CN102193189A - 光学多环扫描元件 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种光学多环扫描元件，包含一基板、一外环驱动元件、至少一内环驱动元件及一镜面，该外环驱动元件设置于该基板内，该外环驱动元件左右两侧对称设有第一扭转臂连接于该基板，该至少一内环驱动元件包括一第一内环驱动元件，该第一内环驱动元件设置于该外环驱动元件内，该第一内环驱动元件上下两侧对称设有第二扭转臂连接于该外环驱动元件，该镜面设置于该第一内环驱动元件内，该镜面上下两侧对称各设有一第三扭转臂连接于该内环驱动元件，该第三扭转臂与该第二扭转臂同轴，该第一扭转臂垂直于该第二扭转臂及第三扭转臂。

Description

光学多环扫描元件

技术领域

本发明涉及一种光学多环扫描元件，尤指一种于镜面与外环间再增加至少一个环状结构的光学多环扫描元件，该环状结构与镜面同一扭转轴心，通过特殊的模态设计与电磁力驱动后，具备同时进行水平与垂直方向二维扫描的能力，可产生放大扫描角度与降低镜面操作温度的效果。

背景技术

移动电子装置如手机已成为人类最重要的随身装置，预估2010年手机需求将超过12亿只，而2012年后约15亿只手机中，更将有5％以上(约7500万只)的手机将内建微型投影模块。微型投影模块的关键元件即为微光学扫描面镜，其可整合于如手机、数字相机、笔记本电脑、个人数字助理、游戏机等3C移动电子装置内，或应用于大型激光投影机、激光电视、头戴显示器、条码读取装置、光通讯开关、车用抬头显示器等产业领域。

目前微型投影模块依光源可分为激光与发光二极管两种投影技术，两者间具有明显的差异，包含：第一、激光光源的色域更广，色彩饱和度表现更佳，故可达到最极致的鲜艳画质！第二、核心的MEMS(微机电系统)双轴反射镜构造简单，只有单一镜面，而发光二极管投影机所使用DLP(数字光源处理)技术在单一元件中必须制作百万颗以上的微振镜；此外可运用半导体微机电工艺进行批次量产(Batch Process)，故具有高成品率、低成本的特性！第三、激光光束可在包含弯曲表面的任何平面进行投影，单位面积亮度高、指向性强，故不需复杂昂贵的光学聚焦与对焦镜组，光机结构更简单，可以最小的模块体积内建于电子装置中！故不论在尺寸、成本、性能等重要指标的比较上，激光投影均具备绝佳的市场优势。

微机电扫描反射镜为微型激光投影模块的关键元件，发展至今主要可分为电磁式、静电式、压电式、热电式等致动原理，但是彼此间都具有不易克服的缺点；利用静电力驱动的微振镜，通常在非共振态时的扫描角度不足，且需要超过80伏特以上的大电压驱动，元件侧壁间亦容易发生吸附效应更使得元件损坏，复杂的结构设计也让工艺成品率低；电磁力驱动的微扫描面镜则通常需要电镀复杂的电流绕线于镜面上，镜面上的电流导线亦会产生热累积导致镜面变形的可能；热电式驱动则有热效应问题，以致扫描频率不高，无法实用；压电式则有体积过大的问题，致动时的低位移量，亦使其扫描角度过小。因此如何选择一适合于移动投影的最佳致动方案是元件设计最重要的任务。

目前国际间最成功的微型激光投影模块的扫描元件驱动方式，是以电磁式致动为主，即为在微面镜上电镀金属线圈以产生劳伦兹力驱动，但如前所述，电磁式虽然具有大扫描角度、低操作电压、线性的控制角度与高画面解析度等优点，但复杂的电镀金属线圈常需十几道的光刻步骤，导致工艺难度高，成品率不易控制，此外当镜面上的线圈通电后，亦可能会因为热累积效应造成镜面温度太高而变形；因此如何解决上述问题即是目前产业间重要研究的方向。

电磁式扫描元件最常使用的致动原理为在镜面上电镀金属线圈，通过线圈中的电流与置放于元件两侧的永久磁铁所产生的磁场，相互作用后所生成的劳伦兹力来致动，例如美国发明专利公开号20050253055“MEMS device havingsimplified drive”，其于硅基镜面的快慢双轴上电镀金属线圈，让两轴均运用劳伦兹力为驱动力，虽然此方法具有提升驱动力以增加扫描角度的优点，但镜面电镀金属线圈的方式易造成操作时镜面温度升高的结果，很可能因为热累积导致产生镜面变形的问题。

关于运用静磁力来驱动镜面的公知技艺，例如美国发明专利6965177号“Pulse drive of resonant MEMS devices”，其致动方式为在镜面两轴的边缘粘贴永久磁铁，并在元件下方放置数个通上交流电的螺线管，故螺线管将会产生切换磁场，并可与镜面的永久磁铁产生吸斥作用而驱使镜面依据所通入的电流频率振荡。此方式的困难点在于不易粘贴磁铁，将增加组装人力成本，无法量产，且在薄弱的镜面上承载磁铁，会对微振镜的共振频率与耐用度造成影响。

此外，例如美国发明专利公开号20070047046“Micro-Mirror Device AndArray Therefor”，其同样采用电镀金属线圈产生劳仑兹力的传统电磁式驱动，该案公开一种于镜面外部设有一内环及一外环的双环结构，其内环与镜面之间设有互相连结的增强结构(Reinforcement rim)，该内环的目的单纯是为达到稳定镜面的效果，其镜面与内环之间并不会产生相对运动，亦即其镜面与内环同步震动，并不会有放大角度的模态与效果产生，而其增加内环的设计，亦会增加元件面积，但实际上对于镜面稳定效果极为有限。

据此可知，公知应用于光学感测或激光投影的光学扫描元件，主要均由位于中央位置的扫描镜面、围绕于扫描镜面外的单环状结构、承载外框等单元所组成，上述三构建之间常以互相正交的两组扭转梁连结，因此存在有扫描角度无法有效放大，且镜面容易因为线圈作用导致温度过高而变形，造成投影画面失真等缺失。此外，一般电磁式为了将电镀金属线圈的电性顺利导出，常需制作成双层导线，但双层导线的工艺难度高，光刻数目常超过10道以上，成品率不易控制，制作成本也高。

发明内容

有鉴于公知技术的缺失，本发明提出一种光学多环扫描元件，在镜面与外环间再增加至少一个环状结构，该环状结构与镜面同一扭转轴心，通过特殊的模态设计与电磁力驱动后，具备同时进行水平与垂直方向二维扫描的能力，可产生放大扫描角度与降低镜面操作温度的效果。

为实现上述目的，本发明提出一种光学多环扫描元件，包含：

一基板，该基板具有一第一透空部，该基板具有相互垂直的一第一轴方向以及一第二轴方向；

一外环驱动元件，设置于该第一透空部内，且该外环驱动元件具有一第二透空部，该外环驱动元件两侧对称各设有一第一扭转臂连接于该基板，该二第一扭转臂具有一第一延伸方向，且该第一延伸方向平行于该第一轴方向；

至少一内环驱动元件，其包括一第一内环驱动元件，该第一内环驱动元件设置于该第二透空部内，且该第一内环驱动元件具有一第三透空部，在该第一内环驱动元件的两侧对称各设有一第二扭转臂连接于该外环驱动元件，该二第二扭转臂具有一第二延伸方向，且该第二延伸方向平行于该第二轴方向；以及

一镜面，设置于该第三透空部内，该镜面的两侧对称各设有一第三扭转臂连接于该内环驱动元件，且该二个第三扭转臂与该二个第二扭转臂同轴。

为使本领域技术人员对于本发明的结构目的和功效有更进一步的了解与认同，兹配合附图详细说明如后。

附图说明

图1为本发明第一实施例立体结构示意图；

图2为本发明第一实施例俯视结构示意图；

图3为本发明第一实施例振动状态示意图；

图4为本发明第二实施例立体结构示意图；

图5为本发明第三实施例立体结构示意图；

图6为本发明第四实施例立体结构示意图；

图7为以本发明第一实施例结构为依据的具体尺寸实施例俯视结构示意图；

图8为对应图7该具体尺寸实施例的公知单环元件俯视结构示意图；

图9为本发明第五实施例立体结构示意图；

图10为本发明第六实施例立体结构示意图；

图11为本发明第七实施例立体结构示意图；

图12为本发明第八实施例立体结构示意图。

其中，附图标记

10、10A、10B、10C、20、30、40、50、60、70-光学多环扫描元件

11、11A、11B、11C、41、51、61、71-基板

111、411-第一透空部

12、12A、12B、12C、22、42、52、62、72-外环驱动元件

121、421-第二透空部

122a、122b、422a、422b、722a、722b-第一扭转臂

123a、123b、723a、723b-外部电性接口

124a、124b、124c、124d、124e、124f、124g、124h-电性隔离区

13、13A、13B、13C、23、43、53、63、73-第一内环驱动元件

131、431-第三透空部

132a、132b、432a、432b-第二扭转臂

133、133A、133B、133C、134、134A、134B、134C-导电孔

14、14A、14B、14C、24、34、44、54、64、74-镜面

141a、141b、441a、441b-第三扭转臂  15、45、55、65-立体螺旋管

16a、16c、76a-第一永久磁铁     16b、16d、76b-第二永久磁铁

32-单环驱动元件                46-第二内环驱动元件

461-第四透空部                 462a、462b-第四扭转臂

66-第二内环驱动元件            F1-第一轴方向(慢轴)

F2-第二轴方向(快轴)            F3、F4-磁性方向

具体实施方式

以下将参照随附的附图来描述本发明为达成目的所使用的技术手段与功效，而以下附图所列举的实施例仅为辅助说明，以利本领域技术人员了解，但本申请的技术手段并不限于所列举图式。

请参阅图1及图2所示本发明第一实施例立体结构示意图，该光学多环扫描元件10包含一基板11、一外环驱动元件12、一第一内环驱动元件13及一镜面14。

该基板11可为一硅基板、一金属基板、一玻璃基板或一电路板，该基板11具有相互垂直的一第一轴方向F1以及一第二轴方向F2，该第一轴方向F1为慢轴，该第二轴方向F2为快轴，在本实施例中，该第一轴方向F1为X轴方向，该第二轴方向F2为Y轴方向，于该基板11设有一第一透空部111，在该基板11下方设有一立体螺旋管15，该立体螺旋管15用以制动该外环驱动元件12。

该外环驱动元件12表面采用电镀工艺形成有硬磁性(hard magnetic)薄膜合金，该外环驱动元件12设置于该第一透空部111内，且该外环驱动元件12具有一第二透空部121，该外环驱动元件12两侧对称各设有一第一扭转臂122a、122b连接于该基板11，该二个第一扭转臂122a、122b具有一第一延伸方向，且该第一延伸方向平行于该第一轴方向F1，该二第一扭转臂122a、122b连接于该基板11的一端分别设有一外部电性接口123a、123b，该外部电性接口123a、123b用以连接外部电流。

该第一内环驱动元件13采用电镀工艺形成有线圈(图中未示出)，该第一内环驱动元件13设置于该第二透空部121内，且该第一内环驱动元件13具有一第三透空部131，于该第一内环驱动元件13的两侧对称各设有一第二扭转臂132a、132b连接于该外环驱动元件12，该二个第二扭转臂132a、132b具有一第二延伸方向，且该第二延伸方向平行于该第二轴方向F2。

该镜面14镀有反光层，该反光层可为金、银、铝、镍、铜、等金属材质，该镜面14设置于该第三透空部131内，该镜面14的两侧对称各设有一第三扭转臂141a、141b连接于该第一内环驱动元件13，且该二第三扭转臂141a、141b与该二第二扭转臂132a、132b同轴。

在该基板11外部设有磁性相反的第一磁场以及第二磁场，该第一磁场由一第一永久磁铁16a构成，该第二磁场由一第二永久磁铁16b构成，该第一永久磁铁16a与该第二永久磁铁16b的极性相反，例如该第一永久磁铁16a为S极，该第二永久磁铁16b为N极，或可相反极性设置，且该第一永久磁铁16a及该第二永久磁铁16b的磁性方向平行于该第一轴方向F1，由该第一永久磁铁16a及该第二永久磁铁16b提供磁性配合该立体螺线管15以驱动该光学多环扫描元件10动作。

该基板11、外环驱动元件12、第一内环驱动元件13及镜面14，及该第一扭转臂122a、122b、第二扭转臂132a、132b、第三扭转臂141a、141b通常均为相同材质，再利用工艺方式将其区隔开，最常采用的材质为硅，例如单晶硅、多晶硅、SOI wafer等；在其他实施例，亦可由工艺方式成长为金属结构，可采用一般金属如铜、铝、钢，或磁性材料如镍、铁、钴，或磁性合金如钴镍、钴镍锰磷；亦即，该基板11、外环驱动元件12、第一内环驱动元件13及镜面14，及该第一扭转臂122a、122b、第二扭转臂132a、132b、第三扭转臂141a、141b均可完全由硅，或完全由金属，或由硅与金属与磁性材料等混合搭配的方式组成。以图1所示本发明该第一实施例而言，在该外环驱动元件12上加设有电镀磁性材料，如镍，或磁性合金，如铁镍、钴镍、钴镍锰磷，在该外环驱动元件12内设有金属下电极导电层，在该第一内环驱动元件13上加设有电镀金属线圈，如铜、铝、镍、金、银等，该金属下电极导电层与电镀金属线圈间有绝缘层，如二氧化硅或氮化硅，其间通过一导电孔(via)进行电性连结；该金属下电极导电层作为导电回路之用，可用电镀、蒸镀、溅镀、沉积等方式制作，其材质可为铜、铝、镍、金、银等；或以离子注入(doping)方式制作。

请参阅图2及图3所示本发明第一实施例，该光学多环扫描元件10采用电磁力趋动，该电磁力为劳伦兹力(Lorentz Force)或静磁力(Magnetostatic Force)或以劳伦兹力及静磁力的双重电磁力分别驱动快慢轴，运用双重电磁力趋动元件时，因其慢轴F1及快轴F2分属于结构内外侧的差异，若运用不同的驱动方式，搭配特殊设计的振动模态，可得到最佳的驱动效果。该快轴F2主要是带动最内侧的该镜面14进行水平方向的快速扫描，由于传统电磁式直接在镜面上电镀金属线圈，以劳伦兹力趋动的方式，会因热累积而导致镜面变形，导致影像失真的风险，而本发明由于将线圈设置于该第一内环驱动元件13，因此可避免传统将线圈设置于镜面的缺失，此外，由于本发明具有与该镜面14同轴的第一内环驱动元件13，该第一内环驱动元件13与该外环驱动元件12形成一特殊的双环结构(Double Ring)，此双环结构搭配特别设计的共振模态，包括反相位共振模态(Out-phase resonance mode)或同相位共振模态(In-phaseresonance mode)，若将驱动力加于该第一内环驱动元件13上，则可顺利间接带动该镜面14振动，除了具有放大扫描角度效果外，亦有降低镜面14温度的优点。在慢轴F2部分，一般均由最外侧的该外环驱动元件12负责垂直方向的低速扫描，因为该外环驱动元件12须低频制动，故均有面积大的特性，而本发明采用电镀硬磁性薄膜于该外环驱动元件12，搭配下方通以60Hz交流电的高密度立体螺线管15，以静磁力吸斥该外环驱动元件12的方式来制动。

关于本发明的电流路径，请参阅图2箭头路径所示简要说明之，电流以该外部电性接口123a作为起始点，进入一以电镀或离子注入方式制作的电性导通层，导通层上区分出电性隔离区；电流将通过该第一扭转臂122a进入该外环驱动元件12内的金属下电极导电层(图示虚线箭头路径)，因该外环驱动元件12设有电性隔离区124a，故电流将由该第二扭转臂132a进入该第一内环驱动元件13，电流经一导电孔133向上与该第一内环驱动元件13的电镀金属线圈接合，电流依线圈环绕方向由外向内流通(图示实线箭头路径)，通过图示该电性隔离区124c、124d、124e的设置，可确保电流沿着第一内环驱动元件13内的电镀金属线圈流动而不致产生短路，而后，电流再经一导电孔134下潜并流入该内环驱动元件13与外环驱动元件12内的金属下电极导电层(图示虚线箭头路径)，同样地，在该外环驱动元件12设有电性隔离区124b，因此电流可被导引流入该第二扭转臂122b，最后由该外部电性接口123b流出，通过该电性隔离区124a、124b、124c、124d的设置，以及金属下电极导电层(图示虚线箭头路径区域)、该导电孔133、134的设置，可提供该二个外部电性接口123a、123b与该外环驱动元件12、该第一内环驱动元件13、镜面14所设置的电镀金属线圈形成一电流行进路径，可确保电流行进于所需的路径而不致短路。

值得附带说明的是，上述提供该电流行进路径的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间均设有绝缘层(图中未示出)将彼此隔绝，以避免金属下电极导电层与电镀金属线圈短路，使得该金属下电极导电层与电镀金属线圈仅于该导电孔133、134相互导通，该金属下电极导电层的形成方式不限，例如可以工艺方式沉积金属层，如金、铝、铜、镍、银等，或金属合金，如钛金等，或以离子注入方式注入硼、磷等，以形成电性回路。

以上述该基板11、外环驱动元件12、第一内环驱动元件13及镜面14，及该第一扭转臂122a、122b、第二扭转臂132a、132b、第三扭转臂141a、141b的材质均采用硅而言，其实施方式更具有以下不同变化实施例。

请参阅图4所示第二实施例，该光学多环扫描元件10A同样采用双重电磁力趋动，本实施例与第一实施例的差异在于该镜面14A也镀有线圈，亦即，该外环驱动元件12A上加设有电镀磁性材料，如镍，或磁性合金，如铁镍、钴镍、钴镍锰磷，该外环驱动元件12A所加设的电镀磁性材料或磁性合金与该外环驱动元件12A之间设有电性绝缘层，且该外环驱动元件12A、该内环驱动元件13A、该镜面14A内均设有金属下电极导电层，而该第一内环驱动元件13A及镜面14A上均加设有电镀金属线圈，如铜、铝、镍、金、银等，该第一内环驱动元件13A及镜面14A上所加设的电镀金属线圈与该第一内环驱动元件13A及镜面14A之间设有电性绝缘层，该第一内环驱动元件13A及镜面14A负责驱动快轴(该第二轴方向F2)，该外环驱动元件12A驱动慢轴(该第一轴方向F1)，该金属下电极导电层与电镀金属线圈间有绝缘层，如二氧化硅或氮化硅，其间通过导电孔(via)进行电性连结；该金属下电极导电层作为导电回路之用，可用电镀、蒸镀、溅镀、沉积等方式制作，其材质可为铜、铝、镍、金、银等；或以离子注入(doping)方式制作；其电流路径如图4所示，电流由该外部电性接口123a进入后，通过该第一扭转臂122a进入该外环驱动元件12A，此时电流于该外环驱动元件12A内部的金属下电极导电层内流动(该虚线箭头路径)，而后经过一导电孔133A流入该第一内环驱动元件13A及镜面14A的电镀金属线圈(该实线箭头路径)，再经另一导电孔134A流入该镜面14A、内环驱动元件13A、外环驱动元件12A内部的金属下电极导电层，再流入该第二扭转臂122b，最后由该外部电性接口123b流出。通过该电性隔离区124a、124b、124c、124d、124g的设置，以及金属下电极导电层(图示虚线箭头路径区域)、该导电孔133A、134A的设置，可提供该二外部电性接口123a、123b与该外环驱动元件12A、该第一内环驱动元件13A、镜面14A所设置的电镀金属线圈之间形成一电流行进路径，可确保电流行进于所需的路径而不致短路。

请参阅图5所示第三实施例，该光学多环扫描元件10B设置二极性相同且相邻设置的第一永久磁铁16a、16c，以及二极性相同且相邻设置的第二永久磁铁16b、16d，该第一永久磁铁16a、16c的极性与该第二永久磁铁16b、16d的极性相反，例如该第一永久磁铁16a、16c为S极，该第二永久磁铁16b、16d为N极，该第一永久磁铁16a、16c以及该第二永久磁铁16b、16d均可产生一倾斜的磁性方向F3，该磁性方向F3不平行于该第一轴方向F1以及该第二轴方向F2，在该外环驱动元件12B及该内环驱动元件13B内设有金属下电极导电层，于该外环驱动元件12B、第一内环驱动元件13B均设有电镀金属线圈，如铜、铝、镍、金、银等，该第一内环驱动元件13B负责驱动快轴(该第二轴方向F2)，该外环驱动元件12B驱动慢轴(该第一轴方向F1)，而不涉及磁性合金的原理或架构，亦即本实施例不需要电镀合金，且无须设置图1及图4所示实施例中的该立体螺线管15，在金属下电极导电层与电镀金属线圈间有绝缘层，如二氧化硅或氮化硅，其间通过导电孔(via)进行电性连结；该金属下电极导电层作为导电回路之用，可用电镀、蒸镀、溅镀、沉积等方式制作，其材质可为铜、铝、镍、金、银等；或以离子注入(doping)方式制作；本实施例的特点在于采用单纯劳伦兹驱动，其电流路径如图5所示，电流由该外部电性接口123a进入基板11B内的金属下电极导电层，电流(该虚线箭头路径)再通过该第一扭转臂122a进入该外环驱动元件12、此时电流经一导电孔133B向上沿着于该外环驱动元件12B及第一内环驱动元件13B的电镀金属线圈行进(该实线箭头路径)，而后经过一导电孔134B流入该内环驱动元件13B内部的金属下电极导电层内(该虚线箭头路径)，再流入该第二扭转臂122b，最后由该外部电性接口123b流出，通过该电性隔离区124a、124b、124h的设置，以及金属下电极导电层(图示虚线箭头路径区域)、该导电孔133B、134B的设置，可提供该二外部电性接口123a、123b与该外环驱动元件12B、该第一内环驱动元件13B、镜面14B所设置的电镀金属线圈之间形成一电流行进路径，可确保电流行进于所需的路径而不致短路。

请参阅图6所示第四实施例，该光学多环扫描元件10C的架构与图5该第三实施例相同，本实施例的特点在于该外环驱动元件12C、第一内环驱动元件13C及镜面14C均设有电镀金属线圈，如铜、铝、镍、金、银等，且该外环驱动元件12C、第一内环驱动元件13C及镜面14C内均设有金属下电极导电层，该第一内环驱动元件13C及镜面14C负责驱动快轴(该第二轴方向F2)，因镜面14C驱动效率最高，但有热变形问题，故可以绕较少线圈，再以该第一内环驱动元件13C辅助，该外环驱动元件12C仍然驱动慢轴(该第一轴方向F1)，亦不涉及磁性合金的原理或工艺。在金属下电极导电层与电镀金属线圈间有绝缘层，如二氧化硅或氮化硅，其间通过导电孔(via)进行电性连结；该金属下电极导电层作为导电回路之用，可用电镀、蒸镀、溅镀、沉积等方式制作，其材质可为铜、铝、镍、金、银等；或以离子注入(doping)方式制作；本实施例也是采用单劳伦兹驱动，其电流路径如图6所示，电流由该外部电性接口123a进入基板11C内的金属下电极导电层，电流(该虚线箭头路径)再通过该第一扭转臂122a进入该外环驱动元件12C，此时电流经一导电孔133C向上沿着于该外环驱动元件12C及第一内环驱动元件13C以及镜面14C的电镀金属线圈行进(该实线箭头路径)，而后经过一导电孔134C流入该镜面14C内部的金属下电极导电层内(该虚线箭头路径)，再流入该第二扭转臂122b，最后由该外部电性接口123b流出，通过该电性隔离区124a、124b、124f的设置，以及金属下电极导电层(图示虚线箭头路径区域)、该导电孔133C、134C的设置，可提供该二外部电性接口123a、123b与该外环驱动元件12C、该第一内环驱动元件13C、镜面14C所设置的电镀金属线圈之间形成一电流行进路径，可确保电流行进于所需的路径而不致短路。

根据上述不同实施例，请再参阅图1，该基板11的材质可采用硅，该外环驱动元件12、第一内环驱动元件13及镜面14均具有金属下电极导电层(图中未示出)，该外环驱动元件12、第一内环驱动元件13及镜面14，及该第一扭转臂122a、122b、第二扭转臂132a、132b、第三扭转臂141a、141b均采用金属，如铜、铝、钢，或采用磁性材料，如镍、铁、钴，或采用磁性合金，如铁镍、钴镍、钴镍锰磷，同理，其实施架构有以下四种：

a.于该外环驱动元件12上加设有电镀磁性材料，如镍，或磁性合金，如铁镍、钴镍、钴镍锰磷，于该第一内环驱动元件13上加设有电镀金属线圈，如铜、铝、镍、金、银等。其电流路径与图2相同。

b.于外环驱动元件12上加设有电镀磁性材料，如镍，或磁性合金，如钴镍、钴镍锰磷，于该第一内环驱动元件13及镜面14上均加设有电镀金属线圈，如铜、铝、镍、金、银等。其电流路径与图4相同。

c.于外环驱动元件12、第一内环驱动元件13上均加设有电镀金属线圈，如铜、铝、镍、金、银等。其电流路径与图5相同。

d.该外环驱动元件12、第一内环驱动元件13及镜面14上均加设有电镀金属线圈，如铜、铝、镍、金、银等。其电流路径与图6相同。

必须说明的是，上述所有的电镀磁性材料、磁性合金或电镀金属线圈，与其所属的金属结构层(亦即该外环驱动元件12、第一内环驱动元件13及镜面14)之间均设有电性绝缘层。

由上述不同实施例可知，当本发明所公开的光学多环扫描元件采用的材质不同，且搭配不同电镀磁性材料、磁性合金、电镀金属线圈及金属结构层设计时，即可构成单劳伦兹力或双驱动力趋动架构，说明本发明所提出的光学多环扫描元件适用于单劳伦兹力或双驱动力，综言之，当采用单劳伦兹力驱动时，该外环驱动元件12、第一内环驱动元件13及镜面14皆以线圈来驱动，若采用纯静磁力驱动，则该外环驱动元件12、第一内环驱动元件13及镜面14皆具有电镀磁性材料，必须说明的是，该驱动力不限于电磁力，亦可为静电力、压电力或热电力。

请参阅图7及图8所示，说明本发明所提出的多环结构相较于公知单环结构所能达成的功效，图7显示一种双环结构实施例，该光学多环扫描元件20的外环驱动元件22尺寸为3000×3500um，第一内环驱动元件23尺寸为2050×2050um，镜面24尺寸为1100×1100um，结构与扭转轴厚度为30um，图8显示一种公知单环结构，该光学单环扫描元件30的单环驱动元件32尺寸为3000×3500um，镜面34尺寸为1100×1100um，结构与扭转轴厚度为30um，亦即，该光学多环扫描元件20与光学单环扫描元件30的外环尺寸与镜面尺寸，以及结构与扭转轴厚度相同，在相同比较基础的条件下，利用有限元素分析软件ANSYS模拟共振频与扫描角度，主要考虑会影响扫描角度的因素包含驱动面积、镜面尺寸、与驱动频率三项；经调整结构尺寸后，求得该光学多环扫描元件20与光学单环扫描元件30均为22.5kHz的高频共振频后，再进行扫描角度比较，其中该光学多环扫描元件20的快轴共振频率为22494Hz，慢轴共振频为1046Hz，首先针对该光学多环扫描元件20进行单独施加电磁力于外环或内环的差异比较，以确认增加的第一内环驱动元件23是否能够发挥不同的效果，其中计算电磁力的相关参数如下：中心磁场密度B＝0.15T、导线电流I＝0.1A、导线宽度＝10um、导线间距＝10um；导线圈数N可通过该第一内环驱动元件23及外环驱动元件22的宽度除以导线宽度加间距后得知，约为18m圈，而劳伦兹力公式为F＝N×I×L×B，故实际作用于该第一内环驱动元件23上的劳伦兹力可由累加各线圈的段落后求得，若再除以该第一内环驱动元件23及外环驱动元件22对应的梯型面积，即可求得该第一内环驱动元件23及外环驱动元件22上的压力P＝1500pa，将此值代入分析软件ANSYS进行简谐分析，于damping值设定为0.002下，可求得只施力于该第一内环驱动元件23时的机械角θ＝±13°，只施力于外环驱动元件22时的机械角θ＝±0.8°。由上述结果可得知，在相同的施力条件与近似的面积下，施加于该第一内环驱动元件23将可发挥更大的驱动效果，其原因为在共振模态下，若施力于该外环驱动元件22的左右两侧时，即靠近外环驱动元件22的第一扭转臂222a、222b之处，受限于施力点处的位置较上下两侧更不易扭动，故其位移与形变量并不明显，相较之下，该第一内环驱动元件23的位移量较大，故在该第一内环驱动元件23施力时，可带动该镜面24作更大的位移。

其次，就图8该光学单环扫描元件30的进行分析，通过微调其单环驱动元件32的第一扭转臂322a、322b的几何尺寸，可得到频率约22.5kHz时的扫描角度值。于相同施力条件下，该光学单环扫描元件30机械角θ＝±3.5°，据此可知，由于该光学单环扫描元件30的单环施力点刚性过大，以致无法有效率的带动镜面34角度。

此外，传统镜面上的电镀金属线圈产生的热效应亦是考虑的重点，传统单环结构，如图8所示该光学单环扫描元件30，将线圈绕于该单环驱动元件32，面积大且为双层线圈，因此电阻值高达150～200欧姆，功耗大，而本发明的双环结构，如图8所示该光学多环扫描元件20，将线圈绕于该第一内环驱动元件23，面积较小，电阻值低，约50欧姆，功耗较小，将本发明该光学多环扫描元件20与公知光学单环扫描元件30两者以热模拟软件分析后可知，该光学单环扫描元件30的镜面34温度高达摄氏180度，而本发明该光学多环扫描元件20的镜面24温度为摄氏105度，显示本发明该光学多环扫描元件20具有可降低镜面24温度的优点。请参阅图9所示本发明第五实施例立体结构示意图，本实施例以图1该实施例为基础，图1该光学多环扫描元件10为双环结构，而本实施例的特点在于呈现三环结构，该光学多环扫描元件40包含一基板41、一外环驱动元件42、一第一内环驱动元件43、一第二内环驱动元件46、一镜面44，于基板41下方设有一立体螺旋管45，该基板41、外环驱动元件42、第一内环驱动元件43、第二内环驱动元件46分别具有一第一透空部411、第二透空部421、第三透空部431、第四透空部461，分别提供该外环驱动元件42、第一内环驱动元件43、第二内环驱动元件46及镜面44设置于其内，该外环驱动元件42通过两侧对称设置的第一扭转臂422a、422b连接于该基板41，该第一内环驱动元件43通过上下对称设置的第二扭转臂432a、432b连接于该外环驱动元件42，该第二内环驱动元件46通过上下对称设置的第四扭转臂462a、462b连接于该第一内环驱动元件43，该镜面44通过上下对称设置的第三扭转臂441a、441b连接于该第二内环驱动元件46，该第一扭转臂422a、422b平行于该第一轴方向F1(快轴)，该第二扭转臂432a、432b、第四扭转臂462a、462b、第三扭转臂441a、441b平行于该第二轴方向F2(慢轴)，且该该第二扭转臂432a、432b、第四扭转臂462a、462b、第三扭转臂441a、441b同轴。

请参阅图10所示本发明第六实施例立体结构示意图，本实施例以图1该实施例为基础，该光学多环扫描元件50包括一基板51、一外环驱动元件52、一第一内环驱动元件53、一镜面54，于基板51下方设有一立体螺旋管55，本实施例的特点在于，该外环驱动元件52、第一内环驱动元件53、镜面54均呈圆形。

请参阅图11所示本发明第七实施例立体结构示意图，本实施例综合图9及图10实施例结构，该光学多环扫描元件60包括一基板61、一外环驱动元件62、一第一内环驱动元件63、一第二内环驱动元件66、一镜面64，于基板61下方设有一立体螺旋管65，本实施例的特点在于，一外环驱动元件62、一第一内环驱动元件63、一第二内环驱动元件66均呈矩形，该镜面64呈圆形。请参阅图12所示本发明第八实施例立体结构示意图，该光学多环扫描元件70包括一基板71、一外环驱动元件72、一第一内环驱动元件73、一镜面74、一第一永久磁铁76a以及一第二永久磁铁76b，该基板71两侧各设有一第一扭转臂722a、722b，以及一外部电性接口723a、723b，该基板71与该外环驱动元件72、第一内环驱动元件73及该镜面74斜置一角度，该角度无一定限制，可为45度，该基板71具有相互垂直的一第一轴方向F1以及一第二轴方向F2，该第一轴方向F1为慢轴，该第二轴方向F2为快轴，该二第一扭转臂722a、722b具有一第一延伸方向，且该第一延伸方向平行于该第一轴方向F1，该第一永久磁铁76a以及该第二永久磁铁76b均可产生一磁性方向F4，该磁性方向F4不平行也不垂直于该第一轴方向F1，同时，该磁性方向F4不平行也不垂直于该第二轴方向F2，如此，当如图1该第一实施例与图4该第二实施例中，该外环驱动元件72所镀材料为磁性材料(如镍)，而非硬磁性材料(如磁性合金)时，该第一永久磁铁76a以及该第二永久磁铁76b产生的磁场分量将可同时提供给快慢两轴(亦即该第一轴方向F1及第二轴方向F2)的磁力使用。同理，在图5该第三实施例与图6该第四实施例中，于外环驱动元件72设有电镀金属线圈的情况下，若该基板71与第一轴方向F1及该第二轴方向F2之间，为一非水平或垂直的夹角关系，则只须设置如图12所示该第一永久磁铁76a及该第二永久磁铁76b即可，而无需设置如图5及图6所示该第一永久磁铁16a、16c及第二永久磁铁16b、16d等四个磁铁，以达成更微型化体积的目的。

同理，上述图1至图11实施例均可应用于如图12所示该斜置45度的型态。

由上述不同实施例可知，本发明所公开的光学多环扫描元件可为双环结构，也可为三环结构，以此类推，可为三环以上结构，同时，该外环驱动元件、内环驱动元件及镜面的形状没有一定限制，可为矩形、圆形或不同形状混合搭配，以此类推，也可为其他多边形，但无论整体形状或内环数量如何变化，本发明的设计原则在于内环驱动元件与镜面的扭转臂为同轴设置。

综上所述可知，本发明所提供的光学多环扫描元件与公知结构在手段、功效、成本上的差异如下；

一、独特多环结构设计，其快轴设计于共振模态，当通电流于内环电镀金属线圈时，通过多环结构可激发放大快轴(镜面)扫描角度。

二、通过制作金属下电极导电层方式，只需电镀单层线圈，可大幅降低工艺复杂度、提升成品率，降低成本。

三、内环可作为热缓冲层，可有效降低镜面温度，避免公知技术中常见镜面温度过高而变形，造成投影画面失真的耐用度问题。

四、不在微镜面上组装磁铁，可避免微面镜的共振频与耐用度受影响。

当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。

Claims (27)

1.一种光学多环扫描元件，其特征在于，包含：

一基板，该基板具有一第一透空部，该基板具有相互垂直的一第一轴方向以及一第二轴方向；

一外环驱动元件，设置于该第一透空部内，且该外环驱动元件具有一第二透空部，该外环驱动元件两侧对称各设有一第一扭转臂连接于该基板，该二个第一扭转臂具有一第一延伸方向，且该第一延伸方向平行于该第一轴方向；

至少一内环驱动元件，其包括一第一内环驱动元件，该第一内环驱动元件设置于该第二透空部内，且该第一内环驱动元件具有一第三透空部，在该第一内环驱动元件的两侧对称各设有一第二扭转臂连接于该外环驱动元件，该二个第二扭转臂具有一第二延伸方向，且该第二延伸方向平行于该第二轴方向；以及

一镜面，设置于该第三透空部内，该镜面的两侧对称各设有一第三扭转臂连接于该内环驱动元件，且该二个第三扭转臂与该二个第二扭转臂同轴。

2.根据权利要求1所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该基板的第一轴方向为慢轴，该第二轴方向为快轴。

3.根据权利要求1所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该基板为一硅基板、金属基板、一玻璃基板或一电路板。

4.根据权利要求1所述的光学多环扫描元件，其特征在于，其采用电磁力、静电力、压电力及热电力为驱动力。

5.根据权利要求4所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该电磁力为劳伦兹力或静磁力或以两种力分别驱动快慢轴。

6.根据权利要求1所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该基板外部设有磁性相反的第一磁场以及第二磁场。

7.根据权利要求6所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该第一磁场由至少一第一永久磁铁构成，该第二磁场由至少一第二永久磁铁构成，该第一永久磁铁与该第二永久磁铁的极性相反。

8.根据权利要求7所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该第一永久磁铁及该第二永久磁铁的磁性方向平行于该第一轴方向。

9.根据权利要求7所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该第一永久磁铁及该第二永久磁铁的磁性方向不平行也不垂直于该第一轴方向，且该第一永久磁铁及该第二永久磁铁的磁性方向不平行也不垂直于该第二轴方向。

10.根据权利要求1所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该基板、外环驱动元件、第一内环驱动元件及镜面，及该第一扭转臂、第二扭转臂、第三扭转臂的材质均为硅。

11.根据权利要求10所述的光学多环扫描元件，其特征在于：

该外环驱动元件具有金属下电极导电层，且该外环驱动元件上设有电镀磁性材料，在该金属下电极导电层与该电镀磁性材料之间设有绝缘层；

该第一内环驱动元件具有金属下电极导电层，且该第一内环驱动元件设有电镀金属线圈，该金属下电极导电层与该电镀金属线圈之间设有绝缘层；

该二个第一扭转臂连接于该基板的一端分别设有一外部电性接口，该外部电性接口连接外部电流；

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面其中之一或其组合设有至少一导电孔，该外环驱动元件的金属下电极导电层与电镀磁性材料之间，以及该第一内环驱动元件的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间，在该导电孔处形成电性导通；

通过该外环驱动元件的金属下电极导电层与电镀磁性材料、该第一内环驱动元件的金属下电极导电层与电镀金属线圈、该导电孔以及该绝缘层，提供该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面与该二外部电性接口形成一电流行进路径而不致短路。

12.根据权利要求11所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该电镀磁性材料为镍，或钴镍、铁镍、钴镍锰磷的磁性合金，该电镀金属线圈及金属下电极导电层为铜、铝、镍、金、银，该绝缘层为二氧化硅或氮化硅。

13.根据权利要求10所述的光学多环扫描元件，其特征在于：

该外环驱动元件具有金属下电极导电层，且该外环驱动元件上设有电镀磁性材料，在该金属下电极导电层与该电镀磁性材料之间设有绝缘层；

该第一内环驱动元件及该镜面具有金属下电极导电层，且该第一内环驱动元件及该镜面设有电镀金属线圈，该金属下电极导电层与该电镀金属线圈之间设有绝缘层；

该二个第一扭转臂连接于该基板的一端分别设有一外部电性接口，该外部电性接口连接外部电流；

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面其中之一或其组合设有至少一导电孔，该外环驱动元件的金属下电极导电层与电镀磁性材料之间，该第一内环驱动元件及该镜面的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间，在该导电孔处形成电性导通；

通过该外环驱动元件的金属下电极导电层与电镀磁性材料、该第一内环驱动元件及该镜面的金属下电极导电层与电镀金属线圈、该导电孔以及该绝缘层，提供该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面与该二外部电性接口形成一电流行进路径而不致短路。

14.根据权利要求13所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该电镀磁性材料为镍，或钴镍、铁镍、钴镍锰磷的磁性合金，该电镀金属线圈及金属下电极导电层为铜、铝、镍、金、银，该绝缘层为二氧化硅或氮化硅。

15.根据权利要求10所述的光学多环扫描元件，其特征在于：

该外环驱动元件及该第一内环驱动元件均具有金属下电极导电层及电镀金属线圈，在该外环驱动元件的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间设有绝缘层，在该第一内环驱动元件的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间设有绝缘层；

该二个第一扭转臂连接于该基板的一端分别设有一外部电性接口，该外部电性接口连接外部电流；

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面其中之一或其组合设有至少一导电孔，该外环驱动元件以及该第一内环驱动元件的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间，于该导电孔处形成电性导通；

通过该外环驱动元件以及该第一内环驱动元件分别所设置的金属下电极导电层与电镀金属线圈、该导电孔以及该绝缘层，提供该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面与该二外部电性接口形成一电流行进路径而不致短路。

16.根据权利要求15所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该电镀金属线圈及金属下电极导电层为铜、铝、镍、金、银，该绝缘层为二氧化硅或氮化硅。

17.根据权利要求10所述的光学多环扫描元件，其特征在于：

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面分别均设有金属下电极导电层及电镀金属线圈，在该外环驱动元件的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间设有绝缘层，在该第一内环驱动元件的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间设有绝缘层，在该镜面的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间设有绝缘层；

该二个第一扭转臂连接于该基板的一端分别设有一外部电性接口，该外部电性接口连接外部电流；

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面其中之一或其组合设有至少一导电孔，该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面的金属下电极导电层与电镀金属线圈之间在该导电孔处形成电性导通；

通过该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面分别所设置的金属下电极导电层与电镀金属线圈、该导电孔以及该绝缘层，提供该外环驱动元件、第一内环驱动元件及该镜面与该二个外部电性接口形成一电流行进路径而不致短路。

18.根据权利要求17所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该电镀金属线圈及金属下电极导电层为铜、铝、镍、金、银，该绝缘层为二氧化硅或氮化硅。

19.根据权利要求1所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该基板的材质为硅，该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面，及该第一扭转臂、该第二扭转臂、该第三扭转臂的材质为金属或磁性材料。

20.根据权利要求19所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该金属为铜、铝、钢，该磁性材料为镍、铁、钴，或钴镍、铁镍、钴镍锰磷的磁性合金。

21.根据权利要求19所述的光学多环扫描元件，其特征在于：

该外环驱动元件上设有电镀磁性材料；该第一内环驱动元件设有电镀金属线圈，该第一内环驱动元件与该电镀金属线圈之间设有绝缘层；

该二第一扭转臂连接于该基板的一端分别设有一外部电性接口，该外部电性接口连接外部电流；

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面其中之一或其组合设有至少一导电孔，该第一内环驱动元件与该电镀金属线圈之间，在该导电孔处形成电性导通；

通过该外环驱动元件与电镀磁性材料、该第一内环驱动元件与该电镀金属线圈、该导电孔以及该绝缘层，提供该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及镜面与该二外部电性接口形成一电流行进路径而不致短路。

22.根据权利要求19所述的光学多环扫描元件，其特征在于：

该外环驱动元件上设有电镀磁性材料；

该第一内环驱动元件及该镜面均具有电镀金属线圈，在该第一内环驱动元件与电镀金属线圈之间设有绝缘层，在该镜面与电镀金属线圈之间设有绝缘层；

该二第一扭转臂连接于该基板的一端分别设有一外部电性接口，该外部电性接口连接外部电流；

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及镜面其中之一或其组合设有至少一导电孔，该第一内环驱动元件及该镜面与电镀金属线圈之间，在该导电孔处形成电性导通；

通过该外环驱动元件与电镀磁性材料、第一内环驱动元件及该镜面与电镀金属线圈、该导电孔以及该绝缘层，提供该外环驱动元件、第一内环驱动元件及镜面与该二外部电性接口形成一电流行进路径而不致短路。

23.根据权利要求19所述的光学多环扫描元件，其特征在于：

该外环驱动元件及该第一内环驱动元件均具有电镀金属线圈，在该外环驱动元件与电镀金属线圈之间设有绝缘层，在该第一内环驱动元件与电镀金属线圈之间设有绝缘层；

该二第一扭转臂连接于该基板的一端分别设有一外部电性接口，该外部电性接口连接外部电流；

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及镜面其中之一或其组合设有至少一导电孔，该外环驱动元件以及该第一内环驱动元件与电镀金属线圈之间，在该导电孔处形成电性导通；

通过该外环驱动元件以及该第一内环驱动元件与电镀金属线圈、该导电孔以及该绝缘层，提供该外环驱动元件、第一内环驱动元件及镜面与该二外部电性接口形成一电流行进路径而不致短路。

24.根据权利要求19所述的光学多环扫描元件，其特征在于：

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面分别均设有电镀金属线圈，在该外环驱动元件与电镀金属线圈之间设有绝缘层，在该第一内环驱动元件与电镀金属线圈之间设有绝缘层，在该镜面与电镀金属线圈之间设有绝缘层；

该二第一扭转臂连接于该基板的一端分别设有一外部电性接口，该外部电性接口连接外部电流；

该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及镜面其中之一或其组合设有至少一导电孔，该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面与电镀金属线圈之间在该导电孔处形成电性导通；

通过该外环驱动元件、该第一内环驱动元件及该镜面与电镀金属线圈、该导电孔以及该绝缘层，提供该外环驱动元件、第一内环驱动元件及镜面与该二外部电性接口形成一电流行进路径而不致短路。

25.根据权利要求1所述的光学多环扫描元件，其特征在于，该镜面镀有反光层，该反光层为金、银、铝、镍、铜金属材质。

26.根据权利要求1所述的光学多环扫描元件，其特征在于，其更包括一立体螺旋管，该立体螺旋管设置于该基板下方，该立体螺旋管用以制动该外环驱动元件。

27.根据权利要求1所述的光学多环扫描元件，其特征在于，其更包括一第二内环驱动元件，该第二内环驱动元件设置于该第三透空部内，在该第二内环驱动元件具有一第四透空部，该镜面设置于该第四透空部内，该第二内环驱动元件的两侧对称各设有一第四扭转臂连接于该第一内环驱动元件，且该二第四扭转臂与该二第二扭转臂及该二第三扭转臂同轴。

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