CN100480773C - 在闭环操作中微机电系统反射镜的稳定性 - Google Patents

Abstract

本发明提供了用于去除抖动并稳定扭转铰链装置的反馈系统的设备和方法。将来自光束16的光源朝旋转反射镜10的反射表面引导到感光介质20上。传感器22a、22b将运动传感信号提供给控制驱动机构12的监视和控制电路26。通过在振动装置10或者施加于所述设备的驱动扭矩18中提供不对称性来实现稳定性，以便除了所述旋转运动外，又引入微小的横向运动。

Description

在闭环操作中微机电系统反射镜的稳定性

技术领域

【0001】本发明一般涉及扫描设备，以及稳定这种扫描设备的速度分布(例如打印和显示设备中使用的扫动光束的速度分布)的方法和设备。

背景技术

【0002】扭转铰接或检流计类反射镜为旋转式多边形反射镜提供了一种便宜的替代性机构，所述旋转式多边形反射镜产生适用于可视显示器和高速打印机的扫动光束。本领域技术人员将会意识到，为了利用激光打印机打印高质量图像，将光束扫描或扫动过光敏介质(例如旋转辊)的反射镜必须以相同的速度描绘出或者遵循相同的路径，并且每次扫描或扫动具有相同的时间周期。无法精密地重复每次扫描或扫动的位置和时间的情况被称为抖动。扭转铰接或检流计反射镜是高Q(品质因数)谐振扫描振荡器，其反射镜末梢速度在音速的十分之一内。在这些速度上，空气阻力是反射镜上主要的能量耗散机制(阻尼)。所述旋转反射镜附近的气流或气体密度波动会造成旋转幅度的低频变化。这些幅度变化造成扫描光束的低频抖动，这又会在高质量打印图像中产生伪象。光束位置传感器能够被用来产生与光束抖动幅度和/或期望的速度分布的偏差成比例的误差信号。这些误差信号与通用PI(比例积分)或类似控制器一起共同确定传送至驱动机构的功率，并抑制幅度变化、减少光束扫动中的变化。不幸的是，除了产生扫描光束的振荡或旋转模式，检流计或扭转铰接反射镜还具有振动模式。因此，如果控制环或反馈环使激活反射镜的非旋转模式的驱动机构的频率分量产生变化，则可能激活不期望的振动模式。某些振动模式的激活能够产生光束运动，这又会产生甚至更大的误差信号。然后反馈环可能尽量通过进一步增加驱动修正来抑制这个更大的信号，但这样却进一步扩大了误差。这个不稳定过程放大或泵激所述不期望模式，并且被控系统可能振荡甚至发散。实际上，这个问题被视为高比例环增益设置下误差信号和反射镜抖动中的振荡。

【0003】因此，旋转幅度稳定的廉价扭转铰接扫描系统将是有优势的。如果在对操作系统的现有结构进行最小改变的情况下就能够实现该系统，那么这样的系统将更有优势。

发明内容

【0004】本发明给出的上述抖动和稳定性问题的方案是通过在镜面质量平衡中产生不对称性或者在产生驱动场的扭矩中产生不对称性。这种不对称性连同足以改变位置传感器产生的误差信号的主要旋转或振荡一起引入了微小的横向反射镜运动，因而大大减少了控制器系统的不期望模式的放大或泵激。因此稳定了反射镜的运动，防止了不期望振动模式的放大。更具体地，所述轻微的横向运动对扫描光束速度分布的影响可忽略，还允许具有低抖动和高比例增益值的闭环控制。因此，所述“轻微的”横向运动留下了足够的余量来控制真实世界系统和环境干扰。

【0005】为了实现这一方案，本发明包括稳定扭转铰接装置(例如扭转铰接反射镜)的旋转运动的方法和设备。振荡组件的方法和设备包括绕轴旋转装置(诸如例如反射镜)，其由沿旋转轴线延伸的扭转铰链支撑。响应于驱动信号的驱动机构使绕轴旋转装置绕着旋转轴线以选定的速度和幅度振荡，这确定了速度分布。

【0006】但是，根据本发明，振荡组件包括选定的不对称特征，其特意产生几微米量级的横向运动。然后传感器被定位成周期性地监视绕轴旋转装置的位置，并产生代表所监视位置的信号。控制或反馈电路被连接至传感器，以接收位置信号，并确定驱动信号的参数，其将维持绕轴旋转装置以所选速度分布的速度和幅度振荡。所述控制电路向电源提供驱动信号参数，电源又产生具有所确定参数的驱动信号。

【0007】根据一个实施例，产生横向运动的所选非对称特征，是用来非对称地制造所述绕轴旋转装置，从而所述装置的质心偏离所述旋转轴线。

【0008】根据第二实施例，所述驱动机构被构造成，在所述绕轴旋转装置上产生不对称或不平衡扭矩，所述绕轴旋转装置具有引起横向运动的部件。作为例子，一类驱动机构是利用一个或多个电磁线圈，其与一个或多个安装在扭转铰接绕轴旋转装置(诸如例如，反射镜)上的永磁体相互作用。通常，应该注意保证磁体被安装成使引起来回振荡的磁力所造成的扭矩被平衡。但是，根据本发明的这个实施例，永磁体被特意定位成，使扭矩不平衡(即不对称)，并且还使得产生轻微的横向运动。

【0009】前述内容相当广泛地概括了本发明的特征和技术优势，以便可以更好地理解随后的本发明的详细描述。本发明的附加特征或优势将在下文中描述，其形成本发明权利要求的主题。本领域技术人员应该意识到，所公开的概念和具体实施例可以很容易地用作改进或设计执行本发明相同目的的其他结构和处理的基础。本领域技术人员还应该认识到，这样的等同结构并不脱离本文所给出的本发明的范围。

附图说明

【0010】为了更完整地理解本发明及其优点，现参考下面结合附图给出的描述，在所述附图中：

【0011】图1是扭转铰接扫描系统(例如可受益于本发明教导的扫描反射镜)的简化图；

【0012】图2图解说明了适用于图1系统中的驱动和反馈电路的方框图；

【0013】图3A、3B和3C是曲线图，其示出振荡扭转铰接装置的角度或位置，以及由一对传感器产生的用于图1系统的反馈的信号。

【0014】图4A、4B和4C图解说明了本发明的第一实施例，其中在垂直于一条正交于该装置表面的轴线并且垂直于旋转轴线的方向上的装置质心偏移导致了该横向运动；

【0015】图5图解说明了第二实施例，其中所述装置质心沿着正交于该装置表面并且垂直于旋转轴线的轴线偏移；以及

【0016】图6A和图6B图解说明了第三实施例，其中该装置的驱动中心相对于该装置的旋转中心偏移。

具体实施方式

【0017】下面将详细描述当前优选实施例的制造和使用。但应意识到，本发明提供可以实施于各种具体情况中的许多可应用的发明概念。所讨论的具体实施例仅仅是为了说明制造和使用本发明的具体方式，并不限制本发明的范围。

【0018】现参考图1，其图解说明了将受益于本发明教导的扭转铰接绕轴旋转装置的简化系统图。图解说明的系统是一个利用谐振扭转铰接反射镜作为打印机“驱动引擎”的激光打印机。如图所示，打印机系统包括谐振扫描装置10，其在该说明性实施例中是反射镜。扫描装置10是通过施加驱动扭矩至绕轴转动的装置(举例而言，例如扫描装置或反射镜10)来驱动。尽管各种技术或驱动机构12可被用来产生驱动扭矩，一种特别适合的驱动技术(将在下文详细讨论)是使安装于反射镜10的操作的后侧的永磁体与图6A和6B中详细示出的邻近的电子线圈(12b)相互作用/交感。

【0019】本领域技术人员应该意识到，激光打印机包括来自源16的光束14，其被引导朝向旋转反射镜10的反射表面。旋转反射镜10来回振荡或旋转，如双箭头18所示，从而在感光介质20(例如感光辊)上产生由14a、14b和14n标示的扫描光束。还包括一个光学光束传感器，并且优选包括一对光学光束传感器22a和22b，在每次所述反射光束14a-14n穿过固定在公知位置上的光学光束传感器时，所述光束传感器通过导线对24a和24b提供信号脉冲。导线对24a和24b上的信号脉冲被提供至监视和控制电路26，其利用该信号来确定驱动脉冲的必要参数(例如开始时间和持续时间)，以稳定和维持反射镜旋转的旋转幅度。如果驱动机构12是磁性的，则在所示例子中，电源被监视，并且控制电路26将响应于所确定的参数(其通过连接导线28提供至磁性线圈)产生驱动脉冲。但是，根据本发明，引入相对于扭转铰接装置或驱动扭矩的应用不对称的特征。除了期望的来回旋转或振荡运动外，这种不对称特意为扭转铰接装置引入了轻微的横向运动。横向运动应该对于主旋转运动的每一度不大于约±1微米，并且优选对于主旋转运动的每一度不大于±0.5微米。本领域技术人员将会意识到，横向运动当然会影响或改变光束14a-14m在感光辊20上的运动。这种运动在旋转运动上产生微小吊床类摆动，并且将在光束速度分布中产生轻微变化。这些变化在各次扫描中是重复性的，并且不会产生抖动。仅在如果速度分布随着时间改变时，才会发生抖动。为了本发明的目的，振荡反射镜的速度分布由于引入的横向运动而产生的变化应该不大于约±0.06％，并且优选不大于约±0.03％。

【0020】如上面所讨论的，监视和控制电路26从传感器22a和22b接收信号脉冲，并利用这些脉冲使振荡装置维持在正确的旋转幅度。现在参考图2，示出了这种稳定的反馈或监视和控制电路的功能闭环示意方框图。如图所示，在输出端30周期性地提供维持期望振荡频率和幅度的基本驱动命令或信号。输出端30上的基本驱动信号是已知频率和已知检测器位置的缺省值。基本信号在节点32与线路34上输入的误差信号(其表示与来自光束检测器22a和22b的脉冲的期望定时的时间偏差)结合。线路36上得到的信号被提供给比例校正(K_P)电路38和集成校正(K_I)电路40。K_P和K_I电路的输出在节点42结合，并发送至占空比电路44，其接收校正信号并改变校正振荡装置(例如反射镜)的速度分布所需的占空比。尽管可以改变其他参数来校正振荡装置的速度分布，但如果是用永磁体磁性线圈驱动结构向该组件提供扭矩，那么改变恒定幅度驱动脉冲的占空比或持续时间被发现是特别有效的。因此，如图所示，具有已知开始时间以及响应于振荡装置的速度分布变化的占空比的驱动脉冲被提供至驱动机构12，根据一个实施例驱动机构12是电磁线圈。因此理想化地，作为由方框46标示的谐波扭转铰接装置的动态特性的结果，只要线路30上的基本驱动脉冲被提供给电磁线圈，该谐波装置就将继续以已知谐波频率和可重复的速度或速度分布操作。不幸的是，如上所讨论的，其他因素(例如气流和振动等)在扭转铰接装置上会施加不期望的力，这些力在扭转铰接装置的运动或速度分布中引起扫描方向变化或抖动。这种扫描速度变化由标记为“坏”动态特性的方框48表示。因此，如在节点50所示的，由方框46表示的装置动态特性和“坏”动态特性46的结合引起速度分布或由传感器22a和22b产生脉冲的时间的变化。但是，这些由于“坏”动态特性引起的扫描速度变化还可以导致具有和反馈环路设计频率不同的频率分量的误差信号。因此，虽然反馈环通常可以正确地补偿变化，但反射的或混淆的数据信号也可以落入反馈环的控制带宽的范围内。然后这个混淆数据信号可以导致驱动信号变化，该驱动信号使抖动问题恶化，而不是减少或削弱这个问题。

【0021】图3A、3B、和3C帮助说明这个问题。图3A-3C中每一个都把时间示为曲线图的水平轴52。图3A的垂直轴54表示振荡装置的旋转角。因此，如图所示，图3A中的曲线56说明了谐波扭转铰接装置的角位置如何随时间变化。图3A的垂直轴54也说明了光束的角位置，传感器22a和传感器22b将在这些角位置处产生脉冲。因此对于表示振荡装置角位置的正弦曲线56的每个峰值(最大值和最小值)，分别存在由参考数字(58a-58b)和(60a-60b)标示的由传感器20a和20b产生的脉冲对。图3B说明了由传感器20a产生的脉冲，图3C说明了由传感器20b产生的脉冲。

【0022】如上面所提到的，本发明解决这些问题是通过特意在所述振荡装置中设计不对称性，而有意识地在谐波振荡装置的运动中引入横向运动。因此，根据图4A、4B和4C所示的第一实施例，其公开了一种偏移扭转铰接反射镜质心的技术，该反射镜由一个与电磁线圈相互作用的单永磁体驱动。参考图4A，其说明了对称平衡扭转铰接反射镜装置60的侧视图和后视图。如图所示，反射镜设备60包括反射部分62、支撑部分64、以及铰链层66。铰链层66形成一对扭转铰链68a和68b，它们提供了绕旋转轴线70的旋转。同样如图所示，存在以旋转轴线70为中心的永磁体72。因此应该意识到，反射部分62、支撑部分64以及铰链层66是对称的。而且，由于永磁体72以旋转轴线70为中心，该组合结构的质心以转动的旋转轴线为中心。

【0023】但是，参考图4B可以发现，组合反射镜结构60a与图4A的组合结构60相同，除了永磁体72a被置于或偏离法线或轴线74一个由双箭头76指示的选定距离。

【0024】应该明白，偏移的永磁体72a将导致组合结构60a的质心也具有偏移。这个偏移质心将导致在谐波振荡装置的主旋转运动中添加有意的横向运动。这个横向运动是扭转铰接装置选定速度分布中的变化，并且应该被限制成不大于选定速度分布的变化的±0.06％，并且优选不大于变化的±0.03％。

【0025】图4C的组合结构也类似于图4A的结构60，除了反射部分62和支撑部分64是相对于铰链层66偏移。在这个实施例中，永磁体72仍然以旋转轴线70为中心，但整个组合结构的质心还是偏离旋转轴线。

【0026】图5的结构60c也类似于图4A的结构60，除了质心沿远离旋转轴线70的法线74偏移。这可以通过改变永磁体72b的厚度来实现。例如，如果磁体厚度增加，质心将在箭头78a的方向上远离旋转轴线70。反之，如果磁体厚度降低，质心将沿着箭头78b远离旋转轴线。还应该意识到，这种不对称性还可以通过改变扭转铰接装置的任何其他部件的厚度或密度来实现。

【0027】图6A和6B图解说明了用于建立振荡反射镜不对称性的又一实施例。利用图4A的对称结构60对图6A和6B进行说明。另外，图4A的结构60被示为具有磁性驱动机构80，磁性驱动机构80和永磁体相互作用以在结构60上形成旋转扭矩。在图6A中还可看出，反射镜结构60被定位成，使得它的垂直轴线(或法线)74被等间距的布置在磁芯臂82a和82b之间。因此，随着芯臂82a和82b被开关以连续交替地提供北极和南极，和永磁体72的磁交互作用将提供这种磁力，其绕着它的旋转轴线70振荡反射镜结构。但是，根据图6B所示的本发明的另一个实施例，扭转铰接结构60c被定位成，使得法线或轴线74更接近于芯臂82a，并进一步远离磁芯臂82b。这种在芯臂的相对位置中的偏移将导致在结构60c上施加不对称磁力，其又会造成有意的横向运动。

【0028】虽然已经详细的描述了本发明及其优点，但应该理解的是，在不脱离由所附权利要求定义的本发明的精神和范围的情况下，可以在此进行各种变化、替换和替代。

【0029】而且，本申请的范围不应被限制在本说明书中描述的处理过程、机器、产品、物质成分、手段、方法和步骤的具体实施例。因为本领域技术人员根据本发明的公开将很容易意识到，可以根据本发明利用现有的或者以后开发的、执行与本文所述的相应实施例基本相同功能或者达到基本相同结果的处理过程、机器、产品、物质成分、手段、方法和步骤。因此，所附权利要求理应将这样的处理过程、机器、产品、物质成分、手段、方法和步骤包括在它们的范围内。

Claims (14)

1.一种扭转铰接扫描系统，包括：

振荡组件，其包括一个绕轴转动装置和一个响应于驱动信号的驱动机构，所述绕轴转动装置由一对沿着旋转轴线放置的扭转铰链支撑，所述驱动信号用于根据选定的速度分布使所述绕轴转动装置绕所述旋转轴线振荡，所述扫描系统包括因所述装置的主振荡产生横向运动的不对称特征；

传感装置，其用于感应所述绕轴转动装置的位置，并产生代表被感应位置的信号；以及

控制电路，其被连接成接收代表所述被感应位置的所述信号，并且用于确定维持所述速度分布必需的所述驱动信号的参数。

2.根据权利要求1所述的系统，其中所述绕轴转动装置的质心相对于所述旋转轴线偏移。

3.根据权利要求2所述的系统，其中所述驱动机构在所述绕轴转动装置上产生不平衡的旋转扭矩，从而引起所述横向运动。

4.根据权利要求3所述的系统，其中所述驱动机构包括一个安装在所述振荡组件上的永磁体，以及一个与所述永磁体交互作用以在所述振荡组件上形成旋转扭矩的电磁线圈，且其中所述驱动信号是施加于所述电磁线圈的选定持续时间的电压脉冲。

5.根据权利要求4所述的系统，其中所述永磁体的质心相对于所述旋转轴线偏移。

6.根据权利要求4所述的系统，进一步包括具有一对臂的磁芯，其用于朝安装在所述绕轴转动装置上的所述永磁体引导所述电磁线圈产生的磁力线；且其中所述磁芯臂关于所述永磁体被不对称设置。

7.根据权利要求1所述的系统，其中所述横向运动对于绕轴转动的每一度的范围在—1到+1微米。

8.根据权利要求1-7中任一项所述的系统，其中所述振荡组件是扭转铰接反射镜。

9.一种用于稳定扭转铰接装置旋转运动的方法，包括以下步骤：

提供一个绕轴转动装置，其由沿着旋转轴线放置的扭转铰链支撑；

响应于驱动信号，根据选定的速度分布使所述绕轴转动装置绕所述旋转轴线振荡；

在所述绕轴转动装置中引入横向运动；

感应所述绕轴转动装置的位置，并产生代表所述位置的信号；

接收所述产生的信号，以计算维持所述速度分布所需的驱动信号；以及

产生所述驱动信号。

10.根据权利要求9所述的方法，其中所述引入横向运动的步骤包括以下步骤：绕所述旋转轴线在所述绕轴转动装置的平衡中提供不对称性。

11.根据权利要求10所述的方法，其中所述引入横向运动的步骤包括以下步骤：在引起振荡的施加到所述绕轴转动装置的驱动扭矩中提供不对称性。

12.根据权利要求9所述的方法，其中所述绕轴转动装置的所述振荡是由至少一个安装在所述绕轴转动装置上的永磁体和一个接收驱动信号的电磁线圈的交互作用引起的；且进一步包括以下步骤：绕所述旋转轴线在所述扭转铰接装置上不对称地安装所述永磁体。

13.根据权利要求9所述的方法，其中所述引入的横向运动对于绕轴转动的每一度的范围在—1到+1微米。

14.根据权利要求9-13中任一项所述的方法，其中所述扭转铰接装置是反射镜。

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