CN104459996B - 具有“8”字形肋条的光偏转反射镜装置和光偏转器 - Google Patents

Abstract

具有“8”字形肋条的光偏转反射镜装置和光偏转器。一种光偏转反射镜装置包括圆形或椭圆形反射镜，该圆形或椭圆形反射镜具有反射正面；和“8”字形加强肋条，该“8”字形加强肋条沿着反射镜的摆动轴对称地设置在反射镜的背面上。“8”字形加强肋条包括沿着摆动轴彼此连接的两个环形加强肋条。

Description

具有“8”字形肋条的光偏转反射镜装置和光偏转器

本申请要求2013年9月17日提交的日本专利申请JP 2013-191876的优先权，此处以引证的方式将其上述公开的全部内容并入。

技术领域

目前公开的主题涉及在投影仪、照明灯、条码阅读器、激光打印机、激光头放大器、平视显示单元等的光扫描器中所使用的光偏转器，更具体地说，涉及其光偏转反射镜装置。

背景技术

目前，光扫描器中所使用的光偏转器是由半导体制造技术和微型机技术制造的微电子机械系统(MEMS)装置。

在图6(图6是例示第一现有技术的光偏转器的背面立体图)中(参见JP2001-249300的图16)，仅由单个反射镜构成的光偏转反射镜装置101由扭杆102-1和102-2支撑到支撑框(未示出)。而且，设置在支撑框与扭杆102-1和102-2之间的是充当悬臂的致动器(未示出)。由此，光偏转反射镜装置101可以利用致动器绕X轴摆动。

在图6中，因为光偏转反射镜装置101的厚度与扭杆102-1和102-2的厚度相同，所以光偏转反射镜装置101非常薄。因此，光偏转反射镜装置101的惯性矩如此之小，使得光偏转反射镜装置101的共振频率“f”非常大。例如，当光偏转反射镜装置101的厚度和直径分别是大约40μm和大约1.2mm时，光偏转反射镜装置101的共振频率“f”是30.0kHz或更大(参见：图4)。由此，光偏转反射镜装置101的共振频率“f”变得大于用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的共振频率f_R(＝26.5kHz)。即，满足了f>f_R，使得可以以大于所要求速度的速度来驱动光偏转反射镜装置101。

然而，在图6的第一现有技术光偏转器中，因为光偏转反射镜装置101非常薄，所以光偏转反射镜装置101的刚性非常小。因此，当光偏转反射镜装置101的摆动角大时，光偏转反射镜装置101以碗形大大变形，使得动态面偏转峰谷量(dynamic face-deflectionpeak-to-valley amount)D非常大。例如，当光偏转反射镜装置101的厚度和直径分别是大约40μm和大约1.2mm时，光偏转反射镜装置101的动态面偏转峰谷量D是大约156nm(参见：图4)。由此，光偏转反射镜装置101的动态面偏转峰谷量D变得大于用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的动态面偏转峰谷量D_R(＝45nm)。即，不满足D<D_R，使得光偏转反射镜装置101的反射光的光特性不满足用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的光特性。要注意的是，所要求的动态面偏转峰谷量D_R由照射到光偏转反射镜装置上的激光束的波长(λ＝450nm)的十分之一定义。

在图7(图7是例示第二现有技术的光偏转器的背面立体图)中(参见JP7-092409)，仅由单个反射镜构成的光偏转反射镜装置201比扭杆202-1和202-2厚。因此，因为光偏转反射镜装置201非常厚，所以光偏转反射镜装置201的刚性非常大。因此，即使当光偏转反射镜装置201的摆动角大时，光偏转反射镜装置201以碗形稍微变形，使得动态面偏转峰谷量D非常小。例如，当光偏转反射镜装置201的厚度和直径分别是大约200μm和大约1.2mm时，光偏转反射镜装置101的动态面偏转峰谷量D是几纳米(参见：图4)。由此，光偏转反射镜装置201的动态面偏转峰谷量D变得小于用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的动态面偏转峰谷量D_R(＝45nm)。即，满足D<D_R，使得光偏转反射镜装置201的反射光的光特性满足用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的光特性。

然而，在图7的第二现有技术光偏转器中，光偏转反射镜装置201的惯性矩如此之大，使得光偏转反射镜装置201的共振频率“f”非常小。例如，当光偏转反射镜装置201的厚度和直径分别是大约200μm和大约1.2mm时，光偏转反射镜装置201的共振频率“f”是15kHz或更小(参见：图4)。由此，光偏转反射镜装置201的共振频率“f”变得小于用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的共振频率f_R(＝26.5kHz)。即，不满足f>f_R，使得不可能以大于所要求速度的速度来驱动光偏转反射镜装置201。

在图8(图8是例示第三现有技术的光偏转器的背面立体图)中(参见JP2010-128116的图3)，连接到扭杆302-1和302-2的光偏转反射镜装置301具有包括反射正面的反射镜301a和设置在反射镜301a的背面上的环形加强肋条301b。因此，光偏转反射镜装置301的平均厚度大于扭杆302-1和302-2的平均厚度。

在图8的第三现有技术光偏转器中，由于环形加强肋条301b的存在，光偏转反射镜装置301的刚性大于图6的光偏转反射镜装置101的刚性，但是小于图7的光偏转反射镜装置201的刚性。另一方面，由于环形加强肋条301b的存在，光偏转反射镜装置301的共振频率“f”小于图6的光偏转反射镜装置101的共振频率“f”，但是大于图7的光偏转反射镜装置201的共振频率“f”。例如，当反射镜301a的厚度和直径分别是大约40μm和大约1.2mm，并且环形加强肋条301b的宽度和高度分别是大约100μm和大约150μm时，光偏转反射镜装置301的动态面偏转峰谷量D是大约80nm并且光偏转反射镜装置301的共振频率“f”是大约25.6kHz(参见：图4)。

然而，在图8的第三现有技术光偏转器中，因为反射镜301a的中心处不存在肋条，所以光偏转反射镜装置301的刚性仍然小。因此，当光偏转反射镜装置301的摆动角大时，光偏转反射镜装置301以碗形大大变形，使得动态面偏转峰谷量D仍然大，即，大约80nm。由此，光偏转反射镜装置301的动态面偏转峰谷量D变得大于用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的动态面偏转峰谷量D_R(＝45nm)。即，不满足D<D_R，使得光偏转反射镜装置301的反射光的光特性不满足用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的光特性。

另一方面，在图8的第三现有技术的光偏转器中，因为环形加强肋条301b设置在反射镜301a的外周处，所以光偏转反射镜装置301的惯性矩仍然大，使得光偏转反射镜装置301的共振频率“f”仍然小。例如，如上所述，光偏转反射镜装置301的共振频率“f”是大约25.6kHz。由此，光偏转反射镜装置301的共振频率“f”变得小于用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的共振频率f_R(＝26.5kHz)。即，不满足f>f_R，使得不可能以比所要求的速度更大的速度来驱动光偏转反射镜装置301。

在图9(图9是例示图8的光偏转器的比较例的背面立体图)中，图8的光偏转反射镜装置301由光偏转反射镜装置301’代替，该光偏转反射镜装置301’中，沿着Y轴的中心加强肋条301c添加到图8的光偏转反射镜装置301的元件。因此，光偏转反射镜装置301’的刚性大于图8的光偏转反射镜装置301的刚性，以减小光偏转反射镜装置301’的碗状面变形。由此，动态面偏转峰谷量D是大约12nm，变为小于所要求的动态面偏转峰谷量D_R；然而，共振频率“f”是大约25.3kHz，变为小于所要求的共振频率f_R(参见：图4)。

根据如图6、图7和图8所示的上述现有技术的光偏转器和如图9中所示的比较例，光偏转反射镜装置的动态面偏转峰谷量D的抑制与光偏转反射镜装置的共振频率“f”的增大具有折衷关系。

发明内容

目前公开的主题力图解决一个或更多个上述问题。

根据目前公开的主题，一种光偏转反射镜装置包括：反射镜，该反射镜具有反射正面；和“8”字形加强肋条，该“8”字形加强肋条沿着反射镜的摆动轴对称地设置在反射镜的背面上。“8”字形加强肋条包括沿着摆动轴彼此连接的两个环形加强肋条。

由此，根据目前公开的主题，动态面偏转峰谷量D的抑制可以与共振频率“f”的增大同时实现。

附图说明

与现有技术和比较例相比，目前公开的主题的上述和其他优点和特征根据特定实施方式的以下结合附图的描述更加显现，附图中：

图1是例示根据目前公开的主题的一维光偏转器的第一实施方式的背面立体图；

图2是例示根据目前公开的主题的一维光偏转器的第二实施方式的背面立体图；

图3是例示根据目前公开的主题的一维光偏转器的第三实施方式的背面立体图；

图4是示出第一、第二和第三实施方式的动态面偏转峰谷量和共振频率与现有技术和比较例相比的图；

图5是例示应用图1的一维光偏转器的第一实施方式的二维偏转器的正面立体图；

图6是例示第一现有技术的光偏转器的背面立体图；

图7是例示第二现有技术的光偏转器的背面立体图；

图8是例示第三现有技术的光偏转器的背面立体图；以及

图9是例示第三现有技术的光偏转器的比较例的背面立体图。

具体实施方式

在图1(图1是例示根据目前公开的主题的一维光偏转器的第一实施方式的背面立体图)中，该光偏转器由以下来构造：光偏转反射镜装置1、支撑框2(支撑框2支撑光偏转反射镜装置1)；一对扭杆3-1和3-2(它们连接在支撑框2与光偏转反射镜装置1之间)；以及两对压电致动器4-1和4-2；5-1和5-2(它们充当悬臂，连接在支撑框2与扭杆3-1和3-2之间，用于通过扭杆3-1和3-2使光偏转反射镜装置1绕X轴摆动)。光偏转反射镜装置1在它们的连接部C1和C2处连接到扭杆3-1和3-2。

而且，光偏转反射镜装置1包括圆形或椭圆形反射镜1a，该圆形或椭圆形反射镜1a具有反射正面；和“8”字形加强肋条1b，该“8”字形加强肋条1b相对于充当摆动轴的X轴对称地设置在反射镜1a的背面上。在这种情况下，“8”字形加强肋条1b包括沿着X轴彼此连接的环形加强肋条1b-1和1b-2。“8”字形加强肋条1b与反射镜1a的外周之间的最小距离是大约40μm。而且，反射镜1a的厚度与扭杆3-1和3-2的厚度相同，即，大约40μm。进一步地，“8”字形加强肋条1b是大约100μm宽和大约150至200μm厚。另一方面，支撑框2是大约400至500μm厚。

在图1中，去除了图9的中心加强肋条301c和图9的环形加强肋条301b与X轴相隔最远的部分，从而实现具有由相对于Y轴倾斜±15至30度的横梁形成的X形中心部的“8”字形加强肋条1b。由此，光偏转反射镜装置1的惯性矩比图9的光偏转反射镜装置301’的惯性矩小得多。例如，如果反射镜1a和“8”字形加强肋条1b的尺寸如上所述来限定，则光偏转反射镜装置1的共振频率“f”是大约26.8kHz(参见图4)，这会满足f>f_R＝26.5kHz的共振频率要求。由此，可以以大于所要求速度的速度来驱动光偏转反射镜装置1。

另一方面，具有“8”字形加强肋条1b的光偏转反射镜装置1的刚性小于具有环形加强肋条301b和中心加强肋条301c的图9的光偏转反射镜装置301’的刚性；然而，刚性的减小由“8”字形加强肋条1b的X形中心部补偿。因此，刚性的减小较少，使得动态面偏转峰谷量D的增大较少。实际上，光偏转反射镜1的动态面偏转峰谷量D是大约25nm(参见图4)(该值比图9的光偏转反射镜装置301’的动态面偏转峰谷量D(＝12nm)稍大)，由此满足D<D_R＝45nm的动态面偏转峰谷量要求。因此，光偏转反射镜装置1的反射光的光特性会满足用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的光特性。

由此，根据第一实施方式，光偏转反射镜装置1的动态面偏转峰谷量D的抑制可以与光偏转反射镜装置1的共振频率“f”的增大同时实现。

在图2(图2是根据目前公开的主题的一维光偏转器的第二实施方式的背面立体图)中，直线加强肋条1c-1和1c-2添加到图1的光偏转反射镜装置1的元件，以实现光偏转反射镜装置1’。即，直线加强肋条1c-1沿着X轴连接在环形加强肋条1b-1的内端之间，而直线加强肋条1c-2沿着X轴连接在环形加强肋条1b-2的内端之间。而且，直线加强肋条1c-1和1c-2的宽度和厚度与“8”字形加强肋条1b的宽度和厚度相同。

在图2中，由于直线加强肋条1c-1和1c-2的存在，光偏转反射镜装置1’的刚性大于图1的光偏转反射镜装置1的刚性，使得如图4所示，动态面偏转峰谷量D减小到大约20nm。另一方面，因为直线加强肋条1c-1和1c-2沿着X轴(摆动轴)排布，所以与图1的光偏转反射镜装置1的惯性矩的增大相比，光偏转反射镜装置1’的惯性矩的增大较小。因此，如图4所示，光偏转反射镜装置1’的共振频率“f”稍小于图1的光偏转反射镜装置1的共振频率“f”，即，大约是26.7kHz。因此，在图2的光偏转反射镜装置1’中，虽然共振频率“f”稍低，但是改进了动态面偏转峰谷量D。由此，光偏转反射镜装置1’的反射光的光特性会满足用于高清晰度投影仪的光扫描器中所要求的光特性D<D_R＝45nm，并且光偏转反射镜装置1’的共振频率“f”会满足f>f_R＝26.5kHz的共振频率要求，由此，以比所要求的速度大的速度驱动光偏转反射镜装置1’。

图3是例示根据目前公开的主题的一维光偏转器的第三实施方式的背面立体图。

在图3中，光偏转反射镜装置1’由反射镜1a和“8”字形加强肋条1b’构成。在“8”字形加强肋条1b’中，图1的环形加强肋条1b-1和1b-2由沿着X轴的端部凹进的环形加强肋条1b’-1和1b’-2代替。因此，在光偏转反射镜1”与扭杆3-1和3-2之间的连接部C1’和C2’处形成凹部1b”-1和1b”-2。凹部1b”-1和1b”-2的前方大约200至250μm长。因此，可以使连接部C1’和C2’处的应力集中缓和，从而避免其机械地破坏。

在图1的光偏转器中，要注意的是，当通过扭杆3-1和3-2使光偏转反射镜装置1摆动时，在连接部C1和C2处出现应力集中。具体地，连接部C1和C2的背面上的应力(在这种情况下，是冯米斯应力)由于“8”字形加强肋条1b的存在而各向异性地大，使得连接部C1和C2的背面上的应力梯度大。另一方面，连接部C1和C2的正面上的应力(在这种情况下，是冯米斯应力)由于没有“8”字形加强肋条1b而各项同性地大，使得连接部C1和C2的正面上的应力梯度小。因此，连接部C1和C2的背面上的应力分布与连接部C1和C2的正面上的应力分布不对称，使得连接部C1和C2尤其是扭杆3-1和3-2会被机械地破坏。例如，当摆动角大于10°时，扭杆3-1和3-2经常会被机械地破坏。类似地，在图2的光偏转器中，会机械地破坏扭杆3-1和3-2。

相反，在图3的光偏振器中，连接部C1’和C2’的背面上的应力(在这种情况下，是冯米斯应力)由于与“8”字形加强肋条1b’相对的凹部1b”-1和1b”-2的存在而各项同性地大，使得连接部C1’和C2’的背面上的应力梯度小。因此，连接部C1’和C2’的背面上的应力分布与连接部C1’和C2’的正面上的应力分布对称，使得连接部C1’和C2’尤其是扭杆3-1和3-2不会被机械地破坏。

在图3的光偏转器中，因为凹部1b”-1和1b”-2设置在“8”字形加强肋条1b’中，所以如图4所示，光偏转反射镜装置1”的刚性稍微减小，以将动态面偏转峰谷量D稍微减小到大约30nm。而且，稍微增大了惯性矩，如图4所示，将共振频率“f”稍微减小到26.7kHz。然而，光偏转反射镜装置1”会满足所要求的动态面偏转峰谷量D D<D_R＝45nm和所要求共振频率f>f_R＝26.5kHz。

图1、图2和图3的一维光偏转器可以应用于二维光偏转器。

在图5(图5是例示应用图1的一维光偏转器的二维光偏转器的正面立体图)中，图1的支撑框2由厚度与扭杆3-1和3-2的厚度相同的内部支撑框2’代替。另外，设置外部支撑框6，以围绕内部支撑框2’。进一步地，连接在外部支撑框6与内部支撑框2’之间的是一对曲折(meander)型压电致动器7a和7b。在这种情况下，外部支撑框6是大约400至500μm厚。由此，曲折型压电致动器7a和7b可以通过内部支撑框2’使反射镜1a绕Y轴摆动。

在图5中，代替曲折型压电致动器7a和7b，一对外部扭杆可以连接在外部支撑框6与内部支撑框2’之间，并且两对压电致动器可以连接在外部支撑框6与外部扭杆之间，以通过外部扭杆使内部支撑框2’沿着Y轴摆动。

而且，图2或图3的一维光偏转器可以应用于图5的二维光偏转器。

进一步地，在上述实施方式中，代替用于使反射镜绕X轴摆动的一对扭杆，可以只设置一个扭杆。类似地，代替该对曲折型致动器或该对外部扭杆，可以只设置一个曲折型致动器或只一个外部扭杆。

而且，在上述实施方式中，代替压电致动器，可以设置静电致动器或电磁致动器。

对本领域技术人员来说，显而易见的是，在不偏离目前公开的主题的精神或范围的情况下，可以对目前公开的主题进行各种修改和变型。由此，目前公开的主题旨在覆盖目前公开的主题的落入权利要求书及其等同物的范围之内的修改和变型。此处以引证的方式并入上述和本说明书的背景技术部分中的所有相关技术或现有技术参考的全部内容。

Claims (10)

1.一种光偏转反射镜装置，该光偏转反射镜装置包括：

反射镜，该反射镜具有反射正面；和

“8”字形加强肋条，该“8”字形加强肋条沿着所述反射镜的摆动轴对称地设置在所述反射镜的背面上，所述“8”字形加强肋条包括沿着所述摆动轴彼此连接的两个环形加强肋条，

其中，所述“8”字形加强肋条的端部凹进。

2.根据权利要求1所述的光偏转反射镜装置，所述光偏转反射镜装置还包括两个直线加强肋条，这两个直线加强肋条沿着所述摆动轴设置在所述反射镜的所述背面上，

各个所述直线加强肋条连接在所述环形加强肋条中的一个环形加强肋条的两个内端之间。

3.根据权利要求1所述的光偏转反射镜装置，其中，所述反射镜是圆形的。

4.根据权利要求1所述的光偏转反射镜装置，其中，所述反射镜是椭圆形的。

5.一种光偏转器，该光偏转器包括：

反射镜，该反射镜具有反射正面；

第一支撑框，该第一支撑框支撑所述反射镜；

至少一个扭杆，该至少一个扭杆连接在所述第一支撑框与所述反射镜之间；

第一致动器，该第一致动器连接在所述第一支撑框与所述至少一个扭杆之间，以使所述反射镜绕所述至少一个扭杆摆动；以及

“8”字形加强肋条，该“8”字形加强肋条沿着所述至少一个扭杆对称地设置在所述反射镜的背面上，所述“8”字形加强肋条包括沿着所述至少一个扭杆彼此连接的两个环形加强肋条，

其中，所述“8”字形加强肋条的端部凹进。

6.根据权利要求5所述的光偏转器，所述光偏转器还包括两个直线加强肋条，这两个直线加强肋条沿着所述至少一个扭杆设置在所述反射镜的所述背面上，

各个所述直线加强肋条连接在所述环形加强肋条中的一个环形加强肋条的两个内端之间。

7.根据权利要求5所述的光偏转器，所述光偏转器还包括：

第二支撑框，该第二支撑框支撑所述第一支撑框；

至少一个第二致动器，该至少一个第二致动器连接在所述第二支撑框与所述第一支撑框之间，以使所述第一支撑框绕与所述至少一个扭杆垂直的轴摆动。

8.根据权利要求7所述的光偏转器，其中，所述第二致动器包括曲折型致动器。

9.根据权利要求5所述的光偏转器，其中，所述反射镜是圆形的。

10.根据权利要求5所述的光偏转器，其中，所述反射镜是椭圆形的。