致动器及使用致动器的光扫描装置 技术领域 本发明是关于致动器及光扫描装置， 特别是关于驱动驱动对象物使其围绕转动轴 倾斜运动的致动器及使用致动器的光扫描装置。
背景技术 过去， 知道一种通过使具有在硅板 (silicon plate) 上形成反射镜部的振动体的 至少一部分振动， 而使入射到反射镜部的光的反射方向变换进行光扫描的光扫描装置， 其 中振动体具有与反射镜部连接的产生扭曲振动的第 1 弹力部及与第 1 弹力部连接产生弯曲 振动和扭曲振动的多个第 2 弹力部， 将第 2 弹力部的另一端全部与固定框部连接固定， 并在 第 2 弹力上安装使自身振动的驱动源 ( 例如参见专利文献 1)。
在专利文献 1 中记载的光扫描装置中， 各第 2 弹力部具有与第 1 弹力部相同的弹 性系数， 但具有比第 1 弹力部更容易弹性变形的剖面形状。另外， 驱动源的位移为相对构成 第 2 弹力部的板材的板厚方向的弯曲振动， 在第 2 弹力部的与第 1 弹力部连接的部分该弯
曲振动作为扭曲振动向第 1 弹力部传递， 用于使反射镜部振动的所需的负荷分散到第 1 弹 力部和第 2 弹力部。
现有技术文献如下 ：
专利文献 1 ： ( 日本 ) 特开 2004-191953 号公报 发明内容 本发明想要解决的课题如下 ：
然而， 在专利文献 1 所记载的结构中， 由于第 2 弹力部与固定框体连接， 因此存在 当反射镜部倾斜时， 在第 1 弹力部和第 2 弹力部上集中全部的扭曲和弯曲的应力的问题。 例 如当以小型致动器为前提， 当假定反射镜以在 30kHz 的情况下 ±12deg. 倾斜时， 在第 1 弹 力部及第 2 弹力部产生的内部应力估计可达 1.3 ～ 1.5GPa。
另一方面， 硅的由扭曲模式的动态断裂应力大约为 2GPa。如果考虑由于深挖反应 离子蚀刻 (D-RIE ： deep reactive ion etching) 的加工变质层的影响及反复应力的施加， 则可想到产品化后的硅的实质断裂应力大约为 1.5GPa。因此， 在专利文献 1 中记载的结构 中， 存在由于加工条件或形状以及其偏差等的影响， 由连续动作而断裂的可能性大的问题。
另外， 在专利文献 1 中记载的结构中， 如果要回避断裂， 只有通过将第 1 弹力部及 第 2 弹力部在转动轴方向上延长， 而减小单位长度的扭曲量的对策。在专利文献 1 中记载 的结构中， 由于需要将盈应力过于集中的第 1 弹力部制作的更长更粗， 因此存在难以小型 化的问题。
因此， 有鉴于此， 本发明的目的在于提供一种能够应对小型化的要求， 并防止倾斜 运动驱动时的应力集中从而进行稳定动作的致动器及使用致动器的光扫描装置。
用于解决上述课题的手段如下 ：
为解决上述课题， 本发明的制动器是一种驱动驱动对象物使其围绕转动轴倾斜运
动的致动器， 其特征在于， 包括 ： 一对支撑梁， 沿所述转动轴从两侧支撑所述驱动对象物 ； 一对可动框， 以从与所述转动轴正交的方向的两侧夹住所述驱动对象物及所述一对支撑梁 的方式配置 ； 驱动源， 对所述可动框付与弯曲振动 ； 以及一对连接部， 用包括多个梁的梁结 构将所述一对可动框与所述支撑梁的尖端部连接， 并将所述弯曲振动转换为扭曲振动向所 述支撑梁传递。
另外， 为解决上述课题， 本发明的致动器是一种驱动驱动对象物使其围绕转动轴 倾斜运动的致动器， 其特征在于， 包括 ： 一对支撑梁， 沿所述转动轴从两侧支撑所述驱动对 象物 ； 连接部， 包括与所述支撑梁连接并沿与所述转动轴垂直的方向延伸的支撑梁侧连接 部、 及与所述支撑梁侧连接部连接并沿与所述转动轴平行向所述驱动对象物侧延伸的驱动 梁侧连接部 ； 以及驱动梁， 与所述驱动梁侧连接部连接， 以从与所述转动轴垂直的方向的两 侧夹住所述驱动对象物的方式配置， 通过在所述转动轴的两侧在上下反方向翘曲变形而对 所述驱动梁侧连接部付与倾斜运动力。
本发明的效果如下 ：
根据本发明， 能够适当地分散驱动时产生的内部应力， 不向特定的部位施加应力 负担， 并稳定地驱动驱动对象物。 附图说明
图 1 是表示本发明实施例 1 的致动器的剖面结构的图。 图 2A 是用于说明驱动实施例 1 的致动器的方法的图。 图 2B 是用于说明驱动实施例 1 的致动器的方法的图。 图 2C 是用于说明驱动实施例 1 的致动器的方法的图。 图 3 是表示实施例 1 的致动器的表面的立体图。 图 4 是表示驱动实施例 1 的致动器的状态的立体图。 图 5 是表示两轴驱动实施例 1 的致动器时的驱动源的立体图。 图 6 是表示实施例 1 的致动器的非共振驱动状态的立体图。 图 7 是表示实施例 1 的致动器的共振驱动部的立体图。 图 8 是以实施例 1 的致动器的连接部为中心的部分放大图。 图 9 是表示实施例 1 的致动器的共振振动时的状态的立体图。 图 10 是实施例 1 的致动器的共振驱动时的反射镜的周边放大图。 图 11 是将实施例 1 的致动器的反射镜与支撑梁连接部的部分进一步放大表示的 图 12A 是用于对将连接部位的角圆角化的致动器的结构进行说明的图。 图 12B 是用于对将连接部位的角圆角化的致动器的结构进行说明的图。 图 13A 是用于对将连接部位的角圆角化的致动器的结构进行说明的图。 图 13B 是用于对将连接部位的角圆角化的致动器的结构进行说明的图。 图 14A 是用于对将连接部位的角圆角化的致动器的结构进行说明的图。 图 14B 是用于对将连接部位的角圆角化的致动器的结构进行说明的图。 图 15A 是表示实施例 1 的致动器的共振驱动部的驱动源的电极配置的例子的图。 图 15B 是表示实施例 1 的致动器的共振驱动部的驱动源的电极配置的例子的图。5图。
102422521 A CN 102422533
说明书3/18 页图 15C 是表示实施例 1 的致动器的共振驱动部的驱动源的电极配置的例子的图。
图 16 是图 15A、 图 15B、 图 15C 的各电极配置中的共振驱动部的倾角灵敏度及最大 内部应力的比较图。
图 17 是表示本发明的实施例 2 的致动器的结构的立体图。
图 18 是表示实施例 2 的致动器的放大立体图。
图 19 是表示实施例 2 的致动器的共振驱动时的状态的图。
图 20 是表示实施例 2 的致动器的共振驱动时的状态的放大立体图。
图 21A 是表示实施例 2 的致动器的电极配置的例子的图。
图 21B 是表示实施例 2 的致动器的电极配置的例子的图。
图 21C 是表示实施例 2 的致动器的电极配置的例子的图。
图 22 是表示图 21A、 图 21B、 图 21C 的各电极配置中的倾角灵敏度及最大内部应力 的图。
图 23A 是表示实施例 1 的致动器的共振驱动时的状态的侧面图。
图 23B 是表示实施例 2 的致动器的共振驱动时的状态的侧面图。
图 24A 是表示实施例 3 的致动器的表面的结构的立体图。
图 24B 是表示实施例 3 的致动器的里面的结构的立体图。 图 25A 是用于说明实施例 3 的致动器的参数设定的图。 图 25B 是用于说明实施例 3 的致动器的参数设定的图。 图 25C 是用于说明实施例 3 的致动器的参数设定的图。 图 26A 是表示实施例 4 的致动器的表面的结构的立体图。 图 26B 是表示实施例 4 的致动器的里面的结构的立体图。 图 27A 是用于说明进行实施例 4 的致动器的最佳设计的方法的图。 图 27B 是用于说明进行实施例 4 的致动器的最佳设计的方法的图。 图 27C 是用于说明进行实施例 4 的致动器的最佳设计的方法的图。 图 28A 是用于说明支撑梁侧连接部的长度 B 持有最小值的理由的图。 图 28B 是用于说明支撑梁侧连接部的长度 B 持有最小值的理由的图。 图 28C 是用于说明支撑梁侧连接部的长度 B 持有最小值的理由的图。 图 29 是表示实施例 4 的致动器的倾角灵敏度的特性的图。 图 30 是表示实施例 5 的投影仪的全体结构的图。具体实施方式
对于本发明的实施方式， 参见附图进行说明。
实施例 1
图 1 是表示本发明实施例 1 的致动器的剖面结构的图。在图 1 中， 实施例 1 的致 动器具有半导体晶片 10 及驱动源 20。实施例 1 的致动器例如可利用 MEMS(Micro Electro Mechanical Systems) 技术， 通过对半导体晶片进行加工制作出。在图 1 中， 对使用该样半 导体晶片 10 构成致动器的例子进行说明。
半导体晶片 10 具有硅基板 11、 SiO2 12、 14 及 Si 活性层 13。半导体晶片 10 可使 用例如 SOI(Silicon On Insulator) 基板。SOI 基板是在硅基板 11 之间形成有绝缘膜的SiO2 12 的基板， 当利用深挖反应离子蚀刻等对硅基板 11 进行削切时， 由于在削切终点的底 面上形成有 SiO2， 因此能够容易地进行深挖蚀刻加工。
用 SiO2 12、 Si 活性层 13 及 SiO2 14 形成梁 15。用梁 15 的一部分支撑驱动对象 物， 传递驱动力进行动作。硅基板 11 的一部分例如被用作外侧的固定框。
在此需要说明的是， 半导体晶片 10 可使用例如全体厚度为 300 ～ 500[μm] 的半 导体晶片 10。例如当半导体晶片 10 为 350[μm] 时， Si 活性层 13 可为 30[μm]， SiO2 12、 14 可为 0.5[μm]， 梁 15 可为总计大约 31[μm]， 可构成为半导体晶片 10 的大约 1/10 的厚 度。
在本实施例的致动器中， 驱动源 20 是产生驱动力的动力源。在本实施例中的致动 器中， 作为驱动源 20 可使用各种各样的方式， 但在实施例 1 中以使用压电元件 21 作为驱动 源 20 的情况为例进行说明。压电元件 21 是将在压电体 22 上施加的电压转换成力的被动 元件。在本实施例的致动器中， 压电元件 21 通过施加电压其长度进行伸缩而驱动被安装的 梁 15。压电体 22 可适用各种压电体 22， 但可使用例如 PZT 薄膜 ( 锆钛酸铅 )。当梁 15 为 大约 30[μm] 时， 压电元件 21 例如可以大约为 2[μm] 的厚度形成。
压电元件 21 具有上部电极 23 及下部电极 24. 上部电极 23 及下部电极 24 是用于 对压电体 22 施加电压的电极， 通过在上部电极 23 及下部电极 24 上施加电压， 压电体 22 伸 缩并驱动梁 15。 图 2A- 图 2C 是用于对压电元件 21 使梁 15 产生弯曲振动并对实施例 1 的致动器 进行驱动的方法进行说明的图。图 2A 是模式地表示由硅构成的梁结构 15 及压电元件 21 的部分的侧面图。如图 2A 所示， 在由 Si 活性层 13 等构成的梁 15 上， 薄膜装地安装有压电 元件 21。
图 2B 是表示压电元件 21 收缩变形状态的图。如图 2B 所示， 当压电元件 21 收缩 时， 梁结构 15 为向下凸向上方翘曲样子的形状。
图 2C 是表示压电元件 21 伸长变形状态的图。如图 2C 所示， 当压电元件 21 伸长 时， 梁结构 15 为向上凸向下方翘曲样子的形状。
如图 2B 及图 2C 所示， 压电元件 21 由极化的方向或者施加电压的极性或位相， 向 上翘曲或向下翘曲。本实施例的致动器中， 例如可利用这种压电元件 21 的性质， 将压电元 件 21 作为驱动源 20 驱动驱动对象。
图 3 是表示实施例 1 的致动器的表面的立体图。在图 3 中， 本实施例的致动器， 其 外侧的固定框由硅基板 11 构成， 较之硅基板 11 还内侧的部分全部由与梁 15 为相同厚度的 薄的部分构成。在致动器的中央配置有驱动对象物 30。另外， 以从左右两侧夹住驱动对象 物 30 的方式， 形成作为梁 15 之上的一对驱动源 20 的压电元件 21， 构成驱动梁 70。通过这 样， 在从两侧支撑驱动对象物 30 的梁 15 上安装驱动源 20， 成为驱动梁 70 而驱动驱动对象 物 30。另外， 在驱动对象物 30 的两侧配置的一对驱动梁 70 的压电元件 21 上， 施加在左右 反方向位移的电压。通过施加这样的在反方向位移的电压， 从而产生图 2B 及图 2C 中说明 的向不同方向的位移， 产生振动而驱动驱动对象物 30。
在此需要说的是， 由作为驱动源 20 的压电元件 21 产生的振动可为共振振动。 通过 利用共振， 能够使驱动梁 70 产生大的弯曲振动， 并能够高速且更大的驱动驱动对象物 30。
图 4 是表示驱动实施例 1 的致动器的状态的立体图。在图 4 中， 表示出通过使驱
动梁 70 产生振动， 驱动对象物 30 以围绕转动轴 X 倾斜的方式振动的状态。在图 4 中， 以跟 前的左侧下降、 里头的右侧上升的方式倾斜运动。通过这样， 在本实施例的致动器中， 驱动 驱动对象物 30 使其围绕转动轴倾斜运动。
在此需要说明的是， 驱动对象物 30 可使用各种各样的驱动对象物 30， 也可用于例 如微型投影仪或微型扫描仪。例如， 在微型投影仪中， 通过对反射镜照射激光， 使来自反射 镜的反射光进行扫描， 从而进行绘画。这时， 例如当被要求 XGA(1024×768 像素 ) 的屏幕分 辨率时， 要求在水平方向以大约 30[kHz] 的高速在 ±12[deg] 的角度范围内进行扫描， 在垂 直方向以大约 60[Hz] 的低速在 ±18[deg] 的角度范围内进行扫描。 在图 4 所示的围绕转动 轴 X 的轴转动中， 进行高速的大约 30[kHz] 的倾斜运动驱动。 如上所述， 在驱动对象物 30 的 围绕转动轴 X 的倾斜运动中， 由于使用共振驱动， 因此能够实现如此高速的倾斜运动驱动。
图 5 是表示两轴驱动实施例 1 的致动器时的， 进行围绕与 X 转动轴不同的轴转动 的倾斜运动驱动的驱动源的立体图。 由于进行两轴驱动的致动器大多是用于上述的微型投 影仪或微型扫描仪的情况， 因此举驱动对象物 30 为反射镜 31 的例子进行说明。
在图 5 中， 在反射镜 31 的周围， 示出了作为用于进行大约 60[Hz] 的低速驱动的驱 动源的非共振驱动源 90。非共振驱动源 90 被构成为各个梁 15 沿与驱动梁 70 的延伸方向 正交的方向延伸， 在梁 15 的表面上形成作为驱动源 20 的压电元件 21。在非共振驱动源 90 中， 进行如图 4 所示的向与转动轴 X 正交的围绕轴的倾斜运动驱动。非共振驱动源 90 其邻 接的梁的端部以在两端互相连接的方式连接， 作为整体构成之字形的蜿蜒型梁。 由此结构， 通过在邻接的梁的驱动源 20 上施加在正负方向位移的电压， 从而进行在梁的延伸方向上 积蓄倾斜的动作， 在非共振驱动源 90 的梁 15 的延伸方向上驱动反射镜 31 使其倾斜运动。 图 6 是表示在实施例 1 的致动器中通过非共振驱动源 90 进行非共振驱动的状态 的立体图。如图 6 所示， 对非共振驱动源 90 的各个梁 15 逐渐积蓄倾斜角， 反射镜 31 被驱 动而围绕转动轴 Y 倾斜运动。在图 6 中， 示出了跟前的右侧下降、 里头的左侧上升的倾斜运 动动作的状态。
通过这样， 本实施例的致动器通过组合共振驱动与非共振驱动， 从而能够作为两 轴驱动用的致动器使用。
图 7 是将实施例 1 的致动器的共振驱动部 80 抽出表示的立体图。在图 7 中， 共振 驱动部 80 包括反射镜 31、 支撑梁 40、 连接部 50、 可动框 60、 驱动梁 70 及驱动源 20， 这些部 件全部成一体被连接。
反射镜 31 是由本实施例的致动器而被倾斜运动驱动的驱动对象物 30。驱动对象 物 30 虽然也可适用于其他驱动对象物， 但以下为便于说明， 举将反射镜 31 作为驱动对象物 30 使用的例子进行说明。
支撑梁 40 是从两侧支撑反射镜 31 的一对梁。支撑梁 40 与反射镜 31 连接， 相对 反射镜 31 对称地沿着转动轴 X 在左右呈一对设置。如图 1 所说明的， 支撑梁 40 由于是由 例如大约 30[μm] 的薄的 Si 活性层 13 所构成， 因此作为具有弹性的弹性部件起作用。
可动框 60 是传递弯曲振动的媒介， 同时也是通过支撑梁 40 对反光镜 31 以能够可 动的方式进行支撑的可动支撑部件。可动框 60 以从两侧夹住反射镜 31 及支撑梁 40， 相对 转动轴 X 呈线对称的一对的方式设置。在图 7 中， 将反射镜 31 及支撑梁 40 以从跟前侧与 里头侧的两侧夹住的方式包围。在图 7 中， 尽管可动框 60 作为其整体为四边形形状， 但只
要能够传递弯曲振动且能够以夹住包围支撑梁 40 及反射镜 31 的方式支撑， 其外形不限于 此。
可动框 60 以从两侧被夹住的方式与作为共振振动驱动源的一对驱动梁 70 连接。 可动框 60 从驱动梁 70 被传递来弯曲振动， 可动框 60 成为传递该弯曲振动的媒介。驱动梁 70 可如图 2A- 图 4 所示产生弯曲振动， 由于可动框 60 同样由薄的 Si 活性层 13 所构成， 因 此可起到具有弹性的弹性部件的作用， 并传递由驱动梁 70 产生的弯曲振动。
可动框 60 通过连接部 50 与支撑梁 40 连接。由此， 可动框 60 支撑支撑梁 40 并能 够向支撑梁 40 传递振动。另外， 虽然可动框 60 与驱动梁 70 连接， 但其未像固定框那样固 定在固定体上， 由于其处于可动状态， 因此在可动状态下传递振动。
连接部 50 将支撑梁 40 的尖端部与可动框 60 连接， 是将可动框 60 的弯曲振动转 换为扭曲振动并向支撑梁 40 传递的部分。连接部 50 以从转动轴 X 方向的两侧夹住支撑梁 40 的方式呈一对构成。由于可动框 60 为以从与转动轴 X 正交的方向的两侧夹住支撑梁 40 的方式成对构成， 因此一个连接部 50 将支撑梁 40 及在支撑梁 40 的两侧存在的可动框 60 的三个部件连接。
图 8 是以实施例 1 的致动器的共振驱动部 80 的连接部 50 为中心的部分放大图。 在图 8 中， 示出了以连接部 50 为中心， 反射镜 31、 支撑梁 40、 可动框 60 及驱动梁 70 之间的 关系。
连接部 50 可由与支撑梁 40 及可动框 60 为相同部件而一体构成。由此， 能够提高 共振驱动部 80 的耐性， 相比连接多个部件的情况可提高机械强度。另外， 通过将支撑梁 40 及可动框 60 一体构成， 能够消除振动传递的方式的不自然的不均匀等， 还能够顺利地传递 振动。由此， 当支撑梁 40 及可动框 60 如上所述由图 1 所示的半导体晶片 10 的 SiO2 12、 14 及 Si 活性层 13 构成时、 连接部 50 也可由 SiO2 12、 14 及 Si 活性层 13 构成。
连接部 50 可被构成为作为包括沿水平细长延伸的多个梁的梁结构。通过将连接 部 50 构成为梁结构， 连接部 50 成为相比宽度宽的形状更具弹性的形状， 能够将传递自可动 框 60 的弯曲振动， 并不将应力负担集中于特定部位而转换成扭曲振动。在图 8 中， 支撑梁 40 的与反射镜 31 相反侧的尖端部与连接部 50 连接， 此部位当进行反射镜 31 的倾斜运动 驱动时施加扭曲应力的， 施加最大应力负担的部位。 在本实施例的致动器中， 由于与支撑梁 40 的尖端部连接的连接部 50 是梁结构， 因此不只是支撑梁 40， 连接部 50 也能够根据支撑 梁 40 的扭曲应力而产生扭曲变形， 能够使施加在支撑梁 40 的扭曲应力分散。另外， 关于此 点后面将详细说明。
连接部 50 可为向外侧突出的形状。 通过将连接部 50 构成为梁结构， 从而能够提高 弹性并促进应力分散， 通过加长支撑梁 40， 从而能够减低在支撑梁 40 上施加的扭曲应力。 其次， 当支撑梁 40 被构成为比可动框 60 的转动轴 X 方向的宽度还长时， 如果连接部 50 为 也与支撑梁 40 一起向可动框 60 的外侧突出的梁构造的形状， 则能够取得更长的构成连接 部 50 的梁的长度， 提高应力的吸收力。在图 7 中， 连接部 50 在支撑梁 40 的两侧在与转动 轴 X 正交的方向上拓宽并延伸， 为与转动轴 X 平行的在可动框 60 的方向延长的锚形形状。 由该结构， 延长了连接部 50 的梁部分并提高了应力分散效率。
对由连接部 50 与支撑梁 40 之间的连接而产生的角 55 可进行圆角化加工处理。 由此， 能够使支撑梁 40 与连接部 50 之间的连接部位的应力进一步分散。同样， 对在反射镜31 与支撑梁 40 之间的连接部分产生的角 45、 在连接部 50 与可动框 60 之间的连接部分产 生的角 65 以及在可动框 60 与驱动梁 70 之间的连接部分产生的角 75 也可进行圆角化加工 处理， 使得这些的应力也分散。另外， 对于角 45、 55、 65、 75 的圆角化处理后面将详细说明。
回到图 7。驱动梁 70 是对可动框 60 付与弯曲振动的驱动力产生源。驱动梁 70 沿 与转动轴 X 正交的方向延伸， 以从两侧夹住可动框 60 的方式与可动框 60 连接呈一对设置。 驱动梁 70 在其表面安装有驱动源 20， 其自身由驱动源 20 被变形而产生弯曲振动。驱动源 20 例如可使用压电元件 21， 但只要是能够产生弯曲振动的元件也可也可使用其他元件。当 使用压电元件 21 时， 在一对驱动梁 70 的压电元件 21 上， 在两侧施加在互相不同的方向上 位移的电压。电压的施加如图 1 中所说明的， 可从在压电体 22 上设置的上面电极 23 及下 面电极 24 进行。
驱动梁 70 也可与可动框 60 一体形成。由此， 当可动框 60 由构成如图 1 所示的半 导体晶片 10 的梁 15 的厚度的薄的部分构成时， 驱动梁 70 也可作为梁 15 构成。
通过这样， 由于共振驱动部 80 是由半导体晶片 10 的大约 30[μm] 的厚度的薄的 部分构成， 因此由具有弹性的部件构成。由于共振驱动部 80 的厚度为一定， 因此该弹性可 通过宽度、 长度、 形状等进行调整。在本实施例的致动器中， 通过利用形状对半导体晶片 10 的弹性进行调整， 从而提供分散应力、 无因应力而产生断裂的忧虑的致动器。 图 9 是表示在实施例 1 的致动器的共振驱动部 80 的共振振动时的变形状态的立 体图。在图 9 中， 一对驱动源 20 包括里头侧的压电元件 25 及跟前侧的压电元件 26， 各自施 加不同极性或位相的电压。由此， 一对驱动梁 70 中， 里头侧的驱动梁 71 向上方翘曲， 跟前 侧的驱动梁 72 向下方翘曲变形， 向可动框 60 付与弯曲振动。可动框 60 的弯曲振动在连接 部 50 上向支撑部 40 传递， 这时， 弯曲振动被转换成扭曲振动， 一对支撑梁 40 在左侧及右侧 进行扭曲振动。接着， 通过此扭曲振动， 从两侧被支撑梁 40 支撑的反射镜 31 在里头侧及跟 前侧进行倾斜运动振动， 围绕转动轴 X 被进行倾斜运动驱动。由此动作， 反射镜 31 围绕转 动轴 X 被进行倾斜运动驱动。
图 10 是表示实施例 1 的致动器的共振驱动部 80 的共振驱动时的变形状态的反射 镜 31 的周边放大图。在图 10 中， 反射镜 31 以右侧上升、 左侧下降的方式倾斜运动， 可动框 60 也与反射镜 31 一样向相同方向倾斜运动， 反射镜 31 侧为比可动框 60 倾斜运动的倾角更 大的状态。在图 10 中的动作为当通过对在一对驱动梁 70 上装设的一对驱动源 20 上施加 极性或位相不同的电位而产生共振时， 驱动梁 70 与可动框 60 的连接部附近上下大幅振动。 由此动作， 通过可动框 60 倾斜， 另外可动框 60 自身弯曲， 从而进行使连接部 50 附近进一步 倾斜， 连接部 50 扭曲并使反射镜 31 进一步倾斜的动作。
在共振模式中具有多个模式， 除了如图 10 所示的反射镜 31 与可动框 60 向相同方 向倾斜的共振模式以外， 还存在反射镜 31 与可动框 60 向反方向倾斜运动的共振模式。
然而， 在本实施例的致动器中， 如图 10 所示， 优选为反射镜 31 与可动框 60 向相同 方向倾斜运动的共振模式。由此， 能够在可动框 60 的位移上加上反射镜 31 的位移， 提高相 对于施加电压的反射镜 31 的倾角灵敏度。另外， 由于相对于反射镜 31 的倾角梁连接部 50 的扭曲量更小， 因此能够减小内部应力， 使断裂更难产生。
图 11 是将在图 10 的状态中的反射镜 31 与支撑梁 40 的连接部 50 的部分进一步 放大表示的图。在图 11 中， 即便与连接部 50 的连接部位附近的支撑梁 40 未大幅扭曲， 通
过连接部 50 的扭曲， 从而能够确保反射镜 31 的倾角。通过这样， 本实施例的致动器的共振 驱动部 80， 通过在由于从弯曲应力到扭曲应力的转换而被施加大的应力负担的可动框 60 与支撑梁 40 之间设置梁结构的连接部 50， 从而能够减小连接部 50 与支撑梁 40 之间的扭曲 角， 并且能够充分确保反射镜 31 的倾角。
在此需要说明的是， 在进行图 8 所示的对角 45、 55、 65、 75 的圆角化加工处理的情 况下， 当对本实施例的致动器以 30[kHz] 的频率、 ±12[deg] 的倾角幅度进行驱动时， 连接 部 50 的最大内部应力为 0.4[GPa] 以下。这意味着在使反射镜倾斜运动时产生的应力， 被 主要分散到连接部 50、 可动框 60 及驱动梁 70 上。
另外， 由于可通过改变本实施例的致动器其连接部 50 的宽度、 厚度、 剖面形状或 长度而改变共振频率， 因此还能够在不改变结构的情况下对应 30[kHz] 以上的更大的高速 化。但是， 当进行连接部 50 的形状改变时， 随之支撑梁 40 及驱动梁 70 的尺寸有可能会改 变。
接着， 使用图 12A- 图 14B， 对于对本实施例的致动器进行圆角化加工处理的例子 进行说明。
图 12A 及图 12B 是用于对在将反射镜 31 与支撑梁 40 之间的连接部位 45 产生的 角进行圆角化的情况进行说明的图。图 12A 是对在将反射镜 31 与支撑梁 40 之间的连接部 位 45 产生的角形成为圆角 ( 角 R) 时的致动器的立体图， 图 12B 是表示形成圆角时的倾角 灵敏度、 及以 ±12[deg] 倾斜时的连接部位 45 的最大应力变化的图。 如图 12A 所示， 由于反射镜 31 为圆形， 支撑梁 40 为长方形的平面结构， 因此当保 持现有的连接状态时， 反射镜 31 与支撑梁 40 之间的连接部位 45 的外侧产生有棱角的角， 内部应力容易集中在该角上。但是， 通过形成圆角， 能够使内部应力分散。圆角半径可在例 如 0.01 ～ 0.2[mm] 的范围内形成。
在图 12B 中， 当在 0 ～ 0.25[mm] 的范围内使形成的圆角变化时， 倾角灵敏度没怎 么变化， 当圆角在 0.1[mm] 以上时稍微有些劣化。另一方面， 在图 12B 中， 圆角部 ( 连接部 位 45) 的最大内部应力为 0.3[GPa] 以下， 在断裂应力乘上安全系数的值 0.05[GPa] 以下， 表示圆角的耐久性没有问题。
图 13A 及图 13B 是用于对在将反射镜 31 与支撑梁 40 之间的连接部位 45、 支撑梁 40 与连接部 50 之间的连接部位 55 及连接部 50 与可动框 60 之间的连接部位 65 产生的角 进行圆角化的情况进行说明的图。图 13A 是对在连接部位 45、 55、 65 产生的角形成为圆角 ( 角 R) 时的致动器的立体图， 图 13B 是表示形成圆角时的倾角灵敏度、 及以 ±12[deg] 倾斜 时的连接部位 45、 55、 65 的最大应力变化的图。
如图 13A 所示， 不只是对反射镜 31 与支撑梁 40 之间的连接部位 45、 对支撑梁 40 与连接部 50 之间的连接部位 55 及连接部 50 与可动框 60 之间的连接部位 65 也形成圆角。 连接部位 55、 65 的圆角可在例如 0.005 ～ 0.04[mm] 的范围内形成。
图 13B 表示在形成图 13A 样子的圆角的结构中， 倾角灵敏度及最大应力的变化。 在图 13B 中， 倾角灵敏度没怎么变化， 当圆角在 0.02[mm] 以上时稍微有些劣化。内部应 力在产生扭曲的连接部 50 为最大。当圆角半径＝ 0.005 ～ 0.02[mm] 时， 最大内部应力为 0.5[GPa]， 由于深挖反应离子蚀刻的加工变质层的影响及反复应力的施加， 出现了断裂的 可能性。 当圆角半径＝ 0.03[mm] 时， 最大应力为 0.49[GPa]， 应力分散到了不会产生断裂的
值。由此， 如果圆角为 0.03[mm] 以上， 则可知没有产生断裂的危险， 并无特别的问题。
图 14A 及图 14B 是用于对除了在将反射镜 31 与支撑梁 40 之间的连接部位 45、 支 撑梁 40 与连接部 50 之间的连接部位 55 及连接部 50 与可动框 60 之间的连接部位 65， 再加 上在将可动框 60 与驱动梁 70 之间的连接部位 75 产生的角进行圆角化的情况进行说明的 图。图 14A 是对在连接部位 45、 55、 65、 75 产生的角形成为圆角 ( 角 R) 时的致动器的立体 图， 图 14B 是表示形成圆角时的倾角灵敏度、 及以 ±12[deg] 倾斜时的连接部位 45、 55、 65、 75 的最大应力变化的图。
如图 14A 所示， 由于对可动框 60 与驱动梁 70 之间的连接部位 75 也形成圆角， 通 过将该角形成为圆角进行圆角化加工处理， 从而使连接部位 75 的内部应力也能分散。连接 部位 75 的圆角可在例如 0.005 ～ 0.06[mm] 的范围内形成。
在图 14B 中， 在对如图 14A 所示的连接部位 45、 55、 65、 75 形成圆角的情况下， 圆 角半径＝ 0.005 ～ 0.01[mm] 时的最大内部应力为 0.5[GPa] 以上。换言之， 在此情况下， 本实施例的致动器由于深挖反应离子蚀刻的加工变质层的影响及反复应力的施加， 有断裂 的可能性。另一方面， 当圆角半径＝ 0.02[mm] 时， 连接部位 45、 55、 65、 75 的最大应力为 0.49[GPa]， 应力分散到了不会产生断裂的值。由此， 如果圆角为 0.02[mm] 以上， 则可知并 无特别的问题。 接着， 使用图 15A- 图 15C 及图 16， 对实施例 1 的致动器的共振驱动部 80 的驱动源 20 的电极配置的例子进行说明。
图 15A- 图 15C 是表示共振驱动部 80 中的驱动源 20 的电极配置的例子的图。
图 15A 是表示只在驱动梁 70 中设置驱动源 20 的共振驱动部 80 的结构的例子的 图。 在图 15A 中， 示出了只在驱动梁 70 中设置驱动源 20 的共振驱动部 80。 这时， 如图 7- 图 11 所示， 由一对驱动梁 71、 72 构成的驱动梁 70 的上下运动作为弯曲振动付与到由一对可动 框 61、 62 构成的可动框 60。接着， 在由可动框 60 向一对连接部 50 传递弯曲振动时， 弯曲振 动被转换为扭曲振动， 通过扭曲振动一对支撑梁 40 及反射镜 31 被倾斜运动驱动。
图 15B 是表示在驱动梁 70 及可动框 60 中设置驱动源 20a 的共振驱动部 80a 的结 构的例子的图。在图 15B 中， 不只在驱动梁 70 中， 在可动框 60 中也设有驱动源 20a。换言 之， 对于驱动源 20a， 在一对驱动梁 71、 72 中设置一对驱动源 25、 26， 并在一对可动框 61、 62 中设置一对驱动源 27、 28。在图 15B 中， 以转动轴 X 为中心， 在互相连接的里头侧的驱动梁 71 及可动框 61 上， 设置施加同极性或同位相电压的驱动源 25、 27， 同样， 在互相连接的跟前 侧的驱动梁 72 及可动框 62 上， 设置施加同极性或同位相电压的驱动源 26、 28， 该极性与驱 动源 25、 27 不相同。换言之， 在图 15B 中， 在同侧的驱动梁 70 和可动框 60 上， 配置施加同 极性电压的驱动源 20a。
图 15C 是表示在与图 15B 不相同的驱动梁 70 及可动框 60 上设置驱动源 20b 的共 振驱动部 80b 的结构的例子的图。在图 15C 中， 在驱动梁 70 上设置驱动源 20 的配置与图 15A 及图 15B 相同， 但在可动框 60 上设置的驱动源 27、 28 与连接的驱动梁 70 的驱动源 26 和驱动源 25 被构成为反极性。换言之， 以转动轴 X 为中心， 里头侧的驱动梁 71 的驱动源 25 和与驱动源 72 连接的可动框 61 的驱动源 28 互为反极性。同样， 跟前侧的驱动梁 72 的驱 动源 26 和与驱动梁 72 连接的可动框 62 的驱动源 27 为反极性。而且， 一对驱动梁 71、 72 的驱动源 25、 26 互为反极性， 一对可动框 61、 62 的驱动源 28、 27 也互为反极性。
图 16 是图 15A- 图 15C 表示的三种电极配置结构的各个共振驱动部 80、 80a、 80b 的比较每单位电压的倾角灵敏度及最大内部应力的图。在图 16 中， 如果比较每单位电压的 倾角灵敏度， 与作为基准的图 15A 所示的只在驱动梁 70 中设置驱动源 20 的情况比较， 同侧 的驱动梁 70 与可动框 60 的驱动源 20a 为同极性的图 15B 的情况下倾角灵敏度减小， 同侧 驱动梁 70 与可动框 60 的为反极性的图 15C 的情况下倾角灵敏度增加。换言之， 相对于在 图 15A 的结构中倾角灵敏度为 0.535[deg/V]， 在图 15B 的结构中下降为 0.131[deg/V]， 在 图 15C 的结构中上升为 0.975[deg/V]。
另一方面， 在图 16 中， 如果比较图 15A、 图 15B、 图 15C 的各个最大内部应力， 相对 于基准的图 15A 的 0.39[GPa]， 图 15C 的情况下为大致相同的 0.40[GPa]， 断裂的危险性 小， 为没有问题的值。但是在图 15B 的情况下， 增加到 0.59[GPa]， 由于最大内部应力超过 0.5[GPa]， 有断裂的危险性。
由此结果， 可知图 15C 的致动器的情况下， 倾角灵敏度最高， 且最大内部应力为没 有问题的值。由此， 如图 15C 所示的以在互相连接的驱动梁 70 和可动框 60 的驱动源 20b 上施加的电压为反极性的方式， 在驱动梁 70 及可动框 60 双方上设置驱动源 20b 的配置结 构为效率最好， 断裂危险性也最小的结构。
通过这样， 通过设置为如图 15C 所示的电极配置， 从而能够不改变外形尺寸而提 高倾角灵敏度。另外， 例如若考虑图 16 的例子， 通过使倾角灵敏度上升到 1.8 倍， 能够设施 加电压为 1/1.8。由此， 对于使反射镜 31 倾斜 ±12[deg] 需要的驱动电压， 相对于在图 15A 的结构的情况下为 0 ～ 22.5[V]， 在图 15C 的结构的情况下能够设为 0 ～ 12.5[V]， 能够大 大地减低所需的驱动电压。这时， 由于耗电量与施加电压的平方成比例， 因此图 15C 的情况 2 下的耗电量与图 15A 的结构比较， 能够减低到 (1/1.8) ×100 ＝ 30[％ ]。
在此需要说明的是， 对于将连接的驱动梁 70 与可动框 60 设为反极性的情况能够 增大倾角灵敏度， 考虑其原因为 ： 由于通过将连接的驱动梁 70 与可动框 60 设为反极性， 从 而翘曲方向互为相反， 因此能够加大产生更大的弯曲振动。
通过这样， 由实施例 1 的致动器， 通过设置将与具有驱动源 20 的驱动梁 70 连接的 可动框 60， 与连接到反射镜 31 的支撑梁 40 相连接的连接部 50， 从而能够在不使内部应力 增加的情况下将弯曲振动转换为扭曲振动， 并且能够驱动反射镜 31 使其倾斜运动。另外， 通过对连接部位 45、 55、 65、 75 形成圆角对角进行圆角化处理， 并在可动框 60 上也设置驱动 源 20b， 并以在驱动梁 70 和可动框 60 上设置的驱动源 20b 的施加电压为相反的方式构成， 从而能够取得更好的倾角灵敏度及内部应力的分散效果。
实施例 2
图 17 是表示本发明的实施例 2 的致动器的共振驱动部 81 的结构的立体图。在图 17 中， 实施例 2 的致动器的共振驱动部 81 具有反射镜 31、 支撑梁 40a、 连接部 50a、 可动框 60、 驱动梁 70 及驱动源 20。由于实施例 2 的致动器除了剖面结构及非共振驱动部等共振 驱动部 81 的构成以外， 其他构成与实施例 1 的致动器相同， 因此对于其他构成省略其说明。 另外， 对于与实施例相同的构成要素付与相同的符号并对其说明省略或简化。
在图 17 中， 实施例 2 的致动器的一对的支撑梁 40a 从两侧支撑反射镜 31， 连接部 50a 将由可动框 61、 62 构成的可动框 60 与支撑梁 40a 连接。可动框 60 的与转动轴 X 正交 方向的两侧上连接有由驱动梁 71、 72 构成的一对驱动梁 70， 在驱动梁 71、 72 上具有由驱动源 25、 26 构成一对驱动源 20 的基本构成， 与实施例 1 的致动器相同。另外， 实施例 2 的致 动器的动作， 由驱动源 20 从驱动梁 70 产生弯曲振动， 在连接部 50a 转换成扭曲振动， 通过 支撑梁 40a 驱动反射镜 31 使其倾斜运动的各点， 也与实施例 1 的致动器相同。
实施例 2 的致动器的在转动轴 X 的方向上成对设置的支撑梁 40a 为在一侧上分成 里头侧与跟前侧的两条， 并且成对设置的构成与实施例 1 的致动器不同。 另外， 实施例 2 中， 随着致动器的支撑梁 40a 在一侧上分别成为两条， 连接部 50a 将各条支撑梁 40a 与近侧的 可动框 61、 62 连接的构成与实施例 1 的致动器不同。
图 18 是表示实施例 2 的致动器的支撑梁 40a、 连接部 50a 及可动框 60 的放大立体 图。在图 18 中， 相对于在实施例 1 的致动器中支撑梁 40 在一侧为一条， 实施例 2 的致动器 中， 支撑梁 40a 的中心部为沿转动轴 X 被打穿的形状。随之支撑梁 40a 的宽度变细， 构成为 比实施例 1 的支撑梁 40 还细的两条支撑梁 41、 42。
另外， 如果将两条支撑梁 40a 看作一条大的支撑梁 40， 则连接部 50a 沿与转动轴 X 正交的方向向两侧展开延伸， 沿转动轴 X 与可动框 60 连接， 呈锚形的形状， 作为连接部 50a 的形状其并无本质变化。但是， 随着支撑梁 40a 由两条支撑梁 41、 42 构成， 构成为对应支撑 梁 41 设有连接部 51， 对应支撑梁 42 设有连接部 52， 对每条支撑梁 41、 42 分别对应设置连 接部 51、 52。
通过这样的构成， 实施例 2 的致动器能够使连接部 50a 的梁结构部分比实施例 1 的致动器变得更长， 并且能够在连接部 51 和连接部 52 上进行不同的动作。由此， 能够更大 提高连接部 50a 的变形自由度， 以及对从可动框 60 传递来的弯曲振动以更高的效率转换为 扭曲振动。
图 19 是表示实施例 2 的致动器的共振驱动部 81 的共振驱动时的变形状态的图。 在图 19 中， 对驱动源 25 和驱动源 26 施加不同极性的电压， 驱动梁 71 向上翘曲， 驱动梁 72 向下翘曲， 向一对可动框 61、 62 付与弯曲振动。对可动框 61、 62 付与的弯曲振动被传递到 连接部 50a， 被转换成扭曲振动传递到支撑梁 40a。这时， 可动框 61 的弯曲振动被传递到连 接部 51， 可动框 62 的弯曲振动被传递到连接部 52 的构成与实施例 1 的致动器不同。来自 连接部 51 的扭曲振动被传递到支撑梁 41， 来自连接部 52 的扭曲振动被传递到支撑梁 42。 不只是右侧的支撑梁 40a， 左侧的支撑梁 40a 也进行同样的动作， 反射镜 31 被驱动而倾斜运 动。
图 20 是表示实施例 2 的致动器的共振驱动部 81 的共振驱动时的变形状态的放大 立体图。在图 20 中， 由从驱动梁 71、 72 传递来的可动框 61、 62 的弯曲振动的弯曲虽被传递 到连接部 50a， 但在连接部 50a 上产生在上侧的连接部 51 与下侧的连接部 52 上的等级差 异。而且， 随着在连接部 50a 上的等级差异， 在支撑梁 40a 上也产生在上侧的支撑梁 41 与 下侧的支撑梁 42 上的等级差异。由此， 由于能够通过加大等级差异使反射镜 31 更大倾斜， 因此能够更直接的驱动反射镜 31 使其倾斜运动。换言之， 通过将支撑梁 40a 设为两条， 从 而能够在支撑梁 41、 42 扭曲产生倾角时， 在支撑梁 41、 42 之间产生等级差异， 并增大倾角。
另外， 在图 20 中， 可动框 60 与反射镜 31 向相同方向倾斜。在实施例 2 的致动器 中， 通过使用反射镜 31 与可动框 60 向相同方向倾斜的共振模式， 从而能够将可动框 60 与 反射镜 31 的位移加在一起， 提高反射镜 31 的倾角灵敏度。另外， 尽管驱动使支撑梁 40a 与 连接部 50a 同时扭曲， 驱动梁 70 与可动框 60 同时弯曲， 但由于相对于倾角量的扭曲量很小， 因此为内部应力小、 很难断裂的结构。
例如， 在本实施例的致动器中， 以 30[kHz] 的频率、 倾角幅度 ±12[deg] 驱动的情 况下， 如果形成圆角， 最大内部应力为 0.5[GPa]。这意味着将在反射镜 31 的倾斜运动时产 生的应力主要分散到了支撑梁 40a、 连接部 50a、 可动框 60 及驱动梁 70 上。具体而言， 本实 施例的致动器能够将反射镜倾角灵敏度设为 0.56[deg/V]、 最大内部应力设为 0.48[GPa]。
在此需要说明的是， 由于实施例 2 的致动器通过改变支撑梁 40a 及连接部 50a 两 者或其中一者的宽度、 厚度、 剖面形状及长度等、 能够改变共振频率， 因此不改变构造也可 对应 30[kHz] 以上更大的高速化。但是， 如果进行支撑梁 40a 和 / 或连接部 50a 的形状改 变， 随之可动框 60 及驱动梁 70 的尺寸可能会被改变。
接着， 使用图 21A- 图 21C 及图 22， 对实施例 2 的致动器的共振驱动部 81 的电极配 置的例子进行说明。
图 21A- 图 21C 是表示实施例 2 的致动器的共振驱动部 81 的电极配置的例子的图。 图 21A 是表示只在图 17- 图 20 所示的驱动梁 70 中设置驱动源 20 的共振驱动部 81 的立体 图。图 21B 是表示在驱动梁 70 及可动框 60 中设置同极性的驱动源 20a 的共振驱动部 81 的立体图。图 21C 是表示在驱动梁 70 及可动框 60 中设置异极性的驱动源 20a 的共振驱动 部 81 的立体图。 由于图 21A 中的结构与图 17- 图 20 所示的结构相同， 因此对相同的构成要素付与 相同的符号并省略其说明。
图 15B 是不只在驱动梁 70 上， 在可动框 60 中也具有驱动源 27、 28， 此点与图 21A 不相同。 另外， 驱动源 27、 28 的施加电压的极性被构成为， 对与驱动梁 71 连接的可动框 61， 施加与驱动梁 71 相同的极性的电压， 对与驱动梁 72 连接的可动框 62， 施加与驱动梁 72 相 同的极性的电压。换言之， 对驱动源 25 和驱动源 27 施加相同极性的电压， 对驱动源 26 和 驱动源 28 施加相同极性的电压。而且， 对驱动源 25、 27 施加的电压与对驱动源 26、 28 施加 的电压为反极性。这是与实施例 1 中的图 15B 相同的电压施加方法。
图 21C 的不只在驱动梁 70 上， 在可动框 60 中也设有驱动源 27、 28， 此点与图 21B 相同。但是， 图 21C 的， 向与驱动梁 71 连接的可动框 61 的驱动源 28 施加电压的极性与向 驱动梁 71 的驱动源 25 的施加电压极性相反， 向与驱动梁 72 连接的可动框 62 的驱动源 27 施加电压的极性与向驱动梁 72 的驱动源 26 的施加电压极性相反的结构， 与图 21B 的电极 配置不相同。这是与实施例 1 中的图 15C 相同的电压施加方法。
图 22 是表示图 21A、 图 21B、 图 21C 的各个电极配置中的相对于施加电压的倾角灵 敏度及最大内部应力的图。
在图 22 中， 倾角灵敏度最大的是具有图 21B 的结构的共振驱动部 81a 的致动器。 另外， 关于最大内部应力， 图 21A 的结构的共振驱动部 81 与图 21B 的结构的共振驱动部 81a 同为最小值。换言之， 在实施例 2 的致动器中， 对与驱动梁 70 连接的可动框 60 施加同极性 的电压进行共振驱动的图 21B 所示的电极配置为最佳。这是与实施例 1 的致动器不同的结 构。换言之， 在实施例 1 中， 对连接的驱动梁 70 和可动框 60 的驱动源 20b 施加异极性的电 压进行共振驱动时为最佳的电极配置， 但在实施例 2 中， 对连接的驱动梁 70 和可动框 60 的 驱动源 20a 施加同极性的电压进行共振驱动时为最佳结构。
图 23A 及图 23B 是用于对实施例 1 的致动器的最佳电极配置与实施例 2 的致动器
的最佳电极配置不同的理由进行说明的图。图 23A 是表示实施例 1 的致动器的共振驱动时 的变形状态的侧面图， 图 23B 是表示实施例 2 的致动器的共振驱动时的变形状态的侧面图。
如图 23A 所示， 在实施例 1 的致动器中， 可动框 60 越在与驱动梁 70 向反的方向上 下位移， 中心梁 40 及连接部 50 越倾斜， 反射镜 31 的转动角度变得越大。换言之， 可动框 61 及驱动梁 71 的翘曲状态和可动框 62 及驱动梁 72 的翘曲状态越大， 中心梁 40 及连接部 50 越倾斜， 反射镜 31 的倾角变得越大。
另一方面， 如图 23B 所示， 在实施例 2 的致动器中， 可动框 60 及驱动梁 70 像一个 弹簧一样位移， 中心梁 40 越上下位移， 反射镜 31 的转动角度变得越大。换言之， 可动框 61 及驱动梁 71 上升位移与可动框 62 及驱动梁 72 的下降位移的差越大， 支撑梁 41 与支撑梁 42 越向纵向打开等级差异变得越大， 反射镜 31 的倾角变得越大。
通过这样， 可知由于支撑梁 40、 40a 为一条或两条， 即便是相同频率、 相同共振模 式， 倾斜机械装置也完全不同。
在此， 在实施例 2 中， 尽管对形成圆角对角进行圆角化加工处理未做特别说明， 但 在实施例 2 中也可使用。另外， 对于该细节的结构也可将实施例 1 与实施例 2 组合。
实施例 3 图 24A 及图 24B 是表示是实施例 3 的致动器的全体结构的立体图。图 24A 是表示 实施例 3 的致动器的表面侧的结构的立体图， 图 24B 是表示实施例 3 的致动器的里面侧的 结构的立体图。
在图 24A 中， 实施例 3 的致动器具有可动部 100 及固定框 110。固定框 110 是在驱 动中也处于固定状态的外侧的框， 可动部 100 由固定框 110 连接支撑。另外， 可动部 100 具 有驱动对象物 30、 一对支撑梁 40b、 一对连接部 50b 及一对驱动梁 73。连接部 50b 具有与驱 动梁 73 连接的驱动梁侧连接部 53、 及将驱动梁侧连接部 53 与支撑梁 40b 连接的支撑梁侧 连接部 54。实施例 3 的致动器的表面侧全部由 Si 活性层 13 构成。
在实施例 3 的致动器中， 在驱动对象物 30 上连接有沿转动轴方向延伸的支撑梁 40 的结构， 与实施例 1 的致动器相同。但是， 实施例 3 的致动器未设有可动框 60 的结构与实 施例 1 及实施例 2 的致动器不同。
在实施例 3 的致动器中， 连接部 50b 的支撑梁侧连接部 54 被构成为沿与转动轴 X 正交的方向长长地延伸， 与驱动对象物 30 的宽度大约相同或比其还长。而且， 驱动梁侧连 接部 53 以沿从支撑梁侧连接部 54 垂直与转动轴 X 平行回到驱动梁 73 侧的方式延伸， 与驱 动梁 73 直接连接。由此， 连接部 50b 被构成为包括代替可动框 60 的与驱动梁 73 直接连接 的驱动梁侧连接部 53、 及将驱动梁侧连接部 53 与支撑梁 40b 连接的支撑梁侧连接部 54。 在 此， 支撑梁侧连接部 54 与驱动梁侧连接部 53 的连接位置可被构成为在与转动轴 X 垂直的 方向上， 与驱动对象物 30 的端部相同或比其还在外侧。由此， 能够充分确保沿与转动轴 X 平行向驱动对象物 30 侧延伸的驱动梁侧连接部 53 的长度足够长， 并能够充分进行应力的 吸收减低。
通过这样， 可作为加大沿与转动轴 X 垂直延伸的支撑梁侧连接部 54 的长度， 用驱 动梁侧连接部 53 将支撑梁侧连接部 54 与驱动梁 73 连接， 省去可动框 60 的结构。这时， 使 在驱动梁 73 产生的倾斜运动力被直接传递到连接部 50b 的驱动梁侧连接部 53。由于驱动 梁侧连接部 53 能够将驱动梁 73 的倾斜运动力传递到支撑梁侧连接部 54， 并能成为减低应
力的梁结构， 因此能够适当地进行应力分散。另外， 通过省去可动框 60， 能够构成更小型且 省空间的致动器。
另外， 比起实施例 1 及实施例 2 的致动器的驱动源 20， 驱动梁 73 加大了与转动轴 X 平行的宽度， 并加大了作为驱动源 20 的压电元件 21 的成膜面积。换言之， 尽管是小型的 致动器， 但仍能够作为具有充分的倾角灵敏度的致动器。 在此需要说明的是， 施加使驱动梁 73 在转动轴 X 的两侧向不同的方向位移的电压的结构， 与实施例 1 及实施例 2 的致动器相 同。
再者， 作为实施例 3 的致动器， 示出了围绕转动轴 X 进行倾斜运动的一轴型的致动 器。这样， 实施例 3 的致动器能够构成为一轴型致动器。另一方面， 如图 3 至图 6 中所说明 的， 在固定框 110 的区域也可组合与转动轴不同轴旋转而驱动进行倾斜运动的致动器从而 作为两轴型的致动器。实施例 3 的致动器能够适用于一轴型的致动器， 也能适用于两轴型 的致动器。
在图 24B 中， 表示出实施例 3 的致动器的里面结构， 如图 24A 所示的可动部 100 全 部作为梁 15 薄薄地构成， 固定框 110 由厚度厚的硅基板 11 构成。
图 25A- 图 25C 是用于对实施例 3 的致动器的提高倾角灵敏度和降低最大应力的 参数设定进行说明的图。图 25A 是表示实施例 3 的致动器的可动部 100 的平面结构的图。 在图 25A 中， 表示出与转动轴 X 垂直且通过驱动对象物 30 的中心的转动轴 Y。
在图 25A 中， 将支撑梁 40b 的宽度设定为 A、 将驱动梁侧连接部 53 的宽度设定为支 撑梁 40b 的宽度 A 的 1/2 的 A/2。另外， 将支撑梁侧连接部 54 的长度设定为 B、 将从支撑梁 40b 及驱动梁侧连接部 53 的外侧的端部到转动轴 Y 的距离设定为 C。而且， 通过将从支撑 梁 40b 及驱动梁侧连接部 53 的外侧的端部到转动轴 Y 的距离 C 设为可变， 从而设定共振频 率在一定的 30kHz。 在此需要说明的是， 驱动梁侧连接部 53 在 4 个部位存在， 全部设定为共 同的值。另外， 将连接部位 45a 的圆角半径设定为 R1 ＝ 0.15mm， 将连接部位 55a 的圆角半 径设定为 R2 ＝ B/2。接着， 将支撑梁 40b 的宽度 A 及支撑梁侧连接部 54 的长度 B 作为参数 变化， 研究倾角灵敏度及最大应力的最佳值。
图 25B 是表示使驱动对象物 30 以 ±12deg 的倾角倾斜运动时的， 相对于支撑梁 40b 的宽度 A 及支撑梁侧连接部 54 的长度 B 的变化的倾角灵敏度 [deg/V] 的变化特性的 图。在图 25B 中表示出， 在 A ＝ 0.12mm 时倾角灵敏度最高， 另外在 0.4mm ＜ B ＜ 0.6mm 的 B ＝ 0.5mm 附近的值上倾角灵敏度为最大。
图 25C 是表示相对于支撑梁 40b 的宽度 A 及支撑梁侧连接部 54 的长度 B 的变化 的最大主应力的变化特性的图。最大主应力如果为 0.5GPa 以下， 则作为致动器的耐性为没 有问题的值。在图 25C 中， 在 A ＞ 0.1mm 时， 最大应力为 0.5GPa 以下。另外， 作为表示出的 特性， 当 A ＝ 0.14mm 或 A ＝ 0.12mm 时， 0.4mm ＜ B ＜ 0.6mm 的 B ＝ 0.5mm 附近的最大主应 力为最小。
因此， 作为倾角灵敏度高、 最大应力小的形状， 比较小型的致动器， 例如可采用 A ＝ 0.12mm、 B ＝ 0.5mm、 C ＝ 1.4mm、 R1 ＝ 0.15mm、 R2 ＝ 0.25mm 的形状。这时， 能够使电压 为 0-5.3V、 最大应力为 0.38GPa 从而使致动器以倾角灵敏度为 4.50deg/V、 ±12deg 的倾角 倾斜振动， 并能够减小最大应力， 倾角灵敏度为非常优秀的特性。
实施例 4图 26A 及图 26B 是表示实施例 4 的致动器的全体构成的立体图。图 26A 是表示实 施例 4 的致动器的表面侧的结构的立体图。图 26B 是表示实施例 4 的致动器的里面侧的结 构的立体图。
在图 26A 中， 实施例 4 的致动器具有可动部 101 及固定框 111。固定框 111 是在 驱动中也处于固定状态的外侧的框， 可动部 101 由固定框 111 连接支撑的结构与实施例 3 的致动器相同。另外， 可动部 101 具有驱动对象物 30、 一对支撑梁 40c 及一对连接部 50c， 连接部 50c 包括驱动梁侧连接部 53 及支撑梁侧连接部 54 的结构也与实施例 3 的致动器相 同。
实施例 4 的致动器的支撑梁 40c 沿转动轴分开， 成为两条的结构与实施例 3 的致 动器不同。该支撑梁 40c 的结构与实施例 2 的致动器的支撑梁 40a 为类似结构。随之， 连 接部 50c 也沿转动轴 X 分开， 包括两条连接部 50c。两条连接部 50c 分别沿相对转动轴 X 垂 直向着外侧延长， 成为分别与支撑梁 40c 一起形成 U 字形的形状。由此结构， 支撑梁 40c 及 连接部 50c 能够在转动轴 X 的两侧进行独立的运动。由此， 实施例 4 的致动器与实施例 2 的致动器同样通过加大两条支撑梁 40c 的高低差进行驱动， 从而成为能够取得大的倾角的 结构。
在此需要说明的是， 连接部 50c 的沿与转动轴 X 垂直的方向延伸的支撑梁侧连接 部 54 的长度为与驱动对象物 30 的宽度大于相同或在其以上， 且不需要可动框 60 的结构， 与实施例 3 的致动器相同。由此， 不需要可动框 60 便能够构成小型且省空间的致动器。
另外， 连接部 50c 与实施例 3 的致动器同样， 由于具有驱动梁侧连接部 53 及支撑 梁侧连接部 54 的同时， 还具有具有弹力的梁结构， 因此能够吸收而减低被施加的应力， 稳 定地使驱动对象物 30 倾斜运动。
另外， 能够加大成膜有驱动源 20 的驱动梁 73 的面积， 并实现充分的倾角灵敏度和 高速驱动， 该点与实施例 3 的致动器相同。
在图 26B 中， 表示出从实施例 4 的致动器的里面侧的立体图， 外侧的固定框 111 由 厚度厚的硅基板 11 构成， 可动部 101 作为梁 15 由薄的弹性体构成， 该点与实施例 3 的致动 器相同。
图 27A- 图 27C 是用于说明进行实施例 4 的致动器的可动部 101 的形状的最佳设 计的方法的图。图 27A 是表示实施例 4 的致动器的平面结构的图。如图 27A 所示， 实施例 4 的致动器的支撑梁 40c 沿转动轴 X 分开， 具有两条支撑梁 41a、 42a。另外， 随之， 连接部 50c 也以转动轴 X 为界线分开成两个， 具有两个连接部 51a、 52a。 在支撑梁 41a 上连接有连接部 51a， 在支撑梁 42a 上连接有连接部 52a。连接部 51a、 52a 的支撑梁侧连接部 54 为， 在与转 动轴 X 垂直的方向上共同在向着远离转动轴 X 延长， 并在驱动源侧连接部 53 再次沿着转动 轴 X 回到中心的形状。
在此， 在图 27A 中， 如下设定各个参数。将支撑梁 40c 的每一条 41a、 42a 的宽度设 定为 0.06mm， 同样将连接部 50c 的驱动梁侧连接部 53 的宽度设定为 0.06mm。另外， 通过改 变弹性支撑驱动对象物 30 的支撑梁 40c、 驱动梁侧连接部 53 的宽度， 从而能够大幅改变共 振频率。在本实施例中， 将支撑梁 40c 及驱动梁侧连接部 53 的宽度设为一定， 变动其他的 参数。
另外， 将两条支撑梁 41a、 42a 之间的距离设为 A， 将支撑梁侧连接部 54 的长度设为B。再者， 将从驱动梁侧连接部 53 的外侧端部包括驱动梁 73 的部分的到转动轴 Y 的距离设 为 C。这时， 通过将 C 设为可变， 从而能够将共振频率调整为一定的 30kHz。换言之， 能够对 共振频率进行微调整。
另外， 将驱动对象物 30 与支撑梁 40c 之间的连接部位 46 的圆角半径设为 R1 ＝ A/2， 将支撑梁 40c 与连接部 55b 之间的连接部位 55b 的圆角半径设为 R2 ＝ B/2。
图 27B 是表示在图 27A 的条件下， 当使驱动对象物 30±12deg 倾斜运动的情况下， 将两条支撑梁 41a、 42a 间的距离 A、 和支撑梁 40c 与驱动梁侧连接部 53 之间的距离 ( 支撑 梁侧连接部 54 的长度 )B 作为参数时的， 最大应力的变化特性的图。在图 27B 中， 横轴表示 支撑梁侧连接部 54 的长度 B[mm]， 纵轴表示最大应力 [GPa]。
在图 27B 中， 表示出 A 的值越小， 最大应力越小。另外， 如果将应力 σ 为最小的支 撑梁 40c 与驱动梁侧连接部 53 之间的距离 B 设为 Bmin， 则 Bmin 满足以下式 (1) 的条件。
Bmin ＝ -0.2×A+0.28 (1)
上述式 (1) 式是总结各个特性曲线的最小值而得到得关系式。
图 28A- 图 28C 是用于说明支撑梁侧连接部 54 的长度 B 持有最小值的理由的图。 由式 (1)， 在 A ＝ 0.3mm 的曲线中的最小值为 Bmin ＝ (-0.2)×0.3+0.28 ＝ 0.22 ≈ 0.2。在 图 28A- 图 28C 中表示， 当 A ＝ 0.3mm 时， 使 B 的值变化的应力分布图。
图 28A 是表示 B ＝ 0.1mm 时的致动器的应力分布的图。图 28A 表示 B ＜ Bmin ＝ 0.2mm 时的应力分布， 此时如图 28A 的箭头 Sc 所示应力集中在驱动梁侧连接部 53。
图 28B 是表示 B ＝ 0.3mm 时的致动器的应力分布的图。图 28B 表示 B ＞ Bmin ＝ 0.2mm 时的应力分布， 此时如图 28b 的箭头 Sc 所示应力集中在支撑梁 40c。
图 28C 是表示 B ＝ 0.2mm 时的致动器的应力分布的图。图 28C 表示 B ＝ Bmin ＝ 0.2mm 时的应力分布， 此时如图 28C 的箭头 Sc 所示应力集中在支撑梁 40c 与驱动梁侧连接 部 53 的中间附近的连接部 50c 的位置。
在图 27A 所示的结构中， 支撑梁 40c 及驱动梁侧连接部 53 的宽度为 0.06mm， 比将 其连接的支撑梁侧连接部 50c 的宽度还窄， 为包括扭曲部。由此， 如果缩短支撑梁侧连接部 54 的长度， 则应力集中于驱动梁侧连接部 53 的扭曲部， 如果加长支撑梁侧连接部 54 的长 度， 则应力集中于支撑梁 40c 的扭曲部， 通过将支撑梁侧连接部 54 的长度设为中间长度， 从 而能够使应力集中部移动到支撑梁侧连接部 54。通过使应力集中部移动到宽度宽、 并且不 包括大的扭曲部的支撑梁侧连接部 54， 从而能够减低使驱动对象物 30 进行 ±12deg 倾斜运 动时的应力， 使其具有最小值。
回到图 27B。在图 27B 的变化特性中， 表示应力在极限值的 0.5GPa 以下的是， A＝ 0.1mm、 A ＝ 0.03mm 及 A ＝ 0.005mm 的曲线的一部分范围。换言之， 在图 27B 表示的特性曲 线中， 是 A ＜ 0.2mm、 且 B 在预定范围内的区域时。另一方面， 在 A ≥ 0.2mm 的特性曲线中， 不论 B 的值为何值， 表示出最大应力为 0.5GPa。
在此， 在 A ＜ 0.2mm 的特性曲线中， 应力为极限值的 0.5GPa 与 B 的值为最小的关 系式如下述式 (2) 所示。
B ＝ 0.4×A+0.16 (2)
另外， 各特性曲线的， 应力为 0.5GPa 与 B 的值为最大的关系式如下述式 (3) 所示。
B ＝ -0.9×A+0.4 (3)由此， 表示应力为极限值的 0.5GPa 以下的距离 B， 不只是满足上述的式 (1) 的 Bmin， 还要满足下述式 (4) 的条件。
0.4×A+0.16 ≤ B ≤＝ -0.9×A+0.4 (4)
图 27C 是表示满足上述 (1) ～ (4) 的关系式的区域的图。 在图 27C 中， 横轴表示支 撑梁 41a、 42a 之间的距离 A[mm]， 纵轴表示支撑梁侧连接部 54 的长度 B[mm]。在图 27C 中， 式 (4) 满足的范围由斜线表示， 在区域的界线式 (2) 与式 (3) 之间， 表示出式 (1)。从减低 应力的观点来看， 满足式 (1) 的 A、 B 的组合为最佳， 但只要进入式 (4) 的范围， 可说在设计 上就基本没有问题。由此可知， 可在满足式 (4) 的斜线的范围内设定支撑梁 41a、 42a 之间 的距离 A 及支撑梁侧连接部 54 的长度 B。
图 29 是表示以支撑梁 41a、 42a 之间的距离 A 及支撑梁侧连接部 54 的长度 B 为参 数时的的倾角灵敏度的特性的图。在图 29 中， 横轴表示支撑梁侧连接部 54 的长度 B[mm]， 纵轴表示倾角敏感度 [deg/V]。
在图 29 中表示出， A、 B 的值同时越大， 则倾角灵敏度变得越大。因此， 在图 27C 中 算出的最大应力在 0.5GPa 以下的范围中， 倾角灵敏度为最大的 A、 B 的值为最佳的参数设 定。
如果以此范围考虑， 则 A ＝ 0.03mm、 B ＝ 0.35mm 为最佳的值。这时， 其他的值为支 撑梁 41a、 42a 各自与驱动梁侧连接部 54 共同为 0.06mm、 C ＝ 1.2mm、 R1 ＝ 0.015mm、 R2 ＝ 0.175mm。 这时的特性为， 倾角灵敏度为 3.58deg/V， 用于以 ±12deg 的倾角进行倾斜运动的 电压为 0-6.5V， 最大应力为 0.49GPa。
实施例 4 的致动器与实施例 3 的致动器相比， 其倾角灵敏度低、 最大应力为大的数 值， 但实施例 4 的致动器能够形成比实施例 3 的致动器还小型的致动器。由此， 当需要适用 倾角灵敏度更高的致动器时， 可使用实施例 3 的致动器， 当需要使用更小型的致动器时， 可 使用实施例 4 的致动器。通过这样， 能够按照用途分别使用实施例 3 的致动器和实施例 4 的致动器。
在此需要说明的是， 实施例 3 及实施例 4 的驱动对象物， 如实施例 1 及实施例 2 中 说明的， 可以是例如反射镜 31。另外， 在实施例 3 及实施例 4 中， 尽管是以一轴的致动器的 结构为例子进行说明， 但如图 3 至图 6 中所说明的， 也可是两轴的致动器结构。
实施例 5
图 30 是表示实施例 5 的投影仪 200 的全体结构的图。在实施例 5 中， 对于将实施 例 1-4 的致动器用于例如投影仪 200 的光扫描装置中的例子进行说明。
在图 30 中， 实施例 5 的投影仪 200 具有第 1 压电反射镜 120、 第 2 压电反射镜 121、 激光二极管 130、 准直透镜 140、 CPU(Central Processing Unit ： 中央处理装置 )150、 激光 二极管驱动器 IC(Integrated Circuit ： 集成电路 )160、 第 1 压电反射镜驱动器 IC170、 及 第 2 压电反射镜驱动器 IC171。另外， 在图 30 中， 作为关联构成要素表示出屏幕 210。
投影仪 200 是在屏幕 210 上将影像投影显示的装置。第 1 压电反射镜 120 作为驱 动反射镜 31 使其围绕转动轴 X 倾斜运动的一轴驱动的致动器被构成， 用于投影仪 200。同 样， 第 2 压电反射镜 121 作为驱动反射镜 31 使其围绕转动轴 Y 倾斜运动的一轴驱动的致动 器被构成， 用于投影仪 200。
激光二极管 130 是发射激光的光源。从激光二极管 130 发射的激光可为发散光。准直透镜 140 是将发散光转换为平行光的单元。在平行光中例如可包括在光的入 射面内振动的 P 偏光、 及垂直于光的入射面振动的 S 偏光。
来自准直透镜 140 的平行光照射第 1 压电反射镜 120， 由反射镜 31 被反射。第 1 压电反射镜 120 驱动反射镜 31 使其围绕转动轴 X 倾斜运动， 给予像反射的激光垂直于转动 轴 X 振动一样的运动。第 1 压电反射镜 120 可使用实施例 1 ～ 4 中说明的全部的致动器。 由第 1 压电反射镜 120 的反射光照射到第 2 压电反射镜 121 上。
第 2 压电反射镜 121 驱动反射镜 31 使其围绕转动轴 Y 倾斜运动， 反射来自第 1 压 电反射镜 120 的激光。由此， 给予反射光垂直于转动轴 Y 振动的运动。第 2 压电反射镜 121 与第 1 压电反射镜 120 同样， 可使用实施例 1 ～ 4 中说明的全部的致动器。
由第 2 压电反射镜 121 反射的激光照射到屏幕 210 上。屏幕 210 上的激光通过组 合一轴的第 1 压电反射镜 120 及第 2 压电反射镜 121， 从而能够在垂直方向进行两轴的扫 描， 形成影像。
CPU 是控制激光二极管驱动器 IC160、 第 1 压电反射镜驱动器 IC170 及第 2 压电反 射镜驱动器 171 的单元。激光二极管驱动器 IC160 是驱动激光二极管 130 的单元。第 1 压 电反射镜驱动器 IC170 是驱动第 1 压电反射镜 120 的单元， 第 2 压电反射镜驱动器 IC171 是驱动第 2 压电反射镜 121 的单元。
CPU150 控制激光驱动器 IC160， 驱动激光二极管 130。另外， CPU150 控制第 1 压电 反射镜驱动器 IC170， 控制第 1 压电反射镜 120 的围绕转动轴 X 的倾斜运动动作， 并控制第 2 压电反射镜驱动器 IC171， 控制第 2 压电反射镜 121 的围绕转动轴 Y 的倾斜运动动作。通 过第 1 压电反射镜 120 及第 2 压电反射镜 121 的倾斜运动动作， 给予激光围绕转动轴 X、 Y 双方的运动， 使由第 2 压电反射镜 121 的反射镜 31 反射的光在屏幕 210 上进行扫描， 在屏 幕 210 上形成影像。
通过这样， 本实施例的致动器能够很好的用作投影仪 200 用的压电反射镜 120、 121， 能够以应力负担少的稳定状态来驱动反射镜 31 而显示出影像。
在此需要说明的是， 在实施例 5 中， 尽管是举进行第 1 压电反射镜 120 围绕转动轴 X 倾斜运动驱动， 再进行第 2 压电反射镜 121 围绕转动轴 Y 倾斜运动驱动， 但也可交换两者 的顺序。另外使第 1 压电反射镜 120 进行倾斜运动驱动的第 1 转动轴、 与使第 2 压电反射 镜 121 进行倾斜运动驱动的第 2 转动轴的两者的方向也可不同， 还可根据用途进行各种各 样方向的转动轴的组合。
以上对本发明的具体实施例进行了说明， 但是， 本发明并不限定于上述具体实施 例， 只要不脱离权利要求书的范围， 亦可采用其他变化形式代替， 但那些变化形式仍属于本 发明所涉及的范围。
本国际申请以 2009 年 5 月 11 日申请的日本专利申请 2009-114317 号、 及 2009 年 9 月 4 日申请的日本专利申请 2009-205316 号作为主张优先权的基础， 本国际申请援引该日 本专利申请 2009-114317 号及 2009-205316 号的全部内容。