CN1238749C - 磁性致动器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种磁性致动器，能用较低的驱动电压实现较大的致动角度。其包括：永磁铁(27)；枢轴转动件(21)，包括基板(22)和形成在基板(22)上的框架型铁磁层(23)，它处于永磁铁(27)产生的磁场中的倾斜磁场位置处，并且在一端部以可在枢轴上转动的方式被扭转绞链对(24)支撑；移动件(31)，包括基板(32)和形成在基板(32)上的框架型铁磁层(33)，它被静电传动装置(36，37)驱动在垂直于由扭转绞链(24)定义的枢轴线的方向上移动，以便进入永磁铁(27)和枢轴转动件(21)间的空间中，从而当移动件(31)被驱动朝着更接近枢轴转动件(21)的方向移动时，在枢轴转动件(21)和移动件(31)之间产生排斥力，使得枢轴转动件(21)在枢轴上转动。

Description

磁性致动器

技术领域

本发明涉及用于光学扫描仪等设备的磁性致动器(magnetic actuator)。

背景技术

图9和图10图示了实践中采用的现有技术致动器的结构例子，该装置利用硅微机械加工技术制造，在日本专利申请公开No.6-180428的图11和图12中公开了此项技术。该致动器包括框架11、位于框架中的可动板12、和支撑并装配可动板12到框架11上的一对扭转绞链13，所有这些部件通过蚀刻硅而一体成型。

框架11装配在基板15上，其间插入了绝缘隔板14，在与可动板12相对的基板15的表面上形成有一对固定电极16。

可动板12作为可动电极使用，以便通过框架11和扭转绞链13将电压施加在固定电极16中的一个和可动板12之间时，在两者之间产生静电荷，以便将可动板12静电吸引至固定电极16，以使可动板12围绕着由扭转绞链对13所定义的轴转动。

如图9和图10所示，在静电工作致动器中，需注意的是，当可动板12的旋转角度增加时，使该板旋转所需的电压也增加。换句话说，为了提供大的旋转角度(致动角度)，需要很大的驱动电压。

另外，既然现有技术致动器被构造为将驱动电压施加在可动板12自身，因为存在例如由于电荷转移(displacement of the charge)造成动作失败的可能性，因此引起可靠性方面的问题。

发明内容

本发明解决了上述现有技术中存在的问题，和提供一种磁性致动器，其能用相对低的驱动电压实现相对大的致动角度。

为了解决前述问题，依据本发明的一个方案，提供一种磁性致动器，其包含：一永磁铁；一枢轴转动件，其位于由永磁铁产生的磁场中的倾斜磁场位置处，该倾斜磁场位置是从所述永磁铁的中心沿平行于永磁铁顶表面的方向偏移一预定水平距离以及从永磁铁的顶表面向上间隔一预定垂直距离；扭转绞链装置，枢轴转动支撑所述枢轴转动件于其邻近所述永磁铁的中心的一端部；一移动件；以及驱动装置，用于驱动所述移动件；其中移动件被驱动装置驱动，在与由扭转绞链装置定义的枢轴线正交的方向上向该扭转绞链装置移动，以便进入永磁铁和枢轴转动件之间的空间中；枢轴转动件和移动件是铁磁性的，从而当该移动件被驱动朝着更接近枢轴转动件的方向移动时，在枢轴转动件和移动件之间产生排斥力，使得枢轴转动件在枢轴上转动。

枢轴转动件和移动件的每一个包括一基板和形成在该基板上的一铁磁膜。

铁磁膜以框架的形状形成在该些基板的表面上。

所述成框架形状的铁磁膜的框架在一个位置处断开。

所述驱动装置是一包括彼此相对设置的可动梳状电极装置和固定梳状电极装置的静电致动器。

根据本发明的磁性致动器，通过线性(水平)驱动移动件，可以给予枢轴转动件大的驱动角(旋转角度)，并且由于移动件被梳状型静电致动器驱动，因此可以用低电压驱动移动件。

而且，由于没有向枢轴转动件施加电压，因此不存在由枢轴转动件的电荷转移引起操作失败的风险。

附图说明

图1是一透视图，其图示了依据本发明的磁性致动器的实施例；

图2是一基本原理图，其图示了依据本发明的磁性致动器的工作原理；

图3的上图显示了：在铁磁体条被插入磁场中后，立即在铁磁体条的体内产生局部磁矩，图3的下图显示了：局部磁矩互相增强并且沿水平方向(它的纵向)排列，使得铁磁体条成为具有沿纵向的磁矩的双极体；

图4图示了当铁磁体条被枢轴支撑在支点上时，铁磁体条停留在力矩、重力和支点的拉力处于平衡的位置上；

图5图示了第二铁磁体条进入靠近第一铁磁体条的支点的空间中，在此处两个铁磁体条将具有相同的极性，从而在两个铁磁体条之间产生排斥力；

图6图示了铁磁体条的结构的优选例子；

图7示出了根据本发明的磁性致动器的示意图；

图8示出了制造图1所示磁性致动器的工艺步骤(1)-(14)；

图9是一透视图，其图示了现有技术磁性致动器的实施例，其中可动板被扭转绞链枢轴支撑；以及

图10是图9所示的现有技术磁性致动器的剖面图。

具体实施方式

参照附图，本发明的实施例将在下文中进行详细描述。

图1显示了依据本发明的磁性致动器的实施例，图2-5图示了磁性致动器的工作原理。首先，参照图2-5描述依据本发明的磁性致动器的操作原理。

如图2所示，当足够薄(例如大概0.5μm)、和足够宽(例如大概10μm)以及与前述宽度相比足够长(例如大概200μm)的铁磁体条A沿水平方向(平行于永磁铁M的表面的方向)被定位在由永磁铁M产生的磁场中的特定位置(其中铁磁体条的前端从永磁铁M的表面上的磁场中心偏移距离D2，和铁磁体条从永磁铁M向上隔开距离D1，换句话说，铁磁体条受到来自永磁铁M的在倾斜方向上的磁场的控制的位置，并且该位置被称为倾斜磁场位置)时，如图3上半部分所示，铁磁体条A被插入磁场中后，立即在铁磁体条A的体内产生局部磁矩，如图3的下半部分所示，局部磁矩互相增强并且沿纵向排列，使得铁磁体条A成为具有在纵向(水平)方向上的磁矩的双极体。(铁磁体条A的形状可能是框架而不是条，但是下面仍将参考铁磁体条解释)

如图4所示，当铁磁体条A被枢轴支撑在临近朝向磁铁M的中心的铁磁体条的一端的支点S上时，一力矩M1施加于铁磁体条M上，其方向是趋于将铁磁体条朝着与通过支点S的磁力线平行的方向移动(产生磁扭矩)。结果是，铁磁体条A停留在力矩M1、重力M2和支点的拉力M3处于平衡的位置上，例如，如图4所示，与平行于磁体表面的平面成θ角倾斜的位置(姿态)。

如果与第一铁磁体条A相似的第二铁磁体条B向着处于图4所示的状态下的第一铁磁体条A移动，沿着由图5中箭头C所标注的方向，以便插入在铁磁体条A和永磁体M间，当第二铁磁体条接近第一铁磁体条A的支点S时，两个铁磁体条A和B具有相同的极性，并且在两者间产生排斥力M4(磁性排斥)，从而在第一铁磁体条A上产生旋转力矩，使得铁磁体条A沿着图5中箭头E所示的方向旋转。

当铁磁体条B向更接近铁磁体条A的方向移动时，不仅使两个铁磁体条间的排斥力增加，而且磁场也增强，使得铁磁体条B内产生的磁通量增加。因此，铁磁体条B距离铁磁体条A越近，产生在铁磁体条A内的旋转力矩增加得越大，从而使得致动器以很大的旋转角度(致动角度)动作。

值得注意的是：尽管上述的铁磁体条A、B可能成板的形状，它可以制成如图6中的铁磁体框架A所示的矩形框架(环)，以便在铁磁体框架的水平方向上形成更均匀的磁化。

而且，如图6所示，通过将铁磁体条制成在一个位置处断开的矩形环的形状，而不是闭合的环，这样可以抑制在铁磁体条A的动作过程中由于磁场改变而产生的电流，并且可以控制因此产生的磁场干扰，从而稳定操作。

图7概略地图示了一种工作在上文解释的工作原理下的磁性致动器，其中铁磁体框A和B形成为中断的框架类部件并分别放置在板P和Q上。在图7中，字母T表示扭转绞链，其枢轴支撑板P。

参照图1，现在描述依据本发明的磁性致动器的具体结构。

本实施例的枢轴转动件21包括：一基板22，成矩型板的形状，在此例中的尺寸是大约200μm²和大约3μm厚，和一形成在基板22的表面上的铁磁膜23，铁磁膜23成矩型框的形状，其尺寸为大约200μm长、10μm宽和0.5μm厚，且在一个位置上断开。

枢轴转动件21具有一对扭转绞链24，扭转绞链24的一端靠近磁体M的中心，该些扭转绞链24从临近所述一端的相对侧向外相对延伸，以便提供对枢轴转动件21的可在枢轴转动的支撑。扭转绞链24对的一端与枢轴转动件21的基板22形成一体，其另一端与支撑台25的上部分支撑台25b形成一体，上部分支撑台25b与关联的支撑台25的下部分支撑台25a连接并被支撑，下部分支撑台25a被依次固定在底板26上。

底板26是其一侧的中间部分被切掉的矩型框架，且将永磁体27放置在切除的部分中。永磁体27的形状是矩型块，其具有垂直行进的内部磁力线方向，即：具有在与枢轴转动件21相对的上表面上的N极(或S极)。枢轴转动件21定位在由永磁体27产生的磁场中的倾斜磁场位置上。可以理解的是，取决于永磁体的外形和尺寸以及枢轴转动件21的铁磁膜23的外形和尺寸的相关设计，可以适当地确定放置枢轴转动件21的倾斜磁场位置(确定距离D1和D2)。

移动件31被驱动以移入永磁体27和枢轴转动件21之间的空间和从该空间移出，移动件31包括成矩型板形状的基板32和形成在基板32上表面的铁磁膜33。类似于枢轴转动件21的铁磁膜23，移动件31的铁磁膜33的形状也是在一个位置上断开(与铁磁膜23断开的位置不同)的矩型框架(与铁磁膜23的尺寸相同)。值得注意的是：铁磁膜33放置在移动件31的基板32上，其对着临近枢轴转动件21的前端。

移动件31与一对支撑梁34形成为一体，支撑梁34的相对侧邻近移动件31的后端，支撑梁34从该些相对侧成Z字形延伸，支撑梁34的另一端与基台35形成为一体。移动件31通过支撑梁34和基台35被底板26支撑，并且由于Z字形支撑梁34的柔韧特性，移动件31适于能够向永磁体27移动。移动件31的基板32还具有一体成型的可动梳状电极36，可动梳状电极36从位于其相对端中间的相对侧延伸。可动梳状电极36设置为可与固定梳状电极37交叉指型啮合，固定梳状电极37具有固定到底板26上的基部37a并由底板26支撑。可动梳状电极36和固定梳状电极37构成静电致动器。

如上支撑的移动件31被静电致动器驱动，并且移动件31的表面部分优选被抛光成镜面，使得它作为一磁性致动器。

在该结构中，移动件31的基板32、支撑梁34、基台35和可动梳状电极36通过例如蚀刻硅基板形成于一体中。固定梳状电极37和支撑台25的下部分支撑台25a也可以由同一硅基板形成。

枢轴转动件21的基板22、扭转绞链24和支撑台25的上部分支撑台25b可以通过例如多晶硅膜一体成型为一个部件。铁磁膜23、33可以是镍膜。底板26也可以由硅基板形成。

尽管在图1中没有显示，应当指出在底板26与支撑台25、固定梳状电极37的基部37a和固定到底板26的支撑梁34的基台35中的每一个之间插入二氧化硅层作为电绝缘体。同样的，二氧化硅层插入在支撑台25的下部分支撑台25a和上部分支撑台25b之间。而且铁磁膜23和33被形成在各自的基板22和32上，其间插入了二氧化硅层。

在如上所述构造的磁性致动器中，枢轴转动件21和移动件31分别对应于磁性致动器的铁磁体条A和铁磁体条B，在上文中，参考根据本发明的工作原理描述了该磁性致动器。更具体地，当在可动梳状电极36和固定梳状电极37之间加上电压时，可动梳状电极36被静电吸引至固定梳状电极37，于是，移动件31沿平行于底板26表面的平面被驱动，从与扭转绞链24的枢轴线正交的方向向该枢轴线移动，以便进入永磁体27和枢轴转动件21之间的空间中，定位在由永磁体27产生的磁场内，从而通过在枢轴转动件21和移动件31之间产生的排斥力使枢轴转动件21旋转。

对于如上构造的磁性致动器，可以理解，通过线性(水平)驱动移动件31，可以给予枢轴转动件21大的驱动角(旋转角度)，并且由于移动件31被梳状型静电致动器驱动，因此可以用低电压驱动移动件31。

进一步注意到，由于没有向枢轴转动件21施加电压，因此不存在由枢轴转动件的电荷转移引起操作失败的风险。应当理解到，移动件的形状和尺寸，尤其是它的支撑梁的形状和尺寸以及形成支撑梁的位置，和静电致动器的形状和尺寸不受这里图示的结构的限制。

接下来，参考图8描述利用微机械加工技术一步步地制造图1所示的磁性致动器的方法，图8图示了沿剖面Y-Y的横截面图。而且，在步骤13和14中，为了显示出用作图1所示装置的组成部分的各层，对于相应的组成部分，这些层的参考数字伴随有带括弧的参考数字。

步骤(1)：制备多层SOI基板44，其包括二氧化硅层41和设置在层41的相对表面上的硅层42和43。

步骤(2)：对SOI基板44进行热氧化，以便在基板的顶和底表面上形成二氧化硅层45和46。

步骤(3)：通过成膜工艺，例如使用CVD(chemical-vapor deposition，化学气相沉积)装置，在位于基板的顶表面侧上的二氧化硅层45上形成一多晶硅层47。

步骤(4)：通过成膜工艺，例如使用CVD装置，在多晶硅层47上形成一二氧化硅层48。

步骤(5)：通过光刻法在二氧化硅层48上形成枢轴转动件的基板、扭转绞链和支撑台的图案，然后例如通过RIE(reactive ion etching，反应离子刻蚀)装置按照该图案蚀刻二氧化硅层48。

步骤(6)：用二氧化硅层48的图案作为掩模，通过RIE装置蚀刻多晶硅层47。

步骤(7)：通过RIE装置去除顶表面侧上的二氧化硅层45、48，然后再次通过成膜工艺例如使用CVD装置在多晶硅层47和硅层42上形成二氧化硅层49。

步骤(8)：通过光刻法在二氧化硅层49上形成移动件的基板、支撑梁、支撑梁的基台、可动梳状电极、固定梳状电极和扭转绞链的支撑台的下部分支撑台的图案，然后例如通过RIE装置按照该图案蚀刻二氧化硅层49。

步骤(9)：用二氧化硅层49的图案作为掩模，通过RIE装置蚀刻二氧化硅层42。于是，通过溅射装置在顶表面上形成诸如镍的铁磁层51。

步骤(10)：通过光刻法在铁磁层51上形成用于枢轴转动件和用于移动件的铁磁层的框架的图案，然后例如通过蚀刻(milling)法按照该图案蚀刻铁磁层51。

步骤(11)：通过光刻法在位于底表面侧上的二氧化硅层46上形成用于提供容纳位于枢轴转动件下面的永磁铁的空间的图案，然后按照该图案蚀刻二氧化硅层46，接着用二氧化硅层46的图案作为掩模蚀刻硅层43。

步骤(12)：通过光刻法在位于底表面侧上的二氧化硅层46上形成底板的图案，然后按照该图案蚀刻二氧化硅层46，同时通过蚀刻去除暴露在移动件部分的背面侧上的二氧化硅层41。

步骤(13)：用二氧化硅层46的图案作为掩模，通过RIE装置从背面蚀刻位于移动件(31)的背面侧上的硅层43和位于枢轴转动件(21)的背面侧上的硅层42。接着蚀刻用于移动件31的二氧化硅层41和二氧化硅层45、49。因此，通过上述的步骤制造出不带永磁铁27的图1所示的磁性致动器的结构。

步骤(14)：制备一下支撑板52，和将底板46安装和固定在下支撑板52上。另外，将永磁铁27安装和固定在下支撑板52上，使得该磁铁定位在枢轴转动件21下面的空间中。通过以上的工艺，完成了图1所示磁性致动器的制作。优选地，用于制作下支撑板52的材料可以是金属或诸如硅的半导体，以防止因静电引起致动器失效。

尽管在上述的实施例中通过在基板22和32的表面上分别形成铁磁膜23和33，使得枢轴转动件21和移动件31均具有铁磁性，可以理解到，枢轴转动件21和移动件31可以构造成整体由铁磁材料制成。

而且，在参考图4和图1中所示的铁磁体条A所作的说明中，枢轴转动件21处于枢轴旋转一预定角度的位置，甚至在它的最初位置处，因为移动件31从枢轴转动件缩回，所以它不会受到排斥力的作用。然而，枢轴转动件21在它的最初位置时的角度可以调整为水平位置，例如通过在枢轴转动件21的自由端上增加抗蚀剂或金属的适当块来实现此目的，该自由端与被扭转绞链24支撑的支撑端相对。

如上所述，根据本发明的磁性致动器能够用较低的驱动电压提供大角度的动作。

另外，由于没有将电压施加在枢轴转动件21上，该枢轴转动件21在枢轴上可转动式地驱动，因此不会出现因枢轴转动件的电荷转移引起操作失败的现象，从而可以得到高可靠的磁性致动器。

Claims (5)

1.一种磁性致动器，包括：

一永磁铁；

一枢轴转动件，其位于由所述永磁铁产生的磁场中的倾斜磁场位置处，该倾斜磁场位置是从所述永磁铁的中心沿平行于该永磁铁顶表面的方向偏移一预定水平距离以及从该永磁铁的顶表面向上间隔一预定垂直距离；

扭转绞链装置，于其邻近所述永磁铁的中心的一端部以可在枢轴上转动的方式支撑所述枢轴转动件；

一移动件；以及

驱动装置，用于驱动所述移动件；其中

所述移动件被所述驱动装置驱动，在与由所述扭转绞链装置定义的枢轴线正交的方向上向该扭转绞链装置移动，以便进入在所述永磁铁和所述枢轴转动件之间的空间中；和

所述枢轴转动件和所述移动件是铁磁性的；

从而当该移动件被驱动朝着更接近所述枢轴转动件的方向移动时，通过产生于枢轴转动件和所述移动件之间的排斥力使得所述枢轴转动件在枢轴上转动。

2.如权利要求1所述的磁性致动器，其中：

所述枢轴转动件和所述移动件的每一个包括一基板和形成在该基板上的一铁磁膜。

3.如权利要求2所述的磁性致动器，其中：

所述铁磁膜以框架的形状形成在该基板的表面上。

4.如权利要求3所述的磁性致动器，其中：

所述成框架形状的铁磁膜的该框架在一个位置处断开。

5.如权利要求1所述的磁性致动器，其中：

所述驱动装置是一包括彼此相对设置的可动梳状电极装置和固定梳状电极装置的静电致动器。

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