CN100434962C - 具有中心脊部和周界棘状突起以减少挠曲的扭转铰接镜组件 - Google Patents

Abstract

一种减少挠曲的扭转铰接镜设计。除了具有阻止或减少尖端(62a、62b)挠曲的中心脊部(46)以外，镜层还包含周界棘状突起(70a、70b)，以减少或阻止镜边缘的挠曲或扭曲。为了以最小的重量提供更加坚硬的镜，铰接板(44)和平衡板之一或两者全部也可包含周界棘状突起，其与所述镜层的周界棘状突起对齐。

Description

具有中心脊部和周界棘状突起以减少挠曲的扭转铰接镜组件

技术领域

【0001】本发明涉及在扭转铰接镜的操作期间保持平反射表面，更具体地，涉及高速旋转或振荡的铰接镜。

背景技术

【0002】在打印机或某些类型的显示器中，转动或振荡扭转铰接镜提供了非常有效且便宜的替代旋转多角形镜的替代品。如本领域技术人员所意识到的，扭转铰接镜可以是MEMS型镜，其使用类似于半导体器件制造工艺的工艺从硅衬底蚀刻获得。用于提供打印机或显示器光栅型扫描的扭转铰接镜的早期形式通常在大约3KHz或更低的旋转速度下工作。在3KHz或更低速度下工作的扭转铰接镜可被制造得足够厚，以使它们的反射表面没有严重的平面度问题。然而，随着对更高打印速度和更好分辨率要求的提高，镜反射表面的平面度目前已成为非常严重的问题。在镜绕着轴线连续振荡期间，随着镜连续地前后挠曲和弯曲，在挠曲镜的尖端或端产生了最大的变形。目前可买到的镜通过使用铰接板而基本缓解了这一问题，所述铰接板包含中心脊部，其沿着椭圆形镜的长轴线延伸至镜的每个尖端或端。不利的是，在更大的旋转速度及更薄更小的镜的情况下，在操作期间边缘处的新的挠曲模式影响了镜的平面度。

【0003】更具体地说，参考图12A和12B，这里图解说明了镜层24的边缘20和22是如何挠曲的。作为铰接板28的一部分形成的中心脊部26几乎延伸到椭圆形镜的尖端30，并且在其以高速绕旋转轴线32旋转时极大减少了镜的挠曲。尽管可能夸大，但可见的是镜部分24的边缘20在没有被中心脊部26加固的区域内发生挠曲。在较高镜速度时，这种类型的边缘挠曲已经变得不能接受。

【0004】因此，提供具有在镜边缘处减少挠曲的扭转铰接镜是有优势的。

发明内容

【0005】通过本发明的优选实施例，这些和其它问题被一般地解决或策略性避免，并且已经一般性地获得了技术优势，该优选实施例提供了在镜边缘具有被减少的挠曲的扭转铰接镜组件(torsional hingedmirror assembly)。该镜组件包括镜构件，该镜构件包含前层，所述前层限定具有选择的周界边缘的反射表面。镜的第一维度沿镜的第一轴线在第一端和第二端之间延伸。第二维度与所述第一维度正交，并沿着第二轴线延伸。

【0006】背层附着于所述前层，并且背层包含中心区和第一和第二端区。第一和第二端区的每一个限定中心脊部(central spine)，它们沿着所述第一轴线从所述中心区分别朝向第一端和第二端延伸。这里还包括一对周界棘状突起(perimeter ridge)，其沿着所述前层的周界边缘从所述背层的中心区分别朝向所述第一和第二端延伸。

【0007】根据本发明的一个实施例，前层和背层包含单个整体件或整片材料，诸如，例如硅衬底。当从整片或单片硅来形成时，例如，中心脊部和周界棘状突起可通过使用典型的MEMS半导体制造工艺来形成。

【0008】具有镜侧和背侧的铰接板粘合到所述镜构件的背层，其限定类似于所述镜构件的周界边缘。该铰接板还包括中心区，其支撑一对扭转铰接件，该对扭转铰接件沿着第二轴线延伸远离中心区。类似于镜构件的背层，铰接板还包含第一和第二端区。铰接层的每个端区限定中心脊部，其沿着所述第一轴线延伸远离中心区。该镜构件的中心区和中心脊部与所述铰接板的中心区和中心脊部对齐。然后，对齐的中心区和中心脊部通常被粘合在一起以形成镜组件。

【0009】根据本发明的另一个实施例，铰接板的第一和第二端区进一步包括一对周界棘状突起，其从铰接板的所述中心区沿着外部或周界边缘延伸，其延伸方式类似于周界棘状突起在镜构件的背层上的延伸方式。铰接层和镜构件的对应的周界棘状突起也优选地粘合在一起。在上述任意一个实施例中，可在铰接板的背侧安放永磁体，以为镜组件提供枢轴或回转运动(pivotal motion)，或者作为传感和监控镜运动的电路的一部分。

【0010】根据本发明的再一个实施例，类似于上文所讨论的扭转铰接镜组件可包含平衡板，而不是包含永磁体。类似于铰接板，该平衡板包含中心区、第一端区和第二端区。第一和第二端区的每一个还限定外部或周界边缘和中心脊部。类似于已经讨论的铰接板的中心脊部，平衡板的中心脊部从所述平衡板的所述中心区沿着所述第一轴线延伸，并粘合到所述铰接板的所述中心脊部。该平衡板还可包含一对周界棘状突起，其从所述平衡板的所述中心区沿着平衡板的周界或外部边缘延伸。所述平衡板的所述周界棘状突起还可粘合到所述铰接板的周界棘状突起。

附图说明

【0011】图1图解说明了根据本发明实施例的扭转铰接镜组件的局部视图；

【0012】图2图解说明了与图1类似的另一个实施例，但其进一步包含永久驱动/传感磁体及其相应的线圈；

【0013】图3是类似于图1和2的镜组件的分解视图，其进一步图解说明了镜构件、铰接板及永磁体的结构；

【0014】图4图解说明了本发明的另一个实施例；

【0015】图4A是合适比例的图1的镜的完整透视图；

【0016】图5是图4的镜排列的分解视图；

【0017】图6图解说明了类似于图1的镜组件的实施例，其进一步包含了平衡板；

【0018】图7是图6的分解视图；

【0019】图8是类似于图6的本发明的另一个实施例，但其包含具有周界棘状突起的铰接板；

【0020】图9是图8的分解视图；

【0021】图10是本发明的再一个实施例；

【0022】图11是图10的分解视图；以及

【0023】图12A和12B图解说明了现有技术的镜结构的挠曲问题，其通过本发明获得解决。

具体实施方式

【0024】现参考图1，这里显示了本发明的镜组件40的第一实施例的局部后视图。如所显示的，镜构件42附着或粘合到铰接层或板44。图2类似与图1，只是还包括了结合到铰接板44背面44b的永磁体46。如将在下文中更详细描述的，永磁体46可以是将绕枢轴线48的振荡旋转传给镜组件的驱动磁体。在一个实施例中，该镜组件以其谐振或共振频率振荡。可替换地，永磁体46可以用作监控或传感磁体，以提供有关镜组件40枢轴运动的信息。

【0025】此外，优选地选择永磁体46以使其具有大致等于镜构件42转动惯量的转动惯量，这样就使得镜组件的质量中心位于枢轴线48上。图2的实施例还包括了磁性线圈50，其和永磁体46交互作用以向镜组件40提供转动扭矩，或可选择地如在前文所述的，提供关于镜组件40的运动信息，镜组件40的运动是随着永磁体位置变化磁通量的变化所引起的。

【0026】图3是类似于图1和2的实施例中所图解说明的镜组件的分解视图，只是减少了铰接板44的中心区以及更多的材料从镜构件42的背层42b上去除，以减少重量。

【0027】再参考图1和2，特别是图3，可见的是镜构件42包含前层42a和背层42b，前层42a具有以双箭头54标识的选定厚度，背层42b包含中心脊部68a和一对周界棘状突起70a和70b。根据本发明的一个实施例，包含镜构件42的前层42a和背层42b的镜构件是单个或整体硅片，其具有蚀刻在该硅中的背层42b的支撑脊部68a和周界棘状突起70a和70b。根据图1、2和3的实施例，镜构件42的前层42a限定反射前表面56和周界边缘58。镜构件42的第一轴线60在第一端或尖端62a和第二端或尖端62b(示于图2和3)之间延伸。第二轴线64垂直于所述第一轴线延伸。第二轴线64平行于枢轴线48。形成镜构件42的背层42b以限定一中心区66，并且中心脊部68a(68b)从中心区66平行于第一轴线60朝向第一和第二端或尖端62a和62b延伸。一对周界棘状突起70a和70b也从中心区66朝向第一和第二端延伸。然而，周界棘状突起70a和70b沿着镜构件42的周界边缘58延伸。如示于图2和3中的，铰接板44具有镜侧44a，其粘合到镜构件42的背层42b。铰接板44包括一中心区72和一对扭转铰接件74a和74b，所述扭转铰接件从中心区72沿着平行于上述第二轴线的枢轴线48延伸。该铰接板还包括第一和第二端区。第一和第二端区的每一个定义了中心脊部78a(78b)，其沿着第一轴线60延伸。还是如示于图2和3以及如上文所讨论的，永磁体46可以粘合到铰接板44的背侧44b，以提供绕着枢轴线的旋转运动。可选择地，永磁体46可被用来提供关于镜组件运动的信息。再参考图1和3，这里示出了镜的另一个实施例，其被显示具有放大的区域80a，其作为扭转铰接件74a的一部分而形成。永磁体82a结合或粘合到放大的区域80a以向该镜组件提供枢轴旋转，该枢轴旋转提供的方式是本领域技术人员所公知的。还应当意识到类似的放大区域和第二永磁体可作为扭转铰接件74b(未示出)的一部分而形成。再参考图3，应该意识到放大的区域80a和永磁体82a可被用来向该镜组件40提供运动，而永磁体46和传感线圈50提供关于镜组件枢轴运动的反馈信息。当然应当意识到本发明覆盖了具有和不具有放大区域80和永磁体82的实施方式。此外，其它驱动技术可被用来向镜组件提供旋转或枢轴运动。例如，如本领域技术人员将意识到的，一对压电元件可被用来向镜组件输入谐振或共振运动。

【0028】图4图解说明了本发明的另一个实施例，其类似于图1、2和3中的实施例，只是铰接板84还包含周界棘状突起86a和86b，它们对应于镜构件42的周界棘状突起70a和70b，并与之对齐。由此，该对齐的周界棘状突起为镜构件42的边缘提供了更强的支撑。图5图解说明了图4的实施例的分解视图。应当意识到，图解说明本发明的附图并不必须是按照比例的，其可有意地失真以强调和帮助解释本发明的细节。图4A提供了本发明镜装置的真实比例的更好的视图，其显示了图4的镜组件的完整的透视图。

【0029】现参考图6，这里图解说明了本发明的另一个实施例。图6类似于图1、2和3的实施例，只是并没有如参照图2和3论述的那样将永磁体粘合到铰接板44的背侧44b，图6是将平衡板90结合到铰接板44的背侧。选择平衡板90以提供大致等于镜构件42转动惯量的转动惯量，并且提供平衡板90以平衡镜构件42，这样可使得组装的镜构件42、铰接板44和平衡板90的质量中心位于沿着扭转铰接件74a和74b延伸的枢轴线48上。如所显示的，平衡板90还包含中心区92和中心脊部94a和94b，脊部94a和94b从中心区92沿着第一轴线60延伸。

【0030】图7是类似于图6的镜组件的分解视图，除了更多的材料被从铰接板44和平衡板90去除。

【0031】图8也类似于图6和7，只是其还包含如图4和5所描述的周界棘状突起86a和86b。在图8的实施例中，平衡板90包括中心脊部94a，并与示于图6中的平衡板相同。图9是图8的镜组件的分解视图。

【0032】图10类似于图8的实施例，只是平衡板90还包括周界棘状突起96a和96b。平衡板90的周界棘状突起96a和96b还与镜构件42和铰接板44的周界棘状突起对齐，以对镜反射表面的边缘提供更多的支撑。

【0033】从前所述，本领域技术人员应当意识到，如本发明中所教导的那样使用中心脊部和周界棘状突起，其优势在于可在依赖于镜层厚度的任何速度下，减少振荡镜(oscillating mirror)的挠曲。仅仅作为实例，实验已经表明对于20KHz的操作速度而设计的镜以及对于大于30KHz(例如32KHz)的操作速度而设计的镜，都可受益于本发明的教导。当然，如果镜层被制作得更薄，本发明在比现有技术低得多的速度下也将具有优势。

【0034】尽管已经详细描述了本发明及其优点，但应当理解，这里可以进行各种改变、替换和转换或变更而不脱离由所附权利要求限定的本发明的精神和范围。

Claims (18)

1.一种扭转铰接镜组件，其具有第一轴线和与所述第一轴线正交的第二轴线，所述扭转铰接镜组件包括：

镜构件，其包含：

前层，其限定具有周界边缘的反射表面、沿着所述第一轴线在第一和第二端之间延伸的第一维度、和沿着所述第二轴线延伸的第二维度；

背层，其附着于所述前层，包含中心区、第一及第二端区以及一对周界棘状突起，所述第一和第二端区的每一个限定沿着所述第一轴线从所述中心区分别朝向所述第一和第二端延伸的中心脊部，所述一对周界棘状突起从所述中心区靠近所述前层的所述周界边缘分别朝向所述第一和第二端延伸；

铰接板，其具有粘合到所述镜构件的所述背层的镜侧以及背侧，所述铰接板包含：

中心区，

沿着枢轴线延伸远离所述中心区的一对扭转铰接件，所述枢轴线平行于所述第二轴线，以及

第一和第二端区，其限定沿着所述第一轴线延伸远离所述中心区的中心脊部；以及

所述镜构件的所述中心区和所述中心脊部与所述铰接板的所述中心区和所述中心脊部对齐。

2.根据权利要求1所述的扭转铰接镜组件，其中所述铰接板的所述第一和第二端区进一步包含一对周界棘状突起，所述一对周界棘状突起从所述铰接板的所述中心区延伸，并且其中所述铰接板的所述一对周界棘状突起与所述镜构件的所述一对周界棘状突起对齐。

3.根据权利要求1所述的扭转铰接镜组件，进一步包含安装在所述铰接板的背侧的永磁体。

4.根据权利要求3所述的扭转铰接镜组件，进一步包括磁性线圈，其与所述永磁体交互作用。

5.根据权利要求4所述的扭转铰接镜组件，其中所述永磁体和所述磁性线圈向所述镜构件提供转动能量。

6.根据权利要求5所述的扭转铰接镜组件，其中所述镜构件以其谐振频率振荡。

7.根据权利要求4所述的扭转铰接镜组件，其中所述永磁体和所述磁性线圈作为传感装置工作。

8.根据权利要求1所述的扭转铰接镜组件，其中所述一对扭转铰接件的至少一个铰接件进一步限定一放大的区域，并进一步包含附着到该放大区域的永磁体，用于使所述镜组件产生振荡运动。

9.根据权利要求1所述的扭转铰接镜组件，进一步包含平衡板。

10.根据权利要求9所述的扭转铰接镜组件，其中所述平衡板包含：

中心区；

第一和第二端区，所述第一和第二端区的每一个限定从所述平衡板的所述中心区沿着所述第一轴线延伸的中心脊部；以及

所述平衡板的所述中心区和所述中心脊部粘合到所述铰接板的所述中心区和所述中心脊部。

11.根据权利要求10所述的扭转铰接镜组件，其中所述平衡板的所述第一和第二端区进一步包含一对周界棘状突起，其从所述平衡板的所述中心区延伸，所述平衡板的所述一对周界棘状突起与所述铰接板的所述一对周界棘状突起对齐并与之粘结。

12.根据权利要求1所述的扭转铰接镜组件，其中所述镜构件的所述前层和所述背层从一整片材料形成。

13.根据权利要求1所述的扭转铰接镜组件，其中所述镜以大于20KHz的速度旋转。

14.根据权利要求13所述的扭转铰接镜组件，其中所述镜以大约32KHz的速度旋转。

15.根据权利要求9所述的扭转铰接镜组件，进一步包含驱动机构，其用于使所述镜组件产生振荡运动。

16.根据权利要求15所述的扭转铰接镜组件，其中所述驱动机构包含压电元件，以使所述扭转铰接镜组件产生振荡运动。

17.根据权利要求9所述的扭转铰接镜组件，其中所述镜以大于20KHz的速度旋转。

18.根据权利要求17所述的扭转铰接镜组件，其中所述镜以其谐振频率旋转。

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