專利名稱：梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于通過(guò)在光路上插入抽出反射鏡而進(jìn)行光路轉(zhuǎn)換或者進(jìn)行 與各入射口耦合的光量調(diào)整等的光學(xué)器件的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器。
背景技術(shù)：
在圖8中，作為梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器使用的這種光學(xué)器件的現(xiàn)有結(jié)構(gòu)例， 表示出日本專利申請(qǐng)公報(bào)號(hào)2005-37885所公開(kāi)的MEMS (Micro Electro Mechanical Systems )光開(kāi)關(guān)的結(jié)構(gòu)。例如在由硅晶片形成的基體20上面20u，十字狀地形成有各一端互相連 接的四條光纖槽1A、 1B、 1C、 1D。四條光纖41A、 41B、 41C、 41D分別配 置在對(duì)應(yīng)的光纖槽1A、 1B、 1C、 1D內(nèi)。作為互相垂直的光纖槽1A與光纖槽IB之間區(qū)域的驅(qū)動(dòng)體形成部20A, 在上面20u形成有相對(duì)光纖槽1A和光纖槽IB成45度的直線狀縫隙25。該 縫隙25內(nèi)配置有一端11a設(shè)有反射鏡4的可動(dòng)棒11。這個(gè)例中，可動(dòng)棒11 可以沿著直線狀縫隙25移動(dòng)。在可動(dòng)棒11上留有間隔的兩個(gè)支承部111、 112 的兩側(cè)分別固定板簧狀的鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L的各一端，鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L的各自的另 一端被固定在基體20上?？蓜?dòng)棒11通過(guò)作為交 聯(lián)部件的各鉸鏈與基體20連接，沿可動(dòng)棒的長(zhǎng)度方向并與基體20的板面(上 面20u)平行移動(dòng)自如地支承可動(dòng)棒11。鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L按照彈 性地向同一方向彎曲的方式安裝?？蓜?dòng)棒ll在圖8所示的狀態(tài)下取得第一穩(wěn) 定狀態(tài)，反射鏡4位于光纖41A、 41B、 41C、 41D的放射狀配置的中心部。 而且，當(dāng)將可動(dòng)棒11向離開(kāi)光纖槽1A、 1B、 1C、 1D的交叉部80的方向驅(qū) 動(dòng)而使鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L的彎曲反轉(zhuǎn)時(shí)，可動(dòng)棒11取得反射鏡4 #皮 收入縫隙25內(nèi)的第二穩(wěn)定狀態(tài)。這樣，可動(dòng)棒11進(jìn)行所謂的雙穩(wěn)定動(dòng)作。在可動(dòng)棒11上的兩個(gè)支承部111、 112的中間，在可動(dòng)棒ll的兩側(cè)裝有 可動(dòng)梳齒電極12R、 12L?？蓜?dòng)梳齒電極12R、 12L具有與可動(dòng)棒11長(zhǎng)度方 向垂直地被固定在可動(dòng)棒11上的支柱12aR、 12aL;和安裝于各支柱兩側(cè)的互相分開(kāi)間隔且平行排列的可動(dòng)電極板12bR、 12bL。在可動(dòng)棒11的長(zhǎng)度方 向夾著可動(dòng)梳齒電極12R、 12L設(shè)置有固定梳齒電極21R、 21L、 22R、 22L。 固定梳齒電極21R、 22R具有互相平行排列在與可動(dòng)棒11長(zhǎng)度方向垂直的方 向并固定于基體20上的固定電極板21bR、 22bR。固定電極板21bR、 22bR 的各一端與可動(dòng)電極板12bR交替嚙合地配置。固定梳齒電極21L、 22L也同 樣。如圖8所示，可動(dòng)棒11的第一穩(wěn)定狀態(tài)是可動(dòng)電極板12bR、 12bL最深 地侵入到固定電極板21bR、 21bL之間而幾乎從固定電極板22bR、 22bL之間 拔出的狀態(tài)。相反，可動(dòng)棒11的第二穩(wěn)定狀態(tài)是可動(dòng)電極板12bR、 12bL幾 乎從固定電極板21bR、21bL之間拔出而最深地侵入到固定電極板22bR、22bL 之間的狀態(tài)。通過(guò)端子15R、 15L、鉸鏈23R、23L、可動(dòng)棒11可以向可動(dòng)梳齒電極12R、 12L供給電壓。通過(guò)端子13R、 13L可以向固定梳齒電極21R、 21L供給電壓， 通過(guò)端子14R、 14L可以向固定梳齒電極22R、 22L供給電壓。在圖8所示的 第一穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)給端子15R、 15L(和/或16R、 16L)與端子14R、 14L 之間施加電壓時(shí)，可動(dòng)梳齒電極12R、 12L被靜電引力向與固定梳齒電極22R、 22L嚙合的方向吸引，可動(dòng)棒11成為向離開(kāi)光纖槽1A、 1B、 1C、 1D的交叉 部80的方向被驅(qū)動(dòng)的第二穩(wěn)定狀態(tài)。其結(jié)果，反射鏡4被收容在縫隙25內(nèi)。 在第二穩(wěn)定狀態(tài)下，當(dāng)給端子15R、 15L (和/或16R、 16L)與端子13R、 13L之間施加電壓時(shí)，可動(dòng)棒11返回到圖8所示的第一穩(wěn)定狀態(tài)?？蓜?dòng)棒11、 鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L、可動(dòng)梳齒電極12R、 12L、固定梳齒電極21R、 21L、 22R、 22L與基體20共同構(gòu)成梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器100?？墒牵m然所述的光開(kāi)關(guān)的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器已經(jīng)提供實(shí)用，但會(huì)由于 施加驅(qū)動(dòng)電壓，而在第一穩(wěn)定狀態(tài)與第二穩(wěn)定狀態(tài)之間的遷移過(guò)程中，可動(dòng) 棒11向與其長(zhǎng)度方向交叉的方向位移，使可動(dòng)電極板12bR與固定電極板 21 bR或固定電極板22bR接觸，或者可動(dòng)電極板12bL與固定電極板21 bL或 固定電極板22bL接觸，從而存在施加電壓短路的問(wèn)題。作為原因可以考慮以下情況。在梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器的制造中，使鉸鏈、 固定電極板、可動(dòng)電極板等相對(duì)于可動(dòng)棒長(zhǎng)度方向的中心軸線嚴(yán)格對(duì)稱地形 成是困難的，在驅(qū)動(dòng)電壓非施加時(shí)會(huì)產(chǎn)生稍微的非對(duì)稱性。因此，在施加驅(qū) 動(dòng)電壓而引起的兩個(gè)穩(wěn)定狀態(tài)間的遷移中，固定電極板與可動(dòng)電極板之間的靜電引力，在與可動(dòng)棒的中心軸方向垂直的方向比與其相反方向要大，從而 感應(yīng)出非對(duì)稱動(dòng)作。結(jié)果，當(dāng)可動(dòng)電極板向一個(gè)方向稍微位移時(shí)，會(huì)使得向 該方向的靜電引力急劇增大，從而使得可動(dòng)電極板與固定電極板相撞。當(dāng)可動(dòng)電極板與固定電極板發(fā)生接觸時(shí)，動(dòng)作就停止?；蛘咭灿锌赡苁?短路的電極板間互相接合。為了避免這種現(xiàn)象，例如，如非專利文獻(xiàn)(Rob Legtenberg et al. "Comb-drive actuators for large displacements", J.Micromech， Microeng.6, 1996, pp.320-329)所示，表示出通過(guò)增加鉸鏈的厚度提高剛性，減少靜電引 力引起的位移。然而，如果提高鉸鏈的剛性，為了沿可動(dòng)棒中心軸方向驅(qū)動(dòng) 可動(dòng)棒，需要更加提高需要的驅(qū)動(dòng)電壓?？墒牵捎谔岣唑?qū)動(dòng)電壓，會(huì)使得 靜電引力也增大，從而難以可靠地進(jìn)行不發(fā)生接觸的穩(wěn)定動(dòng)作。發(fā)明內(nèi)容本發(fā)明的目的是提供一種在可動(dòng)電極板與固定電極板之間不易產(chǎn)生接觸 的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器。本發(fā)明提供一種梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器，其至少包括基體；可動(dòng)棒，其配 置成將軸與所述基體上預(yù)先確定的軸線匹配；可動(dòng)梳齒電極，其被固定于所 述可動(dòng)棒上的連結(jié)部，并具有多個(gè)可動(dòng)電極板，所述多個(gè)可動(dòng)電極板在與所行且互相平行；固定梳齒電極，其被固定于所述基體上，并具有與所述可動(dòng) 電極板平行交替地配置并且互相平行的多個(gè)固定電極板；以及第一鉸鏈和第 二鉸鏈，它們的 一端分別被固定在所述可動(dòng)棒上的互相離開(kāi)的第 一 支承部和 第二支承部，另 一端分別被固定在所述基體上的第 一 固定部和第二固定部， 所述可動(dòng)棒沿所述軸線能夠移動(dòng)地被支承，所述梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器的特征在 于，所述連結(jié)部在所述可動(dòng)棒上相對(duì)于所述第一支承部與所述第二支承部位 于相同側(cè)，所述第一鉸鏈和第二鉸鏈的長(zhǎng)度比從固定所述第一鉸鏈和第二鉸 鏈的所述第一固定部和第二固定部到所述軸線的距離分別長(zhǎng)I L, I和I L2 I ，使所述第一鉸鏈和第二鉸鏈分別與所述軸線垂直地伸長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)設(shè)所述 第一支承部、所述第二支承部的以所述軸線為原點(diǎn)的與所述軸線垂直方向的 位置坐標(biāo)分別達(dá)到L,、 L2,分別設(shè)從所述可動(dòng)棒上的所述第一支承部到所述 連結(jié)部和所述第二支承部的距離為d,和Ls時(shí)，U = " + ( L2 _ Li )山/ Ls的大小I Le I 、比使所述可動(dòng)棒與所述軸線匹配的狀態(tài)下的各所述可動(dòng)電極 板、和相對(duì)于其所述位置坐標(biāo)所述U所具有的符號(hào)一側(cè)的最接近的固定電極 板的距離中的任何一個(gè)距離都小。按照本發(fā)明，由于使由兩個(gè)鉸鏈的長(zhǎng)度與從固定這些鉸鏈一端的基體上 的固定部到匹配軸線的距離之差表示的連結(jié)部的最大位移量，比各個(gè)可動(dòng)電 極板和與其最近的可動(dòng)棒相反側(cè)的固定電極板的間隔小，所以使得可動(dòng)電極 板與固定電極板接觸的可能性很小。


圖1是表示本發(fā)明實(shí)施例的平面圖。圖2是用于說(shuō)明由可動(dòng)棒彎曲產(chǎn)生的反作用力與靜電引力的平衡的圖。 圖3是用于說(shuō)明可動(dòng)棒的反作用力與靜電引力的平衡的曲線圖。 圖4是用于說(shuō)明梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器的穩(wěn)定動(dòng)作區(qū)域的曲線圖。 圖5是用于說(shuō)明相同側(cè)的兩個(gè)鉸鏈伸長(zhǎng)而且連結(jié)部位于兩個(gè)支承部之間 時(shí)的連結(jié)部的最大位移的圖。之外時(shí)的連結(jié)部的最大位移的圖。圖7A表示鉸鏈23R、 23L與鉸鏈24R、 24L的長(zhǎng)度不同的例子。 圖7B表示兩個(gè)鉸鏈只位于可動(dòng)棒單側(cè)的情況。圖7C表示三個(gè)鉸鏈只位于可動(dòng)棒單側(cè)而且連結(jié)部位于三個(gè)支承部之外 的情況。圖8表示現(xiàn)有的光學(xué)器件的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器的例子的平面圖。
具體實(shí)施方式
參照?qǐng)D1到圖7說(shuō)明本發(fā)明的實(shí)施例及其變形例。圖1是表示本發(fā)明實(shí)施例的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器200 (下面簡(jiǎn)稱為驅(qū)動(dòng)器 200)的示意平面圖。驅(qū)動(dòng)器200的基本結(jié)構(gòu)與圖8所示的驅(qū)動(dòng)器100同樣， 在圖1中，對(duì)于共同的部分附加相同參照標(biāo)記，表示適于說(shuō)明的構(gòu)成要素。與圖8所示的驅(qū)動(dòng)器100同樣，驅(qū)動(dòng)器200通過(guò)由例如硅晶片利用各向 異性蝕刻與未圖示的基體一體形成?？蓜?dòng)棒11以穩(wěn)定狀態(tài)配置在匹配軸線Ox上。各兩個(gè)配置在可動(dòng)棒11的兩側(cè)的鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L的各自 的一端被固定在可動(dòng)棒11上的兩個(gè)支承部111、 112上，鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L的各自的另一端分別被固定在基體上的固定部32A、 32B、 32C、 32D上。 圖1的坐標(biāo)，設(shè)與匹配軸線Ox平行的方向?yàn)閅軸，設(shè)與其垂直的方向?yàn)閄軸。在圖l所示的例子中，從匹配軸線Ox到各固定部32A、 32B、 32C、 32D 的距離相同，設(shè)該距離為D。而且，在圖l所示的例子中，相對(duì)于匹配軸線 Ox對(duì)稱配置固定部32A、 32C和固定部32B、 32D。各鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L的長(zhǎng)度U大于各固定部32A、 32B、 32C、 32D與匹配軸線Ox間的距離 D。在鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L在可動(dòng)棒11的長(zhǎng)度方向向相同方向凸起而 彈性彎曲的狀態(tài)下，穩(wěn)定地保持可動(dòng)棒ll。并且，通過(guò)改變鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L的彎曲方向，能夠使可動(dòng)棒11沿匹配軸線Ox方向移動(dòng)。在可動(dòng)棒11上的作為支承部111和112的中間點(diǎn)Pc的連結(jié)部11C上， 與圖8所示的驅(qū)動(dòng)器100同樣，在與可動(dòng)棒11長(zhǎng)度方向垂直的方向固定設(shè)置 向兩側(cè)延伸的支柱12aR、 12aL。與該支柱12aR、 12aL垂直且互相平行排列 的多個(gè)可動(dòng)電極板12bR、 12bL被固定在支柱12aR、 12aL上，構(gòu)成可動(dòng)梳齒 電極12R、 12L。按照在匹配軸線Ox方向夾著該可動(dòng)才危齒電極12R、 12L的 方式在基體上固定并設(shè)置固定^^齒電極21R、 21L、 22R、 22L。固定才危齒電極 21R、 21L、 22R、 22L的固定電極板21bR、 21bL、 22bR、 22bL互相平行而 且與可動(dòng)電極板12bR、 12bL交替配置。在圖l所示的實(shí)施例中，由于鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L;可動(dòng)梳齒電極 12R、 12L;固定梳齒電極21R、 21L、 22R、 22L;固定部32A、 32B、 32C、 32D相對(duì)匹配軸線Ox對(duì)稱配置，所以在下面的iJL明中，主要"^兌明匹配軸線 Ox的單側(cè)。與圖8所示的驅(qū)動(dòng)器100對(duì)應(yīng)，在圖1中以實(shí)線表示的鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L所支承的可動(dòng)棒ll處于第二穩(wěn)定狀態(tài)。在圖1中，將可動(dòng)棒ll位 于第二穩(wěn)定狀態(tài)位置時(shí)的支承部112在匹配軸線Ox上的位置設(shè)定為Ps?？?動(dòng)棒11從第二穩(wěn)定狀態(tài)遷移到第一穩(wěn)定狀態(tài)的過(guò)程中，考慮由于某種原因可 動(dòng)棒11從匹配軸線Ox向與圖1的紙面右方向平行位移的情況。如果不設(shè)置 固定梳齒電極21R、 21L、 22R、 22L，在可動(dòng)棒11的左側(cè)鉸鏈23L、 24L伸 長(zhǎng)的狀態(tài)，以固定部32A為中心的圓弧成為支承部112取得的最靠右的軌跡Op。支承部111也描繪出同樣的圓弧軌跡。因此，可動(dòng)棒ll上全部點(diǎn)也描繪 出同樣的圓弧軌跡。當(dāng)設(shè)支承部112的軌跡OP上的任意點(diǎn)Ps，到匹配軸線Ox的距離為ALh,則ALh《ALmax = Lh-D。
△ Lmax為△ Lh的最大值。為方便說(shuō)明，如圖1所示，設(shè)可動(dòng)沖危齒電極12R、 12L;固定才危齒電極21R、 21L、 22R、 22L的各電極板間隔全部為相等間隔。此外，設(shè)可動(dòng)棒ll位于匹 配軸線Ox上時(shí)的任意的可動(dòng)電極板12bR ( 12bL)與該可動(dòng)電極板的與可動(dòng) 棒11相反側(cè)鄰接的固定電極板21bR、 22bR(21bL、 22bL)的間隙為G。這 時(shí)，可動(dòng)電極板12bR ( 12bL)不與固定電極板21bR、 22bR(21bL、 22bL ) 接觸的必要條件用式(1 )表示。另外，將可動(dòng)梳齒電極12R、 12L;固定梳 齒電極21R、 21L、 22R、 22L的各個(gè)電極板間隔全部設(shè)為相等間隔不是必須 的技術(shù)事項(xiàng)。在各個(gè)電極板間隔不同的情況下，間隙G是可動(dòng)棒11與匹配軸 線Ox匹配狀態(tài)的各可動(dòng)電極板12bR ( 12bL)與相對(duì)于各可動(dòng)電極板12bR (12bL)位于連結(jié)部11C位移側(cè)相鄰的固定電極板21bR、 22bR(21bL、 22bL ) 的距離之中最小的距離。U-D4L隱〈G (1)22bL )的正中間，即使給可動(dòng)梳齒電極12R ( 12L )與固定梳齒電極21R、 22R (21L、 22L)之間施加電壓，對(duì)各可動(dòng)電極板的靜電引力也保持平衡。然而， 由于包括制成的梳齒電極及鉸鏈等的驅(qū)動(dòng)器的微小的非對(duì)稱性或者盡管表面 看驅(qū)動(dòng)器的形成物沒(méi)有非對(duì)稱也會(huì)導(dǎo)致動(dòng)作的非對(duì)稱，從而使得固定梳齒電 極21R、 22R (21L、 22L )與可動(dòng)梳齒電極12R (12L)之間的靜電引力及其 它的作用力在與匹配軸線Ox垂直的一個(gè)方向上變大，使得可動(dòng)棒11偏離匹 配軸線Ox，從而使得對(duì)于各可動(dòng)電極板12bR (12bL)的靜電引力中的向一 方的固定電極板21bR、 22bR(21bL、 22bL )側(cè)的靜電引力進(jìn)一步變大。其結(jié) 果，使得可動(dòng)棒11進(jìn)一步向該方向位移。由式(1 )表示的條件，在由可動(dòng)梳齒電極12R ( 12L)與固定梳齒電極 21R、 22R (21L、 22L )之間的靜電引力而產(chǎn)生的可動(dòng)棒11的彈性彎曲為可 忽略的相當(dāng)小情況下，成為可動(dòng)梳齒電極12bR ( 12bL)與固定電極板21bR、 22bR(21bL、 22bL)不接觸的充分條件。下面參照?qǐng)D2說(shuō)明彎曲為不可忽略 程度較大的情況。在圖2中，為了簡(jiǎn)單，主要表示圖1所示的可動(dòng)棒11、其 紙面右側(cè)的可動(dòng)梳齒電極12R以及固定梳齒電極21R。在圖2中，虛線表示位移前的可動(dòng)梳齒電極12R?？蓜?dòng)棒11從匹配軸線OX向紙面右側(cè)最大ALh
位移，如圖2所示，該狀態(tài)下由于靜電引力而使可動(dòng)棒11彎曲，其彎曲中心 進(jìn)一步向X軸方向位移d。該位移量d由可動(dòng)棒11的彈性系數(shù)k的反作用力 Fm與靜電引力Fe的平衡來(lái)決定。
在可動(dòng)棒11從圖2所示的支承部112位于匹配軸線Ox上的點(diǎn)Ps的第二 穩(wěn)定狀態(tài)向第一穩(wěn)定狀態(tài)遷移的期間，可動(dòng)棒11上的連結(jié)部IIC取得的任意 位置Pc(x， y)的與可動(dòng)梳齒電極12R、 12L和固定梳齒電極21R、 21L、 22R、 22L之間的匹配軸線Ox垂直方向的靜電引力Fe由式(2)表示。
2(G - x)2 2(G + x)2
其中，設(shè)定第二穩(wěn)定狀態(tài)即支承部112位于點(diǎn)Ps時(shí)的可動(dòng)梳齒電極板 12bR、 12bL與固定梳齒電極板21bR、 21bL的Y軸方向的重疊深度為ye，設(shè) 定由于支承部112從點(diǎn)Ps移動(dòng)而使Y方向的移動(dòng)量Ay增加重疊。式(2) 中的n為可動(dòng)梳齒電極板12bR、 12bL的數(shù)量，s為空氣介電常數(shù)，V為給可 動(dòng)梳齒電極12R、 12L與固定梳齒電極21bR、 21bL之間施加的電壓，h為可 動(dòng)電極板12bR、 12bL與固定電極板21bR、 21bL的Z軸方向(垂直紙面的方 向)的重疊高度。
此外，可動(dòng)橋u齒電極12R、 12L的X軸方向的位移量x為x = ALh+D。 由靜電引力產(chǎn)生的可動(dòng)棒11彎曲而引起的可動(dòng)棒11對(duì)可動(dòng)棒11的連結(jié)部 llC在X軸方向位移量d的反作用力Fm用式(3)表示。其中，ALh用式(4)表示。
<formula>formula see original document page 10</formula> (3)<formula>formula see original document page 10</formula>(4)
其中，s為絞鏈的固定部32C、 32D與支承部111的Y軸方向距離(參照 圖1)。為了使可動(dòng)電極板12bR、 12bL與固定電極板21bR、 21bL不接觸，只 要按照使靜電引力Fe與反作用力Fm的平衡位置在間隙G的范圍內(nèi)的方式確 定參數(shù)k、 V、 L、 D的值即可。
將可動(dòng)梳齒電極12R、 12L的Y軸方向位置y作為固定(固定施加電壓V)，在圖3中表示如下的曲線3a、 3b、 3c和直線3d的例子，其中，曲線3a、 3b、 3c表示一個(gè)可動(dòng)電極板12bR、 12bL的X軸方向位移量x與可動(dòng)棒11受 到的用式(2)表示的靜電引力Fe之間的關(guān)系，直線3d表示由靜電引力而使 可動(dòng)棒11彎曲而產(chǎn)生的用式(3 )表達(dá)的反作用力Fm與所述位移量x的關(guān)系。 靜電引力Fe隨著位移量x增加，即隨著可動(dòng)電極板12bR、 12bL與固定電極 板21bR、 21bL的間隔變狹而迅速增大。與此相對(duì)，可動(dòng)一奉ll的反作用力Fm 線性增大。
為便于理解，假設(shè)如下?tīng)顟B(tài)，即，可動(dòng)梳齒電極12R、 12L受到靜電引力， 可動(dòng)棒11沒(méi)有彎曲但向X軸方向位移，鉸鏈23L、 24L在X軸方向直線伸長(zhǎng)。 這時(shí)的反作用力Fm位于直線3d與X軸的交點(diǎn)x = ALmax。假設(shè)從該狀態(tài)開(kāi) 始，由于靜電引力而使可動(dòng)棒11發(fā)生彎曲，而使可動(dòng)電極板12bR、 12bL的 位移量x進(jìn)一步增加。在曲線3C的情況下，彎曲產(chǎn)生的反作用力Fm增大， 在位移量x,處變成與靜電引力Fe相等。假設(shè)位移量x超過(guò)該平衡點(diǎn)Xl時(shí)， 變成Fm〉Fe，所以由于可動(dòng)棒11的反作用力而將可動(dòng)梳齒電極12R、 12L 向匹配軸線Ox拉回。只要使這樣的平tf點(diǎn)x,在間隙G的范圍內(nèi)，則即使可 動(dòng)棒11由于靜電引力而彈性彎曲，也不用擔(dān)心可動(dòng)電極板12bR、 12bL與固 定電4及^反21bR、 21bL4妾觸。
在位移量x超過(guò)位置x,而由于某種原因進(jìn)一步超過(guò)作為第二交點(diǎn)的位置 X2的情況下，由于變成Fm〉Fe,因此，可動(dòng)電極板12bR、 12bL將與固定電 極板21bR、 21bL接觸。然而，由于實(shí)際上可動(dòng)棒11從筆直狀態(tài)因靜電引力 而開(kāi)始彎曲，因此不會(huì)進(jìn)入到超過(guò)第二交點(diǎn)的區(qū)域，而且一定會(huì)在第一交點(diǎn) x,成為平ff狀態(tài)。
在圖3中，如曲線3a所示，例如施加電壓V過(guò)大等而不存在與直線3d 的交點(diǎn)，即不存在平衡點(diǎn)的情況下，若因某種機(jī)械異常引起可動(dòng)棒11偏移而 發(fā)生X軸方向的靜電引力，則會(huì)導(dǎo)致可動(dòng)電極板12bR、 12bL與固定電極板 21bR、 21bL的接觸。這表明可動(dòng)棒11的彈性系數(shù)k小，反作用力不足，可 以說(shuō)是不穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)器。
曲線3b表示所述反作用力的恢復(fù)不可能的特性曲線3a與恢復(fù)可能的特 性曲線3c的交界特性，與直線3d以位置X3的一點(diǎn)接觸。這種關(guān)系意味著驅(qū) 動(dòng)器的穩(wěn)定性處于臨界的狀態(tài)。由于靜電引力Fe的曲線位于曲線3b右側(cè)， 則一定會(huì)與反作用力Fm的直線3d交叉，因而在交點(diǎn)前后乂人Fm〉Fe變成Fm<Fe。即，在間隙G的范圍內(nèi)，可使靜電引力Fe與反作用力Fm平衡。然而， 在靜電引力Fe的曲線位于曲線3b左側(cè)的情況下，不與直線3d交叉，始終為 Fe〉Fm，所以有可能因靜電引力而使可動(dòng)電極板12bR、 12bL與固定電極板 21bR、 21bL^妻觸。
在關(guān)于圖3的說(shuō)明中，雖然說(shuō)明了將可動(dòng)棒11的Y軸方向位置y設(shè)為一 定，但在圖1中左側(cè)的鉸鏈23L、 24L筆直伸長(zhǎng)的狀態(tài)下，由于以固定部32A、 32C為中心旋轉(zhuǎn)時(shí)取得的可動(dòng)棒11的Y軸方向位置而使用式(2)表示的靜 電引力Fe變化。也就是說(shuō)，靜電引力Fe由于可動(dòng)電極板12bR、 12bL與固定 電相^板21bR、 21bL的相互^曼入深度7。+ Ay而發(fā)生變化。
因此，當(dāng)描繪成為圖3所示曲線3b那樣的穩(wěn)定性臨界Fe曲線的施加電 壓V與可動(dòng)棒ll的Y軸方向位移量Ay的關(guān)系時(shí)，獲得圖4所示的曲線4a。 曲線4a的右側(cè)為不穩(wěn)定區(qū)域，左側(cè)為穩(wěn)定區(qū)域。例如施加電壓為V,時(shí)，由 于可動(dòng)棒ll向另一種穩(wěn)定狀態(tài)遷移的過(guò)程中不通過(guò)不穩(wěn)定區(qū)域，所以能夠始 終實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作。另一方面，在施加電壓為V2時(shí)，由于通過(guò)不穩(wěn)定 區(qū)域，所以驅(qū)動(dòng)器動(dòng)作不穩(wěn)定(有可能會(huì)使可動(dòng)電極板與固定電極板接觸)。
換言之，有關(guān)圖3、圖4的所述說(shuō)明，在鉸鏈23L、 24L伸長(zhǎng)的狀態(tài)下， 由可動(dòng)棒ll的彎曲引起的反作用力作用在連結(jié)部IIC位移的相反方向時(shí)，在 可動(dòng)棒11的任意位置，只要使通過(guò)施加驅(qū)動(dòng)電壓而在可動(dòng)梳齒電極12R、 12L 與固定梳齒電極21R、 21L、 22R、 22L之間產(chǎn)生的與可動(dòng)棒11長(zhǎng)度方向垂直 方向的靜電引力Fe與反作用力Fm合成的力為零或者使該力向匹配軸線Ox 方向作用即可。
雖然所述式(1 )的條件是連結(jié)部IIC位于支承部111和112的中心，而 且，各鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L的長(zhǎng)度和從它們的固定部32A、 32B、 32C、 32D到匹配軸線Ox的距離之差△ U全都相等的情況，但也可以不同。例如， 如圖5示意表示的變形實(shí)施例那樣，相對(duì)于可動(dòng)棒11位于同一側(cè)的兩個(gè)鉸鏈 23L、 24L的長(zhǎng)度和從它們的固定部32C、 32A到匹配軸線Ox的距離之差為I L, I和I L2 I ，將其伸長(zhǎng)時(shí)，第一支承部112、第二支承部111分別到達(dá)各自 與匹配軸線Ox垂直的圖面橫向坐標(biāo)(相當(dāng)于圖1的X軸)L!和L2。當(dāng)設(shè)定 連結(jié)部11C的位置分別距支承部112、 111的距離為山和d2時(shí)，則兩個(gè)鉸鏈 23L、 24L伸長(zhǎng)狀態(tài)的連結(jié)部11C的與所述匹配軸線Ox垂直的橫向坐標(biāo)Lc 用式(5)表示。<formula>formula see original document page 13</formula>
其中，L,d,十d2為支承部111、 112之間的距離。只要將該Lc的大小l Lc I作為位移量ALh的最大值A(chǔ)Lm^，按照滿足式(1 )的方式確定參數(shù)即可。 在式(5)中，若設(shè)L,L2二ALh,則與圖l所示的情況相同。
進(jìn)而，在所述中，作為驅(qū)動(dòng)器的非對(duì)稱動(dòng)作雖然說(shuō)明了可動(dòng)棒11向與匹 配軸線Ox大致垂直方向位移的情況，但由于各種各樣作用力的微妙不均衡導(dǎo) 致的動(dòng)作也包括位移的旋轉(zhuǎn)成分。例如，圖1中，當(dāng)由左側(cè)的可動(dòng)梳齒電極 12L和固定梳齒電極22L產(chǎn)生的匹配軸線Ox方向的靜電驅(qū)動(dòng)力與右側(cè)的靜電 驅(qū)動(dòng)力有差別時(shí)，可動(dòng)棒11會(huì)受到導(dǎo)致其相對(duì)于匹配軸線Ox旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)的力。 在明顯受到這樣的旋轉(zhuǎn)力的情況下，如圖6所示，可動(dòng)棒ll的一側(cè)的一個(gè)鉸 鏈23R ( 23L )和可動(dòng)棒11的另 一側(cè)的一個(gè)鉸鏈24L ( 24R)成為伸長(zhǎng)狀態(tài)(假 定其它鉸鏈都沒(méi)有伸長(zhǎng))。或者，如圖6所示的變形實(shí)施例，在采用在可動(dòng)棒 11上的兩個(gè)支承部111、 112的外側(cè)設(shè)有連結(jié)部IIC結(jié)構(gòu)的情況下，即使是沒(méi) 有旋轉(zhuǎn)力，而給連結(jié)部llC僅僅作用與匹配軸線Ox垂直方向的不均衡力， 最后也如圖6所示，成為可動(dòng)棒11的一側(cè)的一個(gè)鉸鏈23R (23L)和可動(dòng)棒 11的另一側(cè)的一個(gè)鉸鏈24L (24R)伸長(zhǎng)狀態(tài)(布支定圖中沒(méi)有表示出的其它 鉸鏈都沒(méi)有伸長(zhǎng))。這時(shí)，若連結(jié)部IIC位于支承部111、 112之間，連結(jié)部 11C的匹配軸線Ox垂直方向的位移比I L, 1和I L2 I之中較大的距離要小， 但在連結(jié)部IIC如圖6所示的那樣位于支承部111、 112之間以外的情況下， 則比I L, I和I L2 I之中較大的距離更大。這樣，即使在可動(dòng)棒11的兩側(cè)鉸 鏈各一條伸長(zhǎng)的情況下，若設(shè)定所述橫向坐標(biāo)符號(hào)從匹配軸線Ox起向圖面的 右側(cè)(圖1的X軸正方向)為正，設(shè)左側(cè)為負(fù)，則式(5)仍然成立。
因此，在圖1、圖5、圖6的任何情況下，可以用式(5)決定的U的大 小I Le I作為最大值A(chǔ)L腿來(lái)確定參數(shù)以滿足式(l)。作為參數(shù)是各自的鉸鏈 長(zhǎng)度、固定它們一端的固定部到匹配軸線Ox的距離、及固定電極板間隔(或 者可動(dòng)電極板間隔)。
另外，圖5、圖6所示的例子雖然都是兩條鉸鏈同時(shí)成為與匹配軸線Ox 垂直伸長(zhǎng)的狀態(tài)，但這樣的狀態(tài)并不是通常的狀態(tài)。此外，在可動(dòng)電極板12bR、 12bL和固定電極板21bR、 21bL、 22bR、 22bL互相不平行的狀態(tài)下，彼此互 相不接觸的條件，嚴(yán)格地說(shuō)，作為因素也應(yīng)該包括這些電極板的長(zhǎng)度，然而， 實(shí)際上按照所述式(5)的諸參數(shù)的確定，近似地能夠達(dá)到充分的目的。圖5所示的例子在可動(dòng)棒ll的相同側(cè)設(shè)置兩個(gè)以上的鉸鏈，相當(dāng)于其中的任意兩 個(gè)鉸鏈處于伸長(zhǎng)狀態(tài)的情況。圖6所示的例子在可動(dòng)棒11的一側(cè)設(shè)置一個(gè)以 上的鉸鏈，在另一側(cè)也設(shè)置一個(gè)以上鉸鏈，相當(dāng)于其中的一側(cè)的一個(gè)和另一 側(cè)的 一 個(gè)鉸鏈處于伸長(zhǎng)狀態(tài)的情況。
在所述的本發(fā)明實(shí)施例中，表示處以可動(dòng)棒ll為中心左右對(duì)稱地設(shè)置相
同長(zhǎng)度的四個(gè)鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L的情況。但鉸鏈的配置也可以不以 可動(dòng)棒ll為中心對(duì)稱。例如，也可以使紙面右側(cè)的鉸《連與紙面左側(cè)的4交鏈相 對(duì)于可動(dòng)棒11的安裝位置偏移。如圖5、圖6所示的例子，也可以使各個(gè)固 定部到匹配軸線Ox的距離不同，并且使鉸鏈23R、 23L和鉸鏈24R、 24L的 長(zhǎng)度也不同。進(jìn)而，也可以在可動(dòng)棒11的各側(cè)設(shè)置三個(gè)以上的鉸鏈。或者， 也可以將一側(cè)的鉸鏈數(shù)量設(shè)為兩個(gè)以上，而將另 一側(cè)的鉸鏈數(shù)量設(shè)為零或一 個(gè)以上。無(wú)論哪種情況，連結(jié)部IIC都可以設(shè)置在可動(dòng)棒11上的任意位置。
圖7A表示鉸鏈23R、 23L和24R、 24L的長(zhǎng)度不同的變形例情況。為了 簡(jiǎn)化附圖，僅表示出可動(dòng)棒11和鉸鏈23R、 23L、 24R、 24L。
圖7B表示出只在可動(dòng)棒11的單側(cè)設(shè)置兩個(gè)鉸鏈情況的變形實(shí)施例。這 時(shí)的驅(qū)動(dòng)器不進(jìn)行雙穩(wěn)定動(dòng)作，而是只按照驅(qū)動(dòng)電壓的量在匹配軸線方向使 可動(dòng)棒11位移。這種驅(qū)動(dòng)器，例如在可動(dòng)棒11的前端lla設(shè)置在匹配軸線 方向光學(xué)濃度連續(xù)變化的濾光器來(lái)替換反射鏡4,可以作為利用驅(qū)動(dòng)電壓使透 過(guò)濾光器的光量變化的裝置使用。
在圖7C和圖7B的實(shí)施例中，表示出如下的變形實(shí)施例，即，相對(duì)于鉸 鏈24L在鉸鏈23L的相反側(cè)進(jìn)一步追加鉸鏈28L并將其固定在支承部113上， 而且，在支承部lll、 113之間的外側(cè)設(shè)置連結(jié)部IIC。
由以上的說(shuō)明可以理解，在任一個(gè)實(shí)施例中，可以把根據(jù)至少兩個(gè)鉸鏈 的長(zhǎng)度和從它們的固定部到匹配軸線Ox的距離之差L,、 L2用式(5)確定的 連結(jié)部llC的與匹配軸線Ox垂直方向的位移量I Lc I作為最大值A(chǔ)L,來(lái)確 定參數(shù)，以滿足式(1 )。
權(quán)利要求
1、一種梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器，其至少包括基體；可動(dòng)棒，其配置成將軸與所述基體上預(yù)先確定的軸線匹配；可動(dòng)梳齒電極，其被固定于所述可動(dòng)棒上的連結(jié)部，并具有多個(gè)可動(dòng)電極板，所述多個(gè)可動(dòng)電極板在與所述可動(dòng)棒長(zhǎng)度方向垂直的方向上隔開(kāi)間隔排列并且與所述可動(dòng)棒長(zhǎng)度方向平行且互相平行；固定梳齒電極，其被固定于所述基體上，并具有與所述可動(dòng)電極板平行交替地配置并且互相平行的多個(gè)固定電極板；以及第一鉸鏈和第二鉸鏈，它們的一端分別被固定在所述可動(dòng)棒上的互相離開(kāi)的第一支承部和第二支承部，另一端分別被固定在所述基體上的第一固定部和第二固定部，所述可動(dòng)棒沿所述軸線能夠移動(dòng)地被支承，所述梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器的特征在于，所述連結(jié)部在所述可動(dòng)棒上相對(duì)于所述第一支承部與所述第二支承部位于相同側(cè)，所述第一鉸鏈和第二鉸鏈的長(zhǎng)度比從固定所述第一鉸鏈和第二鉸鏈的所述第一固定部和第二固定部到所述軸線的距離分別長(zhǎng)|L1|和|L2|，使所述第一鉸鏈和第二鉸鏈分別與所述軸線垂直地伸長(zhǎng)時(shí)，當(dāng)設(shè)所述第一支承部、所述第二支承部的以所述軸線為原點(diǎn)的與所述軸線垂直方向的位置坐標(biāo)分別達(dá)到L1、L2，并且分別設(shè)從所述可動(dòng)棒上的所述第一支承部到所述連結(jié)部和所述第二支承部的距離為d1和Ls時(shí)，Lc＝L1+(L2-L1)d1/Ls的大小|Lc|、比使所述可動(dòng)棒與所述軸線匹配的狀態(tài)下的各所述可動(dòng)電極板、和相對(duì)于其所述位置坐標(biāo)所述Lc所具有的符號(hào)一側(cè)的最接近的固定電極板的距離中的任何一個(gè)距離都小。
2、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于， 所述第一鉸鏈和第二鉸鏈設(shè)置在所述可動(dòng)棒的單側(cè)。
3、 根據(jù)權(quán)利要求1所述的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于， 所述第一鉸鏈和第二鉸鏈分別設(shè)置在所述可動(dòng)棒的一側(cè)和另一側(cè)。
4、 根據(jù)權(quán)利要求2或3所述的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，還包括第三鉸鏈和第四鉸鏈，所述第三鉸鏈和第四鉸鏈的 一端分別被固 定在所述可動(dòng)棒上的互相離開(kāi)的第三支承部和第四支承部上，而另 一端分別 被固定在相對(duì)于所述基體上的所述軸線分別設(shè)置在所述第一固定部和第二 固定部的相反側(cè)的第三固定部和第四固定部上。
5、根據(jù)權(quán)利要求1到3的任一項(xiàng)所述的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于，在所述第 一鉸鏈和第二鉸鏈伸長(zhǎng)的狀態(tài)下，在所述可動(dòng)棒所移動(dòng)的任意 位置，通過(guò)施加驅(qū)動(dòng)電壓而在所述可動(dòng)梳齒電極和所述固定梳齒電極之間產(chǎn) 生的與所述可動(dòng)棒的長(zhǎng)度方向垂直的方向的靜電引力、和由該靜電引力產(chǎn)生 的所述可動(dòng)棒的彎曲引起的反作用力被設(shè)定為在如下的范圍內(nèi)達(dá)到平衡，所述范圍是所述連結(jié)部的位置位于距所述軸線比所述I Le I大、并且比使所述 可動(dòng)棒與所述軸線匹配的狀態(tài)下的各所述可動(dòng)電極板、和相對(duì)于其所述位置坐標(biāo)所述Lc所具有的符號(hào)一側(cè)的最接近的固定電極板的距離中的任何一個(gè)距離都小的距離范圍。
6、根據(jù)權(quán)利要求4所述的梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器，其特征在于， 在所述第一鉸鏈和第二鉸鏈伸長(zhǎng)的狀態(tài)下，在所述可動(dòng)棒所移動(dòng)的任意位置，通過(guò)施加驅(qū)動(dòng)電壓而在所述可動(dòng)梳齒電極和所述固定梳齒電極之間產(chǎn)生的與所述可動(dòng)棒的長(zhǎng)度方向垂直的方向的靜電引力、和由該靜電引力產(chǎn)生述范圍是所述連結(jié)部的位置位于距所述軸線比所述I Le I大、并且比使所述 可動(dòng)棒與所述軸線匹配的狀態(tài)下的各所述可動(dòng)電極板、和相對(duì)于其所述位置坐標(biāo)所述U所具有的符號(hào)一側(cè)的最接近的固定電極板的距離中的任何一個(gè) 距離都小的距離范圍。
全文摘要
本發(fā)明涉及梳齒型靜電驅(qū)動(dòng)器。其中，與基體上預(yù)先確定的匹配軸線(0x)平行地配置可動(dòng)棒(11)，在該可動(dòng)棒上的連結(jié)部(11C)兩側(cè)固定具有多個(gè)可動(dòng)電極板(12b)的可動(dòng)梳齒電極(12)，并在基體上固定具有多個(gè)固定電極板(21b、22b)的固定梳齒電極(21、22)，四個(gè)鉸鏈(23、24)各自一端被固定在可動(dòng)棒上，而另一端被固定設(shè)置在基體的固定部(32A～32D)。這些鉸鏈的長(zhǎng)度被設(shè)定為分別比從固定部到所述匹配軸線的距離長(zhǎng)，連結(jié)部(11C)的匹配軸線垂直方向的位移量(L_c)比各可動(dòng)電極板與最接近其的固定電極板的距離小。
文檔編號(hào)G02B26/08GK101246258SQ20071030358
公開(kāi)日2008年8月20日 申請(qǐng)日期2007年12月28日 優(yōu)先權(quán)日2006年12月28日
發(fā)明者加藤嘉睦, 森惠一 申請(qǐng)人:日本航空電子工業(yè)株式會(huì)社