[发明专利]光学扫描设备

说明书

技术领域

本发明涉及一种光学扫描设备。

背景技术

在数字复印机、激光打印机、条码读取器、扫描仪或投影仪中广泛地使用通过导致镜面振荡来扫描光线的光学扫描设备。随着微制造(microfabrication)技术的最新发展，例示前述设备并且将微机电系统(MEMS)技术应用其上的光学扫描设备已变成关注的焦点。

基于MEMS技术、其中可以在半导体过程中一体地形成镜面机制的光学扫描设备因此是有利的，因为可以将该设备小型化。然而，当镜面尺寸(芯片尺寸)增加时，出现成本问题。具体地，一个晶片是昂贵的，并且鉴于产出或从其实际产生的芯片的数量，难以以低成本制造1cm或更大的MEMS芯片。因此，光学扫描设备不太适于在需要足够大的镜面尺寸的高分辨率投影仪中使用。

另一方面，基于MEMS技术的光学扫描设备具有以下优点。在这样的光学扫描设备中，具有通过由弹性元件制造的梁支撑的两个端部的镜面通过诸如静电力或电磁力之类的驱动力沿该梁绕振荡轴振荡，并且因此执行光学扫描。因此，与其中由马达旋转多面镜或电流镜的类型的光学扫描设备不同，诸如马达之类的机械驱动机制不是必需的。结果，结构更简单并且装配性能更高，因此有助于降低成本。与前述光学扫描设备相比，镜面的振荡角度可以被设置为相对较大。这对于实现能够在大屏幕上显示图像的投影仪而言是重要的。

因此，希望可以通过将基于MEMS技术的光学扫描设备的前述优点应用于具有大尺寸镜面的光学设备来实现以大屏幕显示和高分辨率为特征的图像显示设备(如投影仪)。

在许多情况下，在基于MEMS技术的光学扫描设备中，为了增加镜面的振荡角度，使用由结构的谐振频率驱动的谐振镜面。该镜面的谐振频率fr由

fr＝(2π)^-1(k/I_m)^1/2    (1)

给出，其中k是用于支撑该镜面的扭转梁的扭转弹簧常数，并且I_m是镜面的惯性力矩。

当由T表示向镜面施加的驱动力时，镜面的振荡角度θ由

θ＝QT/k    (2)

给出，其中Q是系统的品质因数，并且在空气和真空中的典型值分别是大约100和1000。

在许多情况下，在谐振镜面中，需要将大约数个10kHz作为谐振频率fr的高速振动。因此，使用具有大的扭转弹簧常数k的扭转梁即硬扭转梁作为扭转梁(见等式(1))。在该情况下，扭转弹簧常数k抵消镜面的品质因数Q。结果，由等式(2)给出的镜面的振荡角度θ取决于驱动力T。因此，需要大的驱动力来增加镜面的振荡角度θ。

另一方面，在某种类型的光学扫描设备中，镜面被配置为被非谐振地驱动(即，被DC驱动)。在该非谐振镜面的情况下，镜面的振荡角度θ由

θ＝T/k    (3)

给出，其中T和k分别是施加到镜面的驱动力和扭转弹簧常数。

根据等式(3)，可以通过增加驱动力T或减小扭转弹簧常数k在一定程度上增加振荡角度θ。然而，当减小扭转弹簧常数k时，根据等式(1)，谐振频率fr减小。在这种情况下，由于谐振频率接近非谐振模式中的驱动频率(通常为60Hz)，所以谐振波形被叠加到该镜面的驱动波形上。为了防止这种情况，必须将谐振频率fr设置到大约1kHz或更高。因此，不能大幅减小扭转弹簧常数k。因此，在非谐振镜面中，如同在谐振镜面的情况下一样，为了增加镜面的振荡角度θ，必须大幅增加驱动力。

如上所述，不管是谐振型还是非谐振型，为了在光学扫描设备中实现镜面的大的振荡角度，重要的是确保大的驱动力。就这点而言，借助于永磁体和线圈来生成驱动力的磁力型驱动设备的使用是有利的。该磁力型驱动设备根据永磁体和线圈的布置主要被分成以下两种类型。

(1)可移动线圈(MC)型

例如，专利文献1和专利文献2中的每一个公开了一种MC型驱动线圈，其中将线圈安装到可移动部分上。围绕该可移动部分布置多个永磁体，并且当向线圈施加电流时由施加到线圈上的Lorentz力驱动可移动部分。

(2)可移动磁体(MM)型

在MM型驱动设备中，频繁地使用这样一种配置，在该配置中，至少一个永磁体被安装到盘状可移动部分的盘表面上。线圈被布置在可移动部分附近，并且当向线圈施加电流时由永磁体与线圈的磁相互作用驱动可移动部分。

在这种驱动设备中，已经提供了对于有效地生成驱动力的各种想法。