TWI649256B - 具可樞轉的面鏡元件的梳狀驅動器 - Google Patents

具可樞轉的面鏡元件的梳狀驅動器 Download PDF

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Abstract

一種具可樞轉的面鏡元件的梳狀驅動器，其中該梳狀驅動器具有第一樞狀電極及第二樞狀電極，其中該第二樞狀電極可沿偏移方向相對於該第一樞狀電極由最小偏移位置轉移至最大偏移位置，其中該第二樞狀電極透過可繞樞轉軸樞轉的桿臂連接該面鏡元件，其中該第一樞狀電極與該第二樞狀電極如此這般嚙合佈置，使得該第一樞狀電極的第一梳狀齒與該第二樞狀電極的第二梳狀齒沿垂直於該偏移方向延伸的投影方向相鄰佈置，其特徵在於，該第一梳狀齒及/或該第二梳狀齒被構造成使得在該第二樞狀電極由該最小偏移方向轉移至該最大偏移位置過程中，該第一梳狀齒與該第二梳狀齒之間的平均距離沿該垂直於該偏移方向延伸的投影方向減小。

Description

具可樞轉的面鏡元件的梳狀驅動器
本發明係有關一種具可樞轉的面鏡元件的梳狀驅動器。
關於此類梳狀驅動器的認識來源於愈來愈多地應用於投影儀、掃描器或類似儀器的微鏡。較之大多數驅動器類型如磁力驅動器或壓電驅動器，靜電驅動方案具有施加電壓(在靜態情況下基本無能量損失)便能使面鏡偏轉之優點。在偏轉程度較小的情況下，若驅動特性近似線性，則微鏡往往尤為易於控制。
靜電驅動方案的缺憾在於，在為梳狀驅動器所規定的區域僅能施加較小的力，其中該規定區域通常由微鏡的期望緊湊設計所限定。舉例而言，若需將數個面鏡作為陣列組合起來，最好將驅動器定位於面鏡下方，以便能儘可能靈活地將單個面鏡相組合。此種佈置方式的結果為，可供梳狀驅動器使用的結構空間取決於鏡面大小。
本發明之自的在於提供一種具可樞轉的面鏡元件的梳狀驅動器，其中該梳狀驅動器在面鏡下方結構空間有限的情況下仍能施加儘可能大的力來樞轉該面鏡元件。此外亦希望線性驅動特性能使該梳狀驅動器 特別易於控制。
為達成本發明之目的，提出一種具可樞轉的面鏡元件的梳狀驅動器，其中該梳狀驅動器具有第一樞狀電極及第二樞狀電極。其中根據本發明，第二樞狀電極可沿偏移方向相對於第一樞狀電極由最小偏移位置轉移至最大偏移位置。為使面鏡元件樞轉，第二樞狀電極透過可繞樞轉軸樞轉的桿臂連接面鏡元件。藉此可將第二樞狀電極相對於第一樞狀電極的偏移轉變成面鏡元件的樞轉運動。根據本發明，第一樞狀電極與第二樞狀電極如此這般嚙合佈置，使得第一樞狀電極的第一梳狀齒與第二樞狀電極的第二梳狀齒沿垂直於偏移方向延伸的投影方向相鄰佈置。具體來說，第一及第二樞狀電極被佈置成使得在由最小偏移位置轉移至最大偏移位置過程中，第一與第二梳狀齒的重疊部分沿投影方向發生變化。此外根據本發明，第一梳狀齒及/或第二梳狀齒被構造成使得在第二樞狀電極由最小偏移方向轉移至最大偏移位置過程中，第一梳狀齒與第二梳狀齒之間的平均距離沿投影方向(即垂直於偏移方向)減小。平均距離係指第一與第二梳狀齒之間在第一及第二梳狀齒(沿偏移方向)的整個延伸度範圍內(沿投影方向)求平均值所得的距離。
較之先前技術，本發明具有以下優點：藉由減小平均距離可補償第二樞狀電極由最小偏移位置轉移至最大偏移位置過程中所產生的重疊損失。此種重疊損失乃是第二樞狀電極傾斜所引發的直接後果，而第二樞狀電極傾斜乃是第二樞狀電極因連接桿臂而進行樞轉運動所產生的結果。重疊損失會導致在第一與第二樞狀電極間產生電容所需要的面積產生面積損失。如此一來，施加於第一與第二樞狀電極間的電壓將無法提供所 需要或所期望的力。偏移程度愈大，即面鏡元件的偏轉程度愈大，則此情形愈嚴重。因此若欲實現進一步或附加偏轉，便須進一步提高電壓。其結果是形成非線性驅動特性且增大能量需求，尤其對於大幅偏轉而言。本發明針對此問題提出以下應對方案：第一梳狀齒及/或第二梳狀齒在其幾何形狀上如此這般相匹配，使得因(第二樞狀電極)由最小偏移位置轉移至最大偏移位置而產生的重疊損失得到補償。第一及/或第二樞狀電極的幾何形狀較佳與偏移或偏轉所引發的重疊損失相匹配。藉由在轉移過程中減小平均距離，可有利地調處第一與第二梳狀齒之間的電容，使得重疊損失所引發的電容減小能得到補償。第一及/或第二梳狀齒的技術方案所產生的積極結果例如是線性驅動特性，藉此能實現梳狀驅動器的簡單控制以使面鏡元件樞轉。此外與透過提高電壓來補償重疊損失的梳狀驅動器相比，本發明梳狀驅動器的能量需求相對減小。較佳地，該梳狀驅動器除第一樞狀電極外還具有其他第一樞狀電極，其中第二樞狀電極設於第一樞狀電極與其他第一樞狀電極之間。
本發明的有益技術方案及改良方案包含於附屬項及圖式描述中。
根據另一實施方式，該第二梳狀齒沿偏移方向一端漸尖，及/或，該第一梳狀齒反向於該偏移方向一端漸尖。在最大偏移位置上，即達到最大偏轉程度時，電場中的力按面積計算大致相等，如此一來，作用於第二梳狀齒頂端的力小於作用於懸掛點附近的力，其中第二梳狀齒沿偏移方向大體由該懸掛點延伸至該頂端。其優點在於，一端漸尖有助於沿投影方向相鄰佈置更多梳狀齒。藉此可有利地提高梳狀驅動器所能提供的力。 其中，第一及/或第二梳狀齒的邊緣可至少部分地呈弧形或直線延伸。
根據另一實施方式，該第一梳狀齒沿反向於該偏移方向延伸的方向具有超過8%的平均尖梢度，及/或，該第二梳狀齒沿該偏移方向具有超過8%的平均尖梢度。平均尖梢度係指在第一及第二梳狀齒(沿偏移方向)的整個延伸度範圍內求平均值所得的尖梢度。
根據另一實施方式，在由該桿臂的一般走向所規定的方向上，該樞轉軸與該第一及/或該第二樞狀電極之間的距離大於該第一樞狀電極的延伸度的兩倍，及/或，該樞轉軸與該第一及/或該第二樞狀電極之間的距離大於該第二樞狀電極在由該桿臂的一般走向所規定的該方向上之延伸度的兩倍。具體而言，第二樞狀電極僅設於桿臂的下部區域而非覆蓋桿臂的整個長度。該下部區域在形成合力方面的作用有利地遠大於桿臂上部區域。第二樞狀電極縮短後，製造梳狀驅動器時可儘量減小第一與第二梳狀齒間的距離，從而能有利地增大電容及潛在的可供使用的靜電力。此外還能實現更多的第一及第二梳狀齒。藉此能有利地進一步提高可供使用的靜電力。在第二樞狀電極縮短的情況下，因第二樞狀電極由最小偏移位置轉移至最大偏移位置而產生的重疊損失加重。透過第一及第二梳狀齒的設計，甚至能有利地補償樞狀電極縮短情況下的重疊損失。
根據另一實施方式，該第一梳狀齒及/或該第二梳狀齒被構造成使得在該第二樞狀電極由該最小偏移方向轉移至該最大偏移位置過程中，該第一梳狀齒與該第二梳狀齒之間的平均距離減小5%以上。其中，第一及第二梳狀齒可採用互補設計。
根據另一實施方式，該第一樞狀電極平行於該桿臂的一般走 向延伸的側面與該桿臂平行於該桿臂的一般走向延伸之側面的第一側面比大於以弧度為單位的最大偏轉角平方的四倍，及/或，該第二樞狀電極平行於該桿臂的一般走向延伸的第二側面與該桿臂平行於該桿臂的一般走向延伸之該側面的第二側面比大於該以弧度為單位的最大偏轉角平方的四倍。
根據另一實施方式，沿該樞轉軸設有扭轉彈簧。透過該扭轉彈簧可實現一樞轉軸，其能有利地使第二樞狀電極由最大偏移位置再度返回最小偏移位置。具體來說，該返回無需用到附加靜電力。
根據另一實施方式，該第一樞狀電極與該第二樞狀電極之間的電壓可調。透過施加電壓可對第一與第二梳狀齒之間的靜電力進行控制。透過此控制能以特別簡單的方式確定第一與第二梳狀齒間的偏移及面鏡元件的樞轉程度。
本發明另亦有關一種微鏡，其具有如前所述之具可樞轉的面鏡元件的梳狀驅動器。
1‧‧‧梳狀驅動器
10‧‧‧第一樞狀電極
11‧‧‧第一梳狀齒
15‧‧‧部分
20‧‧‧第二樞狀電極
21‧‧‧第二梳狀齒
22‧‧‧樞轉軸
25‧‧‧桿臂
30‧‧‧面鏡元件
100‧‧‧傾角
110‧‧‧第一力曲線
201‧‧‧靜電力
301‧‧‧電容曲線
圖1為根據先前技術的梳狀驅動器，其面鏡未偏轉；圖2為根據先前技術的梳狀驅動器，其面鏡已偏轉；圖3為具可樞轉的面鏡元件的梳狀驅動器與第二樞狀電極因偏轉而相對於第一樞狀電極所發生的傾斜有關之力曲線及電容曲線；圖4為梳狀驅動器的透視圖與側視圖；圖5為根據本發明第一示例性實施方式的梳狀驅動器，其面鏡已偏轉；圖6為根據本發明第一示例性實施方式的梳狀驅動器，其面鏡未偏轉； 圖7為根據本發明第二、第三及第四示例性實施方式的一端漸尖的第二梳狀齒及與之對應的第一梳狀齒。
在不同圖式中，相同部件始終用相同符號標示，因而通常亦分別僅被提及一次。
圖1示出具可樞轉的面鏡元件30的梳狀驅動器1，其採用由先前技術已知的實施方式，其中面鏡元件30設於零位，即面鏡元件30未偏轉。梳狀驅動器1較佳具有固定的第一樞狀電極10及可相對於第一樞狀電極10運動的第二樞狀電極20。具體而言，第一樞狀電極10與第二樞狀電極20如此這般嚙合佈置，使得當第二樞狀電極20沿偏移方向相對於第一樞狀電極10運動時，第一樞狀電極10與第二樞狀電極20的重疊部分會沿平行於樞轉軸22延伸的方向發生變化。第二樞狀電極20一般透過可繞樞轉軸22樞轉的桿臂25連接面鏡元件30，其中桿臂25有一部分在遠離面鏡元件25一側由樞轉軸22向外延伸，而第二樞狀電極20大體沿整個該部分延伸。當第二樞狀電極20相對於第一樞狀電極10運動時，面鏡元件30透過藉桿臂25所建立的連接而樞轉。為了沿垂直於偏移方向延伸的投影方向對第一與第二樞狀電極的重疊部分進行控制，進而對第二樞狀電極20相對於第一樞狀電極10的運動進行控制，較佳在第一樞狀電極10與第二樞狀電極20之間施加電壓。梳狀驅動器1進一步具有沿偏移方向與第一樞狀電極10相對佈置的其他第一樞狀電極10。
圖2示出具可樞轉的面鏡元件30的梳狀驅動器1，其採用由先前技術已知的實施方式且其面鏡元件30已偏轉。儘管第一樞狀電極10 與第二樞狀電極20被設置成沿偏移方向相互嵌入，但由於第二樞狀電極20透過桿臂25鉸接於樞轉軸22，第二樞狀電極20被針對性引發的(相對於第一樞狀電極的)偏移運動會致使第二樞狀電極20相對於第一樞狀電極10扭轉。此扭轉使得第二樞狀電極20的部分15滑離其與第一樞狀電極10的重疊區，並且第一樞狀電極的部分15滑離其與第二樞狀電極的重疊區。其結果由圖3示出。圖3左部示出七個不同的偏轉位置，該等偏轉位置間的區別在於第二樞狀電極20相對於第一樞狀電極10的傾角A=-6°、B=-4°、C=-2°、D=0°、E=2°、F=4°以及G=6°。圖3右上部示出為各偏轉計算出來的靜電力201(單位μN)，其中在第一力曲線110及第二力曲線上皆能發現靜電力隨偏轉程度增大而減小之現象。圖3右下部示出與傾角100有關的電容曲線301(單位pF)。具體可發現，靜電力201的增大或減小並不與施加於第一及第二樞狀電極10及20之間的電壓成線性關係。換言之：對於大幅偏轉來說，作進一步或附加偏轉所需要的電壓高於無重疊損失時所需之電壓。G=6°時增大，其原因在於第二樞狀電極20幾乎接觸到第一樞狀電極10。如此之大的非線性效應可透過第一與第二樞狀電極11及21之間的相應距離來加以避免。
圖4以透視圖及側視圖示出梳狀驅動器1。其中，第一樞狀電極10沿第一延伸方向包括第一梳狀齒11，並且第二樞狀電極20沿第二延伸方向包括第二梳狀齒21。第一樞狀電極10及第二樞狀電極20通常被佈置成使得第一與第二樞狀電極10及20嚙合佈置。第一梳狀齒11及第二梳狀齒21較佳被佈置成使得當第一與第二樞狀電極10及20嚙合時，第一與第二梳狀齒11及21沿大體垂直於偏移方向延伸的投影方向交替相鄰佈 置。具體地，第一梳狀齒11沿第一延伸方向具有第一延伸長度，並且第二梳狀齒沿第二延伸方向具有第二延伸長度。第一延伸長度及第二延伸長度具體規定第一樞狀電極10可嵌入第二樞狀電極20的程度。
圖5示出具可樞轉的面鏡元件30的梳狀驅動器1，其採用本發明第一示例性實施方式，其中可樞轉的面鏡元件30設於零位。其中在由桿臂25的一般走向所規定的方向上，樞轉軸22與第二樞狀電極20之間的距離大於第二樞狀電極20沿該相同方向的延伸度，較佳大於第二樞狀電極20沿該相同方向的延伸度的兩倍。具體而言，第二樞狀電極20設於桿臂25末端。較之圖1所示的佈置方式，此種佈置方式具有製造第一及第二樞狀電極時在兩個第一梳狀齒及兩個第二梳狀齒11及21之間實現儘可能小的距離之優點。減小此等距離能提高靜電力。此外在空間需求相同的情況下，還可在梳狀驅動器1特別是第二樞狀電極20中實現更多梳狀齒，從而進一步提高梳狀驅動器1所能施加的力。
圖6示出具可樞轉的面鏡元件30的梳狀驅動器1，其採用本發明第一示例性實施方式且其面鏡元件30已偏轉。藉由減小第二樞狀電極20在大體由桿臂25的一般走向所規定的方向上的延伸度，第二樞狀電極20相對於第一樞狀電極10傾斜時重疊部分的減小比圖1及圖2所示的佈置方式更明顯。
圖7示出根據第二、第三及第四示例性實施方式的第一及第二梳狀齒11及21。在圖7所示的所有實施方式中，左側皆為第一樞狀電極10，右側皆為第二樞狀電極20。在第二實施方式(上圖)中，第二樞狀電極20的第二梳狀齒21並非一端漸尖，而第一樞狀電極10被構造成使得兩 梳狀齒11之間的距離沿反向於偏移方向延伸的方向變大。若第二梳狀齒21沿偏移方向以及在第二梳狀齒21方向上運動，則第一與第二梳狀齒11及21之間的平均距離將會變小。較之第一與第二梳狀齒11及12間的平均距離不發生變化之情形，距離減小會使靜電力增大。在第三實施方式(中圖)中，第二梳狀齒21朝第一樞狀電極10方向，具體係沿偏移方向一端漸尖。其中根據第三實施方式，第二梳狀齒21呈等腰三角形狀。在第四實施方式(下圖)中，第二梳狀齒21如此這般一端漸尖，使得第二梳狀齒21的側面或邊緣呈弧形。透過該弧形可調節靜電力的增大，從而能儘可能實現線性驅動特性。

Claims (9)

  1. 一種具可樞轉的面鏡元件(30)的梳狀驅動器(1)，其中該梳狀驅動器(1)具有第一樞狀電極(10)及第二樞狀電極(20)，其中該第二樞狀電極(20)可沿偏移方向相對於該第一樞狀電極(10)由最小偏移位置轉移至最大偏移位置，其中該第二樞狀電極(20)透過可繞樞轉軸(22)樞轉的桿臂(25)連接該面鏡元件(30)，其中該第一樞狀電極(10)與該第二樞狀電極(20)如此這般嚙合佈置，使得該第一樞狀電極(10)的第一梳狀齒(11)與該第二樞狀電極(20)的第二梳狀齒(21)沿垂直於該偏移方向延伸的投影方向相鄰佈置，其特徵在於，該第一梳狀齒(11)及/或該第二梳狀齒(21)被構造成使得在該第二樞狀電極(20)由該最小偏移方向轉移至該最大偏移位置過程中，該第一梳狀齒(11)與該第二梳狀齒(21)之間的平均距離沿該垂直於該偏移方向延伸的投影方向減小。
  2. 如申請專利範圍第1項之梳狀驅動器(1)，其中該第二梳狀齒(21)沿該偏移方向一端漸尖，及/或，該第一梳狀齒(11)反向於該偏移方向一端漸尖。
  3. 如申請專利範圍第2項之梳狀驅動器(1)，其中該第一梳狀齒(11)沿反向於該偏移方向延伸的方向具有超過8%的平均尖梢度，及/或，該第二梳狀齒(21)沿該偏移方向具有超過8%的平均尖梢度。
  4. 如申請專利範圍第1或第2項之梳狀驅動器(1)，其中在由該桿臂(25)的一般走向所規定的方向上，該樞轉軸(2)與該第一及/或該第二樞狀電極(10,20)之間的距離大於該第一樞狀電極(10)的延伸度的兩倍， 及/或，該樞轉軸(2)與該第一及/或該第二樞狀電極(10,20)之間的距離大於該第二樞狀電極(10,20)在由該桿臂(25)的一般走向所規定的該方向上之延伸度的兩倍。
  5. 如前述申請專利範圍第1至3中任一項之梳狀驅動器(1)，其中該第一梳狀齒(11)及/或該第二梳狀齒(21)被構造成使得在該第二樞狀電極(20)由該最小偏移方向轉移至該最大偏移位置過程中，該第一梳狀齒(11)與該第二梳狀齒(21)之間的平均距離減小5%以上。
  6. 如前述申請專利範圍第1至3中任一項之梳狀驅動器(1)，其中該第一樞狀電極(10)平行於該桿臂(25)的一般走向延伸的第一側面與該桿臂(25)平行於該桿臂(25)的一般走向延伸之側面的第一側面比大於以弧度為單位的最大偏轉角平方的四倍，及/或，該第二樞狀電極(20)平行於該桿臂(25)的一般走向延伸的第二側面與該桿臂(25)平行於該桿臂(25)的一般走向延伸之該側面的第二側面比大於該以弧度為單位的最大偏轉角平方的四倍。
  7. 如前述申請專利範圍第1至3中任一項之梳狀驅動器(1)，其中沿該樞轉軸(22)設有扭轉彈簧。
  8. 如前述申請專利範圍第1至3中任一項之梳狀驅動器(1)，其中該第一樞狀電極(10)與該第二樞狀電極(20)之間的電壓可調。
  9. 一種微鏡，具有如前述申請專利範圍第1~第8項之任一項具可樞轉的面鏡元件(30)的梳狀驅動器(1)。
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