[发明专利]包括交替的主动和反向段盘旋结构的执行机构及相关方法

说明书

本发明涉及的领域是机械系统及方法，更具体说，涉及机械执行机构及方法。

在M.Edward Motamedi等人的题为《微机电光学扫描器的发展》〔光学工程(Opt.Eng.)36(5)1346-1353页、1997年5月〕供参考的一文中，举例来说，讨论了双晶(Bimorph，双压电晶体)微型执行机构。具体说，双晶微执行机构是微细加工的横梁(Beam)，其曲率可通过加上电信号而受控制。最简单的双晶执行机构是一个复合梁，在它的不同层中有不同的结构上的和电的特性。双晶执行机构的行为可取决于组成该横梁的不同层次的尺寸、密度、弹性系数、热膨胀系数、及/或压电特性。

在作为参考的S.Calmes等人的题为《谐振的大角度和低损耗的微细加工的光学扫描器》(SPIE Vol.3276 PP.96-102,1988)一文中讨论了双晶执行机构横梁在单片光学集成微型扫描器中的应用。在这篇参考文献中，该器件含有一个反射镜，位于热双晶执行机构横梁的端上。该器件用电-热-机的方式在其谐振频率上被激励，从而引起在低的功率消耗下有大的角度偏转。另外的双晶执行机构的结构在Xi-Qing Sun等人的题为《基于两片多晶悬臂式执行机构的双稳态微继电器》(IEEE论文集，微机电系统，1998年pp.154-159)的作为参考的一文中作了讨论。参考文献Motamedi等人、Calmes等人以及Sun等人的每一篇的揭示都以其完整形式在此引用作为参考。

尽管上面已讨论了双晶执行机构，但仍然存在着这样的需要，即要求有改进的执行机构及形成它们的方法的技术。

按照本发明的一种执行机构可以包括由交替的主动段和反向段组成的盘旋结构，其中的主动段响应于对它的致动作用而偏折。特别是，在动作期间主动段可能朝第一方向弯曲或偏折而反向段则并不明显地偏折或以主动段的相反方向偏折。因此，反向段能够增加执行机构的总体偏折量而不必增加主动段的长度。尤其是，执行机构是尺度可变的，即通过增加另外的交替的主动段和反向段就可实现更大的偏折。通过提供以与主动段相反方向偏折的反向段，就可得到更大的偏折。另一种方式是，反向段也可与主动段以同一方向偏折，只不过偏折量稍小。

按照本发明的微型机械系统可以包括一个基体，一个执行机构和一个受动元件。具体说，执行机构可以包括一个由交替的主动段和反向段组成的盘旋结构，其第一端锚固在基体上，其中的主动段响应加在其上的作用而偏折，使得盘旋结构的第二端在主动段偏折时相对于基体运动。受动元件安装在该盘旋结构的第二端，从而使受动元件在主动段偏折时相对于基体而运动。

更加具体地说，每个主动段可以包括一个双晶段，它含有由具有第一热膨胀系数的第一种材料构成的第一层和由具有第二热膨胀系数的第二种材料构成的第二层，这第二热膨胀系数与第一热膨胀系数不同，从而使主动段依据它的温度变化而偏折。另外，交替的主动和反向段可以是并行的梁，而盘旋结构的第二端可以沿着与并行梁相垂直的轴而转动。基体也可以含有一个槽在其中并与盘旋结构相邻以减少对执行机构的干扰。

这种系统还可以包括第二个执行机构，它含有第二个由交替的主动段和反向段组成的盘旋结构，并以其第一端锚固在基体上。第二个执行机构的主动段可根据对它的作用而偏折，从而使第二个盘旋结构的第二端在主动段偏折时相对于基体而运动，而第二个盘旋结构的第二端可以安装到受动元件上。另外，该系统在相应的第一和第二个执行机构的第一和第二盘旋结构的各自的第二端和一个信号发生器之间可以包括一个电气通路。该信号发生器可以在相应的第一和第二个执行机构的第一和第二盘旋结构的第一端之间连接，从而由信号发生器产生的电信号去动作第一和第二个盘旋结构的主动段。

这样，按照本发明的执行机构、系统和方法可以在微型机械系统中提供增大的旋转和/或运动的范围。

图1是按照本发明的执行机构的平面图。

图2是按照本发明的第一执行机构在被推动状态时的横截面图。

图3是含有两个按照本发明的执行机构的微型机械系统的平面图。

图4A-D是说明沿着线XX′形成图3所示的微型机械系统的各步骤的截面图。

图5A-B是说明包括按照本发明的执行机构和静电夹持器的微型机械系统的截面图。

图6和7是说明含有按照本发明的执行机构的另外两个微型机械系统的平面图。

图8是按照本发明的第二个执行机构的截面图。