反射镜驱动设备、驱动该反射镜驱动设备的方法和制造该反射镜驱动设备的方法

专利名称：反射镜驱动设备、驱动该反射镜驱动设备的方法和制造该反射镜驱动设备的方法
技术领域：
本发明涉及一种反射镜驱动设备，具体地，涉及一种适用于光扫描中使用的光学 偏转器的微反射镜装置的结构、一种驱动这种微反射镜装置的方法以及用于制造所述微反 射镜装置的技术。
背景技术：
与为传统光扫描模块的多角镜相比，使用娃(Si)微细加工技术制造的微扫描器 (在下文中称作“MEMS(微机电系统)扫描器”)的特征在于其紧凑的尺寸和减小的功率消 耗。因此，期望MEMS扫描器具有从激光投影机到诸如光学相干断层扫描装置(OCT)等的光 学诊断扫描器的宽范围的应用。
存在驱动MEMS扫描器的各种方法，但是这些方法中的利用压电体的变形的压电 驱动方法被期望作为用于以紧凑的系统获得大扫描角度的方法，这是因为该方法具有大扭 矩但涉及简单的装置结构和简单的驱动电路。普通的压电微镜(压电MEMS扫描器)的结 构如下所述。
<扭杆的结构>
普通的压电MEMS扫描器通常采用下述结构，在该结构中，与旋转轴线对准的 扭杆连接到反射镜且扭杆通过多个压电悬臂扭转(参见日本专利申请公开出版物第 2008-257226号、第2009-169089号和第2005-177876号)。图14显示日本专利申请公开 出版物第2008-257226号的“图7”中描绘的结构。图14中的附图标记01为反射镜部分， 02a和02b为扭杆，03a至03d为压电悬臂。
图15显示沿轴向方向观察的图14中的扭杆的示意性横截面图。这里，显示了由 附图标记02b标记的扭杆,但是相同的结构适用于另一个扭杆02a。如图15所不,在该结构 中，设置在扭杆02b的两侧的两个压电悬臂03b，03d被驱动而分别沿相反的向上/向下方 向移动并使扭杆02b扭转。
扭杆驱动方法具有的问题在于不是所有由压电悬臂产生的力都用于使反射镜旋 转，因此力的使用效率较差。换句话说，用于扭转绕着特定旋转轴线扭转的扭杆的纯扭矩由 绕着扭转轴线的力偶(A方向上的矢量分量)产生。然而，在由诸如图15中所示的压电悬臂 03b，03d产生的扭转运动中，随着悬臂的位移量增加，力的作用方向远离绕着扭转轴线的力 偶移动。
使扭杆02b扭转所需的力偶分量为图15中的A指示的矢量方向。方向A上的该力 偶分量作为悬臂力的A方向分量(图15中C指示的矢量)而获得。悬臂力(C方向矢量) 为杆件的前端部弯曲的方向，换句话说为垂直于所述前端部的表面的方向，因此悬臂的位 移越大，则有助于扭杆扭转的力偶分量(A方向分量)越小，并且与扭转无关的其余力分量 (图15中由B指示的拉方向上的分量)越大。因此，具有的问题在于即使在压电悬臂中获 得大的弯曲位移，该位移也不能在扭杆的扭转量中被有效反映，换句话说不能在反射镜部分的倾斜量中被有效反映。
如之前所述，在扭杆结构中，当扭杆通过压电悬臂扭转时，产生沿垂直于旋转轴线的方向拉动的力(B方向矢量分量)，并且该力产生动态能量损失并导致旋转角度减小。由于该能量损失变得越大，旋转角度越高，因而极难以通过基于扭杆的结构获得大的旋转角度。
〈弯曲铰接结构〉
具有诸如图16中所示的结构的MEMS扫描装置410被认为是扭杆结构的上述问题的解决方案。该结构为其中压电悬臂414通过薄板连结部416连接到矩形反射镜部分412 的端部412A的结构。压电悬臂414的基端414B被固定到形成固定支撑构件的固定部430。 通过使反射镜部分412的端部412A由压电悬臂414的向上和向下驱动上下振荡，由于惯性力在反射镜部分412中引起倾斜运动。这种结构被称作“弯曲铰接结构”。
弯曲铰接结构通过反射镜部分412的端部412A的振荡在倾斜(旋转)方向上引起谐振，并且通过该谐振振荡使反射镜倾斜。通过在反射镜部分412与压电悬臂414之间设置螺旋形连结部(弯曲成曲折形状的铰接部)416进一步增加反射镜部分412的倾斜角位移。然而，螺旋形(曲折)连结部416不是必不可少的元件，并且还可以采用其中压电悬臂直接连接到反射镜部分412的端部的结构。
图17显示基于弯曲铰接结构的运动的示意图。在图17中，为了简化说明，显示其中压电悬臂414直接连接·到反射镜部分412的端部的结构。在图17中，压电悬臂414的加速方向(施加力的方向)为箭头D指示的向下方向，并且施加到反射镜部分412的惯性力作用的方向为相反的方向(箭头E的方向)。换句话说，该惯性力与反射镜部分412倾斜的方向完全一致，并且没有产生多余的力分量。因此，由压电悬臂414产生的力有效地用作用于倾斜反射镜部分412的力。
在该铰接弯曲结构中，当压电悬臂414被以反射镜的旋转运动的谐振频率驱动时，如图18所示，铰接部(连结部416)通过悬臂的移动而弯曲，并且反射镜部分412的旋转运动谐振是由于反射镜部分412中的惯性扭矩的产生而引起。
如图17中所示，压电悬臂414的位移方向始终与反射镜部分412的旋转方向基本上一致，并且所有力都用于旋转反射镜。因此，该力的使用效率显然比扭杆结构好，并且即使旋转角度大，由于很少有能量损失，所以也能够获得大位移。此外，如果诸如图16中所示的曲折连结部416被用在反射镜部分412与压电悬臂414之间的连结部中，则呈曲折形状的多个弯曲铰接部逐渐弯曲，从而累加位移，并因此获得的优点为即使具有高旋转角度也很少有应力被施加到每一个单独的铰接部且连结部不容易断开。
<曲折压电悬臂结构>
在2007 年第 20 届 International Conference (2007)的 1 MicroElectro Mechanical Systems 中第 699-702 页中 Μ· Tan1、Μ. Akamatsu、Y. Yasuda、H. Toshiyoshi 在“A two -axis piezoelectric titling micro mirror with a newly developed PZT-meandering actuator”提出的结构为接近上述弯曲铰接结构的结构。然而,该结构没有采用谐振驱动，而是悬臂本身形成为以多层折叠的曲折形状并被设置在反射镜的两侧。 在该方法中，通过采用用于压电悬臂的折叠结构并驱动悬臂以引起沿相反方向的交替弯曲来增加位移，由此即使没有使用谐振也可以使反射镜大程度倾斜。发明内容
如先前所规定，弯曲铰接结构或曲折压电悬臂结构与扭杆结构相比更有效地传 递力，并因此具有可以获得较大位移的优点。然而，这些结构具有的缺陷在于在垂直于反射 镜的反射面的方向上容易发生平移运动，如图19所示。更具体地，所述缺点可以从以下两 点来概括。
(I)出于结构原因，在垂直于镜面的方向上的平移运动的弹簧常数小且谐振频率 低，因此容易由环境振动激励平移运动的谐振。
(2)出于结构原因，反射镜的旋转运动和平移运动的谐振频率彼此非常接近，因此 如果旋转运动由谐振驱动，则由于该驱动振荡在平移运动的方向上也会出现谐振。
如果弯曲铰链被制造成具有柔性或者压电悬臂的折叠数量增加以增加旋转角度， 则这些问题变得更显著。当反射镜在驱动期间在垂直方向上进行平移运动时，则这会产生 扫描的光程长度的变化、焦点的偏移、光点的位置偏移等，由此这是实际使用的关键问题。
此外，弯曲铰接结构或曲折压电悬臂结构具有的问题在于由于不具有保持反射 镜的旋转轴线的诸如扭杆的结构，由此旋转中心与反射镜的中心不重合。
考虑到这些情况提出本发明，本发明的目的是提供一种反射镜驱动设备、一种驱 动所述反射镜驱动设备的方法和制造所述反射镜驱动设备的方法，由此通过有效地使用压 电致动器的力可以在反射镜的旋转方向上获得大位移，并且基本上能够限制反射镜沿垂直 方向的平移运动。
为了获得上述目的，关于本发明的反射镜驱动设备包括反射镜部分，所述反射镜 部分具有反射光的反射面；一对压电致动器部分，该对压电致动器部分布置在反射镜部分 的两侧；多个连结部，所述多个连结部将压电致动器部分中的每一个的一端分别连接到反 射镜部分的端部，所述反射镜部分的所述端部在沿着反射面且垂直于反射镜部分的旋转轴 线的方向上远离所述旋转轴线；固定部，所述固定部支撑压电致动器部分中的每一个的另 一端；和垂直运动限制结构，所述垂直运动限制结构限制反射镜部分的旋转轴线在垂直于 反射面的方向上的平移运动，且垂直运动限制结构的一端连接到固定部，而所述垂直运动 限制结构的另一端连接到反射镜部分。
根据该本发明，每一个压电致动器部分的一端通过连结部连接到反射镜部分的 端部，并且每一个压电致动器部分的另一端被固定和支撑在固定部上。当压电致动器部分 被驱动时，反射镜部分的所述端部通过连结部振荡，从而将旋转扭矩施加到反射镜部分。通 过该方式使得反射镜部分执行绕着旋转轴线的旋转运动且反射面倾斜。
由于由压电致动器部分的弯曲位移产生的力的方向与反射镜部分旋转的方向基 本上一致，因此可以使用压电致动器部分产生的力有效地用于旋转运动，并且可以获得大 旋转角度(反射镜倾斜角度)。此外，由于反射镜部分通过垂直运动限制结构连接到固定 部，因此反射镜部分沿垂直方向的平移运动受到限制。
本发明的进一步的模式从说明书的说明和附图变得清楚。
根据本发明，有效地使用压电致动器部分的力，并且可以使反射镜部分执行通过 大旋转角度的旋转运动，以及能够大大地限制反射镜部分沿垂直方向的平移运动。


本发明的特性以及本发明的其他目的和优点将在下文中参照附图进行说明，其中 相同的附图标记在附图中表示相同或相似的部分，在附图中
图1是关于第一实施例的MEMS扫描装置的立体图2是从反射镜部分的反射面的侧面看到的图1中的MEMS扫描装置的平面图3是压电致动器部分(悬臂部分)的横截面图4是用于说明谐振驱动的情况下的旋转模式下的运动的立体图5是用于说明平移模式下的运动的立体图6是用于说明关于第二实施例的MEMS扫描装置中的旋转模式的主要立体图7是用于说明关于第二实施例的MEMS扫描装置中的平移模式下的运动的主要 立体图8是显示关于比较示例I的MEMS扫描装置的主要结构的立体图9是根据比较示例I的结构中的旋转模式下的运动的说明图10是根据比较示例I的结构中的平移模式下的运动的说明图11是采集实际示例I和2与比较示例I和2的测量结果的表格；
图12是显示关于第三实施例的MEMS扫描装置的结构的平面图13是显示关于第四实施例的MEMS扫描装置的结构的平面图14是显示传统的扭杆结构的立体图15是显示传统的扭杆结构中的运动的示意性横截面图16是显示关于比较示例2的传统的弯曲铰接结构的立体图17是显示基于弯曲铰接结构的运动的示意图18是根据比较示例2的结构中的旋转模式下的运动的说明图；和
图19是根据比较示例2的结构中的平移模式下的运动的说明图。
具体实施方式
(第一实施例)
图1为关于第一实施例的MEMS扫描装置的立体图，图2为从与反射镜部分相对的 表面观察的平面图(上表面图)。如图1和图2所示，根据本实施例的MEMS扫描装置10包 括反射镜部分12 ;设置在反射镜部分12的两侧的一对压电致动器部分14 ;将每一个压电 致动器部分14的一个端部(14A)连接到反射镜部分12的端部12A的连结部16 ;在与反射 镜部分12的旋转轴线18基本上重合的位置处连接到反射镜部分12的扭杆20 ;扭杆支撑 部22，每一个所述扭杆支撑部支撑扭杆20的一个端部；以及固定部30，所述固定部固定和 支撑压电致动器部分14的基端14B和扭杆支撑部22的基端22B。
为了提高入射光的反射率，Au(金)、A1 (铝)等金属薄膜形成在反射镜部分12的 为光反射面的上表面(附图标记12B)上。对反射镜涂层中使用的材料和膜厚度没有特别 的限制，并且利用通常已知的反射镜材料(高反射率材料)的各种设计都是可能的。
在本实施例中，具有基本上为矩形反射面12B的反射镜部分12作为示例被显示, 并且关于正交的xyz轴线进行说明，即，未驱动时的反射面12B的长边方向作为X方向，垂 直于该方向的短边方向作为I方向，并且垂直于xy平面的方向作为z方向。在实施本发明中，对反射镜部分12的形状没有特别的限制。该形状不局限于图1和图2所示的矩形形状， 而是可以采用各种形状，例如方形形状、多边形形状、圆形形状或椭圆形形状等。
在MEMS扫描装置10中，一对压电致动器部分14被设置成从y方向上的两侧把反 射镜部分12夹在中间，所述反射镜部分的反射面12B在未被驱动时面向z方向。压电致动 器部分14是为压电单晶悬臂结构(参见图3)的致动器，并由于压电体的变形执行弯曲位 移。换句话说，压电致动器部分14的在X方向上的一个端部(基端14B)被固定并支撑在 固定部30上，而相对的端部14A没有固定到固定部30而是为可以通过悬臂结构移动的自 由端部。
每一个压电致动器部分14的自由侧14A连接到被构造成曲折形状的连结部16的 一个端部16A。连结部16的另一个端部16B连接到反射镜部分12的在纵长方向(x轴线方 向)上的一个端部12A。
反射镜部分12的纵向上的与连结部16相连接的端部12A在严格意义上不必位于 最末端的位置处，而是包括在通常作为端部的范围内的部分(最末端的位置及其周边)。连 结部16连接到反射镜部分12的在X轴线方向上远离旋转轴线18的端部的附近，使得通过 移动分别经由连结部16连接到反射镜部分12的压电致动器部分14，旋转扭矩被施加到反 射镜部分12，并且可以获得使反射镜部分12执行绕着旋转轴线18的旋转运动的动作。
连结部16每一个都具有下述结构具有沿反射镜部分12的X轴线方向的纵长方 向的多个扁棒状薄板构件17被布置成以曲折形状向后折叠。图2显示三个薄板构件17以 平行方式布置且薄板构件17的端部以折叠的曲折形状连接在一起的结构，但是也可以采 用不少于一个的适当数量的薄板构件17。
扭杆20在与旋转轴线18重合的位置处连接到反射镜部分12，并且沿着旋转轴线 18的方向从反射镜部分12向外延伸。在此显示了其中扭杆20在与旋转轴线18重合的位 置处连接到反射镜部分12的示例，但是扭杆20的连接位置不用必须与旋转轴线18精确的 重合，并且此外，扭杆20不局限于仅连接在一个位置处，而且还可以连接到多个位置。
例如，如果反射镜部分12的纵长方向的大致中心部(中心的周边区域，而不必为 结构的实际中心点)作为旋转轴线18，则除了扭杆被连接在基本上与旋转轴线18匹配的位 置中的一个位置处且这些扭杆受到支撑的模式之外，还可以在如大致中心部表示的范围内 采用下述结构扭杆连接在相对于旋转轴线18的位置轴向对称的两个或更多个位置处。
扭杆支撑部22具有与固定部30相似的厚度，并且为分别固定和支撑扭杆20的一 个端部的构件。扭杆20和扭杆支撑部22的组合用作限制反射镜部分12的z方向平移运 动的垂直平移运动限制部32 (对应于“垂直运动限制结构”)。如图2所示，当在平面图中 看时，垂直平移运动限制部32被布置在反射镜部分12与曲折连结部16之间。
在MEMS扫描装置10中，各个元件，即，扭杆20、扭杆支撑部22、连结部16和压电 致动器部分14关于反射镜部分12布置成线性对称结构。通过该对称结构，可以将旋转扭 矩有效地施加到被中心定位的反射镜部分12。
虽然在下文中说明了细节，但是反射镜部分12绕着平行于y轴线方向的旋转轴线 18的旋转运动通过驱动一对压电致动器部分14引起，从而使反射面12B倾斜。此外，反射 镜部分12在z方向(垂直方向)上的平移运动受到扭杆20和扭杆支撑部22的限制。
以此方式构成的MEMS扫描装置10可以被制造成为下述结构通过利用半导体制造技术处理硅基板以一体方式构造而成诸如固定部30、反射镜部分12、压电致动器部分 14、连结部16、扭杆20和扭杆支撑部22的各个元件。
压电致动器部分14、曲折连结部16和扭杆20与用作固定支撑构件的固定部30和 扭杆支撑部22相比形成较小厚度(在z方向上)。通过该方法获得其中压电致动器部分 14、曲折连结部16和扭杆20可以容易地变形(以执行弯曲变形或扭转变形)的结构。
图3是显示由压电单晶悬臂结构构成的压电致动器部分14的横截面结构的示意 图。在实施本发明中，还可以使用除了单晶悬臂之外的结构作为压电致动器。例如，可以使 用其中电极被夹在压电体的两层之间的双晶片压电悬臂。
如图3所示，压电致动器部分14每一个都具有下述结构下电极43、压电体46和 上电极48层叠在振动板42上。例如，通过在硅(Si)基板上依次形成下电极43、压电体46 和上电极48各个层来获得这种层状结构。图3中的右端为被支撑在固定部30(参见图1 和图2)上的固定端。
在图3所示的结构中，压电体46由于在电极(43，48)之间施加驱动电压而变形， 并且由于该变形，振动板42扭转且杆部上下地移动。图3中的虚线指示杆部已经向上移 动的状态。
<供应驱动电压的方法>
第一实施例通过同时将相同的驱动电压施加到一对压电致动器部分14使压电致 动器部分14在反射镜部分12的两侧移动。因此，可以使用共用的(同一个)驱动电路和 控制电路作为用于将驱动电力供应到一对压电致动器部分14的电力供应源。对于被供应 给压电致动器部分14的驱动波形可以使用为激励谐振的频率的AC信号或脉冲波形信号。
〈MEMS扫描装置10的操作>
关于第一实施例的MEMS扫描装置10如下所述操作。
当相同的驱动电压被从驱动控制电路(未示出)同时施加到一对压电致动器部分 14时，压电致动器部分14移动并造成连接到该压电致动器部分14的曲折连结部16弯曲 和变形。反射镜部分12的连接到连结部16的端部12A沿向上/向下方向(Z方向)移动。 旋转扭矩通过该运动被施加到反射镜部分12，从而所述反射镜部分绕着旋转轴线18执行 旋转运动。
例如，通过将正弦驱动电压施加到压电致动器部分14使压电致动器部分14向上 和向下振荡，从而将旋转运动施加到反射镜部分12。通过施加为接近谐振频率的频率的驱 动电压以获得谐振驱动使反射镜部分12以大倾斜角度振荡。曲折连结部16容易执行弯曲 变形，并因此对于以谐振驱动获得大位移是有利的(参见图4)。施加到压电致动器部分14 的驱动电压的频率不用特别地必须与所述结构的机械谐振频率精确相同。驱动电压的频率 的差值在激励谐振的范围内是容许的。
另一方面，基本上沿纵长方向保持反射镜部分12的中心部分(在旋转轴线18附 近)的扭杆20容易响应于反射镜部分12的旋转运动而扭转，但是如果反射镜部分12试图 沿垂直方向(Z方向)执行平移运动，则扭杆20显示出强的排斥力并用于防止(抑制)反 射镜部分12的平移运动。换句话说，由扭杆20和扭杆支撑部22构成的垂直平移运动限制 部32具有将反射镜部分12的旋转轴线18支撑在固定位置的作用，由此限制反射镜部分12 的垂直平移运动(沿Z方向的平移运动)(参见图5)。
图4是显示旋转谐振模式下的驱动状态的立体图，图5是显示平移模式下的移动的立体图。在图4和图5中，从图中省略固定部30。如图4所示，反射镜部分12通过旋转谐振驱动可以移动通过大旋转角度。另一方面，在平移模式下，反射镜部分12沿Z方向的运动受到扭杆20和扭杆支撑部22的作用的限制。
如上所述，中心定位反射镜部分12根据压电致动器部分14的驱动被引起绕着平行于Y轴线方向的旋转轴线18摆动。入射在反射镜部分12上的光(例如，从激光光源(未示出)发射的激光)根据反射镜部分12的倾斜(角度)被反射，从而改变反射光的行进方向(反射光的照射位置)。根据关于本实施例的MEMS扫描装置10，可以执行光通过大偏转角度的扫描动作，同时防止反射镜部分12沿Z方向的平移运动。
《压电材料》
适用于本实施例的压电体可以包括由以下分子式表示的一种类型或者两种或更多种类型的钙钛矿型氧化物(P)。
通式AB03(P)
(其中A是A位元素且是包括Pb的至少一种类型的元素；B是B位元素且是选自由 T1、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni 组成的组的至少一种类型的元素；O是氧元素；并且A位元素、B位元素和氧元素的标准摩尔比是1:1 : 3， 但是该摩尔比在能够获得钙钛矿结构的范围内可以偏离标准摩尔比。)
由上述通式表示的钙钛矿型氧化物可以为含铅化合物，例如钛酸铅、锆钛酸铅 (PZT)、锆酸铅、钛酸镧铅、锆钛酸镧铅、铌酸镁铅钛酸锆、铌酸镍钛酸锆铅、铌酸铅锌-钛酸锆铅或类似材料，或者这些材料的混合晶体体系；不含铅化合物，例如钛酸钡、钛酸 锶钡、钛酸铋钠、钛酸铋钾、铌酸钠、铌酸钾、铌酸锂、铁酸铋或类似材料，或者这些材料的混合晶体体系。
根据本实施例的压电膜理想地含有由以下分子式表示的一种类型或者两种或更多种类型的钙钛矿型氧化物(PX)。
Aa(Zrx, Tiy, Mb_x_y)b0c(PX)
(其中A是A位元素且是包括Pb的至少一种类型的元素；M是选自由V、Nb、Ta和 Sb组成的组的至少一种类型的元素；O < X < b,0 < y < b,0 < b-x-y ;以及A : b : c =1:1 : 3是标准摩尔比，但是该摩尔比在能够获得钙钛矿结构的范围内可以偏离标准摩尔比。)
由以上给出的通式(P)和(PX)表示的钙钛矿氧化物制成的压电膜具有高压电失真常数(d31常数)，因此包括该压电膜的压电致动器具有极好的位移特性。由通式(Px)表示的钙钛矿型氧化物具有比由通式(P)表示的压电常数高的压电常数。
此外，具有由通式⑵和(PX)表示的钙钛矿氧化物构成的压电膜的压电致动器具有在驱动电压的范围内具有极好线性的电压位移特性。这些压电材料在实施本发明时显示出良好的压电特性。
作为本实施例中的压电体46的一个具体示例，例如，可以使用掺杂有12%的Nb的 PZT薄膜。通过借助于溅射形成掺杂有12%的Nb的PZT膜，可以稳定地制造具有诸如压电常数d31 = 250pm/V的高压电特性的薄膜。
虽然可以将大块压电体接合到基板，但是考虑到难度或处理，理想的是采用通过气相外延或溶胶凝胶法等将压电薄膜直接形成到基板上的结构。具体地，理想地，根据本实施例的压电体46为具有不小于I μ m且不大于10 μ m的薄膜。在如下所述的实施例中，通过溅射形成的4 μ m厚的PZT薄膜用于压电体46，但是压电体46不局限于此。
<实际示例I ;制造方法的具体示例>
在实际示例I中，通过以下过程制造MEMS扫描装置10。
(步骤I)取具有350μ m处理层、I μ m边框层(box layer)和10 μ m装置层的 SOI (硅在绝缘体上)基板，并且通过以350°C的基板温度进行溅射将30nm的Ti层和150nm 的Ir电极层形成在所述基板上。该Ti层和Ir电极层对应于图3中的下电极43。
(步骤2)4μm的PZT层通过高频(RF ;射频)溅射设备形成在如上所述获得的基板上。使用的膜形成气体为97. 5% Ar和2. 5% O2的混合气体，使用的靶材具有 Pb1.3((Zr0.52Ti0.48) 0.88Nb0.12)03的组分。膜形成压力为2. 2毫托，并且膜形成温度为450。。。
(步骤3)形成上电极的Pt/Ti层通过在如上所述获得的基板上进行光刻而被图案化，并且PZT薄膜通过ICP (感应耦合等离子)干蚀刻被蚀刻。
(步骤4)因此，通过硅干蚀刻工序进行处理以制造图1-3中所示的MEMS扫描装置 10。
固定部30和扭杆支撑部22具有使用 处理层和装置层的结构，并且该结构的厚度大约为370 μ m。
扭杆支撑部22用于固定每一个扭杆20的一个端部。此外，固定部30用于固定每一个压电悬臂的一个端部(附图标记14B)和每一个扭杆支撑部22的一个端部(附图标记 22B)。压电致动器部分14每一个都具有包括Si装置层(10 μ m)/下电极/PZT薄膜/上电极的分层结构并用作压电薄膜单晶致动器。
本发明的实施不局限于上述的实际示例1，并且可以根据目的适当地选择基板的材料、电极材料、压电材料、膜厚度、膜形成条件等。
<关于实际示例I的MEMS扫描装置的评价>
当基于具有电位幅值Vp-p = O. 5V的正弦形波(正弦波)的驱动电压被施加到关于实际示例I的由上述过程制造的MEMS扫描装置10的压电致动器部分14时，引起反射镜绕着旋转轴线的旋转谐振运动，并且当反射镜部分的机械偏转角度被测量为激光扫描角度时，则谐振频率fx是198Hz且机械偏转角度是±22° (参见图11)。
另一方面，将反射镜部分沿垂直方向(z方向)的平移运动的模式的谐振频率取为 fy，当由激光多普勒测量装置测量该频率时，fy是2100Hz，该谐振频率不少于fx的10倍。
根据该实际示例1，由于平移模式的谐振频率fy的值足够高且与旋转模式的为驱动频率的谐振频率fx充分分开，因此反射镜部分沿垂直方向的振荡不容易被环境振动或驱动振荡激励，并且可以以稳定方式仅获得旋转运动。
对于环境振动的频率，在例如用在汽车中的情况下，为了环境振动不会激励特定的振荡模式，振荡的谐振频率必需不小于200HZ。在除了用在汽车中之外的通常的便携式使用和手持操作等中，由于外部干扰而产生的振荡为低频率，因此可以通过采用不小于200Hz 的标准获得宽范围应用中的使用。更具体地，如果平移模式的谐振频率fy具有超过200Hz 的值，则可以防止由于环境振动(外部干扰)而出现平移运动。
此外，对于驱动振荡的作用，通过设定在驱动振荡的频率与平移模式的振荡谐振频率之间的大差值，驱动振荡不容易激励平移模式下的谐振。
驱动振荡的频率为等于或接近旋转模式的谐振频率fx的频率，因此实际上，如果 平移模式的谐振频率fy比驱动振荡的谐振频率(旋转模式的谐振频率fx)大不少于1.1 倍，则可以充分地忽略由驱动振荡对平移模式的激励。
换句话说，理想地，旋转模式的谐振频率fx与平移模式的谐振频率fy之间的比 fy/fx不小于1.1。为了限制由驱动振荡对平移模式的激励，fy与fx之间的差值越大则越 好，因此理想地的是fy与fx之间的比fy/fx满足不小于2的条件。
在实际示例I的情况下，由于fy/fx不小于10，因此由驱动振荡对平移模式的激励 极少且可以被忽略。
(第二实施例)
图6和图7是显示关于第二实施例的MEMS扫描装置的主要部件的立体图。图6是 显示基于旋转模式的运动的立体图，图7是显示基于平移模式的运动的立体图。在图6和 图7中，与图1-5中所述的结构相同或相似的构件用相同的附图标记标定，并且这里被省略 对其的说明。此外，在图6和图7中，从附图中省略固定部30。
根据第二实施例的MEMS扫描装置60与第一实施例的不同在于取代根据第一实施 例的MEMS扫描装置10中的扭杆支撑部22采用具有薄板结构的扭杆支撑部62。所述结构 的其余部分是与第一实施例相似的结构，并且制造方法还使用与实际示例I相同的过程。
扭杆支撑部62的基端62B由图中未示出的固定部30固定和支撑。扭杆20和扭 杆支撑部62的组合构成垂直平移运动限制部32。通过适当地设计扭杆支撑部62的厚度和 形状，可以将刚性和谐振频率调节成期望值。此外，通过采用其中扭杆支撑部被分层为Si 薄板/下电极/压电膜/上电极的单晶结构，可以通过使反射镜的中心轴线直接位移有效 地调节垂直位移。
〈实际示例2>
在实际示例2中，根据第二实施例的MEMS扫描装置60由与实际示例I相似的过 程制造而成。当基于具有电位幅值Vp-p = O. 5V的正弦波的驱动电压被施加到关于实际示 例2的MEMS扫描装置60的压电致动器部分14时，引起反射镜绕着旋转轴线的旋转谐振运 动(参见图6)，并且当反射镜部分12的机械偏转角度被测量为激光扫描角度时，则谐振频 率fx是180Hz且机械偏转角度是±24° (参见图11)。
另一方面，将反射镜部分12沿垂直方向(参见图7)的平移运动的模式谐振频率 取为fy，当由激光多普勒测量装置测量该频率时，fy是500Hz，该频率比fx大2. 8倍。
关于实际示例2的MEMS扫描装置60的平移模式的谐振频率fy高于200Hz，因此 不容易受到环境振动的影响。此外，由于关于第二实施例的MEMS扫描装置60的平移模式 的谐振频率fy与旋转模式的谐振频率fx之间的比fy/fx大于2，因此还能限制由于驱动振 荡而导致的平移模式的激励的影响。
此外，由于在关于实际示例2的MEMS扫描装置60中，扭杆支撑部62由薄板构成， 因此施加到扭杆20的应力低于实际示例I中的应力，并且可以防止驱动过程对扭杆的损坏。
〈比较示例I>
如图8所示的MEMS扫描装置310通过与实际示例I相似的方法使用SOI基板制造而成。关于该比较示例I的MEMS扫描装置310与图14中显示的扭杆结构相对应。在图 8中的MEMS扫描装置310中，连接到反射镜部分312的旋转中心的扭杆314设置在反射镜 部分312的两侧，并且两个压电致动器部分316、318连接到相应的扭杆314。
压电致动器部分316、318是分别具有压电单晶悬臂结构的致动器，并且压电致动 器部分316、318的端部316B、318B被固定到未示出的固定支撑构件(固定部)。
通过在相反的方向上驱动连接到相应扭杆314的两侧的两个压电致动器部分 316,318使扭杆314扭转而产生反射镜部分312的旋转运动。
图9是显示根据比较示例I的结构中的旋转模式下的驱动状态的立体图，图10是 根据比较示例I的结构中的平移模式下的运动的说明图。
在根据比较示例I的结构中，当基于具有电位幅值Vp-p = O. 5V的正弦波的驱动 电压被施加到压电致动器部分316、318时，引起反射镜绕着旋转轴线的旋转谐振运动，并 且当反射镜部分的机械偏转角度被测量为激光扫描角度时，则谐振频率fx是200Hz且机械 偏转角度是±2. 5°。
可以看出通过该方法，偏转角度小且不能获得足够的扫描角度。此外，在该方法 中，必须将扭杆314制造得细小和/或长以获得高位移角度，并因此具有的问题在于扭杆在 操作期间可能容易破裂。
此外，在根据比较示例I的结构中，如果使反射镜部分沿垂直方向进行平移运动 (参见图10)的模式的谐振频率被取为fy，则当通过激光多普勒测量装置测量该谐振频率 时，结果是fy = 98Hz。在比较示例I中，由于环境振荡的影响易于发生平移模式的激励，并 且平移模式下的振荡的振幅也大。
〈比较示例2>
如图16所示的MEMS扫描装置410通过与实际示例I相似的方法使用SOI基板制 造而成。关于该比较示例2的MEMS扫描装置410与“弯曲铰接结构”相对应，其中与第一实 施例和第二实施例相比，移除构成垂直平移运动限制部32的扭杆20和扭杆支撑部22 (或 62)。
当基于具有电位幅值Vp-p = O. 5V的正弦波的驱动电压被施加到关于比较示例2 的MEMS扫描装置410的压电致动器(压电悬臂414)时，引起反射镜绕着旋转轴线的旋转 谐振运动(参见图18)，并且当反射镜部分的机械偏转角度被测量为激光扫描角度时，则谐 振频率fx是190Hz且机械偏转角度是±25° (参见图11)。另一方面，将反射镜部分沿垂 直方向的平移运动的模式(参见图19)的谐振频率取为fy，当通过激光多普勒测量装置测 量该频率时，fy为200Hz，该频率是fx的1. 05倍并因此实际上非常接近fx。
在比较示例2中，虽然可以获得足够大的扫描角度，但是由于fy的值在200Hz下 相对较低，因此具有反射镜部分在旋转运动期间由于环境振动的影响将沿垂直方向明显移 动的可能性。此外，由于fy非常接近为驱动频率的fx，因此具有的问题在于驱动振荡容易 激励反射镜部分在垂直方向上的振荡。实际上，如果反射镜部分在垂直方向上位移，则这会 产生光程长度的变化和焦点的变化，因此易于沿垂直方向产生平移运动的光学偏转器(反 射镜装置)不能经受住实际用途。
〈测量结果的概要〉
图11显示给出实际示例I和2以及比较示例I和2的评价(测量)结果的整体比较的表格。在关于实际示例I和2所述的结构中，可以获得具有大位移的反射镜倾斜角度， 并且此外还可以显著限制由于环境振动和驱动振荡造成对反射镜部分的垂直平移运动的 激励。
(第三实施例)
图12是显示关于第三实施例的MEMS扫描装置70的结构的平面图。在图12中， 与图1-5所示的结构相同或相似的构件用相同的附图标记标定且其进一步的说明在此被 省略。第三实施例采用组合基于曲折压电悬臂结构的压电致动器部分74和垂直平移运动 限制部32的结构。
在图12中的压电致动器部分74中，由斜阴影线表示的部分是具有分层结构的压 电悬臂元件77，所述分层结构包括振动板/下电极/压电体/上电极。
在压电致动器部分74中，多个压电悬臂元件77平行布置且互相相邻的压电悬臂 元件77的端部连接在一起而折叠成曲折形状。该示例显示了五个压电悬臂元件77连接在 一起的结构，但是压电悬臂元件77的数量可以被设置成不少于两个的适当数量。
每一个压电致动器部分74的一端74A在反射镜部分12的纵长方向上通过连结部 76连接到反射镜部分12的端部12A，而另一个端部74B被固定并支撑在固定部30上。
在这类结构中，通过驱动压电致动器部分74使得压电致动器部分74中相互相邻 的压电悬臂元件77沿相反方向弯曲，各个压电悬臂元件77的位移累积且位移量增加。该 结构即使不使用谐振也能够使反射镜部分12以大程度倾斜。
此外，由于旋转轴线18的附近部分由扭杆20和扭杆支撑部22形成的结构支撑， 则能够限制反射镜部分12的平移运动。
(第四实施例)
图13是显示关于第四实施例的MEMS扫描装置80的结构的平面图。在图13中， 与图1至图5和图12所示的结构相同或相似的构件由相同的附图标记标定且其进一步的 说明在此被省略。
第四实施例采用组合曲折压电悬臂结构、弯曲铰接结构和垂直平移运动限制部的 结构。
代替图12中显示的连结部76的结构，可以采用如图1所示的曲折形状的连结部 16。根据图13所示的第四实施例，压电致动器部分74中的互相相邻的压电悬臂元件77被 驱动而沿相反方向弯曲。因此，即使不使用谐振也可以增加压电致动器部分74的位移，以 使反射镜部分的端部上下(反射镜的厚度方向)振荡并引起反射镜部分的旋转。
在第三和第四实施例中，具有螺旋形折叠结构的压电悬臂被用作压电致动器部 分74，但是在实施本发明中对杆部分中是否使用折叠结构或者对折叠的数量没有特别的限 制。悬臂中折叠的数量越大，则可以获得的位移量越大。
在第三和第四实施例中，也可以由谐振驱动引起反射镜部分的旋转运动。悬臂中 折叠的数量和杆部分的宽度等会影响总谐振频率。折叠数量越大，则谐振频率趋向于变得 越低。此外，杆部分的宽度越细小，则谐振频率趋向于变得越低。通过设计折叠的数量和杆 部分的宽度等可以获得期望的谐振频率。
<将驱动电压供应到曲折压电悬臂结构的方法>
作为用于驱动相互相邻的压电悬臂元件77沿相反方向弯曲的装置，可以采用将相反极性的驱动电压施加到相邻的压电悬臂元件77的结构。
可选地，通过使极化方向在相邻的压电悬臂元件77的压电体中不同(通过沿相反 方向极化)，可以通过施加相同极性的驱动电压沿相反方向驱动弯曲。
要供应给压电悬臂元件77的可能的驱动波形可以包括使用不激励谐振的DC电 压信号的模式；使用不激励谐振的频率的AC信号或脉冲波形信号的模式；或者使用激励谐 振的AC信号或脉冲波形信号的模式。
<第一至第四实施例的作用和有利效果>
(I)由于压电悬臂的位移方向实际上始终与反射镜的旋转方向相同，因此悬臂的 所有力实际上都用于旋转反射镜。力使用效率很好且旋转角度与传统的扭杆结构相比大很多。
(2)通过设置支撑反射镜的旋转轴线的区域的扭杆，可以基本上忽略其中反射镜 在z方向(垂直方向)上进行大量位移的平移模式的作用。通过该装置，可以获得大扫描 角度且限制由于外部干扰造成的光程长度变化等。
(3)通过将具有压敏电阻效应的薄膜布置在构成垂直平移运动限制部32的扭杆 部分中，可以直接检测扭杆20的应力。通过该应力检测功能，可以在驱动期间准确地测量 反射镜的角度。
(4)通过给螺钉铰接件提供刚性，可以设计以高谐振频率被驱动的MEMS扫描器。
(5)还可以通过硅处理以一体方式形成固定部、压电致动器部分、反射镜部分和连 接部(连结部)等。
(6)与传统的多角镜或电流镜相比，可以获得更紧凑的尺寸且耐用性也高。
(7)如实际示例I和2中所述，可以通过在基板上直接形成PZT薄膜并执行干蚀刻 过程形成MEMS扫描装置。以此方式，可以通过将压电体形成为薄膜而容易地执行更精细的 图案化，因此产品收得率可以被大大地提高且可以获得进一步的装置紧凑化。
然而，在实施本发明中，致动器不局限于薄膜压电体，而也可以通过将大体积压电 体粘结至振动板形成单晶致动器或者通过粘结具有不同极性的两个压电体形成双晶致动 器。
〈装置尺寸的示例〉
如本发明的实施例制造而成的MEMS扫描装置10、60、70、80的尺寸和实际形状可 以采用各种模式。例如，图1和图2中的包括反射镜部分12、压电致动器部分14和固定 部30的装置的尺寸在平面图中大约为3mmX2mm。可以进行更进一步的紧凑化，并且大约 ImmX Imm的装置也是可能的。
〈变形示例〉
在第一实施例至第四实施例中，为了形成垂直运动限制结构，扭杆20分别连接到 反射镜部分12的两侧，并且反射镜的旋转中心由这些扭杆20支撑，但是稳定支撑反射镜的 旋转轴线的方法不局限于此。例如，可以采用由相对于旋转轴线轴向对称布置的多个杆支 撑反射镜的结构。
〈应用示例〉
本发明可以作为通过反射光改变诸如激光的光的行进方向的光学设备用于各种 应用中。例如，本发明可以广泛地应用于光学偏转器、光学扫描设备、激光打印机、条形码读取器、显示设备、各种类型的光学传感器(距离传感器、形状测量传感器)、光学通信设备、 激光投影机、OCT图像诊断设备等。
本发明不局限于上述实施例，并且具有本领域的普通知识的人可以在本发明的技 术构思的范围内做出各种修改。
〈本发明的公开模式〉
从以上给出的本发明的实施例的详细说明显而易见的是，本说明书包括至少具有 如下所述的发明的各种技术构思的揭示内容。
(发明I):一种反射镜驱动设备，包括反射镜部分，所述反射镜部分具有反射光 的反射面；一对压电致动器部分，该对压电致动器部分布置在反射镜部分的两侧；多个连 结部，所述多个连结部将压电致动器部分中的每一个的一端分别连接到反射镜部分的端 部，所述反射镜部分的所述端部在沿着反射面且垂直于反射镜部分的旋转轴线的方向上远 离所述旋转轴线；固定部，所述固定部支撑压电致动器部分中的每一个的另一端；和垂直 运动限制结构，所述垂直运动限制结构限制反射镜部分的旋转轴线在垂直于反射面的方向 上的平移运动，且垂直运动限制结构的一端连接到固定部，而所述垂直运动限制结构的另 一端连接到反射镜部分。
根据发明I，一对压电致动器部分被布置在反射镜部分的两侧。每一个压电致动器 部分的一端通过连结部连接到反射镜部分的端部的附近，并且每一个压电致动器部分的另 一端被支撑在固定部上。通过驱动压电致动器部分而使致动器移动，反射镜部分的端部移 动，从而施加绕着反射镜部分的旋转轴线的旋转扭矩，由此可以驱动反射镜部分进行旋转。
在这种结构中，由于压电致动器部分的位移方向与反射镜部分的旋转方向基本上 一致，则可以有效地使用用于旋转运动的压电致动器部分的力，因此可以获得大的旋转角 度(反射镜倾斜角度)。此外，由于根据本发明的反射镜部分通过垂直运动限制结构连接到 固定部，因此可以将旋转轴线保持在重合的位置，并且能够限制反射镜部分沿垂直方向的 平移运动。
(发明2):如发明I限定的反射镜驱动设备，其中垂直运动限制结构是将固定部连 接到反射镜部分上的与旋转轴线重合的位置或者将固定部连接到反射镜部分上的相对于 旋转轴线轴向对称的多个位置的结构。
为了有效地限制反射镜部分沿垂直方向的平移运动，理想的结构为支撑反射镜部 分的旋转轴线的附近的结构。除了在与旋转轴线的位置基本上重合的位置处连接反射镜部 分和垂直运动限制结构的结构之外，还可以采用在相对于旋转轴线轴向对称的多个位置 处连接反射镜部分和垂直运动限制结构的结构。
(发明3):如发明I或2限定的反射镜驱动设备，其中垂直运动限制结构包括扭 杆，所述扭杆连接到反射镜部分上与旋转轴线重合的位置，并且沿着旋转轴线的轴向方向 从反射镜部分向外延伸；和扭杆支撑部，所述扭杆支撑部连接到扭杆并且还连接到固定部， 并且所述扭杆支撑部支撑扭杆。
作为垂直运动限制结构的具体模式，可以采用包括连接到旋转轴线的附近的扭杆 和将扭杆连接到固定部的扭杆支撑部的结构。扭杆通过拉力限制反射镜部分沿垂直方向的 平移运动。
(发明4):如发明3限定的反射镜驱动设备，其中扭杆支撑部具有与固定部的厚度相同的厚度。
根据该模式，可以将平移运动的谐振频率形成高值。通过该方式，可以大大地限制 由于环境振动和驱动振荡对反射镜部分的垂直运动的激励。
(发明5):如发明3限定的反射镜驱动设备，其中扭杆支撑部具有薄板结构，所述 薄板结构的厚度小于固定部的厚度。
通过适当地设计扭杆支撑部的厚度，可以调节施加到扭杆的应力。由于扭杆支撑 部被制造得较薄，因此施加到扭杆的应力可以进一步被减小，并且可以进一步防止由于驱 动使扭杆断裂。此外，通过调节扭杆支撑部的厚度，还可以调节平移模式的谐振频率。
(发明6):如发明1-5中任一项限定的反射镜驱动设备，其中连结部中的每一个都 具有下述结构使垂直于旋转轴线的方向作为其纵长方向的至少一个薄板构件被布置成沿 着反射面以曲折形状折叠。
根据这种结构，连结部容易移动且旋转角度可以增加。
(发明7):如发明1-6中任一项限定的反射镜驱动设备，其中压电致动器部分中的 每一个都由一个或多个压电悬臂构成。
压电致动器部分可以由一个压电悬臂构成，或者可以通过以曲折形状组合多个压 电悬臂构成。
(发明8):如发明1-7中任一项限定的反射镜驱动设备，其中压电致动器部分中的 每一个都由压电单晶悬臂构成，在所述压电单晶悬臂中，振动板、下电极、压电体和上电极 依次层叠。
压电致动器部分不局限于单晶结构，而是还可以采用双晶结构，但是单晶结构是 最简单的结构。
(发明9):如发明1-8中任一项限定的反射镜驱动设备，其中通过使压电致动器部 分移动以使反射镜部分与连结部之间的连接部分振荡，从而引起反射镜部分绕着旋转轴线 的旋转运动。
通过使反射镜部分的端部振荡，旋转扭矩由于惯性力被施加到反射镜部分并引起 旋转运动。
(发明10):如发明1-9中任一项限定的反射镜驱动设备，其中压电致动器部分中 的每一个都具有曲折结构，在所述曲折结构中，多个压电悬臂被布置成以曲折形状折叠，并 且所述压电致动器部分被以使相互相邻的压电悬臂执行沿相反方向的弯曲位移的方式驱动。
根据该模式，即使不使用谐振也可以获得大位移。
(发明11):如发明1-10中任一项限定的反射镜驱动设备，其中反射镜部分被以 接近反射镜部分执行绕着旋转轴线的旋转运动的谐振模式的谐振频率fx的频率谐振地驱 动。
根据该模式可以使反射镜部分利用旋转谐振振荡通过大旋转角度，并且能够限制 沿垂直方向的平移运动。
(发明12):如发明1-11中任一项限定的反射镜驱动设备，其中反射镜部分执行沿 垂直于反射面的方向的平移运动的谐振模式的谐振频率fy具有高于200Hz的值。
根据该模式可以限制由于环境振动引起的平移运动的产生。此外，平移模式的谐振频率fy的值越高，则平移模式下的振荡振幅越小。
(发明13):在如发明1-12中任一项限定的反射镜驱动设备中，反射镜部分的平移运动的谐振频率fy与反射镜部分绕着旋转轴线的旋转运动的谐振频率fx之间的比fy/fx 不小于1.1。
根据该模式，可以限制由于驱动频率的影响而引起平移运动。
(发明14):在如发明1-13中任一项限定的反射镜驱动设备中，反射镜部分的平移运动的谐振频率fy与反射镜部分绕着旋转轴线的旋转运动的谐振频率fx之间的比fy/fx 不小于2. O。
当fy满足不小于fx的2倍的条件时，由谐振驱动所引起驱动频率与平移模式的谐振频率之间存在差值，因此可以将平移运动的感应限制到可以足以被忽略的水平。
(发明15):如发明1-14中任一项限定的反射镜驱动设备，其中压电致动器部分中的每一个中所使用的压电体为薄膜，所述薄膜直接形成到用作振动板的基板上并具有I μ m 至10 μ m的厚度。
理想地，压电致动器通过使用薄膜压电体构成。通过使用诸如气相外延法、通常的溅射法、或溶胶凝胶法的直接膜形成方法可以获得具有期望的压电特性的压电薄膜。
(发明16):如发明15中限定的反射镜驱动设备，其中压电体为通过溅射形成的薄膜。
(发明17):如发明1-16中任一项限定的反射镜驱动设备，其中压电致动器部分中的每一个中使用的压电体为由以下分子式(P)表示的一种类型或者两种或更多种类型的隹丐钛矿氧化物
通式ABO3(P)
(其中A是A位元素且是包括Pb的至少一种类型的元素；B是B位元素且是选自由 T1、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni 组成的组中的至少一种类型的元素；0是氧元素；并且A位元素、B位元素和氧元素的标准摩尔比是 1:1: 3，但是该摩尔比在能够获得钙钛矿结构的范围内可以偏离标准摩尔比。)
(发明18):如发明1-17中任一项限定的反射镜驱动设备，其中压电致动器部分中的每一个中使用的压电体为由以下的分子式(PX)表示的一种类型或者两种或更多种类型的钙钛矿氧化物
Aa(Zrx, Tiy,Mb_x_y)b0c(PX)
(其中A是A位元素且是包括Pb的至少一种类型的元素；M是选自由V、Nb、Ta和 Sb组成的组中的至少一种类型的元素；O < X < b,0 < y < b,0 < b-x-y ;以及a : b : c = 1:1: 3是标准摩尔比，但是该摩尔比在能够获得钙钛矿结构的范围内可以偏离标准摩尔比。)
(发明19):一种用于如发明1-18中任一项限定的反射镜驱动设备的反射镜驱动方法，包括以下步骤通过将驱动电压施加到一对压电致动器部分以使压电致动器部分进行弯曲移动来使反射镜部分与连结部之间的连接部分振荡，然后通过该振荡将绕着旋转轴线的旋转扭矩施加到反射镜部分以使反射镜部分被驱动而旋转。
(发明20):—种用于如发明10中限定的反射镜驱动设备的反射镜驱动方法，包括以下步骤将驱动电压施加到压电致动器部分中每一个都具有曲折结构的多个压电悬臂中的每一个，使得相互相邻的压电悬臂执行相反方向的弯曲位移；和通过累加多个压电悬臂 的位移使反射镜部分被驱动而非谐振地旋转。
该反射镜驱动方法为驱动具有曲折压电悬臂结构的压电致动器部分的模式。
(发明21):—种制造如发明1-18中任一项限定的反射镜驱动设备的方法，包括以 下步骤在SOI基板上形成压电致动器部分中的每一个的下电极；在上面已经形成有下电 极的SOI基板上形成压电薄膜；在压电薄膜上形成上电极；和通过由硅干蚀刻方法来处理 SOI基板而形成反射镜部分、连结部、压电致动器部分、垂直运动限制结构和固定部的形状。
然而，应该了解的是不旨在要将发明限制到揭示的具体形式，而是正相反，本发明 将涵盖落入如权利要求中表达的本发明的精神和保护范围内的所有修改、可选结构和等效 形式。
权利要求
1.一种反射镜驱动设备，包括 反射镜部分，所述反射镜部分具有反射光的反射面； 一对压电致动器部分，该对压电致动器部分被布置在所述反射镜部分的两侧； 多个连结部，所述多个连结部将所述压电致动器部分中的每一个的一端分别连接到所述反射镜部分的端部，所述反射镜部分的所述端部在沿着所述反射面且垂直于所述反射镜部分的旋转轴线的方向上远离所述旋转轴线； 固定部，所述固定部支撑所述压电致动器部分中的每一个的另一端；和 垂直运动限制结构，所述垂直运动限制结构限制所述反射镜部分的旋转轴线在垂直于所述反射面的方向上的平移运动，所述垂直运动限制结构的一端连接到所述固定部，而所述垂直运动限制结构的另一端连接到所述反射镜部分。
2.根据权利要求1所述的反射镜驱动设备，其中，所述垂直运动限制结构是将所述固定部连接到所述反射镜部分上与所述旋转轴线重合的位置或者将所述固定部连接到所述反射镜部分上相对于所述旋转轴线轴向对称的多个位置的结构。
3.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述垂直运动限制结构包括 扭杆，所述扭杆连接到所述反射镜部分上与所述旋转轴线重合的位置，并且所述扭杆在所述旋转轴线的轴向方向上从所述反射镜部分向外延伸；和 扭杆支撑部，所述扭杆支撑部连接到所述扭杆并且还连接到所述固定部，所述扭杆支撑部支撑所述扭杆。
4.根据权利要求3所述的反射镜驱动设备，其中，所述扭杆支撑部具有与所述固定部的厚度相同的厚度。
5.根据权利要求3所述的反射镜驱动设备，其中，所述扭杆支撑部具有薄板结构，所述薄板结构的厚度小于所述固定部的厚度。
6.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述连结部中的每一个都具有下述结构使垂直于所述旋转轴线的方向作为其纵长方向的至少一个薄板构件被布置成沿着所述反射面以曲折形状折叠。
7.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述压电致动器部分中的每一个都由一个或多个压电悬臂构成。
8.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述压电致动器部分中的每一个都由压电单晶悬臂构成，在所述压电单晶悬臂中，振动板、下电极、压电体和上电极依次层叠。
9.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，通过移动所述压电致动器部分以使所述反射镜部分与所述连结部之间的连接部分振荡，从而引起所述反射镜部分绕着所述旋转轴线的旋转运动。
10.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述压电致动器部分中的每一个都具有曲折结构，在所述曲折结构中，多个压电悬臂被布置成以曲折形状折叠，并且所述压电致动器部分被以使相互相邻的压电悬臂执行沿相反方向的弯曲位移的方式驱动。
11.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述反射镜部分被以接近所述反射镜部分执行绕着所述旋转轴线的旋转运动的谐振模式的谐振频率fx的频率谐振驱动
12.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述反射镜部分执行沿垂直于所述反射面的方向的平移运动的谐振模式的谐振频率fy具有高于200Hz的值。
13.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述反射镜部分的平移运动的谐振频率fy与所述反射镜部分绕着所述旋转轴线的旋转运动的谐振频率fx之间的比fy/fx不小于1.1。
14.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述反射镜部分的平移运动的谐振频率fy与所述反射镜部分绕着所述旋转轴线的旋转运动的谐振频率fx之间的比fy/fx不小于2. O。
15.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述压电致动器部分中的每一个中所使用的压电体为薄膜，所述薄膜被直接形成到用作所述振动板的基板上并具有I μ m至10 μ m的厚度。
16.根据权利要求15所述的反射镜驱动设备，其中，所述压电体为通过溅射形成的薄膜。
17.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述压电致动器部分中的每一个中所使用的压电体为由以下分子式(P)表示的一种类型或者两种或更多种类型的钙钛矿氧化物 通式AB03(P) (其中A是A位元素且是包括Pb的至少一种类型的元素；B是B位元素且是选自由T1、Zr、V、Nb、Ta、Sb、Cr、Mo、W、Mn、Sc、Co、Cu、In、Sn、Ga、Zn、Cd、Fe 和 Ni 组成的组中的至少一种类型的元素；0是氧元素；并且所述A位元素、所述B位元素和所述氧元素的标准摩尔比是1:1 : 3，但是该摩尔比在能够获得钙钛矿结构的范围内能够偏离所述标准摩尔比。)
18.根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备，其中，所述压电致动器部分中的每一个中所使用的压电体为由以下分子式(PX)表示的一种类型或者两种或更多种类型的钙钛矿氧化物Aa (Zrx, Tiy, Mb_x_y)bOc(PX) (其中A是A位元素且是包括Pb的至少一种类型的元素；M是选自由V、Nb、Ta和Sb组成的组中的至少一种类型的元素；O < X < b,0 < y < b,0彡b-x-y ;以及a b c =1:1 : 3是标准摩尔比，但是该摩尔比在能够获得钙钛矿结构的范围内能够偏离所述标准摩尔比。)
19.一种用于根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备的反射镜驱动方法，包括以下步骤 通过将驱动电压施加到该对压电致动器部分以使所述压电致动器部分执行弯曲位移而使所述反射镜部分与所述连结部之间的连接部分振荡，然后通过该振荡将绕着所述旋转轴线的旋转扭矩施加到所述反射镜部分以使所述反射镜部分被驱动而旋转。
20.一种用于根据权利要求10所述的反射镜驱动设备的反射镜驱动方法，包括以下步骤 将驱动电压施加到所述压电致动器部分中每一个都具有曲折结构的多个压电悬臂中的每一个，使得相互相邻的压电悬臂执行沿相反方向的弯曲位移；和 通过累加所述多个压电悬臂的位移使反射镜部分被驱动而非谐振地旋转。
21.一种制造根据权利要求1或2所述的反射镜驱动设备的方法，包括以下步骤在SOI基板上形成所述压电致动器部分中的每一个的下电极； 在上面已经形成有所述下电极的所述SOI基板上形成压电薄膜； 在所述压电薄膜上形成上电极；和 通过由硅干蚀刻方法来处理所述SOI基板而形成所述反射镜部分、所述连结部、所述压电致动器部分、所述垂直运动限制结构和所述固定部的形状。
全文摘要
本发明一个方面提供一种反射镜驱动设备，包括反射镜部分，所述反射镜部分具有反射光的反射面；一对压电致动器部分，该对压电致动器部分布置在反射镜部分的两侧；多个连结部，所述多个连结部将压电致动器部分中的每一个的一端分别连接到反射镜部分的端部，所述反射镜部分的所述端部在沿着反射面且垂直于反射镜部分的旋转轴线的方向上远离所述旋转轴线；固定部，所述固定部支撑压电致动器部分中的每一个的另一端；和垂直运动限制结构，所述垂直运动限制结构限制反射镜部分的旋转轴线在垂直于反射面的方向上的平移运动，且垂直运动限制结构的一端连接到固定部，而所述垂直运动限制结构的另一端连接到反射镜部分。
文档编号H02N2/00GK102998795SQ201210330420
公开日2013年3月27日 申请日期2012年9月7日 优先权日2011年9月8日
发明者直野崇幸 申请人:富士胶片株式会社