CN100395580C - 执行机构 - Google Patents

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Abstract

执行机构具有可移动质量部分和一对用于驱动可移动质量部分的驱动机构。一对驱动机构的每一个包括：驱动质量部分；用于支撑驱动质量部分的支撑部分；第一弹性连接部分，第一弹性连接部分将驱动质量部分和支撑部分相互连接从而允许驱动质量部分相对于支撑部分围绕枢转轴被枢转；和第二弹性连接部分，第二弹性连接部分将驱动质量部分和可移动质量部分相互连接从而允许可移动质量部分相对于驱动质量部分围绕枢转轴被枢转。第一弹性连接部分包括一对压电元件，一对压电元件分别被连接到一对弯曲条上从而在相反方向上弯曲一对弯曲条以引起驱动质量部分的枢转运动。驱动质量部分的枢转运动引起第二弹性连接部分的扭转变形从而枢转可移动质量部分。

Description

执行机构
技术领域
本发明涉及一种执行机构，更具体地说，涉及一种适合用在诸如光学扫描器、光学衰减器和光开关的光学装置中的执行机构。
背景技术
例如，多角镜(旋转多面体)被用作诸如激光打印机的装置用的执行机构。为了实现具有高分辨率和高质量的高速打印，必需以更高速旋转多角镜。当前，空气轴承(air bearing)被用于高速并稳定地旋转多角镜。尽管如此，难以进一步增加多角镜的转速。此外，要高速旋转多角镜需要大型电机。如此大型电机不利于装置的小型化。更进一步，此多角镜的使用需要复杂的结构并因此增加装置的成本。
提出了如图1中所示的一种具有相对简单结构的执行机构。图1中所示的执行机构采用了具有单一自由度的扭转振动器(torsional vibrator)，其中扁平电极板被相互平行地布置。见K.E.Petersen，“硅扭转扫描镜”(“Silicon Torsional Scanning Mirror，”)IBMJ.Res.Develop.，vol.24(1980)，p.631。另外，还提出了一种具有单一自由度的静电驱动型振动器，其中前述扭转振动器被修改从而具有悬臂结构。见Kawamura等.，“Research in Micromechanics Using Si，”(使用Si的微观力学研究)精密工程学秋季会议的日本协会学报(1986)，p.753。
如图1中所示，具有单一自由度的静电驱动型扭转振动器包括：玻璃衬底(glass substrate)1000、由单晶硅制成的可移动电极板(movableeletrode plate)300、和布置在玻璃衬底1000和可移动电极板300之间的隔离物(spacer)200。可移动电极板300的固定端部分300a固定于玻璃衬底1000的相对端并且隔离物200介于可移动电极板300的固定端部分300a和玻璃衬底1000之间。可移动电极板300具有可移动电极部分300c和用于将可移动电极板300c支撑在固定端部分300a之间的狭窄扭力条300b(torsion bars)。扭转振动器还包括布置在玻璃衬底1000上的固定电极400从而以预定电极间距面对可移动电极部分300c。具体地说，固定电极400平行于可移动电极部分300c被布置。扭转振动器具有开关600和电源500，所述开关600和电源500被连接在可移动电极板300和固定电极400之间。
在如此构造的扭转振动器中，当电压被施加于可移动电极部分300c和固定电极400之间时，由于静电力可移动电极部分300c围绕扭力条300b被枢转。由于静电引力与电极间距的平方成反比，因此需要该类型的静电执行机构在可移动电极部分300c和固定电极400之间有小的电极间距。然而，在上述具有单一自由度的结构中，可移动电极部分300c不仅用作电极而且用作可移动部分。所以，如果电极间距被减小，可移动电极部分300c的可移动范围(旋转角度)被限制。另一方面，维持大的可移动范围需要大的电极间距。因此，难以实现既低电压驱动又有宽的可移动范围(大的偏转角度)。
发明内容
考虑到以上缺点做出本发明。因此，本发明的目的是提供一种即使在低电压驱动的情况下也以紧凑的结构提供大偏转角度的执行机构。
根据本发明的一方面，提供了一种在低电压驱动的情况下提供大偏转角度并且结构紧凑的执行机构。执行机构具有可移动质量部分和一对用于驱动可移动质量部分的驱动机构。所述一对驱动机构的每一个包括：驱动质量部分；用于支撑驱动质量部分的支撑部分；第一弹性连接部分，所述第一弹性连接部分将驱动质量部分和支撑部分相互连接从而允许驱动质量部分相对于支撑部分围绕枢转轴被枢转；和第二弹性连接部分，所述第二弹性连接部分将驱动质量部分和可移动质量部分相互连接从而允许可移动质量部分相对于驱动质量部分围绕枢转轴被枢转。第一弹性连接部分包括一对弯曲条，所述一对弯曲条彼此相对，驱动质量部分的枢转轴介于其间。所述一对弯曲条的每一个具有连接到驱动质量部分的第一连接部分和连接到支撑部分的第二连接部分。第一弹性连接部分包括一对压电元件，所述一对压电元件分别被连接到所述一对弯曲条上从而在相反方向上弯曲所述一对弯曲条以引起驱动质量部分的枢转运动。驱动质量部分的枢转运动引起第二弹性连接部分的扭转变形从而枢转可移动质量部分。
利用以上布置，当执行机构被驱动时，弯曲条主要承受弯曲变形从而引起整个第一弹性连接部分的扭转变形。所以，第一弹性连接部分中产生的应力可被减小从而以大偏转角度驱动该驱动质量部分。
另外，由于执行机构从压电元件获得驱动力，因此即使在低电压驱动的情况下执行机构也可由相对大的驱动力驱动。所以，即使在低电压驱动的情况下第一弹性连接部分的弹簧常量可被增大从而在高频率驱动执行机构。
此外，由于执行机构包括一对用于驱动可移动质量部分的驱动机构，因此驱动质量部分和可移动质量部分可被平稳地驱动。
所述一对压电元件中的每一个可包括主要由压电材料制成的压电层和一对电极，所述一对电极将压电层保持在其间。所述一对电极中的一个被连接到弯曲条。因此，以相对简单的结构，弯曲条可被压电元件可靠地弯曲。
所述一对压电元件中的每一个可在弯曲条的纵向上延伸并且能够在弯曲条的纵向上伸长和收缩以弯曲弯曲条。因此，以相对简单的结构，弯曲条可被压电元件可靠地弯曲。
所述一对压电元件中的每一个可被设置在垂直于弯曲条的纵向并且垂直于所述一对弯曲条相对的方向的方向的弯曲条的至少一个表面上。利用此布置，驱动质量部分可被弯曲条的弯曲变形更平稳地枢转。
所述一对压电元件中的每一个可被设置在垂直于弯曲条的纵向并且垂直于所述一对弯曲条相对的方向的方向的弯曲条的两个表面上。利用此布置，可获得更高驱动力。结果，每一个压电元件可被小型化。另外，压电元件和第一弹性连接部分之间产生的应力可被减小从而改良执行机构的耐久性。
所述一对压电元件可关于驱动质量部分的枢转轴对称地被布置。利用如此布置，具有相同波形的电压可被同一电源施加于所述一对压电元件从而驱动执行机构。所以，可减少执行机构的成本。
所述一对驱动机构中的每一个可被配置为保持A＜B的关系，其中A代表所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第一连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第一连接部分之间的间距，而B代表所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第二连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第二连接部分之间的间距。在此情况下，执行机构可在更高频率以更大偏转角度被驱动。
所述一对驱动机构中的每一个可被配置为保持0≤A＜0.8L的关系，其中A代表所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第一连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第一连接部分之间的间距，而L代表在垂直于驱动质量部分的枢转轴的方向上驱动质量部分的最大长度。在此情况下，执行机构可被低电压以更大偏转角度驱动。另外，驱动质量部分以对于整个第一弹性连接部分的扭转变形极好的响应性被枢转。
所述一对驱动机构中的每一个可被配置为保持0.2L＜B＜1.2L的关系，其中B代表在所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第二连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第二连接部分之间的间距，而L代表在垂直于枢转轴的方向上驱动质量部分的最大长度。在此情况下，执行机构可在更高频率被驱动。
所述一对驱动机构中的每一个可被配置为保持A＜C的关系，其中A代表所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第一连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第一连接部分之间的间距，而C代表弯曲条的长度。在此情况下，执行机构可以更大偏转角度被驱动。
执行机构可还包括电源，所述电源被配置以将交流电压施加到压电元件上。交流电压的频率大体等于两自由度振动系统的共振频率的较低频率，驱动质量部分和可移动质量部分在所述共振频率产生共振。在此情况下，可移动质量部分的旋转角度(偏转角度)可被增大而驱动质量部分的偏转角度被减小。
所述一对驱动机构中的每一个可被配置为保持Dd＜Dm的关系，其中Dd代表在垂直于枢转轴的方向上从枢转轴起驱动质量部分的最大长度，而Dm代表在垂直于枢转轴的方向上从枢转轴起可移动质量部分的最大长度。在此情况下，执行机构可被低电压容易地并可靠地驱动，并且可移动质量部分的偏转角度(振幅)可被增大。
所述一对驱动机构中的驱动质量部分可具有大体相同的最大长度Dd。在此情况下，执行机构可被低电压容易地并可靠地驱动，并且可移动质量部分的偏转角度(振幅)可被增大。
所述一对驱动机构中的每一个可被配置为保持k1＞k2的关系，其中k1代表第一弹性连接部分的弹簧常量，而k2代表第二弹性连接部分的弹簧常量。在此情况下，执行机构可被低电压在高频率以大偏转角度(振幅)驱动。另外，可移动质量部分的旋转角度(偏转角度)可被增大而驱动质量部分的振幅被减小。
所述一对驱动机构中的每一个可被配置为保持J1≤J2的关系，其中J1代表驱动质量部分的转动惯量，而J2代表可移动质量部分的转动惯量。在此情况下，可移动质量部分的旋转角度(偏转角度)可被增大而驱动质量部分的偏转角度(振幅)被减小。
执行机构可还包括形成在可移动质量部分上的光反射部分。利用光反射部分，执行机构可被应用于诸如光学扫描器、光学衰减器和光开关的各种光学装置。
本发明的以上和其它目的、特征和优点当结合通过实例方式说明本发明的优选实施例的附图时从以下说明中将变得明显。
附图说明
图1是显示了传统执行机构的透视图；
图2是显示了根据本发明的第一实施例的执行机构的俯视图；
图3是沿图2的线III-III截取的剖视图；
图4是显示了被施加于图2中所示的执行机构的交流电压的实例的曲线图；
图5是显示了描述当施加的交流电压的频率被变化时表示驱动质量部分和可移动质量部分的振幅的谐振曲线的曲线图；
图6A到图6F是图2中所示的执行机构的制造方法的说明性的剖视图；
图7是显示了根据本发明的第二实施例的执行机构的俯视图；
图8是沿图7的线VIII-VIII截取的剖视图；
图9是根据本发明的第三实施例的执行机构的剖视图；
图10是显示了根据本发明的第四实施例的执行机构的俯视图。
具体实施方式
以下将参照图2到图10说明根据本发明的实施例的执行机构。整个附图中相同或相应的附图标记表示相同或相应的部件，并且以下将不重复说明相同或相应的部件。
图2是显示了根据本发明的第一实施例的执行机构1的俯视图，而图3是沿图2的线III-III截取的剖视图。在以下说明中，图2中的近侧、远侧、右侧和左侧将分别被称为“上”、“下”、“右”和“左”。图3中上侧、下侧、右侧和左侧将分别被称为“上”、“下”、“右”和“左”。
如图2和图3中所示，执行机构1包括具有两自由度振动系统的基部件(base member)2，用于驱动基部件2的两自由度振动系统的压电元件31、32、33和34，粘合层(bonding layer)5，和用于通过粘合层5支撑基部件2的支撑衬底4(support substrate)。基部件2、支撑衬底4和粘合层5可彼此整体地形成。压电元件31、32、33和34中的每一个都被连接到电源(未显示)从而交流电压(驱动电压)可被施加于压电元件31、32、33和34中的每一个中的电极之间。
基部件2包括一对驱动质量部分(第一质量部分)21和22，一对支撑部分23和24，可移动质量部分(第二质量部分)25，一对第一弹性连接部分26和27，和一对第二弹性连接部分28和29。如图2中所示，基部件2具有两侧对称的布置。具体而言，可移动质量部分25被布置在基部件2的中心部分。第二弹性连接部分28，驱动质量部分21，第一弹性连接部分26和支撑部分23被布置在可移动质量部分25的左侧。这些部分形成用于驱动可移动质量部分25的驱动机构。第二弹性连接部分29，驱动质量部分22，第一弹性连接部分27和支撑部分24被布置在可移动质量部分25的右侧。这些部分形成用于驱动可移动质量部分25的驱动机构。因此，一对驱动机构被布置在可移动质量部分25的两侧。
驱动质量部分21和22中的每一个都是平板形状。驱动质量部分21和22具有大体相同的尺寸和形状。可移动质量部分25被定位于驱动质量部分21和22之间。驱动质量部分21和22以相对于可移动质量部分25大体两侧对称的方式被布置。可移动部件25为平板形状并在它的表面上形成有光反射部分251。由光反射部分251，执行机构1可被应用于诸如光学扫描器、光学衰减器和光开关的各种光学装置。驱动质量部分21和22分别通过第一弹性连接部分26和27被连接到支撑部分23和24。可移动质量部分25通过第二弹性部分28和29被分别连接到驱动质量部分21和22。
第一弹性连接部分26将驱动质量部分21和支撑部分23相互连接从而允许驱动质量部分21相对于支撑部分23围绕枢转轴被枢转。相似地，第一弹性部分27将驱动质量部分22和支撑部分24相互连接从而允许驱动质量部分22相对于支撑部分24围绕枢转轴被枢转。第一弹性部分26包括两个彼此相对的弯曲条261和262并且驱动质量部分21的枢转轴介于它们之间。相似地，第一弹性部分27包括两个彼此相对的弯曲条271和272并且驱动质量部分22的枢转轴介于它们之间。
第二弹性连接部分28将可移动质量部分25和驱动质量部分21相互连接从而允许可移动质量部分25相对于驱动质量部分21围绕枢转轴被枢转。相似地，第二弹性部分29将可移动质量部分25和驱动质量部分22相互连接从而允许可移动质量部分25相对于驱动质量部分22围绕枢转轴被枢转。
第一弹性连接部分26、27，第二弹性连接部分28、29被同轴地设置在执行机构1中。驱动质量部分21和22可相对于支撑部分23和24被枢转而第一弹性连接部分26和27用作枢转轴(旋转轴)。可移动质量部分25可相对于驱动质量部分21和22被枢转而第二弹性连接部分28和29用作枢转轴(旋转轴)。
因此，基部件2具有第一振动系统和第二振动系统，所述第一振动系统由驱动质量部分21、22，第一弹性连接部分26和27形成，而所述第二振动系统由可移动质量部分25和第二弹性连接部分28和29形成。具体而言，基部件2具有包括第一振动系统和第二振动系统的两自由度的振动系统。更具体而言，第二弹性连接部分28和29被设置在可移动质量部分25的相对侧。驱动质量部分21和第一弹性连接部分26被设置以对应于第二连接弹性部分28。驱动质量部分22和第一弹性连接部分27被设置以对应于第二连接部分29。利用如此布置，驱动质量21、22和可移动质量部分25可被平稳地驱动。
例如，具有上述两自由度振动系统的基部件2主要由硅制成。驱动质量部分21、22，可移动质量部分25，支撑部分23、24，第一弹性连接部分26、27，第二弹性连接部分28和29彼此整体地形成。
压电元件31、32、33和34被设置在第一弹性连接部分26和27的对应的弯曲条261、262、271和272上以驱动两自由度振动系统。压电元件31被连接到弯曲条261的上表面并被配置为在弯曲条261的纵向上伸缩。因此，压电元件31利用它的伸长或缩短在垂直方向弯曲弯曲条261。换言之，当压电元件31在弯曲条261的纵向上延伸，并在压电元件31在弯曲条261的纵向上伸长或收缩时压电元件31弯曲弯曲条261。因此，以相对简单的结构，弯曲条261可被压电元件31可靠地弯曲。
相似地，压电元件32被连接到弯曲条262的上表面并被配置为在弯曲条262的纵向上伸缩。因此，压电元件32由于它的伸长或收缩在垂直方向弯曲弯曲条262。压电元件32沿弯曲条262的纵向延伸，并且当压电元件32在弯曲条262的纵向上伸长或收缩时压电元件32弯曲弯曲条261。因此，以相对简单的结构，弯曲条262可被压电元件32可靠地弯曲。
更具体而言，如图3中所示，压电元件31包括主要由压电材料制成的压电层311和一对电极312和313，所述电极312和313将压电层311保持在其间。在图3中，下电极312被连接到弯曲条261的上表面上。如此构造的压电元件31可以相对简单的结构可靠地弯曲弯曲条261。
压电层311被形成以覆盖弯曲条261的整个上表面并且延伸过弯曲条261和支撑部分23之间的连接部分。利用此配置，可将压电元件31的驱动力有效地传递到弯曲条261。结果可降低驱动电压并且更宽地弯曲弯曲条261。
上述压电材料的实例包括各种材料，例如氧化锌、氮化铝、钽酸锂(lithium tantalite)、铌酸锂、铌酸钾、锆钛酸铅(PZT)和钛酸钡。这些材料中的一种或多种可彼此结合。希望压电材料主要包括氧化锌、氮化铝、钽酸锂、铌酸锂、铌酸钾和锆钛酸铅(PZT)中的至少一种。以这种材料制成的压电层可在高频率驱动执行机构1。
电极312具有大于压电层311的长度。因此，电极312可被连接到支撑部分23上的电源(未显示)。电极313具有与压电层311大体相同的长度。电极313通过引线接合(wire bonding)形成的相互连接被连接到设置在支撑部分23上的端子314(见图2)。因此，电极313可被连接到电源(未显示)。
利用如此构造的压电元件31，当电压被施加到电极312和电极313(端子314)之间时，由于压电作用压电层311平行于弯曲条261的纵向伸长或收缩。通过压电层311的伸长或收缩，压电元件31在垂直方向上弯曲弯曲条261。压电元件32具有与压电元件31一样的结构。当电压被施加在电极322和端子324之间时，由于压电作用压电元件32的压电层(未显示)平行于弯曲条262的纵向伸长或收缩。通过压电层的伸长或收缩，压电元件32在垂直方向上弯曲弯曲条262。由于压电元件31和32被设置在基部件2的上表面上，因此当压电元件31和32被驱动从而交替地执行伸缩时压电元件31和32主要引起两弯曲条261和262在相反方向上的弯曲变形。换言之，假定包括两弯曲条261和262的第一弹性连接部分26由一个部件形成，整个第一弹性连接部分26可被认为遭受扭转变形。
压电元件33和34具有与上述压电元件31和32一样的布置。具体而言，当电压被施加在电极332和电极333(端子334)之间时，由于压电作用压电元件33的压电层331平行于弯曲条271的纵向伸长或收缩。通过压电层331的伸长或收缩，压电元件33在垂直方向上弯曲弯曲条271。当电压被施加在电极342和端子344之间时，由于压电作用压电元件34的压电层(未显示)平行于弯曲条272的纵向伸长或收缩。通过压电层的伸长或收缩，压电元件34在垂直方向上弯曲弯曲条272。由于压电元件33和34如压电元件31和32一样被设置在基部件2的上表面上，因此当压电元件33和34被驱动从而交替地执行伸缩时压电元件33和34主要引起两弯曲条271和272在相反方向上的弯曲变形。换言之，假定包括两弯曲条271和272的第一弹性连接部分27由一个部件形成，整个第一弹性连接部分27可被认为遭受扭转变形。
如图3中所示，用于支撑上述基部件2的支撑衬底4通过粘合层5被粘合于基部件2。例如，粘合层5主要由玻璃、硅或二氧化硅制成，而支撑衬底4主要由玻璃或硅制成。如图2和图3中所示，支撑衬底4有开口部分41，开口部分41形成在支撑衬底4的上表面中、对应于可移动质量部分25的位置。开口部分41形成间隙部分(relief portion)以防止当可移动质量部分25被枢转(被振动)时可移动质量部分25接触到支撑衬底4。利用开口部分(间隙部分)41，可防止整个执行机构1尺寸增大并且增大了可移动质量部分25的偏转角度(振幅)。如果间隙部分的布置可实现以上效果，间隙部分可以不在与可移动质量部分25相对的支撑衬底4的下表面上开口。具体而言，间隙部分可由形成在支撑衬底4的上表面中的凹部形成。
具有以上布置的执行机构1被运行如下。
例如，图4中所示的电压V1被施加于压电元件32和34，和图4中所示的电压V2被施加于压电元件31和33。具体而言，相位相差180°的电压分别被施加到压电元件32和34以及压电元件31和33。更具体而言，电压被施加于压电元件31、32、33和34从而交替地重复压电元件31和33伸长而压电元件32和34收缩的状态以及压电元件31和33收缩而压电元件32和34伸长的状态。结果，第一弹性连接部分26和27被引起扭转形变从而分别相对于支撑部分23和24枢转(振动)驱动质量部分21和22。
此时，弯曲条261、262、271和272主要经受弯曲变形从而引起整个第一弹性连接部分26和整个第一弹性连接部分27的扭转变形。所以，第一弹性连接部分26和27中产生的应力可被减小从而以大偏转角度驱动驱动质量部分21和22。
因此，执行机构1从压电元件31、32、33和34获得驱动力。所以，即使在低电压驱动的情况下执行机构1也可由相对大的驱动力驱动。因此，第一弹性连接部分26和27的弹簧常量可被增大从而即使在低电压驱动的情况下也在高频率驱动执行机构1。特别是由于压电元件31、32、33和34的驱动力是相对高的，因此即使第一弹性连接部分26和27中的每一个具有相对高的弹簧常量，可移动质量部分25的偏转角度也可被增大。
然后，被连接于第二弹性连接部分28和29的可移动质量部分25，根据驱动质量部分21和22的振动(驱动)，相对于支撑衬底4的表面(图2的纸表面)也分别围绕第二弹性连接部分28和29被倾斜和振动(被枢转)。
在图2中，Dd1代表在垂直于枢转轴的方向(驱动质量部分21的纵向)上从枢转轴到驱动质量部分21的边缘的驱动质量部分21的(最大)长度，Dd2代表在垂直于枢转轴的方向(驱动质量部分22的纵向)上从枢转轴到驱动质量部分22的边缘的驱动质量部分22的(最大)长度，而Dm代表在垂直于枢转轴的方向(可移动质量部分25的纵向)上从可移动质量部分25的枢转轴到可移动质量部分25的边缘的(最大)长度。在本实施例中，由于驱动质量部分21和22是独立设置的，因此无论可移动质量部分25的尺寸(长度Dm)如何，可移动质量部分25和驱动质量部分21和22彼此不相互影响。所以，可减小长度Dd1和Dd2并因此增大驱动质量部分21和22的旋转角度(偏转角度)。结果是，可增大可移动质量部分25的旋转角度。
理想的方式是，可移动质量部分25和驱动质量部分21和22被如此设计以满足Dd1＜Dm并且Dd2＜Dm。在此情况下，可进一步降低长度Dd1和Dd2。因此，可进一步增加驱动质量部分21和22的旋转角度并且因此可增加移动质量部分25的旋转角度。另外，理想的方式是，可移动质量部分25的最大旋转角度至少为20°。
利用以上布置，可实现驱动质量部分21和22的低电压驱动以及可移动质量部分25的大旋转角度振动(枢转运动)。因此，当执行机构1被应用于诸如激光打印机和扫描共焦激光显微镜的光学装置中使用的光扫描器时，可容易地使光学装置尺寸紧凑。
在被说明的实施例中，长度Dd1和Dd2被设定为大体相同。然而，长度Dd1和Dd2可有不同值。
同时，具有质量部分21、22和25的振动系统(两自由度振动系统)具有如图5中所示的在驱动质量部分21、22和可移动质量部分25的振幅(偏转角度)与被施加到压电元件31、32、33和34的交流电压的频率之间的频率特性。如图5中所示，振动系统具有两个共振频率fm1[kHz]和fm3[kHz](fm1＜fm3)，在所述共振频率驱动质量部分21和22的振幅以及可移动质量部分25振幅变大。振动系统还具有反共振频率fm2[kHz]，在所述反共振频率驱动质量部分21和22的振幅大体变为0。
在振动系统中，理想的方式是，设定被施加到压电元件31、32、33和34的交流电压的频率F大体等于两共振频率的低频率fm1。在此情况下，可移动质量部分25的偏转角度(旋转角度)可被增大而驱动质量部分21和22的振幅被减小。当频率F[kHz]和共振频率fm1[kHz]满足条件(fm1-1)≤F≤(fm2+1)时，频率F被认为大体等于共振频率fm1。
驱动质量部分21和22中的每一个可具有1到1500μm的平均厚度，优选为10到300μm。可移动质量部分25可具有1到1500μm的平均厚度，优选为10到300μm。第一弹性连接部分26和27中的每一个可具有1×10-3到1×105Nm/rad的弹簧常量k1，优选为1×10-2到1×104Nm/rad的弹簧常量k1，更优选为1×10-1到1×103Nm/rad的弹簧常量k1。当第一弹性连接部分26和27具有在这些范围内的弹簧常量时，可进一步增大可移动质量部分25的旋转角度(偏转角度)。第二弹性连接部分28和29中的每一个可具有1×10-4到1×104Nm/rad的弹簧常量k2，优选为1×10-2到1×103Nm/rad的弹簧常量k2，更优选为1×10-1到1×102Nm/rad的弹簧常量k2。当第二弹性连接部分28和29具有在这些范围内的弹簧常量时，可移动质量部分25的旋转角度(偏转角度)可被增大而驱动质量部分21和22的偏转角度被减小。另外，理想的方式是，第一弹性连接部分26和27的每一个的弹簧常量k1大于第二弹性连接部分28和29中的每一个的弹簧常量k2(k1＞k2)。在此情况下，可移动质量部分25的旋转角度(偏转角度)可被增大而驱动质量部分21和22的偏转角度被减小。
另外，理想的方式是，在驱动质量部分21和22中的每一个的转动惯量J1和可移动质量部分25的转动惯量J2之间保持关系为J1≤J2。更优选地，保持关系J1＜J2。在此情况下，可移动质量部分25的旋转角度(偏转角度)可被增大而驱动质量部分21和22的偏转角度被减小。
同时，包括驱动质量部分21和22以及第一弹性连接部分26和27的第一振动系统具有被ω1＝(k1/J1)1/2定义的固有频率ω1，其中J1是驱动质量部分21和22中的每一个的转动惯量，而k1是第一弹性连接部分26和27中的每一个的弹簧常量。包括可移动质量部分25以及第二弹性连接部分28和29的第二振动系统，具有被ω2＝(k2/J2)1/2定义的固有频率ω2，其中J2是可移动质量部分25的转动惯量，而k2是第二弹性连接部分28和29中的每一个的弹簧常量。理想的方式是，在第一振动系统的固有频率ω1和第二振动系统的固有频率ω2之间保持ω1＞ω2的关系。在此情况下，可移动质量部分25的旋转角度(偏转角度)可被增大而驱动质量部分21和22的偏转角度被减小。
例如，具有以上布置的执行机构1可如下制造。制造第一实施例中的执行机构1的方法的实例在图6A到图6F中被显示。图6A到图6F是对应于图3的垂直剖视图，所述图3沿图2的线III-III截取。在以下说明中，图6A到图6F的上侧和下侧分别被称作“上”和“下”。
<步骤A1>
首先，如图6A中所示，具有第一硅层61、二氧化硅层62和第二硅层63的叠层结构的绝缘体上硅结构(SOI)衬底6被准备。然后，电极312、322、332和342以及端子314、324、334和344被形成于绝缘体上硅结构衬底6的表面上，也就是，第一硅层61的表面。电极322和342在图6A至图6F中未显示。
例如，电极312、322、332和342以及端子314、324、334和344可由以下方式被形成。金属薄膜形成在绝缘体上硅结构衬底6上。然后，抗蚀剂掩模被施加于金属薄膜上在对应于电极312、322、332和342以及端子314、324、334和344的位置。其后，金属薄膜在抗蚀剂掩模形成于金属薄膜上在一些部分处的状态下被蚀刻。然后抗蚀剂掩模被移除，而电极312、322、332和342以及端子314、324、334和344因此被形成在绝缘体上硅结构衬底6的表面上。
例如，金属薄膜的形成可由以下方法形成：诸如等离子体化学气相淀积(CVD)法、热化学气相淀积(CVD)法和激光化学气相淀积法的化学淀积处理，真空蒸发过程、真空镀膜(sputtering)处理、诸如离子镀法的干法镀敷(dry plating)处理、诸如电镀法，浸镀(imersion plating)法，和无电镀法的湿法镀敷(wet plating)处理，热喷涂(thermalspraying)法和薄板材料的粘合处理。这些处理也可在下述其它步骤中被采用以形成金属薄膜。
蚀刻方法的实例包括物理蚀刻方法，例如等离子体蚀刻法、活性离子(reactive ion)蚀刻法、光束蚀刻(beam etching)法和光辅助(photo-assisted)蚀刻法；和诸如湿式蚀刻(wet etching)法的化学蚀刻方法。这些方法的一种或多种可彼此结合。这些蚀刻方法还可在以下说明的其它步骤中被采用作蚀刻处理。
<步骤A2>
接下来，如图6B中所示，压电层311、321、331、和341被形成在对应的电极312、322、332和342上。对应于电极322和342的压电层321和341未在图6B至图6F中显示。压电层311、321、331和341可由与步骤A1中所述的形成电极312、322、332和342的方法相同的方法形成。
<步骤A3>
然后，如图6C中所示，绝缘体上硅结构衬底6中的第一硅层61的部分被移除从而形成驱动质量部分21、22，支撑部分23、24，可移动质量部分25，第一弹性连接部分26、27，以及第二弹性连接部分28和29。因此，可获得基部件2。
例如，驱动质量部分21、22，支撑部分23、24，可移动质量部分25，第一弹性连接部分26、27，和第二弹性连接部分28和29可由以下方式形成。金属薄膜或氧化硅薄膜被形成在绝缘体上硅结构衬底6上。然后，抗蚀剂掩模被施加在金属薄膜或氧化硅薄膜上在对应于驱动质量部分21、22，支撑部分23、24，可移动质量部分25，第一弹性连接部分26、27，以及第二弹性连接部分28和29的位置。其后，金属薄膜或氧化硅薄膜在抗蚀剂掩模在一些部分形成在金属薄膜或氧化硅薄膜上的状态下被蚀刻。然后，抗蚀剂掩模被移除。在金属薄膜或氧化硅薄膜被用作掩模时，第一硅层61的部分被蚀刻从而形成驱动质量部分21、22，支撑部分23、24，可移动质量部分25，第一弹性连接部分26、27，以及第二弹性连接部分28和29。此时，作为绝缘体上硅结构衬底6的中间层的二氧化硅层62用作蚀刻过程的阻止层。与步骤A1中说明的方法相同的蚀刻方法可在步骤A3中被采用。
<步骤A4>
然后，如图6D中所示，绝缘体上硅结构衬底6的第二硅层63的部分被移除从而凹部(开口部分41)被形成在第二硅层63中。凹部可由与步骤A3中所述的方式相同的方式形成。
<步骤A5>
如图6E中所示，电极313、323、333和343被形成在对应的压电层311、321、331和341上。对应于压电层322和342的电极323和343在图6E和图6F中未显示。另外，光反射部分251被形成在可移动质量部分25上。电极313、323、333和343以及光反射部分251可由与步骤A1中说明的方式相同的方式形成。
<步骤A6>
然后，如图6F中所示，绝缘体上硅结构衬底6中二氧化硅层62的部分被移除，因此形成粘合层5。以这种方式，可获得根据本实施例的执行机构1。
图7是显示了根据本发明的第二实施例的执行机构1A的俯视图，而图8是沿图7的线VIII-VIII截取的剖视图。在以下说明中，图7中的近侧、远侧、右侧和左侧分别被称为“上”、“下”、“右”和“左”。图8中的上侧、下侧、右侧和左侧分别被称为“上”、“下”、“右”和“左”。第二实施例中的执行机构1A的以下说明主要集中在第二实施例中的执行机构1A与第一实施例中的执行机构1之间的差异。相似部分将不再重复说明。
除了执行机构1A具有不同结构和布置的压电元件，第二实施例中的执行机构1A与第一实施例中的执行机构1大体相同。具体而言，图7和图8中所示的执行机构1A具有分别设置在弯曲条261、262、271和272的两个表面上的压电元件。更具体而言，执行机构1A包括设置在弯曲条261的上表面上的压电元件31A以及设置在弯曲条261的下表面上的压电元件31B。执行机构1A包括设置在弯曲条262的上表面上的压电元件32A以及设置在弯曲条262的下表面上的压电元件32B。因此，压电元件被设置在弯曲条261的两个表面上，所述两个表面在垂直于弯曲条261的纵向方向并垂直于两弯曲条261和262相互面对的方向的方向上。此外，压电元件被设置在弯曲条262的两个表面上，所述两个表面在垂直于弯曲条262的纵向方向并垂直于两弯曲条261和262相互面对的方向的方向上。压电元件31A包括压电层311A和一对电极312和312A，其中压电层311A介于所述一对电极312和312A之间。在本实施例中，压电层311A具有与弯曲条261大体相同的长度。上电极312A也具有与弯曲条261大体相同的长度。压电元件31B、32A和32B中的每一个具有与压电元件31A一样的布置。
另外，执行机构1A包括设置在弯曲条271的上表面上的压电元件33A以及设置在弯曲条271的下表面上的压电元件33B。执行机构1A还包括设置在弯曲条272的上表面上的压电元件34A以及设置在弯曲条272的下表面上的压电元件34B。压电元件33A、33B、34A和34B中的每一个具有与压电元件31A相同的布置。
因此，压电元件31A、31B、32A、32B、33A、33B、34A和34B被配置以当相同电压被施加到这些压电元件时它们提供相同的驱动力。所以，可简化将使用的电源的布置并且高精度地驱动执行机构1A。
当执行机构1A将被驱动时，例如，图4中所示的电压V1被施加于压电元件31A、32B、33A和34B，而图4中所示的电压V2被施加于31B、32A、33B和34A。具体而言，电压被施加于压电元件从而交替地重复压电元件31A、32B、33A和34B伸长而压电元件31B、32A、33B和34A收缩的状态以及压电元件31A、32B、33A和34B收缩而压电元件31B、32A、33B和34A伸长的状态。结果，第一弹性连接部分26和27被引起扭转变形从而分别相对于支撑部分23和24枢转(振动)驱动质量部分21和22。
根据本实施例的执行机构1A，由于压电元件被设置在第一弹性连接部分的两个表面上，除第一实施例中的执行机构1的优点之外可获得更大的驱动力。结果，每一个压电元件可被小型化。另外，压电元件和第一弹性连接部分之间产生的应力可被减小从而改良执行机构的耐久性。
图9是显示了根据本发明的第三实施例的执行机构1B的剖视图。图9对应沿图7的线VIII-VIII截取的剖视图。在以下说明中，图9中的上侧、下侧、右侧和左侧分别被称为“上”、“下”、“右”和“左”。第三实施例中的执行机构1B的以下说明主要集中在第三实施例中的执行机构1B与第二实施例中的执行机构1A之间的差异。相似部分将不再重复说明。
除了四个压电元件被移除之外，第三实施例中的执行机构1B与第二实施例中的执行机构1A大体相同。具体而言，图9中所示的执行机构1B具有设置在弯曲条261的下表面上的压电元件31B、设置在弯曲条262的上表面上的压电元件32A、设置在弯曲条271的上表面上的压电元件33A、设置在弯曲条272的下表面上的压电元件34B。因此，两压电元件31B和32A被设置从而关于驱动质量部分21的枢转轴对称，并且两压电元件33A和34B被设置从而关于驱动质量部分22的枢转轴对称。利用如此布置，具有相同波形的电压可被相同电源施加于压电元件31B、32A、33A和34B从而驱动执行机构1B。所以，可减少执行机构的成本。
图10是显示了根据本发明的第四实施例的执行机构1C的俯视图。在以下说明中，图10中的近侧、远侧、右侧和左侧分别被称为“上”、“下”、“右”和“左”。第四实施例中的执行机构1C的以下说明主要集中在第四实施例中的执行机构1C与第一实施例中的执行机构1之间的差异。相似部分将不再重复说明。
除了第一弹性连接部分在不同连接位置被连接于驱动质量部分之外，第四实施例中的执行机构1C与第一实施例中的执行机构1大体相同。具体而言，图10中所示的执行机构1C中，在弯曲条261和驱动质量部分21之间的(第一)连接部分和弯曲条262和驱动质量部分21之间的(第一)连接部分之间的间距A小于在弯曲条261和支撑部分23之间的(第二)连接部分和弯曲条262和支撑部分23之间的(第二)连接部分之间的间距B(A＜B)。由于间距A是相对小的，因此在弯曲条261和驱动质量部分21之间的第一连接部分和在弯曲条262和驱动部分21之间的第一连接部分接近驱动质量部分21的枢转轴。所以，即使在弯曲条261和262的小弯曲变形的情况下也可保持大偏转角度。另外，由于间距B是相对大的，因此执行机构1C可在高频率被驱动而防止整个第一弹性连接部分26的弹簧常量被降低。所以，偏转角度可进一步被增大而保持高驱动频率。
当L代表驱动质量部分21在垂直于枢转轴的方向上的最大长度时，理想的方式是，保持0≤A＜0.8L的关系。更优选地，应当保持0≤A＜0.5L的关系。在此情况下，驱动质量部分2 1的质量合适地作用在第一振动系统的振动上。所以，偏转角度可进一步被增大。另外，当间距A是小的时，驱动质量部分21和22以关于第一弹性连接部分26和27的扭转变形的极好的响应性被枢转。
当间距A大于以上上限时，驱动质量部分21的质量依驱动质量部分21的质量或第一弹性连接部分26的弹簧常量可能不合适地作用在第一振动系统的振动上。在此情况下，不能获得大偏转角度。另外，当间距A是大的时，驱动质量部分21的枢转运动量与弯曲条261和262的弯曲形变量相比是相对小的。
另外，理想的方式是，保持0.2L＜B＜1.2L的关系。更优选地，应当保持0.3L＜B＜L的关系。在此情况下，执行机构1C可在高频率被驱动而防止整个第一弹性连接部分26的弹簧常量被降低。当间距B小于以上下限时，第一弹性元件部分26的弹簧常量依第一弹性连接部分26的形状或材料被降低。所以，难以在高频率驱动执行机构1C。另一方面，当间距B大于以上上限时，第一弹性连接部分26的弹簧常量依第一弹性连接部分26的形状和材料被过度地增大。所以，需要大驱动力，导致压电元件31C的尺寸增大。
另外，理想的方式是，间距A小于弯曲条261和262的每一个的长度。利用这样的布置，执行机构1C可以大偏转角度被驱动。
以上关于弯曲条261和262以及设置在弯曲条261和262上的压电元件31C和32C的讨论可适用于弯曲条271和272以及设置在弯曲条271和272上的压电元件33C和34C。
在本实施例中的执行机构1C可在高频率以更大偏转角度被驱动。
上述的执行机构1、1A、1B和1C可被应用于各种电子装置。具有根据本发明的执行机构的电子装置具有高可靠性。例如，上述执行机构1、1A、1B和1C可合适应用于激光打印机、条形码读出装置、扫描共焦激光显微镜或类似机器中使用的光学扫描仪或图像显示器。
虽然根据本发明的执行机构基于举例的实施例被说明，但是本发明并不限于那些实施例。例如，以上说明的执行机构中的每一个部件可由任何具有相同功能的部件所替换。另外，任何附加的部件可被附加于以上说明的执行机构。
在以上实施例中，弯曲条的每一个被举例为具有直线形状。然而，弯曲条可具有任何形状只要当两弯曲条主要在相反方向弯曲变形时能够引起整个第一弹性连接部分的扭转变形。例如，弯曲条可以是弯曲的。
另外，在以上实施例中，压电元件被连接于弯曲条的上表面和/或下表面上。然而，压电元件可以任意形式被布置只要压电元件可主要引起弯曲条在相反方向上弯曲变形。
此外，在以上实施例中，执行机构具有关于执行机构的中央平面的(两侧)对称结构，所述执行机构的中央平面垂直于驱动质量部分和可移动质量部分的枢转轴。然而，执行机构也可具有不对称结构。
而且，在以上实施例中，光反射部分被设置在可移动质量部分的上表面(在支撑衬底的相对侧)上。然而，光反射部分可被设置在可移动质量部分的下表面或可移动质量部分的两个表面上。
虽然本发明的特定优选实施例已被详细显示和说明，但是应当理解在不背离权利要求的范围的情况下可以对所述实施例中做出各种改变和修改。

Claims (16)

1.一种执行机构，包括：
可移动质量部分；和
用于驱动可移动质量部分的一对驱动机构，所述一对驱动机构中的每一个都包括：
(i)驱动质量部分，
(ii)用于支撑驱动质量部分的支撑部分，
(iii)第一弹性连接部分，所述第一弹性连接部分将驱动质量部分和支撑部分相互连接，从而允许驱动质量部分相对于支撑部分围绕枢转轴被枢转，和
(iv)第二弹性连接部分，所述第二弹性连接部分将驱动质量部分和可移动质量部分相互连接，从而允许可移动质量部分相对于驱动质量部分围绕枢转轴被枢转，所述第一弹性连接部分包括：
(a)一对弯曲条，所述一对弯曲条彼此相对，驱动质量部分的枢转轴介于其间，所述一对弯曲条中的每一个都具有连接到驱动质量部分的第一连接部分和连接到支撑部分的第二连接部分，和
(b)一对压电元件，所述一对压电元件被分别连接到所述一对弯曲条上从而在相反方向上弯曲所述一对弯曲条，以引起驱动质量部分枢转运动，所述驱动质量部分的枢转运动引起第二弹性连接部分扭转变形，从而枢转可移动质量部分。
2.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对压电元件中的每一个都包括：
压电层，所述压电层主要由压电材料制成，和
一对电极，压电层保持在所述一对电极之间，所述一对电极中的一个被连接到所述弯曲条。
3.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对压电元件中的每一个在弯曲条的纵向上延伸并能够在弯曲条的纵向上伸长和收缩，以弯曲所述弯曲条。
4.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对压电元件中的每一个都被设置在弯曲条的如下方向的至少一个表面上，该方向垂直于弯曲条的纵向并且垂直于所述一对弯曲条相对的方向。
5.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对压电元件中的每一个都被设置在弯曲条的如下方向的两个表面上，该方向垂直于弯曲条的纵向并且垂直于所述一对弯曲条相对的方向。
6.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对压电元件相对于驱动质量部分的枢转轴对称地布置。
7.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对驱动机构中的每一个都被配置为保持A＜B的关系，其中A代表所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第一连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第一连接部分之间的间距，而B代表所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第二连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第二连接部分之间的间距。
8.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对驱动机构中的每一个都被配置为保持0≤A＜0.8L的关系，其中A代表所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第一连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第一连接部分之间的间距，而L代表在垂直于驱动质量部分的枢转轴的方向的驱动质量部分的最大长度。
9.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对驱动机构中的每一个都被配置为保持0.2L＜B＜1.2L的关系，其中B代表在所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第二连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第二连接部分之间的间距，而L代表在垂直于枢转轴的方向的驱动质量部分的最大长度。
10.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对驱动机构中的每一个都被配置为保持A＜C的关系，其中A代表所述一对弯曲条中的第一弯曲条的第一连接部分和所述一对弯曲条中的第二弯曲条的第一连接部分之间的间距，而C代表弯曲条的长度。
11.如权利要求1所述的执行机构，还包括电源，所述电源被配置以将交流电压施加到压电元件上，所述交流电压的频率大体等于两自由度振动系统的共振频率的较低频率，其中驱动质量部分和可移动质量部分在所述共振频率处产生共振。
12.如权利要求1所述的执行机构，其中所述驱动质量部分和可移动质量部分中的每一个在其平面图中是四边形的并且具有一对边，所述一对边平行于所述枢转轴对称地布置，而所述枢转轴介于所述一对边之间，并且其中所述一对驱动机构中的每一个都被配置为保持Dd＜Dm的关系，其中Dd代表所述驱动质量部分的、从枢转轴到所述驱动质量部分的所述一对边中的一个的长度，而Dm代表所述可移动质量部分的、从枢转轴到所述可移动质量部分的所述一对边中的一个的长度。
13.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对驱动机构中的驱动质量部分具有大体相同的长度Dd。
14.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对驱动机构中的每一个都被配置为保持k1＞k2的关系，其中k1代表第一弹性连接部分的弹簧常量，而k2代表第二弹性连接部分的弹簧常量。
15.如权利要求1所述的执行机构，其中所述一对驱动机构中的每一个都被配置为保持J1≤J2的关系，其中J1代表驱动质量部分的转动惯量，而J2代表可移动质量部分的转动惯量。
16.如权利要求1所述的执行机构，还包括形成在可移动质量部分上的光反射部分。
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