個(gè)振蕩端施加拉力。于是在微型反射鏡元件X5中，通過(guò)實(shí)現(xiàn)薄度足夠的反射鏡部件51，就能獲得理想的小慣性力矩，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)彈簧55A和55B的偏轉(zhuǎn)剛度就能避免反射鏡部件51在振蕩方向上的不當(dāng)形變。在該元件中，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)薄部54A和54B的偏轉(zhuǎn)剛度，還可抑制反射鏡部件51的不當(dāng)形變。
如上所述，依照微型反射鏡元件X5，能為反射鏡部件51獲得很高的旋轉(zhuǎn)剛度和很小的慣性力矩。該微型反射鏡元件X5對(duì)于在高諧振頻率下操作是優(yōu)選的，以實(shí)現(xiàn)高速振蕩操作。
依照本發(fā)明，可按照以下方式設(shè)置兩個(gè)尺寸不同的框架小框架(內(nèi)框架)設(shè)置在大框4架(外框架)的開(kāi)口內(nèi)，大框架固定在底部部分上。在這種情況下，類似于圖1所示的第一實(shí)施例，內(nèi)框架可通過(guò)第一和第二彈簧來(lái)支撐振蕩部分，內(nèi)框架通過(guò)第三和第四彈簧與外框架相連，以便能夠相對(duì)外框架振蕩。外框架可固定在類似于圖1和2中所示的底部部分20的底部部件上。在該設(shè)置中，內(nèi)框架位于第三彈簧和第四彈簧之間，每個(gè)彈簧都可隨內(nèi)框架的振蕩發(fā)生形變。典型地，第一和第二彈簧彼此隔開(kāi)的方向與第三和第四彈簧彼此隔開(kāi)的方向垂直，這樣中央振蕩部分能關(guān)于以90°交叉的兩個(gè)振蕩軸振蕩。優(yōu)選的是，該微型振蕩元件還包括限定了振蕩部分相對(duì)內(nèi)框架進(jìn)行振蕩的振蕩軸的一個(gè)扭桿，以及限定了內(nèi)框架相對(duì)外框架進(jìn)行振蕩的振蕩軸的另一扭桿。典型地，這兩個(gè)振蕩軸以90°相交。
上面描述了本發(fā)明的各個(gè)實(shí)施例，但本發(fā)明不應(yīng)受這些實(shí)施例限制，而是可以通過(guò)各種方式對(duì)它們進(jìn)行改進(jìn)。例如，本發(fā)明的所有上述實(shí)施例中都用于微型反射鏡元件，但也可將衍射光柵、光源或光檢測(cè)器代替反射鏡部件11或51設(shè)置到振蕩部分中。此外，依照本發(fā)明的微型振蕩元件還包括用于檢測(cè)框架和振蕩部分之間的相對(duì)旋轉(zhuǎn)位移的位移檢測(cè)裝置。
權(quán)利要求
1.一種微型振蕩元件，其中包括振蕩部分；主框架；以及第一彈簧和第二彈簧，其使得該振蕩部分由該框架支撐；其中，該振蕩部分位于該第一彈簧和該第二彈簧之間，該第一和該第二彈簧中的每一個(gè)都隨該振蕩部分的振蕩發(fā)生形變。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型振蕩元件，其中還包括第一啟動(dòng)部分，其通過(guò)該第一彈簧與該框架相連；第二啟動(dòng)部分，其通過(guò)該第二彈簧與該框架相連；第一薄部，其連接該振蕩部分和該第一啟動(dòng)部分；以及第二薄部，其連接該振蕩部分和該第二啟動(dòng)部分；其中，該第一和該第二啟動(dòng)部分位于該第一和該第二彈簧之間，該振蕩部分位于該第一和該第二啟動(dòng)部分之間，該第一和該第二啟動(dòng)部分中的每一個(gè)都可沿該振蕩部分的移動(dòng)方向移動(dòng)，該第一彈簧可在該第一啟動(dòng)部分移動(dòng)時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)，該第二彈簧可在該第二啟動(dòng)部分移動(dòng)時(shí)發(fā)生偏轉(zhuǎn)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型振蕩元件，其中該第一彈簧和該第二彈簧是板簧。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型振蕩元件，其中還包括至少一個(gè)扭桿，用以限定該振蕩部分振蕩的振蕩軸。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型振蕩元件，其中該扭桿的與該振蕩軸垂直橫截面是交叉形。
6.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型振蕩元件，其中該第一彈簧、該第二彈簧和該扭桿中的至少一個(gè)成形有至少一個(gè)孔。
7.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型振蕩元件，其中該第一彈簧、該第二彈簧和該扭桿中的至少一個(gè)具有非恒量的寬度。
8.根據(jù)權(quán)利要求4所述的微型振蕩元件，其中該第一彈簧、該第二彈簧和該扭桿中的至少一個(gè)具有非恒量的厚度。
9.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型振蕩元件，其中還包括與該框架相連的底部部分；以及連接該底部部分和該振蕩部分的第三彈簧。
10.根據(jù)權(quán)利要求9所述的微型振蕩元件，其中該第三彈簧具有一對(duì)凹槽，所述凹槽沿該第一和該第二彈簧彼此間隔開(kāi)的方向上彼此隔開(kāi)。
11.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型振蕩元件，其中還包括用于產(chǎn)生使該振蕩部分振蕩的驅(qū)動(dòng)力的啟動(dòng)器。
12.根據(jù)權(quán)利要求11所述的微型振蕩元件，其中由該啟動(dòng)器產(chǎn)生的該驅(qū)動(dòng)力的頻率與該振蕩部分振蕩的諧振頻率之間的差值為該諧振頻率的1％或者更低。
13.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型振蕩元件，其中該振蕩部分設(shè)有用于反射光的鏡面。
14.根據(jù)權(quán)利要求1所述的微型振蕩元件，其中還包括設(shè)置在該主框架外面的第二框架；以及將該第二框架與該主框架連接起來(lái)的第三和第四彈簧；其中，該主框架位于該第三彈簧和該第四彈簧之間，該第三和該第四彈簧中的每一個(gè)都可隨該主框架的振蕩發(fā)生形變。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的微型振蕩元件，其中該第一和該第二彈簧彼此隔開(kāi)的方向與該第三和該第四彈簧彼此隔開(kāi)的方向交叉。
16.根據(jù)權(quán)利要求15所述的微型振蕩元件，其中還包括至少一個(gè)用于限定該振蕩部分振蕩的第一振蕩軸的扭桿；以及至少一個(gè)用于限定該主框架振蕩的第二振蕩軸的扭桿。
17.根據(jù)權(quán)利要求16所述的微型振蕩元件，其中該第一振蕩軸和該第二振蕩軸交叉。
18.根據(jù)權(quán)利要求17所述的微型振蕩元件，其中該第一振蕩軸和該第二振蕩軸彼此以90°交叉。
全文摘要
微型振蕩元件包括振蕩部分和框架。振蕩部分設(shè)有鏡面并通過(guò)梯形的第一和第二彈簧與框架相連。振蕩部分位于第一彈簧和第二彈簧之間。第一彈簧和第二彈簧的每一個(gè)都可隨振蕩部分的振蕩發(fā)生形變。
文檔編號(hào)H04N1/036GK1580862SQ20041002871
公開(kāi)日2005年2月16日 申請(qǐng)日期2004年3月15日 優(yōu)先權(quán)日2003年8月12日
發(fā)明者宓曉宇, 上田知史, 奧田久雄, 壺井修, 曾根田弘光, 高馬悟覺(jué), 佐脇一平, 中村義孝 申請(qǐng)人:富士通株式會(huì)社, 富士通媒體部品株式會(huì)社