DE4100358A1 - Vibrating mirror arrangement for deflection of optical beam - is set into oscillation by alternating current excitation of coil arrangement on back of semiconductor reflector - Google Patents

Vibrating mirror arrangement for deflection of optical beam - is set into oscillation by alternating current excitation of coil arrangement on back of semiconductor reflector

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Abstract

A narrow beam is deflected cyclically by a lithographically manufactured semiconductor mirror with an integral coil (12), located in the constant field of a permanent magnet system (10). Two coils may be connected in series on the underside of the mirror and energised with AC voltage, setting the mirror into oscillation by means of two torsion arms. The maximum angle of pivot of the mirror corresponds to the inclination of the pole faces. USE/ADVANTAGE - E.g. in laser printer or scanners, relatively large angle of deflection is achieved with little energy input.

Description

Die Erfindung kann in der Optik zum Umlenken von Lichtstrahlen genutzt werden. Anwendungsbeispiele könnten das Umlenken des Laserstrahles in einem optischen Drucker oder die Abtastung durch einen Scanner sein.The invention can be used in optics to deflect light rays be used. Application examples could be the redirecting of the Laser beams in an optical printer or scanning through a scanner.

Die Spiegelanordnung soll einfach im Aufbau und funktionssicher sein.The mirror arrangement should be simple in construction and reliable be.

In dem WP 2 62 926 wird eine elektrodynamische Spiegelablenkvor­ richtung dargestellt, die aus einem kreuzförmigen, diagonal polarisierten Magneten und einem ebenfalls diagonal polarisier­ ten Ringmagneten und einer Spiegelfläche besteht. Auf der Rück­ seite der Spiegelfläche sind zwei sich kreuzende Flachspulen, die auf Folien untergebracht sind, angeordnet.In WP 2 62 926 an electrodynamic mirror deflection is proposed Direction represented by a cruciform, diagonal polarized magnets and also diagonally polarized ring magnets and a mirror surface. On the back side of the mirror surface are two intersecting flat coils, which are housed on foils.

Nachteilig bei der beschriebenen Erfindung ist, daß hier zwei separate Spulensysteme zur Erzielung einer Bewegung mit zwei Freiheitsgraden vorgesehen werden müssen und daß diese Flachspu­ len keine einfache ebene Gestalt haben.A disadvantage of the described invention is that two separate coil systems to achieve one movement with two Degrees of freedom must be provided and that this flax len have no simple flat shape.

Im EP 40 302 ist eine elektrostatische Schwingspiegelanordnung beschrieben. Der Schwingspiegel wurde hier aus einem Halbleiter­ material ätztechnisch hergestellt. Auf der Rückseite des Spie­ gels befinden sich auf jeder Spiegelhälfte eine Elektroden­ fläche. Auf dem Grundkörper befinden sich ebenfalls zwei Elek­ trodenflächen, die dem Schwenkspiegel gegenüber angeordnet sind. Die Elektrodenflächen des Schwenkspiegels und die des Grundkör­ pers werden mit Spannungen gleicher bzw. entgegengesetzter Pola­ rität beaufschlagt. Es entstehen zwischen den Flächen Anzie­ hungs- bzw. Abstoßungskräfte. Der Schwenkspiegel wird hierdurch in Schwingung gebracht. Nachteilig bei dieser elektrostatischen Schwingspiegelanordnung ist die Abhängigkeit der benötigten Energie vom Abstand des Schwingspiegels mit den Elektrodenflä­ chen und den Elektrodenflächen auf der Elektrodenplatte. Soll der Schwenkwinkel relativ groß gehalten werden, sind auch höhere Spannungen notwendig.In EP 40 302 there is an electrostatic oscillating mirror arrangement described. The oscillating mirror was made of a semiconductor material produced by etching. On the back of the game There are electrodes on each half of the mirror area. There are also two elec on the base tread surfaces, which are arranged opposite the swivel mirror. The electrode surfaces of the swivel mirror and those of the base body Pers become with tensions of the same or opposite pola acted upon. There is an attraction between the surfaces powers of repulsion. The swivel mirror is thereby vibrated. A disadvantage of this electrostatic Vibration mirror arrangement is the dependency of the required Energy from the distance between the oscillating mirror and the electrode surface Chen and the electrode surfaces on the electrode plate. Should the swivel angle can be kept relatively large, are also higher Tensions necessary.

Die Aufgabe der Erfindung ist, mittels geringer Energie einen relativ großen Schwenkwinkel des Schwingspiegels zu erreichen.The object of the invention is a low energy to achieve a relatively large swivel angle of the oscillating mirror.

Erfindungsgemäß wird die Aufgabe dadurch gelöst, daß die Schwingspiegelanordnung aus einem ätztechnisch hergestellten Halbleiterspiegel besteht, auf dessen Rückseite eine elektrische Spule integriert ist. Diese Spiegelanordnung befindet sich im konstanten Magnetfeld eines Dauermagnetsystems. Wird an die Spule eine Wechselspannung angelegt, so kommt es über die Tor­ sionsarme zur Schwingbewegung des Schwingspiegels.According to the invention the object is achieved in that the Oscillating mirror arrangement made of an etching technology Semiconductor mirror exists, on the back of an electrical Coil is integrated. This mirror arrangement is in the constant magnetic field of a permanent magnet system. Will be sent to the If an AC voltage is applied to the coil, it comes through the gate low-ion for the oscillating movement of the oscillating mirror.

Der mit der Erfindung erzielte Vorteil besteht darin, daß trotz geringen Energieeinsatzes ein relativ großer Schwenkwinkel des Schwingspiegels erreicht wird.The advantage achieved by the invention is that despite low energy consumption a relatively large swivel angle of the oscillating mirror is reached.

Die Erfindung soll nun anhand eines Ausführungsbeispieles näher erläutert werden. Die dazu gehörige Zeichnung zeigt inThe invention will now be described in more detail using an exemplary embodiment are explained. The accompanying drawing shows in

Fig. 1 eine montierte Schwingspiegelanordnung nach dem Stand der Technik mit elektrostatischem Antrieb, Fig. 1 a mounted oscillating mirror assembly of the prior art electrostatic drive,

Fig. 2 die Schwingspiegelanordnung nach dem Stand der Technik entsprechend Fig. 1 in Explosionsdarstellung, Fig. 2, the oscillating mirror assembly of the prior art corresponding to Fig. 1 in exploded view;

Fig. 3 eine Schwingspiegelanordnung mit integrierter Spule und Dauermagnet, Fig. 3 is an oscillating mirror assembly with integrated coil and permanent magnet,

Fig. 4 eine Unteransicht des an Torsionsarmen aufgehängten Schwingspiegels mit der Spule, Fig. 4 is a bottom view of the torsion arms suspended from the oscillating mirror to the coil,

Fig. 5 eine Unteransicht eines Schwingspiegels mit einer Spulenversion, Fig. 5 is a bottom view of an oscillating mirror having a coil version,

Fig. 6 einen Querschnitt durch die Anordnung entsprechend Fig. 3 für einen elektromagnetischen Antrieb, Fig. 6 shows a cross section through the arrangement according to FIG. 3, for an electromagnetic drive

Fig. 7 einen Querschnitt durch eine veränderte Schwingspiegel­ anordnung mit abgeänderten Dauermagneten für einen elektromagnetischen Antrieb, Fig. 7 shows a cross section through a modified vibratory mirror arrangement with modified permanent magnets for an electromagnetic drive,

Fig. 8 eine Unteransicht eines Schwingspiegels mit einer Spule für einen elektrodynamischen Antrieb, Fig. 8 is a bottom view of an oscillating mirror having a coil for an electro-dynamic drive,

Fig. 9 und 10 Magnetfeldversionen für den elektrodynamischen Schwingspiegelantrieb. FIGS. 9 and 10 magnetic field versions for the electro-dynamic oscillating mirror drive.

Die vorliegende Schwingspiegelanordnung kann zum zyklischen Ablenken eines einfallenden Lichtstrahles kleinen Querschnitts eingesetzt werden. Solche Forderungen entstehen beispielsweise bei technischen Aufgaben wie Abtasten eines Bildes durch einen Scanner oder beim zeilenweisen Belichten einer fotoempfindlichen Fläche durch einen optischen Druckkopf eines Laserdruckers. Übliche Ablenkfrequenzen liegen im Bereich von 102 bis 104 Hz. Der Querschnitt des Lichtstrahls hat in der Ablenkebene Dimen­ sionen von max. einigen wenigen Millimetern. Der Lichtstrahl soll zyklisch in x-Richtung über eine Zeile konstanter Länge geführt werden. Zur technischen Realisierung wird dafür oft ein sich mit konstanter Geschwindigkeit drehender Polygonspiegel benutzt. Eine weitere technische Lösung, die erhebliche Platzer­ sparnis mit sich bringt, ist der Schwingspiegel. Eine Schwing­ spiegelfläche ist drehbar gelagert und vollführt eine schwingen­ de Bewegung. Hierfür ist ein Spiegelantrieb erforderlich.The present oscillating mirror arrangement can be used for the cyclical deflection of an incident light beam with a small cross section. Such demands arise, for example, in technical tasks such as scanning an image by a scanner or line-wise exposure of a photosensitive surface by an optical printhead of a laser printer. Usual deflection frequencies are in the range from 10 2 to 10 4 Hz. The cross section of the light beam has dimensions of max. a few millimeters. The light beam should be guided cyclically in the x direction over a line of constant length. A polygon mirror rotating at a constant speed is often used for technical implementation. Another technical solution that saves considerable space is the oscillating mirror. An oscillating mirror surface is rotatably mounted and carries out an oscillating movement. A mirror drive is required for this.

In den Fig. 1 und 2 ist eine Schwingspiegelanordnung nach dem Stand der Technik dargestellt, welche mit einem elektrostati­ schen Antrieb arbeitet. In diesem Darstellungsbeispiel besteht die Anordnung aus drei Teilen, welche ätztechnisch aus Silizium gefertigt sind. Die Elektrodenplatte 2 trägt zwei Elektrodenflä­ chen 4, die sich im Einbauzustand jeweils links und rechts der Drehachse des Spiegels 8 unter der Spiegelfläche 4 befinden, sowie Kontaktierungen 16 zur Spannungsführung. Das zweite Teil bildet die Spiegelplatte 5. Im Ausführungsbeispiel ist ein Rah­ men 6 vorgesehen, in dem sich ein von zwei Torsionsarmen 7 gehaltener Spiegel 8 befindet. Eine Deckelplatte 9 bildet den oberen schützenden Abschluß der Anordnung. Durch das gesteuerte Anlegen von Spannungen gleicher bzw. entgegengesetzter Polarität an die Elektrodenflächen 3 und die Spiegelflächen 4 kommt es zu wechselseitigen Abstoßungs- bzw. Anziehungskräften zwischen den Flächen, so daß die Spiegelfläche 4 ins Schwingen gebracht werden kann. Im Resonanzfall sind verhältnismäßig geringe Ener­ gien nötig.In Figs. 1 and 2, an oscillating mirror arrangement is shown according to the prior art, which operates with a drive elektrostati rule. In this example, the arrangement consists of three parts, which are made of silicon using etching technology. The electrode plate 2 carries two electrode surfaces 4 , which are in the installed state on the left and right of the axis of rotation of the mirror 8 below the mirror surface 4 , and contacts 16 for voltage supply. The second part forms the mirror plate 5 . In the exemplary embodiment, a frame 6 is provided, in which there is a mirror 8 held by two torsion arms 7 . A cover plate 9 forms the upper protective end of the arrangement. The controlled application of voltages of the same or opposite polarity to the electrode surfaces 3 and the mirror surfaces 4 leads to mutual repulsive or attractive forces between the surfaces, so that the mirror surface 4 can be made to vibrate. In the event of a resonance, relatively low energies are required.

In Abhängigkeit vom Plattenabstand wirken also zwischen den Elektrodenflächen 3 und den Spiegelhälften Kippkräfte. Während kleinere Abstände größere Auslenkkräfte bewirken, werden damit allerdings aufgrund des damit auch kleineren Bewegungsraumes die möglichen Schwenkwinkel verringert. Diese Tatsache begrenzt naturgemäß die Betriebsparameter des Schwingspiegels.Depending on the distance between the plates, tilting forces therefore act between the electrode surfaces 3 and the mirror halves. While smaller distances cause larger deflection forces, the possible swivel angles are reduced due to the smaller movement space. This fact naturally limits the operating parameters of the oscillating mirror.

Entsprechend dem Erfindungsgedanken soll dieser Nachteil durch eine Anordnung, die mit gesteuerten Magnetkräften arbeitet, vermieden werden. Die Fig. 3 zeigt eine Gesamtansicht einer solchen Anordnung, welche Dauermagneten enthält. Die gleiche Anordnung ist in einer Schnittdarstellung in Fig. 6 dargestellt. Hier sind die Feldlinien der Magnetfelder 11 eingezeichnet, die durch die Dauermagnete gebildet werden. Es sind zwei separate bipolare Dauermagnete vorgesehen, die Magnetfelder erzeugen, welche jeweils eine Spiegelhälfte links und rechts von der Drehachse senkrecht durchsetzen. In der Fig. 4 ist eine Unteran­ sicht des an zwei Torsionsarmen 7 aufgehängten Spiegels 8 zu sehen. Die Unterseite trägt zwei, hier in Reihe geschaltete elektrische Spulen 12 als strukturierte Beschichtungen, die jeweils auf einer Spiegelseite angeordnet sind. Die Stromzufüh­ rung erfolgt auf Leiterbahnen 13, die sich entlang der Torsions­ arme 7 erstrecken. Da in diesem Ausführungsbeispiel die beiden Spulenteile einen entgegengesetzten Wicklungssinn aufweisen, bilden sie beim Stromdurchfluß entgegengesetzt gerichtete Mag­ netfelder 11 aus. In der Wechselwirkung mit den in der Fig. 6 dargestellten gleichgerichteten Magnetfeldern 11 der Dauermag­ nete ergibt sich auf der einen Spiegelseite eine abstoßende und der anderen eine anziehende Kraft. Die Wirkung ist eine Schwenk­ bewegung des Spiegels. Wird eine Wechselspannung an die Spule 12 gelegt, dann schwingt der Spiegel mit deren Frequenz. Wird die Resonanzfrequenz der Eigenschwingung des Spiegels gewählt, dann ist der Auslenkungseffekt der Schwingspiegelanordnung am größ­ ten. Es ist selbstverständlich, daß bei der Ausführung der Strukturierung der Spiegelunterseite an Leiterbahnkreuzungen entsprechende Isolierschichten 14 vorgesehen sind. Eine weitere Version der Spulenanordnung auf der Unterseite des Schwingspie­ gels ist in Fig. 5 dargestellt. Die Fig. 7 soll eine Ausführung des Dauermagnetsystems 10 demonstrieren, in der der Luftspalt zur Erzielung einen eines wirksameren magnetischen Feldes ver­ kleinert wurde, ohne den Schwenkbereich des schwingenden Spie­ gels einzuschränken. Hierzu werden die Polflächen 15, die den Spulen 12 des Spiegels 8 gegenüberstehen, im Winkel des Maximal­ ausschlages des Schwingspiegels angeordnet.According to the idea of the invention, this disadvantage should be avoided by an arrangement that works with controlled magnetic forces. Fig. 3 shows an overall view of such an arrangement, which contains permanent magnets. The same arrangement is shown in a sectional view in FIG. 6. The field lines of the magnetic fields 11 , which are formed by the permanent magnets, are shown here. Two separate bipolar permanent magnets are provided which generate magnetic fields, which penetrate one mirror half perpendicularly to the left and right of the axis of rotation. In FIG. 4 is a view of the Unteran is suspended by two torsion arms 7 mirror 8 to be seen. The underside bears two electrical coils 12 connected here in series as structured coatings, each of which is arranged on a mirror side. The Stromzufüh tion takes place on conductor tracks 13 , which extend along the torsion arms 7 . Since in this embodiment the two coil parts have an opposite winding sense, they form oppositely directed magnetic fields 11 when current flows. In interaction with the rectified magnetic fields 11 of the permanent magnet shown in FIG. 6, there is a repulsive force on one side of the mirror and an attractive force on the other. The effect is a pivoting movement of the mirror. If an AC voltage is applied to the coil 12 , the mirror oscillates at its frequency. If the resonance frequency of the natural oscillation of the mirror is selected, then the deflection effect of the oscillating mirror arrangement is greatest. It goes without saying that corresponding insulating layers 14 are provided when the structuring of the underside of the mirror is carried out at conductor crossings. Another version of the coil arrangement on the underside of the Schwingspie gel is shown in Fig. 5. Fig. 7 is to demonstrate an embodiment of the permanent magnet system 10 in which the air gap has been reduced to achieve a more effective magnetic field without restricting the pivoting range of the oscillating mirror. For this purpose, the pole faces 15 , which face the coils 12 of the mirror 8 , are arranged at the angle of the maximum deflection of the oscillating mirror.

Die Fig. 8 bis 10 demonstrieren eine Variante der Schwingspie­ gelanordnung, die mit dem elektrodynamischen Effekt betrieben wird. Hier ist es notwendig, die Anordnung von Leiterbahnen 13 (Stromrichtung), Magnetfeld und Bewegungsrichtung so zu arran­ gieren, daß sich jeweils rechte Winkel ergeben. Wie die Unteran­ sicht auf dem Spiegel von Fig. 8 zeigt, ist hier die Spule 12 so angeordnet, daß die Stromrichtung aller Spulenanteile auf je­ weils einer Spiegelhälfte gleich - im Vergleich zur anderen Spiegelhälfte jedoch entgegengesetzt ist. Wird nun die Richtung der die Spule mit einer Hauptkomponente durchsetzenden magneti­ schen Felder auf beiden Spulenseiten gleichgehalten, entstehen Rotationskräfte, die beim Wechselstrombetrieb der Spule den Spiegel in Schwingung bringen. Figs. 8 to 10 demonstrate a variant of the oscillating Spie gelanordnung, which is operated with the electrodynamic effect. Here it is necessary to arrange the arrangement of conductor tracks 13 (current direction), magnetic field and direction of movement so that there are right angles in each case. As the Unteran view on the mirror of FIG. 8 shows, the coil 12 is arranged here in such a way that the current direction of all coil portions is the same on each half of the mirror - but is opposite in comparison to the other mirror half. If the direction of the magnetic fields penetrating the coil with a main component is now kept the same on both sides of the coil, rotational forces arise which cause the mirror to vibrate during AC operation of the coil.

Claims (6)

1. Schwingspiegelanordnung, deren Spiegelfläche so aus dem Aus­ gangsmaterial herausgearbeitet ist, daß sie in der Schwing­ achse mittels zweier Torsionsarme mit dem Ausgangsmaterial verbunden ist, gekennzeichnet dadurch, daß auf der Rückseite der Spiegelfläche (4) eine elektrische Spule (12) integriert ist, und die Spiegelfläche (4) zu einem Dauermagnetsystem (10) so angeordnet ist, daß sich die Spiegelfläche (4) stän­ dig in dem konstanten Magnetfeld (11) des Dauermagnetsystems (4) befindet.1. oscillating mirror arrangement, the mirror surface of which is machined from the starting material so that it is connected in the oscillating axis by means of two torsion arms to the starting material, characterized in that an electrical coil ( 12 ) is integrated on the rear side of the mirror surface ( 4 ), and the mirror surface ( 4 ) is arranged to a permanent magnet system ( 10 ) so that the mirror surface ( 4 ) is constantly dig in the constant magnetic field ( 11 ) of the permanent magnet system ( 4 ). 2. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet da­ durch, daß auf der Rückseite der Spiegelfläche (4) zwei in Reihe geschaltete Spulen (12) integriert sind.2. Vibration mirror arrangement according to claim 1, characterized in that two coils ( 12 ) connected in series are integrated on the back of the mirror surface ( 4 ). 3. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet da­ durch, daß auf der Rückseite der Spiegelfläche (4) vier zusammengeschaltete Spulen (12) integriert sind.3. Vibration mirror arrangement according to claim 1, characterized in that four interconnected coils ( 12 ) are integrated on the back of the mirror surface ( 4 ). 4. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet da­ durch, daß auf der Rückseite der Spiegelfläche (4) eine elektrische Spule (12) so integriert ist, daß die Stromrich­ tung in den Spulenwindungen jeder Spiegelhälfte gleich und zur anderen Spiegelhälfte entgegengesetzt ist.4. oscillating mirror assembly according to claim 1, characterized in that on the back of the mirror surface ( 4 ) an electrical coil ( 12 ) is integrated so that the direction of the current direction in the coil turns of each mirror half is the same and opposite to the other mirror half. 5. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1, gekennzeichnet da­ durch, daß die Polfläche (15), die der Spiegelfläche (4) gegenüber liegt, einen Winkel aufweist, der dem maximalen Schwenkwinkel des Schwenkspiegels entspricht.5. oscillating mirror assembly according to claim 1, characterized in that the pole face ( 15 ), which is opposite the mirror surface ( 4 ), has an angle which corresponds to the maximum pivoting angle of the pivoting mirror. 6. Schwingspiegelanordnung nach Anspruch 1-5, gekennzeichnet dadurch, daß das Ausgangsmaterial ein Halbleitermaterial ist.6. Vibration mirror arrangement according to claims 1-5, characterized in that the starting material is a semiconductor material.
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