專利名稱：磁性致動器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及用于光學(xué)掃描儀等設(shè)備的磁性致動器(magnetic actuator)。
背景技術(shù)：
圖9和圖10圖示了實踐中采用的現(xiàn)有技術(shù)致動器的結(jié)構(gòu)例子，該裝置利用硅微機械加工技術(shù)制造，在日本專利申請公開No.6-180428的圖11和圖12中公開了此項技術(shù)。該致動器包括框架11、位于框架中的可動板12、和支撐并裝配可動板12到框架11上的一對扭轉(zhuǎn)絞鏈13，所有這些部件通過蝕刻硅而一體成型。
框架11裝配在基板15上，其間插入了絕緣隔板14，在與可動板12相對的基板15的表面上形成有一對固定電極16。
可動板12作為可動電極使用，以便通過框架11和扭轉(zhuǎn)絞鏈13將電壓施加在固定電極16中的一個和可動板12之間時，在兩者之間產(chǎn)生靜電荷，以便將可動板12靜電吸引至固定電極16，以使可動板12圍繞著由扭轉(zhuǎn)絞鏈對13所定義的軸轉(zhuǎn)動。
如圖9和圖10所示，在靜電工作致動器中，需注意的是，當(dāng)可動板12的旋轉(zhuǎn)角度增加時，使該板旋轉(zhuǎn)所需的電壓也增加。換句話說，為了提供大的旋轉(zhuǎn)角度(致動角度)，需要很大的驅(qū)動電壓。
另外，既然現(xiàn)有技術(shù)致動器被構(gòu)造為將驅(qū)動電壓施加在可動板12自身，因為存在例如由于電荷轉(zhuǎn)移(displacement of the charge)造成動作失敗的可能性，因此引起可靠性方面的問題。
發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明解決了上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，和提供一種磁性致動器，其能用相對低的驅(qū)動電壓實現(xiàn)相對大的致動角度。
為了解決前述問題，依據(jù)本發(fā)明的一個方案，提供一種磁性致動器，其包含一永磁鐵；一樞軸轉(zhuǎn)動件，其位于由永磁鐵產(chǎn)生的磁場中的傾斜磁場位置處，該傾斜磁場位置是從所述永磁鐵的中心沿平行于永磁鐵頂表面的方向偏移一預(yù)定水平距離以及從永磁鐵的頂表面向上間隔一預(yù)定垂直距離；扭轉(zhuǎn)絞鏈裝置，樞軸轉(zhuǎn)動支撐所述樞軸轉(zhuǎn)動件于其鄰近所述永磁鐵的中心的一端部；一移動件；以及驅(qū)動裝置，用于驅(qū)動所述移動件；其中移動件被驅(qū)動裝置驅(qū)動，在與由扭轉(zhuǎn)絞鏈裝置定義的樞軸線正交的方向上向該扭轉(zhuǎn)絞鏈裝置移動，以便進入永磁鐵和樞軸轉(zhuǎn)動件之間的空間中；樞軸轉(zhuǎn)動件和移動件是鐵磁性的，從而當(dāng)該移動件被驅(qū)動朝著更接近樞軸轉(zhuǎn)動件的方向移動時，在樞軸轉(zhuǎn)動件和移動件之間產(chǎn)生排斥力，使得樞軸轉(zhuǎn)動件在樞軸上轉(zhuǎn)動。
樞軸轉(zhuǎn)動件和移動件的每一個包括一基板和形成在該基板上的一鐵磁膜。
鐵磁膜以框架的形狀形成在該些基板的表面上。
所述成框架形狀的鐵磁膜的框架在一個位置處斷開。
所述驅(qū)動裝置是一包括彼此相對設(shè)置的可動梳狀電極裝置和固定梳狀電極裝置的靜電致動器。
根據(jù)本發(fā)明的磁性致動器，通過線性(水平)驅(qū)動移動件，可以給予樞軸轉(zhuǎn)動件大的驅(qū)動角(旋轉(zhuǎn)角度)，并且由于移動件被梳狀型靜電致動器驅(qū)動，因此可以用低電壓驅(qū)動移動件。
而且，由于沒有向樞軸轉(zhuǎn)動件施加電壓，因此不存在由樞軸轉(zhuǎn)動件的電荷轉(zhuǎn)移引起操作失敗的風(fēng)險。
圖1是一透視圖，其圖示了依據(jù)本發(fā)明的磁性致動器的實施例；圖2是一基本原理圖，其圖示了依據(jù)本發(fā)明的磁性致動器的工作原理；圖3的上圖顯示了在鐵磁體條被插入磁場中后，立即在鐵磁體條的體內(nèi)產(chǎn)生局部磁矩，圖3的下圖顯示了局部磁矩互相增強并且沿水平方向(它的縱向)排列，使得鐵磁體條成為具有沿縱向的磁矩的雙極體；圖4圖示了當(dāng)鐵磁體條被樞軸支撐在支點上時，鐵磁體條停留在力矩、重力和支點的拉力處于平衡的位置上；圖5圖示了第二鐵磁體條進入靠近第一鐵磁體條的支點的空間中，在此處兩個鐵磁體條將具有相同的極性，從而在兩個鐵磁體條之間產(chǎn)生排斥力；圖6圖示了鐵磁體條的結(jié)構(gòu)的優(yōu)選例子；
圖7示出了根據(jù)本發(fā)明的磁性致動器的示意圖；圖8示出了制造圖1所示磁性致動器的工藝步驟(1)-(14)；圖9是一透視圖，其圖示了現(xiàn)有技術(shù)磁性致動器的實施例，其中可動板被扭轉(zhuǎn)絞鏈樞軸支撐；以及圖10是圖9所示的現(xiàn)有技術(shù)磁性致動器的剖面圖。
具體實施例方式
參照附圖，本發(fā)明的實施例將在下文中進行詳細(xì)描述。
圖1顯示了依據(jù)本發(fā)明的磁性致動器的實施例，圖2-5圖示了磁性致動器的工作原理。首先，參照圖2-5描述依據(jù)本發(fā)明的磁性致動器的操作原理。
如圖2所示，當(dāng)足夠薄(例如大概0.5μm)、和足夠?qū)?例如大概10μm)以及與前述寬度相比足夠長(例如大概200μm)的鐵磁體條A沿水平方向(平行于永磁鐵M的表面的方向)被定位在由永磁鐵M產(chǎn)生的磁場中的特定位置(其中鐵磁體條的前端從永磁鐵M的表面上的磁場中心偏移距離D2，和鐵磁體條從永磁鐵M向上隔開距離D1，換句話說，鐵磁體條受到來自永磁鐵M的在傾斜方向上的磁場的控制的位置，并且該位置被稱為傾斜磁場位置)時，如圖3上半部分所示，鐵磁體條A被插入磁場中后，立即在鐵磁體條A的體內(nèi)產(chǎn)生局部磁矩，如圖3的下半部分所示，局部磁矩互相增強并且沿縱向排列，使得鐵磁體條A成為具有在縱向(水平)方向上的磁矩的雙極體。(鐵磁體條A的形狀可能是框架而不是條，但是下面仍將參考鐵磁體條解釋)如圖4所示，當(dāng)鐵磁體條A被樞軸支撐在臨近朝向磁鐵M的中心的鐵磁體條的一端的支點S上時，一力矩M1施加于鐵磁體條M上，其方向是趨于將鐵磁體條朝著與通過支點S的磁力線平行的方向移動(產(chǎn)生磁扭矩)。結(jié)果是，鐵磁體條A停留在力矩M1、重力M2和支點的拉力M3處于平衡的位置上，例如，如圖4所示，與平行于磁體表面的平面成θ角傾斜的位置(姿態(tài))。
如果與第一鐵磁體條A相似的第二鐵磁體條B向著處于圖4所示的狀態(tài)下的第一鐵磁體條A移動，沿著由圖5中箭頭C所標(biāo)注的方向，以便插入在鐵磁體條A和永磁體M間，當(dāng)?shù)诙F磁體條接近第一鐵磁體條A的支點S時，兩個鐵磁體條A和B具有相同的極性，并且在兩者間產(chǎn)生排斥力M4(磁性排斥)，從而在第一鐵磁體條A上產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)力矩，使得鐵磁體條A沿著圖5中箭頭E所示的方向旋轉(zhuǎn)。
當(dāng)鐵磁體條B向更接近鐵磁體條A的方向移動時，不僅使兩個鐵磁體條間的排斥力增加，而且磁場也增強，使得鐵磁體條B內(nèi)產(chǎn)生的磁通量增加。因此，鐵磁體條B距離鐵磁體條A越近，產(chǎn)生在鐵磁體條A內(nèi)的旋轉(zhuǎn)力矩增加得越大，從而使得致動器以很大的旋轉(zhuǎn)角度(致動角度)動作。
值得注意的是盡管上述的鐵磁體條A、B可能成板的形狀，它可以制成如圖6中的鐵磁體框架A所示的矩形框架(環(huán))，以便在鐵磁體框架的水平方向上形成更均勻的磁化。
而且，如圖6所示，通過將鐵磁體條制成在一個位置處斷開的矩形環(huán)的形狀，而不是閉合的環(huán)，這樣可以抑制在鐵磁體條A的動作過程中由于磁場改變而產(chǎn)生的電流，并且可以控制因此產(chǎn)生的磁場干擾，從而穩(wěn)定操作。
圖7概略地圖示了一種工作在上文解釋的工作原理下的磁性致動器，其中鐵磁體框A和B形成為中斷的框架類部件并分別放置在板P和Q上。在圖7中，字母T表示扭轉(zhuǎn)絞鏈，其樞軸支撐板P。
參照圖1，現(xiàn)在描述依據(jù)本發(fā)明的磁性致動器的具體結(jié)構(gòu)。
本實施例的樞軸轉(zhuǎn)動件21包括一基板22，成矩型板的形狀，在此例中的尺寸是大約200μm2和大約3μm厚，和一形成在基板22的表面上的鐵磁膜23，鐵磁膜23成矩型框的形狀，其尺寸為大約200μm長、10μm寬和0.5μm厚，且在一個位置上斷開。
樞軸轉(zhuǎn)動件21具有一對扭轉(zhuǎn)絞鏈24，扭轉(zhuǎn)絞鏈24的一端靠近磁體M的中心，該些扭轉(zhuǎn)絞鏈24從臨近所述一端的相對側(cè)向外相對延伸，以便提供對樞軸轉(zhuǎn)動件21的可在樞軸轉(zhuǎn)動的支撐。扭轉(zhuǎn)絞鏈24對的一端與樞軸轉(zhuǎn)動件21的基板22形成一體，其另一端與支撐臺25的上部分支撐臺25b形成一體，上部分支撐臺25b與關(guān)聯(lián)的支撐臺25的下部分支撐臺25a連接并被支撐，下部分支撐臺25a被依次固定在底板26上。
底板26是其一側(cè)的中間部分被切掉的矩型框架，且將永磁體27放置在切除的部分中。永磁體27的形狀是矩型塊，其具有垂直行進的內(nèi)部磁力線方向，即具有在與樞軸轉(zhuǎn)動件21相對的上表面上的N極(或S極)。樞軸轉(zhuǎn)動件21定位在由永磁體27產(chǎn)生的磁場中的傾斜磁場位置上?？梢岳斫獾氖牵Q于永磁體的外形和尺寸以及樞軸轉(zhuǎn)動件21的鐵磁膜23的外形和尺寸的相關(guān)設(shè)計，可以適當(dāng)?shù)卮_定放置樞軸轉(zhuǎn)動件21的傾斜磁場位置(確定距離D1和D2)。
移動件31被驅(qū)動以移入永磁體27和樞軸轉(zhuǎn)動件21之間的空間和從該空間移出，移動件31包括成矩型板形狀的基板32和形成在基板32上表面的鐵磁膜33。類似于樞軸轉(zhuǎn)動件21的鐵磁膜23，移動件31的鐵磁膜33的形狀也是在一個位置上斷開(與鐵磁膜23斷開的位置不同)的矩型框架(與鐵磁膜23的尺寸相同)。值得注意的是鐵磁膜33放置在移動件31的基板32上，其對著臨近樞軸轉(zhuǎn)動件21的前端。
移動件31與一對支撐梁34形成為一體，支撐梁34的相對側(cè)鄰近移動件31的后端，支撐梁34從該些相對側(cè)成Z字形延伸，支撐梁34的另一端與基臺35形成為一體。移動件31通過支撐梁34和基臺35被底板26支撐，并且由于Z字形支撐梁34的柔韌特性，移動件31適于能夠向永磁體27移動。移動件31的基板32還具有一體成型的可動梳狀電極36，可動梳狀電極36從位于其相對端中間的相對側(cè)延伸?？蓜邮釥铍姌O36設(shè)置為可與固定梳狀電極37交叉指型嚙合，固定梳狀電極37具有固定到底板26上的基部37a并由底板26支撐?？蓜邮釥铍姌O36和固定梳狀電極37構(gòu)成靜電致動器。
如上支撐的移動件31被靜電致動器驅(qū)動，并且移動件31的表面部分優(yōu)選被拋光成鏡面，使得它作為一磁性致動器。
在該結(jié)構(gòu)中，移動件31的基板32、支撐梁34、基臺35和可動梳狀電極36通過例如蝕刻硅基板形成于一體中。固定梳狀電極37和支撐臺25的下部分支撐臺25a也可以由同一硅基板形成。
樞軸轉(zhuǎn)動件21的基板22、扭轉(zhuǎn)絞鏈24和支撐臺25的上部分支撐臺25b可以通過例如多晶硅膜一體成型為一個部件。鐵磁膜23、33可以是鎳膜。底板26也可以由硅基板形成。
盡管在圖1中沒有顯示，應(yīng)當(dāng)指出在底板26與支撐臺25、固定梳狀電極37的基部37a和固定到底板26的支撐梁34的基臺35中的每一個之間插入二氧化硅層作為電絕緣體。同樣的，二氧化硅層插入在支撐臺25的下部分支撐臺25a和上部分支撐臺25b之間。而且鐵磁膜23和33被形成在各自的基板22和32上，其間插入了二氧化硅層。
在如上所述構(gòu)造的磁性致動器中，樞軸轉(zhuǎn)動件21和移動件31分別對應(yīng)于磁性致動器的鐵磁體條A和鐵磁體條B，在上文中，參考根據(jù)本發(fā)明的工作原理描述了該磁性致動器。更具體地，當(dāng)在可動梳狀電極36和固定梳狀電極37之間加上電壓時，可動梳狀電極36被靜電吸引至固定梳狀電極37，于是，移動件31沿平行于底板26表面的平面被驅(qū)動，從與扭轉(zhuǎn)絞鏈24的樞軸線正交的方向向該樞軸線移動，以便進入永磁體27和樞軸轉(zhuǎn)動件21之間的空間中，定位在由永磁體27產(chǎn)生的磁場內(nèi)，從而通過在樞軸轉(zhuǎn)動件21和移動件31之間產(chǎn)生的排斥力使樞軸轉(zhuǎn)動件21旋轉(zhuǎn)。
對于如上構(gòu)造的磁性致動器，可以理解，通過線性(水平)驅(qū)動移動件31，可以給予樞軸轉(zhuǎn)動件21大的驅(qū)動角(旋轉(zhuǎn)角度)，并且由于移動件31被梳狀型靜電致動器驅(qū)動，因此可以用低電壓驅(qū)動移動件31。
進一步注意到，由于沒有向樞軸轉(zhuǎn)動件21施加電壓，因此不存在由樞軸轉(zhuǎn)動件的電荷轉(zhuǎn)移引起操作失敗的風(fēng)險。應(yīng)當(dāng)理解到，移動件的形狀和尺寸，尤其是它的支撐梁的形狀和尺寸以及形成支撐梁的位置，和靜電致動器的形狀和尺寸不受這里圖示的結(jié)構(gòu)的限制。
接下來，參考圖8描述利用微機械加工技術(shù)一步步地制造圖1所示的磁性致動器的方法，圖8圖示了沿剖面Y-Y的橫截面圖。而且，在步驟13和14中，為了顯示出用作圖1所示裝置的組成部分的各層，對于相應(yīng)的組成部分，這些層的參考數(shù)字伴隨有帶括弧的參考數(shù)字。
步驟(1)制備多層SOI基板44，其包括二氧化硅層41和設(shè)置在層41的相對表面上的硅層42和43。
步驟(2)對SOI基板44進行熱氧化，以便在基板的頂和底表面上形成二氧化硅層45和46。
步驟(3)通過成膜工藝，例如使用CVD(chemical-vapor deposition，化學(xué)氣相沉積)裝置，在位于基板的頂表面?zhèn)壬系亩趸鑼?5上形成一多晶硅層47。
步驟(4)通過成膜工藝，例如使用CVD裝置，在多晶硅層47上形成一二氧化硅層48。
步驟(5)通過光刻法在二氧化硅層48上形成樞軸轉(zhuǎn)動件的基板、扭轉(zhuǎn)絞鏈和支撐臺的圖案，然后例如通過RIE(reactive ion etching，反應(yīng)離子刻蝕)裝置按照該圖案蝕刻二氧化硅層48。
步驟(6)用二氧化硅層48的圖案作為掩模，通過RIE裝置蝕刻多晶硅層47。
步驟(7)通過RIE裝置去除頂表面?zhèn)壬系亩趸鑼?5、48，然后再次通過成膜工藝?yán)缡褂肅VD裝置在多晶硅層47和硅層42上形成二氧化硅層49。
步驟(8)通過光刻法在二氧化硅層49上形成移動件的基板、支撐梁、支撐梁的基臺、可動梳狀電極、固定梳狀電極和扭轉(zhuǎn)絞鏈的支撐臺的下部分支撐臺的圖案，然后例如通過RIE裝置按照該圖案蝕刻二氧化硅層49。
步驟(9)用二氧化硅層49的圖案作為掩模，通過RIE裝置蝕刻二氧化硅層42。于是，通過濺射裝置在頂表面上形成諸如鎳的鐵磁層51。
步驟(10)通過光刻法在鐵磁層51上形成用于樞軸轉(zhuǎn)動件和用于移動件的鐵磁層的框架的圖案，然后例如通過蝕刻(milling)法按照該圖案蝕刻鐵磁層51。
步驟(11)通過光刻法在位于底表面?zhèn)壬系亩趸鑼?6上形成用于提供容納位于樞軸轉(zhuǎn)動件下面的永磁鐵的空間的圖案，然后按照該圖案蝕刻二氧化硅層46，接著用二氧化硅層46的圖案作為掩模蝕刻硅層43。
步驟(12)通過光刻法在位于底表面?zhèn)壬系亩趸鑼?6上形成底板的圖案，然后按照該圖案蝕刻二氧化硅層46，同時通過蝕刻去除暴露在移動件部分的背面?zhèn)壬系亩趸鑼?1。
步驟(13)用二氧化硅層46的圖案作為掩模，通過RIE裝置從背面蝕刻位于移動件(31)的背面?zhèn)壬系墓鑼?3和位于樞軸轉(zhuǎn)動件(21)的背面?zhèn)壬系墓鑼?2。接著蝕刻用于移動件31的二氧化硅層41和二氧化硅層45、49。因此，通過上述的步驟制造出不帶永磁鐵27的圖1所示的磁性致動器的結(jié)構(gòu)。
步驟(14)制備一下支撐板52，和將底板46安裝和固定在下支撐板52上。另外，將永磁鐵27安裝和固定在下支撐板52上，使得該磁鐵定位在樞軸轉(zhuǎn)動件21下面的空間中。通過以上的工藝，完成了圖1所示磁性致動器的制作。優(yōu)選地，用于制作下支撐板52的材料可以是金屬或諸如硅的半導(dǎo)體，以防止因靜電引起致動器失效。
盡管在上述的實施例中通過在基板22和32的表面上分別形成鐵磁膜23和33，使得樞軸轉(zhuǎn)動件21和移動件31均具有鐵磁性，可以理解到，樞軸轉(zhuǎn)動件21和移動件31可以構(gòu)造成整體由鐵磁材料制成。
而且，在參考圖4和圖1中所示的鐵磁體條A所作的說明中，樞軸轉(zhuǎn)動件21處于樞軸旋轉(zhuǎn)一預(yù)定角度的位置，甚至在它的最初位置處，因為移動件31從樞軸轉(zhuǎn)動件縮回，所以它不會受到排斥力的作用。然而，樞軸轉(zhuǎn)動件21在它的最初位置時的角度可以調(diào)整為水平位置，例如通過在樞軸轉(zhuǎn)動件21的自由端上增加抗蝕劑或金屬的適當(dāng)塊來實現(xiàn)此目的，該自由端與被扭轉(zhuǎn)絞鏈24支撐的支撐端相對。
如上所述，根據(jù)本發(fā)明的磁性致動器能夠用較低的驅(qū)動電壓提供大角度的動作。
另外，由于沒有將電壓施加在樞軸轉(zhuǎn)動件21上，該樞軸轉(zhuǎn)動件21在樞軸上可轉(zhuǎn)動式地驅(qū)動，因此不會出現(xiàn)因樞軸轉(zhuǎn)動件的電荷轉(zhuǎn)移引起操作失敗的現(xiàn)象，從而可以得到高可靠的磁性致動器。
權(quán)利要求
1.一種磁性致動器，包括一永磁鐵；一樞軸轉(zhuǎn)動件，其位于由所述永磁鐵產(chǎn)生的磁場中的傾斜磁場位置處，該傾斜磁場位置是從所述永磁鐵的中心沿平行于該永磁鐵頂表面的方向偏移一預(yù)定水平距離以及從該永磁鐵的頂表面向上間隔一預(yù)定垂直距離；扭轉(zhuǎn)絞鏈裝置，以可在樞軸上轉(zhuǎn)動的方式支撐所述樞軸轉(zhuǎn)動件于其鄰近所述永磁鐵的中心的一端部；一移動件；以及驅(qū)動裝置，用于驅(qū)動所述移動件；其中所述移動件被所述驅(qū)動裝置驅(qū)動，在與由所述扭轉(zhuǎn)絞鏈裝置定義的樞軸線正交的方向上向該扭轉(zhuǎn)絞鏈裝置移動，以便進入在所述永磁鐵和所述樞軸轉(zhuǎn)動件之間的空間中；和所述樞軸轉(zhuǎn)動件和所述移動件是鐵磁性的；從而當(dāng)該移動件被驅(qū)動朝著更接近所述樞軸轉(zhuǎn)動件的方向移動時，通過產(chǎn)生于樞軸轉(zhuǎn)動件和所述移動件之間的排斥力使得所述樞軸轉(zhuǎn)動件在樞軸上轉(zhuǎn)動。
2.如權(quán)利要求1所述的磁性致動器，其中所述樞軸轉(zhuǎn)動件和所述移動件的每一個包括一基板和形成在該基板上的一鐵磁膜。
3.如權(quán)利要求2所述的磁性致動器，其中所述鐵磁膜以框架的形狀形成在該些基板的表面上。
4.如權(quán)利要求3所述的磁性致動器，其中所述成框架形狀的鐵磁膜具有在一個位置處斷開的框架。
5.如權(quán)利要求1所述的磁性致動器，其中所述驅(qū)動裝置是一包括彼此相對設(shè)置的可動梳狀電極裝置和固定梳狀電極裝置的靜電致動器。
全文摘要
本發(fā)明公開了一種磁性致動器，能用較低的驅(qū)動電壓實現(xiàn)較大的致動角度。其包括永磁鐵(27)；樞軸轉(zhuǎn)動件(21)，包括基板(22)和形成在基板(22)上的框架型鐵磁層(23)，它處于永磁鐵(27)產(chǎn)生的磁場中的傾斜磁場位置處，并且在一端部以可在樞軸上轉(zhuǎn)動的方式被扭轉(zhuǎn)絞鏈對(24)支撐；移動件(31)，包括基板(32)和形成在基板(32)上的框架型鐵磁層(33)，它被靜電傳動裝置(36，37)驅(qū)動在垂直于由扭轉(zhuǎn)絞鏈(24)定義的樞軸線的方向上移動，以便進入永磁鐵(27)和樞軸轉(zhuǎn)動件(21)間的空間中，從而當(dāng)移動件(31)被驅(qū)動朝著更接近樞軸轉(zhuǎn)動件(21)的方向移動時，在樞軸轉(zhuǎn)動件(21)和移動件(31)之間產(chǎn)生排斥力，使得樞軸轉(zhuǎn)動件(21)在樞軸上轉(zhuǎn)動。
文檔編號H01F7/02GK1508591SQ20031012048
公開日2004年6月30日 申請日期2003年12月17日 優(yōu)先權(quán)日2002年12月17日
發(fā)明者則松俊英 申請人:日本航空電子工業(yè)株式會社