TW202122868A - 用以承載反射器的出平面運動馬達及其製造方法 - Google Patents

用以承載反射器的出平面運動馬達及其製造方法 Download PDF

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Abstract

一種用以承載一反射器的出平面運動馬達，包括：一底座，具一法線方向；一固定於該底座的第一單軸運動馬達，具一平行於該法線方向的運動方向，且包括一第一單軸致動器，其中該第一單軸致動器用以承載並移動該反射器。

Description

用以承載反射器的出平面運動馬達及其製造方法
本發明係關於出平面運動；特別關於一種應用微機電致動器的裝置及其製造方法。
傳統的反射裝置，尤其是微小尺寸的，如毫米以下等級的反射鏡，為了達到改變反射方向、角度的效果，通常多利用壓電材料使反射鏡傾斜。但是壓電材料的變形程度有限使得位移距離亦有限，因此通常還需通過如圖15所示的放大機構令位移距離得以放大，然而缺點在於放大機構的設置導致整個裝置的複雜度增加，故障率增加，再者，雖然壓電材料的位移被放大了，但是反射器對壓電材料產生的負載也被放大了。此外，放大機構的設置亦導致整體裝置的體積增加。且壓電材料的反應也較慢而無法適應需要使反射鏡快速傾斜的裝置。
取而代之的方式就是以微機電系統(MEMS)替換壓電材料做為推動反射裝置的傾斜，然而微機電系統能做到的運動僅有沿其晶片平面上的運動，無法做到出平面運動，故而當欲利用微機電時，則必須利用轉向機構，如曲柄、連 桿的設計使得原本平面內的運動可以被轉向機構改變方向，例如以滑塊曲柄機構(slider-crank mechanism)將平面內的微機電機構的滑動轉換為轉動、擺動的運動模式，以使反射器得以傾斜。然而這亦導致了整體裝置的結構變得複雜，體積變大、變厚，且造成了製造上良率下降、使用上容易耗損的問題，因此在微型反射器的領域內急需一劃時代的發明，以改善上述各習用技術的缺失。
為了達到加大出平面運動機構的位移距離、減少出平面運動機構的複雜性、降低故障率、以及提高製造良率，本發明提供的出平面運動馬達馬達及其製造方法，可以獲得比傳統上使用的壓電材料更大的位移距離，或是比傳統平面運動馬達經轉換機構將水平運動轉換為垂直方向運動的整體結構更為紮實、堅固、簡單可靠的出平面運動馬達馬達。以反射器為例，若應用於掃描器上，本發明則可以提供更廣的掃描角度、以及更快速的角度變換。
故為了達到上述之目的，本發明提供一種反射器系統，包括：一基部，更包括一基部板，而該基部板還包括一基部板表面；一單軸運動馬達，設於該基部板表面，並具有一運動方向平行於該基部板表面的法向量；一支點結構，設於該基部板表面；以及一反射器，具有兩端，其中一端與該單軸運動馬達連接、另一端與該支點結構連接。
故為了達到上述之目的，本發明又提供一種反射器系統，包括：一基部，更包括一基部板，而該基部板還包括一基部板表面；複數單軸運動馬達，設於該基部板表面，並具有一運動方向平行於該基部板表面的法向量；以及一反射器，與該複數單軸運動馬達連接，俾使該反射器具有一平移方向與二個轉動方向。
為了達到上述之目的，本發明再提供一種一種用以承載一反射器的出平面運動馬達，包括：一底座，具一法線方向；一固定於該底座的第一單軸運動馬達，具一平行於該法線方向的運動方向，且包括一第一單軸運動馬達，其中該第一單軸運動馬達用以承載並移動該反射器。
為了達到上述之目的，本發明又再提供一種一種用以承載一反射器的出平面運動馬達的製造方法，包括下列步驟：提供一具有一法線方向的底座；提供一單軸運動馬達，具有一平行於該法線方向的運動方向，且包括一單軸運動馬達；以及將該單軸運動馬達垂直地固定於該底座，以承載與移動該反射器。
1100:T柱
1200:支撐臂
200:空腔
300:第一固定電極結構
320:梳指
400:主絞鍊
450:第一中心點
500:可動電極結構
510:龍骨
520:梳指
600:感測電容
610:第二固定電極結構
700:支點絞鍊
801:第一錨
802:第二錨
803:第三錨
804:第四錨
851:基部板
852:基部板表面
852’:冗餘空間
853:基部板框
854:單軸致動器
855:致動端部
900:限制絞鍊
5000’:反射器
5000”:保護結構
6001:電路板
6003:基部板
6004:夾持器
6005:基部板表面
6006:接觸墊
6007:金屬墊
6007’:電連接墊
6008:控制晶片
6009:電子元件
7000:支點結構
7040:雙邊單軸出平面運動馬達
7040’:四隅單軸出平面運動馬達
7040”:單邊單軸出平面運動馬達
7045:單軸運動馬達
7045-1:第一單軸運動馬達
7045-2:第二單軸運動馬達
7045-3:第三單軸運動馬達
7045-4:第四單軸運動馬達
10000:單軸致動結構
20000:致動器晶圓
20000’:晶圓基板
20500:第三空腔
9000:容置底座
9001:容置底板
9002:支撐壁
a:第一距離
b:第二距離
c:第三距離
b:第四距離
TDC:上死點
BDC:下死點
L1:第一槓桿
L1c:第一接觸點
L1f:第一支點
L2:第二槓桿
L2c:第二接觸點
L2f:第二支點
L2m:承載點
本發明的上述目的及優點在參閱以下詳細說明及附隨圖式之後對那些所屬技術領域中具有通常知識者將變得更立即地顯而易見。
〔圖1〕係本發明之實施例俯視圖。
〔圖2〕係圖1沿AA’方向側剖面示意圖。
〔圖3〕係本發明另一實施例之俯視圖。
〔圖4〕係圖3的立體示意圖。
〔圖5〕係本發明的單軸運動馬達的主結構示意圖。
〔圖6〕係本發明致動器晶圓局部示意圖。
〔圖7〕係本發明出平面運動運動馬達爆炸圖。
〔圖8〕係本發明出平面運動運動馬達立體示意圖。
〔圖9〕係本發明的單邊單軸運動馬達實施例示意圖。
〔圖10〕係本發明單邊單軸運動馬達的動作示意圖。
〔圖11〕係本發明的雙邊單軸運動馬達實施例示意圖。
〔圖12〕係本發明雙邊單軸運動馬達實施例的動作示意圖。
〔圖13〕係本發明雙邊單軸運動馬達實施例的另一動作示意圖。
〔圖14〕係本發明雙邊單軸運動馬達實施例的又一動作示意圖。
〔圖15〕係位移放大機構的平面示意圖。
請參閱圖1及圖2。其中圖1係本發明之實施例俯視圖，圖2係圖1沿AA’方向側剖面示意圖。圖1及圖2揭示了出平面運動馬達7040在作為基部的一基部板851的基部板表面852上具有一第一單軸運動馬達7045-1以及一第二單軸運動馬達 7045-2。做為可以產生出平面運動的機構，單軸致動器854的致動端部855的運動方向大致上平行於基部板表面852的法線方向，以圖1而言即垂直於圖面的方向，而以圖2而言則是向上。而在第一單軸運動馬達7045-1中的單軸致動器854的致動端部855上即承載一反射器5000’，可以是一反射器、反射鏡、透鏡、半反射鏡等，或是任兩種或兩種以上的結合。由於微機電的高速響應的效能，反射器5000’亦可以是一振動膜。依據圖1及圖2的第一單軸運動馬達7045-1與第二單軸運動馬達7045-2的設置位置，反射器5000’除了可以上下平行運動之外，亦可有側傾(側滾)運動(rolling)。藉由本發明的單軸運動馬達-1及7045-2可以使得原本的這些反射器可以在出平面方向獲得更多的位移。此外，由於反射器5000’下方，通常不需要其他結構物支撐，因此反射器5000’與基部板852之間形成了一冗餘空間852’，可以將電子元件6009設於其內以節省整體設備的空間。此外，為了便於拿取出平面運動馬達7040，基部板851的周緣更形成一基部板框853，以大致平行於基部板表面852的法線方向而形成，亦即增厚了基部板851的周緣以利機械手臂(圖中未示)的拿取。
請參閱圖3與圖4。其中圖3係本發明另一實施例之俯視圖，圖4是圖3的出平面運動馬達的立體示意圖。圖3及圖4揭示了四隅單軸出平面運動馬達7040’的單軸運動馬達7045-1及7045-2已不再僅於基部板表面852的兩邊設置，而是 更進一步的與額外的單軸運動馬達一起在基部板表面852的四個角落設置，分別是第一單軸運動馬達7045-1、第二單軸運動馬達7045-2、第三單軸運動馬達7045-3、以及第四單軸運動馬達7045-4，以組成一四隅單軸出平面運動馬達7040’，因此，在圖3、4的實施例中，不但可以令反射器5000’平行於基部板表面852的法線方向上下移動，亦可通過同步控制第一單軸運動馬達7045-1與第二單軸運動馬達7045-2及/或同步控制第三單軸運動馬達7045-3與第四單軸運動馬達7045-4，來產生俯仰運動(pitching)；亦或是同步控制第一單軸運動馬達7045-1與第四單軸運動馬達7045-4及/或同步控制第三單軸運動馬達7045-3與第二單軸運動馬達7045-2，來產生側傾(側滾)運動(rolling)，總共三個自由度。進一步而言，本發明的上述四個單軸運動馬達更可以分別控制產生不同的位移量，以令反射器5000’呈現既平移、又側傾、又俯仰的姿態。圖3、圖4關於單軸運動馬達的設置位置與數量並非絕對，亦可依實際需要改變位置，對於本技術領域中具通常知識之人而言可以很容易的變更，例如由於三點可以形成一平面，故理論上僅需三個單軸運動馬達即可達到三個自由度的動作，即上下平移、側傾(側滾)、俯仰。
請參閱圖5，係本發明的單軸運動馬達的主結構示意圖，其中單軸運動馬達主要結構包括一單軸致動器854，並揭示了單軸致動器854的較細微的結構，主要是一晶圓基板 20000’作為最底部的結構，晶圓基板20000’上具有一可動電極結構500與固定電極結構(更可細分為第一固定電極結構300與第二固定電極結構610)，可動電極結構500具有固定於龍骨510上的梳指520，而第一固定電極結構300具有固定於支撐臂1200上的梳指320。還包含第二固定電極結構610與可動電極結構500的一感測電容600被形成用以感測兩者之間的電容值，透過電容值的換算以確認可動電極結構500與第一固定電極結構300之間的距離。第一固定電極結構300再透過支撐臂1200而間接地被第三錨803固定於晶圓基板20000’上，第二固定電極結構610被第四錨804固定於晶圓基板20000’上。至於可動電極結構500則透過兩側的限制絞鏈900間接被第二錨802固定於晶圓基板20000’上，利用限制絞鏈900以免可動電極結構500的活動範圍超出容許範圍。致動端部855的一個實施例是一T柱1100，T柱1100則固定於該可動電極結構500上，T柱1100則透過兩側的主絞鏈400間接地被第一錨801固定於晶圓基板20000’上，T柱1100與兩側的主絞鏈400之間形成一第一中心點450，主絞鏈400用以承載大部份的通過T柱1100所施予可動電極結構500的質量，並負擔當可動電極結構500與第一固定電極結構300兩者之間的靜電力消失時令T柱1100歸位的彈性回復力。為了避免施加於T柱1100或反射器5000’受到側向力時造成兩者分離，本發明還在T柱1100的竪直部份設置一支點絞鏈700，可以側向變形以吸收前述的側向力(即圖5的X 方向)，更進一步而言，若為了維持T柱1100頭部的平行度、即盡可能的保持與基部板表面852的平行度，支點絞鏈700可以設計為於基部板表面852的法線方向(即圖5的Y方向)上免疫。
請參閱圖6，係本發明致動器晶圓局部示意圖。致動器晶圓20000包括複數個單軸致動結構，圖6僅局部地完整顯示了晶圓20000上的一個單軸致動結構10000，單軸致動器結構10000的底部是晶圓基板20000’，將單獨一個單軸致動結構10000切割下來之後即形成一單軸致動器854(請參閱圖5)。微機電的單軸致動器854應用了半導體製程技術製造，可以在一片晶圓20000上形成多個單軸致動器結構10000，並再切割下來而得到複數個單軸致動器。為了避免製程的殘渣、碎屑造成困擾，本發明在可動電極結構500的梳指520以及第一固定電極結構300的梳指320的下方的晶圓基板20000’處形成一空腔200以使殘渣、碎屑可以自空腔200處排出、或至少沉澱於其中以遠離各梳指，空腔200可以是一個較深的凹陷結構，或是一貫通晶圓基板20000’的前表面與後表面的結構。同理，在T柱1100下亦形成一第三空腔20500以利於排出T柱1100下方因製程產生的殘渣、碎屑，且使T柱1100與下方的支撐材料分離而能完整地如圖5所示的露出。
請參閱圖7與圖8。其中，圖7係本發明出平面運動運動馬達爆炸圖，而圖8係本發明出平面運動運動馬達立體示 意圖。其中揭示圖6的單軸致動結構10000連同晶圓基板20000’被切割下來並設置於一電路板6001上而成為一單軸致動器854，之後單軸致動器854再設置於基部板6003上以形成一單軸運動馬達7045，此外在電路板6001上還可設置一控制晶片6008，臨近於單軸致動結構10000旁以就近控制之，控制晶片6008亦可以是於晶圓20000(請參閱圖6)製造階段時一起製造(圖中未揭示)，並一起被裁切下來，再一同設置於電路板6001上。若控制晶片6008與單軸致動器結構10000是一起於同一晶圓20000上製造，兩者則是通過晶圓基板20000’連結在一起。電路板6001可再通過夾持器6004固定於基部板6003上，亦即通過夾持器6004以加強單軸致動器854與基部板6003之間的結合力，而電路板6001的接觸墊6006亦與基部板表面6005上的金屬墊6007相互電連接，而接觸墊6006再通過電路板6001內的線路(圖中未揭示)與控制晶片6008及各個梳指(520、320)電連接，使得電子信號得以來回傳遞於各個梳指(520、320)與出平面運動馬達外部的電路(圖中未揭示)，如以掃描器而言，則是掃描器的控制電路(圖中未揭示)，如此即形成了出平面運動運動馬達7045的完整電子訊號路徑。依需求，在基部板表面6005上亦可設置其他的電連接墊6007’以便於跟其它的電子元件(圖中未揭示)電連接，而金屬墊6007與電連接墊6007’則呈現但不限於一一對應的關係。又或者金屬墊6007與電連接墊6007’對於電路板6001而言屬於擇一使用的關係，亦 即依照實際需求(如反射器5000’的尺寸)以決定電路板6001的位置。此外，致動端部855亦呈現T柱1100狀，通過橫向的T柱1100上的頂端以加大與承載物(如圖2的反射器5000’)的結合面積。
請一同參閱圖9與圖10，其中圖9係本發明的單邊單軸運動馬達實施例示意圖，意即只具有單個的單軸運動馬達，圖10係本發明單邊單軸運動馬達的動作示意圖。其中揭示了單邊單軸出平面運動馬達7040”的一端是一支點結構7000，相對的另一端則是本發明的單軸運動馬達7045，因此支點結構7000與單軸運動馬達7045剛好分踞於反射器5000’的兩端，通常是左右兩端或是前後兩端，當然亦可分別設置於反射器5000’對角線的兩端。支點結構7000上僅允許反射器5000’做出些許的轉動，且通常具有但不限於如支點絞鏈700般的結構以吸收通常是會產生剪應力的不當的外力。當單軸運動馬達7045向上或向下運動時，與之連接的反射器5000’的位置亦隨著單軸運動馬達7045上下移動，圖10中即揭示了當單邊單軸出平面運動馬達7040”上升到上死點TDC(top dead center)或下降至下死點BDC(bottom dead center)時，反射器5000’上與單軸運動馬達7045連接的位置、以及反射器5000’的姿勢。此外，為了保護反射器5000’，本發明還提供一保護結構5000”，懸置於反射器5000’的上方，通常透過一容置底座9000的支撐壁9002給予保護結構5000”支撐，而單邊單軸出平 面運動馬達7040”即設於容置底座900的容置底板9001上，至於圖3與圖4所示的四隅單軸出平面運動馬達7040’、以及圖1與圖2所示雙邊單軸出平面運動馬達7040亦可設置於容置底板901上以得到保護結構5000”的保護。
請繼續參閱圖11、12、與13，其中圖11係本發明的雙邊單軸運動馬達實施例示意圖、圖12係本發明雙邊單軸運動馬達實施例的動作示意圖、以及圖13係本發明雙邊單軸運動馬達實施例的另一動作示意圖。其中揭示了雙邊單軸出平面運動馬達7040在反射器5000’的一端是一第一單軸運動馬達7045-1，相對的另一端則是第二單軸運動馬達7045-2。圖12所顯示的是當第一單軸運動馬達7045-1上升到上死點時，反射器5000’上與之連接的該側的位置。同時當第二單軸運動馬達7045-2下降至下死點時，反射器5000’上與之連接的該側的位置。圖13則剛好與圖12相反，即當第一單軸運動馬達7045-1下降至下死點時，反射器5000’上與之連接的該側的位置。同時當第二單軸運動馬達7045-2上升到上死點時，反射器5000’上與之連接的該側的位置。然而，在部份的運動馬達的實施狀態是僅能朝上或朝下運動，之後則復歸到原來的相對低或相對高的位置，若以僅能向上移動的運動馬達來理解圖12與圖13的實施例，在圖12中可理解為第二單軸運動馬達7045-2保持不動，而第一單軸運動馬達7045-1向上移動(例如至其上死點TDC)，相對的，圖13中可理解為第一單軸運動馬達7045-1 保持不動，而第二單軸運動馬達7045-2向上移動。同理，若以僅能向下移動的運動馬達來理解圖12與圖13的實施例，在圖12中可理解為第一單軸運動馬達7045-1保持不動，而第二單軸運動馬達7045-2向下移動(例如至下死點BDC)，相對的，圖13中可理解為第二單軸運動馬達7045-2保持不動，而第一單軸運動馬達7045-1向下移動。
請參閱圖14，係本發明雙邊單軸運動馬達實施例的又一動作示意圖。在雙邊單軸出平面運動馬達7040的單軸運動馬達僅能向上或向下的移動時，本發明仍可通過兩個運動馬達的移動幅度的不同而達到既有平移又有側傾的動作，首先請看兩個向下的空心箭頭，其中顯示了當第一、第二單軸運動馬達(7045-1、7045-2)僅能向下移動時，第一單軸運動馬達7045-1的下移量較大、而第二單軸運動馬達7045-2的下移量較小，以達成既向下平移、同時又側傾的動作。同理，請看兩個向上的空心箭頭，其中顯示了當第一、第二單軸運動馬達(7045-1、7045-2)僅能向上移動時，第一單軸運動馬達7045-1的上移量較小、而第二單軸運動馬達7045-2的上移量較大，以達成既向上平移、同時又側傾的動作，由此可見，通過兩個或兩個以上的單軸運動馬達7045的設置，本發明的反射器可以達到既上下平移又同時側傾的動作、姿勢，不但可改變反射器的角度，亦可改變被反射的電磁波(如可見光)所呈現的影像的大小。
請參閱圖15，係位移放大機構的平面示意圖。若為了增加移動距離，本發明亦可利用位移放大機構。其中包括一第一槓桿L1與一第二槓桿L2，第一槓桿L1的一端是一第一槓桿支點L1f、另一端則通過一第二接觸點L2c與第二槓桿L2連接。而運動馬達7045(請配合圖8)的施力位置則於一第一接觸點L1c，即T柱1100連接於第一接觸點L1c，由於第一接觸點L1c位於第一槓桿支點L1f與第二接觸點L2c之間，因此當運動馬達7045移動時，第二接觸點L2c的移動幅度大於第一接觸點L1c的移動幅度，同理，第二接觸點L2c位於第二槓桿支點L2f與承載點L2m之間，因此當第二接觸點L2c移動時，承載點L2m的移動幅度大於第二接觸點L2c的移動幅度，如此即可達到將運動馬達7045的位移放大使反射器5000’的位移大於運動馬達7045的位移。若欲達到更顯著的放大效果，令第一距離a小於第二距離b、且第三距離c小於第四距離d，其中第一距離a係第一接觸點L1c與第一槓桿支點L1f之間的距離、第二距離b係第一接觸點L1c與第二接觸點L2c之間的垂直距離、第三距離c係第二接觸點L2c與第二槓桿支點L2f之間的距離、第四距離d係第二接觸點L2c與承載點L2m之間的垂直距離。因此雖然故有技術的壓電材料利用位移放大機構使之移動距離得以放大，但是由於本發明的運動馬達的原始位移距離即遠大於壓電材料的原始位移距離，因此通過位移放大機構之後，本發明所能達到的整體位移距離仍遠大於壓電材料經放大之後的 位移距離。
綜上所述，本發明首先是利用了可透過半導體製程製造的微機電運動馬達，使得大量生產更為便捷，其次更將單軸運動馬達結構自晶圓上裁下，並將之豎直地設置於一基部板上，使得傳統上只能沿晶片平面移動的運動馬達可以產生出平面的運動效果。由於在相同的裝置體積的前提下，微機電運動馬達可以獲得比傳統上使用的壓電材料更大的位移距離，因此本發明將微機電運動馬達豎直使用可以使反射器獲得更大的傾轉角度，此外更可透過複數的運動馬達而達到令反射器既可平行地進出平面的運動、亦可側傾、俯仰。此外，直接將微機電運動馬達豎直所完成的出平面運動馬達，確實比傳統平面運動馬達經轉換機構將水平運動轉換為垂直方向運動的整體結構更為紮實、堅固、簡單可靠。故當應用於反射器時，若應用於掃描器的反射器，本發明則可以提供更廣的掃描角度、以及更快速的角度變換，因此對於相關產業而言，本發明具有莫大的貢獻。
851:基部板
852:基部板表面
852’:冗餘空間
853:基部板框
854:單軸致動器
855:致動端部
5000’:反射器
6009:電子元件
7040:雙邊單軸出平面運動馬達
7045-1:第一單軸運動馬達
7045-2:第二單軸運動馬達

Claims (10)

  1. 一種反射器系統，包括：
    一基部，更包括一基部板，而該基部板還包括一基部板表面；
    一單軸運動馬達，設於該基部板表面，並具有一運動方向是平行於該基部板表面的法向量；
    一支點結構，設於該基部板表面；以及
    一反射器，具有兩端，其中一端與該單軸運動馬達連接、另一端與該支點結構連接。
  2. 如請求項1所述的系統，其中在該反射器分別與該單軸運動馬達或該支點結構之間的連接處，更設有一支點絞鍊。
  3. 一種反射器系統，包括：
    一基部，更包括一基部板，而該基部板還包括一基部板表面；
    複數單軸運動馬達，設於該基部板表面，並具有一運動方向是平行於該基部板表面的法向量；以及
    一反射器，與該複數單軸運動馬達連接，俾使該反射器具有一平移方向與至少一個轉動方向。
  4. 如請求項3所述的系統，其中在該反射器與各該單軸運動馬達之間的連接處設有一支點絞鍊。
  5. 一種用以承載一反射器的出平面運動馬達，包括：
    一底座，具一法線方向；
    一固定於該底座的第一單軸運動馬達，具一平行於該法線方向的運動方向，且包括一單軸致動器，其中該單軸致動器用以承載並移動該反射器。
  6. 如請求項5所述的馬達，進一步包括一第二單軸運動馬達設於該底座上。
  7. 如請求項5所述的馬達，進一步包括一第二單軸運動馬達、一第三單軸運動馬達、以及一第四單軸運動馬達設於該底座上。
  8. 如請求項5所述的馬達，其中該第一單軸運動馬達進一步包括一晶圓基板，該晶圓基板具有一前表面與一後表面，並具有一貫通該前表面與後表面的空腔。
  9. 一種用以承載一反射器的出平面運動馬達的製造方法，包括下列步驟：
    提供一具有一法線方向的底座；
    提供一單軸運動馬達，具有一平行於該法線方向的運動方向，且包括一單軸致動器；以及
    將該單軸運動馬達垂直地固定於該底座，以承載與移動該反射器。
  10. 如請求項9所述的製造方法，其中該單軸運動馬達具有一基板，並於該基板上方形成一梳狀驅動電容，而其中該梳狀驅動電容包含一固定電極結構固定於該基 板，以及一活動電極結構通過一主絞鏈而間接地連接於該基板，且該基板上更形成一空腔，而該梳狀驅動電容朝向該空腔的投影與該空腔有重疊。
TW109138924A 2019-11-07 2020-11-06 用以承載反射器的出平面運動馬達及其製造方法 TW202122868A (zh)

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